單頻或多頻天線的製作方法

2023-07-15 22:08:16

專利名稱：單頻或多頻天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種單頻或多頻天線，更具體地，涉及可被安裝在可攜式通信 設備中的天線。
背景技術：
天線是可攜式通信設備不可缺少的元件。
移動無線應用的發展以及新電信標準的發展意味著能被安裝在不同類型 的硬體上的天線的有用性。
因此，人們尋求天線的解決方案，特別是在尺寸、容量和重量方面的解決 方案。
近年來，天線的微型化已在科學界和工業界引起風靡。
現有已知的天線的解決方案是具有平面形金屬輻射結構(planar metal radiant structure)的所謂的"貼片(patch)"天線。尤其知道摺疊式"貼片" 天線或者具有槽的"貼片"天線。
然而，這些結構中的金屬模型具有典型的尺寸，該尺寸是操作波長(例如 半波結構，四份之一波結構，等等)的一部分，從而這些天線仍然保持著特別 大的體積。

發明內容
本發明提出一種天線的解決方案，其可具有多頻微型結構，且能夠以簡單 方式及低成本進行製作。
本發明提出一種具有一個或多個特定工作頻率的發射/接收天線，該發射/ 接收天線包括面向地平面設置或要設置的至少一個金屬元件，以提供電容功 能；電感元件，其特徵在於，所述金屬元件和所述電感元件的整體尺寸小於 xyio， 其中X是工作波長，所述金屬元件和所述電感元件共同限定在相應於 所述工作波長的所述頻率上諧振的電路，金屬元件具有不連續點，在工作過程 中，所述不連續點是輻射損耗的起源。本發明還涉及一種包括至少該種所述發射/接收天線的通信設備。
此外，本發明提出一種製造發射/接收天線的方法，該天線包括面向地 平面設置或要設置的至少一個金屬元件，以提供電容功能；電感元件，其特徵 在於，金屬元件和電感元件的整體尺寸小於A/10, 其中X是工作波長，在同 一個金屬箔中的單獨部分中切割出所述金屬元件和所述電感元件。


通過下面的描述本發明的其他特徵和優點將變得更加清楚，下面的描述是 純說明性的和非限定性的，並且應該參考附圖閱讀下面的描述，其中 圖1說明有三個諧振電路的天線的電路圖2說明三頻天線與透明(transparente )的激4^笨頭的適應性響應；
圖3說明三頻天線與具有電力效應的激勵探頭的適應性響應；
圖4說明根據本發明的單頻天線；
圖5說明單頻天線的幾個示例性解決方案；
圖6說明具有三個諧振器/三頻率的天線示例；
圖7說明具有頻率捷變的三頻天線的電路圖8說明對於第一組參數具有頻率捷變的單頻天線的適應性響應；
圖9說明對於第二組參數具有頻率捷變的單頻天線的適應性響應；
圖IO說明具有頻率捷變的單頻天線；
圖11說明根據第一實施例的三頻天線；
圖12說明根據第二實施例的三頻天線；
圖13說明根據本發明的三頻天線在2.36GHz的適應性和傳l番時的響應曲
線；
圖14說明根據本發明的三頻天線在5.04GHz的適應性和傳播時的響應； 圖15說明根據本發明的三頻天線在8.31GHz的適應性和傳^番的響應。
具體實施例方式
靴結構/模型設計 '圖l說明合理的天線解決方案的電路圖。
該天線包括n個輻射諧振器(n是大於或等於1的整數)，每個諧振器由 一些定位(localized)元件構成，這些定位元件共同限定像RLC諧振器一樣模型化的結構。
當n大於1時，這些諧振器是並聯的。此時，如圖1示，其是一個三頻天 線，包含並聯的三個RiLiCi諧振器(i=l， 2, 3)。
更確切地，每個諧振器包括定位金屬元件，定位金屬元件與地平面形成電 容效能Ci (i= 1, 2, 3)。
地平面構成電容元件的參考極板(reference plate )。
定位金屬元件有這樣的特性在表面是不輻射的，但具有不連續點 (discontinuites )(例如在邊緣上)，不連續點是是輻射損耗的起因。
在附圖1中，由電阻R i (i=l, 2， 3)模擬金屬元件具有的不連續點上 的"輻射損耗"功能。
此外，每個諧振器還包括限定電感功能的一個或多個定位元件。
特別地，在如圖1所示具有多個諧振器的結構的情況下，不同的諧振器包 括公共的電感部分(電感功能L),該電感部分與專用於每個諧振器的不同的 電感部分串聯(電感功能Li-L,其中，Li相應於諧振器i的電感值)。
諧振器由激勵探頭(excitation probe )供電。
在多個諧振器並聯的情況下，通過公共電感部分L將該探頭與專用於每 個諧振器的電感部分Li-L連接。特別要選擇接點P，以使天線與實際的參考 阻抗值Z0匹配，並且該匹配適用於天線的所有工作頻率。注意，由此得到的 ZO必需小於(Ri)中的最小值。
在圖1中通過值為Lsonde的電感元件建立模型的情況下，激勵探頭可以 產生額外的電感效應。
當圖1中的天線匹配時，三個RiLiCi電路(i= 1， 2， 3)以與其諧振頻率 接近的頻率工作。
本領域普通技術人員知道，並聯RiLiCi電路的諧振頻率通過1/(2兀(LiCi) 1/2)給出，其中，Li和Ci分別是以亨利(Henry) (H)表示的電感值和以法 拉(Farad) (F)表示的電容(電容器)值。
此處，由於公共電感部分L， 三個諧振電路沒有完全被分離，因此它們 的工作頻率並不正好是專用於每個諧振器的諧振頻率。
圖2表明圖1所示的天線在工作頻率為2.45GHz (ml )、 5.15GHz (m2)和8.00GHz (m3)下的適應性響應。參考阻抗Z0被定為50Q。電容器的值為 Cl=0.55pF、 C2=0.20pF和C3=0.15pF,電感元件的值為Ll-L=5.58nH、 L2-L=3.65nH，L3-L=2.10nH和L=1.95nH，電阻元件的4直為R1=750Q， R2=850Q,和R3:950Q。
在該示例中，激勵探頭具有通過電感量Lsonde=0.00nH模擬的零電效應， 因此探頭是電可透過的，所以在天線的輸入處沒有增加任何電力元件。
然而實際上，激勵探頭可以引起非零的電感效應。
當激勵探頭引起非零的電感效應時(這裡Lsonde=1.00nH),圖3中給出 了三頻天線的適應性響應。
通過調節各元件的值，使工作頻率與圖2中的頻率相同。得出圖3結果的 天線各元件的值為Cl=0.55pF、 C2=0.22pF、 C3=0.28pF、 Ll-L=5.55nH、 L2-L=3.00nH、 L3-L=0.90nH、 L=2.25nH、 R1=750Q、 R2=850Q和R3=800Q。
應該注意，匹配不是完全與圖2中的天線獲得的匹配一致，參數Sll的 值(反射係數的模數)稍微不同。
單頻錢的情況
圖4示出符合上述原理的單頻天線的示例。 ^容樹沐絲
通過設置由介電介質(空氣或任意其它的介電材料)分開的相對的兩個金 屬極板獲得電容功能Ci。
這些極板中的一個(極板2 )形成具有不連續點(在該情況下，為邊緣) 的金屬元件，這些不連續點是輻射損耗的源頭。
因此，輻射現象是由不連續點引起的，在不連續點處於電容元件的周界的 情況下，通過與電容Ci並聯的所見電阻Ri來構建該源頭。
輻射與開放的傳導結構上的不連續點的存在相關聯，由於周圍介質附近的 耦合電磁場(典型地自由空間)，這些不連續點將會是在該結構上的損耗處。
這些極板中的另一個(極板3 )構成地平面，被視為電容元件的參考才及板。
電容功能的尺寸參數是極板形狀(2D表面、3D形狀)、它們的尺寸、它 們的間距以及介於它們之間的介電介質(空氣或其它介電材料，同質或非同質 的介質)的特性。
7選擇電容的物理尺寸，特別是極板2的物理尺寸，以便相對於與諧振器的
諧振頻率相應的波長人極板的物理尺寸保持非常小(通常尺寸小於xyio)，這
引起元件的半定位(semi-locallized )甚至定位的特點。
通常，是極板2的尺寸決定天線的尺寸。因此，正如我們將要理解的那樣， 元件的全定位甚至半定位的特點有利於得到小尺寸的天線。
M力伴
通過具有尺寸特性的導電元件5獲得電感元件，從而優選該元件的電感特性。
例如，其可以在一很窄的導電結構中形成的導電帶，相對於人其物理長度 也保持非常小，從而使得該元件同電容元件一樣，可以具有半定位甚至全定位 的特性。 一般地，元件的尺寸參數是其形狀係數和維數(二維甚至三維表面)。
將具有電感特性的導體元件5的端部連"l妻到兩點上，這兩個點分別位於由 輻射元件2和地平面3形成的電容元件的兩個極板的每個極板上。
這就給出了 一個用於並聯RiLiCi型諧振器的電路圖。
為了給天線供電，將激勵電路1與電感元件5上的以P表示的點連接，以 便將該元件分成兩段，從而，該兩段的尺寸導致具有分別為電感值L亨利和 Li-L亨利的電感元件。因此，如前所述，很清楚地表明是幾何形狀引起電感效 應。
為了使得在諧振器輸入處得到的阻抗等於Z0,選擇點P的位置。然後， 匹配天線，並且元件以目標頻率輻射(從電的角度看，諧振電路在諧振)。
激勵電路1例如可以是同軸探頭，同軸探頭的中心線6在P點上與電感元 件5連接(焊接)，且外部圓柱形導體1被連接(焊接)在地平面3上。
應該注意，在電容元件和電感元件之間可以並聯多個安裝電路。
在圖5中，根據極板2的多個幾何形狀，給出具有單個諧振器的單頻天線 的幾個示例性解決方案，其是作為說明性的而非限定性的。
事實上，根據本發明，諧振器可呈多種形狀，這樣可以有利地增加天線集 成的可能性。多頻戲的情況
通信系統可以根據一些標準工作，如孩吏波存取全5求互通(WiMAX )、無 線保真(WIFI)、移動通訊系統(GSM)及通用移動通信系統(UMTS)，等 等。這些標準中的每個標準可以工作於多個頻率(多頻帶系統)。
絲
通過並聯組合如上述的多個諧振器獲得多頻天線，它們中的每個諧振器相 應於特定的工作頻率。
圖6中給出的是具有三個諧振器的天線的示例(相應於三個不同頻率的頻帶)。
每一個天線包括對所有諧振元件公共的地平面3。
具有輻射邊緣的極板2與地平面3相對，從而形成電容元件Cl、 C2和C3。
每個極板2通過電感元件5與激勵電路相連接。
介於點P和極板2之間的元件5的不同部分形成值分別為Ll-L、 L2-L和 L3-L的電感元件。對三個諧振器公共的元件5的電感部分L與地平面3相連 接。
極板2和電感元件5最好形成在一個單獨的結構中，這可以簡化這種天線 的製作。
可選擇地，極板2、由電感部分L和Li-L 0=1， 2， 3)組成的電感元件5 和地平面3形成於單獨且相同的結構中。
如將要理解到的，在該種設置中，由於這些諧振器共享同一個電感部分L， 所以諧振器並沒有被完全地分離。顯然，天線的工作頻率與不同諧振器的諧振 本徵頻率不完全符合。因而，選擇對所有電感公共的點P，以便在Z0處實現 天線匹配，其適用以所有的工作頻率。
部分的尺寸。 頻率捷變
剛剛描述過的天線的解決方案可以具有能方便實施的頻率捷變。 天線的頻率捷變可以根據多個值來調節一個(或多個)天線工作頻率，這樣可增加集成這種天線的系統的使用的可能性。
通過對諧振器的反應元件Li或Ci中的一個"進行行動"而獲得頻率捷變。
例如在圖7中，說明具有頻率捷變的天線的框圖，示出三個可變電容Cvari (i=l， 2， 3)，這些可變電容分別與每個電容Ci (i=l, 2, 3 )並聯安裝。例如 可變電容可以在
範圍內調節電容值。因此，每個RiLiCi電路 的電容元件的可變性使得每個電路能具有可變化的諧振頻率，其不損壞天線匹 配(也就是說不改變輸入阻抗)，但是事先要專門選擇元件。
當然，同樣的原理適用於"單諧振器"天線的情況。
在圖8中說明具有可變頻率的單諧振器天線的適應性響應。工作頻率為 1.97G赫茲，可變電容被調節至Cvarl = 0.50pF，其它電^各元件值為Cl=0.50pF、 Ll-L=4.85nH和L=1.95 nH和R1=750Q。
在圖9中，說明具有Cvarl = 0.00pF的與圖8中的天線同樣天線的適應性 響應。工作頻率為2.84GHz。
當然，可以對電容以外的其它參數(可變電感等)起作用來獲得頻率捷變。
最好添加一個與電容元件並聯的電子元件，該電子元件在一可變電源電壓 的作用下將產具有電容效應，該電容效應是其本身特有的且可變化的，從而可 得到期望的效果。
許多電子元件帶有這樣的特性，例如變容二極體或肖特基二極體。
在圖10中說明具有頻率捷變的單頻天線的示例性應用，具有電容效應的 二極體10與由金屬元件2和地平面3構成的電容元件並聯連接。
生產方法
可以考慮多個製造方法。
這些方法應該簡單以降低天線的成本。
一個既簡單又經濟的技術解決方案包括使用根據天線的幾何形狀特別是 諧振器的幾何形狀預先切割的金屬箔。
金屬箔是一個厚度較薄的金屬薄片(零點幾毫米)。
根據第一實施例，首先根據極板2和電感元件5的幾何形狀切割金屬箔。 然後摺疊薄片，並將其焊接在地平面3之上的元件5的電感部分L的下端。 根據該第一方式，地平面3與構成天線的所有其它組成元件無關聯。圖ll表示一結構示例，其將在金屬箔70中被切割，該結構由粗實線的周 線劃界，其中，以單獨並相同的結構切割輻射元件2和包括與每個諧振器以及 L相關聯的各個值為Li-L (i=l， 2, 3)的電感部分的電感元件5。
在該示例中這樣得到的天線是三頻天線。
在該第一實施示例中，應該理解，分離地製作地平面(形成電容元件的參 考極板)；例如，其是一便攜裝置的外殼，該外殼與裝置的地線相連。
在箔片70中切割出由輻射元件2和電感元件5構成的結構之後，例如沿 虛線71摺疊，以便通過焊接點，方便地與其在與圖7中由標記為72的元件表 示的地平面的支撐連接。激勵探頭將被連接到點P。
根據第二實施例，在同一金屬箔中形成構成地平面3的參考極板以及極板 2和包括與每個諧振器以及L相關聯的各個值為Li-L(i-l， 2， 3)的電感部 分構成的電感元件5。因而，地平面採用一個與天線的其它元件的屬性相同的 材料。
在圖12中，以粗實線說明金屬箔70,其中元件2和5被切割。有影線的 部分是箔片將被用作為地平面的部分。將沿虛線71和73摺疊獲得的結構，以 使得， 一方面地平面將面向輻射元件2面，另一方面來"調節"輻射元件2 和地平面之間的距離。在形成地平面的箔片部分中鑽出一開口 74,以使激勵 探頭的中心能夠通過，其端點將被連接到點P及地平面3上的外部圓柱形導體。
樣品
為了驗證已經描述的天線的原理，製造了一些樣品，並在適應性和傳糹番方 面進4亍了測i式。
圖13, 14和15闡明三頻天線樣品的適應性和傳播響應。該三頻天線樣品 以非常好的匹配工作於2.36G赫茲(GHz)、 5.04G GHz及8.31GHz (約為-20 分貝的反射係數Sll的模數，甚至更低)。還對天線的傳播進行了測試，也就 是說，通過在天線和每個頻率上的優化的偶極線(wiredipole)之間建立無線 連接進行的測試。
通過在天線和在天線的每個工作頻率上的偶極線之間建立無線連接對天 線的傳播進行測試，其間有20cm的距離
圖13, 14和15中，傳播響應S21的點m2表示天線以其工作頻率輻射。根據本發明的天線可以優選地集成於所有多頻帶多頻率系統中，對於這些 系統來講，尺寸和成本的標準是主要的。
特別地，本發明的天線特別適合於機載系統，如移動終端或其它無線通信 系統。
此外，由於天線的尺寸，該天線可以極佳地用於多天線系統的情況，在該
情況下，需要多個天線的網絡(MIMO (多輸入多輸出)系統、智能天線系統，
等等)。
權利要求
1.具有一個或多個特定工作頻率的發射/接收天線，該發射/接收天線包括·面向地平面(3)設置或要設置的至少一個金屬元件(2)，以提供電容功能；·電感元件(5)，其特徵在於，所述金屬元件(2)和所述電感元件(5)的整體尺寸小於λ/10，其中λ是工作波長，所述金屬元件(2)和所述電感元件(5)共同限定在相應於所述工作波長的所述頻率上諧振的電路，金屬元件(2)具有不連續點，在工作過程中，所述不連續點是輻射損耗的起源。
2. 根據權利要求1所述的天線，其特徵在於，所述電感元件(5)的至少 一部分(Li-L)為金屬帶，所述金屬帶是具有金屬元件(2)的單獨部分並使 所述金屬元件(2)延伸。
3. 根據上述權利要求中任一所述的天線，其特徵在於，所述天線是單頻 天線且包括單個諧振器電路。
4. 根據權利要求1或2所述的天線，其特徵在於，所述天線是多頻天線 且包括並聯安裝的多個諧振器電路。
5. 根據組合的權利要求2和4所述的天線，其特徵在於，不同的金屬元 件(2 )和延伸金屬元件的金屬帶是具有形成對全部諧振器公共的電感部分(L ) 的金屬帶的單獨部分。
6. 根據上述權利要求中任一所述的天線，其特徵在於，所述至少一個金 屬元件(2)、延伸金屬元件的金屬帶和地平面(3)被構成為單獨部分。
7. 根據上述權利要求中任一所述的天線，其特徵在於，所述天線包括能 夠控制至少 一個諧振器的頻率捷變的部件。
8. 根據權利要求7所述的天線，其特徵在於，在至少一個諧振器的電容 元件上並聯設置所述能夠控制頻率捷變的部件。
9. 根據權利要求7或8所述的天線，其特徵在於，所述能夠控制頻率捷 變的部件包括至少一個電子元件，以使得在可變電源的作用下，所述電子元件 具可變電容效應。
10. 根據權利要求7至9中任一所述的天線，其特徵在於，所述能夠控制 頻率捷變的部件是變容二極體或肖特基二極體。
11. 根據上述權利要求中任一所述的天線，其特徵在於，所述天線是通過 連接在對所有諧振器公共的點(P)上的激勵探頭部件來供電的。
12. —種通信設備，其特徵在於，該通信設備包括如上述任一權利要求限 定的至少一個發射/接收天線。
13. —種發射"妄收天線的製作方法，該天線包括 面向地平面(3)設置或要設置的至少一個金屬元件(2),以提供電容功能； 電感元件(5 )，其特徵在於，金屬元件(2)和電感元件(5)的整體尺寸小於X/10,其 中？i是工作波長，在同一個金屬箔中的單獨部分中切割出所述金屬元件(2) 和所述電感元件(5)。
14. 根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，還在同一個金屬箔中切 割出所述地平面(3),將由此形成的結構進行摺疊，以使得地平面(3)面向 金屬元件(2 )。
15. 根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，獨立於所述金屬元件並 獨立於所述電感元件來製作所述地平面。
全文摘要
本發明涉及一種具有一個或多個特定工作頻率的發射/接收天線，包括面向地平面(3)設置或要設置的至少一個金屬元件(2)，以提供電容功能；電感元件(5)，其特徵在於，所述金屬元件(2)和所述電感元件(5)的整體尺寸小於λ/10，其中λ是工作波長，所述金屬元件(2)和所述電感元件(5)共同限定在相應於所述工作波長的所述頻率上諧振的電路，金屬元件(2)具有不連續點，在工作過程中，所述不連續點是輻射損耗的起源。
文檔編號H01Q5/00GK101617441SQ200780039857
公開日2009年12月30日 申請日期2007年10月26日 優先權日2006年10月27日
發明者讓-菲利普·庫佩 申請人:電訊集團學校國際電訊學院(恩斯特布列塔尼)