CN107230825B - 可切换辐射方向的天线与无线通信装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可切换辐射方向的天线与无线通信装置。其中该天线包含：馈入端、第一天线臂、第二天线臂、第三天线臂、第一阻抗调谐电路、第二阻抗调谐电路，其中，当该天线工作在第一模式时，该第一阻抗调谐电路将该第二天线臂连接至第一匹配元件，并且该第二阻抗调谐电路将该第三天线臂连接至第二匹配元件；当该天线工作在第二模式时，该第一阻抗调谐电路将该第二天线臂连接至第三匹配元件，并且该第二阻抗调谐电路将该第三天线臂连接至第四匹配元件。本发明提供的可切换辐射方向的天线与无线通信装置可平衡特定吸收比率与天线性能。

Description

可切换辐射方向的天线与无线通信装置
交叉引用
本发明要求如下优先权：编号为62/311,951，申请日为2016年3月23日的美国临时专利申请；以及编号为15/394,713，申请日为2016年12月29日的美国临时专利申请。上述美国临时专利申请在此一并作为参考。
技术领域
本发明涉及一种天线装置。特别地，本发明涉及一种可切换辐射方向的天线及其具有上述天线的无线通信装置。
背景技术
无线通信装置(例如，移动电话、平板电脑、手提电脑等)通过天线交换射频(Radio-Frequency，RF)信号，以在无线通信系统中存取信息。RF信号是具有高振荡频率的正弦波。现今，对于暴露在从无线通信装置中发出的RF能量情况下，世界组织已经定义了安全限值(例如，通过电磁标准)，其中，RF能量主要施加于人类头部或手臂部位。
关于RF能量暴露的电磁标准是以特定吸收比率(Specific Absorption Rate，SAR)为基础的。SAR是当人体暴露在RF电磁场中，人体吸收哪种能量的比例测量值。
由于无线通信装置变得越来越轻薄紧凑，并且无线通信需求持续增长，所以希望无线通信装置中的理想天线变小，天线增益变高，并且辐射带宽尽可能宽。然而，较大天线增益会导致较差的SAR值。另外，在近场(near field)中，高频的RF能量容易被吸收，这会导致更差的SAR值。
另一方面，由于人体以及用户场景的影响(例如，手持移动电话的方法/位置或者天线太靠近人体)，移动电话的天线性能会下降，并且通信质量也会下降，从而引起较低数据吞吐量或较高掉话率(call-drop rate)。
因此，如何解决SAR与天线性能之间的平衡问题成为无线通信领域的共同目标。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种可切换辐射方向的天线与无线通信装置，以解决SAR与天线性能之间的平衡问题。
根据本发明实施例，提供一种可切换辐射方向的天线，位于通信装置中，该天线包含：馈入端，用于馈入发射信号以及接收接收信号；第一天线臂，电连接该馈入端；第二天线臂，电连接该第一天线臂；第三天线臂，电连接该第一天线臂，其中，该馈入端分别与该第二天线臂、该第三天线臂形成环路；第一阻抗调谐电路，耦接该第二天线臂，用于根据控制信号将该第二天线臂连接至第一匹配元件或第三匹配元件；以及第二阻抗调谐电路，耦接该第三天线臂，用于根据该控制信号将该第三天线臂连接至第二匹配元件或第四匹配元件；其中，当该天线工作在第一模式时，该第一阻抗调谐电路将该第二天线臂连接至该第一匹配元件，并且该第二阻抗调谐电路将该第三天线臂连接至该第二匹配元件；当该天线工作在第二模式时，该第一阻抗调谐电路将该第二天线臂连接至该第三匹配元件，并且该第二阻抗调谐电路将该第三天线臂连接至该第四匹配元件。
根据本发明另一实施例，提供一种无线通信装置，包含：第一天线，用于接收第一接收信号；第二天线，用于接收第二接收信号；第一开关电路，耦接该第一天线与该第二天线，用于根据第一控制信号将发射信号馈入该第一天线或该第二天线；以及控制模块，耦接该第一天线、该第二天线以及该第一开关电路，用于根据该第一接收信号与该第二接收信号，生成发送至该第一开关电路的该发射信号与该第一控制信号；其中，该控制模块根据该第一接收信号与该第二接收信号，生成发送至该第一天线的第二控制信号，以通过该第一天线的阻抗调谐选择该第一天线的辐射方向。
本发明提供的可切换辐射方向的天线与无线通信装置可平衡特定吸收比率与天线性能。
附图说明
图1是根据本发明实施例描述的无线通信装置的示意图；
图2与图3是根据本发明实施例描述的分别工作在第一与第二模式的天线ANT_M的示意图；
图4是根据本发明实施例描述的自由空间中分别工作在第一模式与第二模式中的天线ANT_M的散射参数S11示意图；
图5是根据本发明实施例描述的分别工作在第一模式与第二模式中的天线ANT_M的自由空间天线效率示意图；
图6描述了当用户仅使用左手、仅使用右手、使用左手与头部以及使用右手与头部持有通信装置时的各种用户场景示意图；
图7描述了在仅使用左手用户场景中分别工作在第一模式与第二模式中的天线ANT_M的天线效率示意图；
图8描述了在仅使用右手用户场景中分别工作在第一模式与第二模式中的天线ANT_M的天线效率示意图；
图9描述了在使用左手与头部场景与使用右手与头部场景中天线ANT_M的最优天线效率示意图。
具体实施方式
在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求项中所提及的“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表第一装置可直接电气连接于第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至第二装置。
接下来的描述是实现本发明的最佳实施例，其是为了描述本发明原理的目的，并非对本发明的限制。可以理解地是，本发明实施例可由软件、硬件、固件或其任意组合来实现。
图1是根据本发明实施例描述的无线通信装置10的示意图。无线通信装置10包含天线ANT_M与ANT_D、控制模块12、开关电路14以及底盖16。
控制模块12耦接天线ANT_M与ANT_D。根据从天线ANT_M与ANT_D分别接收的接收信号RX_M以及RX_D，控制模块12生成发送给开关电路14的发射信号TX以及控制信号CTRL1。根据接收信号RX_M以及RX_D，控制模块12进一步生成发给天线ANT_M的控制信号CTRL2，用于根据阻抗调谐(impedance tuning)选择天线ANT_M的辐射方向。开关电路14耦接天线ANT_M、天线ANT_D以及控制模块12。根据控制信号CTRL1，开关电路14切换馈入发射信号TX的天线ANT_M、天线ANT_D。天线ANT_M耦接控制模块12与开关电路14。如果将发射信号TX馈入天线ANT_M，则天线ANT_M从空中接收接收信号RX_M，并且发送发射信号TX。天线ANT_D耦接控制模块12与开关电路14。如果将发射信号TX馈入天线ANT_D，则天线ANT_D从空中接收接收信号RX_D，并且发送发射信号TX。底盖16包含天线ANT_M与ANT_D、控制模块12、开关电路14以及通信装置10中的任意可能电路板以及机械部件。底盖16可为金属或塑料。
在实施例中，控制模块12根据检测信号DET生成控制信号CTRL1与CTRL2，其中，用户场景检测电路18可生成检测信号DET。用户场景检测电路18可为检测目标临近的近距感测电路，或检测相对通信装置10的重力方向的加速度传感器。用户场景可为用户仅用左手、仅用右手、使用双手、使用左手与头部、使用右手与头部等持有通信装置10。例如，使用左手与头部场景涉及用户使用左手接电话情况；使用双手场景涉及用户使用双手玩游戏情况。
以用户场景检测电路为近距感测电路作为示例，如果检测到目标临近天线ANT_M或ANT_D，则用户场景检测电路18生成检测信号DET并将其发送至控制模块12。接着，控制模块12根据检测信号DET，决定使用哪个天线以及所使用天线的辐射方向。
在实施例中，发射天线选择技术(Transmit Antenna Selection，TAS)能够基于接收信号的信号质量选择其中一个天线作为发送天线。例如，控制模块12根据检测信号DET或接收信号RX_M与RX_D，决定将发射信号TX馈入天线ANT_M还是天线ANT_D，以选择具有更好信号质量的一个天线辐射发射信号TX。这样可确保通信装置10的通信质量。
从另一方面看，天线ANT_D具有朝向右上方向的辐射方向，天线ANT_M具有朝向左下与右下两个方向的辐射方向。换句话说，用于通信装置10的上行链路通信的发送天线具有三个可选辐射方向。通过天线ANT_M的阻抗调谐以及发射信号TX的馈入信道，选择天线的辐射方向，通信装置10可适用于各种用户场景，以确保较高的通信质量与用户体验(例如，数据吞吐量与掉话率)。
图2与图3是根据本发明实施例描述的分别工作在第一与第二模式的天线ANT_M的示意图。天线NAT_M包含馈入端FD、天线臂20、21、22以及阻抗调谐电路SW_L与SW_R。其中，阻抗调谐电路SW_L与SW_R可为开关、二极管、调谐电容器中的至少一个。可将馈入端FD用于馈入控制模块12生成的发射信号TX，并且用于向控制模块12发送接收信号RX_M。天线臂20电连接馈入端FD，用于谐振发射信号TX与接收信号RX_M，从而实现无线通信。在实施例中，天线臂20是T型天线臂。天线臂21电连接天线臂20以及阻抗调谐电路SW_L，其中阻抗调谐电路SW_L接地或接匹配元件MTH_L。天线臂22电连接天线臂20以及阻抗调谐电路SW_R，其中阻抗调谐电路SW_R接地或接匹配元件MTH_R。馈入端FD与天线臂21、22分别形成环路。在实施例中，馈入端FD位于天线臂21与22之间。
在图2中，天线ANT_M工作于第一模式，其中，阻抗调谐电路SW_L连接天线臂21与匹配元件MTH_L，并且阻抗调谐电路SW_R连接天线臂22与接地端。在这种结构中，既然通过阻抗调谐电路SW_R将天线臂20右侧的天线臂22接地，所以发射信号TX的RF电流从馈入端FD流向天线20的左侧，这样使得天线ANT_M的辐射方向从馈入端指向天线臂21(即，左方向)。因此，在人体靠近天线臂20的右侧时，可将天线ANT_M的天线性能保持在满意水平。例如，对于用户使用右手手持通信装置10的用户场景，右手掌会盖住天线臂20的右侧。在本发明中，选择天线ANT_M的辐射方向指向左方，从而确保较佳的天线性能与用户体验，例如，掉话率与数据吞吐量。
在图3中，天线ANT_M工作于第二模式，其中，阻抗调谐电路SW_R连接天线臂22与匹配元件MTH_R，并且阻抗调谐电路SW_L连接天线臂21与接地端。在这种结构中，既然通过阻抗调谐电路SW_L将天线臂20左侧的天线臂21接地，所以发射信号TX的RF电流从馈入端FD流向天线20的右侧，这样使得天线ANT_M的辐射方向从馈入端指向天线臂22(即，右方向)。因此，在人体靠近天线臂20的左侧时，可将天线ANT_M的天线性能保持在满意水平。例如，对于用户使用左手手持通信装置10的用户场景，左手掌会盖住天线臂20的左侧。在本发明中，选择天线ANT_M的辐射方向指向右方，从而确保较佳的天线性能与用户体验。
在实施例中，可将匹配元件MTH_L与MTH_R用于频带调谐，其可为电容器、电感器、电阻器、磁珠(bead)、变抗器、调谐电容器以及上述至少两个元件的任意组合。通过适当选择电容器、电感器、电阻器、磁珠的电特性与数值，可取得天线ANT_M的合适的工作频率与频带。值得注意的是，既然阻抗调谐电路SW_L与SW_R将天线臂21与22的其中一个接地，另一个接匹配元件，则当选择辐射方向时，可同时执行天线ANT_M的频带调谐操作。
图4是根据本发明实施例描述的自由空间中分别工作在第一模式与第二模式中的天线ANT_M的散射参数S11示意图。图5是根据本发明实施例描述的分别工作在第一模式与第二模式中的天线ANT_M的自由空间天线效率示意图。在图4中，分别用实线与虚线标注工作在第一模式与第二模式中的天线ANT_M的散射参数S11。在图5中，分别用实线与虚线标注工作在第一模式与第二模式中的天线ANT_M的天线效率。对于长期演进(LTE)通信标准，低频带工作范围是从824MHz到960MHz，中频带工作范围是从1710MHz到2170MHz，高频带工作范围是从2300MHz到2690MHz。
图6描述了当用户仅使用左手、仅使用右手、使用左手与头部以及使用右手与头部持有通信装置10时的各种用户场景示意图。图7描述了在仅使用左手用户场景中分别工作在第一模式与第二模式中的天线ANT_M的天线效率示意图。图8描述了在仅使用右手用户场景中分别工作在第一模式与第二模式中的天线ANT_M的天线效率示意图。
在图7与图8中，可分别使用实线与虚线标注工作在第一模式与第二模式中的天线ANT_M的天线效率。在图7中，工作在第一模式的天线ANT_M在中频带具有更好的天线效率，工作在第二模式的天线ANT_M在低频带与高频带具有更好的天线效率。因此，对于仅使用左手的场景，如果需要高频带与低频带的通信，则可将天线ANT_M的辐射方向切换至右方向(第二模式)；如果需要中频带的通信，则可将天线ANT_M的辐射方向切换至左方向(第一模式)。
在图8中，工作在第一模式中的天线ANT_M在低频带与高频带具有更好的天线效率，工作在第二模式的天线ANT_M在中频带具有更好的天线效率。因此，对于仅使用右手的场景，如果需要高频带与低频带的通信，则可将天线ANT_M的辐射方向切换至左方向(第一模式)；如果需要中频带的通信，则可将天线ANT_M的辐射方向切换至右方向(第二模式)。
图9描述了在使用左手与头部场景与使用右手与头部场景中天线ANT_M的最优天线效率示意图，其中上述两种场景可分别用实线与虚线标注。对于不同工作频带，通信装置10选择具有最高天线效率的辐射方向以执行通信，从而确保通信装置10的较佳通信质量。
综上，本发明通过工作于两个工作模式的第一天线的阻抗调谐选择第一天线的辐射方向，并且同时执行第一天线的频带调谐。在不具有其他天线情况下，第一天线具有两个工作模式，这样有效节省通信装置的天线空间。此外，通过发射信号的阻抗调谐与馈入信道，选择天线以及辐射方向，通信装置可适用于各种用户场景，以确保较佳的通信质量与用户体验(例如，数据吞吐量与掉话率)。
呈现上述描述以允许本领域技术人员根据特定应用以及其需要的内容实施本发明。所述实施例的各种修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且可将上述定义的基本原则应用于其他实施例。因此，本发明不局限于所述的特定实施例，而是符合与揭露的原则及新颖特征相一致的最宽范围。在上述细节描述中，为了提供对本发明的彻底理解，描述了各种特定细节。然而，本领域技术人员可以理解本发明是可实施的。
在不脱离本发明精神或本质特征的情况下，可以其他特定形式实施本发明。描述示例被认为说明的所有方面并且无限制。因此，本发明的范围由权利要求书指示，而非前面描述。所有在权利要求等同的方法与范围中的变化皆属于本发明的涵盖范围。

Claims (12)

1.一种可切换辐射方向的天线，其特征在于，位于通信装置中，该天线包含：
馈入端，用于馈入发射信号以及接收接收信号；
第一天线臂，电连接该馈入端；
第二天线臂，电连接该第一天线臂；
第三天线臂，电连接该第一天线臂，其中，该馈入端分别与该第二天线臂、该第三天线臂形成环路；
第一阻抗调谐电路，耦接该第二天线臂，用于根据控制信号将该第二天线臂连接至第一匹配元件或第三匹配元件；以及
第二阻抗调谐电路，耦接该第三天线臂，用于根据该控制信号将该第三天线臂连接至第二匹配元件或第四匹配元件；
其中，当该天线工作在第一模式时，该第一阻抗调谐电路将该第二天线臂连接至该第一匹配元件，并且该第二阻抗调谐电路将该第三天线臂连接至该第二匹配元件；当该天线工作在第二模式时，该第一阻抗调谐电路将该第二天线臂连接至该第三匹配元件，并且该第二阻抗调谐电路将该第三天线臂连接至该第四匹配元件，其中，该第一模式与该第二模式具有相同的频带范围，并且该天线在该第一模式与该第二模式之间切换。
2.如权利要求1所述的可切换辐射方向的天线，其特征在于，该第一阻抗调谐电路与该第二阻抗调谐电路是开关、二极管、调谐电容器中的至少一个。
3.如权利要求1所述的可切换辐射方向的天线，其特征在于，对应该第一模式与该第二模式的该天线的该辐射方向是相反的。
4.如权利要求1所述的可切换辐射方向的天线，其特征在于，该第一匹配元件与该第四匹配元件用于频带调谐，并且该第一匹配元件与该第四匹配元件是电容器、电感器、电阻器、变抗器、调谐电容器与磁珠中的至少一个。
5.如权利要求1所述的可切换辐射方向的天线，其特征在于，该第一天线臂是T型天线臂。
6.如权利要求1所述的可切换辐射方向的天线，其特征在于，该第二天线臂与该第三天线臂分别位于馈入端两侧。
7.一种无线通信装置，其特征在于，包含：
第一天线，用于接收第一接收信号，其中，该第一天线包含：馈入端，用于馈入发射信号以及接收接收信号；第一天线臂，电连接该馈入端；第二天线臂，电连接该第一天线臂；第三天线臂，电连接该第一天线臂，其中，该馈入端分别与该第二天线臂、该第三天线臂形成环路；第一阻抗调谐电路，耦接该第二天线臂，用于根据控制信号将该第二天线臂连接至第一匹配元件或第三匹配元件；以及第二阻抗调谐电路，耦接该第三天线臂，用于根据该控制信号将该第三天线臂连接至第二匹配元件或第四匹配元件；其中，当该第一天线工作在第一模式时，该第一阻抗调谐电路将该第二天线臂连接至该第一匹配元件，并且该第二阻抗调谐电路将该第三天线臂连接至该第二匹配元件；当该第一天线工作在第二模式时，该第一阻抗调谐电路将该第二天线臂连接至该第三匹配元件，并且该第二阻抗调谐电路将该第三天线臂连接至该第四匹配元件，并且其中，该第一模式与该第二模式具有相同的频带范围，并且该第一天线在第一模式与该第二模式之间切换；
第二天线，用于接收第二接收信号；
第一开关电路，耦接该第一天线与该第二天线，用于根据第一控制信号将发射信号馈入该第一天线或该第二天线；以及
控制模块，耦接该第一天线、该第二天线以及该第一开关电路，用于根据该第一接收信号与该第二接收信号，生成发送至该第一开关电路的该发射信号与该第一控制信号；
其中，该控制模块根据该第一接收信号与该第二接收信号，生成发送至该第一天线的第二控制信号，以通过该第一天线的阻抗调谐选择该第一天线的辐射方向。
8.如权利要求7所述的无线通信装置，其特征在于，该第一阻抗调谐电路与该第二阻抗调谐电路是开关、二极管、调谐电容器中的至少一个。
9.如权利要求7所述的无线通信装置，其特征在于，对应该第一模式与该第二模式的该第一天线的该辐射方向是相反的。
10.如权利要求7所述的无线通信装置，其特征在于，该第一匹配元件与该第四匹配元件用于频带调谐，并且该第一匹配元件与该第四匹配元件是电容器、电感器、电阻器、变抗器、调谐电容器与磁珠中的至少一个。
11.如权利要求7所述的无线通信装置，其特征在于，进一步包含用户场景检测电路，并且该控制模块根据该用户场景检测电路生成的检测信号，生成该第一控制信号与该第二控制信号。
12.如权利要求11所述的无线通信装置，其特征在于，该用户场景检测电路是加速度计与近距感测电路中的至少一个。
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