專利名稱：超寬頻帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于通信設(shè)備中的小尺寸超寬頻帶天線裝置。
背景技術(shù)：
隨著第二代和第三代無線通信技術(shù)的成功，第四代或長期演進(jìn)(LTC)現(xiàn)在正在開發(fā)中。4G/LTE移動通信提供了高數(shù)據(jù)傳輸率的寬帶多媒體服務(wù)。LTE協(xié)議提供了至少為IOOMbp的下行鏈路峰值速率和至少為50Mbp的上行鏈路峰值速率及少于IOms的RAN來回行程時間。LTE支持從1. 4MHz到20MHz的可定標(biāo)傳輸帶寬并同時支持頻分雙エ(FDD)和時分雙エ(TDD)。LTE下一步演進(jìn)為高級LTE并且在3GPP的版本10中被標(biāo)準(zhǔn)化。所述標(biāo)準(zhǔn)包括定義了從語音導(dǎo)向類到支持峰值數(shù)據(jù)速率的高端終端的5個不同的終端類別。所有的終端將能夠處理20MHz的帶寬。通過支持如1. 4MHz樣小的和如20MHz這樣大的頻譜切片，頻譜靈活形得到了提高。IMT系統(tǒng)現(xiàn)在使用的所有頻率計劃將被使用。LTE中的ー個研究難題為用戶設(shè)備(冊)和eNODE B之間的接ロ的寬頻率范圍如 698MHz到^90MHz。如果使用標(biāo)準(zhǔn)的半偶極子或四分之一波長的單極子天線，那么用于低頻率范圍的天線的尺寸將會是大約21cm或10. 5cm。對于應(yīng)用在用戶設(shè)備例如移動電話中， 這樣的尺寸將顯得太大。此外，標(biāo)準(zhǔn)偶極子和單極子天線的帶寬太窄，不能覆蓋4G通信中的工作頻帶。人們已經(jīng)提出并使用了不同的天線設(shè)計，其中沒有ー個具有覆蓋698MHz到 ^590MHz的整個頻率范圍的超寬頻帶特性。例如，可以使用其中天線元件由具有兩個彎曲部分的線性導(dǎo)體形成的天線元件天線裝置，天線元件其中，饋送端子被置于天線元件的預(yù)定位置并且天線元件的一個端部接地。天線裝置還可以具有由具有四個彎曲部分的線性導(dǎo)體形成的天線元件。通過這種方式，由于單極子天線的天線元件彎曲，所以天線裝置能夠減小設(shè)備面積。因此，這些是彎曲單極子天線，因而它們相比直的單極天線需要更小的長度。工作于多頻帶中的分支天線也被應(yīng)用于手持無線電話中。分支天線典型地包括置于基板上的一對導(dǎo)電跡線，所述導(dǎo)電跡線用作輻射元件并從饋送點分叉。所述天線一般包括具有ー對蜿蜒的輻射元件的扁平基板，輻射元件置于基板上。所述蜿蜒的輻射元件從電連接天線和用戶設(shè)備中的射頻電路的饋送點分叉。每個蜿蜒的輻射元件構(gòu)造為在各自的頻帶中諧振。分支天線可在對4G工作而言太窄的頻帶內(nèi)發(fā)射和接收電信號。此外，為了減小分支天線的尺寸，一般地需要壓縮每個輻射元件的圖案蜿蜒圖案，這一般將使輻射元件能夠工作的頻帶變窄。為了解決這個問題，可使用包括扁平的電介質(zhì)基板的天線，在所述基板的表面上設(shè)置有一對輻射元件，如導(dǎo)電銅跡線。輻射元件從電連接器分支到將天線電連接至用戶設(shè)備(UE)中的射頻(RF)電路的饋送點。每個輻射元件在各自的構(gòu)造成在相應(yīng)的頻帶中諧振的電長度上具有相應(yīng)的圖案蜿蜒圖案，所述頻帶優(yōu)選為一個高頻帶和ー個低頻帯。電介質(zhì)基板使用的材料優(yōu)選地為FR4 或聚酰亞胺0。電介質(zhì)基板應(yīng)當(dāng)具有大約2到4之間的介電常數(shù)。電介質(zhì)基板的大小和形狀為調(diào)諧(timing)參數(shù)。高頻帶和低頻帶輻射元件的尺寸可依據(jù)電介質(zhì)基板的空間限制而變化。通過改變高頻帶和低頻帶輻射元件的圖案蜿蜒圖案的形狀和構(gòu)造，可調(diào)節(jié)天線的 W覓。天線的另一個例子中，主要原理為多頻帶天線的不同分支以不同的頻率諧振。天線分支被連接到共用部分以在天線分支和用戶設(shè)備的發(fā)射收發(fā)器電路之間交換信號。第一分支具有一定的長度和構(gòu)造，以具有第一頻帶中的諧振頻率，第二分支具有一定的長度和構(gòu)造，以具有第二頻帶中的諧振頻率。例如在制造吋，天線的兩個頻帶都被調(diào)諧到大約50 Ω 的阻杭。每個天線分支由相對柔性的電介質(zhì)膜和由彎曲金屬線形成的帯狀天線構(gòu)成。金屬線能夠通過印制、刻蝕或其他合適的方法形成。因為膜為柔性材料，所以印制的膜能夠被卷成大致的圓柱形狀以作為天線分支使用。依據(jù)天線設(shè)計考慮，所述圓柱可部分開ロ或完全封閉。例如，通過所述圓柱直徑的變化，天線的帶寬能夠變化。所述彎曲的金屬線在天線分支之間變化使得不同的天線分支在不同的頻率諧振。這樣，通過選擇合適的帶尺寸和每個分支的圖案，多諧振和多分支能夠?qū)崿F(xiàn)。所述天線分支與單極子天線類似。遺憾的是，分支天線可發(fā)射和接收電線號的頻帶太窄而難以滿足LTE和4G的需要，或者幾乎沒有余量以考慮用戶設(shè)備的0環(huán)境。此外，為了減小手持天線的大小，一般必須壓縮輻射元件的圖案蜿蜒圖案。因而，考慮到超寬頻帶用戶設(shè)備的需求和用于這樣的移動通信設(shè)備的傳統(tǒng)天線的問題，需要能夠工作于LTE或4G頻率范圍的更小的超寬頻帶天線。此外，近年來在除移動通信外的其它領(lǐng)域天線的使用也在増加。例如，機(jī)器與機(jī)器通信等的エ業(yè)領(lǐng)域中或患者監(jiān)視等的醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域中，對天線的需求不斷増加。在追求家庭自動化的過程中家用電器領(lǐng)域?qū)μ炀€的需求也在不斷増加。具有改善的寬帶頻率特性且尺寸緊湊的天線不僅被移動通信設(shè)備所期望，而且也被非移動設(shè)備所期望。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供用于超寬頻帶的無線通信設(shè)備中的小尺寸天線。這個目的通過獨(dú)立權(quán)利要求中請求保護(hù)的發(fā)明被實現(xiàn)。從屬權(quán)利要求限定了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。本發(fā)明意義上的通信設(shè)備涉及任何移動設(shè)備，如用戶設(shè)備、移動電話、移動手持裝置、手提電腦的無線調(diào)制解調(diào)器、手提電腦、真空吸塵器等，或非移動設(shè)備，如エ業(yè)機(jī)械，家用電器，醫(yī)療設(shè)備等。因此，本發(fā)明意義上的非移動設(shè)備涉及使用者一般不想攜帯或移動的裝置，例如，通常是靜止裝置。在家用電器領(lǐng)域中，咖啡機(jī)或冰箱為本發(fā)明意義上的非移動設(shè)備的例子。本發(fā)明所提出的在通信設(shè)備中使用的具有超寬頻帶的天線包括在第一端具有電連接的第一折疊分支天線元件和在第一端具有電連接的第二折疊分支天線元件，所述天線具有小尺寸超寬帶寬天線的優(yōu)點。在有利的實施例中，第一折疊分支天線元件和第二折疊分支天線元件從第一端到第二端寬度增加，因為這增加了天線的帶寬。在另ー實施例中，所述第一折疊分支天線元件和第二折疊分支天線元件為三角形狀，或為三角形、矩形或多邊形的組合，這使得便于確定天線的帶寬。在另ー實施例中，所述第一折疊分支天線元件和第二折疊分支天線元件為維瓦爾迪(Vivaldi)天線，這使得它們直接作為超寬頻帶天線制造。在另ー實施例中，所述第一折疊分支天線元件和第二折疊分支天線元件長度不同，這具有増加天線帶寬的優(yōu)點。在另ー實施例中，所述第一折疊分支天線元件調(diào)諧為第一頻帶，且所述第二折疊分支天線元件調(diào)諧為第二頻帶，所述第一頻帶和第二頻帶位于從698MHz到^590ΜΗζ的范圍內(nèi)，這使得該超寬頻帶天線可用于LTE/4G中。在本發(fā)明的另ー個有利實施例中，所述第一折疊分支天線元件和第二折疊分支天線元件由導(dǎo)電金屬制成，優(yōu)選銅或銀，因而它們具有有利的輻射性能。在另一有利實施例中，所述第一折疊分支天線元件和第二折疊分支天線元件被電連接到印制電路板(PCB)或無線通信設(shè)備的底板(chassis)。天線可以直接接觸PCB，例如， 經(jīng)由PCB板的RF輸入/輸出，或間接地接觸PCB，例如經(jīng)由安裝在通信設(shè)備底板上的RF輸入/輸出(接地)。將電介質(zhì)元件設(shè)置在所述第一折疊分支天線元件和第二折疊分支天線元件之間， 這具有超寬頻帶天線能夠被制造得更小的優(yōu)點。同樣地，將電介質(zhì)元件設(shè)置在第二折疊分支天線元件的第一端和第二端之間，因而設(shè)置在第二折疊分支天線元件產(chǎn)生的回路中，這也具有使得超寬頻帶天線尺寸更小的效果。在本發(fā)明的另一有利實施例中，所述第一折疊分支天線元件和第二折疊分支天線元件纏繞電介質(zhì)元件或被印制到電介質(zhì)元件上以改善天線的機(jī)械穩(wěn)定性。在本發(fā)明的另一有利實施例中，所述第一折疊分支天線元件以90°折疊兩次，且所述第二折疊分支天線元件以每次90°折疊三次，這使得所述超寬頻帶天線尺寸更小。將所述第二折疊分支天線元件的第二端與其本身電短路并且產(chǎn)生回路，這具有迸 ー步減小所述超寬頻帶天線尺寸的優(yōu)點。在所述超寬頻帶天線中設(shè)置在第一端具有電連接的第三折疊分支天線元件，這具有能夠進(jìn)一歩改善電壓駐波比(VSWR)或增加帶寬的優(yōu)點。在本發(fā)明的另一有利實施例中，制造超寬頻帶天線的方法包括以下步驟將第一折疊分支天線元件的導(dǎo)電金屬印制到電介質(zhì)元件的三個側(cè)面，和將第二折疊分支天線元件的導(dǎo)電金屬印制到電介質(zhì)元件的四個側(cè)面。


附圖中圖1示出了具有三角形狀的天線元件的雙分支天線；圖2示出了圖1中雙分支天線的另一個視圖；圖3示出了具有電介質(zhì)元件的雙分支天線；圖4示出了圖3中的天線安裝于裝置中的電壓駐波比；圖5示出了短路的三角形狀雙分支天線；
圖6示出了圖5中天線的另ー個視圖；圖7示出了具有兩個電介質(zhì)元件的短路雙分支天線；圖8示出了圖7中天線安裝于裝置中的電壓駐波比。
具體實施例在此提供了基于本發(fā)明實施例并參照附圖的更加詳細(xì)的說明。首先，將描述優(yōu)選的實施例。然而本發(fā)明不應(yīng)被解釋為限于此處所闡述的實施例。 相反地提供這些實施例是為了本公開的全面和完整及向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分地表達(dá)本發(fā)明的范圍。附圖中相同的標(biāo)號始終表示相同的部件。具體地，這個優(yōu)選實施例的天線被描述為用于長期演進(jìn)(LTC)或4G網(wǎng)絡(luò)中的移動通信設(shè)備。然而，可以想到的是，小尺寸的超寬頻帶天線能夠在許多不同的情形中使用，包括固定無線接入，WLAN、WiFi等。在以下的整個說明中，雙分支天線被描述為用于移動通信設(shè)備，所述移動通信設(shè)備可為用戶設(shè)備、移動電話、移動手持裝置，手提電腦的無線調(diào)制解調(diào)器等。然而，所述天線也能用于非移動設(shè)備中，如家用電器，エ業(yè)機(jī)械，醫(yī)療裝置等。如之前描述的，本領(lǐng)域中已知折疊偶極子和單極子被用于減小用戶設(shè)備或移動裝置中所需天線的大小。如已說明的，在LTE和4G的環(huán)境中，這些偶極子和單極子天線提供的帶寬將不夠用。為了實現(xiàn)LTE所必需的寬帶寬，如從698MHz到沈90MHz，本發(fā)明中使用了三角形天線或維瓦爾迪天線。如果它們以常規(guī)的方式被采用，那么由于這些超寬頻帶天線不能嵌入用戶設(shè)備或移動裝置，所以將再次出現(xiàn)尺寸的問題。在包括下一代無線終端的多個實際應(yīng)用中，寬頻帶工作正變得越來越普遍。在這些應(yīng)用中，一般優(yōu)選尺寸小并且結(jié)構(gòu)簡單的寬頻帶天線。無線通信系統(tǒng)中有時使用微帶貼片天線，因為它們尺寸小，重量輕，剖面低，成本低且易于制造和裝配。維瓦爾迪天線看上去像印制在電路板上的ニ維喇叭狀，即電路板上的導(dǎo)電金屬朝著由兩個指數(shù)圖案界定的開ロ變寬。饋送源(feed)位于開ロ的相反側(cè)。由于三角形的頂角能夠變化，所以三角形天線能夠以不同的尺寸實現(xiàn)。有時使用等邊三角形。有寬開ロ的端為輻射側(cè)并且三角形的頂端被饋送。通過這種方式，維瓦爾迪天線和三角形天線的寬帶特性被使用同時保持了天線的小尺寸。這將通過折疊天線元件實現(xiàn)。眾所周知，天線為發(fā)射和/或接收電信號的裝置。發(fā)射天線一般包括饋送組件，饋送組件誘導(dǎo)或激發(fā)孔或反射表面以輻射電磁場。接收天線一般包括將入射輻射場會集到產(chǎn)生正比于入射輻射的電信號的收集饋送源的孔或表面。電壓駐波比(VSWR)與天線饋送點和通信裝置如用戶設(shè)備的饋送線或傳輸線的阻抗匹配相關(guān)。為了以最小損失輻射射頻能量或以最小損失將接收到的射頻能量傳送到用戶設(shè)備的接收器中，用戶設(shè)備天線的阻抗通常與傳輸線或饋送點的阻抗相匹配。傳統(tǒng)的用戶設(shè)備一般采用電連接到收發(fā)器的天線，其中收發(fā)器連接到內(nèi)部PCB上的信號處理電路。為了使得天線和收發(fā)器之間傳輸?shù)哪芰孔畲?，天線和接收器互連使得各自的阻抗大致匹配，即電調(diào)諧以在饋送點提供50 Ω的阻抗值。圖1示出了三角形狀的雙分支天線100。第一分支天線元件101和第二分支天線元件102連接到地線103，地線103優(yōu)選為PCB板。雙分支天線100優(yōu)選地由導(dǎo)電金屬制成并由金屬帶連結(jié)到如PCB板的地線。所述天線在地線和分支點之間十分狹窄，從雙分支天線100的分支點起，雙分支天線元件101和102為ニ維的三角形狀。兩個分支天線元件 101和102都折疊兩次。第一分支天線元件101從地線103延續(xù)直到90°的第一次折疊。第二次折疊是沿相同方向的另ー個90°。第二分支天線元件102的第一次折疊出現(xiàn)于第一分支天線元件 101的第一次折疊之前并且在第一次折疊的方向分支出。第二分支天線元件102的第一次折疊出現(xiàn)在第一分支天線元件101的第一次折疊之前，并沿分支天線元件101的第一次折疊的方向分支出去。第二分支天線元件102的第一折疊相對于第二分支天線元件102的第一部分成90°，從而使得其與第一分支天線元件101的第一部分平行。第二分支天線元件 102的第二次折疊相對于第二分支天線元件102的第二部分成90°，使得第二分支天線元件102的第三部分與第一分支天線元件101的第二部分平行。圖2為圖1中的天線100的另ー個視圖，更清楚的示出了雙分支天線100如何固定到所述PCB板103以及折疊分支天線元件101和102如何為三角形狀。所述雙分支天線具有兩個折疊元件，這進(jìn)ー步增加了超寬頻帶天線的帶寬，并且使得在一個單個天線中同時覆蓋LTE的較低波段和較高端波段成為可能。這意味著每個分支能夠被設(shè)計和調(diào)諧，使得移動通信裝置內(nèi)的工作中電壓駐波比仍可接受，同時整個天線 100具有超寬的帶寬。圖3中能夠看出，電介質(zhì)塊204能夠被使用于雙分支天線100的第一分支天線元件101和第二分支天線元件102之間。増加電介質(zhì)材料使得對于相同的頻帶，所述天線能夠被制造的甚至更小。此外，兩個分支天線元件之間具有電介質(zhì)塊，這改善了天線的穩(wěn)定性。這還允許制造過程中包括環(huán)繞電介質(zhì)塊纏繞兩個天線元件或使得兩個天線元件印制在電介質(zhì)塊上。電介質(zhì)元件還能夠被插入到由折疊的第二分支天線元件102形成的回路中。上述天線100的尺寸一般地為50mmxl0mmx8mm，從而一般電介質(zhì)塊204的厚度為 5mm，接地板/PCB板的尺寸為50mmxl00mm。圖4示出了圖3中天線在安裝于ー個裝置中時的電壓駐波比(VSWI )。在相關(guān)的 LTE的頻率范圍698MHz到^90MHz內(nèi)示出所述電壓駐波比。如圖4中能夠看出的，對于在移動通信裝置中使用而言，在所關(guān)注的整個頻率范圍上，所述電壓駐波比是可接受的。圖5示出了短路的三角形狀的雙分支天線300。兩個分支在一端連接到地線/PCP 板303并且從分支點向前增加寬度。關(guān)于分支天線元件301，對于第一分支天線元件301， 在這個具體的情形中，其在三角形部分之后折疊并且變成矩形部分，然后矩形部分再次折疊。第二分支天線元件302也是三角形狀的，并且在寬度仍然增加的同時被折疊，第二次折疊發(fā)生于三角形狀的末端。第二折疊后第二分支天線元件為矩形形狀。第二分支天線元件 302的第二端具有與第一分支天線元件301的三角形部分的電連接，由此產(chǎn)生短路。圖6示出了圖5中天線的另ー個視圖，其中更加清楚的示出了第二分支天線元件 302的第二端電連接到第一分支天線元件301的三角形部分。這個短路連接發(fā)生于第一分支天線元件301的大約一半高度處。如圖5和圖6中能夠看出的，第二分支天線元件302由于短路連接304產(chǎn)生了一個回路。如圖8中能夠看出的，相比于圖4，這導(dǎo)致了天線的電壓駐波比得到改善。圖7示出了短路的雙分支天線400，其具有插入第一分支天線元件401和第二分支天線元件402之間及插入第二分支天線元件402的折疊回路中的兩個電介質(zhì)塊。這些電介質(zhì)塊205、206為降低天線頻率響應(yīng)的可選擇特征。第一分支天線元件401和第二分支天線元件402為維瓦爾迪形或三角形的超寬頻帶天線元件，并在一端連接到地線/PCB板403。 在這個實施例中，第二分支天線元件402被短路到其自身，使得其第二端連接第一端，由此產(chǎn)生ー個回路。圖7中天線的典型參數(shù)為天線的尺寸為50x10x8mm，電介質(zhì)的厚度為5mm，接地板的尺寸為50x100mm。圖8中示出了圖7中的天線安裝于裝置中時的電壓駐波比(VSWR)。此處能夠看出電壓駐波比在LTE/4G所使用的頻率范圍內(nèi)是合理的。
權(quán)利要求
1.一種用于通信設(shè)備的超寬頻帶天線(100)，包括第一折疊分支天線元件(101)，在第一端具有電連接；第二折疊分支天線元件(102)，在第一端具有電連接。
2.如權(quán)利要求1所述的超寬頻帶天線(100)，其中，所述第一折疊分支天線元件(101) 和第二折疊分支天線元件(10 從第一端到第二端寬度增加。
3.如權(quán)利要求1所述的超寬頻帶天線，其中，所述第一折疊分支天線元件(101)和第二折疊分支天線元件(10 為三角形狀，或三角形、矩形或多邊形的組合。
4.如權(quán)利要求1所述的超寬頻帶天線，其中，所述第一折疊分支天線元件(101)和第二折疊分支天線元件(102)為維瓦爾迪天線。
5.如權(quán)利要求1到4中任一項所述的超寬頻帶天線，其中，所述第一折疊分支天線元件 (101)和第二折疊分支天線元件(102)的長度不同。
6.如權(quán)利要求1到5中任一項所述的超寬頻帶天線，其中，所述第一折疊分支天線元件 (101)調(diào)諧為第一頻帶，且所述第二折疊分支天線元件(10 調(diào)諧為第二頻帶，所述第一頻帶和第二頻帶在從698MHz到^90MHz的范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1到6中任一項所述的超寬頻帶天線，其中，所述第一折疊分支天線元件 (101)和第二折疊分支天線元件(10 由導(dǎo)電金屬制成，所述導(dǎo)電金屬優(yōu)選為銅或銀。
8.如權(quán)利要求1到7中任一項所述的超寬頻帶天線，其中，所述第一折疊分支天線元件 (101)和第二折疊分支天線元件(10 被電連接到印制電路板或移動通信設(shè)備的底板。
9.如權(quán)利要求1到8中任一項所述的超寬頻帶天線，進(jìn)一歩包括位于所述第一折疊分支天線元件(101)和第二折疊分支天線元件(10 之間的電介質(zhì)元件004)。
10.如權(quán)利要求1到9中任一項所述的超寬頻帶天線，進(jìn)一歩包括位于所述第二折疊分支天線元件(10 的所述第一端和第二端之間的電介質(zhì)元件。
11.如權(quán)利要求9或10所述的超寬頻帶天線，其中，所述第一折疊分支天線元件(101) 和第二折疊分支天線元件(10 纏繞電介質(zhì)元件(204)或被印制到電介質(zhì)元件上。
12.如權(quán)利要求1到11中任一項所述的超寬頻帶天線，其中，所述第一折疊分支天線元件(101)以90°折疊兩次，且所述第二折疊分支天線元件(102)以每次90°折疊三次。
13.如權(quán)利要求1到12中任一項所述的超寬頻帶天線，其中，所述第二折疊分支天線元件的第二端與所述第二折疊分支天線元件電短路。
14.如前述任一項權(quán)利要求所述的超寬頻帶天線，進(jìn)一歩包括在第一端具有電連接的第三折疊分支天線元件。
15.一種制造用于移動通信設(shè)備的超寬頻帶天線的方法，包括如下步驟將第一折疊分支天線元件的導(dǎo)電金屬印制到電介質(zhì)元件的三個側(cè)面，將第二折疊分支天線元件的導(dǎo)電金屬印制到電介質(zhì)元件的四個側(cè)面。
全文摘要
用于通信設(shè)備的超寬頻帶天線，包括在第一端具有電連接的第一折疊分支天線元件和在第一端具有電連接的第二折疊分支天線元件。折疊分支天線元件為三角形狀，或者為多邊形形狀的組合。通過采用本發(fā)明，縮小了天線的體積且實現(xiàn)了超寬帶寬。
文檔編號H01Q21/30GK102544700SQ20111029428
公開日2012年7月4日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月4日
發(fā)明者S.潘 申請人:泰科電子Amp有限責(zé)任公司