CN1596486A - 双频带天线装置 - Google Patents

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Abstract

一种双频带天线装置包含天线(102，104)，该天线连接到用于第一频带中的信号第一馈送导体(106a)，用于第二频带中的信号第二馈送导体(106b)，和接地导体(108)。第一和第二传输线由该接地导体和该馈送导体中的一个构成，每一条传输线的长度都经过优化，以便和各自的互补电路元件一起使用，从而在每个频带中都能取得和该天线的良好匹配。在一个实施例中，该天线是PIFA，通过在馈送和接地导体之间加入连接导体(910)，对传输线的长度进行优化，从而使得能够使用较大旁路电容作为电路元件，改善带宽和Q。

Description

双频带天线装置
技术领域
本发明涉及包含大体上平坦的补丁导体的双频带天线装置，以及包含这种装置的无线通信设备。在本说明书中，术语双频带天线涉及一种天线，该天线在两个(或多个)单独的频带中的功能令人满意，但是在这些频带之间的未用频谱中并不令人满意。
背景技术
无线终端，如移动电话手机，典型地包含外部天线如标准模式的螺旋或曲线天线，或者内部天线如平面倒F天线(PIFA)等等。
这些天线很小(相对于波长)，从而由于小天线的基本限制，这些天线频带很窄。可是，蜂窝无线电通信系统典型地具有10％或更多的分数带宽。为了从PIFA中实现这一带宽，例如，需要相当大的体积，因为补丁天线的带宽及其体积之间具有直接的关系，但是在当前趋向于小手机的情况下，这一体积并不容易得到。另外，当补丁高度增加时，PIFA对谐振敏感，这就必须改善带宽。
国际专利申请WO01/37369公开了一种PIFA，其中通过将馈送和短路引线与导电匹配元件相连接来获得匹配，选择该导电匹配元件的尺寸以便提供与该天线合适的阻抗匹配。这种天线本质上是窄带的。
欧洲专利申请EP 0,867,967公开了一种PIFA，其中弯曲馈送引线以增加其长度，从而增加其电感，以便使得该天线比较容易匹配。使用这种天线难以获得宽带匹配，这需要很小的匹配电容。
我们的共同未决的未公开的国际专利申请PCT/IB02/02575(申请人卷号PHGB010120)公开了对传统PIFA的一种改进，其中提供了连接馈送和短路引线的导体，这减小了天线的感性阻抗，从而增加了所需的旁路匹配电容。相比WO01/37369中公开的装置来说，该装置改善了带宽。
我们的共同未决的国际专利申请WO02/060005(申请人卷号PHGB010009)公开了传统PIFA上的一种变化，其中在PIFA中馈送引线和短路引线之间引进了一个槽口。这种装置提供了一种具有相当大的改进的阻抗特性的天线，同时需要比传统PIFA更小的体积。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的天线装置。
根据本发明的第一方面，提供了一种双频带天线装置，该装置包含天线，该天线连接到用于第一频带中的信号的第一馈送导体，用于第二频带中的信号的第二馈送导体，和接地导体，其中第一和第二传输线分别由接地导体和该馈送导体中的一个构成，并且其中每条传输线的长度都经过优化，以便和各自的互补电路元件一起使用，从而在每个频带中都能实现和该天线的良好匹配。
多种类似单极的天线可以和本发明一起使用，包括PIFA，印刷线路天线(PWA)和螺旋天线。
在本发明的一个优选实施例中，该天线是一种PIFA，该PIFA包含大体上平坦的补丁导体，该第一馈送导体包含和该补丁导体在第一点上连接的第一馈送引线，该第二馈送导体包含和该补丁导体在第二点上连接的第二馈送引线，而该接地导体包含连接在该补丁导体上的第三点和接地平面之间接地引线。该第一和第二传输线是短路传输线，其各自长度由连接第一馈送和接地引线的第一连接导体以及连接第二馈送和接地引线的第二连接导体来规定，而该互补电路元件包含分别连接在第一和第二馈送引线与接地引线之间的第一和第二旁路电容装置。
该连接导体的存在用来减少由每个馈送引线和接地引线所构成的短路传输线的长度，因此也减少它们的电感，使得该旁路电容值得以增加，这就提供了改善了的带宽。该连接导体也可连接到补丁导体，或者在该连接导体的上下的引线之间可以有间隙。通过安排作为该天线结构的一部分而提供的匹配电感，在不增加费用的情况下，该电感的Q比由电路方案提供的Q更高。
该馈送和接地引线可以有不同的横截面积，以提供阻抗变换。可选地，或者另外地，该馈送和接地引线的一个或多个可以由多个导体构成，以提供阻抗变换。该阻抗变换也可由馈送引线的一个或者两个与接地引线之间的补丁导体中的一个或多个槽口提供，如WO02/060005中所公开的。
根据本发明的第二方面，提供了一种无线电通信设备，该设备包括根据本发明制造的天线装置。
附图说明
现在将参考附图作为例子来阐述本发明的实施例，其中：
图1是安装在手机上的PIFA的透视图；
图2是双频带PIFA补丁导体的平面图；
图3是图2天线的模拟回波损耗S11对照频率的曲线图，S11的单位是dB，频率的单位是MHz；
图4是示出在800到3000MHz频率范围上图2天线的模拟阻抗的Smith图；
图5是和图2的PIFA一起使用的传统双频带匹配电路的电路图；
图6是经由图5的匹配电路驱动的图2的PIFA的模拟回波损耗S11对照频率f的曲线图，S11的单位是dB，频率的单位是MHz；
图7是示出在800到3000MHz频率范围上经由图5的匹配电路驱动的图2的PIFA的模拟阻抗的Smith图；
图8是经由图5的匹配电路驱动的图2的PIFA馈送线之间的隔离S21对照频率f的曲线图，S21的单位是dB，频率的单位是MHz；
图9是根据本发明制造的PIFA馈送装置的侧视图；
图10是和图9的PIFA一起使用的双频带匹配电路的电路图；
图11是经由图10的匹配电路驱动的图9的PIFA的模拟回波损耗S11对照频率f的曲线图，S11的单位是dB，频率的单位是MHz；
图12是示出在800到3000MHz频率范围上经由图10的匹配电路驱动的图9的PIFA的模拟阻抗的Smith图；
图13是经由图10的匹配电路驱动的图9的PIFA馈送线之间的隔离S21对照频率f的曲线图，S21的单位是dB，频率的单位是MHz；
图14是适合经由开路电路传输线馈送的双频带PIFA补丁导体的平面图；和
图15是根据本发明制造的双频带PWA装置的平面图。
在附图中，相同的参考数字用来表示相应的特征。
具体实施方式
图1中示出了安装在手机上的单频带PIFA的透视图。该PIFA包含矩形补丁导体102，该补丁导体102被支撑与构成该手机一部分的接地平面104平行。该天线经由馈送引线106馈送，并由短路引线108(也被称为接地引线)连接到接地平面104。典型地，该馈送和短路引线平行以便于构造，但是对于该天线的功能来说这不是必需的。
在用于GSM和DCS频带的双频带PIFA的典型实施例中，补丁导体102的尺寸为40×20mm(比图1中示出的单频带PIFA大)，并位于尺寸为40×100×1mm的接地平面104的上方8mm处。馈送引线106是位于补丁导体102和接地平面104边角处的宽度为2.5mm的平面导体，短路引线1008是与馈送引线106隔开9.5mm的宽度为1mm的平面导体。引线106，108的宽度差提供了阻抗变换，同时，如下所述，引线106，108的间隔减小了由该引线和补丁导体102构成的短路传输线的电感性阻抗。
图2是补丁导体102的平面图，该补丁导体102加入了槽口210。该槽口可被视为将补丁导体102分成两个连接到同一馈送端的两个天线，即较小的中心发射天线用于DCS频带，而围绕在中心发射天线周围的较长的发射天线用于GSM。该槽口的第一部分宽度为1.5mm，剩下的三个部分宽度为1mm。该槽口的位置由图2中示出的五个尺寸d1到d5定义，其中d1是13mm，d2是7mm，d3是5.5mm，d4是4.5mm和d5是11mm。
众所周知，PIFA的阻抗是感性的。对于这一点，通过将馈送和短路引线106，108的电流视为差模(相等且反方向，无辐射)和共模(相同方向，辐射)电流的总和，可以得到一个解释。对于差模电流，馈送和短路引线106，108构成了短路传输线，由于其长度相对波长来说非常短(在图2中示出的实施例中为8mm，或者在2GHz时为0.05λ)，因此具有感应电抗。该感应电抗起着类似该天线馈送端上的旁路电感的作用。为了和天线102相匹配，需要在馈送和短路引线106，108之间提供旁路电容，以便通过在该天线的谐振频率上与该电感谐振，从而解调该谐振。尽管这可以通过旁路电容器来提供，但是在已知PIFA中，典型地通过修改表面形状来提供。例如，这可以通过朝着接地平面104靠近馈送引线106处扩展补丁导体102，以提供一些额外的对地电容。
使用Ansoft公司的高频结构仿真器(HFSS)来模拟图2中示出的组合天线102和接地平面104的回波损耗S11。图3中示出了直接从一50Ω源阻抗馈送时，频率f在800和3000MHz之间的结果。图4中示出了描述在相同频率范围上的模拟阻抗的Smith图。
该天线装置具有高辐射效率(接近100％)，并且在GSM(880-960MHz)和DCS(1710-1880MHz)上具有5dB或者更佳的回波损耗。可是，在实际应用中，该天线需要通过双工器馈送，以便提供GSM和DCS电路之间的隔离，从而保证试图通过GSM电路辐射的功率不会被DCS吸收，反之亦然。由于该天线设计得和双工器不一致，因此该天线的VSWR通常在该双工器的输入端就降级了。类似地，该双工器的隔离和滤波通常由于天线呈现出的不匹配而降级，因为他们名义上被设计成在恒定的输出阻抗情况下工作。
图5中示出了适合用来驱动图2所示PIFA的传统双工器的电路图，其中所用元件具有以下值：L1为10nH；L2为11nH；C1为3.5pF；C2和C3为1pF；而L3为5nH。具有50Ω源阻抗的GSM电路连接在P1和P2之间，具有50Ω源阻抗的DCS电路连接在P3和P4之间，P5连接到馈送引线106，而P6连接到接地平面104(或者等效地连接到短路引线108)。该双工器的GSM部分包含低通过滤器(L1，L2和C1)，而DCS部分包含高通过滤器(C2，C3和L3)。
经由该双工器馈送，对组合天线102和接地平面104进行模拟。图6示出了频率f在800和3000MHz之间的回波损耗，其中S11，表示为实线，涉及P1和P2两端馈送信号的回波损耗，而S22，表示为虚线，涉及P3和P4两端馈送信号的回波损耗。某些区域的回波损耗与不用双工器的情况相比有所降级，例如在DCS频带的上边缘1880MHz处只有3.3dB。图7中示出了表示模拟阻抗的Smith图(S11为实线，而S22为虚线)。
图8说明了GSM和DCS馈送之间的隔离S21。在GSM和DCS频带中大约有20dB的隔离，这通常是可接受的，尽管更多的隔离将会增加特定输入功率的辐射功率。
根据本发明制造的天线装置改进了双频带天线的匹配和隔离。在我们的共同未决的未公开的国际专利申请PCT/IB02/02575(申请人卷号PHGB010120)中示出，假如减小由馈送和短路引线106，108构成的传输线的旁路电感，并增加旁路电容，就可显著改进PIFA的带宽。这是由于作为第一近似，天线102看上去象具有基本恒定阻抗的串联谐振LCR电路。由互补并联LC电路对这一电路进行最佳频带拓宽。减小该并联电路的电感(由短路传输线提供)和增加电容提供了一种响应，该响应更好地补偿天线响应，并因此在改进带宽方面更加有效。这可以通过在馈送和短路引线106，108之间增加连接导体，从而减小传输线的长度来完成。
图9示出了根据本发明的改进馈送装置实施例的侧视图。补丁导体102和图2中示出的相类似，其中槽口210的第一部分的宽度增加到2mm，而d3和d4每个增加到6mm。提供了第一106a和第二106b馈送引线和短路引线108。提供了连接导体910，该连接导体910将馈送引线和短路引线在最大长度上连接在一起。如图9中所示，该连接导体从馈送和短路引线106a，106b，108接触补丁导体102处开始连接该馈送和短路引线106a，106b，108，并因此也连接到该补丁导体102。
可是，这样的设计不是必要的，在可选实施例中，在连接导体910的上方和下方，引线106a，106b，108之间都可以有间隙。这是因为该连接导体为差模电流提供了引线106a，106b，108之间的通道，同时对共模电流的影响最小。因此，倘若连接导体910具有足够的高度(和馈送引线106a，106b中的一个以及短路引线108一起)构成短路传输线，那么它就不必要延伸到该补丁导体，而连接导体910可能只包含一根细带。另外，第一馈送引线106a和短路引线108之间的连接导体的尺寸不需要和第二馈送引线106b和短路引线之间的连接导体一样。
如我们共同未决的国际专利申请WO02/060005(申请人卷号PHGB10009)中所描述的，通过改变馈送和短路引线106a，106b，108的相对厚度，可以改变和该天线相匹配的阻抗。这是因为共模电流是馈送引线106a，106b中的一个和短路引线108中的电流的总和，因此通过改变它们的相对厚度(因此改变阻抗)，可以改变引线之间的电流比。例如，假如增加短路引线108的横截面积，减小其阻抗，将会减小第一或第二馈送引线106a，106b上的共模电流，并增加该天线的有效阻抗。通过用并联的多个导体代替馈送和短路引线106a，106b，108中的一个或多个，或者使用两种方法的组合，也可获得这一效果。
在图9中示出的馈送装置中，第一馈送引线106a是平面形的，宽度为2mm，而第二馈送引线106b和短路引线108是平面形的，宽度为1mm，在第一馈送和短路引线106a，108之间有1mm的间隙，而在第二馈送和短路引线106b，108之间有2mm的间隙。连接导体910从补丁导体102延伸到距离接地导体1042mm处。因此，共态阻抗转换对于两种频带来说是不同的，这是根据本发明制造的天线装置的一个主要优点。由第一和第二馈送引线106a，106b和短路引线108构成的各条短路传输线的阻抗分别由各自的旁路电容来调整。和传统的PIFA不同，因为馈送端是独立的，因此可以独立优化每个电容，这对于两种频带来说都可以产生更多的宽带性能，而不存在两种频带之间的让步。
如WO02/060005中所公开的，也可以通过在馈送引线106a，106b的一个或两个引线和短路引线108之间的补丁导体102中提供一个或多个槽口来实现阻抗变换。通过在补丁导体中不对称地安排槽口，可以改变由馈送和短路引线106a，106b，108携带的相对电流，因为这时补丁导体102表现为具有不同尺寸导体的短路两个导体传输线。在移动电话实施例中，在补丁导体102可以印刷在电话外壳的内表面上的情况下，这一装置的优点是使得在使用共同的馈送和接地引线106a，106b，108的同时，天线阻抗范围能够由不同的补丁导体结构来提供(可以提供成弹簧接触)。
为了防止馈送端106a，106b之间的能量传递，使用了分裂双工器，图10中示出了该分裂双工器的电路图。所用元件具有以下值：L1为8nH；L2为11nH；C1为3.5pF；C2为1pF；C3为1.1pF；L3为5nH；L4为7nH；C4为14.5pF而C5为2.7pF。具有50Ω源阻抗的GSM电路连接在P1和P2之间，具有50Ω源阻抗的DCS电路连接在P3和P4之间。P5连接到第一馈送引线106a，P7连接到第二馈送引线106b，而P6连接到接地平面104(或者等效地连接到短路引线108)。
该双工器的低通和高通过滤器元件和图5中示出的传统双工器类似。另外该双工器包含旁路电容器C4和C5，该旁路电容器C4和C5与天线电感(由短路电流传输线提供)谐振，以提供组合的匹配和拓宽频带功能。DCS匹配电容器C5比GSM匹配电容器C4小得多，尽管这可以根据第二馈送引线106b和短路引线108之间的间隙在某种程度上进行改变。DSC电路也包含另外的匹配电感器L4，通过对天线结构进行某些修改可以避免这种情况。
经由该双工器，对组合天线102和接地平面104进行模拟。图11示出了频率f在800和3000MHz之间的回波损耗，其中S11，表示为实线，涉及P1和P2两端馈送信号的回波损耗，而S22，表示为虚线，涉及P3和P4两端馈送信号的回波损耗。回波损耗相比图3和图6的传统结构而言有了显著改善。在整个DCS频带上获得接近10dB的回波损耗，同时在GSM频带中，在大于所需带宽的带宽上的回波损耗优于10dB。该天线的体积和图2中示出的传统天线的体积一样，除了馈送装置外，结构上只有很小的区别。图12中示出了表示模拟阻抗的Smith图(S11示为实线，S22示为虚线)。
由双馈送结构提供的额外的带宽使之能够得到更好的回波损耗性能，或者在更宽的带宽上得到与传统天线相同的性能。只需要很小的修改，上述结构就可以覆盖四个频带(IS-95，EGSM，DSC和PCS)，并且回波损耗优于6dB，这似乎是可行的。可选地，在保持可接受性能的同时，该天线可以做得更小。
图13示出了GSM和DCS馈送端之间的隔离S21。可以看到，该隔离在传统双工器的基础上有了显著的改进，在GSM频带的中心大约为29dB，而在DSC频带的中心为35dB。
双馈送结构也意味着该天线本质上能更好地过滤来自无线电收发器的假性发射。例如，对传统天线的GSM馈送也能很好地在DCS匹配，这意味着该GSM的第二谐波将不能被天线过滤掉。在上述双馈送结构中，GSM馈送将不能很好地在DCS匹配，该天线在过滤谐波方面将更有效。这将允许收发器中RF前端的过滤要求得以减少，从而节省费用。
尽管上面参考PIFA进行了详细描述，但是本发明具有更加宽广的适用性，并可以和任何单极类型天线装置一起使用，在这种情况下该天线馈送装置可以视为包含两条传输线，并且选择该传输线的长度，使得该传输线阻抗可以和互补电路元件一起使用，从而提供更宽的带宽和更好的过滤。(PIFA可以视为具有大顶部负载的非常短的单极天线。)
在上述PIFA装置中，传输线是短路传输线，而电路元件是电容。可是可选装置也是可能的，其中传输线是开路电路(具有容性阻抗)而互补电路元件是电感。通过修改图9的PIFA，去除连接导体910并提供补丁导体102中的槽口，可以形成这一装置，图14中示出了该装置。第一槽口1402始于第一馈送引线106a和接地引线108之间，而第二槽口1404始于第二馈送引线106b和接地引线108之间。每个槽口1402，1404向该补丁导体的边缘扩展，选择该槽口的长度以便提供合适的容性阻抗与电感匹配。槽口1402，1404也可用来细分该PIFA，以便优化其双频带行为。
尽管开路电路装置是可能的，但是使用短路传输线仍然是优选的，因为这能够使用电容器作为互补电路元件。与电感器的Q(在移动通信频率典型地大约为40)相比，电容器通常具有较高的Q(在移动通信频率典型地大约为200)，同时也具有较好的容差。将电感放在天线基底(在PIFA例子中是空气)上，意味着它可以是高品质的，并且可以和高品质分立电容一起使用。在一些情况下，直接在天线基底(例如在开路传输线的例子中)形成电容器可能是有益的，特别是当可用的电路技术非常可怜的情况下。
可以应用本发明的另一种天线例子是PWA，图15中以平面图的形式示出了该天线的简化实施例。这一天线包含陶瓷材料块1502，在该陶瓷材料块上备有导体模型1504。在实践中，该天线导体1504的形状可能更加复杂，并可能在该陶瓷材料块1502的超过一个表面上延伸，但是基本原理不变。由Philips Components设计的用于双频带GSM/DCS应用的一个PWA案例具有尺寸为11×17×2mm的陶瓷材料块1502。
在已知的PWA中，导体1504上的单个点1506用作馈送点，用来和双频带收发器连接。可是，在根据本发明制造的一种PWA中，通过加入分别具有馈送连接点1522，1524的第一馈送导体1512和第二馈送导体1514，修改该馈送装置，而中心连接点1506用作接地连接。馈送导体1512，1514定义了各自的传输线，可以单独优化其长度。如图9的PIFA实施例中的一样，各个旁路电容器分别连接在第一馈送连接点1522和接地连接点1506两端以及第二馈送连接点1524和接地连接点1506两端。
在可选实施例中，一个或两个馈送导体1512，1514可以保持和天线导体1504隔离，从而提供一条或两条开路电路传输线，其中每一条都可使用旁路电感器来匹配。
尽管上述例子使用了具有公共接地导体的两条传输线，但是应当明白假如需要的话，两条传输线可以具有分开的接地导体。也可以加上另外的传输线以提供额外的馈送端，适合的话也可以加上另外的接地导体。
从上述例子中可以清楚地知道本发明的基本设想如何可以用来驱动其它类似单极的天线，包括螺旋天线。
通过阅读本说明书，本领域的技术人员可以知道其它修改。这些修改可以涉及在天线装置及其零部件的设计，制造和使用中已经知道的其它特征，该特征可以用来代替这里已经描述的特征，或者和这里已经描述的特征一起使用。

Claims (12)

1.一种双频带天线装置，该装置包含天线，该天线连接到用于第一频带中的信号的第一馈送导体、用于第二频带中的信号的第二馈送导体、和接地导体，其中第一和第二传输线分别由该接地导体和两个馈送导体中的一个构成，并且其中每条传输线的长度都经过优化，以便和各自的互补电路元件一起使用，从而在每个频带中都能实现和该天线的良好匹配。
2.如权利要求1中所述的装置，其中该天线包含基本平坦的补丁导体，该第一馈送导体包含和该补丁导体在第一点上连接的第一馈送引线，该第二馈送导体包含和该补丁导体在第二点上连接的第二馈送引线，而该接地导体包含连接在该补丁导体上的第三点和接地平面之间接地引线，其中该第一和第二传输线是短路传输线，其各自长度分别由连接第一馈送和接地引线的第一连接导体以及连接第二馈送和接地引线的第二连接导体来限定，且其中所述互补电路元件包含分别耦合在第一和第二馈送引线与接地引线之间的第一和第二旁路电容装置。
3.如权利要求2中所述的装置，特征在于所述接地平面和补丁导体隔开，并与补丁导体共同延伸。
4.如权利要求2或3中所述的装置，特征在于所述馈送引线和接地引线二者的横截面积是不同的。
5.如权利要求2到4任一项所述的装置，特征在于提供了两个接地引线，每一个和第一和第二馈送引线中的一个分别构成一条传输线。
6.如权利要求2到5中任一项所述的装置，特征在于该第一和第二馈送引线和接地引线中至少一个包含多个导体。
7.如权利要求2到6中任一项所述的装置，特征在于所述电容装置中至少一个包含分立电容器。
8.如权利要求2到7中任一项所述的装置，特征在于所述连接导体中至少一个的上边缘连接到所述补丁导体。
9.如权利要求2到8中任一项所述的装置，特征在于所述补丁导体在第一和第三点以及第二和第三点中的一对之间加入了槽口。
10.如权利要求1中所述的装置，其中所述天线包含基本平坦的补丁导体，所述第一馈送导体包含和该补丁导体在第一点上连接的第一馈送引线，所述第二馈送导体包含和该补丁导体在第二点上连接的第二馈送引线，而所述接地导体包含连接在该补丁导体上的第三点和接地平面之间接地引线，其中该第一和第二传输线是开路传输线，其各自长度分别由在补丁导体中从该第一和第三以及第二和第三点之间向该补丁导体的边缘延伸的各个槽口的长度限定，且其中所述互补电路元件包含分别耦合在第一和第二馈送引线与接地引线之间的第一和第二旁路电感装置。
11.如权利要求1中所述的装置，特征在于该天线是印刷线路天线，螺旋天线和单极天线中的一种。
12.一种无线电通信设备，该设备包括如权利要求1到11中任一项所述的天线装置。
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