TW200814427A

TW200814427A - Antenna with reduced sensitivity to user finger position

Info

Publication number: TW200814427A
Application number: TW096125649A
Authority: TW
Inventors: Zidong Liu
Original assignee: Nxp Bv
Priority date: 2006-07-17
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2008-03-16
Also published as: WO2008010149A1

Description

200814427 九、發明說明： I：發明所属之技術領域;j 發明領域本發明是關於天線和具有天線之可攜式或手持式裝置 5 的技術。 I：先前技術3 發明背景現代行動電話手機和其他可攜式裝置典型地合併一内置天線，例如一平面式倒F天線(PIFA)或類似天線。行動終 10端機内的天線需要涵蓋系統（例如CDMA850、GSM900、 GSM1800、PCS1900和UMTS2000)之日益增加的通訊頻帶數。同時，行動終端機的大小大幅減小。小型化的行動終端機為天線留下的空間很少。然而，由於天線體積的功能，對頻覓有著基本的限制。一般而言，天線大小越小，頻寬 15 越窄。 PIFA在行動電活手機中是普及的，因為其等呈現低特定吸收率（SAR)，這意味著較少的發射能量被丟失至使用者頭部，且其等是小型的。他們被安裝在電話電路之上且因此使得較完全地使用電話外殼内的空間。此等天線較小（相 20對於波長而言）且從而由於小天線的基本限制，使頻帶變窄。然而，蜂巢式無線電通訊系統典型地具有1〇%或更多的部分頻寬。為了從一 PIFA實現此頻寬，例如需要一相當大的體積，在一貼片天線(patch antenna)之頻寬和其體積之間存在一直接關係，但是以朝向小型手機的目前趨勢來 200814427 看’此體積不容易得到。此外，當貼片高度增加時PIFA變得在共振時有反應，這需要改良頻寬。我們共同審理中的PCT專利申請案02/071535揭露了一種雙頻平面式倒!?天線配置，包含一相對較小的貼片導體， 5作用為一輻射元件，實質上被支撐與一接地面平行。該貼片導聽包括第一和第二連接點，用於連接至無線電電路和一接地面，且進一步合併該第一和第二點之間的一狹縫。該輪射元件典型地位於接近該接地面之一邊緣的地方。短路典型地以接腳或短截線(stub)或板的形式被實現，且典型 10地位於該輻射元件的邊緣且提供一純短路。該天線可以以複數模式被操作。例如，如果信號被饋入該第一點，則藉由連接該第二點至地，一高頻天線可被獲得，且藉由使該第二點開路，一低頻天線被獲得。這可使得頻移該天線的共振頻率，以補償由（例如）一使用者之手引起的阻抗變化。 15藉由在不同位置使該天線電短路，可提供此頻移。當需要一雙頻天線時，一進一步的問題出現。在此情形下，兩個共振需要來自一單一結構，這通常需要在兩個頻帶之間做出一妥協。此外，為了最大化在一天線和連接至其的電路之間的 20功率轉移，重要的是確保該天線的阻抗匹配該電路的阻抗然而’該天線的阻抗還隨著操作條件而改變，例如’ 當行動終端機在使用中一手指放在該天線的頂端時。將 PIFA設置在可攜式電話之外殼内部及僅將其等置於外部機盍之下的一可感知之缺點是，其等非常容易受到由一個人 6 200814427 - 拿著電話引起失諧(detuning)的影響。一傳統的雙頻平面式倒F天線在兩個頻帶中操作。然而’當該天線被使用者的手蓋住時，共振頻率被向下頻移。 - 因此，在通常的談話位置下該使用者的手引起明顯的阻抗 • 5變化和增益減少。為了克服此問題，當該使用者的手指位於該天線的頂端時，該天線需要被重新調整。如果一雙頻 HFA在不同的位置上被電短路的話，則可知該雙頻1>正八的 _ 共振頻率可被改變。然而，在所有短路位置上，該天線輸入阻抗無法良好匹配至5〇β，特別是用於較低的頻帶而言。 10 【^^明内^!】發明概要本發明的一目的是提供改良的設備或方法。依據本發明的一第一層面，提供一天線，包含一接地面和-輪射TL件，以及一 ♦禺接該接地面和該輻射元件的一 15短路路徑，該短路路徑具有一電感元件。替換該電短路， /、上述所參考的現有方法相比較，藉由以一電感元件良好匹配。

該天線在一使用者之手的各種位置處可被第一層面之天線的手持式裝置。下文將描述額外的特徵和優點。

，提供一種具有一依據本發優點。任何額外的特徵可被面相組合，這對於本領域熟的。其他優點對於本領域熟悉相尤其是對財發明人未知的其他 7 200814427 先前技術。本發明的實施例可包括额外的特徵，如下文所描述的，其中-些在下文被總結。該電感元件可包含一可變電感器或-切換式電感器陣列。一短路路徑可被提供橫跨該 5電感元件，以一開關切換該短路路徑以替換嗜雷汚开杜 -開關控制器可被提供、被配置成控制該開關電= 重新調整至-較低頻帶，切換至該電感元件，且為了重新調整至-較高頻帶，切換至該短路路徑。該開關控制器可被配置成偵測該天線的-輸入阻抗失配且依據該镇測的輸 10入阻抗失配來控制該開關。該輻射元件可具有一狹縫以將該元件分成多於一個的區域。該輕射元件實質上可以是具有耦接到一角落之短路路徑的矩形。該短路路徑可包含至該輻射元件上之不同位置的數個路徑，且一切換配置用於控制哪些路徑在使用中。 15 該輻射元件可包含在一被設置成與該接地面平行之電路板上的一傳導層，該電路板也被用於設置電路元件。該天線可被配置成雙頻或多頻PIFA。該等頻帶可包含那些用於CDMA850、GSM900、GSM1800、PCS1900、UMTS2000、藍芽或在2.4至2.5GHz的IEEE 802.11b、在2.3至2.4GHz的 2〇 TD-SDCMA或在2.5至2.7GHz的UMTS未來擴充部分的任一或多個頻帶。圖式簡單說明藉由舉例的方式且參考附圖，本發明的實施例現在可被描述，其中： 200814427 第1圖是依據本發明一實施例之電感器接地式平面倒F 天線的示意圖；第2圖是一手指在頂端之傳統的pifA的示意圖；第3a、3b、3c和3d圖是第2圖之天線的模擬輸入回饋損 5 失對頻率的圖表；第4圖是電感器接地式平面倒f天線的示意圖，可被調整以克服由於使用者手指接近產生的影響；弟5a和5b圖是第4圖之天線的模擬輸入回饋損失對頻率的圖表； 10 第6圖顯示一天線的實施例；以及第7圖顯示一具有天線之裝置的實施例。【實施方式3 較佳實施例之詳細說明參考一倒F天線(IFA)，本發明可被描述，儘管本發明 15不限於此等天線。一倒F天線(IFA)可被視作為一典型的單極天線，具有一輻射元件，垂直延伸至一接地面，其頂端部分被折豐以與接地面相平行。該平行部分將電容引入該天線的輸入阻抗，藉由實現遠離該饋送點至該接地面的一短路路徑，其可被補償。措辭短路路徑可被用於本文件中， 20即使當該路徑不是一純短路且具有一些電感時。在操作中，該輻射元件中的電流激發該接地面中的電流，從而產生的電磁場由IFA和其本身在接地面下的一影像恤㈣之交互作用形成。在實際中，該接地面不是無限的，且該輕射元件/接地面組合可作用為一不對稱的偶極。較佳地，該 200814427 接地面長度大約是該操作波長的一半，以提供一充分寬之頻寬的全向遠場圖形，以及在PIFA之饋送點上見到的高阻抗’從而在該輻射元件和接地面之間的耦合是強的。該短路路徑相對於該饋送點的位置可以是重要的，特別是分開 5 他們的距離。第1圖顯示了依據本發明之一天線的實施例，以一設置在PCB上之電感器接地式平面倒ρ天線(IGpIFA)的透視圖形式顯示。該天線包含一接地面30和一輻射元件15，由一電介質(在所說明的實施例中是空氣）自該接地面分開。該接地 1〇面30以在一底部PCB上之傳導層的形式被顯示出。該接地面30不必是平面的。該輻射元件15可以是一矩形的輻射板形式，顯示為頂端PCB 4〇之部分上的一層，或可以是其他組配或形狀。該輻射元件15不必是平面的，既不必與該接地面平行’也不必與該接地面30的大小或形狀相同，也不 15與該接地面完全重疊。其經由一饋送接腳20被饋送延伸至在該輻射板之一角落處的兩個PCB之間。自該輻射元件15 至該接地面30的一短路路徑被間隔地置於遠離該饋送接腳的地方，且以一電感器1〇的形式被提供。該電感器可以以離散或分散式元件形式被實現。儘管可應用於單頻或多頻 20天線，但藉由根據已確立的實際情況，將在第1圖中以蜿蜒形狀被顯示的一狹縫12或其他形狀的狹縫切割輻射板15，在該範例中顯示的兩個共振頻率被產生。雙頻天線形式的 κ施例也可以以一共振器替換該狹縫，或單頻天線形式的實施例可以以一簡單的電感替換該狹縫12，在我們的專 200814427 • 射請案獨2〇〇5〇11〇55中被進一步轉，因此在此將不再進一步解釋。

頂端PCB 40可個於姉射元件15的切結構，且出 • 於測試目的可模擬一行動裝置之一外殼的效果。兩個PCB -5板的介電常數和厚度在此範例中是3.38和〇.813mm。該等 PCB尺寸是40mmx 100mm。底部PCB提供—饋送信號給該天線且也可在其背部支撐該傳導接地面。 _ RF遮罩（另外稱作為RF罐）中的電子元件可被設置在該底部PCB的兩側面上，且該導電接地面3〇圍繞這些元件且 10覆蓋該PCB剩餘的區域。該接地面30及/或該輻射元件15可被彎曲以（例如）符合一電話外殼的輪廓。該天線的阻抗和峰值共振頻率可由該輻射天線和其狹縫12之各種尺寸以及可由該饋送接腳20之位置和短路路徑所設定。在該短路路徑中提供一電感元件意味著該天線的 15阻抗可被較好匹配，即使仍對使用者之手位敏感。該電感 # 器10可具有一固定值或一可變值，或可被切換至數個離散值的任何一個。該電感器值可被選擇，即使其無法被動態改變或切換’從而即使失配隨著手位而改變，但對於數個手位的一平均失配或失配之一範圍可被最佳化以改良該天 20 線阻抗至耦接至該天線之該RF電路的一總匹配。這可使得 RF功率被更有效率地發射且可攜式裝置的電池壽命及/或範圍可被增加。該電感器10還可具有一些使得該峰值共振頻率對使用者手位較不敏感的效果。如果該電感器10具有一可變或可 11 200814427 - 切換值，則該值可被控制以保持該天線阻抗及/或峰值共振頻率更穩定，以降低對使用者手位的敏感度，儘管可變裝置可能損耗較多且較昂貴。電感元件可具有串聯或並聯耦 • 接之個別電感器網。其他元件(例如電阻元件）可被合併進該 .5 短路路徑中，以提供一較寬的頻寬。第2圖是具有一接地面30之傳統PIFA的示意圖，一使用者手指70被顯示為在上部PCB 40之頂端上的立方體。通 ^ 常’一P〗FA依沒有使用者之手在其上之情況被設計且最佳化。一短路接腳60被置於接近該饋送接腳20的位置A上。第 10 3a圖和第3b圖顯示當手指不在該天線之頂端時被模擬為一頻率之函數的輸入回饋(return)損失(S11)。兩個共振頻率可被清楚地觀測到且被集中在〇』7GHz和1.78GHz。當第3c圖 • 和第％圖顯示當該使用者之手指在該天線之頂端時，被模擬為一頻率之函數的輸入回饋損失(S11)。該等圖顯示出與 15那些沒有手指在其上的情形相比較，兩個共振頻率對於低 _ 頻帶向下移動約138MHz，且對於高頻帶向下移動約 370MHz 〇第4圖顯示本發明的另一實施例，類似於第1圖的實施例’且相同的參考符號被適當使用。電路11〇在位置B上被 20提供，在此範例中是在該輻射元件15的一角落處。其包括一開關170，被提供以將該電感器10或以一短路接腳16〇形式的短路連接到該接地面30，如第4圖所示。此電路的一優點是一可變電感器的一些彈性可以以較少的複雜度、成本和損失被實現。此彈性意味著對於一些不同手位而言，失 12 200814427 - 配可被較精確地控制。該短路可由一傳導片（conductive tab) 或傳導板或傳導條或其他傳導配置提供。其他切換佈局可被設想為實現一類似效果，例如該電感器1〇可被永久耦 - 接，且該開關被配置成僅打開或關閉具有短路接腳的分 -5支，以短路該電感器10而不使得該電感器開路。任何此等切換式配置可與一可變電感或切換式電感器陣列相組合。該短路接腳160和該電感器10都被置於位置B處，如圖所示。 φ 藉由對低頻帶切換該電感器10以及對高頻帶切換該短路接腳160,該天線的共振頻率被重新向上調整。藉由將控 1〇制電路配置成接收一指示哪個頻帶需被使用的信號，該開關170可被控制以實現此功能。這可使得對於兩個頻帶操作而言，實現較好的失配控制。此控制電路可被設置在任一 PCB上。另外或同樣，該控制電路可被配置成依據可由合適私路偵測出的天線輸入阻抗失配的一位準來控制該開 15關。此偵測可由習知電路(例如)根據偵測反射功率實現。此儀I 一直接測量的使用可以使得比（例如）估計或間接測量更好控制失配。在此範例中，該電感器具有8 51111的電感。其他實施例可具有電感元件，該等電感元件具有從(例如)2nH至20nH範 20圍的值。藉由以各種電感值測試其產品外殼中的天線且測里該天線阻抗或阻抗失配，直到該阻抗接近5〇〇hms或其他期望的阻抗以與相關的!^電路良好匹配，一適當值可被決定出。第4圖的實施例可在軟體中被模擬。根據模擬顯示二者 13 200814427 頻π之輪入回饋損失的圖表在第5a圖和第5b圖中被顯示。手才曰材料之相關介電常數和導電率分別對於此模擬的低頻帶是41.5和〇.97S/m，而對於高頻帶是4〇〇和148觔。在本發明之實施例中使用的開關可以是一ΠΝ-二極體或FET或 5 MEMS或任何其他類型。在上述模擬中，—小片矩形銅 (lmmX〇,88mm)被用於表示處於ON狀態的開關。第6圖顯示頻率可重組配的另一實施例，以及藉由在不同的位置使用兩個短路路徑，當手在其上或離開時被良好匹配。在此範例中，該等短路路徑在位置A和B處被說明， 10雖其他位置也是可能的。在位置A處，一可切換的短路接腳320被提供。在位置B處，一電感元件(例如一電感器ι〇) 被提供與一短路接腳31〇相平行。當手不在上面時位置A處的電路被使用，在此情形下產生第3a圖和第3b圖的結果。 S手在上面時位置B處的電路被使用，該短路接腳310被切 15換用於尚頻帶，而該電感器10被切換用於低頻帶；產生第 5a圖和第5b圖的結果。第6圖中開關的控制電路包括偵測該阻抗失配。第7圖以一示意性形式顯示依據本發明之實施例的手持式電池供電裝置290。這顯示通向RF放大器和匹配電路 2〇 240的裝置電路28〇。這對一天線26〇饋電。該天線具有一接 / 地面、一輻射元件15和短路路徑電路250。該短路路徑電路具有一短路路徑230、一控制器2〇〇和一失配偵測器210。該控制器具有一指示是一高頻帶或是低頻帶被使用的輸入 205以及來自該失配偵測器的一輸入。該控制器200控制該 200814427 短路路徑中的可控元件，可包括一開關170及/或一可變電感器180及/或一可切換之電感器陣列19〇及/或一短路路徑位置切換排列195。該短路路徑23〇可被耦接在該接地面和該輻射元件之間。 5 總的來說’一電感器接地式天線已被描述，其可提供用以處理應用（例如行動電話）的改良容限。一輻射元件的短路接腳可被一電感器所替換，從而當該使用者之手指位於該天線頂端時或當該天線需要被調整以在不同的頻帶中操作時，該天線可被良好匹配。 10 在本說明書和申請專利範圍中，在一元件之前的詞“一 (a或an)’’不排除存在複數個此種元件。此外，詞“包含 (comprising)’’不排除存在除了所列出的那些之外的其他元件或步驟。藉由閱讀本揭露’對於本領域熟悉相關技藝者而言， 15其他修改是明顯的。此等修改可包含在平面天線以及其中元件部分的設計、製造和使用中已知的其他特徵，且其等可被用於賴在本文巾已描制特徵或二者兼具。【圖式簡說^明】第1圖是依據本發明一實施例之電感器接地式平面倒F 2〇天線的示意圖；第2圖是一手指在頂端之傳統的piFA的示意圖；第3a、3b、3c和3d圖是第2圖之天線的模擬輸入回饋損失對頻率的圖表；第4圖是電感器接地式平面倒F天線的示意圖，可被調 15 200814427 整以克服由於使用者手指接近產生的影響；第5a和5b圖是第4圖之天線的模擬輸入回饋損失對頻率的圖表；第6圖顯示一天線的實施例；以及第7圖顯示一具有天線之裝置的實施例。

【主要元件符號說明】 10…電感器 195…短路路徑位置切換排列 12…狹缝 200…控制器 15…輻射元件 205…輸入 20…饋送接腳 210…失配偵測器 30…接地面 230…短路路徑 40 …PCB 240…RF放大器和匹配電路 60…短路接腳 250…短路路徑電路 70…手指 260…天線 110…電路 280…裝置電路 160…短路接腳 290…手持式電池供電裝置 17〇…開關 310…短路接腳 180···可變電感器跡·.可切換之電感器陣列 320…短路接腳 16

Claims

200814427 十、申請專利範圍：一輻射元件，以及一耦接該路徑，該短路路徑具有一電一種天線，包含一接地面和接地面和該輻射元件的短路感元件。 2·如申請專利㈣第丨項所述之天線，該電感元件包含一可變電感器或兩個或更多電感器之一可切換陣列之任一或二者。

3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之天線，包含一開關，被配置用於切換一短路路徑以代替該電感元件。 4. 如申請專利範圍第3項所述之天線，是一雙頻天線且包含—控制器，被配置用於控制該開關，從而為了重新調整至該等頻帶的一較低頻帶，切換至該電感元件，且為了重新調整至該等頻帶之一較高頻帶，切換至該短路路徑0 5·如申凊專利範圍第2、3或4項所述之天線，包含一偵測斋和一控制器，該偵測器被配置用於偵測該天線的一輸入阻抗失配，該控制器被配置用於依據該被偵測的輸入 P且抗失配來在依附申請專利範圍第2項時控制該可變電感或切換式陣列，或在依附申請專利範圍第3或4項時控制該開關。 6·如前述申請專利範圍任一項所述之天線，該短路路徑包含至該輻射元件上不同位置的數個路徑以及一用於控制哪個路徑在使用中的切換排列。 7·如前述申請專利範圍任一項所述之天線，該輻射元件包 17 200814427 含在一被設置與該接地面平行之電路板上的一傳導層，該電路板也被用於設置電路元件。 8·如前述申請專利範圍任一項所述之天線，被配置成一雙頻或多頻平面式倒F天線(PIFA)。 9.如前述申請專利範圍任一項所述之天線，被配置成發射或接收任何一或多個頻帶，該等頻帶被用於 CDMA850、GSM900、GSM 1800、PCS 1900、UMTS2000、藍芽或在2.4至2.5GHz的IEEE 802.11b、在2.3至2.4GHz 的TD-SDCMA或在2.5至2.7GHz的UMTS未來擴充部分之任一或多個。 10· —種手持式裝置，具有前述申請專利範圍任一項所述的天線。

18