CN109462031A - 基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线，包括：天线组件(100)；第一级可调谐电路(200)包括至少一个可变电容(201)，至少一个可变电容(201)并联在天线组件(100)上；第二级可调谐电路(300)包括至少一个可变电容和至少一个可变电感，其中，第二级可调谐电路(300)设置在馈电点和天线组件(100)之间，射频信号从馈电点经第二级可调谐电路(300)传递给天线组件(100)。该双级可调谐天线可以在改变天线谐振频率的同时调节天线与馈线的阻抗匹配，使得天线能在满足良好的回波损耗性能下，获得更宽的可用带宽，从而满足目前以及未来的无线通信需求，简单易实现。

Description

基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线。
背景技术
随着智能型手机频段的持续增加，引发内部射频天线数量过多与尺寸过大问题，如何减少天线数量与尺寸并提高信号接收性能与频宽是无线通信领域所面临的问题，采用可调谐天线技术是重要的解决方案。
对于现在普遍应用的4G移动通信而言，随着新的LTE频段引进，所要求的频段范围从700MHz拓宽至2700MHz，传统的固定式天线调谐方案遇到技术瓶颈，旧技术已经不再适用，这时候需要新技术的出现，即用新的动态天线调谐方案来取代传统的静态天线调谐方案。对于5G移动通信而言，通信频段个数会越来越多，涉及的带宽也会越来越宽。因此，5G移动通信更需要采用可调谐天线技术。
回波损耗是传输线端口的反射波功率与入射波功率之比。在实际应用中，我们希望无线电波全波传送出去，是不希望有回波的，或者说回波损耗的绝对值越大越好。回波损耗的大小可以反映阻抗匹配的好坏，回波损耗值越大对应的输入反射系数就越小，输入端的阻抗匹配效果就越良好。回波损耗是衡量天线性能优劣的重要依据。
目前，可调谐天线有两种构成方式：可调谐阻抗匹配(Tunable ImpedanceMatching，TIM)和天线孔径调谐(Antenna Aperture Tuning，AAT)。使用TIM或AAT方法的单级可调谐天线，其获得的带宽是非常有限的。TIM主要应用于宽带天线，只是用于调节天线与馈线的阻抗匹配，几乎不扩大天线原有的带宽，故采用TIM方法的单级可调谐天线无法实现在满足良好的回波损耗性能条件下获得更宽的可用带宽。AAT主要用于窄带天线，用于调节天线的谐振频率，在此调节过程中容易导致阻抗失配，因此采用AAT方法的单级可调谐天线同样无法实现在满足良好的回波损耗性能条件下获得更宽的可用带宽。总之，相关技术中的单级可调谐天线无法实现在满足良好的回波损耗性能条件下获得更宽的可用带宽，以满足未来的无线通信需求。
举例而言，对于单级可调谐单频天线而言：Nishigaki M等人在(PiezoelectricMEMS Variable Capacitor for a UHF Band Tunable Built-in Antenna[C]//MicrowaveSymposium，2007.IEEE/MTT-S International.IEEE,2007:2079-2082.)一文中公开了单级可调谐倒F天线的调谐范围为510MHz-800MHz，带宽为290MHz；Luis J R D等人在(TunableDuplexing Antenna System for Wireless Transceivers[J].IEEE Transactions onAntennas&Propagation,2012,60(11):5484-5487.)一文中公开了单级可调谐平面倒F天线的调谐范围为1850MHz-2170MHz，带宽为320MHz；Barrio S C D等人在(Challenges forFrequency-Reconfigurable Antennas in Small Terminals[C]//Vehicular TechnologyConference.IEEE,2012:1-5.)一文中公开了单级可调谐平面倒F天线的调谐范围为790MHz-890MHz，带宽为100MHz；Barrio S C D等人在(Tunable Handset Antenna:Enhancing Efficiency on TV White Spaces[J].IEEE Transactions on Antennas&Propagation,2017,PP(99):1-1.)一文中公开了单级可调谐天线的调谐范围为600-850MHz，带宽为250MHz。这4篇文献报道中单级可调谐单频天线的带宽最低为100MHz，最高为320MHz。
对于单级可调谐双频天线而言：Luis J R D等人在(Tunable antenna systemsfor wireless transceivers[C]//IEEE International Symposium on Antennas andPropagation.IEEE,2011:730-733.)一文中公开了单级可调谐平面倒F天线的调谐范围为814-879MHz/1690-1825MHz，对应带宽分别为65MHz/135MHz；Tornatta P A等人在(Aperture tuned antennas for 3G-4G applications using MEMS digital variablecapacitor[C]//Microwave Symposium Digest.IEEE,2014:1-4.)一文中公开了单级可调谐平面倒F天线的调谐范围为700-900MHz/1400-1600MHz，对应带宽分别为200MHz/200MHz。两篇文献报道中单级可调谐双频天线的合计带宽最高为400MHz。在本发明的具体实施例中，双级可调谐双频天线的带宽可以达到1560MHz，是上述两篇文献中最高合计带宽400MHz的近4倍，显著地突出了双级可调谐天线相比单级可调谐天线能够获得更宽所需带宽的优势所在。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线，该双级可调谐天线可以在满足良好的回波损耗性能下，获得更宽的可用带宽，从而满足目前以及未来的无线通信需求，简单易实现。
为达到上述目的，本发明提出了基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线，包括：天线组件(100)；第一级可调谐电路(200)，所述第一级可调谐电路(200)包括至少一个可变电容，所述至少一个可变电容相互并联；第二级可调谐电路(300)，所述第二级可调谐电路(300)包括至少一个可变电容和至少一个可变电感，其中，所述第二级可调谐电路(300)设置在馈电点和所述天线组件(100)之间，射频信号从所述馈电点经第二级可调谐电路(300)传递给天线组件(100)，以在回波损耗性能条件下，获得目标可用带宽。
本发明实施例的基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线，通过由第一级可调谐电路和第二级可调谐电路构成的双级可调谐天线可以最大限度地提高射频性能，实现更好的信号强度、更快的数据速率和更长的电池寿命，同时，双级可调谐天线可以提高手机天线增益，由于信号增强，基站会在连接时给予手机优先权，使得手机可以获得更强大、更快速的连接以及更好的通信质量。
另外，根据本发明上述实施例的基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述至少一个可变电容(301)与所述馈电点串联设置，且所述至少一个可变电感(302)与所述馈电点并联设置。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述至少一个可变电容(304)与所述馈电点并联设置，且所述至少一个可变电感(303)与所述馈电点串联设置。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述天线组件(100)为微带天线、倒F天线、平面倒F天线、单极天线、偶极天线、线天线、孔径天线、缝隙天线或近场通信天线。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述天线组件(100)为单频天线、双频天线或多频天线。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述可变电容采用非数字可变电容或数字可变电容，所述可变电感采用非数字可变电感或者数字可变电感。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述可变电容采用MEMS可变电容或者非MEMS可变电容。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述可变电感采用MEMS可变电感或者非MEMS可变电感。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电容器的电容值在预设范围内可变，而非固定电容值的电容器。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电感器的电感值在预设范围内可变，而非固定电感值的电感器。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线的原理图；
图2为根据本发明具体实施例的一种第二级可调谐电路实施方式的双级可调谐天线的原理图；
图3为根据本发明具体实施例的另一种第二级可调谐电路实施方式的双级可调谐天线的原理图；
图4为根据本发明实施例的以单频IFA天线为例展示的双级可调谐天线的结构示意图；
图5为根据本发明实施例的不可调谐双频IFA天线的结构示意图；
图6为根据本发明实施例的不加第二级可调谐电路的单级可调谐双频IFA天线的结构示意图；
图7为根据本发明实施例的加上第二级可调谐电路的双级可调谐双频IFA天线的结构示意图；
图8为根据本发明实施例的不可调谐双频IFA天线的回波损耗性能图；
图9为根据本发明实施例的单级可调谐双频IFA天线的回波损耗性能图；
图10为根据本发明实施例的双级可调谐双频IFA天线的回波损耗性能图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线进行描述。
图1是本发明一个实施例的基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线的原理图。
如图1所示，该基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线(10)包括：天线组件(100)、第一级可调谐电路(200)和第二级可调谐电路(300)。
其中，如图2和3所示，第一级可调谐电路(200)包括至少一个可变电容，至少一个可变电容相互并联。第二级可调谐电路(300)包括至少一个可变电容和至少一个可变电感，其中，第二级可调谐电路设置在馈电点和天线组件之间，射频信号从馈电点经第二级可调谐电路传递给天线组件。本发明实施例的双级可调谐天线(10)可以在改变天线谐振频率的同时调节天线与馈线的阻抗匹配，使得天线能在满足良好的回波损耗性能下，获得更宽的可用带宽，从而满足目前以及未来的无线通信需求，简单易实现。
需要说明的是，第二级可调谐电路(300)区别于由固定电容和固定电感组成的固定阻抗匹配电路，也区别于由可变电容和固定电感组成的可调阻抗匹配电路，还区别于由固定电容和可变电感组成的可调阻抗匹配电路。针对双级可调谐天线而言，其区别于只有第一级可调谐电路(200)的单级可调谐天线，也区别于只有第二级可调谐电路(300)的单级可调谐天线，同时区别于第一级可调谐电路(200)加上固定阻抗匹配电路构成的单级可调谐天线。
进一步地，在本发明的一个实施例中，至少一个可变电容(301)与馈电点串联设置，且至少一个可变电感(302)与馈电点并联设置。
进一步地，在本发明的一个实施例中，至少一个可变电容(304)与馈电点并联设置，且至少一个可变电感(303)与馈电点串联设置。
可选地，在本发明的一个实施例中，天线组件(100)可以为微带天线、倒F天线、平面倒F天线、单极天线、偶极天线、线天线、孔径天线、缝隙天线或近场通信天线。
可选地，在本发明的一个实施例中，天线组件(100)可以为单频天线、双频天线或多频天线。
进一步地，在本发明的一个实施例中，可变电容可以采用非数字可变电容或数字可变电容，可变电感可以采用非数字可变电感或者数字可变电感。
进一步地，在本发明的一个实施例中，可变电容可以采用MEMS可变电容或者非MEMS可变电容。
进一步地，在本发明的一个实施例中，可变电感可以采用MEMS可变电感或者非MEMS可变电感。
进一步地，在本发明的一个实施例中，电容器的电容值在预设范围内可变，而非固定电容值的电容器。
进一步地，在本发明的一个实施例中，电感器的电感值在预设范围内可变，而非固定电感值的电感器。
下面将结合附图及具体实施例对本发明实施例的工作原理进行详细阐述。
如图1所示，双级可调谐天线(10)主要包括：天线组件(100)、第一级可调谐电路(200)和第二级可调谐电路(300)。
如图2所示，双级可调谐天线(10)的第一级可调谐电路(200)由一个并联可变电容(201)组成，第二级可调谐电路(300)由一个串联可变电容(301)和一个并联可变电感(302)组成。
如图3所示，双级可调谐天线(10)的第一级可调谐电路(200)由一个并联可变电容(201)组成，第二级可调谐电路(300)由一个串联可变电感(303)和一个并联可变电容(304)组成。
如图4所示，双级可调谐IFA天线(20)主要包括：第一级可调谐电路(200)、第二级可调谐电路(300)和单频IFA天线(400)。
如图5所示，不可调谐双频IFA天线(30)主要由双频IFA天线(500)构成。
如图6所示，不加第二级可调谐电路的单级可调谐双频IFA天线(40)主要由第一级可调谐电路(200)和双频IFA天线(500)构成。其中，第一级可调谐电路(200)由一个并联可变电容(201)构成。
如图7所示，采用可变电感和可变电容的双级可调谐双频IFA天线(50)主要由第一级可调谐电路(200)、第二级可调谐电路(300)和双频IFA天线(500)构成。其中，图7相比图6多了由一个串联可变电容(301)和一个并联可变电感(302)组成的第二级可调谐电路(300)。
综上所述，通过实验数据图来验证双级可调谐双频IFA天线的优势，并可以延伸到其它天线类型的双级可调谐天线。
图8是图5对应的不可调谐双频IFA天线的回波损耗性能图。从图8中可以看出，在回波损耗优于15dB(S11<-15dB)下,天线频率范围为较低频段的3.50-3.74GHz和较高频段的4.96-5.0GHz；其相对应的带宽分别为240MHz和40MHz。
图9是图6对应的单级可调谐双频IFA天线的回波损耗性能图。图9中，state 0表示的是不可调双频IFA天线的回波损耗曲线；AAT 1到AAT 10表示可变电容(201)的10种不同电容值下的回波损耗曲线。从图9中可以看出，在回波损耗优于15dB(S11<-15dB)下天线频率范围为较低频段的3.345-3.74GHz和较高频段的4.4-5.0GHz；其相对应的带宽分别为395MHz和600MHz。从图9可知，从2.5GHz到3.3GHz的较低频率范围内，天线的回波损耗性能较差。
图10是图7对应的双级可调谐双频IFA天线的回波损耗性能图，在图10中，state 0与图9表示的含义一样；TIC 1到TIC 10是在AAT 1到AAT 10的基础上加上第二级可调谐电路(300)，其各自对应的可变电容(201)是相同的。从图10中可以看出，在回波损耗优于15dB(S11<-15dB)下，天线频率范围为较低频段的2.74-3.74GHz和较高频段为4.44-5.0GHz；启相对应的带宽为较低频段的1000MHz和较高频560MHz。采用双级可调谐IFA天线，使得较低频段的带宽从单级可调谐IFA天线的395MHz提高到了1000MHz,提高了近2倍。同时，相比不可调天线，双级可调谐双频IFA天线的带宽在较低频段提高了3倍，在较高频段提高了13倍。
根据本发明实施例提出的基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线，通过由第一级可调谐电路和第二级可调谐电路构成的双级可调谐天线可以最大限度地提高射频性能，实现更好的信号强度、更快的数据速率和更长的电池寿命，同时，双级可调谐天线可以提高手机天线增益，由于信号增强，基站会在连接时给予手机优先权，使得手机可以获得更强大、更快速的连接以及更好的通信质量。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线，其特征在于，包括：
天线组件(100)；
第一级可调谐电路(200)，所述第一级可调谐电路(200)包括至少一个可变电容(201)，所述至少一个可变电容(201)并联在所述天线组件(100)上；以及
第二级可调谐电路(300)，所述第二级可调谐电路(300)包括至少一个可变电容和至少一个可变电感，其中，所述第二级可调谐电路(300)设置在馈电点和所述天线组件(100)之间，射频信号从所述馈电点经第二级可调谐电路(300)传递给天线组件(100)。
2.根据权利要求1所述的基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线，其特征在于，所述至少一个可变电容(301)与所述馈电点串联设置，且所述至少一个可变电感(302)与所述馈电点并联设置。
3.根据权利要求1所述的基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线，其特征在于，所述至少一个可变电容(304)与所述馈电点并联设置，且所述至少一个可变电感(303)与所述馈电点串联设置。
4.根据权利要求1所述的基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线，其特征在于，所述天线组件(100)为微带天线、倒F天线、平面倒F天线、单极天线、偶极天线、线天线、孔径天线、缝隙天线或近场通信天线。
5.根据权利要求1所述的基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线，其特征在于，所述天线组件(100)为单频天线、双频天线或多频天线。
6.根据权利要求1所述的基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线，其特征在于，所述可变电容采用非数字可变电容或数字可变电容，所述可变电感采用非数字可变电感或者数字可变电感。
7.根据权利要求1所述的基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线，其特征在于，所述可变电容采用MEMS可变电容或者非MEMS可变电容。
8.根据权利要求1所述的基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线，其特征在于，所述可变电感采用MEMS可变电感或者非MEMS可变电感。
9.根据权利要求1所述的基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线，其特征在于，所述电容器的电容值在预设范围内可变，而非固定电容值的电容器。
10.根据权利要求1所述的基于可变电感和可变电容的双级可调谐天线，其特征在于，所述电感器的电感值在预设范围内可变，而非固定电感值的电感器。
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