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包含并排无源环路天线的无线通信装置及相关方法

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CN103477496B CN 201280015526 CN201280015526A CN103477496B CN 103477496 B CN103477496 B CN 103477496B CN 201280015526 CN201280015526 CN 201280015526 CN 201280015526 A CN201280015526 A CN 201280015526A CN 103477496 B CN103477496 B CN 103477496B
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弗朗西斯·恩格内·帕尔斯彻
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贺利实公司
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Abstract

本发明涉及一种无线通信装置,其可包含壳体及由所述壳体承载的无线通信电路。所述无线通信装置还可包含由所述壳体承载且耦合到所述无线通信电路的天线组合件。所述天线组合件可包含衬底及由所述衬底承载且以并排关系布置的多个无源环路天线。所述多个间隔开的无源环路天线中的每一者可包含无源环路导体及耦合到其的调谐元件。所述天线组合件还可包含由所述衬底承载且经布置以与所述多个无源环路天线中的每一者至少部分地同延的有源环路天线。所述有源环路天线可包含有源环路导体及界定于其中的一对馈送点。

Description

包含并排无源环路天线的无线通信装置及相关方法

技术领域

[0001] 本发明涉及通信领域,且更明确地说,涉及天线及相关方法。

背景技术

[0002] 天线可用于多种目的,例如通信或导航,及便携式无线电装置可包含广播接收器、 寻呼机或无线电定位装置("ID标签")。蜂窝式电话是无线通信装置的实例,其几乎无所 不在。相对小的大小、增加的效率及相对宽广的辐射场型通常是天线用于便携式无线电或 无线装置的所要特性。另外,随着无线装置的功能性不断增加,对用户更容易且更方便携带 的较小无线装置的需求也增加。此对无线装置制造者提出的一个挑战是设计在天线可用的 相对有限空间量内提供所要操作特性的天线。举例来说,可期望天线经由多个频带及以较 低频率通信。

[0003]较新的设计及制造技术已驱使电子组件为相对小的尺寸且减小许多无线通信装 置及系统的大小。遗憾地,天线且明确地说宽带天线的大小尚未减小相当水平且通常为较 小通信装置中所使用的较大组件中的一者。

[0004] 实际上,天线大小可基于一个或多个操作频率。举例来说,天线可随操作频率的减 小而变得越来越大。减小波长可减小天线的大小,但较长波长可是所要的以用于增强的传 播。在用于远程通信的高频率(HF)(举例来说,3MHz到30MHz)下,高效天线(举例来说,传 输天线)可变得太大而无法便携,且在固定站处可能需要线天线。因此,在这些无线通信应 用中,不仅减小天线大小而且设计并制造在所要频带上针对最小区域具有最大增益的减小 大小的天线可变得越来越重要。

[0005] 电小天线的瞬时3dB增益带宽(还称作半功率固定调谐辐射带宽)被认为根据朱 兰成 -哈林顿(Chu-Harrington)极限来说是有限的("全向天线的物理限制"("Physical Limitations Of Omni-Directional Antennas"),朱兰成(L. J. Chu),应用物理杂志 (Journal of Applied Physics),第 19卷,第 1163到 1175 页,1948 年 12 月)。朱兰成的 极限的一种形式提供:最大可能3dB增益天线带宽限于1600 (Jr r/ A )3百分比,其中r是可 封围天线的最小球体的半径,且X是自由空间波长。此可针对匹配到电路中的单模式天 线。遗憾地,装配于半径=A/20球面包络面内的此天线可能不具有此带宽的6.1%以上。 此外,实际天线很少接近朱兰成的极限带宽。实例是以1.2%带宽(例如,朱兰成的极限的 1/5)操作的由r= X/20球体大小封围的相对小的螺旋天线。因此可期望针对大小具有增 加的带宽的小天线。

[0006]正则天线包含偶极子及环路天线,其呈线及圆形形状。举例来说,其平移及旋转电 流以实现散度及旋度功能。各种线圈可形成偶极子与环路的混合。天线在形式上可是线性、 平面或立体的,例如,其可是接近1维、2维或3维的。用于天线定大小的最优选包络面可是 欧几里得(Euclidian)几何形状,诸如线、圆形及球体,其可分别提供两点之间的相对短距 离的增加的最优选化、周长的增加的面积及减小的表面积的增加的体积。可期望知晓以这 些大小提供最大辐射带宽的天线。宽带电大(r > X/2 31)天线(举例来说,螺线天线)可 以高于下限截止的理论上无限制带宽提供高通响应。然而,在电小大小下,(r> X/2 3〇, 螺线可仅提供具有极有限带宽的二次带通类型响应。

[0007] 平面天线可因其易于制造性及产品集成性而越来越有价值。可通过在金属圆盘上 流动的径向电流来形成初步平面偶极子("圆形衍射天线理论"("Theory Of The Circular Diffraction Antenna"),A. A.皮斯托尔科尔斯(Pistolkors),无线电工程师协会会刊 (Proceedings of the Institute Of Radio Engineers),1948年 1 月,第 56到60 页)。可 期望用于馈送的圆形及线性凹口。线的圈可给出相同辐射场型,且其因易于驱动而可是优 选的。可期望用以扩展线环路天线的带宽的元件。无线电波扩展以光的速度发生。如果光 的速度减小,那么天线大小也将减小。

[0008] 颁予博萨德(Bosshard)等人的第2009/0212774号美国专利申请公开案揭示一种 用于磁共振设备的天线布置。明确地说,天线布置包含布置成矩阵(即,行及列)配置的至 少四个可个别地操作的天线导体环路。在行或列中邻近的两个天线导体环路彼此电感地解 耦,而彼此对角地邻近的两个天线环路彼此电容地解耦。

[0009] 颁予雷科沃斯(Reykowsi)的第2009/0009414号美国专利申请公开案揭示一种天 线阵列。所述天线阵列包含彼此接近地布置的多个个别天线。所述个别天线布置于射频闭 合导体环路内,其中电容器插入于每一导体环路中。

[0010] 颁予比伯(Biber)等人的第2010/0121180号美国专利申请公开案揭示一种针对 磁共振装置的头部线圈。若干天线元件由支撑主体承载。所述支撑主体具有成形为球冠的 端部区段。蝶形天线安装于所述区段的端部处,且由重叠所述蝶形天线的至少一个群组天 线环状地环绕。然而,这些方法中没有一个是专注于提供具有多频带频率操作同时大小较 小且具有所要区域增益的天线。

发明内容

[0011] 鉴于前述背景,因此本发明的目标是提供相对小大小的多频带天线。

[0012] 根据本发明的此及其它目标、特征及优点通过包含壳体及由所述壳体承载的无线 通信电路的无线通信装置而提供。举例来说,所述无线通信装置还包含由所述壳体承载且 耦合到所述无线通信电路的天线组合件。

[0013] 所述天线组合件包含衬底及由所述衬底承载且以并排关系布置的多个无源环路 天线。举例来说,所述多个无源环路天线中的每一者包含无源环路导体及耦合到其的调谐 元件。

[0014] 所述天线组合件还包含由所述衬底承载且经布置以与所述多个无源环路天线中 的每一者至少部分地同延的有源环路天线。举例来说,所述有源环路天线包含有源环路导 体及界定于其中的一对馈送点。因此,所述天线组合件具有相对减小的大小,同时(举例来 说)通过提供多频带频率操作且相对于区域提供增加的增益而维持性能。

[0015] 所述多个无源环路天线中的每一者可具有邻近每一相邻无源天线的相应笔直侧。 举例来说,所述多个无源环路天线中的每一者可具有多边形形状。所述多边形形状可为正 方形形状、六边形形状及三角形形状中的一者。所述多个无源环路天线中的每一者可具有 相同大小及形状。

[0016] 举例来说,所述有源环路天线可具有圆形形状。所述多个无源环路天线可界定中 心点。举例来说,所述有源环路天线可与所述中心点同心。

[0017] 举例来说,所述调谐元件中的每一者可包含电容器。举例来说,所述多个无源环路 天线可定位于所述衬底的第一侧上且所述有源环路天线定位于所述衬底的第二侧上。所述 无源环路导体及所述有源环路导体中的每一者包括绝缘线。

[0018] 一方法方面涉及一种制作待由壳体承载且待耦合到无线通信电路的天线组合件 的方法。所述方法包含以并排关系定位待由衬底承载的多个无源环路天线。举例来说,所 述多个无源环路天线中的每一者包含无源环路导体及耦合到其的调谐元件。所述方法还包 含定位待由所述衬底承载且待与所述多个无源环路天线中的每一者至少部分地同延的有 源环路天线。举例来说,所述有源环路天线包含有源环路导体及界定于其中的一对馈送点。

附图说明

[0019] 图1是根据本发明的包含天线组合件的移动通信装置的示意图。

[0020] 图2是根据本发明的原型天线组合件的所测量频率响应的曲线图。

[0021] 图3a到3d是图1的天线组合件的辐射场型曲线图。

[0022] 图4是图解说明根据本发明的六边形无源环路天线的大小与频率之间的关系的 曲线图。

[0023] 图5是图1中的天线组合件的电路等效物的示意图。

[0024] 图6是根据本发明的天线组合件的另一实施例的示意图。

[0025] 图7是根据本发明的天线组合件的又一实施例的示意图。

[0026] 图8是根据本发明的天线组合件的契比雪夫(Chebyschev)实施例的增益响应对 频率的曲线图。

[0027] 图9是根据本发明的天线组合件的所测量质量因子的曲线图。

具体实施方式

[0028] 现在将参考其中展示本发明的优选实施例的附图在下文中更全面地描述本发明。 然而,本发明可以许多不同形式体现且不应解释为限于本文中所陈述的实施例。而是,提供 这些实施例以使得本发明将是透彻的及完整的且将本发明的范围完全传达给所属领域的 技术人员。通篇中,相似编号指代相似元件,且使用撇号及多个符号来指示替代实施例中的 类似元件。

[0029] 首先参考图1,无线通信装置10包含壳体11及由所述壳体承载的无线通信电路 12。举例来说,无线通信电路12可是蜂窝式通信电路或无线电定位标签电路且经配置以传 递语音及/或数据。无线电路12可经配置以经由多种频带(举例来说,蜂窝、WiFi及全球 定位系统(GPS)频带)进行通信。当然,无线通信电路12可经配置以经由其它频带进行通 信。其它电路(举例来说,控制器13)可由壳体11承载且耦合到无线通信电路12。另外, 无线通信装置10可包含耦合到控制器13及/或无线通信电路12的输入装置(未展示) (举例来说,输入键及/或话筒)及输出装置(未展示)(举例来说,显示器及/或扬声器)。

[0030] 无线通信装置10还包含由壳体11承载且耦合到无线通信电路12的天线组合件 20。说明性地,天线组合件20包含衬底21。举例来说,衬底21可是印刷电路板衬底且可承 载其它组件,如所属领域的技术人员将了解。天线组合件20还包含由衬底21承载的三个 相同大小的六边形无源环路天线22a到22c。无源环路天线22a到22c以并排关系布置。 在所图解说明实施例中,三个无源环路天线22a到22c中的每一者具有邻近每一相邻无源 天线的相应笔直侧。在优选实施例中,举例来说,无源环路天线22a到22c在操作频率下各 自具有〇. 5波长或小于0. 5波长的周长,例如,所述无源辐射环路天线关于波长是自然共振 或电小的。

[0031] 如所属领域的技术人员将了解,六边形无源环路天线22a到22c中的每一者可被 视为个别天线元件以使得经组合电特性像环路天线阵列一样起作用。无源环路天线22a到 22c的六边形形状形成有利地提供对空间的增加效率的使用的蜂巢格栅。空间填充多面体 的六边形填块在其中壳体21的大小相对受限的便携式无线通信装置中可是尤其有利的。 所述无源环路天线的六边形形状以减小的导体损耗开发增加的辐射电阻以用于增加的效 率增益及减小的总大小。

[0032] 无源环路天线22a到22c中的每一者包含无源环路导体27a到27c及耦合到其的 调谐元件28。如所属领域的技术人员将了解,调谐元件28确定特定无源环路天线22的频 带且不确定其大小。而是,每一无源环路天线22的大小与天线组合件20在对应于相应无 源环路天线的频带下的增益相关。

[0033] 每一无源环路天线22还包含环绕无源环路导体27的电介质绝缘层29。换句话 说,每一无源环路天线22可是绝缘线。说明性地,调谐元件28是电容器且与无源环路导体 27成直线耦合。当然,调谐元件28可是另一类型的组件(举例来说,电感器)且可不成直 线耦合,举例来说,铁氧体磁珠可替代地环绕无源环路导体27及电介质绝缘层29。举例来 说,当调谐元件28是电容器时,无源环路天线22a到22c变为电负载的以使得其以较小物 理大小及/或较低频率操作。因此,调谐元件28或电容器减小大小。

[0034] 如所属领域的技术人员将了解,有源环路天线23通过电感耦合而与无源环路天 线22a到22c协作,以使得所述无源环路天线充当三个独立可调谐天线。无源环路天线22a 到22c中的每一者的独立调谐通过选择或改变调谐元件28中的每一者的值(明确地说,电 容)来实现。

[0035] 天线组合件20还包含由衬底21承载的有源环路天线23。说明性地,有源环路天 线23具有圆形形状且与多个无源环路天线22a到22c中的每一者部分地同延。换句话说, 有源环路天线23的区域与无源环路天线22a到22c的区域可在不彼此触碰的情况下重叠。 所述有源环路天线包含有源环路导体25及界定于其中的一对馈送点26a、26b。有源环路天 线23还可包含环绕有源环路导体25的绝缘层36。换句话说,有源环路天线23还可是绝缘 线。相应绝缘层有利地提供无源环路天线22a到22c与有源环路天线23之间的电介质间 距以使得其不使电路短路。

[0036] 说明性地,无源环路天线22a到22c的并排关系界定中心点24,且说明性地,有源 环路天线23与所述中心点同心。当然,有源环路天线23在其它实施例中可不与中心点24 同心。如所属领域的技术人员将了解,调整偏移量可影响耦合到无源环路天线22a到22c 中的每一者的电力量。

[0037] 馈送导体31或电缆可经由馈送点26a、26b将天线组合件20耦合到无线通信电路 12。举例来说,馈送导体31可是同轴电缆,且可包含耦合到馈送点26a、26b中的一者的中 心导体32及耦合到所述馈送点中的另一者且通过电介质层33与内导体分离的外导体34。 可使用其它类型的电缆或导体,例如(举例来说)绝缘线双绞对。在一些例子中,馈送电缆 31本身可变为天线。有利地,有源环路天线23可提供平衡-不平衡转换器以减小馈送电 缆31无意地变为天线的效应。此是因为无源环路天线22a到22c不具有到馈送电缆31的 直流电0C)连接(即,不存在导电接触,而是存在电感耦合)。举例来说,有源环路天线23 还可充当平衡-不平衡转换器或"隔离变压器"以减小同轴馈送线上的共同模式电流。

[0038] 现在参考图2,展示类似于如图1中所图解说明的天线组合件20的多频带原型天 线组合件的所测量频率响应或电压驻波比的曲线图50。所述原型天线组合件包含三个六 边形无源环路天线及圆形有源环路天线。第一电容器具有30微微法拉的值,第二电容器为 10微微法拉,且第三电容器为20微微法拉。因此,每一无源环路天线环路具有不同值调谐 电容器。说明性地,曲线图50包含分别为约86MHz、106MHz及144MHz的三个频带51a、51b、 51c,其基于相应电容器的值而独立地实现。对多频带原型机的总结如下:

[0039]

[0040]

[0041] 举例来说,个别电小天线可具有二次频率响应。因此,此些天线可涵盖可相对窄的 单个频带。然而,可调谐天线组合件20以使得可组合三个频带中的每一者以个别地相对于 每一频带形成单个放大或宽广频带。更明确地说,可根据契比雪夫多项式调整每一六边形 无源环路天线22a到22c的共振以给指定纹波提供增加的带宽。举例来说,可将无源环路 天线中的每一者交错调谐到n阶契比雪夫多项式的零。举例来说,两个无源环路天线可提 供具有2个纹波峰值且约4倍于单个无源环路天线的带宽的4阶契比雪夫响应。

[0042] 更明确地说,举例来说,具有单个六边形无源环路天线的天线组合件具有根据 ax2+bx+c = 0的二次响应。举例来说,如果所述单个六边形无源环路天线具有0. 12 A的直 径,那么6 : 1电压驻波比(VSWR)带宽为约1. 52%。根据本发明的具有(举例来说)两个 六边形无源环路天线的天线组合件具有根据以下式的契比雪夫多项式响应:

[0043] E=Tn(x)tn= (l~tx) / (l~2tx+t2)

[0044]其中:

[0045] Tn= n次契比雪夫多项式

[0046] x=角频率=2 Jr f

[0047] 因此,如果每一六边形无源环路天线还具有0.12A的直径,那么带宽为约 4X 1. 52%或6. 1 %。契比雪夫多项式的纹波频率通常随阶数n而增加,因此当保持纹波振 幅恒定时,返回缩减随增加阶数n而发生。举例来说,无限数目个无源环路天线可提供最高 比单个辐射环路天线多3 31的瞬时带宽,如所属领域的技术人员将了解。测试已展示两个 无源环路天线提供四倍于单个无源环路天线的带宽。因此,所述实施例有利地提供具有通 用调谐以用于减小的大小及增加的瞬时带宽的环路天线阵列。所述实施例(举例来说)在 不存在电感器及/或电容器的梯型网络的情况下有利地经由辐射结构而非无源组件的外 部集总元件网络提供通用调谐。现在参考图3a到3d及图4中的曲线图61、62、63、64、65, 天线组合件20的辐射场型为大体环状的。曲线图61图解说明笛卡尔(Cartesian)坐标系 统中的天线组合件20的平面。如所属领域的技术人员将了解,天线组合件20的平面位于 XY平面中。曲线图62图解说明天线组合件20的XY平面辐射场型切面为圆形的及全方向 的。

[0048] 类似地,曲线图63、64分别图解说明YZ及ZX平面中的辐射场型切面的形状为具 有函数cos 2 0的两瓣玫瑰的形状。所述辐射场型为围绕环路的电流分布(其在较小环路 大小下是均匀的)的傅立叶(Fourier)变换。天线组合件20辐射场型形状类似于沿曲线 图61的Z轴定向的正则1/2波线偶极子,但所述1/2波偶极子将垂直地极化且天线组合件 20将水平地极化。举例来说,水平极化可尤其有利于通过对流层折射辅助远程传播。然而, 天线组合件20在天线平面侧面具有辐射场型空值,且辐射场型波瓣在所述天线平面中。YZ 及ZX型式切面中的天线组合件20的半功率角为约82度。方向性为1. 5。举例来说,当不 匹配损耗为零时,如所属领域的技术人员将了解,所实现增益及辐射场型可根据以下式来 计算:

[0049] Realized Gain = 101og10(riD cos2 0 )

[0050]其中:

[0051] n=天线组合件20的辐射效率

[0052] D =天线方向性=对于天线组合件20为1. 5

[0053]0 =从法线到天线组合件20的平面所测量的仰角。(0 = 0°,法向于天线平面, 及9 = 90°,在天线组合件平面中)

[0054] 实际上,在相对低损耗调谐电容器的情况下,辐射效率n通常为无源环路天线 22a到22c辐射电阻R,相对于无源环路天线导体损耗电阻R i的函数,因此辐射效率可计算 为:

[0055] Radiation Efficiency n = RE/ (^+^)

[0056] 且所实现增益为:

[0057] Realized Gain = 1. 76-101og10(Rr/(R^R^dBil

[0058] 图4中的曲线图65图解说明单个六边形无源环路天线的大小、所实现增益及频率 之间的典型关系(经计算)。图4中的曲线图65还图解说明由天线组合件的实施例提供的 典型所实现增益。对应于曲线图65的天线组合件是类似于图1中的天线组合件20的单个 无源环路天线,且为铜的并大于3RF集肤深度厚。举例来说,所述天线组合件通过使用辐射 场型峰值增益来调谐及匹配,且极化为共极化。调谐元件是具有质量因子Q= 1000的电容 器,且无源环路天线迹线宽度在无源环路天线外径处为约0. 15英寸。说明性地,线66、67、 68及69分别对应于+1. 5dBil、0.0 dBil、-10.0 dBil及-20.0 dBil所实现增益。如所属领 域的技术人员将了解,所述实施例有利地允许天线大小与所实现增益之间的折衷且相对于 大小提供增加的效率。

[0059] 在类似于图1的天线组合件20的原型天线组合件的测试中,所述天线组合件使用 全球定位系统(GPS)卫星而用于无线电定位目的。所述天线组合件提供相对高的GPS卫星 星座图可用性,因此可一次接收许多卫星。原型天线组合件GPS接收的性能总结如下:

[0060]

[0061] (JN 103477496 B y/13贝

[0062] 所述GPS原型机具有减小的深度交叉感测圆形极化衰落的操作优点。右旋圆形极 化微带贴片天线在被倒转时往往变为左旋圆形极化的,此可在GPS接收中产生深度衰落。 因此,当无线通信电路因(举例来说)具有天线组合件而包含GPS无线电定位标签时,与 (举例来说)具有圆形极化及较高增益的微带贴片天线相比,所述天线组合件提供增加的 可靠性接收。在GPS无线电定位装置中,所述天线通常为未对准及未定向的。实际上,在本 实施例中,当无源环路天线的周长接近1/2波长时,辐射场型变为接近球面及等向性的。

[0063] 现在另外参考图5,举例来说,天线组合件20的电路等效模型可被视为具有多个 次级绕组的变压器,以便实现功率分配器。信号产生器S对应于无线通信电路12。如所属 领域的技术人员将了解,有源环路天线23对应于初级绕组L,而三个六边形无源环路天线 22a到22c对应于相应次级绕组匕、k 2、k3。功率可由与由三个六边形无源环路天线22a到 22c界定的中心点24同心的有源环路天线23均等地三向划分。对有源环路天线23上方的 三个六边形无源环路天线22a到22c的同延量的调整等效于对具有多匝绕组的常规变压器 的"匝数比"的调整。

[0064] 在所图解说明的对应电路示意图中,所述等效调谐元件是电容器Q、C 2、C3。所图 解说明的电阻器1^、1^、1^对应于辐射电阻。换句话说,此是由导体本身(举例来说,铜导 体)提供的电阻。Ru、R 12、R13对应于来自焦耳效应加热的导体电阻损耗。如所属领域的技 术人员将了解,如果天线组合件20太小,那么Ri增加,且性能可减小到可能不可接受的水 平。&通常是天线效率的主要决定因素。实际上,调谐电容器等效串联电阻(ESR)损耗通 常可被忽略。因此,个别无源环路天线的辐射效率n可由以下式近似地表示:

[0065]n=Rrl/ (Rn+Rrl)

[0066] 且所实现增益由以下式近似地表示:

[0067] G = 101og10{l. 5[Rrl/(Rn+Rrl)]}dBil.

[0068] 作为背景,金属导体的损耗电阻通常为对室温电小天线的效率及增益的基本限 制。当电小时,个别无源环路天线的方向性为1.76dB。此方向性值不随无源环路天线的数 目显著增加或减小。典型实际上,可调整有源环路天线以提供50欧姆的电阻,且可忽略有 源环路的金属导体损耗。

[0069] 当其环路结构不重叠时,无源环路天线通常不显著彼此耦合,例如,在彼等情形中 互耦合小于约-15dB。无源环路天线的重叠可视需要更改互耦合。互耦合的程度调整契比 雪夫响应之间的间距。因此,本发明实施例的特征允许控制驱动电阻(有源环路直径)、电 抗(调谐电容器)、频率(调谐元件值)、元件互耦合(无源环路天线之间的间距)、大小(调 谐元件提供加载)、增益(无源环路天线直径)及带宽(无源环路天线22的数目调整频率 响应纹波)。

[0070] 现在参考图6,说明性地,天线组合件20'的另一实施例包含四个无源环路天线 22a'到22d',其各自具有正方形形状且由衬底21'的第一侧37'承载。说明性地,四个 无源环路天线22a'到22d'以并排关系布置且界定对应于正方形无源环路天线中的每一 者的拐角的中心点24'。有源环路天线23'(其承载于衬底21'的第二侧38'上或与无 源环路天线22'相对的侧上)与四个正方形无源环路天线22a'到22d'中的每一者部分 地同延。四个正方形无源环路天线22a'到22d'中的每一者包含耦合到相应无源环路导 体27a'到27d'的相应调谐部件28a'到28d'或电容器。如所属领域的技术人员将了解, 四个无源环路天线22a'到22d'中的每一者对应于由相应电容器28a'到28d'确定的频 带。

[0071] 现在参考图7,说明性地,天线组合件20"的又一实施例包含八个无源环路天线 22a"到22h",其各自具有三角形或饼形状。说明性地,八个无源环路天线22a"到22h" 以并排关系布置且界定对应于三角形无源环路天线中的每一者的点的中心点24"。有源环 路天线23"与八个三角形无源环路天线22a"到22h"中的每一者部分地同延。八个三角 形无源环路天线22a"到22h"中的每一者包含耦合到相应无源环路导体27a"到27h"的 相应调谐部件28a'到28h'或电容器。如所属领域的技术人员将了解,八个无源环路天线 27a"到27h"中的每一者对应于由相应电容器28a"到28h"确定的频带。

[0072] 虽然说明性地,本文中所描述的每一无源环路天线22为相同大小形状,但所述无 源环路天线可具有任何多边形形状。另外,在一些实施例中,无源环路天线22中的每一者 可不为相同大小。

[0073] -方法方面涉及一种制作待由壳体11承载且待耦合到无线通信电路12的天线组 合件20的方法。所述方法包含以并排关系定位待由衬底21承载的多个无源环路天线22。 无源环路天线22中的每一者包含无源环路导体27及耦合到其的调谐元件28。所述方法还 包含定位待由衬底21承载且待与无源环路天线22中的每一者至少部分地同延的有源环路 天线23。有源环路天线23包含有源环路导体25及界定于其中的一对馈送点26a、26b。

[0074] 现在参考图8中的曲线图100,其图解说明天线组合件的双调谐/4阶契比雪夫实 施例的增益响应。说明性地,存在具有两个增益峰值的纹波通频带106,但通频带的两个峰 值被视为单个连续通频带,例如,因此形成具有纹波的单频带天线。举例来说,通频带106 中的纹波对于提供增加的带宽可尤其有益。对应于曲线图100的天线组合件包含彼此邻近 的两个(2)无源环路天线,其中一个(1)有源环路天线重叠每一无源环路天线。为实现双 调谐4阶契比雪夫多项式响应,辐射环路天线优先为相等大小,且其使用类似或相同值调 谐元件电容器。因此,无源环路天线的个别共振频率本身是相同的。然而,当使无源环路天 线彼此相对靠近时,互耦合可致使频率响应中的两个增益峰值106、108形成。因此,两个个 别无源环路天线的二次响应组合以变为双调谐4阶契比雪夫响应。

[0075] 可通过相对于彼此调整无源环路天线的间距来调整纹波振幅104及带宽106。当 进一步分开两个无源环路天线时,增益峰值102之间的间距减小且因此带宽106减小,且纹 波水平振幅104减小。

[0076] 当两个无源环路天线之间的间距较靠近时,增益峰值108、110之间的间距102增 加(响应展开),因此带宽106增加,且纹波振幅104增加。两个无源环路天线可甚至彼此 重叠(但不彼此触碰)以形成相对极大的带宽。如可了解,双调谐4阶契比雪夫实施例有 利地提供纹波水平104与带宽106之间的宽广且连续的折衷范围。

[0077] 在使用两个无源环路天线的双调谐4阶契比雪夫实施例中,有源环路天线的直径 调整天线提供到无线通信电路的电路电阻。较大直径有源环路增加提供到传输器的电阻, 且较小直径有源环路减小提供到传输器的电阻。当有源环路的直径为无源环路天线的直径 的约0. 2到0. 5时,实际上已可易于实现50欧姆电阻。可调整有源环路天线的大小以获得 有源1比1VSWR。或者,可增加有源环路天线的大小以提供用两个增益峰值108、110处的增 加的VSWR来换取增加的带宽的过有源换取。

[0078] 有源环路天线有利地在既定频率上提供电阻补偿。换句话说,当无源环路天线变 得较小时,其辐射电阻下降,但有源环路天线的耦合因子随着无源环路天线变得较小而增 加。因此,由电子电路经历的所要电阻可在相对宽广的带宽上恒定。补偿行为被认为是由 无源环路天线的电流分布因减小的无源环路天线周长而自正弦曲线转变到均匀所致。当电 小时,环路天线具有较强磁近场,因此其变为优选的变压器次级绕组。无源环路天线是用于 辐射的远场天线,且还是近场天线。

[0079] 当形成无源环路天线的电导体具有接近环路外径的宽度的0. 15的宽度时,最高 增益产生。因此,如果无源环路天线具有1. 0英寸的外侧直径,且每一无源环路天线为线, 那么最高所实现增益通常在线直径为0. 15英寸时发生。如果无源环路天线的直径为1英 寸且形成为印刷布线板(PWB)迹线,那么所述迹线的宽度也应为约0. 15英寸以用于增加的 辐射效率。当然,可视需要使用其它导体宽度。

[0080] 当迹线宽度太小时,导体损耗电阻增加,这是因为存在太少金属而不能高效地传 导。然而,当迹线宽度太大时,邻近效应增加导体损耗电阻。当导体邻近效应发生时,电流 在环路导体的边缘内侧停靠且并非所有金属均用于辐射。环路的相对侧上的环路导体造成 邻近效应。环路中的孔通常应适当地定大小。通过实验来验证无源环路天线的最优选环路 导体迹线宽度。

[0081] 图9的曲线图110图解说明PWB实施例单个无源环路天线的所测量质量因子 (Q) 111对环路导体迹线宽度。Q是天线增益的指示,因此当Q最高时,所实现天线增益最高。 外环路直径为1. 0英寸且其以146. 52MHz操作,因此外环路直径为A/84。因此,考虑并调 整146. 52MHz的临界作用性及共振。PWB铜迹线的厚度大于3集肤深度厚。当环路天线孔 为外径的90 %时,跨越环路中的间隙连接22微微法拉电容器以致使设定146. 52MHz下的共 振。当无源环路天线内部孔大小为零时,天线实际上为凹口金属圆盘。其跨越圆盘边沿处 的凹口使用290微微法拉芯片电容器,且共振再次为146. 52MHz。如自图9中的曲线图110 所图解说明,最优选所测量Q 111为225,且此在内孔的直径为环路外径的70%时发生。环 路外径为1. 〇英寸,且环路内径在最高Q及所实现增益下等于〇. 7英寸。因此,最优选所实 现增益的迹线宽度为环路外径的(1. 〇-〇. 7)/2 = 0. 15。

[0082] 有源环路天线23通常不会可感知地辐射或具有显著欧姆损耗。作为背景,有源环 路天线23还提供隔离变压器类型的平衡-不平衡转换器。

[0083] 测试已展示,天线组合件20的G10及FR4型环氧树脂玻璃印刷电路板实施例中的 损耗在UHF下可忽略不计,例如,在介于300MHz与3000MHz之间的频率下。因此,多数商业 电路材料通常适用于衬底21。天线组合件20因具有较强径向磁近场而非径向电近场(此 使PWB电介质损耗最小化)而实现此操作优点。另外,通过组件电容器而非PWB电介质来 实现天线组合件20调谐及加载。举例来说,芯片电容器是相对廉价及低损耗的,且NP0变 型具有相对平坦的温度系数。随温度的稳定电容意指天线组合件20可随温度具有相对稳 定的操作频率。举例来说,此可是天线组合件20优于典型微带贴片天线的优点。

[0084] 作为背景,微带贴片天线可需要高成本低损耗受控介电常数材料,这是因为天线 "贴片"形成在PWB电介质中聚集电近场的印刷电路传输线。微带贴片天线PWB材料的电容 通常不如NP0芯片电容器随温度稳定。因此,天线20可始终具有稳定调谐,且可是平面的 且相对易于以相对低的花费来构造。

[0085] 本发明实施例有利地提供多频带操作及/或提供具有契比雪夫通频带响应的相 对宽广的单个频带带宽。然而,天线组合件的实施例还提供宽广的可调谐带宽。举例来说, 通过变化调谐元件28的电抗来实现宽广范围上的可变调谐。因此,举例来说,调谐元件28 可是可变电容器。可调谐带宽可是在具有相对低的电压驻波比(VSWR)的7比1频率范围 上。在HF原型机中,使用具有10微微法拉到1000微微法拉的范围的真空可变电容器跨越 连续3MHz到22MHz调谐范围实现2比1的VSWR,且无源环路天线22由具有18英尺的周长 的铜水管的六边形形成。天线操作频率的改变是调谐元件28的电抗改变的平方根以使得 (举例来说)为使调谐元件的操作频率加倍,将电容器值减小到原始值的1/2 2= 1/4。举 例来说,调谐元件28可是用于电子调谐的变容二极管。一旦已知无源环路天线22的电感, 则可依据共同共振公式1/2 Jr VLC来计算调谐元件28的所要值。可使用以下公式来测量 或计算无源环路天线22的电感:

[0086] L (以微亨为单位)=0• 01595 [2. 303Log1(l (8D/d-2)]

[0087]其中:

[0088] D=无源环路天线的平均直径

[0089] d=线导体的直径

[0090] 增加调谐元件28的电容降低天线组合件20的操作频率,且减小电容使频率升高。 在大部分情形中,优先使用电容器作为调谐元件28以用于减小的损耗,但可视需要使用电 感器。天线组合件20的实例及应用是用于具有扩展的范围的电视及FM广播接收。这些频 带中的典型广播包含水平极化组件,且天线组合件20有利地在定向于水平平面中时响应 于所述水平极化组件。已知水平极化通过对流层折射在地平线上方传播。因此,天线组合 件20可比垂直1/2波偶极子提供更大的范围。当水平极化时天线组合件20是全方向的,可 不需要对准。当直径为19英寸时,无源环路天线22a到22c可在100MHz下呈现+1. OdBil 所实现增益,且因此可在室内使用。

[0091] 尽管环路天线与偶极子天线之间存在许多差异,但电小偶极子天线及环路天线通 常因分别装载有电容器及电感器而大小较小。在当前技术中,且在室温下,存在比导体更优 选的绝缘体,因此电容器的效率及Q通常远优于电感器。实际上,电容器的质量因子通常10 到100倍优于电感器。因此,与偶极子天线相比,类似于天线组合件的本发明实施例的环路 天线可是优选的,这是因为其可使用相对低损耗且相对廉价的电容器来实现大小减小、加 载及调谐。环路天线还提供电感器及变压器绕组以限制或减少额外组件。因此,本发明实 施例提供其中天线电感器、匹配变压器及平衡-不平衡转换器集成到天线结构中的复合设 计。

Claims (8)

1. 一种无线通信装置(10),其包括: 壳体(11); 无线通信电路(12),其由所述壳体(11)承载;及 天线组合件(20),其由所述壳体(11)承载且耦合到所述无线通信电路(12)且包括衬 底(21), 多个无源环路天线(22a到22c),其由所述衬底(21)承载且以并排关系布置,所述多个 无源环路天线(22a到22c)中的每一者包括无源环路导体(27a到27c)及耦合到其的调谐 元件(28),所述多个无源环路天线(22a到22c)中的每一者具有邻近每一相邻无源环路天 线的相应笔直侧,且所述多个无源环路天线(22a到22c)中的每一者在操作频率下具有小 于或等于0.5波长的长度,及 有源环路天线(23),其由所述衬底(21)承载且经布置以使得所述有源环路天线(23) 的区域与所述多个无源环路天线(22a-22c)的区域在不彼此触碰的情况下重叠,所述有源 环路天线(23)包括有源环路导体(25)及界定于其中的一对馈送点(26a、26b)。
2. 根据权利要求1所述的无线通信装置,其中所述多个无源环路天线(22a到22c)中 的每一者具有多边形形状。
3. 根据权利要求2所述的无线通信装置,其中所述多边形形状是正方形形状、六边形 形状及三角形形状中的一者。
4. 根据权利要求1所述的无线通信装置,其中所述多个无源环路天线(22a到22c)中 的每一者具有相同大小及形状。
5. 根据权利要求1所述的无线通信装置,其中所述有源环路天线(23)具有圆形形状。
6. -种制作待由壳体(11)承载且待耦合到无线通信电路(12)的天线组合件(20)的 方法,所述方法包括: 定位以并排关系布置的待由衬底(21)承载的多个无源环路天线(22a到22c),所述多 个无源环路天线(22a到22c)中的每一者经定位成具有邻近每一相邻无源环路天线(22a 到22c)的相应笔直侧,所述多个无源环路天线(22a到22c)中的每一者包括无源环路导体 (27a到27c)及耦合到其的调谐元件(28),且所述多个无源环路天线(22a到22c)中的每 一者在操作频率下具有小于或等于〇. 5波长的长度,及 定位待由所述衬底(21)承载的有源环路天线(23)以使得所述有源环路天线(23)的 区域与所述多个无源环路天线(22a-22c)的区域在不彼此触碰的情况下重叠,所述有源环 路天线(23)包括有源环路导体(25)及界定于其中的一对馈送点(26a、26b)。
7. 根据权利要求6所述的方法,其中所述多个无源环路天线(22a到22c)中的每一者 具有多边形形状。
8. 根据权利要求6所述的方法,其中所述有源环路天线(23)具有圆形形状。
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