专利名称：天线装置和无线通信装置的制作方法
天线装置和无线通信装置技术领域
本文中讨论的实施方式涉及天线装置和无线通信装置。
背景技术：
近年来，已对多频带天线给予关注，多频带天线可以发送并接收多个相互不同频带的无线电波。具体地说，世界上的很多国家在无线电通信系统中使用诸如800兆赫(MHz) 频带、I. 7千兆赫(GHz)频带和2GHz频带的不同频带，因此正在研究可以使用不同频带的多频带天线。
这样的多频带天线通常包括响应于多个频带中的相应的无线电波而谐振的天线元件。当多频带天线发送或接收任何频带的无线电波时，与该频带对应的天线元件谐振。因此，在增加适合于天线的频带的数量的情况下，天线元件的数量倾向于增加，这导致多频带天线的尺寸的增大。为了解决该问题，已经提出了有关天线元件的形状的各种构想，以减小多频带天线的尺寸。
此外，已经考虑过这样的结构，在该结构中，将开关连接到天线元件，并且该开关用于选择是否向例如一个天线元件馈送电力。这旨在减小多频带天线的尺寸，同时允许使用具有多个频带的多频带天线。发明内容
根据实施方式的一个方面，一种天线装置包括馈电元件，其具有能够在特定频带中谐振的长度；分布常数馈电线路，其一端接地并且其另一端连接到所述馈电元件以形成馈电点；电抗元件，其一端接地并且其另一端连接到与所述馈电线路的所述馈电点相距特定距离的位置；第一开关，其布置在所述馈电线路和所述电抗元件之间，并且用于选择将所述馈电线路与电抗元件连接还是断开；寄生元件，其与所述馈电元件相邻地布置，并且具有能够在与所述馈电元件谐振的频带不同的频带中谐振的长度；以及第二开关，其用于选择是否将所述寄生元件接地。
实施方式的目的和优点至少通过在权利要求中具体指出的元件、特征和组合来实现并获得。
应当理解，上述一般描述和下面的详细描述仅是示例性和说明性的，并且并不是如权利要求那样对本发明进行限制。
图I是示出根据实施方式的天线装置的示意性结构的立体图。
图2示出实施方式的天线元件的形状。
图3A示出从图2中A的方向看到的馈电元件131和132。
图3B示出从图2中B的方向看到的馈电元件131和寄生元件140。
图4是示出根据实施方式的天线装置的等效电路的图。〔0013〕图5是示出根据实施方式的天线装置的操作模式的表。
〔0014〕图6是示出操作模式1中的参数、的具体示例的曲线图。
〔0015〕图7是示出操作模式2的图。
〔0016〕图8是示出操作模式2中的参数、的具体示例的曲线图。
〔0017〕图9是示出操作模式3的图。
〔0018〕图104是示出操作模式3中的参数、的具体示例的曲线图。
〔0019〕图108是示出操作模式4中的参数、的具体示例的曲线图。
〔0020〕图11是示出根据实施方式的无线通信装置的配置的框图。
〔0021〕图12是示出多频带天线的回波损耗的具体示例的曲线图。
具体实施例方式
〔0022〕 作为无线电通信系统的标准化组织的第三代伙伴计划〈3⑶ )正在开发长期演进 (^)作为新的标准。在实现[观时，除了当前使用的频带800腿2、17冊2和2冊2以外，预 期将使用1. 56！！2的频带。
〔0023〕 但是，1. 56112的频带是介于当前使用的800腿2和1. 7冊2及2冊2之间的中间频 带。这就产生了难以在15冊2的频带中高效地发送和接收无线电波的问题。具体地说，例 如，如图12所示，已经考虑了在800腿2的频带10和覆盖1. 7冊2和2冊2的频带20中具有 低回波损耗的多频带天线。
〔0024〕 多频带天线在回波损耗(仪如⑶1088〉低的频带10和20中高效地发送和接收无 线电波，而回波损耗在介于这些频带之间的中间的1.5(^2的频带中高。即，1.5(^2频带是 在常规频带10和20中谐振的天线元件的反谐振频带。因此，即使添加适合于1. 5(^2频带 的无线电波的天线元件，其他天线元件的回波损耗也是高的，这导致了低效率。因此，仅增 加在1. 5(^2频带中谐振的天线元件不能够获得高效率的多频带天线。 〔0025〕 同理，例如关于2’ 56112或更大的频带，存在着在800腿2频带、1. 7冊2频带和2冊2 频带中谐振的常规天线元件的反谐振频带。因此，不容易获得也可以用于这样的频带的多 频带天线。
〔0026〕 考虑到这一点，所公开的技术的目的是提供一种在可以高效率发送并接收无线电 波的多个频带中能够使用中间频带的天线装置和无线通信装置。
〔0027〕 在本申请的一个方面，在本申请中公开的天线装置包括馈电元件，其具有能够在 特定频带谐振的长度；分布的常数馈电线路，其一端接地并且其另一端连接到馈电元件以 形成馈电点；电抗元件，其一端接地并且其另一端连接到与馈电线路的馈电点相距特定距 离的位置；第一开关，其布置在馈电线路和电抗元件之间，并用于选择连接还是断开馈电线 路和电抗元件；寄生元件，其与馈电元件相邻地布置，并且具有能够在与馈电元件谐振的频 带不同的频带中谐振的长度；以及第二开关，其用于选择是否将寄生元件接地。 〔0028〕 根据这个方面，本申请中公开的天线装置和无线通信装置可以成功地用于能够高 效率发送并接收无线电波的多个频带中的中间频带。
〔0029〕 下面，将参照附图详细地描述在本申请中公开的天线装置和无线通信装置。要理 解的是，实施方式不限制本发明。
〔0030〕 图1是示出根据实施方式的天线装置100的示意性结构的立体图。图1中示出的天线装置100主要包括基板110、接地层120、馈电线路130、馈电元件131和132、寄生元件 140、开关150a和150b、电感元件160a和160b以及开关170。
基板110是由诸如玻璃环氧片、陶瓷或铁素体的电介质或磁性材料制成的板状部件。馈电线路130、馈电元件131和132、寄生元件140、开关150a和150b、电感元件160a 和160b以及开关170布置在基板110的一面上。接地层120形成在基板110的另一面上。
接地层120由具有接地电压的诸如铜的导体制成，并且形成在基板110的背面 (图I中未示出)上。但是，接地层120并不形成在基板110的整个表面上，而是形成在不包括基板110的一端的区域中，如图I所示。即，在不包括基板110的一端的区域上布置具有大约0. 035mm厚度的铜箔，从而形成接地层120。
馈电线路130是例如包括微带线、带状线或共面线的分布常数线路，并将电力馈送到馈电元件131和132。馈电线路130的一端130a经由通孔(未示出)穿过基板110并且与接地层120相连。在形成接地层120的区域的一端，形成用于向馈电元件131和132 馈送电力的馈电点130b。
馈电元件131和132 —起形成连接到馈电线路130的T形单极天线，并且分别按照与基板110的正面表面垂直延伸的方式形成，如图I所示。馈电元件131在I. 7GHz和 2GHz的较高频带谐振。相反,馈电元件132在800MHz的较低频带谐振。注意,稍后将给出有关馈电元件131和132的具体形状的细节。
寄生元件140是倒L形元件，其与馈电线路130以及馈电元件131和132相邻地设置，并且寄生元件140的一端140a经由通孔(未示出)穿过基板110并且与接地层120 相连。在点140b附近,寄生元件140靠近馈电点130b以使得能够电磁稱合。寄生元件140 在与馈电元件131和132谐振的频带之间的中间频带相对应的I. 5GHz的频带中谐振。开关170设置在寄生元件140的一端140a的附近。注意，稍后将给出有关寄生元件140的具体形状的细节。
馈电元件131和132以及寄生元件140可以由作为导体的金属片形成，并且还可以通过在基板110或膜上印刷金属图案来形成。
开关150a用于选择连接还是断开馈电线路130和电感元件160a。即，开关150a 布置在馈电线路130和电感元件160a之间。注意，开关150a布置在基板110的形成有接地层120的区域内，在与馈电线路130的馈电点130b相距例如2. 8mm的位置处被连接。开关150a使馈电线路130和电感元件160a连接以改变馈电元件131和馈电线路130的有效电气长度，使得天线装置100适合于I. 7GHz的频带。
开关150b用于选择连接还是断开馈电线路130和电感元件160b。即，开关150b 布置在馈电线路130和电感元件160b之间。注意，开关150b布置在基板110的形成有接地层120的区域内，在与馈电线路130的馈电点130b相距例如4. Omm的位置处被连接。开关150b使馈电线路130和电感元件160b连接以改变馈电元件132和馈电线路130的有效电气长度，使得天线装置100适合于800MHz的频带。
开关150a和150b布置在基板110的形成有接地层120的区域内。这可以减轻流过用于控制这些开关的接通和断开的控制线的电流对馈电元件131和132以及寄生元件140施加的影响。注意，可以例如使用微机电系统(MEMS)和PIN 二极管的开关作为开关 150a 和 150b。
电感元件160a是诸如线圈的感应元件。电感元件160a在一端连接到开关150a, 并且在另一端经由通孔(未示出)通过基板110并且与接地层120相连接。通过将电感元件160a的电感设置为5毫微亨利(nH)，当开关150a被接通时，天线装置100适合于I. 7GHz 的频带。
电感元件160b是诸如线圈的感应元件。电感元件160b在一端连接到开关150b, 并且在另一端经由通孔(未示出)通过基板110并且与接地层120相连接。通过将电感元件160b的电感设置为8毫微亨利(nH)，当开关150b被接通时，天线装置100适合于800MHz 的频带。
开关170设置在寄生元件140的一端140a附近，并用于选择连接还是断开寄生元件140和接地层120。即，当连接时，开关170使寄生元件140接地。开关170连接寄生元件140和接地层120，由此使天线装置100适合于I. 5GHz的频带。注意，开关170布置在基板110的形成有接地层120的区域内。
由于开关170布置在基板110的形成有接地层120的区域内，因此可以减轻流过用于控制开关170的接通和断开的控制线的电流对馈电元件131和132以及寄生元件140 施加的影响。注意，如开关150a和150b的情况那样，可以例如使用MEMS和PIN 二极管的开关作为开关170。
参照图2和图3，下面将具体地描述根据实施方式的馈电元件131和132以及寄生元件140的形状。
图2示出了根据实施方式的天线元件的形状。如图2所示，馈电元件131和132 二者都连接到馈电点130b，并且穿过馈电点130b的线用作将馈电元件131和132彼此分隔开的边界。馈电元件131和132形成在基板110的距接地层120最远的一边。馈电元件131 包括与基板110的表面垂直地延伸的第一平面部131a和面对基板110的表面的第二平面部131b。通过在与基板110的表面垂直延伸的平面内向后折叠长且窄的金属片，形成馈电元件132。
另一方面，寄生元件140布置在比馈电元件131和132更靠近接地层120的位置处，并且寄生元件140是通过在基板110的表面上设置倒L形金属片而形成的。在实施方式中，寄生元件140的一部分靠近馈电点130b，因此寄生元件140和馈电点130b彼此电磁耦合以增加流过寄生元件140的电流。这导致天线装置100的良好适应状态。
图3A和图3B示出了根据实施方式的从图2中A和B的方向看到的天线。S卩，图 3A表示从图2中A的方向看到的馈电元件131和132，并且图3B表示从图2中B的方向看到的馈电元件131和寄生元件140。
如图3A所示，馈电元件131的第一平面部131a是近乎梯形的。具体地说，第一平面部131a具有近乎梯形的形状，其在基板110侧具有例如15_长的边，具有与该边平行的例如IOmm长的边，并且其高度是10mm。结果，在第一平面部131a的馈电元件132侧形成直角三角形之斜边131c。同样，第一平面部131a形成为上述的锥形，其在馈电元件131谐振的频带I. 7GHz和2GHz展开，并保证馈电元件131和132之间的距离以减轻馈电元件131 和132彼此施加的影响。
第二平面部131b连接到第一平面部131a的远离基板110的边，如在图3B所示。 第二平面部131b具有矩形形状，S卩，例如宽度为IOmm并且高度为4mm。同样，按照从第一平面部131a的端部向后折叠的方式形成第二平面部131b，使得在有限的空间中保证所需要的元件长度。这减小了天线装置100的尺寸，并同时使天线装置100能够用于I. 7GHz和 2GHz的频带。
如图3A所示，通过向后折叠长且窄(具有例如2mm的宽度)的金属片，形成馈电元件132。具体地说，馈电元件132包括沿基板110的表面延伸例如35mm的第一延长部132a、 与基板110的表面垂直延伸的第二延长部132b以及在与基板110的表面平行地向后折叠的第三延长部132c。第一延长部132a、第二延长部132b和第三延长部132c按照这种方式形成，以在有限的空间中保证较长的元件长度。这减小了天线装置100的尺寸，并同时使天线装置100能够用于800MHz的频带。
另一方面，如图3B所示，寄生元件140是其中以倒L的形状形成长且窄(具有例如1_的宽度)的金属片的天线元件。寄生元件140的最远离接地层120的部分与接地层 120相距例如8mm，并且馈电元件131和132更远离接地层120。因此，馈电元件131和132 适合的频带可以扩展。相反，寄生元件140适合的频带比馈电元件131和132适合的频带窄。但是，如稍后将描述的，因为寄生元件140所覆盖的频带是较窄的带宽，因此这并不是问题。
寄生元件140接近点140b的部分靠近馈电点130b，彼此之间具有例如Imm的间隔。因此,寄生元件140和馈电点130b彼此电磁耦合，以增加流过寄生元件140的电流。这导致天线装置100的良好适应状态。
下面将描述如上所述地配置的天线装置100的操作。图4示出了根据实施方式的天线装置100的等效电路。即，如图4所示，馈电线路130的一端接地，馈电元件131和132 连接到馈电线路130的另一端，并且电感元件160a和160b经由开关150a和150b连接到馈电线路130的中央。电感元件160a的一端和电感元件160b的一端也接地。寄生元件140 与馈电元件131和132相邻地布置，并且寄生元件140的一端经由开关170接地。
通过使用馈电元件131和132以及寄生元件140这三个天线元件、通过连接和断开开关150a、150b和170，根据本实施方式的天线装置100可以用于四个频带。具体地说， 天线装置100可以使用800MHz、I. 5GHz、l. 7GHz和2GHz四个频带，在这些频带中发送并接收无线电波。这些频带对应于图5中示出的四个频带。
以下，将对天线装置100的分别与图5中示出的四个频带相对应的操作模式进行描述。在图5中示出的四个频带中，频带I对应于800MHz频带，并在采用诸如FOMA(注册商标)Plus、全球移动通信系统(GSM)800 &GSM900的通信系统的无线电通信系统中使用。 同理，频带2对应于I. 5GHz频带并将在采用例如LTE的无线电通信系统中使用。频带3和频带4在采用诸如FOMA、GSM1800和GSM1900的通信系统的无线电通信系统中使用。
图5中示出的频带I至4的中心频率是883MHz、1479. 4MHz、1795MHz和2008. 8MHz, 它们分别对应于800MHz、I. 5GHz、l. 7GHz和2GHz频带。注意，频带2的带宽为63MHz，比频带1、3和4窄。根据本实施方式的天线装置100具有分别对应于频带I至4的操作模式。
操作模式I是断开全部开关150a、150b和170的操作模式。在该操作模式中，处于形成接地层120的范围中的馈电线路130并不导致无线电波的相位旋转，因此从馈电点 130b到馈电元件131的端部的部分就形成了一个天线元件。该天线元件的长度是使得能够在频带4中谐振的长度，并因此在操作模式I中获得了对频带4的适应性。具体地说，从馈电点130b到馈电元件131的第二平面部131b的端部的整个长度是使得能够与频带4的 2GHz频带中的无线电波谐振的长度。同样，在操作模式I中，从馈电点130b到馈电元件131 的端部的部分在频带4中谐振，因此生成电流。这使得可以发送和接收频带4的无线电波。
在图6中示出了操作模式I中的参数S11的具体示例。注意，参数S11是表示天线装置100的适应状态的参数，并且天线装置100在参数S11 —般为-6dB或更小的频带中处于良好适应状态。从图6可以看出，在操作模式I，在频带4的从下截止频率L4 (1850MHz) 到上截止频率H4 (2167. 6MHz)的区段中，参数S11为_6dB或更小，这导致对频带4的良好适应性。
此外，在操作模式I中，除了频带4，参数S11在频带I至3中较大，这导致与频带I 至3的不适应。由于该原因，在接收例如频带4的无线电波的情况下，频带I至3的接收电平较低，这降低或消除了对用于降低频带I至3的接收电平的滤波器等的需要。结果，可以降低包括天线装置100的无线通信装置的制造成本。
接着，操作模式2是只接通开关150a的操作模式。此时，除了馈电元件131，从馈电点130b到馈电线路130的连接开关150a的位置的部分导致了无线电波的相位旋转，并且由图7中示出的虚线包围的部分形成一个天线元件。该天线元件具有使得能够在频带3 中谐振的长度，并且因此在操作模式2中获得与频带3的适应性。具体地说，从馈电线路 130的连接开关150a的位置到馈电元件131的第二平面部131b的端部的整个长度是使得能够在频带3的I. 7GHz频带中的无线电波谐振的长度。这样，在操作模式2中，从馈电线路130的连接开关150a的位置到馈电元件131的第二平面部131b的端部的部分在频带3 中谐振，因此生成电流。这使得能够发送和接收频带3的无线电波。换言之，在操作模式2 中，天线元件的电气长度比在操作模式I中的电气长度长，这使谐振频率移动到较低的值， 并因此获得了与在频率方面比频带4低的频带3的适应性。
在操作模式2中，接通开关150a，这使得馈电线路130和接地层120经由电感元件 160a相连接，因此适应状态可以保持得好。将对这方面进行简要描述。
一般来说，下面的等式(I)表示在频率f0处的天线阻抗ZL。
Zl = Rf0+jXf0(I)
这里，Rftl对应于阻抗\的实数分量，并且Xftl对应于阻抗\的虚数分量。此时，考虑其中将具有通过下面等式(2)表示的长度I的线路连接到馈电点，并且天线阻抗&的相位从波源来看被旋转的情况。
权利要求
1.一种天线装置，该天线装置包括馈电元件，其具有能够在特定频带中谐振的长度；分布常数馈电线路，其一端接地并且其另一端连接到所述馈电元件以形成馈电点；电抗元件，其一端接地并且其另一端连接到与所述馈电线路的所述馈电点相距特定距离的位置；第一开关，其布置在所述馈电线路和所述电抗元件之间，并且用于选择将所述馈电线路和所述电抗元件连接还是断开；寄生元件，其与所述馈电元件相邻地布置，并且该寄生元件具有能够在与所述馈电元件谐振的频带不同的频带中谐振的长度；以及第二开关，其用于选择是否将所述寄生元件接地。
2.根据权利要求I所述的天线装置，该天线装置还包括基板；以及接地电压接地部，其形成在所述基板的一面的一部分的范围内，其中，所述馈电线路和所述电抗元件都在一端连接到所述接地部。
3.根据权利要求2所述的天线装置，其中，所述馈电元件包括在最远离所述基板的所述接地部的边相对于所述基板垂直延伸的部分。
4.根据权利要求3所述的天线装置，其中，所述馈电元件包括第一平面部，其与所述基板的表面垂直地延伸；以及第二平面部，其从所述第一平面部的端部开始与所述基板的表面平行地延伸。
5.根据权利要求4所述的天线装置，其中，所述第一平面部具有近似梯形的形状，并且其宽度随着与所述基板的表面的距离增加而减小。
6.根据权利要求3所述的天线装置，其中，所述馈电元件按照延长部与所述基板的表面垂直布置的方式形成，所述延长部通过在一个平面内向后折叠导体而形成。
7.根据权利要求2所述的天线装置，其中，所述第一开关布置在所述基板的背面的形成有所述接地部的区域内。
8.根据权利要求2所述的天线装置，其中，所述第二开关布置在所述基板的背面的形成有所述接地部的区域内。
9.根据权利要求I所述的天线装置，其中，所述寄生元件按照所述寄生元件的至少一部分靠近所述馈电点的方式布置。
10.根据权利要求2所述的天线装置，其中，所述寄生元件在比所述馈电元件谐振的频带窄的频带中谐振，并且所述寄生元件被布置得比所述馈电元件更靠近所述接地部。
11.根据权利要求I所述的天线装置，其中，在降低所述馈电元件谐振的频带的情况下，所述第一开关将所述馈电线路和所述电抗元件从不连接状态切换到连接状态。
12.根据权利要求I所述的天线装置，其中，当所述第一开关使所述馈电线路和所述电抗元件不连接时，所述第二开关使所述寄生元件接地。
13.一种无线通信装置，该无线通信装置包括权利要求I所述的天线装置；以及控制器，在发送和接收第一频带的信号的情况下，所述控制器使所述第一开关和所述第二开关处于断开状态，在发送和接收第二频带的信号的情况下，所述控制器使所述第一开关处于接通状态，并且在发送和接收第三频带的信号的情况下，所述控制器使所述第二开关处于接通状态。
全文摘要
本发明涉及天线装置和无线通信装置。天线装置包括馈电元件，其具有能够在特定频带中谐振的长度；分布常数馈电线路，其一端接地并且其另一端连接到馈电元件以形成馈电点；电抗元件，其一端接地并且其另一端连接到与馈电线路的馈电点相距特定距离的位置；第一开关，其布置在馈电线路和电抗元件之间，并用于选择是将馈电线路和电抗元件连接还是断开；寄生元件，其与馈电元件相邻地布置，并且具有能够在与馈电元件谐振的频带不同的频带中谐振的长度；以及第二开关，其用于选择是否将寄生元件接地。
文档编号H01Q1/22GK102544703SQ20111032514
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月24日 优先权日2010年11月18日
发明者山雅城尚志 申请人:富士通株式会社