專利名稱：天線結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天線，更具體地，涉及一種半平面倒F天線(PIFA =Planar Inverted F-Antenna)，該天線包括在例如GSM 850和GSM 900之間切換而不影響高頻帶頻率的切換 技術(shù)。
背景技術(shù)：
諸如蜂窩和其他無線電話、無線網(wǎng)絡(luò)(WiLAN)組件、GPS接收機、移動電臺、尋呼機 的無線通信設(shè)備使用多頻帶天線以在多個無線通信頻帶內(nèi)發(fā)射和接收無線信號。因此，天 線是無線設(shè)備的一個關(guān)鍵組件，這樣的天線應(yīng)當(dāng)滿足對高信號強度、弱信號的良好接收、帶 寬增加(或變窄，如果需要)和小型封裝方面的高性能的要求。平面倒F天線(PIFA)具有很多優(yōu)點。它們?nèi)菀字圃?，設(shè)計簡單，并且制造成本低。 現(xiàn)今，PIFA廣泛應(yīng)用在如蜂窩電話的小型通信設(shè)備中。這是由于平面倒F天線的緊湊結(jié)構(gòu) 使其容易集成到設(shè)備的為天線提供保護的外殼中。與例如常見的鞭狀天線相比，PIFA在輻 射照射方面還具有一個額外的優(yōu)勢。鞭狀天線具有全向輻射場，而PIFA具有朝向用戶的相 對受限的輻射場。PIFA通常為λ/4諧振結(jié)構(gòu)，并且通過利用導(dǎo)電壁、導(dǎo)電片或?qū)щ娭鶎⑤?射元件短接到接地平面而實現(xiàn)。因此，傳統(tǒng)的PIFA結(jié)構(gòu)由與接地平面平行設(shè)置且通過介電 材料(通常為空氣)與接地平面絕緣的導(dǎo)電輻射元件組成。輻射元件連接到通常朝向該元 件的一端設(shè)置的兩個引腳，使得其從側(cè)面看起來像是倒放的字母F。第一個引腳將輻射體電 連接至接地平面，并且第二個引腳提供天線饋電。PIFA的頻率帶寬、增益和諧振頻率取決于 導(dǎo)電輻射元件的高度、寬度和厚度以及連接到輻射元件和接地的第一引腳與連接到天線饋 電的第二引腳之間的距離。圖2例示了傳統(tǒng)的PIFA(200)設(shè)計。傳統(tǒng)的PIFA(200)包括形成該天線的輻射元 件(209)的導(dǎo)電片。輻射元件(209)與在基底(211)上形成的接地平面(210)大體平行地 設(shè)置。輻射元件(209)與接地平面(210)之間的平行取向提供了最佳性能，但其他取向也 是可能的。輻射元件(209)通過調(diào)諧或短路元件(212)電連接到接地平面(210)，調(diào)諧或 短路元件(212)通常被設(shè)置在輻射元件(209)和饋電元件(213)的一側(cè)。饋電元件(213) 在某種程度上與接地平面(210)電絕緣。當(dāng)電流通過饋電元件(213)饋入安裝在接地平面 (210)上方的輻射元件(209)時，輻射元件(209)和接地平面(210)受到激勵并成為輻射 裝置。通過調(diào)節(jié)輻射元件(209)的尺寸和形狀或通過移動饋電元件(213)相對于調(diào)諧元件 (212)的位置，可以修改PIFA(200)的工作頻率或諧振頻率。諧振頻率還可以通過改變調(diào)諧 元件(212)的高度和寬度來微調(diào)。因此，在傳統(tǒng)PIFA中，工作頻率或諧振由饋電元件(213)、 調(diào)諧元件(212)或輻射元件(209)各自的尺寸、形狀或布置來固定。要改變PIFA(200)的 帶寬，就必須增加PIFA(200)的高度，這會導(dǎo)致天線總體尺寸的不合需要的增加。當(dāng)前，世界的不同區(qū)域使用不同的頻率帶寬。全球移動通信系統(tǒng)(GSM)網(wǎng)絡(luò)在四 個不同的頻率范圍中工作。大多數(shù)的GSM網(wǎng)絡(luò)工作在900MHz或1800MHz頻帶中，但是在 美洲一些國家(包括加拿大和美國)，由于900MHz和1800MHz頻帶已經(jīng)被分配，因此使用850MHz 和 1900MHz 頻帶。然 而，由于PIFA受到移動通信終端內(nèi)部空間的限制，導(dǎo)致天線頻率特性受限，因 此一般的PIFA被設(shè)計成僅將所要求的頻率帶寬中的一個的頻率最大化。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種PIFA裝置和用于控制該PIFA裝置的方法，其 可以在不犧牲高信號強度、弱信號的良好接收和小型封裝方面的性能的情況下滿足移動通 信終端中的多頻率環(huán)境中的各種頻率特性。為了覆蓋例如GSM 850和900(_6dB Sll處的帶寬)的多個發(fā)射頻率，通過使用位 于天線離地高度區(qū)域(ground clearance area)上的具有尺寸aXb的微帶來改變從天線 的角度看起來的接地平面長度，低頻段的諧振可以在例如GSM 850和900的不同頻率之間 切換。該切換是在不影響高頻帶的情況下發(fā)生的。該目的通過一種天線來實現(xiàn)，該天線包括接地平面；饋電元件；以及耦接到所述 饋電元件的輻射元件，該輻射元件與所述接地平面大體平行且被所述饋電元件和短路元件 從所述接地平面垂直地移開。該天線還包括通過切換元件耦接到所述接地平面的導(dǎo)電部 分，該導(dǎo)電部分被構(gòu)造以改變所述接地平面的尺寸。優(yōu)選地，所述導(dǎo)電部分為微帶。根據(jù)一 個實施方式，所述導(dǎo)電部分被設(shè)置在離地高度區(qū)域處。所述導(dǎo)電部分被構(gòu)造以改變所述天 線的諧振頻率。在一個實施方式中，所述導(dǎo)電部分被構(gòu)造以在被耦接到所述接地平面時將 所述天線的諧振轉(zhuǎn)移到較低的頻率。本發(fā)明還涉及一種包括天線的無線通信設(shè)備，所述天線包括接地平面；饋電元 件；以及耦接到所述饋電元件的輻射元件，該輻射元件與所述接地平面大體平行并且被所 述饋電元件和短路元件從所述接地平面垂直地移開。所述天線還包括通過切換元件耦接到 所述接地平面的導(dǎo)電部分，該導(dǎo)電部分被構(gòu)造以改變所述接地平面的尺寸。本發(fā)明還涉及一種用于控制無線通信設(shè)備中的天線的方法，所述天線包括接地 平面；饋電元件；以及耦接到所述饋電元件的輻射元件，該輻射元件與所述接地平面大體 平行并且被所述饋電元件、短路元件以及通過切換元件耦接到所述接地平面的導(dǎo)電部分從 所述接地平面垂直地移開，所述導(dǎo)電部分被構(gòu)造以改變所述接地平面的尺寸。該方法包括 以下步驟通過所述切換元件將所述導(dǎo)電部分耦接到所述接地平面以改變所述接地平面的 諧振并由此改變所述天線的工作頻率。


附圖被包括在本說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分，附圖示出了本發(fā)明的實施方 式，且與說明書一起用于解釋本發(fā)明。在附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的無線通信設(shè)備的框圖。圖2示出了傳統(tǒng)的PIFA設(shè)計。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的PIFA。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的無線通信設(shè)備的框圖。圖5示出了用于從用戶或基站接收當(dāng)前位置信息并基于該位置信息改變頻帶的 操作流程圖。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的天線與頻率相關(guān)的反射系數(shù)。圖7示出了根 據(jù)本發(fā)明的PCB和寄生元件的剖面部分。
具體實施例方式在下面說明中描述的天線設(shè)計是“平面型”天線。“平面型”天線具有總體上沿著 一個平面展開的拉長的形狀，即，天線可以具有三個維度，但其中一個維度在數(shù)量級上小于 其他兩個維度。圖1示出了示例性的無線通信設(shè)備(10)的框圖。無線通信設(shè)備(10)包括外殼 (11)、控制器(101)、存儲器(102)、用戶接口(103)、收發(fā)機(104)、按鍵輸入單元(105)、顯 示單元(106)和多頻帶天線(100)。收發(fā)機(104)利用天線(100)將無線通信設(shè)備(10) 與無線網(wǎng)絡(luò)連接起來。應(yīng)當(dāng)理解的是，收發(fā)機(104)可以根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何 已知無線通信標(biāo)準(zhǔn)中的一個或更多個來發(fā)射或接收信號?？刂破?101)響應(yīng)于在存儲器 (102)中存儲的程序和用戶經(jīng)由接口(103)提供的指令來控制無線通信設(shè)備(10)的操作。根據(jù)本發(fā)明的PIFA設(shè)計允許在不犧牲天線尺寸或其它頻帶的操作的同時將天線 調(diào)諧到期望的工作諧振頻率或需要的諧振頻率。為了說明的目的，下面在低頻無線通信頻帶和高頻帶方面描述天線(100)，其中， 將會在例如低GSM頻帶內(nèi)的850MHz和900MHz之間進(jìn)行切換和在例如高GSM頻帶內(nèi)的 1800MHz和1900MHz之間進(jìn)行切換。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，可以將天線(100)設(shè)計成覆蓋附 加的或另選的無線通信頻帶。圖3公開了根據(jù)本發(fā)明的PIFA。PIFA(300)包括形成在基底(311)上的接地平面 (310)。在本實施方式中，接地平面(310)被示為直接嵌入在基底(311) (S卩，印刷電路板 (PCB))中，基底(311)還可以承載該裝置的其他電組件。這提供了可以相對靠近PCB安裝 天線從而節(jié)省無線設(shè)備的容積的優(yōu)點。PIFA還包括輻射元件(309)，輻射元件(309)實際 上分別由低頻輻射元件和高頻輻射元件構(gòu)成。輻射元件(309)可以包括任何已知的結(jié)構(gòu)或 圖案，并且其尺寸可變以使得帶寬、工作頻率、輻射圖等最優(yōu)化。輻射元件(309)通過調(diào)諧 或短路元件(312)電連接至接地平面(310)。饋電元件(313)將來自電臺或其他射頻發(fā)射 機、接收機或收發(fā)機(未示出)的信號源連接到輻射元件(309)。有利的是，饋電(313)在 某種程度上與接地平面(310)電絕緣以防止從饋電(313)接地。為了覆蓋例如GSM 850和GSM 900 (_6dB Sll處的帶寬)，通過利用被設(shè)置在天線 離地高度上并通過切換元件連接到接地平面的、具有特定尺寸(aXb)的微帶(316)來改變 接地平面的尺寸(優(yōu)選地，從天線角度來看的接地平面的長度)，低頻帶的諧振在這兩個帶 寬之間切換。根據(jù)本發(fā)明的微帶天線可以是窄帶、寬束天線，該微帶天線是通過將天線元件圖 案刻蝕為接合到絕緣介電基底的金屬跡線而制作成的，所述絕緣介電基底具有接合到該介 電基底以形成接地平面的連續(xù)金屬層。最常見的微帶天線輻射體形狀是正方形、矩形、圓形 和橢圓形，但是任何連續(xù)的形狀都是可能的。最常使用的微帶天線是矩形貼片。矩形貼片 天線大約是矩形微帶傳輸線的波長長部分的一半。當(dāng)天線基底為空氣時，矩形微帶天線的 長度大約為自由空間波長的一半。由于天線安裝有作為其基底的電介質(zhì)上，因此天線的長 度隨著基底的相對介電常數(shù)的增大而減小。
由于微帶(316)相對于饋電(313)和短路元件(312)的取向和位置，當(dāng)天線的切 換元件(307)將微帶(316)連接到接地平面(310)時，在饋電元件(313)、短路元件(312) 與微帶(316)之間產(chǎn)生電磁相互作用。該電磁相互作用造成微帶(316)將饋電元件(313) 電容性地耦合至短路元件(312)。結(jié)果，該耦合使輻射元件(309)和接地平面(310)之間的 饋點移動，因此改變了天線(300)總的電磁阻抗。微帶(316)被設(shè)計為改善天線(300)在 低頻帶的第一頻帶(例如，850MHz)內(nèi)的阻抗，但是不影響天線在高頻帶內(nèi)的阻抗。此后， 當(dāng)需要天線在第二頻帶(例如，900MHz)中工作時，通過將微帶(316)與接地平面(310)斷 開，天線切換元件(307)選擇性地去除微帶(316)與接地平面(310)之間的電磁耦合，并且 使能第二頻帶中的正常天線操作，并且此時不會影響高頻帶。如果微帶的尺寸(即， 長度和寬度)不夠，還可以使微帶延伸到PCB的另一側(cè)或適 當(dāng)?shù)姆较?。這在圖7中示出，316'和316"分別表示寄生元件(316)在PCB(311)的邊緣和 另一側(cè)面上的延伸。寄生元件316'“還可以穿過過孔(via hole)延伸。還可以設(shè)置額外 的開關(guān)以將若干個微帶連接起來并改變微帶的總的尺寸。天線切換元件(307)通過選擇性地控制微帶(316)和接地平面(310)之間的連接 來選擇性地控制電磁耦合。該連接可以利用在需要天線在低頻帶內(nèi)的兩個頻率之間切換時 建立阻抗連接的任何裝置來控制。天線切換元件(307)可以由控制器(301)控制。開關(guān) (307)的閉合產(chǎn)生了阻抗連接。切換元件可以是諸如MOS或CMOS晶體管等的機械或電氣元 件中的任一種。圖4是例示了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式例的移動通信終端(40)的結(jié)構(gòu)的框圖。參 考圖4，移動通信終端(40)包括存儲器(402)、按鍵輸入單元(405)、顯示單元(406)、收發(fā) 機(404)、PIFA(400)、天線切換元件(407)和控制器(401)。控制器(401)根據(jù)針對電話呼 口叭數(shù)據(jù)通信或無線因特網(wǎng)接入的協(xié)議來處理語音信號和數(shù)據(jù)，并且控制移動通信終端的 各個組件。此外，控制器(401)接收來自按鍵輸入單元(405)的按鍵輸入，并且響應(yīng)于按鍵 輸入而控制顯示單元(406)產(chǎn)生和提供圖像信息?？刂破?401)從用戶或基站接收當(dāng)前位 置信息。通過接收到的位置信息，控制器(401)從被包括在存儲器(402)中的區(qū)域頻率存 儲器(408)中識別出映射到當(dāng)前位置的頻帶?？刂破?401)確定是否需要頻帶變化。當(dāng)需 要頻帶變化時，控制器(401)控制天線切換元件(407)選擇性地將微帶(416)與接地平面 (410)連接或斷開。圖5是例示了用于從用戶或基站接收當(dāng)前位置信息并基于該位置信息改變頻帶 的示例性操作的流程圖。參考圖4的結(jié)構(gòu)，移動通信終端(40)的控制器(401)執(zhí)行步驟 (500)以確定用戶是否已經(jīng)輸入了位置信息。如果用戶已經(jīng)輸入了位置信息，則控制器執(zhí)行 步驟(503)。在步驟(503)中，控制器(401)從被包括在存儲器(402)中的區(qū)域頻率存儲 器(408)中載入關(guān)于與用戶輸入的位置信息相對應(yīng)的區(qū)域頻帶的信息，并且確定是否需要 頻帶變化。如果沒有位置信息，則控制器(401)執(zhí)行步驟(501)以確定是否已啟用漫游服務(wù)。 如果未啟用漫游服務(wù)，則控制器(401)確定不需要根據(jù)當(dāng)前位置的頻帶變化。但是，如果在步驟(501)中確定已啟用了漫游服務(wù)，則控制器(401)執(zhí)行步驟 (502)以從啟用漫游服務(wù)的小區(qū)的基站接收關(guān)于當(dāng)前區(qū)域的位置信息。接著，控制器(401) 執(zhí)行步驟(504)以控制天線切換元件(407)并根據(jù)確定的頻帶來選擇性地將微帶(416)與接地平面(410)連接或斷開。圖6中的曲線(1)和曲線⑵示出了當(dāng)微帶(416)未連接到接地平面(410)時天 線與頻率相關(guān)的反射系數(shù)。曲線(1)在900MHz諧振，而曲線⑵在1900MHz諧振。曲線 (3)和曲 線(4)示出了當(dāng)微帶(409)連接到接地平面(410)時天線與頻率相關(guān)的反射系數(shù)。 這里，曲線⑶示出了在850MHz的諧振，而曲線(4)示出了在1800MHz頻率的諧振。在本 例中使用的微帶(416)的尺寸是4X7mm。如反射曲線(1)和(3)所示，使用微帶(416)將 微帶(416)電容性地耦合到接地平面(410)，導(dǎo)致了低頻帶中從大約900MHz到大約850MHz 的40MHz的頻移(以箭頭指出)。高頻帶中的曲線實質(zhì)上未到受影響。應(yīng)當(dāng)注意的是，詞語“包括”并不排除除了所列舉的元件或步驟之外的其他元件或 步驟的存在，而置于元件之前的不定冠詞不排除存在多個這樣的元件。還應(yīng)當(dāng)注意的是，任 何附圖標(biāo)記都不限制權(quán)利要求的范圍，本發(fā)明可以至少部分地通過硬件和軟件來實現(xiàn)，并 且若干個“方法”、“單元”或“設(shè)備”可以由相同的硬件表示。以上提及和描述的實施方式僅作為示例給出，而并不應(yīng)當(dāng)限制本發(fā)明。以下專利 權(quán)利要求中所要求的本發(fā)明范圍內(nèi)的其他方案、用途、目的和作用對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來 說是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種天線(300、400)，該天線包括接地平面(310)；饋電元件(313)；以及耦接到所 述饋電元件(31 的輻射元件(309)，該輻射元件(309)與所述接地平面(310)大體平行并 且被所述饋電元件和短路元件從所述接地平面(310)垂直地移開，其特征在于，所述天線 還包括通過切換元件(307、407)耦接到所述接地平面(310)的導(dǎo)電部分(316、416)，所述導(dǎo) 電部分被構(gòu)造以改變所述接地平面的尺寸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其中，所述導(dǎo)電部分是微帶。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其中，所述導(dǎo)電部分被設(shè)置在離地高度區(qū)域處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其中，所述導(dǎo)電部分被構(gòu)造以改變所述天線的諧振頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其中，所述導(dǎo)電部分被構(gòu)造以在所述導(dǎo)電部分耦接到 所述接地平面時將所述天線的諧振轉(zhuǎn)移到較低頻率。
6.一種包括天線(300、400)的無線通信設(shè)備G00)，所述天線包括接地平面(310)； 饋電元件(313)；以及耦接到所述饋電元件(313)的輻射元件(309)，該輻射元件(309)與 接地平面(310)大體平行并且被所述饋電元件和短路元件從所述接地平面(310)垂直地移 開，其特征在于，所述天線(300、400)還包括通過切換元件(307、407)耦接到所述接地平 面的導(dǎo)電部分(316、416)，所述導(dǎo)電部分被構(gòu)造以改變所述接地平面的尺寸。
7.—種控制無線通信設(shè)備中的天線的方法，所述天線包括接地平面；饋電元件；以及 耦接到所述饋電元件的輻射元件，該輻射元件與所述接地平面大體平行并且被所述饋電元 件、短路元件以及通過切換元件耦接到所述接地平面的導(dǎo)電部分從所述接地平面垂直地移 開，所述導(dǎo)電部分被構(gòu)造以改變所述接地平面的尺寸，該方法包括以下步驟通過所述切換元件將所述導(dǎo)電部分耦接到所述接地平面以改變 所述接地平面的諧振并由此改變所述天線的工作頻率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型天線結(jié)構(gòu)，該天線結(jié)構(gòu)包括接地平面；饋電元件；以及耦合到該饋電元件的輻射元件，該輻射元件與接地平面大體平行并且被饋電元件和短路元件從接地平面垂直地移開。該天線還包括通過切換元件耦接到接地平面的導(dǎo)電部分，該導(dǎo)電部分被構(gòu)造以改變該接地平面的尺寸。
文檔編號H01Q5/00GK102132454SQ200980128210
公開日2011年7月20日 申請日期2009年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月18日
發(fā)明者亞歷山大·阿茲哈里 申請人:索尼愛立信移動通訊有限公司