CN1258832C - 具有缝隙天线的无线通信装置 - Google Patents

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Abstract

无线通信装置，诸如移动电话或兰牙装置，包括结合有缝隙(304)的接地导体(302)，以及用于把收发机耦合到缝隙的装置(308)，由此使得接地导体能够用作天线。这样的装置使得能够从比起已知的天线装置小得多的体积中得出有效的辐射性能。在一个实施例中，接地导体(302)，缝隙(304)，和收发机被集成在一个模块(206)中，该模块适合于连接到提供大部分天线面积的另一个接地导体。另一个接地导体通常是印刷电路板接地板或移动电话手机。匹配和宽带电路可以方便地结合到所述模块中。通过改变模块与另一个导体之间的连接的面积，缝隙(304)的谐振频率可被修正。

Description

具有缝隙天线的无线通信装置
技术领域
本发明涉及包括接地导体和收发机的无线通信装置，进一步涉及包括这样的装置的无线通信设备。
背景技术
无线终端，诸如移动电话手机，通常或者包括外部天线，诸如正常模式的螺旋或曲折线天线；或者包括内部天线，诸如平面倒F天线(PIFA)等等。
这样的天线是小的(相对于波长)，所以由于小的天线的基本限制，它是窄带的。然而，蜂窝无线通信系统通常具有10％或更多部分的带宽。例如通过PIFA达到这样的带宽，需要相当大的体积，因为贴片天线的带宽与它的体积之间有直接的关系，但随着当前向小手机的趋势发展，获得这样的体积是不容易的。所以，因为上述的限制，不容易由今天的无线终端中的小天线达到有效的宽带辐射。
用于无线终端的已知的天线布置的另一个问题是，这些天线布置通常是非平衡的，所以，很强地耦合到终端外壳。结果，相当大量的辐射是从终端本身发出的，而不是从天线发出的。在我们的共同待决的国际专利申请WO 02/13306(本申请人的参考号PHGB010056)中揭示了其中天线馈电点被直接耦合到终端外壳的无线终端，因而利用这个解决方案。当通过适当的匹配网络馈电时，终端外壳或另一个接地导体，用作为有效的、宽带辐射器。
发明内容
本发明的目的是提供用于无线终端的紧凑的天线布置。
按照本发明的第一方面，提供了无线通信装置，其包括结合有缝隙的接地导体，以及用于把收发机耦合到缝隙的装置，由此使得接地导体能够用作为天线，其特征在于，接地导体、收发机和缝隙被结合在一个模块中，该模块适用于与另一个接地导体的连接，并且提供了用来改变接地导体与另一个接地导体之间的连接面积的装置，从而改变装置的工作频率。
缝隙使得收发机能够有效地耦合到接地导体，而无线终端(诸如移动电话手机)中通常的接地导体的尺寸提供宽的辐射带宽。在按照本发明制做的装置中，其上必须保持没有元件以避免干扰天线或受天线干扰的面积大大地小于采用已知的天线布置时的面积。
在用于安装在另一个接地导体(诸如印刷电路板接地面)上的模块中可以包括接地导体和相关的缝隙。这个安排具有这样的优点，在模块内馈电可被精确地控制，而另一个接地导体提供更大的辐射面积。这样的模块也可被做成比起已知的天线解决方案小得多，以及在同一个体积内附加地包括收发机电路。所述印刷电路板具有用于接收该模块的切割部分，并且在无线缝隙下面的印刷电路板的切割部分的区域是没有金属。
在模块内也可引入匹配电路。按照本发明制做的装置特别适用于通过宽带匹配电路驱动。也可以包括双频段和多频段匹配电路。
通过把PIFA加到按照本发明制做的装置，可以从非常小的体积得到极化分集。
按照本发明的第二方面，提供了包括按照本发明的第一方面制做的装置的无线通信设备。
本发明是基于在现有技术中不存在的认识，即天线和无线手机的阻抗类似于非对称偶极天线的阻抗，它们是可分开的，且基于另一个认识，即天线阻抗可以用非辐射的耦合元件来替代。
附图说明
现在参照附图通过举例方式来描述本发明的实施例，其中：
图1显示非对称偶极天线的模型，代表天线和无线终端的组合；
图2是被安装在接地导体上的射频(RF)模块的平面图；
图3是包括开槽的地平面的RF模块的平面图；
图4是对于与图2和3所示的相似结构的测得效率E对频率f(以MHz计)的图；
图5是包括由微带线馈电的开槽的PCB地平面的测试件的平面图；
图6是对于图5所示的测试件(未进行匹配)的测得反射损耗S11(以dB计)对频率f(以MHz计)的图；
图7是Smith(斯密思)圆图，示出图5所示的测试件(未进行匹配)在800到3000MHz的频率范围内的测得阻抗；
图8是对于图5所示的测试件(通过串联LC匹配电路馈电的)的测得反射损耗S11(以dB计)对频率f(以MHz计)的图；
图9是Smith(斯密思)圆图，示出图5所示的测试件(通过串联LC匹配电路馈电的)在800到3000MHz的频率范围内的测得阻抗；
图10是对于图5所示的测试件的测得效率E对频率f(以MHz计)的图；
图11是RF模块的实际实施例的平面图；
图12是对于图11示的RF模块的测得效率E对频率f(以MHz计)的图；以及
图13是对于图11所示的RF模块的测得反射损耗S11(以dB计)对频率f(以MHz计)的图。
在附图上，采用相同的标号来表示相应的特性。
具体实施方式
我们的共同待决的国际专利申请WO 02/13306(本申请人的参考号PHGB0100056)披露了一种天线布置，其中无线终端的外壳或形成终端的一部分的另一个接地导体，通过适当的匹配网络被馈电，并用作为有效的宽带辐射器。这里将该申请的整个内容作为参考材料包括进来。
概略地，天线和无线终端(例如移动电话手机)的组合可被看作对称偶极天线。图1显示在发射模式下，在无线手机中位于其天线馈电点处通过收发机看到的阻抗的这种模型。非对称偶极天线的第一臂102代表天线的阻抗，第二臂104代表手机的阻抗，这两个臂都由源106驱动。如图所示，这样的装置的阻抗基本上等效于被分别相对实际的地108驱动的每个臂102，104的阻抗的和值。当源106由代表收发机的源的阻抗代替时，模型对于接收同样是正确的。
在WO 02/13306中已证明，天线阻抗可以通过把天线馈电点耦合到手机的实体上小的电容器代替。在一个实施例中，电容器是在具有10×40×100mm的尺寸的手机上的平行平板电容器，它具有2×10×10mm的尺寸。通过仔细设计手机，最终得到的带宽可以比起传统的天线和手机的组合大得多。这是因为手机用作为低Q辐射单元(模拟表明，典型的Q值约为1)，而传统的天线通常具有约50的Q值。
使用平行平板电容来把收发机耦合到接地板的问题在于，它需要相当大的体积(即使这个体积比起PIFA所需要的小得多)。作为当前朝向更小的无线终端的发展趋势的一个方面，低截面的模块被开发为包括(诸如移动电话或兰牙终端等)装置所需要的RF电路。这样的模块通常通过被封闭在金属容器内而被屏蔽，虽然这样的屏蔽并不总是必须的。上述尺寸的电容板的添加，可通过使它的高度加倍而使得由这样的模块占用的体积增加两倍以上，这是不希望的。
在按照本发明制做的装置中，RF功率从收发机穿过地板上的缝隙被馈送到地板。这个布置被显示于图2和3，图2和3分别是被安装在接地导体上的射频(RF)模块和包括开槽的接地板的RF模块的平面图。RF模块206被安装在具有长方形地板202(其上有长方形切割部分204(如虚线所示))的印刷电路板(PCB)上。模块206也包括具有略大于切割部分204的尺寸的接地平板302，使得两个接地板202，302能够电连接。模块的接地板302包括一个缝隙304，它的长度近似为模块206的工作频率的四分之一波长。模块包括RF电路306(未详细示出)，和到远离RF电路的缝隙304的一侧的连接308。
在作为发射机运行时，来自RF电路306的功率穿过缝隙被馈送到接地板302，202。在作为接收机运行时，由接地板302，202接收的RF信号通过缝隙304被提取，并被馈送到RF电路306。虽然这样的馈电装置不提供诸如在WO 02/13306中描述的电容耦合那样的宽的带宽，但该装置比起传统的天线确实提供更宽的带宽，以及在体积与带宽之间的折衷对于许多应用是适当的。
如图所示，缝隙304可环绕RF电路306折叠。它可被设计成它的谐振频率主要通过四分之一波长缝隙谐振被确定，而它的带宽由缝隙304与接地板302，202的组合确定。在模块206中结合缝隙304使得能够通过改变模块的接地板302与PCB接地板202之间的连接而调谐它的谐振频率。虽然在PCB接地板202上的切割部分204被显示为长方形的，并具有类似于模块206的尺寸，但这是不重要的。唯一的要求是切割部分204被做成使得在紧接在缝隙304下面的PCB上没有金属(而实际上，切割部分204比起缝隙304至少要大相当于制造公差和对准误差的量，这样，实际的缝隙尺寸由模块206中的缝隙304的尺寸确定，而不是由切割部分204的尺寸确定)。如图所示，模块206在PCB的边缘处的位置是方便的，因为模块是离PCB上的其余电路相当远的，但它保持与模块的连接直截了当。
对于打算在兰牙应用中使用的、类似于图2和3所示的那样的实施例进行了测量。在这个实施例中，正好包括RF电路的模块206和缝隙304被设在PCB接地板202(它没有切割部分204)上。模块206被封闭在被连接到PCB接地板202的金属容器中，确保在RF与其他部件之间共享参考的地。PCB接地板202的尺寸是110×40mm，以及包围模块206和缝隙304的体积(所以相应于如图3所示的模块的体积)的尺寸是15×13×2mm。折叠的缝隙304具有1mm的宽度和17mm的总长度。
这个实施例的效率E被测量，对于在2300和2760MHz之间的频率的结果显示于图4。可以看到，在大于350MHz的带宽内效率大于50％。这大约是从尺寸15×10×5mm的PIFA所得到的带宽的两倍，而只占用小于一半的体积。另一个优点是，不像其它平板天线解决方案，它不需要有很大的、保持没有其他电路的体积，来避免干扰天线工作。
为了进一步查明本发明的可应用性，制作了一个测试件。图5是测试件的平面图，它包括在0.8mm厚的FR4电路板(具有4.1的测量的介电常数)上的尺寸为40×100mm的铜接地板202。在接地板上设有3×26.5mm的缝隙304，它通过在PCB的反面上的2.5mm宽的微带线506(虚线显示)被馈电，微带线通过通孔508连接到缝隙的边缘，通孔位于离缝隙304的闭合端3mm处。
对测试件的反射损耗S11进行了测量，对于在800和3000MHz之间的频率f的结果显示于图6。显示在同一个频率范围内的这个实施例的测量阻抗的斯密思圆图被显示于图7。可以看到，这个实施例的10dB带宽大约是175MHz。比起第一实施例来说较低的工作频率是较长的缝隙长度的结果，部分的带宽保持相似的。
因为这个实施例的固有的宽带性能，通过使用没有重大的效率损失的宽带匹配电路，带宽可被进一步加宽。频率响应与从这样的布置所预期的是相应的，在低的频率时是感性而在高的频率时是容性的。所以，串联LC谐振电路是适当的。图8(反射损耗)和图9(斯密思圆图)示出当将5nH的电感和1.3pF的电容放置成与缝隙馈电508串联时的模拟响应。10dB带宽被增加到大约200MHz，而调谐元件的损耗在带宽的中心处小于0.2dB(假设元件Q值是50)。将会看到，通过在稍微较高的阻抗水平上对缝隙304馈电，或通过提供第二并联谐振电路等，响应可进一步被最佳化。作为有用的边缘效应，带宽加宽电路也执行有用的频带滤波功能，减小RF电路306的滤波要求。如果其他的、频谱分开的系统存在于装置中，从而给出增加的隔离，这是有利的。
测试件的效率E被测量，对于在1500和2200MHz之间的频率的结果显示于图10。可以看到，在约400MHz的带宽内效率大于50％。
图11显示按照本发明制做的RF模块的产品实施例的平面图，具有约15×13mm的总的尺寸。这个实施例是由PhilipsSemiconductors(菲利普半导体公司)制造的，具有产品号BGBA100，并打算被使用于兰牙应用。L形的接地导体302包括L形的缝隙304。缝隙通过被连接到点1102，308的1.5nH电感器和被连接到点1104，1106的3pF串联电容器被馈电。包括1.3nH串联电感和1.8pF并联电容的另一个匹配电路被连接在串联电容和50Ω馈线之间。其他RF电路306(未示出)被包括在以虚线包围的区域中。这个电路包括多个接地连接，这样，当被安装在PCB上时，由虚线包围的几乎整个区域可被看作为接地导体。
在这个实施例中，PCB接地板在尺寸上比起图5的测试件更接近于半波长，导致很大地改进的带宽。图12是图11的模块的测量的效率的图，以及图13是该模块的测量的回波损耗S11的图，每种情形都是对于1500和3500MHz之间的频率。模块206被安装成，缝隙304被开在具有尺寸100×40mm的PCB的长边缘上，模块位于离PCB的短边缘25mm处。在从1900到2900MHz的大于1GHz的带宽上，效率大于80％且回波损耗大于10dB。链路试验测量显示在超过10m的距离上的适当的性能，由此满足兰牙技术条件的要求。
本发明也适合于在多频段应用中使用，对于这种应用，在模块206中包括一个多频段匹配电路。在该应用中，本发明的宽带性质使得多频段能力的提供比起窄带天线直截了当得多。
本发明也可被使用来从无线终端提供极化分集。虽然想要的极化分集实际上很难达到，因为对于小的天线，天线与PCB交互作用，使得PCB经常比起天线本身辐射得更多。因此，极化不是天线的极化而是PCB的极化。这意味着，即使两个小天线具有正交的取向，结果的辐射基本上具有相同的极化。
极化分集可以通过使用缝隙天线(如上所述的)与传统的PIFA相结合而达到。天线可以位于同一个体积内(非常小的RF模块)，但具有基本上不同的极化。这是因为缝隙304被嵌入在PCB中，而不是对它进行馈电。PIFA将具有PCB的极化，而缝隙304的极化将取决于它在PCB内的取向。这可被布置成提供正交性，它至少可部分地达到，而不用修正PIFA或凹槽。如果两个天线耦合太强，则当PIFA进行接收时也可以在凹槽间提供一个开关。
如上所述，缝隙304可被包括到RF模块206的接地板302中，或被引入到PCB接地板202中。在后者的情形下，RF单元可以或不一定以模块206的形式被提供。把缝隙304结合在模块206中的优点在于，馈电可更精确地被控制，而匹配、带宽加宽、和/或多频段运行可以以很好控制的方式被实现。可以看到，在制造集成的模块时有很大的优点，它可被连接到接地板，用于改进的辐射性能。
以上对于RF模块206的参考并不排除在模块中包括其他的非RF元件，诸如基带和装置控制电路。在以上显示的实施例中，缝隙304是末端开放的。然而，如果以平衡方式被馈电，在两个末端处闭合的缝隙同样可很好地被使用。
通过阅读这里公开的内容，其它的改进对于本领域技术人员是显而易见的。这样的改进可涉及到在设计、制造和使用无线通信装置和它们的部件时早已知的其他特性，以及它们可以用于代替或除了这里已描述的特性以外的特征。
在本说明书和权利要求书中，在元件前面的字一并不排除存在多个这样的元件。而且，词“包括”并不排除存在与这里列出的不同的其它的元件或步骤。

Claims (9)

1.一种无线通信装置，包括结合有一缝隙的接地导体，以及用于把收发机耦合到缝隙的装置，从而使得接地导体可用作天线；
其特征在于，接地导体、收发机和缝隙被结合在一个模块中，该模块适用于与另一个接地导体的连接，并且提供了用来改变接地导体与另一个接地导体之间的连接面积的装置，从而改变装置的工作频率。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模块被封闭在导电容器中。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述模块还包括匹配电路。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，匹配电路适用于双频带匹配。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，缝隙是折叠的或曲折的。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，另一个接地导体是印刷电路板的接地板，所述印刷电路板具有用于接收该模块的切割部分，并且在无线缝隙下面的印刷电路板的切割部分的区域是没有金属。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，另一个接地导体是手机外壳。
8.如权利要求1所述的装置，还包括平面倒F天线，其特征在于，接地导体和平面天线的极化有很大不同。
9.包括如权利要求1到8中任一项所述的装置的无线通信设备。
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