天线系统.pdf

提供一种包括第一电磁辐射器(102)和第二电磁辐射器(104)的天线系统(100)。第一电磁辐射器包括距天线系统第一端部(114)预定距离的离心串联馈电(112)。第二电磁辐射器包括距天线系统第二端部(112)第二预定距离的并联馈电(120)。第一电磁辐射器主要用来进行多个频带的发射－接收，第二电磁辐射器用于天线分集频带接收。

1.  一种天线系统，包括：
包括离心串联馈电的第一电磁辐射器，其中所述第一电磁辐射器在所述离心串联馈电的第一侧上具有第一电极，在所述离心串联馈电的相反侧具有第二电极；以及
包括并联馈电的第二电磁辐射器，其中所述第二电磁辐射器从所述第一电磁辐射器的第二电极切出，或者集成到所述第一电磁辐射器的第二电极上。

2.  如权利要求1所述的天线系统，其中所述第一电极比所述第二电极短，并且进一步地，所述第一和所述第二电极之和的电气尺寸与所述天线系统的第一表面波特定波长的四分之二密切相关，其中所述第一表面特定波长是天线系统的第一表面波速和第一预定频率的比值。

3.  如权利要求1所述的天线系统，其中所述第一电磁辐射器是在空间上凹陷的金属结构，并且所述第二电磁辐射器是从源金属第二电极切出，或者与其相结合的中空结构。

4.  如权利要求3所述的天线系统，其中所述第二电磁辐射器是从包括U型槽天线、V型槽天线、缝隙型天线、一个或多个Y型金属结构以及任何沿对称轴(或平面)几何对称的金属结构的组中选择的天线，其中轴(或平面)是同心的偶极子导体轴(或平面)。

5.  如权利要求4所述的天线系统，其中所述第一电极比所述第二电极短，并且进一步地，第一电极的电气尺寸与所述天线系统的第二表面波特定波长的四分之一倍相关，其中所述第二表面波特定波长包含了所述天线系统的第二表面波速和第二预定频率的比值。

6.  如权利要求5所述的天线系统，其中第二电极的电气尺寸和第二电磁辐射器的电气尺寸宽松地相关，其中所述第二电磁辐射器的电气尺寸和第三表面波特定波长四分之一倍相关，其中所述第三表面波特定波长包含了第三表面波速和第三预定频率的比值。

7.  如权利要求1所述的天线系统，进一步包括：
所述第一电磁辐射器的第一传输端口；
所述第二电磁辐射器的第二传输端口。

8.  如权利要求1所述的天线系统，其中所述离心串联馈电位于距所述天线系统的第一端部第一预定距离处。

9.  如权利要求8所述的天线系统，其中所述第一预定距离取决于所述天线系统的操作频率。

10.  如权利要求8所述的天线系统，其中所述离心串联馈电位于所述第一电磁辐射器之上第一预定距离的第一预定位置。

11.  如权利要求8所述的天线系统，其中所述离心串联馈电位于第一预定距离的第一预定位置处，所述预定位置位于所述第一电磁辐射器边缘之外。

天线系统
技术领域
本发明总的来说涉及无线通信设备，更具体的说，涉及与无线通信设备相关的天线系统。
背景技术
近几年来，随着技术的进步，无线通信设备发展迅速。最初，无线通信设备运行在模拟移动电话系统(AMPS)协议之上，然后发展到运行在全球移动通信系统(GSM)之上。无线通信设备需要更高的容量，更高的速度，以及新的业务能力，这些需求导致了无线通信设备从以第二代架构(2G/2.5G)为基础的GSM向第三代架构(3G)演进。3G架构采用了通用移动电信系统(UMTS)作为通信协议，3G架构/UMTS允许服务经营者提供更为广泛的业务，同时支持大量的用户。
现有的无线通信设备可以操作在不同的频段以迎合不同地理位置的频率需要，这些无线通信设备可以是蜂窝电话，膝上电脑，数字计算机和消息收发设备。这些无线通信设备也可以以组合方式操作。无线通信设备可以提供诸如卫星、无线和电视信号通信等多种业务。为了操作在不同的频段，无线通信设备应该具有适应不同的发射和接收频率的能力。此外，对于UMTS信号还需要进行分集接收。
这可能需要无线通信设备拥有具有主辐射器、一个或多个共位辐射器第二辐射器的天线系统，辐射器用来发射和接收信号。
无线通信设备可能会有多个天线系统，例如，第一天线系统可以是本地天线系统，它永久地集成在现有的无线通信设备上；而第二天线系统通过传输电缆传导连接在无线通信设备上。当与无线通信设备一起操作时，第一天线系统可能会受到数字噪声干扰的限制，此时，传输可以切换到第二天线系统。第二天线系统可以是远程天线系统，在信号比较差的范围内，或者当由无线通信设备发出的数字噪声增加到接近本地天线系统的希望信号水平时作为本地天线系统的替代解决方案。第二天线系统可以通过互连信号电缆与无线通信设备进行连接。第二天线系统也可以作为外部设备直接插在无线通信设备之上。
对每个本地和远程天线系统，两个独立的辐射器的存在会导致这两个辐射器间信号的干扰。辐射器的普通排列并不能够使得辐射器间信号的适当隔离，而缺乏适当的信号隔离会对辐射器传输的信号引入干扰。此外，为了信号隔离而使用硬件会增加设备成本。
此外，随着无线通信设备向3G架构的演进，需要第二辐射器独立装配来满足辐射器之间的隔离或分集相关。单独配备第二辐射器需要复杂的操作，而且会影响无线通信设备的工作。
附图说明
附图用于进一步说明各种实施例，并且用于解释根据本发明的各种原理和优点，其中相同的引用标记在各个单独的示图中表示同样的或功能相似的元件，并且该附图连同下面的详细说明一起并入到本说明书中，并且形成其一部分。图1示出了根据本发明一个实施例的天线系统的示例。
图2示出了根据本发明一些实施例的电磁辐射器的示例
图3示出了根据本发明一些实施例的电磁辐射器的各种示例。
图4示出了根据本发明一个实施例的天线系统的侧视图的示例。
图5示出了根据本发明一些实施例的电磁辐射器在不同方向上的方向图的示例。
图6示出了根据本发明一些实施例的另一电磁辐射器在不同方向上的方向图的示例。
图7，图8，图9，图10示出了根据本发明一些实施例的图5中的电磁辐射器在不同方向上的方向图的示例。
图11表示根据本发明一些实施例的天线系统的标量图。
技术人员应当理解附图中的元件是用于简明示意的而无需按照实际比例进行绘制。例如，图中某些元件的尺寸可以相对其它元件放大，从而有助于提高对本发明实施例的理解。
具体实施方式
在本发明的实施例中，公开了一种包括第一电磁辐射器和第二电磁辐射器的天线系统。第一电磁辐射器包括距天线系统第一端部预定距离的离心串联馈电。第一电磁辐射器进一步包括第一电极和第二电极。第一电极位于离心串联馈电的第一侧，第二电极位于该离心串联馈电的相反侧。第二电磁辐射器包括距凹槽底部有第二预定距离的并联馈电，此凹槽地形状可以是V型凹槽，U型凹槽，Y型凹槽，或者是任何沿对称轴(或平面)几何对称的金属结构，该轴(或平面)是同心的偶极子导体轴(或平面)。
在详述根据本发明的天线系统之前，首先应该认识到本发明主要涉及与天线系统有关的装置组件。因此，装置组件在图中用通用的符号来表示，仅示出那些仅仅与理解发明相关的特定细节，其目的是不使本公开与对于具有此处说明的益处的领域中的普通技术人员显而易见的细节相混淆。
在本文中，关系术语，例如第一与第二等，仅用来区分一个实体或行为与另一个实体或行为，而并不需要或暗示这些实体或行为之间有任何实际的这种关系或顺序。术语“包含”及其变形意在表示非排它的包括，使得包含一系列要素的过程、方法、物品或装置并不只包括这些要素，而是可能包括没有明确列出的素或者这些过程、方法、物品或装置所固有的其它要素。如果没有更多限制，以“包括…的一种”为前导的要素并不排除在包括此要素的过程、方法、物品或装置中存在另外相同的要素。由于无源天线在辐射时通常等效于接收，即对称互易，因而尽管在文字上不作明确的声明，“辐射”暗示了包括接收。
本申请中的术语“另外”被定义为至少另一个或更多，术语“包括”或“具有”在本申请中被定义为包含。
图1示出了根据本发明示例实施例的天线系统100。该天线系统100用来发射和接收信号，此后称为无线通信设备中的频带发射和频带接收。无线通信设备包括但不限于，蜂窝电话，膝上电脑，个人数字助理(PDA)，消息发送接设备等。天线系统100可以用来为多种协议进行频带发射和频带接收，例如模拟移动电话系统(AMPS)、全球移动通信系统(GSM)、数字蜂窝系统(DCS)、个人通信系统(PCS)以及通用移动电信系统(UMTS)。
天线系统100包括第一电磁辐射器102和第二电磁辐射器104。第一电磁辐射器102能够用来进行频带发射，而第二电磁辐射器104可以用来进行频带接收。但是，本领域技术人员显然可以把第一电磁辐射器102用来进行频带接收，而把第二电磁辐射器104用于频带发射。在本发明的实施例中，第一电磁辐射器102涵盖了第一UMTS分集信号，而第二电磁辐射器104涵盖了第二UMTS分集信号。
此外，第二电磁辐射器104可以在弱信号范围内或者当相应的无线通信设备发出的数字噪声增加到接近希望的信号水平时作为第一电磁辐射器的替代解决方案。第二电磁辐射器104以非常低的数字噪声维持无线通信，减少第一电磁辐射器102的数字噪声干扰。与此类似，在弱信号范围内，第一电磁辐射器104(应为“102”)也可以可以在弱信号范围内或者当相应的无线通信设备发出的数字噪声增加到接近希望的信号水平时作为第二电磁辐射器(104)的替代解决方案辐射器。
在本发明的实施例中，第一电磁辐射器102是偶极子天线。第一电磁辐射器102包括第一电极106，第二电极108，第一发射端口110，离心串联馈电112。
在本发明的实施例中，第一电磁辐射电源102是在空间上凹陷的金属结构，第二电磁辐射器104是从与第一电磁辐射器102的第二电极108切出，或者与其相结合的中空结构。
在本发明的实施例中，第一电极106比第二电极108短。此外，第一和第二电极106和108电气尺寸之和与天线系统100第一表面波特定波长的四分之二密切相关，这里第一表面波特定波长是第一表面波速和天线系统100的第一预定频率的比值。
在本发明的另外一个实施例中，第一电极106比第二电极108短，此外，第一电极106的电气尺寸与天线系统100第二表面波特定波长的四分之一相密切相关。这里第二表面波特定波长是第二表面波速和天线系统100的第二预定频率的比值。
此外，第二电极108的电气尺寸会受第二电磁辐射器104的电气尺寸影响。第二电磁辐射器104的电气尺寸和第三表面波特定波长的四分之一相关。第三表面波特定波长是第三表面波速和第三预定频率的比值。
第一传输端口110是为第一电磁辐射器102携带信号的传导端口。第一传导端口传输信号至离心串联馈电112，该串联馈电位于距天线系统100的第一端部114的第一预定距离处。该第一预定距离取决于多种因素，包括第一电磁辐射器102的操作频率和阻抗。此外，离心串联馈电112在第一电磁辐射器102上位于第一预定距离的预定位置处，例如，离心串联馈电112位于第一预定距离处干涉槽的中心。离心串联馈电112的中心位置在干涉缝隙之上，能够在102和104之间实现最佳信号隔离。但是，离心串联馈电112的预定位置并不限制在第一电磁辐射器宽度的任何地方。通过增加一个或多个非辐射或辐射的传输部件，离心串联馈电112的预定位置能够扩展到第一电磁辐射器102的边界之外。
第一传输端口110和离心串联馈电112通过传输线116相连接。在本发明的实施例中，传输线116可以是带线或微带线。
从第一电磁辐射器102的第二电极108切割得到第二电磁辐射器104。第二电磁辐射器104的形状可以是V型槽，U型槽，Y型槽或任何沿对称轴(或平面)几何对称的金属结构，该轴(或平面)是同心的偶极子导体轴(或平面)。第二电磁辐射器104包括第二传输端口118和并联馈电120。第二传输端口118是为第二电磁辐射器104携带信号的传导端口。第二传输端口118从并联馈电120接收信号，该并联馈电位于距天线系统100的第二端部122第二预定距离。该第二预定距离取决于多种因素，包括第二电磁辐射器104的操作频率和阻抗。所述第二辐射器的并联馈电是首选的馈电方法，但并不局限于此。在第二电磁辐射器的表面驻波或场和第一电磁辐射器的表面驻波或场保持彼此正交的情况下，可以采用任何有利于最佳功率传导的馈电方法。
第二传输端口118和并列馈电120通过传输线124相连接，在本发明的实施例中，传输线124可以是带线或微带线。
图2示出了根据本发明实施例各种示例实施例的多个电磁辐射器的各种示例，图中的电磁辐射器与第二电磁辐射器104相类似。在本发明的实施例中，第二电磁辐射器104是具有并联馈电204的V型槽天线。在本发明的另一个实施例中，第二电磁辐射器104是具有并联馈电208的U型天线。在本发明的再一个实施例中，第二电磁辐射器104是具有并联馈电212的缝隙型天线210。
图3示出了根据本发明各种示例实施例的第二电磁辐射器104的各种示例，在本发明的实施例中，第二电磁辐射器104是Y型的金属结构300，或Y型的金属结构316。Y型的金属结构300包括第二电磁辐射器104，作为附装在底板304上的金属板302。Y型金属结构306是Y型金属结构300沿剖切线a的剖面图。Y型金属结构306包括并联馈电308，其中并联馈电308和并联馈电102相类似。Y型金属结构310是本发明第二电磁辐射器104的另外一个实施例，其中并联馈电312通过底板314上的孔。与此相似，Y型金属结构包括第二电磁辐射器104，作为附装在底板322上的第一金属板318和第二金属板320。Y型金属结构324是Y型金属结构316沿剖切线b的剖面图，其中包含了并联馈电326。
图4是根据本发明实施例另一实施例的天线系统400的侧视图。天线系统400类似于天线系统100，包括传输线402，传输线403，碳纤维(CF)编织套404，铰链套406，平衡转换器408以及平衡转换器409。传输线402和传输线403用来为第一辐射器102和第二辐射器104携带信号并且提供独立的传导路径。在本发明的实施例中，传输线402和403是同轴电缆。传输线402和403被预定长度的碳纤维套404所包裹，碳纤维套可以吸收来自无线通信设备的噪声。
铰链套406连接传输线402至第一传输端口110，并且连接传输线403至第二传输端口118。铰链套406能够绕天线端部410旋转预定角度。在本发明的实施例中，该预定角度是九十(90)度。在铰链套406上具有一个或多个平衡转换器。平衡转换器把传输线402和403与传输端口110和118隔离开来。传输线402和403与传输端口110和118的隔离有利于避免天线系统100的方向图失真。此外，平衡转换器可以减少天线系统100的噪声。在本发明的实施例中，平衡转换器408和409位于铰链套406中。
图5示出了根据本发明示例实施例的针对UMTS协议的第一电磁辐射器102在不同方向上的方向图。方向图500对应于第一电磁辐射器102的方向502。与此类似，方向图504对应于方向506，另一个方向图508对应于第一电磁辐射器102的另一个方向510。
图6示出了根据本发明示例实施例的针对UMTS协议的第二电磁辐射器104在不同方向上的方向图。方向图600对应于第二电磁辐射器104的方向602。与此类似，方向图604对应于方向606，另一个方向图608对应于第二电磁辐射器104的另一个方向610。
图7示出了根据本发明示例实施例的针对AMPS协议的第一电磁辐射器102在不同方向上的方向图。方向图700对应于第一电磁辐射器102的方向702。与此类似，方向图704对应于方向706，另一个方向图708对应于第一电磁辐射器102的另一个方向710。
图8示出了根据本发明另一示例实施例的针对GSM协议的第一电磁辐射器102在不同方向上的方向图。方向图800对应于第一电磁辐射器102的方向802。与此类似，方向图804对应于方向806，另一个方向图808对应于第一电磁辐射器102的另一个方向810。
图9示出了根据本发明又一示例实施例的针对DCS协议的第一电磁辐射器102在不同方向上的方向图。方向图900对应于第一电磁辐射器102的方向902。与此类似，方向图904对应于方向906，另一个方向图908对应于第一电磁辐射器102的另一个方向910。
图10示出了根据本发明另一示例实施例的针对PCS协议的第一电磁辐射器102在不同方向上的方向图。方向图1000对应于第一电磁辐射器102的方向1002。与此类似，方向图1004对应于方向1006，另一个方向图1008对应于第一电磁辐射器102的另一个方向1010。
图11示出了根据本发明实施例的天线系统100的标量图。水平轴表示天线系统操作频率，单位为兆赫兹，垂直轴表示天线系统功率比，单位为dB。从图中可以观测两条取曲线，第一为反射，第二为隔离。反射和隔离都是响应瓦特与可用瓦特的功率比。在大多数宽带天线应用中，采用-6dB(负六分贝)的反射功率作为反射上限值，而-10dB(负十分贝)被认为是相当好。另一方面，在大多数窄间隔天线分集接收应用中，采用-6dB(负六分贝)作为隔离的上限，而-10dB(负十分贝)是典型值。
在本发明的各种实施例中，第一电磁辐射器102和第二电磁辐射器104可能有一个或多个独立的辐射路径。独立的辐射路径可以通过第一电磁辐射器102和第二电磁辐射器104的不同的表面驻波场方向来提供。在本发明的实施例中，第一电磁辐射器102和第二电磁辐射器104具有正交的场方向。根据本发明的实施例，表面驻波场方向可以包括电场方向。根据本发明另一实施例，表面驻波场方向可进一步包括磁场方向。
天线系统100能够对双频率作出响应。天线系统100的双频率响应是在第一电磁辐射器102上建立驻波的结果。沿着第一电极106和第二电极108行进的表面波不能到达第一端部和114和第二端部122的外部。在相反方向上反射该表面波，沿第一电磁辐射器102建立第一驻波。当第一驻波的一个半波从第一端部114到第二端部122以第一预定频率与第一电磁辐射器102匹配时，会发生第一最佳电磁辐射。与此类似，当第二驻波的两个半波以第二预定频率与第一电磁辐射器102匹配时，会发生第二最佳电磁辐射。
在馈电点处需要相配的阻抗，这样才允许有最佳的功率传进和传出天线馈线，从而使得电磁辐射达到最大。在天线100处，离心串联馈电112使用高于理想馈线阻抗的代价才可以获得好的平滑谐波功率传输。高于正常阻抗所收到的效果受限于除更高谐波之外的基频。高于正常值的阻抗在可以达到理想阻抗50欧姆的四倍。因此，可以使用频率选择阻抗匹配电路来获得合适的馈线阻抗。本领域普通技术人员显然可以明白阻抗匹配取决于多种因素，包括离心串联馈电112的位置。
V型槽天线200、U型槽天线206、缝隙型天线210、Y型金属结构310的金属板302和底板304之间的间隙、Y型金属结构316的第一金属板318和第二金属板320之间间隙的深度和第三预定频率的四分之一波长相对应。更进一步，V型槽天线200，U型槽天线206，缝隙型天线210，Y型金属结构300，Y型金属结构316的凹腔内侧周长和第三预定频率的四分之二波长相对应。当涉及到V型槽天线200，U型槽天线206，缝隙型天线210，Y型金属结构300，Y型金属结构316的凹腔底部时，可以考虑两个相等的半腔体，每一半都有各自的侧面周长。每个半周长的尺寸也对应于第三预定频率的四分之一波长。
并联馈电120的位置可以参考第二电磁辐射器104的凹槽底部的位置。并联馈电120的位置由特定的馈线阻抗系数所决定。特定的馈线阻抗系数是两个数的比值，即：最佳匹配馈电位置和单面侧周长尺寸，这两者都可以参考槽的底部位置。
在前面的说明书中，参照特定的实施例，已经对本发明及其益处和优点进行了描述。但是本领域内的普通技术人员都会理解，在不脱离由下面权利要求阐述的本发明范围的情况下，可进行各种修改和变化。因此，说明书和附图只是用于说明而并不具有限制意义，且所有这样的修改都包括在本发明的范围内。益处、优势或者问题的解决方案以及任何使益处、优势或者解决方案产生或变得的更加显著的要素都不被解释为任何或者全部权利要求关键的、必须的或者实质的特征或要素。本发明仅由所附权利要求，包括在本发明审批期间所作的修改和这些权利要求的所有等效限定。