專利名稱：用于移動裝置的帶寬加寬天線的制作方法
相關(guān)申請的交叉引用本申請基于2001年3月15日申請的法國專利申請?zhí)?1 03 529，并依據(jù)35U.S.C§119要求其優(yōu)先權(quán)，該申請全部公開內(nèi)容引用于此，以供參考。
在平面上使用微帶作為天線來傳輸信號在本領(lǐng)域是已知的。導電貼片被放置在絕緣襯底的上表面，一個導電層被放置在該襯底的下表面。然后，導電層起到電接地平面的作用。襯底通常是平的，矩形的，且厚度為一常數(shù)。
多頻帶天線在文檔FR-A-2 772 518中有描述。它包括一個放置在絕緣襯底上表面的平的貼片。接地層放置在絕緣襯底的下表面。這個天線是一個四分之一波天線，因為放置在絕緣襯底邊緣的短路導體使貼片與接地層相連。這個天線包括用于在天線和信號處理器間傳輸信號的連接導體。
由Ollikainen、Kivekas、Toropainen和Vainikainen在Davos AP2000會議上演講的論文公開了包括放置在Styrofoam(注冊商標)襯底的上表面上的三個貼片的多頻帶天線。接地層放置在該絕緣襯底的下表面。用于低頻帶的第一貼片與用于高頻帶的第二貼片聯(lián)接。因此，這兩個貼片形成了具有鋸齒形狀并包括饋線的第一兩頻帶成分。這個兩頻帶成分包括以與接地層接合為形式的短路。第三貼片放置在第二貼片的旁邊，以在高頻帶中獲得雙諧振，并具有加寬了的通帶。第三貼片包括以與接地層接合為形式的短路。
在2000年10月5日出版的“Microwave and Optical TechnologyLetters”Volume 27 No.1的第58頁上文檔“Novel meandered planarinverted F-antenna for triple frequency operation”中描述了一個多頻帶天線，它有以“彎曲”模式放置在與地平面相同的平面中的三個貼片。這三個貼片具有單個饋線。
文檔US-A-4 766 440描述了一種天線，它具有兩個半波諧振。該天線包括一個矩形貼片，其中分別在該貼片的寬度和長度方向上建立了諧振貼片。在貼片上形成了一個U形槽，但該槽不到達貼片的邊緣。貼片與一個包括阻抗轉(zhuǎn)換器裝置的耦合系統(tǒng)相連。阻抗轉(zhuǎn)換使耦合系統(tǒng)與所使用的各種諧振頻率相匹配。
文檔US-A-4 771 291描述了一種包括貼片的天線。該貼片包括本地短路以及在貼片上形成的不到達貼片邊緣的直槽。
在提出本申請時尚未公開的PCT申請FR001586描述了一種天線，它包括帶有地的導電貼片、饋線連接、使貼片與地相連的短路連接以及在導電貼片上形成的曲折槽。
Boarg等在IEEE Antennas and Propagation Society InternationalSymposium Digest，Newport Beach，1995年6月18-23日第2124-2127頁的文獻“Dual Band Cavity-Backed Quarter-wave Patch Antenna”描述了一種具有四分之一波諧振的天線。第一諧振由貼片和襯底的尺寸和特征來定義。第二諧振使用匹配系統(tǒng)獲得。
上述天線都有不足之處。一方面，它們需要使用較大的平的貼片，這與移動通信設(shè)備機殼的小尺寸不符。另一方面，它們需要裝配容性負載以加寬通帶，從而增加了天線的成本和復雜性。此外，它們的帶寬比較小，在專用于UMTS的頻帶中尤為如此。
上述天線還很昂貴且發(fā)送或接收效率低。而且，對于這些天線而言，調(diào)整諧振頻率和所述頻率的帶寬也并非易事。
因此需要一種解決上述問題的天線。
在一種變形中，該輻射圖包括一個輔助諧振頻帶，含有從890MHz到950MHz頻率和大于10％的寬度。
在另一種變形中，該貼片具有實際的多邊形形狀。
在又一種變形中，各槽開口于貼片的同一邊緣。
在再一種變形中，短路連接通過槽向其開口的邊緣或相鄰邊與貼片連接。
在一種變形中，饋線連接通過槽向其開口的邊緣或相鄰邊與貼片連接。
在另一種變形中，饋線連接和短路連接分別位于其中至少一個槽的兩側(cè)。
在又一種變形中，各槽具有不同長度的輪廓線。
本發(fā)明還提供了一種天線，其中各槽輪廓線長度的差值在5％到30％間。
在一種變形中，地是與貼片平面平行的導電平面。
在另一種變形中，各槽之間的距離在5mm到15mm間。
在又一種變形中，貼片由金屬膜制成。
在再一種變形中，各槽具有大致相同的形狀和相同的方向性。
本發(fā)明還提供了一個無線通信設(shè)備，包括一個根據(jù)本發(fā)明的天線，其厚度小于20mm，長度小于120mm，寬度小于50mm。
通過閱讀本發(fā)明的實施例的下列說明，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將變得明了，說明是通過舉例參照附圖給出的。
圖2是變形天線的平面圖。
圖3是短路和饋線連接的可能部署的平面圖。
圖4是槽模式的圖形表示。
圖5是優(yōu)選槽模式的圖形表示。
圖6是天線的一個實例的詳細平面圖。
圖7是圖6天線的側(cè)視圖。
圖8是圖6和7中天線的反射頻譜的圖表。
當在發(fā)送，即將電流轉(zhuǎn)換到電磁場中，之后描述該天線。本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯可知，在接收，即將電磁場轉(zhuǎn)換到電流時，天線具有類似操作。
在下述描述中，為了確定諧振帶的百分比寬度，在天線的測量的反射系數(shù)的曲線上確定-6dB點處的切斷頻率。諧振頻率的范圍是通過從上切斷頻率中減去下切斷頻率確定的。隨后即可確定作為兩個切斷頻率間的中值頻率的諧振帶中心頻率。諧振頻帶的百分比寬度是諧振頻率范圍與頻帶中心頻率的比值乘100。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的天線的一個實施例的視圖。天線1包括一個導電貼片2，在其上形成了第一個槽3和第二個槽4。導電貼片具有一個饋線連接5和一個與地7相連的短路連接6。襯底8放置在貼片和地7之間。饋線連接5與以電流形式輸出信號的信號發(fā)生器和處理器9相連。
貼片最好是實際的多邊形。所示的貼片為矩形，但當然本發(fā)明不局限于此。
天線的這個實施例具有下文被稱為“輔助”頻帶的諧振頻帶。它還具有稱為“主”頻帶的諧振頻帶，將在稍后詳細介紹。輔助諧振頻帶是通過耦合槽3和4得到的。槽3和4開口在貼片的同一邊緣25上。如圖2所示，這兩個槽在該貼片上限定了一個中央部分10、一個第一末端或尾部11和一個第二末端或尾部12。這三個部分通過貼片的邊緣26連接。貼片2由饋線連接5進行饋給。饋線連接5在槽3和4向其開口的邊緣25上位于第一末端11處。短路連接6在邊緣25上位于第二末端12處。為貼片進行饋送會生成第一電流，從饋線連接5開始，繞過槽3并通過中央部分10返回到邊緣25。在通過中央部分10時，電流產(chǎn)生電磁耦合效應，這會激勵槽4。隨后，產(chǎn)生第二電流。這個第二電流從短路連接6開始，繞過槽4并通過中央部分10返回到邊緣25。因此，第一和第二電流在中央部分10處相加在一起。
電流在圖2虛線所示的區(qū)域21、22、23中產(chǎn)生強烈的電磁輻射。該輻射具有兩個諧振頻率，由各槽3和4的尺寸定義。與各槽的諧振對應的電磁場的波長由槽的輪廓線長度定義。由于貼片2和地7間的短路連接6加了一個電場節(jié)點，所以諧振是四分之一波諧振。因此，電通路的長度為λ/4量級，其中λ是在空氣或真空中的波長。因為導電貼片通過短路連接6短路，因此天線的尺寸可以針對給定的諧振頻率而減小。短路連接6最好具有足夠低的阻抗以加入這個電場節(jié)點。
因此，輔助頻帶是由分別由第一和第二個槽生成的兩個強烈耦合的諧振形成的。諧振頻率不重疊并且彼此足夠近，能生成一個加寬的諧振頻帶。為此，各槽最好具有略微不同的輪廓線。輪廓線長度之差最好在5％到30％間。這樣諧振頻率是分離的，以便它們不會重疊并且彼此間近到能夠加寬諧振頻帶。貼片和槽的輪廓線的適當尺寸會產(chǎn)生一個輔助頻帶，包括GSM頻帶和/或E-GSM頻帶，具體的說，是從890MHz到950MHz的頻率。以這種方式形成的頻帶具有大于10％的寬度。而且，這個頻帶的效率大于70％。
電流傳播的速度接近光速。因此，電流大約就像是貼片由饋線連接5和短路連接6來饋給。電流通路與在具有兩個彼此絕緣但相當靠近的貼片且每個貼片都有一個槽和一個饋線連接的結(jié)構(gòu)中的通路相似。
主諧振頻帶還使用槽3和4的耦合。電流產(chǎn)生并經(jīng)過饋線連接的第一末端11到達邊緣26。這個電流生成通過中央部分從邊緣25流到邊緣26的感應電流。這后一個電流還生成一個通過第二末端從短路連接到達邊緣26的感應電流。
各電流在邊緣26匯合并在圖2中虛線所示的區(qū)域24中產(chǎn)生強烈的電磁輻射。因此，該電磁輻射包括主要由貼片尺寸定義的至少兩個諧振頻率。貼片的長度確定發(fā)生諧振的波長。由于貼片2和地7之間的短路連接6，這些諧振是四分之一波諧振。因此，電通路的長度在λ/4量級。
于是，主頻帶由至少兩個耦合的諧振形成，這兩個諧振還受到槽的輪廓線的幾何形狀和長度的影響。這個頻帶中的諧振頻率比輔助頻帶中的高，因為電流的通路較短。諧振頻率不重疊并且彼此足夠近，能生成一個加寬的諧振頻帶，為此，各槽同樣最好具有長度略微不同的輪廓線。貼片和槽的輪廓線的適當尺寸會產(chǎn)生一個主頻帶，包括UMTS頻帶和PCS頻帶，具體的說，是從1950MHz到2100MHz的頻率。以這種方式形成的頻帶具有大于20％的寬度。而且，這個頻帶的效率大于70％。
短路連接6和饋線連接5最好放置在導電貼片的同一邊緣上。這可改善諧振模式的耦合。于是便可獲得加寬的帶寬。一般來說，饋線連接和短路連接最好放置在邊緣25或相鄰的邊上，如圖3所示。這樣，短路連接最好放置在區(qū)域27中。饋線連接最好放置在區(qū)域28中。槽的輪廓線的方向當然可以與所示的相反，而短路連接和饋線連接的位置類似。
可通過修改饋線連接與短路連接的相對位置來修改諧振頻率和匹配。為此，連接5和6放置在適當選擇的位置上。為提高增益和便于制造天線，還最好將饋線連接和/或短路連接放置在貼片的各邊上。例如，通過將饋線連接放置在貼片的邊緣上，便可改善匹配。這可實現(xiàn)更好的天線空隙(lacuna)，于是獲得降低的反射系數(shù)，對于主諧振頻帶尤為如此。
饋線連接和短路連接最好放在其中一個槽的兩側(cè)，即在饋線連接和短路連接間畫的線會跨過槽。
在一種變形中，槽的諧振頻率可以耦合以增加輻射的電磁場的幅度。為此目的，使用具輪廓線非常相似的槽。
槽最好是曲折的，不使用直線段形狀，以便增加其輪廓的長度。曲折輪廓會使電流通路變形。圖4顯示了適當?shù)那鄄坌螤?。槽的形狀例如可以接近V、U、圓弧或不完全閉合的矩形。因此，對于給定的槽輪廓長度，槽可以用于在導電貼片中占用較少的空間。于是，可以減小天線的尺寸。各槽的輪廓最好具有相似的形狀。
最好使用由直線段構(gòu)成的曲折槽。這由于輪廓線簡單而便于制造。還會便于天線頻率的調(diào)整。
圖5顯示了大大減小貼片和天線的尺寸的曲折槽的一種特定形式。該槽由直線段構(gòu)成形成一個螺旋狀。這與具有V形槽的天線相比，使天線尺寸減小大約20％。
槽的輪廓線的相對方向性改變天線的特性。因此，如果各槽的輪廓線方向性相同，如圖1-3所示，增加了耦合頻帶的寬度。輪廓線方向性相同增加了中央部分10中的電流，該電流會更高并在槽4周圍產(chǎn)生增加的感應電流。這增加了輻射的幅度并加寬了通帶。如果槽的輪廓線具有相反的方向性，輻射則有更好的對稱性，但會損害通帶和輻射幅度。
改變兩個槽間的距離會改變它們之間的耦合。因此，增加兩個槽間的距離會減小耦合但增加通帶的寬度。兩個槽間的距離，即各槽上距離最近的兩個點間的距離，最好大于5mm。在主諧振頻帶的情況下，加寬諧振頻帶尤為敏感。如果槽之間的距離加大到大于15mm，諧振頻率分離并且不耦合，不再形成諧振頻帶。
有可能以金屬板的形式制作地7。在這種情況下，最好使用與導電貼片2平行的由平面金屬導電表面構(gòu)成的地7。這類的地限制了由設(shè)備的用戶截取的輻射功率。在圖1所示的實施例中，地7和導電貼片2由襯底8隔開。
襯底8的厚度最好是常數(shù)。最好選擇可以調(diào)諧頻率和加寬通帶的襯底厚度。增加襯底厚度會加寬諧振頻帶。襯底8的厚度受到無線通信設(shè)備的尺寸的限制。為使用接地返回舌狀物，例如，最好襯底8與導電貼片2的某個邊平齊使用或相對于該邊緣往里收進。這簡化了天線的裝配。為了改善增益，還需要用相對介電常數(shù)接近于空氣(最好小于2)的材料制作這種襯底。最好選擇具有很低的耗散因數(shù)，具體說，耗散因數(shù)小于10-3的材料。這樣便有可能用聚甲基丙烯醛基亞胺泡沫或基于氟代聚合物(如PTFE)的絕緣板制作襯底8。這類的泡沫還能提供好的機械強度。
饋線連接5通過連接線14與發(fā)射機或與信號處理器9相連。這個連接可以例如由同軸電纜實現(xiàn)。在這種情況下，同軸電纜的內(nèi)部導體可用于使貼片與處理器相連，例如。在這種情況下，同軸電纜的外部導體使地7與處理器相連。為避免饋線連接與發(fā)射機間不想要的信號反射，最好在整個連接線路上有統(tǒng)一的阻抗。為此，使饋線連接5作為從貼片開始延伸出去構(gòu)成連接線的舌狀物是有用的。饋線連接可以是在導電貼片中形成的舌狀物。
最好使用能在接近天線的可用諧振頻率的一個預定的工作頻率，例如，以諧振頻率為中心的通帶中的工作頻率，上工作的處理器?？梢允褂脧秃咸幚砥?，它可包括多個處理器單元，每個處理器單元都永久調(diào)諧到工作頻率。同樣還可能使用一個包括可以調(diào)諧到各個工作頻率的處理器單元的處理器。
而且，為獲得最優(yōu)增益，即，由天線輻射的信號功率和發(fā)射機的輸出信號功率間的最優(yōu)比值，最好天線的輸入阻抗與發(fā)射機和信號處理器9的輸出阻抗相等。輸入阻抗最好是50歐姆，以使損失最小。
連接6最好由從襯底8的邊緣伸出的導電舌狀物構(gòu)成。在這種情況下，同樣可能制成以從導電貼片伸出的舌狀物為形式的短路連接。
而且，導電貼片還可以在貼片的短路部分處包括一個舌狀物。為此，舌狀物從短路部分的邊緣凸出并最好與導電貼片平齊。彎曲舌狀物會改變天線的諧振頻率。該舌狀物還加寬了天線的諧振通帶。舌狀物可以是10mm長，6mm寬。舌狀物最好在貼片的其中一個末端或尾部上。
圖6和7顯示了根據(jù)本發(fā)明的天線。天線具有如下的尺寸a＝35mmb＝42mmc＝10mmd＝3mme＝3.5mm f＝3.6mm g＝5.4mm h＝7mmi＝23.2mm j＝3mm k＝8.6mm l＝10.6mmm＝26.5mm n＝3mm o＝6mm。
貼片為100μm厚，由銅制成。
饋線連接是一個1mm寬的舌狀物。短路連接是3mm寬的舌狀物。槽為1mm寬。襯底是在其三個表面上有1mm的錐度的聚甲基丙烯醛基亞胺泡沫。地是44mm×110mm的PCB。
圖8顯示了為圖6和7所示天線測量的輸入反射頻譜。在給定頻率上天線的低發(fā)射對應于天線的諧振。兩個頻率互補以形成從1020MHz到1260MHz的加寬了的輔助諧振頻帶B1。中心頻率是1145MHz。因此對于這個頻帶，帶寬是21％。諧振頻率還互補以形成從2005MHz到2740MHz的加寬了的主諧振頻帶B2。中心頻率是2350MHz。這個頻帶的寬度是大約30％。使用前述的天線的適當調(diào)整，頻帶很容易適應于覆蓋GSM、DCS、PCD和UMTS。將天線放置在移動電話的機殼中通常會降低諧振頻帶的中心頻率，但百分比帶寬維持恒定。因此，頻帶只是有所偏移。電池、聽筒、麥克風、電子部件和支持卡的存在也會改變諧振頻帶的中心頻率。這樣，將這個天線放置在標準電話的機殼中會產(chǎn)生頻帶B1和B2，分別包括E-GSM和DCS-PCS-UMTS頻帶。E-GSM頻帶的寬度為8.7％。從DCS到UMTS的頻帶的寬度為25％。因此，該天線的特性足夠覆蓋這些頻帶。
本發(fā)明還涉及包括前述天線的無線電通信設(shè)備。該天線可以放在該設(shè)備的保護性機殼中。
本發(fā)明還涉及一種天線制造方法，它包括在一個金屬膜上切出兩個曲折槽的步驟。
該方法的一種變形包括切出一個短路舌狀物的步驟。該方法的另一個變形包括切出一個饋線連接的步驟。該方法的又一個變形包括在金屬膜的寬度方向的一部分上切出一個電連接的步驟。
當然，本發(fā)明不局限于描述的示例和實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對其進行諸多變形。
因此，盡管一直在描述一個平面導電貼片，但同樣可能使用一個曲線的導電貼片，例如，為了符合移動電話機殼的形狀。可以使用形狀不同于所顯示的矩形的導電貼片，如圓盤形的貼片。如有必要，還可能使饋線和短路舌狀物曲折。
權(quán)利要求
1.一種包括一個導電貼片的天線，該貼片包括兩個曲折的槽、一個地、一個使所述貼片與所述地相連的短路連接、一個與所述貼片相連的饋線連接，該天線有一個輻射圖，包括一個主諧振帶，含有從1950MHz到2100MHz的頻率和大于20％的寬度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其特征在于輻射圖包括一個輔助諧振帶，含有從890MHz到950MHz到頻率和大于10％的寬度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其特征在于貼片具有實際的多邊形形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天線，其特征在于貼片具有實際的多邊形形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的天線，其特征在于各槽開口于貼片的同一邊。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的天線，其特征在于短路連接通過槽向其開口的邊或相鄰的邊與貼片連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的天線，其特征在于饋線連接通過槽向其開口的邊或相鄰的邊與貼片連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的天線，其特征在于饋線連接通過槽向其開口的邊或相鄰的邊與貼片連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的天線，其特征在于饋線連接和短路連接分別位于至少其中一個槽的兩側(cè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的天線，其特征在于饋線連接和短路連接分別位于至少其中一個槽的兩側(cè)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的天線，其特征在于饋線連接和短路連接分別位于至少其中一個槽的兩側(cè)。
12.根據(jù)任何前述權(quán)利要求的天線，其特征在于各槽具有不同長度的輪廓線。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的天線，其特征在于各槽輪廓線長度的差值在5％到30％間。
14.根據(jù)任何前述權(quán)利要求的天線，其特征在于地是與貼片平面平行的導電平面。
15.根據(jù)任何前述權(quán)利要求的天線，其特征在于各槽之間的距離在5mm到15mm間。
16.根據(jù)任何前述權(quán)利要求的天線，其特征在于貼片由金屬膜制成。
17.根據(jù)任何前述權(quán)利要求的天線，其特征在于各槽具有大致相同的形狀和相同的方向性。
18.根據(jù)權(quán)利要求1到12種任一所述的天線，其特征在于各槽具有大致相同的形狀和相反的方向性。
19.包括根據(jù)前述任一權(quán)利要求的天線的無線通信設(shè)備，其特征在于其厚度小于20mm，長度小于120mm，寬度小于50mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于無線電通信設(shè)備的天線,它包括一個導電貼片,具有兩個曲折的槽、一個地、一個使貼片與地相連的短路連接、一個與貼片相連的饋線連接。該天線有一個輻射圖,包括一個第一諧振帶,含有從1950MHz到2100MHz的頻率和大于20%的寬度。該天線可以工作在覆蓋UMTS、PCD、DCS可能還有GSM頻帶的頻率范圍中。這種類型的天線可用于使用不同頻帶,例如各個國家使用的不同的頻帶,的許多種設(shè)備。還公開了配備該天線的無線電通信設(shè)備。
文檔編號H01Q1/24GK1375890SQ02107509
公開日2002年10月23日 申請日期2002年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月15日
發(fā)明者馬奇·埃蒂莫, 查爾斯·恩古諾·考姆, 克里斯托弗·格拉吉特 申請人:阿爾卡塔爾公司