CN1301415A - 天线系统以及包含这种天线系统的无线电通信设备 - Google Patents

Abstract

一种包括天线装置和馈送装置的天线系统,用以在第一工作模式时传送/接收圆极化RF波,在第二工作模式时传送/接收线性极化RF波,一种手持无线电通信设备带有这种天线系统。辐射结构(10)包括所述共同延伸并且同轴设置在支承结构(11)上的N个螺旋辐射单元(12A－D),其中N为大于1的整数,以便在第一工作模式中提供圆极化RF波的传送/接收。而且,装置(24A－D,16,17,19,25,25A)被用于基本上均匀地激励螺旋辐射单元(12A－D),以便在第二工作模式中提供线性极化RF波的传送/接收。

Description

天线系统以及包含这种天线系统的无线电通信设备

本发明涉及一种包括天线装置和馈送装置以用于传送和接收RF波的系统。具体地说，它涉及一种用于移动无线电通信设备，例如手持便携式电话的系统，该系统能够在多个分离的频带上传送和接收信号。

在当今的通信业务中，对于用户单元的可用性以及较小尺寸的要求日益增加。手持便携式通信设备的用户要求无论他的位置在哪里都要被服务。这就要求运营商对他们的移动网络提供良好的覆盖。但是对于用户很少的区域，例如人口稀少的区域、郊区来说，借助于地面移动电话系统是不经济的或者不可能的。对于这种区域来说，借助于通过卫星进行通信可以得到良好的覆盖。由于利用线性极化RF波进行通信是用于地面移动通信系统的，其要求在发射和接收天线之间有一定程度的对准，因此这种信号不适于卫星通信，而代之以使用圆极化RF波。这意味着必须使用特定类型的天线。当同一移动电话既可用于卫星通信又可用于地面通信时，这是可行的。为此，电话必须带有两个天线。这并不符合对于手持便携式电话的紧凑、占用的空间小的要求。

美国专利US-A-5,628,057公开了一种具有用于卫星通信的天线的无线电话发射机。该天线在枢轴点附加到电话上。这种天线仅工作于圆极化模式，并且不能提供工作于线性极化模式的装置。

WO96/06468,WO97/37401和EP0791978每个都公开了一种在卫星定位系统(GPS)中接收圆极化RF波的天线。每个天线包括一个具有四个螺旋辐射单元的陶瓷磁心。馈线从天线的底部通过磁心，并且连接到天线顶部的辐射单元。天线的自移相结构及其馈送使天线可工作于非常狭窄的频带内，即几十分之一的带宽。由于该天线是设计用于接收GPS信号的，这一频带足够了。但它不适用于双向无线电通信，在双向无线电通信中需要最高可达百分之十的相对带宽。

此外，美国专利US-A-5,600,341公开了一种利用圆极化和线性极化工作的天线。用于圆极化的QHA(四线螺旋天线)叠加在由两线式螺旋线所馈送的直线式天线上。尽管会发生到馈线的某些耦合，但直线式天线利用线性极化来工作，并且部分天线的功能是由两线式螺旋线执行的。这些文献并没有教导四线螺旋天线如何利用线性极化来工作。没有描述移相网络，尽管没有提及，但螺旋线被认为是自移相螺旋线。自移相螺旋线是工作在非常狭窄的频带的天线，并且通常限于GPS业务，其中需要小于0.2％的带宽。对于多数卫星电话频带来说，自移相QHA具有相当不充分的带宽。由于天线的圆极化和线性极化的叠加，所公开的天线有空间上的要求，并且以低效的方式使用天线的体积。

JP-A-09219621公开了一种叠加在圆极化天线上的线性极化天线。由于具有少于三个螺旋线的螺旋天线通常需要具有一个为λ的圆周长以给出圆极化，因此这种天线必须对空间的要求比较高，或者以某些没有被解释的其他方式工作。没有出现移相网络，并且如果该螺旋线为自移相，也不需要移相网络，但是实现了非常狭窄的频带。

JP-A-08298410公开了一种包括两个螺旋线的天线，一个螺旋线位于另一个螺旋线之中。内部螺旋线为可扩展的，当扩展它时，起到圆极化天线的作用。由于仅出现了一个螺旋单元，圆周长必须为λ以给出圆极化，这种天线对空间的要求也必须非常高。在内部天线的回缩状态中，天线起到线性极化的作用。不需要移相网络，只是因为使用了一个螺旋单元以实现圆极化。

下述专利申请涉及与本申请的发明相同的技术领域，从而作为参考包含于此。

一瑞典专利申请SE9801755-1的名称为"Antenna devicecomprising capacitively coupled radiating elements and a hand heldradio communication device for such antenna device",1998年5月18日(与本申请同一天)在瑞典申请，申请人Allgon AB。

-瑞典专利申请SE 9801753-6的名称为"Antenna devicecomprising feeding means and a hand held radio communicationdevice for such antenna device",1998年5月18日(与本申请同一天)在瑞典申请，申请人Allgon AB。

-瑞典专利申请SE9704938-1，申请日1997年10月30日，申请人Allgon AB，名称为"Antenna system for circularly polarized radiowaves including antenna means and interface network"。

本发明的主要目的在于提供一种包括天线装置和馈送装置的天线系统，以用于在第一工作模式时传送/接收圆极化RF波，在第二工作模式时传送/接收线性极化RF波。

本发明的目的也在于提供一种可以用于卫星通信和地面通信、且占用小的空间的天线系统。

本发明的目的也在于提供一种天线系统，该天线系统在用于线性极化波的辐射结构与用于激励所述辐射结构以工作于线性极化波的装置之间提供良好的隔离，以便避免用于一种极化模式的高发射功率将损害其他极化模式的接收机的灵敏性。

本发明的另一个目的在于提供一种在不同频带、工作模式和有利的辐射波瓣图中表现出高效率的天线系统。

本发明的进一步目的在于提供一种表现出无线电话在多数系统中使用所需要的宽频带特性的天线系统。

本发明的这些和其他目的通过根据所附权利要求的天线装置来达到。

通过权利要求1的特征可以实现一种具有良好天线功能的天线系统，因为线性极化模式中的最大电流可以高于电话中的电流。

通过辐射结构中的中心辐射器的设置，可以实现螺旋辐射单元的有效和均匀激励，以便在第二工作模式中提供线性极化波的发射/接收。

通过用于圆极化RF波的、伸出辐射结构第二端的在中央设置的辐射器的布置，可以实现在线性极化模式中的改进天线操作。

图1为根据本发明的与无线电通信设备相连的天线系统示意图，该天线系统包括天线装置和馈送装置，用以发射和接收RF波。

图2为根据本发明的一个实施例，当用于第一和第二工作模式时，根据图1天线系统的馈送装置的示意图。

图3是根据本发明的部分分解的辐射结构，以及用于激励或馈电辐射结构以工作于线性极化RF波的装置的实施例示意图。

图4是根据本发明的部分分解的辐射结构，以及用于激励或馈电辐射结构以工作于线性极化RF波的装置的另一个实施例示意图。

图5是根据本发明的部分分解的辐射结构，以及用于激励或馈电辐射结构以工作于线性极化RF波的装置的其他实施例示意图。

图6是用于图5所示的顶部电容负载单元的顶视图。

图7是根据本发明的部分分解的辐射结构，以及用于激励或馈电辐射结构以工作于线性极化RF波的装置的另一个实施例示意图。

图8是根据本发明的部分分解的辐射结构，以及用于激励或馈电辐射结构以工作于线性极化RF波的装置的其他实施例示意图。

图9是根据本发明用于消除不需要信号的滤波器的示意图。

图10是装有根据本发明的天线系统的手持便携式电话的示意图。

参照图1，示意性地示出了根据本发明的天线系统，该天线系统包括天线装置和馈送装置，以用于发射和接收RF波。示于图1的系统借助于圆极化RF波经过卫星通信。它包括辐射结构10，该辐射结构10包括一个支承件11，该支承件11可以是软性薄膜、软性印制电路板或者坚固的管状体。在支承件11上，N个导电螺旋辐射单元同轴设置并且共同延伸。在图1中，N=4，但它可以是任何比1大的数。然而，最好N大于2，以便在左旋和右旋圆极化之间实现隔离(区分)。为了实现这一区分的N的最小数为3，它给出了空间的最有效解决方案。但主要使用N=4，因为它适用于通用类型的元件。螺旋辐射单元表示为12A-D，并且优选地具有是其厚度若干倍的宽度，例如4倍。辐射单元可以通过首先用金属涂层涂敷支承件11的表面，并且根据应用在摄影涂层上的图形有选择地蚀刻该涂层以暴露出支承件来形成，该摄影涂层类似于用于蚀刻印制电路板的涂层。另一种方法是，金属材料可以通过选择性地淀积或者印制技术来涂敷。辐射单元10也可以通过利用MID(模块化互连设备)技术来制造，并且可以形成导线形式的螺旋辐射单元。

辐射结构10被示出具有圆形的截面，但是它也可以是其他形状，例如四方形，并且仍然包含于同轴结构中。

所形成的N线辐射单元10具有一个第一端15和一个第二端14。在第一端15，螺旋辐射单元12 A-D带有相应的馈送点，或者馈送部分13A-D。

馈送装置20连接到辐射装置10，用于馈送和接收信号。馈送装置20可能包括一个双工器30，该双工器30具有用于将由天线系统所发射的信号和来自无线电通信设备的收发信机电路的信号的输入端Tx，以及用于将由天线系统所接收的信号传送到无线电通信的收发信机电路的输出端Rx。当天线回缩/扩展时，如果需要的话，双工器30最好包含于无线电通信设备的电路中。在这种情况下，双工器和馈送装置20之间的连接优选地为软性同轴电缆。双工器30的输出端31或者无线电通信设备的收发信机电路的输出端连接到移相网络21。移相网络包括一个90°功率分配器，其在输入端将信号分成两个信号，一个信号相对于另一个信号移相90°。90°功率分配器的每个输出端连接到180°功率分配器的输入端，在180°功率分配器的输入端将信号分成两个信号，一个信号相对于另一个信号相移180°。因而馈送装置20具有四个输出端，分别带有0°,90°,180°和270°的相移。每个输出端可能经过匹配装置23A-D与相应的馈送部分13A-D相连接，以便在馈送部分13A-D得到渐进的相移。匹配装置用于向所连接的电路提供天线结构的预定阻抗，优选地为50欧姆。施加于双工器的输入端Tx上、从而被分成相移信号并且馈送给辐射结构的信号将生成一个将由辐射结构10所辐射的圆极化RF波。在带有N个螺旋辐射单元的一般情况下，有N个馈送部分、N个匹配装置以及N个移相网络，这N个移相网络提供一个渐进的相移，其中部件的精确选择对本领域技术人员来说是显而易见的。优选地，渐进的相移为360°/N。然而，没有螺旋辐射单元的完全几何对称，也可以相应地实现相移。每对馈送部分之间的相移对应于它们之间的夹角。当从辐射单元的中心轴穿过第一馈送部分的线与从辐射单元的中心轴穿过第二馈送部分的线之间的夹角例如为45°时，馈送部分之间的相移被选择为45°。

由于辐射单元10和馈送单元20是无源的，当在相同方向上接收到圆极化RF波时，它们将反向工作。

180°功率分配器优选地包括宽带平衡转换器，即对于所有涉及的频带给出良好的平衡，因为在馈送部分13A-D上具有相同相位的信号，例如由辐射结构10所接收的线性极化信号将彼此抵消，并且不进入无线电通信设备的电路中。90°的功率分配器优选地包括一个90°的混合电路。

辐射结构10优选地具有一个范围在10-14mm的直径d，以及一个优选地在80-120mm的长度l，用以工作于频带1.4-2.5GHz中。

所述的天线装置和馈送装置可用于在使用卫星的系统中进行无线电通信，并且也可以用于在使用卫星的定位系统，例如GPS中接收信号。使用卫星的无线电通信系统通常工作于相当宽的频带中(例如在1.4到2.5GHz的中心频率上)，并且在某些情况下，上行链路和下行链路中的工作频带相距很远(例如1.6和2.5GHz)。因此，宽带天线系统必须被用于这种应用中。通过设计辐射结构10和馈送装置20，所述的天线系统具有宽带特性。对于用于无线电话的目的来说，用于GPS的自移相螺旋天线用户在带宽上太窄了。

图2示出了当用于第一工作模式时，即如上所述，发射/接收圆极化RF波时，以及当用于第二工作模式时，即发射/接收线性极化RF波时，根据图1天线系统的馈送装置20。第二工作模式的工作用于在地面通信系统，例如GSM,PCN,DECT,AMPS,PCS和/或JDC蜂窝电话系统的无线电通信。

为了提供第二模式的工作，双工器24A-D在其中一个输入端上连接到移相网络的相应输出端。双工器的其他输入端连接到公用线25，该公用线连接到无线电通信设备的收发信机电路，用以通信线性极化RF波。当天线回缩/扩展时，该公用线优选地为软性同轴电缆。外导体应该连接到接地结构或者地面。每个双工器的输出端连接到相应的匹配装置23A-D。通过这种馈电，施加到馈送部分13A-D的信号与通过公用线25进入的信号将具有相同的相位，辐射结构10将基本上起到直线辐射器的作用。而且，在部件为无源的地方，接收信号时的操作与发射信号的操作相反。

馈送装置20(双工器也可能)优选地设置在PCB或者其他合适的装置上，并且是由分离或者分布元件构成。

图3示出了拆开的辐射结构10，以及用于激励或者馈电螺旋辐射单元12A-D以使它们利用线性极化RF波工作的装置。辐射结构10耦合到馈送装置20以及无线电通信设备的收发信机电路，并且以与图1和2所述方式相同或者相似的方式工作于第一模式。对于线性极化RF波而言，为了工作于第二模式，直线辐射器16与辐射结构10同轴设置。

直线辐射器16在其第一端的馈送部分13上被馈电，该馈送部分13优选地基本位于辐射结构10的第一端15的平面上。馈送部分13可能经过匹配装置23与导线25A相连。导线25A与无线电通信设备的收发信机电路相连。如上所述，当该导线为软性同轴电缆时，外导体与接地结构或者地面相连。直线辐射器的第二端为自由端。

直线辐射器16的长度可以小于辐射结构的长度。直线辐射器16的长度优选地比辐射结构10长大约10-20mm，如图3中虚线所示出的。

当直线辐射器16利用信号馈电时，它耦合到辐射结构10，辐射结构10将被激励，并且基本上以直线辐射器的形式辐射。当接收到RF信号时，操作是相反的。在直线辐射器延伸出辐射结构的第二端的情况下，没有被辐射结构所包围的部分将起到直线辐射器的作用。

图4示出了图3实施例的变化，差别在于中心设置的辐射器的结构。该辐射器包括一个起直线辐射器作用的馈线16，馈线16在其第二端连接到正常模式(normal mode)的螺旋辐射器17。正常模式的螺旋辐射器17是一个螺旋饶制的单根导线辐射器，其具有小于λ的圆周长。组合辐射器16+17的长度可以与前面实施例的相同，并且优选地长于辐射结构10。

图5示出了图3实施例的进一步变化，差别在于中心设置的辐射器的结构。该辐射器包括一个延伸出辐射结构10的第二端14的直线辐射器16，并且带有顶部电容负载18。直线辐射器16装有十字形的导电元件18，该导电元件18带有折弯的端部。元件18的顶视图如图6所示。通过这个顶部电容负载，中心设置的辐射器的最大电流向第二端移动，从而改进了天线的性能。十字形结构防止了顶部电容负载18中的环形电流。

图7示出了图3实施例的进一步变化，差别在于中心设置的辐射器的结构。该辐射器包括一个正常模式的螺旋辐射器17。螺旋辐射器17的长度可以比辐射结构10长或者相同，但是优选为较短。

图8示出了图3实施例的进一步变化，差别在于中心设置的辐射器的结构。该辐射器包括一个带有套管19和辐射器17的套管天线。折弯的套管19下的槽具有基本上为λ/4的电长度，并且防止电流在馈送电缆25A的外部流动。辐射器17可以是直线或者螺旋形的，例如正常模式的螺旋辐射器。辐射器17的电长度也优选地为基本上λ/4。套管天线可以比辐射结构10短或者具有相同的长度。然而，优选地为较长，并且伸出辐射结构10的第二端。当使用套管天线时，匹配装置也可以被排除。套管天线由同轴电缆25A来馈电，该同轴电缆带有连接到接地装置或者类似结构的外导体。

由辐射结构10所接收的线性极化RF波将在馈送部分13A-D产生同相信号。如果它们没有被如图2实施例中的双工器所分离，它们可以通过移相网络21进入无线电通信设备的用于圆极化RF波的收发信机电路。在接收的线性极化RF波被耦合到中心设置的辐射器的情况下，可以有利地消除或者排除这些信号。这可以借助于图9所示的滤波器40A-D来实现。每个滤波器在其一端与相应的馈送部分13A-D相连接。滤波器的其他端彼此相连，并且连接到信号地线。这些滤波器在线性极化RF波的频率上具有谐振频率，线性极化RF波的频率被很好地与圆极化RF波的频率分离。

图10示出了带有根据本发明天线系统的手持便携式电话。包括辐射结构10和辐射器16,17,18,19的天线优选地由电绝缘套51所保护。图10示出了回缩位置的天线。即使天线在其回缩位置，也可以看出部分天线从电话外壳50中伸出。由于天线可以工作于带有寻呼功能和备用模式的卫星系统或者甚至地面系统的呼叫模式中，这会非常有利。

电话的外壳可以导电，以提供对装置的PCB的屏蔽，并且连接到信号地线。接地平面可以由电话的外壳或者其中的部分形成，并且连接到电话的收发信机电路的信号地线。另一种方法是接地平面可以是一个导电板、导电线圈或者印制电路板。

尽管借助于上述实例描述了本发明，很显然的是，在本发明的范围内可以有多种变化。

Claims (21)

1．一种用于传送和接收RF波的天线系统，该天线系统包括天线装置和馈送装置，它还包括：

具有第一端(15)和第二端(14)的辐射结构(10)，所述辐射结构(10)包括共同延伸并且同轴设置在支承结构(11)上的N个螺旋辐射单元(12A-D)，其中N为大于1的整数；

设置在所述辐射结构(10)的第一端(15)的每个相应螺旋辐射单元的馈送部分(13A-D)；

在N个连接上连接到所述螺旋辐射单元(12A-D)的每个所述馈送部分(13A-D)的馈送装置(20)，所述馈送装置具有用于连接到无线电通信设备的电路的连接装置，所述馈送装置包括用于在所述N个连接上相移信号的移相网络(21)，以便在第一工作模式中提供圆极化RF波的传送/接收；

其特征在于：

装置(24A-D,16,17,19,25,25A)被用于基本上均匀地激励螺旋辐射单元(12A-D)，以便在第二工作模式中提供线性极化RF波的传送/接收。

2．根据权利要求1的系统，其中

装置(40A-D,24A-D)被用于防止螺旋辐射单元(12A-D)的馈送部分(13A-D)上的同相信号经过移相网络(20)进入无线电通信设备的电路。

3．根据权利要求2的系统，其中

用于防止螺旋辐射单元(12A-D)的馈送部分(13A-D)上的同相信号经过移相网络(20)进入无线电通信设备的电路的装置包括N个滤波器(40A-D)，每个滤波器在其一端连接到相应螺旋辐射单元的馈送部分(13A-D)，滤波器在另一端连接到公用信号地线。

4．根据权利要求1到3中任何一个的天线系统，其中N至少为3。

5．根据权利要求1到4中任何一个的天线系统，其中

移相网络在所述N个连接的两个相邻连接之间提供基本上是360°/N的相移。

6．根据权利要求1到5中任何一个的天线系统，其中

N为4，移相网络(21)具有一个用于连接到电话设备电路的输入端，并且包括一个90°功率分配器，该功率分配器两个输出端中的一个连接到180°功率分配器的输入端，从而得到带有90°渐进相移的四个输出，每个输出端连接到螺旋辐射单元(12A-D)的相应馈送部分(13A-D)，并且

180°功率分配器为用于所有涉及的频率宽带分配器，用以在螺旋辐射单元的馈送部分上消除同相信号。

7．根据权利要求1到6中任何一个的天线系统，其中

螺旋辐射单元(12A-D)在所述辐射结构(10)的第二端(14)提供自由端。

8．根据权利要求1到7中任何一个的天线系统，其中

接地平面装置或者类似装置用于连接到无线电通信设备的电路的地线。

9．根据权利要求1到8中任何一个的天线系统，其中

直线辐射器(16)与所述螺旋辐射单元(12A-D)同轴设置，并且由所述螺旋辐射单元(12A-D)所环绕；

直线辐射器(16)具有第一端和第二端；并且

直线辐射器(16)在其第一端带有馈送部分(13)，该馈送部分可能经过匹配装置(23)连接到无线电通信设备的电路，该电路包括接地结构，从而

在直线辐射器与螺旋辐射单元之间得到耦合，用以工作于第二模式。

10．根据权利要求9的天线系统，其中

直线辐射器(16)具有基本上与所述辐射结构(10)的长度相同的长度，并且直线辐射器和所述辐射结构基本上在它们的整个长度上共同延伸。

11．根据权利要求9的天线系统，其中

直线辐射器(16)具有比所述辐射结构(10)更长的长度，并且直线辐射器和所述辐射结构基本上在所述辐射结构的整个长度上共同延伸。

12．根据权利要求11的天线系统，其中

直线辐射器(16)在不与所述辐射结构共同延伸的部分上具有一个顶部电容负载。

13．根据权利要求9的天线系统，其中

直线辐射器(16)具有比所述辐射结构(10)短的长度，并且直线辐射器和所述辐射结构基本上在所述直线辐射器的整个长度上共同延伸；

该直线辐射器在其第二端与第二正常模式的螺旋辐射器(17)相连。

14．根据权利要求13的天线系统，其中

辐射器包括直线辐射器(16)，并且第二正常模式的螺旋辐射器(17)具有比所述辐射结构(10)长的长度。

15．根据权利要求1到8中任何一个的天线系统，其中

正常模式的螺旋辐射器(17)与所述螺旋辐射单元(12A-D)同轴设置，并且由所述螺旋辐射单元(12A-D)所环绕；

正常模式的螺旋辐射器(17)具有第一端和第二端；并且

正常模式的螺旋辐射器(17)在其第一端带有馈送部分(13)，该馈送部分可能经过匹配装置(23)连接到无线电通信设备的电路，该电路包括接地结构，从而

在正常模式的螺旋辐射器与螺旋辐射单元之间得到耦合，用以工作于第二模式。

16．根据权利要求1到8中任何一个的天线系统，其中

套管天线(17,19)与所述螺旋辐射单元(12A-D)同轴设置，并且由所述螺旋辐射单元(12A-D)所环绕；

套管天线(17,19)具有第一端和第二端；并且

套管天线(17,19)在其第一端带有馈送部分(13)，该馈送部分可能经过匹配装置(23)连接到无线电通信设备的电路，该电路包括接地结构，从而

在套管天线与螺旋辐射单元之间得到耦合，用以工作于第二模式。

17．根据权利要求16的天线系统，其中

套管天线(17,19)包括一个第三正常模式的螺旋辐射器(17)。

18．根据权利要求1到8中任何一个的天线系统，其中

用于激励螺旋辐射单元的装置包括一个辐射装置(16,17,19)，该辐射装置(16,17,19)与所述螺旋辐射单元(12A-D)同轴设置，并且由所述螺旋辐射单元(12A-D)所环绕；

该辐射装置具有第一端和第二端；并且

该辐射装置在其第一端带有馈送部分，该馈送部分可能经过匹配装置连接到无线电通信设备的电路，该电路包括接地结构；

该辐射装置在其第二端带有一个正常模式的螺旋辐射器，并且

该辐射装置具有基本上与所述辐射结构相同的长度，并且该辐射装置和所述辐射结构基本上在它们的整个长度上共同延伸。

19．根据权利要求1到8中任何一个的天线系统，其中

正常模式的螺旋辐射器(17)具有第一端和第二端，其第一端带有馈送部分，该正常模式螺旋辐射器的第一端设置在辐射结构第二端的区域中；并且

该正常模式的第一端位于正常模式螺旋辐射器的第二端与辐射结构的第一端之间。

20．根据权利要求1到8中任何一个的天线系统，其中

每个双工器(24A-D)在其输出端连接到每个螺旋辐射单元(12A-D)，每个双工器的第一输入端连接到馈送装置N个连接的相应一个，每个双工器的第二输入端连接到用于线性极化模式的、无线电通信设备的收发信机电路。

21．一种手持便携式通信设备，其特征在于

它带有一个根据权利要求1到20中任何一个的天线系统。

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