CN1914765A - 天线装置和包括这种天线装置的便携式无线电通信设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于便携式无线电通信设备的天线装置，该便携式无线电通信设备至少可在第一和第二频段中工作，该天线装置包括：第一导电平面辐射元件(10)，其具有可连接到无线电通信设备的馈送装置(RF)的馈送部(12)；和第二导电平面辐射元件(20)，其具有可连接到地的接地部。可控开关(30)布置在第一辐射元件与第二辐射元件之间，用于选择性地将所述辐射元件互连和断开，其中所述开关的状态通过控制电压输入(VSwitch)来控制。第一滤波器(16)布置在馈送部与控制电压输入之间，其中设置该第一滤波器用来阻挡射频信号。通过在设置在接地面上方的第一与第二大致平面辐射元件之间提供高通滤波器(32)，可以在物理上小的天线装置中高效地提供四频段操作。

Description

天线装置和包括这种天线装置的便携式无线电通信设备
技术领域
本发明总体上涉及天线装置，更具体地，涉及一种用在诸如移动电话的便携式无线电通信设备中的可控内置多频段天线装置。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设备。
背景技术
内置天线已经在便携式无线电通信设备中使用了一段时间。有许多与使用内置天线相关的优点，其中可以提到的有：它们小而轻，从而使它们适于尺寸和重量比较重要的应用，诸如应用于移动电话中。在便携式无线电通信设备中经常使用的一种内置天线是所谓的平面反转F天线(PIFA)。
然而，将内置天线应用于移动电话中对天线的结构产生了一些限制，诸如一个或多个辐射元件的尺寸、馈送部和接地部的确切位置等。这些限制使得难以找到提供宽工作频段的天线的构造。这对于要用于多频段工作的天线尤为重要，在多频段工作中，使天线适用于在两个或更多个分隔开的频段中工作。在典型的双频段电话中，低频段以900MHz(所谓的GSM 900频段)为中心，而高频段以1800或1900MHz(分别为DCS和PCS频段)为中心。如果使天线装置的高频段足够宽，覆盖1800和1900MHz两者，则可获得在三个不同的标准频段中工作的电话。在不久的将来，可以设想在四个或甚至更多个不同的频段中工作的天线装置。
在无源天线中频段的数量受天线尺寸的限制。为了能够进一步增加频段数量和/或减少天线尺寸，可以使用有源频率控制。在日本专利10190347的摘要中公开了有源频率控制的示例，其公开了能够处理多个频率的补片天线(patch antenna)装置。为此提供了通过PIN二极管而互连的基本补片部件和附加补片部件，设置该PIN二极管用以选择性地互连和断开这些补片部件。虽然这提供了频率控制，但是天线装置的尺寸仍然大，并且并没有很好地适应于在两个或更多个相对分隔开的频段之间(诸如在GSM和DCS/PCS之间)进行切换。取而代之地，该现有技术装置示例的特点在于：使用对附加补片的切入和切出来进行调谐，而不是创建距第一频段一定距离的附加频段。
公开号为JP2000-236209的日本专利摘要公开了一种包括线状导体或者位于电介质基片上的单极天线，见图1。该天线的辐射部分包括通过二极管开关电路相连接的至少两个金属条。辐射元件具有与滤波器电路的一端相连接的馈送点，该滤波器电路截断高频信号。使用信号VScwitch来控制二极管开关。该公开的构造限于单极或偶极天线。此外，根据上述日本文献的天线的目的不是提供小尺寸的天线。
因此，现有技术的天线装置的问题是提供一种具有小尺寸和小体积以及宽频段的、保持良好性能的PIFA型多频段天线。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种最初提到的那种天线装置，其中，频率特性提供了四种比较宽的频段，并且天线装置的总体尺寸很小。
另一个目的是提供一种比现有技术的装置具有更好的多频段性能的天线装置。
本发明基于以下的实现：通过将天线布置成使两个辐射元件的第一部分互连而用于射频信号并且使这两个辐射元件的第二部分通过由DC电压控制的开关而选择性地互连，可以将几个频段设置在物理上非常小的天线中。将DC电压施加到控制输入，其中设置在RF馈送部和DC控制输入之间的滤波器结构阻挡RF信号。
根据本发明的第一方面，提供了一种如权利要求1所限定的天线装置。
根据本发明的第二方面，提供了一种如权利要求10所限定的便携式无线电通信设备。
其他的优选实施例定义在从属权利要求中。
本发明提供了一种天线装置和一种便携式无线电通信设备，其中消除了或者至少减轻了现有技术的装置中的问题。因此，提供了一种多频段天线装置，其具有大约3cm3的天线体积，这意味着与标准多频段补片天线相比，天线的尺寸减小，但仍保持RF性能。此外，与对应的现有技术的装置相比，可以提高根据本发明的天线装置的频带宽度，但是物理尺寸无任何增大，该尺寸增加被认为是使用双频段天线结构的结果。
优选地，开关为PIN二极管，其当作为电控RF开关进行工作时具有良好的特性。
附图说明
现在参照附图通过示例来描述本发明，在附图中：
图1是现有技术的单极天线的示意图；
图2示出了根据本发明的PIFA天线的示意图；
图2a和2b分别示出了在第一和第二操作模式下的图2的PIFA天线；
图2c是图2所示的天线的工作模式的频率图；
图3是被布置为安装在便携式通信设备中并具有根据本发明的天线装置的印刷电路板的概要图；
图4是示出了天线装置的实施例，其中，通过导电片提供了辐射元件之间的电容性耦合；
图5是示出了天线装置的另一实施例，其中，通过辐射元件之间的曲折接合部提供了辐射元件之间的电容性耦合；
图6示出了另一另选的辐射元件构造；
图7示出了根据本发明的天线装置的另选实施例，其中设置有三个辐射元件；以及
图7a-d示出了图7所示的天线装置的不同工作模式。
具体实施方式
下面，将给出根据本发明的天线装置的优选实施例的详细描述。在该描述中，出于解释而非限制的目的，阐述了特定细节，诸如具体硬件、应用、技术等，以提供对本发明的全面理解。然而，本领域的技术人员应该清楚的是，可以在脱离这些特定细节的其他实施例中利用本发明。在其他示例中，省略了对公知方法、装置和电路的详细描述，以便于不会因不必要的细节而使本发明的描述变得不明显。
图1已在背景技术部分进行了描述，不再进一步说明。
在图2中示出了一天线装置，总体标示为1。该天线装置包括由导电材料(诸如传统的片金属和柔性膜)制成的第一大致平面矩形辐射元件10。射频信号的源RF(诸如便携式无线电通信设备的电子电路)与第一辐射元件的馈送部12相连接。
该天线装置还包括第二大致平面矩形辐射元件20。开关元件30设置在这两个辐射元件10和20之间。优选地，该开关元件为PIN二极管，即，具有用作p层与n层之间的介电势垒(dielectric barrier)的轻掺杂本征层的硅结二极管。理想地，PIN二极管的特征为：在断开模式下为具有无限绝缘的开路，而在闭合模式下为没有电阻损失的短路，这使其适合作为电子开关。在现实中，PIN二极管开关不是理想的。在断开模式下，PIN二极管开关具有电容特性(0.1-0.4pF)，其导致有限绝缘(15-25dB，在1GHz时)；在闭合模式下，该开关具有电阻特性(0.5-3Ω)，其导致电阻损失(0.05-0.2dB)。
第一辐射元件10和第二辐射元件20还通过高通滤波器(表示为图中的电容器32)电容性地互连。该高通滤波器允许RF信号通过，这意味着从RF的视点看，这两个辐射元件是一个单个的元件，将参照图2a-2c对其进一步描述。
将第一辐射元件10和第二辐射元件20布置在接地面(诸如下面参照图3描述的印刷电路板)上方的预定距离处。
将用于控制PIN二极管的工作的DC控制输入(由图中的VSwitch标示)通过滤波器块16连接到第一辐射元件10，从而不影响天线装置的RF特性。这意味着将滤波器块16的滤波特性设计为阻挡RF信号。在优选实施例中，滤波器块16包括低通滤波器。
最后，将第二辐射元件在接地部22直接连接到地。该接地部对从RF输入发出的RF信号和从控制输入发出的DC信号都起作用。
优选地，将天线设计为50Ω。
如下是天线装置功能的切换。通信设备的RF源和其他电子电路在给定的电压电平(诸如1.5V)下工作。标准是该电压电平高得足以在PIN二极管的两端上产生必需的电压降，即，大约为1V。这意味着控制电压VSwitch在“高”和“低”两个电压(诸如分别为1.5V和0V)之间切换。当VSwitch为高时，在PIN电极30两端上存在电压降，并且通过其中的对应电流约为5-15mA。该电压降使二极管导通，将两个辐射元件10和20在二极管30处有效地电互连。
当控制电压VSwitch为“低”时，在PIN二极管30两端上的电压降不足以使其导通，即，PIN二极管3为“断开”。那么第二辐射元件仅通过电容器32有效连接到第一辐射元件。
对这两个辐射元件的尺寸和结构进行选择，以获得期望的谐振频率，诸如当开关断开时为850和1800MHz而当开闭合合时为900和1900MHz。
现在转到图2a，其中示出了从RF的视点看，两个辐射元件10和20是如何作为具有大致C形的一个单个的辐射元件而工作的。这是因为作为高通滤波器进行工作的电容器32用作两个辐射元件之间的“RF桥”。因为控制电压VSwitch为低(即0V)，所以图2a中的PIN二极管形式的开关30是断开的(即非导通的)。没有DC电流流过该二极管。C形的组合辐射元件与馈送部12的位置结合，使该结构在两个频率处谐振，有效地使其适合于双频段工作。
在图2b中，开关30闭合，即，二极管导通。当将高控制电压VSwitch施加到控制输入时，实现了该效果，见图2。该电压产生了DC电流，该DC电流流过LP滤波器16、第一辐射元件10、二极管30、第二辐射元件20，并通过接地部流入地。当开关30闭合(即二极管导通)时，这两个辐射元件之间的RF桥扩宽。在与图2a进行比较时可在图2b中清楚地看到这一情形。
有效辐射元件的这种几何形状变化调整了天线装置的谐振频率。这可从图2c中看出，其中，虚线曲线对应于图2a所示的工作模式，而实线曲线对应于图2b所示的工作模式。这意味着获得了可以在四种不同频段(例如上述850/900/1800/1900MHz频段)中工作的天线装置。
图2c所示的谐振频率的调整可用于所谓的折叠式电话中的有利条件。在这种通信设备中，当电话的姿态从折叠改变为展开模式时，内置天线元件的谐振频率倾向于向低频率移动。使用本发明的天线装置，当电话展开时，通过使开关30闭合可以抵消这种谐振频率的移动。因此，当电话折叠时，控制电压VSwitch为低，而当电话展开时，控制电压为高。于是该天线装置作为具有基本上恒定的谐振频率的双频段天线进行工作，而与通信设备的操作模式(折叠/展开)无关。
图2c所示的谐振频率的调整还可用于双频段直板式电话中的有利条件。在用于移动通信的频段中，发射(TX)和接收(RX)频率相隔大约45-90MHz。通过使用频率调整，可以通过将频率调整到TX和RX频率而不是包括TX和RX频率的更宽的频段，来获得接近最佳的效率。
在图3中，两个辐射部件10和20被示出为布置得与印刷电路板(PCB)70大致平行并与其隔开，PCB 70适于安装在诸如移动电话的便携式通信设备80中。PCB用作天线装置的接地面。图3的虚线示出了通信设备的大体轮廓。天线装置1的典型尺寸是，长度为大约4毫米，总体积为大约3cm3。
应该理解的是，可以将除了两个辐射元件10和20、开关元件30和电容器32之外的所有部件都设置在PCB上，从而使天线装置的装配变得容易。易于装配还得益于以下一事实，即：没有对开关元件的单独的馈送。
天线装置的传统制造方法是在由非导电材料(例如聚合物和其他塑料材料)制成的载体上提供形成天线的辐射部的导电层。载体因而由热敏材料制成，并且期望其加热面积较小，从而当将部件焊接到天线装置上时可以保持尽可能低的温度。
图4中示出了如何通过在RF桥位置处在两个辐射元件10和20的部分之下设置的导电片34来提供电容性桥。如果使用多层柔性膜来提供辐射元件，则可以将辐射元件10和20设置在软膜的一侧，将导电片34设置在另一侧。这样，就避免了分立的部件提供辐射元件之间的电容性耦合。
图5中示出了如何通过两个辐射元件10和20之间的曲折接合部来提供电容性桥。这样，也避免了分立的部件提供辐射元件之间的电容性耦合。
图6中示出了辐射元件的另选构造。在所有方面中，该天线装置都作为以上参照图2和2a-c所描述的天线装置进行工作。
在图7所示的另选实施例(总体标示为100)中，与第二控制输入一起提供了另外的第三辐射元件140，所述第二控制输入由VSwitch2标示并通过低通滤波器142连接到第三辐射元件。第三辐射元件通过PIN二极管形式的第二开关144连接到第二辐射元件120。
而且，在图7所示的实施例中，将第一辐射元件110在接地部114通过阻挡DC信号的高通滤波器118连接到地。最后，将第二辐射元件120在接地部122通过阻挡RF信号的低通滤波器124连接到地。因此，在该实施例中，存在用于RF信号和DC(即控制)信号的单独的接地部。
图7的天线装置如下进行工作。第一控制电压VSwitch所起的作用与图2所示的第一实施例中的相同。因此，高电压产生了流过第一开关130并通过低通滤波器124流入地的电流。当第二控制电压VSwitch2为低时，第二开关144不导通。这意味着使第三辐射元件140与第二辐射元件有效地断开，见图7a和7b。
当馈送部112的位置如图7a所示并且第一开关130如图7a所示断开时，第一辐射元件110和第二辐射元件120通过在第一频率下进行谐振的电容器132而互连。当第一开关如图7b所示闭合时，第一和第二辐射元件的组合在第二频率下进行谐振。
当第二开关144如图7c、7d所示闭合(即第二控制电压为高)时，根据第一开关130是断开还是闭合，第一辐射元件110、第二辐射元件120和第三辐射元件140的组合在第三或第四频率下进行谐振。因此，该构造提供了四频段操作。
至此已描述了根据本发明的天线装置的优选实施例。然而，应该理解的是，这些实施例可以在所附权利要求的范围内改变。因此，尽管将PIN二极管描述为开关元件，但是应该理解的是，也可以使用其他种类的开关元件。
图2、3和7中的辐射元件被描述为基本上为平面以及大致为矩形。应该理解的是，辐射元件可采用任何合适的形状，例如弯曲得与其中安装有天线装置的便携式无线电通信设备的外壳一致。
示出了用一个开关来互连两个辐射元件。应该理解的是，在不脱离本发明的思想的情况下，可以使用多于一个的开关，例如几个平行的PIN二极管。

Claims (12)

1、一种用于便携式无线电通信设备的天线装置，该便携式无线电通信设备至少可在第一和第二频段中工作，该天线装置包括：
第一导电辐射元件(10；10’；10”；110)，其具有可连接到无线电通信设备的馈送装置(RF)的馈送部(12；112)；
第二导电辐射元件(20；20’；20”；120)，其具有可连接到地的接地部(22；122)；
可控开关(30；130)，布置在第一和第二辐射元件之间，用于选择性地将所述辐射元件互连和断开，所述开关的状态通过控制电压输入(VSwitch)来控制；
第一滤波器(16；116)，布置在馈送部(12；112)和控制电压输入(VSwitch)之间，其中布置第一滤波器以阻止射频信号，
所述天线装置的特征在于：
高通滤波器(32；132)，连接在所述第一辐射元件与第二辐射元件之间，该高通滤波器允许射频信号通过；
其中所述第一辐射元件和第二辐射元件是大致平面的并被布置在接地面(70)上方的预定距离处。
2、根据权利要求1所述的天线装置，其中可控开关(30；130)包括PIN二极管。
3、根据权利要求1或2所述的天线装置，其中第一滤波器(16；116)是低通滤波器。
4、根据权利要求1、2或3所述的天线装置，其中第二辐射元件(20)与地直接相连。
5、根据权利要求1至4中的任一项所述的天线装置，其中第一和第二辐射元件(10，20；110，120)与高通滤波器(32；132)一起具有大致C字形状。
6、根据权利要求1至5中的任一项所述的天线装置，其中高通滤波器(32)包括设置在两个辐射元件(10、20)的部分之下的导电片(34)。
7、根据权利要求6所述的天线装置，包括多层柔性膜，其中所述辐射元件(10，20)设置在所述柔性膜的一侧，而所述导电片(34)设置在所述柔性膜的另一侧。
8、根据权利要求1至5中的任一项所述的天线装置，其中所述高通滤波器(32)包括第一辐射元件与第二辐射元件(10’，20’)之间的曲折接合部。
9、根据权利要求1至8中的任一项所述的天线装置，包括第三辐射元件(140)和通过低通滤波器(142)连接到第三辐射元件的第二控制输入(VSwitch2)，其中第三辐射元件通过第二开关(144)连接到第二辐射元件120，并且所述天线装置还包括：第二接地部(114)，其布置在通过阻挡DC信号的高通滤波器(118)而连接至地的第一辐射部件(110)上；和低通滤波器(124)，其布置在第二辐射元件(120)与地之间。
10、一种便携式无线电通信设备，包括大致平面的印刷电路板和连接到馈送装置(RF)的天线装置以及接地装置，所述馈送装置具有为发射和/或接收射频信号而设置的电子电路，其中所述天线装置包括：
第一导电辐射元件(10；10’；10”；110)，其具有可连接到无线电通信设备的馈送装置(RF)的馈送部(12；112)；
第二导电辐射元件(20；20’；20”；120)，其具有可连接到地的接地部(22；122)；
可控开关(30；130)，布置在第一辐射元件与第二辐射元件之间，用于选择性地将所述辐射元件互连和断开，所述开关的状态通过控制电压输入(VSwitch)来控制；
第一滤波器(16；116)，布置在馈送部(12；112)与控制电压输入(VSwitch)之间，其中布置第一滤波器以阻止射频信号，
所述便携式无线电通信设备的特征在于：
高通滤波器，连接在所述第一辐射元件与第二辐射元件之间，该高通滤波器允许射频信号通过；
其中所述第一辐射元件和第二辐射元件是大致平面的并被布置在接地面上方的预定距离处。
11、根据权利要求10所述的便携式无线电通信设备，其中
所述通信设备是可折叠电话；
当所述通信设备折叠时，施加到控制电压输入(VSwitch)的控制电压为低；而
当所述通信设备展开时，施加到控制电压输入(VSwitch)的控制电压为高；
由此所述天线装置作为具有基本上恒定的谐振频率的双频段天线进行工作，而与所述通信设备的操作模式无关。
12、根据权利要求10所述的便携式无线电通信设备，其中
当所述通信设备以发射模式工作时，施加到控制电压输入(VSwitch)的控制电压为低；而
当所述通信设备以接收模式工作时，施加到控制电压输入(VSwitch)的控制电压为高。
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