專利名稱：無線終端的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線終端，例如移動(dòng)電話手持裝置。
這樣的天線小(相對(duì)于波長)，且由于小天線的固有限制，頻帶窄。但是，蜂窩式無線電通訊系統(tǒng)通常具有10％或更多的分?jǐn)?shù)(fractional)帶寬。例如為了從PIFA天線獲得這樣的帶寬，需要相當(dāng)?shù)捏w積，因?yàn)榻硬逄炀€的帶寬和體積有直接的關(guān)系，但在目前手持裝置小型化的趨勢(shì)下，并不是總能實(shí)現(xiàn)這樣的體積。因此，由于上述限制，從當(dāng)今無線終端中的小天線實(shí)現(xiàn)有效的寬帶輻射是不可行的。
無線終端的已知天線裝置還有一個(gè)問題，即它們通常是不平衡的，因此，與終端外殼有很強(qiáng)的耦合。結(jié)果大量的輻射從終端本身發(fā)出，而不是從天線發(fā)出。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種無線終端，包括一個(gè)接地導(dǎo)體和耦合在天線饋電線上的收發(fā)器，其中，所述天線饋電線耦合在所述接地導(dǎo)體上。
本發(fā)明的根據(jù)是以下在現(xiàn)有技術(shù)中不存在的認(rèn)識(shí)，即天線和無線手持裝置的阻抗與非對(duì)稱偶極子的可分離的阻抗類似，以及進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，即天線阻抗可以用非輻射的耦合元件代替。
下面將參照附圖，通過實(shí)例來說明本發(fā)明的實(shí)施方案。其中

圖1表示一個(gè)非對(duì)稱偶極子天線的模型，代表天線和無線終端的組合；圖2是示范非對(duì)稱偶極子阻抗組件的可分離性的圖形；圖3是手持裝置和天線的組合的等效電路；圖4是容性反饋耦合手持裝置的等效電路；圖5是基本容性反饋耦合手持裝置的透視圖；圖6是圖5所示手持裝置的以dB為單位的仿真回波損耗S11與以MHz為單位的頻率f之間關(guān)系的曲線圖；圖7是表示圖5所示手持裝置在1000-2800MHz的頻率范圍內(nèi)仿真阻抗的Smith圖形；圖8是表示圖5所示手持裝置的仿真電阻的曲線圖；圖9是一種窄的容性反饋耦合手持裝置的透視圖；圖10是表示圖9所示手持裝置的仿真電阻的曲線圖；圖11是開槽的容性反饋耦合手持裝置的透視圖；圖12是圖11所示手持裝置的以dB為單位的仿真回波損耗S11與以MHz為單位的頻率f之間關(guān)系的曲線圖；圖13是表示圖11所示手持裝置在1000-2800MHz的頻率范圍內(nèi)仿真阻抗的Smith圖形；圖14是容性反饋耦合試樣的平面圖；圖15是圖14所示試樣以dB為單位的實(shí)測(cè)回波損耗S11與以MHz為單位的頻率f的關(guān)系曲線圖；圖16是圖14所示試樣在800-3000MHz頻率范圍內(nèi)實(shí)測(cè)阻抗的Smith圖形；圖17是采用感性元件的容性反饋耦合試樣的平面圖；圖18是圖17所示試樣以dB為單位的實(shí)測(cè)回波損耗S11與以MHz為單位的頻率f的關(guān)系圖形；圖19是表示圖17所示試樣在800-3000MHz頻率范圍內(nèi)的實(shí)測(cè)阻抗的Smith圖形；以上附圖中，相同的標(biāo)號(hào)用于表示對(duì)應(yīng)的特性。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的模式
圖1表示在無線手持裝置中天線饋電點(diǎn)，在發(fā)射模式下，從收發(fā)器看進(jìn)去的阻抗的模型。該阻抗被模型化為一個(gè)非對(duì)稱偶極子，其中第一臂102代表天線的阻抗，第二臂104代表手持裝置的阻抗，兩臂都由源106驅(qū)動(dòng)。如圖所示，這樣的裝置的阻抗基本上等于102和104臂相對(duì)于虛地108分別被驅(qū)動(dòng)時(shí)的阻抗的和。用代表收發(fā)器阻抗的阻抗代替源106，該模型可以同樣恰當(dāng)?shù)赜糜诮邮?，盡管對(duì)其仿真并不容易。
該模型的有效性經(jīng)過利用熟知的NEC(數(shù)字電磁編碼)仿真的檢驗(yàn)，其中第一臂102長40mm，直徑1mm，第二臂104長80mm，直徑1mm。圖2表示該組合裝置的阻抗(R+jX)的實(shí)部和虛部的仿真結(jié)果(RefR和RefX)，同時(shí)還表示出分別仿真兩部分的阻抗并對(duì)其結(jié)果相加所得的結(jié)果。可以看出，仿真結(jié)果是非常相近的。唯一明顯的偏離是在半波諧振區(qū)域，這時(shí)，阻抗很難被準(zhǔn)確仿真。
圖3表示一個(gè)從天線饋電點(diǎn)看進(jìn)去天線和手持裝置的組合的等效電路。R1和jX1代表天線的阻抗，而R2和jX2代表手持裝置的阻抗。從這一等效電路可以推導(dǎo)出由天線輻射的功率P1和由手持裝置輻射的功率P2的比例，由下式給出P1/P2＝R1/R2如果減小天線的尺寸，其輻射電阻R1也將減小。如果天線變得無窮小，其輻射電阻R1將趨向0，則所有的輻射將全部來自于手持裝置。如果手持裝置的阻抗適合于驅(qū)動(dòng)它的源106，如果無窮小的天線的容性電抗可以通過增加向手持裝置的容性反饋耦合而極小化，則這種情況將會(huì)是有益的。
經(jīng)過這些改動(dòng)，等效電路變?yōu)槿鐖D4所示。天線于是被物理上非常小的反饋耦合電容代替，該電容設(shè)計(jì)為具有大容量，以實(shí)現(xiàn)最大耦合和最小電抗。反饋耦合電容器的殘余電抗可以用一個(gè)簡單的匹配電路消除。通過正確設(shè)計(jì)手持裝置，所獲得的帶寬可以比常規(guī)的天線和手持裝置的組合的帶寬大的多，因?yàn)樵撌殖盅b置作為一個(gè)低Q輻射元件工作(仿真表明，典型的Q值大約為1)，而常規(guī)天線的Q值一般為50左右。
圖5示出容性反饋耦合手持裝置的一種基本實(shí)施方案。手持裝置502的尺寸為當(dāng)今蜂窩式手持裝置的典型尺寸10×40×100mm。通過在手持裝置502的頂邊508上方2mm處安裝一個(gè)10×10mm的板506就可以在通常被一個(gè)大的多的天線占據(jù)的位置形成尺寸為2×10×10mm的平行板電容器504。所得的電容約為0.5pF，代表電容(隨著手持裝置502與極板504之間間隙的減小而增大)和耦合效率(取決于手持裝置502與極板504之間的間隙)之間的一個(gè)折中。電容器通過與手持裝置外殼絕緣的支撐510饋電。
經(jīng)匹配后本實(shí)施方案的回波損耗S11用高頻結(jié)構(gòu)仿真器(HFSS)加以仿真，結(jié)果如圖6所示，其中頻率f為1000-2800MHz。高頻結(jié)構(gòu)仿真器(HFSS)可以從安軟公司(Ansoft Corporation)買到。其中用一個(gè)常規(guī)的兩電感“L”網(wǎng)絡(luò)在1900MHz處匹配。所得到的在7dB回波損耗(對(duì)應(yīng)于輻射大約90％的輸入輻射功率)時(shí)的帶寬大約為60MHz，或3％，這一帶寬有用，但沒有需要的寬。圖7示出表示在同一頻率范圍得到的本實(shí)施方案的仿真阻抗的Smith圖形。
小帶寬是因?yàn)槭殖盅b置502在1900MHz處呈現(xiàn)大約為3-j90Ω的阻抗。圖8表示在與前面相同的頻率范圍用HFSS仿真得到的電阻變化。這可以通過重新設(shè)計(jì)外殼以增加其電阻來加以改進(jìn)。
完成這點(diǎn)的方法之一是減小手持裝置502的寬度，因?yàn)楫?dāng)偶極子半徑減小時(shí)所述電阻將以與偶極子的電阻非常相似的方式增加。圖9表示具有窄容性反饋耦合的手持裝置902的第二實(shí)施方案。手持裝置902的尺寸為10×10×100mm，而由極板506和手持裝置902的上表面908形成的電容504以及支撐510與前一實(shí)施方案沒有區(qū)別。再進(jìn)行仿真以確定本實(shí)施方案的電阻變化，結(jié)果如圖10所示。這清楚地表明，采用窄的手持裝置可以提供其中電阻比在基本配置中高的較寬的帶寬。通過改變?cè)摻Y(jié)構(gòu)的諧振頻率可以對(duì)手持裝置的長度加以優(yōu)化以給出以某一特殊頻率為中心的寬頻帶。對(duì)于固定長度的手持裝置，可以采用水平開槽(即沿著手持裝置的“寬”的槽)以達(dá)到在電上加長或縮短手持裝置的目的。
增加外殼電阻的另外一種方法是插入一個(gè)豎直槽(即平行于手持裝置的“長”或主軸的槽)。圖11示出具有開槽的容性反饋耦合手持裝置1102的第三實(shí)施方案，在外殼上有一個(gè)33mm深的槽1112，以及電容504。由極板506和手持裝置1102的上表面1108形成的電容504的尺寸以及支撐510與前面的實(shí)施方案中的相同。槽1112的存在顯著增加了在1900MHz區(qū)域從收發(fā)器看進(jìn)去外殼的電阻，從而允許低Q外殼被匹配到50Ω，而沒有明顯的帶寬損失。
再次用HFSS仿真該實(shí)施方案的回波損耗S11，結(jié)果如圖12所示，其中頻率范圍為1000-2800MHz，采用與基本實(shí)施方案中類似的兩電感匹配網(wǎng)絡(luò)。得到的在7dB回波損耗處的帶寬被大大提高到350MHz或18％，接近同時(shí)覆蓋UMTS和DCS1800頻帶所要求的帶寬。圖13表示本實(shí)施方案在同樣的頻率范圍內(nèi)的仿真阻抗的Smith圖形。
為驗(yàn)證上述仿真結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用，制造了一個(gè)試樣。圖14是該試樣的平面圖，包括一個(gè)在0.8mm厚的FR4電路板(具有測(cè)得的介電常數(shù)4.1)上尺寸為40×100mm的銅接地平面1402。在接地平面上有一個(gè)3×29.5mm的槽1412，一個(gè)10×10mm的板506位于接地平面1402的拐角之上2mm處。該板與接地平面1402的共生部分(co-extensive portion)形成平行板電容器，如上述實(shí)施方案中的一樣。該電容器通過附著在電路板背面的同軸電纜1404和一個(gè)豎直的引線510饋電。
在沒有匹配的情況下測(cè)量該實(shí)施方案的回波損耗S11，該匹配在仿真時(shí)要加上。加上的匹配是一個(gè)3.5nH的串行電感和一個(gè)4nH的旁路電感，類似于上述仿真中所用的匹配。結(jié)果示于圖15，其中頻率f的范圍為800-3000MHz。所得到的在7dB回波損耗時(shí)的帶寬約為以1600MHz為中心的350MHz，或22％，其大約是同時(shí)覆蓋UMTS和DCS1800頻帶所要求的分?jǐn)?shù)帶寬。圖16表示本實(shí)施方案在同樣的頻率范圍內(nèi)的阻抗的Smith圖形。
以上公開的實(shí)施方案是基于容性耦合的。不過，任何其它犧牲型(非輻射)的耦合元件也可以使用，例如感性耦合。同時(shí)，為有利于阻抗匹配，可以改變耦合元件。例如，通過感性元件可以實(shí)現(xiàn)容性耦合，這樣做的好處是不需要其它的匹配部件。
作為后一種技術(shù)的實(shí)例，制造了另一個(gè)試樣，圖17是其平面圖。該試樣類似于圖14中的試樣。區(qū)別在于極板506稍微偏離了接地平面1402的拐角，且不再是完全金屬化的，而是提供一條螺旋軌跡(track)1706，其一端與饋電引線501連接。本實(shí)施方案中，軌跡1706的長度的選擇應(yīng)當(dāng)使在需要的頻率約1600MHz處產(chǎn)生諧振。軌跡1706通過電路板背面的帶狀線饋電。
在沒有匹配的情況下，測(cè)量本實(shí)施方案的回波損耗S11。結(jié)果示于圖18，其中頻率f為800-3000MHz。所得到的在回波損耗7dB時(shí)的帶寬大約為以1580MHz為中心的135MHz，或9％，相信通過進(jìn)一步的優(yōu)化和匹配，該帶寬可以顯著提高。圖19表示本實(shí)施方案在同樣的頻率范圍內(nèi)的阻抗的Smith圖形。
在上述實(shí)施方案中，耦合手持裝置的外殼是輻射元件。但是，在無線終端中的其它接地導(dǎo)體也可以完成相同的功能。這樣的實(shí)例包括用于EMC屏蔽的導(dǎo)體和印刷電路板(PCB)金屬化的區(qū)域，如接地平面。
通過閱讀上述內(nèi)容，其它的變型對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是顯然的。這樣的改變可能涉及在無線終端及其組成部分的設(shè)計(jì)、制造和使用中所應(yīng)用的其它特征，以及可以用于代替或除了在此已經(jīng)描述的特征之外的特征。盡管在本申請(qǐng)中已經(jīng)對(duì)各種特征的特殊組合的權(quán)利要求進(jìn)行了闡明，但是應(yīng)當(dāng)理解，本申請(qǐng)公開內(nèi)容的范圍還包括在此明確地或暗示地公開的任何新穎特征或任何特征的新穎組合，或其任何概括，不管它是否涉及與任何權(quán)利要求中所要求的相同的發(fā)明，也不管它是否減少如本發(fā)明一樣的任何或全部技術(shù)難題。申請(qǐng)人在此提請(qǐng)注意，在本申請(qǐng)或任何其它由此導(dǎo)出的申請(qǐng)的追述期間，針對(duì)這樣的特征和/或特征組合，可能提出新的權(quán)利要求。
在本說明書和權(quán)利要求中，某一元件之前的“一個(gè)”并不排除多個(gè)這樣的元件。而且，“包括”并不排除所列舉之外的其它元件或步驟。
權(quán)利要求
1.一種無線終端，包括一個(gè)接地導(dǎo)體和耦合到天線饋電線的收發(fā)器，其中所述天線饋電線耦合到所述接地導(dǎo)體。
2.如權(quán)利要求1的終端，其特征在于所述天線饋電線通過電容器耦合到接地導(dǎo)體。
3.如權(quán)利要求2的終端，其特征在于所述電容器是由一個(gè)導(dǎo)電極板和所述接地導(dǎo)體的一部分形成的平行板電容器。
4.如權(quán)利要求1的終端，其特征在于所述天線饋電線通過感性元件和所述接地導(dǎo)體之間的電容耦合到所述接地導(dǎo)體。
5.如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)的終端，其特征在于在所述接地導(dǎo)體中提供一個(gè)槽。
6.如權(quán)利要求5的終端，其特征在于所述槽平行于所述終端的主軸。
7.如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)的終端，其特征在于所述接地導(dǎo)體是手持裝置外殼。
8.如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)的終端，其特征在于所述接地導(dǎo)體是印刷電路板接地平面。
9.如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)的終端，其特征在于在所述收發(fā)器與所述天線饋電線之間提供一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)。
全文摘要
一種無線終端,包括一個(gè)接地導(dǎo)體(1102)和耦合到一個(gè)天線饋電線的收發(fā)器,該天線饋電線直接耦合到接地導(dǎo)體(1102)。在一種實(shí)施方案中,所述接地導(dǎo)體是導(dǎo)電外殼(1102)。所述耦合可能是由一個(gè)極板506和外殼(1102)的一個(gè)表面(1108)形成。外殼(1102)作為一個(gè)有效的寬帶輻射器工作,不需要另外的天線。在該實(shí)施方案的一種改型中,提供一個(gè)槽(1112)以增加從所述收發(fā)器看進(jìn)去的外殼(1102)的電阻,從而增加外殼的輻射帶寬。
文檔編號(hào)H01Q1/00GK1386311SQ01802312
公開日2002年12月18日 申請(qǐng)日期2001年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月8日
發(fā)明者K·R·博伊勒, P·J·馬西, R·希爾 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司