专利名称：用于数字电视广播移动终端的匹配网络可重构的内置天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于数字电视广播移动终端的可重构天线系统设计，属于无线通信技 术的天线设计领域。
背景技术：
数字电视广播(DVB-H, Digital Video Broadcast- Handheld)是近年来发展起来的 一项通过地面数字广播网络向手持终端提供多媒体业务所制订的传输标准，DVB-H的终端具 有较低的功耗，移动接收的抗干扰性能强，因此该标准适用于移动电话、GPS接收机、手持 计算机等小型便携设备通过地面数字电视广播网络接收数字电视信号，而不占用移动通信
网络中宝贵的频带资源。随着无线通信技术的发展，移动终端体积呈现减小的趋势，在保 持原有性能的基础上减小设备的尺寸决定了产品是否能满足未来发展的要求。如何在小型 移动终端内实现DVB-H服务也成为当前研究的热点。
对于现有的技术，以天线为代表的无源器件很难做到小体积的封装，由于天线要获得 良好的性能，需要必要的空间作保证，如何解决这个问题，是移动终端能否做到小型化的 关键，可以说天线是制约电子产品向小型化、高性能发展的"瓶颈"。主要表现在如下几个 方面:第一，对于DVB-H的工作频段470-770 MHz,自由空间的波长至少需要64cm，对于传 统的天线是无法在小型设备中达到这么低的工作频率。第二，传统天线的带宽一般在10% 左右，而对于DVB-H的带宽470-770 MHz (48.4%)，如何增加天线的带宽是一个极大的挑战。 应对于这些要求，小型化、宽带、易集成、低成本是数字电视广播移动终端天线的发展方 向。而目前研究较热的可重构天线系列就拥有这些优点，是应用于DVB-H服务的理想方案 之一。
可重构天线通过改变天线本身的物理结构，如长度、宽度、位置等，或者改变天线本 身的电特性，如感性、容性等，实时地调整诸如频率、极化等相关参数，并且保持或提高 原有天线的性能。对于DVB-H应用，由于传统内置式天线由于受到体积限制，工作频宽较200810225433.1
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窄。通过重构可以让天线分别工作在多个频段，从而就可以满足天线的高性能和小型化要 求。当前，关于可重构天线的研究很多，其中， 一种较常用的方案是使用变容二极管实现 重构，例如，利用变容二极管改变天线单元加载的电特性，调节改变天线匹配电容。另一 种常用的方案是采用开关切换状态的方式实现重构。例如，利用开关控制天线槽的长度或 者偶极子天线的臂长，控制天线短路点的位置，控制天线馈电点的位置从而控制表面电流 的路径等。以上各种不同的方案对天线体积的减小和性能的提高都有较大的突破，但是对 于DVB-H服务的应用，或者是天线尺寸较大，或者是天线的带宽较窄，难以满足DVB-H终 端内置天线的要求。因此，如果能设计出宽带(工作频带至少覆盖470-770 MHz)、小型化、 易集成、可适用于DVB-H终端的可重构天线，不但将满足数字电视广播业务的发展，而且 可以将这种天线设计方法应用于各种频段要求的小型设备中，促进未来新业务在无线移动 通信中的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现多频带/宽带、小型化、易集成、设计灵活的数字电视广 播移动终端内置天线的结构设计。它克服了现有可重构天线结构和性能的不足，通过对天 线匹配网络的重构，分别对天线进行4种不同感容性匹配，达到大幅度扩展天线带宽的目 的；通过对天线单元和天线的金属地(看作设备的金属外壳)结构的联合设计，达到天线 尺寸的最小化，使天线易于在设备中集成；采用简单的印刷电路板(PCB, printed circuit board)设计匹配电路，根据不同尺寸、带宽改变电路中集总元件参数，无需改变天线单元 的设计，提高了设计的灵活性。
本发明的特征在于，含有金属地、馈线、天线单元，印刷电路板以及匹配电路，其中 金属地，与所述印刷电路板的背面相连接，同时，该金属地为所述匹配电路提供接地； 馈线，采用阻抗为50欧姆的同轴电缆，与所述金属地一侧相连的是所述馈线的外导体， 与所述印刷电路板相连的是所述馈线的内导体；
天线单元，采用蛇形线的结构，在纵视图上折叠成上、中、下三个平面，该天线单元 的输出端与所述匹配电路的输入端相连；
匹配电路，印刷在所述印刷电路板的正面，该匹配电路含有第1射频开关U1、第2 射频开关U2、四位拨码开关S1、四个偏置电阻Rsl、 Rs2、 Rs3、 Rs4、电源、四个隔直电容
Cdl、 Cd2、 Cd3、 Cd4、调节两种感容性匹配状态下所述天线谐振频率用的第1电感L1、调 节另外两种感容性匹配状态下所述天线谐振频率用的第1电容C1、调节所述两种感容性匹 配状态下所述天线工作带宽用的第2电感L2、调节所述另外两种感容性匹配状态下所述天 线工作带宽用的第2电容C2，其中
所述四位拨码开关Sl,位于所述两个射频开关和所述电源之间，用于四种开关组合的 切换，其中第l状态开关l、第2状态开关2、第3状态开关3、第4状态开关4的各个 输入端并联后接电源，而所述各个状态开关输出端则各自串联一个所述偏置电阻Rsl、 Rs2、 Rs3、 Rs4后共同接地；
所述第1射频开关Ul,信号输入端IN1经过所述第3隔直电容Cd3后接所述天线单元 输出端，该第1射频开关Ul的第1电源输入端Vll与所述四位拨码开关Sl中第1状态开 关1的输出端相连接，该第1射频开关Ul的第2电源输入端V21与所述四位拨码开关Sl 中第2状态开关2的输出端相连接，在所述第1射频开关Ul中，对应于所述第1电源输入 端Vll的第1输出端0UT11经过所述第一电容C1后接所述馈线内导体的馈点，对应于所述 第2电源输入端V21的第2输出端0UT21则依次经过所述串联的第一电感Ll、所述第1隔 直电容Cdl后接所述馈点，而GND端接地；
所述第2射频开关U2，信号输入端IN2经过所述第4隔直电容Cd4后与所述馈点相连， 该第2射频开关U2的第1电源输入端V12与所述四位拨码开关Sl中第3状态开关3的输 出端相连接，该第1射频开关Ul的第2电源输入端V22与所述四位拨码开关Sl中第4状 态开关4的输出端相连接，在所述第2射频开关U2中，对应于所述第1电源输入端V12的 第1输出端0UT12经过所述第二电容C2后接地，对应于所述第2电源输入端V22的第2输 出端0UT22则依次经过所述串联的第二电感L2、所述第2隔直电容Cd2后接所述馈点，而 GND端接地；
其中，所述4位拨码开关Sl的4种开关组合是指
第2状态开关2和第4状态开关4的同时闭合或断开，在所述匹配电路中，对应于同 时接入或切断所述电感Ll和电感L2，
第2状态开关2和第3状态开关3的同时闭合或断开，在所述匹配电路中，对应于同 时接入或切断所述电感Ll和电容C2，
第1状态开关1和第4状态开关4的同时闭合或断开，在所述匹配电路中，对应于同
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时接入或切断所述电容Cl和电感L2，
第1状态开关1和第3状态开关3的同时闭合或断开，在所述匹配电路中，对应于同 时接入或切断所述电容Ll和电容C2，
总计产生4中所述匹配状态。
依据所述的一种用于数字电视广播移动终端的匹配网络可重构的内置天线，其特征在 于，所述的四位拨码开关S1是一种开关控制用的数字集成电路芯片。
本发明具有多频带/宽带、小型化、易集成、设计灵活的优点，适用于以数字电视广播 业务为代表的各种通信新技术小型移动终端内置天线的设计。
图1为本发明提供的基于匹配网络切换的可重构蛇形天线系统三维图，深色部分是匹 配网络的印刷电路板。
图2为图1的A向视图即纵向剖面图。 图3为图1的B向视图。
图4为图1中蛇形线天线单元部分结构的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。
图5为图1的A向视图结构的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。
图6为图1中B向视图结构和匹配网络电路板的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mra)。
图7为匹配网络的元件示意图。
图8为匹配网络的实施实例电路图。
图9为图4—图8的实施实例4个切换状态的回波损耗(S11)测量图。
具体实施例方式
本发明提供一种宽带数字电视广播移动终端的内置天线，具体实施方案包括 印刷电路板；
匹配电路，印刷在印刷电路板的正面，包含两个串联支路和两个并联支路，串联支路 连接馈点与天线，并联支路连接天线与地。匹配电路中含有部件-
射频开关，单刀双掷，共有2个，Ul在两个串联支路的选择其一，U2在两个并联支路 的选择其一；串联电感L1，位于其中一个串联支路，调节两种匹配状态下天线的谐振频率； 串联电容C1，位于另一个串联支路；调节另外两种匹配状态下天线的谐振频率； 并联电感L2，位于其中一个并联支路，调节两种匹配状态下天线的工作带宽； 并联电容C2，位于另一个并联支路，调节另外两种匹配状态下天线的工作带宽； 隔直电容，共有4个，Cdl和Cd2分别位于有电感的两个支路，Cd3天线连接，Cd4在 并联支路与馈点连接；
电源，为射频开关提供工作偏置电压；
四位拨码开关S1，位于射频开关和电源之间，用于4种状态开关的切换； 偏置电阻Rsl、 Rs2、 Rs3、 Rs4，位于拨码开关和射频开关之间，为开关； 天线单元，采用蛇形线的结构，折叠成三个面，用轻木作为支撑，蛇形线的长度决定 未重构天线的工作频率；
金属地，印刷电路板的背面焊接在金属地上面，可看作设备的金属外壳，等效于偶极 子天线的一个臂(天线单元相当于另一个臂)，同时为匹配电路提供接地；
馈线，采用同轴电缆，内导体连接匹配电路馈电，外导体接地，特征阻抗为50欧姆。 如图1一图3所示，天线系统包括金属地l、匹配电路板2、馈线3和天线单元4。金 属地1与电路板2的背面连接，电路板2的正面为印刷的匹配电路；馈线3、天线单元4与 电路板2连接方式如图3所示，馈线3，内导体与电路板连接，外导体与金属地连接；天线 单元4的结构如图4所示，采用蛇形线结构，在三个平面折叠如图所示；电路板2中天线 单元4、馈线3以及各个元件的连接方式如8所示，包括天线到馈点的串联支路、馈点到金 属地1的并联支路和射频开关U1、 U2的偏置电路，串联支路的连接顺序特征是天线单元 一〉隔直电容Cd3—〉射频开关Ul—〉串联电感Ll、隔直电容Cdl或者串联电容C1—〉馈点； 并联支路的连接顺序特征是馈点一〉隔直电容Cd4—〉射频开关U2—〉并联电感L2、隔直电 容Cd2或者并联电容C2—〉金属地；偏置电路连接顺序特征是电源VCC—〉偏置电阻R1—〉 金属地；其中电源VCC可以采用外接电源或者电池。
本发明的技术方案是这样实现的天线单元采用蛇形线的目的是在较小的空间放置较
长的天线，调整天线的长度使其在一个适合的频率下工作(470-770MHz之间即可，图4的 尺寸工作频率为600MHz)。将需要覆盖的频段470-770MHz分为4个子频段，对这4个子频 段分别进行匹配，也就是4种匹配电路。本发明中采用2个单刀双掷开关，来控制22=4个
状态，即在串联电感L1和串联电容C1中选出一个，在并联电感L2和并联电容C2选出一 个组成一个匹配电路，故4种电路。电路切换对外的窗口是4位拨码开关S1，通过控制U1、 U2上的偏置电压，对需要的元件进行选择。串联电感L1和并联电感L2、串联电感L1和并 联电容C2、串联电容C1和并联电感L2、串联电容C1和并联电容C2依次4种实现感容性
匹配状态，最终实现整个频段的匹配。 该结构具体说明如下
首先根据移动终端分配给天线的体积设计天线单元，由于设备的外壳(金属地)是天 线辐射的主体，所以将天线单元与外壳联合设计，使其工作在可重构的范围之内，关键是 找到能达到这个范围的最小结构，本发明的蛇形线结构就源于这个思想；其次，决定用2 个开关实现4种匹配状态(开关过多会引入较大的损耗)，将470-770MHz分配到4个子频 段中，为保证整个频段的覆盖，子频段之间可以有重叠的部分；第三，分别对天线都在4 个子频段中进行匹配，每种状态采用一个串联元件和一个并联元件，利用仿真优化确定需 要的元件；最后，将匹配网络设计成PCB，由于电路板有一定寄生参数的影响，在实施中使 用的元件可能和仿真结果的元件略有不同。本发明的匹配网络可以采用最普通的数字电路 PCB制作工艺制作。
在电路板的实施过程中，要考虑偏置、隔直的一些因素，所以需要附加的元件如偏置 电阻、隔直电容等。为使电路的寄生参数最小以及天线小型化的需求，所有的元件采用0402 封装，布线尽量短，电路板面积达到最小。
金属地1用lmm厚的介质基片支撑，相对介电常数为4. 4 (普通数字电路板材料FR4， 与匹配电路板材料相同)；其余各部份尺寸如图5—图7所示，单位均为毫米(mni)。
以图4一图7所示尺寸制作的天线的回波损耗测试结果如图9所示，图9中包括4种感 容匹配状态，依次为a、 b、 c、 d，电路中重要元件对天线匹配的作用如下
1. 串联电感L1的作用
调节天线在所述感容匹配状态a、 b的谐振频率，通过增加L1的电感值，可以同时降 低状态a、 b的谐振频率；减小L1的电感值，可以同时提高状态a、 b的谐振频率；
2. 串联电容C1的作用
调节天线在所述感容匹配状态c、 d的谐振频率，通过增加C1的电感值，可以同时降
低状态C、 d的谐振频率；减小C1的电感值，可以同时提高状态C、 d的谐振频率；
3. 并联电感L2的作用
调整天线在所述感容匹配状态a、 c的工作带宽，L2的取值和工作带宽之间的相关性是 非单调的，存在着一个最优点，元件值偏离最优以后，匹配状况均会恶化。
4. 并联电容C2的作用
调整天线在所述感容匹配状态b、 d的工作带宽，与L2—样，C2的取值和工作带宽之 间的相关性也是是非单调的，优化的目的是找到最优点。
通过优化，得到适合本发明实施实例尺寸的天线匹配的元件值为Ll=5. l纳亨(nH)， L245纳亨(nH)， C^4.7皮法(pF), C2=5. 6皮法(pF) ， 4个隔直电容为47皮法(pF)，偏置 电阻为2. 2千欧姆。如图9所示，回波损耗S- 6 dB可以覆盖整个470—770MHz的数字电视 广播频段。
本发明的匹配电路不仅可以应用在数字电视广播小型移动终端中，也可以用于其它业 务的移动终端内置天线的重构，电路不受设备体积的限制，可以在各个不同的频段对天线 进行匹配，然后用开关进行切换。故本发明非常适用于移动终端内置内线宽带、小型化的 设计。
权利要求
1. 用于数字电视广播移动终端的匹配网络可重构的内置天线，其特征在于含有金属地、馈线、天线单元，印刷电路板以及匹配电路，其中金属地，与所述印刷电路板的背面相连接，同时，该金属地为所述匹配电路提供接地；馈线，采用阻抗为50欧姆的同轴电缆，与所述金属地一侧相连的是所述馈线的外导体，与所述印刷电路板相连的是所述馈线的内导体；天线单元，采用蛇形线的结构，在纵视图上折叠成上、中、下三个平面，该天线单元的输出端与所述匹配电路的输入端相连；匹配电路，印刷在所述印刷电路板的正面，该匹配电路含有第1射频开关(U1)、第2射频开关(U2)、四位拨码开关(S1)、四个偏置电阻(Rs1)、(Rs2)、(Rs3)、(Rs4)、电源、四个隔直电容(Cd1)、(Cd2)、(Cd3)、(Cd4)、调节两种感容性匹配状态下所述天线谐振频率用的第1电感(L1)、调节另外两种感容性匹配状态下所述天线谐振频率用的第1电容(C1)、调节所述两种感容性匹配状态下所述天线工作带宽用的第2电感(L2)、调节所述另外两种感容性匹配状态下所述天线工作带宽用的第2电容(C2)，其中所述四位拨码开关(S1)，位于所述两个射频开关和所述电源之间，用于四种开关组合的切换，其中第1状态开关(1)、第2状态开关(2)、第3状态开关(3)、第4状态开关(4)的各个输入端并联后接电源，而所述各个状态开关输出端则各自串联一个所述偏置电阻(Rs1)、(Rs2)、(Rs3)、(Rs4)后共同接地；所述第1射频开关(U1)，信号输入端(IN1)经过所述第3隔直电容(Cd3)后接所述天线单元输出端，该第1射频开关(U1)的第1电源输入端(V11)与所述四位拨码开关(S1)中第1状态开关(1)的输出端相连接，该第1射频开关(U1)的第2电源输入端(V21)与所述四位拨码开关(S1)中第2状态开关(2)的输出端相连接，在所述第1射频开关(U1)中，对应于所述第1电源输入端(V11)的第1输出端(OUT11)经过所述第一电容(C1)后接所述馈线内导体的馈点，对应于所述第2电源输入端(V21)的第2输出端(OUT21)则依次经过所述串联的第一电感(L1)、所述第1隔直电容(Cd1)后接所述馈点，而GND端接地；所述第2射频开关(U2)，信号输入端(IN2)经过所述第4隔直电容(Cd4)后与所述馈点相连，该第2射频开关(U2)的第1电源输入端(V12)与所述四位拨码开关(S1)中第3状态开关(3)的输出端相连接，该第1射频开关(U1)的第2电源输入端(V22)与所述四位拨码开关(S1)中第4状态开关(4)的输出端相连接，在所述第2射频开关(U2)中，对应于所述第1电源输入端(V12)的第1输出端(OUT12)经过所述第二电容(C2)后接地，对应于所述第2电源输入端(V22)的第2输出端(OUT22)则依次经过所述串联的第二电感(L2)、所述第2隔直电容(Cd2)后接所述馈点，而GND端接地；其中，所述4位拨码开关(S1)的4种开关组合是指第2状态开关(2)和第4状态开关(4)的同时闭合或断开，在所述匹配电路中，对应于同时接入或切断所述电感(L1)和电感(L2)，第2状态开关(2)和第3状态开关(3)的同时闭合或断开，在所述匹配电路中，对应于同时接入或切断所述电感(L1)和电容(C2)，第1状态开关(1)和第4状态开关(4)的同时闭合或断开，在所述匹配电路中，对应于同时接入或切断所述电容(C1)和电感(L2)，第1状态开关(1)和第3状态开关(3)的同时闭合或断开，在所述匹配电路中，对应于同时接入或切断所述电容(L1)和电容(C2)，总计产生4中所述匹配状态。
2.依据权利要求1所述的一种用于数字电视广播移动终端的匹配网络可重构的内置天 线，其特征在于，所述的四位拨码开关(Sl)是一种开关控制用的数字集成电路芯片。
全文摘要
用于数字电视广播移动终端的匹配网络可重构的内置天线，属于天线设计领域，其特征在于，在印刷在印刷电路板正面的匹配电路中，加入一个四位拨码开关，通过控制指定的四种开关状态的组合来控制由两个电感和两个电容组成的4个感容参数中指定的两两组合，以控制所述参数组合中的四组参数匹配状态，来达到调节四个工作频段中的谐振频率和工作带宽的目的。本发明具有多频带、宽带、小型化、便于集成、控制灵活的优点，适用于以数字电视广播业务为代表的各种小型移动终端内置天线上。
文档编号H01Q1/24GK101388486SQ20081022543
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月31日 优先权日2008年10月31日
发明者冯正和, 张志军, 越 李, 陈文华 申请人:清华大学