CN102422488A - 分支多端口天线 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于天线系统的模块，该模块包括电介质支座和形成在该支座上或该支座中的分支电传导通路。该通路包括至少三个臂，每个臂具有近端和远端，该近端联接在一起或者每个近端连接到至少三个臂中的至少另一个臂，并且远端彼此分离并被配置为终端。该模块可被配置为芯片型天线。多个天线模块可连接在一起以便产生具有特殊所需特性的天线系统。

Description

分支多端口天线

本发明涉及包括串联和/或并联连接的多个单个天线元件的天线系统以便提供在多个不同频带下运行的复合天线。

背景技术

许多频带被用在现代通信系统中。例如移动设备可使用五种不同的蜂窝无线电频带加上WLAN、Bluetooth蓝牙

以及移动TV频带。每种频带需要单独的天线设计，因此天线公司不得不在其预订册中写有许多不同的产品并储存各种不同的库存。

例如从WO2005/022688中已知提供了能通过从具有不同谐振频率的模块中选择而建立天线的模块化天线装置，所述模块沿连接导体串联连接。天线模块的开放终端是分离的。由模块形成的天线结构相对简单，并仅设有单个有效馈电口。

此外，从分支导体系统中形成天线，以便增加单个辐射元件的带宽或提供在多于一种频带下运行的天线，这是公知的技术。在天线工程手册(Antenna Engineering Handbook)(4^th Edition，Editor J Volakis，published by McGraw-Hill Book Company，New York，2007(第4版，JVolakis编辑，McGraw-Hill图书公司出版，纽约，2007))的图28-5b中示出了示例；这种设计起源于20世纪40年代，已被市售并由无线电爱好者构造多年供HF无线电频带(3-30MHz)使用。

JP2002-335114公开了被设计使得其谐振频率能适应性改变的芯片型天线。该芯片型天线包括嵌入芯片中的蜿蜒导体、以及连接到导体上的不同点的三个终端，并且三个终端全部从芯片的一边突出。以这种方式，取决于被选为馈电的终端，直接可获得三种不同长度的导体并因此可获得三种不同的谐振频率。有可能修剪非馈电终端以便提供额外的调谐。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于天线系统的模块，所述模块包括电介质支座和形成在所述支座上或所述支座中的分支电传导通路，所述通路包括至少三个臂，每个臂具有近端和远端，所述近端联接在一起或者每个所述近端连接到所述至少三个臂中的至少另一个臂上，并且所述远端彼此分离并被配置为终端。

每个终端可选择作为连接到信号馈电的驱动终端或激励终端。换句话说，至少三个臂的远端或面向外的端部能被配置为用于所述模块的驱动终端或激励终端，这意味着每个远端与其它相比无需特别调整就可用作向模块提供激励或驱动电流或信号的终端，从而激励所述臂并引起所述臂辐射。

经发现通过适当选择分支电传导通路的每个臂的尺寸和形状，天线模块的一个或多个谐振频率可通过选择哪一个终端被激励来调节。换句话说，根据臂的哪个远端被用作驱动或激励终端，具有至少三种不同尺寸或形状或另外配置的传导臂的天线模块能在至少三个不同的谐振频率或频带下运行。

通过这种方式，单个天线模块可用于多种目的。

至少三个臂的近端可以在公共接合点处全部联接在一起(例如，电连接或流电连接)。

可选地，所述近端中的至少两个可在公共接合点处联接在一起，并且剩余近端可在其它位置处连接到通路。

可选地，可以没有公共接合点，并且近端在不同的位置处连接到通路。

重要的是通路被形成为具有从公共“躯干”导体分支出的至少三个臂的分支结构。

通路可大致在二维(即，在单个平面中)中形成，或者可在三维中形成。

在尤其优选的实施方式中，模块以多个模块能连接在一起、一个模块的终端被连接到另一模块的终端的方式，在模块的边缘、拐角或表面处被配置有所述臂的远端(即，终端)。尽管具有平行连接的通路能形成有多个模块，但是根据单条通路的具体配置以及产生的共同通路，单个模块将通常可被串联连接到相邻模块。

优选位于模块或支座的外围(例如，边缘或拐角)部分的终端中的每一个终端可被配置为到邻近模块的馈电点或互连点，或者可不连接到任何别的器件。应该理解在优选的实施方式中，在模块或支座的外围内终止的通路的分支或分段不旨在提供终端连接，而是用于调试天线的阻抗性能。

这开创了天线设计中的激励可能性-不仅每个模块具有可选的天线性能(终端根据这些天线性能被选作驱动或激励终端)，而且具有可选性能的复合天线系统能从通过各自的终端电互连的二维或三维马赛克(mosaic)模块中建立。

在这个方面，除了别的以外，本发明的实施方式提供了在芯片天线上完全令人惊讶的工艺效果，例如，JP2002-335114中的芯片天线被设计为单个、独立天线，而没有被设计成允许复合天线易于从2D或3D马赛克模块化的芯片天线构建的方式。

根据本发明的第二方面，提供了一种包括第一方面中的多个模块的复合天线系统，每个模块的至少一个终端被连接到相邻模块的至少一个终端。

通过选择具有特殊通路或分支配置的模块，并以特殊的方式将这些模块连接在一起，有可能全部从简单模块化组件中建立具有众多不同且可选的性能特性的复合天线系统。事实上，能通过以不同的方式将模块互连从包括多个同样模块的一套部件中构建许多不同的复合天线系统。

包括分支导体系统的天线结构能被创建为使得通过将不同的分支端或终端连接到激励信号源(或接收器)，天线可在一个或多个不同的频带下运行。

为了避免疑义，应该理解本发明的天线可用于传输信号也可用于接收信号，在传输信号的情况下，馈电信号从发射器施加到终端并且传导通路或者传导通路中的至少部分充当发射器，在接收信号的情况下，进入的RF波在通路或通路的部分中产生电流，然后电流经过终端并由此到达接收器。

当上面所描述的天线模块中的两个或更多个模块例如串联连接以提供性能的其他选择时，可通过选择驱动终端并选择用于互连的终端来限定关联的谐振频率。

以所述方式形成的复合天线可配置为平衡天线，其中天线从两个相似的模块组中形成并由电平衡馈电线系统激励，或者可配置为非平衡天线，其中单组的一个或多个已连接的模块配件被对地馈电。复合天线的配置可采用一个或多个循环的形式。

复合天线系统可通过多个连接在一起的相同天线模块，或者通过不同类型的天线模块(例如，具有不同的谐振频率、不同的辐射结构等的天线)的组合来形成。不同的分支链可包括不同形式的组分天线(constitute antenna)。

在优选的实施方式中，天线模块从由绝缘电介质基底支撑的传导轨迹形成。这种类型的模块架构通常被称为“芯片型天线(chipantenna)”。

在这些实施方式中，芯片型天线可设有连接垫，连接垫包括至少一个输入连接垫和至少两个输出连接垫。可存在用于电连接或物理连接到不同组件的附加的垫。

组分天线可以任何相互关系定位于空间中以形成平面或三维装配件(在它们之间存在或不存在间隙或间隔或附加的基底)。

在尤其优选的实施方式中，在每个天线模块上的连接垫被配置和/或定位以便于不同方位上的相邻模块之间的连接。例如，在模块具有基本正方、片材(tile)形架构时，连接垫优选形成在每块片材的每个边缘的中心。以这种方式，相邻片材能容易地在包含两块片材的平面上以一块片材相对于另一块任意90度旋转的方式串联连接。

相邻或邻近模块的终端可通过焊接连接、和/或通过弹簧或夹钳或其它电/机械连接件连接。

将注意到在特殊的实施方式中，模块的装配可在传导通路方面与单个模块拓扑相似。

本发明的至少一些实施方式中的有利和新颖特征在于提供了具有多个的端口(终端)(在端口处可对天线结构驱动)的分支天线结构，还在于相应的设计优化使天线能够根据其连接模式在不同的选定频带或频带的组合下运行。

除了主要分支电传导通路之外，本发明的实施方式中的模块可进一步包括一个或多个寄生传导元件，例如不连接到任何其它轨迹或元件或组件、或者为开放端接的传导轨迹或元件。

在本申请的整个说明书和权利要求书中，词语“包括(comprise)”和“包含(contain)”及其变型意味着“包括但不限于”，而并非试图(用于)排除其他部分、附加物、组件、整体或步骤。在本申请的整个说明书和权利要求书中，除非上下文有相反要求，则单数形式涵盖了复数的含义。尤其是在使用不定冠词时，除非上下文有相反要求，则本申请应被理解为包括复数和单数。

除非矛盾，否则结合本发明的特定方面、实施方式或实施例描述的特征、整体、特性、混合物、化学部分或群应被理解为可应用于本文所描述的其他方面、实施方式或实施例。在本申请(包括任何所附的权利要求书、摘要以及附图)中公开的全部特征，和/或这样公开的任何方法或过程中的全部步骤可以以任何组合合并，除了这些特征和/或步骤中的至少一些是相互排斥的组合。本发明不限于任何前述实施方式的细节。本发明扩展为在本申请(包括任何所附的权利要求书、摘要以及附图)公开的特征中任何一个新颖的特征或者任何新颖的组合，或者扩展为这样公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的组合。

阅读者的关注针对与关于本申请的说明书同时或之前提交的并且与本说明书一起向公众检查开放的所有文献和文件，所有这些文献和文件的全部内容通过引用并入本文。

附图说明

为了更好地理解本发明并示出如何实现本发明，现将参照附图通过示例的方式进行说明，在附图中：

图1示出了本发明的实施方式；

图2示出了安装在接地面的端部并由一个终端驱动的作为非平衡天线的本发明实施方式；

图3示出了与图2相同的设置，但是天线由不同的终端驱动；

图4示出了具有用于每对导体的分离接合点的可选轨迹布局；

图5示出了具有无端接的(unterminated)传导轨迹的实施方式；

图6示出了具有寄生传导轨迹的实施方式；

图7示出了合并不同宽度的传导轨迹的实施方式；

图8示出了平铺的配置；

图9和10示出了可选的平铺(tiled)配置；

图11示出了用于驱动片材天线的若干可选方法：

11a平衡的、边缘-中心驱动有共面片材；

11b平衡的、拐角驱动有共面片材；

11c平衡的、边缘-中心驱动有非共面片材；

11d平衡的、拐角驱动有平行平面中的片材

11e非平衡的、拐角驱动有与接地面平行的片材

图12至15示出了依次由其四个端口中的每个驱动的示例性片材型天线的频率响应；以及

图16至23示出了在所示的三种不同配置中的两个平铺的芯片型天线的回波损耗(return loss)的绘图。

具体实施方式

图1示出了作为芯片型天线的本发明的典型实施方式，在芯片型天线中绝缘基底1支撑多个传导元件3、5、7、9，每个传导元件3、5、7、9在内端连接到公共接合点2。每个传导元件3、5、7、9的外端4、6、8、10终止于基底1的外边缘附近的位置处。在这个示例性实施方式中，导体分支数为四，但是根据应用的需要可以利用任何数目的分支。

图2示出了如本文所述紧邻传导接地面20安装的天线结构。该天线结构的平面可以与接地面的平面共面或正交。射频发射器或接收器21被连接在天线结构与接地面20之间。这种连接被象征性示出，但是在实际的实施方式中，将根据天线预期的频率和功率电平利用射频传输线(例如同轴电缆、微带线或共面波导)的方便形式来进行该连接。

图3示出了与图2中的天线结构相同的天线结构，但是该结构被旋转以使终端10紧邻接地面20。在这个配置中，天线的谐振频率不同于图2中所示的配置的谐振频率。天线结构可被进一步旋转并在终端8与地面之间或终端6与地面之间馈电。在所描述的四种配置的每一种配置中，天线有效运行的频带可根据传导元件的长度和配置而不同。这意味着单一设计的天线模块能在用于四种不同的工作频率需求的四种不同配置中使用。因此，由于一种设计即使当工作频率需求不同时也能在不同的应用中使用，所以当生产大量天线模块时将会有显著的成本节约。当依次由每个终端馈电时，天线结构的谐振频率和运行带宽能通过适当地选择传导元件3、5、7、9的长度、公共接合2的位置以及基底1的维度来调整或优化。

在图1、2以及3所示的示例性实施方式中，四个传导元件3、5、7、9聚集在单个接合点2处，但是在其它的实施方式中，这些传导元件可以以如图4中例示的任何其它分支图案(其具有两个接合点2′和2″)连接或者通过分支图案的任何组合连接。可选择分支和终端的总数以满足应用的需求。还可通过添加一个或多个不终止于连接点的分支12(图5)或者通过添加可选择地连接到终端点的未馈电(寄生)传导组件13(图6)来调整天线的特性。

传导组件的相对布置可选地可根据待实现的性能需求来选择以减少或增强它们之间的电磁耦接。

传导组件的宽度可选地对于每个组件均相同，但是在一些应用中，如果一些传导组件或者一些传导组件的分段设有如通过图7中的实施例示出的不同的宽度，也可发现优势。这种设计的自由度允许会获得众多的性能特性。

图8至10示出了本发明的实施方式中的一对片材形天线模块如何能以三种不同的方式串联连接来形成三种不同的复合天线结构。每个模块100包括带有传导通路的基底1，该传导通路具有发源于公共接合点2并终止于各个终端A、B、C以及D的四个臂或分支。

本发明的实施方式不限于占据正方平面区域的天线而同样能设计形成其他形状。这些形状可包括三角形、矩形、六边形或其他任意对称或不对称的形状。为了提供所需的频率响应或为了适应应用平台可用的空间，可发现将传导组件设为设置在多于一个平面中是方便的。

在图1至10中所示的实施方式是通过将终端设置在正方形芯片的每一侧的中点处的实施例的方式示出的。应该领会这种设置是通过示例的方式，并且其它设置也同样可行，包括终端位于正方形芯片的拐角处或多个终端位于结构的一个或多个边缘处的设置。

传导组件可具有直线或曲线的形式。它们可与在图1中示出的笛卡尔格(Cartesian grid)对齐或者可进行任何所需的对准。任何实际天线的布局将根据所使用的设计方法而不同，并且通常限定一些参数以便简化设计任务。实施本发明的实际设备的设计可利用电磁模拟计算机程序，可选地与遗传优化算法结合方便地完成。

可通过将如电感器、电容器、电阻器、晶体管或交换器的无源电子组件单独或组合地与一个或多个传导元件串联或在不同的传导元件之间连接来获得设置的性能的其他变化。

在图8中示出了本发明的另一实施方式，其中如在图1中所示的两个芯片型天线以每个芯片上的传导图案对齐从而形成公共接合点的方式放置在一起。将会看到两个芯片的组装提供了传导组件的延伸的分支图案，其将具有另一组电性能，仍依赖于使用何种外部终端来激励传导结构。单个天线结构上的传导图案没有任何变化，在这个配置中芯片型天线可以八种不同的方式平铺(下部芯片的四个方位中的每个与上部芯片的四个方位组合)。这些方式之一在图9中通过实例的方式示出。应该理解如果单个芯片上的终端均关于芯片的几何轴线对称放置，那么可能的设置的灵活性更大。

在图10中示出了另一实施方式，其中两个芯片以并肩设置平铺。这种设置有八个变体，但是这些设置中的一些将彼此具有相同的电性能。

可通过将有源或无源电子组件与芯片之间或者一个或多个芯片的外部终端之间的互连件串联连接来获得这些设置的性能中的另一些变化。

在图11中示出了单个芯片的另外一些可能的实施方式。图11a示出了如图1中所述的一对芯片被设为平衡天线。在图11b中，传导元件的终端位于芯片的拐角处而不是如图1和图11a中位于其侧面的中点处。在图11c中，芯片被设为其平面彼此大体上成直角，而在图11d中它们被放在平行的平面中。图11e示出了非平衡的馈电设置，其中芯片的平面被定向为与下方的接地面平行。

应该理解在前述段落中描述的设置中的每一种能通过以平铺图案将附加的芯片互连来广义化。

样本性能数据

本发明的示例性实施方式的性能已被计算以展示在本文中所描述的发明的潜力。用于这个目的的基本芯片为7.5mm×7.5mm×0.8mm(h×w×d)，并且传导元件具有约按图1中的比例示出的图案。芯片被安装在矩形传导接地面的一个拐角附近，并与该矩形传导接地面共面，该矩形传导接地面的尺寸为40mm×60mm×0.1mm。对于单个芯片型天线以及一个或两个已连接的芯片在利用不同的馈电终端的若干不同情况下来计算该天线结构的回波损耗。这些结果在图12-23中示出并总结在表1中。在示例性结构上没有进行优化；自然示例性提供的结果旨在作为“概念的证据”，而不以任何方式呈现本发明的限制。

表1

Claims (36)

1.一种用于天线系统的模块，所述模块包括电介质支座和形成在所述支座上或所述支座中的分支电传导通路，所述通路包括至少三个臂，每个臂具有近端和远端，所述近端联接在一起或者每个所述近端连接到所述至少三个臂中的至少另一个臂，并且所述远端彼此分离并被配置为终端。

2.如权利要求1所述的模块，其中所述臂通过蚀刻、印刷或其它处理形成并且由所述电介质支座支撑。

3.如权利要求1或2所述的模块，其中所述至少三个臂的所述近端在公共接合点处联接在一起。

4.如权利要求1或2所述的模块，其中所述近端中的至少两个在公共接合点处联接在一起，并且其它近端在其它位置处连接到所述通路。

5.如前述权利要求中的任一项所述的模块，包括至少另一个臂或组件，所述至少另一个臂或组件具有无端接的或未配置为终端的远端。

6.如前述权利要求中的任一项所述的模块，包括至少另一个臂或组件，所述至少另一个臂或组件具有无端接的并被配置为寄生组件的近端。

7.如权利要求6所述的模块，其中至少一个寄生组件具有终止于连接终端处的远端。

8.如前述权利要求中的任一项所述的模块，其中所述臂中的全部都具有相同的宽度。

9.如权利要求1至7中的任一项所述的模块，其中至少一个臂具有与其他臂不同的宽度。

10.如前述权利要求中的任一项所述的模块，其中所述传导通路被形成于大致一个平面上。

11.如权利要求1至9中的任一项所述的模块，其中所述传导通路被形成在多于一个平面上。

12.如前述权利要求中的任一项所述的模块，其中所述模块以多个模块能连接在一起、一个模块的终端被连接到另一模块的终端的方式，在所述模块的边缘、拐角或表面处被配置有所述至少三个臂的所述远端。

13.如从属于权利要求5或6的权利要求12所述的模块，其中所述至少另一个臂或组件具有不位于所述模块的边缘或拐角处的远端。

14.如前述权利要求中的任一项所述的模块，其中所述电介质支座成型为正方形片材。

15.如权利要求1至13中的任一项所述的模块，其中所述电介质支座成型为三角形、矩形、六边形或者任何其它规则的或不规则的几何形状。

16.如前述权利要求中的任一项所述的模块，其中所述传导通路具有直线或曲线配置。

17.如前述权利要求中的任一项所述的模块，其中至少一个臂被设在基底的顶面上，以及至少一个臂被设在所述基底的底面上。

18.如权利要求17所述的模块，其中在所述基底的相对面上的臂由穿过所述基底的传导连接件来连接。

19.如权利要求17或18所述的模块，包括第一和第二传导通路，分别位于所述基底的相对面上，并且其中所述第一和第二传导通路被对称设在由所述基底的平面限定的镜面中。

20.如前述权利要求中的任一项所述的模块，其中至少一个无源电子元件与所述臂中的任意臂串联或并联连接。

21.如前述权利要求中的任一项所述的模块，其中至少一个无源电子元件被连接在所述至少三个臂中的任意臂之间。

22.如前述权利要求中的任一项所述的模块，其中至少一个有源电子元件被连接在所述至少三个臂中的任意臂之间。

23.一种包括多个如权利要求1至22中的任一项所述的天线模块的天线系统，每个模块的至少一个终端电连接到相邻模块的至少一个终端。

24.如权利要求23所述的天线系统，其中并非所有的组分天线模块都具有同样配置。

25.如权利要求23或24所述的天线系统，其中组分天线模块被设在一个平面中

26.如权利要求23或24所述的天线系统，其中组分天线模块被设在多于一个平面中

27.如权利要求23至26中的任一项所述的天线系统，其中所述天线模块通过至少一个流电式连接件或电容式连接件被连接在一起。

28.如权利要求23至27中的任一项所述的天线系统，其中组分天线模块的尺寸被设置为使得不论其相互定位而方便连接。

29.如权利要求23至28中的任一项所述的天线系统，其中至少一个天线模块的输入是打开的或未连接的，并且所述天线系统寄生地或以非直接驱动的方式被馈电或供给能量。

30.如权利要求23至29中的任一项所述的天线系统，其中所述终端中的至少一个设有接地连接件。

31.如权利要求23至30中的任一项所述的天线系统，被放在至少一个印刷电路板或印刷线路板上。

32.如权利要求23至31中的任一项所述的天线系统，被馈电作为与传导接地面结合运行的非平衡天线。

33.如权利要求23至30中的任一项所述的天线系统，包括至少两个天线模块并被馈电作为平衡天线。

34.如权利要求23至33中的任一项所述的天线系统，其中所述天线模块的所述臂的尺寸和配置被设置使得所述天线系统的工作频率可通过将所述系统的所述终端中的至少一个终端连接到射频传输线来选择。

35.一种参考附图中的图1至23大体上如前文所描述的或者如在附图中的图1至23所示的天线模块。

36.一种参考附图中的图1至23大体上如前文所描述的或者如在附图中的图1至23所示的天线模块。

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