CN106329133A - 可调天线模块和移动装置 - Google Patents

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CN106329133A CN201610090898.5A CN201610090898A CN106329133A CN 106329133 A CN106329133 A CN 106329133A CN 201610090898 A CN201610090898 A CN 201610090898A CN 106329133 A CN106329133 A CN 106329133A
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Abstract

本发明提供一种可调天线模块，用于移动装置，包括：天线，包括馈入点以馈入射频信号，以及辐射器，耦接至该馈入点以谐振该射频信号；分频电路，耦接至该辐射器，以形成该射频信号的一个或多个分量频率的一个或多个信号路径；以及一个或多个第一阻抗调节电路，耦接至该分频电路，以调节该天线在该射频信号的一个或多个分量频率的阻抗；其中，该辐射器、开口槽和地端在该移动装置的金属外壳中形成。通过利用本发明，可节省生产成本和库存管理工作。

Description

可调天线模块和移动装置
技术领域
本发明有关于无线通信，且尤其有关于可调天线模块和移动装置。
背景技术
针对先进高速无线通信系统(如以更高峰值数据率发送数据)，先进长期演进(Long-Term Evolution Advanced,LTE-A)系统作为长期演进(Long-Term Evolution,LTE)系统的增强，由第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project,3GPP)标准化。LTE-A系统的目标在于功率状态(power state)的更快切换、小区边缘性能的改进，包括带宽扩展、协作多点传送/接收(Coordinated MultipointTransmission/Reception,COMP)、上行链路多输入多输出(Multiple Input MultipleOutput,MIMO)等主题。
对于带宽扩展来说，载波聚合(Carrier Aggregation,CA)被引入LTE-A系统，其中两个或更多分量载波(component carrier)聚合在一起，以支持更宽的传输带宽和频谱整合(spectrum aggregation)。通过采用CA，多个分量载波聚合为整体更宽的带宽，其中用户设备(User Equipment,UE)或移动装置可建立对应于多个分量载波的多个链路(link)，以同时接收和传送无线电信号。在实践中，移动装置可同时操作在两个或更多频带，以达到载波聚合。
请参照图1，其中图1是根据先前技术的LTE-A系统中采用的操作频带的频谱示意图。如图1所示，低频带LB1-LB3的范围为700MHz到900MHz，中频带MB的范围为1800MHz到2200MHz，高频带HB的范围为2300MHz到2600MHz。若移动装置操作在非CA(non-CA)模式，则其需要单频带；若操作在CA模式，如用于不同地区和国家的CA1、CA2和CA3，则其需要两个或更多频带。举例来说，操作在模式CA1需要频带LB1和MB，操作在模式CA2需要频带LB2和MB，操作在模式CA2需要频带LB3和MB。
此外，有为了工业设计和鲁棒性(robustness)将移动装置配备金属外壳或金属框架的趋势，而当天线集成到移动装置中时，金属外壳或框架会造成降低的天线增益，变窄的带宽或不稳定的天线性能。如此一来，设计者不但面临天线性能的挑战，还面临天线和金属外壳之间集成的困难。
为了解决这个问题，一种传统的方案是独立设计具有各自库存单元(StockKeeping Unit,SKU)的天线，以支持模式CA1、CA2和CA3，而这会增加生产成本和库存管理工作。另一种传统的方案是在移动装置中采用包括天线和切换电路的可调(tunable)天线模块，其中切换电路用于切换天线的操作频率，以操作在模式CA1-CA3和非CA模式。然而，切换电路可造成第二以及/或者第三谐波突波(harmonic spur)，干扰天线的接收信号，其中发送信号的第二以及/或者第三谐波突波由切换电路反射(reflect)，使得反射信号被天线接收。
举例来说，若模式CA1建立具有一载波频率(如704MHz-716MHz)的一上行链路和中频带MB(如1800MHz到2200MHz)中的两个下行链路，发送信号(如1408MHz-2112MHz)的第二以及/或者第三谐波突波可干扰中频带MB中的接收信号，从而降低接收信号的信噪比(signal-to-noise ratio)。
因此，如何改进带宽和减小谐波干扰，以支持与金属外壳集成的天线的载波聚合，成为了业内的目标。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种可调天线模块，用于移动装置，包括：天线，包括馈入点以馈入射频信号，以及辐射器，耦接至该馈入点以谐振该射频信号；分频电路，耦接至该辐射器，以形成该射频信号的一个或多个分量频率的一个或多个信号路径；以及一个或多个第一阻抗调节电路，耦接至该分频电路，以调节该天线在该射频信号的一个或多个分量频率的阻抗；其中，该辐射器、开口槽和地端在该移动装置的金属外壳中形成。
本发明另提供一种一种移动装置，包括：信号处理模块，以产生射频信号；以及可调天线模块，耦接至该信号处理模块，包括：天线，其中该天线包括馈入点以馈入射频信号，以及辐射器，耦接至该馈入点以谐振该射频信号；分频电路，耦接至该辐射器，以形成该射频信号的一个或多个分量频率的一个或多个信号路径；以及一个或多个第一阻抗调节电路，耦接至该分频电路，以调节该天线在该射频信号的一个或多个分量频率的阻抗；其中，该辐射器、开口槽和地端在该移动装置的金属外壳中形成。
通过利用本发明，可节省生产成本和库存管理工作。
如下详述本发明的最佳实施例。阅读完以下描述和附图后，本领域技术人员可轻易理解本发明的精神。
附图说明
图1是根据先前技术的LTE-A系统中采用的操作频带的频谱示意图。
图2是根据本发明一实施例的移动装置的示意图。
图3是根据本发明一实施例的可调天线模块的示意图。
图4A到4E和图5A到5D是基于图3中阻抗调节电路的不同切换状态的可调天线模块的效率的曲线图。
图6A到图6E是根据本发明不同实施例的分频电路和阻抗调节电路中的一个或多个的电路架构示意图。
图7是根据本发明另一实施例的移动装置的示意图。
具体实施方式
在本专利说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属领域中具有通常知识者应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本专利说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及请求项当中所提及的“包含”或“包括”为开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”；“组件”、“系统”和“设备”意指与计算机有关的实体，可为硬件、软件或硬件以及软件的组合。另外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或透过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。
请参照图2，其中图2是根据本发明一实施例的移动装置2的示意图。移动装置2包括可调天线模块20和信号处理模块22。信号处理模块22可用于产生送到可调天线模块20并被可调天线模块20辐射的射频信号RF_sig，处理可调天线模块20接收的无线信号，以进行无线通信。可调天线模块20包括天线200、分频电路(frequency-division circuit)201以及阻抗调节电路(impedance-tuningcircuit)MTH1-MTHN(如可称为第一阻抗调节电路)。
天线200可通过对射频信号RF_sig谐振(resonating)进行信号传送，并用于引入空中无线信号的信号接收。天线200包括馈入点(feed point)202和辐射器(radiator)203。在一实施例中，天线200可包括多个馈入点。馈入点202可用来将射频信号RF_sig馈入到辐射器203。辐射器203可耦接至馈入点202和地端(ground)，以对射频信号RF_sig谐振，并引入接收信号以回馈到信号处理模块22。分频电路201可耦接至辐射器203和阻抗调节电路MTH1-MTHN，以在辐射器203和阻抗调节电路MTH1-MTHN之间，分别形成射频信号RF_sig的分量频率F1-FN的信号路径。阻抗调节电路MTH1-MTHN可耦接在分频电路201和信号处理模块22之间，以根据信号处理模块22产生的控制信号CTR1-CTRN，分别调整天线200在分量频率F1-FN中的一个或多个分量频率的阻抗。
分量频率F1-FN中的一个或多个分量频率可通过分频电路201，而噪声信号(如发送信号的第二以及/或者第三谐波突波)可被分频电路201衰减(attenuated)或阻止(blocked)，使得天线200在分量频率F1-FN中的一个或多个分量频率的阻抗可由阻抗调节电路MTH1-MTHN中的一个或多个选择性调整。通过调整天线200在分量频率F1-FN中的一个或多个分量频率的阻抗，天线200的带宽可有效提高，以支持载波聚合。
移动装置2可操作在模式CA1、CA2或CA3，或非CA模式。以模式CA1为例，天线200的阻抗可通过阻抗调节电路MTH1-MTHN中的一个或多个进行调整，以匹配频带LB1和MB，并与不需要频带(如频带LB2和LB3)失配(mismatch)。
此外，频带LB1中的发送信号的第二以及/或者第三谐波突波和其他干扰信号，如控制信号CTR1-CTRN、信号处理模块22产生的基带信号或来自移动装置2的噪声信号，可被分频电路201衰减或阻止。如此一来，天线200的接收信号可不被谐波突波和噪声信号干扰，从而达到更好的信噪比。
简言之，本发明的可调天线模块采用分频电路，以在辐射器和阻抗调节电路之间形成射频信号的分量频率F1-FN中的一个或多个分量频率的信号路径，使得与一个或多个分量频率有关的阻抗可被阻抗调节电路选择性调整。因此，移动装置的操作频带可被切换为支持模式CA1-CA3和非CA模式，以节省生产成本和库存管理工作，且天线的接收信号可不被谐波突波和噪声信号干扰，从而达到更高的信噪比。
图3是根据本发明一实施例的可调天线模块20的示意图。在图3中，与图2中相同的元件均采用相同的编号，分量频率F1-FN中的一个被标示为FX，阻抗调节电路MTH1-MTHN中的一个被标示为MTHX，且控制信号CTR1-CTRN中的一个被标示为CTRX。
可调天线模块20进一步包括阻抗调节电路MTHZ(如可称为第二阻抗调节电路)，耦接在辐射器203和馈入点202之间，以调节(tune)与分量频率FX有关的天线200的阻抗，以匹配信号处理模块22的输出阻抗。阻抗调节电路MTHX包括切换电路SW和包括电容器C1-C4的可调电路。切换电路SW可耦接在分频电路201和可调电路之间，以将电容器C1-C4中的一个连接至分频电路201，或者根据控制信号CTRX，从分频电路201分离至电容器C1-C4，使得与分量频率FX有关的天线200的阻抗可被调整，以匹配需要频带，失配不需要频带。在一实施例中，阻抗调节电路MTHZ可为被动可调集成电路(Passive TunableIntegrated Circuit,PTIC)或调节器。
在这种架构中，射频信号RF_sig的信号路径从信号处理模块22开始，经过馈入点202到达辐射器203，可很好地匹配(well-matched)，以在分量频率FX达到更好的天线性能。
此外，可调天线模块20可与移动装置2的金属外壳MCV集成，以迎合配备金属外壳或金属框架用于装饰和鲁棒性的趋势。辐射器203和开口槽(openslot)SLT可在金属外壳MCV中形成。金属外壳MCV的一部分可用作辐射器203，且另一部分可用作地端，且辐射器203和地端可由开口槽SLT分隔。
辐射器203可沿着方向X扩展，且辐射器203包括接地点(ground point)，以将辐射器203连接至金属外壳上形成的地端。在一实施例中，根据实际需求，辐射器203可包括多个接地点。开口槽SLT沿着方向X具有长度L1，沿着方向Y具有宽度W，其中方向X与方向Y垂直。从接地点沿着方向X到开口槽SLT的闭口端的长度L2可对应于低频带LB1-LB3中的操作频率。从馈入点202沿着方向X的反方向到开口槽SLT的开口端的长度L3可对应于中频带MB中的操作频率。从馈入点202沿着方向X到分频电路201连接辐射器203的地方的长度为L4。在一实施例中，长度L1可为57毫米(millimeter)，宽度W可为1.5毫米，长度L3可为25毫米，长度L4可为2毫米到5毫米。
图4A到4E和图5A到5D是基于图3中阻抗调节电路MTHZ和MTHX的不同切换状态的可调天线模块20的效率(efficiency)的曲线图。
在图4A到图4E中，阻抗调节电路MTHZ的PTIC分别固定为不同值V1、V2、V3、V4或V5，而阻抗调节电路MTHX被切换为不同的状态。若阻抗调节电路MTHX的电容器C1、C2、C3或C4通过切换电路SW连接，可调天线模块20的效率曲线分别用细实线、粗实线、虚线(dashed line)和点划线(dotted line)表示。如图4A到图4E所示，改变阻抗调节电路MTHX的状态可调整低频带LB1-LB3中的天线200的阻抗，因为可调天线模块20在低频带LB1-LB3中的最大效率对应于不同的状态而变化。
在图5A到5D中，阻抗调节电路MTHX被固定为连接电容器C1、C2、C3或C4中的一个，而阻抗调节电路MTHZ的PTIC被切换为不同的状态。若阻抗调节电路MTHZ的PTIC被调节为不同的固定值V1、V2、V3、V4或V5，可调天线模块20的效率曲线分别用点划线、粗实线、虚线、密虚线和细实线表示。如图5A到5D所示，改变阻抗调节电路MTHZ的PTIC的状态可调整低频带LB1-LB3、中频带MB和高频带HB中的天线200的阻抗，因为可调天线模块20在低频带LB1-LB3、中频带MB和高频带HB中的最大效率对应于不同的状态而变化。
因此，通过改变阻抗调节电路MTHZ的PTIC的状态和阻抗调节电路MTHX的电容器C1、C2、C3和C4的状态，可有效调整可调天线模块20的操作频带，以支持载波聚合。
本领域技术人员可根据本发明的不同实施例进行更动与润饰，本发明并不限于此。举例来说，有关开口槽SLT和天线200(即长度L1-L4和宽度W)的尺寸可根据实际需求进行调整。阻抗调节电路MTHX的可调电路可为变容二级管(varactor)、PTIC、电容器阵列、可调电感器、调节器(tuner)的至少一个。阻抗调节电路MTHX的切换电路SW可为二极管、晶体管、单刀单掷开关、单刀多掷开关或多刀多掷开关。分频电路201可为同向双工器(diplexer)、双工器、三工器(triplexer)、四工器(quadplexer)、低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、可调同向双工器、可调双工器、可调三工器、可调四工器、可调低通滤波器、可调高通滤波器或可调带通滤波器。
请参照图6A到图6E，其中图6A到图6E是根据本发明不同实施例的分频电路201和阻抗调节电路MTH1-MTHN中的一个或多个的电路架构示意图。在图6A到图6E中，分频电路201可为同向双工器，具有两个端口LB_PT和HB_PT，分别连接至两个阻抗调节电路。其中端口LB_PT可形成低频带LB1-LB3中的分量频率的信号路径，端口HB_PT可形成中频带MB或高频带HB中的分量频率的另一信号路径。
在图6A中，端口LB_PT可为浮置(floating)，而端口HB_PT可连接至包括开关、变容二极管和电感器阵列的阻抗调节电路。在一实施例中，端口LB_PT可连接至阻抗调节电路，而端口HB_PT可为浮置。在图6B中，端口LB_PT可连接至包括开关、变容二极管/PTIC和电感器阵列的阻抗调节电路，而端口HB_PT可连接至变容二极管/PTIC。在图6C中，端口LB_PT可连接至包括开关和电感器阵列的阻抗调节电路，而端口HB_PT可连接至调节器。在图6D中，端口LB_PT可连接至变容二极管/PTIC，而端口HB_PT可连接至包括开关和电感器阵列的阻抗调节电路。在图6E中，端口LB_PT可连接至调节器，而端口HB_PT可连接至变容二极管/PTIC。因此，本发明提供多种实施例，来扩大调整天线200的阻抗的灵活性。
请参照图7，其中图7是根据本发明另一实施例的移动装置7的示意图。移动装置7包括可调天线模块20、信号处理模块72和耦合装置(coupling device)74。耦合装置74可耦接至射频信号RF_sig的信号路径(如信号处理模块72和馈入点202之间的信号路径)，以耦合射频信号RF_sig，从而产生送到信号处理模块72的反向信号(reverse signal)RV_sig。
在实际中，信号处理模块72可根据反向信号RV_sig和前向射频信号RF_sig执行软件算法，以产生控制信号CTR1-CTRN给阻抗调节电路MTH1-MTHN。因此，信号处理模块可实时调整阻抗调节电路MTH1-MTHN中的一个或多个的状态，从而保证更好的实时天线性能。
总结来说，本发明的可调天线模块采用分频电路，在辐射器和阻抗调节电路之间形成射频信号的一个或多个分量频率的信号路径，使得与一个或多个分量频率有关的阻抗可被阻抗调节电路选择性调整。因此，移动装置的操作频带可切换为支持模式CA1-CA3和非CA模式，以节省生产成本和库存管理工作，且天线的接收信号可不被谐波突波和噪声信号干扰，从而达到更高的信噪比。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims (20)

1.一种可调天线模块，用于移动装置，包括：
天线，包括馈入点以馈入射频信号，以及辐射器，耦接至该馈入点以谐振该射频信号；
分频电路，耦接至该辐射器，以形成该射频信号的一个或多个分量频率的一个或多个信号路径；以及
一个或多个第一阻抗调节电路，耦接至该分频电路，以调节该天线在该射频信号的一个或多个分量频率的阻抗；
其中，该辐射器、开口槽和地端在该移动装置的金属外壳中形成。
2.如权利要求1所述的可调天线模块，其特征在于，该第一阻抗调节电路包括：
可调电路，耦接至该地端，以调节该天线在该射频信号的该一个或多个分量频率的阻抗；以及
切换电路，耦接在该分频电路和该可调电路之间，以将该可调电路连接至该分频电路，或根据该移动装置的信号处理模块产生的控制信号从该分频电路分离至该可调电路。
3.如权利要求2所述的可调天线模块，其特征在于，该可调电路是变容二级管、被动可调集成电路、电容器阵列、可调电感器中、调节器的至少一个。
4.如权利要求3所述的可调天线模块，其特征在于，该切换电路是二极管、晶体管、单刀单掷开关、单刀多掷开关或多刀多掷开关。
5.如权利要求1所述的可调天线模块，其特征在于，该第一阻抗调节电路是调节器或被动可调集成电路。
6.如权利要求1所述的可调天线模块，其特征在于，该分频电路是同向双工器、双工器、三工器、四工器、低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、可调同向双工器、可调双工器、可调三工器、可调四工器、可调低通滤波器、可调高通滤波器或可调带通滤波器。
7.如权利要求1所述的可调天线模块，其特征在于，进一步包括第二阻抗调节电路，耦接在该馈入点和该辐射器之间，以调节该天线在该射频信号的该一个或多个分量频率的该阻抗，从而匹配该移动装置的信号处理模块的阻抗，其中该第二阻抗调节电路是调节器或被动可调集成电路。
8.如权利要求1所述的可调天线模块，其特征在于，该辐射器沿着第一方向延伸，该辐射器包括一个或多个接地点，以将该辐射器连接至该金属外壳中形成的该地端，该开口槽具有沿着该第一方向的第一长度和沿着第二方向的宽度，其中该第一方向与该第二方向垂直。
9.如权利要求8所述的可调天线模块，其特征在于，从该接地点沿着该第一方向到该开口槽的闭口端的第二长度对应于该天线的第一操作频率，从该馈入点沿着该第一方向的相反方向到该开口槽的开口端的第三长度对应于该天线的第二操作频率，其中该第一操作频率低于该第二操作频率。
10.一种移动装置，包括：
信号处理模块，以产生射频信号；以及
可调天线模块，耦接至该信号处理模块，包括：天线，其中该天线包括馈入点以馈入射频信号，以及辐射器，耦接至该馈入点以谐振该射频信号；分频电路，耦接至该辐射器，以形成该射频信号的一个或多个分量频率的一个或多个信号路径；以及一个或多个第一阻抗调节电路，耦接至该分频电路，以调节该天线在该射频信号的一个或多个分量频率的阻抗；
其中，该辐射器、开口槽和地端在该移动装置的金属外壳中形成。
11.如权利要求10所述的移动装置，其特征在于，该第一阻抗调节电路包括：
可调电路，耦接至该地端，以调节该天线在该射频信号的该一个或多个分量频率的阻抗；以及
切换电路，耦接在该分频电路和该可调电路之间，以将该可调电路连接至该分频电路，或根据该移动装置的信号处理模块产生的控制信号从该分频电路分离该可调电路。
12.如权利要求11所述的移动装置，其特征在于，该可调电路是变容二级管、被动可调集成电路、电容器阵列、可调电感器、调节器中的至少一个。
13.如权利要求12所述的移动装置，其特征在于，该切换电路是二极管、晶体管、单刀单掷开关、单刀多掷开关或多刀多掷开关。
14.如权利要求10所述的移动装置，其特征在于，该第一阻抗调节电路是调节器或被动可调集成电路。
15.如权利要求10所述的移动装置，其特征在于，该分频电路是同向双工器、双工器、三工器、四工器、低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、可调同向双工器、可调双工器、可调三工器、可调四工器、可调低通滤波器、可调高通滤波器或可调带通滤波器。
16.如权利要求10所述的移动装置，其特征在于，进一步包括第二阻抗调节电路，耦接在该馈入点和该辐射器之间，以调节该天线在该射频信号的该一个或多个分量频率的该阻抗，从而匹配该信号处理模块的阻抗，其中该第二阻抗调节电路是调节器或被动可调集成电路。
17.如权利要求10所述的移动装置，其特征在于，该辐射器沿着第一方向延伸，该辐射器包括一个或多个接地点，以将该辐射器连接至该金属外壳中形成的该地端，该开口槽具有沿着该第一方向的第一长度和沿着第二方向的宽度，其中该第一方向与该第二方向垂直。
18.如权利要求17所述的移动装置，其特征在于，从该接地点沿着该第一方向到该开口槽的闭口端的第二长度对应于该天线的第一操作频率，从该馈入点沿着该第一方向的相反方向到该开口槽的开口端的第三长度对应于该天线的第二操作频率，其中该第一操作频率低于该第二操作频率。
19.如权利要求10所述的移动装置，其特征在于，进一步包括：
耦合装置，耦接在该信号处理模块和该馈入点之间，以耦合该射频信号，从而产生反向信号给该信号处理模块。
20.如权利要求19所述的移动装置，其特征在于，该信号处理模块根据该反向信号和该射频信号执行软件算法，以产生至少一控制信号给该第一阻抗调节电路。
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