專利名稱：可控制的天線裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種天線裝置，可以通過控制連接至一個或多個帶狀線或微帶線的多擲開關(multiple throw switch)來調整其頻率。
背景技術：
對于無線電話聽筒包括內部接線天線(patch antenna)裝置是相對常見的，因為制造這些相對廉價而且由于他們在期望工作頻率處具有適當窄的帶寬。然而，當無線電話需要在多于兩個的多個頻率帶，例如在PCS和DCS頻帶以及GSM 900頻帶工作時，接線天線的使用出現問題。PCS頻帶包括了1850至1990MHz的頻率，和DCS發射機頻帶包括了1710至1785MHz的頻率，DCS接收機頻帶包括了1805至1880MHz的頻率。
從例如US 5,777,581中可知設置成工作多個頻率帶的接線天線，其中公開了通過相應的開關可與多個調諧帶連接的接線天線。在JP11-136025中公開了更適合于在移動電話應用中使用的天線。在這篇文件中，接地層和天線元件在基板的相對面上形成。天線元件在一端接地，通過可控制的開關能夠在另一端與地耦接。進一步的開關可以在天線元件上的其他位置與地電勢耦接，允許將天線調諧到多個離散頻率。
提供改進的天線裝置是本發明的目的。
發明概述根據本發明的第一方面，提供了一種包括設置成將一個或更多個帶狀線或微帶線耦合到天線元件的多擲開關的天線裝置。
優選地，該天線裝置包括電容性耦接到天線元件的負載元件，連接到負載元件的開關。因為允許調諧天線元件而不將開關和天線元件直接連接，因此該裝置具有顯著優勢。這進而又允許調諧至負載元件可允許范圍內的任何頻率。優選地，負載元件是接線(patch)。在一個實施例中，負載元件在基板的表面上，以使負載元件垂直于天線元件。然而，可以使用任何適合的裝置，主要的要求在于負載元件電容性耦接到天線元件以使得能夠通過調整負載元件的阻抗調整天線元件的頻率。
根據本發明的第二方面，提供了包括電容性耦接到天線元件的負載元件、和設置成將一個或更多個帶狀線或微帶線連接至負載元件的開關的天線裝置。
因為由帶狀線或微帶線的阻抗引起的相差導致在天線裝置中可控制阻抗的期望效果，所以使用一個或更多個不同長度的帶狀線或微帶線是具有優勢的。因為可以通過開關的適當控制來精確地調諧天線元件，所以由使用本發明而產生的對阻抗的控制是具有優勢的。
優選地，開關連接到至少兩個或更多個帶狀線或微帶線。由于天線元件的頻率取決于帶狀線或微帶線的長度，所以使用多個線允許將天線元件調諧至多個頻率。優選地，將開關的一擲連接至基本上為零長度的帶狀線或微帶線。零長度的帶狀線或微帶線仍可以引起反射，產生期望的阻抗，其進而又引起期望的工作頻率。通過適當的設計，具有大于零的長度的帶狀線或微帶線的數目可以少于天線裝置可以調諧至的頻率的數目。
具體的天線裝置包括直接施加到天線元件的饋送連接和接地連接，開關與這些連接中的任一個分開連接。這具有開關只在轉換發生的頻率帶處引起損耗的優點。如果開關與接地連接器或饋送連接器中之一連接，天線的所有頻率帶將遭受轉換的損耗。
本發明還提供了一種包括根據本發明的天線裝置的無線電話。
附圖的簡要說明現在將只通過實施例、參考附圖的方式描述本發明的實施例，其中

圖1是根據本發明安裝在印刷電路板上的的天線裝置的示意性透視圖；圖2是圖1的印刷電路板的相反面的平面圖；圖3示出了用于說明圖1和2天線裝置的工作的史密斯圓圖(Smith chart)；圖4，5和6說明圖1和2的天線裝置的性能；圖7示出了圖1的天線裝置，其與第二天線裝置并列安裝以形成無線電話的一部分；和圖8說明帶狀線端接的替換方法。
優選實施例描述首先參考圖1，示出了印刷電路板10的透視圖。天線安裝在印刷電路板10的前表面上。天線11包括由例如聚碳酸酯(PVC)之類塑膠組成的基板12，具有三維矩形形狀。基板的第一面13在圖中示出為最上面，具有12mm的長度，在一側與印刷電路板10鄰接，以及高6mm。基板12的第二面14在圖中示出為最左面，具有30mm的長度，與印刷電路板10鄰接，以及高6mm。6mm高的邊緣中的一個與第一面13鄰接。第三面15與第一和第二面13、14鄰接并與印刷電路板10相對，具有30mm的長度和12mm的寬度。第四面16與第一面13相對且具有相同尺寸。第五面17與第二面14相對且具有相同尺寸。第五面上沒有特征形成。第一和第三面13、15是完全金屬化的，除了從印刷電路板橫跨第一面延伸至第三面上的狹槽(slit)。該狹槽包括第一部分18，其沿著與印刷電路板鄰接的第一面13的邊緣，從與第一和第二面的接合處相對的點開始延伸。第一部分18延伸了大約7mm。然后狹槽的第二部分19從印刷電路板至與第三面15的接合處垂直延伸。然后狹槽的第三部分20在第一面13上沿著與第三面15的接合處遠離第二面14蔓延大約4mm。然后，狹槽的第四部分21沿著第三面的長度蔓延大約25mm，此時它向第二面14垂直轉彎大約5mm，此后再次垂直轉彎且向第一面13蔓延大約20mm。如應理解，在第三面15上的狹槽的第四部分21的布局、寬度和形狀、以及事實上其存在對于本發明并不關鍵。該狹槽導致尺寸的降低。沒有狹槽，天線將被折疊而達到8cm左右的總長度(在最低頻帶處的波長的四分之一，900MHz)。
在第三面15上形成的敷金屬以接線的形式構成了天線元件22。接線天線元件22通過接地連接23連接至印刷電路板10上的接地層(圖2中示出)，其通過在位于狹槽的第二部分19和第二面14之間的第一面上的金屬化形成。在第一面上的剩余的敷金屬構成固定的電容性負載24。
在第四面16上，敷金屬存在為該面的3mm帶25，其沿著該面縱向蔓延，且其與接線天線元件22鄰接。這構成了天線元件的一部分，并有助于其與接地層電容性連接。
在基板12的第二面14，具有大約2mm寬度的饋送連接器26在一端與接線天線元件22連接，并沿著第二面垂直延伸至印刷電路板10上的饋送連接。該饋送連接器26位于離與第一面13鄰接的第二面14的端部大約5mm的位置。
還在第二面14上形成具有大約19mm的長度和大約3mm的寬度的負載接線27。通過大約3mm的間隙將負載接線27的一端與饋送連接器26分開。通過大約0.8mm的間隙將負載接線27與接線天線元件22分開，且對于負載元件27的整個長度，間隙的尺寸保持常數。通過大約0.8mm的間隙將與饋送連接器26相對的負載元件27的一端與第二面14的端部分開。負載元件27和饋送連接器26由敷金屬層形成。負載元件27通過連接器28與印刷電路板10的相反面上的電路連接。
負載元件27和接線天線元件22之間的距離決定兩個元件之間的耦接數目。盡管在該實施例中間隙是0.8mm寬，但是可采取0.1mm和2mm之間的任何距離。負載元件和饋送連接器26之間的距離也影響天線元件22和負載元件之間的耦接數目，正如在第四面16上的負載元件和敷金屬25之間的距離那樣。
基板12能夠采取任何適當的形式。例如，基板12不必是實心矩形塊，但可以由具有0.5mm厚度的PVC壁形成的盒子構成。天線和負載元件等的敷金屬可以形成在盒子的內表面或外表面上。因為影響在給定頻率處工作所需的天線元件22的尺寸，所以用于形成基板12的材料的介電常數很重要。
現在參考圖2，以平面圖示出印刷電路板10的表面。表面30可與基板12相對，但優選在與其相同的面上。這里，焊盤31連接至連接器28，連接器28進而又連接至負載接線27。焊盤31連接至單刀開關33的刀32。通過具有47pF電容的第一電容器34構成焊盤31和開關33之間的連接。開關33的第一擲35，其物理上與刀32相對，通過第二電容器36與第一帶狀線35連接。第二帶狀線37通過第三電容器39與開關33的第二擲38連接。相似地，第三帶狀線40通過第四電容器42與開關33的第三擲41連接。第二、第三、和第四電容器36、39、42中的每一個具有47pF的電容。在各部件之間但與其電絕緣地形成接地層。通過向三個控制電壓點43-45施加適當的電壓來控制開關33。在工作中，在任何一次，向一點施加3V左右的電壓并將剩余的兩點接地。
開關33可以采取任何適當的形式。一個這樣適當的開關是美國馬薩諸塞州沃本市森林路20號(20 Sylvan Road，Woburn，Massachusetts，USA)的SkyworksSolutions，Inc制造的AS202-321。
帶狀線35、37和40中的每一個具有不同的長度，且每一個端接具有正方形端部。帶狀線35、37、40可以是50Ω帶狀線。選擇帶狀線35、37和40的長度以使其為負載接線27提供阻抗，該阻抗使得產生具有期望頻率特性的天線裝置11。
由于電容性負載被最小化，因此當負載接線在與連接器28的接合處呈現很高(例如，開路)阻抗時，負載接線27不影響天線元件22的頻率。由于電容負載被最大化，所以當負載接線27在與連接器28的接合處呈現零阻抗(短路)時，天線元件22的諧振頻率減小了可由天線11允許的最大數量。向負載接線27提供這些極端值之間的另一個‘反射’阻抗導致諧振頻率取在兩個極值之間的值。通過只改變在與連接器28的接合處呈現給負載接線的阻抗的相位，能夠在開路和短路之間改變呈現給負載的阻抗。在與連接器28接合處呈現給負載接線27的阻抗的相位是頻率和連接器28、自連接器至刀32的鏈路、開關33、自開關至相關的帶狀線35、37、40的起始的鏈路的的組合電氣長度以及帶狀線本身的電氣長度的函數。因此，通過連接具有一定物理長度，由此對于負載接線27也是電氣長度的帶狀線，控制對于負載接線的阻抗的相位，并因此控制天線11的諧振頻率。帶狀線35、37、40的電氣長度由材料的電氣特性決定。在該實施例中，印刷電路板是FR4基板，其具有4.5左右的介電常數。
在圖2中，第二帶狀線37具有5mm的長度，考慮自其端部至負載接線27的路徑的長度，其在1.9GHz處給出了開路。這樣，當通過開關33將第二帶狀線37連接至負載接線27時，允許該裝置在1850-1990MHz PCS頻率下工作。第一帶狀線35具有25mm左右的長度，其在1.8GHz處向負載接線27提供短路。因此，當通過開關33將第一帶狀線連接到負載接線27時，引起了天線11在1710-1785MHz的DCS Tx頻率處諧振。第三帶狀線40具有15mm左右的長度。因此其在1.8GHz處引起(0-j20)Ω左右的中間復數阻抗。在1805-1880MHz的DCS Rx頻率處，當第三帶狀線通過開關33連接至負載接線27時，允許天線裝置的工作。在1.85GHz(在FR4基板上)左右處，第一和第二帶狀線35、37的長度的差與信號波長的四分之一對應，其等同于通過開關電路呈現給負載接線的阻抗的90度的相移。示出了當引起帶狀線35、37、40中的每一個通過開關33與其連接時，在與連接器28的接合處呈現給負載接線27的阻抗的史密斯圓圖在圖3中示出。
通過圖4和5的圖表說明天線11的性能。這里，在圖4中S11曲線示出了較高頻率帶，和在圖5中示出了較高和較低頻率帶。在圖6中示出了天線11的實際效率，如在3D近場箱(3D near field chamber)中測量的。
盡管上述實施例包括三個帶狀線，允許調諧至三個離散頻率，但是本發明不限于此。在另一實施例中(未示出)，使用4擲開關，每一擲連接至相應的唯一長度的帶狀線。以這種方式，天線裝置可調諧至四個離散頻率。通過選擇帶狀線的適當長度，可以調諧天線裝置至例如DCS Tx和Rx頻率以及PCS Tx和Rx頻率。
優勢源自負載元件電容性耦接到天線元件的事實，和可以控制負載元件的阻抗以采用大量離散步長的任意一個的事實，其中離散步長的數目等于開關上擲的數目。
而且，通過以控制負載元件的阻抗的方式允許調諧，該天線裝置能夠制作得小于可在相同的頻率處工作的可比較天線。申請人已經制造了圖1和2中的天線，并發現在占用了小于可比較的可在相同頻率處工作的相應無源天線裝置一半的體積的同時，其提供了相當的性能。當天線裝置用于移動無線設備如無線電話時，體積降低具有特殊的重要性。無線電話的底板在圖7中示出。
參考圖7，在其左上角處向印刷電路板10提供天線裝置11。盡管未示出，開關33和帶狀線可以適當地從印刷電路板10的相反側連接至天線11。WCDMA(寬帶碼分多址)天線50附著到印刷電路板10的右上角，且通過在印刷電路板的相反側上的適當連接來饋送。WCDMA天線50允許無線電話在3G系統中工作，其具有自1920MHz至2170Mhz的工作帶寬。
由于天線11和50相互具有較大的物理隔離，其由天線11的較小尺寸產生，所以其間的射頻隔離量增加了。進一步地，當WCDMA天線50在使用中時，控制開關33以使負載接線提供短路，使天線11在1710-178MHz的DCX Tx頻帶處工作。因此，獲得了兩個天線11和50的顯著的頻率隔離。
再次參考圖1和2，將理解，開關33的插入損耗對天線的性能具有負面影響。然而，由于設置負載接線27使其只對天線11的較高(1700-2000MHz)的頻率帶具有顯著影響，所以開關只在這些頻率帶具有負面影響。在其他的工作頻率如900MHz GSM頻率處開關33不提供任何實質性損耗，因此在該頻帶中的輻射不受開關存在的影響。
由于開關33不在放大器(未示出)和天線接線22之間的鏈路中，所以，另一個優勢在于避免了潛在定型(type approval)問題。
由于通過負載接線27給出的陽抗取決于帶狀線35、37、40的長度，因此可以在天線設計的后期實施諧振頻率的調整。尤其，天線的大規模生產工具不需要為了工作頻率的最終調諧而更改；通過改變在印刷電路板10上的帶狀線的長度可進行代替進行調整。進一步地，可優化該設計以使實現圖2部件需要的印刷電路板10的相反側區域的量最小。尤其是，開關33的適合的布置可導致最短的具有0mm長度的帶狀線。以及這本身就節省了底板10上的空間，而且其允許其他的帶狀線采取最小可能的長度，進一步節省空間。
應理解，天線元件22構成雙頻帶PIFA(平面反轉F天線)。由于決定了對天線元件22的哪個頻率帶有影響，所以負載接線27的安置很重要。在負載接線27定位如圖中所示的情況下，通過其阻抗只影響其高頻率帶。在低頻帶的工作頻率的控制可以通過在適當位置包括負載接線，以及與它一起包括可控制的開關和帶狀線裝置來實施。
在進一步的實施例中(未示出)，在第五面17上包括負載接線27，其中它對天線裝置11的較低頻率帶有影響。該實施例中的負載接線通過兩擲開關連接至兩個帶狀線中的一個。帶狀線中的一個在大約850MHz頻率處提供短路，引起在850MHz處天線工作。另一個帶狀線提供開路，引起在900MHz處的天線工作。因此，天線裝置可在兩個不同的亞-1GHz(sub-1GHz)頻率處工作。
在圖8中說明了替換實施例。這里，對于相同部件參考數字從圖2中保留。這里，第一帶狀線35(最長的一個)以連接至接地層G而結束。帶狀線35的長度是5mm，其比圖2實施例中的短20mm。由于通過短路至接地層G而將信號相移90度，所以當帶狀線35通過開關連接到負載接線時提供相同的阻抗。該技術能夠用于在帶狀線長度不便于天線設計時減短帶狀線。
代替形成在印刷電路板表面上的帶狀線，本發明可通過使用微帶線(未示出)來實現。在這種情況下，微帶線嵌入印刷電路板10中。
權利要求
1.一種天線裝置，包括設置成將一個或更多個帶狀線或微帶線中的一個耦接至天線元件的多擲開關。
2.如任一前述權利要求所述的天線裝置，其中，天線裝置包括電容性耦接至天線元件的負載元件，開關連接至該負載元件。
3.一種天線裝置，包括電容性耦接到天線元件的負載元件，和設置成將一個或更多個帶狀線或微帶線中的一個連接至負載元件的開關。
4.如權利要求3所述的天線裝置，其中，開關是多擲開關。
5.如權利要求2、3和4中任一個所述的天線裝置，其中，負載元件是接線。
6.如任一前述權利要求所述的天線裝置，其中，天線元件是接線。
7.如任一前述權利要求所述的天線裝置，其中，開關連接至至少兩個或更多個帶狀線或微帶線。
8.如任一前述權利要求所述的天線裝置，其中，開關的一擲連接至基本上為零長度的帶狀線或微帶線。
9.如任一前述權利要求所述的天線裝置，其中，當通過開關耦接至天線元件時，帶狀線或微帶線中的一個在天線裝置的工作頻率處基本上提供開路。
10.如任一前述權利要求所述的天線裝置，其中，當通過開關耦接至一個或所述天線元件時，帶狀線或微帶線中的一個在天線裝置的工作頻率處基本上提供短路。
11.如任一前述權利要求所述的天線裝置，其中，當通過開關耦接至一個或所述天線元件時，帶狀線或微帶線中的一個在天線裝置的工作頻率處提供短路和開路之間的阻抗。
12.如任一前述權利要求所述的天線裝置，其中，帶狀線或微帶線中的至少一個在其與開關相對的端部接地。
13.如任一前述權利要求所述的天線裝置，其中，帶狀線或微帶線中的至少一個在其與開關相對的端部與地絕緣。
14.一種無線電話，包括如任一前述權利要求所述的天線裝置。
全文摘要
天線(11)包括電容性耦接到負載接線(27)的接線天線元件(22)。開關(33)將負載接線(27)連接到一個或更多個帶狀線(35、37、40)中的一個，其每一個具有不同的長度。每一個帶狀線使得負載接線(27)具有不同的阻抗，一個引起短路，一個引起開路，和一個引起這些極值之間的阻抗。由于其間的電容性耦接，負載接線(27)的不同阻抗引起天線接線(22)不同的工作頻率。因此天線(11)可調諧至三個分開的頻率。由于負載接線(27)相對于天線接線(22)的位置，其他的頻率帶不受影響。通過允許以控制負載接線(27)的阻抗的方式調諧，天線裝置可以制作得小于在相同的頻率下可工作的相應的無源天線。通過使用N擲開關，不同長度的N條帶狀線可以被連接，每個導致不同的工作頻率。
文檔編號H01Q5/00GK1695267SQ02829928
公開日2005年11月9日 申請日期2002年11月20日 優先權日2002年11月20日
發明者M·薩格爾, J·特勒爾森 申請人:諾基亞有限公司