專利名稱：加載天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新穎的加載天線，它同時工作于幾個頻段，并且 相對于現(xiàn)有技術的各種天線來說，以尺寸較小為其特征。該新穎的加載天線的輻射部件由兩個不同部分組成一個具有多 角形、空間填充或多層形狀的導電表面；以及一個加載結構，其包括 被連接到所述第一導電表面的一組帶(strip)。本發(fā)明屬于一種新型的加載天線，它主要適用于移動通信，或者 一般來說，適用于任何其他應用項目，在這些應用項目中，重要的是， 將通信系統(tǒng)或應用項目整合到一個單獨的小天線中去。
背景技術：
通信部門的成長，特別是，個人移動通信系統(tǒng)的擴展正在推動著 工程方面的努力去研制多業(yè)務(多頻率)和小型的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)需 要各種多頻率和小型的天線。因此，使用能提供最大數(shù)目的業(yè)務覆蓋 的、具有多頻段和/或寬帶性能的多系統(tǒng)小天線，在今天來說，具有引 人注目的興趣，因為它能使電信運營商們降低他們的成本，并且使對 環(huán)境的影響最小化。已報道的大多數(shù)多頻段天線的解決方案都為每一個頻段或每一 種業(yè)務使用 一個或多個輻射器或分支。在標題為"用于移動電話的多頻 段、多分支天線，，的美國專利第09/129176號中，就能找到這樣的實例。當尋找具有多頻段和/或小尺寸性能的天線時， 一種令人特別感興趣的可供選擇的方案就是多層天線(見標題為"多層天線"的專利公報WO 01/22528 )以及小型空間填充天線(見標題為"小型空間填充天 線，，的專利公報WO 01/54225)。特別是在專利公報WO 01/22528中， 一個多層天線的特征在于，幾何形狀包括同類的多邊形或多面體(相 同的邊數(shù)或面數(shù))，它們以電磁方式被耦合和被分組，以便形成更大 的結構。在一種多層的幾何形狀中，由于在75%以上的多邊形或多 面體中，它們跟其他部件的接觸面積，交點或互聯(lián)(如果這些存在的 話)通常小于它們的周界或面積的50 %，所以這些部件的大多數(shù)都是 清晰可見的。在專利公報WO 01/54225中，小型空間填充天線被定義為一組 具有至少一部分形狀為空間填充曲線(SFC)的天錢。所述空間填充 曲線被定義為一根由至少IO段相連的直線段組成的曲線，其中，所述 線段小于自由空間工作波長的十分之一，并且它們以這樣一種方式被 空間地排列所述相鄰和連接的線段都不會形成另一根較長的直線段。標題為"不規(guī)整的天線、諧振器和加載部件"的國際專利公報WO 97/06578描述了可以被用來形成一組天線的不規(guī)整形狀的各種部件。在現(xiàn)有技術中，可以找到多種用于縮小天線尺寸的技術。在1886 年，出現(xiàn)了加載天線的第一個實例；那就是，赫茲為了驗證馬克斯維 爾方程而建立的加載偶極子。作者A. G. Kandoian ( A. G. Kandoian，"三種新的天線類型及其 應用"，《無線電工程師學會會刊》，第34巻，第70W—75W頁，1946 年2月)介紹了加載天線的概念，并且說明了如何通過在輻射器的頂 部添加一個導電的圓盤來縮短四分之一波長單極子的長度。其后， Goiibau提出一種天線結構，在頂部加栽幾個由電感元件互聯(lián)的電容 性圓盤，這樣就能提供較小的尺寸以及更寬的帶寬，見標題為"在自由 端具有電抗的天線結構"的美國專利第3,967,276號。最近，標題為"頂部加載的三角形印制天線"的美國專利第 5,847,682號公開了 一種三角形印制天線，其頂部被連接到一根矩形的 帶。該天線以低矮的外觀和寬帶性能為特征。然而，在這些天線構造中，沒有一種能提供多頻段的性能。在授予本發(fā)明人的標題為"多層天線，，的另一件專利WO 0122528中，有一個頂部加栽電感回路的天線的 特例，它被用來使雙頻工作的天線小型化。同樣，W. Dou和W. Y. M. Chia(W.Dou和W.Y.M.Chia，"小型寬帶堆疊式平面單極天線，，， 《微波與光學技術通訊》，第27巻，第288—289頁，2000年11月)提出了具有寬帶性能的從頂部加載的天線的另一個特殊先例。該天線 是用一個矩形臂從頂部加載的矩形單極天線，上述矩形臂被連接到該 矩形的每一個尖端。每一個矩形臂的寬度處于與饋電部件的寬度相當 的量級，但本發(fā)明不是這樣的情形。發(fā)明內容本發(fā)明的要點在于天線的輻射部件的形狀，該天線由兩個主要部分組成 一個導電表面和一個加載結構。所述導電表面具有多角形、空間填充或多層形狀，該加載結構包括被連接到所述導電表面的一根導電帶或一組帶。根據(jù)本發(fā)明，至少一根加栽帶必須被直接連接到所述導電表面的周界線上的至少一點。同樣，圓形或橢圓形也被包含在所述導電表面的可能的幾何形狀的集合之中，因為它們可以被認為是 邊數(shù)非常多的多邊形結構。由于添加了加載結構，該天線就具有小型和多頻段性能的特征， 有時還同時具有多頻段和寬帶的性能。而且，通過修改負載和/或導電 表面的幾何形狀，就能調整加載天線的多頻段特性(頻段的數(shù)目，頻 段之間的間隔，匹配水平，等等)。這種新穎的加載天線允許獲得多頻率性能，在幾個頻段上獲得相 似的無線電參數(shù)。該加載結構可以包括例如一根單獨的導電帶。在這個特例中，所 述加載帶必須令其兩端之一被連接到該導電表面的周界上的一點(即， 各頂點或各邊)。在某些實施例中，所述帶的另一端不連接，而在其 他各實施例中，它也被連接到所述導電表面的周界上的 一點。該加載結構不僅可以包括一個單獨的帶，而且還可以包括位于沿著其周界上不同位置處的多根加載帶。根據(jù)本發(fā)明的可以被連接到導電表面的負載的幾何形狀為a) 由最少兩段和最多9段組成的一根曲線，各段以這樣一種方 式被連接每一段都跟相鄰的各段形成一個角度，即，不會有相鄰線 段對定義一條較長的直線段。b) —根直的線段或帶c) 一根具有多邊形形狀的直的帶d) —根空間填充曲線，見標題為"小型空間填充天線"的專利 PCT/ES00/00411。在某些實施例中，上述加載結構被連接到導電表面，而在其他實 施例中，多根加載帶的尖端被連接到其他各帶。在將一根新的加載帶 添加到先前的加載帶的那些實施例中，所述附加的負載可以有一個尖 端不連接，或者所述尖端被連接到先前的加載帶，或者兩根帶都被連 接到先前的帶，或者一個尖端被連接到先前的加載帶，而另一個尖端 則被連接到導電表面。有3種類型的幾何形狀可以用于根據(jù)本發(fā)明的導電表面a) —個多邊形(即，三角形，方形，梯形，五邊形，六邊形等， 甚至可以采用圓形或橢圓形，作為邊數(shù)非常多的多邊形的一個特例)。b) —種多層結構，見標題為"多層天線，，的專利WO 0122528。c) 一個具有空間填充周界的立體表面。在某些實施例中，所述導電表面的中央部分甚至被去除，以便進 一步地縮小天線的尺寸。而且，本領域的技術人員清楚，可以使用在 配置b)和c)中的多層或空間填充設計來近似，例如，理想的不規(guī)整 的形狀。圖l和圖2表示用于根據(jù)本發(fā)明的加載天線的輻射部件的一些實 例。在子圖1至3中，導電表面是梯形，而在子圖4至7中，所述表 面是三角形。從這些實例中可以看出，使用具有不同長度、不同方向以及環(huán)繞梯形周界的不同位置的不同帶來對導電表面進行加載，見圖 1。此外，在這些實例中，該負載可以有一端或兩端被連接到導電表面，見圖2。這種新穎的加載天線的主要優(yōu)點是分為可折疊的兩段 該天線的特征是具有一種多頻段或寬帶性能，或者二者的組合。 給定輻射部件的物理尺寸，所述天線可以工作在比大多數(shù)現(xiàn) 有技術的各種天線的頻率更低的頻率上。


圖l表示使用相同結構但以3種不同方式加載的一組梯形天線； 特別是， 一根直的帶。在情形1中，在梯形的每一個尖端，即導電表 面(lc)上都添加了一根直的帶，即加載結構(la)和(lb)。情形 2跟情形1相同，但是使用長度較短的帶，并且位于環(huán)繞導電表面周 界的不同位置上。情形3是一個更一般的情形，其中，在導電表面的 兩個不同位置上，添加了幾根帶。子圖4是非對稱的加載結構的實例， 子圖5表示一個部件，其中，在導電表面的頂部只添加了一根傾斜的 帶。最后，情形6和7是用具有不同方向的三角形和矩形的帶進行加 載的幾何形狀的實例。在這些情形中，各種負載都僅有一端被連接到 導電表面。圖2表示一種不同的特殊結構，其中，各負載是由最多為9段構 成的各種曲線，且每一段都跟相鄰的各段形成一個角度，如上面已經(jīng) 說明的那樣。而且，在子圖8至12中，負載的兩端都被連接到導電表 面。子圖8和9是從側面對導電表面進行加載的兩個實例。在情形13 和14這兩個情形中，用 一根具有上述形狀的一端開路的曲線從頂部加 栽于一個矩形(導電表面)之上，連接點位于矩形的一個尖端。各加 載帶的最大寬度小于導電表面的最長邊的四分之一。圖3表示用3根不同的空間填充曲線從頂部加栽于一個方形的結 構。在情形16中，用以加載方形幾何形狀的曲線是眾所周知的希爾伯特曲線。圖4表示頂部加載天線的3個實例，其中，由兩個不同負載構成 的負載被添加到導電表面。在子圖19，由3段構成的第一負載被添加 到一個梯形之上，然后， 一個第二負載被添加到第一負載之上。圖5包括加載天線的某些實例，其中，甚至去除了導電表面的中 央部分，以便進一步地縮小天線的尺寸。圖6所示的加載天線跟在圖1中所說明的相同，但是在這個情形 中，導電表面采用一種多層結構。圖7表示加載天線的另一個實例，跟在圖2中所說明的相同。在 這個情形中，導電表面由多層結構組成。子圖31，32，34和35使用不 同的形狀來加載，但在所有情形中，負載的兩端都被連接到導電表面。 情形33是將一個一端開路的負載添加到一個多層導電表面的實例。圖8表示類似于圖3和4所描繪的加載天線的某些實例，但是使 用多層結構作為導電表面。子圖36，37和38都包括一根空間填充的頂 部加載曲線，而其余的各子圖則表示具有幾個加載層次的頂部加載天 線的3個實例。子圖40是將3個負載添加到多層結構的一個實例。更 精確地說，首先用曲線(40a),然后用曲線(40b)和(40c)對導電 表面進行加載。曲線(40a)的兩端被連接到導電表面，曲線(40b) 的兩端被連接到先前的負載(40a)，而由兩段形成的負載(40c), 其一端被連接到負載(40a)，另一段則被連接到負載(40b)。圖9表示3個情形，其中，相同的多層結構的導電表面的中央部 分已被去除，用3種不同類型的負載進行加載；它們是 一段空間填 充曲線， 一段最少為兩段、最多為9段的曲線以上述方式被連接，最后是一個具有兩個相似層次的負載。圖10表示加載天線的兩種配置，其中包括3個導電表面，它們 中的一個比其他兩個大。子圖45表示一個三角形的導電表面(45a)， 它經(jīng)由導電帶(45d )和(45e )被連接到兩個較小的圓形導電表面(45b ) 和(45c)。子圖46類似于子圖45的配置，但是較大的導電表面是一 個多層結構。9圖11表示加載天線的其他特例。它們由含有一個導電或超導的接地平面(48)的一個多極天線組成，接地平面(48)上有一個開口， 用以分配一根同軸電纜(47)，同軸電纜(47)的外導體被連接到所 述接地平面，其內導體則被連接到加載天線?？蛇x地，可以將加載的 輻射器放置在一個支撐電介質(49)之上。圖12表示用相同于圖ll的天線的配置進行安裝的一個頂部加載 的多角形輻射部件(50)?？蛇x地，可以將輻射部件放置在一個支撐 電介質(49)之上。下方的子圖表示一種配置，其中，輻射部件被印 在電介質基板(49)的一面，該負載的一個導電表面被印在基板的另 一面(51)。圖13表示加載天線的特殊配置，它由一對偶極子組成，其中， 兩臂中的每一個都包括兩根直的帶負載。小三角形頂點的兩根線(50 ) 表示輸入端點。兩份子圖顯示相同的基本偶極子的不同配置；在下方 的子圖中，輻射部件被一塊電介質基板(49)所支撐。圖14在上方的子圖中表示用兩根帶從側面加載的相同的偶極子 天線的一個實例，但其饋電方式則如同一個孔徑天線。下方的子圖為 相同的加載結構，其中，導電體定義了加載幾何形狀的周界。圖15表示一組貼片天線，其中，在上方子圖中，輻射部件是用 兩個帶狀臂從頂部加載的多層結構。同樣，該圖示出了一個孔徑天線， 其中，孔徑(59)被建立在一個導電或超導結構(63)之上，所述孔 徑被形成為一個加載的多層結構。圖16表示一個頻率選擇表面，其中，形成該表面的各部件被形 成為一個多層的加載結構。
具體實施方式
加載天線的一個優(yōu)選的實施例是一種單極配置，如圖11所示。 該天線包括一個導電或超導的地網(wǎng)或接地平面(48)。 一部手持電話 的外殼，甚至一部汽車或火車的金屬結構的一部分都可以起到這樣一 種接地地網(wǎng)的作用。借助于，例如， 一根傳輸線(47)，如同通常在現(xiàn)有技術的單極天線那樣，對接地或單極臂(這里，用加載結構(26) 來表示該臂。但是，也可以代之以任何一種上述的加載天線結構)進 行激勵。所述傳輸線由兩種導電體構成，導電體之一被連接到接地地 網(wǎng)，而另一個則被連接到導電或超導的加載結構上的一點。在圖11 中，同軸電纜(47)已經(jīng)被用來作為傳輸線的一個特殊情形，但是， 本領域的技術人員都清楚，其他各種傳輸線(例如一個微帶臂)也可 以被用來對單極天線進行激勵，可選地，并且遵循剛才說明的方案， 可以將加載的單極天線印在電介質基板(49)之上。加載天線的另一個實施例是一種單極配置，如圖12所示。天線 的組件(饋電電路，接地平面等)都相同于在圖11中所說明的實施例。 在本圖中，還有加載天線的另一個實例。更精確地說，它包括一個用 上述各種曲線其中之一從頂部加載的梯形部件。在這種情形中，主要 差別之一就是，天線的邊沿擠進電介質基板，它還包括位于電介質另 一面(51)的一個導電表面，它具有負載的形狀。此項優(yōu)選配置使天 線小型化，同時允許調整該天線的多頻段參數(shù)，例如介于各頻段之間 的間隔。圖13描述本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例。構建了一個雙臂的天線偶 極子，它包括兩個導電或超導的部分，每一部分都是一個側面加載的 多層結構。為了簡明起見，以及不失一般性，這里已經(jīng)選擇加載天線 (26)的一個特殊情形，也可以代之以，例如，在圖2，3，4，7和8中 所說明的其他結構。導電表面以及加載結構二者都處于相同的表面上。 兩個臂的兩個最靠近的尖端形成偶極子的輸入端子(50)。各端子(50) 已經(jīng)被描繪為導電或超導的導線，但是正如本領域的技術人員所清楚 的那樣，只要這些端子相對于工作波長來說為足夠小，它們就可以按 照任何其他圖案來形成。本領域的技術人員將注意到，偶極子的兩臂 可以按照不同的方式旋轉或折疊，以便精細地修正天線的輸入阻抗或 各項輻射特性，例如，極化。加載偶極子的另一個優(yōu)選實施例示于圖13，其中，導電或超導的 加栽臂被印在電介質基板(49)上；當所施加的負載的形狀在一個小i區(qū)域中占有很長的長度時，以及當導電表面含有大量的多邊形(正如 在多層結構中所遇到的那樣)時，這個方法在成本和機械牢固性方面 顯得特別適宜。任何已知的印制電路制造技術都可以被用來將加載結 構形成于電介質基板之上。所述電介質基板可以是，例如， 一塊玻璃纖維板， 一塊以聚四氟乙烯為基材的基板(例如Cuclad )或者其他 標準的射頻或微波基板(例如Rogers 4003@或Kapton⑧)。若該天線 準備安裝在機動交通工具，例如一部汽車， 一列火車，或一部飛機之 中，用以發(fā)送或接收無線電廣播、電視、蜂窩電話(GSM900， GSM 1800， UMTS)或者其他通信業(yè)務電磁波，則電介質基板可以是窗玻 璃的一部分。當然， 一個平衡一不平衡變換器網(wǎng)絡可以被連接或集成 在偶極子的各輸入端子上，以便使兩個偶極子臂的電流分布趨于平衡。在圖14的實施例(26)中，包括一個使用多層幾何形狀作為導 電表面的加載天線的孔徑配置。饋電技術可以是通常用于常規(guī)的孔徑 天線的各種技術其中之一。在所示的圖中，同軸電纜(53)的內導體 被直接地連接到下方的三角形部件，其外導體則被連接到導電表面的 其余部分。其他饋電配置，例如電容耦合，也是可能的。加載天線的另一個實施例就是一個開有縫隙的加載單極天線，如 圖14下方的子圖所示那樣。在圖中，加載結構形成一個縫隙或間隙 (54),它們被施加到一個導電或超導片(52)之上。這樣的片可能 是，例如，在一塊電介質基板上采用印制電路板配置的片， 一塊透明 的導電薄膜，例如那些被噴鍍在一塊玻璃窗之上，用以保護車內免受 紅外熱輻射的薄膜，或者甚至可能是一部手持電話， 一部汽車，火車， 輪船或飛機的金屬結構的一部分。饋電電路可能是在常規(guī)的縫隙天線 中眾所周知的任何一種，并且它不會成為本發(fā)明的一個重要部分。在 圖14所述的兩份子圖中， 一根同軸電纜已經(jīng)被用來向天線饋電，導電 體其中之一被連接到導電片的一側，另 一個導電體則被連接到跨越縫 隙的片的另一側。例如，可以使用一根微帶傳輸線來取代一根同軸電 纜。另一個實施例示于圖15。它由一個貼片天線組成，它具有以加截結構為特征的導電或超導貼片(58)(這里已經(jīng)采用了加載結構(59) 的特殊情形，但是顯而易見，可以使用任何其他上述的結構來加以取 代)。貼片天線包括一個導電或超導的接地平面(61)或地網(wǎng)，以及 導電或超導貼片，后者平行于所述接地平面或地網(wǎng)。介于貼片以及接 地平面之間的間隔典型地小于(但不限于)四分之一波長。可選地， 一塊低損耗電介質基板(60)(例如玻璃纖維)， 一塊聚四氟乙烯基 板(例如，Cuclad⑧)或者其他市售材料(例如Rogers 4003 )都可以 被放置在介于所述貼片以及接地地網(wǎng)之間。天線饋電電路可以采用通 常用于現(xiàn)有技術的貼片天線的各種已知方案當中的任何一種，例如 一根同軸電纜，其外導體被連接到接地平面，其內導體則在所需的輸 入電阻點上被連接到該貼片(當然，典型的修改包括在環(huán)繞同軸連接 點上的貼片上的一個電容性間隙，或者一塊電容性板，它被連接到被 放置在與該貼片相平行的 一段距離上的同軸電纜的內導體上，等等)； 一根微帶傳輸線跟天線共用相同的接地平面，其帶跟貼片之間為電容 性耦合，并且位于在貼片下方的一個距離上，或者在另一個實施例中， 該帶被放置在接地平面的下方，并通過一個縫隙被耦合到該貼片，以 及甚至一根微帶線，其帶與該貼片共面。所有這些機制在現(xiàn)有技術中 都是眾所周知的，并且不構成本發(fā)明的一個重要部分。本發(fā)明的重要 部分就是天線的加載形狀，它有助于使輻射器以小尺寸同時工作于幾 個頻段的性能獲得改進。同一個圖15描述了加載天線的另一個優(yōu)選實施例。它由一個孔 徑天線組成，所述孔徑天線的特征在于，其負載被添加到一個多層結 構，所述孔徑天線被施加到一個導電的接地平面或接地地網(wǎng)，所述接 地平面包括，例如， 一個波導或諧振腔的壁，或者一部機動交通工具 (例如一部汽車， 一部卡車， 一架飛機或一輛坦克)的結構的一部分。 可以用任何一種常規(guī)技術來向孔徑饋電，僅舉數(shù)例例如一根同軸電 纜(61)，或者一根平面微帶，或者帶狀傳輸線。圖16描述另一個優(yōu)選實施例。它包括一個頻率選擇表面(63)。 頻率選擇表面實質上是一些電磁濾波器，在某些頻率上，它們完全反射能量，而在其他頻率上，它們又是完全透明的。在這個優(yōu)選實施例中，形成表面(63)的選擇部件(64)使用加載結構(26)，但是也 可以代之以上述的各種加載天線結構。在選擇部件(64)中，至少有 一種具有與上述加載輻射部件相同的形狀。除了這個實施例以外，另一個實施例也是可取的，這就是， 一個加載天線，其中，借助于下列數(shù)學算法中的一種或一個組合來形成導電表面或加載結構、或者二者 迭代函數(shù)系統(tǒng)，多降階復制才幾(Multi Reduction Copy Machine ),聯(lián)網(wǎng)的多降階復制機。
權利要求
1.一種加載天線，包括輻射部件，其包括第一部分和第二部分；第一部分包括至少一個導電表面；并且第二部分包括加載結構，所述加載結構包括至少一根導電帶，其中，所述至少一根導電帶被連接到所述至少一個導電表面的一邊上的至少一點，所述至少一根導電帶的最大寬度小于所述導電表面的最長直邊的四分之一；其中所述至少一根導電帶形狀為空間填充曲線，該空間填充曲線包括至少十段，這十段被連接為使得不會有成對相鄰段限定一個更長的直線段，并且如果該曲線沿空間的固定直線方向是周期性的，則周期是由包括至少十個相連段的非周期性曲線限定的，并且不會有成對相鄰的相連段限定一個更長的直線段；并且其中空間填充曲線至多在其起點和終點處與其自身相交。
2. 根據(jù)權利要求l所述的加載天線，其特征在于， 所述至少 一個導電表面的周界的形狀是多邊形。
3. 根據(jù)權利要求1所述的加載天線，其特征在于， 所述至少一個導電表面的周界的至少一部分的形狀是空間填充曲線。
4. 根據(jù)權利要求l所述的加載天線，其特征在于， 所述至少一個導電表面的至少一部分的形狀是多層結構。
5. 根據(jù)權利要求l所述的加載天線，其特征在于，所述至少 一根導電帶中的至少一根的兩個尖端連接到所述至少 一個導電表面的周界上的兩點。
6. 根據(jù)權利要求l所述的加載天線，其特征在于， 所述至少一個導電表面和所述加載結構位于共同的平面或曲面上。
7. 根據(jù)權利要求1所述的加載天線，其特征在于，所述至少一根導電帶包括第一導電帶和第二導電帶； 所述第一導電帶在至少一點處連接到所述至少一個導電表面的周界；并且所述第二導電帶的尖端連接到第一導電帶。
8. 根據(jù)權利要求l所述的加載天線，其特征在于， 所述至少一個導電表面包括第一導電表面和第二導電表面； 所述第二導電表面的面積小于所述第一導電表面；并且 所述至少一根導電帶在第一端處連接到所述第一導電表面，并且在第二端處連接到所述第二導電表面。
9. 根據(jù)權利要求l所述的加載天線，其特征在于， 由于所述加載結構，所述加栽天線具有多頻段特性，包括與沒有加載結構的相同天線相比而言更多的工作頻段。
全文摘要
在本發(fā)明中定義了一種新穎的加載天線，該加載天線的輻射部件由兩個不同的部分組成一個導電表面以及一個加載結構。借助于這種配置，該天線能提供一種小型和多頻段性能，因此，它在不同的頻段中，都以類似的性能為特征。
文檔編號H01Q5/00GK101262087SQ20071019334
公開日2008年9月10日 申請日期2001年10月16日 優(yōu)先權日2001年10月16日
發(fā)明者卓迪·索勒爾·卡斯塔尼, 卡爾斯·匹安特·巴利阿達 申請人:弗拉克托斯股份有限公司