对角驱动的天线系统和方法
【专利摘要】一种电子设备（100）包括具有两个天线（110、120）的天线系统（150）。第一天线（110）具有第一天线元件（111）和第二天线元件（115），第一天线元件位于平面矩形的地平面（165）的第一角（191）附近，第二天线元件位于地平面的与第一角对角的第二角附近。第二天线（120）具有第三天线元件（121）和第四天线元件（125），第三天线元件位于地平面的与第一角相邻的第三角（193）附近，第四天线元件位于地平面的与第三角对角的第四角（195）附近。在低频段频率，第一天线（110）的天线元件（111、115）被相对于彼此异相地驱动。类似地，在低频段频率，第二天线（120）的天线元件（121、125）被相对于彼此异相地驱动。
【专利说明】对角驱动的天线系统和方法
【技术领域】
[0001]本公开总体上涉及天线系统，更具体地涉及具有彼此接近的两个天线的天线系统。
【背景技术】
[0002]诸如无线电话的无线通信设备有时使用具有两个或更多天线的两个天线系统来发射和接收射频信号。在使用两个分集天线的无线电话中，第二天线应该相对于第一天线具有相当的性能，且第二天线还应该相对于第一天线具有充分的去相关，以便能够实现多路径传播环境中分集操作所提供的性能改善。
[0003]分集天线系统性能是许多参数的组合。(一个或多个)足够的操作频率带宽、高辐射效率、(一个或多个)所需的辐射模式特性、以及分集天线间的低相关性都是分集天线系统性能的所需要素。相关性被计算为两个天线的辐射模式的标准协方差。但是，由于主天线的尺寸以及沿着诸如手持无线电话的设备的主轴或副轴的通用的安置，效率和去相关的目标非常难以同时实现。
[0004]因此，有机会来继续开发具有(一个或多个)宽操作频率带宽、良好辐射效率、和/或低相关性辐射模式的天线结构。在仔细考虑下面的附图与相应的详细描述之后，本公开的各种方面、特征和优点对于本领域普通技术人员将变得更加完全明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0005]图1示出了在诸如无线电话的电子设备中根据第一实施例实现的对角驱动的天线系统的简化图。
[0006]图2示出了根据第一实施例的天线系统的第一对角驱动的天线的低频段远场辐射模式。
[0007]图3示出了根据第一实施例的天线系统的第二对角驱动的天线的低频段远场辐射模式。
[0008]图4示出了在诸如无线电话的电子设备中根据第二实施例实现的对角驱动的天线系统的简化透视图。
[0009]图5示出了图4的对角驱动的天线系统的简化平面图。
[0010]图6示出了可与图1-5中所示的对角驱动的天线系统相结合使用的用于驱动天线结构的方法的流程图。
[0011]技术人员将认识到，图中的元件是出于简单和清楚而图示的，并且不必要按比例绘制。例如，图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件被夸张以帮助改善对本发明的实施例的理解。
[0012]图中在合适处用常规符号表现出了装置和方法部件，仅仅示出了那些与理解本发明实施例相关的特定细节，以便不会让对于那些从本描述这里获益的本领域普通技术人员来说显而易见的细节使本发明不清楚。【具体实施方式】
[0013]分集天线系统在无线通信设备中是有用的。但是，在小型无线通信设备中实现分集天线系统存在困难，因为操作的半波长有时大于整个设备外壳的主尺寸。此外，许多无线通信设备现在操作在从700MHz到5GHz范围的多个频段中。
[0014]电子设备包括具有两个天线的天线系统，两个天线在地平面上以十字或“X”配置定向。第一天线具有第一天线元件和第二天线元件，第一天线元件位于平面矩形的地平面的第一角附近，第二天线元件位于地平面的与第一角对角的第二角附近。第二天线具有第三天线元件和第四天线元件，第三天线元件位于地平面的与第一角相邻的第三角附近，第四天线元件位于地平面的与第三角对角的第四角附近。该天线系统对于分集可能有用并且对于诸如当两个发射机无分集地操作时的非分集应用也可能有用。
[0015]在低频段频率，第一天线的天线元件被相对于彼此异相地驱动。类似地，在低频段频率，第二天线的天线元件被相对于彼此异相地驱动。在高频段频率，第一天线的天线元件可以被相对于彼此异相地或者同相地驱动。类似地，在高频段频率，第二天线的天线元件可以被相对于彼此异相地或者同相地驱动。由于互易性的原理，用于发射的天线也可用于接收。在本文档中，使用发射术语的概念可以用接收的互易概念来代替。这些天线结构和天线驱动方法促进了用于每一天线的宽操作频率带宽、高辐射效率、所需的辐射模式特性、以及两个组成天线之间的低相关性。
[0016]图1示出了在诸如无线电话或其他无线通信设备的电子设备100中根据第一实施例实现的对角驱动的天线系统150的简化图。尽管假定是无线电话，但电子设备可以是平板电脑、笔记本电脑、个人数字助理、游戏控制台、遥控器、电子书阅读器、或具有无线通信能力的许多另外的设备。电子设备100包括平面矩形的电路板160，在电路板的多层中的一层中具有平面矩形的导电地平面165。简便起见，电路板160和地平面165被模型化并描述为平面矩形。尽管如此，根据设备实现，电路板和/或地平面可以稍具弯曲。而且，电路板和/或地平面的周界线可以仅仅是大致矩形；该周界线可以具有脱离几何矩形的突出或缩进。注意，在所示的实现中，地平面165并未延伸到电路板160的边缘。这允许电路板160在电路板160的角上并且靠近地平面165的角191、193、195、197支撑四个天线元件111、115、121、125。
[0017]将天线元件111、115、121、125安置在矩形电路板160的角上的一个好处在于，用于电子设备的外部连接器端口能够被安置在电路板160的周界边的中点附近。图1示出了每一天线元件111、115、121、125周围的“阻止”区域之外的几个潜在的外部连接器端口位置182、184、186、188。这些连接器端口可以将数据和/或电力耦合到诸如音频耳机、充电器、具有到诸如键盘、显示器和鼠标类型控制器的外设的连接器的扩展坞等许多的附件，以及耦合来自这些附件的数据和/或电力。因此，如果电子设备被实现为具备无线通信能力的平板电脑，一个外部连接器端口 187可以被实现为位于沿电子设备100的次长度的位置186上的模拟音频耳机插孔，而另一外部连接器端口 185可以位于靠近电子设备100的主长度的中点的位置184上并被实现为到桌面、车辆或其他类型扩展坞的连接器。这些位置都在天线元件的“阻止”区域之外，因此最小化了电力和数据发信号对天线系统的影响。
[0018]在该第一实施例中，四个天线元件111、115、121、125中每一个都被模型化为L形天线元件，其内角位于平面矩形的地平面165的不同角191、193、195、197的周围。每一天线元件111、115、121、125具有沿一个臂的驱动点113、117、123、127 (有时称为“馈送端口”或“馈送位置”)。第一对角线定位的对天线元件111、115通过其L形辐射器111、115的驱动点113、117而被驱动并且产生天线系统150的第一天线110。第二对角线定位的对天线元件121、125通过其驱动点123、127而被驱动并且产生天线系统150的第二天线120。这样，对角驱动的天线系统150包括两个天线110、120，这两个天线相对于矩形的地平面165对角定向。
[0019]每一天线110、120被设计为支持至少一个操作频段。但是，任何天线可以被设计为支持一个以上的操作频段。而且，各个天线110、120可以支持重叠的操作频段或者不重叠的操作频段。例如，一个天线可以支持低频段(例如800-900MHZ)操作和高频段(例如1800-1900MHZ)操作，而另一个天线可以支持低频段(例如800_900MHz)操作、高频段GPS接收(例如1.5GHz)以及高频段WLAN操作(例如2.4-2.5GHz)。在这个例子中，天线系统应该在重叠操作频段(例如800-900MHZ)展现良好的去相关。
[0020]因此，这两个天线110、120形成具有十字或“X”设计的天线系统150。注意，基于地平面的配置，十字的两个臂可以不以直角相交(或者，可替换地，可以以直角相交)。两个天线110、120的对角定向通过两个天线110、120提供了沿地平面165的主轴(y轴)的显著的长度模式偶极激励以及沿地平面的副轴(X轴)的不可忽略的宽度模式偶极激励。(可替换地，稍有不同的实现将提供沿主轴的显著的宽度模式偶极激励和沿副轴的不可忽略的长度模式偶极激励。)这根本不同于相对于矩形的地平面正交地定位的天线(即，十字架或“ + ”或“T”或“L”配置)，其中每一天线都产生了沿地平面一个轴的显著激励以及沿地平面正交轴的可忽略激励。因为天线系统150中的两个天线110、120部分地激励了主轴，所以两个天线110、120可以实现宽带宽和高效率。而且，因为天线110、120基本对称，所以天线系统150可以在低频段和高频段上获得接近相等的增益与低相关性。
[0021]天线系统150的任一天线110、120在波长约为地平面165主长度171两倍的频率处的操作可以被视为低频段操作。主长度171只是低频段波长的近似指标，因为(例如电容性、电感性或直接地)耦合到地平面的导电元件可能导致地平面的电长度不同于地平面的几何主长度171。在这个例子中，地平面165的主长度171沿着所示的y轴。在低频段操作期间，天线系统150的单个天线的天线元件可以被异相地且以相同幅度驱动。第一移相器130，诸如平衡-不平衡转换器(balun)或传输线，能够被用来产生第一天线110的每一辐射器111、115的驱动信号。类似地，第二移相器140能够被用来产生低频段操作期间第二天线120的每一辐射器121、125的驱动信号。为了简化附图，第二移相器140和去往第二天线120的辐射元件121、125的驱动点123、127的第二组信号线被定位于印刷电路板160的后侧面上，并以虚线显示。当然，第二移相器和第二组信号线可以与第一移相器130和第一组信号一起实现在印刷电路板的前侧面。
[0022]天线系统150的任一天线110、120在高频段处的操作发生在发射(或接收)的波长小于地平面165的主长度171的两倍时。在高频段发射期间，天线系统150的每一天线的对角定位的元件可以被同相地或者异相地驱动。
[0023]到第一天线110的发射信号和来自第一天线的接收信号可以经由信号线耦合到电子设备100的第一收发机167。类似地，到第二天线120的发射信号和来自第二天线的接收信号可以经由信号线耦合到电子设备100的第二收发机169。信号线可以被实现为本领域公知的任何传输线，诸如带状线或同轴传输线。(注意，在本实现中，第二收发机169在印刷电路板160的后侧面上。)收发机167、169可以由控制器163来控制。控制器还可以控制电子设备的各种其他元件，诸如用户输入部件(例如小键盘、触摸板、加速计或麦克风)(未示出)、用户输出部件(例如显示器、扬声器或触觉元件)(未示出)以及到其他设备的外部连接器端口。
[0024]图2示出了根据第一实施例的天线系统150的第一对角驱动的天线110的低频段远场辐射模式200。辐射模式的轴根据图1中所示的轴对准。如较早前所提及的，发射(或接收)信号波长约为地平面165的主长度171两倍的，被视为低频段操作。在图1中所示的天线系统150的第一对角驱动的天线110的低频段操作时，到每一天线元件111、115的信号是异相的，并且远场辐射模式200通常具有环形线的形状，该环形线具有沿着第一对角驱动的天线110的对角线的旋转轴250。
[0025]类似地，图3示出了根据第一实施例的天线系统150的第二对角驱动的天线120的低频段远场辐射模式300。辐射模式的轴仍旧根据图1中所示的轴对准。在图1中所示的天线系统150的第二对角驱动的天线120的低频段操作时，到每一天线元件121、125的信号是相对于彼此异相的。注意，该远场辐射模式300也通常具有环形线的形状，但该环形线具有沿着第二对角驱动的天线120的对角线的旋转轴350。
[0026]每一天线110、120的远场辐射模式200、300之间的相对倾斜提供了天线间的去相关，这对于使用多输入多输出(MMO)系统的分集接收或发射是必需的，并且对于使用多天线来抗击或充分利用多路径传播效应的许多其他发射机制也是有用的，如本领域所公知。基于到对角驱动的天线系统150中每个对角定位的元件对的驱动信号的相位差，辐射模式200,300之间的相对倾斜可以被调整以改善带宽和效率，同时保持去相关。因此，每对天线元件可以被严格差别地驱动(例如相对于彼此180±10度异相)、适度差别地驱动(例如相对于彼此180±50度异相),或者宽松差别地驱动(例如相对于彼此180±90度异相)。信号传输线长度和阻抗、天线馈送结构、以及各个天线元件设计能够根据感兴趣的频段、地平面165的大小和形状、整个电子设备100的大小和形状、以及电子设备100的预期使用(例如手持或独立)而被调整，其目标在于在包括低频段在内的指定操作频段获取所需水平的远场辐射模式200、300的去相关，同时实现每一天线的可接受的效率和带宽。
[0027]尽管图1示出了位于矩形地平面165的每一角191、193、195、197周围的类似的、对称的L形天线元件111、115、121、125，天线元件也可以被实现为不同类型的天线元件，包括L形、倒置F形天线(IFA)、平面倒置F形天线(PIFA)、单极、折叠倒置共形天线(FICA)以及贴片(patch)。例如，第一对角定位的天线可以具有一个L形天线元件和一个倒置F形天线(IFA)元件。同时，第二对角定位的天线可以具有一个平面倒置F形天线(PIFA)元件和一个单极天线元件。取决于电子设备的操作频率、其大小和形状、以及各种天线系统性能目标，许多选项都可用。注意，在某些实现中，天线元件可以部分地或者完全地与地平面相重叠(与所示的天线元件不与地平面重叠的例子相反)。
[0028]图4示出了能够由诸如无线电话或其他无线通信设备的电子设备400所使用的根据第二实施例实现的对角驱动的天线系统450的简化透视图。图5示出了图4的对角驱动的天线系统的简化平面图500。[0029]如图4-5中所示，天线系统450包括平面矩形的地平面465与位于地平面465的四个角491、493、495、497的每个角上的天线元件411、415、421、425。如图4-5中能够看出的，第一天线元件411是具有馈送端口 413和在边缘上绕其自身缠绕的尾部的IFA结构，以便获得在低频段频率所需的操作长度。当然，可以使用其他技术来获得合适的操作频率。在本实现中，对于无线电话操作，低频段频率是约900MHz。与第一天线元件411成对以产生第一天线410的对角定位的第二天线元件415是具有馈送端口 417的L形天线元件，其是在边缘上绕其自身折叠的单极天线结构的变形，以获得在900MHz低频段所需的操作长度。如较早前提及的，可以使用其他技术来获得合适的操作频率。
[0030]第二天线420包括第三天线元件421和第四天线元件425，第三天线元件是类似于第一天线元件411的IFA元件和馈送端口 423 (但镜像配置)，第四天线元件是类似于第二天线元件415的L形天线元件和馈送端口 427 (但镜像配置)。如该第二实现中所示，两个收发机467、469和两组信号线被不出在地平面165的同一侧面上。注意，在这个实现中，两组信号线没有电耦合，而是利用了多层印刷电路板结构，使得其中一组信号线在另一组信号线之下通过。信号线可以被实现为同轴传输线、带状线、或本领域公知的其他传输线。
[0031]第一收发机467可以被耦合到第一天线410并且按照控制器463的指导差别地或者共同地驱动天线元件。如前面提及的，取决于所需的辐射模式以及每一天线的目标效率和带宽，天线元件对411、415可以严格差别地驱动、适度差别地驱动、或者宽松差别地驱动。第二收发机469可以耦合到第二天线420并且按照控制器463的指导差别地或者共同地驱动天线元件。
[0032]当到第一天线410的传输信号处于低频段时，组成天线元件411、415被相对于彼此异相地驱动。类似地，当到第二天线420的传输信号处于低频段时，组成天线元件421、425被相对于彼此异相地驱动。在这个实现中，相移是通过信号传输线和不同天线元件而获得的。因此，在某些实现中不需要单独的移相器元件。
[0033]低频段操作发生在传输信号具有约为地平面465的主电长度的两倍的波长时。注意，尽管主电长度通常接近于地平面的主几何长度，但(电容性、电感性或直接地)耦合到地平面的导电元件可能影响地平面的电长度。
[0034]在高频段操作时，第一天线410的天线元件411、415可以被相对于彼此差别地或者共同地(例如，同相)驱动。类似地，在高频段操作期间，第二天线420的天线元件421、425可以被差别地或者共同地驱动。
[0035]图5示出了都在天线元件411、415、421、425的“阻止”区域之外的四个潜在外部连接器端口位置482、484、486、488的范围。取决于外部连接器的大小，可在这些位置中的任何位置实现一个或多个连接器端口。注意，尽管可用连接器端口位置通常靠近电子设备500的周界边的中点，但任何一个外部连接器端口都不需要位于电子设备的中点处或者印刷电路板160或地平面465的中点处。
[0036]图6示出了可与图1-5中所示的电子设备的对角驱动的天线系统相结合使用的用于驱动天线结构的方法的流程图600。对角驱动的天线系统中的每一天线都可独立于其他天线而被用作发射天线(或接收天线)。当天线之一被用作发射天线时，电子设备的电路确定610驱动信号的任何低频段分量。(注意，驱动信号可包括低频段分量和高频段分量这二者。)电路可以被实现为无源多频段电路或有源控制器。如果信号处于低频段，发射机，可选地与移相器相结合，相对于彼此，异相地并且可选地以同一幅度，驱动620对角驱动的天线的两个组成天线元件。存在各种水平的异相驱动，诸如严格差别驱动631、适度差别驱动633、以及宽松差别驱动635，其能够基于使用情况和天线系统的配置而被实现。因为对驱动信号的评估可以是连续的，所以流程图600示出该流程返回到步骤610。
[0037]同时，如果待发射的信号处于高于低频段的频段中的话，发射机相对于彼此同相地并且可选地以同一幅度驱动640对角驱动的天线的组成天线元件。如同异相驱动的情况一样，存在各种水平的同相驱动，诸如严格共同驱动(例如0±10度)651、适度共同驱动(例如0±50度)653、以及宽松共同驱动(例如0±90度)655，其能够基于使用情况和天线系统的配置而被实现。如果使用无源多频段电路，电路将在低频段提供差别馈送以及在高频段提供共同模式馈送，可能同时且在这两种状态之间没有任何主动切换。可替换地，发射机可以相对于彼此异相地驱动620天线元件。因为(对于相似大小的便携式通信设备)高频段辐射模式自然比低频段辐射模式更加去相关，对角驱动的天线的两个天线元件的馈送信号之间的相位差并不像对于去相关那样关键。在高频段信号被发射之后，流程可以返回到步骤610以便继续评估驱动信号。该流程图600可以被独立地对对角驱动的天线系统中的每一天线实现。
[0038]因此，对角驱动的天线和方法促进了(一个或多个)宽操作频率带宽、高辐射效率、所需的辐射模式特性、以及协作天线之间的低相关性。尽管高频段天线信号自然去相关，但低频段天线信号被差别地馈送以帮助天线系统的天线之间的去相关。
[0039]尽管本公开包括了现在被认为的、以建立发明人对其的所有权并使得本领域普通技术人员能够做出并使用本发明的方式描述的本发明的实施例和最佳模式，应该理解的是，存在这里所公开的实施例的许多等同，并且应理解，在不背离本发明的范围和精神的情况下，可能做出修改和变形，本发明的范围和精神不是由实施例所限定的，而是由所附权利要求限定的，并且包括在本申请审批期间所做出的任何修改以及所公布的权利要求的所有等同。因此，说明书和附图被视为说明性的而不是限制性意味的，所有这样的修改都意图被包括在本教导的范围之内。
[0040]进一步应理解的是，关系术语的使用，诸如第一和第二、顶和底等，如果有的话，只是被用来区分一个实体、物品或动作与另一个实体、物品或动作，而没有必要要求或暗示这些实体、物品或动作之间的任何实际这样的关系或者次序。某些发明功能和某些发明原理是通过或在软件程序或指令中来最好地实现的。期望的是，本领域普通技术人员，尽管由例如可用时间、当前技术和经济考量推动可能的显著努力和许多设计选择，当得到这里公开的概念和原理的指导时，将易于以最少的试验而能够生产出这样的软件指令和程序。因此，对这样软件的进一步讨论，如果有的话，将限于致力于缩小和最小化使根据本发明的原理和概念变得混淆的任何风险。
[0041]本领域技术人员应该理解，控制器163、463包括执行计算机程序代码以实现这里所述方法的处理器。实施例包括计算机程序代码，该计算机程序代码包含在诸如软盘、CD-ROM、硬盘或者任何其他计算机可读存储介质的有形媒体中体现的指令，其中，当计算机程序代码被加载到处理器中并由处理器执行时，处理器变为用于实践本发明的装置。实施例包括计算机程序代码，例如，存储在存储介质中、加载到计算机中和/或由计算机执行、或者通过诸如通过电线或电缆、通过光纤、或者通过电磁辐射的某些传输介质上传输的，其中，当计算机程序代码被加载到计算机中并由计算机执行时，计算机变为用于实践本发明的装置。当在通用微处理器上实现时，计算机程序代码段配置微处理器以产生特定逻辑电路。
[0042]我们要求保护的是:
【权利要求】
1.一种电子设备,包括: 平面矩形的地平面，所述平面矩形的地平面具有第一角、与所述第一角对角的第二角、与所述第一角相邻的第三角、和与所述第三角对角的第四角； 第一天线，所述第一天线具有位于所述第一角附近的第一天线元件和位于所述第二角附近的第二天线元件； 第二天线，所述第二天线具有位于所述第三角附近的第三天线元件和位于所述第四角附近的第四天线元件；以及 移相器，所述移相器用于相对于所述第二天线元件异相地、差别地驱动所述第一天线元件。
2.根据权利要求1所述的电子设备，进一步包括: 耦合到所述第一天线的发射机， 其中，所述平面矩形的地平面具有主电长度，并且其中，当传输波长约为所述主电长度两倍时，所述移相器相对于所述第二天线元件异相地、差别地驱动所述第一天线元件。
3.根据权利要求1所述的电子设备，进一步包括: 第一接收机，所述第一接收机耦合到所述第一天线。
4.根据权利要求3·所述的电子设备，进一步包括: 第二接收机，所述第二接收机耦合到所述第二天线。
5.根据权利要求1所述的电子设备，进一步包括: 耦合到所述第二天线的发射机。
6.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述第一天线元件包括: 单极结构。
7.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述第二天线元件包括: 倒置F形天线结构。
8.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述第三天线元件包括: 单极结构。
9.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述第一天线元件包括: 平面倒置F形天线结构。
10.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述移相器包括: 平衡-不平衡转换器。
11.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述移相器包括: 传输线。
12.根据权利要求1所述的电子设备，进一步包括: 外部连接器端口，所述外部连接器端口位于所述地平面的边的中点附近。
13.一种用于驱动天线结构的方法，包括: 对于低频段的传输信号，差别地驱动第一天线，所述第一天线具有第一天线元件和第二天线元件，所述第一天线元件位于地平面的第一角附近，所述第二天线元件位于所述地平面的第二角附近，所述第二角在所述地平面上与所述第一角对角； 驱动第二天线，所述第二天线具有第三天线元件和第四天线元件，所述第三天线元件位于所述地平面的第三角附近，所述第三角与所述第一角相邻，所述第四天线元件位于所述地平面的第四角附近，所述第四角在所述地平面上与所述第三角对角。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述差别地驱动第一天线包括: 相对于所述第二天线元件异相地驱动所述第一天线元件。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，相位差为180±90度。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述驱动第二天线包括: 相对于所述第四天线元件异相地驱动所述第三天线元件。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，相位差为180±90度。
18.根据权利要求13所述的方法，进一步包括: 对于处于比所述低频段高的频段的传输信号，共同地驱动所述第一天线。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述驱动第二天线包括: 共同地驱动所述 第二天线。
【文档编号】H01Q9/42GK103548200SQ201280023372
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年4月26日 优先权日:2011年5月13日
【发明者】休·K·史密斯, 埃里克·L·克伦茨, 卡兰·J·胡曼尼, 安德鲁斯·A·叶法诺夫 申请人:摩托罗拉移动有限责任公司