CN1304565A - 扩展带宽的双频带补片天线系统以及宽带操作的相关方法 - Google Patents

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Abstract

用于半－双工通信的补片天线系统能够在宽的分开的发射和接收频带上提供正增益的准半球天线方向图。按本发明的天线系统一般包括一个补片天线,发射和/或接收电路分支,用于调整该补片天线,以便在分开的发射和接收频带谐振,以及断接装置,用于在接收周期期间在电气上将发射电路分支与天线相隔离和在发射周期期间将接收电路支路与天线电隔离。区配装置,最好是实施为发射和接收电路分支的一部分,还可以用来在发射和接收频带增加天线的工作带宽。在一优选实施例中,补片天线发射和接收园极化波,并可由单馈源或通过垂直固定的馈源点相位相差90°进行馈电。

Description

扩展带宽的双频带补片天线系统 以及宽带操作的相关方法
发明领域
本发明一般涉及用于无线电话的天线系统。特别地，本发明涉及补片天线系统，特别适合于同移动无线电话用户手持机一起使用。
发明背景
用于在移动电话用户和固定用户或其他移动用户之间提供无线通信链路的蜂窝通信系统在技术上是众所周知的。在典型的蜂窝系统中，来自移动用户的无线发射由基站终端的一个本地网络接收。基站或“网孔”接收这个信号然后或直接地，或通过该蜂窝或本地电话系统再发射它，以便由试图接收的终端接收。
当蜂窝通信系统通常依靠视线通信链路时，一般要求许多网孔对一个大的地理范围提供通信覆盖。但是，与提供大数量网孔相关的成本可以在人口稀少的地区或对蜂窝业务存在限制要求的地区禁止使用蜂窝系统。此外，甚至在蜂窝业务并不因经济考虑而被排除的地区，由于本地地形或气候条件原因，对于传统蜂窝系统而言“关闭”地区通常增多。
因此，已建议使蜂窝和卫星网络一体化的系统，以便对不实用蜂窝业务的一个大的地理区域的移动用户提供通信。在这些建议的系统中，包括欧-亚电话(“EAST”)系统和亚洲蜂窝卫星(“ACES”)系统，在高通信量区域将提供基于地面的蜂窝站，而一个L-波段的卫星通信网络将对剩余地区提供服务。为了既提供蜂窝又提供卫星通信，同该系统一起使用的用户终端手机既包括卫星收发信机，又包括蜂窝收发信机。这样的一种组合系统在一个宽的地理区域上能提供完备的通信覆盖，而不要求过量的地面网孔。
组合的卫星/蜂窝网络克服了许多与普通蜂窝系统相关的缺陷，由此对用户终端手机提供了在尺寸，重量，成本，易用方面符合用户期望的系统，而通信清晰度是显著的挑战。在这方面消费者的期望已经由与普通蜂窝系统一起使用的无线电话所确定，该普通蜂窝系统仅要求单个收发信机，并且它同一般定位在离开该移动用户终端20英里内的基站进行通信。相反地，将用在一体化的蜂窝/卫星系统中的手机用户终端包括一个蜂窝收发机和一个具有卫星通信子系统的卫星收发机，后者具有足够的功率和天线增益去与25,000英里或更远的卫星建立链路。此外，该卫星收发机最好应该提供一个准半球状的天线辐射方向图(避免必须跟踪该卫星)和应该发射-接收园极化波形(使由发射和接收天线的任意取向引起的信号损失最小，以及避免电离层中的法拉弟(Farady)效应)。该卫星收-发机还应当工作在全范围可能宽的分开的发射和接收卫星频带上。
由于以上限制，对于手持卫星收发信机，而特别对于用于这种收发信机的天线系统存在一种需要，那就是能够发射和接收园极化波形，这种波形在分开的、相对宽波段的、发射和接收频率子波段上提供相对高增益的准-半径形辐射方向图。此外，给定用户终端手持特性和关于尺寸及易便携性的消费者的期望，能符合上述要求的该卫星天线系统应装配在一个极端小的物理容积中。施加尺寸限制的这些用户也可以将其限制放在天线馈源结构和任何匹配，转换或其他所要求的网络所要求的物理容积上，以便天线正确的工作。
微带或“补片”天线是外形相对小的天线，很适合于要求准半球形辐射方向图的各种应用。一种补片天线的辐射结构由两个平行导电层组成，其间由一个薄介质基片分开。补片天线一般是适合平面的或非平面的表面，制造不昂贵，且机械强度高，多数通用的补片天线是矩形的和圆形的。
设计补片天线以提供移动卫星通信必要的准半球形辐射方向图，这些天线的带宽一般仅为载频的百分之零点几和最高达百分之几。如上所讨论的，某些出现的蜂窝和卫星电话应用具有相对多的发射和接收频带，其每个频带一般超过普通补片天线提供的宽度。此外，有多个方法能用来增加这些天线的带宽，例如增加基片的厚度，由于对天线尺寸的限制，这些方法不适用于蜂窝/卫星系统。
此外，在该带宽上功率传输转移考虑也限制普通补片天线有效地工作。这种限制出现的原因在于由于反射使天线和收发信机之间的功率传输转移一般是有损失的，而这种损失固不完全的阻抗匹配而增加。如果用电压驻波比(“VSWR”)表示的反射功率损失足够大，则它可使该通信系统不符合其链路予算。
将补片天线的输入阻抗与互连收发信机的传输线阻抗匹配一般是可能的，这样的一种匹配在一个补片天线的输入阻抗随频率明显改变情况下只在一个小的频率范围上出现。因此，即使不要求完全匹配(即，VSWR=1.0)，可接受的匹配一般也只在某个限定带宽上达到。该带宽可以小于形成蜂窝和卫星电话应用要求的工作带宽。由此，阻抗失配也可以限制补片天线系统的有效带宽。
在现有技术中双频带补片天线是熟悉的。但是，这些现有技术天线系统典型地使用两个分开的补片天线，例如并排补片天线或重叠补片天线，以便在远离开的发射和接收频带上解决通信问题。这种方案不但不利于增加天线系统的尺寸。而在并排补片天线情况下也由于连同小接地平面的补片天线几何上的不对称而导至付-最佳辐射方向图。因此，需要一种新的，外形小的卫星电话天线系统，其能够在远离开的相对宽带的发射和接收频带上提供具有正增益的准半球形天线方向图。
发明概述
由于上述与现存天线系统有关的限制，本发明的目的在于提供用于卫星和蜂窝电话网络的物理上小的补片天线系统。
本发明另一目的在于提供一种补片天线系统，它能够在分开的发射和接收频带上提供正增益，准半球形辐射方向图的辐射方向图。
本发明的第三个目的在于在一个宽频带工作频率上能提供良好阻抗匹配的补片天线系统。
本发明的这些和其他目的由在物理上小的补片天线系统来提供，其利用由补片天线可获得的尺寸，增益，极化，和辐射方向图特性，同时避免这种天线的带宽限制。本发明使用允许天线在分开的发射和接收频带内谐振的转换式的发射和接收电路分支。此外，这些发射和接收电路分支可以进一步包括阻抗匹配网络，以便在发射和接收频带内增加该天线的工作带宽。
在本发明的一个优选实施例中，提供了一种补片天线，与第一和第二电路分支相关，该第一和第二分支包括电抗元件，以便将补片天线的谐振频率改变到第一和第二谐振频率。还包括选择装置，用于电耦合该补片天线到第一或第二电路分支之一个分支，同时将该第一或第二电路分支的另一个分支同该补片天线电隔离。这些选择装置可包括沿补片天线和第一及第二电路分支之间的每个电气连接处放置的一个转换器。还包括耦合/分支选择装置，用于电连接第一或第二电路分支到接收机和将发射和耦合到第一和第二电路分支的另一个分支。该天线系统可以作为一个手持收发信机的一个部件提供，该手持收发信机还包括一个发射机，一个接收机，和一个用户接口。
对于本发明的另一方面，天线系统还可以包括第一和第二匹配电路，用于增加在第一和第二谐振频率附近的天线的工作带宽。这些匹配电路还可以实施成第一和第二电路分支的一部分，或者可以包括独立电路。
在本发明的某些实施例中，补片天线由电耦合到第一和第二电路分支的单馈源激励，但在另外一些实施例中，补片天线是由第一和第二馈源激励的。在这种双馈源实施例中，第一和第二馈源可以垂直配置和该补片天线可以按90°相移激励。
在本发明的另一实施例中，该耦合/分支选择装置可以包括一个90°混合耦合器和用于将该90°混合耦合器的输出耦合到第一电路分支或第二电路分支的转换装置。另外，该耦合/分支选择装置可以包括一个发射90°混合耦合器，用于将发射机的信号耦合到第一电路分支和一个接收90°混合耦合器，用于将第二电路分支的信号耦合到接收机。
这样，通过使用转换电路元件和/或匹配装置，本发明的补片天线系统对在分开的发射和接收频带上的通信以物理上紧密的装置方式配备增益，带宽，极化，和辐射方向图特性，这些特性对形成移动卫星通信应用是必要的，该紧密的装置小并且符合消费者的与易便携性有关的期望。
附图简述
图1是包括按本发明的补片天线系统的无线电话机的方块图；
图2(a)是按本发明的补片天线的剖面图；
图2(b)是按本发明的补片天线的透视图；
图3是说明本发明的补片天线系统的一个实施例的方块图；
图4描绘馈电补片天线各种方法的等效电路；
图5是用按本发明的补片天线系统可得到的频率响应曲线；
图6是说明本发明的补片天线系统的第二实施例的方块图。
图7是说明本发明的补片天线系统的第三实施例的方块图；以及
图8是说明按本发明的天线系统的一个实施例的电路图。
优选实施例的详细说明
现在参照表示本发明优选实施例的附图更充分地描述本发明。然而本发明可以按许多不同方式实施而不应局限于在此所陈述的实施例；并且，提供这些实施例使得在此的公开将是详尽和完全的，并且将向本专业技术人员充分地传递本发明的范围。此外，当本发明的天线系统特别适用于某些卫星通信应用时，本专业技术人员将理解这些天线系统可以有益地使用在各种应用中，包括各种点到点和普通蜂窝通信系统，从而本发明无论如何不应局限于与卫星通信终端手机一起使用的天线系统。全文中相同号码表示相同元件。
在图1的方块图中描绘了按本发明的一种手持无线通信终端10的一个实施例。终端10一般包括一个发射机12，一个接收机14，一个用户接口16和一个天线系统18。适合于与手持无线电通信终端一起使用的种类繁多的发射机12和接收机14对本专业技术人员而言是已知的，因此将不再讨论。类似地，用户接口16，例如麦克风，键板，旋转拨盘这些适用于手持无线电通信终端中的部件在本专业中也是周知的。
如图1中所说明的，手持终端10的天线系统18包括一个补片天线20，一个电路分支选择器80，一个发射电路分支30，一个接收电路分支40和一个耦合电路/分支选择器50。如这里所讨论的，天线系统18提供双频带无线通信并能符合形成蜂窝/卫星电话应用的精确增益，带宽，辐射方向图和其他的要求。
如图1中所描绘的，补片天线20耦合到电路分支选择器80。该电路分支选择器80在发射周期将发射电路分支30耦合到补片天线20，而在当手机10工作在接收模式时耦合到接收电路分支40。提供发射和接收电路分支30，40以便调整该补片天线20的谐振频率。例如，在天线系统与发射和接收频带分开的一个卫星系统一起使用的情况下，可以使用发射电路分支30，如果有必要调谐天线20使得在发射频带谐振的话，而可以类似地使用接收电路分支40，如果有必要调整天线20使得在接收频带谐振的话。这样，发射和接收电路分支30，40通过在两个分开的频率上提供使天线谐振的装置而允许相对窄频带的补片天线工作在两个分开的频带上。如图1所说明的，天线系统18还包括耦合电路/分支选择器50，其工作时将补片天线20耦合到发射机12和接收机14并选择适宜的电路分支30,40。
图1中描绘的天线系统按下列方式工作。当用户手机10处接收模式时，电路分支选择器80在发射电路分支30和补片天线20之间形成开路，同时在电氧上将补片天线20耦合到接收电路分支40。相反地，当该用户手机10处发射模式时，电路分支选择器80在接收电路分支40和补片天线20之间形成开路，同时在电氧上将补片天线20耦合到发射电路分支30，按类似方式，在发射同期，耦合电路/分支选择器50将源信号从发射机12馈送到发射电路分支30，而在接收模式，耦合电路/分支选择器50将接收信号从接收电路分支40馈送到接收机14。这样，电路分支选择器80，结合发射和接收电路分支30，40和耦合电路/分支选择器50使得通过单个补片天线20在两个分开的频带进行半-双工通信。
图2(a)和2(b)描绘的一种补片天线20可应用于本发明。如图2(a)和2(b)中所说明的，补片天线20由基本平行的两个导电板22，24所组成，两个导电板由例如纤维玻璃TEFLON，聚酰亚胺等薄介质基片26分开。导电层22,24一般由铜制成构成一个或多个圆形的或矩形的板，不过“双极”补片和各种其他形状也可用。从而在这里图描绘矩形补片天线，包括其他的补片天线，特别地包括补片天线阵列的天线系统都在本发明的范围之内。
工作时，较低导体24起接地平面作用，而上面的导体22用作辐射结构。一般设计补片天线使其方向图垂直于该补片(一个侧部辐射器)，虽然也能完成端射辐射。如本专业技术人员将理解的，通过适当地选择具体的补片形状和模式，有可能既选择一个具体的频率，在该频率上该补片天线将谐振又构成提供正增益，准半球形辐射方向图。
本专业技术人员还将理解，补片天线可直接由微带线或同轴线馈源馈电，或间接地通过孔径耦合的或近程耦合的馈源馈电。而本发明的补片天线系统可以用任何普通方式馈电，在优选的实施例中，使用微带馈线耦合到天线20的信号和耦合来自天线的信号。如在此所讨论的，这种馈电方法方便了各种天线馈电电路的紧密的实施，包括以非常接近天线20有利地定位天线馈电和匹配网络的实施，由此使得可能消极地影响天线性能的任何杂散电感最小。
如本专业技术人员将理解的，如果使用普通馈电方法，普通矩形补片天线主要辐射线性极化波。然而，如上所讨论的，线性极化波不适合用于各种卫星通信应用，因为对于这种应用，发射和接收天线的相对取向是任意的，或者在那里链路予算不能经受接收信号强度的损失，该接收信号强度的损失是因法拉弟旋转效应而出现的。但是，通过激励其间具有90°时间-相位差的两个垂直波模在补片天线中可以得到园极化。对于正方形补片，如图2(b)所示，通过在两个相邻边缘用相位差90°的等幅信号向补片馈电一般就能得到园极化。如本专业技术人员将理解的，在其他形状的补片天线中可以使用各种其他的双馈电装置来得到园极化。
可以使用双馈源装置在补片天线中激励基本理想的园极化(一般使补片天线提供的带宽最大)，普通馈源的复杂性，和它可以具有的对天线子系统中要求冗余电路的影响可以使单馈源装置引人注目。因此，在本发明的优选实施例中，提供一种单馈源铺片天线，它通过激励两个理想等幅的垂直简并的波模得到园极化。如在ConstatineBalinas:Antenna Theory Analysis and Design,P,768,(2ndEd.1997)中说明的，通过设计具有完全不对称的补片能设计这样的天线，使得一个波模将领先45°，而另一个波模滞后45°，由此导致园极化必要的90°相位差。在一个矩形补片中可以通过适当地选择该矩形的相对边长度以及单馈源点位置来完成。
图3说明本发明的天线系统的单馈源实施例。在该实施例中，图1的补片天线20是单馈源补片天线27，由单馈源21馈电，而且可换向地连接到发射和接收电路分支30,40，后者被提供来在最小两个分开的频率上方便谐振天线27。当在卫星通信系统使用该天线系统27的实施例时，可以用发射电路分支30去改变天线27的谐振频率，以相应于接近一个发射频带的中心频率，而可以类似地使用接收电路分支40去改变天线27的谐振频率，以相应于接近一个接收子频带的中心频率。由此，发射和接收电路分支30,40提供用于在两个分开的频带谐振天线27的方法，从而使补片天线系统能支持使用分开发射和接收频带的移动通信应用。
对于在图3中说明的本发明的实施例，发射和接收电路分支30,40可以实施成耦合到补片天线27的电抗元件。按基本的方法，在图4中描绘馈给一个补片天线的各种等效电路。如本专业技术人员将理解的，天线的谐振频率是与相应用来激励该天线的馈源的等效电路有关的谐振频率。因此，通过将与馈源串联和/或并联的一个或多个附加电抗元件(例如，另外的电容器或电感器)耦合到补片天线27，有可能改变等效电路，从而改变了天线的谐振频率。一般地说，如果一个纯电容量与天线馈源21串联或并联，则天线27可以调谐到高于其自然谐振频率的一个频率上谐振。类似地，如果一个纯电感量与天线馈源21串联或并联，则天线27可以调谐到低于其自然谐振频率的一个频率上谐振。如本专业技术人员将理解的，发射和接收电路分支30，40不必实施成一个或多个电容器或电感器，而是可以实施成电抗元件的任意组合，其将有效地改变补片天线27的等效电路的谐振频率。
图3既描述了发射电路分支30，又描述了接收电路分支40，借助本发明的公开，本专业技术人员将理解到补片天线27可以设计谐振在接近发射或接收频带的中心频率上。在此情况下，当天线已予调谐到所要求的工作频带之一时只需要在发射电路分支30或接收电路分支40之一中包括电抗分量来改变补片天线27的谐振频率。这样，例如，如果天线27被设计谐振在接收频带中，则在接收模式工作期间，当不需要改变天线27的谐振频率时，接收电路分支40只包括一段传输线或其他的装置。该装置将从天线20接收的信号耦合到耦合电路/分支选择器50。
如图3中所说明的，发射和接收电路分支30，40都耦合到补片天线27。因此，接收的能量可能耦合到发射电路分支30，或者由发射机12诱导到天线27中的能量可能耦合到接收电路分支40。一般不需要这样的耦合，原因在于其减小了发射时传送到天线27的功率或当通信手机10工作在接收模式时降低了传送到接收机14的功率。此外，包括在发射和接收电路分支30，40中的电抗元件一般帮助减小这种不需要的耦合，但是这些元件对某些蜂窝和卫星电话应用不提供充分的隔离作用。
如上所讨论的，按照本发明的教导，可以提供一个电路分支选择器进一步增加补片天线27和“断开”电路分支(该“断开”电路分支系指用户终端工作在接收模式时的发射电路分支30，以及当该终端工作在发射模式时的接收电路分支40)之间的电气隔离。在图3的实施中，电路分选择器实施成一个插在天线27和发射电路分支30之间的发射开关82和插在天线27和接收电路分支40之间的一个接收开关86。在发射期间，偏置控制电路110触发偏置信号87，从而开启接收开关86以形成补片天线27和接收电路分支40之间开路。类似地，当天线工作在接收模式时，偏置控制电路110触发偏置信号83，由此开启发射开关82以形成补片天线27和发射电路分支30之间开路。当提供了这样的一种开路时，基本上“接通”电路分支工作，而“开路”电路分支似乎不存在。
如本专业技术人员将理解的，图1的电路分支选择器80不需要实际地提供真实的开路以有效地将该补片天线27同不在使用着的电路分支30,40电气上隔离；相反该电路分支选择器80只需要提供足够的阻抗以便只有最小的能量耦合到不在使用着的馈电网络中。本专业技术人员知道提供这样的一种“开路电路”的各种方法，包括电气的，机电的和机械的转换机构，以及通过使用本专业技术人员知道的双工或其他电抗阻抗转换装置。然而，电气开关为优选者，这是因为它们的可靠性，低成本，少的物理容积以及在由形成数字通信工作模式所要求的高速度上接通和断开的能力。这些电气开关容易在包含发射和接收天线馈源网络30,40的带线或微带印刷电路板上实施成小表面固定器件。
在本发明的一个实施例中，开关82,86实施成PIN二极管。PIN二极管是一个半导体器件，在从高频带到微波频带的一个宽频率范围上工作成一个可变电阻。当正向偏置时，这些二极管的阻值小于1欧姆，而在零或反相偏置时为近1pf的小电容，该小电容两端并联10,000欧姆的大电阻。必要时，该并联电容可以抗谐振。这样，在正向偏置模式时，该PIN二极管起短路作用，而反向偏置模式时，该PIN二极管有效地起开路电路作用。
在另一实施例中，使用砷化镓场效应晶体管(GaAs FET)代替PIN二极管来实施开关82,86。这些器件可优于PIN二极管，因为当偏置信号不存在时它们工作在反向偏置模式，因此避免了对PIN二极管固有的功率消耗，该PIN二极管正向偏置工作时要求偏置电流。此外，如图8所示，每个GaAs FET使用一个电感器来抗谐振，并由此隔离该开关使其处“断开”模式。这种工作状态显著地增加了“断开”电路的隔离度。在“接通”模式，该电感器因其由相关的GaAs FET的“接通”电阻短路而显现出所期待那样地不起作用。此外，GaAs FET开关的漏极和源极工作在直流接地电位和电阻。这种属性显现这些GaAs FET摆脱了一般与使用接近天线电路的GaAs FET相关的普通静电放电关系。
在图3的实施例中，发射机12通过发射开关92耦合到发射电路分支30，而接收机14类似地通过接收开关96耦合到接收电路分支40。如以上对开关82,86所描述的，开关92,96可以实施成本专业技术人员知道的任何电气的，机电的和机械的转换机构，以及使用本专业技术人员知道的双工器或其他电抗性阻抗变换装置。但是，由于上述原因，曾一度优选GaAs FET和/或PIN二极管开关。如对偏置信号的83,87那样，偏置信号93,97由偏置控制电路110控制。
如上所讨论的，一个补片天线的可用带宽(其可指定为对于该带宽，收发信机12/14输出端的VSWR小于某个水平)一般在谐振频率的1％或更小的量级。如图5中一般所示的，出现这种情况是因为当在发射和接收频带的中心处天线通常具有一个接近谐振的电阻，而在这些频带的低和高端存在着一个高的串联的等效电抗。不幸的是，由此增加了偏离谐振频率的电抗，该天线20的带宽可以小于形成蜂窝和卫星通信系统中指定的通信带宽。
由于这些带宽限制，可考虑包含一个或多个带通电路来增加该带宽，在此带宽上天线系统18将在低于某个指定水平的电压驻波比条件下工作。这样的阻抗匹配是可能的，这是因为与该移动蜂窝和卫星电话系统用户终端10上的天线有关的辐射方向图一般不要求驱动点阻抗是谐振的，而是只要求在天线系统18和发射机12或接收机14之间提供一个可谐振的共轭匹配。这样，按照已成为周知的“Fano法则”的原理，该原理在R.M.Fano的论文"Theoretical LimitationsOn the Broadband Matching of Arbitrary Impedance"(J.FranklinInst.,February,1950,PP.139-154)中进行过一般的概述，可以应用阻抗匹配电路来增加带宽，在此带宽上，天线18和发射机12或接收机14的阻抗充分匹配，以满足可接受的通信质量。如由本专业技术人员将理解的，可以使用各种不同的匹配网络提供这种经改善的宽频带阻抗匹配。一般地，用计算机辅助设计技术得出阻抗匹配网络的最佳拓扑结构并确定元部件值，这就如在William Sabin的论文Broadband HF Antenna Matching with ARRl Radio Designet(QSTMAGAZINE,August,1995,PP.33-36)中所讨论的那样。
在本发明的优选实施例中，阻抗匹配网络实施为发射电路分支30和接收电路分支40的一部分。这样的一种装置可以减少要求来调整天线20的谐振频率的电抗元件的总数并改善其宽带响应，由此减少了天线系统18的尺寸，重量，电源要求和成本。图8说明按本发明的一种这样天线装置，它包括如此组合的匹配和频率改变电路。
本专业技术人员将理解，对于本发明的补片天线系统18的单馈源实施例通常可以要求包括匹配电路，因为用于产生园极化波形的单馈源方法可进一步限制由补片天线27提供的通信带宽。然而将理解到本发明不要求包括这样的匹配电路于该单馈源实施例中，也不包括限制本发明天线系统的单馈源实施例的匹配电路。
图6描绘本发明补片天线系统18的双馈源实施例。在该实施例中，图1的补片天线20是一个双馈源补片天线25，由正交馈源23，29馈电。为产生能用来提供园极化波形的同相和正交相位信号，耦合电路/分支选择器50实施成一对90°混合耦合器60,70。如图6所示，90°混合耦合器60具有输入端62,64和输出端76,68。输入端62通过同轴电缆63连接到发射信号源12，而输入端64通过一个电阻性终端61连接到地。耦合器60将来自发射机12的输入源信号分成幅度相等彼此相差90°相位的两个输出信号。通过输出端68馈送的信号耦合到发射电路分支30的同相分支32，而通过输出端76馈送的信号耦合到发射电路分支30的正交相位分支34。
如图6中所说明的，除接收元部件组合并传送从天线25到接收机14的感应功率与传送一个信号到天线20用于辐射是相反的之外，天线系统接收情况的实施类似于发射的情况。因此，具有输出端72，74和输入端66,78用来组合由补片天线25接收的能量并传送该感应的功率到接收机14。90°混合耦合器70的输入端66耦合到接收电路分支40的同相分支42，而输入端78耦合到接收电路分支40的正交相位分支44。输出端72通过同轴电缆73耦合到接收机14，而输出端74通过电阻71耦合到地。如图6所说明的，电路分支30,40和电路分支选择器80可以实施得非常类似图3中所示的方式，并且如上所述，对于这样一种事实是例外的，即要求两个分支其一用于同相分支，而另一用于正交相位分支。
如由本专业技术人员将理解的，可以以多种不同方式实施90°混合耦合器60,70，例如分布的四分之一波长传输线或集总的元器件。在优选实施例中，可以使用安装在带状线或微带电子基片上的集总元件90°混合分路器/组合器，如果它们能在其各自的输出端之间保持几乎准确90°的相位差。这是有利的，因为如果双馈源23,29之间的相位偏离不同于90°，则由补片天线25提供的天线方向图将明显倾向于降级，而天线的极化将成为椭圆形。相反，分布的四分之一波长分支线耦合器或其他利用传输线的装置只能在接近谐振的频率上在两个输出端之间保持90°相位差。
尽管图6实施例要求的元部件多于图3中描绘的实施例，但是使用90°混合耦合器60,70有利地降低了由发射机12和接收机14边观察到的有效VSWR，不仅改善了链路范围，而且增加了天线可使用的工作带宽，产生这种情况是由于这些90°混合耦合器按这样一种方法组合在0°和90°端口输入的能量，即使得在90°混合耦合器的该输入端出现要求的信号，而吸收在电阻性终端中的反射信号。因此在发射机12和接收机14处测量的VSWR仅仅是在接近天线25的90°混合耦合器的该端上测得的VSWR的很小部分。此外，在图6实施例中，电路分支选择器80实施成射频GaAs FET开关的对82,84；86,88，作为对天线25同相和正交相位馈源的要求的结果。因此，每一个开关82,84；86,88控制的功率仅仅是所要求的功率的一半，如果用单个开关去隔离每个分开的电路分支(如图3实施例的情况)的话。这是有意义的，因为在目前可得到的GaAs FET具有的一个功率电平上能出现并非要求的信号的压缩，而图6实施例通过要求一半的功率通过每个GaAs FET开关82,84；86,88来减小出现这种情况的可能性。
图7说明本发明的天线系统的另一双馈源实施例。该实施例不同于图6说明的实施例的方面在于使用单个90°混合耦合器100同转换装置92,94,96,98连接将到和来自收发信机12/14的信号耦合到补片天线25并选择合适的电路分支30,40。如图7所说明的，90°混合耦合器100通过输入端102耦合到发射机12和接收机14，而输入端104耦合到一个电阻性终端。输出端106,108耦合到转换装置92,94,96,98。这样，在该实施例中，只要求一个90°混合耦合器100，它同转换装置92,94,96,98一起工作向天线25馈电，并且该混合耦合器100可以通过单根同轴线103连接到收发信机12/14。
图7说明的馈源网络工作如下。在发射周期，收发信机12/14将欲发射的信号耦合到90°混合耦合器100，它将源信号分为彼此相位偏移90°的两个等幅输出信号。输出端106将该信号耦合到开关94，98，而输出端108将该信号耦合到开关92,96。偏置控制机构110送去偏置信号87,89,97,99，其激励开关86,88,96,98，由此使这些开关开路。同时，开关82,84,92,94保持接通(短路)，由此允许该欲发射的信号通过发射分支中的该保持电路接通，以便由天线25发射。本专业技术人员将理解到当接收模式时图7中所说明的该实施例的工作基本相同，所不同的在于偏置控制机构110激励偏置信号83,85,93,95，其依次使开关82,84,92,94，取代开关86,88,96,98开路。图8说明图7中描绘的该天线系统的一种可能的电路等级的实施例。
在本发明的另一实施例中，可以增加一个或多个附加电路分支以提供在附加频带中通信。例如，使用卫星-蜂窝用户手机上具有普通蜂窝收发机的补片天线将有可能促进附加的本领，和或为同全球定位卫星(“GPS”)收发机一起工作。例如，为进一步通过在图1的卫星终端的手机中的补片天线20提供一种GPS本领，可以包括一个第三电路分支39(在图1中未示)，它耦合到一个GPS收发信机19(图1中未示)。该第三电路分支39通过电路分支选择器80耦合到补片天线20。当用户终端10用于半双工卫星通信时，电路分支选择器80在第三电路分支39和天线20(以及介于处未使用状态的发射或接收电路分支30,40的不论哪个之间)之间提供开路。然而，当要求GPS模式时，电路分支选择器80在天线20和第三电路分支39之间提供短路，同时将发射和接收电路分支30,40同天线20隔离。如果有必要的话，可以用第三电路分支39改变天线20的谐振频率到GPS频带。由此通过补片天线20提供了GPS本领。
本发明的另一方面，耦合电路/分支选择器50，发射和接收电路分支30,40和电路分支选择器80均实施成在带状线或微带线印刷电路板上的表面固定元部件。在图6-8的实施例中，优选使用多层板，其在其顶和层底之间包括一个接地电路，而发射和接收分支的0°引线元部件安装在该板的一侧，同时发射和接收分支的90°引线的元部件安装在该印刷电路板的相对侧。在印刷电路板的一端提供一个或多个接点将到补片天线25的馈源耦合到该馈源电路。在该印刷电路板的另一端，为接触来自发射机12和接收机14的一条或多条同轴传输线作好准备。
此外，在本发明另一方面，耦合电路/分支选择器50，发射和接收电路分支30,40和电路分支选择器80均可实施在补片天线20的接地平面24上，相邻辐射元件22。通过这种方法，有可能以最接近补片天线20放置天线馈源和匹配网络，因此使得由在这样的匹配/馈源网络和天线20之间的电气连接所附加的杂散电感量最小，优选地，所有开关，馈源电路，匹配电路元件和天线系统18的其他非天线元部件放置在离天线20小于3厘米处。更优选地，这些元部件放置在离天线20小于2厘米处。该方法还可能提供最薄的天线子系统18。此外，接收机予选器，低噪声放大器和高功率放大器通常也实施在接地平面24上相邻于辐射元件22，以进一步减小厚度和杂散电感。
本发明典型的优选实施例已公开在附图，说明书和例子中，然而虽然采用了特定的术语这些术语仅用来作一般的和说明性的意义而并非用于限制目的，本发明的范围陈述在下列权利要求中。因此，本专业技术人员他们自身将有能力设想不同于在此描述的那些天线系统的实施例而不超出本发明的范围。

Claims (28)

1．一种双频带天线系统，用于提供电信号到一个接收机和从一个发射机发射电信号，包括：
(a)补片天线；
(b)第一电路分支，具有至少一个电抗元件，耦合到所说补片天线，用于将所说补片天线的谐振频率改变到第一谐振频率；
(c)第二电路分支，耦合到所说补片天线，在第二谐振频率上激励所说补片天线；
(d)选择装置，用于将所说补片天线电耦合到所说第一或第二电路分支之一个，同时将另一个所说第一或第二电路分支同所说补片天线隔离；以及
(e)耦合装置，用于将来自所说第一和第二电路分支之一的信号耦合到所说接收机和用于将来自发射机的信号耦合到所说第一和第二电路分支的另一个。
2．权利要求1的双频带天线系统，其中所说第二电路分支包括至少一个电抗元件，用于将所说补片天线的谐振频率改变到所说第二谐振频率。
3．权利要求1的双频带天线系统，还包括与所说第一电路分支相关的第一匹配电路，用于在所说第一谐振频率周围增加所说补片天线的工作带宽，和还包括与所说第二电路分支相关的第二匹配电路，用于在所说第二谐振频率周围增加所说补片天线的工作带宽。
4．权利要求3的双频带天线系统，其中所说第一匹配电路和所说第一电路分支是一个单独的电路，和其中所说第二匹配电路和所说第二电路分支是一个单独的电路。
5．权利要求1的双频带天线系统，其中所说补片天线由单馈源激励，和其中所说第一和第二电路分支耦合到所说单馈源。
6．权利要求1的双频带天线系统，其中所说补片天线由第一馈源和第二馈源激励，和其中所说第一电路分支包括至少一个耦合到所说第一馈源的电抗元件和至少一个耦合到所说第二馈源的电抗元件。
7．权利要求6的双频带天线系统，其中所说第二电路分支包括至少一个耦合到所说第一馈源的电抗元件和至少一个耦合到所说第二馈源的电抗元件，用于将所说补片天线的谐振频率改变到所说第二谐振频率。
8．权利要求6的双频带天线系统，其中所说第一和第二馈源对所说补片天线是垂直地配置的，和其中所说补片天线用相位相差90°激励。
9．权利要求1的天线系统，其中所说选择装置包括一个开关，在所说补片天线和所说第一和第二电路分支之间沿每个电连接插入。
10．权利要求9的天线系统，其中所说开关是GaAs FET开关，和其中所说天线系统还包括与每个GaAs FET相关的电感器，用于在反偏置模式情况下抗谐振GaAs FET。
11．权利要求6的天线系统，其中所说耦合装置包括一个90°混合耦合器，和其中所说天线系统还包括转换装置，用于将所说90°混合耦合器的输出耦合到所说第一电路分支或所说第二电路分支。
12．权利要求6的天线系统，其中所说耦合装置包括一个发射90°混合耦合器，用于来自所说发射机的信号耦合到所说第一电路分支，和一个接收90°混合耦合器，用于将来自所说第二电路分支的信号耦合到所说接收机。
13．权利要求1的双频带无线电话，还包括一个第三电路分支，用于将所说补片天线的谐振频率调整到一个第三谐振频率，和其中所说选择装置还包括用于将所说补片天线电耦合到所说第三电路分支，同时将所说第一和第二电路分支同所说补片天线电隔离的装置，和其中所说耦合装置还包括用于将来自所说第三电路分支的信号耦合到一个第二收发机的装置。
14．权利要求1的天线系统，还包括至少一个微电子基片，定位在所说补片天线的接地平面上并相邻所说补片天线的辅射导体，和其中所说补片天线，所说耦合装置，所说第一电路分支，所说第二电路分支，和所说选择装置都在所说至少一个微电子基片上。
15．一种与发射和接收园极化无线电信号的收发信机一起使用的双频带天线系统，所说天线系统包括：
(a)一个补片天线，具有垂直配置的第一馈源和第二馈源；
(b)一个第一电路分支，包括至少一个耦合到所说第一和第二馈源的电抗元件，用于改变所说补片天线的谐振频率到第一谐振频率和用于增加所说补片天线围绕所说第一谐振频率的工作带宽；
(c)一个第二电路分支，包括至少一个耦合到所说第一和第二馈源的电抗元件，用于调整所说补片天线的谐振频率到第二谐振频率和用于增加所说补片天线围绕所说第二谐振频率的工作带宽；
(d)选择装置，用于将所说补片天线电连接到所说第一或第二电路分支之一，同时将所说第一或第二电路分支的另一个同所说补片天线隔离；以及
(e)耦合装置，用于以90°相位差将来自所说发射机的信号耦合到所说第一或第二电路分支之一和用于组合来自所说第一和第二电路分支另一个的相位差90°的信号耦合到所说接收机。
16．权利要求15的天线系统，其中所说选择装置包括一个开关，沿每个电连接插在所说补片天线和所说第一和第二电路分支之间。
17．权利要求16的天线系统，其中所说的耦合装置包括一个90°混合耦合器和与所说90°混合耦合器相关的转换装置，用于将所说90°混合耦合器的输出耦合到所说第一电路分支或所说第二电路分支。
18．权利要求16的天线系统，其中所说耦合装置包括一个发射90°混合耦合器，用于将来自所说发射机的信号耦合到所说第一或第二电路之一，和一个接收90°混合耦合器，用于将来自所说第一或第二电路分支另一个的信号耦合到所说接收机。
19．一种使用天线系统发射来自发射机的电信号和在接收机处接收电信号的方法，天线系统包括一个补片天线和第一和第二电路分支，用于将该补片天线的谐振频率改变到第一和第二谐振频率，该方法包括：
(a)耦合补片天线接收的信号到第二电路分支，同时将发射机和第一电路分支同该补片天线电隔离；
(b)耦合来自第二电路分支的信号到接收机，同时将发射机和第一电路分支同该补片天线电隔离；
(c)耦合来自发射机的信号到第一电路分支，同时将接收机和第二电路分支同该补片天线电隔离；以及
(d)耦合来自第一电路分支的信号到该补片天线，同时将该接收机和第二电路分支同该补片天线电隔离。
20．按权利要求19的方法，其中该天线系统还包括多个开关，其沿每个电连接置于接收机和补片天线之间以及发射机和补片天线之间，还包括激励这些开关以电隔离欲被隔离的器件的步骤。
21．用于发射和接收射频信号的双频带无线电话包括：
(a)一个发射机；
(b)一个接收机；
(c)一个用户接口；
(d)一个补片天线；
(e)一个第一电路分支，用于将所说补片天线的谐振频率改变到第一谐振频率；
(f)一个第二电路分支，用于在第二谐振频率激励所说补片天线；
(g)耦合装置，用于将来自所说第一或第二电路分支之一的信号耦合到所说接收机，和将来自所说发射机的信号耦合到所说第一或第二电路分支的另一个；以及
(h)选择装置，用于将所说补片天线电耦合到所说第一电路分支或所说第二电路分支。
22．权利要求21的双频带无线电话，其中所说第一电路分支还包括用于增加所说补片天线围绕所说第一谐振频率的工作带宽的装置，以及其中所说第二电路分支还包括增加所说补片天线围绕所说第二谐振频率的工作带宽的装置。
23．权利要求21的双频带无线电话，其中所说补片天线具有垂直配置的第一馈源和第二馈源，其中所说第一电路分支包括至少、一个耦合第一馈源到所说补片天线的电抗元件和至少一个耦合第二馈源到所说补片天线的电抗元件，和其中所说第二电路分支包括至少一个耦合第一馈源到所说补片天线的电抗元件和至少一个耦合第二馈源到所说补片天线的电抗元件。
24．权利要求23的双频带无线电话，其中所说耦合装置包括一个90°混合耦合器，还包括转换装置，用于将所说90°混合耦合器的输出耦合到所说第一电路分支或所说第二电路分支。
25．权利要求23的双频带无线电话，其中所说耦合装置包括一个发射90°混合耦合器，用于将来自所说发射机的信号耦合到所说第一电路分支，和一个接收90°混合耦合器，用于将来自所说第二电路分支的信号耦合到所说接收机。
26．权利要求23的双频带无线电话，还包括一个第二发射机，一个第二接收机，和具有至少一个耦合到所说补片天线的电抗元件的第三电路分支，用于调整所说补片天线的谐振频率到一个第三谐振频率，和其中所说耦合装置还包括用于耦合来自所说第三电路分支的信号到/离所说第二发射机和所说第二接收机的装置，和其中所说选择装置还包括用于将所说补片天线连接到所说第三电路分支的装置。
27．权利要求23的双频带无线电话，其中所说第一和第二电路分支，所说耦合装置和所说选择装置定位在所说补片天线的一接地平面上，相邻所说补片天线的辅射导体。
28．权利要求27的双频带无线电话，还包括一个接收机予选器和耦合到所说接收机的一个低噪声放大器，以及耦合到所说发射机的一个高功率放大器，其中所说接收机予选器，所说低噪声放大器和所说高功率放大器定位在所说补片天线的一接地平面上，相邻于所说补片天线的辐射导体。
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