多频微带天线和包括所述天线的装置 本发明涉及微带天线。上述类型的天线包括一通常通过腐蚀一金属层而得到的一片(patch)。这就是公知的微带片天线。
微带技术是一种用来制造信号传输线和用来制做构成在这种线和辐射波之间耦合的天线的平面技术。它使用在一簿的介电基底的上表面上所形成的导电片和/或带，该薄的介电基底是将它们与该基底的下表面的一导电接地面分隔开来的。上述类型的片通常要比上述类型的带要宽并且它的形状和尺寸构成该天线的重要特征。该基底通常是一恒定厚度的矩形平面层。但是，这并不是必需的方式。具体地说，该基底的厚度的指数变化使上述类型天线的带宽度宽并且该层形状可以不是矩形形状。该电场线通过在该片或带和接地层之间的基底而被延伸。上述技术不同于其它各种技术，其还在一簿地基底上使用了传导元件，即：
在一天线必须包括有能与辐射波相耦合的一缝隙的情况中，在该带线技术中一带被限制在底部地层和顶部地层之间，
在一天线通常必须打开一较宽的开口以促进同该辐射波相耦合例如形成一谐振结构的情况中，在开槽线技术中该电场在该基底的顶部表面上所形成的并由一缝隙相互分隔的一传导层的二部分之间被建立，和
在共面线技术中，该电场在该基底的顶部表面上被建立并且对称地在一中央传导带和由各自缝隙所分隔的该带的各自相对边上的二个传导区域之间。在一天线的该情况中，该带通常与一较宽片相连接以形成一提供与该辐射波相耦合的谐振结构。
有关这些天线的制造，下面将间或予以说明并且为了简明起见仅限于与发射机相连的一发射天线的情况。尽管如此，还是应当理解该方案的描述也同样适用于与接收机相连的接收天线。为了相同的简明目的，假定该基底是以一水平层的形式出现。
概括地说，在根据微带技术可实现的二种谐振结构的基本类型之间可存在差别。第一种类型可称之为“半波”结构。该天线则是“半波”或“电”天线。假定该片的尺寸构成一长度并且沿纵向方向延伸，该长度基本上等于在由地平面、基底和该片所组成的该线中沿所述方向传播的电磁波的波长的一半。在该长度的终端出现与该辐射波相耦合，在区域的端部位于该基底中的电场的幅值(amplitude)为最大的区域。
可利用相同技术被实现的第二种类型谐振结构可称之为“四分之一波”结构。该天线则是“四分之一波”或“磁”天线。该天线与半波天线的不同之处首先在于它的片具有的长度基本上等于该波长的四分之一，具有如上所确定的片的长度和波长，其次是在地平面和该片之间的该长度的一端存在有一强烈的短路(hard short circuit)从而使得通过一由该短路所确定的电场的节点施加一个四分之一波型谐振。在该长度的另一端出现与辐射波的耦合，该端部位于通过该基底的电场的幅值为最大的区域。
实际上在这些天线中可以出现各种类型的谐振。详细地说它们取决于：
该片的构形，包括缝隙(slot)、也可以是辐射缝隙，
任何短路和反映短路的电模式的存在和位置，尽管后者不可能总是被认为是等效于、即使近似等效于理想的零阻抗短路，和
在这些天线中所包括的用来将它们的谐振结构耦合到诸如一发射机之类的信号处理单元的耦合装置，和这种装置的位置。
对于一个给定的天线配置可以有多于一个谐振模式以便使该天线能够用于相应于多个谐振模式的多个频率。
通常上述类型的天线不仅借助于包括在该天线内的耦合装置而且还借助于延伸到该天线外部并将该耦合装置与信号处理单元相连的一连接线与诸如一发射机之类的信号处理单元相连。考虑到包括有信号处理单元、连接线、耦合装置和谐振结构的总的功能系统，必须具备该连接装置和连接线使得该系统具有在它的整个范围内的均匀的阻抗，避免了影响良好耦合的杂散反射(spurious reflection)。
在具有一谐振结构的发射天线的情况中，该耦合装置、连接线和天线的各个功能如下所述：该连接线的功能是向该天线端传送来自发射机的无线电频率或微波频率信号。沿上述类型线所有信号以行波的方式而传送不会使它的特征有明显的变化，至少理论上是如此。该耦合装置的功能是将由该连接线所提供的信号转换为可激励该天线的谐振的形式，即携带该信号的行波的能量必须传递(transfer)在该天线上所建立的具有由该天线所确定的特征的驻波。关于该天线，它将来自驻波的能量变换成辐射到空中的波。由该发射机提供的信号因此第一次从一行波形式变换为一驻波形式并且随后从驻波形式变换成一辐射波形式。在该接收天线的情况中，该信号在该相同单元获得相同的形式但是该转换是以相反的方向和颠倒的顺序来执行的。
该连接线可以以非平面技术实现，例如以同轴线的形式来实现。
平面技术天线被用于各种类型设备中。这些设备包括移动电话、用于移动电话的基站、汽车、飞机和导弹。在一移动电话的情况中，该天线装置的底部地层的连续特性意味着易于限制由该装置的用户的身体所遮挡的辐射波功率(power)。在汽车的情况中，和在其外表面是一金属表面以及具有弯曲轮廓以减小阻力的飞机或导弹的情况中，该天线可以符合这种轮廓从而不会产生任何所不希望的附加阻力。
欧洲专利申请EP0749176描述了一种微带天线包括：
一个平面介质基底；
在所述基底的下部表面上构成一接地平面的一个导体；
在该基底的上部表面上的三个导电区域，每一区域具有一个赋予该天线一双C或三个分技烛台形状的延伸形状；
所有该导电区域公用的一个天线耦合装置。
在该烛台的中部区域有一由一系列短路固定到该接地平面上的电场节点，该一系列短路均沿这个区域的对称轴而配置。
该导电区域由相对地宽的缝隙(对于3.3cm波长来说为0.7cm宽)相互分隔开来，这样对于一给定波长这样类型天线要比现有技术天线小。但是，在多于一个频率的情况下这种天线不能正常地工作，例如这种天线在多频带移动电话中不能正常工作。
本发明更具体地涉及上述类型天线必须具有如下的特性的情况：
它必须是一个多频天线，即它必须能以多于一个的工作频率有效地发送和/或接收，
它必须能够在所有工作频率的情况下通过一个信号连接线连接到一个信号处理单元，和
为了实现这些功能它不必使用频率多路调制器或信号分离器。
各种现有技术微带天线具有上述特性。现在予以讨论如下：
第一种现有技术天线在专利文献US-A-4766440(Gegan)中被披露。该天线的片10具有在该片内的一整个地连续的被弯曲的U形缝隙。该缝隙辐射和产生一个该天线的附加的谐振模式。通过对它们形状和尺寸的适当的选择，它提供所需该谐振模式的所希望的频率值，有可能将交叉的线极化模式相结合以发射一个圆极化波。一个馈电线由一个耦合装置端接，它为根据上述的微带技术实现的线，而它还可以被认为是共面线，因为该微带是在该片的平面内并且贯穿在该片中的二个开口之间。该装置具有用于将它与在用作操作频率的各种谐振频率由该线所呈现的各种输入阻抗匹配的阻抗转换装置。
这个第一现有技术天线具有如下的缺陷：
该天线是一个半波天线，如果需要该天线小型化则它的纵向尺寸可能是一个问题。
需要提供阻抗转换装置而使制造复杂化。
难以将该谐振频率精确地调整到所需值。
在专利文献US-A-4692769(Gegan)中披露了第二现有技术天线。它的片具有一个沿该片的内侧的一直线段或一环弧形的缝隙。该缝隙产生一个附加的谐振模式。该环孤形缝隙的终端被扩大以对于各种工作频率向该天线输入阻抗给予相同值。该第二已有技术天线具有如下缺陷：
上述缺陷涉及的是一个半波天线。
在该天线的二个谐振频率所发射的波的极化必须是交叉极化，这就使得使用该天线的某些电信系统的制造复杂化。
在专利文献US-A-4771291(LO等)中披露了第三现有技术天线。它的片包括在该片内沿各个直线段的缝隙。这些缝隙减小了两个操作频率之间的差别。被定位的短路还减小了这种差别。它们由通过该基底的导体所提供。
第三已有技术天线具有如下的缺陷：
上述缺陷涉及它是一个半波天线。
定位短路的插入使该天线的制造复杂化。
该天线的馈送同样通过一同轴线。
详细的说本发明具有如下的目的：
为了限制一个多频天线的尺寸，
为了能够容易和精确的调整该天线的工作频率，和
为了能够使用一个其阻抗可被容易地调谐到多于一个工作频率的单个耦合装置。
鉴于上述目的，根据本发明的一个多频微带天线包括：
一个平面介质基底；
一个在所述基底的底部表面上构成一个接地平面的导体；
在该基底的顶部表面上的多个导电区域，每一区域具有一个将一烛台形状赋予该天线的延伸形状；
所有导电区域共用的一个天线耦合装置；
并且其特征在于所述导电区域由其宽度远小于天线的工作波长的缝隙相互分隔；
还在于所述导电区域被充分地相互分离(decouple)以能够分别在由所述区域形成的各个面积中产生各种谐振，所述谐振是至少接近于四分之一波长类型；
还在于每一个所述区域具有由至少一个短路固定到接地平面的电场节点并且所述短路是在该烛台的基面附近。
本发明的各个方面将通过下面的说明书及附图予以说明。如果在多张图中示出了相同项则它由相同的数字和/或字符来指明。
图1是包括有根据本发明的第一天线的一个通信装置的透视图。
图2是图1的天线的一个顶视图。
图3是该相同天线的前视图。
图4示出了根据以MHz表示的频率，以分贝表示的该相同天线的输入端处的反射系数的变化。
图5是根据本发明的第二天线的顶视图。
根据本发明的第一天线首先具有由以下组成部分组成的一个谐振结构：
一个介质基底2，具有在该天线所规定的方向上延伸的二个相对的主表面并且构成水平方向DL和DT，这些方向可能依该相关天线所涉及的面积而定。前面所述的该基底可具有不同的形状。它的二个主表面分别是底部表面S1和顶部表面S2。另一个方向也在该天线中确定。它与每一水平方向形成一个角度并且构成一垂直方向DV。该角度通常为一直角。但是，该垂直方向还可与水平方向是一不同的角度并且可依该相关天线的面积而定。该基底具有几个侧表面，如表面S3，它们的每一个都将底部表面的一边连接到该顶部表面的一相应边并且包含该垂直方向。
底部导电层在该底部表面延伸并且构成一天线接地4。
顶部导电层在该接地4上面的顶部表面的一个区域上延伸而构成片6。该片具有一特定于该天线的构形。它还在构成一纵向方向DL和一横向方向DT的二个所述水平方向中分别具有一长度和一宽度，该横向方向与侧表面S3相平行。虽然长度和宽度的词通常用于矩形对象的二个相互垂直的尺寸，但必须了解的是片6可脱离这种类型的形状而不违背本发明的范围。详细地说，方向DL和DT可以处于除90°之外的其它一个角度，该片的各边不必是直线并且它的长度可以小于它的宽度。一边是在顶部表面S2和侧表面S3的相交处。它因而在横向方向DT而延伸。它构成了一后缘10并且确定了朝向该后缘的在纵向方向DL上的一路线DB和朝向该前面的相反路线DF。该片6的构形在该片内形成了至少一个缝隙F1。这个缝隙产生在该天线的一谐振组中的至少一个附加的谐振。该组包括分别相应于天线的多个工作模式和多个工作频率的多个谐振。它还可包括不使用的谐振。
最后，一短路C2将该片6电连接到接地4。该短路是在侧表面S3上所构成，它是一典型的平面并且随后构成一短路平面。它产生一至少接近于四分之一波型的天线谐振。
该天线进一步包括一个耦合线形式的耦合装置。该装置包括在一内部连接点18处与该片6相连的二部分C1和C3所构成的主导体。它还包括一与主导体相配合的合成接地导体并且在下面将予以说明。将该天线的谐振结构连接到一信号处理单元8的一连接系统的全部或部分构成，例如在发射天线的情况下从该单元激励一个或多个天线谐振。除了这个装置之外，该连接系统通常还包括天线外部的连接线C4、C5并且还包括二个导体。在这条线的一天线端处，二个导体被连接到是该耦合装置的部分的各自连接导体上并且可考虑形成该天线的二端。在这条线的另一端处，它的二个导体被分别连接到该信号处理单元的二端。该线可以是同轴型线、微带型线或共面型线。如果该相关天线是接收天线，则相同系统将由该天线所接收的信号发射到信号处理单元。该系统的各种部件具有前面所规定的功能。
该信号处理单元适于工作在构成该天线的工作频率的谐振频率上。它可以是一合成单元，在这种情况下它包括总是调谐到每一工作频率的部件。它等同于可以包括一可调谐部件。
在一通信装置中所包括的本发明的目的在于一个包括根据本发明的天线的通信装置和由一上述类型的连接系统连接到该天线的上述类型的一个信号处理单元。
该例子的天线是一双频天线，也就是它必须引起至少二个谐振使得它可以工作在相应于二个工作频率的二种模式。为此目的，在该片6上形成一朝前并朝向该片的外部的缝隙。它构成一纵向分离缝隙F1。这个缝隙的纵向延伸规定了在该片中的前面区域Z2、Z1、Z12，其中该缝隙将主区域Z1从辅区域Z2中分割开来。后部区域ZA延伸在前面区域和后面边缘10之间。该后部区域最好是较短一些并且在纵向方向DL比前面区域短的多则更好。
该内部接点18是在辅区域的外部并且最好是在主区域Z1中。该天线的一工作模式构成一主模式，在包括主区域和后部区域并且基本排除了辅区域Z2的传送该波的区域中依靠在纵向方向或接近纵向方向的方向上的行波的传送而建立一驻波。另一工作模式构成一辅模式，在包括主区域和辅区域以及后部区域的另一区域中依靠在二个方向(如同前面一样的方向)上行波的传送而建立一驻波。
在这种构成中该后部区域ZA具有将辅区域耦合到主区域以便能够建立辅模式的第一功能。它还有能够将该后部边缘上的短路在这两个区域的每一区域中实现它的作用的第二功能。对于每一工作频率该天线则是一四分之一波天线，至少接近于四分之一波。
选择该片的结构和该耦合线的结构特别是内部连接点18的纵向位置以获得由该天线到信号处理单元或更详细地说是连接单元到该装置的连接线所呈现的阻抗的预置值。后面将这种阻抗称之为天线阻抗。在发射天线的情况中它通常称之为输入阻抗。它的期望值最好等于该连接线的阻抗。这就是为什么对于各种工作频率该连接点的位置最好给出基本相同的天线阻抗。
具有预置期望值的工作频率是有益的。这些值通过适当地选择主区域Z1和辅区域Z2的各自纵向尺寸可获得。这就是为什么在本发明的上下文中这二个尺寸通常是不同的原因。其结果该片的前面边缘的横向直线段不一致。
在更为详细讨论的情况下，片6的构成最好是还形成一在横向方向DT延伸的缝隙。这个缝隙构成将该主区域从该后部区域ZA部分地分隔的一横向分隔缝隙F2。它最好是与该纵向分隔缝隙F1的后部终端相连。
该片6的构成有益于在主区域Z1在纵向方向DL上形成至少一个缝隙F3。这个缝隙最好是从横向分隔缝隙F2朝向前面延伸。由于它的作用是随着它的长度增加而使工作频率减低，所以它可称之为频率降低缝隙。因而它不仅限定该片的长度以得到该工作频率的预定期望值而且还能够通过适当调整它的长度来调整这些频率。
该天线最好具有在纵向方向DL和垂直方向DV上延伸的对称平面，在该基底的顶部表面中这个平面的轨迹构成该片6的对称轴A。如果二个部件相对于该对称轴或平面是相互对称的，则在该图中右边的参考标记的标记数等于左边的参考标记的数字加10的标记数。该耦合装置和主区域Z1延伸到该轴A的附近并且该片的配置在主区域的相对侧形成所述二个纵向分隔缝隙F1、F11。该辅区域在各自的缝隙以外还包括二部分Z2、Z12。
上面所给出的分隔缝隙F1、F2、F11、F12是U形的缝隙。该U形的支线和基部分别是纵向和横向。该基部具有为了借助于该后部区域ZA的一轴向部分而将主区域Z1连接到短路C2,C12的延伸该轴的两侧的一轴向间隙20。
在一有益的配置中构成天线的该耦合装置的耦合线包括有一个上部导电层的一部分的导体。更准确地说，所述主导体的一部分C1在纵向方向DL上进入该片6的区域。它在靠近后部边缘10的一后部端和包括内部连接点18的一前部端之间被延伸。这个主导体部分是一带状的形式并且可称之为水平耦合带。如已知的该带受限于侧面的二个槽口。但是，在本发明的天线中这二个槽口在方向DT上是足够地窄和在方向DL上是足够地长以分别当作二个纵向缝隙F4和F14。这二个缝隙将该带与片6分隔开并且后面称之为耦合缝隙。它们的宽度考虑到这样的事实，即构成该主导体的耦合带的线的参量可以有益于在设计线中被确定，该线作为在沿该线的长度的一分布方式中适于激励该天线的一共面线而不是作为仅在该线的端部适于激励该天线的一微带线，如像共面线一样，该共面线的接地导体包括分别在二个缝隙F4和F14之外的该带相对侧边上的，而不是微带线的天线接地的晶片部分。在后面该线称之为水平共面线。
借助于在该水平共面线和该天线共用的两终端之间的该水平共面线的后部端处由外部连接线所提供或拾取的一电磁信号该天线被耦合，这二终端分别包括该线的接地导体和该带的后部端部。但是，至少在诸如某些移动电话的情况中，借助于在该片的平面中的这种类型的导体来进行该耦合装置和外部线之间的连接将使该装置的制造复杂化。
特别是，水平共面线沿轴A而延伸。在该U形的基部它进入该轴向间隙20，这个间隙将由二个耦合缝隙F4和F14来定界。如上所述，确定主导体的前端18的位置以获得一个期望的天线阻抗值。但是，该天线阻抗还取决于诸如耦合带C1和耦合缝隙的宽度之类的其它参量以及该基底的特性。
根据另一个有益的特征，所述短路是一包括二个短路导体C2和C12的一合成短路。在垂直方向DV上延伸的二个导体具有一个在它们之间的间隙。它们中的每一个都将天线接地4连接到片6。
该天线耦合线进一步包括在边缘表面S3上所形成的连接导体并且可形成一垂直共面线。这种类型的线更详细地说由以下导体所组成：
一个主导体C3，该导体沿着垂直方向DV在一个底端和一个顶端之间延伸，上述底端和顶端位于两个短路导体之间的间隔内。该顶部端连接到该水平共面线的主导体C1的后部端。该垂直共面线的主导体同时地构成第一连接导体该天线的第一终端和该耦合线的主导体的一垂直部分。
与导体C3一起并包括二个短路导体C2和C12的二个接地导体。这两个短路导体还一起构成该天线的第二终端。
在一个尺寸被限制的装置的情况中，连接导体在边缘表面S3上形成的事实使很容易地做到在其是该装置的表面上所形成的天线的部分的耦合装置和将该装置连接到信号处理单元的一连接线之间的连接。如果该单元是在该装置的内部，则该线可采用在天线附近垂直于该天线的平面的一同轴线的形式。在另外的情况中，该连接导体的配置容易的将该天线连接到由一母板所携带的导体上，前面天线的基底已固定到该母板的一正面，该连接线通常与该天线的纵向方向相平行，至少在该天线的附近。形成适于在基底的边缘表面上所形成的天线终端的这种类型的连接导体使该天线的制造复杂到仅是一微不足道的程度。该短路导体对于制造四分之一波类型的天线是需要的。该第一连接导体可由至少类似于用于短路导体的大多数情况下相同制造步骤的一处理来形成。
更详细地说，在特定的第一例子天线的一有益的配置中耦合装置的所有连接器由以下步骤来形成：
在该边缘表面S3上形成一个垂直导电层；和
对该层进行蚀刻以形成二个短路导体C2和C12并同时形成第一连接导体C3。这些导体随后分别构成二个短路带和一垂直耦合带。
该连接导体最好仅为该后部边缘10的几分之一。在该例子天线中基本上具有如像主区域Z1一样的相同百分率。
对于包括有垂直和水平共面线的耦合线，最好是对该耦合带和诸如在该带的各自相对侧上的耦合缝隙之类的缝隙的宽度进行选择以获得一均匀和适合的阻抗，该阻抗通常为50欧姆。通过选择该内部连接点18的位置来调整该天线阻抗。
在所述实施例的例子中，天线外部的该连接线是一同轴线。它包括一轴导体C4。在该线的第一端部该轴导体被连接到导体C3。该线的另一端部被连接到信号处理单元8的第一终端。沿着该线的长度它由一导电外皮C5所围绕。在该线的第一端部该外波与两个短路导体C2和C12相连。在该线的另一端部，它与信号处理单元8的另一终端相连，例如其为一发射机。
在该第一天线的一实施例的上下文中，各种组成和数值由下面数字例子给出。该长度和宽度分别表示在纵向方向DL和横向方向DT。
主工作频率：940MHz，
次工作频率：870MHz，
输入阻抗：50Ω，
基底的组成和厚度：具有相对介电常数er=4.3和损耗系数tand=0.02的环氧树脂，厚度1.6mm，
导电层的组成和厚度：铜，17微米，
主区域Z1的长度：26mm，
区域Z1的宽度：29mm，
辅区域Z2和Z12的长度：30mm，
这些区域每个区域的宽度：5.5mm，
后部区域Z3的长度：2.5mm，
水平共面线的导体C1的长度；25mm，
垂直共面线的导体C1和主导体C3的宽度：2.1mm,
导体C3的高度：0.8mm，
在横向缝隙F2和F12的水平方向上所有缝隙的共同宽度：0.5mm,
频率降低缝隙F3和F13的长度：5mm，
轴向间隙20的宽度：7mm，
每一短路导体C2和C12的宽度：5mm。
图5示出了根据本发明的一天线的第二实施例，它类型于上述第一天线。如果第二天线的部件具有与第一天线的部件相同的功能，则它可用相同的参考字符和/或数字来表示，但其数字应增加100。例如，第二天线的主区域Z101类似于第一天线的主区域Z1。第二天线与第一天线有如下的不同：
首先，它在需要用于三个工作频率的情况下实现。因此该片106另外包括二个相互对称的第三区域。第一U型缝隙F101部分地将该主区域Z101与二个辅区域Z102和Z112相分隔。位于第二缝隙F105之内的相同形状将辅区域与第三区域Z103和Z113相分隔。
该短路是一单个在整个片106宽度上延伸的导体C102，该导体C102是在延伸片106的整个宽度并且在该主、辅和第三区域之间的耦合通过该轴间隙120在后部区域ZA内实现。最后，该天线被耦合到一垂直同轴线。该线的轴导体C104的端部通过基底102并且焊接到在主区域Z101中的片106上。因此它构成该天线耦合装置。该线的导电外皮C105被焊到包括覆盖在基底102的底部表面的一连续导电层的天线接地(未示出)。在天线下面的同轴线部分构成它的连接线。
应当了解的是根据本发明的天线工作频率数目可大于三个，在四个频率的情况下，该类型的天线的该片可包括一个主区域、二个辅区域、二个第三区域和二个第四区域。
另外，该片和该短路的构成不必是对称的。