CN103703619A

CN103703619A - 天线配置

Info

Publication number: CN103703619A
Application number: CN201280030806.4A
Authority: CN
Inventors: 奥瓦迪亚·格罗斯曼; 摩西·本阿云; 马克西姆·别列津; 马克·罗森塔尔
Original assignee: Motorola Solutions Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2014-04-02
Also published as: US20120326938A1; KR20140016985A; US8681059B2; EP2724419A1; WO2012177437A1; WO2012177437A4; JP2014519288A

Abstract

公开了一种在无线通信设备中使用的天线装置和方法。天线包括被配置成耦合至通信设备(402)的第一部分(102)。天线还包括被配置成耦合至第一部分的第二部分(106)。第一部分和第二部分通过交叠第一部分和第二部分来耦合从而产生全向辐射样式和垂直辐射样式。

Description

天线配置

技术领域

本公开通常涉及天线的配置，并且更特别地涉及提供在水平平面中和在垂直方向上都具有优化的辐射性能的优化的天线装置。

背景技术

天线是将能量从一种形式转变成另一种形式的专用电子设备。天线将自由空间中的无线电波耦合成由诸如便携式无线电设备、移动无线电设备以及类似的电子设备使用的电子电流。在接收时，天线截取一些电磁波功率从而产生耦合的电子设备的接收器可放大的电压。在传输期间，电子设备产生可施加至天线的终端的射频(RF)电流，从而将其转变成辐射至自由空间中的电磁波(无线电波)。

取决于天线的设计，无线电波可朝着所有的水平方向发送或从所有的水平方向接收(“全向”)，通常在一个或多个方向上，诸如天空或地面，具有降低的性能。可替换地，定向或波束天线可以被设计成在特定方向上操作。对于不同的频率和目的，在天线的设计中存在显著的物理差异。然而，存在定义天线的功能和操作的特定的基本属性。在天线的设计中关注最多的属性之一是辐射样式。天线的辐射样式确定辐射能量的空间分布。例如，垂直导线天线在具有一些垂直指向性的水平(方位)平面上给出均匀覆盖，并由此经常用于广播的目的。作为提供均匀覆盖的辐射样式的替代方式，天线可具有定向辐射样式。

在无线通信的领域，已存在提供在多于一个频带操作的无线通信设备的最近的趋势。无线通信设备的实例包括便携式无线电设备、移动无线电设备、移动电话以及类似设备。例如，这些无线通信设备可以被设计成在例如用于美国的850/1900兆赫兹(MHz)频带和/或用于世界其它各地的900/1800MHz频带中操作。将理解，适于在多个离散频带中可操作的天线的配置可能影响关联无线通信设备的设计。

此外，通信设备的复杂度已经增加，使得通信设备通常服务于多个目的。例如，能够在不同频率带上操作的移动电话可能具有基于全球定位系统(GPS)的内置卫星定位功能。如前面指出的，全向天线的辐射样式通常在诸如天空或地面的特定方向上减小。因此，即使具有全向天线的无线通信设备可以包括GPS特征，但由于全向天线的垂直指向性通常在天空或地面的方向上减小，所以存在用于在合并全向天线的无线通信设备中相对于GPS特征进行优化的空间。本领域技术人员将清楚地认识到，在天线设计的领域中，非常难以设计能够在水平平面上和在天空或地面的方向上提供类似辐射性能的单个天线结构。

因此，需要一种适于在水平平面中和在天空的方向上都具有优化的辐射性能的无线通信设备的优化的天线装置。

附图说明

附图和以下的详细描述一起合并在说明书中并构成说明书的一部分，并用于进一步阐释包括要求保护的发明的概念的实施例和解释那些实施例的各种原理和优点，其中遍及各个单独视图，类似的附图标记指的是相同或功能类似的元件。

图1是根据一些实施例的天线的图。

图2是根据一些实施例使用的天线的配置的图。

图3是示出在一些实施例中使用的一种耦合技术的图。

图4是示出在一些实施例中使用的另一种耦合技术的图。

图5是阐释根据一些实施例，耦合有天线的典型无线通信设备的组件的框图。

本领域技术人员将理解，为了简化和清楚的目的，图中的元件被阐释并且不一定按比例绘制。例如，图中一些元件的尺寸可相对于其它元件被放大以有助于改善对本发明的实施例的理解。

通过图中的传统的符号适当表示了装置和方法组件，仅示出与理解本发明的实施例有关的那些具体细节，从而对于受益于文中的描述的本领域技术人员显而易见的细节不会使本公开难以理解。

具体实施方式

一些实施例针对在无线通信设备中使用的天线装置和方法。天线包括第一部分，其中第一部分的第一端被配置成耦合至通信设备。天线还包括第二部分，其中第二部分的第一端被配置成耦合至第一部分的第二端。第一部分和第二部分通过直接交叠第二部分的第一端和第一部分的第二端或在第二部分的第一端和第一部分的第二端上交叠另一材料从而产生全向辐射样式和垂直辐射样式两者来耦合。

现在参照图1，示出在一些实施例中实现的天线100。天线100包括第一部分102，第一部分102可以是作为用于超高频(UHF)谐振的单极天线。第一部分102在文中可以被称作单极天线102。第一部分102包括导电基体108，导电基体108包括端部104。在使用中，端部104导电地附着至导电部件。在一些实施例中，端部104为线状，允许其以已知方式机械和电气地附着至关联通信设备的导电接地平面(未示出)。在端部104的相对侧，单极天线102附着/耦合至第二部分106(也称作全球定位系统(GPS)天线)的一端。两个部分102和106未电连接，相互隔离且主GPS辐射集中在天线100的上部中。

天线100被配置成附着至通信设备，诸如移动无线电设备、便携式无线电设备、移动电话以及类似设备。在通信链路中，第一通信设备的发射器电路可通过同轴电缆、微带传输线或其它这样的装置连接至天线100。待发射的信号在自由空间中辐射，在自由空间中其被第二通信设备的另一天线“拾取”。在第二通信设备中，接收到的信号穿过另一同轴电缆、微带传输线或其它类似结构到达接收器电路。

图2是根据一些实施例使用的天线的配置的图。馈线202将单极天线102连接至附着的通信设备的接收器电路和/或发射器电路。馈线202将射频(RF)能量从发射器电路传递至单极天线102，和/或从单极天线102传递至接收器电路，但其本身不辐射或截取能量。

如本领域技术人员已知的，天线阵列是被布置成产生定向辐射样式的独立辐射单元(在这一情形下，是单极天线/第一部分102和GPS天线/第二部分106)的配置。阵列的辐射样式取决于该配置、元件之间的距离、元件的幅度和相位激发，以及还取决于独立元件的辐射样式。因为单个元件的天线具有宽的辐射样式并由此具有不适于长距离通信的低方向性，所以在一个实施例中，在辐射元件无效的方向上施加端射阵列效应。如现有技术所已知的，端射阵列是从一端发出其辐射的线元或圆柱形天线阵列。在端射阵列布置中，最大辐射沿着阵列的轴。端射阵列由沿着直线布置并承载相等幅度的电流的多个相同的等间距的天线构成(在这一情形下，是第一部分102和第二部分106)。端射阵列中的第一部分102和第二部分106被激发使得相邻的部分102和106之间存在以波长表示的步进相位差。在图2中示出的实施例中，端射阵列中的部分102和106之间的步进相位差为四分之一波长。通过在部分102和106之间的步进相位差为四分之一波长的端射阵列中布置第一部分102和第二部分106，端射阵列效应可以用于为在通信设备中实现的GPS特征提供优化的上半球效率，计算的效率为当前行业标准的两倍。由于第一部分102和第二部分106的配置，图2中示出的天线可以被配置成在例如800/900MHz频率带的离散频率带上操作，并且提供优化的GPS性能。

如本领域技术人员已知的，在耦合有天线的通信设备的使用期间，天线发生失调(频率移位)。例如，当耦合有天线的无线电设备保持在手中或放置于头部附近，天线通常会发生失调。在天线100的一个实施例中，如果电容或耦合被控制/计算以获得需要的性能，则不存在频率移位或失调。特别地，如果交叠电容被控制/及计算初始的四分之一波长天线电容的四(4)倍，则当在用户的手中时，天线将不会发生失调。

不同的耦合技术可用于连接天线102和106。图3是示出了在一些实施例中使用的耦合技术的图。在图3中，并非如图1和图2所示的交叠天线102和106，而是通过交叠导电圆柱体302来耦合天线102和106。在一些实施例中，金属波纹交叠天线102和天线106以控制电容，并且当附着到天线的通信设备在人的手中时可获得零频率移位。在一个实施例中，天线102和天线106的每一个由同轴线构成。天线102和106的同轴线包括由管状、编织的金属屏蔽围绕的导线导体。导体由通常为固体或发泡聚乙烯的电介质保持在屏蔽的中心处。屏蔽连接至射频(RF)地，而中心导体承载RF信号。屏蔽，如其名称所示，防止电缆内的电磁场漏出，并且还防止电磁能量从外界进入电缆。在这一配置中，两个同轴偶极的端馈阵列引起天线实现高达百分之六十的上半球效率。现有技术己知的，对于当前的天线，上半球效率是约百分之十七。

图4是示出了在一些实施例中使用的另一种耦合技术的图。在图4中，通过紧密交叠临近的线圈来耦合天线102和104。可通过例如404和406中示出的不同的方式来耦合天线102和106的线圈。通过利用通信设备402的机壳来集中电感，超高频(UHF)谐振被添加至图4的天线配置。在该实施例中示出的天线配置可在离散频率带上操作，例如UHF、700/800/GPS频带。天线配置的实际尺寸取决于附着有天线配置的通信设备402的尺寸。

上述天线配置因此为通信设备提供优化的GPS性能。上述天线配置还提供改进的手持性能。在一些实施例中，受控的上负载耦合在主频上改进3db的手持性能。上述天线的机械结构得到简化，从而增加产能并使成本降低。

图5是阐释耦合有根据一些实施例使用的天线配置的典型无线通信设备的组件的框图。根据本发明的一个实施例，通信设备500包括：诸如键盘、显示器或触摸传感器的用户接口502；控制无线电设备的操作特征的处理器504；存储例如数据和计算机程序代码组件的存储器506；以及使无线电设备能够与其它无线电设备进行无线通信的无线联网通信接口508。无线联网通信接口508被配置成合并文中描述的天线配置中的一个。用户接口502、存储器506和通信接口508各自操作性地连接至处理器504。本领域技术人员将理解存储器502可包括各种类型的存储器，诸如如本领域公知的随机存取存储器(例如，静态随机存取存储器(SRAM))、只读存储器(例如，可编程只读存储器(PROM))，电可擦除可编程只读存储器(EPROM)或混合存储器(例如，FLASH)。处理器504访问存储器502中的计算机可用介质，其中介质包括被配置成引起通信设备执行文中描述的功能的计算机可读程序代码组件。

在之前的说明中，已经描述了具体实施例。然而，本领域技术人员应理解，在不脱离以下的权利要求中要求保护的发明的范围的情况下，可作出各种修改和变化。因此，说明书和附图应当被认为是说明性的为不是限制性的含义，并且所有这样的修改意在被包括在本教导的范围内。

益处、优点、问题的解决方案以及可引起任何益处、优点或解决方案产生或变得更明确的任何要素不应当解释为任何或所有权利要求的关键的、需要的或必要的特征或要素。本发明仅由所附权利要求限定，包括在本申请的悬而未决期间作出的任何修改和如公布的那些权利要求的所有等同物。

而且，在本文献中，诸如第一和第二、顶部和底部以及类似的关系术语仅可用于将一个实体或行为与另一个实体或行为区别而不一定需要或暗示这样的实体或行为之间的任何实际这样的关系或顺序。术语“包括”、“具有”、“包含”、“含有”或其任何变形意在覆盖非排除性的包括，从而包括、具有、包含、含有一系列要素的工艺、方法、制品或装置不仅包括那些要素，而且可包括未明确列出或这样的工艺、方法、制品或装置固有的其它要素。由“包括……一个”、“具有……一个”、“包含……一个”、“含有……一个”表述的要素在没有更多约束的情况下并不排除在包括、具有、包含、含有该要素的工艺、方法、制品或装置中其它等价要素的存在。术语“一个”和“一”被定义为一个或多个，除非文中另外明确指出。术语“实质上”、“基本上”、“近似”、“大约”或其任何其它表述被定义为接近于本领域技术人员的理解，并且在非限制性实施例中，该术语被定义为在10％以内，在另一实施例中为5％以内，在又一实施例中为在1％以内，且在再一实施例中为在0.5％以内。文中使用的术语“耦合的”被定义为连接的，但不一定直接地和不一定机械地连接。通过特定方式“配置”的设备或结构至少以该方式配置，但也可通过未列出的方式配置。

将理解，一些实施例可包括诸如微处理器、数字信号处理器、定制处理器和现场可编程门阵列(FPGA)的一个或多个通用或专用处理器(或“处理设备”)和控制一个或多个处理器集合特定非处理器电路来实现在此描述的方法和/或装置的一些、大多数或所有功能的唯一存储的程序指令(包括软件和固件两者)。可替换地，一些或所有功能可由不具有存储的程序指令的状态机实现或在一个或多个专用集成电路(ASIC)中实现，其中每一项功能或这些功能的特定组合被实现为定制逻辑。当然，可使用两种方法的组合。

而且，一个实施例可被实现为具有存储于其上用于对计算机(例如，包括处理器)进行编程的计算机可读代码的计算机可读存储介质，以执行文中描述和要求保护的方法。这样的计算机可读存储介质的实例包括但不限于硬盘、CD-ROM、光存储设备、磁存储设备、ROM(只读存储器)、PROM(可编程只读存储器)、EPROM(可擦可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦可编程只读存储器)和快闪存储器。而且，可预料本领域技术人员虽然可能收到例如可用的时间、当前的技术和经济考虑激发的可能的大量努力和众多设计选择，但是当受到文中公开的概念和原理引导时，将容易地能够利用最少的实验生成这样的软件指令和程序以及IC。

提供本公开的摘要以允许读者快速确定技术公开的本质。应理解其将不用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外。在前述的具体实施方式中，可看出为了简化该公开的目的，在各个实施例中，各种特征分组在一起。本公开的方法不应当被解释为反映所要求保护的实施例要求比在每一个权利要求中明确记载的更多的特征。相反，如以下权利要求所反映的，发明的主题在于少于单个公开的实施例的所有特征。从而，以下权利要求由此并入具体实施方式中，而每一个权利要求作为单独要求保护的主题各自独立。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种在无线通信设备中使用的天线，所述天线包括：

第一部分(102)，其中所述第一部分的第一端被配置成耦合至通信设备(402)；以及

第二部分(106)，其中所述第二部分的第一端被配置成耦合至所述第一部分的第二端，

其中所述第一部分和第二部分承载相等幅度的电流，并且通过将所述第二部分的所述第一端和所述第一部分的所述第二端直接交叠或通过在所述第二部分的所述第一端和所述第一部分的所述第二端上交叠另一种材料、使得所述第一部分和第二部分之间的步进相位差为四分之一波长，来耦合所述第一部分和第二部分，从而产生全向辐射样式和垂直辐射样式两者。

2.根据权利要求1所述的天线，其中在耦合所述第一部分和所述第二部分时，端射阵列效应被施加在所述第一部分和第二部分的辐射元件无效的方向上。

3.根据权利要求1所述的天线其中通过交叠导电圆柱体(302)来耦合所述第二部分的所述第一端和所述第一部分的所述第二端。

4.根据权利要求1所述的天线，其中通过紧密交叠所述第一部分和第二部分的临近线圈(404，406)来耦合所述第二部分的所述第一端和所述第一部分的所述第二端。

5.根据权利要求1所述的天线，其中所述第一部分为单极天线。

6.一种用于配置无线通信设备中使用的天线的方法，包括：

将所述天线的第一部分的第一端耦合至通信设备；以及

将所述天线的第二部分的第一端耦合至所述第一部分的第二端，

7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：当耦合所述第一部分和所述第二部分时，在所述第一部分和第二部分的辐射元件无效的方向上施加端射阵列效应。

8.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：通过在所述第一部分和第二部分上交叠导电圆柱体来耦合所述第二部分的所述第一端和所述第一部分的所述第二端。

9.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：通过紧密交叠所述第一部分和第二部分的临近线圈来耦合所述第二部分的所述第一端和所述第一部分的所述第二端。

10.一种在无线通信设备中使用的天线，所述天线包括：

第一部分(102)，所述第一部分(102)被配置成耦合至通信设备(402)；以及

第二部分(106)，所述第二部分(106)被配置成通过交叠所述第一部分和第二部分而耦合至所述第一部分，

其中所述第一部分和所述第二部分承载相等幅度的电流，并且在耦合所述第一部分和所述第二部分时，端射阵列效应被施加在所述第一部分和第二部分的辐射元件无效的方向上，其中所述第一部分和第二部分之间的步进相位差为四分之一波长。

Claims

1.一种在无线通信设备中使用的天线，所述天线包括：

其中，通过将所述第二部分的所述第一端和所述第一部分的所述第二端直接交叠、或通过在所述第二部分的所述第一端和所述第一部分的所述第二端上交叠另一种材料，来耦合所述第一部分和第二部分，从而产生全向辐射样式和垂直辐射样式两者。

3.根据权利要求2所述的天线，其中所述第一部分和第二部分之间的步进相位差为四分之一波长。

4.根据权利要求1所述的天线，其中通过交叠导电圆柱体(302)来耦合所述第二部分的所述第一端和所述第一部分的所述第二端。

5.根据权利要求1所述的天线，其中通过紧密交叠所述第一部分和第二部分的临近线圈(404，406)来耦合所述第二部分的所述第一端和所述第一部分的所述第二端。

6.根据权利要求1所述的天线，其中所述第一部分为单极天线。

7.一种用于配置无线通信设备中使用的天线的方法，包括：

将所述天线的第一部分的第一端耦合至通信设备；以及

其中通过将所述第二部分的所述第一端和所述第一部分的所述第二端直接交叠、或通过在所述第二部分的所述第一端和所述第一部分的所述第二端上交叠另一种材料，来耦合所述第一部分和第二部分，从而产生全向辐射样式和垂直辐射样式两者。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：当耦合所述第一部分和所述第二部分时，在所述第一部分和第二部分的辐射元件无效的方向上施加端射阵列效应，其中所述第一部分和第二部分之间的步进相位差为四分之一波长。

9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：通过在所述第一部分和第二部分上交叠导电圆柱体来耦合所述第二部分的所述第一端和所述第一部分的所述第二端。

10.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：通过紧密交叠所述第一部分和第二部分的临近线圈来耦合所述第二部分的所述第一端和所述第一部分的所述第二端。

11.一种在无线通信设备中使用的天线，所述天线包括：

其中在耦合所述第一部分和所述第二部分时，端射阵列效应被施加在所述第一部分和第二部分的辐射元件无效的方向上。

12.根据权利要求10所述的天线，其中所述第一部分和第二部分之间的步进相位差为四分之一波长。