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CN100391049C - 天线装置 - Google Patents

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CN100391049C CNB018025056A CN01802505A CN100391049C CN 100391049 C CN100391049 C CN 100391049C CN B018025056 A CNB018025056 A CN B018025056A CN 01802505 A CN01802505 A CN 01802505A CN 100391049 C CN100391049 C CN 100391049C
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Abstract

一种天线装置包括通过复用器(106)馈电的多波段天线(102)，所述复用器至少具有一个输入端(110)且设置在天线馈线(104)近旁。所述复用器(106)可以包括天线匹配和宽带化电路。所公开的装置的优点在于：可以单独地为每个输入频带设计匹配和宽带化，从而提高性能，减少元件数量。另外，将寄生元件对复用器性能的影响降至最小。

Description

天线装置
技术领域
本发明涉及包括多波段天线的天线装置，所述多波段天线至少包括一个馈电点和连接在天线和收发信机之间的复用器。本发明还涉及包括这种天线装置的无线通信设备。在本说明书中，术语“多波段天线”指在两个或两个以上不同频带而不在这些频带之间的未用的频谱上发挥完美功效的天线。
背景技术
多波段无线通信设备日益普及。例如，蜂窝电话已在GSM(移动通信全球系统)、DCS1800(数字通信系统)和PCS1900(个人通信服务)网络中使用。未来的设备将会工作在更大范围的网络中。这种设备的应用要求包括多波段天线和驱动所述天线的收发信机。
传统上用多谐单路馈电天线实现多波段天线。有两种常用方法用以实现天线多谐振。第一种方法是使天线的不同部件以不同频率谐振，例如利用两根在公共馈电点连接的天线。第二种方法是利用分布电容和电感把传输线匹配结构结合到天线内，从而实现多波段匹配电路。
多波段天线通常通过复用器馈电，所述复用器具有每个频带一个输入端和单一输出端。所述复用器用于隔离各输入线路并为没有用于特定频带的输入线路提供已知的阻抗。所述复用器的输出信号通过天线匹配电路驱动天线，所述匹配电路必须对所有频带都有效。所述匹配电路还可起宽带化的作用，以增大可以从例如平面天线等小型天线获得的带宽。
上述传统多波段天线存在这样的问题：天线匹配电路必须对许多频率有效。需要匹配的频率越多，难度便越大，这意味着失去其他优化例如加大带宽的机会。
发明内容
本发明的目的是提供性能更好的多波段天线装置。
根据本发明第一方面，本发明提供一种天线装置，它包括在至少两个工作频带中操作的一个多波段天线和一个复用器，所述多波段天线包括馈电点，所述复用器包括一个输入端、至少一个输出端和多个电路，每个电路用于分别使所述至少两个频带中的一个频带通过，而阻挡所述至少两个工作频带中的另一个或其余的工作频带，所述输出端或每个输出端连接到相应的天线馈电点，其特征在于：所述多波段天线是平面天线，天线馈电点和复用器输出端之间的所述连接或每个连接具有可忽略的阻抗，所述电路为谐振电路，每个谐振电路包括天线匹配电路，用于使与复用器的输入端相连的收发信机端口的阻抗和天线馈电点的阻抗匹配；以及至少一个谐振电路包括宽带化电路，用于扩展天线的至少一个工作频带的带宽。
所述馈电点包括多个馈电点，所述多个馈电点的每个馈电点对应于所述天线的所述至少两个工作频带中的一个或多个工作频带。其中，所述复用器在所述多个馈电点的各个馈电点之间分配。
或者，所述馈电点包括至少第一馈电点和第二馈电点，所述复用器的所述输出装置包括至少第一和第二输出端，所述至少第一和第二输出端分别与所述至少第一馈电点和第二馈电点相连接，而且，所述谐振电路包括开路串联IC电路。其中，所述谐振电路被调谐为在输入频率上谐振，其它频率则不被通过。
通过确保天线与复用器之间的连接不受寄生的或其他不定的分立元件(例如电路板线迹阻抗)的影响，可以确保复用器的隔离功能不打折扣。通过将天线与复用器设置成彼此靠近(也许设置在同一基片上)可确保阻抗可忽略不计。如果天线有许多馈电点，应用靠近馈电点的复用器可以增强馈电点之间的隔离度。
根据本发明制作的天线装置能够应用具有多馈线的天线，其优点是允许各馈线互相隔离同时又允许各馈线的单独匹配。通过实现天线与复用器内的收发信机之间的某种程度或完全的匹配，就有可能实现每个频带的独立的匹配并增大带宽。此外，比实现多频匹配和带宽扩展更容易的多的是，还可以通过谐振匹配电路来加大带宽。通过使匹配、带宽扩展和复用功能共享元件可以实现天线的进一步改进、而且更加经济实惠。
根据本发明第二方面，本发明提供包括依据本发明制作的天线装置的无线通信设备。
本发明依据的是现有技术中没有的认知：通过将复用器靠近天线设置而使得在天线和复用器之间不存在有影响的阻抗。本发明的天线装置具有改进的性能，且比现有技术的装置更易设计。
附图说明
下面将参考附图、举例说明本发明的各实施例，附图中：
图1是具有复用器的天线装置的示意的方框图，所述复用器有三个输入端一个输出端；
图2是具有复用器的天线装置的示意的方框图，所述复用器有三个输入端三个输出端；
图3是具有复用器的天线装置的示意的方框图，所述复用器有一个输入端三个输出端；
图4是包括单一输出复用器的无线通信设备的示意的方框图；
图5是双频带补片天线(patch antenna)的横截面图；
图6是双频带补片天线(patch antenna)的顶视图；
图7是模拟图5和图6补片天线的等效电路；
图8是图7等效电路中相对于频率f(单位MHz)的模拟回损S11(单位dB)的曲线图；
图9是Smith图，显示1500到2000MHz频率范围内图7等效电路的模拟阻抗；
图10是模拟包括图5和图6双频带补片天线和分布式双工器的天线装置的等效电路；
图11是关于输入到图10等效电路的第一复用器输入信号的、相对于频率f(单位MHz)的模拟回损S11(单位dB)的曲线图；
图12是Smith图，显示1500到2000MHz频率范围内，图10等效电路的第一复用器输入信号的模拟阻抗。
图13是关于输入到图10等效电路的第二复用器输入信号的、相对于频率f(单位MHz)的模拟回损S11(单位dB)的曲线图；以及
图14是Smith图，显示1500到2000MHz频率范围内，图10等效电路的第二复用器输入信号的模拟阻抗。
附图中，相同的标号用于表示对应的部件。
具体实施方式
参考图1，依据本发明制作的天线装置包括多波段天线102，所述多波段天线单路馈线104。通过复用器106给天线102馈电，所述复用器包括多个电路108。每个电路108由对应的输入端110馈电，并提供输入端110之间所需的隔离，同时电路108的输出信号合并在一起加到天线馈线104上。在图1所示的实例中，有三个输入端110，分别对应于频率f1、f2、f3。连接到f1输入端110的电路放行所述频率同时阻止其他频率f2、、f3的信号从天线馈线104连接到f1输入端110。每个电路108还提供频率f1、f2、f3中未被放行者的预定的终端阻抗。
电路108可用谐振电路来实现，例如或者包括开路串联LC电路或者包括短路并联LC电路(或二者的组合)，在任何一种情况下都调谐到谐振于非传输的输入频率上。在时分多址TDMA系统中，电路108可简单的包括开关。
可以在复用器106和收发信机之间设置匹配电路，后者用于使收发信机的阻抗和天线102的阻抗匹配或任选地用于增大天线带宽。另一方面，可以在作为电路108的一部分的复用器自身中，部分或全部执行所述阻抗匹配或带宽扩展。这种实施方案的优点是：允许在匹配、带宽扩展和复用功能之间共用元件，从而可以节省元器件以及使实施方案更简单。
图2显示类似的天线装置，其包括多波段天线202，所述多波段天线包括三个馈线104。在所述实例中，复用器106在各馈线104之间分配，天线202本身也提供各输入端110之间的部分隔离。电路108可用与上例类似的形式实现。包括了靠近天线的无源滤波(或甚至切换)，可以实现多馈线天线202的应用。
在图2的实施方案中，如果电路108包括开路串联LC电路，那么，每个输入端110在其相应的频率下将呈现向其他输入端110开路，因此在频率f1、f2、f3中每一个频率下工作时天线202似乎只有一根单馈线。在提供复用功能的同时，整个天线可用于所有三个频率。可选择天线202的各馈电点，利用整个天线结构提供每个频率的自谐振，从而改进带宽和效率。此装置能够进行比单馈线天线的匹配更有效的匹配，尤其是，允许每个馈电点的单独匹配和宽带化。
图3显示另一个变型，其中，复用器106具有在各频带之间共用的单一输入端110和连接到多波段天线202的各馈线104的多个输出端。在此复用器106的简单实施方案中，每个电路108包括开路串联LC电路。每个输入频率可通过各自的电路108，但受其他两个电路108阻挡。同图2的装置一样，在每个工作频率下天线202仿佛只有单一馈线。此装置可通过使每个电路108内以及复用器106和收发信机之间包括适当的匹配电路来改进。
可以想见，图1到图3的装置可做其他改动：每根天线馈线104接收一个或一个以上工作频带的信号，同样的，复用器的每个输入端接收一个或一个以上工作频带的信号。所有这些改动都属于本发明的范畴。
图4显示包括具有单一输出端的复用器106的无线通信设备400。所述设备包括微控制器(μC)402，用于控制可在三个频带工作的收发信机(Tx/Rx)404。所述收发信机有三个输出端110(每个频带一个)，所述收发信机包括复用器(MP)106的各输入端，复用器(MP)106具有连接到多波段天线102的单一输出端。本实例中，匹配和宽带化功能也由复用器106执行。
显而易见，虽然以上实例仅涉及有三个频带的天线装置，但本发明并不局限于此，任何有两个或两个以上频带及相应的复用器(或天线双工器)输入端的装置都属本发明范畴。
横截面图5和顶视图6中示出双频谐振四分之一波补片天线500的典型实施例。我们的共同未决的英国(UK)专利申请0013156.5描述了所述天线的设计细节。所述天线有平面矩形接地导体502、导电垫片504和以基本上平行于接地导体502的方式支撑的平面矩形补片导体506。天线通过同轴电缆馈电，所述电缆的外导体508与接地导体502相连，所述内导体510与补片导体506相连。电缆510在对称纵轴上的点与补片导体506相连。
心轴512和接地导体502上的小孔514形成补片导体506与接地导体502之间的串联谐振电路。心轴512包括螺纹黄铜柱，其下端直径减小，心轴512的该下端与PTFE套配合，以便使它与接地导体绝缘。
心轴512的螺纹部分与补片导体506的螺纹切口结合，使心轴512可升高或放低。心轴512的下部分与小孔514紧配合。因此，心轴512伸入小孔514的部分形成具有PTFE介质的电容，而接地导体502与补片导体506之间的心轴部分形成电感。所述心轴位于导体502和506的对称纵轴上。
图7所示的传输线路模型用于模拟天线500的性能。第一传输线段TL1，长30.8mm宽30mm，模拟开端(图5、6右侧)与同轴电缆内导体510连线之间的导体502、506部分。第二传输线段TL2，长4.1mm宽30mm，模拟内导体510和心轴512连线之间的导体502、506部分。第三传输线段TL3，长1.7mm宽30mm，模拟心轴512和导电垫片504(用来使导体502、506之间短路)边缘之间的导体502、506部分。
谐振线路从TL2和TL3接点连接到地。所述谐振线路包括1.95nH的电感L2，和3.7pF的电容C2。在谐振线路的谐振频率1/(2π√L2C2)＝1874MHz，该谐振线路的阻抗为零。在该谐振频率附近，补片导体的特性被修改，而在其他频率下，其特性基本上不受影响。
电容C1表示开端传输线的边缘电容，其值为0.495pF，而电阻R1表示边缘辐射电阻，其值为1000Ω，它们都是经验值。端口P是同轴电缆508、510与天线的连接点，模拟时用相当于电缆508、510阻抗的50Ω负载端接端口P。
图8示出1500MHz到2000MHz之间频率f的回损S11的模拟结果。有两个谐振点，在频率1718MHz和1874MHz处。低频率与补片天线的原始谐振频率对应，该谐振频率因受谐振线路影响而减小，而高谐振频率与谐振线路的谐振频率的新辐射频带对应。7dB回损(相当于辐射的输入功率的近90％)下的部分带宽(fractional bandwidth)是2.2％和1.3％，共为3.5％。辐射频带间距与UMTS上下行链路频带中心的间距对应，所述中心点分别是1962.5MHz和2140MHz(实际频率按照因数0.875降低，因为为制作方便，图5和6的天线模型500的尺寸已按比例增大)。
图9的Smith图示出天线500在相同频率范围的模拟阻抗。利用附加的匹配电路可以改善所述匹配，并且，例如通过改变谐振线路的电感或电容，可以容易地使两个谐振点的相对带宽交换。
通过附加单天线馈线双工器(即双输入端单输出端复用器)，对图7的传输线路模型加以改进，用于UMTS和DCS1800，如图10中所示。用50Ω负载RL1端接所述双工器的第一支臂，以便设计成通过UMTS频率(按照因数0.875的比例缩放到与天线模型500的尺寸对应)。它包括具有电感L3(1.025nH)和电容C3(10Pf)的谐振电路。所述谐振电路在对应于缩放后的DCS1800频带中心的谐振频率1572MHz下，阻抗无限大，电路受阻。值为2.8nH的电感L4确保天线与按比例缩放的UMTS频带保持匹配。
用50Ω负载RL2端接的双工器的第二支臂设计成通过DCS1800频率(仍依因数0.875的比例缩放)。它包括具有电感L5(1.5688nH)和电容C5(5Pf)的谐振电路。所述谐振电路在对应于按比例缩放的UTMS上下链路频带中心的谐振频率1797MHz，阻抗无限大，电路受阻。值为0.7pF的电容C6恢复与按比例缩放的DCS1800频带的匹配。
图11显示在1500MHz到2000MHz之间的频率f下、对双工器的第一支臂的回损S11的模拟结果。两谐振频率与图8中没有双工器情况下的等效结果相比，没什么变化。然而，7dB回损的部分带宽变化很大，增至3.7％和2.8％，辐射频带宽共为6.5％。双工器电路的设计能很大提高天线500的带宽。
图12的Smith图示出天线500在相同频率范围下的模拟阻抗。它表明对两频带的匹配优于没有双工器时的匹配(比较图8和11亦显而易见)。
图13显示在1500MHz到2000MHz之间的频率f下、对双工器的第二支臂的回损S11的模拟结果。此时，只有单一辐射频带，其中心频率为1666MHz，7dB回损的部分带宽是5.1％。这表明双工器的匹配和滤波电路可用于对天线的谐振频率进行微调，在此使它稍微低于天线的两个自然谐振频率。
图14的Smith图示出天线500在相同频率范围的模拟阻抗，举例说明双工电路已经将原始的两个谐振点组合在一起。
借助独立的匹配和宽带化电路使得天线500的带宽能再度扩展是可能的。依据本发明制作的装置的独特优点是可以为单个工作频带独立进行这样的匹配和带宽增长。
依据本发明制作的装置的独特优点是复用器可非常靠近天线馈线或各天线馈线，从而将寄生阻抗影响降至最低，不然，它会严重影响所述装置的性能。例如，相对于地的寄生电容会严重影响每条电路要阻挡的频率的谐振电路L3、C3或L5、C5产生的开路。
了解了目前的发明，本专业的技术人员显然可以做其他的改动。这些改动可包括在所述天线装置和元器件的设计、制造、应用中已知的其他特点，取代或补充此处已描述的特点。虽然本申请的权利要求书已阐明各种特征的特定组合，但是，显然，本申请所公开的范围还包括在此详述或未详述的任何新特征或特征的新型组合，或任何归纳总结，无论与权利要求书中现申明的发明有关与否，无论是否减轻本发明同样存在的任何或所有技术问题。申请人在此提醒：在对本申请或任何其他由此导出的申请的研究中，新的权利要求可阐明这些特征和/或特征的组合。
在本说明书或权利要求书中，元件前的词“一”并不排除有很多此类元件。而“包括”一词也并不排除有所述元件或步骤之外的元件或步骤存在。

Claims (7)

1.一种天线装置，它包括在至少两个工作频带中工作的一个多波段天线和一个复用器，所述多波段天线包括馈电点，所述复用器包括一个输入端、至少一个输出端和多个电路，每个电路用于分别使所述至少两个频带中的一个频带通过，而阻挡所述至少两个工作频带中的另一个或其余的工作频带，所述输出端或每个输出端连接到相应的天线馈电点，其特征在于：所述多波段天线是平面天线，天线馈电点和复用器输出端之间的所述连接或每个连接具有可忽略的阻抗，所述电路为谐振电路，每个谐振电路包括天线匹配电路，用于使与复用器的输入端相连的收发信机端口的阻抗和天线馈电点的阻抗匹配；以及至少一个谐振电路包括宽带化电路，用于扩展天线的至少一个工作频带的带宽。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述天线包括多个馈电点，所述多个馈电点中的每个馈电点对应于所述天线的所述至少两个工作频带中的一个工作频带。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述复用器在所述多个馈电点的各个馈电点之间分配。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述谐振电路包括至少开路串联LC电路和短路并联LC电路之一。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述多波段天线包括至少第一馈电点和第二馈电点，所述复用器的所述输出包括至少第一输出和第二输出，所述至少第一输出和第二输出分别与所述至少第一馈电点和第二馈电点相耦合，而且，所述谐振电路包括开路串联LC电路。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述谐振电路被调谐到谐振于非传输的输入频率上。
7.一种无线通信设备，它包括如权利要求1到6中任何一项所述的天线装置。
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