具有接地面延伸的天线系统及其使用方法

专利名称：具有接地面延伸的天线系统及其使用方法
技术领域：
本发明涉及天线系统及其方法，特别涉及利用接地面谐振 (ground plane resonance )的天线系统禾口方法。
背景技术：
现代无线装置内的许多天线系统包括一个或多个天线元件和 一个接地面。接地面通常是一部分导电材料，与天线元件相比，其表面积 较大。而且，接地面通常通过各种电子元件的接地连接与其连接。使用接 地面的一个例子是单极天线(monopole antenna),其对着接地面被馈电， 作用就象一个半波长偶极天线(half-wavelength dipole antenna)。 —些现有技术的系统，如在PCT公开文献W02003077360内 所示，有一个或多个从接地面延伸出来的寄生元件(parasitic dement)。那 些寄生元件与一个或多个天线元件耦合连接，从而在被激励时每个寄生元 件增加其自身的窄频带(narrow fr叫uencyband)。寄生元件被设置成从接 地面延伸出来只不过是一种将寄生元件接地的方法，这种寄生元件的谐振 长度(resonantlength)不包括任何部分接地面。另一种从接地面延伸的现 有技术是提供平衡-不平衡转换器(balun)给微分天线元件(differential antenna dsmsnlOo在一个装置内，尽管在天线元件和接地面之间的一些数量的耦 合产生接地面辐射，但目前没有设计使用接地面作为其所属的一个辐射结 构。事实上，接地面谐振通常是一种需要最小化的现象。因此，当工程师 设计用于装置内的天线系统时，他们专注于预留给天线元件的体积。所以， 以下通常是事实即在一个限定的安装PCB的天线系统里，设计时只有不 到一半的体积用于信号辐射。
发明概述本发明的各种实施例涉及天线系统及其使用方法，其中天线系
统包括一个或多个接地面延伸。在一个例子里，天线系统被放置在基板上，
如PCB，并且接地面包括一个导电层，其覆盖一个侧面的大部分表面积。 基板的部分表面积被预留给一个未接地天线，其也被放置在基板上。接地 面有一部分延伸到天线空间(antenna space)内。延伸被设计成，使得其 至少一部分自身长度和至少一部分接地面长度一起形成一个谐振长度，其 对应一个通信频带。在运行时，由接地面及其延伸形成的结构电磁耦合到 未接地天线元件，并在通信频带上传输数据。因此，在这个例子里，接地 平面及其延伸被使用作为一个辐射结构，除由天线元件提供的通信频带之 外，在一个或多个通信频带内增加性能。在一个具体例子里，天线元件是一个未接地单极型天线，其被 设置在天线空间的一侧。接地面延伸突出在天线空间的相对一侧。天线元 件和接地面之间的距离足够短使得电容性馈电发生，但足够大使得接地面 的出现不会縮窄天线元件带宽到一个不合需要的程度。在一个示范方法里， 一个信号被提供给一个未接地天线元件。 未接地天线元件和一个包括接地面和接地面延伸的结构之间的耦合使结构 发生谐振，由此在一个已建立的通信频带上传输数据。前述已经相当广泛地概述了本发明的特征和技术优势，以便随 后本发明的详细描述可以被更好地理解。本发明的额外特征和优点将在下 文描述，其形成本发明的目的和权利要求。本领域有经验的技术人员应该 理解，披露的概念和具体实施里可以易被使用作为一个修改或设计其它结 构的基础，用于执行本发明的相同目的。本领域有经验的技术人员也应该 理解，这种等同结构没有偏移再附加权利要求里阐述的本发明精神和范围。 被认为是本发明特征的新颖特征，从以下结合附图的描述，无论是其组织 还是运行方法，与目的和优点一起将被更好地理解。但是，应该清楚地理 解，提供的每个特征仅用于描述和说明，而不是意在作为本发明限制的定 义。


图1描述本发明一个实施例的一个典型系统；图2从一个不同角度描述图1的典型实施例；图3描述一种典型技术，依照本发明一个实施例将一个接地面 延伸连接到一个接地面；图4描述依照本发明一个实施例的一个典型系统，其具有标记 的典型谐振长度；图5描述依照本发明一个实施例的一个典型系统；图6A和6B描述依照本发明不同实施例的接地面延伸的典型 形状；图7A-D描述依照本发明不同实施例的天线元件的典型形状；图8描述依照本发明一个实施例的一个典型三维几何图形；图9描述依照本发明一个实施例的一个凸起几何图形；和图10描述依照本发明一个实施例的一个用于运行天线系统的 典型方法。
发明详述图1描述依照本发明一个实施例的典型系统100。系统100是 一个用于多频带(multi-band)和/或宽频带(broadband)通信的天线系统。 系统100包括放置在基板102上的接地面101。在这个例子里，天线空间 103是基板的一部分，它是为天线元件104预留的，并且实际上它是由接 地面101的形状确定。天线元件104被放置在天线空间103。由于天线104是靠近而 不是位于接地面101上方，并且也没有一个到接地面101的导电连接，其 是一个未接地的天线元件。具体而言，在此例子里显示的天线元件104是
一个单极天线元件。突出部分105是放置在天线空间103里的接地面101的一个延 伸。接地面延伸105可以是形成接地面101的同一导电层的一部分，或可 以独立形成或放置在基板102上。接地面延伸105和接地面101的尺寸一 起形成一个谐振长度，其可以被用来传输数据信号。具体地，当接地面101 和接地面延伸105被放置在天线元件104的近场(near field)内，天线元 件104可以运行作为一个电容性馈电，其沿着以上所述的谐振长度产生谐 振。换言之，接地面延伸105被设计成适应一部分接地面101的长度，从 而符合一个谐振长度，其对应一个已建立的通信频带。这样，可以优化接 地面101的谐振以提供额外性能给天线系统100。图2从一个不同角度显示了系统100。图2显示基板102是三 维的，并可能是由多层组成。实际上，图2所示视图是有些简化的，因为 各种实施例可以使用基板102来支持各种电子组件(图中未显示)，并且在 基板102表面上显示的零件不受限于顶层，因为一些实施例可能包含那些 零件在中间层。 一个恰当类型基板的例子是印刷电路板(PCB)，其中天线 元件104、接地面IOI、和接地面延伸105作为金属层在其上形成。在各种实施例里，基板102不受限于一个单片基板。事实上， 基板102可以有两个或多个基板部分组成，例如，接地面101放置在基板 一个部分上，而天线空间103放置在基板另一个部分上，而接地面延伸105 通过诸如一个焊接连接(soldered connection)被连接到接地面101。图3描述接地面延伸105连接到接地面101的一个典型技术。 有可能接地面101和延伸105是连续形成的，也可能它们之间形成有间隙 隔开。当接地面101和延伸105有间隙隔开时，有各种技术用来在它们之 间建立连接。如图3所示，接地面延伸105通过集总元件(lumped element) 301 (如电容器或电感/电容元件)被连接到接地面101。集总元件301提 供额外匹配，并可以调整谐振频率。其它技术包括但不受限于迹线、焊接 线等。图4显示有示例谐振长度的系统100。在这个具体例子里，天 线元件104是"L"型，具有水平部分的第一谐振长度，其对应第一频带 fl，以及垂直部分的第二谐振长度，其对应第二频带f2。成直角状的天线 元件104最小化fl和f2频带之间的耦合。在这个例子里，天线元件104水平部分的末端到延伸105的接 近度确定，至少部分确定，元件104和由接地面101和延伸105形成的谐 振结构之间发生电磁耦合的量。通常，距离越大，耦合越少，并且当接地 和天线之间的耦合增加时，天线104的带宽变窄。因此，当期望最小化耦 合到某个程度时，对电容馈电而言， 一些数量的耦合是期望发生的。类似 地，水平方向的这部分天线元件104降低了耦合，因为其几乎与对应f3频 带的谐振长度垂直正交。如图所示，由接地面101和延伸105形成结构的外部长度提供 第三谐振长度，其对应一个低于fl或f2的频带f3。在这个例子里，延伸 105顶部的宽度影响谐振长度， 一个更宽顶部降低频带f3。延伸105底部 的宽度，如元件104的水平部分的长度，影响天线元件104和延伸105之 间的耦合。图5描述依照本发明一个实施例典型系统500。系统500包括 一些特征的尺寸以协助理解一个具体实施例的运作。尺寸是大约依照比例 尺而绘制的，从而接地面延伸的顶部和底部的宽度可以表示在一个合理确 定度范围内。图5也显示了频率响应曲线图501，显示在RF频谱(从低于 3GHz开始一直到6GHz以上)里系统500的性能表现，其对应一些区域 里超宽频(UWB)的一大部分。因为在几乎所有的天线里，频率响应是依 赖于各种元件的谐振长度，并且响应曲线图501显示本发明一个或多个实 施例的天线尺寸可以被设计成，通过重叠fl、 f2、和f3频带而在一个宽频 带上提供通信。在其它实施例里，系统500可以被设计成其它尺寸，在两 个或多个不同频带上提供通信。在图5内的尺寸仅是作为范例，系统500显示有具体尺寸和形 状，本发明的各种实施例并不限于此。事实上，各种形状和结构都是可能
的。图6A和图6B描述接地面延伸601和602的典型形状。例如，接地面 延伸601类似于延伸105 (图1),但其内表面被弯曲以减少耦合和材料数 量。延伸602是"7"型，从而可以减少耦合和材料。图7A-D描述天线元件701-704的典型形状。如图所示，元件 701-704的部分宽度和长度可以大大变化的。通常，当部分的长度增加时， 谐振长度也增加。而且，当宽度增加时，电容性负载(capacitive loading) 通常也增加。电容性负载通常影响天线的电场分布，对所有物理尺寸而言， 使天线电长度更长，由此降低天线的谐振频率。更进一步，三维几何图形 可以被应用到一些实施例里。例如，尽管前面的例子己经显示了天线元件 和接地面延伸的平面几何图形，例如仍然有可能包括一个或两个弯折，以 符合体积限制。图8描述典型三维几何图形，其中天线元件801和接地面 延伸802的部分弯折成， 一个或多个部分与基板不是共面的。图9描述一 个凸起的几何图形，其中接地面延伸901和天线元件902凸起在基板上方。 除了以上所述的几何图形，在一些实施例里，其它特征如天线位置和信号 馈电位置也可以被修改。图10描述依照本发明一个实施例运行一个天线系统的典型方 法IOOO。方法1000可以通过诸如一个蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、 膝上型电脑或其它类型的通信设备而进行。在步骤1001， 一个数据信号被 提供到一个未接地天线元件。数据信号可能包含，例如，使用在RF频谱 里的一个或多个载波调制的数字或模拟信息。在一个例子里，未接地天线 被放置在PCB基板上，信号是通过一个来自RF模块(其编码并调制数据) 的信号馈电被提供给未接地天线元件。RF模块可以安装在，也可以不安装 在同一基板上。在步骤1002，被电磁耦合到未接地天线元件的第二元件被谐 振，由此在一个已建立的通信频带里传输数据，其中第二元件的谐振长度 至少包括一个接地面和接地面突出部分。换言之，与未接地天线元件的耦 合使得由接地面及其延伸形成的结构在其固有频率上谐振，由此传输数据。 在这个例子里，步骤1001的数据信号包括在由接地面及其延伸形成结构的 固有频率上的数据这样，天线系统的接地面被优化以在一个频率上谐振，该频率 对应一个已建立的通信频带，由此增加至少一个频带到天线系统里。这样 可以被用来建立一个系统在多个频带上提供性能。一个特别的例子是UWB 频谱，在美国其包括从3.1GHz到10.6GHz的频带(在不同国家是其它频 带)。通过本发明的一些实施例，至少可以部分促进UWB性能，从一个未 接地天线元件和从接地面提供宽频带通信，从而实现在一个更宽频谱上的 运行。各种实施例的其它应用包括提供天线系统，用于无线网络如 IEEE 802.11，或用于使用如全球移动通讯系统(GSM)的高级蜂窝手持机。 事实上，由于由优化的接地面延伸和接地面谐振提供的增加的频谱，各种 实施例可以在各种未知或以后开发的高数据率通信里找到应用。 —些实施例的额外优点包括相当低成本的制造，特别是在PCB 设计里，因为可以使用较少额外步骤(如果有的话)建立接地面延伸。在 一些实施例里，制造一个接地面延伸仅仅要求蚀刻一个包括突出部分的接 地面形状。 一些实施例可以使用其他步骤制造，如在接地面及其延伸之间 安装一个集总元件或焊接一个连接。 —些实施例的其它优点包括在天线系统里增加辐射结构的数 目和/或大小，同时在设计体积上引起最小增加。例如，在一些包括一个接 地面和一个预留天线空间的设计里，延伸可以被放置在天线空间，因此， 与没有接地面延伸的类似设计相比，在体积上只有一个可忽略的差别。与使用接地面延伸作为寄生元件的现有天线系统相比， 一些实 施例明显有其它优点。在那些现有技术的实施例里，寄生元件从接地面延 伸出来，并提供一个额外谐振给天线系统。谐振长度仅仅归应于寄生元件 的长度，从而增加的谐振是寄生元件自身的谐振，并且趋向很窄。但是， 本发明的各种实施例使用一个接地面延伸来建立一个谐振长度，其至少包 括一部分延伸长度和一部分接地面长度，因由此使用接地面加上其延伸作 为一个辐射结构。通常，结果是增加的频带在频率上更低，并且比有寄生
延伸增加的频带更宽。虽然已经详细说明了本发明及其优越性，但应理解，在不脱离所附 权利要求定义的本发明的条件下可以做出各种改变，替换和变化。此外， 本申请的范围不限定到此处说明书中描述的处理方法，机器，制造，物质 构成，手段，方法和步骤等的特定实施例。从说明书可以容易理解，可以 利用实质上执行了与这里说明的相应实施例相同功能或实现了相同结果的 目前已有的或者将来会开发出的处理方法，机器，制造，物质构成，手段， 方法和步骤。因此，所附的权利要求书旨在包括这些处理方法，机器，制 造，物质构成，手段，方法或步骤。
权利要求
1.一种天线系统，包括一个在基板上的接地面结构；一个在所述基板上的天线空间，其靠近所述接地面结构，所述天线空间包括一个未接地天线，其具有一个关联的第一谐振长度；和所述接地面的一个延伸，突出到所述天线空间内，所述接地面延伸定义第二谐振长度，其包括至少一部分其自身长度和至少一部分所述接地面结构长度。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述第二谐振长度对应一个通信 步页带(communication band )。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中所述第二谐振长度对应的频带在 从3.1GHz延伸到10.6GHz的频谱内。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中所述接地面延伸通过一个集总元 件(lumped element)与所述接地面耦合连接。
5. 根据权利要求1所述的系统，其中所述基板至少包括第一和第二印 刷电路板(PCB)，所述接地面放置在所述第一 PCB'上，而所述天线空间 放置在所述第二PCB上。
6. 根据权利要求1所述的系统，其中所述未接地天线是一个单极天线， 其有一个信号馈电通过所述基板。
7. 根据权利要求1所述的系统，其中所述天线和所述接地面是共面的 (coplanar)。
8. 根据权利要求1所述的系统，其中所述接地面延伸的宽度随着离所 述接地面的距离增加而增加。
9. 根据权利要求8所述的系统，其中所述未接地天线元件是一个有方 向的L型单极天线元件，以最小化与所述接地面延伸的耦合。
10. —种天线系统，包括 一个平面基板；一个接地面结构，其放置在所述基板的一个侧面上，并且覆盖所述侧 面的大部分表面；和一个靠近所述接地面结构的区域，所述靠近区域包括一个未接地天线元件，其放置在所述靠近区域的一侧；和 所述接地面的延伸，其放置在所述靠近区域的相对一侧，所述接 地面延伸和所述接地面一起定义一个谐振长度，其对应一个数据通信频带， 所述谐振长度被适应调整以电磁耦合到所述未接地天线元件。
11. 根据权利要求10所述的系统，其中所述第二谐振长度和所述第 一谐振长度各自对应一个已建立的通信频带。
12. 根据权利要求11所述的系统，其中所述第一和第二谐振长度至 少对应部分超宽频(UWB)频谱。
13. 根据权利要求12所述的系统，其中所述接地面延伸被成形成， 使得其宽度随着离接地面的距离增加而增加，并且其中所述未接地天线元 件是有方向的L型单极天线元件，其与所述谐振长度垂直正交的那一部分 对着所述接地面延伸的较窄部分。
14. 根据权利要求10所述的系统，其中所述接地面延伸基本形状选自三角形；和梯形。
15. 根据权利要求10所述的系统，还包括 一个集总元件，将所述接地面延伸连接到所述接地面。
16. 根据权利要求1所述的系统,其中所述未接地天线元件和所述接地面延伸的放置方向是，使得它们之间的耦合最小化。
17. —种运行天线系统的方法，所述方法包括-提供一个数据信号给一个未接地天线元件；和使电磁耦合到所述未接地天线元件的第二天线元件发生谐振，由此在 一个已建立的通信频带上传输数据，其中所述第二元件的一个谐振长度至 少包括接地面的部分和所述接地面的突出部分。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中所述未接地天线元件和所述 第二天线元件被放置在基板上。
19. 根据权利要求17所述的方法，其中所述使第二天线元件发生谐 振包括电容性馈电所述数据信号给所述第二元件。
20. 根据权利要求17所述的方法，其中所述已建立的通信频带是部 分超宽频(UWB)频谱。
21. 根据权利要求17所述的方法，其中所述未接地的天线元件是一 个有方向的L型单极天线元件，其与所述第二谐振长度垂直正交的一部分 对着所述接地面延伸的一个较窄部分，由此最小化耦合。
全文摘要
一种天线系统，包括在基板上的一个接地面结构，基板上的一个天线空间靠近接地面结构，天线空间包括一个未接地天线，其具有一个关联的第一谐振长度，接地面的一个延伸突出到天线空间内，接地面延伸定义第二谐振长度，其包括至少一部分其自身长度以及至少一部分接地面结构的长度。
文档编号H01Q5/01GK101375464SQ200780003361
公开日2009年2月25日 申请日期2007年8月16日 优先权日2006年9月28日
发明者柳江平 申请人:香港应用科技研究院有限公司