CN102544700A - 超宽频带天线 - Google Patents

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Abstract

用于通信设备的超宽频带天线，包括在第一端具有电连接的第一折叠分支天线元件和在第一端具有电连接的第二折叠分支天线元件。折叠分支天线元件为三角形状，或者为多边形形状的组合。通过采用本发明，缩小了天线的体积且实现了超宽带宽。

Description

超宽频带天线
技术领域
本发明涉及一种用于通信设备中的小尺寸超宽频带天线装置。
背景技术
随着第二代和第三代无线通信技术的成功，第四代或长期演进(LTE)现在正在开发中。4G/LTE移动通信提供了高数据传输率的宽带多媒体服务。
LTE协议提供了至少为100Mbp的下行链路峰值速率和至少为50Mbp的上行链路峰值速率及少于10ms的RAN来回行程时间。LTE支持从1.4MHz到20MHz的可定标传输带宽并同时支持频分双工(FDD)和时分双工(TDD)。LTE下一步演进为高级LTE并且在3GPP的版本10中被标准化。所述标准包括定义了从语音导向类到支持峰值数据速率的高端终端的5个不同的终端类别。所有的终端将能够处理20MHz的带宽。通过支持如1.4MHz样小的和如20MHz这样大的频谱切片，频谱灵活形得到了提高。IMT系统现在使用的所有频率计划将被使用。
LTE中的一个研究难题为用户设备(UE)和eNODE B之间的接口的宽频率范围如698MHz到2690MHz。如果使用标准的半偶极子或四分之一波长的单极子天线，那么用于低频率范围的天线的尺寸将会是大约21cm或10.5cm。对于应用在用户设备例如移动电话中，这样的尺寸将显得太大。此外，标准偶极子和单极子天线的带宽太窄，不能覆盖4G通信中的工作频带。
人们已经提出并使用了不同的天线设计，其中没有一个具有覆盖698MHz到2690MHz的整个频率范围的超宽频带特性。例如，可以使用其中天线元件由具有两个弯曲部分的线性导体形成的天线元件天线装置，天线元件其中，馈送端子被置于天线元件的预定位置并且天线元件的一个端部接地。天线装置还可以具有由具有四个弯曲部分的线性导体形成的天线元件。通过这种方式，由于单极子天线的天线元件弯曲，所以天线装置能够减小设备面积。
因此，这些是弯曲单极子天线，因而它们相比直的单极天线需要更小的长度。工作于多频带中的分支天线也被应用于手持无线电话中。
分支天线典型地包括置于基板上的一对导电迹线，所述导电迹线用作辐射元件并从馈送点分叉。所述天线一般包括具有一对蜿蜒的辐射元件的扁平基板，辐射元件置于基板上。所述蜿蜒的辐射元件从电连接天线和用户设备中的射频电路的馈送点分叉。每个蜿蜒的辐射元件构造为在各自的频带中谐振。
分支天线可在对4G工作而言太窄的频带内发射和接收电信号。此外，为了减小分支天线的尺寸，一般地需要压缩每个辐射元件的图案蜿蜒图案，这一般将使辐射元件能够工作的频带变窄。为了解决这个问题，可使用包括扁平的电介质基板的天线，在所述基板的表面上设置有一对辐射元件，如导电铜迹线。
辐射元件从电连接器分支到将天线电连接至用户设备(UE)中的射频(RF)电路的馈送点。每个辐射元件在各自的构造成在相应的频带中谐振的电长度上具有相应的图案蜿蜒图案，所述频带优选为一个高频带和一个低频带。电介质基板使用的材料优选地为FR4或聚酰亚胺()。电介质基板应当具有大约2到4之间的介电常数。电介质基板的大小和形状为调谐(tuning)参数。高频带和低频带辐射元件的尺寸可依据电介质基板的空间限制而变化。通过改变高频带和低频带辐射元件的图案蜿蜒图案的形状和构造，可调节天线的带宽。
天线的另一个例子中，主要原理为多频带天线的不同分支以不同的频率谐振。天线分支被连接到共用部分以在天线分支和用户设备的发射收发器电路之间交换信号。第一分支具有一定的长度和构造，以具有第一频带中的谐振频率，第二分支具有一定的长度和构造，以具有第二频带中的谐振频率。例如在制造时，天线的两个频带都被调谐到大约50Ω的阻抗。每个天线分支由相对柔性的电介质膜和由弯曲金属线形成的带状天线构成。金属线能够通过印制、刻蚀或其他合适的方法形成。因为膜为柔性材料，所以印制的膜能够被卷成大致的圆柱形状以作为天线分支使用。依据天线设计考虑，所述圆柱可部分开口或完全封闭。例如，通过所述圆柱直径的变化，天线的带宽能够变化。所述弯曲的金属线在天线分支之间变化使得不同的天线分支在不同的频率谐振。这样，通过选择合适的带尺寸和每个分支的图案，多谐振和多分支能够实现。所述天线分支与单极子天线类似。
遗憾的是，分支天线可发射和接收电线号的频带太窄而难以满足LTE和4G的需要，或者几乎没有余量以考虑用户设备的()环境。此外，为了减小手持天线的大小，一般必须压缩辐射元件的图案蜿蜒图案。
因而，考虑到超宽频带用户设备的需求和用于这样的移动通信设备的传统天线的问题，需要能够工作于LTE或4G频率范围的更小的超宽频带天线。
此外，近年来在除移动通信外的其它领域天线的使用也在增加。例如，机器与机器通信等的工业领域中或患者监视等的医疗设备领域中，对天线的需求不断增加。在追求家庭自动化的过程中家用电器领域对天线的需求也在不断增加。
具有改善的宽带频率特性且尺寸紧凑的天线不仅被移动通信设备所期望，而且也被非移动设备所期望。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供用于超宽频带的无线通信设备中的小尺寸天线。这个目的通过独立权利要求中请求保护的发明被实现。从属权利要求限定了本发明的优选实施例。
本发明意义上的通信设备涉及任何移动设备，如用户设备、移动电话、移动手持装置、手提电脑的无线调制解调器、手提电脑、真空吸尘器等，或非移动设备，如工业机械，家用电器，医疗设备等。因此，本发明意义上的非移动设备涉及使用者一般不想携带或移动的装置，例如，通常是静止装置。在家用电器领域中，咖啡机或冰箱为本发明意义上的非移动设备的例子。
本发明所提出的在通信设备中使用的具有超宽频带的天线包括在第一端具有电连接的第一折叠分支天线元件和在第一端具有电连接的第二折叠分支天线元件，所述天线具有小尺寸超宽带宽天线的优点。
在有利的实施例中，第一折叠分支天线元件和第二折叠分支天线元件从第一端到第二端宽度增加，因为这增加了天线的带宽。
在另一实施例中，所述第一折叠分支天线元件和第二折叠分支天线元件为三角形状，或为三角形、矩形或多边形的组合，这使得便于确定天线的带宽。
在另一实施例中，所述第一折叠分支天线元件和第二折叠分支天线元件为维瓦尔迪(Vivaldi)天线，这使得它们直接作为超宽频带天线制造。
在另一实施例中，所述第一折叠分支天线元件和第二折叠分支天线元件长度不同，这具有增加天线带宽的优点。
在另一实施例中，所述第一折叠分支天线元件调谐为第一频带，且所述第二折叠分支天线元件调谐为第二频带，所述第一频带和第二频带位于从698MHz到2690MHz的范围内，这使得该超宽频带天线可用于LTE/4G中。
在本发明的另一个有利实施例中，所述第一折叠分支天线元件和第二折叠分支天线元件由导电金属制成，优选铜或银，因而它们具有有利的辐射性能。
在另一有利实施例中，所述第一折叠分支天线元件和第二折叠分支天线元件被电连接到印制电路板(PCB)或无线通信设备的底板(chassis)。天线可以直接接触PCB，例如，经由PCB板的RF输入/输出，或间接地接触PCB，例如经由安装在通信设备底板上的RF输入/输出(接地)。
将电介质元件设置在所述第一折叠分支天线元件和第二折叠分支天线元件之间，这具有超宽频带天线能够被制造得更小的优点。同样地，将电介质元件设置在第二折叠分支天线元件的第一端和第二端之间，因而设置在第二折叠分支天线元件产生的回路中，这也具有使得超宽频带天线尺寸更小的效果。
在本发明的另一有利实施例中，所述第一折叠分支天线元件和第二折叠分支天线元件缠绕电介质元件或被印制到电介质元件上以改善天线的机械稳定性。
在本发明的另一有利实施例中，所述第一折叠分支天线元件以90°折叠两次，且所述第二折叠分支天线元件以每次90°折叠三次，这使得所述超宽频带天线尺寸更小。
将所述第二折叠分支天线元件的第二端与其本身电短路并且产生回路，这具有进一步减小所述超宽频带天线尺寸的优点。
在所述超宽频带天线中设置在第一端具有电连接的第三折叠分支天线元件，这具有能够进一步改善电压驻波比(VSWR)或增加带宽的优点。
在本发明的另一有利实施例中，制造超宽频带天线的方法包括以下步骤：将第一折叠分支天线元件的导电金属印制到电介质元件的三个侧面，和将第二折叠分支天线元件的导电金属印制到电介质元件的四个侧面。
附图说明
附图中：
图1示出了具有三角形状的天线元件的双分支天线；
图2示出了图1中双分支天线的另一个视图；
图3示出了具有电介质元件的双分支天线；
图4示出了图3中的天线安装于装置中的电压驻波比；
图5示出了短路的三角形状双分支天线；
图6示出了图5中天线的另一个视图；
图7示出了具有两个电介质元件的短路双分支天线；
图8示出了图7中天线安装于装置中的电压驻波比。
具体实施例
在此提供了基于本发明实施例并参照附图的更加详细的说明。
首先，将描述优选的实施例。然而本发明不应被解释为限于此处所阐述的实施例。相反地提供这些实施例是为了本公开的全面和完整及向本领域技术人员充分地表达本发明的范围。附图中相同的标号始终表示相同的部件。
具体地，这个优选实施例的天线被描述为用于长期演进(LTE)或4G网络中的移动通信设备。然而，可以想到的是，小尺寸的超宽频带天线能够在许多不同的情形中使用，包括固定无线接入，WLAN、WiFi等。
在以下的整个说明中，双分支天线被描述为用于移动通信设备，所述移动通信设备可为用户设备、移动电话、移动手持装置，手提电脑的无线调制解调器等。然而，所述天线也能用于非移动设备中，如家用电器，工业机械，医疗装置等。
如之前描述的，本领域中已知折叠偶极子和单极子被用于减小用户设备或移动装置中所需天线的大小。如已说明的，在LTE和4G的环境中，这些偶极子和单极子天线提供的带宽将不够用。为了实现LTE所必需的宽带宽，如从698MHz到2690MHz，本发明中使用了三角形天线或维瓦尔迪天线。如果它们以常规的方式被采用，那么由于这些超宽频带天线不能嵌入用户设备或移动装置，所以将再次出现尺寸的问题。
在包括下一代无线终端的多个实际应用中，宽频带工作正变得越来越普遍。在这些应用中，一般优选尺寸小并且结构简单的宽频带天线。无线通信系统中有时使用微带贴片天线，因为它们尺寸小，重量轻，剖面低，成本低且易于制造和装配。
维瓦尔迪天线看上去像印制在电路板上的二维喇叭状，即电路板上的导电金属朝着由两个指数图案界定的开口变宽。馈送源(feed)位于开口的相反侧。由于三角形的顶角能够变化，所以三角形天线能够以不同的尺寸实现。有时使用等边三角形。有宽开口的端为辐射侧并且三角形的顶端被馈送。
通过这种方式，维瓦尔迪天线和三角形天线的宽带特性被使用同时保持了天线的小尺寸。这将通过折叠天线元件实现。
众所周知，天线为发射和/或接收电信号的装置。发射天线一般包括馈送组件，馈送组件诱导或激发孔或反射表面以辐射电磁场。接收天线一般包括将入射辐射场会集到产生正比于入射辐射的电信号的收集馈送源的孔或表面。
电压驻波比(VSWR)与天线馈送点和通信装置如用户设备的馈送线或传输线的阻抗匹配相关。为了以最小损失辐射射频能量或以最小损失将接收到的射频能量传送到用户设备的接收器中，用户设备天线的阻抗通常与传输线或馈送点的阻抗相匹配。
传统的用户设备一般采用电连接到收发器的天线，其中收发器连接到内部PCB上的信号处理电路。为了使得天线和收发器之间传输的能量最大，天线和接收器互连使得各自的阻抗大致匹配，即电调谐以在馈送点提供50Ω的阻抗值。
图1示出了三角形状的双分支天线100。第一分支天线元件101和第二分支天线元件102连接到地线103，地线103优选为PCB板。双分支天线100优选地由导电金属制成并由金属带连结到如PCB板的地线。所述天线在地线和分支点之间十分狭窄，从双分支天线100的分支点起，双分支天线元件101和102为二维的三角形状。两个分支天线元件101和102都折叠两次。
第一分支天线元件101从地线103延续直到90°的第一次折叠。第二次折叠是沿相同方向的另一个90°。第二分支天线元件102的第一次折叠出现于第一分支天线元件101的第一次折叠之前并且在第一次折叠的方向分支出。第二分支天线元件102的第一次折叠出现在第一分支天线元件101的第一次折叠之前，并沿分支天线元件101的第一次折叠的方向分支出去。第二分支天线元件102的第一折叠相对于第二分支天线元件102的第一部分成90°，从而使得其与第一分支天线元件101的第一部分平行。第二分支天线元件102的第二次折叠相对于第二分支天线元件102的第二部分成90°，使得第二分支天线元件102的第三部分与第一分支天线元件101的第二部分平行。
图2为图1中的天线100的另一个视图，更清楚的示出了双分支天线100如何固定到所述PCB板103以及折叠分支天线元件101和102如何为三角形状。
所述双分支天线具有两个折叠元件，这进一步增加了超宽频带天线的带宽，并且使得在一个单个天线中同时覆盖LTE的较低波段和较高端波段成为可能。这意味着每个分支能够被设计和调谐，使得移动通信装置内的工作中电压驻波比仍可接受，同时整个天线100具有超宽的带宽。
图3中能够看出，电介质块204能够被使用于双分支天线100的第一分支天线元件101和第二分支天线元件102之间。增加电介质材料使得对于相同的频带，所述天线能够被制造的甚至更小。此外，两个分支天线元件之间具有电介质块，这改善了天线的稳定性。这还允许制造过程中包括环绕电介质块缠绕两个天线元件或使得两个天线元件印制在电介质块上。
电介质元件还能够被插入到由折叠的第二分支天线元件102形成的回路中。
上述天线100的尺寸一般地为50mmx10mmx8mm，从而一般电介质块204的厚度为5mm，接地板/PCB板的尺寸为50mmx100mm。
图4示出了图3中天线在安装于一个装置中时的电压驻波比(VSWR)。在相关的LTE的频率范围698MHz到2690MHz内示出所述电压驻波比。如图4中能够看出的，对于在移动通信装置中使用而言，在所关注的整个频率范围上，所述电压驻波比是可接受的。
图5示出了短路的三角形状的双分支天线300。两个分支在一端连接到地线/PCP板303并且从分支点向前增加宽度。关于分支天线元件301，对于第一分支天线元件301，在这个具体的情形中，其在三角形部分之后折叠并且变成矩形部分，然后矩形部分再次折叠。第二分支天线元件302也是三角形状的，并且在宽度仍然增加的同时被折叠，第二次折叠发生于三角形状的末端。第二折叠后第二分支天线元件为矩形形状。第二分支天线元件302的第二端具有与第一分支天线元件301的三角形部分的电连接，由此产生短路。
图6示出了图5中天线的另一个视图，其中更加清楚的示出了第二分支天线元件302的第二端电连接到第一分支天线元件301的三角形部分。这个短路连接发生于第一分支天线元件301的大约一半高度处。
如图5和图6中能够看出的，第二分支天线元件302由于短路连接304产生了一个回路。
如图8中能够看出的，相比于图4，这导致了天线的电压驻波比得到改善。
图7示出了短路的双分支天线400，其具有插入第一分支天线元件401和第二分支天线元件402之间及插入第二分支天线元件402的折叠回路中的两个电介质块。这些电介质块205、206为降低天线频率响应的可选择特征。第一分支天线元件401和第二分支天线元件402为维瓦尔迪形或三角形的超宽频带天线元件，并在一端连接到地线/PCB板403。在这个实施例中，第二分支天线元件402被短路到其自身，使得其第二端连接第一端，由此产生一个回路。
图7中天线的典型参数为：天线的尺寸为50x10x8mm，电介质的厚度为5mm，接地板的尺寸为50x100mm。
图8中示出了图7中的天线安装于装置中时的电压驻波比(VSWR)。此处能够看出电压驻波比在LTE/4G所使用的频率范围内是合理的。

Claims (15)

1.一种用于通信设备的超宽频带天线(100)，包括：
第一折叠分支天线元件(101)，在第一端具有电连接；
第二折叠分支天线元件(102)，在第一端具有电连接。
2.如权利要求1所述的超宽频带天线(100)，其中，所述第一折叠分支天线元件(101)和第二折叠分支天线元件(102)从第一端到第二端宽度增加。
3.如权利要求1所述的超宽频带天线，其中，所述第一折叠分支天线元件(101)和第二折叠分支天线元件(102)为三角形状，或三角形、矩形或多边形的组合。
4.如权利要求1所述的超宽频带天线，其中，所述第一折叠分支天线元件(101)和第二折叠分支天线元件(102)为维瓦尔迪天线。
5.如权利要求1到4中任一项所述的超宽频带天线，其中，所述第一折叠分支天线元件(101)和第二折叠分支天线元件(102)的长度不同。
6.如权利要求1到5中任一项所述的超宽频带天线，其中，所述第一折叠分支天线元件(101)调谐为第一频带，且所述第二折叠分支天线元件(102)调谐为第二频带，所述第一频带和第二频带在从698MHz到2690MHz的范围内。
7.如权利要求1到6中任一项所述的超宽频带天线，其中，所述第一折叠分支天线元件(101)和第二折叠分支天线元件(102)由导电金属制成，所述导电金属优选为铜或银。
8.如权利要求1到7中任一项所述的超宽频带天线，其中，所述第一折叠分支天线元件(101)和第二折叠分支天线元件(102)被电连接到印制电路板或移动通信设备的底板。
9.如权利要求1到8中任一项所述的超宽频带天线，进一步包括位于所述第一折叠分支天线元件(101)和第二折叠分支天线元件(102)之间的电介质元件(204)。
10.如权利要求1到9中任一项所述的超宽频带天线，进一步包括位于所述第二折叠分支天线元件(102)的所述第一端和第二端之间的电介质元件。
11.如权利要求9或10所述的超宽频带天线，其中，所述第一折叠分支天线元件(101)和第二折叠分支天线元件(102)缠绕电介质元件(204)或被印制到电介质元件上。
12.如权利要求1到11中任一项所述的超宽频带天线，其中，所述第一折叠分支天线元件(101)以90°折叠两次，且所述第二折叠分支天线元件(102)以每次90°折叠三次。
13.如权利要求1到12中任一项所述的超宽频带天线，其中，所述第二折叠分支天线元件的第二端与所述第二折叠分支天线元件电短路。
14.如前述任一项权利要求所述的超宽频带天线，进一步包括在第一端具有电连接的第三折叠分支天线元件。
15.一种制造用于移动通信设备的超宽频带天线的方法，包括如下步骤：
将第一折叠分支天线元件的导电金属印制到电介质元件的三个侧面，
将第二折叠分支天线元件的导电金属印制到电介质元件的四个侧面。
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