專利名稱：有多個天線的無線終端的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種提供天線分集的無線終端，例如一種移動電話手機。
背景技術：
無線終端，比如移動電話手機，一般不是結合一種外部天線，比如簡正模螺旋線或曲折線天線，就是結合一種內部天線，比如平面倒F型天線(PIFA)或者類似的天線。
這幾種天線是小天線(相對于波長)，因而由于小天線的基本制約它們都是窄帶天線。然而，蜂窩無線通信系統(tǒng)一般有10％或更多的分數(shù)帶寬。例如一個PIFA，從該天線獲得這樣的帶寬需要相當大的體積，因為貼片天線的帶寬和它的體積之間有直接的聯(lián)系，但是這樣的體積難以適應目前向小手機發(fā)展的趨勢。因此，因為上述限制，從現(xiàn)有的無線終端里的小天線獲得足夠的寬帶輻射是不可行的。
對于無線終端已知的天線裝置，進一步的問題是它們一般是不平衡的，因此強耦合到終端機殼上。結果大量輻射是從終端本身發(fā)射的而不是從天線。從而無線終端利用上述現(xiàn)象，在該無線終端中天線饋電直接耦合到終端機殼上，這被我們共同未決的未公開的(大不列顛)聯(lián)合王國專利申請0108899.6(申請人索引號PHGB010056)所公開。在適當?shù)剡M行饋電時，終端機殼充當一個有效的寬帶輻射器。
在很多情況下需要無線終端進行天線分集，借此共同使用兩個或兩個以上天線以便使性能獲得改善從而優(yōu)于由單個天線獲得的性能。一般，天線分集使接收更好、電力節(jié)省并由此延長了電池壽命。然而，在一個無線終端如移動電話手機中，兩個或兩個以上常規(guī)天線的提供需要不容忽視的額外體積，在手機目前有越來越小的趨勢下，這就是不合需要的。
發(fā)明的公開本發(fā)明的一個目的是提供一種有天線分集的小型無線終端和在寬帶上有效的輻射特性。
根據(jù)本發(fā)明，所提供的無線終端包括一個接地導體和一個耦合到多個天線饋電上的收發(fā)信機，其中每個天線饋電都直接耦合到接地導體上。
因為利用接地導體(一般是手機主體)作為輻射元件，所以具有進行天線分集所需的最小的額外體積(只有第二電容器或其他耦合元件所占的體積)。因此，本發(fā)明提供了體積需要與已知裝置相比大大減少的天線分集，同時還提供了大得多的帶寬。雖然連接到一個公用輻射元件的兩個饋電的使用預計會導致兩個天線方向圖之間的高度相關，實際表明事實上獲得了低度相關(并且由此獲得優(yōu)良的分集性能)本發(fā)明基于在現(xiàn)有技術中所沒有的以下認識，天線和無線手機的阻抗近似于非對稱偶極子的阻抗，此非對稱偶極子是可分的，而且本發(fā)明還基于天線阻抗可以用非輻射耦合元件代替這個進一步的認識。


現(xiàn)在將通過舉例的方式說明本發(fā)明的實施方案，參考附圖，其中圖1示出一個非對稱偶極子天線的模型，表示天線和無線終端的結合；圖2是一個示范非對稱偶極子的阻抗元件的可分性的圖形；圖3是一個手機和天線結合的等效電路；圖4是一個電容反饋耦合的手機的等效電路；圖5是一個基本電容反饋耦合的手機的透視圖；圖6是圖5的手機的模擬的以dB為單位的回程損耗S11對于以MHz為單位的頻率f的圖；圖7是一個史密斯圓圖，它示出在1000至2800MHz的頻率范圍上圖5手機的仿真阻抗；圖8是一個圖形，它示出圖5手機的仿真電阻；圖9是一個有兩個饋電的雙槽式電容反饋耦合的手機的透視圖；圖10是圖9手機的模擬的以dB為單位的回程損耗S11對于以MHz為單位的頻率f的圖；圖11是一個史密斯圓圖，它示出圖9手機的一個饋電在1000至2800MHz頻率范圍上的仿真阻抗；圖12是有附加匹配的圖9手機的的一個饋電的以dB為單位的回程損耗S11對于以MHz為單位的頻率f的圖；圖13是一個史密斯圓圖，它示出在1000至2800MHz的頻率范圍上圖9手機的一個饋電的仿真阻抗，該手機有附加匹配；圖14是圖9手機的一個饋電對于MHz上的頻率f在dB上仿真返程損耗S11的一個圖形，該手機有附加匹配并且被拿在手中；以及圖15是一個史密斯圓圖，示出在1000至2800MHz的頻率范圍上圖9手機的一個饋電的仿真阻抗，該手機有附加匹配并且被拿在手中；各個圖中相同的參考數(shù)字用來表明一致的特征。
發(fā)明的實施方式圖1示出在發(fā)送狀態(tài)無線手機中的收發(fā)信機從其天線饋電點看到的一個阻抗模型。阻抗被模擬為一個非對稱偶極子，此處第一臂102表示天線阻抗并且第二臂104表示手機的阻抗，兩個臂都由一個電源106驅動。如圖所示，這種裝置的阻抗基本上等于每個受驅動臂102、104各自相對虛地108的阻抗的和。模型用一個表示收發(fā)信機的阻抗代替電源106從而同樣能夠用來進行較好的接收，盡管這樣仿真的難度要大得多。
利用眾所周知的NEC(數(shù)字電磁學代碼)的進行仿真以檢查這個模型的有效性，第一臂102有40毫米長和1毫米的直徑并且第二臂104有80毫米長和1毫米的直徑。圖2示出結合后的裝置的阻抗(R+jX)的實部和虛部結果(RefR和RefX)還一起示出了通過分別仿真阻抗并對結果求和所獲得的結果。可以看到仿真的結果是相當接近的。當阻抗難以精確地仿真時，僅僅在半波共振區(qū)有顯著的偏移。
圖3示出了從天線饋電點看的一個天線和手機結合的等效電路。R1和jX1表示天線的阻抗，而R2和jX2表示手機的阻抗。從這個等效電路能夠推出天線輻射功率P1和手機輻射功率P2之比，它由下式給出P1/P2＝R1/R2如果減小天線的尺寸，它的輻射電阻R1也將減小。如果天線變得無窮小，則它的輻射電阻R1將下降到零并且所有的輻射都將來自手機。如果手機阻抗適合驅動它的電源106，還有如果通過增加到手機的電容反饋耦合可以使無窮小天線的容抗最小，則這種情況成為有利情況。
利用這些修改，把等效電路改成圖4所示電路。因此天線已經被一個物理上非常小的反饋耦合電容所代替，被設計成有最大耦合和最小電抗的大電容量?？梢杂靡粋€簡單的匹配電路使反饋耦合電容器的剩余電抗失調。通過手機的正確設計，得到的帶寬可以比常規(guī)的天線和手機結合大得多，因為手機作為低Q輻射元件(仿真表明一般的Q在1左右)，而常規(guī)天線一般有50左右的Q。
電容反饋耦合的手機的一個基本實施方案在圖5中示出。手機502的尺寸有10×40×100毫米大，這是現(xiàn)代蜂窩手機的典型尺寸。一個平行板電容器504，尺寸有2×10×10毫米大，通過在手機502的上邊緣508的上方2毫米處裝上一個10×10毫米的板506，通常是被一個大得多的天線所占的位置。合成電容量大約為0.5皮法，表示電容量(可以通過減小手機502和板506的間隔而增加該電容量)和耦合有效性(取決于手機502和板506的間隔)之間的折衷。電容器經過與手機外殼502絕緣的支撐510進行饋送。
利用高頻結構仿真器(HFSS)仿真這個實施方案匹配以后的返程損耗S11，此仿真器可以從Ansoft公司得到，具有圖6所示頻率f在1000和2800MHz之間的結果。利用一個常規(guī)的兩導體“L”網絡在1900MHz上進行匹配。在7dB返程損耗(大約相當于所輻射的輸入功率的90％)上的合成帶寬大約為60MHz，或者3％，這個帶寬是有效的但沒有所需要的那么大。圖7中示出一個史密斯圓圖，它圖示說明了在相同頻率范圍上這個實施方案的仿真阻抗。
低帶寬是因為手機502和電容器504的結合在1900MHz上呈現(xiàn)出大約3-j90Ω的阻抗。圖8示出了在前述的頻率范圍上用HFSS仿真的電阻變化?？梢酝ㄟ^重新設計機殼來增加阻抗從而對此加以改善，例如利用一個槽或者一個更窄的手機，如被我們共同未決的未公開的(大不列顛)聯(lián)合王國專利申請0019335.9中所討論的。
為了提供天線分集，至少需要兩個耦合元件。圖9中示出了一個如何這樣做的例子。分集手機902有一個10×40×100毫米尺寸的傳導機殼，切進去兩個槽912。每個槽912都有3毫米寬和29.5毫米深并且位于手機902的一側以內12毫米之處。如前面的實施方案中所述，電容器504由板506構成，這個電容器有10×10毫米大，被裝在一個支撐510上并且在手機902的上邊緣908上方4毫米處。
用HFSS仿真這個實施方案的返程損耗S11，對于1000和2800MHz之間的頻率f有圖10所示的結果。仿真中一個電容器504被直接進行饋送而不進行匹配，而其他電容器504保持開路。有兩個諧振出現(xiàn)，一個以1.83GHz為中心而另一個以2.24GHz為中心。第一諧振近似于在只有一個電容器504和一個槽912的情況下所獲得的諧振，如被我們共同未決的未公開的UK專利申請0019335.9中所示的。第二諧振是由于一個附加槽912的存在。第二槽912的存在減小了第一諧振的中心頻率，因此與有單個槽的實施方案相比這個槽912的長度減小了。圖11中示出一個史密斯圓圖，它圖示說明了在相同頻率范圍上這個實施方案的仿真阻抗。在史密斯圓圖中阻抗的迅速變化反映了第二諧振的窄帶性質。
匹配可以改進這個實施方案的響應。利用一個與基本實施方案中所采用的匹配網絡近似的兩導體匹配網絡進行仿真，但是兩個匹配同時饋電。這會用在一個雙接收機的分集結構中，該結構兩個天線可以同時使用。就像使用交換分集構造一樣，一個饋電被連上并且被匹配而另一個饋電沒有被斷開或者被其他阻抗加載，這樣也可以獲得近似性能。
對于1000和2800MHz之間的頻率f返程損耗S11的結果在圖12中示出。在7dB返程損耗上的合成帶寬現(xiàn)在大約是750MHz，或者接近40％。這多得足夠同時覆蓋UMTS和DCS1800波段，要求覆蓋范圍在從1710到2170MHz上。圖13中示出一個史密斯圓圖，它圖示說明了在相同頻率范圍上這個實施方案的仿真阻抗。
對手持的手機進行進一步的仿真，一只1厘米厚的手包圍著手機最底下60毫米處并且三邊環(huán)繞著它。把手仿真成均勻合成的絕緣材料，具有介電常數(shù)49以及在1900MHz上有1.6S/m的導電率。返程損耗S11的結果和史密斯圓圖分別在圖14和15中示出。盡管手機充當部分輻射系統(tǒng)，天線效率只減少了27％(由輸入功率與在仿真的問題空間邊界上所積分的功率之比計算得到。)這與常規(guī)手機在手持時所發(fā)現(xiàn)的效率減少有近似的效率減少。
為了使天線分集有效率，有必要對各個天線的輻射方向圖進行充分地解相關。低于0.7的相關數(shù)一般用來表明良好的分集性能。對所匹配的饋電，在所跨的操作波段的三個頻率上以及對于各種應用設想計算手機902的相關數(shù)，有以下結果

還計算手持手機的相關數(shù)，有手蓋在手機902三側的底下60毫米處。得到以下結果

以上結果清楚地證明了在一定的環(huán)境范圍內寬頻帶上獲得良好的分集性能。對于只有一個饋電電容器504而另一個電容器504以不匹配負載而終接的情況，可以預計結果同樣是好的，就好像交換分集的情況。
以上說明的分集實施方案利用在手機外殼902中的槽912來提高在所有DCS1800和UMTS所覆蓋的波段上的饋電匹配?？赡苡衅渌麑嵤┓桨?包括沒有手機槽的方案)，例如可以根據(jù)體積折衷選擇帶寬。當提供了槽時，它們可以延伸到橫跨手機的全長，還可以提供附加的槽來提供用于多波段操作。在以上說明的分集實施方案中，槽912的功能是提供阻抗轉換以便于天線饋電提供一個50Ω的合理匹配。倘若天線饋電在接地導體902上被充分隔開(例如圖9中的天線都在1711MHz上被隔開大約0.2波長)則應該獲得恰當?shù)姆旨阅堋?br> 以上所公開的實施方案是基于電容耦合。然而，可以用任何其它犧牲(非輻射)耦合元件來代替，例如電感耦合。為了幫助阻抗匹配還可以改變耦合元件。例如，可以由一個電感元件獲得電容耦合。這會使匹配更容易以便產生更多的寬帶響應。
在上述實施方案中，一個導電的手機外殼就是輻射元件。然而，無線終端中其他的接地導體也能夠執(zhí)行類似功能。例子包括用于EMC屏蔽的導體和印刷電路板(PCB)敷金屬的區(qū)域，例如一個接地平面。
根據(jù)所閱讀的公開內容，對本領域技術人員來說顯然還有其他的修改。這種修改涉及在無線終端及其部件的設計、制造和使用中已知的其它特征，并且可以被用于替代或者補充這里已經描述的特征。
本發(fā)明的說明書和權利要求中，在一個元件前面所加的詞語“一個”不排除有多個這種元件存在的情況，進而，詞語“包括”不排除除了所列舉的還有其他元件或步驟存在。
權利要求
1.一種無線終端，包括一個接地導體和一個耦合到多個天線饋電上的收發(fā)信機，其中每個天線饋電都直接耦合到接地導體上。
2.如權利要求1所述的終端，其特征在于每個天線饋電都經一個電容器耦合到接地導體上。
3.如權利要求2所述的終端，其特征在于電容器是一個平行板電容器，它是由一個導電板和接地導體的一部分構成的。
4.如權利要求1至3中任何一個所述的終端，其特征在于在接地導體上提供了一個槽。
5.如權利要求4所述的終端，其特征在于所述槽平行于終端的主軸。
6.如權利要求1至5中任何一個所述的終端，其特征在于接地導體是一個手機外殼。
7.如權利要求1至5中任何一個所述的終端，其特征在于接地導體是一個印制電路板的接地平面。
8.如權利要求1至7中任何一個所述的終端，其特征在于在收發(fā)信機和每個天線饋電之間都提供一個匹配網絡。
全文摘要
一種有天線分集的無線終端包括一個耦合到多個天線饋電上的收發(fā)信機和一個接地導體(902)，天線饋電都直接耦合到接地導體(902)上。在一個實施方案中，接地導體是一個導電機殼(902)。通過平行板電容器(504)進行耦合，該電容器分別由一個板(506)和機殼(902)的一個表面(908)構成。機殼(902)充當一個有效的寬帶輻射器，不需要獨立的天線。提供槽(912)以增加終端的輻射帶寬并且改善它的分集性能。
文檔編號H01Q9/04GK1455971SQ02800225
公開日2003年11月12日 申請日期2002年1月15日 優(yōu)先權日2001年2月2日
發(fā)明者K·R·博伊爾, P·J·梅西 申請人:皇家菲利浦電子有限公司