CN1802772B - 多频带分支辐射天线元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种系统和方法，利用与馈送板相互连接的多个辐射分支提供多频带天线元件，由此提供具有单馈送的多频带天线元件。此外或者作为选择，利用本发明的多频带天线元件的多个辐射分支提供了一种宽频带天线配置。本发明的实施例采用一个或多个反射器以便例如提供引向性和/或辐射图成形，包括利用多频带天线元件的一个或多个辐射分支作为反射器用于多频带天线元件的另外的一个或多个辐射分支。

Description

多频带分支辐射天线元件

技术领域

本发明通常涉及无线通信，特别地，涉及多频带天线配置。

背景技术

目前，各种天线元件和天线阵列配置都在无线通信中应用。例如，偶极天线就是现今最常见的天线配置之一。简单使得它们相对便宜并且容易建造和配置。就此而言，偶极天线很可能是在各种移动台和基站设备中使用最广泛的天线元件形式。

总体上，偶极天线元件仅给出2.13dBi的增益。因此，许多现有的无线系统产品都使用一对偶极，这样增益就增加到约5dBi。例如，天线阵列可以这样配置：将天线阵列中的偶极天线元件对放置于接地层之上以提供期望的增益水平和具有期望轮廓/引向性的辐射图。

平板式天线是现今在无线通信系统中可见的另一种天线配置。平板式天线元件包括一片根据所期望的工作频带而确定尺寸的金属板。虽然平板式天线提供了比偶极天线元件更大的增益，但是与对相同频带敏感的偶极天线元件相比较，它的尺寸也相当大。此外，为了提供有用的天线阵列，平板式天线通常要求复杂的制造过程以及/或者装配工艺。

有时，希望提供一种具有双频带性能的基站或接入点。例如，可能希望适应根据不同的协议工作的无线通信网络，例如利用不同频带，如800MHz和2.4GHz的高级移动电话服务(AMPS)和个人通信服务(PCS)。此外或作为选择，特定无线设备可以使用多于单个频带，以例如接入多于单个服务。例如，根据服务所需，无线设备可以具有2.4GHz和5.2GHz的工作频率。这样，必须提供在这两个频带都有效的天线以便提供无线电信号的最优发送和接收。

一个提供双频带天线配置的现有技术是提供使对每个这样的频带敏感的天线元件在其中交错的天线阵列孔。例如，对第一频带敏感的偶极元件可以置于在其中具有对第二频带敏感的偶极元件的列中。这样的配置有效地在一个单天线阵列中提供了两个单频带天线系统。相应的，使用了相对大数量的天线元件并且导致相对复杂天线配置。此外，在这样的双频带配置中的天线馈送网络可能很复杂或者并不理想。例如，每个这样的交错天线阵列可能需要独立的低损耗(昂贵的)天线馈送电缆。

作为选择，可以使用负载实现具有单馈送的双频带偶极天线元件。特别地，负载可以放置于每个偶极子的元件中，充当所关心的各个频率的低或高阻抗，以提供双频带性能。然而，频率最优化通常导致调节电流路径并且，在大多数情况下，参与所需频带的阻抗匹配。这样的双频带偶极元件可能相对昂贵并且设计和制造上更加复杂。

另一种提供双频带天线配置的技术利用上面提到的平板式天线元件。例如，不同的模式可以被设置在一个平板式天线上以使其提供双频带性能。然而，这种双频带模式的使用也使这类元件的设计和制造变得复杂。此外，这类天线元件相对较大。因此在特定的双频带系统中可能不能实现平板式天线元件的使用。

发明内容

本发明针对一种利用由馈送板相互连接的多辐射分支来提供多频带天线元件的系统和方法，由此提供一种具有单馈送的多频带天线元件。例如，优选实施例的多频带天线元件的馈送板包括互连多个辐射分支的三角形板。

根据本发明的实施例，在多频带天线元件的谐振频率中的频率分隔相对较小，例如在1.2倍的阶上。根据本发明的另一实施例，在多频带天线元件的谐振频率中的频率分割相对较大，例如在2.5倍的阶上。优选的，天线元件的每个频带可以通过改变多频带元件各自的辐射分支而被优化并且/或者调节。

此外或作为选择，根据本发明的实施例利用本发明的多频带天线元件的多个辐射分支提供了一种宽频带天线配置。例如，本发明的一个实施例利用了矩形或长方形馈送板配置来互相连接多个辐射分支，由此获得宽频带的性能。优选的，在这样的宽频带配置中天线元件的频带可以通过改变多频带元件的辐射分支来优化和/或调节。

本发明的实施例利用一个或多个反射器，例如提供引向性和/或辐射图形状。例如，本发明的实施例可以利用多频带天线元件的一个或多个辐射分支作为多频带天线元件的另外的一个或多个辐射分支的反射器。此外或作为选择，接地层平面根据本发明的实施例可以被用作反射器。

上面的描述已经概述了本发明广泛的特征和技术优点，以使得下面将要进行的对本发明细节的描述可以更好地被理解。本发明额外的特征和优点将在下文描述，它构成了本发明权利要求书的主题。本领域的普通技术人员应该知道所公开的概念和具体实施例可以作为实现相同的发明目的的改变或设计其它结构的基础来使用。本领域的普通技术人员还应该知道与在附随的权利要求书中限定的等同的构造并不背离本发明的精神和范围。当与附随的特征结合在一起考虑时，被认为是本发明的特征的新的特征，及其组织和操作方法，以及进一步的目标和优点将在下面的描述中更好地被理解。特别应该理解，然而，每个特征都仅为解释和说明的目的而提供并不作为对本发明限定的限制。

附图说明

为了更完整的理解本发明，下面的描述结合附图将作为参考，其中：

图1A-1C示出了各种现有技术的偶极天线元件的配置；

图2A和2B示出了现有技术的角形(corner)反射器偶极天线系统的配置；

图3A-3C示出了根据本发明的实施例的多频带天线元件的辐射分支配置；

图4A-4E示出了根据本发明的实施例的包括信号馈送板的图3A-3C的辐射分支配置；

图5示出了根据本发明的多频带天线元件的实施例；

图6A-6E表示有益于将本发明的多频带天线元件配置为所期望的操作特性的参数和属性；

图7A和7B示出了根据本发明的实施例的多频带天线元件的子反射器辐射分支的配置；

图8示出了根据本发明的实施例的具有引向器元件的多频带天线元件的子反射器辐射分支的配置；

图9示出了根据本发明的实施例的多频带天线元件的另一子反射器辐射分支的配置；

图10A和10B示出了根据本发明的实施例的包括信号馈送板和传输线的图9的辐射分支配置；

图11A和11B示出了根据本发明的实施例的包括信号馈送板的多频带天线元件的印刷电路板的实现；

图12A-12D示出了根据本发明的实施例的角形反射器多频带天线配置；

图13示出了图12A-12D的角形反射器多频带天线配置的回波信号损耗的图；

图14A-14C示出了图12A-12D的角形反射器多频带天线配置在各种频率下的辐射图曲线。

具体实施方式

为了理解本发明的实施例的概念和优点，讨论各种现有技术的天线元件配置是有益的。因此，一些有关现有技术的天线配置的细节，例如关于偶极天线元件的信息将在下文中提供。

如图1A所示，一个偶极子包括一对平衡传输线，拓宽到一双共线的线(极101)中。其辐射图、辐射电阻和引向性严格地依赖长度(l)。很宽的可接受最优长度是具有类似圆环状的基本辐射图的半波偶极子配置(l＝1/2λ)。这是正弦电流在偶极子的端点消失的结果。换句话说，该配置由其物理谐振长度l决定，被限制在具有基本辐射图的单谐振频率上。这样的偶极天线的增益被测量并计算为大约2.13dBi。

由于辐射波瓣(lobe)的数量增加，并且在多个方向的传播中能量被辐射，在比与偶极子的长度相应的频率更高的频率上操作偶极子通常是不实际的。因此，如果期望获得多频带设备，上面提到的偶极天线元件配置表现出对于控制辐射图的挑战。

具有对于两个频带的单馈送的双频带偶极子可以利用放置于极中的充当各个所关心的频率的或低或高阻抗的负载来实现。在极111中的偶极子配置实施负载112如图1B所示。上面提到的负载可以利用多种方法来实现，例如使用时隙(slot)或曲径(meander)的结构扰动，添加寄生或无源元件。这样的双频带偶极子配置的频率优化通常涉及调节电流路径，并且在大多数情况下，涉及所需频带的阻抗匹配。

偶极天线的阻抗带宽通常受天线元件的物理直径的限制。因此，通过增加辐射元件的直径，阻抗带宽通常可以改进。一个增加阻抗带宽的设计利用了如图1C所示的不陡的圆锥。特别的，极121从耦合到偶极子的端点的馈送处在直径上渐缩。正如从图1C所示所能理解的那样，以这种方式增加偶极子的直径将导致三维体积，从而使得低开销的制造工艺，例如平面蚀刻，更加困难。因此，实施了二维设计，例如需要宽带平衡-不平衡变换器和阻抗匹配技术的蝶形天线配置。类似的，印刷偶极子配置的范围已扩展到模拟更大直径的电线。

反射器通常用于控制天线的辐射图，来增加天线的引向性，以及/或者增加天线的增益。例如，当辐射元件被放置于足够大的反射器之上时，反向辐射可以被排除。一个普通的技术是在反射器(接地层202)和辐射元件(偶极子201，包括极101)之间实施四分之一波长间隔(S＝1/4λ)，如图2A所示。上面所述的四分之一波长间隔将产生由建设性地(协调)增加的天线元件辐射的场(field)，由此提供增加的舷侧(在接地层202对面的偶极子201一侧)的辐射幅度。

辐射图还可以以如图2B所示的折叠反射器来控制。特别的，图2B的接地层212沿着平行于偶极子201的轴折叠，在那里驱动元件被放置在和折叠面具有折叠距离S的中心位置并且α表示折叠面之间的夹角。这样的配置被称为有效角形反射器。这种反射器配置的有效性是由在孔径前的常量相位的质量决定的，这样，反射器和馈送布局是频率相关的。对于间隔，S，接近1λ，对于馈送天线的反射场的增进将导致相位消除或者破坏的组合，导致舷侧无效。

本发明的实施例通过在其中利用多个辐射分支实施偶极天线元件配置解决了多频带天线配置的实施提出的挑战。注意图3A和3B，示出了两个包括辐射分支301和311的多频带偶极天线元件配置。特别的，图3A的配置显示了多频带偶极天线元件配置，在其中与宽带频带的最高频带或高端有关的辐射分支301被放置在与宽带频带的最低频带或低端有关的辐射分支311下面或后面。相反，图3B的配置显示了多频带偶极天线元件配置，在其中与宽带频带的最低频带或低端有关的辐射分支311被放置在与宽带频带的最高频带或高端有关的辐射分支301的下面或后面。这些特定配置将在下面更进一步的具体讨论。

与本发明的天线元件的辐射分支有关的谐振频率的频率分隔可以非常小，例如高频率在低频率的大约1.2倍的阶上，或者可以非常大，例如高频率在大约低频率2.5倍的阶上。根据本发明优选的实施例，天线元件的频带(宽频带配置)或者多频带(多频带配置)可以通过改变各自的辐射分支而容易地优化或改变。

本发明优选的实施例利用对多频带或宽频带操作的单馈送。例如，对于优选偶极天线元件实施例，可以利用如图3C所示的单平衡馈送。虽然可能以串行传输线对本发明的天线元件的辐射分支进行直接馈送，但这样的馈送配置通常导致很差的匹配条件。在馈送线之间的分隔，以及辐射分支之间的分隔同样影响匹配和辐射属性。

本发明的实施例利用辐射分支与一个导电板相互连接的单馈送技术。在本发明的多频带天线元件中使用的各种信号馈送板配置(即，与辐射分支相比具有相对大面积的导电板)如图4A-4E所示。具体的，图4A和4B示出了相应于图3A的辐射分支配置，其中三角形的信号馈送板401和402分别被用于将具有不同谐振频率的辐射分支301和311耦合。图4C和4D示出了相应于图3B的辐射分支配置，其中三角形的信号馈送板401和402分别被用于将具有不同谐振频率的辐射分支301和311耦合。

本发明的信号馈送板建立有关天线元件的负载效应，它改进了天线的频带的阻抗匹配。因此，信号馈送板可以被确定大小、形状和/或定向来优化阻抗匹配，以及其它工作特性。例如，可以基于特定的方向选择特定的三角形信号馈送板401或402，其中三角形的方向被颠倒过来，从而获得最好的频带和/或阻抗匹配。

图4E示出了信号馈送板的另一配置。图4E的配置利用矩形信号馈送板403提供超宽带天线元件，其两个辐射分支看上去结合为一个单个元件。该宽频带效应是由于偶极子的模式衰退了并且由此融合在了一起。特别的，由于信号馈送板的尺寸增加了，谐振频带扩散，从而有效的减小(de-Qing)了天线元件，使得频带变宽了。

应该知道本发明的实施例的天线元件的结构可以容易的嵌于印刷电路板(PCB)衬底上，例如FR4，以提供使用多个辐射分支的多谐振操作。这样的PCB天线元件配置可以包括寄生元件，例如反射器和/或引向器，以提高工作特性。这样的天线元件设计是对于多频带蜂窝基站阵列天线设计的最佳候选设计。

优选实施例的多频带天线元件的多频操作可以通过改变合适的辐射分支的长度来调谐。然而，对于外部辐射分支(图4A和4B中的辐射分支311，图4C和4D中的辐射分支301，和图4E中的辐射分支311)，电流在信号馈送板的电容效应之间馈送，这将导致谐振频率向上移动。即，不仅在内部和外部辐射分支中的电流将确定工作频率(多频带配置)或宽频带匹配(宽频带配置)，而且电容效应通常也将导致一些谐振频率的移动。此外，本发明的信号馈送板的维度一般也将影响多频带天线元件的工作频率并且，相反，本发明的信号馈送板的维度也可以由有关辐射分支分隔的设计准则来决定。

上面提到的有关本发明的信号馈送板的电容效应，如图5所示，可以利用平行板电流递减或彼此分开以将该耦合效应分割开来的方式来减轻。在图5的实施例中，高频辐射分支(即，短的辐射分支)被放置在天线元件的内部(例如，朝向信号发生器)并且低频辐射分支(即，长的辐射分支)被放置在天线元件的外部(例如，在高频辐射分支的上面或前面)，类似于图4D所示的配置。然而，在图5的实施例中，三角形信号馈送板501彼此渐缩以减少耦合效应，由此提供一个锥形内径信号馈送板配置。可选实施例可以使用不同的锥形内径信号馈送配置，例如梯形或曲线配置，来提供期望的工作特性，例如宽频带操作。

图5的箭头520示出了有关外部辐射分支(在此是低频分支)的电流并且图5的箭头510示出了有关内部辐射分支(在此是高频分支)的电流。这些电流路径决定了所示实施例的有关辐射分支的谐振频率。因此，图5的锥形内径信号馈送板配置提供了多频带操作并且工作频率可以通过调节适当的辐射分支的长度来调谐，如上所述。然而，锥形内径信号馈送板配置通过减少不需要的存储能量也增加了天线的每个谐振的带宽。

根据本发明的优选实施例，通过优化由锥形内径信号馈送板501获得的天线结构可以获得另一种模式，即频率独立效应模式。频率独立效应归因于锥形内径信号馈送板501之间的结构的平滑比例，提供如下面的箭头540所示的孔径，表示箭头530所示的电流有关的边缘场。由这种模式产生的最低谐振由形成边缘场的孔径决定。这一电气属性类似于喇叭式或锥形槽式天线。

如上所述，本发明的辐射分支的长度以及信号馈送板的尺寸、形状和/或图形最好在设计和/或调谐用于在特定频率或多个频率下工作的天线元件实施例时考虑。图6A示出了根据本发明的优选实施例使用的4个最重要的通用设计参数，由A、B、C和D表示。根据这些参数的结构配置，可以实现不同的谐振和工作模式。

有关外部辐射分支(在这里是低频辐射分支)的工作属性主要是参数A和B的函数，而有关内部辐射分支(在这里是高频辐射分支)的工作属性主要是参数B和C的函数。特别的，在信号馈送板的尺寸、形状和/或图形(参数B)匹配辐射分支时，参数A和C分别调谐有关外部和内部辐射分支的各个谐振。对于频率独立操作模式，参数A、B和D可以优化。

图6B-6E示出了参数A、B、C和D的各种属性。天线元件的结构变化可以根据图6B-6E的特定属性来实现。有关各种属性的效应的概要由下表示出。

A1+B1+B3	直接影响下带谐振频率
		C1+B2	直接影响上带谐振频率
A2	下带带宽控制
		C2	上带带宽控制
A3+A4	下带天线减少尺寸
		B1	元素A和C之间的分隔
B3	影响耦合的角度
		B2+B3	优化带宽和阻抗匹配
D1	改进阻抗匹配
		D2	频率独立波导，通常由指数比例定义
D3	低频终端

虽然上面的表中提供的描述是放置在图6A的配置中的低频和高频辐射分支参考的，应该理解所描述的这些参数和属性对于其它多频带天线元件配置也同样有效。例如，在低频辐射分支被放置在高频辐射分支下面或后面时，在上表中提供的低/高频参考应当被转置。

从上面的描述中明显可以看出，谐振频率可以通过属性A1+C1(C1对应高频，A1对应低频)的选择来独立调谐或控制。此外，低谐振频率也由属性B1和B2决定，因为这些属性影响有关低频辐射分支的电流路径。属性A2和C2影响各个辐射分支的带宽。即，一般说来属性A2和C2越大，辐射分支带宽越大。

属性B3的角度与在偶极子配置中的两条电流路径的分隔有关，这样角度越大，耦合效应减少得越多。此外，属性B3还影响多频带天线元件的多谐振频带之间的匹配。由于信号馈送板减少了天线的Q-因子，属性B3还具有一些宽频带效应，并且如关于图5的描述，结合另一谐振模式，给出了超宽频率独立模式。属性B1、B2和B3确定了超宽频率独立模式的孔径，该孔径确定该模式的工作频率。

参数D1和D2定义了提供接近锥形槽天线的操作的曲线形信号馈送板实施例。锥形槽充当频率独立波导，类似于上面关于图5的描述。

根据尺寸减少的实施例来使用属性A3和A4。例如，与低谐振频率有关的属性A1可以非常长。因此，根据属性A3和A4辐射分支可以被折叠，以形成尺寸减少的辐射分支。在图6E的实施例中，这样的辐射分支的整体长度可以缩短大约属性A3的长度。与属性A4有关的圆锥可以被选择以提供负载效应，调谐谐振频率并且/或者改进带宽。当然，减少辐射元件尺寸的各种实施例都可以使用，例如图6D折叠配置。

根据传统知识，高频元件可以被放置在物理上更大的低频元件之前。根据传统知识，这样配置的一个理由是大元件阻碍或“短路”短波长的电磁波。在这种情况中，高频电磁波不能传播通过大元件。反而，大元件可以有效的形成高频元件的反射器。

本发明的实施例利用了上述现象来优化舷侧辐射。特别的，依赖元件之间的间距，辐射场的合成相位可以建设性地结合以优化舷侧辐射图。然而，与传统知识相反，本发明的优选实施例如下放置辐射分支使得高频辐射分支被放置在低频辐射分支下面或后面。

直接关注图7A和7B，它们示出了高频辐射分支被放置于低频辐射分支下面或后面时，用于优化舷侧辐射的优选实施例配置。特别的，具有如上所述的低谐振频率的辐射分支311作为外部辐射器被放置，并且具有如上所述的低谐振频率的辐射分支301作为内部辐射器被放置。应该知道，虽然本发明的优选实施例提供了偶极天线元件配置，但是图7A和7B的说明已被简化以仅仅示出每个辐射分支的单个极。

图7A和7B还示出了反射器701，该反射器例如可以包括接地层。虽然图7A和7B为描述而简化，但是优选实施例的反射器701包括折叠反射器。例如，反射器701可以诸如通过提供单折叠来提供角形反射器配置，直接放置于辐射分支301和311之后并具有与它们平行的轴，这样反射器701的面就以接近45°的夹角放置。当然，对于反射器也可以使用不同于45°的夹角，例如，如果需要，任意小于180°的夹角。反射器701的另一实施例包括多折叠，如图2B所示。当然，反射器701的配置可以根据不包括折叠面的可选实施例来进行使用。例如，反射器710可以包括基本上相应于辐射分支的形状的元件，然而该元件比最长的辐射分支更长以便提供从中提供反射器。

尽管为简化起见在图7A和7B中没有示出，辐射分支701和711更适宜使用一个信号馈送板按如上所述的方式耦合。而且，尽管没有在图7A和7B中特别阐明，应该知道，辐射分支可以被配置用以提供所需的操作特性，例如如上所述的那样通过调整参数A，B，C，和/或D的属性。

在图7A和7B的辐射分支配置中，高频辐射分支被放置在低频辐射分支的下面或后面，这使得反射器可以高效地被每个这样的频率所使用。特别地，反射器701提供一个反射器用于为在天线舷侧方向上的辐射分支311有关的辐射场引向。因此，从辐射分支311传播的沿反射器701方向的辐射场将被反射器701反射，并与天线舷侧的辐射分支301辐射的场相结合。此外，辐射分支311和反射器701提供反射器用于为在天线舷侧方向上的与辐射分支301有关的辐射场引向。从辐射分支301传播的沿辐射分支311方向的辐射场将被辐射分支311反射与辐射分支301的沿反射器701方向辐射的场相结合。结合之后的向反射器701传播的辐射场将被反射器701反射以提供一个从天线舷侧传播的波前。

在图7A和7B示出的实施例中，辐射分支311担当关于辐射分支301的子反射器。反射器701担当关于辐射分支301和辐射分支311的反射器。

在图7A和7B的配置中，辐射分支311担当关于辐射分支301的子反射器。该配置提供了一种多频带天线元件，其中每个频带的增益都是十分相似的。即，与低谐振频率的辐射分支相关联的增益和与高谐振频率的辐射分支相关联的增益是相似的。应该知道，在现今可用的大多数双频带天线设计中，一个频带的增益典型的基本上与另一个频带的增益明显不同。例如，在传统的双频带构造中使用不同尺寸的辐射元件将导致与每个这样的频带相关联的非常不同的天线孔径。例如，在一个双频带平板式天线中，与较高频率和较低频率相关联的平板元件在尺寸，厚度，和进给路上差异很大。双频带偶极天线构造也具有相同的差异，尽管通过视觉观察不是十分明显。这种差异导致了不同的辐射孔径，因此的两个频带之间的增益是不同的。而且，辐射机制是：一个频带明显的不同于另一个频带，因此，在一个频带中的电流具有一种模式并且在另一个频带内的电流具有另一种模式。这两种模式具有与此有关的不同的增益。然而，如图7A和7B所示，本发明的优选实施例实现了一个子反射器配置，提供了多频带操作，其中多个频带的增益基本上是平衡的。

从上述讨论中可知，辐射分支之间的间隔影响辐射场与反射辐射场的相控结合。一个确定图7A和7B所示的辐射分支之间最优间隔的公式如公式(1)所示：

$S_2=x\{\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{2}-(S_1+\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{2})\}+\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{2}---\left(1\right)$

其中S₁是辐射分支301和311之间的间隔(见图7B)，S₂是辐射分支301和反射器701之间的间隔(见图7B)，λ₁是辐射分支311的谐振频率，λ₂是辐射分支301的谐振频率，x是自然数。

间隔距离S₁最好为辐射分支301所辐射的场的反射而进行优化。因此，本发明的一个优选实施例中的S₁是辐射分支301的波长λ₂的一个因子。反射器701对于辐射分支的位置是谐振频率波长(Ratio_λ₁是辐射分支311的波长，Ratio_λ₂是辐射分支301的波长)的函数，可以由下面的公式(2)和(3)定义的那样给出：

${\mathrm{Ratio}\_\mathrm{\λ}}_1=\frac{S_1+S_2}{{\mathrm{\λ}}_1}---\left(2\right)$

${\mathrm{Ratio}\_\mathrm{\λ}}_2=\frac{S_2}{{\mathrm{\λ}}_2}---\left(3\right)$

根据优选实施例，反射器701对于每个辐射分支的最优位置是其各自波长的0.25到0.7倍。

本发明的实施例可以额外或选择使用引向器元件，例如增加天线对应于每个频带的增益。图8示出了一个实施例，其中图7A和7B的辐射分支配置被调整为包括了引向器元件。与上文对图7A和7B所讨论一样，应该知道，图8只是简化的示出了每个辐射分支的一个单独的极。

根据优选实施例，对于其驱动元件引向器811被调谐了一个最优长度，辐射分支311。引向器811和辐射分支311之间的间隔也最好被优化以达到最大的引向性。类似地，对于其驱动元件，引向器801最好被调谐一个最优长度，辐射分支301。引向器811和辐射分支301之间的间隔也最好被优化使达到最大的引向性。

应该知道，在图8的实施例中，对于天线元件的每个工作频带都使用了引向器元件。与图7A和7B的配置相比，该实施例在两个频带都提供了增加的增益。图8所示配置的另一个优点是当工作的频率之间的比率大于2时，引向器元件的使用可以在一定程度上缓解对于间隔S₂的最优化约束。特别地，引向器801使得S₂可以些微地降低以减轻与辐射分支301有关的辐射的舷侧消除。

尽管上述实施例中是对于具有两个不同配置的辐射分支的多频带天线元件配置而描述的，但是本发明并不限于该配置。例如，如图9所示，本发明的多频带天线元件可以通过使用三个不同的辐射分支提供三频带配置。应该知道，尽管本发明的优选实施例提供了偶极天线元件配置，图9被简化为仅仅示出了每个辐射分支的一个极。

在图9的实施例中，辐射分支301和311，以及反射器701都如图7所讨论的那样提供。然而，辐射分支901被放置在辐射分支301的前面或上面，该辐射分支901具有的谐振频率位于辐射分支301的较高谐振频率和辐射分支311的较低谐振频率之间。在图9所示的配置中，辐射分支901使用较低谐振辐射分支311作为反射器去获得天线舷侧方向的最优辐射。尽管与辐射分支901有关的舷侧辐射的引向性直接受到间隔S₃的影响，辐射分支301和311使用的反射器701对于所示实施例中的辐射分支901具有最小的影响。

应该知道可选实施例可以不同于图9中所示的多频带天线元件配置来实现。例如，根据一个实施例，最高频率辐射分支301和中频辐射分支901可以与最低频率辐射分支311互换。而且，与辐射分支有关的特殊频带也不限于图9中所示。例如，不为与辐射分支901有关的一个中频率，辐射分支901可以配置为与辐射分支301具有相同的谐振频率，例如，如果需要，可以提供对于这个工作频带的增加的增益和/或提供对于这个工作频带的信号差异。

尽管为了简化起见在图9中没有示出，建议使用如上讨论中的信号馈送板对各个辐射源进行耦合，例如辐射分支301和311和/或辐射分支311和901。一个实施例中的辐射分支901采用一个与辐射分支301和311相分离的天线馈送，例如用来促进那些相距太近以至于无法有效整合的谐振频率。因此，当辐射分支301和311的谐振频率之间的间隔在1.2倍的阶时，辐射分支301和901和/或辐射频率311和901的谐振频率之间的间隔可以为0.5倍的阶或更小。

图10A和10B示出了三频带天线元件配置的实施例具有一个单独的馈送实现。在图10A和10B的实施例中，如图5中所述那样，辐射分支301和311通过一个锥形内径的信号馈送板510相耦合。而且，在图10A和10B的实施例中，在辐射分支311之上放置了多个辐射分支用于提供第三模式。在图10A所示的构造中，包括串行传输线1010用于耦合如图9中所示的辐射分支311和910。在图10B所示的配置中，在辐射分支311顶端包含了一个附加的辐射分支1001，由此形成具有比所述辐射分支更低谐振频率的辐射分支。

另一个提供了单馈送配置的实施例在图11A和11B中示出。在图11A和11B的实施例中，辐射分支301，311和901，信号馈送板402，和每半个偶极天线的串行传输线1010被放置在电介质衬底1111的异侧，例如可以包括一个PCB衬底。辐射分支301、311和901，信号馈送板402和/或串行传输线1010被这样定向以形成一个叠加区域，由此定义图11B中所示的波导。

所述实施例中的波导1110引导信号通过天线元件到达各个辐射分支。可以知道，通过具有其中放置了电介质材料的，通过波导1110传播的电磁波被减速，因而可以允许更小的天线元件配置。图11A和11B所示实施例配置的另一个优点是可以在PCB本身上实现平面的平衡-不平衡变换器，用以向偶极天线元件提供一个平衡的馈送。

一个实现了本发明概念的原型天线在图12A-12D中示出。在图12A-12D所示的原型配置中，多频带偶极天线元件1200被平衡-不平衡变换器1250馈送并放置在反射器710的前面。应该知道，由于信号馈送板501和折叠辐射分支311的结合使用，天线元件1200大约比在天线元件1200位于其最低工作频带下可操作的典型的无载偶极天线元件小1.5倍左右。

图12A-12D所示的实施例包括使用反射器701来提供一个高方向性天线，同时提高了辐射分支之间的阻抗匹配。在所述实施例中，反射器710被折叠以提供一个角形反射器配置。然而，其它实施例可以采用不同的构造。例如，反射器710可以包括一个带状的元件，其长度比天线元件的最低工作波长要长，例如这个元件可以嵌在一个与天线元件1200相同的衬底上。

图12A-12D所示的原型天线构造的一个实施例被配置为响应1.5到1.76GHz(低频带)和2.8到3.36GHz(高频带)，回波损耗被测量。图13示出了一幅检测到的回波损耗的曲线图，示出了检测到的阻抗带宽分别是低频带和高频带的12％和15％。正如所检测的，与每个频带有关的增益约为7dBi。因此，在示例原型天线配置中，两个频带被提供了基本相同的增益，且每个频带的阻抗带宽高于10％。

另一个重要的特性是结果辐射或天线图。图14A-14C示出了在如上配置的原型天线的频带内的远场辐射图。应该知道，低频带和高频带的辐射图是基本相同的。

尽管优选实施例中包括了对偶极天线元件配置的描述，应该知道，本发明的概念却不仅限与这种配置。例如，可通过使用图4A-4E中所示天线元件的一半(左右均可)来实现单极配置，它可能更适合与移动终端。

应该知道，本发明的实施例不限于所示的辐射分支的配置。例如本发名的实施例可以采用一个如图1所示的锥形的辐射分支，一个蝶型辐射分支，一个圆柱型辐射分支，等等。

此外，可以根据本发明给出提供不同的或多个极化的配置。例如，交叉极化可以由一个辐射分支正交放置的配置得到。根据一个具体实施例，由用于每个频带的4个辐射分支提供交叉极化，这4个分支中的一对如图4A-E所示放置，另外一对围绕其中心轴旋转90度放置，从而提供纵向的和横向的极化。

应该知道，尽管上述实施例都是由本发明的天线对信号进行发送的，在此公开的概念同时适用于信号发送和信号接收。因此，本发明的多模式天线元件可以根据需要与传送器(信号发生器)，接收器，和/或无线电收发机相耦合。因此，其中所采用的“辐射分支”包括适合信号发送，信号接收和/或其结合的分支。

尽管本发明及其优点已在说明书中进行了详细的描述，在不违被所附权利要求的精神和范围的前提下，可以对其进行改变，代替和替换。而且，本发明的范围不应受说明书中描述的过程、机器、制造工艺、物件的组成、装置、方法和步骤的实施例的限制。作为本领域的普通技术人员从本发明所公开的内容可以容易的知道，现有的或者随后将被开发的与在此描述的相应实施例执行基本上相同的功能或获得基本上相同结果的过程、机器、制造工艺、物件的组成、装置、方法或者步骤根据本发明都可以被利用。因此，附随的权利要求书意图在其范围内包括这些过程、机器、制造工艺、物件的组成、装置、方法或步骤。

Claims (30)

1.一种天线元件，包括：

第一辐射分支，其与第一谐振频带有关；

第二辐射分支，其与第二谐振频带有关；

第一信号馈送板，耦合所述第一辐射分支和所述第二辐射分支，由此提供有关所述第一和第二辐射分支的单信号馈送；

第三辐射分支，其与第一谐振频带有关；

第四辐射分支，其与第二谐振频带有关；以及

第二信号馈送板，耦合所述第三辐射分支和所述第四辐射分支，由此提供有关所述第三和第四辐射分支的单信号馈送。

2.根据权利要求1所述的天线元件，其中所述第一谐振频带在所述第二谐振频带的1.2倍到2.5倍的范围内。

3.根据权利要求1所述的天线元件，还包括：

反射器，其被定位以使所述第一辐射分支被放置于所述第二辐射分支和所述反射器之间。

4.根据权利要求3所述的天线元件，还包括：

第一引向器元件，被放置于所述第一辐射分支和所述反射器之间；以及

第二引向器元件，其中所述第二辐射分支被放置于所述第二引向器元件和所述反射器之间。

5.根据权利要求3所述的天线元件，其中从所述反射器到所述第一辐射分支的距离S₁在0.25λ₁到0.7λ₁的范围内，其中λ₁是所述第一谐振频带的特征波长，并且从所述反射器到所述第二辐射分支的距离S₂在0.25λ₂到0.7λ₂的范围内，其中λ₂是所述第二谐振频带的特征波长。

6.根据权利要求5所述的天线元件，其中距离S₁作为S₂的函数根据以下公式确定：

$S_1=x\{\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{2}-(S_2+\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{2})\}+\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{2},$ x是自然数。

7.根据权利要求3所述的天线元件，还包括：

第五辐射分支，其与第三谐振频带有关，其中所述第一和第二辐射分支放置于所述第五辐射分支和所述反射器之间。

8.根据权利要求7所述的天线元件，还包括：

信号传输线，其耦合到与所述第一信号馈送板和所述第二信号馈送板电隔离的所述第五辐射分支。

9.根据权利要求7所述的天线元件，还包括：

第三信号馈送板，将所述第五辐射分支耦合到所述第二辐射分支。

10.根据权利要求7所述的天线元件，其中所述天线元件提供多频带操作，其中所述多频带操作的第一频带相应于所述第一谐振频带，所述多频带操作的第二频带相应于所述第二谐振频带，所述多频带操作的第三频带相应于所述第三谐振频带。

11.根据权利要求7所述的天线元件，其中所述天线元件提供宽带操作，其中所述宽带操作的第一边缘相应于所述第一和第三谐振频带之一，并且所述宽带操作的第二边缘相应于所述第二谐振频带。

12.根据权利要求1所述的天线元件，其中所述天线元件提供多频带操作，其中所述多频带操作的第一频带相应于所述第一谐振频带，并且所述多频带操作的第二频带相应于所述第二谐振频带。

13.根据权利要求1所述的天线元件，其中所述第一信号馈送板和所述第二信号馈送板包括三角形结构。

14.根据权利要求1所述的天线元件，其中所述第一辐射分支，所述第二辐射分支，所述第三辐射分支，所述第四辐射分支，耦合所述第一和第二辐射分支的所述第一信号馈送板，以及耦合所述第三和第四辐射分支的所述第二信号馈送板安排在印刷电路板衬底上。

15.根据权利要求14所述的天线元件，其中所述第一辐射分支，所述第二辐射分支，和耦合所述第一和第二辐射分支的所述第一信号馈送板安排在所述印刷电路板衬底的第一面上，并且所述第三辐射分支，所述第四辐射分支，以及耦合所述第三和第四辐射分支的所述第二信号馈送板安排在所述印刷电路板衬底的第二面上。

16.根据权利要求15所述的天线元件，其中所述第一辐射分支、所述第二辐射分支、以及耦合所述第一和第二辐射分支的所述第一信号馈送板中的至少一个的一部分与所述第三辐射分支、所述第四辐射分支、以及耦合所述第三和第四辐射分支的所述第二信号馈送板中的至少一个的一部分重叠，以由此在其间定义波导。

17.根据权利要求15所述的天线元件，其中耦合所述第一和第二辐射分支的所述第一信号馈送板和耦合所述第三和第四辐射分支的所述第二信号馈送板被渐缩以提供锥形内径天线元件配置。

18.一种提供天线元件的方法，包括：

利用信号馈送板耦合与第一谐振频带有关的第一辐射分支和与第二谐振频带有关的第二辐射分支，所述信号馈送板提供有关所述第一和第二辐射分支的单信号馈送；

通过成形所述信号馈送板在所述第一辐射分支和所述第二辐射分支之间匹配阻抗；其中所述匹配阻抗步骤包括对所述信号馈送板选择三角形的形状并且相对于所述第一辐射分支和所述第二辐射分支选择所述三角形的方向，其中所述第一谐振频率大于所述第二谐振频率，并且其中所述方向提供沿所述第一辐射分支的所述三角形的底以及沿所述第二辐射分支的所述三角形的顶。

19.根据权利要求18所述的方法，其中通过成形所述信号馈送板而匹配的所述阻抗在与从第一谐振频率为所述第二谐振频率的1.2倍到第一谐振频率为所述第二谐振频率的2.5倍有关的范围内。

20.根据权利要求18所述的方法，还包括：

通过成形所述信号馈送板，配置所述天线元件，以用于独立于所述第一谐振频带和所述第二谐振频带的操作模式。

21.根据权利要求18所述的方法，还包括：

提供反射器表面，使得所述第一辐射分支置于所述第二辐射分支和所述反射器表面之间。

22.根据权利要求18所述的方法，还包括：

在所述第二辐射分支的与所述第一辐射分支相对的一侧提供第三辐射分支。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述第三辐射分支与第三谐振频率有关。

24.根据权利要求18所述的方法，还包括：

将所述第一辐射分支、所述第二辐射分支以及所述信号馈送板安排在电介质衬底上。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述电介质衬底包括印刷电路板衬底。

26.根据权利要求24所述的方法，还包括：

将第三辐射分支、第四辐射分支以及另一信号馈送板安排在所述电介质衬底上。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述第一辐射分支、所述第二辐射分支以及所述信号馈送板安排在所述电介质衬底的第一面上，并且其中所述第三辐射分支、所述第四辐射分支以及所述另一信号馈送板安排在所述电介质衬底的第二面上。

28.根据权利要求27所述的方法，还包括：

利用所述电介质衬底以及所述信号馈送板和所述另一信号馈送板的至少一部分形成波导。

29.根据权利要求18所述的方法，还包括：

提供第一引向器，其与所述第一辐射分支有关；

提供第二引向器，其与所述第二辐射分支有关，其中所述第一和第二辐射分支放置于所述第一和第二引向器之间。

30.一种偶极天线系统，包括：

第一偶极元件，其与第一频带有关；

第二偶极元件，其与第二频带有关，其中所述第二偶极元件被定向为平行于所述第一偶极元件，并且其中所述第一频带大于所述第二频带；以及

反射器，提供所述第一频带和所述第二频带的反射，其中所述第一偶极元件放置在所述第二偶极元件和所述反射器之间，其中所述第一偶极元件包括第一和第二辐射分支，并且所述第二偶极元件包括第三和第四辐射分支，所述系统还包括：

第一信号馈送板，其耦合所述第一和第三辐射分支；以及

第二信号馈送板，其耦合所述第二和第四辐射分支。

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