CN101730957B - 多模天线结构 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个或多个实施例涉及一种用于在通信设备中发射和接收电磁信号的多模天线结构。该通信设备包括用于处理传送至天线结构的和从天线结构传送出的信号的电路。该天线结构被配置成在指定频率范围内优化运行，该天线结构包括：多个天线端口，其可操作的耦合到所述电路；多个天线元件，每一个都可操作的耦合到一个不同的天线端口。流过一个天线元件和邻近天线元件的电流通常是量值相同的，以便在指定的期望信号频率范围内在不使用连接到所述天线端口的去耦网络的情况下由一个天线端口激励的天线模式通常与由另一个天线端口激励的模式电隔离，并且所述天线结构生成多样的天线方向图。

Description

多模天线结构
相关申请的交叉引用
本申请以下述美国专利申请为基础并要求了下述美国专利申请的优先权：2008年4月8日提交的标题为Multimode AntennaStructure的美国专利申请No.12/099,320，它是2007年6月27日提交的标题为Multimode Antenna Structure的美国专利申请No.11/769,565的部分延续，其基于2007年4月20日提交的标题为Multimode Antenna Structure的美国临时专利申请No.60/925,394，和2007年5月8日提交的标题为Multimode Antenna Structure的美国临时专利申请No.60/916,655，所有这些都通过参考结合于此。
技术领域
本发明总体上涉及无线通信设备，更特别地涉及被用于这些设备的天线。
背景技术
许多通信设备具有密集封装在一起的多个天线(例如彼此相隔少于1/4波长)，而且可以同时在相同的频带内运行。这些通信设备的通用实例包括诸如蜂窝手机之类的便携式通信产品、个人数字助理(personal digital assistants，PDA)，以及无线网络设备或个人计算机(personal computers，PC)的数据卡。许多系统结构(诸如多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO))和用于移动式无线通信设备的标准协议(诸如用于无线LAN的802.11，以及诸如802.16e(WiMAX)、HSDPA和1xEVDO之类的3G数据通信)需要同时运行的多个天线。
发明内容
本发明的一个或多个实施例指向一种用于在通信设备中发射和接收电磁信号的多模天线结构。通信设备包括用于处理传送至天线结构的和从天线结构传送的信号的电路。天线结构被配置成在指定频率范围内优化运行。天线结构包括可操作地耦合到所述电路的多个天线端口，以及每一个都可操作地耦合到一个不同的天线端口的多个天线元件。多个天线元件的每一个都被配置成具有所选择的电长度，以在所述指定频率范围内提供优化运行。天线结构还包括电连接所述天线元件的一个或多个连接元件，以便一个天线元件上的电流流向所连接的邻近天线元件，并且通常绕过(bypass)耦合到邻近天线元件的天线端口。流过一个天线元件和邻近天线元件的电流通常是量值相同的，以便在指定的期望信号频率范围内在不使用连接到所述天线端口的去耦网络的情况下由一个天线端口激励的天线模式通常与由另一个天线端口激励的模式电隔离，并且天线结构生成多样的天线方向图。
本发明的一个或多个其他实施例指向一种用于在包括天线方向图(antenna pattern)控制机构的通信设备中发射和接收电磁信号的多模天线结构。通信设备包括用于处理传送至天线结构的和从天线结构传送的信号的电路。天线结构包括可操作地耦合到电路的多个天线端口，以及每一个都可操作地耦合到一个不同的天线端口的多个天线元件。天线结构还包括电连接于天线元件的一个或多个连接元件，以便一个天线元件上的电流流向连接的邻近天线元件并且通常绕过耦合到邻近天线元件的天线端口。流过一个天线元件和邻近天线元件的电流通常是量值相同的，以便在指定的期望信号频率范围内由一个天线端口激励的天线模式通常与由另一个天线端口激励的模式电隔离，并且天线结构生成多样的天线方向图。天线结构还包括可操作地耦合到多个天线端口的天线方向图控制机构，以用于调整馈送至邻近天线端口的信号之间的相对相位，以便馈送至一个天线端口的信号与馈送至邻近天线端口的信号具有不同的相位，从而提供天线方向图控制。
本发明的一个或多个其他实施例涉及一种用于在发射和接收电磁信号的通信设备中控制多模天线结构的天线方向图的方法。所述方法包括下述步骤：(a)提供包括天线结构和用于处理传送至天线结构的和从天线结构传送出的信号的电路的通信设备，天线结构包括：可操作地耦合到电路的多个天线端口；多个天线元件，每一个都可操作地耦合到一个不同的天线端口；以及电连接于多个天线元件的一个或多个连接元件，以便一个天线元件上的电流流向连接的邻近天线元件并且通常绕过耦合到邻近天线元件的天线端口，流过一个天线元件和邻近天线元件的电流通常是量值相同的，以便在指定的期望信号频率范围内由一个天线端口激励的天线模式通常与由另一个天线端口激励的模式电隔离并且天线结构生成多样的天线方向图；以及(b)调整在馈送至天线结构的邻近天线端口的信号之间的相对相位，以便馈送至一个天线端口的信号与馈送至邻近天线端口的信号具有不同的相位，从而提供天线方向图控制。
本发明的一个或多个其他实施例指向提供一种用于在具有带阻开缝特性的通信设备中发射和接收电磁信号的多模天线结构。通信设备包括用于处理传送至天线结构的和从天线结构传送出的信号的电路。天线结构包括可操作地耦合到电路的多个天线端口。天线结构还包括多个天线元件，每一个都可操作地耦合到一个不同的天线端口。多个天线元件中的一个包括在其中限定了两个分支谐振器的开缝。天线结构还包括电连接于多个天线元件的一个或多个连接元件，以便一个天线元件上的电流流向连接的邻近天线元件并且通常绕过耦合到邻近天线元件的天线端口。流过一个天线元件和邻近天线元件的电流通常是量值相同的，以便在指定的期望信号频率范围内由一个天线端口激励的天线模式通常与由另一个天线端口激励的模式电隔离，并且天线结构生成多样的天线方向图。在多个天线元件中的一个中存在的开缝导致在指定信号频率范围内在所述多模天线结构的多个天线元件中的一个和另一个天线元件之间的失配，从而进一步隔离天线端口。
在下面的详细说明中将提供本发明的各种实施例。如将认识到的那样，本发明可以具有其他的和不同的实施例，并且在不脱离本发明的情况下可以在各种方面对其一些细节进行修改。因此，附图和描述本质上被认为是说明性的，并不具有限制或约束的意义，本申请的范围在权利要求中被指示。
附图说明
图1A举例说明了具有两个平行偶极子的天线结构。
图1B举例说明了由图1A的天线结构中的一个偶极子激励产生的电流。
图1C举例说明了与图1A的天线结构相对应的模型。
图1D是举例说明图1C的天线结构的散射参数的曲线图。
图1E是举例说明图1C的天线结构的电流比率的曲线图。
图1F是举例说明图1C的天线结构的增益方向图的曲线图。
图1G是举例说明图1C的天线结构的包络(envelope)相关性的曲线图。
图2A举例说明了根据本发明一个或多个实施例的具有两个平行偶极子的天线结构，其中所述两个平行偶极子通过连接元件相互连接。
图2B举例说明了与图2A的天线结构相对应的模型。
图2C是举例说明图2B的天线结构的散射参数的曲线图。
图2D是举例说明图2B的在两个端口具有阻抗匹配的集总元件的天线结构的散射参数的曲线图。
图2E是举例说明图2B的天线结构的电流比率的曲线图。
图2F是举例说明图2B的天线结构的增益方向图的曲线图。
图2G是举例说明图2B的天线结构的包络相关性的曲线图。
图3A举例说明了根据本发明一个或多个实施例的具有两个平行偶极子的天线结构，其中所述两个平行偶极子通过曲型(meandered)连接元件连接。
图3B是示出图3A的天线结构的散射参数的曲线图。
图3C是举例说明图3A的天线结构的电流比率的曲线图。
图3D是举例说明图3A的天线结构的增益方向图的曲线图。
图3E是举例说明图3A的天线结构的包络相关性的曲线图。
图4举例说明了根据本发明一个或多个实施例的具有地线或地网(counterpoise)的天线结构。
图5举例说明了根据本发明一个或多个实施例的平衡天线结构。
图6A举例说明了根据本发明一个或多个实施例的天线结构。
图6B是示出了图6A的具有特定偶极子宽度尺寸的天线结构的散射参数的曲线图。
图6C是示出了图6A的具有另一偶极子宽度尺寸的天线结构的散射参数的曲线图。
图7举例说明了根据本发明一个或多个实施例的在印刷电路板上制造的天线结构。
图8A举例说明了根据本发明一个或多个实施例的具有双谐振(dual resonance)的天线结构。
图8B是举例说明图8A的天线结构的散射参数的曲线图。
图9举例说明了根据本发明一个或多个实施例的可调频天线结构。
图10A和10B举例说明了根据本发明一个或多个实施例的具有连接元件的天线结构，其中所述连接元件位于天线单元长度上的不同位置。
图10C和10D分别是举例说明图10A和10B的天线结构的散射参数的曲线图。
图11举例说明了根据本发明一个或多个实施例的包括连接元件的天线结构，所述连接元件具有开关。
图12举例说明了根据本发明一个或多个实施例的具有连接元件的天线结构，所述连接元件具有耦合到其上的滤波器。
图13举例说明了根据本发明一个或多个实施例的具有两个连接元件的天线结构，所述连接元件具有耦合到其上的滤波器。
图14举例说明了根据本发明一个或多个实施例的具有可调连接元件的天线结构。
图15举例说明了根据本发明一个或多个实施例的安装在PCB组件上的天线结构。
图16举例说明了根据本发明一个或多个实施例的安装在PCB组件上的另一个天线结构。
图17举例说明了根据本发明一个或多个实施例的安装在PCB组件上的替换天线结构。
图18A举例说明了根据本发明一个或多个实施例的三模天线结构。
图18B是举例说明图18A的天线结构的增益方向图的曲线图。
图19举例说明了根据本发明一个或多个实施例的对天线结构的天线和功率放大器组合器应用。
图20A和20B举例说明了根据本发明一个或多个其他实施例的例如可用于WiMAX USB或ExpressCard/34设备中的多模天线结构。
图20C举例说明了用于测量图20A和20B的天线的性能的试验组件。
图20D至20J举例说明了图20A和20B的天线的试验测量结果。
图21A和21B举例说明了根据本发明一个或多个替换实施例的例如可用在WiMAX USB安全装置(dongle)中的多模天线结构。
图22A和22B举例说明了根据本发明一个或多个替换实施例的例如可用在WiMAX USB安全装置中的多模天线结构。
图23A举例说明了用于测量图21A和21B的天线的性能的试验组件。
图23B至23K举例说明了图21A和21B的天线的试验测量结果。
图24是根据本发明一个或多个实施例的具有波束控制(beam steering)机构的天线结构的示意性框图。
图25A至25G举例说明了图25A的天线的试验测量结果。
图26举例说明了根据本发明一个或多个实施例的作为馈电点间的相角差的函数的天线结构的增益优势。
图27A是举例说明简单的双频带分支单极天线结构的示意图。
图27B举例说明了图27A的天线结构中的电流分布。
图27C是举例说明马刺狭孔(spurline)带阻滤波器的示意图。
图27D和27E是举例说明图27A的天线结构中的频率截止的试验结果。
图28是举例说明根据本发明一个或多个实施例的具有带阻开缝的天线结构的示意图。
图29A举例说明了根据本发明一个或多个实施例的具有带阻开缝的替换天线结构。
图29B和29C举例说明了图29A的天线结构的测量测量结果。
具体实施方式
根据本发明的各种实施例，提供了一种在通信设备中用于发射和接收电磁信号的多模天线结构。通信设备包括用于处理传送到天线结构以及从天线结构传送出的信号的电路。天线结构包括可操作地耦合到电路的多个天线端口和多个天线元件，每一个天线元件都可操作地耦合到不同的天线端口。天线结构还包括一个或多个电连接于天线元件的连接元件，以便在指定信号频率范围内由一个天线端口激励的天线模式通常与由另一个天线端口激励的模式电隔离。另外，由端口产生的天线方向图展示了具有低相关性的明确的方向图多样性。
根据本发明各种实施例的天线结构在下述的通信设备中是特别有用的，所述通信设备需要被密集封装一起的多个天线(例如彼此相隔小于1/4波长)，并且在所述通信设备中还包括在相同频带内同时并特别使用的多于一个的天线。在这些设备的通用实例中，天线结构可以被用来包括诸如蜂窝手机之类的便携式通信产品、PDA、以及无线网络设备或PC的数据卡。天线结构还对这样的系统结构特别有用，诸如需要同时运行多个天线的MIMO和移动无线通信设备的标准协议(诸如用于无线LAN的802.11，以及诸如802.16e(WiMAX)、HSDPA和1xEVDO之类的3G数据通信)。
图1A-1G举例说明了天线结构100的运行。图1A示意性地举例说明了具有两个平行天线的天线结构100，具体而言具有长度为L的平行偶极子102、104。偶极子102、104由距离d间隔开，并且不通过任何连接元件连接。偶极子102、104具有大约等于L＝λ/2的基波谐振频率。每个偶极子都与独立的发射/接收系统相连接，所述发射/接收系统可以运行在相同的频率上。对两个天线而言，所述系统连接可以具有相同的特性阻抗z0，在该实例中为50ohms。
当一个偶极子发射信号时，由该偶极子发射的一些信号可以被直接耦合到邻近的偶极子。耦合的最大量通常出现在各个偶极子的半波谐振频率附近，并且当间隔距离d被制成越小时则该最大量会增大。例如，对于d＜λ/3，耦合的量值大于0.1或-10dB，并且对于d＜λ/8，耦合的量值大于-5dB。
期望在天线之间没有耦合(即完全隔离)或降低耦合。如果耦合例如是-10dB，那么发射功率的10％将因为功率量被直接耦合到邻近天线中而丢失。还存在其他有害的系统影响，诸如连接到邻近天线的接收机饱和或灵敏度降低(desensitization)，或者连接到邻近天线的发射机的性能退化之类。与由单独的偶极子生成的增益方向图相比，邻近天线上感应到的电流将使得增益方向图变形。公知该作用将降低由偶极子产生的增益方向图之间的相关性。因此，虽然耦合可以提供一些方向图的多样性，但如上所述其具有有害的系统影响。
因为强耦合，天线无法独立运行，并且可被看作是具有两对末端或端口的天线系统，所述两对末端或端口对应于两个不同的增益方向图。使用任意一个端口实质上涉及包括两个偶极子的整个结构。邻近偶极子的附加(parasitic)激励使得在紧密的偶极子间隔中实现了多样性，但还在经过电源阻抗的偶极子上激励了电流，并因此在端口之间出现了互耦合。
图1C举例说明了用于模拟的与图1所示的天线结构100相对应的模型偶极子对。在该实例中，偶极子102、104具有1mm×1mm的方形截面和56mm的长度(L)。当附接于50-ohm的源时，这些尺寸将产生2.45GHz的中心谐振频率。在该频率处的自由空间波长是122mm。如图1D示出了间隔距离(d)为10mm或大约λ/12时的散射参数S11和S12的图形。因为平衡性和互易性，所以S22＝S11并且S12＝S21。简单起见，仅示出和讨论了S11和S12，在该配置中，由S12表示的偶极子之间的耦合达到-3.7dB的最大值。
图1E示出了在端口106被激励并且端口108被被动终止情况下天线结构的偶极子104上的垂直电流与偶极子102上的垂直电流的比率(在图中标识为“量值I2/I1”)。(偶极子104/偶极子102)的电流比率最大的频率对应于偶极子电流间具有180度相位差的频率，并且该频率比图1D所示的最大耦合点的频率仅稍高一点。
图1F示出了具有端口106的激励的一些频率的方位角增益方向图。该方向图并非全方位相同的，并且因为耦合量值和相位上的变化而随频率发生变化。由于对称性，端口108激励生成的方向图应该是端口106激励生成的方向图的镜像。因此，方向图从左到右越来越不对称，方向图的更多多样性依赖于增益量值。
方向图之间相关系数的计算提供了方向图多样性的定量表征。图1G示出了端口106和端口108天线方向图之间的计算的相关性。与理想偶极子的Clark模型所预测的相关性相比，其相关性低得多。这归因于由互耦合引入的方向图中的差异。
图2A-2F举例说明了根据本发明一个或多个实施例的示例性两端口天线结构200的运行。两端口天线结构200包括两个紧密间隔(closely-spaced)的谐振天线元件202、204，并在端口206、208之间提供了低的方向图相关性和低耦合。图2A示意地举例说明了两端口天线结构200。该结构类似于图1B所示的包括偶极子对的天线结构100，但是另外还包括在端口206、208任一侧上的偶极子之间的水平导电连接元件210、212。两个端口206、208的位置与图1的天线结构中的位置相同。当一个端口被激励时，组合结构展示出了与独立的偶极子对的谐振相类似的谐振，但显著降低了耦合并增加了方向图的多样性。
在图2B中示出了具有10mm偶极子间隔的天线结构200的示例性模型。该结构通常具有与图1C所示的天线结构100相同的几何形状，但另外还具有电连接略微在端口之上和之下的天线元件的两个水平连接元件210、212。该结构示出了由于独立偶极子的相同频率处的强谐振，但具有与图2C所示的散射参数完全不同的散射参数。在耦合上具有低于-20dB的深度下降(drop-out)，并且如S11所指示的那样在输入阻抗上有移位。在该实例中，最佳阻抗匹配(S11最小值)与最低耦合(S12最小值)不一致。匹配网络可用于改善输入阻抗匹配，并仍能实现如图2D所示的极低耦合。在该实例中，在每个端口和结构之间添加包括分路电容器之后的串联电感器的集总元件匹配网络。
图2E示出了由端口206激励而引起的偶极子元件204上的电流到偶极子元件202上的电流的比率(在图中标识为“量值I2/I1”)。该图示出了在谐振频率以下，偶极子元件204上的电流实际上更大。在谐振附近，随着频率的增加，偶极子元件204上的电流相对于偶极子元件202上的电流开始减少。最小耦合点(在该情况下是2.44GHz)出现在两个偶极子元件上的电流在量值上通常相等的频率附近。在该频率处，偶极子元件204上的电流相位滞后偶极子元件202上的电流相位大约160度。
不同于图1C中没有连接元件的偶极子，图2B组合的天线结构200的天线元件204上的电流不会被迫通过端口208的终端阻抗。相反地，如图2A中的箭头所指示的那样，在电流向下流过天线元件204，通过连接元件210、212，并向上流过天线元件202的地方产生谐振模式。(注意到该电流流动表示谐振循环的一半；在另一半期间，电流方向是相反地)。组合结构的谐振模式具有以下特征：(1)天线元件204上的电流在很大程度上绕过端口208，因此在端口206、208之间提供(allow for)高隔离，以及(2)两个天线元件202，204上的电流量值是近似相等的，如下文中将详细描述的，这提供不相似和不相关的增益方向图。
因为天线元件上的电流量值几乎相等，所以比图1C中具有独立偶极子的天线结构100的情况更能产生更加定向的方向图(如图2F所示)。当电流相等时，x(或phi＝0)方向上的方向图为零的条件是偶极子204上的电流相位滞后于偶极子202上的电流相位π-kd的数量(其中k＝2π/λ，且λ是有效波长)。在该条件下，从偶极子204在phi＝0方向上传播的场将超过偶极子202的场的相位180度，并且因此二者的组合在phi＝0方向上为零。
在图2B的示例性实例中，d是10mm或者是λ/12有效电长度。在该情况下，kd等于π/6或30度，因此对于具有朝向phi＝0的零和朝向phi＝180的最大增益的方位角辐射方向图的条件是偶极子204上的电流滞后偶极子202上的电流150度。在谐振处，电流通过接近于该情况(如图2E所示)，这解释了方向图的方向性。在偶极子204激励的情况下，辐射方向图与图2F的辐射方向图镜像相反，并且最大增益位于phi＝0的方向。如图2G所示，从两端口产生的天线方向图中的差异具有相关的低预测包络相关性。因此组合天线结构具有两个端口，所述两个端口彼此隔离并能产生低相关性的增益方向图。
因此，耦合的频率响应取决于连接元件210、212的特性，包括它们的阻抗和电长度。根据本发明的一个或多个实施例，维持所期望的隔离量的频率或带宽是通过适当配置连接元件的方式控制的。配置交叉连接的一种方式是改变连接元件的物理长度。图3A的多模天线结构300示出了一个这种实例，其中曲件已经被添加到连接元件310、312的交叉连接路径上。这具有增加了两个天线元件302、304间的连接的电长度和阻抗的通用效果。在图3B、3C、3D和3E中分别示出了该结构的性能特征，包括散射参数、电流比率、增益方向图和方向图相关性。在该实施例中，物理长度上的变化不会显著改变结构的谐振频率，但S 12会发生显著的变化，其比没有曲件的结构具有更大的带宽和更大的最小值。因此，通过改变连接元件的电气特性可以优化或改善隔离性能。
根据本发明各种实施例的示例性多模天线结构可以被设计成从地线或地网(counterpoise)402(如图4的天线结构400所示)激励，或者作为平衡结构(如图5的天线结构500所示)。不论哪种情况，每个天线结构都包括两个或更多个天线元件(图4中的402、404，图5中的502、504)以及一个或多个电导电连接元件(图4中的406，图5中的506、508)。为便于说明，在实例图中仅举例说明了两端口的结构。然而，根据本发明的各种实施例，还有可能将所述结构扩展为包括多于两个端口。在每一个天线元件处都提供到天线结构或端口(图4中的418、412，图5中的510、512)的信号连接。连接元件在所关心的频率或频率范围处在两个天线元件之间提供了电连接。虽然天线物理上和电气上是一个结构，但可以通过将其考虑成两个独立的天线来解释其运行。对诸如天线结构100之类的不包括连接元件的天线结构而言，该结构的端口106可以被说成是与天线102相连接，端口108可以被说成是与天线104相连接。然而，在诸如天线结构400之类的这种组合结构的情况下，端口418可以被认为是与一个天线模式相关联，端口412可以被认为是与另一个天线模式相关联。
在所期望的操作频率或频率范围处，天线元件被设计成是谐振的。当天线元件具有四分之一波长的电长度时，将发生最低阶谐振。因此，在不平衡配置的情况下，简单元件设计是四分之一波长单极天线。还有可能使用更高阶模式。例如，由四分之一波长单极形成的结构还展示出双模天线性能，其中在三倍基频的频率处具有高隔离。因此，更高阶模式可以被采用以产生多频带天线。类似地，在平衡配置中，因为位于半波中心馈电偶极子中，所以天线元件可以是互补四分之一波长元件。然而，天线结构还可以由其他类型的天线元件形成，所述天线元件在所期望的频率或频率范围处是谐振的。其他可能的天线元件配置包括但不限于：螺旋线圈、宽带平面形状、晶片型天线、曲型形状、环、以及诸如平面式倒F天线(Planar Inverted-FAntennas，PIFA)之类的感应分流形式。
根据本发明一个或多个实施例的天线结构的天线元件无需具有相同几何形状，或者是相同类型的天线元件。天线元件的每一个都在所期望的操作频率或频率范围处具有谐振。
根据本发明的一个或多个实施例，天线结构的天线元件具有相同的几何形状。这通常是简化结构所期望的，当连接到任一个端口的天线性能要求相同时尤其期望。
组合天线结构的带宽和谐振频率可以由天线元件的带宽和谐振频率进行控制。因此，较宽的带宽元件可用于生成产生宽带宽的组合结构模式，例如在图6A、6B和6C中所示的那样。图6A举例说明了包括两个偶极子602、604的多模天线结构600，所述两个偶极子602、604通过连接元件606、608连接。每一个偶极子602、604都具有宽度(W)和长度(L)，并且由距离(d)间隔开。图6B举例说明了具有下述示例性尺寸的结构的散射参数，所述尺寸是W＝1mm，L＝57.2mm，d＝10mm。图6C举例说明了具有下述示例性尺寸的结构的散射参数，所述尺寸是W＝10mm，L＝50.4mm，d＝10mm。如所示，将W从1mm增加到10mm，同时保持其他尺寸通常相同，这导致天线结构具有更宽的隔离带宽和阻抗带宽。
还发现在天线元件之间间距的增加将增加天线结构的隔离带宽和阻抗带宽。
通常，连接元件是组合谐振结构的强电流区域。因此优选地使连接元件具有高导电性。
因为涉及端口是否需要以单独天线来操作，所以端口位于天线元件的馈电点。匹配元件或结构可被用于将端口阻抗与所期望的系统阻抗相匹配。
根据本发明的一个或多个实施例，如图7所示，多模天线结构可以是例如被合并成印刷电路板的平面结构。在该实例中，天线结构700包括在端口708、710处由连接元件706连接的天线元件702、704。天线结构被制造在印刷电路板基板712上。图中所示的天线元件是简单的四分之一波长单极天线。然而，天线元件可以是任何几何形状，其产生等效的有效电长度。
根据本发明的一个或多个实施例，具有双谐振频率的天线元件可用于产生组合天线结构，所述组合天线结构具有双谐振频率，并因此具有双操作频率。图8A示出了多模偶极子结构800的示例性模型，其中偶极子天线元件802、804分别被分成具有不等长度的两个指状元件(finger)806、808和810、812。偶极子天线元件具有与两个不同的指状元件长度的每一个相关的谐振频率，因此展示出双谐振。类似地，如图8B所示，使用双谐振偶极子悬臂的多模天线结构也展示出获得高隔离(或小S21)的两个频带。
根据本发明的一个或多个实施例，图9所示的多模天线结构900具有可变长度的天线元件902、904，从而形成可调频天线。这可以通过使用每一个天线元件902、904处的诸如RF开关906、908之类的可控设备来改变天线元件的有效电长度的方式来实现。在该实例中，开关可以被打开(通过操作可控设备的方式)以产生更短的电长度(用于高频操作)，或者可以被关闭以产生更长的电长度(用于低频操作)。包括高隔离特性的天线结构900的操作频带可以通过调谐两个天线元件的方式进行调谐。该方案可用于改变天线元件的有效电长度的各种方法，包括例如使用可控介质材料、加载具有诸如MEM设备、变抗器或可调介质电容器之类的可变电容器的天线元件，以及开启或关闭寄生元件。
根据本发明的一个或多个实施例，一个或多个连接元件提供了天线元件之间的电连接，所述天线元件具有近似等于所述元件之间的电距离的电长度。在这个条件下，并且当连接元件附接在天线元件的端口末端处时，端口在接近天线元件的谐振频率的频率处是隔离的。该布置可以产生特定频率处几乎理想的隔离。
可替换地，如上所讨论的那样，连接元件的电长度可能被增加以扩大隔离超过特定值的带宽。例如，在天线元件之间的直接连接可以产生特定频率处-25dB的最小S21，并且对于S21＜-10dB的带宽可以是100MHz。通过增加电长度，在最小S21增加到-15dB的情况下可以获得新的响应，但S21＜-10dB的带宽可以增加到150MHz。
根据本发明一个或多个实施例的各种其他的多模天线结构也是可能的。例如，连接元件可以具有可变的几何形状，或者可以被构造成包括改变天线结构性质的组件。这些组件例如可以包括无源电感器和电容器元件、谐振器或滤波器结构、或者诸如移相器之类的有源组件。
根据本发明的一个或多个实施例，连接元件沿着天线元件长度的位置可以被改变以调整天线结构的性质。通过将连接元件在天线元件上的附接点移动得远离端口并朝向天线元件的远端的方式，可以在频率上向上移位端口被隔离的频带。图10A和10B分别举例说明了多模天线结构1000、1002，每一个都具有电连接至天线元件的连接元件。在图10A的天线结构1000中，连接元件1004位于这样的结构中，以使得连接元件1004和地平面1006的顶部边缘之间的间距是3mm。图10C示出了下述结构的散射参数，在该配置中在1.15GHz的频率处能获得高隔离。匹配网络的分流电容器/串联电感器用于提供1.15GHz处的阻抗匹配。图10D示出了图10B的结构1002的散射参数，其中连接元件1008和地平面的顶部边缘1010间的距离是19mm。图10B的天线结构1002展示了大约1.50GHz处的具有高隔离的操作频带。
图11示意地举例说明了根据本发明的一个或多个其他实施例的多模天线结构1100。天线结构1100包括两个或更多个连接元件1102、1104，每个连接元件电连接天线元件1106、1108。(为便于说明，在图中仅示出了两个连接元件。应当理解：也可以预期使用多于两个的连接元件)。连接元件1102、1104沿着天线元件1106、1108彼此分开一定距离。每一个连接元件1102、1104都包括开关1112、1110。通过控制开关1110、1112可以选择峰值隔离频率。例如，通过关闭开关1110并打开开关1112的方式可以选择频率f1。通过关闭开关1112并打开开关1110的方式可以选择不同频率f2。
图12举例说明了根据本发明一个或多个替换实施例的多模天线结构1200。天线结构1200包括具有可操作地与其耦合的滤波器1204的连接元件1202。滤波器1204可以是选择的低通或带通滤波器，以使得天线元件1206、1208之间的连接元件连接是在诸如高隔离谐振频率之类的期望频带内唯一有效的。在更高的频率处，所述结构将作为两个不由电导电连接元件耦合的单独的天线元件，所述电导电连接元件是断路的。
图13举例说明了根据本发明一个或多个替换实施例的多模天线结构1300。天线结构1300包括两个或更多个连接元件1302、1304，所述连接元件1302、1304分别包括滤波器1306、1308。(为了便于说明，在附图中仅示出了两个连接元件。应当理解还可以预期使用多于两个的连接元件。)在一个可能的实施例中，天线结构1300具有在连接元件1304(其接近天线端口)上的低通滤波器1308以及在连接元件1302上的高通滤波器1306，以便产生具有高隔离的两个频带的天线结构即双频带结构。
图14举例说明了根据本发明一个或多个替换实施例的多模天线结构1400。天线结构1400包括一个或多个连接元件1402，所述连接元件1402具有可操作与其连接的可调谐元件1406。天线结构1400还包括天线元件1408、1410。可调谐元件1406改变电连接的延迟或相位，或者改变电连接的无功阻抗。散射参数S21/S12的量值和频率响应受电延迟或阻抗的变化的影响，因此天线结构可以被适配成或通常使用可调谐元件1406优化以在特定频率处实现隔离。
图15举例说明了根据本发明一个或多个替换实施例的多模天线结构1500。多模天线结构1500例如可被用于WIMAX USB安全装置中。天线结构1500例如可以被配置成在从2300到2700MHz的WiMAX频带内运行。
天线结构1500包括两个天线元件1502、1504，其通过导电连接元件1506连接。天线元件包括开缝以增加元件的电长度，从而获得所期望的操作频率范围。在该实例中，优化该天线结构以具有2350MHz的中心频率。开缝的长度可以被减少以获得更高的中心频率。天线结构被安装在印刷电路板组件1508上。在每一个天线馈电点上提供二分量集总元件匹配。
天线结构1500例如可以通过金属压模的方式制造。例如可以使用0.2mm厚的铜合金薄板制造。天线结构1500包括在该结构质心的连接元件上的拾波零件(feature)1510，所述拾波零件1510可被用于自动拾取和安置组件处理中。天线结构还与表面安装回流组件相兼容。
图16举例说明了根据本发明一个或多个替换实施例的多模天线结构1600。与图15的天线结构1500相同，天线结构1600也可以用于例如WIMAX USB安全装置之类的设备中。天线结构可以被配置成例如在从2300到2700MHz的WiMAX频带内运行。
天线结构1600包括两个天线元件1602、1604，每一个天线元件都包括曲型单极。曲件的长度确定了中心频率。优化图中所示的示例性设计以具有2350MHz的中心频率。为了获得更高的中心频率，曲件的长度可以被减少。
连接元件1606电连接天线元件。在每一个天线馈电处提供二分量的集总元件匹配。
天线结构例如可以使用铜来制造成安装在塑料载体1608上的柔性印刷电路(flexible printed circuit，FPC)。天线结构可以由FPC的金属化部件来产生。塑料载体提供了机械支撑，并且有助于安装到PCB组件1610上。可替换地，天线结构可以由金属薄板形成。
图17举例说明了根据本发明另一个实施例的多模天线结构1700。该天线设计例如可被用于USB、Express 34和Express 54数据卡格式。图中所示的示例性天线结构可以被设计成在从2.3到6GHz的频率处运行。天线结构例如可以由金属薄板或者通过FPC在塑料载体1702上制造。
图18A举例说明了根据本发明另一个实施例的多模天线结构1800。天线结构1800包括具有三个端口的三模天线。在该结构中，三个单极天线元件1802、1804、1806使用连接元件1808来连接，所述连接元件1808包括连接到邻近天线元件的导电环。天线元件使用公共地网或衬套1810平衡，所述衬套1810是单个的中空导电圆柱体。天线具有三个同轴电缆1812、1814、1816，其将天线结构连接到通信设备。同轴电缆1812、1814、1816穿过衬套1810的中空内部。天线组件还可以使用卷成圆柱体的单个柔性印刷电路构造，并可以包装在圆柱体状塑料外壳中以提供代替三个单独天线的单个天线组件。在一个示例性的布置中，圆柱体的直径是10mm，天线的全长是56mm，从而在2.45GHz处在端口之间以高隔离操作。该天线结构例如能被用于诸如操作在中2.4到2.5GHz频带内的MIMO或802.11N系统之类的多个天线无线电系统。除了端到端的隔离，有利地是每一个端口都产生如图18B所示的不同的增益方向图。虽然这是一个特定实例，但是应当理解该结构可以被定标以在任何期望的频率处操作。还应当理解，在先前关于两端口天线的上下文中所描述的用于调谐、操纵带宽并产生多频带结构的方法也适用于该多端口结构。
虽然上述的实施例被示出成确切的圆柱体，但也有可能使用三个天线元件和连接元件的能产生相同优点的其他布置。这包括但不限于：具有直的连接的布置，以便连接元件形成三角形或别的多边形的几何形状。还有可能通过类似地将代替三个单极元件的三个单独的偶极子元件与公共地网连接的方式来构造类似的结构。此外，虽然有利地的是天线元件的对称布置从每个端口都产生同等的性能，例如相同的带宽、隔离、阻抗匹配等，但还有可能取决于应用来布置不对称的天线元件或具有不等间隔的天线元件。
图19举例说明了根据本发明一个或多个实施例的在组合器应用中的多模天线结构1900的使用。如图所示，发射信号可以被同时应用到天线结构1900的两个天线端口。在该配置中，多模天线可以充当天线和功率放大器组合器。在天线端口之间的高隔离限制了两个放大器1902、1904之间的交互作用，众所周知这具有诸如信号失真和效率降低之类的不期望效果。在天线端口处可以提供在1906处的可选阻抗匹配。
图20A和20B举例说明了根据本发明一个或多个替换实施例的多模天线结构2000。天线结构2000例如还可以被用于WiMAXUSB或ExpressCard/34设备中。天线结构可被配置成例如在从2300到6000MHz的WiMAX频带内运行。
天线结构2000包括两个天线元件2001、2004，每一个都包括宽的单极。连接元件2002电连接天线元件。开缝(或其他的切除部分)2005可以被用来改进5000MHz以上的输入阻抗匹配。优化图中所示的示例性设计以覆盖从2300到6000MHz的频率。
天线结构2000例如可以通过金属压模的方式来制造。例如，可以由0.2mm厚的铜合金薄板制成。天线结构2000包括通常位于该结构的质心的连接元件2002上的拾波零件2003，所述拾波零件2003可被用在自动拾取和放置组件处理中。天线结构还与表面安装回流组件键入。天线的馈电点2006提供了与PCB上无线电路的连接点，并且充当将天线结构安装到PCB上的支撑。附加的触点2007也提供了结构支撑。
图20C举例说明了试验组件2010，用于测量天线2000的性能。该图还示出了远场方向图的坐标参考。天线2000被安装在代表ExpressCard/34设备的30×88mm的PCB 2011上。PCB 2011的接地部附接于较大的金属薄板2012(在该实例中具有165×254mm的尺寸)，代表笔记本式计算机的典型平均尺寸。PCB 2011上的测试端口2014、2016通过50-ohm的带状线连接到天线。
图20D示出了在测试端口2014、2016处测量的VSWR。图20E示出了在测试端口之间测量的耦合(S21或S12)。例如有利地在从2300到6000MHz的宽的频率范围内，VSWR和耦合较低。图20F示出了从测试端口2014(端口1)、2016(端口2)参考的测量辐射效率。图20G示出了在由测试端口2014(端口1)产生的辐射方向图和由测试端口2016(端口2)的激励产生的辐射方向图之间的计算相关性。虽然有利地的是在所关心频率处方向图之间的相关性较低，但有利地辐射效率较高。图20H示出了在2500MHz频率处通过测试端口2014(端口1)或测试端口2016(端口2)的激励的远场增益方向图。图20I和20J分别示出了在频率3500和5200MHz处相同的方向图测量。在Φ＝0或XZ平面中以及在θ＝90或XY平面中，由测试端口2014(端口1)产生的方向图与由测试端口2016(端口2)产生的方向图不同并互补。
图21A和21B举例说明了根据本发明一个或多个替换实施例的多模天线结构2100。天线结构2100例如还可以用于WiMAX USB安全装置中。天线结构可以被配置成例如在从2300到2400MHz的WiMAX频带内运行。
天线结构2100包括两个天线元件2102、2104，每一个都包括曲型单极。曲件的长度确定了中心频率。诸如螺旋线圈和环之类的其他的弯曲配置也可以被用于提供所期望的电长度。优化图中所示的示例性设计以具有2350MHz的中心频率。连接元件2106(图21B所示)电连接天线元件2102、2104。在每一个天线馈电处提供二分量的集总元件匹配。
天线结构例如可以由铜制成为安装在塑料载体2101上的柔性印刷电路(FPC)2103。天线结构可以由FPC 2103的金属化部产生。塑料载体2101提供了用于将天线附接到PCB组件(未示出)的插脚(mounting pin)或卡脚(pip)2107以及用于将FPC 2103固定在载体2101的卡脚2105。金属化部2103包括暴露部或垫2108，用于将天线电接触至PCB上的电路。
为了获得更高的中心频率，元件2102、2104的电长度可以被减小。图22A和22B举例说明了多模天线结构2200，优化该多模天线结构2200的设计以具有2600MHz的中心频率。因为元件2202、2204端部处的敷金属已经被除去，并且在馈电末端的元件的宽度已经增加，所以元件2202、2204的电长度比图21A和21B的元件2102、2104的电长度短。
图23A举例说明了使用图21A和21B的天线的试验组件2300以及远场方向图的坐标参考。图23B示出了在测试端口2302(端口1)、2304(端口2)测量的VSWR。图23C示出了在测试端口2302(端口1)、2304(端口2)之间测量的耦合(S21或S12)。有利地，例如在2300到2400MHz的所关心的频率处，VSWR和耦合都很低。图23D示出了从测试端口参考的测量辐射效率。图23E示出了在由测试端口2302(端口1)的激励所产生的辐射方向图和由测试端口2304(端口2)的激励所产生的辐射方向图之间的计算相关性。虽然有利地是在所关心的频率处方向图之间的相关性很低，但有利地辐射效率很高。图23F示出了在2400MHz频率处由测试端口2302(端口1)或测试端口2304(端口2)激励的远场增益方向图。当Φ＝0时或在XZ平面以及当θ＝90或在XY平面，由测试端口2302(端口1)产生的图不同于且互补于由测试端口2304(端口2)产生的图。
图23G示出了测量于装置2300的测试端口的VSWR，所述装置2300具有天线2200而不是天线2100。图23H示出了在测试端口之间测得的耦合(S21或S12)。例如在2500到2700MHz的所关心频率处，VSWR和耦合都有利地较低。图23I示出了从测试端口参考的测量方向效率。图23J示出了在由测试端口2302(端口1)的激励所产生的辐射方向图和由测试端口2304(端口2)的激励所产生的辐射方向图之间的计算相关性。虽然有利地是在所关心的频率处方向图之间的相关性很低，但有利地辐射效率很高。图23K示出了在2600MHz频率处由测试端口2302(端口1)或测试端口2304(端口2)激励的远场增益方向图。在Φ＝0或XZ平面中以及在θ＝90或XY平面中，由测试端口2302(端口1)产生的方向图与由测试端口2304(端口2)产生的方向图不同并互补。
本发明的一个或多个其他实施例涉及用于波束方向图控制的技术，以便达到零引导(null steering)或波束指引(beampointing)的目的。当这样的技术被应用于传统的阵列天线(包括间隔部分波长的分离的天线元件)时，阵列天线的每一个元件都被馈送给信号，所述信号是参考信号或波形的相移版本。对于具有相等激励的均匀线性阵列，所产生的波束方向图可以由阵列因数F来描述，所述阵列因数F依赖于每一个单独元件的相位和元件间的元件间距d。 F = A 0 Σ n = 0 N - 1 exp [ jn ( β d cos θ + α ) ] 其中β＝2π/λ，N＝元件的总数#，α＝连续元件间的相移，θ＝与阵列轴的夹角
通过控制相位α为值αi，F的最大值可以被调整为不同的方向θi，从而控制传播或接收最大信号的方向。
传统阵列天线的元件间间隔通常是1/4波长的量级，并且天线可以强耦合，因此具有几乎相同的偏振。因为耦合可能导致阵列天线的设计和性能上的几个问题，所以减少元件间的耦合十分有利。例如，诸如方向图失真和扫描遮蔽(blindness)(见Stutzman，天线理论和设计，Wiley 1998，第122-128、135-136以及466-472页)之类的问题可能会导致元件间的过度耦合，并且对指定数目的元件而言会降低可获得的最大增益。
波束方向图控制技术可以有利地应用到在此描述的全部多模天线结构中，所述多模天线结构具有通过一个或多个连接元件连接的天线元件，所述多模天线结构在多个馈电点之间将展示出高隔离。在高隔离天线结构的端口之间相位可被用于控制天线方向图。已经发现：当天线被用作单波束形成阵列时，作为馈电点之间耦合降低的结果，可以在指定方向上获得更高的峰值增益。因此，根据使用呈现到其馈送终端的载波信号的相位控制的各种实施例，可以从高隔离天线结构获得选定方向上的更大增益。
在其中天线间隔比1/4波长小很多的手机应用中，传统天线中的互耦合效果将降低阵列的辐射效率，因此降低了可能获得的最大增益。
根据各个实施例，通过控制提供给高隔离天线的每一个馈电点的载波信号的相位，由天线方向图产生的最大增益的方向可以被控制。在波束方向图固定且设备取向由用户随机控制的便推式设备应用中，由波束引导获得的例如3dB的增益优势将变得特别有利。如图所示，例如在图24的示意性框图中，其举例说明了根据各种实施例的方向图控制装置2400，由移相器2402对施加到每一个天线馈电2404、2408的RF信号施加相对的相移α。所述信号馈送给天线结构2410的各个天线端口。
移相器2402可以包括诸如电控制相移设备或标准相移网络之类的标准相移组件。
图25A-25G提供了由密集的二维传统偶极子天线阵列产生的天线方向图和根据本发明的各种实施例的用于到天线的两个天线馈电之间的不同相位差α的二维高隔离天线阵列产生的天线方向图的比较。在图25A-25G中，示出了θ＝90度处的天线方向图的曲线。图中的实线表示由根据各种实施例的隔离馈送单元件天线产生的天线方向图，而虚线表示由两个单独单极传统天线产生的天线方向图，其中所述两个单独单极由等于单元件隔离馈送结构的宽度的距离隔开。因此，传统天线和高隔离天线通常具有相等的尺寸。
在图所示的所有情况中，当与两个单独的传统偶极子进行比较时，由根据各种实施例的高隔离天线产生的峰值增益将产生更大的增益容限，并且同时能提供对波束方向图的方位角控制。该行动使得有可能将高隔离天线用于在特定方向上需要或期望附加增益的发射或接收应用中。方向可以通过调整驱动点信号之间的相对相位的方式进行控制。对需要将能量指引向诸如基站之类的接收点的便推式设备而言这将更加有利。当与两个以类似方式定相的单个传统天线元件进行比较时，组合的高隔离天线将提供更大的优势。
如图25A所示，根据各种实施例的结合偶极子示出了α＝0(零度相位差)时统一方位角方向图(θ＝90)中的更大增益。
如图25B所示，根据各种实施例的结合偶极子示出了α＝30(在馈电点间30度相位差)时具有不对称的方位方向图(θ＝90的图)的更大的峰值增益(在Φ＝0处)。
如图25C所示，根据各种实施例的结合偶极子示出了α＝60(在馈电点间60度相位差)时具有移位的方位方向图(θ＝90的图)的更大的峰值增益(在Φ＝0处)。
如图25D所示，根据各种实施例的结合偶极子示出了α＝90(在馈电点之间的相位差是90度)时具有移位的方位方向图(θ＝90的图)的甚至更大的峰值增益(在Φ＝0处)。
如图25E所示，根据各种实施例的结合偶极子示出了α＝120(在馈电点之间的相位差是120度)时具有移位的方位方向图(θ＝90的图)、更大后叶(backlobe)(Φ＝180)的更大的峰值增益(在Φ＝0处)。
如图25F所示，根据各种实施例的结合偶极子示出了α＝150(在馈电点之间的相位差是150度)时具有移位的方位方向图(θ＝90的图)、甚至更大后叶的更大的峰值增益(在Φ＝0处)。
如图25G所示，根据各种实施例的结合偶极子示出了α＝180(在馈电点之间的相位差是180度)时具有双叶移位方向图(θ＝90的图)的更大的峰值增益(Φ＝0&180处)。
图26举例说明了根据两个馈电点天线阵列的馈电点之间的相角差，根据一个或多个实施例的组合高隔离天线超过两个单独的偶极子的理想增益优势。
本发明的其他实施例涉及多模天线结构，所述多模天线结构在指定频率范围内在彼此邻近运行的多频带天线端口之间提供了增加的高隔离。在这些实施例中，带阻开缝被并入到天线结构的一个天线元件中，从而在开缝被调谐到的频率处提供降低的耦合。
图27A示意性地举例说明了单个双频带分支单极天线2700。天线2700包括带阻开缝2702，带阻开缝2702限定了两个分支谐振器2704、2706。天线被信号发生器2708驱动。取决于驱动天线2700的频率，在两个分支谐振器2704、2706上可以实现各种电流分布。
如图27A所示，开缝2702的物理尺寸是由宽度Ws和长度Ls限定的。当激励频率满足条件Ls＝lo/4时，开缝特征变成谐振。如图27B所示，此时电流分布集中在开缝的短部周围。
流过分支谐振器2704、2706的电流是近似相等的，并且沿开缝2702的侧是反向指引。这使得天线结构2700以类似于马刺狭孔带阻滤波器2720的方式运转(如图27C示意性地示出)，该马刺狭孔带阻滤波器2720将天线输入阻抗向下转换成比额定电源阻抗低得多。如图27D和27E所示，该大的阻抗失配导致了很高的VSWR，并且导致了所期望的频率截止。
该带阻开缝技术可被应用于具有两个(或更多个)天线元件的天线系统，所述天线元件彼此邻近，其中一个天线元件需要传送所期望频率的信号而另一个天线元件不需要。在一个或多个实施例中，两个天线元件中的一个包括带阻开缝，而另一个不包括带阻开缝。图28示意性地举例说明了天线结构2800，所述天线结构2800包括第一天线元件2802、第二天线元件2804和连接元件2806。天线结构2800包括分别在天线元件2802和2804处的端口2808和2810。在该实例中，信号发生器驱动在端口2808处的天线结构2802，而计量器被耦合到2810以测量端口2810处的电流。然而应当理解，任一个或两个端口都可以由信号发生器驱动。天线元件2802包括带阻开缝2812，所述带阻开缝2812限定了两个分支谐振器2814、2816。在该实施例中，分支谐振器包括天线结构的主要发射部件，而天线元件2804包括天线结构的分集接收部。
由于在具有带阻开缝2812的天线元件2802的端口处的较大的失配，所以在它和事实上在开缝谐振频率处匹配的分集接收天线元件2804之间的互耦合将变得非常小并且将产生高度的隔离。
图29A是根据本发明的一个或多个其他实施例的多模天线结构2900的透视图，所述多模天线结构2900包括在GPS频带中使用带阻开缝技术的多频带分集接收天线系统。(GPS频带是1575.42MHz处并具有20MHz带宽。)天线结构2900形成于挠性膜介质基板2902上，该挠性膜介质膜基板2902被形成为在介质载体2904上的层。天线结构2900包括在其主要发射天线元件2908上的GPS带阻开缝2906。天线结构2900还包括分集接收天线元件2910和连接元件2912，所述连接元件2912连接分集接收天线元件2910和主要接收天线元件2908。GPS接收机(未示出)与分集接收天线元件2910相连接。为了通常最小化来自主要发射天线元件2908的天线耦合，并且为了通常最大化这些频率处的分集天线辐射效率，主要天线元件2908包括带阻开缝2906，并被调谐到GPS频带中心附近的电性四分之一波长。分集接收天线元件2910不包含这样的带阻开缝，但包括与主天线电源阻抗适当匹配的GPS天线元件，以便在它和GPS接收机之间通常具有最大功率传输。尽管两个天线元件2908、2910彼此邻近共存，但归因于主要发射天线元件2908处的开缝2906的高VSWR将降低开缝2906被调谐到的频率处与主要天线元件电源电阻之间的耦合，因此在GPS频率处在两个天线元件2908、2910之间提供了隔离。GPS频带内两个天线元件2908、2910之间所产生的失配足够大从而能去耦天线元件，以便满足如图29B和29C所示的系统设计的隔离需求。
在此处描述的根据本发明的多个实施例的天线结构中，天线元件和连接元件优选地形成单个集成的辐射结构，以便馈送至任一个端口的信号都可以激励整个天线结构来作为一个整体进行辐射，而不是作为单独的辐射结构进行辐射。同样地，在此描述的技术在不使用天线馈电点处的去耦网络的情况下就能提供天线端口的隔离。
应当理解，尽管在上面已经依据特定实施例描述了本发明，但上述的实施例仅是说明性的，并不用于限制或限定本发明的范围。
包括但不限于下述内容的各种其他实施例也在权利要求的范围内。例如，在此描述的各种多模天线结构的元件或组件还可以被分成另外的组件，或者还可以结合在一起以形成能执行相同功能的更少的组件。
已经描述了本发明的优选实施例，但显然地在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出修改。

Claims (48)

1.一种用于在通信设备中发射和接收电磁信号的多模天线结构，该通信设备包括用于处理传送至天线结构的和从天线结构传送出的信号的电路，该天线结构被配置成在指定频率范围内优化运行，该天线结构包括：
多个天线端口，其可操作的耦合到所述电路；
多个天线元件，每一个都可操作的耦合到一个不同的天线端口，所述多个天线元件的每一个都被配置成具有所选择的电长度，以在所述指定频率范围内提供优化运行；以及
一个或多个连接元件，其电连接所述天线元件，以便在一个天线元件上的电流流向所连接的邻近天线元件，并且绕过耦合到邻近天线元件的天线端口，流过该一个天线元件和邻近天线元件的电流是量值相等的，以便在指定的期望信号频率范围内在不使用连接到下面所述天线端口的去耦网络的情况下由一个天线端口激励的天线模式与由另一个天线端口激励的模式电隔离，并且所述天线结构生成多样的天线方向图。
2.根据权利要求1所述的多模天线结构，其中所述指定频率范围是2300到2400MHz。
3.根据权利要求1所述的多模天线结构，其中所述指定频率范围是2300到6000MHz。
4.根据权利要求1所述的多模天线结构，其中所述多个天线元件的每一个都具有弯曲配置以提供所述电长度。
5.根据权利要求4所述的多模天线结构，其中所述弯曲配置包括曲型配置、螺旋线圈或环。
6.根据权利要求1所述的多模天线结构，其中所述多个天线元件的每一个都包括至少一个开缝以提供所述电长度。
7.根据权利要求1所述的多模天线结构，其中所述天线结构被配置成用在WiMAX或ExpressCard产品中。
8.根据权利要求1所述的多模天线结构，其中所述天线结构被配置成用在WiMAX USB安全装置中。
9.根据权利要求1所述的多模天线结构，其中所述多个天线元件和所述一个或多个连接元件包括印刷电路。
10.根据权利要求9所述的多模天线结构，其中所述印刷电路包括铜。
11.根据权利要求9所述的多模天线结构，其中所述印刷电路安装在塑料载体上。
12.根据权利要求11所述的多模天线结构，其中所述印刷电路从塑料载体的顶面伸出，遍布所述塑料载体的一个或多个侧面，伸到所述塑料载体的相对底面，其中所述天线元件具有曲型配置并实质上位于塑料载体的顶面上，并且一个或多个连接元件具有曲型配置并实质上位于塑料载体的底面上。
13.根据权利要求1所述的多模天线结构，其中所述多个天线元件和所述一个或多个连接元件包括压模金属部分。
14.根据权利要求13所述的多模天线结构，其中压模金属部分由具有0.2mm厚度的铜合金板制成。
15.根据权利要求13所述的多模天线结构，其中所述压模金属部分包括位于该部分的质心的拾波零件，以便用在自动拾取和放置组件处理中。
16.根据权利要求13所述的多模天线结构，其中每个天线元件包括一体成型的第一部和第二部，其中第一部包括在其一个末端处的馈电点，且所述第二部从所述第一部垂直延伸出，第一部和第二部的每一个都包括在其相对末端处的开缝，以便提供曲型配置，其中一个或多个连接元件电连接所述天线元件的相应第一部，所述一个或多个连接元件的至少一个包括拾波零件。
17.根据权利要求1所述的多模天线结构，其中所述通信设备是蜂窝手机、PDA、无线网络设备或用于PC的数据卡。
18.根据权利要求1所述的多模天线结构，还包括匹配网络以在期望的信号频率范围内提供天线元件的输入阻抗匹配。
19.根据权利要求1所述的多模天线结构，其中所述多模天线结构包括安装在塑料载体上的柔性印刷电路。
20.根据权利要求1所述的多模天线结构，还包括天线方向图控制机构，其可操作的耦合到所述多个天线端口，用于调整馈送至邻近天线端口的信号之间的相对相位，以便馈送至一个天线端口的信号与馈送至邻近天线端口的信号具有不同的相位，从而提供天线方向图控制。
21.一种用于在通信设备中发射和接收电磁信号的多模天线结构，该通信设备包括用于处理传送至天线结构的和从天线结构传送出的信号的电路，该天线结构包括：
多个天线端口，其可操作的耦合到电路，
多个天线元件，每一个都可操作的耦合到一个不同的天线端口；
一个或多个连接元件，其在每个天线元件上和与其耦合的天线端口分开一定距离的位置电连接所述天线元件从而形成单个辐射结构，以便一个天线元件上的电流流向连接的邻近天线元件并且绕过耦合到邻近天线元件的天线端口，流过该一个天线元件和邻近天线元件的电流是量值相同的，以便在指定的期望信号频率范围内由一个天线端口激励的天线模式与由另一个天线端口激励的模式电隔离，并且天线结构生成多样的天线方向图；以及
天线方向图控制机构，其可操作的耦合到所述多个天线端口，以用于调整馈送至邻近天线端口的信号之间的相对相位，以便馈送至一个天线端口的信号与馈送至邻近天线端口的信号具有不同的相位，从而提供天线方向图控制。
22.根据权利要求21所述的多模天线结构，其中所述天线方向图控制机构包括电控制相移设备。
23.根据权利要求21所述的多模天线结构，其中所述天线方向图控制机构包括相移网络。
24.根据权利要求21所述的多模天线结构，其中所述天线方向图控制机构控制在所述多个天线端口的每一个处提供的载波信号的相位。
25.根据权利要求21所述的多模天线结构，其中所述通信设备是蜂窝手机、PDA、无线网络设备或用于PC的数据卡。
26.根据权利要求21所述的多模天线结构，其中所述天线元件包括螺旋线圈、宽带平面形状、芯片天线、曲型形状、环或感应分流形式。
27.根据权利要求21所述的多模天线结构，其中所述多模天线结构包括在印刷电路板基板上制造的平面结构。
28.根据权利要求21所述的多模天线结构，其中所述多模天线结构包括压模金属部分，所述压模金属部分包括位于该部分的质心的拾波零件，以用在自动拾取和放置组件处理中。
29.根据权利要求21所述的多模天线结构，其中所述多模天线结构包括安装在塑料载体上的柔性印刷电路。
30.根据权利要求21所述的多模天线结构，其中在指定的期望信号频率范围内在不使用连接到下面所述天线端口的去耦网络的情况下，由一个天线端口激励的天线模式与由另一个天线端口激励模式电隔离。
31.根据权利要求21所述的多模天线结构，其中所述多个天线元件中的一个包括在其中限定了两个分支谐振器的开缝，其中在所述多个天线元件的一个中存在所述开缝使得在指定信号频率范围内在所述多模天线结构的多个天线元件中的所述一个和另一个天线元件之间产生失配，从而进一步隔离天线端口。
32.一种用于在发射和接收电磁信号的通信设备中控制多模天线结构的天线方向图的方法，所述方法包括：
(a)提供包括天线结构和用于处理传送至该天线结构的和从该天线结构传送出的信号的电路的通信设备，所述天线结构包括：
多个天线端口，其可操作的耦合到所述电路；
多个天线元件，每一个都可操作的耦合到一个不同的天线端口；以及
一个或多个连接元件，其在每个天线元件上和与其耦合的天线端口分开一定距离的位置电连接所述天线元件从而形成单个辐射结构，以便在一个天线元件上的电流流向所连接的邻近天线元件，并且绕过耦合到邻近天线元件的天线端口，流过该一个天线元件和邻近天线元件的电流是量值相等的，以便在指定的期望信号频率范围内由一个天线端口激励的天线模式与由另一个天线端口激励的模式电隔离，并且所述天线结构生成多样的天线方向图；以及
(b)调整在馈送至天线结构的邻近天线端口的信号之间的相对相位，以便馈送至该一个天线端口的信号与馈送至邻近天线端口的信号具有不同的相位，以提供天线方向图控制。
33.根据权利要求32所述的方法，其中步骤(b)包括使用电控制相移设备来调整信号之间的相对相位。
34.根据权利要求32所述的方法，其中步骤(b)包括使用相移网络调整信号之间的相对相位。
35.根据权利要求32所述的方法，其中步骤(b)包括通过控制在所述多个天线端口的每一个处提供的载波信号的相位来调整信号之间的相对相位。
36.根据权利要求32所述的方法，其中通信设备是蜂窝手机、PDA、无线网络设备或用于PC的数据卡。
37.根据权利要求32所述的方法，其中所述天线元件包括螺旋线圈、宽带平面形状、芯片天线、曲型形状、环或感应分流形式。
38.根据权利要求32所述的方法，其中所述多模天线结构包括在印刷电路板基板上制造的平面结构。
39.根据权利要求32所述的方法，其中所述多模天线结构包括压模金属部分，所述压模金属部分包括位于该部分的质心的拾波零件，以用在自动拾取和放置组件处理中。
40.根据权利要求32所述的方法，其中所述多模天线结构包括安装在塑料载体上的柔性印刷电路。
41.一种用于在通信设备中发射和接收电磁信号的多模天线结构，该通信设备包括用于处理传送至天线结构的和从天线结构传送出的信号的电路，该天线结构包括：
多个天线端口，其可操作的耦合到所述电路；
多个天线元件，每一个都可操作的耦合到一个不同的天线端口，所述多个天线元件的一个包括在其中限定了两个分支谐振器的开缝；以及
一个或多个连接元件，其电连接所述多个天线元件，以便在一个天线元件上的电流流向所连接的邻近天线元件，并且绕过耦合到邻近天线元件的天线端口，流过该一个天线元件和邻近天线元件的电流是量值相等的，以便在指定的期望信号频率范围内由一个天线端口激励的天线模式与由另一个天线端口激励的模式电隔离，并且所述天线结构生成多样的天线方向图；以及
其中在多个天线元件中的所述一个中存在的开缝导致在指定信号频率范围内在所述多模天线结构的多个天线元件中的所述一个和另一个天线元件之间的失配，以进一步隔离天线端口。
42.根据权利要求41所述的多模天线结构，其中在指定期望信号频率范围内在不使用连接到下面所述天线端口的去耦网络的情况下，由一个天线端口激励的天线模式与由另一个天线端口激励的模式电隔离。
43.根据权利要求41所述的多模天线结构，其中所述多个天线元件和所述一个或多个连接元件包括印刷电路。
44.根据权利要求43所述的多模天线结构，其中所述印刷电路包括铜。
45.根据权利要求43所述的多模天线结构，其中所述印刷电路被安装在塑料载体上。
46.根据权利要求45所述的多模天线结构，其中所述印刷电路延伸通过所述塑料载体的多个侧面，并且该一个或多个连接元件具有曲型配置。
47.根据权利要求41所述的多模天线结构，还包括天线方向图控制机构，其可操作的耦合到所述多个天线端口，用于调整馈送至邻近天线端口的信号之间的相对相位，以便馈送至一个天线端口的信号与馈送至邻近天线端口的信号具有不同的相位，从而提供天线方向图控制。
48.根据权利要求41所述的多模天线结构，其中指定信号频率范围包括GPS频带。
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