CN1947304A - 带有高度弯曲槽的多频带紧凑型pifa天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种平面天线装置，包括一个安装在印刷电路板(PP)上的倒F型平面天线，并包括i)辐射单元(RE1，RE2)，其包含大致相互垂直并分别位于第一平面和第二平面的第一(RE1)和第二(RE2)部分，第一平面面对并且平行于安装在印刷电路板(PP)的一个面上的接地面，第二平面垂直于该接地面，ii)从第二部分(RE2)伸出到印刷电路板(PP)的一个馈电片(FT)，以及iii)具有一个选定长度的主槽(S01)，其包括一个在第二部分(RE2)中限定的位于辐射单元(RE1，RE2)的横边之间的选定位置上的直线部分(LP)以及一个从直线部分(LP)伸入第一部分(RE1)中的弯曲部分(MP)，其中第二部分(RE2)被设置为不用主槽(S01)就具有电容和电感分别相同的高频带和低频带，所述主槽(S01)长度为其四分之一电波长大约是低频带和高频带的几何平均数。

Description

带有高度弯曲槽的多频带紧凑型PIFA天线
技术领域
本发明涉及平面天线或其改进，尤其涉及但并不排除用于便携式电话中的天线。这种电话可以按照GSM和DCS1800标准来操作。
PIFA(倒F型平面天线)广泛使用于便携式电话，这是因为它们表现出低SAR(比吸收率)，意味着向头部传输更少的传输能量以及它们是紧凑的，这允许在电话电路上面安装PIFA天线从而更有效地利用电话内的空间。这种天线一般安装在电话的塑料盖背面(或内盖上)。
背景技术
如图1所示，典型的双频带PIFA包括一个通过馈电片(或引脚)FT和短片(或引脚)ST连接到电话印刷电路板(PCB)PP的辐射单元RE，其包括一个接地面。辐射单元RE还包括一个大致为U型的槽SO。在专利文件US2001/0035843中特别描述了这一天线。
可以使用图2所示的一个截断的平面体模材料层PML和表层SL来模拟双频带PIFA的SAR。由于在体模材料层PML与PCB之间保留一个恒定空间，所以实际上认为平面体模材料层PML比弯曲的替换物更适合于相对的模拟。
在下表1中提供了体模层PML和表层SL关于GSM和DCS标准的相对介电常数和电导率实例。
                              表1
    体模     表层
频带 相对介电常数εpr 电导率σp(S/m) 相对介电常数εsr 电导率σs
GSM  41.5  0.9 4.2  0.0042
DCS  40  1.4 4.2  0.00084
为了使体模材料层的截断表面上的反射最小化，将这些表面被限定为阻抗边界，其具有所使用电介质的特性阻抗。根据以下关系提供有损耗电介质的特性阻抗：
Z 0 = μ ϵ - jσ / ω
其中
μ为介质的磁导率，
ε为介质的电容率，
σ为体电导率，以及
ω为角频率(即＝2π乘以频率)
通过使用该关系，在下表2中提供了体模层PML和表层SL关于GSM和DCS标准的特性阻抗实例。
                         表2
频率(MHz) 体模阻抗(Ω/平方)     表层阻抗(Ω/平方)
    900     54.35+j12.06     183.83
    1800     57.06+j9.68
在图3中显示了GSM(a)和DCS(b)中的一个模拟SAR实例。该SAR说明W/kg并相当于所接受的标称为1W的功率。
已知的问题是由于多样性操作而需要小的双频带PIFA天线。这种天线是窄频带的，而且仅仅在限定数量的频带上操作，其与较大的天线相比表现出高SAR。(SAR是一种局部数量)
发明内容
因此，本发明的目的就在于改善这种情况并更精确地提高紧凑型PIFA天线的操作频带的带宽和/或数量，同时仍实现多样性接收。
为此目的，提供一种平面天线装置，其包括一个安装在印刷电路板(PCB)上的倒F型平面天线，并包括：
-辐射单元，其包含大致相互垂直并分别位于第一平面和第二平面的第一和第二部分，第一平面面对并且平行于安装在PCB的一个面上的接地面，第二平面垂直于该接地面，
-从第二部分伸出到印刷电路板的一个馈电片(或者引脚)，
-具有一个选定长度的主槽，其包括一个在第二部分中限定的位于辐射单元的横边之间的选定位置上的直线部分以及一个从直线部分伸入第一部分中的弯曲部分，
-设置成没有主槽就具有电容和电感分别相同的高频带和低频带的第二部分，主槽长度为其四分之一电波长大约是低频带和高频带的几何平均数。
根据本发明的平面天线装置还包括认为是独立或组合的附加特征，特别是：
-提供至少一个双谐振，由所述辐射单元的横边之间的主槽的选定位置至少限定该双谐振频率。还可以由所述主槽长度限定该谐振频率；
-还包括i)从第二部分伸出到印刷电路板并位于馈电片与主槽(SO1)的直线部分之间的一个短片，以及ii)在辐射单元的第一和第二部分中限定的位于馈电片和短片之间的一个差动弯曲槽，以引进其频率由所述差动弯曲槽的长度来限定的一个附加谐振。
-可以包括一个用于扩大至少一个所述频带的双工器。该双工器可以包括一个用于频带选择的切换电路。
-可以提供一个选定标称电阻，由在主槽的选定位置与辐射单元的其中一个横边位置之间的差动弯曲槽位置来限定该选定标称电阻。
-双工器可以包括一个用于分离频带的闭塞滤波器。该双工器还可以包括一个用于扩大天线带宽并提高隔离的宽频带平行谐振器。
-在不同的形式中，双工器可以包括一个相位旋转电路。该双工器还可以包括用于宽频带的串联谐振电路。
-印刷电路板可以包括至少一个用于引进附加频带的缺口。
本发明还提供了一种通信装置(例如便携式电话)和一种射频(RF)模块，它们都包括至少一个以上所述的平面天线装置。
附图说明
本发明的其他特征和优势将根据以下详细的说明和附图而变得更加清楚，其中：
图1示意性地例举了一种传统的双频带PIFA，
图2示意性地例举了一种带有一个截断的平面体模材料层和表层的双频带PIFA模拟，
图3例举了在GSM(a)和DCS(b)频带中的传统双频带PIFA的模拟SAR的示意图，
图4示意性的例举了根据本发明的带有高度弯曲双频带槽的PIFA的第一实施例，
图5例举了图4所示PIFA天线的S11因数，
图6示意性地例举了根据本发明的带有两个高度弯曲槽的PIFA天线的第二实施例，
图7例举了图6所示PIFA天线的S11因数，
图8-1和图8-2例举了用于使例如图7所示的那样PIFA天线的频带宽的双工器，以及
图9例举了图6所示与图8所示双工器耦合的PIFA天线的S11因数。
附图不仅用来完善本发明，如果必要的话还有助于本发明的解说。
具体实施方式
本发明建议安装一种在移动电话空间内包括至少一个弯曲槽的紧凑型PIFA天线装置，而该空间通常预先被一个较大的天线所占用。在图4中例举了这一PIFA天线的第一实施例。
根据本发明的紧凑型天线装置包括一个安装在印刷电路板(PCB)PP上的PIFA天线。该PIFA天线包括一个辐射单元RE1、RE2，一个馈电片(或引脚)FT以及在辐射单元RE1、RE2中限定的一个(双频带)主槽SO1。
辐射单元包括大致相互垂直的且形状最好为矩形的第一RE1和第二RE2部分。第一部分RE1位于第一平面，该第一平面面对并且平行于安装在印刷电路板(PCB)PP的一个面上的接地面。第二部分(或顶板)RE2位于垂直于该接地面的第二平面。
馈电片FT从(双频带)主槽SO1的第二部分RE2伸出到PCB PP。
主槽SO1具有一个选定长度并包括一个在辐射元件的第二部分RE2中限定的位于横边之间的选定位置上的直线部分LP，以及一个从直线部分LP伸入到辐射元件的第一部分RE1中的弯曲部分MP。
在图4中，根据将两个横边分离成距离A和B的轴线XX来具体化主槽直线部分LP的选定位置，可以根据在要求的频率上出现的谐振按顺序改变比率A/B(还可以对主槽SO1的长度上进行一些局部调整)。
将第二部分RE2设置成不用(双频带)主槽SO1就具有电容和电感分别相同的高频带和低频率。此外，主槽SO1长度为其四分之一电波长大约是低频带和高频带的几何平均数。
在图5中显示了在图4中例举的天线装置的模拟S11因数(标记A1具体为880MHz，标记A2具体为960MHz，标记B1具体为1710MHz以及标记B2具体为1880MHz)。
从S11曲线中可以看到获得了一种双谐振。因此图4所示的天线装置实例适用于双频带。
为了引进一种附加谐振，天线装置还可以包括一个短片ST和一个差动弯曲槽SO2。在图6中就显示了这一结构。
如图所示，短片ST从辐射单元的第二部分RE2伸出到印刷电路板PP并位于馈电片与主槽(SO2)的直线部分LP之间。
在辐射单元的第一RE1和第二RE2部分中限定的差动弯曲槽SO2，其位于馈电片FT和短片ST之间以引进附加谐振。由所述差动弯曲槽SO2的长度来限定附加谐振的频率。
差动弯曲槽SO2允许保留PIFA和手机PCB/壳体的串联谐振特性。还允许引进附加谐振而不涉及现有的谐振。
如图6所示，可以改变双频带主槽SO1的末端E来提供频率稍微不同的谐振。
在图7中显示了图6所示天线装置的模拟S11因数(标记A1具体为824MHz，标记A2具体为960MHz，标记B1具体为1710MHz以及标记B2具体为2170MHz)。
从S11曲线中可以看到差动弯曲槽SO2引进了处于高频段的附加谐振，其频率由差动弯曲槽的长度来限定。
如图6所示，可以在PIFA下面的PCB PP中增加缺口N用来以覆盖蓝牙/WiFi频带。
另外，可以根据差动弯曲槽SO2的长度及其位于主槽SO1的选定位置和辐射单元RE1、RE2的其中一个横边之间的位置来转换阻抗。
在图6中，通过轴线YY具体化差动弯曲槽SO2的位置，它与辐射单元最近的横边分离一个距离C，与位置XX分离一个距离D。可以通过改变C/D来轻易地改变天线装置的标称电阻。
用来提供附加谐振的差动弯曲槽SO2还可以用来提供阻抗控制。因此，可以将一个双工器与紧凑型PIFA天线耦合来扩大至少一个频带。图8显示了一种能够执行该宽频带功能的双工器DX。
双工器DX还包括一个用于频带选择的切换电路。
图8显示了图6所示的并与图7所示在多路复用网络输入端上的双工器DX耦合的天线装置的S11因数(标记A1具体为824MHz，标记A2具体为960MHz，标记B1具体为1710MHz以及标记B2具体为2170MHz，标记C1具体为2400MHz，标记C2具体为2483MHz)。
从S11曲线中还可以看到，可以按照这样的方式覆盖AMPS、GSM、DCS、PCS、UMTS和蓝牙/WiFi频带。还可以利用在PCD/模块顶部(这是天线为了避免用户交互的最佳位置)的附加缺口来覆盖GPS和5GHz WLAN频率。
由于可以使用串联的闭塞滤波器来分离频带，所以双工器DX保留了天线的串联谐振特性。另外，可以使用宽频带平行谐振器来扩大天线带宽并提高隔离。可选地，可以使用相位旋转电路来执行双工发送功能以致于串联谐振电路可用于宽频带(例如，可以使用高通、低通双工器)。
第二实施例提供了一种带有两个高度弯曲槽的易于调节的天线装置。该天线装置是处于两种频带内的主要串联谐振，并能够因此在双工发送后通过补充并联谐振电路来使其频带变宽。当存在用户交互时，该天线具有用于最佳性能的低阻抗，就如申请人在2003年8月15日提交的申请号为0319211.9的未决英国专利申请中所讨论的。
通过保持串联谐振天线阻抗，利用切换来调谐谐振频率就是一件简单的事情。在双工器的AMPS/GSM方面，例如，可以将一个串联电感器切换到电路中来提高AMPS性能。类似地，可以对一个相位旋转双工器执行旁路连接的切换。
蓝牙缺口是自我隔离于电话天线的。在所有情况下，该隔离优于-15dB。
还可以在移动电话内安装根据本发明的紧凑型PIFA天线。其适用于实现多频带操作。可以通过使用高度弯曲槽来实现多谐振。可以基于弯曲槽的长度和位置轻易地预测天线性能。该槽还允许天线保持一种主要串联谐振特性，允许将其耦合到一个能扩大天线宽频带的双工器，然后实现一种简单的频带调谐。可以在GSM和DCS/PCS/UMTS以及最后的蓝牙和/或WiFi和/或GPS和/或5GHz WLAN进行切换操作。它还由于PCB的屏蔽效应而具有低SAR。
本发明并不局限于以上所述的平面天线装置(PIFA天线)和通信装置(移动电话)，它们仅是作为实例而已，本发明还包含本领域技术人员在以下权利要求范围所能想到的所有可选的技术方案。
在本说明书和权利要求中的元件前的词语“一”或“一个”并不排除存在多个这样的元件。此外，词语“包括”并不排除除了所列的元件或步骤以外还存在其他元件或步骤。

Claims (15)

1.一种平面天线装置，其特征在于包括一个安装在印刷电路板(PP)上的倒F型平面天线，并包括i)辐射单元(RE1，RE2)，其包含大致相互垂直并分别位于第一平面和第二平面的第一(RE1)和第二(RE2)部分，第一平面面对并且平行于安装在印刷电路板(PP)的一个面上的接地面，第二平面垂直于该接地面，ii)从第二部分(RE2)伸出到印刷电路板(PP)的一个馈电片(FT)，以及iii)具有一个选定长度的主槽(SO1)，其包括一个在第二部分(RE2)中限定的位于所述辐射单元(RE1，RE2)的横边之间的选定位置上的直线部分(LP)以及一个从直线部分(LP)伸入第一部分(RE1)中的弯曲部分(MP)，所述第二部分(RE2)被设置成不用主槽(SO1)就具有电容和电感分别相同的高频带和低频带，所述主槽(SO1)长度为其四分之一电波长大约是低频带和高频带的几何平均数。
2.根据权利要求1所述的平面天线装置，其特征在于所述第一部分(RE1)和第二部分(RE2)的形状大致为矩形。
3.根据权利要求1或2所述的平面天线装置，其特征在于提供至少一个双谐振，该双谐振的频率至少由所述辐射单元(RE1、RE2)的横边之间的主槽(SO1)的选定位置限定。
4.根据权利要求3所述的平面天线装置，其特征在于还可以由所述主槽长度限定该谐振频率。
5.根据权利要求1到4中任何一项所述的平面天线装置，其特征在于还包括i)从第二部分(RE2)伸出到印刷电路板(PP)并位于馈电片(FT)与主槽(SO1)的直线部分(LP)之间的一个短片(ST)，以及ii)在辐射单元的第一(RE1)和第二(RE2)部分中限定的位于馈电片(FT)和短片(ST)之间的一个差动弯曲槽(SO2)，以引进其频率由所述差动弯曲槽(SO2)的长度来限定的一个附加谐振。
6.根据权利要求5所述的平面天线装置，其特征在于包括一个用于扩大至少一个所述频带的双工器(DX)。
7.根据权利要求6所述的平面天线装置，其特征在于所述双工器(DX)包括一个用于频带选择的切换电路。
8.根据权利要求5到7中任何一项所述的平面天线装置，其特征在于提供一个选定标称电阻，由在主槽(SO1)的选定位置与辐射单元(RE1，RE2)的其中一个横边位置之间的差动弯曲槽(SO2)位置来限定该选定标称电阻。
9.根据权利要求6到8中任何一项所述的平面天线装置，其特征在于所述双工器(DX)包括一个用于分离频带的闭塞滤波器。
10.根据权利要求9所述的平面天线装置，其特征在于所述双工器(DX)包括一个用于扩大天线带宽并提高隔离的宽频带平行谐振器。
11.根据权利要求6到8中任何一项所述的平面天线装置，其特征在于所述双工器(DX)包括一个相位旋转电路。
12.根据权利要求11所述的平面天线装置，其特征在于所述双工器(DX)包括用于宽频带的串联谐振电路。
13.根据权利要求5到12中任何一项所述的平面天线装置，其特征在于所述印刷电路板(PP)包括至少一个用于引进附加频带的缺口(N)。
14.一种通信装置，其特征在于包括根据权利要求1到13中任何一项所述的至少一个平面天线装置。
15.一种射频模块，其特征在于包括根据权利要求1到13中任何一项所述的至少一个平面天线装置。
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