使用接地的微波元件改善天线隔离度

摘要

本发明描述了一种用于在电子通信设备中使用接地的RF微波元件和方向图(结构)改善天线隔离度的方法。根据本发明的实施方式，该RF微波元件可实现为四分之一波长传输线路(例如带状线)的短路段，或该RF微波元件可以包含金属耦合器和两个具有不同长度的薄带状线，或该RF微波元件可以使用巴仑概念实现。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2004年8月20日的美国临时专利申请号No.60/603,459和提交于2005年7月11日的非临时美国专利申请号No.11/79,811的优先权。

技术领域

本发明总体涉及天线并更具体地涉及在手机或无线通信设备中改善天线隔离度。

背景技术

互耦是指多天线系统中的临近天线元件的电磁干扰。每个元件中的电流与附近元件的电磁耦合使得元件上的理想电流分布畸变。这引起了辐射方向图的变化并且还引起天线输入阻抗的变化。从RF的角度而言，天线馈电端口之间的隔离度与互耦是相同的。所以低隔离度意味着将引起端口之间能量传递的高的耦合，并且因此，降低天线的效率。隔离度的强度通过观察天线的散射参数(S参数)来测量。所以，举例而言，S参数S₂₁确定从端口1到端口2泄漏了多少能量。

此外，典型的移动电话天线通常包括分别作为天线的正极和负极工作的谐振天线元件以及或多或少谐振的该电话基板。这种概括的有效性与天线元件的类型无关。在实践中，PWB(印刷电路板)的接地平面也作为天线的主地线工作，并且依赖于该电话的内部结构，由天线所引入的电流扩展至整个基板。PWB上的电流都集中在边缘。

现代的电话终端被设计在多个蜂窝和非蜂窝系统中操作。因此，终端还必须包括多个天线元件以便覆盖所有所期望的频带。在一些情况下甚至工作于相同频带的两个天线被要求以优化性能。在小终端中天线元件彼此所在位置非常接近因此导致低的自然隔离度。对于电尺寸小的终端，并当所耦合的天线工作于相同频带时，此问题特别出现在低频上。另外，天线还通过作为天线的互接地平面的PWB电流地连接。

另外，移动电话天线的性能非常依赖于PWB的尺寸。当该尺寸符合某谐振维度时，即，当对比于波长适当选择了PWB的宽度和长度时，获得最佳性能。因此PWB的最佳尺寸依赖于频率。非谐振的接地平面导致阻抗带宽和天线效率的明显降低。另一方面，谐振接地平面上的电流很强，这导致天线和该电话的其他RF部分之间明显的电磁耦合。另外，强的基板电流还定义了SAR(比吸收率)最大值的位置。

另外，移动电话已被主要设计为单块的形式但来自用户的对于形式变化的需求正在日益增加。折叠电话在亚洲已经极为流行并且其在欧洲以及美洲也逐年变得更为流行。滑盖电话也同样加入了竞争。从天线设计的角度而言，从单块的形式向折叠或滑盖形式的转移为在折叠/滑盖设备所有可能的操作模式下获得充分的性能增加了额外的复杂度和困难。

因为移动电话上的小天线严重依赖于其基板尺寸以作为天线长度的重要部分工作，当折叠/滑盖电话改变其模式从打开到闭合时，天线的性能也显著地改变。这使得天线设计非常困难并且强迫设计者要么针对一种模式优化设计而牺牲另一模式的优化设计要么对于两种模式折中以获得良好的平衡。在电话上部和下部连接处插入串联感应器是解决此问题的一种公知技术。从RF的角度而言其隔离了上部与下部。但是这要求在PWB上用很大面积来容纳许多用于连接上半部和下半部的每个线路的感应器。隔离金属铰链也同样存在问题。

发明内容

本发明的目的是提供用于在电子通信设备(例如移动电话或手机)中使用诸如带状线的接地RF微波元件和方向图(结构)或使用巴仑(balun)概念改善天线隔离度的方法。

根据本发明的第一方面，电子通信设备包括：至少一个天线；以及在该至少一个天线的接地平面中的RF微波元件用于提供对于在至少一个天线和该电子通信设备的其他RF部件之间的在接地平面中的电磁耦合的电流的隔离。

仍根据本发明的第一方面，该电子通信设备可以是便携式通信设备、移动电子设备、移动电话、终端或手机。

还根据本发明的第一方面，其他RF部件可以包括至少一个另外的天线。另外，该电子通信设备可包含多于一个的该至少一个另外的天线。并且，该至少一个另外的天线可以是拉杆型天线。

仍根据本发明的第一方面，该至少一个天线可以是平面倒F型天线。

进一步根据本发明的第一方面，该RF微波元件可以是四分之一波长传输线路的短路段。另外，该四分之一波长传输线路可以是带状线。

仍根据本发明的第一方面，该RF微波元件可以包含金属耦合器和两个带状线。另外，该两个带状线可以具有不同的长度。

仍根据本发明的第一方面，该电子通信设备可以具有至少两个可以彼此相对折叠或滑动的块以便于该电子通信设备的操作的不同模式。另外，该RF微波元件可以是附于该至少两个块的至少一个上的巴仑结构。仍旧更进一步，该巴仑结构可以实现为由平行于该至少两个块的至少一个的导体材料制成的杆并且该杆的一端附于该至少两个块的至少一个，其中杆的另一端打开并且该杆具有基本上是该电子通信设备所操作波长四分之一的长度。

根据本发明的第二方面，一种用于对至少一个天线和电子通信设备中的其他RF元件之间的接地平面中的电磁耦合电流进行隔离的方法，包括以下步骤：将RF微波元件放置于至少一个天线的接地平面中用于提供对于在该至少一个天线和电子通信设备的其他RF元件之间的在接地平面中的电磁耦合电流的隔离。

仍根据本发明的第二方面，该电子通信设备可以是便携式通信设备、移动电子设备、移动电话、终端或手机。

还根据本发明的第二方面，其他RF部件可以包括至少一个另外的天线。另外，该电子通信设备可包含多于一个的该至少一个另外的天线。并且，该至少一个另外的天线可以是拉杆型天线。

仍根据本发明的第二方面，该至少一个天线可以是平面倒F型天线。

进一步根据本发明的第二方面，该RF微波元件可以是四分之一波长传输线路的短路段。另外，该四分之一波长传输线路可以是带状线。

仍根据本发明的第二方面，该RF微波元件可以包含金属耦合器和两个带状线。另外，该两个带状线可以具有不同的长度。

仍根据本发明的第二方面，该电子通信设备可以具有至少两个可以彼此相对折叠或滑动的块以便于该电子通信设备的操作的不同模式。另外，该RF微波元件可以是附于该至少两个块的至少一个上的巴仑结构。仍旧更进一步，该巴仑结构可以实现为由平行于该至少两个块的至少一个的导体材料制成的杆并且该杆的一端附于该至少两个块的至少一个，其中杆的另一端打开并且该杆具有基本上是该电子通信设备所操作波长四分之一的长度。

通过使用这种类型的接地RF元件可以达成在置于移动终端上的天线元件之间相当本质的隔离并且，通过这种方式，在天线元件的定位方面具有更大的自由度。其还可以为低频带设计隔离的多样性天线结构。通常本方法还可有助于控制沿PWB的电流流动，因此也提供对于到终端的其他RF部分的耦合以及SAR(比吸收率)的更好的控制。

另外，另一主要的有益效果在于使用此类接地RF结构将获得对于接地平面电流更好的控制。作为结果，更容易将天线与其他RF部分隔离。其次，可以优化多频带操作的接地。还可以通过对于接地带状线的设计调节本地SAR最大值的位置。另外，本构思可以被用于设计通用天线解决方案，即可直接在各种电话概念中实现的天线。

另外，在电话中用于阻止不希望的电流流动的巴仑结构可以解决由于便携式无线电设备的操作模式改变的天线性能减损的问题。本发明应用于紧凑结构，该结构可实现于小电话中而现有技术(插入串联感应器)会占用PWB上的大的面积，这在小电话的设计中是难以接受的。

另外现有技术无法解决金属铰链连接但本发明解决了该问题，而无论如何连接。另外插入串联感应器的现有解决方案可能带来ESD(静电放电)问题并且EMC设计者不愿意实施该方案(感应器将引起翻开和紧闭模式下的电压差)。

附图说明

为了更好的理解本发明的性质和目的，结合下列附图参考下文的详细描述，其中：

图1a是天线结构示意图，其中PIFA型天线引起针对拉杆天线所引入的接地平面电流的阻抗不连续性；

图1b是针对图1a的结构作为频率的函数的在自由空间内的模拟S参数的曲线图，其中阻抗不连续性大约在850MHz引起本地隔离度的最大值；

图2a是另一天线结构示意图，其中PIFA型天线引起针对拉杆天线所引入的接地平面电流的阻抗不连续性；

图2b是针对图2a的结构作为频率的函数的在自由空间内的模拟S参数的曲线图，其中阻抗不连续性大约在850MHz引起本地隔离度的最大值；尽管该阻抗不连续性带来了明确的本地隔离度最大值但同时接地平面上的受抑制电流失配于两种天线；

图2c是针对图2a的结构作为频率的函数的在自由空间内的模拟S参数的曲线图，其中在天线馈电处具有集中匹配电路；

图3a是天线结构示意图，其中分离的带状线引起PIFA天线和拉杆天线之间的阻抗不连续性；

图3b是针对图3a的结构作为频率的函数的在自由空间内的模拟S参数的曲线图，其中阻抗不连续性大约在850MHz引起本地隔离度的最大值；

图4a和4b是天线结构示意图，其中两个分离的带状线引起翻盖型移动终端(电话)上的两个PIFA型天线之间的阻抗不连续性，图4b是图4a中部的放大图；

图4c和4d是针对图4a的结构作为频率的函数的在自由空间内的模拟S参数的曲线图，其可以具有带状线(图4c)或不具有带状线(图4d)，其中阻抗不连续性大约在850MHz引起本地隔离度的最大值；

图5是置于集成接地元件上的PIFA型天线的示意图；

图6a和6b分别是针对图5的结构在自由空间内的模拟S参数的曲线图和史密斯图；

图7是针对折叠块的各种位置在自由空间内的模拟S参数的曲线图，其示出了在图8a到图8d中所示的折叠电话的不同位置的天线谐振；

图8a到图8d是当a)电话闭合并且折叠块连接，b)电话闭合并且折叠块不连接，c)电话打开并且折叠块连接以及d)电话打开并且折叠块不连接时的电话的图示；

图9是附有巴仑(balun)结构(basuka)的折叠电话在打开位置的图示；以及

图10是在自由空间内的模拟S参数的曲线图，其示出附有巴仑结构(“bazooka”)的可折叠电话的性能改善。

具体实施方式

本发明提供了一种在电子通信设备中使用接地的RF微波元件以及方向图(结构)改善天线隔离度的新方法。根据本发明的实施方式，RF微波元件可以实现为四分之一波长传输线路(例如带状线)的短路段，或者RF微波元件可以包含金属耦合器和两个具有不同长度的薄带状线，或所述RF微波元件可以使用巴仑概念加以实现。电子通信设备可以是便携设备、移动电子设备、移动电话、终端、手机等。

根据本发明的实施方式，在小终端中，可以使用提供高阻抗(即阻抗壁(impedance wall))的或在适当位置提供阻抗不连续性(作为隔离器)的设备，通过抑制沿接地平面的某些部分流过的电流，在两个天线之间明显提高隔离度。可以如下获得这种阻抗不连续性，例如，使用λ/4(四分之一)波长传输线路(微带线、带状线)的短路段，以在开口端提供了高阻抗，从而避免了接地平面电流从此方向流过。可以实现这样的结构，其中首先，天线元件作为隔离器和辐射器两者加以操作，或其次，该终端的某些其他RF部分(例如显示器框架)可以作为隔离器工作。

图1a示出了天线结构10的示意图的示例之一，其中平面倒F型天线(PIFA)14(优选地可被称为PIFA型天线14)引起由拉杆型(拉杆)天线12所引入的接地平面电流的阻抗不连续性，并且图1b示出了针对图1a的结构作为频率的函数的在自由空间内的模拟S参数的曲线图，其中阻抗不连续性大约在850MHz引起本地隔离度的最大值。

在图1a所示出的配置中，拉杆天线12和PIFA(PIFA型天线)14被置于翻盖型终端上。两种天线都在850MHz的频带内工作。正如在图1b所示出的模拟S参数的结果(曲线11、13和15分别对应参数S₂₂、S₁₁、S₂₁)，对于所有三条曲线11、13和15在期望的850MHz频带上存在本地隔离度最大值。这种隔离度最大值可以被改善并还可以相当简单地通过调整PIFA 14的长度和PIFA接地针的位置而调至不同频带。这种本地隔离度最大值，由于PIFA 14自身，由上部基板部分上的阻抗不连续性所引起。依赖于该接地针的位置以及PIFA 14的开口端，电流以这种方式在接地平面上流过，两个天线12和14之间的电磁耦合在谐振频率处降低。如果PIFA 14被移除，拉杆天线12所引入的接地平面电流也将自由地在上部基板部分上流过。另一方面，通常可知宽金属板上的RF电流集中于边缘。因此，PIFA 14现在对于拉杆天线12被视为λ/4波长传输线路的短路段，在开口端处提供了阻抗壁，因此避免了由拉杆天线12在此方向上所引入的接地平面电流流过。

图2a-2c示出了与参考图1a和1b中所描述的相同的概念的示例中的另一个。

图2a是另一天线结构20的示意图，其中PIFA型天线24引起针对拉杆天线22所引入的接地平面电流的阻抗不连续性。图2b是针对图2a的结构作为频率的函数的在自由空间内的模拟S参数的曲线图，其中阻抗不连续性大约在850MHz引起本地隔离度的最大值；尽管该阻抗不连续性带来了明确的本地隔离度最大值但同时接地平面上的受抑制电流失配于两种天线。可以通过在天线22和24的馈电处使用集中匹配电路(该集中匹配电路在图2a中并未示出)来解决失配的问题。两种电路包括串联L和并联C元件：对于馈电1(拉杆天线12)L＝5.44nH并且C＝5.22pF以及对于馈电2(PIFA 24)L＝14.34nH并且C＝6.22pF。图2c是针对图2a的结构作为频率的函数的在自由空间内的模拟S参数的曲线图，其中在天线馈电处具有集中匹配电路。正如图2c中所示，隔离度十分显著并且相对于图2b所示出的不具有匹配电路的情况明显得到了改善。

根据本发明的实施方式，图3a-3b以及4a-4d示出了天线隔离概念中更多的示例但使用了分离的带状线配置用于引导接地平面电流。

图3a是天线结构30的示意图，其中分离的带状线36引起PIFA天线34和拉杆天线32之间的阻抗不连续性。图3b是针对图3a的结构作为频率的函数的在自由空间内的模拟S参数的曲线图，其中如图所示阻抗不连续性大约在850MHz引起本地隔离度的最大值。

图4a和4b是天线结构示意图，其中两个分离的带状线46和48引起翻盖型移动终端(电话)40上的两个PIFA型天线42和44之间的阻抗不连续性。两个相似的PIFA型天线42和44位于翻盖型终端40相对的两端并且两个分离的带状线46和48位于中部大约在850MHz引起本地隔离度的最大值。图4b示出了图4a中部的放大图，其示出了两个分离的带状线46和48。

图4c和4d是针对图4a的结构作为频率的函数的在自由空间内的模拟S参数的曲线图，其具有带状线46和48(见图4c)或不具有供比较的带状线46和48(见图4d)，其中阻抗不连续性大约在850MHz引起本地隔离度的最大值。从图4c和4d明显可见天线42和44之间的隔离度当使用了带状线46和48时得到了明显地改善。

另外，根据本发明的另一实施方式，天线元件的接地可以由集成接地元件所构成。这种构思是将天线元件和其接地合并为整体的紧凑部分，其可以与PWB隔离。接地元件可以例如以天线元件之下的小金属耦合器以及连接于该耦合器边缘的两个薄带状线加以实现。该两个带状线的长度可以继而根据天线所需的操作频带加以调节。还可以在该带状线中采用例如曲折线的慢波结构，以增加其电长度。

在图5中所示出的配置中，典型的双频PIFA型移动电话天线51置于集成接地元件52上。图5示出了该接地元件52的天线耦合器53和两个带状线54a和54b。在中心的金属块56代表电话的PWB。天线51是实际天线(PIFA)元件。集成接地元件52是作为天线51的接地工作的整体元件，并且其包括天线耦合器53(天线51下方的部分)和两个带状线54a和54b(附于天线耦合器53)。

正如在图6a和6b(史密斯图)所示的天线中可见模拟S₁₁参数，在较高频带处有两个靠近的谐振62和64因此增大了阻抗带宽。这是由于两个接地带状线的长度的细微差别。在较低频带处两个谐振过于靠近以至于无法区分。该谐振代表了带状线54a和54b的相应的谐振模式。

然而，在本发明的另一实施方式中，为避免不希望的电流流过(即针对隔离天线)接地的RF微波元件可以作为电子通信设备中的巴仑结构加以实现。这种技术特别有用，例如，在折叠的设备中(例如，折叠的移动电话)，其中该设备具有至少两个可以相对于彼此折叠或滑动的块以便于不同模式的操作。根据本发明的实施方式，向该块之一附上巴仑结构，可以改进天线的隔离性能。巴仑结构的性能是本领域的公知技术；例如，由J.D.Kraus和R.J.Marhefka在2002年的McGraw-Hill，3d版，第23章中发表的“Antennas”中加以描述的，其在此通过参考加以引用。

在折叠/滑盖电话中的天线性能并非保持不变并且其依赖于操作模式。在大约1GHz的频带处，当电话打开时相比于图7中所示出的闭合位置天线性能通常有所降低。

图7是针对折叠块的各种位置在自由空间内的模拟S参数的曲线图的示例中的一个，其示出了在图8a到图8d中所示的折叠电话的不同位置的天线谐振。具体而言，图7中的曲线70a对应于图8a其中电话闭合并且折叠块72a和72b于连接点74处连接。另外，图7中的曲线70b对应于图8b其中电话闭合并且折叠块72a和72b于连接点74处不连接。另外，图7中的曲线70c对应于图8c其中电话打开并且折叠块72a和72b于连接点74处连接。最后，图7中的曲线70d对应于图8d其中电话打开并且折叠块72a和72b于连接点74处不连接。可见最差情况方案对应于曲线72c，其中电话打开并且折叠块72a和72b连接。

此问题的主要原因之一是如果天线位于下半部(例如折叠块72a)则某些电流在电话的上半部上流过(例如折叠块72a)。在上半部72a和下半部72b(根据现有技术)的连接点74处插入串联感应器要求在PWB上的大面积以容纳许多用于连接上半部72a和下半部72b的每个线路的感应器。另外隔离金属铰链也存在问题。

根据本发明的实施方式，上半部72a和下半部72b之间的隔离问题可通过在电话中机械地构造巴仑来解决使得来自下半部72b的电流将上半部72a视为高阻抗以阻止不希望的电流流入上半部72a。已研发出了许多的巴仑概念并且通常它们作为匹配的方法之一可用于天线领域。在上述所引用的由J.D.Kraus和R.J.Marhefka于2002年的McGraw-Hill，3d版，第23章发表的“Antennas”的第804页的图23-2中示出了一些示例。将I型巴仑或“bazooka”作为示例，并且进行模拟以验证是否其可以被用来在PWB上阻止/降低寄生电流的效果。

图9示出了具有在下半部72b中的天线84以及附于上半部72a的巴仑结构(basuka)80的折叠电话82在打开位置的示例中的一个。根据本发明的实施方式，巴仑结构设计的本质是具有沿着上半部72a的一侧的导体材料(例如杆(rod))80，其长度大约为所感兴趣的波长(例如电话的操作频率)的四分之一，即针对1GHz的操作频率大约为75mm。此杆80的顶端连接于电话82的上半部72a同时杆80的底端打开。

图10是在自由空间内的模拟S参数的曲线图，其示出了附有巴仑结构(“bazooka”)80的图9的可折叠电话82的性能改善。为进行比较示出了来自图7的曲线70c和70d。图10中的曲线90对应于具有巴仑元件(杆)80的图9的电话82的最差情况方案，其中电话82打开并且折叠块72a和72b在连接点74处连接。

对比曲线70c的最差情况方案其中电话打开并且折叠块72a和72b连接，在大约0.97GHz处可以明显地观察到曲线90的回波损耗的改善。另外，在大约0.97GHz处曲线90几乎接近目标性能，该目标性能由曲线70d所表示，其中电话打开并且折叠块72a和72b不连接。

应该理解，上述的设置仅作为对于本发明原理的应用的说明。大量修改和可替代设置可以由本领域技术人员在不脱离本发明的范围的情况下而设计出，并且随附的权利要求书旨在覆盖此类修改和设置。