專利名稱：用于無線電通信設(shè)備的高效多頻段天線的制作方法
背景本發(fā)明一般涉及無線電通信系統(tǒng)，特別是涉及可以加到便攜式終端和使該便攜式終端在不同的頻帶內(nèi)進行通信的天線，同時增加天線的效率。
在美國以及世界其他地區(qū)蜂窩電話工業(yè)在市場運作中已經(jīng)具有了顯著的發(fā)展。在主要大城市地區(qū)的增長已遠遠超出預(yù)期的情況并正在很快地突破系統(tǒng)容量。如果這種勢頭繼續(xù)，則這種工業(yè)增長的效果將很快到達甚至最小的市場。要求改革解決方案以符合這些增加的容量需要，以及保持高質(zhì)服務(wù)和避免價格上浮。
遍于全球，先進無線電通信系統(tǒng)的一個重要步驟為從模擬傳輸變到數(shù)字傳輸。有等同意義的是選擇有效的數(shù)字傳輸方案來實施下一代的技術(shù)，例如時分多路存取(TDMA)或碼分多路存取(CDMA)。此外，人們深信，使用能夠舒適攜帶并在家中，辦公室，街道，車輛等中用來進行或接收呼叫的低成本的，袖珍式的無繩電話的第一代個人通信網(wǎng)絡(luò)(PCN)將由例如使用下一代數(shù)字蜂窩系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的蜂窩載波器提供。
為提供設(shè)備兼容性的可接受的等級，在全球不同地區(qū)已建立了許多標(biāo)準(zhǔn)。例如，模擬標(biāo)準(zhǔn)，例如AMPS(先進的移動電話系統(tǒng))，NMT(北歐移動電話)和ETACS，以及數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，例如D-AMPS(例如在EIA/TIA-IS-54-B和IS-136中規(guī)定的)和GSM(用于由ETSI采用的移動通信的全球系統(tǒng))已經(jīng)對無線電通信系統(tǒng)頒布了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計規(guī)范。一旦建立起規(guī)范，這些標(biāo)準(zhǔn)將以相同或類似方式重新使用，以指定附加的系統(tǒng)。例如，除原始的GSM系統(tǒng)外，還存在DCS1800(由ETS1規(guī)定)和PCS1900(由J-STD-007中的JTC規(guī)定)，兩者均基于GSM。
然而，在蜂窩通信服務(wù)中最近的進展包括采用附加頻段用于人工操作的移動通信，例如，個人通信服務(wù)(PCS)服務(wù)。采納美國的一個例子，將蜂窩高頻段分配成兩個頻段(通常稱為A頻段和B頻段)以便在800MHz范圍進行和控制通信。另一方面，在美國規(guī)定PCS高頻段包括在1900MHz范圍內(nèi)6個不同頻段(A,B,C,D,E和F)這樣，現(xiàn)在美國的任意給定服務(wù)區(qū)可利用八個頻段以便于通信服務(wù)。對PCS高頻段(例如PCS1900(J-STD-007),CDMA(IS-95)和D-AMPS(IS-136))已經(jīng)批準(zhǔn)了某些標(biāo)準(zhǔn)，同時已批準(zhǔn)用于蜂窩高頻段的其他標(biāo)準(zhǔn)(例如，AMPS(IS-54))。
指定用于蜂窩和PCS高頻段的每一個頻段被分配為多個業(yè)務(wù)頻道和至少一個接入或控制信道。通過發(fā)送/接收到/來自該移動站的信息，該控制頻道被用于控制或監(jiān)控移動站的工作。這樣信息可以包括入局呼叫信號，出局呼叫信號，尋呼信號，尋呼響應(yīng)信號，本地登錄信號，話音頻道分配，維修指令，越區(qū)切換和網(wǎng)孔選擇或再選擇指令，如果一個移動站離開了一個網(wǎng)孔的無線電復(fù)蓋范圍和進入另一網(wǎng)孔的復(fù)蓋范圍?？刂苹蛟捯纛l道可以或按模擬模式工作，按數(shù)字模式工作，或按組合模式工作。
由在業(yè)務(wù)和控制頻道上的下行鏈路中的一個基站發(fā)射的信號由移動或便攜式的終端所接收。每個終端至少具有一個天線。歷史地，便攜式終端已采用過多種不同的天線形式在大氣接口接收和發(fā)射信號。例如已發(fā)現(xiàn)垂直安裝到一個導(dǎo)體表面的單極天線提供良好的輻射特性，合乎要求的驅(qū)動點阻抗和相當(dāng)簡單的結(jié)構(gòu)。單極天線可以按多種物理形式制作。例如頻繁用在與便攜式終端結(jié)合的桿狀或鞭狀天線。對于高頻應(yīng)用，在那里天線長度為最小，選擇另一種螺旋天線。如

圖1所示，通過將天線沿其長度繞成線圈，螺旋天線允許設(shè)計得更短。
為避免反射引起的損耗，天線一般被調(diào)諧到其要求的工作頻率上，調(diào)諧天線意指匹配在其輸入端上向天線觀察的阻抗，使得該輸入阻抗是一個純阻，即，它將不具有明顯的電抗分量。例如，調(diào)諧可以通過測量或估算與一個天線相關(guān)的輸入阻抗并提供一個適宜的阻抗匹配電路來執(zhí)行。
如上所描述的，提供能工作在不同寬頻段的便攜式終端將不久之后成為市場所要求的，例如設(shè)置在900MHz范圍的頻段和設(shè)置在1800MHz范圍的頻段。因此不久的將來在便攜式終端中將需要應(yīng)用在兩個頻段中提供適當(dāng)增益和帶寬的天線。已經(jīng)進行了某些試驗以便形成這種雙-波段天線。
例如，授予Phillips等的美國專利U.S.4,571,595公開了一種雙頻段天線，該天線具有鋸齒形導(dǎo)體元件。該雙頻段天線可以調(diào)諧到兩個近間隔的頻段之一(例如中心在9.15Mhz和960MHz)。但是這種天線設(shè)計是相對低效的，因為它實際上那樣地接近移動電話的機架。
日本專利6-37531公開了一種螺旋天線，其包含一個內(nèi)部附加金屬桿，在該專利中，通過調(diào)整該金屬桿的位置，該天線可以調(diào)諧到雙諧振頻率。不幸的是，對于在蜂窩通信中使用而言，設(shè)計帶寬太窄。
印制的雙頻段單極天線是人們所了解的，其中雙諧振是通過將附加的帶狀物加到很靠近一個印制單極天線來實現(xiàn)的。而這樣的一個天線具有足夠的帶寬用于蜂窩通信，它要求附加一個帶狀物。在瑞典的Moteco AB已設(shè)計了一種線圈匹配的雙頻段鞭狀天線和線圈天線，其中，雙諧振是通過調(diào)節(jié)該線圈匹配元件(對900MHz為1/4λ，而對1800MHz為1/2λ)實現(xiàn)的。該天線具有相對滿意的帶寬和輻射性能，其長度僅約40mm，在未決的，共同轉(zhuǎn)讓的專利申請08/725 507中公開了一種尺寸相對小的非均勻螺旋雙頻段天線，題目是“多頻段非均勻螺旋天線”全部在此作為參考。
目前，用于如移動電話這樣的無線通信設(shè)備的天線都直接安裝在電話的機架上。當(dāng)該移動電話處談話狀態(tài)時天線很接近用戶頭部將降低該天線以及最終將降低通信設(shè)備的性能。本發(fā)明提出盡可能遠離用戶的頭部來定位天線的輻射部分，由此增加輻射效率。
概述本發(fā)明提供具有多頻段旋臂天線組件的無線電通信設(shè)備，設(shè)計這種天線來增加天線的效率。本發(fā)明示例性實施例提供的天線組件包括一個多頻段輻射天線元件和一個多頻段套筒，該多頻段輻射器和套筒允許天線調(diào)諧到多個諧振頻率。該多頻段天線元件和套筒通過同軸饋電電纜固定到該通信設(shè)備的機架，該同軸饋電電纜是用來將那些元件同機架隔離。當(dāng)天線放置在一個完全展開的位置時，在天線輻射部分(即多頻段輻射天線元件和多頻段套筒)和用戶頭部之間的距離導(dǎo)至天線效率的增加。還放進一種鐵氧體涂覆于同軸電纜的底部以減小流到機架的電流。
附圖的簡要說明根據(jù)以下結(jié)合附圖的優(yōu)選實施例的說明將更理解本發(fā)明的上述目的和特征，其中圖1說明一種普通螺旋天線；
圖2說明按本發(fā)明的示例無線電通信設(shè)備；圖3說明按本發(fā)明的多頻段旋臂天線；圖4(a)說明按本發(fā)明的具有處收藏位置的多頻段旋臂天線的移動電話的側(cè)視圖；圖4(b)說明按本發(fā)明的具有處完全展開位置的多頻段旋臂天線的移動電話的側(cè)視圖；圖5(a)-(b)說明在用戶頭部和普通天線結(jié)構(gòu)輻射器之間以及和按本發(fā)明輻射器之間的距離。
圖6說明按本發(fā)明的多頻段旋臂天線的性能的圖形表示。
圖7說明一種短截線天線和按本發(fā)明的多頻段旋臂天線在1800MHz的輻射圖；以及圖8說明一種短截線天線和按本發(fā)明的多頻段旋臂天線在900MHz的輻射圖。
詳細(xì)說明圖2說明按本發(fā)明的一種無線電通信設(shè)備100。通信設(shè)備100包括一個天線組件110，其固定到電話本體(或機架)。按本發(fā)明的天線組件110是旋臂式的多頻段天線，并將在下面詳述。通信設(shè)備100還包括一個擴音器口120和揚聲器口130，分別置于接近用戶的嘴和耳朵。鍵盤140允許用戶例如通過輸入撥打的電話號碼同通信設(shè)備接口。
根據(jù)技術(shù)理解到這些通信設(shè)備按很靠近用戶方式操作將導(dǎo)至一部分RF傳輸被吸收或受阻擋，由此減少傳輸功率。結(jié)果，性能和傳輸距離受損失。
本發(fā)明的多頻段旋臂天線試圖克服技術(shù)上的這些缺陷。圖3說明按本發(fā)明的多頻段旋臂天線110。如下面將說明的，該多頻段旋臂天線是一個半波長雙極天線。這樣，本專業(yè)技術(shù)人員將理解本發(fā)明的天線是自匹配(即無需外部阻抗匹配元件)天線。
多頻段旋臂天線110包括一個小的雙頻段輻射元件310。在未決、共同轉(zhuǎn)讓的專利申請08/958,846“Multiple Band,Multiple BranchAntenna for Mobile phone”中陳述了一種類型的雙頻段輻射器，在此用作參考，該小雙頻段輻射天線元件310通過同軸饋電電纜350的內(nèi)導(dǎo)體連接到通信設(shè)備的機架。因為它是不輻射電磁波的，所以同軸饋電電纜350起到將該天線元件310同機架隔離的作用。
兩個導(dǎo)體臂420和430在一結(jié)合連接點連接到饋電電纜350的外導(dǎo)體的相對側(cè)，接近雙頻段天線310。這兩個臂長度不同并一起形成本發(fā)明的雙頻段套筒315。通過控制該導(dǎo)體臂的長度，該雙頻段套筒315能調(diào)諧到不同的頻率。此外，在導(dǎo)體臂和同軸電纜之間的縫隙可以改變以增/減頻寬。
雙頻段套筒315的第一臂420的長度(一般為該臂被調(diào)諧到的頻段的1/4或1/2波長)和結(jié)構(gòu)是使其諧振在第一較低頻段的頻率上，而第二臂430的長度和結(jié)構(gòu)是使其諧振在第二較高頻段的頻率上。這兩個臂可做的在任意頻率上諧振。例如，第一頻段可以是GSM頻段，而第二頻段可以是DCS頻段。這樣，第一臂420接近一個GSM(即，900MHz)信號的1/4波長，而第二臂430接近一個DCS(即，1800MHz)信號的1/4波長。這就可使天線容易調(diào)諧到雙諧振。雖然目前的例子陳述該第一和第二頻段分別是GSM和DCS頻段，但是本專業(yè)技術(shù)人員將理解可以實現(xiàn)頻段的其他組合而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。例如，其他可能的低高頻段的組合可包括GSM+PCS,GSM+WCDMA,DCS+WCDMA,GSM+GPS,GSM+ISM，或者更低和更高頻段的其他組合。
雙頻段套筒可以制作成印制的金屬帶，導(dǎo)線結(jié)構(gòu)或蝕刻在塑料框架上。兩個臂的最長的一臂的終端(即低頻段臂420)可以形成彎曲形狀，如圖3所示。本專業(yè)技術(shù)人員將理解，可以將最長臂的終端用另一種方法形成其他的形狀，例如環(huán)形或螺旋形狀。
雙頻段輻射天線元件310同雙頻段套筒315結(jié)合形成申請人的多頻段旋臂天線的輻射部分。例如當(dāng)參照圖2該天線處完全展開位置時，輻射部分是處在離用戶頭部足夠距離的位置，從而減小由于人體的輻射損耗。此外，小量射頻發(fā)射可以被用戶身體阻擋，從而增加了該通信設(shè)備的距離和總效率。
為進一步增加天線效率，一種鐵氧體涂覆340施加到最靠近連到機架的饋電電纜的那端。涂覆的鐵氧體340減小了從天線輻射部分返回到機架的射頻電流的總量。該電流是不想要的，因為它們消耗在用戶的手和臉部，由此將降低天線的效率。此外雙頻段套筒315有助于減小向下流到同軸電纜350的電流。這顯然是由于在諧振臂420,430和同軸電纜350之間存在極高的阻抗(即無限大的阻抗)這個事實。
圖4(a)和(b)說明按本發(fā)明的無線電通信設(shè)備的側(cè)視圖。在圖4(a)中，該多頻段旋臂天線被顯示在收藏位置。在此位置通信設(shè)備被認(rèn)為處于尋呼模式，當(dāng)處談話模式時，如圖4(b)所示，天線可以旋轉(zhuǎn)到完全展開的位置。
當(dāng)旋臂天線的輻射部分處于遠離用戶頭部的位置時，導(dǎo)致極低的RF吸收。按本發(fā)明的示例性實施例，在輻射器和用戶頭之間的距離能夠增加6-7倍于一個普通天線系統(tǒng)。圖5(a)和(b)說明普通輻射天線結(jié)構(gòu)同本發(fā)明輻射器相比的接近度。如圖5(a)和(b)所說明的，普通天線的輻射部分離用戶頭部的距離一般是2cm，而按本發(fā)明的輻射器離用戶頭部的距離接近12cm。本專業(yè)技術(shù)人員將理解，本發(fā)明提供的距離越大，則天線效率增加越高。
在圖6中，提供按本發(fā)明的多頻段旋臂天線的性質(zhì)的圖形表示，在該例中，天線按完全展開位置放置，和低和高頻段指定為GSM和DCS頻段。特性曲線表示相應(yīng)GSM頻段的第一峰值和相應(yīng)DCS頻段的第二峰?？梢岳斫獾氖悄茉O(shè)計按本發(fā)明的一個合適的天線，以便工作在相應(yīng)GSM,DCS,PCS，或者其他的頻段的兩個或更多個頻段。圖7和圖8分別對于1800MHz和900MHz陳述申請人的有創(chuàng)造性的多頻段旋臂天線的輻射圖測試與普通短截線天線的相比的結(jié)果。如從圖7和圖8顯然，對于1800MHz和900MHz兩者而言，多頻段旋臂天線的輻射圖形比短截線天線均勻得多。由本專業(yè)技術(shù)人員可導(dǎo)出以上教導(dǎo)的技術(shù)的許多變型和組合而不脫離由以下權(quán)利要求描述的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1．一種用在無線電通信系統(tǒng)中的通信設(shè)備，所說設(shè)備包括一個擴音器口，使通信設(shè)備從用戶接收傳聲信息；一個揚聲器口，使通信設(shè)備發(fā)射傳聲信息到所說用戶；一個鍵盤；以及一個多頻段旋臂天線，包括一個小的多頻段諧振天線元件；一個套筒，包括第一臂和第二臂，它們分別調(diào)諧到第一和第二頻段，以及一條同軸饋電電纜，用于將所說雙頻段輻射天線元件和所說套筒連接到所說通信設(shè)備的機架；其中選擇所說同軸饋電電纜的長度，以增加所說通信設(shè)備的天線效率。
2．權(quán)利要求1的通信設(shè)備還包括固定到所說同軸饋電電纜的鐵氧體涂覆，以減少流到所說機架的電流。
3．權(quán)利要求1的通信設(shè)備，其中所說第一頻段和所說第二頻段是不同的。
4．權(quán)利要求3的通信設(shè)備，其中所說第一頻段是低于所說第二頻段。
5．權(quán)利要求1的通信設(shè)備，其中所說第一臂比說第二臂長。
6．權(quán)利要求5的通信設(shè)備，其中所說第一頻段比所說第二頻段低。
7．權(quán)利要求5的通信設(shè)備，其中所說第一臂的端部形成彎曲，環(huán)形，和螺旋形狀之一。
8．權(quán)利要求1的通信設(shè)備，其中所說第一臂和所說第二臂定位在所說同軸饋電電纜的相對側(cè)。
9．一種用于無線電通信設(shè)備的天線，所說天線包括一個輻射部分，包括一個小的多頻段諧振天線元件；以及一個多頻段套筒，包括調(diào)諧到不同頻段的第一臂和第二臂；以及一條同軸饋電電纜，用于將所說輻射部分連接到所說無線電通信設(shè)備的機架。
10．權(quán)利要求9的天線，其中所說天線是一個旋臂式天線。
11．權(quán)利要求10的天線，其中所說天線當(dāng)其按收藏位置放置時處尋呼模式。
12．權(quán)利要求10的天線，其中所說天線當(dāng)其按展開位置放置時處談話模式。
13．權(quán)利要求9的天線包括固定到所說同軸饋電電纜的鐵氧體涂覆層，用于減小流動到所說機架的電流。
14．權(quán)利要求9的天線，其中所說第一臂諧振在一個較低頻段的頻率上，和所說第二臂諧振在一個較高頻段的頻率上。
15．權(quán)利要求14的天線，其中所說較低頻段是GSM頻段，和所說較高頻段是DCS,PCS,GPS,WCDMA和ISM頻段之一個頻段。
16．權(quán)利要求14的天線，其中所說較低頻段是GSM,AMPS,DAMPS,DCS,PCS和WCDMA頻段之一個頻段，和所說較高頻段是ISM頻段。
17．權(quán)利要求9的天線，其中所說第一臂和所說第二臂定位在所說同軸饋電電纜的相對側(cè)上。
18．權(quán)利要求9的天線，其中所說第一臂比所說第二臂長。
19．權(quán)利要求18的天線，其中所說第一頻段比所說第二頻段低。
20．一種用于無線電通信設(shè)備的天線包括一個輻射部分包括一個小的多頻段輻射天線元件；以及一個多頻段套筒，包括調(diào)諧到不同頻率的第一臂和一第二臂。
21．權(quán)利要求20的天線還包括一條同軸電纜，用于將所說輻射部分連接到所說無線電通信設(shè)備的機架。
22．權(quán)利要求20的天線，其中所說第一臂諧振在較低頻段的頻率上，和所說第二臂諧振在較高頻段的頻率上。
23．權(quán)利要求22的天線，其中所說較低頻段是GSM頻段，和所說較高頻段是DCS,PCS,GPS,WCDMA和ISM頻段之一個頻段。
24．權(quán)利要求22的天線，其中所說較低頻段是GSM，AMPS，DAMPS，DCS，PCS和WCDMA頻段之一，而所說較高頻段是ISM頻段。
25．權(quán)利要求22的天線，其中所說第一臂比所說第二臂長。
26．權(quán)利要求20的天線，其中所說第一臂比所說第二臂長。
27．權(quán)利要求26的天線，其中所說第一臂諧振在第一頻率，其低于第二臂的諧振頻率。
28．權(quán)利要求26的天線，其中所說第一臂的端部形成螺旋，環(huán)和彎曲的形狀的一個形狀。
29．權(quán)利要求21的天線，其中所說第一和第二臂定位在所說同軸電纜的相對側(cè)。
30．一種天線的輻射部分包括一個套筒，包括分別調(diào)諧到第一和第二頻段的第一臂和第二臂；其中所說第一頻段比第二頻段低。
31．權(quán)利要求30的輻射部分，其中所說第一臂比所說第二臂長。
32．權(quán)利要求30的輻射部分還包括一個小的多頻段輻射天線元件。
33．權(quán)利要求30的輻射部分，其中所說第一頻段是GSM頻段和所說第二頻段是DCS,PCS,GPS,WCDMA，和ISM之一頻段。
34．權(quán)利要求30的輻射部分其中所說第一頻段是GSM,AMPS,DAMPS,DCS,PCS，和WCDMA之一個頻段而所說第二頻段是ISM頻段。
35．權(quán)利要求31的輻射部分，其中所說第一臂的一端部形成為螺旋，環(huán)，和彎曲形狀之一。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有多頻段旋臂天線組件的無線電通信設(shè)備。這種天線組件包括一個多頻段輻射天線元件和一個多頻段套管,該套管使天線調(diào)諧到多個諧振頻率。多頻段天線元件和套管通過同軸饋送電纜固定到該通信設(shè)備的機架,該電纜用來將這些元件同機架隔開。
文檔編號H01Q9/28GK1303527SQ9980678
公開日2001年7月11日 申請日期1999年5月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月29日
發(fā)明者Z·嬴, A·達爾斯特倫, T·波林 申請人:艾利森電話股份有限公司