CN1165587A - 双频带天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在便携式通信设备中使用的双频带天线系统。天线系统包括辐射低频和高频电磁能量的天线元件(10)。在较佳实施例中，与天线元件(10)耦合的低频隔离器网络(20)在高频操作期间对高频和低频信号路径之间的信号提供了隔离。同样，与天线元件(10)耦合的高频隔离器网络(18)在低频操作期间对高频和低频信号路径之间的信号提供了隔离。在传输和接收期间，通过天线元件(10)的低频和高频能量分别由低频和高频隔离器网络(20)和(18)导通。

Description

双频带天线系统
发明领域
本发明涉及双频带(dual-band)天线，特别是涉及在便携式通信设备中使用的双频带天线系统。
背景技术
“双频带”便携式通信设备在无线通信领域的重要性显得愈来愈重要。例如，已经研制出一种双频带便携式电话，它工作于蜂窝式通信频带(824-892MHz)和人们提出的个人通信网络(PCN)频带(1.8-1.96GHz)之上。对于在各频带上有效传输和接收能量而言，有一种显而易见的简单方法，那就是采用分立的天线，每根天线专门设计成针对一给定频率范围内的操作。遗憾的是采用分立天线将提高便携式电话的成本，扩大其体积并增加其复杂程度，特别是如果必须提供一定的空间以容纳收缩起来的每根天线时。
对于只配备单根天线的便携式设备来说，实现双频带操作直截了当的方法是将分别用于各个频带的传输/接收电路直接与天线相连。普通的传输/接收电路通路一般包括例如与天线收发转换装置串联的通信收发机。为了使天线与串联的和收发机的阻抗匹配，还提供有匹配网络。但是在只采用单根天线的双频带设备中，给定的通路需要匹配网络来使该通路的阻抗与天线和其它通路的复合阻抗匹配。一般而言，由于天线和其它通路的阻抗随频率而异，所以使设计过程变得复杂而困难。
另外也可以设想采用电子或者电机开关将每个频带的通信网络选择连接至设备的单根天线上。遗憾的是在双频带设备中采用这样的开关可能会带来大量棘手的问题。例如在天线信号路径上提供的这种开关将会增加信号损耗、噪声指数和信号失真。而且为了能够提供命令开关选择所需通信频带的控制信号，需要另外的电子线路。也许更为麻烦的是采用开关将使设备增加单点失效(single-pointfailure)的敏感性。
发明内容
本发明提供一种双频带天线系统，其中信号能量在连接单根天线元件的分立信号路径之间被动地一分为二。每条信号路径包括设计相对便利的简单匹配网络。
本发明针对用于便携式通信设备的双频带天线系统。天线系统包括传输高频和低频电磁能量的天线元件。在较佳实施例中，对于高频信号，与天线元件耦合的低频隔离器网络在高频和低频信号路径之间提供了信号隔离。同样，对于低频信号，高频隔离器网络在高频与低频信号路径之间提供了信号隔离。在运行期间，低频隔离器网络使低频电磁能量在天线与低频信号路径之间通过。同样，高频隔离器网络使高频电磁能量在天线与高频信号路径之间通过。
与低频隔离器网络串联的第一匹配网络使低频运行期间的天线阻抗与低频信号路径的阻抗匹配。与高频隔离器网络串联的第二匹配网络使高频运行期间的天线阻抗与高频信号路径的阻抗匹配。
在某一实施方案中，低频隔离器网络包括：(i)在天线元件与第一匹配网络之间串联的第一四分之一波长传输线段；以及(ii)与第一传输线段和第一匹配网络并联的第二四分之一波长传输线段。同样高频隔离器网络可以包括与天线元件串联的第三四分之一波长传输线段和与第三传输线段并联的第四四分之一波长传输线段。
在另一个实施例中，采用并联和串联电路来实现低频隔离器网络和高频隔离器网络。每个隔离器网络设计成包括与天线元件串联的并联谐振电路和与并联谐振电路并联的串联谐振电路。在高频操作期间低频隔离器网络的串联和并联谐振电路产生谐振，而在低频操作期间高频隔离器网络的串联和并联谐振电路产生谐振。
附图的简要说明
通过以下结合附图的说明可以对本发明有进一步的理解。
图1示出了作为双频带通信设备一部分的本发明天线系统的方框图。
图2示出了作为本发明较佳实施例一部分的实现高频和低频隔离器网络的传输线变换器实施方案的示意图。
图3示出了实现高频和低频隔离器网络的谐振电路的示意图。
实施发明的较佳方式
参见图1，它示出了作为双频带通信设备一部分的本发明天线系统的方框图。天线系统包括被设计成可以在双频带通信设备各个波段上工作的单根天线元件10，例如鞭形天线(whip antenna)。如上所述，工作在蜂窝式通信频带(824-892KHz)和人们提出的个人通信网络(PCN)频带(1.8-1.96GHz)上的双频带便携式电话特别令人感兴趣。但是不能将本将发明理解为只局限于某一特定的波段。利用长度约等于蜂窝式通信频带中心波长二分之一(约2.5英寸)即大略等效于PCN频带中心波长四分之一的鞭形天线作天线元件10，既能够适应蜂窝式频带上的操作，也可以适应PCN频带上的操作。
如图1所示，天线馈送线14的作用是将天线元件10耦合至高频和低频隔离器网络18和20。馈送线14例如可以包括微带状或者条状线的高频传输线。低频隔离器网络20插入于天线馈送线14与低频信号路径之间，低频信号路径包括串联在一起的低频收发机24和低频匹配网络28。同样，高频隔离器网络18插入于天线馈送线14与高频信号路径之间，高频信号路径包括串联在一起的高频收发机32和低频匹配网络36。
在运行期间，经天线元件10收发的高频和低频范围内的信号能量分别由高频和低频收发机32和24处理。在高频收发机32内部，高频天线收发转换装置(未画出)将高频信号能量一分为二成高频传输TXHB和接收RXHB信道。同样，在低频收发机28内部，低频天线收发转换装置(未画出)将低频信号能量一分为二成低频传输TXLB和接收RXLB信道。在另一实施方案中，高频和低频收发机32与24内部进行的传输和接收操作发生于所分配的不同时隙期间内。当采用这种时分多路复用方式时，不必在收发机32与24内包括天线收发转换装置。
按照本发明的一个方面，放置高频和低频隔离器网络18和20是为了在低频和高频信号路径之间提供信号隔离。具体而言，放置低频隔离器网络20是为了能在高频操作波长(例如PCN波段)下向馈送线14提供极高的阻抗。同样，放置高频隔离器网络18是为了能在低频操作波长(例如蜂窝式通信波段)下向馈送线14提供极高的阻抗。
当高频隔离器网络18在低频波长范围内接近开路阻抗时，从匹配网络28看过去，高频隔离器网络18在低频操作期间的阻抗基本上等于天线10的阻抗。即，由于高频隔离器网络18提供了信号隔离，所以高频信号路径(即高频收发机和高频匹配网络)的阻抗实际上对低频匹配网络呈现的阻抗并无影响。因此大大简化了低频匹配网络28的设计和调试，并且可以基本上独立于高频信号路径的阻抗而工作。低频隔离器网络20的存在使得高频匹配网络36能够将高频操作期间天线10的阻抗与高频信号路径的阻抗匹配起来而不受高频波长范围内低频信号路径阻抗的影响。
现在参见图2，它示出了作为本发明较佳实施例一部分的实现高频和低频隔离器网络20与18的传输线变换器实施方案的示意图。低频隔离器网络20包括与第一并联传输线52(其包括开路端54)并联的第一串联传输线50。第一串联和并联传输线50和52的波长为(λHBC)/4，这里λHBC对应高频波长范围的中心波长。同样，高频隔离器网络18包括与第二并联传输线60(其包括开路端62)并联的第二串联传输线58。第二串联和并联传输线58和60的波长为(λLBC)/4，这里λLBC对应低频波长范围的中心波长。
图2的低频和高频传输线变换器所起的作用是借助于开路并联传输线52和60的阻抗变换，分别在高频和低频波段内提供高阻抗，例如就波长为λHBC的信号能量而言，开路并联传输线52就好象短路电路一样。但是，由于串联传输线50提供的阻抗变换，所以在波长为λHBC的操作期间，从高频匹配网络36看过去，并联传输线52所处平面的阻抗似乎就是开路阻抗。这迫使电流在高频波长下的操作期间流入高频匹配网络36而不会流入低频匹配网络28。同样高频传输线变换器使得电流在低频操作期间从波导14流至低频匹配网络28。
参见图3，它示出了实现高频和低频隔离器网络20和18的谐振电路的示意图。在图3中，低频隔离器网络20包括由电感L1和电容C1构成的第一并联LC谐振电路和由电感L2和电容C2构成的第一串联谐振电路。第一串联和并联谐振电路的每一个都对应于一个损耗极点，这里的损耗极点是位于与低频隔离器网络20有关的带通转换特性内。具体而言，元件L1，L2，C1和C2的参数经过选择使得第一串联和并联LC谐振电路在波长λHBC处分别接近于开路和短路状态。这种双极点带通隔离足以使得高频匹配网络36在高频波长范围内进行操作时的阻抗基本上等于天线10的阻抗。
在图3中，高频隔离器网络20包括由电感L3和电容C3构成的第二并联LC谐振电路和由电感L4和电容C4构成的第二串联谐振电路。经过设计，第二串联和并联LC谐振电路构成损耗极点，这里的损耗极点是位于表征高频隔离器网络18带通转换函数特性内。即，元件L3，L4，C3和C4的参数经过选择使得第二串联和并联LC谐振电路在波长λLBC处分别接近于开路和短路状态。由于在低频操作期间避免了高频信号路径阻抗对改变天线10显现阻抗的影响，所以这简化了低频匹配网络28的设计。
对于本领域内的技术人员来说，上述较佳实施例的描述足以使他们能够实施本发明。对于他们来说，对上述实施例所作的各种改动都是显而易见的，并且这里限定的一般原理也无需创造性就可应用到其它实施例上。因此本发明并不打算借助这些实施例来限定其范围，相反，它的范围最大程度地被这里所揭示的原理和新特征所限定。

Claims (12)

1.一种双频带天线系统，其特征在于包括：
传输属于第一和第二波段内电磁能量的天线元件；
与所述天线元件耦合的第一传输线隔离器，所述第一传输线隔离器提供了对所述第二波段上信号的隔离；
与所述天线元件耦合的第二传输线隔离器，所述第二传输线隔离器提供了对所述第一波段上信号的隔离；
与所述第一传输线隔离器串联的第一匹配网络，用来使所述第一波段上所述天线的阻抗与第一信号路径的阻抗匹配；以及
与所述第二传输线隔离器串联的第二匹配网络，用来使所述第二波段上所述天线的阻抗与第二信号路径的阻抗匹配。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述第一传输线隔离器包括在所述天线元件与所述第一匹配网络之间串联的第一传输线段和与所述第一传输线段及所述第一匹配网络并联的第二传输线段，所述第一和第二传输线段的长度等于所述第二波段中心波长的四分之一。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于所述第二传输线隔离器包括与所述天线元件串联的第三传输线段和与所述第三传输线段并联的第四传输线段，所述第三和第四传输线段的长度等于所述第一波段中心波长的四分之一。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于所述第二传输线段包括与所述第一传输线段相连的第一端和第二开路端。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述第一波段的中心波长是所述第二波段中心波长的一倍。
6.一种在工作于第一和第二波段上的通信设备中使用的双频带天线系统，其特征在于所述双频带天线系统包括：
传输属于第一和第二波段内电磁能量的天线元件；
与耦合于所述天线元件与低频信号路径之间的第一带通隔离器网络，所述第一带通隔离器网络包括提供了对所述第一波段上的信号进行隔离的第一串联谐振电路；
与耦合于所述天线元件与高频信号路径之间的第二带通隔离器网络，所述第二带通隔离器网络包括提供了对所述第二波段上的信号进行隔离的第二串联谐振电路；
与所述第一带通隔离器网络串联的第一匹配网络；
与所述第二带通隔离器网络串联的第二匹配网络；
其中所述第一带通隔离器网络使所述第二波段内的电磁能量在所述天线元件与所述低频信号路径之间通过，而所述第二带通隔离器网络使所述第一波段内的电磁能量在所述天线元件与所述高频信号路径之间通过。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述第一带通隔离器网络包括：
与所述天线元件串联的第一谐振电路，以及
与所述第一谐振电路并联的第二谐振电路，其中所述第二谐振电路在所述第一波段的中心波长处接近于短路。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于所述第二带通隔离器网络包括：
与所述天线元件串联的第三谐振电路，以及
与所述第三谐振电路并联的第四谐振电路，其中所述第三谐振电路在所述第二波段的中心波长处接近于短路。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于所述第一谐振电路经过调谐，在所述第一波段上提供了高阻抗，而所述第三谐振电路经过调谐，在所述第二波段上提供了高阻抗。
10.一种双频带通信设备，它包括工作在第一波段上的第一收发机网络和工作在第二波段上的第二收发机网络，其特征在于它的双频带天线系统包括：
传输属于第一和第二波段内电磁能量的天线元件；
与所述天线元件耦合的第一带通隔离器网络，所述第一带通隔离器网络提供了对所述第二波段上信号的隔离；
插在所述第一隔离器网络与所述第一收发机之间的第一阻抗匹配网络；
与所述天线元件耦合的第二带通隔离器网络，所述第二带通隔离器网络提供了对所述第一波段上信号的隔离；以及
插在所述第二隔离器网络与所述第二收发机之间的第一阻抗匹配网络。
11.如权利要求10所述的通信设备，其特征在于所述第一和第二隔离器网络的每一个都包括串联和并联传输线段。
12.如权利要求10所述的通信设备，其特征在于所述第一和第二隔离器网络的每一个都包括串联和并联谐振电路。
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