CN103178358A - 可切换的分集天线设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种有源可切换分集天线设备及其调谐和利用方法。在一个实施例中，所述有源分集天线用于手持式移动装置(例如，蜂窝式电话或智能电话)内，且实现在若干低频带LB中的装置操作。所述有源LB分集天线的示范性实施方案包括直接馈送的辐射器部分和接地的(耦合馈送的)辐射器部分。所述直接馈送的部分是经由连接到天线馈送的馈送元件来馈送。所述LB天线的所述耦合馈送的部分经接地，从而形成所述低频带的谐振部分。使用所述两个天线部分之间的间隙来调整天线Q值。通过改变接地元件的长度来实现谐振频率调谐。所述LB馈送元件接近高频带分集天线的所述馈送元件而安置，因此减少了传输损耗且改进了双工器操作。

Description

可切换的分集天线设备和方法
优先权
本申请案主张2011年12月21日申请的具有相同标题的第13/333,588号美国专利申请案的优先权，所述申请案以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明大体上设计用于例如无线或便携式无线电装置等电子装置中的天线设备，且更特定来说，在一个示范性方面中，涉及可在较低频率范围中操作的可切换的分集天线，及其调谐和利用方法。
背景技术
内部天线是在大多数现代无线电装置中具有的元件，所述无线电装置例如为移动计算机、移动电话、
Figure BDA00002631459600011
装置、智能电话、个人数字助理(PDA)，或其它个人通信装置(PCD)。通常，这些天线包括平面辐射平面和与其平行的接地平面，其通过短路导体彼此连接以便实现天线的匹配。所述结构经配置以使得其充当在所要操作频率下的谐振器。还有一个常见的普通要求，即天线在一个以上频带中操作(例如，双频带、三频带或四频带移动电话)，在此情况下，使用两个或两个以上谐振器。
在室内或市区环境红操作的无线电装置通常经历性能降级，这归因于多路径干扰或损耗，尤其在发射器与接收器之间不存在明显的视线(LOS)时。相反，信号沿着多个路径发射，随后最终被接收。这些“反弹”中的每一者可引入相移、时间延迟、衰减和失真，其可在接收天线的孔径下彼此相消地干扰。
作为使用两个或两个以上天线来改进无线链路的质量和可靠性的若干无线分集方案中的一者的天线分集在减轻这些多路径情形方面尤其有效。这是因为，多个接收天线向接收器提供对同一信号的若干观测；每一天线信号在通过无线信道进行传播期间经历不同的干扰环境。与单天线解决方案相比，多天线系统可共同提供更稳固的链路。
多个分集天线的使用总是需要额外的硬件(例如，天线辐射器、连接性缆线布线，和任选地，匹配电路)，且可增加便携式无线电通信装置的大小，这通常是不合意的。
目前使用各种方法来提供天线分集。在不导致增加的装置大小的情况下，更容易获得高频范围或高频带(HB)分集天线解决方案(主要归因于在较高频率下操作所需的较小的辐射器)。
图1中呈现一种典型的现有技术低频带(LB)分集天线解决方案。移动装置100包括一个或一个以上主要天线(104、106)和低频带无源分集天线108。由图1中的线114所表示的区域描绘为高频带分集天线保留的空间。LB分集天线108包括无源天线结构，且经由匹配到接地的分路电感器而耦合到移动装置馈送端口112。LB分集天线108配置和放置(如图1中所示)提供低频范围(例如，700到960MHz)中的最低的包络相关度。当使用额外的寄生元件110(在点122处接地)，LB分集天线108能够覆盖低频范围中的两个不同的操作频带，例如长期演进(LTE)标准的频带VIII和频带XII。然而，目前可用的无源较低频带分集天线解决方案(i)覆盖有限数目的操作频带(不具有寄生辐射器元件的单一频带，或具有一个寄生辐射器的两个频带)，(ii)特征为寄生辐射器的较差的辐射效率，以及(iii)需要较长的同轴电缆以便组合低频带和高频带分集天线馈送。这些较长的电缆产生天线双工器阻抗失配，其又导致额外的电谐振，且随着馈送连接器的电长度变化而改变天线响应的频率。
另外，单极天线(目前用于低频带分集)容易受到电介质加载(归因于用户在主机装置操作期间进行处置)影响。
因此，显然需要一种用于(例如)具有小形态因数的便携式无线电装置的空间分集天线解决方案，且其提供较低的复杂性和改进的稳固性，而且实现在操作期间对天线谐振的改善的控制。
发明内容
本发明尤其通过空间有效的分集天线设备及其调谐和使用方法来满足前述需要。
在第一方面中，揭示分集天线设备。在一个实施例中，所述设备是有源的，且包含：第一天线设备，其经配置以在第一频率范围中操作且包括经配置以耦合到无线电装置的馈送结构的第一馈送部分；以及第二天线设备，其经配置以在第二频率范围中操作，且包括：第一辐射器，其包括经配置以将辐射部分耦合到馈送结构的第二馈送部分；第二辐射器，其包括第一部分和第二部分，所述第二部分经配置以耦合到所述无线电装置的接地平面；以及选择器设备，其经配置以将所述第一部分选择性地耦合到所述接地平面。在一个变体中，所述选择器经配置以使得无线电装置能够在所述第二频率范围内的至少两个操作频带中无线通信。
在另一变体中，所述第二频率范围在频率上低于所述第一频率范围，且所述第一和第二频率范围在频率上未明显重叠。
在进一步的变体中，所述至少两个操作频带包括由长期演进(LTE)无线通信标准指定的频带。
在又一变体中，所述选择器设备包括开关，例如单极多掷开关。
在另一变体中，耦合馈送配置使得分集天线设备能够对装置操作期间的电介质加载大体上不敏感；以及
在另一实施例中，所述分集天线设备包括直接馈送的辐射器部分和接地的(耦合馈送的)辐射器部分。经由耦合到天线馈送(例如，在接地平面边缘的中心处)的馈送元件来馈送直接馈送的部分。所述天线的耦合馈送的部分经接地，从而形成低频带的谐振部分。使用两个天线部分之间的间隙来调整天线Q值。通过改变接地元件的长度来实现谐振频率调谐。将低频带馈送元件接近高频带分集天线的馈送元件而安置，进而减少传输损耗且改进双工器操作。
在第二方面中，揭示一种移动通信装置。在一个实施例中，所述装置包括包含上文所论述的有源分集天线设备的蜂窝式电话或智能电话。
在另一实施例中，所述移动装置包含：封围体，其包括多个侧；电子器件组合件，其包括接地平面和至少一个馈送结构；主要天线组合件，其经配置以在较低的频率范围和较高的频率范围中操作且接近多个侧的底侧而安置；以及分集天线组合件，其沿着所述多个侧的侧向侧而安置，所述侧向侧大体上垂直于所述底侧。
在一个变体中，所述分集天线组合件包含：第一分集天线设备，其经配置以在高频范围中操作且包括耦合到所述馈送结构的第一馈送部分；以及第二分集天线设备，其经配置以在较低的频率范围中操作，且包括：第一辐射器，其包括经配置以将辐射部分耦合到馈送结构的第二馈送部分；第二辐射器，包括耦合到接地平面的接地结构；以及选择器元件，其经配置以将第二辐射器的选择器结构选择性地耦合到接地平面。所述选择器元件经配置以使得移动通信装置能够在较低的频率范围内的若干(例如，至少四个)操作频带中无线通信。
在另一变体中，接地结构接近第二分集天线设备的一端而安置；以及所述第二馈送部分接近所述第二分集天线设备的第二端而安置，所述第二端与所述第一端相对地安置。
在又一变体中，所述第二馈送部分接近所述第一馈送部分而安置。
在另一变体中，所述第二馈送部分和所述第一馈送部分各自经由馈送电缆而耦合到馈送端口；且所述第二馈送部分与所述第一馈送部分的接近度经配置以减少馈送电缆中的传输损耗。所述馈送电缆包括(例如)微带导体或同轴电缆。
在另一变体中，所述选择器结构安置在所述第二馈送部分与所述接地结构之间。
在仍进一步变体中，所述选择器元件包括开关设备，其特征为多个状态且经配置以经由至少四个不同的电路路径而将选择器结构选择性地耦合到接地平面，且所述不同的电路路径中的至少一者包括电抗性电路。
在第三方面中，揭示有源低频带分集天线设备。在一个实施例中，所述设备包含：至少第一和第二辐射元件；以及耦合馈送配置。所述耦合馈送配置使得所述分集天线设备能够对装置操作期间的电介质加载大体上不敏感；且所述天线设备经配置以在由无线通信网络标准需要的较低的频率范围的若干间隔的频带上操作。
在一个变体中，所述标准包括长期演进(LTE)标准，且所述若干间隔的频带选自其B17、B20、B5、B8和B13频带。
在另一变体中，所述设备进一步包含开关设备，其与至少第一和第二辐射元件操作通信且经配置以更改所述天线设备的谐振频率。
在另一方面中，揭示一种低频范围分集天线，其包括：耦合元件；第一辐射元件，其适于经由所述耦合元件直接耦合到便携式装置的馈送结构；以及第二辐射元件，其适于经由至少一个接地点而连接到接地平面。经由耦合元件来馈送分集天线，且通过将天线的一部分接地而形成低频带分集天线的谐振部分。
在另一方面中，揭示一种操作分集天线设备的方法。在一个实施例中，所述天线设备用于在便携式无线电装置中使用，且所述方法包含选择性地切换所述天线设备的元件，以便在较低的频率范围的若干间隔的频带上操作所述设备。
在第四方面中，揭示一种减轻用户干扰对辐射和接收分集天线设备的影响的方法。
在第五方面中，揭示一种调谐分集天线设备的方法。
通过附图和以下详细描述，本发明的进一步特征、其性质和各种优点将更显而易见。
附图说明
通过以下在结合图式时陈述的详细描述，本发明的特征、目的和优点将变得更显而易见，其中：
图1是现有技术的移动装置低频带无源分集天线实施方案的等距视图。
图2A是展示根据本发明的有源低频带分集天线设备的一个实施例的移动装置的俯视平面图。
图2B是在图2A中所示的移动装置实施例的沿着线A-A取得的横截面视图，其详述高频带分集天线安装。
图2C是图2A的移动装置的等距视图，其详述所述移动装置的有源低频带天线设备。
图2D是图2A的移动装置的侧部的俯视透视图，其展示图2C的有源低频带分集天线设备的结构的细节。
图2E是图2A的移动装置的侧部的俯视透视图，其展示图2C的高频带分集天线设备的详细结构。
图3是详述与图2B中所示的有源天线设备一起使用的开关电路的一个实施例的示意图。
图3A是图2E中所示的移动装置的侧部的俯视平面图，其说明根据本发明的一个实施例的图3的有源开关电路的使用。
图4是由天线元件看到的负载阻抗的曲线图，其是在图2C中所示的示范性天线设备的分集天线辐射器的开关垫处测得。
图5是针对图2C的示范性天线设备的分集天线辐射器而获得的与所仿真的表面电流相关的数据的图形表示。
图6是呈现用根据本发明而配置的示范性多频带天线设备而测得的与自由空间输入返回损耗相关的数据的曲线图。
图7A是呈现用根据本发明而配置的示范性低频分集天线而测得的与总自由空间效率相关的数据的曲线图。
图7B是呈现用根据本发明而配置的示范性低频主要天线设备而测得的与总自由空间效率相关的数据的曲线图。
图8A是呈现用以下各者测得的与自由空间包络相关度相关的数据的曲线图：(i)无源现有技术分集天线；(ii)经配置以在B17频带中操作的图3A的实施例的示范性低频带有源分集天线；以及(iii)经配置以在B8频带中操作的图3A的实施例的示范性低频带有源分集天线。
图8B是呈现针对以下天线设备配置而获得的与自由空间总输入效率和包络相关度相关的数据的曲线图：(i)无源现有技术分集天线；(ii)经配置以在B17频带中操作的图3A的实施例的示范性低频带有源分集天线；以及(iii)经配置以在B8频带中操作的图3A的实施例的示范性低频带有源分集天线。
本文中所揭示的所有图是版权2011脉冲芬兰Oy。保留所有权利。
具体实施方式
现在参考图式，其中相同的数字贯穿地指代相同的部分。
如本文中所使用，术语“天线”、“天线系统”、“天线组合件”和“多频带天线”指代(不限于)并入有接收/发射且/或传播电磁辐射的一个或一个以上频带的单一元件、多个元件或元件的一个或一个以上阵列的任何设备或系统。所述辐射可具有众多类型，例如，微波、毫米波、射频、经数字调制、模拟、经模/数编码、经数字编码的毫米波能量等。
如本文中所使用，术语“板”和“衬底”大体上指代(且不限于)上面可安置其它组件的任何大体上平面或弯曲的表面或组件。举例来说，衬底可包括单层或多层印刷电路板(例如，FR4)、半导电裸片或晶片，或甚至外壳或其它装置组件的表面，且可大体上刚性的或至少略微柔性的。
术语“频率范围”、“频带”和“频域”指代(不限于)用于传送信号的任何频率范围。此类信号可依照一个或一个以上标准或无线空中接口来传送。
如本文中所使用，术语“便携式装置”、“移动计算装置”、“客户端装置”、“便携式计算装置”和“终端用户装置”包含(但不限于)个人计算机(PC)和微型计算机(无论是桌上型、膝上型还是其它)，机顶盒、个人数字助理(PDA)、手持式计算机、个人通信器、平板计算机、便携式导航辅助、配备有J2ME的装置、蜂窝式电话、智能电话、个人集成通信或娱乐装置，或能够与网络或另一装置交换数据的字面上的任何其它装置。
此外，如本文中所使用，术语“辐射器”、“辐射平面”和“辐射元件”指代(不限于)可充当接收和/或发射射频电磁辐射的系统的部分的元件(例如，天线或其部分)。
术语“RF馈送”、“馈送”、“馈送导体”和“馈送网络”指代(不限于)任何能量导体和耦合元件，其可传递能量、变换阻抗、增强性能特性，且使传入/传出的RF能量信号之间的阻抗性质与一个或一个以上连接性元件(例如，辐射器)的阻抗性质相符。
如本文中所使用，术语“环路”和“环”大体上指代(且不限于)闭合的(或实际上闭合的)路径，而不管任何形状或尺寸或对称性。
如本文中所使用，术语“顶部”、“顶部”、“侧部”、“向上”、“向下”、“左边”、“右边”等仅意味着一个组件与另一组件的相对位置或几何形状，且绝不意味着参考或任何所需定向的绝对框架。举例来说，当将组件安装到另一装置时(例如，安装到PCB的底侧)，组件的“顶部”部分可实际上驻留在“底部”部分下方。
如本文中所使用，术语“无线”是指任何无线信号、数据、通信或其它接口，包含(非限制)Wi-Fi、蓝牙、3G(例如，3GPP、3GPP2和UMTS)、HSDPA/HSUPA、TDMA、CDMA(例如，IS-95A、WCDMA等)、FHSS、DSSS、GSM、PAN/802.15、WiMAX(802.16)、802.20、窄频带/FDMA、OFDM、PCS/DCS、长期演进(LTE)或LTE-高级(LTE-A)、TD-LTE、模拟蜂窝式、CDPD、卫星系统(例如，GPS)、毫米波或微波系统、光学、声学和红外线(即，IrDA)。
概述
在一个显著方面中，本发明提供一种用于在移动无线电装置中使用的有源低频带分集天线设备。与现有技术解决方案相比，所述天线设备有利地提供改进的辐射效率，且实现低频率范围的若干不同频带中的装置操作。耦合馈送天线配置使得分集天线对装置操作期间的电介质加载大体上不敏感。
在一个实施例中，所述低频范围分集天线包括两个辐射元件。第一辐射元件经由安置于接地平面边缘的中心处的耦合元件而直接耦合到便携式装置电子器件的馈送结构。第二辐射元件在接地点处连接到接地。
经由耦合元件来馈送分集天线，且通过将天线的一部分接地而形成低频带分集天线的谐振部分，将天线的一部分接地产生天线包络相关系数，所述天线包络相关系数类似于具有接近主要天线馈送点的馈送点的天线设备。
当接地点接近装置底部处的主要天线而定位时，当沿着接地平面的侧向中心轴安置天线馈送点时，在示范性实施例中实现最低的包络相关系数(ECC)。当从接地平面的中心朝向接地平面的顶部移动馈送点时，ECC增加。
在一个实施例中使用在直接馈送辐射器与接地耦合馈送辐射器元件之间的距离(间隙)来调整天线Q值。通过改变接地元件的电长度来实现谐振频率调谐。
通过将第二分支添加到接地辐射器元件而进一步实现天线调谐，所述第二分支经配置以将接地辐射器元件选择性地连接到(经由开关)靠近天线接地点的开关触点。可在开关的不同输出端口上使用不同阻抗，以使得能够在较低的频率范围中的不同操作频带中选择性地调谐分集天线。在一个实施方案中，当开关处于打开状态中时(对应于高阻抗)，实现对天线的最低的操作频带的调谐。相应地，当开关处于闭合位置中时(对应于低阻抗或接地阻抗)，实现在最高的操作频带中的调谐。
本发明的分集天线解决方案有利地实现越过所关注的多个频带(例如，在E-UTRA和LTE相容网络当前所需的所有低频接收频带中(即，频带B17、B20、B5和B8))的操作。而且，通过取代当前呈现的频带中的一者，或通过使用SP5T开关，B13中的操作是可能的(B13用于实际上不需要覆盖与GSM/WCDMA装置相关的其它LTE频带的CDMA装置中)。
与无源设计相比，本发明的示范性实施例的天线馈送点可安置得更靠近高频带分集元件馈送点。此有利地减少传输线路损耗，且稳定了双工器行为(通常要求双工器将LB和HB分集元件组合为单一馈送点)。在一个实施例中将HB元件实施为单独元件，这归因于小天线体积内可实现的更好的带宽。
与对用户的手进行的电介质加载敏感的单极类型无源分集天线相比，本发明的某些实施例实施的用于低频带分集的耦合馈送(环路类型天线)布置还对所述电介质加载不敏感。
还揭示操作和调谐天线设备的方法。
对示范性实施例的详细描述
现在提供对本发明的设备和方法的各种实施例和变体的详细描述。虽然主要在移动装置的背景下进行论述，但本文中所论述的设备和方法不受如此限制。实际上，本文中所描述的设备和方法中的许多设备和方法在任何数目的复杂天线中是有用的，无论是与移动还是固定装置(例如，基站或毫微微型小区)、蜂窝式或其它装置相关联。
示范性天线设备
现在参看图2到3B，详细描述本发明的无线电天线设备的若干实施例。在图2A中呈现用于在移动无线电装置中使用的天线设备的一个示范性实施例，其展示其中安装有天线设备的移动通信装置200的俯视平面图。装置200包括封围体202(具有纵向尺寸206和横向尺寸)且含有电池210和收发器印刷布线板(PWB)208。装置200进一步包括接地平面203。在一个实施例中，PWB 208可为装置主要PWB的一部分。外壳202可由多种材料(例如，合适的塑料或金属)制造且支撑显示模块。在一个变体中，显示器包括触摸屏或其它交互式功能性。但是，显示器可包括(例如)经配置以仅显示信息的仅显示装置、允许用户经由显示器将输入提供到装置中的触摸屏显示器(例如，电容性或其它技术)，或还有其它技术。
装置200的PWB耦合到装置和天线组合件，天线组合件包括若干天线：(i)低频(LB)主要天线212；(ii)高频(HB)主要天线214；(iii)低频(LB)分集天线216；以及(iv)高频分集天线218。在一个变体中(例如图2A中所示)，两个主要天线212、214接近装置接地平面203的底部边缘而安置，而两个分集天线沿着接地平面203的垂直边缘而安置。在另一变体中，主要天线和分集天线的位置是颠倒的。给定本发明的所属领域的技术人员将了解，其它空间天线配置是示范性的，且可使用不同的确认，例如移动装置接地平面上的任何放置，其中分集天线元件具有靠近主要天线馈送点的馈送点，且天线大体上彼此垂直对准(例如，相应的接地平面边缘)，使得天线在主要和分集天线对之间形成90度或接近90度的角度。
通过背景技术，便携式无线电装置的主要天线(例如，图2A的天线212、214)通常经配置以在装置的所有操作频带上发射和接收RF信号两者。分集天线(例如，图2A的天线216、218)经配置以仅在接收模式中操作，且需要一次仅覆盖一个接收(RX)频带。通常，与主要天线相比，分集天线包括较窄的操作频带。当主要天线经由一个传播信道与基站传送(发射和接收)数据时，分集天线经由第二传播信道从基站接收相同信号。举例来说，当第一传播信道受到干扰时，使用第二传播信道来将信号递送到装置。此配置提供空间冗余度，且还可用于增加从基站到移动装置的总下行链路的数据吞吐量。在一个实施方案中，在两个传播信道上传播的信号具有不同极化，因此经由极化分集产生冗余度。
图2B展示移动装置200横截面“A-A”的一部分，其说明由典型的无线装置机械构造强加的对分集天线放置的空间约束。为了减小总装置宽度，需要在不增加装置外壳总尺寸的情况下实施分集天线辐射器。分集天线放置选项进一步受便携式装置200的各种金属组件(例如，接地平面203、显示器238和电池210)约束。由图2B中的232表示的虚线包围了示范性装置的含有金属组件的区域，因此说明了可用于分集天线216、218的有限的空间量。图2B到2C中的天线框架205(通常由塑料制造)经配置以支撑天线辐射器。
在图2A、2C中所说明的实施方案中，装置外壳202的长度是125mm(5英寸)且宽度是68(2.7英寸)，且分集天线下方可用的接地空隙236是约2.8mm(0.1英寸)，其中分集天线的最大宽度受到尺寸234(其为约5.7mm(0.2英寸))限制。
为了减少由分集天线占据的大小，使用单独的辐射器元件来实施低频带和高频带天线216、218。
现在参看图2C到2E，其详细展示和描述了分集天线216、218的结构。图2C呈现移动装置200的等距视图，其中为了观看，后盖和装置封围体202的一部分被移除。LB分集天线216沿着装置封围体202的垂直侧接近主要天线214的位置而安置。低频范围分集天线216包括两个辐射部分240、242。第一辐射部分240经由安置于接地平面203边缘的中心处的馈送元件244而直接耦合到便携式装置电子器件的分集天线馈送结构268。第二辐射器元件242包括经由接地结构246连接到接地平面的线性分支。经由耦合元件224来馈送分集天线216，且通过将天线的辐射器部分242接地而形成低频带分集天线的谐振部分。图2C中所说明的分集天线配置产生天线包络相关系数(ECC)，所述天线包络相关系数类似于具有靠近主要天线馈送点的馈送点的天线设备。
当接地点靠近装置底部处的主要天线而定位时，当沿着接地平面的侧向中心轴安置天线馈送点时，实现最低的ECC。当从接地平面的中心朝向接地平面的顶部移动馈送点时，ECC增加。
可使用在两个辐射器部分222与220之间的图2D中所示的距离(间隙)250来调整天线Q值。通过调整接地元件242的长度来实现谐振频率调谐。
在一个实施例中，通过将第二分支252添加到接地辐射器元件242而进一步实现到特定操作频带的LB分集天线216调谐。分支252经由接地开关点248处的开关(下文关于图3详细展示和描述)选择性地耦合到接地平面203。通过改变穿过连接到开关电路的辐射器臂的电流的量而改变接地辐射器元件242、252的电长度。当开关打开时(当从辐射器看向PCB时，对应于开关端口处的高阻抗)，大多数电流穿过具有低阻抗的实线接地连接。当电流行进较长的距离时，接地元件的电长度增加，进而降低天线谐振频率。
相反，当开关闭合时，开关触点具有到接地的低阻抗，因此导致大多数电流穿过开关触点，进而将天线谐振调谐到其最高的频率。
与对用户的手进行的电介质加载敏感的典型的现有技术单极类型无源分集天线解决方案相比，用于实施低频带分集天线216的耦合馈送(环路类型天线)配置对所述电介质加载不敏感。
所说明的实施例的HB分集天线218包括经由馈送元件262耦合到分集馈送结构268的辐射元件264，以及经由接地结构262耦合到接地平面的环路结构266。
与图1中所示的无源分集天线设计相比，有源分集天线216的馈送元件244移动成大体上更靠近LB分集天线的馈送元件262。分集馈送244、262的紧密接近减少了分集馈送结构268中的传输线路损耗，且稳定了双工器行为(通常要求双工器将LB和HB分集元件组合为单一馈送点)。本发明的一个变体中的分集馈送结构包括安置于PWB电介质上的导电迹线。在另一变体中，经由同轴电缆或其它导体来实施分集馈送结构268。
虽然分集天线216、218共享共同的馈送结构，但HB和LB分集天线的单独辐射器的使用实现对天线带宽/可用空间取舍的优化，且在最小的天线体积中实现最宽的分集带宽。
此外，在本发明的一些实施例中，分集天线可实际上放置在移动装置内的任何地方，只要(i)分集天线的馈送点接近主要天线馈送；以及(ii)两个天线彼此垂直对准(例如，相应的接地平面边缘，其中天线经放置以形成约90°的角度)。
图3到3A说明对于上文关于图2C到2D所描述的低频带分集天线216有用的开关设备的一个示范性实施例。开关设备300包括单极四掷开关302，单极四掷开关302经配置以经由四个输出端口306中的任一者将辐射器开关点304选择性地耦合到接地平面。如图3A中所说明，开关点248耦合到天线分支252。包括电容器318和电感器320的调谐网络经配置以调整天线所看到的阻抗，进而实现到所要的操作频带的天线调谐。
在一个实施方案中，开关302包括GaAs SPT4固态开关。如给定本发明的所属领域的技术人员所了解，根据设计要求，可使用其它开关技术和/或不同数目的输入和输出端口。开关302经由耦合到装置逻辑和控制电路的控制线320来控制。
可在开关302的不同输出端口(例如，图3中的端口308、310)上使用不同阻抗，以使得能够在较低的频率范围中的不同操作频带中选择性地调谐分集天线。在一个实施方案中，当开关处于打开状态中时(对应于高阻抗)，实现对天线的最低的操作频带的调谐。相应地，当开关处于闭合位置中时(对应于低阻抗或接地阻抗)，实现在最高的操作频带中的调谐。
图3B的实施例的分集天线解决方案有利地实现在LTE相容的移动装置当前所需的所有低频接收频带(例如，频带B17、B20、B5和B8)中的操作。简要来说，在本文中用于描述图2A到3B的天线实施例的频带标识涉及第3代移动系统规范“LTE：演进型通用陆地无线电接入(E-UTRA)；用户设备(UE)无线电发射和接收，(3GPP TS 36.101版本9.8.0版9)(LTE；Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；User Equipment(UE)radio transmission and reception，(3GPP TS 36.101version 9.8.0Release 9))”所描述的频带；其以全文引用的方式并入本文中。
在一个变体中，图3B的LB分集天线可适于通过取代当前呈现的频带中的一者(即，频带B17、B20、B5和B8)而在CDMA网络频繁使用的B13低频带中操作。虽然B13频带用于通常不需要覆盖其它LTE频带的CDMA装置中，但在另一变体中，可使用五输出SP5T开关取代SP4T开关302来实施B13频带，因此实现使用单一LB分集天线在五个较低的频带范围B17、B20、B5、B8和B13中的移动装置操作。
性能
图4到8B呈现在根据本发明的一个实施例而构造的示范性天线设备的其受让人进行的模拟和测试期间所获得的性能结果。
图4展示在LB分集天线开关垫(例如，图2D的开关垫248)处测得的负载阻抗的极相图。由标识402表示的曲线对应于使用在频带17中操作的天线(图3A的开关312处于B17状态中)取得的测量值；由标识404表示的曲线对应于使用在频带8中操作的天线(图3A的开关312处于B8状态中)取得的测量值。
表1概括了对应于用标识408到412标记的三角形的测量值数据。当LB分集天线在B17频带中操作时，图4和表1中所示的数据证实约180°度的相移(与在B8频带中操作的天线相比)。此外，当开关处于B17位置中时，表1中的数据展示更高的输入阻抗(与B8位置相比)。B8频带中的较低的天线输入阻抗对应于穿过天线开关触点的较高的电流，且导致天线操作频带的朝向天线的低频范围内的较高频率的频移(调谐)。
状态 图4标识 频率[MHz] 阻抗量值 阻抗角度[度]
17 408 740 2.6 85.7
17 410 942 11.5 65
8 412 740 4.1 -71.6
8 414 942 .8 -79
表1
图5A到5B呈现与图3A的天线实施例的分集天线辐射器240、242上的所仿真的表面电流相关的数据。图5A中的数据对应于频带B17的开关310位置，且展示大多数电流流过接地触点246。这些数据指示天线216的电长度是由辐射器元件242确定，且包括整个纵向范围。图5B中的数据是使用切换到在频带B8中操作的天线而获得，且展示B17大多数流过开关触点248。图5B中的数据指示LB分集辐射器的有效长度有所减小，且是由辅助开关分支252的长度确定。
图6呈现用根据图2A的示范性实施例而构造的天线设备测得的与自由空间(FS)中的返回损耗相关的数据，所述天线设备包括LB主要天线212、HB主要天线214、LB分集天线216和HB分集天线218。用标识622、624标示的实线分别标记频带B17和B8的边界。用标识602到620标记的曲线对应于在以下天线配置中获得的测量值：
(i)曲线602-处于B17RX状态中的LB分集天线216和HB分集天线218；
(ii)曲线604-在自由空间中隔离的处于B17RX状态中的LB分集天线216和LB主要天线；
(iii)曲线606-主要天线212、214、处于B17RX状态中的LB分集天线216；
(iv)曲线608-处于B8RX状态中的LB分集天线216和HB分集天线218；
(v)曲线610-主要天线212、214、处于B17RX状态中的LB分集天线216；
(vi)曲线612-处于B17RX状态中的LB分集天线216；
(vii)曲线614-处于B17RX状态中的LB分集天线216、HB分集天线218、FS隔离LB分集-HB分集；
(Viii)曲线616-处于B17RX状态中的LB分集天线216、FS隔离HB主要-HB分集；
(ix)曲线618-HB主要天线214、处于B17RX状态中的LB分集天线216；以及
(x)曲线620-处于B8RX状态中的LB分集天线216、FS隔离LB分集-LB主要。
虽然用于获得图6中所示的测量值的示范性天线设备的LB分集天线经配置以仅在最低(B17)和最高(B8)LBRX频带中操作，但这些频带代表了天线切换的极端情况，且预期频带B20、B5(位于B17与B8之间)将具有至少与图6中所示的性能类似的性能。
图7A呈现关于如上文关于图6所描述且包括LB分集天线216和HB分集天线218的分集天线设备的测得的自由空间效率的数据。将天线的效率(以dB计)界定为辐射功率与输入功率的比率的以十为基础的对数：
Figure BDA00002631459600131
等式(1)
零(0)dB的效率对应于理想理论辐射器，其中以电磁能的形式辐射所有输入功率。
图7A中的用标识702到710标记的曲线对应于在以下天线配置中获得的测量值：(i)曲线702、704与现有技术的无源分集天线相关，其用作参考；(ii)曲线706是用处于B8RX状态、FS中的LB分集天线216取得；以及(iii)曲线708、710使用处于B17RX状态、FS中的LB分集天线216取得。
图7A中的数据表明，与现有技术的无源分集天线相比，根据本发明的原理而构造的有源分集天线在较低频率范围(曲线706、708)和较高频率范围(曲线710)两者中均提供改善的性能(如由较高的总效率说明)。
图7B呈现关于如上文关于图6所描述而配置且包括四个天线212、214、216、218的天线设备的测得的自由空间效率的数据。图7B中的用标识720到728标记的曲线对应于在以下天线配置中获得的测量值：(i)曲线720、722是用主要天线212、214取得；(ii)曲线724、726是用主要天线212、214和处于B17RX状态、FS中的LB分集天线取得；以及(iii)曲线728是用主要天线212、214和处于B8RX状态、FS中的LB分集天线取得。图7B中的数据说明有源分集天线实施方案使主要天线效率减小约0.5到1dB。HB效率改变最有可能是由针对HB分集天线而添加的额外电缆导致。
图8A呈现关于使用如上文关于图6所描述而配置的天线设备测得的包络相关度n(ECC)的数据。图8A中的用标识802到810标记的曲线对应于用以下配置获得的测量值：(i)曲线802到804是用现有技术的无源分集天线取得，其用作参考；(ii)曲线806到808是用处于B17RX状态中的LB分集天线216和HB分集天线218、FS取得；以及(iii)曲线810是用处于B8RX状态、FS中的LB分集天线216取得。图8A中的数据表明，与如由图8A中的箭头812、814表示的区域所指示的现有技术(曲线802、804)相比，如由本发明的分集天线的大体上较低的ECC指示的改善的分集天线操作(曲线806、808)。
在测量期间所使用的测试表(例如，上文关于图8A所描述)通常不利地影响天线低频带包络相关度结果；因此，需要模型仿真来验证与无源天线相比的ECC行为，如下文关于图8B所描述。
图8B呈现关于使用仿真所获得的包络相关度(ECC)的数据(针对上文关于图6所描述的天线配置)。图8B中的用标识822到832标记的曲线对应于针对以下配置获得的数据：(i)曲线802呈现针对现有技术的无源分集天线所获得的ECC数据且用作用于ECC性能比较的参考；(ii)曲线824呈现针对处于B8RX状态中的LB分集天线216所获得的ECC数据；(iii)曲线826呈现针对处于B17RX状态、FS中的LB分集天线216所获得的ECC数据；(iv)曲线828呈现针对现有技术的无源分集天线所获得的总效率(TE)数据且用作用于TE性能比较的参考；(v)曲线830呈现针对处于B17RX状态中的LB分集天线216所获得的TE数据；以及(vi)曲线832呈现针对处于B8RX状态、FS中的LB分集天线216所获得的TE数据。
图8B中的数据表明，与现有技术的无源分集天线相比，根据本发明的原理而构造的有源分集天线提供改善的性能(如由较高的总效率和较低的ECC所说明)。
图4到8B中所呈现的数据表明，有源低频带分集天线在现代无线通信网络所需的较低的频率范围的若干较广间隔的频带(例如，频带B17、B8)上提供了改善的性能。此能力有利地允许具有单一天线的便携式计算或通信装置使用单一LB分集天线在若干移动频带(例如，B17、B20、B5、B8和B13)上进行操作。
虽然本文在LTE频带的框架内描述了示范性实施例，但所属领域的技术人员应了解，本发明的原理同样适用于构造与其它通信标准和系统(例如，WCDMA和LTE-A、TD-LTE等)的频率配置相容的分集天线。
有利的是，除了前述的操作频带的广度和多样性之外，切换分集天线配置(如在本文中所描述的所说明实施例中)允许通过减小归因于用户处置而引起的可能的天线电介质加载(和相关联的不利影响)而进一步改善装置操作。此外，以上改善是在不增加分集天线所需的体积和移动装置的大小的情况下实现的。
将认识到，虽然依据方法的步骤的特定序列来描述本发明的某些方面，但这些描述仅说明本发明的较广泛的方法，且可根据特定应用的需要进行修改。在某些情形下，某些步骤可变得不必要或是任选的。另外，可将某些步骤或功能性添加到所揭示的实施例，或可改变两个或两个以上步骤的执行次序。所有此些变化均被视为涵盖在本文所揭示和主张的揭示内容内。
尽管以上详细描述已展示、描述并指出本发明的应用于各种实施例的新颖特征，但将理解，所属领域的技术人员可在不偏离本发明的情况下对所说明的装置或过程的形式和细节进行各种省略、替代和改变。前面的描述是目前所预期的实行本发明的最佳模式。此描述绝不意味着限制性，而是应被视为是说明本发明的一般原理。应参考权利要求书来确定本发明的范围。

Claims (27)

1.一种分集天线设备，其包括：
第一天线设备，其经配置以在第一频率范围中操作且包括经配置以耦合到无线电装置的馈送结构的第一馈送部分；以及
第二天线设备，其经配置以在第二频率范围中操作，且包括：
第一辐射器，其包括经配置以将辐射部分耦合到所述馈送结构的第二馈送部分；以及
第二辐射器，其包括第一部分和第二部分，所述第二部分经配置以耦合到所述无线电装置的接地平面。
2.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括选择器设备，所述选择器设备经配置以将所述第一部分选择性地耦合到所述接地平面；
其中所述选择器设备经配置以使得所述无线电装置能够在所述第二频率范围内的至少两个操作频带中进行无线通信。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述至少两个操作频带包括由长期演进LTE无线通信标准指定的频带。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二频率范围在频率上低于所述第一频率范围。
5.根据权利要求1所述的设备，其中经配置以耦合到所述馈送结构的第一馈送部分形成耦合馈送配置的至少一部分，所述耦合馈送配置使得所述分集天线设备能够对装置操作期间的电介质加载大体上不敏感。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述第一和第二频率范围在频率上未明显重叠。
7.根据权利要求2所述的设备，其中所述选择器设备包括开关。
8.一种移动通信装置，其包括：
封围体，其包括多个侧；
电子器件组合件，其包括接地平面和至少一个馈送结构；
主要天线组合件，其经配置以在较低的频率范围和较高的频率范围中操作且接近所述多个侧的第一侧而安置；以及
分集天线组合件，其沿着所述多个侧的侧向侧而安置，所述侧向侧大体上垂直于所述第一侧。
9.根据权利要求8所述的移动通信装置，其中所述分集天线组合件包含：
第一分集天线设备，其经配置以在所述较高的频率范围中操作且包括耦合到所述馈送结构的第一馈送部分；以及
第二分集天线设备，其经配置以在所述较低的频率范围中操作，且包括：
第一辐射器，其包括经配置以将辐射部分耦合到所述馈送结构的第二馈送部分；
第二辐射器，其包括耦合到所述接地平面的接地结构。
10.根据权利要求9所述的移动通信装置，其中所述分集天线组合件进一步包括选择器元件，所述选择器元件经配置以将所述第二辐射器的选择器结构选择性地耦合到所述接地平面；且
其中所述选择器元件经配置以使得所述移动通信装置能够在所述较低的频率范围内的至少四个操作频带中进行无线通信。
11.根据权利要求9所述的移动通信装置，其中：
所述接地结构接近所述第二分集天线设备的第一端而安置；且
所述第二馈送部分接近所述第二分集天线设备的第二端而安置，所述第二端与所述第一端相对地安置。
12.根据权利要求10所述的移动通信装置，其中所述第二馈送部分接近所述第一馈送部分而安置。
13.根据权利要求10所述的移动通信装置，其中：
所述第二馈送部分和所述第一馈送部分各自经由馈送电缆而耦合到馈送端口；且
所述第二馈送部分到所述第一馈送部分的接近度经配置以减少所述馈送电缆中的传输损耗。
14.根据权利要求13所述的移动通信装置，其中，所述馈送电缆包括微带导体。
15.根据权利要求13所述的移动通信装置，其中，所述馈送电缆包括同轴电缆。
16.根据权利要求10所述的移动通信装置，其中，所述选择器元件包括开关设备，所述开关设备的特征为多个状态且经配置以经由至少四个不同的电路路径而将所述选择器结构选择性地耦合到所述接地平面。
17.根据权利要求16所述的移动通信装置，其中所述不同的电路路径中的至少一者包括电抗性电路。
18.根据权利要求9所述的移动通信装置，其中所述第一馈送部分与所述第二馈送部分之间的第一距离小于所述第二馈送部分与所述选择器结构之间的第二距离。
19.根据权利要求9所述的移动通信装置，其中：
所述第二分集天线的特征为纵向尺寸和横向尺寸，所述纵向尺寸大于所述横向尺寸；
所述第二辐射器被配置成大体上平行于所述纵向尺寸；
所述主要天线安置在特征为较短的尺寸和较长的尺寸的区域中；且
所述纵向尺寸被大体上垂直于所述较长的尺寸。
20.根据权利要求19所述的移动通信装置，其中：
所述区域包括矩形；
所述横向尺寸大体上垂直于所述纵向尺寸；且
所述较短的尺寸被配置成大体上垂直于所述较长的尺寸。
21.根据权利要求9所述的移动通信装置，其中所述第二分集天线的特征为具有不超过2.8mm的第一尺寸的横截面。
22.一种有源低频带分集天线设备，其包括：
至少第一和第二辐射元件；以及
耦合馈送配置；
其中所述耦合馈送配置使得所述分集天线设备能够对装置操作期间的电介质加载大体上不敏感；且
其中所述天线设备经配置以在无线通信网络标准所要求的较低的频率范围的若干间隔的频带上操作。
23.根据权利要求22所述的设备，其中所述标准包括长期演进LTE标准，且所述若干间隔的频带选自其B17、B20、B5、B8和B13频带。
24.根据权利要求23所述的设备，其进一步包括开关设备，所述开关设备与所述至少第一和第二辐射元件操作通信且经配置以更改所述天线设备的谐振频率。
25.一种低频范围分集天线，其包括：
耦合元件；
第一辐射元件，其适于经由所述耦合元件直接耦合到便携式装置的馈送结构；以及
第二辐射元件，其适于经由至少一个接地点而连接到接地平面；
其中所述分集天线经由所述耦合元件来馈送。
26.根据权利要求25所述的天线，其中所述耦合元件安置在所述接地平面的边缘的大致中心处。
27.根据权利要求25所述的天线，其中所述低频范围分集天线的谐振部分是通过将所述天线的一部分接地而形成。
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