專利名稱：雙頻帶天線的制作方法
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種天線，特別涉及一種雙頻帶天線，其中在信號源和該天線間不要求單獨的匹配電路，因此結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格低廉，性能優(yōu)越。
2.相關(guān)技術(shù)說明在一個移動通信系統(tǒng)中，天線用來節(jié)省發(fā)射功率并有效地使用頻率，隨著移動通信迅速發(fā)展和廣泛使用，在一個普通的系統(tǒng)中存在經(jīng)常出現(xiàn)容量飽和的情況。這樣，需要良好地工作在這種環(huán)境之下的一個新系統(tǒng)以及在一個普通系統(tǒng)和該新系統(tǒng)之間的互鎖。例如，互鎖使用在(i)一個碼分多址存取(CDMA)系統(tǒng)和一個個人通信系統(tǒng)(PCS)之間(在韓國)；(ii)一個先進的移動電話服務(wù)(AMPS)系統(tǒng)和一個PCS之間(在美國)(iii)一個組專用移動(GSM)系統(tǒng)和一個數(shù)字歐洲無繩電話(DECT)系統(tǒng)之間；或(iV)一個GSM系統(tǒng)和在歐洲將該GSM加到1,800MHZ頻帶的數(shù)字通信系統(tǒng)(DCS)1800系統(tǒng)之間。這樣的一種互鎖系統(tǒng)通常稱為雙頻帶系統(tǒng)。即，一個雙頻帶系統(tǒng)互鎖兩個彼此具有不同頻帶的不同系統(tǒng)。
在普通雙頻帶系統(tǒng)中有用于各自兩個頻帶的不同的天線，材料成本倍增，使最小化和重量減小成為困難。因此，已開發(fā)了可用于兩個頻帶的一種雙頻帶天線。
專利號為4,509,056的美國專利公開了一種應(yīng)用調(diào)諧套管扼流(tured sleeve choke)的多頻率天線。

圖1為說明一種單極天線結(jié)構(gòu)的剖面圖，該天線工作在按照應(yīng)用調(diào)諧套管扼流的多頻率天線的一個實施例的雙頻率上。如圖1所示，一個同軸饋線2的外導體6連接到地平面20，其內(nèi)導體8的延長部分10從地平面20通過一個扼流圈12i延長到如尺寸N表示的輻射狀的部分。扼流圈用固體電介插入物16i裝載，扼流圈的殼體的內(nèi)表面和通過該扼流圈延伸的導體的外表面形成一個四分之一波長(λ/4)傳輸線。在高頻，該扼流圈形成一段λ/4傳輸線。它防止扼流圈12i的殼體14i的一個開路端和延伸部分10之間的耦合。在低頻，扼流圈12i不是起一個隔離元件作用，但在該低的諧振頻率上起到如整個長度P表示的一個單極天線作用。
在高/低頻帶頻率上起一個四分之一波長單極天線作用的雙頻帶天線如等式1所定義的那樣具有一個輸入組抗Zin.并在其與該系統(tǒng)的另外電路連接情況下要求50Ω的匹配電路。這里，其他電路是指一個濾波器或一個射頻(RF)放大器，并且當它連接到雙頻帶天線時，天線的性能由于阻抗失配而降低。因此應(yīng)當連接50Ω匹配電路以防止上述失配。
Zin＝36+j20……………(1)由于上述雙頻帶天線要求在信號源和天線之間有一個單獨的匹配電路，導致結(jié)構(gòu)復雜，使用不便，以及高的價格。
發(fā)明概述因此本發(fā)明的一個目的在于提供這樣一種雙頻帶天線，其中在信號源和天線間不要求單獨的匹配電路，由此具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格低廉以及性能改善。
為達到以上目的，提供了本發(fā)明的一個實施例，即，用于一種移動通信系統(tǒng)的雙頻帶天線，該天線包括具有開口端的一個金屬管；具有內(nèi)外導體的一段同軸饋線，同軸線的一部分插進該金屬管中。接地平面連接到金屬管相對該開口端的部分以及同軸饋線的外導體。一信號線電耦合到該內(nèi)導體并在金屬管的開口端從該金屬管伸出。
最好，選擇金屬管，信號線和同軸線的尺寸使天線的阻抗在工作的雙頻帶上基本上和同軸線的阻抗匹配。金屬管可任選介電體將其充滿，以減縮天線長度。
在一更具體的實施例中，用于一種移動通信系統(tǒng)的一種雙頻帶天線包括一個金屬管，具有部分插入該金屬管中的一段同軸饋線，連接到該金屬管第一端以及該同軸饋線外導體的一個接地平面，以及一信號線。信號線在該金屬管中的一個連接點上連接到該同軸線的內(nèi)導體。同軸線的外直徑在該連接點是開口的，由此產(chǎn)生第一射頻(RF)扼流。金屬管具有開口的第二端，用于產(chǎn)生第二射頻(RF)扼流。信號線通過金屬管并穿出該金屬管一預定長度。建立以下預定值同軸線從接地平面到連接點的長度；信號線從連接點到金屬管開口端的長度；信號線從金屬管開口端延伸的長度；同軸饋線的外導體的外直徑；以及金屬管和信號線的直徑。在所說天線的工作頻帶中這樣來選擇這些值，使得天線的阻抗基本上和同軸線的阻抗相匹配，由此提供同軸線上的低駐波比，并免除單獨匹配網(wǎng)絡(luò)的需求。
附圖簡述參照以下結(jié)合附圖的詳細說明將容易理解本發(fā)明的這些以及各種其他特征和優(yōu)點，其中圖1為說明工作在雙頻帶頻率的并具有調(diào)諧套管扼流的現(xiàn)有技術(shù)單極天線的結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖2為說明按本發(fā)明實施例的雙頻帶天線的結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖3為說明圖2中所示雙頻帶天線的一個等效電路圖；圖4為說明通過組合信號源和阻抗ZAB而一次被簡化的圖2的一個等效電路圖；圖5為說明二次被簡化的圖2的一個等效電路圖；圖6為說明從點E和F觀察，通過組合組抗Zxx和阻抗ZCD形成阻抗ZEF而三次被簡化的圖2的一個等效電路圖；圖7為說明該等效電路圖，其中，介電常數(shù)，d1，d2，I1，I2和I3具有應(yīng)用按本發(fā)明實施例的雙頻帶天線的預定值；圖8為說明一個測試的輻射方向圖的圖，該圖是將一個標準偶極天線與按本發(fā)明實施例的雙頻帶天線相比較；圖9為說明按本發(fā)明實施例的雙頻帶天線的阻抗特性的曲線；圖10為說明按本發(fā)明實施例的雙頻帶天線的駐波比(SWR)的曲線；以及圖11說明本發(fā)明的另外一個實施例。
優(yōu)選實施例的詳細說明以下將參照附圖詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。貫穿附圖，相同標號或字母將用來指示具有相同功能的類似的或等效的元件。此外，在以下描述中，說明許多具體的細節(jié)，例如組成電路的優(yōu)選元件，乃是表示提供對本發(fā)明的更詳盡的理解。然而本專業(yè)技術(shù)人員將明白，本發(fā)明完全可以憑實踐而不必要這些專門的細節(jié)。在本發(fā)明的詳細說明中將回避無必要地將本發(fā)明主題搞得模糊不清的已知功能和結(jié)構(gòu)。
圖2為說明按本發(fā)明實施例的雙頻帶天線的結(jié)構(gòu)的剖面圖，它由同軸饋線30，包括金屬管40和介電材料80的扼流60，信號線15和接地平面50所組成。這里，參考標志A-B僅用來對圖2和表示等效電路相關(guān)連的附圖之間的關(guān)系進行理解。
最好，金屬管40的一端連接到接地平面50，而其另一端為開口。在高頻頻帶中心頻率，該金屬管40的物理長度約-1/4波長(l1+l2)。同軸饋線30由內(nèi)導體70和外導體25組成，其中，其一部分插入金屬管40。同軸饋線30的外導體25連接到接地平面50。插入金屬管的同軸饋線30的上部分從接地平面50向該金屬管40的開口端延伸所示的長度l1。內(nèi)導體70(在K點上)連接到信號線15，該信號線15的直徑d3與在插入到金屬管40的同軸饋線30端上的同軸饋線30的外導體25的直徑d1相同。在點K，同軸線30的外導體25是開口的，這就產(chǎn)生了一個RF扼流(即，同軸線30終止在點K)。同軸線的另一端可連接到用于連接天線的電子設(shè)備(未示)，例如一個發(fā)射機和/或接收機。信號線15通過金屬管40的開口端，但通過金屬管40的開口端伸出。金屬管40的直徑d2并充滿介電材料80。由于該介電材料具有比空氣高的介電常數(shù)，對于給定的一個電氣長度。它使金屬管40的長度縮短(如果與充滿空氣的金屬管相比較)。金屬管40的開口端產(chǎn)生第二個RF扼流。
圖3為說明圖2所示的雙頻帶天線的一個等效電路圖。以下將描述該雙頻帶天線的等效電路的工作。
ZAB代表扼流60的阻抗，它包括其從點A至B寬度的金屬管40，同軸饋線30和充滿金屬管40的介電材料80。ZAB由等式(2)表示，因為理論上起一條短線作用。ZAB=Zotanh(γl1)Z0=60ϵRlnd2d1,]]>γ=α+jk,K=2πλ........(2)]]>除衰減常數(shù)α之外，從等式(2)導出等式(3)。ZAB=jZ0tan(Kl1)=j60ϵRlnd2d1tan(Kl1)......(3)]]>其中，α阻尼元，K傳播常數(shù)，Z0短線的特性阻抗，l1接地平面至同軸饋線開口端的長度，d1同軸饋線外導體的外直徑，d2金屬管的內(nèi)直徑，λ波長，以及εR介電材料的相對介電常數(shù)等效阻抗ZCD是由以上等式2和3計算的，而且如果同軸饋線30的外導體25的直徑d1等于信號線15的直徑d3，則阻抗ZCD可通過改變長度(l1+l2)計算。阻抗ZCD由等式(4)表示。ZCD=j60ϵRlnd2d1tan[2πλ(l1+l2)].......(4)]]>圖4為說明通過組合信號源和阻抗ZAB一次簡化的一個等效電路圖，阻抗Zx由等式(5)表示。Z*=50·ZABZAB+50.........(5)]]>圖5為說明用圖4中所示的簡化等效電路再次簡化的一個等效電路圖。參照圖2，由于構(gòu)成從同軸饋線30的上端到金屬管40的開口端的長度l2并起信號線15和金屬管40的一部分的作用。如果它同阻抗Zx組合，圖4所示的等效電路就能得到。按照圖4等效電路的阻抗Zxx可以由等式(6)得到。Z**=Z0[Z*Z0+tanh(γl2)][1+Z*Z0jtanh(γl2)]=[Z*Z0+jtan(2πλl2)][1+Z*Z0jtan(2πλl2)].,...(6)]]>圖6為說明從一個等效電路中的點E和F觀察的阻抗ZEF的圖，其中阻抗Zxx和阻抗ZCD組合。之后，阻抗ZEF可由等式(7)得到。ZEF=Z**ZCDZ**+ZCD.......(7)]]>因此，阻抗ZEF由改變例如頻率，介電常數(shù)，d1，d2，l1，l2和l3這些可變量來計算。
圖7為說明這樣一種等效電路圖，其中介電常數(shù)，d1，d2，l1，l2和l3具有實施按本發(fā)明一個實施例的雙頻帶天線的預定值。由于信號源阻抗ZEF隨工作頻率改變，可以將其指定為ZEF(f)。圖6中所示的ZEF(f)以天線作為負載。由于天線阻抗ZANT也隨頻率變化，所以將其指定為ZEF(f)。于是，具有組合的可變量匹配電路的信號源阻抗ZEF(f)將由此等于天線阻抗ZANT(f)。因此，在本發(fā)明的實施例中，可變量介電值，d1，d2，l1，l2和l3依據(jù)阻抗ZEF(f)構(gòu)成而改變，使得阻抗ZEF(f)和阻抗ZANT(f)能實現(xiàn)彼此相等。這樣將能準確地獲得信號源和天線間的一種匹配條件，并能改善該雙頻帶天線的特性。
圖8為說明一個測試的輻射方向圖的圖，該圖是將一個標準偶極天線與按本發(fā)明實施例的雙頻帶天線相比較。圖9為說明按本發(fā)明實施例的雙頻帶天線的阻抗特性的曲線，而圖10為說明按本發(fā)明實施例的雙頻帶天線的駐波比(SWR)的曲線。此刻，雙頻帶天線的CDMA和朝鮮人的PCS頻率將給出如下CDMA發(fā)射頻率為824-849MHz，接收頻率為869-894MHz；朝鮮人的PCS發(fā)射頻率為1750-1780MHz，而接收頻率為1840-1870MHz。由于該雙頻帶天線可以應(yīng)用到GSM/DECT，GSM/DCS 1800，AMPS和CDMA/PCS系統(tǒng)，因此容易通過改變在點(點K)分界的扼流60的第一長度l1和l2做到，如圖2中所示，在該點同軸饋線30的內(nèi)導體70和信號線15彼此連接。如果改變扼流60的長度l1和l2，則將移動高頻頻帶的諧振點，然而如圖10虛線81所示，低頻頻帶的諧振點如圖10所示幾乎不移動。參照在圖9中著重指示的實線，從起始點到復蓋點1和2的點3的范圍Δ表示低頻頻帶(824-894MHz)的特性。由復蓋點3和4返回到起始點表示為Δ的范圍表示高頻頻帶(1750-1870MHz)的特性。點1和2之間，3和4之間的范圍與圖10中所示的相同。
圖11表示本發(fā)明的另一實施例。除信號線15由信號線15’替代之外，該實施例類似于結(jié)合圖2描述的實施例。信號線15’由長度l2的第一直線部分15a和長度l3的螺旋線部分15b組成。15a和15b兩部分的直徑為d3，雖然螺旋線部分15b的直徑可選擇得不同于直線部分15a。
上述本發(fā)明的實施例具有的優(yōu)點在于提供了一個可改變的匹配電路，從而在信號源和天線間不要求單獨的匹配電路，由此具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格低廉，性能改善。
當已說明和描述的是考慮本發(fā)明的優(yōu)選實施例的時候，本專業(yè)技術(shù)人員將要理解的是可以實施各種不同的改變和修改，以及等效物替代其元件而不會脫離本發(fā)明實際的范圍。
權(quán)利要求
1.用于一個移動通信系統(tǒng)的雙頻帶天線，包括具有一開口端的金屬管；具有內(nèi)和外導體的同軸饋線，所說同軸饋線其部分插入到所說金屬管中；一個接地平面連接到所說金屬管的相對所說開口端的部分以及所說同軸饋線的所說外導體；以及一信號線與所說內(nèi)導體電氣耦合，并在所說金屬管的開口端從其伸出。
2.如權(quán)利要求1的用于一個移動通信系統(tǒng)的雙頻帶天線，其中所說金屬管的長度比所說從接地平面插入的同軸饋線長。
3.如權(quán)利要求1的用于一個移動通信系統(tǒng)的雙頻帶天線，其中所說金屬管部分充滿一種介電材料，用于減少所說金屬管的長度。
4.如權(quán)利要求1的用于一個移動通信系統(tǒng)的雙頻帶天線，其中所說同軸饋線和所說信號線的外直徑彼此相等。
5.如權(quán)利要求1的用于一個移動通信系統(tǒng)的雙頻帶天線，其中從所說金屬管伸出的所說信號線的所說部分加工成直線形狀。
6.如權(quán)利要求1的用于一個移動通信系統(tǒng)的雙頻帶天線，其中從所說金屬管伸出的所說信號線的所說部分加工成螺旋線形狀。
7.如權(quán)利要求1的用于一個移動通信系統(tǒng)的雙頻帶天線，其中所說金屬管的物理長度在高頻頻帶的中心頻率約四分之一波長。
8.如權(quán)利要求2的用于一個移動通信系統(tǒng)的雙頻帶天線，其中所說金屬管充滿一種介電材料，用于減小所說金屬管的長度。
9.如權(quán)利要求2的用于一個移動通信系統(tǒng)的雙頻帶天線，共中所說同軸饋線和所說信號線的外直徑彼此相等。
10.如權(quán)利要求1的雙頻帶天線，其中選擇所說金屬管的尺寸，所說信號線和所說同軸線的尺寸以及在所說金屬管中介電材料的介電常數(shù)使得在所說雙頻帶上所說天線的阻抗基本上與所說同軸饋線的阻抗匹配。
11.權(quán)利要求10的天線，其中所說雙頻帶包括一個較低頻率頻帶和基本上兩倍于所說低頻頻帶的一個較高頻率頻帶。
12.權(quán)利要求11的天線，其中所說較低頻率頻帶為824-894MHz，而所說較高頻率頻帶為1750-1870MHz.
13.用于一個移動通信系統(tǒng)的雙頻帶天線，包括一金屬管；一同軸饋線，由一個內(nèi)導體和一個外導體組成，所說同軸饋線其一部分插入所說金屬管中；一接地平面，連接到所說金屬管的一端并連接到所說外導體；一信號線在所說金屬管內(nèi)的一個連接點處連接到在所說金屬管內(nèi)的所說內(nèi)導體，所說同軸線的所說外直徑在所說連接點是開口的，由此產(chǎn)生第一射頻(RF)扼流；所說金屬管具有開口的另一端，以產(chǎn)生第二RF扼流；所說信號線通過所說金屬管，并伸出所說金屬管一預定長度；其中從所說接地平面到所說連接點的所說同軸線的長度，從所說連接點到所說金屬管的所說開口端的所說信號線的長度，從所說金屬管的所說開口端伸出的所說信號線的長度，所說同軸饋線的所說外導體的外直徑，以及所說金屬管和所說信號線的直徑具有各自預定的值，由此在所說天線的工作頻率頻帶內(nèi)，所說天線的阻抗基本上與所說同軸線的阻抗匹配，并由此在所說同軸線上提供了低的駐波比。
14.權(quán)利要求13的天線，其中至少所說金屬管的一部分充滿電介質(zhì)，選擇所說電介質(zhì)的介電常數(shù)使得在所說同軸線上提供所說低的駐波比。
15.權(quán)利要求13的天線，其中所說工作頻帶包括一較低頻帶和基本兩倍于所說較低頻帶的一較高頻帶的一雙頻帶。
16.權(quán)利要求13的天線，其中所說較低頻帶為824-894MHz，而所說較高頻帶為1750-1870MHz。
全文摘要
用于一個移動通信系統(tǒng)的一種雙頻帶天線包括:具有一開口端的一金屬管;具有內(nèi)和外導體的一同軸饋線,該同軸饋線的一部分插到該金屬管中,一接地平面連接到金屬管相對開口端的部分以及連接到同軸饋線的外導體,和,一信號線電耦合到該內(nèi)導體并在金屬管的開口端從該金屬管伸出。最好,選擇金屬管,同軸饋線和信號線的尺寸使得在工作的雙頻帶上該天線與該同軸饋線阻抗匹配,由此免除單獨匹配網(wǎng)絡(luò)的要求。
文檔編號H04B1/38GK1244956SQ97181360
公開日2000年2月16日 申請日期1997年7月30日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月13日
發(fā)明者河東寅, 樸尚根, A·古德勒, K·克雷洛夫 申請人:三星電子株式會社