TW200952266A

TW200952266A - Miniature sub-resonant multi-band VHF-UHF antenna

Info

Publication number: TW200952266A
Application number: TW097126349A
Authority: TW
Inventors: Dani Alon; David Ben-Bassat
Original assignee: Vishay Intertechnology Inc
Priority date: 2008-06-06
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2009-12-16
Also published as: EP2289174A1; EP2289174A4; US8126410B2; TWI446629B; JP2011525317A; US20080305750A1; WO2009148465A1; KR101332964B1; KR20110027672A

Description

200952266 九、發明說明：【發明所屬之技術領域】發明領域本發明一般是關於天線電路及系統，本發明尤其是關 5於一種用於vhf-uhf頻帶之迷你次共振多頻帶天線系統。發明背景隨著電腦特別是手持或行動電子裝置之使用繼續以一快速的速率增加，周邊裝置及系統經由無線連接被連接之 10需求繼續增加。無線應用之數目目前在如安全警報、網路連接、個人計算、資料通訊、電話及電腦安全此類的領域内以一超高速率增加。無線通訊目前可採用許多形式，例如超音波、IR^RF。在RF通訊之情形下，無線發送器、接收器及收發器使用一 15或多個天線元件以將一電子RF信號轉換到一電磁波，以及自一電磁波轉換到一電子RF信號。在發射期間，天線作為一輻射器，產生電磁波。在接收期間，天線作為一吸收器，接收電磁波。一天線是被設計以發射及/或接收無線電波之換能 20器，且無線電波疋一類電磁洗。天線用以將RF電流轉換為電磁波以及將電磁波轉換為RF電流。天線被用於如無線電及電視廣播、點對點無線電通訊、無線區域網路(WLAN)、寬頻無線存取(BWA)、雷達以及太空探索此類的系統。一天線一般包含導電體之—配置，根據一施加的交流 200952266 電壓及相關的交流電流產生—轄射電磁場。當處於-電磁場中時，該電磁場在天線中引起—交流，且在其終端之間產生一電壓。天線疋具有被疋義的共振頻率及頻寬的電子元件。 5 一天線之共振鮮麟天線之電長度相關（即，導線之實體長度除以其速度因子）。一般而言，一天線關於—特定頻率被調譜且對於一般以該共振頻率為中心的頻率範圍是有效的然而，该天線之其他特徵(特別是輕射圖案及阻抗)隨著頻率而變化。 1〇通訊及計算裝置製造商正面臨最小化電子元件之挑戰。天線設計也面臨著此挑戰，其中天線之實體尺寸與元件之效能非常相關。隨著通訊裝置的實體大小減小，製造商被迫也減小天線系統之大小。元件小型化至關重要的領域是數位視訊廣播。數位視 15訊廣播-陸地(DVB-T)是數位陸地電視之廣播傳輸。該系統利用串聯頻道編碼（即，COFDM)的OFDM調變發射一被壓縮的數位音訊/視訊串流。DVB-T主要被用於數位電視廣播。利用OFDM，寬頻數位信號被分為許多較慢的數位串流’該等數位串流都在一組緊密相鄰的載波頻率上被發射。 20 數位視訊廣播-手持(DVB-Η)是用於將廣播服務引入行動手機之一行動TV格式規格。DVB-Η技術是用於數位陸地電視之DVB-T系統之一超集合，具有滿足手持、電池供應之接收器之特定要求的額外特徵。媒體只向前鍵結（MediaFLO)是由Qualcomm將廣播資 200952266 料引入如行動電話及PDA此類的可攜式裝置之技術。廣播資料可包括多個即時音訊及視訊串流、個別、非即時視訊及音訊“片段’’以及IP資料廣播應用資料，例如股票行情、體育賽事以及天氣報告。MediaFLO内的資料發射路裡是單 5向的，從塔至裝置。該MediaFLO系統在與目前的蜂巢網路使用的頻率不同的一頻率上發射資料。在美國，該 MediaFLO系統將使用頻譜716-722MHZ，該等頻率之前被分配給UHF TV頻道55。其他的數位視訊標準包括（例如）韓國T-DMB標準及歐 1〇洲DVB-Η標準。超高頻（UHF)是主要用於在大約474MHz與862MHz之間的電視廣播之頻帶。特高頻（VHF)是在大約200MHz與 300MHz之間的一較低頻帶。直到最近，大部分UHF電視發射都是類比的（即，普遍存在的高增益八木屋頂天線或，，兔 15耳”式天線），直到衛星（也是兔耳）。發射與接收都是靜止的，從而允許一使用者將天線指向最近的發射器且獲得一相對良好的連接。然而’類比發射在美國很快將在2〇〇9年2 月被廢除。由於由類比發射在頻率内無效率之事實引起的頻譜擁擠，舊的類比發射被數位廣播替代。一般而s ’ 一天線被设§十用於某一頻率帶。該天線與該天線被預設來接收的輻射之波長相關。一相當有效率的天線可以λ/2被建構。以λ/4的早極型天線較無效率，但是可運作。該λ/4天線是被用於手持裝置（例如，行動通訊裝置，例如行動電話）之最普遍的類型。全1天線是不實際的，因 200952266 為它們在感興趣的頻率上太長。例如，一3〇MHz的一λ天線之長度是10米。因此，期望具有一種能夠覆蓋期望的頻帶，同時具有迷你實體尺寸的天線系統。該迷你天線較佳地覆蓋多個頻 5帶’不需要增加實體大小。 C發明内容;j 發明概要本發明是一種用於接收VHF及UHF頻帶内的發射之新穎的天線系統，克服了習知天線系統之缺點及弱點。本發 10明之天線系統特別適用於提供一種用於行動裝置内的UHF 接收之迷你天線。本發明之迷你天線系統致能低成本、小波形因數(form factor)行動裝置之實施，例如被設計用以接收數位視訊廣播發射之裝置。為了達成期望的頻帶覆蓋及小尺寸，本發明之天線系 15統使用以下三種技術之組合：（1)使用一高介電常數陶瓷基材的介電負載之使用；（2)—次共振設計天線，即一被介電載入且被調諧到比期望的頻率高很多的一頻率（或被調諧到該期望的頻帶之上端的一頻率）之天線；以及(3)可被規劃以允許覆蓋整個期望的頻帶(例如’VHF或UHF頻帶）之一調 20 諧電路的使用，其中該調諧電路補償了天線之頻率偏移，從而偏移該共振頻率以覆蓋整個UHF頻帶。因此’該天線元件被設計以以一高於期望頻率的頻率輻射。該天線被故意設計得太小而不能夠以感興趣的頻率輻射。該天線元件利用作為一調諧電路之一部分的被動（或 200952266 主動）電抗元件被“強迫”調_期望雜低鮮。-缺點是天線效率被降低。因此，具有天線尺寸與效率之_取捨。該天線系統也提供可取格的多頻帶操作。在多頻帶操作中，該天線可被調諧到至少㈣㈣，利用一旁 ‘ 5路開關以在頻帶之間轉換。因為該天線元件已被調諧到高 * 於期望的頻率之一共振頻率，所以-開關可用以將該天線元件連接到⑴-不具有調諧電路的第_接收器（即，高頻率鲁調諸)或⑺-具有調譜電路的第二接收器（即，低頻率調諧)。 1 本發明之天線系統之一應用是行動及手持裝置，例如 pda、行動電活等。本發明之天線調諧電路可被用於蜂巢 4號之接收/發射、FM接收器電路、電視信號接收器電路、 GPS接收器電路或任何其他接收模式應用（即，收發器或僅接收）。本發明之天線系統的使用提供許多優點，包括以下： (1)覆蓋整個期望的頻帶之能力（例如，Vhf、uHF、L頻帶 Q 等），（2)最小化實體尺寸，從而允許該天線系統適合小型波 • 形因數無線行動裝置；以及(3)利用一旁路開關以及適合的天線元件及調諧電路設計調諧到多個頻帶之能力。注意到本文所描述的本發明之一些層面可被建構為在 2〇 —特定應用積體電路(ASIC)中實施的軟核心實現的HDL電路、場可規劃閘極陣列(FPGA)或其他積體電路(IC)或者作為功能等效的離散硬體元件。因此，依據本發明，一種提供一期望的頻帶内的一可調譜範圍之天線被提供，該天線包含：一天線元件，包含 200952266 一設置在由一介電陶瓷材料組成的一基材上的輻射結構，該介電陶瓷材料提供該輻射結構之介電負載，其中該天線元件之共振頻率高於該等期望的頻帶之頻率；以及一可變電抗調諧電路，電性耦接到該天線元件，該調諧電路用以 5 將該天線元件之該共振頻率降低到該期望的頻帶内的一頻率。依據本發明，一種用於設計在一期望的頻帶上可調諧的一天線之方法，該方法包含以下步驟：提供一天線元件，該天線元件包含設置在一基材上的一輻射結構，該基材由 10 一可用以提供該輻射結構之介電負載的介電材料組成；調諧該天線元件以達成比期望的頻率實質上更高的一共振頻率；以及藉由提供一電性耦接到該天線元件的可變電抗調諧電路而補償不調諧的天線元件以將該天線元件調諧到該期望的頻帶内的一頻率。 15 依據本發明，一種多頻帶天線被進一步提供，該多頻帶天線包含：一天線元件，包含設置在一基材上的一輻射結構，該基材由提供該輻射結構之介電負載的一介電材料組成，其中該天線元件用以以一高頻帶内的一第一頻率共振；一可變電抗調諧電路，電性地耦接到該天線元件，該 20 調諧電路用以將該天線元件之該共振頻率降低到一低頻帶内的一第二頻率；以及一開關，電性耦接到該天線元件及該調諧電路，該開關用以旁路該調諧電路，從而允許該天線元件以該高頻帶内的該第一頻率共振。依據本發明，一種用於設計一多頻帶天線的方法也被 10 200952266 5 10 15 20 提供，該方法包含町步驟：提供—天線元件包含一設置在-基材上的輻射結構，該基材由可用以提供該輻射結構之介電負載的—介電材料組成；提供—調諧電路，該調諧電路電性__天線元件且_觸該天料件以達成-高頻帶内的-共_率；藉由提供—電性減到該天線元件的—可變電抗調諧電路而補償不觸的天線元件以將該調譜元件之該共振頻率降低到-低頻帶内的-頻率；以及提供-f性連接到該天線元件觸電路的開關，該開咖时路該觸電路，從而允許該天線元件以該高頻帶内的該共振頻率共振。依據本發明，一種提供一期望頻帶内的一可調諧範圍之天線被進-步提供，該天線包含：-天線元件，包含-設置在由一介電材料組成的一基材上的輻射結構，該介電材料提供該II射結構之介電負載，其中該天線元件之該共振頻率在該期望的頻帶之上端；以及一可變電抗調諧電路’電性__天線元件’該觸電路用以將該天線元件之該共振頻率降低到低於該共振頻率的一頻率。依據本發明，一種行動通訊裝置被提供，包含：一收毛器用以接收及發射傳輸給一基地台以及自一基地台接收及發射傳輪；H線電，用以自電性減到其的一天線系統接收—期望頻帶内的—信號，該天線系統包含：天線7L件，包含一設置在由一介電材料組成的基材上的輻射、”°構，該介電材料提供該輻射結構之介電負載，其中該天線疋件之共振頻率實質上高於該期望的頻帶之頻率. 11 200952266 一可變電抗調諧電路，電性耦接到該天線元件，該調諧電路用以將該天線元件之該共振頻率降低到該期望的頻帶内的一頻率；以及一處理器，用以自該第二無線電接收資料以及發送及接收資料到該收發器，以及自該收發器發送及 5 接收資料。依據本發明，一種天線系統被進一步提供，該天線系統包含：一介電負載天線元件，被調諧到一實質上高於被期望的頻率之第一頻率；以及一調諧電路，電性耦接到該天線元件且用以補償該天線元件之一頻率偏移，從而偏移 10 該天線元件之該共振頻率以覆蓋一期望的較低頻帶。圖式簡單說明本發明在此僅透過舉例參看附圖被描述，其中：第1圖是描述了一示範性天線元件之佔用空間及機械尺寸之圖式； 15 第2圖是描述了該示範性天線之峰值增益對頻率之一圖式；第3圖是描述了該示範性天線元件之3D輻射圖案的一圖式；第4圖是描述了以500MHz的YZ平面内的該示範性天 20 線元件之量測的輻射圖案之一圖式；第5圖是描述了以600MHz的YZ平面内的該示範性天線元件之量測的輻射圖案之一圖式；第6圖是描述了以700MHz的YZ平面内的該示範性天線元件之量測的輻射圖案之一圖式； 12 200952266 第7圖是描述了以800MHz的YZ平面内的該示範性天線元件之量測的輻射圖案之一圖式；第8圖是描述了設置在一陶瓷基材上的一3cm單極天線之模擬阻抗的一圖式； 5 第9圖是描述了利用一個單一串聯電感器被調諧到 850MHz的3cm單極天線之S11響應的一圖式； ' 第10圖是描述了具有串聯連接的調諧元件之一天線調諧電路之一第一示範性實施例的一示意圖；〇第η圖是描述了具有串聯連接及並聯連接的調諧元件 10 之一組合的一天線調諸電路之一第二示範性實施例的一示意圖；第12圖是描述了包含一旁路開關的一第一示範性多頻帶天線系統之一方塊圖；第13圖是描述了包含一旁路開關的一第二示範性多頻 15 帶天線系統之一方塊圖；第14圖是描述了包含一旁路開關的一第三示範性多頻〇帶天線系統之一方塊圖；第15圖是描述了介電陶瓷材料之幾個例子之介電常數及介電損失的一圖式； 20 第16圖是描述了利用一陶瓷介電形式形成的一UHF天線之一第一示範性實施例的一方塊圖；以及第17圖描述了利用一陶瓷介電形式形成的一UHF天線之一第二示範性實施例的一方塊圖；第18圖是描述了包含本發明之多頻帶天線系統之一行 13 200952266 動台的一方塊圖。 C實施方式3 較佳實施例之詳細說明全文中使用的符號 5 以下符號被用於本說明書措辭定義 AC 交流 ASIC 特定應用積體電路 AVI 音訊視訊交錯 BMP 視窗位元映射 BWA 寬頻無線存取 COFDM 已編碼OFDM CPU 中央處理單元 DC 直流 DE 介電損失 DSL 數位用戶線 DVB-H 數位視訊廣播-手持 DVB-T 數位視訊廣播-陸地 EDGE GSM演進之增強資料率 FM 頻率調變 FPGA 場可規劃閘陣列 GPRS 通用封包無線電服務 GPS 全球定位系統 GSM 行動通訊之全球系統 IC 積體電路 IEEE 電器及電子工程聯盟 IR 紅外線 JPG 聯合圖像專家組 LAN 區域網路 MBOA 多頻OFDM聯盟行動及可攜式DVB-T/H無線電存取介 MBRAI 面 MP3 MPEG-1音訊層3 MPG 移動圖像專家組 OFDM 正交分頻多工 OFDM 正交分頻多工 14 200952266 PC 個人電腦 PCB 印刷電路板 PCI 周邊元件互連 PDA 可攜式數位助理 RAM 隨機存取記憶體 RAT 無線電存取技術 RF 射頻 ROM 唯讀記憶體 SIM 用戶身份模組 SoC 系統單晶片 TV 電視 UHF 超南頻 USB 通用串列匯流排 UWB 超寬頻 VHF 特南頻 WiFi 無線保真 WiMAX 微波存取之世界協作 WiMedia UWB之無線電平臺 WLAN 無線區域網路 WMA 視窗媒體音訊 WMV 視窗媒體視訊 WPAN 無線個人區域網路實施例方式目的 φ 本發明是一種用於接收VHF及UHF頻帶内的發射之新 ' 穎的天線系統，克服了習知天線系統之缺點及弱點。本發 5 明之天線系統特別適用於提供一種用於行動裝置内的UHF 接收之迷你天線。本發明之迷你天線系統致能了低成本、小形成因數行動裝置之實現，例如被設計用以接收數位視訊廣播發射之裝置。為了達成期望的頻帶覆蓋及小尺寸，本發明之天線系 10 統使用以下三種技術之一組合：（1)使用一高介電常數陶瓷 15 200952266 基材的介電負載之使用；（2)—次共振設計天線，即一被介電載入且被調諧到比期望的頻率高很多的頻率之天線；以及(3)可被規劃以允許覆蓋整個期望頻帶(例如，v H F或u H F 頻帶)之調諧電路的使用，其中該調諧電路補償了天線之頻 5率偏移’從而偏移該共振頻率以覆蓋整個UHF頻帶。因此，天線元件被没§十以以—高於期望頻率的頻率輻射。該天線被特意設计以太小而不能夠以感興趣的頻率輻 - 射。該天線元件利用一調諧電路之一部分的被動（或主動）電抗元件被“強迫”調諧到期望的較低頻率。一缺點是天線 @ 1〇效率被降低。因此，具有天線尺寸與效率之間的取捨。該天線系統也提供可取捨的多頻帶操作。在多頻帶操作中，該天線可被調諧到至少兩個不同的頻帶，利用一旁路開關以在頻帶之間轉換。因為該天線元件已被調諧到高於期望的頻率之-共振頻率’所以一開關可用以將該天線 15元件連接到⑴一不具有調諧電路的第一接收器（即，高頻率調諧)或⑵-具有調諧電路的第二接收器（即，低頻率調諧)。

本發明之天線系統之一應用是行動及手持裝置，例如 Q PDAs、行動電話等。本發明之场觸電料被餘料信號之接收/發射、™接收器電路、電視信號接收器電路、 2〇 GPS接收器電路或任何其他接收模式應用（即，收發器或僅接收）。雖然本發明之多頻帶天線系統可被併入許多類型的無線通訊裝置，例如一多媒體播放器、蜂巢電話、pDA、DSL 數據機、WPAN裝置等，所提出_範性應躲—行動通 16 200952266 訊裝置之脈絡下。然而，並不意指本發明限於所提出的示範性應用及實施例。將瞭解的是，在衫離本發明之精: 及範圍下，該項領域内具有通常知識者可將本發明之原理 5 ❹ 10 15 e 20 應用於玄項領域内眾所周知的許多其他類型的通訊系統除此之外，本發明之原理可應用於其他無線或有線標準，且每當具有於VHF或UHF頻帶内提供一迷你天線之需求時都是可應用的。注意到在本說明書中，措辭通訊裝置被定義為適用於透過—媒體發射、接收或發射且接收資料的任何設備或機制。措辭通訊收發器或通訊裝置被定義為適用於透過一媒體發射且接收資料的任何設備或機制。該通訊裝置或通訊收發器可適用於透過任何適合的媒體（包括無線或有線媒體）進行通訊。無線媒體之例子包括RF、紅外線、光學、微波、UWB、藍牙、WiMAX、WiMedia、WiFi或任何其他寬頻媒體等。有線媒體之例子包括雙絞線、同轴、光纖、任何有線介面（例如，USB、傳輸壓縮影像檔的標準 (Firewire)、乙太網等）。措辭乙太網路被定義為與IEEE go] 3 乙太網標準中的任何標準相容的—網路，包括下列但不限於下列：在遮蔽或未遮蔽雙絞線配線上的1〇Base T、 100Base-T或l〇〇〇Base-T。措辭通訊頻道、鏈結及纜線被互換使用。措辭多媒體層或裝置被定義為具有一能夠播放音訊 (例如 ’ MP3、WMA等）、視訊(AVI、MPG、WMV等）及/或圖像(JPG、BMP等）的一顯示器螢幕及使用者輸入裝置的任 17 200952266 何设備。使用者輸入裝置一般由一或多個手動操作開關、按鈕、滾輪或其他使用者輸入裝置形成。多媒體裝置之例子包括袖珍型個人數位助理(PDAs)、個人媒體播放器/記錄器、蜂巢電話、手持設備及類似者。 5 措辭天線元件意指表示能夠接收電磁輻射以及自其產生一電信號的實際輻射元件。並不需要也包括—般與該天線元件分開的調諸電路。在一實施例中，該天線元件包含一晶片天線。需注意到的是’大多數習知天線包括分布式元件作為 10匕們设計之部分，例如用以調諧天線的截短及追蹤。該等類型的調諧元件被認為是分布式元件，而本發明之調諧電路的元件被5忍為是集總元件(lumped element)。例如，組成本發明之調諧電路的元件可包含在_PCB元件上建構的離散元件（即，電感器、電容器）。 15 天線系統本發明是一種適用於在VHF及UHF頻帶内接收/發射電磁輻射的迷你多頻帶天線系統。該天線系統包含單頻帶及多頻帶實施例。單頻帶實施例可應用於(例如)VHF及UHF 頻帶。多頻帶實施例可應用於(例如)VHF、UHF及L頻帶。 20 該天線系統藉由組合包括介電負載、次共振天線設計與一調諧電路之技術而達成相對較小的尺寸。 UHF頻帶位於微波頻率之上與VHF頻率之下之間。由於此獨特位置，典型的UHF-頻帶波長足夠短以同時允許介電負載，頻率足夠低以允許利用低於它們本身的自共振頻 200952266 率的電抗元件進行有效補償。該天線系統利用此提供一種適用於VHF/UHF頻帶的迷你天線。因此，本文所提出的新穎的天線解決方法利用介電負載及電抗補償以達成一用於在 UHF(470-860MHz)及 VHF(200-300MHz)頻帶上接收 /發 5射電磁輻射之迷你天線系統。該天線系統之應用包括(例如）行動電話、可攜式多媒體裝置、筆記本電腦及附屬卡。該天線系統包含兩個基本元件。第一元件是藉由使用介電負載而被小型化的一天線元件。該天線元件被調諧到實質上高於期望的頻率之一頻率（即，次共振），從而允許其 1〇尺寸進一步地大量減少。第二元件是一種被設計以補償被故意失調諧的天線元件之主動寬頻數位調諧電路。該調諧電路也允許覆蓋一相對較寬的期望頻率範圍。注意到在一實施例中，該天線被設計以在期望的頻帶之上端的一頻率共振，且並不需要以比期望的頻帶更高的一頻率共振。該 15 天線透過該調諧電路被調諧到較低的期望頻率。描述了一示範性天線元件之佔用空間及機械尺寸的— 圖式在第1圖中被顯示。該天線元件（一般以1〇作為參考符號）包含設於一陶瓷基材上的一或多個平面導電層。在一示範性實施例中，該天線元件包含一多層陶瓷晶片天線，例 20如行動裝置之商業上可用的模型RFW8021晶片天線，由以色列 Migdal Ha’emek 的 Vishay Intertechnology，Inc.製造的。該晶片天線是一種被設計用於在UHF頻帶内的行動裝置之TV接收的小波形因數、高效能的晶片天線。其允許行動TV襞置製造商設計高品質的產品，不需要補償一大的外 19 200952266 部天線。該天線使用一陶瓷介電（在下文中被較詳細地描述），其能夠與行動式及可攜式DVB-Τ/Η無線電存取介面 (MBRAI)規格相容，同時維持一小的外形。注意到，並不意指本發明限於本文所提出的示範性晶片天線，因為許多 5 其他天線元件可與本發明一起被使用。利用介電負載的天線小型化介電負載是一種用於減少一天線之尺寸的技術。該技術有效的藉由依據以下方程式減少光速而縮短波長。

又=士 ⑴ f抑 10其中 λ表示波長； f表示頻率； ε表示介電常數； μ表示導磁率；

15 注意到不是所有理論的縮短都可被獲得，因為介電元件比空氣中的波長小得多。然而，介電負載之影響被用以對天線系統提供優勢。進一步注意到的是，額外的小型化可藉由增加基材之滲透率之值而被達成。天線波長一般由接收器要求規定。頻率無法被控制， 2〇因為其是天線之一要求。給定一天線設計及一頻率與波長，波長可利用高介電材料被減少。仍以一給定頻率操作的較小天線藉由增加天線之介電常數而被獲得。注意到具有影響波長的其他參數，例如，導磁率。利用具有一較高 20 200952266 導磁率的基材達成與利用一鄉響0 高介電材料之影響相同的影二人共振天線設計從以上方喊1可看出，天線小型化也諧到-較高頻率而達成。然而在低於其等自:、天—調作的天線(即，處於次錄的天線）， ‘、、、、振頻率操 ^ ^ 要由於天線與任何被率接的發射樣收器之間的阻抗不匹配，因而有低的效

因此，本發明藉由使用以 10匹配轉換為一優勢：下兩個設計原則將此阻抗不 1. 該天線的阻抗之實數部分在共振時達到其最大值。藉由仔細地控制該等天線參數，該天線可適用於以比期望的頻率更高的一頻率共振，同時在期望的頻帶内返回呈現 5〇歐姆之實數阻抗。由於共振本身以—較高的頻率發生，

15陳之實數部分的斜率在㈣的頻帶㈣相對慢地變化。這在第8圖中被顯示，其中軌跡32是阻抗之實數部分且在由兩個垂直箭頭表示的UHF頻帶内慢慢地變化。 2. 阻抗之虛數部分可利用一調諧電路被消除。利用— 調諧電路允許天線被調諧到期望的頻率，同時⑴利用介電 20負載以及(2)特意將天線元件_到—較高頻率而被小型化0 調諧電路一天線調諧電路作為—阻抗匹配網路，該阻抗匹配網路匹配天線之阻抗以供最大的功率傳給來源以及自來源提 21 200952266 供利用^調譜電路，頻率被偏移，從而覆蓋整個期望的頻帶。阻抗之虛數部分在期望的頻帶内可以是正的（即，電容)或負的（即，電感）。虛數阻抗可藉由增加—或多個被動電抗凡件而被消除。一旦虛數部分被消除，則只有剩下實 5數部分，其適合的是50歐姆。因此，天線在期望的頻率上被調諧到50歐姆。適用於與本發明一起被使用的幾個示範性天線調諸電路在以下給出。注意到以下是重要的：利用並聯電抗元件(shunt reactive elements)控制實數及虛線阻抗，天線可被調諸到任 10何期望的阻抗。可瞭解的是，本發明之原理可被應用於許多天線系統，其中調諧電路被建構為被組配的串聯及/或並聯電抗元件之一組合而以在期望的頻帶上達成任何期望的阻抗。因此，天線被調諧在一給定點，從而產生一相對較窄 15頻帶的天線。然而，因為阻抗之實數部分在目標頻帶内慢慢地變化’所以該天線可藉由在幾個被動電抗元件之間開關而被調諧到不同的點。依據本發明，利用（1)利用介電負載，（2)設計天線以在高於期望頻率的一頻率共振以及(3)利用一主動調諧電路這 20 三種技術，一種用於發射及/或接收電磁輻射的具有一小的波形因數之系統可被建構。雖然本發明之技術可應用到許多頻率，但是其特別適用於VHF(200-300MHz)及相鄰的 UHF(470-860MHz)頻帶。示範性天線之效能 22 200952266 現在提出以上描述的示範性晶>{之效能。天線之輻射特性受到幾個因素影響’包括接地平面尺度及使用的阻抗匹配網路。之後提出的天線參數利用一四頻道主動數位調諧電路被量測。所使用的接地平面之尺寸大約為4〇x8〇mm。 5 描述了該示範性天線元件之UHF頻帶上的峰值增益對頻率之一圖式在第2圖中被顯示。出於比較目的，峰值增益與MBRAI規格要求一起被顯示。實線軌跡20表示所量測的峰值增益，而虛線軌跡22表示MBRAI規格。〇描述了該示範性天線元件之3D輻射圖案的一圖式在第 10 3圖中被顯示。描述了如第3圖中定義的YZ平面内的示範性天線元件在500、600、700及800MHz所量測的輻射圖案之一圖式分別在第4、5、6及7圖中被顯示。注意到零度被定義在Z軸，以逆時針方向步增。示範性天線系統 15 在此說明性例子中，一種用於在UHF頻率範圍470-860 MHz内接收TV廣播的迷你系統被描述。依據本發明，該天 ® 線使用藉由使用具有一比100高很多的介電常數之陶瓷基材而達成的介電負載。結合天線在其上被製造的FR4印刷電路板(PCB)之介電常數產生一被有效量測的介電常數1〇。 20 一測量3cm的四分之一波長單極輻射元件在陶瓷基材上被製造。該天線元件以接近1GHz之頻率共振。在此組態中’該輻射元件之自然共振比期望的頻帶（即，UFH頻帶）之上限制值高很多。注意到以下是重要的，被設計以在自由空間内以 23 200952266 600MHz共振的四分之一波長單極天線一般是13cm長。因此，介電負載結合特意將天線設計到一較高頻率產生其尺寸比可能的尺寸大約小四倍的一天線。描述了設於一陶瓷基材上的一3cm單極天線之模擬阻 5 抗的圖式在第8圖中被顯示。虛線34表示一常數50 Ohm，軌跡32表示阻抗之實數部分，而軌跡30表示阻抗之虛數部分。阻抗之實數部分(軌跡32)在感興趣的頻帶(例如，垂直箭頭所描繪的UHF)内相對慢地變化，從上端（即，86〇MHz) 的大約30歐姆至下端（即，470MHz)的10歐姆。阻抗之虛數 10部分(軌跡30)在該頻帶上保持為正，且在上端的1〇〇歐姆與下端的10歐姆之間變化。該天線利用以下較詳細描述的被動（或主動）電抗元件在該UHF頻帶内被調諧到一特定頻率。舉一例而言，與該天線元件串聯設置的一個單一電感器可將天線調諧到UHF 15頻帶内的任何頻率。然而，產生的天線是相對較窄的頻帶。描述了利用一個單一串聯電感器被調諧到85〇]VIHz的3(；111單極天線之被模擬的S11響應之圖式在第9圖中被顯示。天線調諧電路一用於一天線的調諧電路實質上是一理想無損失電抗 20性網路，此電抗性網路是基於電抗性電感器、電容器及可變電容器（即，壓變電容器調諧電路作為一阻抗匹配網路，該阻抗匹配網路匹配天線之阻抗以傳輸最大功率給來源和從來源得到最大功率。利用一調諧電路，頻率被偏移，從而覆蓋整個期望的 24 200952266 頻帶。注意到此-調諧電路可以許多方式實施，其中被用於該天線系統的特定調諸電路對於本發明之操作不是關鍵的。適用於與本發明一起使用的一調諧電路之一例子在序號為4,564,843的美國專利（c00per的名稱為”Antenna whh 5 P.I.N. diode switched tuning inductors”）中被描述，其全部内容以參照方式被併入本文。適用於與本發明一起使用的額外示範性調諧電路在序列號為丨丨/759,594的美國申請案中被描述’名稱為 Digitally controlled antenna tuning circuit ® for radio frequency receivers”，其全部内容以參照方式被併 10 入本文。本文所描述的幾個調諧電路在以下被提出。第一示範性天線調諧電路如第10圖所示，一示意圖描述了適用於與本發明之天線系統一起使用的一天線調諧電路之一第一例子，該天線調諧電路具有串聯連接的調諧元件。該電路(一般以參考符 15 號130表示）包含一耦接到天線元件132的調諧電路131以及一調諧控制電路133。該天線元件132可包含一例如以上詳 ® 細描述的晶片天線。該調諧電路包含兩個串聯連接的調諧級，該等調諧級包含由電感器L0(134)、Ll(136)、DC阻隔電容器C138、144、159，RF扼流圈L 146、148、150 ’ 電阻 20器R 152、154以及包含pm二極體D0(140)、Dl(142)的開關裝置組成的調諧元件。依據本發明，假設流過主接收信號路徑的信號足夠弱以允許使用一個單一PIN二極體將一個單一調諧級短路。在示範性電路130中，主接收信號路徑包含串聯連接的兩個調 25 200952266 諧元件(L0及L1)。 -顺二極體是知型半導體與n型半導體區域之間具有-寬的、未慘雜的本質半導趙區域之二極體。丽二極體在RF及微波解上作為接找料電阻1轉決於施加給二極體雜電流。—顺：極體之優勢是空乏區域幾乎完全存在本質區域内，該本質區域幾乎是—常數寬度斑施加給二極體的反向偏壓無關。該本質區域可被製作得較大’從而增加可產生電子-電洞對的區域。 10 15 藉由改變經過-㈣二極體的偏電流，可能快速地改變其RF電阻。在高頻率上，該PIN二極體看^電㈣4 電阻是其正向D⑽電流之-反⑽數m㈣卜一 PIN二極體是可處於兩種操作模式中的一者之一 RF元件。第-操作模式是當該二極體沒有被DC正向偏壓時(即，無偏壓或被反向偏壓）’其呈現非常高的電容ac阻抗(即，低電容）。低電容不將通過一RF信號之大部分。在第二操作

模式中，該二極體被DC正向偏壓，其呈現非常低的電阻AC 阻抗。包含P IN二極體D 0及D1的兩個開關元件分別並聯地連接到電感器L0及L1。該等PIN二極體中的每個具有兩個轉 20換狀態（即，操作模式），即被正向偏壓或未被正向偏壓。藉由將該等二極體在它們的兩個操作模式之間轉換，電感器 L0及L1被個別地短路《數位控制線ControlO 158及Controll 156提供調諧電路之4個可能的組合。例如，當數位控制信號ControlO高時，二極體do處於 26 200952266 5 ❹ 10 15 20 正向偏壓。處於正向偏壓的一PIN二極體可被認為是對rf 信號具有非常低的電阻值的一電阻器。若該二極體與電感器L0並聯，則L0可有效地被一短路替換。因此，當施加給二極體D0的ControlO信號電壓高時，L0被電性地短路。注意到DC阻隔電容器之阻抗在該電路之操作RF頻率上是可忽略的。該調諧控制電路133提供與控制信號ControlO及 Controll有關的適合的DC偏壓以產生該天線調諧電路131 之期望的阻抗。注意到以下是重要的：被標示為‘c，（138、144)的電容器被用作AC耦接裝置以避免將pin二極體直接並聯到電感器。電容C之典型值應被選擇足夠高，使得該等電容器在該系統之操作射頻上可被認為是非常低的阻抗。類似地，被標示為’L’的電感器被用作DC耦接(AC阻隔）以阻止RF從主接收信號路徑洩漏到數位控制信號。電感L 之典型值應被選擇足夠地高，使得該等電感器在該系統之操作射頻上可被認為是非常高的阻抗。此外，被標示為‘R’的電阻器被用作限流器以將該等 ΠΝ二極體之DC偏壓設定到一適合的值。電阻R之值應依據 (1)期望的操作點以及(2)由該數位控制信號提供的電壓被選擇。被提供為用於選擇該等AC耗接電容器C、AC阻隔電感器L以及限流電阻器R之值的指南之一說明性例子在以下被提供。第二示範性天線調諧電路 27 200952266 如第11圖所示，一示意圖描述了適用於與本發明之天線系統一起使用的一天線調譜電路之一第二例子，該天線調諧電路具有串聯連接及並聯鏈結的調諧元件之一組合。該電路（一般以參考符號160表示）包含一耦接到天線元件 5 162的調諧電路以及一調諧控制電路163。該天線元件可包

含一例如以上詳細描述的晶片天線。該調諧電路包含以一串聯-並聯組合配置的4個調諧級，具有包含由電感器 L0(164)、電容器Cl(166)組成的調諧元件之兩個串聯連接的調諧級，以及包含由電感器L2(172)、電容器C3(170)、DC Q 10 阻隔電容器C 180、168、178、RF扼流圈L 182、188、192、 196、200、電阻器R 184、194、198、202及包含PIN二極體 D0(186)、Dl(190)、D2(176)、D3(174)的開關裝置組成的調諧元件之兩個並聯連接的調諧級。在此示範性電路161中，四個調諧級以一串聯-並聯組 15 合連接以形成主接收信號路徑。包含調譜·元件電感器L0及電谷器C1的兩個調譜級以一串聯組態被連接。串聯連接到該等調諧元件L0、C1的對應PIN二極體D0及D1作為開關以 © 依據由該調諧控制電路163提供的一個別控制信號c〇ntr〇1〇 212、Controll 210將每個個別調諧元件轉換到主接收信號 20 路徑内或外。包含PIN二極體D0及D1的兩個開關元件分別並聯連接到調諧元件L0及L1。該等HN二極體中的每個具有兩個轉換狀態（即，操作模式），即被正向偏壓或未被正向偏壓。藉由將該等二極體在它們的兩操作模式之間轉換電感器l〇 28 200952266 及電容器Cl被個別地短路。 5 10 15 ❹ 20 例如’當數位控制信號ControlO高時，該二極體D0被正向偏壓。處於正向偏壓的一PIN二極體可以被認為是對於 RF信號具有特低電阻值的一電阻。若該二極體與該電感器 L0並聯，則L0可有效地被一短路替換。因此，當施加給二極體D0的ControlO信號電壓高時，L0被電性地短路。類似地，當施加給二極體D1的Controll信號電壓高時，C1被電性地短路。該電路也包含由以一並聯組態連接的調諧元件電感器 L2及電容器C3組成的兩個調諧級且經由電容器c 168耗接到串聯組合。L2及L3作為分流元件在該調諧電路中接地。與該等調諧元件L2、C3串聯連接的對應PIN二極體D2及D3 作為開關以依據由該調諧控制電路163提供的一個別控制信號Control2 208、Control3 206將每個個別調諧元件切換到主接收信號路徑内或外。當D2及D3未被RF接通時，[2及 C3不是該調諧電路之部分。當£)2及1)3接通時，以及^將分流電抗加到該調諧電路。在此例中 ’ 4個控制信號(ControlO、Control 1、Control2、 C〇ntr〇13)提供該天線調諧電路161之16個可能的4阻抗值。例如，當D0、D1截止（即，無偏壓或被反向偏壓）且D2、 D3接通（即，被正向偏壓）時，所有負載(L〇、ci、l2&c3) 被連接。在L2、C3之並聯組合中，一控制信號上的一高電壓用以㈣二極體正向偏壓’從而將對應的調諧元件電性插入 29 200952266 該主接收信號路徑。一控制信號上的的-低電壓使其對應的PIN二極體處於-未被正向偏壓的操作狀態，從而將對應的調諧元件自該主接收信號路徑移開。注意到將該等ΠΝ二極體D2 ' D3與其等各自的調諧元 5件L2、C3串聯提供將L2、C3分別連接到主信號路徑之能力。例如，當s亥數位控制信號C〇ntr〇12處於一高電壓狀態時’對應的二極體卩2被正向偏壓。一被正向偏壓的PIN二極體可被認為是一對RF信號具有特低電阻的電阻器。因為此二極體串聯連接到L2，所以L2可被認為有效地連接到主 10 接收信號路徑。類似地，當二極體D3上的Control3信號高時’電容器C3也被電性地插入該主接收信號路徑。列出第9圖之示範性電路161内的天線調諧電路之控制信號的所有可能的16個組合之真值表在以下的表1中給出’其中導納Y被定義為Y=l/Z。對於分流電抗L2及C3，導 15納Υ被使用，而不是阻抗Ζ。注意到以下是重要的：該表格之最後一行給出的總調諧阻抗之表示不是精確的，且只應被認為是總阻抗之近似的定性表示。這是因為該表示沒有考慮鏡射到阻抗之實數部分與虛數部分的負載之影響。然而，該表格確實提供了代表對控制信號之16個組合中的每 20 個作用中的特定電抗元件之表示。 200952266 表1 :天線調諧電路真值表 0 控制0 (ControlO) 控制1 (Control 1) 控制2 (Control2) 控制3 (Control3) 作用中的電感器作用中的電容器總調諧阻抗 0 0 0 0 L0 C1 Zlo+Zci 一 0 0 0 1 L0 Cl, C3 Zi〇+Zri+Yc3 0 0 1 0 L0, L2 C1 Z,〇+Zci+Yl2 _ 0 0 1 1 L0, L2 Cl, C3 Z, n+Zn+YL2+Yc3 0 1 0 0 L0 - Zl〇 0 1 0 1 L0 C3 Zl〇+Yc3 0 i 1 0 L0 L2 Zl〇+Yl2 _ 0 1 1 1 L0, L2 C3 Zlo+(Yl2+Yc3) 1 0 0 0 - C1 Zci 1 0 0 1 - Cl, C3 Zci+Yc3 1 Γ ο 1 0 L2 C1 Zc1+Yl2 1 0 1 1 L2 Cl, C3 Zc：1+(Yl2+Yc3) 1 1 0 0 - 0歐姆（短路） 1 1 0 1 • C3 YC3 1 1 1 0 L2 - YL2 1 1 1 1 L2 C3 YL2+YC3 對於四個控制信號中的每個值，作用中的（即，被電性地插入主接收信號路徑）電感器及電容器與對應的總天線 5 調諧阻抗一起被列出。說明性天線調諧電路的例子為了助於理解本發明之原理，一說明性例子被提供，其中用於選擇AC耦接電容器C、用於阻隔AC(DC耦接）的RF 扼流圈L以及限流電阻器R之值的指南被提供。 10 對於此例子’假設該電路之操作頻率是1GHz。當以 10mA之電流被偏壓時，該pin二極體呈現丨歐姆電阻，具有 IV電壓降(dropout)。假設該等數位控制信號從〇v到3V擺動。為了選擇電容器之值C，其在操作頻率上的阻抗被考 15量。在此例子中，該電容器C之阻抗在1GHz操作頻率上較 31 200952266 佳地應比1歐姆小得多以在射頻上提供一有效的電氣短路。利用此等參數及限制，阻抗心之值的運算式由以下终出：

Zc=^《Whm (2) 5 解C得到以下 C>>^f=^¥ = l59pF (3) 為了選擇電感器之值L，其在操作頻率上的阻抗被考量。在此例子中，電感器L之阻抗在10112操作頻率上應較佳地比1歐姆大很多以在RF頻率上提供一有效的電性開 10路。利用此等參數及限制，阻抗&之值的運算式由以下給出 Ζ,=2φ »\Ohm (4) 解L得到以下以士d^ = 159 跗 (5) 15 ，主意到以下疋重要的，在一些點上，當C及L之值增加時，自共振之影響開始作用。當對該調諧電路選擇C及l之值時，這應被考慮。電阻器R之值應被選擇使得其產生大約2¥之電壓降以允許橫跨m二極體電壓降，且其傳導馳a之電流。 20以下運算式解出該電阻器R之值。 (6)

R=a=2〇〇〇hms 32 200952266 使用旁路開關的多頻帶天線 5 ❹ 10 15 ❹ 20 如以上所描述的，本發明提供一種藉由故意設計天線元件（即’晶片天線）以比需要的頻率高很多的一頻率共振而達成的迷你天線。額外的小型化藉由在該天線元件之構造中使用一南介電基材而被達成。一調諧電路被使用，其適用於“強迫”天線以期望的頻率共振。依據本發明，一種能夠調諧到多於一個頻帶的多頻帶天線實施例被提供。這藉由將該天線元件被調諧到的該高很多的頻率5又疋到一第一有用頻率而達成。如以上所描述的調諧電路之操作將天線調諧到一第二較低的頻帶。這允許該天線系統被調諧到多於一個頻率。一旁路開關被用以選擇性地將該天線調諧到第一或第二頻帶。描述了包含一旁路開關的一第一示範性多頻帶系統之方塊圖在第12圖中被顯示。該電路（一般以參考符號22〇表不）包含天線το件224(例如，晶片天線）、電性連接到該天線元件的旁路開關226、調諧電路及接收器#2(222)以及電性連接在該天線元件與一接收器#1 239之間的調諧電路228。該調諧電路228包含阻抗Z1 23()、Z2 232、Z3 234以及開°關 236、238。注意到用於該調諸電路的實際電路對於本發明不是關鍵的。在操作中，-切換控制信號227控制旁路開關之操作。該開關將天線元件連接到（1)不具有調諧電路的接收器 #2(222)或者具有調諧電路的接收器#1(239)。當該旁路開關將該天線元件連接到職電路時，該天線元件被調譜到較 33 200952266 =。當該旁路開關將該天線元因此’該m祕於以下賴式巾的—者： 5 :在此操作模式中，該調諧電路被旁路兀件被允許以其自㈣率共振。該自_率被選擇為= 用的期望頻帶。㈣擇為—有在第二操作模式中，該觸電路未

性柄接_⑽元件。該觸電路”料”从 2 10低頻帶共振。朋里的較因此，在任何給定時間，該天線以以上所描述的模式 tr者運作。該等模式之間的選擇藉由操作_到該調 =路的旁路開關226而被達成。實際的調諧頻率藉由選擇決定上頻帶之適合的共振頻率給該天線元件以及決定下頻 15帶之適合的頻率給該調諧電路而被決定。

考量在第13圖中顯示的包含一旁路開關的第二示範性多頻帶天線系統。該電路(-般以參考符號24〇表示）包含一天線το件(242)(例如，晶片天線）、電性耦接到該天線元件的PIN二極體244、調諧電路及L頻帶接收器245、連接到該 20天線元件的調諧電路243以及UHF接收器256。該調諧電路 243包含阻抗Z1 246、Z2 248、Z3 250以及pin二極體252、 254。如同第12圖之電路，電路240中使用的實際調諧電路對於本發明不是關鍵的。注意到本文所描述的特定頻帶及相 34 200952266 關接收器（即’ L頻帶及UHF)只是為了說明目的被給出。可瞭解的是，其他頻帶及接收被考量以用於解釋本發明之多頻帶系統。該天線元件可被建構為以任何期望的頻率共振。幾個 5 示範性頻率包括在1.45GHz的電視廣播、在1575.42MHz的 GPS以及支援各種無線電通訊服務的820-960MHZ頻帶，例如蜂巢服務、陸地行動服務、低容量以及寬頻固定服務以及無線電定位服務。〇在此例子中’該天線元件被設計以在L-頻帶（即，大約 10 l_45GHz)内共振’ L-頻帶是用於數位電視廣播的頻率。該調諧電路被設計以將天線共振頻率推向UHF頻帶（即，大約 470-860MHZ)，UHF頻帶也被用於數位電視廣播。此例中的旁路開關是被轉換到兩個狀態中的一者之PIN二極禮244。當該PIN二極體244無偏壓或者被反向偏壓時，該L頻帶接 15收器242被有效地與該天線元件242斷開，且該天線系統之頻率由該調諧電路243決定。當該ΠΝ二極體244被正向偏壓 ® 時，該L·頻帶接收器242電性耦接到該天線元件，且該頻率由該天線元件之自然共振頻率決定。因此，該天線系統作為-具有-L·頻帶天線之典型長度的多頻帶天線，從而提 20供一小的波形因數(formfact〇r)，其也覆蓋UHF頻帶。注意到若Z1被設定是電感性的，則其阻抗隨著頻率增加而增加。當該旁路顺二極體244接通時，這允賴作為較高頻率（即，L·頻帶鮮)之―區塊。也注意_是，為了方便說明，用以驅動顺二極體所需的沉偏壓電路未被顯 35 200952266 示。描述了包含一旁路開關的第三示範性多頻帶天線系統的一方塊圖在第14圖中被顯示。該電路（一般以參考符號 270表示）包含一天線元件274(例如，晶片天線）、調諧電路 5 278、UHF接收器 280、旁路電路D3、R3、R4、L5、L6、 C8、C9、頻帶切換控制272以及經由DC阻隔電容器C10柄接的L-頻帶接收器276。該調諧電路278包含PIN二極體D0、 D1、電感器LI、L2、L3、L4、L7，電容器Cl、C2、C3、 C4、C5、C6、C7，電阻器Rl、R2以及調諧控制方塊282。 10 在該電路270(被用於發射及接收操作）中，該等PIN二極體DO、Dl、D3被DC接通（即，被正向偏壓）及截止（即，無偏壓或反向偏壓）以作為可被接通及截止的RF開關。為了轉換頻帶，一DC偏壓288被施加給串聯電感器L5。該偏壓被阻止經由阻隔電容器C9洩漏回到該天線元件274。將D3 15 正向偏壓將該天線元件274電性連接到該L頻帶接收器276。該調諧電路278與以上所描述的第一及第二示範性調譜電路的運作方式類似，因此未被詳細描述。一般而言，該調諧控制電路282提供偏壓CONTROLO(286)及 CONTROL 1 (284)以分別有效地接通及截止PIN二極體D0、 20 D1 ’從而改變耦接到該天線元件的電抗，這有效地改變了天線之調諧頻率。該調諧電路27 8使用切換的P IN二極體以實現包含一組串聯連接的電抗之調諧電路。該PIN二極體陣列個別地經由控制信號CONTROLO(286)、CONTROL 1 (2 84)將每個電抗短 200952266 路藉由將每個電抗短路，一不同的總電抗被產生，這直接影響調諧頻率。 /主意到zi被選擇為電感性的（即，一電感器）。這允許 Z1之随抗隨著頻率上升。在L頻帶頻率，Z1之阻抗是如此 5间使得由該天線元件產生的幾乎所有能量都經過PIN二極 • 體D3以到達L_頻帶接收器。實質上能量沒有傳至UHF接收器而有所損失。陶瓷介電形成 © 本文所描述的天線系統提供一陶瓷形成，當該陶瓷被 10燒結到一陶瓷基材時提供一具有高介電常數(>200)以及低損失(< 0.00060 @ 1 MHz)的材料。當結合調諧電路元件時’此基材是一有效的寬頻UHF天線。此外，與PCT公開專利申請案WO9803446中描述的Ag(Nb，Ta)03系統（其全部内容以參照方式被併入本文）不同，本文的發明在溶結期間不 15 需要特別的大氣控制，其也不使用昂貴的金屬，例如銀、銳、组。 © 在廣泛研究SrTi〇3-BaTi〇3_CaTi03系統内的陶瓷形成之後’一系列形成利用UHF寬頻天線之正確的特徵組合被識別。被研究的成分在以下的表2中描述。 20 37 200952266 表2 :陶瓷成分成分 A B ] C D E wt% Wt% wt% wt% wt% 鈦酸锶 56.83 66.80 63.43 60.15 70.12— 鈦酸鋇 28.42 7.11 14.21 21.32 0 鈦酸鈣 4.73 23.59 17.31 11.02 29.88 锆酸鈣 4.73 1.18 2.37 3.55 0 三氧化二鉍 2.05 0.50 1.03 1.54 0 氧化锆 0.79 0.20 0.40 0.59 0 二氧化猛 0.09 0.02 0.05 0.07 0 — 氧化鋅 0.47 0.12 0.24 0.35 0 無鉛玻璃料 0.47 0.12 0.24 0.35 0 高嶺土 (黏土） 0.95 0.24 0.48 0.71 0 氧化鈽 0.47 0.12 0.24 0.35 0 —

該等陶瓷成分藉由該項領域内眾所周知的方法形成陶 5 瓷泥漿（ceramic slips)且鑄造為基材。在一退火製程中去除有機物之後，最終的燒結分別在溫度為1270°C及1250°C的空氣中被執行，雖然其他溫度可被使用。該等介電特徵以 1MHz被量測且在以下的表3中被顯示。 1〇表3:1MHz的介電特徵〇成分燃燒溫度1270°C 燃燒溫度 1250°C TCC, ppm/°C K DF K DF @•40 至 20°C @20 至 85°C A 680 0.00059 680 0.00059 〜-12000 -5000 B 560.9 0.00036 560 0.00024 -9300 -4500 C 406.9 0.00042 407 0.00036 -6600 -3100 D 333.5 0.00046 328 0.00038 -3900 -2150 E 250 0.00032 250 0.00032 -1200 -1200 介電常數(K)對於兩個不同的燃燒溫度非常類似且介電損失(DF)具有一小的變化。電容之溫度係數(TCC)對於兩 38 200952266 個燃燒溫度是類似的。注意到以下是重要的：相較於1類 C0G多層電容形成（在溫度範圍-55°c至+125-c内的 +/-30ppm/°C)或一窄帶微波天線，該等成分之TCC非常高。在多層電容或窄帶微波天線之情形下，隨著溫度的穩定特 5性需要阻止規格隨著溫度變動而漂移。然而，因為該等陶瓷在一寬頻帶上被用於一UHF天線，溫度穩定性較不關鍵，因此較高的TCC可被容許。為了形成將該天線小型化同時維持低損失，介電常數必須被最大化同時維持低損失。描述了被提供的例子之介電f數以及DF之一圖式在第15圖中被顯示。藉由以圖式描述表3中報告的介電常數以及DF，可看出只有對於介電形成 B、C及D是高於300的介電常數，其DF低於〇〇〇〇5。利用一陶免介電形式形成的一UHF(或VHF)天線之一第一示範性實施例的一圖形表示在第16圖中被顯示。該 15 UHF天線(一般以參考符號260表示）包含一燒結到一陶瓷基材262内的陶瓷成分，例如以上所描述的。該UHF天線26〇進一步包含調諧器電路264。該UHF天線260接著可被併入 —電子裝置266，例如以下所描述的行動台7〇。描述了利用一陶免介電形式形成的一Uhf(或vhf)天 20線之一第二示範性實施例的方塊圖在第17圖中被顯示。在此第二實施例中，該UHF天線（一般以參考符號29〇表示）包含燒結到一陶瓷基材292的陶瓷成分，例如以上所描述的， 3亥次共振輻射/吸收元件在該陶竞基材上被建構。該uhf天線290進一步包含不被建構在該陶資1基材上的調譜器電路 39 200952266 296(例如’被建構在一pCB元件上^注意到該調諧器電路 296獨立於天線及任何耦接的接收器/發射器被建構，且並不需要如同第16圖被設置在該陶瓷基材292上，在第16圖中，其是該介電負載之一部分。該調諧電路可（丨）包含設於 5 一PCB上的離散元件；（2)是一系統單晶片（s〇c)設計之一部分，（3)是一混合設計之一部分等。該UHF天線29〇可被併入一電子裝置，例如以下所描述的行動台7〇。 - 注意到介電陶瓷材料可被用於除了 UHF或VHF天線之外的其他目的。其可被用於介電共振器、濾波器、微電子 0 10電路之基材，或者被内建到任何類型的電子裝置。包含單頻帶或多頻帶系統的行動台描述了包含本發明之多頻帶天線系統的一示範性行動裝置的方塊圖在第18圖中被顯示。注意到該行動台可包含任何適合的有線或無線裝置，例如一多媒體層、行動通訊 15 裝置、蜂巢電話、智慧電話、PDA、藍芽裝置等。只為了說明的目的，該裝置被顯示為一行動台。注意到此例子並不意指限制本發明之範圍，因為本發明之多頻帶天線可以 ❹ 各種通訊裝置實施。該行動台（一般以參考符號70表示）包含一具有類比及 20 數位部分的基頻處理器或CPU 71。該MS可包含多數個RF 收發器94及相連接的天線98。此基本蜂巢鏈結以及任何其他數目的無線標準及RAT之RF收發器可被包括。例子包括下列但不限於下列：行動通訊之全球系統 (GSM)/GPRS/EDGE ; 3G ; LTE ; CDMA ; WiMAX(用於當 40 200952266 5 ❹ 10 15 處於一 WiMAX無線網路之範圍内時提供wiMAX無線連接）；藍芽（用於當處於一藍芽無線網路之範圍内時提供藍芽無線連接）；WLAN(用於當處於一熱點内或處於一基於隨意式、基礎設施或網路的無線LAN網路範圍内時提供無線連接）；近場通訊；60G裝置；UWB等。該等RF收發器中的一者或多者可包含額外多數個天線以提供天線分集，這產生改良式無線電效能。該行動台也可包含内部RAM及R〇M記憶體110、快閃記憶體112及外部記憶體H4。幾個使用者介面裝置包括麥克風84、揚聲器82以及相連接的音訊編碼解碼器80或其他多媒體編碼解碼器75、一用於輸入撥號數字的鍵盤86、用於通知一使用者的振動器 88、照相機及相關電路100、一τν調諧器1〇2以及相連接的天線104、顯示器1〇6以及相連接的顯示控制器1〇8及gps接收器90以及相連接的天線92。注意到該TV調諧器可被建構以實施一或多個數位電視廣播標準，例如DVB_t、DVB-H 等。一USB或其他介電連接78(例如，SPI、SDIO、PCI等）提供一串聯鏈結到一使用者之PC或其他裝置。一FM接收器 72及天線74提供收聽fm廣播之能力給使用者。SIM卡116 提供介面給一使用者之SIM卡以儲存使用者資料，例如通訊錄項目等。該行動台包含一多RAT握手方塊96，該多尺八丁握手方塊96可在該基頻處理器71上被執行為一任務。可攜式電源由耦接到電源管理電路122的電池124提供。外部電源經由連接到電池管理電路的USB電源118或一 AC/DC轉接器120被提供，該電池管理電路用以管理電池 20 200952266 124之充電及放電。依據本發明’該行動台内的任何或所有天線（包括RF 收發天線98、FM接收器天線74、GPS天線92以及τν調譜器天線104)可包含本發明之單頻帶或多頻帶天線系統，如以 5 上所詳細描述的。本文所使用的術g吾只是為了描述特定實施例之目的，且並不意指限制本發明。如本文所使用的，單數形式“一” - 及“該’’意指也包括複數形式，除非本文另外清楚地指示。進一步明白的是，當措辭“包含，，被用於本說明書中時表示〇 10被闡述的特徵、整體事物、步驟、操作、元件及/或組件之存在，但並不排除其一或多個其他特徵、整體事物、步驟、操作、元件、組件及/或組群之存在。以下申請專利範圍中的所有裝置加功能元件或步驟加功月b元件之對應結構、物體、動作及等效意指包括用於執 15行、.Ό 5被特疋请求的其他被主張的元件之功能的任何結構、物體或動作。本發明之描述已被提供以供說明及描述目的仁是並不意指是詳盡的或者將本發明限於所揭露的 ❹ 形式。因為該項領域内具有通常知識者可作出許多修改及變化，所以意指本發明並不限於本文所描述的有限數目的 20實施例。因此，將瞭解的是，落於本發明之精神及範圍内的所有適合的變化、修改及等效可被採用。該等實施例被選擇且描述以最佳地解釋本發明之原理及實際應用，且使其他該項領域内具有通常知識者對於具有適用於所考量的特疋用途之各種修改的各種實施例明白本發明。 42 200952266 【圖式簡單說明3 第1圖是描述了一示範性天線元件之佔用空間及機械尺寸之圖式；第2圖是描述了該示範性天線之峰值增益對頻率之一 5 圖式；第3圖是描述了該示範性天線元件之3D輻射圖案的一圖式；第4圖是描述了以500MHz的YZ平面内的該示範性天 © 線元件之量測的輻射圖案之一圖式； 10 第5圖是描述了以600MHz的YZ平面内的該示範性天線元件之量測的輻射圖案之一圖式；第6圖是描述了以700MHz的YZ平面内的該示範性天線元件之量測的輻射圖案之一圖式；第7圖是描述了以800MHz的YZ平面内的該示範性天 15 線元件之量測的輻射圖案之一圖式；第8圖是描述了設置在一陶瓷基材上的一3cm單極天線〇之模擬阻抗的一圖式；第9圖是描述了利用一個單一串聯電感器被調諧到 850MHz的3cm單極天線之S11響應的一圖式； 20 第10圖是描述了具有串聯連接的調諧元件之一天線調諧電路之一第一示範性實施例的一示意圖；第11圖是描述了具有串聯連接及並聯連接的調諧元件之一組合的一天線調譜電路之一第二示範性實施例的一示意圖； 43 200952266 第12圖是描述了包含一旁路開關的一第一示範性多頻帶天線系統之一方塊圖；第13圖是描述了包含一旁路開關的一第二示範性多頻帶天線系統之一方塊圖； 5 第14圖是描述了包含一旁路開關的一第三示範性多頻帶天線系統之一方塊圖；第15圖是描述了介電陶瓷材料之幾個例子之介電常數及介電損失的一圖式；第16圖是描述了利用一陶瓷介電形式形成的一UHF天 10 線之一第一示範性實施例的一方塊圖；以及第17圖描述了利用一陶瓷介電形式形成的一UHF天線之一第二示範性實施例的一方塊圖；第18圖是描述了包含本發明之多頻帶天線系統之一行動台的一方塊圖。 15 【主要元件符號說明】 10…天線元件 72…FM接收器 20…軌跡 74…天線 75…多媒體編碼解碼器 30· 78 …USB 32·· 80…音訊編碼解碼器 34…虛線 82…揚聲器 70…行動台 84…麥克風 71—CPU 86."鍵盤 44 200952266

88…振動器 90…GPS接收器 92…天線 94-"RF收發器 96…多RAT握手方塊 98…天線 100···照相機 102…TV調諧器 104…天線 106…顯示器 108···顯示控制器 110…ROM記憶體 112…快閃記憶體 114…外部記憶體 116…SM卡 118…USB電源 120…AC/DC轉接器 122…電源管理電路 124…電池 130···天線調諧電路 131···調諧電路 132…天線元件 133···調諧控制電路 B4…電感器 136···電感器 138···ΕΚ：阻隔電容器 140 …PIN 二^體 142 …PIN 二^體 144…DC阻隔電容器 146…RF扼流圈 148…RF扼流圈 150…RF扼流圈 152···電阻器 154…電阻器 156…數位控制線 158…數位控制線 159-DC阻隔電容器 160…天線調諧電路 161…天線調諧電路 162…天線元件 163…調譜控制電路 164…電感器 45 200952266 166…電容器 168…DC阻隔電容器 170…電容器 172…電感器 174 …PESU^ 體 176"撕4體 178_-DC阻隔電容器 180_"DC阻隔電容器 182…RF扼流圈 184…電阻器 186…PIN沐體 188…RF扼流圈 190 …PIN 二&體 192…RF扼流圈 194…電阻器 196…RF扼流圈 198"·電阻器 200…RF扼流圈 202…電阻器 206…控制信號 208…控制信號 210…控制信號 212…控制信號 220…多頻帶系統 222…調諧電路及接收器 224…天線元件 226…旁路開關 228···調諧電路 230…阻抗 232…阻抗 234…阻抗 236…開關 238…開關 239…接收器 240…多頻帶天線系統 242…天線元件 243…調諧電路 244"孺沐體 246…阻抗 248···阻抗 250…阻抗 252··-PIN 二^體 46 200952266 254". PIN 冰體 278…調諧電路 256…UHF接收器 280…UHF接收器 260…UHF天線 282…調譜控制方塊 262…陶瓷基材 284···偏電壓 264···調諧器電路 286…偏電壓 266…電子裝置 288…DC偏壓 270…多頻帶天線系統 290…UHF天線 272…頻帶轉換^制 292…陶瓷基材 274…天線元件 296…調諧器電路 276…L·頻帶接收器 ❿ 47

Claims

200952266 十、申請專利範圍： 1. 一種用於在一期望的頻帶内提供一可調諧範圍之天線，該天線包含：一天線元件，包含一設置在由一介電陶莞材料組成 5 的一基材上的輻射結構，該介電陶瓷材料提供該輻射結構之介電負載，其中該天線元件之共振頻率高於該等期望的頻帶之頻率；以及一可變電抗調諧電路，電性耦接到該天線元件，該調諧電路用以將該天線元件之該共振頻率降低到該期 10 望的頻帶内的一頻率。 2. 如申請專利範圍第1項所述之天線，其中該輻射結構包含平面導電元件。 3. 如申請專利範圍第1項所述之天線，其中該天線元件包含一陶瓷晶片天線。 15 4.如申請專利範圍第1項所述之天線，其中該基材包含一具有高於100之介電常數的陶瓷基材。 5. 如申請專利範圍第1項所述之天線，其中該共振頻率大約為1GHz。 6. 如申請專利範圍第1項所述之天線，其中該期望的頻帶 20 包含在超高頻(UHF)頻帶内的頻率。 7. 如申請專利範圍第1項所述之天線，其中該期望的頻帶包含在大約470 MHz與860 MHz之間的頻率。 8. 如申請專利範圍第1項所述之天線，其中該期望的頻帶包含在特高頻(VHF)頻帶内的頻率。 48 200952266 9·如申請專利範圍第1項所述之天線，其中該期望的頻帶包含在大約200 MHz與300 MHz之間的頻率。 1〇.如申請專利範圍第1項所述之天線’其中該調諧電路包含一用於補償故意不調諧的天線元件之寬頰調諧電路。 5 ❹ 10 15 ❹ 20 U·如申請專利範圍第1項所述之天線，其中該調諧電路包含電抗元件之一或多個串聯及/或並聯組合。 12.如申請專利範圍第11項所述之天線，其中當由電抗元件之該串聯及/或並聯組合決定的該期望頻帶内呈現一期望的阻抗時，該天線元件以南於期望的頻率更高的一頻率共振。 13·—種用於設計在一期望的頻帶上可調諧的一天線之方法’該方法包含以下步驟：提供一天線元件，該天線元件包含設置在一基材上的一輻射結構，該基材由一可用以提供該輻射結構之介電負載的介電材料組成；調諧該天線元件以達成比期望的頻率實質上更高的一共振頻率；以及藉由提供一電性耦接到該天線元件的可變電抗調諸電路而補償不調諧的天線元件以將該天線元件調諧到該期望的頻帶内的一頻率。 14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該期望的頻帶包含在該超高頻(UHF)頻帶内的在大約47〇 MHz與860 MHz之間的頻率。 15. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該期望的頻帶 49 200952266 包含該特高頻（VHF)頻帶内的在大約2〇〇 mHz與300 MHz之間的頻率。 16_如申請專利範圍第13項所述之方法，其中當在該期望的頻帶内呈現大約50歐姆之一實數阻抗時，該天線元件以 5 一比期望的頻率實質上更高的頻率共振。 17. —種多頻帶天線，包含：一天線元件，包含設置在一基材上的一輻射結構，該基材由提供該輻射結構之介電負載的一介電材料組成’其中該天線元件用於以一高頻帶内的一第一頻率共 ◎ 10 振，一可變電抗調諧電路，電性地耦接到該天線元件，該調諧電路用以將該天線元件之該共振頻率降低到一低頻帶内的一第二頻率；以及一開關，電性耦接到該天線元件及該調諧電路，該 15 開關用以旁路該調諧電路，從而允許該天線元件以該高頻帶内的該第一頻率共振。 18·如申請專利範圍第17項料之多頻帶天線，其中該低頻帶包含超高頻（UHF)頻帶内的在大約47〇 MHz與86〇 MHz之間的頻率。 2〇 19·如申請專利範圍第17項所述之多頻帶天線，其中該低頻帶包含特高頻（VHF)頻帶内的在大約2〇〇 MHz與3〇〇 MHz之間的頻率。 20.如申請專利範圍第17項所述之多頻帶天線，其中該高頻帶包含L-頻帶内的頻率。 50 200952266 21. 如申請專利範圍第17項所述之多頻帶天線，其中該第一頻率是在該L頻帶内的約1.45GHz。 22. 如申請專利範圍第17項所述之多頻帶天線，其中該開關包含一 ΠΝ二極體。 5 23. 一種用於設計一多頻帶天線的方法，該方法包含以下步驟： ’ 提供一天線元件，該天線元件包含一設置在一基材上的輕射結構’縣材由可用以提供鮮射結構之介電負載的一介電材料組成； 1〇提供漏電路’該調諧電路電_接到該天線元件且用以調e自該天線元件以達成一高頻帶内的一共振頻率；藉由提供一電性耦接到該天線元件的一可變電抗 ι _電路而補償該獨_天線元件以將該調猎元件 15 之該共振頻率降低到一低頻帶内的一頻率；以及提供一電性連接到該天線元件及該調諧電路的開關’該開_时路_諧電路，從而允許該天線元件以該高頻帶内的該共振頻率共振。 24.如申清專利範圍第23項所述之方法，其中該低頻帶包含 2〇超高頻(腑)頻帶内的在大約470腿與860 MHz之間的頻率。 25·如申睛專利範圍第23項所述之方法，其中該低頻帶包含特回頻(VHF)頻帶内的在大約2〇〇厘1^與3〇〇 MHz之間的頻率。 51 200952266 26. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其中該高頻帶包含 L-頻帶内的頻率。 27. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其中該第—頻率大約為 1.45GHz。 5 28.如中請專利範圍第23項所述之方法，其中該開關包含— PIN二極體》 29.—種在一期望頻帶内提供一可調諧範圍之天線該天線包含：一天線元件，包含一設置在由一介電材料組成的一 0 10 基材上的輻射結構，該介電材料提供該輻射結構之介電負載，其中該天線元件之該共振頻率在該期望的頻帶之上端；以及一可變電抗調諧電路，電性耦接到該天線元件，該調諸電路用以將該天線元件之該共振頻率降低到低於該共振頻率的一頻率。 30· —種行動通訊裝置，包含：一收發器，用以接收及發射傳輪給一基地台以及自〇一基地台接收及發射傳輸；一第二無線電，用以自電性耦接到其的一天線系統 20 接收一期望頻帶内的一信號，該天線系統包含：一天線元件，包含一設置在由一介電材料組成的基材上的輻射結構，該介電材料提供該輻射結構之介電負載，其中該天線元件之共振頻率實質上高於該期望的頻帶之頻率； 52 200952266 一可變電抗賴電路，電性到該天線元件，該調*皆電路用以將該天線元件之該共振頻率降低到該期望的頻帶内的一頻率；以及 -處理器’用以自該第二無線電接收資料以及發送 5 ❹ 10 15 Φ 20 及接收資料_«器1及自該收發器發送及接收資料。 31. 如申請專利範圍第30項所述之行動通訊裝置，其中該期望的頻帶包含超高頻(UHF)頻帶内的在大約47〇MHz與 860MHz之間的頻率。 32. 如申請專利範圍第3G項所述之行動通訊裝置其中該期望的頻帶包含特高頻(VHF)頻帶内的在大約2〇〇 MHz與 300 MHz之間的頻率。 33. 如申請專利範圍第3〇項所述之行動通訊裝置，進一步包含一開關，該開關電性耦接到該天線元件及該調諧電路，該開關用以旁路該調諧電路，從而允許該天線元件以實質上高於該期望頻帶的頻率之該共振頻率共振。 34_如申請專利範圍第33項所述之行動通訊裝置，其中該共振頻率包含L-頻帶内的頻率。 35. 如申請專利範圍第33項所述之行動通訊裝置，其中該共振頻率大約為1.45GHz。 36. —種天線系統，包含： —介電負載天線元件，被調譜到一實質上高於被期望的頻率之第一頻率；以及一調谐電路，電性搞接到該天線元件且用以補償該天 53 200952266 線元件之一頻率偏移，從而偏移該天線元件之該共振頻率以覆蓋一期望的較低頻帶。 37.如申請專利範圍第36項所述之天線系統，其中該天線元件在包含一介電陶瓷成分的一基材上被建構。 5 38.如申請專利範圍第36項所述之天線系統，其中該期望的頻帶包含超高頻(UHF)頻帶内的大約47〇MHz與860MHz 之間的頻率。 39·如申請專利範圍第36項所述之天線系統，其中該期望的頻帶包含特高頻（VHF)頻帶内的在大約2〇〇MHz與 © 10 300MHz之間的頻率。 40.如申請專利範圍第36項所述之天線系統，進一步包含一旁路開關，該旁路開關電性耦接到該天線元件及該調諧電路，該旁路開關用以旁路該調諧電路，從而允許該天線元件以該較高的第一頻率共振。 15 41.如申請專利範圍第40項所述之天線系統，其中該旁路開關包含一PIN二極體。 ❹ 54