ES2924872T3

ES2924872T3 - Dispositivo inalámbrico que usa una matriz de amplificadores de plano de tierra para operación multibanda

Info

Publication number: ES2924872T3
Application number: ES16162691T
Authority: ES
Inventors: Aurora Andujar; Jaume Anguera
Original assignee: Ignion S L; Ignion SL
Current assignee: Ignion S L; Ignion SL
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2022-10-11
Anticipated expiration: 2036-03-29
Also published as: US10224631B2; US20190260125A1; US20160285166A1; EP3073568B1; US10547109B2; EP3073568A1

Abstract

La invención se refiere a un dispositivo inalámbrico que comprende un sistema de radiación configurado para operar señales de ondas electromagnéticas desde una primera región de frecuencia y una segunda región de frecuencia, el sistema de radiación comprende una estructura de radiación, un sistema de radiofrecuencia y un puerto externo; la estructura radiante comprende: una capa plana de tierra; y un primer amplificador de radiación conectado a una primera línea de alimentación, un segundo amplificador de radiación conectado a una segunda línea de alimentación, en el que cada uno de los primeros y segundos amplificadores de radiación encaja en una esfera imaginaria que tiene un diámetro menor que 1/3 de una radiansfera que tiene un radio igual a una longitud de onda en el espacio libre correspondiente a una frecuencia más baja de la primera región de frecuencia, dividida por dos veces À (pi); el sistema de radiofrecuencia comprende: una estructura combinadora; un primer circuito de adaptación que incluye una primera línea de transmisión; un segundo circuito de adaptación que incluye una segunda línea de transmisión; y un tercer circuito de adaptación; en el que el primer circuito de adaptación está conectado a la primera línea de alimentación y la estructura de combinación, el segundo circuito de adaptación está conectado a la segunda línea de alimentación y la estructura de combinación, y el tercer circuito de adaptación está conectado a la estructura de combinación y el puerto externo; en el que el sistema de radiofrecuencia modifica la impedancia de la estructura radiante para proporcionar una adaptación de impedancia al sistema radiante dentro de las regiones de frecuencia primera y segunda en el puerto externo; en el que cada una de las líneas de transmisión primera y segunda se caracteriza por una dimensión de ancho igual o mayor a 1 mm, y menor a 3,5 mm; y en el que una distancia mínima de cada una de las líneas de transmisión primera y segunda a la capa del plano de tierra es superior a 0,1 mm e igual o inferior a 1,0 mm. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo inalámbrico que usa una matriz de amplificadores de plano de tierra para operación multibanda Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo de dispositivos de mano inalámbricos y en general a dispositivos portátiles inalámbricos que requieren la transmisión y recepción de señales de ondas electromagnéticas.

Antecedentes de la invención

Los dispositivos electrónicos inalámbricos habitualmente manejan una o más normas celulares de comunicación y/o normas de conectividad inalámbrica y/o normas de difusión, siendo cada norma asignada en una o más bandas de frecuencia, y estando dichas bandas de frecuencia contenidas dentro de una o más regiones del espectro electromagnético.

Para ese propósito, un dispositivo electrónico inalámbrico típico debe incluir un sistema radiante con capacidad de operar en una o más regiones de frecuencia con un rendimiento radioeléctrico aceptable (en términos de, por ejemplo, coeficiente de reflexión, relación de ondas estacionarias, ancho de banda de impedancia, ganancia, eficiencia o patrón de radiación). La integración del sistema radiante dentro del dispositivo electrónico inalámbrico debe ser efectiva para garantizar que el dispositivo en general logra un buen rendimiento radioeléctrico (tal como, por ejemplo, en términos de potencia radiada, potencia recibida, sensibilidad) sin que se interrumpa por componentes electrónicos y/o carga humana.

El espacio dentro del dispositivo electrónico inalámbrico normalmente es limitado y el sistema radiante tiene que incluirse en el espacio disponible. Se espera que el sistema radiante sea pequeño para ocupar tan poco espacio como sea posible en el sistema radiante dentro del dispositivo, lo que permite, entonces, que los dispositivos sean pequeños o la adición de más componentes específicos y funcionalidades en el dispositivo. Es incluso más crítico en el caso en el que el dispositivo inalámbrico es un dispositivo inalámbrico multifuncional, tal como los descritos en las solicitudes de patente del mismo solicitante US2014/0253395 y WO2008/009391.

Además del rendimiento de radiofrecuencia, el tamaño pequeño y la interacción reducida con un cuerpo humano y componentes electrónicos cercanos, una de las limitaciones actuales de la técnica anterior es que generalmente el sistema de antena se personaliza para cada modelo de dispositivo de mano inalámbrico particular. La arquitectura mecánica de cada dispositivo es diferente y el volumen disponible para la antena depende en gran medida del factor de forma del modelo de dispositivo inalámbrico junto con la disposición de los múltiples componentes embebidos en el dispositivo (por ejemplo, visualizadores, teclados, batería, conectores, cámaras, flashes, altavoces, conjuntos de chips, dispositivos de memoria, etc.). Como resultado, la antena dentro del dispositivo se diseña principalmente ad hoc para cada modelo, resultando en un coste más alto y un tiempo retardado de comercialización. A su vez, ya que habitualmente el diseño e integración de un elemento de antena para una estructura radiante se personaliza para cada dispositivo inalámbrico, diferentes factores de forma o plataformas o una distribución diferente de los bloques funcionales del dispositivo forzará el rediseño del elemento de antena y su integración dentro del dispositivo casi desde cero.

Un sistema radiante para un dispositivo de mano o portátil inalámbrico incluye habitualmente una estructura radiante que comprende un elemento de antena que opera en combinación con una capa de plano de tierra proporcionando un rendimiento de radiofrecuencia determinado en una o más regiones de frecuencia del espectro electromagnético. Habitualmente, el elemento de antena tiene una dimensión cercana a un múltiplo entero de un cuarto de la longitud de onda en una frecuencia de operación de la estructura radiante, de modo que el elemento de antena está en resonancia o sustancialmente cercano a resonancia en la frecuencia de operación, y se excita un modo de radiación en el elemento de antena. Debido a las limitaciones de espacio dadas en el dispositivo y la necesidad de proporcionar operación en dos o más bandas de frecuencia que, en algunos casos, se ubican en al menos dos regiones de frecuencia separadas del espectro electromagnético, los elementos de antena normalmente presentan diseños mecánicos complejos y dimensiones considerables, debido principalmente al hecho de que el rendimiento de antena está relacionado altamente con las dimensiones eléctricas del elemento de antena. Aunque la estructura radiante normalmente es muy eficiente en la frecuencia de resonancia del elemento de antena y mantiene un rendimiento similar dentro de un intervalo de frecuencia definido alrededor de dicha frecuencia de resonancia (o frecuencias resonantes), fuera de dicho intervalo de frecuencias la eficiencia y otros parámetros de antena relevantes se deterioran con una distancia creciente a dicha frecuencia de resonancia.

Algunas técnicas para miniaturizar y/u optimizar el comportamiento multibanda de un elemento de antena se han descrito en la técnica anterior. Sin embargo, las estructuras radiantes descritas en la misma aún se basan en la excitación de un modo de radiación en el elemento de antena para cada una de las bandas de frecuencia de operación.

En este sentido, es preferible un sistema radiante, tal como el descrito en la presente invención que no requiere una antena compleja y/o grande formada por múltiples brazos, ranuras, aperturas y/o aberturas y un diseño mecánico complejo, para minimizar tales efectos externos no deseados y simplificar la integración dentro del dispositivo inalámbrico.

Algunos otros intentos se han centrado en elementos de antena que no requieren una geometría compleja mientras que aún proporcionan algún grado de miniaturización usando un elemento de antena no resonante en el uno o más intervalos de frecuencia de operación del dispositivo inalámbrico.

Por ejemplo, la solicitud de patente del mismo solicitante WO2007/128340 divulga un dispositivo portátil inalámbrico que comprende un elemento de antena no resonante para recibir señales de difusión (tales como, por ejemplo, DVB-H, DMB, T-DMB o FM). El dispositivo portátil inalámbrico comprende además una capa de plano de tierra que se usa en combinación con dicho elemento de antena. Aunque el elemento de antena tiene una primera frecuencia de resonancia por encima del intervalo de frecuencia de operación del dispositivo inalámbrico, el elemento de antena es aún el principal responsable del proceso de radiación y del rendimiento de radiofrecuencia del dispositivo inalámbrico. Ningún modo de radiación puede excitarse sustancialmente en la capa de plano de tierra porque la capa de plano de tierra es corta eléctricamente en las frecuencias de operación (es decir, sus dimensiones son muchas más pequeñas que la longitud de onda). Para esta clase de elementos de antena no resonantes, se añade una circuitería de adaptación para adaptar la antena a un nivel de SWR en un intervalo de frecuencias limitado, que en este caso particular puede ser alrededor de SWR<6.

La solicitud de patente del mismo solicitante WO2008/119699 describe un dispositivo de mano o portátil inalámbrico que comprende un sistema radiante con capacidad de operar en dos regiones de frecuencia. El sistema radiante comprende un elemento de antena que tiene una frecuencia de resonancia fuera de dichas dos regiones de frecuencia, y una capa de plano de tierra. En este dispositivo inalámbrico, mientras la capa de plano de tierra contribuye a mejorar el rendimiento electromecánico del sistema radiante en las dos regiones de frecuencia de operación, aún es necesario excitar un modo de radiación en el elemento de antena. De hecho, el sistema radiante depende de la relación entre una frecuencia de resonancia del elemento de antena y una frecuencia de resonancia de la capa de plano de tierra para que el sistema radiante opere correctamente en dichas dos regiones de frecuencia. Sin embargo, la solución aún depende de un elemento de antena cuyo tamaño se refiere a una frecuencia de resonancia que está fuera de las dos regiones de frecuencia.

Para reducir el volumen ocupado en el dispositivo de mano o portátil inalámbrico tanto como sea posible, tendencias recientes en diseños de antena de microteléfono se orientan a maximizar la contribución del plano de tierra al proceso de radiación usando elementos no resonantes pequeños. Sin embargo, los elementos no resonantes pueden requerir sistemas de radiofrecuencia complejos. Por lo tanto, el desafío de estas técnicas depende principalmente de dicha complejidad (combinación de inductores, condensadores y líneas de transmisión), que se requiere para satisfacer ancho de banda de impedancia y especificaciones de eficiencia.

Las solicitudes de patente del mismo solicitante WO2010/015365 y WO2010/015364 se conciben para resolver algunos de los inconvenientes anteriormente mencionados. En concreto, describen un dispositivo de mano o portátil inalámbrico que comprende un sistema radiante que incluye una estructura radiante y un sistema de radiofrecuencia. La estructura radiante se forma por una capa de plano de tierra que presenta dimensiones adecuadas como para soportar al menos un modo de radiación eficiente y al menos un amplificador de radiación con capacidad de acoplar energía electromagnética a dicha capa de plano de tierra. El amplificador de radiación no es resonante en ninguna de las regiones de frecuencia de operación y, en consecuencia, se usa un sistema de radiofrecuencia para adaptar correctamente la estructura radiante a las bandas de frecuencia de operación deseadas. Más específicamente, en el documento WO2010/015364 cada amplificador de radiación se concibe para proporcionar una operación en una región de frecuencia particular. Por lo tanto, el sistema de radiofrecuencia se diseña de tal manera que el primer puerto interno asociado a un primer amplificador de radiación está altamente aislado del segundo puerto interno asociado a un segundo amplificador de radiación. Dicho sistema de radiofrecuencia normalmente comprende una red de adaptación que incluye resonadores para cada una de las regiones de frecuencia de operación y un conjunto de filtros para cada una de las regiones de frecuencia de operación. Por lo tanto, dicho sistema de radiofrecuencia requiere múltiples etapas y el rendimiento de los sistemas radiantes en términos de eficiencia puede verse afectado por las pérdidas adicionales de los componentes.

Las solicitudes de patente del mismo solicitante WO2014/012796 y US2014/0015730 divulgan un dispositivo inalámbrico concentrado que comprende un sistema radiante que incluye una estructura radiante y un sistema de radiofrecuencia, tal dispositivo opera dos o más regiones de frecuencia del espectro electromagnético. Una característica de dicho sistema radiante es que la operación en al menos dos regiones de frecuencia se consigue mediante un amplificador de radiación, o mediante al menos dos amplificadores de radiación, o mediante al menos un amplificador de radiación y al menos una elemento de antena, en donde el sistema de radiofrecuencia modifica la impedancia de la estructura radiante, proporcionando adaptación de impedancia al sistema radiante en las al menos dos regiones de frecuencia de operación del sistema radiante.

En la solicitud de patente del mismo solicitante US2013/0342416 se divulga un sistema radiante que transmite y recibe en la primera y segunda regiones de frecuencia e incluye una estructura radiante que comprende amplificadores de radiación o un amplificador de radiación y un elemento radiante o elementos radiantes. El sistema radiante incluye adicionalmente un sistema de radiofrecuencia que incluye: primer y segundo elementos de cancelación de reactancia que proporcionan impedancias que tienen una parte imaginaria cercana a cero para respectivas frecuencias en la primera y segunda regiones de frecuencia, y un elemento de retardo que interconecta el primer y segundo elementos de cancelación de reactancia para proporcionar una diferencia en fase para producir primer y segundo bucles de impedancia en la primera y segunda regiones de frecuencia, respectivamente, en un puerto externo. La diferencia en fase proporciona una operación en al menos dos bandas de frecuencia, cada una asignada en una región de frecuencia diferente del espectro electromagnético y/o aumenta el número de bandas de frecuencia operativas en al menos una región de frecuencia del espectro electromagnético y/o aumenta el número de bandas de frecuencia operativa en al menos dos regiones de frecuencia del espectro electromagnético.

Las solicitudes de patente del mismo solicitante WO2014/012842 y US2014/0015728 divulgan amplificadores de radiación muy compactos, pequeños y ligeros que operan en una única o en múltiples bandas de frecuencia. Tales amplificadores de radiación están configurados para usarse en sistemas radiantes que pueden embeberse en un dispositivo de mano inalámbrico. Dichas solicitudes de patente divulgan adicionalmente estructuras de amplificador de radiación y sus métodos de fabricación que habilitan la reducción del coste de tanto el amplificador como de todo el dispositivo inalámbrico que embebe dicho amplificador dentro del dispositivo.

Las solicitudes de patente del mismo solicitante US62/028.494 y EP14178369 divulgan un dispositivo inalámbrico que incluye al menos un sistema radiante delgado que tiene una estructura radiante delgada y un sistema de radiofrecuencia. La estructura radiante delgada incluye una o más barras amplificadoras. La barra amplificadora se caracteriza por sus factores de anchura y altura delgadas que facilitan su integración dentro del dispositivo inalámbrico y la excitación de un modo resonante en la capa de plano de tierra, y por su factor de ubicación que habilita conseguir el rendimiento de radiofrecuencia más favorable para el espacio disponible para asignar la barra amplificadora.

Otra técnica, como se divulga en la patente de Estados Unidos 7.274.340, se basa en el uso de dos elementos de acoplamiento. De acuerdo con la invención, una operación de banda cuádruple (bandas de GSM 1800/1900 y GSM850/900) está provista de dos elementos de acoplamiento: un elemento de acoplamiento de banda baja (lowband, LB) (para las bandas de GSM850/900) y un elemento de acoplamiento de banda alta (high-band, HB) (para las bandas de GSM1800/1900), donde la adaptación de impedancia se proporciona a través de la adición de dos circuitos de adaptación, uno para el elemento de acoplamiento de LB y otro para el elemento de acoplamiento de HB. A pesar de usar elementos no resonantes, el tamaño del elemento para la banda baja es significativamente grande, siendo 1/9,3 veces la longitud de onda de espacio libre de la frecuencia más baja para la banda de frecuencia baja. Debido a tal tamaño, el elemento de banda baja sería un elemento resonante en la banda alta. Adicionalmente, la operación de esta solución está vinculada estrechamente a la alineación de la intensidad del campo E máximo del plano de tierra y el elemento de acoplamiento. El tamaño del elemento de banda baja contribuye de forma no deseada a aumentar el espacio de placa de circuito impreso (Printed Circuit Board, PCB) requerido por el módulo de antena. Los documentos WO 2012/017013 A1, US 2014/340276 A1, US 2013/187825 A1 divulgan adicionalmente el uso de múltiples amplificadores.

Por lo tanto, sería ventajoso un dispositivo inalámbrico que no requiere un elemento de antena, pero que proporciona un rendimiento de radiofrecuencia adecuado para operar en un intervalo amplio de bandas de comunicación dentro de múltiples regiones del espectro electromagnético, ya que facilitaría la integración de la estructura radiante en el dispositivo de mano o portátil inalámbrico. El volumen liberado por la ausencia de un elemento de antena grande y complejo habilita dispositivos más pequeños y/o finos, como dispositivos electrónicos delgados, o incluso adoptar factores de forma radicalmente nuevos que no son viables hoy debido a la presencia de un elemento de antena presentado con un volumen considerable.

Objeto y sumario de la invención

Un objeto de la presente invención es proporcionar un dispositivo electrónico inalámbrico (tal como, por ejemplo, pero sin limitación a, un teléfono móvil, un teléfono inteligente, un tabléfono, una tableta, un PDA, un reproductor de MP3, unos auriculares, una llave USB, un sistema GPS, un ordenador portátil, un dispositivo de juegos, una cámara digital, un dispositivo ponible como un reloj inteligente, una PCMCIA, una tarjeta de Cardbus 32, un sensor, o generalmente un dispositivo inalámbrico multifunción que combina la funcionalidad de múltiples dispositivos) que comprende un sistema radiante que cubre un intervalo amplio de frecuencias de radio y maneja múltiples bandas de comunicación mientras que exhibe un rendimiento de frecuencia de radio adecuado.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un sistema radiante adecuado para incluirse dentro de dispositivos electrónicos. Tal sistema radiante comprende ventajosamente una estructura radiante que incluye dos o más amplificadores de radiación para la transmisión y recepción de señales de ondas electromagnéticas, un sistema de radiofrecuencia y un puerto externo.

Tal sistema radiante es capaz de operar en al menos una primera región de frecuencia y una segunda región de frecuencia del espectro electromagnético; dichas al menos primera y segunda regiones de frecuencia están preferentemente separadas de modo que la frecuencia más baja de la segunda región de frecuencia está por encima (es decir, en una frecuencia más alta que) la frecuencia más alta de la primera región de frecuencia. El sistema de radiofrecuencia comprende dos o más redes de adaptación y una estructura de combinación en la que, en transmisión, las señales de ondas electromagnéticas del puerto externo están sustancialmente separadas y acopladas a cada amplificador de radiación basándose en la frecuencia de las señales; y, en recepción, se combinan señales desde cada amplificador de radiación y se acoplan al puerto externo. El sistema de radiofrecuencia proporciona adaptación de impedancia a la estructura radiante en dichas primera y segunda regiones de frecuencia del espectro electromagnético en el puerto externo. Una ventaja asociada de tal sistema radiante es que las señales desde la primera y segunda regiones de frecuencia se alimentan a (es decir, en transmisión) y recuperan (es decir, en recepción) en un único puerto (es decir, el puerto externo).

Un objeto de la presente invención también es proporcionar una frecuencia de sistema de radio que comprende líneas de transmisión particularmente convenientes para interconectar uno o más amplificadores de radiación con módulos de extremo frontal de radiofrecuencia o chips cuando los amplificadores de radiación se ubican sustancialmente próximos a los bordes de una placa de circuito impreso. En estructuras radiantes que incluyen dos o más amplificadores de radiación, cada uno de los amplificadores de radiación pueden estar sustancialmente a cargo de la transmisión y recepción de señales de ondas electromagnéticas de una región de frecuencia particular, y tales líneas de transmisión junto con otros componentes de las redes de adaptación pueden configurarse ventajosamente para presentar, en la estructura de combinación, una impedancia relativamente cercana a la impedancia de referencia (generalmente entre 12 O y 200 O cuando la impedancia de referencia es 50 O) en el puerto acoplado al amplificador de radiación que opera señales desde dicha región de frecuencia, y pueden configurarse adicionalmente para presentar una impedancia alta en el puerto o puertos del otro amplificador o amplificadores de radiación (generalmente por encima de 200 O, tal como 300 O, 400 O, 500 O o incluso mayor de 500 O). Esto es especialmente ventajoso para simplificar el sistema de radiofrecuencia ya que las redes de adaptación requieren menos componentes para proporcionar adaptación de impedancia en las dos o más regiones de frecuencia de operación.

Aunque la presente invención se refiere a sistemas radiantes que comprenden amplificadores de radiación, sistemas de antena que comprenden uno o más elementos radiantes también pueden aprovecharse de tales líneas de transmisión, particularmente en esos casos en los que al menos un elemento radiante está sustancialmente cercano a los bordes del dispositivo electrónico. Esto es generalmente así debido al hecho de que existe una cantidad reducida de espacio libre en las placas de circuito impreso donde se instalan la circuitería y los componentes del dispositivo y, por lo tanto, la conexión entre los elementos radiantes y los módulos de extremo frontal de RF no es simple. Esto puede resolverse con las líneas de transmisión divulgadas en la presente invención.

Un aspecto ventajoso de la presente invención es que las longitudes de las líneas de transmisión pueden ajustarse mientras el sistema de radiofrecuencia aún proporciona dicho comportamiento de filtrado sustancial en las trayectorias de señal que acoplan los amplificadores de radiación a la estructura de combinación. En las soluciones de la técnica anterior configuradas para operar en al menos dos regiones de frecuencia y en las que se incluyen elementos de retardo para generar una diferencia en fase, ajustar la longitud (por ejemplo, el retardo) de dichos elementos de retardo requieren tener en consideración las impedancias de los dos o más amplificadores de radiación o elementos radiantes. En contraste, en la presente invención, ajustar la longitud de una línea de transmisión depende principalmente de la impedancia total del respectivo amplificador de radiación y la red de adaptación asociada con dicho amplificador de radiación, siendo, por lo tanto, cada amplificador de radiación más independiente de los demás.

Un aspecto de la presente invención se refiere al uso de la capa de plano de tierra del sistema radiante como una fuente principal de radiación. Los amplificadores de radiación de un sistema radiante acoplan ventajosamente la energía electromagnética desde el sistema de radiofrecuencia a la capa de plano de tierra en transmisión, y desde la capa de plano de tierra al sistema de radiofrecuencia en recepción. Dichos amplificadores de radiación excitan un modo de radiación en la capa de plano de tierra que habilita la radiación desde la capa de plano de tierra.

Los amplificadores de radiación, como se muestran en el presente documento, están configurados para usarse en sistemas radiantes de acuerdo con la presente invención y pueden ser cualquiera de los amplificadores de radiación divulgados en las solicitudes de patente del mismo solicitante US2014/0015728 y WO2014/012842 o las barras amplificadoras divulgadas en las solicitudes de patente del mismo solicitante US62/028.494 y EP14178369. Una estructura radiante de la presente invención comprende amplificadores de radiación que caben en una esfera imaginaria que tiene un diámetro más pequeño de 1/3 de una esfera radián que corresponde a la frecuencia más baja de la primera región de frecuencia del sistema radiante. En algunos casos, los amplificadores de radiación también caben en una esfera imaginaria que tiene un diámetro más pequeño de 1/4, o preferentemente menor que 1/6, o incluso, más preferentemente, menor que 1/10 de una esfera radián que corresponde a dicha frecuencia. La esfera radián se define como una esfera imaginaria que tiene un radio igual a la longitud de onda de operación dividida por dos veces n (pi). En algunas realizaciones, el amplificador de radiación puede tener un tamaño máximo al menos menor que 1/15 de la longitud de onda de espacio libre que corresponde a la frecuencia más baja de la primera región de frecuencia del sistema radiante. En algunas realizaciones, el tamaño máximo de un amplificador de radiación es al menos menor que 1/20 y/o 1/30 y/o 1/50 y/o 1/100 de la longitud de onda de espacio libre que corresponde a la frecuencia más baja de la primera región de frecuencia de operación. En algunos de estos ejemplos, el amplificador de radiación tiene un tamaño máximo mayor que 1/1400, 1/700, 1/350, 1/250, 1/180, 1/140 o 1/120 veces la longitud de onda de espacio libre que corresponde a la frecuencia más baja de la primera región de frecuencia del sistema radiante. Por lo tanto, en algunos ejemplos, un amplificador de radiación tiene un tamaño máximo ventajosamente menor que una primera fracción de la longitud de onda de espacio libre que corresponde a la frecuencia más baja de la primera región de frecuencia, pero mayor que una segunda fracción de dicha longitud de onda de espacio libre.

Por consiguiente, el tamaño máximo de un amplificador de radiación se define por la dimensión más grande de una caja de amplificador que encierra completamente dicho amplificador de radiación, y en la que se incluye el amplificador de radiación. Más específicamente, una caja de amplificador para un amplificador de radiación se define como el paralelepípedo de tamaño mínimo de caras cuadradas o rectangulares que encierra completamente el amplificador de radiación y en donde cada una de las caras de dicho paralelepípedo de tamaño mínimo es tangente a al menos un punto de dicho amplificador de radiación. Además, cada posible par de caras de dicho paralelepípedo de tamaño mínimo que comparten un borde forma un ángulo interior de 90°. Para cada uno de los amplificadores de radiación incluidos en una estructura radiante se define una caja de amplificador diferente. En algunos ejemplos, una de las dimensiones de una caja de amplificador puede ser sustancialmente menor que cualquiera de las otras dos dimensiones, o incluso cercana a cero. En tales casos, dicha caja de amplificador colapsa hasta una entidad de prácticamente dos dimensiones. El término dimensión se refiere a un borde entre dos caras de dicho paralelepípedo.

En algunos ejemplos preferidos, el área definida por las dos dimensiones más grandes de una caja de amplificador es ventajosamente pequeña en comparación con el cuadrado de la longitud de onda que corresponde a la frecuencia más baja de la primera región de frecuencia; en particular, una relación entre dicha área y el cuadrado de la longitud de onda que corresponde a la frecuencia más baja de la primera región de frecuencia puede ser ventajosamente menor que al menos uno de los siguientes porcentajes: 0,15%, 0,12%, 0,10%, 0,08%, 0,06%, 0,04 % o incluso 0,02 %. En algunos de estos ejemplos, una relación entre el área definida por las dos dimensiones más grandes de una caja de amplificador y el cuadrado de la longitud de onda que corresponde a la frecuencia más baja de la segunda región de frecuencia también puede ser ventajosamente menor que al menos uno de los siguientes porcentajes: 0,50 %, 0,45 %, 0,40 %, 0,35 %, 0,30 %, 0,25 %, 0,20 %, 0,15 %, 0,10 % o incluso 0,05 %.

Además, en algunas realizaciones de acuerdo con la presente invención, cada uno de los amplificadores de radiación caben en su totalidad dentro de un volumen limitante igual o menor que L3/25000, y en algunos casos menor que L3/5000 y/o L3/100000 y/o L3/150000 y/o L3/200000 y/o L3/300000 y/o L3/400000 y/o incluso menor que L3/500000, siendo L la longitud de onda que corresponde a la frecuencia más baja de la primera región de frecuencia.

Los amplificadores de radiación pueden incluir uno o más elementos amplificadores. Cada elemento amplificador puede incluir un material dieléctrico y, en algunas realizaciones, una única capa estándar de material dieléctrico que separa dos o más elementos conductores del elemento amplificador. Un elemento amplificador puede formarse imprimiendo o depositando material conductor en una primera superficie y una segunda superficie del material dieléctrico (por ejemplo, dos lados opuestos tales como el superior y el inferior) y añadir varios pasos para conectar eléctricamente el material conductor en la primera superficie con el material conductor en la segunda superficie. En algunos ejemplos preferidos, el material conductor en cada una de la primera y segunda superficie de un elemento amplificador tiene una forma sustancialmente poligonal. Algunas posibles formas poligonales son, por ejemplo pero sin limitación a, cuadrados, rectángulos y trapezoides. En algunas realizaciones en las que un amplificador de radiación incluye una pluralidad de elementos amplificadores, dichos elementos amplificadores se conectan eléctricamente entre sí.

De acuerdo con la invención, cada amplificador de radiación se separa de la capa de plano de tierra por un hueco. En el contexto de este documento, el hueco que caracteriza un amplificador de radiación se refiere a una distancia mínima entre un punto en un borde de la capa de plano de tierra y un punto en un borde de la superficie conductora inferior del amplificador de radiación. La ubicación del amplificador de radiación se caracteriza por un factor de ubicación que es una relación entre la anchura del amplificador de radiación y dicho hueco. De acuerdo con la invención, los amplificadores de radiación se ubican más allá de un borde de la capa de plano de tierra, el factor de ubicación está entre 0,3 y 3,5.

En un ejemplo preferido, una estructura radiante se dispone dentro de un dispositivo de mano o portátil inalámbrico de tal manera que los amplificadores de radiación se unen a (por ejemplo, se sueldan o unen mediante otros medios como se conoce en la técnica) elementos conductores o trazas en una placa de circuito impreso. En dicho ejemplo preferido, no hay ningún plano de tierra en las proyecciones ortogonales de los amplificadores de radiación al plano que contiene la capa de plano de tierra que, por ejemplo, puede formarse en una capa de la placa de circuito impreso. En otras palabras, las proyecciones ortogonales de dichos amplificadores de radiación a dicho plano no tiene ninguna área solapando la capa de plano de tierra. En algunos otros casos, puede haber al menos un solapamiento parcial entre la proyección ortogonal de uno o más amplificadores de radiación y la capa de plano de tierra.

En algunas realizaciones, una estructura radiante puede comprender más de una capa de plano de tierra, como, por ejemplo, dos, tres o incluso más capas de plano de tierra o materiales conductores que actúan como el plano de tierra para la estructura radiante. En tales realizaciones, algunas o todas las capas de plano de tierra pueden interconectarse eléctricamente entre sí.

Una realización preferida de la presente invención se refiere a un dispositivo de mano o portátil inalámbrico de acuerdo con la reivindicación independiente 1.

En dicha realización preferida, la impedancia de entrada de la estructura radiante en el primer puerto interno, cuando se desconecta del sistema de radiofrecuencia, tiene una parte imaginaria distinta de cero para cualquier frecuencia de la primera región de frecuencia; la impedancia de entrada de la estructura radiante en el segundo puerto interno, cuando se desconecta del sistema de radiofrecuencia, tiene una parte imaginaria distinta de cero para cualquier frecuencia de la primera región de frecuencia. El sistema de radiofrecuencia modifica la impedancia de la estructura radiante para proporcionar adaptación de impedancia al sistema radiante dentro de la primera y segunda regiones de frecuencia en el puerto externo.

En algunos casos, la impedancia de entrada de la estructura radiante en el primer puerto interno, cuando se desconecta del sistema de radiofrecuencia, tiene una parte imaginaria distinta de cero para cualquier frecuencia de la primera y segunda regiones de frecuencia; y la impedancia de entrada de la estructura radiante en el segundo puerto interno, cuando se desconecta del sistema de radiofrecuencia, tiene una parte imaginaria distinta de cero para cualquier frecuencia de la primera y segunda regiones de frecuencia.

Cada una de la al menos primera y segunda líneas de transmisión en la primera y segunda redes de adaptación, respectivamente, se caracteriza por un borde que está sustancialmente cerca de la capa de plano de tierra. Cada una de la al menos primera y segunda líneas de transmisión se caracteriza por una anchura al menos 2,5 veces mayor que un hueco que separa cada una de la al menos primera y segunda líneas de transmisión y la capa de plano de tierra.

Un sistema radiante de acuerdo con la presente invención puede configurarse para transmitir y recibir señales en bandas de frecuencia como por ejemplo, pero sin limitación a: LTE700 (698-798 MHz), LTE800 (791-862 MHz), GSM850 (824-894 MHz), GSM900 (880-960 MHz), GSM1800 (1710-1880 MHz), GSM1900 (1850-1990 MHz), WCDMA2100 (1920-2170 MHz), CDMA1700 (1710-2155 MHz), LTE2300 (2300-2400 MHz), LTE2600 (2500-2690 MHz), LTE3500 (3,4-3,6 GHz), LTE3700 (3,6-3,8 GHz), WiFi (2,4-2,5 GHz y/o 4,9-5,9 GHz), etc. Tales sistemas radiantes pueden operar cinco, seis, siete, ocho, nueve, diez o incluso más bandas de frecuencia.

En el contexto de este documento, una banda de frecuencia se refiere preferentemente a un intervalo de frecuencias usado para una norma celular de comunicación, una norma de conectividad inalámbrica o una norma de difusión particulares; mientras una región de frecuencia se refiere preferentemente a una continuidad de frecuencias del espectro electromagnético. Por ejemplo, la norma GSM1800 se asigna en una banda de frecuencia desde 1710 MHz hasta 1880 MHz mientras la norma GSM1900 se asigna en una banda de frecuencia desde 1850 MHz hasta 1990 MHz. Un dispositivo inalámbrico que opera las normas GSM1800 y GSM1900 debe tener un sistema radiante con capacidad de operar en una región de frecuencia desde 1710 MHz hasta 1990 MHz. Como otro ejemplo, un dispositivo inalámbrico que opera la norma GSM850 (asignada en una banda de frecuencia desde 824 MHz hasta 894 MHz) y la norma GSM1800 deben tener un sistema radiante con capacidad de operar en dos regiones de frecuencia separadas.

En algunas realizaciones, una relación entre la frecuencia más baja de la segunda región de frecuencia y la frecuencia más baja de la primera región de frecuencia es mayor que 1,5. En algunas otras realizaciones, dicha relación puede ser mayor que 1,8 o 2,0 o 2,2 o incluso mayor que 2,4. En algunas de estas realizaciones, una relación entre la frecuencia más baja de la segunda frecuencia y la frecuencia más alta de la primera región de frecuencia puede ser mayor que 1,2 o 1,5 o 1,8 o 2,0 o 2,2 o incluso mayor que 2,4.

Además, un sistema radiante de acuerdo con la presente invención puede presentar ventajosamente un ancho de banda de impedancia en la primera región de frecuencia mayor del 5 % o 10 % o 15 % o incluso mayor del 20 %. Además, tal sistema radiante también puede presentar un ancho de banda de impedancia en la segunda región de frecuencia mayor del 5 % o 10 % o 15 % o 20 % o 25 % o 30 % o 35 % o incluso mayor del 40 %. El ancho de banda de impedancia se define como la diferencia entre las frecuencias más altas y más bajas de una región de frecuencia, dividida por la frecuencia central de esa región de frecuencia.

Una estructura radiante de acuerdo con la presente invención, cuando se desconecta del sistema de radiofrecuencia, puede presentar en uno, alguno o todos los puertos internos una primera frecuencia de resonancia en una frecuencia más alta que la frecuencia más alta de la primera región de frecuencia. La impedancia de entrada de la estructura radiante medida en dicho puerto o puertos internos (en ausencia de un sistema de radiofrecuencia conectado a la misma) puede tener una reactancia importante dentro de las frecuencias de dicha primera región de frecuencia. En este caso, una relación entre dicha primera frecuencia de resonancia de la estructura radiante medida en dicho puerto o puertos internos (cuando se desconecta del sistema de radiofrecuencia) y la frecuencia más alta de la primera región de frecuencia es ventajosamente mayor que 1,2. En algunos casos, dicha relación puede incluso ser mayor que 1,5, 1,8, 2,0, 2,2, 2,4, 2,6, 2,8 o 3,0. En algunos ejemplos, una relación entre dicha primera frecuencia de resonancia de la estructura radiante medida en dicho puerto o puertos internos (en ausencia de un sistema de radiofrecuencia conectado a la misma) y la frecuencia más baja de la primera región de frecuencia es ventajosamente mayor que 1,3 o incluso mayor que 1,4, 1,5, 1,8, 2,0, 2,2, 2,4, 2,6, 2,8 o 3,0.

En algunas realizaciones, la primera frecuencia de resonancia de la estructura radiante, medida en su puerto interno cuando se desconecta del sistema de radiofrecuencia, está por encima de la frecuencia más alta de la segunda región de frecuencia, en donde una relación entre dicha primera frecuencia de resonancia y dicha frecuencia más alta de la segunda región de frecuencia puede ser mayor que 1,0, 1,1, 1,2, 1,4, 1.6, 1,8 o 2,0. En algunas otras realizaciones, dicha primera frecuencia de resonancia está dentro de la segunda región de frecuencia. En algunos otros ejemplos, dicha primera frecuencia de resonancia está por encima de la frecuencia más alta de la primera región de frecuencia y por debajo de la frecuencia más baja de la segunda región de frecuencia.

En el contexto de este documento, una frecuencia de resonancia asociada a un puerto interno de la estructura radiante se refiere preferentemente a una frecuencia en la que la impedancia de entrada de la estructura radiante, siendo la impedancia medida en dicho puerto interno, cuando se desconecta del sistema de radiofrecuencia, tiene una parte imaginaria igual, o sustancialmente igual, a cero.

Un sistema de radiofrecuencia de acuerdo con la invención comprende dos o más circuitos de adaptación, cada uno con una, dos, tres, cuatro o más etapas, comprendiendo cada etapa uno o más componentes de circuito (tal como, por ejemplo, pero sin limitación a, inductores, condensadores, resistencias, puentes, cortocircuitos, líneas de transmisión u otros componentes reactivos o resistivos). Una etapa puede conectarse en serie o en paralelo a otras etapas y/o a uno del al menos un puerto del sistema de radiofrecuencia. En algunos ejemplos, las redes de adaptación pueden alternar etapas conectadas en serie (es decir, en cascada) con etapas conectadas en paralelo (es decir, en derivación), formando una estructura de escalera o una estructura en forma de L (es decir, serieparalelo o paralelo-serie), o una estructura con forma de pi (es decir, paralelo-serie-paralelo) o una estructura en forma de T (es decir, serie-paralelo-serie). Una etapa también puede comprarse sustancialmente como un circuito resonante (tal como, por ejemplo, un circuito resonante de LC en paralelo o un circuito resonante de LC en serie) en al menos una región de frecuencia de operación del sistema radiante (tal como, por ejemplo, en la primera o segunda región de frecuencia).

Algunas o todas las redes de adaptación comprenden ventajosamente, en al menos una de sus etapas, una línea de transmisión como se expone en la presente invención. Por medio de dicha línea de transmisión y, en algunas realizaciones, junto con otras etapas desde dichas redes de adaptación, puede proporcionarse un efecto de filtrado a cada trayectoria de señal entre un amplificador de radiación y la estructura de combinación.

De acuerdo con la presente invención, algunos circuitos de adaptación preferidos comprenden tres, cuatro, cinco o seis componentes.

Como tal, un aspecto ventajoso de sistemas de radiofrecuencia de acuerdo con la presente invención es su eficiencia en que la adaptación de impedancia en la primera y segunda regiones de frecuencia puede proporcionarse con redes de adaptación que comprenden números reducidos de componentes, que en consecuencia introduce menores pérdidas en el sistema de radiofrecuencia y lo hace más robusto contra las tolerancias de los componentes. Particularmente, el uso de líneas de transmisión configuradas para bloquear sustancialmente señales de ondas electromagnéticas de parte o la totalidad de las frecuencias desde la primera o segunda región de frecuencia mejora adicionalmente la independencia en el diseño de la primera red de adaptación de la segunda red de adaptación. Las impedancias características Z0 de las líneas de transmisión usadas en las redes de adaptación como se divulga en la presente invención son normalmente mayores que 50 O. La impedancia varía basándose en la anchura de la línea de transmisión y el hueco que separa dicha línea de la capa de plano de tierra. Dados unos valores de anchura y hueco particulares para las líneas de transmisión de un sistema de radiofrecuencia, el ajuste correcto de las longitudes de las líneas de transmisión pueden bloquear de forma efectiva señales desde una o la otra región de frecuencia, además de otros componentes desde las redes de adaptación que también pueden contribuir a bloquear dichas señales.

Un sistema de radiofrecuencia de acuerdo con la presente invención comprende primera y segunda redes de adaptación, en donde cada red de adaptación comprende una línea de transmisión con una anchura total (es decir, suma de las dimensiones de la anchura y del hueco) que es igual o menor que 4 mm, preferentemente menor que 3 mm y más preferentemente sustancialmente igual a 2 mm.

Para esas realizaciones en las que la anchura total de cada una de las líneas de transmisión es sustancialmente 2 mm, se considera que líneas con anchura de 1,5 mm separadas 0,5 mm de la capa de plano de tierra establecen una compensación conveniente entre la impedancia característica y las tolerancias de las técnicas de fabricación de PCB estándar para la producción en masa. Las longitudes de las líneas tienen que ajustarse correctamente, aunque se esperan ciertas desviaciones de los valores de anchura nominal y hueco debido a imprecisiones de fabricación, teniéndose que mantener el rendimiento del sistema más o menos similar. Tal par de valores puede ser diferente en otras realizaciones, en donde anchuras totales similares o diferentes de las líneas de transmisión y modificándose las longitudes de las líneas en consecuencia.

Un aspecto adicional de la presente invención se refiere a una plataforma de prueba para caracterizar electrónicamente los elementos amplificadores. Dicha plataforma comprende una superficie conductora sustancialmente cuadrada encima de la cual, y sustancialmente cercana al punto central, el elemento que hay que caracterizar se monta perpendicular a dicha superficie en una configuración de monopolo, actuando dicha superficie conductora como el plano de tierra.

La superficie conductora sustancialmente cuadrada comprende lados con una dimensión mayor que una longitud de onda de operación de referencia. En el contexto de la presente invención, dicha longitud de onda de operación de referencia es la longitud de onda de espacio libre equivalente a una frecuencia de 900 MHz. Una superficie conductora sustancialmente cuadrada de acuerdo con la presente invención se hace de cobre con lados que miden 60 centímetros, y un grosor de 0,5 milímetros.

En la configuración de prueba como se expone anteriormente, un elemento amplificador de acuerdo con la presente invención se caracteriza por una relación entre la primera frecuencia de resonancia y la frecuencia de referencia (900 MHz) que es mayor que una relación mínima de 3,0. En algunos casos, dicha relación puede ser incluso mayor que una relación mínima, tal como: 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 o 7,0.

Un elemento amplificador de acuerdo con la presente invención también puede caracterizarse por una eficiencia de radiación medida en dicha plataforma, en una frecuencia igual a 900 MHz, que es menor del 50 %, que es preferentemente menor del 40 %, 30 %, 20 % o 10 % y que en algunos casos es menor del 7,5 %, 5 % o 2,5 %. Todos esos son valores de eficiencia notablemente bajos considerando la discordancia de frecuencia de 1:3 adicional y más allá obtenida en algunas de las realizaciones como se ha descrito anteriormente. Un desplazamiento de frecuencia de este tipo introduciría pérdidas de discordancia adicionales que resultarían en una eficiencia de antena general por debajo del 5 %, y bastante habitualmente por debajo del 2 %, lo que normalmente se consideraría inaceptable para un teléfono móvil o aplicación inalámbrica. Aún así, bastante sorprendentemente, cuando se combinan uno o más de los elementos amplificadores de eficiencia baja de este tipo con el sistema de radiofrecuencia dentro del sistema radiante de un dispositivo inalámbrico de acuerdo con la presente invención, dicho sistema radiante recupera la eficiencia requerida para el rendimiento de un dispositivo inalámbrico típico. En algunas realizaciones, un amplificador de radiación de acuerdo con la presente invención también puede caracterizarse con dicha plataforma que comprende la superficie conductora sustancialmente cuadrada. En estas realizaciones, un amplificador de radiación puede presentar una relación entre la primera frecuencia de resonancia y la frecuencia de referencia es mayor que una, algunas o todas las relaciones mínimas anteriormente mencionadas. Además, un amplificador de radiación en algunos casos también puede caracterizarse por una eficiencia de radiación medida en dicha plataforma, en una frecuencia igual a 900 MHz, que es menor del 50 %, preferentemente que es menor del 40 %, 30 %, 20 % o 10 % e incluso que es más preferentemente menor del 7,5 %, 5 % o 2,5 %. Breve descripción de los dibujos

Características y ventajas adicionales de la invención serán evidentes en vista de la descripción detallada a continuación de algunas realizaciones preferidas de la invención dadas para propósitos de ilustración únicamente y de ninguna manera se pretenden como una definición de los límites de la invención, hecha con referencia a los dibujos adjuntos.

La Figura 1 muestra un dispositivo de mano inalámbrico, en una vista en despiece, que comprende un sistema radiante ilustrativo.

La Figura 2 muestra esquemáticamente un sistema radiante de acuerdo con la presente invención.

La Figura 3A y la Figura 3B muestran sistemas radiantes ilustrativos con representaciones esquemáticas de sistemas de radiofrecuencia.

La Figura 4A y la Figura 4B muestran esquemáticamente ejemplos de redes de adaptación para un sistema de radiofrecuencia de acuerdo con la presente invención. Más particularmente, la Figura 4A muestra una red de adaptación ilustrativa que comprende una línea de transmisión; y la Figura 4B muestra una red de adaptación ilustrativa adecuada para interconexión entre la estructura de combinación y el puerto externo de un sistema radiante.

La Figura 5 muestra, en una forma de diagrama de bloques, un ejemplo de un sistema de radiofrecuencia de acuerdo con la presente invención.

La Figura 6 muestra un posible coeficiente de reflexión medido en el puerto externo de un sistema radiante que puede incluirse en un dispositivo inalámbrico, tal como la Figura 1.

La Figura 7 muestra una tabla con varias relaciones de hueco y anchura de línea de transmisión y las impedancias características asociadas.

La Figura 8A y la Figura 8B muestran elementos amplificadores ilustrativos de acuerdo con la presente invención. La Figura 9A y la Figura 9B muestran una plataforma de prueba para la caracterización electromagnética de elementos amplificadores.

La Figura 10 muestra la eficiencia de radiación y eficiencia de antena de un elemento amplificador de acuerdo con la presente invención medidas con la plataforma de prueba representada en las Figuras 9A-9B.

Descripción detallada de los dibujos

En la Figura 1 se muestra un teléfono móvil en una vista en despiece, incluyendo el teléfono las partes 101, 102 y 103. El teléfono móvil comprende un sistema radiante ilustrativo de acuerdo con la presente invención. El sistema radiante comprende una estructura radiante incluida en la placa de circuito impreso 102 que comprende el primer amplificador de radiación 104, el segundo amplificador de radiación 105 y la capa de plano de tierra 106. El sistema radiante comprende además el puerto externo 107 y un sistema de radiofrecuencia que, por claridad, se muestra sin componentes en las redes de adaptación aparte de la primera línea de transmisión 108, la segunda línea de transmisión 109 y una estructura de combinación que toma la forma de almohadilla conductora 110. En la Figura 5 se muestra un ejemplo de un sistema de radiofrecuencia completo.

Aunque el dispositivo de la Figura 1 es un teléfono móvil, otros dispositivos de mano o portátiles inalámbricos pueden incluir un sistema radiante similar.

En la Figura 2 se muestra esquemáticamente un sistema radiante de acuerdo con la presente invención. Dicho sistema radiante comprende la estructura radiante 201, el sistema de radiofrecuencia 202 y el puerto externo 203. La estructura radiante incluye el primer amplificador de radiación 204 con un punto de conexión 205, el segundo amplificador de radiación 206 con un punto de conexión 207 y un plano de tierra 208 con puntos de conexión 209 y 211. Se define un primer puerto interno 210 entre el punto de conexión 205 del amplificador de radiación 204 y el punto de conexión 209 del plano de tierra 208, y se define un segundo puerto interno 212 entre el punto de conexión 207 del amplificador de radiación 206 y el punto de conexión 211 del plano de tierra 209. El primer amplificador de radiación se conecta a una primera línea de alimentación a través del punto de conexión 205 y el segundo amplificador de radiación se conecta a una segunda línea de alimentación a través del punto de conexión 207. El sistema de radiofrecuencia 202 se conecta a dichas primera y segunda líneas de alimentación a través de los puntos de conexión 213 y 214 de las líneas de alimentación, y se conecta también al puerto externo 203. El sistema de radiofrecuencia proporciona adaptación de impedancia a la estructura radiante 201 en el puerto externo 203 de modo que el sistema radiante está configurado para operar señales de ondas electromagnéticas desde la primera y segunda regiones de frecuencia del espectro electromagnético.

El plano de tierra 208 es una capa de una placa de circuito impreso que actúa justamente como un plano de tierra. También puede formarse en más de una capa de una placa de circuito impreso, estando varias capas conectadas eléctricamente; o incluso formarse en más de una placa de circuito impreso, estando las capas de plano de tierra interconectadas.

En la Figura 3A se muestra un sistema radiante con un sistema de radiofrecuencia 301 esquemático. La placa de circuito impreso 302 incluye una estructura radiante que comprende el primer amplificador de radiación 303 que incluye el punto de conexión 321 en contacto eléctrico con la primera línea de alimentación 304 en forma de una traza conductora, el segundo amplificador de radiación 305 que incluye el punto de conexión 322 en contacto eléctrico con segunda línea de alimentación 306 en forma de una traza conductora y una capa de plano de tierra 307 que comprende uno o más puntos de conexión.

El sistema de radiofrecuencia 301 comprende la primera red de adaptación 310, la segunda red de adaptación 311, la tercera red de adaptación 312 (las redes de adaptación 310, 311 y 312 se muestran vacías para propósitos de ilustración únicamente) y la estructura de combinación 313 que en este ejemplo particular se forma como una almohadilla conductora en la placa de circuito impreso 302. La primera red de adaptación se define entre el punto 314 en la primera traza conductora 304 y la estructura de combinación 313, la segunda red de adaptación se define entre el punto 316 en la segunda traza conductora 306 y la estructura de combinación 313, y la tercera red de adaptación se define entre la estructura de combinación y la almohadilla conductora 320. En este ejemplo, el puerto externo 319 del sistema radiante se define entre la almohadilla conductora 320 y la capa de plano de tierra 307. En general, las redes de adaptación 310, 311, 312 también pueden conectarse al plano de tierra 307.

En la Figura 3A también se muestran las dimensiones de la anchura 323 y del hueco 324 que caracterizan el amplificador de radiación 303, en donde el hueco 324 representa la distancia mínima de un borde de la parte conductora del amplificador de radiación conectado a la traza conductora 304 a la capa de plano de tierra 307, y en donde la anchura 323, en el contexto de esta invención, se toma como la dimensión más pequeña de la huella del amplificador de radiación en la placa de circuito impreso 302. La relación entre la anchura 323 y el hueco 324 define el factor de ubicación del amplificador de radiación. De acuerdo con la invención, el factor de ubicación está entre 0,3 y 3,5 y preferentemente mayor que 0,3, y/o 0,5 y/o 1,0 y es preferentemente menor que 3,5 y/o 3,0 y/o 2,5 y/o 2,0.

En la Figura 3A, las redes de adaptación 310, 311, 312 no incluyen ningún componente únicamente para propósitos de ilustración. En la Figura 4A se muestra un ejemplo de una red de adaptación adecuada para cualquiera de la primera y segunda redes de adaptación 310, 311, y en la Figura 4B se representa un ejemplo de una red de adaptación que puede añadirse como la tercera red de adaptación 312.

Es fácilmente evidente para el experto en la materia que los amplificadores de radiación 303 y 305 pueden comprender un elemento amplificador como en forma de los elementos amplificadores 800 y 810 de las Figuras 8A y 8B, o tomar cualquier otra forma que incluye la combinación de más de un elemento amplificador. Por lo tanto, los amplificadores de radiación no se limitan a la forma de los polígonos 303 y 305 (dibujados con líneas discontinuas) de la Figura 3A.

La Figura 3B también muestra un sistema radiante en donde la estructura radiante comprende el primer amplificador de radiación 351 formado por dos elementos amplificadores, dicho amplificador de radiación cabe en una esfera imaginaria que tiene un diámetro más pequeño de 1/3 de una esfera radián que corresponde a la frecuencia más baja de la primera región de frecuencia del sistema radiante. El amplificador de radiación 351 se conecta a la traza conductora 352. La estructura radiante comprende además el segundo amplificador de radiación 353 formado por un elemento amplificador y se conecta a la traza conductora 354 de la placa de circuito impreso 302. Las trazas conductoras 352 y 354 separan ventajosamente los amplificadores de radiación 351 y 353, respectivamente, de la capa de plano de tierra 355; dicha separación puede mejorar el rendimiento de los amplificadores de radiación en términos de ancho de banda de impedancia y/o eficiencia y/o coeficiente de reflexión. En realizaciones preferidas, el factor de ubicación de amplificadores de radiación es al menos 0,3 y menor que 3,5, en donde dicho factor de ubicación se define como la relación entre la anchura del amplificador de radiación y la separación entre el amplificador de radiación y la capa de plano de tierra.

En el contexto de la presente invención, se define una primera red de adaptación entre el punto 356 en la traza 352 y un punto en la estructura de combinación 313, una segunda red de adaptación se define entre el punto 357 en la traza 354 y un punto en la estructura de combinación 313, y se define una tercera red de adaptación entre un punto en la estructura de combinación 313 y un punto en la almohadilla 320, en donde dicha almohadilla 320 puede definir adicionalmente el puerto externo 319 del sistema radiante como se muestra en la Figura 3 A. En algunos casos, puede conseguirse un objetivo de ancho de banda en la estructura de combinación y la tercera red de adaptación puede no ser necesaria, en cuyo caso también es posible que el puerto externo del sistema radiante pueda definirse entre la estructura de combinación 313 y la capa de plano de tierra 355.

La primera red de adaptación, además de otros componentes no dibujados en la Figura 3B, pero mostrados en la Figura 4A y la Figura 5, comprende una primera línea de transmisión 358 caracterizada por la anchura 360, el hueco o separación 361 de la capa de plano de tierra 355 y una longitud. La segunda red de adaptación, que también comprende otros componentes no representados en la Figura 3B, pero mostrados en la Figura 4A y la Figura 5, incluye una segunda línea de transmisión 359 que se caracteriza también por una anchura, un hueco de la capa de plano de tierra 355 y una longitud. En esta realización, ambas líneas de transmisión 358 y 359 presentan la misma anchura 360 y el mismo hueco 361. La elección correcta de las longitudes de las líneas de transmisión, dependiendo de los valores dados de la anchura 360 y del hueco 361, y junto con el resto de los componentes de las respectivas redes de adaptación, hace que la impedancia medida en la estructura de combinación 313 hacia el primer amplificador de radiación 351 sea particularmente alta para algunas o todas las frecuencias de una región de frecuencia (por ejemplo, la segunda región de frecuencia), y que la impedancia medida en la estructura de combinación 313 hacia el segundo amplificador de radiación 351 sea particularmente alta para algunas o todas las frecuencias de la otra región de frecuencia (por ejemplo, la primera región de frecuencia). La primera y segunda redes de adaptación también proporcionan adaptación de impedancia a frecuencias para las que la impedancia de entrada en la estructura de combinación no es alta, en concreto las frecuencias desde la otra de la primera y segunda regiones de frecuencia. En esos casos en los que dicha adaptación de impedancia no consigue un objetivo de ancho de banda en una o ambas regiones de frecuencia, la tercera red de adaptación adicionalmente ajusta la impedancia para las señales de ondas electromagnéticas combinadas para conseguir dicho objetivo de ancho de banda; la almohadilla conductora 362 puede ser conveniente para asignar parte de dicha tercera red de adaptación. En la Figura 4B y la Figura 5 puede verse un circuito que puede ser adecuado para la tercera red de adaptación.

Una particularidad de las líneas de transmisión 358 y 359 es que no hay ningún plano de tierra cerca del borde de las líneas de transmisión que está más cercano a los amplificadores de radiación 351 y 353, y el plano de tierra está principalmente presente en el lado opuesto (el lado que define el hueco 361). En general, casi ningún plano de tierra está presente en un lado de las líneas de transmisión. En menos realizaciones preferidas, puede haber una capa de plano de tierra sustancialmente por debajo de las líneas de transmisión, tal como una capa de una placa de circuito impreso multicapa que puede estar debajo de dichas líneas. Además, y aunque las longitudes de las líneas de transmisión 358 y 359 en la Figura 3B es sustancialmente similar, en otras realizaciones la longitud de la primera línea de transmisión puede ser diferente a la longitud de la segunda línea de transmisión.

Un circuito de adaptación como se presenta en la Figura 4A puede usarse en cualquiera de la primera y segunda redes de adaptación de un sistema de radiofrecuencia de acuerdo con la presente invención. Aunque se muestra una topología particular, también pueden usarse otras topologías siempre que uno de los componentes en la red de adaptación sea una línea de transmisión como se divulga en la presente invención. En este ejemplo particular, el punto 401 tiene que conectarse a una línea de alimentación, tal como 352 o 354 en la Figura 3B (correspondiendo cada una al punto 356 o 357, por ejemplo), y el punto 402 tiene que conectarse a la estructura de combinación como 313 en la Figura 3A o la Figura 3B. En este caso particular, el circuito de adaptación comprende cuatro etapas: la primera etapa incluye los componentes en serie 404, la segunda etapa incluye dos componentes en derivación 405 y 406 que se conectan a un plano de tierra 403, la tercera etapa comprende la línea de transmisión 407 y la cuarta etapa comprende el componente 408 conectado en serie entre la línea de transmisión 407 y el punto 402. En otras realizaciones, un circuito de adaptación de este tipo puede comprender menos que cuatro etapas o más que cuatro etapas.

La red de adaptación está configurada ventajosamente de modo que la impedancia de entrada medida en el puerto 409 es alta para parte o la totalidad de las frecuencias comprendidas en una de la primera y segunda regiones de frecuencia, bloqueando, por lo tanto, sustancialmente las señales de ondas electromagnéticas desde dicha región de frecuencia, mientras que la adaptación de impedancia en el puerto 409 es parcial o total para la otra de dichas primera y segunda regiones de frecuencia.

Con respecto a la Figura 4B, se representa un circuito de adaptación ilustrativo adecuado para la tercera red de adaptación de un sistema de radiofrecuencia. En este circuito particular, el punto 411 se conecta a la estructura de combinación, tal como 313 en la Figura 3A o la Figura 3B, y el punto 412 se conecta a una almohadilla (tal como 320 en la Figura 3A o la Figura 3B) que también define el puerto externo del sistema radiante. El circuito de adaptación comprende tres etapas, pero en otros ejemplos puede comprender una, dos o más de tres etapas. La primera etapa corresponde al componente 413 en serie, el componente 414 de la segunda etapa es en paralelo y se conecta al plano de tierra 403 y la tercera etapa comprende el componente 415 también en serie. La impedancia de entrada o el coeficiente de reflexión consigue un objetivo de ancho de banda cuando se mide en el puerto 416.

Todos los componentes de circuito de las Figuras 4A-4B distintos de las líneas de transmisión pueden ser cualquiera de los siguientes, pero sin limitación a: inductores, condensadores, resistencias, puentes, cortocircuitos, líneas de transmisión u otros componentes reactivos o resistivos. La combinación de componentes y topologías de las redes de adaptación depende de las características particulares del sistema radiante como, por ejemplo: las regiones de frecuencia de operación del sistema radiante; los amplificadores de radiación usados y su ubicación en el dispositivo inalámbrico; las longitudes y formas de las trazas conductoras; las dimensiones y formas de las capas de plano de tierra; los parámetros de anchura, longitud y hueco de las líneas de transmisión; la electrónica y la circuitería del dispositivo que están próximas a la estructura radiante, etc.

La Figura 5 representa un ejemplo ilustrativo de un sistema de radiofrecuencia, definiéndose la primera red de adaptación entre los puntos 501 (en una primera línea de alimentación que se conecta a un primer amplificador de radiación), 502 (en la estructura de combinación) y 503 (en el plano de tierra); definiéndose la segunda red de adaptación entre los puntos 504 (en una segunda línea de alimentación que se conecta a un segundo amplificador de radiación), 505 (en la estructura de combinación) y 506 (en el plano de tierra); y definiéndose la tercera red de adaptación entre los puntos 507 (en la estructura de combinación), 508 (en una almohadilla conductora que puede definir adicionalmente el puerto externo del sistema radiante) y 509 (en el plano de tierra).

Aunque en esta realización específica se representan topologías de red de adaptación y combinaciones de componentes particulares, será evidente para el experto en la materia que también son posibles otras redes de adaptación de acuerdo con los contenidos de la presente invención.

La Figura 6 es un gráfico que representa un coeficiente de reflexión ilustrativo frente a frecuencia medida en el puerto externo de un sistema radiante de acuerdo con la presente invención. En este gráfico particular, el coeficiente de reflexión 601 es igual o menor que -6 dB en la primera región de frecuencia 602 oscilando desde 698 MHz hasta 960 MHz, y en la segunda región de frecuencia 603 oscila desde 1710 MHz hasta 2690 MHz. Tal rendimiento puede conseguirse, por ejemplo, por el sistema radiante de la Figura 3B incluyendo el sistema de radiofrecuencia de la Figura 5.

En otras realizaciones, el objetivo de coeficiente de reflexión puede ser incluso menor o mayor como, por ejemplo, -4,4 dB; y/o la primera y segunda regiones de frecuencia pueden comprender intervalos de frecuencias diferentes de los mostrados en la Figura 6.

En la Figura 7 se representa una tabla que muestra pares de valores de anchura y de hueco de líneas de transmisión. Específicamente, la impedancia característica (Zq) se indica para pocos pares de anchura-hueco cuando la anchura total de la línea de transmisión es de 2 mm, 3 mm y 4 mm cuando ninguna capa de plano de tierra se ubica por debajo de la línea de transmisión, aunque la invención no se limita por la presencia o ausencia de un plano de tierra debajo de las líneas de transmisión.

Como se representa en la tabla, la impedancia característica disminuye a medida que se reduce el hueco. Por consiguiente, para valores de anchura y de hueco dados que hacen preferentemente que la línea de transmisión tenga una impedancia característica entre 75 O y 150 O, la longitud de las líneas de transmisión tiene que establecerse correctamente para hacer el sistema radiante operable en la primera y segunda regiones de frecuencia. Y para que el sistema radiante soporte las tolerancias en el proceso de fabricación de PCB, son convenientes huecos de aproximadamente 0,5 mm ya que unas ligeras variaciones en la fabricación no tienen impacto tan grande como en el caso de huecos de 0,2 mm o incluso 0,1 mm. Por tanto, por ejemplo, en un caso con líneas de transmisión que presentan una anchura total de 2 mm, una anchura de 1,5 mm y un hueco de 0,5 mm hacen ventajosamente el sistema radiante operable en dos regiones de frecuencia ajustando las longitudes de las líneas. De acuerdo con la invención, la primera y segunda líneas de transmisión tienen una dimensión de anchura igual o mayor que 1 mm y menor que 3,5 mm y una distancia mínima de cada una de la primera y la segunda líneas de transmisión a la capa de plano de tierra es mayor que 0,1 mm e igual o menor que 1,0 mm.

En la Figura 8A y la Figura 8B se muestran dos elementos amplificadores ilustrativos. El elemento amplificador 800 comprende una primera superficie conductora 801, una segunda superficie conductora 802, un elemento o soporte dieléctrico 803 (que se muestra transparente para propósitos de ilustración únicamente) y varios agujeros de paso 804 que conectan eléctricamente la primera superficie conductora 801 con la segunda superficie conductora 802. La primera y segunda superficies conductoras 801 y 802 presentan sustancialmente formas rectangulares.

El elemento amplificador 810 de la Figura 8B comprende una primera superficie conductora 811 y una segunda superficie conductora 812, cada una de las cuales tiene forma sustancialmente cuadrada, aunque también son posibles otras formas. Dichas superficies 811 y 812 se conectan eléctricamente mediante los agujeros de paso 814 que atraviesan el material dieléctrico 813.

Ambos elementos amplificadores 800 y 810 pueden configurarse para funcionar como un amplificador de radiación en cada estructura radiante de acuerdo con la presente invención en una única configuración como el amplificador de radiación 353 de la Figura 3B, o en una configuración múltiple como 351 en la Figura 3B, en donde dos o más elementos amplificadores se conectan aunque están configurados para funcionar como un único amplificador de radiación.

Un punto de conexión (tal como 205 y 207 en la Figura 2; o 321 y 322 en la Figura 3A) de elementos amplificadores, tales como 800 y 810, puede ubicarse sustancialmente cerca de una esquina de una de la primera y segunda superficies conductoras.

La Figura 9A muestra esquemáticamente, en una perspectiva en 3D, una plataforma de prueba para la caracterización de elementos amplificadores. La plataforma comprende sustancialmente la superficie conductora cuadrada 901 y el conector 902 (por ejemplo un conector SMA) conectado eléctricamente al dispositivo o elemento 900 que hay que caracterizar. La superficie conductora 901 tiene lados con una longitud mayor que la longitud de onda de operación de referencia que corresponde a la frecuencia de referencia. Por ejemplo, a 900 MHz, dichos lados tienen una longitud de al menos 60 centímetros. La superficie conductora puede ser una lámina o placa hecha de cobre, por ejemplo. El conector 902 se sitúa sustancialmente en el centro de la superficie conductora 901.

En la Figura 9B se representa esquemáticamente la misma plataforma de prueba de la Figura 9A en una perspectiva en 2D, en donde la superficie conductora 901 se dibuja parcialmente. En este ejemplo, el elemento que tiene que caracterizarse 900 en la Figura 9A corresponde un elemento amplificador 800 de la Figura 8A, que se dispone de modo que su dimensión más grande es perpendicular a la superficie conductora 901, y una de la primera o segunda superficies conductoras (801 u 802 de la Figura 8A) está en contacto eléctrico directo con el conector 902 (para una interpretación más clara de la orientación de elemento amplificador 800, los agujeros de paso 804 que conectan la primera y segunda superficies conductoras del elemento amplificador también se dibujan en la Figura 9B). El elemento amplificador 800 se encuentra en un material dieléctrico (no mostrado) unido a la superficie conductora 901 para minimizar la distancia entre el elemento amplificador 800 y la superficie 901. Dicho material dieléctrico puede ser una cinta o revestimiento dieléctrico, por ejemplo.

La Figura 10 muestra un gráfico de la eficiencia de radiación y la eficiencia de antena medidas en una plataforma de prueba como la mostrada en la Figura 9A y la Figura 9B, cuando el elemento 900 que hay que caracterizar es el elemento amplificador 800. En este ejemplo particular, la eficiencia de radiación medida 1001 (representada con una línea continua) a 900 MHz es menor del 5%, y la eficiencia de antena medida 1002 (representada con una línea discontinua) a 900 MHz es menor del 1 %.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo inalámbrico que comprende un sistema radiante configurado para operar señales de ondas electromagnéticas desde una primera región de frecuencia y una segunda región de frecuencia, comprendiendo el sistema radiante:

una estructura radiante, un sistema de radiofrecuencia y un puerto externo;

la estructura radiante comprende:

una placa de circuito impreso que incluye una capa de plano de tierra (106, 208); y

un primer amplificador de radiación (104, 105, 204, 206, 303, 305, 351, 353) conectado a una primera línea de alimentación (304, 306, 352, 354), un segundo amplificador de radiación (104, 105, 204, 206, 303, 305, 351, 353) conectado a una segunda línea de alimentación (304, 306, 352, 354), en donde cada uno del primer y segundo amplificadores de radiación (104, 105, 204, 206, 303, 305, 351, 353) cabe en una esfera imaginaria que tiene un diámetro más pequeño de 1/3 de una esfera radián que tiene un radio igual a una longitud de onda de espacio libre que corresponde a una frecuencia más baja de la primera región de frecuencia, dividida por dos veces n, pi; el sistema de radiofrecuencia comprende:

una estructura de combinación; un primer circuito de adaptación que incluye una primera línea de transmisión (108, 109, 358, 359); un segundo circuito de adaptación que incluye una segunda línea de transmisión (108, 109, 358, 359); y

un tercer circuito de adaptación;

en donde el primer circuito de adaptación se conecta a la primera línea de alimentación (304, 306, 352, 354) y a la estructura de combinación, el segundo circuito de adaptación se conecta a la segunda línea de alimentación (304, 306, 352, 354) y a la estructura de combinación y el tercer circuito de adaptación se conecta a la estructura de combinación y al puerto externo;

en donde el sistema de radiofrecuencia está configurado para modificar la impedancia de la estructura radiante para proporcionar adaptación de impedancia al sistema radiante dentro de la primera y segunda regiones de frecuencia en el puerto externo;

caracterizado por que

cada una de la primera y la segunda líneas de transmisión (108, 109, 358, 359) se caracteriza por una dimensión de anchura igual o mayor que 1 mm y menor que 3,5 mm; y

en donde una distancia mínima de cada una de la primera y la segunda líneas de transmisión (108, 109, 358, 359) a la capa de plano de tierra (106, 208) es mayor que 0,1 mm e igual o menor que 1,0 mm;

en donde el primer y segundo amplificadores de radiación se ubican más allá de un borde del plano de tierra y se caracterizan por un factor de ubicación entre 0,3 y 3,5, siendo el factor de ubicación una relación entre una anchura del amplificador de radiación y una separación entre el amplificador de radiación y la capa de plano de tierra, en donde la anchura del amplificador de radiación es la dimensión más pequeña de la huella del amplificador de radiación en la placa de circuito impreso.

2. El dispositivo inalámbrico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde una frecuencia más alta de la primera región de frecuencia es menor que una frecuencia más baja de la segunda región de frecuencia.

3. El dispositivo inalámbrico de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la primera región de frecuencia comprende un intervalo de frecuencias de 824-960 MHz y la segunda región de frecuencia comprende un intervalo de frecuencias de 1,71-2,69 GHz.

4. El dispositivo inalámbrico de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la primera región de frecuencia comprende un intervalo de frecuencias de 698-960 MHz y la segunda región de frecuencia comprende un intervalo de frecuencias de 1,71-2,69 GHz.

5. El dispositivo inalámbrico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el primer amplificador de radiación (104, 105, 204, 206, 303, 305, 351, 353) comprende dos amplificadores de radiación y el segundo amplificador de radiación (104, 105, 204, 206, 303, 305, 351, 353) comprende un amplificador de radiación (104, 105, 204, 206, 303, 305, 351, 353).

6. El dispositivo inalámbrico de acuerdo con la reivindicación 5, en donde cada uno de los dos amplificadores de radiación del primer amplificador de radiación (104, 105, 204, 206, 303, 305, 351, 353) y el un amplificador de radiación del segundo amplificador de radiación (104, 105, 204, 206, 303, 305, 351, 353) presentan una relación entre una primera frecuencia de resonancia y una frecuencia de referencia de 900 MHz mayor que 3,0 cuando se mide en una configuración de monopolo en una plataforma que comprende una superficie conductora sustancialmente cuadrada hecha de cobre, comprendiendo la plataforma lados de 60 centímetros y un grosor de 0,5 milímetros.

7. El dispositivo inalámbrico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde cada una de la primera y la segunda líneas de transmisión se caracteriza por una anchura al menos 2,5 veces mayor que un hueco que separa respectivamente cada una de la primera y la segunda líneas de transmisión y la capa de plano de tierra.

8. El dispositivo inalámbrico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde:

cada una de la primera y la segunda líneas de transmisión (108, 109, 358, 359) se caracteriza por una dimensión de anchura sustancialmente igual a 1,5 mm; y

la distancia mínima de cada una de la primera y la segunda líneas de transmisión (108, 109, 358, 359) a la capa de plano de tierra (106, 208) es sustancialmente igual a 0,5 mm.