专利名称：多频磁偶极天线结构和重复利用天线体积的方法
技术领域：
本发明一般地涉及无线通信领域，并且特别地涉及天线的设计。
背景技术：
天线是辐射(发射和/或接收)电磁波的电导体或导体阵列。电磁波常被称为无线电波。大多数天线是谐振设备，其可以有效地运行于相对较窄的频带上。天线必须被调谐到无线系统所运行的同一频带上，否则就会削弱接收和/或发射。便携式无线通信设备需要较小的天线。采用标准的天线结构，生产在特定射频上并具有特定带宽的谐振天线结构需要一定的物理体积。因此，传统上带宽和频率的要求规定了天线的体积。
天线的带宽是指天线可以令人满意地运行的频率范围。天线带宽通常由阻抗失配来限定，但其也可以由诸如增益、波束宽度等方向图特征来限定。天线设计者通过将所需带宽表示为频带的中心频率的百分比来快速地评估天线要求的可行性。不同类型的天线具有不同的带宽限制。通常，如果期望较大的带宽，则需要相当大的体积。相应地，本发明针对于对具有较宽带宽的小型紧凑天线的需求。本发明提供了一种可以在多个频率上进行谐振的通用天线设计，也就是说，其是多谐振的，并且其可以适合于多种封装配置。
磁偶极天线是一种环路天线，其可以响应于流经环路的电流而辐射电磁波。天线包含一个或多个单元。单元是天线系统的导电部分，其决定了天线的电磁特性。磁偶极天线的单元被设计为可以在使用该天线的应用所需的预定频率上进行谐振。天线的谐振频率依赖于天线单元的电容特性和电感特性。天线单元的电容特性和电感特性由天线单元的尺寸和单元间的相互关系决定。
从天线辐射出来的电磁波的特征由复矢量E×H来描述，其中E是电场，H是磁场。极化描述了辐射波电场的方向。为得到最佳性能，极化必须与辐射场的方向相匹配，以便接收最大场强的电磁波。如果没有正确定向，则会丢失一部分信号，这叫做极化损失。根据天线类型，有可能辐射线性信号、椭圆信号和圆形信号。在线性极化中，电场矢量位于垂直直线上(垂直极化)或水平直线上(水平极化)，或者位于45度角上(倾斜极化)。如果辐射单元是偶极子，则极化简单地表明了单元是如何定向或定位的。如果辐射单元是垂直的，则天线具有垂直极化；并且如果辐射单元是水平的，则天线具有水平极化。在圆极化中，同时辐射幅度相等并且相位相差90度的两个正交的线性极化波。
磁偶极天线可以设计为具有多个天线单元。通常期望天线在多个频率上进行谐振。对于每个期望的频率，将需要一个天线单元。不同的连续谐振发生于频率f1、f2、fi、...、fn上。这些峰值对应于在结构内部所激励的不同的电磁模式。可以将天线设计为通过使用重叠或几乎重叠的频率使得频率为天线提供较宽的覆盖带宽。然而，具有比单谐振天线更宽的带宽的天线通常具有相应增大的尺寸。因此，在本领域中需要一种多谐振天线，其中各个天线单元共享天线结构内部的体积。
发明内容
本发明涉及一种与具有相似带宽和类型的现有技术天线相比具有较小体积的天线。在本发明中，天线单元同时包括电容性部分和电感性部分。每个单元为天线提供一个频率或一个频带。
在优选的实施例中，基本天线单元包括具有一个平面导体和一对平行伸长导体的基本上呈平面的结构，每个平行伸长导体具有电连接到平面导体的第一端。附加的单元可以耦合到基本单元，形成一个阵列。以这种方式，各个天线结构共享公共的单元和体积，由此增大了相对带宽与体积之比。
图1概念性地说明了本发明的天线设计。
图2说明了利用多谐振天线设计获得的增大的整体带宽。
图3是辐射结构的等效电路。
图4是多谐振天线结构的等效电路。
图5说明了在本发明的一个实施例中使用的基本辐射结构。
图6说明了根据本发明的一个实施例的双模天线。
图7说明了根据本发明的另一个实施例的多模天线。
图8说明了根据本发明的平坦地形成于衬底上的天线。
图9说明了根据本发明的一个实施例的具有接地回路和馈线的天线。
图10A-图10C说明了根据本发明的一个实施例使用通孔为天线提供馈线和短路的情形。
图11A-图11C说明了根据本发明的一个实施例的具有并行单元的双频天线。
图12说明了根据本发明的一个实施例的具有嵌套的单元的双频天线。
图13说明了根据本发明的一个实施例的与图12的天线相似的天线，其具有附加的电容性元件以提供附加的谐振频率。
图14A-图14B说明了根据本发明的一个实施例的双面天线，其在衬底的一个面上具有三个频率，并且在另一个面上具有单一的频率。
图15A-图15B说明了根据本发明的一个实施例的天线，其具有形成于衬底的边缘以及面上的导体。
图16A-图16B说明了根据本发明的一个实施例的多频平面天线，其位于主衬底上，在垂直的次衬底上具有附加的辐射单元。
图17A-图17B说明了根据本发明的一个实施例的具有多个次衬底的天线。
图18说明了根据本发明的一个实施例的具有伸出的辐射单元的天线。
图19说明了根据本发明的一个实施例的具有一对伸出的辐射单元的天线。
图20示出了根据本发明的一个实施例的位于一个外壳内的图19的天线。
图21说明了根据本发明的一个实施例的与图19的天线相似的天线，其在垂直的次衬底上具有附加的辐射单元。
图22示出了根据本发明的一个实施例的位于一个外壳内的图21的天线。
图23说明了根据本发明的一个实施例的天线结构，其在衬底的相反的两端上具有两个辐射单元。
图24说明了根据本发明的一个实施例的具有多个辐射单元的笔记本计算机。
图25说明了根据本发明的一个实施例的天线，其印制在衬底上，在导体间具有铣槽(milled groove)。
图26说明了根据本发明的一个实施例的具有多个铣槽的多频天线。
具体实施例方式
体积与带宽之比是现代天线设计中的最重要的约束之一。天线的物理体积可能为小型电子设备的设计带来严格的约束。提高该比值的一种方法是针对不同的模式重复利用体积。即使这种设计并不能使体积与带宽之比最优化，一些设计仍已经使用了这种方法。在这些设计中，使用同一物理结构产生两种模式，虽然这两种模式并不使用完全相同的体积。这两种模式的电流再分配是不相同的，但是两种模式仍然要使用天线整个可用体积的公共部分。通过图1的维恩图一般地说明了这种针对多个天线模式而使用天线的物理体积的概念。天线的物理体积(“V”)具有两种辐射模式。与第一种模式相关联的物理体积标示为“V1”，而与第二种模式相关联的物理体积标示为“V2”。可以看到，标示为“V1，2”的物理体积部分对两种模式来说是公共的。
体积重复利用的概念及其频率依赖性可以引用“K定律”来表示。一般的K定律由下式定义Δf/f＝K·V/λ3其中Δf/f是归一化频率带宽，λ是波长，并且术语“V”表示可以包围天线的物理体积。这一体积到目前为止还没有被优化，并且还没有对该体积的实际定义及其与K因子的关系进行任何讨论。
为了更好地理解K定律，定义不同的K因子Kmodal由模式体积Vi以及相应的模式带宽定义Δfi/fi＝Kmod al·Vi/λi3其中i是模式索引。
因此，Kmodal是与一种电磁模式所占用的体积有关的常量。
Keffective由模式体积V1∪V2∪...∪Vi的合集以及累积带宽定义。
其可以看作是累积的KΣiΔfi/fi=Keffective·(V1∪V2∪...Vi)/λC3]]>其中λ是中心频率的波长。
Keffective是将各模式共享一部分体积的事实考虑在内时与不同的激励模式所占用的最小体积有关的常量。不同的频率fi必须非常接近，以便具有几乎重叠的带宽。
Kphysical或Kobserved由天线的物理体积“V”和整个天线带宽来定义Δf/f＝Kphysical·V/λ3由于Kphysical或Kobserved将实际的物理参数和可用的带宽考虑在内，因此它们是最重要的K因子。由于Kphysical是唯一的可以用实验方法计算得到的K因子，因此Kphysical也称为Kobserved。为了将模式限制在天线的物理体积内，Kphysical必须小于Keffective。然而，通常这些K因子几乎相等。当Kphysical近似等于Keffective并且同时近似等于最小Kmodal时，可以获得最好且最理想的情况。应当注意，为了获得隔离得很好的天线，将模式限定于天线内是很重要的。
由以上计算可以得出的结论之一是，使各模式共享尽可能多的体积以将不同模式包括在可能的最小体积内是非常重要的。如上所述，在图1所示的维恩图中说明了这个概念。在使天线的体积最小化的同时使模式的数目最大化可以得到多谐振的而又比单谐振天线大不了多少的天线。
对于多个辐射模式i，图2示出了观到的多谐振结构的回波损耗。不同的连续谐振发生于频率f1、f2、fi、...、fn上。这些峰值对应于结构内部所 励的不同电 模式。图2说明了物理的或观 到的K与f1到fn上的带宽之间的关系。
对于具有谐振频率f1的特定辐射模式，可以考虑图3中示出的等效简化电路L1C1。通过忽略等效电路中的电阻，天线的带宽仅仅是辐射电阻的函数。可以重复图3的电路，以产生用于多个谐振频率的等效电路。
图4说明了用多个电感(L)/电容(C)电路表示的多模天线。在频率f1上，只有电路L1C1在进行谐振。实际上，天线结构的一部分在所 盖的频谱内的每一个频率上进行谐振。通过使用具有重 谐振频率f1-fn的天线单元，根据本发明的天线可以 盖频率f1-fn。同样，忽略结构的实际电阻，每种模式的带宽是辐射电阻的函数。
如上所述，为了优化K因子，针对不同的谐振模式重复利用天线体积。本发明的一个实施例将具有电容性负载的微波传输带(capacitively loaded microstrip)类型的天线作为基本辐射结构。接下来将描述对这种基本结构的修改。在一个非常优选的实施例中，多模天线结构的单元具有间隔很小的谐振频率。
图5说明了单模具有电容性负载的天线。如果假设可以将图5中的结构建模为一个L1C1电路，则C1是跨间隙g的电容。电感L1主要由用标号2标示的环路构成。间隙g远小于天线的 体厚度。只有一个LC电路的存在将该天线设计限制为运行于单一频率上。
图6说明了基于与图5所示的天线相同的原理的双模天线。在此，将第二天线单元放置在如上所述的第一天线单元内部。这使得可以将一个天线单元调谐到某频率f1，并将另一个天线单元调谐到频率f2。这两个天线具有公共的地线，但是具有不同的电容性元件和电感性元件。
图7说明了具有共享的电感L1和L2以及分立电容C1、C2和C3的多模天线。该天线包括若干天线单元。
本发明的一个实施例涉及一种具有位于基本上相同的平面中的辐射单元和导体的天线。该辐射单元和该平面单元的厚度远小于它们的长度或宽度，因此它们实际上是二维的。优选地，该天线结构附着在一个衬底上。图8说明了根据本发明的原理的平坦地形成于衬底12上的天线10。该天线实际上基本是二维的。该天线包括平面导体14、第一平行伸长导体16以及第二平行伸长导体18。平面导体位于与电场相同的平面(称作E平面)中。线性极化天线的E平面包含天线的电场矢量以及最大辐射的方向。E平面与H平面(即包含磁场的平面)正交。对于线性极化天线，H平面包含磁场矢量以及最大辐射的方向。每个伸长导体16和18通过相应的连接导体20和22电连接到平面导体14。天线10包括与平面导体14位于相同或基本上相同的平面中的伸长导体16和18。伸长导体16与伸长导体18之间的间隙是电容区。伸长导体16与平面导体14之间的间隙是电感区。在一个优选的实施例中，第一伸长导体16与第二伸长导体18之间的间隔远小于第一伸长导体16与平面导体14之间的间隔。
在一个替代性的实施例中，如图9所示，可以将辐射单元与导体隔离开。在图9中，通过刻蚀区域34将接地的平面导体32与辐射单元30隔离开。提供天线馈线36并提供接地回路38。天线馈线或馈电线36是可以用于将RF(射频)功率从发射机路由到天线或从天线路由到接收机混合类型的传输线。根据本发明的原理，在此讨论的任意天线结构可以使用刻蚀区域或其他方式来隔离辐射单元。
本发明的另一个实施例涉及结合另一平面导体而使用前述的基本上具有二维结构的天线结构。第二平面导体可以位于衬底的反面上。优选地，两个平面导体基本上彼此平行。图10A-图10C示出了天线40，其中平面导体44和46在衬底42的相反的两侧上。通孔50和52分别为天线提供馈线和接地短路。通孔50和52将辐射单元连接到平面导体46。
在另一个实施例中，天线结构可以使用多个辐射单元。辐射单元可以如图11A-图11C所示的那样并行安排。图11A-图11C示出了双频天线结构，其与图10A-图10C的单一单元结构类似。天线结构具有并行安排的辐射单元60和62。每个辐射单元具有将辐射单元连接到位于衬底的反面上的平面导体的通孔。平面导体基本上彼此平行。
作为替代，辐射结构可以如图12中所示以嵌套配置方式放置。图12示出了以类似于图8的方式在衬底上实现图6的设计的另一双频配置。在本发明的另一个实施例中，天线结构可以使用三个或更多的辐射单元。辐射单元可以全部与平面导体位于同一面上。图13示出了与图12的天线结构类似的天线结构，但是其具有附加的导体70，以增加频率多样性。
图14A-图14B示出了在衬底80上的天线结构。衬底80的面A承载了如图13所示的三频天线结构。衬底80的面B承载了如图8所示的单频天线结构，尽管作为替代其也可以是多频结构或者单频结构与多频结构的任意组合。
在另一个实施例中，天线结构可以在衬底的任意面上包括导体。导体可以以平行且相对的配置方式定位，或者不对称地定位。图15A-图15B示出了天线结构90，其在衬底92的边缘以及正表面上具有诸如通过传统的印制电路方法形成的导体。这在某些封装配置中甚至节省了更多的空间。
在又一个实施例中，可以使用多个衬底。如图16A-图16B所示，可以使用载有附加导体的次衬底。次衬底可以垂直于主衬底而定位。如图16A-图16B所示，主衬底100承载诸如图13中所示的多频天线结构。次衬底102基本上垂直于主衬底而安装。衬底102承载单频天线结构，尽管作为替代，其也可以是多频结构。
此外，根据本发明的原理，可以使用多个次衬底。图17A-图17B示出了类似于图16A-图16B的另外的配置，其中在主衬底上安装多个次衬底，每个次衬底承载相应的天线结构。
此外，次衬底可以以任意配置方式安排，而不仅仅是安排在垂直位置上。图18说明了在相对于衬底114而伸出的衬底112上的天线110。这使得可以将天线安置在其形状恰好允许天线沿着外壳的侧面而放置的外壳内。
图19说明了与图18的配置类似的配置，但是为了频率多样性，其具有两个天线。
根据本发明的原理的天线结构可以集成到电子设备中。先前讨论的本发明的好处使得这样一种天线结构可以很好地适合用于小型电子设备(例如但不限于移动电话)中。图20示出了例如在移动电话或其他电子设备的情况下容纳在一个外壳内的图19的天线结构。
图21说明了与图19的配置类似的配置，但是其具有四个辐射单元，包括次衬底120和122上所承载的单元。
图22示出了例如在移动电话或其他电子设备的情况下容纳在一个外壳内的图21的天线结构。本发明的天线的较小外形使得可以比较容易地将天线放置在电子设备中，而不需要特别专用的体积。
图23说明了一个电路板130，在其相反的两端部署了辐射单元132和134。类似地，在图24中，诸如笔记本计算机140之类的电子设备配置为具有多个辐射单元。由于其结构，辐射单元可以安排在计算机中任何可用的空间内。由此，计算机机壳的设计不必受制于天线要求在又一个优选的实施例中，天线结构可以包括槽。槽可以在多个位置上(诸如在辐射单元之间)部分地或完全地穿过基底。图25说明了图9中一般地示出的类型的天线。该天线例如通过传统的印制电路技术在衬底150上形成。在天线的电容区部分地或完全地穿过衬底而铣出槽152，以提高天线的效率。
图26说明了与图25所示的相同的概念，但图26属于多频天线的情况。在此，在衬底160中每对辐射导体之间铣出多个槽162。
根据本发明的原理的天线结构可以以现有技术中已知的任意方式来制造，例如使用传统的电路印制来制造。用于制造根据本发明的天线的另一替代性方法可以包括在金属膜上刻蚀天线图案，然后以塑料对其进行模制，而不是在印制电路板上刻蚀天线图案。所得到的结构可以以各种方式连接到电路板或连接到设备外壳。
因此，尽管已经示出并描述了本发明的实施例和实现方式，但是应当明白，在本发明的范围内还包括很多其他的实施例和实现方式。因此，除非根据权利要求及其等效形式，否则不应对本发明进行限制。
权利要求
1.一种天线，包括第一平面导体；第一伸长导体以及第二伸长导体，其均基本上与所述平面导体共面；所述第一伸长导体具有电连接到所述第一平面导体的第一端以及第二端；并且所述第二伸长导体平行于所述第一伸长导体并与之隔开，所述第二伸长导体具有电连接到所述第一平面导体的第一端。
2.根据权利要求1所述的天线，其中所述第一伸长导体的第一端通过第一连接导体电连接到所述第一平面导体，并且所述第二伸长导体的第一端通过第二连接导体电连接到所述第一平面导体。
3.根据权利要求1所述的天线，其中所述第一连接导体和所述第二连接导体分别垂直于所述第一伸长导体和所述第二伸长导体。
4.根据权利要求1所述的天线，还包括第三伸长导体，其与所述第一平面导体隔开，并且电连接到所述第一伸长导体的第一端和所述第二伸长导体的第一端中的至少一个。
5.根据权利要求4所述的天线，其中所述第一伸长导体的第一端通过垂直于所述第一伸长导体的第一连接导体电连接到所述第三伸长导体，并且所述第二伸长导体的第一端通过垂直于所述第二伸长导体的第二连接导体电连接到所述第三伸长导体。
6.根据权利要求4所述的天线，其中所述第三伸长导体电连接到所述第一平面导体。
7.根据权利要求1所述的天线，还包括衬底，并且其中所述第一平面导体、所述第一伸长导体以及所述第二伸长导体部署在所述衬底的第一侧上。
8.根据权利要求1所述的天线，还包括衬底，并且其中所述第一平面导体部署在所述衬底的第一侧上，所述第一伸长导体以及所述第二伸长导体部署在所述衬底的第二侧上。
9.根据权利要求8所述的天线，还包括部署在所述衬底的第二侧上的第二平面导体。
10.根据权利要求9所述的天线，其中所述第一伸长导体的第一端和所述第二伸长导体的第一端通过穿过所述衬底的通孔电连接到所述第一平面导体。
11.根据权利要求1所述的天线，其中所述第一伸长导体和所述第二伸长导体包括第一单元，并且此外，其中所述天线包括第二单元。
12.根据权利要求11所述的天线，其中所述第一单元和所述第二单元以并行的关系进行部署。
13.根据权利要求11所述的天线，其中所述第二单元部署在所述第一单元与所述第一平面导体之间。
14.根据权利要求11所述的天线，其中所述第一单元和所述第二单元中的至少一个单元还包括第三伸长导体，所述第三伸长导体具有电连接到所述第一平面导体的第一端。
15.根据权利要求11所述的天线，还包括衬底，并且其中所述第一单元和所述第二单元部署为靠近所述衬底的相反的边缘。
16.根据权利要求11所述的天线，还包括主衬底和连接到所述主衬底的次衬底，所述主衬底上部署有所述第一单元，并且所述次衬底上部署有所述第二单元。
17.根据权利要求16所述的天线，还包括多个连接到所述主衬底的次衬底，所述次衬底上部署有相应的多个单元。
18.根据权利要求17所述的天线，其中所述多个次衬底中的每个次衬底都垂直于所述主衬底。
19.根据权利要求1所述的天线，还包括衬底以及至少一个沿着所述衬底边缘的导体。
20.根据权利要求1所述的天线，还包括主衬底；次衬底，其连接到所述主衬底并垂直于所述主衬底；以及第三平行伸长导体和第四平行伸长导体，其位于所述次衬底上，均具有电连接到所述第一平面导体的第一端。
21.根据权利要求20所述的天线，包括多个连接到所述主衬底并垂直于所述主衬底的次衬底，每个所述次衬底上分别具有第三平行伸长导体和第四平行伸长导体。
22.根据权利要求1所述的天线，其中所述第一平面导体、所述第一伸长导体以及所述第二伸长导体部署在衬底的第一侧上，并且所述天线还包括第二平面导体、第三平行伸长导体和第四平行伸长导体，所述第二平面导体、所述第三平行伸长导体和所述第四平行伸长导体均具有电连接到所述第二平面导体的第一端并且部署在所述衬底的第二侧上。
23.一种天线，包括衬底；第一平面导体，其部署在所述衬底的第一侧上；第二平面导体，其部署在所述衬底的第二侧上；第一伸长导体，其部署在所述衬底上，所述第一伸长导体具有电连接到所述第一平面导体和所述第二平面导体中的一个平面导体的第一端；第二伸长导体，其部署在所述衬底上，并且具有电连接到所述第一平面导体和所述第二平面导体中的一个平面导体的第一端。
24.根据权利要求23所述的天线，其中所述第一伸长导体和所述第二伸长导体部署在所述衬底的第一侧上。
25.根据权利要求24所述的天线，其中所述第一伸长导体的第一端和所述第二伸长导体的第一端电连接到所述第二平面导体。
26.根据权利要求23所述的天线，其中所述第一伸长导体和所述第二伸长导体包括第一单元，并且此外，其中所述天线包括第二单元。
27.根据权利要求26所述的天线，其中所述第一单元和所述第二单元以并行的关系进行部署。
28.根据权利要求26所述的天线，其中所述第一单元和所述第二单元中的至少一个单元还包括第三伸长导体，所述第三伸长导体具有电连接到所述第一平面导体和所述第二平面导体中的一个平面导体的第一端。
29.根据权利要求24所述的天线，其中所述第一伸长导体的第一端和所述第二伸长导体的第一端电连接到所述第一平面导体。
30.根据权利要求29所述的天线，还包括部署在所述衬底的第二侧上的第三伸长导体和第四伸长导体，所述第三伸长导体和所述第四伸长导体均具有电连接到所述第二平面导体的第一端。
31.一种天线，包括主衬底；至少一个平面导体，其部署在所述主衬底上；第一天线单元，其具有部署在所述主衬底上的第一平行伸长导体和第二平行伸长导体；所述第一平行伸长导体和所述第二平行伸长导体均具有电连接到所述平面导体的第一端。
32.根据权利要求31所述的天线，还包括次衬底，其连接到所述主衬底并垂直于所述主衬底；第二天线单元，其具有部署在所述次衬底上的第三平行伸长导体和第四平行伸长导体。
33.根据权利要求32所述的天线，还包括多个连接到所述主衬底并垂直于所述主衬底的次衬底，每个所述次衬底具有相应的第二天线单元。
34.根据权利要求33所述的天线，其中所述多个次衬底中的至少一些次衬底部署在所述主衬底的第一侧上，并且所述多个次衬底中的其余次衬底部署在所述主衬底的第二侧上。
35.一种天线，包括衬底；平面导体，其部署在所述衬底上；第一平行伸长导体和第二平行伸长导体，其部署在所述衬底上，均具有电连接到所述平面导体的第一端；所述第一平行伸长导体、所述第二平行伸长导体和所述平面导体基本上位于E平面内。
36.根据权利要求35所述的天线，其中所述衬底包括在所述第一伸长导体与所述第二伸长导体之间的至少部分地穿过所述衬底的槽。
37.根据权利要求35所述的天线，还包括平行于所述第一伸长导体和所述第二伸长导体的至少一个第三伸长导体，所述第三伸长导体具有电连接到所述平面导体的第一端，并且其中所述衬底包括在成对的所述第一伸长导体、所述第二伸长导体和所述第三伸长导体之间的至少部分地穿过所述衬底的至少两个槽。
全文摘要
多谐振天线结构的各种谐振模式共享至少部分的结构体积。基本天线单元包括具有一个平面导体和一对平行伸长导体的基本上呈平面的结构，每个平行伸长导体具有电连接到平面导体的第一端。附加的单元可以耦合到基本单元，形成一个阵列。以这种方式，各个天线结构共享公共的单元和体积，由此增大了相对带宽与体积之比。
文档编号H01Q9/04GK1930734SQ200580006567
公开日2007年3月14日 申请日期2005年1月14日 优先权日2004年1月14日
发明者洛朗·德克洛, 格雷戈里·普瓦拉斯内, 杰夫·沙姆布林, 塞巴斯蒂安·罗索姆 申请人:艾斯特里克有限公司