CN1186852C

CN1186852C - 同平面的双带状天线

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Publication number: CN1186852C
Application number: CNB998053600A
Authority: CN
Inventors: A·特朗
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 1998-02-23
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2019-02-19
Also published as: CA2321788C; JP2002504766A; KR100683991B1; AU2772999A; FI117580B; CA2321788A1; BR9908158A; KR20010041218A; WO1999043037A3; DE69937048T2; JP4259760B2; FI20001826A; HK1035073A1; WO1999043037A2; EP1072064A2; CN1299525A; DE69937048D1; EP1072064B1

Abstract

一种具有二维结构的同平面双带状天线(400)。天线由第一和第二金属带(404，408)组成，每一金属带都印刷或刻蚀在薄平面电介质基底基底(412)上。第一和第二金属带(404，408)分开预定的间隙(T)，并用作二线传输线的导体。共面波导(416，1520)与同平面双带状天线(400)耦合。共面波导(416，1520)是通过在电介质基底基底上印刷或刻蚀构筑的。波导的正端(420，1522)与第一金属带电连接。波导的负端(424，428)与第一和第二金属带电连接。按照本发明的同平面双带状天线(400)使得典型的四分之一波长或二分之一波长的接插式天线的带宽加大。实验结果给出，同平面双带状天线(400)具有约8-20%的带宽，而这正是PCS和蜂窝电话所强烈要求的。

Description

同平面的双带状天线

发明背景

I.发明领域

本发明总的涉及天线，尤其涉及单面双带状多频天线。本发明还涉及用于无线装置的内部天线，这种天线特别具有改进的带宽和辐射特性。

II.相关领域的描述

天线是无线通信装置和系统的重要元件。尽管天线具有各种各样的形状和大小，但每一种天线都按照相同的基本电磁原理来工作。天线的结构与传导波和自由空间中的波之间的转换区域有关，反之也然。从总的原理上说，沿开放的传输线传播的传导波是一种自由空间中辐射的波，也称为电磁波。

近年来，随着个人无线通信装置如手持的和移动蜂窝个人通信装置(PCS)电话的使用越来越多，人们对合适的用于这样一些通信装置的小天线的需要也随之增加。集成电路和电池技术的发展使得在过去的几年里通信装置的尺寸和重量大大减小。仍然需要减小尺寸的一个领域是通信装置天线。这是因为天线的大小在减小装置的尺寸方面起着重要的作用。另外天线的尺寸和形状会影响装置的美观和制造成本。

设计用于无线通信装置时要考虑的一个重要因素是天线的辐射图形。在通常的情况下，通信装置必须能够相互间进行通信，或与基站、中心或卫星进行通信，而这些装置与本装置的方位是各不相同的。因此，要求这些无线通信装置的天线具有大致全向的辐射图形。

设计用于无线通信装置时必须考虑的另一个重要的因素是天线的带宽。例如，无线装置，如用于PCS通信系统的电话，用在1.85-1.99GHz的频带上，要求有百分之7.29的有用带宽。用于典型通信系统的电话在824-894MHz的频带上工作，要求具有百分之8.14的带宽。因此，用在这些类型的无线通信装置上的天线必须在设计时满足合适的带宽要求，否则，通信信号将会发生严重的衰耗。

无线通信装置中一种常用的天线是拉杆天线，这种天线在不用时可以方便地缩入装置内。然而，拉杆天线有几个缺点。在拉出来使用时，拉杆天线经常会因撞击到物体、人或一些表面上时而损坏，甚至在缩进去时也会损坏。甚至在设计时考虑让这种拉杆天线是可伸缩的以便防止所提到的损坏时，也会因缩进去太多而影响通信装置某些部分的先进的性能和电路。当缩入的量大于所要求的量时，也要求具有最小的装置外壳尺寸。尽管可以使天线具有附加的套管部分，以减小缩入的尺寸，但通常会影响美观，更加脆弱或不稳定，或者使用者使用不便。

另外，拉杆天线的辐射图形在本质上是环形的，即，形状呈环形，零点在中心位置处。当采用这种天线的蜂窝电话或其他的无线装置使天线垂直于地面时，即，与地面或与局部的水平面成90度角时，这一零点具有一个也倾斜90度角的中心轴。这通常不会影响信号的接收，这是因为输入信号并不局限于以相对于天线成90度的角到达的。但是，电话使用者通常在使用时是使蜂窝电话倾斜的，从而使拉杆天线也发生倾斜。人们还观察到，蜂窝电话使用者通常使它们的电话相对于本地水平线倾斜30度(与垂直线成60度)，使拉杆天线倾斜30度。这使得零中心轴也呈30度角取向。在这一角度下，零点妨碍了接收以30度角到达的输入信号。不幸的是，蜂窝通信系统中的输入信号通常是以30度角或在该角度范围内到达的，从而使错误取向的零点妨碍某些信号的接收的可能性增大。

另一种类型可能适合用于无线通信装置的天线是共形天线。通常，共形天线安装共形天线的表面形状一致通常给出很低的辐射图案(profile)。共形天线有几种类型，如，接插式、微带式和带状式天线。微带式天线近年来尤其应用于个人通信装置中。

正象术语的意义所表示那样，微带天线包括接插式或微带式元件，通常它还称作是辐射接插器(radiator patch)。微带元件的长度是相对于波长λ₀而设置的，它与谐振频率f₀相关，该频率的选择满足感兴趣的频率，如800MHz或1900MHz。微带元件通常使用的长度是半波长(λ₀/2)和四分之一波长(λ₀/4)。尽管无线通信系统中已经使用了几种类型的微带天线，但有几个方面需要进一步的提高。需要进一步提高的一个方面是整个尺寸的减小。另一个需要提高的方面是带宽。当前的接插式或微带式天线设计是不能在实际尺寸上得到用于先进通信系统的使用中所要求的百分之7.29至8.14或更多的带宽特征的。

所以，需要一种新的天线结构和制造天线的新技术，来实现与先进的通信系统相适应的带宽。另外，天线结构应当适合于内部安装，而在无线装置中提供更灵活的元件定位，使美观性大大提高，并降低天线的毁损。

发明概述

本发明是一种具有二维结构的同平面的双带状天线。同平面的双带状天线包括第一和第二金属带，每一金属带印刷在薄的平面衬底上。第一金属带和第二金属带由预定的槽或非导电材料隔开。按照本发明，第一和第二金属带用作二线传输线的导体。金属带之间衬底上的空气或淀积的其他材料用作第一和第二金属带之间的介质。在本发明的一个实施例中，第一金属带的长度小于第二金属带的长度，并且第一金属带的宽度小于第二金属带的宽度。

共面波导与同平面的双带状天线耦合。共面波导是通过在衬底上刻蚀或淀积金属来构成的。波导的正端与第一金属带电相连。波导的负端与第一和第二金属带电相连。共轴电缆可以取代共面波导，用作馈电。

在本发明的一种实施例中，共面波导有两个负端和一个正端。正端与第一金属带相连。负端与第二金属带相连，而另一负端与第一金属带相连。负端在方便之处相互电相连。

在本发明的一种实施例中，同平面的双带状天线是通过在薄可弯曲的衬底上印刷、刻蚀或淀积金属带而形成的。共面波导也是刻蚀或淀积在活动衬底上的。在本发明的另一种实施例中，同平面的双带状天线是通过在印刷电路(PC)板上刻蚀或淀积金属带来构筑的。这就大大使双带状天线的制造简化。

在本发明的一种实施例中，第一和第二金属带是近似相互平行的。在本发明的一种实施例中，第一金属带和第二金属带在从与共面波导电相连处向外延伸时，在其开放端是喇叭形张开的(flare out)，以便使与空气或自由空间的阻抗匹配得到改进。在本发明的另一种实施例中，第一和第二金属带大体是弯曲的。也可以采用各种其他形状的第一和第二金属带。

按照本发明的同平面的双带状天线与典型的四分之一或二分之一波长的接插式天线相比，带宽加大。实验结果显示，同平面的双带状天线的带宽近似为8-20％，对于PCS和蜂窝电话来说是相当优越的。

附图简述

本发明是参照附图类似描述的，图中，相同的标号表示相同的、功能相似的和/或结构相似的元件，图中首次出现的元件用标号中最左面的数字表示，其中：

图1A和1B是拉杆和螺旋型外天线的便携式电话；

图2是传统的微带接插式天线；

图3是图2所示微带接插式天线的侧视图；

图4描述的是按照本发明的一种实施例的同平面的双带状天线；

图5A-5G是采用方形过渡(square transition)来连接金属带时本发明几种实施例的俯视图；

图6A-6C是采用弯曲过渡来连接金属带的本发明其他实施例的俯视图；

图7A-7E是采用V形过渡来连接金属带的本发明又一些实施例的俯视图；

图8A-8G是采用弯曲的、呈一定角度的以及混合金属带形状的几种本发明

实施例的俯视图；

图9A-9B是某些应用时几种本发明实施例的透视图；

图10是适合用于PCS无线电话的本发明另一种实施例的测得的频率响应；

图12和图13描绘的是本发明一种实施例的测得的场图形；

图14是图1电话中使用的本发明一种实施例的俯视图；

图15图1的电话中所使用的信号馈电结构和本发明另一种实施例的俯视图；

图16A和16B描绘的是图1电话中安装的本发明一种实施例的仰视图和侧面截面图；以及

图17描绘的是可以采用本发明的另一种无线装置。

较佳实施例的详细描述

1.本发明的描述和讨论

尽管传统的微带式天线处理某些特征而使得可以应用于个人通信装置，但在微带天线的其他方面还需要作进一步的改进，使得可以更适合用于无线通信装置，如蜂窝和PCS电话。一种这样的方面是对其带宽的改进。通常，PCS和蜂窝电话近似需要百分之8的带宽，以便使操作能够满意地进行。由于当前已有的微带式天线的带宽大约落在百分之1-2的范围内，所以要求增大其带宽，以便更适合用于PCS和蜂窝电话。

要作进一步改进的另一个方面是微带式天线的尺寸。例如，微带式天线尺寸的减小将使得使用该天线的无线通信装置更小、更美观。事实上，这甚至要判断这样的天线是否可以用于无线通信装置中。过去，传统的微带式天线尺寸的减小可以通过减小所使用的介电衬底的厚度或加大介电常数来实现。然而，这具有减小天线带宽的不要求的影响，从而使得不太适合于无线通信装置。

另外，传统的微带式天线如接插式辐射器的场图形通常是有方向性的。大多数接插式辐射器仅在相对于天线本地水平线的方向上位于上半球内。正象在以前所说的那样，这要图形随着装置的移动而移动或旋转，并且会在覆盖区内产生不要求的零点。所以，微带式天线不是很适合于基于它们的辐射图形的许多无线通信装置的。

本发明提供了一种解决上述问题和其他问题的技术方案。本发明涉及一种同平面的双带状天线，它有一个二维结构，并且工作时是一种端面开放的平行板波导，但导体端(conductor termination)是不对称的。与其他的天线设计相比，同平面的双带状天线的带宽加大，尺寸减小，但保留了无线通信装置中使用时所要求的其他特征。

由于同平面的双带状天线具有二维结构，所以可以吻合地粘结到各种表面上或由各种表面支持，如蜂窝电话或其他无线装置的塑料外壳。同平面的天线可以安装在靠近无线通信装置的顶面或底面处，如手提电话处，也可以安装在靠近其他元件或在它们的后面，如扬声器、耳机、输入/输出电路、键盘以及无线装置内。同平面的天线还可以安装在使用无线通信装置的车辆的表面内。

与拉杆式或外部螺旋式天线不同的是，同平面的双带状天线不会因碰撞在物体或表面上而受损坏。同时，由于同平面的双带状天线可以安装在靠近无线通信装置的顶面处，或沿一侧壁处，所以不会占用要用于其他特性和电路的内部空间，也不需要较大的外壳空间用于天线的缩入。本发明的天线可以用自动工艺过程来制造，而减少了劳力和与天线相关的成本，并增大了可靠性。另外，同平面的双带状天线的辐射接近全向图形，使得它适合于许多的无线通信装置。

2.典型环境

在详细描述本发明前，需要描述可以实施本发明的典型环境。从广泛的意义上说，本发明可以在任何一种无线装置中实施，如个人通信装置、无线电话、无线调制解调器、传真机、手提电话、寻呼机、消息传播接收机等。一种这样的环境是如用于蜂窝的、PCS或其他的商业通信业务的手提式或手持式无线电话。各种这样的无线电话具有相应不同的外壳形状，这是本领域中众所周知的。

图1A和1B描绘的是如上述蜂窝系统和PCS系统无线通信系统中使用的典型的无线电话100。图1(1A，1B)中的无线电话有一个“蛤壳”、折叠体，或翻折型(flip-type)电话结构而使得小型化。其他的无线装置和电话采用更传统的“棒”型外壳或结构。

图1中描绘的电话包括拉杆式天线104和螺旋型天线106，螺旋型天线106与拉杆是同心的，从外壳102伸出。图中外壳前面支承一个扬声器110、显示板或显示屏112、键盘114、话筒或话筒接入孔116、外电源连接器118和电池120，它们都是典型的无线电话元件，在本领域中是众所周知的。图1B中，天线104处于使用时常遇到的伸长位置，而在图1A中，天线104处于缩入的位置(因观察角的位置而未能看到)。该电话仅用于描述，这是因为有各种装置和电话以及相关的物理结构可以采用本发明。

如上面讨论的那样，天线104有几个缺点，一个缺点是在因使用而伸出时以及有时缩入时，由于碰到其他物体时会损坏。而且还占据电话的内部空间，而占用了用于先进特性和电路的元件的空间，包括电源(如电池)，而受到限制，灵活性较小。另外，天线104需要有一个最小外壳尺寸，但这一最小尺寸在天线缩入时其尺寸也大得仍然无法接受。天线106在使用时也会碰到其他的物体或表面，并且无法缩入电话外壳102。

本发明是按照这一举例环境来描述的。按照这样来描述仅仅是为了清楚和方便。本发明并非仅限于应用于这一举例环境。在阅读了下面的描述以后，本领域中的技术人员能够清楚地了解如何将本发明应用于其他环境。事实上，读者将会清楚地了解，本发明还可以应用于任何一种无线通信装置，如(但不局限于)便携式传真机或具有无线通信能力的便携式计算机，等等，这些将下面作进一步的讨论。

图2描述的是传统的微带接插天线200。天线200包括微带元件204、电介质基底208、底板212和馈电点216。微带元件204(通常也称为辐射接插器)和底板212都是由导电材料层如铜板制成的。

最常用的微带元件以及相关的底板是由矩形元件组成的，尽管也可以采用具有其他形状的如圆形的微带元件和相关的底板。微带元件可以用各种已知的技术来制造，包括在印刷电路板的一侧上进行光刻，而在印刷电路板的另一侧或另一层上光刻一底面。有各种其他的方法可以用来构筑微带元件和底面，例如，通过在基底上有选择地淀积导电材料，将板粘结到电介质基底上，或在塑料上涂覆一种导电材料。

图3是传统微带天线200的侧视图。将具有中心导体220和外导体224的同轴电缆与天线200相连。中心导体(正端)220在馈电点216处与微带元件204相连。外导体(负端)224与底面212相连。微带元件204的长度通常在感兴趣的频率下，在电介质基底208中等于波长的二分之一或四分之一(见Richard C.Johnson和Henry Jasik的“天线工程手册”第二版，第7-2页，第7章)，并且是用下述关系式表述的：

L = 0.5 λ_{d} = 0.5 λ_{0} / \sqrt{ϵ_{r}},

或

L = 0.25 λ_{d} = 0.25 λ_{0} / \sqrt{ϵ_{r}}

这里，L＝微带元件204的长度

ε＝电介质基底208的相对介电常数

λ₀＝自由空间内的波长

λ_d＝电介质基底中的波长

介电常数和馈电电感的变化使得很难准确地预计尺寸，因而通常需要采用测试元件来确定准确的长度。厚度通常比波长小得多，通常是在0.01λ₀的数量级，用以使横向电流或横模为最小或防止其出现。t的值是根据天线在多大的带宽上进行工作而选择的，这将在以后在更详细地讨论。

微带元件204的宽度“ω”必须小于电介质基底材料中的波长，即λ_d，从而不会激发出更高阶的模。一个例外是在采用多信号馈电，来消除高阶模的地方。

第二种常用的微带天线是四分之一波长微带天线。四分之一波长微带天线的底面通常具有比微带元件更大的面积。在基底材料内感兴趣的频率下，微带元件的长度约为四分之一波长。在基底材料内感兴趣的频率下，地面的长度约为二分之一波长。微带元件的一端与地面电连接。

四分之一波长微带天线的带宽取决于电介质基底的厚度。正如以前指出的那样，PCS和蜂窝无线电话操作要求有百分之8的带宽。为了使四分之一波长微带天线满足百分之8的带宽要求，对于蜂窝频带(824-894MHz)，电介质基底208的厚度必须约为3.175厘米(1.25英寸)，而对于PCS频带，为1.27厘米(0.5英寸)。很清楚，这样大的厚度在小型的无线通信装置或个人通信装置中是不希望的，这时，要求约0.635厘米(0.25英寸)或更小的厚度。具有较大厚度的天线通常是不适合大多数无线通信装置现有的体积的。

3.本发明

按照本发明的一个实施例构筑和操作的同平面的双带状天线400如图4所示。图4中，同平面的双带状天线400包括第一带状物404和第二带状物408、电介质基底412和共面波导416。第一金属带404在一端处或靠近一端处与第二金属带408电连接。这一端称为“闭合端”，用于天线400。

第一和第二金属带404和408都是经印刷、刻蚀或淀积在电介质基底412上的，并且都是用导电材料如铜、黄铜、铝、银、金或其他已知的导电材料制成的，这些材料具有已知的阻抗和电流特征。第一和第二金属带404和408相间预定的间隙t，其间根据需要填充有介电材料(通常为空气)，如用于这一用途的泡沫。在本发明的一种实施例中，第一和第二金属带404和408在各长度上大体相互平行。在另一种实施例中(例如，见图5A-5C和图9B)，第一和第二金属带在一开端处喇叭形开放，以便提供与空气或自由空间更好的阻抗匹配。

有一个正端420和两个负端424和428的共面波导416与第一、第二金属带404和408耦合。在本发明的一个实施例中，正、负端420、424和428是由三条平行的金属带形成的。将中央金属带指定为正端420，并将其与第一金属带404电连接。将一条外金属带指定为负端424，而另一条外金属带指定为负端428。负端424与第一金属带404电连接，而负端428与第二金属带408电连接。在本发明的一个实施例中，通过在电介质基底412上印刷、刻蚀或淀积金属来构成共面波导416。共面波导416是用导电材料如铜、银、金、铝或其他已知的导电材料制成的。同轴电缆也可以用来代替共面波导，用作馈电。

同平面的双带状天线400呈二维结构。所以，可以整合地粘结到许多表面上，如蜂窝电话的塑料外壳上。在本发明的一种实施例中，天线400是刻蚀、印刷或淀积在可弯曲片上的，可弯曲片可以用作电介质基底或介质，如聚酯树脂薄膜(Mylar)、聚酰亚胺薄膜(Kapton)或其他已知的可弯曲介电材料。双带状天线可以安装在无线装置较薄的部分上，如安装在无线移动电话的翻转型、蛤壳或折叠部分上，这将在下面讨论。

第一金属带和第二金属带404和408的长度主要决定同平面双带状天线400的谐振频率。使第一和第二金属带404和408具有合适的长度，从而第一和第二金属带404和408用作能够接收和传送具有预选频率的信号的双线传输线。选择第一和第二金属带404和408的长度从而用作在要求频率下的二线传输线的方法在本领域中是众所周知的。简而言之，为了使第一和第二金属带404和408能够用作二线传输线，每一金属带必须具有约为λ/4的长度，这里，λ是感兴趣的电磁波的频率下的波长。其次，二线传输线形成的合成天线的带宽增加。这是通过同时减小第一金属带的长度和宽度，同时增加第二金属带的长度和宽度，直到实现所要求的带宽。

共面波导416将信号单元(未示出)与双带状天线400耦合。注意，这里信号单元指的是信号源和/或信号接收机所具有的功能。信号单元具有一个还是两个功能取决于天线400是如何工作的。例如，天线可以仅用作发送元件，这时，信号单元用作信号源。也可以是，当天线400仅用作接收单元时，信号单元用作信号接收器。当天线400既用作发送元件又用作接收元件时，信号单元具有两个功能，是一个收发机。

天线或金属带可以形成各种其他形状，如(但不限于)四分之一圆形、半圆形、半椭圆形、抛物线形、成一定的角度圆形和正方形C形二者结合、L形、U形和V形。V形结构可以是小于90度到几乎是180度。曲线结构可以用相当小或相当大的直径。导体即第一和第二金属带的宽度可以沿长度方向变化，从而它们朝向外端呈圆锥、曲线或者是台阶变化成较窄的宽度。正如本领域中的技术人员所知道的那样，可以将几种效果或形状组合成一个单个的天线结构。

另一些实施例的几个俯视图或本发明金属带的形状如图5A-5G、6A-6C、7A-7E和8A-8F所示，标号最后的数字表示该项是第一金属带还是第二金属带，即，是4还是8。第一个数字和最后的符号表示元件出现在哪一幅图中，例如，504A表示是图5A，708B表示是7B，等等。为描述简便起见，这些图中使用的金属带的宽度是不成比例的，并且通常是相同的。然而，如上面以及以后讨论的那样，并且这是很明显的，这两个金属带通常具有不同的宽度，以实现所要求的带宽。

图5A-5G中所示的天线实施例描绘的是本发明另一些形状，采用矩形的或正方形的转折将金属带连接在一起。即，对于图5A-5G所示实施例中天线的闭合端，第一和第二金属带是用大体为平直的导体连接元件或转折金属带506连接在一起的(506A-506G)。另外，金属带相互间方向的进一步变化是用大体为正方形转角来完成的。每一方向变化包含每一大体为垂直或成90度角的金属带新部分的定位到前一部分上。当然，这些角度在大多数应用场合下不必是很精确的，也可以采用其他的角度，根据要求呈曲线或倒角。

图5B示出，为了适合于更长的第二金属带，可以将金属带折叠起来，以保持天线结构的整个要求的长度。图5C示出的是折叠可以是朝向或离开第一金属带所在的平面。图5D示出的是可以将第二金属带向后折叠，部分或全部地环绕第一金属带。而图5E示出的也是第一金属带延伸通过折叠结构。图5F示出的是第一和第二金属带以更小“台阶”完成方向的变化。另外，每一金属带的端部可以弯曲成一个角度，如图5G所示，形成一个整体的Y形。通常，分开的角度是90度，尽管这并非是必须的，就象是呈钝角的Y形的端部结构也是可以接受的。

图6A-6C所示的天线实施例描绘的是本发明的另一种形状，它采用的是曲线形的转折而将金属带连接在一起。即，在图6A-6C所示的实施例中，第一和第二金属带在闭合端是用弯曲的导体连接元件或转折金属带606连接起来的。金属带606可以有各种各样的形状，包括(但不限于)四分之一圆、半圆、半椭圆、或抛物形，或其组合。弯曲结构可以根据特定的应用要求采用相当小或相当大的半径。另外，可以将每一金属带折叠起来，保持如图5A-5G所示用于天线结构的整体要求的长度。图6A示出的是总体为半圆形的转折，图6B示出的是总体为四分之一圆或椭圆弯曲的转折，而图6C示出的是总体为抛物形弯曲转折。这些类型的转折也可以组合起来使用。

图7A-7E所示的天线实施例描绘的是用于本发明另一些形状，采用的是V形转折将金属带连接在一起。即，在图7A-7E所示的实施例中，第一和第二金属带在闭合端是不采用分开的导体连接元件或转折金属带或者采用很小的元件连接起来的。而是第一和第二金属带从一公共连接点向外分离或以端部向外扩张的结构延伸。另外，与以前一样，可以将每一金属带折叠起来，如图5A-5H所示，保持天线结构整体所要求的长度。

图7A和7B示出通常呈平直的V形或在连接处成锐角转折。图7B中，二金属带再次弯折，形成总体为平行的金属带，或者相互间形成角度减小的斜坡。图7C-7E中，二金属带中的至少一个在起始的V形连接以后弯曲。图7C中，二金属带弯曲成曲线，例如，遵循指数或抛物曲线函数。图7D中，只有一个金属带是成曲线形的，而在图7E中，二金属带都成曲线，但折叠成平直部分。与以前一样，这些转折类型也可以组合起来使用，根据需要用于特定的应用。

图8A-8G描绘的是本发明金属带几种实施例或形状的图，采用曲线形、呈角度或组合的金属带。这里，金属带在长度方向相互间大体平行，但成圆形、螺旋型或V形，从用导体连接元件或转折金属带806(806A-806F)在闭合端连接的地方向外延伸，或者在图8G所示圆形或椭圆形的情况下，不使用连接金属带。采用混合形状使得在支承基底上形成天线结构，基底上还支承电路或离散的元件和装置，或者使得在目标无线装置中的其他器件周围形成间隙通道。

而这种天线结构是一种位于单个平面内的二维结构，使得是一种共形的或可共形的结构，从而平面不必是平坦的。即，通过使支承基底形成曲线或呈一定的形状，单面天线的形状可以在第三维上有效变化。二维方向上成平坦平面的一对金属带可以在第三维(这里是z)上沿一弧线成曲线形，或弯曲成一定的角度。本发明的几个实施例如图9A-9C所示，一对金属带沿z方向成曲线或弯曲。这些实施例在要求将天线放到天线“适合于”装置中的四周某些元件或结构的无线装置的某些空间中时是很有用的。

图9A示出的是图4中看到的第一和第二金属带的情况，它也是沿三维方向采用简单曲线沿长度方向成曲线形状。图9B示出的是图7A中看到的第一和第二金属带的情况，从三维方向上看，它们连接在一起，成V形，或锐角转折，V形偏移。更复杂的曲线集合或折叠用来形成面的形状，金属带位于该平面内，如图9C所示。

双带状天线400还可以通过在电介质基底的二相对侧上刻蚀或淀积金属带并用涂覆的通道、跳线、连接结构或导线在一端将金属带电连接起来。采用这种形式，天线400采用某些基底材料作为位于二金属带之间的电介质基底。就带宽和其他的特征是众所周知的而言，这在天线设计时考虑到了这样的情况。双带状天线400还可以通过将塑料或其他已知的绝缘或介电材料模制或形成成为具有要求的形状(U形、V形或曲线形、矩形等)的支持结构并且随后采用已知的方法用导电材料包括呈液体状态的导电材料在合适的部分上涂覆或覆盖塑料来构筑。

电介质基底可以用柱子、隆起物、通道或用来制造外壳的材料中形成的类似结构固定在一部分无线装置外壳内。即，这样的支承物是在制造时例如通过注入模制或形成在装置的壁上的。这些支承元件随后可以在电话组装期间基底插入时将基底保持在固定的位置上。其他技术包括用一层粘结材料将组件固定在装置的外壳内，或某种形式的固定件或夹持装置与基底中的孔或边缘相互固定在一起。

如前所述，按照本发明，第一和第二金属带404和408(504，508；604，608；704，708；804，808等)是以二线传输线方式工作的。二线传输线的一个优点是它不需要地平面。这使得天线400成为一种厚度可忽略的二维结构。大多数天线400的厚度是有电介质基底412的厚度决定的。例如，厚度在0.00127厘米(0.0005英寸)到0.000508厘米(0.0002英寸)范围内的聚酯树脂薄膜或聚酰亚胺薄膜薄片可以用作电介质基底。相反，设计用于蜂窝频带的传统微带天线需要厚度为3.175厘米(1.25英寸)的电介质基底，而设计用于PCS频带的微带天线要求电介质基底的厚度为1.27厘米(0.5英寸)。所以，本发明使得天线的整体厚度大大减小，从而更适合于个人通信装置，如PCS或蜂窝电话。然而，本领域中的技术人员将会理解，也可以采用其他的厚度，包括更厚的材料，使得在使用时，或制造期间或为无线装置服务期间，保持天线所要求的结构完整性。

按照本发明的单面双带天线400使得在典型的四分之一波长或二分之一波长接插式天线上带宽加大。实验结果显示，天线400的带宽约百分之8-20，这是极其适合于PCS和蜂窝电话的。如前所述，传统微带天线带宽很窄，使得它们不太适合用于个人通信装置。

本发明中，带宽的增大主要是通过使天线400以二线传输线的方式而不是传统的微带接插式天线来实现的。与具有辐射接插器和地平面的传统微带接插式天线不同的是，在天线400中，第一和第二金属带404和408用作有源辐射器。换言之，第一和第二金属带的长度和宽度是仔细考虑的，从而第一和第二金属带404和408用作有源辐射器，并且它工作在感兴趣的波长或频率下。在天线400工作期间，在第一金属带以及在第二金属带中感应产生表面电流。开始时，本发明人选择合适的尺寸，即，采用本领域中众所周知的分析方法和EM模拟软件的第一和第二金属带的长度和宽度。以后，本发明人通过本领域中已知的方法验证了模拟结果。

为了增强辐射器或天线带宽，每一金属带的尺寸在一较佳实施例中是经过选择，而以预选的方法建立起相互关联的不同中心频率。例如，假设f₀是天线所要求的中心频率。可以选择较短的金属带的长度，使得其中心频率在f₀+Δf处或其附近，并选择较长的金属带的长度，使得其中心频率在f₀-Δf处或其附近。这就使得天线的带宽在3Δf/f₀到4Δf/f₀的数量级上。即，采用相对于f₀的+/-频率偏移得到这样一个方案，而加大了天线辐射器带宽。采用这样的结构，选择Δf，使其幅度远远小于f₀(Δf＜＜f₀)。从而二金属带的谐振频率间隔较小。我们认为，如果选择Δf与f₀一样大时，天线将不能令人满意地工作。换句话说，用作双带天线并且每一金属带用作独立的天线辐射器是不行的。

本发明中，带宽的增大是在不增大天线的尺寸的情况下实现的。这与传统的接插式天线的原理相反，传统的接插式天线中，带宽通常是通过增大接插式天线的厚度来增大的，从而接插式天线的整体尺寸更大。

在本发明典型的实施例中，天线400的尺寸适合于蜂窝频带，即，824-894MHz。用于蜂窝频带的天线400的尺寸在下面的表1中给出。

表1

第一金属带404的长度(L1)	6.096厘米(2.4英寸)
第一金属带404的长度(L1)	6.096厘米(2.4英寸)	第二金属带408的长度(L2)	11.5062厘米(4.53英寸)
第一金属带404的宽度(W1)	0.15748厘米(0.062英寸)	第二金属带408的长度(L2)	11.5062厘米(4.53英寸)
第一金属带404的宽度(W1)	0.15748厘米(0.062英寸)	第二金属带408的宽度(W2)	0.3175厘米(0.125英寸)

第一金属带404和第二金属带408之间的间隙(t)

0.3175厘米(0.125英寸)

在上述实施例中，采用28.35克(1盎司)的铜来构筑第一和第二金属带404和408，并采用0.07874厘米(0.031英寸)厚的FR4(市场上用于印刷电路板(PCB)材料是众所周知的)作为电介质基底412。而且，共面波导416的正端在与天线400的闭合端距0.8382厘米(0.330英寸)的距离处与第一金属带404相连。

图10示出的是天线400尺寸适合于在蜂窝频带下工作的一种实施例的测得的频率响应。图10示出的是天线在825MHz时具有-15.01dB的频率响应，而在895.0MHz时具有-17.38dB的频率响应。所以，天线具有百分之8.14的带宽。

在本发明的另一例实施例中，使天线400的尺寸适合在PCS频带即1.85-1.99GHz内工作。用于PCS频带的天线400的尺寸如下表2给出。

表2

第一金属带404的长度(L1)	2.2606厘米(0.89英寸)
第一金属带404的长度(L1)	2.2606厘米(0.89英寸)	第二金属带408的长度(L2)	5.334厘米(2.10英寸)
第一金属带404的宽度(W1)	0.15748厘米(0.062英寸)	第二金属带408的长度(L2)	5.334厘米(2.10英寸)
第一金属带404的宽度(W1)	0.15748厘米(0.062英寸)	第二金属带408的宽度(W2)	0.3175厘米(0.125英寸)
第一金属带404和第二金属带408之间的间隙(t)	0.3175厘米(0.125英寸)	第二金属带408的宽度(W2)	0.3175厘米(0.125英寸)

在上例实施例中，再次使用28.35克(1盎司)的铜来构筑第一金属带404和第二金属带408，并用0.07874厘米(0.031英寸)厚的FR4(PCS材料)用作电介质基底412。而且，共面波导416的正端在距天线400闭合端0.508厘米(0.2英寸)的地方与第一金属带404相连。

图11示出的是天线400的尺寸适合于在PCS频带下工作的一种实施例的测得频率响应。图11示出的是天线在1.79GHz时具有-9.92dB的频率响应，而在2.16GHz时具有-10.18dB的频率响应。所以，在该实施例中，天线400具有百分之18.8的带宽。

图12和13示出的是在PCS频带下工作的天线400一种实施例的测得场分布。具体地说，图12示出的是在方位角平面中场图形的幅度图，而图13示出的是在仰角平面中场图形的幅度图。图12和图13示出的双带天线具有近似为全向的辐射分布，从而使之适合用在个人通信装置中。

一种实施例采用“D”形的辐射器带状结构，在这种结构中，第二金属带要比第一金属带长得多，并且通常折叠成“向内”延伸，并与第一金属带离开，甚至可以根据需要，自己折叠起来。这种天线结构如图14所示，图中，天线1400是用位于基底1412上的金属带1404和1408形成的。天线的上面部分是由导电金属带1404形成的，图中，略微弯曲成“C”形(或D的前缘部分)。其曲率半径使得能够将天线1400放入侧壁为弯曲的装置外壳内并靠近其一边。第二金属带比第一金属带宽，如上面讨论的那样，以改良带宽。

构筑这样一种天线的模型，并进行测试，其整体尺寸在37.59mm(Y)乘51.89mm(X)的数量级，大致与天线所在的蛤壳式无线电话的翻转上部(flip-top)位置的内部尺寸对应。

天线1400用馈电部分1416与无线装置内合适的收发器电路相连。元件1420示出，各种已知的电路元件或装置还可以被安装到基底1412上，或者根据需要，形成通道或孔1422，使得各种元件或电缆可以通过。

可以用一种D形的辐射器带状结构形成一种较佳实施例，在这种结构中，第二金属带比第一金属带要长得多、宽得多，并且通常“卷绕”在第一金属带的四周。这样一种天线结构如图15所示，天线1500是用位于基底1512上的金属带1504和1508形成的。再有，由第二金属带形成的天线1500上面部分略微弯曲，使得可以改进天线1500在无线装置中的放置。

这种类型的天线可以用馈送信号的导体来形成为一种单一的结构。同轴馈电结构可以形成在同一可弯曲的基底(1512)上，作为形成天线的导体。例如，在聚酯、聚酰亚胺或聚四氟乙烯材料薄片上，所有这些在本领域中是众所周知的。图15中示出了一个例子，图中，示出了呈“共面波导”形式的长可弯曲信号馈电结构或部分1520。波导1520终断式连接在组成共面波导地部分一部分的负馈电金属带1524和1528，并在一端连接到其上。馈电金属带1524连接或耦合到连接元件1506上，而馈电金属带1528连接到第二金属带1508。正馈电金属带1522，或馈电结构1520的中央，直接连接到第一金属带1504。选择该馈电金属带的连接点与金属带1528之间的间隔，以按照导电材料1506的所使用的频率和长度以及其他的尺寸，给出预定的阻抗。

图中示出的正馈电1522终断了沿材料1512方向的短距离，并且通常被连接或耦合或加宽成为与导体1524和1528相似的第三中心导体1526的。导体1526沿材料1512的长度方向延伸到连接器端1530，形成共面波导的中心或正部分。

然而，还可以采用其他的结构，包括将一个或多个馈电金属带导体放置到基底的相对侧面上。例如，可以在材料1512的一个侧面上形成正馈电导体，而在另一侧上形成负馈电。随后，导体通路用来在合适的地方通过材料传送信号。也可以采用导体和通路的其他组合来实现信号的传送，正象人们所知道的那样。

所以，天线1500可以与这些导体(1522，1524，1528)一起形成为一个单一的整体结构，而使得在成本、可靠性和制造效率方面得到改进。馈电部分1520上的导体通常在导电片或连接器1532处终断，而小连接器1532是用来与天线所耦合的电路板上的各种弹簧动作或加载的连接器连接的。

图15中所使用的波导或馈电部分1520以及基底1512的结构或整体形状是仅用于描述的，并且如图所示，是用来最有效地配合在无线装置100内的。这里，本领域中的技术人员将会理解，也可以采用其他的结构，并且这也是在符合本发明的原理的。例如，这里不采用沿波导1520长度方向弯曲成约45度角，而是采用一系列的90度弯曲、折叠或转折，作为导体。很清楚，当采用小电缆时，可以采用各种弯曲和转折。用这些折叠和转折使导体的路径长度为最小，而纳容了加在基底或天线上的物理限制。另外，导体1524、1526和1528通常在沿波导1520方向上在一点或多点处的宽度变窄，并且其地点还可以按照特定的应用变化。图15中所示用于电连接导体1524和1528的小气桥是有用的，但不是本发明所要求的。

当置于无线装置如无线电话100内时，馈电结构或波导1520使得能够在天线1500和无线装置内各种接收和发送元件之间进行有效的信号传送。通过在公共的但是薄而可弯曲的基底上形成天线和共面波导，可以将天线安装在装置的许多部分内，这是因为它所占据的空间很小，并且可以形成在许多其他的离散元件如扬声器的四周。馈电导体可以在可弯曲的、旋转的或可折叠的铰链四周形成连接，就象在许多无线装置(电话、计算机)中的那样。

另外，用细小同轴线来取代波导(馈电)1520，可以得到类似的结果。例如，一种已知类型的同轴线或电缆，它具有0.8mm或1.2mm的直径，可以根据需要在天线1500和相应或合适的电路之间传送信号。众所周知，根据信号传送的特征，在某些应用中，可以采用其他式样和类型的导体。

图16A和16B分别描述的是图1所示电话100中安装的本发明的一种实施例的侧视和后视截面图。这种电话机具有各种内部元件，通常支承在一块或多块电路板上，执行各种所需或所要求的功能。电路板1602在图16A和16B中的外壳102内，支承各种元件如集成电路或芯片1604、离散元件1606如电阻和电容，以及各种连接器1608。显示屏和键盘通常安装在电路板1602的反面，面向电话机外壳102的前面跳线、导线和连接线(未示出)将各种元件如电池或外电源、扬声器、话筒，或各种其他类似已知元件与电路板1602上的电路连接起来。

在该实施例中，抽屉式或插入式连接器1610安装在电路板的下侧，靠近电话机的正面，并且用来连接用于天线1500的馈电器部分1520的连接端。另外，也可以采用一个或多个已知的弹簧触点或接线柱将导电片1530连接到端子1530上，并将天线1500电耦合或连接到电路板1602上。这样的弹簧触点或接线柱是用已知的技术如焊接或导电粘结而安装到电路板1602上的，并且电连接到合适的导体上，而在要求的发送和接收电路之间传送信号。然而，也可以采用其他已知的连接技术，包括采用焊接剂，或采用小型的同轴连接器(当采用小电缆时)。根据需要，还可以采用专用的阻抗匹配元件或电路，用在无线装置中将馈电结构连接起来。

在图16B所示的侧视图中，电路板1602中包含多层导电材料和介电材料，它们粘结在一起，形成在本领域中多层电路板或印刷电路板(PCB)。这样的电路板在本领域中是众所周知的。图中示出的是介电材料层1612，它靠近金属导电层1614，而导电层1614旁是介电材料层1616，介电材料层1616又支承或靠近金属导电层1618。导电通道(未示出)用来将不同层上的各个导体与其他层面上的元件连接起来。给定层上刻蚀的图形决定该层上的连接方式。采用这种结构，层面1614或1618可以形成接地层或接地面，统称为电路板1602，在本领域中是已知的。

通常，采用各种支柱、端子或凸起1620用来将电路板或元件安装在外壳内。这些在通过注入模制塑料形成时可以形成作为外壳的一部分，或固定住，例如采用粘结或其他已知的结构来实现。另外，通常还有一个或多个紧固接线柱1622，用紧固器件固定部件如外壳102的可拆盖板。

正如所讨论的那样，天线1500可以用几种已知的技术，例如(但非局限于)，粘结剂、胶水、胶带、封装材料或粘结材料等，而固定在外壳102的各部分内。例如，天线1500可以用基底1512上粘结的粘结层或带1630，支承在无线装置元件的侧壁或其他部分上。天线通常是固定在外壳的侧壁上，最好是固定在绝缘材料上，或固定在支承组件上，而该支承组件可以用支承件、螺丝或类似的紧固元件来安装。

在本领域中，还可以采用其他的安装或固定天线的结构。例如，用来制造外壳的材料上形成的凸起、通道等可以用来固定基底材料。可以采用各种凸起或凸缘来支承天线，并且根据不同的应用，可以采用不同的形状。

如图16B所示，基底1512可以是呈曲线的，或者是弯曲的，而适合于外壳的形状，以容纳无线装置中的其他元件、特征或组件。图中，扬声器1632带有天线辐射器，或者在其四周一部分处还有“卷绕”的金属带。

基底可以制造成弯曲状或折叠的形状，或者在安装时使其变形。采用薄基底，使得基底能够在安装时，能够在有些时候具有对弯曲的相邻表面产生一定的张力或压力，而将基底安装到位，而无需采用紧固件。随后，通过安装相邻装置、元件或电路板和盖件和固定到位的基底的一部分，完成某种形式的锁扣(capturing)。但是，在制造时或安装时，无需使外壳变形或弯曲，以便使本发明能够恰当工作。

图17描绘的是另外的无线装置，其中采用了本发明，如(但不局限于)便携式计算机、调制解调器、数据终端、传真机或类似的便携式电子装置。图17中，无线装置或采用无线装置1700的设备有一个带有上边角部分1704的主外壳或主体1702。在图17所示的截面图中，天线500固定在上边角1704处，电缆或导线装置1708用来将天线馈电装置516与无线装置中合适的电路相连。本领域中的技术人员将会理解，也可以采用其他的天线结构和取向，这也是在本发明的原理范围内的。

尽管上文中描述了本发明的各种实施例，但应当理解，这些实施例仅仅是举例，而非限制。因此，本发明的宽度和范围不受上述典型实施例的限制，而应当由权利要求书来限定。

Claims

1.一种同平面双带状天线，其特征在于，它包含：安装在电介质基底的单个表面上的第一导电金属带和第二导电金属带，所述第一和第二带相互间相间一个选定的固定间隙；其中，所述第一和第二带的长度和宽度是经选择的，从而形成两导线传输线，用以接收和发送电磁能量；所述天线进一步包括具有正、负端的共面波导，所述共面波导是通过在所述基底的同一所述表面上施放金属而形成的，所述正端与所述第一带电耦合，所述负端与所述第一和第二带电耦合；其中，表面电流是通过所述共面波导在由电信号供给所述同平面双带状天线电能时，在所述第一和第二带上形成的。

2.如权利要求1所述的同平面双带状天线，其特征在于，所述第一和第二带由印刷在所述电介质基底同一所述表面上的金属带组成。

3.如权利要求1所述的同平面双带状天线，其特征在于，所述第一和第二带由淀积在所述电介质基底同一所述表面上的金属带组成。

4.如权利要求1所述的同平面双带状天线，其特征在于，所述第一带的长度小于所述第二带的长度。

5.如权利要求1所述的同平面双带状天线，其特征在于，所述第一带的宽度小于所述第二带的宽度。

6.如权利要求1所述的同平面双带状天线，其特征在于，所述电介质基底是能够起电介质作用的可弯曲薄片。

7.如权利要求1所述的同平面双带状天线，其特征在于，调整所述第一和第二带的长度和宽度，使得所述同平面双带天线能够接收和发送具有1.85-1.99GHz频率范围内的信号。

8.如权利要求1所述的同平面双带状天线，其特征在于，调整所述第一和第二带的长度和宽度，使得所述同平面双带天线能够接收和发送具有824-894MHz频率范围内的信号。