多频带单极天线 【技术领域】
本发明大体上涉及无线通信，并且具体涉及无线网中使用的多频带天线。
背景技术
许多装置被设计为在多于一个的频率范围中运行。例如，对于无线局域网(WLAN)，IEEE 802.11b和IEEE 802.11g标准在IEEE 2.4GHz范围运行，而IEEE 802.11a标准用于5GHz的频带中的运行。目前有许多在双频带中运行的IEEE 802.11装置，例如包括两个可以同时运行的无线电频带的装置，一个在2.4GHz的频带中且一个在5GHz的频带中。为了利用分集，每个无线电需要至少两个天线或一个分集式天线，该分集式天线包括至少两个配备在相同外壳中的天线。
因此，理想的是可以有双频带天线。市场上有几种针对双频率WLAN装置的双频带天线。两个示例分别是Cushcraft(Cushcraft Corporation，Manchester，NH)S24493DS型分集式双频全向薄型天线和PCTelMC24580304PT双频单天线(PCTel Inc.，Chicago，IL)。PCTel还具有Z2452型的双频(单)全向短天线。这些Cushcraft和PCTel的天线用于2.4GHz的频带和5GHz的频带中的运行。
【发明内容】
本发明的实施例包括天线、天线阵列，以及制作天线和包括双频天线实施例的无线站的方法。
一个实施例包括天线，其包括：(a)导电的接地面；以及(b)具有导电表面的杆状单极天线元件，其取向为从接地面向外，并且具有被选择用于第一无线电频带的长度；单极天线元件具有电流抑制元件，所述电流抑制元件在单极天线元件上由高于第一频带的第二频带确定的位置处导电地连接到并环绕单极天线元件的表面。杆状单极天线元件具有较宽的横截面，从而天线可以在一个或两个频带的较宽的频率范围中运行。
一个实施例包括天线阵列，其包括：(a)导电的接地面；以及(b)多个杆状单极天线元件，其每个都具有导电表面，取向为从接地面向外，并且具有被选择用于第一无线电频带的长度；每个单极天线元件具有相应的电流抑制元件，所述电流抑制元件在单极天线元件上由高于第一频带的第二频带确定的位置处导电地连接到并环绕单极天线元件的表面。每个杆状单极天线元件都具有较宽的横截面，从而天线阵列可以在一个或两个无线电频带的较宽的频率范围中运行。
一个实施例包括制造天线的方法，所述方法包括：提供导电的接地面；提供具有导电表面并且具有被选择用于第一无线电频带的长度的杆状单极天线元件；提供包括大体上彼此平行的导电的顶面和导电的底面以及包括孔的电流抑制元件，该孔被构造为使得杆状单极天线元件可以配合通过电流抑制元件的孔。所述方法包括：将电流抑制元件推到单极天线元件上，或将单极天线元件推入电流抑制元件的孔中，从而导电的顶面和导电的底面从单极天线元件的导电表面向外延伸，并且从而导电的顶面和导电的底面在由高于第一频带的第二频带确定的选定的第一位置处导电地连接到单极天线元件的外表面。所述方法还包括：将单极天线元件和电流抑制元件的结合设置为大体上垂直于接地面，从而接地面和所述结合形成两个天线端子。杆状单极天线元件具有较宽的横截面，从而天线可以在一个或两个频带的较宽的频率范围中运行。
一个实施例包括设备，其包括：无线收发器，可以在2.4GHz处或与其接近的频带的多个频率的其中一个处运行，同时可以在5GHz处或与其接近的频带的多个频率的其中一个处运行；以及连接到无线收发器的天线。所述天线包括：(a)导电的接地面；以及(b)具有导电表面的杆状单极天线元件，其取向为从接地面向外，并且具有被选择用于2.4GHz频带的长度；单极天线元件具有电流抑制元件，所述电流抑制元件在单极天线元件上由5GHz频带确定的位置处导电地连接到并环绕单极天线元件的表面。杆状单极天线元件具有较宽的横截面，从而天线可以在一个或两个频带的较宽的频率范围中运行。
特定实施例可以提供这些方面、特征或优势的全部、一些或都不提供。特定实施例可以提供一个或多个其它的方面、特征或优势，这些对于本领域技术人员来说从这里的附图、描述和权利要求来看是显而易见的。
【附图说明】
图1示出了双频带天线的示例实施例的立体图。
图2示出了制成双频带天线的实施例的一种方法。
图3示出了例如使用图2中所描述的过程所制造的天线实施例的横截面视图。
图4A‑4D示出了根据本发明的一个或多个特征的天线中使用的电流抑制元件的四个替代的形状。
图5示出了两个双频带天线的阵列的一个实施例的立体图。
图6A和6B示出了图5的双天线实施例的俯视图和侧视图。
图7示出了图5所示的天线结合天线上的一对天线罩的实施例。
图8A和8B分别示出在IEEE 802.11b和IEEE 802.11g中使用的2.4GHz频带的频率处传送的天线实施例的测得的方位角平面图形和测得的仰角平面图形。
图9A和9B分别示出在IEEE 802.11a中使用的5GHz频带的频率处传送的天线实施例的测得的方位角平面图形和测得的仰角平面图形。
图10示出了在两个频率处运行并且包括一个或多个双频带天线实施例的无线站的实施例。
【具体实施方式】
图1示出了双频带天线100的示例实施例的立体图。天线100包括导电的接地面103以及具有导电表面的杆状单极天线元件101，单极天线元件101的取向为从接地面向外并且具有被选择用于第一频带的长度，例如IEEE 802.11WLAN标准的IEEE 802.11b和802.11g变体使用的2.4GHz的频带。单极天线元件具有电流抑制元件105，电流抑制元件的导电表面在单极天线元件101上的选定的位置处导电地连接到并环绕单极天线元件101的表面，该位置由高于第一频带的第二频带确定，例如IEEE 802.11WLAN标准的IEEE 802.11a变体使用的5GHz的频带。
在一个实施例中，单极天线由第一导电金属材料制成，例如黄铜；并且电流抑制元件由第二导电金属材料制成，例如铝。在另一个实施例中，元件101和105都由相同的导电金属材料制成。
图2示出了由具有被选择的长度的金属圆柱杆201制成双频带天线100的一个实施例的方法，金属圆柱杆201具有馈电端209和顶端207，并且在顶端207推上金属电流抑制元件205，金属电流抑制元件205较薄且具有例如彼此平行的顶面213和底面215以及具有内表面217的孔，该孔的直径被构造为与从中穿过的单极天线杆201配合。在一个实施例中，该顶面和底面是环形的。在一个实施例中，电流抑制元件是圆形的金属垫圈。电流抑制元件205被推到单极天线杆201上，直至电流抑制元件205位于杆201上的选定的位置211处，并且它的导电表面导电地连接到单极天线元件的导电表面。制造方法包括在馈电端209处钻出馈电孔219，从而同轴馈电导线的中心导线或同轴连接器的中心导线或是它们的组合可以被焊接到那里。
图3示出了例如使用图2中所描述的过程所制造的天线实施例的横截面视图。单极天线的直径由D代表。杆状单极天线较宽。在一个实施例中，该直径约6mm。在另一个实施例中，该直径是6.7mm。在其它实施例中，单极天线在横截面中至少宽4.7mm。横截面宽度如此选择，从而可以覆盖至少较宽的频率范围，如4900‑5850MHz。太薄的单极天线甚至不会覆盖2400‑2500MHz范围的整个频率范围。
单极天线元件201的长度由L代表，并且被选定为使得天线可以在两个频带中较低的一个处运行，例如IEEE 802.11b和802.11g的2.4GHz的带。在一个实施例中，长度L约为两个频带中较低的一个的波长的四分之一。在2450MHz处，约为30mm。该长度还被调节从而为天线提供理想的阻抗。约27mm对应于约2400MHz，并且提供接近于50Ω的阻抗。因此，在一个实施例中，长度约为27mm。另一个实施例中，L约为28mm。本发明不限于具体的长度，25mm到33mm之间的长度都是可行的。
电流抑制元件205的位置由起始于单极天线元件201的顶端的L1代表。选择D1以在较高的频带中产生谐振，例如5GHz的范围。在一个实施例中，电流抑制元件205位于约为13mm的L1处。可以有几个mm的变化，取决于理想的较高频带的宽度以及元件的厚度。其它实施例可以具有在11mm至略大于14mm之间(并且包含11mm和14mm)的L1。
电流抑制元件的厚度由D2代表。在一个实施例中，选取用于电流抑制元件的约2.5mm的D2的值。在另一个实施例中，使用约为4mm的厚度。太薄的电流抑制元件在两个频带中较高的一个的运行中产生太窄的频率范围；而太厚的电流抑制元件影响阻抗，从而可能显著地偏离于理想的阻抗，例如50Ω。
在一个实施例中，接地面是平面型的并在两侧具有金属材料。在一个实施例中，接地面由铝板制成。由L4代表的厚度约为2mm，并且可以使用任意厚度。
在接地面103和单极天线元件201之间具有间隔305。在图3中，该间隔由L3代表。在一个实施例中，L3约为1mm。在一个实施例中，特氟隆定距片放置在接地面和杆状单极天线元件的馈电端之间。
图3示出了插入孔219中的焊接到那里的同轴电缆的中心导线307。中心导线穿过从接地面103中通过的孔309。
在一个实施例中，板安装连接器被装到接地面的与单极天线相对的一侧。例如SMA板安装连接器被设计为卡住被焊接到单极天线元件的馈电端中的孔的中心导线。
应该注意，尽管图1至图3示出环形的电流抑制元件，其它的形状也是可以的。图4A‑4D示出了四个替代的形状，并且这些当然不是穷举的，其它的形状也是可以的。图4A‑4D每个都示出了较薄的导电元件，其具有上导电表面和下导电表面，所述上导电表面和下导电表面例如大体上彼此平行并平行于接地面并且导电地连接到单极天线的外表面，这些表面在所有方向上从单极天线的表面向外延伸。在所示的类似于图2所示的构造方法的情况中，图4A‑4D中每个元件包括具有导电的内表面的孔，并且其直径被构造为较紧地配合单极天线，从而导电元件可以在选定的第一位置处导电地连接到单极天线元件的外表面。
在图2、3和4A中所示的一个实施例中，导电元件的顶面213和底面215的形状是环形的，例如环绕通过中心的孔，从而导电元件的形状类似具有从其穿过的孔的薄圆柱，例如形状类似普通的垫圈。在电流抑制元件的位置处，单极天线和电流抑制元件的横截面轮廓的形状是环形。
在一些其它的实施例中，例如图4B‑4D，顶面和底面是具有通过中心的孔的多边形，因此导电元件呈现孔从其两面穿过的棱柱的形状。例如，每个面可以是正方形或具有更多边的多边形。图4B示出顶面403和底面405是相等并对齐的六边形，从而元件是六角螺帽状。图4C示出了顶面和底面是对齐的但尺寸不同的六边形。图4D示出的顶面和底面是相等并对齐的八边形。顶面和底面不一定要相等。
正如本领域技术人员目前所知的，图4A‑4D中所示的以外的其它形状也是可以的，并且这样的其它形状也应当在本发明的保护范围内。
一个实施例包括两个或多个被设置在一起的双频带天线，以产生适于调配任意多天线装置的两个或多个天线元件的阵列、相应的多个馈电电缆或连接器，例如802.11网络的情况中存取点的分集设计。例如，IEEE802.11n标准以及标准草案用于具有多天线的运行。
图5示出了两个天线的阵列的实施例500的立体图，每个单极天线和电流抑制元件组合501如上所述，并且具有公共的接地面503。
尽管图5所示的实施例示出单个元件形成接地面，然而在代替实施例中，导电的接地面可以包括多个导电的平面型元件。
图6A和6B示出了图5的双天线设置500的俯视图和侧视图。天线之间的距离在图中由D2代表，并选择D2以提供充分的分集。在一个实施例中，天线之间的距离D2接近最低频率的一个波长。然而，理想的是天线的设置不要太大。对于2450MHz，一个波长大于122mm，因此用于两个天线的整个接地面的由D3代表的更大的尺寸需为230mm或更多，这对于许多应用来说可能较大(但是仍在本发明的范围内)。发明人折衷并选取100mm作为两个元件501之间的距离。应注意，虽然有一些性能损失，任意距离都将提供一些分集，即使是小到半个波长或更小。然而，这样小的距离仍然被发明人视为在本发明的范围内。一个实施例中的接地面是200mm乘100mm，所示的短边由D4代表。
对于天线，由L代表的每个天线的长度在该实施例中略大于28mm。从每个单极天线的顶端到每个电流抑制元件的顶面之间的距离约为14mm，并且由L5代表的从接地面到每个电流抑制元件的顶面之间的距离略大于14mm。接地面的厚度约为2mm。
这样的设置提供了易于以低成本配备的薄型双频带分集天线。
图7示出了图5所示的天线500结合一对天线罩601的实施例，天线罩601至少出于美学的目的在结构上包围以用于保护天线，并且由允许电磁信号在天线罩内部的天线和天线罩外部之间相对不衰减的材料制成。
发明人采用图2所示的方法构造了图1所示的单个天线。单极天线是具有27mm的长度和6.3mm的直径的黄铜杆。接地面是100mm乘100mm的铝板。电流抑制元件是直径为16mm(见图4A)较厚的环形铝盘，其顶面距单极天线的顶端13mm。对于2.4GHz和5GHz范围的频率范围，在方位角和仰角方向测量用作传输天线的天线响应变量。对于这些测量，仰角平面是垂直于接地面的平面，即，在该实施例中平行于天线元件。方位角平面是平行于天线的接地面的平面。
图8A和8B分别示出IEEE 802.11b和IEEE 802.11g标准中使用的2.4GHz频带中对于所示频率的测得的方位角平面图形和测得的仰角平面图形。图9A和9B分别示出IEEE 802.11a标准中使用的5GHz频带中对于所示频率的测得的方位角平面图形和测得的仰角平面图形。在图9A中，最外侧的曲线代表所测的最低频率4900MHz，并且最内侧的曲线代表所测的最高频率5850MHz。在图9B中，最下侧的曲线代表所测的最低频率4900MHz，并且最上侧的曲线代表所测的最高频率5850MHz。
这些测量表明，该结构确实简单、相对廉价地构造了双频带天线结构，产生的天线在被用于传输时确实提供大体上全向的向下倾斜的辐射方式。
尽管图2至4的实施例假定了平滑圆形横截面的单极天线元件101，然而替代实施例使用了不同的横截面形状。一个实施例使用螺纹杆作为杆状单极天线元件，并且使用普通金属六角螺帽作为电流抑制元件。除圆形横截面以外的也是可以的。例如，可以使用八角形横截面的杆状结构等。
尽管所描述的实施例示出具有一致横截面的单极天线元件，然而这不是必须的。例如，对于圆形对称横截面，可以使用单极天线元件的直径在仰角方向沿长度变化的锥形部分。
另一个实施例可以被压铸为一个零件。
因为本发明的实施例旨于在较高的频带处(例如在GHz的范围中)运行，所以只有单极天线元件、电流抑制元件和接地面的表面需要是导电的。因此，单极天线和电流抑制元件可以由一些绝缘材料制成，例如塑料，并且镀有导电的材料。
应该注意，在一个实施例中，仅需要一个焊接接头来将天线连接到电缆或连接器的中心导线。还应注意，一个实施例的特征是，不需要任何铆钉、螺钉或旋入元件。
本发明的另一个实施例是包括此处所述的天线实施例的发射器。本发明的另一个实施例是包括此处所述的天线实施例的双频带无线电接收器。本发明的另一个实施例是包括接收器和发射器两者的无线站，其包括至少一个此处所述的天线实施例并且可以同时在两个频率处运行，例如在一个频率处接收的同时在另一个频率处发射，或同时在两个频率处发射。
图10示出了本发明的一个实施例，其中无线站1000包括例如图1所示的天线实施例。在一种方案中，无线站是作为网状网络中的网点运行的存取点。其它网点的回程网在一个频带处运行，例如802.11g的；同时在两个频带中的另一个处所述站作为客户站的存取点，例如根据IEEE802.11a标准。无线站包括双频带收发设备，其包括双频带接收器(Rx)和双频带发射器以及功率放大器。一个实施例包括一个或多个连接到接收器的模拟到数字转换器(ADC)从而为基带和媒体访问控制子层协议(MAC)处理系统提供数字样本。那些样本可以在基带处，或不具有在数字领域发生的到基带的进一步降频转换。一个实施例还包括主处理系统，来进一步处理接收的信号并进一步准备用于传送的信号。在发射侧，基带和MAC处理器被连接到至少一个数字到模拟转换器(DAC)从而为发射器和功率放大器提供在一个或两个运行频带处发射的信号。
在另一个实施例中，所述站包括网络接口，并且可以与有线网络的元件直接连接，并且可以用作为无线局域网中的存取点。
其它实施例包括其它的无线站，其包括一个或多个双频带无线电。这样的站可以是包括用于分集操作的天线阵列的多输入多输出(MIMI)站。
与常用的工业术语一致，“基站”、“存取点”以及“AP”在这里可以互换地使用，以描述可以与多个其它电子装置无线地、基本上同时地通信的电子装置；同时“客户”、“移动装置”以及“STA”可以互换地使用，以描述任意的多个其它电子装置，它们具有在移动的同时仍进行通信的能力，尽管移动不是必须的。然而，本发明的范围不限于这些词语所标示的那些装置。
在该文件的文中，“无线”以及其衍生词可以被用于描述利用调制电磁辐射通过非实体介质传达数据的电路、装置、系统、方法、技术、通信信道等。该术语不是指相关的装置不含有任何导线，尽管一些实施例中确实没有导线。
应注意，当描述包括几个要素(例如几个步骤)的方法时，除非具体指明，并没有暗含该要素(例如步骤)的顺序。
该说明书全文提到的“一个实施例”或“实施例”是指联系实施例描述的具体的特征、结构或特点被包含在本发明的至少一个实施例中。因此，全文中不同地方出现的“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指相同的实施例，但是也可以指相同的实施例。此外，一个或多个实施例中的具体的特征、结构或特点可以以任意适当的形式组合，只要根据该公开对于本领域技术人员来说是明显的。
类似地，应注意，在上述的对本发明的示例实施例的描述中，为了使本发明表达流畅并有助于理解一个或多个不同的发明方面，本发明的各种特征有时被一起组合在单个实施例、附图或描述中。然而这种公开的方法不能被理解为反映了要求保护的发明需要比每个权利要求在表述上引用的特征更多的特征的意向。相反，如以下的权利要求所反映的，发明的方面占有的少于单个上述公开的实施例的全部特征。因此，“具体实施方式”之后的权利要求在表述上于此被包含在该“具体实施方式”中，每个权利要求本身作为本发明的独立的实施例。
此外，尽管这里描述的一些实施例包括其它实施例的一些特征而不包括其中的其它的特征，然而不同实施例的特征的结合也应当在本发明的范围内，并且如本领域技术人员所理解的形成不同的实施例。例如，在以下的权利要求中，任意所要求保护的实施例可以以任意的结合被使用。
此外，一些实施例在这里被描述为可以被计算机系统的处理器或实施该功能的其它装置执行的方法或方法的要素的组合。因此，具有用于实施该方法或方法的要素的必要的指令的处理器形成用于实施该方法或方法要素的装置。此外，这里描述的设备实施例的元件是用于实施本发明的装置的示例，所述装置实施该元件所执行的功能。
在这里所提供的描述中，给出大量具体的细节。然而，应理解，本发明的实施例的实行可以不具有这些细节。另一方面，没有具体地示出公知的方法、结构和技术，目的是不使对本说明书的理解变得不清楚。
如这里所使用的，除非另有说明，描述普通物体的序数形容词“第一”、“第二”、“第三”等的使用只代表所指的相似的物体的不同实例，并且不旨在暗含如此描述的该物体以分类或其它方式在时间或空间上一定要执照所给定的顺序。
“IEEE 802.11标准的变体”在这里被用于表示IEEE 802.11标准的变体和建议变体。变体是标准和标准的建议修改的条款限定的型式。
应理解，尽管本发明以IEEE 802.11标准的变体的内容被描述，然而本发明不限于该内容，并且可以被用于各种无线应用和系统中，例如符合IEEE 802.11以外的标准的网络，或例如包括多个无线电发射器、接收器或收发设备而形成可以同时在两个频率处运行的装置的其它系统。
尽管描述了在5GHz范围和2.4GHz范围的RF频率运行的实施例(IEEE 802.11标准的802.11a和802.11b和802.11g变体)，然而本发明可以在其它RF频率范围运行的接收器和发射器中实施。
此外，本发明不限于任意一种形式的体系或协议，并且从而可以结合其它体系/协议的一个或其组合被使用。例如，本发明可以在按照其它标准并用于其它应用的收发设备中被实施，包括其它WLAN标准、蓝牙、GSM、PHS、CDMA和其它蜂窝式无线电话标准。
这里所引用的所有出版物、专利和专利应用通过引用被包含于此。
该说明书中的对现有技术的讨论不应该以任何方式被视为承认该现有技术被广泛知晓、被公开或形成本领域公知常识的一部分。
在以下的权利要求和这里的说明中，“含有”、“包括”“具有”中的任意一个都是开放性词语，意思是至少包括随后的元件/特征，但是不排除其它的。因此，当用在权利要求中时，“包括”不应该被理解为限制为其后的装置、元件或步骤。例如，“装置包括A和B”的范围不应该被限制为装置仅包括元件A和B。这里使用的“包含”、“其包含”“其包括”中的任意一个也都是开放性词语，意思也是至少包括随后的元件/特征，但是不排除其它的。因此，“包含”与“包括”同意。
类似地应注意，当用在权利要求中时，“连接”不应该被理解为限制为只是直接连接。“连接”、“结合”可以与它们的衍生词一起被使用。应理解，这些词不旨在彼此的同义。因此，“连接到装置B的装置A”的范围不限于其中装置A的输出被直接连到装置B的输入的装置或系统。它的意思是，在A的输出和B的输入之间存在路径，可以是含有其它装置的路径。“连接”可以指两个或多个元件直接物理连接或电连接；也可以指两个或多个元件没有彼此直接连接，但仍然协同运行或彼此相互作用。
因此，尽管对被认为是本发明的优选实施例进行了描述，然而本领域技术人员应理解，只要不背离本发明的精神，可以对其进行其它的和进一步的修改，并且旨在保护落入本发明范围的所有的改变和修改。例如，以上给出的任何阐述仅代表可能采用的过程。可以加入功能或从框图中删除功能，并且在功能框之间的操作可以互换。可以加入步骤或从本发明范围内所描述的方法中删除步骤。