專利名稱：Antenna with dual band lumped element impedance matching的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及多波段天線，更具體地涉及用于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的多波段倒L 型天線。
背景技術(shù)：
全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)(比如全球定位系統(tǒng)(GPS))中的接收器，使用基于衛(wèi)星 廣播的視距信號(hào)的距離測(cè)量。接收器測(cè)量一個(gè)或多個(gè)廣播信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。該到達(dá)時(shí)間測(cè) 量包括基于信號(hào)的粗捕獲碼部分的時(shí)間測(cè)量，被稱為偽距和相位測(cè)量。在GPS中，衛(wèi)星廣播的信號(hào)具有在一個(gè)或幾個(gè)頻帶的頻率，包括Ll波段(1565至 1585MHz)、L2 波段(1217 至 1237MHz)、L5 波段(1164 至 1189MHz)和 L 波段通信(1520 至 1560MHz)。其他GNSS的廣播信號(hào)在相似的頻帶內(nèi)。為了接收一個(gè)或多個(gè)廣播信號(hào)，GNSS中 的接收器經(jīng)常具有與衛(wèi)星廣播信號(hào)的頻帶對(duì)應(yīng)的多個(gè)天線。多個(gè)天線和相關(guān)的前端電子設(shè) 備增加了 GNSS中接收器的復(fù)雜性和費(fèi)用。另外，對(duì)于彼此可以物理替換的多個(gè)天線的使用 可能降低距離測(cè)量的精確性，從而降低接收器確定的定位的精確性。進(jìn)一步，在機(jī)動(dòng)車、農(nóng) 業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中，需要有一種小型堅(jiān)固的導(dǎo)航接收器。這種小型堅(jiān)固的接收器可以根據(jù)具 體應(yīng)用安裝在車輛的內(nèi)部或外部。因此，需要一種用于GNSS中接收器的改良的小型天線以解決與現(xiàn)有天線相關(guān)的 問題。

發(fā)明內(nèi)容
描述一種具有雙頻帶集總元件阻抗匹配的天線的實(shí)施例。在一些實(shí)施例中，天線 包括第一天線元件和第二天線元件。第一天線元件和第二天線元件均設(shè)置為可以接收第一 頻率波段和第二頻率波段的信號(hào)。第二頻率波段的頻率大于第一頻率波段的頻率。第一阻 抗匹配電路耦接到第一天線元件并包括具有第一共享組件的第一若干濾波器。第一若干濾 波器包括一低通濾波器和一高通濾波器。在天線的不同實(shí)施例中，低通濾波器和高通濾波 串聯(lián)連接，第一共享組件包括一電感，第一共享組件還包括一電容，第一阻抗匹配電路提供 大致為500hms (歐姆)的阻抗，和/或第一天線元件和第二天線元件大致沿天線的第一軸 線排列。在一個(gè)實(shí)施例中，天線包括耦接到第二天線元件的第二阻抗匹配電路，第二阻抗 匹配電路包括具有第二共享組件的第二若干濾波器。在一些實(shí)施例中，天線還包括饋電網(wǎng) 絡(luò)電路，該饋電網(wǎng)絡(luò)電路耦接到第一阻抗匹配電路和第二阻抗匹配電路并具有與第一天線 元件和第二天線元件接收的信號(hào)對(duì)應(yīng)的合成的輸出。在一個(gè)實(shí)施例中，第一天線元件和第 二天線元件均包括位于接地平面之上的單極天線，并且第一共享組件和第二共享組件均包 括一電感和一電容。在一個(gè)實(shí)施例中，第一天線元件和第二天線元件均包括位于接地平面之上的單極 天線。第一天線元件和第二天線元件均是倒L型天線。在一個(gè)實(shí)施例中，單極天線位于與包括接地平面的平面大致平行的平面內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，單極天線一部分同樣位于與包 括接地平面的平面大致垂直的平面內(nèi)。單極天線包括設(shè)置在印刷電路板上的金屬層。印刷 電路板可以適用于微波應(yīng)用。在一個(gè)實(shí)施例中，頻率的第一波段包括1165至1237MHz，頻率 的第二波段包括1520至1585MHz。在一個(gè)實(shí)施例中，天線包括第三天線元件和第四天線元件，其中第三天線元件和 第四天線元件均設(shè)置為接收第一頻率波段和第二頻率波段的信號(hào)。天線包括耦接到第三天 線元件的第三阻抗電路，第三阻抗電路包括具有第三共享組件的第三若干濾波器。天線還 包括耦接到第四天線元件的第四阻抗電路，第四天線元件包括具有第四共享組件的第四若 干濾波器。在一個(gè)實(shí)施例中，第一天線元件和第二天線元件大致沿著天線的第一軸線排列， 并且第三天線元件和第四天線元件大致沿著天線的第二軸線排列。第一軸線和第二軸線相 對(duì)彼此被旋轉(zhuǎn)約90°。在一個(gè)實(shí)施例中，天線包括耦接到第一天線元件、第二天線元件、第三天線元件和 第四天線元件的饋電網(wǎng)絡(luò)電路。饋電網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)置為將來自第一天線元件、第二天線元件、 第三天線元件和第四天線元件的接收信號(hào)相位移以優(yōu)先接收?qǐng)A極化的輻射。在一個(gè)實(shí)施例 中，饋電網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)置為將來自各自天線元件的接收信號(hào)相對(duì)于天線中的相鄰天線元件的 接收信號(hào)相位移大致90°。在一個(gè)實(shí)施例中，優(yōu)先接收的輻射是右旋圓極化的輻射。在一 實(shí)施例中，優(yōu)先接收的輻射是左旋圓極化的輻射。在一個(gè)實(shí)施例中，天線包括用于接收第一頻率波段和第二頻率波段的信號(hào)的第一 輻射裝置和第二輻射裝置，其中第二頻率波段的頻率大于第一頻率波段的頻率。耦接到第 一輻射裝置的第一阻抗匹配裝置具有第一濾波裝置。耦接到第二輻射裝置的第二阻抗匹配 裝置具有第二濾波裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，處理信號(hào)的方法包括對(duì)耦接到第一天線元件的電信號(hào)進(jìn)行濾 波，并且對(duì)耦接到天線的第二天線元件的電信號(hào)進(jìn)行濾波。在一個(gè)實(shí)施例中，所述方法包括 轉(zhuǎn)換電信號(hào)從而通過較高頻帶和較低頻帶。在一個(gè)實(shí)施例中，所述方法包括轉(zhuǎn)換電信號(hào)從 而衰減位于較高頻帶之上和位于較低頻帶之下的信號(hào)并且通過中心頻帶。在一個(gè)實(shí)施例 中，所述方法包括轉(zhuǎn)換電信號(hào)從而通過較高波段和較低波段而衰減中心波段。所述轉(zhuǎn)換包 括在中心頻帶的兩個(gè)子帶中提供大致相似的阻抗。在一個(gè)實(shí)施例中，在兩個(gè)子帶中的大致 相似的阻抗大致為50歐姆(Ohms)。在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)包括天線、耦接到天線的阻抗匹配電路，其中阻抗匹配電路 包括具有共享組件的若干濾波器。饋電網(wǎng)絡(luò)電路耦接到阻抗匹配電路。低噪聲放大器耦接 到饋電網(wǎng)絡(luò)電路。取樣電路耦接到低噪聲放大器。


通過下面的詳細(xì)描述、附加的權(quán)利要求并結(jié)合附圖可以得知本發(fā)明的其他目的和 特征。圖IA是示出倒L型多波段天線實(shí)施例的側(cè)視圖的框圖。圖IB是示出倒L型多波段天線實(shí)施例的俯視圖的框圖。圖2A是示出四元倒L型多波段天線實(shí)施例的側(cè)視圖的框圖。
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圖2B是示出四元倒L型多波段天線實(shí)施例的俯視圖的框圖。圖2C是示出使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)四元倒L型多波段天線一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行測(cè)試 的框圖。圖3A是示出用于多波段天線的饋電網(wǎng)絡(luò)電路的實(shí)施例的框圖。圖3B是示出具有饋電網(wǎng)絡(luò)、低噪聲放大器和數(shù)字電子模塊的多波段天線的實(shí)施 例的俯視圖的框圖。圖3C是示出用于多波段天線的饋電網(wǎng)絡(luò)電路的可選實(shí)施例的框圖。圖4A描繪示出在極坐標(biāo)中的模擬復(fù)反射系數(shù)作為天線元件的頻率函數(shù)的圖表， 在多波段天線中所述天線元件沒有阻抗補(bǔ)償電路。圖4B描繪示出在極坐標(biāo)中模擬復(fù)反射系數(shù)作為天線元件的頻率函數(shù)的圖表，根 據(jù)一些實(shí)施例，多波段天線中所述天線元件耦接到集總元件阻抗匹配電路。圖5A是用于多波段天線的具有共享組件的阻抗匹配電路的實(shí)施例的框圖。圖5B是具有帶共享組件的濾波器的阻抗匹配電路的電路圖。圖6是示出模擬幅度和相位相對(duì)用于耦接到具有共享組件的阻抗匹配電路的天 線元件的復(fù)反射系數(shù)的頻率的圖表。圖7示出對(duì)應(yīng)于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的頻率波段。圖8是示出使用用于多波段天線的集總元件阻抗匹配電路的方法的實(shí)施例的流 程圖。圖9是系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的混合框圖和電路圖，所述系統(tǒng)具有包括帶合成網(wǎng)絡(luò)和 低噪聲放大器的集總元件阻抗匹配電路的四元多波段倒L型天線。圖IOA和IOB示出阻抗匹配電路的可選實(shí)施例。相似的參考標(biāo)識(shí)指的是貫穿附圖的幾個(gè)圖示的對(duì)應(yīng)部件。
具體實(shí)施方案參考本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，隨附附圖用于說明實(shí)施例。在下面的詳細(xì)描 述中，闡明眾多具體細(xì)節(jié)以便是深入理解本發(fā)明。不過，很明顯本領(lǐng)域技術(shù)人員即使沒有這 些具體細(xì)節(jié)也可以實(shí)施本發(fā)明。在其他示例中、均沒有具體描述眾所周知的方法、過程、組 件和電路以避免不必要地妨礙本發(fā)明的情況。多波段天線覆蓋了一個(gè)頻率范圍，該頻率范圍相距甚遠(yuǎn)使用一個(gè)已有天線難以覆 蓋。在一個(gè)示例的實(shí)施例中，多波段天線用于發(fā)射或接收在Ll波段(1565到1585MHz)、L2 波段(1217 到 1237MHz)、L5 波段(1164 到 1189MHz)和 L 波段通信(1520 到 1560MHz)的信 號(hào)。這四個(gè)L波段被視為兩個(gè)不同波段的頻率第一頻率波段為大約1164到1237MHz范圍， 第二頻率波段從大約1520到1585MHz范圍。這兩個(gè)波段的近似中心頻率位于1200MHz (f\) 和1552MHz (f2)。這些具體頻率和頻帶僅是例子，其他頻率和頻帶也可以在其他實(shí)施例中使 用。多波段天線也被設(shè)置為在第一和第二頻率波段內(nèi)具有基本不變的阻抗(有時(shí)也 稱為公共阻抗)。這些特性可以允許GNSS(比如GPS)中的接收器使用更少或者甚至一根天 線來接收多個(gè)頻帶內(nèi)的信號(hào)。盡管用于GPS的多波段天線的實(shí)施例在下文的描述中作為示例性的例子，應(yīng)當(dāng)理解多波段天線可以在多個(gè)應(yīng)用中實(shí)施，包括無線通信、蜂窩電話技術(shù)，以及其他GNSS。此處 描述的技術(shù)可以廣泛實(shí)施于在不同頻率波段中使用的多種天線類型和設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在請(qǐng)關(guān)注多波段天線的實(shí)施例。圖IA和IB是示例出多波段天線100實(shí)施例的 側(cè)視圖和俯視圖。天線100包括接地平面(ground plane) 110和兩個(gè)倒L型元件112。倒 L型元件112大致沿天線100的第一軸線排列。電信號(hào)130使用信號(hào)線122耦接到并耦接 自倒L型元件。在一些實(shí)施例中，信號(hào)線122是同軸電纜并且接地平面110是適于微波應(yīng) 用的金屬層(例如，在印刷電路板中或上)。請(qǐng)參考圖1B，倒L型元件112具有La+Lb的長(zhǎng) 度(當(dāng)投影到接地平面110上時(shí))，其中La是各元件112的垂直或傾斜部分的長(zhǎng)度(當(dāng)投 影到接地平面110上時(shí))，Lb是各元件112的水平部分的長(zhǎng)度。每一個(gè)倒L型元件112 (比如倒L型元件112_1)可以有一個(gè)位于接地平面110上 方的單極天線。在天線100中，單極天線在與包括接地平面110的平面大致平行的平面內(nèi)。 單極天線可以使用設(shè)置在印刷電路板上的金屬層來實(shí)現(xiàn)。單極天線具有長(zhǎng)度La+Lb(114、 116)、寬度132、厚度134，并且在接地平面110之上可以具有長(zhǎng)度LD120。兩個(gè)倒L型元件 112可以由距離LcIlS分開。倒L型元件112-1可以具有一傾斜部分，所述傾斜部分沿接地 平面110的投影具有長(zhǎng)度1^114。所述傾斜部分可以改變天線100的輻射模式。不過，所述 傾斜部分不會(huì)明顯改變天線100的電阻抗特性。在一些實(shí)施例中，天線100可以包括其他組件或更少的組件。兩個(gè)或多個(gè)組件的 功能可以結(jié)合。一個(gè)或多個(gè)組件的位置可以改變。在其他實(shí)施例中，天線100 (圖IA和圖1B)可以包括其他倒L型元件。如圖2A和 圖2B中所示。圖2A是示出四元倒L型多波段天線200的實(shí)施例的側(cè)視圖的框圖。圖2B是示出 四元倒L型多波段天線200的實(shí)施例的俯視圖的框圖。圖2A和圖2B示出了具有四個(gè)倒L 型元件112-1至112-4的多波段天線200的實(shí)施例。圖2A顯示側(cè)視圖(由于是側(cè)視圖只 有三個(gè)倒L型元件可見，但實(shí)際存在四個(gè))。圖2B示出天線200的俯視圖，具有四個(gè)倒L 型元件112-1至112-4。每個(gè)倒L型元件具有寬度132和厚度134，并且在接地平面110之 上有距離Ld120。倒L型元件112-1、112-2大致沿天線200的第一軸線排列。倒L型元件 112-3、112-4大致沿天線200的第二軸線排列。第二軸線相對(duì)于第一軸線被旋轉(zhuǎn)大約90°。 四元信號(hào)210分別耦接到對(duì)應(yīng)的倒L型元件112。圖2C示出使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀270測(cè)試四元倒L型多波段天線一個(gè)實(shí)施例的框 圖。測(cè)試中的倒L型元件(112-3)通過屏蔽電纜280 (具有屏蔽罩282)連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分 析儀270。每一個(gè)其他倒L型元件(112-1、112-2、112-4)耦接到對(duì)應(yīng)的電阻器272、274、 276。在一個(gè)實(shí)施例中，每一個(gè)電阻器272、274、276是500hms，或者大約是500hms。圖3A是示出用于多波段天線的饋電網(wǎng)絡(luò)電路300的實(shí)施例的框圖。饋電網(wǎng)絡(luò)電 路300可以耦接到四元天線200 (圖2A和圖2B)以向倒L型元件112提供適當(dāng)定相的電信 號(hào) 210。在發(fā)射的實(shí)施例中，180°混合電路312接收輸入電信號(hào)310并輸出相對(duì)彼此約 180°異相的兩個(gè)電信號(hào)。這些電信號(hào)的每一個(gè)耦接到90°混合電路314中的一個(gè)。每一 個(gè)90°混合電路314輸出兩個(gè)電信號(hào)210。各個(gè)電信號(hào)(比如電信號(hào)310-1)可以對(duì)于相 鄰的電信號(hào)310具有約90°相位移。在該結(jié)構(gòu)中，饋電網(wǎng)絡(luò)電路300是指正交饋電網(wǎng)絡(luò)。
7電信號(hào)210的相位布局導(dǎo)致天線200 (圖2A和圖2B)的圓極化輻射模式。輻射可以是右旋 圓極化(RHCP)或左旋圓極化(LHCP)。請(qǐng)注意電信號(hào)210的相關(guān)相位移越接近90°并且電 信號(hào)210的幅值相互匹配越平均，天線200(圖2A和圖2B)的軸比越好。在接收的實(shí)施例中，信號(hào)210由天線接收，并通過饋電網(wǎng)絡(luò)300合成，產(chǎn)生供接收 電路處理的信號(hào)310。請(qǐng)注意，接收的實(shí)施例與發(fā)射的實(shí)施例相同，但是如同下面描述的一 樣在相反的方向(接收取代發(fā)射)上對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。圖3B是示出具有饋電網(wǎng)絡(luò)、低噪聲放大器和數(shù)字電子模塊的多波段天線的實(shí)施 例的框圖。圖3B示出天線模塊360，包括四個(gè)耦接到四個(gè)相應(yīng)阻抗匹配電路350 (分別是 350-1至350-4)的倒L型天線元件112(112-1至112-4)。阻抗匹配電路350給饋電網(wǎng)絡(luò) 300 (如圖3A中所示)提供四元信號(hào)210。饋電網(wǎng)絡(luò)300向低噪聲放大器330提供合成的信 號(hào)310。低噪聲放大器330的作用是放大微弱的接收信號(hào)而不引入(或引入最少的或微不 足道的)失真或噪聲。低噪聲放大器330的輸出耦接到包括取樣電路340和其他電路342 的數(shù)字電子模塊370。在一個(gè)實(shí)施例中，電路340包括一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)并且可以包括頻 率轉(zhuǎn)換電路比如降頻變換器。例如，電路342可以包括數(shù)字信號(hào)處理電路、存儲(chǔ)器、微處理 器、和一個(gè)或多個(gè)通信接口以向其他設(shè)備傳送信息。在一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)字電子模塊370處 理接收的信號(hào)以確定位置。在一個(gè)實(shí)施例中，天線模塊360在一單獨(dú)小型電路板上，并且以 適合于在戶外或惡劣環(huán)境中使用的方式包裝。圖3C是示出用于多波段天線的饋電網(wǎng)絡(luò)電路的可選實(shí)施例380的框圖。在可選 的實(shí)施例380中，四元信號(hào)210(210-1至210-4)耦接到第一組180°混合電路(有時(shí)稱為 移相電路)364。180°混合電路耦接到90°混合電路(有時(shí)稱為移相電路)362。90°混合 電路362同樣耦接至合成的信號(hào)360。對(duì)于饋電網(wǎng)絡(luò)電路300，電路380即可以在接收模式 使用也可以發(fā)射模式使用。在一些實(shí)施例中，饋電網(wǎng)絡(luò)電路300或380可以包括其他組件或更少的組件。兩 個(gè)或多個(gè)組件的功能可以結(jié)合。一個(gè)或多個(gè)組件的位置可以改變。請(qǐng)注意多波段天線和相位關(guān)系的示例性實(shí)施例，所述關(guān)系存在于感興趣的兩個(gè)或 多個(gè)頻帶中。請(qǐng)參考圖2A和圖2B，倒L型元件112的幾何形狀可以基于對(duì)應(yīng)于第一頻率波段的 波長(zhǎng)λ (在真空中)確定，比如第一頻率波段的中心頻率f\。(中心頻率的波長(zhǎng)λ等于 c/f\，其中c是真空中的光速。)在一些實(shí)施例中，倒L型元件112由垂直于接地平面110的 印刷電路板支撐。例如，倒L型元件112可以設(shè)置于相對(duì)于接地平面110垂直安裝的印刷 電路板上，因此實(shí)現(xiàn)由圖1-2所示的幾何形狀。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，印刷電路板是0. 03 英寸厚的羅杰斯(Rogers)4003，其是適于微波應(yīng)用的印刷電路板材料(具有低損耗特性并 且3. 38的介電常數(shù)ε非常恒定)。用圖1Α、圖1Β、圖2Α和圖2Β為例，長(zhǎng)度LD120是0.08 例如，如果中心頻率是1200MHz，長(zhǎng)度Ld120大約是20mm，長(zhǎng)度Le118大約是24mm，單極天 線長(zhǎng)度Liw^a 212大約是38mm，LcI 18大約是24mm，寬度122大約是6mm (請(qǐng)注意在實(shí)施例 200中，等于Lb)。在這個(gè)示例性實(shí)施例中，第二頻率波段的中心頻率f2大約是 第一頻率波段的中心頻率的5/4(或稍微更精確的1. 293)倍。在倒L型元件由印刷電路板支撐的實(shí)施例中，倒L型元件112和/或212的幾何 形狀是印刷電路板或襯底的介電常數(shù)的函數(shù)。用圖2A和圖2B為例，對(duì)于在這些頻率下操作并具有介電常數(shù)ε的0.03英寸厚的襯底的天線，LB160、長(zhǎng)度LD120和寬度122 —般可以 表述為L(zhǎng)b = 0. 152 (-0. 015756 ε +1. 053256)Ld = 0. 08 (-0. 015756 ε +1. 053256)以及寬度=0. 024 (-0. 015756 ε +1. 053256)如果使用具有較低介電常數(shù)ε的襯底，倒L型元件112和/或單極天線212的長(zhǎng) 度對(duì)于給定的中心頻率&將會(huì)比較大。請(qǐng)注意Lc大致獨(dú)立于ε。圖4Α是示出在極坐標(biāo)系統(tǒng)中單個(gè)倒L型天線元件121-1的模擬復(fù)反射系數(shù)的圖 表400，作為從1160MHz到1590MHz的頻率的函數(shù)。復(fù)反射系數(shù)是參照可以位于倒L型元 件112-1的“底部”的末端(當(dāng)從圖2A所示來定向)，正好高于或低于接地平面110。圖表 400有時(shí)稱為極圖或表。以另一種方式描述，圖表400示出到達(dá)倒L型元件112-1的末端并 會(huì)由倒L型元件112-1反射回的電信號(hào)的部分(或更精確地，波幅或相位移)作為電信號(hào) 的頻率的函數(shù)。圓圈430 (標(biāo)記0. 25,0. 5,0. 75、1)代表如果天線元件的反射系數(shù)到達(dá)或穿過這些 圓圈，由倒L型天線元件反射回的電信號(hào)的波幅部分(和因此，能量)。在最外圈430-1(1)， 電信號(hào)的百分之百(100%)的波幅均被天線元件反射回來。在最內(nèi)圈430-4 (0.25)，耦接 到天線元件的信號(hào)的百分之二十五(25%)的波幅被反射。對(duì)于匹配很好的天線，反射的波 幅將被最小化(例如，對(duì)于天線要操作的所有頻率30%或更少)。來自圓圈中間的半徑代 表從倒L型天線元件反射回來的信號(hào)的相位移。在最右端位置440 (圓圈上的3點(diǎn)位置)， 反射的信號(hào)沒有相位移。在頂端位置442 (圓圈上的12點(diǎn)位置)，反射的信號(hào)有90度的相 位移。在最左端位置444(圓圈上的9點(diǎn)位置)，反射的信號(hào)有+/-180度的相位移。在底端 位置446 (圓圈上的6點(diǎn)位置)，反射的信號(hào)有-90度的相位移。如上面所述，圖4A中的圖表400示出未匹配任何阻抗的倒L型天線元件112_1的 模擬復(fù)反射系數(shù)。特別感興趣的是點(diǎn)412和點(diǎn)414。點(diǎn)412示出未匹配的倒L型元件在第 一頻率(大致為1200MHz)的電阻和電抗。對(duì)于第一頻率，超過百分之五十(50% )的信號(hào) 波幅從未匹配的天線反射回來，相位移約180度。點(diǎn)414示出未匹配的倒L型元件在第二 頻率(大致為1555MHz)的電阻和電抗。對(duì)于第二頻率，約百分之三十(30% )的信號(hào)波幅 從未匹配的天線反射回來，相位移約45度。圖4B是示出具有集總元件阻抗匹配電路的倒L型天線112-1的實(shí)施例的模擬復(fù) 反射系數(shù)的圖表450，在下面將詳細(xì)描述。圖表450的結(jié)構(gòu)與圖表400的結(jié)構(gòu)相同。請(qǐng)注意 在圖表450，點(diǎn)422示出阻抗匹配(或阻抗補(bǔ)償)的倒L型元件在第一頻率(約為1200MHz) 的電阻和電抗。點(diǎn)424示出阻抗匹配(或阻抗補(bǔ)償)的倒L型元件在第二頻率(約為 1555MHz)的電阻和電抗。從圖表450可以看出，對(duì)于匹配的天線元件，點(diǎn)422和點(diǎn)424比 圖4A中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)412、414更接近于圓圈中心，顯示了較低的反射系數(shù)，并且因此更高效地 從天線元件到耦接的阻抗匹配電路進(jìn)行能量傳輸。圖5A是用于多波段天線的具有共享組件的阻抗匹配電路520的實(shí)施例的框圖 500。阻抗匹配電路520耦接到合成網(wǎng)絡(luò)300和位于接地平面510之上的倒L型元件112。 阻抗匹配電路520 “匹配”天線元件112和負(fù)載(合成網(wǎng)絡(luò)300)之間的阻抗(或更精確地降低阻抗失配)以最小化反射和最大化能量傳輸。信號(hào)210耦接在合成網(wǎng)絡(luò)300和阻抗匹 配電路520之間。圖5B是用于多波段天線的具有帶共享組件的若干濾波器的阻抗匹配電路520的 實(shí)施例的電路圖。在這個(gè)實(shí)施例中，阻抗匹配電路520包括與低通濾波器540串聯(lián)連接的高 通濾波器530。高通濾波器530包括接地的并聯(lián)電感(L2)、以及串聯(lián)連接的電容(Cl)和電 感(Li)。低通濾波器540包括接地的電容(C2)、以及串聯(lián)連接的電容(Cl)和電感(Li)。因 此，高通濾波器530和低通濾波器540具有共享組件550，即串聯(lián)的電容(Cl)和電感(Li)。 信號(hào)210耦接到負(fù)載、合成網(wǎng)絡(luò)300以及阻抗匹配電路520的并聯(lián)的L2電感和串聯(lián)的Cl電 容之間。在一個(gè)實(shí)施例中，為此圖4B和圖6中的圖表是通過模擬產(chǎn)生的，在電路圖520中 的元件的尺寸如下電容Cl 1.8皮法(pF)，電感Ll :6.2納亨(nH)，電容C2 2. 2pF，以及電 感L2 :3.9nH。當(dāng)然，在其他實(shí)施例中也可以使用其他系列組件值。圖6示出用于多波段天線的耦接到阻抗匹配電路(如圖5中所示的阻抗匹配電路 520)的倒L型天線元件的一個(gè)實(shí)施例的復(fù)反射系數(shù)對(duì)頻率610的模擬大小612和相位614 的圖表600。在圖表600中，在感興趣的頻帶中，復(fù)反射系數(shù)的大小小于閾限量(例如通過 阻抗匹配電路耦接到天線元件的信號(hào)波幅的30% )。天線元件，比如天線200 (圖2A和圖 2B)，在1200MHz和1552MHz附近展示低回波損耗或良好匹配(由低反射系數(shù)大小612證 明)。如下面參考圖7所述，這些頻率對(duì)應(yīng)于第一頻帶和第二頻帶的中心頻率。這表明天線 設(shè)計(jì)能夠支持至少雙波段操作。在其他實(shí)施例中，可以支持三個(gè)或更多波段。圖6的圖表 600以不同格式示出與圖4B的圖表450相似的數(shù)據(jù)。圖7是示出對(duì)應(yīng)于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的頻率波段712的圖700，包括Ll波段(1565 至 1585MHz)、L2 波段(1217 至 1237MHz)、L5 波段(1164 至 1189MHz)以及 L 波段(1520 至 1560MHz)。頻率710在χ軸上顯示。在上述多波段天線的示例性實(shí)施例中，第一頻率波段 712-1包括1164至1237MHz、第二頻率波段712-2包括1520至1585MHz。請(qǐng)注意盡管1200 和1552MHz并不精確等于這些波段的中心頻率(也稱為波段中心頻率)，它們也足夠接近于 波段中心頻率以達(dá)到預(yù)期的天線性能。在一個(gè)實(shí)施例中，中心頻率實(shí)際上是1200. 5MHz和 1552. 5MHz。多波段天線在第一頻率波段712-1和第二頻率波段712-2均具有低回波損耗 (例如少于30% )另外，第一頻率波段712-1包括L2波段和L5波段，第二頻率波段712-2 包括Ll波段和L波段。因此，單獨(dú)的多波段天線能夠傳輸和/或接收這四個(gè)GPS波段的信 號(hào)。請(qǐng)關(guān)注使用具有集總元件阻抗匹配的多波段天線的流程實(shí)施例。圖8是示出使用 多波段天線的方法的流程圖。該方法包括對(duì)耦接到第一天線元件的電信號(hào)進(jìn)行濾波和對(duì)耦 接到天線中第二天線元件的電信號(hào)進(jìn)行濾波(810)。所述方法包括轉(zhuǎn)換電信號(hào)從而通過較 高頻帶和較低頻帶(812)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述方法包括轉(zhuǎn)換電信號(hào)從而衰減位于較高頻 帶之上和位于較低頻帶之下的信號(hào)并且基本通過中心頻帶(814)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述 方法包括轉(zhuǎn)換電信號(hào)從而通過較高波段和較低波段而衰減中心波段(816)。在一個(gè)實(shí)施例 中，所述方法在中心頻帶的兩個(gè)子帶中提供大致相似的阻抗(818)。在一些實(shí)施例中，使用多波段天線的方法800可以包括更少或附加操作。操作的 順序可以改變。至少兩個(gè)操作可以結(jié)合為一個(gè)單獨(dú)操作。圖9描繪了具有包括帶有合成網(wǎng)絡(luò)和低噪聲放大器的集總元件阻抗匹配電路的四元多波段倒L型天線的系統(tǒng)900。在第一阻抗轉(zhuǎn)換元件912中，第一倒L型元件112-1耦 接到阻抗匹配電路(如圖5中所示)。阻抗轉(zhuǎn)換元件912的輸出耦接到正交合成網(wǎng)絡(luò)920。 正交合成網(wǎng)絡(luò)920耦接到低噪聲放大器(LNA)930。相似地，第二(914)、第三(916)和第四 (918)阻抗轉(zhuǎn)換元件均各包括一耦接到阻抗匹配電路的倒L型天線元件，并均耦接到正交 合成網(wǎng)絡(luò)920。在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)900使用集總元件阻抗匹配電路實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施 例中，系統(tǒng)900在直徑約6英寸的單獨(dú)小型電路板上實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，這種電路板為 GPS接收提供可預(yù)期增益模式。通過制造較大或較小的直徑，可以改變?cè)鲆婺Ｊ揭蕴峁┰?較低海拔處的較多增益或在較高海拔處的較少增益，或反之亦然。具體效果隨著頻率而變 化。在具體的實(shí)現(xiàn)中，發(fā)現(xiàn)天線元件阻抗特性是電路板(以及因此接地平面)直徑的非常 弱的函數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)900在直徑約3英寸到6英寸之間的小型電路板上實(shí)現(xiàn)。 在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)900在直徑約5英寸到7英寸之間的小型電路板上實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí) 施例中，系統(tǒng)900在直徑約3英寸到8英寸之間的小型電路板上實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，系 統(tǒng)900在直徑約2英寸到9英寸之間的小型電路板上實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)900在 直徑約1英寸到12英寸之間的小型電路板上實(shí)現(xiàn)。與上面討論的適宜頻帶相比，具有小于 3英寸直徑(直徑在約1英寸到3英寸之間)的小型電路板的實(shí)施例可以與更小的倒L型 元件一起使用，因此適合于在比上面討論的頻帶更高的頻帶中接收和/或傳送。上面已經(jīng) 討論過按要接收或傳送的頻率波段的中心頻率的波長(zhǎng)的函數(shù)篩分倒L型元件的例子。圖IOA和IOB示出阻抗匹配電路的可選實(shí)施例。圖IOA示出用于六極子 (six-pole)共享元件阻抗匹配電路的電路圖1000。圖IOB示出用于八極子(eight-pole) 共享元件阻抗匹配電路的電路圖1050。在一些實(shí)施例中，描述的阻抗匹配電路可以包括更 少或附加的元件或極子。元件的順序可以改變。至少兩個(gè)元件可以結(jié)合為一個(gè)單個(gè)元件。用示例的目的，前面的描述使用具體的術(shù)語以提供對(duì)本發(fā)明的完全理解。然而，對(duì) 于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯而易見為實(shí)施本發(fā)明并不需要具體的細(xì)節(jié)描述。實(shí)施例的選擇 和描述是為了更好地說明本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，因而使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠最好地 利用本發(fā)明和為適于預(yù)期的具體使用所做的多種改進(jìn)的多種實(shí)施例。因此，前面的描述并 不是為了詳盡或者限制本發(fā)明到描述的具體形式。通過前面的講解有可能做到多種改進(jìn)和 變化。本發(fā)明的范圍將由附加的權(quán)利要求及其等同物來限定。
權(quán)利要求
一種天線，包括一第一天線元件和一第二天線元件，其中所述第一天線元件和所述第二天線元件均被設(shè)置以接收一第一頻率波段和一第二頻率波段中的信號(hào)，并且其中所述第二頻率波段的頻率大于所述第一頻率波段的頻率；以及一耦接到所述第一天線元件的第一阻抗匹配電路，其包括具有一第一共享組件的第一若干濾波器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述第一若干濾波器包括一低通濾波器和一高通 濾波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路，其中所述低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其中所述第一共享組件包括一電感。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路，其中所述第一共享組件還包括一電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電路，其中所述第一阻抗匹配電路提供大致50歐姆的阻抗。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，還包括一耦接到所述第二天線元件的第二阻抗匹配電路，其包括具有一第二共享組件的第二 若干濾波器；以及一饋電網(wǎng)絡(luò)電路，其耦接到所述第一阻抗匹配電路和所述第二阻抗匹配電路，并具有 與所述第一天線元件和一第二天線元件接收的信號(hào)對(duì)應(yīng)的合成的輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電路，其中所述第一天線元件和所述第二天線元件均包括位 于一接地平面之上的單極天線，并且其中所述第一共享組件和所述第二共享組件均包括一 電感和一電容。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其中所述第一天線元件和所述第二天線元件均包括位 于一接地平面之上的單極天線。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的天線，其中所述第一天線元件和所述第二天線元件均是倒L 型天線。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的天線，其中所述單極天線位于與包括所述接地平面的平面 大致平行的平面內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的天線，其中所述單極天線位于與包括接地平面的平面大致 垂直的平面內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的天線，其中所述單極天線包括設(shè)置在一印刷電路板上的金 屬層，并且其中所述印刷電路板適于微波應(yīng)用。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其中所述第一頻率波段包括1164至1237MHz，以及所 述第二頻率波段包括1520至1585MHz。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其中所述第一天線元件和所述第二天線元件大致沿 著所述天線的一第一軸線排列。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，還包括一第三天線元件和一第四天線元件，其中所述第三天線元件和所述第四天線元件均被 設(shè)置以接收所述第一頻率波段和所述第二頻率波段中的信號(hào)；一耦接到所述第三天線元件的第三阻抗電路，其包括具有一第三共享組件的第三若干 濾波器；以及一耦接到所述第四天線元件的第四阻抗電路，其包括具有一第四共享組件的第四若干 濾波器。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的天線，其中所述第一天線元件和所述第二天線元件沿著所 述天線的一第一軸線排列，以及其中所述第三天線元件和所述第四天線元件沿著所述天線 的一第二軸線排列。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的天線，其中所述第一軸線和所述第二軸線相對(duì)彼此被旋轉(zhuǎn) 90°。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的天線，還包括一耦接到所述第一天線元件、所述第二天線 元件、所述第三天線元件和所述第四天線元件的饋電網(wǎng)絡(luò)電路，其中所述饋電網(wǎng)絡(luò)電路被 設(shè)置以相位移來自所述第一天線元件、所述第二天線元件、所述第三天線元件和所述第四 天線元件的所述接收信號(hào)相位移，以優(yōu)先接收被圓極化的輻射。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的天線，其中所述饋電網(wǎng)絡(luò)電路被設(shè)置以將來自一相應(yīng)天線 元件的所述接收信號(hào)相對(duì)于來自所述天線中相鄰天線元件的所述接收信號(hào)相位移大致90
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的天線，其中所述優(yōu)先接收的輻射是右旋圓極化的。
22.—種天線，包括用于接收一第一頻率波段和一第二頻率波段中的信號(hào)的一第一輻射裝置和一第二輻 射裝置，其中所述第二頻率波段中的頻率大于所述第一頻率波段中的頻率；一耦接到所述第一輻射裝置的第一阻抗匹配裝置，其具有一第一濾波裝置；以及 一耦接到所述第二輻射裝置的第二阻抗匹配裝置，其具有一第二濾波裝置。
23.一種方法，包括對(duì)耦接到一第一天線元件的電信號(hào)進(jìn)行濾波和對(duì)耦接到一天線中的一第二天線元件 的電信號(hào)進(jìn)行濾波；以及轉(zhuǎn)換所述電信號(hào)從而通過一較高頻帶和一較低頻帶； 所述轉(zhuǎn)換包括在較高頻帶和所述較低頻帶內(nèi)提供大致相似的阻抗。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述較高頻帶和較低頻帶內(nèi)的所述大致相似的 阻抗是50歐姆。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中轉(zhuǎn)換所述電信號(hào)還包括轉(zhuǎn)換所述電信號(hào)從而衰 減高于所述高頻帶和低于所述低頻帶的信號(hào)并大致通過一中心頻帶。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中轉(zhuǎn)換所述電信號(hào)還包括轉(zhuǎn)換所述電信號(hào)從而通 過所述高頻帶和所述低頻帶中的信號(hào)并衰減一中心頻帶。
27.—種系統(tǒng)，包括 一天線；一耦接到所述天線的阻抗匹配電路，其中所述阻抗匹配電路包括具有一共享組件的若 干濾波器；一耦接到所述阻抗匹配電路的饋電網(wǎng)絡(luò)電路； 一耦接到所述饋電網(wǎng)絡(luò)電路的低噪聲放大器；以及 一耦接到所述低噪聲放大器的取樣電路。
全文摘要
文檔編號(hào)H01Q9/42GK101953024SQ20098010160
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2009年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月26日
發(fā)明者Salazar Osvaldo, Mark L Rentz 申請(qǐng)人:Navcom Tech Inc