CN101276955B - 用于多频无线电设备的天线装置以及相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于可工作在例如四模移动站的多频带无线电设备的天线装置以及相应的方法。该天线装置形成具有一对谐振元件的混合带状天线。第一谐振元件形成了绕基板的周边延伸的外围环。曲折线沿着外围环的一部分延伸。并且第二谐振元件由L形带状线组成。该外围环在一组频率上谐振，并且L形带状线在单个频率上谐振。通过适当选取谐振元件的长度，可控制元件所谐振的频率。

Description

用于多频无线电设备的天线装置以及相关方法

技术领域

广泛地说，本发明涉及一种用于可在多个频带上工作的移动站或者其他无线电设备的天线结构。更具体地来说，本发明涉及形成可在例如800/900/1800/1900MHz频带上工作的多模式移动站或者其他无线电设备的混合带状天线的天线装置以及相关方法。

该天线包括辐射元件，辐射元件包括环形带状线，该带状线包含作为一部分的曲折线以及L型带状线，两者均布置在基板上并被构建成与无线电装置所工作的频带相对应的频率上谐振。该天线具有小尺寸特点，并显示出稳定的频带特性以及辐射方向图。

背景技术

对许多人来说，用于通信的移动无线电通信系统的可用性和用途已成为日常生活中的必要部分。蜂窝以及类蜂窝通信系统是典型的无线电通信系统，其基础结构被广泛地配置并正式地应用。下一代蜂窝通信系统已经开发，其工作参数和协议详细地记载在标准设置团体所发布的标准中。并且，下代的网络装置也已经被配置，其均可依照相关工作标准来工作。

虽然，前一代蜂窝通信系统提供声音通信服务以及有限的数据通信服务，但是下一代蜂窝通信系统提供不断增加的数据密集型数据通信服务。不同的工作标准不仅提供不同的通信容量，并且还采用不同的通信技术以及不同的工作频率。不同类型的蜂窝通信系统的安装有时与管辖权有关。即，在不同地区，配置工作在不同类型的工作标准的网络基础结构。不同区域所配置的网络基础结构不一定兼容。能够通过按照一个工作规范构建的网络基础结构的方式来进行通信的移动站不一定可以通过按照另一个工作规范构建的网络基础结构的方式进行通信。

已经研制出所谓的多模移动站，其使得移动站具有在多于一个，即多个通信系统的通信能力。通常，这样的多模移动站响应于所检测的网络基础结构自动选择移动站可操作的方式，其中，所述移动站处于所述网络基础结构的覆盖区域中。如果位于移动站可以进行通信的一种以上通信系统的网络基础结构的覆盖区域中，那么选择按照偏好方案或者手动来进行选择。当提供了多模能力时，移动站包含电路以及电路元件以使其可以按照每一个通信系统进行通信。最简单的是，多模移动站由分离的电路形成，分别按照不同工作标准来进行通信。有时，当不同电路路径中的电路元件达到可以共享的程度时，分离的电路路径的部分被构建成缠结在一起或者被共享。通过共享电路元件，电路尺寸和部件数目下降，从而降低了费用，减小了尺寸。

然而，不同电路路径之间的天线转换器元件的共享提出了独特的挑战。天线转换器元件的所需尺寸部分地取决于将要被转换器(transducer)元件转换的信号能量的频率。并且，由于移动站结构不断小型化，天线被容纳在外壳非常小的组件空间内，因此天线转换器的设计变得非常难，尤其是在多模移动站中当不同的模式在不同的频率上工作时。在构建可在多个频带上工作、并且尺寸还很小以便依然能放置在尺寸小型化的移动站的外壳内的天线转换器方面作出了很大的努力。

有时候采用PIFA(平面倒F天线)。PIFA通常具有小的尺寸、低的轮廓，并且可在双频带上辐射。然而，这样的天线结构通常带宽很窄。为了增大PIFA的带宽，PIFA的结构有时与寄生元件或者多层、三维结构组合在一起。然而，这样的附加增加了天线的体积尺寸。另外，由于附加的谐振分支，天线的调谐变得困难。并且这些分支有时引入了干扰信号能量转换的EMC和EMI。

因此，仍然需要改善天线结构，使之具有小尺寸并依然可以在多个频带上使用。

根据无线电设备的天线转换器的这个背景信息，本发明提出了重大的改进。

发明内容

本发明提出了一种用于通信设备的带状天线，所述带状天线(被应用至基板上，并且所述带状天线特征在于：由导电材料的闭合环形成的第一辐射元件，来自通信设备的信号馈送到该环，并且该环接地，该闭合环具有至少一个位于第一频带内的第一谐振频率；以及由带状线形成的第二辐射元件，该带状线被电耦合到由形成所述第一辐射元件的所述闭合环围绕的区域、并位于所述区域内，所述第二辐射元件被构建成具有至少一个位于第二频带内的第二谐振频率，所述第二频带与所述第一频带不同。

本发明还提出了一种用于形成收发无线电设备的信号能量的天线的方法，所述方法的特征在于包括如下步骤：绕基板的周边形成第一辐射元件，所述第一辐射元件限定了闭合环，来自无线电设备的信号馈送到该环，并且该环接地，该闭合环谐振在位于第一频带内的至少一个第一频率；在所述闭合环内的所述基板上的区域上形成第二辐射元件，所述闭合环是通过形成第一辐射元件的步骤形成的，所述第二辐射元件在所述闭合环内限定了带状线，所述闭合环在位于第二频带内的至少一个第二频率上谐振，所述第一频带与所述第二频带不同；以及分别转换来自所述第一和第二辐射元件的、在所述第一和第二频带内的信号能量。

本发明还提出了一种处于外壳内的可工作在多频带的移动站的带状天线，所述带状天线特征在于：能够被设置在所述外壳内的基板；闭合的辐射环，来自移动站的信号被馈送到该环，并且该环接地，该闭合环被应用在所述基板的周边，所述辐射环包括沿着所述基板的周边的一部分延伸的曲折线，所述辐射环在第一频带内的第一频率上谐振，以及所述曲折线在不同于所述第一频带的第二频带内的第二频率上谐振；以及辐射L形带状线位于所述基板上，并位于所述闭合辐射环所限定的内部区域内，所述L形带状线在至少与所述第二频带相连续的单个频带上谐振。

附图说明

图1示出了可以在其中实行本发明的实施例的无线电通信系统的功能结构图。

图2示出了本发明实施例的混合带状天线的结构表示。

图3示出了图2所示的混合带状天线所表现出的天线特性的图形表示。

图4示出了本发明实施例的操作方法的方法流程图表示。

具体实施方式

因此，本发明有利地提供用于可在多个频带上工作的移动站或者其他无线电设备的天线装置以及相关方法。

在本发明的一个实施例整个操作过程中，提供一种方式，藉此形成可以工作在例如800/900/1800/1900MHz频带上的多模移动站或者其他无线电设备的混合带状天线。

在本发明的一个方面中，天线是由包括一个环形带状线以及一个L形带状线的第一和第二辐射元件形成。辐射元件被配置成与无线电设备可以工作的频带对应的频率上谐振。

在本发明的一个方面中，提供具有使得其可以设置在移动站或者其他具有小型尺寸的无线电设备的外壳内的尺寸的基板。该基板是矩形的，或者其他几何形状、结构，并且可以是由导电材料涂刷或者其他应用而成。基板的尺寸大得足以在上面形成导电环。环形带状线具有可以在移动站的一个频带上谐振的长度，其被形成在基板上。环绕基板的外围形成，例如延伸到外围的边缘。进一步在绕基板周边形成的环上提供馈电连接以及接地连接。环形带状线的长度确定第一谐振频带。即，环的长度在第一频带内谐振。通过适当地选择环的长度，该环在与移动站的至少一个工作模式的工作频带相应的频带上谐振。

在本发明另一方面中，绕基板周边延伸的环的一部分包括曲折线。该曲折线例如沿着形成所述环的基板的周边形成。曲折线具有在第二频带上谐振的长度。曲折线所谐振的第二频带由其长度决定。并且，通过选择适当的曲折线长度，使环的曲折线部分在与多模移动站的工作频带相对应的频带上谐振。曲折线例如是通过将非导电段(即，叉指)指状交叉插入导电材料的矩形条带而形成的，其中该矩形条带形成为绕基板周边的环的一部分。通过增加非导电段或者叉指的指状交叉来增大曲折线的长度。通过利用相应的适当数量的指状交叉来引起适当的谐振频率。

因此，绕基板周边形成并且其中包含曲折线作为其一部分的环限定了一组谐振频带，其中第一谐振频带是由包含曲折线长度的环的整个长度限定的，并且第二谐振频带由曲折线的长度限定。

在本发明的另一个方面中，基板上还形成L形带状线。该L形带状线形成在延伸于绕基板周边的环所限定的内部区域上。L形带状线的端部电耦合到外围环。L形带状线例如通过L形带状线的短边的末端耦合到外围环。L形带状线在谐振频带上谐振。L形带状线所谐振的谐振频带取决于带状线的长度。通过适当地选取带状线的长度，带状线所谐振的谐振频带对应于与天线耦合的移动站的工作频带。

在一个实施方式中，天线被应用于工作在800/900/1800/1900MHz的多频蜂窝移动站中。选取外围环以及L形带状线的构造，以使其在包含移动站工作频带的频率上谐振。外围环的长度定义了较低的频带，并且曲折线和L形带状线的长度谐振在较高的频带。在该较高频带中，曲折线以及L形带状线谐振在较高的频带。曲折线以及L形带状线谐振的较高频带相互重叠或者叠加成对应于移动站工作的较高频率。

由于天线提供了小型化尺寸、稳定的工作以及稳定的方向图，该天线可方便地应用到具有小体积尺寸的移动站或者其他无线电设备中。

因此，在这些以及其他方面中，为通信设备提供了混合带状天线以及相应的方法。该混合带状天线形成在基板上。由环形成第一辐射元件。该环被配置成使第一辐射元件在第一组频带中谐振。由耦合到并延伸超过形成第一辐射元件的环的L形带状线形成第二辐射元件。L形带状线被配置成使第二辐射元件在第二组频带中谐振。

首先，参考图1，通常由10表示的无线电通信系统与多个由移动站12表示的移动站进行无线电通信。移动站12在此表示能够在800/900/1800/1900MHz频带上通信的四模移动站。这样的移动站有时指国际频带移动站，由于该移动站按照目前占主导地位的蜂窝通信系统的工作规范和协议工作。更广泛地说，移动站表示各种可以工作在多个频带上或者在相对高频处带宽较宽的无线电设备。

无线接入网络14、16、18和22分别表示四种分别工作在800、900、1800和1900MHz频带的无线电网络。当移动站12位于无线接入网络14-22中任一个的覆盖区域中时，移动站能够与之进行通信。如果分离的网络具有相互重叠的覆盖区域，那么进行选择通过哪个网络进行通信。无线接入网络14-22通过网关(GWY)26耦合到核心网28。通信末端(CE)32表示与移动站通信的通信设备。

移动站包括具有能够与网络14-22中的任何一个收发通信信号的收发电路36的无线电收发器。该收发电路包括被构造成可以以相应网络的工作标准和协议进行工作的分离的或者共享的收发路径。无线电站点进一步包括本发明实施例的天线42。该天线具有可以工作在收发电路以及无线接入网络所工作的不同频带上的特性。在此，天线可以工作在800、900、1800和1900MHz频带。在示例性的实施方式中，天线42与收发电路一起封装在移动站的外壳44中。由于在外壳中能用来容纳天线的空间是有限的，天线42的尺寸相当小，同时天线在移动站可以工作的宽频率上提供用于转换的信号能量。

图2示出了本发明实施例的天线的示例性实施方式。该天线具有可以使天线放置在外壳44内的宽度方向的尺寸46以及长度方向的尺寸48(如图1所示)。例如，基板是35mm×25mm。图2的平面图示出了形成在基板52上的导电轨迹的构成。基板由如下部分形成或者包括如下部分：具有可以覆盖导电材料的表面的非导电板或者部分。

天线42形成具有一组辐射元件、外围环56以及L形带状线58的混合带状天线。

在示范性实施方式中，外围环绕基板周边延伸，并且延伸到基板的周边的边缘。环56形成封闭形状，其限定了内部区域62，其中第二谐振元件、L形带状线58形成在该内部区域中。

外围环56在此通常为矩形结构，由对应于基板52的四个侧边的四个侧边部分形成。从而，外围环的长度由两个在宽度方向上延伸的侧边部分以及两个在长度方向上延伸的侧边部分组成。外围环的长度由天线谐振的第一谐振频率确定。通过适当地选择外围环的长度，从而形成第一谐振频率。在此，外围环谐振的第一谐振频率是移动站可以工作的较低频带。

侧边部分之一(在此是顶部侧边部分(如图所示))形成曲折线66。曲折线66限定了由非导体指状交叉的叉指68的数量以及尺寸控制的曲折线长度。在此，每一个指状交叉的叉指68通常在平行方向上延伸，其数量能使曲折线具有所需长度。曲折线还谐振在一个在此对应于移动站可工作的较高频带的频率的谐振频率上。在一个实施方式中，形成曲折线的侧边部分被首先形成，然后指状交叉的叉指将侧边部分的导电材料蚀刻掉。在另一个实施方式中，曲折线形成预先布置的图案的部分，该图案限定了在基板52上的哪部分涂覆导电材料以形成天线。曲折线以及外围环的调整是通过改变一个或多个叉指68的长度来实现的。

L形带状线58形成在外围环56限定的内部区域中。L形带状线的其中一个腿的末端侧延伸到、并电耦合到外围环。在此，L形带状线的短腿的末端延伸到外部的外围环56，并位于接地位置74和馈电位置76之间。接地和馈电位置限定了混合带状天线42耦合到收发电路36处的接触连接(如图1所示)。L形带状线58形成了在谐振频率上谐振的谐振元件。带状线58谐振的谐振频率由其长度决定。通过适当选取带状线的长度，可使元件58谐振的谐振频率对应于移动站可工作的频率。在该示例性实施方式中，L形带状线谐振在一个类似于曲折线66谐振的频率上(即：接近、重叠或者在该频率附近)。

天线在其谐振的所有频率(在此是800/900/1800/1900MHz频带)上，显示出稳定的辐射方向图以及稳定的频带特性。

图3示出了本发明一个实施例的示例性天线42的天线特性的图形表示86。在图中，频率是沿着横轴88以及纵轴92绘制的，以dB为单位。低频通带94在824MHz和961.11519MHz之间延伸。并且，通带96在1682MHz和2038MHz之间延伸。天线转换频带94和96内的信号能量。通过改变环56、曲折线66以及L形带状线58的长度可改变限定来频带94和96的频率。由于基板52限定了具有小尺寸的混合带状天线的尺寸，该混合带状天线被设置在小型化移动站的外壳之内，同时还可以工作在多个频带，例如：可工作在800/900/1800/1900MHz频带的四模移动站的四频带。

图4示出了一个通常由102表示的方法流程图，其表示本发明实施例的操作方法。该方法用于转换无线电设备的信号能量。

首先，如模块104所示，第一辐射元件绕基板的周边位置形成。第一辐射元件限定了被构建成在第一频带组中谐振的环。接着，如模块106所示，第二辐射元件形成在基板的区域上，并位于绕基板周边延伸的环的内部。第二辐射元件限定了一个L形带状线，并且被构建成在第二频率组中谐振。

并且，如模块108所示，信号能量在第一和第二辐射元件所谐振的第一和第二频带组中转换。

本发明提供了一种显示出稳定的辐射方向图、并且显示出稳定的频带特性的小型混合带状天线。由于对混合带状天线存在着小尺寸的需求，该混合带状天线应能设置在一个很小的组件内，例如在移动站的外壳内。

Claims (11)

1.一种用于能够在第一频带和第二频带工作的通信设备(12)的带状天线(42)，所述第二频带的频率高于所述第一频带的频率，所述带状天线(42)被在基板(52)上实现，并且所述带状天线(42)的特征在于：

由基板上的闭合环(56)形成并在闭合环内限定内部区域的第一辐射元件，来自通信设备(12)的信号(76)馈送到所述闭合环，并且所述闭合环接地(74)，所述闭合环(56)包括形成曲折线的部分，所述闭合环被配置为在所述第一频带(94)内谐振，以及所述曲折线具有在所述第二频带处谐振的电长度；以及

由带状线形成的第二辐射元件，所述带状线被耦合到所述第一辐射元件、并位于形成所述第一辐射元件的所述闭合环所限定的内部区域内，带状线形成第二辐射元件，并被配置为使所述第二辐射元件在所述第二频带的至少部分内谐振。

2.如权利要求1所述的带状天线(42)，其中形成所述第一辐射元件的所述闭合环(56)绕所述基板(52)的周边延伸。

3.如权利要求2所述的带状天线(42)，其中所述基板(52)包括第一周边侧边、第二周边侧边、第三周边侧边以及第四周边侧边，并且其中所述闭合环(56)分别沿着所述第一、第二、第三以及第四周边侧边延伸。

4.如权利要求1所述的带状天线(42)，其中所述闭合环(56)具有确定所述第一频带的电长度，所述电长度包括所述曲折线电长度。

5.如权利要求1所述的带状天线(42)，其中所述第一频带(94)包括800MHz频带。

6.如权利要求1所述的带状天线(42)，其中所述第二频带(96)包括1800MHz频带。

7.如权利要求1所述的带状天线(42)，其中所述第一频带(94)包括900MHz频带。

8.如权利要求1所述的带状天线(42)，其中所述第二频带(96)包括1900MHz频带。

9.一种用于形成在无线电设备(12)处收发信号能量的天线(42)的方法，所述方法的特征在于包括如下步骤：

绕基板(52)的周边形成(104)第一辐射元件，所述第一辐射元件限定了闭合环(56)，来自无线设备的信号馈送到所述闭合环，并且所述闭合环接地，在所述闭合环内限定了内部区域，所述闭合环包括形成曲折线的部分，闭合环被配置为在所述第一频带内谐振，以及所述曲折线电长度被配置为在所述第二频带内谐振；

在所述闭合环(56)内的所述基板(52)的区域(62)上形成(106)第二辐射元件，所述闭合环绕所述基板的周边延伸，并在馈电点与地之间耦合所述第二辐射元件，所述第二辐射元件限定带状线(58)，并被配置为在所述第二频带(96)内谐振；以及

在所述第一和第二辐射元件处，转换(108)所述第一和第二频带(94、96)中的任意频带内的信号能量。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括将所述第一辐射元件和所述第二辐射元件连接到所述无线电设备的步骤。

11.一种能够工作在多频带的移动站(12)的带状天线(42)，所述带状天线特征在于：

能够被设置在所述移动站内的基板；

绕所述基板的周边布置的辐射环，所述辐射环是闭合环，来自移动站的信号馈送到所述闭合环，并且所述闭合环接地，所述辐射环的一部分包括沿着其一部分的曲折线，所述辐射环在第一频带处谐振，以及所述曲折线具有在第二频率谐振处的电长度，所述第二频带高于所述第一频带；以及

辐射L形带状线，布置在位于所述辐射环所限定的内部区域内的基板上，所述辐射L形带状线在所述第二频带的一部分内谐振。

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