专利名称：双馈天线的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及无线通信装置，并且更具体来说涉及用在这种装置中的天线。
背景技术：
许多通信装置需要封装在很小的装置或产品内的天线。这种通信装置的常见实例包括便携式通信产品，比如蜂窝手机、个人数字助理(PDA)以及用于个人计算机(PC)的无线联网装置或数据卡。这些装置常常将单个天线用于发送及接收无线信号。一种传统的方法是将单端口天线用于发送和接收功能。由于本地发送信号的功率比接收信号高很多，因此在发送路径与接收路径之间需要大量隔离，这特别是因为发送路径和接收路径连接在所述天线端口的公共点处。对于时分双工体系结构，所述隔离通常由发送/接收(TX/RX)选择开关来提供，从而使得天线在发送时段期间只连接到发送电路，并且在接收时段期间只连接到接收电路。在全双工体系结构的情况下，所述隔离是通过使用双工器而获得的。在任一种情况下，由于发送频带与接收频带彼此略微偏离，因此通过特别在接收电路中使用窄带通滤波器可以获得附加的隔离。一种替换的方法是使用两个单独的天线，其中一个用于发送，另一个用于接收，由此减轻对于所述开关或双工器的隔离要求，这是因为发送路径与接收路径不再连接在公共点处。但是，一般来说，这种方法对于手机或其他便携式无线通信装置的实用性有限，这是因为在手机中添加第二天线通常导致两天线系统，其中由于天线之间的电磁耦合以及通过公共接地结构的耦合，其中一个天线端口与另一个天线端口的隔离很差。出于几种原因，这种耦合在手持式无线装置中是成问题的。首先，在例如蜂窝频带(近似900MHz)的所期望的操作频率下，手机的尺寸不允许天线放置间隔超过波长的一定分数。其次，由于消费者接受度要求天线被嵌入(或者轮廓非常低)，因此所述天线的主要部分是由电话底板提供的，而所述“天线”则可以更好地被描述为激发器或耦合器天线，其在底板与天线端口之间传送能量。因此，两天线方法可能仍然在很大部分上提供到单个天线(即底板)的公共连接。此外， 天线的操作频带往往重叠，因此通过滤波(即双工)来隔离天线的做法是成问题的。单个天线谐振的带宽由天线Q以及表征构成所述天线系统的谐振器的极子数目描述。在典型的手机中，这是两极子或4极子系统，并且不具有足够的选择性来隔离接收和发送频带结构。在其中希望放松对于所述开关的隔离要求的应用中，通常必须提供接收天线与发送天线的更高的解耦。根据一个或更多实施例，提供一种利用独特的两端口天线的技术，所述两端口天线可以被嵌入到手机中以实现端口之间的显著隔离，从而提供一种实现单独的 TX和RX端口的优点的措施。这种方法的优点在于，可以一起消除对于TX/RX开关或双工器的需求或者可以减轻对于这些部件的性能要求，从而允许更为简单或者更为经济的替换方案。
发明内容
根据本发明的一个或更多实施例的用于无线使能通信装置(wireless-enabled communication device)的一种多端口天线结构包括耦合器天线，所述耦合器天线具有用于发送电磁信号的第一天线端口以及用于接收电磁信号的第二天线端口。所述耦合器天线位于所述无线使能通信装置的底板上，以便在所述底板与所述第一和第二天线端口之间传送能量。用于一个天线端口的所述底板的谐振模式与用于另一个天线端口的该底板的谐振模式正交，从而使得所述第一和第二天线端口彼此隔离。在下面的详细描述中提供了本发明的各实施例。应当认识到的是，在不背离本发明的情况下，本发明可以有其他不同的实施例，并且在许多方面可以对其几个细节进行修改。相应地，附图和说明书应当被视为在本质上是说明性而非限制性或限定性的，本申请的范围由权利要求书表明。
图1示意性地示出了手机装置。图2A — 2D示出了代表可以在手机装置中找到的PCB组件的尺寸的矩形薄片导体的四种特征模式。图3A和;3B示出了根据本发明的一个或更多实施例的示例性天线。图4示出了根据本发明的一个或更多实施例的示例性天线。图5A和5B示出了根据本发明的一个或更多实施例的示例性天线。图6A — 6F示出了图5的天线的特性。图7是所选择的GSM频带的表格，对于该GSM频带可能需要单个手机操作。图8示出了根据本发明的一个或更多实施例的示例性天线。图9示出了图8的天线的特性。图10示出了根据本发明的一个或更多实施例的示例性天线。图11示出了图10的天线的特性。图12示出了根据本发明的一个或更多实施例的示例性天线。图13示出了图12的天线的特性。
具体实施例方式许多无线通信协议要求使用相同频带内的多个无线信道，以便增大信息吞吐量或者增大无线链路的范围或可靠性。这就需要使用多个独立的天线。通常希望把天线放置成尽可能靠近在一起，以便减小天线系统的尺寸。但是紧邻地放置天线可能导致不合期望的效果，比如天线端口之间的直接耦合、独立性减弱或者天线的辐射模式之间的相关性增大。图1是手机装置100的示意图。一台手机通常包括若干电子部件，比如显示器、键盘和电池(图1中未示出)。手机装置100还包括印刷电路板(PCB)组件102，其提供导电核心。所述天线附着到PCB 102上的电路，其通常具有在PCB 102和所述电话本身的大部分面积上运行的RF接地的连续性。所嵌入的天线通常如图1中所标示的那样位于所述手机电子组件的顶部104或底部106，但是在最外层外壳的内部。通过将所述PCB和电子元件表示为矩形导体可以获得对于天线操作的基本理解。 在这里被称作高度的长维度通常是IOcm左右，并且短维度或宽度通常是高度的一半。这意味着在接近900MHz的蜂窝频带的频率下，所述高度接近自由空间波长(33cm)的三分之一。可以从PCB的末端为天线馈电，从而使得PCB接地平面充当针对所述天线的地网 (counterpoise).但是，可以允许天线从所述地网延伸出不超过一厘米或两厘米，以满足手机的总体尺寸和外观的目标。因此，天线在其从地网延伸出的距离方面的长度是波长的非常小的分数，从而就其自身而言，所述天线的性能将受到其较小尺寸的严重限制。这在实际中并不是限制，因为天线可以耦合到地网，从而二者一起充当更大的天线。因此，所述天线可以被描述为激发器或耦合器天线，其在地网与天线端口之间传送能量。如果添加了第二天线以操作在相同频率(或者与TX/RX子带的情况几乎相同的频率)，则所述天线端口可能不会彼此隔离，这是因为全部两个天线都耦合到公共地网从而耦合在一起。这种情况是真实的，因为在没有仔细设计以避免它的情况下，全部两个天线在操作频率下都将激发所述地网的主导谐振模式。在蜂窝频率的情况下，这被预期为地网的长维度的半波谐振，因为这是最低频率辐射模式。Famdie 等 A (Famdie, Celestin Tamgue> Schroeder, Werner L.、Solbach, Klaus 的“Numerical Analysis Of Characteristic Modes On The Chassis Of Mobile Wiones(在移动电话的底板上的特征模式的数值分析)”，Antennas And Propagation, 2006， EuCAP 2006，First European Conference, vol.，no.，pp. 1_6、6_10，2006 年 11 月)已经识别出如图2A - 2D中所描绘的维度为IOOmrn长度乘40mm宽度的矩形薄片导体的前四种特征模式。该薄片代表可以在手机装置中找到的PCB组件的一般尺寸。箭头描绘出电流在所述导体上的流动，其中箭头的长度代表相对量值。举例来说，对于第一模式(图2A)，所述电流在薄片的中部处于最大值，并且按照正弦方式在末端减小到零流动。这是沿着长维度的半波谐振，其对于这种特定几何结构发生在近似1300MHz上。下一种谐振模式是如在图 2B中描绘的沿着长维度的全波谐振，并且发生在第一模式的近似两倍频率上。下一种模式 (图2C)是沿着短维度的半波谐振，其在本情况中超过第一谐振频率的两倍，这是因为所述短维度小于长维度的一半。第四种模式(图2D)在全部两个轴上都有电流，但是从左到右或从上到下的相位相反。在更高频率上可以识别出另外的模式，但是随着谐振频率越来越远离所期望的操作频率，作为天线模式的有效性降低。假设接下来的更高模式是第一特征模式的频率的近似两倍，则第一模式到目前为止是最有效的天线模式并且最容易激发。该模式由位于所述地网末端的天线有效地激发。 如果两个天线位于地网的末端，则全部两个天线往往耦合到相同的基本特征模式，并且因此施加在一个天线端口处的信号将往往耦合到第二个天线端口。因此，为了避免端口到端口耦合就需要一种将根据使用哪一个端口来激发地网的不同谐振模式的天线系统。在图3A和;3B中示意性地示出了这种天线的一个实例。根据一个或更多实施例的天线300位于地网302的一端，并且跨跃所述地网的宽度。天线300具有足够的电长度以支持两种谐振模式即分别是图3A和;3B中所描绘的共模和差模。正、负符号代表与所述模式相关联的天线末端处的电位的相对相位。因此，对于共模来说，所述电位共相，而对于差模来说，任一端处的电位反相。所述共模只对于驱动地网模式1或2 (分别在图2A和2B中示出)是有效的，但是模式1将主导低频(即接近或低于第一模式的谐振频率的频率)。所述差模只对于驱动地网模式3或4 (分别在图2C和2D中示出)是有效的。模式3或4在低频上都是不如模式1有效的辐射模式，这是因为辐射有效性对低于谐振频率的频率降低。其结果是与对于模式1 所要求的情况相比必须更有力地驱动这些模式以产生辐射。但是，这些附加模式的其中之一被用来获得天线端口之间的隔离。图4示出了具有两个端口 402、404的天线400，每一个端口位于所述天线的末端与其中点之间。把信号施加到端口 1 (402)或端口 2 (404)将激发所有四种地网模式。但是，各种地网模式之间的相对相位将根据使用哪一个端口而不同。具体来说，由端口 1激发的模式3和4的相位将与由端口 2激发的模式的相位相反，而模式1和2的相位将是相同的。这允许端口 1激发的谐振模式与端口 2所激发的谐振模式正交。举例来说，端口 1可以激发模式1加模式4，而端口 2则可以激发模式1减模式4。在这种情况下，端口 1将与端口 2隔离。可以通过调节从天线端口到天线末端的电长度来操纵天线的谐振频率，其中较长的电长度对应于较低的谐振频率。可以通过调节两个端口之间的部分的电长度来操纵端口之间的隔离数量。按照这种方式，可以在特定的所期望的频率上获得端口之间的隔离。可以通过对于天线的超出端口的部分使用多个分支(具有多个电长度)而获得多个谐振频率。图5A示出了根据一个或更多实施例的天线500。在该例中，天线500被设计成为双频带GSM手机提供分开的发送端口和接收端口。天线500是从缠绕到塑料载体502上的柔性印刷电路(FPC)上的铜图案形成的。天线500被设计成安装于在蜂窝手机中找到的 PCB 504的末端。所述天线FPC具有两个暴露的接触垫506、508，其是所述PCB上的发送和接收电路与天线端口之间的接触点。在图5B中示出了天线铜图案的形状的细节。所述天线包括四个分支510、512、 514,512 (每一端两个)，其中天线端口位于其中的两个馈电垫506、508，以及在两组分支之间的分段518。因此，该天线是图4中所示的天线型式的特定三维实施例。较长分支510、 512被定尺寸为用于从880到960MHz的GSM频带上的天线操作。较短分支514、516被定尺寸为用于1710到1880MHz的GSM频带上的天线操作。为了减小天线的物理尺寸，在更靠近馈电端口处提供具有窄的宽度和弯曲路径的形状以用于电感性加载，并且在末端处提供具有较宽的宽度的形状以用于电容性顶部加载，二者的目的都是为了使得天线在电学上更长。天线的相对侧的分支具有类似的几何结构，但是长度不相等。所述长度差异通常是为了优化具有不同频率需求的对应端口的阻抗匹配。端口 1是用于发送电路的连接点，其使用GSM频带的下部，即880到915MHz和1710 到1785MHz。端口 2是用于接收电路的连接点，其使用GSM频带的上部，即925到960MHz和 1805 到 1880MHz ο天线分支之间的部分是弯曲的，以便增加电长度。这一部分的电长度和电感对于在端口之间获得的隔离数量的影响大，并且对于偏移天线的频率响应或者调谐的影响较小。与此相对，天线分支的长度强烈地影响调谐，但是对于端口之间的隔离的影响弱。因此， 在这两种调节之间，可以针对特定设计要求来操纵隔离数量及其发生的频率。
类似地，在模式化行为方面，天线分支的长度主要影响在其上天线耦合到地网的谐振模式的频率，并且从而影响调谐。分支之间的天线部分的特性对于天线的模式化内容具有强的影响，并且因而对于地网的模式化激发具有强的影响。当该部分的长度和形状被改变时，它影响天线上的共模相对于差模的比例。当实现适当数量的差分激发时，来自一个端口的所述地网的模式化激发与另一个端口所产生的模式化激发正交，并且获得端口到端口隔离。可以将天线与匹配网络一起使用，以总体上优化与发送和接收电路的天线输入阻抗匹配。对于这样的天线，三分量集总元件匹配网络被用于接收和发送。作为图6A和6B 分别提供对于900MHz和1800MHz频带的天线加匹配网络的VSWR测量的曲线图。作为图6C 和6D提供了端口耦合参数S12和S21的曲线图。在本情况中，所述调谐被设置成使得在所述频带的发送部分上发生最大隔离。这种设置被优化以用于将接收机电路与在发送频带内发送的高功率隔离。作为图6E和6F提供的效率曲线图表明，包括所述匹配网络的所实现的效率是近似50%。虽然通过使用多天线分支可以获得多频率操作，但是天线的复杂度随着频带的数目而增大，并且可能需要增大所需的天线尺寸。可替换地，可以使得一个或更多分支的电长度是可调节的，从而可以动态地调谐天线以操作在所选择的频带内。这对于可以在不同时间段上操作于不同频带中，但是在任何一个时间上不能同时操作在多于一个频带上的装置是特别有用的。蜂窝手机是通常需要多频带功能的但是在任何给定时间上只操作在单个频带内的装置的实例。图7提供了所选择的GSM频带的表格，对于该GSM频带，可能需要单个手机操作。图8是根据一个或更多实施例的示例性天线800的图示，其使用切换加载与多天线分支的组合来获得四频带操作，例如GSM850、GSM900、GSM1800和GSM1900频带。通过在天线800的任一端上使用两个分支按照图4的实例那样提供两频带操作。使得每一个分支借助于将所述天线分支经由阻抗Zl或阻抗Z2接地具有两个可选择的电长度。举例来说， Zl可以是一个电容值，并且Z2可以是第二个较大电容值，从而到负载Zl的切换将天线响应与一个操作频带对准，而到负载Z2的切换将天线与第二个较低操作频率对准。应当提到的是，Zl和Z2代表针对特定分支的两个不同的负载阻抗，但是Zl和Z2的相同数值不一定适用于每一个分支。图8的配置可以被用来生产两状态可切换天线，具有在图9中示出的VSWR和隔离特性。在第一状态下，所述天线被调谐到可能适合于欧洲蜂窝服务的双频带GSM850/1900。 在第二状态下，所述天线被调谐到可能适合于美国蜂窝服务的双频带GSM900/1800。图10是根据一个或更多实施例的示例性天线1000的图示，其使用切换加载与多天线分支的组合以获得三频带操作，例如GSM900、GSM1800和GSM1900频带。通过在所述天线的任一端上使用两个分支按照图4的实例那样提供两频带操作。与图8的四频带应用不同，只令较短分支具有两个可选择的电长度。这就允许在两个状态之间调谐所述较高频带。 图10的配置可以被用来生产两状态可切换天线，具有在图11中示出的VSWR和隔离特性。 在第一状态下，所述天线被调谐到双频带GSM900/1800双频带GSM900/1900操作。图12是根据一个或更多实施例的示例性天线1200的图示，其使用切换加载与多天线分支的组合来获得五频带操作，例如GSM850、GSM900、GSM1800和GSM1900以及WCDMA 频带。通过在所述天线的任一端上使用两个分支按照图4的实例那样提供两频带操作。使得较短分支具有三个可选择的电长度，而使得较长分支具有两个可选择的电长度。这就允许在三个状态之间调谐所述较高频带，并且在两个状态之间切换所述较低频带。图12的配置可以被用来生产多状态可切换天线，具有在图13中示出的VSWR和隔离特性。所述天线可以同时支持其中一个所述低频带(GSM850或GSM900)或者其中一个所述较高频带 (GSM1800、GSM1900 或 WCDMA 频带)。应当理解的是，虽然在前面关于特定实施例描述了本发明，但是提供前述实施例仅仅是为了进行说明，而不是为了限制或限定本发明的范围。在权利要求书的范围内还可以有许多其他实施例，其中包括但不限于下面的内容。举例来说，这里所描述的各种天线结构的元件或部件可以被进一步划分成附加的部件或者可以被结合在一起以形成更少部件，以用于执行相同的功能。在描述了本发明的优选实施例之后可以明显看出，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以做出修改。
权利要求
1.一种用于无线使能通信装置的多端口天线结构，包括耦合器天线，具有用于发送电磁信号的第一天线端口和用于接收电磁信号的第二天线端□；所述耦合器天线位于所述无线使能通信装置的底板上，以在所述底板与所述第一和第二天线端口之间传送能量，其中用于一个天线端口的所述底板的谐振模式与用于另一个天线端口的所述底板的谐振模式正交，从而使得所述第一和第二天线端口彼此隔离。
2.权利要求1的多端口天线结构，其中，所述耦合器天线被配置成支持共模和差模谐振模式。
3.权利要求1的多端口天线结构，其中，所述耦合器天线具有多个谐振频率，以便在多于一个频带中提供多天线功能。
4.权利要求1的多端口天线结构，其中，所述耦合器天线包括多个分支，每一个分支具有给定电长度，以便提供多个谐振频率。
5.权利要求4的多端口天线结构，其中，每一个分支的电长度能够被改变以形成可调谐天线。
6.权利要求1的多端口天线结构，其中，所述耦合器天线具有弯曲配置以增大电长度。
7.权利要求1的多端口天线结构，其中，所述耦合器天线位于所述底板的一端上。
8.权利要求1的多端口天线结构，其中，所述耦合器天线是从衬底上的导电图案形成的。
9.权利要求1的多端口天线结构，其中，所述无线使能通信装置包括蜂窝手机、个人数字助理、无线联网装置或者用于个人计算机的数据卡。
10.权利要求1的多端口天线结构，其中，所述底板包括印刷电路板。
11.一种用于无线使能通信装置的多端口天线结构，包括 所述无线使能通信装置的底板；以及耦合器天线，具有用于发送电磁信号的第一天线端口和用于接收电磁信号的第二天线端口，所述耦合器天线位于底板上以在所述底板与所述第一和第二天线端口之间传送能量，其中用于一个天线端口的所述底板的谐振模式与用于另一个天线端口的所述底板的谐振模式正交，从而使得所述第一和第二天线端口彼此隔离。
12.权利要求11的多端口天线结构，其中，所述耦合器天线被配置成支持共模和差模谐振模式。
13.权利要求11的多端口天线结构，其中，所述耦合器天线具有多个谐振频率，以便在多于一个频带中提供多天线功能。
14.权利要求11的多端口天线结构，其中，所述耦合器天线包括多个分支，每一个分支具有给定电长度，以提供多个谐振频率。
15.权利要求14的多端口天线结构，其中，每一个分支的电长度能够被改变以形成可调谐天线。
16.权利要求11的多端口天线结构，其中，所述耦合器天线具有弯曲配置以增大电长度。
17.权利要求11的多端口天线结构，其中，所述耦合器天线位于所述底板的一端上。
18.权利要求11的多端口天线结构，其中，所述耦合器天线是从衬底上的导电图案形成的。
19.权利要求11的多端口天线结构，其中，所述无线使能通信装置包括蜂窝手机、个人数字助理、无线联网装置或者用于个人计算机的数据卡。
20.权利要求11的多端口天线结构，其中，所述底板包括印刷电路板。
全文摘要
用于无线使能通信装置的多端口天线结构包括耦合器天线，所述耦合器天线具有用于发送电磁信号的第一天线端口和用于接收电磁信号的第二天线端口。所述耦合器天线位于所述无线使能通信装置的底板上，以在所述底板与所述第一和第二天线端口之间传送能量。用于一个天线端口的所述底板的谐振模式与用于另一个天线端口的所述底板的谐振模式正交，从而使得所述第一和第二天线端口彼此隔离。
文档编号H01Q1/24GK102265458SQ200980151788
公开日2011年11月30日 申请日期2009年12月22日 优先权日2008年12月23日
发明者T. 蒙特戈梅里 M., A. 小托尔纳塔 P. 申请人:斯凯克罗斯公司