具有宽带能力的可配置多频带天线装置及其设计方法与流程

本发明涉及在VHF、UHF、S、C、X或更高频带中具有多个频率模式的天线装置。更确切地说，根据本发明的天线装置可以以简单的方式设计和调谐以在具有可调节的频率带宽的多个频率(尤其是在微波或VHF/UHF域中)发射/接收(T/R)射频信号，并且具有紧凑的形状因子。

背景技术：

飞机、轮船、火车、卡车、轿车上或由行人携带的终端或智能电话需要在移动中连接。这些设备需要高吞吐量和低功率预算的用于语音和数据的近距离和非常远距离的通信能力，包括观看或收听多媒体内容(视频或音频)，或参与互动游戏。车载的或位于制造厂、办公室、仓库、仓储设施、零售场所、医院、运动场所或家中的各种物体都连接到物联网(IoT)：用以定位并识别存货中的物品或使人员进出限制区的标签；用以监测用户身体活动或健康参数的设备；用以捕捉环境参数(污染物浓度；湿度(hygrometry)；风速等)的传感器；用以远程控制和命令各种家用电器的执行器(actuator)，或者更一般地，可以是命令、控制、通信和智能系统的一部分的任何类型的电子设备，所述系统例如被编程为捕获/处理信号/数据，将信号/数据传送到另一电子设备或服务器，使用实现人工智能或基于知识的推理的处理逻辑来处理数据，并返回信息或激活要由执行器实施的命令。

RF通信比用于连接这些类型的物体或平台的固定线路通信更通用。因此，射频T/R模块在专业和消费应用中现在很普遍并将越来越普遍。多个T/R模块可以在同一个设备上实现。举例来说，智能电话通常包括蜂窝通信T/R模块、Wi-Fi/蓝牙T/R模块、卫星定位信号(来自全球导航卫星系统或GNSS)的接收机。WiFi、蓝牙和3G或4G蜂窝通信在2.5GHz频带(S频带)中。GNSS接收机通常工作在1.5GHz频带(L频带)。射频识别(RFID)标签工作在900MHz频带(UHF)或更低频带。近场通信(NFC)标签以非常短的距离(约10厘米)工作在13MHz频带(HF)。

物联网连接的好的折衷似乎在于VHF或UHF频带(30至300MHz和300MHz至3GHz)中以获得足够的可用带宽和范围，对多路径反射具有良好的适应性以及低功率预算。

在这些频带上设计T/R模块需要解决的问题是具有足够紧凑的天线以适应连接物体的形状因子。适用于VHF频带的传统单极型全向天线的长度在25厘米至2.5米(λ4)之间。特别地由具有相同发明人并且被共同转让给本申请的申请人的以No.WO2015007746公开的PCT申请提供了对于这个问题的解决方案。该申请公开了一种塞子类型(bung type)的天线装置，其中，组合多个天线元件，使得该装置的最大尺寸与波长之间的比率可以远低于波长的十分之一，甚至低于波长的二十分之一或在一些实施例中，低于波长的五十分之一。为了实现这样的结果，控制天线的基本模式的天线元件以例如螺旋形的3D形状因子卷绕，使得其外部尺寸相对于其长度减小。

但是还需要所连接的设备与使用WiFi或蓝牙频带和协议进行通信的终端兼容。在这个用例中，T/R模块的某些级必须兼容VHF和S频带。如果增加GNSS接收机，则还需要L频带中的T/R能力。这意味着这种设备的天线装置应该能够在不同的频带中同时或相继通信。增加与频带一样多的天线在形状因子、功率预算和材料方面是昂贵的。这为天线的设计带来了另一个具有挑战性的问题。以No.WO200122528和WO200334544公开的PCT申请公开了基站天线的一些解决方案。但是这些解决方案不能在VHF频带中工作，也不能在这些频带内提供足够紧凑的装置。

本申请的申请人已经提交了与本申请具有相同发明人的欧洲专利申请No.EP2016/306059.3。该申请公开了一种天线装置，该天线装置包括：第一导电元件，该第一导电元件被配置为在电磁辐射的限定频率之上进行辐射；一个或多个另外的导电元件，位于或靠近被限定为电磁辐射的谐波的电流的节点的位置(即零电流或开路位置)的函数的一个或多个位置。

该较早申请没有公开如何调整电磁辐射的限定频率或其谐波周围的频率带宽。希望控制这些频率带宽，以便能够确保限定的吞吐量，或者满足诸如IEEE 802.11、802.15.4等各种无线通信标准的性能要求，例如用于以限定的服务质量传送多媒体内容。本发明公开了这个问题的解决方案。

技术实现要素：

本发明通过提供一种天线装置来满足这个需求，所述天线装置包括第一主要导电元件和调谐到基本模式(一阶谐波)的较低频率的至少一个天线元件以及附加元件，其位置、形状因数、尺寸和取向被确定为优化该基本模式的选定谐波的传输或接收的条件，其中，天线装置进一步包括至少第二主要导电元件，所述第二主要导电元件被配置为与天线装置的至少部分一起形成围绕第一主要导电元件的基本模式的选定谐波中的一个的频率的高于一阶的谐振结构，第二主要导电元件具有位于或靠近第一主要导电元件的电流腹部(即，电流的最大值或短路位置)的馈电连接。

更具体地说，本发明公开了一种天线装置，包括：第一主要导电元件，其被配置为以高于电磁辐射的限定频率的频率进行辐射；一个或多个第一辅助导电元件，所述一个或多个第一辅助导电元件位于或靠近所述第一主要导电元件上限定为所述电磁辐射的选定谐波的电磁辐射的电流的节点的位置的函数的一个或多个位置；至少一个第二主要导电元件：被配置为与所述天线装置的至少部分一起形成在所述电磁辐射的选定谐波中的一个的频率处的高于一阶的谐振结构；并且具有位于或靠近另一个主要导电元件上限定为所述电磁辐射的选定谐波中的一个的电流腹部的位置的函数的位置的馈电连接。

有利的是，高于一阶的谐振结构在围绕电磁辐射的选定谐波中的一个的频率限定的带宽上以预定水平或以上匹配。

有利的是，所述至少一个第二主要导电元件包括一个或多个第二辅助导电元件，所述一个或多个第二辅助导电元件位于或靠近在所述第二主要导电元件上限定为所述电磁辐射的选定谐波中的一个的电磁辐射的节点的位置的函数的一个或多个位置。

有利的是，所述至少一个第二主要导电元件具有总电气长度，所述总电气长度被限定为所述电磁辐射的谐波中的一个的频率处的四分之一波长的奇数倍的函数。

有利的是，带宽等于或大于天线装置所适用的电磁辐射的选定谐波中的一个的频率的预定百分比值。

有利的是，天线装置在等于或大于绝对预定值的水平上在围绕电磁辐射的选定谐波中的一个的频率的带宽上适配。

有利的是，第一主要导电元件或第二主要导电元件中的一个或多个是金属带和/或金属线。

有利的是，第一主要导电元件和第二主要导电元件中的一个或多个具有2D或3D紧凑形状因子之一。

有利的是，本发明的天线装置通过金属化工艺沉积在以聚合物、陶瓷或纸基板之一分层而成(layered)的非导电基板上。

有利的是，本发明的天线装置被调谐为在两个或更多个频带中辐射，所述频带包括ISM频带、WiFi频带、蓝牙频带、3G频带、LTE频带和5G频带中的一个或多个。

本发明还公开了一种设计天线装置的方法，该方法包括：限定第一主要导电元件的几何形状以便以高于电磁辐射的限定频率的频率进行辐射；将一个或多个第一辅助导电元件定位在限定为所述电磁辐射的选定谐波的电磁辐射的电流的节点的位置的函数的一个或多个位置处或附近；限定至少一个第二主要导电元件的基本模式的总电气长度或频率，以与天线装置的至少部分一起形成高于一阶的谐振结构，所述谐振结构被配置为在所述电磁辐射的选定谐波中的一个的频率处谐振；将所述至少一个第二主要导电元件的馈电连接定位在另一主要导电元件上限定为所述电磁辐射的选定谐波中的一个的电磁辐射的电流腹部的位置的函数的位置处或附近。

有利的是，高于一阶的谐振结构在围绕电磁辐射的选定谐波中的一个的频率限定的带宽上以等于或大于预定水平的水平匹配。

有利的是，本发明的方法进一步包括将一个或多个第二辅助导电元件定位在第二主要导电元件上限定为所述电磁辐射的谐波中的一个的电流的节点的位置的函数的一个或多个位置处或附近。

有利的是，本发明的方法进一步包括：i)限定至少一个附加主要导电元件的基本模式的总电气长度或频率，以与天线装置的至少部分一起形成高于一阶的谐振结构，所述谐振结构被配置为在所述电磁辐射的选定谐波中的一个的频率处谐振，所述总电气长度和所述选定谐波被确定为所述附加主要导电元件的长度以及位于所述附加主要导电元件上的辅助导电元件的取向、主要尺寸和形状因子的函数；ii)将所述附加主要导电元件的馈电连接定位在另一主要导电元件上限定为所述电磁辐射的谐波中的另一个的电磁辐射的电流腹部的位置的函数的位置处或附近；iii)迭代，直到在保留先前控制的频率、带宽和匹配水平的条件下在围绕多个频率的目标带宽上达到预定水平的匹配为止。

本发明还公开了一种天线装置，该天线装置包括：第一主要导电元件，被配置为以高于电磁辐射的限定频率的频率进行辐射；一个或多个辅助导电元件，其位于或靠近在所述第一主要导电元件上限定为所述电磁辐射的谐波的电磁辐射的电流的节点的位置的函数的一个或多个位置；至少第二主要导电元件(211)，具有适于放大围绕所述电磁辐射的一个或多个选定谐波的频率的频带的总电气长度，以便以预定的服务质量或以上发射/接收RF信号。

本发明的多频宽带天线装置可以是紧凑的，允许其以小体积集成。

本发明的天线装置设计起来简单，特别是当将辐射频率和相应的频率带宽调谐到期望值时，考虑到天线装置的环境的影响，特别是地平面、天线的主干的位置以及对其电气性能有电磁影响的环境元素。

本发明的天线装置易于制造并因此具有非常低的成本。

此外，本发明的天线装置非常容易以正交配置或以共面配置连接到RF印刷电路板(PCB)。

附图说明

通过阅读以下仅作为非限制性示例给出的具体实施例的详细说明将更好地理解本发明及其优点，该说明参考附图做出，其中：

-图1a和1b分别表示根据现有技术的天线装置及其频率响应；

-图2a、2b和2c显示了根据本发明的不同实施例的天线装置的原型；

-图3示出了现有技术的天线装置和根据本发明一些实施例的天线装置的理论频率响应；

-图3a和3b分别示出了在一阶高阶模式(first order higher mode)下形成三阶谐振结构的天线装置及其频率响应；

-图4示出了图1a和2a的天线装置的实验频率响应；

-图5示出了图1a和2b的天线装置的实验频率响应；

-图6示出了图2c的天线装置的实验频率响应；

-图7a、7b和7c示出了现有技术的单极天线中谐波的热点和冷点的定位；

-图8a和8b分别表示具有单极天线元件的现有技术的天线装置及其频率响应的示意图；

-图8c、8e、8g和8i表示根据本发明的多个实施例的具有两个“单极”天线元件的天线装置的示意图；

-图8d、8f、8h和8j分别表示图8c、8e、8g和8i的天线装置的频率响应；

-图8k表示本发明的实施例的示例，其中，将另外的分支添加到先前的分支；

-图9a和9b分别表示根据现有技术的具有单极天线元件和多个叶片的现有技术的天线装置及其频率响应的示意图；

-图9c和9e表示根据本发明的实施例的具有两个或三个单极天线元件和叶片的天线装置的示意图；

-图9d和9f分别表示图9c和9e的天线装置的频率响应；

-图10显示了根据现有技术的设计多频带天线装置的方法的流程图；

-图11表示根据现有技术的用于天线装置的基本模式和第一至第三高阶模式的电场图；

-图12表示根据现有技术的用于天线装置的基本模式和第一至第三高阶模式中沿天线的电灵敏度表；

-图13表示根据现有技术的用于辅助选择叶片的定位以调整在天线装置的基本模式和第一至第三高阶模式之中选择的一些频率的值的表格；

-图14显示了根据本发明的一些实施例的设计天线装置的方法的流程图。

具体实施方式

图1a和1b分别表示根据现有技术的天线装置及其频率响应。

天线装置100是在方位面中具有全向辐射图案的单极天线。

根据在欧洲专利申请No.EP2016/306059.3中公开的实施例的天线装置100的结构类似于在一些方面类似于盆景的结构的紧凑树结构。选择这种装置的尺寸，使天线适合在ISM(工业、科学、医疗)、VHF和UHF频带工作。树包括主干110、叶片121、122。树被植于地平面130上。

主干110由导电材料、金属线或带形成，其部署长度(deployed length)被限定为基本模式的期望辐射频率的函数，如以下在说明书中进一步解释的。主干可以内接(inscribe)在平面中。在一些实施例中，其中内接了主干的平面可以平行于接地平面，或者可以在天线和接地平面被设计为共面布置的解决方案中被内接在接地平面中。在这样的布置中，可以将天线刻在基板的表面上，并且可以将接地平面刻在基板的背板上。在如图1a所示的其他实施例中，其中内接了主干的平面垂直于地平面。主干可以可替换地内接在非平面表面或体积结构中。这种形状因子有利于增加给定长度的天线装置的紧凑性。

叶片121、122也由金属形成，并且在限定的点处机械地和电气地连接到主干，如以下在说明书中进一步讨论的。叶片可以视为在限定的方向上延伸限定量的天线的长度的结构。叶片因此可以在空间中具有不同的位置、形状因子、尺寸和取向。它们可以或可以不一起内接在同一个平面或不同的表面中。它们可以与主干共面或不共面。选定的位置、形状因子、尺寸和取向将影响施加到由主干长度限定的基础频率的辐射频率(即基本和高阶模式)的变化。

不同的辐射模式基本上由辐射极元件的长度限定：

-基本模式由等于λ/4(一次谐波)的辐射元件的长度限定；

-第一高阶模式由等于3λ/4(三次谐波)的辐射元件的长度限定；

-第二高阶模式由等于5λ/4(五次谐波)的辐射元件的长度限定；

-第三高阶模式由等于7λ/4(七次谐波)的辐射元件的长度限定。

其中λ＝c/f，f是在基本模式下的辐射频率。

接地平面130是PCB结构的金属背板，其包括激励电路，激励电路在机械和电连接140的点处将RF信号馈送到主干。

图1b表示图1a的天线装置的频率响应。横轴显示电磁辐射的频率的值，纵轴显示其匹配水平的值。频率f是电磁辐射的一次谐波或基本模式，频率f1是其三次谐波或第一高阶模式，频率f2是其五次谐波或第二高阶模式。这些频率值通过使用连接到主干的叶片进行调谐，如图1a所示。

图2a、2b和2c显示了根据本发明的不同实施例的天线装置的原型。

图2a的天线装置200a可以从图1a的天线装置100开始设计，其主干110在接地平面130处连接到馈电线140。主干是单极天线。主干承载两个叶片121、122，因此在由基本模式f开始限定的多个频率f i处限定了多谐振器，以使得包括其叶片的主干的总电气长度等于在这个频率的波长的四分之一。根据EP2016/306059.3的公开内容，叶片121、122位于沿着主干的“热点”(或开路位置)处，热点被限定在辐射极上极柱中电流最小或电压最大的位置处。在一个模式(基本或高阶模式)的一个热点上添加叶片会将该模式的辐射频率移位到较低的值。因此，可以使用处于数学关系的基本和高阶模式的频率来产生期望值的辐射频率。

根据本发明的第一方面，将第一分支211(或第二主要导电元件，主干被限定为第一主要导电元件)在作为所有模式的“冷点”(短路位置)的位置140处添加到主干。与热点相反，冷点根据EP2016/306059.3的公开内容被限定为辐射极上极柱中电流最大或电压最小的位置。在冷点处添加辐射元件不会修改主干的辐射特性。将叶片221添加到分支211。选择分支211加上叶片221的总电气长度，使得该元件的辐射频率f'i被确定为主干的模式的辐射频率fi之一的函数：其中c是真空中的光速。

根据本发明的这个方面，第二主要导电元件211的辐射频率f'i被确定为使得第二主要导电元件与第一主要导电元件110形成围绕其选定谐波之一的频率fi的二阶谐振结构(或二阶滤波器)。因此，围绕fi的带宽由该双谐振器电路扩大，如将结合图3、4和5进一步详细讨论的。

根据本发明，天线装置的设计者应该应用以下规则来确定作为频率fi的函数的频率f'i：

-首先可以通过天线装置的功能规范限定目标带宽；发明人已经通过实验证明，有可能实现频率fi的值的大约20％的目标带宽；更一般地说，可以设定目标带宽应该覆盖频率fi以上和以下的频率fi的预定百分比；在一些用例中，可以覆盖fi的25％、30％甚至更多的目标带宽；

-然后可以通过天线装置的馈电电路的技术规范来限定目标带宽上的目标匹配水平；对于50Ω的标准匹配阻抗，通常为-10dB的水平；但是可以使用其他的匹配水平，这取决于适用于应用的设计约束条件；可以限定参数值以设定将适用于天线装置的设计约束条件；在某些应用中-5dB可以是可接受的，而在另一些应用中，-15dB将是强制性的。

目标匹配水平越高，实际带宽将越低。

基于这些规则，f'i的精确确定可以通过仿真或者实验来实现，以便实现目标带宽和目标带宽上的目标匹配水平之间的最佳可能的折衷。

根据图2b所示的本发明的另一方面，可以将第二分支212添加到主干。该添加也在到馈电线140的连接处进行，如已经说明的，它是所有模式的冷点。因此，主干和第一添加分支211的辐射特性将不会被修改(或仅稍有修改)。将叶片222添加到第二分支212。选择分支212加上叶片222的总电气长度，使得该元件的辐射频率f'j接近于主干的模式的辐射频率fj之一。由此围绕频率fj产生的二阶谐振结构的技术效果与以上针对第一分支所讨论的相同。

根据本发明的这些方面，当包括主干和叶片的天线装置具有辐射频率fi、fj时，在两个频率的冷点的位置处添加如上所述限定的长度、的分支将产生围绕fi、fj的限定带宽。

图2a和2b的天线装置由金属丝和金属叶片形成。形成主干和分支的电线可以用金属带代替。主干和分支可能具有完全不同的形状因子。例如，主干可以是螺旋3D结构。这在长波长/低频的情况下可能是有利的。因此放置分支将需要一定的注意，以尽可能地避免电耦合(即，必须保持天线装置的不同元件之间的最小距离)。图2a和2b的示例性结构的叶片与主干和分支共面。但是也可以考虑其他布置，特别是当主干和分支具有3D形状因子时。

图2c示出了根据本发明的2D天线装置200c的实施例，其具有：主干211c，在该主干上的两个叶片221c、222c，具有叶片223c的分支212c，在点P处与主干连接，点P是与馈电线建立连接处。主干、分支和叶片可以通过印刷工艺制造在纸基板上，但是基板也可以是刚性的或柔性的，如聚合物或陶瓷基板的情况那样。基板也可以是任何其他非导电材料。印刷可以通过对基板进行的先前的金属化和进一步的蚀刻或通过选择性地印刷基板来进行。接地平面通过相同的工艺被植入在基板的背面上。

图3示出了现有技术的天线装置和根据本发明一些实施例的天线装置的理论频率响应。

图3的曲线图的横轴是由天线装置辐射的信号的频率(例如以GHz为单位)。纵轴是天线装置的以dB为单位的匹配水平。曲线310示出了现有技术的天线装置的频率响应，即具有单个谐振频率，例如图1a中的一个，而曲线320示出了具有双谐振器结构的天线装置的频率响应，例如图2a中的一个。

第一装置的带宽BW1 311例如被限定用于-10dB的匹配水平。在相同的匹配水平，第二装置的BW2 321要大得多，因为频率响应被双谐振器结构放大。

如现在所示，增加谐振器结构的阶数将再次扩大带宽。

图3a和3b分别示出了在一阶模式下形成三阶谐振结构的天线装置及其频率响应。

图3a的天线装置300a具有主干310a(第一主要导电元件)、第一分支320a(第二主要导电元件)和第三分支330a(第三主要导电元件)。

选择第一高阶模式f1、f'1和f”1的辐射频率，使得辐射结构形成三阶谐振器，如图3b中可以看出的。

天线装置的设计者应该应用的规则类似于上面关于二阶谐振器的设计所解释的那些规则：找到目标带宽(从f'1到f”1)和目标匹配水平之间的最佳折衷。

可以通过设计被组织为具有第一主要导电元件和(k-1)个其它主要导电元件的k阶谐振结构的天线装置来概括该方法，导电元件被配置为以目标匹配水平覆盖目标带宽。

图4示出了图1a和2a的天线装置的实验频率响应。

曲线410示出了图1a的天线装置的频率响应，所述天线装置是在三个不同谐振频率f411、f1 412和f2 413上的单个谐振器的装置。在该示例性实施例中，f＝0.6GHz，f1＝1.8GHz，f2＝2.65GHz。

曲线420示出了图2a的天线装置200a的频率响应。已经选择分支211和叶片221的长度以限定不太远离f1的频率f'1 422。在这种情况下，f'1＝1.35GHz，即比f1低0.45GHz。在-10dB的匹配水平的带宽从1.3GHz到1.8GHz，而图1a的天线装置100的带宽在相同的-10dB匹配水平下对于频率f1是1.75-1.9GHz。这个示例清楚地说明了添加到主干上的分支的技术效果，围绕目标频率的可用带宽从0.15GHz增加到0.5GHz。

图5示出了图1a和2b的天线装置的实验频率响应。

图4的曲线410在图5上用相同的附图标记再现。它显示了单个谐振器的相同的三个频率f411、f1 412和f2 413。

曲线520示出了图2b的天线装置200b的频率响应。已经选择分支212和叶片222的长度以限定不太远离f2的频率f'2 523。在这种情况下，f'2＝2.35GHz，即比f2低0.30GHz。在-10dB的匹配水平下该频率的带宽从2.2GHz到2.6GHz，而在相同的-10dB匹配水平下图1a的天线装置100的带宽小于0.1GHz。还应该指出，频率f1 412、522处的带宽基本上不受影响。

图6示出了图2c的天线装置的实验频率响应。

曲线610示出了频率响应。该天线装置是具有2.45GHz的第一频率f611和5.5GHz的第二频率f1 612的双频带Wi-Fi天线。由于添加到天线装置的分支212c和叶片223c产生具有大约4.75GHz的第二频率f'1 622的双谐振器，在-10dB处围绕f1的带宽从4.3到6GHz(1.7GHz)，而围绕f的带宽只有大约0.4GHz。

图7a、7b和7c示出了现有技术的单极天线中谐波的热点和冷点的定位。

如EP2016/306059.3所公开的，对于盆景天线的每种辐射模式，沿着天线的整个主干存在与该模式相关的电流(双重电压)图。此图显示了冷点(对于此模式等效于短路或电流的最大值)和热点(对于此模式等效于开路或电压的最大值)。热点可以通过在现场添加叶片而允许模式频率的大幅移位，而在冷点添加叶片不会改变模式的辐射频率。图7a、图7b和图7c说明了热点和冷点之间的这种差异。

如图7a所示，在基本模式中，电流分布由曲线710a表示。只有一个热点721a和一个冷点731a。

如图7b所示，在对应于基本模式的三次谐波的第一高阶模式中，电流分布由曲线710b表示。有两个热点721b和722b以及两个冷点731b和732b。

如图7c所示，在对应于基本模式的五次谐波的第二高阶模式中，电流分布由曲线710c表示。有三个热点721c、722c和723c，以及三个冷点731c、732c和733c。

可以看出，热点721c、722c、723c位于显示沿着极柱的电流分布的曲线710c的过零点处。添加位于这些热点之一处的叶片会将辐射频率移位到较低的值。相反，冷点731c、732c，733c位于曲线710c上的电流的最大值处。对于基本模式，只有一个热点和一个冷点。对于第一高阶模式(阶编号为2k+1的k＝1的三次谐波)，有2个热点和2个冷点，即有k+1个热点和k+1个冷点。热点和冷点沿极柱交替。对于k＝1，热点与相邻的冷点之间的距离等于谐波波长的四分之一或基波长的十二分之一或λ/4(2k+1)或热点与下一个最近的热点之间的距离等于极柱长度的三分之二或基波长的六分之一或λ/2(2k+1)或这些规则可以推广到对应于5次、7次谐波等的高阶模式k＝2、3等。对应于5次谐波的二阶模式有3个热点和3个冷点，两个连续的热点间隔。对应于7次谐波的三阶模式有4个热点和4个冷点，两个连续的热点间隔。

这些规则允许将叶片放置在盆景天线装置的主干或分支上，以最大化或最小化相对于对应模式的基础频率的频率移位。

根据本发明，应用类似的规则来确定添加到主干的分支的连接点的位置以扩大带宽，如以下关于附图所描述的。

图8a和8b分别表示具有单极天线元件的现有技术的天线装置及其频率响应的示意图。

在图8a上显示了在频率f、f1和f2处谐振的长度为的单极天线810a。该单极天线810a被认为是盆景天线装置的主干。可以将叶片添加到主干以调整天线装置的谐振频率。在图中显示的实施例中，没有添加叶片。

在图8b中示意性地表示分别为811b、812b和813b的天线的电气响应，具有三个谐振频率f、f1和f2。在三个频率f、f1和f2中的每一个处，天线装置将被视为一阶谐振结构。

图8c、8e、8g和8i表示根据本发明的多个实施例的具有两个“单极”天线元件的天线装置的示意图。

如前所述，此处使用的表述“单极”天线借助谐振结构具有方位角为全向的辐射图的事实来证明是合理的。

在图8c中，将长度的分支810c在冷点810处添加到主干。在该图8c上显示的示例中，冷点是对于主干的所有谐振模式为冷的短路点。是由f'限定的，而f'又应该被限定为围绕f的目标带宽和目标带宽上的目标匹配水平的函数，如前所述。在这个示例中，比稍高，f'因而比f稍低。

应用具有不同目标频率的类似设计规则来获得图8e和8g的示意性天线装置。

在图8e中，将具有比稍高的长度的分支810e在作为短路点的冷点810处添加到主干，冷点810对于天线装置的所有谐振模式是冷的。分支将以稍低于f1的频率f'1谐振。

在图8g中，将具有比稍高的长度的分支810g在作为短路点的冷点810处添加到主干，冷点810对于天线装置的所有谐振模式是冷的。分支将以稍低于f2的频率f'2谐振。

在图8i中，将具有比稍高的长度的分支810i在位于距短路点810的三分之二的距离处的冷点820i处添加到主干，该冷点仅对于频率f1是冷的。因此，添加分支将改变主干的谐振频率f和f2，而不改变谐振频率f1。

图8d、8f、8h和8j分别表示图8c、8e、8g和8i的天线装置的频率响应。

由于分支810c的长度高于主干的长度，天线装置的所有模式都受到影响。从图8d可以看出，产生了靠近主干的谐振频率811b、812b和813b的三个附加谐振频率811d、812d和813d。这是因为这个分支将在比主干的三个谐振频率更低的频率处谐振。在三个频率f、f1和f2处的频率响应将是双谐振器类型，因此天线装置在这三个频率处将覆盖增加的带宽。

如图8f所示，作为分支810e的尺寸确定的结果，由于f'1(812f)和f1之间产生的双谐振器结构，仅频率f1将具有增加的带宽。

如图8h所示，作为分支810g的尺寸确定的结果，由于f'2(813h)和f2之间产生的双谐振器结构，仅频率f2将具有增加的带宽。

如图8j所示，作为分支810i的尺寸确定和定位的结果，由于分支的谐振频率f'1814j，仅频率f1 812j将具有增加的带宽，同时频率f和f2将移位到新值f”811j和f”2 813j。

以上示例仅仅是对本发明的一些实施例的说明。取决于所针对的应用，普通技术人员可以考虑其他实施例。

例如，可以将其他分支添加到先前分支，而不是直接添加到主干。图8k显示了这样一个示例。

图9a和9b分别表示根据现有技术的具有单极天线元件和多个叶片的现有技术的天线装置及其频率响应的示意图。

图9a是在图1a(以No.EP2016/306059.3提交的欧洲专利申请)上显示的相同申请人和发明人的在先发明的示例性实施例的示意图。它具有一个主干和两个叶片。

图9b表示该示例性实施例的近似频率响应。可以看出，天线装置被调谐为在三个频率f、f1和f2处谐振，其中一个是基本模式，另外两个是高阶模式。通过将具有确定参数(长度、形状因子和取向)的叶片放置在适当的位置来执行调谐，放置的规则和参数的限定在以No.EP2016/306059.3提交的欧洲专利申请中限定。

图9c和9e表示根据本发明的实施例的具有两个或三个单极天线元件和叶片的天线装置的示意图。

图9c是本发明的示例性实施例的示意图，其在架构上与图2a上显示的原型相似。它具有主干和两个叶片，如图9a的天线装置。但是，在作为三个频率f、f1和f2的冷点的天线装置的馈电点处添加了具有叶片的分支。

图9e是本发明的示例性实施例的示意图，其在架构上与图2b上显示的原型相似。它具有主干和两个叶片，如图9a的天线装置。但是，在作为三个频率f、f1和f2的冷点的天线装置的馈电点处添加了各具有一个叶片的两个分支。

图9d和9f分别表示图9c和9e的天线装置的频率响应。

在图9c所示的天线装置的馈电点处添加了单个分支，该分支加上叶片具有总电气长度。如图9d所示，天线装置的这个子部分以接近于f1的频率f'1谐振，其中，(c是真空中的光速)。由于在f'1和f1之间产生的双谐振器结构，附加分支的效果因此扩大了总体天线装置围绕f1谐振的带宽。

在图9e中显示的实施例的情况下，两个分支各自确定谐振频率f'1和f'2，如上所述，它们分别被限定为f1和f2的函数。因此，如图9f所示，由于一方面在f'1和f1之间以及另一方面在f'2和f2之间产生的两个双谐振器结构，分别围绕频率f1和频率f2产生两个频带。

图10显示了根据现有技术的设计多频带天线装置的方法的流程图。

例如，可以如图10所示地组织用于特定应用的设计规则的选择。

该过程的第一步骤1010在于选择形成天线装置的主干的导线/带的部署长度和形状因子ff。如以上已经讨论的，基本模式的频率必须选择为高于或等于目标最低频率的值。要选择的形状因子取决于天线装置的目标尺寸。而且极柱的形状因子可以影响天线匹配。但是，如果匹配受到特定极柱形状因子的不利影响，则可以使用天线匹配技术对其进行校正。因此，普通技术人员将能够在紧凑性形状因子和天线装置的匹配之间找到适当的折衷。当天线装置正确匹配时(例如，等于或优于-10dB的水平)，主干的形状因子将对可用带宽几乎没有影响。

然后，在步骤1020，如上面关于图7a、7b和7c所解释的，针对每个辐射模式计算和/或在图上表示沿着极柱的热点和冷点的位置。

然后，在步骤1030，必须为初始化时设定为1的多个叶片q确定位置P、取向O、较长维度D、形状因子F，然后迭代地增加一个单位，直到获得全部目标频率。

放置第一叶片(q＝1)以便调谐基本模式的频率(如果需要的话)。极柱上只有一个区域对此模式具有电气敏感性。它位于处于开路的极柱的远端附近。因此这个基础频率只有一个自由度。应该选择参数P、O、D、F以便调整频移的值Δf＝g(k,P,O,D,F)。具有确定的参数P、O、D和F的叶片所产生的频移的幅度将取决于该模式的阶数k：阶数越高，对于叶片围绕热点的限定位移的频移的变化就越高。O是基于主干的形状因子来选择的，以最大化天线装置的整个体积的紧凑性，同时最小化与主干的电耦合。D和F是在模式的限定阶数下影响限定的P的Δf的主要因素。一旦调谐了辐射频率本身，则使用函数g来创建P、O、D和F参数对天线装置阻抗、天线装置匹配水平或电磁辐射的带宽中的一个或多个的“期望的影响”。

一旦确定了叶片的位置P，则参数O、D和F可以以任何顺序设置。

如果将这个叶片靠近作为其他模式的热点的位置放置，则这些其他模式的辐射频率也将被移位。移位的大小可以取决于这个叶片相对于这些其他模式的热点位置的位置。

在步骤1040，在已经通过相同过程添加叶片q之后，重新设计热点和冷点的图。

在步骤1050，测试是否所有频率已被调整到其目标值。如果是这样，则过程停止并且设计规则完成。如果不是，则应该添加叶片q+1来调整更高阶模式的频率。在作为该模式的热点且作为先前调整的低阶模式的冷点的位置P处添加新的叶片。如前所述，高阶模式具有更多数量的热点，因此具有更多数量的自由度。

图11表示根据本发明的用于天线装置的基本模式和第一至第三高阶模式的电场图。

这些图表示热点和冷点的图，其原理已经在上面特别关于图7a到7c进行了解释。

四种模式由曲线11100、11200、11300和11400表示。仅作为示例，横轴表示场的幅度，在幅度的1/3、幅度的2/3和幅度的100％(刻度11110)处具有截止值。在不脱离本发明的范围的情况下，可以选择其他的截止值。纵轴表示天线装置的部署主干元件的长度的百分比。对应于截止值的坐标在曲线上点11121、11122等处指示。沿极柱11131标记围绕对应于截止值的热点的区域。虽然为了图的可读性，它们仅由用于基本模式f的附图标记来标明，但可以容易地理解，相应的值和标记对于高阶模式具有相同的含义。标记为对应于幅度的2/3至100％的区域是叶片的位置变化将对频率移位具有显著影响的区域，在其他区域中叶片的位置变化对频率移位影响有限或根本没有影响。包括在热点的近端截止值内的区域被指定为“靠近”该热点的位置。仅作为示例，对于基础频率，叶片的位置变化将对频率移位具有显著影响的区域位于极柱的顶部和对应于最大幅度的2/3强度(对应于等于从馈电点810开始的极柱的总长度的46.4％的幅度值11121)的位置之间。该区域可以被指定为热区。从这个位置到对应于的21.7％和幅度的1/3的位置，叶片的位置变化将对频率移位产生有限的影响。这个区域可以被指定为“温区(tepid area)”。从该最后的位置到馈电点810，叶片的位置变化将不会影响频率移位。这个区域可以被指定为冷区。类似的观点和推理适用于为由曲线11200、11300和11400表示的其他高阶模式设置的点。

图11的图允许根据上面关于图10描述的方法放置叶片。

图12表示根据本发明的用于天线装置的基本模式和第一至第三高阶模式中沿天线的电灵敏度表。

该图包括两个表12100和12200。

表12100用不同的符号12121、12122、12123表示沿着极柱的分别属于热区、温区和冷区的点。该表示包括刻度12110，仅作为示例，刻度每隔部署极柱的长度的5％分度。在基本模式的刻度上，只有一个符号，而高阶模式则有两个符号。这两个符号说明标记的点位于这个模式的两个区域之间的事实。

表12200表示将表12100的符号转换成模式的频率移位对叶片的位置变化的灵敏度的索引。仅作为示例，以从0到6的刻度来选择索引。但是可以选择另一刻度而不脱离本发明的范围。表12300显示了本例中选择的转换规则。但是可以选择其他的转换规则。表12200使得能够清楚地看到叶片沿着极柱的位置变化对所有频率的影响。

在本发明的一些实施例中，可以确定限定每个模式的叶片位置的影响率的变量，并且还可以使用计算、模拟或算盘(abaci)来确定限定至少一些(如果不是全部的)变量的组合的函数。

图13表示根据本发明的用于辅助选择叶片的定位以调整在天线装置的基本模式和第一至第三高阶模式之中选择的一些频率的值的表格。

从图12的表12200可以确定叶片的位置将影响或不影响哪些频率。例如，放置在极柱长度的85％处的叶片将影响模式f和f1，而放置在的60％处的叶片将影响模式f和f2。

因此，根据本发明，可以使用现在以下关于图14描述的方法来限定被添加到天线装置的主干的叶片和分支的放置规则。

图14显示了根据本发明一些实施例的设计天线装置的方法的流程图。

当开始根据本发明的天线装置的设计时，在步骤1410确定没有叶片的第一主要导电元件(或盆景天线装置的主干)的参数(p＝1；q＝0)。在步骤1420，将其长度设定为值，使得该元件的相应谐振频率等于或高于天线装置的目标最低谐振频率。这个元件的其他参数如上面关于图10所解释的来确定。特别地，其形状因子ff是根据对应于该用例的规范来确定的，考虑到在它要连接到的通信设备中或周围可用的体积。

在步骤1430确定其电气响应。电气响应的确定可以使用诸如CST^TM、HFSS^TM、Feko^TM或Comsol^TM之类的电磁辐射仿真工具或任何其他专有软件来进行。它也可以通过诸如图11所示的那些的计算的组合来执行，以确定叶片q的适当位置P(q)，从而调整频率fi和实验以如上限定的那样确定其他参数(O、D、F)的影响。

直至调整分支p的所有频率之前(测试1440的输出为“是”)，添加新的叶片q+1(1441，1450)，并检查其对分支的电气响应的影响(1430)。添加新的叶片仅用于调谐为天线装置指定的频率的值或带宽。

当调整了该分支p的所有频率时，确定该分支在(p-1)先前分支之一上的位置P(p)(步骤1460)。在p＝1(即主干的设计)的情况下，该位置被很好地限定：它是天线装置的馈电点810。第p个附加分支应当位于按照规范限定的应该加宽带宽的频率之一的冷点处。与先前植入的辐射元件的最大正交性将通过将新分支定位在新分支应该与之形成至少等于二阶的谐振结构的分支/主干的馈电点处而获得。

然后，在步骤1470，应该确定天线装置的总体电气响应，以检查是否符合全部规范(频率fi处的目标带宽上的目标匹配水平)。这也可以使用已经提到的类型的电磁辐射仿真工具和/或进行实验来完成。

直至规范的所有频带已经调整在期望的匹配水平上之前(测试1480的输出为“是”＝>停止)，借助相同的分支(重做p)通过改变一些叶片的参数P、O、D、F中的一些或者通过增加新的叶片或者通过改变分支p的位置，或者通过增加新的分支(p＝p+1)来重复先前的循环(1481)。

本发明也可以应用于偶极天线。偶极天线是两极天线，其中两极由差分发生器激励。偶极天线的两极各自以具有相同特性的固定状态(stationary regime)进行操作。两极天线各自具有一个具有主干、一个或多个分支以及一个或多个叶片的结构。在本发明的一些实施例中，两个结构相对于与接地平面正交的平面对称。

因此，本说明书中公开的示例仅是本发明的一些实施例的说明。它们不以任何方式限制由所附权利要求限定的本发明的范围。