CN1303527A - 用于无线电通信设备的高效多频段天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有多频段旋臂天线组件的无线电通信设备。这种天线组件包括一个多频段辐射天线元件和一个多频段套管,该套管使天线调谐到多个谐振频率。多频段天线元件和套管通过同轴馈送电缆固定到该通信设备的机架,该电缆用来将这些元件同机架隔开。

Description

用于无线电通信设备的高效多频段天线

背景

本发明一般涉及无线电通信系统，特别是涉及可以加到便携式终端和使该便携式终端在不同的频带内进行通信的天线，同时增加天线的效率。

在美国以及世界其他地区蜂窝电话工业在市场运作中已经具有了显著的发展。在主要大城市地区的增长已远远超出预期的情况并正在很快地突破系统容量。如果这种势头继续，则这种工业增长的效果将很快到达甚至最小的市场。要求改革解决方案以符合这些增加的容量需要，以及保持高质服务和避免价格上浮。

遍于全球，先进无线电通信系统的一个重要步骤为从模拟传输变到数字传输。有等同意义的是选择有效的数字传输方案来实施下一代的技术，例如时分多路存取(TDMA)或码分多路存取(CDMA)。此外，人们深信，使用能够舒适携带并在家中，办公室，街道，车辆等中用来进行或接收呼叫的低成本的，袖珍式的无绳电话的第一代个人通信网络(PCN)将由例如使用下一代数字蜂窝系统基础结构的蜂窝载波器提供。

为提供设备兼容性的可接受的等级，在全球不同地区已建立了许多标准。例如，模拟标准，例如AMPS(先进的移动电话系统)，NMT(北欧移动电话)和ETACS，以及数字标准，例如D-AMPS(例如在EIA/TIA-IS-54-B和IS-136中规定的)和GSM(用于由ETSI采用的移动通信的全球系统)已经对无线电通信系统颁布了标准化设计规范。一旦建立起规范，这些标准将以相同或类似方式重新使用，以指定附加的系统。例如，除原始的GSM系统外，还存在DCS1800(由ETS1规定)和PCS1900(由J-STD-007中的JTC规定)，两者均基于GSM。

然而，在蜂窝通信服务中最近的进展包括采用附加频段用于人工操作的移动通信，例如，个人通信服务(PCS)服务。采纳美国的一个例子，将蜂窝高频段分配成两个频段(通常称为A频段和B频段)以便在800MHz范围进行和控制通信。另一方面，在美国规定PCS高频段包括在1900MHz范围内6个不同频段(A,B,C,D,E和F)这样，现在美国的任意给定服务区可利用八个频段以便于通信服务。对PCS高频段(例如PCS1900(J-STD-007),CDMA(IS-95)和D-AMPS(IS-136))已经批准了某些标准，同时已批准用于蜂窝高频段的其他标准(例如，AMPS(IS-54))。

指定用于蜂窝和PCS高频段的每一个频段被分配为多个业务频道和至少一个接入或控制信道。通过发送/接收到/来自该移动站的信息，该控制频道被用于控制或监控移动站的工作。这样信息可以包括入局呼叫信号，出局呼叫信号，寻呼信号，寻呼响应信号，本地登录信号，话音频道分配，维修指令，越区切换和网孔选择或再选择指令，如果一个移动站离开了一个网孔的无线电复盖范围和进入另一网孔的复盖范围。控制或话音频道可以或按模拟模式工作，按数字模式工作，或按组合模式工作。

由在业务和控制频道上的下行链路中的一个基站发射的信号由移动或便携式的终端所接收。每个终端至少具有一个天线。历史地，便携式终端已采用过多种不同的天线形式在大气接口接收和发射信号。例如已发现垂直安装到一个导体表面的单极天线提供良好的辐射特性，合乎要求的驱动点阻抗和相当简单的结构。单极天线可以按多种物理形式制作。例如频繁用在与便携式终端结合的杆状或鞭状天线。对于高频应用，在那里天线长度为最小，选择另一种螺旋天线。如图1所示，通过将天线沿其长度绕成线圈，螺旋天线允许设计得更短。

为避免反射引起的损耗，天线一般被调谐到其要求的工作频率上，调谐天线意指匹配在其输入端上向天线观察的阻抗，使得该输入阻抗是一个纯阻，即，它将不具有明显的电抗分量。例如，调谐可以通过测量或估算与一个天线相关的输入阻抗并提供一个适宜的阻抗匹配电路来执行。

如上所描述的，提供能工作在不同宽频段的便携式终端将不久之后成为市场所要求的，例如设置在900MHz范围的频段和设置在1800MHz范围的频段。因此不久的将来在便携式终端中将需要应用在两个频段中提供适当增益和带宽的天线。已经进行了某些试验以便形成这种双-波段天线。

例如，授予Phillips等的美国专利U.S.4,571,595公开了一种双频段天线，该天线具有锯齿形导体元件。该双频段天线可以调谐到两个近间隔的频段之一(例如中心在9.15Mhz和960MHz)。但是这种天线设计是相对低效的，因为它实际上那样地接近移动电话的机架。

日本专利6-37531公开了一种螺旋天线，其包含一个内部附加金属杆，在该专利中，通过调整该金属杆的位置，该天线可以调谐到双谐振频率。不幸的是，对于在蜂窝通信中使用而言，设计带宽太窄。

印制的双频段单极天线是人们所了解的，其中双谐振是通过将附加的带状物加到很靠近一个印制单极天线来实现的。而这样的一个天线具有足够的带宽用于蜂窝通信，它要求附加一个带状物。在瑞典的Moteco AB已设计了一种线圈匹配的双频段鞭状天线和线圈天线，其中，双谐振是通过调节该线圈匹配元件(对900MHz为1/4λ，而对1800MHz为1/2λ)实现的。该天线具有相对满意的带宽和辐射性能，其长度仅约40mm，在未决的，共同转让的专利申请08/725 507中公开了一种尺寸相对小的非均匀螺旋双频段天线，题目是“多频段非均匀螺旋天线”全部在此作为参考。

目前，用于如移动电话这样的无线通信设备的天线都直接安装在电话的机架上。当该移动电话处谈话状态时天线很接近用户头部将降低该天线以及最终将降低通信设备的性能。本发明提出尽可能远离用户的头部来定位天线的辐射部分，由此增加辐射效率。

概述

本发明提供具有多频段旋臂天线组件的无线电通信设备，设计这种天线来增加天线的效率。本发明示例性实施例提供的天线组件包括一个多频段辐射天线元件和一个多频段套筒，该多频段辐射器和套筒允许天线调谐到多个谐振频率。该多频段天线元件和套筒通过同轴馈电电缆固定到该通信设备的机架，该同轴馈电电缆是用来将那些元件同机架隔离。当天线放置在一个完全展开的位置时，在天线辐射部分(即多频段辐射天线元件和多频段套筒)和用户头部之间的距离导至天线效率的增加。还放进一种铁氧体涂覆于同轴电缆的底部以减小流到机架的电流。

附图的简要说明

根据以下结合附图的优选实施例的说明将更理解本发明的上述目的和特征，其中：

图1说明一种普通螺旋天线；

图2说明按本发明的示例无线电通信设备；

图3说明按本发明的多频段旋臂天线；

图4(a)说明按本发明的具有处收藏位置的多频段旋臂天线的移动电话的侧视图；

图4(b)说明按本发明的具有处完全展开位置的多频段旋臂天线的移动电话的侧视图；

图5(a)-(b)说明在用户头部和普通天线结构辐射器之间以及和按本发明辐射器之间的距离。

图6说明按本发明的多频段旋臂天线的性能的图形表示。

图7说明一种短截线天线和按本发明的多频段旋臂天线在1800MHz的辐射图；以及

图8说明一种短截线天线和按本发明的多频段旋臂天线在900MHz的辐射图。

详细说明

图2说明按本发明的一种无线电通信设备100。通信设备100包括一个天线组件110，其固定到电话本体(或机架)。按本发明的天线组件110是旋臂式的多频段天线，并将在下面详述。通信设备100还包括一个扩音器口120和扬声器口130，分别置于接近用户的嘴和耳朵。键盘140允许用户例如通过输入拨打的电话号码同通信设备接口。

根据技术理解到这些通信设备按很靠近用户方式操作将导至一部分RF传输被吸收或受阻挡，由此减少传输功率。结果，性能和传输距离受损失。

本发明的多频段旋臂天线试图克服技术上的这些缺陷。图3说明按本发明的多频段旋臂天线110。如下面将说明的，该多频段旋臂天线是一个半波长双极天线。这样，本专业技术人员将理解本发明的天线是自匹配(即无需外部阻抗匹配元件)天线。

多频段旋臂天线110包括一个小的双频段辐射元件310。在未决、共同转让的专利申请08/958,846“Multiple Band,Multiple BranchAntenna for Mobile phone”中陈述了一种类型的双频段辐射器，在此用作参考，该小双频段辐射天线元件310通过同轴馈电电缆350的内导体连接到通信设备的机架。因为它是不辐射电磁波的，所以同轴馈电电缆350起到将该天线元件310同机架隔离的作用。

两个导体臂420和430在一结合连接点连接到馈电电缆350的外导体的相对侧，接近双频段天线310。这两个臂长度不同并一起形成本发明的双频段套筒315。通过控制该导体臂的长度，该双频段套筒315能调谐到不同的频率。此外，在导体臂和同轴电缆之间的缝隙可以改变以增/减频宽。

双频段套筒315的第一臂420的长度(一般为该臂被调谐到的频段的1/4或1/2波长)和结构是使其谐振在第一较低频段的频率上，而第二臂430的长度和结构是使其谐振在第二较高频段的频率上。这两个臂可做的在任意频率上谐振。例如，第一频段可以是GSM频段，而第二频段可以是DCS频段。这样，第一臂420接近一个GSM(即，900MHz)信号的1/4波长，而第二臂430接近一个DCS(即，1800MHz)信号的1/4波长。这就可使天线容易调谐到双谐振。虽然目前的例子陈述该第一和第二频段分别是GSM和DCS频段，但是本专业技术人员将理解可以实现频段的其他组合而不脱离本发明的精神和范围。例如，其他可能的低高频段的组合可包括GSM+PCS,GSM+WCDMA,DCS+WCDMA,GSM+GPS,GSM+ISM，或者更低和更高频段的其他组合。

双频段套筒可以制作成印制的金属带，导线结构或蚀刻在塑料框架上。两个臂的最长的一臂的终端(即低频段臂420)可以形成弯曲形状，如图3所示。本专业技术人员将理解，可以将最长臂的终端用另一种方法形成其他的形状，例如环形或螺旋形状。

双频段辐射天线元件310同双频段套筒315结合形成申请人的多频段旋臂天线的辐射部分。例如当参照图2该天线处完全展开位置时，辐射部分是处在离用户头部足够距离的位置，从而减小由于人体的辐射损耗。此外，小量射频发射可以被用户身体阻挡，从而增加了该通信设备的距离和总效率。

为进一步增加天线效率，一种铁氧体涂覆340施加到最靠近连到机架的馈电电缆的那端。涂覆的铁氧体340减小了从天线辐射部分返回到机架的射频电流的总量。该电流是不想要的，因为它们消耗在用户的手和脸部，由此将降低天线的效率。此外双频段套筒315有助于减小向下流到同轴电缆350的电流。这显然是由于在谐振臂420,430和同轴电缆350之间存在极高的阻抗(即无限大的阻抗)这个事实。

图4(a)和(b)说明按本发明的无线电通信设备的侧视图。在图4(a)中，该多频段旋臂天线被显示在收藏位置。在此位置通信设备被认为处于寻呼模式，当处谈话模式时，如图4(b)所示，天线可以旋转到完全展开的位置。

当旋臂天线的辐射部分处于远离用户头部的位置时，导致极低的RF吸收。按本发明的示例性实施例，在辐射器和用户头之间的距离能够增加6-7倍于一个普通天线系统。图5(a)和(b)说明普通辐射天线结构同本发明辐射器相比的接近度。如图5(a)和(b)所说明的，普通天线的辐射部分离用户头部的距离一般是2cm，而按本发明的辐射器离用户头部的距离接近12cm。本专业技术人员将理解，本发明提供的距离越大，则天线效率增加越高。

在图6中，提供按本发明的多频段旋臂天线的性质的图形表示，在该例中，天线按完全展开位置放置，和低和高频段指定为GSM和DCS频段。特性曲线表示相应GSM频段的第一峰值和相应DCS频段的第二峰。可以理解的是能设计按本发明的一个合适的天线，以便工作在相应GSM,DCS,PCS，或者其他的频段的两个或更多个频段。图7和图8分别对于1800MHz和900MHz陈述申请人的有创造性的多频段旋臂天线的辐射图测试与普通短截线天线的相比的结果。如从图7和图8显然，对于1800MHz和900MHz两者而言，多频段旋臂天线的辐射图形比短截线天线均匀得多。由本专业技术人员可导出以上教导的技术的许多变型和组合而不脱离由以下权利要求描述的本发明的精神和范围。

Claims (35)

1．一种用在无线电通信系统中的通信设备，所说设备包括：

一个扩音器口，使通信设备从用户接收传声信息；

一个扬声器口，使通信设备发射传声信息到所说用户；

一个键盘；以及

一个多频段旋臂天线，包括：

一个小的多频段谐振天线元件；

一个套筒，包括第一臂和第二臂，它们分别调谐到第一和第二频段，以及

一条同轴馈电电缆，用于将所说双频段辐射天线元件和所说套筒连接到所说通信设备的机架；

其中选择所说同轴馈电电缆的长度，以增加所说通信设备的天线效率。

2．权利要求1的通信设备还包括固定到所说同轴馈电电缆的铁氧体涂覆，以减少流到所说机架的电流。

3．权利要求1的通信设备，其中所说第一频段和所说第二频段是不同的。

4．权利要求3的通信设备，其中所说第一频段是低于所说第二频段。

5．权利要求1的通信设备，其中所说第一臂比说第二臂长。

6．权利要求5的通信设备，其中所说第一频段比所说第二频段低。

7．权利要求5的通信设备，其中所说第一臂的端部形成弯曲，环形，和螺旋形状之一。

8．权利要求1的通信设备，其中所说第一臂和所说第二臂定位在所说同轴馈电电缆的相对侧。

9．一种用于无线电通信设备的天线，所说天线包括：

一个辐射部分，包括：

一个小的多频段谐振天线元件；以及

一个多频段套筒，包括调谐到不同频段的第一臂和第二臂；以及

一条同轴馈电电缆，用于将所说辐射部分连接到所说无线电通信设备的机架。

10．权利要求9的天线，其中所说天线是一个旋臂式天线。

11．权利要求10的天线，其中所说天线当其按收藏位置放置时处寻呼模式。

12．权利要求10的天线，其中所说天线当其按展开位置放置时处谈话模式。

13．权利要求9的天线包括固定到所说同轴馈电电缆的铁氧体涂覆层，用于减小流动到所说机架的电流。

14．权利要求9的天线，其中所说第一臂谐振在一个较低频段的频率上，和所说第二臂谐振在一个较高频段的频率上。

15．权利要求14的天线，其中所说较低频段是GSM频段，和所说较高频段是DCS,PCS,GPS,WCDMA和ISM频段之一个频段。

16．权利要求14的天线，其中所说较低频段是GSM,AMPS,DAMPS,DCS,PCS和WCDMA频段之一个频段，和所说较高频段是ISM频段。

17．权利要求9的天线，其中所说第一臂和所说第二臂定位在所说同轴馈电电缆的相对侧上。

18．权利要求9的天线，其中所说第一臂比所说第二臂长。

19．权利要求18的天线，其中所说第一频段比所说第二频段低。

20．一种用于无线电通信设备的天线包括：

一个辐射部分包括：

一个小的多频段辐射天线元件；以及

一个多频段套筒，包括调谐到不同频率的第一臂和一第二臂。

21．权利要求20的天线还包括一条同轴电缆，用于将所说辐射部分连接到所说无线电通信设备的机架。

22．权利要求20的天线，其中所说第一臂谐振在较低频段的频率上，和所说第二臂谐振在较高频段的频率上。

23．权利要求22的天线，其中所说较低频段是GSM频段，和所说较高频段是DCS,PCS,GPS,WCDMA和ISM频段之一个频段。

24．权利要求22的天线，其中所说较低频段是GSM，AMPS，DAMPS，DCS，PCS和WCDMA频段之一，而所说较高频段是ISM频段。

25．权利要求22的天线，其中所说第一臂比所说第二臂长。

26．权利要求20的天线，其中所说第一臂比所说第二臂长。

27．权利要求26的天线，其中所说第一臂谐振在第一频率，其低于第二臂的谐振频率。

28．权利要求26的天线，其中所说第一臂的端部形成螺旋，环和弯曲的形状的一个形状。

29．权利要求21的天线，其中所说第一和第二臂定位在所说同轴电缆的相对侧。

30．一种天线的辐射部分包括：

一个套筒，包括分别调谐到第一和第二频段的第一臂和第二臂；

其中所说第一频段比第二频段低。

31．权利要求30的辐射部分，其中所说第一臂比所说第二臂长。

32．权利要求30的辐射部分还包括一个小的多频段辐射天线元件。

33．权利要求30的辐射部分，其中所说第一频段是GSM频段和所说第二频段是DCS,PCS,GPS,WCDMA，和ISM之一频段。

34．权利要求30的辐射部分其中所说第一频段是GSM,AMPS,DAMPS,DCS,PCS，和WCDMA之一个频段而所说第二频段是ISM频段。

35．权利要求31的辐射部分，其中所说第一臂的一端部形成为螺旋，环，和弯曲形状之一。

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