專利名稱：移動(dòng)電話裝置、pda和其它小型電子無線電平臺(tái)中的多天線分集的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在移動(dòng)電話裝置、PDA(個(gè)人數(shù)字助理)和其它小型電子無線電平臺(tái)中建立多天線分集的技術(shù)。本發(fā)明的實(shí)施方案能夠使多個(gè)天線被同時(shí)安裝在小型電氣設(shè)備空間中并具有良好的分集，通過在它們的3-D天線圖之間測(cè)得的低互相關(guān)性表明了這一點(diǎn)。需要利用分集來克服多徑問題，而且在需要高的數(shù)據(jù)發(fā)射率時(shí)尤其需要利用分集。
本發(fā)明的實(shí)施方案可合并各種類型的天線設(shè)備，包括介電諧振天線(DRA)、高電介質(zhì)電線(HDA)、介電載荷天線(DLA)、介電激勵(lì)天線(DEA)和由導(dǎo)電材料制成的傳統(tǒng)的導(dǎo)電天線。
在現(xiàn)有技術(shù)中DRA是公知的，并通常構(gòu)成為高介電常數(shù)的介電材料(例如，陶瓷材料)的球(pellet)，其由直接微帶饋送、或由小孔或細(xì)縫饋送、或插入到介電材料中的探測(cè)器來激勵(lì)。DRA通常需要導(dǎo)電接地面或接地的基底。在DRA中，主輻射器是介電球，輻射由在介電材料中感應(yīng)的位移電流來產(chǎn)生。
HDA與DRA相似，但是不同之處在于在介電球下面的沒有完整接地面，HDA具有較小的接地面或根本沒有接地面。DRA通常具有縱深(deep)的、精確限定(well-defined)的諧振頻率，而HDA趨于具有不太精確的響應(yīng)，但是在較寬的頻率范圍中操作。主輻射器仍在介電球中。
DLA通常具有由電介質(zhì)元件(例如，適當(dāng)形狀的陶瓷元件)接觸的導(dǎo)電元件的形式。DLA中的主輻射器是導(dǎo)電的元件，但是其輻射屬性由電介質(zhì)元件來改變，從而允許DLA與具有相同性能的傳統(tǒng)導(dǎo)電天線相比具有較小的尺寸。
由本申請(qǐng)人在最近開發(fā)出的另一種天線是介電激勵(lì)天線(DEA)。DEA包括與例如倒L型天線(PILA)或平面倒F型天線(PIFA)的傳統(tǒng)天線一起使用的DRA、HDR或DLA。在DEA中，電介質(zhì)電線組件(即，DRA、HDA或DLA)被驅(qū)動(dòng)，并且非?？拷娊橘|(zhì)電線的導(dǎo)電天線由電介質(zhì)電線寄生(parasitically)激勵(lì)，并通常以不同的頻率輻射從而提供雙頻帶或多頻帶操作。作為一種替換，可驅(qū)動(dòng)導(dǎo)電天線以寄生地驅(qū)動(dòng)電介質(zhì)電線。
天線設(shè)計(jì)人員面對(duì)的重要問題是需要在較小的空間內(nèi)提供良好的分集，尤其是在當(dāng)今許多便攜式電氣裝置(例如計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等)以無線方式相互通信的情況下。在遠(yuǎn)距離通訊和雷達(dá)的應(yīng)用中，通常期望具有對(duì)到來的信號(hào)給出不同或相異的“視域(view)”的兩個(gè)或更多的天線。通常說來，信號(hào)的不同視域能夠被組合以獲得最優(yōu)或至少是改進(jìn)的性能，例如，具有最大或至少改善的信噪比、最小或至少是減少的干擾、最大或至少是提高的載波噪聲比等。使用幾個(gè)天線的信號(hào)分集能夠通過將天線分離(空間分集)、通過將天線指向不同方向(天線圖或方向分集)或通過使用不同的極化(極化分集)而獲得。在到來的信號(hào)被建筑物或其它結(jié)構(gòu)反射并導(dǎo)致同一信號(hào)具有多個(gè)不同相成分的情況下，天線分集對(duì)于克服多徑問題也是重要的。
在需要從較小的空間或容積中分集時(shí)，出現(xiàn)的一個(gè)問題是天線不得不以很小的間隔分隔開。其一個(gè)例子是在嵌入到便攜式計(jì)算機(jī)的PCMCIA卡被用來通過無線電與外部世界連接的情況。大部分高速率的無線電鏈路需要分集來獲得所需等級(jí)的性能，但是在PCMCIA卡中可用的空間通常約為1/3波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)。在上述狹小的空間處，大部分天線將緊密地耦合在一起，并因此趨于像單個(gè)天線一樣工作。此外，由于在天線之間具有很小的分隔，所以在天線之間具有很小的分集或性能差異。通常，約-20dB的耦合(隔離)是對(duì)用于PCMCIA卡的在相同帶寬上操作的天線之間的目標(biāo)規(guī)范。對(duì)于與微型基站非常相似的接入點(diǎn)(在WLAN和相似的應(yīng)用中)來說，甚至需要期望約為-40dB的更大隔離。在接入點(diǎn)是家庭煙霧報(bào)警器的大小并小于波長(zhǎng)的跨度時(shí)，用傳統(tǒng)天線很難獲得上述大的隔離。與便攜式計(jì)算機(jī)相似，WLAN和藍(lán)牙天線之間的-40dB或更大的隔離被認(rèn)為是理想的。
在2.4GHz的無線局域網(wǎng)(WLAN)頻率中建立良好分集的方法被發(fā)表在[“Printed diversity monopole antenna for WLAN operation”，T-Y Wu，et.al.，Electronics Letters，38，25，December 2002(T-Y Wu等人，“用于WLAN操作的印刷分集單極天線”，電子學(xué)報(bào)，38，25，2002年12月)]中。該論文中描述了如何去除印刷電路板(PCB)中的接地面，從而使得頂部表面上微帶的末端部分成為輻射單極子。這在本申請(qǐng)的

圖1中顯示。Wu等人還描述了兩個(gè)天線之間的接地面的T型段如何幫助增加它們之間的端口隔離。更詳細(xì)的描述在[“Planar Antennas for WLAN Applications”，K-LWong，National Sun Yat-Sen University，Taiwan，presented at the 2002Ansoft Workshop and available on the Ansoft website(K-L Wong，“用于WLAN應(yīng)用中的平面天線”，臺(tái)灣孫逸仙大學(xué)，發(fā)表于2002年Ansoft工作室，可在Ansoft網(wǎng)站上得到)]中給出。
上面討論的天線系統(tǒng)的帶寬相對(duì)較窄，而且沒有提供擴(kuò)展帶寬或其它方面的天線性能的方法。如T-Y Wu等人在上述論文中描述的那樣，這種類型的天線沒有在移動(dòng)通信系統(tǒng)中要用的足夠帶寬。
被接受的天線理論的一部分是“胖(fat)”單極子可被設(shè)計(jì)為比“瘦(thin)”單極子具有更寬的帶寬性能。參見例子，[“The handbook ofantenna design”，O.Rudge，et.al.，Peter Peregrinus Ltd，1986(O.Rudge等人，“筆記本天線設(shè)計(jì)”，Peter Peregrinus有限公司，1986)]中顯示了矩形和圓錐形狀的單極子具有非常寬的寬帶響應(yīng)。最近的論文[“Annularplanar monopole antennas”，Z.N.Chen，et.al.，IEE Proc.-Microw.AntennasPropag.，149，4，200-203，2002(Z.N.Chen等人，“環(huán)形平面天線”，IEE匯刊，微波天線傳播，149，4，200-203，2002)]中描述了形狀為圓盤或環(huán)的單極子如何具有寬帶阻抗和輻射特征。近來的書[“Broadband microstripantennas”，G.Kumar & K.P.Ray，Artech House，2003(G.Kumar & K.P.Ray，寬帶微帶天線，Artech House，2003)]中描述了如何將胖偶極的概念延伸到印刷微帶天線(MSA)中。圖2顯示了MSA的一般設(shè)計(jì)，Kumar &Ray顯示了矩形、三角形、六邊形和圓形的印刷微帶天線都具有寬帶屬性。
上述參考文獻(xiàn)中沒有一個(gè)提及分集或沒有提及在同一時(shí)間使用多于一個(gè)的單極子。
上面提出的參考文獻(xiàn)通過引用的方式在這里并入本申請(qǐng)中，并且被認(rèn)為是本發(fā)明的一部分。
根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供了一種天線設(shè)備，可包括電介質(zhì)基底，具有作為上表面的第一表面和作為下表面的第二表面；導(dǎo)電接地面，位于所述第二表面或所述第一和第二表面之間；至少兩個(gè)導(dǎo)電饋線，形成于所述第一表面，并從饋電點(diǎn)延伸到位于所述第一表面的邊緣或拐角部分處的預(yù)定輻射點(diǎn)，其中，所述接地面在所述輻射點(diǎn)的下面不延伸，其特征在于，所述接地面被配置成在所述輻射點(diǎn)之間延伸，所述饋線在所述輻射點(diǎn)處被加寬和/或在所述輻射點(diǎn)處設(shè)置有分立的電介質(zhì)元件。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了這樣一種天線設(shè)備，包括電介質(zhì)基底，具有作為上表面的第一表面和作為下表面的第二表面；導(dǎo)電接地面，位于所述第二表面或所述第一和第二表面之間；四個(gè)導(dǎo)電饋線，形成于所述第一表面并從饋電點(diǎn)延伸到預(yù)定輻射點(diǎn)，所述預(yù)定輻射點(diǎn)位于所述第一表面的邊緣或拐角部分，其中，所述接地面沒有延伸到所述輻射點(diǎn)的下面，其特征在于，所述接地面被配置成在所述輻射點(diǎn)之間延伸，所述輻射點(diǎn)中的兩個(gè)位于所述第一表面的相鄰的拐角部分，還有兩個(gè)所述輻射點(diǎn)位于所述第一表面的相互面對(duì)的邊緣部分。
通常，通過穿過電介質(zhì)基底和導(dǎo)電接地面中的縫隙或孔的電連接，導(dǎo)電饋線在饋電點(diǎn)處被提供能量。利用這種方式，所述電連接可被接合到所述基底的下側(cè)的信號(hào)線，而不與導(dǎo)電接地面短接。優(yōu)選的是可將所述信號(hào)線設(shè)置在接地面的下面從而屏蔽輻射點(diǎn)，并因此減少對(duì)所述天線設(shè)備的輻射特性的干擾。也可使用其它的饋線裝置，這對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說是公知的。
導(dǎo)電饋線可被配置為以公知的方式印刷在電介質(zhì)基底中的微帶饋線。
在本發(fā)明的特定的優(yōu)選實(shí)施方案中，在所述第一表面中設(shè)置有四個(gè)導(dǎo)電饋線并因此有四個(gè)輻射點(diǎn)。
在該實(shí)施方案的一個(gè)變化方案中，電介質(zhì)基底可通常為具有四個(gè)拐角部分和四個(gè)邊緣部分的矩形形狀，同時(shí)導(dǎo)電饋線可從導(dǎo)電基底上方的第一表面的區(qū)域延伸到四個(gè)拐角區(qū)域中。所述導(dǎo)電接地面被配置成沒有延伸到基底的四個(gè)拐角區(qū)域，但是延伸到基底的所有四個(gè)邊緣。這樣，在第一表面的四個(gè)拐角區(qū)域處限定出了四個(gè)輻射點(diǎn)。
在該實(shí)施方案的一個(gè)變化方案中，輻射點(diǎn)可通過下面方式被設(shè)置的更接近，即，和以前一樣，將第一對(duì)輻射點(diǎn)設(shè)置在第一表面的兩個(gè)相鄰拐角區(qū)域中，并將其它兩個(gè)輻射點(diǎn)設(shè)置在基底第一表面的相對(duì)的邊緣區(qū)域(位于承載第一對(duì)輻射點(diǎn)的兩個(gè)相鄰拐角區(qū)域和其余兩個(gè)拐角區(qū)域之間)。導(dǎo)電接地面被設(shè)置成在所述相對(duì)的邊緣區(qū)域中的兩個(gè)輻射點(diǎn)下方不延伸，但是可延伸到不承載輻射點(diǎn)的兩個(gè)拐角區(qū)域中。
在本發(fā)明的替代實(shí)施方案中，基底可以是三角形的，優(yōu)選為等邊三角形。與前述方式相同，導(dǎo)電接地面不延伸到第二表面的拐角區(qū)域，可將三個(gè)導(dǎo)電饋線設(shè)置在第一表面上，并分別延伸到其拐角區(qū)域以限定出三個(gè)輻射點(diǎn)。
一般而言，在任意多邊形基底(例如，五邊形、六邊形、七邊形、八邊形等)中可設(shè)置相似的配置。事實(shí)上，基底的形狀不是非常重要的，而輻射點(diǎn)和接地面的相對(duì)排列是重要的。然而，假定本發(fā)明實(shí)施方案的一個(gè)目的在于在小的無線電平臺(tái)中提供多個(gè)寬帶天線分集，則對(duì)于基底來說通常期望的是具有盡可能小的面積從而使其可容易地容納在小的設(shè)備例如移動(dòng)電話裝置或WLAN接入點(diǎn)中。為了最大化空間效率，輻射點(diǎn)設(shè)置在基底的第一表面的拐角或邊緣區(qū)域處是有利的。
除了上面的描述外，對(duì)在小的電氣設(shè)備平臺(tái)中構(gòu)建幾個(gè)分集天線的實(shí)踐方面的考慮通常導(dǎo)致這樣的結(jié)論，即偶數(shù)個(gè)輻射點(diǎn)優(yōu)于奇數(shù)個(gè)輻射點(diǎn)，以及輻射點(diǎn)(即，單個(gè)的分集天線)的特定優(yōu)選個(gè)數(shù)為四。之所以這樣的一個(gè)原因是四個(gè)輻射點(diǎn)/天線能夠被排列到相互之間成直角的四個(gè)方向的位置處，并且天線之間的耦合可以被降低。此外，成對(duì)地驅(qū)動(dòng)四個(gè)輻射點(diǎn)/天線而不是驅(qū)動(dòng)單個(gè)的天線能夠產(chǎn)生更大的分集。四個(gè)輻射點(diǎn)/天線被認(rèn)為在執(zhí)行由Lucent/Bell Labs開發(fā)的BLAST通信技術(shù)以增加數(shù)據(jù)通信速率時(shí)尤其有用的。
饋線可通過傳統(tǒng)的技術(shù)印刷在第一表面中，并可由銅或其它的適合導(dǎo)電材料制成。任意其它適合的技術(shù)可被用來形成饋線。
為了獲得寬帶操作，饋線在輻射點(diǎn)處可以比沿著它們的長(zhǎng)度方向上的部分更寬或更窄。這就使用了在介紹本申請(qǐng)時(shí)概述的“胖”單極天線技術(shù)。輻射點(diǎn)可相應(yīng)地配置為矩形、圓錐、盤狀、橢圓形、環(huán)形、三角形、六邊形、多邊形或其它規(guī)則或不規(guī)則的形狀。
作為一種替換或附加，饋線在輻射點(diǎn)設(shè)置有分立的電介質(zhì)元件，從而像DRA、HDA、DLA或DEA一樣操作。電介質(zhì)元件優(yōu)選地以陶瓷元件的形式具有較高的介電常數(shù)，例如，εT＞5，特別優(yōu)選地＞10。電介質(zhì)元件相對(duì)于饋線的端部的準(zhǔn)確配置決定了輻射點(diǎn)是否像DRA、HDA、DLA或DEA一樣操作，這將下文中進(jìn)行詳細(xì)的描述。
電介質(zhì)元件根據(jù)天線設(shè)備的操作需求可具有任意適當(dāng)?shù)男螤?。在?dāng)前優(yōu)選的實(shí)施方案中，電介質(zhì)元件可具有楔形形狀或可被配置為具有尖端和彎曲邊的柱面扇形。尖端可面向于拐角區(qū)域的外面，或面向拐角區(qū)域的里面。在其它的實(shí)施方案中，電介質(zhì)元件可具有普通的長(zhǎng)方形形狀。在需要時(shí)還可以使用其它的形狀，例如三角柱、具有圓拐角的三棱柱、細(xì)長(zhǎng)的薄彎曲元件、橋形元件、沿著圓柱的弦切開的端面的形狀，以及在這里描述的所有的形狀，但具有朝安裝有元件的電介質(zhì)基底的邊緣向下彎曲的上表面而不是具有通常平行于基底的平坦的fop表面。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，電介質(zhì)元件被焊接或附著到位于基底第一表面的拐角或邊緣區(qū)域處的饋線的頂部。作為一種替換，饋線的端部可附著到電介質(zhì)元件的垂直側(cè)表面，或甚至延伸到電介質(zhì)元件的上表面上。與饋線的端部接觸的電介質(zhì)元件的表面可被金屬處理，并且在一些實(shí)施方案中至少向內(nèi)面對(duì)電介質(zhì)元件的側(cè)表面的表面也可以被金屬處理，從而提高輻射點(diǎn)之間的隔離。
在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，電介質(zhì)元件被設(shè)置在第一表面從而使得它們不會(huì)重疊在接地面上是非常重要的，否則天線設(shè)備將不會(huì)正確地工作。這通常是在電介質(zhì)元件被構(gòu)造成作為DLA或介電載荷單極天線工作時(shí)的情況。但是，在其它的實(shí)施方案中，允許電介質(zhì)元件覆蓋接地面，例如，在電介質(zhì)元件被構(gòu)造成以特定的HDA模式工作時(shí)。
為了更好地理解本發(fā)明和顯示本發(fā)明是如何被實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在將以實(shí)施例的方式參照相應(yīng)的附圖進(jìn)行說明，其中圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)的WLAN天線設(shè)備；圖2顯示了現(xiàn)有技術(shù)的“胖”單極天線設(shè)備；圖3顯示了本發(fā)明的第一實(shí)施方案；圖4顯示了用于圖3中的實(shí)施方案的S11回波損耗曲線；圖5顯示了用于圖3中的實(shí)施方案的可替換的電介質(zhì)元件的方向；圖6顯示了與用來測(cè)量圖7到12的天線性能的坐標(biāo)系相關(guān)的圖3中的實(shí)施方案；圖7到12顯示了用于圖3中的天線設(shè)備的示例性測(cè)量輻射圖案；圖13顯示了參照3-D互相關(guān)系數(shù)的圖3的實(shí)施方案；圖14顯示了由本發(fā)明特定的優(yōu)選實(shí)施方案形成的輻射圖案；圖15顯示了本發(fā)明的第二簡(jiǎn)要的實(shí)施方案；圖16顯示了本發(fā)明的另選的緊湊的實(shí)施方案；圖17顯示了圖15和16的緊湊的實(shí)施方案的另一個(gè)變化方案；圖18到21顯示了用于圖17的實(shí)施方案的各個(gè)輻射點(diǎn)的反射、發(fā)射曲線和輻射圖案；圖22顯示了在輻射點(diǎn)處沒有任何電介質(zhì)元件的緊湊的實(shí)施方案的又一個(gè)變化方案；圖23顯示了用于圖22的實(shí)施方案的輻射點(diǎn)中一個(gè)的反射、發(fā)射曲線和輻射圖案；以及圖24到26顯示了用于本發(fā)明的天線設(shè)備的各種幾何結(jié)構(gòu)。
圖1顯示的是現(xiàn)有技術(shù)的印刷微帶雙單極子天線設(shè)備，包括FR4 PCB形式的電介質(zhì)基底1；位于電介質(zhì)基底1下側(cè)的主導(dǎo)電接地面2；印刷微帶線3，該微帶線3終止于兩個(gè)輻射段4；和接地面的小的T型段5，小T型段5位于基底1下側(cè)的兩個(gè)輻射點(diǎn)4之間的位置處。
圖1還以截面形式顯示了上述設(shè)備，從中能夠看出兩個(gè)微帶線3如何通過接地面2中的一對(duì)縫隙或孔6從基底1的上側(cè)穿透到它的下側(cè)，并終止于一對(duì)SMA連接器7，SMA連接器7通過絕緣墊圈8與接地面2電絕緣。
兩個(gè)微帶線3被配置成使輻射段4指向基底1的拐角9，并相互以90度設(shè)置。輻射段4的下面沒有接地面2。
該現(xiàn)有技術(shù)的天線設(shè)備在操作中具有窄的帶寬，因?yàn)樵撛?，本領(lǐng)域的技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到其不適用于移動(dòng)通信。
圖2顯示了另一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的天線設(shè)備，也包括在其底側(cè)具有導(dǎo)電接地面2和在其上側(cè)具有印刷微帶線10的電介質(zhì)基底1。印刷微帶線10在比印刷微帶線10的主段顯著地寬的“胖”段11中終止，從而限定輻射段11。在輻射段11的下側(cè)沒有設(shè)置接地面2。接地面2的邊緣12用作輻射段11的接地面。這種天線設(shè)備具有良好的帶寬，但沒有提供天線分集。
圖3顯示了本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施方案，包括FR4或DuroidPCB形式的電介質(zhì)基底1。電介質(zhì)基底1的下側(cè)通過金屬化處理或其它適當(dāng)?shù)奶幚矶O(shè)置有導(dǎo)電接地面2。導(dǎo)電接地面2延伸到基底1的邊緣，但是沒有延伸進(jìn)拐角9。在該實(shí)施方案中，能夠看出接地面2具有普通的六邊形形狀。四個(gè)饋線13通過基底1的上表面從饋電點(diǎn)14延伸到拐角區(qū)域9。饋線13以相互平行的配置方式設(shè)置于基底1的上表面的中央部分(盡管有時(shí)候優(yōu)選的是饋線13以相互成90度排列在基底1的中央部分)，并接著轉(zhuǎn)到拐角區(qū)域9，從而使得饋線13的末端段15以相互成直角的方式設(shè)置。從圖3中看不出基底1下側(cè)的連接器，它提供以與圖1中的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備相似的方式實(shí)現(xiàn)從基底1的下側(cè)提供與饋電點(diǎn)14的連接。楔形的陶瓷電介質(zhì)元件16被焊接到各個(gè)饋線13的末端段15中，同時(shí)各個(gè)元件16的尖拐角邊緣17從其各自的拐角區(qū)域9指向外部。在適當(dāng)?shù)男盘?hào)被輸入到饋電點(diǎn)14時(shí)，電介質(zhì)元件16和饋線13的末端段15一起充當(dāng)寬帶(wideband)天線。在本申請(qǐng)的上下文中，各個(gè)末端段15及其相關(guān)的電介質(zhì)元件16限定了輻射點(diǎn)。應(yīng)該注意到，接地面2在基底1的下側(cè)延伸到基底1的輻射點(diǎn)之間的邊緣部分，這樣有助于隔離輻射點(diǎn)。
圖4(被標(biāo)以“沒有球”的線)顯示了在應(yīng)用介電陶瓷元件16之前四個(gè)末端段15之一的S11回波損耗。由該單個(gè)末端段15確定的天線增益約為1dBi。在加上一小片介電陶瓷材料時(shí)，產(chǎn)生第二S11輪廓(profile)(被標(biāo)以“小球”的線)，第二S11輪廓顯示了增加的帶寬和直到3dBi的增益。較大片的陶瓷元件產(chǎn)生第三S11輪廓(被標(biāo)以“大球”的線)并產(chǎn)生跨越非常大的帶寬的正增益。盡管回波耗損在接近2200MHz的頻率處是少量的，在-6dB電平測(cè)得的帶寬的范圍從1700MHz到超過3GHz。在圖3中顯示的是具有較大片陶瓷元件16的天線。
由于在圖3顯示的位置具有陶瓷元件16(即，基底的拐角9處的元件16的拐角17指向離開接地面2的方向)，在鄰近的拐角9中增加第二陶瓷元件16使得第一天線有些失諧。這種行為與天線是介電載荷單極子或DLA的思想一致。如果元件16朝向接地面2移動(dòng)以覆蓋接地面2，則天線就根本不工作。
如果元件16被如圖5所示那樣旋轉(zhuǎn)并設(shè)置，鄰近的拐角9中第二元件16不會(huì)使第一天線失諧，因此，上述天線表現(xiàn)為高電介質(zhì)電線(HDA)而不是像介電載荷單極子那樣操作。在該實(shí)施方案中，允許元件16覆蓋接地面2，這也是事實(shí)上所期望的。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到本發(fā)明替換實(shí)施方案的天線設(shè)備可通過在圖5中所示的部分結(jié)構(gòu)的拐角9中進(jìn)一步設(shè)置三個(gè)等同的電介質(zhì)元件16而獲得。
圖6顯示了具有笛卡爾坐標(biāo)系的圖3的實(shí)施方案(以疊加在該圖中的方式顯示)。z軸從基底1垂直向上，x和y軸位于基底1的平面中。
圖7到12顯示了圖6中的設(shè)備的天線之一(即，輻射段15和電介質(zhì)元件16)在1900MHz、1967MHz、2034MHz、2101MHz和2168MHz頻率處參照?qǐng)D6中的坐標(biāo)系的輻射圖案。
具體地說，圖7顯示了xz平面共極的輻射圖案，圖8顯示了yz平面共極的輻射圖案，圖9顯示了xy平面共極的輻射圖案，圖10顯示了xz平面交叉極化的輻射圖案，圖11顯示了yz平面交叉極化的輻射圖案，圖12顯示了xy平面交叉極化的輻射圖案。
圖13顯示了圖3中的天線設(shè)備，其帶有圖7到12的天線輻射圖案之間的3-D互相關(guān)性的指示，這些互相關(guān)性使用Ansoft HFSS電磁仿真數(shù)據(jù)包計(jì)算出。對(duì)角線的互相關(guān)系數(shù)為0.17，跨過基底1的寬度的互相關(guān)系數(shù)為0.001，跨過基底1的長(zhǎng)度的互相關(guān)系數(shù)為0.023。這些數(shù)字表示圖3中具有4個(gè)天線的實(shí)施方案擁有在例如移動(dòng)電話裝置中建立分集的優(yōu)良潛能。
天線的分集能夠通過極化分集、空間分集或圖案/方向分集來建立。在圖13中顯示的低互相關(guān)性數(shù)字主要由于極化分集導(dǎo)致，但是不同的電波方向也起到了作用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)方向分集能夠在犧牲帶寬的條件下通過操縱電介質(zhì)基底1中的電介質(zhì)元件16的位置和通過優(yōu)化基底1下側(cè)的元件16和接地面2之間的縫隙來提高。
圖14顯示了被期望提高良好方向分集的波束圖案的實(shí)施例。在該配置中，各個(gè)電介質(zhì)元件16和輻射段15下面去除的接地面2的面積小于被用來測(cè)量在圖7到12中曲線的天線中去除的接地面2的面積。天線設(shè)備具有良好的分集和低的前后比，其中“后”方向被定義為以背對(duì)背設(shè)置的類似天線的最大輻射方向。(通常，在同一平面中后瓣方向與前瓣方向之間為180度，即，在該實(shí)施方案中向下穿過PCB基底。然而，在本文中將第一天線元件的后瓣定義為與第二天線元件的前瓣的方向相同更有意義，第二天線元件與第一天線元件背對(duì)背地設(shè)置)。注意具有相同極化、向后面而不是向前面的天線(并因此具有關(guān)于垂直軸反射的圖案圖像)將具有非常不同的增益，在該實(shí)施方案中約低11dB。這種不同恰恰是用來建立具有相同極化的天線之間的波束分集所需要的。這種天線具有約為200MHz的帶寬，比用于圖7到12中的天線設(shè)備的帶寬要低得多。具有在圖14中顯示的輻射特征的這種類型的四個(gè)天線(設(shè)置在基底1的拐角9中，如前所述)之間的隔離從7到15dB之間變化。
總之，所給出的結(jié)果顯示出將天線放置在手機(jī)裝置的拐角處能夠建立天線系統(tǒng)(其具有非常寬的阻抗帶寬和有效的具有正dBi增益為從1.7到3GHz的輻射圖案)。多達(dá)四個(gè)的天線能夠被安裝到手機(jī)裝置的PCB中。上述天線具有非常低的互相關(guān)性，這表明從該天線系統(tǒng)可以獲得良好的分集。
圖15和16顯示了本發(fā)明的替代的緊湊的實(shí)施方案，其中，相似的部件和前面實(shí)施方案具有相同的標(biāo)號(hào)。饋線13在基底1的平面中被相互成90度地配置。兩個(gè)輻射段15和相關(guān)電介質(zhì)元件16中的兩個(gè)被設(shè)置在電介質(zhì)基底的相鄰拐角區(qū)域9中。然而，其余的兩個(gè)輻射段15’和電介質(zhì)元件16’被設(shè)置在基底1的邊緣區(qū)域而不是在拐角區(qū)域，同時(shí)，在基底1的上側(cè)的輻射段15’和電介質(zhì)元件16’的下面，接地面2從基底1的下側(cè)去除。在這種方式中，輻射段15、15’和電介質(zhì)元件16、16’與圖3中的實(shí)施方案相比被更緊湊地聚集在一起，但是仍然通過基底1下側(cè)的接地面2的形狀而被相互隔離的。這種排列的有益之處在于天線元件能夠被緊緊聚集在RF無線電通信設(shè)備(未顯示)周圍，RF無線電通信設(shè)備將位于天線元件之間，并通常位于基底1的下側(cè)。通過縮短饋線13的長(zhǎng)度，可以減少RF耗損，盡管會(huì)產(chǎn)生天線之間由于它們緊靠在一起而導(dǎo)致的增加電磁耦合的不利之處。圖15中的實(shí)施方案的饋線比圖16中的饋線短。圖15和16中的電介質(zhì)元件16，16’被設(shè)置在基底1中以便用輻射段15、15’如HAD一樣配置。
圖17顯示的排列裝置與圖15和16中的相似，但是具有焊接于輻射段15、15’中的低輪廓(low-profile)的長(zhǎng)方形電介質(zhì)元件16、16’。
圖15到17中的實(shí)施方案的接地面2的具體形狀可定義為“彗星”形狀。從具有兩個(gè)較長(zhǎng)側(cè)和兩個(gè)較短側(cè)的矩形接地面開始，從兩個(gè)較長(zhǎng)邊緣中分別去除梯形段，以及從一個(gè)較短邊緣的各邊去除拐角段。利用這種方式，輻射點(diǎn)由基底的部分而被相互隔開，同時(shí)仍然留有足夠的接地面用于將各種其它的控制電子器件(未顯示)安裝在PCB底基中。
圖18到21分別顯示了圖17的實(shí)施方案中的各個(gè)天線a、b、c和d的被測(cè)得的反射和發(fā)射曲線和S21輻射圖案，并以此給出對(duì)于不同天線元件a、b、c和d的S11阻抗帶寬和S121發(fā)射耗損。
圖22顯示了本發(fā)明第二個(gè)方面的實(shí)施方案，其與前述實(shí)施方案相同的部件用相同的標(biāo)號(hào)來表示。該實(shí)施方案使用與圖15到17中相同的“彗星”形狀接地面2，但是在輻射點(diǎn)不包括電介質(zhì)元件，在輻射段15、15’處沒有使用“胖”單極子。這可被看作是微帶天線(MSA)。
圖23顯示了用于在位置a處的輻射段15定義的天線元件的反射和發(fā)射曲線以及輻射圖案，并可與圖18中所示的具有圖17的電介質(zhì)元件的等同天線的曲線相比較?？梢钥闯鰣D22的天線元件用良好的帶寬來輻射，但從較高的頻率開始和較低的增益開始。
圖24到26顯示了三個(gè)不同的天線幾何結(jié)構(gòu)，與前述實(shí)施方案中相同的部件用相同的標(biāo)號(hào)來表示。
現(xiàn)在參照?qǐng)D24，通過計(jì)算機(jī)仿真可以發(fā)現(xiàn)相互成直角地設(shè)置的兩個(gè)天線(每一個(gè)都包括輻射段15和電介質(zhì)元件16)具有-10.6dB的合理隔離和低的互相關(guān)系數(shù)0.13，表明這種裝置可很好地用于分集。
如圖25所示，在三個(gè)天線元件以極化面之間的最大可能的角來放置成三角形的構(gòu)造時(shí)(期望給出最好的分集)，隔離效果是弱的，為-5.3dB，互相關(guān)系數(shù)同樣也很小，為0.41。對(duì)于分集來說這不是一個(gè)好的布局。
在四個(gè)天線元件按照相互間旋轉(zhuǎn)90度的方式組合時(shí)，如圖26所示。最差的隔離(通過對(duì)角線)也較好，為-6.8dB，最差的互相關(guān)系數(shù)(還是通過對(duì)角線)也較好，為0.32。相鄰側(cè)的元件之間的互相關(guān)系數(shù)特別好，為0.017。顯然對(duì)于分集而言，這一結(jié)構(gòu)是非常好的。
如果使用五個(gè)元件，與使用三個(gè)元件相比，情況將變得糟糕，這是因?yàn)樵跇O化面之間的角度僅為72度而不是120度。
這樣，兩個(gè)或四個(gè)元件帶來了在手持裝置中獲得分集的最佳可能，因?yàn)樵黾恿朔旨倪x擇，以及實(shí)現(xiàn)多輸入多輸出通信技術(shù)(例如，LucentBLAST方法)的可能性，四個(gè)元件是優(yōu)選的。
本發(fā)明優(yōu)選的特征可應(yīng)用到本發(fā)明的所有方面，并可以以任意可能的組合使用。
在所有說明書和權(quán)利要求中，詞“包括(comprise)”和“包含”和該詞的變化，例如“包括(comprising)”和“包括(comprises)”都指“包括但不限于”，并不是要(也并不是)排除其它的組件、集合、部分、附加或步驟。
權(quán)利要求
1.一種天線設(shè)備，包括電介質(zhì)基底，具有上部的第一表面和下部的第二表面；導(dǎo)電接地面，位于所述第二表面上或所述第一和第二表面之間；至少兩個(gè)導(dǎo)電饋線，形成于所述第一表面，并從饋電點(diǎn)延伸到位于所述第一表面的邊緣或拐角部分的預(yù)定輻射點(diǎn)，其中，所述接地面在所述輻射點(diǎn)的下方不延伸，其特征在于，所述接地面被配置成在所述輻射點(diǎn)之間延伸，所述饋線在所述輻射點(diǎn)處被加寬和/或在所述輻射點(diǎn)處設(shè)置有分立的電介質(zhì)元件。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述饋線是微帶饋線。
3.如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中，在所述第一基底中設(shè)置有四個(gè)饋線并因此有四個(gè)輻射點(diǎn)。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述基底通常為具有四個(gè)拐角部分和四個(gè)邊緣部分的矩形形狀，各個(gè)饋線延伸到各自的拐角部分。
5.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述基底為具有四個(gè)拐角部分和四個(gè)邊緣部分的通常的矩形形狀，兩根饋線分別延伸到相鄰的拐角部分，還有兩根饋線分別延伸到相對(duì)的邊緣部分，所述相對(duì)的邊緣部分中的每一個(gè)與所述相鄰的拐角部分中的一個(gè)相鄰。
6.如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中，在所述第一表面中設(shè)置有兩根饋線并因此有兩個(gè)輻射點(diǎn)。
7.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述兩根饋線延伸到所述第一表面的兩個(gè)相鄰的拐角部分。
8.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，所述饋線被設(shè)置在相鄰的輻射點(diǎn)處，并且相互之間成直角。
9.如從屬于權(quán)利要求3的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，所述饋線按照能夠被成對(duì)而不是單個(gè)地驅(qū)動(dòng)的方式電連接到驅(qū)動(dòng)電路。
10.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，所述饋線在所述輻射點(diǎn)處被加寬，并被配置為具有矩形、圓錐形、圓形、橢圓形、環(huán)形或多邊形的形狀。
11.如權(quán)利要求1到9中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述饋線在所述輻射點(diǎn)處設(shè)置有介電陶瓷元件。
12.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，所述陶瓷元件在所述輻射點(diǎn)處被焊接至所述饋線。
13.如權(quán)利要求11或12所述的設(shè)備，其中，所述陶瓷元件的與所述饋線接觸的表面上經(jīng)過金屬處理。
14.如權(quán)利要求11到14中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述陶瓷元件的形狀為具有尖邊緣和圓邊緣的柱面的扇形。
15.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，所述陶瓷元件以所述尖邊緣共同指向外面的方式設(shè)置于所述第一表面上。
16.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，所述陶瓷元件以所述尖邊緣共同指向內(nèi)面的方式設(shè)置于所述第一表面上。
17.如權(quán)利要求11到14中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述陶瓷元件為長(zhǎng)方形，并在所述輻射點(diǎn)與所述饋線對(duì)齊。
18.一種天線設(shè)備，包括電介質(zhì)基底，具有上部的第一表面和下部的第二表面；導(dǎo)電接地面，位于所述第二表面上或所述第一和第二表面之間；四個(gè)導(dǎo)電饋線，形成于所述第一表面，并從饋電點(diǎn)延伸到預(yù)定輻射點(diǎn)，所述預(yù)定輻射點(diǎn)位于所述第一表面的邊緣或拐角部分，其中，所述接地面沒有延伸到所述輻射點(diǎn)的下面，其特征在于，所述接地面被配置成在所述輻射點(diǎn)之間延伸，所述輻射點(diǎn)中的兩個(gè)位于所述第一表面的相鄰的拐角部分，還有兩個(gè)所述輻射點(diǎn)位于所述第一表面的互相面對(duì)的邊緣部分。
全文摘要
公開了一種天線設(shè)備，包括電介質(zhì)基底，具有上部的第一表面和下部的第二表面；導(dǎo)電接地面，位于所述第二表面或所述第一和第二表面之間。至少兩個(gè)導(dǎo)電饋線形成于所述第一表面并從饋電點(diǎn)延伸到預(yù)定輻射點(diǎn)。所述接地面在所述輻射點(diǎn)的下方不延伸。所述接地面被配置成在所述輻射點(diǎn)之間延伸，所述饋線在所述輻射點(diǎn)處被加寬和/或在所述輻射點(diǎn)處被設(shè)置分立的電介質(zhì)元件。所述天線設(shè)備在小的空間內(nèi)提供了寬帶性能和良好的分集性。
文檔編號(hào)H01Q1/24GK1748339SQ200480003756
公開日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2004年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月7日
發(fā)明者史蒂文·帕基, 史蒂文·馬丁, 提姆·約翰·帕爾默, 詹姆士·威廉·金斯利, 西蒙·菲利普·金斯利 申請(qǐng)人:安蒂諾瓦有限公司