专利名称：天线元,自适应天线设备,和无线电通信设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及实现多个频率相等增益的天线元，和把这种天线元安装在无线电通信系统上，可应用于有不同频率域的多个无线电通信系统的无线电设备。
在无线电通信系统中，例如，移动电话系统，该系统不但广泛应用于呼叫服务，而且还应用于文本信息传输的传输服务，例如，电子邮件。在该移动电话系统中，接收乐曲或字符分配服务的下载服务受到极大的欢迎。在该移动电话系统中，正在采取各种措施以更高速度和更高质量发射各种形式的信息。在不久的将来，还会实时地发送高质量的动画信息。
在新系统应付国内使用的高传输速度时，符合IMT(国际移动电信-2000)的服务预定在该移动电话系统领域内开始。在这种系统中，新频段(2GHz频段)分配的结果是，当前这些服务配置的速度为384kbit/sec，而不是现有系统的64kbit/sec。在该移动电话系统中，需要有这样一种设备，能够接收这个新频段中的各种信息信号。
在每个无线电通信系统中，频段是预先规定的，使有限的频率范围得到有效的利用。无线电通信系统需要这样设计，利用该系统的设备只接收所需的电波，而不接收确定为干扰的其他电波，为的是使该系统被有效地利用。在该无线电通信系统中，
图1至图3所示的自适应阵列天线100安装在利用该系统的设备上。
参照图1，自适应阵列天线100包括多个天线元101；多个接收电路单元102，用于解调各个天线元101接收的高次谐波；和并行信号处理电路单元103，用于优化接收电路单元102优化的信号。自适应阵列天线100适合于同时接收来自天线元101的不同方向高频信号，并中断高频干扰信号。
各个接收电路单元102下变频各个天线元101接收的高频信号，从而使接收的信号解调成比特信号。并行信号处理电路单元103优化合成接收电路单元102提供的比特信号。自适应阵列天线100按照这样的方式合成比特信号，废除与并行信号处理电路单元103中所需信息不同的信息和噪声，其作用如同单元100与天线定向性所要求的电波方向对准，而对于干扰电波的到来方向无效。
自适应阵列天线100提供来自并行信号处理电路单元103的多个输出，因此，若需要两个或多个信息，则分开地输出各个信息。就是说，自适应阵列天线100有这样的特性，在遇到多个所需信息时就以多个定向性工作。自适应阵列天线100的特征是，能够接收可能出现在相同空间采用相同频段的多个信息而没有串音，从而获得该频段的有效利用。
如图2和图3所示，天线元101包括矩形介质底板104，例如，Teflon(DuPont de Nemur公司制造的产品商标名)，介质底板104第一主表面104a上的接地导体105，粘贴到介质底板104第二主表面104b上的多个辐射导体106，和馈线线路107，互连接地导体105与辐射导体106。介质底板104的介电常数为ε0，它包括穿过第一主表面104a和第二主表面104b的多个馈线导孔108，如图3所示。
接地导体105是金属板，例如，紫铜或黄铜，粘贴到介质底板104的第一主表面104a。在接地导体105的底部表面上安排接收电路单元102。辐射导体106粘贴到与接地导体105保持平行的介质底板104第二主表面104b。辐射导体106是由金属片制成的，例如，紫铜或黄铜，每个辐射导体是正方形，每边的长度为L。辐射导体106的每边长度L为λ/2，其中λ是发射波/接收波的波长。辐射导体106的长度L还可以由以下公式设定2L=c/(f0×ϵ0)]]>其中f0是传输频率，而c是光速。
馈线线路107是穿过馈线导孔108的同轴电缆，用于互连辐射导体106与相关的接收电路单元102。虽然没有详细地画出，馈线线路107有它分别连接到接地导体105和辐射导体106的外壳导体和芯线。
在上述的自适应阵列天线100中，从不同方向发射的相同频段高频信号109(109a，109b，109c)被各个天线元101接收，如图3所示。在自适应阵列天线100中，高频信号109在与天线元101相关的各个接收电路单元102中被下变频，解调成比特信号。如图1所示，自适应阵列天线100在并行信号处理电路单元103中合成来自各个接收电路单元102提供的比特信号，例如，废除与并行信号处理电路单元103中所需信息不同的信息和噪声，输出生成的信号。
在该无线电通信系统中，如上所述，采用不同频段的多个系统必须这样配置，要求该系统中所用的设备能够适应这些系统。若该设备可以被各个无线电通信系统所共用，则需要适合于各个系统的多个天线，因此增大了尺寸和成本。
考虑到该设备的尺寸小，重量轻和成本低，移动电话系统已被极其广泛使用，在引入上述新移动电话系统时，移动电话机的尺寸大和成本高是不能允许的。所以，新移动电话系统有它的不方便之处，配置的移动电话机与常规的移动电话机不相容。
常规的自适应阵列天线控制相同频段的定向性，便于有效的频率利用。若这种自适应阵列天线应用于有不同频段的多个系统，如同在其他类型的天线中一样，必须使用适合于各种系统技术规格的多个天线。
所以，本发明的目的是提供一种天线和一种无线电设备，鉴于自适应阵列天线的上述特性，在多个频段中确实可以接收所需的信息以获得有效的频率利用。
一方面，本发明提供这样一种天线，包括介质材料制成的底板，该介质材料有展示频率分配特性的介电常数；形成在该底板一个表面上的接地导体；形成在该底板另一个表面上的多个辐射导体；和穿过该底板的多条馈线线路，用于连接接地导体到辐射导体。
利用本发明的天线元，其中底板是由有频率分配特性的介质材料制成的，可以获得多个频率的相等增益。
另一方面，本发明提供一种自适应天线设备，包括介质材料制成的底板，该介质材料有展示频率分配特性的介电常数；形成在该底板一个表面上的接地导体；形成在该底板另一个表面上的多个辐射导体；穿过该底板的多条馈线线路，用于连接接地导体到辐射导体；频率分配电路，其中通过馈线线路馈入来自辐射导体的多个频段的接收信号，在分开的频段中输出该接收信号中的各个频段的信号；多个解调电路，解调来自频率分配电路的各个频段的信号；和信号合成电路，按照该分开的频段合成来自解调电路的解调信号。
利用本发明的自适应天线设备，采用单个天线装置可以接收来自多个不同频段系统发射的多个信息而没有串音，因此，可以减小该装置的尺寸。
图1表示常规的自适应阵列天线的示意图。
图2表示图1所示自适应阵列天线中用作天线元的扁平天线透视图。
图3表示图1所示自适应阵列天线中接收单元的结构示意图。
图4表示按照本发明的扁平天线透视图。
图5表示图4扁平天线中所用介质底板的介电常数曲线图。
图6表示采用扁平天线作为天线元的自适应阵列天线中接收单元的结构示意图。
图7表示自适应阵列天线的结构示意图。
图8表示有自适应阵列天线的无线电设备的结构示意图。
参照附图，详细地描述本发明的几个优选实施例。多个扁平天线1，图4表示其中的一个天线，互相之间相邻安排，如图6和7所示，组成一个天线元。自适应阵列天线2放置在图8所示的无线电设备3中，构成一个传输/接收单元，用于接收从不同方向发射的不同频段高频信号和用于发射不同频段的高频信号。
扁平天线1有类似于常规扁平天线的基本结构，它包括矩形介质底板4，放置在介质底板4第一主表面4a上的接地导体5，和多个辐射导体6，分别粘贴到介质底板4的第二主表面4b，如图4所示。在扁平天线1中，同轴电缆制成的馈线线路7穿过形成在介质底板4上的馈线导孔8，因此，各个辐射导体6是由馈线线路7连接到接地导体5。馈线线路7有它分别连接到接地导体5和辐射导体6的外壳导体和芯线。
接地导体5是由金属制成的，例如，黄铜，如上所述，接地导体5粘贴到介质底板4的第一主表面4a。辐射导体6粘贴到介质底板4的第二主表面4b，它们平行于接地导体5。辐射导体6是由金属片制成的，例如，黄铜，每个辐射导体6基本上是边长为L的正方形。此外，每个辐射导体6的尺寸是这样的，其边长为λ/2，其中λ是发射波/接收波的波长。
介质底板4是由介质材料铸成的，其介电常数展示频率分配特性。介质底板4的频率响应是这样的，对于边长为L的辐射导体6，介电常数ε1至εn与频率f1至fn之间的关系是随频率的增大而逐渐减小，如图5所示。介质底板4是如此设计的，介电常数ε1至εn有如下的特性2L=c/(f1×ϵ1)=c/(f2×ϵ2)=c/(f3×ϵ3)=···=c/(fn/ϵn)]]>介质底板4对于多个接收频率f1至fn产生相同波长的输出是可能的。
介质底板4可以由六角晶系铁氧体材料铸成的，其成分是BaFe12-2xMe1xMe2xO19或SrFe12-2xMe1xMe2xO19其中Me1是四价金属离子，例如，Ti，Zr或Sn离子，而Me2是二价金属离子，例如，Co，Mn，Zn，Cu，Mg或Ni离子。
有上述扁平天线作为天线元的自适应阵列天线2能够同时接收，例如，第一频率范围f1，第二频率范围f2和第三频率范围f3。自适应阵列天线2包括扁平天线10(10a至10n)的阵列，如图6所示，它是由介质底板4第一主平面4a上的多个辐射导体6(6a至6n)的阵列构成。
自适应阵列天线2包括与扁平天线10相关的多个频率分配电路11(11a至11n)，如图7所示。每个频率分配电路11经馈线线路7(7a至7n)连接到每个扁平天线10，如图6所示。每个频率分配电路11把扁平天线10接收的高频信号分配到第一频段f1至第三频段f3。
自适应阵列天线2包括与频率分配电路11相关的多个接收电路单元12(12a至12n)，如图6和图7所示。每个接收电路单元12有三个基本接收电路单元13，即，第一基本接收电路单元13a1，第二基本接收电路单元13a2和第三基本接收电路单元13a3，它们与第一频段f1至第三频段f3的高频信号相关，如图7所示。每个接收电路单元12把每个频率分配电路11分配的第一频段f1至第三频段f3的高频信号下变频到基带信号，用于解调成比特信号。
参照图7，自适应阵列天线2包括三个并行信号处理器14(第一并行信号处理器14a至第三并行信号处理器14c)，其中馈入来自接收电路单元12中基本接收电路单元13的第一频段f1至第三频段f3的比特信号。每个并行信号处理器14优化合成第一频段f1至第三频段f3中每个频段的比特信号。通过合成各个频段的比特信号，例如，废除不同于所需信息的信息和噪声，每个并行信号处理器14的作用是，如同它们被引向需要天线定向性的电波，还如同它们对于干扰信号的到来方向无效。每个并行信号处理器14分别输出优化的比特信号到与第一频段f1至第三频段f3相关的系统单元15(第一系统单元15a至第三系统单元15c)。
参照图6，自适应阵列天线2通过扁平天线10的阵列接收多个第一高频信号16(图6中实线所示的16a至16c)，该信号是由采用第一频段f1的无线电通信系统从不同方向发射的。自适应阵列天线2通过扁平天线10的阵列接收多个第二高频信号17(图6中虚线所示的17a至17c)，该信号是由采用第二频段f2的无线电通信系统从不同方向发射的。此外，自适应阵列天线2通过扁平天线10的阵列接收多个第三高频信号18(图6中点划线所示的18a至18c)，该信号是由采用第三频段f3的无线电通信系统从不同方向发射的。
在自适应阵列天线2中，每个扁平天线10包括介质底板4，该底板有展示频率分配特性的介电常数，自适应阵列天线2接收第一至第三高频信号中相同波长的高频信号。对于第一频段f1至第三频段f3中的每个频段，自适应阵列天线2通过频率分配电路11把各个扁平天线10接收的第一高频信号16至第三高频信号18分配给接收电路单元12中的基本接收电路单元13。自适应阵列天线2通过基本接收电路单元13把该高频信号解调成比特信号，然后，输出该比特信号到并行信号处理器14。
自适应阵列天线2在接收电路单元12的第一基本接收电路单元13a1中把扁平天线10a接收而由频率分配电路11a分配的第一频段f1的第一高频信号16a解调成比特信号，输出生成的比特信号到第一并行信号处理器14a。自适应阵列天线2在接收电路单元12的第二基本接收电路单元13a2中把扁平天线10a接收而由频率分配电路11a分配的第二频段f2的第二高频信号17a解调成比特信号，输出生成的比特信号到第二并行信号处理器14b。自适应阵列天线2还在接收电路单元12的第三基本接收电路单元13a3中把扁平天线10a接收而由频率分配电路11a分配的第三频段f3的第三高频信号18a解调成比特信号，输出生成的比特信号到第三并行信号处理器14c。
自适应阵列天线2在接收电路单元12的第三基本接收电路单元13b1中把扁平天线10b接收而由第二频率分配电路11b分配的第一频段f1的第一高频信号16n解调成比特信号，输出生成的比特信号到第一并行信号处理器14a。自适应阵列天线2在接收电路单元12的第n基本接收电路单元13n1中把扁平天线10n接收而由第n频率分配电路11n分配的第一频段f1的第一高频信号16n解调成比特信号，输出生成的比特信号到第一并行信号处理器14a。
自适应阵列天线2在第一并行信号处理器14a中优化从不同方向发射而由扁平天线10接收的第一频段f1的第一高频信号16，通过上述的路径作为接收信息19a至19n输出优化的信号到第一频段系统22a。自适应阵列天线2在第二并行信号处理器14b中优化从不同方向发射而由扁平天线10接收的第二频段f2的第二高频信号17，通过上述的路径作为接收信息20a至20n输出优化的信号到第二频段系统22b。自适应阵列天线2在第三并行信号处理器14c中优化从不同方向发射而由扁平天线10接收的第三频段f3的第三高频信号18，通过上述的路径作为接收信息21a至21n输出优化的信号到第三频段系统22c。
因此，即使不同频段f1至f3的多个高频信号16至18从不同方向发送到自适应阵列天线2，自适应阵列天线2仍能接收这些信号而没有串音。所以，自适应阵列天线2不但能够接收相同频段的信息，还具有兼容性接收不同频段的信息，因此，在不增大天线元尺寸的条件下能够实现有效的频率利用。
图8所示的携带上述自适应阵列天线2的无线电设备3可用在采用不同频段的无线电传输系统中。无线电设备3接收不同频段f1至f3的多个高频信号16至18而没有串音，这些信号是从不同方向由多个扁平天线10发送的，从而在接收处理器25中完成最佳处理。接收处理器25是由上述频率分配电路11，接收电路单元12和并行信号处理器14构成的。
在无线电设备3中，如上所述，给每个频段f1至f3优化的接收信息19至21是从接收处理器25输出到频段系统单元26。无线电设备3在频段系统单元26中完成正确控制附属应用单元27(例如，显示单元或存储器)的控制信号处理，从而分别输出与频段f1至f3相关的控制信号24a至24c。
在无线电设备3中，自适应阵列天线2，频段系统单元26或应用单元27是受系统控制器28输出的控制信号29的控制。系统控制器28通过软件程序控制到频段f1至f3或通信系统的适应，信号处理或应用控制以输出控制信号29。换句话说，无线电设备3的整个操作是受该软件程序的控制。
在上述的实施例中，我们解释了基于第一频段f1至第三频段f3接收第一高频信号16至第三高频信号18的操作。然而，应当注意，本发明的自适应阵列天线也可以用于传输部分。虽然介质底板4是由赋予频率分配特性的六角晶系铁氧体材料制成的，当然，介质底板4也可以由任何其他的适当材料制成的。
虽然辐射导体6是由矩形芯片的正方形成批器件制成的，当然，本发明不局限于这种器件。辐射导体6也可以通过安排线性元件成晶格形状或通过蚀刻粘贴在介质底板4表面的金属薄片制成的，例如，利用蚀刻方法。
权利要求
1.一种天线元，包括由介质材料制成的底板，该介质材料有展示频率分配特性的介电常数；形成在所述底板一个表面上的接地导体；形成在所述底板另一个表面上的多个辐射导体；和穿过所述底板的多条馈线线路，用于连接所述接地导体到所述辐射导体。
2.按照权利要求1的天线元，其中每个所述辐射导体是正方形，它每边的L是使L＝λ/2，其中L是该正方形的每边长度，而λ是接收信号或传输信号的波长。
3.按照权利要求2的天线元，其中所述辐射导体安排成一个阵列。
4.一种自适应天线设备，包括由介质材料制成的底板，该介质材料有展示频率分配特性的介电常数；形成在所述底板一个表面上的接地导体；形成在所述底板另一个表面上的多个辐射导体；穿过所述底板的多条馈线线路，用于连接所述接地导体到所述辐射导体；频率分配电路，其中通过所述馈线线路馈入来自所述辐射导体的多个频段的接收信号，在分开的频段中输出所述接收信号中的所述频段的信号；多个解调电路，用于解调来自所述频率分配电路的各个频段的信号；和信号合成电路，用于按照所述分开的频段合成来自所述解调电路的解调信号。
5.按照权利要求4的自适应天线设备，其中每个所述辐射导体是正方形，它每边的L是使L＝λ/2，其中L是该正方形的每边长度，而λ是接收信号或传输信号的波长。
6.按照权利要求5的自适应天线设备，其中所述辐射导体安排成一个阵列。
7.一种能够在多个通信系统中进行通信的无线电通信设备，包括由介质材料制成的底板，该介质材料有展示频率分配特性的介电常数；形成在所述底板一个表面上的接地导体；形成在所述底板另一个表面上的多个辐射导体；穿过所述底板的多条馈线线路，用于连接所述接地导体到所述辐射导体；频率分配电路，其中通过所述馈线线路馈入来自所述辐射导体的多个频段的接收信号，在分开的频段中输出所述接收信号中的所述频段的信号；多个解调电路，用于解调来自所述频率分配电路的各个频段的信号；信号合成电路，用于按照所述分开的频段合成来自所述解调电路的解调信号；和信号处理电路，其中馈入来自用于合成所述各个频率的所述信号合成电路的信号，所述信号处理电路适用于所述多个通信系统。
8.按照权利要求7的无线电通信设备，其中每个所述辐射导体是正方形，它每边的L是使L＝λ/2，其中L是该正方形的每边长度，而λ是接收信号或传输信号的波长。
9.按照权利要求8的无线电通信设备，其中所述辐射导体安排成一个阵列。
全文摘要
一种天线元,包括:由介质材料制成的底板,该介质材料有展示频率分配特性的介电常数;形成在该底板一个表面上的接地导体;形成在该底板另一个表面上的多个辐射导体;和穿过该底板的多条馈线线路,用于连接该接地导体到辐射导体。这种天线元能够获得多个频率的相等增益。
文档编号H01Q21/06GK1329442SQ0112086
公开日2002年1月2日 申请日期2001年6月8日 优先权日2000年6月9日
发明者伊藤博规 申请人:索尼株式会社