專利名稱：帶有無源元件的雙頻帶螺旋天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及用于無線電話的天線系統(tǒng)，和更具體地涉及雙頻帶螺旋天線系統(tǒng)和與便攜無線電話一起使用的方法。
背景技術：
本領域所公知的無線電話一般指能夠提供與一個或更多其它通信終端間無線通信鏈路的通信終端。這種無線電話應用于各種不同應用領域，包括蜂窩電話，陸地-移動(例如，警察和消防部門)，和衛(wèi)星通信系統(tǒng)。
基本上所有無線電話包括某些類型的天線系統(tǒng)用于發(fā)射和/或接收通信信號。過去，由于它們的簡單，寬帶響應，寬輻射圖，和低成本，單極和偶極天線大多廣泛地應用在各種無線電話應用中。尤其是，半波長(λ/2)單極和偶極天線已經(jīng)成功地應用在大量無線電話應用中。可是，如下面所討論，這種簡單天線不適于某些無線電話應用，由于通信技術已經(jīng)成熟，有可能極大地減少大多數(shù)無線電話的尺寸，以致現(xiàn)在許多流行無線電話應用被設計用于需要容易攜帶和最好適合方便裝入用戶口袋內的小型，手持無線電話的移動用戶?？墒?，傳統(tǒng)的半波長和四分之一波長單極天線不適合于這種應用，因為就相對現(xiàn)代手持收發(fā)信機的小型尺寸而言這些天線的大尺寸使這種天線用于這種手持無線電話使用不可行地太大了。
螺旋天線代表一種對有關手持無線電話應用單極天線尺寸問題的潛在解決方法。這類天線是指包括纏繞成螺旋型導電元件的一種天線。因為導電元件圍繞軸線纏繞，四分之一波長或半波長螺旋天線的軸向長度明顯小于等同四分之一波長單極天線的長度，和因此螺旋天線可以經(jīng)常應用于四分之一波長單極天線被禁止使用的地方。另外，盡管半波長或四分之一波長螺旋天線一般明顯短于其對等的半波長或四分之一波長單極天線，它可以表現(xiàn)相同的等效電長度。
使它們適合于許多無線電話應用的有關螺旋天線的另一個優(yōu)點是它們設計的靈活性。例如，螺旋天線可以設計得工作在幾種模式，每種都提供不同類型的輻射圖。一種這種模式稱為“軸向模式”工作，該模式一般可以通過設計螺旋天線具有幾倍于對應所需要的工作頻率波長的軸向長度來實現(xiàn)。在此模式中，螺旋天線一般提供相對高增益的輻射圖，和該輻射圖可以保持在相對大的工作帶寬上?？墒?，在軸向模式中所提供的輻射圖是高方向性和圓極化的，因此軸向模式工作一般不適合于移動無線電話應用，例如蜂窩電話，在該應用中用戶手持的手機不跟蹤基站天線。
螺旋天線可以工作的第二模式稱為正常模式。工作在該模式中，螺旋天線一般具有諧振長度的輻射元件(即，長度λ/4，λ/2，3λ/4或λ，其中λ是天線工作頻帶上相應中心頻率的波長)，該單元以小傾角纏繞在小直徑上。因此設計工作在正常模式的螺旋天線便于小型化和適合于各種便攜無線電話應用例如蜂窩電話。在正常模式下，該天線一般提供線性極化的環(huán)形輻射圖，該輻射圖也適合于蜂窩電話應用，但不幸的是，該天線只在位于諧振頻率附近的相對窄帶寬上提供該輻射圖。另外，該天線的固有帶寬與螺旋線圈的天線輻射元件所限定的圓柱體直徑成正比，因此，在其它方面相等的情況下，天線的直徑越小工作帶寬越小。
盡管在傳統(tǒng)單極和偶極天線太大的許多應用中，工作在軸向模式，正常模式或兩者按比例組合的螺旋天線是一種合理的選擇，仍有大量無線電話應用需要相對小型天線并能夠在兩個或更多寬分離的頻帶上發(fā)射和/或接收信號。一個應用實例是雙頻帶蜂窩電話，該電話是指工作在兩個頻帶例如859MHz和1920MHz頻帶上的蜂窩電話。各種衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供了另一個需要雙頻帶能力的應用實例，例如系統(tǒng)一般具有寬的分離的發(fā)射和接收頻帶?？墒?，不幸的是，如同上面所討論的，螺旋天線一般不適合于這些應用，因為當工作在正常模式時由于這類天線的潛在帶寬限制它們一般不能在寬頻帶上提供準全方位輻射圖。
盡管有上述螺旋天線的限制，已經(jīng)提出了幾個雙頻帶螺旋天線系統(tǒng)。例如，Olesen等人的美國專利US4554554討論了四線螺旋天線，它包括沿其每個單元的PIN二極管開關通過改變單元的電長度提供使該天線選擇性地諧振在兩個有區(qū)別的頻率之一個頻率上的裝置?？墒牵琌lesen等人公開的天線由于工作在軸向模式而沒有解決上述問題，因此沒有提供全方向性輻射圖，而任何工作在正常模式的相應天線設計對于手持無線電話太大。
同樣地，Garay等人的美國專利US4494122公開了一種天線系統(tǒng)，包括上部輻射元件和諧振在一個頻率上的儲能(tank)電路，和一個螺旋單元和諧振在第二頻率上的相關套管元件。盡管該設備潛在地短于常規(guī)套管偶極，它仍然相對太大，每個諧振頻率上天線可利用工作帶寬非常小，以致該天線系統(tǒng)不適合于許多潛在的雙頻帶應用例如蜂窩電話。
Siwiak等人的美國專利US4442438討論了一個天線系統(tǒng)，包括兩個四分之一波長螺旋天線單元和一個線性導電元件，該天線據(jù)稱諧振在兩個不同頻率上。可是，Siwiak等人所公開的該天線沒有諧振在寬分開的頻率上(所公開的諧振頻率是827MHz和850MHz)，因為與提供兩個寬分開頻帶工作不同該天線設計成擴展天線頻率特性以覆蓋單一工作帶寬。
最后，在日本專利JP5-136623和美國專利申請08-725507中公開了另外的螺旋天線系統(tǒng)，該專利討論了通過分別使用導電管和可變傾角線圈的雙頻帶工作?？墒牵瑸樘峁┯糜趦蓚€這種方案中的雙頻帶工作，該機械結構即在螺旋體上相鄰線圈之間耦合一般導致在較高頻帶上的窄工作帶寬和還可能產(chǎn)生對設計靈活性的限制。另外，在日本專利JP5-136623中所討論的天線也具有在較高頻帶上減少的有效孔徑。
因此，按照雙頻帶無線電話的上述要求和現(xiàn)有天線系統(tǒng)用于這種無線電話的問題，需要小型，全方向性無線電話天線系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠工作在兩個寬分開的頻帶上。
本發(fā)明概述考慮上述有關現(xiàn)有無線電話的限制，本發(fā)明的目的是提供一種天線系統(tǒng)用于雙頻帶無線電話，該天線系統(tǒng)足夠小到應用于現(xiàn)代的手持蜂窩電話中。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種雙頻帶天線系統(tǒng)，用于不需要額外電路能工作在兩個頻帶或與收發(fā)信機接口的無線電話。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種天線系統(tǒng)，該天線系統(tǒng)能夠諧振在兩個或更多不同頻率上。
根據(jù)閱讀下面詳細說明和附加的權利要求和參照附圖，本發(fā)明的另外目的，特征和優(yōu)點將變得更清楚。
本發(fā)明的這些和其它目的是通過螺旋天線系統(tǒng)提供的，該螺旋天線系統(tǒng)包括一個螺旋天線和位于該螺旋天線相鄰的一個或多個無源元件，以便使該天線系統(tǒng)諧振在至少兩個分開的頻帶上。通過有利地定位無源元件，和通過僅將選擇的螺旋線圈與無源元件耦合，有可能提供小型，高性能雙頻帶天線系統(tǒng)，該系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的阻抗匹配和制造相對便宜。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，提供了一種天線系統(tǒng)用于在兩個寬分開頻帶上發(fā)射和接收電信號，該天線系統(tǒng)包括一個螺旋天線和與該螺旋天線相鄰的一個無源元件。在本發(fā)明的實施例中，定位無源元件以便當較高頻帶上的射頻能量進入天線系統(tǒng)時，該螺旋天線和該無源元件電容性耦合，而當較低頻帶上的射頻能量進入該天線系統(tǒng)時，該螺旋天線基本上與無源元件絕緣。另外，該天線系統(tǒng)的有效孔徑在兩個頻帶上基本上相同。
在本發(fā)明另一個實施例中，該螺旋天線可以設計得工作在正常模式，和從天線饋源處觀察的天線阻抗可以是大約50歐姆。另外，該天線系統(tǒng)可以設計得以便只在螺旋天線和非相鄰線圈處的無源元件之間耦合能量。另外，該天線系統(tǒng)可以進一步包括一個電介質用于將螺旋天線與無源元件物理絕緣。
按照本發(fā)明的螺旋天線也可以設計得在較低頻帶上獨立于無源元件諧振。另外，無源元件可以位于螺旋天線之外與至少兩個螺旋天線線圈相鄰。另外，該天線系統(tǒng)可以與具有發(fā)射機，接收機，用戶接口和天線饋源系統(tǒng)的無線電話合并實施。
在本發(fā)明的另一個實施例中，無源元件對角地穿過螺旋天線之內定位。在該實施例中，無源元件定位得以便靠近螺旋天線上的至少兩個線圈。在另一個實施例中，無源元件可以定位得在螺旋天線之外并與之相鄰。
在本發(fā)明的另一個方面中，提供相鄰螺旋天線的第二無源元件，其中第二無源元件定位得以便當高于兩個寬分開頻帶的較低的一個的第三頻帶中的射頻能量進入該天線系統(tǒng)時，該螺旋天線和第二無源元件電容性耦合，而當兩個寬分開頻帶的較低一個中的射頻能量進入該天線系統(tǒng)時，該螺旋天線基本上與第二無源元件絕緣。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，該天線系統(tǒng)在824MHz到894MHz和1850MHz到1990MHz頻帶中發(fā)射和接收電信號。在本發(fā)明的該實施例中，螺旋天線的直徑可以近似6-10毫米，該螺旋天線的軸向長度可以近似20-25毫米，該無源元件可以近似10-14毫米長。
因此，本發(fā)明的天線系統(tǒng)提供相對小型，準全方向性天線，能夠工作在兩個或更多寬分開頻帶上。該工作是被動實現(xiàn)的而不需要主動切換或用戶輸入。另外，這些天線可以設計得以便當工作在每個工作頻帶時不需要任何阻抗匹配并有效地使用整個天線孔徑，因此使該天線發(fā)射和/或接收的信號總量最大。另外，由于本發(fā)明的天線系統(tǒng)可以設計得只允許跨越非相鄰線圈的耦合，有可能使天線系統(tǒng)的工作帶寬在該天線工作的所有頻帶上最大。
附圖簡介

圖1是雙頻帶無線電話的方框圖，該無線電話包括按照本發(fā)明的一個天線系統(tǒng)；圖2表示本發(fā)明天線系統(tǒng)的優(yōu)選實施例；圖3表示本發(fā)明天線系統(tǒng)的改型實施例；圖4表示本發(fā)明天線系統(tǒng)的改型實施例；圖5表示本發(fā)明天線系統(tǒng)的改型實施例；圖6表示在較低(850MHz)頻帶上本發(fā)明天線系統(tǒng)優(yōu)選實施例的性能；圖7表示在較高(1920MHz)頻帶上本發(fā)明天線系統(tǒng)優(yōu)選實施例的性能；本發(fā)明詳細說明現(xiàn)在參照下面的附圖將更全面地描述本發(fā)明，圖中所示為本發(fā)明的優(yōu)選實施例。可是，本發(fā)明可以以許多不同方式實施和不認為受所闡述的實施例的限制；相反，提供這些實施例以便使公開徹底和完整，和對本領域技術人員全面地傳達本發(fā)明的范圍。另外，應理解本領域技術人員可以將本發(fā)明有利地用于各種應用中，和因此不認為本發(fā)明受在此所描述的舉例應用的限制。相同數(shù)字始終代表相同元件。
圖1中表示了包括按照本發(fā)明天線系統(tǒng)20的無線電話10的實施例。無線電話10可以包括任何類型的雙向無線的無線電話音通信終端，諸如例如衛(wèi)星通信終端，手持蜂窩電話，或民用波段無線電收發(fā)信機。
如圖1所示，無線電話10一般包括一個發(fā)射機12，一個接收機14，和一個用戶接口16。如同本領域技術人員所公知的，發(fā)射機12將無線電話10要發(fā)射的信息轉換為適合于無線電通信的電磁信號，和接收機14將無線電話10所接收的電磁信號解調以便將包含在該信號中的信息以該用戶可理解的格式提供給用戶接口16。對于本領域技術人員來說適合于手持無線電話使用的各種各樣的發(fā)射機12，接收機14和用戶接口16(例如，話筒，小鍵盤，旋轉撥號)是公知的，和這種裝置可以實現(xiàn)在無線電話10上。
圖2描述了本發(fā)明天線系統(tǒng)20的優(yōu)選實施例。如圖2所示，該天線系統(tǒng)20一般包括一個天線饋源結構22，一個輻射元件30，和一個無源元件40。另外，天線系統(tǒng)20可以另外包括一個天線罩，該天線罩在優(yōu)選實施例中是帶有頂帽的塑料管。
輻射元件30最好包括導電材料例如銅的連續(xù)導線或帶。如圖2所示，該線或帶以螺旋體形式纏繞。在圖2所示的實施例中，輻射元件30的始端32電耦合到天線饋源結構22，和末端34是開路的。可是，本領域技術人員明白，輻射元件30不一定必須是始端32饋電，而可以另外從未端34饋電。
如圖2所示，天線系統(tǒng)20的螺旋天線具有對應由輻射元件30限定的圓柱體直徑的直徑(D)，和對應該圓柱體高度的軸向長度(H)。該天線進一步由輻射元件長度(L)和傾角所限定，該傾角是單位軸向長度螺旋體旋轉匝數(shù)的函數(shù)。在圖2所示天線系統(tǒng)20的實施例中，輻射元件30以小傾角纏繞在小直徑上，和因此設計得工作在正常模式。
也如圖2所示，輻射元件30可以通過沿同軸支撐管38的長度以螺旋型纏繞導電線或帶實現(xiàn)?？墒?，如同本領域技術人員所明白的，可以不需要同軸支撐管38，因為天線可以由一螺旋型纏繞的自支撐導線或帶30實現(xiàn)。在輻射元件30以導電材料帶實現(xiàn)的地方，最好使用相對寬的帶(例如，對于設計工作在1500-1660MHz頻率范圍的天線在3-5毫米數(shù)量級寬)以便減少損耗和使與輻射元件30有關的電感最小，由此有助于使天線20的阻抗與發(fā)射機12和接收機14的阻抗相匹配。
還如同本領域技術人員所明白的，輻射元件30不必是在整個軸向長度上保持不變直徑意義上的真正螺旋體。相反，本發(fā)明范圍內的改型實施例包括圍繞軸線形成線圈或部分線圈意義上的螺旋型的輻射元件30，但是也從一端到其它端改變直徑。因此，盡管天線系統(tǒng)20的優(yōu)選實施例具有限定圓柱體外形的輻射元件30，有可能實現(xiàn)具有另外限定圓錐形外形或另一個旋轉表面輻射元件30的天線系統(tǒng)20。
由天線系統(tǒng)20的螺旋天線提供的輻射圖主要是螺旋體直徑(D)，傾角和單元長度(L)的函數(shù)。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，輻射元件30的電長度近似λ/4，λ/2，3λ/4或λ(在此λ是對應天線工作較低頻帶中心頻率的波長)，這樣天線諧振工作在較低工作頻帶上?？墒牵缤鶕?jù)本發(fā)明公開內容本領域技術人員所明白的，天線系統(tǒng)20的螺旋部分不必設計得自然地諧振在較低天線工作頻帶，因為可以使用多個無源元件產(chǎn)生多個諧振點，以便輻射元件30不必諧振在工作頻帶之一上。另外，如同在此所討論的，可能希望使用λ/4長度的輻射元件工作，與某些其它四分之一波長倍數(shù)不同，該長度輻射元件的阻抗(一般為50歐姆數(shù)量級)可能更容易與饋源傳輸線18的阻抗匹配。
另外，還如同本領域技術人員所明白的，輻射元件30的實際物理長度可理解地由于天線罩效應而被縮短，因為天線罩往往改變傳播速度以致長度比自由空間中短。這種效應在較小尺寸是重要目標的場合是有利的，和因此應理解本發(fā)明的天線系統(tǒng)20利用具有物理長度不是四分之一波長倍數(shù)的輻射元件30也可以在諧振或接近諧振下工作。另外盡管帶有λ/4，λ/2，3λ/4和λ實際或電長度(應用天線罩效應)單元的螺旋天線公知在諧振下工作，這種諧振或接近諧振工作也可以通過使用另外的匹配裝置的其它長度的輻射元件30獲得，由此提供在饋源與負載之間的良好功率傳輸。另外，應確認本發(fā)明不限于帶有四分之一波長倍數(shù)長度的輻射元件的螺旋天線。
也如圖2所示，天線系統(tǒng)20包括一個無源元件40，該無源元件位于相鄰處，但沒有與輻射元件30直接電接觸。無源元件40可以包括安放在輻射元件30附近的任何導電材料。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，無源元件40包括一個非諧振導電線或帶，其端部42，44靠近螺旋體的線圈。在圖2中所示的本發(fā)明實施例中，無源元件40正好位于由輻射元件30的線圈限定的圓柱體之外并與之平行，以端點44鄰近輻射元件30末端的最后線圈和端點42鄰近輻射元件30始端的最后線圈。
也如圖2所示，無源元件40最好通過電介質材料46與輻射元件30絕緣，例如TEFLON，聚碳酸酯，聚胺酯等，其用于防止無源元件40與輻射元件30直接電接觸，和也可以幫助在無源元件40與輻射元件30之間保持最佳間隔。在優(yōu)選實施例中，無源元件40由模鑄在塑料外殼中的導電線或帶實現(xiàn)?？墒?，如同本領域技術人員所明白的，可以不需要電介質材料緩沖46。
天線系統(tǒng)20工作如下。當無線電話10工作的較低頻帶中的電磁信號進入天線系統(tǒng)20時，輻射元件30工作在諧振模式(在輻射元件30對于較低頻帶信號是諧振長度的情況下)，提供在該頻帶上的通信。另外，通過仔細選擇無源元件40端部42，44與輻射元件30之間距離，天線系統(tǒng)20可以設計得以便在這些較低頻率上進入輻射元件30的信號不容易耦合到無源元件40上，而是主要地，或最好唯一地保持在輻射元件30中?？墒窃谳^高工作頻帶上，在輻射元件30與無源元件40之間的電容性耦合明顯增加，以致能量從輻射元件30耦合到無源元件40和然后沿旁路一個或多個螺旋體線圈的路徑返回輻射元件30。因此進入天線系統(tǒng)20的較高頻率的一些能量由于電容性耦合效應經(jīng)歷縮短的電路徑，為天線系統(tǒng)20提供了第二等效諧振頻率。
參照電容器的電抗公式可以最好地明白上述電容性耦合效應，該公式是Xc＝1/j2πfC其中f是工作頻率和C是電容量。該公式表示一個電容器(在此是無源元件40)的電抗隨頻率的增加而變小，和因此對無源元件40的電容性耦合在較高頻率上基本上是增加的。因此，有可能設計天線系統(tǒng)20以致無源元件40在較低頻率上基本上與輻射元件30絕緣，而在較高頻率范圍內對輻射元件30是電容性耦合。
如同本領域技術人員所明白的，以較高頻帶信號出現(xiàn)的電容性耦合的數(shù)量主要取決于無源元件40與輻射元件30線圈之間的距離。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，選擇該距離以致較高工作頻帶上的一些而非全部基本上進入輻射元件30的能量被電容性地耦合到無源元件40中。因此，在該實施例中，無源元件40不起真正電短路的作用，而是產(chǎn)生一個“分布阻抗”由此對于無源元件40跨越的線圈在輻射元件30與無源元件40之間分配該能量。這樣，當工作在較低和較高兩個頻帶上時，包括天線系統(tǒng)20的整個結構輻射，和同樣，天線系統(tǒng)20的有效孔徑在較低和較高兩個頻帶上基本上相同。當工作在所述頻帶的較高部分時這有利地允許天線系統(tǒng)20使接收信號最大，因為所有的天線線圈被用于在該頻帶上發(fā)射和接收電信號。
另外，如同上面所討論，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，輻射元件30是四分之一波長螺旋體，該螺旋體可以設計得具有50歐姆數(shù)量級的本征阻抗，和因此固有地與50歐姆同軸連接18匹配，該同軸連接通常用于在無線電話10上耦合發(fā)射機12和接收機14到天線系統(tǒng)20。另外，按照本發(fā)明的技術還應理解在無源元件40的端部42和44之間的物理距離和輻射元件30的單一線圈可以被調整以優(yōu)化天線系統(tǒng)20在天線諧振頻率，在每個分開的工作頻帶上所獲得的電壓駐波比，和從天線饋源系統(tǒng)22處觀察的天線系統(tǒng)20的阻抗這些方面的性能。
這樣，在圖2中表示的天線系統(tǒng)是相對小型，準全方向性天線，該天線能夠工作在兩個或更多寬分開頻帶(如同在此所使用的，術語寬分開是指頻帶由至少較低頻帶中心頻率的30％分開)。另外，該天線有利地不需要任何阻抗匹配，和因為整個天線在兩個頻帶上輻射，其有效孔徑基本上相同而不論工作頻率如何，和這樣該天線使由天線發(fā)射和/或接收的信號能量數(shù)量最大。
圖3說明了本發(fā)明天線系統(tǒng)的另一個實施例。在該實施例中，無源元件40位于由輻射元件30形成的螺旋體內，和對角定位以便從螺旋體的左上側向右下側延伸。在該實施例中，無源元件40靠近至少螺旋體上的兩個點(輻射元件30末端上最后線圈的左側和輻射元件30相鄰始端線圈的右側)，和，因此，無源元件40提供了在螺旋體上非相鄰線圈之間的耦合。
如同本領域技術人員按照本發(fā)明公開內容所明白的，非相鄰線圈之間允許耦合提供了設計靈活性的明顯增加，因為它允許優(yōu)化整個輻射結構。這樣本發(fā)明的天線設計可以使用所增加的靈活性來幫助將天線系統(tǒng)20的阻抗與天線饋源網(wǎng)絡22上的阻抗相匹配，和使天線系統(tǒng)在所有工作頻帶上的工作帶寬最大。另外，按照本發(fā)明的技術，無源元件40可以定位得以便靠近螺旋體上的不多于兩個線圈。這種設計可以有利地簡化天線系統(tǒng)的制造。
圖4說明了本發(fā)明天線系統(tǒng)的另一個實施例。在該實施例中，無源元件40是非直線型的，和位于由輻射元件30形成的螺旋體之外與螺旋體主軸相平行的位置上。由于非直線型設計，無源元件40位于靠近螺旋體上的幾個線圈，同時與其它線圈更遠隔開。
另外，按照本發(fā)明的技術，天線系統(tǒng)20可以包括多個無源元件以提供在多于兩個分開頻帶上的工作。圖5說明了天線系統(tǒng)20的這種實施例，該天線系統(tǒng)設計得工作在達到三個寬分開頻帶上。如圖5所示，天線系統(tǒng)20包括第一無源元件50位于輻射元件30形成的螺旋體之外與主軸平行，和第二較短無源元件52位于螺旋體相反一側的相同方向上。在該實施例中，在三個天線工作頻帶中的最高頻帶上進入輻射元件30的射頻能量被電容性耦合到和從第一無源元件50和第二無源元件52上，以便該能量在輻射元件30與第一和第二無源元件50，52之間以輻射元件30和第一和第二無源元件50，52的電容性耦合組合體諧振在天線系統(tǒng)20的最高工作頻率上的方式分配。同樣地，在三個天線工作頻帶的中間頻帶上進入輻射元件30的射頻能量被電容性耦合到和從第一和第二無源元件50，52的至少一個上，以便該能量在輻射元件30與第一和第二無源元件50，52的至少一個之間以輻射元件30和第一和第二無源元件50，52的至少一個電容性耦合組合體諧振在天線系統(tǒng)20的三個工作頻率的中間頻率上的方式分配。可是，當天線工作頻帶的最低頻帶上的射頻能量進入輻射元件30時，這種能量不容易耦合到第一或第二無源元件50，52的任何一個上和相反基本上保持與它們絕緣。可是，由于輻射元件30設計得在三個頻帶的最低頻帶上諧振，單獨行動的輻射元件30工作在天線工作的最低頻帶上發(fā)射和/或接收信號。
如上所述，在天線系統(tǒng)20的優(yōu)選實施例中，天線阻抗從天線饋源電路22處觀察近似50歐姆。這種阻抗可以通過以四分之一波長螺旋體制造輻射元件30和通過選擇無源元件40的長度和位置來實現(xiàn)。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，天線系統(tǒng)20通過同軸連接18耦合到發(fā)射機12和接收機14，該同軸連接一般呈現(xiàn)出50歐姆數(shù)量級的阻抗。這樣，在該實施例中有可能實現(xiàn)最大功率傳輸而不需要阻抗匹配網(wǎng)絡，因為天線系統(tǒng)20的阻抗與饋源傳輸線18的阻抗匹配。可是，如同本領域技術人員所明白的，用于轉換天線阻抗以匹配饋源傳輸線阻抗的阻抗匹配網(wǎng)絡在本領域是公知的。因此，按照本發(fā)明設計的天線不需要設計得具有50歐姆數(shù)量級的阻抗，盡管帶有此范圍阻抗的天線一般具有不需要與阻抗匹配網(wǎng)絡有關的額外硬件的優(yōu)點。
按照本發(fā)明的技術，應理解無源元件可以安放在相鄰螺旋體的各種不同位置和在各種不同方向上?？墒牵瑑?yōu)化的位置和方向可以隨天線系統(tǒng)指定的特定尺寸和性能要求而明顯改變。因此，當試圖將天線設計得提供可接受的VSWR和帶寬性能，諧振在兩個或更多指定頻帶并滿足用戶一施加的尺寸和體積限制時，用本發(fā)明天線系統(tǒng)定位無源元件可得到的靈活性為設計者提供了若干自由度。由于美觀考慮和用戶對小型無線電話的需要，可允許的天線尺寸和體積通常受限制，因此設計靈活性是非常重要的。
在本發(fā)明的另一個方面中，公開了制造天線系統(tǒng)20的方法。按照本發(fā)明的這方面，通過安裝一個輻射元件30和位于鄰近輻射元件30的一個無源元件40來提供在兩個分開頻帶上通信的天線系統(tǒng)20。無源元件40被定位以便當較高頻帶上的射頻能量進入天線系統(tǒng)20時，輻射元件30和無源元件40被電容性耦合，而當較低頻帶上的射頻能量進入天線系統(tǒng)20時，輻射元件與無源元件40基本上絕緣。如同本領域技術人員所明白的，在優(yōu)選實施例中按照本發(fā)明公開的內容輻射元件直徑可以選擇為符合天線系統(tǒng)20所允許體積內最大直徑螺旋天線。輻射元件30的長度可以選擇為對應天線諧振長度的長度，該長度在優(yōu)選實施例中是較低工作頻帶中心頻率的四分之一波長。天線系統(tǒng)20的軸向長度可以選擇為天線系統(tǒng)20設計要求所允許的長度。
在本發(fā)明的一個實施例中，無源元件的最佳位置可以通過當以各種位置和方向鄰近輻射元件30安裝各種尺寸的無源元件40時向天線系統(tǒng)20提供射頻能量并使用網(wǎng)絡分析儀計量天線20的輸出來確定。通過該方法，可以選擇無源元件40的尺寸，位置和方向以便提供滿足所指定尺寸，VSWR和頻率諧振要求的天線系統(tǒng)20。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，定位無源元件40以便天線系統(tǒng)20的有效孔徑在天線工作的兩個頻帶上基本上相同。
實例1天線系統(tǒng)20按照本發(fā)明技術構成，用于工作在824MHz到894MHzAMPS頻帶和1850MHz到1990MHzPCS頻帶。在本發(fā)明實施例中，輻射元件30包括在玻璃纖維管上纏繞近似6匝的一個銅帶，其中輻射元件30的長度近似88毫米(850MHz處的四分之一波長)，軸向長度在25毫米數(shù)量級和螺旋體直徑近似為8毫米。在該實施例中，無源元件40制造成13毫米長非諧振導線，該導線位于由輻射元件30形成的螺旋體之外但相鄰(近似隔開0.2毫米)并在與螺旋體主軸平行位置上。該無源元件40包括圍繞該導線外表面的一個電介質涂層46。在本發(fā)明的實例中，無源元件40是這樣定位的，即通過從輻射元件30始端32卷起大約一圈半處圍繞輻射元件30將其一端纏繞一或兩匝，和從始端32卷起大約四圈半處圍繞輻射元件30將無源元件40的另一端纏繞一或兩匝。在該實施例中，圍繞無源元件40的電介質涂層46接觸輻射元件30的兩個中間線圈(即，在無源元件40圍繞輻射元件30纏繞處之間的線圈)。
實例2按照本發(fā)明技術構成的第二天線系統(tǒng)20也設計得工作在824MHz到894MHz AMPS頻帶和1850MHz到1990MHz PCS頻帶。在該實施例中，輻射元件30包括在玻璃纖維管上纏繞近似五匝半的一個銅帶，其中輻射元件30的長度近似88毫米(850MHz處的四分之一波長)，軸向長度在20毫米數(shù)量級和螺旋體直徑近似為7毫米。在該實施例中，無源元件40制造成10毫米長非諧振導線，該導線位于由輻射元件30形成的螺旋體之外但相鄰(近似隔開0.2毫米)并在與螺旋體主軸平行位置上。該無源元件40包括圍繞該導線外表面的一個電介質涂層46。在本發(fā)明的該實施例中，無源元件40通過從輻射元件30始端32卷起大約一圈半處圍繞輻射元件30將其一端纏繞一或兩匝，和從始端32卷起大約四圈半處圍繞輻射元件30將無源元件40的另一端纏繞一或兩匝來定位。
圖6和7說明在兩個工作頻帶上該天線系統(tǒng)20的響應。如圖6所示，天線系統(tǒng)20在824MHz到894MHz頻率范圍上提供小于2.0的VSWR，和圖7表示小于2.5的VSWR同樣地保持在1850MHz到1990MHz的頻率范圍上。這樣，該天線系統(tǒng)在AMPS和PCS兩個頻帶上提供了雙頻帶工作。
在附圖中，已經(jīng)公開了本發(fā)明常用的優(yōu)選實施例的要求和實例，盡管使用了特定術語，這些術語只用作一般和說明的意義而非限制的目的，本發(fā)明的范圍在下列權利要求書中闡述。因此，本領域技術人員自己能夠想到不同于在此明確描述的雙頻帶天線系統(tǒng)和無線電話及有關方法的多個實施例而不超出本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種天線系統(tǒng)用于在兩個寬分開頻帶上發(fā)射和接收電信號，包括一個螺旋天線；和一個無源元件與所述螺旋天線相鄰；其中所述無源元件被定位以便當所述頻帶的較高頻帶中的射頻能量進入到所述天線系統(tǒng)時，所述螺旋天線和所述無源元件被電容性耦合，而當所述頻帶的較低頻帶中的射頻能量進入所述天線系統(tǒng)時，所述螺旋天線基本上與所述無源元件絕緣；和其中所述天線系統(tǒng)的有效孔徑在兩個所述頻帶上基本上相同。
2.權利要求1的天線系統(tǒng)，其中所述螺旋天線設計得工作在正常模式。
3.權利要求1的天線系統(tǒng)，其中在天線饋源處觀察的阻抗大約是50歐姆。
4.權利要求1的天線系統(tǒng)，其中只在所述螺旋天線與非相鄰線圈處的所述無源元件之間耦合能量。
5.權利要求1的天線系統(tǒng)，進一步包括用于物理地絕緣所述螺旋天線和所述無源元件的一個電介質。
6.權利要求1的天線系統(tǒng)，其中所述螺旋天線在所述頻帶的較低頻帶上獨立于所述無源元件諧振。
7.權利要求1的天線系統(tǒng)，其中所述無源元件在所述螺旋天線內部沿對角定位以便只靠近所述螺旋天線上的兩個點。
8.權利要求1的天線系統(tǒng)，其中所述無源元件定位在所述螺旋天線之外相鄰所述螺旋天線的至少兩個線圈。
9.權利要求1的天線系統(tǒng)，進一步包括一個第二無源元件與所述螺旋天線相鄰，其中所述第二無源元件被定位以便當高于所述兩個寬分開頻帶的較低頻帶的第三頻帶上的射頻能量進入所述天線系統(tǒng)時，所述螺旋天線和所述第一和第二無源元件被電容性耦合，而當所述兩個寬分開頻帶的較低頻帶上的射頻能量進入所述天線系統(tǒng)時，所述螺旋天線與所述第二無源元件基本上絕緣。
10.權利要求1的天線系統(tǒng)與一個無線電話合并，該無線電話包括一個發(fā)射機；一個接收機；一個用戶接口；和一個天線饋源系統(tǒng)。
11.一種天線系統(tǒng)用于在兩個寬分開的頻帶上發(fā)射和接收電信號，包括一個螺旋天線；和一個無源元件穿過所述螺旋天線內部對角地定位；其中所述無源元件被定位以便當所述頻帶的較高頻帶上的射頻能量進入所述天線系統(tǒng)時，所述螺旋天線與所述無源元件被電容性耦合，而當所述頻帶的較低頻帶上的射頻能量進入所述天線系統(tǒng)時，所述螺旋天線與所述無源元件基本上絕緣。
12.權利要求11的天線系統(tǒng)，其中所述無源元件靠近所述螺旋天線上的不多于兩個線圈。
13.權利要求11的天線系統(tǒng)，其中所述天線系統(tǒng)的有效孔徑在兩個所述頻帶上基本上相同。
14.權利要求11的天線系統(tǒng)，其中所述螺旋天線設計得工作在正常模式。
15.權利要求11的天線系統(tǒng)，其中在天線饋源處觀察的阻抗為50歐姆數(shù)量級。
16.權利要求11的天線系統(tǒng)，其中只在所述螺旋天線與非相鄰線圈處的所述無源元件之間耦合能量。
17.權利要求11的天線系統(tǒng)，進一步包括用于物理地絕緣所述螺旋天線和所述無源元件的一個電介質。
18.權利要求11的天線系統(tǒng)，其中所述螺旋天線在所述頻帶的較低頻帶上獨立于所述無源元件諧振。
19.權利要求11的天線系統(tǒng)與一個無線電話合并，該無線電話包括一個發(fā)射機；一個接收機；一個用戶接口；和一個天線饋源系統(tǒng)。
20.一種天線系統(tǒng)用于在兩個寬分開頻帶上發(fā)射和接收電信號，包括一個螺旋天線；和一個無源元件位于所述螺旋天線之外并與其相鄰；其中所述無源元件被定位以便當所述天線系統(tǒng)工作在所述頻帶的較高頻帶上時，進入到所述螺旋天線上的射頻能量被電容性耦合到和來自所述無源元件，而當所述天線系統(tǒng)工作在所述頻帶的較低頻帶上時，進入所述螺旋天線的射頻能量基本上與所述無源元件絕緣。
21.權利要求20的天線系統(tǒng)，其中所述螺旋天線設計得工作在正常模式。
22.權利要求20的天線系統(tǒng)，其中在天線饋源處觀察的阻抗為50歐姆數(shù)量級。
23.權利要求20的天線系統(tǒng)，其中只在所述螺旋天線與非相鄰線圈處的所述無源元件之間耦合能量。
24.權利要求20的天線系統(tǒng)，進一步包括用于物理地絕緣所述螺旋天線和所述無源元件的一個電介質。
25.權利要求20的天線系統(tǒng)，其中所述螺旋天線在所述頻帶的較低頻帶上獨立于所述無源元件諧振。
26.權利要求20的天線系統(tǒng)，進一步包括一個第二無源元件與所述螺旋天線相鄰，其中所述第二無源元件被定位以便當高于所述兩個寬分開頻帶的較低頻帶的第三頻帶上的射頻能量進入所述天線系統(tǒng)時，所述螺旋天線和所述第一和第二無源元件被電容性耦合，而當所述兩個寬分開頻帶的較低頻帶上的射頻能量進入所述天線系統(tǒng)時，所述螺旋天線與所述第二無源元件基本上絕緣。
27.權利要求20的天線系統(tǒng)，其中所述天線系統(tǒng)的有效孔徑在兩個所述頻帶上基本上相同。
28.權利要求20的天線系統(tǒng)與一個無線電話合并，該無線電話包括一個發(fā)射機；一個接收機；一個用戶接口；和一個天線饋源系統(tǒng)。
29.一種天線系統(tǒng)用于在824MHz到894MHz和1850MHz到1990MHz頻帶上發(fā)射和接收電信號，包括一個螺旋天線設計得在824MHz到894MHz頻帶上諧振；和一個無源元件與所述螺旋天線相鄰；其中所述無源元件被定位以便當所述天線系統(tǒng)工作在所述頻帶的較高頻帶上時，進入到所述螺旋天線上的射頻能量被電容性耦合到和來自所述無源元件，而當所述天線系統(tǒng)工作在所述頻帶的較低頻帶上時，進入所述螺旋天線的射頻能量基本上與所述無源元件絕緣。
30.權利要求29的天線系統(tǒng)，其中所述螺旋天線的直徑近似6到10毫米和所述螺旋天線的軸向長度近似20到25毫米。
31.權利要求29的天線系統(tǒng)，其中所述無源元件定位在所述螺旋天線之外相鄰所述螺旋天線的至少兩個線圈。
32.權利要求29的天線系統(tǒng)，其中所述無源元件近似10到14毫米長。
33.一種制造用于在兩個分開頻帶上通信的天線系統(tǒng)的方法，該方法包括步驟提供一個螺旋天線；提供一個無源元件與該螺旋天線相鄰；定位所述無源元件以便當該頻帶的較高頻帶上的射頻能量進入該天線系統(tǒng)時，該螺旋天線和該無源元件被電容性耦合，而當在該頻帶的較低頻帶上的射頻能量進入該天線系統(tǒng)時，該螺旋天線基本上與該無源元件絕緣；和定位該無源元件以便該天線系統(tǒng)的有效孔徑在兩個該頻帶上基本上相同。
34.權利要求33的方法，其中該無源元件穿過該螺旋天線內部對角地定位。
35.權利要求33的方法，其中螺旋天線設計得工作在正常模式。
36.權利要求33的方法，其中所述螺旋天線在所述頻帶的較低頻帶上獨立于所述無源元件諧振。
全文摘要
提供一種天線系統(tǒng)用于在兩個寬分開頻帶上發(fā)射和接收電信號,該天線系統(tǒng)包括一個螺旋天線和與該螺旋天線相鄰的一個無源元件。該無源元件被定位以便當較高頻帶上的射頻能量進入該天線系統(tǒng)時,該螺旋天線與無源元件被電容性耦合,而當較低頻帶上的射頻能量進入該天線系統(tǒng)時,該螺旋天線基本上與該無源元件絕緣。該天線系統(tǒng)的有效孔徑最好在兩個工作頻帶上基本上相同,和該無源元件可以定位在該螺旋天線之內或之外,和可以與螺旋體主軸平行,或另一個方式,可以對角定位以便只與螺旋天線的兩個或更多線圈相鄰。另外,該天線系統(tǒng)可以與具有發(fā)射機、接收機,用戶接口和天線饋源系統(tǒng)的無線電話組合實施。
文檔編號H01Q1/38GK1278959SQ98811159
公開日2001年1月3日 申請日期1998年9月15日 優(yōu)先權日1997年9月15日
發(fā)明者R·A·薩德勒, G·哈耶斯 申請人:艾利森公司