TW201409956A

TW201409956A - 切換天線裝置及方法

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Publication number: TW201409956A
Application number: TW102125279A
Authority: TW
Inventors: Prasadh Ramachandran
Original assignee: Pulse Finland Oy
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2013-07-15
Publication date: 2014-03-01
Also published as: US20140015719A1; WO2014009607A1

Abstract

本發明揭示可動態切換之天線裝置及相關聯之方法。在一項實施例中，一切換天線組態用於一可攜式器件(例如行動電話)內。該切換天線包括在一或多個諧振頻率下操作之至少一個天線元件及一或多個切換元件。在一項實施方案中，自主地控制該等切換元件以藉由修改天線輻射器之電長度及/或校正天線阻抗不匹配而校正該天線所經歷之失諧效應(例如，身體組織負載)。在另一實施方案中，控制該等切換元件以實現該天線之頻帶切換。

Description

切換天線裝置及方法

優先權

本申請案主張具有相同標題之於2013年6月13日提出申請之共同擁有且同在申請中之第13/917,407號美國專利申請案之優先權，該美國專利申請案主張具有相同標題之於2012年7月13日提出申請之共同擁有之第61/671,368號美國臨時專利申請案之優先權，該等專利申請案中之每一者以其全文引用方式併入本文中。

著作權

此專利文件之揭示內容之一部分含有受著作權保護之材料。著作權所有者不反對任何人對專利文件或專利揭示內容進行拓製，如其出現於專利及商標局之專利檔案或記錄中，但在其他方面保留任何所有著作權。

本發明一般而言係關於供用於諸如無線或可攜式無線電器件之電子器件中之天線裝置，且更特定而言，在一項例示性態樣中係關於一種機殼激發之天線及調諧並利用該機殼激發之天線之方法。

內部天線常見於最現代化之無線電器件(諸如行動電腦、行動電話、Blackberry^®器件、智慧電話、個人數位助理(PDA)或其他個人通信器件(PCD))中。通常，此等天線包括一平坦輻射平面及平行於該平坦輻射平面之一接地平面，該兩個平面藉由一短路導體彼此連接以便達成天線之匹配。該結構經組態以使得其在所期望操作頻率下用作一諧振器。

天線在一個以上頻帶(諸如雙頻帶、三頻帶或四頻帶行動電話)中操作亦係一常見要求，在該情形中，可需要使用兩個或兩個以上諧振器。

通常，前述內部天線位於無線電器件之一印刷電路板(PCB)上一塑膠殼體內側，或耦合至准許射頻波傳播至該(等)天線及自該(等)天線傳播之外部金屬殼體。

開發用於行動應用之支付得起且功率高效之顯示技術(諸如液晶顯示器(LCD)、發光二極體(LED)顯示器、有機發光二極體(OLED)、薄膜電晶體(TFT)等)之最近進展已產生以大顯示器為特徵之行動器件之一普及，其中在某些平板電腦中具有高達180mm(7英吋)之螢幕大小且在某些膝上型電腦中具有高達500mm(20英吋)之螢幕大小。

此外，當前趨勢增加對具有通常用於使用者輸入之大顯示器(觸控螢幕)之較薄行動通信器件之需求。此特別在觸控螢幕操作期間又需要一剛性結構來支撐顯示器總成，以便使介面穩健且耐久，並減輕顯示器之移動或偏轉。通常利用一金屬主體或一金屬框架以便為行動通信器件中之顯示器提供一較佳支撐。

金屬殼體/機殼之使用及器件殼體之較小厚度形成射頻(RF)天線實施方案之新挑戰。典型天線解決方案(諸如單極天線、PIFA天線)需要接地淨空區域及距接地平面之充分高度以便在多個頻帶中高效地操作。此等天線解決方案對於具有金屬外殼及/或機殼之前述薄器件通常係不足的，此乃因分離輻射器與接地平面所需之垂直距離不再有用，此嚴重限制天線之頻寬。另外，特別當需要天線在數個頻帶中操作時，行動器件之金屬主體或機殼充當一RF屏蔽物且使天線效能降級。與使用者之骨骼或組織(諸如其手或頭(例如，所謂的「介電負載」))之相互作用對內部天線之操作可具有明顯影響，且亦必須被考量。

在先前技術中已知解決前述限制及考量之多種方法。舉例而言，在一種方法中，使用具有經饋電的安置於PCB上之一槽孔之一槽孔天線。在此方法中，利用一串聯切換器來實現天線頻帶切換；然而此導致額外插入損耗。此外，在此等配置中可達成之匹配位準係受限的，且因此切換之範圍係受限的。

在另一方法中，將額外切換端子添加至輻射器且將其透過切換器連接至接地，並在切換器與接地之間添加一串聯阻抗。在多頻帶天線之情形中，難以判定此切換端子之最佳位置，且切換端子之添加並非總是可能的(存在對實施方案之某些特定實體限制)。此外，將一新接地端子添加至輻射器擴大天線及主機器件自身之大小。另外，直接連接之有損耗切換器及至輻射器之阻抗之引入可降低效率，且難以達成在所有頻帶中之適合調諧能力。

一第三先前技術方法係基於使用可調諧電容。此解決方案係基於在天線輻射器與接地之間使用一可調諧電容(變容二極體)。藉由改變電容值，可能切換/調諧天線之諧振頻率。此解決方案係極昂貴的，且同時需要具有極大可調諧電容比(在電壓範圍0伏至3伏中，大於10：1)之變容器以(例如，通常在Tx與Rx之間)達成所期望頻移。在多頻帶天線之情形中，不同頻帶需要不同變容器，藉此進一步增加成本及空間要求。此外，變容器並非係完全線性器件，且因此無法適合地處置高RF功率位準。因此，在其中一高RF傳輸功率將使天線之諧振頻率失諧之大部分情形中，此基於變容器之解決方案並不良好地適合於Tx頻帶。

另一方法係基於將一個傳輸線耦合至輻射元件。該傳輸線之有效長度使用一調整機構來改變。此方法不利地提供即使與一多諧振天線一起使用，亦僅調諧一個諧振之能力。不經受調諧之頻帶亦不受控制。相反地，將數個單獨傳輸線及控制電路添加至一個天線係不實際的，此乃因高成本及增加之複雜性。

又一方法係利用一額外寄生貼片，該額外寄生貼片增加天線大小，及對於一典型手持式行動終端機之尺寸之器件並非高效的，且可僅有效地用於較大器件(例如平板電腦、膝上型電腦等)中。此外，當期望控制/調諧/切換一個以上頻帶時，在主機器件內找到在受控之所有頻帶/諧振之間可達成充分耦合之一最佳位置係極複雜或不可能的。

因此，突出需要一經改良天線解決方案及調諧並利用該經改良天線解決方案之方法，該經改良解決方案可有效地致使天線諧振頻率在所期望頻帶中操作，以及以一較低成本及複雜性來補償因存在一介電改變(例如手)而導致之天線不匹配及失諧效應，且提供對天線諧振之經改良控制。

本發明藉由尤其提供經改良裝置及用於天線構造及控制之方法而滿足前述需要。

在本發明之一第一態樣中，揭示一種供用於一行動器件中之天線電路。在一項實施例中，該電路包含：至少一個饋源；一單個天線輻射元件；一傳輸路徑，其安置於該至少一個饋源與該輻射元件之間。在一項變體中，該路徑包括：第一及第二電感器；及第一及第二節點，其分別安置於(i)該等第一與第二電感器之間及(ii)該第二電感器與該輻射元件之間。在一項實施方案中，第一切換裝置及第二切換裝置各自包含：一切換元件，其具有第一複數種狀態；及至少一個濾波器電路，其與該切換元件電通信且電安置於該切換元件與該第一節點之間。該第一切換裝置及該第二切換裝置可操作以分別在該等第一及第二複數種狀態當中切換以便允許各種功能。此等功能可包含(例如)單個輻射元件在不同頻帶中之操作、對天線之介電負載之補償及/或天線之匹配網路之不同組態(例如，分路元件展示高阻抗以使得在一種狀態中，天線僅遇到串聯之電感/電容元件，且在另一狀態中，串聯組件中之至少一者(或全部)形成匹配網路之一部分)。

在本發明之一第二態樣中，揭示供與一天線一起使用之切換裝置。在一項實施例中，該裝置包含：至少一個切換元件，其具有複數種狀態；及至少一個濾波器電路，其與該至少一個切換元件電通信且電安置於該切換元件與一天線信號傳輸路徑之間。該至少一個切換元件可在該複數種狀態中之狀態之間切換以便實現各別不同操作條件。

在本發明之一第三態樣中，揭示多頻帶天線裝置。在一項實施例中，該天線裝置包含一饋源；一單個輻射元件；及一傳輸路徑，其在該饋源與該輻射元件之間。該傳輸路徑包括切換裝置，該切換裝置與該傳輸路徑通信但未電安置於該路徑內，且經組態以實現該輻射元件之電長度之改變以便使得該天線裝置能夠在兩個或兩個以上所期望頻帶中操作。

在一項變體中，該天線裝置經組態以裝配於接近該天線裝置具有至少一個金屬結構組件之一低垂直高度行動無線器件內且可在該低垂直高度行動無線器件之兩個或兩個以上所期望頻帶中操作。

在本發明之一第四態樣中，揭示自補償天線裝置。在一項實施例中，該裝置包含：一饋源；一單個輻射元件；控制裝置；及一傳輸路徑，其介於該饋源與該輻射元件之間。該傳輸路徑包括與其通信之切換裝置，且該控制裝置經組態以控制該切換裝置以實現該輻射元件之電長度之改變以便補償使該輻射元件自其所期望操作頻率失諧的該天線裝置之介電負載。

在一項變體中，該控制裝置係：(i)具有可切換電路之開放環路；或(ii)具有電腦化控制邏輯之閉合環路。

在本發明之一第五態樣中，揭示一種行動無線器件。在一項實施例中，該行動器件包含：一蜂巢式收發器；至少一個輻射元件，其經由一信號傳輸路徑與該收發器信號通信；及切換電路，其與該傳輸路徑通信、經組態以選擇性地更改該至少一個輻射元件之電長度以便至少使得能夠：(i)在所關注之多個蜂巢式頻帶中操作；及(ii)補償由強加於該行動器件之一或多個外部影響導致之失諧。

在一項變體中，該行動器件係接近於該天線輻射元件具有至少某些金屬殼或外殼元件之一極薄外觀尺寸之行動電話、平板電腦或智慧電話。

在本發明之一第六態樣中，揭示用於補償一無線器件之各種類型之介電負載之方法。在一項實施例中，藉由一使用者之骨骼與器件進行接觸而強加負載，且該方法包含選擇性地操作在器件之天線調諧電路中之一或多個可切換元件以改變天線之一或多個輻射器之有效電長度。

在本發明之一第七態樣中，揭示用於操作一無線器件天線之一單個輻射元件之方法。在一項實施例中，該等方法包含選擇性地致動天線之調諧電路內之一或多個可切換元件以變化單個輻射元件之電長度，藉此致使其諧振頻率移位至一所期望頻帶。

在本發明之一第八態樣中，揭示用於使用可切換元件及濾波器電路來調諧一天線之方法。

依據附圖及以下詳細說明，本發明之其他特徵、其本質及各種優點將較顯而易見。

100‧‧‧切換天線裝置/所圖解說明切換天線裝置/串聯切換天線裝置/切換裝置/裝置

102‧‧‧切換元件

104‧‧‧天線元件

106‧‧‧射頻饋送點

108‧‧‧電感元件/電感器

110‧‧‧開路連接/開路輸出

112‧‧‧電容元件/元件/輸出

114‧‧‧電感元件

116‧‧‧電感元件

118‧‧‧高通濾波器

120‧‧‧中間節點/節點

122‧‧‧中間節點/節點

200‧‧‧行動器件/器件/主機器件

202‧‧‧殼體

208‧‧‧內部機殼

210‧‧‧內部主要印刷電路板/主要印刷電路板/主要器件印刷電路板

214‧‧‧切換電路印刷電路板/切換印刷電路板/單獨切換印刷電路板

216‧‧‧天線輻射器/天線

依據下文在連同圖式一起時所陳述之詳細說明，本發明之特徵、目的及優點將變得較顯而易見，其中：

圖1係圖解說明根據本發明而組態之切換天線裝置之一例示性實施方案之一示意圖。

圖2(包括圖2A及圖2B)係包括根據圖1而組態之切換天線裝置之一例示性行動器件外觀尺寸之一等角視圖。

圖3(包括圖3A及圖3B)係圖2A之例示性行動器件之一分解等角視圖，其中展示其各種組件。

圖4係在(i)天線之一自由空間操作、(ii)天線之一失諧狀態及(iii)各種補償狀態中所量測的自由空間回波損耗(以dB為單位)隨頻率而變之一曲線圖。

圖5係藉助一原始天線及具有根據圖1而組態之一例示性切換天線裝置之天線所量測之總天線效率之一曲線圖。

圖6圖解說明針對原始天線及具有根據圖1而組態之一例示性切換天線裝置之天線之一測試設置之例示性總輻射功率(TRP)資料。

現在參考圖式，其中通篇中相似編號指代相似部件。

如本文中所使用，術語「天線」、「天線系統」、「天線總成」及「多頻帶天線」無限制地指代併入有接收/傳輸及/或傳播一或多個頻帶之電磁輻射之一單個元件、多個元件或者一或多個元件陣列之任何系統。該輻射可具有眾多類型，例如微波、毫米波、射頻、數位調變、類比、類比/數位編碼、數位編碼毫米波能量或諸如此類。該能量可使用一或多個中繼器鏈路自一個位置傳輸至另一個位置，且一或多個位置可係行動的、靜止的或固定至地面上之一位置，諸如一基地站。

如本文所使用，術語「板」及「基板」一般而言且無限制地指代其上可安置其他組件之任何實質上平坦或彎曲之表面或組件。舉例而言，一基板可包括一單層或多層印刷電路板(例如，FR4)、一半導電晶粒或晶圓或者甚至一外殼或其他器件組件之一表面，且可係實質上剛性的，或替代地至少稍微撓性的。

術語「頻率範圍」、「頻帶」及「頻域」無限制地指代用於傳遞信號之任何頻率範圍。此等信號可依照一或多個標準或無線空中介面來傳遞。

術語「近場通信(NFC)」無限制地指代使得資料能夠在短距離內之器件之間交換之一短程高頻無線通信技術，諸如(舉例而言)由ISO/IEC 18092/ECMA-340標準及/或ISO/ELEC 14443接近卡標準所闡述。

如本文所使用，術語「可攜式器件」、「行動器件」、「客戶端器件」、「可攜式無線器件」及「主機器件」包含但不限於個人電腦(PC)及迷你電腦(無論是桌上型、膝上型還是其他類型)、機上盒、個人數位助理(PDA)、手持式電腦、個人通信器、平板電腦、可攜式導航輔助件、配備有J2ME之器件、蜂巢式電話、智慧電話、個人整合之通信或娛樂器件或確切而言能夠與一網路或另一器件互換資料之任何其他器件。

此外，如本文所使用，術語「輻射器」及「輻射元件」無限制地指代可用作接收及/或傳輸射頻電磁輻射之一系統之部分之一元件；例如，一天線。

術語「RF饋源」、「饋源」及「饋送導體」無限制地指代可在針對一或多個連接元件(例如一輻射器)之傳入/傳出RF能量信號之間轉移能量、變換阻抗、增強效能特性及遵守阻抗性質之任何能量導體及耦合元件。

如本文中所使用，術語「電感器件」指代使用或實施電感之任何器件，包含但不限於電感器、變壓器及電感電抗器(或「抗流線圈」)。

如本文中所使用，術語「頂部」、「底部」、「側」、「上」、「下」、「左」、「右」及諸如此類僅意味著一個組件相對於另一個組件之一位置或幾何形狀，且決不意味著一絕對參考系或任何所需定向。舉例而言，當將一組件安裝至另一器件(例如，至一PCB之底側)時，該組件之一「頂部」部分可實際上駐留於一「底部」部分下方。

如本文所使用，術語「無線」意指任何無線信號、資料、通信或其他介面，包含但不限於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、長期演進(LTE)或進階LTE(LTE-A)、類比蜂巢、CDPD、衛星系統(諸如GPS)、毫米波或微波系統、光學、聲學及紅外線(亦即，IrDA)。

概述

在一項突出態樣中，本發明提供一種供用於(例如)一行動器件中之切換天線裝置，該切換天線裝置有利地提供經減小大小及成本以及經改良天線效能。在一項實施例中，該切換天線裝置包含具有連接至傳輸線(含有串聯之電抗組件)之切換輸入之切換器，其中該傳輸線連接行動器件之天線與RF饋送點。

在一項實施方案中，切換天線裝置經設計以藉由在切換器之不同切換輸出之間選擇性地切換來調整串聯組件之電抗值，藉此允許電調整天線輻射器之電長度及/或調整傳輸線之阻抗。藉由調整天線輻射器之電長度，該天線可在若干可能操作頻率中操作而無需使用額外輻射器或其他天線(例如，寄生貼片或諸如此類)、各別傳輸線及/或控制電路在多個天線之間操作。另外，串聯切換裝置可執行調諧調整以補償天線所經歷之失諧效應，及/或校正阻抗不匹配以改良天線效率。

如在本文中所闡述之實施例中，切換天線裝置允許主動切換天線之諧振頻率以對各別行動器件實施頻帶切換，同時亦允許該器件維持一較薄且較緊湊外觀尺寸。另外，本文中所揭示之串聯切換天線裝置可有利地用於補償(諸如)被放置於各種介電負載條件(例如，與一使用者之身體組織(諸如一手或頭)接觸)下之天線所經歷之失諧效應，因此進一步改良天線效能。

例示性實施例之詳細說明

現在提供本發明之裝置及方法之各種實施例及變體之詳細說明。雖然主要在行動器件之上下文中論述，但本文所論述之各種裝置及方法不限於此。實際上，本發明之裝置及方法在任何數目個複雜天線(無論是與行動器件相關聯還是與固定器件相關聯)中可係有用的。

例示性串聯切換天線裝置

現在參考圖1，展示及闡述根據本發明之原理而組態之切換天線裝置100之一例示性實施例。所圖解說明切換天線裝置100包括一天線元件104、一RF饋送點106及切換元件102。雖然該例示性實施例僅圖解說明一個RF饋送點、兩個切換元件及一個天線元件之使用，但本發明不限於此且可藉助如特定應用可能所需之任何數目個RF饋送點(例如兩個饋源、三個饋源)以及任何數目個天線元件及/或切換元件來實施。

在一項實施例中，切換天線裝置100用於實施頻帶切換。頻帶切換藉由主動改變天線元件104之輻射器之電(長度)特性而允許天線元件104在若干可能諧振頻率下操作。在一項實施方案中，切換元件102包括單極多投(例如，單極四投，或SP4T)切換器。雖然在所圖解說明實施例中使用SP4T切換元件，但可與本發明一致地採用任何數目個替代切換組態或器件，無論是單獨地還是結合SP4T一起。舉例而言，可經由多種技術(諸如微機電(MEM)切換器、GaAs切換器、CMOS切換器、電容器組等)來實施切換元件102。另一選擇係，可用一個nPnT(DPDT、DP4T等)切換器替換兩個SP4T切換器，或替代地可用一單個晶片調諧器替換兩個SP4T。

可藉助任何適合天線技術來實施天線元件(具有輻射器)104。舉例而言，可與本發明一致地使用微帶、貼片、環形天線、倒L形天線(ILA)、平面倒L形天線(PILA)、左旋或右旋圓形極化或其變化形式。

簡言之，可透過使用適合電子器件(例如電抗組件(例如，電容器、電感器等))來電調整天線元件104之有效電長度。因此，可自原本以天線元件104之輻射器之實體長度為基礎之諧振頻率修改天線元件104之諧振頻率。以此方式電增加輻射器之長度之一突出優點係：實體天線之大小可減小且因此裝配至較小外觀尺寸器件中，同時仍維持原本需要一較大天線之諧振頻率。

在一項例示性實施例中，串聯切換天線裝置100經設計以在兩個或兩個以上諧振頻率之間操作。藉由在製成為在切換元件102之切換支線處可用之複數個可用電抗組件值之間選擇性地切換而控制操作諧振頻率。因此，藉由改變電路之電抗組件值，切換裝置100調整天線元件104之輻射器之電長度，藉此改變該(或該等)操作諧振頻率。

在切換元件102輸出處之電抗組件可係集總電抗(例如離散電感器及電容器)與分佈式電抗(傳輸線)之一組合，或前述電抗中之僅一者。

本發明之一突出優點係可使用僅一個傳輸線且在不需要額外天線元件或額外切換元件之情況下達成一或多個操作頻帶之間的頻帶切換。因此，藉由排除額外傳輸線及/或天線元件及各別控制電路，減小各別器件之複雜性、大小及成本。

在一項實施方案中，切換天線裝置100在天線元件104與RF饋送點106之間的傳輸線上包括串聯之電感元件108。切換元件102(GaAs SP4T)各自包括一開路連接110、電容元件112及兩個不同值之電感元件114、116。本發明之一個突出優點係切換元件102不串聯於RF饋送點106與天線元件104之間的傳輸線上，且因此不添加額外插入損耗，同時仍允許選擇性地調諧/切換天線元件104。

在例示性實施方案中，切換元件之輸入進一步包括一高通濾波器118，該高通濾波器包括放置於切換元件102與傳輸線之間的一電容元件及一電感元件。在一項變體中，高通濾波器118經設計以用於切換元件之靜電放電(ESD)保護。然而，熟習此項技術者將瞭解，本發明不限於使用一高通濾波器。亦可使用所提及濾波器之任何不同拓撲來實施圖1之電路。舉例而言，使用此不同拓撲之原因可係需要不同ESD保護。若(舉例而言)需要避免當前頻帶中之任何頻帶之切換且因此僅在頻帶中之某些頻帶中(舉例而言，僅在一個頻帶中)實施切換，則亦可能使用不同濾波器類型(如低通、帶通及帶阻濾波器)。

在例示性實施方案中，藉由選擇至開路之切換元件輸出，切換元件經選定以在中間節點120、122處顯現為高阻抗。應注意，GaAs切換器(或就此而言任何其他切換器)具有一內部延遲；亦即自切換器之輸出至切換器之輸入之電長度。此外，在切換器之輸入處之濾波器之引入增加此延遲。因此，節點120處之一「開路或高阻抗」將不被展示為一(例如)「開路」狀態(102a之接針1)。而是，在此特定實施方案中，1.6 pF之值展示在節點120處之一「開路」阻抗，且類似地，對於節點122亦如此。此外，此延遲取決於頻率，且因此用以展示一「開路」之組件值對於低頻帶與對於高頻帶將係不同的。當節點120及122展示極高阻抗時，RF電流將不流動穿過彼等分支。因此，所有電流被迫流動穿過串聯電感器108。在此狀態中，天線具有作為串聯元件之兩個電感器108，且因此輻射器之長度係最長的，且諧振頻率係最低的。當需要將天線之諧振頻率改變為一較高值(例如，用於頻帶切換或用以補償藉由使用者之手之負載)時，輻射器之電長度需受影響。眾所周知，當輻射器之長度改變時，其阻抗亦改變。因此在一第一情形中，選擇切換器102a之一不同狀態。基於天線之阻抗選擇此新狀態。當選擇不同於與元件112相關聯之狀態之一狀態時，組件102a與108a(靠近於RF饋源)之組合充當一L區段匹配電路。

在一項變體中，電感元件108a及108b之組件值經選定以使得當切換元件102a或102b切換至輸出112時，天線元件104在最低所支援諧振頻率下操作。因此，可藉由在切換元件102a、102b之不同輸出之間進行選擇而動態調整天線元件104之諧振頻率。舉例而言，若切換元件102自開路輸出110切換至一電感元件輸出，則在串聯電感元件處看到之電感值將減小。

此外，在使用一電感器或電容器與一半導體切換器之例示性情形中，將此等電感及電容組件視為不同阻抗值。阻抗可在眾所周知之史密斯圖之電感或電容區域上。在一繼電器類型之切換器(例如歐姆MEMS)之情形中，一電容器或電感器將被視為「純」組件，且可形成天線輻射結構之一部分。在其他情形中，此等組件僅係用於經拘限電磁波之天線之阻抗匹配之部分。當另一切換元件102b保持切換至112且因此對於該裝置顯現為高阻抗時，其各別串聯電感元件之電感值保持不變。然而，在天線元件104與RF饋送點106之間看到之串聯電感已減小。因此，串聯電路之經減小電感減小天線元件之輻射器之電長度，藉此致使天線元件104之諧振頻率之一上頻移。

亦將認識到，切換天線裝置100可另外在切換元件102a與102b輸出之間選擇性地挑選以便改良天線匹配或進一步修改或微調諧天線元件104之諧振頻率。

本發明之另一突出優點係藉由適當地組態切換元件102之數目及各別切換輸入以支援所期望諧振要求，一單個器件可支援任何數目個諧振頻率。舉例而言，圖1中所圖解說明之切換天線裝置100經組態以支援不同操作頻帶，舉例而言，諸如GSM850及GSM900及GSM1800及GSM1900。切換天線裝置100亦可經實施以支援一個系統之傳輸(Tx)及接收(Rx)頻帶(舉例而言，850-Tx及850-Rx)或分時多工之頻帶及系統之任何組合。

另外，一個諧振之操作頻帶之數目不限於一個頻帶。藉由使用切換元件102及切換元件102輸出處之某一(某些)電路組態(例如L-C網路)，可(例如)透過使用與圖1中所展示之切換配置相當之一SPnT切換配置而在多個(n)頻帶下操作一個諧振。在一項實施方案中，(舉例而言)透過實施其頻率未經調諧之一寄生諧振器，天線元件104可另外具有不由一調諧電路調諧之無限數目個諧振頻率。

在一項實施例中，串聯切換天線裝置100經設計以用於補償天線元件104所經歷之失諧效應。舉例而言，當在一自由空間條件下操作時，天線元件104可經調諧以在一所期望諧振頻率下操作。然而，當天線元件104(及其各別器件)放置於一不同介電操作條件(諸如藉由一使用者之身體組織(例如，手或頭)而加負載或與一導電表面接觸)下時，天線元件104可失諧至一不同頻率。在一使用者之身體組織之例項中，介電負載可致使天線元件104受影響，藉此使諧振頻率改變遠離所期望操作頻率且產生失諧。另外，經改變介電負載條件可導致天線電路之阻抗不匹配，從而導致對天線之效率之一負面影響。

本發明之一個突出優點係切換元件102允許動態調整或補償前述失諧效應。舉例而言，若一負載條件(例如使用者身體組織)之效應致使天線元件104之諧振頻率移位至比所期望操作諧振頻率低之一諧振頻率，則切換天線裝置100電路可藉由調整天線元件104之輻射器之電長度而補償此失諧效應。因此，在天線失諧至一較低諧振頻率之實例中，可藉由將切換元件102輸出切換至具有適當電抗組件值之輸出而減小輻射器之電長度。藉由減小輻射器之電長度，天線元件104之諧振頻率將增加以補償失諧效應。在相反情形(亦即，天線元件失諧至一較高諧振頻率)中，切換元件102可選擇適合電抗組件值以便擴展天線元件104之電長度以減小諧振頻率以補償頻率之失諧改變。此外，可藉由選擇一適合切換器輸出而由一或多個切換元件校正因負載條件而在天線元件104處經歷之阻抗不匹配。如上文所闡述，當選擇除經由元件112之輸出狀態以外之一輸出狀態時，切換器102a與電感器108a形成一L區段匹配網路。藉由選擇切換器之輸出處之不同組件，可挑選不同阻抗變換。在當前例示性實施方案中，利用除經由元件112(在節點120處為開路)以外之三(3)種切換狀態，但一電容器組之替代形式可提供多樣化之各種L區段匹配。

在本發明之一項實施例中，由主機器件控制圖1之裝置100之切換元件102。在一項實施方案中，器件之處理器(例如，應用處理器、基帶處理器等)控制切換元件102及其選定輸出。舉例而言，器件之處理器可配備有偵測電路或與偵測電路通信以識別一失諧事件之發生，並實施適當校正動作(例如，將輻射器之電長度增加或減少一適當量)。為此，處理器亦可包含在其上運行之演算法，該等演算法經由切換電路監視及實施校正動作。(諸如)在如上文所闡述之經加負載條件期間，此等演算法亦可經組態以使天線或器件操作之各種態樣最佳化。

在頻帶切換之情形中，前述處理器控制所期望操作諧振頻率，且藉由控制切換元件102而實現頻帶切換。舉例而言，當期望或需要一不同操作頻率時，此頻帶切換可係期望的(例如，在一給定頻率下存在干擾或擾亂之情況下，移動至使用一給定空中介面標準之一不同頻帶之另一地域或國家等)。

在另一變體中，可由不以其他方式與各別器件之處理器相關聯之偵測電路控制切換元件102。因此，在不受主機器件直接介入之情況下，可調整一或多個頻帶中之操作。

亦設想使用者或技術人員可控制之變體，諸如藉由經由一觸控螢幕或主機器件之其他使用者介面之使用者輸入。

在又一實施方案中，可採用前述切換控制實施方案之一組合。舉例而言，在頻帶切換之情形中，器件處理器可負責控制切換元件之切換，而在補償失諧/阻抗不匹配之情形中，單獨偵測電路負責控制切換元件。於2012年10月2日提出申請之標題為「Adjustable Antenna Apparatus and Methods」之共同擁有之第13/505,734號美國申請案中闡述用於控制前述切換功能之一個例示性機構，該美國申請案主張於2010年10月20日提出申請之PCT/FI2010/050821之優先權，PCT/FI2010/050821主張於2009年11月3日提出申請之第FI 20096134號芬蘭申請案之優先權，前述申請案中之每一者以其全文引用方式併入本文中。另外，可與本發明一致地使用其他機構或方法，包含例如一VSWR監視器或相位偵測器。

例示性行動器件組態

現在參考圖2及圖3，展示及闡述包括根據本發明之原理而組態之切換天線裝置之一行動器件200之一例示性實施例。雖然圖解說明一「薄」外觀尺寸行動蜂巢式電話/智慧電話，但將瞭解，可在任何類型之器件(無論是行動器件還是其他器件)中採用本發明，該等器件包含但不限於平板電腦、膝上型電腦、平板手機等。

例示性行動器件包括可由多種材料(例如適合塑膠及/或金屬)製作且支撐一顯示模組(未展示)之一殼體202。在一項變體中，顯示器包括具有互動功能之一觸控螢幕器件。仍然，顯示器可包括(例如)僅經組態以顯示資訊之一唯顯示器件、一觸控螢幕顯示器(例如，電容、電阻或其他技術)或又其他類型之器件(諸如有機LED(OLED)或諸如此類)，且可利用任何數目種技術，諸如LED、LCD、TFT等。在一項實施方案中，該殼體包括一前蓋及一後蓋。在此實施例中，蓋元件亦由任何適合介電材料(例如塑膠、複合物、玻璃)製作且藉由多種適合手段(諸如，例如，黏合劑、壓入配合、藉助額外保持部件(未展示)之支撐件之扣壓或諸如此類)附接至器件。另一選擇係，該等蓋可由接合至輻射器元件之一或多個外部表面上之一非導電膜或非導電油漆製作。

圖3展示圖2之行動器件200之實施例，其中分離蓋以便揭露器件200之內部組件及結構。在一項實施例中，該器件包括一內部主要印刷電路板210(PCB)。

器件200進一步包括包含先前關於圖1所闡述之切換天線裝置及電路之一切換電路PCB 214。在一項實施方案中，切換電路PCB 214包括與主要PCB 210分離之一「撓曲」PCB。在另一實施方案中，切換PCB 214實施為主要器件PCB 210之部分。在又一實施方案中，切換天線裝置可跨越主要PCB及一單獨切換PCB 214兩者而實施。

器件200進一步包括一天線輻射器216。天線216可藉助若干適合手段(舉例而言，撓曲、陶瓷、薄片金屬、電鍍塑膠部件(例如雷射直接結構化(LDS)))來構造或可使用其他適合技術來形成此類型之結構。作為又一替代方案，可與本發明一致地使用於2013年3月1日提出申請、主張2012年3月2日之優先權、標題為「Deposition Antenna Apparatus and Methods」且以其全文引用方式併入本文中之同在申請中之第13/13/782,993號美國專利申請案中所闡述之類型之一印刷天線。在例示性實施方案中，天線216在器件200上之放置係在器件200之底部部分上，但可基於器件之規格而挑選，且用以支援該(或該等) 所期望諧振頻率。

在一項實施方案中，天線輻射器216經設計以藉由耦合至主機器件200之機殼(例如，金屬環207)或另一適合結構而以一機殼模式操作以充當天線之輻射器之一部分。在一項變體中，天線包括經由ILA天線在內部機殼208之外側之放置而達成之一鬆散耦合之倒L天線(ILA)。然而，可藉助本發明來實施任何適合天線技術，舉例而言且不限於貼片天線、槽孔天線、環形天線、平面倒F天線(PILA)或其任何組合。

在另一實施方案中，天線在不受切換電路PCB控制之額外諧振頻率下操作；舉例而言，天線可包含寄生諧振器209，該寄生諧振器之頻率未經調諧但增加由器件200支援之可能諧振頻率之數目。

在另一實施例中，器件200包括根據本發明之原理而組態之兩個或兩個以上天線，該等天線在同一頻帶中操作，因此尤其提供多輸入多輸出(MIMO)、多輸入單輸出(MISO)或類似多輻射器元件應用之多樣化。

在又一實施例中，與天線(及切換電路)相關聯之頻帶中之一者包括適用於近場通信(NFC)應用之一頻帶，例如，ISM 13.56MHz頻帶。此NFC通信對於行動器件非接觸支付系統(諸如Google Wallet ^TM及ISIS ^TM)尤其有用。

本發明之其他實施方案將天線組態為覆蓋LTE/LTE-A(例如，698MHz至740MHz、900MHz、1800MHz及2.5GHz至2.6GHz)、WWAN(例如，824MHz至960MHz及1710MHz至2170MHz)、WLAN及/或WiMAX(2.3GHz及2.5GHz)頻帶。亦可藉助本文中所揭示之天線切換裝置來達成又其他頻帶(蜂巢式、WWAN、WLAN、WMAN、GPS/GLONASS、PAN(例如，藍芽)或其他)。

如熟習此項技術者將瞭解，可按所期望之特定應用之需要來修改上文給出之頻帶組成，該頻帶組成可進一步包含同一器件內之多種類型之空氣介面(例如，混合或多介面蜂巢以及WLAN及PAN及GPS)。本發明涵蓋一常見器件內之又額外天線結構(例如，三頻帶或四頻帶)，該等額外天線結構具有其中存在充分空間及間隔之一個、兩個、三個、四個或四個以上單獨天線總成。每一個別天線總成可進一步經組態以在一或多個頻帶中操作。因此，天線總成之數目未必需要匹配頻帶之數目。

效能

現參考圖4至圖6，呈現在由本發明之受讓人進行的對根據本發明而構造之一例示性天線裝置之測試期間獲得之效能結果。

圖4展示在820MHz至2Ghz之間所量測的自由空間回波損耗(以dB為單位)隨頻率而變之一曲線圖。如所圖解說明，該曲線圖展示(i)天線之自由空間操作、(ii)天線之一經失諧狀態及(iii)各種補償狀態。在例示性實施方案中，各種補償狀態經設計以使所關注之頻帶之效能最佳化。舉例而言，在所圖解說明實施方案中，基於手效應之適應性主要集中於低頻帶。圖4中給出之第一曲線(「TR1」402)係針對自由空間條件。第二曲線(「TR2」404)係針對「經失諧」條件；亦即，在使用者之手中。剩餘狀態(「TR3」406、「TR4」408及「TR5」410)係藉由自切換器102a及102b挑選不同組件組合而展示S11之「經補償」狀態。

因此，圖1之例示性切換天線裝置允許一天線經補償以支援一寬廣範圍之操作頻率。此能力有利地允許具有一單個天線之一可攜式無線器件在數個行動頻帶(諸如GSM710、GSM750、GSM850、GSM810、GSM1900、GSM1800、PCS-1900以及LTE/LTE-A及WiMAX(IEEE Std.802.16)頻帶)內之操作。如熟習此項技術者瞭解，可按所期望之特定應用之需要來修改上文給出之頻帶組成，且亦可支援/使用額外頻帶。

圖5圖解說明針對一原始(未經修改)天線及具有根據本發明之一項實施例而組態之一例示性切換天線裝置(例如，本文中之圖1之切換天線裝置)之天線之一測試設置之例示性總天線效率。針對兩個天線之資料表示在各種不同操作條件下之操作。天線效率(以dB為單位)定義為輻射功率與輸入功率之一比之十進制對數：

零(0)dB之一效率對應於一理想理論輻射器，其中所有輸入功率皆以電磁能之形式被輻射。所圖解說明操作條件包含一自由空間條件以及眾多人類操作者負載條件，諸如右手瀏覽、左手瀏覽、雙手瀏覽、右手頭旁(BHHR)及左手頭旁(BHHL)。如圖5中所圖解說明，原始天線及具有切換天線裝置之發明性天線在於自由空間中操作時具有相當效率。然而，當天線正在一負載條件(舉例而言BHHR)下操作時，與原始天線相比，藉助本發明之天線切換裝置補償之天線在天線效率方面具有明顯改良。在例示性測試配置中，效率之改良隨操作頻率增加而甚至更明顯。

圖6圖解說明針對原始天線及具有根據本發明之一項實施例而組態之一例示性切換天線裝置之天線之一測試設置之例示性總輻射功率(TRP)資料。在(i)824MHz至848MHz及(ii)880MHz至915MHz之兩個操作頻帶中量測TRP。如所圖解說明，與未針對負載條件進行補償之原始天線相比，該天線在多種負載條件以及藉助例示性切換天線裝置進行補償之不同器件操作模式(例如通話模式、瀏覽模式)下展現顯著經改良TRP。具體而言，例示性圖圖解說明對應於例示性天線+ DAM(在存在一使用者之手之情況下)之「經失諧瀏覽模式」，而「原始天線瀏覽模式」在存在使用者之手之情況下對應於器件中之原始(未經補償)天線。

總結

上文所闡述之本發明之各種實施例已圖解說明由本發明提供之各種屬性及改良，該等屬性及改良包含(但不限於)：(i)發明性天線欲位於主機器件之任一側上且欲經調諧以覆蓋所需頻帶以用於特定應用之能力；(ii)確切而言欲使用任何基於切換器之技術(包含(例如)GaAs、CMOS、MEMS)之靈活性；(iii)利用多個頻帶及/或饋源結構之能力；(iv)利用撓曲、陶瓷、薄片金屬、電鍍塑膠部件或其他技術來形成天線/輻射器之能力；(v)形成複數個受控制諧振頻率之能力；(vi)形成與一個諧振相關聯之複數個操作頻帶之能力；藉由使用切換器元件及在切換器輸出處之特定L-C網路，一個諧振可在n個頻帶下操作；(vii)藉助集總電抗(離散L及C)及/或分佈式電抗(例如，傳輸線)之任何組合終止切換器輸出之靈活性；(viii)操作頻帶切換之靈活性；亦即，在諸如GSM850ÛGSM900及GSM1800ÛGSM1900之不同操作頻帶之間，舉例而言。切換亦可有利地發生於一個系統之Tx-頻帶與Rx-頻帶(實例性850-Tx與850-Rx)或經時間多工之頻帶及系統之任何組合之間；(ix)易於補償使天線顯著失諧至低於所期望操作頻帶之負載；(x)可用未由調諧電路(例如，頻率未經調諧之寄生諧振器)調諧之無限數目個諧振頻率；及(xi)若(舉例而言)欲避免當前頻帶中之任何頻帶之切換且因此僅在某些頻帶中執行切換，則可用不同濾波器類型(例如，低通、帶通及帶止濾波器)。

將認識到，雖然就一方法之步驟之一特定序列來闡述本發明之特定態樣，但此等說明僅圖解說明本發明之較廣義方法，且可按特定應用之需要來修改。可在特定境況下使特定步驟為不必要或選用的。另外，特定步驟或功能可被添加至所揭示實施例，或變更兩個或兩個以上步驟之執行次序。所有此等變化形式皆視為囊括於本文中所揭示並主張之揭示內容內。

雖然以上詳細說明已展示、闡述及指出如應用於各種實施例之本發明之新穎特徵，但將理解，熟習此項技術者可在不背離本發明之情況下在所圖解說明之器件或程序之形式及細節方面做出各種省略、替代及改變。前述說明係為實施本發明之當前所涵蓋之最佳模式。此說明絕不意欲為限制性，而是應視為圖解說明本發明之一般原理。應參考申請專利範圍來判定本發明之範疇。