CN102473998A

CN102473998A - 天线装置和包括这种天线装置的便携式电子装置

Info

Publication number: CN102473998A
Application number: CN2009801602710A
Authority: CN
Inventors: 韩永健
Original assignee: Laird Technologies Inc
Current assignee: Laird Technologies AB; Laird Technologies Inc
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2012-05-23
Also published as: WO2011000438A1

Abstract

一种用于便携式电子装置的天线装置(18)，其优选地用于FM频率范围，所述天线装置(18)包括：辐射元件(16)，所述辐射元件(16)设置有第一天线连接点(23)；匹配元件(26)，所述匹配元件(26)连接在所述辐射元件(16)和地之间；以及放大级(24)，所述放大级(24)连接到所述第一天线连接点(23)，其中，所述放大级(24)的输出端可连接到无线电电路(22)。所述辐射元件是便携式无线电通信装置的所述外壳的至少一部分。

Description

天线装置和包括这种天线装置的便携式电子装置

技术领域

本发明总体上涉及天线装置，更具体地涉及一种用于在诸如移动电话这样的便携式电子装置中使用的天线装置，所述便携式电子装置适合于具有相对较低的频率的无线电信号，例如，FM频带中的无线电信号。

背景技术

在便携式无线电通信装置中使用内置天线已经有一段时间了，而且所述内置天线也与FM频带相关。在欧洲，将所述FM频带定义为88-108MHz之间的频率，或者，在美国，将所述FM频带定义为76-110MHz之间的频率。一种可在FM频带中操作的内置天线是所谓的有源天线，其中，便携式无线电通信装置内部的半环路辐射元件与高阻抗低噪声的放大器一起使用。例如，从WO 2009/061267知道这种天线装置。在这种有源天线中，将所述半环路元件替换为单极元件也是众所周知的。在EP1915775中描述了另一种有源天线装置，其中，外壳用作辐射元件。

然而，如果能够进一步地使用所述外壳，那么将会是有益的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于在便携式电子装置中使用的天线装置，所述天线装置占用空间小，并且能够将其与其它功能进行结合。

本发明基于以下认识：便携式电子装置的外壳能够用作有源天线的辐射元件，还可用于静电放电保护。

根据本发明，提供了一种用于接收至少一个工作频带中的无线电信号并且用于设置在配备有外壳的便携式电子装置中的天线装置。所述天线装置包括：辐射元件，所述辐射元件设置有第一天线连接点；匹配元件，所述匹配元件连接在所述辐射元件和地之间；至少一个静电放电保护单元，所述静电放电保护单元连接在所述辐射元件和地之间；以及放大级，所述放大级连接到所述第一天线连接点，其中，所述放大级的输出端可连接到无线电电路。所述便携式无线电通信装置的所述外壳的至少一部分用作所述辐射元件。

根据本发明，便携式电子装置包括：外壳；辐射元件，所述辐射元件设置有第一天线连接点；匹配元件，所述匹配元件连接在所述辐射元件和地之间；至少一个静电放电保护单元，所述静电放电保护单元连接在所述辐射元件和地之间；放大级，所述放大级的输入端连接到所述第一天线连接点；以及无线电电路，所述无线电电路连接到所述放大级的输出端。根据本发明，所述便携式电子装置的外壳的至少一部分用作所述辐射元件。

根据本发明的天线装置在例如FM无线电频带的具有相对低的频率的整个频带提供充分的操作性能。通过将外壳的一部分用作辐射元件，节省了便携式电子装置内的空间。不需要额外的空间用于所述辐射元件。由于使用了所述外壳的一部分，所以与将辐射元件设置在所述外壳内部相比，也增强了接收，这是因为所述外壳可能会轻微地阻碍辐射。所述天线装置进一步地同时针对两种功能来使用所述外壳：静电放电(ESD)保护和辐射元件。通过这种组合，节省了空间，同时还节约了成本。

在独立权利要求中限定了进一步地优选的实施方式。

附图说明

现在参考附图、以示例的方式描述本发明，其中：

图1示出了根据本发明的便携式电子装置的前视图；

图2示出了根据本发明的便携式电子装置的后视图；

图3示出了根据本发明的便携式电子装置的截面图；

图4示出了连接到无线电电路的根据本发明的第一实施方式的天线装置的示意图；

图5示出了根据本发明的第二实施方式的天线装置的示意图；

图6示出了根据本发明的第三实施方式的天线装置的示意图；

图7示出了根据本发明的第四实施方式的天线装置的示意图；

图8示出了根据本发明的第五实施方式的天线装置的示意图；以及

图9示出了示例性的静电放电保护单元的示意图。

具体实施方式

下面，将给出根据本发明的天线装置和便携式电子装置的优选实施方式的详细描述。在本说明书中，为了解释而非限制的目的，阐明了具体的细节，以完全地理解本发明。然而，本发明可在脱离这些具体细节的其它实施方式中使用，这对本领域技术人员来说是显而易见的。在其它例子中，为了避免用不必要的细节混淆本发明的描述，而省略了对公知的单元、实体和电路的详细描述。

图1示出了便携式电子装置10的外壳的前视图，便携式电子装置10例如是便携式无线电通信装置，诸如移动电话之类。然而，该便携式电子装置可以是另外一种类型的装置，例如，膝上型电脑、掌上电脑、诸如个人数字助理(PDA)的电子记事本、游戏控制台、诸如旅行闹钟的小型计时器、电视接收机、FM无线电接收机、或者诸如MP3或CD播放器的媒体播放器。作为例子，所述装置10配备有靠近该装置上端设置的显示器12和靠近该装置下端设置的键盘14。在此，通过所述装置10的外壳中的开口来提供所述显示器12和键盘14。然而，应当意识到的是，所述装置也可不配备有显示器和/或键盘。所述装置10还配备有至少一个天线。

图2示出了所述便携式电子装置10的外壳的后视图。在此，所述装置的外壳包括盖16，所述盖16是电池盖。由导电材料制成的所述电池盖16是辐射元件。从而，根据本发明，外壳的全部或者一部分，诸如所述电池盖，用作辐射元件。

图3示出了便携式电子装置10的侧视图，该侧视图是贯穿所述外壳的截面图。为了清楚地描述本发明，仅包括所述便携式电子装置的少量元件。因此，在此省略了该便携式电子装置中的多个单元，诸如图1中的显示器和键盘。此处的便携式电子装置10包括电路板20，在该电路板20上设置了放大级24和无线电电路22。此处的无线电电路22处于FM接收机电路的形式，例如，其可用于解调无线电信号。可为多层印刷电路板(PCB)的电路板20进一步包括接地平面(未示出)，该接地平面用于为包括本发明的天线装置的所述装置的各种元件提供地。在便携式电子装置10中，进一步具有放置电池18的电池室。在该电池的上方是电池盖16，所述电池盖16用作本发明的天线装置中的辐射元件。电池盖与便携式电子装置的外壳的其余部分平齐。因为盖可容易地由诸如金属之类的导电材料制成并可与外壳的其余部分绝缘，所以该盖适于用作辐射元件。在此，应当意识到的是，电池盖仅是可用于本发明的天线装置中的外壳的一部分的一个例子。

参考图4，其示出了连接到无线电电路22的根据本发明第一实施方式的天线装置30的一般配置。在此，以虚线框表示的天线装置30包括辐射元件16，即，电池盖，在该实施方式中，所述辐射元件16是电辐射元件，更具体的是单极元件。

单极元件16配备有第一天线连接点23，该第一天线连接点23使得匹配元件26连接在辐射元件和地之间。在该第一实施方式中，匹配元件是连接在第一天线连接点23和地之间的分流电感器26。分流电感器26可以物理连接在相对靠近第一天线连接点23处。在该第一实施方式中，还具有连接在辐射元件16和地之间的第一静电放电保护单元28，具体的，该第一静电放电保护单元28的一端连接到第一天线连接点23，另一端接地。此外，天线装置30中还具有放大级24，该放大级24的输入端也连接到天线连接点23，输出端连接到FM接收机电路22，该FM接收机电路22可以是Philips Semiconductors生产并以名称HVQFN40出售的传统电路。放大级24对单极元件16接收到的信号进行放大并将其提供到FM接收机电路22。

具有输入阻抗Z_in的放大级24可以包括场效应晶体管(FET)，该场效应晶体管的栅极连接到分流电感器26，源极直接接地，漏极可连接到FM接收机电路22的输入端(未示出)。还可具有连接在晶体管的漏极和馈电电压Vdd之间的负载电阻器。在此，放大级24可为GaAs放大级，这意味着，FET晶体管在此将为GaAs FET晶体管，该GaAs FET晶体管可为GaAs pHEMT晶体管。

在此，将单极元件16和电感器26与放大级24一起进行设计。这意味着当它们连接到各种元件时，它们中的任何一个都不适应通常使用的50Ω阻抗。其原因是，很难将小辐射元件的阻抗适应到这种类型的阻抗。因此，将放大级24设计为具有高的输入阻抗Z_in，所述高输入阻抗Z_in通常比50Ω高10倍或者更多。

因此，此处的单极元件16和电感器26适应于匹配放大级24的输入阻抗Z_in。因此，这些可以被选择为，可能与设置在放大级24的输入端和地之间的寄生电容一起，提供天线连接点23处的与放大级26的输入阻抗Z_in相匹配的阻抗。由于电线、连接点和放大级24中的晶体管的栅极-源极连接的非理想特性，所以这种寄生电容通常会出现。

根据描述的实施方式的天线装置接收在至少一个工作频带中的无线电信号，在此，所述工作频带为FM无线电频带。匹配元件26进一步地匹配辐射元件16，以使其工作于FM频带中，放大级对FM频带中的信号进行放大，以在无线电通信单元22中对其进行更好的处理。在工作于FM频带中的情况下，欧洲的通频带是在88-108MHz之间，或者美国的通频带是在76-110MHz之间。关于该接收，匹配元件26从而可匹配辐射元件16，以使其工作于该频带中。在此，包括单极元件、电感器和放大级的天线装置是所谓的有源天线。

特别是与磁偶极子天线相比，通过使用匹配放大级的单极元件，获得对磁干扰具有良好隔离的天线，其中，通过使用电感器，使所述单极元件与放大级匹配。如果便携式电子装置是蜂窝电话，其中存在多个不同的天线，例如，GSM天线、蓝牙天线和GPS天线，则这是很重要的。这样，可将放大器的噪声系数最小化。

此处的第一静电放电保护单元28与电池盖16一起保护便携式电子装置的电子组件，包括天线装置30的放大级24。这意味着，在该第一实施方式中，至少外壳的一部分，此处为电池盖16，用作FM天线，同时为整个便携式电子装置10提供ESD保护。因为第一静电放电保护单元28连接到第一天线连接点23，所以对放大级24也提供了ESD保护。因此，此处的金属电池盖16用于ESD保护而且用作天线装置的辐射元件。通过将外壳的一部分用作辐射元件，节省了便携式电子装置内的空间。因此，不需要额外的空间用于辐射元件。由于使用了外壳的一部分，所以与将辐射元件设置在外壳内部相比，也增强了接收，这是因为外壳可能会轻微地阻碍辐射。通过合并功能，即，电池盖既用于ESD保护，还用作辐射元件，进一步地节省了成本。

优选的是，分流电感器26和放大级24可以相对地靠近单极元件16设置，以最小化寄生效应和来自外部源的干扰。

为了使天线装置工作，在工作频带中，放大级的晶体管可以优选地具有低于1dB的最小噪声因数和高于15dB的增益。同样的，为了使任意的天线结构都能获得可能的最高信号接收质量，晶体管可具有小于10Ω的噪声电阻Rn。晶体管的另一个特征可以是输入电容低，优选地低于3pF，以获得高的输入阻抗。

此外，在本发明的变形中，放大级也可为所谓的共射共基放大级。该共射共基放大级包括第一场效应晶体管，该第一场效应晶体管的栅极连接到单极元件和分流电感器，源极直接接地并且漏极连接到第二场效应晶体管的源极。该第二晶体管的栅极通过电容器接地。该第二晶体管的漏极随后可连接到FM接收机电路的输入端。在此，在该第二晶体管的漏极和馈电电压之间还连接有负载电阻器。

能够进一步通过开关将FM发射机电路连接到单极元件。如果该发射机电路的输入阻抗比位于该FM接收机电路之前的放大器的输入阻抗Z_in低的多，例如，十分之一，就必须要用到该开关。然而，如果该发射机电路的输入阻抗与该放大器的输入阻抗Z_in处于同一数量级，就可省略该开关。

通过设置连接到单极元件的发射机电路，该单极元件能够被共享以用于发送和接收。优选的是，应该大致在第一天线连接点，将该发射机电路连接到单极元件。

在此，应当意识到，能够对本发明作出多个进一步的变形。

例如，辐射元件可以大致是磁辐射元件，如磁半环路元件，其中，第一天线连接点设置在盖的一端，并且第二天线连接点设置在盖的另一侧。这样，辐射元件将会本质上是半环路辐射元件。磁辐射元件具有一些颇为重要的特征。例如，它比相应的电辐射元件短，这对工作于相当低的频率(例如，在FM范围中)的小型便携式装置来说很重要。

图5示出了使用了该半环路元件的根据第二实施方式的天线装置30的示意图。如同第一实施方式一样，在此具有辐射元件16以及第一静电放电保护单元28和放大级24，其中第一静电放电保护单元28和放大级24通过第一天线连接点23连接到辐射元件16的一端。然而，辐射元件16的另一端配备有第二天线连接点32。第二静电放电保护单元34的第一端连接到该第二天线连接点32，第二端通过匹配元件36接地，在此，匹配元件也是电感匹配元件。

在此，匹配元件也匹配辐射元件16，以使其能够在FM频带中工作。在此，第一静电放电保护单元28实质上保护放大级24，而第二静电放电保护单元34保护便携式电子装置的其余部分。

图6示出了根据本发明第三实施方式的天线装置30的示意图，所述天线装置30也基于半环路辐射元件。如同第二实施方式一样，在此具有辐射元件16、第一天线连接点23和第二天线连接点32、第一静电放电保护单元28和放大级24。然而，此处的第二天线连接点32直接接地，并且将匹配元件38作为电容器设置连接在地和辐射元件16的第一天线连接点23之间。该实施方式组合了以下二者，即，来自第一实施方式的使用单个静电放电保护单元来保护放大级和便携式电子装置的剩余部分两者，和用于半环路辐射元件的可选的匹配结构。

图7示出了根据本发明第四实施方式的天线装置30的示意图，所述天线装置30也基于半环路辐射元件。如同第三实施方式一样，在此具有辐射元件16、第一天线连接点23和第二天线连接点32、匹配单元38、第一静电放电保护单元28和放大级24。然而，此处的第二天线连接点32通过第二静电放电保护单元34接地。该实施方式组合了第三实施方式的匹配结构和第二实施方式的静电放电保护结构。

图8示出了根据本发明第五实施方式的天线装置30的示意图，所述天线装置30也基于半环路辐射元件。如同第二实施方式一样，在此具有辐射元件16、第一天线连接点23和第二天线连接点32、第一静电放电保护单元28和放大级24。然而，此处的第二天线连接点32仅通过匹配单元36接地。没有第二静电放电保护单元。该实施方式组合了第二实施方式的匹配结构和第三实施方式的静电放电保护结构。

通过以上所描述的实施方式可知，第二静电放电保护单元的使用是可选的。

可以通过多种方式来提供静电放电保护单元，例如，通过只使用连接在电池盖和地之间的电感器来提供。图9示出了一个示例性实现方式。在此，通过一对并联的二极管来实现静电放电保护单元28，第一二极管D1朝向辐射元件，第二二极管D2朝向地。这意味着第二二极管D2的阳极连接到辐射元件，并且阴极接地。因此，第一二极管D1的阳极接地，并且其阴极连接到辐射元件。

如以上所描述的天线装置包括辐射元件、匹配元件、静电放电保护单元和放大级。所述天线装置可能不包括静电放电保护单元，在这种情况下，所述天线装置将仅包括辐射元件、放大级和匹配元件。

已经描述了根据本发明的天线装置的优选实施方式。然而，本领域技术人员意识到在不脱离发明的思想的情况下，能够在附加的权利要求的范围内改变这些优选实施方式。

例如，应当意识到的是，还能够将根据第二、第三和第四实施方式的天线装置与在第一实施方式中所描述的放大级变形和/或发射机电路进行合并。

应当意识到的是，能够在由附加的权利要求定义的范围内改变根据本发明的天线装置的形状和大小。外壳中比电池盖或大或小的部分可以用作天线。因此，可根据外壳中由导电材料制造的部分的多少而改变精确的天线结构。

已经将以上所描述的根据本发明的天线装置的实施方式描述为适于接收FM频带中的无线电信号的天线装置。然而，其它的应用也是可能的，比如，用于接收大约400-800MHz频率范围的数字视频广播(DVB)信号。

已经将FET描述为优选的晶体管类型。将意识到的是，也可使用其它类型的晶体管，比如，异质结双极型晶体管(HBT)。

Claims

1.一种用于接收至少一个工作频带中的无线电信号并且用于设置在配备有外壳的便携式电子装置(10)中的天线装置(30)，所述天线装置(30)包括：

-辐射元件(16)，所述辐射元件(16)设置有第一天线连接点(23)；

-匹配元件(26；36；38)，所述匹配元件(26；36；38)连接在所述辐射元件(16)和地之间；

-至少一个静电放电保护单元(28；28，34)，所述静电放电保护单元(28；28，34)连接在所述辐射元件和地之间；以及

-放大级(24)，所述放大级(24)连接到所述第一天线连接点(23)，其中，所述放大级(24)的输出端能连接到无线电电路(22)；

-其中，所述辐射元件是所述便携式无线电通信装置的所述外壳的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的天线装置，其中，所述匹配元件(26；38)的电气属性与所述辐射元件的电气属性被一起选择，以匹配所述放大级(24)的输入阻抗(Zin)。

3.根据前述权利要求中的任意一项所述的天线装置(30)，其中，所述辐射元件(20)与所述放大级(24)被一起设计。

4.根据前述权利要求中的任意一项所述的天线装置(30)，其中，所述辐射元件是单极元件。

5.根据权利要求4所述的天线装置(30)，其中，所述匹配元件(26)是电感型的并且连接到所述第一天线连接点。

6.根据权利要求1-3中的任意一项所述的天线装置(30)，该天线装置(30)进一步包括第二天线连接点(32)，所述第二天线连接点(32)相对于所述第一天线连接点位于所述辐射元件的相对端，所述辐射元件通过所述第二天线连接点(32)接地。

7.根据权利要求6所述的天线装置(30)，其中，所述匹配元件(36)是电感型的并且连接到所述第二天线连接点。

8.根据权利要求6所述的天线装置(30)，其中，所述匹配元件(38)是电容型的并且连接到所述第一天线连接点。

9.根据权利要求6-8中的任意一项所述的天线装置(30)，其中，一个静电放电保护单元(34)连接到所述第二天线连接点。

10.根据前述权利要求中的任意一项所述的天线装置(30)，其中，一个静电放电保护单元(28)连接到所述第一天线连接点。

11.根据前述权利要求中的任意一项所述的天线装置(30)，其中，所述工作频带是FM频带。

12.根据前述权利要求中的任意一项所述的天线装置(30)，其中，所述放大级(26)具有比50Ω高10倍或者更多的输入阻抗(Zin)。

13.根据前述权利要求中的任意一项所述的天线装置(30)，其中，所述放大级(26)包括一个或者多个GaAS FET晶体管。

14.根据权利要求13所述的天线装置(30)，其中，所述GaAS FET晶体管包括一个或者多个GaAS pHEMT晶体管。

15.一种便携式电子装置(10)，所述便携式电子装置(10)包括：

-外壳；

-辐射元件(16)，所述辐射元件(16)设置有第一天线连接点(23)；

-至少一个静电放电保护单元(28；28，34)，所述静电放电保护单元(28；28，34)连接在所述辐射元件和地之间；

-放大级(24)，所述放大级(24)的输入端连接到所述第一天线连接点；以及

-无线电电路(22)，所述无线电电路(22)连接到所述放大级的输出端，

-其中，所述辐射元件是所述便携式电子装置的外壳的至少一部分。

16.根据权利要求15所述的便携式电子装置(10)，其中，所述匹配元件(26；38)的电气属性与所述辐射元件的电气属性被一起选择，以匹配所述放大级(24)的输入阻抗(Zin)。

17.根据权利要求15或16所述的便携式电子装置(10)，其中，所述工作频带是FM频带。