CN101388493B - 无线电设备的双极化、多带环天线及相关方法 - Google Patents
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Abstract
一种双极化天线和相关方法，提供用于无线电设备，如移动站。该天线由设置在基板上的多个环带构成。该环带被配置成L角环对，这些环共享一环带共享集。共享集的环带提供单一馈电连接，其被布局成允许天线的对称激励。
Description
技术领域
本发明主要涉及便携式无线电设备的天线，如在IMS(工业，医药和科学)频段操作的支持蓝牙的或支持IEEE 802.11的设备。更特别地，本发明涉及具有紧密结构并能够位于便携式无线电设备的无线电外壳上或内部的双极化天线和相关方法。
由环形带形成的L角天线环放置在基板上。该环形带沿第一极化方向或第二极化方向任一延伸，第二极化方向垂至于第一极化方向。环形带是多维的并连接在一起，以在IMS频带、或者在正交极化方向上的其他所选的频带上谐振。
背景技术
无线通信系统在现代社会中被广泛用于通信。很多不同的通信服务，包括语音通信服务和数据通信服务，通常通过无线通信系统来完成。并且，因为技术发展的允许，通过无线通信系统完成的通信服务类型将很可能增加。
蜂窝通信系统是典型的具有高使用级别的无线通信系统。蜂窝通信系统典型地构造成提供广域覆盖。并且，它们的基础设施安装在世界居民区的重要位置上。用户利用无线通信系统来通信，通过使用无线电设备、无线收发器，其有时被称作移动站或用户设备(UE)。典型地，按照用户的购买提供对蜂窝通信系统的访问，或者基于循环的原则，例如按月，或者基于一种预付费的、按时间使用的原则。蜂窝通信系统按照不同的操作标准进行操作，在不同的频段定义无线广播接口，例如在800MHz频段，在900MHz频段和在1.7GHz到2.2GHz之间的频段。
其他类型的无线通信系统也被广泛使用，例如，被实现为例如WLAN(无线局域网络)系统的基于蓝牙(tm)和基于IEEE 802.11的系统还提供了语音和数据通信，一般覆盖在比它们的蜂窝对应物小的覆盖区域上。WLAN经常被运作为专用网络，向访问这种网络的用户提供利用支持蓝牙或支持802.11的设备来进行通信的能力。WLAN有时配置为连接到公共网络(像因特网)以及依次连接到其他通信网络，像PSTN(公共交换电话网络)和PLMN(公共陆地移动网)。互联实体有时也提供在小区域网络和PLMN之间的更直接的连接。之前提到的各种系统在2.4GHz频带上实现。
无线通信系统一般受带宽限制。也就是说，用于它们的操作的带宽分配是有限的。并且，这样受限的带宽配置对通信系统的通信能力施加限制。已经做出重大努力以有效地利用分配于带宽受限设备中的有限带宽，并且将关注点直接指向于实现其的方法。有时候采用双极化通信技术。在双极化技术中，在相同频率上通信的数据在分离的极化平面上通信。通过利用双极化技术，通信能力接近翻倍成为可能。为了按照双极化方案来转换信号能量，无线电设备需要利用双极化天线，其可在分离双极化平面上操作。双极化技术的使用为有利的另外原因是通常减少了多路径传输和其他干扰的影响，因此提高了信号传送和接收的质量。
双极化天线是可实现的，例如通过利用边缘馈电或探测馈电的方式馈送两个正交边缘上的正方形贴片天线。一般来说，现有的双极化贴片天线与两个馈电网络电路结合使用。这种现有的天线受到不同的限制。例如，在馈电连接之间的分离距离需要足够大，以避免各馈电线之间出现耦合。过多的耦合数量导致高交叉极化等级。
因为无线设备的尺寸越来越小，且被封装在尺寸越来越小的外壳内，所以与交叉极化等级相关的问题很可能变得更加重要。需要一种以减少这种有害问题的方式构成的改进的双极化天线。
根据关于无线电设备的天线的这个背景信息，发展出本发明的重要改进。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于无线电设备的天线装置，所述天线装置包括：基板，具有相对的顶部和底部表面；第一组环带，设置于所述基板的顶部表面上，所述第一组的环带配置为形成具有沿第一方向延伸的至少一个带、以及沿与第一方向垂直的第二方向延伸的至少一个带的第一环；第二组环带，设置于所述基板的顶部表面上，所述第二组环带被配置为形成具有沿第一方向延伸的至少一个带、以及沿第二方向延伸的至少一个带的第二环，每一组都分别具有沿第一和第二方向延伸的带的所述第一组和第二组表现出双极化；以及其中基板的底部表面不具有导电平面。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于转换来自无线电设备的信号能量的方法，所述方法包括以下操作：设置第一组环带在具有相对的顶部和底部表面的基板的顶部表面上，所述基板的底部表面上不具有导电平面，第一组环带配置为形成具有沿第一方向延伸的至少一个带、以及沿与第一方向垂直的第二方向延伸的至少一个带的第一环；设置第二组环带在所述基板的顶部表面上，第二组环带配置为形成具有沿第一方向延伸的至少一个带、以及沿第二方向延伸的至少一个带的第二环；以及转换来自沿第一方向极化的第一组的信号能量，并且转换来自沿第二方向极化的第二组的信号能量。
附图说明
图1示例了一个可在其中操作本发明一个实施例的无线通信系统的功能结构图。
图2示例了本发明的一个实施例的双极化、多带环天线的平面视图。
图3示例了一显示被绘制为构成本发明一个实施例的无线电设备一部分的天线的频率函数的仿真和测量返回损耗的图示。
图4示例了本发明一个实施例的天线的示例性的、仿真电流分布的示图。
图5示例了在2.47GHz上本发明一个实施例的天线的仿真辐射图案的图示。
图6示例了一类似于图5所示的图示，但是其为在2.47GHz上由本发明一个实施例的天线所展示的测量辐射图案。
图7示例了作为本发明一个实施例天线的函数的仿真增益的图示。
图8示例了一表示本发明一个实施例的操作方法的方法流程框图。
具体实施方式
因此，本发明有利地为便携式无线电设备提供天线设备和相关方法，如能够在IMS(工业，医药和科学)频段操作的兼容蓝牙或兼容802.11设备。
通过本发明一实施例的操作，提供具有紧密结构的双极化天线。该天线能够位于便携式无线电设备的无线外壳上或内部。
在本发明的一方面中，天线由蚀刻在基板上的环带构成，被配置为能够在一个选择的频段上谐振的方式，如位于2.47GHz的频段。基板的尺寸允许它与蚀刻其上的环带一起位于便携无线电设备的外壳内，例如可在兼容蓝牙或兼容802.11系统中操作的无线电设备。信号能量在正交或其他方向上极化。在无线电设备产生的变换信号能量被天线转换到电磁形式并在极化方向上传播。并且，为了后续操作，在极化方向上传送至无线电设备的电磁能量由无线电设备电路转换成电形式。
在本发明的另一方面中，蚀刻在基板上的第一组环形带配置形成一L角天线环。该L角天线环通过配置邻近的环带以使得邻近的环带的末端以基本垂直的角度交叉来形成。被这样配置的第一组中的所有环带，都因此而不同地定位以沿第一极化方向或第二极化方向延伸，第二极化方向垂直于第一极化方向。
在本发明的另一方面中，蚀刻在基板上的第二组环带限定了第二L角环形。邻近的环带配置成以交叉的、基本垂直的角度来连接它们的末端，以此形成直角。并且，每个这样配置的环带，沿第一极化方向或向垂直于第一极化方向的第二极化方向不同地延伸。信号能量同样在这两个极化方向上被第二环转换。
在本发明的另一方面中，第一组和第二组环带包括环带共享集，也就是第一组和第二组共用的环带。该环带共享集形成第一天线环的部分和第二天线环的部分。环带共享集中至少有一个环带沿第一极化方向延伸，并且共享环带集中至少有一个环带沿第二极化方向延伸。并且，更特定地，该共享集包括至少两个沿第一极化方向延伸的环带以及至少两个沿第二极化方向延伸的环带。沿第一极化方向延伸的环带通过沿第二极化方向延伸的环带连接在一起。
在本发明的另一方面中，向两个极化方向都提供了单一馈电连接。单一馈电连接被形成于或是另外被定义在共享集的环带上。馈电连接被定位成以允许两个天线环的对称激励。通过利用单一馈电连接，与交叉极化相关的问题就减轻了。一个高增益的、高效率的和紧密的双极化天线就这样被提供。
因此，在这些和其他方面中，向无线电设备提供了天线设备和相关方法。提供了基板。并且第一组环带设置在基板上。第一组环带被配置成形成第一环，该第一环具有沿第一极化方向延伸的至少一个环带和沿第二极化方向延伸的至少一个环带。第二组环带设置在基板上。第二组环带被配置成形成第二环，该第二环具有沿第一极化方向延伸的至少一个环带和沿第二极化方向延伸的至少一个环带。第一和第二组环带中的每一个分别具有沿第一和第二极化方向延伸的环带，并且表现出双极化操作。
因此，首先转至附图1，一个无线通信系统，其通常显示为10，为与移动站12的通信做准备。在一示例性的实施中，该移动站依照蓝牙标准或IEEE 802.11(b)或(g)标准来操作，可以操作以在2.4GHz频带发送和接收数据。更一般地，移动站12代表任何不同的无线设备，并且无线通信系统代表任何可在不规则频段上操作的、遵守任何不同通信标准或操作许可的不同的无线通信系统。从而，虽然以下描述将描述一蓝牙或兼容IEEE 802.11的系统的、可在2.4GHz频段上操作的典型操作，但是应当理解的是，以下描述仅仅是代表性的，并且遵守其他方式的可操作的无线通信系统的操作的描述是类似的。
无线通信系统包括网络部分，此处用网络站点14代表。例如，网络站点包括WLAN的访问点或类似实体，其能够与无线电设备(像移动站12)收发信号。网络站点其在此处形成一访问点，是局部网络结构(WLAN)16的一部分，依次连接到外部网络，此处是公共分组数据网络(PDN)18，如因特网。
移动和网络站点所依照的操作标准允许并提供了通信系统在操作频段上的双极化通信，并且此处为其做准备，此处的操作频段是指延伸在2.40和2.485GHz之间的ISM频段。
移动站12包括收发电路，此处由接收(RX)部分26和发射(TX)部分28表示。接收和发射部分相连接，例如通过向本发明实施例的天线32提供了收发部分之间的隔离的天线连接器或其他实体。收发电路能够进行双极化操作。这就是说，发射和接收部分能够产生信号以在两个极化方向上传输，并且也在两个极化方向上对与移动站通信的信号进行操作。
相应地，天线32形成双极化天线，能够转换两个极化方向上的信号能量。那也就是说，在两个双极化方向上天线都能检测到信号能量。并且，在移动站产生的信号能量被转换到电磁形式并且沿双极化方向辐射。在示例性实施中，天线32被设置在一般平面基板上，该基板的尺寸允许它放置在移动站的外壳内。
图2更加详细地示例了本发明实施例的天线32，其形成了图1所示的移动站12的一部分。该天线由设置在基板44上的多个环带42构成。环带被蚀刻，绘制或以其他的方式形成在基板上。环带配置成使得相邻的环带一个紧靠另一个，之间电连接。环带具有长度和宽度，并且连接在一起以在所需频率段谐振，此处是2.4GHz频段。
环带设置成矩形环结构，包括第一组环带46和第二组环带48。相邻的环带在它们的末端处相交成基本垂直的交叉角。组46和48形成天线环，其中，由于相邻的环带的垂直交叉角，环的角是L形的，也就是L角。
环46和48的环带包括环带共享集52。共享集的环带在两个组之间共享。那就是说，共享集的环带形成组46和48的一部分。
在示例性地实施中，如所示，共享集包括3个环带，端对端连接，包括两个L角部分。
图2示出了标记54、56、58、60、62、64、66、和68。在每个这些标记点，形成环的L形角。由于相邻环带的基本垂直交叉，每个环带沿两个极化方向中的一个方向延伸。极化方向是垂直的，由轴72和74定义。轴74定义了第一极化方向，并且轴72定义了第二极化方向。在标记点64和54之间、标记60和58之间、标记62和68之间、以及在标记66和56之间延伸的环带都向第一极化方向延伸。在标记点54和56之间、标记56和58之间、标记64和62之间、在标记62和60之间以及在标记66和68之间延伸的环带都沿第二极化方向延伸。在示例性的实施中，并如所示的，定义了由环带限定的矩形结构的外部周长的长度都是相同的。此外，由点54-56、66-72以及62-60所限定的环带也都具有相应的长度。并且，在示例性实施中，每个环带的宽具有相同的宽度w。
天线32包括提供了馈电连接点的单一馈电连接82，其可连接到移动站点(如图1所示)的收发电路(如图1所示)。单一馈电连接提供了馈电，其位于如所示的在环带66-68之间的中点上，为由环带组46和48形成的环提供了对称激励。因为仅需要单一馈电连接，因而可以避免传统必需的在多馈电连接之间的空间需求的相关问题。
如图2所示的示例性实施中天线32的几何配置在每个极化方向72和74上提供了三个同相平行带。带54-58、66-68和64-60沿第二极化方向延伸。并且，沿第一极化方向延伸的平行带54-64、58-60、以及56-66/68-62允许天线展示高增益和高效率。
两个环带组46和48蚀刻在印刷电路板或其他基板上。环带被视为两个电连接的、多L形的、矩形的并且具有公共共享带组的环带组合。在其它实现中，天线还包括设置在带-环孔径平面中的金属反射器84，此处设置在基板44的底面的下方。
垂直的、双极化辐射通过安排环带沿轴72或74之一的平行方向延伸来实现。位于环带66-68中间的馈电连接82提供了对称激励，以此减少双极化组件的交叉极化等级。沿每个极化方向延伸的环带设置成提供了高增益等级的同相的、三元素的阵列中。在天线操作期间的电流(也就是电荷流动)由于沿着带的驻波分布而每隔半波长反转一次。此外，外周环的每一边被等分成三部分，这样如果适当地选取了周长环的长度，就在所有带部分上产生同相的电流分布。
图3示出了图形表示92，其示例了被绘制成频率的函数、并分别代表了仿真和测量返回损耗的曲线图94和96。在示例性实施方式中，天线在2.4GHz频段谐振，并且曲线图也以此表示。
附图4同样示例了本发明的示例性实施例的天线32。此处，是天线在其谐振频率2.47GHz上所表现出的仿真的电流分布。天线头代表了天线中的电流。对电流分布的分析指示出电流分布在如图2所示的与极化轴72和74平行的方向中。
图5和图6分别示出，本发明实施例天线32在其2.47GHz谐振频率上的仿真和测量的二维辐射图形。在每个图示中，均绘制了0和90度平面表示102和104。
图7示例了图示106，其示出了由本发明实施例的天线32所表现出的仿真增益，其为频率的函数。增益的中部位于或接近于2.47GHz谐振频率。
图8示出了方法流程图，通常在112示出，表示了本发明实施例的操作方法。该方法用于在无线电设备中转换信号能量。
首先，由块114所示，第一组环带设置在基板上。第一组中的环带配置成形成具有至少一个沿第一极化方向延伸的带和至少一个沿第二极化方向延伸的带的第一环。并且，如块116所示，第二组环带设置在该基板上。第二组中的环带配置成形成具有至少一个沿第一极化方向延伸的带和至少一个沿第二极化方向延伸的带的第二环。
一旦形成在基板上，环带用于转换信号能量，其分别在第一和第二组环带中沿第一极化方向和在第二极化方向被极化。
这样，提供了一种具有紧密尺寸的双极化天线。通过利用设置在基板上的、被配置成允许采用单一馈电连接以对称激励天线的方式的环带，这样配置后，能避免与传统的双极化天线所采用的多馈电连接相关的问题。
Claims (13)
1.一种用于无线电设备的天线装置(32)，所述天线装置(32)包括：
基板(44)，具有相对的顶部和底部表面；
第一组环带(46)，设置于所述基板(44)的顶部表面上，所述第一组环带(46)被配置为形成具有沿第一方向(74)延伸的至少一个带、以及沿与第一方向垂直的第二方向(72)延伸的至少一个带的第一环；
第二组环带(48)，设置于所述基板(44)的顶部表面上，所述第二组环带(48)被配置为形成具有沿第一方向(74)延伸的至少一个带、以及沿第二方向(72)延伸的至少一个带的第二环，所述第一组环带(46)和所述第二组环带(48)包括共享环带(52)，所述共享环带(52)形成了所述第一组环带(46)和所述第二组环带(48)的一部分，所述共享环带(52)具有沿第一方向(74)延伸的至少一个环带、以及沿第二方向(72)延伸的至少一个环带，每一组都分别具有沿第一(74)和第二(72)方向延伸的带(42)的所述第一组环带(46)和所述第二组环带(48)表现出双极化；以及
单一馈电连接(82)，被配置为向所述第一组环带(46)和所述第二组环带(48)的沿第一方向和第二方向延伸的环带提供对称激励。
2.根据权利要求1所述的天线装置(32)，其中所述第一组环带(46)包括第一L形环。
3.根据权利要求2所述的天线装置(32)，其中所述第一组环带(46)的带中的相邻带相互交叉成基本垂直的角。
4.根据权利要求1所述的天线装置(32)，其中所述第二组环带(48)包括第二L形环。
5.根据权利要求4所述的天线装置(32)，其中所述第二组环带的带中的相邻带相互交叉成基本垂直的角。
6.根据权利要求5所述的天线装置(32)，其中所述共享环带(52)中沿第一方向(74)延伸的所述至少一个环带包括沿第一方向(74)延伸的环带对。
7.根据权利要求6所述的天线装置(32)，其中通过所述共享环带(52)中沿第二方向(72)延伸的至少一个环带连接所述共享环带(52)中的沿第一方向延伸的环带对。
8.根据权利要求1所述的天线装置(32)，其中，所述单一馈电连接(82)形成在所述共享环带(52)中沿第二方向(72)延伸的环带上。
9.根据权利要求1所述的天线装置(32)，其中所述第一组环带(46)配置成在2.4GHz频带谐振。
10.根据权利要求1所述的天线装置(32)，其中所述第一组环带(46)配置成在工业、医药和科学ISM频段谐振。
11.一种用于转换来自无线电设备(12)的信号能量的方法(112)，所述方法包括以下操作：
设置(114)第一组环带(46)在具有相对的顶部和底部表面的基板(44)的顶部表面上，所述基板的底部表面上不具有导电平面，第一组环带(46)被配置为形成具有沿第一方向(74)延伸的至少一个带、以及沿与第一方向垂直的第二方向(72)延伸的至少一个带的第一环；
设置(114)第二组环带(48)在所述基板(44)的顶部表面上，第二组环带(48)被配置为形成具有沿第一方向(74)延伸的至少一个环带、以及沿第二方向(72)延伸的至少一个环带的第二环，所述第一组环带(46)和所述第二组环带(48)包括共享环带(52)，所述共享环带(52)形成了所述第一组环带(46)和所述第二组环带(48)的一部分，所述共享环带(52)具有沿第一方向(74)延伸的至少一个带、以及沿第二方向(72)延伸的至少一个带；
在被配置为向沿第一方向(74)和第二方向(72)延伸的环带提供对称激励的单一馈电连接(82)处，提供信号能量馈电；以及
转换(118)来自第一组环带(46)的信号能量，并且转换(118)来自第二组环带(48)的信号能量。
12.根据权利要求11所述的方法(112)，还包括将信号能量提供给所述单一馈电连接(82)的操作。
13.根据权利要求11所述的方法(112)，还包括用所述信号能量对称激励第一组环带(46)和第二组环带(48)的操作。
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