CN100353612C - 双频偶极天线结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于以两个频带传输电磁能的双频天线结构。该天线结构具有基板，该基板具有第一侧，该第一侧具有第一偶极辐射元件和第二偶极辐射元件。选择该偶极辐射元件的长度以传输第一和第二频率。该天线结构还包括第一偶极地线，以与第一偶极辐射元件呈大体上镜像关系被配置；第二偶极地线，以与第二偶极辐射元件呈大体上镜像关系被配置。第一和第二偶极辐射元件电连接到基板第一侧上的变换器上。以第一频带馈送给变换器的电磁能由第一偶极辐射元件传输，同时以第二频带馈送给变换器的电磁能由第二偶极辐射元件传输。

Description

双频偶极天线结构
技术领域
本发明一般涉及偶极天线结构，尤其涉及能以两种不同的频率有效传输无线电频率(RF)能量的双频偶极天线结构。
背景技术
为了高效地工作，偶极天线的长度通常与其工作频率有关。偶极元件的长度是待传输或接收的频率的倍数。例如，偶极元件的长度可为传输波长的1/4、1/2或3/4。显然，由于单个的偶极元件的长度必须改变，所以其不能有效地工作在多个工作频率下。
例如，在无线技术中，装置可能需要在两种不同的频带上工作。该装置可能具有800MHZ或1900MHZ的工作频率，这取决于无线装置访问的服务类型。因而，天线结构必须能以这两种频带有效传输和接收RF能量。
印刷天线结构广泛用于为便携式装置提供小型天线。印刷天线结构通常通过在PCB上形成导电迹线，在基板(如PCB等)上形成。就此而言，印刷的天线结构可与基板上的其它电子装置集成在一起。通常，将该天线结构设计在厚度为约3-5mm的刚性PCB上。因此，PCB的尺寸和厚度限制了可放入该天线的装置的尺寸。通常，在便携式无线装置(即蜂窝电话)中，将该装置的外壳设计为约为该天线结构的尺寸。
为了在两个频带上有效传输，印刷的天线结构已用复杂的布线图案进行设计，以提供恰当的偶极长度。例如，在Hayes等人的名称为“包含平衡-不平衡变换器的小型天线结构(Compact AntennaStructures Including Baluns)”的美国专利申请No.5,949,383号中，该印刷天线结构包括多个辐射部分和平衡-不平衡变换器，以将该天线调谐到两种工作频率。该印刷天线结构还包括穿过平衡-不平衡变换器的可调分路器，以提供双频操作。在这种情况下，该印刷天线结构包括复杂的迹线结构和提供双频操作的调谐机构。
本发明通过提供小型的并易于形成的偶极天线结构解决了现有技术天线结构的上述缺点。更具体地，本发明提供了在薄膜PCB上形成的天线结构，包括两个偶极元件和相应的偶极地线。在这种情况下，本发明的天线结构的设计以小型的并易于制造的结构能够用于双频操作。
发明内容
根据本发明，提供了具有带有第一侧面和第二侧面的基板的双频天线结构。该第一侧面包括均具有第一端和第二端的第一偶极元件和第二偶极元件，该第二电极元件大体上平行于第一偶极元件形成。该天线的第一侧面还包括微波传输带，在第一和第二偶极元件的第一端电连接到第一和第二偶极元件，同时第一和第二偶极元件的第二端被设置在微波传输带的同一侧。该天线的第一侧面还包括有通常为楔形的变换器(transformer)，其电连接到第一和第二偶极元件，并在微波传输带的与第一和第二偶极元件相同的一侧并以大体平行于第一和第二偶极元件的方向在第一和第二偶极元件之间延伸。该天线结构的第二侧面包括：通常相对于第一偶极元件配置的第一偶极地线；以及通常相对于第二偶极元件配置的第二偶极地线。第一和第二偶极地线通过基线(ground line)电连接在一起。因此，馈进变换器的RF能量可被第一偶极元件以第一频率传输，也可被第二偶极元件以第二频率传输。
根据本发明，第一偶极元件的长度约等于第一频率波长的1/4，第二偶极元件的长度约等于第二频率波长的1/4。第一偶极地线的长度约等于第一频率波长的1/4，而第二偶极地线的长度约等于第二频率波长的1/4。第一和第二偶极元件都大体上平行于变换器元件配置。
在优选实施例中，第一偶极地线的形状与第一偶极元件的形状基本相似，而第二偶极地线的形状与第二偶极元件的形状也基本相似。就此而言，第一偶极元件和第二偶极辐射元件大体上为矩形。第一和第二偶极地线相对于基板的第二侧面配置，其中该第二侧面分别与第一和第二偶极元件大体上呈镜像关系。
根据本发明，基板是如薄膜PCB等的薄膜。该薄膜又是柔性的。第一和第二偶极元件通过传统技术形成为PCB上的导电迹线。微波传输带形成为连接第一和第二偶极地线的基线，其还连接第一偶极元件、第二偶极元件、以及变换器。
根据本发明，提供了具有基板、第一天线结构阵列、第二天线结构阵列、以及变换器的双频天线结构。第一天线结构阵列具有配置在基板的第一侧面上的第一偶极元件，该第一偶极元件具有第一端和第二端。而且，第一天线阵列具有配置在基板的第二侧面上的第一偶极地线。第一偶极地线以与第一偶极元件呈大体上镜像关系被配置。第二天线阵列具有配置在基板的第一侧面上的第二偶极元件和配置在基板的第二侧面上的第二偶极地线。第二偶极元件具有第一端和第二端，以大体与第一偶极元件平行的关系形成。第二偶极地线以与第一偶极元件呈大体上镜像关系被配置。微波传输带在第一和第二偶极元件的第一端电连接到第一和第二偶极元件，同时第一和第二偶极元件的第二端被设置在微波传输带的同一侧。通常为楔形的变换器在基板的第一侧面上形成并电连接第一和第二偶极元件，并在微波传输带的与第一和第二偶极元件相同的一侧并以大体平行于第一和第二偶极元件的方向在第一和第二偶极元件之间延伸。就此而言，当电磁能量被馈送给变换器时，第一阵列能以第一频率传输电磁能量，当电磁能量被馈送给变换器时，第二阵列能以第二频率传输电磁能量。选择第一偶极元件的长度以传输第一频率，选择第二偶极元件的长度以传输第二频率。
根据本发明，提供了形成用于传输第一和第二频率的双频天线结构的方法。该方法包括提供带有第一侧面和第二侧面的薄膜基板。接着第一偶极元件在基板的第一侧面上形成。第一偶极地线以与第一偶极元件呈大体上镜像关系在基板的第二侧面上形成。第二偶极元件以大体上与所述第一偶极元件平行的关系在基板的第一侧面上形成，第一和第二偶极元件每个都具有第一端和第二端。第二偶极地线以与第二偶极元件呈大体上镜像关系在基板的第二侧面上形成。最后变换器在基板的第一侧面上形成。该变换器电连接到第一偶极元件和第二偶极辐射元件。变换器在第一和第二偶极元件之间延伸。形成电连接变换器和第一和第二偶极元件的第一端的微波传输带，以使第一和第二偶极元件的第二端及变换器都在微波传输带的一侧。
附图说明
参看附图，本发明的这些以及其它特点将变得更加明显，在附图中：
图1是根据本发明构造的双频天线结构的第一侧面的平面图；以及
图2是图1所示天线结构的第二侧面的平面图。
具体实施方式
现在参看附图，其中所示出的仅为了说明本发明的优选实施例，而不是为了限制本发明的优选实施例，图1是天线结构10的平面图。具体地，天线结构10具有其上形成有导电迹线的不导电基板12。基板12具有如图1所示的第一侧面14和如图2所示的第二侧面16。在本发明的优选实施例中，基板12是薄膜状的、横截面厚度约为0.5mm的柔性印刷电路板(PCB)。该导电迹线通过如光学刻蚀等传统技术形成在PCB基板12上。
参看图1，基板12具有在其第一侧面14上形成的第一偶极元件18。第一偶极元件18由导电材料(如铜等)形成在基板12的第一侧面14上。第一偶极元件18通常为矩形，且长度l1约等于为天线结构10所设计的最低频率的波长的1/4。类似地，天线结构10包括在基板12的第一侧面14上形成的第二偶极元件20。第二偶极元件20通常为矩形，且长度l2约等于为天线结构10所设计的最高频率的波长的1/4。因此，第一偶极元件18被设计为以第一频率带宽传输和接收电磁辐射，而第二偶极元件被设计为以第二频率带宽传输和接收电磁辐射。对于在图1和图2中描述的天线结构10，第一偶极元件18被设计为传输低于第二偶极元件20的频带内的频率，从而提供了双频操作。
参看图1，天线结构10还包括将第一偶极元件18电连接到第二偶极元件20的微波传输带22。具体地，微波传输带22是导电材料(如铜等)，形成在基板12的第一侧面14上，并分别连接第一和第二偶极元件12、14的相同端。微波传输带22起到馈送第一和第二偶极元件18、20的作用，如下面将进一步说明的。微波传输带22电连接到通常为楔形的变换器24，其在基板12的第一侧面14上形成。变换器24由导电材料(如铜等)制成，并具有其中连接收发器的导体的连接部分26。具体地，使连接部分26适合电连接到收发器，以便将由天线结构10传输的电磁能量被馈送给收发器24，且被天线结构10接收的电磁能从变换器24的连接部分26馈送给收发器。连接部分26具有四个外部孔27，用来将导线焊接到此处。每个外部孔27的外周缘与变换器24在连接部分26处接触。就此而言，焊接到每个外部孔27内的导体电连接到变换器24。
如图1所示，变换器24从连接部分26向微波传输带22逐渐变细。就此而言，变换器24的锥度(taper)能在收发器和经由微波传输带22连接到变换器24的第一和第二偶极元件18、20之间提供当前公知的阻抗匹配。变换器24和微波传输带22提供了将电磁能量端部馈送给第一和第二偶极元件18、20的方法。
参看图2，天线结构10还包括配置在基板12的第二侧面16上的第一偶极地线28。具体地，第一偶极地线28由导电材料(如铜等)形成在基板12的第二侧面16上。第一偶极地线28的形状与第一偶极元件18基本相似。在这方面，第一偶极地线28通常是矩形的，其长度为l1。而且，如图1和图2所示，第一偶极地线28与第一偶极元件18镜像相对。具体地，第一偶极地线28关于一轴与第一偶极元件18呈镜像关系。就此而言，第一偶极地线28被形成，就好像第一偶极元件绕该轴旋转并放在基板12的第二侧面16上。
参看图2，天线结构10还包括在基板12的第二侧面16上形成的第二偶极地线30。第二偶极地线30形成为第二偶极元件20绕一轴旋转的镜像。第二偶极地线30的形状与第二偶极元件20的形状基本相似。就此而言，第二偶极地线30的长度为l2，且通常为矩形。
天线结构10还包括通常为T形的基线32，其连接到第一和第二偶极地线28、30的末端。如图2所示，基线32从偶极地线28、30的每个的末端延伸到“T”形交叉点，然后延伸到连接部分26。具体地，基线32延伸到连接部分26的内孔36。内孔36的外周缘与基线32电接触，以便焊接到内孔36内的导体将被电连接到基线32，由此连接到第一和第二偶极地线28、30。通常，收发器的地线连接到内孔36。
根据本发明，第一偶极元件18和第一偶极地线28的结合限定了第一天线阵列。类似地，第二偶极元件20和第二偶极地线30限定了第二天线阵列。第一天线阵列能传输和接收在相应于第一偶极元件18的长度的第一频率带宽中的信号。第二天线阵列能传输和接收在相应于第二偶极元件28的长度的第二频率带宽中的信号。就此而言，第一和第二天线阵列的结合能传输和接收在两个不同的带宽内的电磁能量。
本发明的其它修改和改进对于本领域的技术人员而言也是显而易见的。因此，本文中描述和示出的部分的组合的目的仅在于说明本发明的特定实施例，而不是用作对本发明的精神和范围内的可选装置的限制。

Claims (31)

1.一种天线，包括：
基板，具有第一侧面和第二侧面；
所述第一侧面具有：
第一偶极元件，具有第一和第二端；
第二偶极元件，具有第一和第二端，并以与所述第一偶极元件大体上平行的关系形成；以及
微波传输带，在所述第一和第二偶极元件的所述第一端电连接到所述第一和第二偶极元件，同时所述第一和第二偶极元件的所述第二端被设置在所述微波传输带的同一侧；
楔形的变换器，电连接到所述第一和第二偶极元件，在所述微波传输带的与所述第一和第二偶极元件相同的一侧并以大体平行于所述第一和第二偶极元件的方向在所述第一和第二偶极元件之间延伸；以及
所述第二侧面具有：
第一偶极地线，以与所述第一偶极元件呈镜像的关系配置；
第二偶极地线，通常以与所述第二偶极元件呈镜像的关系配置，所述第二偶极地线电连接到所述第一偶极地线；以及
基线，电连接到所述第一偶极地线和所述第二偶极地线；
其中RF能量被馈进所述变换器，以便所述RF能量能使用所述第一偶极元件以第一频率传输并使用所述第二偶极元件以第二频率传输。
2.根据权利要求1所述的天线，其中所述第一偶极元件的长度约等于所述第一频率的波长的1/4，所述第二偶极元件的长度约等于所述第二频率的波长的1/4。
3.根据权利要求2所述的天线，其中所述第一偶极地线的长度约等于所述第一频率的波长的1/4，所述第二偶极地线的长度约等于所述第二频率的波长的1/4。
4.根据权利要求3所述的天线，其中所述第一偶极地线的形状与所述第一偶极元件的形状相同，所述第二偶极地线的形状与所述第二偶极元件的形状相同。
5.根据权利要求4所述的天线，其中所述第一偶极元件和所述第二偶极元件为矩形。
6.根据权利要求5所述的天线，其中所述第一和第二偶极地线以与相应的第一和第二偶极元件呈镜像关系被配置。
7.根据权利要求1所述的天线，其中所述基板是薄膜。
8.根据权利要求7所述的天线，其中所述薄膜是薄膜印刷电路板。
9.根据权利要求8所述的天线，其中所述薄膜印刷电路板是柔性的。
10.根据权利要求9所述的天线，其中所述第一和第二偶极元件以及所述第一和第二偶极地线是所述薄膜印刷电路板上的导电迹线。
11.根据权利要求10所述的天线，其中所述第一偶极元件、所述第二偶极元件、以及所述变换器通过第一微波传输带电连接。
12.根据权利要求11所述的天线，其中所述基线是在所述基板上形成的第二微波传输带。
13.一种双频天线，包括：
基板；
第一天线阵列，具有：
第一偶极元件，配置在所述基板的第一侧面上并具有第一端和第二端；以及
第一偶极地线，配置在所述基板的第二侧面上，所述第一偶极地线以与所述第一偶极元件呈镜像关系被配置；以及
第二天线阵列，具有：
第二偶极元件，配置在所述基板的所述第一侧面上并具有第一端和第二端，所述第二偶极元件以与所述第一偶极元件平行的关系形成；以及
第二偶极地线，配置在所述基板的所述第二侧面上，所述第二偶极地线以与所述第二偶极元件呈镜像关系被配置；以及
微波传输带，在所述第一和第二偶极元件的所述第一端电连接到所述第一和第二偶极元件，同时所述第一和第二偶极元件的所述第二端被设置在所述微波传输带的同一侧；
楔形的变换器，在所述基板的所述第一侧面上形成，并电连接到所述第一和第二偶极元件，在所述微波传输带的与所述第一和第二偶极元件相同的一侧并以平行于所述第一和第二偶极元件的方向在所述第一和第二偶极元件之间延伸；其中当所述电磁能量被馈送到所述变换器时，所述第一阵列能以第一频率传输电磁能量，所述第二阵列能以第二频率传输电磁能量。
14.根据权利要求13所述的双频天线，其中所述第一偶极元件的长度约等于所述第一频率的波长的1/4，所述第二偶极元件的长度约等于所述第二频率的长度的1/4。
15.根据权利要求14所述的双频天线，其中所述第一偶极地线的长度约等于所述第一频率的波长的1/4，所述第二偶极地线的长度约等于所述第二频率的波长的1/4。
16.根据权利要求15所述的双频天线，其中所述第一天线阵列平行于所述第二天线阵列配置。
17.根据权利要求16所述的双频天线，其中所述变换器平行于所述第一天线阵列和所述第二天线阵列配置。
18.根据权利要求17所述的双频天线，其中所述第一偶极元件的形状与所述第一偶极地线的形状相同，所述第二偶极元件的形状与所述第二偶极地线的形状相同。
19.根据权利要求18所述的双频天线，其中所述第一偶极元件和所述第二偶极元件为矩形。
20.根据权利要求13所述的双频天线，其中所述基板是薄膜。
21.根据权利要求20所述的双频天线，其中所述薄膜是薄膜印刷电路板。
22.根据权利要求21所述的双频天线，其中所述薄膜印刷电路板是柔性的。
23.根据权利要求22所述的双频天线，其中所述第一和第二偶极元件和所述第一和第二偶极地线是在所述薄膜印刷电路板上形成的导电迹线。
24.根据权利要求23所述的双频天线，其中所述第一偶极元件、所述第二偶极元件、以及所述变换器通过第一微波传输带电连接。
25.一种形成用于传输第一频率和第二频率的双频天线结构的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供带有第一侧面和第二侧面的薄膜基板；
b)在所述基板的所述第一侧面上形成第一偶极元件；
c)在所述基板的所述第二侧面上形成第一偶极地线，所述第一偶极地线以与所述第一偶极元件呈镜像关系形成；
d)在所述基板的所述第一侧面上以与所述第一偶极元件平行的关系形成第二偶极元件，所述第一和第二偶极元件每个都具有第一端和第二端；
e)在所述基板的所述第二侧面上形成第二偶极地线，所述第二偶极地线以与所述第二偶极元件呈镜像关系形成；以及
f)在所述基板的所述第一侧面上以平行于所述第一和第二偶极元件的方向形成变换器，为了以所述第一频率和第二频率进行传输，所述变换器被形成为电连接到所述第一偶极元件和所述第二偶极元件，所述变换器在所述第一和第二偶极元件之间延伸；
g)形成电连接所述变换器和所述第一和第二偶极元件的第一端的微波传输带，以使所述第一和第二偶极元件的所述第二端及所述变换器都在所述微波传输带的一侧。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括：在所述基板的所述第二侧面上形成基线的步骤，所述基线被形成以电连接至所述第一偶极地线和所述第二偶极地线。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，步骤(a)包括提供薄膜印刷电路板作为所述基板。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，用所述基板上的导电痕线形成所述第一偶极元件、所述第二偶极元件、所述第一偶极地线、以及所述第二偶极地线。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，步骤(b)包括：形成第一偶极元件，其长度约等于所述第一频率波长的1/4；步骤(d)包括：形成第二偶极元件，其长度约等于所述第二频率波长的1/4。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，步骤(c)包括：形成与所述第一偶极元件相同的第一偶极地线；步骤(e)包括：形成与所述第二偶极元件相同的第二偶极地线。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述第一偶极元件和第二偶极元件被形成为矩形。
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