CN101015089A - 天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适宜于运行在GSM和DCS频带范围内的双频带天线。同时，所述双频带天线具有双工器功能。本发明使利用一个或更少的元件制造无线通信设备成为可能，从而减轻其重量和生产成本。

Description

天线
技术领域
本发明分别涉及一种用于无线通信设备的天线和天线模块，尤其是用于手持通信设备，如移动电话。
背景技术
在移动无线电通信中，微波领域中的电磁波常用于传输信息。因此无线电设备的一个必备部件就是天线，它能接收和传输电磁波。
第二代蜂窝系统运行在两个不同的频带上，即GSM(全球移动系统)和DCS(数字通信系统)。在欧洲使用的频带是位于880MHz到960MHz之间的GSM900和位于1710MHz到1880MHz之间的GSM1800(DCS)。另外，美国使用的主要是频带位于824MHz到894MHz之间的GSM850和频带位于1850MHz到1990MHz之间的GSM1900(PCS)。
无线通信设备运行在两个或者更多的频带上，例如，在GSM和DCS/PCS频带上工作，需要一个或者更多的滤波器将射频前端分隔成GSM通道和DCS/PCS通道。为此将采用有源或无源电路或复杂的滤波器单元，诸如双工器(或用于在传输和接收子频带之间进行分离的双工机)。这些滤波器被连接到天线，用于从一个频带切换到另一个频带。
为满足无线通信设备小型化的发展趋势，人们致力于改进和简化这些滤波器，使它们能做得更小。例如EP1119069A2公开了一种双工器，其频率转换度的适应性程度高且尺寸小。
发明内容
本发明的目的是简化无线双频带和多频带通信设备。
通过提供独立权利要求所述的特征，实现本发明的上述目的。通过提供从属权利要求所述的特征，实现本发明的优选实施例。值得强调的是，权利要求中的任何附图标记不解释为对本发明范围的限制。
根据本发明，采用一种用于无线通信设备的天线解决上述问题，所述天线包括：表面具有两对金属谐振器结构的绝缘基片，每对谐振器结构包括连接馈线的第一谐振器结构，和具有接地连接的第二谐振器结构，第一和第二谐振器结构彼此电隔离且彼此邻近布置。
在基片表面提供的第一对金属谐振器结构具有与第一频带相应的第一谐振频率。由此，第二对金属谐振器结构具有与第二频带相应的第二谐振频率。因而，所述天线允许双频带运行。本领域技术人员很容易想到，将其推广至由印制在基片表面的三对、四对、五对等谐振器结构产生的具有三个、四个、五个等频带中的谐振频率的天线。
绝缘基片的材料具有较大值的介电常数εr，以确保天线的最大伸出量特别小。在此方面，基片优选采用陶磁、塑料或混合物，尤其是，其介电常数εr在2到100之间，最好在4到25之间。
谐振器结构具有很高的导电性，尽可能是金属，最好由纯银构成，也可以采用金或者其它高导电性金属或合金。它们相互间不交叉且从而彼此电隔离。
每对谐振器结构包括第一谐振器结构和第二谐振器结构。
第一谐振器结构优选是一个围绕绝缘基片的细长结构，优选的是带状导体形式。其一端作为馈电点并经由馈线，例如50Ω的馈线，连接到射频发生器。其另一端开路。
第二谐振器结构最好是一个围绕绝缘基片的细长结构，优选的是带状导体形式。其一端接地，另一端开路。第二谐振器结构与第一谐振器结构之间电隔离，并与第一谐振器结构邻近布置。
两个谐振器结构邻近布置导致它们之间产生电容耦合，基片的高介电常数使得耦合更强。所述电容耦合在第二谐振器结构中激发出谐振。如果第二谐振器结构是一个细长结构，其长度(和基片的介电常数εr)决定谐振频率的值。实际上，该值是通过改变第二谐振器结构的长度来调节的。
利用第一谐振器结构和第二谐振器结构之间的距离来调节谐振频率的精确值。距离越大，产生的耦合越弱，从而使谐振频率的值变得更低。而且，将第一/第二谐振器结构连接到一个或多个无源元件上是有可能，所述无源元件诸如：电阻、电感电阻、或电容，或者这些元件的组合电路。这将再次通过元件和其实施的方式来调节谐振频率(和/或扩展带宽)的精确值。
如上所述，天线具有至少两对谐振器结构，因此天线至少具有两个谐振频率，能在至少两个频带中操作。如上所述，很清楚，两个谐振频率一般彼此不同。
产生本发明所述的特征的试验表明，所述双频带天线具有附加的滤波器功能，该天线能够将接收的信号过滤到对应于天线不同频带的通道中。
例如，如果天线收到频率在与天线的第一谐振器结构相应的第一频带中的电磁波，那么与第一频率范围相应的馈线处的输出端为高。另一方面，  与第二频率范围相应的馈线处的输出端为低。当天线收到频率在与天线的第二谐振器结构相应的第二频带中的电磁波时，情况正好相反。
可见，本发明涉及单个元件，该元件是一个天线，同时是一个(频率)滤波器或者双工器。这将简化无线通信设备的设计，因为其需要的元件要少一个。而且，由于安装的元件少了一个，双工天线允许具有更低价格、更轻质量的更小无线通信设备。由于天线可以采用传统的表面安装技术安装，并因而是兼容SMD的，所以无线通信设备的生产过程不需要改变。天线既可以平行也可以垂直与无线通信设备的印刷电路板对准。
用于本发明范围的天线是一种修改的介电共用天线(DBA)。这类型天线的更多细节，尤其是谐振器结构的几何形状和材料，谐振器结构的制造方法和作为基片所使用的材料都在EP1289053A2中所公开，这些在说明书中都明确提到。
一般，每个第二谐振器结构都有自己的接地连接。然而，将至少两个这样的谐振器结构共享一个接地连接也是有可能的。这种可能性可借助在具有分支到第二谐振器结构中的单个接地线的天线来完成。这样的好处是需要少一个的端口以简化天线。
在一个最简单的情况下，第一和第二谐振器结构具有细长结构，如果该对谐振器结构大体相等，并且如果两个或者更多的谐振器结构以同样的方式连接无源元件，那么，第二谐振器结构的总长度确定激励哪个谐振。
优选地，第二谐振器结构从分支点到开路端测量的长度不相同。这种情况下，该长度确定上述的谐振频率。例如，以这样一种方式选择长度，即较短的结构具有在DCS范围中的谐振，较长的结构具有在GSM中的谐振。
如果第二谐振器结构具有不同的接地连接，那么至少一个第二谐振器结构可连接一个或更多的无源元件。以这种方式，在不影响其它谐振频率或其它带宽的情况下，单个的谐振频率可以被调整，带宽可以被增宽。
如上所述，基片上的第一对谐振器结构具有第一谐振频率，优选地，第一谐振频率基本上在824MHz到960MHz的频率范围中，该范围是GSM850和GSM900的频带范围。
基片上的第二对谐振器结构具有第二谐振频率。优选地，第二谐振频率基本上在1710MHz到1990MHz的频率范围中，该范围是PCS/PCS的频带范围。
以上这些和本发明的其他的方面将此后所述的实施例中显而易见或者予以阐明。
附图说明
图1示出根据本发明的具有两对带有单个接地连接的谐振器结构的天线的示意图。
图2示出图1中所示天线的散射参数sxx的图表。
图3示出根据本发明的具有两对谐振器结构和两个接地连接的天线的示意图。
具体实施方式：
图1、所示根据本发明的天线的第一个实施例，该天线具有由介电常数εr为20.6的NPO材料制成的陶磁基片1。该基片具有体积为17×11×2mm3的正平行六面体形状。
基片1的表面4上有两对金属谐振器结构2，3。每个金属谐振器结构2，3由基片上的一层银构成。两对金属谐振器结构2，3通过印制工艺贴附到基片1上。当然也可以采用其它的工艺，诸如溅射工艺、电化学工艺和更多已知的工艺。
天线可以平行或者垂直与无线通信设备的印刷电路板(未示出)对准。在后面的情况中，表面4的直线法线平行于印刷电路板。
第一对谐振器结构2包括接有50Ω的馈线2C的第一谐振器结构2A。这个第一谐振器结构2A也叫馈电谐振器结构，其具有相应的连接到馈电点5的第二谐振器结构2B。第二对谐振器结构3包括接有50Ω的馈线3C的第一谐振器结构3A。这个第二谐振器结构2B也叫馈电谐振器结构，其具有相应的连接到接地点5的第二谐振器结构3B。
第二谐振器结构2B和3B有单个接地连接5，其特征在于这两个谐振器结构在分支点P处分叉。根据从分支点P到相应的开路端的长度来测量第二谐振器结构2B和3B的长度。该长度是如此使得在第二谐振器结构2B中激励大体上900MHz的谐振频率，从而处于GSM900频带中；在第二谐振器结构3B中激励大体上1800MHz(DCS)的谐振频率，从而处于DCS频带中。
馈线2C和3C都选择具有50Ω的阻抗。为了使阻抗匹配所期望的值，第一谐振器结构3A的开路端与相应的第二谐振器结构3B的开路端之间的距离s1是相应可调的。s1的距离越小就使得相应馈线3C的阻抗就越小。由此，s2的距离越小就使得相应馈线2C的阻抗就越小。阻抗如此匹配良好，馈线2C和3C可以直接连接到电信设备的电路中。
图2所示的是图1中的天线的散射参数sxx作为频率f的函数的图表。图中，虚曲线s11代表运行在GSM频率范围中的第一对谐振器结构2的散射参数。点曲线s22代表运行在DCS频率范围中的第二对谐振器结构3的散射参数。实曲线s12(＝s21)代表从一对谐振器结构2，3到另一对谐振器结构2，3的传输，反之亦然。
如果电信设备运行在GSM频率范围中，GSM端口将要调节到与50Ω馈线匹配良好。这种情况下，曲线s11在大约900MHz处有明显的大小为-13dB的谐振倾斜，从而处于GSM900频带中。同时，DCS端口不匹配，曲线s22仅显示有大小为-1.5dB的谐振倾斜。
另一方面，如果设备运行在DCS频率范围中，DCS端口将要调节到与50Ω馈线匹配良好。这种情况下，曲线s22在大约1710MHz处有非常深的大小为-30dB的谐振倾斜，从而处于DCS1800频带中。同时，GSM端口极不匹配，在DCS频率范围内曲线s11显示没有谐振倾斜。
散射参数s12＝s21表示从第一端口到第二端口的传输或反之亦然，两个端口之间的隔离在GSM频率范围内好于-7.5dB，在DCS频率范围内更好(-22dB)。
天线的全部效率取决于因不完全的匹配所造成的损耗和由于天线自身原因所产生的损耗。如果将这两种损耗都计算在内，则在GSM频率范围内总效率是40％，在DCS频率范围内总效率是72％。如果将因不完全的匹配(信号的反射)所造成的损耗计算在内，则在GSM频率范围内总效率是51.2％，在DCS频率范围内总效率是72％。通过选择较大的第一谐振器结构2A和3A的开路端之间的距离d，使传输降低。
图3所示的是根据本发明的第二个实施例，该实施例和第一个实施例十分相似。第一谐振器结构2B的几何形状略有不同。更重要的是，第二谐振器结构2B和3B具有分离的接地连接5和5’。这样就使得通过将一个或者更多的无源元件6，6’连接到第二谐振器结构2B，3B上，从而使各自调节两对谐振器结构的谐振频率和/或增宽其带宽成为可能。
值得提及的是，根据本发明的技术特征不仅可以运用在诸如移动电话的手持通信设备上，还可以用于射频识别(RFID)领域中所谓的发射机应答器。
根据本发明的包括绝缘基片的天线不仅具有两对金属谐振器结构，还可以具有三对、四对或更多对的金属谐振器结构。

Claims (9)

1.一种用于无线通信设备的天线，包括：
a)绝缘基片(1)，其表面(4)上具有两对金属谐振器结构(2，3)，
b)每对谐振器结构(2，3)包括连接馈线(2C，3C)的第一谐振器结构(2A，3A)，和具有接地连接(5，5’)的第二谐振器结构(2B，3B)，所述第一和第二谐振器结构彼此电隔离并彼此邻近布置。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述第一和第二谐振器结构是细长结构。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述天线具有分支到第二谐振器结构(2B，3B)中的单个接地连接。
4.根据权利要求2所述的天线，其特征在于：从所述分支点测量的第二谐振器结构的长度是不同的。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：至少一个第一或第二谐振器结构连接到一个或者多个无源元件(6，6’)。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述第一对谐振器结构的谐振频率基本上在824MHz到960MHz的频率范围中。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述第二对谐振器结构的谐振频率基本上在1710MHz到1990MHz的频率范围中。
8.一种移动通信设备，其特征在于所述移动通信设备包括根据权利要求1所述的天线。
9.根据权利要求8所述的天线，其特征在于：所述移动通信设备被设计成用于射频鉴别(RFID)目的的发射机应答器。
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