專利名稱：用于無線電通信設(shè)備的高效多頻段天線的制作方法
背景本發(fā)明一般涉及無線電通信系統(tǒng)，特別是涉及可以加到便攜式終端和使該便攜式終端在不同的頻帶內(nèi)進(jìn)行通信的天線，同時(shí)增加天線的效率。
在美國以及世界其他地區(qū)蜂窩電話工業(yè)在市場(chǎng)運(yùn)作中已經(jīng)具有了顯著的發(fā)展。在主要大城市地區(qū)的增長(zhǎng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期的情況并正在很快地突破系統(tǒng)容量。如果這種勢(shì)頭繼續(xù)，則這種工業(yè)增長(zhǎng)的效果將很快到達(dá)甚至最小的市場(chǎng)。要求改革解決方案以符合這些增加的容量需要，以及保持高質(zhì)服務(wù)和避免價(jià)格上浮。
遍于全球，先進(jìn)無線電通信系統(tǒng)的一個(gè)重要步驟為從模擬傳輸變到數(shù)字傳輸。有等同意義的是選擇有效的數(shù)字傳輸方案來實(shí)施下一代的技術(shù)，例如時(shí)分多路存取(TDMA)或碼分多路存取(CDMA)。此外，人們深信，使用能夠舒適攜帶并在家中，辦公室，街道，車輛等中用來進(jìn)行或接收呼叫的低成本的，袖珍式的無繩電話的第一代個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò)(PCN)將由例如使用下一代數(shù)字蜂窩系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的蜂窩載波器提供。
為提供設(shè)備兼容性的可接受的等級(jí)，在全球不同地區(qū)已建立了許多標(biāo)準(zhǔn)。例如，模擬標(biāo)準(zhǔn)，例如AMPS(先進(jìn)的移動(dòng)電話系統(tǒng))，NMT(北歐移動(dòng)電話)和ETACS，以及數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，例如D-AMPS(例如在EIA/TIA-IS-54-B和IS-136中規(guī)定的)和GSM(用于由ETSI采用的移動(dòng)通信的全球系統(tǒng))已經(jīng)對(duì)無線電通信系統(tǒng)頒布了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范。一旦建立起規(guī)范，這些標(biāo)準(zhǔn)將以相同或類似方式重新使用，以指定附加的系統(tǒng)。例如，除原始的GSM系統(tǒng)外，還存在DCS1800(由ETS1規(guī)定)和PCS1900(由J-STD-007中的JTC規(guī)定)，兩者均基于GSM。
然而，在蜂窩通信服務(wù)中最近的進(jìn)展包括采用附加頻段用于人工操作的移動(dòng)通信，例如，個(gè)人通信服務(wù)(PCS)服務(wù)。采納美國的一個(gè)例子，將蜂窩高頻段分配成兩個(gè)頻段(通常稱為A頻段和B頻段)以便在800MHz范圍進(jìn)行和控制通信。另一方面，在美國規(guī)定PCS高頻段包括在1900MHz范圍內(nèi)6個(gè)不同頻段(A,B,C,D,E和F)這樣，現(xiàn)在美國的任意給定服務(wù)區(qū)可利用八個(gè)頻段以便于通信服務(wù)。對(duì)PCS高頻段(例如PCS1900(J-STD-007),CDMA(IS-95)和D-AMPS(IS-136))已經(jīng)批準(zhǔn)了某些標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)已批準(zhǔn)用于蜂窩高頻段的其他標(biāo)準(zhǔn)(例如，AMPS(IS-54))。
指定用于蜂窩和PCS高頻段的每一個(gè)頻段被分配為多個(gè)業(yè)務(wù)頻道和至少一個(gè)接入或控制信道。通過發(fā)送/接收到/來自該移動(dòng)站的信息，該控制頻道被用于控制或監(jiān)控移動(dòng)站的工作。這樣信息可以包括入局呼叫信號(hào)，出局呼叫信號(hào)，尋呼信號(hào)，尋呼響應(yīng)信號(hào)，本地登錄信號(hào)，話音頻道分配，維修指令，越區(qū)切換和網(wǎng)孔選擇或再選擇指令，如果一個(gè)移動(dòng)站離開了一個(gè)網(wǎng)孔的無線電復(fù)蓋范圍和進(jìn)入另一網(wǎng)孔的復(fù)蓋范圍?？刂苹蛟捯纛l道可以或按模擬模式工作，按數(shù)字模式工作，或按組合模式工作。
由在業(yè)務(wù)和控制頻道上的下行鏈路中的一個(gè)基站發(fā)射的信號(hào)由移動(dòng)或便攜式的終端所接收。每個(gè)終端至少具有一個(gè)天線。歷史地，便攜式終端已采用過多種不同的天線形式在大氣接口接收和發(fā)射信號(hào)。例如已發(fā)現(xiàn)垂直安裝到一個(gè)導(dǎo)體表面的單極天線提供良好的輻射特性，合乎要求的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗和相當(dāng)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。單極天線可以按多種物理形式制作。例如頻繁用在與便攜式終端結(jié)合的桿狀或鞭狀天線。對(duì)于高頻應(yīng)用，在那里天線長(zhǎng)度為最小，選擇另一種螺旋天線。如

圖1所示，通過將天線沿其長(zhǎng)度繞成線圈，螺旋天線允許設(shè)計(jì)得更短。
為避免反射引起的損耗，天線一般被調(diào)諧到其要求的工作頻率上，調(diào)諧天線意指匹配在其輸入端上向天線觀察的阻抗，使得該輸入阻抗是一個(gè)純阻，即，它將不具有明顯的電抗分量。例如，調(diào)諧可以通過測(cè)量或估算與一個(gè)天線相關(guān)的輸入阻抗并提供一個(gè)適宜的阻抗匹配電路來執(zhí)行。
如上所描述的，提供能工作在不同寬頻段的便攜式終端將不久之后成為市場(chǎng)所要求的，例如設(shè)置在900MHz范圍的頻段和設(shè)置在1800MHz范圍的頻段。因此不久的將來在便攜式終端中將需要應(yīng)用在兩個(gè)頻段中提供適當(dāng)增益和帶寬的天線。已經(jīng)進(jìn)行了某些試驗(yàn)以便形成這種雙-波段天線。
例如，授予Phillips等的美國專利U.S.4,571,595公開了一種雙頻段天線，該天線具有鋸齒形導(dǎo)體元件。該雙頻段天線可以調(diào)諧到兩個(gè)近間隔的頻段之一(例如中心在9.15Mhz和960MHz)。但是這種天線設(shè)計(jì)是相對(duì)低效的，因?yàn)樗鼘?shí)際上那樣地接近移動(dòng)電話的機(jī)架。
日本專利6-37531公開了一種螺旋天線，其包含一個(gè)內(nèi)部附加金屬桿，在該專利中，通過調(diào)整該金屬桿的位置，該天線可以調(diào)諧到雙諧振頻率。不幸的是，對(duì)于在蜂窩通信中使用而言，設(shè)計(jì)帶寬太窄。
印制的雙頻段單極天線是人們所了解的，其中雙諧振是通過將附加的帶狀物加到很靠近一個(gè)印制單極天線來實(shí)現(xiàn)的。而這樣的一個(gè)天線具有足夠的帶寬用于蜂窩通信，它要求附加一個(gè)帶狀物。在瑞典的Moteco AB已設(shè)計(jì)了一種線圈匹配的雙頻段鞭狀天線和線圈天線，其中，雙諧振是通過調(diào)節(jié)該線圈匹配元件(對(duì)900MHz為1/4λ，而對(duì)1800MHz為1/2λ)實(shí)現(xiàn)的。該天線具有相對(duì)滿意的帶寬和輻射性能，其長(zhǎng)度僅約40mm，在未決的，共同轉(zhuǎn)讓的專利申請(qǐng)08/725 507中公開了一種尺寸相對(duì)小的非均勻螺旋雙頻段天線，題目是“多頻段非均勻螺旋天線”全部在此作為參考。
目前，用于如移動(dòng)電話這樣的無線通信設(shè)備的天線都直接安裝在電話的機(jī)架上。當(dāng)該移動(dòng)電話處談話狀態(tài)時(shí)天線很接近用戶頭部將降低該天線以及最終將降低通信設(shè)備的性能。本發(fā)明提出盡可能遠(yuǎn)離用戶的頭部來定位天線的輻射部分，由此增加輻射效率。
概述本發(fā)明提供具有多頻段旋臂天線組件的無線電通信設(shè)備，設(shè)計(jì)這種天線來增加天線的效率。本發(fā)明示例性實(shí)施例提供的天線組件包括一個(gè)多頻段輻射天線元件和一個(gè)多頻段套筒，該多頻段輻射器和套筒允許天線調(diào)諧到多個(gè)諧振頻率。該多頻段天線元件和套筒通過同軸饋電電纜固定到該通信設(shè)備的機(jī)架，該同軸饋電電纜是用來將那些元件同機(jī)架隔離。當(dāng)天線放置在一個(gè)完全展開的位置時(shí)，在天線輻射部分(即多頻段輻射天線元件和多頻段套筒)和用戶頭部之間的距離導(dǎo)至天線效率的增加。還放進(jìn)一種鐵氧體涂覆于同軸電纜的底部以減小流到機(jī)架的電流。
附圖的簡(jiǎn)要說明根據(jù)以下結(jié)合附圖的優(yōu)選實(shí)施例的說明將更理解本發(fā)明的上述目的和特征，其中圖1說明一種普通螺旋天線；
圖2說明按本發(fā)明的示例無線電通信設(shè)備；圖3說明按本發(fā)明的多頻段旋臂天線；圖4(a)說明按本發(fā)明的具有處收藏位置的多頻段旋臂天線的移動(dòng)電話的側(cè)視圖；圖4(b)說明按本發(fā)明的具有處完全展開位置的多頻段旋臂天線的移動(dòng)電話的側(cè)視圖；圖5(a)-(b)說明在用戶頭部和普通天線結(jié)構(gòu)輻射器之間以及和按本發(fā)明輻射器之間的距離。
圖6說明按本發(fā)明的多頻段旋臂天線的性能的圖形表示。
圖7說明一種短截線天線和按本發(fā)明的多頻段旋臂天線在1800MHz的輻射圖；以及圖8說明一種短截線天線和按本發(fā)明的多頻段旋臂天線在900MHz的輻射圖。
詳細(xì)說明圖2說明按本發(fā)明的一種無線電通信設(shè)備100。通信設(shè)備100包括一個(gè)天線組件110，其固定到電話本體(或機(jī)架)。按本發(fā)明的天線組件110是旋臂式的多頻段天線，并將在下面詳述。通信設(shè)備100還包括一個(gè)擴(kuò)音器口120和揚(yáng)聲器口130，分別置于接近用戶的嘴和耳朵。鍵盤140允許用戶例如通過輸入撥打的電話號(hào)碼同通信設(shè)備接口。
根據(jù)技術(shù)理解到這些通信設(shè)備按很靠近用戶方式操作將導(dǎo)至一部分RF傳輸被吸收或受阻擋，由此減少傳輸功率。結(jié)果，性能和傳輸距離受損失。
本發(fā)明的多頻段旋臂天線試圖克服技術(shù)上的這些缺陷。圖3說明按本發(fā)明的多頻段旋臂天線110。如下面將說明的，該多頻段旋臂天線是一個(gè)半波長(zhǎng)雙極天線。這樣，本專業(yè)技術(shù)人員將理解本發(fā)明的天線是自匹配(即無需外部阻抗匹配元件)天線。
多頻段旋臂天線110包括一個(gè)小的雙頻段輻射元件310。在未決、共同轉(zhuǎn)讓的專利申請(qǐng)08/958,846“Multiple Band,Multiple BranchAntenna for Mobile phone”中陳述了一種類型的雙頻段輻射器，在此用作參考，該小雙頻段輻射天線元件310通過同軸饋電電纜350的內(nèi)導(dǎo)體連接到通信設(shè)備的機(jī)架。因?yàn)樗遣惠椛潆姶挪ǖ?，所以同軸饋電電纜350起到將該天線元件310同機(jī)架隔離的作用。
兩個(gè)導(dǎo)體臂420和430在一結(jié)合連接點(diǎn)連接到饋電電纜350的外導(dǎo)體的相對(duì)側(cè)，接近雙頻段天線310。這兩個(gè)臂長(zhǎng)度不同并一起形成本發(fā)明的雙頻段套筒315。通過控制該導(dǎo)體臂的長(zhǎng)度，該雙頻段套筒315能調(diào)諧到不同的頻率。此外，在導(dǎo)體臂和同軸電纜之間的縫隙可以改變以增/減頻寬。
雙頻段套筒315的第一臂420的長(zhǎng)度(一般為該臂被調(diào)諧到的頻段的1/4或1/2波長(zhǎng))和結(jié)構(gòu)是使其諧振在第一較低頻段的頻率上，而第二臂430的長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)是使其諧振在第二較高頻段的頻率上。這兩個(gè)臂可做的在任意頻率上諧振。例如，第一頻段可以是GSM頻段，而第二頻段可以是DCS頻段。這樣，第一臂420接近一個(gè)GSM(即，900MHz)信號(hào)的1/4波長(zhǎng)，而第二臂430接近一個(gè)DCS(即，1800MHz)信號(hào)的1/4波長(zhǎng)。這就可使天線容易調(diào)諧到雙諧振。雖然目前的例子陳述該第一和第二頻段分別是GSM和DCS頻段，但是本專業(yè)技術(shù)人員將理解可以實(shí)現(xiàn)頻段的其他組合而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。例如，其他可能的低高頻段的組合可包括GSM+PCS,GSM+WCDMA,DCS+WCDMA,GSM+GPS,GSM+ISM，或者更低和更高頻段的其他組合。
雙頻段套筒可以制作成印制的金屬帶，導(dǎo)線結(jié)構(gòu)或蝕刻在塑料框架上。兩個(gè)臂的最長(zhǎng)的一臂的終端(即低頻段臂420)可以形成彎曲形狀，如圖3所示。本專業(yè)技術(shù)人員將理解，可以將最長(zhǎng)臂的終端用另一種方法形成其他的形狀，例如環(huán)形或螺旋形狀。
雙頻段輻射天線元件310同雙頻段套筒315結(jié)合形成申請(qǐng)人的多頻段旋臂天線的輻射部分。例如當(dāng)參照?qǐng)D2該天線處完全展開位置時(shí)，輻射部分是處在離用戶頭部足夠距離的位置，從而減小由于人體的輻射損耗。此外，小量射頻發(fā)射可以被用戶身體阻擋，從而增加了該通信設(shè)備的距離和總效率。
為進(jìn)一步增加天線效率，一種鐵氧體涂覆340施加到最靠近連到機(jī)架的饋電電纜的那端。涂覆的鐵氧體340減小了從天線輻射部分返回到機(jī)架的射頻電流的總量。該電流是不想要的，因?yàn)樗鼈兿脑谟脩舻氖趾湍槻?，由此將降低天線的效率。此外雙頻段套筒315有助于減小向下流到同軸電纜350的電流。這顯然是由于在諧振臂420,430和同軸電纜350之間存在極高的阻抗(即無限大的阻抗)這個(gè)事實(shí)。
圖4(a)和(b)說明按本發(fā)明的無線電通信設(shè)備的側(cè)視圖。在圖4(a)中，該多頻段旋臂天線被顯示在收藏位置。在此位置通信設(shè)備被認(rèn)為處于尋呼模式，當(dāng)處談話模式時(shí)，如圖4(b)所示，天線可以旋轉(zhuǎn)到完全展開的位置。
當(dāng)旋臂天線的輻射部分處于遠(yuǎn)離用戶頭部的位置時(shí)，導(dǎo)致極低的RF吸收。按本發(fā)明的示例性實(shí)施例，在輻射器和用戶頭之間的距離能夠增加6-7倍于一個(gè)普通天線系統(tǒng)。圖5(a)和(b)說明普通輻射天線結(jié)構(gòu)同本發(fā)明輻射器相比的接近度。如圖5(a)和(b)所說明的，普通天線的輻射部分離用戶頭部的距離一般是2cm，而按本發(fā)明的輻射器離用戶頭部的距離接近12cm。本專業(yè)技術(shù)人員將理解，本發(fā)明提供的距離越大，則天線效率增加越高。
在圖6中，提供按本發(fā)明的多頻段旋臂天線的性質(zhì)的圖形表示，在該例中，天線按完全展開位置放置，和低和高頻段指定為GSM和DCS頻段。特性曲線表示相應(yīng)GSM頻段的第一峰值和相應(yīng)DCS頻段的第二峰。可以理解的是能設(shè)計(jì)按本發(fā)明的一個(gè)合適的天線，以便工作在相應(yīng)GSM,DCS,PCS，或者其他的頻段的兩個(gè)或更多個(gè)頻段。圖7和圖8分別對(duì)于1800MHz和900MHz陳述申請(qǐng)人的有創(chuàng)造性的多頻段旋臂天線的輻射圖測(cè)試與普通短截線天線的相比的結(jié)果。如從圖7和圖8顯然，對(duì)于1800MHz和900MHz兩者而言，多頻段旋臂天線的輻射圖形比短截線天線均勻得多。由本專業(yè)技術(shù)人員可導(dǎo)出以上教導(dǎo)的技術(shù)的許多變型和組合而不脫離由以下權(quán)利要求描述的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1．一種用在無線電通信系統(tǒng)中的通信設(shè)備，所說設(shè)備包括一個(gè)擴(kuò)音器口，使通信設(shè)備從用戶接收傳聲信息；一個(gè)揚(yáng)聲器口，使通信設(shè)備發(fā)射傳聲信息到所說用戶；一個(gè)鍵盤；以及一個(gè)多頻段旋臂天線，包括一個(gè)小的多頻段諧振天線元件；一個(gè)套筒，包括第一臂和第二臂，它們分別調(diào)諧到第一和第二頻段，以及一條同軸饋電電纜，用于將所說雙頻段輻射天線元件和所說套筒連接到所說通信設(shè)備的機(jī)架；其中選擇所說同軸饋電電纜的長(zhǎng)度，以增加所說通信設(shè)備的天線效率。
2．權(quán)利要求1的通信設(shè)備還包括固定到所說同軸饋電電纜的鐵氧體涂覆，以減少流到所說機(jī)架的電流。
3．權(quán)利要求1的通信設(shè)備，其中所說第一頻段和所說第二頻段是不同的。
4．權(quán)利要求3的通信設(shè)備，其中所說第一頻段是低于所說第二頻段。
5．權(quán)利要求1的通信設(shè)備，其中所說第一臂比說第二臂長(zhǎng)。
6．權(quán)利要求5的通信設(shè)備，其中所說第一頻段比所說第二頻段低。
7．權(quán)利要求5的通信設(shè)備，其中所說第一臂的端部形成彎曲，環(huán)形，和螺旋形狀之一。
8．權(quán)利要求1的通信設(shè)備，其中所說第一臂和所說第二臂定位在所說同軸饋電電纜的相對(duì)側(cè)。
9．一種用于無線電通信設(shè)備的天線，所說天線包括一個(gè)輻射部分，包括一個(gè)小的多頻段諧振天線元件；以及一個(gè)多頻段套筒，包括調(diào)諧到不同頻段的第一臂和第二臂；以及一條同軸饋電電纜，用于將所說輻射部分連接到所說無線電通信設(shè)備的機(jī)架。
10．權(quán)利要求9的天線，其中所說天線是一個(gè)旋臂式天線。
11．權(quán)利要求10的天線，其中所說天線當(dāng)其按收藏位置放置時(shí)處尋呼模式。
12．權(quán)利要求10的天線，其中所說天線當(dāng)其按展開位置放置時(shí)處談話模式。
13．權(quán)利要求9的天線包括固定到所說同軸饋電電纜的鐵氧體涂覆層，用于減小流動(dòng)到所說機(jī)架的電流。
14．權(quán)利要求9的天線，其中所說第一臂諧振在一個(gè)較低頻段的頻率上，和所說第二臂諧振在一個(gè)較高頻段的頻率上。
15．權(quán)利要求14的天線，其中所說較低頻段是GSM頻段，和所說較高頻段是DCS,PCS,GPS,WCDMA和ISM頻段之一個(gè)頻段。
16．權(quán)利要求14的天線，其中所說較低頻段是GSM,AMPS,DAMPS,DCS,PCS和WCDMA頻段之一個(gè)頻段，和所說較高頻段是ISM頻段。
17．權(quán)利要求9的天線，其中所說第一臂和所說第二臂定位在所說同軸饋電電纜的相對(duì)側(cè)上。
18．權(quán)利要求9的天線，其中所說第一臂比所說第二臂長(zhǎng)。
19．權(quán)利要求18的天線，其中所說第一頻段比所說第二頻段低。
20．一種用于無線電通信設(shè)備的天線包括一個(gè)輻射部分包括一個(gè)小的多頻段輻射天線元件；以及一個(gè)多頻段套筒，包括調(diào)諧到不同頻率的第一臂和一第二臂。
21．權(quán)利要求20的天線還包括一條同軸電纜，用于將所說輻射部分連接到所說無線電通信設(shè)備的機(jī)架。
22．權(quán)利要求20的天線，其中所說第一臂諧振在較低頻段的頻率上，和所說第二臂諧振在較高頻段的頻率上。
23．權(quán)利要求22的天線，其中所說較低頻段是GSM頻段，和所說較高頻段是DCS,PCS,GPS,WCDMA和ISM頻段之一個(gè)頻段。
24．權(quán)利要求22的天線，其中所說較低頻段是GSM，AMPS，DAMPS，DCS，PCS和WCDMA頻段之一，而所說較高頻段是ISM頻段。
25．權(quán)利要求22的天線，其中所說第一臂比所說第二臂長(zhǎng)。
26．權(quán)利要求20的天線，其中所說第一臂比所說第二臂長(zhǎng)。
27．權(quán)利要求26的天線，其中所說第一臂諧振在第一頻率，其低于第二臂的諧振頻率。
28．權(quán)利要求26的天線，其中所說第一臂的端部形成螺旋，環(huán)和彎曲的形狀的一個(gè)形狀。
29．權(quán)利要求21的天線，其中所說第一和第二臂定位在所說同軸電纜的相對(duì)側(cè)。
30．一種天線的輻射部分包括一個(gè)套筒，包括分別調(diào)諧到第一和第二頻段的第一臂和第二臂；其中所說第一頻段比第二頻段低。
31．權(quán)利要求30的輻射部分，其中所說第一臂比所說第二臂長(zhǎng)。
32．權(quán)利要求30的輻射部分還包括一個(gè)小的多頻段輻射天線元件。
33．權(quán)利要求30的輻射部分，其中所說第一頻段是GSM頻段和所說第二頻段是DCS,PCS,GPS,WCDMA，和ISM之一頻段。
34．權(quán)利要求30的輻射部分其中所說第一頻段是GSM,AMPS,DAMPS,DCS,PCS，和WCDMA之一個(gè)頻段而所說第二頻段是ISM頻段。
35．權(quán)利要求31的輻射部分，其中所說第一臂的一端部形成為螺旋，環(huán)，和彎曲形狀之一。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有多頻段旋臂天線組件的無線電通信設(shè)備。這種天線組件包括一個(gè)多頻段輻射天線元件和一個(gè)多頻段套管,該套管使天線調(diào)諧到多個(gè)諧振頻率。多頻段天線元件和套管通過同軸饋送電纜固定到該通信設(shè)備的機(jī)架,該電纜用來將這些元件同機(jī)架隔開。
文檔編號(hào)H01Q9/28GK1303527SQ9980678
公開日2001年7月11日 申請(qǐng)日期1999年5月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月29日
發(fā)明者Z·嬴, A·達(dá)爾斯特倫, T·波林 申請(qǐng)人:艾利森電話股份有限公司