CN101273490A - 多波段天线 - Google Patents

Abstract

公开了一种多波段天线系统(100)和无线通信设备。该多波段天线系统提供多个频段上的覆盖。该多波段天线系统包括：地面、第一导体(102)、第二导体(104)、耦合到所述第一导体和第二导体的公共馈送导体(106)、以及耦合到所述第一导体和第二导体的接地导体(108)。该第一导体具有第一物理长度，该第一物理长度在操作中等于第一RF波段内的半波长及操作中等于第二RF波段内的全波长。该第二导体具有操作中等于第三RF波段内的半波长的第二物理长度。

Description

多波段天线

发明领域

本发明通常涉及天线，更特别地，涉及多波段天线系统。

发明背景

多波段天线使用在通信设备中，该通信设备操作于多个频段以支持多种通信协议的操作。目前这些设备中许多都具有与外部天线相对的内部天线，其安装在设备外壳内。内部天线的优点包括抗冲击度增强、生产成本降低、外形美观的因素等等。某些内部天线通过充分平坦的电路板上的镀敷导体形成。设计内部天线所面临的一个挑战是与无线通信设备内部其它部件及电路的干扰。另一个挑战是在电路上有足够的空间来按照多个便携式通信设备需要小的、便携的尺寸来放置天线。

因此，在维持在多个频段内以可接受的效率操作的能力时，为这些设备设计内部天线所需的特征包括紧密的尺寸、与设备内其它部件及电路的最小的干扰。

在多波段天线操作中，为了适合于被设计为在给定频段内操作的多个通信系统或协议，天线可用于在多于一个频段内操作。所需的是，能够制造可根据多于一个通信协议操作的无线通信设备。这可能使在不同频段内发射及接收信号成为必要的。

因此，所需的是，能够在操作于多个频段内时最小化内部干扰的、紧凑尺寸的内部天线。

附图的简要说明

通过在附图中例示而非限制性地来例示本发明，其中相同的参考指示相同的元件，并且其中：

图1例示了根据本发明的多波段天线系统的实施例；

图2是多波段天线系统的示例性实施例，其例示了在操作于低频段时多波段天线系统内的传导元件；

图3是多波段天线系统的示例性实施例，其例示了在操作于高频段时多波段天线系统内的传导元件；

图4是表示多波段天线系统的天线效率的表的组；

图5是用于多波段天线系统的示例性回波损耗绘图。

本领域技术人员会认识到，图中的元件是为了简化和清楚而例示的，没有必要按比例绘制。例如，图中某些元件的尺寸相对于其它元件是被夸大的，从而有助于提高对本发明实施例的理解。

本发明的详细说明

在详细描述根据本发明的特定多波段天线系统及无线通信设备之前，应当注意到，本发明主要存在于有关多波段天线系统及无线通信设备的装置部件的组合中。因而，在附图中通过传统的符号合适地面示了装置部件，仅表示那些理解本发明有关的特定细节，从而不会使那些从本说明获益的本领域普通技术人员容易理解的细节模糊了本公开。

在本文件中，相关的术语例如“第一”和“第二”等可单独使用来区分一个实体或动作与另一个实体或动作，而不必在这些实体或动作间需要或暗示任何实际的这种关系或次序。术语“包括”、“包括的”或任何其变化期望覆盖非排他性的包括，这样包括一系列元素的过程、方法、物品或装置就不仅包括这些元素，还可包括其它没有明确列举的或这些过程、方法、物品或装置固有的其它元素。在没有更多约束的情况下，前面有“包括……”的元素不排除在包括该元素的过程、方法、物品或装置中存在额外的同样的元素。

在此使用的术语“另一个”被定义为至少第二个或更多。在此使用的术语“包括”和/或“具有”被定义为包含。在此参考电子技术使用的术语“耦合”并定义为连接，尽管不必是直接的，也不必是机械地。

图1例示了多波段天线系统100的一个示例性实施例。该多波段天线系统100用于在多个无线通信设备、网络或其组合内发送和接收信号。该多波段天线系统100可实现为具有在多个频段内操作的宽带特征的内部天线。宽带操作在提供足够的带宽以使多个通信协议适应于一个天线系统100是有用的，该天线系统100例如全球移动通信系统(GSM)，该GSM通信系统是处于标称的800MHz及标称的900MHz频段一直到2400MHz，从而包括例如802.11及蓝牙通信。

在一个例示的实施例中，多波段天线系统100被调谐为在两个通常的射频范围内操作，这两个通常的射频范围通常称作低波段及高波段。在该示例性实施例中低波段低于1000MHz，而高波段高于1000MHz。在低波段和高波段内，多波段天线系统100可在多个频率子波段上操作。在该示例性实施例中，多波段天线系统100可被调谐，这样天线按照在低波段和高波段内的7个频段上操作的7波段天线而执行。作为例子，在该实施例中使用的7个频段包括：低波段内的AMPS(800MHz)、GSM(900MHz)，以及高波段内的GPS(1500MHz)、DCS(1800MHz)、PCS(1900MHz)、3G(2100MHz)和蓝牙(2400MHz)。本领域普通技术人员应理解，波段通常指的是对频率值、或中点频率进行舍入(rounded off)，而不是组成操作频段的特定频率。例如，通常用于蜂窝无线电话操作的800MHz波段指的是具有从824MHz到894MHz范围的操作频率的800MHz波段。

还应当理解，多波段天线系统100还可被调谐为在其它频段内操作。该多波段天线系统100还可被调谐为，在比该示例性实施例中使用的7波段更低的频段内操作。本领域普通技术人员可理解天线元件及频段的操作和调谐。

图1例示的多波段天线系统100包括：地101或地面、或地平面及其任何组合；在该示例性实施例中从地面隔开的第一导体102；耦合到第一导体102的第二导体104；馈送导体106；及接地导体108。在该示例性实施例中，通过电路板的一层提供地，该电路板在该实施例中是多层电路板。该多层电路板还可支撑并互连无线通信设备中的多种电子部件。这些部件的例子包括麦克风、相机、射频(RF)连接器、扬声器及振动机构。在例如一个实施例中，地面101包括多层电路板的若干相互连接的层。

该多波段天线系统100可作为内部天线系统被并入在无线通信设备中。在一个实施例中，多波段天线系统100可被嵌入/并入在移动手机、启用无线LAN的设备、卫星/GPS设备、个人数字助理(PDA)、诸如具有无线连接的MP3播放器的音乐设备、计算机等中。

第一导体102和第二导体104用于通过将无线波转换成电信号来发射和接收电磁能量，反之亦然。第一导体102具有第一物理长度。在一个例示的实施例中，第一导体102是环导体(loop conductor)。该第一导体102在低波段和在高波段的第一频率子波段内谐振。该第一物理长度是，(如果不是基本上等于的话)则至少部分等于与低波段关联的频率(即子频段)的半波长。该第一物理长度是，(如果不是基本上等于的话)则至少部分等于与同第一频率子波段关联的频率(即子频段)相对应的全波长。

在该示例性实施例中，低波段包括800MHz波段和900MHz波段。在该实施例中，例如，天线可在具有824MHz到894MHz的频率范围的800MHz蜂窝波段、以及具有从880MHz到960MHz的频率范围的900MHz波段内操作。

该第一频率子波段是高波段的一部分。在该示例性实施例中，高频段包括1500MHz、1800MHz、1900MHz、2100MHz及2400MHz的频段。第一导体102可有效地从1900MHz带宽到2400MHz带宽谐振。

在图1所示的该示例性实施例中，第二导体104是具有偶极天线结构的导体。在所例示的实施例中，偶极天线结构是具有第一和第二弯曲的折叠偶极天线104。该第一和第二弯曲允许第二导体在遇到其它物理约束(例如第一导体102环天线结构的尺寸)时，能维持第二物理长度。第二导体104在高波段的一部分内谐振。在该示例性实施例中，第二导体104在高波段的第二频率子波段上谐振，该高波段基本上没有被第一导体102的操作频率范围覆盖。第二导体104具有第二物理长度。该第二物理长度等于高波段中至少一部分频率的两个四分之一波长(即覆盖第二子波段)。第一个四分之一波长部分在一个方向上从信号源或馈送点延伸，而第二个四分之一波长在相反的方向上从信号源延伸。在该示例性实施例中，第二导体104在第二频率子波段中谐振，该第二频率子波段具有基本上1500MHz到1900MHz带宽的带宽。如上所述，第一导体102基本上在1900MHz及2400MHz间、第一频率子波段谐振，这样整个高波段由两个天线所覆盖。第一导体102和第二导体104还耦合到相同馈送点。在一个实施例中，第一导体102和第二导体104除耦合到相同馈送点外，还被电容性地耦合。

在图1所示的例示性实施例中，第一导体102和第二导体104被承载在电介质支撑件110上。该电介质支撑件110可以是由电介质支撑件中的空隙形成的中空支撑件，从而当地平面是印刷电路板的一层时，使第一导体102和第二导体104同地面或电路板表面及地平面隔开。可制造电介质支撑件110的材料的例子包括具有低介电常数的材料、具有低损耗角正切(loss tangent)等的材料。这些材料可包括但不限于聚酰亚胺及聚碳酸酯等。该第一和第二导体还可以是承载在例如电介质支撑件的平坦表面上的导线或传导材料的形式。该传导材料可被印刷、沉积、喷射、蚀刻、用胶带附着(taped)等在电路板上。偶极可以是金属棒，并且环天线部分可以是柔性导线环。所述材料可以采用本领域普通技术人员了解的各种形式。

在一个例示性的实施例中，电介质支撑件110利用至少两个塑料材料选择地进行模塑。第一个塑料材料能够用金属传导材料进行镀敷，而第二个塑料材料则不接收金属镀敷材料。这允许金属被选择性地镀敷在仅形成在那些具有第一塑料的区域上的电介质支撑件上。导体的形状因而由传导塑料的形状规定。

在一个例示性的实施例中，在保持多波段天线系统100性能的非显著下降的同时，在电介质支撑件110内形成的空隙可被成型为容纳其它的部件，例如扬声器。因而，以有效使用可用空间的方式来容纳多波段天线系统100。小的无线通信设备是需要的，因此，空间的有效使用是有益的。

第一导体102和第二导体104被耦合到单一馈送点或馈送导体106。在该实施例中，馈送导体106是天线长度的一部分。当馈送导体存在时，馈送导体106将第一导体102和第二导体104连接到单一馈送点。该单一馈送点被耦合到单一源，并且该单一馈送点向第一导体102和第二导体104两者提供信号。该单一馈送点产生无线电波所需频率的均匀行波。

第一导体102和第二导体104还耦合到接地导体108。在该实施例中，接地导体108将第一导体102和第二导体104连接到地面101。如图1所示，在电介质支撑件110的一部分上承载该馈送导体106及接地导体108。该馈送导体106及接地导体108可被镀在电介质支撑件上，或者以粘附方式限定在电介质支撑件110上。馈送导体106和接地导体108在第一导体102和第二导体104间形成电连接。

电介质表面可采用各种形状。在一个实施例中，如图1-3所示，该电介质表面是六面的矩形形状。在该实施例中，第一导体102和第二导体104位于(即承载于)电介质表面110的一个或多个部分上。在图1所例示的示例性实施例中，第一导体102和第二导体104在电介质支撑件110的四个表面上延伸。在另一示例性实施例中，第一导体102位于电介质支撑件110的边缘上。该电介质支撑件110的形状可与设备外壳一致。该形状可与外壳内的部件一致，例如PCB、扬声器、麦克风、芯片部件、IC等。该形状可以是外壳及内部约束两者的函数。

图2例示了多波段天线系统100，其表示在低频段中操作的多波段天线系统100中的导体元件102、104。图2还表示了第一导体102和第二导体104的线叠置(line overlay)图。第一线叠置202表示第一导体102的基本形状，而第二线叠置210表示第二导体104的基本形状。点208表示低频段内第一导体102中的开路(高阻抗)点。点204和206表示在低波段处谐振的第一导体102中的短路(低阻抗)点。

短路点204和206间的部分、以及第一导体102的开路点202，形成了低频段内多波段天线系统100中的天线元件。这实现了创建两个天线元件，每一个在低频段内具有四分之一波长的长度。在低频段内，每个天线元件或者独立谐振，或者增加多波段天线系统100的总操作带宽。例示的低频段包括上述的800MHz波段和900MHz波段。

图3例示了多波段天线系统100，其表示了导体元件102、104和对应的线叠置208、210，但是天线在高频段内操作。点302、304及306表示第一导体102和第二导体104内的短路(即低阻抗)点。点308、310、312及314表示第一导体102和第二导体104内的开路(高阻抗)点。

第一导体102和第二导体104的短路点302、304和306与开路点308、310、312、和314间的部分，形成了高频段内多波段天线系统100内的天线元件。

这允许创建高频段内的6个四分之一波长的天线元件。例如，在6个天线元件中，一个天线元件由短路点302和开路点308之间的部分形成。每一个天线元件或者独立谐振，或者增加高频段内的总操作带宽。

图4是表示对于不同频率多波段天线系统100的天线效率的表400。天线效率用于表达总辐射功率除以多波段天线系统100接收到的净功率的比率。表400表示在多波段天线系统100所操作的多个例示性频段处的天线效率。例如，该表表示了894MHz处的天线效率是63.32％，以及1575MHz处的天线效率是66.07％。应当理解，该测量可以变化，并且这些都是用于表示高波段和低波段内多个子波段上的天线系统效率的示例性测量。

结合图4，图5是表示用于多波段天线系统100的7个RF操作波段的示例性回波损耗图。回波损耗图500例示了多波段天线操作在哪个波段，以及哪个导体(即第一导体102或第二导体104)在相应RF波段内操作。在该实施例中，第一RF操作波段502和第二RF操作波段504在低波段内。在该实施例中还表示了在高波段内的第三操作波段506、第四操作波段508、第五操作波段510、第六操作波段512、以及第七操作波段514。

第一导体102在圆501表示的高波段的第一子波段内谐振，其包括1900MHz操作波段510的一部分、2100MHz操作波段512以及2400MHz操作波段514。第二导体104在圆503表示的高波段的第二子波段内谐振，其包括1500MHz操作波段506、1800MHz操作波段508以及1900MHz操作波段510的一部分。第一导体还在圆505表示的低波段内谐振，其包括800MHz操作波段502和900MHz操作波段504。该操作波段还可称为第一和第二子波段的子波段。

本发明各个实施例中描述的多波段天线系统是可嵌入在无线通信设备内的紧凑的内部天线系统。在表示的实施例中，可在具有不超过100mm长度的地平面上建立该天线系统。该多波段天线系统展示了允许在7个频段上操作的宽带能力，例如AMPS、GSM、GPS、DCS、PCS、3G及蓝牙。

在前述规范中，已经参考特定的实施例描述了本发明及其益处和优点。然而，本领域普通技术人员理解，可进行不超出以下权利要求所述的本发明范围的各种修改及改变。因而，该说明书和附图应例示性而非限制性的理解，并且所有这些修改都期望包括在本发明的范围之内。益处、优点、问题的解决方案，以及可引发任何益处、优点或解决方案发生或更加显著的的任何元素不构成任何或所有权利要求的关键的、必需的或本质的特征及元素。本发明通过所附的权利要求单独定义，其包括在本申请及提出的这些权利要求的等价物未决期间所进行的改进。

Claims (20)

1.一种多波段天线系统，包括：

地；

耦合到所述地的第一导体，所述第一导体具有第一物理长度，该第一物理长度在操作中等于第一RF波段内的半波长及在操作中等于第二RF波段内的全波长；

耦合到所述第一导体并耦合到所述地的第二导体，该第二导体具有第二物理长度，该第二物理长度在操作中等于第三RF波段内的半波长；及

耦合到所述第一导体及所述第二导体的公共馈送导体。

2.如权利要求1的多波段天线系统，其中所述第一导体是环导体。

3.如权利要求2的多波段天线系统，其中所述第二导体是偶极导体。

4.如权利要求3的多波段天线系统，其中所述环导体包围所述偶极导体。

5.如权利要求1的多波段天线系统，其中所述第二导体是偶极导体。

6.如权利要求1的多波段天线系统，其中所述第一导体和所述第二导体是容性地耦合的。

7.如权利要求1的多波段天线系统，电介质支撑件承载所述第一导体、所述第二导体及所述公共馈送导体。

8.如权利要求7的多波段天线系统，其中所述第一导体和所述第二导体承载在所述电介质支撑件的四个表面上。

9.如权利要求1的多波段天线系统，其中所述第一波段是低波段，并且其中所述第二RF波段和第三RF波段在高波段内。

10.如权利要求9的多波段天线系统，其中所述低波段基本上在800MHz和900MHz之间并包括800MHz和900MHz。

11.如权利要求10的多波段天线系统，其中所述高波段基本上在1500MHz和2500MHz之间并包括1500MHz和2500MHz。

12.如权利要求9的多波段天线系统，其中所述第一RF波段在824MHz和960MHz之间并包括824MHz和960MHz。

13.如权利要求9的多波段天线系统，其中所述第二RF波段基本上在1500MHz和1900MHz之间并包括1500MHz和1900MHz。

14.如权利要求9的多波段天线系统，其中所述第三RF波段基本上在1900MHz和2500MHz之间并包括1900MHz和2500MHz。

15.如权利要求7的多波段天线系统，其中所述电介质支撑件具有空腔。

16.一种多波段天线系统，包括：

地面；

第一导体，该第一导体同所述地面隔开且具有第一频段处的第一波长和第二频段处的第二波长；

第二导体，该第二导体耦合到所述第一导体且具有所述第二频段处的第三波长；

耦合到所述第一导体和第二导体的馈送导体；及

耦合到所述第一导体和第二导体的接地导体。

17.如权利要求16的多波段天线系统，其中所述多波段天线系统是7波段天线。

18.如权利要求16的多波段天线系统，其中所述多波段天线系统包括电介质支撑件，该电介质支撑件在所述地面上支撑第一导体、所述第二导体、所述公共馈送导体和所述公共接地导体。

19.如权利要求18的多波段天线系统，其中所述第一导体位于所述电介质支撑件的边缘上。

20.一种无线通信设备，包括：

多波段天线系统，包括：

地面；

第一导体，该第一导体同所述地面隔开且具有第一频段处的第一波长和第二频段处的2倍的所述第一波长；

第二导体，该第二导体耦合到所述第一导体且具有所述第二频段处的第三波长；及

耦合到所述第一导体和第二导体的馈送导体；及

耦合到所述第一导体和第二导体的接地导体。

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