CN101714691A

CN101714691A - 低轮廓天线

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Publication number: CN101714691A
Application number: CN200910204301A
Authority: CN
Inventors: 杜新; 杰西·林; 米罗斯拉夫·珀尔瓦诺夫
Original assignee: PCTel Inc
Current assignee: PCTel Inc
Priority date: 2008-10-07
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2029-10-09
Also published as: EP2175521A1; US8184060B2; US20100085264A1; ATE554513T1; CN101714691B; EP2175521B1

Abstract

提供一种在至少两个非谐波相关的频带中工作的多频带天线。该天线包括接地平面、锥形相对高频天线部件和至少三个相对低频天线部件，锥形相对高频天线部件具有设置为与接地平面相邻但是与接地平面电绝缘的高频天线的尖端，以及具有远离接地平面延伸的锥形天线部件的基底，所述至少三个相对低频天线部件与锥形天线部件的基底和接地平面电连接，并在锥形天线部件的基底和接地平面之间延伸。

Description

低轮廓天线

技术领域

本发明的领域涉及射频天线，更具体地讲，涉及在许多不同的非谐波相关的频率中工作的天线。

背景技术

诸如无线局域网之类的数字无线系统或者诸如蜂窝电话之类的蜂窝装置可在许多不同的频带中存在，并且每个可使用唯一的通信协议。例如，蜂窝GSM电话可在750-960MHz频带中工作，PCS和UMTS可在1700-2170MHz频带中工作，WIFI可在2.4-5.8GHz频带中工作。

然而，蜂窝、PCS、UMTS和WIFI通常与不同类型的装置一起使用，每个装置具有不同的功能和数据处理能力。由于不同的功能，服务提供商通常需要提供在每个不同的协议下的同时基础设施访问。

提供同时访问的一个复杂化因素是，在不同协议下的访问通常在许多不同的环境中发生。虽然环境也可能是户外，环境也可能涉及餐馆、剧场或其它使用场所内的使用。这些环境不允许使用损坏场所建筑风格的大体积天线或者天线结构。

另一复杂化因素是，蜂窝、PCS、UMTS和WIFI通常使用非谐波相关的频带。因此，为一个频带设计的天线可能不能在其它频带工作。

对多频带问题的一种现有技术解决方案是将具有扼流圈的单极天线和贴片天线组合以创建多频带天线结构。贴片可以是传统的或者包括用于高频工作的一个或多个缝隙。

尽管单极天线和贴片天线的使用在一些情况下是有效的，但是单极天线通常在高频经历相位颠倒，导致辐射信号的仰角图分瓣。另外，在贴片天线结构超过高频带的1/4波长的情况下，辐射场具有显著的方位图失真。因此，存在对在多个非谐波相关的频带中工作的更好的天线的需求。

发明内容

提供了在至少两个非谐波相关的频带中工作的多频带天线。该天线包括接地平面、锥形相对高频天线部件和至少三个相对低频天线部件，所述锥形相对高频天线部件具有设置为与接地平面相邻但是与接地平面电绝缘的高频天线的尖端，以及具有远离接地平面延伸的锥形天线部件的基底，所述至少三个相对低频天线部件与锥形天线部件的基底和接地平面电连接，并在锥形天线部件的基底和接地平面之间延伸。

在另一个实施例中，多频带天线包括接地平面、空心锥形天线部件和至少三个相对低频天线部件，所述空心锥形天线部件具有锥形天线部件的平截头体和基底，所述平截头体与和接地平面相邻的天线馈电部分耦合，所述基底远离接地平面延伸，所述至少三个相对低频天线部件从高频天线部件的基底端延伸，并将高频天线部件的基底端与接地平面电耦合。

附图说明

图1a至图1b是根据本发明的示例实施例概括显示的具有保护罩和不具有保护罩的低轮廓天线的透视图；

图2a至图2b分别是图1的天线的侧视图和侧剖视图；

图3是图1的天线的部分制造图；

图4是替换实施例下的图1的天线的侧透视图；

图5是图1的天线从698MHz至8.5GHz的VSWR图；

图6a至图6i是图1的天线从700MHz至6GHz的远场辐射图；和

图7a至图7i是图1的天线从700MHz至6.0GHz的远场辐射图。

具体实施方式

由于便携式装置的使用的持续扩展，最近，超宽带(UWB)天线变得更加重要。尽管UWB很重要，但是由于这种装置的高度限制，使得它们通常难以融入到许多生活或工作场所中。然而，由于在许多参考文献中所描述的许多根本限制，所以很难降低轮廓。通常，UWB的高度在约最低工作频率的1/4波长的数量级上。

Goubau的美国专利No.3,967,276描述了一种相对紧凑的UWB。许多参考文献将Goubau视作显著进步，这是因为其提供了带宽大于2:1、VWSR＜3:1和高度仅0.097λ的天线。

无线装置的使用的快速扩展增加了对在它们的使用环境中更加灵活的UWB天线的需求。由于日益增多的不同装置对基础设施访问的需求增加，使得UWB的带宽要求显著提高。作为总轮廓和带宽之间的折衷，UWB的总直径不断增加。

由于许多不同的原因，辐射部件尺寸的增加引起UWB方向图失真增加。在一些天线中，增加的尺寸引起相位颠倒，从而导致与在许多现有技术的偶极天线中所看到的仰角图分瓣类似的仰角图分瓣。在其它天线中，提供非对称的大体积辐射结构，该结构通常超过高频带的1/4波长，引起方位图失真。

作为更特定的示例，Mars Antenna提供了内部具有单个PCB的天线。单个PCB具有低成本的优点，但是方向图失真增加。

由Mars Antenna提供的另一天线提供了高度约0.16波长的设为彼此相邻的两个四分之一波长单极天线。尽管这种天线在一些应用中能胜任，但是它缺少带宽。

通常，电小天线(ESA)在被称为Chu-Wheeler-McLean限制的一组限制下工作。例如，能使用Chu-Wheeler-McLean限制来评估ESA的预期带宽(或Q)和轮廓之间的关系。对于单个最低横电(TE)或横磁(TM)模式，可通过如下的方程式来定义Q，

Q_{1} = \frac{1}{ka} + \frac{1}{k^{3} a^{3}}

其中，a是天线的直径，而且，在最低TE和TM模式的情况下，由于TE和TM模式能量交换，还可通过如下的方程式定义Q，

Q_{2} = \frac{1 + 3 k^{2} a^{2}}{2 (1 + k^{2} a^{2}) k^{3} a^{3}}

可如下定义某一VSWR或者回波损耗(典型的，10dB)下的带宽(BW)，

BW = \frac{VSWR - 1}{2 Q \sqrt{VSWR}}

现在看图，图1a至图1b描绘根据本发明的示例实施例概括显示的低轮廓的宽带天线10。图1a显示具有保护罩12的天线10。图1b是没有罩12的天线10的侧透视图。图2a是天线10的侧视图，图2b是天线10沿线A-A的剖视图。

天线10包括设置为靠近接地平面12的锥形天线部件14。如图2b所示，锥形部件14的尖端18被设置为与接地平面12相邻，锥形部件14具有远离接地平面12与接地平面12正交地延伸的基底20。

如图2b所示，锥形部件14的近端与接地平面12电绝缘。尖端18与RF供电电缆22电连接。

尽管图1和图2显示了与锥形部件14的尖端18连接的电缆，但是应该意识到，可将尖端18截短以允许电缆22的导线穿透锥形部件14的尖端18，实现更好的连接。在这种情况下，与电缆22的连接可与锥形部件14的平截头体连接。

锥形天线部件14还包括一组至少三个次级天线部件16。次级天线部件16起将锥形天线部件14的远端或基底端与接地平面12电连接的作用。次级天线部件还起机械支撑锥形部件14的作用。

通常，锥形部件14和次级天线部件16形成由单个导电金属(比如，铜)平板形成的整体天线。可以如图3所示对扁平的金属片进行模切。如图3所示，可通过冲切工艺去除一个扇形部分，并将相对边缘24、26拉在一起28。可通过任何合适的方法(比如，焊接、折叠等)接合相对边缘24、26以形成空心的锥体。

类似地，可向下折叠次级部件16以形成图1、图2和图3所示的支撑16。可通过另一合适的方法(比如，焊接、铆接等)将次级部件16的(与折痕相反的)远端与接地平面12电接合和机械接合。

实际上，锥形部件14可具有在近端上的点接触，该点接触具有与接地平面12相邻的电缆22的天线连接部分；锥形部件14还具有与接地平面12平行的环形截面，所述环形截面具有在远离接地平面延伸的方向上发散的直径。锥形部件14的相对侧限定45度角。

为了在700MHz-8.5GHz范围内工作，锥形天线部件14可具有1.97英寸的与接地平面垂直测量的总高度。锥形天线部件14的基底的直径近似为3.95英寸。

接地支腿(次级部件16)提供许多不同的功能。在工作频率范围的较低范围内，次级部件16可用作辐射部件。在中间范围内，次级部件16在并联谐振模式下进行工作。

次级部件16的对称布置消除了水平力矩，并保证了天线10的锥形样式。接地支腿(次级天线部件16)的数量影响天线轮廓以及辐射图。对于更均匀的方位图，对称布置是优选的。在图1和图2中显示三个次级天线部件16，以在保持旋转对称性的同时实现轮廓最小。

可添加一组寄生部件30来减小较高频率范围内的纹波。在这种情况下，寄生部件30与接地平面12电绝缘。

图5是天线10在698MHz-8.5GHz频率范围内的VSWR图。应当注意，天线10在698MHz-8.5GHz整个频率范围上具有小于1.7的VSWR。

天线10提供比传统天线相对较低的轮廓，传统天线具有不大于698MHz频率下限的八分之一波长的高度。天线10的阻抗在698MHz-8.5GHz整个带宽上基本保持在-10dB的下限以上。

Chu-Wheeler-McLean方程式(以上所讨论的)可用于使用3.95英寸的直径和698MHz的频率来计算要求保护的天线的预测带宽(BW)。Chu-Wheeler-McLean方程式给出要求保护的天线应该具有不大于5.25:1的带宽。相反，已经证实要求保护的天线具有12:1的带宽。

图6a至图6i是700MHz-6.0GHz的远场辐射图的正视图。可以看出，698MHz的方位远场图是基本对称的，如将从沿与接地平面正交的天线轴的对称性预计的那样。

图7a至图7i是700MHz-6.0GHz的远场辐射图的立体图。可以看出，6.0GHz的方位远场图是基本对称的，如也将从与接地平面正交的对称性预计的那样。

在另一示例实施例中，天线10的基底20可用于支撑贴片天线32。在这种情况下，天线32为全球定位系统(GPS)有源天线模块。用于天线32的电缆(未显示)可沿着次级天线部件16之一从接地平面12延伸到基底20和天线32，以使得不存在对辐射图的干扰。

为了示出实现本发明和使用本发明的方式，描述了低轮廓天线的特定实施例。应该理解，本发明的其它变型和修改及其各个方面的实现对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本发明不受所描述的特定实施例的限制。因此，应当覆盖本发明以及落在这里公开的和要求保护的基本原理的真实精神和范围内的所有修改、变型或等价物。

Claims

1.一种在至少两个非谐波相关的频带中工作的多频带天线，该天线包括：

接地平面；

锥形相对高频天线部件，具有设置为与接地平面相邻但是与接地平面电绝缘的高频天线的尖端，以及具有远离接地平面延伸的锥形天线部件的基底；和

至少三个相对低频天线部件，与锥形天线部件的基底和接地平面电连接，并在锥形天线部件的基底和接地平面之间延伸。

2.根据权利要求1所述的多频带天线，其中，所述高频天线部件和低频天线部件进一步包括单一导电材料板。

3.根据权利要求1所述的多频带天线，其中，所述锥形天线部件从尖端延伸的相对侧进一步包括实质上45度的天线。

4.根据权利要求1所述的多频带天线，进一步包括实质上等于相对高的工作频率的八分之一波长的总高度。

5.根据权利要求3所述的多频带天线，其中，所述相对高的工作频率还包括8.5GHz。

6.根据权利要求1所述的多频带天线，其中，所述至少三个低频天线部件进一步包括围绕基底的周边的120度间隔。

7.根据权利要求1所述的多频带天线，还包括设置在所述锥形天线部件的基底内的贴片天线。

8.根据权利要求1所述的多频带天线，其中，所述锥形天线部件的尖端进一步包括同轴电缆连接部分。

9.一种在至少两个非谐波相关的频带中工作的多频带天线，该天线包括：

接地平面；

相对高频天线部件，在近端上与接地平面电绝缘，所述高频天线部件具有近端上的点接触，该点接触具有与接地平面相邻的天线连接部分，所述高频天线部件还具有与接地平面平行的环形截面，所述环形截面具有在远离接地平面延伸的方向上发散的直径；和

至少三个相对低频天线部件，从高频天线部件的远端延伸，并将高频天线部件的远端与接地平面电耦合，所述低频天线部件的每个占用高频部件的远端的环面的百分之一的距离。

10.根据权利要求9所述的多频带天线，其中，所述发散进一步包括45度。

11.根据权利要求9所述的多频带天线，进一步包括实质上等于相对高的工作频率的八分之一波长的总高度。

12.根据权利要求11所述的多频带天线，其中，所述相对高的工作频率还包括8.5GHz。

13.根据权利要求9所述的多频带天线，其中，所述环面进一步包括0.10英寸的厚度。

14.一种在至少两个非谐波相关的频带中工作的多频带天线，该天线包括：

接地平面；

空心锥形天线部件，具有锥形天线部件的平截头体和远离接地平面延伸的基底，所述平截头体与和接地平面相邻的天线馈电结构耦合；和

至少三个相对低频天线部件，从高频天线部件的基底端延伸，并将高频天线部件的基底端和接地平面电耦合，其中，锥形天线部件和低频天线部件由单个单一导电材料板制造。

15.根据权利要求14所述的多频带天线，其中，所述基底进一步包括3.95英寸的直径。

16.根据权利要求14所述的多频带天线，其中，所述空心锥形天线部件进一步包括1.97英寸的高度。

17.根据权利要求14所述的多频带天线，其中，所述空心锥形天线部件进一步包括0.10英寸的厚度。

18.根据权利要求14所述的多频带天线，其中，所述低频天线部件进一步包括实质上等于0.09英寸的与基底相切的宽度。

19.根据权利要求14所述的多频带天线，其中，所述锥形天线部件的相对壁进一步包括45度的发散。

20.根据权利要求14所述的多频带天线，其中，所述平截头体进一步包括射频连接部分。