CN1384986A - 半机内多频段印刷天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种小型,机内多－频段天线,其适于使用在未来的紧凑的移动终端中。按照示例性实施例,提供了一种半机内印刷天线,它包括不同尺寸的补片元件并能调谐到不同的频段。一个内部补片元件定位在通信设备内的一块印刷电路板(PCB)上,而另一补片元件定位在该PCB的外侧。在每个补片元件上形成一条槽,这条槽将该补片元件分成子－部分。内部补片元件的每个子－部分的结构使其谐振在该内部补片元件调谐的相同频段的一个频率上。每个外部补片元件的子－部分结构类似,但是在该外部补片元件调谐一个频段上具有比内部补片元件更大的谐振带宽。结果能实现高效,宽带,多频段,和表面可安装小分布图(LOW profile)的天线。

Description

半机内多频段印刷天线
背景
本发明一般涉及无线电通信系统，而特别涉及机内天线，其能加到便携式终端并使该便携式终端在不同的频段内通信。
在美国以及世界其余地方的商业运营中，蜂窝电话工业已经有了显著的进展。在主要大城市居民地区的增长已远超预期值并将很快超过系统的容量。如果这种趋势继续，这种工业增长的影响将很快到达甚至最小的市场。要求改革方案符合这些增长容量的要求，同时保持高质量的服务和避免价格的提升。
遍及全球，在改进无线电通信系统方面的一个重要的步骤是从模拟到数字传输的改变，同等重要的是选择有效的数字传输方案以便实施下一代技术，例如，时分多址联接(TDMA)或码分多址联接(CDMA)。此外，人们广泛地相信，采用低成本的，袖珍式的，能舒适携带的并用来在家庭，办公室，街道，车辆，等场所进行或接收呼叫的无绳电话的第一代个人通信网络(PCN)将例如由使用第二代的数字蜂窝系统的基本设施的蜂窝载波来提供。
为提供可接受的设备兼容性的等级，在世界各个地区已创立了标准。例如已经颁布了模拟标准，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(例如按EIA/TIA-IS-54-B和IS-136指定的)和GSM(用于由ETSI采用的移动通信的全球系统)，以标准化用于无线电通信系统的设计准则。一旦创立，这些标准将以相同的或类似的方式试图被再使用来指定附加的系统。例如，除原始的GSM系统外，还存在DCS 1800(由ETSI指定)和PCS 1900(由J-STD-077中的JIC指定)，两者都基于GSM。
但是，蜂窝通信业务中的最新发展包括采用用在管理移动通信中的附加频段，例如用于个人通信服务(PCS)业务。取U.S.作为一个例子，为在800MHz范围内进行并控制通信，蜂窝超频段(hyperband)被分配成两个频段(一般称为A频段和B频段)。在另一方面，PCS超频段在美利坚合众国被指定在1900MHz范围内包括六个不同的频段(A，B，C，D，E和F)。这样，在美国任何给定的服务区可利用八个频段，由此方便了通信服务。对于PCS超频段(例如，PCS 1900(J-STD-077))已批准某些标准，而对于蜂窝超频段(例如，D-AMPS(IS-136)已批准了其他的标准。
指定用于蜂窝和PCC超频段的频段之每一个分配为多个业务频道和至少一个访问频道或控制频道。使用控制频道借助发向移动站并从其接收的信息控制或监视移动站的工作。这样的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，位置登记信号，话音频道分配，维护指令，越区切换，以及当一个移动站移出一个小区的无线电复盖范围并进入另一小区的无线电复盖范围时小区选择或再选择指令。控制和话音频道利用模拟调制或数字调制可以工作。
在业务和控制频道上由下行链路的一个基站发射的信号由移动或便携式终端接收，这些终端的每一个具有至少一个天线。历史地，便携式终端已应用了多种不同类型的天线通过空中接口接收和发射信号。例如，已发现垂直地安装到一个导电表面的单极天线提供良好的辐射特性，理想的驱动点阻抗和相对简单的结构。能用各种物理形式创建单极天线。例如，杆形或鞭状天线已频繁地与便携式终端结合使用。对于天线的长度被最小化的高频应用场合，其他的选择是螺旋天线。在市场上希望提供这样的便携式终端，其能工作在宽的不同的频段，例如频段位于在800MHz范围和1900MHz范围。因此，将需要在两个频道上提供适当增益和带宽的天线应用在便携式终端中。已进行若干尝试去创建这样的双频段天线。
例如，授权于phillips等的美国专利4,571,595公开的一种双频段天线具有锯齿形导体元件。该双频带天线能调谐到两个间隔靠近频段(例如中心在915MHz和960MHz)之一个。但是，由于该天线物理上如此接近移动电话的外壳，所以天线设计是相对无效的。
日本专利6-37531公开了一种螺旋天线，包括一个内部附加的金属杆。在该专利中，通过调整该金属杆的位置可以调到双谐振频率。不幸地，对于用在蜂窝通信中，设计带宽过窄。
在已知的双频段的印刷的单极天线中双谐振是通过在接近于印刷的单极天线处附加寄生带来实现的。当这样的天线对蜂窝通信具有足够的带宽时，它被要求附加寄生带。在瑞典Moteco AB已设计了一种线圈匹配双频段鞭状天线和线圈天线，其中通过调整线圈匹配元件(1/4λ对900MHz和1/2λ对1800MHz)实现双谐振。这种天线具有相对好的带宽和辐射性能以及40mm量级的长度。尺寸相对小的非-均匀螺旋双频段天线在共同未审的共同转让的申请序号为08/725，507的美国专利中公开，题目为“Multipe Band Non-Uniform HelicalAntennas”。
目前，用于无线电通信设备例如移动电话的天线直接安装在该电话外壳上。然而，当便携式终端的尺寸和重量继续减小时，上述天线将因其尺寸而变成不那么优越了。此外，当这些未来的紧凑的便携式终端的功能度增加时，产生对机内小型天线的需要，这种天线能谐振在多个频段。
目前用在移动电话内的普通机内天线包括微带天线和平面倒F天线。微带天线尺寸小重量轻。在移动电话手持机中已实施平面倒-F天线(PIFA)，如以下文件所描述：K.Qassim，“Inverted-F Antenna forProtable Handsets”，IEE Collogium On Microwave Filters andAntennas for Personal Communication Systems，pp.311-316，Feb.1994，London，UK.更近期地，Lai等已公布了一种弯曲的倒-F天线(WO96/27219)的说明书。这种天线的尺寸为普通PIFA天线的约40％。
图1A和1B说明普通平面补片天线同Lai等描述的弯曲倒-F天线的比较。图1A的普通平面补片天线具有例如等于天线谐振的频率的1/4波长的尺寸和长度。普通平面补片天线还具有为W的宽度，在图1B中说明的弯曲倒-F天线也具有等于谐振频率的1/4波长的长度和等于W的宽度，但是弯曲倒-F天线的尺寸减小到普通平面补片天线的尺寸的约40％。这种尺寸的减小归因于天线的弯曲形状。
但是，随移动电话变得越来越小，无论普通微带补片和PIFA天线仍旧太大以致于不适应未来电话外壳的变小。在未审的，共同转让的，题目为“Miniature Printed Spiral Antenna for MobileTerminals”的申请序号为09/112,366的美国专利中推荐了一种具有一个匹配端子的印刷螺旋机内天线。该天线的尺寸降低到普通PIFA天线的20-30％，其小于一个波长的1/10，以使其适合于未来的移动电话。
除减小天线的尺寸外，下一代移动电话对蜂窝，无线局域网，GPS和分集将要求调谐到多于一个频段的能力。在未审的，共同转让的，题目为“Twin Spiral Dual Band Antenna”的申请序号为09/112,152的美国专利中推荐了一种适合于未来移动电话的多频段的机内天线。该机内天线包括两个螺旋导体臂，该臂的长度不同并能调谐到不同的频段。在这种天线的设计中，因使用薄带线作为辐射器而使天线的带宽较小。为增加该天线的带宽，使用通过在匹配电桥上引入电阻加载技术的补偿方法。虽然该方法导致加宽带宽，但是同时导致增益的损失。该天线设计用在两个频段的情况中。
在未审的，共同转让的，题目为“Printed Multi Band PatchAntenna”的申请序号为09/212,259的美国专利中公开了另一种新型双频段补片天线。与使用薄带线作为辐射器的成对螺旋双频段天线相反，该多频段补片天线使用具有切槽的补片。该补片用作辐射器并提供更宽的带宽。该多频段补片天线也设计用于两个频段。
然而，继续存在需要有效，小型，机内天线，其能调谐到多个频段，而同时在每个多频段中具有宽的带宽。此外，这样的天线应当能调谐到多个频段中的大量的不同的频率范围。
概要
本发明通过提供小型化的半机内多频段印刷天线克服以上技术中的缺陷，该天线通过在至少三个频率范围便于操作适用于用在未来的紧凑的移动终端中。按照示例性实施例，提供了一种半机内多频段印刷天线，其包括不同尺寸的补片元件并能调谐到不同的频段。在每个补片元件上形成一个槽，其将该补片元件分成子部分。一个补片元件的每个子部分的结构使其谐振在该补片元件调谐的相同频段中的一个频率上。结果能实现高效率，宽频带，多频段，和表面可安装小分布图的天线，这种天线可在三个频率范围内使用，其中之一个频率范围是该两个频段之一个的外面。
附图简要说明
根据以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的以上目的和特征将更显而易见，其中：
图1A和1B说明普通平面补片天线同普通弯曲倒-F天线相比较；
图2说明一个示例性无线电通信设备，其中可实现本发明的天线；
图3说明在一块PCB上的印刷的双频段两个补片天线；
图4说明一种天线配置，其中每个补片部分形成三个子部分；
图5A和5B说明形成一个宽频段，多频段天线的过程；
图6a说明本发明的一个半机内多频段印刷天线；
图6b说明定位在一块印刷电路板(PCB)上的一个天线的EM场；
图6c说明定位在该PCB外侧的一个天线的EM场；
图7说明按本发明的一个矩形半机内多频段印刷天线的顶视图；
图8说明本发明的具有一个弓形的高频段元件的一个半机内多频段印刷天线的顶视图；
图9说明本发明的具有凸出端高频段元件的一个半机内多频段印刷天线的顶视图；以及
图10说明本发明的一个半机内多频段印刷天线的顶视图，它具有一个高频段元件端，而该高频段元件端是形成突出的一条弯曲线；
图11是描绘按本发明的一个示例性天线的示例性VSWR性能的曲线。
详细说明
在下列说明中为说明但非限制性目的，陈述了特定细节，例如具体电路，电路元件，技术等，为的是提供对本发明的全面理解。然而，对本专业技术人员显见的是，本发明可以用其他的偏离这些特定细节的实施例实践。对于其他的例子将略去已知方法，设备和电路的详细说明，以便不使本发明的说明相形见绌。
图2说明一个示例性无线电通信设备200，其中可实施本发明的机内多频段补片天线。通信设备200包括一个机壳210，上面有一个麦克风口220和扬声器口230，分别靠近一个用户的嘴和耳。小键盘240例如通过输入一个被拨的电话号码使用户与通信设备相交互。该通信设备200还包括一个机内补片天线组件250，将在下面描述其细节。
图3说明按本发明的一个示例性机内补片天线组件。该示例性机内补片天线组件包括两个尺寸不相同补片部分305和310。两个补片部分305和310通过介质基片320被附着到印刷电路板(PCB)315并连接到一个匹配电桥330的相对边。在每个补片部分305和310中形成的槽340将该补片部分分成子部分345，350和355，360，其阻抗将在下面详细讨论。补片部分305和310放置在该PCB315之上并在补片部分和PCB315之间形成槽。本专业技术人员将理解该补片部分形成本发明天线系统的主辐射器(或探测器)。
如从图3明显看到的，补片部分305和310由馈电引线325馈电。该机内天线还包括放置在馈电引线325和接地端子335之间的一个匹配电桥330，匹配电桥330起调谐天线的作用并在馈电引线325和接地端子335之间形成一个小的环形天线。调谐天线指的是在天线的输入端向其观察的阻抗的匹配，使得观察到的输入阻抗为纯阻，即，它将不具有明显的电抗分量。本发明的天线系统的调谐是通过测量或估算与天线相关的输入阻抗并提供一个适当的阻抗匹配电路(即，匹配电桥)来进行的，按本发明，天线的匹配可以通过改变匹配电桥330的长度加以调整。通过简单地改变接地端子335的位置完成这项工作。匹配电桥的长度一般量级为0.01λ-0.1λ。
从图3明显看到天线系统的两个补片部分305和310具有不相同的尺寸。通过控制该补片部分的尺寸，天线可以调谐到不同的频段。多频段天线的第一补片部分305具有的尺寸为(一般为该补片部分调谐到的频段的1/4波长)使得谐振在第一较低频段的频率上，而第二补片部分310具有的尺寸使得谐振在第二较高频段的频率上。两个补片部分能使谐振在任意频率上。例如，第一频段可以是GSM频段，而第二频段可以是DCS频段。某些低和高频段的可能的组合可以包括GSM+PCS，GSM+WCDMA，DCS+WCDMA，GSM+GPS，GSM+ISM，或较低和较高频段的任意其他的组合。
如上所述，每个补片部分305和310包括槽340，它的作用是将该补片部分分成子部分。一个补片部分的每个子部分谐振在该补片部分调谐的相同频段中的一个不同的频率上。例如，如果第一补片部分305具有的尺寸能使其谐振在GSM频段中的频率上，则补片部分305的子部分可谐振在GSM频段中的不同的频率上。结果可获得更宽的带宽。
在专业技术人员将理解，作为一种选择，在每个补片部分中可形成三个或更多个子部分。图4说明一个示例性配置，其中每个补片部分形成三个子部分。如所说明的，第一补片部分405被切成三个子部分405A-405C，而第二补片部分410也切成三个子部分410A-410C。每个子部分可谐振在其各自补片部分谐振的相同频段内的一个不同的频率上。这样，由这种配置能获得更宽的带宽。然而，调谐是比较困难的。
返回到图3，补片部分305和310可以是包括三个尺寸的任意形状的补片。但是，补片部分的尺寸应当接近该补片部分被调谐的频率的1/4波长。
机内多频段补片天线的谐振频率和带宽取决于介质基片的面积和厚度，所选介质材料的类型(即，介电常数)，补片尺寸以及槽的尺寸和位置。本专业技术人员将理解介质基片的面积或厚度或补片尺寸的增加或者介电常数值的减小将引起能获得的带宽的增加。此外，带宽还取决于补片部分中形成的槽的尺寸和位置。
如从图3明显看到的，机内多频段补片天线可安装在PCB的边缘，这将提供更好的辐射效率和带宽。此外，由于天线的小的尺寸，所以对于机内多频段补片天线的PCB空间要求是最低的。
图5A和5B说明通过其形成宽频带多频段补片天线的一种技术。通过如图1A说明的沿匹配电桥的轴在普通补片天线中形成一条槽从而产生连接到该匹配电桥相对边的两个补片部分能从普通的补片天线形成宽频带多频段的补片天线(参见图5A)。每部分的尺寸能使其谐振在一个不相同的频段。较大部分505谐振在一个较低的频率上，而较小部分510谐振在较高的频率上。例如通过下列方法之任一种能进行槽的实际形成：切割，蚀刻，MID(3D金属化)或化学处理。
之后在每个补片部分形成一条槽，以便将每个补片部分分成子部分(参见图5B)。槽可以是任意形状的；但是，槽的形状也影响可获得的带宽。如上所示，一个补片部分的每个子部分谐振在该补片部分被调谐的相同频段内的一个不同的频率或频率范围上，由此增加了该天线的带宽。
为使天线可在三个频率范围内工作，可以修改高频段补片部分510，具体地，该高频段补片部分510可以移出(图3的)PCB315。
如在图6a中所说明的，按本发明的示例性实施例，高频段补片元件610被放置在PCB615的外边。这将在较高频段引起天线等效体积的增加。一个小天线具有引起一个小带宽的小的体积。在图6b和6c中对此加以说明。参照图6b，如果一个天线610放置在PCB615上，天线的体积675是在PCB615的上边。如图6c中所说明的，通过将天线610放置PCB615的外边，则等效的天线体积675在PCB615的上和下边，这将引起更大的带宽。当天线是处在PCB的外边时，相应于高频段天线610的EM波660更容易和空间匹配，并引起一个较宽的带宽。图66中的高频段天线元件610的EM波660以所说明的方式辐射。由导电元件制成的PCB将防止该波通过PCB传播。在如图6c中说明的本发明的一个实施例中，由于高频段天线610的位置EM波在PCB的两边辐射。当高频段补片移开PCB时，高频段补片的辐射元件可由基片支持。也可以在通信设备的外边蚀刻。基片例如可以是塑料。
由于现在高频段补片部分510是处在PCB的外边，所以它可以按三维印刷，这种灵活性使它有用于某些商业应用。由于美学原因，可以不按传统的矩形的或盒式形状设计手持机。例如，它可以用弯曲形状进行设计。因此机内天线将是三维的。高频段元件610现在可用来调谐到DCS和PCS频段，而低频段元件605仍调谐到GSM频段。
两个补片，即高频段元件610和低频段元件605从相反方向连接到匹配电桥630。匹配电桥630的一端是天线馈电引线625，而其另一端是匹配接地端子635。如早先描述的，较大的补片是低频段元件605，其谐振在较低的频段，而较小的补片是高频段元件610，其谐振在较高的频率上。
由于补片尺寸确定双频段谐振频率，所以本发明的天线可设计用于GSM，DCS和PCS频率。补片的形状可以任意。每个补片是平的而且很薄，给出外观不是三维的。高频段元件在外观上也类似于普通天线，它们是用塑料或其他类似的结构密封的。
每个补片元件605和625的边缘连接到匹配电桥630，补片元件的其余边缘不连接到匹配电桥630，如以上参照图3所描述的，补片305和310上的槽340将补片分成子部分。类似地，按照申请人的发明的示例性实施例，如图6所示，槽640将补片605和610分成子部分。这些子部分的每一个谐振在该补片设计的每个频段中的一个具体的频率上。在图6中说明两个相应于低频段元件605的子部分645和650以及两个相应于高频段元件610的子部分655和660。如上所述，这些子部分引起更宽频带的补片天线。子部分可以具有不同的形状。
关于每个补片元件的特性，已在上面相对于图3作了描述。例如，带宽取决于补片尺寸，补片的形状，槽的形状，槽的位置，基片的厚度和基片材料。较大的补片面积导致天线更宽的带宽。补片的PCB边缘间的较大的间隙也引起天线更大的带宽。可改变匹配电桥的长度以调节天线的匹配。
在图7中说明按本发明的一个实施例的天线，其中高频段元件710是矩形的，并且定位在PCB715的上部边缘。元件710和PCB715之间的空间允许天线调谐到PCD和DCS频率范围。图8说明另外的示例性天线设计，其中高频段元件810也定位在PCB815的上部边缘，但形成弓形。类似地，在图9中，高频段元件910是在PCB915的上部边缘并用向上凸出的一端形成。在图10中，高频段元件1010在PCB1015的上部边缘并且是一个弯曲元件，能改造以形成一条短截线。
为说明本发明的效果，图11陈述了图7中所说明的示例性双频段补片天线的模拟结果。可使用下列计算以上半机内多频段印刷天线的不同参数值，纯粹是为说明本发明的目的。天线，即图7的高和低补片元件705和710的尺寸为30mm×40mm，天线高度为5mm。通过其将高补片元件710同PCB715分开的空间740可以为5mm。基片可以是塑料并且厚度可以是1mm。高和低元件补片部分谐振在GSM，DCS和PCS频率范围。
图11说明这种设计的VSWR性能。在GSM频段对于VSWR小于2.35∶1带宽为8.7％(即，约80MHz)。在DCS频段，对于VSWR小于3.2∶1带宽为15.6％(即，约280MHz)。最后，对于VSWR小于3.2∶1，在PCS频段，带宽是14.6(即，约280MHz)。从图11明显看到的，该天线符合GSM/DCS/PCS三次频率应用的要求。
以上已描述了本发明的原理，优选实施例和工作模式。但是本发明不应局限于以上讨论的具体实施例。例如，当已讨论的本发明的天线首先用作一个辐射器时，本专业技术人员将理解，本发明的双频段补片天线也可用作一个探测器用于接收在指定频率上的信息。这样，以上所描述的实施例应认为是说明性的而不是限制性的，并且应理解对那些实施例可以由本专业技术工作人员进行改型而不偏离如下列权利要求定义的本发明的范围。

Claims (28)

1.一种用于无线电通信系统中的通信设备，所说设备包括：
一个麦克风口以便使通信设备从用户接收声音信息；
一个扬声器口使通信设备向所说用户发出声音信息；
一个小键盘；和
一个半机内多频段印刷天线，所说天线包括：
第一补片部分，位于所说通信设备内的印刷电路板(PCB)上并调谐至第一频段，
第二补片部分，位于所述PCB外边并调谐到不同于所说第一频段的第二频段，和
在所说第一和第二补片部分的每一个中形成至少一个槽。
2.如权利要求1的通信设备，其中所说第一频段是一个较低的频段和所说第二频段是一较高的频段。
3.如权利要求2的通信设备其中所说第二频段还包括两个频率范围。
4.如权利要求3的通信设备，其中所说第一频段是800MHz频段和900MHz频段之一。
5.如权利要求4的通信设备，其中所说第二频段内的所说频率范围之一是1900MHz频率范围。
6.如权利要求5的通信设备，其中另一个所说的频率范围是1800MHz范围。
7.如权利要求1的通信设备，其中所说的每一个补片部分是一任意的三维形状。
8.如权利要求1的通信设备，其中每一个所说的补片部分是一任意的两维形状。
9.如权利要求1的通信设备，还包括一个匹配电桥用于匹配所说天线的输入阻抗。
10.如权利要求1的通信设备，其中匹配所说天线是通过改变匹配电桥的长度来调整的。
11.如权利要求1的通信设备，其中所说至少一个槽将每个补片部分分成子部分。
12.如权利要求11的通信设备，其中各个补片部分的每个子部分谐振在各个补片部分被调谐的频段内的不同频率上。
13.如权利要求1的通信设备，其中每个所说补片部分的至少一个槽使所说补片部分形成成对的螺旋线的配置形状。
14.如权利要求1的通信设备，其中每个补片部分调谐的频段取决于补片部分的尺寸。
15.如权利要求1的通信设备，还包括一个基片，所说半机内多频段印刷天线安装其上，所说基片安装在所说PCB上。
16.如权利要求1的通信设备，其中选择补片部分的尺寸为接近第一和第二频段的1/4波长。
17.一种用于无线电通信系统中的通信设备，所说设备包括：
一个安装在所说通信设备机壳上的印刷电路板(PCB)；
一个附在所说PCB上并具有一预定厚度的基片；和
一个补片天线，安装在所说基片上并且包括多个补片部分，每个有至少一个槽形成其中，所说补片部分的第一个位于PCB上并调谐至第一频段和所说第二补片部分位于所说PCB的外边并调谐至第二频段，所说频段不同于第一频段。
18.如权利要求17的通信设备，其中所说多个补片部分的第一个调谐至一较低频段而所说多个补片部分的第二调谐至一较高频段。
19.如权利要求18的通信设备，其中所说较高频段包括两个频率范围。
20.如权利要求19的通信设备，其中所说频率范围之一是1900MHz频率范围。
21.如权利要求19的通信设备，其中所说频率范围之另一个是1800MHz频率范围。
22.如权利要求18的通信设备，其中所说至少另一个槽将每个补片部分分成多个子部分，每个补片的子部分谐振在相同频段的不同频率上。
23.如权利要求17的通信设备，还包括一个匹配电桥用于匹配所说天线的输入阻抗并且位于馈送点和接地端口之间。
24.如权利要求23的通信设备，其中所说天线的匹配是通过改变匹配电桥的长度调整的。
25.如权利要求17的通信设备，其中选择所说多个补片部分的尺寸为接近第一和第二频段的1/4波长。
26.如权利要求17的通信设备，其中所说天线的带宽取决于所说补片部分的尺寸，形状和所说至少一个槽的位置和所说基片的厚度和介电常数。
27.如权利要求17的通信设备，其中每个所说的补片部分是一任意两维或三维的形状。
28.如权利要求17的通信设备，其中所说至少一个槽的形状是任意的。
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