CN106463818A - 可调谐天线系统、装置及方法 - Google Patents

Abstract

本主题涉及可调谐天线系统和方法，其中在信号节点和电小天线之间通信地设置有可调谐带阻电路，该电小天线具有大致等于或小于与通信工作频带内的频率对应的波长的长度的十分之一的最大尺寸。可调谐带阻电路可以是可调谐的，以调整带阻频率，并且与所述可调谐带阻电路和信号节点通信的电感器的电感可选择为实现可调谐带阻电路和电小天线在低于带阻频率的所述通信工作频带内的期望的低频带处的系统谐振。

Description

可调谐天线系统、装置及方法

优先权声明

本申请要求于2014年3月21日提交的美国专利申请第61/968,930号的优先权，其公开的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本文所公开的主题总体涉及射频天线。更具体地，本文公开的主题涉及可调谐天线的设计、结构、以及操作。

背景技术

在移动通信市场上，众多全球用户和对广泛的移动服务(例如，包括无线语音电话、移动互联网接入、固定无线互联网接入、视频通话、以及移动电视技术)日益增长的需求已经驱动着具有新的频带和更高数据速率的新一代的蜂窝标准的发展。为了适应各种网络的用户，一种解决方案可以是特别地设计待以特定网络配置来使用的移动装置。然而，由于为适应多个不同的移动电信标准将需要同一产品的多种变化，因此这种方法可能导致制造效率低下。

其结果是，可以期望移动装置与一套以上的移动电信标准相兼容以提供制造效率(例如，用于全球生产的1SKU)和装置的多功能性。具体地，对于移动装置，期望的是能够在与2G(例如，GSM/CDMA)、3G(例如，EVDO/WCDMA)、以及4G(例如，LTE)技术都相关联的频带中工作。此外，移动技术中的进一步的进步(例如，LTE、LTE-A和5G)将需要额外扩展到移动装置所将被期望能够工作的频率范围。此外，可以期望多天线结构(例如，MIMO、载波聚合)提供附加的功能优点。

然而，在这样的宽频率范围内操作的能力可以被无线天线的物理尺寸所限制。尤其是在移动装置中使用多天线的那些系统中，所需的物理空间的量可以是相当大的。此外，由现代移动装置的尺寸的不断缩小所强加的设计限制(例如，纤薄的、时尚的、弯曲的、窄边框)可以表现出与为适应多频天线系统所需要的体积的自然的冲突。其结果是，具备用于先进的移动技术的天线系统将是有利的，其可以更好地以小的天线体积实现宽的带宽。

发明内容

根据本发明，提供了可调谐天线系统、装置和方法。在一个方案中，提供了一种可调谐天线系统，其中在信号节点和电小天线之间通信地设置有可调谐带阻电路，该电小天线具有大体上等于或小于与通信工作频带内的频率对应的波长的长度的十分之一的最大尺寸。可调谐带阻电路可以是可调谐的以调整带阻频率，并且与可调谐带阻电路及信号节点进行通信的电感器的电感可选择为实现可调谐带阻电路与电小天线在低于带阻频率的通信工作频带之内的期望的低频带的系统谐振。

在另一个方案中，提供了用于调谐电小天线的方法。该方法可以包括对连接到电小天线的可调谐带阻滤波器进行调谐以调整可调谐带阻电路与电小天线在低于带阻频率的期望的低频带之内的系统谐振，而不改变可调谐带阻滤波器和电小天线在高于带阻频率的期望的高频带之内的系统谐振。

在又一个方案中，用于调谐电小天线的方法可以包括：在电小天线和信号节点之间连接可调谐带阻电路，该电小天线具有大体上等于或小于与通信工作频带内的频率对应的波长的长度的十分之一的最大尺寸；在可调谐带阻电路和信号节点之间通信地连接电感器，该电感器的电感被选择为在低于带阻频率的通信工作频带内的期望的低频带实现系统共振；以及调谐可调谐带阻电路以将带阻频率调整到通信工作频带内的期望的低频带和期望的高频带之间。

虽然在上文已经对在此公开的主题的一些方案进行了描述，并且它们是全部地或部分地通过本发明公开的主题来实现的，但是当联系附图如下文进行最佳描述时其他方案将变得显而易见。

附图说明

通过下列应该结合附图阅读的详细描述，本主题的特征和优点将更加容易理解，这些详细描述仅以说明性而非限制性例子的方式给出，并且其中：

图1a是移动通信装置的前透视图，其背面被移除以显示一些它的内部组件，其包括根据本公开的主题的实施例的可调谐天线系统；

图1b是图1a中所示的移动通信装置的一部分的前透视图，其包含一些它的内部组件，包括根据本公开的主题的实施例的可调谐天线系统；

图2是示出根据本公开的主题的实施例的可调谐天线系统的示意图；

图3至图5是示出根据本公开的主题的实施例的可调谐天线系统的示例性配置的电路图；

图6a是示出根据本发明公开的主题的实施例的作为频率的函数的电路输入阻抗的实部的曲线图；

图6b是示出根据本发明公开的主题的实施例的作为频率的函数的电路输入阻抗的虚部的曲线图；

图7是示出根据本公开的主题的实施例的在调谐设置的范围内作为频率的函数的可调谐带阻电路的反射功率的曲线图；以及

图8是示出根据本公开的主题的实施例的在调谐设置的范围内作为频率的函数的可调谐天线系统的仿真天线效率的曲线图。

具体实施例

本主题提供可调谐天线系统、装置以及方法。特别地，该可调谐天线系统、装置、以及方法能够在高频带谐振中保持良好的性能的同时，调谐低频带。在一些实施例中，例如，可以设定可调谐天线系统的尺寸以在或约在所期望的高频带频率(例如，约1.9GHz)谐振。此外，该系统可进一步构造成可调谐的以在或约在所期望的低频带频率(例如，在约700MHz至960MHz之间，包括UMTS频带B5、B8、B12、B13和B17的范围)谐振。

在一个方案中，本主题提供了一种可调谐的天线系统，其包括电小天线以及与天线串联的可调谐带阻电路。具体地，如图1a和图1b中所示，该可调谐天线系统(总体标为100)可以连同任意各种附加组件一起包含在天线托架200上。在图1b所示的实施例中，例如，天线托架200可以进一步容纳扬声器202、非接地印刷电路板204、以及外部连接端口206(例如，USB端口)。此外，如图1a中所示，天线托架200可以被集成到移动装置300中并且可以连接到该装置的主印刷电路板302。如从该示例性构造中可以看出的，可用于调谐天线系统100的空间量可以包括移动装置300的总体积的相对小的部分。

为了有利地利用该有限的组件空间，可调谐天线系统100可以包括电小天线110(例如，小型单极辐射器)，其可以具有大体上等于或小于与通信工作频带内的频率对应的波长的长度的十分之一的最大尺寸x。具体地，可以设定电小天线110的尺寸使得最大尺寸x是基本上等于或小于与期望的低频带内的工作频率对应的波长的长度的十分之一。在一个特定的实施例中，例如，电小天线110可以是具有约1英寸的图案长度和对于该装置体积来说尽可能宽的图案宽度以增大带宽的单级馈电单级子。

尽管该尺寸很小，电小天线110仍可以具有适当的尺寸以在期望的高频带产生强辐射谐振。在一些示例性实施例中，例如，电小天线110可以定尺寸以具有约2.2GHz和2.5GHz之间的实谐振的单极辐射器，并且电小天线110可以具有大于约200Ω的实电阻。

然而，相对于低频带的频率，根据上述讨论来确定其长度后，这种长度的天线通常不在低频带工作频率谐振。因此，如图2所示，谐振控制元件130可以被设置在电小天线110和信号节点S之间。谐振控制元件130可以包括配置成抵消电小天线110的电抗的一个或多个电抗电路元件。在一些实施例中，例如，如图3和图4的实施例中所示，其中电小天线110在非谐振频率呈现主要容抗，谐振控制元件130可以包括设置在连接在电小天线110和信号节点S之间的第二节点n2和地之间的分路电感器132。在一些实施例中，分路电感器132可以具有根据电小天线110的阻抗而选择的电感(例如，介于约2.7到6.8nH之间)以实现低频带谐振(例如，约1.2GHz)。在这种布置中，虽然这样的构造通常不能匹配良好，但可以配置分路电感器132以提供低频带谐振。

为了改善电小天线110的匹配，可调谐天线系统100还可以包括可调谐带阻电路(总体标为120)，其可以被配置成在低频带和高频带之间形成带阻区。具体地，例如，在如图3所示的实施例中，可调谐带阻电路120可以包括具有与带阻电感器122并联连接的可调谐电容器121的并联谐振电路，这种并联布置被串联设置在电小天线110和信号节点S之间。具体地，可调谐电容器121可以是微机电系统(MEMS)可变电容器、基于半导体开关的可变电容器(例如，绝缘体上的硅(SOI)、砷化镓PHEMT)、钛酸锶钡(BST)可变电容器、或变容二极管中的一个。无论可调谐电容器121是何种特定形式，其可以具有一个调谐范围(例如，约4PF的ΔC)，允许其被设定为被选择以覆盖带阻频率的期望范围(例如，以约1.5GHz的带阻谐振为中心)的一些值中的任何值(例如，从低至约1pF或更低或高至8pF或者更高)。

此外，在一些实施例中，带阻电感器122可以在值上是固定的，但是当结合可调谐电容器121时，可调谐带阻电路120可以表现出被设计以获得所期望的带阻效应的一些电感(例如，介于约2.7和6.8nH之间)。

此外，如图4所示，在一些实施例中，固定电容器123可以进一步与可调谐电容器121、以及与带阻电感器122并联设置。在这样的配置中，由固定电容器123所提供的电容(例如，约0和4pF之间)可以被设计成增加可调谐带阻电路120的最小电容，从而可以允许该可调谐电容器121仅需要在所期望的较低的调谐电容和期望的较高的调谐电容之间的范围内是可调谐的。

在图5所示的另一配置中，电小天线110可以包括环形感应天线(例如，差分的或单端的)。为了设置用于这样的天线配置的带阻调谐电路，可调谐带阻电路120可以包括与环并联连接的L-C串联电路。如图5所示，例如，可调谐带阻电路120可以包括与分路带阻电容器125串联的分路带阻电感器124，其可以被构造成在由可调谐带阻电路120形成的由“短”到地所创建的阻带以下的低频带频率与环形天线谐振并且调谐环形天线。相反地，在高频带频率，可调谐带阻电路120与电小天线110并联将显出高阻抗的电感。为了优化匹配，该实施例中的谐振控制元件130可以包括位于可调谐带阻电路120和信号节点S之间的串联电容134。在这种配置中，例如，可调谐天线系统100可表现出用于与蜂窝应用相结合的FM/UHF天线的优点。

不管可调谐天线系统100的总体配置或可调谐带阻电路120的具体配置，匹配的拓扑可以被设计为使用尽可能少到一个可调谐元件(例如，可调谐电容器121)来简单地并清楚地控制天线阻抗。(例如，参见图6a和图6b)本领域的技术人员将认识到更多的调谐器可以被添加到匹配网络中，这可能会致使可调谐性在低频带和高频带中被扩展，但这种附加的调谐器的寄生值可能影响阻抗。

然而，即使只用一个可调谐电容器作为可调谐带阻电路120的一部分，带阻区也可以被上下调整(例如，通过调谐可调谐电容器121)。带阻频率的这种移位可以强烈地影响可调谐带阻滤波器120和电小天线110在低于带阻频率的期望的低频带内的系统谐振，但可以很少或不会影响到高于带阻频率的期望的高频带内的系统谐振。在这方面，例如，带阻电感器122可被配置在低频带频率与电小天线110谐振，但可调谐电容器121可以被配置成调谐可调谐带阻电路120的有效电感，其由此允许可调谐带阻电路来调谐低频带的响应。相反地，在高频带频率，可调谐电容器121(和固定电容器122，如果存在的话)变得有效地“透明”，而电小天线110像不存在调谐电路一样工作。

例如，如图7中所示，在可调谐带阻滤波器120中使用一个可变电容器，可调谐天线系统100可以以并发高频带谐振覆盖低频带频率的宽范围(例如，在700MHz和900MHz之间)。在此配置中，本文所讨论的配置在技术上不是自谐振天线配置而是更准确地描述为电抗匹配天线。因此，本文所公开的布置可以是对能够影响天线阻抗和反馈结构的外围元件敏感的，但它们不应该表现出任何显著的寄生谐振。

以这种方式，电小天线110和可调谐带阻电路120的这种布置可以通过对带阻频率进行移位来提供低频带频率的高可调谐性，以帮助在所期望的低频带的频率范围内匹配天线阻抗。

此外，可调谐带阻电路120还可以帮助拓宽高频工作频带的带宽，并且可以帮助在低频带工作和高频带工作二者中提高天线效率。如图8所示，例如，可调谐天线系统100在低频带工作和高频带工作二者中可以表现出高效率，在低频带被移位的同时高频带效率相对稳定。可调谐带阻电路120还可以使辐射功率集中到带阻区的两侧中，这是因为带阻区不存储辐射功率，而是传播该能量到低谐振和高谐振二者中(即“气球效应”)。以这种方式，可调谐天线系统100可以提供用于先进的移动技术(例如，LTE、LTE-A、以及5G)的可调谐天线方案以用小的天线体积实现宽的带宽。

除了以上所讨论的元件的组合，可调谐天线系统100还可以包括一个或多个元件以提高系统的操作特性。具体而言，例如，为了允许可调谐天线系统100发生谐振的高频带的进一步修整，在一些实施例中，如图3和图4中的每个实施例中所示，谐振控制电容器133可以在连接在电小天线110和信号节点S之间的第一节点n1和地之间被设置为分路布置。在一些实施例中，谐振控制电容器133可以被设置固定电容(例如，约1.2pF)，该固定电容被选择为使得当与可调谐天线系统100的长度一起取值时，可调谐天线系统100可以实现在通信工作频带内的期望的高频带处的谐振。可选择地，谐振控制电容器133可以是可调谐的，从而通过调整谐振控制电容器133的电容设置，可以允许可调谐天线系统100调谐一些高频带频率中的任一频率。在谐振控制电容器133为了高频带谐振控制而被设置在可调谐天线系统100中的任何形式的实施例中，分路电感器132和谐振控制电容133的组合可以共同适用于控制可调谐天线系统100以具有低和高频带谐振的期望的组合(例如，低谐振约为1GHz，而高谐振约2GHz)。

此外，在一些实施例中，可以进一步设置高频带带宽控制电容器131与电小天线110进行通信。特别地，带宽控制电容器131可以串联设置在电小天线110和信号节点S之间(例如，在电小天线110和第一节点n1之间)。在一些实施例中，带宽控制电容器131的电容可以被选择(例如，约33pF)为实现期望的高频带的期望的带宽。此外，在一些实施例中，可以设置静电放电保护电容器111(例如，具有约33pF电容的固定元件)与电小天线110进行通信。(例如，参见图4)

总之，可以利用这个原理来取得引人注目的可调谐性能，其包括具有良好效率的低频带可调谐性以及具有高效率和较宽带宽的稳定的高频带谐振。这对于移交监控和低-高和高-高载波聚合应用特别有用。

本主题可以以其它形式实施而不脱离其精神和基本特征。因此，所描述的实施例在各方面均被考虑为说明性的而不是限制性的。虽然已经按照特定的优选实施例对本主题进行了描述，对于本技术领域的普通技术人员是显而易见的其他实施例也都落在本主题的范围之内。

Claims (19)

1.一种可调谐天线系统，包括：

电小天线，其具有大致等于或小于与通信工作频带内的频率对应的波长的长度的十分之一的最大尺寸；以及

可调谐带阻电路，其在所述电小天线和信号节点之间进行通信，所述可调谐带阻电路可被调谐以调整带阻频率。

2.根据权利要求1所述的可调谐天线系统，其中，所述可调谐带阻电路包括：

可调谐电容器，其被连接在所述电小天线和所述信号节点之间；以及

带阻电感器，其与所述可调谐电容器并联连接在所述电小天线和所述信号节点之间，所述带阻电感器的带阻电感被选择为实现期望的带阻频率。

3.根据权利要求2所述的可调谐天线系统，其中，所述可调谐电容器包括选自微机电系统(MEMS)可变电容器、基于半导体开关的可变电容器、钛酸锶钡(BST)可变电容器、或变容二极管中的可变电容器。

4.根据权利要求2所述的可调谐天线系统，其中，在调谐操作中，所述可调谐电容器可被调谐以将所述带阻电路的电容调整到约4pF的范围内。

5.根据权利要求2所述的可调谐天线系统，其中，所述可调谐带阻电路包括与所述可调谐电容器以及所述带阻电感器并联连接在所述电小天线和所述信号节点之间的电容器，固定电容器的电容被选择为实现所述可调谐带阻电路的期望的最小电容。

6.根据权利要求1所述的可调谐天线系统，包括与所述可调谐带阻电路和所述信号节点进行通信的电抗电路元件，所述电抗电路元件的电抗被选择为实现所述可调谐带阻电路与所述电小天线在低于所述带阻频率的所述通信工作频带之内的期望的低频带的系统谐振。

7.根据权利要求6所述的可调谐天线系统，其中，所述电抗电路元件包括连接为分路布置的电感器，所述电感器的第一端子被连接在所述可调谐带阻电路和所述信号节点之间，并且所述电感器的第二端子接地。

8.根据权利要求1所述的可调谐天线系统，包括连接在所述电小天线和所述可调谐带阻电路之间的静电放电保护电容器。

9.根据权利要求1所述的可调谐天线系统，包括连接在所述可调谐带阻电路和所述信号节点之间的带宽控制电容器，所述带宽控制电容器的串联电容被选择为实现在高于所述带阻频率的所述通信工作频带之内的期望的高频带的期望的带宽。

10.根据权利要求1所述的可调谐天线系统，包括谐振控制电容器，所述谐振控制电容器具有连接在所述可调谐带阻电路和所述信号节点之间的第一端子和接地的第二端子，所述谐振控制电容器的分路电容被选择为在高于所述带阻频率的所述通信工作频带之内的期望的高频带处实现谐振。

11.一种用于调谐电小天线的方法，所述方法包括对连接到所述电小天线的可调谐带阻滤波器进行调谐来调整所述可调谐带阻滤波器与所述电小天线在低于带阻频率的期望的低频带之内的系统谐振，而不改变所述可调谐带阻滤波器和所述电小天线在高于所述带阻频率的期望的高频带之内的系统谐振。

12.一种用于调谐电小天线的方法，所述方法包括：

将可调谐带阻电路连接在电小天线和信号节点之间，所述电小天线具有大致等于或小于与通信工作频带内的频率对应的波长的长度的十分之一的最大尺寸；

调谐所述可调谐带阻电路以将所述带阻频率调整到所述通信工作频带内的所述期望的低频带和期望的高频带之间。

13.根据权利要求12所述的方法，其中将可调谐带阻电路连接在电小天线和信号点之间包括在所述电小天线和所述信号节点之间并联连接可调谐电容器和带阻电感器，所述带阻电感器的带阻电感被选择为实现期望的带阻频率；并且

其中选择性地调谐所述可调谐带阻电路包括调谐所述可调谐电容器的电容。

14.根据权利要求13所述的方法，其中将可调谐带阻电路连接在电小天线和信号节点之间进一步包括将固定电容器与所述可调谐电容器以及所述带阻电感器并联连接在所述电小天线和所述信号节点之间，所述固定电容器的并联电容被选择为实现所述可调谐带阻电路的期望的最小电容。

15.根据权利要求12所述的方法，包括在所述可调谐带阻电路和所述信号节点之间通信连接电抗电路元件，所述电抗电路元件的电抗被选择为在低于所述带阻频率的所述通信工作频带之内的期望的低频带处实现系统谐振。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述电抗电路元件包括电感器。

17.根据权利要求12所述的方法，包括将静电放电保护电容器连接在所述电小天线和所述可调谐带阻电路之间。

18.根据权利要求12所述的方法，包括将带宽控制电容器连接在所述可调谐带阻电路和所述信号节点之间，所述带宽控制电容器的串联电容被选择为实现所述期望的高频带的期望的带宽。

19.根据权利要求12所述的方法，包括在所述可调谐带阻电路和所述信号节点之间通信连接谐振控制电容器，所述谐振控制电容器具有连接在所述可调谐带阻电路和信号节点之间的第一端子以及接地的第二端子，所述谐振控制电容器的分路电容被选择为在期望的高频带处实现谐振。