CN102569999B

CN102569999B - 天线

Info

Publication number: CN102569999B
Application number: CN201110306450.XA
Authority: CN
Inventors: 古贺洋平
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2011-10-11
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2031-10-11
Also published as: CN102569999A; EP2463955A1; US20120146864A1; EP2463955B1; JP5860211B2; JP2012129598A; US8665162B2

Abstract

天线。天线的辐射段包括第一连接部分和第二连接部分，并且采用具有板状的环状形式。开关单元例如根据从外部输入的信号来将所述第二连接部分耦接至所述第一连接部分。而且，该开关单元根据从外部输入的信号将所述第二连接部分耦接至例如形成在基板的背面上的地。

Description

天线

技术领域

本文讨论的实施方式涉及用于移动终端的天线。

背景技术

近年来，诸如蜂窝电话的移动终端在功能方面已经变得更复杂，并且例如需要适于宽带通信，以便能够处理多个无线通信系统的频带。而且，这些移动终端需要例如在尺寸方面缩减，以容易便携。

一些移动终端具有多个天线，以便适于宽带通信。例如，移动终端分别通过多个天线来覆盖通信频带，由此实现宽带通信。在这种情况下，该移动终端内用于安装这些天线的空间变得更大，这样增加了该移动终端的尺寸。

而且，天线在无线通信的频率与天线尺寸之间具有折衷(trade-off)关系。例如，为通过板式天线(plate antenna)覆盖低频频带，该天线在尺寸方面增加，这样增加了移动终端的尺寸。

常规地，已经提出了一种在尺寸方面缩减并且适于低频和较宽频带的天线装置以及一种配备有该天线装置的移动电子装置(参见例如日本特开专利公报No.2006-279530)。

如上所述，该天线具有为覆盖宽带通信其尺寸增加的问题。

发明内容

本发明致力于上述问题，并且本发明的目的是提供一种尺寸较小并且能够覆盖宽带通信的天线。

根据本发明的一个方面，提供了一种天线，该天线包括：辐射器(radiator)，该辐射器采用具有板状的环状形式，并包括第一连接部分和第二连接部分；以及开关，该开关被配置为将所述第二连接部分耦接至所述第一连接部分，或者将所述第二连接部分耦接至地。

附图说明

图1是根据第一实施方式的天线的示例的平面图；

图2是图1所例示的天线的示例的仰视图；

图3是图1所例示的天线的示例的截面图；

图4是板式天线的示例的平面图；

图5是图4所例示的板式天线的示例的仰视图；

图6是通过挖空(hollow)图4所例示的板式天线的中心部分所形成的板式天线的示例的平面图；

图7例示了板式天线和具有挖空的中心部分的板式天线的回波损耗(return loss)；

图8例示了流经板式天线的电流；

图9例示了流经具有挖空的中心部分的板式天线的电流；

图10是环形天线的示例的平面图；

图11例示了环形天线的回波损耗；

图12例示了天线的开关单元的示例；

图13例示了开关单元的连接；

图14例示了参照图12所述的天线的回波损耗；

图15例示了天线匹配；

图16是根据第二实施方式的天线的示例的立体图；

图17是图16所例示的天线的示例的仰视图；

图18例示了图16和图17所例示的天线的回波损耗；

图19是图16所例示的天线的平面图；

图20是图16所例示的馈线(feeding line)的放大图；

图21是图16所例示的天线的正视图；

图22是参照图1至图3所述的天线的平面图。

具体实施方式

下文将参照附图解释本发明的实施方式，其中，在全部附图中，相同的标号指代相同的元件。

[a]第一实施方式

图1是根据第一实施方式的天线的示例的平面图。图1例示了天线10。图1还例示了馈线20和基板30。天线10和馈线20形成在例如基板30上。

天线10包括辐射段(radiation section)11和开关单元12。辐射段11包括连接部分11a和11b，并且例如采用具有三角形形状的环状形式。该环状形式的多个边(例如，三角形的多个边)是板状的，并且各自具有一些宽度。连接部分11a和11b被设置在例如该环状形式的开口端部分上。注意到，辐射段11的形状不限于三角形形状，而可以是正方形形状或圆形形状。

开关单元12根据从外部输入的信号将连接部分11b耦接至连接部分11a。而且，开关单元12根据从外部输入的信号将连接部分11b耦接至例如形成在基板30的背面上的地。开关单元12被设置在例如连接部分11a与连接部分11b之间。

馈线20向辐射段11馈送要经由天线10通过无线传输来发送的信号。馈线20接收例如来自半导体器件(图1中未例示)的信号，并将所接收到的信号馈送至辐射段11。馈线20通过例如微带线(microstrip line)形成。

基板30是例如具有1mm厚度的PCB(印刷电路板)。例如，基板30具有4.3的介电常数和0.015的介电损耗因子(dielectric dissipation factor)。而且，形成在基板30上的天线10、馈线20和地由例如铜箔(copper foil)形成，并且该铜箔的厚度是例如35μm。基板30被并入诸如蜂窝电话的移动终端。

图2是图1所例示的天线的示例的仰视图。在图2中，用相同的标号指示与图1中的组成元件相同的组成元件，并且省略对这些相同的组成元件的描述。

如图2所例示，地40形成在基板30的、与形成有天线10的表面相对的表面上。地40例如平坦地形成在基板30上。

地40被形成为不与辐射段11交叠。例如，辐射段11形成在与图2所例示的表面的没有形成地40的一部分相对的表面上。

图3是图1所例示的天线的示例的截面图。图3例示了沿图1中的a-a截取的截面。在图3中，用相同的标号指示与图1和图2中的组成元件相同的组成元件，并且省略对这些相同的组成元件的描述。

如图3所例示，基板30具有形成在其中的通孔31。该通孔31耦接在开关单元12与地40之间。这样，通过切换开关单元12的连接来使得辐射段11的连接部分11b经由通孔31耦接至地40。

附带地，在诸如蜂窝电话的移动终端中，该移动终端所使用的频带随着包括通过电话呼叫的无线通信和通过LAN(局域网)的无线数据通信的通信的增加的多样性(diversity)而变得更宽。例如，蜂窝电话通常需要利用0.7GHz至6GHz的频带来执行通信。

现在，板式天线可以通过一个天线来覆盖宽带通信，如下所述。例如，该板式天线可以覆盖使用0.85GHz至6GHz的宽带宽的通信。而且，环形天线适于窄带宽，但可以在不增加其尺寸的情况下覆盖使用低带宽的通信，如下所述。例如，该环形天线可以覆盖使用0.7GHz至0.85GHz的带宽的通信。

图1至图3所例示的天线10在连接部分11b与连接部分11a通过开关单元12耦接时具有板式天线的特性。而且，当连接部分11b与地通过开关单元12连接时，天线10具有环形天线的特性。

也就是说，天线10可以通过切换开关单元12的连接来具有板式天线的特性和环形天线的特性。这使得天线10能够在不增加其尺寸的情况下覆盖宽带通信。例如，天线10可以在不增加其尺寸的情况下通过一个天线来覆盖使用0.7GHz至6GHz的带宽的通信。

下文将给出对板式天线和环形天线的特性的描述。首先，对板式天线的特性进行描述。

图4是板式天线的示例的平面图。图4例示了板式天线51、馈线52和基板53。板式天线51和馈线52被形成在例如基板53上。

馈线52向板式天线51馈送经由板式天线51通过无线传输所发送的信号。馈线52接收例如来自半导体器件(图4中未例示)的信号，并将所接收到的信号馈送至板式天线51。

图5是图4所例示的板式天线的示例的仰视图。在图5中，用相同的标号指示与图4中的组成元件相同的组成元件，并且省略对这些相同的组成元件的描述。

如图5所例示，地54形成在基板53的、与形成有天线51的表面相对的表面上。地54例如平坦地形成在基板53上。板式天线51形成在与图5所例示的表面的没有形成地54的一部分相对的表面上。

图6是通过挖空图4所例示的板式天线的中心部分所形成的板式天线的示例的平面图。在图6中，用相同的标号指示与图4中的组成元件相同的组成元件，并且省略对这些相同的组成元件的描述。

图6所例示的板式天线55是通过挖空图4所例示的板式天线51的中心部分所形成的天线。板式天线55具有开口55a，并具有与图1所例示的天线10的三角形形状相同的三角形形状。与图5所例示的地类似的地54形成在基板53的、与形成有板式天线55的表面相对的表面上。

图7例示了板式天线的回波损耗以及具有挖空的中心部分的板式天线的回波损耗。在图7中，水平轴表示频率，而垂直轴表示回波损耗(S11参数)。在所例示的示例中，假定该天线的回波损耗的目标值不高于-6dB。

图7所例示的波形W11表示图4所例示的板式天线51的回波损耗。波形W12表示图6所例示的具有挖空的中心部分的板式天线55的回波损耗。

如波形W11所表示，板式天线51可以满足0.85GHz至6GHz的宽带宽中的目标回波损耗。注意到，尽管在图7中回波损耗在一些频率处超出该目标回波损耗达大约1dB，但是可以通过根据阻抗匹配和天线形状优化板式天线51来将该回波损耗缩减为不高于-6dB的目标。

如波形W12所表示，即使板式天线55具有经挖空的中心部分，板式天线55具有与板式天线51的宽带特性相同的宽带特性。也就是说，具有与天线55类似的挖空的中心部分的板式天线51还可以满足0.85GHz至6GHz的宽带宽中的目标回波损耗。注意到，尽管在图7中回波损耗在一些频率处超出该目标回波损耗达大约2dB，但是可以通过如上所述优化板式天线55来将该回波损耗缩减为不高于-6dB的目标。

图8例示了流经板式天线的电流。在图8中，用相同的标号指示与图4中的组成元件相同的组成元件，并且省略对这些相同的组成元件的描述。图8所例示的箭头A11和A12表示流经板式天线51的信号电流。在板式天线51中，大部分信号电流流经如箭头A11和A12所指示的边缘部分。

图9例示了流经具有挖空的中心部分的板式天线的电流。在图9中，用相同的标号指示与图6中的组成元件相同的组成元件，并且省略对这些相同的组成元件的描述。箭头A21和A22表示流经板式天线55的信号功率。

如参照图8所述，大多数信号电流流经板式天线51的边缘部分。而且，如图9中的板式天线55所例示，即使中心部分被挖空，也流动与图8所例示的信号电流相同的信号电流。也就是说，具有挖空的中心部分的板式天线55可以具有与参照图7所述的板式天线51的宽带特性相同的宽带特性。

注意到，信号电流从板式天线51的边缘部分以一定程度的宽度流动。因此，如果板式天线55的经挖空的部分被增加以缩减各个边缘部分(三角形形状的各边)的宽度，则板式天线55在电流分布方面与板式天线51非常不同。为此，板式天线55被形成为具有挖空的中心部分，使得环状形式是板状的并具有一定宽度，以便在电流分布方面不会与板式天线51非常不同，由此具有与板式天线51的宽带特性相同的宽带特性。

接着，给出对环形天线的特性的描述。

图10是环形天线的示例的平面图。如图10所例示，环形天线61包括连接部分61a、电感器61b和图案61c。图10还例示了馈线62。环形天线61、馈线62和图案61c被形成在例如基板上。而且，地被形成在该基板的、与形成有环形天线61和馈线62的表面相对的表面上。

要通过无线传输来发送的信号经由馈线62馈送至环形天线61。环形天线61的连接部分61a经由电感器61b耦接至图案61c。图案61c例如经由通孔耦接至形成在该基板的另一表面上的地。

图11例示了环形天线的回波损耗。在图11中，水平轴表示频率，而垂直轴表示回波损耗。在所例示的示例中，假定天线的回波损耗的目标不高于-6dB。

图11所例示的波形W21和W22各自表示图10所例示的环形天线61的回波损耗。波形W21表示在电感器61b的电感值被设置成24nH的情况下的环形天线61的回波损耗。波形W22表示在电感器61b的电感值被设置成50nH的情况下的环形天线61的回波损耗。

如波形W21和W22所表示，在环形天线61中，可以满足0.7GHz至0.85GHz的带宽中的不高于-6dB的回波损耗。例如，通过切换电感器61b的电感值，环形天线61可以满足0.7GHz至0.85GHz的连续带宽中的不高于-6dB的回波损耗。

如上所述，图1至图3所例示的天线10在连接部分11b与连接部分11a耦接时具有中心部分被挖空的板式天线的特性。而且，天线10在连接部分11b与地耦接时具有环形天线的特性。这使得天线10能够通过环形天线覆盖板式天线所不能覆盖的低带宽中的通信，并因此在不增加天线10的尺寸的情况下覆盖宽带通信。

接着，给出对天线10的开关单元12的示例的描述。

图12例示了天线的开关单元的示例。在图12中，用相同的标号指示与图1的组成元件相同的组成元件，并且省略对这些相同组成元件的描述。

如图12所例示，开关单元12包括开关12a至12c。基板30具有安装在该基板30上的电感器71a和71b，并具有形成在该基板30上的图案72。开关12a被设置在连接部分11a与连接部分11b之间，以接通和切断连接部分11a与连接部分11b之间的连接。开关12b被设置在连接部分11b与电感器71a之间，以接通和切断连接部分11b与电感器71a的一端之间的连接。开关12c被设置在连接部分11b与电感器71b之间，以接通和切断连接部分11b与电感器71b的一端之间的连接。

电感器71a和71b的另一端耦接至图案72。电感器71a具有例如24nH的电感，而电感器71b具有例如50nH的电感。

图案72经由通孔耦接至形成在基板30的另一表面上的地40。因此，连接部分11b通过接通和切断开关12b和12c来经由电感器71a和71b中的一个电感器耦接至地40。

开关12a至12c各自根据从安装在基板30上的CPU(中央处理单元)(未例示)输出的信号来接通和切断。该CPU例如根据蜂窝电话要执行无线通信的通信模式来控制开关12a至12c的导通和断开。例如，CPU根据诸如通过电话呼叫的无线通信和经由LAN(局域网)的无线数据通信的通信模式来控制开关12a至12c。

开关单元12可以例如通过SP3T(单刀三掷)的MEMS(微机电系统)开关来形成。而且，开关单元12还可以例如通过PIN二极管(p-intrinsic-n二极管)来形成。

图13例示了开关单元的连接。图13所例示的端子81与图12所例示的连接部分11b相对应。端子82a与图12所例示的连接部分11a相对应。端子82b与耦接至图12所例示的电感器71a的开关12b的连接部分相对应。端子82c与耦接至图12所例示的电感器71b的开关12c的连接部分相对应。

信号源83与例如向馈线20馈送信号的装置相对应。电感器84a与图12所例示的电感器71a相对应，并且电感器84b与图12所例示的电感器71b相对应。地85与地40相对应。

箭头86表示开关12a至12c的导通/断开状态(连接状态)。在图13中，箭头86表示开关12a接通而开关12b和12c切断的状态。注意到，当开关12b接通而开关12a和12c切断时，箭头86的尖端(head)耦接至端子82b。而且，当开关12c接通而开关12a和12b切断时，箭头86的尖端耦接至端子82c。

开关12a至12c中的一个开关是导通的。因此，当开关12a接通时，开关12b和12c切断。而且，当开关12b接通时，开关12a和12c切断。当开关12c接通时，开关12a和12b切断。

也就是说，如箭头86所指示，当开关12a接通时，天线10用作具有挖空的中心部分的板式天线。而且，当开关12b接通时，天线10用作环形天线。而且，当开关12c接通时，天线10用作具有与接通开关12b时所示的频带特性不同的频带特性的环形天线。

图14例示了参照图12所述的天线的回波损耗。在图14中，水平轴表示频率，而垂直轴表示回波损耗。在所例示的示例中，假定天线的回波损耗的目标不高于-6dB。

图14所例示的波形W31表示当参照图12所述的多个开关中的开关12a接通而这些开关中的开关12b和12c切断时的天线10的回波损耗。参照图13，波形W31表示当端子81和端子82a耦接时的天线10的回波损耗。

在这种情况下，天线10具有板式天线的特性，并且可以满足0.85GHz至6GHz的带宽中的目标回波损耗，如图14中的箭头91所指示。尽管在图14中，回波损耗在波形W31的一些频率处超出该目标回波损耗达大约1dB，但是可以通过如上所述优化天线10来将该回波损耗缩减为不高于-6dB。

波形W32表示当参照图12所述的多个开关中的开关12b接通而这些开关中的开关12a和12c切断时的天线10的回波损耗。波形W32表示当图13中的端子81与端子82b耦接时的天线10的回波损耗。在这种情况下，天线10具有环形天线的特性，并且可以满足0.7GHz至0.75GHz的带宽中的目标回波损耗。

波形W33表示当参照图12所述的多个开关中的开关12c接通而这些开关中的开关12a和12b切断时的天线10的回波损耗。波形W33表示当图13中的端子81与端子82c耦接时的天线10的回波损耗。在这种情况下，天线10具有环形天线的特性，并且可以满足0.75GHz至0.85GHz的带宽中的目标回波损耗。

也就是说，通过接通开关12b和12c中的一个开关，如图14中的箭头92所指示，天线10可以满足0.7GHz至0.85GHz的带宽中的目标回波损耗。而且，如上所述，通过接通开关12a，天线10可以满足0.85GHz至6GHz的带宽中的目标回波损耗。也就是说，天线10可以在不增加中心部分未被挖空的板式天线的尺寸和环形天线的尺寸的情况下通过一个天线来覆盖0.7GHz至6GHz的带宽中的通信。

接着，给出对天线匹配的描述。

图15例示了天线匹配。在图15中，用相同的标号指示与图3中的组成元件相同的组成元件，并且省略对这些相同的组成元件的描述。

图15与图3的不同之处在于图案101耦接至开关单元12。该图案101沿远离辐射段11的方向延伸。图案101的一端耦接至开关单元12，而另一端部经由通孔102耦接至地40。

在输出信号的装置的阻抗与接收信号的馈线20中的一点的阻抗(下文称为天线10的阻抗)之间执行阻抗匹配。例如，使输出信号的装置的阻抗和天线10的阻抗等于50Ω。

天线10的阻抗可以根据辐射段11与地40之间的距离来调节。例如，可以通过改变图15所例示的距离L11来调节天线10的阻抗。

还可以根据馈线20的宽度和长度来调节天线10的阻抗。而且，天线10的阻抗可以根据辐射段11的环状形式和所挖空的部分的尺寸来调节。

如上所述，天线10包括辐射段11和开关单元12，该辐射段11采用具有板状的环状形式并且包括连接部分11a和11b，而该开关单元12将连接部分11b耦接至连接部分11a，或者将连接部分11b连接至地。这使得天线10能够通过切换开关单元12的连接而具有板式天线的特性和环形天线的特性，由此使得该天线10可以在不增加尺寸的情况下覆盖宽带宽中的通信。

注意到，尽管已经针对设置了两个电感器的情况给出了以上描述，但这不是限制性的。例如，电感器的数量可以是一个或两个以上。而且，当可以获得所期望的低频带时，不必设置电感器。

[b]第二实施方式

接着，将参照附图来给出第二实施方式的描述。在第二实施方式中，辐射段的一部分例如按照直角弯曲，以进一步缩减天线尺寸。

图16是根据第二实施方式的天线的示例的立体图。在图16中，用相同的标号指示与图1中的组成元件相同的组成元件，并且省略对这些相同的组成元件的描述。

在图16所例示的天线10中，辐射段11具有相对于板状平坦部分111以预定角度弯曲的弯曲部分112。该弯曲部分112在基板30的形成辐射段11的一端处、朝向基板30的形成有辐射段11的表面按照90度弯曲。

图17是图16所例示的天线的示例的仰视图。在图17中，用相同的标号指示与图2中的组成元件相同的组成元件，并且省略对这些相同的组成元件的描述。

如图17所例示，地40形成在基板30的、与具有天线10的表面相对的表面上。地40例如平坦地形成在基板30上。

地40被形成为不与辐射段11交叠。例如，图16所例示的辐射段被形成在与图17所例示的表面的没有形成地40的一部分相对的表面上。

图18例示了图16和图17所例示的天线的回波损耗。在图18中，水平轴表示频率，而垂直轴表示回波损耗。在所例示的示例中，假定该天线的回波损耗的目标不高于-6dB。

图18所例示的波形W41表示当通过开关单元12耦接图16所例示的连接部分11a与连接部分11b时的天线10的回波损耗。波形W42表示当经由具有30nH的电感值的电感器通过开关单元12将图16所例示的连接部分11b耦接至地40时的天线10的回波损耗。波形W43表示当经由具有56nH的电感值的电感器通过开关单元12将图16所例示的连接部分11b耦接至地40时的天线10的回波损耗。

也就是说，天线10可以通过耦接连接部分11b与连接部分11a来满足0.85GHz至6GHz的带宽中的目标回波损耗。而且，天线10可以通过在具有各自不同的电感值的电感器之间进行选择来将连接部分11b耦接至地40，以满足0.7GHz至0.85GHz的带宽中的目标回波损耗。也就是说，天线10可以通过弯曲辐射段11的一部分来覆盖宽度通信，并且还可以通过将辐射段11形成为三维结构来缩减尺寸。而且，可以通过缩减天线10的尺寸来增加基板30的安装面积。

下文将给出对天线10的尺寸的示例的描述。图16所例示的天线10的基板例如宽度为50mm而长度为120mm。而且，图17所例示的基板30的没有形成地40的部分例如宽度为50mm而长度为20mm。

图19是图16所例示的天线的平面图。在图19中，用相同的标号指示与图16中的组成元件相同的组成元件，并且省略对这些相同的组成元件的描述。图19所例示的值“a”至“c”分别是例如20mm、4.6mm和32.06mm。

图20是图16所例示的馈线的放大图。在图20中，用相同的标号指示与图16中的组成元件相同的组成元件，并且省略对这些相同的组成元件的描述。图20所例示的值“a”至“e”分别是例如9mm、4.4mm、1mm、1mm和1.8mm。注意到，值“a”至“e”可以应用于第一实施方式所述的天线10。

图21是图16所例示的天线的正视图。在图21中，用相同的标号指示与图16中的组成元件相同的组成元件，并且省略对这些相同的组成元件的描述。图21所例示的值“a”至“f”分别是例如3.2mm、5.4mm、50mm、4mm、9.6mm和5mm。

图22是参照图1至图3所述的天线的平面图。在图22中，用相同的标号指示与图1中的组成元件相同的组成元件，并且省略对这些相同的组成元件的描述。图22所例示的值“a”是例如32.4mm。

图22所例示的长度“a”与图19所例示的长度“a”相对应。因此，包括图16所例示的弯曲部分112的天线10与图1所例示的没有弯曲部分的天线10相比可以在长度方面缩减达大约40％。

如上所述，天线10可以通过在辐射段11中设置弯曲部分112来缩减尺寸。

根据所公开的天线，可以在不增加该天线的尺寸的情况下覆盖宽带通信。

本文中所述的所有示例和条件性用语旨在教示的目的，用于帮助读者理解本发明和发明人为推进相关技术而提出的构思，并且本文中所述的所有示例和条件性用语应当被解释为不限定于这样的特定叙述的示例和条件，并且本说明书中这样的示例的组织也不涉及到表示本发明的优势和劣势。尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应当理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对其做出各种改变、替换和修正。

Claims

1.一种天线，该天线包括：

辐射段，该辐射段采用具有板状的环状形式，并且包括第一连接部分和第二连接部分，所述第一连接部分被设置在所述辐射段的开口端部分中的一个开口端部分上，所述第二连接部分在所述辐射段的所述开口端部分中的另一个开口端部分上，所述第一连接部分和所述第二连接部分彼此面对；以及

开关，该开关被配置为将所述第二连接部分耦接至所述第一连接部分或者地。

2.根据权利要求1所述的天线，其中，所述第二连接部分经由电感器耦接至所述地。

3.根据权利要求2所述的天线，其中，所述电感器包括多个电感器，并且通过所述开关来选择所述多个电感器中的一个电感器。

4.根据权利要求1所述的天线，其中，所述辐射段具有弯曲部分，该弯曲部分相对于所述板状的平坦部分以预定角度弯曲。

5.根据权利要求1所述的天线，其中，根据向所述辐射段提供信号的馈线的宽度和长度、所述辐射段的所述环状形式或所述辐射段与所述地之间的距离来调节所述天线的阻抗。