CN102217137A

CN102217137A - 优化的共形仪表天线

Info

Publication number: CN102217137A
Application number: CN2010800015986A
Authority: CN
Inventors: 巴拉德瓦基·R·波杜图里
Original assignee: World Products LLC
Current assignee: World Products LLC
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2011-10-12
Also published as: US8723750B2; EP2356718A4; WO2011032153A3; US20110063172A1; US9525202B2; EP2356718A1; US20140197999A1; AU2010246339A1; MX2011004300A; BRPI1001275A2; WO2011032153A2

Abstract

一种能使通用仪表的无线通讯优化的一双偶极、多频带共形天线。该天线包括一天线底座和固定到该天线底座上的天线连动杆，该底座适合与通用仪表的内表面匹配。该天线连动杆由导电材料制成，并包括一对称的低频带部分和一不对称的高频带部分。

Description

优化的共形仪表天线

相关申请

本申请要求2009年9月14日提交的、题目为共形天线罩天线的美国临时专利申请61/276,628和2009年9月25日提交的、题目为优化的共形仪表/天线罩天线的美国临时专利申请序61/277,524的优先权，两者都通过引用而整体结合到本申请中。

技术领域

本发明总的来说涉及共形天线。更具体地，本发明涉及双偶极多频带天线，其共形于通用的仪表。

背景技术

用于电子仪表中的射频(RF)天线经常遇到性能问题，由于天线与仪表的电子元件接近且由于仪表主体的尺寸，从而蒙蔽了天线的“视野”。通常圆形的印刷电路板就被安置在仪表面的下方，邻近天线。连动杆和印刷电路板的电子元件可与天线部分耦合，从而影响了天线的包括峰值增益和效率的运行性能。天线的性能也由于非常邻近天线的电流互感器、复杂的电线、电容器、感应器和仪表主体内的变阻器而显著降低。

以前也有天线以双偶极的概念进行设计。但是，已知的双偶极天线设计仍然易受来自仪表的印刷电路板的干扰。由印刷电路板的干扰引起的不能接受的峰值增益可能会减小，但是只能以整体效率的牺牲为代价。这个问题特别存在于使用安置在圆形印刷电路板附近的共形天线的仪表中。

发明简述

在一个实施例中，本发明包括能使一双偶极、一用于促进通用仪表的优化无线通讯的多频带共形天线。该天线包括一天线底座和附着在该天线底座上的天线连动杆(trace)，该底座适合共形于通用仪表的内表面。该天线连动杆由导电材料制成，并包括一对称的低频带部分和一不对的称高频带部分。该低频部分在低频带频率范围内发射，其包括一左低频带臂和一右低频带臂。左低频带臂基本上与右低频带臂一样，以使低频带部分基本上关于该天线连动杆的中心轴对称的。该高频带部分在高频带频率范围内发射，其包括一具有一左长度的左高频带臂和一具有一右长度的右高频带臂，该左高频带臂和该右高频带臂相对于该天线连动杆的中心轴是不对称的，因此该右高频带臂的长度基本上不等于该左高频带臂的长度。

在另一个实施例中，本发明是一个双偶极、多频带共形天线，其包括一不平衡变压器，一对信号反馈部分，一对对称的低频带臂和一对不对称的高频带臂。该低频带臂每一个都包括一单个的连动杆部分，其从天线的中心部分向相应的端部延伸，并且安置在它们相应的高频带臂上方。一第一高频带臂包括多个形成弯曲和环的平行和垂直的部分。

在又一个实施例中，本发明包括在一通用仪表中非对称共形天线性能优化的方法，该仪表具有仪表壳体和分布的电子元件。该方法包括垂直地在通用仪表中安置一天线，该天线包括一具有左和右低频带臂的低频带部分和一具有左和右高频带臂的高频带部分，该仪表具有一仪表壳体和分布的电子元件，该分布的电子元件形成高元件密度区和低元件密度区。低频带部分的至少一部分被安置在由仪表壳体的顶面和分布的电子元件形成的一平面的上方，并且高频带部分的一部分安置在该平面之下，并邻近于分布的电子元件。

该方法也包括在仪表壳体和电子元件的周围径向地安置该天线，以使左高频带臂邻近于低电子元件密度区，右高频带臂邻近于高电子元件密度区，最终使得天线以一低频带频率或者以一高频带频率发射能量。

上面对于发明的各种实施例的概述并不是为了描述本发明的每一个图示的实施例或者每一个具体实施方式。下面详细说明的附图将更具体地举例说明这些实施例。

附图说明

结合附图和对发明的各种实施例的下列详细的描述可以更完整的理解发明，其中：

图1是通用仪表的一个实施例的正面透视图；

图2是图1中通用仪表的分解图；

图3是图1中通用仪表的剖视图；

图4是图1中仪表的印刷电路板的一个实施例的顶部平面图；

图5是现有技术中的天线的正视图；

图6是仪表的一实施例的正面透视图，该仪表在其仪表可以上安装有图5中的现有技术中的天线；

图7是图6中仪表和天线的剖视图；

图8是仪表的一个实施例的顶部透视图，该仪表具有安装在一个仪表盖上的本发明的一个实施例中的天线；

图9a是本发明的一个天线的实施例的正视图；

图9b是图9a中天线的正视图，其绘出了天线连动杆段；

图9c是图9a和9b中天线的一个实施例的正视图；

图10是图8中仪表和天线的剖视图；

图11是图8中仪表和天线的剖视图，其中天线可选地安装于仪表壳体上；

图12是图8中的仪表和天线的印刷电路板的一个实施例的顶部平面图；

图13a是图9中天线的一个实施例的正视图，其包括一电缆；

图13b是图13a中的天线的右视图；

图14是本发明另一个天线的一个实施例；

图15是图14中具有一多层结构和电缆的天线的一个实施例；

图16是本发明的一个天线的另一个实施例的正视图；

图17是图16中天线的部分正视图；

图18是本发明的一个天线的另一个实施例的正视图；

图19是图18中天线的部分正视图；

图20是本发明的一个天线的一个实施例的正视图；

图21是图20中天线的部分正视图；

图22a是本发明的单个的、低频带天线的一个实施例的正视图；

图22b是图22a中天线的一个实施例的正视图，其包括尺寸；

图22c是图22a中天线的一个实施例的正视图，其包括附加的尺寸；

图23a是本发明的单个的、低频带天线的另一个实施例的正视图；

图23b是图23a中天线的一个实施例的正视图，其包括尺寸；

图23c是图23a中天线的一个实施例的正视图，其包括附加的尺寸。

本发明可接受各种修改和变化的形式，其细节通过附图例示，并将在说明书中进行详细描述。但是应该认识到，本发明不限于所描述的具体实施例。相反，本发明意在涵盖所有的修改、等价以及替代，它们都落入本发明附加的权利要求限定的精神和范围内。

具体实施方式

本发明包括几个共形于通用仪表的天线，其被设计为在低和高频带中都提供最佳的性能。这样的性能和效率包括通过相关的PCS型认证评估委员会(PTCRB)和载体认证的能力。本发明的天线的低和高频带臂的新型天线连动杆的结构，结合天线在通用仪表内的安置，进一步优化了性能和效率。在一些实施例中，此特性使其可能通过使峰值增益达到联邦通信委员会(FCC)设定的范围内而通过FCC峰值增益的要求。此外，与天线安装有关的机械的限制和特征影响天线的独特特性。

尽管本发明描述的天线用于电子仪表，但应当理解的是该天线可以用于各种通用仪表，包括气体和水仪表。

参照图1和2，示出了一个典型的通用仪表100。在该示出的实施例中，通用仪表100是一电通用仪表，但应该理解的是本发明的天线可以用于各种通用仪表，而不仅仅是用于测量电的电子仪表。在一个实施例中，仪表100包括盖102(也称为一天线罩)或者天线罩102，仪表壳体104，多个印刷电路板106a、b和c，适配器108，显示器110，以及卡圈112。正如下面将进一步讨论的，仪表100也可包括一与工具进行无线通信的天线。

盖102典型地包括一个刚性的、透明的材料，其能够对仪表100提供保护，也使得显示器108可见。然而，在其它的实施例中，盖102可以是不透明的材料，如在仪表没有显示器或具有外部显示器的情况下。

仪表壳体104容纳印刷电路板106a、b和c，并可形成单个的、集成的壳体，或者可能包括多个部分，如实施例描述的包括顶盖114，基底116和顶面118。适配器108可集成在仪表壳体104内，或者可是所示的分离部分，并且用于连接到卡圈112或者在仪表100处的其它的测量结构。如图所示，在一个实施例中的仪表壳体104一般为圆柱形，具有一通常的平坦的圆形表面118。但是，应该理解的是仪表壳体104可能包括其它一些构造。

在一个实施例中描述的印刷电路板106a、b和c可为一般的圆形以匹配仪表壳体104，并包括多个电子元件120和导电连动杆122以及其它的电线、连接件，等等。电子元件120可能包括电流互感器102a、电容器120b、电感器120c、电阻器120d、变阻器120e、各种集成电路(IC)芯片120f和其它的电子器件和元件。电子元件120通常可被设置在每一个PCB106的顶面，但是也可能连接到并设置在PCB106的下表面。

导电连动杆122通过每一个PCB106与电子元件120电接触，并通常被设置在PCB106的顶面。电线和其它连接件可用来互连PCB106，或者将仪表106的全部或部分连接于外部的器件和元件。

参照图3，在一个实施例中，如上所述的，仪表100包括三个PCB106a、b和c，其位于仪表壳体104内，叠层设置，使一个在另一个的顶上。尽管在所示的实施例中，仪表100包括三个PCB106，但在其它的实施例中，仪表100可能包括更少或更多的PCB106，比如两个或四个PCB。应当理解的是，根据仪表的设计，PCB106之间的实际的间隔可以改变，同样的还有从盖102的内侧顶面到PCBa的距离，并且描绘的间隔是为了进行说明。

参照图4，电子元件120、连动杆122和电线的分布通常在不同的仪表和不同板之间是变化的，以使PCB106a、b或c的一些区域具有不同量的元件、连动杆和线。在所示的实施例中，PCB106a的区域130包括相对较少的电子元件120和连动杆122，而区域132包括相对较多的电子元件120和连动杆122。正如下面关于仪表100的天线将进一步讨论的，在PCB106的特定区域和仪表100内部的电子元件的密度、连动杆、壳体、导电材料和其它结构影响天线的运行。

参照图5和6，仪表100可包括无线通信能力，从而与远程定位工具进行无线传输和接受数据。这样的无线通信仪表100包括一耦合于一个或多个PCB106的天线，并且该天线特别地在射频(RF)谱下运行。这种天线可采用各种各样的形式并安置在仪表100内或不在其内。

在一个实施例中，这样的天线可被安置在壳体体104之内或卡圈112之内。但是，仪表100的部分，或者仪表100安装于其上的结构，例如导电面板或箱体，可能引起对数据传输和接收的干扰。当该天线被安置于更接近反射或干扰数据传输的物件时，这种干扰变的更明显。

减少干扰的一种方式是将该天线安置于离面板或箱体或其它支撑仪表100的结构的最远的点。在图6所示的一个实施例中，已知的柔性的，或者图5中所示的“共形”天线200连接于仪表壳体104的外表面119。

如图5所示，已知的双耦极天线200尺寸设置为在盖102内环绕壳体104的顶盖114。天线200包括在底座204上的天线连动杆202。天线连动杆202由一对相邻的电导性的左和右部分组成，每一个由电导性的材料，如铜或另外的金属或其它导电材料组成。除了信号反馈线的连动杆元件外，天线200基本上关于平行和垂直轴对称。天线200的天线连动杆202包括相同尺寸的、在水平方向上远离天线200的中心而延伸的低频带臂206和208。天线连动杆202也包括分别安置在低频带臂206和208下面的一对高频带臂210和212。该高频带臂210和212尺寸基本上相同，除了一个单个的连接于信号反馈214和216的弯曲外，并不包括环或弯曲，。

同样参照图7，示出了一个仪表100的截面，其具有包裹在顶盖114的外表面119的上部的天线200。天线200附着在顶盖114的外侧的表面119上，以使连动杆202邻近表面119。在此位置，低频带臂206和208在高频带臂210和212之上。天线200通常邻近PCB106a和106b，以及它们的电子元件120和连动杆122。

在运行中，天线200全方向的发射，一些电磁辐射直接指向PCB106。箭头LB表示，当以低频带频率发射时，来自低频带臂206和208的低频带发射的能量的一部分直接指向PCB106a和它的电子元件120和连动杆122。相似地，箭头HB表示，当以高频带频率发射时，来自高频带臂210和212的高频带发射的能量的一部分直接指向PCB106b和可能的PCB106a。

尽管仅仅一部分自天线200发射的能量直接进入仪表100和它的PCB106，但天线200的整体效率和增益通常将被以负面的方式影响。由此产生的性能降低依赖于许多因素，包括天线200在壳体104和顶盖114上的旋转位置，邻近天线200的PCB电子元件120的密度，以及天线200的整体性能，包括连动杆202的形状和尺寸。

参照图8到12，示出了定位系统、方法和本发明的一个用于改善仪表100运行的天线。与已知的天线和天线系统相比，所述系统、方法和天线，通过考虑PCB106在壳体104中的相对位置和PCB106的不对称元件的密度，从而提供改善的性能。

可以用许多的方式完成这种性能改善：定位天线300以使它的低频带臂尽可能多的突出于自由空间；设计不对称的高频带臂以匹配PCB106的电子元件密度；当在高频带频率运行时使低频带和高频带臂产生耦合；以及调整高频带臂的结构和尺寸以对应已知的PCB特征。应当理解的是，术语“电子元件密度”涉及的密度不仅仅是在PCB106a、b和c上的元件的，也可包括在PCB106a、b和c上的电子连动杆的密度，以及其它的在PCB106特定区域内和仪表100内的导电材料和其它结构的密度，其可通过耦合、反射或负载效应影响天线的运行。

参照图8，示出了一无线仪表系统，其包括具有天线300的仪表100。如下将被进一步描述的天线300包括一运行在低频和高频范围的多频带、双耦极天线，并包括具有天线连动杆302的底座304。

底座304可以是一刚性材料，比如印刷电路板，或者为一柔性材料。在一些实施例中，底座304通常是平面，在其它的实施例中其具有预成型的弯曲部分以匹配仪表100的顶盖114或盖102的半径。

参照图9a-9c，示出了天线300的一个实施例。天线300包括一个多频带、双耦极天线，其设计用于在低频带902至928MHz和高频带2.4-2.5GHz运行。

特别地参照图9a，天线300的天线连动杆302包括左低频带臂306、右低频带臂308、左高频带臂310、右高频带臂312、左信号反馈部分314、右信号反馈部分316、左延长部分318a和318b，以及右延长部分320a和320b。左低频带臂306和右低频带臂308包括天线300的一低频带部分，而左高频带臂310和右高频带臂312包括天线300的高频带部分。左低频带臂306、左高频带臂310和左信号反馈部分314包括天线连动杆302的左边部分，右低频带臂308、右高频带臂312和右信号反馈部分316包括天线连动杆302的右边部分。

特别地参照图9b，清晰地示出了该高和低频带臂以及反馈部分的外形轮廓。本领域技术人员应该理解的是，反馈部分314和316不仅仅提供一个携带一接受或传输信号的电线或电缆之间的导电路径形式的连接，而且也一定程度上有助于高和低频带信号发射，以致于在反馈部分和高和低频带臂之间实际的分隔点在一些情况下不可能以精确的术语来确定。

在一些实施例中，右反馈部分316在区域上可能比反馈部分314大，从而补偿右高频带臂312比较短的连动杆长度。这使得天线连动杆302的右边部分的导电区域基本上等于天线连动杆320的左边部分的导电区域。在其它的实施例中，导电材料可被加到天线连动杆302的其它部分，以总体上平衡左右部分的导电区域。

再参照图9a，在一个实施例中，底座304通常为矩形的，以匹配天线连动杆302的整体形状。底座304也可限定左和右切块322和324，以及一个或多个孔326。底座304也可包括突出部327。切块322和324可容纳壳体104的一部分，孔326可容纳从壳体104延伸到外面的突出部分，突出部327可通过壳体104的结构被容纳，以使天线300定位在仪表100的壳体104上适当的位置。用于将天线300固定到壳体104的另外的元件在下面将进行进一步讨论。

在一个如图9a所示的实施例中，天线连动杆302被安置成几乎一直朝向底座304的上边距。下面将进行进一步的描述，定位连动杆302朝向底座304的顶部部分，将使低频带臂306和308被定位在壳体104、PCB106a和电子元件120上方的一个平面，使得该臂朝向自由空间并以最小干扰进行发射和接收。

在该描述的实施例中，低频带臂306和308具有基本上相同的连动杆长和区域。并且关于一中心、垂直轴A总体上是对称的。另一方面，由于下面进一步叙述的理由，高频带臂310和312可能不具有相等的连动杆长，同时相对于中心、垂直轴A不对称。应当理解的是，该术语连动杆长是指包括任意连动杆臂的各种部分的总的长度。

左高频带臂310包括一单个连动杆元件，并在低频带306下面与其平行的延伸。左高频带臂310一般不包括环或弯曲部分。左高频带臂310的连动杆长度是包括左频带臂310的单个部分的长度。

右高频带臂312也包括一单个水平段。部分312在右低频带臂308下面并水平方向与其平行地延伸，但沿着在信号反馈部分518上的一个轴。右高频臂312一般也不包括环或弯曲部分。

低频带臂306、308与它们相应的高频带臂310、312之间的距离d比较接近，因此在高频带运行时高频带臂310和312与低频带臂306和308部分耦合，由此低频带臂310和312开始作为高频带臂，以改善天线的整体增益和效率。在一个实施例中，d大约等于低频带臂306或高频带臂310中任意一个的宽度。在另一个实施例中，d的范围在高频带臂310的宽度到低频带臂306的宽度之间。在又一个实施例中，低频带臂306、308的宽度W_L是3.50mm，高频带臂310、312的宽度W_H是2.74mm，且距离d为3.00mm。通常，在高频和低频带臂之间的距离d越大，耦合效应越弱。相反，已知的用于通用仪表的共形天线，距离d被设计足够的大，以有效地消除臂之间的这种耦合效应。

参照图9c，通常，在最优化地安装在仪表100时，天线连动杆302的各个部分之间的尺寸关系确保了最优化的性能。图9c中示出了一个具有尺寸参考的天线连动杆302的一个实施例，公差范围从+/-0.5到+/-1mm。在示出的实施例中，低频带臂306和308的长度a基本上为60.45mm，左高频带臂310连动杆长度b基本上是24.9mm，右高频带臂312连动杆长度c基本上为16.50mm，低频带臂306、308的宽度W_L基本上为3.50mm，高频带臂310、312的宽度W_H基本上为2.75mm，分隔距离d基本上为3.00mm。在这个具体的、非限制性的实施例中，其它尺寸如下：e基本上是7.5mm，f基本上是20.80mm，g基本上是5.04mm，h基本上是6.00mm，i基本上是2.75mm，j基本上是11.03mm，并且k基本上是1.43mm。在一个实施例中，底座304基本上为170mm长和25mm高(尺寸1)。

但是，应当理解的是，在其它实施例中，连动杆302和底座304两者的尺寸可以改变，包括一些实施例，其中天线连动杆302的整个图案和形状、以及它的部分之间的尺寸关系保留。在又一实施例中，某些尺寸可被轻微地调整，以使PCB与变化的电流密度相适应，如下所述。

再次参照图8和图10，仪表100包括定位在一高度和径向位置以产生最优性能的天线300。天线300顺着壳体104和/或盖102的内表面103的弯曲部分被折曲或弯曲，在该实施例中，天线被附着于邻近盖102最上部的内表面103。天线300可通过各种方式附着于表面103上，包括通过使用双底座带340，粘结或其它机械方式。

不像以前已知的定位系统，在该系统中，天线300被定位在一高度，以使低频带臂306和308基本上位于一个平面的上方，此平面在仪表壳体104和其顶盖114的顶面118的上方形成。因此，顶盖114和PCB106都不邻近低频带臂306和308，使它们“看向”自由空间。这样，在低频率发射期间，凭借低频带臂306和308接收和发射的RF信号的干扰和反射被最小化。

特别地参照图10，认识到天线300实际的全方位的性质，箭头LB和HB各自代表天线300的相应低频带信号和高频带信号的发射和接收。箭头LB表示一个低频带信号没有干扰地自由传输通过壳体104上方的自由空间。箭头HB表示高频带信号，其仍旧必须与邻近的仪表100的结构竞争，包括壳体104和PCB106。

在其它实施例中，高频带臂310和312的全部或部分可位于通过壳体104顶部形成的平面上方。

参照图11，在一可代替的位置，天线也被定位在仪表100内的一最佳高度，因此低频带臂306和308被全部或部分定位于仪表壳体104之上，但在该实施例中，天线300附着于壳体104，而不是盖102。

天线300定位在一“壳体之上”的高度，因此低频带臂306和308全部或部分在PCB106和壳体104之上，显著地改善了天线的性能，特别是如下所述的低频带性能。

参照图12，其是邻近PCB106a定位的天线的顶部平面图。正如上文简述，天线300在仪表100上的径向位置也影响性能，特别是高频带性能。

图12示出了垂直参照轴Y和水平参照轴X以及以度数表示的关于PCB106a周长的径向位置参照，从而相对于PCB106a来描述天线300的径向位置。

在所示的实施例中，PCB106a包括低元件密度区域，如区域130，和高元件密度区域，如区域132。尽管仅示出了一个单个的低元件密度区域和一单个的高元件密度区域，但应当理解的是，在整个PCB106a中也可存在多个那样的区域。进一步，PCB106的元件密度特性可更精细地区分定义为低、中和高元件密度，或者可用更多的分类来给元件密度分等级。通常，应当理解的是，在PCB106的区域内的电子元件120、导电连动杆122和其它电线和/或连接件在高集中度下，将会对传输通过该区域的天线信号部分产生更大的信号反射和干扰。

在一个实施例中，元件密度的表征或映射可通过物理元件120、连动杆122和电线的密度决定。在另一个实施例中，由通过PCB106特定的区域的发射和接收引起的干扰的测试，可用于将区域定义为相对低或高的元件密度的区域。同时，如上所述，这样的元件密度在一个仪表内将根据PCB的不同而变化，也根据仪表的不同而变化。

在图12所示的一个实施例中，天线300一般邻近PCB106a，且相对于PCB106a(和壳体104)在0度到180度之间径向定位。C轴表示天线300的中心轴，如此天线300的左边部分位于C轴的一侧，而天线300的右边部分位于C轴的另一侧。

在该实施例中，左高频带臂310定位在大约30到60度之间，并一般邻近于低元件密度区域130。右高频带臂312定位在大约70到100度之间，并邻近于高元件密度区域132。

在一个典型的已知的通用仪表双耦极天线中，该左和右高频带臂基本上大小相同，并关于C轴对称分布。这样一个天线的设计不会考虑邻近的PCB106的不对称性和它的电子元件密度。例如，相比一左高频带臂发射进入一低元件密度区，一右高频带臂发射进入一高元件密度区将会产生更大程度的反射和干扰。发射自天线右边的信号部分可能会看到较高的反射，因此相比于已知天线的左边具有更高的增益，其要求在增益和效率上进行整体调整以达到各种标准，包括FCC要求。PCB106元件120的不对称性，也即电子元件密度，与已知的天线的对称性的组合导致折衷的性能。

相反地，本发明的非对称天线300被最优化以适应PCB106和仪表100的非对称特征。仍参照图12，左高频带臂310邻近低元件密度区130，并接收和发送直接指向PCB106a的一信号的一部分，其通过箭头HB_L表示。右高频带臂312邻近高元件密度区132，并接收和发送直接指向PCB106a的一信号的一部分，其通过箭头HB_R表示。由于更高的元件密度，与左高频带臂310相比，右高频带臂312将接收一更大程度的反射信号。

同样参照图9a，在这个实施例中，为了调整这种效应，以及元件密度的不同，右高频带臂312一般比左高频带臂310短。长度上的差异将随着元件密度上的差异和最终的反射和干扰的程度而变化。

因此，考虑到邻近PCB106的不同区域的元件密度，天线300被设计成具有非对称的高频带臂，然后被安置在PCB106附近一个最优的径向位置处，以使得该高频带臂被安置在邻近PCB106的适当的区域。

在一些实施例中，为了补偿流过左高频带臂310和右高频带臂310的每一个中的电流，在天线连动杆302上增加额外的导电连动杆材料。这些额外的材料被视为在定义为右反馈信号部分316中额外的导电连动杆材料，并在图9b中示出。

总体上，天线300的性能通过合并多个天线设计特征和位置因素而被最优化。天线连动杆302最初可被确定尺寸和形状，以发射假定为非对称环境干扰中的适当的频带，但是接着，连动杆302的高频带部分的大小被调整，以在天线高频带臂310和312中引起非对称。进一步，低频带臂306和310被定位在底座304的顶部，以允许低频带臂至少一部分地(如果不是全部地)被定位在壳体104上方的一高度上，从而使低频率运行最优化。另外，天线300被安置在一个对于仪表壳体104和PCB106最优的径向位置，如此高频带臂310和312匹配于适当的和最优的PCB106的电子元件密度。

参照图13a和b，天线300被示出以举例说明几个用于在仪表100上的恰当定位天线的特征，以及信号承载电缆330。

在一个实施例中，天线330也包括电缆330和连接件332。在一个实施例中，电缆330包括一RG178电缆，连接件332包括一RA MMCX插头。电缆330的远端连接于天线300的信号反馈316和318，同时电缆330的一个近端凭借连接件332连接于仪表100。应当理解的是，本发明的任何一个天线可为这种电缆，或一类似的电缆。

在一些实施例中，电缆330可被完全的去除。在那样的实施例中，天线300粘附于或以其它方式连接到盖102或壳体104的内表面，并在固定的反馈和接地端连接于壳体104。那样的一个实施例可包括在天线接地和反馈垫上的销，该销啮合在壳体104、适配器底座108或卡圈112上的凹槽内。

天线300容纳电缆330远端的部分可用遮盖物334覆盖。在一个实施例中，遮盖物334包括一高密度紫外(UV)敏感材料，其在UV辐射下硬化而提供一保护遮盖物。

在一个实施例中，天线300也包括一不平衡变压器336。不平衡变压器336在没有拉长臂长的情况下帮助阻抗匹配。在一个实施例中，不平衡变压器是一个连接在电缆330的远端的30mm的不平衡变压器。

在一个实施例中，天线300也包括一个或多个天线定位突出部338。突出部338可包括含有粘合材料例如双面胶带的0.025英寸厚的聚酯薄膜，将聚酯薄膜粘附于天线300和/或将天线300的端部粘附于壳体104，由此将天线固定在恰当的、最优的位置。尽管示出的是天线300的连动杆一侧，但定位突出部338也可选择安置在天线300相反的一面，以将天线粘附于盖102的内表面103。在一些实施例中，定位突出部338可通过在壳体104或盖102中的缝或槽被容纳，从而在有或没有粘结剂的情形下定位天线300。

尽管上面描述了通过天线300实现的一个具体的天线设计，但应当理解的是，多个其它的天线设计可结合上面描述的特征，包括最优的天线位置，低频带臂自由度，非对称高频带臂，等等。下面描述几个利用这些特征的可供选择的实施例。

如上所述，本发明包括几种最优化在通用仪表中的非对称共形天线性能的方法。在一个实施例中，一个那样的方法包括将该天线定位在仪表104内相对于仪表壳体104的一个最适宜的高度的步骤。在这个位置，低频带天线连动杆的至少一部分安置在由仪表壳体105的顶面108形成的平面之上。在一些实施例中，该连动杆的整个低频带部分在顶面之上，同时几乎高频带部分的全部在顶面108之下的平面内。该低频带连动杆可刚好在顶面之上，或者显著地位于顶面之上，接近仪表100的盖102的实际的顶部。在该天线上的定位标记可以用来正确地安置该天线。

这样的方法也包括最优化一个具有非对称高频带臂的天线比如天线300的径向位置。该步骤包括确定负载或耦合特征，其可通过PCB106的电子元件密度和其它仪表元件来确定，所述其它仪表元件包括壳体104、功率元件，等等。该天线被径向地定位，使得该高频带天线连动杆匹配负载特征，包括电子元件的密度。这包括将具有较短长度的高频带臂靠近具有较高元件密度的区域安置，和将具有较长长度的高频带臂靠近具有较低元件密度的区域安置。

该方法也包括机械地将一天线连接于仪表100。在一些实施例中，底座，例如底座304，通过将仪表壳体104的突起插入天线的孔中，以及通过将在该天线中的突出部和凹槽插入在壳体104中相应的凹槽和突出部，连接于壳体104。在其它实施例中，该天线附着在盖102的内表面。该天线可使用如上所述的机械装置附着在盖102，并相似的连接于壳体104，或天线可使用一粘结剂固定于盖102。

本发明的天线可包括一电缆以将该天线电连接到仪表100。在其它实施例中，该天线可包括信号和/或接地垫，其直接地连接于仪表100中的接收连接件，从而避免使用电缆。

参照图14，示出了一可替换的实施例，天线400。尽管在一个实施例中天线402的反馈部分的尺寸以对称方式上有了轻微的改变，天线400的连动杆402基本上与天线300的连动杆302相同。

但是，连动杆402在底座404上的位置不同于天线302，底座404本身也是如此。更具体地说，连动杆402有些远离底座404的顶部。在一个实施例中，连动杆402的低频带的顶部与底座404的顶部具有距离H，H的范围为2-3mm。在这个特殊的实施例中，H根据仪表100的特征来决定和选择，以使低频带臂406和408刚好在壳体104(未示出)的顶面108之上。在这个实施例中，连动杆402仍旧基本上在底座404顶部，但是与连动杆302和它的底座304相比不是那么接近该顶部。在底座404上的位置部分依赖于仪表100、盖102和壳体104的物理特性，目的是将低频带臂406和408刚好安置在由顶面108形成的平面之上。

为了确保将天线400固定到壳体104，底座404也与底座304有些许不同。在一个实施例中，为了优化天线400在仪表100内的位置，底座404包括容纳在壳体104的一突出部427和安装在壳体104的突起上面的多个孔426。

参照图15，天线400的一个实施例包括一用于保护和固定天线400的多层设计。该多层特征可用于本发明的任何一种天线，其仅需要进行一些尺寸的变化以匹配特殊的底座和天线的几何结构。在该所示的实施例中，层430包括由一10mil厚的聚碳酸酯材料构成的一保护层；层432包括一粘结层，其在一个实施例中包括一2mil厚的双面胶带；在一个实施例中，层434包括一单面胶带，层436是一2mil厚的双面胶带以将天线400粘结到仪表100的内表面。

参照图16和17，示出了本发明的一个实施例天线500。天线500是一在低频和高频范围运行的多频带、双偶极天线。天线500包括天线连动杆502和底座504。

天线连动杆502可包括一铜或其它导电材料，并可能是一印刷铜连动杆的形状。

天线连动杆502包括信号反馈部分516和518，左低频带臂520，右低频带臂522，左高频带臂524和右高频带臂526。信号反馈部分516和518被安置在底座504的水平居中部分506，同时低频带臂520和522一般被安置在底座504的底部508。

左低频带臂520包括第一水平段530和第一垂直段532；第二低频带臂522包括第二水平段534和第二垂直段536。第一水平段530从中心部分518沿平行于水平轴H的方向延伸，指向底座504的第一端512。第二水平段534从中心部分518延伸到第二端514。在一个实施例中，第一和第二水平段530和534的每一个基本上延伸底座502一半的长度。与水平段530和534相比，垂直段显著的短，并分别将水平段530和534连接到信号反馈部分516和518。由于反馈部分516和518的位置，垂直段536可能比垂直段532长。

在该所示的实施例中，水平段530和534各自具有宽度W_Lh1和W_Lh2，它们基本上是相等的。垂直段532和536各自具有宽度W_Lv1和W_Lv2。宽度W_Lv1和W_Lv2可能不相等。

特别的参照图17，每一个高频带臂524和526包括多个水平的和垂直的部分以形成一系列的弯曲部分和环。更具体地说，左高频带臂524包括第一水平段540、542和544，以及第一垂直段548和550。右高频带臂526包括第二水平段552、554和556，以及第二垂直段558、560和562。

左高频带臂524也包括多个U形局部环，或弯曲部分，570、572和574。环570由段546、540和548形成；环572由段548、542和550形成；弯曲部分574由段550和554形成的。

右高频带臂526包括多个U形局部环，或弯曲部分，580、582和584。环580由段560、558、和562形成；环582由段562、554和564形成；弯曲部分584由段564和556形成。

在一个实施例中，左高频带臂524的环570比右高频带臂526的环580稍微的大点，段540的长度为9.50mm，而段558具有短点的长度8.75mm。左高频带臂524的环572比右高频带臂526的环582稍微的大点，段542的长度为8.00mm，而段544为较短的7.25mm。相似地，与具有较短长度9.70mm的段556相比，段544的长度为12.20mm。

在运行中，天线500是一个在824-960MHz的低频带范围和1710-1990MHz的高频带范围发射的多频带天线。类似于上述的天线300和400，天线500被安置在底座504上，并安置在仪表100内，从而低频带臂在仪表壳体104上方发射。通常，天线500的高频带臂524和526的弯曲部分和环在没有牺牲RF性能(效率)的情况下减少了该带的峰值增益大约1.5-2dBi。该高频带臂的不对称性被用以适应PCB106的变化的电子元件密度，这样，与该左高频带臂相比，较短的右高频带臂邻近PCB106的具有高电子元件密度的区域。进一步，该高频带臂的整体紧凑的形状使得天线500可用于避免使右高频带臂突出到产生特别高的RF干扰的区域或具有限制空间的区域。

参照图18-19，示出了另一个优化的共形天线即天线600的实施例。天线600包括连动杆602和底座604。天线连动杆602包括左低频带臂620，右低频带臂622，左高频带臂624和右高频带臂626。

低频带臂620和622基本上与上述的关于天线500的低频带臂520和522是相似的。

与天线500的高频带臂524和526相比，天线600的高频带臂624和626包括较少的环、弯曲部分和段。高频带臂624包括环670和弯曲部分672；高频带臂626包括环680和弯曲部分682。在一个实施例中，环670的水平段640比相应的环680的水平段656要长一点，这样高频带臂624和626关于彼此是不对称的。

天线600运行在824-960MHz的低频带范围和1710-1990MHz的高频带范围内。高频带臂624和626特别的几何结构适合于邻近圆形PCB106运行，圆形PCB106和与天线500使用的PCB106相比具有稍微不同的电子元件密度。

参照图20和21，示出了本发明的另一个不对称的双偶极天线。天线700包括天线连动杆702和底座704。连动杆702包括左低频带臂720，右低频带臂722，左高频带臂724和右高频带臂726。

在这个实施例中，高频带臂724和726基本上与天线500的高频带臂524和526是一样的。但是，低频带臂720和722与上述的天线500和600的低频带臂是不同的。天线700和底座704在长度上比在图16和17中所示的实施例的天线500要短。因此，低频带臂720和722的水平长度受到限制。为了补偿减小的水平空间并保持与天线500较为相似的有效水平电子长度，低频带臂720的连动杆的宽度相对较窄，并且每一个低频带臂720和722包括一单个的的水平段723和一单个的的垂直段725。在一个实施例中，低频带臂的宽度大约是高频带臂424和426宽度的25-40％。如果低频带臂720和722沿着边缘并不比低频带臂725的垂直段光滑，该天线会相当的长，由于暴露于邻近的高密度元件区或仪表100的其它导电材料，其会不利地影响该天线的性能。

因为壳体104和PCB106被安置在天线700、特别是高频带臂724和726的附近，PCB106和它的元件与天线700耦合，影性了它的运行。如果高频带臂724和726不包括弯曲部分和环，而是由垂直的连动杆组成，这会沿着连动杆的长度产生“电磁热”区，在那些位置引起相对高的峰值增益。

在高频带范围内的运行通过高频带臂724和高频带臂726的不对称性而被进一步改善。

本发明的其它天线可使用相似的将该低频带臂安置在高频带臂之上的不对称双偶极概念，包括在不对称高频带中的弯曲，和安置该天线以使低频带臂“看向”自由空间，同时该高频带臂邻近仪表主体的顶部。几个那样的变化和实施例在实施例中所示的其它的附图中进行了描述。

参照图22a-22c，示出了一运行在450-470MHz范围内的单频带低频带天线800。天线800包括连动杆802和底座804。连动杆802包括多个段状的左臂806和多个段状的右臂808。

左臂806包括两个较大的通过一分割的垂直段814连接的水平段810和812。缝816将垂直段814分开并穿过水平段810和812的一部分。左臂806也包括一较小的水平段818，其从垂直段814延伸向天线800的中心。

右臂808包括两个较大的通过一分割的垂直段824连接的水平段820和822。缝826将垂直段824分开并穿过水平段820和822的一部分。右臂808也包括一较小的水平段828，其从垂直段824延伸向天线800的中心。

尽管天线800设计用于低频运行，但其也受益于连动杆802的不对称设计，在该所示实施例中，杆802包括短于段812的段822。

底座804一般形成为遵循连动杆802的图案，并安装于壳体104，并可包括用于排列天线800与壳体104的顶面118的位置指示器830。

如上关于其它天线的实施例所述，左臂806和右臂808是不对称的，以匹配仪表100的负载的不对称性。与上述的多频带天线的低频带臂相比，天线臂806和808一般更宽，并且包括一对90度的弯曲部分。这些结构特征有助于获得最佳的电压驻波率(VSWR)，其在该描述的实施例中典型地小于2∶1。

缝818和826，沿着段818和828，通过增加阻抗和天线的VSWR带宽来改善性能。这些特征，结合天线在壳体104的顶面上的位置，有助于获得最佳的整体天线发射效率。

在该示出的实施例中，天线800不包括一不平衡电压器。

参照图23a-23c，示出了一个不对称低频带天线的另一个实施例即天线900。天线900为在450-470MHz范围内运行而优化。天线900包括天线连动杆902和底座904。连动杆902包括具有信号垫908的左边部分906，和具有接地垫912的右边部分910。

左边部分906包括水平段920，垂直段922，水平段924、926、928，垂直段930，和水平段932。信号垫908安置在水平段920上。段920至932连续地形成左边部分906。段932将左边部分906连接到右边部分910和接地垫912。左边部分906限定缝934。

右边部分910包括段936和938。段934和936连续地形成右边部分910。

底座904一般是矩形的，并限定了多个用于安装到仪表壳体104的安装孔914和槽916。

该天线与其它已知的适合在450MHz运行的天线相比是非常光滑的。在安装的时候，天线900被安置在仪表100的上面部分，因此其远离所有的在仪表100的下半区的高功率器件或元件。在一个实施例中，天线900不包括不平衡变压器，并以半IFA的概念设计。

天线连动杆902具有回折的特征，从而使具有信号垫908的左边部分906连接于右边部分910，从而连接于天线的接地面。该回折特征由段928、930和932构成。该回折特征有助于获得非常好的VSWR，但是使得天线900具有非常窄的频带。位于天线元件连动杆之间和位于该元件连动杆和该接地连动杆之间的狭缝934，其有助于产生额外的谐振，当其与主天线谐振结合时，有助于扩展VSWR或天线900的阻抗带宽。

尽管对于本发明的各种实施例进行了描述，但应当理解的是本发明的元件在结构、外形或配置上的无实质性的改变，都没有脱离本发明意欲达到的范围。相应地，本发明的范围通过陈述的权利要求确定。

为了理解本发明的权利要求，可以明确预期的是，除了在权利要求中表述的特定术语“方法”和“步骤”，并未涉及U.S.C35第112部分第六段的条款。

Claims

1.一种能使通用仪表的无线通讯优化的一双偶极、多频带共形天线。该天线包括：

一天线底座，该底座适合与通用仪表的内表面匹配；和

一固定在该天线底座上的天线连动杆，该天线连动杆包括导电材料，并包括：

一在低频带频率范围内发射的低频带部分，其具有一左低频带臂和一右低频带臂，该左低频带臂和该右低频带臂基本上一样，以使该低频带部分基本上关于天线连动杆的中心轴对称；和

一在高频带频率范围内发射的高频带部分，其具有一具有一左长度的左高频带臂和一具有一右长度的右高频带臂，该左高频带臂和该右高频带臂相对于天线连动杆的中心轴是不对称的，因此右高频带臂的长度基本上不等于左高频带臂的长度；

其中天线连动杆的左边导电区域基本上等于天线连动杆的右边导电区域。

2.一种优化一通用仪表中非对称共形天线性能的方法，该通用仪表具有仪表壳体和分布的电子元件，该方法包括：

在一通用仪表内垂直地安置一天线，该天线包括一具有左和右低频带臂的低频带部分和一具有左和右高频带臂的高频带部分，该仪表具有一仪表壳体和形成有高元件密度区和低元件密度区的分布电子元件，这样低频带的至少一部分被安置在由仪表壳体的顶面和分布电子元件形成的一平面的上方，并且高频带部分的一部分安置在该平面之下并邻近于分布的电子元件；

相对于仪表壳体和电子元件径向地安置该天线，以使该左高频带臂邻近于该低电子元件密度区，该右高频带臂邻近于该高电子元件密度区；以及

使天线以低频带频率或高频带频率发射能量。