CN105144480B - 用于无线通信的可重配置的单极天线 - Google Patents

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Abstract

描述了包括通过至少两个不同的电流路径耦合到馈电点的辐射器元件的可重新配置的单极天线。电流路径是不同的长度，以接纳不同的频带。为了改变电流路径，馈电点开关被置于天线馈电点处以选择性地沿第一电流路径或第二电流路径提供电流。电流路径共享辐射器元件的大部分，使得不必使用分开的辐射器元件。

Description

用于无线通信的可重配置的单极天线
背景
在移动设备中，随着对新特征和更高数据吞吐量的需求的增加，所支持的频带的数量持续增加。新特征的一些示例包括多条语音/数据通信链路(GSM、CDMA、WCDMA、LTE、EVDO，每一条在多个频带中)、短程通信链路(蓝牙、UWB)、广播媒体接收(MediaFLO、DVB-H)、高速因特网接入(UMB、HSPA、802.11、EVDO)、以及定位技术(GPS、Galileo)。支持多个频带造成增加的复杂度和设计挑战。通常，以性能为代价作出支持多个频带的折中。
概述
提供本概要从而以简要形式引入将在下面具体实施例中进一步描述的概念的选择。本概要不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用来限制所要求保护的主题的范围。
公开了可动态地且通过编程重新配置成接纳不同频带的多频带单极天线。在一个实施例中，辐射器元件通过馈电点开关耦合到馈电点。该开关可使用至少两个不同的电流路径来引导馈电点与辐射器元件之间的电流。电流路径可以是不同的长度以便针对不同的频带来优化。每一电流路径可共享辐射器元件的大部分以节省空间。通过切换馈电点开关来选择电流路径之一，天线可被配置。选择可以根据调制解调器或甚至用户输入来控制。
在另一实施例中，寄生辐射器可通过接地开关耦合到接地。使用馈电点开关和接地开关，可使用单个天线结构来实现多个操作模式。
因此，总体性能可以在最小附加组件的情况下被改进。
参考附图阅读以下详细描述，将更清楚本发明的前述和其他目标、特征和优点。
附图简述
图1是包括可重新配置的单极天线的移动设备的实施例。
图2是包括可重新配置的单极天线的实施例的细节的示例移动设备。
图3是可重新配置的单极天线的另一实施例。
图4是可重新配置的单极天线的又一实施例。
图5是示出天线效率对频率以及天线的反射系数的图表。
图6是可被用来重新配置单极天线的实施例的流程图。
详细描述
描述了包括通过至少两个不同的电流路径耦合到馈电点的辐射器元件的可重新配置的单极天线。电流路径是不同的长度，以接纳不同的频带。为了改变电流路径，馈电点开关被置于天线馈电点处以选择性地沿第一电流路径或第二电流路径提供电流。电流路径共享辐射器元件的大部分，使得不必使用分开的辐射器元件。
通过提供被设计成在不同的频带之间调谐或切换的天线，无需提供分开的天线。结果，给定同一共振器结构担当不同频率的辐射器元件，天线尺寸被降低。所节省的空间可被用于其他目的，如电池、电路系统或设备尺寸降低。另外，由于没有在现有多频带配置中作出的折中，天线性能改进(例如，更高的QoS、更低的掉话、更高的电池寿命)。另外，天线可被置于更进取的体量中，如在PCB接地面的顶部，这可具有来自手/头解谐效果和对人类组织(比吸收率，SAR)的经调节的能量吸收的益处。将开关放置得靠近馈电点(其中不存在高电场)可最小化基本谐波的生成，这可帮助通过调整测试。
在特定实施例中，公开了一种在辐射结构本身内使用若干可开关元件的天线。一个单刀双掷(SPDT)开关可被用来覆盖位于LTE的较低频谱(例如，800MHz)中的两个不同的频带群。例如，短路径可以允许高频带处的操作，同时较长路径可允许较低频率处的操作。附加单刀单掷(SPST)可被用于提供在高频谱(例如，2GHz)处分配的频带群中的天线操作。因而，通过使用位于天线馈电点处或靠近馈电点(例如，在λ/10内)的开关，天线允许每一频带或频带群被独立地调整。取决于所需操作频率，开关可按需阻止或允许电流。
图1是描绘示例性移动设备100的系统图，该移动设备包括各种可选的硬件和软件组件，在102处概括地示出。该移动设备中的任何组件102可与任何其他组件通信，但为了方便说明，并非所有连接都被示出。该移动设备可以是各种计算设备(例如，蜂窝电话、智能电话、手持式计算机、个人数字助理(PDA)等)中的任一个，并且可允许与诸如蜂窝或卫星网络的一个或多个移动通信网络104进行无线双向通信。
所示移动设备100可包括用于执行如信号编码、数据处理、输入/输出处理、电源控制和/或其他功能等任务的控制器或处理器110(例如，信号处理器、微处理器、ASIC、或其他控制和处理逻辑电路)。操作系统112可控制对组件102的分配和使用，并支持一个或多个应用程序114。应用程序可包括公共移动计算应用(例如，电子邮件应用、日历、联系人管理器、web浏览器、消息收发应用)、或任何其他计算应用。
所示移动设备100可包括存储器120。存储器120可包括不可移动存储器122和/或可移动存储器124。不可移动存储器122可包括RAM、ROM、闪存、硬盘、或其它众所周知的存储器存储技术。可移动存储器124可包括闪存或在GSM通信系统中公知的订户身份模块(SIM)卡，或者诸如“智能卡”的其它公知存储器存储技术。存储器120可用于存储数据和/或用于运行操作系统112和应用114的代码。示例数据可包括经由一个或多个有线或无线网络发送给和/或接收自一个或多个网络服务器或其它设备的网页、文本、图像、声音文件、视频数据、或其它数据集。存储器120可用于存储诸如国际移动订户身份(IMSI)等订户标识符，以及诸如国际移动设备标识符(IMEI)等设备标识符。可将此类标识符传送给网络服务器以标识用户和设备。
移动设备100可支持诸如触摸屏132、话筒134、相机136、物理键盘138、和/或跟踪球140的一个或多个输入设备130，以及诸如扬声器152和显示器154的一个或多个输出设备150。其他可能的输出设备(未示出)可包括压电或其他触觉输出设备。一些设备可提供一个以上的输入/输出功能。例如，触摸屏132和显示器154可被组合在单个输入/输出设备中。输入设备130可包括自然用户界面(NUI)。NUI是使得用户能够以“自然”方式与设备交互而不受由诸如鼠标、键盘、遥控器等输入设备强加的人为约束的任何接口技术。NUI方法的示例包括依赖于语音识别、触摸和指示笔识别、屏幕上和屏幕附近的姿势识别、空中姿势、头部和眼睛跟踪、嗓音和语音、视觉、触摸、姿势、以及机器智能的那些方法。NUI的其它示例包括使用加速计/陀螺仪、脸部识别、3D显示、头、眼以及凝视跟踪、身临其境的增强现实和虚拟现实系统的运动姿势检测(所有这些都提供更为自然的接口)，以及用于通过使用电场感测电极(EEG和相关方法)感测脑部活动的技术。由此，在一特定示例中，操作系统112或应用114可包括作为允许用户经由语音命令来操作设备100的语音用户界面的一部分的语音识别软件。此外，设备100可包括允许经由用户的空间姿势进行用户交互(诸如检测和解释姿势以向游戏应用提供输入)的输入设备和软件。
无线调制解调器160可被耦合至可重新配置的单极天线170，并且可支持处理器110与外部设备之间的双向通信，如本领域中清楚理解的。调制解调器160被一般性地示出，并且可包括用于与移动通信网络104进行通信的蜂窝调制解调器和/或其它基于无线电的调制解调器(例如蓝牙164或Wi-Fi 162)。无线调制解调器160通常被配置用于与一个或多个蜂窝网络(诸如，用于在单个蜂窝网络内、蜂窝网络之间、或移动设备与公共交换电话网络(PSTN)之间的数据和语音通信的GSM网络)进行通信。一个或多个调制解调器可通过一个或多个开关172与天线170通信(传送和接收)，开关172被用来配置天线以用于多个操作频带，如下文进一步描述的。开关172可由调制解调器基于要使用的最优频带自动控制，或用户输入可通过输入设备130之一被接收以选择所需频带。在任何情况下，天线170是可选择地和通过编程可配置的。
移动设备还可包括至少一个输入/输出端口180、电源182、诸如全球定位系统(GPS)接收机之类的卫星导航系统接收机184、加速度计186、和/或物理连接器190，物理连接器可以是USB端口、IEEE 1394(火线)端口、和/或RS-232端口。所例示的组件102不是必需的或包括所有的，因为可删除任何组件并且可添加其他组件。
图2示出第一实施例，其示出了天线配置200。天线配置200包括安装在绝缘层(例如，塑料)212上的天线210。天线210可以是多频带四分之一波单极天线且可以用导电材料薄层来形成，如印刷或冲压金属材料。调制解调器214可通过信号导体216(如印刷电路板上的迹线或电缆)与天线210通信。信号导体216以公知方式与接地面220电绝缘，并且在接地面下方、上方、或绕接地面行进(即，不与接地面同延)。天线210可包括具有第一端240和远端242的辐射器元件260。馈电点开关250与第一端240相邻，被用来控制电流通过天线210的方向。开关250包括可由调制解调器或其他所需源提供的输入控制线(未示出)。因而，调制解调器可以基于移动设备的状态来确定所需频率并动态地控制天线以改变频带。开关250位于天线210的馈电点处或靠近馈电点(例如，在λ/10内)。馈电点是本领域中公知的其中天线在该点开始且被从导体216(源自RF前端上的任何类型的传输线)馈送输入信号的点。一个示例馈电点是迹线在PCB上结束的位置，并且到天线的连接通过使用通孔点、C形夹、或弹簧顶针(pogo pin)来作出。另一示例是电缆导体被焊接到天线的位置。如图所示，根据馈电点开关250，电流可以采取长路径252或短路径254来通过天线。在任一情况下，电流穿过辐射器260的延长的共享的部分。为了建立不同的电流路径，天线210包括U形弯曲(概括地在262处示出并由线252的曲率来指示)和绕过导体264。绕过导体264创建绕过U形弯曲的电流路径254，从而使总体电流路径更短。天线210还可包括通过导体272耦合到接地面220并进一步耦合到天线210的第一端240的寄生辐射器270。寄生辐射器270可以提供在这两个低频率状态处阻抗匹配。
馈电点开关250被示为对控制信号进行响应以在至少两个操作模式之间切换天线的单刀双掷(SPDT)开关。在第一操作模式中，较长电流路径252可被用来提供辐射器元件260的共享部分。在该模式中，天线210可以允许低频率处的操作。在第二操作模式中，较短电流路径254可被用来提供辐射器元件260。在该模式中，天线可以允许较高频率处的操作。因而，使用一个SPDT开关，位于LTE的较低频谱中的两个不同的频带群可被使用。
应当认识到，天线配置200可通过简单地添加具有与频带相关联的所需长度的另一电流路径并修改开关以便能处理不同电流路径之间的切换，来被扩展到附加电流路径。因而，可以使用三个、四个、五个等等电流路径。
图3示出了包括多频带单极天线的天线配置300的替换实施例。在这一实施例中，使用两个开关310、312。控制信号(未示出)可由调制解调器或其他源提供给开关310、312。开关310是接地面开关且可被插入在寄生辐射器320和接地面322之间。开关312是耦合在辐射器元件330和信号导体332之间的且位于馈电点处或附近的馈电点开关。开关310可以是在被致动时将寄生辐射器320的导体334连接到接地的单刀单掷开关。开关312可以是类似于图2的单刀双掷开关。在这一实施例中，导体332被示为不与接地面重叠，但它可像图2那样实现。开关312可以控制具有由天线臂350、352的长度规定的不同长度的不同电流路径340、342。臂352被用点示出为指示任何所需的曲折可被内置以确保臂352长于臂350。另外，天线辐射器元件330使其长度的大部分被这两个电流路径340、342共享。
在图3实施例中，在开关310打开时，寄生辐射器320(天线的第三臂)可连接到PCB接地面322以用于这两个低频率状态处的阻抗匹配。在开关310关闭时，寄生辐射器320可具有附加用途来生成高频谐波。通过在寄生辐射器产生高频响应时同时连接辐射器元件330，辐射器部330的较高阶谐波耦合到寄生辐射器320的基本谐波所提供的一个，从而加宽高频率处的带宽以实现更大的总体频率覆盖。
因而，只使用两个开关，可以选择至少三种不同的天线操作模式。在第一操作模式中，路径340被激活(使用开关312)，其中开关310打开(将寄生辐射器接地)。在第二操作模式中，路径342被激活，其中开关310打开(将寄生辐射器接地)。在这前两个模式中，寄生辐射器用于阻抗匹配的目的。在第三操作模式中，电流路径372通过将开关310关闭并使用开关312选择电流路径340而被激活。可能的第四操作模式可具有在开关310关闭的情况下选择的电流路径342(较短路径)。
图4示出了与图3两开关设计类似的实施例，但具有与图2类似的天线结构。天线408包括延长的辐射器元件410、U形弯曲412、以及绕过导体414。与图2的实施例类似，通过使用控制信号(未示出)来在两个不同可能状态之间切换馈电点开关430来选择性地控制电流路径420、422。接地面开关432还可被用来将接地与寄生辐射器440选择性地耦合或解耦。在开关432关闭的情况下，电流可如在450处所示地流动以结合其他所选电流420、422之一工作，以在所需频带中操作。图4中的其他未标记的元件与图2的那些元件类似。在测试与图4所示的配置类似的配置并使用上述三个模式时，在第一操作模式中，多频带单极天线在约700MHz到800MHz之间操作，在第二操作模式中，多频带单极天线在约900MHz到1000MHz之间操作，且在第三操作模式中，多频带单极天线在大于1750MHz处操作。
图5示出了天线效率(以dB为单位)对天线的频率(顶部图表)和反射系数(以dB为单位)(底部图表)，这是天线所反射的功率的度量。第一操作模式由线510示出，第二模式由线512示出，且第三模式由线514示出。虚线516表示具有高效率值>-3dB和低反射系数<6dB的所需水平。如可容易地看到的，各实施例成功地能够使用单个天线来覆盖多个频带，而无需具有不同频带之间的复杂折中。因此，天线性能被独立于每一频带来优化。这一技术可被扩展到许多其他拓扑结构。开关的数量以及每一开关的掷的数量可取决于所需操作和频带而变化。取决于通过通用I/O线的设备操作，基带集成电路可以负责选择开关状态。
图6是用于操作多频带单极天线的方法的实施例。在过程框610，馈电点开关被提供在辐射器元件的馈电点处。被提供在馈电点处意味着开关在馈电点的λ/10内。在过程框612，馈电点开关可被切换以从第一操作模式改变到第二操作模式。在过程框614，第一操作模式可具有第一电流路径，且第二操作模式可具有与第一电流路径不同的第二电流路径。这两个电流路径可以使用辐射器的基本上相同的延长部分。
所公开的方法中的任一个可具有以下方面：这些方面被实现为存储在一个或多个计算机可读存储介质(例如，一个或多个光学介质盘、易失性存储器组件(诸如DRAM或SRAM)或非易失性存储器组件(诸如闪存或硬驱动器))上并且在计算机(例如，任何商业上可用的计算机，包括智能电话、或包含计算硬件的其它移动设备)上执行的计算机可执行指令。如应当容易理解的，术语计算机可读存储介质不包括诸如已调制数据信号等通信连接。用于实现所公开的技术的计算机可执行指令中的任一个以及在所公开的各实施例的实现期间创建和使用的任何数据可被存储在一个或多个计算机可读介质上。计算机可执行指令可以是例如经由web浏览器或其他软件应用程序(诸如远程计算应用程序)访问或下载的专用软件应用程序或软件应用程序的部分。此类软件可例如在单个本地计算机(例如，任何合适的商业上可用的计算机)上或在使用一个或多个网络计算机的网络环境中(例如，经由因特网、广域网、局域网、客户机-服务器网络(诸如，云计算网络)或其它此类网络)执行。
还应当理解，在本文中所述的任何功能性可至少部分通过一个或多个硬件逻辑组件而非软件来执行。例如，但非限制，可被使用的硬件逻辑组件的说明性类型包括现场可编程门阵列(FPGA)、程序专用的集成电路(ASIC)、程序专用的标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)等。
此外，基于软件的实施方式中的任一个(包括例如用于使计算机执行所公开的方法中的任一种的计算机可执行指令)可以通过合适的通信手段来上传、下载、或远程访问。这些合适的通信手段包括，例如，因特网、万维网、内联网、软件应用、电缆(包括光缆)、磁通信手段、电磁通信手段(包括RF、微波和红外通信)、电子通信手段或其他这样的通信手段。
所公开的方法、装置和系统不应当被认为是以任何方式构成限制。相反，本公开针对各种公开的实施例(单独和彼此的各种组合)的所有新颖和非显而易见的特征和方面。所公开的方法、装置和系统不限于任何具体方面或特征或其组合，所公开的实施例也不要求存在任何一个或多个具体优点或解决各个问题。
鉴于可应用所公开的本发明的原理的许多可能的实施例，应当认识到，所示实施例仅是本发明的优选示例，并且不应认为是限制本发明的范围。相反，本发明的范围由后续的权利要求来界定。我们要求作为我们的发明保护落入这些权利要求范围内的所有内容。

Claims (7)

1.一种多频带单极天线，包括：
通过至少两个不同的电流路径耦合到馈电点的辐射器元件，第一电流路径长于第二电流路径以接纳不同的频带；
接地面；
耦合到所述辐射器元件的寄生辐射器；
耦合在所述接地面与所述寄生辐射器之间的、用于将所述接地面从所述寄生辐射器选择性地断开连接的接地面开关；以及
位于所述馈电点处的、耦合在所述辐射器元件与所述馈电点之间的、用于沿所述第一电流路径或所述第二电流路径选择性地提供电流的馈电点开关；
其中所述辐射器元件的大部分由所述第一电流路径和所述第二电流路径共享。
2.如权利要求1所述的多频带单极天线，其特征在于，所述多频带单极天线是四分之一波单极天线。
3.如权利要求1所述的多频带单极天线，其特征在于，还包括由所述馈电点开关接收到的至少第一控制信号和耦合到所述接地面开关的第二控制信号，用于在三种不同的操作模式之间切换所述多频带天线。
4.如权利要求3所述的多频带单极天线，其特征在于，在第一操作模式中，所述多频带单极天线在约700MHz到800MHz之间操作，在第二操作模式中，所述多频带单极天线在900MHz到1000MHz之间操作，且在第三操作模式中，所述多频带单极天线在大于1750MHz处操作，并且所有这些操作模式使用同一辐射器元件。
5.如权利要求1所述的多频带单极天线，其特征在于，辐射器元件是用安装在非导电塑料层上的导电材料薄层来形成的。
6.如权利要求1所述的多频带单极天线，其特征在于，位于所述馈电点处意味着所述馈电点开关在所述馈电点的λ/10距离内。
7.一种操作多频带单极天线的方法，包括：
提供位于所述多频带单极天线的辐射器元件的馈电点处的馈电点开关；
切换所述馈电点开关以将所述多频带单极天线从第一操作模式改变到第二操作模式，其中在所述第一操作模式中使用所述辐射器元件的第一电流路径，其中在所述第二操作模式中使用所述辐射器元件的第二电流路径，其中所述第一电流路径和所述第二电流路径两者共享所述辐射器元件的大部分；
提供耦合到所述辐射器元件的靠近所述馈电点开关处的寄生辐射器；
提供耦合在所述寄生辐射器与接地面之间的接地面开关，其中在所述第一操作模式中，所述接地面开关将所述寄生辐射器耦合到所述接地面；以及
切换到第三操作模式，其中所述接地面开关将所述接地面从所述寄生辐射器解耦。
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