近水平面天线结构以及具有集成天线结构的平板显示器

摘要

本发明的名称为近水平面天线结构以及具有集成天线结构的平板显示器。近水平面天线结构包括具有设置在非导电衬底的平坦表面上的直导电迹线的上辐射元件、用作设置在平坦表面上的地平面的矩形下辐射元件以及设置在上与下辐射元件之间的馈电点。当平坦表面垂直定位时，在辐射元件上沿相反方向流动的水平电流的远场效应抵消，以便提供在水平方向具有增加的增益而在垂直方向具有降低的增益的天线方向图。平板显示器和便携通信装置也提供有集成在其中的一个或多个近水平面天线结构。

说明书

技术领域

实施例涉及天线和天线结构。一些实施例涉及具有集成天线的平板显示器。一些实施例涉及具有配置成与无线网络基站和接入点进行通信的集成天线的便携计算装置，例如膝上型、笔记本和上网本计算机。一些实施例涉及按照IEEE 802.16标准之一进行通信的全球微波接入互通(WiMAX)装置。

背景技术

例如膝上型、笔记本和上网本计算机等便携计算和通信装置一般配置有无线能力，并且包括与接入点或基站进行通信的一个或多个内部天线。这些内部天线一般提供在垂直和水平两个方向具有相似增益的天线方向图。由于接入点和基站一般位于更水平的方向，所以在垂直方向浪费了这些天线的许多增益。在水平方向具有增加的增益而在垂直方向具有降低的增益(即，更为环形(more donut shaped)的辐射图)的内部天线会更适合在便携计算和通信装置中使用，但是常规天线一般由于波形因数限制而无法提供这种辐射图。

因此，一般需要基于方向图合成方式(pattern-synthesis approach)的天线结构，它们适合于在水平方向提供增加的方向性的便携计算和通信装置。还需要平板显示器和在水平方向提供适合集成到平板显示器的增加的方向性的平面天线结构。

发明内容

本发明提供了一种近水平面天线结构，包括：上辐射元件，包括设置在非导电衬底的平坦表面上的直导电迹线；矩形下辐射元件，用作设置在所述平坦表面上的地平面；以及设置在所述上与下辐射元件之间的馈电点；其中，当所述平坦表面垂直定位时，在所述上辐射元件上沿相反方向流动的电流的远场效应抵消，并且在所述下辐射元件上沿相反方向流动的电流的远场效应抵消，以便提供在水平方向具有增加的增益而在垂直方向具有降低的增益的天线方向图。

本发明还提供了一种具有集成天线结构的平板显示器，包括：壳体；平坦显示区域；以及设置在所述壳体内的一个或多个天线结构，其中所述一个或多个天线结构包括上辐射元件、矩形下辐射元件和馈电点，其中所述上辐射元件包括设置在非导电衬底的平坦表面上的直导电迹线，所述矩形下辐射元件用作地平面并且设置在所述平坦表面上，所述馈电点设置在所述上与下辐射元件之间，其中当所述平坦显示区域和所述平坦表面垂直定位时，在所述上辐射元件上沿相反方向流动的电流的远场效应抵消，并且在所述下辐射元件上沿相反方向流动的电流的远场效应抵消，以便提供在水平方向具有增加的增益而在垂直方向具有降低的增益的天线方向图。

本发明还提供了一种无线通信装置，包括：平板显示器，其中包括壳体、平坦显示区域以及设置在所述壳体内的一个或多个天线结构；以及耦合到所述一个或多个天线结构的无线收发器，其中所述一个或多个天线结构包括上辐射元件、设置在平坦表面上的矩形下辐射元件和馈电点，以及其中当所述平坦显示区域和所述平坦表面垂直定位时，在所述上辐射元件上沿相反方向流动的电流的远场效应抵消，并且在所述下辐射元件上沿相反方向流动的电流的远场效应抵消，以便提供在水平方向具有增加的增益而在垂直方向具有降低的增益的天线方向图。

附图说明

图1是根据一些实施例的近水平面天线(near-horizon antenna)的正视图；

图2是常规天线的天线方向图与根据一些实施例的图1的近水平面天线的天线方向图之间的比较；

图3示出存在于根据一些实施例的图1的近水平面天线上的表面电流；

图4是根据一些实施例的图1的近水平面天线的远场图形(far-fieldpattern)的图表；

图5是根据一些实施例的图1的近水平面天线的远场图形的三维图示；

图6是根据一些实施例、具有集成天线结构的平板显示器；以及

图7是根据一些实施例的无线通信装置的框图。

具体实施方式

以下描述和附图充分示出具体实施例，以便使本领域的技术人员能够实施这些实施例。其它实施例可结合结构、逻辑、电气、过程和其它变更。一些实施例的部分和特征可包含在其它实施例的部分或特征中，或者作为其替代。权利要求中提出的实施例包含那些权利要求的所有可用等效方面。

图1是根据一些实施例的近水平面天线的正视图。近水平面天线结构100包括上辐射元件102、矩形下辐射元件104和馈电点110。上辐射元件102包括设置在非导电衬底108的平坦表面106上的直导电迹线。矩形下辐射元件104用作地平面，并且也可设置在平坦表面106上。馈电点110设置在上辐射元件102与下辐射元件104之间。当平坦表面106垂直定位时，在上辐射元件102上沿相反方向172流动的电流的远场效应抵消，并且在下辐射元件104上沿相反方向174流动的电流的远场效应抵消。这提供在水平方向120具有增加的增益而在垂直方向122具有降低的增益的天线方向图。天线结构100的平面配置允许它满足在便携计算和通信装置中使用的平板显示器的波形因数限制。

根据实施例，上辐射元件102和下辐射元件104以平面配置设置在与非导电衬底108的平坦表面106相同的平面中。矩形下辐射元件104可设置在上辐射元件下面的平坦表面106上。矩形下辐射元件104可用于使天线结构100匹配(match)50欧姆，这可允许天线结构100在没有匹配网络的情况下使用。在这些实施例中，各个元件的尺寸选择用于阻抗匹配以及提供环形辐射图(the dimensions of various elements are selected for impedance matching and to provide the donut-shaped radiation pattern)。

天线结构100还可包括设置在平坦表面106上的矩形导电区112、114，以便将馈电点110耦合到辐射元件的中点。馈电点110配置成允许输入信号通路(如同轴电缆103)耦合(例如焊接)到矩形导电区112、114，以便把来自馈电点(feed point)110的反相信号耦合到上辐射元件102和下辐射元件104，从而提供在上和下辐射元件沿相反方向流动的电流。如图1所示，矩形导电区112将馈电点110耦合到上辐射元件102的中心，而矩形导电区114将馈电点110耦合到辐射元件104的中心。

在一些实施例中，非导电衬底108可包括印刷电路板(PCB)，并且上和下辐射元件设置在印刷电路板的第一侧。印刷电路板的相对侧(例如背面)至少在与上辐射元件102相对的区域中没有导电材料。在这些实施例中，天线结构100是适合在平面非导电衬底、如非导电衬底108上制造的平面结构。在一些实施例中，导电材料可设置或印制到与下辐射元件104相对的非导电衬底108的反面，但这不作要求。在将天线结构100作为平板显示器的部分来提供时，可提供薄片绝缘体，以便将设置在非导电衬底108上的导电材料与平板显示器的导电元件绝缘。

在一些实施例中，上辐射元件102和下辐射元件104具有近似相等的宽度尺寸152。下辐射元件104具有比上辐射元件102的高度尺寸162实质上更大(例如大约大26倍)的高度尺寸160。上与下辐射元件之间的垂直分隔距离156可选择为波长的小部分，以便提供宽带宽上环形的天线方向图(an antenna pattern with a donut shape over a broad bandwidth)。虽然在图1中，上和下辐射元件示为具有近似相同的宽度尺寸152，但是实施例的范围并不局限于这个方面。上和下辐射元件的宽度尺寸可根据天线结构作为其中的部分的装置的波形因数而有所不同。

在一些实施例中，上辐射元件102和下辐射元件104在水平方向120具有近似操作频率的四分之一波长的宽度尺寸152(In some embodiments，the upper radiating element 102 and the lower radiating element 104 have width dimensions 152 in the horizontal directions 120 of approximately a quarter-wavelength of the frequency of operation)。垂直分隔距离156可以不大于大约0.06波长。垂直分隔距离156可选择成提供宽带宽上一致的环形天线方向图。在这些实施例中，极小垂直分隔距离165(波长的小部分)的选择允许天线结构100提供宽带宽(例如2.5至3.8GHz)上一致的环形天线方向图。

在一些实施例中，将馈电点110耦合到辐射元件的中心的矩形导电区112和114在水平方向具有大约0.02波长的宽度尺寸，上辐射元件102可在垂直方向具有大约0.01波长的高度尺寸162，以及下辐射元件104可在垂直方向具有大约0.26波长的高度尺寸160。天线结构在垂直方向的高度尺寸158可近似为三分之一波长。天线结构的高度尺寸158可以是下辐射元件104的高度尺寸160、垂直分隔距离156和上辐射元件102的高度尺寸162之和。在一些实施例中，宽度尺寸152大约为30毫米(mm)，高度尺寸158大约为40mm，以及厚度大约为0.25mm。

在一些实施例中，天线结构100的元件的尺寸可选择成使得天线方向图就在水平上方具有增加的增益。例如，天线结构100的元件可选择成使得天线方向图在相对于水平或水平面大约-10与+15度之间具有增加的增益。这种增加的增益一般可在朝WiMAX基站的天线的方向。在这些实施例中，下辐射元件104的增加的大小可选择成在略高于水平提供增加的增益(provide an increased gain slightly above the horizon)。

在一些实施例中，非导电衬底108可包括几乎任何电介质或绝缘材料，包括柔性和刚性材料。在一些实施例中，非导电衬底108可包括柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬底。导电材料可包括铜，它可采取铜薄箔的形式，但是其它导电材料是适合的。

图2是常规天线的天线方向图与根据一些实施例的图1的近水平面天线的天线方向图之间的比较。便携通信装置204可包括用于与基站202进行通信的一个或多个近水平面天线结构，例如近水平面天线结构100(图1)。便携通信装置205可包括用于与基站202进行通信的常规天线结构。由便携通信装置204的近水平面天线结构100所提供的天线方向图206在水平方向具有增加的增益而在垂直方向具有降低的增益，从而允许在基站202的方向的更大增益。由便携通信装置205的常规天线结构所提供的天线方向图207没有在基站202的方向提供更大增益。

在一些实施例中，基站202可以是WiMAX基站，并且便携通信装置204可包括用于与WiMAX基站进行通信的WiMAX收发器。下面更详细地论述这些实施例。

图3示出存在于根据一些实施例的近水平面天线100(图1)的表面电流。如图3所示，当平坦表面106垂直定位，并且当上辐射元件102的直导电迹线水平定位时，在上辐射元件102上沿相反方向172离开馈电点110(图1)水平流动的电流的远场效应以及在下辐射元件104上沿相反方向174朝馈电点110水平流动的电流的远场效应抵消，以便提供在水平方向120具有增加的增益而在垂直方向122具有降低的增益的天线方向图。如上所述，环形辐射图允许在基站202(图2)的方向的更大增益。

图4是根据一些实施例的近水平面天线100(图1)的远场图形的图表。在水平方向120的电流(即沿相反方向172(图3)的电流与沿相反方向174(图3)的电流)的向量和极小或者接近零，它在水平方向120提供最大值，而在垂直方向122(即，朝大地(即天底(nadir))和天空(即天顶(zenith)))提供零值。如图4所示，相反流动的水平表面电流的效应在远场抵消，并且产生环形辐射图。

图5是根据一些实施例的近水平面天线(图1)的远场图形的三维图示。图5所示的远场天线方向图示出在水平方向120的增加的增益以及在垂直方向122的降低的增益。

图6是根据一些实施例、具有集成天线结构的平板显示器。平板显示器600包括壳体602、平坦显示区域606以及设置在壳体602内的一个或多个天线结构604。天线结构100(图1)可适合用作天线结构604的每个，并且可包括上辐射元件102(图1)、矩形下辐射元件104(图1)和馈电点110。在这些实施例中，当平坦显示区域606和天线结构604的平坦表面106(图1)垂直定位时，沿相反方向流动的水平电流的远场效应抵消，以便提供在水平方向120具有增加的增益而在垂直方向122具有降低的增益的天线方向图。

在一些实施例中，天线结构604的地平面的至少一部分位于平坦显示区域606的后面。当平坦显示区域606垂直定位时，上辐射元件102位于显示区域606上方。平坦显示区域606的平面和天线结构的平坦表面106实质上平行，并且天线结构604的地平面可与显示区域606的地平面电绝缘。在一些实施例中，可包含薄片绝缘体以便使天线结构604的地平面与显示区域606的地平面电绝缘。

在一些实施例中，平板显示器600可包括配置成按照多输入多输出(MIMO)通信技术进行操作的天线结构604的两个或更多。在一些备选实施例中，天线结构604的两个或更多可配置或定位成作为相控阵(phased array)进行操作，但是实施例的范围并不局限于这个方面。

在一些实施例中，平板显示器600可以是独立显示器(stand-along display)。在这些实施例中，平板显示器600例如可用作台式计算机或电视机的显示器。在一些其它实施例中，平板显示器600可以是便携通信装置(例如笔记本或上网本计算机、无线电信装置(wireless telecommunication device))、如便携通信装置204(图2)的一部分。在一些实施例中，平坦显示区域606可包括液晶显示器(LCD)，但是其它类型的平坦显示区域也是适合的。

在这些实施例中，当显示器开启时，平坦显示区域606和平坦表面106可垂直定位。这可提供在水平方向120具有增加的增益而在垂直方向122具有降低的增益的天线方向图，以便与基站或接入点进行改进的通信。

在一些实施例中，提供具有集成天线结构604的笔记本计算机。笔记本计算机可包括平板显示器600，其中具有壳体602、平坦显示区域606以及设置在壳体602内的一个或多个天线结构604。笔记本计算机还可包括耦合到一个或多个天线结构604的无线收发器。天线结构100(图1)可适合用作一个或多个天线结构604的每个，并且可提供在水平方向120具有增加的增益而在垂直方向122具有降低的增益的天线方向图。在一些实施例中，笔记本计算机可以是例如主要配置用于无线网络通信的上网本计算机等无线通信装置，并且可主要依靠联机应用(online application)，但是实施例的范围并不局限于这个方面。下面更详细地描述这些实施例。

图7是根据一些实施例的无线通信装置的框图。无线通信装置700可包括无线收发器704、一个或多个天线结构604和平板显示器600，例如图6所示的一个或多个天线结构604和平板显示器600。

无线通信装置700几乎可以是配置用于无线通信的任何装置，例如个人数字助理(PDA)、具有无线通信能力的膝上型或便携计算机、笔记本或上网本计算机、万维网手写板(web tablet)、无线电话、无线耳机、寻呼机、即时消息传递装置、数码相机、接入点、电视机、医疗装置(例如心率监测器、血压监测器等)或者可无线接收和/或传送信息的其它装置。

在一些实施例中，无线收发器704可配置成通过多载波通信信道来传递正交频分复用(OFDM)通信信号。OFDM信号可包括多个正交副载波。在这些多载波实施例的一部分中，无线收发器704可以是例如无线接入点(AP)、基站或者包括无线保真(WiFi)装置的移动装置等无线局域网(WLAN)通信站的部分。在一些宽带多载波实施例中，无线收发器704可以是例如全球微波接入互通(WiMAX)通信站等宽带无线接入(BWA)网络通信站的部分。在一些其它宽带多载波实施例中，无线收发器704可以是第三代合作伙伴项目(3GPP)通用陆地无线电接入网(UTRAN)长期演进(LTE)或者长期演进(LTE)通信站，但是实施例的范围并不局限于这个方面。在这些宽带多载波实施例中，无线收发器704可配置成按照正交频分多址(OFDMA)技术进行通信。

在一些实施例中，无线收发器704可配置成按照例如包括IEEE802.11-2007和/或802.11(n)标准的电气和电子工程师协会(IEEE)标准和/或所建议的WLAN的规范等具体通信标准来接收信号，但是实施例的范围并不局限于这个方面，因为它们还可适合于按照其它技术和标准来传送和/或接收通信。在一些实施例中，无线收发器704可配置成按照无线城域网(WMAN)的IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16(e)标准(包括它们的变更和演进)来传递信号，但是实施例的范围并不局限于这个方面，因为它们还可适合于按照其它技术和标准来传送和/或接收通信。要获得关于IEEE 802.11和IEEE 802.16标准的更多信息，请参阅“信息技术的IEEE标准-系统之间的远程通信和信息交换”-局域网-具体要求-第11部分“无线LAN媒体接入控制(MAC)和物理层(PHY)，ISO/IEC 8802-11：1999”和城域网-具体要求-第16部分：“固定宽带无线接入系统的空中接口”，2005年5月，以及相关修订/版本。要获得关于UTRAN LTE标准的更多信息，参见UTRAN-LTE的第三代合作伙伴项目(3GPP)标准(版本8，2008年3月)，包括它们的变更和演进。

在一些其它实施例中，无线收发器704可配置成接收使用例如扩展频谱调制(例如直接序列码分多址(DS-CDMA)和/或跳频码分多址(FH-CDMA))、时分复用(TDM)调制和/或频分复用(FDM)调制等一种或多种其它调制技术所传送的信号，但是实施例的范围并不局限于这个方面。

“摘要”是根据要求允许读者确定技术公开的性质和要点的摘要的37C.F.R.第1.72(b)小节来提供的。应当理解，它的提供并不是用于限制或解释权利要求书的范围或含义。以下权利要求书特此结合到具体实施方式中，其中各权利要求本身代表单独的实施例。