CN1792004A

CN1792004A - 用于高频和微波频段的可切换多频带天线

Info

Publication number: CN1792004A
Application number: CNA2004800133258A
Authority: CN
Inventors: H·佩泽; A·希格斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2004-05-05
Publication date: 2006-06-21
Also published as: KR20060012621A; EP1627446A1; JP2007505587A; US20070001906A1; WO2004102737A1

Abstract

描述了一种用于高频和微波频段的可切换多频带天线，其可以操作在相对大量的频带内，而不会显著地限制每个单独频带内的性能。这基本上是通过一个可切换输入结构(24)达成的，通过该输入结构可以将天线的不需要的谐振印刷线结构(21；22)与HF线或者接地线(242)隔离开。特别在一个实施例中，在基底(10)上施加多个谐振印刷线结构，借助于一个或多个开关设备，有目标地将所述印刷线结构连接到对应的HF线或接地线或者与所述HF线或接地线隔离开。

Description

用于高频和微波频段的可切换多频带天线

本发明涉及一种用于高频和微波频段的可切换多频带天线，该天线至少可以操作在两个频带中。本发明还涉及一种包括此类天线的电信设备。

一般来说，高频或微波频段内的电磁波被用来特别借助于移动电信设备传输信息。为了发射和接收这些电磁波，日益需要能够在多个频带内操作的天线，其中在每个频带内都有足够的带宽。

在移动电话标准中，所述频带处于880到960MHz之间(GSM900)、1710到1880MHz之间(GSM1800或DSC1800)，并且在美国特别是处于824到894MHz之间(AMPS)以及1850到1990MHz之间(D-AMPS、PCS或GSM1900)。此外，所述频带包括UMTS频带(1880到2200MHz)，并且特别包括宽带CDMA(1920到1980MHz以及2110到2170MHz)、用于无绳电话的DECT标准(1880到1900MHz)和蓝牙(BT)标准(2400到2483.5MHz)，所述蓝牙标准用于在诸如移动电话、计算机、电子娱乐设备之类的不同电子设备之间交换数据。

至少在过渡时间周期期间需要使移动电话有可能同时操作在至少一个GSM频段内以及UMTS频段内。

常常需要使得移动电话有可能同时操作在两个欧洲(GSM)频带和两个美国频带(AMPS和PCS)内，从而使得频繁往来于欧洲和美国之间的用户无需携带两个移动电话。

除了传输信息，移动电信设备有时还具有附加的功能和应用，比如用于已知GPS频段内的卫星导航，而天线也应该能够操作在该频段内。

因此，在原理上需要所述类型的现代电信设备能够操作在尽可能多的前述频段内，因此需要能够覆盖这些频段的适当的多频带天线。

随着在移动电话中集成了越来越多的功能，并且由于自然地希望使得移动电话尽可能地小，因此带来的问题是移动电话外壳中的可用空间越来越小，因此所述天线在体积和尺寸方面应该尽可能地小。

天线辐射电磁能量以形成电磁谐振。这要求天线的长度至少等于所发射的电磁辐射的波长的四分之一。当使用空气作为电介质时(ε_r＝1)，1GHz的频率相应地要求75mm的天线长度。例如可以通过将天线缠绕成螺旋形式来减小这一长度，在所谓的“短截线天线”中就是这种情况。

为了在给定的辐射波长下使得天线的尺寸最小化，可以将电介质常数ε_r＞1的电介质用作天线的基本构建块。这导致将电介质中的辐射波长缩短了

因此，在这种电介质基础上设计的天线的尺寸也减小了

所述类型的天线具有电介质材料制成的基底，根据所希望的一个或多个操作频带，在该基底的各表面上施加了一个或多个金属化结构。所述谐振频率的数值取决于所印制的金属化结构的尺寸以及取决于该基底的电介质常数值。随着所述金属化结构的长度增加以及随着所述电介质常数值增加，各个谐振频率的数值减小。这种天线也称作“印制线天线”(PWA)或者“电介质块天线”(DBA)。

这些天线的一个特别的优点在于可以通过表面安装(SMD技术)而将这些天线直接施加到印刷电路板(PCB)上，也就是说通过平坦焊接和接触(可能与其它组件一起)而无需附加的安装设备(引脚)来提供电磁功率。

然而，如果所述天线要操作在多个频带内，则确定所述金属化结构的尺寸可能很困难。由于所述金属化结构会互相影响，所以将天线最佳地适配于其中一个必要频带将意味着损害在其它频带内的天线功率。

从WO 01/29927 A1中获知了一种可切换天线，其中在一个导体结构上提供了至少两个彼此相隔一定距离的接触点，通过这些接触点，能够将所述导体结构可选地连接到一个高频馈线(或接地连接)。通过在两个接触点之间进行切换，可以改变该导体结构的有效长度并从而改变谐振频率，这样，通过给定所述接触点之间的适当距离，可以将天线操作在至少两个相邻频带内。在这种情况下，所述导体结构被设计成片结构(patch structure)或者被设计成以曲折方式布设的印刷线，其中在印刷线支持件的背面安排有条状的部件结构。

可能使用在移动电信设备中的另一种天线是“平面倒F天线”(PIFA)，其中在接地金属化的上方安排一个金属化结构，所述天线作为体谐振器操作。虽然例如已经从WO 01/91234 A1、WO 01/91235 A1和WO 01/91236 A1中获知通过连接或隔离各金属化部分来在所述天线中产生多频带能力，但是这种天线的一个缺点是它们需要相对大量的空间，即使通过使用电介质材料也只能在有限的程度上减小所需的空间量。

因此，本发明的一个目的是提供一种上述类型的可切换天线，所述天线以相对简单的方式由一条或多条印刷线构成，但是同时所述天线可以操作在多个上述类型的频带内，其中至少可以在很大程度上彼此独立且没有反馈的情况下对所述天线进行调谐和优化。

此外，本发明的一个目的是提供一种上述类型的可切换天线，所述天线的尺寸尽可能小，因此能够以节省空间的方式被容纳在一个相对较小的移动电信设备内。

如权利要求1所述，该目的是通过一种用于高频和微波频段的可切换多频带天线来达成的，所述天线包括至少一个被施加到基底上的谐振印刷线结构，并且包括一个可切换输入结构和被安排在基底的一个支持件上的至少一个线段，其中该可切换输入结构被提供来将至少一条HF线或至少一条接地线连接到所述谐振印刷线结构，这是通过可选的互联或者通过切换该输入结构来对该至少一个线段进行桥接。

如权利要求2所述，所述目的还通过一种用于高频和微波频段的可切换多频带天线来达成，所述天线包括至少两个被施加到基底上的谐振印刷线结构，并且包括一个可切换输入结构，以用于将一条HF线或接地线可选地连接到至少其中一个谐振印刷线结构。

这些解决方案的一个特别的优点在于保留了DBA天线的上述有利属性，特别是它们制造简单并且可以安装在印刷电路板上。由于可以在基底的支持件上制造所述可切换输入结构，因而可以以相对较低的费用将已有的天线翻新成上述类型的可切换天线而无需进行改变(或只需很少的改变)。

从属权利要求3到5以及9包含对权利要求1所述的解决方案的有利扩展，在从属权利要求6到9中规定了对权利要求2所述的解决方案的有利扩展。

借助于如权利要求3、4、6和8所述的实施例，多频带天线的一种特别节省空间的总体设计是可能的。

权利要求5包含一种可切换的双频带天线，其优选地适于操作在移动电话标准的频段内。

如权利要求7所述的实施例的优点在于，可以基本上在一个制造步骤内以经济的方式制造所述天线。

最后，如权利要求9所述的实施例包含天线输入结构的一种优选设计，借助于所述设计能够可靠而没有干扰地切换所述天线。

下面将参照附图中示出的示例性实施例来进一步描述本发明，然而，这些示例性实施例并不限制本发明。

图1示出了第一实施例的第一透视图。

图2示出了第一实施例的第二透视图。

图3示出了利用所述天线的第一实施例获得的谐振频谱。

图4示出了第二实施例的第一透视图。

图5示出了第二实施例的第二透视图。

图6示出了利用所述天线的第二实施例获得的谐振频谱。

图7示出了第三实施例的透视图。

图8示出了图7的部件透视图。

图9示出了图7所示天线的第一切换位置。

图10示出了图9所示的切换位置所获得的天线谐振频谱。

图11示出了图7所示天线的第二切换位置。

图12示出了图11所示的切换位置所获得的天线谐振频谱。

图13示出了图7所示天线的第三切换位置。

图14示出了图13所示的切换位置所获得的天线谐振频谱。

图1和2示出了根据本发明的(DBA或PWA)天线的第一实施例的透视图，该天线安装在印刷电路板(PCB)1的正面，在其背面有接地金属化1a。

所述天线具有基本上是平行六面体块的形式的基底10，其长度或宽度比其高度大约要大3到40倍。因此，在下面的说明中，基底10的上(大)面将被称为上主面，其对面将被称为下主面，与这两个主面垂直的各面将被称为基底10的侧面。

替代平行六面体形状的基底10，也可以选择不同的几何形状，比如圆形、三角形或者多边柱形，这取决于应用和可用空间。此外，基底10也可以包含空腔或者凹陷，以便节省材料并从而节省重量。

基底10例如由陶瓷材料以及/或者一种或多种适用于高频的塑料制成，或者也可以通过在聚合物矩阵中嵌入陶瓷粉末来制成。也可以使用纯聚合物基底。所述材料的损耗应该尽可能低，并且其高频属性应该具有较低的温度依赖性(NPO或者所谓的SL材料)。

为了减小天线的尺寸，基底10优选地具有ε_r＞1的电介质数以及/或者μ_r＞1的磁导率数。然而，应该注意，当基底具有较高的或者增加的电介质数和/或磁导率数时，可达到的带宽减小。

在图1所示的天线中，基底10的长度约为17mm，宽度约为11mm，高度约为2mm。

基底10基本上在其上主面上具有一个谐振印刷线结构11，该谐振印刷线结构由高导电性材料制成，诸如银、铜、金、铝或超导体。该印刷线结构11也可以嵌入在基底10中。

在所示的实施例中，所述印刷线结构11的路线、长度和宽度例如是以本身已知的方式选择的，从而使得天线展现出两个谐振频率(双频带天线)。

所述印刷线结构11通过一个可切换输入结构12连接到一条HF线(13)(通常为50欧姆线)，以用于发送和接收电磁能量，其中该HF线布设在印刷电路板1的正面。

可切换输入结构12包括一个馈入点121，其具有在基底10的下主面上的金属化的形式，在将天线安装在该印刷电路板的过程中，例如通过焊接将该馈入点与HF线13相接触。

在馈入点121处，第一线段122开始沿着基底10的一侧延伸，其具有基底10的下主面上的金属化的形式。在第一线段122的末端是第一衬套(bushing)123，其产生第一线段122和第二线段124之间的连接，该第二线段124是通过施加在印刷电路板1背面的金属化而形成的。

该第二线段124基本上与第一线段122平行布设，并且终结在第二衬套125处，该第二衬套125将第二线段124连接到开关焊盘126。该开关焊盘126被以金属化的形式施加到印刷电路板1的正面。

在将天线安装在印刷电路板1的过程中，将位于基底10的下主面上的所述谐振印刷线结构11的第一部分111的起始处与该开关焊盘126相接触。

所述可切换输入结构12最后还包括一个开关设备(未示出)，其在闭合状态下将开关焊盘126连接到馈入点121(或者HF线13)，并且在打开状态下将其彼此隔离。

当该开关设备打开时(第一开关位置)，馈入点121通过第一线段122连接到谐振印刷线结构11、第一衬套123、第二线段124和终结在开关焊盘126处的第二衬套125。

当该开关设备闭合时(第二开关位置)，该谐振印刷线结构11直接连接到馈入点121或者HF线13，该谐振印刷线结构11由与开关焊盘126接触的第一部分111、在基底10的一个侧面上的第二部分112和被施加到基底10的上主面的第三部分113构成。

因此，通过打开和闭合该开关设备，有可能改变该谐振印刷线结构11的有效长度。这一改变的程度可以以简单的方式通过该第一和第二线段122、124的长度以及第一衬套123的定位来确定。

该开关设备可以作为SMD组件被安装在印刷电路板上。它可以是一个传统的高频半导体开关，例如一个Macom的GaAs SPST开关(操作范围约在0到2.5GHz之间)或者一个MEMS(微电子机械开关)。所述开关设备也可以包括PIN二极管。

图3示出对应于图1、2所示天线的作为频率[MHz]的函数的反射参数S₁₁[dB]的图，这两个图是在两个开关位置下获得的。可以明显地看出两个谐振频段之间的偏移，所述谐振频段在闭合开关位置下位于GSM900和GSM1900/PCS频带中，而当该开关设备打开时所述谐振频段位于AMPS和GSM/DCS1800频带中。在适当情况下，也可以使用这些谐振频率的高阶谐波。

在图4、5的两个透视图中示出了本发明的第二实施例。其中相同或相似的部件具有与图1、2中相同的附图标记。因此无需再描述这些组件，而是将只讨论其间的差异。

在该实施例中，基底10由陶瓷材料制成，其长度约为17mm，宽度约为11mm，高度约为2mm。其被施加到印刷电路板1的正面，在该印刷电路板的背面同样是接地金属化1a。

与第一实施例不同，在该第二实施例中，可切换输入结构12具有用于天线的第一和第二馈入点1211、1212。该第一馈入点1211通过第一衬套123连接到线段124，该线段124布设在印刷电路板1的背面。在线段124的末端是第二衬套125，其产生到第二馈入点1212的连接。在安装天线的过程中，将该第二馈入点1212与位于下主面上的谐振印刷线结构11的第一部分111的一端相接触。

相应于两个馈入点1211、1212，第一HF线131和第二HF线132被安排在印刷电路板1的正面。这两条线131、132可以分别通过其中一个上述开关设备(未示出)或一个适当开关替换地连接到第一和第二馈入点1211、1212。

图4示出了第一开关位置，其中所述开关设备将第一HF线131连接到第一馈入点1211，并且将第二HF线132与第二馈入点1212隔离开。图5示出了相反的第二开关位置，其中第二HF线132连接到第二馈入点1212，并且第一HF线131与第一馈入点1211隔离开。

通过选择开关位置，有可能改变谐振印刷线结构11的有效长度。这一改变的程度可以通过两个馈入点1211、1212彼此之间的距离来确定。

图6示出对应于图4、5所示天线的作为频率[MHz]的函数的反射参数S₁₁[dB]的图，这两个图是在两个开关位置下获得的。在该图中，同样可以明显地看出两个谐振频段之间的偏移，所述谐振频段在图4所示的开关位置下位于AMPS和GSM/DCS1800频带中，而在图5所示的开关位置下位于GSM900和GSM1900/PCS频带中。

因此，本发明的第一和第二实施例特别适用于将同时在欧洲和美国使用的移动电话。用于切换输入结构的相应控制信号可以从移动无线电系统中导出。

图7示出了根据本发明的天线的第三实施例。

该天线同样具有上述类型的优选的陶瓷基底10，其长度约为20mm，宽度约为12mm，高度约为2mm。

基底10在其下主面上具有第一谐振印刷线结构21和第二谐振印刷线结构22。因为所述印刷线结构21、22位于一个主面上，所以有可能在一个制造步骤中经济地制造该天线，并且有可能在不损失功率的情况下将其高度减小到低于2mm。基底10被安装在印刷电路板1的正面，该印刷电路板1在其背面具有接地金属化1a。

在该印刷电路板的正面有作为馈线23b延伸到基底10下方的HF线23a，从而可以将电磁能量电容性地耦合入或耦合出天线。

所述两个谐振印刷线结构21、22可以通过一个可切换输入结构24连接到印刷电路板1背面上的接地金属化1a。

在图8中详细示出了该输入结构24。其包括通过该印刷电路板1的第一衬套241，该衬套将印刷电路板1背面上的接地金属化1a连接到印刷电路板1正面上的接地线242。该接地线242延伸到基底10下方，并且终结在第二衬套243处，该第二衬套将所述接地线连接到被施加在印刷电路板1背面上的第一开关焊盘244。

第二衬套245将第一谐振印刷线结构21的一端连接到印刷电路板1背面上的第二开关焊盘246。最后，提供了第三衬套247，其将第二谐振印刷线结构22的一端连接到印刷电路板1背面上的第三开关焊盘248。这三个开关焊盘244、246、248优选地具有1×1×1mm的尺寸并且由铜制成。

取决于将在其中操作天线的所希望的谐振频带的数量和位置，甚至可以将更多的谐振印刷线结构施加到基底10，它们的一端通过衬套连接到印刷电路板1背面上的相应的开关焊盘。

输入结构24还包括一个或多个开关设备(未示出)，借助于所述开关设备可以将第一开关焊盘244连接到第二开关焊盘246和/或连接到第三开关焊盘248。所述开关设备优选地采用上述的设计，并且通过对其进行开关可以彼此独立地将第一谐振印刷线结构21或者第二谐振印刷线结构22或者可能将两个谐振印刷线结构21、22连接到所述接地金属化或者与之隔离，这取决于所希望的操作频段。

除了有可能由一个天线覆盖大量频带之外，另一个优点在于，通过闭合相关开关设备激活的印刷线结构的性能不受(至少一个)其它印刷线结构的影响或负面影响，前提是通过打开相关的开关设备将后者与接地金属化1a隔离开。此外，针对所提供的谐振频段，可以彼此独立地确定印刷线结构21、22的尺寸并对其进行优化。这与包括两个或多个谐振印刷线结构的该类型的已知天线相比导致对更大的天线频谱的使用。

图9以平面图的形式示意地示出该开关设备的第一开关位置，其中接地线242通过第一和第二开关焊盘244、246连接到第一谐振印刷线结构21。

图10以作为频率[MHz]的函数的反射参数S₁₁[dB]的图的形式示出最终得到的谐振频谱。在GSM900频带中可以清楚地看到显著的谐振。与此同时，该谐振的第一谐波被高度抑制，从而与该类型的已知天线相比对系统的双工器要求相对较低，因为在这种情况下需要将适配得尽可能好的第一谐波用于多频带操作。

图11以平面图的形式示意地示出该开关设备的第二开关位置，其中接地线242通过第一和第三开关焊盘244、248连接到第二谐振印刷线结构22。

图12同样以作为频率[MHz]的函数的反射参数S₁₁[dB]的图的形式示出最终得到的谐振频谱。在这种情况下，GSM900频带中的谐振不再存在。相反地，在约1700MHz到约2500MHz之间展现出一个高度宽带的双谐振，这允许将天线操作在DCS、PCS、UMTS和BT频带中。

最后，图13示意地示出了该开关设备的第三开关位置，其中接地线242通过第一、第二开关焊盘244、246以及第一、第三开关焊盘244、248同时连接到第一和第二谐振印刷线结构21、22。

图14同样以作为频率[MHz]的函数的反射参数S₁₁[dB]的图的形式示出最终得到的谐振频谱。在这种情况下，最低的谐振频率约为850MHz，因此天线也可以操作在AMPS频带中。

Claims

1、一种用于高频和微波频段的可切换多频带天线，所述天线包括至少一个被施加到基底(10)上的谐振印刷线结构(11)，并且包括一个可切换输入结构(12)和被安排在基底(10)的一个支持件(1)上的至少一个线段(122，124)，其中该可切换输入结构(12)被提供来将至少一条HF线(13；131，132)或至少一条接地线连接到所述谐振印刷线结构(11)，这是通过可选的互联或者通过切换该输入结构(12)来对该至少一个线段(122，124)进行桥接。

2、一种用于高频和微波频段的可切换多频带天线，所述天线包括至少两个被施加到基底(10)上的谐振印刷线结构(21，22)，并且包括一个可切换输入结构(24)，以用于将一条HF线(23)或接地线(242)可选地连接到至少其中一个谐振印刷线结构(21，22)。

3、一种如权利要求1所述的可切换多频带天线，其中所述支持件是一个印刷电路板(1)，并且至少其中一个线段(122，124)被安排在印刷电路板(1)的与所述基底(10)相对的背面上。

4、一种如权利要求3所述的可切换多频带天线，其中所述可切换输入结构(12)包括一个馈入点(121)，该馈入点在第一开关位置下可以经由第一线段(122)、通过所述印刷电路板(1)的第一衬套(123)、第二线段(124)以及通过所述印刷电路板(1)的第二衬套(125)连接到所述谐振印刷线结构(11)，并且该馈入点在第二开关位置下可以直接连接到该谐振印刷线结构(11)。

5、一种如权利要求1所述的可切换多频带天线，其中提供了两条HF线(131，132)，它们可以借助于所述输入结构(12)替换地连接到其中一个所述线段(122，124)的第一端和第二端。

6、一种如权利要求2所述的可切换多频带天线，其中所述基底(10)被安排在一个支持件(1)的一侧，而所述可切换输入结构(24)被安排在该支持件(1)的相对侧。

7、一种如权利要求6所述的可切换多频带天线，其中所述谐振印刷线结构(21，22)被施加到所述基底(10)的与所述支持件(1)相向的一侧，其中所述印刷线结构(21，22)经由衬套(245，247)连接到所述可切换输入结构(24)。

8、一种如权利要求7所述的可切换多频带天线，其中所述输入结构(24)在每种情况下包括一个开关焊盘(246，248)，该开关焊盘连接到每个衬套(245，247)，并且可以通过切换该输入结构(24)而连接到所述HF线(23)或地线(242)。

9、一种如权利要求1或2所述的可切换多频带天线，其中所述输入结构(12；24)出于切换的目的包括半导体开关或者微电子机械开关(MEMS)。

10、一种包括一个支持件(1)和一个如权利要求1或2所述的可切换多频带天线的移动电信设备。