CN115104224A - 双频天线 - Google Patents

Abstract

一种双频天线，该双频天线允许通过调整天线元件的尺寸来独立地优化每个频带。例如，天线可以具有两个不同的驱动器，一个用于高频，并且一个用于低频。通过使用正交地连接到低频驱动器的元件，低频驱动器可以用作高频驱动器的反射器和低频驱动器，而不会影响天线在高频中的性能。天线还可以具有寄生元件。例如，可以配置平行于高频带驱动器的寄生引向器以提高高频带中的性能。附加寄生引向器对可以正交地连接到这些引向器。可以调整这些对的尺寸以提高低频带中的性能，同时对高频带中的性能影响最小。

Description

双频天线

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年12月26日提交的美国专利申请16/727631的优先权，该专利申请的内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开涉及用于无线接收或传输系统(包括无线麦克风、Wi-Fi应用或蜂窝电话)的天线。

背景技术

现代无线通信网络经常需要设备在多个频带中操作。例如，使用Wi-Fi标准的无线局域网(WLAN)通常利用2.4GHz和5GHz下的频带。这些频带中的每一个将具有某一宽度，例如在100MHz与150MHz之间。随着这些网络变得更大，多个问题显现出来。例如，当信号在无线设备处接收或从无线设备接收时，在非无线网络设备之间延伸的长电缆会减弱信号。作为另一实例，无线传输的信号由于遮蔽区域和来自附近源的干扰而被减弱，这些附近源是例如在相同频带中操作的其他Wi-Fi网络、计算机或产品。为了克服这些问题，经常使用具有高增益的天线，增益是天线的定向性和电效率的量度。然而，当前用于双频应用的天线的实例(例如，印刷偶极子天线或缝隙单极子天线)具有全向辐射图。相反，许多定向双频天线针对一个频带进行优化而牺牲了另一频带。因此，需要一种针对每个频带进行优化的定向双频天线。

发明内容

以下提出本公开的简化概述以提供对本公开的一些方面的基本理解。该概述不是本公开的广泛综述。它不旨在标识本发明的关键或重要元素或描绘本发明的范围。以下概述仅以简化形式呈现本公开的一些概念，作为对下面提供的更详细描述的序言。

本公开的各方面涉及一种用于在两个不同频带中操作的无线系统的天线，该两个不同频带包括诸如用于Wi-Fi或蜂窝电话的工业、科学和医用(ISM)无线电频带。频带还可以包括超高频(UHF)频带和用于数字增强无绳电信(DECT)的频带。

根据本公开的另一方面，可以独立地优化双频天线的每个频带中的性能。例如，通过基于感兴趣的频率调整天线的某些元件的尺寸，可以在一个频带中提高天线的性能，同时在另一频带中对天线的性能具有最小的影响。

根据本公开的另一方面，天线可以被设计成在两个不同频带中操作，同时仅需要单个馈送线。这允许无线设备在具有单个天线的两个不同频带中操作。

根据本公开的另一方面，天线可以被设计成无源的，这意味着天线不具有任何需要电源的组件。这允许带有收发器的无线设备使用单个天线并且在传输与接收之间改变，而无需任何电子切换。

附图说明

通过参照考虑附图的以下描述，可以获得对本公开及其优点的更完整的理解，在附图中，相同的附图标记指示相同的特征，并且其中：

图1A示出了根据本公开的一个方面的示例天线的俯视图的示意图；

图1B示出了图1A的示例天线的仰视图的示意图；

图2示出了根据本公开的一个方面的另一示例天线的俯视图的示意图；

图3图示了图1A的示例天线的电压驻波比图表；

图4A图示了图1A的示例天线在2.45GHz下的极坐标图表；

图4B图示了图1A的示例天线在5.775GHz下的极坐标图表；

图5A图示了图1A的示例天线在2.45GHz下的辐射图；以及

图5B图示了图1A的示例天线在5.775GHz下的辐射图。

具体实施方式

在以下描述中，参考了附图，这些附图形成本文的一部分，并且在附图中通过图示示出了可以实践各方面的各种实例。对“实施例”、“实例”等的引用指示如此描述的本发明的实施例或实例可以包括特定的特征、结构或特性，但是并非每个实施例或实例都必须包括特定的特征、结构或特性。可以设想某些实施例或实例可以具有针对其他实例描述的特征中的一些、全部或不具有这些特征。并且应当理解，可以利用其他实施例和实例，并且可以在不脱离本公开的范围的情况下做出结构改变和功能改变。

除非另有规定，否则用于描述元件的诸如“第一”、“第二”、“第三”等连续形容词的使用仅用于指示可以是类似元件的不同元件。但是这种连续形容词的使用并不旨在暗示必须以给定的顺序，或者在时间上、在空间上、在等级上或者以任何其他方式来提供元件。

而且，术语“前”、“后”、“侧”、“顶部”、“底部”、“平行”、“垂直”、“水平”、“竖直”等以及关于轴线的描述可以用于本说明书，以描述各种示例特征和元件。但是本文使用这些术语是为了方便起见，例如，基于附图中所示的示例取向和/或典型使用中的取向。本说明书中的任何内容都不应被解释为要求结构的特定三维或空间取向以落入权利要求的范围内。

图1A示出了示例天线101的俯视图的示意图，而图1B示出了同一天线的仰视图的示意图。天线101是印刷平面天线。这些类型的天线通常印刷在由低损耗电介质(例如，FR-4)制成的电路板(PCB)上。这种类型的构造的一个优点是能够制造尺寸更小和成本更低的天线。

在图1A中，天线101以x轴对称。为了清楚起见，具有相同编号的元件彼此电连接(例如，109V和109H)。具有后缀“V”的元件垂直于x轴，而具有后缀“H”的元件与x轴平行。就元件被完全放置在x轴的上方或下方(例如，元件105)而言，匹配元件出现在x轴的相对侧上。除非特别指出，否则本说明书将仅提及列举的元件而不提及匹配元件，但是该描述适用于列举的元件及其匹配元件。

在图1A中，接地结构部分地由导电元件105、107、108、109V和109H形成。这些元件经由主导电元件或主线108连接到同轴连接器102的屏蔽层。在该实例中，主线108为12.5mm宽。当图1B中的导电元件或馈送线103在空隙106下穿过时，这些元件被其驱动。图1A中的PCB的顶部上的天线101的元件与馈送线103分开PCB的厚度，在该实例中PCB的厚度为1.6mm。馈送线103连接到同轴连接器102的中心导体。这种类型的耦合通常被称为缝隙耦合，并将导电元件105、107、108、109V和109H转换成受驱动元件或“驱动器”。馈送线103的宽度由PCB的介电常数和厚度确定，以便获得期望的传输线阻抗。在该实例中，期望的传输线阻抗为50欧姆，并且馈送线103为2.5mm宽。在馈送线末端处的“钩”宽度104为6mm。空隙106是元件107与其匹配元件之间横跨x轴的距离。空隙106的尺寸被优化以减小天线输入阻抗的电抗分量。在该实例中，空隙106为1.5mm。

元件105及其匹配元件用作偶极子。元件105是高频带的驱动器元件，这意味着该元件负责促进高频带的接收或传输。在该实例中，如果高频带为5.5GHz，则元件105具有11.5mm的长度和2.5mm的宽度。元件107用作到馈送元件105的传输线，并且还用于在元件105与109V之间产生空间。元件105与109V之间的间隔由元件107的长度产生。该间隔和元件109V的长度被优化以允许元件109V用作高频带元件105的反射器元件，这意味着元件109V充当镜子以在辐射图的方向上引导高频带的辐射能量。部分地，该反射器元件109V提高了前后比(天线的前后波瓣之间的功率增益之比)，并且是天线101变成定向天线的方式。在高频带为5.5GHz的该实例中，元件107具有5mm的长度和2.5mm的宽度，而元件109V具有18mm的长度和2.5mm的宽度。

元件109V及其匹配元件用作偶极子。除了用作高频带的元件105的反射器之外，元件109V还用作低频带的驱动器元件的一部分，在该实例中该低频带为2.4GHz下的频带。元件109H还用作低频带的驱动器元件的一部分。在该实例中，元件109H正交地连接到元件109V，并且具有13.5mm的长度和2.5mm的宽度。通过调整元件109H的尺寸，可以优化和提高天线101的低频带性能，同时对高频带中的性能影响最小。

在图1A中，元件111连接到主线108，以通过充当反射器来提高天线101的低频带的增益和前后比。间隔113和元件111的长度使天线101在低频带中的增益和前后比最大化，同时最小地影响高频带中的性能。在该实例中，元件111具有20.5mm的长度和3.8mm的宽度，而间隔113为26mm。元件111比其他元件宽，以在2.4GHz频带中的较宽带宽上提高前后比。

为了进一步提高前后比，可能希望进一步增加元件111的长度，但是尺寸约束不允许这种增加。图2示出了允许这种尺寸增加的替代实施例。具体地，图2示出了天线101的替代实施例的俯视图(类似于图1A)，其中相同的附图标记表示相同或类似的元件。然而，在该实例中，天线201包括元件211H。元件211H正交地连接到元件211V。这增加了元件211V的长度，并且在功能上改变了其充当反射器的能力，同时不增加天线在y轴方向上的尺寸。

另一种提高天线前后比以及天线增益的方法包括添加寄生元件。这些寄生元件尽管是导电的，但没有电连接到受驱动元件，并且起到改变天线的辐射图的作用。在图1A中，元件115是用作高频带引向器的单个导电元件，从而提高天线101在高频带中的增益和前后比。这里，对于5.5GHz的高频带，元件115具有13mm的长度并且被放置在距离元件109V12.5mm处(即，间隔117)。在该实例中，元件115具有2.5mm的宽度。

为了进一步提高天线101的增益和前后比，可以添加附加寄生元件，如图1A所示。元件119V是用作第二高频带引向器的单个导电元件。元件119V具有12.5mm的长度并且被放置在距离元件109 20mm处(即，间隔121)。在该实例中，元件119V具有2.5mm的宽度。元件119H正交地连接到元件119V。元件119V和119H的组合长度被优化以用作低频带引向器，从而提高天线101在低频带中的增益和前后比。这里，对于2.4GHz的低频带，元件119H具有15mm的长度和2.5mm的宽度。119V和119H的正交性质允许根据需要调整每个元件，以高度独立地优化每个操作频带的性能。

在图1A中，附加寄生元件123V、123H、127V和127H被添加以进一步提高每个频带的增益和前后比。元件123V具有15mm的长度和6mm的宽度，并且与元件109V相距39.5mm(即，间隔125)。在该实例中，123V的宽度略大于天线101的许多其他元件。元件的宽度对天线性能的影响较小，并且如果元件太宽，元件之间的适当间隔可能难以实现。此外，非常小的宽度既可以降低天线的功率容量能力又可以降低每个操作频带的带宽。在该实例中，元件123V的宽度大于其他元件的宽度以提高2.4GHz频带中的性能，而间隔125被设置为优化5.5GHz性能。使元件123V更宽有助于优化2.4GHz频带中的操作，同时使5.5GHz中的影响最小。在没有这种调整的情况下，需要增加间隔125来优化2.4GHz性能而牺牲5.5GHz操作。类似于元件119V，元件123V用作高频带引向器。元件123H正交地连接到元件123V，并且具有11.5mm的长度和2.5mm的宽度。同样，123V和123H的组合长度用作低频带引向器，并且123V和123H的正交性质允许根据需要调整每个元件，以高度独立地针对每个操作频带优化天线101的性能。

以功能上类似于元件123V和123H的方式，将元件127V和127H添加到天线101以提高其每个频带的增益和前后比。元件127V(同样是高频引向器)具有15mm的长度和2.5mm的宽度，并且与元件109V相距58.5mm(即，间隔129)。元件127H正交地连接到元件127V并且具有15mm的长度和2.5mm的宽度。元件127H和127V用作另一低频引向器。

因此，天线101提供了具有单级馈电的双频定向天线的实例，其针对两个频带(一个频带在2.4GHz下，一个频带在5.5GHz下)的频率、效率、增益和前后比进行了优化。水平元件(例如，具有后缀“H”的元件)允许独立地优化较低频带，同时对优化较高频带的影响最小。这些水平或“弯曲”元件也使天线101更紧凑。此外，天线101是无源的，这意味着它无需电源。这允许其在收发器应用中使用，并且在传输与接收之间改变而无需电子切换。

图3图示了天线101的电压驻波比(VSWR)图表。该图表示出天线101在2.45GHz下和4.75GHz以上时有低量的功率被反射。通过在这些频率下具有低量的反射功率，该图表指示天线101已经被设计成在这些频率下和感兴趣的两个频带2.45GHz和5.5GHz下有效地起作用，这意味着在这些频率下高百分比的功率被传输而不是在发射机处被反射回来。

图4A和图4B分别图示了2.45GHz和5.775GHz频率下的天线101的极坐标图表。这些图表示出了辐射图的θ极化分量，因为其对应于天线101的辐射场的极化。在这两个频带上，天线101均示出了强定向性和很少的反向辐射。这示出，当无线传输的信号必须与来自其他源(如在相同频带中操作的其他Wi-Fi网络、计算机或产品)的传输信号竞争时，使用天线101将是有利的。

图5A和图5B分别图示了2.45GHz和5.775GHz频率下的天线101的辐射图。图5A和图5B示出天线101可以在这两个频率下具有强定向性和很少反向辐射地传输信号。这些辐射图还示出，天线101可用于需要定向双频天线来克服遮蔽区域和来自附近无线源的干扰的无线网络。

虽然天线101被设计成覆盖2.45GHz和5.5GHz下的频带，但是其他实施例可以支持不同的双频带。例如，一些实施例可以支持低UHF频带、高UHF频带和/或蜂窝频带(例如，800MHz、900MHz、1800MHz或1900MHz)。因此，一些实施例可以支持不同于Wi-Fi的无线应用，诸如无线麦克风、蜂窝电话或无绳电话。在选择频带的频率时，较高频带通常大约是较低频带的频率的两倍。这些不同实施例的天线元件的尺寸将取决于感兴趣的频带的波长。附加地，可以通过对元件的末端进行倒角或斜切来改变天线的性能。

天线的另一设计考虑包括所使用的寄生元件的数量和取向。例如，水平和竖直元件不一定必须正交地连接；然而，改变连接角度将使得改变这些元件的尺寸会影响两个频带。替代地，如果整个天线的尺寸是限制因素，则可以包括更少的寄生元件，诸如在天线101中不包括元件123V、123H、127V和127H。类似地，如果一个频带比另一频带更重要，则可以添加或排除元件。例如，如果高频带更重要，则可以排除无源元件的水平元件(例如，在天线101中具有后缀“H”的元件)，从而允许垂直元件具有更多的影响，其引导高频带。

在另一实施例中，天线包括主导电元件或主线、导电馈送元件或馈送线，以及连接在主导电元件的相对侧上的第一对导电元件或反射器。天线还包括连接到主导电元件的第一端的第二对导电元件。该第二对导电元件用作第一对驱动器并且平行于第一对导电元件。天线还包括第三对导电元件，该第三对导电元件远离主导电元件地连接到第二对导电元件。该第三对导电元件用作第二对驱动器，并且与第一对驱动器一起被配置成在第一频带中操作。天线还包括第四对导电元件，该第四对导电元件用作传输线，并且靠近主导电元件地连接到第二对导电元件。天线还包括第五对导电元件，该第五对导电元件连接到第四对导电元件并且平行于第二对导电元件。该第五对导电元件用作第三对驱动器，并且被配置成在第二频带中操作。天线还包括第一单个导电元件，该第一单个导电元件用作引向器，并且被远离主导电元件地放置，并且与第五对导电元件分开一定距离。该第一单个导电元件也平行于第五对导电元件。天线还包括第二单个导电元件，该第二单个导电元件用作第二引向器，并且被与第一单个导电元件分开一定距离地放置，使得第一单个导电元件在第五对导电元件与第二单个导电元件之间。该第二单个导电元件也平行于第一单个导电元件。天线还包括第六对导电元件，其中第六对导电元件中的每个导电元件连接到第二单个导电元件的相对端。该第六对导电元件用作引向器。

最后，尽管已经以特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了主题，但是应当理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于以上描述的特定特征或动作。相反，以上描述的特定特征和动作被公开为实施权利要求的示例形式。

Claims (20)

1.一种天线，包括：

主导电元件；

导电馈送元件；

连接在所述主导电元件的相对侧上的第一对导电元件；

连接到所述主导电元件的第一端的第二对导电元件，其中所述第二对导电元件平行于所述第一对导电元件；

第三对导电元件，所述第三对导电元件远离所述主导电元件地连接到所述第二对导电元件，其中所述第二对导电元件和所述第三对导电元件被配置成在第一频带中操作；

第四对导电元件，所述第四对导电元件靠近所述主导电元件地连接到所述第二对导电元件；

连接到所述第四对导电元件的第五对导电元件，

其中所述第五对导电元件平行于所述第二对导电元件，并且

其中所述第五对导电元件被配置成在第二频带中操作；

第一单个导电元件，所述第一单个导电元件被远离所述主导电元件地放置，并且与所述第五对导电元件分开一定距离，其中所述第一单个导电元件平行于所述第五对导电元件；

第二单个导电元件，所述第二单个导电元件被与所述第一单个导电元件分开一定距离地放置，

其中所述第二单个导电元件平行于所述第一单个导电元件，并且

其中所述第一单个导电元件在所述第五对导电元件与所述第二单个导电元件之间；以及

第六对导电元件，其中所述第六对导电元件中的每个导电元件连接到所述第二单个导电元件的相对端。

2.根据权利要求1所述的天线，还包括多个附加导电元件，其中所述多个附加导电元件中的每个导电元件包括：

附加单个导电元件，所述附加单个导电元件被与所述天线的其他导电元件分开一定距离地放置，其中所述附加单个导电元件平行于所述第一单个导电元件；

以及连接到所述附加单个导电元件的相对端的附加一对导电元件。

3.根据权利要求1所述的天线，还包括第七对导电元件，所述第七对导电元件远离所述主导电元件地连接到所述第一对导电元件。

4.根据权利要求1所述的天线，其中所述第二对导电元件垂直地连接到所述第三对导电元件。

5.根据权利要求4所述的天线，其中所述第六对导电元件中的每个导电元件垂直地连接到所述第二单个导电元件的相对端。

6.根据权利要求2所述的天线，其中所述附加一对导电元件中的每个导电元件垂直地连接到所述附加单个导电元件的相对端。

7.根据权利要求3所述的天线，其中所述第七对导电元件中的每个导电元件垂直地连接到所述第一对导电元件。

8.一种方法，包括：

制造天线，其中所述天线包括：

主导电元件；

导电馈送元件；

连接在所述主导电元件的相对侧上的第一对导电元件；

连接到所述主导电元件的第一端的第二对导电元件，其中所述第二对导电元件平行于所述第一对导电元件；

第三对导电元件，所述第三对导电元件远离所述主导电元件地连接到所述第二对导电元件，其中所述第二对导电元件和所述第三对导电元件被配置成在第一频带中操作；

第四对导电元件，所述第四对导电元件靠近所述主导电元件地连接到所述第二对导电元件；

连接到所述第四对导电元件的第五对导电元件，

其中所述第五对导电元件平行于所述第二对导电元件，并且

其中所述第五对导电元件被配置成在第二频带中操作；

第一单个导电元件，所述第一单个导电元件被远离所述主导电元件地放置，并且与所述第五对导电元件分开一定距离，其中所述第一单个导电元件平行于所述第五对导电元件；

第二单个导电元件，所述第二单个导电元件被与所述第一单个导电元件分开一定距离地放置，

其中所述第二单个导电元件平行于所述第一单个导电元件，并且

其中所述第一单个导电元件在所述第五对导电元件与所述第二单个导电元件之间；以及

第六对导电元件，其中所述第六对导电元件中的每个导电元件连接到所述第二单个导电元件的相对端。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述天线还包括多个附加导电元件，其中所述多个附加导电元件中的每个导电元件包括：

附加单个导电元件，所述附加单个导电元件被与所述天线的其他导电元件分开一定距离地放置，其中所述附加单个导电元件平行于所述第一单个导电元件；

以及连接到所述附加单个导电元件的相对端的附加一对导电元件。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述天线还包括第七对导电元件，所述第七对导电元件远离所述主导电元件地连接到所述第一对导电元件。

11.根据权利要求8所述的方法，其中所述第二对导电元件垂直地连接到所述第三对导电元件。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第六对导电元件中的每个导电元件垂直地连接到所述第二单个导电元件的相对端。

13.根据权利要求9所述的方法，其中所述附加一对导电元件中的每个导电元件垂直地连接到所述附加单个导电元件的相对端。

14.根据权利要求10所述的方法，其中所述第七对导电元件中的每个导电元件垂直地连接到所述第一对导电元件。

15.一种天线，包括：

主线；

馈送线；

连接在所述主线的相对侧上的一对反射器；

连接到所述主线的第一端的第一对驱动器，其中所述第一对驱动器平行于所述一对反射器；

第二对驱动器，所述第二对驱动器远离所述主线地连接到所述第一对驱动器，其中所述第一对驱动器和所述第二对驱动器被配置成在第一频带中操作；

一对传输线，所述一对传输线靠近所述主线地连接到所述第一对驱动器；

连接到所述一对传输线的第三对驱动器，

其中所述第三对驱动器平行于所述第一对驱动器，并且

其中所述第三对驱动器被配置成在第二频带中操作；

第一引向器，所述第一引向器被远离所述主线地放置，并且与所述第三对驱动器分开一定距离，其中所述第一引向器平行于所述第三对驱动器；

第二引向器，所述第二引向器被与所述第一引向器分开一定距离地放置，

其中所述第二引向器平行于所述第一引向器，并且

其中所述第一引向器在所述第三对驱动器与所述第二引向器之间；以及

一对引向器，其中所述一对引向器中的每个引向器连接到所述第二引向器的相对端。

16.根据权利要求15所述的天线，还包括多个附加引向器，其中所述多个附加引向器中的每个引向器包括：

附加引向器，所述附加引向器被与所述天线的其他导电元件分开一定距离地放置，其中所述附加引向器平行于所述第一引向器；

以及连接到所述附加引向器的相对端的附加一对引向器。

17.根据权利要求16所述的天线，其中所述第一引向器、第二引向器和附加引向器被配置成在所述第二频带中操作。

18.根据权利要求17所述的天线，其中所述一对引向器和附加一对引向器被配置成在所述第一频带中操作。

19.根据权利要求18所述的天线，其中所述第一频带和所述第二频带对应于Wi-Fi网络上的设备所使用的频带。

20.根据权利要求16所述的天线，其中多个附加引向器包括至少两个附加引向器。

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