多頻帶天線系統的製作方法

2023-10-07 06:06:54 2

專利名稱：多頻帶天線系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有分離工作頻帶的無線電裝置的內置天線(internal antenna)系統。該系統尤其適用於小尺寸移動臺。在小尺寸移動無線電裝置中，方便起見，天線最好設置在裝置 的殼體之內。與外部天線相比，這使得這種天線的設計成為一項要 求更高的任務。當無線電裝置需要在多個頻率範圍內運行時，這造io 成了設計上的諸多額外困難，範圍越寬，困難越大。大多數內部天線內置天線通常都具有平面結構，其中具有一個 發射平面輻射平面和一個平行的並與其相隔有一定距離的平行地 電位面(ground plane)。發射平面輻射平面配置有天線的短路和饋電 點。屬於該結構的短路導體從短路點延伸到地電位面，並且天線的15 饋電導體從饋電點延伸到裝置的天線埠。為了增加天線工作頻帶 的數目，從短路點看去，發射平面輻射平面可以分為兩個或多個不 同長度的分支。也可以通過寄生輔助元件來增加頻帶的數目。作為 備選為替換，寄生元件通過將諧振頻率配置成離開相應於輻射平面 分支的諧振頻率相對較近，從而可用於拓寬工作頻帶。20 在本說明書和權利要求書中，術語"輻射平面"、"輻射元件"以及"輻射體"表示這樣的天線元件，其作為發射射頻電磁波的部 件而工作，作為接收射頻電磁波的部件而工作，或作為既發射又接 收射頻電磁波的部件而工作。相對應地，"饋電導體"表示作為接 收導體而工作的導體。25 上文所描述的這種天線具有這樣的缺點無線電裝置必須根據無線電系統來工作，當無線電系統的數量增加時，上文所述天線的 特性不夠用。這種不夠用表現在，例如，在多個無線電系統中的一 個所使用的頻帶中或者這種頻帶中的至少一部分中，天線的匹配很差。這種缺陷可以通過提供一種具有轉換開關的天線結構來消除， 通過該轉換開關，相對的窄頻帶天線的工作頻帶可以從無線電系統 的發射頻帶移動到接收頻帶以及相反，或發射或接收頻帶的子頻 帶。但是，轉換開關會造成額外的損失並因此降低了天線的效率。 5 例如因為較差的匹配或轉換開關損失，因而天線的效率是不能令人 滿意的。當因為缺少空間需要而犧牲天線的尺寸時，所述缺點更為 突出。例如，可以通過縮短輻射平面和地電位面之間的距離，或者 通過在其間使用介電材料來減小尺寸。此外，這種天線具有這樣的 缺點，即不能在對應於不同頻帶的天線部件之間產生足夠的隔離。 10 也可以在天線結構內安置兩個輻射體，從而使得它們都具有自己的饋電導體。當無線電裝置具有用於某些無線電系統的分離的發射器和接收器時，這可以實現。

圖1示出了專利公開WO 02/078123 所披露的這種天線結構的例子。它包括地電位面101、輻射平面 110、輻射平面的寄生元件113和分離輻射體107。輻射平面具有15 饋電導體102和短路導體，並且因此與地電位面一起形成PIFA(平 坦轉化倒置F-天線)。由於從短路和饋電點看去輻射平面^皮分成第 一 111和第二 112分支，所以PIFA具有兩個頻帶。第一分支作為 輻射體而在GSM900(用於移動通信的全球系統)系統的頻率範圍 內工作，笫二分支工作於DCS(數字蜂窩標準)系統的範圍內工作。20 寄生元件113連接到地電位面，並且作為輻射體在PCS(個人通信 裝置)系統的範圍內工作。分離輻射體107具有自己的饋電導體103 和短路導體。它與地電位面一起構成IFA,其作為藍牙天線而工作。 分離輻射體設置在輻射平面以及其寄生元件附近，從而輻射平面的短路和饋電導體、寄生元件的短路導體和分離輻射體的短路和饋電 25導體，位於在與天線結構大小相比相對較小的區域內的行中。天線 組件的支持結構在圖中不可見。因此，上文所提到的具有自己的饋電的分離輻射體，可用於藍 牙系統。這種輻射體同樣可用於比如WCDMA(寬頻帶碼分多址)系統。
一般地,具有自己的饋電的分離輻射體能把上文所提到的缺陷降低到這種程度至少在為其配置有分離輻射體的無線電系統的頻 率範圍內實現較好的匹配。上文提到了使用絕緣材料來減小天線物理尺寸。圖2示出了這 5種現有天線的例子。其包括介電基板(dielectricsubstrate)211、輻射 體212以及饋電元件213。輻射體和饋電元件是在基板表面上的導 體帶。這三者聯合起來構成天線組件，安裝在無線電裝置的PCB 電路板上。本發明的目標是減小現有技術中的上述缺陷。根據本發明的配 10 置，其特徵由獨立權利要求1所闡明。其它權利要求對一些較佳實 施例進行了闡明。本發明的基本思想如下將多頻帶無線電裝置的天線系統實施 為內部和分散式，使該裝置具有多個分離的天線。每個天線都基於 介電基板表面上的輻射元件。該基板可以是，例如， 一片陶瓷或者 15 裝置殼體的一部分。天線位於裝置內合適的位置。各個天線的工作 頻帶覆蓋一個被無線電系統所使用的頻率範圍，相互接近並且由兩 個不同的無線電系統所使用的頻率範圍，或者僅僅一個無線電系統 所使用的頻率範圍的發射或接收頻帶。如果該裝置具有用於 一個使 用相互接近頻帶的無線電系統的共享的發射器和共享的接收器，那 20 麼無論如何都有一個用於每個系統的分離的天線，或者該天線可以 是共享的。本發明具有這樣的優點天線的尺寸可以製造的很小。這是由 於當有多個天線時，相對較小的頻帶寬帶對於單個天線是夠用的。 當帶寬較小時，與用於具有更寬頻帶的天線相比，可以選擇具有更 25 高的介電常數的材料以用於這種天線，即這種情況下天線的尺寸可 以製造地相對較小。此外，本發明還具有這樣的優勢每個無線電 系統的頻帶的整個寬度上都可以實現較好的匹配。這是由於與組合 多頻帶天線的匹配相比較，具有相對較窄頻帶的分離天線的匹配更易於配置。本發明還進一步具有這樣的優點該天線系統在不同的 頻帶都具有爭支好的效率。這部分地由於匹配的質量，部分地由於在 該結構中不需要用於選擇子頻帶的轉換開關。由於在分散式系統中 每個天線都被置於一個對其功能更為有利的位置，所以匹配和效率 5 都得到了改善。本發明還具有天線之間隔離較好的優點。這是由於 天線的靈敏式分散和具有相對較高介電常數的基板摺疊(collapse) 於天線近場(near field)。下面，將參照下述附圖對本發明〗故詳細地描述，其中圖1示出了現有的多頻帶天線的例子， 10 圖2示出了現有的使用介電基板的天線組件的例子，圖3示出了根據本發明的天線系統中天線布置的例子，圖4示出了根據本發明的屬於該天線系統的天線布置的另一 個例子，圖5a-d示出了根據本發明的天線系統的組成的例子， 15 圖6示出了根據圖3中天線系統中一對天線的匹配的例子，圖7示出了根據圖3中天線系統一對天線的效率的例子。圖1和圖2已經結合現有技術進行了描述。圖3示出了作為根據本發明的天線系統的布置圖的實施例。其 中有一個帶有PCB電路板的無線電裝置300，塑料框FRM和殼體 20CAS。圖中可見側的電路板表面的大部分由導電地電位面GND組成。在該實施例中，該天線系統包含有六個天線。其中的每一個都 包括一個具有陶資板和兩個輻射元件的細長天線組件。此處，天線組件四周的地電位面也#皮#見為天線的一部分。在本實施例中，每個天線組件的輻射元件都是同樣大小，從而它們可以在同一個相對較25窄的頻率範圍內共振。天線的饋電導體連接到一個元件，另一個元件則是寄生的。第一天線組件310、第二天線組件320、第三天線組件330、 第四天線組件340和第五天線組件350都安裝在PCB電路板的同一側，在圖中是可見的。第一天線組件310設置在電路板的第一端 的中間，並與這一端平行。第二天線組件320設置在由電路板的第 一長邊和第二端所定義的轉角內，並與這一端相平行。第三天線組 件330設置在由電路板的第二長邊和第二端所定義的轉角附近，並 5 與這一長邊相平行。第四天線組件340設置在電路板的第一長邊旁 邊並與之平行，並且距離第一端比第二端稍近一些。第五天線組件350設置在電路板的第二長邊之外並與之平行，與第四天線組件相 對立。第六天線組件360安裝在框FRM的側表面上，該表面與電 路板的平面相垂直。天線組件處於相關於其它RF部分比較有利的 10 位置從而相互之間不會有太多的幹擾。圖3也示出了天線地布置(ground arrangement)的實施例。電路 板表面的地電位面一皮從第一天線部件310之下和之旁移動到一定 距離。儘管如此，地電位面較窄的部分延伸到輻射體的一個或者多 個點上。與地電位面延長至與組件之下的區域一樣寬相比，這種布 15 置增加了天線的電氣尺寸。那種情況下，比如，工作於一定頻率範 圍內的天線組件的高度可以相應的減少。其它天線也可以具有相似 的地布置。理論上整個地電位面在所有天線之間是自然共享的。實 際上，由於天線組件的分散，系統具有大體上天線專用的地電位面。 基於這一實際情況，即沿著地電位面在屬於不同天線的兩個輻射體 20 之間的距離至少是這些輻射體的組合長度(combined length),這將 變得很明顯。根據圖3的天線可以設計成，例如如下 -基於組件310的天線是用於GSM850系統的天線； -基於組件320的天線是用於GSM900系統的天線； 25 -基於組件330的天線是用於GSM1800系統的天線；-基於組件340的天線是用於WCDMA系統的發射天線； -基於組件350的天線是用於WCDMA系統的接收天線； -基於組件360的天線是用於GSM1900系統的天線。圖4示出了屬於根據本發明的天線系統的天線布置的另一個 實施例。從圖中可以看到無線電裝置外殼的後部CAS和在其內表 面的輻射體412。在這個實施例中，輻射體形狀是密集彎曲圖樣， 通過在殼體表面上生成導電材料而實現的。因此，在輻射體之下的5 殼體的這部分作為屬於該天線的基板而工作。圖5a-5d示出了如示意圖所示的根據本發明的天線系統的組 成的一個實施例。在圖5a中有三個天線。其中一個是在GSM850 和GSM900系統之間共享的，第二個是在GSM1800和GSM1900 系統之間共享的，第三個是用於WCDMA系統的。在圖5b中，有10 六個天線，用於上文對圖3的闡述中所提到的實施例中的相同頻 帶。所以，按照圖5b所列出的順序，其中一個用於GSM850系統， 第二個用於GSM900，第三個用於GSM1800,第四個用於 GSM1900，第五個用於WCDMA系統的發射端，第六個用於 WCDMA系統的接收端。圖5c中，有十二個天線。其中一個用於15GSM850系統的發射端，第二個和第三個用於GSM850系統的接收 端。後兩個用於實現接收的空間分集。還有相應的一組三個天線， 用於GSM900、 GSM1800和GSM1900系統。圖5d示出根據圖5a 的組成的修改例。現在所有的四個GSM系統都具有自己的天線。 但是，GSM850和GSM900的天線，其工作頻帶彼此接近，這些天20 線連接到相同的饋電線上。在轉移方向(transfer direction)分離之後， 這些天線就都連接到這些系統共享的發射器和共享的接收器上。同 樣的方式，工作頻帶彼此接近的GSM1800和GSM1900的天線， 連接到共享的饋電線上。WCDMA的天線也可以連接到這根線上。 圖6表示根據圖3的天線系統匹配的實施例，當這些坤支設計成25 作為WCDMA系統的發射和接收天線工作時，該匹配用於與第四 340和第五350天線組件相對應的天線。天線組件的基板是陶瓷的， 其尺寸是10 . 3 . 2mm、長，寬，高)。該圖示出了作為頻率的函數 的反射係數Sll的曲線。從這個曲線可以看出，在發射和接收頻帶範圍內，反射係數是-10dB或更好。天線對的匹配非常好。圖7示出了同樣的天線對的效率曲線，圖6作為頻率函數應用 於其上。可以看到，發射頻帶上效率平均大約是0.76，接收頻帶上 效率平均大約是0.72。考慮到天線組件的小尺寸，因此天線對的效 5率是很出色的。根據在自由空間所測得的平均值，發射天線的最大 增益大約是1.3dB，接收頻帶的最大增益大約是2.3dB。上文描述了根據本發明的分散式天線系統。如實施例所描述 的，天線的數量和位置可以做極大地改變。本發明並不限於單個天 線組件的製造方法。該製造方法可以用其它方法來代替，比如用導 10 電材料對陶乾片進行塗層，或在比如矽的表面上生成金屬層並且使 用半導體組件製造中所使用的技術來移除該金屬層的一部分。本發 明的思想可以通過不同的方式來實施，^旦都在獨立權利要求1所限 定的範圍內。
權利要求
1. 一種無線電裝置(300)的內置天線系統，包括地電位面和至少兩個輻射元件以形成至少兩個分離的工作頻帶，所述工作頻帶覆蓋至少兩個不同的系統所使用的頻率範圍，其特徵在於，-各個輻射元件是介電基板表面上的導體，-天線的數量至少是兩根，-沿著所述地電位面(GND)的屬於不同天線的兩輻射體之間的距離至少是這些輻射體的組合長度。
2.如權利要求1所述的天線系統，其特徵在於，單個天線的所述基板和所述基板的表面上的所述至少一個輻射元件構成單一 晶片型天線組件(310; 320; 330; 340; 350)。
3.如權利要求2所述的天線系統，其特徵在於，所述天線組 件的至少 一個位於所述無線電裝置的電路板(PCB)上。 15
4.如權利要求2所述的天線系統，其特徵在於，所述天線組件的至少一個(360)位於所述無線電裝置的內置框(FRM)的表面上。
5.如權利要求1所述的天線系統，其特徵在於，屬於所述天 線系統的天線的工作頻帶覆蓋由至少一個無線電系統所使用的頻 率範圍。
6.如權利要求1所述的天線系統，其特徵在於，屬於所述天線系統的天線的工作頻帶覆蓋由無線電系統所使用的頻率範圍內 的發射頻帶(Tx),並且屬於所述天線系統的另一天線的工作頻帶覆 蓋相同頻率範圍內的接收頻帶(Rx)。
7. 如權利要求6所述的天線系統，其特徵在於，還包括這樣 25的天線，所述天線的工作頻帶同樣地覆蓋由所述無線電系統所使用的頻率範圍內的接收頻帶，以實現接收中的空間分集。
8. 如權利要求2所述的天線系統，其特徵在於，所述基板是 陶瓷的。
9.如權利要求1所述的天線系統，其特徵在於，單個天線的 基板是所述無線電裝置的外殼(CAS)的一部分。
全文摘要
本發明提供了一種內置於裝置中的天線系統，尤其是用於小尺寸移動臺，該系統具有分離的工作頻帶。該系統通過以如下方式，即該裝置(300)具有多個分離的天線(310-360)，進行分散而實現。每個天線都基於處於介電基板表面上的輻射元件。該基板可以是，例如一片陶瓷或者裝置外殼的一部分。天線設置在裝置內合適的位置。單個天線的工作頻帶覆蓋被一個無線電系統所使用的頻率範圍，這些頻率範圍相互接近，並且由兩個不同的無線電系統所使用，或者僅僅覆蓋無線電系統所使用的頻率範圍的發射頻帶或接收頻帶。如果該裝置具有用於一個使用相互接近頻帶的無線電系統的共享的發射器和共享的接收器，那麼一定有一個用於每個系統的分離的天線，或者該天線可以是共享的。天線的尺寸可以製造的很小。這是由於當有許多天線時，相對較小的頻帶寬度對於各個天線是足夠的。每個無線電系統的頻帶的整個寬度上都可以實現較好的匹配。這是由於與組合頻帶天線相比較，具有相對較窄頻帶的分離天線的匹配更易於配置。不需要用於選擇子頻帶的轉換開關，有利於提供較好的效率。
文檔編號H01QGK101278438SQ200680036557
公開日2008年10月1日 申請日期2006年9月20日 優先權日2005年10月3日
發明者A·萊斯克拉, J·佩倫卡, K·科斯基尼米, P·安納馬, P·尼斯南, Z·米羅薩夫爾傑維克 申請人:脈衝芬蘭有限公司