CN112106253B - 可配置的多频带线状天线装置以及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
可配置的多频带线状天线装置以及其设计方法。一种天线装置(20)，其包括导电元件(21)，该导电元件(21)被配置为在与基本谐振模式相对应的选定的电磁辐射频率(F0)处以及以上进行谐振。导电元件(21)被折叠以形成旨在将高阶谐振模式的一个或多个谐振频率(3F0、5F0、7F0…)偏移的耦合区域(22、23)。每个耦合区域(22、23)被定义为与天线应根据其进行工作的谐振频率集合(F'0、F'1、…、F'N)相关，并且是通过将导电元件(21)的部分面对彼此放置来形成的。导电元件(21)的旨在形成给定的耦合区域(22、23)的各部分沿着该导电元件的位置、以及这些部分的长度和在形成耦合区域时在它们之间的间隙的宽度被确定为使得提供导电元件(21)的给定的谐振模式的谐振频率的给定的增大或减小。
Description
技术领域
本发明涉及在VHF、UHF、S、C、X或更高频带中具有多个操作频率的天线装置。
更具体地，本发明涉及线状天线，使得那些天线被用在移动通信设备(诸如智能手机)中，移动通信设备可以使用不同的频带来接入若干种类的通信链路。
背景技术
在飞机、轮船、火车、卡车、汽车或由行人携带的终端或智能手机在移动时需要进行连接。
这些设备需要用于语音/数据和高吞吐量数据的短距离和(非常)长距离通信能力、以及低功耗和优化的功耗，以便例如使用户能够观看/收听多媒体内容(视频或音频)，或者参与互动游戏。
车载或位于制造工厂、办公室、仓库、存储设施、百货商店、医院、运动场馆或私人住宅中的许多种类的物体已连接到物联网(“IoT”)世界。仅举例而言：用于定位和识别清单中的物品或者将人员保持在限制区域中或在限制区域之外的标签；用于监测用户的身体活动或健康参数的设备；用于捕获环境参数(污染物浓度；湿度；风速等)的传感器；用于远程地控制和命令所有种类的电器的执行器；等等。
更一般而言，IoT涵盖了可以作为命令、控制、通信和智能***的一部分的任何类型的电子设备，所述***例如被编程为：捕获/处理信号/数据，将其发送给另一个电子设备或服务器，使用实现人工智能或基于知识的推理的处理逻辑来处理数据，以及返回信息或激活命令以由执行器实现。
对于连接这些类型的物体或平台而言，射频通信比固定线路通信更通用。结果，射频发射机/接收机(T/R)模块已经并且将在专业和消费者应用中越来越普遍，并且通常在同一设备上实现多个T/R模块。
举例来说，智能电话通常包括蜂窝通信T/R模块、Wi-FiTM/蓝牙TM T/R模块、(来自全球导航卫星***或GNSS的)卫星定位信号的接收机。Wi-Fi、蓝牙以及3G或4G蜂窝通信在2.5GHz频带(S频带)中操作，而GNSS接收机通常在1.5GHz频带(L频带)中操作，以及射频识别(RFID)标签在900MHz频带(UHF)或更低频带中操作。近场通信(NFC)标签在13MHz频带(HF)中以非常短的距离(大约10cm)进行操作。
关于这些设备中的能够进行通信并且通常都是小型且移动的大多数设备，针对“IoT”连接的良好的折中方案看起来在于VHF或UHF频带(30-300MHz和300MHz至3GHz)以获得足够的可用带宽和范围、对多径反射的良好恢复性以及良好的能耗平衡。
然而，对于在这些频带处的T/R模块的设计要解决的问题是具有足够紧凑以适配被连接的物体的尺寸的天线。实际上，适于例如VHF频带的传统的单极型全向天线具有在25cm至2.5m(λ/4)之间的长度。这样，这种大小的天线显然无法容纳在紧凑的被连接的物体中。
依据第WO2015007746号公布的PCT申请提供了对于该长度问题的解决方案，该申请具有相同的发明人并且当前被共同转让给本申请的申请人。该申请公开了一种塞子(bung)类型的天线装置，其中多个天线元件被组合为使得在该装置的最大尺寸与波长之间的比率可以远低于波长的十分之一，甚至低于二十分之一，或者在一些实施例中低于波长的五十分之一。为了实现这种结果，控制天线的基本模式的天线元件以3D形状因子(例如，螺旋形)进行卷绕，使得其外部尺寸相对于其长度减小。
上面提及的大多数设备还需要与使用Wi-FiTM或蓝牙TM频带和协议进行通信的终端兼容。因此，T/R模块的一些级必须与VHF和S频带两者兼容；此外，如果添加了GNSS接收机，则还需要L频带中的T/R能力。这意味着这种设备的天线装置应当能够在不同的频带中同时地或相继地通信。然而，就空间、功耗和材料而言，添加与频带一样多的天线是昂贵的。这给天线的设计带来了另一个具有挑战性的问题。
依据第WO200122528和WO200334544号公布的PCT申请公开了一些用于基站天线的解决方案。但是，这些解决方案不在VHF频带中工作，并且不提供在这些频带中对于大多数的IoT和智能设备来说足够紧凑的装置。
发明内容
本发明的目的是提出一种天线装置，该天线装置可以是以简单的方式来设计和调谐的，以在具有最佳紧密性的情况下，在多个频率处(特别是在微波或VHF/UHF域中)发送/接收(T/R)射频信号。
根据第一方面，本发明有利地通过以下方式来满足这一需求：提供被调谐到基本激励模式的较低频率的天线单极导线元件，所述元件是沿着其长度在各个位置处按照产生耦合区域的这种方式来折叠的，所述耦合区域沿着所述导线的位置和尺寸以及耦合参数被确定为优化接收所述基本模式的被选择的谐波的接收条件。
相应地，本发明提供了一种包括导电元件的天线装置，该导电元件被配置为在选定的电磁辐射频率(F0)处或以上进行谐振，其中该导电元件包括一个或多个第一部分，每个第一部分位于或接近于第一位置(MXi)，第一位置(MXi)是根据针对在导电元件的基本谐振模式(F0)和高阶谐振模式(3F0、5F0、7F0…)当中选择的给定谐振模式而言所述选定的电磁辐射的电流波节来定义的。所述导电元件具有使得所述第一部分中的每个第一部分被放置为面对该导电元件的位于或接近于第二位置(MXk)的第二部分，以便产生修改高阶谐振模式(3F0、5F0、7F0…)中的一种高阶谐振模式的谐振频率的电磁耦合区域，其中第二位置是根据所述电磁辐射的电流波节来定义的。
根据各个实施例，根据本发明的天线可以包括能够单独考虑或彼此组合的另外的实施例。
因此，根据一个实施例，面对彼此放置以形成耦合区域的所述第一部分和所述第二部分的相应位置和/或长度、以及当形成耦合区域时在这两个部分之间的间隙的宽度被定义为生成选择的模式的频率的预定偏移。
根据另一实施例，所述导线元件的长度l是通过以下关系来确定的：l＝λ0/4
其中，λ0＝c/F0，F0是选定的电磁辐射频率。
根据另一实施例：
-选择的谐振模式使得线状导电元件包括区域，每个区域包含所述电磁辐射的电流波节(MX)，对于所述区域，形成电磁辐射的电磁场交替地显示出负极性和正极性，以及
-导电元件的第一部分和第二部分面对彼此以产生耦合区域，其属于导电元件的其中电磁场显示出相反极性的区域，从而提供了选择的模式的谐振频率到较低的频率值的偏移。
根据另一实施例：
-选择的谐振模式是使得线状导线元件包括区域，每个区域包含所述电磁辐射的电流波节(MX)，对于所述区域，形成电磁辐射的电磁场交替地显示出负极性和正极性，以及
-导电元件的被放置以使得面对彼此以产生耦合区域的第一部分和第二部分属于导电元件的具有相同极性的区域，从而提供选择的模式的谐振频率到较高的频率值的偏移。
根据另一实施例，形成耦合区域的各部分的长度以及在所述第一部分和所述第二部分之间的间隙的值被确定为使得它们引起针对选择的谐波模式的期望的频率偏移。
根据另一实施例，线状导电元件的形状被配置为仅在其中第一区域和第二区域面对彼此的位置处生成耦合。
根据另一实施例，线状导电元件的形状被配置为在考虑期望的频率偏移时使得天线的整体尺寸最小化。
根据另一实施例，导电元件是以平面结构而折叠的导线。
根据另一实施例，导电元件是根据三维结构而折叠的导线。
根据另一实施例，导电元件是被布置在平面衬底的一侧上的弯曲的印刷迹线。
本发明还提供了一种用于设计天线装置的方法，其包括以下步骤：
-根据期望的基本谐振模式的中心频率，来确定导电元件的长度；
-确定需要被偏移的、高阶谐振模式的中心频率；
-针对需要被偏移的谐振频率中的每个谐振频率，定义导电元件的适于被耦合以提供期望的频率偏移的第一部分和第二部分的位置和长度以及其相对放置。
根据各个实施例，根据本发明的方法可以包括能够单独考虑或彼此组合的另外的实施例。
因此，根据特定的实施例，导电元件的形成耦合区域的第一部分和第二部分的位置、长度和相对间隙被确定为使得：获得期望的偏移并且使得对一些其它谐振模式的谐振频率引起的不期望的频率偏移最小化。
根据另一实施例，该方法还包括以下步骤：调整由于另一种谐振模式的中心频率的偏移而被偏移的、谐振模式的中心频率的值，所述校正包括：修改现有耦合或产生额外的耦合，使得将受影响的频率偏移回到其期望值。
本发明的另一目的是一种用于构造如权利要求书中所记载的天线装置的方法，所述方法包括：
-第一步骤：使用在权利要求书中记载的方法来设计天线装置；
-第二步骤：将导电元件成形，以便产生在第一步骤期间定义的耦合区域；
-第三步骤：将所述成形的导电元件与接地平面布置在一起，所述接地平面位于导电元件的近端附近。
有利地，由耦合区域赋予的频率偏移使得有可能定义针对天线的预定谐振频率集合。这些频率可以被调谐为携带该天线的设备的操作频率。
有利地，天线线状元件具有2D或3D紧凑型形状因子中的一者。
同样有利的是，对于通常用于“IoT”的频带(即，VHF或UHF频带(30-300MHz和300MHz至3GHz))，针对本发明的天线的规范可以利用标准技术来实现。本发明的天线线状元件可以例如方便地被配置(折叠)为根据两个或更多频带进行辐射，所述两个或更多频带包括ISM频带、Wi-FiTM频带、蓝牙TM频带、3G频带、LTE频带和5G频带当中的一个或多个频带。然而，也可以考虑根据本发明的在更高频带处工作的天线，这是因为对于诸如毫米波域中的那些频率之类的较高频率而言，可以利用其来实现本发明的最先进技术现在是可获得的。例如，半导体蚀刻技术允许以微米范围的精度来产生十微米的条带。
可以在多个聚合频率上以交替模式或同时模式使用本发明的多频率天线线状元件，从而显著地增加带宽资源。
同样有利地，由于对导电元件的折叠，在考虑所使用的最低频率的情况下，本发明的天线可以是紧凑的，这允许其集成在小型封装中。
此外，无论导电元件的结构(2D或3D线状布置或印刷迹线)如何，本发明的天线都设计简单，易于连接到电子T/R设备的印刷电路板并且易于制造。因此，其具有非常低的制造成本。
附图说明
由于仅通过非限制性示例的方式给出的一些特定实施例的以下详细描述，将更好地理解本发明的所有特征和优点，所述详细描述参考了示出以下内容的附图：
-图1是由直线型线状元件制成的单极天线的示意图；
-图2是将本发明原理应用于图1的单极天线的示意图；
-图3是适于由单极天线操作的各种谐振模式的图示；
-图4和图5是根据本发明的单极线状天线的第一示例性实施例的图示；
-图6是被布置在单极天线的导电元件上的耦合区域的物理特征对所考虑的天线的谐振频率的偏移的影响的图形说明；
-图7至图9是根据本发明而成形的单极线状天线的各个示例性实施例的图示；
-图10至图12是基于印刷电路技术的单极天线的各个示例性实施例的图示；
-图13是示出诸如图11和12的天线之类的印刷电路单极天线在不同的耦合配置下的频率行为的图。
在前述附图中，相同的功能元件尽可能地通过相同的附图标记来指代。
具体实施方式
图1示出了现有技术中已知的单极线状天线10，其由例如直线型导电元件11、金属线或导电带(导电迹线)制成。
直线型导电元件11具有物理长度l，该物理长度l被定义为天线的期望的基本谐振模式(F0)的辐射频率的函数，如说明书中进一步解释的。
导电元件11与位于其近端13附近的接地平面12相关联，该近端13适于连接到发射机/接收机设备。这样的天线在方位平面上具有全向辐射图案。
在图1中，导电元件11是被布置成垂直于所述接地平面12的导线。因此，接地平面12可以是金属平面，其中导线元件11在连接至发射机/接收机设备之前穿过该金属平面，例如，如图1和2上所示。
然而，在一些其它现有解决方案(例如当将导电元件和接地平面设计为共面布置时)中，布置有导电元件11的平面可以平行于接地平面12，或者可以内接在所述接地平面中。
在下文讨论的这种布置中，导电元件11可以是刻在介电衬底正面的导电迹线，例如，如图10或11上所示的PCB结构，其包括发射机/接收机电路，而接地平面12可以是被布置在衬底(即，PCB)的背面上的导电层。
以本领域技术人员已知的方式，单极天线适于按照取决于其物理长度l的不同谐振模式进行操作，主要是：
-基本模式(F0)，对于该模式，辐射元件的物理长度l等于λ0/4，其中λ0＝c/F0；
-第一高阶模式(F1＝3F0)，对于该模式，辐射元件的物理长度l等于3λ1/4，其中λ1＝c/F1(三次谐波)；
-第二高阶模式(F2＝5F0)，对于该模式，辐射元件的物理长度l等于5λ2/4，其中λ2＝c/F2(五次谐波)；
-第三高阶模式(F3＝7F0)，对于该模式，辐射元件的物理长度l等于7λ3/4，其中λ3＝c/F3(七次谐波)；
图3示出了如图1所示的单极天线可以根据其进行操作的各种谐振模式以及沿着其长度的相应电压变化的图形说明。该图还示出了与每种谐振模式相对应的天线的电气特性。图3使得有可能突出显示在本发明的背景下使用的这种天线的各种特征。
如在图3上可以看出，当天线10用于发送(辐射)或接收(捕获)电磁波时，相应电磁场的电压的值沿着导电元件11的长度l，作为正弦波进行变化，该正弦波的周期取决于谐振模式的阶数。在图3上，通过虚线来指示这种变化。
如图所示，每种谐振模式因此通过以下各项来定义：位于导电元件11的远端14(或开路端)处的电磁场的最大电压电平的点(对应于电流波节)、以及位于其近端13(或短路端)的电磁场的零电压的点(对应于电压波节)，后一个点对应于最大电流值。
另外，对于各种高阶模式(谐波模式)，沿着导电元件11的长度交替地分布其它电流和电压波节。波节的数量取决于模式的阶数。
例如，对于具有长度l＝λ0/4的导电元件，第三谐振模式(F2＝5F0并且l＝5λ2/4)示出了三个电流波节MX31、MX32和MX33，而基本(第一)谐振模式(F0)仅示出了一个电流波节MX11。
此外，对于每种谐振模式，在电流波节与相邻电压波节之间的距离等于λ3/4，其中n是谐振模式的阶数。例如，对于第二谐振模式(在F1＝3F0处的第一高阶模式)，该距离等于λ3/4，其中λ3＝c/3F0。
如在图3上也可以看出，电磁场所感应的电压相对于公共基准的极性沿着线状天线元件11在“+”和“-”之间交替变化，使得两个连续的电流波节位于相反极性的区域中。
因此，例如，对于基本模式(F0)，仅存在一个电流波节MX11和一个电压波节，它们彼此间隔开长度l，而对于第一高阶模式(F1＝3F0)，存在两个电流波节MX21和MX22以及两个电压波节，每个波节与其邻居间隔开等于l/3的距离，而对于第二高阶模式(F2＝5F0)，存在三个电流波节和三个电压波节。
因此，基本模式(F0)仅具有一个电流波节MX11和单个区域A11，在该区域中，电磁场的电压为正(“+”)，并且从最大值变为零，而第一高阶模式(F1＝3F0)示出了两个电流波节MX21和MX22以及两个区域A21和A22，在这两个区域中，电磁场的电压交替为正(“+”)和负(“-”)，并且在最大值(MX21或MX22)与零之间变化。
第三高阶模式(F2＝5F0)进而具有三个电流波节MX31、MX32和MX33以及三个区域A31、A32和A33，在这些区域中，电磁场的电压交替地为正(“+”)、负(“-”)和再次为正(“+”)，并且在最大值(MX31、MX32或MX33)与零之间变化。
如图3中所示，有可能针对每个谐振频率，确定沿着导电元件11的其中天线表现出高电灵敏度的特定区域，即其中电磁场的电压具有相对于位于那些区域中的波节的最大值MX而言仍然显著的值的区域。
这些高电灵敏度的区域中的一些区域(区域31)属于其中电磁场显示出给定极性的区域，而一些其它区域(区域32)属于其中电磁场显示出相反极性的区域。
图2示出了根据本发明的单极天线的主要结构特征。
本发明的单极天线20是根据诸如图1的天线10的导电元件11之类的导电直线型元件来设计的。
如图2所示，直线型导电元件被折叠以便形成具有区域22、23(被称为耦合区域)的导电元件21，其中导电元件的沿着其长度位于特定位置处的一些部分(点或区段)面对彼此放置。
根据本发明，导电元件21的这些部分属于其中天线显示出高电灵敏度的那些特定区域。有利地，将这些特定部分中的两个部分面对彼此放置会产生耦合，该耦合引起天线的高阶谐振模式中的一种或多种高阶谐振模式的谐振频率的偏移。此外，为了实现高效的耦合，导电元件21的面对彼此放置以形成给定耦合区域的部分位于或者至少接近于与针对所选择的谐振模式的电流波节相对应的点MX，并且无论如何，处于导电元件的高电灵敏度的那些区域中。
因此，耦合区域的数量和其沿着导电元件21的位置以及每个耦合区域的几何特征被确定为使得：这些耦合区域中的每个耦合区域旨在针对给定的高阶谐振模式(3F0、5F0、7F0…)，产生导电元件21的针对该谐振模式的谐振频率的期望偏移。
彼此相邻放置的两个导电元件之间的耦合强度是与其中导电元件面对彼此的区域的长度成比例的，并且是与这两个导电元件之间的间隙的尺寸成反比的。
如图2中所示，导电元件21的面对彼此放置的部分可以是孔状的或类似孔状的(诸如在耦合区域22中)，或者可以形成区段(诸如在耦合区域23中)。
根据本发明，考虑到耦合区域适于提供的谐振频率的偏移，基于以下特性来确定每个耦合区域的几何特征：
-频率偏移的值取决于相应耦合区域的长度：孔状耦合区域将引起小的频率偏移，而拉长的耦合区域将引起较大的频率偏移。
-频率偏移的值还取决于导电元件的两个部分中的每一者在其所属的高电敏感度的区域中的位置。这意味着：如果导电元件的两个部分位于或者接近于与电流波节的相对应的点MX，则频率偏移的值将更高。然而，只要这两个部分保持位于它们各自相应的高电灵敏度的区域内，明显的频率偏移就仍然是可实现的。
-频率偏移的值还取决于在导电元件的被放置为面对彼此以形成相应的耦合区域的这两个部分之间的间隙的大小：大的间隙将引起小的频率偏移，而小的间隙将引起较大的频率偏移。
-频率偏移的方向取决于导电元件21的形成耦合区域的两个部分所属的区域的各自极性。实际上，由属于导电元件21的其中电磁场的电压具有相反极性的区域的两个部分形成的耦合区域引起谐振频率的减小，而由属于其中电磁场的电压具有相同极性的区域的两个部分形成的耦合区域引起谐振频率的增大。因此，那些部分必须被选择为使得它们根据需要形成引起针对所选择的谐振模式的、谐振频率的减小或增大的耦合区域。
在该背景下，如果导电元件的一部分位于包括给定点MX的高电灵敏度的区域内，则认为该部分位于该点的附近。实际上，只要这两个部分保持位于它们各自相应的高电灵敏度的区域内，明显的频率偏移就仍然是可实现的。
有利地，形成这样的耦合区域，使得有可能设计出具有长度l的导电元件21的单极天线，以在各种给定的谐振频率附近操作，那些频率中的一个或多个频率是不同于由相同长度的直线型导电元件11构成的单极天线通常适于在其附近操作的那些频率，作为通过形成天线的导电元件21的长度l确定的基频F0的奇数倍的谐振频率。
因此，根据本发明的单极天线可以是例如根据具有给定长度的直线型导电元件的单极天线来设计的，其被配置为通过以下方式在给定的频率F0、3F0、5F0、7F0等……附近操作：折叠该导电元件以沿着其长度建立耦合区域，以便使谐振频率中的一些谐振频率偏移，从而使天线适于根据在给定的应用中使用的特定频率集合F0、F'1、F'2、F'3等……操作，并且其中，频率F'1、F'2、F'3等……中的一个或多个频率可以与标称的谐振频率F1＝3F0、F2＝5F0、F3＝7F0等……不同。
如前所述，根据本发明的被折叠的天线20可以根据不同种类的实施例来实现。
根据如图4和图5中的示例所示的一系列实施例，根据本发明的天线20可以由导线元件21构成，导线元件21被折叠为使得构成被布置为垂直于接地平面12(例如，其由金属板制成)的基本上平面折叠的结构。
在这样的实施例中，可以通过针对每个频率偏移来固定相应的耦合区域的特征(也就是说，导电元件的形成耦合区域的各部分沿着导电元件的位置、以及它们的长度和在这两部分之间的间隙的宽度)，来获得谐振频率偏移。这些部分的位置被确定为与这些位置处的电压的相应极性有关。
在图4和图5的示例性实施例中，天线40具有适于引起两个谐振频率偏移的两个孔状耦合区域41和42。通过以下各项来给出每个频率偏移的值和偏移的符号：相应耦合区域沿着导电元件21的位置、以及位于导电元件的面对彼此放置的两个部分之间的间隙e1或e2的大小。
图6以图形方式示出了：可以利用诸如图4和5的示例性天线之类的天线，在考虑耦合区域41和42被布置为使得第二和第三谐振模式的谐振频率偏移到分别低于3F0和5F0的频率F1和F2的情况下获得的各种结果。图6示出了分别被标记为a)、b)、c)和d)的四种不同的耦合配置。
例如，可以通过将元件21的点MX33或接近MX33的点放置为面对点MX32或接近MX32的点以形成耦合区域41，以及将端点MX21或接近MX21的点放置为面对点MX22或接近MX22的点以形成耦合区域42，从而获得在图6上所示的频率偏移。
属于导电元件21的区域31和32(针对其而言，电磁场具有相反的极性)的点MX33和MX32，由耦合区域41引起的频率偏移导致谐振频率F2相对于初始谐振频率5F0的减小。
类似地，MX21和MX22属于导电元件的区域31和32。结果，由耦合区域42引起的频率偏移导致谐振频率F1相对于初始谐振频率3F0的减小。
配置a)对应于以下情况：其中，导电元件21的形成耦合区域41和42的部分之间的间隙的值e1和e2使得在两个区域中的任何一者中都没有明显的耦合。因此，谐振频率3F0和5F0都没有被偏移。
配置b)对应于以下情况：其中，导电元件21的形成耦合区域41的部分之间的间隙的值e1足够宽而不在该区域中引起明显的耦合。结果，谐振频率5F0有利地没有被偏移。
相比而言，导电元件21的形成耦合区域42的部分之间的间隙的值e2足够小以至于在该区域中引起耦合。结果，谐振频率3F0被偏移到低于3F0的谐振频率F1。
配置c)对应于与配置b)类似的情况，但是其中，导电元件21的形成耦合区域41的部分之间的间隙的值e1使得在该区域中出现耦合，而导电元件21的形成耦合区域42的部分之间的间隙的值e2使得在该区域中没有出现明显的耦合。作为有趣的结果，谐振频率3F0没有被偏移，而频率5F0被偏移到低于5F0的谐振频率F2。
配置d)对应于以下情况：其中，导电元件21的形成耦合区域41和42的部分之间的间隙的值e1和e2两者都使得在这两个区域中出现耦合。有利地，这导致谐振频率3F0被偏移到低于3F0的谐振频率F1，而频率5F0被偏移到低于5F0的谐振频率F2。
图7和图8示出了根据本发明的天线的两个其它示例性实施例70和80，其中该天线包括在全平面配置中布置并且被折叠在一个平面中的导线元件21。图7的天线70包括一个耦合区域71，该耦合区域71由导电元件21的面对彼此放置的两个部分72、73构成。两个部分72和73的位置和长度以及在它们之间的间隙被确定为使得获得一种给定谐振模式的谐振频率(3F0、5F0、...)的期望偏移。因此，天线70适合于产生单个期望的频率偏移。图8的天线80包括两个耦合区域：由导电元件21的两个部分82和83构成的一个耦合区域81、以及由相同的导电元件21的两个其它部分85和86构成的另一个耦合区域84。形成给定耦合区域81或84的两个部分的位置和长度以及在形成耦合区域的部分之间的间隙被确定为使得获得一种给定谐振模式的谐振频率的期望偏移。因此，天线80适合于产生两个期望的频率偏移。
图9示出了根据本发明的天线的另一种示例性实施例，其中天线90包括导线元件21，其是在空间上相对于三个垂直平面来布置的：平面xOy和yOz、以及平行于平面xOz的包括导电元件21的远端部分93(其连接两个耦合区域91和92)的平面。与图4和5的实施例非常相似，该实施例有利地提供了更多的可能性、更多的自由度，以沿着导电元件21形成各种耦合区域：诸如区域92之类的孔状耦合区域(由彼此远离开间隙e2的两个点构成)、或者诸如区域91之类的拉长的耦合区域(由彼此远离开间隙e1的具有长度Δl的两个部分构成)。
通过图10至图12所示的另一系列的实施例，根据本发明的天线100、110或120可以由弯曲的导电迹线101构成，其被布置在平面衬底102的一侧上，相反侧部分地被形成接地平面区域103的导电层覆盖，接地平面区域103被放置为面对被配置为连接到发射机/接收机设备的导电迹线的端部。
根据这种实施例，耦合区域104由此通过以下方式来产生：按照导电迹线101的一些部分被布置为面对其它部分这样的方式，来成形该迹线。迹线的整个长度(即，迹线的从信号馈送点106和迹线的远端107延伸的部分)确定基本谐振模式的谐振频率。
只要这种天线的接地平面和导电元件被布置在由相同的平面衬底的相对两侧形成的平行平面中，而不是被布置在垂直平面中(诸如在包括线制导电元件的实施例中)，则这种实施例非常适合于在相对小或薄的封装的小型通信设备(例如，智能手机等)中体现的应用。然而，像由根据平面折叠的线状导电元件构成的天线一样(例如，图7和图8的天线)，可以同时形成的耦合区域的数量受到导电迹线101的平面二维“2-D”结构的限制。因此，在这种配置中，能够同时被偏移的谐振频率的数量(每个谐振频率具有期望的增大或减小)也受到更多的限制。
图13表示根据图11的天线110的特定情况(其中，该天线包括由点P1和P2形成的单个孔状耦合区域)、以及根据图12的天线120的特定情况(其中，该天线包括由导电迹线101的区段Z1和Z2形成的单个拉长的耦合区域)。其表示根据本发明的天线的由耦合区域104引起的频率响应的变化。
图13示出了三条曲线131、132和133，它们中的每一者表示天线在这些曲线上方示出的三种配置A)、B)和C)之一中的频率响应。
对于配置A)，在形成耦合区域104的两个点P1和P2之间具有宽间隙的情况下，频率响应不会显示出谐振频率F0、3F0和5F0的任何偏移，这意味着耦合104太弱而无法引起任何偏移。
关于配置B)，在两个点P1和P2之间具有窄得多的间隙的情况下，频率响应显示出谐振频率F1＝3F0的减小，其偏移到期望频率F'1，而谐振频率F0和F2＝5F0保持基本不偏移。这意味着，由于点P1和P2之间的间隙的低值，耦合104引起第一高阶谐振模式的谐振频率F1＝3F0的偏移。这也意味着点P1和P2位于导电迹线101的其中电磁场的电压具有相反极性的部分上，部分分别属于在图3上所示的区域31和32。
关于配置C)，在两个区段Z1和Z2之间具有与在点P1和P2之间相同的间隙的情况下，频率响应显示出谐振频率F1＝3F0的减小，其偏移到频率F'1(F'1<F1)，而谐振频率F0和F2＝5F0保持基本不偏移。这意味着，由于分别包括P1和P2的区段Z1和Z2之间的间隙的低值，耦合104引起第一高阶谐振模式的谐振频率F1＝3F0的偏移。这也意味着，由于耦合区的范围，对于相同的间隙值，配置C)中的耦合强度要高于配置B)中的耦合强度，从而引起更重大的频率偏移。图13的图示考虑了根据本发明的天线包括单个耦合区域(其引起单个频率偏移)的特定情况，以示出耦合区域的几何特征对谐振频率偏移的值的影响。
然而，对于普通技术人员显而易见的是，当天线包括若干耦合区域时，其适用于每个对应的频率偏移。
如在先前的段落中所描述的，根据本发明的天线可以有利地可选地通过以下方式而由已知的单极天线(其具有直线型的λ0/4导电元件)来构造：折叠所述导电元件以便产生耦合区域，所述耦合区域对导电元件的谐振频率引起期望的频率偏移。
根据本发明，通过将导电元件的两个部分面对彼此放置来产生耦合区域。耦合区域是通过以下各项来定义的：所提供的耦合的强度；以及导电元件的两个部分所属的、导电元件的区域的极性。导电元件的在耦合区域中涉及的两个部分之间的间隙的大小以及这两个部分的长度确定耦合的强度，并且进而确定频率偏移的值，而偏移的符号(增大或减小)是通过导电元件的两个区段所属的区域的极性来确定的。
因此，可以通过实现包括以下步骤的设计方法，考虑那些参数来设计根据本发明的天线。
第一步骤包括：根据被设计的天线被预期在其上工作的频率集合(F'0、F'1…、F'N)中的较低操作频率，来确定导电元件的长度。
在大多数情况下，导电元件的长度将被确定为使得导电元件的基本谐振模式的频率F0(不能被偏移)将对应于较低的操作频率F'0，以便以最高效的方式来操作天线并且简化设计。然而，在一些情况下，导电元件的长度可以被确定为使得频率F0对应于另一个频率(例如，工作频率集合中的另一个频率)。
实际上，如在考虑本公开内容并且尤其是考虑图3的情况下可以注意到，基本谐振模式的频率F0不能被偏移，这是因为对于该谐振模式，导电元件的长度对应于基本波长λ0的四分之一。这意味着，对于该模式，电磁场的电压仅具有一个最大值MX11，并且仅具有一个高电灵敏度的区域。结果，不能产生耦合区域来引起任何频率偏移。
结果，F'0被确定，导电元件的长度l然后可以按照如下这样的方式来定义：对于基本对应于预期频率集合(F'0、F'1…、F'N)中的较低频率F'0的频率F0来说出现基本谐振模式。此外，由于确定了导电元件的长度l，因此也确定了频率F0和高阶谐振模式的谐振频率(F1＝3F0、F2＝5F0、F3＝7F0等……)。
第二步骤包括：选择高阶模式中的那些高阶模式的要被偏移以获得其它期望的频率值F'1、F'2、F'3等……的一个或多个谐振频率，并且确定相应频率偏移的值以及这些偏移的符号(增大或减小)。这些偏移的值是直接根据如下的谐振频率推断出来的：所述谐振频率是利用具有在先前步骤中确定的长度的导电元件来获得的。
第三步骤包括：对于在先前步骤处确定的每个频率偏移，确定耦合区域的适于实现该偏移的特征，所述特征是：
-导电元件的要面对彼此放置的两个部分的位置：使得这两个部分属于其中电磁场的电压具有相同极性的区域的位置或者属于其中电磁场的电压具有相反极性的区域的位置；
-这些部分的长度；以及
-在耦合区域的位置处在这两个部分之间的间隙的宽度。
对于要被偏移的每个谐振频率，必须在考虑以下内容的情况下实现第三步骤：要产生的其它耦合区域、以及建立给定耦合区域对可能影响其它谐振频率的潜在不期望偏移的影响。
实际上，如在考虑图3的情况下可以注意到，建立耦合区域以将给定的谐振频率偏移是通过以下方式来实现的：将位于高电灵敏度的两个不同的区域中的电磁场的最大电压的两个点面对彼此放置，或者将导电元件的包含这些点或位于它们附近的两个区段面对彼此放置。这可能导致由此产生的所述耦合区域将其它谐振频率同时偏移，从而引起不期望的偏移。
因此，必须设计每个耦合区域，以便尽可能地防止任何不期望的频率偏移。然而，如果适于引起给定谐振频率的必要偏移的给定耦合区域的设计似乎对另一谐振频率引起不期望的偏移，则通常可以通过以下方式来消除这种不期望的偏移：设计适于产生相反偏移的另外的耦合区域，或者修改已经适于对不期望被修改的谐振频率造成给定偏移的另一耦合区域的特征)。
因此，本文以上描述的设计方法的实现使得有可能有利地设计根据本发明的如下天线：所述天线适于以与现有技术的单极天线的谐振频率不同的多个谐振频率进行操作。结果，根据本发明的产生天线的方法包括两个步骤：
-第一步骤：设计实现根据以上公开的本发明的设计方法的天线；
-第二步骤：使用被折叠以产生在第一步骤期间定义的所设计的耦合区域的导电元件，来产生天线。
如先前所描述的，根据本发明的天线装置包括导电元件21，该导电元件21被配置为在与基本谐振模式相对应的选定电磁辐射频率(F0)处以及之上进行谐振。
根据本发明，对导电元件21进行折叠以实现耦合区域22和23，耦合区域22和23旨在修改导电元件21的高阶谐振模式的谐振频率(3F0、5F0、7F0…)中的一者或多者。
通过根据给定的相对位置来将导电元件21的给定部分放置为面对彼此，从而形成这种耦合区域。
这些部分沿着导电元件21的位置、以及这些部分的长度和在它们之间的间隙的宽度被确定为使得获得给定的耦合强度，从而提供导电元件21的给定谐振模式的谐振频率的期望的增大或减小。
本发明的领域并不限于VHF和UHF频带，而是可以涵盖与毫米波相对应的较高频带，诸如WiFiTM 802.11ad频带(57-64GHz)或5G频带(例如，24.25GHz、27.5GHz、31.8-33.4GHz、37-43.5GHz、45.5-50.2GHz、50.4-52.6GHz、66-76GHz和81-86GHz)、或者诸如WBAN(无线体域网)频带(60GHz)的其它频带。根据本发明的天线在这些频率处操作的设计原理仍然是相同的。由于那些天线的小尺寸，仅增加了对于生产这种天线所必要的制造装置的精度。
在本说明书中所公开的示例仅仅是说明本发明的一些实施例，这些实施例在适当时可以被组合。它们不以任何方式来限制由所附的权利要求进行限定的所述发明的范围。
Claims (15)
1.一种天线装置(70)，包括：
长度为l的导电元件(21)，被配置为在选定电磁辐射频率(F0)处或以上谐振，
其中，所述导电元件(21)包括至少两个第一部分(72)，所述至少两个第一部分与高电压灵敏度区域对应并且包括给定谐振模式所述选定电磁辐射的相应电流波节，所述给定谐振模式是在所述导电元件的二阶、三阶和四阶谐振模式(3F0、5F0、7F0…)当中选择的，
其中，每个第一部分靠近面对所述导电元件(21)的一个相应第二部分(73)，在相应的所述第一部分的所述电流波节的相同谐振模式处，所述一个相应第二部分具有所述导电元件的最高电压灵敏度和所述导电元件最高电压灵敏度的基本上50％之间的电压灵敏度，以便产生电磁耦合区域(71)，所述电磁耦合区域(71)被配置为偏移所述第一部分的所述电流波节的所述二阶、三阶或四阶谐振模式(3F0、5F0、7F0…)中的两个或更多个谐振模式的谐振频率，同时避免所述导电元件剩余部分之间的任何耦合。
2.根据权利要求1所述的天线装置，其中，面对彼此放置以形成所述耦合区域的所述第一部分(72)和所述第二部分(73)的相应位置和/或长度以及在这两个部分之间的间隙的宽度被配置为生成选择的高阶谐振模式的频率的预定偏移。
3.根据权利要求1所述的天线装置，其中，所述导电元件(21)的所述长度l是通过以下关系来确定的：
l＝λ0/4
其中，λ0＝c/F0，F0是所述选定电磁辐射频率。
4.根据权利要求1所述的天线装置，还被配置为提供选择的高阶谐振模式的所述谐振频率到较低的频率值的偏移，其中：
-所选择的谐振模式是使得所述导电元件包括区域，每个区域包含所述电磁辐射的电流波节(MX)，对于所述区域，形成所述电磁辐射的电磁场交替地显示出负极性和正极性，以及
-所述导电元件的面对彼此放置以产生耦合区域的所述第一部分和所述第二部分属于所述导电元件的具有相反极性的区域。
5.根据权利要求1所述的天线装置，还被配置为提供选择的高阶谐振模式的所述谐振频率到较高的频率值的偏移，其中：
-所选择的谐振模式是使得所述导电元件包括区域，每个区域包含所述电磁辐射的电流波节(MX)，对于所述区域，形成所述电磁辐射的电磁场交替地显示出负极性和正极性，以及
-所述导电元件的面对彼此放置以产生耦合区域的所述第一部分和所述第二部分属于所述导电元件的具有相同极性的区域。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的天线装置，其中，形成耦合区域(71)的部分(72、73)的长度以及在所述第一部分和所述第二部分之间的间隙的值被确定以产生针对所选择的谐波模式的期望的频率偏移。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的天线装置，其中，所述导电元件(21)被配置为仅在其中所述第一部分和所述第二部分面对彼此的位置处产生耦合。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的天线装置，其中，在考虑期望的频率偏移的情况下，所述导电元件被成形为使得所述天线的整体尺寸最小化。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的天线装置，其中，所述导电元件(21)是根据平面结构而折叠的导线。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的天线装置，其中，所述导电元件(21)是根据三维结构而折叠的导线。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的天线装置，其中，所述导电元件(21)是被布置在平面衬底(102)的一侧上的弯曲的导电迹线(101)。
12.一种用于设计天线装置的方法，包括以下步骤：
-根据期望的基本谐振模式的中心频率，来确定导电元件(21、101)的长度l；
-确定需要被偏移的、高阶谐振模式的中心频率；
-针对需要被偏移的谐振频率中的每个谐振频率，确定所述导电元件(21、101)适于被耦合以提供期望频率偏移的第一部分(72、P1、Z1)和第二部分(73、P2、Z2)的位置和长度以及它们的相对放置，
其中，所述第一部分(72)的所述位置位于或接近于给定谐振模式选定电磁辐射的电流波节，所述给定谐振模式是在所述导电元件的基本谐振模式(F0)和高阶谐振模式(3F0、5F0、7F0…)当中选择的，
其中，所述第一部分被放置为面对所述导电元件(21)位于或接近于所述电磁辐射的电流波节的第二部分(73)，以便产生电磁耦合区域(71)，所述电磁耦合区域(71)被配置为偏移所述高阶谐振模式(3F0、5F0、7F0…)中的一种高阶谐振模式的谐振频率，
其中，确定所述位置和长度以及它们的相对放置是通过以下方式进行的：对于所述谐振频率中需要被偏移的每个谐振频率，
确定第一电流波节的第一曲线位置和第一高电灵敏度区域的第一长度，所述第一高电灵敏度区域包括所述第一电流波节，所述第一电流波节与具有长度l并且在需要被偏移的所述谐振频率处谐振的直线导电元件的所述第一部分对应；
确定第二电流波节的第二曲线位置和第二高电灵敏度区域的第二长度，所述第二高电灵敏度区域包括所述第二电流波节，所述第二电流波节与在需要被偏移的所述谐振频率处谐振的所述直线导电元件的所述第二部分对应；然后
折叠所述直线导电元件，从而对于需要被偏移的所述谐振频率中的每一个谐振频率，所述第一部分靠近面对所述导电元件在需要被偏移的所述谐振频率处谐振的第二部分。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述导电元件(21、101)的形成耦合区域(71、104)的部分的所述位置、所述长度和相对间隙被确定，以获得期望的偏移，并且以使得对一些其它谐振模式的谐振频率引起的不期望的频率偏移最小化。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：
调整受另一种谐振模式的中心频率的偏移影响的、谐振模式的中心频率的值，所述调整包括：修改所述导电元件的成形以修改现有耦合或者产生额外的耦合，以便将受影响的频率偏移回到其期望值。
15.一种用于构造根据权利要求1至11中任一项所述的天线装置的方法，所述方法包括：
-第一步骤：使用根据权利要求12至14中任一项所述的方法来设计所述天线装置；
-第二步骤：将导电元件成形，以便产生在所述第一步骤期间定义的所述耦合区域；
-第三步骤：将所成形的导电元件与接地平面布置在一起，所述接地平面位于所述导电元件的近端附近。
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2018
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