CN109863642B - 多谐振天线结构 - Google Patents

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Abstract

本公开总体上涉及能够进行无线通信的任何设备，例如具有一个或多个天线的移动电话或可穿戴设备。该天线具有带有多个谐振的结构，以利用一个到主无线电系统的馈电连接，从单个天线覆盖所有商业无线通信频段。天线在频段较低部分中存在两个高效且紧密间隔的谐振的情况下可用。这些谐振中的一个能够通过使用附接到辐射器可的变电抗而被实时调节，而另一谐振则是固定的。

Description

多谐振天线结构
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年10月21日提交的美国临时专利申请No.62/410,933的优先权，该临时专利申请的全部内容通过引用明确地并入本文。
背景技术
技术领域
本公开的实施例总体上涉及具有一个或更多个天线的任何带有无线调制解调器的设备(以下简称为设备)，例如移动电话或可穿戴设备，其中所述天线用于支持设备与对应无线网络的无线通信。
现有技术描述
在移动数据设备中使用的天线必须覆盖大范围的频率。天线效率取决于天线尺寸和瞬时工作带宽。天线效率随着工作带宽增大而减小。天线效率随着天线尺寸减小而减小。现代移动通信系统中通常的工作频率分为三个频率范围。这些频率范围由当地主管部门(例如美国的FCC)和当地网络服务提供商确定：低频段——698MHz到960MHz；中频段——1710MHz到2710MHz；以及，高频段——2300MHz到2700MHz。目前对于移动通信还正在考虑在低频端的600MHz和在高频端的直至5600MHz的额外频率扩展。频率范围的扩大加重问题。
在移动通信设备中使用的通常的天线结构(像平面倒F天线(PIFA)、单极或环形天线)具有大约10％的工作带宽。这指的是它们以可用效率覆盖大约10％的频率带宽。例如，以850MHz中心频率工作的天线将具有大约85MHz的可用工作带宽。如以下表I所示，完全覆盖任何目标频段所需的带宽超过10％带宽。
表I
频段描述 频率覆盖 ％带宽
低频段 698到960MHz 约32％
中频段 1710MHz到2710MHz 约24％
高频段 2300MHz到2700MHz 约16％
除了带宽，天线的尺寸也影响可用效率。对于高效率的谐振，天线结构必须能够在目标频率处支持1/2波长的电流和电压分布。对于较高的频率，设备具有足够的尺寸以支持1/2波长电流模式。在较低的频率下，波长更长，设备对于支持1/2波长电流模式不够大。这样的影响是更低的效率。总而言之，在低频率下，天线性能因为两个因素而受损：1)需要覆盖比10％带宽大得多的带宽；和2)天线在波长方面变小。
载波聚合是先进LTE(LTE Advanced)的一个重要特征。载波聚合允许网络运营商组合不同频段的频道以增大在给定时刻提供给单个用户的可用带宽。在载波聚合中可使用大量的可行频段组合。组合中的许多包括来自频谱不同位置的频率。例如，组合低频段频道和中频段频道或高频段频段。一些组合组合了来自不同频段的频道，但使得单个天线谐振能够覆盖两者的目标频段。一个例子是两个相距紧密的中频段频道。从天线性能视角而言，这些组合不具有挑战性。但是，从天线性能视角而言，组合来自相邻低频段的两个频道的频段组合非常具有挑战性。主要原因在于，与整个设备相比，低频段谐振器通常非常大。经常难以使得单个辐射器良好地工作，更不要说两个低频段辐射器。因为这个原因，不认为载波聚合中的低频段-低频段频率组合是实用的。
对于带宽、效率、尺寸折中的一个常见解决方案是设计可调天线，其将瞬时带宽限制为约10％，天线设计成在该瞬时带宽上具有好的效率。可以通过给孔径加载可变电抗负载来改变天线的谐振效率，使得它能够在大的频率范围上使用。还可以调节天线阻抗以允许将更大的功率传递到天线终端中。然而，该方法不提供优化的效率，不再进一步说明。
图6示出一个多谐振平面倒F天线(PIFA)的典型响应。如图6所示，低频段是698MHz到960MHz，中频段是1710MHz到2170MHz，高频段是2300MHz到2700MHz。设计为具有三个谐振的标准多谐振PIFA会使得每个谐振覆盖所期望的带宽的一部分。
图7A和7B示出典型的具有连接到天线的低频段“臂”的可变电容器的多谐振PIFA。在图7A中，设备100包括接地平面702和双谐振天线结构。设备100包括能够用作外部天线的导电框架706(例如金属框架)。天线结构包括每个都耦合到框架706的三个腿部710、712、714。腿部710在馈电点716处耦合到框架706并通过接地平面702耦合到电连接。腿部712耦合接地718。腿部714通过调谐器720耦合到接地平面702。所述结构包括低频段谐振区域722、中频段谐振区域724，和高频段谐振区域726。该实施方式在保持高峰值效率的同时允许在整个目标频率范围上调节天线结构的低频谐振。在图7B中，指示出低频段谐振区域728和中频段/高频段谐振区域730。如图7B所示，低频段谐振区域728比中频段/高频段谐振区域730大得多。调谐器720位于低频段谐振区域728内。
图8示出图7A至7B的PIFA的低频段谐振的电压驻波比(VSWR)。随着电容数值从Cmin802增大到Cmax 804，天线的谐振频率向下偏移。图9示出电容调谐天线的对应的效率。效率随着电容从Cmin 902增大到Cmax 904而下降。
天线的自然(无负载)响应位于频段的高端处。该处是电容负载最小(Cmin)的位置。随着电容负载增大，天线谐振频率下降。峰值天线效率随着频率减小。该调谐方法的附带结果是天线效率也随着频率降低而下降。效率下降是由于两个因素：1)随着频率减小(波长增大)，天线相对于波长变得“更小”；和2)电容负载增大，以降低谐振频率。组合的效果导致频率从频率范围的高端到频率范围的低端下降2到3dB。
该类型可调天线结构具有许多性能益处。通过将天线的瞬时带宽限制为大约10％，能够维持天线效率。通过改变天线谐振，不仅维持了效率，而且还维持了阻抗匹配。这提高了天线馈电端处的功率传递。调谐机构可以单独用于天线的仅一个谐振部分，例如低频段区域，而不影响天线的其它谐振区域。可对天线结构的不同谐振臂应用多个调谐器以独立地调谐每个谐振。
以上对于频率范围的低端的效率下降说明了主要缺陷。更高的电容加载导致更低的效率。而且，天线结构上的并联电容仅降低谐振频率。这意味着天线结构无负载的自然谐振必须位于目标频段的高端处。如果天线的自然响应接近目标频段的低端，则加载电容只会将谐振调谐的更低。
该设计方法在低频率范围中产生单个窄带高效谐振，因此该设计方法不能在需要来自两个相邻低频段的频道的载波聚合应用中使用。
因此，在本领域中，需要在两个相邻低频段中效率高的天线结构。
发明内容
本公开总体上涉及具有一个或更多个天线的任何能够无线通信的设备，例如移动电话或可携带设备。该天线具有带有多个谐振的结构，以利用一个到主无线电系统的馈电连接，从单个天线覆盖所有商业无线通信频段。天线在频段的较低部分中存在两个高效且紧密间隔的谐振的情况下可用。这些谐振中的一个能够通过使用附接到辐射器的可变电抗而被实时调节，而另一谐振则是固定的。
在一个实施例中，设备1000包括：接地平面1002；天线结构1004，其包括：金属框架1030；耦合到馈电点1016和金属框架1030的第一腿部1006；耦合到接地平面1002和金属框架1030的第二腿部1008；耦合到接地平面1002的第三腿部1010；以及，耦合到第二腿部1008和第三腿部1010的臂1012；以及，耦合到接地平面1002和臂1012的可变电抗器件1024。
一种使用设备1000的方法，其中，设备1000包括：接地平面1002；天线结构1024，其包括：金属框架1030；耦合到馈电点1016和金属框架1030的第一腿部1006；耦合到接地平面1002和金属框架1030的第二腿部1008；耦合到接地平面1002的第三腿部1010；以及，耦合到第二腿部1008和第三腿部1010的臂1012；以及，耦合到接地平面1002和臂1012的可变电抗器件1024；方法包括：在位于相同频段内的两个紧密间隔的频道中调谐天线结构1004。
附图说明
为了使得能够详细地理解本公开的上述特征，可参照实施例更具体地描述以上概述的本公开，一些实施例在附图中示出。然而，要指出的是，附图仅示出示例性实施例，因此不应视为限制本公开的范围，可以包含其他的等效实施例。
图1是位于自由空间中的设备的示意性图示，在该例子中，设备是蜂窝电话。
图2是一个附近有手的设备的示意性图示，在该例子中，设备是手机，该手用于表示电环境中的任何类型的可影响天线的电气特征和运作的改变。
图3是带有DVC和天线的设备的示意性图示，在该例子中，设备是手机。
图4是根据一个实施例的作为可变电抗的众多可行实例的一种的DVC的示意性图示。
图5A至5C是根据一个实施例的可以用作可变电抗的微机电(MEMS)设备的示意性横截面图示。
图6示出一个多谐振平面倒F天线(PIFA)的典型响应。
图7A和7B是一个在单个频段内可调的天线和设备的示意性图示。
图8是示出谐振频率在整个低频段范围中的变化的图。
图9是示出频率在整个低频段范围中的变化的图。
图10A到10C是一个即是固定的也在单个频段内可调的天线和设备的示意性图示。
图11是示出谐振频率在整个低频段范围中的变化的图。
图12是示出效率在整个低频段范围中的变化的图。
为了方便理解，如可能的话，就使用了相同的附图标记来指示附图共有的相同元件。可以预期，一个实施例的元件和特征可以有益地包含在其它实施例中，而不需要更多的记载。
具体实施方式
本发明总体上涉及具有一个或更多个天线的任何能够无线通信的设备，例如移动电话或可携带设备。该天线具有多谐振结构，以从单个天线覆盖来自所有商业无线通信频段，其中一个馈电连接到主无线电系统。天线在频段较低部分中存在两个高效且紧邻的谐振的情况下可用。这些谐振中的一个能够通过使用附接到辐射器的可变电抗而被实时调节，而另一谐振则是固定的。
将基于MEMS的电容器和开关用作用于改变设备谐振的调谐器，这是因为基于MEMS的RF设备具有固态半导体设备没有的性能特征。这些属性是：非常低的截止电容、低的等效串联电阻、高线性度、和对在设备端子间的高电压的容忍度。最后的属性——在存在高压时维持所有其它性能特征的能力——是基于MEMS的电容器和开关能够实现具有两个紧邻的低频段谐振并且其中之一可调的多谐振天线结构的主要原因。
图1是一个处于自由空间中的设备100的示意性图示，其中，该设备具有一个或更多个天线。设备100具有至少一个可位于设备主体外部的天线102。要理解的是，天线102不限于位于外部。相反地，天线102可以布置在设备主体内部。设备100可用于通过任何无线连接发送/接收电子邮件、语音电话、文本讯息和数据(例如，因特网网页)以及应用程序，无线连接例如但不限于使用分配给2G、3G、4G LTE(长期演进)等的各个频段的手机蜂窝服务和/或WiFi、蓝牙、NFC等其他无线连接类型。如图1所示，设备100处于自由空间中，没有其它物体(例如人)布置在干扰设备100运作的位置。然而，由于人与设备100交互，出现头/手效应，天线102的电气特征改变。
图2是附近有手202的设备100的示意性图示。手202是设备100在工作期间接触的会影响天线102的电气特征的多种可能形式的环境交互的一个示例。随着手202如箭头“A”所示地移动接近设备100，天线102的电气环境改变。具体地，手202通常添加使得天线102的谐振频率偏移的电容负载，但电气特征可能以其它方式改变，例如电容负载减小或天线的电感负载变化。当设备100靠近使用者的头(未示出)、放置在物理物体上或位于移动物体附近(所有这些都可能干扰天线102的电气特征)时发生类似的效果。随着手202如箭头“B”所示地移动远离天线102，天线102的电气特征再次改变。具体地，手移开通常去除电容负载，再次使得天线102的谐振频率偏移，但天线电抗负载的其它变化也是可能的。实际上，使得手202远离设备100使得天线102的电气特征返回到接近初始状况，其中，谐振频率返回到其电气特征受干扰之前所存在的状态。取决于环境的具体情况和其变化，以及工作期间与设备100的用户头/手交互，设备100的电气环境中的变化可能表现为天线102电感的变化，尽管大多数情况下，这种变化会导致电容的变化。图3是一个具有DVC 302和天线304的设备100的示意性图示，该设备在该例子中是手机。
图4是一个根据一个实施例的基于微机电系统(MEMS)的DVC 400的示意性图示。MEMS DVC包括多个空腔402，其每个都具有耦合到公共RF凸块406的RF电极404。每个空腔都具有一个或更多个吸合或下拉电极408和一个或更多个接地电极410。开关元件412远离RF电极404的位置移动和朝着RF电极404的位置移动，以改变MEMS DVC 400中的电容。MEMSDVC 400具有许多开关元件412，因此具有可以施加和/或从天线孔径移除的大的可变电容范围，以维持恒定调谐频率并补偿受环境变化或头/手效应影响的天线电气特征变化。MEMSDVC 400本质上是多个单独控制的MEMS元件的集合。
图5A至5C是根据一个实施例的能够产生MEMS DVC 400中的多个空腔402中的多个开关元件412的单个MEMS元件500的示意性横截面图示。MEMS元件500包括RF电极502、下拉电极504、上拉电极506、覆盖RF电极502和下拉电极504的第一介电层508、覆盖上拉电极506的第二介电层510，和能够在第一介电层508与第二介电层510之间移动的开关元件512。开关元件512耦合到接地电极514。如图5B所示，当开关元件512最接近RF电极502时，MEMS元件500处于最大电容位置。如图5C所示，当开关元件512最远离RF电极502时，MEMS元件500处于最小电容位置。由此，MEMS元件500产生具有两个不同的电容级的可变电容器，将多个这样的MEMS元件500集成到单个MEMS DVC 400中能够产生这样的DVC，其具有大的粒度并且其电容范围能够实现维持恒定调谐频率并补偿受环境变化或头/手效应影响的天线的电气特征改变所需的电抗孔径调谐。
图10A至10C示出一个典型智能手机实施方式，其中，单个天线覆盖多个频段和协议。要理解的是，该天线可以用在需要单个天线来覆盖多个频段和协议的任何移动数据设备中。
图10A示出一个具有接地平面1002和天线结构1004的设备1000。天线结构1004包括第一腿部1006、第二腿部1008，和第三腿部1010。用作天线的金属框架1030耦合到第一腿部1006。第一腿部1006还通过接地平面1002上的馈电点1016耦合到电源。第二腿部1008还耦合到金属框架1030并且通过接地连接点1020耦合到接地平面1002。臂1012在第二腿部1008的第一端部1018处耦合到第二腿部1008。臂1012还在第三腿部1010的端部1022处耦合到第三腿部1010。在第三腿部1010与接地平面1002之间布置有可变电抗器件1024。设想了如图10B所示地，可变电抗器件1024直接布置在臂1012与接地平面1002之间。可变电抗器件1024可以是如上文参照图4所述的DVC 400。
在图10A和10B中，天线结构1004使用两个低频率谐振器。谐振器中的一个具有固定谐振频率，而另一个谐振器的频率则可使用可变电抗器件1024来调节。如图10B所示，存在两个低频段谐振区域1026、1030和一个中频段/高频段谐振区域1028。一个低频段区域1026是固定的，另一个低频段区域1030由于可变电抗器件1024的存在而是可变的。中频段谐振区域1028B和高频段谐振区域1028A如图10A所示。金属框架1030的主PIFA1040是天线结构的“长框架”，这意味着主PIFA1040的基础谐振频率低于900MHz，这可以通过移动馈电点1016和“短”臂1012的接地连接点1020来实现。
图11示出了具有双低频段谐振器的PIFA的低频段频率响应的电压驻波比(VSWR)。项1102是天线结构1004的自然谐振并且在低频段区域1026具有固定频率。项1104由单独的更小的谐振器(例如臂1012)产生，其在臂1012的端部装载有可变电抗器件1024。臂1012具有比金属框架1030更高的谐振频率。项1104的基础谐振比期望的频率范围内的最高频率更高。增大谐振器端部的电容负载使谐振频率更低。能够在目标频段上调谐第二谐振，同时谐振1维持在固定频率。由于电容从项1104处的Cmin增加到了1106处的Cmax，与图8相比，低频段响应不会移动很多。随着调谐器电容增大，高频段的响应向下移动。
图12示出了双谐振PIFA的效率。项1202示出了固定谐振频率(对应于金属框架1030)并且示出了在频率范围的低端处的效率，而项1204(对应于臂1012)示出了谐振频率是可调谐的(通过可变电抗器件1024)，并且示出了低频率范围外的其余部分中的效率。
本文中讨论的可调天线设计没有像标准单个谐振PIFA那样，在频率范围低端处呈现效率滚降。图12示出了在频段低端处(例如Cmax)的效率比传统可调PIFA(例如图9)高很多并且非常接近Cmin处的效率。当天线结构具有频率范围的低端处的该结构的自然谐振频率时，设备能够容易地被调谐。本文讨论的天线结构也能够用于低频段-低频段载波聚合应用，其中在低频率范围的不同部分中的两个频道必须被组合在一起。
为了让本文中讨论的多频段天线结构起作用，电抗调谐设备1024(即DVC 400)必须具有优异的性能。下面的表II显示了实现双谐振PIFA的关键性能参数。
表II
Figure BDA0002035289720000101
可变电抗器件1024放置在臂1012的端部1022处或附近。这是电压达到其最大值的谐振器区域。这是天线上的非50欧姆区域，因此电压电平可能非常高(>40VRMS)。MEMS DVC是唯一可同时呈现所有关键性能参数并在高压环境下保持这些参数的设备。
虽然前述内容针对本公开的实施例，但是可以在不脱离本公开的基本范围的情况下设计本公开的其他和进一步的实施例，并且本公开的范围由所附权利要求确定。

Claims (13)

1.一种用于无线通信的设备(1000)，包括：
接地平面(1002)；
天线结构(1004)，其包括：
金属框架(1030)；
耦合到馈电点(1016)和所述金属框架(1030)的第一腿部(1006)；
耦合到所述接地平面(1002)和所述金属框架(1030)的第二腿部(1008)；
耦合到所述接地平面(1002)的第三腿部(1010)；以及，
耦合在所述第二腿部(1008)的第一端部(1018)与所述第三腿部(1010)的端部(1022)之间的臂(1012)，其中，所述第一端部(1018)位于所述第二腿部(1008)的中部，并且所述第三腿部(1010)的端部(1022)与所述第三腿部(1010)的与所述接地平面(1002)耦合的部分相对；以及
通过所述第三腿部耦合到所述接地平面(1002)和所述臂(1012)的可变电抗器件(1024)，其中，所述可变电抗器件(1024)是MEMSDVC；
其中，所述天线结构(1004)中有两个低频段谐振区域，所述低频段谐振区域中的一个是固定的，所述低频段谐振区域中的另一个由于所述可变电抗器件(1024)的存在而是可变的。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述设备(1000)是移动电话。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述金属框架(1030)具有固定的谐振频率。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述臂(1012)具有可变的谐振频率。
5.如权利要求1所述的设备，其中，所述可变电抗器件(1024)具有0.5pF的电容。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述可变电抗器件(1024)的等效串联电阻小于0.5ohm。
7.如权利要求1所述的设备，其中，所述可变电抗器件(1024)的线性度大于85dBm。
8.如权利要求1所述的设备，其中，所述可变电抗器件(1024)的电压处理大于40VRMS。
9.如权利要求1所述的设备，其中，所述可变电抗器件(1024)的电容范围大于5:1。
10.一种使用用于无线通信的设备(1000)的方法，其中，所述设备(1000)包括：接地平面(1002)；天线结构(1004)，所述天线结构包括：金属框架(1030)，耦合到馈电点(1016)和所述金属框架(1030)的第一腿部(1006)，耦合到所述接地平面(1002)和所述金属框架(1030)的第二腿部(1008)，耦合到所述接地平面(1002)的第三腿部(1010)，和耦合在所述第二腿部(1008)的第一端部(1018)与所述第三腿部(1010)的端部(1022)之间的臂(1012)，其中，所述第一端部(1018)位于所述第二腿部(1008)的中部，并且所述第三腿部(1010)的端部(1022)与所述第三腿部(1010)的与所述接地平面(1002)耦合的部分相对；以及耦合到所述接地平面(1002)和所述臂(1012)的可变电抗器件(1024)，其中，所述可变电抗器件(1024)是MEMSDVC；并且其中，所述天线结构(1004)中有两个低频段谐振区域，所述低频段谐振区域中的一个是固定的，所述低频段谐振区域中的另一个由于所述可变电抗器件(1024)的存在而是可变的，所述方法包括：
在相同频段内的两个紧密间隔的频道中调谐该天线结构(1004)。
11.如权利要求10所述的方法，其中，频段工作在698到960MHz的频率范围内。
12.如权利要求10所述的方法，其中，频段工作在1710到2170MHz的频率范围内。
13.如权利要求10所述的方法，其中，频段工作在2300到2700MHz的频率范围内。
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