CN102694262B - 多频带天线 - Google Patents

Abstract

一种多频带天线包括两条导体线(10，12)和沿所述导体线(10，12)级联的单元电路(20)。每个单元电路(20)包括通信单元(30)、第一电容器(50)和第二电感器(42)。所述通信单元(30)通过第一电感器(40)和与所述第一电感器(40)串联的第二电容器(52)连接在所述两条导体线(10，12)之间。在所述导体线(10，12)中的至少一条中插入第一电容器(50)和第二电感器(42)。第二电感器(42)与第一电容器(50)并联连接。或者，所述单元电路(22)包括通过第一电感器(40)连接在所述导体线(10，12)之间的通信单元(32)，以及在所述导体线(10，12)中的至少一条中插入的第一电容器(50)。设置于所述导体线(10，12)之间的所述第一电感器(40)、所述第一电容器(50)、第三电容器(54)和设置于至少一条导体线(10，12)上的第三电感器(44)满足表达式2表示的关系。

Description

多频带天线

本公开涉及一种发射和接收不同频率无线电波的多频带天线。

通过单个天线发射和接收不同频率的无线电波的技术被称为陷波器加载(trap load)技术。在陷波器加载技术中，例如，在发射和接收不同频率，例如高频和低频两种无线电波的情况下，将在高频下谐振的LC并联谐振电路(陷波器)连接到高频波长的四分之一，以便使天线在高频下谐振。因为电流在连接陷波器的部分不流动，频率对应于波长四分之一的无线电波，亦即，高频无线电波被发射和接收。

对于低频无线电波，考虑到加载的陷波器充当电抗，所以调节天线的总长度，使得天线在低频下谐振。这样一来，发射并接收了低频无线电波。

通过这种方式，可以由单个天线发射和接收不同频率的无线电波。例如，在与USP6163300对应的JP11-55022A中描述了这样的多频带天线。

为了利用trap load技术通过单个天线发射和接收不同频率的无线电波，需要通过级联具有不同谐振频率的多个陷波器构造天线。因此，在这种情况下，要发射和接收的无线电波频率限于级联陷波器的谐振频率值。亦即，要发射和接收的无线电波频率可能是离散的。

本公开的目的是提供一种发射和接收不同频率无线电波的多频带天线。

根据一方面，一种多频带天线包括作为基本结构的基本彼此平行的两条导体线，以及沿导体线级联的单元电路。单元电路的每一个包括通信单元、第一电容器和第二电感器。通信单元通过第一电感器和与所述第一电感器串联的第二电容器连接在所述两条导体线之间。在导体线中的至少一个中插入第一电容器和第二电感器。第二电感器与第一电容器并联连接。

在这样的结构中，在至少两个频率给出谐振点。亦即，可以由单根天线发射和接收不同频率的无线电波。而且，可以减小天线的尺寸。

在这样的结构中，例如，第三电感器必然与两条导体线串联设置，第三电容器必然与两条导体线并联设置。第一电容器与第三电感器串联设置，第一电感器与第三电容器并联设置。第二电感器与第三电感器并联设置，第一电容器与第三电感器串联设置。第二电容器与第一电感器串联设置。在这种情况下，对于较高频率而言，第一电容器和第一电感器的操作是支配性的。对于较低频率而言，第一电容器接近开路状态，第一电感器接近短路状态。这样一来，第二电感器和第二电容器的效果增强，第二电感器和第二电容器的操作占支配性。

例如，与导体线串联设置的第一电感器、第一电容器、第二电感器、第二电容器、第三电感器和设置于导体线之间的第三电容器满足如下表达式1表示的关系：

$\sqrt{\frac{1}{L_L{C}_M}}\≤\sqrt{\frac{1}{(L_R+L_M)C_L}}\≤\sqrt{\frac{1}{L_L{C}_R}(1+\frac{C_R}{C_M})}\≤\sqrt{\frac{1}{L_R{C}_L}}$ 表达式1

其中L_L是第一电感器的值，C_L是第一电容器的值，L_M是第二电感器的值，C_M是第二电容器的值，L_R是第三电感器的值，且C_R是第三电容器的值。

在这种情况下，谐振点，亦即，每个电感器和每个电容器在数值上受限。因此，容易确定电感器和电容器的值。

根据第二方面，一种多频带天线包括作为基本结构的基本彼此平行的两条导体线，以及沿导体线级联的单元电路。单元电路的每一个包括通信单元和第一电容器，所述通信单元通过第一电感器连接在导体线之间，第一电容器插入于导体线中的至少一个中。所述导体线之间设置的第一电感器、第一电容器、第三电容器和所述导体线中至少一条上设置的第三电感器满足如下表达式2表示的关系：

$\sqrt{\frac{1}{L_L{C}_R}}=\frac{-A+\sqrt{A^2+\frac{{4L}_R}{C_L}}}{2L_R}$ 表达式2

其中L_L是第一电感器的值，C_L是第一电容器的值，C_R是第三电容器的值，且L_R是第三电感器的值。

在这样的结构中，可以由单根天线发射和接收不同频率的无线电波。而且，可以减小天线的尺寸。

从参考附图给出的以下详细描述中，本公开的以上和其它目的、特征和优点将变得更加显而易见，附图中由相似的附图标记表示相似部分，其中：

图1A是根据第一实施例的多频带天线的示意图；

图1B是根据第一实施例的多频带天线的单元电路的电路图；

图2A是印刷电路板前表面的示意图，根据第一实施例在其上形成多频带天线；

图2B是根据第一实施例的印刷电路板后表面的示意平面图；

图3是示出了根据第一实施例的多频带天线的频散(dispersion)曲线范例的曲线图；

图4是示出了根据第一实施例的多频带天线频率和波长之间关系的曲线图；

图5A和5B是示出了根据第一实施例，多频带天线的两个谐振频率随着第二电感器电感L_M的变化而变化的曲线图；

图6A和6B是示出了根据第一实施例，两个谐振频率随着第二电容器电容C_M的变化而变化的曲线图；

图7A和7B是用于例示根据第一实施例多频带天线部件在两个谐振频率的工作的示意图；

图8A是根据第二实施例的多频带天线的示意图；

图8B是根据第二实施例的多频带天线的单元电路的电路图；

图9是用于例示根据第二实施例的多频带天线部件工作的示意图；以及

图10是示出了根据第二实施例的多频带天线的输入特性分析结果的曲线图。

<第一实施例>

将参考图1到7B来描述第一实施例。

(多频带天线1的结构)

参考图1A，多频带天线1是通过沿两条金属线10、12级联多个单元电路20构造的单极型天线，单元电路具有相同的结构，金属线作为基本结构。两条金属线10、12基本彼此平行，并设置作为导电线。

金属线10的第一端是馈电点14，通过频带滤波器70连接到多个发射和接收装置(收发器)72、74等。金属线10的第二端是开路端。

金属线12的第一端与金属线10的第一端在同一侧，连接到GND板60，以免传输信号反射。

具有上述结构的多频带天线1能够发射和接收与多个发射和接收装置72、74等相关联的无线电波。

如图1B所示，单元电路20包括通信单元30、第一电容器50(C_L)和第二电感器42(L_M)。

通信单元30具有如下电路结构：通过具有电感(L_L)的第一电感器40和与第一电感器40(L_L)串联的第二电容器52(C_M)将两条金属线10和金属线12彼此连接。

在本实施例中，在金属线10中插入两个第一电容器50(C_L)。而且，在金属线10中插入两个第二电感器42(L_M)。第一电容器50(C_L)位于连接点上与通信单元30相对的一侧。第二电感器42(L_M)的每一个都与相应的第一电容器50(C_L)并联连接。

如图2A所示，实际由印刷电路板80前表面上形成的导体图案提供第一电感器40(L_L)。第一电感器40(L_L)的导体图案具有例如蜿蜒(meandering)形状。如图2B所示，实际由印刷电路板80后表面上形成的导体图案提供第二电感器42(L_M)。第二电感器42(L_M)的导体图案具有例如蜿蜒形状。

而且，由印刷电路板80的前表面上形成的导体图案提供第一电容器50(C_L)。同样地，由印刷电路板80的前表面上形成的导体图案提供第二电容器52(C_M)。第一电容器50(C_L)和第二电容器52(C_M)的导体图案例如具有梳齿形状。例如，由印刷电路板80上形成的诸如铜箔的导体图案提供两条金属线10、12。

(电感器和电容器之间的关系)

在具有上述结构的多频带天线1中，必然会产生与金属线10、12串联的电感。如图1B中示意性示出的，这样的电感被称为第三电感器44(L_R)。

类似地，在两条金属线10、12之间产生电容。如图1B中示意性所示，这样的电容被称为第三电容器54(C_R)。

由以下表达式3表示多频带天线1的频散曲线，其中第一到第三电感器40、42、44和第一到第三电容器50、52、54以上述方式分布：

表达式3

其中L_R’、C_L’、L_L’、α和β如下定义：

L′_R＝L_Rα

$C_L^{\&prime;}=\frac{C_L}{\mathrm{\&alpha;}}$

$L_L^{\&prime;}=\frac{L_L}{\mathrm{\&beta;}}$

$\mathrm{\&beta;}=\frac{1}{1-\frac{1}{{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_L{C}_M}}$

图3是示出了由表达式3表达的频散曲线范例。图4是示出了频率和波长之间关系的曲线图。

如图3和4所示，应该认识到，在总长度50mm的多频带天线1中有两个谐振频率。

亦即，在图3中，单点虚线表示谐振状态，实线表示频散曲线。在点A和点B所示的两个频率给出谐振点，其中表示谐振状态的单点虚线与表示频散曲线的实线相交。点A的频率为0.75千兆赫(GHz)，点B的频率为0.3GHz。

在图4中，单点虚线表示谐振状态，实线表示频率和波长之间的关系。于是，类似于图3，在点C和点D所示的两个频率给出谐振点，其中表示谐振状态的单点虚线与实线表示的曲线相交。点C的频率为0.3千兆赫(GHz)，点D的频率为0.75GHz。

为了以多频带配置制造多频带天线1，即发射和接收不同频率的无线电波，图3中所示的频率ω_se1、ω_sh1、ω_se2、ω_sh2需要满足如下表达式4表示的关系：

表达式4

此外，第一到第三电感器40、42、44，第一到第三电容器50、52、54和表达式4表示的频率关系具有如下表达式5(a)到5(d)表示的关系：

表达式5(a)

表达式5(b)

表达式5(c)

表达式5(d)

因此，多频带天线1需要满足以下表达式1以便具有多频带配置：

$\sqrt{\frac{1}{L_L{C}_M}}\&le;\sqrt{\frac{1}{(L_R+L_M)C_L}}\&le;\sqrt{\frac{1}{L_L{C}_R}(1+\frac{C_R}{C_M})}\&le;\sqrt{\frac{1}{L_R{C}_L}}$ 表达式1

参考图5A、5B、6A和6B，将要解释的是，可以通过改变第二电感器42的电感L_M和第二电容器52的电容C_M来连续改变谐振频率。

图5A是示出了相对于第二电感器42的归一化电感L_M，低频侧谐振频率变化的曲线图，亦即，图4中点C所示的0.3GHz一侧的谐振频率。图5B是示出了相对于第二电感器42的归一化电感L_M，高频侧谐振频率变化的曲线图，亦即，图4中点D所示的0.75GHz一侧的谐振频率。图6A是示出了相对于第二电容器52的归一化电容C_M，低频侧谐振频率的变化的曲线图。图6B是示出了相对于第二电容器52的归一化电容C_M，高频侧谐振频率的变化的曲线图。

如图5A中所示，可以随着第二电感器42的电感L_M变化连续改变低频侧的谐振频率。同样，如图5B中所示，可以随着第二电感器42的电感L_M变化连续改变高频侧的谐振频率。

此外，如图6A中所示，可以随着第二电容器52的电容C_M的变化连续改变低频侧的谐振频率。而且，如图6B中所示，可以随着第二电容器52的电容C_M的变化连续改变高频侧的谐振频率。

如上所述，可以通过改变第二电感器42的电感L_M和第二电容器52的电容C_M连续改变多频带天线1的两个谐振频率。

(多频带天线1的特征)

在上文中，已经参考数值表达式定量地描述了多频带天线1的多频带配置。在下文中，将基于图7A和7B定性描述多频带天线1的多频带配置。图7A和7B是示出了多频带天线1的部件如何在相应谐振频率下工作的图示。

如图7A中所示，对于高频侧的谐振频率而言，第二电感器42(L_M)接近开路状态，第三电容器54(C_R)接近开路状态。因此，主要通过第一电容器50(C_L)和第一电感器40(L_L)(即，图7A中的单点虚线包围的元件)的操作确定谐振频率。

如图7B中所示，对于低频侧的谐振频率而言，第一电容器50(C_L)接近开路状态，第三电容器54(C_R)接近开路状态。因此，增强了第二电感器42(L_M)和第二电容器52(C_M)的效果，谐振频率主要由第二电感器42(L_M)和第二电容器52(C_M)(即，图7B中单点虚线围绕的元件)的操作确定。

如上所述，可以在高频侧和低频侧获得频率点。换言之，可以发射和接收具有两个频率的无线电波。

通常，将第三电感器44(L_R)被设置成与两条金属线10、12串联，第三电容器54(C_R)被设置成与两条金属线10、12并联的结构称为右手材料。将如下结构称为元(meta)材料或左手材料：级联多个单元，每个单元都具有与右手材料的第三电感器44(L_R)串联的第一电容器50(C_L)和与第三电容器54(C_R)并联的第一电感器50(L_L)。

在与两条金属线10、12串联设置的第一电感器40(L_L)、第一电容器50(C_L)、第二电感器42(L_M)、第二电容器52(C_M)、第三电感器44(L_R)，以及设置于两条金属线10、12之间的第三电容器54(C_R)满足表达式1的关系时，谐振点，即用于获得期望频率的每个电感器和每个电容器在数值上是受限制的。因此，容易确定每个电感器和每个电容器的值。

由印刷电路板80上形成的导体图案提供两条金属线10、12。第一电感器40(L_L)和第二电感器42(L_M)的导体图案具有蜿蜒形状。第一电容器50(C_L)和第二电容器52(C_M)的导体图案具有梳齿形状。

亦即，由印刷电路板80上形成的导体图案提供电感器和电容器。因此，可以减小多频带天线1的尺寸，可以减小多频带天线1的损耗。

<第二实施例>

将参考图8A、8B、9和10来描述第二实施例。图8A是示意性示出了根据第二实施例的多频带天线2的图示。

(多频带天线2的结构)

参考图8A，多频带天线2是通过沿两条金属线10、12级联多个单元电路22构造的单极型天线，单元电路22具有相同的结构，金属线作为基本结构。两条金属线10、12基本彼此平行，并作为导电线提供。

金属线10的第一端是馈电点14，通过频带滤波器70连接到多个发射和接收装置72、74等。金属线10的第二端是开路端。

金属线12的第一端与金属线10的第一端在同一侧，连接到GND板60，以免传输信号反射。

具有上述结构的多频带天线2能够发射和接收与多个发射和接收装置72、74等相关联的无线电波。

在多频带天线2的实际装置中，类似于第一实施例的多频带天线1，由印刷电路板80上形成的诸如铜箔的导体图案提供两条金属线10、12。

如图8B所示，单元电路22包括通信单元32和第一电容器50(C_L)。通信单元32具有通过第一电感器40(L_L)将两条金属线10、12彼此连接的电路结构。在金属线10中插入第一电容器50(C_L)。在本实施例中，例如，在连接点上与通信单元32相反一侧在金属线10中插入两个第一电容器50(C_L)。

在实际的装置中，如图2A所示，由具有蜿蜒形状且形成于印刷电路板80上的导体图案提供第一电感器40(L_L)。而且，由具有梳齿形状且形成于印刷电路板80上的导体图案提供第一电容器50(C_L)。

(电感器和电容器之间的关系)

在具有上述结构的多频带天线2中，设置于两条金属线10、12之间的第一电感器40(L_L)、第一电容器50(C_L)、第三电容器54(C_R)和与两条金属线10、12串联设置的第三电感器44(L_R)满足以下表达式2表示的关系：

$\sqrt{\frac{1}{L_L{C}_R}}=\frac{-A+\sqrt{A^2+\frac{{4L}_R}{C_L}}}{2L_R}$ 表达式2

(多频带天线2的特征)

在上述多频带天线2中，如图9中所示，在低频侧，第三电感器44(L_R)接近短路状态，第三电容器54(C_R)接近开路状态。因此，第一电感器40(L_L)和第一电容器50(C_L)(即，图9中单点虚线包围的元件)的操作是支配性的。

另一方面，在高频侧，由于第一电感器40(L_L)和第一电容器50(C_L)的谐振(反谐振)，阻抗在该频率处变高。因此，将电流配送给馈电侧的金属线10。在这种情况下由以下表达式6表示谐振频率ω₁：

表达式6

在以上谐振频率(反谐振频率)下，确定第三电感器44的值L_R和第一电容器50的值C_L，使得馈电侧金属线10的辐射阻抗的虚部A被否定。在这种情况下，因此，从金属线10高效率地辐射无线电波。

在这种情况下，虚部A、第三电感器44(L_R)和第一电容器50(C_L)满足如下表达式7表示的关系：

表达式7

因此，如下表示谐振频率ω₁：

表达式8

基于以上表达式7和8参考第一电感器40(L_L)、第三电感器44(L_R)、第一电容器50(CL)和金属线10辐射阻抗的虚部A引入以下表达式2：

$\sqrt{\frac{1}{L_L{C}_R}}=\frac{-A+\sqrt{A^2+\frac{{4L}_R}{C_L}}}{2L_R}$ 表达式2

图10是示出了多频带天线2的输入特性S11的分析结果的曲线图，输入特性满足表达式2表示的关系。如图10中所示，多频带天线2在两个频率处发生谐振，例如0.36GHz的E点和0.73GHz的F点，从而认为提供了多频带配置。

应该指出的是，第三电感器44(L_R)是需要设置于金属线10上的电感器，如上所述。因此，可以通过改变单元电路22中金属线10的长度，通过利用印刷电路板80上的导电图案形成电感器或通过增加分立部件，例如线圈，来确定第三电感器44的值L_R。

<其它实施例>

上文描述了示范性实施例。不过，本公开不限于上述示范性实施例，而是可以通过各种其它方式修改。

(1)在上述实施例中，由印刷电路板80上形成的导体图案实施第一到第三电感器40、42、44和第一到第三电容器50、52、54。不过，在通过这种导电图案难以获得期望的电感和/或电容时，可以利用例如分立部件等获得期望的电感和/或电容。

(2)在第一实施例中，在连接到通信单元30的连接点的相对侧上在金属线10上设置两个第二电感器42(L_M)。在第二实施例中，在连接到通信单元32的连接点的相对侧上在金属线10上设置两个第一电容器50(C_L)。不过，并非始终需要在连接点的相对侧上设置第二电感器42(L_M)和第一电容器50(C_L)，可以去除第二电感器42(L_M)之一或第一电容器(C_L)之一。在这种情况下，必须要改变第二电感器42的值L_M或第一电容器50的值C_L。

尽管已经参考其示范性实施例描述了本公开，但应理解本公开不限于示范性实施例和构造。本公开意在覆盖各种修改和等价布置。此外，尽管优选各种组合和配置，其它组合和配置，包括更多、更少或单个元件，也在本公开的精神和范围之内。

Claims (2)

1.一种多频带天线，包括：

基本彼此平行的两条导体线(10，12)；以及

沿着所述两条导体线(10，12)级联的多个单元电路(20)，所述单元电路(20)中的每一个包括：

通信单元(30)，所述通信单元(30)包括第一电感器(40)和与所述第一电感器(40)串联连接的第二电容器(52)，并且所述通信单元(30)通过所述第一电感器(40)和所述第二电容器(52)连接在所述两条导体线(10，12)之间；以及

在所述两条导体线(10，12)中的至少一条中插入的第一电容器(50)和第二电感器(42)，所述第二电感器(42)与所述第一电容器(50)并联连接，其中

所述第一电感器(40)、所述第一电容器(50)、所述第二电感器(42)、所述第二电容器(52)、与所述两条导体线(10，12)中的至少一条串联设置的第三电感器(44)和设置于所述两条导体线(10，12)之间的第三电容器(54)满足以下表达式1表示的关系：

$\sqrt{\frac{1}{L_L{C}_M}}\&le;\sqrt{\frac{1}{(L_R+L_M)C_L}}\&le;\sqrt{\frac{1}{L_L{C}_R}(1+\frac{C_R}{C_M})}\&le;\sqrt{\frac{1}{L_R{C}_L}}$   表达式1

其中L_L是所述第一电感器(40)的值，C_L是所述第一电容器(50)的值，L_M是所述第二电感器(42)的值，C_M是所述第二电容器(52)的值，L_R是所述第三电感器(44)的值，并且C_R是所述第三电容器(54)的值，

其中所述第二电感器(42)与串联连接的所述第三电感器(44)和所述第一电容器(50)并联连接，并且所述第三电容器(54)与串联连接的所述第一电感器(40)和所述第二电容器(52)并联连接。

2.根据权利要求1所述的多频带天线，其中

由印刷电路板(80)上设置的导体图案来提供所述两条导体线(10，12)，并且

由所述印刷电路板(80)上设置的导体图案来提供所述第一电感器(40)、所述第二电感器(42)、所述第一电容器(50)和所述第二电容器(52)中的至少一个。