CN100566020C

CN100566020C - 小型多频天线

Info

Publication number: CN100566020C
Application number: CNB028117549A
Authority: CN
Inventors: G·科斯亚瓦斯; R·斯塔拉; H·勒盖; J-M·卡雷尔
Original assignee: Alcatel NV
Current assignee: Alcatel CIT SA; Alcatel Lucent SAS; Alcatel Lucent NV
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2022-06-10
Also published as: EP1402596A1; US20040155823A1; WO2002101874A1; JP2004529592A; FR2825837A1; FR2825837B1; JP4111911B2; US6930642B2; CN1515050A

Abstract

一种多频天线(1)，包括：平面型接地元件(11)；平面型“下面的”有源辐射元件(2)，其包括至少一道“下面的”槽(9)；平面型“上面的”有源辐射元件(3)，其包括至少一道“上面的”槽(10)；第一短路元件(4)，将所述下面的元件与所述上面的元件电连接；第二短路元件(5)，将所述下面的元件与所述接地元件电连接；主信号源(7)；第一绝缘材料构成的“下面的”薄片(12)；以及第二绝缘材料构成的“上面的”薄片(13)。该天线还具有第三短路元件(6)，将所述下面的元件和所述接地元件电连接，以及至少一道下面的槽和至少一道上面的槽为辐射槽。

Description

小型多频天线

技术领域

本发明涉及一种用于发送和接收波长为λ的波的通信装置，其通常被用于包括射频和微波频率的频谱范围。本发明具体涉及一种多频天线。

背景技术

人们已经知道，随着更大规模的电路集成，多模式终端(地面或卫星)或袖珍电话终端这样的无线通信系统的尺寸或重量被不断减小。比如，人们希望袖珍电话终端可以提高用户的移动性。为此目的，人们尝试获取横向尺寸的天线以及短天线，天线还是此类系统中最占体积的部分。除此之外，天线的外观不能让用户觉得难看，因此，隐藏它也成了要优先考虑的事情。

天线的小型化首先会影响整个结构的谐振频率，使该频率向更高频率偏移。另外，小型化会直接影响结构的无线性能，其主要是由将辐射方向图和通带进行匹配构成的。减小天线的大小通常会导致匹配变难、效率下降、与对环境反应灵敏相关联的辐射方向图变差以及最重要的，即由于Q值高造成通带的带宽减小。

通常在天线性能(良好的匹配，受控的全向辐射，大通带)和整体大小、结构复杂性以及费用之间进行折衷。

小型化的目标通常导致两个平面型辐射元件叠放，生成取决于它们尺寸的谐振频率。这两个平面与更大尺寸但却尽可能做小的接地元件相连，因此特别地，有可能限制天线对环境的灵敏度。

美国专利5,986,606公开了一种微型天线。在其中描述的第二实施例中，天线的高度约为4.5毫米。其包括一接地面及叠放于其上并与其平行的“下面的”矩形辐射面，以及在“下面的”面之上并与之相同尺寸的“上面的”矩形辐射面。其具有工作频率f₁。两个平面通过位于它们宽度的端侧的大体为正方形的短路面相互连接，并且两个平面位于它们的一个长端的一侧旁边。下面的面(地面)和接地面之间的空间填充有空气薄片。具有相对介电常数为ε_r大于1的绝缘材料，即另一块薄片，填充下面的面和上面的面之间的空间。上面的面还被平行于短路平面的一短路连接。这些短路加长了电长度从而降低了频率f₁。一个主信号源给下面的面馈送。因此两个面均为有源类型。另外，每个辐射面都有一个开在宽度方向上、其长度短于宽度的宽槽。这些槽尺寸相同且平行，它们在各平面的位置相同且为”C型“。与短路元件一样，它们加长了电长度从而降低了频率f₁。“双C”天线工作频率在1.5GHz左右，具有工作范围(为频率的)0.5％的窄通带，驻波比小于或等于2。

此类天线可工作于对应于比如标准为1710MHz到1880MHz之间的DCS，或频率范围在1850MHz到1990MHz的PCS这类的“高”频范围，而不可能是双频(性质)的。因此，该天线不能对应于比如标准为890MHz到960MHz的GSM或标准为824MHz到896MHz的AMPS，即不能同时工作于“高”频段以及“低”频段。

发明内容

本发明的目的是为了将小型化、加宽通带以及多频工作技术联系起来，从而在单个天线中可以有多频操作。这是通过在小型天线中结合特定附加的共振器来得到的。

为此目的，本发明给出了一种多频天线，包括：

平面型接地元件；

平面型“下面的”有源辐射元件，平行并叠放在所述接地元件上，且包括至少一道“下面的”槽；

平面型“上面的”有源辐射元件，平行并叠放在所述“下面的”元件上，并且包括至少一道“上面的”槽；

所述下面的元件通过第一短路元件电连接至所述上面的元件，并且所述下面的元件还通过第二短路元件电连接至所述接地元件；

主信号源一端与发生器相连，另一端固定于所述辐射元件之一；

“下面的”由第一绝缘材料组成的薄片，填充所述下面的元件和所述接地元件之间的空间；以及

“上面的”由第二绝缘材料组成的薄片，填充所述下面和上面的元件之间的空间；

该天线的特征在于还包括一第三短路元件，与所述下面的元件和所述接地元件电连接，且特征在于至少一道下面的槽和至少一道上面的槽为辐射槽。

在本说明书中，术语“辐射”表示产生谐振。

本发明的天线为扁平的并集成了小型化技术(元件叠放)。本发明的薄片的厚度可以小且下面和上面元件的尺寸可以做小，从而使得天线整个的大小和重量是小的并且适合多模式终端或袖珍终端。因此，本发明的天线可被固定于比如，袖珍终端的后(面)板上。

另外，短路元件加强了天线的机械硬度。用于制作天线的材料是从便宜的材料中选择的。

该天线可以工作于由多谐振生出的多频。概言之，第一谐振对应下面和上面的辐射元件的基本谐振并给出工作频率f₁。与第二和第三短路元件相关联的另一谐振给出工作频率f₂。另外，本发明的天线还具有两个由下面和上面的辐射槽生成的谐振，分别具有工作频率f₃和f₄。另外，增加这些起到了谐振器作用的下面和上面的槽，并不会增加整个天线的大小。

不同元件的数目、性质和尺寸以及它们相对于彼此排列的方式给出了下述优点，允许根据想要覆盖的区域调节工作频率以及天线辐射方向图。

因此，本发明的天线可以满足用于便携式终端的下述的小型多频天线的需要，该天线用于工作于多个相差甚远的标准(GSM低频带，DCS高频带1710MHz-1880MHz)，以及分配给UMTS 的带宽(1885MHz-2025MHz)和(2110MHz-2200MHz))。

同样，本发明的天线可以集成在比如多模式通信终端中，并且该终端可以工作于卫星频带(1980MHz-2200MHz)。

例如，可以有利地将频率f₁设置在GSM频段，将频率f₂设置在DCS和/或UMTS频段，并将它们与频率f₃和f₄联系起来从而获得至少两条宽的频带。

因此，可以通过使频率f₁和f₄相关联由双谐振获得GSM频段。同样，通过使频率f₂和f₃相关联由双谐振获得DCS和/或UMTS频段。

由于尺寸小，本发明的天线可以对不同的极化敏感。有利地，利用在市区环境中便携式终端没有极化纯度，其中极化之间的耦合是重要的，因为这会鼓励相对全向的辐射。

因此，辐射的形式应该是天线在目标附近不同的位置以令人满意的方式工作。

有利地，为了得到本发明的尺寸尽可能小的天线，下面和上面元件的尺寸会明显小于接地元件的尺寸。

为了简化天线的形状并且简化其制造，下面和上面的元件的尺寸最好基本相同。

根据本发明，源的另一端可以固定于上面的元件。

根据本发明，第一和第二绝缘材料可以为空气。

根据本发明，下面和上面辐射槽的长度可以分别长于每个下面和上面的元件最长的尺寸。

这样，电长度得以加长，从而频率f₁降低。

有利地，本发明的下面和上面的辐射槽可以是不同的弯曲形状。

因此，弯曲的形状起到最佳化槽的长度的作用。不同形状的槽使天线可以获得更好的性能。

有利地，本发明下面和上面的辐射槽包括多个连续的段。下面辐射槽的段的宽度小于0.5毫米，并且上面辐射槽的段的宽度小于0.5毫米。

因此，辐射槽窄到足够产生谐振。

根据本发明，同一组的段最好宽度基本相同，这样可以简化其制造，并且该宽度最好等于0.1毫米。

在本发明的一个优选实施例中，下面和上面的元件以及接地元件基本上为矩形。

在本发明的一个实施例中，第一短路元件可以为平面型并且本发明的第二和第三短路元件可以为线型。

在本发明的这后一个实施例中，可将线型的第二和第三短路元件放置于不与平面型的第一短路元件平行的引导平面，比如与第一短路元件大致正交。

本发明的下面的辐射槽的长度最好大于65毫米并且本发明上面的辐射槽的长度最好大于70毫米。

在一有利的实施例中，下面的辐射槽是末端开口的，从某种意义上来讲至少有一段的端部在下面的元件的边缘。段是成直角的且有四段，较长的两段被做在下面元件的长度的方向上。另外，上面辐射槽也可以是末端开口的，并且它的段之间可以成直角，段数为4，较长的两段也被做在上面元件的长度方向上。

在一个频带上调整本发明天线的特性而不影响它在其它频带上的特性是重要的，特别地，增大天线一个通带的带宽而不影响其它通带也是重要的。因此，已经研制了用于设计天线的精确的方法，其规定了用于实施的技术以及它们是如何排序的。因此，上面所规定的特定的几何尺寸使得可能给出这样一种谐振，其可以被敏捷地耦合从而使天线与两段宽频带相匹配，一段为低频带另一段为高频带，而且天线处于任一频带的工作模式都没有受到显著的影响。另外，在设计阶段选择各段彼此成直角会使制造简化。

在本发明的第一实施例中，可将矩形的辐射元件大致放置于矩形的接地元件的中间附近，下面和上面的矩形元件的长度方向平行于接地元件的长度的方向。

在本发明的第二实施例中，可将辐射元件大致放置于接地元件的一端附近，下面和上面元件的宽度方向平行于接地元件的长度的方向。

在本发明中，第一短路元件与所述接地元件大致成直角。

本发明还给出了一种包括这种天线的无线通信终端。

下面详细的描述体现了本发明的特征和目的，其参照附图给出了非限定性的说明。

附图说明

图1为本发明的第一实施例中本发明一天线的透视图；

图2为图1天线的接地面的俯视图；

图3为图1天线的下面的辐射面的俯视图；

图4为图1天线的上面的辐射面的俯视图；

图5示出了图1天线的高频带的驻波比(SWR)；

图6示出了图1天线的低频带的驻波比(SWR)；

图7为本发明的第二实施例中本发明一天线的透视图；

图8为图7天线的接地面的俯视图；

图9为图7天线的下面的辐射面的俯视图；

图10为图7天线的上面的辐射面的俯视图。

具体实施方式

图1示出本发明一天线1，包括接地面11，矩形的且与接地11平行叠放的下面的辐射面2，以及矩形的、等同并平行叠放于下面的辐射面2之上的上面的辐射面3。

下面和上面的面2和3被大致放置于接地面11中间附近，其中面2和3的长度的方向平行于接地面11的长度的方向。另外，面2和3是由相同尺寸的金属制成的，并且它们分别包括具有不同弯曲形状的下面的辐射槽9和上面的辐射槽10。

下面的面2通过一金属短路面4电连接至上面的面3，短路面4与面2、3垂直并且与它们沿宽度的方向延伸的边之一相粘接。下面的面2还通过两根金属线型短路5和6连接至接地11。

主信号源7的一端与发生器(未示出)相连，并通过接地11上的开口7a，然后通过下面的面2上的开口7b，并且通过粘接件8固定至上面的面3。

线型短路5和6位于源7的两边。它们与接地11的连接位置被标为5a和6a。另外，线型短路5和6被放置于一引导平面(未示出)，该平面与短路4的平面成直角。

下面的空气薄板12填充下面的面2和接地11之间的空间。同样，上面的空气薄板13填充下面和上面的面2和3之间的空间。

天线1的高度H₁为12.5毫米。

图2为从天线1的接地11上方看的俯视图。接地11的长度L₁₁等于60毫米，其宽度l₁₁等于40毫米。自连接位置5a和6a，可以看到线型短路5和6没有和源7对齐，并且它们被放置在平行于长度L₁₁的方向的引导平面内(未示出)。

图3为从天线1的下面的面2上面看的俯视图。下面的面2的长度L₂等于35毫米，其宽度l₂等于25毫米。图中还示出了下面的槽9，其是末端开口的并且包括四个连续且成直角的段91、92、93和94。较长的两段91和93沿着下面的面2的长度的方向延伸。可以观察到段93靠近开口7b。

馈源7的位置靠近槽9和10使得有可能将槽的谐振与想要的频率(这里为GSM频率和UMTS频率)相匹配(驻波比＜2)，并且还允许传输足够的能量从而保证槽9和10的辐射。

段91、91、93和94的宽度l9基本相同，最好为约0.1毫米。下面的槽9的全部长度约为68毫米。

图4为从天线1的上面的面3上方看的俯视图。上面的面3的长度L₃等于35毫米，其宽度l₃等于25毫米。图中还示出了上面的槽10，其是末端开口的并且具有四段连续且成直角的槽101、102、103和104。较长的两段槽101和103沿着上面的面103的长度的方向延伸。段104完全沿着上面的面3的宽度的方向中的一条边延伸。

段101、102、103和104的宽度l₁₀基本相同，最好为约0.1毫米。上面的槽10的全部长度约为75毫米。

应该观察到段101靠近连接(粘接)处8并且段101、102、103和104不与段91、92、93或94重叠。

天线的整体尺寸为60毫米x40毫米x12.5毫米，因此其很小。

天线1具有源自四个谐振的多频操作。概言之，位于低频带的工作频率f₁的第一谐振对应于下面和上面的面2、3的基本谐振。位于高频带的工作频率f₂与线型短路5、6的谐振相关联。另外，下面的槽9和下面的槽10分别生成在两个额外的工作频率f₃和f₄的谐振，频率比接近2。具体而言，这两个谐振来自槽9和10之间的互扰。它们分别位于高频带和低频带。

通过优化不同元件的尺寸以及它们相对于彼此的排列来调整工作频率。

此处所用术语“元件”不仅表示金属结构(下面的面2，上面的面3)，还表示槽9、10，接地11，短路5，6，以及主源7。

术语“排列”被用来涵盖：

下面和上面的面2和3相对于接地11的排列；

短路5、6相对于下面的面2以及相对于槽9、10的排列；

槽9、10相对于下面和上面的面2和3，以及相对于源7的排列；以及

上面的槽10相对于下面的槽9的排列。

槽9和10还起到增加电长度的作用从而降低频率f₁。另外，槽9、10被做成使得在频率f₁和f₂处的谐振受到很小影响。

除此之外，对多个线型短路5、6的使用，使得天线1可以正常地工作，5、6的位置是相对于面型短路4的位置精确确定的。

除此之外，通过使线型短路5、6相关联的方式从而获得频率f1和f2之间的间隔，并且通过上面的槽10调整该间隔。

因此，四个谐振f₁至f₄两两一对耦合在一起并产生两个宽的通带，一个在低频带，另一个在高频带。

天线1匹配的在低频带部分的驻波比特性由图5的曲线14示出，高频带部分的驻波比特性由图6的曲线15示出。

所获得的最佳工作频率f₁和f₄等于约935HMz和980MHz，其通带A约等于(频率的)7％(约为70MHz)，其驻波比小于或等于3。因此面2、3的尺寸小于λ₁/10，并且接地的尺寸小于λ₁/5。所获得的通带B中的最佳工作频率f₁和f₂等于2050MHz和2370MHz，其中通带B约等于22％(约为500MHz)，其驻波比小于或等于2。

需注意当天线1适配于终端的外壳中时，频率会向低频部分有所偏移。

图7示出本发明的天线20，其包括接地31，一矩形且与接地31平行叠放的下辐射面22，以及一矩形且平行叠放于下辐射面22之上的上辐射面23。

下面和上面的面22和23被大致放置于接地31沿着其宽度的方向延伸的一边的附近，并且面22和23的宽度的方向平行于接地31的长度的方向。另外，下面和上面的面22和23是由尺寸相同的金属组成的，它们各自具有不同弯曲形状的下或上辐射槽29或30。

下面的面22通过一竖直延伸且与之相粘接的金属短路面24与上面的面23电连接。因此通过折叠一矩形金属面可以得到面22、23以及24。另外，下面的面22还通过两个金属线型短路(未示出)连接至接地31。

一端连至一发生器(未示出)的主信号源27穿过在接地31上的开口27a，然后穿过在下面的面22上的开口27b(见图9)并在28处粘接至上面的面23。

下面的面22和接地11之间的空间填充有下面的空气薄板32。同样，下面的面22和上面的面23之间的空间填充有上面的空气薄板33。

天线20的高度H₂₀为9.5毫米。

图8为从天线20的接地31的上方看的俯视图。接地31的长度L₃₁等于100毫米且其宽度l₃₁等于40毫米。自线型短路的连接位置25a和26a(未示出)可以看到这些短路没有和源27对齐，并且它们被放置在不与短路34所在平面的平行的引导平面内(未示出)。

图9为从天线20的下面的面22的上方看的俯视图。下面的面22的长度L₂₂等于35毫米且其长度l₂₂等于25毫米。图中还示出下面的槽29是末端开口的，其具有四个连续的段291、292、293和294，它们之间相互成直角延伸。还需注意，段293靠近开口27b。

段291、292、293和294具有基本相同的宽度l₂₉，最好为约0.1毫米。下面的槽29的总长度约为70毫米。

图10为从天线20的上面的面23的上方看的俯视图。上面的面23的长度L₂₃等于35毫米且其宽度l₂₃等于25毫米。图中还示出上面的槽30是末端开口的，且其包括四个连续的成直角延伸的段301、302、303以及304。较长的段301和303沿着上面的面23的长度的方向延伸。段304完全位于上面的面23沿其宽度的方向延伸的其中一边上。

段301、302、303和304的宽度基本相同，最好为约0.1毫米。上面的槽30的总长度约为75毫米。

需注意段301靠近连接处28且段301的一部分可叠放于段293之上。

天线20的尺寸为100毫米x40毫米x9.5毫米，因此是很小的。

与天线1相同，天线20具有f₁至f₄四个谐振(频率)，两两耦合成两对，从而使得天线20既是多频也是宽频带的。

天线20的驻波比、通带以及辐射方向图与天线1的类似。

自然地，上述描述纯粹是通过说明的方式。在不超出本发明范围的情况下，可以用等同的装置取代其中的任何装置。

比如，可以改变辐射元件和接地元件。

通过开额外的槽，可选地为可能通过短路元件与其它辐射元件连接从而联系起来的末端开口的槽，就有可能考虑涵盖其它标准。

Claims

1.一种多频天线(1，20)，包括

平面型接地元件(11，31)；

平面型“下面的”有源辐射元件(2，22)，平行并叠放在所述接地元件上，且包括至少一道“下面的”槽(9，29)；

平面型“上面的”有源辐射元件(3，23)，平行并叠放在所述“下面的”元件上，并且包括至少一道“上面的”槽(10，30)；

所述下面的元件通过第一短路元件(4，24)电连接至所述上面的元件，并且所述下面的元件还通过第二短路元件(5，25)电连接至所述接地元件；

主信号源(7，27)一端与发生器相连，另一端固定于所述上面的辐射元件；

“下面的”由第一绝缘材料构成的薄片(12，32)，填充所述下面的元件和所述接地元件之间的空间；以及

“上面的”由第二绝缘材料构成的薄片(13，33)，填充所述下面和上面的元件之间的空间；

该天线的特征在于还包括一第三短路元件(6)，将所述下面的元件和所述接地元件电连接，且其中至少一道下面的槽和至少一道上面的槽为辐射槽。

2.根据权利要求1的多频天线(1，20)，其特征在于所述下面和上面的元件(2，22；3，23)的尺寸小于所述接地元件(11，31)的尺寸。

3.根据权利要求1或2的多频天线(1，20)，其特征在于所述下面和上面的元件(2，22；3，23)的尺寸相同。

4.根据权利要求1或2的多频天线，其特征在于所述源(7，27)的另一端固定于所述上面的元件(3，23)。

5.根据权利要求3的多频天线，其特征在于所述源(7，27)的另一端固定于所述上面的元件(3，23)。

6.根据权利要求1或2的多频天线(1，20)，其特征在于所述第一和第二绝缘材料为空气。

7.根据权利要求1或2的多频天线(1，20)，其特征在于所述每一下面和上面的辐射槽(9，29；10，30)的长度均大于所述每一下面和上面的元件(2，22；3，23)的最长的尺寸。

8.根据权利要求7的多频天线(1，20)，其特征在于所述下面和上面的辐射槽(9，29；10，30)为不同的弯曲形状。

9.根据权利要求8的多频天线(1，20)，其特征在于所述下面和上面的辐射槽(9，29；10，30)包括多个连续的段(91..304)，所述下面的辐射槽的所述诸段(91...294)的宽度小于或等于0.1毫米以使所述下面的辐射槽窄到足够产生谐振，且所述上面的辐射槽的所述诸段(101...304)的宽度小于或等于0.1毫米以使所述上面的辐射槽窄到足够产生谐振。

10.根据权利要求9的多频天线(1，20)，其特征在于所有所述诸段(91...304)的宽度相同。

11.根据权利要求1至2和8至10中任一个的多频天线(1，20)，其特征在于所述下面和上面的元件(2，22；3，23)和所述接地元件(11，31)是矩形。

12.根据权利要求1至2和8至10中任一个的多频天线(1，20)，其特征在于所述第一短路元件(4，24)为平面型。

13.根据权利要求1至2和8至10中任一个的多频天线(1，20)，其特征在于所述第二和第三短路元件(5，6)为线型。

14.根据权利要求12的多频天线(1，20)，其特征在于所述第二和第三短路元件(5，6)被放置在不与所述的平面型第一短路元件(4，24)平行的引导平面内，其中所述第二和第三短路元件为线型。

15.根据权利要求13的多频天线(1，20)，其特征在于所述线型的第二和第三短路元件(5，6)被放置在不与所述第一短路元件(4，24)平行的引导平面内，其中所述第一短路元件为平面型。

16.根据权利要求14或15的多频天线(1，20)，其特征在于所述引导平面与所述平面型第一短路元件(4)成直角。

17.根据权利要求1至2和8至10中任一个的多频天线(1，20)，其特征在于所述下面的辐射槽(9，29)的长度大于或等于68毫米且所述上面的辐射槽(10，30)的长度大于或等于75毫米以便电长度得以加长，从而第一工作频率f1降低。

18.根据权利要求9或10的多频天线(1，20)，其特征在于所述下面的辐射槽(9，29)是末端开口的且所述下面的辐射槽的所述诸段(91...294)彼此成直角，且段数为4，较长的两段被做在所述下面的元件(2，22)的长度的方向上；所述上面的辐射槽(10，30)是末端开口的，并且所述上面的辐射槽的所述诸段(101...304)彼此成直角，且段数为4，较长的两段类似地被做在所述上面的元件(3，23)的长度的方向上。

19.根据权利要求11的多频天线(1)，其特征在于所述矩形的下面和上面的元件(2，3)被放置于所述矩形的接地元件(11)的中间附近，所述下面和上面的元件的长度的方向平行于所述接地的长度的方向。

20.根据权利要求11的多频天线(20)，其特征在于所述矩形的下面和上面的元件(22，23)被放置于所述矩形的接地元件(31)的一端附近，所述矩形的下面和上面的元件的宽度的方向平行于所述接地元件的长度的方向。

21.根据权利要求12的多频天线(1，20)，其特征在于所述第一短路元件(4，24)与所述接地元件(11，31)成直角。

22.一种无线通信终端包括根据任一上述权利要求的天线(1，20)。