專利名稱：無線終端的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線終端，例如移動電話手機。
背景技術(shù)：
無線終端，例如移動電話手機，通常要么包括一個外部天線，如標準形式的螺旋天線或折疊天線，要么包括一個內(nèi)置天線，如平面倒F天線(PIFA)或類似天線。
這樣的天線較小(相對于波長)，因此，受小天線的基本局限性，頻帶較窄。但是，蜂窩式無線通訊系統(tǒng)通常具有10％或更多的分數(shù)帶寬。舉例來說，要從PIFA獲得這樣的帶寬要求相當大的體積，而這樣大的體積隨著目前手機小型化的趨勢并不是總能實現(xiàn)。因此，由于上述限制，從目前的無線終端中的小天線獲得有效的寬帶輻射是不可行的。
關(guān)于無線終端中已知的天線裝置的另一個問題是它們基本上是不均衡的，因此，與終端外殼的耦合很強。結(jié)果，會有很大一部分輻射從終端本身發(fā)出，而不是從天線發(fā)出。在我們的共同未決的未出版的國際專利申請PCT/EP01/08550(申請人的參考號為PHGB010056)中披露了一種無線終端，其中天線饋線直接與終端外殼耦合，從而利用這一條件。當通過合適的匹配網(wǎng)絡(luò)饋送時，終端外殼能起到一個有效的寬帶發(fā)射器的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種緊湊的無線終端，該終端具有有效的輻射特性，但不需要匹配網(wǎng)絡(luò)。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種無線終端，包括耦合到天線饋線的一個接地導體和一個收發(fā)器，其中，天線饋線通過由一個導體極板和接地導體的一部分形成的電容直接耦合到接地導體，且其中在接地導體中提供一個部分位于導體極板下面的槽。
槽在導體極板下面的位置執(zhí)行常規(guī)匹配電路的許多功能，從而簡化了無線終端的實現(xiàn)?？梢蕴峁┮粋€以上的槽，根據(jù)空間或其它方面的要求，槽可以是曲折的。
本發(fā)明可以用于不適合采用大天線的任何無線通訊系統(tǒng)中。由于耦合電容很小，所以它特別適合RF IC或模塊，其中耦合電容應(yīng)該是模塊的一部分。在無線系統(tǒng)中特別有用的是多頻帶或?qū)拵Чぷ鞯奶卣鳌?br> 本發(fā)明是基于下列現(xiàn)有技術(shù)中沒有的認識即天線和無線手機的阻抗與非對稱耦極子的阻抗相似，可以分離，還基于這樣的認識即天線的阻抗可以用非輻射的耦合元件代替。
附圖簡述下面通過舉例，參考附圖，對本發(fā)明的實施例進行描述，其中

圖1示出一個非對稱耦極子天線的模型，表示天線與無線終端的組合；圖2是表示非對稱耦極子的阻抗的分量的可分離性的曲線；圖3是手機和天線的組合的等效電路；圖4是容性反饋耦合手機的等效電路；圖5是基本的容性反饋耦合手機的透視圖；圖6是圖5所示手機回波損耗S11的仿真曲線，其中S11的單位是dB，頻率f的單位是MHz；圖7是表示圖5所示手機的仿真阻抗在1000-2800MHz的頻率范圍內(nèi)的史密斯曲線；圖8是表示圖5所示手機的仿真電阻的曲線；圖9是只開一個槽的自諧振容性反饋耦合手機的平面圖；圖10是圖9所示手機回波損耗S11的仿真曲線，其中S11的單位是dB，頻率f的單位是MHz；圖11是表示圖9所示手機的仿真阻抗在800-3000MHz的頻率范圍內(nèi)的史密斯曲線；圖12是開兩個槽的自諧振容性反饋耦合手機的平面圖；圖13是圖12所示手機回波損耗S11的仿真曲線，其中S11的單位是dB，頻率f的單位是MHz；圖14是表示圖12所示手機的仿真阻抗在800-3000MHz的頻率范圍內(nèi)的史密斯曲線；
圖15是圖12所示手機通過匹配網(wǎng)絡(luò)饋送時的回波損耗S11的仿真曲線，其中S11的單位是dB，頻率f的單位是MHz；以及圖16是表示圖12所示手機通過匹配網(wǎng)絡(luò)饋送時的仿真阻抗在800-3000MHz的頻率范圍內(nèi)的史密斯曲線；在附圖中，用相同的標號表示對應(yīng)的部件。
發(fā)明詳述圖1示出無線手機中，在發(fā)射模式下，在天線饋電點從收發(fā)器一側(cè)看得到的阻抗的模型。該阻抗用一個非對稱耦極子模擬，其中第一個臂102表示天線的阻抗，第二個臂104表示手機的阻抗，兩個臂都由源106驅(qū)動。如圖所示，這樣的裝置的阻抗基本上等于每個臂102和104分別相對于虛擬地108被驅(qū)動時得到的阻抗的總和。只要用表示收發(fā)器阻抗的阻抗代替源106，該模型同樣可以用于接收模式，但是對此仿真較困難。
該模型的有效性通過利用著名的NEC(數(shù)字電磁編碼)仿真進行了檢驗，其中臂102的長度為40mm，直徑1mm，臂104長80mm，長1mm。圖2示出組合裝置的阻抗(R+jX)的實部和虛部的仿真結(jié)果(Ref R和Ref X)，同時示出分別仿真所述阻抗并把結(jié)果相加得到的結(jié)果。可以看出，仿真結(jié)果非常接近。僅有的明顯的偏差出現(xiàn)在半波諧振的區(qū)域，此時，阻抗很難精確仿真。
圖3示出從天線饋電點看得到的天線和手機組合的等效電路。R1和jX1表示天線的阻抗，而R2和jX2表示手機的阻抗。從該等效電路中可以推出，由天線發(fā)射的功率P1和由手機發(fā)射的功率P2之比由下式給出P1P2=R1R2]]>如果減小天線尺寸，其輻射電阻R1也將減小。如果天線變?yōu)闊o窮小，則其輻射電阻R1將減小為零，所有的輻射都將來自手機。如果手機阻抗適合用源106來驅(qū)動，且如果無窮小的天線的容性電抗可以通過增加與手機的容性反饋耦合來最小化，該情況可以成為有益的。
經(jīng)過這樣的修改，等效電路變?yōu)閳D4所示的形式。天線被物理上很小的反饋耦合電容代替，該電容設(shè)計為具有大電容值，以獲得最大的耦合和最小的容抗。該反饋耦合電容的殘余容抗可以用一個簡單的匹配電路關(guān)掉。通過對手機的正確設(shè)計，所得到的帶寬可以比用常規(guī)的天線與手機的組合得到的帶寬大的多，因為手機的作用相當于低Q值的輻射元件(仿真顯示典型的Q大約為1)，而常規(guī)的天線的Q值典型地是大約50。
圖5示出容性反饋耦合手機的一種基本實施例。手機502的尺寸為10×40×100mm，是現(xiàn)代蜂窩手機的典型尺寸。尺寸為2×10×10mm的平行板電容器504是通過在手機502的頂部邊緣508的上面2mm的地方固定一個10×10mm的極板504形成的，該位置通常由大的多的天線占據(jù)。所得電容大約為0.5pF，表示電容(通過減小手機502與極板506之間的間隙可以增加該電容)與耦合效果(該耦合效果取決于手機502與極板506之間的間隙)之間的一種折中。電容通過支持件510饋電，該支持件510與手機外殼502絕緣。
利用可以從Ansoft公司買到的高頻結(jié)構(gòu)仿真器(HFSS)對匹配之后該實施例的回波損耗S11進行了仿真，結(jié)果示于圖6，其中，頻率f的范圍是1000-2800MHz。在1900MHz時用常規(guī)的兩電感“L”網(wǎng)絡(luò)匹配。結(jié)果在7dB回波損耗時(對應(yīng)于大約90％的輸入功率被發(fā)射)帶寬大約為60MHz，或者3％，該帶寬可以使用，但是沒有要求的那么大。圖7示出表示在同樣的頻率范圍內(nèi)該實施例的仿真阻抗的史密斯曲線。
帶寬窄的原因是手機502與電容504的組合在1900MHz呈現(xiàn)大約3-j90Ω的阻抗。圖8示出在與前面相同的頻率范圍內(nèi)采用HFSS仿真的電阻變化。通過重新設(shè)計手機外殼，例如采用開槽或更窄的手機，可以改善該電阻變化，這在我們的共同未決的未出版的國際專利申請PCT/EP01/08550中討論過。
圖5所示的手機需要經(jīng)過匹配才能獲得合理的性能。如果能夠消除對匹配的需求，會有明顯的好處。圖9示出經(jīng)過修改的不需要匹配的單頻帶結(jié)構(gòu)。該實施例與圖5所示實施例不同之處在于在手機502上面2mm處設(shè)置一個10mm2的極板506，并且在距離手機外殼邊緣2mm處的導體材料中開一個30mm長1mm寬的槽912。槽912在導電極板506下面延伸(如圖9中的虛線所示)。槽912在四分之一波長的奇數(shù)倍，即λ/4、3λ/4等處發(fā)生諧振。
該槽使耦合電容呈現(xiàn)出高阻抗，從而使得能夠很好地匹配到50Ω。人們相信在槽912中電容激發(fā)一種傳輸線模式，與響應(yīng)匹配。其中槽912在天線饋線處充當旁路電感。
在所闡述的實施例中，槽912位于靠近手機外殼502的邊緣處，從而使得所占據(jù)的空間最小，當然，槽位于耦合電容504的另一邊效果也一樣。同樣，耦合電容可以在手機502上的其它位置實現(xiàn)，且槽912也可以有不同的構(gòu)造，如垂直、水平或曲折。
在沒有匹配的情況下，用HFSS對該實施例的回波損耗S11進行了仿真，結(jié)果示于圖10，其中頻率f的范圍為800-3000MHz。在7dB回波損耗時所得到的帶寬大約為90MHz，或4.3％。盡管采用匹配可以進一步改善帶寬，但是能夠避免必須包括匹配是很有用的，而且對于比如Bluetooth實施例來說，該帶寬已經(jīng)足夠了。
圖11示出表示該實施例在同樣的頻率范圍內(nèi)的仿真阻抗的史密斯曲線。該曲線示出圖9所示結(jié)構(gòu)還具有這樣的有益特性，即兩次獲得諧振(零電抗)，且較高頻率的諧振具有較高的電阻。這一點特別有用，因為在頻率雙工系統(tǒng)中，接收頻帶通常在較高頻率處。
優(yōu)選的收發(fā)器結(jié)構(gòu)是保持(通常為低阻抗的)發(fā)送器與天線之間的低阻抗路徑以及天線與(通常為高阻抗的)接收器之間的高阻抗路徑。但是，為了使設(shè)計簡單，通常采用50Ω的系統(tǒng)阻抗，并且需要時在發(fā)送器和接收器處加上匹配。該匹配有損耗，并且會減小從發(fā)送器和接收器看得到的帶寬。因此，消除對匹配的需求是本發(fā)明一個明顯的優(yōu)點。
圖12示出本發(fā)明的一種雙頻帶實施例。在該實施例中，極板506和槽被移到手機502背面的上部中間，并且又加了一個槽1214。該新加的槽1214比第一個槽912長，其總長度約73mm，寬1mm，且曲折以減小所占面積。
在沒有匹配的情況下，用HFSS對該實施例的回波損耗S11進行了仿真，結(jié)果示于圖13，其中頻率f的范圍為800-3000MHz?？梢郧宄乜闯?，該種設(shè)計允許雙頻帶、三頻帶或多頻帶運行。槽912、1214在λ/4的奇數(shù)倍處發(fā)生諧振，因此可以被設(shè)計為給出單獨的或組合的諧振。第一次諧振(在大約1GHz處)是較長的槽1214的λ/4諧振。第二次諧振(在大約1.8GHz處)是較短的槽912的λ/4諧振。第三次諧振(在大約2.8GHz處)是較長的槽1214的3λ/4諧振。顯然，舉例來說，經(jīng)過一些改動，該種結(jié)構(gòu)可以用于GSM、DCS1800和Bluetooth。
在7dB回波損耗時所得到的三個諧振的帶寬大約為15MHz(1.5％)、110MHz(5.9％)和110MHz(3.9)。1GHz諧振的帶寬小，但是其它帶寬很好。圖13示出表示在同樣的頻率范圍內(nèi)該實施例的仿真阻抗的史密斯曲線。該史密斯曲線中快速變化的阻抗反映第一個諧振的窄帶特性。
通過改變其在饋電電容504下面的位置，每個槽912和1214的自諧振可以獨立改變當槽912、1214在極板506下面逐漸移動時，其額定旁路電感增加。而且，每個槽912、1214在其開路端具有高阻抗，而在其短路端具有低阻抗。因此，通過在沿著槽的不同點處的分支可以改變電阻值。在某種程度上，電容也可以做成非對稱的，以便執(zhí)行這樣的分支。
本發(fā)明的不同實施例還可以與匹配一起使用。例如，對圖12所示雙槽結(jié)構(gòu)與類似于圖5所示的基本實施例中所用的簡單“L”匹配電路一起進行了仿真?；夭〒p耗S11的仿真結(jié)果示于圖15，頻率f的范圍是800-300MHz?？梢钥闯?，獲得非常寬的帶寬(大約1.4GHz的3dB帶寬)。用更復雜的匹配電路還可以進一步增強該帶寬。圖16示出表示在同樣的頻率范圍內(nèi)對該實施例的仿真阻抗的史密斯曲線。
在上述實施例中，導體手機外殼作為發(fā)射元件。但是，無線終端中的其它接地導體也可以執(zhí)行同樣的功能。這樣的實例包括用于EMC屏蔽的導體和印刷電路板(PCB)金屬層上的一個區(qū)域，如接地平面。
通過閱讀該說明書，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，其它的改動也將是顯然的。這樣的改動可能涉及在對無線終端及其組成部件的設(shè)計、制造和應(yīng)用中已經(jīng)知道的其它特征，以及可以用來代替此處描述的特征或附加在其上使用的特征。
權(quán)利要求
1.一種無線終端，包括耦合到一個接地導體和天線饋線的一個收發(fā)器，其中所述天線饋線通過由一個導電極板和接地導體的一部分形成的電容直接耦合到接地導體，且其中在接地導體上提供一個部分位于所述導電極板下面的槽。
2.如權(quán)利要求1所述的終端，其特征在于所述槽平行于所述終端的長軸。
3.如權(quán)利要求1或2所述的終端，其特征在于所述槽是曲折的。
4.如權(quán)利要求1-3任一項所述的終端，其特征在于在所述接地導體上提供另一個也是部分位于所述導電極板下面的槽。
5.如權(quán)利要求1-4任一項所述的終端，其特征在于所述導電極板相對于接地導體的長軸是非對稱的。
6.如權(quán)利要求1-5任一項所述的終端，其特征在于所述接地導體是手機外殼。
7.如權(quán)利要求1-5任一項所述的終端，其特征在于所述接地導體是印刷電路板接地平面。
8.如權(quán)利要求1-7任一項所述的終端，其特征在于在收發(fā)器與天線饋線之間提供一個匹配網(wǎng)絡(luò)。
全文摘要
一種無線終端，包括耦合到一個接地導體(502)和天線饋線的一個收發(fā)器，所述天線饋線直接耦合到接地導體(502)。在一種實施例中，所述接地導體是導體外殼(902)。所述耦合是通過由一個相應(yīng)的極板(506)和外殼(502)的表面的一部分形成的平行板電容器完成的。所述外殼(502)作為有效的、寬帶發(fā)射器，消除了對獨立天線的需求。槽(912、1214)執(zhí)行匹配功能，消除了對收發(fā)器與天線時間的匹配的需求。
文檔編號H01Q1/24GK1457534SQ02800294
公開日2003年11月19日 申請日期2002年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月13日
發(fā)明者K·R·博伊爾, P·J·梅西 申請人:皇家菲利浦電子有限公司