CN101443956A - 用于gsm、umts和wifi应用的多频带天线 - Google Patents

用于gsm、umts和wifi应用的多频带天线 Download PDF

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Abstract

本文描述的多频带天线(100)包括共同在多个不同频带内谐振的多个天线单元(120，130，140)。一个示范性天线(100)包括与地平面(110)连接的第一和第二垂直间隔开的天线单元(120，130)。位于第一和第二天线单元(120，130)之间的馈电天线单元(140)与天线馈线(148)连接。由这些天线单元(120，130，140)的排列产生的电磁耦合产生多个谐振频率，并且因此定义了该多频带天线(100)的多个工作频带。

Description

用于GSM、UMTS和WIFI应用的多频带天线
背景技术
本发明通常涉及用于移动通信装置的天线，并且更具体地，涉及覆盖多个频带的多频带天线。
目前，无线网络按照多种通信标准和/或在宽的频带范围内操作。为了适应多频带和/或多通信标准，许多移动通信装置包括覆盖多个频带的宽带天线或者包括用于每个频带的不同天线。然而，随着制造厂家不断设计出更小的移动通信装置，在移动通信装置中包含多个天线变得越来越不现实。此外，虽然宽带天线通常会覆盖多个频带，但是它们通常不会覆盖所有期望的频带。例如，虽然天线可以覆盖美国普遍使用的850MHz频带或者欧洲普遍使用的900MHz频带，但是常规天线通常不能同时覆盖这两个频带。因而，一个移动通信装置一般只能与欧洲网络兼容或者与美国网络兼容。因此，仍然存在着对可选的移动通信装置天线的需求。
发明内容
按照本发明的多频带天线包括共同覆盖多个不同频带的多个天线单元。一个示范性实施例包括连接到地平面的第一和第二垂直间隔开的天线单元。连接到天线馈线(antenna feed)的馈电天线单元位于第一和第二天线单元之间。由这些天线单元的排列产生的电磁耦合产生多个谐振频率，并且因此定义了该多频带天线的多个工作频带。
附图说明
图1示出了按照本发明的一个实施例的示范性移动通信装置的框图。
图2示出了用于图1的移动通信装置的一个示范性多频带天线的透视图。
图3A-3C示出了用于图2的多频带天线的各个天线单元的示意图。
图3D示出了图2的天线示意图的顶视图。
图4示出了图2的多频带天线的组装的天线单元的透视图。
图5示出了图2的多频带天线的性能结果。
图6示出了用于图4的天线的示范性托架。
具体实施方式
图1示出了使用单个多频带天线100在多个频带内发射和接收无线信号的示范性多频带移动通信装置10。移动通信装置10包括控制器12、存储器14、用户接口16和收发机***20。控制器12响应于存储在存储器14中的程序和用户经由用户接口16提供的指令来控制无线通信装置10的操作。收发机***20包括多个收发机22-26，这些收发机经由单个多频带天线100与无线通信网络(未示出)中的基站进行双向的无线语音和数据信号通信。收发机22-26可以是按照任何已知标准工作的全功能蜂窝无线电收发机，这些已知标准包括一般称为GSM、TIA/EIA-136、cdmaOne、cdma 2000、UMTS、UNII和宽带CDMA的标准。在一个实施例中，不同的收发机22-26按照不同的通信标准工作。例如，收发机22可以按照GSM标准工作，而收发机24和收发机26可以分别按照UMTS和UNII标准工作，如图1中所示。虽然图1示出的是具有三个收发机22-26的收发机***20，但是将会意识到，天线100可以连接到配置为在任何期望的频带内和/或按照任何期望的通信标准工作的任何期望数量的收发机。
多频带天线100在多个频带内的多个频率上发射和接收信号。在一个示范性实施例中，多频带天线100覆盖由GSM和UMTS标准定义的整个频率范围，并且覆盖由用于WiFi标准的UNII所定义的较低频带。
表1
如表1中所示，这三种通信标准的频率要求的组合覆盖三个截然不同的频带：824-960MHz、1710-2170MHz和5.15-5.35GHz，在本文中上述频带分别称为＂低＂、＂中＂和＂高＂频带。下面将根据这三个频带来描述天线100。不过，将会意识到，本发明的天线100并不局限于三个频带或前面指定的三个频带。
如图2中所示，多频带天线100包括地平面110、通过接地器112连接到地平面的第一天线单元120、与第一天线单元120垂直间隔开的第二天线单元130和位于第一和第二天线单元120、130之间的馈电天线单元140。馈电单元140包括在公共端146处连接到天线馈线148的第一和第二分支142，144。共同地，天线单元120-140在一个或多个频带(比如前面讨论过的低、中和高频带)内发射无线通信信号。此外，天线单元120-140接收在该一个或多个频带内发射的无线通信信号并且将接收的信号提供给收发机***20。
天线单元120-140的大小、相对方位和形状控制天线单元120-140的谐振频率。这些谐振频率的组合反过来定义了天线100的工作频带。下面描述图2-4中所示的示范性多频带天线100的每个天线单元120-140的大小、相对方位和形状。
一般来说，天线的长度影响天线的谐振频率。在该示范性实施例中，地平面的长度(LG)，第一天线单元120的路径长度(PL1)、第二天线单元130的路径长度(PL2)和馈电天线单元140的第一和第二分支142，144的路径长度(分别为PL3a和PL3b)共同定义天线100的谐振频率。如本文中所用，PL1指的是接地器112和第一天线单元120的末端122之间的总路径长度，而PL2指的是接地器112与第二天线单元130的末端134之间的总路径长度。类似地，如本文中所用，PL3a和PL3b分别指的是公共端146与馈电天线单元140的第一和第二分支142，144的末端150，152之间的总路径长度。
天线100在低频带上的频率响应类似于半波偶极子天线的频率响应。因此，应当将信号沿着地平面和与地平面连接的任何天线单元行进的总路径长度大致设定为1/2λ。见例如公式(1)，其中c表示光速，f表示频率，单位为赫兹，λ表示波长，单位为米。
L G + P L 1 = 1 2 λ = 1 2 ( c f ) - - - ( 1 )
假设LG≥PL1并且将期望的谐振频率设定为850MHz，则公式(1)将PL1和LG设定为大约88mm。这样，当LG大于或等于88mm时，并且当PL1近似等于85mm时，天线100在850MHz处发生谐振。
因为第二天线单元130连接到第一天线单元120，所以第二天线单元130也连接到地平面110。因此，LG和PL2的和应当也近似等于1/2λ。对于f＝850MHz，这一要求也将PL2设定为大约85mm。
类似的考虑定义了天线单元120-140的其它尺寸特征，比如馈电天线单元140的第一和第二分支142、144的路径长度、天线单元120-140的宽度等等。例如，第一和第二分支142、144的路径长度PL3a和PL3b分别是至少部分地分别由900MHz和1900MHz的期望谐振频率定义的。对于图4中所示的示范性实施例，得到的天线100和天线单元120-140具有表2中所示的尺寸。
表2
 
天线 L＝40mmW＝15mmH＝6mm
第一天线单元 总路径长度＝85mma＝13.5mmb＝40mmc＝7mmd＝3mme＝6mmf＝4mm
 
第二天线单元 总路径长度＝85mmh＝35mmg＝5mm
馈电天线单元 第一分支的总路径长度＝85mm第二分支的总路径长度＝30mmi＝14mmj＝15mmk＝40mmI＝8mmm＝34mmn＝14mmo＝6mmp＝2mmq＝2mmr＝4mms＝3mmt＝2mmu＝2mmv＝2mm
每个天线单元120-140的相对方位和形状也影响天线100的频率响应。将会意识到，上述尺寸要求直接影响天线单元120-140的相对方位和形状。在图2-4中所示的实施例中，第一天线单元120大致是U形的并且定位在与地平面110相同的平面内。大致为U形的单元120的一角经由接地器112连接到地平面110。该形状使得第一天线单元120能够在较小面积内达到期望的路径长度。
第二天线单元130大致是I形的并且在第一天线单元120上方垂直间隔开。在一个示范性实施例中，第一和第二天线单元间隔6mm。在连接到接地器112的边角的对侧，导电带132将第二天线单元130电连接到第一天线单元120的中间部分。如图中所示，大致为I形的天线单元130与第一天线单元120的至少一部分重叠。
馈电天线单元140位于第一和第二天线单元120，130之间。在一个示范性实施例中，馈电天线单元140位于第一和第二天线单元120，130的正中间。馈电天线单元140的第一分支142大致为S形，而第二分支144大致为L形。如图3B中所示，大致为L形的第二分支144环绕S形的第一分支142的一部分。第一和第二分支142，144的形状使得每个分支能够达到期望的路径长度，同时使第二天线单元130所占区域保持在由第一天线单元120限定的边界内。此外，第一和第二分支142，144的形状使得末端150，152位于第二天线单元130的下方，从而使得第二天线单元130与末端150，152重叠。
当按照上述尺寸、相对方位和形状要求设计时，天线单元120-140电磁耦合，以产生多频带天线100的谐振频率。具体来说，天线单元120-140之间的电磁耦合导致每个天线单元在不同的基模、一次谐波和二次谐波频率下谐振。这些谐振频率定义了天线100的多个频带的上下边界。
下文将针对图2-4中所示的示范性实施例详细描述每个天线单元的频率响应。在该实施例中，馈电天线单元140在900MHz的基模频率处谐振。此外，馈电天线单元140在处于中频带的较高部分中的一次谐波频率处和在处于高频带中的二次谐波频率处谐振。馈电天线单元140的第二分支144在1900MHz的基模频率处谐振并且此外还在处于高频带中的一次谐波频率处谐振。如前面所讨论的，第二天线单元130在850MHz的基模频率处谐振，并且在处于中频带中的一次谐波频率处谐振。最后，第一天线单元120在850MHz的基模频率处谐振、在处于中频带的较高部分中的一次谐波频率处谐振并且在处于高频带中的二次谐波频率处谐振。这些谐振频率的组合定义了多频带天线100的频率响应。
图5示出了来自按照前面所讨论的规格构建的示范性多频带天线100的测试数据。如图5中所示，多频带天线100覆盖了由GSM和UMTS定义的所有频带，并且还覆盖了为WiFi的UNII定义的频带的下端。
多频带天线100可以是由任何已知材料构造的。在一个示范性实施例中，天线100是在柔性薄膜上构造的并且由塑料托架160支撑，如图6中所示，而地平面是用常规的印刷电路板材料构造的。托架160如前所述对每个天线单元进行定向，并且通过消除对附加的电介质间隔材料的任何需要而减小天线单元120-140之间的介电常数。因此，除了托架160位于天线单元之间的区域外，空气在天线单元120-140之间提供介电常数1。虽然没有明确示出，但是托架160可以包括位于馈电天线140下方的开口区域，以进一步减小馈电天线单元140和第一天线单元120之间的介电常数，并且防止天线100上的任何不必要的加载。
上述多频带天线100提供了覆盖不同通信标准的多个不同频带的单个天线。结果，使用本文介绍的多频带天线100的移动通信装置10可以在按照不同通信标准运作的不同无线通信网络中工作，而不需要多个天线。例如，具有多频带天线100的单个移动通信装置10可以在美国、欧洲、亚洲等国和地区中的工作在GSM标准的850MHz和900MHz频带内的无线通信网络中工作。此外，前面介绍的多频带天线100的紧凑性使得其对于工作在无线网络内的任何移动通信装置10都是理想的，比所述移动通信装置如蜂窝电话、个人数据助理、掌上型计算机、无线PC卡等。此外，因此多频带天线100不是利用高介电基板构造的，所以与常规天线相比，天线100的成本相对比较便宜。因此，本文介绍的多频带天线100提供了明显优于常规设计的性能、尺寸和成本改善。
前面根据与GSM、UMTS和用于WiFi的UNII无线通信标准相关联的低、中和高频带描述了多频带天线100。不过，本发明可以用于工作在不同频带的其它标准。一个或多个天线单元的路径长度的调节和/或不同天线单元的相对方位的调节可以调节天线100的谐振频率。这些调节可以用于改变天线100覆盖的带宽和/或一个(或多个)频带。
当然，本发明可以按照与本文具体提出的方式不同的其它方式来实施，而不会脱离本发明的本质特征。在所有方面，都要将本发明的实施例看作是说明性的而非限制性的，并且处于所附权利要求书的含义和等同范围内的所有改变都打算包含在其中。

Claims (26)

1.一种多频带天线(100)，包括：
连接到地平面(110)的第一和第二垂直间隔开的天线单元(120，130)；和
连接到天线馈线(148)并且安置在第一和第二天线单元(120，130)之间的馈电天线单元(140)，所述馈电天线单元(140)包括第一和第二分支(142，144)，所述第一和第二分支(142，144)排列成与第一和第二天线单元(120，130)电磁耦合，以定义该多频带天线(100)的多个工作频带。
2.按照权利要求1所述的多频带天线(100)，其中第二天线单元(130)与馈电天线单元(140)的第一和第二分支(142，144)的末端(150，152)重叠。
3.按照权利要求2所述的多频带天线(100)，其中第一和第二分支(142，144)中的至少一个的末端(150，152)与第一天线单元(120)的一部分重叠。
4.按照权利要求1所述的多频带天线(100)，其中馈电天线单元(140)的第一分支(142)大致为S形，并且其中馈电天线单元(140)的第二分支(144)大致为L形。
5.按照权利要求1所述的多频带天线(100)，其中馈电天线单元(140)的第一和第二分支(142，144)在公共端(146)处相连接，并且其中该公共端(146)电连接到天线馈线(148)。
6.按照权利要求1所述的多频带天线(100)，其中馈电天线单元(140)安置在第一和第二天线单元(120，130)的中间。
7.按照权利要求1所述的多频带天线(100)，其中第一天线单元(120)大致为U形，并且其中大致为U形的第一天线单元(120)的第一端经由接地器(112)连接到地平面(110)。
8.按照权利要求7所述的多频带天线(100)，其中第二天线单元(130)大致为I形，并且其中该多频带天线(100)还包括将大致为I形的第二天线单元(130)的一端电连接到大致为U形的第一天线单元(130)的中间部分的导电带(132)。
9.按照权利要求8所述的多频带天线(100)，其中接地器(112)和导电带(132)连接到大致为U形的第一天线单元(120)的相对的边角。
10.按照权利要求1所述的多频带天线(100)，其中该多频带天线(100)覆盖第一、第二和第三频带。
11.按照权利要求10所述的多频带天线(100)，其中全球数字移动电话***标准定义第一频带，通用移动电信***标准定义第二频带，并且未经许可的国家信息基础设施标准定义第三频带。
12.按照权利要求1所述的多频带天线(100)，其中第一天线单元(120)的路径长度和第二天线单元(130)的路径长度具有近似相同的长度。
13.按照权利要求12所述的多频带天线(100)，其中地平面(110)的长度大于或等于第一和第二天线单元(120，130)的路径长度中的至少一个。
14.按照权利要求12所述的多频带天线(100)，其中地平面(110)的长度大于或等于与多频带天线(100)的工作频率相对应的波长的1/4。
15.一种移动通信装置(10)，包括：
多频带天线(100)，该多频带天线包括：
连接到地平面(110)的第一和第二垂直间隔开的天线单元(120，130)；和
连接到天线馈线(148)并且安置在第一和第二天线单元(120，130)之间的馈电天线单元(140)，所述馈电天线单元(140)包括第一和第二分支(142，144)，所述第一和第二分支(142，144)排列成与第一和第二天线单元(120，130)电磁耦合；以及
收发机***(20)，配置为经由多频带天线(100)发射和接收无线通信信号。
16.按照权利要求15所述的移动通信装置(10)，其中第二天线单元(130)与馈电天线单元(140)的第一和第二分支(142，144)的末端(150，152)重叠。
17.按照权利要求15所述的移动通信装置(10)，其中该多频带天线(100)覆盖第一、第二和第三频带。
18.按照权利要求17所述的移动通信装置(10)，其中全球数字移动电话***标准定义第一频带，通用移动电信***标准定义第二频带，并且未经许可的国家信息基础设施标准定义第三频带。
19.一种构造多频带天线(100)的方法，包括：
将第一和第二垂直间隔开的天线单元(120，130)连接到地平面(110)；和
将连接到天线馈线(148)的馈电天线单元(140)安置在第一和第二天线单元(120，130)之间，所述馈电天线单元(140)包括第一和第二分支(142，144)，所述第一和第二分支(142，144)排列成与第一和第二天线单元(120，130)电磁耦合。
20.按照权利要求19所述的方法，还包括将馈电天线单元(140)的末端(150，152)与第二天线单元(130)的至少一部分重叠。
21.按照权利要求19所述的方法，还包括将馈电天线单元(140)的第一分支(142)大致安排为S形并且将馈电天线单元(140)的第二分支(144)大致安排为L形。
22.按照权利要求19所述的方法，还包括：
将第一和第二分支(142，144)连接在公共端(146)处；和
将该公共端(146)电连接到天线馈线(148)。
23.按照权利要求19所述的方法，还包括：
将第一天线单元(120)大致安排为U形；和
将大致为U形的第一天线单元(120)的第一端经由接地连接(112)连接到地平面(110)。
24.按照权利要求23所述的方法，还包括：
将第二天线单元(130)大致安排为I形；和
使用垂直安置在第一和第二天线单元(120，130)之间的导电带(132)将大致为I形的第二天线单元(130)的一端电连接到大致为U形的第一天线单元(120)的中间部分。
25.按照权利要求19所述的方法，其中多频带天线(100)覆盖第一、第二和第三频带。
26.按照权利要求25所述的方法，其中全球数字移动电话***标准定义第一频带，通用移动电信***标准定义第二频带，并且未经许可的国家信息基础设施标准定义第三频带。
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