CN1893182B - 天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开具有天线系统(602)的无线通信设备(100)。天线系统(100)是具有宽带特性的内部天线，它提供在多个频带上的覆盖范围。天线系统(100)具有有限接地表面(102)、通过电介质隔离件支撑的长条状导体(104)，和至少一个串联信号馈送装置(110)。

Description

天线系统

技术领域

本发明通常涉及天线系统，并且更具体而言，涉及一种用于无线通信设备的天线系统。

背景技术

天线是用于辐射和接收电磁波的媒介。近年来，用于无线通信设备的天线的设计与性能已经取得了显著的重要性。在用于无线通信设备的天线开发中所涉及的关键技术方面包括：天线的紧凑度、天线的全内置结构、和天线的多带操作。

为了有效地将电磁波辐射到自由空间，天线的尺寸应当具有辐射波长的特征(order)，它与频率正反比。例如，在GSM系统中使用的900 MHz处的波长是330mm，它远大于当前使用的无线通信设备的尺寸。通常，无线设备的操作频率相对于手机尺寸具有长的波长。特别是，术语“紧凑尺寸”和“宽带”通常是互相冲突的。因此，嵌入在无线通信设备中的天线的设计应当是小型的，但还应当处理通常需要较大天线尺寸的频率。

与外部天线相反，全内置天线被安装在无线设备的壳体内。全内置天线的优点包括：抗冲击性能的增强、一致的天线效率、制造成本的降低等。因此，对无线通信设备的全内置天线的需求正在增长。

多带天线是一种可以使用在多于一个频带中的天线。具有使用不同频带的不同通信协议。通信协议的实例包括：AMPS、GSM 800、GSM900、GSM 1800、GSM 1900和UMTS。期望可以生产能够根据多于一种通信协议进行操作的无线通信设备。这就必需在不同频带中发射和接收的信号。

因此，就存在开发紧凑尺寸内部天线的机会，该这些内部天线能够操作在多频带中(而不是对不同的带采用单独的天线)。

附图简述

本发明借助附图中的非限制性的实例进行描述，附图中相似的参考表示类似的元件，其中：

图1是根据第一个示例性实施例的天线系统的透视图。

图2是根据第二个示例性实施例的天线系统的透视图。

图3是图2的天线系统的透视图，它描述了当操作在第一种、共模电磁中时在长条状导体上的驻流波(standing current wave)极性。

图4是图2的天线系统的透视图，它描述了当操作在第二种、差模电磁时在长条状导体上的驻流波极性。

图5是根据第三个示例性实施例的天线系统的透视图。

图6显示根据示例性实施例的无线通信设备的视图。

图7是根据图6中所示的示例性实施例的天线系统的回波损耗图。

本领域技术人员将意识到附图中的元件是出于简便和清晰的目的来描述的，附图中的元件并不必须按规定的比例绘制。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其它元件被放大，以便有助于增进对所展示的实施例的理解。

具体实施方式

在详细描述特定的天线系统实施例之前，应当注意到，通过附图中的常规符号适当地表示装置部件，附图仅仅显示了与理解本发明有关的那些特定内容，以致于不会混淆详细叙述的公开内容，本领域的普通技术人员在得益于本文的描述内容之后，将很容易明白详细叙述的公开内容。

公开了一种用于在多个频带上发送和接收信号的天线系统。该天线系统具有：有限(finite)接地表面、长条状(elongated)导体、和至少一个串联信号馈送装置。长条状导体包括：沿着长条状导体的至少一个边缘的缝隙。信号馈送装置是与长条状导体串联的串联馈送装置。而且，还公开了一种无线通信设备，其具有在多个频带上发送和接收信号的天线系统。该无线通信设备进一步包括：提供为与天线系统串联的串联信号馈送装置。

图1是根据第一个示例性实施例的天线系统100的透视图。天线系统100用于发送和接收在无线通信网络中的信号。天线系统100可以被实现为在具有宽带特性的无线通信设备中嵌入的内部天线。

天线系统100包括：有限接地表面102，具有两个缝隙108、109的长条状导体104，和串联信号馈送装置110。在这个实施例中，有限接地表面102是多层电路板114中的一层。多层电路板114支撑和互连在无线通信设备中的多种电气部件，例如，麦克风(MIC)、液晶显示屏(LCD)、电池、扬声器、振动器、LCD连接器、电池连接器等。在替换的实施例中，有限接地表面102包括多层电路板114的若干连接层。

长条状导体104通过将无线电波转换为电信号并且反之亦然，而被应用在电磁能量的传输和接收中。长条状导体104位于电介质隔离件106的一个或多个表面上。在这个实施例中，通过平板印刷蚀刻或印刷，将长条状导体104整体形成在电介质隔离件106上。替换地，可以独立地形成长条状导体104，并且随后在电介质隔离件106上放置长条状导体104。尽管并不是必须使长条状导体104具有严格对称的几何形状，但所显示的长条状导体104是与中心平面112对称。在这个实施例中，长条状导体104是由金属片制成。

长条状导体104包括：第一顶端116、第二顶端118、第一腿部(leg)120和第二腿部122。电介质隔离件106是空心盒，它具有第一表面136、第二表面138、第三表面140、第四表面142、第五表面144和第六表面146。第一顶端116位于中心平面112的第一侧上的第一表面136上。第二顶端118位于中心平面112的第二侧上的第一表面136上。第一腿部120位于中心平面112的第一侧上的第二表面138和第三表面140上。第二腿部122位于中心平面112的第二侧上的第三表面140和第四表面142上。长条状导体104的第一顶端116、第二顶端118、第一腿部120和第二腿部122可以具有可变的形状和宽度。

在这个实施例中，长条状导体104被正交地折曲(orthogonallymeander)，这意味着长条状导体104在电介质隔离件106的至少三个基本上垂直的表面136、138、140上弯曲。在图1的天线系统100中，第一顶端116、第二顶端118、第一腿部120和第二腿部122在电介质隔离件106的至少三个垂直的表面136、138、140上弯曲。在这个实例中，平行于表面138但垂直于表面136和140的第四表面142是正交折曲的一部分。应当注意到，由于天线系统100是实施在具有弯曲的设备壳体中，因此正交的折曲不需要完全为正交(orthogonal)，以便实现所需的带宽和紧凑度特性。

在这个实施例中，第一顶端116和第二顶端118相对于中心平面112对称，尽管并不是必须使第一顶端116和第二顶端118相对于中心平面112对称。类似地，第一腿部120和第二腿部122相对于中心平面112对称，尽管并不是必须使第一腿部120和第二腿部122相对于中心平面112对称。

电介质隔离件106支撑有限接地表面102上的长条状导体104。电介质隔离件106优选是由诸如聚酰亚胺的低损耗材料制成。在这个实施例中，电介质隔离件106是由诸如环氧纤维玻璃(epoxy-fiber-glass)的塑料材料制成。在这个实施例中，电介质隔离件1 06的尺寸对应于分别在x、y、z轴上的λ/4乘以λ/8乘以λ/16，其中λ是与所涉及的(interest)2f₀频率相关联的波长(其中2f₀是所涉及的(interest)上频带(upper band)的平均频率位置)。x、y、z轴正如图1中的显示。在这个实施例中，天线系统100具有10毫米(mm)的接地间隙(clearance)，并被限制为具有0.5mm壁厚的尺寸为36mm乘以24mm乘以10mm的电介质隔离件106。在这个实施例的延伸中，电介质隔离件106内部的空气空间(air space)容纳复音扬声器，且在天线系统100的辐射性能方面具有不显著的下降。这样，以在使用无线设备壳体内的可用空间方面很有效的的方式容纳长条状导体104。在尽可能期望制作小型无线通信设备的情况下，对空间的有效使用是很有益的。

沿着电介质隔离件106的侧面，长条状导体104具有两个缝隙108、109。第一缝隙109的一部分是在第一顶端116和第一腿部120之间的气隙(air gap)  第二缝隙108的一部分是在第二顶端118和第二腿部122之间的气隙。缝隙108、109形成边缘线(edge line)传输线。边缘线传输线将射频能量从一个点发射或引导(guide)到另一点。在长条状导体104的一个或多个边缘上的缝隙108、109增大了天线系统100的操作带宽。在这个实施例中，在中心平面112的任一侧上的每个缝隙108、109的长度是λ/4长，它对应于所涉及的(interest)最高频带的中心频率位置。尽管显示的缝隙108、109具有恒定的宽度，但是缝隙108、109的宽度可以是变化的。在这个实施例中，缝隙108、109的宽度是1mm。在其它实施例中，缝隙108、109的宽度可以以逐步(step-wise)的方式锥形式减小或递增地变动。

第一腿部120端部处的第一部分124和在第二腿部122端部处的第一部分126被隔开宽的距离128。第一腿部120的第一部分124和第二腿部122的第一部分126的宽的间隔降低了耗散损耗。距离128是邻近缝隙宽度130的至少两倍，该邻近缝隙宽度130通常至少是1mm。在这个实施例中，距离128对应于λ/16，其中λ是与在2f₀处所涉及(interest)的上频率(upper frequency)相关联的波长，其中f₀是所涉及的(interest)最低频率的中心。

长条状导体104提供有串联信号馈送装置(series signal feed)110(这与并联信号馈送装置相反)。信号馈送装置110产生无线电波的理想频率的均匀行波。如图1中所示，第一腿部120的第一部分124没有和第二腿部122的第一部分126相连接，因此借助串联信号馈送装置110。另一方面，如果第一腿部120的第一部分124和第二腿部122的第一部分126被短路，或者通过相对的低阻抗导体或网络被桥接(其中网络可以是在任何拓扑中的一个或多个电抗部件)，那么信号馈送装置将是并联(或并行)信号馈送装置。

在这个实施例中，天线系统100是单一馈送装置系统，且通过单一端口提供串联信号馈送装置110。在替换的实施例中，低成本和简单的单一端口可以被扩展为用于两个相位一致的信号源的两端口系统。在这种情况下，第二端口可以被添加为与第二腿部120的第一部分126串联。第二端口将提供这样的信号，该信号在较低频带f₀上具有共同(common)相位关系，而在较高频带2f₀上具有差分相位关系。

天线系统100预期被用于结合在诸如多带通信设备的无线通信设备中。无线通信设备可以包括：封装多层电路板114和天线系统100的壳体。长条状导体104的形状和电介质隔离件106的形状将匹配壳体的轮廓。例如，除了所示的盒电介质隔离件之外，电介质隔离件可以被更多地弯曲，以便更好的装配在更加弯曲的壳体中。

天线系统100可以应用于移动手机、启用无线LAN的设备、卫星/GPS设备等。天线系统100展现了允许操作在若干频带上的宽带特性。宽带操作对于提供合适的带宽以便容纳多种通信协议是有用的，该多种通信协议例如是在标称的850MHz和在标称的900MHz带上的全球移动通信系统(GSM)。在这个实施例中，天线系统100提供了在五个频带上的覆盖范围。这五个频带包括AMPS(800 MHz)、GSM(900MHz)、DCS(1800MHz)、PCS(1900MHz)和UMTS(2170MHz)。而且，天线系统100提供了五个带操作而不需要任何频率调谐控制。

天线系统100的设计使用反向电抗补偿方法，用于抑制在邻近带中的天线电抗，从而产生对宽带操作的扩展频率响应。反向电抗补偿方法使用两个嵌入的λ/4边缘线传输线，用于带宽的扩展。而且，这两个边缘线传输线使用变动的阻抗来扩展补偿带宽，并促进(promote)天线系统100的操作带宽。在这些实例中，两个边缘线传输线是由两个缝隙来表示。

图2是根据第二个示例性实施例的天线系统200的透视图。除了缝隙208、209的几何形状不同之外，该第二个实施例类似于第一个实施例。在这个实施例中，在宽度230和232处以及它们镜像对应部分宽度231和233处的电介质隔离件106的多于一个表面上，可以选择性地加宽长条状导体204的两个缝隙208、209。缝隙208、209渐进式的加宽进一步促进操作的带宽，并还提高了天线系统200的补偿带宽。在这个实施例中，在电介质隔离件106的一个或多个表面上，加宽的缝隙宽度230、231、232、233是2mm。在替换的实施例中，缝隙可以锥形式减小(taper)。而且，缝隙宽度230、231、232、233可以不同，可以调整缝隙208、209的长度，并且缝隙宽度230、231、232、233不需要是相同的，以便实现所需的天线特性。

图3是图2的天线系统200的透视图，它描述了当操作在第一种、共模电磁中(common electromagnetic mode)时，在长条状导体204上的两个驻流波的相位关系。在共模中，驻流相位通常关于中心平面112镜像对称。驻流相位是在中心平面112的相对侧上的相反方向中。显示了关于低频带操作的第一初(primary)驻波302。示例性的低频带包括：800MHz和900MHz频带。点304表示共模高电场部分。共模高电场部分表示在共模中和长条状导体204相关联的电场最高的位置。

图4是图2的天线系统200的透视图，它描述了当操作在第二种、差模电磁时，在长条状导体204上的电流波极性。在差模中，驻流相位关于中心平面112是反称(anti-symmetric)的。在差模中，在任何指定的时刻瞬间，在沿着导体204长度的不同点处，驻流相位是相同的方向。显示了关于高频带操作的第一初驻波402和补偿驻波404。第二初驻波412和第二补偿驻波414也是相对于对称的平面112发生。高频带包括：1800MHz、1900MHz和2170MHz频带。区域406和408突出了差模高电场部分。差模高电场部分是这样的区域，在该区域中在差模中和长条状导体204相关联的电场是最高。

图5是根据第三个示例性实施例的天线系统500的透视图。天线系统500包括两个缝隙508、509。除了沿着顶部表面136的长条状导体504的几何形状不同之外，天线系统500的其它元件类似于图2中天线系统200的元件。在和图2中所示的缝隙208、209相关的电介质隔离件106的一个或多个表面上，可以选择性地扩展缝隙508、509。缝隙508、509的选择扩展进一步促进了操作的带宽，并提高了天线系统500的补偿带宽。如图5中所示，在电介质隔离件106的顶部表面136上的缝隙508、509的两个端部553和555被扩展和逐步锥形式减小。在这个实施例中，缝隙508、509锥形式减小的端部553和555的宽度小于或等于1mm，而缝隙508、509的其它宽度大于1mm。

而且，第一顶端516和第二顶端518的几何形状已经被改变，用于提高在所涉及的(interest)频率处的天线系统的效率。对于所涉及的(interest)频率，可以使其它的几何形状优化，诸如使沿着电介质隔离件106任何侧的长条状导体504的长度和宽度优化。

图6是具有根据示例性实施例的天线系统的无线通信设备600的视图。该无线通信设备600包括：天线系统602、多层电路板604和电池616。天线系统602类似于图5中显示的天线系统500。多层电路板604类似于图5中显示的多层电路板114。无线通信设备600进一步包括其它部件(未在图6中显示)，诸如麦克风、键盘、显示器、扬声器、和保持在壳体中的多个电气电路部件。如前面的叙述，可以将诸如复音扬声器的部件放置在电介质隔离件606(类似于前面叙述的电介质隔离件106)内的空气空间610中，以便更有效地使用在无线通信设备600的壳体内的容积。

通过多层电路板604来支撑和互连组成通信设备的至少一些电路部件。支撑天线系统602的电介质隔离件的形状要符合壳体的形状，从而以节省空间的方式促进天线系统602在无线通信设备600中的包含。

图7是图6中所示的无线通信设备600的回波损耗图700。回波损耗图700展示了5个操作带702、704、706、708和710，它们的中心分别在近似800MHz，900MHz，1800MHz，1900MHz和2170MHz。因此，在图5中所示的天线系统500能够支持在多个频带中的通信。

在多种实施例中描述的天线系统展示了能够嵌入到无线通信设备中的紧凑内部天线系统。该天线系统具有宽带能力，它能够操作在若干频带上，诸如AMPS、GSM、DCS、PCS和UMTS。而且，天线系统的多带操作不需要任何的频率调谐控制。该天线系统展示了高增益、增强的效率和降低的功率需要。

在该文献中，诸如第一和第二、和诸如此类的关系项可以用于唯一地区分一个实体或动作与其它实体或动作，而不必须需要或暗示在这种实体或动作之间的任何实际的这种关系或顺序。术语“包括”、“包含”或它们任何其它的变形被用来涵盖非排他的包含，以使包含一系列元素的过程、方法、物品或装置不会仅仅包含这些元素，而且可以包含没有明显列出的其它元素，或者为这种过程、方法、物品或装置所固有的其它元素。在没有更多约束的情况下，由“包括…一个”开始的元素不排除在包括该元素的过程、方法、物品或设备中存在附加的相同元素。

本文所使用的术语“其它”被定义为至少第二或更多。本文所使用的术语“包括”和/或“具有”被定义为包含。本文关于电技术所使用的术语“耦合”被定义为连接，尽管并不必须是直接地连接，并且也不必须是机械地连接。

在前述的说明书中，已经参照特定的实施例描述了本发明和它的益处和优点。然而，本领域的普通技术人员会认识到在不脱离如以下权利要求书中阐述的本发明范围的情况下，可以对本发明进行多种修改和改变。因此，本说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制意义，并且所有这种修改应被认为包含在本发明的范围内。益处、优点、问题的解决方案、和可以产生任何益处、优点或解决方案、或者使益处、优点或解决方案变得更加突出的任何元素并没有被限制作为任何权利要求或所有权利要求的关键、必需或必不可少的特征或元素。本发明是通过后附的权利要求书来唯一地限定，这包括在该申请判定未决期间和在出版所有等同的那些权利要求期间进行的所有修改。

Claims (18)

1.一种天线系统，用于在共模和差模中操作，包括：

有限接地表面；

正交折曲的长条状导体，其与所述有限接地表面隔开，该长条状导体包括：

第一缝隙，该第一缝隙具有最宽的缝隙宽度；

第一腿部，其具有第一部分；和

第二腿部，其具有第二部分，该第二部分与所述第一部分

隔开至少两倍于所述最宽缝隙宽度的距离；和

串联信号馈送装置，其被提供为与所述正交折曲的长条状导体的所述第一腿部串联。

2.如权利要求1的天线系统，该天线系统被结合在无线通信设备中。

3.如权利要求2的天线系统，其中所述无线通信设备是多带通信设备。

4.如权利要求1的天线系统，其中所述正交折曲的长条状导体具有第二缝隙。

5.如权利要求4的天线系统，其中所述正交折曲的长条状导体关于中心平面对称。

6.如权利要求1的天线系统，包括：电介质隔离件，该电介质隔离件支撑所述有限接地表面上的所述正交折曲的长条状导体。

7.如权利要求6的天线系统，其中所述电介质隔离件对应于分别在x、y和z轴上的λ/4乘以λ/8乘以λ/16，其中λ是与所涉及频率相关联的波长。

8.如权利要求6的天线系统，其中所述电介质隔离件是中空的。

9.如权利要求1的天线系统，其中所述第一缝隙在两个邻近的表面间扩展。

10.如权利要求1的天线系统，其中所述第一缝隙被锥形式减小。

11.如权利要求1的天线系统，其中所述第一缝隙被逐步地锥形式减小。

12.如权利要求1的天线系统，其中所述第一缝隙的长度对应于λ/4，其中λ是与所涉及的频率相关联的波长。

13.一种无线通信设备，包括：

天线系统，用于在共模和差模中操作，其包括：

电气接地表面；

长条状导体，该长条状导体与所述电气接地表面隔开，其中

所述长条状导体包括：

第一顶端，该第一顶端具有在一个或多个表面上扩展的第一边缘线缝隙，所述第一边缘线缝隙具有最宽的缝隙宽度；

第二顶端，该第二顶端具有在一个或多个表面上扩展的第二边缘线缝隙；

第一腿部；

第二腿部，其与所述第一腿部隔开至少两倍于所述最宽缝隙宽度的距离；和

信号馈送装置，其被提供与所述第一腿部串联。

14.如权利要求13的无线通信设备，其中所述无线通信设备是多带通信设备。

15.如权利要求13的无线通信设备，其中所述天线系统通过电介质隔离件被支撑在所述电气接地表面上。

16.如权利要求13的无线通信设备，其中所述第一顶端和所述第二顶端关于中心平面对称。

17.如权利要求13的无线通信设备，其中所述第一腿部和所述第二腿部关于中心平面对称。

18.一种无线通信设备，包括：

具有接地层的多层电路；

正交折曲的长条状导体，用于在共模和差模中操作，该长条状导体被耦合到所述接地层，所述正交折曲的长条状导体具有：

第一缝隙，其在至少一个表面上扩展，且具有最宽缝隙宽度；

第一腿部；和

第二腿部，其与所述第一腿部隔开至少两倍于所述最宽缝隙宽度的距离；

串联信号馈送装置，其被提供与所述第一腿部串联；

壳体，其封装所述多层电路和所述正交折曲的长条状导体。

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