CN102655267A - 多频带天线 - Google Patents

Abstract

一种多频带天线(1200，1300)包括基板(1203，1303)，具有第一表面(1204)和第二表面(1307)。第一导电片(1210)位于基板(1203)的第一表面(1204)上，包括第一导电区域(1201)和第二导电区域(1202)，第一导电区域(1201)通过短接元件(1206)接地。第一导电区域(1201)和所述第二导电区域(1202)定位为限定其间的间隙(1205)。天线也具有基板(1303)的第二表面(1307)上的第二导电片(1308)。第二导电片(1308)与馈电端口(1314)的信号端子(1314a)相连，并且定位以提供与第一导电区域(1201)的电容。天线也具有基板(1303)的第二表面(1307)上的第三导电片(1309)。第三导电片(1309)定位以提供与第二导电区域(1202)的电容，以及连接导体(1212，1312)将第三导电片(1309)与第二导电区域(1202)电耦合。

Description

多频带天线

技术领域

本发明涉及多频带天线领域，具体地而非排他地涉及一种紧凑多频带天线，所述紧凑多频带天线通过两个分离的双谐振调谐元件来提供针对两个频带的天线阻抗性质的独立调谐。

背景技术

今天的车辆配备有许多无线设备以便接收无线电和电视广播，用于蜂窝电信和GPS导航信号。在未来，将实现甚至更多的通信系统以用于“智能驾驶”，例如专用的短距离通信(DSRC)。结果，增加了汽车天线的个数，并且小型化要求成为用于减小天线系统的单位成本价格的重要考量。最大的成本是天线和各个电子装置之间的缆线布线；典型地这种缆线布线成本可达每条同轴缆线5欧元。

多个天线通常集中与一个天线单元中，称作“鲨鱼鳍(Shark fin)”单元。可以将鲨鱼鳍单元定位于汽车车顶的背部。

发明内容

根据本发明的第一方面，提出了一种多频带天线，包括：

基板，具有第一表面和第二表面；

所述基板的第一表面上的第一导电片，所述第一导电片包括第一导电区域和第二导电区域；

其中所述第一导电区域能够通过短接元件接地；以及

所述第一导电区域和所述第二导电区域定位为在它们之间限定了间隙；

所述基板的第二表面上的第二导电片，所述第二导电片与馈电端口的信号端子相连，并且其中所述第二导电片可能地在基板的平面内对齐，以提供与第一导电区域的电容；

所述基板的第二表面上的第三导电片，其中所述第三导电片可能地在基板的平面内对齐，以提供与第二导电区域的电容；以及

连接导体，配置用于将所述第三导电片与所述第二导电区域电耦合。

所述多频带天线可以提供在0.5GHz至3.5GHz区域中或者甚至更高的频率下恰当操作的多频带天线的紧凑和低成本实现，同时保持了小的物理尺寸。所述多频带天线的物理尺寸可以足够小以装配在汽车的鲨鱼鳍单元内，并且可以具有小于约55mm的高度(纵向长度)。

基板的第一和第二表面上的导电片的结构可以提供用于双调谐(double tuning)频带的便捷实现，使得它们可以在感兴趣的频率范围提供可接受的性能。

所述基板可以是FR4印刷电路板材料。这种结构可以是非常低的制造成本，并且证明了完全能够用于汽车用途等苛刻环境中。导电片可以是在基板上沉积的铜的形式，或者任意其他合适的表面层。

馈电端口可以是天线和射频(RF)电路之间的连接，其允许从RF电路向天线传输信号或者从天线向RF电路传输信号。馈电端口可以包括与第二导电片电接触的导电材料区域，可以将这种区域称作信号端子。在使用时，可以通过将来自同轴缆线的配线耦合至馈电端口的信号端子来将信号馈送至天线。可以将这种信号称作发射和接收信号。可以将RF集成电路直接定位于天线下面以消除或减少对于天线的馈电端口和RF电路之间的同轴缆线的需求。

馈电端口也可以包括称作接地端子的接触点，在接地端子处接地的导体可以与同轴缆线的屏蔽元件相耦合。替代地，所述馈电端口可以与包含射频电路的电路板直接耦合。这种能力允许将天线容易地与已有系统集成。

第一和第二导电区域可以是天线的主要辐射部分，并且可以适于发射或接收RF电磁辐射。本发明的多个方面允许通过直接施加于馈电端口或第二导电片的信号来电容性地驱动第一导电片中的RF信号。(基板的第一表面上的)第一导电片的第一导电区域和(基板的第二表面上的)第二导电片可以在基板的平面内至少部分地重叠，以在第一导电区域和第二导电片之间提供电容。按照类似的方式，(基板的第一表面上的)第一导电片的第二导电区域和(基板的第二表面上的)第三导电片可以在基板的平面内至少部分地重叠，以在第二导电区域和第三导电片之间提供电容。

可以选择由第二和第三导电片提供的电容，以至少部分地补偿在给定频率下工作的天线本来的输入阻抗。

第一导电区域和第二导电区域可以在基板的第一表面上的第一导电片的耦合区域处耦合。第一表面上的耦合区域可以在基板的平面内与基板的第二表面上的馈电端口的位置对齐。可以将在第一导电片和第二导电片之间提供的电容看作是与天线的输入阻抗串联。

第二导电片可以关于第一导电片的第二导电区域的位置对齐，以便电容性地驱动第一导电片。第二导电片也可以称作电容片。这种馈电方法可以产生针对天线的附加串联谐振电路，产生了双谐振调谐效果。

馈电端口可以配置用于向第一导电区域和第二导电区域提供信号或者从第一导电区域和第二导电区域汲取信号。由于第一和第二导电片的电容性耦合，馈电端口可以提供这种功能。馈电端口可以包括第二导电片与配线的直接耦合或者与另一个电路板的连接。

第一导电片的第一导电区域可以配置用于发射或接收具有第一频带中频率的信号。第一导电片的第一导电区域和第二导电区域可以一起配置用于发射或接收具有第二频带中频率的信号。第一频带可以在比第二频带高的频率处。

可以通过设置天线的参数来影响两个频带的带宽，以提供上频带和下频带的双谐振调谐。用于控制频带操作的这些参数可以包括多频带天线的各种导电片和导电区域的长度、形状、面积和相对位置。可以在天线的设计期间设置这些性质的值以便实现所需的频率响应。第一导电片的第一导电区域可以是实质上矩形的，并且第一导电片的第二导电区域可以是实质上倒“L”形状。应该理解的是，“实质上矩形”的形状也涵盖了正方形。间隙可以是第一导电区域的边缘和”L”形状的第二导电区域的面对边缘(facing edge)之间的分隔(separation)。第一导电片的第一和第二区域之间的耦合区域可以是在接近第二导电区域的倒“L”底部的位置。“L”形状的第二导电区域可以位于实质上矩形的第一导电区域的两个边缘周围。已经发现这些结构占据了少量的PCB/基板空间，因此可以辅助将天线容纳在有限空间中，例如容纳在交通工具的天线罩鳍状物(radomefin)内。

可以将天线封装在适于安装到交通工具上的天线罩中。可以利用任意合适的材料构建这种天线罩，例如金属、玻璃、塑料、玻璃纤维或其他复合材料或者任意其他合适的材料。安装天线罩的交通工具可以是汽车、火车、卡车、箱式货车、自行车、飞机、滑翔机、船、潜艇或任意其他交通工具。

根据各个方面，任意导电片或区域之间的面对边缘不必是直的，并且可以包含弯曲或角。同样，这里使用的术语“边缘”不必包含整个边缘，并且可以理解为是只包含结构的整个边缘的一段或一部分。

可以将间隙看作是具有第一和第二区域边缘中的弯曲或角周围的连续长度。间隙的长度与面对边缘中较短边缘的长度相对应，该长度可以是第一导电区域的边缘与第二导电区域的边缘重叠的距离，或者是第二导电区域的边缘与第一导电区域的边缘重叠的距离。替代地，间隙的长度可以与面对边缘中的较长边缘相对应，该长度可以超过边缘的重叠部分。

天线还可以包括基板的第一表面上的第四导电片。第四导电片可以与短接元件耦合并且可接地。第四导电片与短接元件相组合地提供与第一导电片的电感。也称为是地线条或接地条的第四导电片可以用于在第一导电片与具有地电势的导体之间创建固定距离。这允许天线性能的更高确定性，因为辐射元件(即第一导电片)和地之间的距离固定。

第四导电片可以定位为具有面对第一导电片的边缘的边缘。具体地，第四导电片的边缘可以面对第一导电片的第一导电区域的边缘。第四导电片的边缘和第一导电片的边缘可以大致平行。

天线还可以包括基板的第二表面上的第五导电片。像第四导电片那样称为是地线条或接地条的第五导电片可以用于在第二导电片和具有地电势的导体之间产生固定的距离。当驱动辐射表面的电容性表面和地之间的距离固定时，这允许天线性能的更高确定性，因为用于驱动辐射表面的电容性表面与地之间的距离固定。

第五导电片可以定位为具有面对第二导电片的边缘的边缘。第五导电片的边缘和第二导电片的边缘可以大致平行。

这里对于“接地条”的引用可以指的是第四导电片、第五导电片、或者第四导电片和第五导电片两者。

接地条可以位于基板的表面上，使得当天线安装到接地面上时，接地条与接地面相邻。接地条可以与接地面电耦合。接地条可以位于基板的边缘处。接地条可以大致在基板横向宽度的大部分上延伸，并且至少可以在与第一导电片和/或第二导电片的至少横向宽度相对应的横向宽度上延伸。接地条可以在短接元件和第六导电片之间横向延伸。馈电端口的接地端子可以位于接地条上。替代地，所述接地条可以与任意地表面或接地表面或电路元件耦合。

天线还可以包括基板的第一表面上的第六导电片。第六导电片可以配置用于在第二导电区域和地之间提供阻抗，以影响高频带的频率输入阻抗。第六导电片可以与地或接地面耦合。也称为调谐条的第六导电片可以定位为具有面对第一导电片的边缘的边缘。具体地，第六导电片可以具有面对第一导电片的第二导电区域的边缘的边缘。调谐条的边缘可以与第二导电区域的边缘大致平行。第六导电片可以从接地面纵向地延伸，使得第六导电片的至少一部分与第二导电区域大致平行地延伸。第六导电片可以与横向延伸的第四导电片的一端耦合。

替代地，第六导电片可以设置为不存在于基板表面上的单独的分立元件。这种结构的示例是位于天线附近的接地棒、杆或配线的元件，以影响高频带的频率输入阻抗。

第一导电区域还可以配置用于提供馈电端口和地之间的电感。这可以直接地实现，或者通过与诸如接地条之类的天线的其他元件的电感性耦合来实现。

第二导电片还可以配置用于提供馈电端口和地之间的电感。这也可以直接地实现，或者通过与诸如接地条之类的天线的其他元件的电感性耦合来实现。

天线还包括连接导体，所述连接导体可以配置用于直接电耦合第二导电区域和第三导电片。通孔是连接导体的示例。通孔可以是诸如配线连接之类的导电电路元件。这种连接可以允许第三导电片向基板的相对侧上的第一导电片提供电感性电抗和电容性电抗。

导电片的阻抗性质可以影响第一和第二频带的调谐。这些性质可以包括导电片的传导率、导电片的面积、导电片之间的几何关系、以及诸如第一导电片和第三导电片之间的通孔之类的任意互连器的电学性质。

所述天线还可以包括接地片。第一导电片可以通过短接元件与接地片耦合。

基板可以沿与接地片实质上垂直的方向延伸。这可以提供适于装配在鲨鱼鳍单元内的天线的便捷结构。在一些示例中，可以将汽车的车顶看作是接地片的延伸。

也称为接地面的接地片的存在可以改善多频带天线的操作效率。可以将多频带天线垂直地安装到水平接地片上。水平和垂直方向可以是相对于天线的，而不是天线相对于地球表面的物理朝向所限定的参考系。

短接元件可以位于馈电端口的远侧，以提供馈电端口处的输入阻抗。短接元件可以在与接地片的平面平行且与基板平面平行的方向上离开馈电端口的最远处。

第一导电片可以形成适于多频带射频的四分之一波长单极天线。第一导电区域可以形成适于在第一频带使用的四分之一波长单极天线。第一导电区域和第二导电区域一起可以形成适于在较低的第二频带使用的四分之一波长单极天线。第一和第二导电片的布置可以配置为使得天线在两个不同的频带均有效。可以对第一和第二频带进行适配，以适合用于特定的射频标准，并且这些标准可以包括：

GSM 900：880-960MHz

GSM 1800：1710-1880MHz

UMTS：1930-2170MHz

GSM 850：824-894MHz

PCS：1850-1990MHz

多频带天线也可以实现为使其针对“其他频带”具有高回波损耗，从而形成一个或多个抑制带。这种性质使得能够将多频带天线安置在在“其他频带”操作的其他天线附近，而不会与这些其他天线的操作发生干扰。例如，可以将多频带天线设计为抑制1575.42±1.023MHz处的GPS频带。

可以通过天线的各个单独元件的适当设计来形成抑制带。影响高频带、低频带和任何抑制带的带宽的因素可以包括导电区域和导电片的面积、导电区域和导电片的边缘长度、表面和地之间的对齐(alignment)、馈电端口和短接元件之间的距离、第一和第二导电区域之间间隙的长度、具有接地片的多频带天线的配置和/或与天线相邻的其他导电表面的存在。

可以将天线成形以装配在鲨鱼鳍单元内，例如可以使远离接地面的天线边缘成斜坡状，使其与鲨鱼鳍单元的内部形状相对应。天线的最大高度可以小于55mm以便装配在鲨鱼鳍单元内。无法将现有技术的天线制造为能够装配在已知鲨鱼鳍单元内并具有针对感兴趣频带的合适频率响应。

可以提供一种包括这里所公开的任意多频带天线的鲨鱼鳍单元。

可以提供一种诸如小汽车之类的汽车，装配有这里公开的任意多频带天线或鲨鱼鳍单元。

附图说明

现在只作为示例参考附图进一步详细地描述本发明的以上方面，其中：

图1示出了鲨鱼鳍天线单元；

图2示出了现有技术的单极天线；

图3示出了减小尺寸的单极天线的辐射电阻(从Joseph J.Car，McGraw-Hill，第四版，实用天线手册(Practical Antenna Handbook)翻印)；

图4示出了图2的现有技术天线在0.5GHz至3GHz之间的频率下的复数阻抗的史密斯圆图(Smith chart)；

图5示出了图2的现有技术天线在图4所示的第一谐振频率和第一反谐振频率下的等效电路示意图；

图6示出了图2的现有技术天线随工作频率的仿真回波损耗；

图7示出了在第一反谐振频率下操作的双谐振调谐的现有技术天线的等效电路；

图8示出了双调谐的现有技术天线在0.5GHz至3GHz之间频率下的复数阻抗的史密斯圆图；

图9示出了双调谐的现有技术天线随工作频率的仿真回波损耗；

图10示出了设计为在不同频带下操作的现有技术天线配置的选择；

图11示出了典型的现有技术平面倒“F”天线；

图12示出了本发明第一实施例的前表面的视图；

图13示出了本发明第一实施例的后表面的视图；

图14示出了安装到接地面上的根据本发明第二实施例的天线的示意图；

图15示出了本发明第二实施例的正视图；

图16示出了本发明第二实施例的后视图；

图17示出了图14至16所示的天线在0.5GHz至3GHz频率下的复数阻抗的史密斯圆图；

图18示出了图14至16所示的天线随工作频率的仿真回波损耗；

图19示出了图14至16所示的天线随工作频率的仿真输入电阻；以及

图20示出了图14至16所示的天线随工作频率的仿真输入电抗。

具体实施方式

这里公开的一个或多个实施例涉及紧凑的多频带天线，适于发射或接收多个频率。天线可以具有单个馈电端口，并且可以实现为在水平接地面上垂直设置的基板，在基板的两侧上具有导电表面。开口间隙(也称作狭缝)设置在辐射导体表面上，间隙长度与感兴趣的两个主要频带的几何平均数有关。可以通过天线基板上的电容性和电感性结构来双谐振调谐高频带和低频带。可以由基板两侧上的导电片来提供这种结构。

现今存在一种“绿色驾驶”的强烈趋势，其带来有关“智能驾驶”的多个项目。能够在汽车之间(车与车)以及汽车和路旁装置之间进行通信的新通信系统正在定义阶段。迄今还没有一种统一的全球标准，但是预期大多数这种系统将在5.8至6GHz频带内工作。

需要将多个天线一起封装在小体积中，并且将其按照所谓的“天线单元”定位于车辆车顶上。已经发现对于汽车之间的通信，要求至少两个已知的天线以抗击多径衰减并且应对汽车的不同相对方向。要求多个同轴缆线来将天线与电子装置相连。这些缆线造成了主要的成本负担。也期待在未来，将更多的电子部件定位于靠近天线，在这种情况下可以省略许多这种昂贵缆线。

现有技术中已知的是使用低频率的系统要求较大的物理天线。因此，小于1GHz的频带将要求比高频收发机更多的空间。例如，用于GSM900的单极天线要求77mm的长度。在用于典型车顶单元天线的可用高度是约50mm。因此要求天线尺寸的减小，不幸地是已经发现利用已知的天线将导致较低的部分带宽(fractional bandwidth)和较低的效率。

智能驾驶可能需要的其他系统包括：

GPS：1575.42±1.023MHz

WLAN 5.9：5.875-5.905MHz

WLAN 2.4：2.407-2.489MHz

这里公开的多频带天线的一个或多个实施例可以在多个前述通信标准频率下操作，同时不会与位于相同外罩中的用于执行诸如GPS之类的不同遥测任务的其他天线发生干扰。

在不同的地域按照几种不同的频带执行蜂窝通信。在欧洲，当前使用以下频带：

GSM 900：880-960MHz

GSM 1800：1710-1880MHz

UMTS：1920-2170MHz

美国的蜂窝通信当前使用下述频带：

GSM 850：824-894MHz

PCS：1850-1990MHz

预见到其他频带为未来使用。

图1示出了典型的鲨鱼鳍天线单元100，所述鲨鱼鳍天线单元可以放置于车辆顶部的背部。天线单元100内部的天线尺寸受限，并且天线不得不适配于所述单元100。天线单元100也具有针对天气保护、冲击行为和温升灵敏度的严格要求。由塑料天线罩(radome)封装天线单元100。

天线单元100的典型尺寸是：

最大高度50至55mm(外部天线罩高度60mm)；

长度120mm(外部天线罩长度140mm)；以及

宽度40mm(外部天线罩宽度50mm)。

在要求的工作信号频率与天线尺寸之间存在基本关系。单一谐振天线元件与要接收或发射的信号频率的波长成比例。这意味着工作频率越高，天线变得越小。然而，在存在固定频率要求的情况下，限制现有技术天线的尺寸以便使其尺寸符合标准外罩(housing)的尺寸，这具有减小其工作效率的影响。

图2示出了接地面202上方的现有技术谐振四分之一波单极天线(长度201＝0.25λ)。

通过馈电端口204向单极203馈送射频(RF)信号。相对于接地片202提供馈电端口信号。

低频带要求大的天线结构。对于GSM900，要求77mm长度的谐振单极天线长度，对于700MHz，要求87mm长度的天线长度。这两种长度都太长以至于不能在标准的“鲨鱼鳍”单元100中实现。要求减小尺寸，但是这将降低利用已知天线可获得的部分带宽的重要性质。将部分带宽(百分比)定义为：

$B_F=\frac{f_2-f_1}{\sqrt{f_1{f}_2}}\×100$

其中f₁和f₂分别是频带的下限频率和上限频率。

例如，可以按照-10dB的回波损耗的参考级别来测量f₁和f₂。回波损耗是由于天线与向天线馈电的线路之间较差的匹配阻抗而导致的天线处的信号损耗；所述回波损耗是由于反射信号导致的损耗。回波损耗是常用于定义射频信号与天线的匹配质量的参数。

图3示出了针对不同天线长度的单极天线的辐射电阻。在水平轴上示出了作为波长的比例的天线长度，其中完整波长等于360°。可以看出：当将天线长度从90°(是四分之一波长谐振单极天线)减小到301点处的45°时，将辐射电阻减小到8欧姆。众所周知的是减小尺寸的天线遭受到减小的辐射电阻、部分带宽和效率。

图4示出了在史密斯圆图上显示的图2的现有技术天线的仿真输入阻抗。利用例如来自Ansoft公司的HFSS或来自德国达姆施塔特的CST的Microwave Studio之类的工业领先的三维电磁仿真器，来执行所述仿真。

史密斯圆图是显示与天线的阻抗性能有关的复值信息的常用方法。圆周轴示出了相对于50Ω的参考级别的天线电抗系数。水平线轴示出了相对于该参考级别的电阻系数。在图中绘制的函数示出了不同频率处天线阻抗的两个分量。绘制的频率范围是从0.5GHz至3GHz，开始于开口圆并终止于闭合圆。该函数与电阻轴相交的点(在此电抗系数为零)是针对现有技术天线的第一谐振频率401和第一反谐振频率402。

图5a示出了如图4所示在第一谐振频率401操作的图2天线的阻抗的等效电路示意图501，以及图5b示出了如图4所示在第一反谐振频率402操作的天线的阻抗的等效电路示意图502。可以看出，等效电路示意图501、502包括电阻器、电容器和电感器，来表示图4所示的复值信息。图5a的等效电路示意图501表示谐振频率下的阻抗等效于串联谐振电路。图5b的等效电路示意图502表示反谐振频率下的阻抗等效于并联谐振电路。

在图6中相对于频率绘制了现有技术天线的仿真回波损耗。使用-10dB的回波损耗参考级别，这是车载天线的可接受RF性能的标准，天线的有效带宽601定义为近似1.2-1.4GHz。

图7示意性地示出了用于说明双谐振调谐(double resonance tuning)原理的电路。双谐振调谐部分地补偿了在谐振频率下的天线电抗，并且增加了部分带宽(fractional bandwidth)。图7的部分702表示在第一反谐振频率(如图5b所示)下工作的天线的等效电路，并且是并联谐振电路。通过添加串联谐振部件703来双谐振调谐所述天线，串联谐振部件703包括串联的电容器705和电感器704。电容器705和电感器704具有电抗性质，配置用于在反谐振频率502下提供与部分702相反的电抗性质。双谐振调谐具有对发生谐振频率和反谐振频率的频率都进行偏移的效果，并且具有新的谐振和反谐振频率周围频率处的天线电抗的大致减少。按照这种方式，对于反谐振频率周围的更大频率范围，从RF信号源706的角度来看，由两个部分702和703构成的双谐振调谐天线主要是电阻性的。

应该理解的是，如果要求天线在图4所示的第一谐振频率401下操作，类似的方法可以用于双谐振调谐该天线。在这种情况下，天线的等效阻抗是串联谐振电路(如图5a所示)，并且将代替图7中的部分702。可以提供并联谐振电路来代替部分703，以执行双谐振调谐。

通常，串联谐振电路可以与并联谐振电路一起使用，以针对特定频率周围的频率范围最小化或减小天线的电抗，对于串联谐振电路也是如此。

应该仔细地选择针对附加谐振电路703的部件704、705的值，以补偿反谐振频率周围的天线电抗，使得针对特定的参考回波损耗获得所需的带宽。应该理解的是不同谐振频率下工作的天线对于双谐振调谐网络会要求不同部件值。

图8示出了史密斯圆图，该图说明了使用双谐振调谐的图2现有技术天线的仿真输入阻抗。可以看出，除了第一谐振频率801和第一反谐振频率802，也存在第二谐振频率803。图8的史密斯圆图与图4的史密斯圆图的比较示出了双谐振调谐天线的频率曲线的较大长度占据了水平轴附近的区域。这意味着针对双谐振调谐天线，反谐振频率402周围的频率范围处电抗较低。

图9示出了使用双谐振调谐的图2现有技术天线的回波损耗。可以将图9看作是按照更加容易理解的方式说明图8的一些信息。图8的谐振频率801、802、803分别与图9的回波损耗轮廓线的最小值901、最大值902和最小值903相对应。从图9中可以注意到，第一最小值901的位置偏移到比图6中所见频率高的频率处。这种频率偏移是由于施加至天线的双谐振调谐导致的。

图9所示的双调谐天线的-10dB回波损耗带宽904与没有双调谐的图6的现有技术天线的带宽601的比较示出了可用带宽大约以因子3而增加。与图6的0.2GHz的带宽相比较，双调谐天线的带宽904是约0.7GHz(1.4至2.1GHz)。部分带宽也从16％增加到42％。

图10示出了可以用于在不同频带下操作的几种不同现有技术天线。

天线1001具有在单一端口1004处馈送的两个谐振元件1002、1003。

天线1005使用高阶谐振。通常可以在没有不适当地影响第一谐振模式的情况下适度地解调谐高阶谐振。由于电容负载效应，预期的三倍λ/4谐振1008实际上较低。

天线1009使用与四分之一波长结构或单极子串联放置的一对(或多对)并联谐振陷波器(trap)1010。陷波器1010的目的是阻断谐振频率f₂，同时允许谐振频率f₁通过(f₁和f₂如图10所标记的)。可以使用这种设计方案获得不同的电学长度。

图11示出了现有技术的平面倒“F”天线(PIFA)1101。这种类型的天线1101通常在蜂窝电话设计中由制造商使用。其非常适合要求高度小的天线的蜂窝电话的美学设计。在与接地面1104平行地偏移的电介质基板1103上沉积的导电片1102形成了天线结构。

四分之一波长PIFA天线1101是单极天线的变体，其中在天线的末端添加短接管脚1105，并且沿天线1101的长度使馈电端口与短接元件相偏移。短接管脚1105允许电流在天线一端流过，产生对于较大的半波长天线1007而言可以看到的电流电压分布相同的电流电压分布。减小馈电端口1107和短接元件1105之间的偏移1106具有减小天线输入阻抗的效果。这种性质可以用于调谐天线1101的输入阻抗，并且允许使用较小的导电面积1102来在具有可接受回波损耗的天线中产生所要求的RF响应。

上述问题可以通过所建议的新天线的几个实施例来解决，所述问题包括现有技术天线的减小的输入阻抗，这要求天线具有次优的尺寸以便能够装配在“鲨鱼鳍”单元中。新天线的实施例还解决了允许将天线调谐至两个频带的问题，并且提供了在天线的设计期间独立调谐两个频带的频率响应的方法。

本发明的一个或多个实施例涉及一种天线，所述天线使用双调谐谐振，并且可以具有集成到天线结构中的附加谐振部件。这种方法引入非常小的或不会向天线制造引入额外的成本。这里所公开的几个实施例提供了可以在多种频带中接收或发射信号的紧凑多频带天线。

在图12中示出了根据本发明实施例的天线1200的正视图。在诸如FR4印刷电路板(PCB)之类的基板材料1203上构建天线1200，所述基板材料可以用作电介质。这种结构可以非常低成本的制造，并且已经被证明了对于在汽车应用遇到的苛刻环境是足够牢靠的。

第一导电片1210存在于基板1203的第一表面1204上。第一导电片1210包括通过间隙1205分离的第一导电区域1201和第二导电区域1202。可以通过刻蚀掉在PCB中经常遇到的铜片的区域，以提供间隙1205，来产生导电区域1201、1202。应该理解的是任意其他合适的导电材料可以用于这里公开的任意导电片，例如任意金属或引起基板区域变为导电或半导电的表面掺杂剂。

第一和第二导电区域1201、1202形成了可以用于辐射或接收RF信号的天线表面。第二导电区域1202的面积形成了第一导电区域1201的面积轮廓线周围的倒“L”形状，在所示实施例中第一导电区域是大致矩形的。已经发现这种结构占据少量的PCB空间，并且有助于将天线容纳在有限空间中，例如容纳在车辆的天线罩鳍状物内。

在所示实施例中，两个区域1201、1202在位置1216处耦合在一起，该位置可以看作是形成了间隙1205的闭合端。可以将位置1216看作是第一导电片1210的耦合区1216。在这种实施例中，这两个区域1201、1202在接近馈电端口1314的信号端子1314a(下面参考图13进行描述)的位置处相遇，在基板的相反面上，该信号端子在基板平面内在这一位置处或附近。第一导电区域1201的边缘1217和第二导电区域1202的边缘1218通过其中没有导电材料的间隙1205而分离。

第一和第二导电区域1201、1202设计为在高频带(主要由于区域1201)和低频带(主要由于区域1202，尽管也涉及了区域1201)处谐振。将区域1201、1202相分离的间隙1205设计为具有与这两个频带的波长的几何平均值有关的长度。

$L=\frac{\mathrm{c\γ}}{4{\left(f_{\mathrm{Low}1}{f}_{\mathrm{Low}2}{f}_{\mathrm{High}1}{f}_{\mathrm{High}2}\right)}^{\frac{1}{4}}}$

其中L是设计为在上限频率f_High2和下限频率f_High1内定义的高频带以及在上限频率f_Low2和下限频率f_Low1内定义的低频带下操作的天线的狭缝的长度。常数c是光速，γ是经验得出的校正因子，实际上已经发现γ接近0.75。频带界限值的乘积的四次根提供了天线工作频率的几何平均值。因为这是四分之一波长天线设计，所以等式的右侧必须除以4。

应该理解的是在其他实施例中间隙1205也可以构建为不同尺寸。例如，上述等式可以用于获得可以在仿真时使用的狭缝长度的起始点，以进一步细化长度。通过考虑基板的电介质效应以及可能难以在数学上建模的其他特性，仿真可以用来改进长度的值。

在该示例中，由于第一导电区域1201的横向宽度大，所以与第一导电区域1201有关的频带可以相对较宽，并且可以用于多个通信标准。

短接元件1206连接在第一导电区域1201的末端，并且可以在使用时可以与接地面(未示出)相耦合。短接元件1206增大针对低频带的输入阻抗，否则，输入阻抗是不够的，例如8至10欧姆。这是因为该实施例的天线高度在物理上小于在不使用附加的阻抗增加手段的情况下针对低频带所要求的天线高度。短接元件1206和馈电端口1314的信号端子1314a之间的距离影响两个频带的输入阻抗。

图13示出了图12的天线基板1303的相反的第二表面1307。在该实施例中将第二导电片1308示出为在基板1303的相反表面1307上的位置处，该位置允许第二导电片1308与基板的第一表面上的第一导电区域1201(如图12所示)电容性耦合。第二导电片1308通过馈电端口1314的信号端子1314a与RF信号源(未示出)耦合。信号端子1314a在使用时可以与同轴缆线的内部配线耦合。由信号端子1314a提供的信号通过第一导电片1210和第二导电片1308之间的这种电容性耦合，来驱动天线的第一表面上的第一导电区域1201和第二导电区域1202。可以通过改变第二导电片1308在基板1303的第二表面1307上的位置或者改变第二导电片1308的大小，来更改由第二导电片1308提供的电容量。除了提供RF信号驱动，第二电容片1308的电容值还可以用于提供与天线1200的第一导电区域1201的电抗相反的电抗，以实现如上所述的针对高频带的双谐振调谐方法。

第三导电片1309也位于基板1303的背面1307上。这种第三导电片1309定位为使得其可以向基板1203的第一表面1204上的第二导电区域1202提供电容。这种电容值可以用于提供与天线的第二导电区域1202的电抗相反的电抗，从而施加针对低频带的双谐振调谐功能。通过定位连接通孔1212、1312来形成电感，所述连接通孔提供第二表面1307上的第三导电片1309和第一表面1204上的第二导电区域1202之间的直接电连接。当在所需频率范围内操作时，由第三导电片1309提供电感性和电容性电抗与第二导电区域1202的电抗相反。在电容和电感方面，第三导电片1309可能对于第一表面1204上的第一导电区域1201不具有任何显著的影响，因此可能不会显著地影响高频带的响应。因此，可以独立地精确控制两个频带的响应。

通过更改向第一导电片1210的第一和第二导电区域1201、1202提供阻抗的第二和第三导电片1308、1309的性质来独立地调谐高频带和低频带，这种能力提供了多频带天线1200、1300，其提供了定制的频率下的良好性能，同时占据的空间比现有技术天线所要求的空间少。

在图14中示出了与接地片1417耦合的天线1400的另一实施例。在图15中示出了这一天线的正视图，而在图16中示出了后视图。这一实施例示出了天线1500，其中辐射片1501、1502没有与接地片1517平行，而是折叠到大致垂直的位置，即与接地片1517实质上正交。如同前述实施例一样，天线基板具有可以涂覆有导电材料的两个侧面1504、1607。

因为所提出的新天线使用双调谐方法并且具有集成到天线结构中的附加的所需谐振部件，所以可以选择集成部件的值以适合所有频带。然而，不同的频率可以要求集成部件的不同值。

上述输入阻抗减小的问题可以通过所提出的新天线的这一实施例来解决，尽管新天线具有比低频带的四分之一波长小的物理高度，该新天线通过上述馈电方法增加了输入阻抗和部分带宽。

图15的天线1500包括基板1503上的平面结构。天线1500是单极型的，并且可以在接地面1517上方操作。天线1500具有在天线的相反表面上的单个馈电端口1614(如图16所示)。馈电端口1614的信号端子1614a位于第二导电片上。信号端子1614a可以经由同轴缆线的内部配线与无线电集成电路相连。这种电路可以涉及卫星通信或导航、蜂窝电话、数据电话或无线电广播。馈电同轴缆线的外部屏蔽部分可以附着至接地片1517，或者如图16所示，使用馈电端口1614的接地端子1614b附着至第五导电片1610。在该实施例中，将馈电端口1614的接地端子1614b位于第五导电片1610上。

通过提供用于部分地分离导电区域1501、1502的开口间隙1505，产生了两个工作频带，其中所述开口间隙具有与所需频带的几何平均值相关的长度。如同前述实施例那样，第一导电区域1501和第二导电区域1502在基板1503上的位置1516处耦合。通过在基板1503的任一表面或两个表面1504、1607上包括接地条(grounding bar)1510、1610来更好地限定天线1500和接地片1517之间的距离。这产生了接地导体(接地条1510、1610)和第一导电区域1501之间的精确的固定距离，使得组装期间在接地片1517上安装天线1500将不会产生与期待和设计的距离不同的距离1511。该距离1511的变化将引起天线1500的性能特性的变化。可以将接地条1510设置为基板1503的第一表面1504上的第四导电片1510和/或基板1603的第二表面1607上的第五导电片1610。

图16示出了天线1600的相反的第二表面1607。这一侧面1607用于向天线馈电。在该实施例中，馈电端口1614位于基板1603的第二表面1607上，在基板1303的平面内接近基板1503的第一表面1504上的位置1516。

通过馈电端口1614的信号端子1614a来驱动第二导电片1608以产生如上所述的双谐振调谐效果。第二导电表面1608位于基板1503的第一表面1504上的短接端口1506和与其耦合的馈电端口1614之间。在该实施例中，选择第二导电表面1608的位置以影响高频带。通过短接元件1506、第一导电区域1501、接地条1510、1610和馈电端口1614包围的表面区域1515来形成地与第一导电片1502之间的电感。与通过1608和1501形成的串联电容一起，这种结构产生了为高频带提供双谐振调谐的附加串联谐振电路。

通过对低频带的部分带宽进行扩大的第三导电片1609，来提供第二双谐振调谐。第三导电片1609定位为与基板另一侧上的第二导电区域1502的至少一部分重叠。按照这种方式，在它们之间提供了电容。

可以通过调节馈电端口1614的位置来增加低频带的输入阻抗。如果馈电端口1614进一步远离短接元件1506，那么输入阻抗增加。这种修改也提供了更多的用于双谐振调谐的电感。

使用上述实施例，已经发现由于短接管脚150和馈电端口1614位置的影响，高频带的输入阻抗可能太高。为了减小针对高频带的输入阻抗，另一实施例提供了调谐条(tuning bar)，也称作如图15所示的第六导电片1513。

调谐条1513与地相连，并且定位为靠近第二导电区域1502，使得调谐条1513在第二导电区域1502和地之间提供电感。已经发现这种调谐条1513主要影响高频带下的输入阻抗，而不会显著影响低频带的输入阻抗。

在图15的实施例中，调谐条1513从接地条1510开始沿纵向方向延伸，并且延伸至与第二导电区域1502相邻但是间隔开的位置，以提供所要求的输入阻抗。

在设计期间，可以通过调整开口狭缝/间隙1205、1504的尺寸来在低频带下容易地调谐新多频带天线1200、1300、1400、1600的实施例，并且通过调整第二导电区域1202、1502的形状来精细地调谐新多频带天线1200、1300、1400、1600的实施例。在规划如何包装天线期间可能要求这种设计考虑，因为第二导电区域1202、1502可能遭受来自天线单元100的天线罩(radome)的电介质负载。

图17示出了所提出的多频带天线的仿真输入阻抗。其中线条与水平轴相交叉的多个点表示多个谐振和反谐振频率。在图18的随频率变化的仿真回波损耗图中将它们示出为是最小值和最大值。

图18示出了减小尺寸的多频带天线的仿真回波损耗，所述多频带天线在1.6mm的FR4标准印刷电路板材料上，是50mm高和25mm宽。通过图14至16所示的实施例提供了具有小于-10dB回波损耗的低频带1801和高频带1802。当与现有技术相比较时提出的具有减小尺寸的新多频带天线可以用于多种标准，例如：

GSM 900：880-960MHz；

GSM 1800：1710-1880MHz；

UMTS：1920-2170MHz；

GSM 850：824-894MHz；

PCS：1850-1990MHz；

WLAN 2.4：2.404-2.489MHz；

以及其他未来标准。

应该理解的该实施例只是示例，并且天线的其他尺寸可以用于其他频带。

图19和20示出了图14至16所示的多频带天线实施例的仿真输入电阻和电抗。输入电阻在感兴趣的频带1901、1902内相对稳定。两个频带2001和2002内的电抗接近0，这是因为由分离的双谐振调谐提供的补偿施加于低频带和高频带。

天线的另一个有用性质是抑制带，通过部件属性的合适选择来形成所述抑制带。可以看出这一抑制带在图18至20中在1.4GHz周围。在抑制带中，回波损耗、输入电抗和输入阻抗都非常高。其效果是这种天线1400、1500、1600可以在1.4GHz频率范围处操作的另一个天线的附近使用，而对于其他天线操作的干扰最小。例如，这种抑制带可以用于阻挡与在1575.42±1.023MHz下操作的GPS天线的干扰。可以设想到多频带天线的这种实施例将适合与GPS天线一起包装到相同的天线罩体内。

Claims (15)

1.一种多频带天线(1200，1300)，包括：

基板(1203，1303)，具有第一表面(1204)和第二表面(1307)；

基板(1203)的第一表面(1204)上的第一导电片(1210)，所述第一导电片包括第一导电区域(1201)和第二导电区域(1202)；

其中所述第一导电区域(1201)能够通过短接元件(1206)耦合至地；以及

所述第一导电区域(1201)和所述第二导电区域(1202)定位为在它们之间限定了间隙(1205)；

基板(1303)的第二表面(1307)上的第二导电片(1308)，所述第二导电片(1308)与馈电端口(1314)的信号端子(1314a)耦合，并且其中所述第二导电片(1308)对齐以提供与第一导电区域(1201)的电容；

基板(1303)的第二表面(1307)上的第三导电片(1309)，其中所述第三导电片(1309)对齐以提供与第二导电区域(1202)的电容；以及

连接导体(1212，1312)，配置为将所述第三导电片(1309)与所述第二导电区域(1202)电耦合。

2.根据权利要求1所述的多频带天线，其中第一导电区域(1201)和第二导电区域(1202)在基板(1203)的第一表面(1204)上的第一导电片(1210)的耦合区域(1216)处耦合，并且耦合区域(1216)在基板(1203，1303)的平面内与基板(1303)的第二表面(1308)上的馈电端口(1314)的位置对齐。

3.根据权利要求1或2所述的多频带天线(1300)，其中馈电端口(1314)的信号端子(1314a)配置为与同轴缆线的配线耦合，以传导发射和接收信号。

4.根据任一前述权利要求所述的多频带天线(1200，1300)，其中第二导电片(1308)关于第一导电片(1210)的第二导电区域(1201)的位置对齐，以电容性地驱动第一导电片(1210)。

5.根据任一前述权利要求所述的多频带天线(1200)，其中第一导电片(1210)的第一导电区域(1201)配置为在第一频带中发射或接收信号，以及第一导电片(1210)的第一导电区域(1201)和第二导电区域(1202)的组合配置为在第二频带中发射或接收信号，并且第一频带在比第二频带高的频率处。

6.根据任一前述权利要求所述的多频带天线(1200)，其中第一导电片(1210)的第一导电区域(1201)是实质上矩形的，并且第一导电片(1210)的第二导电区域(1202)是实质上倒“L”形状，并且间隙(1205)是第一导电区域(1201)的边缘(1217)和“L”形的第二导电区域(1202)的面对边缘(1218)之间的分隔。

7.根据任一前述权利要求所述的多频带天线，还包括基板(1503)的第一表面(1504)上的第四导电片(1510)，其中第四导电片(1510)与短接元件(1506)耦合并且能够耦合至地，以及第四导电片(1510)配置为与短接元件相组合地提供与第一导电片(1501)的电感。

8.根据任一前述权利要求所述的多频带天线(1600)，还包括基板(1603)的第二表面(1607)上的第五导电片(1610)，其中所述馈电端口(1614)包括接地端子(1614b)，馈电端口(1614)的接地端子(1614b)与第五导电片(1610)耦合。

9.根据权利要求8所述的多频带天线(1600)，其中馈电端口(1614)的接地端子(1614b)配置为与同轴缆线的屏蔽部件耦合。

10.根据任一前述权利要求所述的多频带天线(1500)，还包括基板(1503)的第一表面(1504)上的第六导电片(1513)，其中所述第六导电片(1513)接地，并且配置为在第二导电区域(1502)和地之间提供阻抗，以影响高频带的频率输入阻抗。

11.根据权利要求10所述的多频带天线(1500)，其中第六导电片(1513)从接地面(1517)纵向地延伸，使得第六导电片(1513)的至少一部分与第二导电区域(1502)大体平行地延伸。

12.根据任一前述权利要求所述的多频带天线(1500)，其中第一导电区域(1501)还配置为在馈电端口(1614)的信号端子(1614a)和地之间提供电感。

13.根据任一前述权利要求所述的多频带天线(1600)，其中第二导电片(1608)还配置为在馈电端口(1614)的信号端子(1614a)和地之间提供电感。

14.根据任一前述权利要求所述的多频带天线(1500，1600)，还包括通孔(1512)，所述通孔配置为通过直接电连接将第二导电区域(1502)和第三导电片(1609)电耦合。

15.根据任一前述权利要求所述的多频带天线(1500)，还包括接地片(1517)，其中第一导电片(1510)通过短接元件(1506)与接地片(1517)耦合，并且基板(1503)沿与接地片(1517)实质上垂直的方向延伸。

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