CN102439790A - 多模天线结构 - Google Patents

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CN102439790A CN2010800216491A CN201080021649A CN102439790A CN 102439790 A CN102439790 A CN 102439790A CN 2010800216491 A CN2010800216491 A CN 2010800216491A CN 201080021649 A CN201080021649 A CN 201080021649A CN 102439790 A CN102439790 A CN 102439790A
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M.T.蒙特戈梅里
M.W.基什勒
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Abstract

提供了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到天线结构以及从天线结构传送的信号的电路系统。所述天线结构包括：多个天线端口，其用于耦合到电路系统；多个天线元件，每一个天线元件可操作地耦合到不同的天线端口；以及多个连接元件。这些连接元件中的每一个电连接相邻天线元件，从而这些天线元件和连接元件设置在天线结构的外围附近并且形成单个辐射结构。一个天线元件上的电流流到连接的相邻天线元件并且大体上绕过耦合到相邻天线元件的天线端口，从而在给定的希望的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。

Description

多模天线结构
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年3月19日提交的题为MULTIMODE ANTENNA STRUCTURE（多模天线结构）的美国临时专利申请No.61/161669的优先权，该文献特此通过引用加以结合。本申请也是2008年4月8日提交的题为MULTIMODE ANTENNA STRUCTURE（多模天线结构）的美国专利申请No.12/099320（待作为美国专利No.7688273发布）的部分续案，该文献又是2007年6月27日提交的题为MULTIMODE ANTENNA STRUCTURE（多模天线结构）的美国专利申请No.11/769565（待作为美国专利No.7688275发布）的部分续案，后者又基于2007年4月20日提交的题为MULTIMODE ANTENNA STRUCTURE（多模天线结构）的美国临时专利申请No.60/925394以及2007年5月8日提交的题目也是MULTIMODE ANTENNA STRUCTURE（多模天线结构）的美国临时专利申请No.60/916655，所有这些文献也特此通过引用加以结合。
背景技术
本发明总体上涉及无线通信设备，更特别地涉及用于这样的设备中的天线。
许多通信设备具有密集封装在一起（例如相隔少于1/4波长）并且可以在相同的频带内同时操作的多个天线。这样的通信设备的常见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（PDA）以及用于个人计算机（PC）的数据卡或无线联网设备。许多系统架构（例如多输入多输出（MIMO））和用于移动无线通信设备的标准协议（例如用于无线LAN的802.11n，以及诸如802.16e（WiMAX）、HSDPA和1xEVDO之类的3G数据通信）要求多个天线同时操作。
发明内容
根据一个或多个实施例，提供了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到天线结构以及从天线结构传送的信号的电路系统。所述天线结构包括：多个天线端口，其用于耦合到电路系统；多个天线元件，每一个天线元件可操作地耦合到不同的一个天线端口；以及多个连接元件。连接元件中的每一个电连接相邻天线元件，从而天线元件和连接元件设置在天线结构的外围附近并且形成单个辐射结构。一个天线元件上的电流流到连接的相邻天线元件并且大体上绕过耦合到相邻天线元件的天线端口，从而在给定的希望的信号频率范围由一个天线端口激励的天线模式大体上与由另一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。
根据一个或多个另外的实施例，提供了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到天线结构以及从天线结构传送的信号的电路系统。所述天线结构包括：多个天线端口，其用于耦合到电路系统；以及多个天线元件，每个天线元件可操作地耦合到不同的一个天线端口。所述多个天线元件设置在天线结构的外围周围。所述天线结构也包括连接元件，该连接元件将天线元件电连接到公共点以便形成单个辐射结构。一个天线元件上的电流流到另一天线元件并且大体上绕过耦合到所述另一天线元件的天线端口，从而在给定的希望的信号频率范围由一个天线端口激励的天线模式大体上与由另一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。
根据一个或多个另外的实施例，提供了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到天线结构以及从天线结构传送的信号的电路系统。所述天线结构包括：多个天线端口，其用于耦合到电路系统；以及多个天线元件，每个天线元件可操作地耦合到不同的一个天线端口。每个天线元件包括大体上平行且隔开的上和下平坦部分以及连接上和下部分的侧面部分。所述天线结构也包括一个或多个连接元件，每个连接元件在所述平坦部分之一电连接相邻天线元件，使得这些天线元件形成单个辐射结构。一个天线元件上的电流流到连接的相邻天线元件并且大体上绕过耦合到所述相邻天线元件的天线端口。流过所述一个天线元件和相邻天线元件的电流大体上是量值相等的，从而在给定的希望的信号频率范围由一个天线端口激励的天线模式大体上与由另一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。
在下面的详细说明中提供了本发明的各个不同的实施例。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，并且可能能够在各个不同的方面对其若干细节进行修改，所有的修改都不脱离本发明。因此，附图和描述应当被认为本质上是说明性的，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明。
附图说明
图1A举例说明了具有两个平行偶极天线的天线结构。
图1B举例说明了由图1A的天线结构中的一个偶极天线激励产生的电流。
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由连接元件连接的平行偶极天线的天线结构。
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是举例说明集总元件阻抗在两个端口处匹配的图2B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由蜿蜒（meandered）连接元件连接的平行偶极天线的天线结构。
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是示出了针对特定偶极天线宽度尺寸的图6A的天线结构的散射参数的曲线图。
图6C是示出了针对另一偶极天线宽度尺寸的图6A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谐天线结构。
图10A和图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，所述连接元件置于沿着天线元件长度的不同位置。
图10C和图10D分别是举例说明图10A和图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谐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可以安装在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天线结构的天线和功率放大器组合器应用。
图20A和图20B举例说明了根据本发明一个或多个另外的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举例说明了用来测量图20A和图20B的天线的性能的测试组件。
图20D-20J举例说明了图20A和图20B的天线的测试测量结果。
图21A和图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和图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举例说明了用来测量图21A和图21B的天线的性能的测试组件。
图23B-23K举例说明了图21A和图21B的天线的测试测量结果。
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-25G举例说明了图25A的天线的测试测量结果。
图26举例说明了根据本发明一个或多个实施例的天线结构的作为馈电点之间的相角差的函数的增益优势。
图27A是举例说明简单的双频带支线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是举例说明岔线（spurline）带阻滤波器的示意图。
图27D和图27E是举例说明图27A的天线结构中的频率抑制的测试结果。
图28是举例说明根据本发明一个或多个实施例的具有频带抑制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频带抑制开缝的替换天线结构。
图29B和图29C举例说明了图29A的天线结构的测试测量结果。
图30A举例说明了根据一个或多个实施例的可在单频带中工作的具有三个端口的示例性圆柱形天线。
图30B举例说明了图30A的天线的截面。
图30C是图30A的天线的VSWR的曲线图。
图30D是图30A的天线的端口-端口耦合的曲线图。
图30E是图30A的天线的实现的辐射效率的曲线图。
图30F是图30A的天线的天线方向图之间的相关性的曲线图。
图30G是图30A的天线的方位平面上的辐射方向图的曲线图。
图30H是在具有和没有电缆扼流圈的情况下图30A的天线的方位平面上的辐射方向图的曲线图。
图30I是在具有和没有电缆扼流圈的情况下图30A的天线的φ=90高程面上的辐射方向图的曲线图。
图31A举例说明了根据一个或多个实施例的可在单频带中工作的具有三个端口的冲压金属天线。
图31B举例说明了使用图31A的天线的PCB组件。
图31C是图31A的天线的VSWR的曲线图。
图31D是图31A的天线的端口-端口耦合的曲线图。
图31E是图31A的天线的实现的辐射效率的曲线图。
图31F是图31A的天线的天线方向图之间的相关性的曲线图。
图31G是图31A的天线的方位平面上的辐射方向图的曲线图。
图32A举例说明了根据一个或多个实施例的可在多频带中工作的具有三个端口的圆柱形天线。
图32B和图32C举例说明了使用图32A的天线的有电缆的天线组件。
图32D是图32A的天线的散射参数的曲线图。
图32E和图32F是不同频率范围内图32A的天线的实现的辐射效率的曲线图。
图32G和图32H是不同频率范围内图32A的天线的峰值增益的曲线图。
图33A举例说明了根据一个或多个实施例的可在单频带中工作的具有四个端口的多模天线。
图33B是图33A的天线的VSWR的曲线图。
图33C是图33A的天线的端口-端口耦合的曲线图。
图33D是图33A的天线的实现的辐射效率的曲线图。
图34A举例说明了根据一个或多个实施例的可在单频带中工作的具有两个端口的冲压金属天线。
图34B举例说明了图34A的天线的顶视图。
图34C举例说明了图34A的天线的底视图。
图34D举例说明了使用图34A的天线的测试组件。
图34E是图34A的天线的VSWR的曲线图。
图34F是图34A的天线的端口-端口耦合的曲线图。
图34G是图34A的天线的实现的辐射效率的曲线图。
图34H是图34A的天线的天线方向图之间的相关性的曲线图。
图34I是图34D的测试组件的端口1产生的方位平面上的辐射方向图的曲线图。
图34J是图34D的测试组件的端口1产生的φ=0高程面上的辐射方向图的曲线图。
图34K是图34D的测试组件的端口1产生的φ=90高程面上的辐射方向图的曲线图。
图34L是图34D的测试组件的端口2产生的方位平面上的辐射方向图的曲线图。
图34M是图34D的测试组件的端口2产生的φ=0高程面上的辐射方向图的曲线图。
图34N是图34D的测试组件的端口2产生的φ=90高程面上的辐射方向图的曲线图。
图35A举例说明了根据一个或多个实施例的可在多频带中工作的具有两个端口的冲压金属天线。
图35B举例说明了图35A的天线的高频和低频模式。
图35C举例说明了使用图35A的天线的测试组件。
图35D是图35A的天线的散射参数的曲线图。
图35E是图35A的天线的实现的辐射效率的曲线图。
图35F是2450MHz下图35C的测试组件的端口1产生的方位平面上的辐射方向图的曲线图。
图35G是2450MHz下图35C的测试组件的端口1产生的φ=0高程面上的辐射方向图的曲线图。
图35H是2450MHz下图35C的测试组件的端口1产生的φ=90高程面上的辐射方向图的曲线图。
图35I是5150MHz下图35C的测试组件的端口1产生的方位平面上的辐射方向图的曲线图。
图35J是5150MHz下图35C的测试组件的端口1产生的φ=0高程面上的辐射方向图的曲线图。
图35K是5150MHz下图35C的测试组件的端口1产生的φ=90高程面上的辐射方向图的曲线图。
图36A举例说明了根据一个或多个实施例的可在多频带中工作的具有四个端口的天线。
图36B是图36A的天线的散射参数的曲线图。
图36C是图36A的天线的实现的辐射效率的曲线图。
具体实施方式
根据本发明的不同实施例，提供了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到天线结构以及从天线结构传送的信号的电路系统。该天线结构包括可操作地耦合到电路系统的多个天线端口和多个天线元件，每个天线元件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天线元件的连接元件，以便在给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（pattern）表现出具有低相关性的明确的方向图多样性。
根据本发明不同实施例的天线结构在需要密集封装一起（例如相隔小于1/4波长）的多个天线的通信设备中是特别有用的，包括在其中超过一个天线同时且特别地用于相同频带内的设备中是特别有用的。其中可以使用天线结构的这样的设备的常见实例包括例如蜂窝手机等的便携式通信产品、PDA以及PC的数据卡或无线联网设备。天线结构还对需要同时操作的多个天线的例如MIMO等的系统架构和移动无线通信设备的标准协议（例如用于无线LAN的802.11n，以及诸如802.16e（WiMAX）、HSDPA和1xEVDO之类的3G数据通信）特别有用。
图1A-1G举例说明了天线结构100的操作。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，尤其是具有长度为L的平行偶极天线（dipole）102、104的天线结构100。偶极天线102、104由距离d间隔开，并且不通过任何连接元件连接。偶极天线102、104具有近似对应于L=λ/2的基波谐振频率。每个偶极天线与独立的发射/接收系统相连接，所述发射/接收系统可以在相同的频率上操作。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，其在该实例中为50欧姆。
当一个偶极天线发射信号时，由该偶极天线发射的一些信号可以直接耦合到相邻的偶极天线。耦合的最大量通常出现在该单独偶极天线的半波谐振频率附近，并且当使得间隔距离d更小时，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%将因为该功率量直接耦合到相邻天线中而损失。也存在有害的系统效应，例如连接到相邻天线的接收器饱和或灵敏度降低（desensitization），或者连接到相邻天线的发射器的性能退化。与由单独的偶极天线生成的增益方向图相比，相邻天线上感应的电流将使得增益方向图变形。已知该效应降低由偶极天线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定的方向图多样性，但是其具有如上所述的有害系统影响。
因为强耦合，天线无法独立运行，并且可被看作是具有两对终端或端口的天线系统，所述两对终端或端口对应于两个不同的增益方向图。使用任意一个端口基本上涉及包括两个偶极天线的整个结构。相邻偶极天线的寄生激励使得在紧密的偶极天线间隔中实现了多样性，但是偶极天线上激励的电流经过源阻抗，并且因此在端口之间表现出相互耦合。
图1C举例说明了用于模拟的与图1所示的天线结构100相对应的模型偶极天线对。在该实例中，偶极天线102、104具有1mm×1mm的方形截面和56mm的长度（L）。 当附接到50欧姆的源时，这些尺寸产生2.45GHz的中心谐振频率。在该频率处的自由空间波长是122mm。图1D示出了针对间隔距离（d）为10mm或大约λ/12的散射参数S11和S12的图形。因为对称性和互易性，所以S22=S11并且S12=S21。为了简单起见，仅示出和讨论了S11和S12。在该配置中，由S12表示的偶极天线之间的耦合达到-3.7dB的最大值。
图1E示出了在端口106被激励并且端口108被被动终止的条件下天线结构的偶极天线104上的垂直电流与偶极天线102上的垂直电流的比率（在图中标识为“量值I2/I1”）。（偶极天线104/偶极天线102）的电流比率最大所在的频率对应于偶极天线电流间具有180度相位差的频率，并且比图1D所示的最大耦合点的频率仅稍高一点。
图1F示出了在激励端口106的情况下针对一些频率的方位增益方向图。这些方向图并非一致地全向的，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，激励端口108而生成的方向图将是端口106的方向图的镜像。因此，方向图从左到右越不对称，方向图在增益量值方面越多样。
方向图之间的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的天线方向图之间的计算的相关性。该相关性远低于Clark模型针对理想偶极天线所预测的。这归因于由相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的操作。两端口天线结构200包括两个紧密间隔的谐振天线元件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所示的包括偶极天线对的天线结构100，但是另外还包括在端口206、208任一侧上的偶极天线之间的水平导电连接元件210、212。两个端口206、208位于与图1天线结构的相同位置。当一个端口被激励时，组合的结构表现出与未附接的偶极天线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偶极天线间隔的天线结构200的示例性模型。该结构大体上具有与图1C所示的天线结构100相同的几何形状，但添加了略微在端口之上和之下的电连接天线元件的两个水平连接元件210、212。该结构在与未附接的偶极天线相同的频率处表现出强谐振，但是具有如图2C所示的非常不同的散射参数。存在耦合的低于-20dB的深度下降（drop－out），以及如S11所指示的输入阻抗的移位。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。匹配网络可以用来改善输入阻抗匹配，并且仍然实现如图2D所示的非常低的耦合。在该实例中，在每个端口和结构之间添加包括串联电感器（其后是分流电容器（shunt capacitor））的集总元件匹配网络。
图2E示出了由激励端口206而引起的偶极天线元件204上的电流与偶极天线元件202上的电流的比率（在图中示为“量值I2/I1”）。该图表明在谐振频率以下，偶极天线元件204上的电流实际上更大。在谐振附近，随着频率的增加，偶极天线元件204上的电流相对于偶极天线元件202上的电流开始减小。最小耦合点（在该情况下是2.44 GHz）出现在两个偶极天线元件上的电流在量值上大体相等的频率附近。在该频率处，偶极天线元件204上的电流的相位滞后偶极天线元件202的大约160度。
不同于没有连接元件的图1C的偶极天线，图2B组合的天线结构200的天线元件204上的电流不会被迫经过端口208的终端阻抗。相反地，如图2A中示出的箭头所指示的那样，产生谐振模式，其中电流向下流过天线元件204，跨越连接元件210、212，并向上流过天线元件202。（注意到该电流流动表示谐振周期的一半；在另一半期间，电流方向是相反的）。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，因此允许在端口206、208之间实现高隔离， 以及（2）两个天线元件202，204上的电流量值是近似相等的，如下文中进一步详细描述的，这允许实现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，所以比具有未附接的偶极天线的图1C的天线结构100的情况产生远远更加定向的方向图（如图2F所示）。当电流相等时，使x（或phi=0）方向上的方向图为零的条件是偶极天线204上的电流相位滞后于偶极天线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，来自偶极天线204的在phi=0方向上传播的场将与偶极天线202的场相位相差180度，并且因此二者的组合在phi=0方向上为零。
在图2B的模型实例中，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，因此朝向phi=0具有零和朝向phi=180具有最大增益的定向方位辐射方向图的条件是偶极天线204上的电流滞后偶极天线202上的电流150度。在谐振处，电流接近于该情况（如图2E所示），这解释了方向图的方向性。在激励偶极天线204的情况下，辐射方向图是与图2F的辐射方向图相对的镜像，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联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且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，可以维持所期望的隔离量的频率或带宽通过适当地配置连接元件而控制。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，其中将曲件（meander）添加到连接元件310、312的交叉连接路径上。这具有增大两个天线元件302、304之间的连接的电长度和阻抗的总体效果。在图3B、图3C、图3D和图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，物理长度上的变化没有显著改变结构的谐振频率，但是存在S12的显著变化，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，有可能通过改变连接元件的电气特性优化或改善隔离性能。
根据本发明不同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，根据本发明的不同实施例，有可能将所述结构扩展为包括多于两个端口。在每个天线元件处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。连接元件在感兴趣频率或频率范围处在两个天线元件之间提供电连接。虽然天线在物理上和电气上是一个结构，但是可以通过将其考虑成两个独立的天线来解释其操作。对于诸如天线结构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，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单极天线。还有可能使用更高阶模式。例如，由四分之一波单极天线形成的结构还表现出双模天线性能，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，天线元件可以像在半波中心馈电偶极天线中那样为互补四分之一波元件。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、蜿蜒形状、环以及诸如平面式倒F天线（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应当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。这通常是简化设计所期望的，当天线性能要求对于到任一个端口的连接相同时，尤其如此。
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，较宽带宽元件可以用来为例如在图6A、图6B和图6C中所示的组合结构的模式产生较宽的带宽。图6A举例说明了包括两个偶极天线602、604的多模天线结构600，所述两个偶极天线602、604通过连接元件606、608连接。每一个偶极天线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。如图所示，将W从1 mm增加到10 mm，同时保持其他尺寸大体相同，导致天线结构的更宽的隔离带宽和阻抗带宽。
还发现天线元件之间间距的增加将增大天线结构的隔离带宽和阻抗带宽。
通常，连接元件处于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。
如同其在天线元件作为分离的天线而操作的情况下可能的那样，端口位于天线元件的馈电点。匹配元件或结构可以用来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合并到印刷电路板中的平面结构。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单极天线。然而，天线元件可以是产生等效的有效电长度的任何几何形状。
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以用来产生具有双谐振频率并且因此具有双操作频率的组合天线结构。图8A示出了多模偶极天线结构800的示例性模型，其中偶极天线元件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。偶极天线元件具有与两个不同的指状元件长度的每一个相关联的谐振频率，因此表现出双谐振。类似地，如图8B所示，使用双谐振偶极天线悬臂的多模天线结构也表现出获得高隔离（或小S21）的两个频带。
根据本发明的一个或多个实施例，提供了图9所示的多模天线结构900，其具有可变长度的天线元件902、904，从而形成可调谐天线。这可以通过借助于每一个天线元件902、904处的诸如RF开关906、908之类的可控设备改变天线元件的有效电长度来实现。在该实例中，可以断开开关（通过操作可控设备）以产生较短的电长度（用于较高频率的操作），或者可以闭合开关以产生较长的电长度（用于较低频率的操作）。包括高隔离特性的天线结构900的操作频带可以通过一致地调谐两个天线元件进行调谐。该方法可用于改变天线元件的有效电长度的各种方法，包括例如使用可控电介质材料、向天线元件加载诸如MEM设备、变容二极管或可调谐电介质电容器之类的可变电容器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，其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，端口在天线元件的谐振频率附近的频率处是隔离的。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，可以增大连接元件的电长度以扩大隔离超过特定值的带宽。例如，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。通过增大电长度，在最小S21增加到-15dB的情况下可以获得新的响应，但对于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，连接元件可以具有变化的几何形状，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隙是3mm。图10C示出了该结构的散射参数，表明在该配置中在1.15 GHz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表现了大约1.50 GHz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并断开开关1112的方式可以选择频率f1。通过关闭开关1112并断开开关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导电连接元件耦合的分离的天线元件（所述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例如可以通过金属冲压的方式制造。例如可以使用0.2mm厚的铜合金片制造。天线结构1500包括在该结构质心的连接元件上的拾取特征（feature）1510，所述拾取特征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安全装置中。天线结构可以被配置成例如在从2300到2700 MHz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蜿蜒单极天线。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2350 MHz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的金属化部分来产生。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片形成。
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片或者通过在塑料载体1702上的FPC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包括连接相邻天线元件的导电环。天线元件使用公共地网或衬套1810平衡，所述公共地网或衬套1810是单个的中空导电圆柱。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绕成圆柱的单个柔性印刷电路构造，并可以封装在圆柱状塑料外壳中以提供代替三个分离天线的单个天线组件。在一个示例性的布置中，圆柱的直径是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，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天线元件的三个分离的偶极天线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不对称地或不等间隔地布置天线元件。
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和图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WiMAX USB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天线。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6000 MHz的频率。
天线结构2000例如可以通过金属冲压的方式来制造。例如，可以由0.2 mm厚的铜合金片制成。天线结构2000包括通常位于该结构的质心的连接元件2002上的拾取特征2003，所述拾取特征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相兼容。天线的馈电点2006提供了与PCB上无线电电路系统的连接点，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举例说明了测试组件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 x 88 mm的PCB 2011上。PCB 2011的接地部分附接于较大的金属片2012（在该实例中具有165 x 254 mm的尺寸），代表笔记本式计算机的典型地网尺寸。PCB 2011上的测试端口2014、2016通过50欧姆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6000 MHz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）的激励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。有利地的是在所关心频率处方向图之间的相关性较低，同时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和图20J分别示出了在频率3500和5200 MHz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和图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2400 MHz的WiMAX频带内运行。
天线结构2100包括两个天线元件2102、2104，每一个都包括蜿蜒单极天线。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2350 MHz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的金属化部分产生。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固定到载体2101的卡脚2105。2103的金属化部分包括暴露部分或垫2108，用于将天线电接触至PCB上的电路系统。
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2600 MHz的中心频率。因为元件2202、2204末端的金属化已经被除去，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和图21B的天线2100的测试组件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的感兴趣频率处，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。有利地是在感兴趣频率处方向图之间的相关性很低，同时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）产生的方向图不同于且互补于由测试端口2304（端口2）产生的方向图。
图23G示出了测量于组件2300的测试端口的VSWR，所述组件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辐射效率。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。有利地是在感兴趣频率处方向图之间的相关性很低，同时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（beam pointing）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。  
Figure 925350DEST_PATH_IMAGE002
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，从而控制广播或接收最大信号的方向。
传统阵列天线的元件间间距通常是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表现出高隔离。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电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，传统天线中的相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的相应天线端口。
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提供了由密集间隔的二维传统偶极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电单元件天线产生的天线方向图，而虚线表示由两个分离单极传统天线产生的天线方向图，其中所述两个分离单极传统天线由等于单元件隔离馈电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，当与两个分离的传统偶极天线进行比较时，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控制。该特性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天线示出了α=0（零度相位差）时均一方位方向图（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天线示出了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天线示出了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天线示出了α=90（在馈电点间90度相位差）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天线示出了α=120（在馈电点间120度相位差）时具有移位的方位方向图（θ=90的图）、更大后叶（backlobe）（在Φ=180处）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天线示出了α=150（在馈电点间150度的相位差）时具有移位的方位方向图（θ=90的图）、甚至更大后叶（在Φ=180处）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天线示出了α= 180（在馈电点间180度的相位差）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分离的偶极天线时的理想增益优势。
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在彼此相邻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简单双频带支线单极天线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缩短部分周围。
流过分支谐振器2704、2706的电流是近似相等的，并且沿开缝2702各侧反向指引。这使得天线结构2700以类似于岔线（spurline）带阻滤波器2720的方式运转（如图27C示意性地示出），该岔线带阻滤波器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，所述天线元件彼此相邻，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，信号发生器在端口2808处驱动天线结构2802，而计量器被耦合到端口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分，而天线元件2804包括天线结构的分集（diversity）接收部分。
由于在具有带阻开缝2812的天线元件2802的端口处的大的失配，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之间的相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1575.42 MHz处并具有20 MHz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和主发射天线元件2908。 GPS接收器（未示出）与分集接收天线元件2910相连接。为了大体上最小化来自主发射天线元件2908的天线耦合，并且为了大体上最大化这些频率处的分集天线辐射效率，主天线元件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，但包括与主要天线源阻抗适当匹配的GPS天线元件，以便在它和GPS接收器之间大体上具有最大功率传输。尽管两个天线元件2908、2910彼此相邻共存，但归因于主发射天线元件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天线元件源电阻的耦合，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。
图30A举例说明了根据本发明另一个实施例的多模天线3000。天线3000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3002、3004、3006使用连接元件3008而连接，该连接元件形成连接相邻天线元件的导电环。天线元件通过公共地网或衬套3010平衡，所述公共地网或衬套是单个中空导电圆柱。天线具有三个同轴电缆3012、3014、3016，其用于将天线连接到通信设备。同轴电缆3012、3014、3016穿过衬套3010的中空内部。包括衬套的天线组件可以由单个柔性印刷电路构造，所述柔性印刷电路由例如具有1/2盎司铜的1密耳（mil）厚聚酰亚胺材料制成。该柔性印刷电路可以卷绕到圆柱（图30A中为了易于说明起见未示出）上并且可以封装在圆柱状塑料外壳中以提供可以代替三个分离的天线的单个天线组件。
天线端口之间的隔离至少部分地取决于连接环3008的特征，包括环的宽度和蜿蜒量。可以针对特定应用调节这些参数以便优化天线性能。对于简单的单极天线元件而言，同轴电缆的连接点处的输入阻抗通常是电容性的并且与端口高度隔离时的50欧姆系统相比具有高阻抗。输入阻抗可以使用本领域中已知的例如具有集总电感器和电容器元件的匹配网络进行转换。然而，同样可能的是在不使用集总匹配元件的情况下使用修改的馈电几何形状获得与50欧姆的良好匹配。对于这点的一个示例性布置是使用感应迹线3018以便将馈电点转移到天线中更远的位置。该技术同时向馈电应用串联电感和阻抗转换以便在同轴电缆的连接点处得到与50欧姆的良好匹配。
四分之一波衬套3010的使用以及通过衬套中心的电缆的路由（routing）用于从天线去耦电缆。然而，可能出现天线与同轴电缆屏蔽外部之间的一些残余耦合。同轴电缆屏蔽外部的电流的激励可能造成来自屏蔽的辐射，从而影响天线方向图，或者可能经由来自电缆的导通路径引入附加的损耗，这两者中的任一个通常都是不希望的。在控制泄漏电流较关键的情况下，可以在天线下面使用附加的四分之一波扼流圈3020。扼流圈3020由在顶部（更靠近天线的末端）开口且在底部封闭的中空导电圆柱形成。电缆屏蔽和扼流圈在电缆离开扼流圈的底部的公共点处电连接，如图30B所示。通过这种方式，扼流圈的开口末端呈现对于沿着电缆向下传导的共模或差模（电缆之间）信号的高阻抗。
图30C-30I给出了一个示例性布置的测量的性能，其中圆柱的直径为12mm并且相距天线元件3002、3004、3006的顶部和衬套3010的底部的距离为39mm，以便在2.5GHz下以端口之间的高隔离操作。除了端口-端口隔离之外，每个端口有利地产生不同的增益方向图，如图30G所示。仅供参考，端口1是到元件3002的连接，如图30A的取向所示。最大增益出现在与连接点相对的方向上，每个天线端口产生旋转120度的名义上相同的心形辐射方向图。
图30H和图30I的曲线图将来自利用和不利用附加的电缆扼流圈3020产生的端口1的辐射方向图进行比较。这展示了利用扼流圈的添加而获得的改进的均匀性和方向图平滑性。
图31A举例说明了根据本发明另一个实施例的多模天线3100。天线3100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3102、3104、3106经由连接元件3108、3110、3112连接。在天线的底部，三个共面调整片（tab）3114、3116、3118用作到天线的连接点并且适合于焊接连接到印刷电路板（PCB）组件。天线的几何形状使得天线优选地可以被切割并且由单片金属形成，例如由0.2mm厚铜合金材料形成。
如图31B所示，天线调整片3114、3116、3118可以附接到PCB 3120，使得天线从PCB的一个边缘延伸。PCB具有至少一个RF接地层，其用作天线的地网，但是也可以用来提供用于每个天线端口的匹配电路系统并且也可以保持其他的组件，包括用于电子设备的通信电路系统。
图31C-31G给出了被设计成在2.5GHz附近的频率区域内操作的一个示例性布置的模拟的性能。对于该布置而言，天线自PCB边缘的长度为28mm，宽度为22mm，并且PCB的尺寸为50×50mm。馈电调整片3114、3116和3118分别连接到端口3、2和1。这三个天线端口中的每一个提供具有有利地为低的VSWR、低的端口-端口耦合和高的辐射效率的天线模式。此外，每个端口产生唯一的增益方向图，其具有与其他任一天线方向图的低相关性。
图32A举例说明了根据本发明另一个实施例的多模天线3200。天线3200包括具有三个端口的多模天线。在该结构中，存在三个对称地设置在圆柱上的大体相同的天线元件3202。每个天线元件3202具有在两个不同频率处形成谐振的两个分支，较长的分支与较低的谐振频率相关联，并且较短的分支与较高的谐振频率相关联。这些天线元件通过天线元件之间的蜿蜒元件3204一起连接成一个结构。天线元件通过公共地网或衬套3206而平衡，所述地网或衬套为单个中空的导电圆柱。
该天线具有用于将天线连接到通信设备的三个同轴电缆3212、3214、3216。同轴电缆的屏蔽电附接到衬套，同时中心导体在每个天线元件上的点3210处附接到天线的底部。同轴电缆3212、3214、3216穿过衬套3206的中空的内部。包括衬套的天线组件可以由单个柔性印刷电路3208构造，所述柔性印刷电路由例如具有1/2盎司铜的1密耳厚聚酰亚胺材料制成。该柔性印刷电路可以卷绕成圆柱并且可以分别如图32B 和图32C所示封装在圆柱形塑料外壳3218、3220中以提供代替三个分离的天线的单个天线组件。
图32D-32H给出了被设计成在频带2.4-2.5GHz和5.15-5.85GHz内操作的一个示例性布置的测量的性能。所述三个天线端口中的每一个提供具有有利地为低的VSWR、低的端口-端口耦合和高的辐射效率的天线模式。此外，每个端口产生唯一的增益方向图，其具有与其他任一天线方向图的低相关性。
图33A举例说明了根据本发明另一个实施例的多模天线3300。天线3300包括具有四个端口的多模天线。在该结构中，存在四个对称地设置在圆柱上的大体相同的天线元件。天线元件3302、3304、3306、3308通过轮辐状交叉部件3310一起连接成一个结构。天线元件通过公共地网或衬套3312而平衡，所述地网或衬套为单个中空的导电圆柱。
有可能使用图30A形式的结构，其中相邻天线元件由沿着圆柱的周长的元件连接，但是具有四个而不是三个单极天线元件。然而，在该布置中，隔离对于相邻天线端口的情况与对于彼此对面放置的天线端口的情况是不同的。这其中的一个原因在于，这两种情况下端口之间的物理距离是不同的。另一个原因在于，天线元件之间的连接在结构的相对侧在天线元件之间不提供直接的路径。相反地，连接路径通过相邻天线元件，并且因而如果针对在相对侧在端口之间的隔离优化了几何形状，那么相邻端口之间的隔离就不是最优的。隔离的差异通常防止了所有四个端口在相同频率下实现最优的隔离。一种改进的解决方案通过使用穿过天线中心轴的元件之间的互连作为图33A的轮辐状交叉部件3310而实现。该结构实现了所有端口之间的更好的隔离响应均匀性。
图33A的天线可以由单个柔性印刷电路构造，所述柔性印刷电路由例如具有1/2盎司铜的1密耳厚聚酰亚胺材料制成。该柔性印刷电路可以卷绕到圆柱上。每个天线元件3302、3304、3306、3308中的开缝允许从顶部将交叉部件3310插入到适当位置并且焊接到天线。交叉部件3310可以由片状金属形成，例如由0.2mm厚铜合金材料形成。可替换地，整个结构可以由金属片冲压并且折叠成所示的配置。同轴电缆可以附接到天线内侧的馈电点3314、3316、3318、3320以便提供将天线连接到通信设备的手段。天线在每个馈电附接点处具有窄导体部分，其用来如上所述将输入阻抗与50欧姆匹配。
图33B、图33C和图33D给出了被设计成在5.15-5.85GHz的频率带内操作的一个示例性布置的测量的性能。每个天线端口提供具有有利地为低的VSWR、低的端口-端口耦合和高的辐射效率的天线模式。此外，每个端口产生唯一的增益方向图，其具有与其他任一天线方向图的低相关性。
图34A、图34B和图34C举例说明了根据本发明一个或多个可替换实施例的多模天线3400。天线3400包括两个天线元件3402、3404，其从如图34B所示的顶侧到如图34C所示的底侧卷绕。底侧包括连接元件3406和馈电点3408和3410。底部表面提供了支撑和电连接到PCB组件的手段。天线3400可以例如通过金属冲压而制造。它可以例如由0.2mm厚铜合金片制成。该天线不需要任何附加的支撑或电介质材料。该天线也与表面安装回流组件相兼容。
天线3400可以例如用在使用2500-2700MHz的WiMAX频带的WIMAX USB安全装置中。用于测试和评估天线3400的这种类型的一个示例性组件示于图34D上。测试PCB组件3420包括用于每个天线端口的二分量集总元件匹配网络。
图34E-34N给出了测试组件3420的测量的性能。每个天线端口提供具有有利地为低的VSWR、低的端口-端口耦合和高的辐射效率的天线模式。此外，每个端口产生唯一的增益方向图，其具有与其他任一天线方向图的低相关性。
图35A举例说明了根据本发明一个或多个可替换实施例的多模天线3500。天线3500包括两个天线元件3502、3504以及由两个条带组成的连接部件3506。天线具有位于底部的两个馈电点3508、3510。底部表面提供了支撑和电连接到PCB组件的手段。天线3500可以例如通过金属冲压而制造。它可以例如由0.2mm厚铜合金片制成。该天线不需要任何附加的支撑或电介质材料。该天线也与表面安装回流组件相兼容。
天线3500被设计用于在两个频带中使用。这通过元件3502、3504的蜿蜒结构来实现。这些元件经由导体的较长感应路径支持较低频率谐振，并且沿着跨曲件之间的间隙的耦合路径支持第二较高频率谐振，如图35B所示。天线3500可以例如在具有2400-2500MHz和4900-6000MHz的可操作频带的802.11a/b/g/n启用设备中使用。用于测试和评估天线3500的这种类型的一个示例性组件示于图35C上。测试PCB组件3520包括用于每个天线端口的二分量集总元件匹配网络。
图35D-35K给出了测试组件3520的模拟的性能。每个天线端口提供具有有利地为低的VSWR、低的端口-端口耦合和高的辐射效率的天线模式。此外，每个端口产生唯一的增益方向图，其具有与其他任一天线方向图的低相关性。
图36A举例说明了根据本发明另一个实施例的多模天线3600。天线3600包括具有四个端口的多模天线。在该结构中，存在四个对称地设置在圆柱上的大体相同的天线元件3602、3604、3606、3608。每个天线元件3602具有在两个不同频率处形成谐振的两个分支，较长的分支与较低的谐振频率相关联，并且较短的分支与较高的谐振频率相关联。这些天线元件通过天线元件之间的轮辐状交叉部件3612一起连接成一个结构。这些天线元件通过公共地网或衬套3610而平衡，所述地网或衬套为单个中空的导电圆柱。
图36A的天线可以由卷绕成圆柱的单个柔性印刷电路构造。轮辐状交叉部件3610可以例如通过焊接到柔性印刷电路而电附接。交叉部件可以由片状金属形成，例如由0.2mm厚铜合金材料形成。同轴电缆可以附接到天线内侧的馈电点以便提供将天线连接到通信设备的手段。
图36B和图36C给出了被设计成在2.4-2.5GHz和5.15-5.85GHz的频率带内操作的一个示例性布置的模拟的VSWR和实现的辐射效率。
虽然图30-36中所示的天线中的每一个具有两个、三个或四个天线元件，但是应当理解的是，每个天线结构可以被配置成包括由连接元件连接的任意数量的天线元件。
此外，应当理解的是，图30、图32、图33和图36中所示的天线可以具有圆柱形配置或者多面体配置（即具有多个平坦的面）。
在本文描述的根据本发明不同实施例的天线中，天线元件和连接元件优选地形成单个集成辐射结构，使得馈送给任一端口的信号激励整个天线以便作为整体辐射，而不是分离的辐射结构辐射。因此，本文描述的技术在不在天线馈电点处使用去耦网络的情况下提供了天线端口的隔离。
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用于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 (32)

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,所述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的信号的电路系统，所述天线结构包括：
多个天线端口，其用于耦合到电路系统；
多个天线元件，每一个天线元件可操作地耦合到天线端口中不同的一个；以及
多个连接元件，每一个电连接相邻天线元件，从而天线元件和连接元件设置在天线结构的外围附近并且形成单个辐射结构，其中一个天线元件上的电流流到连接的相邻天线元件并且大体上绕过耦合到相邻天线元件的天线端口，从而在给定的希望的信号频率范围由一个天线端口激励的天线模式大体上与由另一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.权利要求1的多模天线结构，其中所述多个天线元件包括三个天线元件并且所述多个连接元件包括三个连接元件。
3.权利要求1的多模天线结构，其中所述天线元件通过公共地网平衡。
4.权利要求3的多模天线结构，其中公共地网包括中空的导电圆柱。
5.权利要求4的多模天线结构，其中每个馈电点耦合到通过圆柱延伸的电缆。
6.权利要求5的多模天线结构，进一步包括包含中空的导电圆柱的扼流圈，每个电缆穿过该扼流圈。
7.权利要求6的多模天线结构，其中每个电缆为具有在公共点处电连接到扼流圈的电缆屏蔽的同轴电缆。
8.权利要求1的多模天线结构，其中所述多个连接元件中的每一个具有提供给定电长度的弯曲配置。
9.权利要求1的多模天线结构，其中该多模天线结构由柔性印刷电路构造。
10.权利要求9的多模天线结构，其中将柔性印刷电路卷绕到圆柱上并且封装在圆柱形塑料外壳中。
11.权利要求1的多模天线结构，进一步包括感应迹线，该感应迹线在天线元件上与相应馈电点隔开的位置处耦合到每个天线元件。
12.权利要求1的多模天线结构，其中该天线结构由金属片形成，并且包括多个共面调整片，每个调整片连接到相应的天线元件，这些共面调整片被配置成固定到印刷电路板组件的边缘。
13.权利要求1的多模天线结构，其中每个天线元件具有在两个不同频率形成谐振的不同长度的两个分支。
14.一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，所述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的信号的电路系统，所述天线结构包括：
多个天线端口，其用于耦合到电路系统；
多个天线元件，每个天线元件可操作地耦合到天线端口中不同的一个，所述多个天线元件设置在天线结构的外围附近；以及
连接元件，其将天线元件电连接到公共点以便形成单个辐射结构，其中一个天线元件上的电流流到另一天线元件并且大体上绕过耦合到所述另一天线元件的天线端口，从而在给定的希望的信号频率范围由一个天线端口激励的天线模式大体上与由另一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。
15.权利要求14的多模天线结构，其中所述多个天线元件包括四个天线元件。
16.权利要求14的多模天线结构，其中所述天线元件通过公共地网平衡。
17.权利要求16的多模天线结构，其中公共地网包括中空的导电圆柱。
18.权利要求17的多模天线结构，其中每个馈电点耦合到通过圆柱延伸的电缆。
19.权利要求18的多模天线结构，进一步包括包含中空的导电圆柱的扼流圈，每个电缆穿过该扼流圈。
20.权利要求19的多模天线结构，其中每个电缆为具有在公共点处电连接到扼流圈的电缆屏蔽的同轴电缆。
21.权利要求14的多模天线结构，进一步包括感应迹线，该感应迹线在天线元件上与相应馈电点隔开的位置处耦合到每个天线元件。
22.权利要求14的多模天线结构，其中该天线结构由金属片形成。
23.权利要求14的多模天线结构，其中单极天线元件由柔性印刷电路构造。
24.权利要求23的多模天线结构，其中将连接元件焊接到柔性印刷电路。
25.权利要求14的多模天线结构，其中每个天线元件具有在两个不同频率形成谐振的不同长度的两个分支。
26.权利要求14的多模天线结构，其中连接元件具有轮辐状形状。
27.一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，所述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的信号的电路系统，所述天线结构包括：
多个天线端口，其用于耦合到电路系统；
多个天线元件，每个天线元件可操作地耦合到天线端口中不同的一个，每个天线元件包括大体上平行且隔开的上和下平坦部分以及连接上和下部分的侧面部分；以及
一个或多个连接元件，每个连接元件在所述平坦部分之一电连接相邻天线元件，使得天线元件形成单个辐射结构，其中一个天线元件上的电流流到连接的相邻天线元件并且大体上绕过耦合到所述相邻天线元件的天线端口，流过所述一个天线元件和相邻天线元件的电流大体上是量值相等的，从而在给定的希望的信号频率范围由一个天线端口激励的天线模式大体上与由另一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。
28.权利要求27的多模天线结构，其中所述多个连接元件中的每一个具有提供给定电长度的弯曲配置。
29.权利要求27的多模天线结构，其中所述多个天线元件中的每一个具有提供给定电长度的弯曲配置。
30.权利要求27的多模天线结构，其中该多模天线结构由金属片构造。
31.权利要求27的多模天线结构，其中两个连接元件电连接相邻天线元件。
32.权利要求27的多模天线结构，其中每个天线元件的下平坦部分连接到印刷电路板组件。
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