专利名称：无线多频带通讯系统的改进的印刷偶极天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通讯装置和系统的天线，更具体地说，涉及用于无线多频带通讯系统通讯的印刷偶极天线。
背景技术：
一般，无线通讯装置和系统为手持的或便携式膝上型计算机的一部分。这样，天线尺寸必需非常小，以便与相应的装置适应。该系统用于一般的通讯，以及无线的局域网络(WLAN)系统。偶极天线因为小，和可以调谐至相应的频率，在这些系统中业已经使用。一般，印刷偶极子的形状为窄的矩形带，其宽度小于0.05λ0，总长度小于0.5λ0。一般，λ/2偶极子的理论增益(称为各向同性辐射器)为2.5dBi，对于偶极天线(二根λ/4长的导线，中等激励，也称为各向同性辐射器)等于1.76dBi。
发明内容
本发明为无线通讯装置的印刷偶极天线。它包括叠加在第二导电元件的一部分上，和由第一电介质层与第二导电元件隔开的第一导电元件。第一导电通路通过第一电介质层连接第一和第二导电元件。一般，第二导电元件为U-形。第二导电元件包括多个隔开的，从U-形的腿的相邻末端横向伸出的导电带。在一个腿上的每一个带的尺寸适用于与在同一个腿上另一个带不同的中心频率λ0。
第一导电元件可以为L-形，L形的一个腿叠加在U形的一个腿上。第一导电通路将该L形的另一个腿与该U-形的另一个腿连接。另一种方式是，第一导电元件可以通过单个的通路与带的末端连接。
第一和第二导电元件中的每一个都是平面形的。该带的宽度可小于0.05λ0，和长度可小于0.5λ0。
天线可以为全向的或定向的。如果为定向的，则它包括叠加在第二导电元件上和利用第二电介质层与第二导电元件隔开的接地平面导体。第三导电元件叠加在第二导电元件的带上，并且利用第一电介质层与第二导电元件的带隔开。第二导电通路通过电介质层将第三导电元件与接地导体连接。第一和第三导电元件可以为共面的。第三导电元件包括多个指形物，它们叠加在每一个带的横向边缘的一部分上。
本发明的这些和其他方面从下面结合附图的详细说明中将会清楚。
图1为包括本发明的原理的全向的四倍频带偶极天线的透视的示意图；图2A为图1的偶极子导电层的平面图；图2B为图2A的偶极子导电层的宽频带改进；图3为图1所示天线的平面图；图4为图1所示天线的坐标图；图5为二个调谐频率的定向增益的图形；图6为频率与电压驻波比(VSWR)和增益S11的关系的图形；图7A和图7B为表示改变馈电点或通路对图1所示的偶极天线的特性的作用的图形；图8为表示改变图1所示的偶极子的槽的宽度S的作用的图形；图9为表示图1所示的2-，3-和4个带的偶极子的作用的图形；图10A和图10B为表示改变图1所示的偶极子的宽度的作用的图形；图11为包括本发明的原理的定向偶极天线的透视示意图；图12为图11所示天线的俯视平面图；图13为图11所示天线的仰视视图；图14为图11所示的天线对5个频率的定向增益的图形；图15为图11所示天线的频率与VSWR和S11的关系的图形；图16A为表示改变图16B所示的图11的偶极天线的馈电位置的馈电点或通路40的作用的图形；图17为表示改变图11所示的偶极天线的槽的宽度S的作用的图形；图18A和图18B为表示改变图11所示天线的偶极子的宽度的作用的图形；图19A和图19B所示为表示改变图11所示的偶极天线的定向偶极子的长度的作用的第二频率的图形；图20为根据本发明的另一个偶极天线的偶极子导电层的平面图；图21为图20所示天线的频率与VSWR和S11的关系的图形；图22为图20所示天线的频率与4个θ的定向性的关系的图形；图23为图20所示天线的三个频率的定向增益的图形；图24A，24B和24C为根据本发明的另一个偶极天线的变型的偶极子导电层的平面图；图25为图24A所示天线的频率与VSWR和S11的关系的图形；图26为图24A所示天线的频率与三个θ的定向性关系的图形；图27为图24A所示天线的三个频率的定向增益的图形；图28A，28B，28C和28D为根据本发明的带有共轴馈电的另一个偶极天线的变型的偶极子导电层的平面图；图29为图28A所示天线的频率与VSWR和S11的关系的图形；图30为图28A所示天线的频率与一个θ的定向性的关系的图形；图31为图28A所示天线的三个频率的定向增益的图形。
具体实施例方式
虽然本发明的系统天线针对约为2.4GHz和5.2GHz的WLAN双频带和约为0.824-0.960GHz，1.710-1.990GHz和1.885-2.200GHz的GSM和3G多频带无线通讯装置来说明，但本天线可以设计用于便携式，无线通讯装置的任何频带的工作。这些可以包括GPS(1.575GHz)或蓝牙规格(2.4-2.5GHz)频率范围。
图1，图2A和图3的天线系统10包括带有覆盖层14，16的电介质基片12。作为微带线的第一导电层20印刷在基片12上，在其相反的一侧上为分离的偶极子导电层30。一般，该第一导电层20为具有腿22，24的L形。一般，第二导电层30包括具有回线31和一对分开的腿33的U形带状气球状的线路部分32。多个带35，37，34，36在腿33的末端的横向延伸，并靠近该末端。第一导电层20的腿22叠加在第二导电层30的一个腿33上，而另一个腿24在一对腿33的横向延伸。导电通路40通过电介质基片12将腿24的末端与腿33的一个连接。第一导电层20的腿22的另一末端的端子26接受天线10的驱动。
4个带34，36，35和37中的每一个带的尺寸独特，以便调谐至或接收不同频率的信号。另一种方式是，在相应的腿上的每一个带的尺寸独特，以便调谐至或接收与在相同的腿上的另一个带或多个带不同的频率信号。每一个带的尺寸作成使带的宽度小于0.05λ0，总长度小于0.5λ0。
图2B表示图2A的改进，它包括6个带35，37，39，34，36，38，每一个带都从第二导电层30的腿33的相邻的末端伸出。这允许调谐和接收宽频带。二个实施例的带基本上互相平行。
电介质基片12可以为印刷电路板，玻璃纤维或聚酰亚胺制的柔性薄膜基片。盖14，16可以为另外的涂敷电介质的层或者可以为空心的壳体结构。最好，将导电层20，30印刷在电介质基片12上。
作为图1所示的四倍频带的偶极天线的一个例子，频率范围可以为，例如，2.4-2.487，5.15-5.25，2.25-5.35和5.74-5.825GHz。对于图4的方向图，图5中表示了二个频率2.4GHz(图形A)和5.6GHz(图形B)的定向增益。90°的最大增益，在2.4GHz时为5.45dB，在5.6GHz时为6.19dB。图6中表示VSWR和幅值S11。在2.4GHz和5.6GHz频带上，VSWR在2以下。从5.15-5.827开始的频带在5.6GHz频率时交汇。
电介质基片12的高度h可以根据层的导率或介电常数变化。
相应尺寸的狭窄的矩形带34，36，35，37，通过减小表面波和导电层中的损失，增加总的增益。导电带的数目也影响频率的副带。
通路40的位置和U形副导体32的腿33之间的槽的宽度S影响与频带中的增益“分布”有关的天线性能。选择槽宽S的尺寸和通路40的位置，使得在带34，36，35，37的所有频带上增益大致相同。得到的最大理论增益在4dB以上，并且在2.4GHz时为5.7dB，在5.4GHz时为7.5dB。
图7A为馈电点fp或通路40的各种位置和对VSWR和S11的影响的图形。中心馈电点fp1相当于图6的结果。虽然，馈电点fp的改变对增益的影响小，但它对在5GHz范围内，在第二频带上的λ0的偏移有较大影响。
图8表示将槽宽S从1mm改变至3mm，改变至5mm的影响。3mm的槽宽相当于图6。虽然，VSWR改变不大，但S11幅值改变大。例如，对于5mn的带，S11在2.5GHz时为-21dB，在5.3GHz时为-16dB。对于3.3mm的带，S11在2.5GHz时为-14dB，在5.3GHz时为-25dB。对于1mm的带在2.5GHz和5.3GHz时，S11大约等于-13dB。
应当注意，单个带34，35，36，37的长度在5mm，10mm和15mm之间改变对VSWR和S11幅值的影响非常小。图6相当于15mm长度。另外，带34，35，36，37之间的距离在1mm，2mm和4mm之间的改变，对VSWR和S11幅值的影响也非常小。在图6中反映了2mm的隔开。幅值在2mm和4mm间隔之间的差大约为2dB。图9表示2，3和4个偶极子带的响应。
图10A和10B表示在保持单个带的宽度的同时，改变偶极子的宽度W的作用。偶极子的宽度W从6mm，8mm改变至10mm。6mm宽度相当于图6中的宽度。对于6mm宽度，有二个不同的频带，在2.4GHz时，S11幅值为-14dB，在5.3GHz时，S11幅值为-25dB。对于8mm宽度，有一个大的频带，在从1.74延伸至5.4GHz时，VSWR在2以下，其S11幅值大约为-20dB。同样，对于10mm宽度有一个大的频带，在从1.65延伸至5.16GHz时，其VSWR小于2，在2.2GHz的S11幅值为-34dB，在4.9GHz时，S11幅值为-11dB。
在图10B1～图10B3中表示包括本发明原理的定向(或单向)偶极天线。与图1所示的全向天线具有相同的结构，功能和目的的零件用相同的标号表示。
图11～13的天线11，除了在电介质基片12的第一表面上的第一导电层20和在电介质基片12的相反表面上的第二导电偶极子30以外，包括由下部电介质层16与第二导电层30隔开的接地导电层60。另外，如同第一导电元件20一样，在电介质基片12的相同表面上设有第三导电元件50。该第三导电元件50为定向偶极子。该偶极子包括具有一对末端部分53的中心带51。一般，这是一个杠铃形的导电元件。它叠加在第二导电层30的带34，36，35，37上。它通过穿过电介质基片12和电介质层16的通路42与接地层60连接。
定向偶极子50包括叠加在每一个带34，36，35，37的边缘的一部分上的多个指形物。如图所示，末端带52，58叠加在和横向延伸出带34，36，35，37的侧边缘外。内指形物54，56靠近带34，36，35，37的内边缘，并且横向不延伸至其外面。
最好，电介质基片12的导率或介电常数比电介质层16的导率或介电常数大。另外，电介质基片12的厚度h1比电介质层16的厚度h2小许多。最好，电介质基片12的厚度至少为电介质层16的厚度的一半。偶极子的相同形状。还应注意，天线12的轮廓为双平面的倒F形天线(PIFA)的外形。
图14为天线12的定向增益的图形，图15表示VSWR和幅值S11的图形。图14中表示5个频率。最大增益在7dB以上，2.5GHz时为8.29dB，5.7GHz时为10.5dB，图15中的VSWR至少在二个频带上小于2。
图16A和16B表示馈电点fp或通路40的作用。馈电点并与图15所示的馈电点相同。图17表示1mm，3mm和5mm槽宽S的作用。一般，3mm宽度相当于图15的宽度。图18A和18B表示对于6mm，8mm和10mm宽度的偶极子带宽度SW的作用。6mm宽度相当于图15的宽度。图19A和19B表示在5GHz范围内的第二频率上的定向偶极子50的部分51的长度SOL的作用。一般，8mm宽度相当于图15的宽度。
与图1，2A和3的天线系统10相同，图20和24的天线包括微带线的1-形第一导电层20和印刷在基片12的相反侧上的分离的偶极子导电层30。导电通路40通过电介质基片12将腿24的末端与一个腿33连接。第一导电层20的腿22的另一末端上的端子26接受天线10的驱动。
在图20中，分离的偶极子导电层30的腿33上的多个带35，37，34，36为梯形的。带34/36和35/37的相邻的侧面表示成平行的。带34和35的长度比带36和37短。宽度W可以为22mm，长度L可以为48～68mm。
作为一个例子，图20所示的双频带偶极子天线的宽度W为22mm，长度L为48mm。图21中表示VSWR和幅值S11。在0.7～2.5GHz时，VSWR在2以下。图22中表示在φ＝0°和4个不同的θ时的定向性。图23表示对于3个频率和θ和φ＝0°的定向增益。即θ＝12°时，在0.9GHz，最大增益为5.17dB(图形A)；θ＝7°时，在1.85GHz，最大增益为5.93dB(图形B)；和θ＝5°时，在2.05GHz，最大增益为6.16dB。
图24A，B和C表示双频带偶极子天线结构的变型。带34和35的结构相同，带36和37的结构相同。作为一个例子，带34包括从U形的腿33横向伸出的第一部分34A并且具有横向延伸至第一部分34A的第二末端34B。虽然，第一部分34A的一个表面与腿33的轴线水平，其另一个表面与第二部分34B成一个横向角度，并继续进入第二部分34B和与第二部分34B共线。如先前所述，带35具有相同的结构。作为一个例子，腿37一般为T字形，并包括一个基座部分37A，头部部分37B和从T字形的头部一为T字形，并包括一个基座部分37A，头部部分37B和从T字形的头部一侧向着U字形的腿33延伸的第三部分37C。一般，这个综合结构也可考虑作成拔钉锤形状。37C部分在与带35相反的体37A的一侧上。34B部分的角度使得带34，35的长度与带36，37相同。一般，带34，35与U形的腿33成一锐角延伸。这个结构在减小宽度W的同时，可给出所希望的频率响应。分离偶极子的长度L的范围为35～42mm，宽度W的范围为10～24mm。
在图24B中表示图24A所示天线的改进。带36，37一般为T字形，包括37A，37B和37C部分。图中表示了带34，35的改进。带34包括横向延伸至腿33的直的部分34A和包括形成倒L字形的头部部分34C。带34的长度比带36的长度短。带34的短腿34C和带35的相当部分穿过带有通路44的电介质基片12。同样，带37的37B和37C部分与带36的相当部分也包括穿过电介质基片12的通路46。设计图20，24A，24B和24C的天线的目的是要将频带扩展至TV和GSM低频带(400～800MHz)，同时通过折叠或在Z方向延伸(图24B和24C中的元件44，46)偶极子，保持或减小天线的总尺寸。
图24C表示图24B的偶极天线的另一改进。带37的基座部分37A和带36的相当部分表示成蜿蜒迂回的图形。与下面所述的图28B的正弦形或三角形的蜿蜒迂回图形比较，图24C中的蜿蜒迂回图形为矩形的蜿蜒迂回图形。
作为一个例子，图24A所示的双频带偶极子天线的宽度W为22mm，长度L为40mm。图25中表示VSWR和幅值S11。在0.7～1.2GHz和1.6～2.5GHz之间，VSWR在2以下。图26中表示在φ＝0°，和三个不同的θ＝0°(图形A)，θ＝12°(图形B)，θ＝10°(图形C)时的定向性。图27中表示三个频率和θ与φ＝0°的定向增益。即θ＝12°时，在0.9GHz，最大增益为5.15dB(图形A)；θ＝12°时，在1.85GHz，最大增益为5.83dB(图形B)；和θ＝10°时，在2.05GHz，最大增益为5.97dB。
图28A-D中表示由同轴电缆供电的印刷的偶极天线。除了同轴电缆馈电外，一般，图28A的结构相当于图24C的结构。同轴馈电系统60包括与包括带34，36的一个腿33连接的线路62的一条和与具有带35，37的U形33连接的第二线路64。分离的偶极子结构的长度L的范围为35～44mm，宽度W的范围为10～25mm。由于这是同轴馈电，没有第一层20，只有第二导电层30。
图28B和28C表示与图24B和24C相应的同轴馈电的天线结构。一个改进为带37的基座部分37A和带36的相应部分包括与腿33连接的梯形部分37D和从那里延伸至头部部分37B的均匀宽度部分37E。如上所述，在图28C中表示蜿蜒迂回的图形37A和带36的相应部分。这个蜿蜒迂回图形可以为曲线形，因而为正弦形或可以为三角形或锯齿波形状。
图28B和28D的天线表示导电板72，74和分别与由电介质基片12(没有示出)隔开的带34/36和35/37的并置部分。导电板72，74代替第一导电层20，在电介质基片12的相对的表面上。由于这是同轴馈电，因此没有第一导电层20。沿着其相应的带34/36和35/37的长度的板72，74的位置允许调整偶极天线的响应。应当注意，延伸穿过电介质基片12的导电通路44，46不与导电板72，74接触。
导电板72，74可以用于这里所述的所有天线。它们可以为粘接金属带或固定在不同固定位置的带。作为导电的贴片的位置的函数，设计的频带可以在大约+/-500MHz的范围内改变。当进行S11或VSWR的实验测量时，使用者可选择这个位置。另外，这些板72，74可以为导电的(金属的)可动的带。该带由固定在天线上或天线盒上的机构驱动运动。在这种情况下，为某种机械适应的天线。板72、74可以放在带有偶极子带34/36，35/37的一侧上，或在相反一侧上。这些位置之间的差别为百分数的频率改变(在带有偶极子的侧面的情况下，为最大的)。
作为一个例子，图28A所示的双频带偶极天线的宽度W为25mm，长度L为40mm。图29中表示VSWR和幅值S11。在0.85～1.1GHz和1.6～2.5GHz之间，VSWR在2以下。在图30中表示在φ＝0°，θ＝0°时的定向性。在图31中表示三个频率和θ＝0°，φ＝0°时的定向增益。即0.9GHz，最大增益为5.13dB(图形A)；1.85GHz，最大增益为7.4dB(图形B)；和2.05GHz，最大增益为-2.05dB。
虽然没有示出，可以设置围绕着偶极子，通过绝缘层12的多个通路孔。这些通路孔提供伪光子晶体。通过减小表面波和电介质材料中的辐射，这可以增加总的增益。对于二种天线都是这样。
虽然已经详细说明了本发明，但必需清楚地了解，这只是例子，不是限制。本发明的范围只由所附权利要求书限定。
权利要求
1.一种无线通讯装置的偶极天线，包括第一导电元件，它叠加在第二导电元件的一部分上，并由第一电介质层与第二导电元件隔开；第一导电通路，它通过第一电介质层连接第一和第二导电元件；大体为U形的第二导电元件；第二导电元件包括多个隔开的导电带，该些导电带横向从该U形的腿的相邻的末端伸出；和从腿伸出的每一个带的尺寸适合于与该腿的另一个带不同的λ0。
2.如权利要求1所述的天线，其特征为，第一导电元件为L形。
3.如权利要求2所述的天线，其特征为，L形的一个腿叠加在U形的一个腿上。
4.如权利要求2或3所述的天线，其特征为，第一导电通路将L形的另一腿与U形的另一腿连接。
5.如权利要求1所述的天线，其特征为，第一和第二导电元件中的每一个都是平面形的。
6.如权利要求1所述的天线，其特征为，每一个带的宽度小于0.05λ0，长度小于0.5λ0。
7.如权利要求1所述的天线，其特征为，它包括叠加在第二导电元件上，并由第二电介质层与第二导电元件隔开的接地平面导体；叠加在第二导电元件的带上，并由第一电介质层与该带隔开的第三导电元件；和通过电介质层，将第三导电元件与接地导体连接的第二导电通路。
8.如权利要求7所述的天线，其特征为，第一和第三导电元件为共面的。
9.如权利要求7所述的天线，其特征为，第三导电元件包括叠加在每一个带的侧边缘的一部分上的多个指形物。
10.如权利要求7所述的天线，其特征为，叠加在U形的每一个腿上的第一和最后的带上的第一和最后的指形物横向延伸至相应的带的侧边缘外面。
11.如权利要求7所述的天线，其特征为，第一电介质层的导率比第二电介质层的导率大得多。
12.如权利要求11所述的天线，其特征为，第一电介质层的厚度比第二电介质层的厚度小得多。
13.如权利要求1所述的天线，其特征为，包括一对导电板，每一个导电板在预先选择的位置上靠近U形的一个腿的带。
14.如权利要求13所述的天线，其特征为，该导电板的位置可以调整。
15.如权利要求1所述的天线，其特征为，第一电介质层为基片，第一和第二导电元件为在该基片上的印刷元件。
16.如权利要求1所述的天线，其特征为，多个带互相平行。
17.如权利要求1所述的天线，其特征为，至少一个带为梯形。
18.如权利要求1所述的天线，其特征为，至少一个带为蜿蜒迂回的。
19.如权利要求18所述的天线，其特征为，蜿蜒迂回形为正弦形，三角形或矩形。
20.如权利要求1所述的天线，其特征为，至少一个带包括一个梯形的部分和从台阶形部分伸出的宽度均匀的部分。
21.如权利要求1所述的天线，其特征为，至少一个带基本上作成拔钉锤形状。
22.如权利要求1所述的天线，其特征为，至少一个带为T字形。
23.如权利要求22所述的天线，其特征为，靠近T形带的带包括一个锐角的部分，以便与该T形带的头部相邻并隔开。
24.如权利要求22所述的天线，其特征为，靠近该T形带的带的长度比该T形带的长度短。
25.如权利要求24所述的天线，其特征为，靠近该T形带的带为倒L形。
26.如权利要求22所述的天线，其特征为，该T形带包括从该T形的头部的一侧向着U形的腿延伸的部分。
27.如权利要求1所述的天线，其特征为，至少一个带包括从该U形的腿的第一末端横向伸出的第一部分和具有在该第一部分的第二末端，与该第一部分成横向的第二部分。
28.如权利要求27所述的天线，其特征为，该第二部分延伸穿过第一电介质层。
29.如权利要求27所述的天线，其特征为，该第二部分为L形。
30.无线通讯装置，其包括如权利要求1～29所述的天线。
全文摘要
一种无线通讯装置的偶极天线(图1)，包括第一导电元件(20)。该第一导电元件(20)叠加在第二导电元件(30)的一部分上并且由第一电介质层(12)与第二导电元件(30)隔开。第一导电通路(40)通过第一电介质层连接第一和第二导电元件。第二导电元件大体为U形。第二导电元件包括从该U形的腿(33)的相邻末端横向伸出的多个隔开的导电带(34，35，36，37)。每一个带的尺寸适应不同的中心频率λ
文档编号H01Q21/30GK1981409SQ200580018056
公开日2007年6月13日 申请日期2005年3月22日 优先权日2004年6月3日
发明者埃马诺伊尔·瑟杜坎, 丹尼尔·伊恩库, 约翰·格洛斯纳 申请人:桑德布里奇技术公司