用于无线通信装置的频率选择性多频带天线

摘要

本发明描述一种具有跨越广范围的操作频带的改进的天线效率且具有减小的物理大小的多频带天线。所述多频带天线包括耦合到多个天线负载元件的经修改的单极元件，所述多个天线负载元件可按可变方式选择以调谐到多个谐振频率中的一者。在一个示范性实施例中，所述经修改的单极元件具有不同于传统单极元件的几何形状的几何形状且包括开关阵列，所述开关阵列安置于所述经修改的单极元件与所述多个天线负载元件之间，且经配置以在调谐到所述多个谐振频率中的所要一者时，将所述天线负载元件中的选定的一者或一者以上耦合到所述经修改的单极元件。通过无线通信装置在所述多个天线负载元件当中进行选择以用于在操作频带之间调谐所述多频带天线，而控制所述多频带天线的谐振频率。

说明书

技术领域

本发明大体来说涉及射频(RF)天线，且更特定来说涉及多频带RF天线。

背景技术

随着对新特征和更高数据输送量的需求日益增加，无线通信装置的无线电和所支持 的频带的数目持续增加。新特征的一些实例包括多个语音/数据通信链路-GSM、CDMA、 WCDMA、LTE、EVDO-各自处于多个频带(CDMA450、US蜂窝式CDMA/GSM、US PCS  CDMA/GSM/WCDMA/LTE/EVDO、IMT CDMA/WCDMA/LTE、GSM900、DCS)、短程 通信链路(蓝牙(Bluetooth)、UWB)、广播媒体接收(MediaFLO、DVB-H)、高速因特 网接入(UMB、HSPA、802.11a/b/g/n、EVDO)和位置定位技术(GPS、伽利略(Galileo))。 就无线通信装置中的这些新特征中的每一者来说，无线电和频带的数目递增式地增加， 且支持每一频带的多频带天线以及可能多个天线(用于接收和/或发射分集)的复杂性和 设计挑战可能显著增加。

多频带天线的一个传统解决方案是设计在多个频带中谐振的结构。控制多频带天线 输入阻抗以及增强天线辐射效率(跨越广泛范围的操作频带)受多频带天线结构的几何 形状和无线通信装置内的多频带天线与无线电之间的匹配电路限制。常常，当采用此设 计方法时，天线结构的几何形状极其复杂，且天线的物理面积/体积增加。

针对对于设计具有高天线辐射效率的多频带天线和相关联的匹配电路的限制，另一 解决方案是利用多个天线元件来覆盖多个操作频带。在特定应用中，具有US蜂窝式、 US PCS和GPS无线电的蜂窝式电话可针对每一操作频带利用一个天线(每一天线在单 一射频频带中操作)。此方法的缺点是多个单频带天线元件的额外面积/体积和额外成本。

在多频带天线的某些应用中，多频带天线的匹配按电子方式被调整(通过单极多掷 开关)以选择在特定操作频带下对于多频带天线(具有50欧姆)的最佳匹配；即，在 US蜂窝式、US PCS和GPS之间仅为一个实例。随着更多频带被添加，此多频带天线性 能可能降级，因为多频带天线结构不会针对不同操作频带而改变。

对于无线通信装置来说，需要一种具有跨越广范围的操作频率的改进的辐射效率而 无传统设计的大小不良后果(size penalty)的多频带天线。

附图说明

图1展示传统单极天线的三维图。

图2展示多频带天线的二维图。

图3展示多频带天线的三维图。

图4展示具有四个多频带天线的便携式计算机的图。

图5展示具有两个多频带天线的手持式无线通信装置的图。

图6展示便携式计算机配置的多频带天线效率(450MHz到1000MHz)的曲线图。

图7展示便携式计算机配置的多频带天线效率(1000MHz到6000MHz)的曲线图。

图8展示手持式无线通信装置配置的多频带天线效率(450MHz到1000MHz)的 曲线图。

图9展示手持式无线通信装置配置的多频带天线效率(1000MHz到6000MHz)的 曲线图。

为促进理解，在可能的情况下已使用相同参考数字来指代各图式所共同的相同元 件，除了在适当时可添加后缀来区分此类元件。图式中的图像出于说明性目的而简化， 且未必按比例描绘。

附图说明本发明的示范性配置，且因而不应被视为限制本发明的范围，本发明的范 围可承认其它同样有效的配置。相应地，已预期，在无进一步叙述的情况下一些配置的 特征可有益地并入于其它配置中。

具体实施方式

词语“示范性”在本文中用以表示“充当一实例、例子或说明”。本文中描述为 “示范性”的任何实施例未必解释为比其它实施例优选或有利。

下文结合附图阐述的具体实施方式希望作为对本发明的示范性实施例的描述且不 希望表示其中可实践本发明的仅有实施例。贯穿此描述所使用的术语“示范性”表示 “充当一实例、例子或说明”，且未必解释为比其它示范性实施例优选或有利。出于提 供对本发明的示范性实施例的透彻理解的目的，具体实施方式包括特定细节。所属领域 的技术人员将显而易见，可在无这些特定细节的情况下实践本发明的示范性实施例。在 一些例子中，以框图形式展示众所周知的结构和装置以免混淆本文中所呈现的示范性实 施例的新颖性。

本文中所描述的装置可用于各种多频带天线设计，包括(但不限于)用于蜂窝式、 PCS和IMT频带以及例如CDMA、TDMA、FDMA、OFDMA和SC-FDMA等空中接口 的无线通信装置。除了蜂窝式、PCS或IMT网络标准和频带外，此装置还可用于局域或 个域网标准、WLAN、蓝牙(Bluetooth)和超宽带(UWB)。

现代无线通信装置针对多种应用需要天线以发射和接收射频信号。在许多设计中， 无线通信装置天线包括置于无线通信装置接地平面上方的一个或一个以上单极元件。如 果天线结构的电长度在所要操作频率下谐振，那么单极天线元件提供足够的天线增益。 无线通信装置和天线可并入于手持式装置(用于语音应用的蜂窝式电话、便携式视频电 话、智能型电话、追踪GPS+WAN装置等)和便携式计算装置(膝上型计算机、笔记本 计算机、平板型个人计算机、上网本(netbook)等)中。

图1展示传统单极天线的三维图。单极天线10是通过用垂直于(在三个维度中) 辐射单极天线元件12的接地平面22替换偶极天线的下半部而形成的一种类型的无线电 天线。如果接地平面22较大(就在所要射频下的波长来说)，那么辐射单极天线元件12 表现完全像偶极，如同其在接地平面22中的反射形成偶极的所缺失的一半。

单极天线系统10在由单极天线元件12的电长度L界定的谐振频率下在理想状况下 将具有3dBi的定向增益。单极天线10还将具有如在天线端口14与接地平面22之间所 测量(在RF端口20处所测量)的比在RF I/O源24处所测量低的输入电阻，从而导致 总体较低的天线效率。

可利用电感器-电容器匹配网络(LC 16)变换单极天线元件12的输入阻抗以使之与 RF I/O源24匹配来改进天线效率(如在天线端口18处所测量)。然而，LC 16将仅提供 在一个操作射频下的最佳阻抗匹配，且LC 16将引入与真实电路中的电感器和电容器两 者的质量(Q)相关联的损耗(在插入损耗方面)。

电长度可以导线长度L实现。视无线通信装置的接地平面尺寸而定，导线长度L通 常为自由空间中的操作频率的四分之一波长(或大于四分之一波长)。在一个设计实例 中，如果导线长度L等于操作频率的四分之一波长，那么单极天线元件12的如在天线 端口18处所测量的输入阻抗将为大约50欧姆且与RF I/O源24匹配。

图2展示根据示范性实施例的多频带天线100的二维图。

多频带天线100形成于柔性印刷电路板104上，对于特定无线通信装置应用来说， 多频带天线100包括经修改的单极元件110a，经修改的单极元件110a具有压痕112a、 112b、114a和114b以便以正确尺寸折叠经修改的单极天线元件110a。

在一个示范性实施例中，经修改的单极元件110a的长度L为25mm，高度H为11 mm，且在折叠时，多频带天线100的总尺寸为25mm×7mm×5mm。不同操作频带配置 可能需要其它物理尺寸。无线通信装置的不同或物理约束可能需要其它物理形状，且其 它物理形状可由如图3中所示的二维或三维中所形成(例如，冲压得到)的金属化结构 来以物理方式表示。此类二维形状或三维形状可包括(但不限于)椭圆形、半椭圆形或 四分之一椭圆形、矩形、圆形、半圆形、弯曲微带(micro-strip)发射线和多边形。另 外，参考接地平面(图2到图3中的接地平面134)可能不垂直于(在3个维度中)单 极天线元件110a，然而，天线效率和辐射样式将相对于先前在图1中所示的传统单极天 线10更改。在两个例子中-天线物理尺寸和参考接地平面配置，所得天线结构在本发明 内被称作经修改的单极元件(图2中的经修改的单极元件110a和图3中的经修改的单 极元件110b)。可冲压得到和/或形成金属结构。

多频带天线100包括天线匹配组件116和118，以变换跨越一频率范围在第一射频 输入142处所测量的经修改单极元件110a的阻抗，以使之与如在外部射频(RF)端口 122处所测量的RF I/O端口136的阻抗匹配。在所述示范性实施例中，天线匹配组件116 沿着经修改的单极元件110a的右下边缘连接到外部射频(RF)端口122和接地平面134。 接地平面134整体或部分地连接到或共享无线通信装置的接地平面(如图4和图5中所 示)。天线匹配组件118与外部射频(RF)端口122和在经修改的单极元件110a与天线 匹配组件116之间的第一射频输入142串联连接。RF I/O端口136经连接为跨越多频带 天线100外部射频(RF)端口122(正信号节点)与RF接地节点124(接地或负信号 节点)。

如图2中所示，通过控制单极五掷开关(开关128)的位置而改变多频带天线100 的操作频带。开关128的共同端口连接到DC阻隔电容器126。DC阻隔电容器126连接 于开关128的共同端口与第二射频输入138处的经修改的单极元件110a之间。开关128 的五个个别端口各自连接到天线负载元件集合中的对应一者，在本实例中所述集合展示 成包含天线负载电容器132a、132b、132c、132d和132e。针对特定操作频带选择每一 天线负载电容器的值以实现在每一例子中的最佳带宽和中心频率。

第二射频输入138-其中DC阻隔电容器126连同开关128一起连接到经修改的单极 元件110a且天线负载电容器132a到132e连接到接地平面134-可从左向右移位以优化 多频带天线100的带宽和中心频率。选定操作频带的带宽由多频带天线100和(在某种 程度上)连接到接地平面134的无线通信装置的参考接地平面的物理尺寸界定。

开关128的开关控制未图示，但通常为用于使天线负载电容器132a到132e中的个 别天线负载电容器能够经由串联DC阻隔电容器126连接到第二射频输入138的数字信 号集合。控制信号源自多频带天线100为其一部分的无线通信装置(图3中的312或图 4中的406)。可添加额外多频带天线以用于在多个频带中同时操作、针对更高输送量应 用的接收和/或发射分集(EVDO、HSPA、802.11n为几个实例)。

开关128可用离散开关电路(SPST、SP2T、SP3T等及其组合)替换，且RF共同 输入和RF负载输出端口的数目可基于操作频带的数目、多频带天线100的所需带宽和 辐射效率而改变。

在替代示范性实施例中，多个开关位置同时改变以减去或添加多个天线负载电容 器，借此增加可能的操作频带的数目。仅在存在从每一共同开关端口到接地的DC电流 路径的情况下才需要DC阻隔电容器126。

另外，可用不同数目个集总或分散的负载元件替换天线负载电容器132a到132e(视 开关128的操作频带的数目而定)。特定来说，可用电压可变电容器、电感器或电感器 与电容器的串联或并联组合(LC电路和集成LC电路)或者等效天线负载元件替换天线 负载电容器。个别天线负载电容器、电感器或LC电路(天线负载元件)的物理位置可 在经修改的单极元件110a、开关128与接地平面134之间的间隙之间的任何位置处。在 示范性实施例中，个别天线负载电容器在接地平面134与开关128个别RF负载端口之 间连接。

图2的多频带天线100展现天线辐射效率的实质改进且允许一个多频带天线100(i) 替换用于不同操作频带的多个单频带天线(图1中所示)的功能性，以及(ii)减小天 线系统的大小。因此，电路板平面规划(floor-plan)和布局简化，无线通信装置的大小 减小，且最终无线通信装置的特征和形式增强。

图3展示根据示范性实施例的多频带天线200a的三维图。来自图2的多频带天线 100与图3中的200a之间的唯一差别在于：用经折叠的经修改的单极元件110b替换经 修改的单极元件110a以展示多频带天线200a可如何出现于如在所述示范性实施例中所 示的三维中，以改变图3中所示的多频带天线200a相对于图2的多频带天线100的物 理体积和尺寸。

图4展示根据如先前在图2和图3中所示的示范性实施例的具有四个多频带天线 200a(各两个)和200b(各两个)的便携式计算机300的图。每一多频带天线可在一频 率范围上调谐以覆盖所有可能的通信模式和操作频带。可视同时通信模式的数目而将个 别多频带天线调谐到不同操作频带或同一操作频带。举例来说，一个多频带天线可调谐 到US蜂窝式(用于长程数据和语音通信)；第二多频带天线可调谐到GPS(用于通过便 携式计算机300应用软件进行位置定位信息请求)；第三多频带天线可调谐到2.4GHz 以用于蓝牙短程通信；且第四多频带天线可调谐到5GHz到6GHz以用于802.11a WLAN 操作。在第二实例中，便携式计算机300可经配置以使用802.11n进行通信，且需要在 同一操作频带和同一RF信道中同时使用2、3或4个多频带天线。如在用于此特定应用 的多频带天线的设计中显而易见，便携式计算机300内的无线通信装置312可经重新配 置以按需要调谐个别多频带天线以为大量通信模式和操作频带服务。

多频带天线200b是多频带天线200a的镜像。经镜射的多频带天线200b在功能上 与多频带天线200a等同，且可减小多频带天线与嵌入于便携式计算机内的无线通信装 置之间的电缆或电布线长度。多频带天线200a(各两个)与200b(各两个)可沿着便 携式计算机上部外壳302的顶部边缘定位且连接到便携式计算机300显示器后面的接地 平面304。或者，多频带天线200a(各两个)与200b(各两个)可定位于便携式计算机 上部外壳302的侧面上且连接到便携式计算机300显示器后面的接地平面304。其它多 频带天线配置是可能的；即，多频带天线可在便携式上部外壳302的侧面与顶部边缘之 间分开，在便携式上部外壳302与便携式下部外壳308之间分开，或仅沿着便携式下部 外壳308的边缘定位。

无线通信装置312可处于接地平面304上的便携式计算机显示器后面(处于上部外 壳302内，未图示)，或可置于主外壳308内的便携式计算机母板上(母板310上)(如 图所示)。通常，在便携式计算机中，主外壳308经由用于平板计算机的铰链或旋转接 头(swivel)连接到上部外壳302。在典型的便携式计算机300中，无线通信装置位于母 板310上，而天线通常位于上部外壳302内，且用RF电缆经由铰链/旋转接头306投送 RF信号。多频带天线200a(各两个)与200b(各两个)的益处之一是仅需要四条RF 电缆而不管每一天线的操作频带的数目如何(与针对个别操作频带实施单独天线形成对 比)。四个RF多频带天线足够用于802.11n(使用所有四个多频带天线的MIMO)，以及 同时用于广域、局域和个域网络连接的组合。然而，可想象，将来针对无线通信装置的 新应用可利用四个以上多频带天线。

图5展示根据如所示的示范性实施例的具有两个多频带天线200a和200b的手持式 无线通信装置400的图。每一多频带天线可在一频率范围上调谐以覆盖可能的通信模式 和操作频带。

手持式无线通信装置400包括具有主电路板(MCB 404)的外壳402。多频带天线 200a和200b连接到MCB 404的上部边缘(RF信号路径和接地平面连接)。多频带天线 200b是多频带天线200a的镜像。经镜射(在一个维度中)的多频带天线200b在功能上 与多频带天线200a相同，且RF I/O端口在手持式无线通信装置主电路板(MCB 404) 上紧密接近。多频带天线200a和200b通常沿着MCB 404的顶部边缘定位且连接到MCB  404内的接地平面。或者，多频带天线200a和200b可位于MCB 404的一个或两个侧面 上且连接到MCB 404内的接地平面。

替代示范性实施例可视手持式无线通信装置400内的同时操作频带的数目而包括一 个多频带天线200或更多多频带天线(未图示)。与传统天线设计相比，多频带天线200、 200a、200b提供在广范围的操作频带上的紧凑大小和改进的天线效率。

无线通信装置406嵌入于如图5中所示的主外壳402内的MCB 404上。RF信号从 多频带天线200a和200b经由印刷于MCB 404的层上的金属迹线投送到无线通信装置 406/从无线通信装置406经由印刷于MCB 404的层上的金属迹线投送到多频带天线200a 和200b，或者通过同轴RF电缆投送以使信号损耗和耦合到RF信号路径的噪声最小化。

图6展示根据如先前在图3和图4中所示的示范性实施例的用于便携式计算机配置 的多频带天线效率(450MHz到1000MHz)的曲线图。如在图6中显而易见，可在460 MHz(CDMA450)、675MHz(DVB-H)、715MHz(US MediaFLO)、850MHz(US 蜂窝式)与900MHz(GSM-900)之间选择操作频带。因此，可通过调整在五个不同天 线负载电容器之间的开关128位置以使操作频带移位而配置多频带天线200。可通过将 更多端口(多于五个)添加到开关128而选择更多操作频带。可通过改变天线负载电容 器值132a到132e或改变先前在图2中所示的经修改的单极元件110a的物理尺寸来选择 不同操作频带。

图7展示根据如在图2、图3和图4中所展示的示范性实施例的用于便携式计算机 配置的多频带天线效率(1000MHz到6000MHz)的曲线图。如在图7中显而易见，可 在1500MHz(GPS)、1700MHz(AWS)、1800MHz(DCS、KPCS)、1900MHz(US PCS)、 2100MHz(IMT)、2400MHz与4900MHz到6000MHz(802.11a/b/g/n)之间选择操作 频带。因此，可通过调整在五个不同天线负载电容器之间的开关128位置以使操作频带 移位而配置多频带天线200。可通过将更多端口(大于五个)添加到开关128以覆盖先 前在图6中所示的操作频带而选择更多操作频带。可通过改变天线负载电容器值132a 到132e或改变图2的经修改的单极元件110a的物理尺寸来选择不同操作频带。在此例 子中，操作频带的数目可能无需等于五，因为随着操作频率在折叠的单极元件110a的 大小固定的情况下增加，每一操作频带的带宽变宽。

图8展示根据如在图3和图5中所示的示范性实施例的用于手持式无线通信装置配 置的多频带天线效率(450MHz到1000MHz)的曲线图。所述多频带天线效率极类似 于图6(针对便携式计算机300)，然而，所述多频带天线效率在450MHz到600MHz 下较低，因为接地平面404的物理尺寸比便携式计算机300内的接地平面304的物理尺 寸小。随着操作频率增加，接地平面的物理大小对于任何天线配置均不太重要。

图9展示根据如在图3和图5中所示的示范性实施例的用于手持式无线通信装置配 置的多频带天线效率(1000MHz到6000MHz)的曲线图。所述多频带天线效率极类似 于图6，因为对于超出1000MHz操作频率的手持式无线通信装置400与便携式计算机 300两者来说，接地平面均为物理上较大的。应注意，图3的多频带天线200展现宽的 频率覆盖范围和极佳的多频带天线效率，而不管此例子中所选择的操作频带如何(450 MHz到6000MHz)。

所属领域的技术人员将理解，可使用多种不同技艺和技术中的任一者来表示信息和 信号。举例来说，可通过电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子，或其 任何组合来表示可贯穿以上描述而引用的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和 码片。

所属领域的技术人员将进一步了解，结合本文中所揭示的实施例而描述的各种说明 性逻辑块、模块、电路和算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了 清楚地说明硬件与软件的此可互换性，各种说明性组件、块、模块、电路和步骤已在上 文大体按其功能性加以描述。此功能性是实施为硬件还是软件视特定应用和强加于整个 系统的设计约束而定。熟练的技术人员可针对每一特定应用以不同方式来实施所描述的 功能性，但此类实施决策不应被解释为导致脱离本发明的示范性实施例的范围。

可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门 阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或经设计 以执行本文中所描述的功能的其任何组合来实施或执行结合本文中所揭示的实施例而 描述的各种说明性逻辑块、模块和电路。通用处理器可为微处理器，但在替代方案中， 处理器可为任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。也可将处理器实施为计算装 置的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器的组合、结合DSP核心的一个 或一个以上微处理器，或任何其它此类配置。

结合本文中所揭示的实施例而描述的方法或算法的步骤可直接以硬件、以由处理器 执行的软件模块或以两者的组合来体现。软件模块可驻留于随机存取存储器(RAM)、 快闪存储器、只读存储器(ROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM (EEPROM)、寄存器、硬盘、可装卸盘、CD-ROM，或此项技术中已知的任何其它形式 的存储媒体中。示范性存储媒体耦合到处理器，使得处理器可从存储媒体读取信息和将 信息写入到存储媒体。在替代方案中，存储媒体可与处理器成一体式。处理器和存储媒 体可驻留于ASIC中。ASIC可驻留于用户终端中。在替代方案中，处理器和存储媒体可 作为离散组件而驻留于用户终端中。

在一个或一个以上示范性实施例中，可以硬件、软件、固件或其任何组合来实施所 描述的功能。如果以软件实施，那么所述功能可作为一个或一个以上指令或代码而存储 于计算机可读媒体上或经由计算机可读媒体而发射。计算机可读媒体包括计算机存储媒 体和通信媒体两者，通信媒体包括促进将计算机程序从一处转移到另一处的任何媒体。 存储媒体可为可由计算机存取的任何可用媒体。通过实例且非限制，此类计算机可读媒 体可包含RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其 它磁性存储装置，或可用以载运或存储呈指令或数据结构的形式的所要程序代码且可由 计算机存取的任何其它媒体。并且，将任何连接恰当地称为计算机可读媒体。举例来说， 如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)，或例如红外线、无线电和 微波等无线技术从网站、服务器或其它远程源发射软件，那么同轴电缆、光纤电缆、双 绞线、DSL，或例如红外线、无线电和微波等无线技术包括于媒体的定义中。如本文中 所使用，磁盘(Disk)和光盘(disc)包括紧密光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数 字多功能光盘(DVD)、软性磁盘和蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式再现数据，而 光盘通过激光以光学方式再现数据。以上内容的组合也应包括于计算机可读媒体的范围 内。

提供所揭示的示范性实施例的先前描述以使任何所属领域的技术人员能够制造或 使用本发明。所属领域的技术人员将容易了解对这些示范性实施例的各种修改，且可在 不脱离本发明的精神或范围的情况下将本文中所定义的一般原理应用于其它实施例。因 此，本发明不希望限于本文中所展示的实施例，而是应被赋予与本文中所揭示的原理和 新颖特征一致的最广范围。