專利名稱：多頻帶天線系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有分離工作頻帶的無(wú)線電裝置的內(nèi)置天線(internal antenna)系統(tǒng)。該系統(tǒng)尤其適用于小尺寸移動(dòng)臺(tái)。在小尺寸移動(dòng)無(wú)線電裝置中，方便起見(jiàn)，天線最好設(shè)置在裝置 的殼體之內(nèi)。與外部天線相比，這使得這種天線的設(shè)計(jì)成為一項(xiàng)要 求更高的任務(wù)。當(dāng)無(wú)線電裝置需要在多個(gè)頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，這造io 成了設(shè)計(jì)上的諸多額外困難，范圍越寬，困難越大。大多數(shù)內(nèi)部天線內(nèi)置天線通常都具有平面結(jié)構(gòu)，其中具有一個(gè) 發(fā)射平面輻射平面和一個(gè)平行的并與其相隔有一定距離的平行地 電位面(ground plane)。發(fā)射平面輻射平面配置有天線的短路和饋電 點(diǎn)。屬于該結(jié)構(gòu)的短路導(dǎo)體從短路點(diǎn)延伸到地電位面，并且天線的15 饋電導(dǎo)體從饋電點(diǎn)延伸到裝置的天線端口。為了增加天線工作頻帶 的數(shù)目，從短路點(diǎn)看去，發(fā)射平面輻射平面可以分為兩個(gè)或多個(gè)不 同長(zhǎng)度的分支。也可以通過(guò)寄生輔助元件來(lái)增加頻帶的數(shù)目。作為 備選為替換，寄生元件通過(guò)將諧振頻率配置成離開(kāi)相應(yīng)于輻射平面 分支的諧振頻率相對(duì)較近，從而可用于拓寬工作頻帶。20 在本說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中，術(shù)語(yǔ)"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(fā)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(fā)射又接 收射頻電磁波的部件而工作。相對(duì)應(yīng)地，"饋電導(dǎo)體"表示作為接 收導(dǎo)體而工作的導(dǎo)體。25 上文所描述的這種天線具有這樣的缺點(diǎn)無(wú)線電裝置必須根據(jù)無(wú)線電系統(tǒng)來(lái)工作，當(dāng)無(wú)線電系統(tǒng)的數(shù)量增加時(shí)，上文所述天線的 特性不夠用。這種不夠用表現(xiàn)在，例如，在多個(gè)無(wú)線電系統(tǒng)中的一 個(gè)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(guò)提供一種具有轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的天線結(jié)構(gòu)來(lái)消除， 通過(guò)該轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，相對(duì)的窄頻帶天線的工作頻帶可以從無(wú)線電系統(tǒng) 的發(fā)射頻帶移動(dòng)到接收頻帶以及相反，或發(fā)射或接收頻帶的子頻 帶。但是，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)會(huì)造成額外的損失并因此降低了天線的效率。 5 例如因?yàn)檩^差的匹配或轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)損失，因而天線的效率是不能令人 滿意的。當(dāng)因?yàn)槿鄙倏臻g需要而犧牲天線的尺寸時(shí)，所述缺點(diǎn)更為 突出。例如，可以通過(guò)縮短輻射平面和地電位面之間的距離，或者 通過(guò)在其間使用介電材料來(lái)減小尺寸。此外，這種天線具有這樣的 缺點(diǎn)，即不能在對(duì)應(yīng)于不同頻帶的天線部件之間產(chǎn)生足夠的隔離。 10 也可以在天線結(jié)構(gòu)內(nèi)安置兩個(gè)輻射體，從而使得它們都具有自己的饋電導(dǎo)體。當(dāng)無(wú)線電裝置具有用于某些無(wú)線電系統(tǒng)的分離的發(fā)射器和接收器時(shí)，這可以實(shí)現(xiàn)。

圖1示出了專利公開(kāi)WO 02/078123 所披露的這種天線結(jié)構(gòu)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(dǎo)體102和短路導(dǎo)體，并且因此與地電位面一起形成PIFA(平 坦轉(zhuǎn)化倒置F-天線)。由于從短路和饋電點(diǎn)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(gè)頻帶。第一分支作為 輻射體而在GSM900(用于移動(dòng)通信的全球系統(tǒng))系統(tǒng)的頻率范圍 內(nèi)工作，笫二分支工作于DCS(數(shù)字蜂窩標(biāo)準(zhǔn))系統(tǒng)的范圍內(nèi)工作。20 寄生元件113連接到地電位面，并且作為輻射體在PCS(個(gè)人通信 裝置)系統(tǒng)的范圍內(nèi)工作。分離輻射體107具有自己的饋電導(dǎo)體103 和短路導(dǎo)體。它與地電位面一起構(gòu)成IFA,其作為藍(lán)牙天線而工作。 分離輻射體設(shè)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(dǎo)體、寄生元件的短路導(dǎo)體和分離輻射體的短路和饋電 25導(dǎo)體，位于在與天線結(jié)構(gòu)大小相比相對(duì)較小的區(qū)域內(nèi)的行中。天線 組件的支持結(jié)構(gòu)在圖中不可見(jiàn)。因此，上文所提到的具有自己的饋電的分離輻射體，可用于藍(lán) 牙系統(tǒng)。這種輻射體同樣可用于比如WCDMA(寬頻帶碼分多址)系統(tǒng)。
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(wú)線電系統(tǒng)的頻 率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好的匹配。上文提到了使用絕緣材料來(lái)減小天線物理尺寸。圖2示出了這 5種現(xiàn)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(dǎo) 體帶。這三者聯(lián)合起來(lái)構(gòu)成天線組件，安裝在無(wú)線電裝置的PCB 電路板上。本發(fā)明的目標(biāo)是減小現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷。根據(jù)本發(fā)明的配 10 置，其特征由獨(dú)立權(quán)利要求1所闡明。其它權(quán)利要求對(duì)一些較佳實(shí) 施例進(jìn)行了闡明。本發(fā)明的基本思想如下將多頻帶無(wú)線電裝置的天線系統(tǒng)實(shí)施 為內(nèi)部和分散式，使該裝置具有多個(gè)分離的天線。每個(gè)天線都基于 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。天線位于裝置內(nèi)合適的位置。各個(gè)天線的工作 頻帶覆蓋一個(gè)被無(wú)線電系統(tǒng)所使用的頻率范圍，相互接近并且由兩 個(gè)不同的無(wú)線電系統(tǒng)所使用的頻率范圍，或者僅僅一個(gè)無(wú)線電系統(tǒng) 所使用的頻率范圍的發(fā)射或接收頻帶。如果該裝置具有用于 一個(gè)使 用相互接近頻帶的無(wú)線電系統(tǒng)的共享的發(fā)射器和共享的接收器，那 20 么無(wú)論如何都有一個(gè)用于每個(gè)系統(tǒng)的分離的天線，或者該天線可以 是共享的。本發(fā)明具有這樣的優(yōu)點(diǎn)天線的尺寸可以制造的很小。這是由 于當(dāng)有多個(gè)天線時(shí)，相對(duì)較小的頻帶寬帶對(duì)于單個(gè)天線是夠用的。 當(dāng)帶寬較小時(shí)，與用于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(shù)的材料以用于這種天線，即這種情況下天線的尺寸可 以制造地相對(duì)較小。此外，本發(fā)明還具有這樣的優(yōu)勢(shì)每個(gè)無(wú)線電 系統(tǒng)的頻帶的整個(gè)寬度上都可以實(shí)現(xiàn)較好的匹配。這是由于與組合 多頻帶天線的匹配相比較，具有相對(duì)較窄頻帶的分離天線的匹配更易于配置。本發(fā)明還進(jìn)一步具有這樣的優(yōu)點(diǎn)該天線系統(tǒng)在不同的 頻帶都具有爭(zhēng)支好的效率。這部分地由于匹配的質(zhì)量，部分地由于在 該結(jié)構(gòu)中不需要用于選擇子頻帶的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。由于在分散式系統(tǒng)中 每個(gè)天線都被置于一個(gè)對(duì)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(fā)明還具有天線之間隔離較好的優(yōu)點(diǎn)。這是由于 天線的靈敏式分散和具有相對(duì)較高介電常數(shù)的基板折疊(collapse) 于天線近場(chǎng)(near field)。下面，將參照下述附圖對(duì)本發(fā)明〗故詳細(xì)地描述，其中圖1示出了現(xiàn)有的多頻帶天線的例子， 10 圖2示出了現(xiàn)有的使用介電基板的天線組件的例子，圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的天線系統(tǒng)中天線布置的例子，圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的屬于該天線系統(tǒng)的天線布置的另一 個(gè)例子，圖5a-d示出了根據(jù)本發(fā)明的天線系統(tǒng)的組成的例子， 15 圖6示出了根據(jù)圖3中天線系統(tǒng)中一對(duì)天線的匹配的例子，圖7示出了根據(jù)圖3中天線系統(tǒng)一對(duì)天線的效率的例子。圖1和圖2已經(jīng)結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了描述。圖3示出了作為根據(jù)本發(fā)明的天線系統(tǒng)的布置圖的實(shí)施例。其 中有一個(gè)帶有PCB電路板的無(wú)線電裝置300，塑料框FRM和殼體 20CAS。圖中可見(jiàn)側(cè)的電路板表面的大部分由導(dǎo)電地電位面GND組成。在該實(shí)施例中，該天線系統(tǒng)包含有六個(gè)天線。其中的每一個(gè)都 包括一個(gè)具有陶資板和兩個(gè)輻射元件的細(xì)長(zhǎng)天線組件。此處，天線組件四周的地電位面也#皮#見(jiàn)為天線的一部分。在本實(shí)施例中，每個(gè)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(gè)相對(duì)較25窄的頻率范圍內(nèi)共振。天線的饋電導(dǎo)體連接到一個(gè)元件，另一個(gè)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(cè)，在圖中是可見(jiàn)的。第一天線組件310設(shè)置在電路板的第一端 的中間，并與這一端平行。第二天線組件320設(shè)置在由電路板的第 一長(zhǎng)邊和第二端所定義的轉(zhuǎn)角內(nèi)，并與這一端相平行。第三天線組 件330設(shè)置在由電路板的第二長(zhǎng)邊和第二端所定義的轉(zhuǎn)角附近，并 5 與這一長(zhǎng)邊相平行。第四天線組件340設(shè)置在電路板的第一長(zhǎng)邊旁 邊并與之平行，并且距離第一端比第二端稍近一些。第五天線組件350設(shè)置在電路板的第二長(zhǎng)邊之外并與之平行，與第四天線組件相 對(duì)立。第六天線組件360安裝在框FRM的側(cè)表面上，該表面與電 路板的平面相垂直。天線組件處于相關(guān)于其它RF部分比較有利的 10 位置從而相互之間不會(huì)有太多的干擾。圖3也示出了天線地布置(ground arrangement)的實(shí)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(dòng)到一定 距離。盡管如此，地電位面較窄的部分延伸到輻射體的一個(gè)或者多 個(gè)點(diǎn)上。與地電位面延長(zhǎng)至與組件之下的區(qū)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，工作于一定頻率范 圍內(nèi)的天線組件的高度可以相應(yīng)的減少。其它天線也可以具有相似 的地布置。理論上整個(gè)地電位面在所有天線之間是自然共享的。實(shí) 際上，由于天線組件的分散，系統(tǒng)具有大體上天線專用的地電位面。 基于這一實(shí)際情況，即沿著地電位面在屬于不同天線的兩個(gè)輻射體 20 之間的距離至少是這些輻射體的組合長(zhǎng)度(combined length),這將 變得很明顯。根據(jù)圖3的天線可以設(shè)計(jì)成，例如如下 -基于組件310的天線是用于GSM850系統(tǒng)的天線； -基于組件320的天線是用于GSM900系統(tǒng)的天線； 25 -基于組件330的天線是用于GSM1800系統(tǒng)的天線；-基于組件340的天線是用于WCDMA系統(tǒng)的發(fā)射天線； -基于組件350的天線是用于WCDMA系統(tǒng)的接收天線； -基于組件360的天線是用于GSM1900系統(tǒng)的天線。圖4示出了屬于根據(jù)本發(fā)明的天線系統(tǒng)的天線布置的另一個(gè) 實(shí)施例。從圖中可以看到無(wú)線電裝置外殼的后部CAS和在其內(nèi)表 面的輻射體412。在這個(gè)實(shí)施例中，輻射體形狀是密集彎曲圖樣， 通過(guò)在殼體表面上生成導(dǎo)電材料而實(shí)現(xiàn)的。因此，在輻射體之下的5 殼體的這部分作為屬于該天線的基板而工作。圖5a-5d示出了如示意圖所示的根據(jù)本發(fā)明的天線系統(tǒng)的組 成的一個(gè)實(shí)施例。在圖5a中有三個(gè)天線。其中一個(gè)是在GSM850 和GSM900系統(tǒng)之間共享的，第二個(gè)是在GSM1800和GSM1900 系統(tǒng)之間共享的，第三個(gè)是用于WCDMA系統(tǒng)的。在圖5b中，有10 六個(gè)天線，用于上文對(duì)圖3的闡述中所提到的實(shí)施例中的相同頻 帶。所以，按照?qǐng)D5b所列出的順序，其中一個(gè)用于GSM850系統(tǒng)， 第二個(gè)用于GSM900，第三個(gè)用于GSM1800,第四個(gè)用于 GSM1900，第五個(gè)用于WCDMA系統(tǒng)的發(fā)射端，第六個(gè)用于 WCDMA系統(tǒng)的接收端。圖5c中，有十二個(gè)天線。其中一個(gè)用于15GSM850系統(tǒng)的發(fā)射端，第二個(gè)和第三個(gè)用于GSM850系統(tǒng)的接收 端。后兩個(gè)用于實(shí)現(xiàn)接收的空間分集。還有相應(yīng)的一組三個(gè)天線， 用于GSM900、 GSM1800和GSM1900系統(tǒng)。圖5d示出根據(jù)圖5a 的組成的修改例?，F(xiàn)在所有的四個(gè)GSM系統(tǒng)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(zhuǎn)移方向(transfer direction)分離之后， 這些天線就都連接到這些系統(tǒng)共享的發(fā)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(jù)圖3的天線系統(tǒng)匹配的實(shí)施例，當(dāng)這些坤支設(shè)計(jì)成25 作為WCDMA系統(tǒng)的發(fā)射和接收天線工作時(shí)，該匹配用于與第四 340和第五350天線組件相對(duì)應(yīng)的天線。天線組件的基板是陶瓷的， 其尺寸是10 . 3 . 2mm、長(zhǎng)，寬，高)。該圖示出了作為頻率的函數(shù) 的反射系數(shù)Sll的曲線。從這個(gè)曲線可以看出，在發(fā)射和接收頻帶范圍內(nèi)，反射系數(shù)是-10dB或更好。天線對(duì)的匹配非常好。圖7示出了同樣的天線對(duì)的效率曲線，圖6作為頻率函數(shù)應(yīng)用 于其上?？梢钥吹?，發(fā)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?？紤]到天線組件的小尺寸，因此天線對(duì)的效 5率是很出色的。根據(jù)在自由空間所測(cè)得的平均值，發(fā)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(jù)本發(fā)明的分散式天線系統(tǒng)。如實(shí)施例所描述 的，天線的數(shù)量和位置可以做極大地改變。本發(fā)明并不限于單個(gè)天 線組件的制造方法。該制造方法可以用其它方法來(lái)代替，比如用導(dǎo) 10 電材料對(duì)陶乾片進(jìn)行涂層，或在比如硅的表面上生成金屬層并且使 用半導(dǎo)體組件制造中所使用的技術(shù)來(lái)移除該金屬層的一部分。本發(fā) 明的思想可以通過(guò)不同的方式來(lái)實(shí)施，^旦都在獨(dú)立權(quán)利要求1所限 定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種無(wú)線電裝置(300)的內(nèi)置天線系統(tǒng)，包括地電位面和至少兩個(gè)輻射元件以形成至少兩個(gè)分離的工作頻帶，所述工作頻帶覆蓋至少兩個(gè)不同的系統(tǒng)所使用的頻率范圍，其特征在于，-各個(gè)輻射元件是介電基板表面上的導(dǎo)體，-天線的數(shù)量至少是兩根，-沿著所述地電位面(GND)的屬于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(zhǎng)度。
2.如權(quán)利要求1所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，單個(gè)天線的所述基板和所述基板的表面上的所述至少一個(gè)輻射元件構(gòu)成單一 芯片型天線組件(310; 320; 330; 340; 350)。
3.如權(quán)利要求2所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，所述天線組 件的至少 一個(gè)位于所述無(wú)線電裝置的電路板(PCB)上。 15
4.如權(quán)利要求2所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，所述天線組件的至少一個(gè)(360)位于所述無(wú)線電裝置的內(nèi)置框(FRM)的表面上。
5.如權(quán)利要求1所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，屬于所述天 線系統(tǒng)的天線的工作頻帶覆蓋由至少一個(gè)無(wú)線電系統(tǒng)所使用的頻 率范圍。
6.如權(quán)利要求1所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，屬于所述天線系統(tǒng)的天線的工作頻帶覆蓋由無(wú)線電系統(tǒng)所使用的頻率范圍內(nèi) 的發(fā)射頻帶(Tx),并且屬于所述天線系統(tǒng)的另一天線的工作頻帶覆 蓋相同頻率范圍內(nèi)的接收頻帶(Rx)。
7. 如權(quán)利要求6所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，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(wú)線電系統(tǒng)所使用的頻率范圍內(nèi)的接收頻帶，以實(shí)現(xiàn)接收中的空間分集。
8. 如權(quán)利要求2所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，所述基板是 陶瓷的。
9.如權(quán)利要求1所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，單個(gè)天線的 基板是所述無(wú)線電裝置的外殼(CAS)的一部分。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種內(nèi)置于裝置中的天線系統(tǒng)，尤其是用于小尺寸移動(dòng)臺(tái)，該系統(tǒng)具有分離的工作頻帶。該系統(tǒng)通過(guò)以如下方式，即該裝置(300)具有多個(gè)分離的天線(310-360)，進(jìn)行分散而實(shí)現(xiàn)。每個(gè)天線都基于處于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(shè)置在裝置內(nèi)合適的位置。單個(gè)天線的工作頻帶覆蓋被一個(gè)無(wú)線電系統(tǒng)所使用的頻率范圍，這些頻率范圍相互接近，并且由兩個(gè)不同的無(wú)線電系統(tǒng)所使用，或者僅僅覆蓋無(wú)線電系統(tǒng)所使用的頻率范圍的發(fā)射頻帶或接收頻帶。如果該裝置具有用于一個(gè)使用相互接近頻帶的無(wú)線電系統(tǒng)的共享的發(fā)射器和共享的接收器，那么一定有一個(gè)用于每個(gè)系統(tǒng)的分離的天線，或者該天線可以是共享的。天線的尺寸可以制造的很小。這是由于當(dāng)有許多天線時(shí)，相對(duì)較小的頻帶寬度對(duì)于各個(gè)天線是足夠的。每個(gè)無(wú)線電系統(tǒng)的頻帶的整個(gè)寬度上都可以實(shí)現(xiàn)較好的匹配。這是由于與組合頻帶天線相比較，具有相對(duì)較窄頻帶的分離天線的匹配更易于配置。不需要用于選擇子頻帶的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，有利于提供較好的效率。
文檔編號(hào)H01QGK101278438SQ200680036557
公開(kāi)日2008年10月1日 申請(qǐng)日期2006年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月3日
發(fā)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·米羅薩夫爾杰維克 申請(qǐng)人:脈沖芬蘭有限公司