專利名稱：可調(diào)平面天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到特別適用于移動終端的可調(diào)平面天線。本發(fā)明還涉及到采用那種天線的無線電設(shè)備。
背景技術(shù)：
在便攜式無線電設(shè)備中，特別是在移動終端中，為了方便，天線最好置于設(shè)備外殼內(nèi)。小設(shè)備的內(nèi)部天線通常是平面型的，因為對于此天線，最容易實現(xiàn)滿意的電特性。平面天線包括輻射平面以及與之平行的地平面。由于移動終端在厚度上也在變薄，平面天線的輻射平面和的平面之間的距離應該盡可能短。但是，減小所述距離的障礙是天線的帶寬變小了。那么，因為移動終端被設(shè)計為根據(jù)具有相互之間相對較近的頻率范圍的不同系統(tǒng)起作用，所以，在沒有專門安排的情況下要覆蓋多于一個無線電系統(tǒng)使用的所述頻率范圍變得更加困難或不可能。這樣的系統(tǒng)對例如是GSM 1800(全球移動通信系統(tǒng))和GSM900。相應地，保護符合單個系統(tǒng)發(fā)送和接收頻帶中規(guī)定的功能變得更加困難。
如果天線的諧振頻率可以可以電致變化，從而使得在給定時間功能假定諧振頻率附近的天線的操作頻帶總是覆蓋著頻率范圍，那么，上述障礙就可以避免。
通過公開文本JP 8242118可以知道一種調(diào)整天線諧振頻率的解決方案，這樣，輻射平面的每一端都有從平面邊緣向其中心區(qū)域延伸的開口。到每個開口都連接著電開關(guān)，當該電開關(guān)導通時，它就在特定的點上縮短所討論的開口。改變開關(guān)的狀態(tài)就改變了輻射平面的電尺寸，因而改變了天線的諧振頻率。因為每個天線都由其自己的控制信號控制，所以，天線可以一步一步地調(diào)整。這個解決方案的缺點是單個開關(guān)的效果太小了，因此需要許多開關(guān)。開關(guān)組件的數(shù)目和安裝它們導致顯著的額外成本。
通過公開文本EP 0 678 030和US 5 585 810可以知道一種解決方案，其中，在輻射平面和地平面之間有變?nèi)荻O管和另一個電容元件。天線的諧振頻率可以通過依靠控制電路控制電壓來改變二極管的電容而改變。這個解決方案的缺點是它將天線的基本結(jié)構(gòu)復雜化了，在這種情況下，天線的制造成本相對較高。這在多頻帶天線中是要特別強調(diào)的，因為對每個操作頻帶都需要獨立的布置。
通過公開文本US 6 255 994可以知道一種依據(jù)

圖1的解決方案?？梢钥吹骄匦蔚妮椛淦矫?和地平面3。這些平面在互相之間的特定距離上由電介質(zhì)塊14支撐。在天線的一端有饋送/接收導體(feed/receive conductor)4、第一短導體(short conductor)5和第二短導體6，這些導體電結(jié)合到輻射平面。饋送/接收導體通過孔3a與地平面隔離，第一短導體通過孔3b與地平面隔離，而第二短導體通過孔3c與地平面隔離。第一短導體5可以通過第一開關(guān)7連接到地平面。這是一個雙路開關(guān)，其端子7a可以連接到端子7b或者端子7c。在前面一種情況下，第一短導體通過電感元件8連接到地平面，在后面一種情況下直接連接到地平面。除了直接連接以外，可以不用電感元件而用電容元件或者兩者都用。第二短導體6可以通過第二開關(guān)9連接到地平面。這是一個閘刀開關(guān)，其端子9a可以連接到端子9b。在這種情況下，第二短導體直接連接到地平面。開關(guān)7的狀態(tài)由來自控制器13的第一控制信號SD1確定，而開關(guān)9的狀態(tài)由來自控制器13的第二控制信號SD2確定。天線結(jié)構(gòu)的諧振頻率通過控制開關(guān)7和9來改變。在雙態(tài)開關(guān)的情況下，有四種替換短路排列，同時也有四種諧振頻率。這些四個中的三個得到使用當?shù)谝欢虒w通過電感元件連接而第二短導體不連通時可以獲得最低頻率。當?shù)谝欢虒w直接連接到地平面而第二短導體不連接時可以獲得較高的頻率。當?shù)谝欢虒w通過電感連接而第二短導體直接連接到地平面時可以獲得最高的頻率。通過測量輻射平面以及結(jié)合到它的導體之間的距離，可以確定對應于三個諧振頻率的操作頻帶之間的間隙。

發(fā)明內(nèi)容
這個解決方案的缺點是當需要多頻帶天線時，將上面指出的操作頻帶匹配到所討論的系統(tǒng)使用的頻率范圍在實際中是很困難或者是不可能的。而且，與通常的PIFA(平面反轉(zhuǎn)F天線)相比，該結(jié)構(gòu)包括其結(jié)構(gòu)的附加短導體，結(jié)果會導致天線的加大和制造成本。
本發(fā)明的一個目標是緩解上面指出的與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的缺點。根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)平面天線其特征在于獨立權(quán)利要求1中所指定的。根據(jù)本發(fā)明無線電設(shè)備其特征在于獨立權(quán)利要求12中所指定的。本發(fā)明的有利實施例在從屬權(quán)利要求中給出。
本發(fā)明的基本思想如下天線的基本結(jié)構(gòu)是在輻射平面和地平面之間具有固定短導體的PIFA。在屬于PIFA基本結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)部分的一個表面上，放置著有效電磁耦合到輻射平面的帶導體。該帶導體可以通過開關(guān)連接到地平面，直接電連接到地平面或者通過串聯(lián)元件連接到地平面。當開關(guān)閉合時，從短點測量，輻射平面的電長度被改變了，在這種情況下，天線的諧振頻率也改變了。在多頻帶天線的情況下，帶導體可以這樣放置，以便它有效電磁耦合到一個或多個輻射元件。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是，調(diào)整PIFA類型平面天線是通過較小的附加元件執(zhí)行，它不認為會改變天線的基本結(jié)構(gòu)。于是，天線的大小沒有改變，并且調(diào)整的額外成本相對較低。本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，根據(jù)本發(fā)明，帶導體的效果可以根據(jù)期望來引導，例如對雙頻帶天線的較低或較高的操作頻帶進行引導，或者是對兩個操作頻帶都進行引導。本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，根據(jù)本發(fā)明結(jié)構(gòu)引起的天線耗散的增長相對較低。
附圖簡述本發(fā)明在下面詳細描述。將參照下列附圖圖1顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的可調(diào)平面天線的實例，圖2a顯示了根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)平面天線的實例，圖2b顯示了圖2a的平面天線的天線電路板(從下面看)，圖3顯示了圖2a的安排對天線操作頻帶的效果，圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)平面天線的第二實例，圖5顯示了圖4的安排對天線操作頻帶的效果，圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)平面天線的第三實例，圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)平面天線的第四實例，和圖8顯示了裝備有根據(jù)本發(fā)明的天線的無線電設(shè)備的實例。
實施例詳細描述圖2a，b顯示了根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)平面天線的實例。在圖2a中，可以看到無線電設(shè)備的電路板200的一部分，該無線電設(shè)備的天線正在被討論。無線電設(shè)備電路板的上表面大部分是導電的，充當平面天線的地平面210并同時充當信號地GND。在電路板200的一端上，在由電介質(zhì)片251和252確定的高度上有矩形電介質(zhì)板205。在此板的上表面上有天線的輻射平面220。在饋送點F，天線的饋送導體212連接到輻射平面，在短點(short point)S連接著短導體215。短導體將輻射平面電連接到地平面以便匹配天線阻抗。該天線就是PIFA類型的。從饋送點看在短點的外側(cè)，在輻射平面中有從板較長一邊開始的第一槽225。第一槽這樣形成，使得輻射平面具有導電的分支B1，該分支B1從短點開始由以下幾個部分組成與板較短邊平行的第一部分、與板較長邊平行并以板第二個較長邊為邊界的第二部分、與板較短邊平行并以板較短邊為邊界的第三部分、與板較長邊平行并以板一個較長邊為邊界的第四部分、引導到板內(nèi)部區(qū)域的第五部分和與板較長邊平行的第六部分。這樣，分支B1的端點或第六部分位于第二、第三和第四部分形成的U型之內(nèi)。在輻射平面220中也有從和第一槽相同的較長邊開始并在饋送點和短點之間延伸的第二槽226。第二槽的另外一端(或閉合端)在輻射平面相對的較長邊附近。
在圖2a的實例中，天線具有兩個頻帶。分支B1和地平面一起構(gòu)成諧振器，其基本諧振頻率在天線的較低操作頻帶內(nèi)。第二槽226與周圍的導電平面與地平面一起構(gòu)成諧振器，其基本諧振頻率在天線的較高操作頻帶內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，在電介質(zhì)板205的下表面上有導電元件230，在圖2a中用虛線畫出。在此實例中，該導電元件是矩形帶導體，在位于板上表面的導電分支B1的第四部分位置，它從板一個較長邊開始，并且在分支B1的第六部分位置延伸。帶導體230區(qū)域有這樣大，它有效電磁耦合到天線的輻射平面，因為所述帶導體的位置，它主要耦合到導電分支B1。因此，帶導體230可以稱為寄生元件。術(shù)語“寄生”，在權(quán)利要求中也指結(jié)構(gòu)部分，它有效耦合到天線的輻射平面。
帶導體230通過開關(guān)導體231連接到開關(guān)SW的第一端子，開關(guān)SW位于無線電設(shè)備的電路板200上。開關(guān)SW的第二端子直接連接到地平面。開關(guān)的端子可以通過控制信號CO互相連接和互相隔離。因為第一端子連接到第二端子，帶導體230連接到地平面，并且從輻射分支B1的插入點到信號地有一定的阻抗，該阻抗取決于電磁耦合的強度。在這種情況下，電磁耦合主要電容性的，因此，分支B1的電長度更長，并且天線相應的諧振頻率比沒有所述連接時要低。
圖2b顯示了天線電路板(從下面看)。在電介質(zhì)板205的表面上有帶導體230。輻射平面的槽和分支B1用虛線畫出。開關(guān)SW用圖形符號給出。開關(guān)實際上是例如針孔二極管或場效應晶體管。
圖3顯示了在根據(jù)圖2a的結(jié)構(gòu)中寄生帶導體連接對天線操作頻帶的影響。在圖3中有天線反射系數(shù)S11的測量結(jié)果。當帶導體沒有連接到地時，曲線31顯示了反射系數(shù)作為頻率函數(shù)的變動，而當帶導體連接到地時，曲線32顯示了反射系數(shù)作為頻率函數(shù)的變動。當比較曲線時，將會看到，較低的操作頻帶向下漂移，同時，反射系數(shù)的最小值稍稍下降，或者說改善了一點。在這個例子中，頻率f1或者開始頻帶的中心頻率是950MHz，頻率移位Δf1大約為80MHz。該結(jié)構(gòu)可以很容易地安排，因此，操作頻帶覆蓋GSM 900系統(tǒng)的接收或發(fā)射范圍，取決于開關(guān)SW是導通還是不導通。對于處于2GHz范圍的較高操作頻帶，閉合開關(guān)所導致的變化非常小。
圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)平面天線的第二實例。其基本結(jié)構(gòu)類似于圖2a，唯一的區(qū)別在于寄生帶導體的位置和大小。因而在圖4中只顯示了天線電路板(從下面看)。與圖2b相比，帶導體430現(xiàn)在在電介質(zhì)板405相對的較長邊上，因此它覆蓋了輻射分支B1的第二部分的大部分。此外，帶導體在槽的閉合端覆蓋了輻射槽426的一部分。
圖5顯示了對應于圖4的天線中寄生帶導體的連接對天線操作頻帶的影響。當帶導體沒有連接到地時，曲線51顯示了反射系數(shù)S11作為頻率函數(shù)的變動，而當帶導體連接到地時，曲線52顯示了反射系數(shù)作為頻率函數(shù)的變動。當比較曲線時，將會看到，較低的操作頻帶向下漂移。頻率f1或者開始較低頻帶的中心頻率是950MHz，而其移位Δf1大約為140MHz。處于2GHz范圍的較高操作頻帶向上漂移，同時，這種情況下反射系數(shù)的最小值明顯地改善了。由帶導體430導致的頻帶向上漂移導致在四分之一波長諧振器的末端出現(xiàn)附加電容，在那里磁場占優(yōu)勢。討論的諧振器是基于槽426的。因此，槽輻射器的電長度變短了，而諧振頻率上升了。在圖4的實例中，較高操作頻帶的移位Δf2大約為110MHz。
圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)平面天線的第三實例。其基本結(jié)構(gòu)類似于圖2a。不同在于寄生帶導體630現(xiàn)在不是位于天線電路板605上，而是位于支撐天線電路板的電介質(zhì)塊651的垂直表面上。在圖6中，天線電路板被畫成透明的以便更好地圖示帶導體。寬矩形U型(broad rectangle U)的電介質(zhì)塊651環(huán)繞著平面天線的末端，饋送和短導體以及第二輻射槽在該電介質(zhì)塊651附近。帶導體630附著在電介質(zhì)塊651的內(nèi)表面上。在這個實例中，帶導體具有這樣一個部分，它的長度與電介質(zhì)塊651的內(nèi)壁長度一樣并且平行于天線電路板的較短邊。帶導體還由平行于天線電路板的兩個較長邊的兩個較短部分組成。根據(jù)本發(fā)明，帶導體630僅僅電磁耦合到輻射平面620。
通過圖6的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)，帶導體到地的連接對天線的較高操作頻帶起作用，而對較低操作頻帶不怎么起作用。由于第二輻射槽和導電分支B1的位置，這是很明顯的。較高操作頻帶可以向上漂移例如60MHz。對較低頻帶的較小影響是向下漂移。如果帶導體以相應的方式位于天線另一端的第二電介質(zhì)塊652的表面上，帶導體到地的連接自然就對較低操作頻帶有強烈的影響，然而對較高操作頻帶的影響是可以忽略的。
圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)平面天線的第四實例。PIFA的基本結(jié)構(gòu)背離先前實例的結(jié)構(gòu)。輻射平面720現(xiàn)在是非常剛性的導電板，或金屬片，它由電介質(zhì)框架750支撐到無線電設(shè)備的電路板700。這僅僅畫出了一部分。饋送導體712和短導體715位于輻射平面的一個較長邊上，在該平面的一個角附近。所述導體是彈簧觸點類型并且與輻射平面構(gòu)成了單一塊。當安裝了輻射平面時，彈力將觸點緊壓到電路板700的上表面，將短導體的觸點緊壓到地平面GND，而將饋送導體的觸點緊壓到與地平面隔離的接觸平面。在輻射平面720中有槽725，它從平面的邊緣在短點S附近開始，并且在平面的內(nèi)部區(qū)域結(jié)束。槽725的形狀是這樣的，從短點看，輻射平面被分成第一分支B1和第二分支B2。第一分支B1圍繞平面的邊緣并包圍較短的第二分支B2。因而，這個天線也有兩個頻帶。根據(jù)本發(fā)明，寄生帶導體730附著到或者裝備在電介質(zhì)框架750的內(nèi)部垂直表面上，即在天線的較長邊上，饋送導體和短導體所位于的地方。帶導體730在那種情況下在第一分支B1的最后一部分下面。因為這個原因，帶導體的連接實際上僅僅影響天線較低操作頻帶的位置。
在圖7的實例中，寄生元件連接到開關(guān)SW，開關(guān)SW的另一個端子通過具有阻抗Z的結(jié)構(gòu)部分連接到信號地而非平面導體。如果僅僅通過選擇寄生元件的位置還不能獲得操作頻帶期望的移位，就可以利用阻抗Z。該阻抗是純電導或純電容的，由于電阻部分引起的耗散，它不在考慮之內(nèi)。自然地，在圖7的結(jié)構(gòu)中，阻抗Z也可以為零。
圖8顯示了包括根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)平面天線80的無線電設(shè)備RD。
在本說明書和權(quán)利要求中，前綴“較低”、“較高”和詞語“在下面”、“垂直”和“在下”指圖中描述的天線位置，而與設(shè)備的操作位置無關(guān)。
上面已經(jīng)描述了根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)平面天線的實例。從中可以注意到，寄生元件可以安排在天線結(jié)構(gòu)的這樣一個部分中，它在任何情況下都是必需的。而且當元件是片狀的時，它既不會使結(jié)構(gòu)變大也不會使結(jié)構(gòu)復雜化。這些實例也顯示了，在雙頻帶天線中，如果需要，操作頻帶的移位可以限制在下頻帶或上頻帶。這個限制和整個操作頻帶的改變都由帶導體的位置和大小確定。操作頻帶的移位多少可以通過附加阻抗設(shè)置而不用管天線的類型。附加阻抗也可以基于變?nèi)荻O管進行電控制。寄生元件的形狀和位置可以變化很大。同等地，天線的基本結(jié)構(gòu)可以與實例中給出的相背離。例如，天線可以是陶瓷的，在這種情況下，寄生元件是陶瓷塊的導電敷層的一部分。在陶瓷塊上可以有通過拋光形成的層，該層將天線輻射元件和寄生元件隔離開來。在獨立權(quán)利要求1定義的范圍內(nèi)，發(fā)明思想可以以不同的方式應用。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)平面天線，它具有地平面(210；GND)、輻射平面(220；620；720)以及輻射平面的電介質(zhì)支撐部分(205；405；651；750)、天線的饋送導體(212；712)、在所述平面之間的短導體(215；715)和用于改變天線至少一個諧振頻率的開關(guān)(SW)，其特征在于，它還具有附著到所述電介質(zhì)支撐部分并電連接到所述開關(guān)(SW)第一端子的寄生導電元件(230；430；630；730)，該開關(guān)的第二端子耦合到地平面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的平面天線，其特征在于，所述寄生導電元件是帶導體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的平面天線，其中，輻射平面(220)是在天線電路板上表面上的導電層，其特征在于，所述電介質(zhì)支撐部分是天線電路板的電介質(zhì)層(205)，并且所述帶導體(230；430)在天線電路板的下表面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的平面天線，它至少具有在不同的操作頻帶諧振的第一(B1)和第二(226)輻射元件，其特征在于，所述帶導體(230)的整個區(qū)域和第一輻射元件(B1)垂直設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的平面天線，它至少具有在不同的操作頻帶諧振的第一(B1)和第二(426)輻射元件，其特征在于，所述帶導體的第一部分垂直于第一輻射元件(B1)設(shè)置，而所述帶導體的第二部分垂直于第二輻射元件(426)設(shè)置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的平面天線，其特征在于，第二輻射元件(426)是槽輻射體。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的平面天線，其特征在于，所述電介質(zhì)支撐部分是使輻射平面保持在距離地平面特定距離的支撐框架(651；750)，所述帶導體(630；730)位于所述支撐框架的垂直表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的平面天線，其特征在于，輻射元件是分離的金屬片(720)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的平面天線，其特征在于，輻射元件是天線電路板上表面上的導電層(620)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的平面天線，其特征在于，開關(guān)的第二端子到地平面的所述耦合是電的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的平面天線，其特征在于，開關(guān)的第二端子到地平面的所述耦合對于設(shè)置天線諧振頻率的移位是電抗性的。
12.一種具有可調(diào)平面天線(80)的無線電設(shè)備(RD)，它包括地平面、輻射平面以及輻射平面的電介質(zhì)支撐部分、天線的饋送導體、在所述平面之間的短導體和用于改變天線至少一個諧振頻率的開關(guān)，其特征在于，該平面天線還包括附著到所述電介質(zhì)支撐部分并電連接到所述開關(guān)的第一端子的寄生導電元件，該開關(guān)的第二端子耦合到地平面。
全文摘要
本發(fā)明涉及到特別適用于移動終端的可調(diào)平面天線，還涉及到裝備那種天線的無線電設(shè)備。該天線的基本結(jié)構(gòu)是PIFA。在電介質(zhì)部分(205)的表面上放置有帶導體(230)，以便它有效電磁耦合到輻射平面(220)。帶導體可以通過開關(guān)(SW)連接到地平面。當開關(guān)閉合時，從短點(S)測量的輻射平面的電長度被改變。在這種情況下，天線的諧振頻率也被改變。這變化取決于帶導體的位置和大小。在多頻帶天線的情況下，帶導體可以這樣放置，使得它到一個或多個輻射元件(B1，226)有顯著的電磁耦合。對平面天線的調(diào)整通過小附加組件執(zhí)行，這被認為不會改變天線的基本結(jié)構(gòu)并且不會擴大天線。
文檔編號H01Q9/04GK1492538SQ0315563
公開日2004年4月28日 申請日期2003年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月30日
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