CN1650469A - 天线装置 - Google Patents

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Abstract

一种天线装置包括一个与接地平面(104)基本平行地支撑着的片状导体(102)。片状导体包括第一(106)和第二(108)连接点，而且还在第一和第二点之间插入一个缝隙(202)。当第二连接点与地连接时，天线能以第一模式工作，以及当第二连接点开路时，以第二模式工作。通过在第二连接引脚和接地平面之间连接一个可变阻抗(514)，例如一个可变电感，能使天线工作在第一和第二模式的工作频率之间的频率上。

Description

天线装置
发明内容
本发明涉及一种包括基本为平面的一个片状导体的天线装置，并涉及一种结合了这种装置的无线电通信设备。
背景技术
无线终端，例如移动电话手机，一般来说包括一个外部天线，例如一个正常振荡模式的螺旋或弯折线天线，或一个内部天线，例如一个平面倒F天线(PIFA)或类似的天线。
这样的天线很小(相对于波长而言)，并且因此，由于小天线固有的局限性，这些天线是窄带天线。然而，蜂窝无线通信系统一般来说具有10％或更多的带宽比(fractional bandwidth)。为了通过PIFA实现这样的带宽，例如，需要相当大的体积，在片状天线的带宽和它的体积之间存在着直接的关系，但是在当前朝向小型手机发展的趋势下，这样的体积不是轻易可以得到的。此外，当贴片的高度增加时，PIFA就变得对谐振活跃，这对改善带宽而言是必要的。
当需要双频带天线时，又会出现另一个问题。在这种情况下，要求在同一结构中具有两个谐振器，这意味着在每个频率下，仅有部分有效天线面积得到了有效的利用。由于天线的带宽与它的尺寸有关，所以要在两个频带内实现宽带工作就需要更大的体积。欧洲专利申请EP0997974公开了这种天线的实例，其中两个PIFA天线从一个公共点馈电并共用同一短路引脚。低频元件弯曲环绕在高频元件周围，因此这意味着高频元件必定要比总的天线尺寸小(并因此带宽较窄)。
我们共同待决的国际专利申请WO02/60005(在本申请的优先权日尚未公开)公开了对传统的PIFA的变型，其中将一个位于馈电引脚和短路引脚之间的缝隙引入到PIFA中。这种装置提供了具有充分改进的阻抗特性但要求比传统PIFA更小体积的天线。
我们共同待决的国际专利申请WO02/71535(在本申请的优先权日尚未公开)公开了一种对WO02/60005的改进，能够实现双频带和多频带应用。通过将不同的阻抗连接到馈电引脚和短路引脚，就提供了通过天线的不同的电流路径，每个电流路径与一个不同的振荡模式相关。所公开的装置使得整个天线结构能够在所有频带得到使用，从而比传统的多频带PIFA需要更小的体积。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的平面天线装置。
根据本发明的第一个方面，所提供的天线装置包括一个基本是平面的片状导体，其具有连接无线电电路的第一和第二连接点和插入在连接点之间的缝隙，和一个接地平面，其中，如果第二连接点与接地平面连接，则天线装置工作在具有第一工作频率的第一模式，如果第二连接点是开路，则工作在具有第二工作频率的第二模式，而且其中，具有零到无穷大之间的阻抗范围的可变阻抗被连接在第二连接点和接地点之间，由此在第一和第二工作频率之间提供天线装置的工作频率。
通过使天线装置在已知的工作模式之间的频率有效地操作，来提供一种小型的宽频带天线。例如，装置在第一模式可以作为一个差动开槽(Differentially Slotted)的PIFA工作和在第二模式可以作为平面倒L天线(PILA)工作。可变阻抗可以是电感线圈。提供更多的连接点可以使更多的工作模式成为可能。
根据本发明的第二个方面，所提供的无线通信设备包括一个按本发明制造的天线装置。
附图说明
本发明的实施方式将通过举例的方式，参照附图进行描述，其中：
图1是安装在手机上的PIFA的透视图；
图2是安装在手机上的开槽的平面天线的透视图；
图3是图2天线的以dB为单位的模拟回波损耗S11相对于以MHz为单位的频率f的曲线图，其中第一引脚馈电而第二引脚接地；
图4是图2天线的以dB为单位的模拟的回波损耗S11相对于以MHz为单位的频率f的曲线图，其中第一引脚馈电而第二引脚开路；
图5是在一个宽的频率范围内可调的天线装置的平面图；
图6是图5天线的以dB为单位的模拟回波损耗S11相对于以MHz为单位的频率f的曲线图，其中第二引脚加载的电感值从0到64nH变化；
图7是图5天线的以dB为单位的模拟回波损耗S11相对于以MHz为单位的频率f的曲线图，其中附加了匹配以及第二引脚加载的电感值从0到64nH变化；
图8是表示处于GSM模式的图5的天线在800到3000MHz的频率范围上模拟的回波损耗S11的史密斯圆图；
图9是表示处于GSM模式的图5的天线的效率E相对于以MHz为单位的频率f的曲线图；
图10是表示处于GSM模式的图5的天线的衰减A相对于以MHz为单位的频率f的曲线图；
图11是表示处于PCS模式的图5的天线在800到3000MHz的频率范围的模拟的回波损耗S11的史密斯圆图；
图12是表示处于PCS模式的图5的天线的效率E相对于以MHz为单位的频率f的曲线图；
图13是表示处于DCS模式的图5的天线在800到3000MHz的频率范围上模拟的回波损耗S11的史密斯圆图；
图14是表示处于DCS模式的图5的天线的效率E相对于以MHz为单位的频率f的曲线图；
在图中相同的附图标记被用来表示相应的特征。
具体实施方式
图1中给出了安装在手机上的PIFA的立体图。PIFA包括一个与构成手机一部分的接地平面104平行地支撑着的矩形片状导体102。天线通过第一(馈电)引脚106馈电，并通过第二(短路)引脚108连接接地平面104。
在PIFA一个代表性的实例实施方式中，片状导体102具有20×10mm的尺寸并位于尺寸为40×100×1mm的接地平面104上方8mm处。馈电引脚106位于片状导体102和接地平面104的边角处，短路引脚108与馈电引脚106相隔3mm。
众所周知，PIFA的阻抗是电感性的。对此的一种解释是将馈电和短路引脚106、108的电流作为平衡模式(相同和相反流向，无辐射)和辐射模式(同向)电流之和。对于平衡模式电流，馈电和短路引脚106、108形成了一个短路传输线，由于它的长度相对于一个波长而言非常短(如图1所示的实施例中，2GHz时为8mm，或0.05λ)，因此它具有感性的电抗。
图2是标准PIFA的变型方案的立体图，在我们共同待决的国际专利申请WO02/60005中已经公开，其中在片状导体102中提供了位于馈电引脚106和短路引脚108之间的缝隙202。缝隙的存在，通过增加由馈电引脚106和短路引脚108形成的短路传输线的长度，影响了天线装置的平衡模式的阻抗，这使天线阻抗的感性分量能够得到显著减少。这是因为缝隙202大大增加了馈电和短路引脚106、108形成的短路传输线的长度，由此使得传输线的阻抗具有更小的电感性。因此将这种装置称作差动开槽PIFA(DS-PIFA)。
从WO02/60005中还可知，缝隙的存在提供了阻抗变换。这是由于DS-PIFA能被认为近似于一个非常短、顶部负载大的折叠单极。如果缝隙202位于片状导体102的中央，那么阻抗变换的系数接近4。片状导体102上的缝隙202的不对称的结构能用来调节这种阻抗变换，能调节天线电阻性阻抗来使其与任何需要的电路阻抗更好地匹配，例如50Ω。
我们共同待决的国际专利申请WO02/71535公开了如何通过使短路引脚108开路来由图2所示的天线得出第二工作频带。正如我们待决的国际专利申请WO02/71541所公开的(未在本申请的优先权日项中刊出)，在这种模式中，天线作为弯折平面倒L天线(PILA)而工作。通过认识到传统的PIFA的短路引脚实现匹配的功能，能够很好地理解PILA的操作，但是这种匹配仅在一个频率上有效，并且是以损害了其它频率上的匹配为代价。因此，在PILA中的短路引脚被省略或保持开路。
因此，通过借助一个开关来连接第二引脚108与地电极，能实现双模式操作。当开关关闭时，天线用作DS-PIFA，而开关打开时，天线用作弯折PILA。进行仿真来决定具有以上详述的典型PIFA尺寸的天线的性能。缝隙202是1mm宽，以两个端口106、108的中央为起点，与片状导体102的边缘平行，并与它的边缘相距0.5mm。图3和4分别表示了DS-PIFA和PILA模式下的回波损耗S11的模拟结果。通过交换第一和第二引脚106、108的职能可以得到另外的工作模式：在DS-PIFA模式中，频率响应是相似的，但天线阻抗得到显著增加；在PILA模式中，由于片状导体102位于缝隙202上方和右侧的部分的所有长度都处于工作中，所以谐振频率减小为大约1150MHz。
本发明致力于解决对天线能在一个宽的带宽上操作而不是在有限数目的离散的频带上操作的要求。图5表示了本发明一个实施例的平面图。片状导体102具有23×11mm的尺寸并位于接地平面104上方8mm处。缝隙202宽1mm，与片状导体102的边缘平行并距其上边、右边和底边1mm，在距离片状导体左边4.5mm处终止。一个RF信号源502通过第一引脚106被馈送给片状导体102。第二引脚108与第一和第二开关504、506连接，还提供了与第三开关510连接的第三引脚508。天线的基本操作包括三种模式，工作在GSM(全球移动通信系统)、DCS和PCS(个人通信服务)频带。可以很容易地增加覆盖UMTS(通用移动电信系统)的第四模式。
在大约900MHz的第一低频(GSM)模式下，第一开关504被打开，第三开关510被关闭，将第三引脚508连接到接地平面104，而天线作为弯折PIFA工作。连接在第一和第三引脚106、508之间的电容512调谐掉弯折PIFA的平衡模式电感，并提供了加宽频带的范围。
在大约1900MHz的第二高频(PCS)模式下，第三开关510被打开，而第一和第二开关504、506被关闭，将第二引脚108连接到接地平面104，而天线作为DS-PIFA工作。在大约1800MHz的第三(DCS)模式，第二开关被打开，由此对第二引脚108加载电感514，其具有降低谐振频率的作用。旁路电感516用来平衡掉DCS和PCS模式下由缝隙202的长度引起的天线的容性阻抗。在GSM模式下，由于受到不存在于DCS和PCS模式电路中的旁路电容512的影响，它的作用是相反的。
通过改变电感514的值，天线能在一个宽的频率范围上调谐。当电感514的值很小时，第二引脚108近似接地，而天线作为DS-PIFA工作。当电感514的值很高时，第二引脚108近似开路，天线作为弯折PILA工作。图6是电感514的值从0变化到64nH且第二和第三开关506、510开路时模拟的回波损耗S11的曲线图。在这幅图中，具有最高谐振频率的响应对应于0nH的电感值，次最高对应于1nH的电感值，随后的曲线对应于顺次加倍一直到64nH的电感值。这些响应是在一个200Ω的系统中模拟的(反映了由缝隙的位置引起的高辐射模式阻抗变换对于GSM模式中有效的弯曲是有必要的)。
可变电感514能以许多方式实现。一种方法是提供一系列不同的电感，它们既能被分别单独接通，还能组合使用，从而提供一系列不同大小的值。另一方法是提供一个与电感并联的连续变化的电容，只要频率低于并联的电容和电感的并联谐振频率(用电容调谐并联谐振频率)。例如，这种电容可以是变容二极管(在低功率水平下)或MEMS(微电磁系统)器件。要在可变电感，以及第一、第二和第三开关504、506、510中进行切换，MEMS开关是尤其适用的，因为它具有开态电阻低和关态电阻高的特点。
可以清楚地看到天线能在一个几乎一个倍频程的带宽上调谐，然而，由于在弯折PILA模式下，缝隙202的位置并没有引起阻抗变换，所以弯折PILA模式下谐振时的阻抗比DS-PIFA模式下要小得多。因此谐振频率的减少导致了匹配恶化。尽管如此，有可能在没有显著的匹配恶化的情况下，在大约200-300MHz的范围调谐。这足以覆盖UMTS、PCS和DCS频带。
通过使用匹配电路能显著地改善匹配，其在低频端提供了比高频端更大的向上阻抗变换。这种匹配电路的一个简单例子是与后接旁路电感的天线相连接的串联电容。采用2pF的电容和25nH的电感，模拟结果被改进成图7所示的结果。此处匹配在整个可调谐的频率范围上能被更好地保持。通过关闭第三开关510，也能得到更高的阻抗：这对频率响应几乎没什么影响，但是对于高的电感514值，天线将因此作为弯折PIFA工作，而不是用作弯折PILA。
回到GSM模式下图5的基本天线，图8是表示它的模拟的回波损耗的史密斯圆图。标记S1对应于880MHz的频率，而标记S2对应于960MHz的频率。开关按照在开态具有一个0.5Ω的串联阻抗和在关态具有一个0.02pF的串联电抗的MEMS开关来模拟。当发射和接收频带均能单独达到一个可以接收的水平时，尽管回波损耗S11不是特别好，带内大约为-5dB，但是这足以通过开关而没有显著的损失。
如图9所示的处于GSM模式的天线的效率E，其中失配损耗如虚线所示，电路损耗如点划线所示，以及总的损耗如实线所示。这些结果基于Q为200的电容512，这个值很高但是可行的。一个好品质的电容是必要的，因为它和天线的电感形成了并联的谐振电路。显然总的效率是由回波损耗控制的，而电路损耗少于25％。
天线的电感性本质和电容512的电容性调谐一起导致了天线作为一个好的滤波器工作。图10表示了天线的衰减A(以dB表示)，表明了二次谐波的大于30dB的衰减，和三次谐波的大约20dB的衰减。通过增加连接第一和第三引脚106、508的导体能进一步改善衰减，这在我们共同待决的未公开的国际专利申请IB02/02575(申请人索引PHGB010120)中进行了披露。
现在考虑一下图5处于PCS模式的天线，图11是表示它的模拟的回波损耗的史密斯圆图。标记S1对应于1850MHz的频率以及标记S2对应于1990MHz的频率。在这里尽管具有200Ω的高阻抗，但匹配却很好。这是由于缝隙202的位置所引起的大辐射模式阻抗变换，这是在GSM模式下有效的弯折(meander)所需要的。然而，高阻抗对开关是有利的，而且如果天线的高度被减小，那么它就能被减小。图12表示了处于PCS模式的天线的效率E，其中虚线表示了失配损耗，点划线表示了电路损耗，以及实线表示了总共的损耗。电路损耗大约为10％。
接下来考虑一下处于DCS模式的图5的天线，图13是表示它的模拟的回波损耗的史密斯圆图。标记S1对应于1710MHz的频率以及标记S2对应于1880MHz的频率。在这个模式中，使用电感514对第二引脚108进行感性加载。匹配和带宽与PCS模式的相似。尽管对短路引脚感性加载，图14所示的效率E(与前面的曲线类型具有相同的含义)也与PCS模式的相似。
显然当第三开关被关闭时，第三引脚508的构造和相关的操作模式不是本发明的本质特征，其仅要求用于信号的与片状导体102的第一连接，以及片状导体102与接地平面104的第二连接，该第二连接具有可变阻抗，该可变阻抗可以得到开路和短路之间一系列不同的值。具有额外的连接引脚和/或额外的缝隙的宽范围的可选实施例是可能的。类似地，本发明在不需要任何开关的情况下可以被实现。
对上述实施例的进一步改进中，第三引脚508也能被感性加载，由此能覆盖大约824到894MHz的蜂窝发射频带。与连接第二引脚108的第一开关504和相关的电感514安排类似，增加了与第三引脚508连接的其它开关和电感，从而使覆盖这个频带和GSM频带成为可能。
从本发明公开的内容知道，其它的改进对于本领域熟练的技术人员是显而易见的。这种改进可以包括其它技术特征，它们是天线装置和组成部分的设计、制造和使用已经公知的其它技术特征，并且可以被用来替换或增加本文已经描述的技术特征。
在本发明的说明书和权利要求书中，一个部件之前的“一”或“一个”并不排除多个这种部件的存在。而且，词语“包括”并不排除本文所列举之外的部件或步骤的存在。

Claims (10)

1.一种包括一个基本为平面的片状导体(102)的天线装置，具有连接到无线电电路的第一(106)和第二(108)连接点，和在所述点之间插入的缝隙(202)，以及接地平面(104)，其中，如果第二连接点(108)连接到接地平面(104)，则天线装置工作在具有第一工作频率的第一模式下，而如果第二连接点(108)开路，则工作在具有第二工作频率的第二模式下，并且其中，具有零到无穷大阻抗的值域的可变阻抗(514)被连接在第二连接点(108)和地之间，由此提供了处于第一和第二工作频率之间的天线装置的工作频率。
2.如权利要求1所述的装置，其中接地平面(104)与片状导体(102)彼此分隔且共同延伸。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中缝隙(202)是不对称地定位在状导体(102)上的，由此提供了阻抗变换。
4.如权利要求1到3的任一项所述的装置，其中装置在第一模式下作为一个差动开槽PIFA工作，而在第二模式下作为平面倒L天线工作。
5.如权利要求1到4的任一项所述的装置，其中可变阻抗(514)包括一个可变电感。
6.如权利要求5所述的装置，其中可变电感(514)是以通过开关装置连接的多个不同的电感来实现的。
7.如权利要求6所述的装置，其中开关装置包括MEMS开关。
8.如权利要求5所述的装置，其中可变电感(514)是以与电感并联的可变电容来实现的。
9.如权利要求8所述的装置，其中可变电容包括MEMS器件。
10.一种无线电通信设备，包括如权利要求1到9的任一项所述的天线装置。
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