CN100369321C - 用于移动通信的内部多波段天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种介质访问控制(MAC)协议，用于避免当两个或多个重叠基本服务组(OBSS)并存并工作在相同信道上的时候发生在ESTA之间的冲突。为此目的，每个工作在HCF下的移动站都保持一个名为网络分配矢量(NAV)的第一计数器和一个名为重叠网络分配矢量(ONAV)的第二计数器，在无争用周期(CFP)或由一个轮询帧许可的无争用脉冲串(CFB)中，该计数器在移动站中被来自OBSS的帧所更新。移动站使用NAV仅仅对自身BSS中的介质占用进行更新，以确保移动站不会干扰其自身BSS中的传输，而ONAV则被用于避免与来自OBSS的移动站冲突。

Description

用于移动通信的内部多波段天线
技术领域
本发明总的来说涉及天线器件，尤其是用于移动通信器件和其他小型天线应用的内部多波段槽天线。
背景技术
双波段天线已经广泛用于移动电话中以适应不同的通信标准。然而，与常规天线相比，已知外部双波段天线，也被称作短粗天线呈现出高吸收率(SAR)。此外，外部和可伸缩天线暴露在电话机盒之外，这对用户是不方便的。已经推出内部天线以取代外部和可伸缩天线，但是常规内部天线设计还未提供足够的特别是用于双模式应用的带宽。
由于接线微波传输带天线(patch micro-strip antenna)具有紧凑轻巧的结构，使其易于在印制电路板上使用精密印制电路技术进行生产和制造，因此在若干方面具有优势。在一些应用中，希望提供具有集合了接线天线优点的可在多波段中运行的小型天线，但现有尝试都不成功。此外，除非使用了很厚的电介质衬底，已知内部接线天线往往具有狭窄的带宽，但是增厚限制了天线在很多方面的应用，尤其是限制了在具有严格的空间要求和重量限制的手持移动通信设备的应用。常规的PIFA天线是四分之一波长的。特定的频率通常指示了天线的长度或尺寸。如果想要将谐振频率调到用于另一个应用，就必须改变天线的尺寸或其他特性，如介质。
常规的接线天线具有自然的谐振频率或者用于RF和微波应用的模式。然而，当使用用于天线设计的自然模式(natural mode)时存在一些缺点。自然模式取决于接线的形状和大小。一旦天线的尺寸固定，也就固定了谐振频率。如果天线的尺寸是这样，第一模式匹配GSM(900MHz)频率，则第二模式将在第三谐波2700MHz处谐振，这对于DCS(1800MHz)频率并不推荐使用。此外，为了产生自然模式谐振频率，必须相对地使天线尺寸大。例如，当使用半波接线技术时，900MHz的矩形接线天线大约为12厘米。然而，这样大的尺寸对于通常要求天线的长度小于大约4厘米的大多数现代蜂窝电话设备来说是不可接受的。
通过在发射元件中提供缝隙或槽，也可以在金属平面中采用槽天线。简单的谐振槽天线几何形状包括半波和四分之一波槽天线，其在发射元件中分别提供封闭的槽或者开放的槽。槽天线和常规的接线微波传输天线包括在发射元件和接地平面之间的电介质，使天线由来自包括电信号反馈点的激励端口不同地进行驱动。然而，槽天线也倾向于具有相对窄的带宽。
常规的平面反相F天线(PIFA)包括平面发射元件和接地导体，正如与接线微波传输和槽天线结构介绍的一样。在反相F天线中，发射元件和接地导体为平行的、平坦导体面，该导体面具有反馈点和短路点，其根据发射导体的长度在特定的频率上与电波谐振。已知的PIFA天线具有限制，并且通常不适用于多模式和限制空间的应用。常规的PIFA天线为四分之一波长。特定的频率通常指出天线的长度或大小。如果想要将谐振频率调谐以用于另一个应用，必须改变天线的大小或者其它属性，如电介质。
在仔细考虑了以下的发明详细描述连同附图后，本发明的各个方面特征和优点对本领域普通技术人员而言将会非常明显。
附图说明
图1示出本发明的内部天线示例；
图2示出本发明的内部天线另一个示例
图3示出了适于用作短接或反馈条(strap)的L形导电构件；
图4示出了图1中示例天线的回播损耗；
图5示出了用于内部多波段天线的开关原理；
图6示出了根据本发明的内部天线的三维发射模式；
图7和图8示出发射模式的纵切。
图9示出在根据本发明的天线馈电点反馈strap的倒L反馈。
图10图形化地示出两个带槽的双波段内部天线的测量和对比。
具体实施方式
图1为用于移动通信器件中的多波段天线，特别适用于需要考虑小型因素，例如蜂窝电话和其它无线可移动通信器件。
在一个实施例中，本文中所描述的多波段天线适用于以单个激励端口下操作的两个或多个不同波段。多波段天线器件使用短接条和槽产生多波段带频，而其尺寸和重量又远小于常规天线。如以下更加全面的讨论，本文中的示例实施例产生GSM 900MHZ频率和DCS1800MHZ频率。
图1示出了内部多波段天线，通常包括基本平坦的发射元件12和与发生元件12基本平行放置的基本平坦的接地导体14，其用作接地平面。在一个实施例中，接地导体14是放置在印制电路板32的部分上的导电材料。
电介质16放置在发射元件和接地导体之间。在图1中，示例性电介质16是空气间隙。可选地，电介质可以是一些形成于发射元件和接地导体之间其它材料，举例来说如衬底。其中电介质16是空气隙，用塑料支撑物或其它一些间隔物(offset)34可以将发射元件12相对于接地导体14或印制电路板32放置。
相对于发射元件上的电信号传入馈电点放置至少一个短接条(shorting strap)。一个或多个短接条通常将发射元件和接地导体连接起来。图1中，有两个短接条20和22用于多波段操作，并且在其它实施例中还可能有额外的短接条，其中至少一个短接条将发射元件和接地导体连接起来，如下文更加全面的讨论。通常，短接条位于与馈电点不同的距离处。
图1中，馈电点包括具有一端和发射元件12相连的馈电条18。馈电条18的另一部分或端19通过导电引线与电路连接，这未在图中示出。在示例性实施例中，端点19是馈电点。馈电条18不与接地导体相连。在图1中的示例性实施例中，印制电路扳上有一非导电区31，其中馈电条与电路板32接触。与馈点电相连的导电引线可以放置在例如接地导体下面的印制电路板层中。
图3中示出的一个实施例中，馈电条和/或一个或多个短接条是L形构件。依照其配置，如下文更全面的讨论，所述L形构件可以配制成提供特别的阻抗，例如电容或与电感串联的电容。
图1中，带角度的槽26放置在发射元件12上。带角度的槽被分成至少两段或节28，优选地它们排列互成锐角。优选地，带角度的槽被分成至少三个槽段28。示例性的带角度的槽的配置包括形状Z或N或M或W或其他锐角形状或它们的组合。图2示出具有形状W配置的另一个锐角槽。
通常，尖锐的带角槽便于它们的各段之间以谐振频率耦合，这可以增加天线带宽。示例性实施例中，连接相应各段的带有锐角的Z，N，M和W形状的槽为所有各段，即第一到第二，第二到第三，和第一到第三节等等，提供了良好的互耦合。具有排列成直角和斜角的槽可能不显示出相连各节之间的良好电磁耦合，并且为相连各节之间提供有限的互耦合。但直角和斜角的槽配置可能适用于一些应用，具有三节或多节的锐角槽是优选的，尤其对多波段应用。
多模式操作有可选择连接发射元件和接地导体之间的一个或多个短路条，从而调谐天线的输入阻抗，如下文更加全面的讨论。图1的示例性实施例中，第一短路条20位置离馈电点较近，提供50欧姆的匹配(Zin)，并保持天线小尺寸，而第二短路条22位置离馈点电较远，调谐GSM 900的频率。
图1中发射元件上的锐角槽26调谐GSM 1800的频率。通常，改变发射元件上角度槽26的长度和形状会改变较高波段的谐振频率，而改变馈电点和第二短路条22之间的距离会改变较低波段的谐振频率。天线的典型尺寸约为4厘米×2.5厘米×0.7厘米。图4示出图1中天线器件10的回波损耗(return loss)，其中天线具有在900MHZ和1800MHZ上的双谐振频率。
图6示出示例性内部天线的3维发射图形。对两个波段的发射效率都约为70％。图7和图8是发射图形的纵切图。本领域普通技术人员会认识到，对GSM 900而言增益约为1.5dbi，对GSM 1800而言增益约为2.5dbi。两个波段的发射都是有方向的。发射元件处的发射增益比接地导体或平面处的发射增益约高5db。当接地平面相对于用户头部放置时将具有远远小于短粗天线(stubby antenna)或其他任何全向天线的SAR。
短接条和槽通常用于产生多波段频率，故而天线尺寸远远小于常规天线。在一个实施例中，短接条产生GSM 900MHZ的频率，而槽产生DCS 1800MHZ的频率。
GSM 900MHZ的频率被两个相对于反馈条放置的短接条所调谐。使用短接条替代PIFA天线中使用的插头(pin)。短接插头，同轴插头和发射元件构成PIFA天线。本发明的短接条和反馈条提供了较PIFA天线中的短接和同轴反馈插头更宽的波段。短接条允许天线基于条的位置而非本征模式来谐振。
本发明中，不需要为调谐频率改变天线尺寸，而且馈点电保持不便。馈电点和短接条之间的距离决定了调谐频率。通过改变短接条相对于反馈条18的距离，例如通过连续闭合相应开关，可有选择地将一个或更多的多个短接条相连，就可以改变天线的谐振频率而不用改变天线尺寸。对于不会用使多于一个模式的天线应用中，一个短接条可以适用。这个单独的短接条到馈电点的距离大约是两个短接条的平均距离，例如，图1中的短接条20和22。
在一些应用中，为了降低成本，厂家希望有一种公共的设计平台，这意味着对几种电话和应用都使用***的天线结构。例如，相同的内部天线可以用在北美的双波段AMPS(800MHz)和PCS(1900MHz)中，或双波段GSM(900MHZ)和DCS(1800HMZ)，或三波段GSM、DCS、PCS，或四波段AMPS、GSM、DCS、PCS中。为了提供这种多平台的灵活性，为两个或三个或四个短接条准备了相应开关，例如，如图5所示，一个RF二极管顺序连接在发射元件和接地导体之间。可选地，可以使用其它任何可电控开关。
使用偏压RF二极管以切换多个短接条和控制器件，例如微处理器经过I/O端口来产生高或低电压切换电平。其中一个短接条通过闭合相应的二极管开关连接在发射元件和接地导体之间，而其它短接条保持断开，这允许天线在不同的应用或平台中以不同的频率操作。偏压RF二极管可以用作RF开关，其切换短接条到打开(连接)或关闭(断开)。在单个开关的开或关的不同组合下，天线可以调谐至所需特定频率。
图5中，例如条2和条3可以通过调谐二极管2和3为开，而二极管1和4为关来连接成用于AMP和SPCS双波段应用。当在电阻R2和R3上施加高电压，在R1和R4上施加低电压时，二极管开关导通，其中，R1，R2，R3，和R4是偏压电阻。通过给在天线上四个预先设计的条提供控制二极管开关的高电压和低电压，可以通过软件控制将天线配置成在所需波段上谐振。
通常，由各节长度之和决定的槽的长度确定了谐振频率。为了调谐频率，只需要改变槽的尺度。如果第二波段用于PCS 1900MHZ，提供短于4mm的槽可允许第二谐振频率从1800MHZ切换到1900MHZ。正如所讨论的，槽的形状可以用来扩展天线带宽，例如通过使用一个或更多示例形状Z，N，M，或W。
图2中，L形状的反馈和短接条42和44为LC谐振器提供串联电容和电感元件。图3中L形条30具有尺寸为11的窄边和尺寸为12的拉长边38，不同尺寸可以提供不同的阻抗特性。如所讨论的，L形带的阻抗特性也适合扩展天线操作的特性的带宽。
GSM 900MHZ带宽可以通过改进L形反馈条进行扩展，如图9所示。改进的反馈条包括L形构件，L形构件其具有较宽的上部86和较窄的下部85的长腿。短腿82从长腿的较窄下部85中伸出。长腿的较宽上部86与包括有槽80的发射元件70相连。长腿的较窄下部85与发射元件70之间留有空隙。短腿82通常伸向接地平面导体14，但与其没有电连接。短接条84也可以配制成L形。
反馈条的较大部分86等同于电容元件。当该电容与电感串联时，这个串联LC配置将产生寄生地叠加在第一天线谐振模式上的另一个谐振频率。寄生模式使得天线带宽更宽。改进的L形反馈条通过改变其尺寸为获得谐振调整出合适大小的电感L电容C提供了灵活性。例如，部分85的长度不同使得电感L值不同，部分86长度和宽度不同使得电容C值不同。当部分85的长度变得非常小时，图9的结构变成图3的L形结构。图9的结构对小型天线设计很有用处。
产业界需要发射元件和接地平面导体之间的距离很小的小型天线设计。如指出的，已知小型天线设计的典型缺陷是带宽窄。为此，天线设计工程师们总是努力地在带宽和天线厚度之间寻求折衷。图9中改进的L形反馈条结构提供了良好的带宽而又不失去厚度尺寸较小的优势。
图10示出了两个槽双带宽内部天线的测量值和比较。曲线1测量自现有技术天线的直短路插头和直槽。曲线2测量自根据本发明的具有改进L形反馈条和带角度的槽的天线。天线2的带宽GSM 900HMZ和DCS 1800MHZ比天线1中的带宽更宽。GSM的较宽带宽是改变L形反馈条的结果，而DCS的较宽带宽是改变带角度的槽的结果。
尽管对本发明和当前在文中被认为是最佳模式的内容以发明人所建立的方式进行了描述，其使得本领域的普通技术人员能够实现并使用本发明，应当理解并赞同，在此所公开的示例性实施例还有许多等同实现，可以在不背离本发明范围和精神下对其进行种种修改和变化，这些都不应被示例性实施例而应由所附权利要求所限定。

Claims (12)

1.一种天线装置，包括：
基本平坦的发射元件；
放置在靠近所述发射元件的基本平坦的接地导体；
放置在所述发射元件和所述接地导体之间的电介质；
在所述发射元件处的电信号反馈点；
将所述接地导体与所述发射元件相连的短接条；和
形成于所述发射元件中的锐角槽，所述锐角槽具有至少三段槽，每一段槽相对于至少另一段槽以锐角放置。
2.根据权利要求1的天线装置，所述接地导体与所述发射元件基本平行地放置。
3.根据权利要求2的天线装置，其中所述接地导体至少包括印制电路板的一部分。
4.根据权利要求1的天线装置，所述电介质包括所述发射元件和所述接地导体之间的电介质衬底。
5.根据权利要求1的天线装置，所述反馈点包括与所述发射元件相连的电信号反馈条。
6.根据权利要求5的天线装置，多个的至少两个短接条，每个短接条与所述发射元件和所述接地导体之间的相应开关相连，多个短接条位于距反馈点距离不同处，其中通过闭合至少一个相应短接条的开关使发射元件和接地导体相连来调谐电信号馈电点。
7.根据权利要求1的天线装置，多个的至少两个短接条，每个短接条与所述发射元件和所述接地导体之间的相应二极管开关串联连接。
8.根据权利要求5的天线装置，其中所述反馈条包括电容和电感负载。
9.根据权利要求5的天线装置，其中所述反馈条包括L形构件，其具有上部和下部的长腿，短腿从所述长腿的下部中伸出，所述长腿的上部(86)与所述发射元件相连，所述长腿的下部(85)与所述发射元件(70)之间留有空隙，所述短腿(82)伸向所述接地导体。
10.根据权利要求5的天线装置，所述反馈条包括具有长腿和短腿部分的L形构件，所述长腿的至少一部分与所述发射元件相连。
11.根据权利要求10的天线装置，所述长腿具有下部和上部，所述下部比所述上部窄，所述短腿部分从所述下部伸向所述接地导体。
12.根据权利要求1的天线装置，所述锐角槽包括Z，N，M，或W中的一种形状的槽。
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