專利名稱：用于移動通信的內(nèi)部多波段天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及天線器件，尤其是用于移動通信器件和其他小型天線應(yīng)用的內(nèi)部多波段槽天線。
由于接線微波傳輸帶天線(patch micro-strip antenna)具有緊湊輕巧的結(jié)構(gòu)，使其易于在印制電路板上使用精密印制電路技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)和制造，因此在若干方面具有優(yōu)勢。在一些應(yīng)用中，希望提供具有集合了接線天線優(yōu)點(diǎn)的可在多波段中運(yùn)行的小型天線，但現(xiàn)有嘗試都不成功。此外，除非使用了很厚的電介質(zhì)襯底，已知內(nèi)部接線天線往往具有狹窄的帶寬，但是增厚限制了天線在很多方面的應(yīng)用，尤其是限制了在具有嚴(yán)格的空間要求和重量限制的手持移動通信設(shè)備的應(yīng)用。常規(guī)的PIFA天線是四分之一波長的。特定的頻率通常指示了天線的長度或尺寸。如果想要將諧振頻率調(diào)到用于另一個應(yīng)用，就必須改變天線的尺寸或其他特性，如介質(zhì)。
常規(guī)的接線天線具有自然的諧振頻率或者用于RF和微波應(yīng)用的模式。然而，當(dāng)使用用于天線設(shè)計的自然模式(natural mode)時存在一些缺點(diǎn)。自然模式取決于接線的形狀和大小。一旦天線的尺寸固定，也就固定了諧振頻率。如果天線的尺寸是這樣，第一模式匹配GSM(900MHz)頻率，則第二模式將在第三諧波2700MHz處諧振，這對于DCS(1800MHz)頻率并不推薦使用。此外，為了產(chǎn)生自然模式諧振頻率，必須相對地使天線尺寸大。例如，當(dāng)使用半波接線技術(shù)時，900MHz的矩形接線天線大約為12厘米。然而，這樣大的尺寸對于通常要求天線的長度小于大約4厘米的大多數(shù)現(xiàn)代蜂窩電話設(shè)備來說是不可接受的。
通過在發(fā)射元件中提供縫隙或槽，也可以在金屬平面中采用槽天線。簡單的諧振槽天線幾何形狀包括半波和四分之一波槽天線，其在發(fā)射元件中分別提供封閉的槽或者開放的槽。槽天線和常規(guī)的接線微波傳輸天線包括在發(fā)射元件和接地平面之間的電介質(zhì)，使天線由來自包括電信號反饋點(diǎn)的激勵端口不同地進(jìn)行驅(qū)動。然而，槽天線也傾向于具有相對窄的帶寬。
常規(guī)的平面反相F天線(PIFA)包括平面發(fā)射元件和接地導(dǎo)體，正如與接線微波傳輸和槽天線結(jié)構(gòu)介紹的一樣。在反相F天線中，發(fā)射元件和接地導(dǎo)體為平行的、平坦導(dǎo)體面，該導(dǎo)體面具有反饋點(diǎn)和短路點(diǎn)，其根據(jù)發(fā)射導(dǎo)體的長度在特定的頻率上與電波諧振。已知的PIFA天線具有限制，并且通常不適用于多模式和限制空間的應(yīng)用。常規(guī)的PIFA天線為四分之一波長。特定的頻率通常指出天線的長度或大小。如果想要將諧振頻率調(diào)諧以用于另一個應(yīng)用，必須改變天線的大小或者其它屬性，如電介質(zhì)。
在仔細(xì)考慮了以下的發(fā)明詳細(xì)描述連同附圖后，本發(fā)明的各個方面特征和優(yōu)點(diǎn)對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言將會非常明顯。


圖1示出本發(fā)明的內(nèi)部天線示例；圖2示出本發(fā)明的內(nèi)部天線另一個示例
圖3示出了適于用作短接或反饋條(strap)的L形導(dǎo)電構(gòu)件；圖4示出了圖1中示例天線的回播損耗；圖5示出了用于內(nèi)部多波段天線的開關(guān)原理；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)部天線的三維發(fā)射模式；圖7和圖8示出發(fā)射模式的縱切。
圖9示出在根據(jù)本發(fā)明的天線饋電點(diǎn)反饋strap的倒L反饋。
圖10圖形化地示出兩個帶槽的雙波段內(nèi)部天線的測量和對比。
在一個實(shí)施例中，本文中所描述的多波段天線適用于以單個激勵端口下操作的兩個或多個不同波段。多波段天線器件使用短接條和槽產(chǎn)生多波段帶頻，而其尺寸和重量又遠(yuǎn)小于常規(guī)天線。如以下更加全面的討論，本文中的示例實(shí)施例產(chǎn)生GSM 900MHZ頻率和DCS1800MHZ頻率。
圖1示出了內(nèi)部多波段天線，通常包括基本平坦的發(fā)射元件12和與發(fā)生元件12基本平行放置的基本平坦的接地導(dǎo)體14，其用作接地平面。在一個實(shí)施例中，接地導(dǎo)體14是放置在印制電路板32的部分上的導(dǎo)電材料。
電介質(zhì)16放置在發(fā)射元件和接地導(dǎo)體之間。在圖1中，示例性電介質(zhì)16是空氣間隙。可選地，電介質(zhì)可以是一些形成于發(fā)射元件和接地導(dǎo)體之間其它材料，舉例來說如襯底。其中電介質(zhì)16是空氣隙，用塑料支撐物或其它一些間隔物(offset)34可以將發(fā)射元件12相對于接地導(dǎo)體14或印制電路板32放置。
相對于發(fā)射元件上的電信號傳入饋電點(diǎn)放置至少一個短接條(shorting strap)。一個或多個短接條通常將發(fā)射元件和接地導(dǎo)體連接起來。圖1中，有兩個短接條20和22用于多波段操作，并且在其它實(shí)施例中還可能有額外的短接條，其中至少一個短接條將發(fā)射元件和接地導(dǎo)體連接起來，如下文更加全面的討論。通常，短接條位于與饋電點(diǎn)不同的距離處。
圖1中，饋電點(diǎn)包括具有一端和發(fā)射元件12相連的饋電條18。饋電條18的另一部分或端19通過導(dǎo)電引線與電路連接，這未在圖中示出。在示例性實(shí)施例中，端點(diǎn)19是饋電點(diǎn)。饋電條18不與接地導(dǎo)體相連。在圖1中的示例性實(shí)施例中，印制電路扳上有一非導(dǎo)電區(qū)31，其中饋電條與電路板32接觸。與饋點(diǎn)電相連的導(dǎo)電引線可以放置在例如接地導(dǎo)體下面的印制電路板層中。
圖3中示出的一個實(shí)施例中，饋電條和/或一個或多個短接條是L形構(gòu)件。依照其配置，如下文更全面的討論，所述L形構(gòu)件可以配制成提供特別的阻抗，例如電容或與電感串聯(lián)的電容。
圖1中，帶角度的槽26放置在發(fā)射元件12上。帶角度的槽被分成至少兩段或節(jié)28，優(yōu)選地它們排列互成銳角。優(yōu)選地，帶角度的槽被分成至少三個槽段28。示例性的帶角度的槽的配置包括形狀Z或N或M或W或其他銳角形狀或它們的組合。圖2示出具有形狀W配置的另一個銳角槽。
通常，尖銳的帶角槽便于它們的各段之間以諧振頻率耦合，這可以增加天線帶寬。示例性實(shí)施例中，連接相應(yīng)各段的帶有銳角的Z，N，M和W形狀的槽為所有各段，即第一到第二，第二到第三，和第一到第三節(jié)等等，提供了良好的互耦合。具有排列成直角和斜角的槽可能不顯示出相連各節(jié)之間的良好電磁耦合，并且為相連各節(jié)之間提供有限的互耦合。但直角和斜角的槽配置可能適用于一些應(yīng)用，具有三節(jié)或多節(jié)的銳角槽是優(yōu)選的，尤其對多波段應(yīng)用。
多模式操作有可選擇連接發(fā)射元件和接地導(dǎo)體之間的一個或多個短路條，從而調(diào)諧天線的輸入阻抗，如下文更加全面的討論。圖1的示例性實(shí)施例中，第一短路條20位置離饋電點(diǎn)較近，提供50歐姆的匹配(Zin)，并保持天線小尺寸，而第二短路條22位置離饋點(diǎn)電較遠(yuǎn)，調(diào)諧GSM 900的頻率。
圖1中發(fā)射元件上的銳角槽26調(diào)諧GSM 1800的頻率。通常，改變發(fā)射元件上角度槽26的長度和形狀會改變較高波段的諧振頻率，而改變饋電點(diǎn)和第二短路條22之間的距離會改變較低波段的諧振頻率。天線的典型尺寸約為4厘米×2.5厘米×0.7厘米。圖4示出圖1中天線器件10的回波損耗(return loss)，其中天線具有在900MHZ和1800MHZ上的雙諧振頻率。
圖6示出示例性內(nèi)部天線的3維發(fā)射圖形。對兩個波段的發(fā)射效率都約為70％。圖7和圖8是發(fā)射圖形的縱切圖。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會認(rèn)識到，對GSM 900而言增益約為1.5dbi，對GSM 1800而言增益約為2.5dbi。兩個波段的發(fā)射都是有方向的。發(fā)射元件處的發(fā)射增益比接地導(dǎo)體或平面處的發(fā)射增益約高5db。當(dāng)接地平面相對于用戶頭部放置時將具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于短粗天線(stubby antenna)或其他任何全向天線的SAR。
短接條和槽通常用于產(chǎn)生多波段頻率，故而天線尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)天線。在一個實(shí)施例中，短接條產(chǎn)生GSM 900MHZ的頻率，而槽產(chǎn)生DCS 1800MHZ的頻率。
GSM 900MHZ的頻率被兩個相對于反饋條放置的短接條所調(diào)諧。使用短接條替代PIFA天線中使用的插頭(pin)。短接插頭，同軸插頭和發(fā)射元件構(gòu)成PIFA天線。本發(fā)明的短接條和反饋條提供了較PIFA天線中的短接和同軸反饋插頭更寬的波段。短接條允許天線基于條的位置而非本征模式來諧振。
本發(fā)明中，不需要為調(diào)諧頻率改變天線尺寸，而且饋點(diǎn)電保持不便。饋電點(diǎn)和短接條之間的距離決定了調(diào)諧頻率。通過改變短接條相對于反饋條18的距離，例如通過連續(xù)閉合相應(yīng)開關(guān)，可有選擇地將一個或更多的多個短接條相連，就可以改變天線的諧振頻率而不用改變天線尺寸。對于不會用使多于一個模式的天線應(yīng)用中，一個短接條可以適用。這個單獨(dú)的短接條到饋電點(diǎn)的距離大約是兩個短接條的平均距離，例如，圖1中的短接條20和22。
在一些應(yīng)用中，為了降低成本，廠家希望有一種公共的設(shè)計平臺，這意味著對幾種電話和應(yīng)用都使用系統(tǒng)的天線結(jié)構(gòu)。例如，相同的內(nèi)部天線可以用在北美的雙波段AMPS(800MHz)和PCS(1900MHz)中，或雙波段GSM(900MHZ)和DCS(1800HMZ)，或三波段GSM、DCS、PCS，或四波段AMPS、GSM、DCS、PCS中。為了提供這種多平臺的靈活性，為兩個或三個或四個短接條準(zhǔn)備了相應(yīng)開關(guān)，例如，如圖3所示，一個RF二極管順序連接在發(fā)射元件和接地導(dǎo)體之間。可選地，可以使用其它任何可電控開關(guān)。
使用偏壓RF二極管以切換多個短接條和控制器件，例如微處理器經(jīng)過I/O端口來產(chǎn)生高或低電壓切換電平。其中一個短接條通過閉合相應(yīng)的二極管開關(guān)連接在發(fā)射元件和接地導(dǎo)體之間，而其它短接條保持?jǐn)嚅_，這允許天線在不同的應(yīng)用或平臺中以不同的頻率操作。偏壓RF二極管可以用作RF開關(guān)，其切換短接條到打開(連接)或關(guān)閉(斷開)。在單個開關(guān)的開或關(guān)的不同組合下，天線可以調(diào)諧至所需特定頻率。
圖5中，例如條2和條3可以通過調(diào)諧二極管2和3為開，而二極管1和4為關(guān)來連接成用于AMP和SPCS雙波段應(yīng)用。當(dāng)在電阻R2和R3上施加高電壓，在R1和R4上施加低電壓時，二極管開關(guān)導(dǎo)通，其中，R1，R2，R3，和R4是偏壓電阻。通過給在天線上四個預(yù)先設(shè)計的條提供控制二極管開關(guān)的高電壓和低電壓，可以通過軟件控制將天線配置成在所需波段上諧振。
通常，由各節(jié)長度之和決定的槽的長度確定了諧振頻率。為了調(diào)諧頻率，只需要改變槽的尺度。如果第二波段用于PCS 1900MHZ，提供短于4mm的槽可允許第二諧振頻率從1800MHZ切換到1900MHZ。正如所討論的，槽的形狀可以用來擴(kuò)展天線帶寬，例如通過使用一個或更多示例形狀Z，N，M，或W。
圖2中，L形狀的反饋和短接條42和44為LC諧振器提供串聯(lián)電容和電感元件。圖3中L形條30具有尺寸為11的窄邊和尺寸為12的拉長邊38，不同尺寸可以提供不同的阻抗特性。如所討論的，L形帶的阻抗特性也適合擴(kuò)展天線操作的特性的帶寬。
GSM 900MHZ帶寬可以通過改進(jìn)L形反饋條進(jìn)行擴(kuò)展，如圖9所示。改進(jìn)的反饋條包括L形構(gòu)件，L形構(gòu)件其具有較寬的上部86和較窄的下部85的長腿。短腿82從長腿的較窄下部85中伸出。長腿的較寬上部86與包括有槽80的發(fā)射元件70相連。長腿的較窄下部85與發(fā)射元件70之間留有空隙。短腿82通常伸向接地平面導(dǎo)體14，但與其沒有電連接。短接條84也可以配制成L形。
反饋條的較大部分86等同于電容元件。當(dāng)該電容與電感串聯(lián)時，這個串聯(lián)LC配置將產(chǎn)生寄生地疊加在第一天線諧振模式上的另一個諧振頻率。寄生模式使得天線帶寬更寬。改進(jìn)的L形反饋條通過改變其尺寸為獲得諧振調(diào)整出合適大小的電感L電容C提供了靈活性。例如，部分85的長度不同使得電感L值不同，部分86長度和寬度不同使得電容C值不同。當(dāng)部分85的長度變得非常小時，圖9的結(jié)構(gòu)變成圖3的L形結(jié)構(gòu)。圖9的結(jié)構(gòu)對小型天線設(shè)計很有用處。
產(chǎn)業(yè)界需要發(fā)射元件和接地平面導(dǎo)體之間的距離很小的小型天線設(shè)計。如指出的，已知小型天線設(shè)計的典型缺陷是帶寬窄。為此，天線設(shè)計工程師們總是努力地在帶寬和天線厚度之間尋求折衷。圖9中改進(jìn)的L形反饋條結(jié)構(gòu)提供了良好的帶寬而又不失去厚度尺寸較小的優(yōu)勢。
圖10示出了兩個槽雙帶寬內(nèi)部天線的測量值和比較。曲線1測量自現(xiàn)有技術(shù)天線的直短路插頭和直槽。曲線2測量自根據(jù)本發(fā)明的具有改進(jìn)L形反饋條和帶角度的槽的天線。天線2的帶寬GSM 900HMZ和DCS 1800MHZ比天線1中的帶寬更寬。GSM的較寬帶寬是改變L形反饋條的結(jié)果，而DCS的較寬帶寬是改變帶角度的槽的結(jié)果。
盡管對本發(fā)明和當(dāng)前在文中被認(rèn)為是最佳模式的內(nèi)容以發(fā)明人所建立的方式進(jìn)行了描述，其使得本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)并使用本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)理解并贊同，在此所公開的示例性實(shí)施例還有許多等同實(shí)現(xiàn)，可以在不背離本發(fā)明范圍和精神下對其進(jìn)行種種修改和變化，這些都不應(yīng)被示例性實(shí)施例而應(yīng)由所附權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種天線裝置，包括基本平坦的發(fā)射元件；放置在靠近所述發(fā)射元件基本平坦的接地導(dǎo)體；放置在所述發(fā)射元件和所述接地導(dǎo)體之間的電介質(zhì)；在所述發(fā)射元件處的電信號反饋點(diǎn)；將所述接地導(dǎo)體與所述發(fā)射元件相連的短接條；和形成于所述發(fā)射元件中的銳角槽，所述銳角槽分成至少三段槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的天線裝置，所述接地導(dǎo)體與所述發(fā)射元件基本平行地放置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的天線裝置，其中所述接地導(dǎo)體至少包括印制電路板的一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的天線裝置，所述電介質(zhì)包括所述發(fā)射元件和所述接地導(dǎo)體之間的電介質(zhì)襯底。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的天線裝置，所述反饋點(diǎn)包括與所述發(fā)射元件相連的電信號反饋條。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的天線裝置，多個的至少兩個短接條，每個短接條與所述發(fā)射元件和所述接地導(dǎo)體之間的相應(yīng)開關(guān)相連，多個短接條位于距反饋點(diǎn)距離不同處，其中通過閉合至少一個相應(yīng)短接條的開關(guān)使發(fā)射元件和接地導(dǎo)體相連來調(diào)諧電信號饋電點(diǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的天線裝置，多個的至少兩個短接條，每個短接條與所述發(fā)射元件和所述接地導(dǎo)體之間的相應(yīng)二極管開關(guān)串聯(lián)連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的天線裝置，其中所述反饋條包括電容和電感負(fù)載。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的天線裝置，其中所述反饋條包括L形構(gòu)件，其具有上部和下部的長腿，短腿從所述長腿的下部中伸出，所述長腿的上部與所述發(fā)射元件相連，所述長腿的下部與所述發(fā)射元件70之間留有空隙，所述短腿伸向所述接地導(dǎo)體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的天線裝置，所述反饋條包括具有長腿和短腿部分的L形構(gòu)件，所述長腿的至少一部分與所述發(fā)射元件相連。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的天線裝置，所述長腿具有相對較窄的下部和相對較寬的上部，所述短腿部分從所述下部伸向所述接地導(dǎo)體。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的天線裝置，所述銳角槽包括Z，N，M，或W中的一種形狀的槽，便于分段的槽之間相互連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求5的天線裝置，所述反饋條包括電容和電感負(fù)載。
14.一種天線裝置，包括平坦的發(fā)射元件；與所述靠近發(fā)射元件基本平行放置的發(fā)射元件接地平面導(dǎo)體；在所述發(fā)射元件和所述接地導(dǎo)體之間的電介質(zhì)；與所述發(fā)射元件連接的反饋條；多個的至少兩個短接條，每個短接條與所述發(fā)射元件和所述接地平面導(dǎo)體之間的相應(yīng)開關(guān)串聯(lián)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的天線裝置，所述多個短接條放置于距與所述發(fā)射平面相連的所述反饋條不同距離處，所述開關(guān)包括二極管。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的天線裝置，銳角槽放置在所述發(fā)射元件中，反饋條具有電感與電容串聯(lián)形式的阻抗負(fù)載。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的天線裝置，其中所述反饋條包括L形構(gòu)件，所述L形構(gòu)體具有較寬上部和較窄下部的長腿，短腿從所述長腿的較窄下部中伸出，所述長腿的上部與所述發(fā)射元件相連，所述長腿的下部與所述發(fā)射元件之間留有空隙，所述短腿通常伸向所述接地導(dǎo)體。
18.一種使天線在至少兩個頻率上諧振的方法，包括通過將平面發(fā)射元件上反饋點(diǎn)處引入電信號使天線在一頻率上諧振，所述平面發(fā)射元件由電介質(zhì)與接地平面導(dǎo)體分離開；通過將短接條放置在相對于所述反饋點(diǎn)處，在所述反饋點(diǎn)處調(diào)諧電信號阻抗，所述短接條使所述連接發(fā)射元件和所述接地平面導(dǎo)體互連。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，天線包括多個短接條，每個短接條與所述發(fā)射元件和所述接地平面導(dǎo)體之間的相應(yīng)開關(guān)串聯(lián)，通過閉合所述多個短接條中的至少一個開關(guān)、同時所述多個接地條的其它開關(guān)保持?jǐn)嚅_來放置所述短接條，
20.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，所述發(fā)射元件具有被銳角分成至少三段的槽，將在所述發(fā)射元件中的所述銳角槽的各節(jié)相互連接在第二諧振頻率處。
全文摘要
一種用于移動通信器件的內(nèi)部多波段天線，其具有平面發(fā)射元件(12)和與之基本平行放置的接地導(dǎo)體(14)，并且它們之間有例如空氣或襯底的電介質(zhì)(16)。發(fā)射元件(12)包括反饋點(diǎn)處的例如，可以具有L形狀的反饋條(18)所述反饋點(diǎn)。一個或多個短接條(20，22)有選擇地連接在發(fā)射元件(12)和接地導(dǎo)體(14)之間，放置在相對于反饋點(diǎn)的位置，用于調(diào)諧在反饋點(diǎn)處的輸入阻抗，并用于調(diào)諧所述平面發(fā)射元件(12)的諧振頻率。所述發(fā)射元件包括具有至少三段槽的帶角槽(26)，例如，N，M，W和類似形狀，其相互連接在第二諧振頻率上以增加諧振頻率帶寬。反饋條(18)和一個多個短接條可以為串聯(lián)LC阻抗提供倒置的L型條(30)。
文檔編號H01Q1/24GK1460310SQ02800925
公開日2003年12月3日 申請日期2002年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月28日
發(fā)明者周光平 申請人:摩托羅拉公司