CN101461093B - 具有可选择元件的多频带全方向平面天线设备 - Google Patents

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Abstract

用于无线链接到远程接收器的系统(100)和方法包括用于产生RF的多频带通信装置(120)和用于传送RF的多频带平面天线设备(110)。多频带平面天线设备(110)包括可选择的天线元件，所述可选择的天线元件中的每一个具有增益和定向辐射图。切换不同的天线元件导致可配置的辐射图。可以包括一个或多个引向器和/或一个或多个反射器以使定向辐射图收缩。多频带耦合网络选择性地耦合多频带通信装置(120)和多频带平面天线设备(110)。

Description

具有可选择元件的多频带全方向平面天线设备
技术领域
本发明一般涉及无线通信网络，并且更加具体地涉及具有可选择元件的多频带全方向平面天线设备。
背景技术
在通信系统中，对于更高的数据吞吐量存在日益增加的需求，并且存在相应的动力以减少可以扰乱数据通信的干扰。例如，在IEEE802.11标准的网络中，接入点(亦即基站)经由无线链路与一个或多个远程接收节点(亦即网络接口卡)进行数据通信。无线链路可能容易受到干扰的影响，所述干扰来自其他接入点、其他无线电发射装置、接入点和远程接收节点之间的无线链路环境中的变化或扰动等等。例如通过迫使通信以较低的数据率进行，干扰可能使无线链路降级，或者可能足够强以致完全扰乱无线链路。
用于减少接入点和远程接收节点之间的无线链路中的干扰的一种解决方案是在“分集”方案中为接入点提供几个全方向天线。例如，用于接入点的普通配置包括数据源，该数据源经由切换网络耦合到两个或更多个物理上分离的全方向天线。接入点可以选择全方向天线中的一个，由此来维持无线链路。因为全方向天线之间分离，所以每个天线遭受不同的信号环境，并且每个天线向无线链路提供不同的干扰水平。切换网络将数据源耦合到全方向天线当中的在无线链路中遭受最少干扰的任何全方向天线。
然而，使用两个或更多个全方向天线用于接入点的一个问题是通常的全方向天线被垂直极化。垂直极化的射频(RF)能量不如水平极化的RF能量那样有效地在通常的办公室或居住空间内传播，另外，大多数的膝上型计算机无线卡具有水平极化的天线。迄今为止，用于制造水平极化的RF天线的常用解决方案在制造方面昂贵，或者不能提供足够的RF性能以在商业上成功。
进一步的问题是全方向天线一般包括附着到接入点壳体的直立杆。该杆通常包括暴露在壳体外部的空心金属棒，并且常会遭受折断或破坏。另一个问题是每个全方向天线包括相对于接入点的分离的制造单元，这样一来就需要额外的制造步骤以在接入点中包括全方向天线。
使用两个或更多个全方向天线的更进一步的问题是，因为物理分离的天线可能仍然相对彼此接近，所以几个天线中的每一个可能遭受类似的干扰水平，并且通过从一个全方向天线切换到另一个全方向天线，可能仅获得相对小的干扰减少。
减少干扰的另一个解决方案涉及使用电子控制的相控阵天线的射束转向。然而，相控阵天线制造起来极其昂贵。进一步，相控阵天线需要许多相位调谐元件，其可能会漂移或变得失调。
进一步，将多频带覆盖结合到具有一个或多个全方向天线的接入点中并不是普通的任务。典型地，天线在一个频带运行良好，但是在另一个频带不能工作或给出次优性能。将多频带覆盖提供到接入点中可能需要大量天线，每个天线被调谐以便以不同的频率操作。
大量天线会使接入点表现为难看的“天线场”。天线场特别不适于家庭消费者应用，因为必须分离的大量天线可能要求接入点的总体尺寸增加，而大多数消费者则希望其尽可能小和不显眼。
发明内容
在一个方面中，一种天线设备包括具有第一层和第二层的基片。第一层上的天线元件包括：第一偶极部件，其配置成以第一射频(例如大约2.4至2.4835GHz的低频带)辐射；以及第二偶极部件，其配置成以第二射频(例如大约4.9至5.825GHz的高频带)辐射。第二层上的接地部件包括第一偶极部件的相应部分和第二偶极部件的相应部分。
天线设备可以包括多个天线元件和耦合到多个天线元件的天线元件选择器。天线元件选择器配置成将天线元件选择性地耦合到用于产生第一射频和第二射频的通信装置。天线元件选择器可以包括PIN二极管网络。天线元件选择器可以配置成同时将第一组多个天线元件耦合到第一射频并且将第二组多个天线元件耦合到第二射频。
在一个方面中，一种方法包括：产生低频带RF；产生高频带RF；将低频带RF耦合到第一组多个平面天线元件；以及将高频带RF耦合到第二组多个平面天线元件。第一组可以不包括第二组天线元件中包括的天线元件，也可以包括其中的一个或多个天线元件。第一组天线元件可以配置成以相对于第二组天线元件不同的取向来辐射，或者可以配置成以相对于第二组天线元件大致相同的取向来辐射。
在一个方面中，一种多频带耦合网络包括：馈送端口，其配置成接收低频带RF或高频带RF；第一滤波器，其配置成以预定延迟使低频带RF通过并使低频带RF移位；以及第二滤波器，其与第一滤波器并联。第二滤波器配置成以预定延迟使高频带RF通过并使高频带RF移位。
预定延迟可以包括1/4波长或其奇数倍。多频带耦合网络可以包括RF开关网络，其配置成将馈送端口选择性地耦合到第一滤波器或第二滤波器。多频带耦合网络可以包括：第一PIN二极管网络，其配置成将馈送端口选择性地耦合到第一滤波器；以及第二PIN二极管网络，其配置成将馈送端口选择性地耦合到第二滤波器。
在一个方面中，一种多频带耦合网络包括：馈送端口，其配置成接收低频带RF或高频带RF；第一开关，其耦合到馈送端口；第二开关，其耦合到馈送端口；第一组耦合线(例如弯曲的迹线)，其耦合到第一开关并且配置成使低频带RF通过；以及第二组耦合线，其耦合到第二开关并且配置成使高频带RF通过。第一开关和第一组耦合线可以包括用于低频带RF的1/4波长的延迟，并且第二开关和第二组耦合线可以包括用于高频带RF的1/4波长的延迟。
附图说明
现在参考表示本发明优选实施例的附图来描述本发明。在附图中，相同的部件具有相同的参考标号。图示的实施例旨在举例说明而不是限制本发明。所述附图包括以下各图：
图1图示了根据本发明的一个实施例的包括具有可选择元件的全方向平面天线设备的系统；
图2A和图2B图示了根据本发明的一个实施例的图1的平面天线设备；
图2C和2D(与图2A和2B总称为图2)图示了根据本发明的一个实施例的图1的平面天线设备的几个部件的尺寸；
图3A图示了根据本发明的一个实施例的由选择图2的平面天线设备的不同天线元件产生的各种辐射图；
图3B(与图3A总称为图3)图示了根据本发明的一个实施例的用于图2的平面天线设备的仰角辐射图；
图4A和图4B(总称为图4)图示了根据本发明的图1的平面天线设备110的可替选实施例；
图5图示了根据本发明的一个实施例的用于在图1的平面天线设备中使用的多频带天线元件的一个元件；
图6图示了根据本发明的一个实施例的用于将图5的多频带天线元件耦合到图1的多频带通信装置的多频带耦合网络；
图7图示了根据本发明的一个实施例的用于图1的多频带通信装置和图5的多频带天线元件之间的多频带耦合网络的局部PCB布局的放大图；以及
图8图示了根据本发明的一个实施例的用于图1的多频带通信装置和图5的多频带天线元件之间的多频带耦合网络的局部PCB布局的放大图。
具体实施方式
用于无线(亦即射频或RF)链接到远程接收装置的系统包括：通信装置，用于产生RF信号；以及平面天线设备，用于发送和/或接收RF信号。平面天线设备包括可选择的天线元件。每个天线元件都提供基本上在天线元件的平面内的(相对于各向同性的)增益和定向辐射图。每个天线元件都可以被电力选择(例如接通或断开)，以便平面天线设备可以形成可配置的辐射图。如果所有元件全都接通，则平面天线设备形成全方向辐射图。在一些实施例中，如果两个或更多个元件接通，则平面天线设备可以形成基本上全方向的辐射图。
有利地，该系统可以选择所选天线元件的特殊配置，该特殊配置使经由无线链路到达远程接收装置的干扰最小化。如果无线链路例如由于其它无线电发射装置或者由于系统和远程接收装置之间的无线链路中的变化或扰动而遭受干扰，则系统可以选择所选天线元件的不同配置以改变所得到的辐射图并使干扰最小化。系统可以选择与系统和远程接收装置之间的最大增益相对应的所选天线元件的配置。可替选地，系统可以选择与小于最大增益的增益相对应但是与无线链路中减少的干扰相对应的所选天线元件的配置。
如在此进一步描述的那样，平面天线设备基本上在天线元件的平面内辐射定向辐射图。当水平安装时，RF信号传送被水平极化，所以与垂直极化的天线相比，室内RF信号传送被增强。平面天线设备易于从诸如FR4印刷电路板(PCB)之类的普通平面基片来制造。进一步，平面天线设备可以集成到系统的壳体中或者可以保形地安装到系统的壳体，以使成本最小化并提供对平面天线设备的支持。
图1图示了根据本发明的一个实施例的包括具有可选择元件的全方向平面天线设备的系统100。系统100例如而不是限制地可以包括发射器和/或接收器如802.11标准的接入点、802.11标准的接收器、机顶盒、膝上型计算机、电视、PCMCIA卡、遥控器以及远程终端如手持游戏装置。在一些示例性实施例中，系统100包括接入点，该接入点用于经由无线链路例如在802.11标准的无线网络中与一个或多个远程接收节点(未示出)通信。典型地，系统100可以从连接到因特网(未示出)的路由器接收数据，并且系统100可以将数据传送到一个或多个远程接收节点。系统100还可以通过使得能够在几个远程接收节点之间进行通信而形成无线局域网的一部分。尽管本公开将会集中在系统100的特定实施例上，但是本发明的情况适用于各种各样的设施，其用意并不是限制到所公开的实施例。例如，尽管系统100可以被描述为经由平面天线设备传送到远程接收节点，但是系统100也可以经由平面天线设备从远程接收节点接收数据。
系统100包括通信装置120(例如收发器)和平面天线设备110。通信装置120包括几乎用于产生和/或接收RF信号的任何装置。通信装置120例如可以包括无线电调制器/解调器，该无线电调制器/解调器用于将(例如从路由器)被接收到系统100中的数据转换成用于传送到一个或多个远程接收节点的RF信号。例如在一些实施例中，通信装置120包括用于从路由器接收视频数据包的众所周知的电路和用于将数据包转换成符合802.11标准的RF信号的电路。
如在此进一步描述的那样，平面天线设备110包括多个单独可选择的平面天线元件。每个天线元件都具有定向辐射图，该定向辐射图具有增益(与全方向天线相比)。每个天线元件还具有基本上在平面天线设备110的平面内的极化。平面天线设备110可以包括天线元件选择装置，该天线元件选择装置配置成将一个或多个天线元件选择性地耦合到通信装置120。
图2A和图2B图示了根据本发明的一个实施例的图1的平面天线设备110。这个实施例的平面天线设备110包括基片(被认为是图2A和2B的平面)，该基片具有第一侧面(例如图2A)和基本上平行于第一侧面的第二侧面(例如图2B)。在一些实施例中，基片包括PCB如FR4、Rogers4003或其它电介质材料。
在基片的第一侧面上，图2A的平面天线设备110包括射频馈送端口220和四个天线元件205a-205d。如关于图4描述的那样，尽管描绘了四个天线元件，但是可以考虑使用更多或更少的天线元件。尽管图2A的天线元件205a-205d基本上在正方形平面天线的对角线上取向以便使平面天线设备110的尺寸最小化，但是可以考虑使用其它的形状。进一步，尽管天线元件205a-205d关于射频馈送端口220形成放射状对称布局，但是可以考虑使用许多非对称布局、矩形布局以及仅关于一个轴对称的布局。进而，天线元件205a-205d不需要具有相同的尺寸，尽管在图2A中如此描绘。
在基片的第二侧面上，如图2B所示，平面天线设备110包括接地部件225。将会意识到的是，接地部件225的一部分(例如部分230a)配置成与天线元件205a联合形成箭形弯曲偶极。所得到的弯曲偶极提供基本上在平面天线设备110的平面内的定向辐射图，如关于图3进一步描述的那样。
图2C和2D图示了根据本发明的一个实施例的平面天线设备110的几个部件的尺寸。将会意识到的是，平面天线设备110的各个部件(例如天线元件205a、接地部件205的部分230a)的尺寸取决于平面天线设备110的期望操作频率。可以利用RF仿真软件如来自Zeland Software ofFremont，CA的IE3D来建立各个部件的尺寸。例如，包括根据图2C和2D的尺寸的部件的平面天线设备110被设计成基于Rogers 4003材料的基片PCB而在2.4GHz附近操作，但是普通技术水平的天线设计者将会意识到的是，具有不同介电性质的不同基片如FR4可能需要与在图2C和2D中示出的那些尺寸相比不同的尺寸。
如图2所示，平面天线设备110可以可选地包括一个或多个引向器210、一个或多个增益引向器215和/或一个或多个Y形反射器235(例如在图2B和2D中描绘的Y形反射器235b)。引向器210、增益引向器215和Y形反射器235包括无源元件，该无源元件集中由天线元件205a-205d联合部分230a-230d形成的偶极的定向辐射图。在一个实施例中，为每个天线元件205a-205d提供引向器210对于每个偶极得到了另外1-2dB的增益。将要意识到的是，引向器210和/或增益引向器215可以布置在基片的任一侧面上。在一些实施例中，基片的用于引向器210和/或增益引向器215的部分被标记，以便引向器210和/或增益引向器215可以被去除。还将要意识到的是，另外的引向器(在用于天线元件205b的通过虚线211示出的位置中描绘)和/或另外的增益引向器(在通过虚线216示出的位置中描绘)可以被包括以进一步集中一个或多个偶极的定向辐射图。这里将会进一步描述Y形反射器235。
射频馈送端口220配置成从图1的通信装置120接收RF信号和/或将RF信号传送到图1的通信装置120。天线元件选择器(未示出)可以用于将射频馈送端口220耦合到天线元件205a-205d中的一个或多个。天线元件选择器可以包括RF开关(未示出)如PIN二极管、GaAs FET或几乎任何的RF切换装置，如本领域中众所周知的那样。
在图2A的实施例中，天线元件选择器包括四个PIN二极管，每个PIN二极管将天线元件205a-205d中的一个连接到射频馈送端口220。在这个实施例中，PIN二极管包括单极单掷开关以接通或断开每个天线元件(亦即将天线元件205a-205d中的每一个耦合到射频馈送端口220或者从射频馈送端口220去耦)。在一个实施例中，使用一系列的控制信号(未示出)来偏置每个PIN二极管。随着PIN二极管被正向偏置并且传导DC电流，PIN二极管开关接通，并且相应的天线元件被选择。随着PIN二极管被反向偏置，PIN二极管开关断开。在这个实施例中，射频馈送端口220和天线元件选择器的PIN二极管位于基片的具有天线元件205a-205d的侧面上，然而，其它实施例将射频馈送端口220、天线元件选择器和天线元件205a-205d分开。在一些实施例中，天线元件选择器包括一个或多个单极多掷开关。在一些实施例中，一个或多个发光二极管(未示出)耦合到天线元件选择器，作为天线元件205a-205d中的哪一个接通或断开的视觉指示器。在一个实施例中，发光二极管与PIN二极管接成电路，以便当选择相应的天线元件205时点亮发光二极管。
在一些实施例中，天线部件(例如天线元件205a-205d、接地部件225、引向器210和增益引向器215)由RF传导材料形成。例如，天线元件205a-205d和接地部件225可以由金属或其它RF传导箔形成。不同于如图2A和2B所示提供在基片的相反侧面上，每个天线元件205a-205d与接地部件225共面。在一些实施例中，天线部件可以保形地安装到系统100的壳体。在这样的实施例中，天线元件选择器包括与天线元件205a-205d分开的结构(未示出)。天线元件选择器可以安装在相对小的PCB上，并且该PCB可以电耦合到天线元件205a-205d。在一些实施例中，开关PCB直接焊接到天线元件205a-205d。
在图2B的实施例中，Y形反射器235(例如反射器235a)可以被包括作为接地部件225的一部分，以加宽弯曲偶极(例如天线元件205a联合接地部件225的部分230a)的频率响应(亦即带宽)。例如，在一些实施例中，平面天线设备110被设计成对于根据IEEE 802.11标准的无线LAN在大约2.4GHz至2.4835GHz的频率范围上操作。反射器235a-235d将每个偶极的频率响应加宽到大约300MHz(中心频率的12.5％)至500MHz(中心频率的～20％)。将多于一个的天线元件205a-205d耦合到射频馈送端口220所导致的平面天线设备110的组合工作带宽小于仅将天线元件205a-205d中的一个耦合到射频馈送端口220所导致的带宽。例如，在全部四个天线元件205a-205d都被选择以产生全方向辐射图的情况下，平面天线设备110的组合频率响应为大约90MHz。在一些实施例中，多于一个的天线元件205a-205d与射频馈送端口220的耦合能维持在802.11标准的无线LAN频率之上的具有小于10dB回波损耗的匹配，而不管被接通的天线元件205a-205d的数目。
图3A图示了根据本发明的一个实施例的由选择图2的平面天线设备110的不同天线元件产生的各种辐射图。图3A描绘了以方位角为单位的辐射图(例如基本上在图2的基片的平面内)。线300显示了由选择单个天线元件(例如天线元件205a)产生的普通心形的定向辐射图。如示出的那样，天线元件205a单独得到了近似5dBi的增益。虚线305显示了由选择相邻天线元件(例如天线元件205b)产生的偏移近似90度的类似定向辐射图。线310显示了由选择这两个相邻天线元件205a和205b产生的组合辐射图。在这个实施例中，与单独选择天线元件205a或205b中的任一个相比，选择两个相邻天线元件205a和205b导致了以方位角为单位的更高定向性，具有近似5.6dBi的增益。
图3A的辐射图以方位角为单位图示了可选择的天线元件205a-205d可以怎样组合以产生用于平面天线设备110的各种辐射图。如示出的那样，将两个或更多个相邻天线元件(例如天线元件205a和天线元件205b)耦合到射频馈送端口所导致的组合辐射图比单个天线元件的辐射图更加定向。
为了提高可读性而未在图3A中示出的是，可选择的天线元件205a-205d可以组合以产生组合辐射图，该组合辐射图比单个天线元件的辐射图更少定向。例如，选择全部的天线元件205a-205d会产生基本上全方向的辐射图，其比单个天线元件的辐射图具有更少的定向性。类似地，选择两个或更多个天线元件(例如基片的相对对角线上的天线元件205a和天线元件205c)可以产生基本上全方向的辐射图。以这种方式，选择天线元件205a-205d的子集或者基本上全部的天线元件205a-205d可以产生用于平面天线设备110的基本上全方向的辐射图。
尽管未在图3A中示出，但是将会意识到的是，另外的引向器(例如引向器211)和/或增益引向器(例如增益引向器216)可以进一步集中以方位角为单位的天线元件205a-205d中的一个或多个的定向辐射图。相反地，去除或消除引向器211、增益引向器216或Y形反射器235中的一个或多个扩展了以方位角为单位的天线元件205a-205d中的一个或多个的定向辐射图。
图3A还示出了平面天线设备110可以怎样有利地配置，例如配置成减少图1的系统100和远程接收节点之间的无线链路中的干扰。例如，如果远程接收节点相对于系统100(在图3A的中心)位于以方位角为单位的零度处，则对应于线300的天线元件205a在远程接收节点的方向上得到了与对应于线305的天线元件205b近似相同的增益。然而，如通过将线300与线305相比较可以看到的那样，如果干扰信号相对于系统100位于方位角的二十度处，则与选择天线元件205b形成对照，选择天线元件205a得到了针对干扰信号的近似4dB的信号强度减少。有利地，取决于系统100周围的信号环境，平面天线设备110可以配置成(例如通过接通或断开天线元件205a-205d中的一个或多个)减少系统100和一个或多个远程接收节点之间的无线链路中的干扰。
图3B图示了用于图2的平面天线设备110的仰角辐射图。在附图中，平面天线设备110的平面对应于附图中从0至180度的线。尽管未示出，但是将会意识到的是，另外的引向器(例如引向器211)和/或增益引向器(例如增益引向器216)可以有利地进一步集中以方位角为单位的天线元件205a-205d中的一个或多个的辐射图。例如，在一些实施例中，系统110可以位于建筑物的楼层上，以与相同楼层上的一个或多个远程接收节点建立无线局域网。在平面天线设备110中包括另外的引向器211和/或增益引向器216将无线链路进一步集中到基本上相同的楼层，并且使来自建筑物的其它楼层上的RF源的干扰最小化。
图4A和图4B图示了根据本发明的图1的平面天线设备110的可替选实施例。在如图4A所示的基片的第一侧面上，平面天线设备110包括射频馈送端口420和六个天线元件(例如天线元件405)。在基片的第二侧面上，如图4B所示，平面天线设备110包括接地部件425，该接地部件425包括若干Y形反射器435。将会意识到的是，接地部件425的一部分(例如部分430)配置成与天线元件405联合形成箭形弯曲偶极。类似于图2的实施例，所得到的弯曲偶极具有定向辐射图。然而，与图2的实施例形成对照，六个天线元件的实施例提供了更大数目的可能的组合辐射图。
类似于图2，图4的平面天线设备110可以可选地包括一个或多个引向器(未示出)和/或一个或多个增益引向器415。引向器和增益引向器415包括无源元件，该无源元件集中天线元件405的定向辐射图。在一个实施例中，为每个天线元件提供引向器对于每个元件得到了另外1-2dB的增益。将会意识到的是，引向器和/或增益引向器415可以放置在基片的任一侧面上。还将会意识到的是，可以包括另外的引向器和/或增益引向器以进一步集中天线元件405中的一个或多个的定向辐射图。
图2-4的平面天线设备110的优点在于，天线元件(例如天线元件205a-205d)每个都是可选择的，并且可以接通或断开以形成用于平面天线设备110的各种组合辐射图。例如，经由无线链路与远程接收节点进行通信的系统100可以选择使无线链路之上的干扰最小化的所选天线元件的特殊配置。如果无线链路例如由于其它无线电发射装置或者由于系统100和远程接收节点之间的无线链路中的变化或扰动而遭受干扰，则系统100可以选择所选天线元件的不同配置以改变平面天线设备110的辐射图并使无线链路中的干扰最小化。系统100可以选择与系统和远程接收节点之间的最大增益相对应的所选天线元件的配置。可替选地，系统可以选择与小于最大增益的增益相对应但是与减少的干扰相对应的所选天线元件的配置。可替选地，全部或基本上全部的天线元件可以被选择以形成组合的全方向的辐射图。
平面天线设备110的进一步的优点在于，使用水平极化的信号，RF信号可以在室内更好地传播。典型地，网络接口卡(NIC)被水平极化。为平面天线设备110提供水平极化的信号提高了对使用普通可用垂直极化天线的RF源的干扰抑制(潜在地高达20dB)。
系统100的另一个优点在于，与以基带方式切换形成对照，平面天线设备110包括以RF方式切换。以RF方式切换意味着通信装置120仅需要一个RF上/下变频器。以RF方式切换还需要通信装置120和平面天线设备110之间的显著简化的接口。例如，平面天线设备在所选天线元件的全部配置之下都提供阻抗匹配，而不管哪些天线元件被选择。在一个实施例中，在802.11标准的频率的范围上，在所选天线元件的全部配置之下维持具有小于10dB回波损耗的匹配，而不管哪些天线元件被选择。
系统100的更进一步的优点在于，与例如具有相对复杂的相位切换元件的相控阵天线相比，仅仅通过接通或断开天线元件来执行针对平面天线设备110的切换就可以形成组合辐射图。在平面天线设备110中不需要具有附带相位匹配复杂性的相位变化。
PCB上的平面天线设备110的再一个优点在于，平面天线设备110不需要三维的制造结构，如形成全方向天线所需的多个“贴片”天线将会需要的那样。另一个优点在于，平面天线设备110可以构造在PCB上，所以能够以低成本容易地制造整个平面天线设备110。平面天线设备110的一个实施例或布局包括正方形或矩形形状，所以平面天线设备110易于平板化。
多频带天线设备
图5图示了根据本发明的一个实施例的用于在图1的平面天线设备110中使用的多频带天线元件510的一个元件。在用于多频带操作(例如具有低频带和高频带的双频带；具有低频带、中频带和高频带的三频带；等等)的实施例中，通信装置120包括“多频带”装置，该“多频带”装置有能力以多于一个频带的频率产生和/或接收RF信号。
如在此进一步描述的那样，在一些实施例中(例如对于网络接口卡或NIC)，通信装置120交替工作(例如对于802.11标准)在大约2.4至2.4835GHz的低频带或者大约4.9至5.35GHz和/或5.725至5.825GHz的高频带，并且以分钟或天的数量级的相对低的速率在频带之间切换。多频带天线元件510和图6-8的多频带耦合网络允许NIC对所选天线元件510的配置进行操作。例如，通过选择一组一个或多个多频带天线元件510，NIC可以以定向或全方向模式传送低频带RF。
在一些实施例中，诸如在用于802.11标准的接入点中，通信装置120以相对高的速率在频带之间切换(例如对于要被传送的每个包从低频带改变到高频带，使得切换需要毫秒级的时间)。例如，接入点可以在第一配置的所选多频带天线元件510上(定向或全方向模式)以低频带RF向接收节点传送第一包。接入点然后可以切换到第二配置的所选多频带天线元件510以传送第二包。
在其它实施例中，多频带通信装置120包括多重MAC，以允许通过独立可选择的多频带天线元件510对多个频带同时进行独立操作。在对多个频带的同时操作中，多频带通信装置120例如可以产生低和高频带RF以提高到达远程接收节点的数据率。利用同时多频带能力，系统100(图1)可以经由第一配置(组)的所选多频带天线元件510向第一远程接收节点发送低频带，同时经由第二配置(组)的所选多频带天线元件510向第二远程接收节点发送高频带。第一和第二配置或组的所选多频带天线元件510可以相同或不同。
为了易于说明多频带天线元件510，在图5中仅示出了单个多频带天线元件510。可以使用多频带天线元件510代替图2的天线元件205a-d、相应的接地部件225的部分230a-d和反射器235a-d中的一个或多个。可替选地，可以使用多频带天线元件510代替图4的天线元件405和接地部件425的部分430中的一个或多个。如关于图2至4描述的那样，可以考虑使用除了4元件配置和6元件配置之外的配置。
在一些实施例中，多频带天线元件510包括具有两个层的基片(被认为是图5的平面)。在优选实施例中，基片可以具有四个层，尽管基片可以具有任何数目的层。图5图示了多频带天线元件510，如它会在基片的X光片中显现的那样。
在一些实施例中，基片包括PCB如FR4、Rogers 4003或其它电介质材料，其中多频带天线元件510由PCB上的迹线形成。尽管本说明书的剩余部分将会集中于形成在PCB的分开的层上的多频带天线元件510，但是在一些实施例中，多频带天线元件510由RF传导材料形成，使得多频带天线元件510的部件可以共面或者在单个层上，以便天线设备110例如可以保形地安装。
在用实线(例如PCB上的迹线)描绘的基片的第一层上，多频带天线元件510包括第一偶极部件515和第二偶极部件525。第二偶极部件525配置成与第一偶极部件515形成双共振结构。双共振结构加宽了多频带天线元件510的频率响应。
进一步，第二偶极部件525可以可选地包括缺口或“阶梯”结构530。阶梯结构530进一步加宽了第二偶极部件525的频率响应。在一些实施例中，阶梯结构530加宽了第二偶极部件525的频率响应，使得它可以在从大约4.9至5.825GHz的大范围的频率内辐射。
在基片的第二、第三和/或第四层上，多频带天线元件510具有用图5中的虚线描绘的接地部件。接地部件包括用于第一偶极部件515的相应部分535和用于第二偶极部件525的相应部分545。如图5中描绘的那样，偶极部件和接地部件的相应部分不需要180度彼此相对以使得偶极部件形成“T”，而是偶极部件可以成角度，使得产生箭头形状。例如，第一偶极部件515相对于相应部分535呈大约120度角，以便包括在具有六个多频带天线元件510的六角形基片内。
接地部件可选地包括第一反射器部件555，该第一反射器部件555配置成集中辐射图并加宽第一偶极部件515和相应部分535的频率响应(带宽)。接地部件进一步包括第二反射器部件565，该第二反射器部件565配置成集中辐射图并加宽第二偶极部件525和相应部分545的频率响应(带宽)。
在图5中没有示出相对于多频带天线元件510取向的可选的引向器和/或增益引向器。如关于图2至4描述的那样的无源元件可以包括在基片上，以集中通过第一偶极部件515联合相应部分535形成的第一偶极的定向辐射图，和/或集中通过第二偶极部件525联合相应部分545形成的第二偶极的定向辐射图。
在操作中，去往/来自多频带通信装置120的低频带和/或高频带RF能量经由关于图6-8进一步描述的多频带耦合网络被耦合到在图5中被标记为“A”的点中。第一偶极部件515和相应部分535配置成以大约2.4至2.4835GHz的较低频带的第一频率来辐射。第二偶极部件525和相应部分545配置成以第二频率辐射。在一些实施例中，第二频率在大约4.9至5.35GHz的范围内。在其它实施例中，第二频率在大约5.725至5.825GHz的范围内。在进一步的其它实施例中，第二频率在大约4.9至5.825GHz的大范围内。
如在此描述的那样，可以使用RF仿真软件如IE3D来确定多频带天线元件510的单独部件的尺寸。如本领域技术人员众所周知的那样，在其他因素中，单独部件的尺寸尤其取决于期望的工作频率。
图6图示了根据本发明的一个实施例的用于将图5的多频带天线元件510耦合到图1的多频带通信装置120的多频带耦合网络600。为了清楚起见，仅示出了单个多频带天线元件510和多频带耦合网络600，尽管一般地对于图1的平面天线设备110中的每个多频带天线元件510都包括多频带耦合网络600。尽管被描述为双频带实施例，但是多频带耦合网络600可以被修改以实现几乎任何的数目的频带。
如关于图2-4描述的那样，射频馈送端口220例如作为来自通信装置120的同轴线缆的附件而提供到达多频带通信装置120的接口。在低频带RF路径中，第一RF开关610如PIN二极管、GaAs FET或本领域中已知的几乎任何的RF切换装置(示意性地示出为PIN二极管)通过低频带滤波器(也被称为带通滤波器或BPF)620将射频馈送端口220选择性地耦合到多频带天线元件510的点A。低频带滤波器620包括众所周知的电路，其包括电阻器、电容器和/或电感器，配置成使低频带频率通过并且不使高频带频率通过。低频带控制信号(LB CTRL)可以被拉低或偏置为低以接通RF开关610。
在高频带RF路径中，第二RF开关630(示意性地示出为PIN二极管)通过高频带滤波器640将射频馈送端口220选择性地耦合到多频带天线元件510的点A。高频带滤波器640包括众所周知的电路，其包括电阻器、电容器和/或电感器，配置设计成使高频带频率通过并且不使低频带频率通过。高频带控制信号(HB CTRL)可以被“拉低”以接通RF开关630。DC阻塞电容器(未标记)防止控制信号干扰RF路径。
如关于图7和8进一步描述的那样，低频带RF路径和高频带RF路径可以具有相同预定路径延迟。具有相同的路径延迟，例如对于低频带和高频带都具有1/4波长的路径延迟，简化了多频带耦合网络600中的匹配。
多频带耦合网络600允许对于低频带和高频带进行多频带天线元件510的全双工、同时和独立的选择。例如，在类似于图2的4元件配置中，其中每个天线元件都包括多频带耦合网络600和多频带天线元件510，第一组两个多频带天线元件510可以被选择用于低频带，而与此同时不同组的三个多频带天线元件510可以被选择用于高频带。用这种方式，对于第一包能够以一个辐射图或定向取向传送低频带RF，并且对于第二包能够以另一个辐射图或定向取向同时传送高频带RF(假定多频带通信装置120包括两个独立的MAC)。
图7图示了根据本发明的一个实施例的用于图1的多频带通信装置120和图5的多频带天线元件510之间的多频带耦合网络700的局部PCB布局的放大图。为了清楚起见，仅示出了一个多频带天线元件510，尽管多频带耦合网络700可以用于平面天线设备110中包括的每个多频带天线元件510。图7的实施例可以用于多频带通信装置120，该多频带通信装置120对于低频带和高频带使用全双工、同时操作，如关于图6描述的那样。尽管被描述为双频带实施例，但是对于本领域技术人员将会明显的是，多频带耦合网络700可以被修改以实现几乎任何数目的频带。
一般而言，多频带耦合网络700原则上类似于图6的多频带耦合网络，然而，带通滤波器包括基片(PCB)上的耦合线(迹线)720和740。耦合线720包括弯曲线，该弯曲线配置成使从大约2.4至2.4835GHz的低频带频率通过。耦合线720的物理长度被确定，以使得耦合线720在点A的输出处的低频带频率相对于射频馈送端口220被延迟1/4波长(或其奇数倍)。
耦合线740同样由PCB上的迹线形成，并且配置成BPF以使从大约4.9至5.825GHz的高频带频率通过。耦合线740的物理长度被确定，以使得耦合线740在点A的输出处的低频带频率相对于射频馈送端口220被延迟1/4波长(或其奇数倍)。
第一RF开关710如PIN二极管、GaAs FET或本领域中已知的几乎任何的RF切换装置(示意性地示出为PIN二极管)通过低频带耦合线720将射频馈送端口220选择性地耦合到多频带天线元件510的点A。低频带控制信号(LB CTRL)和DC阻塞电容器(未标记)配置成接通/断开RF开关710。
第二RF开关730如PIN二极管、GaAs FET或本领域中已知的几乎任何的RF切换装置通过高频带耦合线740将射频馈送端口220选择性地耦合到多频带天线元件510的点A。高频带控制信号(HB CTRL)和DC阻塞电容器(未标记)配置成接通/断开RF开关740。
多频带耦合网络700的优点在于，耦合线720和740包括基片上的迹线，这样耦合线就可以在基片上的非常小的区域之内制造。进一步，耦合线720和740不需要诸如电阻器、电容器和/或电感器或双工器之类的部件，并且基本上自由地包括在基片上。
另一个优点在于，耦合线720的1/4波长位于与耦合线740的1/4波长相同的点处。例如，如果RF开关710或730断开而表示高阻抗，则在点A处没有影响或者有最小的影响。多频带耦合网络700因此允许将低频带和/或高频带独立耦合到多频带天线元件510。
进一步，在一个实施例中，因为耦合线720和740在阻塞DC方面是有效的，所以只有一个DC阻塞电容器包括在RF开关710和730之后。这样的配置进一步减少了多频带耦合网络700的尺寸和成本。
图8图示了根据本发明的一个实施例的用于图1的多频带通信装置120和图5的多频带天线元件510之间的多频带耦合网络800的局部PCB布局的放大图。为了清楚起见，仅示出了一个多频带天线元件510，尽管多频带耦合网络800可以用于平面天线设备110中包括的每个多频带天线元件510。图8的实施例可以用于多频带通信装置120，该多频带通信装置120不是对多个频带使用全双工、同时操作，而是可以可替选地使用一个频带。尽管被描述为双频带实施例，但是对于本领域技术人员将会明显的是，多频带耦合网络800可以被修改以实现几乎任何数目的频带。
与图7的多频带耦合网络700中的串联RF开关相比，RF开关810配置成旁路操作，以便选择的信号在被拉低或偏置为低时接通RF开关810。耦合线820和840配置成使得点A对于低频带和高频带都是距离射频馈送端口220有1/4波长。
因此，如果RF开关810打开或断开(高阻抗至接地)，则射频馈送端口220“看到”通过耦合线820或840到达多频带天线元件510的低阻抗，并且多频带天线元件510接通。如果RF开关810闭合或接通(低阻抗至接地)，则射频馈送端口220看到高阻抗，并且多频带天线元件510断开。换言之，如果多频带天线元件510被DC偏置为低，则在距离耦合线820和840的输入处有1/4波长处，射频馈送端口220看到打开，所以多频带天线元件510断开。
多频带耦合网络800的优点是较少的插入损耗，因为RF开关810没有在从射频馈送端口220到多频带天线元件510的能量路径中。进一步，因为RF开关810没有在从射频馈送端口220到多频带天线元件510的能量路径中，所以与串联RF切换相比可以改进隔离。隔离改进可能在下述实施例中特别重要，其中，多频带通信装置120和平面天线设备110能够进行多输入多输出(MIMO)操作，如2005年7月26日申请的名称为“Wireless System Having Multiple Antennas and Multiple Radios”的共同待决美国申请第11/190,288号中描述的那样，该申请通过引用结合于此。
多频带耦合网络800的另一个优点在于，只需要单个RF开关810以使得多频带天线元件510能够用于低频带或高频带操作。进一步，在以PIN二极管作为RF开关810的实施例中，PIN二极管具有0.17pF的杂散电容。在RF开关810没有在从射频馈送端口220到多频带天线元件510的能量路径中的情况下，尤其是在大约4-5GHz之上的频率处，因为杂散电容而可以减少匹配问题。
尽管未示出，但是可以通过与RF开关并联地放置一个或多个电感器来改进图2-8的RF开关，如2006年4月28日申请的共同待决美国专利申请第11/413,670号中描述的那样，该专利申请通过引用结合于此。
已依据几个优选实施例在此描述了本发明。本发明的其它实施例，包括在此描述的实施例的替换、修改、变更和等效，对于本领域技术人员而言将会从考虑说明书、研究附图和实施本发明当中变得明显。上面描述的实施例和优选的特征应当被认为是示例性的，其中本发明由所附权利要求来限定，所述权利要求因此包括所有这样的替换、修改、变更和等效，它们落在本发明的真实精神和范围之内。

Claims (16)

1.一种天线设备，包括：
基片，其具有第一层和第二层；
多个天线元件，其在所述第一层上，所述多个天线元件中的每一个包括：第一偶极部件，其配置成以第一射频辐射；以及第二偶极部件，其配置成以第二射频辐射；
天线元件选择器，其耦合到所述多个天线元件，所述天线元件选择器配置成将所述天线元件选择性地耦合到用于产生所述第一射频和所述第二射频的通信装置；以及
接地部件，其在所述第二层上，所述接地部件包括对应于所述第一偶极部件的第一部分和对应于所述第二偶极部件的第二部分。
2.根据权利要求1所述的天线设备，其中，所述天线元件选择器包括PIN二极管网络。
3.根据权利要求1所述的天线设备，其中，所述多个天线元件配置成当所述天线元件中的两个或更多个耦合到所述通信装置时以全方向辐射图辐射。
4.根据权利要求1所述的天线设备，其中，所述天线元件选择器配置成同时将第一组所述多个天线元件耦合到所述第一射频并且将第二组所述多个天线元件耦合到所述第二射频。
5.根据权利要求1所述的天线设备，其中，由两个或更多个天线元件耦合到所述通信装置产生的组合辐射图比单个天线元件的辐射图更加定向。
6.根据权利要求1所述的天线设备，其中，所述第一射频在2.4至2.4835GHz的范围内，并且所述第二射频在4.9至5.825GHz的范围内。
7.根据权利要求1所述的天线设备，其中，所述接地部件包括反射器，所述反射器配置成集中所述第一偶极部件和所述接地部件的第一部分的定向辐射图。
8.根据权利要求1所述的天线设备，其中，所述接地部件包括反射器，所述反射器配置成加宽所述第一偶极部件和所述接地部件的第一部分的频率响应。
9.根据权利要求1所述的天线设备，其中，所述第一偶极部件以及所述第二偶极部件包括双共振结构。
10.根据权利要求1所述的天线设备，其中，所述第一偶极部件和所述接地部件的第一部分包括箭形弯曲元件。
11.一种天线设备，包括：
基片，其具有第一层和第二层；
天线元件，其在所述第一层上，所述天线元件包括：第一偶极部件，其配置成以第一射频辐射；以及第二偶极部件，其配置成以第二射频辐射；以及
接地部件，其在所述第二层上，所述接地部件包括：对应于所述第一偶极部件的第一部分；对应于所述第二偶极部件的第二部分；以及反射器，其配置成集中所述第一偶极部件和所述接地部件的第一部分的定向辐射图，并且其中所述第一偶极部件以及所述第二偶极部件包括双共振结构。
12.根据权利要求11所述的天线设备，其中，所述第一射频在2.4至2.4835GHz的范围内，并且所述第二射频在4.9至5.825GHz的范围内。
13.一种天线设备，包括：
基片，其具有第一层和第二层；
天线元件，其在所述第一层上，所述天线元件包括：第一偶极部件，其配置成以第一射频辐射；以及第二偶极部件，其配置成以第二射频辐射；以及
接地部件，其在所述第二层上，所述接地部件包括：对应于所述第一偶极部件的第一部分；对应于所述第二偶极部件的第二部分；以及反射器，其配置成加宽所述第一偶极部件和所述接地部件的第一部分的频率响应，并且其中所述第一偶极部件以及所述第二偶极部件包括双共振结构。
14.根据权利要求13所述的天线设备，其中，所述第一射频在2.4至2.4835GHz的范围内，并且所述第二射频在4.9至5.825GHz的范围内。
15.一种天线设备，包括：
基片，其具有第一层和第二层；
天线元件，其在所述第一层上，所述天线元件包括：第一偶极部件，其配置成以第一射频辐射；以及第二偶极部件，其配置成以第二射频辐射；以及
接地部件，其在所述第二层上，所述接地部件包括对应于所述第一偶极部件的第一部分和对应于所述第二偶极部件的第二部分，所述第一偶极部件和所述接地部件的第一部分包括箭形弯曲元件，并且其中所述第一偶极部件以及所述第二偶极部件包括双共振结构。
16.根据权利要求15所述的天线设备，其中，所述第一射频在2.4至2.4835GHz的范围内，并且所述第二射频在4.9至5.825GHz的范围内。
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