專利名稱：雙模塊集成天線和無線電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙模塊集成天線和無線電裝置。其可應(yīng)用于所有類型的天線而并不限于PIFA(平面倒F天線)、單極天線、偶極天線、電介質(zhì)天線等。其可應(yīng)用于各種應(yīng)用，特殊地但非排他地涉及移動(dòng)電話手持設(shè)備、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)和膝上型計(jì)算機(jī)。
背景技術(shù)：
眾所周知，設(shè)計(jì)小型現(xiàn)代通信設(shè)備的內(nèi)部天線是個(gè)困難的問題。
首先，存在許多不同類型的平臺(tái)，尤其是用于這樣的手持設(shè)備的平臺(tái)，其中翻蓋(clamshell)設(shè)計(jì)、直板電話(bar phone)、折合式電話(flip phone)、滑蓋(slider)和搖擺電話(swing phone)設(shè)計(jì)都是公用的。例如，分段電話(segmented phone)的兩個(gè)部分之間的連接可對(duì)天線性能具有較大的影響。
第二，現(xiàn)代通信設(shè)備越來越小，但與此同時(shí)，天線卻要求覆蓋更多波段。
第三，可提供其他的無線電裝置和其他的天線用于諸如GPS、Bluetooth(藍(lán)牙)、數(shù)字媒體廣播等，這可能引起耦合和聯(lián)合定位發(fā)射器(co-sited transmitter)的問題。
最后，在用于多樣性或MIMO(多輸入多輸出)應(yīng)用的單個(gè)單元中存在數(shù)量增加的多個(gè)無線電天線的呼叫。
雖然所有這些因素會(huì)導(dǎo)致天線復(fù)雜性的增加，但在商業(yè)應(yīng)用中要求天線更廉價(jià)以及在手持設(shè)備中占用更小體積。與通過削減材料實(shí)現(xiàn)最小化相比，較大規(guī)模的組件集成被看作是能夠獲得更有價(jià)值的縮小的方式。針對(duì)這些問題的一種方式是將天線和RF(射頻)前端一起看作是單個(gè)單元，從而創(chuàng)建無線電天線單元。這種無線電天線單元可使用不同的無線電架構(gòu)，例如平衡的RF和天線結(jié)構(gòu)、除了50歐姆之外的阻抗等。
本申請(qǐng)人不僅對(duì)天線感興趣，而且對(duì)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為無線電波以及將無線電波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的整個(gè)過程感興趣。最終的目標(biāo)是設(shè)計(jì)結(jié)合了天線和用于蜂窩式無線電裝置或WLAN應(yīng)用的所有無線電組件的單個(gè)模塊。為了從傳統(tǒng)的蜂窩式或WLAN無線電收發(fā)器驅(qū)動(dòng)天線，可能需要結(jié)合來自第三方生產(chǎn)者的分立的IC(集成電路)。這種分立組件的一個(gè)例子是芯片平衡-不平衡變換器，其在從諸如功率放大器(PA)的單端不平衡的源驅(qū)動(dòng)平衡的、類似偶極的天線時(shí)是需要的。
本申請(qǐng)人設(shè)想到，這些IC的某些功能將最終直接被創(chuàng)建到天線中。例如，雙工器和濾波器可被制造作為多層天線結(jié)構(gòu)的較低層的一部分，而不是作為整合到模塊中的單獨(dú)組件。一種可選的方法是采用PA和其他無線電組件，從而能夠產(chǎn)生必要的平衡的和經(jīng)濾波的輸出。包括專用天線和特別適合的無線電組件的該最終的無線電模塊將使得移動(dòng)電話手持設(shè)備生產(chǎn)者不再需要成為無線電專家，這是因?yàn)樯a(chǎn)者能夠有效地具有帶數(shù)字輸入/輸出的裝置，而任何其他的事情則由該模塊來處理。
大多現(xiàn)有的無線電話手持設(shè)備、PDA和膝上型計(jì)算機(jī)天線都是不平衡的設(shè)計(jì)，例如PIFA和單極天線。它們很小且可有效利用PCB(印刷電路板)或PWB(印刷線路板)作為天線的一部分，但是它們需要額外定制各個(gè)產(chǎn)品，這是因?yàn)楦鱾€(gè)PCB/PWB都具有不同的形狀和尺寸。天線定制的過程是昂貴的，其構(gòu)成了設(shè)備成本不可忽略的部分，并妨礙了對(duì)集成的無線電天線模塊的使用，由于定制成本的原因，它們將受到限制。
向集成天線的發(fā)展可通過引入不使用PCB或PWB的平衡天線、因而需要較少的定制來實(shí)現(xiàn)。不幸的是，平衡天線的尺寸通常是其不平衡對(duì)應(yīng)物的兩倍，并且由于平衡天線不使用較寬(wide)PCB或PWB作為輻射機(jī)構(gòu)的一部分，因而具有較小帶寬。另一不利因素在于，許多類型的平衡天線(偶極天線、螺旋對(duì)天線等)與接地面電學(xué)地接近時(shí)，會(huì)受到自感應(yīng)鏡像電流的負(fù)面影響?，F(xiàn)代手持設(shè)備、PDA和膝上型計(jì)算機(jī)具有完整接地面，天線被設(shè)置在接地面上方小于自由空間波長1/50的位置。為了解決這一問題，本申請(qǐng)人已經(jīng)開發(fā)出多種新類型的平衡天線，它們足夠小以能夠在手持設(shè)備等中使用，并能在完全組裝于PCB的接地面的頂部上方工作。這些發(fā)明是單獨(dú)的專利申請(qǐng)(英國專利第0501938.5號(hào)申請(qǐng))的主題。
雖然模塊概念應(yīng)用于平衡(類似于偶極)天線和不平衡(類似于單極)天線設(shè)計(jì)，但本發(fā)明尤其與平衡設(shè)計(jì)相關(guān)，因?yàn)樗鼈儍?nèi)在地獨(dú)立于接地面。此外，平衡的設(shè)計(jì)通?？山档投ㄖ瀑M(fèi)用，使得無線電天線模塊在商業(yè)上更可行。平衡設(shè)計(jì)也可被實(shí)現(xiàn)為許多不同類型手持設(shè)備、膝上型電腦等中的同一模塊。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種模塊化無線電天線器件，包括可分離的第一模塊和第二模塊，所述第一模塊包含所述器件的所有無線電的、和射頻的前端組件，所述第二模塊僅包含所述器件的天線組件，所述第一模塊和第二模塊設(shè)置有用于彼此物理和電互連的裝置。
在組裝時(shí)，所述裝置可安裝在PCB或PWB上，然后安裝到通信設(shè)備中。通常，第一模塊將直接安裝在PCB或PWB上，第二模塊安裝在第一模塊的、背離所述PCB或PWB的表面上。換言之，如果將所述PCB或PWB視作最低的基底，則第一模塊可直接安裝在所述PCB或PWB上，然后所述第二模塊安裝在第一模塊的頂部上。
在某些實(shí)施方案中，可遠(yuǎn)離第一和第二模塊設(shè)置額外的天線組件(例如低頻帶不平衡單極天線)，其與第一模塊電連接。
在某些實(shí)施方案中，第二模塊可大于第一模塊，至少在所述器件安裝在PCB或PWB上時(shí)，在由所述PCB或PWB限定的平面中第二模塊大于第一模塊。這可能是有益的，因?yàn)榘炀€的第二模塊可大于包含前端組件的第一模塊，從而在PCB或PWB上未占據(jù)太大軌跡或太多空間的情況下，其仍然具有良好的性能。
通過將無線電天線器件設(shè)計(jì)為兩個(gè)模塊化部分，創(chuàng)建、制造和測試該無線電天線器件的工作被極大簡化。在第一實(shí)施方案中，下部模塊結(jié)合了所有無線電的、和RF的前端組件(功率放大器、RF開關(guān)、濾波器、天線分離濾波器(diplexer)、天線共用器(duplexer)等)，而上部模塊則包含了所有的天線結(jié)構(gòu)。上部模塊在面積上可大于下部模塊，參見下面的附圖，但這樣的結(jié)構(gòu)使其可具有良好的性能而不會(huì)占據(jù)太多的PCB空間。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了這樣一種模塊化無線電天線器件，可包括可分離的第一模塊和第二模塊，所述第一模塊包含所述器件的所有無線電的、和射頻的前端組件以及第一天線組件，所述第二模塊至少包含所述器件的第二天線組件，所述第一模塊和第二模塊設(shè)置有用于彼此物理和電互連的裝置。
涉及第一方面的實(shí)施方案的上述特征也應(yīng)用于第二方面的實(shí)施方案。
此外，有利地，第一天線組件是低頻帶天線，第二天線組件是高頻帶天線。應(yīng)該理解，“低頻帶”和“高頻帶”在上下文中是相對(duì)的術(shù)語。換言之，第一天線組件有利地被配置為在比第二天線組件被配置工作的頻帶低的頻帶中工作。這對(duì)于蜂窩式無線電手持設(shè)備尤其有用，這是因?yàn)?，由于波長較長而使得安裝有所述器件的整個(gè)PCB或PWB在操作時(shí)需要作為主輻射器，因而第一低頻帶天線(例如800/900MHz)通常必定為不平衡的。
獨(dú)立的(即，沒有PCB或PWB接地面)第一天線組件通常在Chu-Harrington極限之內(nèi)[L.J.Chu，″Physical Limitations ofOmni-Directional Antennas，″Journal of Applied Physics，Vol.19，pp.1163-1175，1948(L.J.Chu，“全向天線的物理極限”，應(yīng)用物理期刊，第19卷第1163-1175頁，1948)]、[R.C.Hansen，″FundamentalLimitations in Antennas，″Proceedings of the IEEE，Vol.69，No.2，pp.170-182，1981(R.C.Hansen，“天線的基礎(chǔ)極限”，IEEE學(xué)報(bào)，第69卷，第2期，第170-182頁，1981)]。Chu-Harrington極限內(nèi)的天線是效率較低的輻射器和/或缺乏足夠的帶寬。在高頻帶(例如1800/1900MHz)中沒有上述限制，由于已經(jīng)給出的原因，高頻帶的平衡天線具有優(yōu)勢。這一需求因此對(duì)于天線而言是，在一個(gè)頻帶是平衡的，在另一個(gè)頻帶是不平衡的。
在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，第一模塊包括簡單的低頻帶不平衡PIFA以及前端組件，而第二模塊包含更復(fù)雜的高頻帶平衡(可能是雙頻帶或多頻帶)天線結(jié)構(gòu)。對(duì)于低頻帶不平衡天線而言，設(shè)置在靠近PCB或PWB上的接地面的第一模塊中是有利的，這是因?yàn)檫@種不平衡天線需要接近接地面，從而在工作期間進(jìn)行有效驅(qū)動(dòng)。
在另外的實(shí)施方案中，低頻帶天線可在任一模塊中，或者可單獨(dú)設(shè)置在移動(dòng)電話或其他通信設(shè)備上的其他位置。
在另一實(shí)施方案中，兩個(gè)天線可都為不平衡的，并位于所述器件的相同或單獨(dú)的模塊中，或者可都類似地為平衡的(特別但非排他地，后者對(duì)于Chu-Harrington極限通常不會(huì)帶來問題的WLAN應(yīng)用是有用的)。
在另一實(shí)施方案中，可在第一模塊的內(nèi)部或外部形成電磁屏蔽作為該模塊的整體部分，從而降低電磁屏蔽問題以及在無線電模塊附近需要單獨(dú)的導(dǎo)電屏蔽的問題。這可應(yīng)用于第一模塊中沒有設(shè)置天線組件的情況。
在物理結(jié)構(gòu)方面，第一模塊可由塑料構(gòu)造、諸如LTCC(低溫聯(lián)合燒結(jié)陶瓷)結(jié)構(gòu)的陶瓷構(gòu)造、PCB結(jié)構(gòu)、或固定至塑料載體的撓性電路構(gòu)成。
第二模塊也可通過這些方式的任一種制造，但對(duì)于第一和第二模塊而言，并不需要二者具有相同的結(jié)構(gòu)，它們具有不同的結(jié)構(gòu)和材料可能是有利的。
作為示例，第一模塊可為軟熔(reflow)至主(手持設(shè)備)PCB或PWB上的PCB或PWB子板，而第二模塊可為金屬化塑料結(jié)構(gòu)或固定至塑料載體的撓性電路。第二模塊可通過多種技術(shù)附接到第一模塊，包括搭扣配合、熱熔機(jī)(heat stakes)、干涉配合(interference fit)、焊接、玻璃粉、結(jié)合時(shí)金屬化、包括擴(kuò)散的其他粘合工藝、或熔解工藝等。所列出的這些附接工藝并非窮舉。
通常，第一和第二模塊特別優(yōu)選地具有彼此互補(bǔ)的物理和電的連接或附接裝置，例如適于彼此互連或附接的第一和第二外殼體。
可以預(yù)期，本發(fā)明的實(shí)施方案將1.降低諸如手持設(shè)備、PDA和膝上型計(jì)算機(jī)等的裝置的總體設(shè)計(jì)成本。
2.加速手持設(shè)備和膝上型計(jì)算機(jī)的開發(fā)時(shí)間，從而減少上市等待時(shí)間。
3.通過允許其他組件共享同一空間而有效降低天線占據(jù)的PCB面積。
4.由于較小底盤電流(chassis current)改進(jìn)了高頻帶效率，以及降低了使用者造成的天線負(fù)載。
5.降低功率放大器、前端模塊和天線之間的損耗，從而改進(jìn)效率。組件的較好匹配與鄰近的物理定位降低了損耗。
6.允許在下部模塊內(nèi)部形成完整的無線電EM屏蔽，從而降低電磁屏蔽問題以及在無線電模塊周圍需要單獨(dú)的導(dǎo)電屏蔽的問題。
7.通過使用特別適合的無線電前端組件而增加可在天線設(shè)計(jì)中使用的復(fù)雜性。這可用來改進(jìn)性能。
8.允許將天線和無線電性能作為對(duì)進(jìn)行優(yōu)化(例如，使用除了50歐姆之外的阻抗)。
雙模塊方法相對(duì)于集成天線模塊的優(yōu)點(diǎn)可進(jìn)行如下總結(jié)1.測試可在軟熔到主板上之后測試底部單元，可在組裝到底部單元之前測試天線。
2.開發(fā)與總是需要耦合器的輻射連接相比，使用導(dǎo)電連接來開發(fā)RF電路非常容易。
3.人員RF工程師可在天線工程師對(duì)上部單元進(jìn)行加工的同時(shí)對(duì)底部單元進(jìn)行加工。僅需要在二者之間達(dá)成接口規(guī)格的一致性。
4.時(shí)間量程(timescale)對(duì)兩個(gè)模塊的加工可并行地進(jìn)行，從而加速了開發(fā)。
5.技術(shù)選擇底部單元可由一種技術(shù)(例如LTCC)制成，而上部單元可由不同的技術(shù)(例如塑料)制成。由于需求的大不相同，而最大化了兩個(gè)組件的技術(shù)和成本優(yōu)勢。
6.應(yīng)用選擇不同的天線模塊可與相同的底部單元一起使用，反之亦然。例如，在使用單個(gè)底部單元的情況下，在一個(gè)手持設(shè)備中可使用高天線(例如，總高度為7mm)以獲得四重頻帶性能，但在可接受三重頻帶的情況下使用較低的天線(例如，5mm高)。
在本申請(qǐng)的整個(gè)說明書和權(quán)利要求書中，詞語“包括(comprise)”和“包含(contain)”及其變型，例如“包括(comprising)”和“包括(comprises)”意味著“包括但不限于”，而并非用于排除其他部分、附加物、組件、整體或步驟。
在本申請(qǐng)的整個(gè)說明書和權(quán)利要求書中，除非上下文有相反要求，則單數(shù)形式涵蓋了復(fù)數(shù)的含義。尤其是在使用不定冠詞時(shí)，除非上下文有相反要求，則本申請(qǐng)應(yīng)被理解為包括復(fù)數(shù)和單數(shù)。
除非矛盾，否則結(jié)合本發(fā)明的特定方面、實(shí)施方案或?qū)嵤├枋龅奶卣鳌⒄w、特性、混合物、化學(xué)部分或群應(yīng)被理解為可應(yīng)用于本文所描述的其他方面、實(shí)施方案或?qū)嵤├?br>

為了更好地理解本發(fā)明并說明它是如何被實(shí)施的，下面將參照附圖通過舉例的方式進(jìn)行說明，在附圖中圖1以示意的形式示出了本發(fā)明的第一實(shí)施方案；圖2是示出了本發(fā)明的第二實(shí)施方案的分解圖；以及圖3是示出了圖2的實(shí)施方案的S11回波損耗曲線圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示以示意的形式示出了本發(fā)明的第一實(shí)施方案。包括第一下部模塊2和第二上部模塊3的無線電天線器件1安裝在包括導(dǎo)電接地面(未示出的)的PCB 4上。第一模塊2結(jié)合了所有無線電和RF前端組件(功率放大器、RF開關(guān)、濾波器、天線分離濾波器(diplexer)、天線共用器(duplexer)等)(未示出)，而第二模塊3結(jié)合了天線組件(未示出)。兩個(gè)模塊2、3被制造為單獨(dú)的單元，并設(shè)置有互補(bǔ)的物理和電的連接裝置，以使得它們能夠以快速和簡單的方式安裝在一起。在所示的實(shí)施方案中，上部模塊3平行于PCB 4的面積比下部模塊2大。這使得模塊3能夠使用較大的天線組件(從而能夠獲得改進(jìn)的性能)，而不會(huì)在PCB 4上占據(jù)更多的面積或較大的軌跡(與較小的下部模塊2已經(jīng)占據(jù)的相比)。
圖2以分解的形式示出了本發(fā)明的第二實(shí)施方案。其中示出了一般性地以數(shù)字2標(biāo)記的第一下部模塊、和一般性地以數(shù)字3標(biāo)記的第二上部模塊。
第一模塊2包括承載有各種無線電和RF前端組件6的PCB子板5、適于繞PCB子板5周邊安裝的電介質(zhì)殼體7、以及適于在子板5上方裝配到殼體7中的低頻帶不平衡PIFA 8。殼體7包括支腳9，支腳9適于夾在PCB母板4(圖2中未示出)的孔(未示出)中。殼體7還包括內(nèi)部凸緣10，內(nèi)部凸緣10用于支撐PIFA 8以及幫助子板5穩(wěn)固地保持在PCB母板4上的適當(dāng)位置。
第二模塊3包括電介質(zhì)殼體11，電介質(zhì)殼體11設(shè)置有支腳12，支腳12適于通過PIFA 8中的孔14連接到電介質(zhì)殼體7的凸緣10中的互補(bǔ)固定孔13。最后，高頻帶平衡天線15被裝配到殼體11中。
提供電連接(未示出)用于將天線8和15連接到無線電組件6。
圖3示出了圖2的無線電天線器件的S11回波損耗曲線。很明顯，在低頻帶和高頻帶中均表現(xiàn)出良好的帶寬。
權(quán)利要求
1.一種模塊化無線電天線器件，包括可分離的第一模塊和第二模塊，所述第一模塊包含所述器件的所有無線電的、和射頻的前端組件，所述第二模塊僅包含所述器件的天線組件，所述第一模塊和第二模塊設(shè)置有用于彼此物理和電互連的裝置。
2.一種模塊化無線電天線器件，包括可分離的第一模塊和第二模塊，所述第一模塊包含所述器件的所有無線電的、和射頻的前端組件以及第一天線組件，所述第二模塊至少包含所述器件的第二天線組件，所述第一模塊和第二模塊設(shè)置有用于彼此物理和電互連的裝置。
3.如權(quán)利要求1或2所述的器件，其中，所述第二模塊至少包含平衡天線組件。
4.如權(quán)利要求2或權(quán)利要求2的任一從屬權(quán)利要求所述的器件，其中所述第一模塊包含不平衡天線組件。
5.如權(quán)利要求2或權(quán)利要求2的任一從屬權(quán)利要求所述的器件，其中所述第一天線組件是低頻帶天線組件，所述第二天線組件是高頻帶天線組件。
6.如前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的器件，其中所述第一模塊中的所述前端組件設(shè)置有電磁屏蔽。
7.如前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的器件，其中所述第二模塊比所述第一模塊延伸較大的面積。
8.如前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的器件，其中所述第一模塊和第二模塊各自設(shè)置有電介質(zhì)殼體。
9.如權(quán)利要求8所述的器件，其中所述電介質(zhì)殼體包括互補(bǔ)的相互附接裝置。
10.如權(quán)利要求8或9所述的器件，其中所述第一模塊的電介質(zhì)殼體包括用于附接到印刷電路板或印刷線路板的裝置。
11.如權(quán)利要求8至10中任意一項(xiàng)所述的器件，其中所述電介質(zhì)殼體由塑料或陶瓷材料制成。
12.如權(quán)利要求11所述的器件，其中所述電介質(zhì)殼體由塑料構(gòu)造、諸如LTCC(低溫聯(lián)合燒結(jié)陶瓷)結(jié)構(gòu)的陶瓷構(gòu)造、PCB結(jié)構(gòu)、或固定至塑料載體的撓性電路構(gòu)成。
13.如權(quán)利要求11或12所述的器件，其中所述第一模塊的殼體包括與所述第二模塊的殼體不同的材料。
14.如權(quán)利要求2所述的器件，其中，所述第一模塊包括承載有所述前端組件的印刷電路板(PCB)或印刷線路板(PWB)、形成所述PCB或PWB的周邊的圍繞物的第一電介質(zhì)殼體、以及安裝在所述電介質(zhì)殼體中并與所述PCB或PWB隔開的低頻帶不平衡天線，所述第二模塊包括第二電介質(zhì)殼體、以及安裝在所述第二電介質(zhì)殼體中的高頻帶平衡天線，所述第二電介質(zhì)殼體設(shè)置有用于附接到所述第一電介質(zhì)殼體的裝置。
15.一種模塊化無線電天線器件，其實(shí)質(zhì)上如上文中參照附圖所做的描述或者如附圖所示。
全文摘要
一種模塊化無線電天線器件，包括可分離的第一模塊和第二模塊，所述第一模塊包含所述器件的所有無線電的、和射頻的前端組件，所述第二模塊僅包含所述器件的天線組件，所述第一模塊和第二模塊設(shè)置有用于彼此物理和電互連的裝置。
文檔編號(hào)H01Q21/00GK101080851SQ200680001360
公開日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2006年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月20日
發(fā)明者塞普·薩里奧, 喬納森·埃德, 西蒙·菲利普·金斯利 申請(qǐng)人:安蒂諾瓦有限公司