CN1947305A - 带有双mems切换的pifa的平面天线装置 - Google Patents

带有双mems切换的pifa的平面天线装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种平面天线装置，其包括两个对称地安装在印刷电路板(PP)同一平面上并同时受到MEMS切换电路控制的倒F型平面天线(A1，A2)，每一个倒F型平面天线(A1，A2)包括i)位于第一平面的辐射单元(RE1，RE2)，该第一平面面对并且平行于安装在所述印刷电路板(PP)的一个面上的接地面，以及ii)大致垂直地从所述辐射单元(RE1，RE2)伸出到所述印刷电路板(PP)的一个馈电片(FT1，FT2)和至少一个短片(ST1，ST2)，此外，每一个辐射单元(RE1，RE2)包括一个具有选定图案和选定尺寸的槽(S01，S02)。

Description

带有双MEMS切换的PIFA的平面天线装置
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还包括一个具有选定图案和选定尺寸的槽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，与较大的天线相比表现出高SAR。(SAR是一种局部数量)。
可以利用MEMS开关(“微机电系统开关”)来实现在加宽间距的频带之间进行切换的小天线。在图4中显示了单个MEMS切换的天线实例。以毫米提供图4中的数字显示。可以利用一个开关逻辑在低频与高频之间切换这一天线，如下表3所示：
                    表3
    频率     SW1     SW2     SW3     SW4
    低     开     关     开     关
    高     关     开     关     开
基于图4所示的一个单个MEMS切换天线的模拟提供图5所示的结果。在图5中对低频模式(左边)和高频模式(右边)说明了更为精确的S11因数(具体为100Ω，同时标记m1处在927MHz，m2处在983MHz，m3处在1637MHz以及m4处在1903MHz)。
这些结果显示了可以实现一种双频带操作。然而，低频带(左边)带宽明显低于高频部分(右边)。另外，天线阻抗相当不便地为高，而且不通过带宽损耗或减小从高到低频带中心频带的比率的话就无法降低该阻抗。
另一个问题就是单个MEMS切换的天线相比于传统的双频带PIFA天线具有更大的处在高频带的SAR。这可以从单个MEMS切换的天线SAR(图6所示)与双频带PIFA天线SAR(图3所示)之间的比较中得出。在图6中，与图3中的一样，SAR被说明为处在GSM(a)和DCS(b)频带中的W/kg并相当于所接受的标称为1W的功率。
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单个MEMS切换的PIFA天线的带宽和/或SAR，同时仍实现多样性接收。
为此目的，提供一种平面天线装置，其包括两个对称地安装在印刷电路板同一平面上并同时受到MEMS切换电路控制的PIFA天线，每一个PIFA天线包括i)位于第一平面的辐射单元，该第一平面面对并且平行于安装在所述印刷电路板的一个面上的接地面，以及ii)大致垂直地从所述辐射单元伸出到所述印刷电路板的一个馈电片和至少一个短片，每一个辐射单元包括一个具有选定图案和选定尺寸的槽。
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：
-每一个辐射单元的形状大致为矩形；
-两个倒F型平面天线是相同的；
-每一个槽的形状为U型；
-每一个槽开始于相应的馈电片和短片之间以限定一个差动槽。
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MEMS切换电路实例的单个MEMS切换的PIFA天线；
图5例举了单个MEMS切换的PIFA天线关于低频模式(左边)和高频模式(右边)的S11因数；
图6例举了在GSM(a)和DCS(b)频带中的单个MEMS切换的PIFA天线的模拟SAR的示意图；
图7示意性地例举了根据本发明的双MEMS切换的PIFA天线的实施例；
图8示意性地例举了图7所示双MEMS切换的PIFA天线的MEMS切换电路的实施例；
图9例举了图7所示双MEMS切换的PIFA天线在低频(左边)和高频发送模式(右边)的S11因数；
图10例举了图7所示双MEMS切换的PIFA天线在GSM(a)和DCS(b)频带中的模拟SAR的示意图；
图11例举了图7所示双MEMS切换的PIFA天线在低频和高频接收模式中的S11和S21因数；
附图不仅用来完善本发明，如果有必要的话还有助于本发明的解说。
具体实施方式
本发明建议在移动电话空间内安装两个小的MEMS切换的PIFA天线，该空间通常被单个的、较大的天线所占用。在图7中例举了这一双MEMS切换的PIFA天线。
更精确地，该双天线包括第一A1和第二A2 PIFA天线。
第一PIFA天线A1包括一个形状大致为矩形并位于第一平面的辐射单元RE1，该第一平面面对并且平行于安装在所述印刷电路板(PCB)PP的一个面上的接地面。在该实例中，第一PIFA天线A1还包括一个馈电片FT1和相互平行的两个短片ST1。馈电片FT1和短片ST1大致垂直地从所述辐射单元RE1伸出到所述PCB PP，其中限定分别参考③、①和②的三个连接点。辐射单元RE1包括一个具有选定图案和选定尺寸的槽SO1。在例举的实例中，该槽SO1形状为U型并开始于馈电片FT1和短片ST1之间以便于限定一个差动槽。
在例举的实例中，第二PIFA天线A2与第一PIFA天线A1相同。这些PIFA天线A1和A2对称地安装在印刷电路板(PCB)PP同一平面上。第二PIFA天线A2包括一个形状大致为矩形并位于第一平面的辐射单元RE2，该第一平面面对并且平行于安装在所述印刷电路板(PCB)PP的一个面上的接地面。在该实例中，第二PIFA天线A2还包括一个馈电片FT2和相互平行的两个短片ST2。馈电片FT2和短片ST2大致垂直地从所述辐射单元RE2伸出到所述PCB PP，其中限定分别参考⑤、④和⑥的三个连接点。辐射单元RE2包括一个具有选定图案和选定尺寸的槽SO2。在例举的实例中，该槽SO2形状为U型并开始于馈电片FT2和短片ST2之间以便于限定一个差动槽。
该双天线可以在至少5种模式下工作：
-第一模式(接收模式)，其中在低频接收(Rx)，
-第二模式(接收模式)，其中在高频接收(Rx)，
-第三模式(发送模式)，其中在高频发送(Tx)，
-第四模式(发送模式)，其中在低频发送(Tx)，
-第五模式(UMTS)，其中接收(Rx)并发送(Tx)。
在图8中显示了适用于切换根据本发明的双天线的MEMS切换电路的非限定实施例。在图8中，参考元件“天线(6个端口)”是一个连接器，其限定六个连接点①、②、③、④、⑤和⑥与辐射单元RE1和RE2的馈电片FT1和FT2和短片ST1和ST2的连接。
可以根据下表4中提供的MEMS切换逻辑指令来切换根据本发明的双天线。
                                          表4
模式 S1  S2  S3  S4  S5  S6  S7  S8  S9  S10  S11  S12
低频TX 关 关 开 关 关 关 关 开 关 开 开 关
高频TX 关 关 关 关 开 关 开 关 关 开 开 关
低频RX 开 开 开 关 关 关 关 开 开 关 关 开
高频RX 开 关 关 开 关 开 关 关 关 关 关 开
在表4中省略开关S10a和S11a，而同时它们出现在图8所示切换电路的实例中。这些开关仅仅在允许UMTS发送(TX)和接收(RX)模式同时操作的时候是必需的。然而，模拟UMTS TX滤波器作为对于UMTS TX频带的短路电路和对于其他频率的开路电路。因此，开关S10a和S11a的功能分别与开关S10和S11的功能相同。
以下提供表4所示每一个实例的细节。假定所有元件都是无损耗的。
在图9中显示了发送模式(Tx)中的模拟S11因数，同时在图10中显示SAR。
在图9中对低频模式(左边)和高频模式(右边)说明了更为精确的S11因数(具体为50Ω)。从S11曲线中可以看到谐振频率稍微高于GSM(低频)。然而，通过与单个天线的S11因数进行比较(例如图5所示的那一个)，很明显双馈电显著地增加了低频带宽。在高频发送模式中较好地匹配DCS、PCS和UMTS发射频带。
在图10中，与图3和图6中的一样，SAR被说明为处在GSM(a)和DCS(b)频带中的W/kg并相当于所接受的标称为1W的功率。
通过比较图10的部分a)与图3和图6的相应部分a)可见，在GSM发送模式(Tx)中，双馈电几乎不影响SAR。一旦天线附近的电场降低到一个特定水平之下，如这里所有处在GSM(低频)的PIFA配置所出现的，在接近PCB谐振的电流最大值的地方就会出现SAR峰值。这无法在没有对带宽不利影响的情况下降低。然而，在高频下，双馈电显著地影响SAR。通过与传统的PIFA进行比较(图3的部分(a))，根据本发明，双天线SAR(图10的部分(a))明显减少了大约50％。
在图11中显示了接收模式中的模拟S(S11和S21)因数。更精确地，在图11中对低频(GSM)和高频模式(DCS/PCS/UMTS)说明了S11和S21因数(具体为50Ω)。
可见获得了良好的性能。仅仅需要对GSM上的925-960MHz频带进行覆盖，同时需要对DCS/PCS和UMTS的1805-2170MHz频带进行高频覆盖。这是容易实现的。
在接收模式中，天线可以同时进行接收(S11＝S21)。天线的相关性确定了多样性的性能。通过使用表示公共传播环境的宽波段数据，将在GSM的0.25-0.85范围中和DCS/PCS/UMTS的0-0.6范围中发现相关性系数。为了良好的多样性的性能要求该相关性系数小于0.7。实际上所有的这些情况都可以实现。
前面我们讨论了一种通过双倒F型平面天线(PIFA)实现多频带操作、多样性和改善的SAR的技术方案。可以在移动电话内安装根据本发明的双PIFA天线。其能够在GSM和DCS/PCS/UMTS进行切换操作。该天线足够小以致于能在小型移动电话中被复制。它还由于PCB的屏蔽效应而具有低SAR。可以通过在发送模式中同时馈电这两个天线来提高SAR和带宽。在接收模式中实现多样性接收。
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 (8)

1.一种平面天线装置，其特征在于包括两个对称地安装在印刷电路板(PP)同一平面上并且同时受到MEMS切换电路控制的倒F型平面天线(A1，A2)，每一个倒F型平面天线(A1，A2)包括i)位于第一平面的辐射单元(RE1，RE2)，该第一平面面对并且平行于安装在所述印刷电路板(PP)的一个面上的接地面，以及ii)大致垂直地从所述辐射单元(RE1，RE2)伸出到所述印刷电路板(PP)的一个馈电片(FT1，FT2)和至少一个短片(ST1，ST2)，每一个辐射单元(RE1，RE2)包括一个具有选定图案和选定尺寸的槽(SO1，SO2)。
2.根据权利要求1所述的平面天线装置，其特征在于每一个辐射单元(RE1，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，其特征在于所述两个倒F型平面天线(A1，A2)是相同的。
4.根据权利要求1到3中任何一项所述的平面天线装置，其特征在于每一个槽(SO1，SO2)的形状为U型。
5.根据权利要求1到4中任何一项所述的平面天线装置，其特征在于每一个槽(SO1，SO2)开始于相应的馈电片(FT1，FT2)和短片(ST1，ST2)之间以限定一个差动槽。
6.一种通信装置，其特征在于包括根据权利要求1到5中任何一项所述的至少一个平面天线装置。
7.根据权利要求6所述的通信装置，其特征在于它构成一个便携式电话。
8.一种射频模块，其特征在于包括根据权利要求1到5中任何一项所述的至少一个平面天线装置。
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