CN1244956A - 双频带天线 - Google Patents

Abstract

用于一个移动通信系统的一种双频带天线包括:具有一开口端的一金属管;具有内和外导体的一同轴馈线,该同轴馈线的一部分插到该金属管中,一接地平面连接到金属管相对开口端的部分以及连接到同轴馈线的外导体,和,一信号线电耦合到该内导体并在金属管的开口端从该金属管伸出。最好,选择金属管,同轴馈线和信号线的尺寸使得在工作的双频带上该天线与该同轴馈线阻抗匹配,由此免除单独匹配网络的要求。

Description

双频带天线

1.发明领域

本发明涉及一种天线，特别涉及一种双频带天线，其中在信号源和该天线间不要求单独的匹配电路，因此结构简单，使用方便，价格低廉，性能优越。

2.相关技术说明

在一个移动通信系统中，天线用来节省发射功率并有效地使用频率，随着移动通信迅速发展和广泛使用，在一个普通的系统中存在经常出现容量饱和的情况。这样，需要良好地工作在这种环境之下的一个新系统以及在一个普通系统和该新系统之间的互锁。例如，互锁使用在：(i)一个码分多址存取(CDMA)系统和一个个人通信系统(PCS)之间(在韩国)；(ii)一个先进的移动电话服务(AMPS)系统和一个PCS之间(在美国)：(iii)一个组专用移动(GSM)系统和一个数字欧洲无绳电话(DECT)系统之间；或(iV)一个GSM系统和在欧洲将该GSM加到1,800MHZ频带的数字通信系统(DCS)1800系统之间。这样的一种互锁系统通常称为双频带系统。即，一个双频带系统互锁两个彼此具有不同频带的不同系统。

在普通双频带系统中有用于各自两个频带的不同的天线，材料成本倍增，使最小化和重量减小成为困难。因此，已开发了可用于两个频带的一种双频带天线。

专利号为4,509,056的美国专利公开了一种应用调谐套管扼流(tured sleeve choke)的多频率天线。图1为说明一种单极天线结构的剖面图，该天线工作在按照应用调谐套管扼流的多频率天线的一个实施例的双频率上。如图1所示，一个同轴馈线2的外导体6连接到地平面20，其内导体8的延长部分10从地平面20通过一个扼流圈12i延长到如尺寸N表示的辐射状的部分。扼流圈用固体电介插入物16i装载，扼流圈的壳体的内表面和通过该扼流圈延伸的导体的外表面形成一个四分之一波长(λ/4)传输线。在高频，该扼流圈形成一段λ/4传输线。它防止扼流圈12i的壳体14i的一个开路端和延伸部分10之间的耦合。在低频，扼流圈12i不是起一个隔离元件作用，但在该低的谐振频率上起到如整个长度P表示的一个单极天线作用。

在高/低频带频率上起一个四分之一波长单极天线作用的双频带天线如等式1所定义的那样具有一个输入组抗Z_in.并在其与该系统的另外电路连接情况下要求50Ω的匹配电路。这里，其他电路是指一个滤波器或一个射频(RF)放大器，并且当它连接到双频带天线时，天线的性能由于阻抗失配而降低。因此应当连接50Ω匹配电路以防止上述失配。

        Z_in＝36+j20……………(1)

由于上述双频带天线要求在信号源和天线之间有一个单独的匹配电路，导致结构复杂，使用不便，以及高的价格。

                        发明概述

因此本发明的一个目的在于提供这样一种双频带天线，其中在信号源和天线间不要求单独的匹配电路，由此具有结构简单，使用方便，价格低廉以及性能改善。

为达到以上目的，提供了本发明的一个实施例，即，用于一种移动通信系统的双频带天线，该天线包括：具有开口端的一个金属管；具有内外导体的一段同轴馈线，同轴线的一部分插进该金属管中。接地平面连接到金属管相对该开口端的部分以及同轴馈线的外导体。一信号线电耦合到该内导体并在金属管的开口端从该金属管伸出。

最好，选择金属管，信号线和同轴线的尺寸使天线的阻抗在工作的双频带上基本上和同轴线的阻抗匹配。金属管可任选介电体将其充满，以减缩天线长度。

在一更具体的实施例中，用于一种移动通信系统的一种双频带天线包括一个金属管，具有部分插入该金属管中的一段同轴馈线，连接到该金属管第一端以及该同轴馈线外导体的一个接地平面，以及一信号线。信号线在该金属管中的一个连接点上连接到该同轴线的内导体。同轴线的外直径在该连接点是开口的，由此产生第一射频(RF)扼流。金属管具有开口的第二端，用于产生第二射频(RF)扼流。信号线通过金属管并穿出该金属管一预定长度。建立以下预定值：同轴线从接地平面到连接点的长度；信号线从连接点到金属管开口端的长度；信号线从金属管开口端延伸的长度；同轴馈线的外导体的外直径；以及金属管和信号线的直径。在所说天线的工作频带中这样来选择这些值，使得天线的阻抗基本上和同轴线的阻抗相匹配，由此提供同轴线上的低驻波比，并免除单独匹配网络的需求。

                       附图简述

参照以下结合附图的详细说明将容易理解本发明的这些以及各种其他特征和优点，其中：

图1为说明工作在双频带频率的并具有调谐套管扼流的现有技术单极天线的结构的剖面图；

图2为说明按本发明实施例的双频带天线的结构的剖面图；

图3为说明图2中所示双频带天线的一个等效电路图；

图4为说明通过组合信号源和阻抗Z_AB而一次被简化的图2的一个等效电路图；

图5为说明二次被简化的图2的一个等效电路图；

图6为说明从点E和F观察，通过组合组抗Z^xx和阻抗Z_CD形成阻抗Z_EF而三次被简化的图2的一个等效电路图；

图7为说明该等效电路图，其中，介电常数，d₁，d₂，I₁，I₂和I₃具有应用按本发明实施例的双频带天线的预定值；

图8为说明一个测试的辐射方向图的图，该图是将一个标准偶极天线与按本发明实施例的双频带天线相比较；

图9为说明按本发明实施例的双频带天线的阻抗特性的曲线；

图10为说明按本发明实施例的双频带天线的驻波比(SWR)的曲线；以及

图11说明本发明的另外一个实施例。

                  优选实施例的详细说明

以下将参照附图详细描述本发明的优选实施例。贯穿附图，相同标号或字母将用来指示具有相同功能的类似的或等效的元件。此外，在以下描述中，说明许多具体的细节，例如组成电路的优选元件，乃是表示提供对本发明的更详尽的理解。然而本专业技术人员将明白，本发明完全可以凭实践而不必要这些专门的细节。在本发明的详细说明中将回避无必要地将本发明主题搞得模糊不清的已知功能和结构。

图2为说明按本发明实施例的双频带天线的结构的剖面图，它由同轴馈线30，包括金属管40和介电材料80的扼流60，信号线15和接地平面50所组成。这里，参考标志A-B仅用来对图2和表示等效电路相关连的附图之间的关系进行理解。

最好，金属管40的一端连接到接地平面50，而其另一端为开口。在高频频带中心频率，该金属管40的物理长度约-1/4波长(l₁+l₂)。同轴馈线30由内导体70和外导体25组成，其中，其一部分插入金属管40。同轴馈线30的外导体25连接到接地平面50。插入金属管的同轴馈线30的上部分从接地平面50向该金属管40的开口端延伸所示的长度l₁。内导体70(在K点上)连接到信号线15，该信号线15的直径d₃与在插入到金属管40的同轴馈线30端上的同轴馈线30的外导体25的直径d₁相同。在点K，同轴线30的外导体25是开口的，这就产生了一个RF扼流(即，同轴线30终止在点K)。同轴线的另一端可连接到用于连接天线的电子设备(未示)，例如一个发射机和/或接收机。信号线15通过金属管40的开口端，但通过金属管40的开口端伸出。金属管40的直径d₂并充满介电材料80。由于该介电材料具有比空气高的介电常数，对于给定的一个电气长度。它使金属管40的长度缩短(如果与充满空气的金属管相比较)。金属管40的开口端产生第二个RF扼流。

图3为说明图2所示的双频带天线的一个等效电路图。以下将描述该双频带天线的等效电路的工作。

Z_AB代表扼流60的阻抗，它包括其从点A至B宽度的金属管40，同轴馈线30和充满金属管40的介电材料80。Z_AB由等式(2)表示，因为理论上起一条短线作用。 $Z_{\mathrm{AB}}=\mathrm{Zo}\tanh \left({\mathrm{\γl}}_1\right)Z_0=\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_R}}\ln \frac{d_2}{d_1},$ $\mathrm{\γ}=\mathrm{\α}+\mathrm{jk},K=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}........\left(2\right)$ 除衰减常数α之外，从等式(2)导出等式(3)。 $Z_{\mathrm{AB}}=j{Z}_0\tan \left({\mathrm{Kl}}_1\right)=j\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_R}}\ln \frac{d_2}{d_1}\tan \left({\mathrm{Kl}}_1\right)......\left(3\right)$

其中，

α：阻尼元，

K：传播常数，

Z₀：短线的特性阻抗，

l₁：接地平面至同轴馈线开口端的长度，

d₁：同轴馈线外导体的外直径，

d₂：金属管的内直径，

λ：波长，以及

ε_R：介电材料的相对介电常数

等效阻抗Z_CD是由以上等式2和3计算的，而且如果同轴馈线30的外导体25的直径d₁等于信号线15的直径d₃，则阻抗Z_CD可通过改变长度(l₁+l₂)计算。阻抗Z_CD由等式(4)表示。 $Z_{\mathrm{CD}}=j\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_R}}\ln \frac{d_2}{d_1}\tan \left[\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(l_1+l_2)\right].......\left(4\right)$

图4为说明通过组合信号源和阻抗Z_AB一次简化的一个等效电路图，阻抗Z^x由等式(5)表示。 $Z^{*}=\frac{50\·Z_{\mathrm{AB}}}{Z_{\mathrm{AB}}+50}.........\left(5\right)$

图5为说明用图4中所示的简化等效电路再次简化的一个等效电路图。参照图2，由于构成从同轴馈线30的上端到金属管40的开口端的长度l₂并起信号线15和金属管40的一部分的作用。如果它同阻抗Z^x组合，图4所示的等效电路就能得到。按照图4等效电路的阻抗Z^xx可以由等式(6)得到。 $Z^{**}=Z_0\frac{[\frac{Z^{*}}{Z_0}+\tanh \left({\mathrm{\γl}}_2\right)]}{[1+\frac{Z^{*}}{Z_0}j\tanh \left({\mathrm{\γl}}_2\right)]}=\frac{[\frac{Z^{*}}{Z_0}+j\tan \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{l}_2\right)]}{[1+\frac{Z^{*}}{Z_0}j\tan \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{l}_2\right)]}.,...\left(6\right)$

图6为说明从一个等效电路中的点E和F观察的阻抗Z_EF的图，其中阻抗Z^xx和阻抗Z_CD组合。之后，阻抗Z_EF可由等式(7)得到。 $Z_{\mathrm{EF}}=\frac{Z^{**}{Z}_{\mathrm{CD}}}{Z^{**}+Z_{\mathrm{CD}}}.......\left(7\right)$

因此，阻抗Z_EF由改变例如频率，介电常数，d₁，d₂，l₁，l₂和l₃这些可变量来计算。

图7为说明这样一种等效电路图，其中介电常数，d₁，d₂，l₁，l₂和l₃具有实施按本发明一个实施例的双频带天线的预定值。由于信号源阻抗Z_EF随工作频率改变，可以将其指定为Z_EF(f)。图6中所示的Z_EF(f)以天线作为负载。由于天线阻抗Z_ANT也随频率变化，所以将其指定为Z_EF(f)。于是，具有组合的可变量匹配电路的信号源阻抗Z_EF(f)将由此等于天线阻抗Z_ANT(f)。因此，在本发明的实施例中，可变量介电值，d₁，d₂，l₁，l₂和l₃依据阻抗Z_EF(f)构成而改变，使得阻抗Z_EF(f)和阻抗Z_ANT(f)能实现彼此相等。这样将能准确地获得信号源和天线间的一种匹配条件，并能改善该双频带天线的特性。

图8为说明一个测试的辐射方向图的图，该图是将一个标准偶极天线与按本发明实施例的双频带天线相比较。图9为说明按本发明实施例的双频带天线的阻抗特性的曲线，而图10为说明按本发明实施例的双频带天线的驻波比(SWR)的曲线。此刻，双频带天线的CDMA和朝鲜人的PCS频率将给出如下：CDMA发射频率为824-849MHz，接收频率为869-894MHz；朝鲜人的PCS发射频率为1750-1780MHz，而接收频率为1840-1870MHz。由于该双频带天线可以应用到GSM/DECT，GSM/DCS 1800，AMPS和CDMA/PCS系统，因此容易通过改变在点(点K)分界的扼流60的第一长度l₁和l₂做到，如图2中所示，在该点同轴馈线30的内导体70和信号线15彼此连接。如果改变扼流60的长度l₁和l₂，则将移动高频频带的谐振点，然而如图10虚线81所示，低频频带的谐振点如图10所示几乎不移动。参照在图9中着重指示的实线，从起始点到复盖点1和2的点3的范围Δ表示低频频带(824-894MHz)的特性。由复盖点3和4返回到起始点表示为Δ的范围表示高频频带(1750-1870MHz)的特性。点1和2之间，3和4之间的范围与图10中所示的相同。

图11表示本发明的另一实施例。除信号线15由信号线15’替代之外，该实施例类似于结合图2描述的实施例。信号线15’由长度l₂的第一直线部分15a和长度l₃的螺旋线部分15b组成。15a和15b两部分的直径为d₃，虽然螺旋线部分15b的直径可选择得不同于直线部分15a。

上述本发明的实施例具有的优点在于提供了一个可改变的匹配电路，从而在信号源和天线间不要求单独的匹配电路，由此具有结构简单，使用方便，价格低廉，性能改善。

当已说明和描述的是考虑本发明的优选实施例的时候，本专业技术人员将要理解的是可以实施各种不同的改变和修改，以及等效物替代其元件而不会脱离本发明实际的范围。

Claims (16)

1.用于一个移动通信系统的双频带天线，包括：

具有一开口端的金属管；

具有内和外导体的同轴馈线，所说同轴馈线其部分插入到所说金属管中；

一个接地平面连接到所说金属管的相对所说开口端的部分以及所说同轴馈线的所说外导体；以及

一信号线与所说内导体电气耦合，并在所说金属管的开口端从其伸出。

2.如权利要求1的用于一个移动通信系统的双频带天线，其中所说金属管的长度比所说从接地平面插入的同轴馈线长。

3.如权利要求1的用于一个移动通信系统的双频带天线，其中所说金属管部分充满一种介电材料，用于减少所说金属管的长度。

4.如权利要求1的用于一个移动通信系统的双频带天线，其中所说同轴馈线和所说信号线的外直径彼此相等。

5.如权利要求1的用于一个移动通信系统的双频带天线，其中从所说金属管伸出的所说信号线的所说部分加工成直线形状。

6.如权利要求1的用于一个移动通信系统的双频带天线，其中从所说金属管伸出的所说信号线的所说部分加工成螺旋线形状。

7.如权利要求1的用于一个移动通信系统的双频带天线，其中所说金属管的物理长度在高频频带的中心频率约四分之一波长。

8.如权利要求2的用于一个移动通信系统的双频带天线，其中所说金属管充满一种介电材料，用于减小所说金属管的长度。

9.如权利要求2的用于一个移动通信系统的双频带天线，共中所说同轴馈线和所说信号线的外直径彼此相等。

10.如权利要求1的双频带天线，其中选择所说金属管的尺寸，所说信号线和所说同轴线的尺寸以及在所说金属管中介电材料的介电常数使得在所说双频带上所说天线的阻抗基本上与所说同轴馈线的阻抗匹配。

11.权利要求10的天线，其中所说双频带包括一个较低频率频带和基本上两倍于所说低频频带的一个较高频率频带。

12.权利要求11的天线，其中所说较低频率频带为824-894MHz，而所说较高频率频带为1750-1870MHz.

13.用于一个移动通信系统的双频带天线，包括：

一金属管；

一同轴馈线，由一个内导体和一个外导体组成，所说同轴馈线其一部分插入所说金属管中；

一接地平面，连接到所说金属管的一端并连接到所说外导体；

一信号线在所说金属管内的一个连接点处连接到在所说金属管内的所说内导体，所说同轴线的所说外直径在所说连接点是开口的，由此产生第一射频(RF)扼流；

所说金属管具有开口的另一端，以产生第二RF扼流；

所说信号线通过所说金属管，并伸出所说金属管一预定长度；

其中从所说接地平面到所说连接点的所说同轴线的长度，从所说连接点到所说金属管的所说开口端的所说信号线的长度，从所说金属管的所说开口端伸出的所说信号线的长度，所说同轴馈线的所说外导体的外直径，以及所说金属管和所说信号线的直径具有各自预定的值，由此在所说天线的工作频率频带内，所说天线的阻抗基本上与所说同轴线的阻抗匹配，并由此在所说同轴线上提供了低的驻波比。

14.权利要求13的天线，其中至少所说金属管的一部分充满电介质，选择所说电介质的介电常数使得在所说同轴线上提供所说低的驻波比。

15.权利要求13的天线，其中所说工作频带包括一较低频带和基本两倍于所说较低频带的一较高频带的一双频带。

16.权利要求13的天线，其中所说较低频带为824-894MHz，而所说较高频带为1750-1870MHz。

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