CN1457531A - 天线装置 - Google Patents

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Abstract

一个天线装置包括支撑着的并基本平行于接地平面(104)的补片导体。该补片导体包括连接到无线电电路的第一(106)和第二(108)连接点，还包括在第一和第二点之间的槽(202)。通过改变连接到第一和第二点的阻抗，天线可按多个模式工作。例如，如果信号馈送到第一点(106)，则通过将第二点(108)连接到地而得到高频天线，和通过让该第二点(108)开路而得到低频天线。具有变更连接装置的大量实施例是可能的。

Description

天线装置
技术领域
本发明涉及包括基本平面的补片导体的天线装置，和涉及包括这样一种装置的无线电通信设备。
背景技术
无线终端，例如移动电话手机，一般包括或例如标准模式的螺旋或弯曲线天线这样的外部天线，或者例如平面倒F天线(PIFA)或类似天线这样的内部天线。
由于小天线窄频段的基本限制，因此这样的天线是小的(相对波长)。然而蜂窝无线电通信系统一般具有10％或更大的带宽。例如为从PIFA获得这样的一个带宽而要求一个相当的体积，因为在补片天线的带宽和其体积之间存在着一个直接的关系，但是这样的一个体积随目前朝着小手机方向发展的趋势而不易可得。此外，如果补片高度增加，则PIFA在谐振将变成电抗性的，而这必需改善带宽。
当要求双频段天线时将出现另外的问题。在这种情况下在同一结构中要求两个谐振点，其意味着在每个频率仅使用天线可利用面积的部分。由于一个天线的带宽与其尺寸相关，因此为了在两个频段中提供宽频带工作，甚至要求更大的体积。这样一种天线的例子公开在欧洲专利申请EP 0,997,974中，其中两个PIFA天线从一个公共点馈电并共享一个公共短路引线。低频元件围绕高频元件包封，因此意味着高频元件必须比天线总尺寸小(因此导至窄频带)。
我们的共同未决的未公开的联合王国专利申请0101667.4(申请人标记PHGB 010009)公开了一种普通PIFA的一种变型，其中一条槽引入在该PIFA中馈电引线和短路引线之间。提供的这样一种天线装置具有基本改善的阻抗特性，同时要求小于普通PIFA的体积。
发明的公开
本发明的目的在于提供改善的平面天线装置。
按照本发明的第一方面提供了一种天线装置，其包括一个基本平面补片导体，它具有用于连接到无线电电路的第一和第二连接点，和一条槽包含在该连接点之间，以及一个接地平面，其中天线装置以多个模式工作，这些模式取决于连接到第一和第二连接点的电路的阻抗。
通过改变连接到该连接点的阻抗，馈入天线的电流可沿不同的路由，由此提供了不同的工作模式。模式可具有不同的谐振频率和/或不同的阻抗。阻抗可包括短路和开路电路，其可由开关或无源电路提供。可提供另外的连接点，以及该无线电电路可包括一个分布式的双工器。通过进行充分使用所有模式的补片导体，所有这些装置具有与PIFA等效体积相比使天线体积减小的优点。
按本发明第二方面，提供了一个无线电通信设备，其包括按本发明制作的天线装置。
本发明乃是基于在现有技术中未曾有的认识，即通过使连接到一个PIFA的补片导体上的点的阻抗改变，在所有频段中进行充分使用该补片面积的双频段和多频段天线是可以实现的。
附图的简要说明
现在将参照附图，借助例子描述本发明的实施例，其中：
图1是安装在一个手机上的PIFA的透视图；
图2是安装在一个手机上的开槽平面天线的透视图；
图3是具有第一馈电引线和第二接地引线的图2天线的以dB为单位的模拟反射损耗S11对以MHz为单位的频率f的曲线；
图4是Smith圆图，表示具有第一馈电引线和第二接地引线的图2天线在频率范围800-3000MHz上的模拟阻抗。
图5是具有第二馈电引线和第二接地引线的图2天线的以dB为单位的模拟反射损耗S11对以MHz为单位的频率f的曲线；
图6是Smith圆图，表示具有第二馈电引线和第一接地引线的图2天线在频率范围800-3000MHz上的模拟阻抗；
图7是具有第一馈电引线和第二开路电路引线的图2天线的以dB为单位的模拟反射损耗S11对以MHz为单位的频率f的曲线；
图8是Smith圆图，表示具有第一馈电引线和第二开路电路引线的图2天线在频率范围800-3000MHz上的模拟阻抗；
图9是具有第二馈电引线和第一开路电路引线的图2天线的以dB为单位的模似反射损耗S11对以MHz为单位的频率f的曲线；
图10是Smith圆图，表示具有第二馈电引线和第二开路电路引线的图2天线在频率范围800-3000MHz上的模拟阻抗；以及
图11-15是本发明的其他实施例的平面图。
在附图中相同的标号用来表示相应的特征。
执行发明的模式
图1中表示安装在一个手机上的PIFA的透视图。该PIFA包括支撑着的并平行于形成手机部分的接地平面104的矩形补片导体102。天线经馈电引线106馈电，并由短路引线108连接到接地平面104。
在典型的示例性PIFA实施例中，补片导体102的尺寸为20×10mm，并定位在高于测定为40×100×1mm的接地平面104之上8mm的距离上。馈电引线106定位在补片导体102和接地平面104两者角落处，而短路引线108与馈电引线106隔开3mm。
人们知道PIFA的阻抗是感性的。对此的一种说法是由考虑在馈电和短路引线106，108上的电流为差分模式(相等的但相反的指向，不辐射)和公共模式(相等地指向，辐射)电流的和。对于差分模式电流，馈电和短路引线106，108形成一条短路传输线，它具有感性电抗，因为相对于波长其长度很短(在图1所示实施例中，在2GHz 8mm或0.05λ)。
图2是标准PIFA的一种改型的透视图，公开在我们的共同未决的未公开的联合王国专利申请GB0101667.4(申请人标记PHGB 010009)中，其中，一个槽202提供在补片导体102中馈电引线106和短路引线108之间。槽的存在增加了由馈电引线106和短路引线108形成的短路传输线的长度从而影响了天线装置的差分模式阻抗，而这将使天线阻抗的感性分量明显减小。这是因为槽202大大地增加了由馈电和短路引线106，108形成的短路传输线的长度，由此使该传输线的阻抗形成低感抗性的。该装置由此称为差分地开槽的PIFA(DS-PIFA)。
在以上参考的专利申请中还表示出槽的存在提供了阻抗变换。这是因为DS-PIFA可考虑为类似于非常短的，缓慢上部加载(heavilytop-loaded)的弯折单极天线。如果槽202中心地定位在补片导体102中，则阻抗变换近似四倍。在补片导体102上的一个非对称装置槽202可用来调整该阻抗变换，使得该天线的阻性阻抗调整到对50Ω电路良好的匹配。
在本发明的一个实施例中，短路引线108并不是直接连接到接地平面104。而是，加到天线的一个输入信号馈送到引线106，108之一个。而另一引线或是开路电路，或是直接连接到接地平面104。因此，现在这些引线将被称作为第一引线106和第二引线108。如上所述，补片导体102的尺寸为20×10mm并定位在高于接地平面104之上8mm。槽202是1mm宽，始于两引线106，108之中心，然后平行于补片导体102的边缘延伸，同时离其边缘0.5mm。
该实施例(未加匹配)的反射损耗S11是使用高频结构模拟器(HFSS)进行模拟的，对大量的馈电装置，从Ansoft公司可得到。在每一情况下，结果被表示成S11的幅度对800和3000MHz之间的频率f的曲线和说明在相同频率范围上该装置的模拟阻抗的一个Smith圆图。
在该实施例的第一装置中，第一引线106是馈电引线，而第二引线108是短路到接地平面104，模拟结果表示在图3和4中。在一第二装置中，第二引线108是馈电引线，而第一引线106是短路到接地平面104，模拟结果表示在图5和6中。对于该两个装置，天线以如在GB 0101667.4中揭示的相同方式性能像DS-PIFA一样，并谐振在高频。所呈现出的阻抗取决于槽202的哪一侧边是馈电的。当引线106是馈电时，公共模式变换比低而呈现低阻抗，而当第二引线108是馈电时，公共模式变换比高而呈现高阻抗。这些可以从分别比较图4和6的Smith圆图清楚地看到。
在其中能使用第一和第二装置的一种方式在我们的共同未决的未公开的联合王国专利申请GB 0025709.7(申请人标记PHGB 000145)中揭示，其中收发信机包括耦合到第一引线106的发射机和耦合到第二引线108的接收机(或反过来也一样)。这样的一个实施例可以使用在一个时分无线电系统中，而配置的电路将第一引线106连接到接地平面104，同时收发信机正在接收，和配置的电路将第二引线108连接到接地平面104，同时收发信机正在发射。通过适当地放置槽202，接收机可以通过一个低阻抗馈电，而发射机同时能馈电一个高阻抗，从而改善了该收发信机的工作。
其他的实施例可以基于包含如我们的共同未决的未公开的联合王国专利申请GB 0030741.3(申请人标记PHGB 000176)所揭示的附加特征，例如，对天线结构附加分立元件。
在本发明的第三装置中，第一引线106被馈电，而第二引线108是处开路电路状态，图7和8中表示模拟结果。在本发明的第四装置中，第二引线108被馈电，而第一引线处开路电路状态，图9和10中表示模拟结果。
在我们的共同未决的未公开的联合王国专利申请GB 0105541.0(申请人标记PHGB 010033)中表示平面倒L天线(PILA)与外部匹配电路一起按照减小的天线体积可提供等效于双频带或多频带PIFA的性能。这是因为在普通的PIFA中的短路引线执行匹配功能，但是这种匹配功能仅在一个频率有效，而在其他频率上是以该匹配为代价。
第三和第四装置工作像弯折的PILA，这是因为开路电路引线的影响小。在那里第一引线106是馈电的第三装置中，谐振频率增加，这是因为补片导体102的槽202的右上的窄的部分因其面积小而影响小。在第四实施例中，谐振频率降低，这是因为补片导体102的该窄的部分携带电流到较宽的部分，而因此整个弯折的长度是处于谐振状态的。
以上描述的模拟证实有可能使一个平面天线工作在DS-PIFA模式和弯折PILA模式两个模式。弯折的PIFA还可用来替代弯折的PILA，如像某些后来的实施例那样。现在将展示本发明的所有适合用作双频段GSM/DCS天线的若干实施例，以说明其实际应用。
图11是本发明的第二实施例的平面图。在两个频段中，一个RF信号源302经第一引线106馈送到补片导体102。第二引线108连接到开关304。在低频(GSM)模式，开关304打开，天线工作为弯折的PILA。在高频(DCS)模式，开关304闭合，第二引线108连接到接地平面104，而天线工作为DS-PIFA。在两模式中，使用了所有天线结构(与例如在EP 0,997,974中揭示的双频段PIFA相比)，并因此能产生增加的带宽。这对高频段是特别有利的，并且将对于UMTS天线更有利，该UMTS天线需要工作在更高的频率和更宽的频带上。
图12是本发明的第三实施例的平面图。在两个频段中，一个RF信号源经第一引线106馈送到补片导体102。第二引线108连接到第一开关304，而提供第三引线402连接到第二开关404。在低频(GSM)模式，第一开关304打开，第二开关404闭合，以使第三引线402连接到接地平面104，而天线工作为弯折PIFA。在高频(DCS)模式，开关304，404状态相反，使第二引线108连接到接地平面104，而天线工作为DS-PIFA。
图13是本发明的第四实施例的平面图。和第三实施例相同，只是增加了另外一条槽502，它靠近补片导体102的边缘。对该模式设置的开关与第三实施例相同。另一槽502的存在使低频模式工作为DS-PIFA，在其匹配中具有合乎逻辑的改善。高频模式并未由另一槽502而显著受影响，这是因为它的位置靠近补片导体102的周边所致。
在所有以上实施例中都使用了开关，但相同作用可由另外的装置来达到。例如，可使用例如调谐电路这样的无源等效电路。此外，某些或所有不是馈电的引线能电抗性地加载来替代短路或开路电路。
图14是本发明的第五实施例的平面图，它不要求开关元件而是用分配一个双工器在两个天线馈电点之间。在低频(GSM)模式，一个GSM信号源602通过低通滤波器604并经第一引线106馈送到补片导体102。在高频(DCS)模式，一个DCS信号源606通过高通滤波器608并经第二引线108馈送到补片导体。还提供了一条接地引线610，将补片导体102和接地平面104连接。工作时，在低频模式，高通滤波器608对GSM信号呈现高阻抗，而天线工作为弯折PIFA。在高频模式，低通滤波器604对DCS信号呈现高阻抗，而天线工作为DS-PIFA。该实施例具有附加优点在于天线在GSM和DCS端口之间提供了附加的隔离。
图15是本发明的第六实施例的平面图。它和第五实施例相同，只是附加了另一条槽502，靠近补片导体102的边缘。它修改了低频模式以工作为DS-PIFA，由此提供改进的阻抗特性。
根据阅读本发明的公开，对本专业技术人员而言，其他的修改将是显见的。这样的修改可涉及在设计，制造和使用天线装置和其元件部分中已知的其他特征，以及可用来替代或附加到已在此描述的特征。
在说明书和权利要求中，在一个元件前的字“a”或“an”并不排除存在多个这样的元件。此外，字“Comprising”并不排除存在这些例举之外的其他元件或步骤。

Claims (11)

1.一个天线装置包括一个基本平面补片导体，其具有第一和第二连接点用于连接到无线电电路和包括在该点之间的一条槽，以及一接地平面，其中该天线装置按多个模式工作，其取决于连接到该第一和第二连接点的电路的阻抗。
2.如权利要求1的装置，其特征在于接地平面间离补片导体，并同该补片导体一起广延。
3.如权利要求1或2的装置，其特征在于槽在补片导体中是不对称地放置的，由此提供了阻抗变换。
4.如权利要求1到3任一的装置，其特征在于配置无线电电路提供第一模式，其中无线电信号馈送到第一连接点和第二连接点接地，以及第二模式，其中该连接是相反的。
5.如权利要求1到3任一的装置，其特征在于配置无线电电路提供第一模式，其中无线电信号馈送到第一连接点和第二连接点是开路电路，以及第二模式，其中该连接是相反的。
6.如权利要求1到3任一的装置，其特征在于配置无线电电路将无线电信号馈送到第一连接点并提供第一模式，其中第二连接点接地，以及第二模式，其中第二连接点是开路电路。
7.如权利要求6的装置，其特征在于该无线电电路包括连接在第二连接点和地之间的开关装置，以在第一和第二模式之间改变。
8.如权利要求1到3任一的装置，其特征在于补片导体包括第三连接点，用于连接到该无线电电路。
9.如权利要求8的装置，其特征在于在该补片导体中在第一和第三连接点之间包括另一条槽。
10.如权利要求8或9的装置，其特征在于无线电电路包括分布的双工器，连接到第一和第三连接点。
11.一个无线电设备，包括如权利要求1到10任一权利要求要求的天线装置。
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