專利名稱：天線裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括多波段天線的天線裝置，所述多波段天線至少包括一個(gè)饋電點(diǎn)和連接在天線和收發(fā)信機(jī)之間的復(fù)用器。本發(fā)明還涉及包括這種天線裝置的無線通信設(shè)備。在本說明書中，術(shù)語(yǔ)“多波段天線”指在兩個(gè)或兩個(gè)以上不同頻帶而不在這些頻帶之間的未用的頻譜上發(fā)揮完美功效的天線。
傳統(tǒng)上用多諧單路饋電天線實(shí)現(xiàn)多波段天線。有兩種常用方法用以實(shí)現(xiàn)天線多諧振。第一種方法是使天線的不同部件以不同頻率諧振，例如利用兩根在公共饋電點(diǎn)連接的天線。第二種方法是利用分布電容和電感把傳輸線匹配結(jié)構(gòu)結(jié)合到天線內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)多波段匹配電路。
多波段天線通常通過復(fù)用器饋電，所述復(fù)用器具有每個(gè)頻帶一個(gè)輸入端和單一輸出端。所述復(fù)用器用于隔離各輸入線路并為沒有用于特定頻帶的輸入線路提供已知的阻抗。所述復(fù)用器的輸出信號(hào)通過天線匹配電路驅(qū)動(dòng)天線，所述匹配電路必須對(duì)所有頻帶都有效。所述匹配電路還可起寬帶化的作用，以增大可以從例如平面天線等小型天線獲得的帶寬。
上述傳統(tǒng)多波段天線存在這樣的問題天線匹配電路必須對(duì)許多頻率有效。需要匹配的頻率越多，難度便越大，這意味著失去其他優(yōu)化例如加大帶寬的機(jī)會(huì)。
根據(jù)本發(fā)明第一方面，本發(fā)明提供包括多波段天線的天線裝置，所述多波段天線至少包括一個(gè)饋電點(diǎn)和復(fù)用器，所述復(fù)用器包括至少一個(gè)輸入端、至少一個(gè)輸出端和隔離裝置，所述輸出端或每個(gè)輸出端連接到相應(yīng)的天線饋電點(diǎn)，其中，天線饋電點(diǎn)和復(fù)用器輸出端之間的所述連接或者天線饋電點(diǎn)和復(fù)用器輸出端之間的所述每一個(gè)連接具有基本上可以忽略的阻抗。
通過確保天線與復(fù)用器之間的連接不受寄生的或其他不定的分立元件(例如電路板線跡阻抗)的影響，可以確保復(fù)用器的隔離功能不打折扣。通過將天線與復(fù)用器設(shè)置成彼此靠近(也許設(shè)置在同一基片上)可確保阻抗可忽略不計(jì)。如果天線有許多饋電點(diǎn)，應(yīng)用靠近饋電點(diǎn)的復(fù)用器可以增強(qiáng)饋電點(diǎn)之間的隔離度。
根據(jù)本發(fā)明制作的天線裝置能夠應(yīng)用具有多饋線的天線，其優(yōu)點(diǎn)是允許各饋線互相隔離同時(shí)又允許各饋線的單獨(dú)匹配。通過實(shí)現(xiàn)天線與復(fù)用器內(nèi)的收發(fā)信機(jī)之間的某種程度或完全的匹配，就有可能實(shí)現(xiàn)每個(gè)頻帶的獨(dú)立的匹配并增大帶寬。此外，比實(shí)現(xiàn)多頻匹配和帶寬擴(kuò)展更容易的多的是，還可以通過諧振匹配電路來加大帶寬。通過使匹配、帶寬擴(kuò)展和復(fù)用功能共享元件可以實(shí)現(xiàn)天線的進(jìn)一步改進(jìn)、而且更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。
根據(jù)本發(fā)明第二方面，本發(fā)明提供包括依據(jù)本發(fā)明制作的天線裝置的無線通信設(shè)備。
本發(fā)明依據(jù)的是現(xiàn)有技術(shù)中沒有的認(rèn)知通過將復(fù)用器靠近天線設(shè)置而使得在天線和復(fù)用器之間不存在有影響的阻抗。本發(fā)明的天線裝置具有改進(jìn)的性能，且比現(xiàn)有技術(shù)的裝置更易設(shè)計(jì)。


下面將參考附圖、舉例說明本發(fā)明的各實(shí)施例，附圖中圖1是具有復(fù)用器的天線裝置的示意的方框圖，所述復(fù)用器有三個(gè)輸入端一個(gè)輸出端；圖2是具有復(fù)用器的天線裝置的示意的方框圖，所述復(fù)用器有三個(gè)輸入端三個(gè)輸出端；圖3是具有復(fù)用器的天線裝置的示意的方框圖，所述復(fù)用器有一個(gè)輸入端三個(gè)輸出端；圖4是包括單一輸出復(fù)用器的無線通信設(shè)備的示意的方框圖；圖5是雙頻帶補(bǔ)片天線(patch antenna)的橫截面圖；圖6是雙頻帶補(bǔ)片天線(patch antenna)的頂視圖；圖7是模擬圖5和圖6補(bǔ)片天線的等效電路；圖8是圖7等效電路中相對(duì)于頻率f(單位MHz)的模擬回?fù)pS11(單位dB)的曲線圖；圖9是Smith圖，顯示1500到2000MHz頻率范圍內(nèi)圖7等效電路的模擬阻抗；圖10是模擬包括圖5和圖6雙頻帶補(bǔ)片天線和分布式雙工器的天線裝置的等效電路；圖11是關(guān)于輸入到圖10等效電路的第一復(fù)用器輸入信號(hào)的、相對(duì)于頻率f(單位MHz)的模擬回?fù)pS11(單位dB)的曲線圖；圖12是Smith圖，顯示1500到2000MHz頻率范圍內(nèi)，圖10等效電路的第一復(fù)用器輸入信號(hào)的模擬阻抗。
圖13是關(guān)于輸入到圖10等效電路的第二復(fù)用器輸入信號(hào)的、相對(duì)于頻率f(單位MHz)的模擬回?fù)pS11(單位dB)的曲線圖；以及圖14是Smith圖，顯示1500到2000MHz頻率范圍內(nèi)，圖10等效電路的第二復(fù)用器輸入信號(hào)的模擬阻抗。
附圖中，相同的標(biāo)號(hào)用于表示對(duì)應(yīng)的部件。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，依據(jù)本發(fā)明制作的天線裝置包括多波段天線102，所述多波段天線單路饋線104。通過復(fù)用器106給天線102饋電，所述復(fù)用器包括多個(gè)電路108。每個(gè)電路108由對(duì)應(yīng)的輸入端110饋電，并提供輸入端110之間所需的隔離，同時(shí)電路108的輸出信號(hào)合并在一起加到天線饋線104上。在圖1所示的實(shí)例中，有三個(gè)輸入端110，分別對(duì)應(yīng)于頻率f1、f2、f3。連接到f1輸入端110的電路放行所述頻率同時(shí)阻止其他頻率f2、f3的信號(hào)從天線饋線104連接到f1輸入端110。每個(gè)電路108還提供頻率f1、f2、f3中未被放行者的預(yù)定的終端阻抗。
電路108可用諧振電路來實(shí)現(xiàn)，例如或者包括開路串聯(lián)LC電路或者包括短路并聯(lián)LC電路(或二者的組合)，在任何一種情況下都調(diào)諧到諧振于非傳輸?shù)妮斎腩l率上。在時(shí)分多址TDMA系統(tǒng)中，電路108可簡(jiǎn)單的包括開關(guān)。
可以在復(fù)用器106和收發(fā)信機(jī)之間設(shè)置匹配電路，后者用于使收發(fā)信機(jī)的阻抗和天線102的阻抗匹配或任選地用于增大天線帶寬。另一方面，可以在作為電路108的一部分的復(fù)用器自身中，部分或全部執(zhí)行所述阻抗匹配或帶寬擴(kuò)展。這種實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)是允許在匹配、帶寬擴(kuò)展和復(fù)用功能之間共用元件，從而可以節(jié)省元器件以及使實(shí)施方案更簡(jiǎn)單。
圖2顯示類似的天線裝置，其包括多波段天線202，所述多波段天線包括三個(gè)饋線104。在所述實(shí)例中，復(fù)用器106在各饋線104之間分配，天線202本身也提供各輸入端110之間的部分隔離。電路108可用與上例類似的形式實(shí)現(xiàn)。包括了靠近天線的無源濾波(或甚至切換)，可以實(shí)現(xiàn)多饋線天線202的應(yīng)用。
在圖2的實(shí)施方案中，如果電路108包括開路串聯(lián)LC電路，那么，每個(gè)輸入端110在其相應(yīng)的頻率下將呈現(xiàn)向其他輸入端110開路，因此在頻率f1、f2、f3中每一個(gè)頻率下工作時(shí)天線202似乎只有一根單饋線。在提供復(fù)用功能的同時(shí)，整個(gè)天線可用于所有三個(gè)頻率?？蛇x擇天線202的各饋電點(diǎn)，利用整個(gè)天線結(jié)構(gòu)提供每個(gè)頻率的自諧振，從而改進(jìn)帶寬和效率。此裝置能夠進(jìn)行比單饋線天線的匹配更有效的匹配，尤其是，允許每個(gè)饋電點(diǎn)的單獨(dú)匹配和寬帶化。
圖3顯示另一個(gè)變型，其中，復(fù)用器106具有在各頻帶之間共用的單一輸入端110和連接到多波段天線202的各饋線104的多個(gè)輸出端。在此復(fù)用器106的簡(jiǎn)單實(shí)施方案中，每個(gè)電路108包括開路串聯(lián)LC電路。每個(gè)輸入頻率可通過各自的電路108，但受其他兩個(gè)電路108阻擋。同圖2的裝置一樣，在每個(gè)工作頻率下天線202仿佛只有單一饋線。此裝置可通過使每個(gè)電路108內(nèi)以及復(fù)用器106和收發(fā)信機(jī)之間包括適當(dāng)?shù)钠ヅ潆娐穪砀倪M(jìn)。
可以想見，圖1到圖3的裝置可做其他改動(dòng)每根天線饋線104接收一個(gè)或一個(gè)以上工作頻帶的信號(hào)，同樣的，復(fù)用器的每個(gè)輸入端接收一個(gè)或一個(gè)以上工作頻帶的信號(hào)。所有這些改動(dòng)都屬于本發(fā)明的范疇。
圖4顯示包括具有單一輸出端的復(fù)用器106的無線通信設(shè)備400。所述設(shè)備包括微控制器(μC)402，用于控制可在三個(gè)頻帶工作的收發(fā)信機(jī)(Tx/Rx)404。所述收發(fā)信機(jī)有三個(gè)輸出端110(每個(gè)頻帶一個(gè))，所述收發(fā)信機(jī)包括復(fù)用器(MP)106的各輸入端，復(fù)用器(MP)106具有連接到多波段天線102的單一輸出端。本實(shí)例中，匹配和寬帶化功能也由復(fù)用器106執(zhí)行。
顯而易見，雖然以上實(shí)例僅涉及有三個(gè)頻帶的天線裝置，但本發(fā)明并不局限于此，任何有兩個(gè)或兩個(gè)以上頻帶及相應(yīng)的復(fù)用器(或天線雙工器)輸入端的裝置都屬本發(fā)明范疇。
橫截面圖5和頂視圖6中示出雙頻諧振四分之一波補(bǔ)片天線500的典型實(shí)施例。我們的共同未決的英國(guó)(UK)專利申請(qǐng)0013156.5描述了所述天線的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。所述天線有平面矩形接地導(dǎo)體502、導(dǎo)電墊片504和以基本上平行于接地導(dǎo)體502的方式支撐的平面矩形補(bǔ)片導(dǎo)體506。天線通過同軸電纜饋電，所述電纜的外導(dǎo)體508與接地導(dǎo)體502相連，所述內(nèi)導(dǎo)體510與補(bǔ)片導(dǎo)體506相連。電纜510在對(duì)稱縱軸上的點(diǎn)與補(bǔ)片導(dǎo)體506相連。
心軸512和接地導(dǎo)體502上的小孔514形成補(bǔ)片導(dǎo)體506與接地導(dǎo)體502之間的串聯(lián)諧振電路。心軸512包括螺紋黃銅柱，其下端直徑減小，心軸512的該下端與PTFE套配合，以便使它與接地導(dǎo)體絕緣。
心軸512的螺紋部分與補(bǔ)片導(dǎo)體506的螺紋切口結(jié)合，使心軸512可升高或放低。心軸512的下部分與小孔514緊配合。因此，心軸512伸入小孔514的部分形成具有PTFE介質(zhì)的電容，而接地導(dǎo)體502與補(bǔ)片導(dǎo)體506之間的心軸部分形成電感。所述心軸位于導(dǎo)體502和506的對(duì)稱縱軸上。
圖7所示的傳輸線路模型用于模擬天線500的性能。第一傳輸線段TL1，長(zhǎng)30.8mm寬30mm，模擬開端(圖5、6右側(cè))與同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體510連線之間的導(dǎo)體502、506部分。第二傳輸線段TL2，長(zhǎng)4.1mm寬30mm，模擬內(nèi)導(dǎo)體510和心軸512連線之間的導(dǎo)體502、506部分。第三傳輸線段TL3，長(zhǎng)1.7mm寬30mm，模擬心軸512和導(dǎo)電墊片504(用來使導(dǎo)體502、506之間短路)邊緣之間的導(dǎo)體502、506部分。
諧振線路從TL2和TL3接點(diǎn)連接到地。所述諧振線路包括1.95nH的電感L2，和3.7pF的電容C2。在諧振線路的諧振頻率1/(2π√L2C2)＝1874MHz，該諧振線路的阻抗為零。在該諧振頻率附近，補(bǔ)片導(dǎo)體的特性被修改，而在其他頻率下，其特性基本上不受影響。
電容C1表示開端傳輸線的邊緣電容，其值為0.495pF，而電阻R1表示邊緣輻射電阻，其值為1000Ω，它們都是經(jīng)驗(yàn)值。端口P是同軸電纜508、510與天線的連接點(diǎn)，模擬時(shí)用相當(dāng)于電纜508、510阻抗的50Ω負(fù)載端接端口P。
圖8示出1500MHz到2000MHz之間頻率f的回?fù)pS11的模擬結(jié)果。有兩個(gè)諧振點(diǎn)，在頻率1718MHz和1874MHz處。低頻率與補(bǔ)片天線的原始諧振頻率對(duì)應(yīng)，該諧振頻率因受諧振線路影響而減小，而高諧振頻率與諧振線路的諧振頻率的新輻射頻帶對(duì)應(yīng)。7dB回?fù)p(相當(dāng)于輻射的輸入功率的近90％)下的部分帶寬(fractional bandwidth)是2.2％和1.3％，共為3.5％。輻射頻帶間距與UMTS上下行鏈路頻帶中心的間距對(duì)應(yīng)，所述中心點(diǎn)分別是1962.5MHz和2140MHz(實(shí)際頻率按照因數(shù)0.875降低，因?yàn)闉橹谱鞣奖?，圖5和6的天線模型500的尺寸已按比例增大)。
圖9的Smith圖示出天線500在相同頻率范圍的模擬阻抗。利用附加的匹配電路可以改善所述匹配，并且，例如通過改變諧振線路的電感或電容，可以容易地使兩個(gè)諧振點(diǎn)的相對(duì)帶寬交換。
通過附加單天線饋線雙工器(即雙輸入端單輸出端復(fù)用器)，對(duì)圖7的傳輸線路模型加以改進(jìn)，用于UMTS和DCS1800，如圖10中所示。用50Ω負(fù)載RL1端接所述雙工器的第一支臂，以便設(shè)計(jì)成通過UMTS頻率(按照因數(shù)0.875的比例縮放到與天線模型500的尺寸對(duì)應(yīng))。它包括具有電感L3(1.025nH)和電容C3(10Pf)的諧振電路。所述諧振電路在對(duì)應(yīng)于縮放后的DCS1800頻帶中心的諧振頻率1572MHz下，阻抗無限大，電路受阻。值為2.8nH的電感L4確保天線與按比例縮放的UMTS頻帶保持匹配。
用50Ω負(fù)載RL2端接的雙工器的第二支臂設(shè)計(jì)成通過DCS1800頻率(仍依因數(shù)0.875的比例縮放)。它包括具有電感L5(1.5688nH)和電容C5(5Pf)的諧振電路。所述諧振電路在對(duì)應(yīng)于按比例縮放的UTMS上下鏈路頻帶中心的諧振頻率1797MHz，阻抗無限大，電路受阻。值為0.7pF的電容C6恢復(fù)與按比例縮放的DCS1800頻帶的匹配。
圖11顯示在1500MHz到2000MHz之間的頻率f下、對(duì)雙工器的第一支臂的回?fù)pS11的模擬結(jié)果。兩諧振頻率與圖8中沒有雙工器情況下的等效結(jié)果相比，沒什么變化。然而，7dB回?fù)p的部分帶寬變化很大，增至3.7％和2.8％，輻射頻帶寬共為6.5％。雙工器電路的設(shè)計(jì)能很大提高天線500的帶寬。
圖12的Smith圖示出天線500在相同頻率范圍下的模擬阻抗。它表明對(duì)兩頻帶的匹配優(yōu)于沒有雙工器時(shí)的匹配(比較圖8和11亦顯而易見)。
圖13顯示在1500MHz到2000MHz之間的頻率f下、對(duì)雙工器的第二支臂的回?fù)pS11的模擬結(jié)果。此時(shí)，只有單一輻射頻帶，其中心頻率為1666MHz，7dB回?fù)p的部分帶寬是5.1％。這表明雙工器的匹配和濾波電路可用于對(duì)天線的諧振頻率進(jìn)行微調(diào)，在此使它稍微低于天線的兩個(gè)自然諧振頻率。
圖14的Smith圖示出天線500在相同頻率范圍的模擬阻抗，舉例說明雙工電路已經(jīng)將原始的兩個(gè)諧振點(diǎn)組合在一起。
借助獨(dú)立的匹配和寬帶化電路使得天線500的帶寬能再度擴(kuò)展是可能的。依據(jù)本發(fā)明制作的裝置的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是可以為單個(gè)工作頻帶獨(dú)立進(jìn)行這樣的匹配和帶寬增長(zhǎng)。
依據(jù)本發(fā)明制作的裝置的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是復(fù)用器可非?？拷炀€饋線或各天線饋線，從而將寄生阻抗影響降至最低，不然，它會(huì)嚴(yán)重影響所述裝置的性能。例如，相對(duì)于地的寄生電容會(huì)嚴(yán)重影響每條電路要阻擋的頻率的諧振電路L3、C3或L5、C5產(chǎn)生的開路。
了解了目前的發(fā)明，本專業(yè)的技術(shù)人員顯然可以做其他的改動(dòng)。這些改動(dòng)可包括在所述天線裝置和元器件的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用中已知的其他特點(diǎn)，取代或補(bǔ)充此處已描述的特點(diǎn)。雖然本申請(qǐng)的權(quán)利要求書已闡明各種特征的特定組合，但是，顯然，本申請(qǐng)所公開的范圍還包括在此詳述或未詳述的任何新特征或特征的新型組合，或任何歸納總結(jié)，無論與權(quán)利要求書中現(xiàn)申明的發(fā)明有關(guān)與否，無論是否減輕本發(fā)明同樣存在的任何或所有技術(shù)問題。申請(qǐng)人在此提醒在對(duì)本申請(qǐng)或任何其他由此導(dǎo)出的申請(qǐng)的研究中，新的權(quán)利要求可闡明這些特征和/或特征的組合。
在本說明書或權(quán)利要求書中，元件前的詞“一”并不排除有很多此類元件。而“包括”一詞也并不排除有所述元件或步驟之外的元件或步驟存在。
權(quán)利要求
1.一種天線裝置，它包括多波段天線，所述多波段天線至少包括一個(gè)饋電點(diǎn)和復(fù)用器，所述復(fù)用器包括至少一個(gè)輸入端、至少一個(gè)輸出端和隔離裝置，所述輸出端或每個(gè)輸出端連接到相應(yīng)的天線饋電點(diǎn)，其中，天線饋電點(diǎn)和復(fù)用器輸出端之間的所述連接或每個(gè)連接具有基本上可忽略的阻抗。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述復(fù)用器靠近所述天線饋電點(diǎn)或每個(gè)天線饋電點(diǎn)設(shè)置。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于所述復(fù)用器還包括天線匹配電路，用于使天線饋電點(diǎn)的阻抗與收發(fā)信機(jī)端口的阻抗匹配。
4.如權(quán)利要求1到3中任何一個(gè)所述的裝置，其特征在于所述復(fù)用器還包括寬帶化電路，用于擴(kuò)展天線的至少一個(gè)工作頻帶的帶寬
5.如權(quán)利要求1到4中任何一個(gè)所述的裝置，其特征在于所述天線有多個(gè)饋電點(diǎn)，每個(gè)饋電點(diǎn)對(duì)應(yīng)于所述天線的一個(gè)或一個(gè)以上頻帶。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于所述復(fù)用器在所述天線的各個(gè)所述饋電點(diǎn)之間分配。
7.如權(quán)利要求1到6中任何一個(gè)所述的裝置，其特征在于為所述天線的每個(gè)工作頻帶設(shè)置單獨(dú)的匹配電路。
8.如權(quán)利要求1到7中任何一個(gè)所述的裝置，其特征在于所述隔離裝置包括無源濾波裝置。
9.利要求1到7中任何一個(gè)所述的裝置，其特征在于所述隔離裝置包括開關(guān)裝置。
10.一種無線通信設(shè)備，它包括如權(quán)利要求1到9中任何一個(gè)所述的天線裝置。
全文摘要
一種天線裝置包括通過復(fù)用器(106)饋電的多波段天線(102),所述復(fù)用器至少具有一個(gè)輸入端(110)且設(shè)置在天線饋線(104)近旁。所述復(fù)用器(106)可以包括天線匹配和寬帶化電路。所公開的裝置的優(yōu)點(diǎn)在于:可以單獨(dú)地為每個(gè)輸入頻帶設(shè)計(jì)匹配和寬帶化,從而提高性能,減少元件數(shù)量。另外,將寄生元件對(duì)復(fù)用器性能的影響降至最小。
文檔編號(hào)H01Q9/40GK1389003SQ01802505
公開日2003年1月1日 申請(qǐng)日期2001年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月23日
發(fā)明者K·R·博伊爾 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司