CN102165641A

CN102165641A - 天线组合

Info

Publication number: CN102165641A
Application number: CN2009801377835A
Authority: CN
Inventors: Z·米洛萨夫尔杰维克; H·科瓦
Original assignee: Pulse Finland Oy
Current assignee: Pulse Finland Oy
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2011-08-24
Also published as: FI20085907L; WO2010034883A1; US20110241950A1; FI20085907A0

Abstract

一种尤其旨在用于小无线电设备的天线组合。它包含主天线以及第二天线以实现彼此靠近的频带中的同时工作，所述主天线的辐射器（320）是该设备的外盖的导电部件。第二天线是窄ILA，且其辐射器（330）放置在主天线的辐射器（320）和盖的剩余部分（COV）之间的槽（SLT）中。这些天线的匹配电路实现为使得它们同时用作增强天线的电隔离的滤波器。第二天线可以添加到具有盖辐射器的无线电设备，使得其辐射器不需要额外空间，且尽管天线的辐射器靠近，但是天线之间的电隔离良好。

Description

天线组合

技术领域

本发明涉及彼此电隔离的天线的组合。本发明尤其旨在用于在不同的无线电系统中工作的小尺寸移动终端。

背景技术

由于移动终端的功能的增加，通常的是各个设备至少在两个不同的无线电系统中工作。此外在这种情况下，一个天线往往足以用于无线电设备，该天线已被设计为使得其工作频带覆盖由所讨论的无线电系统使用的频率范围。如果设备必须同时在两个系统中工作，尤其当由这些系统使用的频率范围彼此相对靠近时，则可以使用两个不同的天线。这种情形例如出现在一个系统是GSM 1800（全球移动通信系统）而另一系统是GPS（全球定位系统）时。因为GSM 1800的发射频带是1710-1785 MHz而GPS的接收频率是1575 MHz，所以GPS的接收易于被GSM发射所干扰。如果除了其基本技术之外，GSM终端还包括例如蓝牙（Bluetooth）或WLAN（无线局域网）技术，且特别地如果在终端中偶尔同时发生相同系统的接收和发射，则也可能出现对应的问题。最后提到的情形例如在实现为支持需要同时发射和接收的GPRS（通用分组无线电系统）类别的电话中发生。

与通过使用共享天线相比，借助于分离的天线，由发射方引起的同时接收中的干扰可以自然做得更小。然而，干扰不完全消失，因为在天线之间存在特定电磁耦合。该问题原则上可以通过增加天线之间的距离（然而这例如在移动电话中几乎不可能）来减小。天线之间的电磁耦合还可以通过在它们之间布置接地条形导体来减小。这种解决方案的缺点在于其从制作角度来看的难度以及天线的定向特性中的劣化（degradation）。

在图1中存在一种从专利公布EP 1315238获知的对上述问题的解决方案。原理是干扰天线包括在由其他天线使用的频率处引起辐射特性中的显著劣化的结构部件。以这种方式，降低在其他天线所连接到的接收器中的干扰水平。天线结构包括彼此相邻靠近的两个天线。在这种情况中，天线的辐射/接收元件是电路板105的表面上的导电图案，且在它们下方存在在天线之间共享的地平面GND。第一天线是PIFA（平面倒F天线），其元件或辐射器120通过不导电槽SL分割成用于组成两个工作频带的不同长度的两个臂。第一天线可以称为主天线。在该示例中，第二天线是IFA，其元件130此处是曲折形的。第一天线既是发射又是接收天线，而第二天线至少是接收天线。第一天线的馈电（feed）导体125在第一馈电点F1连接到辐射器120且短路电路（short circuit）在第一短路点S1连接到辐射器120。第二天线的馈电导体在第二馈电点F2连接到元件130且短路导体在第二短路点S2连接到元件130。

第一天线包括所述短路电路而不是简单的短路导体。该电路由接合到辐射器120的第一导体片126、接合到地平面GND的第二导体片127以及导线128组成。第一和第二导电片彼此邻近，且其面对面的表面彼此靠近，使得在它们之间存在显著电容C。导线128开始于地平面GND且在一个回路（loop）之后结束于第一导电片的接合点旁边的辐射器120。导线128具有特定电感L。如此构建的并联谐振电路设计为使得其谐振频率等于第二天线的接收频带的中间频率。在第一天线的工作频带中，所述谐振电路的阻抗低，由此第一天线良好地辐射和接收。另一方面，在第二天线的工作频带中，谐振电路的阻抗高，在这种情况下第一天线的匹配差且它微弱地辐射。当然，频率处于第一天线的发射频带旁边的事实已经劣化了匹配，但它不仅仅意味着例如在GSM 1800和GPS的上述情况中在天线之间的充分隔离。

根据图1的解决方案的缺点在于它不适合于其导电外盖用作与第一天线中的元件120对应的辐射器的设备：当把天线放置到小尺寸设备中的可用空间中时，第二天线劣化主天线在其工作频带中的匹配。

在图2a和2b中存在由申请人研发的天线的示例，此类天线与另一天线一起形成根据本发明的天线组合。

在图2a中从后面且在图2b中从侧面作为简化的纵断面示出包括天线的无线电设备。天线包含地平面GND、辐射元件或辐射器220、其馈电元件211以及调节电路250。辐射器形成无线电设备的盖COV的后部分的一个头部，该头部是自然导电的。馈电元件211是薄且柔软的电介质基板SBS的内表面上的导电条，该基板的外表面抵靠辐射器的内表面。馈电元件通过图2b中看到的短路导体SC从靠近其一端的短路点SP连接到地平面。馈电元件从前端或者具有短路点的末端开始在横向上延伸邻近辐射器220的侧边缘，在那里转向纵向，然后回到辐射器的相对或第二侧边缘，尾端位于相对靠近前端。横向此处意味着头部的方向且纵向对应地意味着与横向垂直的盖COV的长度方向。

在该示例中，在基板SBS的内表面上还存在第二馈电元件212，其主要位于上述馈电元件211和辐射器的第二侧边缘之间。天线的馈电点FP位于第二馈电元件中。馈电点FP通过在图2b中可见的馈电导体FC连接到在其电路板PCB上的无线电设备的天线端口。

第二馈电元件212和馈电元件211的前端彼此靠近，使得在它们之间存在充分的电磁耦合以用于将发射能量传输到馈电元件的场且进一步到辐射器220的场。另一方面，第二馈电元件还为辐射器直接电磁地馈电。借助于分离的第二馈电元件，增强在较低和较高工作频带两者中同时实现好的匹配的机会。为此，上述电磁耦合通过在相对邻近短路点SP的馈电元件之间连接的电容器CM而被调谐为合适的。天线的较高工作频带是基于第二馈电元件212与馈电元件211的前端、辐射器和地平面一起的谐振。天线的较低工作频带是基于整个馈电布置与其他天线部件一起的谐振。

根据图2a、2b的天线是可调节的，使得其工作频带可以借助于多路开关来位移。开关属于电路板PCB上的调节电路250，该调节电路通过导体AC在调节点AP连接到馈电元件211。另外，调节电路包括i.a.电抗电路，每次把该电抗电路之一连接在馈电元件中的调节点AP和地GND之间。

发明内容

本发明的目的是以一种新的且有利的方式实现一种天线组合，其中天线彼此电隔离。根据本发明的天线组合的特征在于独立权利要求1中指定的特征。本发明的一些有利实施例在从属权利要求中给出。

本发明的基本思想如下：无线电设备包含主天线和第二天线以实现在彼此靠近的频带中的同时工作，该主天线的辐射器是设备的外盖的导电部件。第二天线是窄ILA（倒L天线），且其辐射器放置在主天线的辐射器和盖的剩余部分之间的槽中。天线的匹配电路实现为使得它们同时用作增强天线的电隔离的滤波器。

本发明的优点在于第二天线可以添加到具有盖辐射器的无线电设备中，使得其辐射器不需要额外空间。这是由于所述辐射器位于设备的盖部件之间。本发明的另一优点在于：尽管天线的辐射器靠近，但是天线之间的电隔离良好。这是由于第二天线的类型和辐射器形状以及这些天线的匹配电路的滤波特性。

附图说明

下面详细描述本发明。将参考附图，在附图中：

图1给出根据现有技术的天线组合的示例；

图2a、b给出天线的示例，其中辐射器是设备的外盖的导电部件；

图3作为设备图给出根据本发明的天线组合的示例；

图4作为框图给出属于根据本发明的天线组合的滤波器的示例；

图5给出根据本发明的第二天线的添加对主天线的匹配的影响的示例；以及

图6给出在根据本发明的天线组合中天线之间的隔离以及第二天线的匹配的示例。

具体实施方式

已经结合现有技术的描述描述了图1和2。

图3作为设备图示出根据本发明的天线组合的示例。此处从后面观看包括天线的无线电设备。天线组合包含主天线和第二天线。主天线在其基本结构方面类似于图2a、b中给出的天线。因而它包含主辐射器320（其是无线电设备的外盖的导电部件）、主辐射器的馈电元件311和312以及用于位移工作频带的调节电路（不可见）。馈电元件一起形成整个馈电元件310。如图2a所示，主天线的馈电点FP1位于较小的馈电元件312中，且短路（short-circuit）点SP和调节点AP位于较大的馈电元件311中。

第二天线具有ILA类型。根据本发明，其辐射器或第二辐射器330位于在外盖320的部件（其用作主天线的辐射器）和外盖的相邻部件COV之间的相对较窄槽SLT中。盖部件COV典型地位于设备的电池处。此外它可以是导电的，在这种情况下它连接到地。第二天线的馈电点FP2位于第二辐射器330的末端，约位于槽SLT的纵线的中部。第二辐射器在槽的方向上从馈电点FP2开始朝向设备的侧边缘，靠近侧边缘形成U形转弯，且继续朝向起始端返回一定距离。实际上，在设备的电路板上在第二辐射器下方存在地平面。然而，从上面来看，上述U形转弯被布置在地平面的边缘之外。在该示例中，第二辐射器的尾部位于靠近槽SLT在主辐射器320侧的边缘，且对应地从馈电点开始的第一部分位于靠近槽SLT在盖部件COV侧的边缘。因为槽很窄，所以第二辐射器的宽度w和第二辐射器与主辐射器之间的距离d很小。宽度w至多为3 mm且距离d至多为2 mm。

第二天线可以仅用作接收天线。然而，此外在这种情况下，为了一致性起见，其元件被称为‘辐射器’以及元件从其连接到接收器的点被称为‘馈电点’。

图4作为框图示出属于根据本发明的天线组合的滤波器的示例。在图中标记了位于主天线的馈电元件中的馈电点FP1、馈电元件的短路点SP、调节点AP以及位于第二天线的辐射器中的馈电点FP2。在为主天线馈电的发射器的天线端口PT1和主天线的馈电点FP1之间存在第一滤波器FL1，其属于主天线的匹配电路或者第一匹配电路。第一滤波器的目标是在第二天线的工作频带的频率处增强天线之间的隔离。第一滤波器FL1例如包括在馈电导体和地GND之间串联的电容器和线圈，这些组件与天线阻抗一起组成带阻滤波器，其阻带落入第二天线的工作频带中。在这种情况下，本身已经微弱的、在第二天线的工作频带中的、为主天线馈电的发射器的发射信号的频率成分不能传播远至辐射器且因而不能干扰第二天线中的信号。基于横向串联谐振滤波器的这种滤波器几乎不会引起主天线的发射频带中的额外衰减，且因而增加发射器的损耗。

在使用第二天线的发射器和/或接收器的天线端口PT2和第二馈电点FP2之间存在第二滤波器FL2，其属于第二天线的匹配电路或者第二匹配电路。第二滤波器的目标是至少在位于邻近第二天线的工作频带的主天线的工作频带中增强天线之间的隔离。第二滤波器在主天线的工作频带的频率处的阻抗被布置为很高，由此第二天线不劣化主天线的工作。这在第二滤波器例如是其通带覆盖第二天线的工作频带的带通滤波器时实现。实际上，第二滤波器FL2于是改善了主天线的匹配。在该示例中，第二匹配电路还包含连接在第二馈电点和地之间的线圈L41。

在图4中，还看到作为方框的连接到主天线的馈电元件中的调节点AP的调节电路450。在调节电路中，存在多路开关SW和电抗X_i，每次把电抗之一连接在调节点AP和地GND之间，其数目对应于开关状态的数目。开关状态通过控制信号CRL来设置。双频带主天线的调节电路例如可以设计为使得当开关状态从特定状态变为另一特定状态时，调节电路的阻抗在较低工作频带中从低变为高而在较高工作频带中从高变为低。这再次导致较低工作频带向下位移而较高工作频带向上位移，或反之亦然。调节电路还包括第三滤波器FL3，其目标是减小开关状态的变化对第二天线的谐振频率的影响。第三滤波器例如包括与开关串联的电容器和线圈的并联电路。这种并联谐振电路与电路中的其他阻抗一起组成带阻滤波器，其阻带布置在第二天线的工作频带处。

图5示出根据本发明的第二天线的添加对主天线的匹配的影响的示例。曲线51示出当调节电路的开关处于特定状态时天线（比如图2中的天线）的反射系数S11作为频率的函数的波动。天线被设计为使得其最低工作频带在这种情况下覆盖GSM 900系统的890-960 MHz的频率范围并且较高工作频带覆盖GSM 1800系统的1710-1880 MHz的频率范围，1710-1880 MHz的频率范围在图中由符号w1标记。另外，天线具有超过频率2 GHz的宽工作频带。曲线52示出天线组合（比如图3和4中的天线组合）的反射系数S11作为频率的函数的波动。添加到无线电设备的第二天线旨在用于GPS接收。位于属于主天线的匹配电路的滤波器FL1中的串联谐振电路中的线圈的电感是34 nH，且电容器的电容是0.3 pF。

属于第二天线的匹配电路的滤波器FL2在这种情况下是SAW类型（表面声波）的带通滤波器，GPS频率1575.42 MHz位于其通带中。根据图4的匹配线圈L41的电感是3.3 nH。主天线的调节电路中的开关处于与曲线51的情况下相同的状态。

从图5发现，添加GPS天线劣化了较高工作频带w1中的主天线的功能，但是仅仅稍微劣化。如果反射系数值-6dB用作频带的边界频率的标准，则工作频带的宽度从值185 MHz下降到值170 MHz。

从图5还看到，主天线在约1.5 GHz的频率处具有额外谐振，该谐振甚至在设备还包括第二天线时相当强。该谐振由调节电路中的开关引起，且它偶然位于邻近GPS频率。

添加第二天线还影响主天线的效率。在较高工作频带中，当添加GPS天线时，自由空间中的效率劣化略微小于1分贝，然而仍好于-3dB。在较低工作频带中，效率相反变得略微更好。

图6示出在根据本发明的天线组合中天线之间的隔离和第二天线的匹配的示例。该示例涉及与图5中的匹配曲线52相同的结构。曲线621示出作为频率的函数的主天线和第二天线的隔离。发射测试信号被馈电到主天线的天线端口PT1，且在第二天线的天线端口PT2中完成电平测量。从该曲线看到，隔离衰减至少是15 dB，且在GPS频率处自然处于其最小值。（当谈及衰减时，垂直尺度上的分贝读数为正）

曲线622示出第二天线的反射系数作为频率的函数的波动。在GPS频率1575.42 MHz处，反射系数约为-18dB，这是很令人满意的值。第二天线的带宽约为75 MHz或4.7%，这也是令人满意的值。

上面已描述了根据本发明的天线组合。其结构可以在细节上与给出的不同。例如，第二天线的辐射器的形状、哪个辐射器位于无线电设备的盖部件之间的槽中、辐射器在槽中的位置以及馈电点在辐射器中的位置可以改变。主辐射器的馈电元件也可以是整体的（unitary），且匹配电路中的滤波器的实现方式可以改变。可以在独立权利要求1限定的范围内以不同的方式应用本发明的思想。

Claims

1. 一种无线电设备的天线组合，包含地平面或地（GND）以及主天线和第二天线以实现彼此靠近的频带中的同时工作，该主天线包含作为无线电设备的外盖的导电部件的主辐射器（320）、仅具有与主辐射器的电磁耦合的馈电元件（310）、以及位于该无线电设备的第一天线端口（PT1）与该馈电元件（310）之间的第一匹配电路，且该第二天线包含第二辐射器（330）和位于该无线电设备的第二天线端口（PT2）和该第二辐射器之间的第二匹配电路，其特征在于：该第二天线是ILA，且该第二辐射器（330）位于该无线电设备的外盖的剩余部分（COV）和主辐射器（320）之间的槽（SLT）中，使得该第二辐射器的纵向是该主辐射器邻近该第二辐射器的边缘的方向，该主辐射器和该第二辐射器之间的距离至多为2 mm且该第二辐射器的宽度至多为3 mm，且该第一匹配电路包含第一滤波器（FL1），其阻带覆盖第二天线的工作频带，而该第二匹配电路包含第二滤波器（FL2），其阻抗在主天线的至少一个工作频带中很高以改善天线之间的电隔离。

2. 根据权利要求1所述的天线组合，其特征在于：该第二辐射器（330）在所述槽（SLT）的方向上从其馈电点（FP2）开始朝向该无线电设备的侧边，形成U形转弯，且继续朝向起始端返回一定距离。

3. 根据权利要求2所述的天线组合，其特征在于：在该外盖的法线方向上看，所述U形转弯位于地平面的边缘之外。

4. 根据权利要求1所述的天线组合，其特征在于：该第一滤波器（FL1）包含主天线的馈电导体和地（GND）之间的串联谐振电路，在这种情况下该第一滤波器具有带阻类型。

5. 根据权利要求1所述的天线组合，其特征在于：该第二滤波器（FL2）是带通滤波器，其通带覆盖该第二天线的工作频带。

6. 根据权利要求5所述的天线组合，其特征在于：该第二滤波器（FL2）具有SAW类型。

7. 根据权利要求1所述的天线组合，其特征在于：该第二匹配电路还包含连接在该第二天线的馈电点（FP2）和地（GND）之间的线圈（L41）。

8. 根据权利要求1所述的天线组合，其特征在于：该主天线还包含连接在其馈电元件（310）和地（GND）之间的调节电路（450），该调节电路包含多路开关（SW）和至少两个备选电抗（X_i）以位移主天线的至少一个工作频带。

9. 根据权利要求8所述的天线组合，其特征在于：该调节电路还包含第三滤波器（FL3）以减小开关（SW）状态的变化对第二天线的谐振频率的影响。

10. 根据权利要求9所述的天线组合，其特征在于：在该第三滤波器（FL3）中存在与开关（SW）串联的电容器和线圈的并联电路，所述并联电路与电路中的其他阻抗一起组成带阻滤波器，其阻带处于第二天线的工作频带。