TW201308758A - 多頻帶狹槽迴路天線設備和方法 - Google Patents

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Abstract

一種多頻帶狹槽迴路天線設備及調諧並利用該多頻帶狹槽迴路天線設備的方法。在一個實施例中，在手持行動裝置(例如，蜂巢式電話或智慧手機)內使用天線配置。天線包含兩個輻射結構：環形或迴路結構，該環形或迴路結構實質上包圍裝置外殼的外部周邊；及調諧結構，該調諧結構設置於外殼內部。環形結構接地至裝置的接地面，以便產生虛擬部分及操作部分。調諧結構與接地面間隔，並且調諧結構包括複數個輻射器分支，該數個輻射器分支影響各個頻帶中的天線操作；例如，至少一個較低頻帶及三個較高頻帶。在一個實施中，使用耦接於裝置饋電與輻射器分支之間的電抗匹配電路來影響第二較低頻帶輻射器。

Description

多頻帶狹槽迴路天線設備和方法 優先權
本申請案主張在2011年7月25日提出申請的具有相同標題的美國專利申請案第13/190,363號的優先權，該美國專利申請案以引用方式全部併入本文。
本發明一般係關於供電子裝置(例如，無線裝置或可攜式無線電裝置)使用的天線設備，並且更特定來說在一個示範性態樣中係關於多頻帶狹槽迴路或環形天線及調諧並利用該多頻帶狹槽迴路或環形天線的方法。
內部天線為見於大多數現代無線電裝置中的元件，該等現代無線電裝置例如行動電腦、行動電話、Blackberry®裝置、智慧手機、個人數位助理(PDA)或其他個人通訊裝置(personal communication devices；PCD)。通常，這些天線包含平坦輻射面及平行於該平坦輻射面的接地面，該等平坦輻射面及接地面通過短路導體彼此連接，以實現天線的匹配。該結構配置成使得該結構充當在期望的操作頻率下的諧振器。天線在多於一個頻帶(例如，雙頻帶、三頻帶或四頻帶行動電話)中操作也是常見要求，在這種情況下，使用兩個或兩個以上諧振器。
在開發用於行動應用的實惠並且功率效率高的顯示器技術(例如，液晶顯示器(LCD)、發光二極體(LED)顯示器、有機發光二極體(organic light emitting diodes；OLED)、薄膜電晶體(thin film transistors；TFT)等)的過程中的新進展導致以大顯示器為特徵的行動裝置大量產生，其中例如行動電話中的螢幕尺寸為89 mm至100 mm(3.5英寸至4英寸)，並且一些平板電腦中螢幕尺寸為大約180 mm(7英寸)。為實現最佳性能，通常使用顯示器接地面(或遮罩)。現代顯示器需要這類較大的接地面，然而對於無線天線操作來說，這些較大的接地面不再是最理想的。具體來說，不再是最理想的是基於以下事實：接地面尺寸在用於裝置的一或更多個空中介面的天線設計中發揮著十分重要的作用。結果，天線頻寬至少在某種程度上由於天線輻射器與大接地面之間的阻抗失配而減少。
此外，目前趨勢增加了對於具有較大顯示器的較薄行動通訊裝置的需要，該等較大顯示器通常用於使用者輸入(例如，觸控式螢幕)。這種較大顯示器又需要剛性結構來支撐顯示器總成，尤其是在觸控式螢幕操作期間支撐，以便使得介面穩固並且耐用，並減輕顯示器的行動或偏轉。通常利用金屬主體或金屬框架，以為行動裝置中的顯示器提供更好的支撐。
使用金屬外殼/底架、較大接地面及對較薄裝置外殼的需求對射頻(RF)天線實施造成新的挑戰。典型的天線解決方案 (例如，單極天線、PIFA天線)需要離地淨高區域及距接地面足夠的高度，以便在多個頻帶中有效地操作(現代可攜式裝置的典型要求)。這些天線解決方案通常不適用於前述具有金屬外殼及/或底架的薄裝置，因為分隔輻射器與接地面所需要的垂直距離不再有效。此外，尤其當需要天線在若干頻帶中操作時，行動裝置的金屬主體充當RF遮罩並使天線性能降級。
目前採用各種方法來嘗試改善利用金屬外殼及/或底架的較薄通訊裝置中的天線操作(例如，歐洲專利揭示號EP1858112B1中描述的狹槽環形天線)。這種實施需要在印刷線路板(printed wired board；PWB)內接近饋電點處以及沿裝置的整個高度製造狹槽。對於具有較大顯示器的裝置來說，最佳天線操作所需要的狹槽位置通常干擾裝置使用者介面功能(例如，按鈕、滾輪等)，因此限制裝置佈局實施的靈活性。
此外，這種金屬外殼必須在PCB兩側具有非常接近於狹槽的開口。為防止在裝置內產生射頻空腔模式，通常使用金屬壁連接開口。所有這些步驟會增加裝置複雜性及成本，並阻礙天線與期望操作頻帶匹配。
另一個現有的實施採用多諧振耦合的饋電天線，該多諧振耦合的饋電天線包含裝配在無線電裝置周邊周圍的金屬環輻射元件。在輻射器內(通常在兩側)製造若干狹槽，以 便實現多頻帶天線功能；令人遺憾的是，這種方法增加裝置的成本及複雜性。假定裝置使用者通常藉由通訊裝置的側面/邊緣抓握通訊裝置，則這種配置容易受到由於當使用者的手觸摸狹槽上方的輻射器時所產生的短路造成的天線去諧及通訊失效的影響。此外，需要較寬的狹槽(寬度通常為約3 mm)來實現期望的低頻帶(通常700 MHz至960 MHz)操作，並且較寬的狹槽因此可能對裝置的美學吸引力造成不利影響。
因此，極需要用於(例如)可攜式無線電裝置的無線多頻帶天線解決方案，該無線多頻帶天線解決方案具有較小的形狀因數並適合用於裝置周邊，並且該無線多頻帶天線解決方案提供較低的成本及複雜性以及提供天線諧振的經改善控制。
本發明藉由提供尤其是一種省空間的多頻帶天線設備及調諧並使用該多頻帶天線設備的方法，來滿足上文的需要。
在本發明的第一態樣中，揭示一種行動通訊裝置。在一個實施例中，裝置包含：外殼及電子總成，該電子總成實質上含於該外殼中，該電子總成包含接地面及至少一個饋電口；及多頻帶天線設備。多頻帶天線設備包含：第一天線結構，該第一天線結構包含元件，該元件設置於實質上外殼的外部周邊周圍；及第二天線結構，該第二天線結構包含複數 個單極輻射器分支。在一個變體中，第一天線結構在至少兩個接地點處連接至接地面，從而形成虛擬部分及操作部分，該操作部分包含設置於接近外殼底側的元件中的狹槽；該虛擬部分的外部周邊實質上包圍接地面；並且操作部分的外部周邊設置於接地面外部並實質上包圍第二天線結構。
在另一個實施例中，行動裝置包含：裝置外殼；及天線，該天線具有實質上外部的輻射器元件，該輻射器元件具有至少一個狹槽，該至少一個狹槽相對於外殼設置成以便最小化由於使用者在裝置使用期間抓握裝置造成輻射器元件在狹槽間短路的可能性。
在替代性實施例的一個變體中，輻射器元件包含實質上封閉的迴路，並且至少一個狹槽包含單個狹槽，該單個狹槽設置於實質上裝置外殼的底部邊緣上，該底部邊緣在裝置使用期間未被使用者正常地抓取。
在另一個變體中，輻射器元件包含實質上封閉的迴路，該實質上封閉的迴路設置於行動裝置外殼的頂部邊緣、底部邊緣及側面邊緣上；且至少一個狹槽包含單個狹槽，該單個狹槽設置於頂部邊緣或底部邊緣兩者中的任一者處。
在本發明的第二態樣中，揭示一種多頻帶天線設備。在一個實施例中，設備經調適以供可攜式無線電通訊裝置使用，並且設備包含：第一天線結構，該第一天線結構包含元件，該元件配置成設置於實質上裝置外殼的外部周邊周圍。 在一個變體中，第一天線結構在至少兩個位置處連接至裝置的接地面，從而形成虛擬部分及操作部分；並且該操作部分包含狹槽，該狹槽形成於元件中，以便設置為接近外殼底側。
在另一個變體中，虛擬部分的外部周邊實質上包圍接地面；並且第二天線結構的外部周邊設置於接地面的外部。
在又一個變體中，狹槽經配置以實現至少一個較高頻帶中的天線諧振。
在本發明的第三態樣中，揭示一種操作多頻帶天線設備的方法。在一個實施例中，天線設備供可攜式無線電裝置使用並具有饋電、迴路輻射器元件，該等饋電、迴路輻射器元件設置於實質上裝置外殼的周邊區域周圍。迴路輻射器元件具有狹槽，該狹槽設置於實質上外殼的底部邊緣處，並且無線電裝置的接地面設置於遠離迴路輻射器元件的底部邊緣一定距離處。方法包含以下步驟：用包含較低頻率分量及較高頻率分量的饋電信號激勵饋電；及至少在較高頻率下引起迴路輻射器元件中的射頻振盪。狹槽經配置以實現天線設備在較高頻率範圍內的調諧。
在本發明的第四態樣中，揭示一種減輕使用者干擾對輻射及接收行動裝置的影響的方法。在一個實施例中，行動裝置的特徵在於較佳的使用者抓取位置，並且方法包含以下步驟：用包含至少第一頻率分量的信號激勵迴路天線元件；迴路輻射器元件設置於實質上裝置外殼的周邊區域周圍，並且 在形成於迴路天線元件內的狹槽間產生電磁場。狹槽位於相對於較佳的抓取位置的遠側，以便減輕由於使用者抓取造成的電磁干擾。
在本發明的第五態樣中，揭示一種調諧多頻帶天線設備的方法。
將由附圖及以下詳細描述更顯而易見本發明的進一步特徵結構、本發明的本質及各種優點。
現在參照諸圖，其中各處相同元件符號代表相同元件。
如本文所使用的，術語「天線」、「天線系統」、「天線總成」及「多頻帶天線」是指(但不限於)併入接收/發送及/或傳播電磁輻射的一或更多個頻帶的單個元件、多個元件或一或更多個元件陣列的任何設備或系統。輻射可具有眾多類型，例如，微波、毫米波、射頻、數位調制、類比、類比/數位編碼、數位編碼的毫米波能量等等。
如本文所使用的，術語「板」及「基板」通常是指(但不限於)任何實質上平坦或彎曲的表面或元件，在該表面或元件上可設置其他元件。舉例來說，基板可包含單層或多層印刷電路板(例如，FR4)、半導體晶片(die)或晶片乃至外殼表面或其他裝置元件，並且基板可為實質上剛性的或者至少稍有柔性的。
術語「頻率範圍」、「頻帶」及「頻域」是指(但不限於)用於通訊信號的任何頻率範圍。這些信號可按照一或更多個標準或無線空中介面通訊。
如本文所使用的，術語「可攜式裝置」、「行動計算裝置」、「客戶端裝置」、「可攜式計算裝置」及「終端使用者裝置」包括但不限於個人電腦(PC)及微型電腦，無論是桌上型電腦、筆記型電腦或機上盒、個人數位助理(PDA)、手提電腦、個人通訊器、平板電腦、可攜式導航輔助設備、裝有J2ME的裝置、蜂巢式電話、智慧手機、個人整合通訊或娛樂裝置或照字面意義能夠與網路或另一個裝置交換資料的任何其他裝置。
此外，如本文所使用的，術語「輻射器」、「輻射面」及「輻射元件」是指(但不限於)可充當系統接收及/或發送射頻電磁輻射的部分的元件；例如，天線或該天線的部分。
術語「RF饋電」、「饋電」、「饋電導體」及「饋電網路」是指(但不限於)任何能量導體及一或更多個耦合元件，該等任何能量導體及一或更多個耦合元件可轉移能量、變換阻抗、增強性能特徵並使輸入/輸出RF能量信號之間的阻抗性質符合一或更多個連接元件(例如，輻射器)的阻抗性質。
如本文所使用的，術語「迴路」及「環形」通常是指(但不限於)封閉的(或幾乎封閉的)路徑，不論任何形狀或大小或對稱性。
如本文所使用的，術語「頂部」、「底部」、「側面」、「向上」、「向下」、「左」、「右」等等僅僅暗示一個元件對於另一個元件的相對位置或幾何結構，並且決不暗示絕對參考座標或任何需要的方向。舉例來說，當元件安裝至另一個裝置(例如，安裝至PCB的下側)時，元件的「頂部」部分實際上可存在於「底部」部分下方。
如本文所使用的，術語「無線」意味著任何無線信號、資料、通訊或其他介面，該其他介面包括(但不限於)Wi-Fi、藍芽、3G(例如，3GPP、3GPP2及UMTS)、HSDPA/HSUPA、TDMA、CDMA(例如，IS-95A、WCDMA等)、FHSS、DSSS、GSM、PAN/802.15、WiMAX(802.16)、802.20、窄頻帶/FDMA、OFDM、PCS/DCS、長期進化(LTE)或先進的LTE(LTE-Advanced；LTE-A)、類比蜂巢式、CDPD、例如GPS的衛星系統、毫米波或微波系統、光學的、聲學的及紅外線(即，IrDA)。
概述
在一個顯著的態樣中，本發明提供供行動無線電裝置使用的多頻帶天線設備。天線設備有利地提供與先前技術解決方案相比較降低的複雜性及成本及改善的天線性能。在一個實施例中，行動無線電裝置包含金屬結構(例如，迴路或環)，該金屬結構至少部分地環繞裝置外殼的外部周邊並充當天線輻射元件。在一個實施中「迴路」輻射器包含單個較 窄狹槽，該單個較窄狹槽設置成以便最小化由於在使用期間的裝置抓握造成輻射器在狹槽上方短路的可能性並改善裝置的視覺吸引力。
多頻帶天線設備的示範性實施例進一步包含調諧電路，該調諧電路包括多個分支，該多個分支各自經配置以實現預定頻帶中的天線調諧。金屬迴路在多個位置處接地至裝置接地面，因此控制天線的電長度。狹槽的大小經選擇以最佳化較高操作頻帶中的天線性能。狹槽位置影響低頻帶較低頻帶諧振頻率，該諧振頻率配置成存在於遠低於用於無線電裝置正常操作的天線的最低操作頻率。在一種方法中，使用串聯在饋電與較低頻帶諧振電路之間的電感器來調諧天線較低頻帶操作。
有利的是，耦接至具有本文所揭示的示範性天線的電子裝置的天線被大大簡化，因為僅需要單個饋電連接(雖然不限於單個饋電)。在一個特定實施中，較高頻帶調諧條電流地連接至迴路元件，從而允許調諧最高的較高頻帶諧振而不改變裝置的視覺外觀或對裝置的視覺外觀造成不利影響。
在另一個實施中，調諧元件經由電磁場電容耦合，該電磁場在調諧條與迴路輻射器之間的非導電間隙上方感應。
也揭示調諧及操作天線設備的方法。
示範性實施例的詳細描述
現在提供各種實施例的詳細描述及本發明的設備及方法的變體。儘管主要在行動裝置的情境中論述，但本文論述的各種設備及方法並不限制於此。實際上，本文描述之設備及方法中的許多設備及方法可用於任何數目的複雜天線，無論該等複雜天線與行動裝置還是固定裝置、蜂巢式或其他類型的裝置相關聯。
示範性天線設備
現在參照圖1至圖2，詳細描述本發明的無線電天線設備的示範性實施例。供行動無線電裝置使用的天線設備的一個示範性實施例呈現於圖1中，圖1圖示主機行動裝置100的側立視圖。裝置100包含顯示模組104及相應的接地面106，該接地面106設置於兩個電介質蓋102、103中間。在一個變體中，電介質蓋103中的一個電介質蓋103包含開口，該開口對應於顯示器周邊，以便允許(例如)觸控式螢幕或其他互動功能。然而，顯示器104可包含(例如)配置成僅顯示資訊的僅顯示裝置、允許使用者提供經由顯示器104輸入至裝置中的輸入的觸控式螢幕顯示器(例如，電容性的或其他技術)，或其他技術。顯示器104可包含(例如)液晶顯示器(LCD)、發光二極體(LED)顯示器、LED-LCD顯示器、有機發光二極體(OLED)顯示器或基於TFT的裝置。本領域的技藝人士應瞭解本發明的方法同等地適用於任何未來顯示技術，只要顯示模組與裝置及天線配置(例如，圖1至圖2中描述的裝置及天線配置)大體機械地相容。
金屬迴路或環110設置於實質上裝置外殼的外部周邊處，如圖1中所示。本實施例的環形結構為裝置提供機械剛性、結構完整性並增強美學吸引力。在一個變體(未圖示)中，用金屬段(例如，迴路的部分)替換環110，該金屬段環繞裝置周邊的部分。
可使用各種適合方法中的任何方法製造圖1的環110，該等方法包括(例如)金屬鑄件、衝壓製品、金屬條或設置於非導電載體(例如，塑膠)上的導電塗層。
圖1A為詳細說明圖1的實施例的示範性天線結構的俯視平面圖。環110在多個位置116、117、119處連接至接地面106。此外，環的頂部部分沿頂部周邊結構115附接至接地面。
接地點116、接地點117用於天線調諧，並且該等接地點116、接地點117的位置有效地界定環形或迴路天線操作部分(即，天線發射/接收RF輻射的部分)的長度。接地點115、接地點119較佳為分隔一定距離，該距離小於天線的四分之一波長(在最高操作頻率下)。在一個變體中，接地結構115經配置以覆蓋環的上邊緣的大部分，如圖1A中所示。在另一個變體(未圖示)中，接地點115使上部環邊緣的部分接地。
環上部部分(即，以接地點116、接地點117、接地點119、接地點115為界限並藉由圖1A中的虛線矩形112來標 記)形成接地(或虛擬)部分。虛擬天線部分配置成處於與接地面的電勢相同的電勢。這種配置最小化自天線接地部分發射的不需要的天線RF輻射，並進一步降低天線對由於使用者在操作期間抓握行動裝置造成的短路及負載效應的敏感度。在一個變體中，可藉由外殼設計依須求移除上部環部分，以簡化總成並降低無線電裝置的成本。在另一個變體中，環用以提供裝置結構支撐及視覺吸引力。
簡要地說，圖1至圖1A中所示實施例的天線經配置以在低頻與高頻(相對於彼此)操作範圍兩者中操作。在一個變體中，低操作頻率範圍介於約800 MHz與約960 MHz之間，並且高操作頻率範圍介於約1700 MHz與2200 MHz之間。本領域的技藝人士將瞭解，以上頻率界限為示範性的，並且以上頻率界限可基於具體的設計要求及參數(例如，天線尺寸、裝置操作的目標國家等)自一個實施至另一個實施變化。通常，操作頻率範圍中的每一個操作頻率範圍可支援根據管理有關無線應用系統的規格(例如，LTE/LTE-A或GSM)配置的一或更多個不同的頻帶。本文關於圖1A圖示並描述的一個天線實施例可支援一個或兩個較低頻帶(LFB1、LFB2)及至少三個較高頻帶(UFB1、UFB2、UFB3)。在另一個實施例中，高頻操作範圍(例如，介於約2500 MHz與約2700 MHz之間)用以實現第四較高頻帶(UFB4)中的天線操作。
現在返回圖1A，迴路或環形結構的底部部分(設置於虛 擬部分112下方)形成天線輻射器的操作結構，並在本文被稱為環形或迴路操作部分。一個接地點116決定操作部分在高頻範圍內的電長度，而另一個接地點117決定低頻範圍內的天線電長度。本實施例的環110包含較窄狹槽114，該較窄狹槽114沿主機裝置的底部邊緣設置，並且本實施例的環110經配置以實現高頻範圍內的天線調諧。在一個變體中，狹槽的寬度為約0.8 mm，但可取決於期望的性能及物理屬性而使用其他值。為了維持裝置的美學吸引力並增加外殼的結構完整性，可用電介質材料(例如，塑膠)填充狹槽。
此外，本發明預期使用：(i)具有變化或不恒定寬度(即：在整個環厚度上的不同位置處槽寬不同)的狹槽；及(ii)使用兩個或兩個以上狹槽。
在圖1A的實施例中，接地面106距環110的底部邊緣間隔規定距離118；例如，約13 mm。裝置的無接地底部部分108容納天線調諧結構120。調諧結構120經配置以實現天線在可攜式無線電裝置100的較低操作頻帶與較高操作頻帶中的同時操作。結構120在饋電點138處耦接至饋電電子裝置，並且結構120包含若干調諧分支122、124、128、130。
如下實現所示實施例中的天線頻率調諧：調諧分支124實現第一較低頻帶(LFB1)中的天線調諧，該LFB1對應於天線低頻諧振f1。在一個變體中，LFB1包含自824 MHz至894 MHz的頻帶，並且f1以約850 MHz為中心(也稱為850 MHz 頻帶)。在另一個變體中，LFB1包含自880 MHz至960 MHz的頻帶，並且f1以約900 MHz為中心(也稱為900 MHz頻帶)。
在圖1A的實施例的一個變體中，串聯調諧電路136設置於饋電136與分支124的水平部分之間。調諧電路136經配置以調整較低頻率天線諧振器的電長度並增加較低頻帶中的天線操作頻寬。這種增加的較低頻率頻寬實現兩個較低頻帶LFB1、LFB2中的天線操作。
在一個實施中，調諧電路136包含線圈，該線圈經配置以向輻射器分支124提供約10納亨(nH)的串聯電感，其中LFB1為850 MHz頻帶，並且LFB2為900 MHz頻帶。本領域的技藝人士將瞭解，其他調諧元件實施同等地適用於本發明，該等其他調諧元件實施包括但不限於個別電感器、電容元件或上述的組合。
圖1A中所示實施例在LFB1(及LFB2)頻帶中的天線操作藉由諧振器124的整體長度及調諧元件136的電抗值來調諧。
環形結構底部部分的長區段126(形成於接地點117與狹槽114之間)在頻率f0下形成諧振。為了在較低頻率(例如，LFB1、LFB2)下實現期望的天線操作並防止耦合的低頻諧振，將f0諧振調諧至低於天線低操作頻率範圍(例如，820 MHz至960 MHz)。在一個變體中，在約600 MHz處選 擇底部部分諧振頻率f0。
天線高頻操作範圍藉由至少兩個高頻諧振形成，該至少兩個高頻諧振以下稱為f2諧振及f3諧振。第一高頻諧振(f2)藉由環110的較短部分127形成，該環110形成於狹槽114與接地點116之間。在所示實施例中，這種諧振的天線調諧藉由改變調諧分支130中條的長度來實現。調諧分支130電流地或者電容地耦合至環110，如下文關於圖1B至圖1C詳細描述。
直接饋電天線高頻調諧結構128經配置以在第二高頻諧振(f3)下形成諧振。在所示實施例中，f3諧振的值藉由調諧分支128的長度(及調諧分支128接近環的底部部分的程度)來調諧。f2諧振與f3諧振中的每一者可經配置以提供一或更多個較高頻帶中的天線功能。
在一個變體中，f2諧振頻帶及f3諧振頻帶的組合跨越自約1710 MHz至2170 MHz的頻率範圍，因此允許符合LTE的系統的以下高頻帶中的裝置操作：分別對應於UFB1至UFB3的1710 MHz至1880 MHz、1850 MHz至1990 MHz及1930 MHz至2170 MHz。
在另一個實施例中，結合調諧分支124使用直接饋電低頻範圍輻射結構122，來形成低頻範圍的頻率分量的稱為f4諧振的諧波諧振，從而實現第四較高頻帶(UFB4)中的天線操作。UFB4的值藉由C形結構(具有兩個轉彎)的水平分支 122的長度來調諧，該C形結構由圖1A的調諧分支122、調諧分支124形成。
現在參照圖1B至圖1C，圖示並描述天線調諧結構的兩個示範性實施例。圖1B的天線調諧結構120對應於圖1A的天線實施例並包含f2調諧分支130，該f2調諧分支130在點139處直接連接至環形結構110。
在另一個實施例(圖1C中所示)中，調諧結構140的調諧分支142包含兩個垂直條145、146及迴路結構144，該迴路結構144設置於該兩個垂直條145、146之間。垂直條146在接地點148處接地。調諧分支142與環110電氣隔離。在一個變體中，隔離藉由沿環110的內表面設置的電介質材料的薄層實現。調諧分支142經由電場電容地耦合至環110，該電場在非導電間隙150、非導電間隙152上方感應。在一個實施中，間隙的寬度選定為約0.3 mm，但可同樣成功地使用其他值。
在電容耦合設置中，調諧條與金屬環的操作部分之間的電介質間隙需要足夠地小，以便在天線的最高操作頻率以上形成間隙諧振。調諧分支電容耦合至環形結構不需要調諧結構至環的任何物理附接(例如，釺焊、焊接)，因此有利地有助於天線製造並允許較寬範圍的材料選擇。
環部分127與調諧分支142之間的間隙由於環部分127的表面與調諧分支142的表面之間的較強電場，而在一定頻 率下引起間隙諧振，該頻率由環部分127的表面與調諧分支142的表面之間的電容界定。減小間隙產生這些元件之間的更緊密耦合，並且減小間隙使間隙諧振頻率變得更高並超過天線操作頻帶。間隙諧振頻率進一步受到調諧分支142的條144、條146與環部分127之間重疊表面區域(也稱為耦合區域)的尺寸的影響。較大的耦合區域允許較大的間隙。
在另一個實施例(未圖示)中，多頻帶天線配置成不具有調諧元件136，從而形成具有單個較低頻帶LFB1及三個較高頻帶(UFB1、UFB2、UFB3)的4頻帶諧振器。
在本發明的另一個態樣中，天線結構(例如，圖1A中所示天線結構)裝配有調諧網路，以便最佳化天線性能；例如，增加天線效率及減小損耗。圖2圖示這種調諧網路的一個實施例，該調諧網路經配置以在四個或四個以上頻帶中操作，此處是在自約800 kHz至2700 MHz的頻率範圍內操作。網路200包含輸入口202，該輸入口202的特徵在於標稱阻抗為50歐姆，該輸入口202連接至可攜式電子裝置的饋電口。電路接地點216連接至裝置接地面，並且電路輸出口214連接至天線輻射結構，例如，圖1A中的饋電點138。電感元件204及電容元件206形成第一諧振電路(L2C2)，該L2C2經配置以實現LFB2頻帶及UFB4頻帶中的天線調諧。電容元件206、電容元件208、電容元件210及電感元件204、電感元件212的示範性值如圖2中所示。第一電感元件212及第一電容元件208控制天線輻射器與L2C2電路之間的阻抗 變換。第二電容元件210用於調諧目的，並且在需要時可在一些實施中省略第二電容元件210。應認識到精確的元件值及/或調諧網路配置是基於具體應用及參數要求來選擇的，並且精確的元件值及/或調諧網路配置可自一個應用至另一個應用變化，在給定本案內容的情況下，電子領域的技藝人士較容易決定這些值。
性能
圖3至圖5提供在由此處受讓人對根據本發明的一個實施例構造的示範性天線設備模擬及測試期間獲得的性能結果。
圖3圖示作為頻率的函數的自由空間回波損耗S11(以dB計)的曲線圖，該自由空間回波損耗S11用類似於圖1A中所示實施例構造的四頻帶多頻帶天線量測。天線的四個頻帶包括一個900 MHz的較低頻帶及三個較高頻帶(1710 MHz至1880 MHz、1850 MHz至1990 MHz及1930 MHz至2170 MHz)。在圖3中用標誌符302指定的實線標記較低頻帶的界限，而用標誌符304指定的線標記1710 MHz與2170 MHz之間的高頻範圍的界限。用標誌符306至標誌符310標記的曲線對應於在以下裝置配置中獲得的量測：(i)第一曲線306取自自由空間中；(ii)第二曲線308根據CTIA v3.1取自頭、右臉頰(BHR)的量測配置旁邊；及(iii)第三曲線310根據CTIA v3.1取自頭及手、右臉頰(BHHR)的量測配置旁邊。呈 現於圖3中的資料表明，包含沿裝置底部定位的單個較小狹槽的示範性天線有利地未因為使用者的手的存在而偏截止頻率帶去諧，並且在整個BHHR量測中維持6 dB回波損耗。
圖4呈現與上文關於圖3描述的天線相同的天線的已量測自由空間效率相關的資料。將天線的效率(以dB計)界定為已輻射功率與輸入功率的比率的十進位對數：
零(0)dB的效率對應於理想的理論輻射器，其中所有輸入功率以電磁能量的形式輻射。
圖4中用標誌符402至標誌符412標記的曲線對應於在以下裝置配置中獲得的量測：(i)曲線402、曲線408取自自由空間中；(ii)曲線404、曲線410根據CTIA v3.1取自頭、右臉頰(BHR)的量測配置旁邊；及(iii)曲線406-412根據CTIA v3.1取自頭及手、右臉頰(BHHR)的量測配置旁邊。圖4中的資料表明，根據本發明的原理構造的天線實施例並不容易受到由於使用者手及頭接近造成的較高損耗的影響，從而允許無線電裝置的穩固操作。
圖5圖示作為頻率的函數的自由空間回波損耗S11(以dB計)的曲線圖，該自由空間回波損耗S11針對根據圖1A中所示實施例構造的五頻帶多頻帶天線獲得，並且利用本文圖2的實施例的調諧電路。天線頻帶包括850 MHz及900 MHz(兩個較低頻帶)及1710 MHz至1880 MHz、1850 MHz至1990 MHz及1930 MHz至2170 MHz(三個較高頻帶)。標誌符502、標誌符504標記較低頻率範圍的較低(824 MHz)程度及較高(960 MHz)程度，而標誌符506、標誌符508分別標記較高頻率範圍的較低(1710 MHz)程度及較高(2170 MHz)程度。具有標誌符512的曲線對應於上文關於圖3描述的4頻帶天線的量測回應。用標誌符510標記的曲線圖示使用圖2的實施例的匹配電路200模擬的天線響應。電路200的已量測散射參數(s-parameter)用於模擬回應510。
兩個天線回應510、512之間的比較表明回應510的較低頻率範圍中的天線頻寬增加，這種天線頻寬增加允許850 MHz及900 MHz較低頻帶中的天線操作。
呈現於圖3至圖5中的資料表明，配置有較窄狹槽的迴路或環形天線能夠在寬頻率範圍內操作；即，覆蓋自824 MHz至960 MHz的較低頻帶以及自1710 MHz至2170 MHz的較高頻帶。這種能力有利地允許用單個天線在若干行動頻帶內操作可攜式計算裝置，該若干行動頻帶例如，GSM850、GSM900、GSM1900、GSM1800、PCS-1900以及LTE/LTE-A及/或WiMAX(IEEE Std.802.16)頻帶。此外，使用單獨的調諧分支允許形成較高階天線諧振，因此允許額外高頻帶(例如，2500 MHz至2600 MHz頻帶)中的天線操作。這種能力進一步將天線的用途擴展至Wi-Fi(802.11)及額外的LTE/LTE-A頻帶。本領域的技藝人士將瞭解，可根據一或更 多個特定應用依須求修改上文給定的頻帶組成，並且還可支援/使用額外的頻帶。
有利的是，狹槽迴路或環形天線配置(如本文描述之圖示實施例中的配置)進一步允許除前述操作頻帶的寬度及多樣性之外，藉由減小由於使用者抓握造成天線短路(及相關聯副效應)的可能性來改善裝置操作。此外，使用放置在底部的間隙(例如，本文示範性實施例中所示的較小單個間隙)改善裝置的美學吸引力，因為裝置底部在使用期間極少看到並且該間隙降低對於非導電覆蓋元件或裝飾性覆蓋元件(通常在先前技術解決方案中需要)的需要，從而還會降低裝置成本。
應認識到，儘管按照方法的步驟的具體順序描述了本發明的某些態樣，但這些描述僅為本發明的較寬泛方法的說明，並且可根據特定應用依須求修改這些描述。在某些情況下可不必要提出某些步驟或某些步驟可選。此外，可向所揭示的實施例添加某些步驟或功能，或變更兩個或兩個以上步驟的執行順序。所有這些變化視為涵蓋在本文揭示並主張的發明內。
儘管以上詳細描述已顯示、描述並指出本發明應用於各種實施例的新穎特徵結構，但應理解，本領域的技藝人士在不脫離本發明的情況下可對所圖示裝置或工藝的形式及細節進行各種省略、替代及改變。上文描述為目前預期的執行 本發明的最佳模式。這種描述決不意味著限制性的，而應視為本發明一般原理的說明。本發明的範圍應參照申請專利範圍來決定。
100‧‧‧主機行動裝置
102、103‧‧‧電介質蓋
104‧‧‧顯示模組
106‧‧‧接地面
108‧‧‧無接地底部部分
110‧‧‧替換環
112‧‧‧環上部部分
114‧‧‧窄狹槽
115、116、117、119‧‧‧接地點
120‧‧‧調諧結構
122、124、128、130‧‧‧調諧分支
126‧‧‧長區段
127‧‧‧環部分
130‧‧‧調諧分支
136‧‧‧調諧電路
138‧‧‧饋電點
140‧‧‧調諧結構
142‧‧‧調諧分支
144‧‧‧迴路結構
145、146‧‧‧垂直條
150、152‧‧‧非導電間隙
200‧‧‧匹配電路
202‧‧‧輸入口
204、212‧‧‧電感元件
206、208、210‧‧‧電容元件
214‧‧‧輸出口
216‧‧‧電路接地點
302-310、402-412‧‧‧曲線標誌符
510、512‧‧‧回應
本發明的特徵結構、目標及優點將由下文結合諸圖闡述的詳細描述變得更顯而易見，其中：圖1為詳細說明環形天線設備的行動裝置的側立視圖，該環形天線設備根據本發明的一個實施例配置並安裝於該行動裝置中。
圖1A為圖示圖1的實施例的天線設備的行動裝置的俯視圖。
圖1B為詳細說明根據本發明的一個實施例的多頻帶環形天線調諧配置的方塊圖。
圖1C為詳細說明圖1的多頻帶環形天線的電容耦合的方塊圖。
圖2為詳細說明根據本發明的一個實施例的多頻帶匹配電路的示意圖。
圖3為曲線圖：(i)已量測自由空間輸入回波損耗；(ii)CTIA v3.1頭、右臉頰旁邊回波損耗；及(iii)CTIA v3.1頭及手、右臉頰旁邊回波損耗量測，資料用根據圖1A的實施例 配置的示範性五頻帶天線設備獲得。
圖4為曲線圖：(i)已量測總自由空間效率；(ii)CTIA v3.1頭、右臉頰旁邊的效率；及(iii)CTIA v3.1頭及手、右臉頰旁邊的效率量測，資料用根據圖1A的實施例配置的示範性多頻帶天線設備獲得。
圖5為示範性五頻帶天線設備的已量測自由空間輸入回波損耗的曲線圖，該示範性五頻帶天線設備根據圖1A的實施例配置並包含圖2的調諧電路。
本文所揭示的所有圖為© Copyright 2011 Pulse Finland Oy著作權所有。

Claims (28)

  1. 一種供一可攜式無線電通訊裝置使用的多頻帶天線設備，該天線設備包含：一第一天線結構，該第一天線結構包含一元件，該元件配置成設置於實質上一裝置外殼的一外部周邊周圍；其中該第一天線結構在至少兩個位置處連接至該裝置之一接地面，從而形成一虛擬部分及一操作部分；及該操作部分包含一狹槽，該狹槽形成於該元件中，以便設置為接近該外殼一底側。
  2. 如請求項1述及之天線設備，其中該狹槽經配置以實現至少一個較高頻帶中的天線諧振。
  3. 如請求項1述及之天線設備，進一步包含一第二天線結構，該第二天線結構包含複數個單極輻射器分支，其中該複數個單極輻射器分支包含：一第一輻射器分支，該第一輻射器分支電氣耦接至該裝置的一饋電口並經配置以在一第一較高頻帶中操作；一第二輻射器分支，該第二輻射器分支耦接至該裝置的該饋電口並經配置以在一第二較高頻帶中操作；及一第三輻射器分支，該第三輻射器分支電氣耦接至該裝置的該饋電口並經配置以在一第一較低頻帶中操作。
  4. 如請求項3述及之天線設備，其中：該虛擬部分的一外部周邊實質上包圍該接地面；及該第二天線結構的一外部周邊設置於該接地面的外部。
  5. 如請求項3述及之天線設備，該天線設備進一步包含一電抗電路，該電抗電路耦接於該第三輻射器分支與該饋電口之間。
  6. 如請求項5述及之天線設備，其中該電抗電路包含(i)一電感元件及/或(ii)一電容元件中的至少一者。
  7. 如請求項5述及之天線設備，其中一第二電抗電路經配置以調整該第三輻射器分支的電長度。
  8. 如請求項5述及之天線設備，其中該第一較低頻帶包含一GSM頻帶，並且該第一較高頻帶及該第二較高頻帶選自由1700 MHz頻帶、2100 MHz頻帶及2500 MHz頻帶組成的一群組。
  9. 如請求項3述及之天線設備，其中該狹槽設置為接近該裝置外殼的一下部角落。
  10. 如請求項1述及之天線設備，其中該至少兩個位置經配置以影響該元件的電長度。
  11. 如請求項10述及之天線設備，其中該至少兩個位置 包含：(i)一第一接地結構，該第一接地結構設置於該元件的一第一側上；及(ii)一第二接地結構，該第二接地結構設置於該元件的一第二側上，該第二側與該第一側相對，以使得該第一接地結構及該第二接地結構配置在該狹槽的遠側。
  12. 如請求項1述及之天線設備，其中該元件的部分設置為接近該底側且沿該底側的實質上一橫向範圍與該接地面間隔。
  13. 一種行動裝置，該行動裝置包含：一裝置外殼；及一天線，該天線具有一實質上外部的輻射器元件，該輻射器元件具有至少一個狹槽，該至少一個狹槽相對於該外殼設置以便最小化由於使用者在該裝置使用期間抓握裝置造成輻射器元件在該狹槽間短路的可能性。
  14. 如請求項13述及之行動裝置，其中該輻射器元件包含一實質上封閉的迴路，並且該至少一個狹槽包含一單個狹槽，該單個狹槽設置於實質上該裝置的該外殼的一底部邊緣上，該底部邊緣在該裝置的該使用期間未被該使用者正常地抓取。
  15. 如請求項13述及之行動裝置，其中：該輻射器元件包含一實質上封閉的迴路，該實質上封閉 的迴路設置於該行動裝置的該外殼的一頂部邊緣、一底部邊緣及側面邊緣上；及該至少一個狹槽包含一單個狹槽，該單個狹槽設置於該頂部邊緣或該底部邊緣兩者中的任一者處。
  16. 如請求項13述及之行動裝置，其中：該輻射器元件包含一第一結構，該第一結構在至少兩個位置處連接至該裝置的一接地面，以便形成一虛擬部分及一操作部分；及該狹槽設置於該裝置外殼的一底側上的該操作部分中。
  17. 如請求項16述及之行動裝置，其中：該輻射器元件進一步包含一輻射器結構，該輻射器結構包含複數個單極輻射器分支。
  18. 如請求項17述及之行動裝置，其中該操作部分的一外部周邊設置於該接地面的外部並實質上包圍該輻射器結構。
  19. 如請求項17述及之行動裝置，其中該複數個單極輻射器分支包含：一第一輻射器分支，該第一輻射器分支電氣耦接至該裝置的一饋電口並經配置以在一第一頻帶中操作； 一第二輻射器分支，該第二輻射器分支耦接至該裝置的該饋電口並經配置以在一第二頻帶中操作；及一第三輻射器分支，該第三輻射器分支電氣耦接至該裝置的該饋電口並經配置以在一第三頻帶中操作。
  20. 如請求項19述及之行動裝置，該複數個單極輻射器分支中的每一個單極輻射器分支包含一導電條，該導電條具有至少一個轉彎。
  21. 如請求項20述及之行動裝置，其中該至少一個轉彎形成一C形結構的至少一部分。
  22. 如請求項19述及之行動裝置，其中該第三輻射器分支進一步經配置以在一第四頻帶中操作，該第四頻帶具有一諧振，該諧振接近該第三頻帶的一諧振的一諧波。
  23. 如請求項19述及之行動裝置，其中：該輻射器元件包含一實質上封閉的迴路；及該第二輻射器分支電氣耦接至接近該狹槽的該迴路。
  24. 如請求項19述及之行動裝置，其中：該輻射器元件包含一實質上封閉的迴路元件；及該第二輻射器分支在一非導電間隙上方電磁耦合至接近 該狹槽的該迴路元件。
  25. 如請求項13述及之行動裝置，其中該輻射器元件包含一實質上封閉的迴路，該迴路形成一單個連續結構。
  26. 一種行動通訊裝置，該行動通訊裝置包含：一外殼及一電子總成，該電子總成實質上含於該外殼中，該電子總成包含一接地面及至少一個饋電口；及一多頻帶天線設備，該多頻帶天線設備包含：一第一天線結構，該第一天線結構包含一元件，該元件設置於實質上該外殼的一外部周邊周圍；及一第二天線結構，該第二天線結構包含複數個單極輻射器分支；其中：該第一天線結構在至少兩個接地點處連接至該接地面，從而形成一虛擬部分及一操作部分，該操作部分包含設置於接近該外殼的一底側的該元件中的一狹槽；該虛擬部分的一外部周邊實質上包圍該接地面；及該操作部分的一外部周邊設置於該接地面的外部並實質上包圍該第二天線結構。
  27. 一種操作供一可攜式無線電裝置使用的一多頻帶天線設備的方法，該設備具有一饋電、一迴路輻射器元件，該等饋電、迴路輻射器元件設置於實質上該裝置的一外殼的一周邊區域周圍，該迴路輻射器元件具有一狹槽，該狹槽設置於實質上該外殼的一底部邊緣處，並且該無線電裝置的一接地面設置於遠離該迴路輻射器元件的一底部邊緣一定距離處，該方法包含以下步驟：用包含一較低頻率分量及一較高頻率分量的一饋電信號激勵該饋電；及至少在該較高頻率下引起該迴路輻射器元件中的射頻振盪；其中該狹槽經配置以實現該天線設備在該較高頻率下的調諧。
  28. 一種減輕使用者干擾對一輻射及接收行動裝置的影響的方法，該行動裝置的特徵在於一較佳的使用者抓取位置，該方法包含以下步驟：用包含至少一第一頻率分量的一信號激勵一迴路天線元件；該迴路天線元件設置於實質上該裝置的一外殼的一周邊區域周圍，及在形成於該迴路天線元件內的一狹槽間產生一電磁場； 其中該狹槽位於相對於該較佳的抓取位置的遠側，以便減輕由於該使用者的該抓取造成的電磁干擾。
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