TWI521801B - 包括並排被動環路天線之無線通信裝置及其相關方法 - Google Patents

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Description

包括並排被動環路天線之無線通信裝置及其相關方法
本發明係關於通信領域，且更特定而言係關於天線及相關方法。
天線可用於各種目的，諸如通信或導航，且可攜式無線電裝置可包括廣播接收器、傳呼器或無線電定位裝置(「ID標籤」)。蜂巢式電話係一無線通信裝置之一實例，其近乎係到處存在的。一相對小之大小、增加之效率及一相對寬廣之輻射場型通常係用於一可攜式無線電或無線裝置之所要特性。另外，隨著一無線裝置之功能性繼續增加，對用戶更容易且更方便攜帶之一較小無線裝置之需求亦增加。此對無線裝置製造者提出之一個挑戰係設計在天線可用之相對有限量之空間內提供所要操作特性之天線。舉例而言，可期望一天線經由多個頻帶及以較低頻率通信。
較新之設計及製造技術已驅使電子組件為相對小之尺寸且減小諸多無線通信裝置及系統之大小。遺憾的是，天線且特定而言寬頻天線在大小上尚未以一相當水平減小且通常係一較小通信裝置中所使用之較大組件中之一者。
實際上，天線大小可基於一或多個操作頻率。舉例而言，隨著操作頻率減小，一天線可變得愈來愈大。減小波長可減小天線之大小，但可期望一較長波長以達成增強之傳播。在用於長程通信之高頻率(HF)(舉例而言，3 MHz至 30 MHz)下，高效天線(舉例而言，傳輸天線)可變得太大而無法可攜，且在固定站處可需要線天線。因此，不僅減小天線大小而且設計並製造在所要頻帶上針對最小區域具有最大增益之一減小大小之天線在此等無線通信應用中可變得愈來愈重要。
電小天線之瞬時3 dB增益頻寬(亦稱作半功率固定調諧輻射頻寬)被認為根據Chu-Harrington極限而言係有限的(「Physical Limitations Of Omni-Directional Antennas」，L.J.Chu，Journal of Applied Physics，第19卷，第1163至1175頁，1948年12月)。Chu之極限之一種形式提供，最大可能3 dB增益天線頻寬限於1600(πr/λ)3百分比，其中r係可包圍天線之最小球體之半徑，且λ係自由空間波長。此可針對匹配至電路中之單模式天線。遺憾的是，裝配於一半徑=λ/20球面包絡面內部之此一天線可能不具有此頻寬之6.1%以上。此外，實際天線很少接近Chu之極限頻寬。一實例係以1.2%頻寬(例如，Chu之極限之1/5)操作之由r=λ/20球體大小包圍之一相對小之螺旋天線。因此可期望針對大小具有增加之頻寬之小天線。
正則天線包括偶極子及環路天線，其呈線及圓形形狀。舉例而言，其平移及旋轉電流以實現散度及旋度功能。各種線圈可形成偶極子與環路之混合。天線在形式上可係線性、平面或立體的，例如，其可近乎為1維、2維或3維的。用於天線定大小之最佳包絡面可係歐幾裏得(Euclidian)幾何形狀，諸如線、圓形及球體，其分別可提 供兩個點之間的一相對短之距離之增加之最佳化、周長之增加之面積及減小之表面積之增加之體積。可期望知曉以此等大小提供最大輻射頻寬之天線。一寬頻電大(r>λ/2π)天線(舉例而言，螺線天線)可以高於一下限截止之理論上無限制頻寬提供一高通回應。然而，在電小大小下，(r>λ/2π)，螺線天線可僅提供具有極有限頻寬之一二次帶通類型回應。
平面天線可因其易於製造性及產品整合性而愈來愈有價值。可藉由在一金屬圓盤上流動之徑向電流來形成初步平面偶極子(「Theory Of The Circular Diffraction Antenna」，A.A.Pistolkors，Proceedings of the Institute Of Radio Engineers，1948年1月，第56至60頁)。可期望用於饋送之圓形及線性凹口。線之一圈可提供相同輻射場型，且其因易於驅動而可係較佳的。可期望用以擴展線環路天線之頻寬之元件。無線電波擴展以光之速度發生。若光之速度減小，則將亦減小天線大小。
頒發給Bosshard等人之美國專利申請公開案第2009/0212774號揭示一種用於一磁共振設備之天線配置。特定而言，該天線配置包括配置成一矩陣(亦即，列及行)組態之至少四個可個別操作之天線導體環路。在一列或一行中毗鄰之兩個天線導體環路彼此以電感方式解耦，而彼此以對角方式毗鄰之兩個天線環路彼此以電容方式解耦。
頒發給Reykowsi之美國專利申請公開案第2009/0009414號揭示一種天線陣列。該天線陣列包括彼此接近地配置之 多個個別天線。該等個別天線配置於一射頻閉合導體環路內，其中電容器插入於每一導體環路中。
頒發給Biber等人之美國專利申請公開案第2010/0121180號揭示一種針對一磁共振裝置之頭部線圈。若干個天線元件由一支撐主體承載。該支撐主體具有成形為一球冠之一端區段。一蝶形天線安裝於該區段之端處，且由重疊該蝶形天線之至少一個群組天線環狀地圍繞。然而，此等方法中沒有一個係聚焦於提供一種具有多頻帶頻率操作同時在大小上較小且具有所要區域增益之天線。
鑒於前述發明背景，因此本發明之一目的係提供大小相對小之一多頻帶天線。
根據本發明之此及其他目的、特徵及優點係藉由包括一殼體及由該殼體承載之無線通信電路之一無線通信裝置來提供。舉例而言，該無線通信裝置亦包括由該殼體承載且耦合至該無線通信電路之一天線總成。
該天線總成包括一基板及由該基板承載且以並排關係配置之複數個被動環路天線。舉例而言，該複數個被動環路天線中之每一者包括一被動環路導體及耦合至其之一調諧元件。
該天線總成亦包括由該基板承載且經配置以與該複數個被動環路天線中之每一者至少部分地同延之一主動環路天線。舉例而言，該主動環路天線包括一主動環路導體及界定於其中之一對饋電點。因此，該天線總成具有一相對減 小之大小，同時(舉例而言)藉由提供多頻帶頻率操作且相對於區域提供增加之增益而維持效能。
該複數個被動環路天線中之每一者可具有毗鄰每一相鄰被動天線之一各別筆直側。舉例而言，該複數個被動環路天線中之每一者可具有多邊形形狀。該多邊形形狀可係正方形形狀、六邊形形狀及三角形形狀中之一者。該複數個被動環路天線中之每一者可具有一相同大小及形狀。
舉例而言，該主動環路天線可具有圓形形狀。該複數個被動環路天線可界定一中心點。舉例而言，該主動環路天線可與該中心點同心。
舉例而言，該等調諧元件中之每一者可包括一電容器。舉例而言，該複數個被動環路天線可定位於該基板之一第一側上且該主動環路天線定位於該基板之一第二側上。該等被動環路導體及該主動環路導體中之每一者包含一絕緣線。
一方法態樣係針對一種製作欲由一殼體承載且欲耦合至無線通信電路之一天線總成之方法。該方法包括以並排關係定位欲由一基板承載之複數個被動環路天線。舉例而言，該複數個被動環路天線中之每一者包括一被動環路導體及耦合至其之一調諧元件。該方法亦包括定位欲由該基板承載且欲與該複數個被動環路天線中之每一者至少部分地同延之一主動環路天線。舉例而言，該主動環路天線包括一主動環路導體及界定於其中之一對饋電點。
現在，將在後文中參照其中展示本發明之較佳實施例之附圖更全面地闡述本發明。然而，本發明可以諸多不同形式體現，且不應視為僅限於本文中所闡明之該等實施例。而是，提供此等實施例以使本發明將係全面及完整的，且將本發明之範疇完全傳達給熟習此項技術者。通篇中，相似之編號指代相似之元件，且使用撇號及多個符號來指示替代實施例中之類似元件。
首先參考圖1，一無線通信裝置10包括一殼體11及由該殼體承載之無線通信電路12。舉例而言，無線通信電路12可係蜂巢式通信電路或無線電定位標籤電路，且經組態以傳遞話音及/或資料。無線電路12可經組態以經由複數種頻帶(舉例而言，蜂巢、WiFi及全球定位系統(GPS)頻帶)進行通信。當然，無線通信電路12可經組態以經由其他頻帶進行通信。其他電路(舉例而言，一控制器13)可由殼體11承載且耦合至無線通信電路12。另外，無線通信裝置10可包括耦合至控制器13及/或無線通信電路12之一輸入裝置(未展示)(舉例而言，輸入鍵及/或一麥克風)及一輸出裝置(未展示)(舉例而言，一顯示器及/或揚聲器)。
無線通信裝置10亦包括由殼體11承載且耦合至無線通信電路12之一天線總成20。天線總成20說明性地包括一基板21。舉例而言，基板21可係一印刷電路板基板，且可承載其他組件，如熟習此項技術者將瞭解。天線總成20亦包括由基板21承載之三個相同大小之六邊形被動環路天線22a至22c。被動環路天線22a至22c係以一並排關係配置。在 所圖解說明之實施例中，三個被動環路天線22a至22c中之每一者具有毗鄰每一相鄰被動天線之一各別筆直側。在一較佳實施例中，舉例而言，被動環路天線22a至22c在操作頻率下各自具有0.5波長或更小之一周長，例如，該等被動輻射環路天線關於波長係自然共振或電小的。
如熟習此項技術者將瞭解，六邊形被動環路天線22a至22c中之每一者可被視為一個別天線元件，以使得經組合電特性像一環路天線陣列那樣起作用。被動環路天線22a至22c之六邊形形狀形成有利地提供對空間之一增加效率之使用之一蜂房格柵。空間填充多面體之六邊形填塊在其中殼體21在大小上相對有限之一可攜式無線通信裝置中可尤其有利。該等被動環路天線之六邊形形狀以一減小之導體損耗開發一增加之輻射電阻以達成一增加之效率增益及減小之總大小。
被動環路天線22a至22c中之每一者包括一被動環路導體27a至27c及耦合至其之一調諧元件28。如熟習此項技術者將瞭解，調諧元件28判定一特定被動環路天線22之頻帶且不判定其大小。而是，每一被動環路天線22之大小與天線總成20在對應於各別被動環路天線之頻帶下之增益相關。
每一被動環路天線22亦包括包圍被動環路導體27之一介電絕緣層29。換言之，每一被動環路天線22可係一絕緣線。調諧元件28說明性地係一電容器且與被動環路導體27成一直線耦合。當然，調諧元件28可係另一類型之組件(舉例而言，一電感器)且可不成一直線耦合，舉例而言， 一個鐵氧體磁珠可替代地包圍被動環路導體27及介電絕緣層29。舉例而言，當調諧元件28係一電容器時，被動環路天線22a至22c變為電負載的，以使得其以一較小實體大小及/或較低頻率操作。因此，調諧元件28或電容器減小大小。
如熟習此項技術者將瞭解，主動環路天線23藉由電感耦合而與被動環路天線22a至22c協作，以使得該等被動環路天線充當三個獨立可調諧天線。被動環路天線22a至22c中之每一者之獨立調諧係藉由選擇或改變調諧元件28中之每一者之值(特定而言，電容)來實現。
天線總成20亦包括由基板21承載之一主動環路天線23。主動環路天線23說明性地具有圓形形狀且與複數個被動環路天線22a至22c中之每一者部分地同延。換言之，主動環路天線23與被動環路天線22a至22c之區域可在不彼此觸碰之情形下重疊。該主動環路天線包括一主動環路導體25及界定於其中之一對饋電點26a、26b。主動環路天線23亦可包括包圍主動環路導體25之一絕緣層36。換言之，主動環路天線23亦可係一絕緣線。各別絕緣層有利地提供被動環路天線22a至22c與主動環路天線23之間的介電間距，以使得其不使電路短路。
說明性地，被動環路天線22a至22c之並排關係界定一中心點24，且主動環路天線23說明性地與該中心點同心。當然，主動環路天線23在其他實施例中可不與中心點24同心。如熟習此項技術者將瞭解，對一偏移量之調整可影響 耦合至被動環路天線22a至22c中之每一者之一電量。
一饋送導體31或電纜可經由饋電點26a、26b將天線總成20耦合至無線通信電路12。舉例而言，饋送導體31可係同軸電纜，且可包括耦合至饋電點26a、26b中之一者之一中心導體32及耦合至該等饋電點中之其他者之一外導體34，且其藉由一介電層33與內導體分離。可使用其他類型之電纜或導體，例如(舉例而言)一絕緣線雙絞對。在某些例項中，饋送電纜31可本身變為一天線。有利地，主動環路天線23可提供一平衡-不平衡轉換器以減小饋送電纜31無意地變為一天線之效應。此係由於被動環路天線22a至22c不具有至饋送電纜31之一直流電(DC)連接(亦即，不存在導電接觸，而是存在電感耦合)。舉例而言，主動環路天線23亦可充當平衡-不平衡轉換器或「隔離變壓器」以減小同軸饋送線上之共同模式電流。
現在參考圖2，其展示類似於如圖1中所圖解說明之天線總成20之一多頻帶原型天線總成之所量測頻率回應或電壓駐波比之一曲線圖50。該原型天線總成包括三個六邊形被動環路天線及一圓形主動環路天線。一第一電容器具有30微微法拉之一值，一第二電容器係10微微法拉，且一第三電容器係20微微法拉。因此，每一被動環路天線具有一不同值調諧電容器。曲線圖50說明性地包括分別係約86 MHz、106 MHz及144 MHz之三個頻帶51a、51b、51c，其係基於各別電容器之值獨立地實現的。對多頻帶原型機之一總結如下：
舉例而言，個別電小天線可具有一二次頻率回應。因此，此等天線可涵蓋可相對窄之一單個頻帶。然而，可調諧天線總成20以便可組合三個頻帶中之每一者以個別地相對於每一頻帶形成單個放大或寬廣頻帶。更特定而言，可根據契比雪夫(Chebyschev)多項式調整每一六邊形被動環路天線22a至22c之共振以給一指定紋波提供一增加之頻寬。舉例而言，可將被動環路天線中之每一者交錯調諧至n階契比雪夫多項式之零。舉例而言，兩個被動環路天線可提供具有2個紋波峰值且約4倍於一單個被動環路天線之頻帶之一4階契比雪夫回應。
更特定而言，舉例而言，具有一單個六邊形被動環路天線之一天線總成具有根據ax 2 +bx+c=0之一二次回應。舉例 而言，若該單個六邊形被動環路天線具有0.12λ之一直徑，則6：1電壓駐波比(VSWR)頻寬係約1.52%。具有(舉例而言)兩個六邊形被動環路天線之根據本發明之一天線總成具有根據以下之一契比雪夫多項式回應：Σ=Tn(x)t n=(1-tx)/(1-2tx+t2)其中：Tn=n次契比雪夫多項式
x=角頻率=2πf
因此，若每一六邊形被動環路天線亦具有0.12λ之一直徑，則頻寬係約4×1.52%或6.1%。契比雪夫多項式之紋波頻率通常隨著階數n而增加，因此當保持紋波振幅恆定時，一返回縮減隨著增加之階數n而發生。舉例而言，無限數目個被動環路天線可提供最高比一單個輻射環路天線多3π之瞬時頻寬，如熟習此項技術者將瞭解。測試已展示，兩個被動環路天線提供四倍於一單個被動環路天線之頻寬。因此，該等實施例有利地提供具有通用調諧以達成減小之大小及增加之瞬時頻寬之一環路天線陣列。該等實施例有利地經由輻射結構而非被動組件之外部集總元件網路提供通用調諧，舉例而言，不存在電感器及/或電容器之一梯型網路。現在參考圖3a至圖3d及圖4中之曲線圖61、62、63、64、65，天線總成20之輻射場型係大體超環面。曲線圖61圖解說明一笛卡爾(Cartesian)座標系統中之天線總成20之平面。如熟習此項技術者將瞭解，天線總成20之平面位於XY平面中。曲線圖62圖解說明天線總成20 之XY平面輻射場型剖面係圓形且全方向的。
類似地，曲線圖63、64分別圖解說明YZ及ZX平面中之輻射場型剖面之形狀係具有函數cos2 θ之一兩花瓣玫瑰之形狀。該輻射場型係繞環路之電流分佈(其在較小環路大小下係均勻的)之一傅立葉變換。天線總成20輻射場型形狀類似於沿曲線圖61 Z軸定向之一正則½波線偶極子，但該½波偶極子將垂直地極化且天線總成20將水平地極化。舉例而言，水平極化可尤其有利於藉由對流程折射輔助長程傳播。然而，天線總成20在天線平面側面具有輻射場型空值，且輻射場型波瓣係在該天線平面中。YZ及ZX型樣剖面中之天線總成20之半功率束寬係約82度。方向性係1.5。舉例而言，當不匹配損耗係零時，如熟習此項技術者將瞭解之所實現增益及輻射場型可根據以下來計算：所實現增益=10 log10(η D cos2 θ)其中：η=天線總成20之輻射效率
D=天線方向性=對於天線總成20係1.5
Θ=自法線至天線總成20之平面量測之仰角。(θ=0°，法向於天線平面，且θ=90°，在天線總成平面中)
實務上，在相對低損耗調諧電容器之情形下，輻射效率η通常係被動環路天線22a至22c輻射電阻Rr相對於被動環路天線導體損耗電阻Rl之一函數，因此輻射效率可計算為：輻射效率η=RR/(Rr+Rl) 且所實現增益為：所實現增益=1.76-10 log10(Rr/(Rr+Rl)dBil
圖4中之曲線圖65圖解說明一單個六邊形被動環路天線之大小、所實現增益及頻率之間的典型關係(經計算)。圖4中之曲線圖65亦圖解說明由天線總成之一實施例提供之典型所實現增益。對應於曲線圖65之天線總成係類似於圖1中之天線總成20之一單個被動環路天線，且係銅且大於3RF集膚深度厚。舉例而言，藉由使用輻射場型峰值增益來調諧及匹配該天線總成，且極化係共極化。調諧元件係具有品質因數Q=1000之一電容器，且被動環路天線跡線寬度在被動環路天線外徑處係約0.15英吋。說明性地，線66、67、68及69分別對應於+1.5、0.0、-10.0及-20.0 dBil所實現增益。如熟習此項技術者將瞭解，該等實施例有利地允許天線大小與所實現增益之間的折衷且相對於大小產生增加之效率。
在類似於圖1之天線總成20之一原型天線總成之一測試中，該天線總成使用全球定位系統(GPS)衛星而用於無線電定位目的。該天線總成提供相對高之GPS衛星星座圖可用性，因此可一次接收諸多衛星。原型天線總成GPS接收之一效能總結如下：
該GPS原型機具有減小深度交叉感測圓形極化衰落之操作優點。右旋圓形極化微帶貼片天線在被倒轉時趨向於變為左旋圓形極化的，此可在GPS接收中產生深度衰落。因此，當無線通信電路因(舉例而言)具有一天線總成而包括 一GPS無線電定位標籤時，該天線總成比(舉例而言)具有圓形極化及較高增益之一微帶貼片天線提供增加之可靠性接收。在GPS無線電定位裝置中，該天線通常係未對準且未定向的。實際上，在本實施例中，當被動環路天線之周長接近½波長時，輻射場型變得近乎為球面及等向性的。
現在另外參考圖5，舉例而言，天線總成20之電路等效模型可被視為具有多個次級繞組之一變壓器，以便實現一功率分配器。信號產生器S對應於無線通信電路12。如熟習此項技術者將瞭解，主動環路天線23對應於一初級繞組L，而三個六邊形被動環路天線22a至22c對應於各別次級繞組k1、k2、k3。功率可由與由三個六邊形被動環路天線22a至22c界定之中心點24同心之主動環路天線23均等地三向劃分。對主動環路天線23上方之三個六邊形被動環路天線22a至22c之同延量之調整等效於對具有多匝繞組之習用變壓器之「匝數比」之調整。
在所圖解說明之對應電路示意圖中，該等等效調諧元件係電容器C1、C2、C3。所圖解說明之電阻器Rr1、Rr2、Rr3對應於輻射電阻。換言之，此係由導體本身(舉例而言，一銅導體)提供之電阻。R11、R12、R13對應於來自焦耳效應加熱之導體電阻損耗。如熟習此項技術者將瞭解，若天線總成20太小，則Rl增加，且效能可減小至一可能不可接受之位準。Rl通常係天線效率之最主要決定因素。實際上，調諧電容器等效串聯電阻(ESR)損耗通常可被忽略。一個別被動環路天線之輻射效率η因此可由以下近似： η=Rr1/(Rl1+Rr1)且所實現增益由以下近似：G=10 log10{1.5[Rr1/(Rl1+Rr1)]}dBil。
作為背景，金屬導體之損耗電阻通常係對室溫電小天線之效率及增益之一基本限制。當係電小時，一個別被動環路天線之方向性係1.76 dB。此方向性值不隨著被動環路天線之數目顯著增加或減小。典型實務上，可調整主動環路天線以提供50歐姆之電阻，且可忽略主動環路之金屬導體損耗。
當其環路結構不重疊時，被動環路天線通常不顯著彼此耦合，例如，在彼等情形中互耦合小於約-15 dB。被動環路天線之重疊可視需要更改互耦合。互耦合之程度調整契比雪夫回應之間的間距。本發明實施例之特徵允許控制驅動電阻(主動環路直徑)、電抗(調諧電容器)、頻率(調諧元件值)、元件互耦合(被動環路天線之間的間距)、大小(調諧元件提供載入)、增益(被動環路天線直徑)及頻寬(被動環路天線22之數目調整頻率回應紋波)。
現在參考圖6，一天線總成20'之另一實施例說明性地包括四個被動環路天線22a'至22d'，其各自具有一正方形形狀且由基板21'之一第一側37'承載。四個被動環路天線22a'至22d'說明性地以並排關係配置且界定對應於正方形被動環路天線中之每一者之一角落之一中心點24'。主動環路天線23'(其承載於基板21'之一第二側38'上，或與被動環路天線22'相對之側上)與四個正方形被動環路天線22a'至22d' 中之每一者部分地同延。四個正方形被動環路天線22a'至22d'中之每一者包括耦合至各別被動環路導體27a'至27d'之一各別調諧部件28a'至28d'或電容器。如熟習此項技術者將瞭解，四個被動環路天線22a'至22d'中之每一者對應於由各別電容器28a'至28d'判定之一頻帶。
現在參考圖7，天線總成20"之又一實施例說明性地包括八個被動環路天線22a"至22h"，其各自具有三角形或餅形狀。八個被動環路天線22a"至22h"說明性地以並排關係配置且界定對應於三角形被動環路天線中之每一者之一點之一中心點24"。主動環路天線23"與八個三角形被動環路天線22a"至22h"中之每一者部分地同延。八個三角形被動環路天線22a"至22h"中之每一者包括耦合至各別被動環路導體27a"至27h"之一各別調諧部件28a"至28h"或電容器。如熟習此項技術者將瞭解，八個被動環路天線27a"至27h"中之每一者對應於由各別電容器28a"至28h"判定之一頻帶。
雖然本文中所闡述之每一被動環路天線22說明性地係一相同大小形狀，但該等被動環路天線可具有任何多邊形形狀。另外，在某些實施例中，被動環路天線22中之每一者可非係相同大小。
一方法態樣係針對一種製作欲由一殼體11承載且欲耦合至無線通信電路12之一天線總成20之方法。該方法包括以並排關係定位欲由一基板21承載之複數個被動環路天線22。被動環路天線22中之每一者包括一被動環路導體27及耦合至其之一調諧元件28。該方法亦包括定位欲由基板21 承載且欲與被動環路天線22中之每一者至少部分地同延之一主動環路天線23。主動環路天線23包括一主動環路導體25及界定於其中之一對饋電點26a、26b。
現在參考圖8中之曲線圖100，其圖解說明天線總成之一雙調諧/4階契比雪夫實施例之增益回應。說明性地，存在具有兩個增益峰值之一紋波通頻帶106，但通頻帶之兩個峰值被視為一單個連續通頻帶，例如，因此形成具有紋波之一單頻帶天線。舉例而言，通頻帶106中之紋波對於提供增加之頻寬可尤其有益。對應於曲線圖100之天線總成包括彼此毗鄰之兩個(2)被動環路天線，其中一個(1)主動環路天線重疊每一被動環路天線。為實現雙調諧4階契比雪夫多項式回應，輻射環路天線優先係相等大小，且其使用類似或相同值調諧元件電容器。因此，被動環路天線之個別共振頻率本身係相同的。然而，當使被動環路天線彼此相對靠近時，互耦合可致使頻率回應中之兩個增益峰值106、108形成。兩個個別被動環路天線之二次回應因此組合以變為一雙調諧4階契比雪夫回應。
可藉由相對於彼此調整被動環路天線之間距來調整紋波振幅104及頻寬106。當兩個被動環路天線進一步分離時，增益峰值102之間的間距減小且因此頻寬106減小，且紋波位準振幅104減小。
當兩個被動環路天線之間的間距較靠近時，增益峰值108、110之間的間距102增加(回應展開)，因此頻寬106增加，且紋波振幅104增加。兩個被動環路天線可甚至彼此 重疊(但不彼此接觸)以形成相對極大之頻寬。如可瞭解，雙調諧4階契比雪夫實施例有利地提供紋波位準104與頻寬106之間的一寬廣且連續之折衷範圍。
在使用兩個被動環路天線之雙調諧4階契比雪夫實施例中，主動環路天線之直徑調整天線提供至無線通信電路之電路電阻。一較大直徑主動環路增加提供至傳輸器之電阻，且一較小直徑主動環路減小提供至傳輸器之電阻。當主動環路之直徑係一被動環路天線之直徑之約0.2至0.5時，實務上已可容易地達成50歐姆電阻。可調整主動環路天線之大小以獲得主動1比1 VSWR。另一選擇係，可增加主動環路天線之大小以提供用兩個增益峰值108、110處之增加之VSWR來換取增加之頻寬之一過主動換取。
主動環路天線有利地在一既定頻率上提供一電阻補償。換言之，當被動環路天線變得較小時，其輻射電阻下降，但主動環路天線之耦合因數隨著被動環路天線變得較小而增加。因此，由電子電路經歷之所要電阻可在一相對寬廣之頻寬上恆定。補償行為被認為係由於被動環路天線之電流分佈因減小之被動環路天線周長而自正弦曲線轉變至均勻。當係電小時，環路天線具有較強磁近場，因此其變為較佳之變壓器次級繞組。被動環路天線係用於輻射之一遠場天線，且亦係一近場天線。
當形成被動環路天線之電導體具有接近環路外徑之寬度之0.15之一寬度時，最高增益產生。因此，若一被動環路天線具有1.0英吋之一外徑，且每一被動環路天線係線， 則最高所實現增益通常在線直徑係0.15英吋時發生。若被動環路天線直徑係1英吋且形成為一印刷佈線板(PWB)跡線，則跡線之寬度亦應係約0.15英吋，以達成增加之輻射效率。當然，可視需要使用其他導體寬度。
當跡線寬度太小時，導體損耗電阻增加，此乃因存在太少金屬而不能高效地傳導。然而，當跡線寬度太大時，鄰近效應增加導體損耗電阻。當導體鄰近效應發生時，電流在環路導體之邊緣內部停靠且並非所有金屬用於輻射。環路之相對側上之環路導體造成鄰近效應。環路中之孔通常應適當地定大小。藉由實驗來驗證被動環路天線之最佳環路導體跡線寬度。
圖9之曲線圖110圖解說明一PWB實施例單個被動環路天線之所量測品質因數(Q)111對環路導體跡線寬度。Q係天線增益之一指示，因此當Q最高時，所實現天線增益最高。外環路直徑係1.0英吋且其以146.52 MHz操作，因此外環路直徑係λ/84。因此，考量並調整146.52 MHz之臨界作用性及共振。PWB銅跡線之厚度大於3集膚深度厚。當環路天線孔係外徑之90%時，跨越環路中之一間隙連接一22微微法拉電容器以致使設定146.52 MHz之共振。當被動環路天線內部孔大小係零時，天線實際上係一凹口金屬圓盤。其跨越圓盤邊沿處之凹口使用一290微微法拉晶片電容器，且共振再次係146.52 MHz。如自圖9中之曲線圖110圖解說明，最佳所量測Q 111係225，且此在內孔之直徑係環路外徑之70%時發生。環路外徑係1.0英吋，且環路內徑 在最高Q及所實現增益下等於0.7英吋。最佳所實現增益之跡線寬度因此係環路外徑之(1.0-0.7)/2=0.15。
主動環路天線23通常不會可感知地輻射或具有顯著歐姆損耗。作為背景，主動環路天線23亦提供隔離變壓器類型之一平衡-不平衡轉換器。
測試已表明，天線總成20之G10及FR4型環氧樹脂玻璃印刷電路板實施例中之損耗在UHF下可忽略不計，例如，在介於300 MHz與3000 MHz之間的頻率下。因此，多數商業電路材料通常適用於基板21。天線總成20因具有較強徑向磁近場而非徑向電近場(此使PWB電介質損耗最小化)而實現此操作優點。另外，藉由組件電容器而非PWB電介質來實現天線總成20調諧及載入。舉例而言，晶片電容器相對廉價及損耗低，且NPO變型具有相對平坦之溫度係數。隨溫度之穩定電容意指天線總成20可隨溫度具有相對穩定之操作頻率。舉例而言，此可係天線總成20優於微帶貼片天線之一優點。
作為背景，微帶貼片天線可需要成本高、低損耗受控介電常數材料，此乃因天線「貼片」形成在PWB電介質中聚集電近場之一印刷電路傳輸線。微帶貼片天線PWB材料之電容通常不如NPO晶片電容器隨溫度穩定。因此，天線20可始終具有穩定調諧，且可係平面的且相對易於以一相對低之花費來構造。
本發明實施例有利地提供多頻帶操作及/或提供具有一契比雪夫通頻帶回應之相對寬廣之單個頻帶頻寬。然而， 天線總成之實施例亦提供寬廣的可調諧頻寬。舉例而言，藉由變化一調諧元件28之電抗來實現一寬廣範圍上之可變調諧。因此，舉例而言，調諧元件28可係一可變電容器。可調諧頻寬可係在具有一相對低之電壓駐波比(VSWR)之一7比1頻率範圍上。在一HF原型機中，使用具有10微微法拉至1000微微法拉之一範圍之一真空可變電容器跨越一連續3 MHz至22 MHz調諧範圍實現2比1之一VSWR，且被動環路天線22係由具有18英尺之一周長之銅水管之六邊形形成。天線操作頻率之改變係調諧元件28之電抗改變之平方根，以使得(舉例而言)為使調諧元件之操作頻率加倍，將電容器值減小至原始值之1/22=¼。舉例而言，調諧元件28可係用於電子調諧之一變容二極體。一旦已知被動環路天線22之電感，則可根據共同共振公式1/2πLC來計算調諧元件28之所要值。可使用以下公式來量測或計算被動環路天線22之電感：L(以微亨為單位)=0.01595[2.303 Log10(8D/d-2)]其中：D=被動環路天線之平均直徑
d=線導體之直徑
增加調諧元件28之電容降低天線總成20之操作頻率，且減小電容使頻率升高。在多數情形中，優先使用一電容器作為調諧元件28以達成減小之損耗，但可視需要使用一電感器。天線總成20之一實例及應用係用於具有擴展之範圍之電視及FM廣播接收。此等頻帶中之典型廣播包括水平 極化組件，且天線總成20有利地在定向於水平平面中時回應於該等水平極化組件。已知水平極化藉由對流層折射在地平線上方傳播。因此，天線總成20可比一垂直½波偶極子提供更大之範圍。當水平極化時天線總成20係全方向的，可不需要對準。當直徑係19英吋時，一被動環路天線22a至22c可在100 MHz下呈現+1.0 dBil所實現增益，且因此可在室內使用。
儘管環路天線與偶極子天線之間存在諸多差異，但電小偶極子天線及環路天線通常因分別裝載有電容器及電感器而大小較小。在當前技術中，且在室溫下，存在比導體更佳之絕緣體，因此電容器之效率及Q通常遠佳於電感器。實際上，電容器之品質因數通常10至100倍佳於電感器。因此，與偶極子天線相比，類似於天線總成之本發明實施例之環路天線可係較佳的，此乃因其可使用相對低損耗且相對廉價之電容器來實現大小減小、載入及調諧。環路天線亦提供一電感器及一變壓器繞組以限制或減少額外組件。因此，本發明實施例提供其中天線電感器、匹配變壓器及平衡-不平衡轉換器整合至天線結構中之一複合設計。
10‧‧‧無線通信裝置
11‧‧‧殼體
12‧‧‧無線通信電路
13‧‧‧控制器
20‧‧‧天線總成
20'‧‧‧天線總成
20"‧‧‧天線總成
21‧‧‧基板
21'‧‧‧基板
22a‧‧‧被動環路天線
22b‧‧‧被動環路天線
22c‧‧‧被動環路天線
22a'‧‧‧被動環路天線
22b'‧‧‧被動環路天線
22c'‧‧‧被動環路天線
22d'‧‧‧被動環路天線
22a"‧‧‧被動環路天線
22b"‧‧‧被動環路天線
22c"‧‧‧被動環路天線
22d"‧‧‧被動環路天線
22e"‧‧‧被動環路天線
22f"‧‧‧被動環路天線
22g"‧‧‧被動環路天線
22h"‧‧‧被動環路天線
23‧‧‧主動環路天線
23'‧‧‧主動環路天線
23"‧‧‧主動環路天線
24‧‧‧中心點
24'‧‧‧中心點
24"‧‧‧中心點
25‧‧‧主動環路導體
26a‧‧‧饋電點
26b‧‧‧饋電點
27a‧‧‧被動環路導體
27b‧‧‧被動環路導體
27c‧‧‧被動環路導體
27a'‧‧‧被動環路導體
27b'‧‧‧被動環路導體
27c'‧‧‧被動環路導體
27d'‧‧‧被動環路導體
27a"‧‧‧被動環路導體
27b"‧‧‧被動環路導體
27c"‧‧‧被動環路導體
27d"‧‧‧被動環路導體
27e"‧‧‧被動環路導體
27f"‧‧‧被動環路導體
27g"‧‧‧被動環路導體
27h"‧‧‧被動環路導體
28a'‧‧‧調諧部件/電容器
28b'‧‧‧調諧部件/電容器
28c'‧‧‧調諧部件/電容器
28d'‧‧‧調諧部件/電容器
28a"‧‧‧調諧部件/電容器
28b"‧‧‧調諧部件/電容器
28c"‧‧‧調諧部件/電容器
28d"‧‧‧調諧部件/電容器
28e"‧‧‧調諧部件/電容器
28f"‧‧‧調諧部件/電容器
28g"‧‧‧調諧部件/電容器
28h"‧‧‧調諧部件/電容器
31‧‧‧饋送導體
32‧‧‧中心導體
33‧‧‧介電層
34‧‧‧外導體
36‧‧‧絕緣層
37'‧‧‧第一側
38'‧‧‧第二側
50‧‧‧曲線圖
51a‧‧‧頻帶
51b‧‧‧頻帶
51c‧‧‧頻帶
61‧‧‧曲線圖
62‧‧‧曲線圖
63‧‧‧曲線圖
64‧‧‧曲線圖
65‧‧‧曲線圖
66‧‧‧+1.5 dBil增益
67‧‧‧0.0 dBil增益
68‧‧‧-10.0 dBil增益
69‧‧‧-20.0 dBil增益
100‧‧‧曲線圖
102‧‧‧增益峰值/間距
104‧‧‧紋波振幅/紋波位準振幅/紋波位準
106‧‧‧通頻帶/頻寬
108‧‧‧增益峰值
110‧‧‧增益峰值/曲線圖
111‧‧‧所量測品質因數/最佳所量測因數
c1‧‧‧電容器
c2‧‧‧電容器
c3‧‧‧電容器
k1‧‧‧次級繞組
k2‧‧‧次級繞組
k3‧‧‧次級繞組
L‧‧‧初級繞組
R11‧‧‧導體電阻損耗
R12‧‧‧導體電阻損耗
R13‧‧‧導體電阻損耗
Rr1‧‧‧電阻器
Rr2‧‧‧電阻器
Rr3‧‧‧電阻器
S‧‧‧信號產生器
圖1係根據本發明之包括一天線總成之一行動通信裝置之一示意圖。
圖2係根據本發明之一原型天線總成之所量測頻率回應之一曲線圖。
圖3a至圖3d係圖1之天線總成之輻射場型曲線圖。
圖4係圖解說明根據本發明之六邊形被動環路天線之大小與頻率之間的關係之一曲線圖。
圖5係圖1中之天線總成之一電路等效物之一示意圖。
圖6係根據本發明之一天線總成之另一實施例之示意圖。
圖7係根據本發明之一天線總成之又一實施例之一示意圖。
圖8係根據本發明之一天線總成之一契比雪夫實施例之增益回應對頻率的一曲線圖。
圖9係根據本發明之一天線總成之所量測品質因數之一曲線圖。
10‧‧‧無線通信裝置
11‧‧‧殼體
12‧‧‧無線通信電路
13‧‧‧控制器
20‧‧‧天線總成
21‧‧‧基板
22a‧‧‧被動環路天線
22b‧‧‧被動環路天線
22c‧‧‧被動環路天線
23‧‧‧主動環路天線
24‧‧‧中心點
25‧‧‧主動環路導體
26a‧‧‧饋電點
26b‧‧‧饋電點
27a‧‧‧被動環路導體
27b‧‧‧被動環路導體
27c‧‧‧被動環路導體
31‧‧‧饋送導體
32‧‧‧中心導體
33‧‧‧介電層
34‧‧‧外導體
36‧‧‧絕緣層

Claims (8)

  1. 一種無線通信裝置，其包含：一殼體；無線通信電路，其由該殼體承載；及一天線總成，其由該殼體承載且耦合至該無線通信電路且包含一基板，複數個被動環路天線，其由該基板承載且以並排關係配置，該複數個被動環路天線中之每一者包含一被動環路導體及耦合至其之一調諧元件，該複數個被動環路天線中之每一者具有毗鄰每一相鄰被動天線之一各別筆直側及在一操作頻率下具有小於或等於0.5波長之一長度，及一主動環路天線，其由該基板承載且經配置以與該複數個被動環路天線中之每一者至少部分地同延，該主動環路天線包含一主動環路導體及界定於其中之一對饋電點。
  2. 如請求項1之無線通信裝置，其中該複數個被動環路天線中之每一者具有多邊形形狀。
  3. 如請求項2之無線通信裝置，其中該多邊形形狀係正方形形狀、六邊形形狀及三角形形狀中之一者。
  4. 如請求項1之無線通信裝置，其中該複數個被動天線中之每一者具有一相同大小及形狀。
  5. 如請求項1之無線通信裝置，其中該主動環路天線具有 圓形形狀。
  6. 一種製作欲由一殼體承載且欲耦合至無線通信電路之一天線總成之方法，該方法包含：以並排關係定位欲由一基板承載之複數個被動環路天線，該複數個被動環路天線中之每一者經定位以具有毗鄰每一相鄰被動天線之一各別筆直側，該複數個被動環路天線中之每一者包含一被動環路導體及耦合至其之一調諧元件，且該複數個被動環路天線中之每一者在一操作頻率下具有小於或等於0.5波長之一長度；及定位欲由該基板承載且欲與該複數個被動環路天線中之每一者至少部分地同延之一主動環路天線，該主動環路天線包含一主動環路導體及界定於其中之一對饋電點。
  7. 如請求項6之方法，其中該複數個被動環路天線中之每一者具有多邊形形狀。
  8. 如請求項6之方法，其中該主動環路天線具有圓形形狀。
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