CN102132454A - 天线结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型天线结构，该天线结构包括：接地平面；馈电元件；以及耦合到该馈电元件的辐射元件，该辐射元件与接地平面大体平行并且被馈电元件和短路元件从接地平面垂直地移开。该天线还包括通过切换元件耦接到接地平面的导电部分，该导电部分被构造以改变该接地平面的尺寸。

Description

天线结构
技术领域
本发明涉及天线，更具体地，涉及一种半平面倒F天线(PIFA：Planar Inverted F-Antenna)，该天线包括在例如GSM 850和GSM 900之间切换而不影响高频带频率的切换技术。
背景技术
诸如蜂窝和其他无线电话、无线网络(WiLAN)组件、GPS接收机、移动电台、寻呼机的无线通信设备使用多频带天线以在多个无线通信频带内发射和接收无线信号。因此，天线是无线设备的一个关键组件，这样的天线应当满足对高信号强度、弱信号的良好接收、带宽增加(或变窄，如果需要)和小型封装方面的高性能的要求。
平面倒F天线(PIFA)具有很多优点。它们容易制造，设计简单，并且制造成本低。现今，PIFA广泛应用在如蜂窝电话的小型通信设备中。这是由于平面倒F天线的紧凑结构使其容易集成到设备的为天线提供保护的外壳中。与例如常见的鞭状天线相比，PIFA在辐射照射方面还具有一个额外的优势。鞭状天线具有全向辐射场，而PIFA具有朝向用户的相对受限的辐射场。PIFA通常为λ/4谐振结构，并且通过利用导电壁、导电片或导电柱将辐射元件短接到接地平面而实现。因此，传统的PIFA结构由与接地平面平行设置且通过介电材料(通常为空气)与接地平面绝缘的导电辐射元件组成。辐射元件连接到通常朝向该元件的一端设置的两个引脚，使得其从侧面看起来像是倒放的字母F。第一个引脚将辐射体电连接至接地平面，并且第二个引脚提供天线馈电。PIFA的频率带宽、增益和谐振频率取决于导电辐射元件的高度、宽度和厚度以及连接到辐射元件和接地的第一引脚与连接到天线馈电的第二引脚之间的距离。
图2例示了传统的PIFA(200)设计。传统的PIFA(200)包括形成该天线的辐射元件(209)的导电片。辐射元件(209)与在基底(211)上形成的接地平面(210)大体平行地设置。辐射元件(209)与接地平面(210)之间的平行取向提供了最佳性能，但其他取向也是可能的。辐射元件(209)通过调谐或短路元件(212)电连接到接地平面(210)，调谐或短路元件(212)通常被设置在辐射元件(209)和馈电元件(213)的一侧。馈电元件(213)在某种程度上与接地平面(210)电绝缘。当电流通过馈电元件(213)馈入安装在接地平面(210)上方的辐射元件(209)时，辐射元件(209)和接地平面(210)受到激励并成为辐射装置。通过调节辐射元件(209)的尺寸和形状或通过移动馈电元件(213)相对于调谐元件(212)的位置，可以修改PIFA(200)的工作频率或谐振频率。谐振频率还可以通过改变调谐元件(212)的高度和宽度来微调。因此，在传统PIFA中，工作频率或谐振由馈电元件(213)、调谐元件(212)或辐射元件(209)各自的尺寸、形状或布置来固定。要改变PIFA(200)的带宽，就必须增加PIFA(200)的高度，这会导致天线总体尺寸的不合需要的增加。
当前，世界的不同区域使用不同的频率带宽。全球移动通信系统(GSM)网络在四个不同的频率范围中工作。大多数的GSM网络工作在900MHz或1800MHz频带中，但是在美洲一些国家(包括加拿大和美国)，由于900MHz和1800MHz频带已经被分配，因此使用850MHz和1900MHz频带。
然而，由于PIFA受到移动通信终端内部空间的限制，导致天线频率特性受限，因此一般的PIFA被设计成仅将所要求的频率带宽中的一个的频率最大化。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种PIFA装置和用于控制该PIFA装置的方法，其可以在不牺牲高信号强度、弱信号的良好接收和小型封装方面的性能的情况下满足移动通信终端中的多频率环境中的各种频率特性。
为了覆盖例如GSM 850和900(-6dB S11处的带宽)的多个发射频率，通过使用位于天线离地高度区域(ground clearance area)上的具有尺寸a×b的微带来改变从天线的角度看起来的接地平面长度，低频段的谐振可以在例如GSM 850和900的不同频率之间切换。该切换是在不影响高频带的情况下发生的。
该目的通过一种天线来实现，该天线包括：接地平面；馈电元件；以及耦接到所述馈电元件的辐射元件，该辐射元件与所述接地平面大体平行且被所述馈电元件和短路元件从所述接地平面垂直地移开。该天线还包括通过切换元件耦接到所述接地平面的导电部分，该导电部分被构造以改变所述接地平面的尺寸。优选地，所述导电部分为微带。根据一个实施方式，所述导电部分被设置在离地高度区域处。所述导电部分被构造以改变所述天线的谐振频率。在一个实施方式中，所述导电部分被构造以在被耦接到所述接地平面时将所述天线的谐振转移到较低的频率。
本发明还涉及一种包括天线的无线通信设备，所述天线包括：接地平面；馈电元件；以及耦接到所述馈电元件的辐射元件，该辐射元件与所述接地平面大体平行并且被所述馈电元件和短路元件从所述接地平面垂直地移开。所述天线还包括通过切换元件耦接到所述接地平面的导电部分，该导电部分被构造以改变所述接地平面的尺寸。
本发明还涉及一种用于控制无线通信设备中的天线的方法，所述天线包括：接地平面；馈电元件；以及耦接到所述馈电元件的辐射元件，该辐射元件与所述接地平面大体平行并且被所述馈电元件、短路元件以及通过切换元件耦接到所述接地平面的导电部分从所述接地平面垂直地移开，所述导电部分被构造以改变所述接地平面的尺寸。该方法包括以下步骤：通过所述切换元件将所述导电部分耦接到所述接地平面以改变所述接地平面的谐振并由此改变所述天线的工作频率。
附图说明
附图被包括在本说明书中并构成本说明书的一部分，附图示出了本发明的实施方式，且与说明书一起用于解释本发明。在附图中：
图1示出了根据本发明的无线通信设备的框图。
图2示出了传统的PIFA设计。
图3示出了根据本发明的PIFA。
图4示出了根据本发明的无线通信设备的框图。
图5示出了用于从用户或基站接收当前位置信息并基于该位置信息改变频带的操作流程图。
图6示出了根据本发明的天线与频率相关的反射系数。
图7示出了根据本发明的PCB和寄生元件的剖面部分。
具体实施方式
在下面说明中描述的天线设计是“平面型”天线。“平面型”天线具有总体上沿着一个平面展开的拉长的形状，即，天线可以具有三个维度，但其中一个维度在数量级上小于其他两个维度。
图1示出了示例性的无线通信设备(10)的框图。无线通信设备(10)包括外壳(11)、控制器(101)、存储器(102)、用户接口(103)、收发机(104)、按键输入单元(105)、显示单元(106)和多频带天线(100)。收发机(104)利用天线(100)将无线通信设备(10)与无线网络连接起来。应当理解的是，收发机(104)可以根据本领域技术人员已知的任何已知无线通信标准中的一个或更多个来发射或接收信号。控制器(101)响应于在存储器(102)中存储的程序和用户经由接口(103)提供的指令来控制无线通信设备(10)的操作。
根据本发明的PIFA设计允许在不牺牲天线尺寸或其它频带的操作的同时将天线调谐到期望的工作谐振频率或需要的谐振频率。
为了说明的目的，下面在低频无线通信频带和高频带方面描述天线(100)，其中，将会在例如低GSM频带内的850MHz和900MHz之间进行切换和在例如高GSM频带内的1800MHz和1900MHz之间进行切换。然而，应当理解的是，可以将天线(100)设计成覆盖附加的或另选的无线通信频带。
图3公开了根据本发明的PIFA。PIFA(300)包括形成在基底(311)上的接地平面(310)。在本实施方式中，接地平面(310)被示为直接嵌入在基底(311)(即，印刷电路板(PCB))中，基底(311)还可以承载该装置的其他电组件。这提供了可以相对靠近PCB安装天线从而节省无线设备的容积的优点。PIFA还包括辐射元件(309)，辐射元件(309)实际上分别由低频辐射元件和高频辐射元件构成。辐射元件(309)可以包括任何已知的结构或图案，并且其尺寸可变以使得带宽、工作频率、辐射图等最优化。辐射元件(309)通过调谐或短路元件(312)电连接至接地平面(310)。馈电元件(313)将来自电台或其他射频发射机、接收机或收发机(未示出)的信号源连接到辐射元件(309)。有利的是，馈电(313)在某种程度上与接地平面(310)电绝缘以防止从馈电(313)接地。
为了覆盖例如GSM 850和GSM 900(-6dB S11处的带宽)，通过利用被设置在天线离地高度上并通过切换元件连接到接地平面的、具有特定尺寸(a×b)的微带(316)来改变接地平面的尺寸(优选地，从天线角度来看的接地平面的长度)，低频带的谐振在这两个带宽之间切换。
根据本发明的微带天线可以是窄带、宽束天线，该微带天线是通过将天线元件图案刻蚀为接合到绝缘介电基底的金属迹线而制作成的，所述绝缘介电基底具有接合到该介电基底以形成接地平面的连续金属层。最常见的微带天线辐射体形状是正方形、矩形、圆形和椭圆形，但是任何连续的形状都是可能的。最常使用的微带天线是矩形贴片。矩形贴片天线大约是矩形微带传输线的波长长部分的一半。当天线基底为空气时，矩形微带天线的长度大约为自由空间波长的一半。由于天线安装有作为其基底的电介质上，因此天线的长度随着基底的相对介电常数的增大而减小。
由于微带(316)相对于馈电(313)和短路元件(312)的取向和位置，当天线的切换元件(307)将微带(316)连接到接地平面(310)时，在馈电元件(313)、短路元件(312)与微带(316)之间产生电磁相互作用。该电磁相互作用造成微带(316)将馈电元件(313)电容性地耦合至短路元件(312)。结果，该耦合使辐射元件(309)和接地平面(310)之间的馈点移动，因此改变了天线(300)总的电磁阻抗。微带(316)被设计为改善天线(300)在低频带的第一频带(例如，850MHz)内的阻抗，但是不影响天线在高频带内的阻抗。此后，当需要天线在第二频带(例如，900MHz)中工作时，通过将微带(316)与接地平面(310)断开，天线切换元件(307)选择性地去除微带(316)与接地平面(310)之间的电磁耦合，并且使能第二频带中的正常天线操作，并且此时不会影响高频带。
如果微带的尺寸(即，长度和宽度)不够，还可以使微带延伸到PCB的另一侧或适当的方向。这在图7中示出，316′和316″分别表示寄生元件(316)在PCB(311)的边缘和另一侧面上的延伸。寄生元件316′″还可以穿过过孔(via hole)延伸。还可以设置额外的开关以将若干个微带连接起来并改变微带的总的尺寸。
天线切换元件(307)通过选择性地控制微带(316)和接地平面(310)之间的连接来选择性地控制电磁耦合。该连接可以利用在需要天线在低频带内的两个频率之间切换时建立阻抗连接的任何装置来控制。天线切换元件(307)可以由控制器(301)控制。开关(307)的闭合产生了阻抗连接。切换元件可以是诸如MOS或CMOS晶体管等的机械或电气元件中的任一种。
图4是例示了根据本发明一个实施方式例的移动通信终端(40)的结构的框图。参考图4，移动通信终端(40)包括存储器(402)、按键输入单元(405)、显示单元(406)、收发机(404)、PIFA(400)、天线切换元件(407)和控制器(401)。控制器(401)根据针对电话呼叫、数据通信或无线因特网接入的协议来处理语音信号和数据，并且控制移动通信终端的各个组件。此外，控制器(401)接收来自按键输入单元(405)的按键输入，并且响应于按键输入而控制显示单元(406)产生和提供图像信息。控制器(401)从用户或基站接收当前位置信息。通过接收到的位置信息，控制器(401)从被包括在存储器(402)中的区域频率存储器(408)中识别出映射到当前位置的频带。控制器(401)确定是否需要频带变化。当需要频带变化时，控制器(401)控制天线切换元件(407)选择性地将微带(416)与接地平面(410)连接或断开。
图5是例示了用于从用户或基站接收当前位置信息并基于该位置信息改变频带的示例性操作的流程图。参考图4的结构，移动通信终端(40)的控制器(401)执行步骤(500)以确定用户是否已经输入了位置信息。如果用户已经输入了位置信息，则控制器执行步骤(503)。在步骤(503)中，控制器(401)从被包括在存储器(402)中的区域频率存储器(408)中载入关于与用户输入的位置信息相对应的区域频带的信息，并且确定是否需要频带变化。
如果没有位置信息，则控制器(401)执行步骤(501)以确定是否已启用漫游服务。如果未启用漫游服务，则控制器(401)确定不需要根据当前位置的频带变化。
但是，如果在步骤(501)中确定已启用了漫游服务，则控制器(401)执行步骤(502)以从启用漫游服务的小区的基站接收关于当前区域的位置信息。接着，控制器(401)执行步骤(504)以控制天线切换元件(407)并根据确定的频带来选择性地将微带(416)与接地平面(410)连接或断开。
图6中的曲线(1)和曲线(2)示出了当微带(416)未连接到接地平面(410)时天线与频率相关的反射系数。曲线(1)在900MHz谐振，而曲线(2)在1900MHz谐振。曲线(3)和曲线(4)示出了当微带(409)连接到接地平面(410)时天线与频率相关的反射系数。这里，曲线(3)示出了在850MHz的谐振，而曲线(4)示出了在1800MHz频率的谐振。在本例中使用的微带(416)的尺寸是4×7mm。如反射曲线(1)和(3)所示，使用微带(416)将微带(416)电容性地耦合到接地平面(410)，导致了低频带中从大约900MHz到大约850MHz的40MHz的频移(以箭头指出)。高频带中的曲线实质上未到受影响。
应当注意的是，词语“包括”并不排除除了所列举的元件或步骤之外的其他元件或步骤的存在，而置于元件之前的不定冠词不排除存在多个这样的元件。还应当注意的是，任何附图标记都不限制权利要求的范围，本发明可以至少部分地通过硬件和软件来实现，并且若干个“方法”、“单元”或“设备”可以由相同的硬件表示。
以上提及和描述的实施方式仅作为示例给出，而并不应当限制本发明。以下专利权利要求中所要求的本发明范围内的其他方案、用途、目的和作用对于本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (7)

1.一种天线(300、400)，该天线包括：接地平面(310)；馈电元件(313)；以及耦接到所述馈电元件(313)的辐射元件(309)，该辐射元件(309)与所述接地平面(310)大体平行并且被所述馈电元件和短路元件从所述接地平面(310)垂直地移开，其特征在于，所述天线还包括通过切换元件(307、407)耦接到所述接地平面(310)的导电部分(316、416)，所述导电部分被构造以改变所述接地平面的尺寸。
2.根据权利要求1所述的天线，其中，所述导电部分是微带。
3.根据权利要求1所述的天线，其中，所述导电部分被设置在离地高度区域处。
4.根据权利要求1所述的天线，其中，所述导电部分被构造以改变所述天线的谐振频率。
5.根据权利要求1所述的天线，其中，所述导电部分被构造以在所述导电部分耦接到所述接地平面时将所述天线的谐振转移到较低频率。
6.一种包括天线(300、400)的无线通信设备(400)，所述天线包括：接地平面(310)；馈电元件(313)；以及耦接到所述馈电元件(313)的辐射元件(309)，该辐射元件(309)与接地平面(310)大体平行并且被所述馈电元件和短路元件从所述接地平面(310)垂直地移开，
其特征在于，所述天线(300、400)还包括通过切换元件(307、407)耦接到所述接地平面的导电部分(316、416)，所述导电部分被构造以改变所述接地平面的尺寸。
7.一种控制无线通信设备中的天线的方法，所述天线包括：接地平面；馈电元件；以及耦接到所述馈电元件的辐射元件，该辐射元件与所述接地平面大体平行并且被所述馈电元件、短路元件以及通过切换元件耦接到所述接地平面的导电部分从所述接地平面垂直地移开，所述导电部分被构造以改变所述接地平面的尺寸，
该方法包括以下步骤：通过所述切换元件将所述导电部分耦接到所述接地平面以改变所述接地平面的谐振并由此改变所述天线的工作频率。
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