多频带天线布置.pdf

本发明涉及一种无线电天线(100)，并且更具体而言涉及一种用于例如在诸如移动电话的便携式电信设备中使用的内部多频带天线。特别地，本发明涉及一种用于移动终端的天线模块，其包括非谐振天线元件(102)；分别覆盖第一、第二、第三和第四频带中的至少任何一个的两个谐振天线元件(104，106)，所述两个谐振元件实质上处于相同的平面中，并且限定了平坦表面，其中所述两个谐振元件(104，106)分别位于所述平坦表面的拐角处，并且非谐振元件(102)位于沿所述平坦表面的边缘。

1.  一种用于通信设备的天线，所述天线包括非谐振天线元件；分别覆盖第一、第二、第三或第四频带中的至少任何一个的两个谐振天线元件，所述两个谐振元件实质上处于相同的平面中，并且限定了平坦表面，其中所述两个谐振元件分别位于所述平坦表面的拐角处，并且非谐振元件位于沿所述平坦表面的边缘。

2.  根据权利要求1所述的天线，其中所述非谐振天线元件被放置成其邻近于所述两个谐振天线元件。

3.  根据权利要求2所述的天线，其进一步包括耦合于所述非谐振元件的匹配电路以及耦合于所述天线的接地平面，其中所述非谐振元件、匹配电路和接地平面形成了覆盖第五频率范围的谐振元件。

4.  一种天线模块，其包括根据权利要求1所述的天线。

5.  一种天线模块，其包括：非谐振天线元件；覆盖第一、第二、第三或第四频带中的至少任何一个的两个谐振天线元件，所述两个谐振元件实质上处于相同的平面中，并且限定了平坦表面，并且所述两个谐振元件分别位于所述平坦表面的拐角处，并且非谐振元件位于沿所述平坦表面的边缘，其中所述天线模块耦合于包括接地平面和匹配电路的印刷电路板，并且所述非谐振元件、匹配电路和接地平面形成了覆盖第五频率范围的第三谐振元件。

6.  根据权利要求5所述的天线模块，其中沿平行于所述印刷电路板的边缘的轴放置所述非谐振元件。

7.  根据权利要求5所述的天线模块，其进一步包括支持结构，其中所述非谐振元件和两个谐振元件位于所述支持结构的表面上。

8.  根据权利要求5所述的天线模块，其中所述非谐振元件和所述两个谐振元件形成了实质上U型的模式。

9.  根据权利要求5所述的天线模块，其中所述两个谐振天线元件都是双谐振天线。

10.  根据权利要求5所述的天线模块，其中所述两个谐振天线中的第一个天线是主天线，并且所述两个天线中的第二个天线是分集天线。

11.  根据权利要求5所述的天线模块，其中所述两个谐振天线中的第一个天线是单独的TX天线，并且所述两个谐振天线中的第二个天线是单独的RX天线。

12.  根据权利要求5所述的天线模块，其中所述第三谐振元件和所述两个谐振天线中的第一个天线覆盖所述第一、第二和第五频带，并且所述两个谐振天线中的第二个天线覆盖所述第三和第四频带。

13.  根据权利要求12所述的天线模块，其中所述第一、第二和第三频带是GSM频带，并且所述第三和第四频带是WCDMA频带。

14.  根据权利要求5所述的天线模块，其中所述第三谐振元件的馈电与所述两个第二谐振天线中的至少一个的馈电进行组合。

15.  根据权利要求5所述的天线模块，其中所述两个谐振天线是通过两个谐振层叠天线来实现的。

16.  根据权利要求5所述的天线模块，其中所述非谐振元件是T型天线元件。

17.  根据权利要求5所述的天线模块，其中所述两个谐振天线被对称地放置并且与所述接地平面所限定的拐角重合。

18.  根据权利要求5所述的天线模块，其中所述非谐振天线元件至少部分地延伸出所述接地平面所限定的周界的外部。

19.  根据权利要求5所述的天线模块，其进一步包括调谐电路，其中所述两个第二天线元件中的任何一个都能够被调谐，以便工作在所述第一、第二、第三或第四频带中的任何一个。

20.  根据权利要求5所述的天线模块，其中所述匹配电路被实现为微带线的短接电路部分。

21.  根据权利要求5所述的天线模块，其中所述匹配电路位于两个谐振天线之间。

22.  根据权利要求5所述的天线模块，其中相比于天线元件，所述匹配电路位于所述接地平面的相对侧上。

23.  一种移动终端，其包括根据权利要求5所述的天线模块。

24.  一种操作用于移动通信网络的移动终端的方法，所述移动终端具有天线模块和通用接地元件，所述天线模块包括：覆盖GSM850/900频率的一个第一单独的低频带天线，以及覆盖GSM1800/1900/UMTS频率的两个第二双谐振短接贴片天线，其中每个所述天线均包括支路部分，所述支路部分含有用于相对于所述接地元件对天线进行馈电的馈电布置，其中在所述方法中：
-所述第一单独的低频带天线被用于GSM850/900频率；以及
-所述两个第二双谐振短接贴片天线中的至少一个被用于GSM1800/1900/UMTS频率。

多频带天线布置
技术领域
本发明涉及无线电天线，并且更具体而言，涉及用于在例如便携式电信设备(诸如移动电话)中使用的内部多频带天线。
背景技术
当前的无线通信系统利用若干不同的无线电通信标准，并且工作在很多不同的频带。在该断裂(fractured)的服务环境中，工作在多个系统和频带中的终端提供比单频带和单系统终端更好的服务覆盖。多频带通信终端的一个例子是工作在例如四个GSM频带(即，GSM850(824-894MHz)、GSM900(880-960MHz)、GSM1800(1710-1880MHz)、GSM1900(1850-1990MHz))以及进一步地工作在UMTS频带(1920-2170MHz)的移动电话。
需要具有良好性能的小型多频带天线配置，以便实现多频带移动终端和/或基站。当前的移动终端通常具有用于GSM频带的一个多频带天线和一个馈电(feed)以及用于UMTS的另一个天线和馈电。与此同时，随着移动终端中用于天线的空间变得越来越有限，因此需要使越来越多的天线适合安装于终端内部，例如以便实现移动天线分集。
天线分集可以用于并且被用于改进多径传播环境中无线电设备的性能。在天线分集中，工作在相同频带的两个或多个天线被用于接收在独立衰落无线电信道上的相同信息。当一个信道的信号衰落时，接收机可以依靠其它天线来提供较高的信号电平。可选地，还可以以减少由其它发射设备所引起的干扰的方式来组合两个或更多的信号。然而，改进性能的代价是增加了复杂性。通常，分集可以在不使用额外频谱的情况下提供例如更好的呼叫质量、改进的数据速率以及增加的网络容量。分集还可以提供更长的电池寿命或持续时间。当在移动终端中实现时，可以在不投资网络基础设施的情况下利用天线分集的好处。在移动终端中，对一个系统使用多个天线还可以减少用户对天线性能的影响。
然而，一些问题还涉及天线的大小。小天线的主要问题之一是小的工作带宽。带宽与效率以及天线大小相关，以致于仅可以以其它特征为代价来改进上述特征中的一个(减小的天线大小)。例如，如果对于新的通信系统来说或者为了实现诸如分集这样的新的天线功能而需要较大的天线带宽，则为此最简单的方式是增加天线的大小或对总效率中的一些进行折衷。然而，在小的便携式无线电装备中，上述任何方法都不是值得期望的。通常，它们仅在强制性情形下被接受。
幸运地，存在很多已知的方法，例如引入具有谐振匹配电路和寄生元件的多重谐振(multiple resonances)，其可以被用于在不降低效率的情况下增加工作带宽达特定的限度。然而，这些方法通常增加了天线的复杂性。
此外，在相对小的终端中，小天线的性能还取决于天线的位置和定向以及终端的大小和形状。在终端中为天线找到适当的位置对于性能来说可能至少是和实际天线结构一样重要。
设计例如工作在四个GSM频带(GSM850/900/1800/1900)和UMTS频带的小型且高效的内部手持天线是非常富有挑战性的。如果工作在给定频带的诸如分集天线这样的多个天线必须被包括在移动终端中，则问题甚至变得更为困难。如果当添加了新的天线或工作频带时不能增加总的天线大小，那么必须减小现有天线的大小，这毫无例外地导致现有天线的性能的降低。
当将工作在相同频率范围的两个天线彼此靠近放置时，出现了进一步的问题，因为它们易于彼此耦合。在分集和MIMO(多输入多输出)应用中，相互耦合降低了所耦合的天线的效率，减少了从其获得的改进(而这在完全隔离的天线的情况下将是可能的)，对此可以更为独立地进行设计。此外，相互耦合使天线设计复杂化，因为其造成对一个天线的修改，从而还影响了其它天线。在工作于不同频带的天线之间的大的隔离性也是有用的，因为其可以允许简化RF前端。然而，在允许用于现代移动终端的内部天线的有限空间中，设计具有例如超过10dB隔离性的天线可能是非常富有挑战性的。
另外，在天线信号之间的低相关性对于利用分集或MIMO改进无线电链路性能来说是先决条件。通常，在允许用于现代移动终端的内部天线的有限空间中可以实现低相关性并不是明显的。在当前的移动电话中，诸如照相机、扬声器或者这二者的各种组件经常至少部分地被放置在内部天线元件及其接地平面之间。这些附加组件可以降低天线性能。因而，会期望找到一种天线解决方案，该天线解决方案在最小程度地降低天线性能的情况下将使得能够集成其附近的其它组件。
此外，用户的手对于天线性能来说也可能成问题，因为它通常降低处于所讨论的频率范围(0.8GHz-2.2GHz)的移动电话天线的性能。当手至少部分地处于天线的顶部时，该影响非常强烈，并且不幸地，很常见的是用户经常手持电话，以致于食指处于电话顶部附近的天线元件的顶部。会期望找到这样的天线配置，即在该配置中，内部天线被放置得以便用户的头、手或其它身体部分的效应对天线的性能具有最小的影响。
关于上述问题，已知的是使用谐振匹配电路和寄生元件可以增加小天线的带宽。此外，已知的是通常增加天线之间的距离来增加它们之间的隔离性。另外，广为接受的是隔离性取决于天线的相对定向。
然而，根据发明人的经验，当在待隔离的两个天线之间添加附加天线时，隔离性是增加还是降低取决于附加天线的类型及其关于待隔离的天线的相对定向。因此，仅仅在天线之间放置任何天线或谐振器来自动增加它们之间的隔离性是不明显的；反之也会如此。
发明内容
本发明的目的是提供一种小型内部多频带移动终端天线布置以及简单的RF前端解决方案，所述小型内部多频带移动终端天线布置有效地工作在所有常用蜂窝通信系统频带并且进一步使得能够天线分集(以及MIMO)。本发明的另外的目的是所述小型内部多频带移动终端天线布置在天线信号之间具有足够低的包络相关(例如，ρe<0.7)用于良好的分集性能，并且约10dB或更多的足够大的隔离性。
举例来说，利用用于移动终端的天线实现了本发明的目的，所述天线包括非谐振天线元件；分别覆盖第一、第二、第三或第四频带中的至少任何一个的两个谐振天线元件，所述两个谐振元件实质上处于相同的平面中，并且限定了平坦表面(planar surface)，其中两个谐振元件分别位于所述平坦表面的拐角处，并且非谐振元件位于沿所述平坦表面的边缘。
在本文档中使用了以下缩写词：
CDMA     码分多址
GPS      全球定位系统
GSM      全球移动通信系统
IFA      倒F天线(Inverted F-antenna)
MIMO     多输入多输出
PIFA     平面倒F天线
PWB      印刷线路板
RX       接收
TX       发射
UMTS     通用移动电信系统
WCDMA    宽带CDMA
本发明的示例性实施例涉及一种用于移动终端的天线，其包括通用接地元件、覆盖GSM850/900频率的一个第一单独的低频带天线以及覆盖GSM1800/1900/UMTS频率的两个第二双谐振短接补片天线(dual-resonant shorted patch antennas)，其中每个所述天线均包括支路部分(leg portion)，所述支路部分含有用于相对于接地元件对天线进行馈电的馈电布置。
根据本发明的有利实施例，两个第二天线都适于覆盖GSM1800、GSM1900和UMTS频率。根据本发明的该实施例，所述两个第二天线中的第一个天线可以被用作主(GSM/UMTS)天线，并且所述两个第二天线中的第二个天线可以被用作分集天线。可选地，根据该实施例，所述两个第二天线中的第一个天线可以被用作主GSM天线和UMTS分集天线，并且所述两个第二天线中的第二个天线可以被用作主UMTS天线和GSM分集天线。
另外，根据本发明的实施例，对于GSM1800/1900/UMTS来说，如果不需要分集，则所述两个第二天线中的第一个天线可以被用作单独的TX天线，并且所述两个第二天线中的第二个天线被用作RX天线。因为所述两个第二天线(覆盖GSM1800/1900/UMTS)覆盖了TX和RX这两个频带，所以还可以将所述天线用于TX和RX分集以及用于MIMO。此外，在单独的TX和RX天线应用的情况下，可以使天线小得多，因为小得多的带宽将是足够的(例如，具有280MHz+365MHz而不是2×460MHz将是足够的)。
仍然根据本发明的有利实施例，第一单独的低频带天线和所述两个第二双谐振天线中的第一个天线可以适于覆盖四个GSM频带(GSM850/900/1800/1900)，并且所述两个第二双谐振天线中的第二个天线是单独的UMTS天线。这种情况还因为较小的带宽要求而允许显著减小两个第二双谐振天线的大小。因为适当的输入阻抗以及在第一低频带天线与两个第二双谐振天线之间的大隔离性，所以可以直接将分离的馈电组合成一个馈电端口，以便使得天线模块与当前使用的RF前端兼容。仅需要对天线几何形状进行较小的调整来重新优化性能。
此外，通过在第一低频带天线的馈电与两个第二天线中的至少一个的馈电之间插入传输线的短的部分(short sections)，从而使得第一低频带天线在GSM1800/1900/UMTS频带处具有优化的高阻抗，并且两个第二天线中的所述至少一个在GSM850/900频带处具有优化的高阻抗，端口之间的隔离性可以被最大化，并且在组合端口之后不需要任何的优化。
另外，根据本发明的第一实施例，通过两个第二双谐振共面短接贴片天线可以实现两个第二天线。而且，根据本发明的第二实施例，通过两个第二双谐振层叠(stacked)短接贴片天线可以实现两个第二双谐振短接贴片天线。
根据本发明进一步的有利实施例，第一单独的低频带天线是T型低频带元件。所述T型低频带元件的目的是激励(excite)接地元件的纵向型类偶极(longitudinally dipole-like)谐振模式。折叠的T型元件本身是非谐振的，但却与提供适当的并联电感并且转换阻抗的单独的匹配电路进行谐振。
所述匹配电路在此被实现为微带线(microstrip line)的短接电路部分(short-circuited section)。然而，其还可以(至少部分地)利用任何其它已知的微波技术(例如集总组件(lumped component))来实现。根据本发明的实施例，所述匹配电路位于两个第二双谐振短接贴片天线之间的中心区域。其还可以位于较靠近所述两个第二双谐振短接贴片天线中的一个或者甚至在接地平面的相对侧(opposite side)上(这将出于某种其它的目的而空出所述中心区域)。
因为(根据实施例)利用单独的馈电实现了第一低频带天线，所以可以很容易添加和优化多谐(multiresonant)匹配电路。然而，第一低频带天线的馈电可以与高频带(upper band)元件的馈电进行组合，以便其与当前使用的前端解决方案兼容。还应当可以设计第一低频带天线的多频带匹配电路，以便其还将工作在GSM1800/1900频带，并且必要时甚至会工作在UMTS频带。
根据本发明的实施例，有利地，两个第二天线基本上对称地位于接地元件的拐角处。此外，所述天线按照通用接地元件的形式所允许的而有利地位于彼此远离的位置。另外，所述天线按照移动终端的金属底盘(metalchassis)所允许的而有利地位于彼此远离的位置。而且，第一单独的低频带天线可以被布置成至少部分地延伸出通用接地元件或印刷电路板(PWB)的外部，或者可选地，完全位于通用接地元件或印刷电路板(PWB)的顶部。
相对于已知的现有技术，本发明提供了有效工作在所有常用蜂窝通信系统频带的显著优点。进一步地，举例来说，其使得能够构建一种包括三频带分集天线的小型四频带GSM和UMTS天线。可选地，其使得能够将GSM1800/1900/UMTS的RX和TX功能分离到单独的天线，这能够有助于简化RF前端。所分离的TX和RX天线具有尽可能好的隔离性。
当前的移动终端通常仅具有用于GSM频带的一个多频带天线和一个馈电以及用于UMTS的另一个天线和馈电。在TX和RX频带之间的隔离性是使用开关和滤波器来实现的。按照本发明中将TX和RX功能分离到单独的天线可以在TX和RX频带之间提供一些必要的隔离性，并且使得在RF前端中能够使用更简单并且更便宜的滤波解决方案。
进一步地，根据本发明的天线模块具有足够低的包络相关(例如，ρe<0.7)用于良好的分集性能，并且可以同时实现在两个GSM1800/1900/UMTS天线的信号之间约10dB或更多的足够大的隔离性。此外，分集天线具有宽的带宽覆盖了GSM1800/1900和UMTS频带；1710MHz-2170MHz以及良好的效率。
另外，添加GSM低频带元件并不显著增加天线之间的耦合(降低隔离性)。将低(850/900)和高(1800/1900)GSM频带分离到不同的天线允许独立地优化天线，从而使得更容易例如使元件用于两个频带双谐振或多谐振(以及更大的宽带)。由于在低和高GSM频带之间的大隔离性，因此如果需要的话，可以很容易通过RF前端体系结构来组合分离的馈电。
所有天线都位于相当小的体积中，并且可以位于例如接近单体式(monoblock)电话的顶部，从而使得它们不太可能被用户的手覆盖。所有的天线都可以被集成到一个天线模块中，这简化了终端的制造(组装)。因为所有的天线的位置都彼此靠近，所以发射器和接收器也可以被放置得彼此靠近(被集成)，并且因而避免了长的且有损耗的RF线路。另外，移动终端仅具有有限数目的良好的天线位置，因此具有如此多天线的小型天线模块节省了用于例如补充(或非蜂窝)的其它无线电天线的天线位置。
本发明涉及一种用于通信设备的天线，其包括非谐振天线元件；分别覆盖第一、第二、第三或第四频带中的至少任何一个的两个谐振天线元件，所述两个谐振元件实质上处于相同的平面中，并且限定了平坦表面，其中所述两个谐振元件分别位于所述平坦表面的拐角处，并且非谐振元件位于沿所述平坦表面的边缘，并且本发明进一步涉及一种包括所述天线的天线模块。
本发明进一步涉及一种天线模块，所述天线模块包括非谐振天线元件；覆盖第一、第二、第三或第四频带中的至少任何一个的两个谐振天线元件，所述两个谐振元件实质上处于相同的平面中，并且限定了平坦表面，并且所述两个谐振元件分别位于所述平坦表面的拐角处，并且非谐振元件位于沿所述平坦表面的边缘，其中所述天线模块耦合于包括接地平面和匹配电路的印刷电路板，并且非谐振元件、匹配电路和接地平面形成了覆盖第五频率范围的第三谐振元件，并且本发明进一步涉及一种包括所述天线模块的移动终端。
另外，本发明进一步涉及一种操作用于移动通信网络的移动终端的方法，所述移动终端具有天线模块和通用接地元件，所述天线模块包括：覆盖GSM850/900频率的一个第一单独的低频带天线，以及覆盖GSM1800/1900/UMTS频率的两个第二双谐振短接贴片天线，其中每个所述天线均包括支路部分，所述支路部分含有用于相对于接地元件对天线进行馈电的馈电布置，其中所述方法包括以下步骤：
-第一单独的低频带天线被用于GSM850/900频率；以及
-两个第二双谐振短接贴片天线中的至少一个被用于GSM1800/1900/UMTS频率。
附图说明
接下来将依照附图参照示例性实施例来较为详细地描述本发明，在附图中：
图1a和1b图示了根据本发明的有利实施例的天线模块的第一示例性布置；
图2a-2c图示了在自由空间中对天线模块的第一示例性布置的S参数所仿真和测量的频率响应；
图3a-3c图示了所仿真的3-D(三维)辐射图的例子，其示出了在自由空间中，天线模块的第一示例性布置的总的实现增益(dBi)以及极化椭圆(polarization ellipse)；
图4a和4b图示了根据本发明的有利实施例的天线模块的第二示例性布置；
图5a和5b图示了天线模块的第二示例性布置的S参数的频率响应；
图6a-6c图示了所仿真的3-D辐射图的例子，其示出了天线模块的第二示例性布置的总的实现增益(dBi)以及极化椭圆；
图7a和7b图示了根据本发明的有利实施例的经修改的第一示例性天线模块的几何结构；以及
图8a-8c图示了在自由空间中经修改的第一示例性天线模块的S参数的仿真频率响应。
具体实施方式
图1a和1b图示了根据本发明的有利实施例的天线模块100的第一示例性布置，其中天线模块100包括单独的低频带天线102，其被有利地设计用于GSM850(824-894MHz)以及E-GSM900频带。另外，天线模块100还包括两个双谐振共面短接贴片天线104、106。有利地，这两个双谐振共面短接贴片天线104、106对称地位于接地元件110的拐角处。
在可选实施例中，双谐振共面短接贴片天线可以是任何的天线元件，例如，其可以是谐振或非谐振天线元件。非谐振天线元件可以使用匹配电路来进行谐振，并且耦合到接地平面结构。使用双谐振天线元件是优选的实施例，因为这将允许工作在多个频带。
两个双谐振共面短接贴片天线104、106均有利地覆盖了GSM1800、GSM1900以及UMTS频率。举例来说，还可以使用它们来使得例如天线104是主(GSM/UMTS)天线，并且天线106是分集天线。可选地，天线104可以被用作主GSM天线和UMTS分集天线，而天线106被用作主UMTS天线和GSM分集天线。如果不需要分集的话，则它们104、106可以被用作单独的TX和RX天线。在这种情况下，它们的大小可以被减小，因为所需要的工作带宽较小。
低频带天线102有利地包括T型元件以及单独的匹配电路108，在该实现中，该T型元件部分地延伸出印刷电路板(PWB)之外，而该单独的匹配电路108提供适当的并联电感用于使天线谐振并且转换输入阻抗级别。可选地，T型元件还可以完全位于PWB的顶部。匹配电路108在此被实现为微带线的短接电路部分。然而，其还可以(至少部分地)利用任何其它已知的微波技术(例如集总组件)来实现。在该实施例中，匹配电路108位于两个天线104、106之间的中心区域中。其还可以位于较靠近例如天线104或者甚至在接地元件110的相对侧上，这会是出于某种其它的目的(例如照相机或扬声器)而空出该中心区域。因为利用单独的馈电112实现了GSM低频带天线102，所以可以很容易添加和优化多谐匹配电路。天线102的馈电112可以与高频带天线104、106的馈电114、116进行组合，以便其与当前使用的前端解决方案兼容。
在该实施例中，天线模块100的最大尺寸是40mm×29.4mm×8.2mm(W×L×H(宽×长×高))。其占用总体积9.6cm³(并未减去两个双谐振共面短接贴片天线104、106之间的空隙)。仍然有可能可使得两个双谐振共面短接贴片天线104、106更为紧凑并且增加它们之间的空隙。图1a和1b中的天线模块100依附于40mm×115.2mm×0.2mm(W×L×H)的接地元件110。天线的顶部延伸出接地元件110之外4mm。电话模型的总长度是119.2mm。天线102、104、106和接地元件110是由0.2mm厚的锡青铜板光刻蚀而成的。
图2a和2b图示了在自由空间中根据所实施的本发明的天线模块100(图1a和1b中所描述)的第一示例性布置的S参数的仿真和测量频率响应。尤其图2a中的图解200a图示了所仿真和测量的反射系数(S₁₁、S₂₂、S₃₃)，并且图2b中的图解200b图示了在天线之间所仿真和测量的耦合(S₂₁、S₃₁、S₃₂)。S₁₁曲线上的标记是处于824、960、1710和2170MHz，并且S₂₂&S₃₃曲线上的标记是处于1710和2170MHz。举例来说，可以利用某种市售的基于矩量法(MoM，Method of Moments)的全波电磁仿真器来实现这些仿真。图解200a和200b具有以GHz为单位表示频率的x轴以及以dB为单位表示S参数的幅度的y轴。
所测量和仿真的结果足以很好地符合对天线概念的功能性的证明。所测量的两个双谐振共面短接贴片天线的中心频率稍微有些低，但是可以通过缩短条带(strip)以便在高的GSM和UMTS频率上获得至少6dB的回波损耗来轻易地对它们进行校正。
此外，在天线之间所仿真和测量的耦合(图2b中的制图200b)示出了相同的特征。尽管高频带轻微失谐，然而还是可以在测量中获得由仿真结果显示的10dB的隔离性。
图2c图示了图2a中的制图200a所示的对应曲线的Smith(史密斯)图。
图3a-3c图示了所仿真的三维(3-D)辐射图的例子，其示出了在自由空间中根据所实施的本发明的天线模块100(图1a和1b中所描述)的第一示例性布置的总的实现增益(dBi)以及极化椭圆，尤其针对处于915MHz的第一低频带天线102(图3a中表示为天线1)以及针对处于2110MHz的两个双谐振共面短接贴片天线104、106(在图3b和3c中分别表示为天线2和天线3)。
这些图示出了总的实现增益(G_r，θ+G_r，φ)以及在不同方向上的极化椭圆。极化椭圆中的箭头指示极化的旋向性(handedness)。正如所预期的，在915MHz处，原型(prototype)的自由空间辐射图类似于半波偶极子的辐射图，其指示辐射主要来自于接地平面的纵向型半波类偶极谐振电流。两个双谐振共面短接贴片天线104、106的图(图3b和3c)示出了天线信号之间的去相关主要是由于不同方向上天线的不同极化。主波束指向稍微不同的方向，但是假设其影响小于不同极化的影响。
在图3a-3c中，在对于天线所使用的标准球坐标系中，x轴表示以度为单位的φ，并且y轴表示以度为单位的θ。天线的定向由图1a和1b中的坐标轴给出，其中在标准球坐标系中，x轴指向方向θ＝90°和φ＝0°，y轴指向方向θ＝90°和φ＝90°，并且z轴指向方向θ＝0°和φ＝0°。
图4a和4b图示了根据本发明的有利实施例的天线模块400的第二示例性布置，其中天线模块400也包括单独的低频带天线402，其被有利地设计用于GSM850(824-894MHz)以及E-GSM900频带。另外，天线模块400还包括两个双谐振层叠短接贴片天线404、406。有利地，这两个双谐振层叠短接贴片天线404、406对称地位于接地元件410的拐角处。
两个双谐振层叠短接贴片天线404、406均有利地覆盖了GSM1800、GSM1900和UMTS频率。举例来说，还可以使用它们使得例如天线404是主(GSM/UMTS)天线，并且天线406是分集天线。可选地，天线404可以被用作主GSM天线和UMTS分集天线，而天线406被用作主UMTS天线和GSM分集天线。如果不需要分集的话，则它们404、406可以被用作单独的TX和RX天线。
低频带天线402的目的是激励接地平面410的纵向型类偶极谐振模式。低频带天线402本身是非谐振的。其与提供适当的并联电感并且转换阻抗的单独的匹配电路408产生谐振。匹配电路408在此被实现为微带线的短接电路部分，但是，其还可以利用任何其它已知的微波技术(例如集总组件)来实现。在该实施例中，匹配电路408位于两个双谐振层叠短接贴片天线404、406之间的中心区域中。匹配电路408还可以位于较为靠近例如天线404或者甚至在接地元件410的相对侧上，这会是出于某种其它的目的(例如照相机)而空出该中心区域。还应当可以对第一低频带天线402设计多频带匹配电路，以便其还会工作在GSM1800/1900频带，并且必要时甚至可能工作在UMTS频带。
在该实施例中，天线模块的最大尺寸是40mm×21.5mm×8mm(W×L×H)。两个双谐振层叠短接贴片天线404、406的高和低条带仅3mm宽。除去匹配电路410，天线模块占用的体积少于2.8cm³。两个双谐振层叠短接贴片天线404、406中一个天线的体积略少于0.8cm³。添加这两个双谐振层叠短接贴片天线404、406中的第二个天线(分集天线)可以估计使总的天线体积增加38％。这些天线依附于40mm×115mm(W×L)的接地平面410。因为第一低频带天线402并不处于接地平面410的顶部之上，所以其将电话模型的总长度增加到118.5mm。
图5a和5b图示了根据所实施的本发明的天线模块400(图4a和4b中所描述)的第二示例性布置的S参数的仿真频率响应。S₁₁曲线上的标记是处于824、960、2400和2500MHz，并且S₂₂&S₃₃曲线上的标记是处于1710和2170MHz。举例来说，可以利用某种市售的基于矩量法(MoM)的全波电磁仿真器来实现这些仿真。图5a中的图解具有以GHz为单位表示频率的x轴以及以dB为单位表示S参数的幅度的y轴。
第一低频带天线覆盖GSM850和E-GSM900频带，且L_retn≥6dB。当减少了接地元件的长度时，第一低频带天线的大小必须被增加，以获得相同的带宽。第一低频带天线具有也在2.45GHz附近的谐振，这在所提供的实施例中匹配得很差(L_retn≥3dB)。然而，通过优化设计，应当可以在Bluetooth(蓝牙)(WLAN)频带上获得L_retn≥6dB。两个双谐振层叠短接贴片天线覆盖GSM1800、GSM1900以及UMTS频带，且L_retn≥6dB。这两个双谐振层叠短接贴片天线之间的最小隔离性约为12dB。
图6a-6c图示了所仿真的三维(3-D)辐射图的例子，其示出了根据所实施的本发明的天线模块400(图4a和4b中所描述)的第二示例性布置的总的实现增益(dBi)以及极化椭圆，尤其针对处于915MHz处的第一低频带天线402(图6a中表示为天线1)以及针对处于2110MHz处的两个双谐振层叠短接贴片天线404、406(在图6b和6c中分别表示为天线2和天线3)。
这些图示出了总的实现增益(G_r，θ+G_r，φ)以及在不同方向上的极化椭圆。在图6a-6c中，在对于天线所使用的标准球坐标系中，x轴表示以度为单位的φ，并且y轴表示以度为单位的θ。天线的定向由图4a和4b中的坐标轴给出，其中在标准球坐标系甲，x轴指向方向θ＝90°和φ＝0°，y轴指向方向θ＝90°和φ＝90°，并且z轴指向方向θ＝0°和φ＝0°。
图7a和7b图示了根据本发明的有利实施例的经修改的第一示例性天线模块700的几何结构。
图7a和7b中所示的经修改的第一示例性天线模块700被重新设计用于分离的TX和RX天线的应用。在该实施例中，天线模块的大小被降低到28.2mm×40mm×5mm(长×宽×高)。接地元件的尺寸是115mm×40mm(长×宽)。在该实施例中，天线的T型顶部部分并不延伸出PWB之外。为了补偿带宽的减少，利用与原始天线馈电串联连接的串联谐振LC电路来使得低频带元件双谐振(参见图8c)。
天线馈电703用于GSM850/900TX和RX；馈电702用于GSM1800/1900/UMTS RX；并且馈电701用于GSM1800/1900/UMTS TX。
图8a-8c图示了在自由空间中经修改的第一示例性天线模块(图7a和7b中所描述)的S参数的仿真频率响应。尤其图8a图示了在天线元件之间的耦合以及反射系数，图8b在Smith图上图示了天线的反射系数，并且图8c图示了用于GSM低频带的匹配电路(端口3)。
在该实施例中，在GSM低频带处的阻抗带宽稍微小于所要求的阻抗带宽。然而，基于图8b的Smith图，匹配电路并未被最优地调谐，但是显然可以增加带宽，从而使得其在至少6dB的回波损耗的情况下覆盖GSM850/900频带。在GSM和UMTS高频带处实现了所期望的6dB匹配。
在上述任何实施例中，可能的是，这些天线中的任何天线都可以是可调谐频率的，以便根据移动通信设备的工作模式而覆盖不同的频带。
上面已经参照前述实施例解释了本发明，并且已经阐明了本发明的若干优点。显然，本发明并不仅仅限于这些实施例，而是包括在本发明思想和以下专利权利要求的精神和范围之内的所有可能的实施例。可以单独地或者以任何适当的组合来提供本说明书中所公开的每个特征以及(在适当的时候)权利要求和附图。本领域的技术人员尤其应当清楚，诸如移动电话的移动终端可以包括以下专利权利要求中所描述的天线模块的实施例中的至少一个。