专利名称：天线设备及调节所述天线设备的方法
技术领域：
本发明总体上涉及天线设备，且更具体地涉及适合于内部安装在其中特性以可控方式可调节的便携式通讯设备，如手机内的天线设备。本发明还涉及包括这种天线设备的通讯设备以及调节这种天线设备的方法。
背景内部天线已经用于便携式无线通讯设备一段时间了。存在与使用内部天线有关的大量优点，其中可提及的是它们小且轻，从而使它们适合于其中大小及重量都非常重要的应用，如在手机中。
然而，在手机中内部天线的应用限制了天线元件的配置，如元件的尺寸、馈电及接地部分等的精确位置。这些限制可以造成难以发现天线的正确调谐及匹配。对于其中天线适合于在两个或多个分隔开的频带工作的所谓多频带天线，如双频带天线，这更是如此。在典型的双频带电话中，较低频频带被居中在900MHz，即所谓的GSM 900频带，而较高频频带被居中在1800或1900MHz附近，即分别为DCS和PCS频带。如果使天线设备的较高频频带足够宽，即覆盖了1800及1900MHz频带，则实现了手机工作在三种不同的标准频带。
欧洲专利出版物EP 1 003 240 A2公开了一种表面安装天线，其包括靠一间隙分开的第一和第二辐射电极。每个电极被连接到接地的连接电极，从而提供具有两个通频带的双谐振。这两个通频带略微重叠，有效地建立了具有一个宽通频带的单频带天线，而不是双频带天线。没有给出如何获得所希望的天线特性的指导。
欧洲专利出版物EP 1 067 627 A1公开了一种双频带无线装置，其包括均被连接到接地板的第一和第二天线元件。在所述两个天线元件之间提供一个电容性耦合。
在1997年10月第10期第45卷IEEE Transactions on Antennasand Propagation中，由Liu Z D等人所著的一篇文章“Dual-FrequencyPlanar Inverted-F Antenna”的第1451-1458页说明了一种双频带天线。在第1457页说明了一种具有单输入端口的天线，其中指出通过利用公用短路针将两个辐射元件电短路，则双频带天线也可以在单馈下工作。
发明概述本发明的目的是提供一种用于便携式无线通讯设备的天线设备，其克服了上述的问题且其中可以按照定义好的方法获得所希望的工作频带。
另一目的是提供一种包括这样天线设备的便携式无线通讯设备。
另一目的是提供一种以可控方式调节所述天线设备的特性的方法。
本发明基于下述实现，即可以提供具有靠一间隙分隔开的两个元件部分的天线配置，其中一个元件部分被电非接地，且其中所述间隙的长度和宽度以可控方式确定天线的特性。
根据本发明提供有一种如所附权利要求1所定义的天线设备。
根据本发明还提供有如所附权利要求14所定义的便携式无线通讯设备。
还提供有一种如所附权利要求15所定义的调谐天线的方法。
利用上面提到的所发明的天线设备，现有技术的缺陷被消除或者至少被减轻。如所附权利要求定义的根据本发明的天线设备具有这样的配置，其中将两个辐射元件部分分开的间隙可以以可控方式被调节，以获得所希望的特性。
独立的权利要求定义了所发明天线设备的其它优选的实施例。
附图简述现在参考所附附图，通过实例的方法对本发明加以说明，其中
图1是一个被部分分解的手机全景图，其示出印刷电路板的定位及根据本发明的基本天线型式；图2a-5a示出具有所指示的不同参数的基本天线型式；图2b-5b示出从相应的图2a-5a中所示出的基本天线型式中导出的不同天线型式；图2c-5c示出与图2a，b-5a，b所示出的相应天线型式有关的频率图；图6示出另一基本的天线型式；图7示出适合于外部连接器所使用的天线型式；图8示出具有另一可选择形状的天线设备；以及图9和10示出适合于在所希望频带工作的天线设备的频率图。
本发明的详细说明下面将详细说明根据本发明的连接器设备的实施例。在说明中，为了解释但不局限的目的，提出具体细节，如特定的硬件、应用、技术等，以便于提供对本发明的全面理解。然而，对本领域普通技术人员将显然的是本发明可以按照偏离这些具体细节的其它实施例被采用。在其它情况下，众所周知的方法、装置及电路的详细说明被忽略，以便于不用不必要的细节来遮掩对本发明的说明。
同样，当在此后提到方向如“左侧的”或“右侧的”时，这些提及只作为示范性实施例与图中所示有关，而不应该被解释为对保护范围的局限。
在图1中示出总体上被命名为2的手机的一个平面视图、其部分为横断面图。所述手机包括按常规的键区4等。在手机2内部，提供有一个具有基本上对应于手机大小的延伸部分的印刷电路板(PCB)6。在PCB 6上安装有电子电路等(未示出)，用于手机的操作。除了这些电路包括用于操作天线，即用于发送且接收无线频率信号的RF电路这一信息以外，这些电路将不再被进一步加以讨论。
PCB 6还作为内部天线设备的接地板，在所说明的实施例中，所述天线设备是总体上被命名为8且位于手机2上面部分的经修改的PIFA(PIFA-平面反转F天线)。所述天线设备包括一个辐射元件，所述辐射元件被分成总体上为平面的两个部分，即第一内元件10及第二外元件20。辐射元件10、20由一些适当的电导材料如金属片、钢板等制成，或由导电的折曲膜制成。元件10、20被由非导电材料如塑料(未示出)制成的框架来支撑。借助于所述框架，辐射元件基本上平行于PCB 6且在距此一个预先设定的距离处被定位，这是针对这类天线所优选的。
内辐射元件10被连接到接触针12，所述接触针具有基本上垂直于内元件10平面的延伸、且被电连接到在下面的PCB 6的RF电路上。针12，例如以PoGo商标出售的类型，作为天线的馈电部分。接触针12位于辐射元件部分10中心部分内的开孔或孔隙14的边缘，所述孔隙的功能将在下面加以说明。
第二外辐射元件20被连接到接地部分22上，所述接地部分22从此基本上垂直延伸且被连接到在下面的PCB 6的接地设备上。如图中所示，外元件20具有类似于“C”被逆时针转动90度的总体形状，因此基本上环绕内元件10。
因此一个重要特点是天线元件之一被连接到馈电设备且另一天线元件被连接到接地设备上。
内和外元件10、20基本上分别是共平面的且被一非导电空隙或间隙30分开。正如在图中可以看出的那样，间隙30在其三边环绕着内元件10，且在内及外元件10和20之间提供可控的电容性耦合。由于内及外元件10、20之间的间隙，导致存在两个明显的谐振频率。正如下面参考图2a-c--5a-c所说明的那样，借助于这一布置，建立了双频带天线，且在辐射元件之间的电容性耦合被用来确定天线8的特性。
在图2a、2b和2c中示出双频带天线较高频带的谐振频率将如何以可控方式被调节。如图2a所示，在其基本形状中，天线8具有约为900MHz的较低谐振频率及约为1900MHz的较高谐振频率，因此使它适用在适合于GSM 900和PCS频带的双频带手机中。
然而，为了较高频带的精细调谐，内辐射元件10的形状以可控方式被调节。作为其基本形状，内辐射元件10基本上为具有高度h1和宽度w1的矩形，见图2a。它在三边被间隙30所环绕。在图2a中，所述间隙已经被再分成三个部分，即在元件部分10左侧的30a、在元件部分10上面的30b以及在元件部分10右侧的30c。这三个间隙部分30a-c具有基本上相同的宽度。内元件10被示出具有面向间隙部分30a的第一末端部分10a、面向间隙部分30c的第二末端部分10c以及面向间隙部分30b的部分10b，见图1。
通过增加右侧间隙部分30c的宽度d1减少宽度w1，天线特性被改变。更具体而言，通过增强距离d1，较高频带的谐振频率被降低。在图2c中示出一组表示作为频率函数的电压驻波比(VSWR)的曲线。所述曲线表示当内元件10的宽度w1被从图2a中它的原始值调节到如图2b所示大约为其原始值一半时的不同特性。
参考图2c，在图的左侧示出了一组表示较低频带的几乎相同的曲线。因此，可以看出距离d1几乎对这个带没有影响。此重要性在于它确保较高频带的选择性调节。
与较低频带相对照，距离d1和较高频带的谐振频率之间存在显著的相关性。在图中示出一组九个不同的曲线，最右侧曲线表示起始天线即具有小距离d1(在图1中所示出的原始天线)天线的VSWR，且最左侧曲线表示具有如图2b所示的大距离d1的VSWR。中间曲线表示所述小和大距离之间相等间距的距离d1，其中一些对应于图2a中由虚线所指示的内元件10的大小。
引人注意的是较高频带的谐振频率是如何与d1值相关联的。然而，谐振频率的VSWR基本上保持不变。因此可看出距离d1的调节提供了一种简单且准确定义的方法来调节适合于例如手机使用的双频带天线的特性。
利用仅与内元件10大小有关的调节的另一优点是馈电及接地部分12、22的位置保持不变。从设计及制造的观点看，这提供了一种方案，其中在下面的PCB 6的接触点保持不变，即同类型PCB可以用于不同的手机型号，例如用于GSM/DCS和GSM/PCS的双频带电话。
现在参考图3a-c将说明改变天线设备较低频带的谐振频率的方法。此程序与有关较高频带的程序相似，即内元件10的大小被加以调节。然而，不是除去即较接近接地部分22的内元件右手侧部分的一部分，而是除去内元件10左手侧部分的一部分。换句话说，左侧间隙部分30a的宽度被改变，在图3a和3b中这个距离被指示为d2。
在图3c中示出不同d2值的两组曲线，其中一组涉及较低频带而另一组涉及较高频带。较低频带曲线当中最左侧曲线与图3a中所示的基本天线型式即小的原始宽度d2相联系。其它较低频带曲线与连续的d2较高值相联系，即存在d2值与较低谐振频率之间直接的相关性。较低频带曲线的最右侧曲线与图3b中所示的天线型式相联系，其中与基本型式相比较，内辐射元件10的一大部分被除去。
从图3c中也可以看出较高谐振频率实际上保持不变。这意味着通过改变d2值较低频带可以被调节，而不影响较高频带。
现在参考图4a-c将解释以可控方式修改天线设备特性的另一种方法。在图4a中，示出基本天线型式，其具有由d3来指示的上间隙部分30b的有效宽度。在图4b中，示出一经修改的天线型式，其中与基本型式相比较，一部分内元件10已经被除去。与图4a相比较，被除去的内元件材料量对应于实际距离d3的增加。
在此看出通过改变距离d3，两个谐振均受到影响，因此为了以可控方式与天线相匹配，一个附加的可操纵的参数被建立。
上面已经说明了内及外辐射元件10、20可被如何调节，以便以可控方式获得所希望的天线特性。改变特性的另一方法是如下面参考图5a-c所解释的那样改变孔隙14的大小。
较高频带的众多VSWR曲线被示于图5c，其中最右侧曲线与图5a所示的基本天线型式相联系。较高曲线的最左侧曲线与图5b所示的天线型式相联系，其中与基本型式中的孔隙相比较，此孔隙14已经被扩大。落在这两个极端情况之间的中间曲线表示具有图5a和5b所示那些大小之间大小的孔隙的VSWR。因此，通过改变孔隙14的大小，较高谐振频率以可控方式可以被改变。如在参考图2a-c所说明的实施例中，确定较低频率的较低谐振频率实际上保持不变，因此允许较高频带的选择性调节。
除了提供对较高频带的调节以外，孔隙14大小的变化可以用于天线设备的阻抗匹配，或使在这个区域内能够使用外部连接器或其它元件，如从其中提供天线的设备外壳延伸的塑料部件。在图6中示出另一天线型式的平面图，其中内元件10内的孔隙已经被忽略。因此，在图中以阴影所示出的接触针12借助于铆接法被附着到元件10的下面。
在图7中，示出一种类似于图5b所示的天线型式。除了天线元件10、20以外，还示出一个被连接到在下面的PCB 6上、总体上被命名为40的同轴连接器。提供连接器40用于与外部天线设备，如提供在轿车外面上的天线的连接，在所述轿车内手机由所谓的免提装置来操作。因此，孔隙14提供一种将典型大小为6mm直径的外部连接器进行定位的紧凑方案。
在参考图1-7所说明的实施例中，内元件10已经被示出具有矩形形状。然而，许多其它形状是可行的，如在图8所示天线设备8’中使用的那个形状，其中先前实施例中的内矩形元件10已经被具有下部直边缘及上部弯曲边缘的内元件10’所取代。基本上均匀的间隙30’将内元件10’与被指示为20’的外元件分开，外元件具有适合于它安装于手机其中的外部形状。在图8中，手机2’上部部分的轮廓由虚线来指示。同先前实施例一样，内元件10’包括馈电部分12’且外元件20’包括接地部分22’。
最后，在图9和10中示出曲线图，这些曲线图示出根据本发明分别适合于在900/1800MHz频带和900/1900MHz频带工作的天线设备的特性。在此看出，利用所发明的设备可以以可控方式获得所希望的特性。
根据本发明的天线设备的优选实施例已经得到说明。本领域的普通技术人员认识到这些可能在所附权利要求的范围内被变化。因此，在图中所示不同部件的形状当然可以适合于不同的需要。
在图中已经示出了基本天线型式的类似形状和尺度。将理解为只要具有带有馈电部分的内辐射元件的大体形状被带有接地部分的外辐射元件环绕，则这些都可以得到改变。因此，通过除去面向正在考虑中的间隙部分的一部分外元件，左侧和右侧间隙部分30a、30c的有效长度和宽度可以被调节，由此调节了设备的谐振频率。
贯穿附图接地部分22一直被示出具有一个恒定大小。然而，当调节天线设备的特性时，接地部分的大小可以被用作一个参数。
同样在所有的图中，馈电及接地部分12、22的定位是相同的。然而，馈电和接地部分之间的距离可以被用作调节天线设备谐振频率的一个手段。同样，在内部分10的右侧提供接地部分22当然可以由将它放置在内部分10的左侧来取代。在那种情况下，在这一说明中提及到的“左侧的”和“右侧的”应该彼此相交换。
调节双频带天线的较高及较低频带的不同方法已经得到解释。虽然分别说明了不同的方法，但是要理解为同时可能应用不只一种方法。虽然内及外元件10、20已经被加以说明且被示为总体上为平面的，但是要理解为它们可以偏离平面形状，以便于适合于例如其中装备有它们的手机的外部形状。
贯穿这个说明书，已经采用了术语辐射元件。要理解为这个术语涵盖任何适合于接收或发送电磁波的天线元件。
当在这个说明书中提到间隙30的宽度时，这指在正在考虑的间隙部分内的内及外元件10和20之间的距离。同样，当讨论间隙部分的长度时，其指面向正在考虑的间隙部分的内元件10边缘部分的有效长度。
权利要求
1.用于可工作在至少较高和较低频带下的便携式无线通讯设备(2)的天线设备，所述天线设备包括-具有馈电部分(12；12’)的第一总体上为平面的辐射元件部分(10；10’)，所述馈电部分可连接到所述无线通讯设备(2；2’)的馈电设备上；-具有接地部分(22；22’)的第二总体上为平面的辐射元件部分(20；20’)，所述接地部分可连接到所述无线通讯设备的接地设备(6)上，其中所述第一和第二天线元件部分基本上是同平面的且由间隙(30；30’)分开；其特征在于-所述第二辐射元件部分(20；20’)环绕所述第一辐射元件部分(10；10’)，以及-所述第一辐射元件部分在电上是非接地的。
2.根据权利要求1的天线设备，其中所述第二辐射元件部分(20；20’)基本上为C-形状。
3.根据权利要求1或2的天线设备，其中所述接地部分(22；22’)位于所述第二辐射元件部分(20；20’)的外边缘。
4.根据任何一项权利要求1-3的天线设备，其中所述接地部分(22)位于所述第二辐射元件部分(20)的末端部分。
5.根据任何一项权利要求1-4的天线设备，其中所述第一辐射元件部分(10)基本上为矩形。
6.根据任何一项权利要求1-5的天线设备，其中-所述第一辐射元件部分(10)具有第一(10a)、第二(10b)、及第三(10c)边缘部分，-所述第三边缘部分(10c)较所述第一边缘部分(10a)更靠近所述接地部分(22)，并且所述第二边缘部分(10b)位于所述第一和第二边缘部分(10a，10c)之间，以及-所述第一边缘部分(10a)面向所述间隙(30)的第一间隙部分(30a)，所述第二边缘部分(10b)面对第二间隙部分(30b)，且所述第三边缘部分(10c)面对第三间隙部分(30c)。
7.根据权利要求6的天线设备，其中所述间隙部分(30a，30b，30c)基本上具有相等的宽度。
8.根据权利要求6的天线设备，其中所述第一间隙部分(30a)具有超出所述第二(30b)和第三(30c)间隙部分宽度的宽度(d2)。
9.根据权利要求6的天线设备，其中所述第三间隙部分(30c)具有超出所述第一(30a)和第二(30b)间隙部分宽度的宽度(d1)。
10.根据权利要求6的天线设备，其中所述第二间隙部分(30b)具有超出所述第一(30a)和第三(30c)间隙部分宽度的宽度(d3)。
11.根据任何一项权利要求1-10的天线设备，其中所述第一辐射元件部分(10)包括一个孔隙(14)。
12.根据权利要求11的天线设备，其中所述馈电部分(12)位于所述孔隙(14)的边缘。
13.根据权利要求11或12的天线设备，其中所述孔隙适合于接收一个外部连接器(40)。
14.根据权利要求1、2或3的天线设备，其中所述第一辐射元件部分(10’)具有面向所述间隙(30’)的基本上为直的第一边及弯曲的第二边。
15.一种便携式无线通讯设备(2)，其具有键区(4)及带有RF电路的印刷电路板(6)，其特征在于根据任何一项权利要求1-14的天线设备。
16.用于调节根据任何一项权利要求1-14的天线设备的谐振频率的方法，包括调节所述间隙(30)的任何长度和宽度的所述步骤。
17.根据权利要求16用于调节根据权利要求6的天线设备的谐振频率的方法，包括调节所述第一间隙部分(30a)的宽度所述步骤，以便于调节所述较低频带。
18.根据权利要求16用于调节根据权利要求6的天线设备的谐振频率的方法，包括调节所述第三间隙部分(30c)的宽度的所述步骤，以便于调节所述较高频带。
19.根据权利要求16用于调节根据权利要求6的天线设备的谐振频率的方法，包括调节所述第二间隙部分(30b)的宽度的所述步骤，以便于调节所述较高及所述较低频带。
20.根据权利要求16用于调节根据任何一项权利要求11-13的天线设备的谐振频率的方法，包括调节所述孔隙(14)的大小的所述步骤，以便于调节较低频带及/或与所述天线设备相匹配。
全文摘要
用于便携式无线通讯设备(2)的双频带天线设备包括总体上为平面的内(10)和外(20)辐射元件部分。所述内部分被电非接地且可连接到馈电，以及所述外部分可连接到地。所述元件部分基本上为同平面，且由间隙(30；30’)分开，其中所述外元件部分(20)环绕着所述内元件部分(10)。利用这个配置可以按照可控方法获得所希望的天线特性。同样还提供有便携式无线通讯设备及用于分开调节频带的方法。
文档编号H01Q1/24GK1656645SQ01819431
公开日2005年8月17日 申请日期2001年12月19日 优先权日2000年12月20日
发明者O·罗宾 申请人:Amc世纪公司