具有共用谐振馈送结构的多波段天线及方法

专利名称：具有共用谐振馈送结构的多波段天线及方法
具有共用谐振馈送结构的多波段天线及方法
优先权
本申请要求在2006年10月5日提交的名为"MULTI-BAND ANTENNA WITH A COMMON RESONANT FEED STRUCTURE AND METHODS "(具有
共用谐振馈送结构的多波段天线及方法)的第11/544,173的美国专利申请的优 先权，这里将其整体引入以供参考，该美国专利申请要求在2005年10月10 日提交的名为"Multi-band Antenna System (多波段天线系统)"的第20055527 号芬兰专利申请(LKRef200507)的优先权，这里也将其整体引入以供参考。
版权
本专利文件的公开内容的一部分包含受到版权保护的材料。当在专利及商 标局的专利文件或记录中出现时，版权所有者并不反对对该专利文件或该专利 公开内容中的任一者进行传真复制，然而在别的方面保留全部版权权利。
背景技术：
1. 发明领域
本发明一般涉及射频天线领域，并且在一个示例性的方面中涉及具有用于 不同谐振频率的辐射元件的多波段天线装置。
2. 相关技术描述
已经为无线通信设备和系统分配了多个频率范围。例如，无线通信设备(例 如手机)可以使用诸如蓝牙、全球移动通信系统(GSM) 850、 900、 1800和 1900、 WCDMA、 CDMA2000、 WiMAX和正EE标准802.1 la/b/g/n之类的频域 进行通信。然而，对于在例如以多个频率范围进行通信的手机内包括的天线而 言，可能存在几个问题。
这些问题中的某些涉及在天线尺寸、效率、可靠性及成本之间建立可接受的折衷方案。由于一般来讲，无线通信设备正在尺寸方面縮减，而电子设备的 特性的数量正在提高，因此可用于布置天线的体积非常有限。因此，较小体积/ 覆盖面积的天线将是理想的。然而，必须相对于天线性能考虑因素来考虑天线 尺寸、覆盖面积和横截面面积，！^至在某种程度上相对于天线性能考虑因素来 "折衷"天线尺寸、覆盖面积和横截面面积。
例如，设计成适合非常小的面积的常规平面倒F天线(PIFA)，比如附着 在计算机显示屏的背部的那些天线，仅具有足够覆盖有限频率范围的带宽，诸
如4.9 GHz至lj 5.85 GHz，但是不覆盖以该值的大约一半为中心的频率范围，例 如2.5 GHz。而且，即使通过将其辐射平面分割成两个单独频率波段来改进常 规PIFA，该天线通常仍将呈现出差的天线电压驻波比(VSWR)和辐射效率。 因此，现有PIFA拓扑不能充分地解决所关注的多天线频率问题，例如，同时 覆盖850 MHz和1800 MHz的频率波段，以及各自的900 MHz和1900 MHz的 边带频率。
与PIF天线相反，常规多波段天线系统通常占据相对较大的面积或体积。需 要这种大面积是因为所述多波段天线，所述多波段天线同时具有用于辐射元件 的多个阵列和邻接共同馈送(corporate feed)结构，它们均沿着期望的多波段 频率波段或频谱调谐到分立频率。在M.W. Elsallal等人的论文M ve/
S"tems C^era"wg W A^'〃/meter wave i^e^/ewc/es"中举例说明了常规的共同馈送 结构，这里将该文献整体引入以供参考。在该论文中，公开了一种平面多波段 混合串联馈送网络。
更具体来讲，为了建立高复杂性谐振结构，所述平面多波段混合串联馈送 网络使用大量的串联耦合线。所述串联耦合线包含多个子抽头线。为所关注的 每个频率波段配备多个子抽头线。带通滤波器将所述多个子抽头线的谐振响应 调谐到期望的频率波段。为了获得多波段频率天线频谱，在滤波阶段后合并所 述调谐子抽头线的输出。然而，这种方法的一个缺点是，随着建立更多的工作 频率波段时，由于每个额外的工作频率波段需要包括子抽头线的另一个带通滤 波器，所述电路占据更宽的表面积。因此，将所述平面多波段混合天线作为紧 凑设备封装到小面积中可能是非常棘手的。
此外，在上述论文中公开的常规馈送结构没有解决和/或提供用于减小将这种类型的多波段天线包容到无线设备封装之中所需的全部表面积的足够解决方 案。所述无线设备封装例如可以用于膝上型计算机的壳体，或者用于常规蜂窝 电话或无线个人数字助理(PDA)设备的外壳。而且，即使面积不是问题，在 "大尺寸天线的效率和带宽方面仍然存在固有限制。这种限制包括尤其不期望的 频率模变和不可预测的浮动接地问题，例如导致差的天线性能，比如增高的天
线电压驻波比(VSWR)。
其它一般代表性的多波段天线系统包括2005年2月3日公布的McKinzie III 等人的名为"Multi-band Antenna with Parasitically-Coupled Resonators"的第US 2005/0024268号美国专利申请公开文献中描述的那些。在该公开文献中，使用 不接触天线的馈送结构的寄生耦合谐振器，例如附着到接地平面上，来形成多 波段天线。如所述公开文献所示，由于所述(寄生)耦合谐振器的添加也会减 少原始谐振器的带宽，因此这种拓扑具有固有的性能问题。
在2003年8月12日公布的Takamine等人的名为"Surface Acoustic Wave Device Using Two Parallel Connected Filters with Different Passbands"的第 6,606,016号美国专利公开了一种需要两个不同带通滤波器的硬件密集多波段 系统。
在2005年3月1日授予Ella的名为"Transmitter Filter Arrangement for Multi-band Mobile Phone"的第6,862,441号美国专利公开了使用两个不同带通 放大器和一个带阻滤波器，来获得有限频率带宽双模1800-1900性能，例如， 小于100MHz带宽。
在2004年2月5日公布的Legay的名为"Multisource Antenna, in Particular for Systems wkh a Reflector"的第2004/0021607号美国专利申请公开文献公开了一 种具有至少两个交织辐射孔径和至少两个激励源以实现多波段天线的复合硬件构造。
因此，需要用于传送多波段信号的具有超过如上所述的复合馈送网络和辐
射结构的优点的改进装置和方法。理想地，所述改进装置和方法尤其要具有
(1)最小复杂性，即，最小的组件、辐射元件和互连数量；(ii)占据相对小 的体积和/或面积；以及(iii)相对其尺寸，在所关注的频率工作波段上展现出 良好的辐射效率和电压驻波比(VSWR)。

发明内容
除了其它方面，本发明通过改进的多波段天线结构及相关的工作和制造方 法满足前述需求。
在本发明的一个方面中，公开了一种多波段天线。在一个实施例中，所述
多波段天线包含共用连接RF网络，其包含第一和第二辐射器。所述第一辐射 器在第一频率波段中谐振，而所述第二辐射器在第二频率波段中谐振。在一种 变型中，第一频率波段与第二频率波段是彼此不同的频率波段。在另一种变型 中，所述频率波段可能在某种程度上彼此交叠。而且，所述示例实施例还包括 与接近所述第一辐射器设置的所述共用连接网络耦合的第一电组件。所述第一 电组件建立与所述共用连接网络的谐振，以建立大致接近所述第一频率波段的 第三频率波段。而且，所述第一辐射器能够在所述第一频率波段和所述第三频 率波段中传送RF能量。
在本发明的第二方面中，公开了一种天线系统。在一个实施例中，所述天 线系统包括在不同频率波段谐振的至少两个辐射器，和一个谐振网络。所述谐 振网络耦合在所述至少两个辐射器之间。另外，所述谐振网络为所述至少两个 辐射器中的至少一个辐射器的所述不同频率波段中的至少一个频率波段提供相 邻频率波段。
在本发明的第三方面中，公开了一种用于提高多波段天线的有效带宽的方 法。在一个实施例中，所述方法包含提供在不同波段谐振的至少两个辐射器。 将RF馈送连接到所述至少两个辐射器，形成共用连接网络。沿着与所述至少 两个辐射器的第一辐射器接近的所述RF馈送连接第一电组件，将相邻频率波 段添加到所述第一辐射器的第一频率波段。
在本发明的第四方面中，提供了操作多波段天线的方法。在一个实施例中， 所述方法包含提供多波段天线结构，该多波段天线结构包含第一和第二辐射 器、以及耦合到与所述第一辐射器接近的共用连接网络的第一电组件；操作所 述第一辐射器，以在第一频率波段中谐振；以及使用所述第一组件建立与所述 共用连接网络的谐振，以便建立大致接近所述第一频率波段的第三频率波段。
在本发明的第五方面中，公开了一种制造多波段天线结构的方法。
在本发明的第六方面中，公开了一种包含多波段天线的无线设备。在一个 实施例中，所述无线设备包含诸如蜂窝电话或PDA的移动手持设备。在本发明的第七方面中，公开了一种包含两个或多个彼此通信的多波段天 线的无线系统。
在本发明的第八方面中，公开了一种使用多波段天线的射频识别(RFID)
标签。在一个实施例中，所述标签包含柔性基板，符合EPCGEN2标准的无源 RFIP标签。所述标签包含处理器(例如微处理器)、辅助存储器和无源激励电 路，并且使其适于在两个或几个频率上接收和/或反向散射RF能量。
在本发明的第九方面中，公开了一种启用多波段的模块化插口或连接器。 在一个实施例中，所述插口包含具有集成无线电套件的RJ45插口，以及在所述 插口的外部噪声屏蔽的至少一部分中形成的集成多波段天线。
将在下述描述中部分地阐述本发明的这些和其它实施例、方面、优点及特 征，并且通过参考本发明的下述描述、所引用的附图或通过本发明的实践，对 于本领域技术人员在某种程度上将是显而易见的。


图1是根据本发明的一个实施例的第一频率波段天线的顶部平面图和性能 曲线。
图2A是示出图1的电路的示例板布局的前视图。 图2B和2C是示出图2A的示例设备的测量性能的曲线图。 图3是根据本发明的一个实施例的第二频率波段天线的顶部平面图和性能 曲线。
图4A是示出图3的电路的示例板布局的前视图。 图4B和4C是示出图4A的示例设备的测量性能的曲线图。 图5A是包括根据本发明的另一个实施例的四波段天线的平面图。 图5B、 5C和5D分别是示出图5A的示例四波段天线的测量输入反射损耗、 谐振波段和天线效率性能的曲线图。
图6A是示出根据本发明的一个实施例的四波段天线的示例板布局的前视图。
图6B、 6C和6D是示出图6A的示例四波段天线的输入反射损耗、天线效 率和最大增益的图解性能曲线。
图7A示出与根据本发明的多波段天线(具有2个陶瓷块的4波段GSM)的一个示例实施例相比较的现有技术参考设备(单极天线)的测量输入反射损 耗。
图7B示出整合了图7A的多波段天线的示例无线手持设备结构，包括板布局。
图7C是与参考单极设备相比较的图7A的多波段陶瓷天线的自由空间效率 曲线。
图8A是示出根据本发明的实施例的850 MHz和900 MHz频率范围双块天 线的示例板布局的顶部前视图。
图8B和8C是示出图8A的器件的输入反射损耗和天线效率的性能曲线。
图9A是与现有技术(参考)单极天线相比较的本发明的多波段陶瓷天线的 一个示例实施例的自由空间效率性能曲线。
图9B是与现有技术单极天线相比较的图9A的示例多波段陶瓷天线的测量 输入反射损耗曲线，其示出头部影响。
图9C是与现有技术(参考)单极天线相比较的本发明的多波段陶瓷天线的 一个示例实施例在手部影响环境中的自由空间效率性能曲线。
图9D是现有技术单极天线相比较的图9C的示例多波段陶瓷天线的测量输 入反射损耗曲线，其示出手部影响。
图10是示出根据本发明的生产多波段天线的方法的一个示例实施例的逻辑 流程图。
详细描述
现在参考附图，在附图中相似数字始终表示相似部分。
如这里所用，术语"板"和"基板" 一般是指，但不局限在，在其上可以 放置其它组件的任何基本是平的或弯曲的表面或组件。例如，基板可以包含单 层或多层印刷电路板(例如，FR4)、半导体芯片或晶片、或者甚至是外壳或 其它设备组件的表面。
如这里所用，术语"辐射器"、"辐射平面"和"辐射元件"是指，但不 局限在，可以作为接收/发送射频电磁辐射的系统的一部分来工作的元件；例如， 天线。
术语"馈送"、"RF馈送"、"馈送导体"和"馈送网络"是指，但不局限在，可以传送能量、转换阻抗、增强性能特征、以及使输入/输出RF能量信 号之间的阻抗属性与一个或几个连接元件的阻抗属性相适应的任何能量导体和 耦合元件，比如以辐射器为例。
此外，术语"天线"；"天线系统"和"多波段天线"是指，但不局限在， 将接收/发送和/或传播电磁辐射的一个或几个频率波段的单一元件、多个元件、 或一个或几个元件阵列整合起来的任何系统。所述辐射可以具有多种类型，例 如，微波、毫米波、射频、数字调制、模拟、模拟/数字编码、数字编码毫米波 能量等等。可以使用一个或几个中继器线路将所述能量从一个位置传输到另一 个位置，并且一个或几个位置可以是移动的、静止的、或固定到地面上的位置， 诸如基站。
术语"通信系统"和"通信设备"是指，但不局限在，使用无线技术从一 个位置向另一个位置传送信息、数据、媒体、代码、编码数据等等的任何服务、 方法、或设备。
术语"频率范围"、"频率波段"和"频率域"是指，但不局限在，用于 传送信号的任何频率范围。可以遵照一个或几个标准或空中界面，诸如例如，
蓝牙；WiFi; Stream; Edge;全球移动通信系统(GSM) 850、 900、 1800及 1900; UMTS、 WCDMA、 CDMA2000、或IEEE Std. 802.1 la/b/g/n等等，传送
所述信号。
如这里所用，术语"电组件"和"电子组件"是可交换使用的，是指适于 提供某种电功能的组件，包括、但不局限在，感应电抗器("扼流圈")、变 压器、滤波器、有隙磁芯环形线圈、电感、电容、电阻、运算放大器、及二极 管，而不论是分立组件还是集成电路，不论是单独的还是组合的。
如这里所用，术语"集成电路(IC)"是指具有任何集成程度(包括，但 不局限在，ULSI、 VLSI和LSI)并且不管工艺或基底材料(包括，但不局限在， 硅、硅锗、CMOS和砷化镓)的任何类型器件。IC例如可以包括存储器器件(例 如，DRAM、 SRAM、 DDRAM、 EEPROM/闪存、ROM)、数字处理器、SoC 器件、FPGA、 ASIC、 ADC、 DAC、收发器、存储器控制器、及其它器件，以 及它们的任何组合。
如这里所用，术语"存储器"包括适于存储数字数据的任何类型的集成电 路或其它存储器件，包括、但不局限于ROM、 PROM、 EEPROM、 DRAM、SDRAM、 DDR/2 SDRAM、 EDO/FPMS、 RLDRAM、 SRAM、"闪速"存储器 (例如，NAND/NOR)和PSRAM。
如这里所用，术语"微处理器"和"数字处理器" 一般意味著包括任何类 型的数字处理设备，包括，但不局限在，数字信号处理器(DSP)、精简指令 集计算机(RISC)、通用(CISC)处理器、微处理器、门阵列(例如，FPGA)、 PLD、可重配置计算架构(RCF)、阵列处理器、及专用集成电路(ASIC)。 可以将这种数字处理器容纳在单一整体IC芯片上，或跨越多个组件分布。
如这里所用，术语"网络"和"承载网络" 一般是指任何类型的电信或数 据网络，包括，但不局限在，无线网络(例如，蜂窝或其它)、混合光纤同轴
(HFC)网络、卫星网络、电信网络、微网、微微网、及数据网络(包括MAN、 WAN、 LAN、 WLAN、互联网、及内部网)。此类网络或其中部分网络可以使 用任何一种或几种不同的拓扑(例如，环型、总线型、星型、回路型)、传输 媒体(例如，有线/RF电缆、RF无线、毫米波、光纤等)和/或通信或联网协议
(例如，SONET、 DOCSIS、 IEEE 802.3标准、ATM、 X.25、帧中继、3GPP、 3GPP2、 WAP、 SIP、 UDP、 FTP、 RTP/RTCP、 TCP/IP、 H.323等)。
如这里所用，术语"Wi-Fi"是指，但不局限在，包括802.11 a/b/g/n在内 的IEEE 802.11标准或相关标准的变型中的任何一种。
如这里所用，术语"无线"意味著任何无线信号、数据、通信、或其它接 口，包括，但不局限在，Wi-Fi、蓝牙、3G、 HSDPA/HSUPA、 TDMA、 CDMA
(例如，IS-95A、 WCDMA等)、FHSS、 DSSS、 GSM、 PAN/802.15、 WiMAX
(802.16) 、 802.20、窄带/FDMA、 OFDM、 PCS/DCS、模拟蜂窝、CDPD、卫 星系统、毫米波或微波系统、声波、及红外线(g卩IrDA)。
如这里所用，术语"移动设备"、"客户端设备"、"外围设备"和"终 端用户设备"包括，但不局限在，不论桌上型、膝上型或其它的个人计算机(PC) 和小型计算机，诸如Motorola DCT2XXX/5XXX禾f] Scientific Atlanta Explorer 2XXX/3XXX/4XXX/8XXX系列数字设备之类的置顶盒，诸如"Palm "或黑莓 系列设备的个人数字助理(PDA)、手持式计算机、个人通话机、装备J2ME 的设备、蜂窝电话、诸如苹果iPod⑧或LG VX8500 Chocolate设备的个人集成 通信或娱乐设备、或能够与网络或其它设备交换数据的几乎任何其它设备。鰣
在一个突出方面中，本发明公开了一种用于在通信系统中使用的具有多个 频率波段的天线。在这种天线的示例性实施例中，共用连接网络提供第一和第 二辐射器。所述第一辐射器在第一频率波段中谐振。所述第二辐射器在第二频 率波段中谐振。所述第一和第二频率波段可以是彼此不同的频率波段，或者是 交叠的。将第一电组件耦合到所述共用连接网络，并将其布置在所述第一辐射 器附近。所述第一电组件产生与所述共用连接网络的谐振，以便产生接近所述 第一频率波段的第三频率波段。所述第一辐射器能够在所述第一频率波段和所 述第三频率波段中通信RF能量。因此，可以将本发明用于在宽频率范围(或
多个范围)上在无线通信设备之间通信，例如，手机、个人通信设备(PDA)、
个人计算机、膝上型计算机等等。 大体上，本发明一般提供用于提高现有天线系统的工作频率的系统和方法，
以便可以将一个天线用于多个频率域。虽然作为示例下面的讨论主要考虑用于 多波段通信系统(例如，蜂窝或其它无线通信网络)，然而应该理解的是，这 种讨论不是限制性的，可以将本发明用于其它适当应用。例如，本发明的所述
系统可以有益地用于为网络管理员提供不需要改变天线便将局域网(LAN)的 系统电路转换到第二频率波段服务器以便对第一频率波段服务器查找问题和/ 或执行系统维护的机会。相似地，可以为家庭或住宅网关设备配备用于多个空 中接口 (诸如PAN、蓝牙和WiFi)的共用天线。
在另一个方面，所述系统可以被证实有益于使用多个频率波段检测输入信 号的频率偏移。更具体来讲，所述系统可以是使用多频率波段监控目标移动信 息和/或提供冗余跟踪信息的库存管理或识别系统的一部分。因此，操作者将具 有跟踪单独频率波段中的物体的能力。另外，还可以使所述天线适用于诸如库 房或制造业，比如车辆、货物和商品所储藏或存放的地方，例如使用RFID或 适于多频率波段的相似技术。
另外，虽然将本发明的一个实施例描述成将至少两个陶瓷块、元件或辐射 器用于850MHz、 900MHz、 1800 MHz和1900 MHz的移动手持通信设备，然 而还可以将本发明的原理和方法容易地用于其它技术、频率范围、频率域或其 它产品。其它频率范围例如可以包括2.4-2.5 GHz范围(通常与蓝牙和WiFi有 关)、5-6 GHz (例如，5.8 GHz)等等，而其它应用可能包括全球定位系统(GPS)卫星或接收器、受跟踪物体等等。
有利地，本发明的所述天线系统并不要求直接的可视距离(line of sight)， 并且本系统可以被有效地用于诸如局域网(LAN)、卫星接收设备、卫星电视 接-收器的户内情形，也可以用于诸如用于定位和跟踪个人和物体的户外系统。
而且，将会认识到，本发明可以在声音、数据或媒体通信或跟踪系统之外 获得应用。例如，可以想到将本文随后将描述的"辐射元件"用于改进其它应 用；例如，在微波炉或其它磁电管器件中例如用来为不同菜品使用不同RF频 率波长来烹调食物。
其它功能可能包括使用诸如射频识别设备(RFID)标签之类的无线技术的 杂货店结账线路。例如，杂货店可以使用多波段天线扫描消费货品。在这种情 况中，可以使用多个工作频率来跟踪/监控消费产品信息。因此，杂货店结账线 路可以使用一个多波段天线并使用多频率波段监控商品，诸如为一种功能(例 如，监控产品过期日期和存储位置代码)使用第一频率波段而将第二频率波段 用于监控其它信息(诸如生产信息、库存货品数量、重新订购或以折扣销售特 定商品的持续时间等等)。通过本公开内容，本领域技术人员将会意识到大量 的其它功能。
这里公开的改进天线也可以用于控制系统应用场合，比如对诸如换能器、 传感器和在制造或工业过程中的电气和/或光学组件之类的组件进行无线监控 的应用场合。
也可以容易地将这里描述的天线装置集成到模块化插口或连接器(例如， RJ45网络设备)，比如通过在共同未决的在2006年10月2日提交的名为 "SHIELD AND ANTENNA CONNECTOR APPARATUS AND METHODS ，，的
美国专利申请序号No.60/—中描述的技术，这里将其整体引入以供参考。
示例天线装置
现在参考图1-8，详细描述本发明的多波段天线系统的示例实施例。 应该理解的是，虽然由于其期望的属性和性能而使用陶瓷技术实现本发明
的天线的示例实施例，然而无论如何不应将本发明局限于基于陶瓷的配置，实
际上可以使用其它技术实现本发明。
图1示出根据本发明的实施例的第一频率波段天线的一个实施例，以及与之相关的性能曲线。例如通过环氧树脂，将第一陶瓷块605附着到板上，例如
PCB606，使其下表面直接或间接地耦合到板606。在一个替代实施例中，可以 通过具有辐射RF能量的能力的其它类型的辐射结构、或与其它类型的辐射结 构结合使用，来替代所述第一陶瓷块605，所述其它类型的辐射结构比如是金 属化贴片、喇叭形辐射器、分层和/或复合材料等。在该示例中，天线馈送导体 609包含诸如微带或带状线传输线路之类的导电金属带。在替代实施例中，所 述天线馈送导体609可以是能够传送诸如与输入或输出RF信号相关的电信号 的任何材料、带、导电膜或导电墨水。
将所述天线馈送导体609配置在所述板606的上表面上，并且，在该示例 中，基本由接地平面604包围所述天线馈送导体609。在一个替代实施例中， 仅沿所述导体609的某些侧边(例如， 一个侧边)来布置所述接地平面604。 在第一末端处，沿第一陶瓷块605将所述馈送导体609附着在第一位置612。 在该示例中，所述第一陶瓷块605是具有可调谐到期望频率带宽/范围的固有谐 振特征的频率谐振结构。在2005年6月28日提交的在2006年1月5日公布的 Sorvala等人的名为"Antenna Component"的第W0 2006/000650 Al号国际公开 文献中公开了与可被用于所述第一陶瓷块605、第二陶瓷块615的示例性结构 以及用于使用这些块的网络配置有关的信息，这里将其内容整体引入以供参考， 不过本领域的技术人员将认识到也可以用其它方法替换。
在图1的图示实施例中，第一位置612作为用于改变/增强所述第一陶瓷块 605的固有谐振属性的调谐元件。在第二末端，将所述第一导体609附着到馈 送点610，该馈送点610连接用于从或者向所述第一陶瓷块605进行传输的RF 能量。可选地，也可以沿所述第一馈送导体609逐渐减小(未示出)所述接地 平面604，以便调整其特征阻抗。换句话说，所述接地平面604作为用于获得 所述第一陶瓷块605的期望谐振性能的调谐元件。
此外，通过例如在所述陶瓷块605的上表面上添加金属导体，调整所述第 一陶瓷块605的大约850 MHz (611)的工作频率。为了在本示例中获得所述大 约850 MHz (611)的工作频率，所述金属导电材料包含曲折辐射器607。所述 曲折辐射器607包括使用一种或几种标准金属化技术沉积的导电金属，例如金、 银、钛、钼、复合导电材料等等，不过也可以使用其它方法。标准金属化技术 例如包括使用光刻技术蚀刻金属化板，将一种或几种金属通过环氧树脂粘接和/或通过焊料焊接到所述第一陶瓷块605的表面。
所述曲折辐射器607发送/接收无线通信能量，诸如模拟、数字、微波、毫 米波、或它们的组合。在一个替代实施例中，可以通过在所述板606上沉积或 化孥处理的任何导电带、条或墨水来替换所述导电金属。如图1所示的所述曲 折辐射器607，实际上可以具有期望形状(例如，矩形)的许多弯转。在该示 例中，将宽度613和长度614制成能够获得期望中心谐振频率611，在该示例 中，中心谐振频率611大约是850 MHz。
图2A示出具有与结合图1讨论的相似的属性和组件的代表性板布局。另外， 图2B和2C是与图2A所示的代表性板布局相关的测量性能曲线。如可以从图 2B和2C中的示例性结果看出，使用这种配置获得了相对良好的辐射效率。还 应该指出的是所述天线是选择性的(即响应不同类别提供带通或窄带"滤波 器")。这种谐振是令人满意的，特别是在多天线环境中，这是由于尤其是在 隔离和可能的干扰抑制方面提供益处。例如，在具有分集接收机的设备中，窄 带选择性天线是有益的，因为它们相对其它协同定位天线而言提供了改善的隔 离，并且由于对于干扰信号的更高抗扰度，还进一步改善了分集接收机的性能。
此外，当与诸如PIFA的常规的所谓"空中绝缘"技术相比时，陶瓷天线技 术中固有的这种抗扰度也提供了改善的性能。当例如接近人手或头部放置时， 与常规技术相比，所述陶瓷天线的去谐(频率偏移)是非常低的，从而产生更 好的整体性能。
图3示出根据本发明的实施例的第二频率波段天线，以及相关的性能曲线。 在该实施例中，例如通过环氧树脂材料，将第二陶瓷块615附着到诸如印刷电 路板(PCB) 606的基板上，使其下表面(未示出)直接或间接地接触板606。 如相对于所述第一块讨论的，可以用能够有效接收和发送RF能量的辐射贴片、 喇叭形、结构、分层材料、或复合材料来替代所述第二陶瓷块615。在这一示 例中，天线馈送导体618包含导电金属带，但是在替代实施例中其可以包含能 够传送电信号的任何材料、带、导电膜、或导电墨水。
将所述天线馈送导体618布置在所述板606的上表面上。与图1的实施例 相似，在该示例中，所述接地平面604基本围绕或至少沿所述馈送导体618的 一个侧边，以便形成具有所选特征阻抗的馈送线路。在第一末端，沿所述第二 陶瓷块615将所述馈送导体618附着到第二位置602。在第二末端，将所述馈送导体618附着到馈送点610，所述馈送点610连接用于从或向所述第二陶瓷 块615传输的RF能量。与图1的接地平面604相似，这里可以逐渐减小所述 接地平面604，以便调整所述导体618的特征阻抗，由此起到所述第二陶瓷块 615的调谐元件的作用。
此外，通过改变所述导体618附着到所述第二陶瓷块615的位置，可以调 整所述第二陶瓷块615的工作频率602。为了获得大约1800MHz的工作频率， 在该示例中，已经通过在所述第二陶瓷块615的上表面上沉积诸如金的导电金 属，实现了金属化辐射器617。所述附着工艺与图1相关的曲折辐射器607的 附着工艺相似，不过如果期望的话，也可以使用不同种类的工艺。
在替代实施例中，可以用任何导电条、带或墨水取代或替换所述金属化辐 射器617的所述导电金属。在该示例中，所述辐射器617包含单一的带状导体。 在替代实施例中，所述单一带状导体可以是能够支持所述第二陶瓷块615的期 望谐振频率的任何尺寸或形状。将金属化辐射器617的宽度和长度制造为实现 期望的谐振频率，在本示例性实施例中，该期望的谐振频率大约是1800MHz。
图4A、 4B和4C图形地示出参考图3讨论的原理。更具体来讲，图4A所 示的示例板布局示出用于实现图3的电路的代表性方法。图4B和4C示出图4A 的板布局的测量性能曲线。
图5A示出根据本发明的四波段天线的一个实施例的示意性表示。图5B、 5C和5D是该四波段天线的性能的代表性曲线。在图5A的实施例中，在馈送 点610将图1的装置的馈送导体609连接到图2的装置的馈送导体618。另外， 在所述电路中使用分立组件，例如电荷存储器件。在本示例性实施例中，所述 电荷存储器件包括沿所述馈送导体609的第一位置627附着的第一电容622(在 该示例中，10 pf)和沿所述馈送导体618的第二位置628附着的第二电容623 (在该示例中，2.7 pf)。
图5A的所述第一电容622和所述第二电容623增加谐振，例如，分别提高 所述第一陶瓷块605和所述第二陶瓷块615的工作带宽。换句话说，所述第一 电容在所述网络626内形成大约900MHz (624)处的附加谐振。此外，所述第 二电容在所述网络626内形成大约1900 MHz (625)处的附加谐振。更具体来 讲，当与所述网络626互相作用时，所述第一电容622为所述第一陶瓷块605 建立第三频率谐振624。在该示例中，选择所述第三频率谐振624，以便略微高于所述第一陶瓷块的所述第一频率谐振。此外，所述第二电容623导致第四频
率谐振625，其略微高于所述第二陶瓷块615的所述第二频率。
参考图5B和5C，分别示出图5A的示例四波段天线的预测和测量输入反射 损耗。图5D示出大致以850 MHz和900 MHz为中4的波段的超过35%的效率， 和大致以1800 MHz和1900 MHz为中心的波段的超过60%的效率。因此，本 发明的这一实施例有效地将双波段天线转换为四波段天线，例如，向第一陶瓷 辐射器添加第二频率谐振并向第二陶瓷辐射器添加第四谐振频率。
与常规多波段天线相比，本发明有利地提供更加紧凑的、更宽频率带宽的 天线，而且不要求额外的辐射器元件。因此，本发明避免不必要的成本和硬件 (添加附加辐射器、附加馈送结构等)，而不需要常规多波段天线设计的复杂 匹配和辐射器图案。换句话说，在该示例中，所述网络626包括提供非预期结 果的共用连接谐振网络，即转换作为双波段天线的一部分的一个或几个单一频 率辐射器，例如分别为第一和第二陶瓷块605、 615中的每一个，以便形成四波 段天线。在该示例中，为了例如提高期望的工作频率性能和维持电路紧凑性， 使用最少的附加组件，例如，诸如布置在期望位置的旁路电容之类的一个分立 组件，沿每个单一频率辐射器的馈送导体，来进行该转换过程。然而，应该认 识到，可以与本发明相适应地使用其它结构或方法以将此类辐射元件转换为具 有多个波段。
而且，可以使用诸如例如且不限制于LTCC、多层PCB、薄膜结构等等的单 独组件，集成和形成所述共用连接电路或网络。也可以将所述天线元件嵌入到 PCB上的空腔中，以便进一步降低该组装件的总高度。
图6A示出根据本发明的四波段天线的示例板布局。在该实施例中，具有10 mm宽x3 mm长的尺寸的高频率波段辐射器块650与具有10 mm宽x3 mm长的 尺寸的低频率波段辐射器块652结合使用，这些组件被安装到板655上。所述 板655，例如印刷电路板(PCB)，具有37mm宽xl30mm长的尺寸。与所述 高频率波段辐射器块650和所述低频率波段辐射器块652分别接近地附着旁路 电容665、670。所述旁路电容665向所述低频率波段辐射器块652添加大约900 MHz的谐振。所述旁路电容670向所述高频率波段辐射器块650添加大约1900 MHz的谐振。
图6B、 6C和6D是分别示出图6A的示例四波段天线的输入反射损耗、天线效率和最大增益的性能曲线。如图所示，四个频率谐振680、 681、 682和683 的每一个均有利地示出大于12dB反射损耗的测量响应(见图6B)。此外，所 述四波段天线具有大于-3.5 dB的测量自由空间效率(见图6C)。最后，所述 四波段天线具有短过OdBi的测量自由空间增益最大值(见图6D)。
图7A示出与根据本发明的多波段天线(具有2个陶瓷块的4波段GSM) 的一个示例实施例相比较的现有技术参考设备(单极天线)的测量输入反射损 耗。为了获得图7A (和下面讨论的图7C)所示数据，所述参考设备包含具有 113x49 mm的整体尺寸的具有全部构造(mechanics)的可商业购买的单块电话， 和具有大约4203 mm3的总天线体积(天线加上离地间隙区域)的底部安装单极 天线。
图7B示出整合了图7A的多波段天线的示例无线手持设备结构，包括板布 局。所述板布局包括附着到馈送点690的高频率块辐射器加旁路电容网络691、 和低频率块辐射器和旁路电容网络692。为了测试的目的，还添加了显示器694 和塑料壳体695。图7B所示的多波段天线的总体积(包括天线和离地间隙区域) 大约是520mm3，远远小于上面讨论的现有技术(参考)天线所消耗的体积。
图7C是与参考单极设备相比较的图7A的多波段陶瓷天线的自由空间效率 曲线。
如图7A和7C所示，本发明的多波段陶瓷天线的全部四频率谐振，例如700、 701、 702和704，都有利地示出优秀的反射损耗性能(图7A)和高的自由空间 效率(图7C)。
图8A示出根据本发明的另一个实施例的支持850 MHz和900 MHz频率范 围双块天线的示例板布局。在该器件上，为了峰值发射器和接收器功能性，调 谐大约850 MHz (698)禾fl 900 MHz (697)的频率范围的双块。
图8B和8C是示出图8A的电路的天线效率和输入反射损耗的性能曲线。
射频识别
如前面所述，这里描述的示例多波段天线结构明显节省了提供期望多波段 功能性所需要的空间和组件数量。因此，这使得这些实施方案有益于低成本、 空间关键的应用场合，比如众所周知的RFID"标签"。例如，本发明的一个变 型包含调整为符合所谓"EPCGEN2"标准(即EPC射频识别协议-ClasslGen2-用于在860 MHz-960 MHz通信的UHF RFID协议，1.09版)标准的柔性基板 (例如，粘性签条)无源RFID标签，该标准在此被整体引入以供参考。在例 如2001年11月13日授予O'Toole等人的名为"Radio frequency data communications device"的第6,316,975号美国专利中描述了适于与本发明的所 述多波段天线一起使用的示例射频识别设备和制造方法，这里将该专利文献整 体引入以供参考，因此这里不再进一步描述。
有利地，多波段天线(和所述标签内的相关接收器，及询问器)的使用实 现了在单波段标签中未曾实现的更大程度的工作灵活性和能力。例如，可以将 所述多波段的每一个用于不同功能(例如，相对于指令接收的应答反向散射)， 由此帮助降低或避免通信冲突。而且，为了提高可靠性，还可以将所述两个波 段用作一致性电路；即在采取动作(例如，执行标签"毁灭"指令或随机数产 生运算等)之前，耦合到所述波段的每一个或子集的逻辑往往需要公共输出。 替代地，可以将所述多波段用作彼此的备份或冗余信道，其中与一个频率波段 相关的物理现象不会不利地影响另一个波段，等等。
头部和手部影响
图9A-9B示出在"头部影响"(即作为接近人类头部放置的函数的天线性 能的变化或用于测试目的的虚拟表示)方面，本发明的所述多波段天线的一个 示例实施例(四波段2块陶瓷)与使用商业产品的现有技术参考设计天线的性 能比较，所述"头部影响"往往是在整合了所述天线的蜂窝电话或其它设备的 正常使用期间发生的。
如图9A所示，在头部影响环境中，本发明的多波段2块陶瓷天线实施例提 供与现有技术参考设备(单极天线)相比更好的自由空间效率性能。
如图9B所示，在头部影响环境中，本发明的多波段2块陶瓷天线实施例提 供与现有技术参考设备相比更好的测量输入反射损耗性能(尤其是包括较低的 "去谐"或频率偏移)。
相似地，图9C-9D示出在"手部影响"(即作为在人类手中持握的函数的 天线性能的变化或用于测试目的的虚拟表示)方面，本发明的所述多波段天线 的一个示例实施例(图9A-9B的四波段2块陶瓷)的性能与使用商业产品的现 有技术参考设计天线的比较，所述手部影响往往是在整合了所述天线的蜂窝电话或其它设备的正常使用期间发生。
如图9C所示，在手部影响环境中，本发明的多波段2块陶瓷天线实施例提 供与现有技术参考设备相比更好的自由空间效率性能。
如图9D所示，在手部影响环境中，本发明的多波段2块陶瓷天线实诚例提
供与现有技术参考设备相比更好的测量输入反射损耗性能(尤其是包括较低的 "去谐"或频率偏移)。
方法
图10是示出根据本发明的生产多波段天线的方法的一个实施例的逻辑流程 图(1001)。如前所述，该过程产生具有提高的有效带宽的设备。
所述示例方法首先包含提供在不同频率波段谐振的至少两个辐射器的步骤 (S1005)。如前所述，这些可以包含陶瓷或适于所述天线所面向的特定应用的 其它类型的器件。
接下来，将RF馈送连接到所述至少两个辐射器，以便形成共用连接网络 (S1010)。这可以通过许多技术实现，例如包括焊接、沉积涂覆、使用分立导 体(例如，导线、金属带等)、或本领域技术人员已知的许多其它可能方法。
最后，沿与所述至少两个辐射器中的第一辐射器相接近的所述RF馈送连接 第一电组件(例如，电容)，以便向所述第一辐射器的第一频率波段添加相邻 频率波段(S1015)。
此外，所述方法还可以包含与耦合到所述共用连接网络并与所述至少两个 辐射器中的第二辐射器接近放置的第二电组件相连接的附加步骤。在这一步骤 的一个替代实施例中，所述第二电组件例如建立与所述共用连接网络的谐振， 以便添加与第二频率波段接近的第四频率波段，如前所述。
应该注意的是，可以与本发明相一致地使用上述方法的多种变型。具体来 讲，某些歩骤是可选的，并且可以根据需要来执行或删除。相似地，可能向前 述实施例添加其它步骤(比如额外的数据采样、处理、过滤、校准、或数学分 析)。另外，如果需要，可以变更某些步骤的执行次序，或并行(或者串行) 执行。因此，前述实施例仅是说明这里公开的本发明的较宽泛的方法。
虽然上述详细描述已经示出、描述和指出当应用到不同实施例时的本发明 的新颖特征，然而应该理解的是，本领域技术人员可以在不偏离本发明精祌的情况下在所示设备或过程的形式及细节方面做出各种省略、替换和改变。前述 描述是目前构思来实现本发明的最佳方式。该描述并不意味著限制，而仅是作 为本发明的一般原理的说明。应该参考权利要求确定本发明的范围。
权利要求
1.一种多波段天线，其包含具有第一辐射器和第二辐射器的共用连接网络，所述第一辐射器被适配用于在第一频率波段中谐振而所述第二辐射器被适配用于在第二频率波段中谐振；以及耦合到所述共用连接网络的第一电组件，所述第一电组件被适配用于建立与所述共用连接网络的谐振，以提供第三频率波段；其中所述第一辐射器能够在所述第一频率波段和所述第三频率波段中传送射频能量。
2. 如权利要求1所述的天线，其中所述第三波段的频率基本接近所述第一 频率波段。
3. 如权利要求l所述的天线，其中所述第一频率波段和所述第二频率波段 彼此不交叠。
4. 如权利要求3所述的天线，其中在基板上与所述第一辐射器相接近地设 置所述第一电组件。
5. 如权利要求1所述的天线，其中所述共用连接网络包含耦合到所述第一 辐射器的第一射频(RF)馈送结构和耦合到所述第二辐射器的第二射频馈送结 构。
6. 如权利要求l所述的天线，其中所述第一电组件包含电荷存储器件。
7. 如权利要求1所述的天线，其中所述第一辐射器和第二辐射器包含能够 在频率上调谐的陶瓷谐振元件。
8. 如权利要求1所述的天线，其中所述第一辐射器在以大约850 MHz为中 心的频率范围中谐振，而所述第二辐射器在以大约1800 MHz为中心的频率范 围中谐振。
9. 如权利要求8所述的天线，其中所述第一电组件建立具有大约900 MHz 的中心频率的谐振。
10. 如权利要求1所述的天线，其中在远离第二末端的第一末端处将所述第 一电组件接地，所述第二末端耦合到所述共用连接网络。
11. 如权利要求l所述的天线，其还包含耦合到所述共用连接网络且与所述第二辐射器接近设置的第二电组件，所 述第二电组件被适配用于建立与所述共用连接网络的谐振，以提供与所述第二 频率波段接近的第四频率波段；其中所述第二辐射器能够在所述第二频率波段和所述第四频率波段中传送 射频能量。
12. 如权利要求11所述的天线，其中所述第四频率波段包含大约1900 MHz 的中心波段频率。
13. 如权利要求1所述的天线，其中所述第一辐射器和所述第二辐射器包含 贴片天线。
14. 一种天线系统，其包含至少两个在不同频率波段谐振的辐射器；以及谐振网络，所述谐振网络耦合所述至少两个辐射器并向用于所述至少两个 辐射器中的至少一个的所述不同频率波段中的至少一个提供相邻频率波段。
15. 如权利要求14所述的系统，其中所述谐振网络包含与所述至少两个辐 射器电耦合的多个射频馈送结构。
16. 如权利要求14所述的系统，其中所述谐振网络包含被适配用于增加所 述至少两个辐射器中的至少一个的工作频率范围的电荷存储器件。
17. 如权利要求14所述的系统，其中所述至少两个辐射器包含能够频率调 谐的至少一个谐振元件。
18. 如权利要求16所述的系统，其中所述至少两个辐射器在不同频率范围 中谐振，所述不同频率范围分别对应大约850MHz和1800 MHz。
19. 如权利要求18所述的系统，其中所述第一电组件建立对应大约900 MHz 的谐振。
20. 如权利要求16所述的系统，其中在远离第二末端的第一末端处将所述 第一电组件接地，所述第二末端耦合到所述谐振网络。
21. 如权利要求14所述的系统，其还包含耦合到所述谐振网络且与所述辐射器中的至少一个接近设置的第二电组 件，所述第二电组件被适配用于建立与所述谐振网络的在频率上接近所述第二 频率波段的第四频率波段；其中所述第二辐射器能够在所述第二频率波段和所述第四频率波段中传送射频能量。
22. 如权利要求14所述的系统，其中所述至少两个辐射器包含贴片天线。
23. —种用于提高多波段天线的有效带宽的方法，其包含 提供分别在第一和第二频率波段中谐振的至少两个辐射器； 将RF馈送连接到所述至少两个辐射器，以形成共用连接RF网络；以及 沿着与所述至少两个辐射器中的第一辐射器相接近的所述RF馈送连接第一电组件，以添加第三频率波段。
24. 如权利要求23所述的方法，其中所述第三频率波段在频率上基本接近 所述第一和第二频率波段的至少一个。
25. 如权利要求24所述的方法，其中连接所述第一电组件包含在一个末端 处将电容连接到与所述至少两个辐射器中的第一辐射器接近设置的RF馈送。
26. 如权利要求23所述的方法，其中提供所述至少两个辐射器包含为所述 至少两个辐射器的每一个提供能够频率调谐的至少一个陶瓷谐振元件。
27. 如权利要求23所述的方法，其还包含连接与所述共用连接RF网络耦合且与所述至少两个辐射器中的第二辐射器 接近设置的第二电组件，所述第二电组件被选择用于建立与所述谐振网络的谐 振，以提供第四频率波段。
28. —种适于在可用于多个无线网络的移动无线设备中使用的多波段天线， 所述天线包含具有分别在第一和第二频率波段中谐振的第一和第二辐射元件的网络；以及与所述网络耦合并被适配用于建立与所述共用连接网络的谐振以提供第三 频率波段的第一电组件；其中所述第一辐射元件能够执行在所述第一频率波段和所述第三频率波段 中发送或接收射频能量中的至少一种；以及其中所述第一、第二和第三频率波段中的至少两个包含与不同空中接口标 准相关的波段。
29. 如权利要求28所述的天线，其中所述至少两个空中接口标准分别包含-(i) GSM或UMTS相关蜂窝标准；及(ii) CDMA蜂窝标准。
30. 如权利要求28所述的天线，其中所述至少两个空中接口标准分别包含:(i) WiFI标准；及(ii)蓝牙标准。
31. —种无线移动设备，其包含 处理器；与所述处理器进行信号通信的存储设备； 与所述处理器进行信号通信的射频收发器；以及与所述收发器进行信号通信的多波段天线，所述天线包含作为共用网络的 一部分的第一和第二辐射元件，所述网络包含被适配用于分别产生除了与所述 第一和第二辐射元件相关的第一和第二波段之外的至少一个频率波段的一个或多个组件。
32. 如权利要求31所述的移动设备，其中所述至少一个频率波段包含第一 和第二附加频率波段，所述第一附加波段在频率上基本接近所述第一频率波段， 而所述第二附加波段在频率上基本接近所述第二频率波段。
33. —种空间紧凑天线系统，其包含 至少两个在不同频率波段谐振的辐射器；以及共用谐振网络，所述共用谐振网络耦合所述至少两个辐射器并向用于所述 至少两个辐射器的至少一个辐射器的所述不同频率波段中的至少一个频率波段 提供相邻频率波段，所述相邻频率波段是结合所述至少一个辐射器仅使用单一 电组件提供的。
34. —种制造多波段天线的方法，其包含提供至少两个分别被适配用于在第一和第二频率波段中谐振的辐射器； 将信号馈送连接到所述至少两个辐射器以形成共用连接网络；以及 沿着与所述至少两个辐射器中的第一辐射器接近的信号馈送连接第一电组件。
35. 如权利要求34所述的方法，其中所述提供至少两个辐射器的动作包含 提供至少两个陶瓷元件，而所述连接动作包含将所述陶瓷元件布置在具有至少 一个导电迹线的基板上，并形成与所述至少一个导电迹线的电连接。
36. —种多波段射频识别(RFID)设备，其包含 处理器；与所述处理器通信并被适配用于存储对所述RFID设备基本唯一的信息的 存储器件；收发器；基本柔性基板；以及包含作为共用网络的一部分的第一和第二辐射元件的多波段天线，所述网 络包含被适配用于分另《产生除了与所述第一和第二辐射元件相关的第一和第二波段之外的至少一个频率波段的一个或多个组件；其中将所述多波段天线的至少一部分布置在所述柔性基板上。
37. —种操作具有多波段天线的射频设备的方法，所述天线包含具有第一和第二辐射器的共用连接网络，所述第一辐射器被适配用于在第一频率波段中谐振而第二辐射器被适配用于在第二频率波段中谐振，和耦合到所述共用连接网络的第一电组件，所述方法包含使所述第一辐射器谐振并产生具有在所述第一频率波段内的频率的电磁辐射；使所述第二辐射器谐振并产生具有在所述第二频率波段内的频率的电磁辐 射；以及使所述第一电组件产生与所述共用连接网络的谐振并使所述第一辐射器产 生具有在第三频率波段内的频率的电磁辐射，所述第三频率波段与第一或第二 波段不同。
全文摘要
一种用于通信系统和其它应用的多波段天线和相关装置。在一个实施例中，提供了具有第一和第二辐射器的共用连接网络。所述第一辐射器在第一频率波段中谐振。所述第二辐射器在第二频率波段中谐振。所述第一和第二频率波段彼此不同(也可以交叠)。将第一电组件耦合到所述共用连接网络并接近所述第一辐射器布置。所述第一电组件产生与所述共用连接网络的谐振，以便产生接近所述第一频率波段的第三频率波段。所述第一辐射器能够在所述第一频率波段和所述第三频率波段中传送RF能量。
文档编号H01Q21/12GK101622759SQ200780042682
公开日2010年1月6日 申请日期2007年7月19日 优先权日2006年10月5日
发明者基莫·科斯基尼米, 贾里·佩伦卡 申请人:芬兰帕斯有限公司