TW201735447A - 可切換輻射方向之天線與無線通訊裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種可切換輻射方向之天線與無線通訊裝置。其中該天線包含：一饋入端、一第一天線臂、一第二天線臂、一第三天線臂、一第一阻抗調諧電路、一第二阻抗調諧電路，其中，當該天線工作在一第一模式時，該第一阻抗調諧電路將該第二天線臂連接至一第一匹配元件，並且該第二阻抗調諧電路將該第三天線臂連接至一第二匹配元件；當該天線工作在一第二模式時，該第一阻抗調諧電路將該第二天線臂連接至一第三匹配元件，並且該第二阻抗調諧電路將該第三天線臂連接至一第四匹配元件。

Description

可切換輻射方向之天線與無線通訊裝置
本發明係有關於一種天線裝置。更具體地，本發明係有關於一種可切換輻射方向之天線及其具有上述天線之無線通訊裝置。
無線通訊裝置（例如，行動電話、平板電腦、手提電腦等）透過天線交換射頻（Radio-Frequency，RF）信號，以在無線通訊系統中存取訊號。RF信號係具有高振盪頻率之正弦波。現今，對於暴露在從無線通訊裝置中發出之RF能量情況下，世界組織已經定義了安全門檻值（例如，透過電磁標準），其中，RF能量主要施加於人類頭部或手臂部位。
關於RF能量暴露之電磁標準係以特定吸收比率（Specific Absorption Rate，SAR）為基礎的。SAR係當人體暴露在RF電磁場中，人體吸收哪種能量之比例量測值。
由於無線通訊裝置變得越來越輕薄緊湊，並且無線通訊需求持續增長，所以希望無線通訊裝置中之理想天線變小，天線增益變高，並且輻射頻寬盡可能寬。然而，較大天線增益會導致較差的SAR值。另外，在近場（near field）中，高頻RF能量容易被吸收，這會導致更差的SAR值。
另一方面，由於人體以及用戶場景之影響（例如，手持行動電話之方法/位置或者天線太靠近人體），行動電話的天線性能會下降，並且通訊品質也會下降，從而引起較低資料輸送量或較高掉話率（call-drop rate）。
因此，如何解決SAR與天線性能之間平衡問題成為無線通訊領域的共同目標。
有鑑於此，本發明揭露一種可切換輻射方向之天線與無線通訊裝置。
本發明實施例揭露一種可切換輻射方向之天線，位於通訊裝置中，該天線包含：一饋入端，用於饋入一發射信號以及接收一接收信號；一第一天線臂，電性連接該饋入端；一第二天線臂，電性連接該第一天線臂；一第三天線臂，電性連接該第一天線臂，其中，該饋入端分別與該第二天線臂、該第三天線臂形成環路；一第一阻抗調諧電路，耦接該第二天線臂，用於根據控制信號將該第二天線臂連接至一第一匹配元件或一第三匹配元件；以及一第二阻抗調諧電路，耦接該第三天線臂，用於根據該控制信號將該第三天線臂連接至一第二匹配元件或一第四匹配元件；其中，當該天線工作在一第一模式時，該第一阻抗調諧電路將該第二天線臂連接至該第一匹配元件，並且該第二阻抗調諧電路將該第三天線臂連接至該第二匹配元件；當該天線工作在一第二模式時，該第一阻抗調諧電路將該第二天線臂連接至該第三匹配元件，並且該第二阻抗調諧電路將該第三天線臂連接至該第四匹配元件。
本發明另一實施例揭露一種無線通訊裝置，包含：一第一天線，用於接收一第一接收信號；一第二天線，用於接收一第二接收信號；一第一開關電路，耦接該第一天線與該第二天線，用於根據一第一控制信號將一發射信號饋入該第一天線或該第二天線；以及一控制模組，耦接該第一天線、該第二天線以及該第一開關電路，用於根據該第一接收信號與該第二接收信號，生成發送至該第一開關電路之該發射信號與該第一控制信號；其中，該控制模組根據該第一接收信號與該第二接收信號，生成發送至該第一天線之一第二控制信號，以透過該第一天線之阻抗調諧選擇該第一天線之輻射方向。
本發明提供的可切換輻射方向之天線與無線通訊裝置可平衡特定吸收比率與天線性能。
其他實施方式與優勢將在下面作詳細描述。上述概要並非以界定本發明為目的。本發明由申請專利範圍第範圍所界定。
在說明書及後續之申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續之申請專利範圍並不以名稱之差異來作為區分元件之方式，而係以元件在功能上之差異來作為區分之準則。在通篇說明書及後續請求項當中所提及之「包括」和「包含」係為一開放式用語，故應解釋成「包含但不限定於」。此外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接之電氣連接手段。間接電氣連接手段包括透過其他裝置進行連接。
關於本發明之複數個實施例將作為詳細參考，附圖係描述本發明之實施例所作。接下來之描述係實現本發明之最佳實施例，其係為了描述本發明原理之目的，並非對本發明限制。可以理解地是，本發明實施例可由軟體、硬體、韌體或其任意結合來實現。
第1圖係依據本發明實施例描述之一無線通訊裝置10之示意圖。無線通訊裝置10包含一天線ANT_M與ANT_D、一控制模組12、一開關電路14以及一底蓋16。
控制模組12耦接天線ANT_M與ANT_D。根據從天線ANT_M與ANT_D分別接收之接收信號RX_M以及RX_D，控制模組12生成發送給開關電路14之發射信號TX以及控制信號CTRL1。根據接收信號RX_M以及RX_D，控制模組12進一步生成發給天線ANT_M之控制信號CTRL2，用於根據阻抗調諧（impedance tuning）選擇天線ANT_M之輻射方向。開關電路14耦接天線ANT_M、天線ANT_D以及控制模組12。根據控制信號CTRL1，開關電路14切換饋入發射信號TX之天線ANT_M、天線ANT_D。天線ANT_M耦接控制模組12與開關電路14。如果將發射信號TX饋入天線ANT_M，則天線ANT_M從空中接收接收信號RX_M，並且發送發射信號TX。天線ANT_D耦接控制模組12與開關電路14。如果將發射信號TX饋入天線ANT_D，則天線ANT_D從空中接收接收信號RX_D，並且發送發射信號TX。底蓋16包含天線ANT_M與ANT_D、控制模組12、開關電路14以及通訊裝置10中之任意可能電路板以及機械部件。底蓋16可為金屬的或塑膠的。
在實施例中，控制模組12根據檢測信號DET生成控制信號CTRL1與CTRL2，其中，一用戶場景檢測電路18可生成檢測信號DET。用戶場景檢測電路18可為檢測目標臨近之近距感測電路，或檢測相對通訊裝置10之重力方向之加速度感測器。用戶場景可為用戶僅用左手、僅用右手、使用雙手、使用左手與頭部、使用右手與頭部等持有通訊裝置10。例如，使用左手與頭部場景涉及用戶使用左手接電話情況；使用雙手場景涉及用戶使用雙手玩遊戲情況。
以用戶場景檢測電路係近距感測電路作為示例，如果檢測到目標臨近天線ANT_M或ANT_D，則用戶場景檢測電路18生成檢測信號DET並將其發送至控制模組12。接著，控制模組12根據檢測信號DET，決定使用哪個天線以及所使用天線之輻射方向。
在實施例中，發射天線選擇技術（Transmit Antenna Selection，TAS）能夠基於接收信號之信號品質選擇其中一個天線作為發送天線。例如，控制模組12根據檢測信號DET或接收信號RX_M與RX_D，決定將發射信號TX饋入天線ANT_M還係天線ANT_D，以選擇具有更好信號品質之一個天線輻射發射信號TX。這樣可確保通訊裝置10之通訊品質。
從另一方面看，天線ANT_D具有朝向右上方向之輻射方向，天線ANT_M具有朝向左下與右下兩個方向之輻射方向。換句話說，用於通訊裝置10之上行鏈路通訊之發送天線具有三個可選輻射方向。透過天線ANT_M之阻抗調諧以及發射信號TX之饋入通道，選擇天線之輻射方向，通訊裝置10可適用於各種用戶場景，以確保較高之通訊品質與用戶體驗（例如，資料輸送量與掉話率）。
第2圖與第3圖係依據本發明實施例描述之分別工作在第一與第二模式之天線ANT_M之示意圖。天線NAT_M包含饋入端FD、天線臂20、21、22以及阻抗調諧電路SW_L與SW_R。其中，阻抗調諧電路SW_L與SW_R可為開關、二極體、調諧電容器中之至少一個。可將饋入端FD用於饋入控制模組12生成之發射信號TX，並且用於向控制模組12發送接收信號RX_M。天線臂20電性連接饋入端FD，用於諧振發射信號TX與接收信號RX_M，從而實現無線通訊。在實施例中，天線臂20係T型天線臂。天線臂21電性連接天線臂20以及阻抗調諧電路SW_L，其中阻抗調諧電路SW_L接地或接匹配元件MTH_L。天線臂22電性連接天線臂20以及阻抗調諧電路SW_R，其中阻抗調諧電路SW_R接地或接匹配元件MTH_R。饋入端FD與天線臂21、22分別形成環路。在實施例中，饋入端FD位於天線臂21與22之間。
在第2圖中，天線ANT_M係工作於第一模式，其中，阻抗調諧電路SW_L連接天線臂21與匹配元件MTH_L，並且阻抗調諧電路SW_R連接天線臂22與接地端。在這種結構中，既然透過阻抗調諧電路SW_R將天線臂20右側之天線臂22接地，所以發射信號TX之RF電流從饋入端FD流向天線20之左側，這樣使得天線ANT_M之輻射方向從饋入端指向天線臂21（即，左方向）。因此，在人體靠近天線臂20之右側時，可將天線ANT_M之天線性能保持在滿意水準。例如，對於用戶使用右手手持通訊裝置10之用戶場景，右手掌會蓋住天線臂20之右側。在本發明中，選擇天線ANT_M之輻射方向指向左方，從而確保較佳之天線性能與用戶體驗，例如，掉話率與資料輸送量。
在第3圖中，天線ANT_M係工作於第二模式，其中，阻抗調諧電路SW_R連接天線臂22與匹配元件MTH_R，並且阻抗調諧電路SW_L連接天線臂21與接地端。在這種結構中，既然透過阻抗調諧電路SW_L將天線臂20左側之天線臂21接地，所以發射信號TX之RF電流從饋入端FD流向天線20之右側，這樣使得天線ANT_M之輻射方向從饋入端指向天線臂22（即，右方向）。因此，在人體靠近天線臂20之左側時，可將天線ANT_M之天線性能保持在滿意水準。例如，對於用戶使用左手手持通訊裝置10之用戶場景，左手掌會蓋住天線臂20之左側。在本發明中，選擇天線ANT_M之輻射方向指向右方，從而確保較佳之天線性能與用戶體驗。
在實施例中，可將匹配元件MTH_L與MTH_R用於頻帶調諧，其可為電容器（capacitor）、電感器（inductor）、電阻器（resistor）、磁珠（bead）、變抗器（varactor）、調諧電容器（tuning capacitor）以及上述至少兩個元件之任意組合。透過適當選擇電容器、電感器、電阻器、磁珠之電特性與數值，可取得天線ANT_M之合適工作頻率與頻帶。值得注意的是，既然阻抗調諧電路SW_L與SW_R將天線臂21與22之其中一個接地，另一個接匹配元件，則當選擇輻射方向時，可同時執行天線ANT_M之頻帶調諧操作。
第4圖係依據本發明實施例描述之自由空間中分別工作在第一模式與第二模式中之天線ANT_M之散射參數S11示意圖。第5圖係依據本發明實施例描述之分別工作在第一模式與第二模式中之天線ANT_M之自由空間天線效率示意圖。在第4圖中，分別用實線與虛線標注工作在第一模式與第二模式中之天線ANT_M之散射參數S11。在第5圖中，分別用實線與虛線標注工作在第一模式與第二模式中之天線ANT_M之天線效率。對於長期演進（LTE）通訊標準，低頻帶工作範圍係從824MHz到960MHz，中頻帶工作範圍係從1710MHz到2170MHz，高頻帶工作範圍係從2300MHz到2690MHz。
第6圖描述了當用戶僅使用左手、僅使用右手、使用左手與頭部以及使用右手與頭部持有通訊裝置10時之各種用戶場景示意圖。第7圖描述了在僅使用左手用戶場景中分別工作在第一模式與第二模式中之天線ANT_M之天線效率示意圖。第8圖描述了在僅使用右手用戶場景中分別工作在第一模式與第二模式中之天線ANT_M之天線效率示意圖。
在第7圖與第8圖中，可分別使用實線與虛線標注工作在第一模式與第二模式中之天線ANT_M之天線效率。在第7圖中，工作在第一模式之天線ANT_M在中頻帶具有更好天線效率，工作在第二模式之天線ANT_M在低頻帶與高頻帶具有更好之天線效率。因此，對於僅使用左手之場景，如果需要高頻帶與低頻帶通訊，則可將天線ANT_M之輻射方向切換至右方向（第二模式）；如果需要中頻帶通訊，則可將天線ANT_M之輻射方向切換至左方向（第一模式）。
在第8圖中，工作在第一模式中之天線ANT_M在低頻帶與高頻帶具有更好之天線效率，工作在第二模式之天線ANT_M在中頻帶具有更好之天線效率。因此，對於僅使用右手之場景，如果需要高頻帶與低頻帶之通訊，則可將天線ANT_M之輻射方向切換至左方向（第一模式）；如果需要中頻帶之通訊，則可將天線ANT_M之輻射方向切換至右方向（第二模式）。
第9圖描述了在使用左手與頭部場景與使用右手與頭部場景中天線ANT_M之最優天線效率示意圖，其中上述兩種場景可分別用實線與虛線標注。對於不同工作頻帶，通訊裝置10選擇具有最高天線效率之輻射方向以執行通訊，從而確保通訊裝置10之較佳通訊品質。
綜上，本發明透過工作於兩個工作模式之第一天線之阻抗調諧選擇第一天線之輻射方向，並且同時執行第一天線之頻帶調諧。在不具有其他天線情況下，第一天線具有兩個工作模式，這樣有效節省通訊裝置之天線空間。此外，透過發射信號之阻抗調諧與饋入通道，選擇天線以及輻射方向，通訊裝置可適用於各種用戶場景，以確保較佳之通訊品質與用戶體驗（例如，資料輸送量與掉話率）。
呈現上述描述以允許本領域技術人員根據特定應用以及其需要之內容實施本發明。所述實施例之各種修改對於本領域技術人員來說係顯而易見的，並且可將上述定義之基本原則應用於其他實施例。因此，本發明不局限於所述之特定實施例，而係符合與揭露之原則及新穎特徵相一致之最寬範圍。在上述細節描述中，為了提供對本發明之徹底理解，描述了各種特定細節。然而，本領域技術人員可以理解本發明係可實施的。   以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10‧‧‧無線通訊裝置
12‧‧‧控制模組
14‧‧‧開關電路
16‧‧‧底蓋
18‧‧‧用戶場景檢測電路
20、21、22‧‧‧天線臂
第1圖係依據本發明實施例描述之無線通訊裝置之示意圖； 第2圖與第3圖係依據本發明實施例描述之分別工作在第一與第二模式之天線ANT_M之示意圖； 第4圖係依據本發明實施例描述之自由空間中分別工作在第一模式與第二模式中之天線ANT_M之散射參數S11示意圖； 第5圖係依據本發明實施例描述之分別工作在第一模式與第二模式中之天線ANT_M之自由空間天線效率示意圖； 第6圖描述了當用戶僅使用左手、僅使用右手、使用左手與頭部以及使用右手與頭部持有通訊裝置時之各種用戶場景示意圖； 第7圖描述了在僅使用左手用戶場景中分別工作在第一模式與第二模式中之天線ANT_M之天線效率示意圖； 第8圖描述了在僅使用右手用戶場景中分別工作在第一模式與第二模式中之天線ANT_M之天線效率示意圖； 第9圖描述了在使用左手與頭部場景與使用右手與頭部場景中天線ANT_M之最優天線效率示意圖。
20、21、22‧‧‧天線臂

Claims (13)

  1. 一種可切換輻射方向之天線，位於通訊裝置中，該天線包含： 一饋入端，用於饋入一發射信號以及接收一接收信號； 一第一天線臂，電性連接該饋入端； 一第二天線臂，電性連接該第一天線臂； 一第三天線臂，電性連接該第一天線臂，其中，該饋入端分別與該第二天線臂、該第三天線臂形成環路； 一第一阻抗調諧電路，耦接該第二天線臂，用於根據控制信號將該第二天線臂連接至一第一匹配元件或一第三匹配元件；以及 一第二阻抗調諧電路，耦接該第三天線臂，用於根據該控制信號將該第三天線臂連接至一第二匹配元件或一第四匹配元件； 其中，當該天線工作在一第一模式時，該第一阻抗調諧電路將該第二天線臂連接至該第一匹配元件，並且該第二阻抗調諧電路將該第三天線臂連接至該第二匹配元件；當該天線工作在一第二模式時，該第一阻抗調諧電路將該第二天線臂連接至該第三匹配元件，並且該第二阻抗調諧電路將該第三天線臂連接至該第四匹配元件。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之可切換輻射方向之天線，其中，該第一阻抗調諧電路與該第二阻抗調諧電路係開關、二極體、調諧電容器中之至少一個。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之可切換輻射方向之天線，其中，對應該第一模式與該第二模式之該天線之該輻射方向係相反之。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之可切換輻射方向之天線，其中，該第一匹配元件與該第四匹配元件係用於頻帶調諧，並且該第一匹配元件與該第四匹配元件係電容器、電感器、電阻器、變抗器、調諧電容器與磁珠中之至少一個。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之可切換輻射方向之天線，其中，該第一天線臂係T型天線臂。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之可切換輻射方向之天線，其中，該第二天線臂與該第三天線臂分別位於饋入端兩側。
  7. 一種無線通訊裝置，包含： 一第一天線，用於接收一第一接收信號； 一第二天線，用於接收一第二接收信號； 一第一開關電路，耦接該第一天線與該第二天線，用於根據一第一控制信號將一發射信號饋入該第一天線或該第二天線；以及 一控制模組，耦接該第一天線、該第二天線以及該第一開關電路，用於根據該第一接收信號與該第二接收信號，生成發送至該第一開關電路之該發射信號與該第一控制信號； 其中，該控制模組根據該第一接收信號與該第二接收信號，生成發送至該第一天線之一第二控制信號，以透過該第一天線之阻抗調諧選擇該第一天線之輻射方向。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之無線通訊裝置，其中，該第一天線包含： 一饋入端，用於饋入該發射信號以及接收一接收信號； 一第一天線臂，電性連接該饋入端； 一第二天線臂，電性連接該第一天線臂； 一第三天線臂，電性連接該第一天線臂，其中，該饋入端分別與該第二天線臂、該第三天線臂形成環路； 一第一阻抗調諧電路，耦接該第二天線臂，用於根據控制信號將該第二天線臂連接至一第一匹配元件或一第三匹配元件；以及 一第二阻抗調諧電路，耦接該第三天線臂，用於根據該控制信號將該第三天線臂連接至一第二匹配元件或一第四匹配元件； 其中，當該第一天線工作在一第一模式時，該第一阻抗調諧電路將該第二天線臂連接至該第一匹配元件，並且該第二阻抗調諧電路將該第三天線臂連接至該第二匹配元件；當該第一天線工作在一第二模式時，該第一阻抗調諧電路將該第二天線臂連接至該第三匹配元件，並且該第二阻抗調諧電路將該第三天線臂連接至該第四匹配元件。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之無線通訊裝置，其中，該第一阻抗調諧電路與該第二阻抗調諧電路係開關、二極體、調諧電容器中之至少一個。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之無線通訊裝置，其中，對應該第一模式與該第二模式之該第一天線之該輻射方向係相反。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之無線通訊裝置，其中，該第一匹配元件與該第四匹配元件用於頻帶調諧，並且該第一匹配元件與該第四匹配元件係電容器、電感器、電阻器、變抗器、調諧電容器與磁珠中之至少一個。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之無線通訊裝置，其中，進一步包含一用戶場景檢測電路，並且該控制模組根據該用戶場景檢測電路生成之檢測信號，生成該第一控制信號與該第二控制信號。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之無線通訊裝置，其中，該用戶場景檢測電路係加速度計與近距感測電路中之至少一個。
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