CN105556745A - 通过可变阻抗部件的弱耦合进行天线调谐的技术 - Google Patents

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Abstract

本发明总体涉及适合用于在100MHZ到5GHZ范围的高频及射频频带下工作的移动设备的小型天线。所述天线可以耦合至诸如MEMS？DVC之类的DVC。所述天线可以耦合至布置于诸如移动电话或智能电话之类的移动设备内部的印刷电路板。

Description

通过可变阻抗部件的弱耦合进行天线调谐的技术
发明背景
技术领域
本发明的实施例总体涉及适合用于在100MHZ到5GHZ范围的高频及射频频带下工作的移动设备的小型天线。
背景技术
要求100MHZ～5GHZ的频谱内的无线电通信的缩小尺寸的便携式设备正面临与合适的天线设计相关的问题。当在这种频谱中工作的天线需要符合较小的物理体积时存在基本和实用性的限制。结果是不足的辐射功率水平和差的接收机灵敏度。这两个问题都与天线辐射效率过低相关。
现有天线设计技术能够使用特定宽带或复谐振天线设计来缓解这样的问题。这些技术能够解决与特定设备有关的某些具体设计问题，但是还不能提供一种能够在小型天线体积的约束内满足辐射相关规格的、可普遍采用的天线设计技术。
因此，本领域中需要一种技术，该技术借助于耦合至可变阻抗装置的电磁耦合寄生元件来在不影响多频带天线的其它频带的情况下调谐该天线的某一频带的天线谐振频率。
发明内容
本发明总体涉及适合用于在100MHZ到5GHZ范围的高频及射频频带下工作的移动设备的小型天线。所述天线可以耦合至诸如微机电系统(MEMS)DVC之类的数字可变电容器(DVC)。所述天线可以耦合至通常诸如开关电感器和/或电容器组之类的可变阻抗装置。所述天线可以耦合至布置在诸如移动电话或智能电话之类的移动设备内部的印刷电路板。
在一个实施例中，天线结构包含耦合至印刷电路板的天线导体；和耦合至印刷电路板的耦合电容器板。在另一个实施例中，移动设备包含该天线结构。
在另一个实施例中，天线结构包含耦合至印刷电路板的天线导体；和耦合至印刷电路板的寄生元件。在另一个实施例中，移动设备包含该天线结构。
附图说明
为了能够详细地理解本发明的上述特征，通过参照实施例可以获得以上简要概述的本发明的更具体的说明，其中在附图中示出了所述实施例的一些。然而，应注意，附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应视为限制本发明的范围，这是因为本发明可以允许其他等同有效的实施例。
图1为包含根据一个实施例的天线的移动电话的等距示意图。
图2为天线结构的示意图。
图3为根据一个实施例的天线结构的示意图。
图4为根据一个实施例的、耦合至印刷电路板的天线结构的示意图。
图5为根据一个实施例的DVC的示意图。
图6为根据一个实施例的MEMS器件的示意图。
图7为根据一个实施例的双频带天线的示意图。
图8为根据另一个实施例的、耦合至印刷电路板的天线结构的示意图。
图9为根据另一个实施例的、耦合至印刷电路板的天线结构的示意图。
为帮助理解，在适用的情况下已经使用相同的附图标记来表示附图所共有的相同元件。可以预见的是，在没有具体声明的情况下，一个实施例中公开的元素可以有利地用于其它实施例。
具体实施方式
本发明总体涉及适合用于在100MHZ到5GHZ范围的高频及射频频带下工作的移动设备的小型天线。所述天线可以耦合至诸如MEMSDVC之类的DVC。通常地，所述天线可以耦合至诸如开关电感器和/或电容器组之类的可变阻抗装置。所述天线可以耦合至布置在诸如移动电话或智能电话之类的移动设备内部的印刷电路板。
适合用于集成到诸如如图1中所示的移动电话之类的便携式射频设备中的小型天线通常安装在移动设备的顶部或背部，并且该移动设备作为天线的有源反极。这样的小型天线通常被设计为简单单极天线的变型，采用例如(平面)倒F天线(P)IFA的形式。这种天线的图案能够被修改，以在保持其辐射特性的同时适应设备的机械约束。尽管如此，该天线设计的本质总是能够如图2所示的那样来描述。
在以下的描述中，将采用术语“接地”、“接地连接”、“接地平面”。在诸如移动电话或智能电话或平板电脑之类的电池供电的设备中，“接地”的定义与电池的电位参考(“负”极)相关，所述电位参考耦合至设备的主体(底座)。
天线导体图案200负责产生不平衡电流，所述不平衡电流将导致辐射电磁功率。在PIFA实施方式中，所述功率借助于通常非常接近于接地连接204的馈源202馈送至天线中。诸如倒L(ILA)或单极之类的替代天线类型将没有接地连接，但尽管如此，此处描述的一般方法仍然适用。
通过使导体图案200适当成形，所期望的频带能够被天线谐振覆盖，并且因此针对那些频率来辐射电磁功率。这与发生器的具体阻抗无关，原因在于在此阶段天线的辐射效率是首要关注点，其被定义为辐射功率对天线的输入功率。
η r a d = P r a d P i n
总效率包含回波损耗并能够与辐射效率ηrad及天线馈源处的散射参数S11有关。
ηtot＝(1-|S 11|2)ηrad
通常，能够在馈源处增加匹配网络，以在不影响天线的固有辐射特性的情况下优化总效率。由于本文中讨论的实施例在给定带宽内调谐谐振的同时使天线辐射效率最大化，所以在不失一般性的情况下将假定谐振时的天线阻抗接近于源阻抗(一般为50欧姆)。
图3示出了一种通过使用电容器302将可变阻抗300耦合至天线的导体图案来调谐天线的谐振频率的方法。
在本发明的一个具体实施例中，耦合电容器302能够通过与用于实施天线导体图案200相同装置来实施。如图4所示，这能够通过增加平行于天线导体图案但使用厚度402的间隔材料层间隔开的导体板400来实现。
在该具体实施中，天线图案悬于接地平面404(通常为印刷电路板(PCB))的边缘之外，并且传输线406将发生器连接到天线馈源202。可变阻抗部件300安装在PCB的表面上，并通过与用于将馈源202和接地部204连接至天线图案的相同的装置408被连接到耦合电容器板400。
在一个具体实施中，图4中的连接桥202、204和408为C型夹子(弹簧)或微型弹簧式顶针式连接器，其被表面安装在PCB上并在天线+PCB系统被机械组装时产生与在天线主体上的暴露导体的特定区域的电气接触。
在本发明的一个具体实施例中，可变阻抗部件300包含数字可变电容器。通过使电容器其值在CMIN到CMAX范围内变化，天线谐振频率在fMIN到fMAX范围变化。天线导体图案200的合适设计、耦合电容器板400的位置及尺寸的合适设计将允许覆盖在fMIN到fMAX的总带宽内的所要求的感兴趣的电信频带。
图5为根据一个实施例的DVC300的示意图。DVC300包含多个空腔500。虽然仅详细示出一个空腔500，但是应该理解的是，虽然每一个空腔500的电容可能不同，但每个空腔500可以具有相似配置。
每个空腔都有RF电极504，该RF电极504耦合至RF连接部/焊接凸点510。此外，每个空腔具有一个或多个吸合(pull-in)电极506和一个或多个接地电极508。所述开关元件502(示出了两个)布置于电极504、506、508之上。事实上，开关元件502电气耦合至接地电极508。由于施加到吸合电极506的电流/电势，使得开关元件502能够移动至距RF电极508的不同间距处。
图6是根据一个实施例的MEMS装置600的示意图。该MEMS装置包含电极504、506、508和开关元件502，开关元件502布置于空腔500中并能够从接近RF电极504的位置(被称为Cmax位置)和与邻近上拉(pull-up)电极602间隔开的位置(被称为Cmin位置)移动。开关元件502在空腔500内的位置决定了特定空腔的电容。通过在DVC中使用MEMS装置，能够如本文中讨论的那样对天线进行调谐。
图7是根据一个实施例的双频带天线的示意图。该天线具有直接馈自于RF源的低频带部分，而高频带馈自于电磁耦合。能够通过将可变阻抗702连接至电磁耦合寄生元件704来调谐该天线的高频带谐振频率。
在一个实施例中，可变阻抗部件702包含DVC。通过使电容器在值Cmin到Cmax范围内变化，天线高频带谐振频率在fmin到fmax范围内变化。天线导体图案200、电磁耦合寄生元件704、及寄生元件704与天线图案200的间隔的合适设计会使得高频带在不影响低频带的情况下能够覆盖fmin到fmax总带宽内的所要求的感兴趣的电信频带。
图8是根据另一个实施例的、耦合至印刷电路板的天线结构示意图。如图8所示，寄生谐振器704(即寄生元件)的接地脚802耦合至接地平面404。寄生谐振器704还通过DVC804耦合至接地平面404。
天线导体图案200被设计为以特定的感兴趣的频带进行辐射，并可以具有单个谐振或多个谐振。寄生元件704被设计为在与天线导体图案200工作的频带不同的另一个频带下工作。寄生元件704以较小的距离间隙402耦合至天线导体图案200，并且寄生元件704产生在天线导体图案200的馈电点202处出现的谐振，其有效地对整个天线结构增加了另一谐振。寄生元件704电容性地负载有DVC804。通过改变DVC负载，能够改变寄生元件704的谐振频率。增大电容会降低谐振频率。整个系统形成具有独立谐振器的多谐振结构。连接到DVC804的寄生元件704是频率可调谐装置，其提供在不影响其它谐振频率的情况下改变天线谐振的一部分的工作频率的方法。
图9是根据另一个实施例的、耦合至印刷电路板的天线结构的示意图。如图9所示，电容器板902被印刷在印刷电路板404上，使得存在寄生谐振器。在电容器板902和印刷电路板404之间存在DVC连接点906。
天线导体图案200被设计为以特定的感兴趣的频带进行辐射，并且具有单个谐振或多个谐振。寄生辐射器(即电容器板902)被设计为在与天线导体图案200(即主辐射器)工作的频带不同的另一个频带下工作。寄生辐射器902以较小的距离间隙904耦合至主辐射器200，并产生在主辐射器200的馈电点处出现的其自身的谐振，从而有效地对整个天线结构增加另一个谐振。寄生辐射器902电容性地负载有DVC906。通过改变DVC906的负载能够改变寄生辐射器902的谐振频率。增大电容会降低谐振频率。整个系统形成具有独立谐振器的多谐振结构。连接到DVC906的谐振器902是频率可调谐的，以便提供在不影响其它谐振频率的情况下改变天线谐振的一部分的工作频率的方法。
本文中的实施例的优点在于能够设计窄频带天线，能够对该窄频带天线进行调谐，使得其能够工作的总频谱和现代便携式射频设备所要求的一样宽。另一个优点在于本文中描述的耦合技术允许借助于诸如数字可变电容器之类的简单的可变阻抗装置来调谐天线的谐振频率。因此，需要单个部件来执行该调谐，这在由于微型化而使得空间限制是至关重要的应用中是非常有利的。本文中的实施例还具有的优点在于：能够调谐彼此独立的不同天线频带，这对被设计为优化在所有期望频带中的天线性能的天线提供较大的灵活性。如此，本文中示出和描述的设计在多频带天线结构中产生独立的、频率可调谐的谐振。
尽管上述内容针对的是本发明的实施例，但是在不脱离本发明的基本范围的情况下可以设想本发明的其它和另外的实施例，并且本发明的范围是由所附的权利要求确定的。

Claims (42)

1.一种天线结构，包括：
耦合至印刷电路板的天线导体；和
耦合至所述印刷电路板的寄生元件。
2.如权利要求1所述的天线结构，还包括：
耦合在所述寄生元件和所述印刷电路板之间的数字可变电容器。
3.如权利要求2所述的天线结构，其中，所述寄生元件与所述天线导体间隔开。
4.如权利要求3所述的天线结构，其中，所述数字可变电容器是MEMS数字可变电容器。
5.如权利要求4所述的天线结构，其中，所述MEMS数字可变电容器包括能够在第一位置和第二位置之间移动的开关元件。
6.如权利要求5所述的天线结构，其中，所述天线导体和所述寄生元件耦合至所述印刷电路板的接地平面。
7.如权利要求6所述的天线结构，其中，所述天线导体耦合至传输线。
8.如权利要求1所述的天线结构，还包括：
耦合在所述寄生元件和所述印刷电路板之间的MEMS数字可变电容器。
9.如权利要求1所述的天线结构，其中，所述寄生元件与所述天线导体间隔开。
10.如权利要求1所述的天线结构，其中，所述天线导体和所述寄生元件耦合至所述印刷电路板的接地平面。
11.如权利要求1所述的天线结构，其中，所述寄生元件是电容器板。
12.一种移动设备，包括：
天线结构，所述天线结构具有：
耦合至印刷电路板的天线导体；和
耦合至所述印刷电路板的寄生元件。
13.如权利要求12所述的移动设备，还包括：
耦合在所述寄生元件和所述印刷电路板之间的数字可变电容器。
14.如权利要求13所述的移动设备，其中，所述寄生元件与所述天线导体间隔开。
15.如权利要求14所述的移动设备，其中，所述数字可变电容器是MEMS数字可变电容器。
16.如权利要求15所述的移动设备，其中，所述MEMS数字可变电容器包括能够在第一位置和第二位置之间移动的开关元件。
17.如权利要求16所述的移动设备，其中，所述天线导体和所述寄生元件耦合至所述印刷电路板的接地平面。
18.如权利要求17所述的移动设备，其中，所述天线导体耦合至传输线。
19.如权利要求12所述的移动设备，还包括：
耦合在所述寄生元件和所述印刷电路板之间的MEMS数字可变电容器。
20.如权利要求12所述的移动设备，其中，所述寄生元件与所述天线导体间隔开。
21.如权利要求12所述的移动设备，其中，所述移动设备是移动电话。
22.如权利要求12所述的移动设备，其中，所述寄生元件是电容器板。
23.一种天线结构，包括：
耦合至印刷电路板的天线导体；和
耦合至所述印刷电路板的耦合电容器板。
24.如权利要求23所述的天线结构，还包括：
耦合在所述耦合电容器板和所述印刷电路板之间的数字可变电容器。
25.如权利要求24所述的天线结构，其中，所述耦合电容器板与所述天线导体间隔开。
26.如权利要求25所述的天线结构，其中，所述数字可变电容器是MEMS数字可变电容器。
27.如权利要求26所述的天线结构，其中，所述MEMS数字可变电容器包括能够在第一位置和第二位置之间移动的开关元件。
28.如权利要求27所述的天线结构，其中，所述天线导体耦合至所述印刷电路板的接地平面。
29.如权利要求28所述的天线结构，其中，所述天线导体耦合至传输线。
30.如权利要求23所述的天线结构，还包括：
耦合在所述耦合电容器板和所述印刷电路板之间的MEMS数字可变电容器。
31.如权利要求23所述的天线结构，其中，所述耦合电容器板与所述天线导体间隔开。
32.如权利要求23所述的天线结构，其中，所述天线导体和所述耦合电容器板耦合至所述印刷电路板的接地平面。
33.一种移动设备，包括：
天线结构，所述天线结构具有：
耦合至印刷电路板的天线导体；和
耦合至所述印刷电路板的耦合电容器板。
34.如权利要求33所述的移动设备，还包括：
耦合在所述耦合电容器板和所述印刷电路板之间的数字可变电容器。
35.如权利要求34所述的移动设备，其中，所述耦合电容器板与所述天线导体间隔开。
36.如权利要求35所述的移动设备，其中，所述数字可变电容器是MEMS数字可变电容器。
37.如权利要求36所述的移动设备，其中，所述MEMS数字可变电容器包括能够在第一位置和第二位置之间移动的开关元件。
38.如权利要求37所述的移动设备，其中，所述天线导体耦合至所述印刷电路板的接地平面。
39.如权利要求38所述的移动设备，其中，所述天线导体耦合至传输线。
40.如权利要求33所述的移动设备，还包括：
耦合在所述耦合电容器板和所述印刷电路板之间的MEMS数字可变电容器。
41.如权利要求33所述的移动设备，其中，所述耦合电容器板与所述天线导体间隔开。
42.如权利要求33所述的移动设备，其中，所述移动设备是移动电话。
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