CN102301531A - 手持通信设备的多输入多输出天线 - Google Patents

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Abstract

一种用于移动无线通信设备的天线组件，具有支座，该支座具有第一表面和第二表面，第三表面和第四表面在第一表面与第二表面之间延伸。在第二表面上形成导电接地平面。天线包括：导电贴片，位于第一表面上；以及导电带和第一和第二导电腿，均与贴片紧邻。在一个版本中，带以及第一和第二腿均在第三表面上。在另一版本中，第一和第二腿在第三表面上，而带在与第三表面垂直的第四表面上。第一信号端口适于向第一腿施加第一信号，第二信号端口适于向第三腿施加第二信号。

Description

手持通信设备的多输入多输出天线
技术领域
本发明总体涉及手持通信设备的天线，更具体地，涉及多输入多输出天线。
背景技术
存在不同类型的无线移动通信设备可用，例如个人数字助理、蜂窝电话以及无线双向电子邮件通信设备。许多这种设备旨在由作为用户的人们更容易地携带，通常适于放在衬衫或外套口袋中。
随着无线通信设备的使用继续显著地增加，需要提供增大的系统容量。一种提高容量的技术是利用多输入多输出(MIMO)系统提供不相关的传播路径。MIMO采用多个分离的独立信号路径，例如凭借若干发送和接收天线。
这通常需要多个天线，从而导致无线移动通信设备内的特定部分的复制，并且导致设备大小与性能之间的不利的折衷。该折衷是较小的设备承受性能问题(包括缩短的电池寿命和潜在的更多掉话)，而性能较好的设备需要较大的外壳。该折衷的主要因素在于天线之间的互耦合，这可能导致发送时的功率浪费以及来自输入信号的接收功率降低。
有效的MIMO性能要求多个天线所接收的每一个信号之间的相对低的相关性。在较大设备中，这通常利用以下中的一个或多个来实现：空间分集(天线之间的距离)、场型分集(天线对准方向之间的区别)、以及极化分集。
不幸的是，当在移动手持通信设备内使用多个天线时，由于消费者所偏好的紧凑设备的紧密限制的特点，这些天线所接收的信号无法如所期望地相关。这严重影响了MIMO性能。因此，折衷或者扩大了设备(这是消费者很可能要避免的)，或者要容忍性能降低。
因此，期望开发一种MIMO天线装置，能够具有紧凑的大小，以适于装配在消费者所期望的足够小的设备外壳内，并且能够提高性能。
附图说明
图1是结合了本发明的天线组件的移动无线通信设备的示意框图；
图2是从通信设备的两个端口天线组件安装在其上的介电支座的上方观察得到的透视图；
图3是从介电支座下方观察得到的透视图；
图4是八端口天线组件的透视图，该八端口天线组件在矩形支座的拐角处具有天线单元；
图5是八端口天线组件的另一实施例的透视图，该八端口天线组件在矩形支座的拐角处具有天线单元；
图6是八端口天线组件的透视图，该八端口天线组件沿矩形支座的每一侧具有天线单元；
图7是八端口天线组件的另一版本的透视图，该八端口天线组件在矩形支座的拐角处具有天线单元；以及
图8是八端口天线组件的又一版本的透视图，该八端口天线组件在矩形支座的拐角处具有天线单元。
具体实施方式
本发明的用于移动无线通信设备的天线使用较少组件，并通过减少天线耦合来降低信号相关性，即便在以比现有系统更紧凑的形式来实现的情况下也是如此。这利用几何设计实现，该几何设计使得单个单元能够满足两个独立天线先前所要求的作用。
该天线设计基于将两个平面倒F天线(PIFA)与公共带和公共接地平面合并，以提供一种紧凑的设计，该设计很好地适用于移动手持设备中的分集天线系统。备选地，该天线还可以用作使得能够将接收和发送信号分离的双工器。
该天线包括导电材料的贴片，位于第一平面中。第一腿和第二腿是隔开的，并且均由与贴片电连接的导电材料构成。第一和第二腿是共面的，并且与第一平面垂直。导电带与贴片以及第一腿连接，其中该带与第一平面垂直。第三腿与该带电连接，并且从该带向外伸出。该天线具有：第一信号端口，向第一腿施加第一信号；以及第二信号端口，向第三腿施加第二信号。
本发明的天线可有利地用于移动无线通信设备，例如个人数字助理、蜂窝电话以及无线双向电子邮件通信设备，并且将在上下文中进行描述。然而，该天线可以为其他类型的射频设备所采用。
首先，参照图1，诸如蜂窝电话之类的移动无线通信设备20示意性地包括外壳21，外壳21可以是静态外壳，例如与在许多蜂窝电话中使用的翻盖或滑盖外壳不同。然而，也可以使用那些外壳配置和其他外壳配置。外壳21内承载有电池23，用于给内部组件供电。
外壳21包含诸如印刷电路板(PCB)衬底之类的主介电衬底22，例如在主介电衬底22上安装用于移动设备20的主电路24。主电路24通常包括微处理器、一个或多个存储设备、以及提供用于控制移动设备的用户接口的显示器和键盘。
诸如麦克风25的音频输入设备和诸如扬声器26的音频输出设备起到针对用户的音频接口的作用，并且与主电路24相连。
通过射频电路28执行通信功能，射频电路28包括无线信号接收机和无线信号发射机，二者与MIMO天线组件29相连。天线组件29可以被承载在外壳21的下部，这里将对其进行更详细的描述。
如本领域技术人员所了解的，移动无线通信设备20也可以包括一个或多个辅助输入/输出设备27，例如WLAN(例如，
Figure BDA0000080513960000031
IEEE.802.11)天线和用于WLAN通信能力的电路、和/或用于提供定位位置能力的卫星定位系统(例如，GPS、Galileo等)接收机以及天线。辅助I/O设备27的其他示例包括第二音频输出换能器(例如，用于扬声器电话操作的扬声器)和用于提供数字摄像机能力的摄像机镜头、以及电气设备连接器(例如，USB、耳机、安全数字(SD)或存储卡等)。
参照图2和3，天线组件29包括由导电部件在支架32的所选表面上形成的单个单元天线30。支架32可以是矩形多面体，例如移动无线通信设备20的外壳21内的内围。支架32可以具有其他形状，例如圆形或椭圆形。支架32由通常用于印刷电路板的介电材料构成。支架32具有主第一表面34和相对的平行的主第二表面35，主第二表面35铺有诸如铜的导电材料层40。导电层40起到了移动无线通信设备的接地平面的作用。第三表面36和第四表面37在第一和第二表面34和35之间延伸，彼此垂直，并且与第一和第二表面垂直，由此形成矩形多面体的两个相邻拐角。如这里所使用的，“拐角”被定义为三个表面交汇的点。第五表面38和第六表面39也在第一和第二表面34和35之间延伸。第三、第四、第五和第六表面形成支座的侧表面。
如图2所具体示出的，导电材料的矩形贴片42位于第一表面34上的支座一拐角处，并沿第一表面与第三和第四表面36和37紧邻的两个相邻边缘延伸。导电的第一腿44(优选地为矩形)沿第三表面与第一表面34和第四表面37紧邻的边缘，位于第三表面36的拐角处。导电的第一腿44沿第一和第三表面34和36之间的边缘与导电贴片42电连接。然而，如图3所示，第一腿44与第三表面36紧邻第二表面35处的边缘隔开，并且因此不与接地平面导电层40电接触。导电的第二腿46(优选地为矩形)也位于第三表面36上，并且与第一腿44隔开。第二腿46沿第三表面36与第一表面34紧邻的边缘延伸，并且与第一表面34上的贴片42电连接。第二腿46小于第一腿44，并且位于第一腿的远离第四表面37的远侧。优选地，第一和第二腿44和46与贴片42紧邻，以便与其邻接。
导电带48位于第四表面37上，并且分别沿第四表面与第一和第三表面34和36紧邻的两个边缘延伸。导电带48在这两个边缘处与贴片42和第一导电腿44电连接。例如，导电带48延伸了第一和第二表面34和35之间的大约一半的距离。此外，例如，导电带48沿第一和第四表面34和37之间的边缘延伸的距离大约为导电贴片42沿该边缘延伸的距离的两倍。导电的第三腿50如同突出(tab)一样，从带48朝第四表面37与第二表面35紧邻的边缘伸出，并且与该边缘隔开，以便与接地平面(导电层40)电绝缘。优选地，导电带48与贴片42和第一腿44紧邻，以便与其邻接。导电带48以及与该带邻接的第一和第三腿44和50形成倒F单元。
通过第一腿44和接地平面(导电层40)上的电触点提供第一信号端口52。通过导电带48的第三腿50和接地平面(导电层40)的触点提供第二信号端口54。
第一和第二信号端口52和54与射频电路28相连，射频电路28可以使用该天线以若干不同模式发送信号。在一种模式下，向第一信号端口52施加激励信号，而第二端口54由例如50欧姆的阻抗端接。在第二模式下，第一端口52以例如50欧姆的阻抗端接，并向第二端口54施加激励信号。备选地，可以向天线30同时施加两个分离的激励信号，两个端口52和54中的每一个各一个激励信号。每一个信号端口利用X或Y方向上的双向电流分布或双向极化来激励天线，以实现极化分集。由于来自两个信号端口52和54的电流的方向几乎相反，因而端口之间的电流耦合相对较低，从而实现两个端口之间的高绝缘。
参照图4，在同一移动无线通信设备20上提供了四个单个单元的双端口天线，以形成八端口天线组件100，然而，可以提供其他数目的天线。在这个示例性组件中，矩形多面体支座105承载四个双端口天线101、102、103和104，一个位于第一表面108的一个拐角处。天线101～104中的每一个具有与图2和3所示的双端口天线30相同的总体结构。具体而言，每一个天线101～104在与支座105的第一表面108相邻的一个拐角处具有矩形贴片106，并具有第一和第二腿110和112，第一和第二腿110和112位于支座105的相邻侧表面之一上。每一个天线的带114位于支座105的另一相邻侧上，而第三腿116从带114朝与第一表面108平行的第二表面109伸出。第一腿110、第二腿112和带114与贴片106邻接，以便与贴片电连接。第二表面109上的导电层120提供了接地平面。
每一个天线101～104具有第一端口118，第一端口118连接在第一腿110与支座105的第二表面109上的导电层120之间。每一个天线的第二端口119连接在第三腿116与接地平面(导电层120)之间。
图4中的四个天线101～104在配置方面完全相同，并且仅仅彼此旋转90度而从一个拐角到另一个拐角地遍布支座105。
图5示意了八端口天线组件200的另一版本，其中，相邻拐角处的天线实质上是彼此的镜像。例如，查看支座205的端面206，其示出了第一天线201的第一和第二腿208和210是第二天线202的第一和第二腿208和210的镜像。类似地，侧表面217上的第一天线201的带212与第三腿215的组合是相邻的第四天线204上的带和第三腿的组合的镜像。第三天线203是相邻天线202和204的镜像。
每一个单个单元天线201～204具有：第一信号端口214，连接在天线的第一腿208与接地平面218之间；以及第二信号端口216，连接在天线的第三腿215与接地平面之间。
图5中的每一个天线201～204具有短路导体220(一般称为“管脚”)，在支座205的第一腿208与带212紧邻的拐角处连接在接地平面218与贴片207之间。由于第一腿208是导电的，因而短路导体220可以被缩短为仅将该腿的下边缘连接至接地平面218。短路导体220是可选的，并且还可以被应用于图5中的实施例。
参照图6，八端口天线组件300的另一实施例具有沿支座305的每一侧位于拐角之间的四个天线301、302、303和304。在该组件中，同一个天线的第一和第二腿306和308与带310及其第三腿312共面。这与先前的实施例不同，在先前的实施例中，第一和第二腿位于相对于带和第三腿所位于的表面朝向90度的表面上。在天线组件300中，每一个天线301～304可以具有相同的组件相对朝向，或者一些天线的三个腿306、308和312以及带310可以是其他天线的这些组件的镜像。例如，分别比照第一和第四天线301和304。
支座305的侧表面上的带310以及第一和第二腿306和308与同一天线的关联贴片314电接触，其中，该贴片位于第一支座表面316上。每一个天线301～304具有连接在第一腿306与接地平面322之间的第一信号端口318和连接在第三腿与接地平面322之间的第二信号端口320。
天线组件300还可以在每一天线301～304中具有可选的短路导体324，短路导体324位于接地平面322与第一腿308紧邻带310的一端之间。
由于天线之间的相关性/耦合较低，图4～6所示意的天线组件中的四个双端口天线可以在移动通信设备中同时或单独操作。根据向不同信号端口施加激励的方式，八端口天线组件可以提供频率分集或场型分集。
图7中的天线组件400是本发明的多输入多输出天线的特殊示例，其中四个双端口天线401、402、403和404位于衬底405的第一表面406的拐角处。相对的第二表面407上具有导电层418。天线401～404中的所有四个天线是相同的，对第一天线410的细节进行描述。
第一天线401具有第一导电带408，第一导电带408沿第一表面406与垂直的第三表面412紧邻的边缘延伸。第一带408与第二带410紧邻，并且与第二带410邻接，第二带410从衬底拐角沿第一表面406与第四表面414紧邻的边缘延伸。第三和第四表面412和414形成衬底的侧表面。
第一天线401包括第一带408与导电层418之间的第一信号端口416，导电层418在衬底405的第二表面上形成接地平面。第一天线14的第二信号端口420提供了导电层418与第二带410之间的电气连接。可选的短路导体415沿第三和第四表面412和414之间的拐角边缘延伸，提供了第一和第二带408和410到导电层418的电气连接。
图8示出了八端口天线组件500的另一版本，八端口天线组件500包括四个天线501、502、503和504。这些天线中的每一个位于沿衬底505的第一表面506的一个边缘的中间，并且具有相同的设计。相对的第二表面507具有导电层518，由此形成接地平面。
第一天线501具有第一和第二带508和510，第一和第二带508和510邻接，并沿着第一表面506的与第三表面512紧邻、并与第三表面512垂直的边缘彼此对齐。第一信号端口515提供了第一带518与第二表面507上的导电层518之间的连接。第二信号端口516提供了导电层518与第二带510之间的连接。可选的短路导体510从第一和第二导电带508和510与导电层518之间的交汇处延伸。
上述描述主要针对天线的特定实施例。尽管特别指出了各个备选，然而，可以预期的是，本领域技术人员很可能实现根据这些实施例的公开而变得显而易见的附加备选。相应地，所覆盖的范围应根据所附权利要求而确定，而不应局限于以上公开。

Claims (25)

1.一种用于移动无线通信设备的天线组件，包括：
导电材料的贴片，位于第一平面中；
隔开的第一腿和第二腿，均由与贴片电连接的导电材料构成，其中，所述第一腿和第二腿是共面的，并且与第一平面垂直；
带，由与贴片和第一腿相连接的导电材料构成，其中，所述带与第一平面垂直；
第三腿，与带电连接，并且从带向外伸出；
第一信号端口，用于向第一腿施加第一信号；以及
第二信号端口，用于向第三腿施加第二信号。
2.根据权利要求1所述的天线组件，还包括与第一平面大致平行的接地平面导电层。
3.根据权利要求2所述的天线组件，其中，带与第一腿紧邻，并且所述天线组件还包括短路导体，所述短路导体提供接地平面导电层与带和第一腿紧邻之处相邻的点之间的电流路径。
4.根据权利要求1所述的天线组件，其中，第一腿、第二腿和带与贴片邻接。
5.根据权利要求1所述的天线组件，其中，第一腿和第二腿位于与第一平面大致垂直的第二平面中。
6.根据权利要求5所述的天线组件，其中，带和第三腿位于与第一平面及第二平面大致垂直的第三平面中。
7.根据权利要求1所述的天线组件，其中，第一腿、第二腿、带和第三腿位于与第一平面大致垂直的第二平面中。
8.根据权利要求1所述的天线组件，还包括介电材料的支座，所述支座具有第一表面和至少一个其他表面，贴片位于所述第一表面上，第一腿、第二腿、带和第三腿位于所述至少一个其他表面上。
9.根据权利要求8所述的天线组件，还包括接地平面导电层，位于所述支座的远离第一表面的第二表面上。
10.一种用于移动无线通信设备的天线组件，包括：
支座，具有第一表面和第二表面，多个侧表面在第一表面与第二表面之间延伸；
第二表面上的导电层；以及
第一天线，位于支座上，并且包括：
a)导电材料的第一贴片，位于第一表面中；
b)隔开的第一腿和第二腿，位于支座的不同于第一表面和第二表面的表面上，其中，第一腿和第二腿是导电的，并且与第一贴片紧邻；
c)导电材料的第一带，与第一贴片和第一腿紧邻；
d)第三腿，与第一带紧邻，其中，第一带和第三腿位于支座的不同于第一表面和第二表面的表面上；
e)第一信号端口，用于在第一腿与导电层之间施加第一信号；以及
f)第二信号端口，用于向第三腿和导电层施加第二信号。
11.根据权利要求10所述的天线组件，其中，支座是矩形多面体。
12.根据权利要求10所述的天线组件，其中，第一腿和第二腿位于支座的多个侧表面中的第一侧表面上。
13.根据权利要求12所述的天线组件，其中，第一贴片和第三腿位于支座的多个侧表面中的第二侧表面上。
14.根据权利要求13所述的天线组件，其中，第一表面和多个侧表面中的第一和第二侧表面彼此垂直。
15.根据权利要求10所述的天线组件，其中，第一腿、第二腿、第一带和第三腿位于多个侧表面中的一个侧表面上。
16.根据权利要求15所述的天线组件，其中，第一表面和多个侧表面中的所述一个侧表面彼此垂直。
17.根据权利要求10所述的天线组件，还包括位于支座上的至少一个附加天线，每一个附加天线包括：
a)导电材料的第二贴片，位于第一表面上；
b)隔开的第四腿和第五腿，位于支座的不同于第一表面和第二表面的表面上，其中，第四腿和第五腿是导电的，并且与第二贴片紧邻；
c)导电材料的第二带，与第二贴片和第四腿紧邻；
d)第六腿，与第二带紧邻，并从第二带伸出；其中，第二带和第三腿位于支座的不同于第一表面的表面上；
e)第三信号端口，用于在第一腿与导电层之间施加第三信号；以及
f)第四信号端口，用于向第三腿和导电层施加第四信号。
18.一种用于移动无线通信设备的天线组件，包括：
支座，具有第一表面和第二表面，第三表面、第四表面、第五表面和第六表面在第一表面与第二表面之间延伸；
第二表面上的导电层；以及
位于支座上的多个天线，每一个天线包括：
a)导电材料的贴片，位于第一表面上；
b)隔开的第一腿和第二腿，位于支座的不同于第一表面和第二表面的表面上，其中，第一腿和第二腿都是导电的，并且与贴片紧邻；
c)导电材料的带，与贴片和第一腿紧邻；
d)第三腿，与带紧邻，其中，带和第三腿位于支座的不同于第一表面和第二表面的表面上；
e)第一信号端口，用于在第一腿与导电层之间施加第一信号；以及
f)第二信号端口，用于向第三腿和导电层施加第二信号。
19.根据权利要求18所述的天线组件，其中，多个天线中的每一个位于支座的不同拐角处，第一腿和第二腿均位于第三表面、第四表面、第五表面和第六表面中的一个表面上，以及带和第三腿均位于第三表面、第四表面、第五表面和第六表面中的另一个表面上。
20.根据权利要求18所述的天线组件，其中，多个天线中的每一个的第一腿、第二腿、带和第三腿都位于第三表面、第四表面、第五表面和第六表面中的一个表面上。
21.一种用于移动无线通信设备的天线组件，包括：
支座，具有第一表面和第二表面，至少一个侧表面在第一表面与第二表面之间延伸，其中，第一表面具有与每一个侧表面紧邻的分离的边缘；
第二表面上的导电层；以及
位于支座上的第一天线，包括：
导电材料的第一带，沿第一表面的边缘延伸；
导电材料的第二带，沿第一表面的边缘延伸，并且与第一带邻接；
第一信号端口，用于向第一带施加第一信号；以及
第二信号端口，用于向第二带施加第二信号。
22.根据权利要求21所述的天线组件，其中，沿第一表面与支座的一个侧表面紧邻的边缘放置第一带和第二带。
23.根据权利要求21所述的天线组件，其中，沿第一表面与支座的不同侧表面紧邻的不同边缘放置第一带和第二带。
24.根据权利要求21所述的天线组件，还包括短路导体，所述短路导体提供导电层与第一带紧邻第二带的点之间的电流路径。
25.根据权利要求21所述的天线组件，还包括位于支座上的第二天线，包括：
导电材料的第三带，沿第一表面的边缘延伸；
导电材料的第四带，沿第一表面的边缘延伸，并且与第三带邻接；
第三信号端口，用于向第三带施加第三信号；以及
第四信号端口，用于向第四带施加第四信号。
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