CN101828304A

CN101828304A - 双频带隙缝天线

Info

Publication number: CN101828304A
Application number: CN200880111759A
Authority: CN
Inventors: 安东尼·凯斯拉斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2007-10-19
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2010-09-08
Also published as: US8912966B2; US20100245197A1; EP2206193A1; WO2009050670A1

Abstract

本发明提供了一种用于在低频带和高频带中发送或接收射频信号的双频带天线(100)，所述天线(100)包括：导电平面(120)；导电平面(120)中的隙缝(110)，所述隙缝(110)具有从导电平面(120)内的公共点发出的第一分支、第二分支和第三分支(103、104、105)。第一分支(103)具有在导电平面(120)的边沿处开放的端(113)，第二分支和第三分支(104，105)分别具有闭合端(114，115)。

Description

双频带隙缝天线

技术领域

本发明涉及用于发送和接收无线电信号的天线，以及涉及包括所述天线的无线电通信设备。具体地而非排他地，本发明可以应用于工作在大约2.5GHz和大约5.5GHz的频带中工作的无线局域网。

背景技术

多种设备可以具有经由无线局域网(WLAN)进行通信的功能，例如，PDA(个人数字助理)、MP3播放器、用于心率或血压监控的生物传感设备、电子报纸、或用于远程控制应用的设备。这样的设备通常具有小外形格局，并从而需要紧凑的天线。

此外，这样的设备通常需要工作在多于一个频带上，例如，大约2.5GHz和大约5.5GHz，这对天线产生附加的限制。针对WLAN操作的技术标准的示例是IEEE802.11a/b/g，通常称作WiFi。

WO2005/117205A1公开了一种隙缝天线，包括：导电平面，具有开放端和闭合端；以及连接点，距离闭合端比距离开放端更近。导电平面的周长在工作波长的50％到200％之间。天线不需要对着地表面工作。然而，这样的天线适于仅工作在一个频段中。

Chih-Ming Su等在“Dual-band Slot Antenna for 2.4/5.2GHZ WLANOperation”，Microwave and Optical Technology Letters，vol.35，no.4，pp306-308，20 November 2002中公开了一种适于双频带操作的天线。该天线包括置于与地平面的一侧边沿相接触的位置的铜盘，并且具有两个窄的直线隙缝，用于在2.45GHz下工作频率的较长隙缝与用于在5.25GHz下工作频率的较短隙缝平行对齐。

仍然需要紧凑且高效的双频带天线。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于在低频带和高频带中发送或接收射频信号的天线，所述天线包括：

导电平面；

导电平面中的隙缝，所述隙缝具有从导电平面内的公共点发出的第一分支、第二分支和第三分支；

第一分支具有在导电平面的边沿处开放的端；以及

第二分支和第三分支分别具有闭合端。

通过提供具有三个分支的隙缝，一个分支在导电平面的边沿处开放而另两个分支分别具有闭合端，使得天线可以具有两个谐振频率，一个谐振频率是由第一分支与第三分支相结合来提供的，另一个谐振频率是由第二分支与第三分支相结合来提供的。这样的隙缝配置可以使能在两个频带中工作，同时还使得天线紧凑。

可选地，第二分支的至少一部分可以紧密耦合至第一分支的至少一部分。具体地，第二分支的至少一部分可以通过导电平面的条带与第一分支隔开高频带的最短波长的大约5％或更小。在该示例中，仅需要针对两个频带使用一个馈点。

可选地，不包括隙缝的周长在内的导电平面的周长可以实质上等于或超过低频带的最长波长。这使得天线可以具有高效率。

可选地，第二分支或第三分支的至少一部分可以与第一分支的至少一部分在同一直线上。可选地，第一分支、第二分支和第三分支中的至少一个分支可以是非直线的。这些特征提供了在隙缝的布局方面的灵活性，以使得可以相对于相关电路方便地定位分支。

可选地，第一分支的长度与第三分支的长度之和可以在低频带的中心频率的四分之一波长的大约±20％之内。这使得天线可以在低频带的频率处是高效的。因为第一分支具有在导电平面的边沿处开放的端，所以在使这种分支组合处于四分之一波长范围之内的频率处将出现谐振，这使得天线可以紧凑。优选地，第一分支的长度与第三分支的长度之和可以在大约13mm到大约20mm的范围之内，这适合于大约2.5GHz的低频带的中心频率。

可选地，第二分支的长度与第三分支的长度之和可以在高频带的中心频率的二分之一波长的大约±20％之内。这使得天线在高频带中的频率处可以是高效的。由于第二和第三分支具有闭合端，所以在使这种分支组合处于二分之一波长范围之内的频率处将发生谐振，这使得天线可以是紧凑的。优选地，第二分支的长度与第三分支的长度之和可以在大约17mm到大约27mm的范围之内，这适合于大约5.5GHz的高频带的中心频率。

优选地，隙缝的宽度可以是高频带的最短波长的大约5％或更小。这使得天线高效同时仅将导电平面的小面积用于隙缝。

可选地，在导电平面的边沿处开放的第一分支的端位于沿着所述边沿的距离的大约30％和大约70％之间，所述边沿在导电平面的两个拐角之间。这使得天线在低频带和高频带中都可以具有较宽的带宽。

优选地，导电平面是用于贴装电路组件的电路板的一部分。这使得可以实现紧凑的产品，其中电路板起到支撑天线和电路的双重作用。

本发明还提供了一种无线电通信设备，包括根据本发明第一方面的天线。

可选地，该无线电通信设备可以包括：公共馈点，用于将低频带和高频带中的射频信号耦合至天线(100)的输入或输出中。这使得不需要针对两个频带的分立的馈点，并且使得可以实现紧凑的设计。

附图说明

现在将参考附图，仅以示例的方式来描述本发明，附图中：

图1是天线的优选实施例的平面图；

图2是天线的另一优选实施例的平面图；

图3是图1的天线的仿真回波损耗的曲线图；

图4是示出了图1的天线的仿真输入阻抗的史密斯圆图；

图5是图1的天线在2.5GHz下的仿真2维方向图。

图6是图1的天线在5.5GHz下的仿真2维方向图。

图7是示出了图2的天线的仿真输入阻抗的史密斯圆图；

图8指示了图1的天线的合适尺寸；

图9是包括图1或2的天线的无线电通信设备的示意框图。

具体实施方式

参考图1，示出了双频带天线100，包括导电平面120和在导电平面120中形成的隙缝110。隙缝110具有第一分支103、第二分支104和第三分支105。第一分支103具有在导电平面120的边沿处开放的端113，第一分支103的另一端向第二和第三分支104、105开放。第一分支103与导电平面120的边沿垂直。第二分支104除了具有向其他分支103、105开放的端以外，还具有闭合端114。类似地，第三分支105除了具有向其他分支103、104开放的端以外还具有闭合端115。

第二分支104的一部分与第一分支103平行。第二分支104的其余部分与第三分支105在同一直线上。第三分支105与第一分支103垂直并且与跟第一分支103平行的第二分支104的部分垂直。

可以在用于贴装电路组件的电路板上形成导电平面120，其中电路板的互连轨迹和绝缘间隔形成在导电平面120中。在这种情况下，天线100可以包括贴装在导电平面上的电子组件102，并且互连轨迹可以形成在电子组件102周围或下方。导电平面120可以是由层压材料(如，通常使用的材料FR4)构成的印刷电路板的铜层。导电平面不一定需要是平坦的，其可以是可弯曲的，例如在可弯曲的电路板或其他基板上的可弯曲层。

第一分支103的开放端113位于导电平面120的一个边沿的中心或接近中心处。这将使天线100的带宽最大化。操作是可行的，其中，开放端113距离中心位置越远，则距离导电平面120的拐角越近，但是频率工作范围降低了，因为降低了使阻抗可接受的带宽。期望具有一些备用的可用带宽，当并入了天线100的设备是手持设备或被用在用户身体附近时，可以克服天线100的失谐。如果存在可用的备用带宽，则天线100即使受到手或用户身体的影响也会保持高效。优选地，第一分支103的开放端113在沿着导电平面120两个拐角之间边沿的距离的大约30％到70％之间。

第一分支103和第三分支103的长度主要由最低期望工作频带来确定。第一分支103和第三分支105的长度之和在低频带的中心频率的四分之一波长的范围内。优选地，该长度在低频带的中心频率的四分之一波长的±20％之内，尽管可能需要对上面贴装了导电平面120的材料留余量。例如，如果导电平面120贴装在FR4材料上，则对于大约2.5GHz的中心频率来说合适的长度在大约13mm到大约20mm的范围内，尽管可以使用其他长度，但这可能降低天线效率。对于高频带，第二分支104和第三分支105共同形成在每端闭合的隙缝，它们的组合长度大约为高频带中央频率的波长的二分之一。所以第三分支105用于这两个频带。优选地，第二分支104和第三分支105的组合长度在高频带的中央频率的二分之一波长的大约20％之内，尽管同样可能需要对上面贴装了导电平面120的材料留余量。例如，如果导电平面120贴装在FR4材料上，则对于5.5GHz的中心频率来说合适的长度在大约17mm到大约27mm的范围内，尽管可以使用其他长度，但这可能降低天线效率。长度的选择还可以受到隙缝110宽度的影响。所有尺寸的合适值可以通过天线100的3维仿真来确定。

如图1中的箭头所指示的，天线100的馈点108位置在第三分支105上，与闭合端115有一定距离。该距离确定了输入阻抗的绝对值。馈点108距离闭合端115越近，输入阻抗越低，距离闭合端115越远，输入阻抗越高。优选地，针对50欧姆的输入阻抗来选择馈点108，可以通过使用商业可用的仿真工具进行3维电磁仿真，来找到最佳位置。

图1的天线100具有针对两个工作频带的单个馈点108。单个馈点108可以实现紧凑设计，因为期望电路组件与馈点108和第三分支105接近，并且单个馈点108使得双频带WiFi模块或集成电路可以仅有一个馈点。

与第一分支103平行的第二分支104的部分通过导电平面的条带107与第三分支103隔开。条带107提供了第一分支103与第二分支104的紧密耦合。第一分支103和第二分支104的紧密耦合可以实现针对高频带和低频带的低阻抗匹配，而同时针对高频带和低频带使用相同的馈点108。因此，该特征还使得可以实现紧凑设计并使得大面积导电平面可用于电子组件102。优选地，第二分支104的至少一部分通过导电平面120的条带107与高频带隔开高频带的最短波长的5％或更小。例如，对于高达6GHz的工作频率，条带107的合适宽度是大约1mm。

隙缝110的宽度与工作频率的波长相比可以非常小，例如，大约0.5mm到大约2mm，对于大约2.4GHz(针对大约125mm波长)到大约6GHz(针对大约50mm波长)之间的工作频率，建议值是1mm。优选地，隙缝110的宽度是高频带的最短波长的5％或更小。

导电平面120的周长(不包括隙缝110的周长)优选地是最低工作频率的一个波长。因此，对于2.4GHz及以上的工作频率，周长优选地是至少125mm。在160mm周长的情况下，建议尺寸是边长大约40mm。

对于从大约2.4GHz到大约2.5GHz的低频带以及从大约5GHz到大约6GHz的高频带下的工作频率，图8中以毫米来指示图1中天线100的导电平面120、隙缝110以及分支103、104、105的合适尺寸。为了清楚起见，图8中省略了与分支相关联的参考数字，但是从图1中可以容易地识别出。因此，第一分支103长8.25mm，第二分支104长11.5mm加3mm，即14.5mm，第三分支105长9.25mm。馈点108与第三分支105的闭合端115相距5mm。导电平面120可以是在印刷电路板一侧上的铜层，所述印刷电路板由厚度为1.6mm的FR4材料制成，铜被去除以形成隙缝110。

在图1所示的实施例中，第一分支103和第三分支105是直线的(即，直的)。然而，第一、第二和第三分支103、104、105中的任何一个分支都可以是直线的或非直线的。此外，第二分支104和第三分支105中至少一个分支的至少一部分可以与第一分支103的至少一部分在同一直线上。在图2的实施例中示出了这些选项中的一些。

参考图2，示出了天线200，天线200具有导电平面220以及在导电平面220中形成的隙缝210。隙缝210具有第一分支203、第二分支204和第三分支205。第一分支203具有在导电平面220的边沿处开放的第一端213，第一分支203的另一端向第二和第三分支204、205开放。第二分支204除了具有向其他分支203、205开放的端以外，还具有闭合端214。类似地，第三分支205除了具有向其他分支203、204开放的端以外还具有闭合端215。

第二分支204具有与第一分支203平行的部分以及与第一分支203垂直或至少不平行的部分。第二分支204的非直线形式便于容纳第二分支204，由于第一分支203的长度或导电平面220的尺寸使得不能以直线形式容纳第二分支204。第二分支204的平行部分通过导电平面的条带207紧密耦合至第一分支203。该平行部分足够长以在图2中箭头所指示的单个馈点208处提供低输入阻抗。第三分支205与第一分支203平行并且成一直线(即，在同一直线上)。

导电平面220的周长(不包括隙缝210的周长)与以上针对图1的天线而描述的特性相符。图8中针对分支103、104、105的长度、条带107的宽度以及开放端113的位置所指示的尺寸可应用于图2的天线，除了第二分支204的11.5mm部分是由上述两部分形成的以外。图2的隙缝配置提供了更大的矩形区域以将电子组件置于与第三分支205上的馈点208接近的位置，尽管图2中并未示出这样的组件。

通过3维计算机仿真评估了图1和图2所示的天线100、200的性能。所述仿真是针对厚度为0.035mm的铜层而执行的，所述铜层作为在尺寸为边长40mm的1.6mm厚FR4印刷电路板上的导电平面120、220。这样的天线100、200的大小足以容纳可以并入PDA或其他小型电子设备的无线扬声器电路。可以用其他导电材料屏蔽的射频电路可以与其他电子装置一起在印刷电路板上。隙缝110、210的面积在45mm2以下。

在图3中示出了图1的天线100的仿真回波损耗，表示为作为频率的函数的S参数S11的量值的曲线图。这些是在没有任何阻抗匹配网络情况下得到的结果。在阻抗匹配网络的情况下，例如可以通过包括串联电容器来改善回波损耗。可以看出，天线可以工作在2.5GHz和5.5GHz的WiFi频带下。

图4示出了以50Ω完成的图1的天线100的的仿真输入阻抗，表示为史密斯圆图，该图示出了在2GHz(点A)处25.39+j91.94Ω的阻抗以及在6GHz(点B)处31.13+j45.97Ω的阻抗。例如，可以利用匹配网络来改善与无线电收发机输入和输出的50Ω源阻抗的匹配。

图5和6示出了图1的天线100的两个频带的仿真3维方向图的2维图示，针对与导电平面120垂直并且与第一分支130平行的平面，指示天线增益在2.5GHz处是2.2dBi，在5.5GHz处是3.1dBi，并且辐射方向图是非常全向的。

图7示出了在没有任何阻抗匹配的情况下以50Ω完成的图2的天线200的仿真天线阻抗，表示为史密斯圆图，该图示出了在2GHz(点C)处的阻抗3.74+j40.14Ω以及在6GHz(点D)处的阻抗22.3+j45.06Ω。同样，可以利用阻抗匹配电路(例如，串联电容器)来改善回波损耗。

尽管所示的本发明实施例采用方形或矩形导电平面120、220，然而这并不是实质上的需要，导电平面可以是任何常规的形状。

尽管所示的本发明实施例采用具有固定宽度的隙缝110、210，但这并不是实质上的需要，隙缝110、210的宽度是可以改变的。

尽管所示的本发明实施例采用直的(即，直线的)第一分支103、203和第二分支104、204，然而这些分支中的任一个或两者都可以不是直的(例如，非直线的)。

图9是无线电通信设备300的示意框图，所述无线电通信设备300可以是例如家庭影院控制器、环绕声控制器、无线耳机接口、第二室无线音频接口、生物传感设备、位置跟踪设备、移动终端或无线接口。无线电通信设备300包括耦合至数字信号处理器320的人机接口310。数字信号处理器320经由数模转换器(DAC)330和模数转换器(ADC)340耦合至无线电收发机350。无线电收发机350耦合至根据本发明的天线100。无线电收发机350的电路组件可以部分地或完全地贴装在印刷电路板上，导电平面120是所述印刷电路板的一部分。

这样的无线电通信设备300可以有利地工作在两个不同的频带中。这种双频带操作的一个应用提供了更高的灵活性和更优的性能，如下所述。低频带通常比高频带具有更高的功率效率。从而，低频带通常允许在更大距离上的数据通信。然而，由于低频带中的其他数据通信而引起干扰的风险更高。此外，低频带可以比高频带包括更少的信道，这对该风险起到了促进作用。因此，期望可以使无线电通信设备300根据具体情况而工作在低频带或高频带下，并从而采用根据本发明的双频带天线。

尽管描述了适于在大约2.4GHz到大约2.5GHz以及大约5GHz到大约6GHz的WiFi频带中工作的本发明实施例，然而本发明可以应用于其他频带并且用于其他应用，例如应用在高达大约10GHz的任何频率处。

尽管描述了本发明实施例，其中隙缝110、210具有三个分支103、104、105并且适于双频带操作，然而并不排除其他频带的使用以及在多于两个频带下的操作。

包括权利要求在内全文中使用了术语“大约”，以表明给出的值并不需要是精确的，与应用了术语“大约”的给定值没有显著差别的值与该给定值可以是等效的。

通过阅读本公开，其他变型和修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。这样的变型和修改可以包括等同特征或其他特征，所述等同特征或其他特征是天线设计领域已知的并且可以代替这里已经描述的特征或与这里已经描述的特征一起使用。

尽管所附权利要求针对特征的具体组合，然而应理解，本发明公开的范围还包括任何新特征或者本文明确或隐含公开的特征的任何新组合或其任何推广，而不管其是否涉及与任何权利要求目前要求保护的发明相同的发明，也不管其是否解决了与本发明所解决的技术问题相同的任何或所有技术问题。

以分开的实施例的形式描述的特征也可以以组合的形式在单个实施例中提供。相反，为了简明而以单个实施例的形式描述的各个特征也可以分开地或以任何合适的子组合的形式提供。

从而本申请人声明，在本申请以及从本申请得到的任何其他申请的审查过程中，可以将新的权利要求表达成这样的特征和/或这样的特征的组合。

为了完整起见，还声明术语“包括”不排除其他元件或步骤，权利要求中的参考标记不应被解释为限制本发明的范围。

Claims

1.一种用于在低频带和高频带中发送或接收射频信号的双频带天线(100)，所述天线(100)包括：

导电平面(120)；

导电平面(120)中的隙缝(110)，所述隙缝具有从导电平面(120)内的公共点发出的第一分支、第二分支和第三分支(103、104、105)；

第一分支(103)具有在导电平面(120)的边沿处开放的端(113)；以及

第二分支和第三分支(104，105)分别具有闭合端(114，115)。

2.根据权利要求1所述的天线(100)，其中，第二分支(104)的至少一部分紧密耦合至第一分支(103)的至少一部分。

3.根据权利要求1或2所述的天线(100)，其中，第二分支(104)的至少一部分通过导电平面(120)的条带(107)与第一分支(103)隔开高频带的最短波长的大约5％或更小。

4.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的天线(100)，其中，不包括隙缝(110)的周长在内的导电平面(120)的周长大约等于或超过低频带的最长波长。

5.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的天线(100)，其中，第二分支(104)和第三分支(105)中的至少一个分支的至少一部分与第一分支(103)的至少一部分在同一直线上。

6.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的天线(100)，其中，第一分支(103)、第二分支(104)和第三分支(105)中的至少一个分支是非直线的。

7.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的天线(100)，其中，第一分支(103)的长度与第三分支(105)的长度之和在低频带的中心频率的四分之一波长的大约±20％之内。

8.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的天线(100)，其中，第二分支(104)的长度与第三分支(105)的长度之和在高频带的中心频率的二分之一波长的大约±20％之内。

9.根据权利要求1至6之一或权利要求8所述的天线(100)，其中，第一分支(103)的长度与第三分支(105)的长度之和在大约13mm到大约20mm的范围之内。

10.根据权利要求1至7之一或权利要求9所述的天线(100)，其中，第二分支(104)的长度与第三分支(105)的长度之和在大约17mm到大约27mm的范围之内。

11.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的天线(100)，其中，隙缝(110)的宽度是高频带的最短波长的大约5％或更小。

12.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的天线(100)，其中，在导电平面(120)的边沿处开放的第一分支(103)的端(113)位于沿着导电平面(120)的两个拐角之间的边沿的距离的大约30％和大约70％之间。

13.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的天线(100)，其中，导电平面(120)是用于贴装电路组件的电路板的一部分。

14.一种无线电通信设备(300)，包括根据前述权利要求中任一项权利要求所述的天线(100)。

15.根据权利要求12所述的无线电通信设备(300)，包括：公共馈点(107)，用于将低频带和高频带中的射频信号耦合至天线(100)的输入或输出中。