CN1520629A - 多频率磁性偶极子天线结构和天线体积再利用的方法 - Google Patents

多频率磁性偶极子天线结构和天线体积再利用的方法 Download PDF

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Abstract

多谐振天线结构的各种谐振模式分享至少一部分结构体积。基本天线元件有一个接地平面和一对电气连接到接地平面的空间分开的导体。附加的元件通过诸如在一个阵列中堆叠、嵌套或并列等方法耦合到基本元件。以这种方式，个别天线结构共享公共的元件和体积，从而增加了相对带宽和体积之比。

Description

多频率磁性偶极子天线结构和天线体积再利用的方法
                 相关申请的交叉引用
本申请涉及共待决的，题为“多模式接地式多指头天线”，申请序号为09/901,134的，由格雷戈里·保兰斯利(Gregory Poilasne)等提出的申请，该申请由其受让人所拥有，并在这里列出以作参考。
本申请也涉及共待决的，题为“螺旋片状天线结构和方法”，申请序号为09/781,779的，由艾里·雅布洛维奇(Eli Yablovitch)等提出的申请，该申请有其受让人所拥有，并这里列出以作参考。
                     技术领域
本发明一般涉及无线通信领域，尤其涉及一个天线的设计。
                     背景技术
移动无线通信需要小型天线。传统天线需要一定的物理体积来在一个具体的无线电频率和一个具体的带宽上产生一个谐振的天线结构。如果在一个大的带宽上工作就需要相当大的体积。因此，本发明要解决具有宽频带的小型紧凑天线的需要。
                     发明内容
本发明提供了一个其中各个不同的谐振模式共享结构体积的至少一部分的多谐振天线结构。谐振模式的频率设置得足够接近以便达到所需的整个带宽。披露了各种不同的实施例。基本天线元件包括一个接地平面；一个具有一个电气上连接到接地平面的第一末端和一个第二末端的平行于接地平面纵向延伸的第一导体；一个具有一个电气上连接到接地平面的第一末端和一个离开第一导体的第二末端而放置的第二末端的平行于接地平面纵向延伸的第二导体；和一个耦合到第一导体的天线馈电装置。附加的元件通过诸如在一个阵列中堆叠，嵌套或并列等方法耦合到基本元件。以这种方式，单个天线结构共享公共的元件和体积，从而增加了相对带宽和体积之比。
                      附图说明
图1概念性地说明了本发明的天线设计；
图2显示采用多谐振天线达到增加的总带宽；
图3是辐射结构的等效电路；
图4是多谐振天线结构的等效电路；
图5是基本辐射结构的透视图；
图6是另一种基本辐射结构的透视图；
图7是多谐振天线结构的一个实施例的俯视平面图；
图8是图7的天线结构的透视图；
图9a是多谐振天线结构的另一个实施例的透视图；
图9b是多谐振天线结构的又一个实施例的透视图；
图10是多谐振天线结构的又另一个实施例的透视图；
图11是多谐振天线结构的还另一个实施例的透视图；
图12是多谐振天线结构的另一个实施例的透视图；
图13是多谐振天线结构的另一个实施例的透视图；
图14是多谐振天线结构的另一个实施例的透视图；
图15a-b是多谐振天线结构的另一个实施例的俯视和侧视图；
图16显示带有一些寄生元件的多谐振天线结构；
图17是显示非优化的多谐振天线的史密斯图；
图18是显示优化的多谐振天线的史密司图；
图19是图16的天线结构的元件之一的侧视图；
图20显示图16的天线结构的元件耦合的优化；
图21显示图16的天线结构的驱动元件的馈点的优化；
图22显示具有辐射元件的两维阵列的天线结构；
图23a-23d显示另一种具有辐射元件的两维阵列的天线结构；
图24显示图22-23的天线结构的辐射元件的物理实施例；
图25a和图25b展示图22-23的天线结构的辐射元件的另一种物理实施例；
图26显示一种具有螺旋形态的寄生天线元件。
                          具体实施方式
在下面的说明中，为了解释而不是限定，将对具体细节进行阐述，使得读者对本发明有一个透彻的了解。然而，一个本领域专业人士一定会知道本发明可以在不是这些具体细节所限定的其他实施例中实施。在其他例子中，一些众所周知的方法和装置的详细说明就予以省略使得本发明的说明不被不必要的细节所干扰。
体积对带宽之比是现代天线设计中最重要的限制因素之一。增加这个比例的一个方法是把体积在不同的正交模式中重新使用。一些设计，比如在申请序号为09/901,134的专利申请中批露的接地多指头接板(Grounded Multifinger Patch)，已经利用了这个方法，虽然设计并没有对体积带宽比进行优化。在上面提到的专利申请中，用相同的物理结构产生两个模式，虽然这些模式并没利用完全相同的体积。两个模式的电流再分配是不同的，然而这两个模式都利用了可用体积的公共部分。将天线的物理体积利用到多个天线模式的概念一般性地展示在图1。V是天线的物理体积，它有两个辐射模式。与第一个模式相关联的物理体积称为V1，而与第二个模式相关联的物理体积称为V2。可以看出，称为V12的物理体积部分是两个模式共有的。
我们用一个“K定律”来表达体积再利用概念和它的频率相关性。通用的K定律定义如下：
△f/f＝K·V/λ3
△f/f是归一化的带宽。λ是波长。V项代表包围天线的体积。这个体积目前为止是度量的概念，这个体积的真实的定义和与K因子的关系还没有讨论到。
为了对K定律有一个更好的了解，定义了不同的K因子：
Kmodal定义为模式体积Vi和对应的模式带宽之积：△fi/fi＝Kmodal·Vi/λi 3
其中i是模式指数。
这样Kmodal就是一个与一个电磁模式所占用的体积有关的常数。
Keffective由模式体积V1∪V2∪…Vi的并集和累积带宽来定义。它可以被认为是一个累积K；
∑i△f/f＝Keffective(V1∪V2∪…Vi)/λc 3
其中λc是中心频率的波长。
Keffective是一个考虑到不同模式共享一部分体积达情况下的不同激活模式所占用的最小体积有关的常数。不同的频率fi必须非常靠近使得它们有近似重叠的带宽。
Kphysical或Kobserved可以用天线的结构体积V和天线的总带宽来定义：
          △f/f＝Kphysical·V/λ3
Kphysical或Kobserved是最重要的K因子，因为它考虑到了真实物理参数和可用带宽。Kphysical也称为Kobserved，因为它是唯一能够实验测算的K因子。为了使模式局限于天线的物理体积之内，Kphysical必须小于Keffective。然而，这些K因子经常是接近相等的。最好和最理想的情况是Kphysical大约等于Keffective，也大约等于最小的Kmodal。应当注意的是，把模式限定在天线之内对于得到良好隔离的天线是重要的。
从以上计算得出的结论之一是，使得模式共享尽可能多的体积以便不同的模式合围在尽可能小的体积之内。对于多个辐射模式i，图2显示观察到的多谐振结构的回程损耗。不同的相继谐振发生在频率f1，f2，fi，…fn。这些峰值对应于结构内部激活的不同电磁模式。图2显示示物理的或观察的K值和f1到fn的带宽之间的关系。
对于一个谐振频率f1的特定的辐射模式，我们可以认为如图3所示的等效简化电路L1C1。忽略掉等效电路的电阻，天线带宽就是辐射电阻的一个函数。图3的电路可以重复产生一个有多个谐振频率的等效电路。
图4显示一个由多个LC电路代表的多谐振天线。在频率f1上只有电路L1C1发生谐振。物理上来讲，天线结构的一部分谐振在覆盖频谱之内的每个频率上。又一次，忽略掉结构的真实电阻，每个模式的带宽是辐射电阻的一个函数。
如上所述，为了优化K因子，天线体积必须再利用到不同的谐振模式。多模式天线的一个例子使用了一个容性加载微带型天线作为基本辐射结构。这个基本结构的变型将要在以后说明。在所有说明的例子中，多模式天线结构的元件具有紧密放置的谐振频率。
图5显示一个单模式容性加载微带天线。如果我们假设图5的结构可以用电路L1C1代表，于是C1对应于跨过间隙g的边缘电容。电感L1主要是由于数字2表示的环路引起的。另一个容性加载微带天线的配置如图6所示。这个例子中的电容是一个数字3表示的覆盖部分的面电容(facing capacitance)。
图7所示为一个三模式天线结构的俯视平面图。这个结构包括对应于3个不同频率的3个部分。馈电部分设置在区域7，它和图5和图6中的天线的馈电布置相似。这个结构有配置得相似于图5的天线的3组指头(fingers)4/5，8/9，和10/11。不同的电感由指头4，5，8，9，10和11的长度决定。不同的电容由间隙6，12，和14决定。
图8是一个如图7所示天线结构的透视图。在这个配置中，对于每一个频率有一个分立的电容和电感。设定不同的Li和Ci以便有紧密放置的频率fi。槽口S1和S2隔离了天线的不同部分，因此也分离了天线的频率。这个情况显示有可能部分再利用天线结构的体积，因为连接馈电部分的区域7对于所有模式是公共的。然而，体积的某些部分是专为一个频率的。
图9a和9b所示为结构体积再利用的另一个解决方案。图9a是图5所示的基本结构的一个变型。而图9b是图6所示的基本结构的一个变型。在每种情况下，狭缝15沿着它的长度设置在天线的侧面。狭缝在一个频率上建立一个谐振结构，但是在结构的第二特征频率上是电磁方面透明的。结构谐振频率的间隔主要由尺寸16，17，18和19控制的。在图9a和图9b中，两个不同的天线可以北想像成——一个是通过除去狭缝15中的材料来做成的，它谐振在一个第一频率，而另一个是通过填充狭缝15来做成的，它谐振在一个第二频率。在一个结构中的两个天线显然共享相同的体积。
图10所示为由覆盖结构形成的多频率天线结构的一个实施例。连接到另一块板21的板20设置在类似于图6所示的结构S上面。基础的结构S界定一个电容C1和一个电感L1，在频率f1发生谐振。板20设置在离开边缘一定距离23的地方。板21设置在离开基础结构一定距离22的地方，该基础决定界定一个第二电容C2。一个第二频率f2由环路24的电感L2和与间隙22(在图中它的尺寸被夸大了)伴生的电容C2来界定。通过C1，C2，L1和L2的优化可以得到一组两个相近频率，这将在再利用相同体积时确实增加K因子。在这种情况下体积V1包括在体积V2中。应当指出的是f2不必低于f1。
图11显示了一个如图10所示的结构的延伸，其中几个板20-21，29-30，31和32叠加在一个基础结构S上来建立数个环路25，26，27，28。每个环路伴生一个不同的谐振频率。这个概念可以延伸到任一堆积环路。
图12显示了一个天线，具有图5中显示类型的第一结构34，其被包括在一个这样的第二结构33之内。馈电点可以被耦合到板35或板36的末端或沿着任何开放边缘耦合出去。这里，一个天线的体积完全被另一个天线的体积所包围。
图13显示了另一个实施例，其中数个结构共享天线的公共部分和公共体积。这种情况下，伴生结构的特征电感的环路标号为37和38。这个概念可以延伸到两个以上的频率。结构的维可以被调整以达到如上所述所需的电容值。应当指出的是所选的维可能引起寄生频率，而且它们可以用来调整整个天线特性。
图14所示为制备一个多谐振天线的另一个方法。这里，数个天线这样组合起来使得耦合较低。基本天线元件与如图6所示相同。这样的元件组Fp1，Fp2，…Fpi一个堆积在另一个的上面。每个Fpi的一部分也是Fpi+1和Fpi-1的一部分。公共部分有助于界定有关的电容Ci。整个结构可以在Fp1有一个公共馈电点，或可以在Fp2，…Fpi分布分立的馈电点。
有趣的是天线结构的宽度对谐振频率或带宽并没有重要影响。天线结构具有最佳宽度时，基本元件的带宽达到最大。超出此数，带宽并不随天线宽度的增加而增加。
天线宽度对带宽的有限影响允许考虑如图15a-b所示的结构，它在垂直和水平方向嵌套各个天线元件。这使得在安排电容和电感加载时有更大的自由度。这个布置有益于内天线元件全部包含在总的天线体积之内，每个元件共享一个公共接地。在不同频率，只有一个元件是谐振的。
图16显示了一个具有一个驱动元件40和邻接寄生元件41-43的包括一个元件(每一个元件的一般形式如图6所示)阵列的天线结构。这个结构的阻抗匹配如图17的史密斯图所示。大的外环路50对应于主驱动元件40，而小环路51-53对应于寄生元件。这表示一个未经优化的结构。可以对天线元件做各种不同的调整来影响史密斯图上环路的位置。小环路可以聚集在相同区域来获得全部频率范围之内的恒定阻抗。
图18显示在典型的连接50Ω的情况下，一个优化的结构的所有环路几乎全部聚集在史密斯图。为了把环路聚集在史密斯图的中央(或把它们放在任何地方)，要调整各个天线元件的维，记住每个环路对应于一个元件。
图19显示了一个如图16所示的天线结构的诸如41的单个元件。通过减少维1，对应的环路在史密斯图上做顺时针旋转。通过调整寄生元件的长度，可以聚集所有不同的环路。于是，如果有必要，通过减少主驱动元件的长度，环路组可以在史密斯图上反时针方向旋转回来。
为了优化天线结构的带宽，主环路必须有足够大的直径。参考图20，主环路的直径由每个元件和它的邻居之间的耦合量来控制的。耦合量也受控于元件的宽度。元件越窄，元件可以靠得越近来保持相同的环路直径。当每个元件包括一根单线时尺寸可减少到最小。而且，元件也可以通过减小间隙45来放置得更紧密。
最后，主环路可以通过调整主驱动元件上的天线馈电部分的位置以被移到史密斯图的中央。参考图21，天线结构的阻抗匹配通过调整维1f来进行优化。通过增加1f，主环路的直径增加了。这样，小环路可以移到史密斯图上的所需地方的中央。
图22显示了一个极化多谐振天线结构，其中极化的多样性是通过使用天线元件的两个交织的阵列来实现的。在所显示的情况下，两个阵列正向布置来提供正向极化。两个阵列可以以各种方式互连或它们可以完全分离。最容易的方法是使阵列互相接触，否则制造起来更为困难。然而，阵列互相接触不是必须的，而且在某些场合，使阵列互相隔开可以用来调整天线的阻抗匹配特性。在任何场合，总是可以调整前述阵列元件的各个不同的维来匹配天线。
天线元件的一维或者二维的使用允许天线结构与其它电子元件协同定位在电路板上。各个元件阵列可以被置于电路板上的部件之间。部件的电子运动可能受到辐射元件的存在的轻微影响，但是可以通过EMC标准合恰当的校正措施被消除，例如可以通过遮蔽敏感部件。但是，电子部件一般不会干扰电磁场，所以不会改变天线特性。
图22所示的两维阵列可以如图23a-d所示外插到其他阵列设计。阵列的元件可以布置成各种配置来达到空间和/或极化的多样性。除了图23a-d所示之外其他配置也是可以的。在各种情况下，阵列的元件可以以多种方式互相连接，或者可以彼此电气分离。此外，各个元件可以或不可以短路接地。包括前面所讲的那些在内的所有设计参数允许具有需要的电磁特性的天线结构的设计。
当然，天线结构的设计必须考虑制造过程，目标是设计出低成本的高效天线。在达到这个目标时，损耗问题可能是一个大问题。天线的电容性部分内部的电场很强。所以，两层金属之间不应该有材料。
如图24所示的第一个解决方案使用一个由两根连接到地的线60，61组成的天线元件。两根线之间的距离对于频率调谐是非常重要的。所以，应当有一个隔片来维持两线之间的固定距离。图24显示一个简单解决方案，其配置成如一个传统的安装电阻的表面。电线被固定在塑料空心圆柱体62之内，突出的电线焊接到地上。
如图25a-b所示的第二个解决方案使用一个构造得像一个印刷电路一样的天线元件。每个元件印刷在一个很薄的，低损耗的电介质基底上以便获得良好的效率。印刷电路元件于是垂直放置在地上。图25a显示一个简单的两臂元件。图25b显示一个接地印在基底上的相似的两臂元件。
天线阵列的寄生元件不必限于如图5和6所示的基本两线设计和以后说明的基于这些元件的结构。参考图26，寄生元件可以有一个螺旋组态。螺旋元件的谐振频率是圈数的函数。应当指出的是，当这样一个螺旋元件耦合到一个具有如图5和6所示的组态的驱动元件时，电容性耦合减少了。这是因为驱动元件用作一个偶极子，而螺旋元件用作一个四极子。
虽然经过对本发明结合具体实施例进行描述，对于在本技术领域熟练的人士，根据上文的叙述作出的许多替代、修改与变化将是显而易见的。因此，当这样的替代、修改和变化落入附后的权利要求的精神和范围之内时，应该被包括在本发明中。

Claims (24)

1.一种天线，其特征在于，包括：
接地平面；
纵向平行于接地平面而延伸的第一导体，所述第一导体具有电气连接到接地平面的第一末端和第二末端；
 纵向平行于接地平面而延伸的第二导体，所述第二导体具有电气上连接到接地平面的第一末端和离开第一导体的第二末端而放置的第二末端；
耦合到第一导体的天线馈电部分；
其中至少第一和第二导体中的一个是纵向开槽的。
2.如权利要求所述的1的天线，其特征在于，第一和第二导体对接地平面是等距离的。
3.如权利要求1所述的天线，其特征在于，第一和第二导体对接地平面不是等距离的。
4.如权利要求3所述的天线，其特征在于，第一和第二导体各自的第二末端重叠。
5.如权利要求4所述的天线，其特征在于，还包括纵向平行于接地平面而延伸的第三导体，
所述第三导体具有电气连接到第一导体的第一末端和覆盖第二导体的第二末端的第二末端。
6.如权利要求5所述的天线，其特征在于，还包括纵向平行于接地平面而延伸的第四导体，
所述第四导体具有电气连接到第二导体的第一末端和覆盖第三导体的第二末端的第二末端。
7.如权利要求6所述的天线，其特征在于，第四导体的第一末端和第二导体的第一末端纵向对齐。
8.如权利要求1所述的天线，其特征在于，第一和第二导体都开槽来界定多个的平行辐射元件，每一个包括第一导体的部分和第二导体的对应部分，其中第一导体的每个部分有一个离开第二导体的各自部分而放置来形成各自辐射元件的间隙的各自第二末端。
9.如权利要求8所述的天线，其特征在于，至少一个辐射元件的间隙是从另一个辐射元件的间隙纵向移位放置的。
10.如权利要求1所述的天线，其特征在于，开槽导体包括从导体的第一末端向导体的第二末端延伸的中央部分和一对从导体的第二末端向导体的第一末端纵向延伸的外侧指头。
11.如权利要求9所述的天线，其特征在于，第一和第二导体的各自的第二末端是重叠的。
12.一种天线，其特征在于，包括：接地平面；
平行于接地平面纵向延伸的第一导体，所述第一导体具有电气连接到接地平面的第一末端和第二末端；
平行于接地平面作纵向延伸的第二导体，所述第二导体具有电气连接到接地平面的第一末端和离开第一导体的第二末端而放置的第二末端；
平行于接地平面作纵向延伸的第三导体，所述第三导体具有电气连接到接地平面的第一末端和离开第一和第二导体的第二末端而放置的第二末端；
平行于接地平面作纵向延伸的第四导体，所述第四导体具有电气连接到接地平面的第一末端和离开第一，第二和第三导体的第二末端而放置的第二末端；和耦合到至少第一和第三导体中的的天线馈电部分。
13.如权利要求12所述的天线，其特征在于，第一和第三导体处于一种堆叠关系，并且第二和第四导体处于一种堆叠关系。
14.一种天线，其特征在于，包括：
接地平面；
平行于接地平面纵向延伸的第一导体，所述第一导体具有电气连接到接地平面的第一末端和第二末端；
平行于接地平面作纵向延伸的第二导体，所述第二导体具有电气连接到接地平面的第一末端和重叠于第一导体的第二末端的第二末端；
平行于接地平面作纵向延伸的第三导体，所述第三导体具有电气连接到接地平面的第一末端和重叠于第二导体的第二末端；
耦合到第一导体的天线馈电部分。
15.一种天线，其特征在于，包括：
接地平面；
辐射元件阵列，每个辐射元件具有平行于接地平面纵向延伸的第一导体，所述第一导体具有电气连接到接地平面的第一末端和第二末端，和平行于接地平面作纵向延伸的第二导体，所述第二导体具有电气连接到接地平面的第一末端和离开第一导体的第二末端而放置的第二末端；
耦合到至少辐射元件中的的第一导体的天线馈电部分。
16.如权利要求15所述的天线，其特征在于，每个辐射元件的第一和第二导体对接地平面不是等距离的。
17.如权利要求16所述的天线，其特征在于，第一和第二导体的各自第二末端是重叠的。
18.如权利要求15所述的天线，其特征在于，辐射元件布置成一个平行阵列。
19.如权利要求15所述的天线，其特征在于，辐射元件布置成一个第一平行的子阵列和一个正交于第一子阵列的第二平行子阵列。
20.如权利要求15所述的天线，其特征在于，辐射元件布置成一个不平行的阵列。
21.如权利要求15所述的天线，其特征在于，还包括一个具有螺旋形态的导体的辐射元件。
22.如权利要求15所述的天线，其特征在于，辐射元件包括处于空间分开关系的第一和第二导线。
23.如权利要求22所述的天线，其特征在于，第一和第二导线通过一个不导电的管状元件保持空间分开关系。
24.如权利要求15所述的天线，其特征在于，辐射元件包括印刷电路板。
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