CN1934747A

CN1934747A - 天线构形

Info

Publication number: CN1934747A
Application number: CNA2005800093912A
Authority: CN
Inventors: H·佩尔泽
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2007-03-21
Also published as: US7830330B2; EP1733455A1; US20070229387A1; JP2007531370A; WO2005093899A1

Abstract

本发明涉及一种天线构形(1)，其优选用于电信设备，并包括第一谐振器结构(6)和与第一谐振器结构(6)电容性耦合的第二谐振器结构(RS)。建议为该天线构形(1)提供控制电极(2)和切换级(3)，所述控制电极(2)通过切换级(3)可切换接地(G)，并且所述切换级(3)可以改变这两个谐振器结构(6，RS)的电容性耦合，并由此改变天线构形(1)的谐振频率，并使之有可能在第一频率范围和第二频率范围之间切换，用于增强带宽并实现天线构形(1)的改进匹配。

Description

天线构形

技术领域

本发明涉及一种用于电信设备的天线构形(configuration)、包括该天线构形的电线设备以及操作电信设备的方法。这样的天线构形用在无线手持通信设备例如移动电话或数据通信卡诸如用于膝上型电脑等中的存储卡中。

背景技术

在无线电信领域中，微波区域中的电磁波用于传递信息。因此，电信设备的主要部件是天线构形，其能够接收和发送电磁波。

期待未来的电信设备同时满足两个改进。一方面，期望它们比今天的设备更小，这也意味着它们的天线构形必须缩小尺寸。另一方面，期望它们的辐射效率更高，并且它们的频率带宽比今天的设备更大。

更高的辐射效率确保手持式电信设备的电池的寿命更长。更高的频率带宽允许多频带操作，例如操作在GSM(全球移动通信系统)频带、DCS(数字通信系统)频带和UMTS(通用移动电信系统)频带。由于天线构形的频率带宽和效率取决于天线构形概念和天线构形的绝对大小，所以必须在一方面的尺寸和另一方面的上述特性之间找到折衷。例如，在大多数的天线构形设计中，更小的天线构形导致更小的带宽。

专利文献EP 1289053 A2公开了一种包括陶瓷基底的SMD天线构形，其中在该陶瓷基底上印制金属条导体。该印制导线天线构形被设计成双频带天线：条形导体具有一定的宽度和长度以允许基谐模式和二次谐波的激励。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适于在电信设备和遥控(非接触式)操作数据载体如智能卡中应用的非常小的天线构形，以及相应的具有增加的带宽的电信设备，并提供一种用于操作电信设备的方法，确保更高的带宽。

上述目的是利用独立权利要求的特征来解决的。根据本发明的优选解决方案以从属权利要求的特性为特征。需要强调的是，权利要求中的任何参考符号不应认为限制本发明的范围。

根据本发明，利用电信设备尤其是手持式电信设备的天线构形来解决上述问题，其中该天线构形包括第一谐振器结构和第二谐振器结构以及控制电极，所述两个谐振器结构是彼此电容性耦合的，并且所述控制电极被提供并被实现用于改变第一谐振器结构和第二谐振器结构之间的电容性耦合，其中可从天线构形的外部接触该控制电极，并且其中切换装置与控制电极相关联，通过该切换装置，控制电极可连接到参考电势。

而且，利用操作包括天线构形的电信设备的方法来解决上述问题，其中该天线构形包括控制电极，从天线构形的外部接触所述控制电极，并且为了改变天线构形的谐振频率，通过把控制电极可切换地连接到地来实现从外部接触控制电极。

本发明基于以下思想：每个天线构形具有谐振频率f_R，所述谐振频率f_R的值取决于天线构形的阻抗。在包天线构形括控制电极的情况下，其中提供并实现控制电极用于改变第一谐振器结构和第二谐振器结构之间的电容性耦合，并且在优选的解决方案中与天线构形的其它(金属)部件进行电绝缘，且在控制电极连接到参考电势的情况下，在优选的解决方案中，该控制电极连接到地，即意味着，连接到地电势，改变天线构形的阻抗并由此改变天线构形的谐振频率。利用与控制电极相关联的切换装置，实现控制电极到参考电势(地)的可切换连接，以致于也能够同样转换谐振频率。利用这种方案，天线构形的谐振频率可以简单地在第一频带和第二频带之间进行切换，例如在GSM频带和UMTS频带之间进行切换。

利用根据本发明的措施，天线构形的带宽得以增加而无需增加天线构形的尺寸。在带宽足够高的情况下，在参考电势(地)和控制电极之间的可切换连接可以用于减小天线构形的尺寸。

如从上述解释中可以推导到的，可切换连接也可以用于将给定频带范围内的谐振频率从第一子带切换到第二子带。作为一个例子，在Rx频带到相应的Tx频带之间的GSM频带范围内的切换是有可能的。另一个例子是在从2100MHz到2200MHz的上子带到从1880MHz到2025MHz的下子带之间的UMTS频带范围内的切换，并且反之亦然。在这种情况下不再需要在相应子带内分割频带的天线共用器，或者可以简化其设计。在后一种情况中，天线共用器和电信设备可以做得更小并更便宜。

与上述可切换连接相关联的另一个优点是在其中操作天线构形的频率范围内天线构形的改进匹配的可能性，这反过来导致更高的总效率和更小的功耗。匹配天线构形意味着天线构形的阻抗值调整为等于馈线的阻抗值，在大多数情况下后者的值为50？。通过满足这一要求，实现了最佳的总效率。在不良匹配的天线构形情况下，输入信号部分被反射，这降低了包含该天线构形的设备的效率。上述可切换连接使得有可能补偿与这个要求的偏差，并由此优化匹配条件。

上述可切换连接的额外优点在于，不再需要用于阻尼反射输入信号的元件，或者在设计和尺寸上能够得以简化，这又减少了制造成本。由于反射输入信号导致效率降低和UMTS功率放大器的故障，这些阻尼元件在UTMS设备中尤其需要。

事实上，可以选择多于一个控制电极，其可以通过一个或多个切换单元连接到参考电势(地)。并非必须的是一个控制电极完全与天线构形的所有其它部件电绝缘。如果控制电极的功能即改变第一和第二谐振器结构之间的电容性耦合不会受到负面影响，则控制电极可以利用额外的导通连接引线和第一谐振器结构相连接。

通常，更大的控制电极造成谐振频率或阻抗的更大移位。该移位的大小取决于控制电极的尺寸和位置。在采用DBA型UMTS天线的试验中，可以可靠地实现到较低频率的谐振移位。

试验表明，控制电极自身不改变天线构形的效率。然而，为了提高天线构形的匹配条件而使用控制电极，则天线构形的效率能够得到提高，如上所解释的。

切换装置可以形成天线构形的一部分，或者相对于天线构形可以是外部单元。事实上，只有部分的切换装置驻留在天线构形中而其它部分在天线构形之外，这是可能的。

如上所解释的，切换装置设计为将控制电极连接到参考选项，优选地，连接到地。大多数情况下，地是印制电路板的主喷镀金属(mass metallization)。由于也可以采用其它的参考电势，所以参考电势不必在所有情况下都是地电势。

在参考电势(地)和控制电极之间的可切换连接可以用于增加所有具有取决于其阻抗的谐振频率的天线的带宽。在这方面，可以使用平面反转F天线、短路接线天线或短截线天线。

为了实现特别小的天线构形，如果天线构形包括保持第一金属谐振器结构和第二谐振器金属结构的介电基质，则这已经证明是有益的。第一金属谐振器结构连接到介电基质(5)上的馈线并由此称作馈电结构。第二金属结构通过介电基质与第一谐振器结构电绝缘，并毗邻第一谐振器结构(馈电结构)，而且连接到地。谐振可以通过第二金属谐振器结构来激励。因此，第二金属谐振器结构称为谐振接地结构。上述的天线构形称为介电共用天线(DBA)。关于这种类型天线的进一步细节，尤其是金属结构的几何形状和材料、细长金属结构的制造方法以及能够实现基底的材料公开在专利文献EP 1289053 A2中。这个说明书详细参考那篇专利文献。

介电共用天线可以按照这样的方式来设计，即通过在基底的表面上印制的印制结构来实现馈电结构和谐振接地结构。

在可选的方案中，馈电结构和谐振接地结构至少部分地位于基底的内部。该解决方案具有的优势在于，具有额外层，以实现两个以上的结构，将一个结构放置在另一个的顶部。这一事实允许天线构形设计具有多于一个谐振频率。例如两个或三个，这使得多频带操作成为可能。把一个结构置于另一个顶部可以通过低温共同烧制陶瓷(low temperature cofired ceramics)技术(LTCC技术)制造天线来实现。

在现有技术中已知的各种类型的已知切换装置可以用于在控制电极和参考电势如地电势之间建立可切换连接。切换装置可以包括电容器或PIN(针孔)二极管。由于期望使用不消耗太多能量的切换装置，因此切换装置可以包括低损耗半导体开关如基于CMOS或GaAs技术的MEM开关或标准FET开关。

提供与上述切换装置之一的可切换连接使得有可能在离散步骤中改变谐振频率，从而将f_R的值改变固定的量±？f_R。

当切换装置包括可变电容二极管时，可以采用可变电容二极管以使谐振频率的连续改变成为可能。

本发明的另一方面涉及电信设备，尤其涉及移动电话，包括如上所述的天线构形。在大多数情况下，天线构形连接到印制电路板。为了获得特别小的设备，天线构形的最大表面相对于印制电路板(PCB)的最大表面垂直对准。采用这种解决方案，天线构形仅仅覆盖最小区域，以致于只有最小区域不可用于PCB上的其它部件。天线构形可以定位于PCB的顶部和域侧部。天线构形的优选实施例被实现为所谓的天线模块。

本发明的这些和其它方面从参照下文描述的实施例中将是显而易见的，并将参照下文描述的实施例进行说明。

附图说明

图1利用顶视图表示出根据本发明实施例的天线构形。

图2利用顶视图表示出并入根据图1的天线构形中的天线结构。

图3利用倾斜侧视图表示出根据图2的天线结构。

图4利用侧视图表示出根据图2和图3的天线结构。

图5示出根据图1的天线构形的阻抗的连续变化的控制电路。

图6示出取决于利用PIN二极管建立的可切换连接的、根据图1的天线构形的散射参数的图表。

图7示出用于在UMTS频带内谐振频率从上子带到下子带切换的、根据图1的天线构形的散射参数的图表。

图8示出具有根据图1的天线构形的通信设备。

具体实施方式

图1示出具有尺寸为12×11×1mm³并利用LTCC技术制造的天线构形1的实施例。天线构形1包括介电基质5，所述介电基质基本上由陶瓷制成，并且在其内部含有天线结构AS(图1未示出)。更详细地，介电基质5由陶瓷箔的十(10)个烧结层组成，所述陶瓷箔在烧结状态中具有9.6的介电常数。代表谐振结构的轨道导体的喷镀金属(图1中未示出)由焙烧的银浆料组成。图1中仅仅示出天线构形1的3个衬垫(pad)，即控制电极2和接地电极4以及馈电极8’，所述接地电极4被连接到地G。

图2示出天线结构AS，其位于根据图1的天线构形1的内部。天线构形1为介电共用天线，并包括条形第一谐振器结构6和U形谐振器结构7。正如上述已经描述的，这两个结构6和7是金属结构。为了比较的目的，只有图1所示的3个电极2、4和8’利用点划线表示在图2中。可以提供具有另外形状的第一谐振器结构来代替条状第一谐振器结构6，例如，正弦形状或蜿蜒形状第一谐振器结构。可以提供V形谐振器结构或W型谐振器结构来代替U型谐振器结构7。

由于图3示出天线构形1的倾斜侧视图，所以根据图2的隐藏元件示于图3中。通过逆时针围绕第一谐振器结构的长度方向旋转根据图2的天线构形1，得到根据图3的倾斜侧视图。

根据图3，天线构形1包括条形第一谐振器结构6，该谐振器结构6在其右边缘通过第一通路(via)11’连接到馈电极8’。馈电极8’利用50？馈线连接到频率发生器(未示出)。而且，天线结构AS包括利用第二通路11”彼此连接的由U形谐振器结构7组成的第二谐振器结构RS和条形辅助谐振器结构10。条形辅助谐振器结构10利用第三通路11连接到接地电极4。接地电极4连接到包括天线构形1的设备的主喷镀金属(未示出)。第二谐振器结构RS实现为组合的谐振器结构，利用U形谐振器结构7和条形辅助谐振器结构10的组合来实现。第一谐振器结构6也被称为馈电结构。第二谐振器结构RS也被称为谐振接地结构。可以提供具有另外形状的辅助谐振器结构例如正弦形状或蜿蜒形状的辅助谐振器结构来代替条状辅助谐振器结构6。

当用于发出辐射时，输入信号被传送到第一谐振器结构6。第一谐振器结构6显示出电容性耦合到第二谐振器结构RS。在第二谐振器结构RS中激励产生谐振。第二通路11”接触U形谐振器结构7，且用作U形并因而对称的谐振器结构7的分支点。

谐振频率由利用陶瓷制造的介电基质的介电常数以及谐振器结构的长度所决定。这个长度由从耦合点CP到第二通路11”以及从那儿到点A与B的长度所定义(参见图3)。

辅助谐振器结构10的耦合点CP是一个可被计算的假想点，并且其被定义为第一谐振器结构6和辅助谐振器结构10之间的电场强度是最高的点。而且，在第二谐振器结构RS内的电流在耦合点CP上具有节点。

金属轨道导体的宽度、对称设计的U形谐振器结构7以及第一谐振器结构6到第二谐振器结构RS的距离决定了天线构形1的匹配。

图4是根据图1的天线构形1的侧视图，并且是通过围绕第一谐振器结构6的长度方向逆时针更进一步旋转根据图3的天线构形1而获得的。

利用控制电极2，在这种情况下其没有连接到第一谐振器结构6或第二谐振器结构RS，并由此与第一谐振器结构6和第二谐振器结构7电绝缘，并与天线构形1的所有其它部件电绝缘，改变第一谐振器结构6和第二谐振器结构RS之间的电容性耦合，这是可以实现的。关于在天线构形1和天线结构AS中的能量流动的研究分别表明：控制电极2到接地G的可切换连接移位了第一谐振器结构6和辅助谐振器结构10之间的耦合点CP，改变了谐振结构的有效长度。更特别地，耦合点CP在到第一通路11’的方向被移动，这意味着谐振器结构的长度增加了。

控制电极2可以利用包括图5所示的开关3’和PIN二极管9的切换装置3连接到地G。图5示出能够触发PIN二极管9的控制电路CC，所述PIN二极管9由DC电源12供电。控制电路CC包括具有其开关3’的切换装置3。无线电频率(射频)信号从端口13发送到天线构形1。当PIN二极管9利用开关3’被切换到其非导通模式时，天线构形1工作在UMTS频率范围中。当PIN二极管9利用开关3’切换到其导通模式并由此在控制电极2和地G之间的可切换连接被短路时，谐振频率为低于170MHz。在后一种情况中，天线构形1工作在DCS/PCS频率范围中。注意，可以提供半导体开关或提供可变电容二极管作为切换装置3的部件以代替PIN二极管。

图6示出显示天线构形1的散射参数s₁₁作为频率f的函数的图表。当PIN二极管9利用开关3’被切换为打开时(情况A)，控制电极2不连接到地G，以使得该设备在UMTS频带中工作。当PIN二极管9将地G和控制电极2之间的可切换连接短路时(情况B)，谐振频率降低170MHz，以使得天线构形1工作在DCS频带中。这意味着具有这种天线构形1的电信设备可以工作在从1710MHz到1990MHz范围的DCS/PCS频带中，也可以工作在从1880MHz到2200MHz范围的UMTS频带中。换句话说，利用地G和控制电极2之间的可切换连接增加了带宽。

图7示出显示修正的天线构形的模拟散射参数s₁₁作为频率f的函数的图表。与上述实施例相比较，修正的天线构形示出稍短的第二谐振器结构RS的长度，且控制电极2的位置侧向移位了。修正的天线构形适于从较低的UMTS子带(1880MHz到2025MHz)向较高的UMTS子带(2110MHz到2200MHz)切换。垂直线a、b、c和d表示子带的边缘。曲线示出在地G和控制电极2之间的可切换连接可以用于改善天线构形的匹配。在较低子带的边缘上，例如在1880MHz上，反射s₁₁从点C的-3dB降低到点D的-8dB。这意味着输入信号中比以前更高的部分(在15％到20％之间)被耦合到天线构形中。然而，这意味着天线构形更高的总效率。

图8利用主概略图示出具有根据本发明的天线构形1的电信设备TCD。电信设备TCD包括保持天线构形1的印制电路板14。电信设备TCD的其它部件为了简化而未示出。天线构形1的主表面垂直对齐于印制电路板14的主表面。印制电路板14具有将馈电极8’连接到频率发生器15的馈线8。由于天线结构位于天线构形1的内部且在图8中未示出，与图1一致，仅仅看见三个衬垫在天线构形1的表面上。除了属于馈电极8’的衬垫之外，属于地G和控制电极2的衬垫可以被识别。

参考符号的列表

1 天线构形

2 控制电极

3 切换装置

3’ 开关

4 地

5 介电基质

6 第一谐振器结构

7 第二谐振器结构

8 馈线

8’ 馈电极

9 PIN二极管

10 辅助谐振器结构

11’ 第一通路

11” 第二通路

11 第三通路

12 DC电源

13 端口

14 印制电路板

15 频率发生器

A，B，C，D 点

a，b，c，d 垂直线

AS 天线结构

CC 控制电路

CP 耦合点

F 频率

G 接地

RS 组合的谐振器结构

S₁₁ 散射参数

TCD 电信设备

Claims

1、一种用于电信设备(TCD)的天线构形(1)，其中该天线构形(1)包括第一谐振器结构(6)和第二谐振器结构(RS)以及控制电极(2)，所述两个谐振器结构(6，RS)彼此电容性耦合，并且所述控制电极(2)被提供并被实现为改变第一谐振器结构(6)和第二谐振器结构(RS)之间的电容性耦合，和

其中可从天线构形(1)的外部接触控制电极(2)，和

其中切换装置(3)与控制电极(2)相关联，利用切换装置(3)，控制电极(2)可连接到参考电势(G)。

2、根据权利要求1的天线构形(1)，其中

切换装置(3)是天线构形(1)的部分和/或相对于天线构形(1)是外部单元。

3、根据权利要求1的天线构形(1)，其中

切换装置(3)被设计为将控制电极(2)连接到地(G)。

4、根据权利要求1的天线构形(1)，其中

天线结构(1)利用平面反转F天线或者短路接线天线或短截线天线来实现。

5、根据权利要求1的天线构形(1)，其中

天线构形(1)包括保持第一谐振器结构(6)和第二谐振器结构(RS)的介电基质(5)，第一谐振器结构(6)连接到在介电基质(5)上提供的馈线(8)，而第二谐振器结构(RS)利用介电基质(5)与第一谐振器结构(6)电绝缘，并毗邻第一谐振器结构(6)定位，并连接到地(G)。

6、根据权利要求5的天线构形(1)，其中

第一谐振器结构(6)和第二谐振器结构(RS)利用印制在介电基质(5)的表面上的印制结构来实现。

7、根据权利要求5的天线构形(1)，其中

第一谐振器结构(6)和第二谐振器结构(RS)至少部分地位于介电基质(5)的内部。

8、根据权利要求7的天线构形(1)，其中

天线构形(1)利用低温共同烧制陶瓷技术来制造。

9、根据权利要求1的天线构形(1)，其中

切换装置(3)包括PIN二极管或半导体开关。

10、根据权利要求1的天线构形(1)，其中

切换装置(3)包括可变电容二极管。

11、一种电信设备(TCD)，包括根据权利要求1-10之中至少一项的天线构形(1)。

12、一种操作包括根据权利要求1-10之中至少一项的天线构形(1)的电信设备的方法，其中

天线构形(1)包括控制电极(2)，可从天线构形(1)的外部接触所述控制电极(2)，并且

为了改变天线构形(1)的谐振频率，通过把控制电极(2)可切换地连接到参考电势(G)来实现从外部接触控制电极(2)。

13、根据权利要求12的方法，其中

在第一频带和第二频带之间改变谐振频率。

14、根据权利要求13的方法，其中

在DCS频带和UMTS频带之间改变谐振频率。

15、根据权利要求12的方法，其中

在第一子带和第二子带之间的给定频带内改变谐振频率。