具有槽孔天线的通信装置及追踪装置以及其相关方法

摘要

一种通信装置(40)包含导电天线层(41)，其中具有从中间部分(53)延伸且朝向其外周(54)向外敞开的槽孔开口(50)，所述导电天线层(41)包含天线馈送点(51a、51b)。所述通信装置包含：第一电介质层(42)，其与所述导电天线层(41)相邻；导电被动天线调谐构件(43a到43e)，其与所述第一电介质层(42)相邻；第二电介质层(44)，其与所述导电被动天线调谐构件(43a到43e)相邻；与所述第二电介质层(44)相邻的电路(48)；及导电通孔(55a、55b)，其延伸穿过所述第一电介质层(42)及所述第二电介质层(44)且耦合所述电路(48)与所述天线馈送点(51a、51b)。所述通信装置(40)是集成的且容易制造，且具有具堆叠布置的减小封装。所述通信装置可操作为追踪装置。

权利要求

1.一种通信装置，其包括：

导电天线层，其中有槽孔开口，所述槽孔开口包括与所述导电天线层的内部邻近的圆形部分以及与所述圆形部分耦合的槽孔部分，该槽孔部分朝向所述导电天线层的外周向外敞开，所述导电天线层包括多个天线馈送点，所述多个天线馈送点跨越所述槽孔开口并且沿着所述圆形部分的周缘；

第一电介质层，其邻近所述导电天线层；

至少一个导电被动天线调谐构件，其邻近所述第一电介质层；

第二电介质层，其邻近所述至少一个导电被动天线调谐构件；

在所述第二电介质层上的电路；及

多个导电通孔，其延伸穿过所述第一电介质层及所述第二电介质层且耦合所述电路与所述多个天线馈送点。

2.根据权利要求1所述的通信装置，其中，所述槽孔开口是键孔形的。

3.根据权利要求1所述的通信装置，其进一步包括跨所述槽孔开口而耦合的调谐电容器。

4.根据权利要求1所述的通信装置，其进一步包括所述槽孔开口内的电介质填充材料。

5.根据权利要求1所述的通信装置，其中所述槽孔开口具有从所述内部到所述导电天线层的所述外周的递增宽度。

6.根据权利要求1所述的通信装置，其中所述槽孔开口具有从所述中间部分到所述导电天线层的所述外周的均匀宽度。

7.根据权利要求1所述的通信装置，其中所述电路包括：无线电路，其耦合到所述导电天线层；及

电池，其耦合到所述无线电路。

8.一种制作通信装置的方法，所述方法包括：形成导电天线层，所述导电天线层中有槽孔开口，所述槽孔开口包括与所述导电天线层的内部邻近的圆形部分以及与所述圆形部分耦合的槽孔部分，该槽孔部分朝向所述导电天线层的外周向外敞开；

在所述导电天线层中形成多个天线馈送点，所述多个天线馈送点跨越所述槽孔开口并且沿着所述圆形部分的周缘；

定位第一电介质层，所述第一电介质层邻近所述导电天线层；

形成至少一个导电被动天线调谐构件，所述至少一个导电被动天线调谐构件邻近所述第一电介质层；

定位第二电介质层，所述第二电介质层邻近所述至少一个导电被动天线调谐构件；

定位在所述第二电介质层上的电路；及

形成多个导电通孔，所述多个导电通孔延伸穿过所述第一电介质层及所述第二电介质层且耦合所述电路与所述多个天线馈送点。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述形成所述导电天线层包括将所述槽孔开口形成为键孔形。

10.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括跨所述槽孔开口而耦合调谐电容器。

说明书

具有槽孔天线的通信装置及追踪装置以及其相关方法

技术领域

[0001] 本发明涉及通信领域，且更特定来说涉及具槽孔天线的无线通信装置及其相关方法。

背景技术

[0002] 无线通信装置是社会的组成部分且渗入到日常生活中。典型无线通信装置包含天线及耦合到所述天线的收发器。所述收发器与所述天线协作以发射及接收通信信号。

[0003] 典型个人射频(RF)收发器或无线电定位标签包含天线、射频电子器件及电池。所述天线、电子器件及电池通常是包括组合件的分开的组件。因此，在许多个人收发器中，在电池大小与天线大小之间、在电池容量与天线效率之间及在操作时间与信号质量之间可存在折衷。天线性能及电池容量与大小有关，但个人电子器件通常是小的，而外部天线又笨重且通常在此些应用中不实用。

[0004] 天线是用于发送及接收无线电波的传感器，且其可通过导体上的电流运动而形成。优选天线形状可引导根据古往今来已知用于最优化的欧几里得几何形状(例如线及圆)的电流运动。偶极天线及环形天线是提供发散及卷边的欧几里得几何形状。规范偶极天线是线形的，且规范环形天线是圆形的。

[0005] 天线一般需要建构电绝缘体及电导体两者。最佳室温导体是金属。如将明白，在室TM温时，存在极好绝缘体，例如Teflon 及空气。可用电导体较不令人满意，然而且事实上，所有室温天线在足够小时都可能变得无效(归因于导体电阻损耗)。因此，可能重要的是，小天线具有大的导体表面。绝缘体与导体之间的材料二分性可为小环形天线提供以下优点：
环形结构本质上就地提供最大的可能电感器以提升效率。电容器效率(质量因数或“Q”)可比电感器好得多，因此当使用电容器时可以低损耗实现天线加载及调谐。环形天线对于简易印刷线路板(PWB)建构来说是平面的且当戴在身上调谐时是稳定的。

[0006] 如所属领域的技术人员将明白，提供高增益及效率的小天线将是有价值的。天线形状可为1维、2维或3维，即，天线在形状上可为线性的、平面的或立体的。线、圆及球是优选天线包络，这是因为其提供两点之间的最短距离、最少圆周得最大面积及最少表面积得最大体积的几何形状最优化。在小天线中，线、圆及球形状可最小化金属导体损耗。

[0007] 球形绕组已在詹姆斯·麦克斯韦(James Maxwell)的“电与磁(Electricity and Magnetism)”(牛津大学出版社，1892年，第三版，第2卷，球形线圈，第304到308页rd(3 edition，Volume2，Oxford University Press，1892.Spherical Coil，pp.304-308)中被揭示为电感器且在哈罗德A·惠勒(HaroldA.Wheeler)的“球形线圈作为电感器、屏蔽或天线(The Spherical Coil As An Inductor，Shield，Or Antenna)”(IRE论文集(Proceedings Of The IRE)，1952年9月，第1595到1602页)中被揭示为天线。球形绕组做法是在球形芯(3维)上使用多匝导线且是空间有效的。当缠绕足够多匝以发生自共振时，小直径球形绕组可具有相对良好的辐射效率。阿基米得螺旋天线可几乎是2维的且是具良好效率的小用电量天线。

[0008] 细线偶极可几乎是1维的且具有比其物理面积大1785倍的电孔隙面积。细线偶极可供应体积的最大增益及效率。因此，存在对小用电量天线有利的许多形状，但是许多天线并未很好地集成在个人通信中。例如，可能难以将电子组件安装在一些附近电池上，可遮蔽导线环上的近场及辐射，当戴在身上时缠绕天线的调谐可能不稳定，且鞭形天线可为笨重的。小天线设计可包含大小、形状、效率及增益、带宽及使用方便性的折衷。

[0009] 许多个人通信及无线电定位天线在人体上操作。人体中多半是水，具高介电常数(εr＝≈50)，且是导电的(δ≈1.0姆欧/米)。因此在实践中，戴在身上的天线可能具有损耗，且增益响应可能不在所要频率上，例如调谐漂移。特定来说，可通过“杂散电容”使人体拉低天线共振频率而捕捉天线近电场。使用大负载电容器的天线可具有更稳定的调谐，这是因为人体杂散电容可为相对小的加载电容。在柏士捷(Parsche)等人的第6,597,318号美国专利中揭示了此效果，所述专利还揭示在人体附近多个大的负载电容器串联以获得环形最小化天线调谐漂移。

[0010] 固定调谐带宽(还称为瞬间增益带宽)被认为对于具相对小波长的天线来说是有限的。确实，存在理论上限(其称为Chu-Harrington极限)，且应注意半功率(3dB)固定调3
谐增益带宽无法超过200(r/λ)，其中r是将围封天线的最小球体的半径，且λ是自由空间波长。多调谐(例如切比雪夫多项式(Chebyschev polynomial)调谐)可使带宽增大到此带宽以上一直到无限阶调谐的3π倍。在实践中，双调谐可使带宽增大4倍。在多调谐中，天线可变成多极滤波器的一极，且可由外部补偿网络提供所述滤波器。

[0011] 如果光以较小速度传播，那么所有天线将用电量较大且具较好带宽大小。柏士捷(Parsche)的第7,573,431号美国专利揭示将小天线浸在具有相等渗透性和渗透性(即，(μ＝ε)＞1)的非导电材料中，以提升具有小物理大小时的带宽。此做法可识别到等阻抗磁性电介质(μ＝ε)材料的边界不影响进入及离开自由空间及空气的波。所述做法还可展示光速在等阻抗磁性电介质材料中明显慢下来。因此，这些天线可具有良好带宽内部(μ＝ε)＞1材料，这是因为其在物理大小不增大的情况下变得用电量较大。除折射外，等阻抗磁性电介质材料是处在等阻抗性质所依存的频率的不可见材料，例如对真空及空气具有微不足道的反射的材料。

[0012] 除上文关于功率效率及性能讨论的设计考虑之外，因若干种原因还需要小型化无线通信装置。确实，特定应用(例如，无线追踪装置)推动了小型化。特定来说，封装的减小可使得能在不对被追踪主机进行实质修改的情况下安装无线追踪装置。小型无线电定位标签对不同应用有用，例如野生动物追踪、个人识别及求救信标。当然，如果无线追踪装置是偷着安装的，那么所述装置的小型化还方便瞒过别人。一种做法在霍尔特(Holt)的第6,324,392号美国专利中揭示，该案还转让给本申请案的受让人。此做法包含广播宽带扩频信标信号的移动无线装置。所述信标信号召集对所述移动无线装置的位置的协助。

[0013] 又一做法在克利夫(Clift)等人的第7,126,470号美国专利中揭示，该案也转让给本申请案的受让人。所述做法包含使用多个射频识别(RFID)标签用于在包含多个追踪站的网络中进行追踪。

[0014] 由可购自西班牙巴塞罗那的Fractus，S.A.的EXConnect Zigbee Chip Antenna Model868提供又一做法。此芯片天线具有紧凑长方形形状因子且包含单极天线。所述芯片天线可安装到印刷电路板(PCB)上。此做法的潜在缺点是所述PCB可能需要针对各应用进行调谐以便有效地操作。

[0015] 另一做法可包括塑造成名片形状因子的无线装置且包含一对纸衬底。所述无线装置包含一对锂离子电池及耦合到所述对锂离子电池的无线电路。导电迹线是通过将导电聚合物银墨丝网印刷到纸衬底(例如，1101b纸)上而形成在所述纸衬底上。所述无线装置还包含1/10波长环形天线。此无线装置的潜在缺点是分开的天线以及无线电路可导致电池寿命减少且所发射信号变弱。

[0016] 一做法可包括塑造成保险杆贴纸形状因子的无线追踪装置且包含分段圆形天线、电池及耦合到所述电池及天线的无线电路，各组件贴到衬底上。此外，此无线追踪装置还可能会遭受由于非集成设计所致的前述缺点。在第2010/148968A1号美国专利申请公开案；第6,424,300号美国专利；第KR20100092996A号韩国专利文件；第EP0401978A2号欧洲专利文件及第6,356,535号美国专利中也揭示其它做法。

[0017] 鉴于先前背景，因此本发明的目的是提供一种集成式且容易制造的通信装置。

发明内容

[0018] 由通信装置提供根据本发明的此目的、特征及优点以及其它目的、特征及优点，所述通信装置包括导电天线层，在所述导电天线层中具有从中间部分延伸且朝向所述导电天线层的外周向外敞开的槽孔开口。所述导电天线层包括多个天线馈送点。所述通信装置进一步包含：第一电介质层，其与所述导电天线层相邻；至少一个导电被动天线调谐构件，其与所述第一电介质层相邻；及第二电介质层，其与所述至少一个导电被动天线调谐构件相邻。所述通信装置包含：与所述第二电介质层相邻的电路；及多个导电通孔，其延伸穿过所述第一电介质层及所述第二电介质层且耦合所述电路与所述多个天线馈送点。有利的是，所述通信装置可具有具堆叠布置的减小封装。

[0019] 在一些实施例中，所述槽孔开口可为键孔形的。所述通信装置可进一步包括跨所述槽孔开口而耦合的调谐电容器。同样，所述通信装置可进一步包括所述槽孔开口内的电介质填充材料。

[0020] 举例来说，所述槽孔开口可具有从所述中间部分到所述导电天线层的所述外周的递增宽度。替代地，所述槽孔开口具有从所述中间部分到所述导电天线层的所述外周的均匀宽度。

[0021] 特定来说，所述电路可进一步包含：无线电路，其耦合到所述导电天线层；及电池，其耦合到所述无线电路。所述通信装置可进一步包括与所述导电天线层相邻的压敏式粘附层。

[0022] 在一些实施例中，所述导电天线层以及所述第一电介质层及所述第二电介质层可为圆形的。在其它实施例中，所述导电天线层以及所述第一电介质层及所述第二电介质层可为长方形的。

[0023] 另一方面涉及一种相似于上文讨论的通信装置的追踪装置。所述追踪装置可进一步包括：外壳；及所述外壳外部上的压敏式粘附层。所述追踪装置可进一步包含与所述第二电介质层相邻的无线追踪电路。

[0024] 另一方面涉及一种制作通信装置的方法，所述方法包括：形成导电天线层，在所述导电天线层中具有从中间部分延伸且朝向所述导电天线层的外周向外敞开的槽孔开口；以及在所述导电天线层中形成多个天线馈送点。所述方法包含定位第一电介质层，所述第一电介质层与所述导电天线层相邻；形成至少一个导电被动天线调谐构件，所述至少一个导电被动天线调谐构件与所述第一电介质层相邻；定位第二电介质层，所述第二电介质层与所述至少一个导电被动天线调谐构件相邻；定位与所述第二电介质层相邻的电路；及形成多个导电通孔，所述多个导电通孔延伸穿过所述第一电介质层及所述第二电介质层且耦合所述电路与所述多个天线馈送点。

附图说明

[0025] 图1是根据本发明的通信装置的分解图的示意图。

[0026] 图2是根据本发明的通信装置的另一实施例的平面俯视图。

[0027] 图3A是根据本发明的移除了外壳的通信装置的另一实施例的平面俯视图。

[0028] 图3B是根据本发明的具有导电外壳的通信装置的另一实施例的等角视图。

[0029] 图4是根据本发明的通信装置的电压驻波比性能的图表。

[0030] 图5到6A是根据本发明的通信装置的卷边及发散电流流动的图表。

[0031] 图6B描绘根据现有技术的细线环形天线。

[0032] 图7A是根据本发明的通信装置的实例的XY平面自由空间辐射场型断面的图表。

[0033] 图7B是根据本发明的通信装置的实例的YZ平面自由空间辐射场型断面的图表。

[0034] 图7C是根据本发明的实例通信装置的ZX平面自由空间辐射场型断面的图表。

[0035] 图8是根据本发明的通信装置的实例的特定吸收率的图表。

[0036] 图9是根据本发明的通信装置的2.54cm直径实例的已实现增益的图表。

[0037] 图10是根据本发明的通信装置的实例的已实现增益的图表。

[0038] 图11到12是根据本发明的通信装置的增益值的图表。

具体实施方式

[0039] 现将于后文中参考附图来更全面地描述本发明，在附图中展示了本发明的优选实施例。然而，本发明可以许多不同的形式具体实施且不应被理解为限于本文陈述的实施例。相反，这些实施例经提供使得本揭示内容将是详尽且完整的，且将完全传递本发明的范围给所属领域的技术人员。相同数字自始至终是指代相同元件，且使用单撇号以指示替代实施例中的相似元件。

[0040] 首先参考图1，现描述根据本发明的通信装置40。通信装置40图解说明地形成为堆叠布置且包含导电天线层41。举例来说，导电天线层41可包含金属。导电天线层41包含在其中的槽孔开口50，槽孔开口50从中间部分53延伸且朝向导电天线层41的外周54向外敞开。

[0041] 导电天线层41包括多个天线馈送点51a到51b。通信装置40进一步包含：在导电天线层41上的第一电介质层42；及在第一电介质层42上的多个导电被动天线调谐构件43a到43e。可使用多个导电被动天线调谐构件43a到43e以调谐通信装置40的操作频率。

[0042] 通信装置40进一步包含：在多个导电被动天线调谐构件43a到43e上的第二电介质层44；及与所述第二电介质层相邻的电路45、48、59。特定来说，在图解说明的实例中，电路图解说明地包含：无线追踪电路45；电源59(例如，电池)，其耦合到所述无线追踪电路；及信号源48，其耦合到导电天线层41。举例来说，无线追踪电路45可包括收发器电路或者发射器或接收器，即，其提供无线电路。

[0043] 通信装置40还包含多个导电通孔55a到55b，所述多个导电通孔55a到55b延伸穿过第一电介质层42及第二电介质层44且耦合电路45、48、59与多个天线馈送点51a到51b。此外，例如，多个导电通孔55a到55b可包括金属。

[0044] 同样，通信装置40图解说明地包含承载内部组件的外壳46。外壳46可包括金属或替代地镀有金属的塑料。此外，在图解说明的实施例中，通信装置40图解说明地包含压敏式粘附层51，压敏式粘附层51形成在外壳46的主表面上以使得能容易附接到追踪目标。换句话来说，通信装置40可操作为追踪装置。

[0045] 在图解说明的实施例中，槽孔开口50是键孔形的。更具体来说，槽孔开口50图解说明地包含从中间部分53到导电天线层41的外周54的递增宽度。然而，在其它实施例中，槽孔结构可采取其它形状(图3A)。在图解说明的实施例中，导电天线层41图解说明地包含使共振及操作频率发生小变更(例如，微调)的调谐狭缝47。调谐狭缝47可通过用刀或用激光切除而形成且增加串联电感以降低操作频率。当然，调谐狭缝47是可选的且在其它实施例中可省略。

[0046] 此外，在图解说明的实施例中，导电天线层41以及第一电介质层42及第二电介质层44是圆形的。然而，在其它实施例中，这些层可具有其它几何形状，例如长方形(正方形实施例也是长方形的子集)(图3A)或多边形。

[0047] 现参考图2，现描述通信装置40的另一实施例。在通信装置40′的此实施例中，上文已关于图1讨论的那些元件被给予单撇号且多数不需要在本文中进一步讨论。此实施例与先前实施例的不同点在于通信装置40′图解说明地包含调谐装置47′。举例来说，调谐装置47′可包括调谐电容器(用阴影线展示)，所述调谐电容器是跨槽孔开口50′或所述槽孔开口内的电介质填充材料而耦合。同样，第一电介质层42′及第二电介质层44′以及外壳46′具有槽孔开口。一对馈送点51a′、51b′可偏好地沿槽孔开口50′的圆形部分58′的圆周跨槽孔开口50′而定位。通过调整槽孔开口50′的圆形部分58′的直径来调整通信装置40′提供的负载电阻。增大圆形部分58′的此直径也使电阻增大且减小直径则使电阻减小。

[0048] 现参考图3A，现描述通信装置40的另一实施例。在通信装置40″的此实施例中，上文已关于图1讨论的那些元件被给予双撇号且多数不需要在本文中进一步讨论。此实施例与先前实施例的不同点在于导电天线层41″以及第一电介质层42″及第二电介质层44″图解说明为长方形。此外，槽孔开口50″具有从中间部分53″到导电天线层41″的外周54″的均匀宽度。此外，槽孔开口50″的中间部分53″也是长方形。同样，第一电介质层42″及第二电介质层44″也具有槽孔开口。

[0049] 现参考图3B，现描述通信装置40的另一实施例。此实施例通信装置200图解说明地包含来自导电外壳210的天线(未展示)。所述导电外壳可包括中空金属罐且可具有从头到尾延伸的过道212，及远端较宽的楔形凹口214。通信装置200图解说明地包含电介质楔220，电介质楔220插入楔形凹口214中以供载入及调谐。通信装置200图解说明地包含内部无线电230(例如射频振荡器)，内部无线电230定位在导电外壳210内以产生通信信号。

[0050] 所属领域的技术人员将明白，内部无线电还可为接收器或发射器与接收器的组合。通信装置200图解说明地包含导电引线232a、232b，其可包括金属线。导电引线232a、232b传送射频信号给楔形凹口214且跨过楔形凹口214。导电引线232a穿过导电外壳210中的孔隙240到达电介质楔220的远端面以在其上进行导电接触。导电引线232b在不穿过孔隙240的情况下接触导电外壳210内部。射频电流244在导电外壳210外面循环以转换成无线电波以提供辐射和/或接收。

[0051] 现参考图4到11c，若干图图解说明具槽孔结构50的上文描述的通信装置40的有利仿真性能，槽孔结构50具有从其中间部分53到导电天线层41的外周54的不均匀宽度，例如键孔槽孔形状。应注意，上文描述的键孔实施例可减小导体邻近效应损耗以提供增强的效率及增益(这是因为高电流中间区域减小)。

[0052] 特定来说，图表60展示通信装置40随着操作频率改变的电压驻波比(VSWR)。曲线上标出的点的值是在162.39MHz下的61：6.04；在162.55MHz下的62：5.14；在163.92MHz下的63：1.32；及在165.45MHz下的64：5.91。图表60图解说明有利的二次共振响应，且通信装置40的天线提供想要的50欧姆电阻负载。对于此仿真，通信装置40具有以下特性：

[0053]

[0054]

[0055] 表1

[0056] 如从表1可见，通信装置40继续调谐且提供在甚至极小的电大小相关波长下的一些辐射。在1000MHz下，通信装置40提供90％辐射效率及3.556cm直径的+1.3dBi增益，其是0.12波长的电大小。表1中dBil的增益单位是指关于各向同性天线的分贝且用于线性极化。作为背景，1/2波偶极天线的增益是+2.1dBil。

[0057] 图表70、80展示通信装置40的导电天线层41中的仿真卷边电流。图表70展示在1瓦特的施加RF功率下以安培/米为单位的电流的振幅等值线。如所属领域的技术人员可明白，最高电流密度是在天线馈送点72、74附近。天线区域多半填充有导电结构，且导致表流以使金属导体损耗减小。在这些仿真结果中，导电天线层41(铜)的直径是2.54cm(λ/72)且通信装置40是在162.55MHz下操作。图表80展示天线表面上的电流的主导定向。如可见，存在两种截然不同的模式：槽孔偶极模式Islot及环形模式Iloop。所述槽孔偶极模式是通过在键孔槽孔开口50的任一侧上振幅相等且方向相反的逆平行电流的发散而形成。所述环形模式是通过往返于键孔槽孔开口50的卷边电流而形成。在现有技术中，细线环形100(图6B)Islot明显不存在。Islot就地提供传输线阻抗变压器的操作优点以实现馈送点电阻的调整，且容易达到50欧姆。此外，槽孔开口50的楔形键孔形状可减小导体邻近效应损耗(导体邻近效应是在可增大损耗电阻的相邻导体表面上电流的群聚)。

[0058] 图7A包含图表90且展示通信装置40的实例的XY平面自由空间辐射场型断面。图7B包含图表91，其展示通信装置40的实例的YZ平面自由空间辐射场型断面。图7C包含图表92，其展示通信装置40的实例的ZX平面自由空间辐射场型断面。

[0059] 如所属领域的技术人员将明白，辐射场型是环形的(未展示等角视图)且在YZ平面上是全向的。当天线平面是水平时极化是线性的及水平的，因此当天线平面是水平时辐射电场是线性的及水平的。通信装置40提供甚至λ/73直径下的一些辐射及较大电大小下增大的辐射效率。绘制总场，且单位是涉及具有线性极化的各向同性天线的dBil或分贝。辐射场型部分混合在小用电量环形与槽孔偶极之间，即，槽孔开口50提供一些辐射作为槽孔偶极，尽管圆体作为环形在辐射场型中占主导地位。此在未定向通信装置中可能是有利的，这是因为在平面及侧向两者上发生一些辐射。通过以下公式近似给出从通信装置40产生的电场强度：

[0060]

[0061] 其中：

[0062] μ＝以法拉/米为单位的自由空间渗透性；

[0063] ω＝角频率＝2πf；

[0064] I＝以安培为单位的卷边电流；

[0065] a＝以米为单位的通信装置半径，例如，直径除以2；

[0066] r＝以米为单位的与通信装置的距离；

[0067] J1＝自变量的一阶的贝塞尔函数(βa sinθ)；及

[0068] θ＝以弧度为单位的与环形平面所成的角度(侧向是π/2弧度)。

[0069] 现额外地及简要地参考图11到12，图表100及图表110展示通信装置40分别随操作频率及导电天线层41的直径改变的增益性能。曲线101及111两者展示随着天线用电量变大以每倍频带约12dB的频率的可预测增益特性。

[0070] 图8及图表120展示通信装置40的操作实例的特定吸收率(SAR)。图中的单位是瓦特-千克。当人员戴着本发明的实施例时，模拟设计人肉相邻的加热特性。天线底部是在人体上方2.54cm，天线直径是2.54cm，且频率是162.55MHz。关于人类曝露于RF电磁场TM下的极限的背景资料可在IEEE标准C95.1 -2005“关于人类曝露于3KHz至300GHz的射频电磁场下的安全水平的IEEE标准(IEEE Standard For Safety Levels with Respect To Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields3KHz to300GHz)”中发现。

[0071] 如从图表120可明白，在局部化区域中，在实例中实现的峰值SAR是0.1W/kg。上文提及的IEEE标准的表6(未展示)建议2W/kg的局部化区域SAR水平允许用于公众，因此曝露实例是可允许的且低SAR可为本发明的优点。当然，SAR水平随频率、功率电平、到身体的距离等而改变。如所属领域的技术人员将明白，2010年IEEE标准公众SAR极限是0.08W/kg全身，对10g组织的2W/kg局部化曝露，及对手的4W/kg局部化曝露。在VHF频率下，身体加热可主要由通过天线近磁场到导电肉体中的涡电流感应致使。所述实例的理论弧度球体距离(近场＝远场)是λ/2π＝29.464cm，且分析确实包含所有近场及远场的效应。在UHF频率下，来自天线近电场的电介质加热可更显著。在超过近场(r＞λ/2π)
2
的范围处，SAR效应是根据波展开(1/4πr)而减小，因此使到身体的距离加倍使SAR减小
4分之三或6dB。

[0072] 接着是图2的实施例的操作理论。通信装置40′实施复合天线设计，所述复合天线设计包含两种天线机构：提供组合环形天线及槽孔偶极天线的卷边及发散。天线层41′使电流卷边以提供环形且槽孔开口50′使电流发散以提供槽孔偶极。辐射是卷边及发散电流的傅立叶变换，且驱动点阻抗是根据洛兰兹辐射方程式。

[0073] 槽孔开口50′用作为分接式槽孔线传输线及其中的分布元件阻抗变压器。因此，通过调整槽孔开口50′的尺寸(特定来说，所述槽孔开口的圆形部分58′)而提供一种用以调整天线的负载电阻的方法。增大圆形部分58′的大小使负载电阻增大且减小圆形部分58′的大小则使电阻减小。外壳46的优选外径在约0.01到0.1波长范围中，且天线主要引导朝向关于自由空间波长的小用电量操作。本发明提供与此范围中的任何直径的50欧姆电阻匹配。作为背景，许多不同天线称为环形天线，但是典型环形天线可能是细线圈。举例来说，约翰·克鲁斯(John Kraus)的第二版课本“天线(Antennas)”，McGraw Hill图6到7，第245页揭示作为“一般情况环形天线”的细线圈。

[0074] 典型细线环形的限制在于其不提供一种调整独立于环形圆周的驱动点电阻的手段。本发明通过调整圆形部分58′的大小而提供独立于天线直径的电阻控制，因此提供一种方法。

[0075] 根据巴俾涅原理根据面板、槽孔及构架形状而划分平面天线。举例来说，面板偶极可包括长金属条、槽孔偶极、金属片中的槽孔及构架偶极、长形长方形线。在本发明的一些实施例中，天线是面板及槽孔的混合。举例来说，如果不使用中心孔，那么环形将是导电地填充且面板形状天线。如果中心孔足够大，那么结构将是中空的且是构架，从而形成混合面板槽孔。

[0076] 小导线环形的辐射电阻是：

[0077] Rr＝31,200(A2/λ2)2；

[0078] 其中：

[0079] A＝以平方米为单位的环形面积；及

[0080] λ＝自由空间波长。

[0081] 引用面板电阻与槽孔的布克关系：

[0082] Zs＝(377)2/Zp；

[0083] 其中：

[0084] Zs＝槽孔阻抗；及

[0085] Zp＝面板阻抗。

[0086] 将先前公式代入后面公式得出：

[0087] Rr＝(377)2/[31,200(A2/λ2)2]。

[0088] 且此近似小中心孔大小的通信装置40的辐射电阻，此对辐射效率来说可为重要的。当然，天线的驱动点电阻不同于辐射电阻，且驱动点电阻可调整到任何所要值，例如50欧姆。这是因为天线层41′是宽的且是平面的以允许键孔形槽孔开口50′在其中，键孔形槽孔开口50′用作为阻抗变压器。

[0089] 天线具有单一控制调谐，例如操作频率可通过调整键孔凹口中的电容器的值(或电介质插入件的介电常数)而简单地设定在宽范围(许多倍频带)内。天线的已实现增益涉及辐射电阻与方向性之比、辐射电阻及金属导体损耗：

[0090] Gr≈10log101.5(Rr/Rr+Rl)；

[0091] 其中：

[0092] Gr＝以dBil为单位的已实现增益；

[0093] Rr＝以欧姆为单位的天线辐射电阻；及

[0094] Rl＝以欧姆为单位的金属导体损耗电阻。

[0095] 因子1.5涉及小用电量天线的方向性，且作为背景当小用电量天线无限小时，多数环形及偶极的方向性变为1.5。已实现增益单位dBil是指关于线性极化各向同性天线的分贝。术语已实现增益包含耗散损耗及不匹配损耗的效应，然而本文假定适当地调谐及匹配阻抗。在实践中，负载电容器的损耗可为小的且在一些情况下可被忽视。本发明通过调整单一组件值：以法拉为单位的电容器值，而具有10比1的异常广的可调谐带宽。瞬间增益带宽(例如，固定调谐带宽)涉及归因于波展开率(有时称为Chu-Harrington极限1/3
kr)的天线大小。

[0096] 图9包含具曲线132的图表130，曲线132展示本发明的实例实施例的已实现增益。通信装置40的外径是常数2.54cm且其由铜导体制成。增益随频率上升是归因于辐射电阻相对导体损耗电阻而增大。

[0097] 图10包含具曲线133的图表131，曲线133展示在1000MHz下通信装置40的已实现增益。通信装置40的直径经改变以进行绘图且在较大大小处看见递增增益。大体上，较大天线提供增大的性能。本发明有利地允许连续大小及增益交换以运用此以及良好的绝对大小效率。通信装置40具有大导电表面以最小化焦耳效应损耗且可用电容器调谐，此可具有忽略不计的损耗或基本不具有损耗。

[0098] 已对本发明的实施例进行测试且发现甚至当随机定向时也能提供全球定位系统(GPS)卫星的良好接收及可用性。受测试的通信装置具有2.794cm的直径，且GPS L1频率是1575.42MHz。本发明的线性极化有利地避免当圆形极化接收天线反相时其常见的深交叉感测衰落。

[0099] 如所属领域的技术人员明白，当一起使用圆形及线性极化天线时存在恒定的3dB理论损耗，但是当使用交叉感测圆形极化天线时理论上存在无限损耗。对于随机定向天线，无法避免交叉旋转感测圆形极化衰落的发生。因此，线性极化GPS接收可为有用交换，这是因为无线电通信衰落是统计学上的且如果需要高可用性/可靠度，那么最深衰落定义所要功率。因此，本发明提供无需定标或定向以及对其他目的有用的良好集成的GPS无线电定位标签。

[0100] 有利地，通信装置40提供具围绕键孔形槽孔结构50的电流迹线卷边的就地多层PCB。对于所需应用，导电天线层41的电阻负载可通过调整键孔形槽孔结构50的大小而容易地改变。此外，多层PCB使用第一电介质层42及第二电介质层44、调谐装置47及导电被动天线调谐构件43a到43e来形成通信装置40的调谐结构。进一步就此点而言，通信装置40可以任何频率扩展到任何大小，可在广的多倍频带带宽上调谐且容易以低单位成本制造。