用于提高天线自匹配和带宽的改进的接地面方案

摘要

一种天线设计技术，其允许天线在支持多频带和宽带操作的同时进行自匹配。该技术包括：添加电耦合到接地面的、凸起且弯曲的接地面部分。弯曲的该接地面部分允许表面电流的平滑过渡，因此实现了更宽的带宽。还可以使用位于接地面与接地面部分之间的缝隙，以进一步提高天线带宽。该技术不增加天线厚度及其体积，因此允许应用在诸如翻盖电话之类的纤细的手持设备应用中。使用该技术使得窄带天线成为宽带，以覆盖关注的若干频带。将该技术应用到四频带天线，以加宽其带宽，变成七频带天线。该技术还被用于改善在其支持的全部七个频带上的天线匹配。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年12月10日提交的美国专利申请 No.12/965,300的权益和优先权。在此通过引用的方式将上述专利申请 的内容明确并入本申请的具体实施方式中。

技术领域

本发明总体上涉及无线通信领域，且更具体地涉及用于提高天线自 匹配和带宽的改进的接地面方案的设计和实现。

背景技术

期望手持设备操作和支持不同的通信标准和技术。在存在诸如GSM 800/900/1800/1900、UMTS2100、蓝牙2450MHz和3GPP LTE标准(预 期操作在700MHz和/或2600MHz)之类的若干通信标准的情况下，对于 天线设计者而言存在不断上升的开发支持全部上述频带且使得天线适合 小型的、纤细的、且流行的设备的天线设计的压力。附加要求是提出符 合LTE标准支持双接收天线的手持设备。

开发提供多频带/宽带性能并且同时维持薄形(low profile)和紧 凑尺寸的天线的尝试可能是具有挑战性的。为了实现良好的天线宽带自 匹配，已经提出了具有将单极折叠进其接地面从而创建二维平面结构的 理念的特定天线。该方案的一个可能缺点是天线将占据PCB板上大量表 面。另外，天线将不具有小于3GHz的可用带宽。已经提出包括将接地面 折叠90度以形成类角反射器(corner-like reflector)的理念的其他 天线。尽管该方案可能改进天线性能，但是该理念仍然是传统方案，其 并未实现真正的宽带性能。

附图说明

通过参考附图，本领域技术人员可以更好地理解本发明，并且本发 明的众多目的、特征和优点将变得明显。在若干附图中使用相同的附图 标记来表示相似或类似的元素。

图1示出了根据本发明的天线的侧视图。

图2示出了根据本发明的天线的立体图。

图3示出了根据本发明的天线的示例性能的图。

图4A～4D示出了在根据本发明的天线内的电流分布的立体图。

图5示出了可以在其中实现本发明的示例系统；

图6示出了包括用户设备(UE)的实施例在内的无线通信系统；

图7是包括数字信号处理器(DSP)在内的示例UE的简化框图；以 及

图8是可以由DSP实现的软件环境的简化框图。

具体实施方式

提出了一种天线设计技术，其允许天线在支持多频带和宽带操作的 同时进行自匹配。该技术不增加天线厚度及其体积，因此允许应用在诸 如翻盖电话之类的纤细的手持设备应用中。使用该技术使得窄带天线成 为宽带，以覆盖关注的若干频带。将该技术应用到四频带(quad-band) 天线，以加宽其带宽，变成七频带(sept-band)天线。该技术还被用于 改善在其支持的全部七个频带上的天线匹配。

该技术允许窄带天线变得更宽，使得其支持更多的频带。例如，可 以使支持800/900/1800/1900MHz的四频带天线变成支持GSM 800/900/1800/1900、UMTS2100、蓝牙2450和所提议的LTE2600MHz 频带的七频带天线。

应用到具体天线的该技术在不增加天线体积或厚度的情况下极大地 改善了天线的多频带和宽带性能。

现在将参考附图来详细描述本发明的各说明性实施例。尽管在下面 的描述中阐述了众多细节，但是应该明白：可以在没有这些具体细节的 情况下实施本发明，并且可以对本文描述的发明做出众多实现特定的决 定，以实现发明人的特定目的，诸如服从工艺技术或设计相关的约束， 其将根据不同的实现而变化。尽管这种开发努力可能是复杂且耗时的， 但是无论如何其是受益于本公开的本领域技术人员所执行的例行工作。 例如，以框图和流程图形式(而不是详细)示出了所选方面，以便避免 限制或模糊本发明。另外，本文提供的具体实施方式的一些部分是以对 计算机存储器内的数据的算法和操作的方式来提出的。本领域技术人员 使用这种描述和表示来描述其工作内容并且将其传递给其他技术人员。

如本文所使用的，“组件”、“系统”等旨在指代与计算机相关的实体， 无论其是硬件、硬件和软件的组合、软件或者执行中的软件。例如，组 件可以是，但不限于：处理器上运行的进程、处理器、对象、可执行程 序、执行的线程、程序、或者计算机。作为示例说明，计算机上运行的 应用和计算机自身都可以是组件。一个或多个组件可以驻留在进程或者 执行的线程中，并且组件可以位于一个计算机上，或者分布在两个或更 多个计算机之间。

如本文所使用的，术语“用户设备”和“UE”可以指代无线设备， 诸如移动电话、智能电话、个人数字助理(PDA)、手持或膝上型计算机， 以及具有电信能力的类似设备或其他用户代理(“UA”)。在一些实施例中， UE可以指代移动无线设备。术语“UE”还可以指代具有类似能力但是一 般不易便携的设备，诸如台式计算机、机顶盒、或者网络节点。

本文使用的术语“制造品”(或者，备选地，“计算机程序代码”)旨 在涵盖可从任何计算机可读设备或介质访问的计算机程序。例如，计算 机可读介质可以包括但不限于磁存储设备(如硬盘、软盘、磁带等)、光 盘(如高密度盘(CD)或者数字多功能盘(DVD))、智能卡、以及闪存设 备(如，卡、棒等)。

单词“示例”在本文中用于表示用作示例、实例或者说明。本文中 描述为“示例”任何方面或设计不一定解释为与其他方面或设计相比是 优选的或有利的。本领域技术人员将认识到：在不脱离所要求保护的主 题的范围、精神或意图的情况下可以对该配置做出许多修改。此外，可 以使用用以产生软件、固件、硬件或其任意组合的标准编程和工程技术 将所公开的主题实现为系统、方法、设备或制造品，以控制计算机或基 于处理器的设备来实现本文详细描述的方面。

参考图1和图2，示出了天线的侧视图和立体图。天线100包括位 于接地面112与辐射天线元件114之间的相对小且实质上正交的接地面 部分110。在特定实施例中，接地面部分110与接地面112具有实质上 相同的深度，并且与辐射天线元件114实质上一样宽。更具体地，在特 定实施例中，接地面部分是1.5mm深(+/-0.5mm)以及7.5mm宽(+ /-1.5mm)。接地面部分110的宽度在辐射元件的宽度的+/-20％内(例 如参见图2)。另外，接地面112是60mm宽(+/-10mm)。因此，接 地面部分110的宽度实质上小于接地面112的宽度。

接地面的大小影响天线性能。更具体地，较大的接地面可以放宽天 线设计及其性能。然而，手持设备的接地面大小始终受到手持设备外形 尺寸的限制。在本天线中，将延伸的接地面部分110定位为实质上垂直 于接地面112和辐射元件114，从而事实上增大了接地面大小，并因此 提高了天线性能。这样的定位使得总的接地面大小保持相同，且因此使 得手持设备保持相同。

在特定实施例中，接地面部分110是平坦的，并且与接地面112形 成实质上是90度的角。在其他实施例中，接地面部分110是弯曲的和/ 或在远离接地面的方向上逐渐变细，以引导向天线100提供的由任意射 频(RF)源所激励的传播波。接地面部分110的弯曲使得接地面部分的 与耦合到接地面112的一部分的端部相反的那端垂直于接地面112。通 过提供弯曲的接地面部分110，导波观察到的第一不连续是平滑的不连 续，而不是突变不连续。通过创建该平滑的不连续，消除了在第一不连 续处经常出现的强的背反射，并且导波的能量被传给天线并且向远处辐 射。这得到非常宽带的匹配性能。

接地面部分110被定位在将辐射元件114与接地面112分开的缓冲 区域120中。即，包括天线自身和缓冲体积二者在内的天线专用体积不 会超过未添加接地面部分的这种天线的体积。

在特定实施例中，改进的接地面部分110被部分蚀刻在与水平接地 面的相交处，以提供在改进的接地面部分110与接地面112之间的缝隙 130，其中经由宽度约为1mm(+/-0.2mm)的短路引脚(shorting pin) 132将改进的接地面部分110与接地面112进行电耦合。该短路引脚提 供附加的电流路径，使得该改进的接地面部分110用作进一步提高宽带 频率处的天线匹配的平衡-不平衡转换器(balun)。因此，该短路引脚使 得辐射元件114中的电流反转(counter)。在特定实施例中，将该短路 引脚定位为沿着改进的接地面部分110的边缘134和接地面112的边缘 136。其中，边缘134和136是相对于辐射元件114的外边缘来确定的。

在特定实施例中，辐射元件114还包括单极微带辐射体馈电元件140。 该单极微带辐射体馈电元件140还包括与接地面112分离的但平行定位 的部分142，使得辐射体馈电元件140与接地面112之间出现激励。单 极辐射体馈电元件140还包括弯曲部分144，其与改进的接地面部分110 的弯曲相平行地延伸。

图3示出了根据本发明的天线的示例性能的图。图3的图中的虚线 表示初始的四频带天线性能。图3的图中的实线表示具有改进的接地面 部分110的七频带天线100的改进性能。如示例性能所示，改进的接地 面技术(MGP)显著改善了天线匹配，其中在不需使用复杂匹配的集总元 件网络的情况下可以证明在所有关注频带(例如，从800MHz到2.4GHz 的频带)上的极好的匹配特性。

图4A～4D示出了根据本发明的天线内的电流分布的立体图。具体地， 图4A、4B、4C和4D分别示出了在980MHz、1700MHz、2000MHz和2500 MHz处的电流分布的立体图。根据这些电流分布，可以看出天线100呈 现了具有随着频率平滑过渡的电流，其使得该结构是宽带的。还可以看 出，向天线110提供在改进的接地面部分110与接地面112之间的蚀刻， 提供了对天线结构上的电流进行平衡的附加电流路径，并且提供进一步 的宽带性能。

图5示出了适合于实现本文公开的一个或多个实施例的系统500的 示例。在各种实施例中，系统500包括：处理器510(其可被称为中央 处理单元(CPU)或数字信号处理器(DSP))、网络连接设备520、随机 存取存储器(RAM)530、只读存储器(ROM)540、辅助存储器550、以 及输入/输出(I/O)设备560。在一些实施例中，这些组件中的一些可 以不存在，或可以将其彼此或与图中未示出的其他组件以各种结合方式 加以结合。这些组件可以位于单一物理实体中，或位于多于一个物理实 体中。可以由处理器510单独或由处理器510与图5中示出或未示出的 一个或多个组件一起来进行本文中描述为由处理器510所采取的任何行 动。

处理器510执行其可以从网络连接设备520、RAM530或ROM540 中访问的指令、代码、计算机程序或脚本。尽管仅示出了一个处理器510， 多个处理器可以存在。因此，尽管可以将指令讨论为由处理器510执行， 但是可以由一个或多个处理器510同时、串行、或以其他方式执行指令， 其中处理器510可被实现为一个或多个CPU芯片。

在各种实施例中，网络连接设备520可以采用以下形式：调制解调 器、调制解调器组、以太网设备、通用串行总线(USB)接口设备、串行 接口、令牌网设备、光纤分布式数据接口(FDDI)设备、无线局域网(WLAN) 设备、射频收发信机设备，比如码分多址接入(CDMA)设备、全球移动 通信系统(GSM)无线收发信机设备、微波接入的全球可互操作性(WiMAX) 设备、和/或其它众所周知的用于连接网络的设备。这些网络连接设备 520可以使得处理器510能够与互联网或者一个或者多个电信网络或与 处理器510可以接收信息或处理器510可以输出信息的其他网络进行通 信。

网络连接设备520还能够以电磁波(比如射频信号或微波频率信号) 的形式无线发送和/或接收数据。由网络连接设备520发送或接收的信息 可以包括已由处理器510处理的数据，或要由处理器510执行的指令。 可以根据用于处理或产生数据或发送或接收数据所需要的不同顺序对数 据排序。

在各种实施例中，RAM530可以用于存储易失性数据以及由处理器 510执行的指令。图5中示出的ROM540可以用于存储指令以及还可能 用于存储可能在指令执行期间读取的数据。对RAM530和ROM540的访 问一般快于对辅助存储器550的访问。辅助存储器550一般包括一个或 者多个盘驱动器或者带驱动器，并且可以用于数据的非易失性存储，或 如果RAM530不够大到足以容纳所有工作数据时，辅助存储器550还要 用作溢出数据存储设备。辅助存储器550可以用于存储程序，当选择执 行这样的程序时将该程序加载至RAM530。I/O设备560可以包括液晶显 示器(LCD)、触摸屏显示器、键盘、键区、开关、拨号盘、鼠标、轨迹 球、语音识别器、读卡器、纸带读取器、打印机、视频监视器、或者其 它众所周知的输入/输出设备。

图6示出了包括用户设备(UE)602的实施例在内的无线通信系统。 尽管说明为移动电话，但是UE602可以采用各种形式，包括无线手机、 寻呼机、个人数字助理(PDA)、便携式计算机、平板计算机、膝上型计 算机。很多合适的设备结合了一些或者所有这些功能。在一些实施例中， UE602不是类似于便携式、膝上型或者平板计算机的通用计算设备，而 是专用通信设备，比如移动电话、无线手机、寻呼机、PDA或安装在车 辆中的通信设备。UE602还可以是包括具有类似能力但是不可携带的设 备、包括这种设备或被包括在这种设备中，比如台式计算机、机顶盒或 网络节点。在这些或其他实施例中，UE602可以支持特殊活动，比如游 戏、库存控制、作业控制和/或任务管理功能等等。

在各种实施例中，UE602包括显示器604。UE602还包括触敏表面、 键盘或者统称作606的用于用户输入的其它输入按键。在这些或其他实 施例中，键盘可以是完全或者简化的字母数字键盘(比如QWERTY、Dvorak、 AZERTY、以及顺序键盘类型)或者具有与电话键区相关联的字母的传统 数字键区。而且，输入按键可以包括滚轮、退出或者逃生键、轨迹球、 以及可以向内按动以提供其它输入功能的其它导向或者功能按键。UE 602还可以呈现让用户选择的选项、让用户致动的控制、以及让用户定 向的光标或者其它指示符。

UE602还可以接受来自用户的数据输入，包括拨打的号码或者用于 配置UE602的操作的各种参数值。响应于用户命令，UE602还可以执 行一个或者多个软件或者固件应用。这些应用可以将UE602配置为响应 于用户交互以执行各种定制功能。此外，可以从例如无线基站610、服 务器616、无线接入点608或对等UE602对UE602空中(OTA)编程和 /或配置。

在UE500可执行的各种应用中有web浏览器，其使得显示器604 可以显示网页。可以经由与无线网络接入节点608(诸如小区塔)、对等 UE602或者任意其它无线通信网络612或者系统的无线通信来获得网页。 在各种实施例中，无线网络612与有线网络614(比如互联网)相耦合。 经由无线链路612和有线网络614，UE602具有对各种服务器上(比如 服务器616)上的信息的访问。服务器616可以提供可以在显示器604 上显示的内容。备选地，UE602可以通过作为中间设备的对等UE602， 以中继类型或跳类型的连接来访问网络。本领域技术人员将认识到许多 这种实施例是可能的，并且前述内容不意在限制本公开的精神、范围或 目的。

图7描述了可以在其中实现本发明的示例用户设备(UE)602的框 图。尽管示出了UE602的各种组件，但是UE602的各种实施例可以包 括已列出的组件的子集和/或未列出的附加组件。如图7中所示，UE602 包括数字信号处理器(DSP)702以及存储器704。如图所示，UE602还 可以包括天线和前端单元706(其可以包括例如天线100)、射频(RF) 收发信机708、模拟基带处理单元710、麦克风712、耳机扬声器714、 头戴式耳机端口716、输入/输出接口718、可拆卸式存储器卡720、通 用串行总线(USB)端口722、短距无线通信子系统724、警报726、键 区728、液晶显示器(LCD)730(其可以包括触敏表面)、LCD控制器732、 电荷耦合器件(CCD)像机734、像机控制器736以及全球定位系统(GPS) 传感器738。在各种实施例中，UE602可以包括不提供触敏屏幕的另一 种显示器。在实施例中，DSP702可以与存储器704直接通信，而不需 要经过输入/输出接口718。

在各种实施例中，DSP702或者某种其它形式的控制器或者中央处 理单元根据存储器704中或DSP702本身中包含的存储器中存储的嵌入 式软件或者固件来控制UE602的各种组件。除了嵌入式软件或者固件之 外，DSP702还可以执行在存储器704中存储的其它应用或者经由信息 载体介质(比如便携式数据存储介质，如可拆卸式存储器卡720)可用 或者经由有线或者无线网络通信可用的其它应用。应用软件可以包括配 置DSP702以提供所需功能的机器可读指令的编译集合，或者应用软件 可以是由解释器或者编译器处理以间接配置DSP702的高级软件指令。

可以提供天线和前端单元706以在无线信号和电信号之间转换，使 得UE602能够从蜂窝网络或者某个其它可用无线通信网络或者对等UE 602发送和接收信息。在实施例中，天线和前端单元506可以包括多根 天线以支持波束成形和/或多输入多输出(MIMO)操作。如本领域技术人 员已知的，MIMO操作可以提供空间分集，其用于克服困难的信道条件和 /或增加信道吞吐量。天线和前端单元706还可以包括天线调谐和/或阻 抗匹配组件、RF功率放大器、和/或低噪放大器。

在各种实施例中，RF收发信机708提供频率偏移、将接收的RF信 号转换为基带并且将基带发送信号转换为RF。在一些描述中，可以将无 线收发信机或RF收发信机理解为包括其他信号处理功能，比如调制/解 调、编码/解码、交织/解交织、扩频/解扩、快速傅立叶反变换(IFFT) /快速傅立叶变换(FFT)、循环前缀添加/移除、以及其他信号处理功能。 为了清楚起见，本描述此处将对该信号处理的描述与RF和/或无线级分 离，并概念上将该信号处理分配给模拟基带处理单元710和/或DSP702 或其他中央处理单元。在一些实施例中，可以将RF收发信机508、天线 和前端706的部分、以及模拟基带处理单元710结合在一个或多个处理 单元和/或专用集成电路(ASIC)中。

模拟基带处理单元710可以提供对输入和输出的各种模拟处理，例 如对来自麦克风712和耳机716的输入以及对给耳机714和头戴式耳机 716的输出的模拟处理。为此，模拟基带处理单元710可以具有用于连 接至内建麦克风712和耳机714的端口，使得可以将UE602作为蜂窝电 话使用。模拟基带处理单元710还可以包括用于连接头戴式耳机或者其 它免提麦克风和扬声器配置的端口。模拟基带处理单元710可以在一个 信号方向上提供数模转换，并在相反的信号方向上提供模数转换。在各 种实施例中，可以由数字处理组件，例如DSP702或其他中央处理单元， 来提供模拟基带处理单元710的至少一些功能。

DSP702可以执行调制/解调、编码/解码、交织/解交织、扩频/解 扩、快速傅立叶反变换(IFFT)/快速傅立叶变换(FFT)、循环前缀添加 /移除、以及与无线通信相关联的其他信号处理功能。在实施例中，例如 在码分多址接入(CDMA)技术应用中，对于发射机功能，DSP702可以 执行调制、编码、交织和扩频，对于接收机功能，DSP702可以执行解 扩、解交织、解码和解调。在另一实施例中，例如在正交频分复用接入 (OFDMA)技术应用中，对于发射机功能，DSP702可以执行调制、编码、 交织、快速傅立叶反变换、以及循环前缀添加，对于接收机功能，DSP702 可以执行循环前缀移除、快速傅立叶变换、解交织、解码、以及解调。 在其他无线技术应用中，可以由DSP702执行其他信号处理功能和信号 处理功能的组合。

DSP702可以经由模拟基带处理单元710与无线网络通信。在一些 实施例中，该通信可以提供互联网连接，使得用户可以获得对互联网上 的内容的访问并且可以发送和接收电子邮件或文本消息。输入/输出接口 718将DSP702与各种存储器和接口互连。存储器704和可拆卸式存储 器卡720可以提供软件和数据以配置DSP702的操作。这些接口中可以 有USB接口722以及短距无线通信子系统724。USB接口722可以用于向 UE602充电并且还可以使得UE602能够作为外围设备与个人计算机或 者其它计算机系统交换信息。短距无线通信子系统724可以包括红外端 口、蓝牙接口、遵循IEEE802.11的无线接口、或者任何其它短距无线 通信子系统，可以使得UE602可以无线地与其它附近的移动设备和/或 无线基站进行通信。

输入/输出接口718还可以将DSP702与警报726相连，当触发警报 726时，警报726引起UE602通过例如振铃、播放乐曲、或者振动向用 户提供通知。警报726可以作为用于通过无声振动或者通过播放预先分 配给特定主叫方的特定乐曲，向用户提示任意的各种事件(比如呼入呼 叫、新的文本消息、以及约会提醒)的机制。

键区728经由I/O接口718与DSP702相耦合，以向用户提供进行 选择、输入信息以及以其他方式提供对UE602的输入的一个机制。键盘 728可以是完全或简化的字母数字键盘(比如QWERTY、Dvorak、AZERTY 以及顺序类型的)或者具有与电话键区相关联的字母的传统数字键区。 输入按键可以包括滚轮、退出或者离开键、轨迹球、以及可以向内按动 该键以提供其它输入功能的其它导向或者功能按键。另一输入机制可以 是LCD730，可以包括触摸屏能力并且还向用户显示文本和/或图形。LCD 控制器732将DSP702与LCD730相耦合。

CCD像机734(如果配备)使得UE602可以拍摄数字图片。DSP702 经由像机控制器736与CCD像机734通信。在另一实施例中，可以使用 根据除了电荷耦合器件像机之外的技术来操作的像机。GPS传感器738 与DSP702相耦合以对全球定位系统信号进行解码，从而使得UE602 能够确定其位置。还可以包括各种其它外围设备以提供附加功能，例如 无线电和电视接收。

图8示出了可以由DSP702实现的软件环境802。DSP702执行提供 了平台的操作系统驱动程序804，其余软件可以在该平台上运行。操作 系统驱动程序804向UE602硬件的驱动程序提供可由应用软件访问的标 准化接口。操作系统驱动程序804包括在UE602上运行的应用之间转移 控制的应用管理服务(AMS)806。同样如图8所示的是web浏览器应用 808、媒体播放器应用810以及Java小应用812。Web浏览器应用808 将UE602配置为作为网页浏览器操作，允许用户向表单中输入信息并且 选择链接以检索并查看网页。媒体播放器应用810将UE602配置为检索 并播放音频或者视听媒体。Java小应用812将UE602配置为提供游戏、 工具以及其它功能。组件814可以提供本文所述的功能。UE602、基站 610以及本文描述的其他组件可以包括能够执行与上述动作有关的指令 的处理组件。