專利名稱：多頻縫隙天線裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的來說涉及天線，具體地說涉及包括縫隙天線的多頻天線。
背景技術：
今天的無線通信技術要求蜂窩無線電話產(chǎn)品具有在多頻段中工作的能力。在美國，正常的工作頻率波段(例如)為模擬、碼分多址(CDMA)或在800MHz的時分多址(TDMA)、在1500MHz的全球定位系統(tǒng)(GPS)、在1900MHz的個人通信系統(tǒng)(PCS)、和在2400MHz的BluetoothTM。而在歐洲，正常的工作頻率波段為在900MHz的全球數(shù)字移動電話系統(tǒng)(GSM)、在1500MHz的GPS，在1800MHz的數(shù)字通信系統(tǒng)(DCS)和在2400MHz的BluetoothTM。在這些多頻波段中工作的能力要求天線結構能夠處理所有這些頻率。
諸如可伸縮的和固定的“短粗”天線的外部天線結構已經(jīng)被與多個天線部件一起使用來覆蓋所關心的頻率波段。然而，由于無線電話向外伸出的屬性以及具有易碎的構造的屬性，比較容易被損害。具體而言，隨著無線電話的尺寸的縮小，用戶很可能將它們放在口袋中或者錢包中，使它們受到可損壞天線的擠壓和彎曲力。而且，在縮回的狀態(tài)下，可伸縮的天線在一些頻率波段中效率較低，用戶不可能總是在使用時伸出天線，因為這要求額外的操作。而且，市場研究也表明今天的用戶喜愛內(nèi)部天線勝過外部天線。
存在一種傾向，無線電話將內(nèi)部包含的固定天線結合到無線電話中。然而，這通常增加了無線電話的尺寸以容納天線結構，并且難以維持天線的效率，因為現(xiàn)在將天線部件放在靠近無線電話中的其它導電元件。而且，天線容易受到來自這些相同的導電元件的影響，進而削弱了效率，尤其是在低頻波段中。
縫隙和微波傳輸帶(microstrip)傳輸線天線可以用在高頻應用中，并且非常低矮。然而，由于尺寸的限制，這些天線僅可以在單個頻率波段中工作?？梢栽诮饘俦砻嬷型诓?cutoout)來實現(xiàn)縫隙天線?，F(xiàn)有技術的諧振縫隙天線幾何圖形包括二分之一波長(λ/2)的全縫隙天線，其中它的縫隙的兩端都是封閉的，縫隙的長度是二分之一波長(在1800/1900MHz中大約為80毫米，這個尺寸很長，并且對蜂窩電話不實用)。另一種類型的縫隙天線是如現(xiàn)有技術的圖1所示的四分之一波長(λ/4)的末端開口的縫隙天線10。對于λ/4的縫隙天線10，縫隙14的長度12是四分之一波長，縫隙14的一端封閉，而另一端開放?？p隙14由自激勵端口耦合的能量差分地(differentially)激勵，激勵端口在縫隙14的封閉端附近提供正電荷13和負電荷15，且如圖所示垂直縫隙。通常，由嵌入在縫隙之下的微波傳輸帶線提供激勵端口。導電接地板16圍繞在縫隙14周圍。在無線電話中可以使用不止一個縫隙天線以獲得在多頻波段中輻射。然而，分離天線要求分離的激勵端口和各自的電調(diào)諧機制，這增加了尺寸和成本。
因此，存在對一種具有多波段頻率輻射能力的、小尺寸和低成本的內(nèi)部天線裝置的需要。另一個希望的優(yōu)點是將提供比外部多波段天線好的性能。提供有單個激勵端口驅(qū)動的天線裝置也將是另一個好處。


圖1示出了現(xiàn)有技術的四分之一波長的縫隙天線的俯視圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例的天線裝置的透視圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的替代第一優(yōu)選實施例的天線裝置的俯視圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例的天線裝置的俯視圖；
和圖5示出了圖4的天線裝置的截面圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供了一種帶有多波段頻率輻射能力的內(nèi)部天線裝置。具體地說，線圈天線耦合到公共基底上的末端開口的縫隙天線，并且由該末端開口的縫隙天線激勵以覆蓋兩個不同的頻率波段。在本發(fā)明中描述的結構提供了一種緊湊的、低矮的天線裝置，其可以安裝在無線電話內(nèi)部，具有比外部多波段天線好的性能。而且，驅(qū)動線圈天線的末端開口的縫隙天線的結構使得這種天線裝置可以由單個激勵端口驅(qū)動。
本發(fā)明還可應用到除了在此介紹的優(yōu)選實施例的場合，而且這種說明僅僅是用來舉例說明和描述本發(fā)明，沒有對本發(fā)明進行任何方面的限制。盡管從說明書推斷出限定了本發(fā)明特征的權利要求書具有新穎性，我們相信，考慮下面的說明并且結合附圖，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖中，相同的標記代表一直被使用。如在本發(fā)明中所限定的，無線電話是一種可以使用在射頻范圍內(nèi)的電磁波來將信息傳送到基站的便攜式或移動通信設備。
有利地，可以將本發(fā)明的原理應用到要求收發(fā)RF信號的任何電子產(chǎn)品。優(yōu)選地，通信設備的無線電話部件是適于個人通信的蜂窩無線電話，但是也可以是尋呼機、無繩無線電話、或個人通信服務(PCS)無線電話。無線電話部件可以根據(jù)模擬通信標準或數(shù)字通信標準來構造。無線電話部件通常包括射頻(RF)發(fā)射機，RF接收機，控制器，天線，電池，雙向濾波器，頻率合成器，信號處理器，和包括鍵盤、顯示器、控制開關和麥克中的至少一個的用戶接口。無線電話部件還可包括尋呼接收機。結合到蜂窩電話、雙向無線、或裝置選擇的無線接收機中的電子器件如尋呼機在本技術領域中是公知的，并且可以被結合到本發(fā)明的通信設備中。
圖2和3示出了根據(jù)本發(fā)明的、可在第一頻率(高頻波段)和第二頻率(低頻波段)上工作的天線裝置。在第一頻率上諧振的末端開口的縫隙天線20被以級聯(lián)方式連接到在第二頻率上諧振的天線部件22?？p隙天線20饋送給天線部件22。優(yōu)選地，以線圈結構來安排天線部件的部件24。這樣做是為了減少天線結構的整個長度。然而，應當認識到，天線部件還可以是直線導線或者其它的結構。縫隙天線還可以是兩端都是末端封閉，但是這增加了天線結構的尺寸。應當認識到，如圖所示的絕緣體的厚度被放大以降低視覺混亂。
在第一頻率上為四分之一波長且以U形折疊的導電帶21被放置在絕緣體材料23的第一部分中，并且縫隙29在導電帶21中被實現(xiàn)以確定末端開口的縫隙天線20。絕緣體基底是方形的，具有兩個長的側面和兩個短的側面，以及相對的頂部和底部主表面。U形導電帶被放置在絕緣體基底23的頂部表面上。U形導電帶包括兩個側面部件(side member)，每一個都確定U形的腿，每一個在長度上是大約八分之一的預定波長，且末端部件連接腿或側面部件以完成U形。側面和末端部件確定了一個基本上是方形的縫隙29，其沿基本上平行長側面的方向延伸?？p隙29在第一末端(封閉的末端)由末端部件封閉，而在第二末端開口(開口末端)。天線進一步包括微波傳輸帶饋送線33，連接到絕緣體基底的底部表面，以在天線和RF設備如無線電話之間電磁耦合RF信號。微波傳輸帶饋送線延伸穿過接近縫隙的第二末端的縫隙并且與之垂直，且進一步穿過兩個側面部件的一部分。接地點37電連接到U形導電帶21的兩個側面部件的第一個，且位于縫隙29的第二末端的附近。
縫隙的長度、寬度和位置影響獲得的頻率波段?？p隙天線20可在第一頻率上工作，且具有大約為第一頻率的八分之一波長的電長度27。導電帶21具有一接地連接點37，位于縫隙天線20的開口末端側附近的一端，并且縫隙天線20以實際的饋入點30連接到導電帶21的相反末端。從接地連接點37到實際的饋入點30的電長度28在第一頻率上大約為四分之一波長。這個四分之一波長的導電帶在第一頻率上有兩個重要目的a)使在開口末端處的穿過縫隙29的電位差最大，以獲得縫隙天線20的最大輻射，和b)在實際的饋入點30處形成開放電路，使得在實際的饋入點30處增加天線部件22不會對縫隙天線20產(chǎn)生電影響。按照相同的原理，實際的饋入點可以用于末端封閉的縫隙天線。
天線部件22放置在絕緣體材料23的第二部分上，并且可在第二頻率上工作。線圈部分24可以包括下面兩者或之一a)導電帶25，纏繞在絕緣體材料23的第二部分的側面(如圖2所示)，或b)兩組基本上平行的導電帶，放置在絕緣體材料23的第二部分的相反表面上，并且經(jīng)通孔(vias)26穿過絕緣體材料連接在一起以形成線圈繞組(如圖3所示)。然而，可以想象到，在實際中可以使用一種或其它技術。優(yōu)選地所有的均使用通孔(vias)，因為這在制造天線結構中更加容易完成。例如，可以通過在燒結之后電鍍絕緣體板中的通孔，或者充填如導電粘和劑或環(huán)氧樹脂的導電材料來形成通孔(vias)。
本發(fā)明可包括單一激勵端口33和置于絕緣體材料23上的、在縫隙29之下且與之垂直的微波傳輸帶饋入線部分34。單一的激勵端口電磁耦合到縫隙天線20和天線部件22。注入到激勵端口33中的RF信號沿微波傳輸帶饋入線34傳播，電磁耦合到縫隙29，產(chǎn)生由正電荷31和負電荷32表示的、穿過縫隙的電位差。因此，電場被建立了，且沿縫隙29按指數(shù)降低方式分布，在開口末端幅度最大，在封閉末端幅度值基本上為零。單一激勵端口用于饋入縫隙天線和天線部件，其與確定縫隙天線的導電帶級聯(lián)。
由于導電帶21的電長度28在第一頻率上大約為四分之一波長，穿過縫隙29的電位差被進一步最大化，產(chǎn)生自縫隙天線的有效輻射。該電位差包括在導電帶21上流動的RF電流。最大的電流存在于接地連接點處，而最小的電流存在于實際的饋入點30，即一個實際的開放電路。實際的開放電路在縫隙諧振頻率上實際上不提供與線圈天線部件22的電連接。
在低于第一頻率的第二頻率上，導電帶21不再是四分之一波長，而是自接地連接點末端的更短距離。在實際的饋入點30出現(xiàn)相對強的電流，且該電流有效地變成為電流源以驅(qū)動天線部件22。天線部件22的電長度被優(yōu)化(例如，通過調(diào)整匝數(shù))來獲得在第二頻率上的諧振。注意，來自縫隙29的輻射在第二頻率上最小，因為在穿過縫隙的電位存在微小的差別。同樣也注意，導電帶21變成天線部件22的一部分，有助于該天線在第二頻率上的電長度。最大電流存在于接地連接點以及在取決于線圈長度、無線電話結構和周圍環(huán)境的線圈的中點的某個地方。結果，單一的激勵端口33饋入縫隙天線20和線圈天線22。此外，在第一和第二頻率之間的某些頻率上，來自縫隙和線圈天線的輻射相對地(constructively)增加，產(chǎn)生了多波段操作。
優(yōu)選地，微波傳輸帶線包括調(diào)諧部分35，其平行于縫隙天線20的縫隙29的長軸方向延伸以寄生地加載縫隙。微波傳輸帶線的平行調(diào)諧部分35被用來電容性地或電感性地在一些頻率上加載縫隙，以改變天線的工作波段特性。
總之，無線電話的結構和形狀因素限制了本發(fā)明的天線的整個長度和寬度。U形導電帶21的長度28優(yōu)選地在縫隙諧振頻率上為四分之一波長的長度。線圈天線的累積長度(或等價的匝數(shù))確定了第二諧振頻率。剩下的用來調(diào)諧以獲得最佳效率、帶寬和輸入阻抗的參數(shù)為a)縫隙29的寬度，b)從微波傳輸帶饋入線部分34到縫隙的封閉末端的距離，c)微波傳輸帶饋入線的擴展的平行部分35，和d)材料屬性，如電介質(zhì)常數(shù)、損失角正切(loss tangent)、和電介質(zhì)厚度。這些參數(shù)可以如下劃分優(yōu)先級參數(shù)a)和b)為最敏感的調(diào)諧參數(shù)，以獲得帶寬和阻抗；參數(shù)c)用于精調(diào)諧，參數(shù)d)具有最小的影響。實際上，電調(diào)諧在無線電話中安裝的小型天線沒有特定的規(guī)則，因為與安裝在固定位置(塔或房屋的頂端)的電子大型天線相反，這些天線在連續(xù)變化的環(huán)境中(放在桌子上、握在手里靠近頭部、放在錢袋或口袋中，等)工作。當在通話位置中被手覆蓋或者被手握住靠近頭部時，天線性能急劇地改變。因此，應當認識到，無法調(diào)諧天線來滿足所有的位置。
實際上，在這個圖中示出的縫隙29具有大約2毫米的寬度和15毫米的長度。導電帶21的寬度均勻地為4毫米。微波傳輸帶饋入線(部分34和35)寬為1.5毫米，且離縫隙的封閉末端大約為9毫米。微波傳輸帶饋入線的調(diào)諧部分35是可調(diào)諧的，通常為12毫米長。由于饋入線是短的，它的寬度對天線性能不敏感。此外，線圈天線22的長度(或者匝數(shù))被調(diào)整以用于在低頻波段(第二頻率)諧振。本發(fā)明的天線的整個尺寸為33毫米長，10毫米寬。注意，上述給定的尺寸是用于參考的。根據(jù)電話的結構和形狀因素，可以相應地改變這些尺寸以改善性能。本發(fā)明中使用的絕緣體為RO3003材料，它的電介質(zhì)常數(shù)為3.0，厚0.5毫米，具有1盎司的銅。選擇更高的電介質(zhì)常數(shù)材料將減少天線的物理尺寸，但是增加了損失。
末端開口的縫隙天線被配置以在更高的頻率波段上工作，這些頻率波段包括GPS(1500MHz)、DCS(1800MHz)、PCS(1900MHz)和BluetoothTM(2400MHz)。線圈天線被配置以獲得在更低頻率波段上的輻射，這些頻率波段包括模擬、CDMA或TDMA(800MHz)或GSM(900MHz)。此外，盡管圖形示出纏繞的線圈僅僅具有幾匝，可以在本發(fā)明中容易地實現(xiàn)所需要的匝數(shù)。同樣，以尺寸為代價，可以使用微波傳輸帶曲折線代替線圈。
圖4示出本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例。在這個實施例中，縫隙天線20與圖2和3中的天線相同，且更好地說明了微波傳輸帶饋入線33和縫隙29的相對位置。具體地說，微波傳輸帶饋入線33的平行部分35位于縫隙29旁邊，但是不在它下面?？p隙天線20的操作與圖2和3的天線操作相同。然而，天線部件22的線圈部分35與圖2和3中的線圈部分成90度。這種朝向給出了選擇，用于進一步減輕了在縫隙天線20和天線部件22之間的任何交叉耦合。應當認識到，這種朝向利用了通孔(vias)26的用途，因為包著的導電跡線不能用在線圈的一側上。圖5給出了圖4的天線裝置的截面視圖，以更清楚地示出通孔(vias)26。
可以對本發(fā)明作出其它方面的改變，諸如增加置于絕緣體材料的底部表面上的附加導體，附加導體耦合穿過縫隙以促使天線在更多的頻率波段上輻射。然而，多個導體配置必須考慮各個導體之間的相互作用以及進一步可能的激勵驅(qū)動端口。此外，微波傳輸帶饋入線可以更靠近帶有平行部分35的縫隙的封閉末端，用于調(diào)諧指向縫隙的開口末端。沿著這些相同的線，微波傳輸帶饋入線部分34和35可以被改造以形成C-截面或者T-截面，而不是如圖所示的L-截面，只要饋入線的至少一部分延伸穿過縫隙，且調(diào)諧部分至少部分平行于縫隙的長軸延伸。微波傳輸帶饋入線可以具有其它的結構，諸如曲線，然而，L形是優(yōu)選地，以減少需要的天線的表面面積。將微波傳輸帶饋入線的形狀形成為“L”、“C”、或“T”截面，或者任何其它的形狀，有效地增加電容和/或電感并聯(lián)元件(shunt components)以獲得希望的阻抗，而不增加額外的匹配網(wǎng)絡。而且，可以配置天線裝置，使得第二輻射頻率波段高于或低于第一輻射頻率波段。雖然，尺寸變動極限限制了優(yōu)選實施例具有第一(縫隙)頻率高于第二(線圈)頻率。
在上述示出的例子中，用兩個由單一激勵端口驅(qū)動的不同類型的天線部件來示出多波段天線裝置，而兩個部件在不同的頻率波段上輻射。測試結果表明本發(fā)明的天線裝置提供了與延伸的外部天線相似的輻射效率，并且比“短粗”天線效率更好。這是以低成本提供的，并且可以完全位于無線電話內(nèi)部的方便形狀因素來實現(xiàn)的。
盡管上面已經(jīng)介紹了多波段縫隙天線的特定元件和功能，本領域普通技術人員可以在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，采用更少的或附加的功能。本法明應當由權利要求書所限定。
權利要求
1.一種多波段無線電話，其包括可在第一頻率和第二頻率上工作的天線裝置，所述天線裝置包括絕緣體材料；由置于所述絕緣體材料的第一部分的頂部表面上以形成基本上是方形的縫隙的導電帶確定的縫隙天線，所述縫隙天線可在第一頻率上工作，所述縫隙具有大約為第一頻率的波長的1/8的電長度；和置于所述絕緣體材料的第二部分上的天線部件，所述天線部件可在第二頻率上工作；和所述導電帶具有接地連接點，該接地連接點在所述縫隙天線的一末端，并且在具有耦合到所述天線部件的饋入點的導電帶的相反末端附近，其中從所述接地連接點到所述饋入點的電長度大約為第一頻率的波長的1/4。
2.如權利要求1所述的天線裝置，其中，所述天線部件的一部分被安排在線圈結構中。
3.如權利要求2所述的天線裝置，其中所述線圈結構由纏繞在所述絕緣體材料的第二部分周圍的導電帶組成。
4.如權利要求2所述的天線裝置，其中所述線圈結構由兩組導電帶組成，所述兩組導電帶置于所述絕緣體材料的第二部分的相反表面上，并且經(jīng)通孔穿過所述絕緣體材料連接在一起以形成線圈繞組。
5.如權利要求1所述的天線裝置，進一步包括微波傳輸帶饋入線，其被置于所述絕緣體材料的底部表面上，與所述縫隙天線相反且在其之下，且垂直于所述縫隙天線的長軸。
6.如權利要求5所述的天線裝置，其中所述微波傳輸帶饋入線在所述縫隙天線的開口末端處將能量耦合到所述縫隙天線。
7.如權利要求5所述的天線裝置，其中，所述微波傳輸帶饋入線包括平行于所述縫隙天線的長軸方向延伸的調(diào)諧部分。
8.如權利要求1所述的天線裝置，其中，所述縫隙天線是末端開口的縫隙天線，其由置于絕緣體材料的第一部分的頂部表面上的U形導電帶確定。
9.如權利要求1所述的天線裝置，其中，所述接地連接點和饋入點位于所述縫隙天線的開口末端附近，并且進一步包括一激勵端口，其電磁耦合所述縫隙天線和所述天線部件。
10.如權利要求5所述的天線裝置，其中，所述微波傳輸帶饋入線包括調(diào)諧部分，該調(diào)諧部分至少部分地平行于所述縫隙天線的長軸方向延伸，所述微波傳輸帶天線具有從“L”形、“C”形和“T”形的組中的一個中選出的形狀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多頻天線裝置，其包括可在高頻上工作的末端開口的縫隙天線(20)，該縫隙天線與可在低頻工作的天線部件(22)級聯(lián)，得到由單一激勵端口(33)饋入的兩個不同天線。確定了縫隙天線(20)的U形導電帶(21)在靠近縫隙天線(20)的末端開口側的一端具有接地連接點(37)，和在另一末端連接到天線部件(22)的實際饋入點(30)。從接地連接點(37)到饋入點的電長度大約是第一頻率的波長的1/4，在饋入點(30)處產(chǎn)生了實際的開口。
文檔編號H01Q13/10GK1484467SQ0313318
公開日2004年3月24日 申請日期2003年7月23日 優(yōu)先權日2002年7月23日
發(fā)明者亨利H·恩古延, 邁克爾S·皮珀, S 皮珀, 亨利H 恩古延 申請人:摩托羅拉公司