專利名稱：可調多頻帶天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種特別應用于移動終端的可調多頻帶平面天線。本發(fā)明進一步涉及裝備有該種天線的無線電設備。
在本說明書中，天線的可調節(jié)性意味著，天線的一個或多個諧振頻率可以被電氣改變。目的是，在諧振頻率附近的天線的工作頻帶總是覆蓋功能在一定時刻假定的頻率范圍。存在針對可調節(jié)性的不同原因。因為類似于移動終端的便攜式無線電設備的厚度越來越小，所以內部平面天線的輻射面和接地面之間的距離也不可避免得越來越短。所述距離縮短的缺點是天線的帶寬將變小。那么，當移動終端被設計為可以在具有彼此相對接近的頻率范圍的不同無線電系統(tǒng)中運行時，覆蓋多于一個無線電系統(tǒng)使用的頻率范圍將變得更加困難或者不可能。這樣的系統(tǒng)對例如為GSM1800(全球移動電信系統(tǒng))和GSM1900。因此，保證符合單個系統(tǒng)的發(fā)射和接收頻帶中的規(guī)范的功能會變得更難。當該系統(tǒng)使用次能帶劃分時，從無線電連接質量的角度考慮，如果天線的諧振頻率能在一定時刻使用的次能帶內調諧，則是有利的。
調節(jié)天線的已知的方式是使用開關。例如，從申請公開FI20021555中已知

圖1中所示的解決方案。該解決方案的原理是寄生導電元件通過開關接地。該天線是雙頻帶PIFA。輻射面120具有槽125，其從與短路點S緊接的面的邊緣開始并在該面的內部區(qū)域結束。槽125具有這樣的形狀，以致從短路點看來輻射面被分為兩條支路。第一支路121沿著面的邊緣環(huán)繞并圍繞第二較短支路122。第一支路連同接地面在天線的低工作頻帶上諧振，而第二支路連同接地面在高工作頻帶諧振。輻射面120是相當硬的導電板(或者是金屬片)，該輻射面由絕緣框架180支撐到輻射面下的無線電設備的電路板101上。電路板101的導電上表面起天線的接地面110的作用，同時起信號地線GND的作用。短路導體111和饋送導體112是彈性接觸型，并且短路導體111和饋送導體112與輻射面是同一整體。
圖1中，附著或者否則提供在絕緣框架150的垂直外表面上的寄生導電條130在饋送導體和短路導體所位于的天線的這一側上。在這種情況下，導電條130位于第一支路121的電學上最外層部分之下，因此導電條的連接對天線的低工作頻帶的位置的影響強于對高工作頻帶的位置的影響。圖1中僅僅通過圖形符號示出開關裝置。寄生元件130被連接到開關SW，該開關SW的第二電極通過組件150連接到信號地線。如果僅僅通過選擇寄生元件的位置并不能獲得工作頻帶的預期偏移，則可以利用該組件的阻抗。該阻抗是電抗性的，純電感性的或者純電容性的；電阻部分不可能，因為該電阻部分引起損耗。在特殊的情況下，組件150是純短路。
圖2示出了上述的結構中的寄生元件對天線工作頻帶影響。工作頻帶從天線的反射系數(shù)S11的曲線中呈現(xiàn)。曲線21示出當寄生導電條沒有接地時，作為頻率的函數(shù)的反射系數(shù)的變化；而曲線22示出了當導電條接地時，作為頻率的函數(shù)的反射系數(shù)的變化。當比較這兩條曲線時，可以看出沿頻率軸線低工作頻帶向下移位，而高工作頻帶向上移位。頻率f1(或者用于啟動的低頻帶的中心頻率)例如是900MHz，且頻率f1的偏移Δf1例如為-20MHz。頻率f2(或者用于啟動的頻帶的中心頻率)例如為1.73GHz，且頻率f2的偏移Δf2例如為+70MHz。
在圖1中所示的結構中，多頻帶天線的調節(jié)借助附加組件獲得，該組件沒有假定天線的基本結構中的變化。寄生元件位于絕緣部分的表面上，在任何情況下該天線結構中都需要該絕緣部分。然而該解決方案的缺點是，只存在相對有限的可能性以同時針對天線安排合適的阻抗匹配和合適的效率。此外，如果期望使用開關的影響僅僅被限制在一定的工作頻帶，那么實際上在其位置很難保持另一個工作頻帶。
取代離散組件，在開關之后可以有傳輸線，該傳輸線通過電路板來實現(xiàn)并且在另一端短路或者開路。當該種傳輸線的長度變化時，其阻抗以公知的方式改變。如果線的長度被選擇正好合適，天線就具有工作頻帶的期望偏移。使用多極開關和多條傳輸線，工作頻帶可具有相應數(shù)量的可選位置。這種結構中的傳輸線不切實際地長，以致該傳輸線顯著地占據(jù)著電路板的區(qū)域。
本發(fā)明的一個目的是減輕上述與現(xiàn)確技術相關的缺點。一種根據(jù)本發(fā)明的可調多頻帶天線的特征在于獨立權利要求1中所說明的。根據(jù)本發(fā)明的無線電設備的特征在于獨立權利要求10中所說明的。本發(fā)明的有利的實施例在從屬權利要求中呈現(xiàn)。
本發(fā)明的基本思想如下PIFA型天線的結構中，具有有效電磁耦合的導電元件位于輻射面。所討論的寄生元件被連接到由多個電抗性元件組成的匹配電路。寄生元件、匹配電路及其之間的引線組成了天線的調節(jié)電路。該匹配電路的電路參數(shù)能從至少兩個可選參數(shù)中選擇。電路參數(shù)的變化改變了寄生元件和接地之間的耦合，在這種情況下天線的工作頻帶偏移，因為相應于該頻帶的天線部分的電長度被改變，該長度從短路點開始測量。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是，關于必須為可移動的工作頻帶，針對天線安排合適的阻抗匹配和合適效率的可能性比已知的解決方案中更好。這是因為當設計電抗性匹配電路時有多種變型?？纱蠓秶厮褜てヅ潆娐返淖罴逊桨?。本發(fā)明的另一優(yōu)點是，如果需要，可以僅在天線的一個工作頻帶上引導調節(jié)的影響。本發(fā)明的進一步優(yōu)點是，調節(jié)電路沒有假設體積大的傳輸線，在該情況下，該傳輸線可以相對小的尺寸實現(xiàn)。
下面將詳細描述本發(fā)明。參考附圖，其中圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的可調天線的例子，圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的裝置對天線工作頻帶的影響的例子，圖3示出了本發(fā)明的原理，圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的包含在天線的匹配電路中的電抗性電路的例子，圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的包含在天線的匹配電路中的電抗性電路的另一個例子，圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的天線的工作頻帶的偏移的例子，圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的天線的工作頻帶的偏移的另一個例子，圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的天線的效率的例子，圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的具有其匹配電路的可調天線的例子，圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的天線中的匹配電路的實現(xiàn)的另一個例子，以及圖11示出了裝備有根據(jù)本發(fā)明的天線的無線電設備的例子。
圖1和圖2已經(jīng)結合現(xiàn)有技術的描述說明了。
圖3展現(xiàn)了表現(xiàn)本發(fā)明的原理的結構。根據(jù)天線的PIFA型基座，僅畫出輻射面的部分322。除基座外，天線結構包括具有輻射面的寄生元件330的調節(jié)電路、傳輸線340以及匹配電路350。為了節(jié)省空間，具有第一導線341和第二導線342的傳輸線實際上很短。第一導線的起始端被連接到寄生元件，而第二導線的起始端接地。匹配電路350連接在傳輸線的導線的末端之間。實際上，第二導線342可以被包括在接地面中，如所指的該接地面其不具有起始端和末端。匹配電路的阻抗X是純電抗性的。匹配電路可調節(jié)，以致其電路參數(shù)可以改變。當電路被調節(jié)時，天線部分的電長度被改變，該電長度對應于預期工作頻帶。所述電長度在天線的短路點被測量。當然，同時改變相應的諧振頻率。選擇可選電路參數(shù)，以致獲得所討論的工作頻帶的預期可選位置。
圖4示出了包含在根據(jù)本發(fā)明的天線的調節(jié)電路中的匹配電路的實例。匹配電路450包括第一電抗性電路451、第二電抗性電路452和雙向開關SW。傳輸線440的第一導線441被固定地連接到雙向開關的公共極。轉換極之一被固定地連接到第一電抗性電路的第一接線端，而另一轉換極被固定地連接到第二電抗性電路的第一接線端。兩個電抗性電路的第二接線端依次被固定地連接到傳輸線的第二導線。因此，取決于開關SW的狀態(tài)，每次只有一個電抗性電路被連接到傳輸線440。因此，在這個例子中，電路參數(shù)的改變通過控制開關來實現(xiàn)。第一電抗性電路451構成并聯(lián)電路，該電路的一條支路包括線圈L41，而另一條支路包括串聯(lián)的電容器C41和線圈L42。這種電抗性電路在低頻段是電感性的，在中間范圍頻段是電容性的，再往上又是電感性的。在中間范圍的下邊界，電抗性電路具有并聯(lián)諧振，在這種情況下其值很高，而在中間范圍的上邊界，電抗性電路具有串聯(lián)諧振，在這種情況下其值很低。第二電抗性電路452在結構上與第一電抗性電路類似該第二電抗性電路具有線圈L43，該線圈與串聯(lián)的電容器C42和線圈L44并聯(lián)。
圖4中的開關SW是雙向開關，或者是SPDT開關(單極雙通過)。匹配電路可以只包括一個電抗性電路，在這種情況下該電抗性電路被連接到傳輸線，或者無任何電路被連接到傳輸線。那么一個閉合開關、或者SPST開關(單極單通過)就足夠了。開關還可以是用于連接多個可選的電抗性電路的SPnT開關(單極n通過)。針對實現(xiàn)開關SW的方法是例如半導體組件或者MEMS型開關(微電子機械系統(tǒng))。
圖5示出了匹配電路的另一個實施例，該匹配電路被包含在根據(jù)本發(fā)明的天線的調節(jié)電路中。在傳輸線540的導線之間連接的電抗性匹配電路550組成一個并聯(lián)電路，該電路的支路之一是純電容性的。該支路具有串聯(lián)的第一電容二極管CD1和電容器C51。并聯(lián)電路的另一條支路具有串聯(lián)的線圈L51、第二電容二極管CD2和電容器C52。然后電容器C51和C52的第二接線端被相互連接，并被連接到傳輸線的第二導線。第二導線是信號地線的一部分。該匹配電路550的電抗在低頻段是電容性的，在中間范圍頻段是電感性的，再往上又是電容性的。在中間范圍的下邊界，匹配電路具有串聯(lián)諧振，在這種情況下它的阻抗值很低，而在中間范圍的上邊界，匹配電路具有并聯(lián)諧振，在這種情況下它的阻抗值很高。在這個例子中，通過改變電容二極管的反向電壓以及電容量來實現(xiàn)電路參數(shù)的改變。反向電壓(或者電容二極管的控制電壓VC)由適當?shù)闹绷麟妷涸刺峁？刂齐妷耗苓B續(xù)地被調節(jié)，在這種情況下匹配電路的電路參數(shù)的數(shù)量原理上是無限的。實際上，如果一定的工作頻帶必須在一些特定的位置之間偏移，則例如由多極開關和電阻分壓器產(chǎn)生控制電壓VC。這取決于多極開關的狀態(tài)，該多極開關的分壓率是當前有效的。
直流電壓源的相對低阻抗和可能的分壓電路不能改變匹配電路的阻抗，當從電壓源的正極開始時，控制電壓電路包括串聯(lián)的線圈L55。在匹配電路中出現(xiàn)的頻率處，該線圈的阻抗很高。相同的控制電壓VC影響兩個電容二極管。在操作頻率處這些二極管的陽極不能相互短路，并且存在在陽極之間的所述頻率處具有很高的阻抗的線圈L56。為了補償電容二極管的控制電壓，該電路還包括連接在電壓源的正極與信號地線之間的電容器C55。
根據(jù)圖4和5的匹配電路適合用在例如雙頻帶天線中，其高工作頻帶必須是可以偏移的。圖6示出了當使用根據(jù)圖4的電路時的結果的例子。關于第一電抗451，電容C41為2.4pF，電感L41為12.8nH，而且電感L42為6.1nH。關于第二電抗452，電容C42為1.9pF，電感LA3為10.3nH，而且電感L44為4.9nH。曲線61示出了當電抗451被連接到傳輸線時作為頻率的函數(shù)的反射系數(shù)的變化，而曲線62示出了當?shù)诙娍?52被連接到傳輸線時反射系數(shù)的變化。當比較這兩條曲線時，將看出位于1.8GHz的范圍內的高工作頻帶在后面的例子中向上偏移。偏移Δf2大約為140MHz。向上偏移意味著所討論的天線部分的電長度已經(jīng)變短。這是通過寄生元件從輻射面到接地提供的感抗已經(jīng)變高的結果。900MHz范圍內的低工作頻帶保持在幾兆赫茲精度的位置。這是因為兩個電抗的值在低工作頻帶的頻率處十分高。如果寄生元件以及對應于低頻帶的輻射面部分之間的耦合弱，則會更簡單。
圖7示出了當使用根據(jù)圖5的匹配電路時工作頻帶偏移的實例。電感L51為3.9nH，而電容C51和C52都為0.5pF。曲線71示出了當電容二極管CD1和CD2的控制電壓為2.37V時作為頻率函數(shù)的反射系數(shù)的變化，曲線72示出了當控制電壓為3.83V時的反射系數(shù)的變化，而曲線73示出了當控制電壓為4.75V時的反射系數(shù)的變化。這些控制電壓對應于大約為1.4pF、1.0pF和0.7pF的電容值。當比較這些曲線時，將看出位于頻率2GHz附近的高工作頻帶向上偏移。在曲線71的情況下，頻帶的中間頻率大約為1.75GHz、在曲線72的情況下大約為1.87GHz、在曲線73的情況下大約為1.95GHz。向上偏移意味著所討論的天線的部分的電長度變短?，F(xiàn)在，這是通過寄生元件從輻射面到接地的電容性電抗變低的結果。在900MHz范圍內的低工作頻帶保持在高精度的位置。
在圖7中的曲線數(shù)是3條。根據(jù)上面的描述，工作頻帶的位置的改變(stepping)可以是任意密集的。例如，工作頻帶可以被設置在不同無線電系統(tǒng)的傳輸和接收頻帶，該系統(tǒng)工作在1.7-2.0GHz的范圍內。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的天線的效率的實例。該實例涉及與圖6中匹配曲線相同的結構。曲線81示出了當電抗451被連接到傳輸線時作為頻率的函數(shù)的效率的變化，而曲線82示出了當?shù)诙娍?52被連接到傳輸線時的反射系數(shù)的變化。效率平均約為0.4，它們在前面的情況中比在后面的情況在某種程度上更好。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的可調天線的例子。天線的基座為如同圖1中的雙頻帶PIFA。從短路點S看出，輻射面920被劃分為第一支路921和第二較短支路922。第一支路連同接地面一起在天線的低工作頻帶上諧振，而第二支路連同接地面一起在高工作頻帶上諧振。輻射面是相當堅硬的導電板(或者是金屬片)，該輻射面由絕緣框架980支撐到輻射面下方的無線電設備的電路板901上。電路板901的導電上表面起天線的接地面910的作用，同時起信號地線GND的作用。條狀寄生元件930位于饋送導線912所位于的天線的那一側上的絕緣框架980的垂直外表面上。在該情況下，導電條930在第一支路921的起始部分，并且主要具有與第一支路的感性耦合。關于第二支路922，寄生元件位于該第二支路的電學上最外層的部分，因此與第二支路的耦合主要是電容性的。在這個例子中，匹配電路950被集成到單個組件上、也就是匹配組件。關于電容性元件和電感性元件，集成例如通過LTCC(低溫共燒陶瓷)或者FBAR(薄膜塊體波諧振器)技術實現(xiàn)。如果組件包括開關，就能例如通過半導體或者MEMS技術實現(xiàn)。匹配組件被安裝在電路板901上，除了在寄生元件930下的絕緣框架980。傳輸導體由一個從寄生元件達到電路板的導體和一個在達到匹配組件的電路板上的條形導體組成。匹配電路經(jīng)過一透孔由位于電路板901的下表面上的控制電路控制。匹配組件也可以被安排以達到垂直方向的寄生元件的下邊緣，使得匹配電路引腳能直接連接到寄生元件。
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的一種天線中匹配電路的實施的另一個例子。該圖表示了無線電設備下面的電路板A01。在板的反向側看不見接地面。匹配電路與圖5中的電路550一致，因此圖10中的參考標記與圖5中的是相同的。連接到寄生元件的導線象條形導體541一樣延伸到匹配電路。線圈L51是在電路板A01的表面上的螺旋狀條形導體。電容二極管CD1和CD2以及電容器C51和C52是離散元件。電容二極管的控制電壓電路不在圖10中示出。
圖11示出了一種無線電設備RD，該設備包括根據(jù)本發(fā)明的可調多頻帶天線A00。
詞頭“低”、“高”和“垂直”以及詞“下”和“在下面”在本說明書和權利要求中是指在圖1和圖9中描述的天線的位置，而與設備的操作位置不相關。術語“寄生”在權利要求中也是指結構部分，其具有與天線的輻射面的有效的電磁耦合。
上面已經(jīng)描述了根據(jù)本發(fā)明的可調多頻帶天線的例子。寄生元件的形狀和位置可以與圖中所示的不同。天線的調節(jié)電路中的匹配電路當然可以以許多方式形成。例如圖5中的匹配電路能被修改，以致具有恒定電容的元件與電容二極管并聯(lián)而不是串聯(lián)。本發(fā)明的思想可以以不同方式在獨立權利要求1所限定的范圍內應用。
權利要求
1.一種可調多頻帶天線，其包括接地面(910)、具有絕緣支撐部分(980)的輻射面(920)、以及調節(jié)電路，該調節(jié)電路具有該輻射面的寄生元件(930)和連接到該寄生元件的可控部分，通過該可控部分在寄生元件和接地面之間的耦合可以被改變，以偏移天線的工作頻帶，其特征在于所述可控部分是電抗性匹配電路(350；450；550；950)，該電抗性匹配電路的電路參數(shù)被安排從至少兩個可選參數(shù)中選擇，以實現(xiàn)耦合中的所述改變，并且每組可選的電路參數(shù)包括至少兩個電抗性元件的參數(shù)，以最優(yōu)化天線的阻抗匹配和效率。
2.根據(jù)權利要求1所述的天線，其特征在于，為選擇所述電路參數(shù)，匹配電路(450)包括開關(SW)和至少兩個具有不同的電路參數(shù)的電抗性電路(451，452)，取決于所述開關的狀態(tài)，每次將一個電抗性電路連接到所述寄生元件。
3.根據(jù)權利要求1所述的天線，其特征在于，為選擇所述電路參數(shù)，匹配電路(550)包括至少一個電容二極管(CD1，CD2)，其控制電壓(Vc)被安排從至少兩個可選的電壓中選擇。
4.根據(jù)權利要求2所述的天線，其特征在于，每個所述電抗性電路組成并聯(lián)電路，其一條支路包括線圈(L41；L43)，而其另一條支路包括串聯(lián)的電容器(C41；C42)和第二線圈(L42；L44)。
5.根據(jù)權利要求3所述的天線，其特征在于，所述匹配電路組成并聯(lián)電路，其一條支路包括串聯(lián)的第一電容二極管(CD1)和第一電容器(C51)，而其另一條支路包括串聯(lián)的線圈(L51)、第二電容二極管(CD2)和第二電容器(C52)。
6.根據(jù)權利要求1所述的天線，其具有至少一個低工作頻帶和一個高工作頻帶，其特征在于，所述待偏移的工作頻帶是高工作頻帶。
7.根據(jù)權利要求6所述的天線，其特征在于，所述匹配電路具有在低工作頻帶范圍內的并聯(lián)諧振，以限制所述電路參數(shù)中的改變對高工作頻帶的影響。
8.根據(jù)權利要求1所述的天線，其特征在于，所述寄生元件是附著到所述絕緣支撐部分的導電條。
9.根據(jù)權利要求1所述的天線，其特征在于，所述匹配電路從制造技術的角度看是LTCC電路。
10.一種具有可調多頻帶天線(A00)的無線電設備(RD)，該可調多頻帶天線包括接地面、具有絕緣支撐部分的輻射面、以及調節(jié)電路，該調節(jié)電路具有輻射面的寄生元件以及連接到寄生元件的可控部分，通過該可控部分，寄生元件和接地面之間的耦合可以被改變，從而偏移天線的工作頻帶，其特征在于，所述可控部分是電抗性匹配電路，該電抗性匹配電路的電路參數(shù)被安排從至少兩個可選參數(shù)中選擇，從而實現(xiàn)耦合中的所述改變，并且每一組可選電路參數(shù)包括至少三個電抗性元件的參數(shù)，以最優(yōu)化天線的阻抗匹配和效率。
全文摘要
一種特別是應用在移動終端中的可調多頻帶平面天線。導電元件位于PIFA型的天線的結構中，以致導電元件具有與輻射面有效的電磁耦合。所討論的寄生元件被連接到匹配電路(550)，該匹配電路由多個電抗性元件組成。寄生元件、匹配電路和在兩者之間的引線(540)組成該天線的調節(jié)電路。匹配電路的電路參數(shù)可以從至少兩個可選參數(shù)中選擇。因為對應于該頻帶的天線部分的電長度被改變，該電長度從短路點開始被測量，所以電路參數(shù)的變化改變了寄生元件和接地之間的耦合，在這種情況下，天線的工作頻帶偏移。關于可移位的工作頻帶，可以針對天線安排合適的阻抗匹配和合適的效率。
文檔編號H01Q1/24GK1630134SQ200410010459
公開日2005年6月22日 申請日期2004年12月15日 優(yōu)先權日2003年12月15日
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