CN104737367B

CN104737367B - 多频带天线

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Publication number: CN104737367B
Application number: CN201380053247.3A
Authority: CN
Inventors: D·伊利茨
Original assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Current assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2018-12-04
Anticipated expiration: 2033-10-11
Also published as: WO2014059382A1; US20150236417A1; GB201218286D0; CN104737367A; US10224630B2; GB2509297A; EP2907195A1

Abstract

公开了一种多频带天线设备，包括被配置成用于在接地点电连接到接地平面的导电细长形天线元件，以及被配置成用于在馈电点电连接到无线电发射机/接收机的导电细长形馈电元件。天线元件的至少主要部分被配置成在第一方向上延伸，并且在第二、基本上反向平行的方向上在其自身上折叠从而形成槽。馈电点与接地点毗邻，而馈电元件被配置成基本上平行于天线元件的主要部分的第一和第二方向延伸。天线设备可以在多个频带中操作，并可以被配置在移动通信手机外壳的角中紧凑容适的电介质绝缘模型上。

Description

多频带天线

本发明的各实施例涉及能够在多个频率范围中操作的多频带天线。具体而言，但不排他地，本发明的各实施例提供适合用于诸如智能电话和平板电脑之类的个人通信设备的紧凑得多的多频带天线解决方案。

背景

天线通常通过直接通电连接连接到无线电。然而，已经表明，通过电容间隔(例如，在导电条带和馈电结构之间)给天线馈电可以对于某些类型的天线提供若干优点。这些优点对较大的阻抗匹配带宽特别有用。参见，例如，US2003/0189625或Rowell&Murch,"Compact PIFA Suitable for Dual-Frequency900/1800-MHz Operation(适用于双频率900/1800-MHz操作的紧凑PIFA)",关于天线和传播的IEEE事务,案卷.46,No.4,1998年4月，第596-598页。

Rowell&Murch的如图1所示的单频带天线具有跨在主要天线元件中形成的槽延伸的宽的馈电板。如图2所示的双频带天线具有用于天线的较高频带的单独的天线元件和单独的电容馈电。显然，此文章的作者没有考虑利用单一天线元件和单一电容馈电产生复共振行为的可能性。

EP1345282公开了用于无线电通信终端的多频带无线电天线设备(1)，包括平面接地衬底(20)、具有无线电信号馈电点(3)的平面主要辐射元件(2,9)，以及平面寄生元件(5,6)。主要辐射元件位于毗邻接地衬底，并与接地衬底位于相同平面中，优选地，与其电介质隔离。天线设备适合于在诸如移动电话(30)之类的便携式无线电终端中被用作内置天线。然而，应当注意，此天线不是电容馈电天线。在EP1345282中，馈电元件也是最长的元件并且是提供最低共振频率以及多频带行为的元件；如果去除电容耦合的元件，则天线仍将以相同最小共振工作。

EP2405533公开了电容馈电的天线，包括产生天线的多频带共振行为所需的电感元件(181)。此外，EP2405533所示出的馈电元件被配置为，以便在远离天线的接地点的点开始，并在与天线的辐射臂的方向相反的方向朝接地点延伸。

US2012/0154222示出了包括长的，U形元件以及较短的，颠倒的L形元件的天线结构。这里，U形元件被驱动，L形元件被短路到接地。

本申请的图1示出了已知的电容馈电天线。天线102连接到接地平面106，并在A点折叠，以便天线的至少一部分位于基本上平行于接地平面106的平面中。以此方式折叠天线降低了天线设备的总高度。天线102在接地点108连接到接地平面106。无线电发射机/接收机110连接到馈电结构104，在馈电结构104和天线102之间形成小电容间隔112。电容间隔112的电容是设计参数，并取决于工作频率。例如，对于大约1GHz的工作频率，间隔112的电容可以是大致2pF。

通常，电容间隔112被定位在靠近天线102的接地点106。在此配置中，天线在电容间隔112处的阻抗接近于无线电系统的特征阻抗，例如，50。

图1中所示出的天线是电容馈电的天线设备的典型，然而，有各种可以通过折叠天线来缩减天线的总体尺寸的方式。此外，也可能通过在天线102上添加支路来产生多个共振。应该注意的是，图1中所示出的天线设备是不平衡结构，天线设备的接地平面106是辐射结构的组成部分，并在天线设备的总体性能中起着重要的作用。

图1中所示出的结构的类型广泛地用于许多设备(例如，用于移动电话、膝上型计算机等等的蜂窝式天线)中，在现有技术中公开了许多变型。

发明内容

从第一方面来看，提供了一种多频带天线设备，包括被配置成在接地点电连接到接地平面的导电细长形天线元件，以及被配置成在馈电点电连接到无线电发射机/接收机的导电细长形馈电元件，其中所述天线元件的至少主要部分被配置成在第一方向上延长，在第二、基本上反向平行的方向上在其自身上折叠，天线元件藉此形成槽，其中所述馈电点与接地点毗邻，并且其中所述馈电元件被配置成在基本上平行于所述天线元件的所述主要部分的所述第一和第二方向上延长，并在天线设备的操作期间与天线元件电容耦合。

天线元件可以包括细长形导电条带，并可以具有至少三个部分。第一部分可以在基本上垂直的布局中在接地点电连接到接地平面；第二部分可以基本上平行于接地平面的边；而第三部分可以在其自身上折叠，以便它平行于第二部分，从而在天线元件的第二和第三部分之间形成槽。馈电元件可包括具有小于1:5的宽长比的细长形导电条带。馈电元件的总长度必须在最低的工作频率时比最短的共振长度短得多(在某些实施例中，通常大约λ/4，其中，λ是最低工作频率时的波长)，但是，不能如此短，以至于它没有可用于天线元件的耦合电容。在某些实施例中，馈电元件在最低工作频率时具有λ/25和λ/8之间的长度。馈电元件的一端在接地点的附近连接到无线电发射机/接收机，在接地点，天线元件连接到接地平面。馈电元件具有两个部分：第一部分基本上平行于天线元件的第一部分，而第二部分基本上平行于天线元件的第二部分。馈电元件的第二部分被安排为形成电容间隔，该电容间隔在馈电元件和天线元件的第二部分之间提供电容耦合。

此布局的优点是改善天线设备的可用频率带宽、多频带行为，以及紧凑性。

可以在诸如由FR4或等等制成的PCB之类的电介质衬底上形成天线设备，其中接地平面作为衬底上的导电层形成，天线和馈电元件在没有接地平面存在的区域中的电介质衬底上作为导电轨迹形成。接地平面可以定义一个边，而天线元件和馈电元件的相应的部分优选地被配置成基本上平行于接地平面的边。

天线元件和馈电可以在基本上相同的平面中。另选地，它们可以在例如在电介质衬底的相对的表面上形成的基本上平行的平面中。

馈电元件可以在天线元件的第二部分和接地平面的边之间延伸，或可以在天线元件的第二和第三部分之间延伸。

天线元件的第二部分可以另外配备有采用额外的导电元件形式的耦合支路，该耦合支路从第二部分延伸，并在基本上平行于第二部分的方向上朝接地点反向延伸。这会是合乎需要的，特别是在低频时，因为它会增大馈电元件和天线元件的第二部分之间的耦合，而不会将其之间的间隔缩小到制造容差会变为问题的程度。耦合支路和天线元件的第二部分可以被视为部分地环绕馈电元件。

在某些实施例中，天线元件可以配备有从第二部分延伸的支路的形式的至少一个额外的部分，该部分引入额外的共振。支路可以在与天线元件的第三部分基本上相同的方向上，或在基本上相反的方向上延伸。在某些实施例中，支路可以被配置成与天线元件的第三部分的至少一部分电容耦合。除增大带宽之外，支路也可以被配置成产生额外的共振。有利地，支路源于接地点附近的第二部分，因为这帮助增强较高共振的带宽或造成额外的共振，而不会在较低的或最低共振时过度地使行为降级。

各实施例的一个优点是，天线设备甚至在接地平面在天线设备的一侧上延伸的情况下也通常良好地工作。这在天线设备由于空间考虑而不能完全从接地平面剖面中伸出的应用中有吸引力。

天线设备也可以围绕接地平面的角部(例如，围绕PCB的角部)弯曲。这允许在小PCB上有额外的空间节省。

最低共振的频率可以通过在接地点通过阻抗元件(诸如电感器和/或电容器)将天线元件连接到接地平面来轻松地调整如果阻抗元件是电感器，那么最低共振的频率被降低；如果它是电容器，那么频率被提高。

可以通过在接地点通过以电子方式进行控制的可变阻抗(例如，变容二极管)将天线元件连接到接地平面来使天线设备能够以电子方式调谐。另选地，天线元件可以通过以电子方式进行控制的RF开关连接到接地平面，该RF开关在不同类型或值的两个或更多阻抗元件(电感器和/或电容器)之间转换，由此使得天线设备能够以对应的数种不同状态来工作

在某些实施例中，馈电元件中远离馈电点的那一端可以连接到接地平面。此布局通常改善上共振中的带宽，以在下共振处的带宽有小的缩减为代价。连接可以是简单通电连接，或可以通过诸如电容器或电感器之类的阻抗元件，从而允许通过简单地调整阻抗元件的值来优化馈电点阻抗。

在另一个实施例中，天线元件和馈电元件可以在电介质支撑物上形成或安置，然后，该电介质支撑物以一般垂直的方式安装在承载接地平面的衬底上，由此形成三维结构。

附图简述

在下文中参考各个附图来进一步描述本发明的各实施例，其中：

图1示出了已知电容馈电天线；

图2示出了带有细长形天线元件和细长形电容馈电元件的天线设备；

图3示出了天线设备的平面结构；

图4示出了印刷电路板(PCB)上的天线设备；

图5示出了带有在PCB的相对的两侧上形成的天线元件和馈电元件的天线设备；

图6示出了天线设备的替换实施例；

图7是图4的天线设备的阻抗匹配标绘；

图8示出了带有辅助耦合支路的实施例；

图9到11示出了带有用于改善带宽或引入额外的共振的额外的支路的替换实施例；

图12是图9的天线设备的阻抗匹配标绘；

图13示出了带有在天线设备的一侧上延伸的接地平面的天线设备；

图14示出了被安排为容适在接地平面的角部周围的天线设备；

图15示出了带有接地点处的阻抗元件的天线设备；

图16示出了带有接地点处的以电子方式可变的阻抗元件的天线设备；

图17示出了带有接地点处的以电子方式进行控制的RF开关的天线设备；

图18示出了馈电元件的一端远离通电连接到接地平面的馈电点的天线设备；

图19示出了馈电元件的一端远离通过阻抗元件连接到接地平面的馈电点的天线设备；

图20示出了垂直于接地平面来安置的天线设备；

图21和22示出了在PCB的一角处围绕接地平面的角弯曲的天线设备；

图23示出了在PCB的毗邻角处围绕接地平面的两个角弯曲的分集布局中的一对天线设备；以及

图24到29示出了这样的一种天线设备，其中，在绝缘载体上形成天线以供置于PCB的角上。

具体实施方式

图2示出了本发明的优选实施例。发现，图1的更一般电容馈电天线的特定布局就电容馈电天线的可用频率带宽、多频带行为和紧凑性而言具有若干显著的优点。

为实现上文所指出的优点，天线元件202采用连接到接地平面206的导电细长形条带的形式，并被配置成位于平行于接地平面的平面中。此外，天线元件还在沿着其长度约一半的B点201处在其自身上折叠。所得到的U形维持长天线，并且因此有最低共振频率对天线可用。U形也可以被视为由天线元件的两个主要部分形成的天线元件内的槽213(如图3所示)。折叠天线元件202也最小化容适天线设备所需的空间。

馈电元件204也是导电细长形条带。导电细长形条带可以被视为其中宽长度比是1/5或更小的条带。馈电元件204沿着接地平面206在馈电点电连接到接地平面206，该馈电点在天线元件202的接地点208附近，，馈电元件204被配置成在相同方向上基本上平行于天线的一部分地延伸。馈电元件204必须具有足够长度，以便提供可用耦合电容。应该注意的是，馈电元件的总长度在最低工作频率时比最短共振长度短，但仍要足够长以确保耦合电容有效。

在图2中，天线元件202被示为具有三个部分。第一部分在接地点208处连接到接地平面，并延伸到第一折叠点，A点。第一部分203被定位为基本上垂直于接地平面的边。第二部分201在基本上平行于接地平面的边的方向上从A点延伸到折叠点B。然后，天线在其自身上折叠，以形成U形或槽，以便自由端部分(即，第三部分)与第二部分的方向反向平行地延伸。

图3示出了图2的优选实施例的平面结构。平面结构通过蚀刻印刷电路板(PCB)，或通过压制金属或其他方法形成。平面结构具有若干设计参数。例如，天线设备200的最低共振频率由天线元件202的总长度，天线元件的第一203和第二201部分的宽度(特别是在接地点208的附近的区域)，以及与接地平面206的距离来确定。在图3中所描绘的天线设备提供第一和第二共振，由于天线元件202在B点处的折叠，第二共振处于比第一共振频率高的频率。第二共振的频率取决于槽213的深度，自由端部分202的长度与第二部分201的长度之比，以及其他参数。展开的或“直的”布局中相同的天线元件只表现出单一低频带共振。天线元件在共振频率时的阻抗的值以及天线设备的相对带宽可以通过调整细长形导电馈电元件204的长度和馈电元件204和天线元件202之间的电容间隔212的宽度来优化。

在典型的平面实现中，天线元件202和馈电元件204通过蚀刻PCB来创建，该PCB也包括接地结构207(平面布局中的接地平面被描述为接地结构)，因此，天线元件202和馈电元件204由电介质材料209支撑，如图4所示。也可能在PCB的一侧上蚀刻天线元件202'，而在PCB的另一侧上蚀刻馈电元件204，如图5所示。一般而言，构成无线电发射机/接收机210的电子电路系统，及其他组件(电池、LCD、扬声器，等等)被焊接或连接到接地结构207。

如图5所示的布局可以实现为独立表面安装天线设备，其中，在分开的PCB上蚀刻天线元件202'和馈电元件204，然后将它们焊接到具有接地结构207和电子组件的主PCB。在典型的实施例中，馈电元件204被蚀刻到PCB的下表面上，而天线元件202被蚀刻到PCB的上表面上，并通过导电条带的方式连接接地。应该注意，其他配置也是可能的。

在如图3、4和5所示的各实施例中，馈电结构208被定位在天线元件202和接地平面206之间。在如图6所示的替换实施例中，馈电元件204在由天线元件202中的折叠所产生的槽213内延伸。

图7示出了如图4所示的天线设备的阻抗匹配的标绘。图7示出了三个特征谷，每一特征谷都表示对应的频率范围。

图8示出了能够在较低的频率操作的天线的进一步的优选实施例。电连接到天线202的辅助耦合支路205被定位在馈电元件204和接地结构207之间，并增大天线元件202和馈电元件204之间的耦合。此外，通过引入辅助耦合支路205，天线元件202和馈电元件204之间的电容间隔212的宽度的缩减不改变。如果电容间隔212太小，则制造天线设备时会出现问题并且关于天线容差也会出现问题。

图9、10和11示出了在第二共振频带提供增强的频率带宽的天线设备的优选实施例。这通过添加第二支路220来实现，该第二支路220源于接地点208的附近的天线元件202的第二部分201。第二支路220可以基本上跟随与天线元件202相同的方向(参见，例如，图9)，或者另选地，可以跟随与天线元件202相反的方向(参见，例如，图10)。此外，还可能通过将第二支路220和天线202的端部分彼此紧靠来在它们之间创建电容耦合，并由此产生小的电容间隔222(参见，例如，图11)。

图12示出了如图9所示的表示天线设备的阻抗匹配的标绘。源于天线元件202的第二部分201的额外的第二支路220产生额外的共振，并使高频带变宽。额外的共振通过标绘上的虚线圈来突出显示。

图13示出了接地结构在天线元件202的一侧上衍生207'的天线设备。这里所公开的天线的各实施例的一个优点是，它们甚至在接地结构207在天线202的一侧上延伸207'的情况下也通常良好地工作，使得它便于其中天线不能完全伸出延伸的接地结构剖面207'的许多应用。

图14示出了被安排为围绕接地结构207的角来容适的天线设备。在此实施例中，天线维持其有利特性同时也最小化它占用的空间。

这里所公开的天线的类的进一步的优点是，可以通过将天线元件202通过阻抗元件226(例如，电感器或电容器)连接到接地结构207来轻松地调整最低共振的频率。图15示出了天线元件202、馈电元件204、接地结构207和阻抗元件226。通过改变阻抗元件的属性来改变最低共振的频率。如果阻抗元件226是电感器，那么最低共振的频率被降低。另选地，如果阻抗元件是电容器，那么最低共振的频率被增大。

图16示出了天线设备可以以电子方式调谐的进一步的优点。将固定阻抗元件226替换为以电子方式进行控制的可变阻抗元件227(诸如变容二极管)能实现最低共振的频率的变化。另选地，如图17所示，天线元件202可以连接到在不同类型或值的两个或更多阻抗元件229、229'、229"(电感器和电容器)之间转换的以电子方式进行控制的射频(RF)开关228。这样的布局提供天线设备的三种不同的频率状态。例如，在第一状态下，天线设备的最低共振可以覆盖LTE700频率范围(698-798MHz)，而在第二状态下，可以覆盖GSM850/900范围(824-960MHz)。

在图18中所示出的本发明的另一个实施例中，通常是末端开口的馈电元件替换地在馈电元件接地点215处连接到接地结构。末端闭合的馈电元件214布局改善上共振中的带宽，但以在下共振中带宽有轻微缩减为代价。到接地结构207的馈电元件接地点215连接可以替换为通过阻抗元件216(例如，电感器或电容器)的连接。这样的布局允许通过简单地调整集总电感器或电容器216的值来优化馈电点阻抗。此布局在图19中示出。

图20示出了本发明的另一实施例，其中，天线元件202在包含接地结构207的平面外延伸以形成三维结构。天线元件202和馈电元件204由电介质载体230支撑。应该理解，电介质载体可以由塑料、树脂、陶瓷，或任何其他合适的材料制成。天线元件202和馈电元件204可以通过许多不同的制造方法来实现，例如，蚀刻在薄的柔软的绝缘层(FPC)上并使用粘接层附接到电介质载体230的导体；压制的金属部件或激光直接成型(LDS)技术。

在另一个实施例中，天线设备在接地结构207的角周围弯曲，如图21所示。如从图22的替代视图中可以看出，在这样的实施例中，一般需要在接地结构207和天线元件202和馈电元件204之间添加间隙232。这是为了避免当天线元件与接地平面太靠近时常见的性能降级。被适配成被安排为在角周围容适的天线设备的此布局在诸如连接器234之类的其他组件占用接地结构的直边的一些设备中是方便的。此外，图21和22的角布局使两个天线能置于接地结构207的相对角处，由此产生对称的分集天线对或对称的多输入多输出(MIMO)天线对，如图23所示。

图24和25示出了本发明的替换实施例。在此实施例中，在接地结构307的角中的绝缘载体330上形成天线302。天线302连接到接地点308。天线302是折叠的，以便它在三个正交平面中延伸以最大化空间利用并产生非常紧凑的结构。在此情况下，细长形的馈电结构304(连接到馈电点309)和平行于它的天线302部分的一部分被定向为以便它们与接地结构307的边形成大致45°的角度。在图24和25的复杂实施例中，第二支路元件320在载体330上形成，并从天线302延伸，从而在天线302和第二支路元件320之间提供第二支路电容间隔321。此外，辅助耦合支路305在载体330上形成，并从天线302延伸。

图26到28示出了图24和25的天线设备以及外壳的替代视图。

图29示出了图24到28的天线设备的变型，其中接地平面或接地结构307的一部分在天线302和载体330所在的角处被清除。这会在没有导电接地平面存在的情况下导致PCB的角处的L形条带340。L形条带340位于载体330和天线302下面，并帮助增大天线的带宽。

对所属技术领域的专业人员清楚的是，参考上文所描述的各实施例中的任何一个所描述的特征可以在不同的实施例之间可互换地适用。上文所描述的各实施例是示出了本发明的各种特征的示例。

贯穿整个说明书和权利要求书，“包括”和“包含”等等措词以及它们的变型意味着“包括但不限于”，并且它们不旨在(并不)排除其他一半部分、添加物、组件、整体或步骤。贯穿整个说明书和权利要求书，单数涵盖复数，除非上下文另行要求。具体而言，在使用不定冠词的情况下，说明书将被理解为构想复数以及单数，除非上下文另行要求。

结合本发明的特定方面、实施例或示例所描述的特征、整体、特征、复合物、化学部分或组将被理解为适用于此处所描述的任何其他方面、实施例或示例，除非与其不兼容。本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和附图)中所公开的所有特征和/或所公开的任何方法或过程中的所有步骤，可在任何组合中进行组合，除了这样的特征和/或步骤中的至少某些互相排斥的组合的情况。本发明不限于任何一个前述的实施例的细节。本发明延及在本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和附图)中所公开的特征中的任何新颖特征或任何新颖特征的组合，或延及所公开的任何方法或过程中的步骤中的任何新颖步骤或任何新颖步骤的组合。

读者的注意力被指向连同本申请与本说明书并发或在本说明书之前提交的并且公开以供公众检查本说明书的所有纸件和文档，所有这些纸件和文档的内容通过援引纳入于此。

在本公开的上下文中，表达式“电容耦合”用于表示在由绝缘体分隔的两个导体之间产生的电磁效应，以便当在一个导体中存在时变电荷分布和电流时，由这样的电荷分布和电流所生成的电磁场在第二导体上产生对应的电荷分布和电流。

Claims

1.一种多频带天线设备，包括被配置成用于在接地点电连接到接地平面的导电细长形天线元件，以及被配置成用于在馈电点电连接到无线电发射机/接收机的导电细长形馈电元件，其中所述天线元件的至少主要部分被配置成在沿第一部分的第一方向上延长，并且在基本上与所述第一方向反向平行的第二方向上在其自身上折叠以形成第二部分，所述第一部分和所述第二部分形成槽，其中所述馈电点与所述接地点毗邻，所述天线元件配备有与所述第二部分分开的电容耦合支路，所述电容耦合支路从所述第一部分延伸，并在自由端处终止之前基本上与所述第一部分反向平行地延伸，由此定义被配置成容纳所述馈电元件的进一步的槽，并且其中所述馈电元件被配置成在基本上平行于所述天线元件的所述主要部分的所述第一和第二方向延伸，所述馈电元件在所述第一部分与所述电容耦合支路之间并且与所述第一部分和所述电容耦合支路直接毗邻，其中所述天线元件被配置成用于通过复阻抗元件在所述接地点电连接到所述接地平面并且所述复阻抗元件是以电子方式进行控制的可变复阻抗元件。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述天线元件进一步包括第三部分，并且所述第三部分用于在所述接地点电连接到所述接地平面，并在基本上垂直于所述接地平面的边的方向上延伸，其中所述第一部分在基本上平行于所述接地平面的所述边的所述第一方向上延伸，且其中所述第二部分在基本上反向平行于所述第一方向的所述第二方向上延伸。

3.如任何前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述馈电元件被安排为在所述天线设备的操作期间与所述天线元件电容耦合。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述天线元件配备有支路，所述支路从所述天线元件的所述第一部分延伸并远离所述馈电元件，所述支路引入具有较高频率的额外的共振。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述馈电元件包括用于在所述馈电处连接到所述接地平面的第一端，以及用于在另一个位置连接到所述接地平面的第二端。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述馈电元件的所述第二端配备有用于连接到所述接地平面的复阻抗元件。

7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述天线元件和所述馈电元件被安置在电介质模型元件上，所述电介质模型元件被配置成用于附接到PCB。