CN1695267A - 可控制的天线装置 - Google Patents

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Abstract

天线(11)包括电容性耦接到负载接线(27)的接线天线元件(22)。开关(33)将负载接线(27)连接到一个或更多个带状线(35、37、40)中的一个，其每一个具有不同的长度。每一个带状线使得负载接线(27)具有不同的阻抗，一个引起短路，一个引起开路，和一个引起这些极值之间的阻抗。由于其间的电容性耦接，负载接线(27)的不同阻抗引起天线接线(22)不同的工作频率。因此天线(11)可调谐至三个分开的频率。由于负载接线(27)相对于天线接线(22)的位置，其他的频率带不受影响。通过允许以控制负载接线(27)的阻抗的方式调谐，天线装置可以制作得小于在相同的频率下可工作的相应的无源天线。通过使用N掷开关，不同长度的N条带状线可以被连接，每个导致不同的工作频率。

Description

可控制的天线装置
发明领域
本发明涉及一种天线装置，可以通过控制连接至一个或多个带状线或微带线的多掷开关(multiple throw switch)来调整其频率。
发明背景
对于无线电话听筒包括内部接线天线(patch antenna)装置是相对常见的，因为制造这些相对廉价而且由于他们在期望工作频率处具有适当窄的带宽。然而，当无线电话需要在多于两个的多个频率带，例如在PCS和DCS频带以及GSM 900频带工作时，接线天线的使用出现问题。PCS频带包括了1850至1990MHz的频率，和DCS发射机频带包括了1710至1785MHz的频率，DCS接收机频带包括了1805至1880MHz的频率。
从例如US 5,777,581中可知设置成工作多个频率带的接线天线，其中公开了通过相应的开关可与多个调谐带连接的接线天线。在JP11-136025中公开了更适合于在移动电话应用中使用的天线。在这篇文件中，接地层和天线元件在基板的相对面上形成。天线元件在一端接地，通过可控制的开关能够在另一端与地耦接。进一步的开关可以在天线元件上的其他位置与地电势耦接，允许将天线调谐到多个离散频率。
提供改进的天线装置是本发明的目的。
发明概述
根据本发明的第一方面，提供了一种包括设置成将一个或更多个带状线或微带线耦合到天线元件的多掷开关的天线装置。
优选地，该天线装置包括电容性耦接到天线元件的负载元件，连接到负载元件的开关。因为允许调谐天线元件而不将开关和天线元件直接连接，因此该装置具有显著优势。这进而又允许调谐至负载元件可允许范围内的任何频率。优选地，负载元件是接线(patch)。在一个实施例中，负载元件在基板的表面上，以使负载元件垂直于天线元件。然而，可以使用任何适合的装置，主要的要求在于负载元件电容性耦接到天线元件以使得能够通过调整负载元件的阻抗调整天线元件的频率。
根据本发明的第二方面，提供了包括电容性耦接到天线元件的负载元件、和设置成将一个或更多个带状线或微带线连接至负载元件的开关的天线装置。
因为由带状线或微带线的阻抗引起的相差导致在天线装置中可控制阻抗的期望效果，所以使用一个或更多个不同长度的带状线或微带线是具有优势的。因为可以通过开关的适当控制来精确地调谐天线元件，所以由使用本发明而产生的对阻抗的控制是具有优势的。
优选地，开关连接到至少两个或更多个带状线或微带线。由于天线元件的频率取决于带状线或微带线的长度，所以使用多个线允许将天线元件调谐至多个频率。优选地，将开关的一掷连接至基本上为零长度的带状线或微带线。零长度的带状线或微带线仍可以引起反射，产生期望的阻抗，其进而又引起期望的工作频率。通过适当的设计，具有大于零的长度的带状线或微带线的数目可以少于天线装置可以调谐至的频率的数目。
具体的天线装置包括直接施加到天线元件的馈送连接和接地连接，开关与这些连接中的任一个分开连接。这具有开关只在转换发生的频率带处引起损耗的优点。如果开关与接地连接器或馈送连接器中之一连接，天线的所有频率带将遭受转换的损耗。
本发明还提供了一种包括根据本发明的天线装置的无线电话。
附图的简要说明
现在将只通过实施例、参考附图的方式描述本发明的实施例，其中：
图1是根据本发明安装在印刷电路板上的的天线装置的示意性透视图；
图2是图1的印刷电路板的相反面的平面图；
图3示出了用于说明图1和2天线装置的工作的史密斯圆图(Smith chart)；
图4，5和6说明图1和2的天线装置的性能；
图7示出了图1的天线装置，其与第二天线装置并列安装以形成无线电话的一部分；和
图8说明带状线端接的替换方法。
优选实施例描述
首先参考图1，示出了印刷电路板10的透视图。天线安装在印刷电路板10的前表面上。天线11包括由例如聚碳酸酯(PVC)之类塑胶组成的基板12，具有三维矩形形状。基板的第一面13在图中示出为最上面，具有12mm的长度，在一侧与印刷电路板10邻接，以及高6mm。基板12的第二面14在图中示出为最左面，具有30mm的长度，与印刷电路板10邻接，以及高6mm。6mm高的边缘中的一个与第一面13邻接。第三面15与第一和第二面13、14邻接并与印刷电路板10相对，具有30mm的长度和12mm的宽度。第四面16与第一面13相对且具有相同尺寸。第五面17与第二面14相对且具有相同尺寸。第五面上没有特征形成。第一和第三面13、15是完全金属化的，除了从印刷电路板横跨第一面延伸至第三面上的狭槽(slit)。该狭槽包括第一部分18，其沿着与印刷电路板邻接的第一面13的边缘，从与第一和第二面的接合处相对的点开始延伸。第一部分18延伸了大约7mm。然后狭槽的第二部分19从印刷电路板至与第三面15的接合处垂直延伸。然后狭槽的第三部分20在第一面13上沿着与第三面15的接合处远离第二面14蔓延大约4mm。然后，狭槽的第四部分21沿着第三面的长度蔓延大约25mm，此时它向第二面14垂直转弯大约5mm，此后再次垂直转弯且向第一面13蔓延大约20mm。如应理解，在第三面15上的狭槽的第四部分21的布局、宽度和形状、以及事实上其存在对于本发明并不关键。该狭槽导致尺寸的降低。没有狭槽，天线将被折叠而达到8cm左右的总长度(在最低频带处的波长的四分之一，900MHz)。
在第三面15上形成的敷金属以接线的形式构成了天线元件22。接线天线元件22通过接地连接23连接至印刷电路板10上的接地层(图2中示出)，其通过在位于狭槽的第二部分19和第二面14之间的第一面上的金属化形成。在第一面上的剩余的敷金属构成固定的电容性负载24。
在第四面16上，敷金属存在为该面的3mm带25，其沿着该面纵向蔓延，且其与接线天线元件22邻接。这构成了天线元件的一部分，并有助于其与接地层电容性连接。
在基板12的第二面14，具有大约2mm宽度的馈送连接器26在一端与接线天线元件22连接，并沿着第二面垂直延伸至印刷电路板10上的馈送连接。该馈送连接器26位于离与第一面13邻接的第二面14的端部大约5mm的位置。
还在第二面14上形成具有大约19mm的长度和大约3mm的宽度的负载接线27。通过大约3mm的间隙将负载接线27的一端与馈送连接器26分开。通过大约0.8mm的间隙将负载接线27与接线天线元件22分开，且对于负载元件27的整个长度，间隙的尺寸保持常数。通过大约0.8mm的间隙将与馈送连接器26相对的负载元件27的一端与第二面14的端部分开。负载元件27和馈送连接器26由敷金属层形成。负载元件27通过连接器28与印刷电路板10的相反面上的电路连接。
负载元件27和接线天线元件22之间的距离决定两个元件之间的耦接数目。尽管在该实施例中间隙是0.8mm宽，但是可采取0.1mm和2mm之间的任何距离。负载元件和馈送连接器26之间的距离也影响天线元件22和负载元件之间的耦接数目，正如在第四面16上的负载元件和敷金属25之间的距离那样。
基板12能够采取任何适当的形式。例如，基板12不必是实心矩形块，但可以由具有0.5mm厚度的PVC壁形成的盒子构成。天线和负载元件等的敷金属可以形成在盒子的内表面或外表面上。因为影响在给定频率处工作所需的天线元件22的尺寸，所以用于形成基板12的材料的介电常数很重要。
现在参考图2，以平面图示出印刷电路板10的表面。表面30可与基板12相对，但优选在与其相同的面上。这里，焊盘31连接至连接器28，连接器28进而又连接至负载接线27。焊盘31连接至单刀开关33的刀32。通过具有47pF电容的第一电容器34构成焊盘31和开关33之间的连接。开关33的第一掷35，其物理上与刀32相对，通过第二电容器36与第一带状线35连接。第二带状线37通过第三电容器39与开关33的第二掷38连接。相似地，第三带状线40通过第四电容器42与开关33的第三掷41连接。第二、第三、和第四电容器36、39、42中的每一个具有47pF的电容。在各部件之间但与其电绝缘地形成接地层。通过向三个控制电压点43-45施加适当的电压来控制开关33。在工作中，在任何一次，向一点施加3V左右的电压并将剩余的两点接地。
开关33可以采取任何适当的形式。一个这样适当的开关是美国马萨诸塞州沃本市森林路20号(20 Sylvan Road，Woburn，Massachusetts，USA)的SkyworksSolutions，Inc制造的AS202-321。
带状线35、37和40中的每一个具有不同的长度，且每一个端接具有正方形端部。带状线35、37、40可以是50Ω带状线。选择带状线35、37和40的长度以使其为负载接线27提供阻抗，该阻抗使得产生具有期望频率特性的天线装置11。
由于电容性负载被最小化，因此当负载接线在与连接器28的接合处呈现很高(例如，开路)阻抗时，负载接线27不影响天线元件22的频率。由于电容负载被最大化，所以当负载接线27在与连接器28的接合处呈现零阻抗(短路)时，天线元件22的谐振频率减小了可由天线11允许的最大数量。向负载接线27提供这些极端值之间的另一个‘反射’阻抗导致谐振频率取在两个极值之间的值。通过只改变在与连接器28的接合处呈现给负载接线的阻抗的相位，能够在开路和短路之间改变呈现给负载的阻抗。在与连接器28接合处呈现给负载接线27的阻抗的相位是频率和连接器28、自连接器至刀32的链路、开关33、自开关至相关的带状线35、37、40的起始的链路的的组合电气长度以及带状线本身的电气长度的函数。因此，通过连接具有一定物理长度，由此对于负载接线27也是电气长度的带状线，控制对于负载接线的阻抗的相位，并因此控制天线11的谐振频率。带状线35、37、40的电气长度由材料的电气特性决定。在该实施例中，印刷电路板是FR4基板，其具有4.5左右的介电常数。
在图2中，第二带状线37具有5mm的长度，考虑自其端部至负载接线27的路径的长度，其在1.9GHz处给出了开路。这样，当通过开关33将第二带状线37连接至负载接线27时，允许该装置在1850-1990MHz PCS频率下工作。第一带状线35具有25mm左右的长度，其在1.8GHz处向负载接线27提供短路。因此，当通过开关33将第一带状线连接到负载接线27时，引起了天线11在1710-1785MHz的DCS Tx频率处谐振。第三带状线40具有15mm左右的长度。因此其在1.8GHz处引起(0-j20)Ω左右的中间复数阻抗。在1805-1880MHz的DCS Rx频率处，当第三带状线通过开关33连接至负载接线27时，允许天线装置的工作。在1.85GHz(在FR4基板上)左右处，第一和第二带状线35、37的长度的差与信号波长的四分之一对应，其等同于通过开关电路呈现给负载接线的阻抗的90度的相移。示出了当引起带状线35、37、40中的每一个通过开关33与其连接时，在与连接器28的接合处呈现给负载接线27的阻抗的史密斯圆图在图3中示出。
通过图4和5的图表说明天线11的性能。这里，在图4中S11曲线示出了较高频率带，和在图5中示出了较高和较低频率带。在图6中示出了天线11的实际效率，如在3D近场箱(3D near field chamber)中测量的。
尽管上述实施例包括三个带状线，允许调谐至三个离散频率，但是本发明不限于此。在另一实施例中(未示出)，使用4掷开关，每一掷连接至相应的唯一长度的带状线。以这种方式，天线装置可调谐至四个离散频率。通过选择带状线的适当长度，可以调谐天线装置至例如DCS Tx和Rx频率以及PCS Tx和Rx频率。
优势源自负载元件电容性耦接到天线元件的事实，和可以控制负载元件的阻抗以采用大量离散步长的任意一个的事实，其中离散步长的数目等于开关上掷的数目。
而且，通过以控制负载元件的阻抗的方式允许调谐，该天线装置能够制作得小于可在相同的频率处工作的可比较天线。申请人已经制造了图1和2中的天线，并发现在占用了小于可比较的可在相同频率处工作的相应无源天线装置一半的体积的同时，其提供了相当的性能。当天线装置用于移动无线设备如无线电话时，体积降低具有特殊的重要性。无线电话的底板在图7中示出。
参考图7，在其左上角处向印刷电路板10提供天线装置11。尽管未示出，开关33和带状线可以适当地从印刷电路板10的相反侧连接至天线11。WCDMA(宽带码分多址)天线50附着到印刷电路板10的右上角，且通过在印刷电路板的相反侧上的适当连接来馈送。WCDMA天线50允许无线电话在3G系统中工作，其具有自1920MHz至2170Mhz的工作带宽。
由于天线11和50相互具有较大的物理隔离，其由天线11的较小尺寸产生，所以其间的射频隔离量增加了。进一步地，当WCDMA天线50在使用中时，控制开关33以使负载接线提供短路，使天线11在1710-178MHz的DCX Tx频带处工作。因此，获得了两个天线11和50的显著的频率隔离。
再次参考图1和2，将理解，开关33的插入损耗对天线的性能具有负面影响。然而，由于设置负载接线27使其只对天线11的较高(1700-2000MHz)的频率带具有显著影响，所以开关只在这些频率带具有负面影响。在其他的工作频率如900MHz GSM频率处开关33不提供任何实质性损耗，因此在该频带中的辐射不受开关存在的影响。
由于开关33不在放大器(未示出)和天线接线22之间的链路中，所以，另一个优势在于避免了潜在定型(type approval)问题。
由于通过负载接线27给出的阳抗取决于带状线35、37、40的长度，因此可以在天线设计的后期实施谐振频率的调整。尤其，天线的大规模生产工具不需要为了工作频率的最终调谐而更改；通过改变在印刷电路板10上的带状线的长度可进行代替进行调整。进一步地，可优化该设计以使实现图2部件需要的印刷电路板10的相反侧区域的量最小。尤其是，开关33的适合的布置可导致最短的具有0mm长度的带状线。以及这本身就节省了底板10上的空间，而且其允许其他的带状线采取最小可能的长度，进一步节省空间。
应理解，天线元件22构成双频带PIFA(平面反转F天线)。由于决定了对天线元件22的哪个频率带有影响，所以负载接线27的安置很重要。在负载接线27定位如图中所示的情况下，通过其阻抗只影响其高频率带。在低频带的工作频率的控制可以通过在适当位置包括负载接线，以及与它一起包括可控制的开关和带状线装置来实施。
在进一步的实施例中(未示出)，在第五面17上包括负载接线27，其中它对天线装置11的较低频率带有影响。该实施例中的负载接线通过两掷开关连接至两个带状线中的一个。带状线中的一个在大约850MHz频率处提供短路，引起在850MHz处天线工作。另一个带状线提供开路，引起在900MHz处的天线工作。因此，天线装置可在两个不同的亚-1GHz(sub-1GHz)频率处工作。
在图8中说明了替换实施例。这里，对于相同部件参考数字从图2中保留。这里，第一带状线35(最长的一个)以连接至接地层G而结束。带状线35的长度是5mm，其比图2实施例中的短20mm。由于通过短路至接地层G而将信号相移90度，所以当带状线35通过开关连接到负载接线时提供相同的阻抗。该技术能够用于在带状线长度不便于天线设计时减短带状线。
代替形成在印刷电路板表面上的带状线，本发明可通过使用微带线(未示出)来实现。在这种情况下，微带线嵌入印刷电路板10中。

Claims (14)

1.一种天线装置，包括设置成将一个或更多个带状线或微带线中的一个耦接至天线元件的多掷开关。
2.如任一前述权利要求所述的天线装置，其中，天线装置包括电容性耦接至天线元件的负载元件，开关连接至该负载元件。
3.一种天线装置，包括电容性耦接到天线元件的负载元件，和设置成将一个或更多个带状线或微带线中的一个连接至负载元件的开关。
4.如权利要求3所述的天线装置，其中，开关是多掷开关。
5.如权利要求2、3和4中任一个所述的天线装置，其中，负载元件是接线。
6.如任一前述权利要求所述的天线装置，其中，天线元件是接线。
7.如任一前述权利要求所述的天线装置，其中，开关连接至至少两个或更多个带状线或微带线。
8.如任一前述权利要求所述的天线装置，其中，开关的一掷连接至基本上为零长度的带状线或微带线。
9.如任一前述权利要求所述的天线装置，其中，当通过开关耦接至天线元件时，带状线或微带线中的一个在天线装置的工作频率处基本上提供开路。
10.如任一前述权利要求所述的天线装置，其中，当通过开关耦接至一个或所述天线元件时，带状线或微带线中的一个在天线装置的工作频率处基本上提供短路。
11.如任一前述权利要求所述的天线装置，其中，当通过开关耦接至一个或所述天线元件时，带状线或微带线中的一个在天线装置的工作频率处提供短路和开路之间的阻抗。
12.如任一前述权利要求所述的天线装置，其中，带状线或微带线中的至少一个在其与开关相对的端部接地。
13.如任一前述权利要求所述的天线装置，其中，带状线或微带线中的至少一个在其与开关相对的端部与地绝缘。
14.一种无线电话，包括如任一前述权利要求所述的天线装置。
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