CN102683861A - 可调谐环形天线 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例涉及可调谐环形天线。本发明提供了包括无线通信电路的电子设备。该无线通信电路可以包括射频收发器电路和天线结构。并馈式环形天线可以由导电边框和接地面的一些部分形成。该天线可以工作在多个通信频带中。该边框可以围绕安装在电子设备前面的显示器的外围部分。该边框可以包括一个间隙。天线的天线馈电端可以处在间隙的相对侧。可变电容器可以桥接该间隙。电感元件可以桥接该间隙和天线馈电端。可切换电感器可以并联地与电感元件耦合。可调谐匹配电路可以耦合在天线馈电端之一与将收发器电路与天线连接的同轴电缆中的导体之间。

Description

可调谐环形天线
本申请要求2011年3月7日提交的美国专利申请第13/041,934号的优先权，特此通过引用将其全部内容并入本文中。
技术领域
本发明一般地涉及无线通信电路，尤其涉及具有无线通信电路的电子设备。
背景技术
像手持电子设备那样的电子设备越来越普及。手持设备的例子包括手持计算机、蜂窝式电话、媒体播放器、和包括这种类型的多个设备的功能的混合设备。
像这些设备那样的设备往往配有无线通信能力。例如，电子设备可以使用850MHz，900MHz，1800MHz和1900MHz上的蜂窝式电话频带(例如，主要全球移动通信系统或GSM蜂窝式电话频带)将像蜂窝式电话电路那样的远程无线通信电路用于通信。远程无线通信电路也可以管理2100MHz频带。电子设备可以使用短程无线通信链路管理与附近装备的通信。例如，电子设备可以使用2.4GHz和5GHz上的
Figure BDA0000140009930000011
(IEEE 802.11)频带和2.4GHz上的
Figure BDA0000140009930000012
频带进行通信。
为了满足消费者对小型无线设备的需求，制造商们不断地力求实现像使用紧凑结构的天线部件那样的无线通信电路。但是，难以将传统天线结构装入小设备中。例如，限制在小体积内的天线往往呈现比实现在大体积中的天线更窄的工作频带。如果天线的带宽太小，该天线将不能覆盖感兴趣的所有通信频带。
基于这些考虑，期望为电子设备提供改进的无线电路。
发明内容
可以提供包括天线结构的电子设备。可以将天线配置成工作在第一和第二通信频带中。电子设备可以包括使用传输线与天线耦合的射频收发器电路。该传输线可以具有正导体和接地导体。该天线可以具有分别与传输线的正导体和接地导体耦合的正天线馈电端和接地天线馈电端。
该电子设备可以具有长方形外围。可以将长方形显示器安装在该电子设备的前面。该电子设备可以具有由塑料外壳部件形成的后面。导电侧壁结构可以围绕着显示器和电子设备外壳的外围。该导电侧壁结构可以用作显示器的边框(bezel)。
该边框可以包括至少一个间隙。可以将像塑料那样的固体电介质填入该间隙中。该天线可以由边框的包括该间隙的部分和一部分接地面形成。为了避免对触摸事件过度敏感，可以使用降低间隙附近的电场密度的馈电安排来对该天线馈电。
电感元件可以与天线馈电端并联形成，而电容元件可以与天线馈电端之一串联形成。电感元件可以由桥接天线馈电端的传输线电感结构形成。电容元件可以由插在天线的正馈电路径中的电容器形成。该电容器可以，例如，连接在传输线的正地导体与正天线馈电端之间。
可切换电感器电路可以与电感元件并联耦合。可调谐匹配电路也可以插在天线的正馈电路径中(例如，可调谐匹配电路可以与电容元件串联)。可变电容器电路可以桥接该间隙。可切换电感器电路、可调谐匹配电路和可变电容器电路用作可以用于使天线在不同频带上谐振的天线调谐电路。
使用这种安排形成的无线设备可以工作在第一和第二模式中。在第一模式中，可以接通可切换电感器电路使无线设备的天线能够工作在第一低频带区和高频带区中。在第二模式中，可以关断可切换电感器电路使无线设备的天线能够工作在第二低频带区和所述高频带区中。第一和第二低频带区在频率上可以重叠也可以不重叠。
可以将可调谐匹配电路配置成在所选频带区内提供期望子频带覆盖区。可以调整可变电容器电路以便细调环形天线的频率特性。
本发明的进一步特征、它的性质和各种优点可以从附图和下面对优选实施例的详细描述中更明显地看出。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的带有无线通信电路的例示性电子设备的透视图。
图2是根据本发明一个实施例的带有无线通信电路的例示性电子设备的示意图。
图3是根据本发明一个实施例的带有无线通信电路的例示性电子设备的剖面端视图。
图4是根据本发明一个实施例的例示性天线的图形。
图5是根据本发明一个实施例的可以用在电子设备中的例示性串馈式环形天线的示意图。
图6是示出根据本发明一个实施例如何可以将电子设备天线配置成在多个通信频带中呈现覆盖区的曲线图。
图7是根据本发明一个实施例的可以用在电子设备中的例示性并馈式环形天线的示意图。
图8是根据本发明一个实施例的将电感置于环中的例示性并馈式环形天线的图形。
图9是根据本发明一个实施例的具有电感传输线结构的例示性并馈式环形天线的图形。
图10是根据本发明一个实施例的带有电感传输线结构和串联电容元件的例示性并馈式环形天线的图形。
图11是例示根据本发明实施例的各种电子设备环形天线的性能的史密斯(Smith)图。
图12是示出针对给定天线体积的天线增益与天线带宽之间的折衷的曲线图。
图13是根据本发明一个实施例的带有可调谐天线电路的例示性并馈式环形天线的图形。
图14是根据本发明一个实施例的可以结合图13的天线使用的那种类型的例示性可调谐匹配电路的电路图。
图15是根据本发明一个实施例的可以结合图13的天线使用的那种类型的例示性可切换电感器电路的电路图。
图16是根据本发明一个实施例的可以结合图13的天线使用的那种类型的例示性可变电容器电路的电路图。
图17是示出根据本发明一个实施例如何可以使用可调谐天线电路将图13的天线的低频带部分用于覆盖感兴趣的多个通信频带的曲线图。
具体实施方式
电子设备可以配有无线通信电路。该无线通信电路可以用于在多个无线通信频带中支持无线通信。该无线通信电路可以包括一个或多个天线。
该天线可以包括环形天线。如果需要的话，环形天线的导电结构可以由导电电子设备结构形成。该导电电子设备结构可以包括导电外壳结构。该外壳结构可以包括导电边框。在导电边框中可以形成间隙结构。可以使用有助于使天线对与用户的手或其它外部物体接触的敏感性最小的配置对该天线进行并馈。
任何适当电子设备都可以配有包括环形天线结构的无线电路。作为一个例子，环形天线结构可以用在像台式计算机、游戏控制台、路由器、膝上型计算机等那样的电子设备中。借助于一种合适配置，将环形天线结构配备在像便携式电子设备那样内部空间相对珍贵的相对紧凑电子设备中。
在图1中示出了根据本发明一个实施例的例示性便携式电子设备。像例示性便携式电子设备10那样的便携式电子设备可以是像超便携式计算机、笔记本计算机、和平板计算机那样的膝上型计算机或小型便携式计算机。便携式电子设备也可以是更小一点的设备。更小的便携式电子设备的例子包括腕表式设备、吊坠式设备、头戴耳机式设备、和其它可穿戴和迷你设备。借助于一种合适安排，便携式电子设备是像蜂窝式电话那样的手持电子设备。
在便携式电子设备中空间是十分珍贵的。通常还存在导电结构，这给天线有效工作带来挑战。例如，可能围绕便携式电子设备外壳的一些或整个外围存在导电外壳结构。
在像这些那样的便携式电子设备外壳安排中，使用覆盖感兴趣通信频带的环型天线设计可能特别有利。因此，本文有时将像手持设备那样的便携式设备的使用作为一个例子来描述，但如果需要的话，任何合适电子设备都可以配有环形天线结构。
手持设备可以是，例如，蜂窝式电话、具有无线通信能力的媒体播放器、手持计算机(有时也叫做个人数据助理)、遥控器、全球定位系统(GPS)设备、和手持游戏设备。如果需要的话，手持设备和其它便携式设备可以包括多种传统设备的功能。多功能设备的例子包括：包括媒体播放器功能的蜂窝式电话、包括无线通信能力的游戏设备、包括游戏和电子邮件功能的蜂窝式电话、和接收电子邮件，支持移动电话呼叫和支持网页浏览的手持设备。这些仅仅是例示性例子。图1的设备10可以是任何合适设备或手持电子设备。
设备10包括外壳12以及包括管理无线通信的至少一个天线。有时也称为机壳的外壳12可以由任何合适材料形成，这些材料包括塑料、玻璃、陶瓷、复合物、金属或其它合适材料，或这些材料的组合体。在一些状况下，外壳12的一些部分可以由电介质或其它低电导率材料形成，以便处在外壳12内的导电天线元件的工作不受干扰。在其它状况下，外壳12可以由金属元素形成。
如果需要的话，设备10可以具有像显示器14那样的显示器。显示器14可以是例如内含电容触摸电极的触摸屏。显示器14可以包括由发光二极管(LED)、有机LED(OLED)、等离子元胞、电子墨水元件、液晶显示(LCD)部件或其它合适图像像素结构形成的图像像素。覆盖玻璃构件可以覆盖显示器14的表面。像按钮19那样的按钮可以通过覆盖玻璃中的开口。
外壳12可以包括像侧壁结构16那样的侧壁结构。结构16可以使用导电材料实现。例如，结构16可以使用基本上围绕显示器14的长方形外围的导电环形构件实现。结构16可以由像不锈钢、铝、或其它合适材料那样的金属形成。一种、两种或多于两种独立结构可以用于形成结构16。结构16可以用作将显示器14保持在设备10的前(顶)面上的边框。因此本文有时将结构16称为边框结构16或边框16。边框16围绕设备10和显示器14的长方形外围。
边框16可以具有约0.1mm到3mm(作为例子)的厚度(尺度TT)。边框16的侧壁部分基本上可以是垂直的(与垂直轴V平行)。与轴V平行，边框16可以具有约1mm到2cm(作为例子)的尺度TZ。边框16的长宽比R(即，TZ与TT的比值)通常大于1(即，R可以大于等于1，大于等于2，大于等于4，大于等于10，等等)。
边框16不一定具有均匀截面。例如，如果需要的话，边框16的顶部可以具有有助于将显示器14保持在合适位置上的向内凸缘。如果需要的话，边框16的底部也可以具有扩大边缘(例如，在设备10的后表面的平面中)。在图1的例子中，边框16具有大致直的垂直侧壁。这仅是例示性的。边框16的侧壁可以是弯曲的或可以具有任何其它合适形状。
显示器14包括像电容电极阵列、寻址像素元件的导电线、驱动电路等那样的导电结构。这些导电结构往往阻挡射频信号。因此，期望由像塑料那样的介电材料形成设备的一些或整个后平面。
边框16的一些部分可以配有间隙结构。例如，如图1所示，边框16可以配有像间隙18那样的一个或多个间隙。间隙18沿着设备10和显示器的外壳12的外围，因此有时称为外围间隙。间隙18分隔边框16(即，在间隙18中一般不存在边框16的导电部分)。
如图1所示，可以将电介质填入间隙18中。例如，可以将空气填入间隙18中。为了有助于提供具有光滑无间断外观的设备10以及保证边框16外表美观，可以将像塑料那样的固体(非空气)电介质填入间隙18中。边框16和像间隙18那样的间隙(及其相关联的塑料填充结构)可以形成设备10中的一个或多个天线的一部分。例如，边框16的一些部分和像间隙18那样的间隙可以与内部导电结构结合，形成一个或多个环形天线。内部导电结构可以包括印刷电路板结构、边框架构件或其它支承结构，或其它合适导电结构。
在典型情形中，设备10可以具有上部和下部天线(作为例子)。上部天线可以，例如，在区域22中在设备10的上端形成。下部天线可以，例如，在区域20中在设备10的下端形成。
下部天线可以，例如，部分地由边框16在间隙18附近的部分形成。
设备10中的天线可以用于支持感兴趣的任何通信频带。例如，设备10可以包括支持局域网通信、语音和数据蜂窝式电话通信、全球定位系统(GPS)通信、蓝牙通信等的天线结构。作为一个例子，设备10的区域20中的下天线可以用于管理一个或多个蜂窝式电话频带中的语音和数据通信。
在图2中示出了例示性电子设备的示意图。图2的设备可以是像便携式平板计算机那样的便携式计算机、移动电话、具有媒体播放器能力的移动电话、手持计算机、遥控器、游戏机、全球定位系统(GPS)设备、这样设备的组合、或任何其它合适便携式电子设备。
如图2所示，手持设备10可以包括存储和处理电路28。存储和处理电路28可以包括像硬盘驱动存储设备那样的存储设备、非易失性存储器(例如，闪速存储器或配置为形成固态驱动器的其它电可编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态或动态随机访问存储器)等。存储和处理电路28中的处理电路可以用于控制设备10的操作。这种处理电路可以基于一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路等。
存储和处理电路28可以用于运行像互联网浏览应用程序、互联网语音协议(VOIP)电话呼叫应用程序、电子邮件应用程序、媒体播放应用程序、操作系统功能等那样的设备10上的软件。为了支持与外部装备的交互，存储和处理电路28可以用于实现通信协议。可以使用存储和处理电路28实现的通信协议包括互联网协议、无线局域网协议(例如，IEEE 802.11协议-有时称为
Figure BDA0000140009930000081
)、像
Figure BDA0000140009930000082
协议那样的用于其它短程无线通信的协议、蜂窝式电话协议等。
输入输出电路30可以用于将数据供应给设备10和将数据从设备10提供给外部设备。像触摸屏和其它用户输入接口那样的输入输出设备32是输入输出电路30的例子。输入输出设备32也可以包括像按钮、操纵杆、点击轮、滚动轮、触摸板、键板、键盘、麦克风、摄像机等那样的用户输入输出设备。用户可以通过经由这样的用户输入设备供应命令来控制设备10的操作。像显示器14(图1)那样的显示和音频设备以及呈现视觉信息和状态数据的其它部件可以包括在设备32中。输入输出设备32中的显示和音频部件也可以包括像扬声器那样的音频装备以及产生声音的其它设备。如果需要的话，输入输出设备32可以包括像插座那样的音频-视频接口装备和用于外部头戴式耳机和监视器的其它连接器。
无线通信电路34可以包括由一个或多个集成电路形成的射频(RF)收发器电路、功率放大电路、低噪输入放大器、无源RF部件、一个或多个天线、和管理RF无线信号的其它电路。无线信号也可以使用光(例如，使用红外通信)来发送。无线通信电路34可以包括管理多个射频通信频带的射频收发器电路。无线电路34和设备10可以支持的蜂窝式电话标准的例子包括：全球移动通信系统(GSM)“2G”蜂窝式电话标准、演进数据优化(EVDO)蜂窝式电话标准、“3G”通用移动电信系统(UMTS)蜂窝式电话标准、“3G”码分多址2000(CDMA 2000)蜂窝式电话标准、和3GPP长期演进(LTE)蜂窝式电话标准。如果需要的话，也可以使用其它蜂窝式电话标准。这些蜂窝式电话标准仅仅是例示性的。
如果需要的话，无线通信电路34可以包括用于其它短程和远程无线链路的电路。例如，无线通信电路34可以包括全球定位系统(GPS)接收装备、接收无线电和电视信号的无线电路、寻呼电路等。在和
Figure BDA0000140009930000092
链路和其它短程无线链路中，无线信号通常用于在数十或数百英尺上传送数据。在蜂窝式电话链路和其它远程链路中，无线信号通常用于在数千英尺或英里上传送数据。
无线通信电路34可以包括天线40。天线40可以使用任何合适天线类型形成。例如，天线40可以包括带有谐振元件的天线，该谐振元件由环形天线结构、片形天线结构、倒F形天线结构、槽形天线结构、平面倒F形天线结构、螺旋形天线结构、这些设计的混合体等形成。不同类型的天线可以用于不同频带和频带组合。例如，一种类型的天线可以用于形成本地无线链路天线，而另一种类型的天线可以用于形成远程无线链路。
借助于本文有时描述为一个例子的一种合适安排，可以使用环形天线设计形成设备10中的下部天线(即，处在图1的设备10的区域20中的天线40)。当用户握住设备10时，用户的手指可能接触设备10的外部。例如，用户可能在区域20中触摸设备10。为了保证天线性能对用户是否触摸或其它外部物体是否接触不过度敏感，可以使用电场不过度集中在间隙18附近的安排来对该环形天线馈电。
在图3中示出了沿着图1中的直线24-24截取的和沿着方向26观看的图1的设备10的剖面侧视图。如图3所示，可以使用边框16将显示器14安装在设备10的前表面上。外壳12可以包括由边框16形成的侧壁和由像平面后部壳体结构42那样的结构形成的一个或多个后壁。结构42可以由像塑料或其它合适材料那样的电介质形成。卡扣、夹子、螺钉、粘合剂、和其它结构都可以用于将边框16附连到显示器14和后部壳壁结构42。
设备10可以包括像印刷电路板46那样的印刷电路板。印刷电路板46和设备10中的其它印刷电路板可以由刚性印刷电路板材料(例如，玻璃纤维填充环氧树脂)或像聚合物那样的材料的柔性片形成。柔性印刷电路板(“柔性电路”)可以，例如，由聚酰亚胺的柔性片形成。
印刷电路板46可以包括像互连线48那样的互连线。互连线48可以由导电迹线(例如，镀金铜或其它金属的迹线)形成。可以使用焊料或导电粘合剂(作为例子)将像连接器50那样的连接器与互连线48连接。可以将集成电路，像电阻器、电容器、和电感器那样的分立部件，和其它电子部件安装在印刷电路板46上。
天线40可以具有天线馈电端。例如，天线40可以具有像正天线馈电端58那样的正天线馈电端、和像接地天线馈电端54那样的接地天线馈电端。在图3的例示性安排中，像同轴电缆52那样的传输线路径可以经由连接器50和互连线48耦合在由端子58和54形成的天线馈电器与部件44中的收发器电路之间。部件44可以包括实现图2的收发器电路36和38的一个或多个集成电路。连接器50可以是，例如，与印刷电路板46连接的同轴电缆连接器。电缆52可以是同轴电缆或其它传输线。端子58可以与同轴电缆中心连接器56耦合。端子54可以与电缆52中的接地导体(例如，导电外层编织导体)连接。如果需要的话，可以将其它安排用于将设备10中的收发器与天线40耦合。图3的安排仅仅是例示性的。
正如图3的剖视图清楚显示的那样，由边框16形成的外壳12的侧壁可能相对较高。同时，可用于在设备10的下端处的区域20中形成天线的区域量可能有限，尤其在紧凑设备中。作为形成天线的期望形式的紧凑尺寸可能难以形成在期望通信频带中谐振的足够尺寸的槽型天线形状。边框16的形状可能趋向于降低传统平面倒F形天线的效率。如果需要的话，像这些那样的挑战可以通过将环形设计用于天线40来解决。
作为一个例子，考虑图4的天线安排。如图4所示，天线40可以在设备10的区域20中形成。如结合图1所述，区域20可以处在设备10的下端处。有时可能称为接地面或接地面元件的导电区68可以由一个或多个导电结构(例如，印刷电路板46上的平面导电迹线、设备10中的内部结构构件、板46上的电子部件44、安装在板46上的射频屏蔽罩等)形成。区域66中的导电区68有时称为为天线40形成“接地区”。图4的导电结构70可以由边框16形成。区域70有时称为接地面扩展区。间隙18可以在这个导电边框部分中形成(如图1所示)。
接地面扩展区70(即，边框16的一些部分)和沿着接地区68的边缘76的区域68的一些部分形成围绕开口72的导电环。开口72可以由空气、塑料和其它固体电介质形成。如果需要的话，开口72的轮廓可以是弯曲的，可以具有多于四个直线段，和/或可以由导电部件的轮廓限定。图4中的介电区72的长方形形状仅仅是例示性的。
如果需要的话，图4的导电结构可以通过跨接地天线馈电端62和正天线馈电端64耦接射频收发器60来馈电。如图4所示，在这种类型的安排中，天线40的馈电器未处在间隙18的附近(即，馈电端62和64处在开口72的横向中心分隔线74的左边，而间隙18沿着设备10的右手侧处在分割线74的右边)。虽然这种类型的安排在一些状况下可能令人满意，但是使天线馈电端处在图4的端子62和64的位置上的天线馈电安排往往使射频天线信号的电场强度集中在间隙18附近。如果用户沿着方向78移动手指80(例如，当用户的手握住设备10时)碰巧将像手指80那样的外部物体放置在间隙18附近时，用户手指的存在可能干扰天线40的工作。
为了保证天线40对触摸不过度敏感(即，使天线40对牵涉到设备10的用户的手和其它外部物体的触摸事件不敏感)，可以使用处在间隙18附近(例如，在图4的例子中正天线馈电端58和接地天线馈电端54所示)的天线馈电端来对天线40馈电。当天线馈电器处在线74的右边时，更具体地说，当天线馈电器处在接近间隙18的位置上时，在间隙18上产生的电场往往减弱。这有助于使天线40对用户的手指的存在的敏感性最小，保证了令人满意的工作而与外部物体是否在间隙18附近与设备10接触无关。
在图4的安排中，天线40是串馈的。在图5中示出了显示在图4中那种类型的串馈式环形天线的示意图。如图5所示，串馈式环形天线82可以具有像环84那样的环状导电路径。由正传输线导体86和接地传输线导体88组成的传输线可以分别与天线馈电端58和54耦合。
有效地将显示在图5中那种类型的串馈式馈电安排用于对多频带环形天线馈电可能是挑战性的。例如，可能希望使环形天线工作在覆盖850MHz和900MHz上的GSM子频带的较低频带和覆盖1800MHz和1900MHz上的GSM子频带和2100MHz上的数据子频带的较高频带中。这种类型的安排可能被认为是双频带安排(例如，第一频带的850/900和第二频带的1800/1900/2100)或可能被认为具有五个频带(850，900，1800，1900，和2100)。在像这些那样的多频带安排中，像图5的环形天线82那样的串馈式天线可能呈现在高频通信频带中比在低频通信频带中好得多的阻抗匹配。
在图6中示出了例示这种效应的驻波比(SWR)与频率关系曲线。如图6所示，SWR曲线90在高频带频率f2(例如，覆盖1800MHz，1900MHz和2100MHz上的子频带)上可能呈现令人满意的谐振峰(峰94)。但是，当天线40是串馈时，SWR曲线90在中心为频率f1上的低频频带中可能呈现相对较差的性能。例如，图5的串馈式环形天线82的SWR曲线90可以通过弱谐振峰96来表征。正如这个例子所证明的那样，串馈式环形天线在f2上的较高频带中可以提供与传输线52(图3)的令人满意的阻抗匹配，但在较低频带f1中可能不能提供与传输线52(图3)的令人满意的匹配阻抗。
更令人满意的性能水平(低频带谐振峰92所例示)可以使用具有适当阻抗匹配特征的并馈式安排来获得。
在图7中示意性地示出了例示性并馈式环形天线。如图7所示，并馈式环形天线90可以具有像环92那样的导体环。在图7的例子中环92被显示成圆形的。这仅仅是例示性的。如果需要的话，环92可以具有其它形状(例如，长方形、具有弯曲边和直边两者的形状、具有不规则边界的形状等)。传输线TL可以包括正信号导体94和接地信号导体96。路径94和96可以包括在同轴电缆、柔性电路和刚性印刷电路板上的微带传输线等中。传输线TL可以使用正天线馈电端58和接地天线馈电端54与天线90的馈电器耦合。电元件98可以桥接端子58和54，从而“闭合”由路径92形成的环。当环以这种方式闭合时，元件98插在形成环92的导电路径中。像图7的环形天线90那样的并馈式环形天线的阻抗可以通过适当选择元件98以及如果需要的话，适当选择其它电路(例如，插在像线94或线96那样的馈电线之一中的电容器或其它元件)来调整。
元件98可以由一个或多个电部件形成。可以用作整个元件98或其一部分的部件包括电阻器、电感器和电容器。元件98的期望电阻、电感和电容可以使用集成电路，使用分立部件和/或使用不是分立部件或集成电路的一部分的介电和导电结构形成。例如，电阻可以使用电阻性金属合金的细线形成，电容可以通过隔开被电介质分开的相互接近的两个导电板形成，以及电感可以通过在印刷电路板上建立导电路径形成。这些类型的结构可以称为电阻器、电容器和/或电感器，或可以称为电阻性天线馈电结构、电容性天线馈电结构和/或电感性天线馈电结构。
在图8中示出了使用电感器实现图7的示意图的部件98的天线40的例示性配置。如图8所示，环92(图7)可以使用导电区70和区域68的沿着开口72的边缘76的导电部分来实现。图8的天线40可以使用正天线馈电端58和接地天线馈电端54来馈电。端子54和58可以处在间隙18附近，以便降低间隙18中的电场密度，从而降低天线40对触摸事件的敏感性。
电感器98的存在可以至少部分地有助于将传输线52的阻抗与天线40匹配。如果需要的话，电感器98可以使用像表面安装技术(SMT)电感器那样的分立部件形成。电感器98的电感也可以使用显示在图9中那种类型的安排来实现。借助于图9的配置，并馈式环形天线40的环形导体可以具有与接地面边缘GE平行的电感分段SG。分段SG可以是，例如，印刷电路板或其它导电构件上的导电迹线。介电开口DL(例如，充气或塑料填充开口)可以将地68的边缘部分GE与导电环形部分70的分段SG分开。分段SG可以具有长度L。分段SG和相关联的地GE形成具有相关联的电感的传输线(即，分段SG和地GE形成电感器98)。电感器98的电感与馈电端54和58并联，因此形成显示在图8中那种类型的并联电感性调谐元件。因为图9的电感元件98是使用传输线结构形成的，所以图9的电感元件98可以使天线40的损耗小于将分立电感器用于桥接馈电端的安排。例如，传输线电感元件98可以保持高频带性能(例示成图6的令人满意谐振峰94)，而分立电感器可能降低高频带性能。
电容性调谐也可以用于改善天线40的阻抗匹配。例如，图10的电容器100可以与同轴电缆52的中心导体56串联，或者可以使用其它合适安排将串联电容引入天线馈电器中。如图10所示，可以将电容器100插在同轴电缆中心导体56或介于传输线52的端子与正天线馈电端58之间的其它导电结构中。电容器100可以由一个或多个分立部件(例如，SMT部件)，一个或多个电容性结构(例如，被电介质分开的重叠印刷电路板迹线等)、印刷电路板或其它基板上的导电迹线之间的横向间隙等形成。
图10的环形天线40的导电环由导电结构70和接地导电结构66沿着边缘76的导电部分形成。如电流路径102所例示，环电流也可以通过接地面68的其它部分。正天线馈电端58与环形路径的一端连接，而接地天线馈电端54与环形路径的另一端连接。电感器98桥接图10的天线40的端子54和58，因此天线40形成具有桥接电感(和来自电容器100的串联电容)的并馈式环形天线。
在天线40工作期间，可能通过接地面68形成不同长度的各种电流路径102。这可能有助于加宽感兴趣频带中天线40的频率响应。像并联电感98和串联电容100那样的调谐元件的存在可能有助于为天线40形成有效阻抗匹配电路，使天线40可以有效地工作在高低频带两者上(例如，使天线40呈现图6的高频带谐振峰94和图6的低频带谐振峰92)。
在图11中示出了示出像图10的电感器98和电容器100那样的调谐元件对并馈式环形天线40的可能影响的简化史密斯图。图104中心上的点Y代表传输线52的阻抗(例如，要与天线40匹配的50Ω同轴电缆阻抗)。天线40的阻抗在低频带和高频带两者中都接近点Y的配置将呈现令人满意的工作。
对于图10的并馈式天线40，高频带匹配对电感元件98和电容器100的存在与否相对较不敏感。但是，这些部件可能显著影响低频带阻抗。作为一个例子，考虑没有电感器98或电容器100的天线配置(即，显示在图4中那种类型的并馈式环形天线)。在这种配置中，低频带(例如，图6的频率f1上的频带)可以通过图104上的点X1所代表的阻抗来表征。当将像图9的并联电感98那样的电感器加入天线中时，天线在低频带中的阻抗可以通过图104的点X2表征。当将像电容器100那样的电容器加入天线中时，天线可以配置成如图10所示。在这种类型的配置中，天线40的阻抗可以通过图104的点X3表征。
在点X3上，天线40在高频带(中心在图6中的频率f2附近的频率)和低频带(中心在图6中的频率f1附近的频率)两者中很好地与电缆50的阻抗匹配。这可以使天线40支持感兴趣的期望通信频带。例如，这种匹配安排可以使像图10的天线40那样的天线工作在像850MHz和900MHz上的通信频带(一起形成频率f1上的低频带区)和1800MHz、1900MHz和2100MHz上的通信频带(一起形成频率f2上的高频带区)那样的频带中。
此外，点X3的设置有助于保证使由触摸事件引起的失调最小。当用户在天线40附近触摸设备10的外壳12时，或当使其它外部物体接近天线40时，这些外部物体影响天线的阻抗。尤其，这些外部物体可能趋向于对天线阻抗引入电容性阻抗贡献。如图11中的图104的线106所示，这种类型的贡献对天线阻抗的影响往往使天线的阻抗从点X3移动到点X4。由于点X3的原始位置，点X4离最佳点Y不太远。其结果是，天线40在各种条件下(例如，当触摸设备10时，当未触摸设备10时，等等)可以呈现令人满意的工作。
尽管图11的图形针对各种天线配置将阻抗表示成点，但由于天线阻抗的频率相关性，天线阻抗通常通过一组点(例如，图104上的弯曲线段)来表示。但是，图104的总体行为代表天线在感兴趣频率上的行为。用弯曲线段表示频率相关天线阻抗从图11中省略了，以避免图形过于复杂。
结合图10所述那种类型的天线40能够支持第一和第二射频频带(参见，例如，图6)中的无线通信。例如，天线40可工作在覆盖850MHz和900MHz上的GSM子频带的较低频带和覆盖1800MHz和1900MHz上的GSM子频带和2100MHz上的数据子频带的较高频带中。
除了第一和第二频带之外，还可能希望设备10能够支持其他无线通信频带。例如，可能希望天线40能够工作在覆盖1800MHz和1900MHz上的GSM子频带和2100MHz上的数据子频带的较高频带，覆盖850MHz和900MHz上的GSM子频带的第一较低频带，和覆盖700MHz上的LTE频带、710MHz和750MHz上的GSM子频带、700MHz上的UMTS子频带、和其它期望无线通信频带的第二较低频带中。
结合图10所述那种类型的天线40的频带覆盖区可能受环形天线40的体积(例如，导电环70限定的开口的体积)限制。一般说来，对于具有给定体积的环形天线，较高的频带覆盖区(或带宽)导致增益下降(例如，最大增益与带宽的乘积是常数)。
图12是示出天线增益如何作为天线带宽的函数而变的曲线图。曲线200代表具有第一体积的第一环形天线的增益-带宽特性，而曲线202代表具有比第一体积大的第二体积的第二环形天线的增益-带宽特性。第一和第二环形天线可以是结合图10所述那种类型的天线。
如图12所示，第一环形天线在呈现增益g0(点204)的同时可以提供带宽BW1。为了使第一环形天线提供更大的带宽(即，带宽BW2)，将第一环形天线的增益降低到增益g1(点205)。提供更大频带覆盖区的一种方式是增大环形天线的体积。例如，具有比第一环形天线的体积更大的体积的第二环形天线在呈现增益g0(点206)的同时可以提供带宽BW2。但是，如果希望小型化，则增大环形天线的体积不一定是可行的。
在另一种合适安排中，设备10的无线电路可以包括可调谐(可配置)天线电路。该可调谐天线电路可以使天线40可工作在至少三个无线通信频带(作为例子)中。该可调谐天线电路可以包括像电路210那样的可切换电感器电路、像匹配电路M1那样的可调谐匹配网络电路、像电路212那样的可变电容器电路、和其它合适的可调谐电路(参见，例如，图13)。
如图13所示，并馈式环形天线40的环形导体70可以具有与接地面边缘GE平行的第一电感分段SG和第二电感分段SG′。分段SG和SG′可以是，例如，印刷电路板或其它导电构件上的导电迹线。介电开口DL(例如，充气或塑料填充开口)可以将地68的边缘部分GE与导电环形部分70的分段SG分开，而介电开口DL′可以将地68的边缘部分GE与导电环形部分70的分段SG′分开。介电开口DL和DL′可以可以具有不同形状和尺寸。
分段SG和SG′可以通过导体70与接地面边缘GE垂直的部分99连接在一起。可切换电感器电路(也称为可调谐电感器电路，可配置电感器电路，或可调整电感器电路)210可以耦合在部分99与接地面边缘GE上的相应端子101之间。当电路210被切换成使用时(例如，当接通电路210时)，分段SG和相关联的地GE形成具有第一电感的第一传输线路径(即，分段SG和地GE形成电感器98)。当电路210被切换成未使用时(例如，当关断电路210时)，分段SG、部分99、分段SG′和地GE一起形成具有第二电感的第二传输线路径(即，分段SG′和地GE形成与电感器98串联耦合的电感器98′)。第二传输线路径有时可以称为固定电感器，因为当可切换电感器210未使用时，第二传输线路径的电感是固定的。可切换电感器210用于分路(shunt)第二传输线路径，以便第一电感值低于第二电感值。
分段SG和SG′的尺度被选择成使第一和第二电感的等效电感值分别等于18nH和20nH(作为例子)。第一传输线路径(如果启用电路210)和第二传输线路径(如果禁用电路210)与馈电端54和58并联，用作天线40的并联电感性调谐元件。因此，第一和第二传输线路径有时可以称为可变电感器。因为第一和第二电感是使用传输线结构提供的，所以第一和第二传输线路径可以维持高频带性能(例示成图6的令人满意的谐振峰94)，而分立电感器可能降低高频带性能。
当接通电路210时电感器98的存在可以至少部分地有助于将传输线52的阻抗与天线40匹配，而当关断电路210时串联电感器98和98′的存在可以至少部分地有助于将传输线52的阻抗与天线40匹配。如果需要的话，电感器98和98′可以使用像表面安装技术(SMT)电感器那样的分立部件形成。电感器98和98′具有细心选择成提供期望频带覆盖区的电感值。
在另一个合适实施例中，可以将可调谐匹配网络电路M1耦合在同轴电缆52与电容器100之间。例如，可调谐电路M1可以具有与同轴电缆中心导体连接的第一端132和与电容器100连接的第二端122。阻抗匹配电路M1可以使用具有相关联的电容、电阻、和电感值的导电结构，和/或像形成使收发器38的阻抗与天线40匹配的电路的电感器、电容器、和电阻器那样的分立部件形成。
匹配电路M1可以是固定的或可调整的。在这种类型的配置中，像天线调谐电路220那样的控制电路可以在路径29上发出像信号SELECT(选择)那样的控制信号，以便配置匹配电路M1。当SELECT具有第一值时，可以将匹配电路M1设置在第一配置下。当SELECT具有第二值时，可以将匹配电路M1设置在第二配置下。匹配电路M1的状态可以用于调谐天线40，以便使天线40覆盖期望通信频带。
在另一个合适实施例中，可以将可变电容器电路(有时称为变容器电路、可调谐电容器电路、可调整电容器电路)212耦合在导电边框间隙18之间。边框间隙18可以，例如，具有1pF的内在电容值(例如，由间隙18上的平行导电表面形成的固有电容值)。部件212可以是，例如，连续可变电容器、可以与内在电容并联耦合的具有两个，四个或更多个不同电容值的半连续可调整电容器。如果需要的话，部件212可以是连续可变电感器或具有两个，四个或更多个不同电感值的半连续可调整电感器。部件212的电容值可以用于细调天线40以便工作在期望频率上。
在图14中示出了可以用于实现图13的可调谐匹配电路M1的例示性可调谐电路。如图14所示，匹配电路M1可以具有像开关134和136那样的开关。开关134和136可以具有多个位置(由图14中的例示性A和B位置示出)。当信号SELECT具有第一值时，可以将开关134和136放在它们的A位置上，匹配电路MA可以被切换成进入使用状态。当信号SELECT具有第二值时，可以将开关134和136放置在它们的B位置上(如图14所示)，以便将匹配电路MB连接在路径132和122之间。
图15示出了可切换电感器电路210的一种合适电路实现。如图15所示，电路210包括串联耦合的开关SW和电感元件98′。开关SW可以使用p-i-n型二极管、砷化镓场效应晶体管(FET)、微机电系统(MEM)开关、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、假晶HEMT(PHEMT)、在绝缘体上硅(SOI)基板上形成的晶体管等形成。
电感元件98′可以由一个或多个电气部件形成。可以用作整个元件98′或其一部分的部件可以是电阻器、电感器和电容器。元件98′的期望电阻、电感和电容可以使用集成电路，使用分立部件(例如，表面安装技术电感器)和/或使用不是分立部件或集成电路的一部分的介电和导电结构形成。例如，电阻可以使用电阻性金属合金的细线形成，电容可以通过隔开被电介质分开的相互接近的两个导电板形成，而电感可以通过在印刷电路板上建立导电路径(例如，传输线)形成。
图16示出了变容器电路212如何可以从天线调谐电路220接收到控制电压信号Vc。如图16所示，变容器电路212可以具有与边框间隙18的一端连接的第一端、与边框间隙18的另一端连接的第二端、和接收控制信号Vc的第三端。天线调谐电路220可以将Vc偏置成不同电压电平，以便调整变容器212的电容。变容器212可以使用集成电路，一个或多个分立部件(例如，SMT部件)等形成。
通过使用结合图13-16所述那种类型的天线调谐方案，天线40能够覆盖比否则能够实现的范围更宽的通信频率范围。图17示出了结合图13所述那种类型的天线40的例示性SWR曲线图。实线90对应于启用电感电路220时天线的第一模式。在这种第一模式下，天线40可以工作在频率f1上的第一低频带区上的频带中(例如，覆盖850MHz和900MHz上的GSM频带)和工作在频率f2上的高频带区上的频带中(例如，覆盖1800MHz、1900MHz、和2100MHz上的GSM频带)。
虚线90′对应于禁用电感电路220时天线40的第二模式。在这种第二模式下，天线40在维持频率f2上的高频带区的覆盖区的同时可以工作在频率f1′上的第二低频带区上的频带中(例如，覆盖700MHz上的LTE频带和其它感兴趣频带)。可调谐匹配电路M1可以配置成提供期望子频带上的覆盖区。
变容器电路212可以用于在设备10工作之前或实时地细调天线40以便天线40在多种无线业务和环境情形下按期望工作，以及补偿处理、电压、和温度变化，和噪声、干扰、或变化的其它来源。
根据一个实施例，提供了一种具有外围的电子设备中的并馈式环形天线，其包括：包括第一和第二天线馈电端的天线馈电器；耦合在该第一和第二天线馈电端之间的导电环，其中该导电环至少部分地由沿着外围布置的导电结构形成；以及桥接该第一和第二天线馈电端的可变电感器。
根据另一个实施例，该可变电感器包括并联耦合在该第一和第二天线馈电端之间的固定电感器和可切换电感器。
根据另一个实施例，该可切换电感器包括串联在该第一和第二天线馈电端之间的电感器和开关。
根据另一个实施例，该固定电感器和该电感器包括电感性传输线结构。
根据另一个实施例，该可变电感器被可选择地配置成工作在该可变电感器在该第一和第二天线馈电端之间呈现第一电感的第一模式、和该可变电感器在该第一和第二天线馈电端之间呈现第二电感的第二模式中，其中该第一电感不同于该第二电感。
根据另一个实施例，其中该导电结构包括至少一个间隙，该并馈式环形天线进一步包括桥接该至少一个间隙的可变电容器电路。
根据另一个实施例，该电子设备进一步包括无线收发器电路和介于该收发器电路与该天线馈电器之间的可调谐阻抗匹配电路。
根据另一个实施例，该电子设备进一步包括：无线收发器电路；以及介于该收发器电路与该天线馈电器之间的可调谐阻抗匹配电路。
根据另一个实施例，该并馈式环形天线进一步包括：在传输线与该第一天线馈电端之间传送天线信号的天线馈电线；以及插在该天线馈电线中的电容器。
根据一个实施例，提供了一种手持电子设备，其包括：包括第一和第二天线馈电端的天线馈电器；耦合在该第一和第二天线馈电端之间的导电环；无线收发器电路；以及介于该无线收发器电路与该天线馈电器之间的可调谐阻抗匹配电路。
根据另一个实施例，该手持电子设备进一步包括：具有外围的外壳；以及沿着该外围并且在该外围上具有至少一个间隙的导电结构。
根据另一个实施例，该手持电子设备进一步包括：桥接该至少一个间隙的可变电容器电路。
根据另一个实施例，该可调谐阻抗匹配电路包括至少两个阻抗匹配网络电路、和将该可调谐阻抗匹配电路配置成切换到使用该两个阻抗匹配网络电路的所选一个的切换电路。
根据另一个实施例，该天线包括并馈式环形天线。
根据另一个实施例，该电子设备进一步包括：具有正导体和接地导体的传输线，其中该接地导体与该第二天线馈电端耦合，而该正导体耦合到该第一天线馈电端；以及插在传输线的正导体中的电容器。
根据另一个实施例，该电子设备进一步包括：桥接该第一和第二天线馈电端的电感器电路。
根据一个实施例，提供了一种无线电子设备，其包括：具有外围的外壳；沿着该外围并且在该外围上具有至少一个间隙的导电结构；以及至少部分地由该导电结构形成的天线，其中该天线包括将该天线配置成工作在如下模式中的天线调谐电路：将该天线配置成工作在第一通信频带和在频率上高于该第一通信频带的第二通信频带中的第一工作模式；以及将该天线配置成工作在频率比该第一通信频带低的第三通信频带和该第二通信频率中的第二工作模式。
根据另一个实施例，该第一通信频带的中心在900MHz上，该第二通信频带的中心在1850MHz上，以及该第三通信频带的中心在700MHz上。
根据另一个实施例，该天线调谐电路包括：桥接该至少一个间隙的可变电容器电路。
根据另一个实施例，该天线包括正馈电端和负馈电端，并且该天线调谐电路包括：桥接该正天线馈电端和负天线馈电端的可变电感器。
根据另一个实施例，该天线进一步包括天线馈电器，并且该天线调谐电路包括具有如下的可调谐阻抗匹配电路：无线电收发器电路，其中该可调谐阻抗匹配电路介于该无线电收发器电路与该天线馈电器之间。
上文仅仅例示了本发明的原理，本领域技术人员可以不偏离本发明的范围和精神地作出各种修改。上文的实施例可以单独或以任何组合方式实现。

Claims (20)

1.一种具有外围的电子设备中的并馈式环形天线，包括：
包括第一和第二天线馈电端的天线馈电器；
耦合在该第一和第二天线馈电端之间的导电环，其中该导电环至少部分地由沿着外围布置的导电结构形成；以及
桥接该第一和第二天线馈电端的可变电感器。
2.如权利要求1所述的并馈式环形天线，其中该可变电感器包括并联耦合在该第一和第二天线馈电端之间的固定电感器和可切换电感器。
3.如权利要求2所述的并馈式环形天线，其中该可切换电感器包括串联在该第一和第二天线馈电端之间的电感器和开关。
4.如权利要求3所述的并馈式环形天线，其中该固定电感器和该电感器包括电感性传输线结构。
5.如权利要求1所述的并馈式环形天线，其中该可变电感器被选择性地配置成工作在其中该可变电感器在第一和第二天线馈电端之间呈现第一电感的第一模式、和其中该可变电感器在第一和第二天线馈电端之间呈现第二电感的第二模式中，其中第一电感不同于第二电感。
6.如权利要求1所述的并馈式环形天线，其中该导电结构包括至少一个间隙，该并馈式环形天线进一步包括：
桥接该至少一个间隙的可变电容器电路。
7.如权利要求6所述的并馈式环形天线，其中该电子设备进一步包括无线收发器电路和介于该无线收发器电路与该天线馈电器之间的可调谐阻抗匹配电路。
8.如权利要求1所述的并馈式环形天线，其中该电子设备进一步包括：
无线收发器电路；以及
介于该无线收发器电路与该天线馈电器之间的可调谐阻抗匹配电路。
9.如权利要求1所述的并馈式环形天线，进一步包括：
在传输线与该第一天线馈电端之间传送天线信号的天线馈电线；以及
插在该天线馈电线中的电容器。
10.一种手持电子设备，包括：
包括第一和第二天线馈电端的天线馈电器；
耦合在该第一和第二天线馈电端之间的导电环；
无线收发器电路；以及
介于该无线收发器电路与该天线馈电器之间的可调谐阻抗匹配电路。
11.如权利要求10所述的手持电子设备，进一步包括：
具有外围的外壳；以及
沿着该外围并且在该外围上具有至少一个间隙的导电结构。
12.如权利要求11所述的手持电子设备，进一步包括：
桥接该至少一个间隙的可变电容器电路。
13.如权利要求11所述的手持电子设备，其中该可调谐阻抗匹配电路包括至少两个阻抗匹配网络电路、和将该可调谐阻抗匹配电路配置成切换到使用该两个阻抗匹配网络电路中的所选一个的切换电路。
14.如权利要求11所述的手持电子设备，其中该天线包括并馈式环形天线。
15.如权利要求11所述的手持电子设备，进一步包括：
具有正导体和接地导体的传输线，其中该接地导体与该第二天线馈电端耦合，并且其中该正导体耦合到该第一天线馈电端；以及
插在传输线的正导体中的电容器。
16.如权利要求11所述的手持电子设备，进一步包括：
桥接该第一和第二天线馈电端的电感器电路。
17.一种无线电子设备，包括：
具有外围的外壳；
沿着该外围并且在该外围上具有至少一个间隙的导电结构；以及
至少部分地由该导电结构形成的天线，其中该天线包括将该天线配置成工作在如下模式中的天线调谐电路：
第一工作模式，其中将该天线配置成工作在第一通信频带和频率高于该第一通信频带的第二通信频带；以及
第二工作模式，其中将该天线配置成工作在频率比该第一通信频带低的第三通信频带和该第二通信频带。
18.如权利要求17所述的无线电子设备，其中该天线调谐电路包括：
桥接该至少一个间隙的可变电容器电路。
19.如权利要求17所述的无线电子设备，其中该天线包括正馈电器和负馈电器，并且其中该天线调谐电路包括：
桥接该正天线馈电端和负天线馈电端的可变电感器。
20.如权利要求17所述的无线电子设备，其中该天线进一步包括天线馈电器，并且该天线调谐电路包括可调谐阻抗匹配电路，其进一步包括：
无线电收发器电路，其中该可调谐阻抗匹配电路介于该无线电收发器电路与该天线馈电器之间。
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