CN1492538A - 可调平面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到特别适用于移动终端的可调平面天线，还涉及到装备那种天线的无线电设备。该天线的基本结构是PIFA。在电介质部分(205)的表面上放置有带导体(230)，以便它有效电磁耦合到辐射平面(220)。带导体可以通过开关(SW)连接到地平面。当开关闭合时，从短点(S)测量的辐射平面的电长度被改变。在这种情况下，天线的谐振频率也被改变。这变化取决于带导体的位置和大小。在多频带天线的情况下，带导体可以这样放置，使得它到一个或多个辐射元件(B1，226)有显著的电磁耦合。对平面天线的调整通过小附加组件执行，这被认为不会改变天线的基本结构并且不会扩大天线。

Description

可调平面天线
技术领域
本发明涉及到特别适用于移动终端的可调平面天线。本发明还涉及到采用那种天线的无线电设备。
背景技术
在便携式无线电设备中，特别是在移动终端中，为了方便，天线最好置于设备外壳内。小设备的内部天线通常是平面型的，因为对于此天线，最容易实现满意的电特性。平面天线包括辐射平面以及与之平行的地平面。由于移动终端在厚度上也在变薄，平面天线的辐射平面和的平面之间的距离应该尽可能短。但是，减小所述距离的障碍是天线的带宽变小了。那么，因为移动终端被设计为根据具有相互之间相对较近的频率范围的不同系统起作用，所以，在没有专门安排的情况下要覆盖多于一个无线电系统使用的所述频率范围变得更加困难或不可能。这样的系统对例如是GSM 1800(全球移动通信系统)和GSM900。相应地，保护符合单个系统发送和接收频带中规定的功能变得更加困难。
如果天线的谐振频率可以可以电致变化，从而使得在给定时间功能假定谐振频率附近的天线的操作频带总是覆盖着频率范围，那么，上述障碍就可以避免。
通过公开文本JP 8242118可以知道一种调整天线谐振频率的解决方案，这样，辐射平面的每一端都有从平面边缘向其中心区域延伸的开口。到每个开口都连接着电开关，当该电开关导通时，它就在特定的点上缩短所讨论的开口。改变开关的状态就改变了辐射平面的电尺寸，因而改变了天线的谐振频率。因为每个天线都由其自己的控制信号控制，所以，天线可以一步一步地调整。这个解决方案的缺点是单个开关的效果太小了，因此需要许多开关。开关组件的数目和安装它们导致显著的额外成本。
通过公开文本EP 0 678 030和US 5 585 810可以知道一种解决方案，其中，在辐射平面和地平面之间有变容二极管和另一个电容元件。天线的谐振频率可以通过依靠控制电路控制电压来改变二极管的电容而改变。这个解决方案的缺点是它将天线的基本结构复杂化了，在这种情况下，天线的制造成本相对较高。这在多频带天线中是要特别强调的，因为对每个操作频带都需要独立的布置。
通过公开文本US 6 255 994可以知道一种依据图1的解决方案。可以看到矩形的辐射平面2和地平面3。这些平面在互相之间的特定距离上由电介质块14支撑。在天线的一端有馈送/接收导体(feed/receive conductor)4、第一短导体(short conductor)5和第二短导体6，这些导体电结合到辐射平面。馈送/接收导体通过孔3a与地平面隔离，第一短导体通过孔3b与地平面隔离，而第二短导体通过孔3c与地平面隔离。第一短导体5可以通过第一开关7连接到地平面。这是一个双路开关，其端子7a可以连接到端子7b或者端子7c。在前面一种情况下，第一短导体通过电感元件8连接到地平面，在后面一种情况下直接连接到地平面。除了直接连接以外，可以不用电感元件而用电容元件或者两者都用。第二短导体6可以通过第二开关9连接到地平面。这是一个闸刀开关，其端子9a可以连接到端子9b。在这种情况下，第二短导体直接连接到地平面。开关7的状态由来自控制器13的第一控制信号SD1确定，而开关9的状态由来自控制器13的第二控制信号SD2确定。天线结构的谐振频率通过控制开关7和9来改变。在双态开关的情况下，有四种替换短路排列，同时也有四种谐振频率。这些四个中的三个得到使用：当第一短导体通过电感元件连接而第二短导体不连通时可以获得最低频率。当第一短导体直接连接到地平面而第二短导体不连接时可以获得较高的频率。当第一短导体通过电感连接而第二短导体直接连接到地平面时可以获得最高的频率。通过测量辐射平面以及结合到它的导体之间的距离，可以确定对应于三个谐振频率的操作频带之间的间隙。
发明内容
这个解决方案的缺点是当需要多频带天线时，将上面指出的操作频带匹配到所讨论的系统使用的频率范围在实际中是很困难或者是不可能的。而且，与通常的PIFA(平面反转F天线)相比，该结构包括其结构的附加短导体，结果会导致天线的加大和制造成本。
本发明的一个目标是缓解上面指出的与现有技术相关的缺点。根据本发明的可调平面天线其特征在于独立权利要求1中所指定的。根据本发明无线电设备其特征在于独立权利要求12中所指定的。本发明的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：天线的基本结构是在辐射平面和地平面之间具有固定短导体的PIFA。在属于PIFA基本结构的电介质部分的一个表面上，放置着有效电磁耦合到辐射平面的带导体。该带导体可以通过开关连接到地平面，直接电连接到地平面或者通过串联元件连接到地平面。当开关闭合时，从短点测量，辐射平面的电长度被改变了，在这种情况下，天线的谐振频率也改变了。在多频带天线的情况下，带导体可以这样放置，以便它有效电磁耦合到一个或多个辐射元件。
本发明的一个优点是，调整PIFA类型平面天线是通过较小的附加元件执行，它不认为会改变天线的基本结构。于是，天线的大小没有改变，并且调整的额外成本相对较低。本发明的另一个优点是，根据本发明，带导体的效果可以根据期望来引导，例如对双频带天线的较低或较高的操作频带进行引导，或者是对两个操作频带都进行引导。本发明的另一个优点是，根据本发明结构引起的天线耗散的增长相对较低。
附图简述
本发明在下面详细描述。将参照下列附图：
图1显示了根据现有技术的可调平面天线的实例，
图2a显示了根据本发明的可调平面天线的实例，
图2b显示了图2a的平面天线的天线电路板(从下面看)，
图3显示了图2a的安排对天线操作频带的效果，
图4显示了根据本发明的可调平面天线的第二实例，
图5显示了图4的安排对天线操作频带的效果，
图6显示了根据本发明的可调平面天线的第三实例，
图7显示了根据本发明的可调平面天线的第四实例，和
图8显示了装备有根据本发明的天线的无线电设备的实例。
实施例详细描述
图2a，b显示了根据本发明的可调平面天线的实例。在图2a中，可以看到无线电设备的电路板200的一部分，该无线电设备的天线正在被讨论。无线电设备电路板的上表面大部分是导电的，充当平面天线的地平面210并同时充当信号地GND。在电路板200的一端上，在由电介质片251和252确定的高度上有矩形电介质板205。在此板的上表面上有天线的辐射平面220。在馈送点F，天线的馈送导体212连接到辐射平面，在短点(short point)S连接着短导体215。短导体将辐射平面电连接到地平面以便匹配天线阻抗。该天线就是PIFA类型的。从馈送点看在短点的外侧，在辐射平面中有从板较长一边开始的第一槽225。第一槽这样形成，使得辐射平面具有导电的分支B1，该分支B1从短点开始由以下几个部分组成：与板较短边平行的第一部分、与板较长边平行并以板第二个较长边为边界的第二部分、与板较短边平行并以板较短边为边界的第三部分、与板较长边平行并以板一个较长边为边界的第四部分、引导到板内部区域的第五部分和与板较长边平行的第六部分。这样，分支B1的端点或第六部分位于第二、第三和第四部分形成的U型之内。在辐射平面220中也有从和第一槽相同的较长边开始并在馈送点和短点之间延伸的第二槽226。第二槽的另外一端(或闭合端)在辐射平面相对的较长边附近。
在图2a的实例中，天线具有两个频带。分支B1和地平面一起构成谐振器，其基本谐振频率在天线的较低操作频带内。第二槽226与周围的导电平面与地平面一起构成谐振器，其基本谐振频率在天线的较高操作频带内。
根据本发明，在电介质板205的下表面上有导电元件230，在图2a中用虚线画出。在此实例中，该导电元件是矩形带导体，在位于板上表面的导电分支B1的第四部分位置，它从板一个较长边开始，并且在分支B1的第六部分位置延伸。带导体230区域有这样大，它有效电磁耦合到天线的辐射平面，因为所述带导体的位置，它主要耦合到导电分支B1。因此，带导体230可以称为寄生元件。术语“寄生”，在权利要求中也指结构部分，它有效耦合到天线的辐射平面。
带导体230通过开关导体231连接到开关SW的第一端子，开关SW位于无线电设备的电路板200上。开关SW的第二端子直接连接到地平面。开关的端子可以通过控制信号CO互相连接和互相隔离。因为第一端子连接到第二端子，带导体230连接到地平面，并且从辐射分支B1的插入点到信号地有一定的阻抗，该阻抗取决于电磁耦合的强度。在这种情况下，电磁耦合主要电容性的，因此，分支B1的电长度更长，并且天线相应的谐振频率比没有所述连接时要低。
图2b显示了天线电路板(从下面看)。在电介质板205的表面上有带导体230。辐射平面的槽和分支B1用虚线画出。开关SW用图形符号给出。开关实际上是例如针孔二极管或场效应晶体管。
图3显示了在根据图2a的结构中寄生带导体连接对天线操作频带的影响。在图3中有天线反射系数S11的测量结果。当带导体没有连接到地时，曲线31显示了反射系数作为频率函数的变动，而当带导体连接到地时，曲线32显示了反射系数作为频率函数的变动。当比较曲线时，将会看到，较低的操作频带向下漂移，同时，反射系数的最小值稍稍下降，或者说改善了一点。在这个例子中，频率f1或者开始频带的中心频率是950MHz，频率移位Δf1大约为80MHz。该结构可以很容易地安排，因此，操作频带覆盖GSM 900系统的接收或发射范围，取决于开关SW是导通还是不导通。对于处于2GHz范围的较高操作频带，闭合开关所导致的变化非常小。
图4显示了根据本发明的可调平面天线的第二实例。其基本结构类似于图2a，唯一的区别在于寄生带导体的位置和大小。因而在图4中只显示了天线电路板(从下面看)。与图2b相比，带导体430现在在电介质板405相对的较长边上，因此它覆盖了辐射分支B1的第二部分的大部分。此外，带导体在槽的闭合端覆盖了辐射槽426的一部分。
图5显示了对应于图4的天线中寄生带导体的连接对天线操作频带的影响。当带导体没有连接到地时，曲线51显示了反射系数S11作为频率函数的变动，而当带导体连接到地时，曲线52显示了反射系数作为频率函数的变动。当比较曲线时，将会看到，较低的操作频带向下漂移。频率f1或者开始较低频带的中心频率是950MHz，而其移位Δf1大约为140MHz。处于2GHz范围的较高操作频带向上漂移，同时，这种情况下反射系数的最小值明显地改善了。由带导体430导致的频带向上漂移导致在四分之一波长谐振器的末端出现附加电容，在那里磁场占优势。讨论的谐振器是基于槽426的。因此，槽辐射器的电长度变短了，而谐振频率上升了。在图4的实例中，较高操作频带的移位Δf2大约为110MHz。
图6显示了根据本发明的可调平面天线的第三实例。其基本结构类似于图2a。不同在于寄生带导体630现在不是位于天线电路板605上，而是位于支撑天线电路板的电介质块651的垂直表面上。在图6中，天线电路板被画成透明的以便更好地图示带导体。宽矩形U型(broad rectangle U)的电介质块651环绕着平面天线的末端，馈送和短导体以及第二辐射槽在该电介质块651附近。带导体630附着在电介质块651的内表面上。在这个实例中，带导体具有这样一个部分，它的长度与电介质块651的内壁长度一样并且平行于天线电路板的较短边。带导体还由平行于天线电路板的两个较长边的两个较短部分组成。根据本发明，带导体630仅仅电磁耦合到辐射平面620。
通过图6的结构，可以实现，带导体到地的连接对天线的较高操作频带起作用，而对较低操作频带不怎么起作用。由于第二辐射槽和导电分支B1的位置，这是很明显的。较高操作频带可以向上漂移例如60MHz。对较低频带的较小影响是向下漂移。如果带导体以相应的方式位于天线另一端的第二电介质块652的表面上，带导体到地的连接自然就对较低操作频带有强烈的影响，然而对较高操作频带的影响是可以忽略的。
图7显示了根据本发明的可调平面天线的第四实例。PIFA的基本结构背离先前实例的结构。辐射平面720现在是非常刚性的导电板，或金属片，它由电介质框架750支撑到无线电设备的电路板700。这仅仅画出了一部分。馈送导体712和短导体715位于辐射平面的一个较长边上，在该平面的一个角附近。所述导体是弹簧触点类型并且与辐射平面构成了单一块。当安装了辐射平面时，弹力将触点紧压到电路板700的上表面，将短导体的触点紧压到地平面GND，而将馈送导体的触点紧压到与地平面隔离的接触平面。在辐射平面720中有槽725，它从平面的边缘在短点S附近开始，并且在平面的内部区域结束。槽725的形状是这样的，从短点看，辐射平面被分成第一分支B1和第二分支B2。第一分支B1围绕平面的边缘并包围较短的第二分支B2。因而，这个天线也有两个频带。根据本发明，寄生带导体730附着到或者装备在电介质框架750的内部垂直表面上，即在天线的较长边上，馈送导体和短导体所位于的地方。带导体730在那种情况下在第一分支B1的最后一部分下面。因为这个原因，带导体的连接实际上仅仅影响天线较低操作频带的位置。
在图7的实例中，寄生元件连接到开关SW，开关SW的另一个端子通过具有阻抗Z的结构部分连接到信号地而非平面导体。如果仅仅通过选择寄生元件的位置还不能获得操作频带期望的移位，就可以利用阻抗Z。该阻抗是纯电导或纯电容的，由于电阻部分引起的耗散，它不在考虑之内。自然地，在图7的结构中，阻抗Z也可以为零。
图8显示了包括根据本发明的可调平面天线80的无线电设备RD。
在本说明书和权利要求中，前缀“较低”、“较高”和词语“在下面”、“垂直”和“在下”指图中描述的天线位置，而与设备的操作位置无关。
上面已经描述了根据本发明的可调平面天线的实例。从中可以注意到，寄生元件可以安排在天线结构的这样一个部分中，它在任何情况下都是必需的。而且当元件是片状的时，它既不会使结构变大也不会使结构复杂化。这些实例也显示了，在双频带天线中，如果需要，操作频带的移位可以限制在下频带或上频带。这个限制和整个操作频带的改变都由带导体的位置和大小确定。操作频带的移位多少可以通过附加阻抗设置而不用管天线的类型。附加阻抗也可以基于变容二极管进行电控制。寄生元件的形状和位置可以变化很大。同等地，天线的基本结构可以与实例中给出的相背离。例如，天线可以是陶瓷的，在这种情况下，寄生元件是陶瓷块的导电敷层的一部分。在陶瓷块上可以有通过抛光形成的层，该层将天线辐射元件和寄生元件隔离开来。在独立权利要求1定义的范围内，发明思想可以以不同的方式应用。

Claims (12)

1.一种可调平面天线，它具有：地平面(210；GND)、辐射平面(220；620；720)以及辐射平面的电介质支撑部分(205；405；651；750)、天线的馈送导体(212；712)、在所述平面之间的短导体(215；715)和用于改变天线至少一个谐振频率的开关(SW)，其特征在于，
它还具有附着到所述电介质支撑部分并电连接到所述开关(SW)第一端子的寄生导电元件(230；430；630；730)，该开关的第二端子耦合到地平面。
2.根据权利要求1的平面天线，其特征在于，所述寄生导电元件是带导体。
3.根据权利要求2的平面天线，其中，辐射平面(220)是在天线电路板上表面上的导电层，其特征在于，所述电介质支撑部分是天线电路板的电介质层(205)，并且所述带导体(230；430)在天线电路板的下表面上。
4.根据权利要求3的平面天线，它至少具有在不同的操作频带谐振的第一(B1)和第二(226)辐射元件，其特征在于，所述带导体(230)的整个区域和第一辐射元件(B1)垂直设置。
5.根据权利要求3的平面天线，它至少具有在不同的操作频带谐振的第一(B1)和第二(426)辐射元件，其特征在于，所述带导体的第一部分垂直于第一辐射元件(B1)设置，而所述带导体的第二部分垂直于第二辐射元件(426)设置。
6.根据权利要求5的平面天线，其特征在于，第二辐射元件(426)是槽辐射体。
7.根据权利要求2的平面天线，其特征在于，所述电介质支撑部分是使辐射平面保持在距离地平面特定距离的支撑框架(651；750)，所述带导体(630；730)位于所述支撑框架的垂直表面。
8.根据权利要求7的平面天线，其特征在于，辐射元件是分离的金属片(720)。
9.根据权利要求7的平面天线，其特征在于，辐射元件是天线电路板上表面上的导电层(620)。
10.根据权利要求1的平面天线，其特征在于，开关的第二端子到地平面的所述耦合是电的。
11.根据权利要求1的平面天线，其特征在于，开关的第二端子到地平面的所述耦合对于设置天线谐振频率的移位是电抗性的。
12.一种具有可调平面天线(80)的无线电设备(RD)，它包括地平面、辐射平面以及辐射平面的电介质支撑部分、天线的馈送导体、在所述平面之间的短导体和用于改变天线至少一个谐振频率的开关，其特征在于，该平面天线还包括附着到所述电介质支撑部分并电连接到所述开关的第一端子的寄生导电元件，该开关的第二端子耦合到地平面。
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