CN1778012A - 天线装置和包括该天线装置的便携式无线电通信装置 - Google Patents

Abstract

用于便携式无线电通信装置的多频带天线装置具有第一和第二辐射元件(10，20)。在这些辐射元件之间设置有可控开关(30)，以对其进行选择性的互连和断开。该开关的状态由控制电压输入(V_Switch)来控制。在馈电部分与控制电压输入之间设置有用于阻挡射频信号的滤波器(40)。在第一辐射元件上的接地部分(14)与地之间设置有DC阻挡布置(50)，其中，第一和第二辐射元件是大体平面的，并设置在地平面上方的预定距离处。利用该布置，在天线装置的性能和小总体尺寸得到保持的情况下，获得了两个宽且隔开的频带。还提供了包括这种天线装置的通信装置。

Description

天线装置和包括该天线装置的便携式无线电通信装置

技术领域

本发明总体上涉及天线装置，更具体而言，涉及一种用于便携式无线电通信装置比如移动电话中的可控内部多频带天线装置。本发明还涉及一种包括这种天线装置的便携式无线电通信装置。

背景技术

内部天线已经用于便携式无线电通信装置中一段时间。有许多与使用内部天线相关联的优点，比如，它们体积小、重量轻，使得它们适用于尺寸和重量很重要的应用，比如用在移动电话中。通常用于便携式无线电通信装置的内部天线是所谓的平面倒F天线(PIFA)。

然而，在移动电话中应用内部天线给天线结构带来一些限制，比如，辐射元件的大小，馈电和接地部分的精确定位，等等。这些限制可能使得很难找到提供宽工作频带的天线结构。这对于需要多频带工作的天线是尤其重要的，其中天线用于在两个或更多隔开的频带中工作。在一种典型的双频带话机中，低频带居中在900MHz(所谓的GSM900频带)，而高频带居中在1800或1900MHz左右(分别是DCS和PCS频带)。如果天线装置的高频带设置得足够宽，包含了1800和1900MHz频带，那么，就可获得在三个不同的标准频带下工作的话机。在不久的将来，将出现在四个甚至更多的不同频带下工作的天线装置。

无源天线中的频带数量受到天线尺寸的限制。为能够进一步增加频带数量和/或减小天线尺寸，可以使用有源频率控制。在日本专利申请10190347的专利摘要中公开了一种有源频率控制的示例，其公开了一种能够处理多个频率的拼贴(patch)天线装置。为此，提供了一个基本拼贴部分和一个附加拼贴部分，它们通过PIN二极管互连，该PIN二极管被设置成选择性地互连和断接拼贴部分。虽然这提供了一种频率控制，但是，所述天线装置仍然具有很大的体积，不太适于在两个或更多相隔开的频带之间进行切换，比如在GSM与DCS/PCS频带之间切换。然而，该现有技术示例具有典型性，即，已经利用接入和断开附加拼贴来进行调谐，而非在距第一频带的一距离处创建附加频带。

日本特开JP2000-236209号公报的专利摘要公开了一种包括线性导体或位于介电基底上的单极天线，参见图1。天线的辐射部分包括至少两个金属片，它们通过二极管开关电路相连。辐射元件具有连接到滤波电路一端的馈电点，该滤波电路去除高频信号。信号V_Scwitch用于控制二极管开关。所公开的联合结构(con-figuration)仅限于单极或双极天线。而且，根据上述日本文献的天线的发明目的并不是提供一种小尺寸的天线。

因此，现有技术天线装置中的问题在于，提供一种PIFA类型的多频带天线，其具有小尺寸和体积、以及宽频带，并保持优良性能。

发明内容

本发明的一个目的在于，提供一种最初所述类型的天线装置，其中频率特性提供至少两个相对宽的频带，同时天线装置的总体尺寸较小。

另一个目的是，提供一种多频带性能优于现有技术装置的天线装置。

本发明基于这样的认识，即，通过设计天线，能够在物理上非常小的天线中提供几个频带，使得在至少两个频率模式中，天线利用天线结构的第一谐振。这可通过在天线装置中的辐射元件和地之间设置滤波装置来实现，其中辐射元件是可通过开关选择性地互连的，并且馈电部分和开关装置之间的滤波装置阻挡射频信号。

根据本发明的第一方面，提供了一种如权利要求1所述的天线装置。

根据本发明的第二个方面，提供了一种如权利要求16所述的便携式无线电通信装置。

从属权利要求限定了进一步的优选实施例。

本发明提供了一种天线装置和一种便携式无线电通信装置，其中，现有技术中的这类装置的问题得以避免或至少减轻。因此，提供了天线体积小至大约2立方厘米的多频带天线装置，这意味着和标准的多频带拼贴天线相比该天线的尺寸得以减小，但是仍然保持了RF性能。而且，根据本发明的天线装置的带宽与对应的现有技术装置可以改进，而不增加尺寸，这被认为是利用了天线结构的基频模式的结果。作为示例，与传统的现有技术天线装置的9-10％相比，已经获得了高达高频带中心频率的15％的带宽。

滤波器优选地是低通滤波器，以提供有效的RF阻挡布置。

开关优选地是PIN二极管，它作为电控开关工作时具有优良的性能。

附图说明

现在，参照附图，通过示例的方式来描述本发明，其中：

图1是现有技术单极天线的示图；

图2示出根据本发明的PIFA天线装置的示意图；

图3是图1所示的天线装置的更详细示图；

图4是印刷电路板的总体图，该印刷电路板被设置成装配到便携式通信装置中，并具有根据本发明的天线装置；

图5示出一另选的辐射元件结构；

图5a示出沿图4所示的辐射元件的Iva-Iva线所截取的截面图；

图6也示出一另选的辐射元件结构；

图7示出一另选的实施例，其中一个辐射元件本身提供两个谐振频率；

图8和8a示出一另选的实施例，其中将一个辐射元件用作从辐射器；

图9示出一另选的实施例，其将提供两个谐振频率的辐射元件和用作从辐射器的辐射元件组合起来；以及

图10示出一另选的实施例，其中将电阻器用作滤波器。

具体实施方式

下面，将具体描述根据本发明的天线装置的优选实施例。在描述中，为了进行阐述而非限制，给出了一些具体的细节，如特定的硬件、应用、技术等等，以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员应当清楚，本发明也可以实现为偏离这些具体细节的其它实施例。在其它例子中，省略了对于公知的方法、装置以及电路的详细描述，以使对本发明的描述不因不必要的细节而含糊不清。

图1已经在背景技术部分描述，下面不作进一步描述。

图2中，示出了一种天线装置，总体上标为1。该天线装置包括第一大体平面矩形辐射元件10，第一大体平面矩形辐射元件10由导电材料如片金属或曲膜(flex film)制成，这是常规的。射频信号的源射频，如便携式无线电通信装置的电子电路，连接到第一辐射元件的馈电部分12。

天线装置还包括第二大体平面矩形辐射元件20。在两个辐射元件10、20之间设有开关元件30。该开关元件优选地是PIN二极管，即，硅结二极管，该硅结二极管具有一轻掺杂本征层，该本征层用作p层和n层之间的介电阻挡层。理想的是，PIN二极管开关的特征是，在开路状态它是具有无限大绝缘的开路，而在闭路状态它是没有电阻损耗的短路，这使得它适于用作电子开关。实际上，PIN二极管开关并不是理想的。在开路状态，PIN二极管开关具有电容特性(0.1-0.4pF)，这导致了有限绝缘(15-25dB@lGHz)，而在闭路状态，开关具有电阻特性(0.5-3欧姆)，这导致了电阻损耗(0.05-0.2dB)。

第一和第二辐射元件10、20设置在地平面(如下面参照图4描述的印刷电路板)上方的预定距离处。

用于控制PIN二极管操作的DC控制输入，图中标为V_Switch，通过滤波器模块40连接到第一辐射元件10，而不影响天线装置的RF特性。这意味着，滤波器模块40的滤波特性被设置成阻挡RF信号。在优选实施例中，滤波器模块40包括一低通滤波器。

第一辐射元件10的接地部分14通过DC阻挡布置连接到地，该DC阻挡布置采用高通滤波器50的形式。该布置的功能是为所述PIFA天线装置提供到地的必要连接，即，使RF信号流入地，同时阻挡来自DC控制输入的DC电流在经过PIN二极管之前到达地。因此，DC控制产生了通过PIN二极管而使其导通的DC电流。

最后，第二辐射元件通过第二低通滤波器模块60连接到地。设置该第二低通滤波器，以使第二辐射元件的接地不会不利地影响该辐射元件的RF特性。

在图3中示出了该天线装置更详细的示图。该图中示出，每个低通滤波器模块都包括两个电感器和一个设置在该两个电感器与地之间的电容器。DC阻挡布置50包括设置在第一辐射元件与地之间的电容器。在该优选实施例中，连接到DC阻挡电容器的馈电部分12和接地部分14设置在第一辐射元件的同一侧，优选地设置在其短侧。

天线优选地设计为50欧姆。

在图4中，示出了两个辐射元件10、20，它们被设置得大体平行于印刷电路板(PCB)70并与其隔开，该印刷电路板70适于安装到诸如移动电话的便携式通信装置80中。PCB充当天线装置的地平面(groundplane)。在图4中以虚线示出该通信装置的总体轮廓。该天线装置1的典型尺寸是高约4mm，总体积约2cm³。

可以理解的是，除了两个辐射元件10、20以及开关元件30外的所有组件都可以设置在PCB上，以便于天线装置的简易组装。由于没有开关元件的单独馈电，所以进一步便于组装。

天线装置功能如下。通信装置80的RF源和其它电子电路在给定电压电平如1.5伏特下操作。标准是，该电压电平高得足以产生穿过PIN二极管的必需电压降，即，大约1伏特。这意味着控制电压V_Switch在两个电压“高”和“低”之间切换，比如在1.5和0伏特之间切换。当V_Switch高时，存在穿过PIN二极管30的电压降，和穿过PIN二极管30的约5-15毫安的对应电流。该电压降使得二极管导通，从而有效地电互连两个辐射元件10、20。

随着两个辐射元件被互连，即，随着开关元件“闭合”，两个辐射元件以对应于低频带的谐振频率作为一个大元件激活工作。

在控制电压V_Switch为“低”的情况下，没有足够的电压降穿过PIN二极管30来使它导通，即，该二极管处于“开路”。然后，第二辐射元件和第一辐射元件有效断开，只有第一辐射元件充当具有对应于高频带的高谐振频率的一个小元件。

选择两个辐射元件的尺寸和结构，以获得希望的谐振频率。因此，第一辐射元件10的尺寸和结构决定高频带的谐振频率，而第一和第二辐射元件10和20的组合决定低频带的谐振频率。在一优选实施例中，两个辐射元件具有相似的结构，以覆盖900和1800/1900MHz频带。

天线装置的传统制造方法是，在由非导电材料如聚合物或其它塑性材料制成的载体上设置形成天线的辐射部分的导电层。因此，载体由热敏材料制成，从而，希望在向天线装置焊接部件时加热区域较小，以使温度尽可能低。

图5中，示出了辐射元件的一种另选结构，其将用于PIN二极管的焊盘与热阱(heat trap)组合起来，该热阱用于有效焊接，同时在两个辐射元件之间设置大的总体距离。每一个辐射元件110、120包括一从另外的大体矩形形状伸出的窄部110a、120a。该伸出部分止于相应的焊盘110b、120b，PIN二极管形式的开关元件30例如通过焊接安装到所述焊盘110b、120b。通过这种结构，由于两个辐射元件之间的总体相互距离比参照图2-4描述的实施例中的大，所以它们之间的干扰被最小化了。为了将辐射元件之间的干扰保持在合理水平，发现它们应当隔开至少3毫米，优选地隔开更远。而且，通过提供采用以窄连接部分与主辐射元件隔开的焊盘形式的连接部分，使得焊接用加热能量较低，从而最小化了对于载体结构的损害。

为了使天线装置的总重量变得最小，从而节省天线装置安装到无线电通信装置所占据的空间，在载体102中安装PIN二极管的区域周围设置一基本C形的狭缝103。通过该狭缝，可以抑制载体上安装PIN二极管的区域，如图5a的截面图所示。PIN二极管被设置成低于载体102的上表面，从而使天线装置的总体高度基本上对应于辐射元件110、120与PCB70之间的距离。

在图6所示的另选实施例中，两个辐射元件210、220之间的相互距离因这些元件的非矩形结构而保持得较大。在图6中，辐射元件的彼此面对的侧面从PIN二极管30互连两个辐射元件的位置处分叉。

第一辐射元件本身可以具有提供多于一个频带的结构。其示例示出在图7中，其中第一辐射元件310具有总体C形的形状，它本身提供两个谐振频率。这就提供了一种包含一低频带的RF特性，该低频带具有两个谐振频率，一个由第一辐射元件本身提供，一个在PIN二极管导通时(即开关闭合时)由第一和第二辐射元件的组合提供，这实际上产生了一个较宽的频带。还包含一个高频带，该高频带具有一个谐振频率，该谐振频率在PIN二极管不导通即开关断开时由第一辐射元件提供。

通过将第二辐射元件用作从元件，可以进一步改进本发明的构想，即，使用两个辐射元件来产生天线装置的两个隔开的频带。由于第一辐射元件既可用于提供一个谐振频率，如图3所示，又可用于提供两个谐振频率，如图7所示，所以这个构想是可行的。这在图8中得以实现，其中第二辐射元件420在一个频带中的某个频率下接地。这通过利用具有图8a所示的S21特性的带阻滤波器460代替图2所示的第二低通滤波器60来实现。因此，在低频带LB，带通滤波器460基本上阻挡了任何信号，而在高频带HB，它基本上短路接地。利用从辐射器，进一步增加了高频带的带宽。

现在参照图9，描述使用如图7所示本身提供两个谐振频率的辐射元件与如图8所示使用辐射元件作为从元件这两者的组合。总体结构类似于图7中的总体结构，其中，第一辐射元件510大体为C形，本身提供两个谐振频率，第二辐射元件520通过带通滤波器560连接到地，从而操作为从元件。利用该布置，获得了四个谐振频率，基本上提供了一种四频带天线装置。

已经描述了根据本发明的天线装置的优选实施例。然而，应当理解，在所附权利要求的范围内这些可以发生变化。因此，已经描述了用PIN二极管作为开关元件。应当理解，也可以使用其它种类的开关元件。

已经在图2和3中示出了在第二辐射20之后设置第二低通滤波器模块60。应当理解，该滤波器模块可以省略，而将第二辐射元件直接接地，这并不违背本发明的思想，尽管在此情况下的天线装置的性能在天线装置是PIFA时会有所劣化。

图2和3中的辐射元件被描述为基本平面的和大体矩形的。应当理解，辐射元件可以采取任何合适的形状，如弯曲得与安装有天线装置的便携式无线电通信装置的外壳相符合。

已经示出用一个开关30来互连两个辐射元件。应当理解，也可以使用多于一个开关，如若干并列的PIN二极管，这不违背本发明的思想。

普通类型的移动电话是所谓的“折叠式手机(fold phone)”或“滑动式手机(slide phone)”。在这些手机中，优选的是让手机的可动部分的位置来控制开关。因此，当手机处于通话位置(即，打开和展开位置时)，开关是闭合的，从而将谐振调回到手机的闭合状态下的同一频率。

在图3中示出了低通滤波器模块40和60，包括电容器和电感器。在图10所示的一个另选实施例中，电容器和电感器由每个滤波器模块中的纯电阻器来代替，也就是说，滤波器模块40和60的阻抗是纯阻性的(R)。在所有其它方面，该实施例与图3所示实施例中的都相同。由于切换PIN二极管所需的低DC电流，所以可以在滤波器模块中采用高电阻，如800欧姆。这又提供了阻挡RF信号的滤波器模块。

使用电阻器具有若干优点。首先，电阻器时非常便宜的元件。第二，电阻器适合人工组装。使用电阻器作为滤波器不限于所公开的实施例，而可以用于任何这样的应用，即，其中低电流提供对天线装置中的天线元件的选择性切换。

Claims (16)

1、一种用于便携式无线电通信装置的天线装置，该便携式无线电通信装置能够至少在第一和第二频带下工作，该天线装置包括：

第一导电辐射元件(10；110；210；310；410；510)，具有可连接到无线电通信装置的馈电装置(RF)的馈电部分(12)；

第二导电辐射元件(20；120；220；320；420；520)，具有可连接到地的接地部分；

可控开关(30)，设置在第一和第二辐射元件之间，用于选择性地互连或断开所述辐射元件，该开关的状态由控制电压输入(V_Switch)来控制；

第一滤波器(40；340；440；540)，设置在馈电部分(12)与控制电压输入(V_Switch)之间，其中第一滤波器被设置以阻挡射频信号，

其特征在于，

第一辐射元件的接地部分(14)，和

高通滤波器(50)，设置在第一辐射元件的接地部分(14)与地之间，

其中，第一和第二辐射元件是大体平面的，并设置在地平面上方的预定距离处。

2、根据权利要求1所述的天线装置，其中，第一滤波器(40；340；440；540)是低通滤波器。

3、根据权利要求1或2所述的天线装置，其中，开关(30)包括PIN二极管。

4、根据权利要求1至3中的任何一项所述的天线装置，包括第二滤波器(60；360；460；560)，该第二滤波器连接到第二辐射元件(20)的接地部分，并可连接到地。

5、根据权利要求4所述的天线装置，其中，第二滤波器(60；360；460)是低通滤波器。

6、根据权利要求4所述的天线装置，其中，第二滤波器(560)是带阻滤波器(460)，其在第一和第二频带中的较低频带具有阻带。

7、根据权利要求1至6中的任何一项所述的天线装置，其中，第一辐射元件(310；510)具有提供多于一个谐振频率的结构。

8、根据权利要求1至7中的任何一项所述的天线装置，其中，第一辐射元件(10)的馈电部分(12)和连接到DC阻挡布置(50)的接地部分(14)设置在第一辐射元件(10)的同一侧，并且优选地设置在第一辐射元件(10)的短侧。

9、根据权利要求1至8中的任何一项所述的天线装置，其中，第一和第二辐射元件(110，120)中的至少一个包括伸出部分(110a，110b，120a，120b)，并且其中开关(30)连接到该伸出部分。

10、根据权利要求1至9中的任何一项所述的天线装置，包括大体平面的印刷电路板(70)，其中，第一和第二辐射元件(10，20)以及开关(30)被设置得大体上平行于该印刷电路板并与该印刷电路板隔开。

11、根据权利要求1至10中的任何一项所述的天线装置，其中，天线装置的体积小于3cm³，优选地小于2cm³。

12、根据权利要求1至11中的任何一项所述的天线装置，其中，天线装置是PIFA。

13、根据权利要求1至12中的任何一项所述的天线装置，其中，便携式无线电通信装置的位置用来控制开关。

14、根据权利要求1至13中的任何一项所述的天线装置，其中，第一滤波器(40)的阻抗是纯阻性的。

15、根据权利要求4至14中的任何一项所述的天线装置，其中，第二滤波器(60)的阻抗是纯阻性的。

16、一种便携式无线电通信装置，包括大体平面的印刷电路板和天线装置以及接地装置，该天线装置利用电子电路连接到馈电装置(RF)，用于发送和/或接收RF信号，其中该天线装置包括：

第一导电辐射元件(10；110；210；310；410；510)，具有连接到馈电装置(RF)的馈电部分(12)；

第二导电辐射元件(20；120；220；320；420；520)，具有连接到接地装置的接地部分；

可控开关(30)，设置在第一和第二辐射元件之间，用于选择性地互连或断开所述辐射元件，该开关的状态由控制电压输入(V_Switch)来控制；

第一滤波器(40；340；440；540)，设置在馈电部分(12)与控制电压输入(V_Switch)之间，其中第一滤波器被设置以阻挡射频信号，

其特征在于，

第一辐射元件的接地部分(14)，和

高通滤波器(50)，设置在第一辐射元件的接地部分(14)与地之间，

其中，第一和第二辐射元件是大体平面的，并设置在地平面上方的预定距离处。

Images