CN102742074B - 多波段天线结构 - Google Patents

Abstract

一种意图用于小型移动终端的天线结构。其包括用于实现最低工作波段的主辐射体（210）和用于实现高波段中的至少一个工作波段的其它辐射体。该结构还包括匹配电路，通过该匹配电路在最低工作波段的范围内针对主辐射体实现双谐振，并改善主辐射体与另一辐射体之间的隔离。电抗元件（L23）被接合至主辐射体，使得其电尺寸在高波段中减小且在低波段中增加。前者加强了高波段中的谐振并因此导致高波段中的效率的提高。

Description

多波段天线结构

技术领域

本发明涉及一种尤其意图用于小移动终端的多波段天线结构。

背景技术

在装入口袋中的移动终端中，天线通常被放置在装置的盖子里面，在这种情况下，小的可用空间使天线设计变复杂。当装置必须能够根据几个无线电系统（例如不同的GSM系统（全球移动通信系统））运行时，困难显著增加。装置的地平面（其同时是天线的地平面）的微小是天线功能尤其在低于1 GHz的频率的范围内的退化因素。

满足要求的解决方案不可避免地具有相对复杂的辐射体结构或一个以上的分离的局部天线。图1a和1b示出从公开物WO 2008/081077得知的这种多波段天线的实例。该天线结构从前面看为图1a中的透视图且在图1b中是从上方看。该天线结构位于无线电装置的电路板PCB的一端，在电路板的外部。该电路板的上表面大部分是导电地平面GND。该结构包括三个辐射体。第一辐射体110在被固定到电路板的一端的支撑框架105的外表面上沿其宽度方向为垂直导体条。第二辐射体122是长椭圆形陶瓷基板121的导体涂层。这些构成天线部件120，其位于属于框架105的水平盘状部分上，比第一辐射体110更接近于电路板。第三辐射体130是在天线部件120和第一辐射体110之间的寄生导体条并且从其一端在接地点G2连接到地平面。通过第一辐射体实现天线结构的较低工作波段，通过第二和第三辐射体实现较高工作波段。

图1a和1b所示的天线结构进一步包括匹配电路140。这包括第一电容器C1和第二电容器C2以及第一线圈L1和第二线圈L2。第一电容器从整个天线结构的馈电点FP在接地点G1连接到地GND。第二电容器和第二线圈串联在馈电点FP和第一辐射体的馈电点F1之间。第一线圈L1也在馈电点F1和地之间。馈电点FP还借助导体条连接到第二辐射体的馈电点F2。该辐射体的反馈端比辐射体的其余部分更窄，在这种情况下额外的电感因匹配的目的而出现在起始端。

第二电容器C2和第二线圈L2形成串联谐振电路，其具有的效应是第一辐射体110具有双谐振，而不是一个谐振。较低的工作波段基于这些谐振。它们的频率被适当地布置成彼此接近，使得较低的工作波段变得相对宽。

上述串联谐振电路同时并且与地平面一起构成在第一和第二辐射体的馈电之间的带通滤波器。该天线结构的较低的工作波段位于滤波器的通带中，但是较高的工作波段在阻带中。在较高工作波段的频率处的衰减高，这意味着第一和第二辐射体之间的隔离的改善，因此公共馈电点FP可用于它们。

图1a和1b中呈现的天线结构构成集成天线模块100，其可以被分别测试并且然后被安装在无线电装置中。

覆盖不同GSM系统和WCDMA2100系统（宽带码分多址）的频率范围的天线的工作波段可以通过上述解决方案来获得。然而，如果该装置还必须用在WCDMA7系统中，则其频率范围是2500-2690 MHz，该解决方案则是不足的。而且，至少在没有几个额外部件的情况下，在LTE标准（长期演进）中定义的波段698-798 MHz将不会被覆盖。

发明内容

本发明的目的是减少现有技术的所述缺点。根据本发明的天线结构的特征在于独立权利要求1中所阐述的。本发明的一些有利实施例在其它权利要求中被公开。

本发明的基本构思如下所述。该天线结构包括用于在低波段实现其最低的工作波段的主辐射体和用于在高波段实现至少一个工作波段的其它辐射体。该结构还包括匹配电路，通过该匹配电路在最低工作波段的范围内为主辐射体实现双谐振并且改善了主辐射体和另一辐射体之间的隔离。电抗元件被接合到主辐射体，使得其电尺寸在高波段中减小并且在低波段中增加。前者加强了高波段中的谐振。

在该说明书和权利要求书中，“低波段”意指从频率1 GHz向下的频率范围，“高波段”意指从频率1.7 GHz向上的频率范围。

本发明的优点在于小尺寸的天线结构的功能至少在高波段中改善。这是由于被接合到主辐射体的电抗元件由于谐振加强而引起位于高波段中的一个或两个工作波段中的效率提高的事实的缘故。同时，可用的频率范围在高波段中加宽。而且，在低波段中的工作波段尤其在电感用作所述电抗元件时加宽。另外，可以在天线结构中利用同样已知的临时手段来在较低工作波段中构成双谐振用于进一步加宽该波段。

附图说明

在下面，本发明被更详细地描述。在该说明书中，对附图进行参考，在附图中：

图1a、b表示已知的多波段天线的实例，

图2a、b表示根据本发明的天线结构的实例，

图3表示根据本发明的天线结构的匹配电路的实例，

图4表示根据图2a和2b的天线结构的效率的实例，

图5表示根据本发明的天线结构的另一实例，以及

图6表示根据图5的天线结构的效率的实例。

具体实施方式

已经结合现有技术的说明描述了图1a和1b。

在图2a和2b中是根据本发明的多波段天线结构的实例。其位于无线电装置的电路板PCB的一端，在该板外部，并且从前面看为图2a中的透视图且在图2b中是从上方看，或者从与之垂直的地平面的一侧看。电路板的上表面大部分是无线电装置的信号地GND，其还用作局部天线的地平面。该天线结构具有三个分离的工作波段：最低工作波段、较高工作波段和最高工作波段，其中最低的工作波段位于低波段中，后两者在高波段中。该结构包括四个辐射体：主辐射体210、第二辐射体222、寄生辐射体230和缝隙辐射体SLR。最低工作波段通过主辐射体210来实现。其是在被固定到电路板PCB的一端的支撑框架205的外表面上的长椭圆形两部分导体条。主辐射体纵向地大约与电路板的端面一样长，其宽度方向垂直于由地平面确定的几何平面。支撑框架205在主辐射体处相对薄，在该情况下主辐射体大部分是空气绝缘的。这意味着最小的介质损耗和由此在最低工作波段中的良好效率。

第二辐射体222具有陶瓷基板221的导体涂层。它们一起构成芯片部件220，其位于属于框架205的水平盘状部分上，比主辐射体更接近电路板PCB。寄生辐射体230是在芯片部件220和主辐射体210之间的框架205的表面上的导体条。其从它的一端在接地点G2连接到地平面GND。通过芯片部件220和寄生辐射体230实现位于频率2 GHz周围的天线结构的较高工作波段。

在该实例中通过缝隙辐射体SLR实现位于频率2.5 GHz之上的天线结构的最高工作波段。缝隙辐射体已经被制作在该两部分主辐射体的第一部分211中。辐射缝隙的大部分具有与主辐射体相同的方向，并且向邻近其馈电点F21的主辐射体的上边缘开放。

主辐射体210是两部分的，因此其包括第一部分211和第二部分212，在其之间是相对窄的非导电间隙。该第一部分和第二部分通过电感元件L23被耦合，其阻抗在高波段的频率处相对高。这种布置在低波段和高波段两者中都具有意义。在高波段中，效应是在其频率处主辐射体的电尺寸由于上述阻抗而降低。这导致天线结构的在高波段的谐振，即第二辐射体、寄生辐射体和缝隙辐射体的谐振加强。这进一步导致该结构的效率在对应于这些谐振的工作波段中改善，另外这些工作波段加宽。在低波段中，主辐射体的划分的效应是在其频率处主辐射体的电尺寸由于电感元件的电感而增加。使用串联电感是一种在其谐振频率处增加辐射体的电尺寸的旧方式。主辐射体的增加引起其最低的谐振频率更低。这有助于向下加宽最低工作波段。在实例结构中，最低的工作波段被扩展到LTE700系统的频率范围698-798 MHz的下边界。

电感元件L23在该实例中是表面安装的线圈。其电感例如是22 nH。

图2a和2b中示出的天线结构进一步包括匹配电路240。匹配电路的两个电容器和两个线圈在图2b中是可见的，在该实例中其全部都是在框架205的表面上的表面安装的部件。匹配电路连接到整个天线结构的馈电点FP和在接地点G1连接到接地平面GND。另外，匹配电路在其馈电点F21连接到主辐射体210并且在其馈电点F22连接到第二辐射体222。匹配电路将在下面被更详细地描述。

天线结构的各部分构成集成天线模块200，其可以被分开测试，然后被安装在无线电装置中。

在图3中是根据本发明的天线结构的匹配电路240的实例的电路图。其包括第一电容器C21和第二电容器C22以及第一线圈L21和第二线圈L22。第一电容器C21和第一线圈L21是串联的，由此构成串联谐振电路。这连接在天线结构的馈电点FP和主辐射体的馈电点F21之间。串联谐振电路具有的效应是主辐射体210在最低工作波段中具有双谐振，而不是一个基本谐振。这些谐振的频率被如此布置使得较低的工作波段变得相对宽，但是即使如此也是统一的。

第二电容器C22连接在天线结构的馈电点FP和接地点G1之间。基于第二辐射体222和寄生辐射体230的局部天线的阻抗借助第二电容器被匹配。第二线圈L22连接在主辐射体的馈电点F21和接地点G1之间。基于主辐射体的局部天线的阻抗借助第二线圈被匹配。

天线结构的馈电点FP也直接连接到第二辐射体的馈电点F22。这导致匹配电路构成在由第二辐射体的馈电点和接地点代表的端口和由主辐射体的馈电点和接地点G1代表的第二端口之间的带通滤波器。天线的最低工作波段位于滤波器的通带中，从第一端口到第二端口的衰减在较高工作波段的频率处明显高。这意味着所述辐射体之间的隔离的改善，因此共享的馈电点FP可以用于天线结构中的辐射体。

图4示出根据图2a和2b的天线结构的效率的实例。匹配电路的部件值是：C21 =0.7pF, L21 =30nH, C22=0.7pF以及L22=1 nH。将主辐射体的各部分耦合的电感的值是22 nH。曲线示出当天线在自由空间中时作为频率的函数的效率的波动。效率值0 dB对应于理想情况，其中没有损耗出现。曲线41示出在最低工作波段（其是698-960 MHz）中的效率的波动。看出效率在值-1.8 dB和-5.0 dB之间变化。曲线42示出在较高的工作波段（其是1.7-2.17 GHz）中的效率的波动。看出在该范围内效率在值-1.0 dB和-2.0 dB之间变化，其是极好的结果。曲线43示出在最高工作波段（其是2.50-2.69 GHz）中的效率的波动。看出在该范围内效率在值-1.6 dB和-3.3 dB之间变化，其也是良好的结果。

天线结构的谐振点可以从效率曲线的峰值位置看出，因为天线在谐振中自然辐射最有效。最低工作波段基于第一谐振r1和第二谐振r2，其形成所述双谐振。前者位于大约点730 MHz处，后者位于大约点920 MHz处。距离显著长，原因是效率在其间落到值-5 dB。然而，最低工作波段已经被实现以覆盖系统LTE700, GSM850和GSM900的频率范围，其是极好的成果。较高的工作波段基于第三谐振r3和第四谐振r4。其前者是寄生辐射体的谐振并且位于大约点1.78 GHz处。第四谐振r4是在其中的芯片部件220和第二辐射体的谐振并且位于大约点2.06 GHz处。较高的工作波段覆盖系统GSM1800, GSM900和WCDMA2100的频率范围。最高工作波段基于第五谐振r5。这是缝隙辐射体的谐振并且位于大约点2.62 GHz处。最高工作波段覆盖系统WCDMA7的频率范围。

图5示出根据本发明的多波段天线结构的另一实例。其位于无线电装置的电路板PCB的一端。电路板的上表面大部分是无线电装置的信号地GND，其还用作局部天线的地平面。该天线结构在该实例中具有两个分离的工作波段：较低的工作波段和较高的工作波段，其前者位于低波段中且后者位于高波段中。该结构包括介电支撑框架FRM和辐射体，所述介电支撑框架FRM是电路板上具有相对薄的壁的外壳，所述辐射体是支撑框架的导电涂层。导体辐射体的数目是三个：主辐射体510、第二辐射体520和寄生辐射体530。另外，辐射结构包括缝隙辐射体SLR，其已经在主辐射体中被实现。

主辐射体510在很大程度上涂覆还延伸一段距离到框架FRM的前表面和第一头表面的支撑框架的上表面。‘前表面’在这里指的是从电路板的中部看平行于电路板的端面的框架的表面中的外部表面。主辐射体包括第一部分511和作为其延续的最后部分512。第一部分大部分位于框架的上表面上，在前表面的一侧。其开始于主辐射体的馈电点F51，并且延伸到框架的第一端。最后部分512大部分位于框架的上表面上，在后表面的一侧，其在第一部分511内部从邻近第一部分的开始端的框架的第一端延伸。主辐射体510在接近于天线结构的馈电点FP的第一短路点S1处连接到地平面GND。这些点位于在前表面一侧的框架FRM下面。地平面在电路板PCB上延伸到主辐射体以下，在该情况下由地平面和主辐射体构成的局部天线是PI FA类型的（平面倒F形天线）。天线结构的所述较低的工作波段通过主辐射体来实现。

相对窄的缝隙SLR保持在主辐射体的第一部分和最后部分之间，该缝隙向在第一部分的起始端和最后部分的尾端之间的导电体区域的边缘开放。该缝隙被定尺寸使得在其中激发振荡，换句话说，其是缝隙辐射体。其在该实例中用于向上加宽天线结构的较高的工作波段。

第二辐射体520位于从框架的上表面延伸一段距离到前表面和第二头表面的框架FRM的第二端处。第二辐射体在前表面上从其馈电点F52连接到整个天线结构的馈电点FP以及从其另一点在第二短路点S2处连接到地平面GND。天线结构的较高的工作波段的最低范围通过第二辐射体来实现。寄生辐射体530位于在主辐射体510和第二辐射体520之间的框架的上表面上。其从其一端在邻近馈电点FP的第三短路点S3处连接到地平面GND，使得后一点位于短路点S1和S3之间。天线结构的较高的工作波段的中间范围通过寄生辐射体来实现。

如所述，主辐射体510的第一部分的起始端与最后部分的尾端相对靠近彼此。根据本发明，电容元件C52位于它们之间，该元件的电容然后存在于第一部分的开始端和最后部分的尾端之间。这种电容耦合减小了主辐射体在高波段的频率处的电尺寸。这导致天线结构在高波段的谐振，即第二辐射体520、寄生辐射体530和缝隙辐射体SLR的谐振加强。这进一步导致该结构的效率在较高的工作波段中改善，另外，该工作波段加宽。在低波段中，所述电容耦合的效应相对轻微。原则上，其增加了主辐射体在其谐振频率处的电尺寸。电容元件C52在该实例中是表面安装的电容器。其电容例如是0.5 pF。

图5中示出的天线结构还包括匹配电路540，其中有在框架FRM的上表面上的电容器C51和线圈L51。它们构成在主辐射体的馈电点F51和第二辐射体的馈电点F52之间的串联谐振电路。整个天线结构的馈电点FP通电地连接到后一点，并由此通过串联谐振电路到达主辐射体的馈电点F51。

图6示出根据图5的在自由空间中的天线结构的效率的实例。曲线61示出在较低的工作波段中的效率的波动。看出效率在值-2.7 dB和-4.8 dB之间变化。曲线62示出示出在较高的工作波段中的效率的波动。看出效率在值-1.0 dB和-3.1 dB之间变化。

天线结构的谐振点还可以在效率曲线中看到。主辐射体的谐振r1和r2位于大约点840 MHz和920 MHz处。第三谐振r3，其是寄生辐射体的谐振，位于大约点1.74 GHz处。第四谐振r4，其是第二辐射体520的谐振，位于大约点1.95 GHz处。第五谐振r5，其是缝隙辐射体的谐振，位于大约点2.2 GHz处。基于谐振r1和r2的较低的工作波段总共覆盖被系统GSM85和GSM900使用的频率范围824-960 MHz。基于谐振r3、r4和r5的较高的工作波段总共覆盖被系统GSM1800, GSM900和WCDMA2100使用的频率范围1710-2170 MHz。

为了比较，图6示出了天线结构的效率曲线61'和62'，该天线结构类似于图5中的天线结构，不同之处在于其既不包括连接到主辐射体的电容器C52也不包括匹配电路540。代替地，在电路板上是天线共用器，通过该天线共用器在较低和较高的工作波段中的信号被分离并且主辐射体和第二辐射体被分别馈给。从各曲线看出，尤其在较高工作波段中借助根据本发明的结构获得更好的结果，然而添加的部件的数目少于天线共用器中使用的部件的数目。

上面已经描述了根据本发明的天线结构。在细节中，该结构的各部分的形状和位置自然可以不同于所呈现的。天线的地平面在每一个实施例中可以延伸到辐射体下面或者不这样做。电容元件还可以通过在介电基底表面上彼此接近的裸导体条来实现，并且电感元件也可以通过在介电基板上的裸窄导体条来实现。具有低电感的条可以与分离线圈串联，通过利用例如在测试阶段的激光器使其工作，所述条用作调谐元件。本发明的构思可以不同的方式在由独立权利要求1设定的范围内来实现。

Claims (8)

1.一种无线电装置的多波段天线结构，其在低波段和高波段两者上都具有谐振并包括：

—主辐射体（210；510），用以实现低波段中的工作波段，

—第二辐射体（222；520）和寄生辐射体（230；530），用以实现高波段中的工作波段，寄生辐射体位于主辐射体与第二辐射体之间，

—地平面（GND），其同时是无线电装置的信号地，以及

—匹配电路（240；540），其被连接到天线结构的馈电点（FP），该匹配电路包括串联谐振电路（C21、L21；C51、L51）以在最低工作波段的范围内实现用于主辐射体的双谐振并增强主辐射体与第二辐射体之间的隔离，

其特征在于，

—缝隙辐射体（SLR）在主辐射体（210；510）中以在高波段中提供附加谐振，以及

—电抗元件（L23；C52）接合主辐射体（210；510）以在高波段的频率处减小主辐射体的电尺寸以便加强高波段中的谐振，并在低波段的频率处增加主辐射体的电尺寸以便加宽最低工作波段。

2.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于主辐射体（210）从其馈电点（F21）开始包括借助不导电间隙相互分离的第一部分（211）和第二部分（212），并且所述电抗元件是电感元件（L23），其一端在主元件的第一部分中且另一端在主元件的第二部分中，并且所述缝隙辐射体（SLR）位于第一部分（211）中，缝隙辐射体的缝隙向邻近其馈电点（F21）的主辐射体的边缘开放。

3.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于主辐射体（510）从其馈电点（F51）开始包括第一部分（511）和最后部分（512），使得第一部分的起始端和最后部分的尾端相对地相互接近，并且所述电抗元件是电容元件（C52），其电容存在于第一部分的起始端与最后部分的尾端之间，主要用以减小在高波段的频率处的主辐射体的电尺寸以便加强高波段中的谐振。

4.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于为了改善效率，主辐射体（210）位于相对薄的支撑框架（205）的表面上，并且其是随后具有纵向方向和宽度方向的长椭圆形导体条，该宽度方向基本上垂直于由所述地平面（GND）确定的几何平面。

5.根据权利要求4所述的天线结构，其特征在于第二辐射体（222）具有陶瓷基板（221）的导体涂层，所述第二辐射体和所述陶瓷基板构成位于所述支撑框架的表面上的芯片部件（220）。

6.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于主辐射体（510）、第二辐射体（520）和寄生辐射体（530）具有介电支撑框架（FRM）的导体涂层。

7.根据权利要求2所述的天线结构，其特征在于所述电感元件（L23）的电感为至少10nH。

8.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于所述附加谐振位于WCDMA7系统的频率范围2500～2690 MHz内。