CN107768813A - 可配置的多频带天线装置及其设计方法 - Google Patents

可配置的多频带天线装置及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种天线装置及其设计方法，该天线装置被调谐为在多个频带中辐射。天线装置包括第一导电元件，该第一导电元件具有紧凑的线性2D或3D形状因子。它还包括附接到第一导电元件的叶片，叶片的位置、尺寸、形状因子和取向基于它们对基模和谐波模的频移的影响来定义，以使得天线装置在多个预定义的频率辐射。该设计方法使用热区的图，在该热区中对针对叶片定义的参数的灵敏度最大。有利地，按照使用叶片的参数对于不同辐射模的影响的正交性的方式来执行该设计方法。天线装置紧凑，并且非常适于对IoT和消费者通信设备的应用。

Description

可配置的多频带天线装置及其设计方法
技术领域
本发明涉及在VHF、UHF、S、C、X或更高频带中具有多个频率模式的天线装置。具体而言，可以以简单的方式设计和调谐根据本发明的天线装置，以便以紧凑的形状因子在多个频率(特别是在微波或VHF/UHF域中)发送/接收(T/R)射频信号。
背景技术
飞行器、船舶、火车、卡车、汽车上载有的或行人携带的终端或智能电话在行进中需要被连接。这些设备需要在高吞吐量和低功率预算下对语音和数据的短距离和极远距离通信能力，包括观看或收听多媒体内容(视频或音频)或参与交互游戏。车辆上载有的或位于制造厂、办公室、仓库、储存设施、零售店、医院、体育场馆或家庭中的各种物体都连接到物联网(IoT)：用以定位并识别库存中的物体或者将人员保留在限制区域内或外部的标签；用以监测其用户的身体活动或健康参数的设备；用以捕获环境参数(污染物浓度；测湿法；风速等)的传感器；用以远程控制和指挥各种家用器具的致动器，或更一般地，可以是智能化指挥控制通信系统的一部分的任何类型的电子设备，该系统例如被编程以捕获/处理信号/数据，将其发送到另一个电子设备、或服务器，使用实施基于人工智能或知识的推理的处理逻辑来处理数据和返回信息或者激活由致动器实施的命令。
对于连接这些类型的物体或平台，RF通信比固定线路通信用途更广。因此，射频T/R模块在专业和消费者应用中已经很普及并将越来越普及。多个T/R模块可以实施在同一设备上。作为示例，智能电话通常包括蜂窝通信T/R模块、Wi-Fi/蓝牙T/R模块、卫星定位信号(来自全球导航卫星系统或GNSS)的接收机。WiFi、蓝牙和3G或4G蜂窝通信在2.5GHz频带(S频带)中。GNSS接收机通常在1.5GHz频带(L频带)中工作。射频识别(RFID)标签在900MHz频带(UHF)或更低频带中工作。近场通信(NFC)标签在13MHz频带(HF)中以极短的距离(约10cm)工作。
似乎针对IoT连接的一种良好折衷在于VHF或UHF频带(30-300MHz和300MHz至3GHz)以获得足够的可用带宽和范围、对多径反射的良好恢复力以及低功率预算。
针对处于这些频带的T/R模块的设计，要解决的问题是获得足够紧凑以适应连接对象的形状因子的天线。一种适用于VHF频带的单极型传统全向天线长度在25cm与2.5m(λ/4)之间。公开号为WO2015007746的PCT申请特别提供了针对这个问题的解决方案，该申请具有相同的发明人并且共同转让给本申请的申请人。本申请公开了一种塞子(bung)类型的天线装置，其中，组合多个天线元件，以使得装置的最大尺寸与波长之间的比率远低于波长的十分之一，甚至低于波长的二十分之一，或在一些实施例中低于波长的五十分之一。为了实现这样的效果，控制天线的基模的天线元件被卷绕成3D形状因子(例如，螺旋形)，以使得其外部尺寸相对于其长度减小。
但是，还需要所连接的设备与使用WiFi或蓝牙频带和协议进行通信的终端兼容。在这种用例中，T/R模块的一些级必须与VHF和S频带都兼容。如果添加了GNSS接收机，则还需要在L频带中的T/R能力。这意味着这种设备的天线装置应该能够同时或相继地以不同的频带进行通信。添加与频带一样多的天线在形状因子、功率预算和材料方面是昂贵的。这对于天线的设计产生了另一个具有挑战性的问题。公开号为WO200122528和WO200334544的PCT申请公开了针对基站天线的一些解决方案。但是这些解决方案并非在VHF频带中工作，并且未提供在这些频带中足够紧凑的装置。
因此，本发明的目的在于提供一种天线装置，其足够紧凑以适应小形状因子并且可以在例如从VHF频带到S或C频带的频带下进行工作。
发明内容
本发明通过提供一种天线装置来满足这一需求，该天线装置包括被调谐到基模的较低频率的天线元件以及附加元件，该附加元件的位置、形状因子、尺寸和取向被确定以优化该基模的选定谐波的接收的条件。
根据其一个方面，本发明公开了一种天线装置，包括：第一导电元件，其被配置为在电磁辐射的限定的频率以上辐射；一个或多个附加导电元件，其位于一个或多个位置处或位于一个或多个位置附近，该一个或多个位置根据具有电磁辐射的选定谐波的电磁辐射的电流的节点位置而被定义。
有利地，基于所述一个或多个附加导电元件对电磁辐射的辐射频率的值的影响来定义所述一个或多个位置相对于节点位置的距离。
有利地，由附加导电元件所引起的频移定义天线装置的一组预定义的辐射频率。
有利地，基于对电磁辐射的基模或高阶模中的一项或多项的频移的期望影响来定义一个或多个附加导电元件的数量、第一尺寸、形状因子或取向中的一项或多项。
有利地，根据对天线装置阻抗、天线装置匹配程度或所述电磁辐射的带宽中的一项或多项的期望影响来进一步定义一个或多个附加导电元件的数量、第一尺寸、形状因子或取向中的一项或多项。
有利地，第一导电元件是金属带和/或金属线。
有利地，第一导电元件具有2D或3D紧凑形状因子中的一项。
有利地，本发明的天线装置通过金属化工艺被沉积在以聚合物基底、陶瓷基底或纸质基底中的一项成层状的非导电基底上。
有利地，本发明的天线装置被调谐为在两个或更多个频带中进行辐射，所述两个或更多个频带包括ISM频带、WIFi频带、蓝牙频带、3G频带、LTE频带和5G频带中的一项或多项。
有利地，第一导电元件是单极或偶极天线。
本发明还提供了一种这个天线装置的设计方法。
根据其另一方面，本发明还公开了一种设计天线装置的方法，包括：定义在电磁辐射的限定的频率以上辐射的第一导电元件的几何形状；将一个或多个附加导电元件放置在一个或多个位置处或放置在一个或多个位置附近，该一个或多个位置根据具有所述电磁辐射的选定谐波的电磁辐射的电流的节点位置而被定义。
有利地，通过从基模开始并以递增的谐波阶数进行迭代来执行将一个或多个附加导电元件放置在一个或多个所定义的位置处或放置在一个或多个所定义的位置附近。
有利地，通过选择对已经调谐的模影响较小的位置，基于热区、温区或冷区中的一项或多项的图来执行将一个或多个附加导电元件放置在一个或多个所定义的位置处或放置在一个或多个所定义的位置附近。
有利地，本发明的方法还包括：基于对电磁辐射的基模或高阶模中的一项或多项的频移的期望影响来定义一个或多个附加导电元件的数量、第一尺寸、形状因子或取向中的一项或多项。
有利地，基于对天线装置阻抗、天线装置匹配程度或电磁辐射的带宽中的一项或多项的期望影响来进一步定义一个或多个附加导电元件的数量、第一尺寸、形状因子或取向中的一项或多项。
本发明的多频天线装置可以在多个聚合频率以交替模式或同时模式使用，因此显著增加了带宽资源。
本发明的天线装置可以是紧凑的，特别是对于所使用的最低频率，这允许其以小体积集成。
本发明的天线装置设计简单，特别是在将辐射频率调谐到期望值时，考虑到天线装置的环境的影响，特别是对其电气性能具有电磁影响的环境要素、地平面以及天线的干线的位置。
本发明的天线装置易于制造，因此具有非常低的成本。
附图说明
在阅读纯粹以非限制性示例的方式给出的对特定实施例的以下详细说明之后，将更好地理解本发明及其优点，参考附图来进行该说明，在附图中：
-图1示出了根据本发明的实施例的天线装置；
-图2a、2b、2c和2d分别例示了根据现有技术的经典几何形状的单极天线，以及在其基模、三次谐波和五次谐波中的电流分布；
-图3例示了根据现有技术的紧凑型单极天线；
-图4例示了本发明的实施例中具有叶片的紧凑型单极天线；
-图5a和5b示出了根据本发明的实施例的2D天线的示例的两个面；
-图6示出了根据本发明的不同实施例的3D天线的多个示例；
-图7示出了根据本发明的实施例的特定2D天线；
-图8示出了根据本发明的实施例的特定3D天线；
-图9a、9b、9c和9d根据本发明的一些实施例允许显现在两种辐射模下热点和冷点(hot and cold spots)在天线上的位置；
-图9e、9f、9g、9h、9i和9j例示了本发明的一些实施例中在干线(trunk)的给定点处添加叶片的电气影响；
-图10a、10b和10c例示了根据本发明的一些实施例的具有相同展开长度的单极天线装置的三种不同配置；
-图11a、11b、11c、11d、11e、11f、11g和11h例示了适用于根据本发明的天线装置的叶片和分支的不同几何形状；
-图12示出了设计根据本发明的一些实施例的天线装置的方法的流程图；
-图13a和13b分别示出了根据本发明的天线装置的在基模和第一至第三高阶模下的磁场和电场的图；
-图14示出了根据本发明的天线装置在基模和第一至第三高阶模下沿天线的电灵敏度的表；
-图15示出了协助选择叶片的位置以调整根据本发明的天线装置的从基模和第一至第三高阶模中选择的一些频率的值的表；
-图16示出了根据本发明的一些实施例的偶极天线装置。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施例的天线装置。
天线装置100是具有全向辐射模的单极天线。
根据本发明的实施例的天线装置100的结构类似于紧凑的树结构，其在一些方面与盆景的结构相似。选择这种装置的尺寸，以使得天线适合在ISM(工业、科学、医疗)、VHF和UHF频带中工作。该树包括干线110、叶片121、122和123。该树被置放在地平面130上。
干线110由导电材料、金属线或带形成，具有展开长度L，该长度被定义为基模的期望辐射频率的函数，如下面在说明书中进一步说明的。干线可以内接在平面中。在结合图5a、5b和7说明的一些实施例中，其中内接干线的平面可以平行于地平面，或者在将天线和地平面设计为共面装置的解决方案中该平面可以内接在地平面中。在这种装置中，天线可以刻在基底的面上，地平面可以刻在基底的底板上。在与图1所示的实施例类似的其它实施例中，其中内接干线的平面垂直于地平面。干线可以可替换地内接在非平面表面或体积结构中，如在将结合图6和8描述的本发明的实施例的情况下。这种形状因子有利于增强给定长度L的天线装置的紧凑性。
叶片121、122、123也由金属形成，并且在限定的点处机械地和电气地连接到干线，如下面在说明书中进一步讨论的。叶片可以被视为在限定的方向上将天线的长度延伸限定量的结构。因此，叶片可以具有不同的位置、形状因子、空间中的尺寸和取向。它们可以或可以不一起内接在同一平面中或不同表面中。它们可以与干线共面或不共面。所选择的位置、形状因子、尺寸和取向将影响被施加给干线长度所限定的基频的辐射频率(即，基模和高阶模)的变化。
不同的辐射模基本上由辐射极元件的长度限定：
-基模由等于λ/4的辐射元件的长度L或L0限定；
-第一高阶模由等于3λ/4(三次谐波)的辐射元件的L1限定；
-第二高阶模由等于5λ/4(五次谐波)的辐射元件的L2限定；
-第三高阶模由等于7λ/4(七次谐波)的辐射元件的L3限定。
地平面130是PCB结构的金属底板，PCB结构包括在其机械和电连接点140处将RF信号馈送到干线的激励电路。
图2a、2b、2c和2d分别例示了根据现有技术的经典几何形状的单极天线，以及在其基模、三次谐波和五次谐波中的电流分布。
图2a示出了经典的单极天线装置200a。其辐射频率由极子(pole)210a的上端211a与其与地平面220a的交点212a之间的长度L限定。当必须将辐射频率设置为f0值时，极子的长度L必须等于λ/4，λ＝c/f0，其中，c是真空中的光速。图2b以曲线210b表示在基模下极子中的电流的分布。
已知在频率f0下辐射的天线还将在具有奇数系数3、5、7等的谐波频率下发送辐射。图2c以曲线210c表示在三次谐波3f0下负载的电流在极子中的分布。类似地，图2d以曲线210d表示在五次谐波5f0下负载的电流在极子中的分布。
因此，本发明的原理是使用天线装置的不同谐振频率以使用由每个载波发生器调制的载波发送的功率。
根据本发明，如将在本说明书的其余部分中以更详细的方式说明的，本发明的天线装置的多频率特征依赖于首先将线/带干线的长度L调整到期望的最低载波频率，然后使用由极子提供的高阶谐振频率。
图3例示了根据现有技术的紧凑型单极天线。
根据现有技术公开的实施例，例如在已经引用的申请号为WO2015007746的PCT申请中所公开的那些实施例，可以通过在平面、非平面的表面或体积中将其折叠来压缩极子的形状因子，如前面结合图1所讨论的。
根据图3所示的天线装置300的实施例，极子310被给予正弦曲线形式，具有垂直尺寸320(沿Y轴)和水平尺寸330(沿X轴)，两者都低于之前确定的适合于基频f0的长度L。
这个天线仍然具有多模辐射行为，但是谐波可以相对于在之前已经论述过的图2c和2d所示的线性极子的谐波而偏移。一般来说，这个偏移朝向较高频率。这些频率取决于极子的形状因子，但不易于控制。因此，在大多数情况下，难以将这样的天线组件调谐到预设的频率值。
因此，本发明的目的在于提供一种精确地控制折叠极子的谐波频率的方法和设备，如现在将要说明的。
图4例示了本发明的实施例中具有叶片的紧凑型单极天线。
发明人已经通过实验确定，沿着极子，极子上点的微小扰动的位移与由该位移所产生的频率偏移之间的相关性显著地变化。在本说明书中进一步将该相关性最高的点称为“热点”。在本说明书中进一步将该相关性最低的点称为“冷点”。根据本发明，通过沿着极子针对每个辐射频率(基频和一些谐波)叠加各个热点和冷点，确定其图是可能的。本发明人还已经确定，一些热点对所有频率都敏感。例如，位于叶片441的位置处的折叠极子的开路点(OC)即为如此，该开路点位于折叠极子的顶端末端处。还已经确定一些热点仅对一些频率敏感。根据本发明，使用这个有利特性，以通过向折叠的干线或极子添加叶片或者移动或移除已经非适当定位或应当改变其位置以获得期望频率的变化(例如，通过改变标准而必然引起的工作频率的变化)的现有叶片来将天线装置的配置精确地调谐到期望的频率。
根据本发明的调谐的起始点是折叠的单极子。将频率(基频和有用的谐波)选择为具有高于期望频率的值，或者在一些实施例中，选择为等于期望频率之一。当模之一具有等于期望频率的辐射频率时，不应添加叶片以修改该辐射频率。对于具有不同于期望频率的辐射频率的模，可以在选定位置添加一个或多个叶片，具有允许降低该模下的辐射频率的形状因子和尺寸。初始辐射频率与期望频率之间的差异越大，添加的叶片的特征形状因子和主要尺寸就必须越大，这通常是不希望的。将在以下说明中进一步解释用于定义辐射频率的目标偏移与添加的叶片的形状因子和尺寸之间的关系的一些规则。因此，根据本发明的设计方法，在极子上的选定点处添加叶片以调谐每个频率。有利地，独立于其它频率来针对每个频率执行调谐。这可以通过在热点上添加叶片来实现，该热点(仅)对于待调谐频率是热的而对于其它频率是冷的。该方法使用不同频率的调谐特性之间的一种正交性。该方法提供了一种实现天线装置的完全调谐的简单而有效的方式。根据本发明的其它实施例，也可以同时调谐多个频率，或者可以同时调谐所有频率。这可以提供具有较少数量叶片的解决方案，但以较长的设计阶段为代价。
图4示出了根据上述方法设计的天线装置400的示例。叶片441、442、443已经在如上所述确定的点处被添加到干线310。
图5a和5b示出了根据本发明的实施例的2D天线的示例的两个面。
根据本发明制造2D天线装置的方法可以相当简单，并且其成本可以相当低。
作为示例，图5a示出了根据本发明的实施例的平面天线500的正面510a，该平面天线可以通过印刷工艺被制造在纸质基底上，但是该基底也可以是刚性的或柔性的，如聚合物或陶瓷基底的情况。基底也可以是任何其它非导电材料。天线的有源元件，即干线510a和叶片521a和522a，被印刷在基底530的正面上。可以通过现有技术的基底金属化及进一步蚀刻、或通过基底的选择性印刷来执行印刷。
通过相同的工艺将地平面540b植入到基底的背面上。
图6示出了根据本发明的不同实施例的3D天线的多个示例。
在这些3D天线的示例中，制造过程基于形成为期望形状因子的金属线或带。根据在以下说明中结合图10a、10b和10c进一步讨论的规则来确定形状因子。以根据以下说明中结合图11a至11h进一步讨论的规则的形状因子和尺寸来切割导电叶片(可以是金属的)。然后，通过另一工艺将它们添加或者焊接到极子上的选定点，取向以方位角和仰角来确定，如下所述。
可以使用诸如加成工艺或3D打印之类的其它制造工艺来制造天线。此外，还可以进行在柔性基底上的2D制造以达到3D实现结果。
图6所示的天线装置证实可以实现各种的干线形状因子、叶片的数量、位置、形状因子、尺寸和取向。这允许适应使用具有各种带宽的不同频带的大量应用。例如，使用机顶盒或网关，可以将本发明的一些天线装置用于办公室或家庭内的通信。此外，IoT应用可以受益于由本发明的天线装置获得的优点，特别是它们的多频能力、它们的小形状因子及其低成本。例如，这样的天线可用于从气体、水或电力消耗计量设备捕获数据。它们也可以用于从任何种类的传感器捕获数据，例如，用以监测身体活动或状态的运动传感器。
对于一些应用，能够调整在每个辐射频率周围可用的带宽可能是有利的。根据本发明，每个添加的叶片起到一阶无源滤波器的作用。这个滤波器不易于调谐以限定特定带宽。可以通过用具有单个叶片或多个叶片的分支替换具有限定的形状因子、尺寸和取向的单个叶片来限定高阶的滤波器。
图7示出了根据本发明的实施例的特定2D天线。
图7的天线装置700包括干线710以及两个叶片721和722，其中，干线710是简单的中心带，第一个叶片721在干线的顶端，第二个叶片722位于干线的下部。该辐射元件由微带线730激发，微带线730具有50欧姆的特征阻抗。该天线装置被设计用于在两个WiFi频带(2.45GHz和5GHz)中工作。
图8示出了根据本发明的实施例的特定3D天线。
图8的天线装置800包括干线810，其是卷成螺旋形的金属线。该装置被调谐到ISMVHF/UHF频带的四个频率，169MHz、433MHz、868MHz和2.45GHz。只需三个叶片821、822、823来执行调谐。天线简单地安装在PCB的底板830上，其被金属化以形成天线装置的地平面。在底板中提供孔以允许直接连接到具有50欧姆的特征阻抗的激励线路840。
该天线装置的尺寸非常紧凑：它们保持低于λ/25，λ由169MHz的基频限定。
图9a、9b、9c和9d根据本发明的一些实施例允许显现在两种辐射模下热点和冷点在天线上的位置
图9a和9b分别示出了在基模(图9a)和对应于三次谐波的下一高阶模(图9b)下热点(911a、911b和912b)和冷点(921a、921b、922b)在极子900上的位置。
可以见到，热点911a、911b、912b位于曲线901a和901b的过零点处，曲线901a和901b显示沿着极子的电流分布。在这些热点之一处添加叶片会将辐射频率移动到较低的值。相反，冷点921a、921b、922b位于曲线901a和901b的最大值处。对于基模，只有一个热点和一个冷点。对于第一高阶模(阶数k＝1时序号为2k+1的三次谐波)，有2个热点和2个冷点，即有k+1个热点和k+1个冷点。热点和冷点沿极子交替。对于k＝1，热点与相邻冷点之间的距离等于谐波波长的四分之一或基波长的十二分之一或λ/4(2k+1)或L/(2k+1)。热点与下一个最近的热点之间的距离等于极子长度的三分之二或基波长的六分之一或λ/2(2k+1)或2L/(2k+1)。可以针对对应于5次谐波、7次谐波等的高阶模k＝2、3等推断出这些规则。对应于5次谐波的二阶模具有3个热点和3个冷点，两个连续的热点间隔为2L/5。对应于七次谐波的三阶模具有4个热点和4个冷点，两个连续的热点间隔为2L/7。
图9c和9d例示了对于分别为图9a和9b的曲线的对偶的曲线的相同原理：它们表示在基模和第一高阶模下沿极子900的电压的演变。
图9e、9f、9g、9h、9i和9j例示了在本发明的一些实施例中在干线的给定点处添加或移动叶片的电气影响。
图9e示出了在第一高阶模下沿着极子的电流分布。图中的点P 912e类似于图9b上的点912b，点P′921e类似于图9b上的点921b。点P是电流等于零的点(如在点911e处)。点P′是电流最大的点(如在点922e处)。
图9f示出了在第一高阶模下沿着极子的电压分布，并且是图9e的对偶表示：点P位于电压最大的点处，并且对应于开路(或准无限大阻抗)。点P′位于电压为零的点处，即短路(或零阻抗)。
图9g例示了叶片位于点P处的情况。分别对应于极子900和叶片931g的两个等效电路并联安装。如图9h所示，从点P，可见极子的其余部分的阻抗和叶片931g的阻抗。极子的其余部分的阻抗Z为无限大(由于极子的其余部分是OC)，从点P只能看到叶片的阻抗。
图9i例示了叶片位于点P′处的情况。分别对应于极子900和叶片931i的两个等效电路也并联安装。如图9j所示，从点P′，可见极子的其余部分的阻抗和叶片931i的阻抗。极子的其余部分的阻抗Z为零(极子的其余部分为SC)，从点P′只能见到极子的其余部分的阻抗，而见不到叶片的阻抗。
因此，当位于点P(其是热点)处时，叶片的影响最大，当位于点P′(其是冷点)处时，叶片的影响最小。在一些实施例中，形状因子或任何其它约束可能要求将叶片放置在距点P一定距离处。结果，叶片的影响将不是最大的。
图10a、10b和10c例示了根据本发明的一些实施例的具有相同展开长度的单极天线装置的三种不同配置。
图10a的展开的单极的长度L约为17.32cm，其对应于433MHz的基模的波长。
图10b的天线具有与图10a的天线相同的展开长度L，但是以锯齿形形状因子折叠并且内接在约11×2.2cm2的表面S中。
图10c的天线具有与图10a的天线相同的展开长度L，但是包括直线且竖直的第一部分1010c、直线且水平的第二部分1020c和曲线且水平并形成环的第三部分1030c。该天线装置内接在约7×3.5×3.5cm3的体积V中。
本发明人已经通过实验确定了热点和冷点在三种不同配置中基本上间隔相同的距离。这是因为极子的折叠不会从根本上修改沿着极子建立的稳定状态，无论是直线还是折叠的。这是非常有利的，因为对于特定应用可以采用确定的形状因子，而不需要重新计算叶片的位置，从而允许将相同的设计规则重复用于各种天线装置。应该注意的是，极子的形状因子会修改基模和高阶模的谐振频率。普通技术人员能够使用市场上可用的仿真工具(例如，CSTTM、HFSSTM、FekoTM或ComsolTM或任何其它专用软件)来测量新的谐振频率和/或对它们进行仿真。
图11a、11b、11c、11d、11e、11f、11g和11h例示了适用于根据本发明的天线装置的叶片和分支的不同几何形状。
在已经确定使谐波的频率偏移的叶片的数量和位置的情况下，必须限定其形状因子、尺寸和取向。
如图11a可见，叶片具有到天线装置的干线的连接点1110a。它在这个连接点和远端之间具有最大尺寸1120a。沿着连接该连接点和远端的线，点1121a限定叶片的最大宽度1130a。
图11b和11c例示了用于确定叶片的形状因子的设计规则的一些方面。在图11c中，显示了简单的直线分支。在图11b中是具有与图11a中的叶片大致相同形状因子的叶片，该叶片对天线装置的频移的影响与分支大致相同。叶片的最大尺寸优选约为分支长度的一半。因此，当紧凑性是一个问题时，也就是说在很多的情况下，使用叶片而不是分支是有利的。要注意的是，分支和叶片对带宽和适配性(或匹配度)具有大致相同的影响。
图11d、11e和11f例示了相同叶片相对于天线装置的干线的三种不同取向。本发明人已经通过实验确定了叶片的取向对于天线装置的频移、适配性或带宽没有显著的影响。优选地，避免叶片电耦合到干线。实现其的最小取向随着叶片被调谐到的频率而显著变化。因此，优选实施例选择O，以便叶片的较长尺寸D在叶片附接到干线的点处垂直于干线的切线。在一些其它实施例中，其中可以通过反复试验或通过计算手段来确定避免耦合的与干线的最小角度，优选地将该最小角度选择为叶片的取向O。由于考虑到对天线装置的全局形状因子的限制，该最小角度与垂直于干线的切线的取向之间的折衷也是优选的。
图11g和11h例示了根据本发明的天线装置的两种不同配置。在图11h中，示出了大的叶片。在图11g中，示出了对天线的电气参数具有相同影响的两个小叶片。选择该设计有利于实现更紧凑的形状因子。
图12示出了设计根据本发明的一些实施例的天线装置的方法的流程图。
可以例如如图12所示地组织对特定应用的设计规则的选择。
该过程的第一步骤1210在于选择形成天线装置的干线的线/带的展开长度L和形状因子ff。如上所述，必须将基模的频率选择为高于或等于目标最低频率的值。要选择的形状因子取决于天线装置的目标尺寸。极子的形状因子也可能影响天线匹配。但是，如果匹配受到特定极子形状因子的不利影响，则可以使用天线匹配技术来对其进行校正。因此，普通技术人员将能够在紧凑形状因子与天线装置的匹配之间找到适当的折衷。当天线装置正确匹配时(例如，优于-10dB的水平)，干线的形状因子对可用带宽的影响很小。
然后，在步骤1220处，如上文结合图9a、9b、9c和9d所解释的以及以下结合图13a和13b进一步详述的，针对每个辐射模计算和/或在图上描绘热点和冷点沿着极子的位置。
然后，在步骤1230处，必须针对多个叶片n确定位置P、取向O、较长尺寸D、形状因子F(或如图11a所示的第二特征尺寸)，n在初始化时被设置为1，然后迭代增加一个单位直到获得所有目标频率为止。
放置第一叶片(n＝1)以便调谐基模的频率(如果需要的话)。在极子上仅存在对该模电敏感的唯一一个区域。它位于极子的处于开路的远端附近。因此，对于这个基频只有一个自由度。应选择参数P、O、D、F，以便调整频移的值，Δf＝g(k，P，O，D，F)。由具有限定的参数P、O、D和F的叶片产生的频移的幅度将取决于模的阶数k：阶数越高，叶片在热点周围的限定位移的频移变化就越高。基于干线的形状因子来选择O，以使得天线装置的整个体积的紧凑性最大化，同时最小化与干线的电耦合。对于在限定阶数模下的限定的P，D和F是影响Δf的主要因素。一旦辐射频率本身已经被调谐，函数g用于产生P、O、D和F参数对天线装置阻抗、天线装置适配性或电磁辐射的带宽中的一个或多个的“期望的影响”。
一旦已经确定叶片的位置P，则可以按照任何顺序来设置参数O、D和F。
如果将该叶片放置在其它模的热点的位置附近，则这些其它模的辐射频率也将偏移。偏移的大小取决于这个叶片相对于这些其它模的热点位置的位置。
在步骤1240处，在以相同的过程添加叶片n之后，重新设计热点和冷点的图。
在步骤1250处，测试是否所有频率已被调整到其目标值。如果是这样，则过程停止，设计规则完成。如果没有，则应添加叶片n+1来调整高阶模的频率。位置P处添加新叶片，位置P是该模的热点并且是先前调整的较低阶模的冷点。如前所述，高阶模具有较大数量的热点，因此具有较大的自由度。
图13a和13b分别示出了根据本发明的天线装置的基模和第一至第三高阶模下的磁场和电场的图。
这些图示出了热点和冷点的图，其原理已经在上文结合图9a至9j特别加以解释了。
将结合类似于电压图的图13b来提供注释。由曲线13100b、13200b、13300b和13400b来表示四个模。仅作为示例，横坐标表示场的幅度，截止值(cut-offvalue)在幅度的1/3、幅度的2/3和幅度的100％处(刻度13110b)。在不脱离本发明的范围的情况下，可以选择其它截止值。纵坐标表示天线装置的展开的干线元件的长度的百分比。在曲线上点13121b、13122b等处指示对应于截止值的纵坐标。沿极子13131b标记对应于截止值的热点周围的区域。尽管为了图的可读性，它们仅由基模f0的附图标记来标示，但易于理解，相应的值和标记对于高阶模具有相同的含义。被标记为对应于幅度的2/3至100％的区域是叶片的位置变化对频移具有显著影响的区域，在其它区域，叶片的位置变化对于频移的影响有限或根本没有影响。包括在热点的近端截止值内的区域将被指定为“靠近”该热点的位置。仅作为示例，对于基频，叶片的位置变化将对频移具有显著影响的区域位于极子的顶部和对应于最大幅度的2/3的强度的位置(其对应于幅度值13121b，其等于从地平面开始的极子的总长度L的46.4％)之间。该区域可以被指定为热区。从该位置向下到对应于L的21.7％及幅度的1/3的位置，叶片的位置变化对频移的影响有限。该区域可以被指定为“温区”。从该最后的位置到地平面，叶片的位置变化对频移没有影响。该区域可以被指定为冷区。类似的注释和推理适用于由曲线13200b、13300b和13400b表示的针对其它高阶模放置的点。
图13b的图允许根据以上结合图12描述的方法来放置叶片。
图14示出了根据本发明的天线装置在基模和第一至第三高阶模下沿天线的电灵敏度表。
该图包括两个表14100和14200。
表14100以不同符号14121、14122、14123来表示沿极子的分别属于热区、温区和冷区的点。该表示包括以展开的极子的长度L的每5％(仅作为示例)来分刻度的刻度14100。在基模的刻度上，只有一个符号，而对于高阶模，有两个符号。两个符号说明了标记点位于该模的两个区域之间的事实。
表14200表示将表14100的符号转换成模的频移对叶片位置变化的灵敏度指数。仅作为示例，在0至6的标度上选择该指数。但是可以选择另一标度而不脱离本发明的范围。表14300示出了该示例中选择的转换规则。但是可以选择其它转换规则。表14200允许清楚地看到叶片沿着极子的位置变化对所有频率的影响。
在本发明的一些实施例中，可以确定定义每个模的叶片位置的影响比率的变量，并且也可以使用计算、仿真或算盘来确定定义变量中至少一些(如果不是全部)的组合的函数。
图15示出了协助选择叶片的位置以调整根据本发明的天线装置的从基模和第一至第三谐波模中选择的一些频率的值的表。
从图14的表14200，可以确定叶片的位置将影响或不影响哪些频率。例如，放置在极子长度L的85％处的叶片将影响模f0和f1，而放置在L的60％处的叶片将影响模f0和f2。
因此，根据本发明，可以使用上文结合图12描述的方法来定义叶片的放置规则。
本发明可以应用于在不同频域辐射并用于极为不同应用的天线装置。
如从图16的示例可见的，本发明也可以应用于偶极天线。偶极天线是两个极子由差动发生器激励的双极子天线。偶极天线的两个极子均以具有相同行为的固定机制进行操作。根据本发明，双极子天线优选地具有上述定义的相同函数g。热点和冷点与馈送点距离相同。在这种情况下，位于每个极子上的叶片将是对称的(距电连接相同的距离)、具有相同的形状因子、长度和取向。在这种模下，两个对称叶片的位移将产生相同的基本频移。
因此，本说明书中公开的示例仅仅是对本发明的一些实施例的说明。它们不以任何方式限制由所附权利要求限定的所述发明的范围。

Claims (15)

1.一种天线装置(400)，包括：
-第一导电元件(310)，所述第一导电元件(310)被配置为在电磁辐射的限定的频率以上辐射；
-一个或多个附加导电元件(441、442、443)，所述一个或多个附加导电元件(441、442、443)位于一个或多个位置(911b、912b)处或位于一个或多个位置(911b、912b)附近，所述一个或多个位置(911b、912b)根据具有所述电磁辐射的选定谐波的电磁辐射的电流的节点位置而被定义。
2.根据权利要求1所述的天线装置，其中，基于所述一个或多个附加导电元件对所述电磁辐射的辐射频率的值的影响来定义所述一个或多个位置相对于所述节点位置的距离。
3.根据权利要求2所述的天线装置，其中，由所述附加导电元件所引起的频移定义所述天线装置的一组预定义的辐射频率。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的天线装置，其中，基于对电磁辐射的基模或高阶模中的一项或多项的频移的期望影响来定义所述一个或多个附加导电元件的数量、第一尺寸、形状因子或取向中的一项或多项。
5.根据权利要求4所述的天线装置，其中，根据对天线装置阻抗、天线装置匹配程度或所述电磁辐射的带宽中的一项或多项的期望影响来进一步定义所述一个或多个附加导电元件的数量、第一尺寸、形状因子或取向中的所述一项或多项。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的天线装置，其中，所述第一导电元件是金属带和/或金属线。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的天线装置，其中，所述第一导电元件具有2D或3D紧凑形状因子中的一项。
8.根据权利要求7所述的天线装置，通过金属化工艺被沉积在以聚合物基底、陶瓷基底或纸质基底中的一项成层状的非导电基底上。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的天线装置，被调谐为在两个或更多个频带中进行辐射，所述两个或更多个频带包括ISM频带、WIFi频带、蓝牙频带、3G频带、LTE频带和5G频带中的一项或多项。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的天线装置，其中，所述第一导电元件是单极天线或偶极天线。
11.一种设计天线装置的方法，包括：
-定义在电磁辐射的限定的频率以上辐射的第一导电元件的几何形状；
-将一个或多个附加导电元件放置在一个或多个位置处或放置在一个或多个位置附近，所述一个或多个位置根据具有所述电磁辐射的选定谐波的电磁辐射的电流的节点位置而被定义。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，通过从基模开始并以递增的谐波阶数进行迭代来执行将所述一个或多个附加导电元件放置在一个或多个所定义的位置处或放置在一个或多个所定义的位置附近。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，通过选择对已经调谐的模影响较小的位置，基于热区、温区或冷区中的一项或多项的图来执行将所述一个或多个附加导电元件放置在一个或多个所定义的位置处或放置在一个或多个所定义的位置附近。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，还包括基于对电磁辐射的基模或高阶模中的一项或多项的频移的期望影响来定义所述一个或多个附加导电元件的数量、第一尺寸、形状因子或取向中的一项或多项。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，基于对天线装置阻抗、天线装置匹配程度或所述电磁辐射的带宽中的一项或多项的期望影响来进一步定义所述一个或多个附加导电元件的数量、第一尺寸、形状因子或取向中的一项或多项。
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