CN102696148A - 提供电子装置上的天线之间的高隔离的天线系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种具有印刷电路板组件的便携式电子装置中的天线系统。该天线系统包括第一天线和第二平衡天线，它们提供在印刷电路板组件上。从印刷电路板组件的一部分对第一天线馈电，使得印刷电路板组件的地平面用作第一天线的地网。第二平衡天线具有偶极子端，其被配置和取向为通常使与印刷电路板组件的地平面的耦合最小化以增加第一天线和第二平衡天线之间的隔离。

Description

提供电子装置上的天线之间的高隔离的天线系统

相关申请的交叉引用

本申请要求（1）于2009年10月9日提交的题为“Balanced Antenna and Arrangement for Obtaining High Isolation between Antennas on the Same Electronics Device”的美国临时专利申请序列第61/250,344号以及（2）于2010年7月9日提交的题为“Antenna With Reduced Near-Field Radiation And Specific Absorption Rate (SAR) Values”的美国临时专利申请序列第61/363,085号的优先权，这两个申请由此通过引用合并。

背景技术

本申请总体上涉及具有同时操作的两个或更多个天线的便携式电子装置中的天线系统。

便携式电子装置（例如，USB软件保护器和其他无线路由器、蜂窝手机、个人数字助理、智能电话和便携式个人计算机）典型地包括印刷电路板（PCB）组件上的电子部件。用于去往和来自这种装置的无线电通信的天线可以附接到PCB组件。例如，可以从PCB组件直接对单端天线馈电，所述PCB组件则用作天线的地网（counterpoise），从而允许天线较之其他可能的情况小得多。当地网小（例如，尺寸大约为天线的操作波长或更小）时，从相同地网对两个或更多个天线馈电可能具有引入从一个天线到另一天线的过多耦合的缺点。这是其中不止一个无线电装置必须同时从相同装置操作的共存问题的示例。

具有从相同地网馈电的两个或更多个天线的装置的一个示例是使用如下部件的便携式无线路由器装置：第一无线电装置，用于在2500至2700 MHz频带中使用WiMAX与广域网（WAN）通信；以及第二无线电装置，用于在2400至2500 MHz频带中使用802.11（WiFi）协议进行局域网（LAN）通信。由于相邻的操作频带使无线电装置特别易受彼此干扰的影响，因此期望获得在连接到WiMAX无线电装置的（一个或多个）天线与连接到WiFi无线电装置的（一个或多个）天线之间的尽可能多的隔离。

此外，便携式电子装置的工业设计趋势正在驱使较细长的形状因数。同时，使用多输入多输出（MIMO）信号处理技术的高级通信系统正在将多个无线电发射器驱使到这些平台上。两个或更多个无线电装置和细长形状因数的组合产生了在满足比吸收率（SAR）规格要求方面的显著困难。

发明内容

根据一个或多个实施例，提供了一种便携式电子装置中的天线系统。该天线系统包括第一天线和第二平衡天线，它们提供在便携式电子装置的印刷电路板组件上。从印刷电路板组件的一部分对第一天线馈电，使得印刷电路板组件的地平面用作第一天线的地网。第二平衡天线具有偶极子端，其被配置和取向为通常使与印刷电路板组件的地平面的耦合最小化以增加第一天线和第二平衡天线之间的隔离。

在下面的详细描述中提供了本发明的各种实施例。如将认识到的，本发明能够具有其他和不同的实施例，并且其若干细节可能能够在各个方面进行修改，所有这些修改不偏离本发明。因此，附图和描述要被视为本质上是说明性的而非约束或限制意义。

附图说明

图1A是根据一个或多个实施例的示例性天线系统的透视图。

图1B是图1A的天线系统的横截面视图。

图1C是图1A中所示的平衡天线的放大的透视图。

图1D是出于说明目的移除载体的图1C的平衡天线的放大的透视图。

图2A-2C是图示在图1A的天线系统的测试端口之间测量的回波损耗和耦合的曲线图。

图3A-3C图示了图1A的天线系统的平衡天线的测量辐射图。

图4是根据一个或多个实施例的替选天线系统的透视图。

图5A-5D是图示在图4的天线系统的测试端口之间测量的回波损耗和耦合的曲线图。

图6A是根据一个或多个实施例的替选天线系统的透视图。

图6B是示出出于说明目的与印刷电路板组件分离的平衡天线的图6A的天线系统的透视图。

图6C是示出出于说明目的与印刷电路板组件分离的平衡天线的图6A的天线系统的横截面视图。

图7A-7D是图示图6A的天线系统的各种天线性能参数的曲线图。

图8是根据一个或多个替选实施例的天线系统的透视图。

图9是根据一个或多个替选实施例的天线系统的透视图。

在附图中相同的附图标记通常表示相同的部分。

具体实施方式

在本文中公开的各个实施例涉及具有同时操作的两个或更多个天线的电子通信装置的天线系统。如下文更详细讨论的，天线系统包括具有地平面的印刷电路板组件以及提供在印刷电路板组件上的第一天线和第二平衡天线。从印刷电路板组件的一部分对第一天线馈电，使得印刷电路板组件的地平面用作第一天线的地网。第二平衡天线具有偶极子端，其被配置和取向为通常使与印刷电路板的地平面的耦合最小化以增加第一天线和第二平衡天线之间的隔离。在一个或多个实施例中，由每个天线创建的峰值近场基本上不重叠，由此减少当这两个天线同时用于发射时另外可能发生的SAR的增加。

图1A-1D图示了根据一个或多个实施例的天线系统组件100。在该示例中，该组件包括60×100 mm PCB 102和三个天线。PCB 102代表可以用于固持便携式WiMAX/WiFi装置的电子装置的PCB。两个WiMAX天线104附接到PCB 102的一端。从PCB 102的边缘（在馈电点110处）对WiMAX天线104馈电，使得PCB 102的地平面用作两个天线104的地网。

通常被优化用于在WiFi频带中操作的第三平衡天线112位于PCB 102的相对端。使用施加到塑料支承件或载体116的铜箔图案114来形成在图1B的横截面侧视图和图1C的等距视图中示出的天线112。与馈电点的连接可以通过直径1.1 mm的同轴线缆118实现。馈电端子120连接到同轴线缆118的护罩，并且馈电端子122连接到同轴线缆118的中心导体。平衡天线112被取向为产生与地平面108正交的远E场极化。参照图1A，PCB 102和相关联的地平面108位于X-Y平面中，并且平衡天线112被取向为产生与Z轴对准的远E场极化。

图1D示出了WiFi天线112，其中载体116出于说明目的而被去除。天线112包括中心馈电偶极子，其具有电容性端极板124和在端部之间的电感性连接126。端极板124用于降低天线112的谐振频率，使得天线112可以比标称半波长偶极子短得多。短偶极子具有比半波偶极子低的输入阻抗并且电感性连接用于增加天线112的实输入阻抗以匹配至50欧姆。在该示例中，天线高度或z轴尺寸是10 mm或2500 MHz下的1/12波长，使得其适合于嵌入在薄断面的产品中。

由于天线112是平衡的，因此它不需要连接到地网。但是即使天线112未有意地连接到PCB地108，它仍将易于通过近场相互作用而耦合到PCB地108，如果没有用于避免该效应的特定布置的话。为了减少耦合，天线112通常在z轴上关于PCB地108对称安置，如可从图1B的组件的侧视图看到的那样。这样，处于幅值相等但符号相反的电位处的偶极子端相对于地平面108等距并且导致地平面108处的中性电位，并且与地平面的净耦合必然是零。如果偶极子在z轴上偏移，则净电位可以被赋予给地平面108的端部。这可以不合需要地耦合到地平面108的水平谐振模式并且因此耦合到地平面108正用作其地网的天线104，由此耦合天线104、112。

平衡天线112的用于避免耦合到PCB地108的设计和布置具有若干优点，包括如上文所述的减少了到已经与PCB地108相互作用的其他天线104的耦合。此外，还减少了噪声或其他不想要的传导信号从PCB地108的拾取。此外，减少了PCB地108的散射，使得嵌入的偶极子维持自由空间偶极子的全向方位角图。参照图3C中提供的平衡天线112的测量辐射图的θ=90度的图线。

在图2A-2C中示出了图1A的组件原型的测量S参数的图线。对于这些图线，端口1连接到平衡天线112并且端口2和3连接到WiMAX天线104。平衡天线112和WiMAX天线104之间的耦合（S12和S13）在-28和-40 dB之间。作为对比，PCB上的两个WiMAX天线104之间的耦合约为-15 dB。

图4图示了根据一个或多个替选实施例的天线系统400，其使用相同的两个WiMAX天线104但是具有两端口平衡WiFi天线402。两端口平衡天线402是被设计成通常提供两个WiFi端口之间的最优隔离的两端口天线并且与美国专利第7,688,273号和第7,688,275号中描述的天线相似，这两个专利的内容由此通过引用合并在本文中。通常，第二平衡天线402包括两个天线元件404、406，每个天线元件操作性地耦合到各自的天线端口408、410。连接元件412电连接天线元件404、406，使得一个天线元件上的电流流到另一天线元件并且通常绕过耦合到另一天线元件的天线端口。流过每个天线元件的电流的幅值通常相等，使得在给定的期望信号频率范围处，由一个天线端口激励的天线模式通常与另一天线端口激励的模式电隔离。

在图4的示例中，平衡天线402被设计成产生z轴极化，具有薄断面（10 mm高度）并且关于PCB地的平面对称。

如图5A-5D包括图4的组件模型的仿真S参数的图线。对于这些图线，端口1和2连接到WiMAX天线，并且端口3和4连接到平衡两端口天线。WiMAX天线之间的耦合（S12）如前所述约为-15 dB（图5A）。对于两端口天线，两个端口良好匹配并且增强了WiFi频带（2400至2500 MHz）上的隔离。WiMAX和任一WiFi天线端口之间的耦合小于35 dB（图5C和5D）。因此该天线配置提供了足够用于在WiFi和WiMAX无线电装置之间共存的隔离，同时允许802.11n或802.11b协议内的全MIMO或分集操作。

图6A-6C图示了根据一个或多个另外的实施例的天线系统600。天线系统可以例如在USB软件保护器组件中用于在WiMAX上通信。天线系统600包括印刷天线602（它使用印刷电路板组件的地平面604作为地网）和平衡天线606。两个天线均位于PCB组件的相同端，如图6B中所示。该示例中的平衡天线606通过将柔性印刷电路（FPC）缠绕到塑料载体608上而形成。塑料载体608可以是滑动到PCB的端部上。如图6C中所示，在PCB的顶侧和底侧的弹簧接触610分别提供与平衡天线的馈电端子和地端子的连接。

如图7A-7D提供天线性能参数VSWR、S12、效率和天线交叉相关性的图线。这些图线表明了跨越从2500到2700 MHz的整个频带的良好性能。

图8是根据一个或多个实施例的替选天线系统800的透视图。天线系统800包括由单个冲压金属工件（piece）形成的平衡天线802。该平衡天线可以例如通过使其滑动到PCB上而附接到PCB。为了简单，在图8中未示出耦合到印刷电路板的地平面的天线。

图9是根据一个或多个实施例的另一替选天线系统900的透视图。该天线系统包括由两个冲压金属工件902形成的平衡天线，每个冲压金属工件形成平衡天线的一半。通过将两个工件902（例如，通过焊接）附接到PCB 904的顶侧和底侧来完成平衡天线。每个天线工件具有两个腿。在冲压工件的一侧的腿被焊接到PCB 904上的连接在一起的焊盘。连接的焊盘由此完成平衡天线的顶半部和底半部902之间的电感性连接。在工件的另一侧的腿的端部用作天线馈电端子。一个端子附接到PCB 904的顶侧并且相对的端子附接到PCB 904的底侧。为了简单，在图9中未示出耦合到印刷电路板的地平面的天线。

根据各个实施例的天线系统的另一优点在于，它们针对同时从两个天线进行发射的装置产生减少的SAR值，由此便于符合SAR规格。

对于便携式电子装置中的两个或更多个天线常见的是使用PCB地平面作为地网。由于PCB地平面典型地是装置中的最大导体，因此它趋向于支配辐射环境。近场分布也由该特征支配。如果两个天线耦合到相同地平面并且彼此紧密接近（即，分开小于波长的四分之一），则它们的近场分布将在很大程度上重叠。连接两个发射器（针对每个天线连接一个发射器）将使得到的近场有效地倍增（较之单个发射器）。进而，SAR值也将倍增。

通过根据各个实施例的天线系统缓解了该问题，因为它们提供了天线（一个天线耦合到作为地网的主PCB地，而分离的天线在PCB地上平衡并且未耦合到PCB地）之间的增加的隔离。该天线系统被配置成使得得到的由每个天线创建的近场分布基本上不重叠。如上文提及的，对于重叠的近场，SAR值可以倍增。然而，在示例性实施例中SAR值例如减少到单个发射器的SAR值的1.5倍，这是优选的并且通过减少来自每个天线的近场的重叠区域的天线配置来实现。

作为示例，在图6A的天线系统中，印刷天线的峰值SAR位置和平衡天线的峰值SAR位置通常不一致。特别地，对于印刷天线，峰值SAR在天线和接地的PCB组件之间的位置附近的围绕PCB组件的圆周周围发现。另一方面，平衡天线的峰值SAR位置偏离PCB组件的端部。

将理解，尽管上文按照具体实施例描述了本发明，但是以上实施例仅提供作为说明，并非限制或限定本发明的范围。包括但不限于前文的各种其他实施例也在权利要求的范围内。例如，在本文中描述的元件和部件可以进一步分成另外的部件或者连结在一起以形成用于执行相同功能的更少部件。

在描述本发明的优选实施例之后，应明白，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以进行修改。

Claims (27)

1.一种具有印刷电路板组件的便携式电子装置中的天线系统，包括：

第一天线，提供在所述印刷电路板组件上，从所述印刷电路板组件的一部分对所述第一天线馈电，使得所述印刷电路板组件的地平面用作所述第一天线的地网；以及

第二平衡天线，提供在所述印刷电路板组件上，所述第二平衡天线具有偶极子端，所述偶极子端被配置和取向为通常使与所述印刷电路板组件的地平面的耦合最小化以增加所述第一天线和所述第二平衡天线之间的隔离。

2.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述偶极子端被取向为使得极化轴通常与所述印刷电路板组件的地平面正交。

3.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述第一天线和所述第二平衡天线提供在所述印刷电路板组件的相对端。

4.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述第一天线和所述第二平衡天线提供在所述印刷电路板组件的相同端。

5.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述第二平衡天线包括印刷在附接到所述印刷电路板组件的载体上的传导箔图案。

6.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述第二平衡天线包括冲压金属部分。

7.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述第二平衡天线包括两个天线工件，每个天线工件附接到所述印刷电路板组件的相对侧。

8.根据权利要求7所述的天线系统，其中所述两个天线工件中的每个被焊接到在所述印刷电路板组件的相对侧的焊盘，其中所述焊盘被连接以形成电感性连接元件。

9.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述第二平衡天线包括中心馈电偶极子天线，所述中心馈电偶极子天线具有在所述印刷电路板组件的相对侧的电容性端极板，所述电容性端极板由电感性连接元件连接。

10.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述第二平衡天线包括两个通常对称的偶极子端，所述偶极子端在所述印刷电路板组件的相对侧相对于所述印刷电路板组件通常等距地定位，所述偶极子端能激励到幅值相等而符号相反的电位，从而导致地平面处的通常中性的电位。

11.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述第二平衡天线具有C形横截面并且安置在所述印刷电路板组件的边缘周围。

12.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述第一天线在WiMAX频带中操作并且所述第二平衡天线在WiFi频带中操作。

13.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述第二平衡天线包括多个天线元件，每个天线元件操作性地耦合到不同的天线端口，并且一个或多个连接元件电连接所述天线元件，使得一个天线元件上的电流流到所连接的相邻的天线元件并且通常绕过耦合到相邻的天线元件的天线端口，流过一个天线元件和相邻的天线元件的电流通常幅值相等，使得在给定的期望信号频率范围处，由一个天线端口激励的天线模式通常与由另一天线端口激励的模式电隔离。

14.根据权利要求1所述的天线系统，进一步包括一个或多个另外的天线，所述一个或多个另外的天线附接到所述印刷电路板组件的边缘，使得所述印刷电路板组件的地平面用作所述一个或多个另外的天线的地网。

15.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述第一天线和所述第二平衡天线紧密接近并且当两个天线用于同时发射时用于实现减少的SAR值。

16.一种用于具有独立地且同时地操作的两个或更多个无线电装置的便携式电子装置的天线系统，所述天线系统包括：

印刷电路板组件，具有地平面；

第一天线，提供在所述印刷电路板组件上，从所述印刷电路板组件的一部分对所述第一天线馈电，使得所述印刷电路板组件的地平面用作所述第一天线的地网；以及

第二平衡天线，包括两个通常对称的偶极子端，所述偶极子端在所述印刷电路板组件的相对侧相对于所述印刷电路板组件通常等距地定位，所述偶极子端能激励到幅值相等而符号相反的电位从而导致地平面处的通常中性的电位，以通常使与所述地平面的耦合最小化从而增加所述第一天线和所述第二平衡天线之间的隔离。

17.根据权利要求16所述的天线系统，其中所述偶极子端被取向为使得极化轴通常与所述印刷电路板组件的地平面正交。

18.根据权利要求16所述的天线系统，其中所述第一天线和所述第二平衡天线提供在所述印刷电路板组件的相对端。

19.根据权利要求16所述的天线系统，其中所述第一天线和所述第二平衡天线提供在所述印刷电路板组件的相同端。

20.根据权利要求16所述的天线系统，其中所述第二平衡天线包括印刷在附接到所述印刷电路板组件的载体上的传导箔图案。

21.根据权利要求16所述的天线系统，其中所述第二平衡天线包括冲压金属部分。

22.根据权利要求16所述的天线系统，其中所述第二平衡天线包括两个天线工件，每个天线工件附接到在所述印刷电路板组件的相对侧的焊盘，其中所述焊盘被连接以形成电感性连接元件。

23.根据权利要求16所述的天线系统，其中所述第二平衡天线具有C形横截面并且安置在所述印刷电路板组件的边缘周围。

24.根据权利要求16所述的天线系统，其中所述第一天线在WiMAX频带中操作并且所述第二平衡天线在WiFi频带中操作。

25.根据权利要求16所述的天线系统，其中所述第二平衡天线包括多个天线元件，每个天线元件操作性地耦合到不同的天线端口，并且一个或多个连接元件电连接所述天线元件，使得一个天线元件上的电流流到所连接的相邻的天线元件并且通常绕过耦合到相邻的天线元件的天线端口，流过一个天线元件和相邻的天线元件的电流通常幅值相等，使得在给定的期望信号频率范围处，由一个天线端口激励的天线模式通常与由另一天线端口激励的模式电隔离。

26.根据权利要求16所述的天线系统，进一步包括一个或多个另外的天线，所述一个或多个另外的天线附接到所述印刷电路板组件的边缘，使得所述印刷电路板组件的地平面用作所述一个或多个另外的天线的地网。

27.根据权利要求16所述的天线系统，其中所述第一天线和所述第二平衡天线紧密接近并且当两个天线用于同时发射时用于实现减少的SAR值。

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