用于具有可调谐振频率和辐射模式的移动天线的系统和方法

摘要

提供了各项实施例用于使用可用的有限天线尺寸调整或增加移动设备处的频带的高效天线设计和操作方法。各项实施例包括通过印刷电路板(PCB)或金属机壳将调谐枝节或元件电耦合至移动或无线电设备处的天线元件。所述PCB置于所述天线元件和所述调谐枝节之间并连接至所述天线元件。例如位于所述PCB拐角处的所述调谐枝节可以通过开关与所述PCB和所述天线元件连接或断连，以改变不同频率下的天线辐射并且还提供其它辐射模式。所述调谐枝节还可以切换以改变天线的辐射模式。

说明书

相关申请案交叉申请

本发明要求2013年8月20日递交的发明名称为“用于具有可调谐振 频率和辐射模式的移动天线的系统和方法(SystemandMethodforaMobile AntennawithAdjustableResonantFrequenciesandRadiationPattern)”的第 13/971,628号美国非临时专利申请案的在先申请优先权，该在先申请的内 容以引入的方式并入本文本中。

技术领域

本发明涉及无线通信天线设计领域，且在具体实施例中，涉及一种用于 具有可调谐振频率和辐射模式的移动天线的系统和方法。

背景技术

近来，用于移动通信的频谱已大大拓宽。然而，智能手机和膝上电脑/平 板电脑等移动设备中的天线体积并未增加以满足带宽拓宽后的需求。通常， 一次使用一个频带用于移动设备处的通信。设备的天线可以通过适应所用频 率的方式来设计。在移动设备处，天线的谐振频率可以通过天线元件的长度 以及天线元件和印刷电路板(PCB)之间的耦合来调整。然而，由于移动设 备中天线设计的可用空间的限制，增加天线长度的选择受到了限制。因此， 需要一种高效且相对简单的用于实现天线设计和操作的方法以使用可用的有 限天线体积或尺寸来调整或增加移动设备处的频带或通信频率。

发明内容

根据一实施例，一种用于在无线设备处提供可调频带的方法包括将辐射 器元件与所述无线设备的第一天线和第二天线电解耦以便为所述第一天线启 用低频带以及为所述第二天线启用高频带。在确定改变所述低频带或所述高 频带之后，将所述辐射器元件电耦合至所述第一元件和所述第二元件以改变 所述低频带和所述高频带。

根据另一实施例，一种用于在无线设备处提供可调频带的方法包括在所 述无线设备处闭合开关以将辐射器元件电连接至与两个天线连接的电路板以 改变所述两个天线的频带。在确定变回所述两个天线的所述频带之后，断开 所述开关以将所述辐射器元件与所述电路板和所述两个天线电断连。

根据另一实施例，一种用于无线通信设备的支持无线电信号的可调频带 的装置包括电路板、通过第一天线馈源连接至所述电路板的第一天线、通过 第二天线馈源连接至所述电路板的第二天线、置于所述电路板之上的辐射器 枝节，其中所述辐射器枝节与所述电路板的其它元件断连并与所述第一天线 和所述第二天线绝缘，以及置于所述辐射器枝节和所述电路板的所述其它元 件之间的开关，所述开关用于通过所述电路板的所述其它元件、所述第一天 线馈源和所述第二天线馈源将所述辐射器枝节电耦合至所述第一天线和所述 第二天线。

上文已相当广泛地概述了本发明实施例的特征，以有助于更好地理解下 文对本发明的详细说明。下文将描述本发明各项实施例的其它特征和优点， 这些特征和优点构成本发明的权利要求书的标的物。所属领域的技术人员应 了解，可轻易地基于所揭示的概念和具体实施例，修改或设计用于实现本发 明的相同目的的其他结构或过程。所属领域的技术人员还应意识到，此类等 效结构并不脱离所附权利要求书中提出的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考下文结合附图进行的描述， 其中：

图1A和1B示出了具有可调谐振频率和辐射模式的天线系统设计实施例 的3D视图；

图2是根据本发明实施例的示出了天线设计实现的谐振频率变化的图表；

图3是示出了图2的天线设计的天线输出效率变化的图表；

图4示出了根据本发明实施例的天线设计实现的辐射模式变化；

图5是示出了具有可调谐振频率和辐射模式的天线设计的操作方法的流 程图；以及

图6是可以用于实施各种实施例的示例性处理系统的图。

除非另有指示，否则不同图中的对应标号和符号通常指代对应部分。绘 制各图是为了清楚地说明实施例的相关方面，因此未必是按比例绘制的。

具体实施方式

下文将详细论述当前优选实施例的制作和使用。然而，应了解，本发明 提供可在各种具体上下文中体现的许多适用的发明性概念。所论述的具体实 施例仅仅说明用以实施和使用本发明的具体方式，而不限制本发明的范围。

本文提供了多种高效且相对简单的用于实现天线设计和操作的方法以使 用可用的有限天线体积或尺寸来调整或增加移动设备处的频带(或通信频率)。 各项实施例包括通过PCB(或金属机壳)将调谐枝节或元件电耦合至移动或 无线电设备处的天线元件。该PCB置于天线元件和调谐枝节之间并连接至天 线元件。该调谐枝节可以置于PCB的拐角处，如下所示。该调谐枝节可以通 过开关与PCB和天线元件连接/断连，以改变不同频率下的天线辐射并且还提 供其它辐射模式(频率)。该调谐枝节还可以切换(连接/断连)以改变天线 的辐射模式，如下所示。

图1A和1B所示为具有可调谐振频率和辐射模式的天线系统设计100的 实施例。图1A所示为天线系统设计100的上表面，而图1B所示为位于天线 系统设计100对面的下表面。天线系统设计100可以置于移动或无线通信设 备中，例如，置于智能手机、膝上电脑、平板电脑、台式电脑，和其它合适 的设备中。天线系统设计100包括金属机壳或PCB140，其可以包括用于天 线操作的各种电路部件。金属机壳或PCB140还可以包括用于移动设备操作 的其它电路部件。金属机壳或PCB140的部件可由任意合适的金属或导体材 料制作而成。这些部件可由介电材料覆盖或层压。金属机壳或PCB140可以 为长方形或者适合对应移动设备的任意其它合适的形状。

天线系统设计100还包括高频带天线112和低频带天线114。高频带天 线112和低频带天线114是分别用于在高频带和低频带中操作的单极子天线。 这两个天线的尺寸、长度，和/或体积可以根据预定的高、低频带来设计。预 定的高、低频带可以根据一个或多个业务运营商(例如，蜂窝网络提供商) 需求来选择。高频带天线112和低频带天线114具有3维(3D)设计，其可 以被优化以在对应的预定频率下进行操作。因此，两个天线112和114可具 有不同的形状，如图1A所示。天线112和114置于天线系统设计110的上 表面的绝缘层130上，例如，置于金属机壳或PCB140的一侧。绝缘层130 由任意防止两个天线112和114中的每个与上表面(图1A)上的PCB直接 电耦合或接触的合适介电制作而成。然而，高频带天线112通过高频带馈源 122耦合至天线系统设计100对面(下表面)的金属机壳或PCB140，如图 1B所示。类似地，低频带天线114通过低频带馈源124耦合至天线系统设计 100对面(下表面)的金属机壳或PCB140。天线112和114以及相应馈源 122和124还可由导电材料制作而成，这种材料可以与金属机壳或PCB140 的部件的材料相同或不同。

此外，天线系统设计100包括调谐枝节132(在本文中还称为辐射器或 耦合枝节或元件)，其可置于天线系统设计100的下表面。例如，调谐枝节 132可以置于与绝缘层130和金属机壳或PCB140相邻的下表面的拐角处。 然而，调谐枝节132与金属机壳或PCB140不直接接触。但是，开关134置 于绝缘层130和金属机壳或PCB140之间以连接或断连调谐枝节132和金属 机壳或PCB140，从而通过天线馈源122和124以及金属机壳或PCB140将 调谐枝节132与天线112和114连接或断连。开关134可以是用于将调谐枝 节132与金属机壳或PCB140连接或断连的机械开关。或者，开关134可以 是二极管等电气或电子设备开关，其例如通过偏置电压进行控制以阻止或允 许调谐枝节132和金属机壳或PCB140之间的电流。具体而言，开关134可 以是两状态开关，(例如，ON和OFF状态)，允许调谐枝节132和金属机 壳或PCB140之间的电流(ON状态)，或者完全阻止这两个部件之间的电 流(OFF状态)。

将调谐枝节132连接至天线112和114允许这些部件之间的电耦合或电 流。电流路径中的最终变化有效地或概念上地改变了天线尺寸或长度，这样 造成两个天线112和114中的每个的辐射谐振或频率模式的变化。辐射谐振 变化可能引起天线系统设计100的整个工作频带的变化，包括高频带天线112 的高工作频带的变化和低频带天线114的低工作频带的变化。辐射谐振变化 还可以增加其它工作频率模式(频带)，例如高于如下所示的高频带。增加 额外的频率可以归因于将调谐枝节132耦合至天线元件而产生的寄生谐振器 效应。开关134可以打开以将调谐枝节132连接至天线元件，从而改变高、 低频带以及增加其它或额外的频带。或者，开关134可以关闭以将调谐枝节 132与天线元件断连并变回高、低频带(并取消额外的频率)。此外，打开 和关闭开关134可以改变辐射模式，例如，传入/传出无线电信号的方向和覆 盖区域，如下所示。当开关为ON(连接调谐枝节132和天线元件)时，频带 以与开关134为OFF(断连调谐枝节132和天线元件)时不同的场型进行辐 射。在其它实施例中，包括两个单极子天线、一个开关和一个调谐枝节的其 它设计还可用于调整天线系统的频率(偏移和增加)和辐射模式。

图2所示为示出了如上所述的天线设计实现的谐振频率变化的图表200。 例如，天线系统设计100可以具有与图表200中所示类似的谐振频率。图表 200包括关闭和打开开关(例如，开关134)时对应的两条回波损耗(单位为 DB)对频率(单位为GHz)的曲线。当开关为OFF时，调谐枝节辐射效应 被抵消(调谐枝节与天线元件断连)。低频带的回波损耗在0.8GHz左右达 到谷值。高频带的回波损耗在1.7GHz左右达到谷值。通过打开开关(调谐 枝节连接至天线元件)，频谱被改变，从而造成低频带谷值变化(至约0.7GHz) 以及高频带谷值变化(至约1.5GHz)。当开关为ON时还可增加约2GHz 的额外频带。

图3所示为示出了图2的天线设计可以实现的谐振频率输出效率的变化 的图表200。图表300包括开关关闭和打开时图2中两条曲线所对应的两条 输出效率(输出辐射功率与输入功率的比，单位为DB)对频率(单位为GHz) 的曲线。当开关为OFF时，调谐枝节辐射效应被抵消(调谐枝节与天线元件 断连)。低频带的效率在0.8GHz左右达到峰值。高频带的效率在1.7GHz 左右达到峰值。通过打开开关(调谐枝节连接至天线元件)，频谱被改变， 从而造成低频带峰值变化(至约0.7GHz)以及高频带峰值变化(至约1.5GHz)。 由于将枝节调谐或耦合至天线产生了寄生谐振器效应，所以还可以增加约2 GHz的额外频带。

图4所示为示出了辐射模式变化的不同辐射模式410、420、430和440， 这些可以通过如上所述的天线设计(例如，天线系统设计100)实现。调谐 枝节的开关可以打开或关闭以改变给定频率下的辐射模式。当开关为ON并 且调谐或辐射器枝节电耦合至天线元件时，辐射模式410对应于频带频率(1.8 GHz)。或者，当开关为OFF并且调谐或辐射器枝节与天线元件电解耦时， 辐射模式420对应于相同的频带频率。当开关为ON以将调谐或辐射器枝节 耦合至天线元件时，辐射模式430对应于另一频带频率(1.9GHz)。或者， 当开关为OFF时为该频率获取辐射模式440。

图5所示为具有可调谐振频率和辐射模式的天线设计的操作方法500的 实施例。例如，操作方法500可以由包含天线系统设计100的移动或无线通 信设备实施以发送/接收无线或无线电信号。在方法500的步骤510处，将开 关断开(或关闭)以将调谐或辐射器枝节或元件与天线元件解耦以在第一低 频带、第一高频带，和/或第一辐射模式下进行传输/接收。在步骤520处，方 法500确定是否需要改变第一低频带、第一高频带，和/或第一辐射模式以传 输/接收设备的信号。例如，当该设备漫游并变更运营商网络时，可能需要改 变第一低频带或第一高频带。如果检测到步骤510中的条件，那么方法前进 至步骤520。否则，方法500结束。在步骤530处，将开关闭合(或处于ON 模式)以将调谐或谐振器枝节耦合至天线元件以在第二低频带、第二高频带、 额外的频带，和/或第二辐射模式下进行传输/接收。

图6为可用于实施各种实施例的处理系统600的方框图。特定设备可利 用所有所示的部件或所述部件的仅一子集，且设备之间的集成程度可能不同。 此外，设备可包含部件的多个实例，例如多个处理单元、处理器、存储器、 发射器、接收器等等。处理系统600可包括配备一个或多个网络接口、存储 接口等输入/输出设备的处理单元601。处理单元601可包括中央处理器(CPU) 610、存储器620、大容量存储器设备630，以及连接到总线的I/O接口660。 所述总线可以为任何类型的若干总线架构中的一个或多个，包括存储总线或 者存储控制器、外设总线等等。

所述CPU610可包括任何类型的电子数据处理器。存储器620可包括任 意类型的系统存储器，例如静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取 存储器(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、只读存储器(ROM)或其组 合等等。在实施例中，存储器620可包括在开机时使用的ROM以及在执行 程序时使用的存储程序和数据的DRAM。在实施例中，存储器620是非瞬时 的。大容量存储器设备630可包括任意类型的存储设备，其用于存储数据、 程序和其它信息，并使这些数据、程序和其它信息通过总线访问。大容量存 储器设备630可包括如下项中的一种或多种：固态磁盘、硬盘驱动器、磁盘 驱动器、光盘驱动器等等。

处理单元601还包括一个或多个网络接口650，网络接口650可包括以 太网电缆等有线链路，和/或到接入节点或者一个或多个网络680的无线链路。 网络接口650允许处理单元601通过网络680与远程单元通信。例如，网络 接口650可以通过一个或多个发射器/发射天线以及一个或多个接收器/接收 天线提供无线通信。在一实施例中，处理单元601耦合至局域网或广域网上 以用于数据处理以及与其它处理单元、因特网、远程存储设施等远程设备通 信。

虽然本发明中已提供若干实施例，但应理解，在不脱离本发明的精神或 范围的情况下，本发明所公开的系统和方法可以以许多其他特定形式来体现。 本发明的实例应被视为说明性而非限制性的，且本发明并不限于本文本所给 出的细节。例如，各种元件或部件可以在另一系统中组合或合并，或者某些 特征可以省略或不实施。

此外，在不脱离本发明的范围的情况下，各种实施例中描述和说明为 离散或单独的技术、系统、子系统和方法可以与其它系统、模块、技术或 方法进行组合或合并。展示或论述为彼此耦合或直接耦合或通信的其它项 也可以采用电方式、机械方式或其它方式通过某一接口、设备或中间部件 间接地耦合或通信。其他变化、替代和改变的示例可以由本领域的技术人 员在不脱离本文精神和所公开的范围的情况下确定。