TWI446629B - 迷你次共振多頻帶特高頻到超高頻天線 - Google Patents

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Description

迷你次共振多頻帶特高頻到超高頻天線 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內以一超高速率增加。
無線通訊目前可採用許多形式，例如超音波、IR及RF。在RF通訊之情形下，無線發送器、接收器及收發器使用一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器，且無線電波是一類電磁波。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一配置，根據一施加的交流 電壓及相關的交流電流產生一輻射電磁場。當處於一電磁場中時，該電磁場在天線中引起一交流，且在其終端之間產生一電壓。
一天線是具有被定義的共振頻率及頻寬的電子元件。一天線之共振頻率與該天線之電長度相關(即，導線之實體長度除以其速度因子)。一般而言，一天線關於一特定頻率被調諧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，該天線之其他特徵(特別是輻射圖案及阻抗)隨著頻率而變化。
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。
數位視訊廣播－手持(DVB－H)是用於將廣播服務引入行動手機之一行動TV格式規格。DVB－H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。
媒體只向前鏈結(MediaFLO)是由Qualcomm將廣播資 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內的資料發射路徑是單向的，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標準及歐洲DVB－H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2009年2月被廢除。由於由類比發射在頻率內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。
一般而言，一天線被設計用於某一頻率帶。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的單極型天線較無效率，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λ天線是不實際的，因 為它們在感興趣的頻率上太長。例如，一30MHz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帶，不需要增加實體大小。
 發明概要
本發明是一種用於接收VHF及UHF頻帶內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。本發明之天線系統特別適用於提供一種用於行動裝置內的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)一次共振設計天線，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 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一共振頻率，所以一開關可用以將該天線元件連接到(1)一不具有調諧電路的第一接收器(即，高頻率調諧)或(2)一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PDA、行動電話等。本發明之天線調諧電路可被用於蜂巢信號之接收/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一特定應用積體電路(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內的一可調諧範圍之天線被提供，該天線包含：一天線元件，包含 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，該調諧電路用以將該天線元件之該共振頻率降低到該期望的頻帶內的一頻率。
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內的一頻率。
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內的一第一頻率共振；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內的一第二頻率；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內的該第一頻率共振。
依據本發明，一種用於設計一多頻帶天線的方法也被 提供，該方法包含以下步驟：提供一天線元件，包含一設置在一基材上的輻射結構，該基材由可用以提供該輻射結構之介電負載的一介電材料組成；提供一調諧電路，該調諧電路電性耦接到該天線元件且用以調諧該天線元件以達成一高頻帶內的一共振頻率；藉由提供一電性耦接到該天線元件的一可變電抗調諧電路而補償不調諧的天線元件以將該調諧元件之該共振頻率降低到一低頻帶內的一頻率；以及提供一電性連接到該天線元件及該調諧電路的開關，該開關用以旁路該調諧電路，從而允許該天線元件以該高頻帶內的該共振頻率共振。
依據本發明，一種提供一期望頻帶內的一可調諧範圍之天線被進一步提供，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，該調諧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：一收發器，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輸；一第二無線電，用以自電性耦接到其的一天線系統接收一期望頻帶內的一信號，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； 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內的一頻率；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；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平面內的該示範性天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平面內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平面內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平面內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；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；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諧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。
 較佳實施例之詳細說明
全文中使用的符號 以下符號被用於本說明書
實施例方式目的
本發明是一種用於接收VHF及UHF頻帶內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。本發明之天線系統特別適用於提供一種用於行動裝置內的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，本發明之天線系統使用以下三種技術之一組合：(1)使用一高介電常數陶瓷 基材的介電負載之使用；(2)一次共振設計天線，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，VHF或UHF頻帶)之調諧電路的使用，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，天線元件被設計以以一高於期望頻率的頻率輻射。該天線被特意設計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一共振頻率，所以一開關可用以將該天線元件連接到(1)一不具有調諧電路的第一接收器(即，高頻率調諧)或(2)一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PDAs、行動電話等。本發明之天線調諧電路可被用於蜂巢信號之接收/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)。
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，所提出的示範性應用在一行動通 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，在不背離本發明之精神及範圍下，該項領域內具有通常知識者可將本發明之原理應用於該項領域內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頻帶內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一媒體發射、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、同軸、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 802.3乙太網標準中的任何標準相容的一網路，包括下列但不限於下列：在遮蔽或未遮蔽雙絞線配線上的10Base－T、100Base－T或1000Base－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 何設備。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。
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。並不需要也包括一一般與該天線元件分開的調諧電路。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它們設計之部分，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認為是集總元件(lumped element)。例如，組成本發明之調諧電路的元件可包含在一PCB元件上建構的離散元件(即，電感器、電容器)。
天線系統 本發明是一種適用於在VHF及UHF頻帶內接收/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。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 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一圖式在第1圖中被顯示。該天線元件(一般以10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頻帶內的行動裝置之TV接收的小波形因數、高效能的晶片天線。其允許行動TV裝置製造商設計高品質的產品，不需要補償一大的外 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－T/H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。
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；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，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 導磁率的基材達成與利用一高介電材料之影響相同的影響。
次共振天線設計
從以上方程式1可看出，天線小型化也可藉由將天線調諧到一較高頻率而達成。然而在低於其等自然共振頻率操作的天線(即，處於次共振的天線)，主要由於天線與任何被連接的發射器/接收器之間的阻抗不匹配，因而有低的效率。
因此，本發明藉由使用以下兩個設計原則將此阻抗不匹配轉換為一優勢：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，同時在期望的頻帶內返回呈現50歐姆之實數阻抗。由於共振本身以一較高的頻率發生，阻抗之實數部分的斜率在期望的頻帶內部相對慢地變化。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頻帶內慢慢地變化。
2.阻抗之虛數部分可利用一調諧電路被消除。利用一調諧電路允許天線被調諧到期望的頻率，同時(1)利用介電負載以及(2)特意將天線元件調諧到一較高頻率而被小型化。
調諧電路
一天線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供最大的功率傳給來源以及自來源提 供。利用一調諧電路，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內可以是正的(即，電容)或負的(即，電感)。虛數阻抗可藉由增加一或多個被動電抗元件而被消除。一旦虛數部分被消除，則只有剩下實數部分，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諧電路在以下給出。
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，天線可被調諧到任何期望的阻抗。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頻帶的天線。然而，因為阻抗之實數部分在目標頻帶內慢慢地變化，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
現在提出以上描述的示範性晶片之效能。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40×80mm。
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。
描述了該示範性天線元件之3D輻射圖案的一圖式在第3圖中被顯示。描述了如第3圖中定義的YZ平面內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
在此說明性例子中，一種用於在UHF頻率範圍470－860 MHz內接收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10。
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內以 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)內相對慢地變化，從上端(即，860MHz)的大約30歐姆至下端(即，470MHz)的10歐姆。阻抗之虛數部分(軌跡30)在該頻帶上保持為正，且在上端的100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頻帶內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頻帶內的任何頻率。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850MHz的3cm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 頻帶。注意到此一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諧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(Cooper的名稱為”Antenna with P.I.N.diode switched tuning inductors”)中被描述，其全部內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11/759,594的美國申請案中被描述，名稱為“Digitally controlled antenna tuning circuit for radio frequency receivers”，其全部內容以參照方式被併入本文。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)、L1(136)、DC阻隔電容器C138、144、159，RF扼流圈L 146、148、150，電阻器R 152、154以及包含PIN二極體D0(140)、D1(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 諧元件(L0及L1)。
一PIN二極體是在p型半導體與n型半導體區域之間具有一寬的、未慘雜的本質半導體區域之二極體。PIN二極體在RF及微波頻率上作為接近完美的電阻。電阻取決於施加給二極體的DC電流。一PIN二極體之優勢是空乏區域幾乎完全存在本質區域內，該本質區域幾乎是一常數寬度，與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。
藉由改變經過一PIN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二極體看似一電阻器，其電阻是其正向DC偏電流之一反向函數。因此，在操作中，一PIN二極體是可處於兩種操作模式中的一者之一RF元件。第一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PIN二極體D0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Control0 158及Control1 156提供調諧電路之4個可能的組合。
例如，當數位控制信號Control0高時，二極體D0處於 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Control0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Control0及Control1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Z IN 。
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PIN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耦接電容器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
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諧電路之一第二例子，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C1(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)、D1(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－並聯組合連接以形成主接收信號路徑。包含調諧元件電感器L0及電容器C1的兩個調諧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Control0 212、Control1 210將每個個別調諧元件轉換到主接收信號路徑內或外。
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PIN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L0 及電容器C1被個別地短路。
例如，當數位控制信號Control0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Control0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Control1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耦接到串聯組合。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內或外。當D2及D3未被RF接通時，L2及C3不是該調諧電路之部分。當D2及D3接通時，L2及C3將分流電抗加到該調諧電路。
在此例中，4個控制信號(Control0、Control1、Control2、Control3)提供該天線調諧電路161之16個可能的Z IN 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(L0、C1、L2及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將該二極體正向偏壓，從而將對應的調諧元件電性插入 該主接收信號路徑。一控制信號上的的一低電壓使其對應的PIN二極體處於一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PIN二極體D2、D3與其等各自的調諧元件L2、C3串聯提供將L2、C3分別連接到主信號路徑之能力。例如，當該數位控制信號Control2處於一高電壓狀態時，對應的二極體D2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內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＝1/Z。對於分流電抗L2及C3，導納Y被使用，而不是阻抗Z。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個組合中的每個作用中的特定電抗元件之表示。
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。
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1歐姆電阻，具有1V電壓降(dropout)。假設該等數位控制信號從0V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量。在此例子中，該電容器C之阻抗在1GHz操作頻率上較 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Z C 之值的運算式由以下給出：
解C得到以下
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1GHz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路。利用此等參數及限制，阻抗Z L 之值的運算式由以下給出Z L ＝2πfL >>1Ohm (4)
解L得到以下
注意到以下是重要的，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2V之電壓降以允許橫跨PIN二極體的1V電壓降，且其傳導10mA之電流。以下運算式解出該電阻器R之值。
使用旁路開關的多頻帶天線
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高介電基材而被達成。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設定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220表示)包含天線元件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 230、Z2 232、Z3 234以及開關236、238。注意到用於該調諧電路的實際電路對於本發明不是關鍵的。
在操作中，一切換控制信號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調諧電路時，該天線元件被調諧到較 低的頻帶。當該旁路開關將該天線元件連接到接收器#2(222)時，該天線系統被調諧到該天線元件之自然的較高共振頻率。
因此，該天線系統處於以下兩模式中的一者：模式1：在此操作模式中，該調諧電路被旁路且該天線元件被允許以其自然頻率共振。該自然頻率被選擇為一有用的期望頻帶。
模式2：在第二操作模式中，該調諧電路未被旁路且電性耦接到該天線元件。該調諧電路”強迫”天線以期望的較低頻帶共振。
因此，在任何給定時間，該天線以以上所描述的模式中的一者運作。該等模式之間的選擇藉由操作耦接到該調諧電路的旁路開關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(一般以參考符號240表示)包含一天線元件(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 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。
在此例子中，該天線元件被設計以在L－頻帶(即，大約1.45GHz)內共振，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二極體244。當該PIN二極體244無偏壓或者被反向偏壓時，該L－頻帶接收器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PIN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，該天線系統作為一具有一L－頻帶天線之典型長度的多頻帶天線，從而提供一小的波形因數(form factor)，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PIN二極體244接通時，這允許Z1作為較高頻率(即，L－頻帶頻率)之一區塊。也注意到的是，為了方便說明，用以驅動PIN二極體所需的DC偏壓電路未被顯 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耦接的L－頻帶接收器276。該調諧電路278包含PIN二極體D0、D1、電感器L1、L2、L3、L4、L7，電容器C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7，電阻器R1、R2以及調諧控制方塊282。
在該電路270(被用於發射及接收操作)中，該等PIN二極體D0、D1、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諧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CONTROL0(286)及CONTROL1(284)以分別有效地接通及截止PIN二極體D0、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278使用切換的PIN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CONTROL0(286)、CONTROL1(284)將每個電抗短 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。
注意到Z1被選擇為電感性的(即，一電感器)。這允許Z1之阻抗隨著頻率上升。在L頻帶頻率，Z1之阻抗是如此高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)O3 系統(其全部內容以參照方式被併入本文)不同，本文的發明在熔結期間不需要特別的大氣控制，其也不使用昂貴的金屬，例如銀、鈮、鉭。
在廣泛研究SrTiO3 －BaTiO3 －CaTiO3 系統內的陶瓷形成之後，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。
該等陶瓷成分藉由該項領域內眾所周知的方法形成陶瓷泥漿(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℃及1250℃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。
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 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℃至＋125℃內的＋/－30ppm/℃)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常數以及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0.0005。
利用一陶瓷介電形式形成的一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內的陶瓷成分，例如以上所描述的。該UHF天線260進一步包含調諧器電路264。該UHF天線260接著可被併入一電子裝置266，例如以下所描述的行動台70。
描述了利用一陶瓷介電形式形成的一UHF(或VHF)天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290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，該次共振輻射/吸收元件在該陶瓷基材上被建構。該UHF天線290進一步包含不被建構在該陶瓷基材上的調諧器電路 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(1)包含設於一PCB上的離散元件；(2)是一系統單晶片(SoC)設計之一部分；(3)是一混合設計之一部分等。該UHF天線290可被併入一電子裝置，例如以下所描述的行動台70。
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、微電子電路之基材，或者被內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 處於一WiMAX無線網路之範圍內時提供WiMAX無線連接)；藍芽(用於當處於一藍芽無線網路之範圍內時提供藍芽無線連接)；WLAN(用於當處於一熱點內或處於一基於隨意式、基礎設施或網路的無線LAN網路範圍內時提供無線連接)；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。該行動台也可包含內部RAM及ROM記憶體110、快閃記憶體112及外部記憶體114。
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TV調諧器102以及相連接的天線104、顯示器106以及相連接的顯示控制器108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RAT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 124之充電及放電。
依據本發明，該行動台內的任何或所有天線(包括RF收發天線98、FM接收器天線74、GPS天線92以及TV調諧器天線104)可包含本發明之單頻帶或多頻帶天線系統，如以上所詳細描述的。
本文所使用的術語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能元件之對應結構、物體、動作及等效意指包括用於執行結合被特定請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，但是並不意指是詳盡的或者將本發明限於所揭露的形式。因為該項領域內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實施例。因此，將瞭解的是，落於本發明之精神及範圍內的所有適合的變化、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，且使其他該項領域內具有通常知識者對於具有適用於所考量的特定用途之各種修改的各種實施例明白本發明。
10‧‧‧天線元件
20‧‧‧軌跡
22‧‧‧軌跡
30‧‧‧軌跡
32‧‧‧軌跡
34‧‧‧虛線
70‧‧‧行動台
71‧‧‧CPU
72‧‧‧FM接收器
74‧‧‧天線
75‧‧‧多媒體編碼解碼器
78‧‧‧USB
80‧‧‧音訊編碼解碼器
82‧‧‧揚聲器
84‧‧‧麥克風
86‧‧‧鍵盤
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‧‧‧SIM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
134‧‧‧電感器
136‧‧‧電感器
138‧‧‧DC阻隔電容器
140‧‧‧PIN二極體
142‧‧‧PIN二極體
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‧‧‧調諧控制電路
164‧‧‧電感器
166‧‧‧電容器
168‧‧‧DC阻隔電容器
170‧‧‧電容器
172‧‧‧電感器
174‧‧‧PIN二極體
176‧‧‧PIN二極體
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二極體
188‧‧‧RF扼流圈
190‧‧‧PIN二極體
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‧‧‧PIN二極體
246‧‧‧阻抗
248‧‧‧阻抗
250‧‧‧阻抗
252‧‧‧PIN二極體
254‧‧‧PIN二極體
256‧‧‧UHF接收器
260‧‧‧UHF天線
262‧‧‧陶瓷基材
264‧‧‧調諧器電路
266‧‧‧電子裝置
270‧‧‧多頻帶天線系統
272‧‧‧頻帶轉換控制
274‧‧‧天線元件
276‧‧‧L－頻帶接收器
278‧‧‧調諧電路
280‧‧‧UHF接收器
282‧‧‧調諧控制方塊
284‧‧‧偏電壓
286‧‧‧偏電壓
288‧‧‧DC偏壓
290‧‧‧UHF天線
292‧‧‧陶瓷基材
296‧‧‧調諧器電路
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平面內的該示範性天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平面內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平面內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平面內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；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；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諧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。
10‧‧‧天線元件

Claims (44)

  1. 一種用於在期望的頻帶內提供可調諧範圍之天線，其包含：一天線元件，該天線元件包含：由至少包含鈦酸鍶、鈦酸鋇、鈦酸鈣成分的一介電陶瓷材料組成的一基材；一設置在該基材上的輻射結構，其中該介電陶瓷材料提供該輻射結構之介電負載；其中該天線元件被刻意加載且調整到實質上高於該期望頻帶的一頻率；一可變電抗調諧電路，電耦接到該天線元件，該調諧電路用以將該天線元件之共振頻率降低到該期望的頻帶內的一頻率。
  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。
  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，其中該期望的頻帶包含在超高頻(UHF)頻帶內的頻率。
  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470MHz與860MHz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)頻帶內的頻率。
  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200MHz與300MHz之間的頻率。
  10. 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頻調諧電路。
  11. 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，其中當該天線元件呈現由電抗元件之該串聯及/或並聯組合所決定的該期望頻帶內之一期望的阻抗時，該天線元件以比期望的頻率更高的一頻率共振。
  13. 如申請專利範圍第1項之天線，其中當該天線元件在該期望的頻帶內呈現大約50歐姆之一實數阻抗時，該天線元件在一高於期望頻率之頻率共振。
  14. 如申請專利範圍第1項之天線，其中該天線元件具有經由該調諧電路所抵銷之虛數阻抗。
  15. 如申請專利範圍第1項之天線，其中該天線元件之尺寸太小使其無法在該期望的頻帶內自然地輻射。
  16. 一種用於設計在期望頻帶上的可調諧的天線之方法，該方法包含：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，該基材由至少包含鈦酸鍶、鈦酸鋇和鈦 酸鈣成分之一介電材料組成；該天線元件用以提供該輻射結構之介電負載，其中該天線元件被刻意加載且調整至實質上高於該期望頻帶的一頻率。藉由提供一電耦接到該天線元件的可變電抗調諧電路而補償不調諧的該天線元件以將該天線元件調諧到該期望的頻帶內的一頻率。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中該期望的頻帶包含在超高頻(UHF)頻帶內大約470MHz與860MHz之間的頻率。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中該期望的頻帶包含在特高頻(VHF)頻帶內大約200MHz與300MHz之間的頻率。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中當該天線元件在該期望的頻帶內呈現大約50歐姆之一實數阻抗時，該天線元件以比期望的頻率實質上更高的頻率共振。
  20. 一種多頻帶天線，包含：一天線元件，包含設置在一基材上的一輻射結構，該基材由至少包含鈦酸鍶、鈦酸鋇和鈦酸鈣成分的一介電材料組成，該天線元件提供該輻射結構之介電負載，其中該天線元件被刻意地調適於在一高頻帶內的一第一頻率共振，該第一頻率實質上高於期望的頻率；一可變電抗調諧電路，電耦接到該天線元件，該調諧電路用以將該天線元件之共振頻率降低到一低頻帶內的一第二頻率；以及 一開關，電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內的該第一頻率共振。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之多頻帶天線，其中該低頻帶包含超高頻(UHF)頻帶內大約470MHz與860MHz之間的頻率。
  22. 如申請專利範圍第20項所述之多頻帶天線，其中該低頻帶包含特高頻(VHF)頻帶內大約200MHz與300MHz之間的頻率。
  23. 如申請專利範圍第20項所述之多頻帶天線，其中該高頻帶包含L頻帶內的頻率。
  24. 如申請專利範圍第20項所述之多頻帶天線，其中該第一頻率是在該L頻帶內的約1.45GHz。
  25. 如申請專利範圍第20項所述之多頻帶天線，其中該開關包含一PIN二極體。
  26. 一種用於設計多頻帶天線的方法，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輻射結構，該基材由至少包含鈦酸鍶、鈦酸鋇和鈦酸鈣成分的一介電材料組成，該天線元件用以提供該輻射結構之介電負載，其中該天線元件被刻意加載且調整至顯著地高於該期望頻帶的一頻率。；藉由提供一電耦接到該天線元件的一可變電抗調 諧電路而補償不調諧的該天線元件以將該天線元件之共振頻率降低到一低頻帶內的一頻率；以及提供一電連接到該天線元件及該調諧電路的開關，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內的該共振頻率共振。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之方法，其中該低頻帶包含超高頻(UHF)頻帶內大約470MHz與860MHz之間的頻率。
  28. 如申請專利範圍第26項所述之方法，其中該低頻帶包含特高頻(VHF)頻帶內大約200MHz與300MHz之間的頻率。
  29. 如申請專利範圍第26項所述之方法，其中該高頻帶包含L頻帶內的頻率。
  30. 如申請專利範圍第26項所述之方法，其中該第一頻率大約為1.45GHz。
  31. 如申請專利範圍第26項所述之方法，其中該開關包含一PIN二極體。
  32. 一種在期望頻帶內提供一可調諧範圍之天線，包含：一天線元件，包含一設置在由一介電材料組成的一基材上的輻射結構，該介電材料至少包含鈦酸鍶、鈦酸鋇和鈦酸鈣成分，該天線元件提供該輻射結構之介電負載，其中該天線元件被刻意加載及調整使得其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低於該共振頻率的一頻率。
  33. 一種行動通訊裝置，包含：一收發器，用以接收自一基地台之傳輸及發射傳輸給一基地台；一第二無線電，用以自電耦接至該第二無線電的一天線系統接收一期望頻帶內的一信號，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，該介電材料至少包含鈦酸鍶、鈦酸鋇和鈦酸鈣成分，該天線元件提供該輻射結構之介電負載，其中該天線元件被刻意加載及調整使得其共振頻率實質上高於該期望的頻帶之頻率；一可變電抗調諧電路，電耦接到該天線元件，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內的一頻率；以及一處理器，用以自該第二無線電接收資料以及發送資料到該收發器，以及自該收發器接收資料。
  34. 如申請專利範圍第33項所述之行動通訊裝置，其中該期望的頻帶包含超高頻(UHF)頻帶內大約470MHz與860MHz之間的頻率。
  35. 如申請專利範圍第33項所述之行動通訊裝置，其中該期望的頻帶包含特高頻(VHF)頻帶內大約200MHz與300MHz之間的頻率。
  36. 如申請專利範圍第33項所述之行動通訊裝置，進一步包含一開關，該開關電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。
  37. 如申請專利範圍第36項所述之行動通訊裝置，其中該共振頻率包含L頻帶內的頻率。
  38. 如申請專利範圍第36項所述之行動通訊裝置，其中該共振頻率大約為1.45GHz。
  39. 一種天線系統，包含：一天線元件，該天線元件具有設置在一介電材料基材上之一輻射結構，該介電材料基材至少包含鈦酸鍶、鈦酸鋇和鈦酸鈣成分，該天線元件被刻意加載且調整使得其共振頻率係顯著地高於一期望的頻帶，其中該天線元件的尺寸太小使其無法在該期望的頻帶內自然地輻射；以及一調諧電路，電耦接到該天線元件且用以補償該天線元件之一頻率偏移，從而偏移該天線元件之該共振頻率至一期望的較低頻帶。
  40. 如申請專利範圍第39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。
  41. 如申請專利範圍第39項所述之天線系統，其中該期望的頻帶包含超高頻(UHF)頻帶內大約470MHz與860MHz之間的頻率。
  42. 如申請專利範圍第39項所述之天線系統，其中該期望的 頻帶包含特高頻(VHF)頻帶內大約200MHz與300MHz之間的頻率。
  43. 如申請專利範圍第39項所述之天線系統，進一步包含一旁路開關，該旁路開關電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。
  44. 如申請專利範圍第43項所述之天線系統，其中該旁路開關包含一PIN二極體。
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