CN102386485B - 环-倒f型可重构的手机内置天线 - Google Patents
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Abstract
环-倒F型可重构的手机内置天线，属于天线设计领域，包括金属导体部分、PIN二极管和隔直电容；金属导体部分包括折叠环天线主体、调频金属片、馈电枝节和短路枝节；天线主体在PIN二极管和隔直电容位置上是断开的，通过PIN二极管和隔直电容连成一个整体；该天线具有环天线、倒F型天线两种工作状态，由PIN二极管控制；当开关导通时，该天线工作环天线模式，当开关断开时，该天线工作于倒F天线模式；本发明具有小型化、宽带、多频带和易于集成的优点，适用于以手机为代表的各种小型移动终端内置天线的设计。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术的天线设计领域，涉及一种环-倒F型可重构的手机内置天线。
背景技术
手机作为最重要的个人无线移动通信终端之一，在上世纪九十年代和本世纪初得到了飞速的发展，已经成为人们生活的一部分，具有非常重要的作用。随着移动通信技术的发展，手机业务也实现了从语音通信，到数据通信，再到网络、多媒体通信的飞跃。手机的职能已经不单局限于电话和短信业务，多种新兴高速数据业务也在手机上得到应用，在手机为代表的小型移动终端上集成多种服务是移动运营商所关注的热点。
天线是手机中必不可少的一部分，作为手机发送、接受电磁波的装置，天线的性能直接决定了手机服务的质量。工业界对手机天线的要求有如下两个方面。第一，从市场的需求来看，小型、轻薄的手机受到广泛的欢迎，小型化成为了当前手机发展的趋势。但是要实现天线良好的性能，需要足够大的空间作保证，天线的空间因素成为制约手机小型化的发展。第二，由于多种无线通信业务工作的频带范围不尽相同，需要在已有的手机天线上实现更多的频带来满足多种业务需求。多频带天线成为了移动终端天线设计的主流。总而言之，手机天线的发展要求是多频带和小型化。
当前重要的手机业务及其工作频段总结如下：全球移动通信系统(GSM850：824-894MHz，GSM900：880-960MHz)，全球定位系统(GPS：1575MHz)，数字蜂窝系统(DCS：1710-1880MHz)，个人通信系统(PCS：1850-1990MHz)，通用移动通信系统(UMTS：1920-2170MHz)及蓝牙(Bluetooth：2.4GHz)等。常规的手机天线通常集成GSM850和PCS、GSM900和DCS两组中的一组或者两组。随着第三代无线通信技术的发展，需要在原有的天线中再集成UMTS频带。此外，手机天线上集成其他更多的频带具有更大的难度。
频率可重构天线技术是解决以上问题的有效技术之一。频率可重构天线根据当前业务的需要，通过改变天线主体的物理结构，如尺寸、形状等，或者通过改变天线的匹配特性，如感性、容性加载等，实时地调整天线工作的频率，在不增加天线体积的前提下，提高原有天线工作的频带数目。这种通过在原有天线上动态增加工作的频带的方法，对于多频带、小型化的手机内置天线设计具有重要的意义，不但将满足手机业务的发展，也可以将这种天线设计方法应用于工作于各种频段要求的小型设备中，促进新业务在无线移动通信中的发展。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供环-倒F型可重构的手机内置天线，应对于手机天线多频带、小型化发展趋势，采用天线形状可重构的方法，通过改变天线主体的形状，使得天线工作于两种不同的模式，在不增加天线空间的前提下，实现了更多频带的覆盖，具有小型化、多频带、易集成的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
环-倒F型可重构的手机内置天线，含有金属导体部分、PIN二极管5和隔直电容6，所述金属导体部分包含天线主体1、馈电枝节2、短路枝节3和调频金属片4，其中：
天线主体1采用折叠环天线的形式，根据平面结构沿第一轨迹7、第二轨迹8和第三轨迹9进行向内90度角折叠，在所述PIN二极管5和所述隔直电容6的位置处断开，并通过所述PIN二极管5和所述隔直电容6连成一个整体；
馈电枝节2与所述天线主体1连接，与手机主板的馈电点连接，作为信号输入端；
短路枝节3与所述天线主体1连接，与手机主板的地连接；
调频金属片4与所述天线主体1连接，用于调节所述天线两种工作模式的频率；
PIN二极管5连接所述天线主体1，通过开关状态控制天线主体1的两种工作模式；
隔直电容6连接所述天线主体1，用于提供所述PIN二极管5两端的电势差；
其中所述PIN二极管5控制的两种工作模式是指：
当所述PIN二极管5导通时，所述天线主体1工作于环天线模式；
当所述PIN二极管5断开时，所述天线主体1工作于倒F型天线模式；
总计产生两种所述工作模式。
其中，所述天线主体1的平面结构为工字环形天线，调频金属片4连接于所述工字环形天线的第一横边1a外侧，第一横边1a通过PIN二极管5连接；馈电枝节2和短路枝节3连接于所述工字环形天线的第四横边1d外侧，第四横边1d通过隔直电容6连接，隔直电容6的位置位于馈电枝节2和短路枝节3之间，第一轨迹7是指第一横边1a的外侧边，第二轨迹8指第二横边1b的内侧边，第三轨迹9指第三横边1c的内侧边，折叠后，第一横边1a和第二横边1b所在平面，与第三横边1c和第四横边1d所在平面平行相对，且都与工字环形天线的竖边1e垂直，调频金属片4所在平面与竖边1e平行，调频金属片4与第四横边1d接触。
所述PIN二极管5的通断状态由一种开关控制用的数字集成电路芯片控制，例如PIC18LF2525。
本发明具有小型化、宽带、多频带和易于集成的优点，适用于以手机代表的各种小型移动终端内置天线设计。
附图说明
图1为本发明提供的手机内置天线平面图。
图2为图1中天线折叠后的三维图。
图3为图1中天线安装后的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。
图4为图1中天线安装后的实施实例侧视图，单位为毫米(mm)。
图5为图1中天线安装后实施实例的反射系数测量图：：环天线模式；----·：倒F天线模式。
图6为图1中天线安装后实施实例的效率测量图：
：环天线模式；----·：倒F天线模式。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，为本发明所述环-倒F型可重构的手机内置天线的平面图，含有金属导体部分、PIN二极管5和隔直电容6，金属导体部分包含天线主体1、馈电枝节2、短路枝节3和调频金属片4，天线主体1的平面结构为工字环形天线，调频金属片4连接于所述工字环形天线的第一横边1a外侧，第一横边1a通过PIN二极管5连接；馈电枝节2和短路枝节3连接于所述工字环形天线的第四横边1d外侧，第四横边1d通过隔直电容6连接，隔直电容6的位置位于馈电枝节2和短路枝节3之间。
如图2所示，为图1中天线主体1采用折叠环天线的形式，根据平面结构沿第一轨迹7、第二轨迹8和第三轨迹9进行90度角折叠，第一轨迹7是指第一横边1a的外侧边，第二轨迹8指第二横边1b的内侧边，第三轨迹9指第三横边1c的内侧边，折叠后，第一横边1a和第二横边1b所在平面，与第三横边1c和第四横边1d所在平面平行相对，且都与工字环形天线的竖边1e垂直，调频金属片4所在平面与竖边1e平行，调频金属片4与第四横边1d接触。
如图3和图4所示，为图1中天线安装后的实施例图，手机主板10采用1mm厚的介质基板，相对介电常数为4.4。所述手机主板10背面为金属铜，作为系统的地。所述天线系统位于所述手机主板10的正面，短路枝节3与所述金属铜通过通孔连接，馈电枝节2与PIN二极管5的偏置电路连接。PIN二极管5的偏置电路包括馈电点11、串联电容Cb、扼流电感Lb、偏置电阻Rb，交流短路电容Cs、偏置电压输入12。所述馈电点11按特征阻抗50欧姆设计，所述偏置电压输入12与所述数字集成电路芯片连接，例如PIC18LF2525，控制所述PIN二极管5的通断状态。交流信号路径为：所述馈电点11-＞所述串联电容Cb-＞所述天线系统。
本发明的技术方案是这样实现的：当PIN二极管5为导通状态，天线主体1工作于环天线模式，环天线模式包括三个谐振频率：基模、2次模和3次模。其中2次模和3次模频率约为基模频率的2倍和3倍，通过调节天线主体1的长度改变基模的频率，调频金属片4可以改变基模和3次模的频率，保持2次模频率不变，通过调节调频金属片4的尺寸，可以将2次模和3次模频率调在一起覆盖高频段，用基模的频率覆盖低频段。当PIN二极管5为断开状态，天线主体1被切断，工作于倒F天线模式，该模式包含两个频率：四分之一波长模式和半波长模式，谐振频率大小由PIN二极管5的位置决定。由四分之一波长模式覆盖低频段，由半波长模式覆盖高频段。综合两种模式的谐振频率，可以实现多个频带的覆盖。
该结构具体说明如下：
首先调节天线主体1的长度，使环天线模式低频段覆盖GSM850，高频段经过拓展后覆盖GPS、DCS、PCS和UMTS频段；其次调节PIN二极管5的位置，使倒F天线模式低频段覆盖GSM900，高频段覆盖蓝牙频段，具体实施尺寸由图3和图4所示；最后根据PIN二极管5导通需要的偏置电压设计偏置电路，适合本发明实施实例尺寸的偏置电路元件值为：Lb＝120纳亨，Cb＝120皮法，Cs＝470皮法，Rb＝46欧姆，隔直电容6为120皮法。
以图3、图4所示尺寸制作的天线的反射系数测试结果如图5所示，其中环天线模式-6dB带宽为790-870MHz和1490-2225MHz，覆盖GSM850、GPS、DCS、PCS和UMTS频段；倒F天线模式-6dB带宽为845-980MHz和2240-2565MHz，覆盖GSM900和蓝牙频段。以图3、图4所示尺寸制作的天线效率测试结果如图6所示，对于GSM频段效率高于64.7％，对于GPS、DCS、PCS和UMTS频段效率高于47.4％，对于蓝牙频段效率高于62.8％。天线系统可以在60×5×5mm3的空间内实现7个频段的覆盖。
Claims (6)
1.环-倒F型可重构的手机内置天线，其特征在于，含有金属导体部分、PIN二极管（5）和隔直电容（6），所述金属导体部分包含天线主体（1）、馈电枝节（2）、短路枝节（3）和调频金属片（4），其中：
天线主体（1）采用折叠环天线的形式，根据平面结构沿第一轨迹（7）、第二轨迹（8）和第三轨迹（9）进行向内90度角折叠，在所述PIN二极管（5）和所述隔直电容（6）的位置处断开，并通过所述PIN二极管（5）和所述隔直电容（6）连成一个整体；
馈电枝节（2）与所述天线主体（1）连接，与手机主板的馈电点连接，作为信号输入端；
短路枝节（3）与所述天线主体（1）连接，与手机主板的地连接；
调频金属片（4）与所述天线主体（1）连接，用于调节所述天线两种工作模式的频率；
PIN二极管（5）连接所述天线主体（1），通过开关状态控制天线主体（1）的两种工作模式；
隔直电容（6）连接所述天线主体（1），用于提供所述PIN二极管（5）两端的电势差；
其中所述PIN二极管（5）控制的两种工作模式是指：
当所述PIN二极管（5）导通时，所述天线主体（1）工作于环天线模式；
当所述PIN二极管（5）断开时，所述天线主体（1）工作于倒F型天线模式；
总计产生两种所述工作模式。
2.根据权利要求1所述的环-倒F型可重构的手机内置天线，其特征在于，所述天线主体（1）的平面结构为工字环形，调频金属片（4）连接于所述工字环形天线的第一横边（1a）外侧，第一横边（1a）通过PIN二极管（5）连接；馈电枝节（2）和短路枝节（3）连接于所述工字环形天线的第四横边（1d）外侧，第四横边（1d）通过隔直电容（6）连接，隔直电容（6）的位置位于馈电枝节（2）和短路枝节（3）之间。
3.根据权利要求2所述的环-倒F型可重构的手机内置天线，其特征在于，第一轨迹（7）是指第一横边（1a）的外侧边，第二轨迹（8）指第二横边（1b）的内侧边，第三轨迹（9）指第三横边（1c）的内侧边，折叠后，第一横边（1a）和第二横边（1b）所在平面，与第三横边（1c）和第四横边（1d）所在平面平行相对，且都与工字环形天线的竖边（1e）垂直，调频金属片（4）所在平面与竖边（1e）平行。
4.根据权利要求3所述的环-倒F型可重构的手机内置天线，其特征在于，调频金属片（4）与第四横边（1d）接触。
5.根据权利要求1所述的环-倒F型可重构的手机内置天线，其特征在于，所述PIN二极管（5）的通断状态由一种开关控制用的数字集成电路芯片控制。
6.根据权利要求5所述的环-倒F型可重构的手机内置天线，其特征在于，所述数字集成电路芯片为PIC18LF2525。
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