CN110380192A - 电子设备的超薄辐射系统 - Google Patents

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Abstract

一种无线设备，包括至少一个具有超薄辐射结构的超薄辐射系统和一个射频系统。该超薄辐射结构包括一个或多个增强条。增强条的特点是具有超薄宽度和因子和高度因子，可方便地集成于无线设备之内，并可在接地平面层的谐振模式下激发。这种位置因子使增强条能够在可用的空间内达到最佳的射频性能。至少一个超薄辐射系统经配置后可以在一个或多个电磁波谱的频率区域中辐射和接收电磁波信号。

Description

电子设备的超薄辐射系统
本申请是国际申请号为PCT/EP2015/066778、国际申请日为2015 年7月22日、中国申请号为201580041769.0、题为“电子设备的超 薄发射系统”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明主要涉及需要发射和/或接收电磁波信号的电子设备领 域，特别是无线电子设备内的超薄辐射结构。
背景技术
无线电子设备通常处理一个或多个蜂窝通讯标准，和/或无线连 接标准，和/或广播标准。每一种标准被分配在一个或多个频段，且 频段包含在一个或多个电磁频谱区域之内。
因此，典型的无线电子设备必须包含可在一个或多个频域内运 行的辐射系统，具有可接受的无线电性能(比如：反射系数、驻波比、 阻抗带宽、增益、效率或辐射模式)。无线电子设备中的辐射系统一 体化必须有效确保整体设备达到良好的无线电性能(比如：辐射功率、 接收功率、灵敏度)，且不受电子元件和/或人为加载的影响。
此外，无线电子设备中的空间通常有限，因此辐射系统不得不 安装在有限的空间里。希望辐射系统尽可能少地占用设备内的小空 间，使设备体积更小，或用于附加更多的特定元件和功能到设备上。 同时，将辐射系统做成扁平的有时很方便，这是因为这样可以使设 备变得更薄。因此，许多无线设备的要求也会转为对其中的辐射系 统的具体要求。在无线设备是多功能无线设备的情况下，上述要求 更为重要。共有的专利申请WO2008/009391和US2008/0018543对 多功能无线设备做出了描述。上述专利号WO2008/009391和US2008/0018543的全部内容现被纳入，以供参考。
对于一个良好的无线连接，会进一步要求高效。辐射系统其他 更常见的设计要求还有反射系数(或驻波比SWR)，及50欧姆左右的 阻抗。无线手持或便携式设备的辐射系统的其它要求有竞争性成本 和低价SAR(特殊元件)。
此外，辐射系统必须集成至设备里，换句话说，无线设备的建 构必须使适当的辐射系统整合其中，然而，机械元件、电气元件和 其他组件配的安装会为此增加额外负担。
通常情况下，更重要的是辐射系统的鲁棒性，这意味着辐射系 统在受到设备和人为加载的较小冲击下不会改变其属性。
除了射频性能，小尺寸及减少人体和附近电子元件的干扰，也 是现有技术的限制之一。通常情况下，每种特殊无线手持设备模型 都带有定制的天线系统。每种设备模型的机械构造各有不同，可供 安装天线的空间严重依赖无线设备模型的形状系数及装配在设备内 的多种元件的排列(即：显示器、主板、电池、连接器、摄像头、闪 光灯、扬声器、芯片组和内存设备等)。因此，设备内的天线大多专 门为单一款型号设计，导致成本升高，上市延迟。反之，用于辐射 结构的天线元件的设计和集成通常为每一种无线设备定制，具有不 同的形状系数或平台，或不同设备功能块分配，因此这些天线元件 及其设备内集成都会被迫几乎从零开始重新设计。
无线手持或便携式设备的辐射系统通常包含带有天线元件的辐 射结构。该元件与接地平面层共同操作，具有电磁频谱的一个或多 个频域内确定的射频性能。通常情况下，天线元件的尺寸接近辐射 结构运行频率四分之一波长的整数倍，使天线元件在操作频率处谐 振或基本接近共振，且辐射模式在天线元件上激发。
天线元件在电磁频谱的不同区域多个频段运行，通常机械形状 复杂且尺寸很大，这主要是由于天线性能跟天线元件的电气尺寸高 度相关。
跟辐射结构特别是无线设备内的天线元件集成有关的另一个问 题是为这种集成设计的体积因为更小和/或更薄的新无线设备形状因 子的出现而不断收缩，而且在同一个无线设备内还需要不断增加不 同的功能。因此，从一般常识来看，追求更薄的无线设备的趋势与 传统天线设备性能最大化无法兼容。此外，众所周知，天线尺寸(与 操作波长相关)和性能也有着很大关系。
一些缩小和/或优化天线元件多波段行为的技术在之前的工艺中 已做描述。然而，其中描述的辐射结构仍依靠激发每个运行频带的 天线元件的辐射模式。这种事实导致天线构造设计复杂，尺寸大且 对外部影响很敏感(如：塑料或介质覆盖了整个无线设备)。而且，天 线对放置于其附近或下方的无线设备组件(包括但不限于扬声器、麦 克风、连接器、显示器、机套、震动模块、电池或电子模块或子系 统)和/或人为加载也很敏感。多波段天线系统对上述任何方面都很敏 感，因为它们可以改变辐射元件不同的电磁部分之间的电磁耦合， 通常导致失谐效应，使天线系统射频性能和/或无线设备的射频性能 降低和/或与用户的相互影响更大(如：增加特殊元件的级别)。
因此，本发明所述的辐射系统无需一个复杂和/或大型的由多臂、 槽、孔，和/或开口的天线组成，一个复杂的机械设计更有利于减少 不需要的外部影响，并简化无线设备内的集成情况。
一些其他研究以无需复杂几何形状的天线元件为焦点，同时依 旧通过在无线设备中使用可在一个或多个频率范围内不共振的天线 元件以提供一定程度的小型化。
例如：W02007/128340描述的无线便携式设备包含非谐振天线元 件，可接收广播信号(如：DVB-H,DMB,T-DMB或FM频段)。该无线 便携式设备还包含与所述天线元件一起使用的接地平面层。尽管该 天线元件具有一个第一谐振频率，且处于无线设备运行频率范围之 上，但天线元件仍主要负责辐射过程和无线设备的射频性能。很明 显，辐射模式不可以在接地平面层被激发，因为接地平面层在操作 频率下电能不足(即：它的尺寸比波长小得多)。对于这种非谐振天线 元件来说，需添加匹配电路，从而使天线与有限频率范围内的驻波 比等级相匹配。在这种特殊情况下，驻波比等级可以达到SWR≤6。 这种级别的驻波比和有限带宽导致天线元件接收电磁波信号仍可接 受，但电磁波发射效果并不理想。鉴于这种限制，虽然无线便携式 设备的性能可以足够接收电磁波信号(如：广播服务信号)，但天线元 件却不能提供可接受的通讯服务性能(如：在反射系数或增益方面)， 因为这种服务也需要电磁波信号的传播。
共有的专利申请WO2008/119699和US2010/0109955描述了无 线手持或便携式设备包含一个辐射系统能够在两个频域内运行。该 辐射系统包含接地平面层和天线元件，这个天线元件具有上述两个 频域外的谐振频率。在这种无线设备内，虽然接地平面层是用来加 强运行两个频域内辐射系统的电磁性能，但还必须激发在天线元件 上的辐射模式。事实上，该辐射系统依赖于天线元件谐振频率和接 地平面层谐振频率之间的关系，从而使辐射系统在上述的两个频域 内正常运行。然而，该解决方案仍然依赖于天线元件，天线元件的 大小与两个频域外部的谐振频率相关。上述申请号WO2008/119699 和US2010/0109955的全部内容现被纳入，以供参考。
一个不同的辐射系统在美国专利号6,674,411中披露。其中，平 面倒L形天线(即，贴片天线)有一个放在上面矩形板组成的辐射元件 与接地平面层基本平行。该天线与配置的网络连接在第一频域和一 个第二频域中的频段提供匹配。因此天线系统仅限于在两个频域内 的单频段运行。在寻求多频段运行时，天线系统需要一个切换(有源) 匹配网络的开关，提供每个频段内匹配的非同步阻抗。因此尽管有 天线占据一个大空间(20X10X8mm<3>),相比双波段可以同步提供运 行而言并不算多。
基于上述原因，无线设备制造商将空间专用于集成辐射结构， 特别是天线元件，将其作为一种投资以为手持或便携式设备提供通 讯能力。
为了尽量减少无线手持或便携式设备所占的空间，近来手机天 线设计的趋势是，通过使用更小的非谐振元件，以尽可能提高接地 平面层对辐射程序的作用。然而，非谐振元件通常被迫包含一个复 杂的射频系统。因此，这些技术的挑战主要取决于上述的复杂问题(电 感元件、电容、及传输线的结合)，都需要满足阻抗带宽和效率规范。
共同拥有的专利申请，WO2010/015365,和WO2010/015364用于 解决上述一些缺点。也就是说，它们描述了一个无线手持或便携式 设备。这种设备包括带有辐射结构的辐射系统和一个射频系统。该 辐射结构是由一个具有适当尺寸的接地平面层形成，以支撑至少一 个有效的辐射模式和至少一个能够将电池能量传送至上述接地平面 层的辐射增强器。该辐射增强器在运行的任何频域是非谐振的，因 此，射频系统是用以将辐射结构和所需的运行频段相匹配。
更特别的是，在WO2010/015364里，每一个辐射增强器都是运 行在特定频域内。因此，该射频系统以这样一种方式进行设计，即 与第一个辐射增强器相关的第一个内部端口与第二个辐射增强器相 关的第二个内部端口高度隔离。所说的射频系统通常包含一个匹配 的网络。该网络包含适用于每一个运行频域的谐振器，和一套适用 于每一个运行频域的过滤器。因此，由于组件额外损耗可能影响效 率，上述射频系统需要多个阶电路和良好性能的辐射系统。由于每 个辐射增强器通常要求在特定频域运行，在一些应用中带宽的能力 会受到限制，特别是在低频域需要极宽带宽的应用，如： LTE700,GSM850和GSM900标准的无线设备操作。
常有的专利申请号WO2014/012796和US2014/0015730披露了 一个集成的无线设备包含一个由一个辐射结构和一个射频系统组成 的辐射系统，该设备运行两个或更多电磁频谱的频域。所说的辐射 系统的特征就是在至少两个频域运行，由一个辐射增强器，或由至 少两个辐射增强器，或由至少一个辐射增强器和至少一个天线元件 实现，其中射频系统修改辐射结构的阻抗，在辐射系统运行的至少 两个频域内的辐射系统提供匹配阻抗。上述申请号码 WO2014/012796和US2014/0015730的全部内容现被纳入，以供参考。
共有的专利申请号WO2014/012842和US2014/0015728描述的 是紧凑、体积小、重量轻的辐射增强器在单个或多个频段内的运行。 这样的辐射增强器被用于辐射系统，该系统可以嵌入到无线手持设 备。上述的专利申请进一步描述辐射增强器的结构和制造方法。这 些方法能够减少增强器和设备内的上述信号增强器嵌入的整个无线 设备的成本。上述申请号WO2014/012842和US2014/0015728的全 部内容现被纳入，以供参考。
另一项技术，正如在美国专利7,274,340,披露的那样，基于使用 两个耦合元件。根据该发明所述，四波段操作(GSM1800/1900和 GSM850/900频段)有两个耦合元件：一个低频(LB)耦合元件(用于 GSM850/900频段)和一个高频(HB)耦合元件(用于GSM1800/1900频段)，通过额外的两个匹配电路提供匹配阻抗，一个用于低频耦合元 件，另一个用于高频耦合元件。尽管使用了非谐振元件，但该元件 的尺寸对于低频来说相对较大，是低频段最低频率自由空间波长的1 至9.3倍。鉴于如此大的尺寸，低频元件将是高频的一个谐振元件。此外，这种解决方案的操作跟接地平面层的最大电场强度和耦合元 件的接入密切相关。低频元件的尺寸反而增加了天线模块所需印刷 电路板(PCB)的空间。根据该发明所述，在低频区的带宽是 133MHz(从821MHz至954MHz)，对一些申请所要求的更宽带宽是 不够的，特别是低频区，比如：无线设备在LTE700，GSM850和 GSM900标准范围内操作。
因此，无需天线元件并包含一个超薄辐射系统的无线设备可以 更轻松地将超薄辐射结构集成于无线电子设备之中，减少分配至超 薄辐射系统电子设备的数量，为设备提供一个更适合的射频性能， 以在更广泛的通讯频段内操作。体积大造型复杂的天线元件消失之 后，释放了一定空间，这个空间可用来安装更小和/或更薄的设备， 如超薄电子设备，或者采用全新形式的由于巨大天线元件的存在目 前无法使用的元素。此外，通过精确消除需要定制的元件寻找一个 标准的解决方案。这种方案只需要细微的调整，就可以在不同的无 线电子设备实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种包含超薄辐射系统的电子设备(例如但 不限于：手机、智能手机、平板电脑、PDA、MP3播放器、耳机、 USB加密狗、笔记本电脑、台式电脑、游戏设备、GPS系统、数码 相机、智能手表等可穿戴的设备、PCMCA、CARDBUS32卡、传感 器或一般与多项设备功能结合的多功能无线设备)，超薄辐射系统涵 盖范围广泛的射频，可处理多个通讯频段并表现出适当的射频性能。
本发明另一个目的是提供适合装入电子设备特别是超薄电子设 备中的超薄辐射系统。
本发明另一个目的是提供一个标准的超薄辐射系统，只需微小 调整便可安装在不同的电子设备之中。
本发明的另一个目的是获取辐射增强器的位置(在设备上)，特别 是获取最佳频宽数值的增强条(即，信号放大器，booster bars)。
根据本发明所述，一个电子设备可能是直板条形状，这意味着 它的配置为单体。也有可能是一个双体配置，比如：翻盖、翻转式、 旋转式或滑块结构。在某些情况下，该设备可能只有一个配置，但 含有三个甚至更多的机体。此外或另外机体部分(即：带一个屏幕)还可能有一个扭曲的配置(即：在两个或更多的最好不要平行的旋转 轴上旋转)。该电子设备可以包含储存模块，处理电路模块，用户接 口模块、电池和无线通讯模块。
该无线通讯模块可能包含超薄辐射系统，射频收发电路，功率 放大器和基本频段模块。该超薄辐射系统可以通过导电路径与功率 放大器相连，并且通过导电路径与无线收发电路相连。无线通讯模 块可以包含多路复用平台，该多路复用平台通过导电路径与超薄辐 射系统相连接。
符合本发明的超薄辐射系统可能包含一个超薄辐射结构，一个 射频系统，至少一个内部导电路径及至少一个外部导电路径。该超 薄辐射结构可能包含一个接地元件和至少一个辐射增强器。在某些 实例中，可能是一个通过间隙与接地元件相分离的增强条。
超薄辐射结构可能包含一个接地元件和一、二、三、四个甚至 更多个辐射增强器。在一些首选的实例中，上述辐射增强器可能是 具有一个细长的形状的增强条。在一些首选方案中，每一个增强条 或辐射增强器是通过间隙与接地平面层相分离。
本发明的一方面涉及超薄辐射系统接地元件(或接地平面层)作 为辐射的主要来源的使用。
一个辐射增强器在某些实例中包含介电材料，标准的介电材料 单层间隔两个或更多的导电元件。标准的介电材料单层指的是具有 标准厚度而且是现成的介电材料。例如,0.025”(0.635mm),0.047” (1.2mm),0.093”(2.36mm)或0.125”(3.175mm)是市场上供应的普通/ 标准厚度的介电材料。介电材料可能包括玻璃纤维(阻燃4)FR4、 Cuclad(镀铜)、氧化铝、KAPTON(聚酰亚胺)、陶瓷及来自罗杰斯公 司的商业层压板和基板(和层压板,Duroid基板及 类似产品)或其它适合的非导电材料。
该辐射增强器的形成可以是在介电材料的一个第一和一个第二 表面内打印或存储导电材料(即,顶部和底部)，并添加几个连通件将 第二表面导电材料和第一表面的导电材料电连接。在第一表面和第 二表面的导电材料可能具有一个基本的多边形形状。一些可能的多 边形形状，例如但不限于：正方形、矩形及梯形。当上述第一和第 二材料表面的导电材料具有一个矩形的细长形状，辐射增强器表现 为增强条形状；一个增强条可能也会包括将第一表面导电材料与第 二表面导电材料电相连接的连通件。
增强条形状细长，其特征在于两个超薄形状因子：一个超薄宽 度因子和一个超薄高度因子。该超薄宽度因子是增强条的宽度和增 强条的长度之间的比率。该超薄高度因子是增强条的高度和增强条 的长度之间的比率。
该超薄宽度因子是增强条的宽度和长度之间的特定比率，而超 薄高度因子是增强条的高度和长度之间的特定比率。在一个首选的 实例中，超薄宽度因子和超薄高度因子的值大于2，例如，在这些实 例中的一个或多个，超薄宽度因子的值大于3，首选大于3.5，及超 薄高度因子大于4。在另一个首选方案中，超薄宽度因子的值大于6， 和/或超薄高度因子大于6。在另一个首选方案中，超薄宽度因子的 值大于6，和/或超薄高度因子大于9。在一些次首选方案中，超薄宽 度因子和超薄高度因子两者之值在1和2之间。一个增强条的超薄宽度因子和超薄高度因子可以生成上述列明的任何值，仍小于25， 且最好小于10。
一个辐射增强器可能包含一、二个或多个电连接的增强条，形 成一个适合在一个假想的直径小于三分之一弧度的球体的增强器元 件，并与超薄辐射系统运行的最低频率相对应。这样的一个增强器 元件也可能被一个超薄宽度因子、一个超薄高度因子和一个位置因 子特定。本发明的任何增强器元件可能被一个超薄宽度因子和一个 超薄高度因子限制，这些因子每一个值在1和10之间，而首选在2 和10之间。
本发明的一个有利方面是一个可建在标准的介电材料单层上的 增强条，具有制造成本竞争优势。
本发明另一个有利方面是引用了一个具有超薄宽度因子和/或超 薄高度因子的增强条，能使增强条在电子无线设备内只占很小的空 间，并且能使其可集成于超薄电子设备或柔性的电子器件之中。
本发明另一个有利方面是引用了一个增强条的位置和超薄形状 因子，可以确保最有利频宽的可用空间。
辐射增强器就如一个增强条，由空隙与接地平面层相分开。在 本文件的上下文中，间隙是指接地平面层边缘的点和辐射增强器的 底部导电表面边缘的点之间的最小距离。辐射增强器的位置由辐射 增强器的宽度和间隙之间的比率这一位置因子特定。在一个首选的 实例中，位置因子是在0.5和2之间。在另一个首选实例中，位置因 子是在0.3和1.8之间。
超薄辐射系统的每个辐射增强器有利于在发射过程中将电磁能 量从射频系统传至接地元件上，并在接收过程中将电磁能量从接地 元件传到射频系统。辐射增强器在接地元件内激发辐射模式，能从 接地元件辐射。
辐射增强器的外形及其位置与接地元件有关，经过配置可实现 接地元件辐射模式的适当激发。选用位置因子是为了使用某种形状 因子的辐射增强器(尤其是增强条)获取最佳频率。
除了辐射增强器的形状因子外，间隙也与适当在接地平面层激 发辐射模式相关，以便获取最有利的频率带宽。如果未能正确选择 位置因子，则超薄辐射系统的带宽可能会降低。
选择增强条的位置因子和超薄形状，以确保获取最有利频率带 宽的同时，最大限度地减少增强条在电子设备内所占的空间量。
超薄辐射结构安装在电子设备内，通过导电路径连接至射频系 统。辐射增强器通过导电路径与接地元件连接，并与接地元件保持 一定距离。上述导电路径组成一个导电元件，这种导电元件可能为 线性元件或包括一个表面。该导电元件可能由，包括但不限于：金属条和/或导电线路组成。
在一些实例中，超薄辐射结构包含一个作为超薄辐射结构接地 平面层的接地元件或导电材料。在其他一些实例中，超薄辐射结构 可能包含二、三个或更多的接地元件或导电材料，将其作为辐射结 构的接地平面。在这种实例中，多个接地元件可以相互电连接。
根据本发明所述，超薄辐射结构至少有一个辐射增强器，其最 大尺寸至少小于对应于运行的第一频域最低频率自由空间波长 1/15。在某些情况下，上述最大尺寸也可能小于对应于运行的第一频 域最低频率自由空间波长的1/20，和/或1/25，和/或1/30，和/或1/50， 和/或1/100。在某些情况下，至少有一个辐射增强器适宜在虚拟球形 范围内有一个直径小于上述自由空间波长的球形范围的1/3，或首选 小于1/4，或首选小于1/6，或甚至更小至1/10。该球形范围定义为 一个虚拟范围，其半径等于运行波长除以2倍π(pi)。
因此，在某些实例中，至少有一个辐射增强器也具有最大尺寸 小于对应于运行的第二频域最低频率自由空间波长的1/15，和/或 1/20，和/或1/25，和/或1/30，和/或1/50。在某些情况下，至少有一 个辐射增强器适宜在虚拟球形范围内有一个直径小于上述自由空间 波长的球形范围的1/3，或首选小于1/4，或首选小于1/6，或甚至更 小至1/10。
此外，在这些实例中，至少有一个辐射增强器的最大尺寸大于 对应于上述第一频域最低频率自由空间波长的 1/1400,1/700,1/350,1/250,1/180,1/140,或1/120。
辐射增强器最大尺寸主要由完全封闭上述辐射增强器的增强器 盒的最大尺寸决定。辐射增强器在增强器盒中做以内切。更具体地 说，辐射增强器内的增强器盒定义为最小尺寸的平行正方形或长方 形表面，完全封闭辐射增强器，且其中上述最小尺寸的每一个平行 相切的平面是上述辐射增强器的至少一个点的切线。此外，上述最 小尺寸平面的每个边缘可能会形成一个90度的内直角。在这些情况 下，里面的辐射结构包含更多的辐射增强器，每个增强器盒均各不 相同。
在某些首选实例中，被增强器盒的两个最大尺寸定义的区域比 对应于第一频域的最低频率波长的正方形更小；特别是，上述区域 和对应于第一频域的最低频率的波长正方形的比率可能比下列百分 比更小：0.15％,0.12％,0.10％,0.08％,0.06％,0.04％,或甚至0.02％。 在某些实例中，被增强器盒的两个最大尺寸定义的区域和对应于第 二频域的最低频率波长的正方形的比率可能比下列至少一个百分比 小。0.50％,0.45％,0.40％,0.35％,0.30％,0.25％,0.20％,0.15％,0.10％, 或甚至0.05％。
此外，在某些实例中，根据本发明所述，至少一个辐射增强器 会全部装入一个有限的空间，其等于或小于L3/25000,在某些情况下， 等于或小于 L3/50000,L3/100000,L3/150000,L3/200000,L3/300000,L3/400000,或甚至 小于L3/500000,即对应于运行的第一频域最低频率的L波长。
根据本发明所述，超薄辐射系统经配置可处理多个通讯频段， 并在一个或多个展示使用射频性能的操作频域的通讯频段提供覆盖 范围，以及可接受级别的反射系数。设计超薄辐射系统的目的是辐 射和接收多个感兴趣的通讯频段的射频信号，包含可能添加的频段， 例如:通过提供未来蜂窝电话频段和/或数据服务频段。
在本文中，频段指的是特定蜂窝通讯标准、无线连接标准或广 播标准所使用的频率范围，而频域最好是指电磁波谱的连续频。例 如：GSM1800标准位于1710MHz至1880MHz的频段中，而GSM1900 标准位于1850MHz至1990MHz频段中。使用GSM1800和GSM1900 标准的设备必须安装辐射系统才能够运行在1710MHz至1990MHz 的频域中。再如，无线设备使用GSM850标准(配置在824MHz至 894MHz频段中)和GSM1800标准必须安装辐射系统才能够在两个 单独频域内运行。
有些频段超薄辐射系统可以配置辐射和接收信号的是，例如： GSM 850(824-894MHz),GSM 900(880-960MHz),GSM 1800(1710-1880MHz),GSM 1900(1850-1990MHz),WCDMA 2100(1920-2170MHz),CDMA 1700(1710-2155MHz),LTE 700(698-798MHz),LTE 800(791-862MHz),LTE 2600(2500-2690MHz),LTE 3500(3.4-3.6GHz),LTE 3700(3.6-3.8GHz),WiFi或WLAN(2.4-2.5GHz和/或4.9-5.9GHz)等。 根据本发明所述，无线手持或便携式设备可以使用1、2、3、4或更 多蜂窝通讯标准、无线连接标准和/或广播标准。每种标准配置在一 个、两个或更多的频段，上述频段包含在一个、两个或更多的电磁 频谱的频域内。
设计超薄辐射系统是为了在运行频域中提供一个可接受的反射 系数。根据本发明所述，超薄辐射系统经配置可在至少一个频域内 使用。在有些实例中，超薄辐射系统仅配置可适用于含有至少一个 第一频段的第一频域，以及含有至少一个第二频段的第二频域。这 种辐射系统经配置可满足射频带宽和频率覆盖目标的需要。根据本 发明所述的超薄辐射系统的优点是它在第一频域的阻抗带宽大于5 ％、10％、15％或甚至大于20％。此外，这样的辐射系统的特点还 有它在第二频域内的阻抗带宽大于5％,10％,15％,20％,25％,30％,35 ％,或甚至大于40％。阻抗带宽定义为频域的最高和最低频率差异除 以同样频域的中心频率。
由于辐射增强器尺寸很小，辐射增强器和增强条可能在一些或 全部的运行频率里出现电能不足的情况。根据本发明所述方法，超 薄辐射结构的特点是第一谐振频率，该频率在内部路径测量时，若 上述射频系统断开，则测量频率高于运行的第一频域的最高频率。 此外，当射频系统断开时，在内部路径测量的超薄散热结构的输入 阻抗可能会在上述第一频域的频率中形成很大电抗，尤其是电容性 电抗。在这种情况下，超薄辐射结构的第一谐振频率和第一频域的 最高频率的比率大于1.2。在某些情况下，上述比率可能甚至大于一 个或更多下列数值：1.5,1.8,2.0,2.2,2.4,2.6,2.8,或3.0。在一些实例中， 上述第一谐振频率和运行的第一频域的最低频率的比率大于1.3，或 甚至大于一个或更多的下列数值：1.4,1.5,1.8,2.0,2.2,2.4,2.6,2.8,或 3.0。
在一些实例中，当射频系统断开时，超薄辐射结构的第一谐振 频率，在内部路径测量值会比第二频域的最高频率高。上述第一谐 振频率和上述第二频域的最高频率之间的比率可能大于一个或多个 下列数值：1.0,1.1,1.2,1.4,1.6,1.8,或2.0。在一些其它实例中，上述第 一谐振频率是在第二频域内。在一些其他实例中，上述第一谐振频 率高于第一频域的最高频率，且低于第二频域的最低频率。
在本文中，与超薄辐射结构的辐射增强器相关的谐振频率指的 是超薄辐射结构的输入阻抗频率。当射频系统断开时，内部路径将 辐射增强器与射频系统相连接，在此所测量的阻抗虚拟部分等于或 基本等于零。
射频系统可以包含一个或多个匹配电路，对超薄辐射结构的阻 抗进行调整。超薄辐射结构提供了与超薄辐射系统相匹配的阻抗， 位于超薄辐射系统一个或多个运行频域的外部路径。
根据本发明所述的射频系统可以包含至少一个带有多阶电路的 匹配网络，例如：2、3、4、5、6或更多阶。阶电路包含一或多个电 路元件(例如但不限于：电感器、电容、电阻、跳线、短路线、延迟 线或其它电抗或电阻元件)。在某些情况下，一个阶电路在超薄辐射 系统的运行的频域或多频域可能会产生大量电感，而另一个阶电路 则在所述频域内产生大量电容，第三个阶电路可能会在所述频域产 生大量电阻。在一个实例中，阶电路可以基本表现为谐振电路(例如： 一个LC谐振并联电路或一个LC谐振串联电路)，位于超薄辐射系统运行的至少一个频域内。使用具有谐振电路行为的阶电路，可以使 给定匹配网络的一部分在给定频率范围或频域中有效连接至上述匹 配网络的另一部分，或在另一个频率范围或频域中有效地禁用。
在某些实例中，至少一个匹配网络使用并联阶电路(即分流电路) 代替串联阶电路(即串接电路)，从而形成一个梯形结构。在某些情况 下，一个包含两个阶电路的匹配网络形成一个L形结构(即：串联- 并联或并联-串联)。在某些情况下，一个匹配网络包含三个阶电路， 形成一个Π型结构(即：并联-串联-并联)或一个T型结构(即：串联- 并联-串联)。
在一些实例中，根据本发明所述的射频系统包含一个在梯形拓 扑中的匹配电路。这种匹配电路首选包括每个阶电路一个电抗元件。 在一些其他实例中，根据本发明所述，射频系统由至少包含一个LC 谐振串联电路和一个LC谐振并联电路的匹配电路组成。
在一个首选的实例中，一个电子设备包含一个超薄辐射系统， 该系统经配置可在电磁频谱的至少一个频域内辐射和接收电磁波信 号。该系统还包含一个超薄辐射结构，一个射频系统，以及至少一 个内部导电路径和至少一个外部导电路径。超薄辐射结构包含至少 一个接地元件和至少一个增强条。至少一个内部导电路径包含一个 导电元件。该元件将至少一个增强条连接至射频系统。射频系统包 含至少一个匹配电路，以调整超薄辐射结构的阻抗。超薄辐射结构 在至少一个外部导电路径中的至少一个频域中，提供与超薄辐射系 统相匹配的阻抗。至少一个增强条具有细长形状，特点是超薄宽度 因子大于3且超薄高度因子大于3，并由空隙与至少一个接地元件相 分开，其位置因子在0.5至2之间。
另一个首选实例是有关一个装有超薄辐射系统的电子设备。这 个系统由一个超薄辐射结构、一个射频系统、一个内部导电路径和 至少一个外部导电路径组成；超薄辐射系统经配置可辐射和接收在 一个第一频域和一个第二频域的电磁信号。超薄辐射结构包含至少 一个接地元件和一个由间隙与接地元件分开的增强条，特点是有一 个0.3至1.8之间的位置因子。内部导电路径包含一个导电元件，将 增强条与射频系统相连接。射频系统包含一个可调整超薄辐射结构 阻抗的匹配电路。超薄辐射结构在至少一个外部导电路径中的第一 和第二频域中，提供与超薄辐射系统相匹配的阻抗。第一和第二频 域最好相互分开，以便第二频域的最低频率高于第一频域的最高频 率。图15A至15F对这些实例的一些匹配电路进行了描述。
此外，本发明的一个优点是包含匹配电路的射频系统。匹配电 路可为第一和第二频域内的超薄辐射系统提供相匹配的阻抗。无需 将第一频域的频率从第二频域的频率分开的滤波电路或组件(即双工 器或大量滤波器等)，可独立在第一频域和第二频域提供匹配阻抗(即 在两个单独分路或电路中)。因此，首选匹配电路可以使用一个分路 在上述第一和第二频域内提供匹配阻抗。
根据本发明，一些首选匹配电路首选含有7个或以下的元件， 例如：2、3、4、5、6、或7个。这样的匹配电路首选不含有源电路 或元件。
在一些实例中，超薄辐射系统经配置可在一个第一频域和一个 第二频域辐射和接收信号，第二频域的最低频率和第一频域的最低 频率之间的比率可大于1.5。在这些实例中，上述比率也可大于 1.8,2.0,2.2,或2.4。此外，一些实例中，超薄辐射系统经配置可操作 第一和第二频域的信号，第二频域最低频率和第一频域的最高频率 之间的比率可大于1.2,1.5,1.8,2.0,2.2,或2.4。
因此，这种射频系统的优点是其在第一和第二频域内匹配阻抗 的效率很高。通过一个安装少量元件的匹配电路，可降低射频系统 的损耗，更有效应对元件的偏差。此外，通过不安装双工器之类的 滤波电路，射频系统可避免滤波电路所特有的插入损耗，也无需安装两个独立的匹配电路，所以使射频系统的元件更少，超薄辐射系 统在设备所占空间更小。
在一个第三首选的实例中，电子设备包含一个超薄辐射系统， 该系统由一个超薄辐射结构、一个射频系统、第一和第二内部导电 路径和至少一个外部导电路径组成；超薄辐射系统用来辐射和接收 一个第一频域和一个第二频域内的电磁波信号。超薄辐射结构包括 至少一个接地平面层、第一和第二辐射增强器，每个第一和第二辐 射增强器被间隙从接地平面层分开。第一内部导电路径含有的导电 元件将第一辐射增强器与射频系统相连接，第二内部导电路径也含 有一个将第二辐射增强器与射频系统相连接的导电元件。射频系统 含有一个匹配电路，该匹配电路连接第一和第二内部导电路径及外 部导电路径。匹配电路可调整超薄辐射结构的阻抗，为第一和第二 频域内的超薄辐射系统提供匹配阻抗。
在某些情况下，超薄辐射系统可以包含一个第一外部导电路径 和一个第二外部导电路径，且射频系统可以包括一个双工器滤波电 路。该电路能过滤第一和第二频域中的相关信号，可通过射频系统 中的匹配电路，对第一和第二频域内的上述阻抗进行匹配。双工器 的第一个端口连接匹配电路，剩下两个端口连接至第一和第二外部 导电路径。第一和第二外部导电路径分别包括来自第一频域和第二 频域的频率信号。
本发明进一步涉及到辐射增强器的电磁测试平台。上述平台在 上端有一个基本为方形的导电表面，且基本接近中心点。测试元件 垂直以单极配置方式放置于上述表面，而上述导电表面起着接地平 面层的作用。
这一基本为方形的导电表面的侧边尺寸大于参考运行波长。本 发明中，上述参考运行波长为频率等于900MHz的自由空间波长。 根据本发明的基本为方形的导电表面由铜制成，其侧面长度为60厘 米和厚度0.5毫米。
在如上所述的测试配置里，根据本发明的增强条的特点是第一 谐振频率和参考谐振频率(900MHZ)之间比率大于最小比率3.0。在 某些情况下，上述比率可以甚至大于下列最小比率： 3.4,3.8,4.0,4.2,4.4,4.6,4.8,5.0,5.2,5.4,5.6,5.8,6.0,6.2,6.6或7.0。
根据本发明的增强条的特点还有上述平台用所测量首选的辐射 效率，即频率等于900MHz时，辐射效率小于50％，首选小于40％、 30％、20％或10％，且在某些情况下，小于7.5％、5％或2.5％。这 些值都是非常低的效率值，因为额外1:3频率与如上所述的一些实例 中获取的频率不匹配或超出此频率。这样的频移将导致进一步的失 配损耗，导致整个天线效率低于5％，而通常是低于2％，因此对移 动电话或无线应用来说，这将通常认为是不可接受的。不过，很奇 怪的是，当至少一个增强条与根据本发明的超薄辐射系统的射频系 统组合在一起时，上述辐射系统可恢复标准无线设备性能所需的效 率。
附图说明
本发明的实例在所附的图中显示
图1A-1B–显示依据本发明实例制造的装有超薄辐射系统的无 线手持设备。
图2A-2D–方框图展示依据本发明一些实例制造的五例超薄辐 射系统。
图3–显示依据本发明所述的带有增强条的辐射结构透视图。
图4A-4B–图形显示了以增强条宽度的函数表示的几个超薄辐 射系统的带宽性能和间隙尺寸。
图5–图形显示了以三个不同深度值时增强条宽度的函数表示 的超薄辐射系统带宽性能和间隙尺寸。
图6–图形显示依据本发明所述的超薄辐射系统可接受的无线 电频率行为的例子。
图7–显示一例依照首选实例的超薄辐射结构透视图，该结构含 有四个增强条。
图8–依据本发明所述的超薄辐射结构与典型射频系统相连接 的平面图。
图9–图形显示超薄辐射系统的无线电频率行为，包括图7的超 薄辐射结构和图8的射频系统。
图10–依据首选实例制造的装有三个增强条的典型超薄辐射结 构的透视图。
图11–依据本发明，一例射频系统与超薄辐射结构的连线平面 图。
图12–图形显示超薄辐射系统的无线电频率行为，包括图10的 超薄辐射结构和图11的射频系统。
图13–显示依据本发明所述的典型超薄辐射结构。
图14A-14B–显示依据首选实例制造的射频系统的示意表示图。
图15A-15F–显示首选本发明一些实例中的六个匹配电路。
图16A-16F–显示在添加射频系统匹配电路的不同阶电路后，一 个典型超薄辐射系统的阻抗变换。
图17–显示图16的超薄辐射系统的反射系数图。
图18A-18B–显示的依据本发明所述的装有射频系统的典型超 薄辐射系统的阻抗和反射系数。
图19–显示依据本发明所述的典型辐射增强器。
图20–显示依据首选实例制造的超薄辐射结构和导电轨迹形式 中的内部电路。
图21A-21B–显示测量辐射增强器电磁特性的测试平台。
图22–显示依据本发明所述的辐射增强器的辐射效率和天线效 率，由图21A和21B所示的测试平台测试。
具体实施方式
从下列一些首选实例的详细描述，本发明的进一步特性和优点 将更为明显。上述本发明给定的一些首选实例的详细描述，仅以说 明为目的，绝不意味本发明的极限定义，随附视图作为参考。
显示符合本发明的说明性无线电设备包含超薄辐射系统，如图 1A和1B所示。图1A中的特殊安排中，无线电设备100是一台智能 手机，但也可以代表其他无线电设备比如：平板或台式电脑。超薄 辐射系统包含一个第一增强条101，一个第二增强条102，一个增强 器元件110，和一个接地元件105(可以包含一层或多层印刷电路板)。 增强器元件110包含两个连续的增强条：第三增强条103和第四增 强条104。通过导电路径106，第一增强条101连接至射频系统109； 通过导电路径107，第二增强条102连接至射频系统109；通过导电 路径108，增强器元件110连接至射频系统109。
图1B是视图中的一个无线手持设备150，该设备包含一个超薄 辐射结构和射频系统153。超薄辐射结构包含辐射增强器151(采取细 长形增强条的形式)和接地平面层152。增强条151通过内部导电路 径154与射频系统相连接，在这个特例中可能是印刷导电线路。
图1A和1B中，增强条被设置在无接地平面层的设备部分，所 以接地平面层上增强条的正交投影没有接地平面层，其分别包含接 地平面层105和152.在其它实例中，包含接地平面层的平面上的增 强条或其它辐射增强器的正交投影被接地平面层部分或全部重叠。
图2A显示无线设备超薄辐射系统的框图。超薄辐射系统201a 包含超薄辐射结构202a、射频系统203a、内部导电路径204a、和外 部导电路径205a。超薄辐射结构通过内部导电路径204a与射频系统 相连接，并通过外部导电路径205a与其他处理RF波信号的RF电路相连。依据这种框图制造的超薄辐射系统经过配置可在至少一个频 域或至少两个频域或至少三个频域内运行。
图2B显示依据本发明所述的电子设备的超薄辐射系统的另一个 框图。超薄辐射系统201b包含超薄辐射结构202b、射频系统203b、 两个内部导电路径204b和205b，及两个外部导电路径206b和207b。 超薄辐射结构通过内部导电路径204b和205b与射频系统相连接， 并通过外部导电路径206b和207b与其他处理RF波信号的RF电路 相连。依据这种框图制造的超薄辐射系统用在至少两个频域、或至 少三个频域运行。
图2C根据本发明所述，显示电子设备的另一个超薄辐射系统的 框图。超薄辐射系统201c包含超薄辐射结构202c、射频系统203c、 三个内部导电路径204c、205c和206c及三个外部导电路径207c、 208c、209c。超薄辐射结构通过内部导电路径204c、205c和206c 与射频系统相连，并通过外部导电路径207c、208c和209c与处理 RF波信号的其他RF电路相连。依据这种框图制造的超薄辐射系统 经配置可在至少三个频域内运行。
图2D根据本发明所述，显示电子设备超薄辐射系统的另一个框 图。超薄辐射系统201d类似于图2A中的201a。包含超薄辐射结构 202a、射频系统203d、内部导电路径204a、和两个外部导电路径205d 和206d。超薄辐射结构通过内部导电路径204a与射频系统相连接，并通过外部导电路径205d和206d与其它处理RF波信号的RF电路 相连接。射频系统203d可包含一个匹配电路用来提供在至少两个频 域匹配阻抗，及可以连接上述匹配电路并连接至外部导电路径的双 工器。符合这种框图的超薄辐射系统用来在至少两个频域运行。射频系统203d方便互联RF(射频)前端模块或RF(射频)电路包含第一和 第二频域的独立输入信号。如果此种RF前端模块(未展示)有一个全 部信号的输入/输出，图2A中的射频系统203a将更适合。
图3展示依据本发明所述的超薄辐射结构301的一个首选实例。 超薄辐射结构包含增强条303和接地平面层302，增强条包含介电材 料306的单一标准层，其具有顶部304和底部305的导电表面。增 强条长度为310、宽度为311和高度为312。沿着维度的增强条长度跟导电表面的顶部和底部的接地平面层是基本平行的，宽度跟导电 表面的顶部和底部的接地平面层基本垂直的，高度是顶部导电表面 和底部导电表面的最小距离。在一些实例中，增强条在一个第一和 一个第二表面上装有衰减器，以便增强条安装可以逆转，顶边和底 边可以互换。
增强条的尺寸和形状的特点是超薄宽度因子和超薄高度形状因 子。超薄宽度因子是增强条的长度和宽度之间的一个比率，超薄高 度因子是增强条长度和高度之间的一个比率，超薄宽度因子和超薄 高度因子首选大于3。在此例中，增强条经配置可在600MHz-6GHz 范围内一个或多个频段里运行的(即：GSM 850(824-894MHz),GSM 900(880-960MHz),GSM1800(1710-1880MHz),GSM 1900(1850-1990MHz),WCDMA 2100(1920-2170MHz),CDMA1700(1710-2155MHz),LTE 700(698-798MHz),LTE 800(791-862MHz),LTE 2600(2500-2690MHz),LTE 3500(3.4-3.6GHz),LTE 3700(3.6-3.8GHz),WiFi(2.4-2.5GHz和/或 4.9-5.9GHz)),长度是10毫米、宽度是3.2毫米、高度是3.2毫米,超 薄宽度因子3.125和超薄高度因子3.125。在这些或其它实例中，上 述尺寸在标准的公差范围内，比如：+/-1％-3％，在某些情况下，可 变化10％。增强条由间隙313与接地平面层相互分开，该间隙是底 部导电层和接地平面层的最小距离。该间隙距离加增强条宽度311 正好是辐射增强器的深度。与接地平面层相关的增强条位置具有位 置因子的特征。位置因子是增强条的宽度和间隙之间的比率，位置 因子首选范围是0.5至2之间。在此例中，宽度是3.2毫米，间隙是 3.3毫米，位置因子是0.96，深度是6.5毫米，所有这些尺寸都在标 准的公差范围内，比如：+/-10％变动。
图4A和图4B展示超薄辐射系统射频性能内增强条位置和宽度 的相关性的两个例子；超薄辐射系统的射频性能受涉及接地平面层 和增强条宽度的增强条位置的影响。图4A和图4B绘制由六个超薄 辐射系统实现的以增强条宽度的函数表示的潜在带宽和间隙尺寸。 曲线401代表超薄辐射系统潜在带宽，该系统包含由高度2.4毫米和 长度11.5毫米的增强条。曲线402代表超薄系统潜在带宽，该系统 包含一个3.2毫米高和9毫米长的增强条。曲线403代表超薄辐射系 统的潜在带宽，该系统含有高2.4毫米和长10.5毫米的增强条。曲线404代表超薄辐射系统的潜在带宽，该系统含有3.2毫米高和7 毫米长的特定增强条。曲线405代表超薄辐射系统的潜在带宽，该 系统含有2.4毫米高和9毫米长的增强条。曲线406代表超薄辐射系 统的潜在带宽，该系统含有2.4毫米高和7毫米长的增强条。如图 4A和图4B所示，超薄辐射系统的潜在带宽取决于增强条的宽度尺 寸和涉及接地平面层的增强条的位置；对于每一个曲线来说，都会 有一个实现最佳带宽值的区域。在本发明中，这种区域是指有效的 带宽区域。该区域与一定位置因子值相对应，给出超薄辐射系统最 优带宽值的区域。位置因子的首选值在0.5和2之间的范围内。这种 结果与常见观点相驳，这是因为天线元件宽度更宽，带宽便更大， 比如：单极天线。
图5展示另一个超薄辐射系统的射频性能上的增强条的宽度和 位置的影响；超薄辐射系统的射频性能受增强条的宽度和接地平面 层方面增强条位置的影响。图5显示超薄辐射系统实现的以增强条 宽度为函数表示的潜在带宽和间隙尺寸；三条曲线501、502和503 呈现超薄辐射系统潜在带宽，该系统包含高3.2毫米和长7毫米的增 强条。曲线501指的是深度7.5毫米的增强条，曲线502对应深度7 毫米，而曲线503对应深度6.5毫米。如前图4A和4B所示,超薄辐 射系统的潜在带宽取决于增强条宽度和间隙大小。间隙将增强条与接地平面层互相分开；对于每条曲线来说，都会有一个实现最佳带 宽值的有效带宽区。
描述超薄辐射系统射频性能的特征的一个方法是使用反射系数 图；反射系数小于-4.4dB是普遍可以接受的。图6展示一例依据本 发明所述的超薄辐射系统的可接受射频性能。超薄辐射系统包含的 增强条的宽度形式因子3.125、高度形式因子3.125和位置因子0.96。 曲线601显示超薄辐射系统与频率反射系数，而直线602显示一个 可接受反射系数的参考标准。此例中，运行频域的所有频率反射系 数小于-4.4dB，其覆盖一个频率范围为824MHz至960MHz。此频率 范围能使超薄辐射系统用于覆盖至少两个通讯频段比如：824MHz至894MHz频段和880MHz至960MHz频段。这两个频段是可覆盖 超薄辐射系统的频段例证，其它频段也可以由超薄辐射系统处理。 另一个实例中，超薄辐射系统适当的射频性能对应于-6dB或更小的 反射系数,适用于运行频率范围的所有频率。
图7展示一例依据本发明所述的首选超薄辐射结构。该结构适 用于经配置可在第三频域运行的超薄辐射系统。超薄辐射结构701 含有一个第一增强条702、一个第二增强条703、一个增强器元件 704，组成两个相邻的增强条705和706，及接地平面层707。如图3 所示,每个增强条含有介电材料的标准单层，这些材料具有顶部和底 部导电表面；此例中，介电材料高3.2毫米。此例中，第一和第二增 强条702、703有超薄宽度因子3.125，超薄高度因子3.125和位置因 子0.96；增强器元件704有超薄宽度因子6.25.超薄高度因子6.25， 位置因子0.96。总之，任何适合的形状可以用于接地平面层。图7 展示一例依据本发明所述的超薄频率结构。该结构适用于经配置可 在三个频域运行的超薄辐射系统。接地平面层707包含间隙区域， 该区域可以用来安装电子无线设备其它元件，或调整接地平面层至 电子无线设备形状，或仅为SAR目的。接地平面层矩形708(虚线呈 现只为说明目的)特定为最小尺寸矩形围绕接地平面层707。即，接 地平面层矩形是一个至少在接地平面层的一个点切面的矩形。依据 本发明所述，接地平面层的第一长边是指接地平面矩形的一个长边 709或710；接地平面层的第二长边是指接地平面矩形的第二个长边 710或709；接地平面层的第一短边是指接地平面矩形的一个短边 711或712；接地平面层的第二短边涉及接地平面矩形的第二个短边 712或711。
图8显示射频系统805通过内部导电路径802、803和804，连 接至超薄辐射结构801。适合超薄辐射结构801连接至射频系统805 的实例是如图7所示的超薄辐射结构。射频系统805含有一个第一 匹配电路806，一个第二匹配电路807，和一个第三匹配电路808。 第一匹配电路806经配置可确保超薄辐射系统在第一频域通过外部 导电路径809与其它电路相连接，且阻抗相匹配。第二匹配电路807 用来提供阻抗匹配第二频域为其它电路连接至外部导电路径810。第 三匹配电路808用来保证超薄辐射系统保证超薄辐射系统在外部导电路径811的第三频域阻抗被匹配。因此第一、第二和第三匹配网 络用来确保可接受反射系数的参考标准超过第一、第二和第三运行 频率范围。每个第一、第二和第三匹配电路含有一个无源元件网络 比如电感和电容，其与适合结构一起安排，比如：一个电感加一个 LC网络。其它适合可匹配电路可用来确保超薄辐射系统在运行频域 阻抗相匹配；其它适用的匹配电路可包含一个无源和/或有源元件的 网络，这些元件可和其它结构一起配置。
图9展示超薄辐射结构701与射频系统805互联后，超薄辐射 系统的射频性能。曲线901显示超薄辐射系统辐射反射系数与外部 路径809端点频率的对比；曲线902显示超薄辐射系统辐射反射系 数与外部路径810端点频率的对比；曲线903显示超薄辐射系统辐 射反射系数与外部路径811端点频率的对比，电线904显示一个可 接受反射系数的参考标准。此例中，反射系数901小于-4.4dB，是为 了第一运行频域905的全部频率。反射系数902小于-4.4dB，是为了 第二运行频域906的全部频率；及反射系数903小于-4.4dB，是为了 第三运行频域907的全部频率。超薄辐射系统的第一运行频域905 覆盖第一频率范围大约698MHz至大约798MHz,超薄辐射系统的第 二运行频域906覆盖频率范围大约824MHz至大约960MHz，超薄辐 射系统第三运行频域907覆盖第三频率范围大约1710MHz至大约 2690MHz。第一频率范围能使超薄辐射系统能够用以覆盖至少三个 通讯频段，例如：699MHz至746MHz频段、746MHz至787MHz频 段，以及758MHz至798MHz频段。第二频率范围能使超薄辐射系 统覆盖至少两个通讯频段，比如：824MHz至894MHz频段和880MHz 至960MHz频段。第三频率范围能使超薄辐射系统覆盖至少5个通 讯频段，比如：1710MHz至1880MHz频段、1850MHz至1990MHz 频段、1920MHz至2170MHz频段、2300MHz至2400MHz频段和 2496MHz至2690MHz频段。其它可取的通讯频段也可以由超薄辐射 系统处理。
图10展示另一例依据本发明所述的超薄辐射结构；超薄辐射结 构适合超薄辐射系统用于在至少两个频域内运行。超薄辐射结构 1001包含一个第一增强器元件1002，其包含一个第一增强条1003 和一个与第一增强条相邻的第二增强条1004；超薄辐射结构1001还包含一个第三增强条1005和一个接地平面层1006。如图3所示, 每个增强条可由一个单一标准介电材料层形成，这些材料具有顶部 和底部导电表面。此例中，介电材料高为2.4毫米；第一增强器元件 1002超薄宽度因子为8，超薄高度因子为10，位置因子为0.375；第 三增强条1005，超薄宽度因子为4，超薄高度因子为5和位置因子 为0.375。
图11显示射频系统1101通过内部导电路径1103和1104，连接 至超薄辐射结构1102。图10展示了适当超薄辐射结构1102连接至 射频系统1101的一个例子。射频系统1101包含一个匹配电路，该 电路经配置可确保超薄辐射系统在第一频段和第二频段通过外部导 电路径1105与其他电路连接，且电抗相匹配。因此，匹配网络经配 置可确保一个可接受参考标准，适用于超过第一和第二运行频率范 围的全部反射系数。匹配电路包含一个无源元件网络，比如：电感、 电容和传输线，其与适宜的结构一起配置，如图11所示。其它适合的匹配电路可以用于确保超薄辐射系统在运行频率的范围内匹配阻 抗；其它适宜的匹配电路可以包含一个无源和/或有源元件的网络， 可以跟其它适合的结构一起配置。
图12展示超薄辐射结构1001与射频系统1101互联后，超薄辐 射系统的射频性能。曲线1201显示超薄辐射系统的反射系数与在外 部路径1105终端频率，直线1202显示可接受的反射系数的参考标 准。此例中，反射系数1201小于-4.4dB，适用于第一和第二频域的所有频率。超薄辐射系统第一运行频域覆盖一个第一频率范围 698MHz至960MHz，超薄辐射系统第二运行频域覆盖一个频率范围 1710MHz至3800MHz。第一频率范围能使超薄辐射系统使用覆盖至 少5个通讯频段，比如：699MHz至746MHz频段、746MHz至787MHz 频段、758MHz至798MHz频段、824MHz至894MHz频段、和880MHz 至960MHz频段。第二频率范围能使超薄辐射系统覆盖至少7个通 讯频段，例如：1710MHz至1880MHz频段、1850MHz至1990MHz 频段,、1920MHz至2170MHz频段、2300MHz至2400MHz频 段,2496MHz至2690MHz频段、3400MHz至3600MHz频段、和 3600MHz至3800MHz频段。其它可取的通讯频段也可以由超薄辐射 系统处理。
另一个超薄辐射结构实例，如图13所示。超薄辐射结构1300 包含在印刷电路板1307上的接地平面层1302以及辐射增强器1301。 辐射增强器1301的特点是超薄宽度因子和高度因子均在1和2之间。 辐射增强器1301由一个间隙与接地平面层相互分开，特点是位置因 子在0.5和2之间，首选是在0.5和1之间。接地平面层在接地平面 矩形1306中描述(仅为说明虚线)，辐射增强器在增强器盒1305中描 述(仅为说明虚线)。
包含装有超薄结构1300的超薄辐射系统的无线电子设备可以优 先提供五频操作：第一频域内两个频段，比如与GSM850和GSM900 蜂窝通信标准频段有关(即：第一频域包含824MHz至960MHz频率 范围)，和第二频域三个频段，比如与GSM1800，GSM1900和WCDMA2100蜂窝通讯标准与频率有关(即：第二频域含1710MHz 至2170MHz频率范围)。在另一个实例中，根据本发明所述，设备可 以提供三频或四频操作，在第一频域有至少两个频段，和在第二频 域至少另外两个频段，其中，第一和第二频域在频率里不会重叠。 此设备可以运行比如但不限于GSM850和GSM900蜂窝通讯标准， 和GSM1800和GSM1900蜂窝通讯标准。
图14A展示射频系统1400，包含一个第一端口1401，一个第二 端口1402和一个匹配电路1403。此射频系统特别方便用于图2A中 超薄辐射系统。端口1401可以连接一个内部导电路径(比如：204a)， 端口1402可以连接一个外部导电路径(比如：205a)。匹配电路1403经配置可在至少在一个频域、或至少在两个频域、或至少在三个频 域提供匹配阻抗。
图14B展示另一个射频系统1410，该系统包含一个第一端口 1411、一个第二端口1412、一个第三端口1413、一个匹配电路1414、 一个双工器1415、和一个将匹配电路连接至双工器的导电路径1416。 在接收信号方面，双工器1415经配置可分离来自导电路径1416的信号，端口1412处提取的一个第一信号最好包含第一频域相关的频 率，和在端口1413处提取的第二信号最好包含与第二频域相关的频 率；在发射信号方面，双工器1415将端口1412和1413的信号相结 合，并在导电路径1416提取。匹配电路1414可为第一和第二频域 内的超薄辐射系统提供相匹配的阻抗。端口1412和1413可以分别 连接如图2D所示的第一和第二外部路径。
图15A至15F显示首选匹配电路经配置可在至少两个频域内提 供匹配阻抗。
图15A显示匹配电路1500。该电路包含第一和第二端口1501 和1502，以及含形成梯形拓扑的五个阶电路的电路(串联-并联-串联- 并联-串联)。第一阶电路连接端口1501，是串联的传感器1503。第 二阶电路是分流电感1504，第三阶电路是一个串联电容1505，第四 阶电路是一个并联电感1506，第五阶是一个串联电容1507，上述五 阶电路连接第二端口1502。
在图15B中显示匹配电路1510，包含六阶电路，这些电路形成 可替代的梯形拓扑(串联-并联-串联-并联-串联-并联)。第一阶电路(串 联)连接匹配电路的第一端口1501，第六阶电路，含一个并联电感 1511，连接匹配电路第二端口1502。
图15C显示另一个首选匹配电路1520，该电路包含两个阶电路： 第一阶电路包含一个并联电容1521，第二阶电路包含一个串联电感 1522。为匹配电路1520的并联电容1521首选范围的电容值是：0.01pF 至30pF。
图15D显示另一个首选匹配电路1530，该电路包含串联电感 1531。此电感连接端口1501和由电感元件1532a和电容元件1532b 组成的串联LC谐振器。该串联LC谐振器连接一个由电感1533a和 电容1533b组成的并联LC谐振器至串联电容1534。串联电容连接 匹配电路1530的第二端口1502。此匹配电路包含一个由四个阶电路 形成的分路(串联-串联-并联-串联)。
图15E显示第五首选匹配电路1540，该电路包含：连接端口1501 的串联电感1541、并联电感1542、串联电容1543、形成并联LC电 路的电感1544a和并联电容1544b，和连接端口1502的串联电容 1545。
图15F显示另一个首选匹配电路1550，类似于匹配电路1540具 有差异，具有电容1545连接串联电感1551形成串联LC电路电路， 及上述电感连接端口1502代替图15E中电容1545。
电感1503,1531和1541对应于第一阶匹配电路 1500,1510,1530,1540和1550，电感值最好在0.1nH至80nH之间。
匹配电路1500,1510,1520,1530,1540,和1550适用于匹配电路 203a和203d，如图2A和2D所示。
图16A显示超薄辐射系统的阻抗1600。该系统包含一个辐射增 强器，如果阻抗与本发明披露的射频系统断开，则应在其内部导电 路径处测量。上述阻抗点1601和1602与一个第一频域最低和最高 频率相对应(此例中，上述频率为824MHz和960MHz)；阻抗点1603和1604与一个第二频域的最低和最高频率相对应(此特例中，上述频 率为1710MHz和2170MHz)。阻抗1600有一个非常大的负电抗，也 就是说第一频域的阻抗实际是容抗，适用于阻抗点1601和1602限 制的整个范围。而且对于第二频域的频率来说，该负电抗也为容抗。 上述超薄辐射结构的第一谐振频率是在一个高于第二频域的最高频 率上(如阻抗点1604所示)。
图16B至16F显示在超薄辐射系统与射频系统连接后，图16A 的超薄辐射系统的阻抗变化。该系统包含一个类似1500的匹配电路， 作为阶电路依次添加至匹配电路。图16B显示阻抗1610，前提是匹 配电路只含有第一阶电路(一个串联电感)。在图16C中,超薄辐射系统的阻抗1620显示增加并联电感(相当于第二阶)至匹配电路后。图 16D中的阻抗1630在添加第三阶电路串联电容后获取。图16E中阻 抗1640在添加第四阶电路并联电感后获取。此外，与添加与第五阶 电路相对应的另一个串联电容后，可获取超薄辐射系统的阻抗1650。除了图16F所示的阻抗1650外，当超薄辐射结构连接含有五阶梯电 路匹配网络的射频系统时，还可获取反射系数1700，如图17所示。 在此特例中，辐射系统运行频率范围至少覆盖一个第一频域，包含 阻抗点1701和1702限定的频率范围(分别是824MHz和960MHz)， 和至少一个第二频域包含被阻抗点1703和1704(分别是1710MHz和 2170MHz)限定的频率范围，其中上述阻抗点为此特例的良好射频性 能建立一个最低反射系数标准，但在其它实例中，上述最低标准可 能是：-4.4dB。
在这种特殊情况下，第二频域的最低频率和第一频域的最低频 率之间的比率大于1.5，甚至大于2.0。此外，超薄辐射结构第一谐 振频率之间的比率在内部路径测量。当射频系统断开时，第一频域 的最低频率大于1.3，也大于2.0，甚至大于2.4。
图18A和18B显示另一个典型实例的阻抗和反射系数。该实例 有关超薄辐射系统。该系统包含一个超薄辐射结构，其阻抗与图16A 的阻抗相似,还有关一个根据本发明所述的射频系统。该射频系统包 含一个梯形拓扑结构中的六阶匹配电路，比如图15B中的匹配电路 1510。当超薄辐射结构与这种射频系统连接时，阻抗1800如图18A 所示。在所述图中，阻抗点1801和1802指的是第一频域的较低和 较高频率(分别是824MHz和960MHz)，阻抗点1803和1804指的是 一个第二频域较低和较高频率(分别是1710MHz和2170MHz)。图18B中的反射系数1810对应于图18A中的超薄辐射系统。在特殊实 例中，超薄辐射系统的运行频率范围至少覆盖一个第一频域，包括 被阻抗点1811和1812(824MHz和960MHz)限定的第一范围，和一 个第二频域包括被阻抗点1813和1814(1710MHz和2170MHz)限定 的第二范围。
图19显示辐射增强器1900，其包含导电表面1901和1902，介 电材料1904(以透明展示，仅用于说明)，以及多个连接导电表面1901 和1902的连通件1903(在其它实例中，上述导电表面只与一个连通 件互连)。上述辐射增强器为超薄宽度因子为3.125和超薄高度因子 为3.125的增强条。比如，增强条1900可在超薄辐射结构1300使用， 替代辐射增强器1301。
类似1900的增强条经配置可在本发明所述的超薄辐射系统中使 用，特别是可用在本发明的每个实例中。因此，超薄辐射系统包含 一个超薄辐射结构、一个射频系统和至少一个外部导电路径。在系 统中超薄辐射结构包含辐射增强器如1900和接地平面层，可以用来 在至少一个频域，或至少两个频域内辐射和接收电磁波信号。射频 系统包含一个匹配电路，该电路经配置可在至少一个外部路径的上 述至少一个或至少两个频域中为超薄辐射系统提供匹配阻抗。
图20显示超薄辐射结构包含辐射增强器(例如：增强条)2001、 接地平面层2002。也显示了导电元件2003作为内部导电路径的有利 功能。导电元件2003与辐射增强器2001相连接，可在其连接射频 系统前(未显示)调整辐射增强器的输入阻抗。导电元件可以改进包含 上述超薄辐射结构的超薄辐射系统的效率，或使超薄辐射系统可在 至少一个频域或至少两个频域的更多频段中操作。此例中，增强条 的特点是，高为2.4毫米、超薄宽度因子为4，超薄高度因子为5， 位置因子为0.33。尽管导电元件2003为L形，在其它实例中，导电元件可能也存在其它形状，比如直线形。
导电元件2003的电长度可能小于自由空间波长的10％。该波长 对应于第一频域的最低频率。该长度最好可小于上述自由空间波长 的5％。
图21A以三维角度展示测试辐射增强器特征的测试平台。该平 台包含方形导电表面2101和连接器2102(例如：SMA连接器)。连接 器电连接至测试特征的设备或元件2100。导电表面2101有侧边，其 长度大于对应参考频率的运行波长。例如：在900MHz处，上述侧 边的长度至少为60厘米。例如：导电表面可以是铜片或铜板。连接 器2102基本安装在导电表面2101的中心位置。
在图21B中，以二维角度展示了与图21A相同的测试平台。而 且，图中部分画出导电表面2101。在此例中，图21A所描述特征的 元件为2100，该元件对应于图19中的图中增强条1900。这样配置 是为了其能够尽可能大的垂直接触导电表面2101。而且第一或第二 导电表面(图19中的1901或1902)直接电接触连接器2102(为了更清 楚解释辐射增强器1900的方向，连接辐射增强器第一和第二导电表 面的连通件孔1903在图21B中也有展示)。辐射增强器1900装在一 种附在导电表面2101上的介电材料之上(未显示)，以便减少辐射增 强器1900和表面2101的距离。例如:上述介电材料可以是一种介质 带或涂层。
图22显示测试平台测量的辐射效率和天线效率，测试值与图 21A和图21B所示的相似,前提是测试特征的元件2100为辐射增强 器1900。在此特例中，在900MHz测量的辐射效率2201(用实线代表) 小于5％，而在900MHz测量的天线效率2202(用虚线代表)则小于1％。
以上内容仅为说明本发明的原理，所属领域的技术人员可以在 不脱离本发明的范围和实质的情况下可做出各种调整。因此，尽管 上述实例涉及特殊设计的增强条，且这种增强条具有特定数值的超 薄宽度因子、超薄高度因子和位置因子，但很多其他依据本发明设 计的增强条(具有不同的超薄宽度因子、超薄高度因子和位置因子) 也可同样用于超薄辐射机构之中。
本专利申请是依据第674491号协议收到来自《欧盟地平线2020 研究和创新计划》资助的项目的一部分。

Claims (19)

1.一种辐射增强器，包括：
介电层，包括第一表面和第二表面；以及
第一导电元件，形成在所述第一表面和所述第二表面中的一个表面中，
其中所述辐射增强器被配置为在第一频域中操作，并且被配置为适用于一个虚拟球形范围，所述虚拟球形范围的直径小于弧度球面的直径的三分之一，所述弧度球面的半径等于自由空间波长除以2倍π(pi)，且所述波长对应于所述第一频域的最低频率；以及
其中所述辐射增强器是细长形状，所述细长形状的特征在于超薄宽度因子在2到10之间，以及超薄高度因子在2到10之间，所述超薄宽度因子是长度与宽度之间的比率，所述超薄高度因子是长度与高度之间的比率。
2.根据权利要求1所述的辐射增强器，其中所述辐射增强器被配置为在两个或更多个频域操作。
3.根据权利要求1所述的辐射增强器，还包括：
第二导电元件，形成在所述第一表面和所述第二表面中的另一表面中。
4.根据权利要求1所述的辐射增强器，其中所述第一表面和所述第二表面分别是顶部表面和底部表面。
5.根据权利要求3所述的辐射增强器，还包括：
至少两个连通件，电连接所述第一导电元件和所述第二导电元件，所述至少两个连通件中的两个连通件位于相对的短边缘处。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的辐射增强器，其中所述超薄高度因子在4到10之间，并且所述超薄宽度因子在3到10之间。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的辐射增强器，其中所述超薄高度因子在4到10之间，并且所述超薄宽度因子在3.5到10之间。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的辐射增强器，其中所述超薄宽度因子在6到10之间。
9.根据权利要求1所述的辐射增强器，其中所述辐射增强器由间隙与接地平面层相分离，并且位置因子在0.5到2的范围内，所述位置因子是所述宽度与所述间隙之间的比率。
10.根据权利要求1所述的辐射增强器，其中所述辐射增强器由间隙与接地平面层相分离，并且位置因子在0.3到1.8的范围内，所述位置因子是所述宽度与所述间隙之间的比率。
11.根据权利要求9和10中任一所述的辐射增强器，其中所述辐射增强器的高度为3.2mm，并且所述辐射增强器的宽度为3.2mm，所述高度和所述宽度在10％变化的公差范围内。
12.根据权利要求9和10中任一所述的辐射增强器，其中所述辐射增强器的高度为2.4mm，并且所述辐射增强器的宽度为3.0mm，所述高度和所述宽度在10％变化的公差范围内。
13.根据权利要求11所述的辐射增强器，其中所述辐射增强器被配置为在600MHz至6GHz范围内的一个或多个频段中操作。
14.根据权利要求13所述的辐射增强器，其中所述辐射增强器的深度为6.5mm，所述深度是所述间隙和所述宽度之和。
15.根据权利要求13或14所述的辐射增强器，其中所述介电层包括通过多个连通件电连接的顶部表面和底部表面。
16.一种辐射增强器，被配置为在第一频域中操作，并且被配置为适用于一个虚拟球形范围，所述虚拟球形范围的直径小于弧度球面的直径的三分之一，所述弧度球面的半径等于自由空间波长除以2倍π(pi)，且所述波长对应于所述第一频域的最低频率，
其中所述辐射增强器当在900MHz的参考频率处、在测试平台中测量时，提供小于20％的辐射效率，
其中，所述测试平台包括：
方形导电表面，被配置作为接地平面，并且包括长度大于与所述900MHz的参考频率相对应的波长的边；以及
连接器，被放置在所述方形导电表面的中心，并且电连接到所述辐射增强器；
其中所述辐射增强器被安装在所述方形导电表面的中心点附近或被安装在所述方形导电表面的中心点处，所述辐射增强器以单极配置从所述方形导电表面垂直延伸。
17.根据权利要求16所述的辐射增强器，包括：
介电层，包括第一表面和第二表面；以及
第一导电元件，形成在所述第一表面和所述第二表面中的一个表面中。
18.根据权利要求16所述的辐射增强器，其中所述辐射增强器当在900MHz的参考频率处、在所述测试平台中测量时，提供小于10％的辐射效率。
19.根据权利要求16所述的辐射增强器，其中所述超薄宽度因子为3.125，其在10％变化的公差范围内，以及所述超薄高度因子为3.125，其在10％变化的公差范围内，并且所述测试平台包括测量尺寸至少为60cm×60cm的方形导电平面；以及
其中所述辐射增强器在所述900MHz的参考频率处提供的所述辐射效率小于5％。
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