CN1241295C - 电连接多馈天线系统 - Google Patents

Abstract

用于便携式通信设备的天线系统，包括用于发射和接收信号的天线结构，天线结构包括多个馈电端和有把多个天线充分耦合在一起的公共部分的不同类天线。这一天线结构由导体制成，它能表面安装于非同平面的表面上，当导体安装于非同平面表面上时，天线结构可围绕便携式通信设备在三维空间伸展。

Description

电连接多馈天线系统

技术领域

本发明涉及能从射频(RF)通信设备收、发信号的天线，特别是用于便携式手持通信设备的天线。

背景技术

天线是把电路电流变成电磁能量的变换元件，反过来，它也能把电平能量变成电路电流，天线响应的频率基于天线的物理特性，如宽度和长度。天线宽度和长度的改变影响天线的阻抗和沿天线长度的电流密度分布。天线场受附近目标的影响，如别的天线，它会使天线性能发生畸变。

为了使通信设备工作于不同的频率，以前的设计包括多个单独的天线，每一个用于所要工作的频率。由于天线之间相互干扰，造成效率低下，多天线结构在许多应用中是不适宜的，特别是在有限电源的移动通信设备中。

代替多天线结构的是多馈天线。已知的多馈天线在同一类型天线提供不同的天线馈电端口。虽然多个端口允许用于不同的天线单元长度，因而用于不同的工作频率，但因为这些端口直接与同一天线连接，每个端口引起信号损失和其它对天线电流的干涉效应。例如，由一个馈电端口作用于天线的传输信号将通过天线部分地泄漏到其它馈电端口，而不是由天线转换成电磁能量，因此，减少了天线的效率。这种设计的另一主要缺点是天线单元之间的耦合。从两个馈电点看的天线类型是相同的，在许多常规设计中的单极天线引起天线单元之间很紧的耦合。当天线系统在复杂环境中实现时，这一紧耦合会引起严重的问题。例如，改变一个馈电点的匹配也会影响另一馈电点的匹配。

因此，仍需要为便携式手持通信设备设计至少在发射或接收结构中用的有效天线。还需要对这种天线系统收、发结构之间某种程度的隔离。天线还要符合设备的安装和定位，使天线的发射和接收与设备相对于通信站的指向无关。

发明内容

用于便携式收发设备的天线系统包括用于发射和接收射频信号的天线结构。该天线结构包括有公共结构的多个馈电端，该公共结构充分地把多个不同类型的天线互相耦合。该天线结构由一个导体制成，它可以是在非同平面表面上安装的表面，但也可以作为无支撑的单元来实现。当导体安装在非同平面表面上时，天线结构可在围绕便携式手持通信设备的三维空间内伸展。

根据本发明实施例，天线系统包括天线结构，第一馈电端，和第二馈电端。第一和第二馈电端把天线结构连到通信电路。天线结构形成连到第一馈电端的第一类天线的第一天线结构，并进一步形成连到第二馈电端的第二类天线的第二天线结构。重要的是，第一天线结构的部分也是第二天线结构的部分。

在本发明的另一实施例中，还提供便携式通信设备包括：发射电路；接收电路；和天线系统，其中天线系统包括第一类天线的第一天线结构和第二类天线的第二天线结构，它们有辐射单元的公共部分，把第一天线结构充分地耦合到第二天线结构。第一天线结构和第二天线结构包括单极子天线，偶极子天线和顶部加载的部件，其中顶部加载部件是第一天线结构和第二天线结构的一部分。本发明的优先应用包括便携式通信设备，无线个人数字助理(PDA)，双程寻呼装置和蜂窝式电话。

本发明的一些优点包括：高效率，高增益，宽频带，和低SAR。此外，两个馈电点的使用能使通信模块电路板的布置最优化，以把电磁干扰(EMI)问题减到最小。因为天线结构是电耦合，因此本发明中没有像传统的分开的两个天线存在天线间电磁耦合问题，天线间的电磁耦合使天线性能降低。

本发明的另一优点是布局简单，它简化了制造，因而降低了制造成本。此外，本发明还能用一段线实现两个不同的天线功能。根据本发明的一个方面，作为发射天线的折叠偶极子增加了辐射电阻，从而增加了辐射效率。

在无线设备中广泛使用的传统偶极子和单极子对环境的变化十分敏感。相反，本发明较少对环境敏感。根据本发明的一方面，这可能借助于引入平衡结构，例如偶极子代替用两个平衡结构，例如单极子来实现。平衡结构不受它工作环境的影响。

附图说明

本发明更多的优点和性能，以下面的说明中将更明显，其中：

图1是天线系统顶视图，组成本发明的优选实施例；

图2是安装在电信设备外壳上的图1天线系统的正交图；

图3是图1天线系统的部分视图；

图4也是图1天线系统的部分视图；

图5是通信设备的方块图，其中可实现本发明的天线系统。

具体实施方式

包括本发明实施例的天线系统10示于图1，天线系统10至少包括天线结构14，它可附着于支撑单元12，支撑单元12是薄的，可弯曲的材料制成，它仅仅提供对天线结构14的物理支撑。优选地，天线结构14由低电阻导体制成，并附着于支撑单元12。在这种状态中，天线系统10可以是天线结构14和支撑单元12的层压制件。

示于图1中的层压结构增加了天线系统10的结构整体性。支撑单元12不执行工作功能，天线结构14完全工作而不用支撑单元12。当天线结构14要放在别的结构单元并同时作为别的单元制造时，天线结构可直接装在别的结构单元上，这样，支撑单元12就不需要了。如果天线分开制造，且在它制造之后或期间要加到设备上，则为提供天线结构14的操纵，而同时减小这种操纵期间可能的损坏，还是应该用支撑单元。

天线结构14具有确定辐射单元的不同部分，顶部加载部件22，单极子馈电端24，和偶极子馈电端26。辐射单元是一个导体，它从馈电端24和26伸展到顶部加载部件22。辐射单元部分包括：单极子部分30，公共部分32，和偶极子部分34。这些部分30-34这样构成，使辐射单元包括第一天线结构40(如图3中所示)，它作为有效的单极子天线，和第二天线结构44(如图4中所示)，它作为有效的偶极子天线。

当天线系统10从单极子馈电端24激励时，偶极子馈电端26和天线结构14的偶极子部分是加在有效单极子天线40(图3中用xx和yy表示)的负载。当系统从偶极子馈电端26激励时，单极子馈电端24和天线结构14的单极子部分是有效偶极天线44(图4中用zz表示)的负载。

有效单极天线40包括沿单极子馈电端24和顶部加载单元22之间的辐射单元的电流路径。如图3所示，有效单极子天线40的主要路径由单极子部分30，公共部分32和顶部加载单元22确定。在单极子馈电端24和顶部加载单元22之间的负载xx和yy，由于偶极天线44的高输入特征阻抗而呈现高阻抗，因此，通过负载提供的电流很小。有效偶极天线44包括沿偶极子馈电端26和顶部加载单元22之间的辐射单元的电流路径，如图4所示，有效偶极子天线44的路径包括偶极子部分30，公共部分32，和顶部加载部分36。在偶极子馈电端26和顶部加载单元22之间的负载22呈现高阻抗，因此，通过负载提供的电流很小。

图2表示根据上面本发明的实施例的天线系统预期实现。介质外壳46是一个箱形的容器，由介质材料做成。介质外壳46有顶和底面52和54，前面和背面56和58，和相对的侧面60和62。在介质外壳46内是发射电路70和接收电路74。介质外壳40安装发射电路70和接收电路74的电子设备。

天线系统10从图1原来的平面结构折叠成它放在介质外壳46内的结构，如图2所示，然后，天线系统10围绕介质外壳46，在多个垂直平面内伸向天线结构14。顶部加载单元22和辐射单元的公共部分32安装在侧而60。公共部分32和辐射单元的偶极子部分34围绕前面角78从侧面60伸向前面56。公共部分32完全沿前面56伸向对面角80。偶极子部分34从前面56向上绕到顶面52，并沿顶面52伸展。偶极子馈电端26也位于介质外壳46的顶面52。角80附近，偶极子部分34从顶面52向下回到前面56。单极子部分30从前面56绕过前面角80前远侧面62，并再从侧面62向上转到顶面52。有效单极子天线40和有效偶极子天线44，每个都在平行于前面56的平面内，并在平行于顶面52和侧面60的平面内。天线系统10的这种指向使便携式通信设备56成为全向的发射和接收设备。

单极馈电端24与接收电路74相连。偶极馈电端26与发射电路相连。重要的是，从单极子馈电端24分布的电流主要沿有效单极子天线40流动，而只有很小一部分电流流过负载xx和yy。因为这些负载是偶极子部分34、偶极子馈电端26和发射电路70的高阻抗，沿有效单极子天线40的电流分布很少改变。同样，当电流从偶极子馈电端26分配时，电流主要沿有效偶极子天线44流，而流过负载22的电流很小。因为负载22是单极子部分30、单极子馈电端24和接收电路74的高阻抗，沿有效偶极子天线44的电流分配很少改变。这种结构在天线系统10以发射和接收状态工作时是重要的。

有效单极天线40做成在由它的辐射单元的长度和宽度合适确定的特定频率从无线电波接收信号的尺寸。因为负载xx和yy有高阻抗，从接收的无线电信号沿天线结构14产生的大多数电流沿有效单极子天线40分布。辐射单元公共部分32的长度做成这样，使天线调到所选接收信号的频率。

有效偶极天线44做成以它的辐射单元的长度和宽度合适确定的特定频率发射信号的尺寸，天线结构14的负载22的高阻抗强迫从发射电路70来的电流沿有效偶极天线44流动。有效偶极天线44的长度是公共部分32和偶极部分34两者的长度。偶极部分34可以用前面公共部分32的长度制成把发射天线的电流转换成所需频率的电磁信号的尺寸。

天线结构14的顶部加载单元22进一步改变每一有效天线40和44电流分布，于是，顶部加载单元进一步使有效天线40和44具有增加天线结构14的特性。

图5是移动通信设备100的方块图，其中可直接实现本发明。移动通信设备100是双程通信设备，至少具有声音和数据的通信能力。该设备还具有与其它在因特网上的计算机系统通信的能力。根据该设备提供的功能，该设备可看作数据管理设备，双程寻呼机，具有数据管理能力的蜂窝电话，无线因特网应用或数据通信设备(有或没有通话能力)。

设备100能用于双程通信，该设备将结合通信分系统110，包括发射机70和接收机74，如图2所示，天线系统10结合天线单元40和44，本振(LOs)112，和处理模块，例如数字信号处理器(DSP)114。虽然分开的天线单元40和44示于图5，应当理解，这种天线单元，如上所述是电连接，以形成本发明的天线系统。在图2所示的实施例中，天线10可直接安装在介质外壳上，该外壳容纳通信设备100的元件。

业内人士明白，通信分系统110的特殊设计与通信网络有关，其中该设备要在该网内工作，例如，用于北美市场的设备100可包括通信分系统110，设计来工作在Mobitex^TM移动通信系统或DaTaTAC^TM移动通信系统，而用于欧洲的设备101可结合通用分组无线业务(GPRS)通信分系统110。

网络访问要求也依赖于网络116的类型而变，例如，在Mobitex和DaTaTAC网络中，像100那样的移动设备用唯一的个人识别号或与每一设备有关的个人身份识别号(PIN)在网络上注册。但在GPRS网络中，网络访问与设备100的订户或用户有关。因此，为了在GPRS网络上工作，GPRS设备需要订户识别模块(未示出)，通常称为SIM卡。没有SIM卡，GPRS设备将没有充分功能。局部或无网络通信功能可以操作，但设备100不能执行任何包括在网络116上通信的功能。当所需的网络注册或激活方法完成以后，设备100可发送和接收在网络116上的通信信号。

由天线单元40通过通信网络116接收的信号输入到接收机74，它可执行一般的接收机功能，如信号放大，下变频，滤波，通道选择等，以及在图5所示的系统例中的模块变换。接收信号的模数变换使比较复杂的通信功能，如解调和解码能在DSP 114中执行。在相同的状态中，要发射的信号被处理，包括用DSP 114调制和编码，并输入到发射机70，用于数模变换，上变频，滤波，放大和通过天线单元44在通信网络116上传输。

DSP 114不仅处理通信信号，也提供对接收机和发射机的控制。例如，在接收机74和发射机72中作用于通信信号的增益可通过在DSP 114中的自动增益控制算法进行自适应控制。

设备100还包括微处理器118，它控制整个设备的工作。通信功能，至少包括数据和声音通信，通过通信分系统110执行。微处理器118也与更多的设备分系统互作用，例如显示器120，闪存122，随机访问存储器(RAM)124，辅助输入/输出(I/O)分系统126，串口128，键盘130，话筒132，麦克风134，短距通信分系统136和任何其它分系统138。

图5所示的某些分系统执行通信有关的功能，而其它分系统可提供“常驻”或在机功能。特别是，某些分系统，如键盘136和显示器120，既可用于通信有关的功能，如在通信网络上进入用于传输的文本信息，也可用于驻留设备的功能，如计算器或任务表。

微处理器118用的操作系统软件优先存储在永久存储器，如闪存122中，它可当作只读存储器(ROM)或类似的存储单元(未画出)。业内人士将会理解操作系统，持定的设备应用程序，或其中一部分可瞬时加载于易失性存储器，如RAM 124，可以期望，接收的通信信号也可存储于RAM 124。

微处理器118，除了它的操作系统功能，还能在设备上执行软件应用程序。包括控制基本设备工作的一组预定应用程序，包括至少数据和声音通信应用程序，在设备100制造期间将应用程序安装在设备100上。更多的应用程序也通过网络116，辅助I/O分系统126，串口128，短距离通信分系统136或其它合适的分系统128加载于设备100上，且由用户安装在RAM 124或优先地安装于非易失存储器(未画出)，用于由微处理器118执行。这种应用程序安装上的可塑性增加了设备的功能，并可增强在机功能，通信有关的功能，或两者。例如，保密通信应用程序可使电子商务功能和其它要用设备100执行的这种金融交易成为可能。

在数据通信模式中，接收到的信号，如文本信息或网页下载将由通信分系统110处理，并输入到微处理器118，它将进一步处理接收信号对显示器120输出，或输出给辅助的I/O设备126。设备100的用户也可用键盘130结合显示器和可能的辅助I/O设备126构成数据项，如电子邮件信息，该键盘是完全的字母数字键盘或电话型辅助键盘。于是，这样构成的项可通过通信分系统110在通信网络上传输。

对于声音通信，设备100的整个工作基本相同，除了接收的信号要输出给扩音器和传输的信号由麦克风134产生之外。另一种声音或音频I/O分系统，如声音信息记录分系统也可在设备100上实现。虽然声音或音频信号输出最初是通过扩声器132完成的，显示器120也可用来提供在声音呼叫期间，或有关信息的其它声音呼叫期间主叫方识别的指示。

图1中的串口128通常是在个人数字助理(PDA)型通信设备中实现的，它与桌面计算机(未画出)的同步是需要的，但这是选择的设备部件。这一端口128能使用户通过外部设备或软件应用程序设置选项，并提供信息或软件下载给设备100扩展设备的能力，而不是通过无线通信网络。另一个下载路径，例如可用于通过直接如可靠和可信的连接把密钥加载到设备上，因而使能与保密设备通信。

短距离通信分系统138是一个更多可选的部件，它可提供在设备100和不同系统或设备(它不需要同样的设备)之间的通信。例如，分系统138可包括红处设备和有关的电路和元件，或Bluetooth^TM通信模块以提供与同样能实现的系统和设备的通信。

本发明已参考实施例作了描述，业内人士将发觉改善、改变、和修改。这种改善、改变、和修改都预期在本权利要求书的范围之内。

例如，对业内人士很明显的其它类型的天线。本发明决不限于具有单极子天线结构和偶极子天线结构的多馈天线。其它有公共天线部分的天线类型也在预料之中。不同于图5中设备的通信设备的更多类型和设计也将是明显的。

Claims (30)

1.一种天线系统，包括：

具有第一辐射单元的第一类天线的第一天线结构；

第二类天线的第二天线结构；

第一天线结构和第二天线结构是通过第一辐射单元的一部分电连接，使第二天线结构包括第一辐射单元的部分，形成第二辐射单元。

2.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于第一天线结构和第二天线结构包括单极子天线。

3.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于第一天线结构和第二天线结构包括不平衡天线。

4.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于第一天线结构和第二天线结构包括偶极子天线。

5.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于第一天线结构和第二天线结构包括平衡天线。

6.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于第一天线结构和第二天线结构包括顶部加载单元。

7.根据权利要求6所述的天线系统，其特征在于顶部加载单元是第一天线结构和第二天线结构的一部分。

8.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于第一天线结构和第二天线结构包括发射天线和接收天线。

9.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于第一天线结构和第二天线结构进一步包括一对馈电端。

10.根据权利要求9所述的天线系统，其特征在于馈电端与无线电电路相连。

11.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于第一天线结构和第二天线结构安装在安装表面，安装表面在三维空间伸展，以使第一天线结构和第二天线结构指向三维空间。

12.根据权利要求11所述的天线系统，其特征在于安装表面是介质基片。

13.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于天线系统可在便携式通信设备中工作。

14.根据权利要求13所述的天线系统，其特征在于便携式通信设备提供声音和数据通信功能。

15.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于天线系统可工作于无线个人数字助理。

16.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于天线系统可工作于无线寻呼设备。

17.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于天线系统可工作于无线双程寻呼设备。

18.一种便携式通信设备，包括：

发射电路；

接收电路；

天线系统；

天线系统包括第一类天线的第一天线结构和第二类天线的第二天线结构，后者有把第一天线结构充分电耦合到第二天线结构的公共辐射单元部分。

19.根据权利要求18所述的便携式通信设备，其特征在于第一天线结构和第二天线结构包括单极子天线。

20.根据权利要求18所述的便携式通信设备，其特征在于第一天线结构和第二天线结构包括偶极子天线。

21.根据权利要求18所述的便携式通信设备，其特征在于第一天线结构和第二天线结构包括顶部加载单元。

22.根据权利要求21所述的便携式通信设备，其特征在于顶部加载单元是第一天线结构和第二天线结构的一部分。

23.根据权利要求18所述的便携式通信设备，其特征在于天线系统可工作于便携式通信设备。

24.根据权利要求18所述的便携式通信设备，其特征在于天线系统可工作于无线个人数字助理。

25.根据权利要求18所述的便携式通信设备，其特征在于天线系统可工作于无线呼叫设备。

26.根据权利要求18所述的便携式通信设备，其特征在于天线系统可工作于无线双程寻呼设备。

27.根据权利要求23所述的便携式通信设备，其特征在于便携式通信设备是蜂窝电话。

28.根据权利要求23所述的便携式通信设备，其特征在于便携式通信设备是数据通信设备。

29.根据权利要求23所述的便携式通信设备，其特征在于便携式通信设备提供数据和声音通信功能。

30.根据权利要求18所述的便携式通信设备，其特征在于第一天线结构和第二在线结构包括不平衡天线和平衡天线。

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