多输出天线的制作方法
【专利摘要】公开了一种可重构多输出天线（16），包括：一个或更多个辐射元件（12,14）；经由例如分离器（30，32）或双工器耦接至所述辐射元件（12,14）或每个辐射元件（12,14）的至少两个匹配电路（42,44,50,52）；其中，每个匹配电路（42,44,50,52）与被设置成驱动分离的共振频率的分离的端口（38，40，46，48）相关联，使得所述辐射元件（12,14）或每个辐射元件（12,14）可操作用于同时提供多个输出。每个输出的共振频率能够由每个匹配电路独立控制，端口彼此具有良好隔离，从而以同时的多个独立输出操作提供非常宽的操作频率范围。还描述了一种天线结构、一种天线接口模块以及一种用于耦接至一个或更多个辐射元件的多输出天线控制模块。公开了一种可重构多输出天线，包括：一个或更多个辐射。
【专利说明】多输出天线
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多输出天线。特别地但非排他性地，本发明涉及在诸如移动电话、膝上型电脑、个人数字助理(PDA)或无线电设备的便携式电子设备中使用的多输出天线。
【背景技术】
[0002]随着对高度移动性环境中连接性的增长的需求，正推出更多的标准和服务(例如DVB-H、RFID、RDF、UWB、LTE等)。为此，一些人相信未来的移动终端将需要并入多于20个的分离的天线。因此，对于移动终端设计者而言，将所有这些天线安装在手持机中可用的小量空间内将具有挑战性。
[0003]存在将有助于减轻此问题的、关于可重构天线设计的许多提议。特别地，本 申请人:已经设计出在W02011/048357中描述的可重构天线，其具有极宽的调谐范围。然而，该天线仅能够同时访问两种服务。例如，该天线能够仅支持DVB-H (470MHz )和GSM (900MHz )信号或 DVB-H (470MHz)和 WiFi (2400MHz)信号或 GSM (900MHz)和 GPS (1500MHz)信号，但是该天线不能如由可能需要同时访问GSM、GPS和WiFi的当前移动设备所需要的那样同时支持这些服务中的多于两种的服务。进一步，该特定天线未必适合将需要多分辨率频谱感测的未来的认知无线电系统。
[0004]如果未来需要多服务或多频谱感测，则一种解决方案将是使用更多的可重构天线。然而，如上提及的，在小型设备中设置多个天线是不可行的，因此系统设计者仍然需要解决关于小量可用空间的问题以提供这样的服务。
[0005]因此，本发明的目的在于提供有助于解决以上提及的问题的多输出天线。
【发明内容】
[0006]根据本发明的第一方面，提供了一种多输出天线，包括:一个或更多个辐射元件；耦接至所述辐射元件或每个辐射元件的至少两个匹配电路；其中，每个匹配电路与被设置成驱动分离的共振频率的分离的端口相关联，使得所述辐射元件或每个辐射元件可操作用于同时提供多个输出。
[0007]根据本发明的第二方面，提供了一种用于耦接至一个或更多个辐射元件的多输出天线控制模块，所述控制模块包括:被设置用于耦接至所述辐射元件或每个辐射元件的至少两个匹配电路；其中，每个匹配电路与被设置成驱动分离的共振频率的分离的端口相关联，使得所述辐射元件或每个辐射元件可操作用于同时提供多个输出。
[0008]因此，本发明的实施方式提供了具有多个匹配电路的天线和/或控制模块，所述多个匹配电路可以被同时操作以提供多个输出。相应地，本发明的单个天线可以模拟来自多个分离的天线的输出，却占用比所述多个分离的天线所需要的空间小的空间。更具体地，本发明的方面允许使用较少的辐射元件，从而还减少了与在分离的的辐射元件被置为邻近时对其进行耦接相关联的问题。进一步，由于所述匹配电路可以永久地耦接至所述辐射元件使得所述端口可以同时操作，所以本发明的实施方式可以排除对为了选择或隔离特定输出所需的开关或其他复杂电路元件的需要。
[0009]有利地，可以由每个匹配电路独立地控制每个输出的共振频率，端口彼此具有良好的隔离，从而以同时的多个独立输出操作提供非常宽的操作频率范围。因此，多个输出/端口可以具有独立的频率控制(即，当改变端口 I的共振频率时，端口 2的共振频率将不受影响并保持相同)。
[0010]根据以上描述，根据本发明的天线是用在如下小型终端中的理想候选:所述小型终端需要同时访问多种服务或需要诸如用于认知无线电系统等的多种搜索功能。
[0011]在一些实施方式中，多输出天线可以是可调谐的(即可调节的或可重构的)，使得每个输出可以以多个不同的操作频率进行操作。
[0012]多输出天线还可以包括辐射底盘，并且所述一个或更多个辐射元件可以被配置成激励所述辐射底盘的多个共振模式以提供所述多个输出。所述底盘可以由基板或印刷电路板(PCB)构成。每个辐射元件的尺寸、形状和位置可以被选择为使所述多个底盘共振模式最优化。
[0013]所述辐射元件或每个辐射元件可以经由分离器电路耦接至所述至少两个匹配电路。因此，所述分离器电路可以用于将辐射元件的单个馈送端口划分成两个(或更多个)端口。应当理解，每个端口可以并入被配置成驱动其自身的操作频率和带宽而不会显著影响与其他端口相关联的任何其他共振频率的独立匹配电路。
[0014]分离器电路可以包括LC电路，该LC电路包括并联连接的并且以T形结连结至单个馈送端口的电容器和电感器。分离器电路的电容器可以与第一端口所关联的第一匹配电路串联连接。分离器电路的电感器可以与第二端口所关联的第二匹配电路串联连接。
[0015]每个匹配电路可重构为使得该匹配电路的相应端口能够将该相应端口的输出调谐成不同频率。匹配电路可以包括一个或更多个电感器或电容器(例如以L-C电路的形式)并且可以包括可变电容器(即变容管)。
[0016]在特定实施方式中，每个匹配电路可以包括与电容器并联连接的第一电感器，该电容器转而与第二电感器串联连接。所述第一电感器可以连接至接地面，并且所述电容器可以是可变的且可以由变容管构成。所述变容管可以具有任何合适的调谐范围，诸如2pF至 IOpF, 0.1pF 至 12pF 或 0.3pF 至 0.8pF。
[0017]在本发明的实施方式中，在分离器电路和/或每个匹配电路中的部件的值可以被选择为使得所述第一端口与所述第二端口不相关但仍然实现每个端口的合理效率。
[0018]在本发明的实施方式中，每个匹配电路可以结构上相同(即具有以相同方式设置的相同部件，然而未必具有相同的值)。应当理解，这样的设置可以提供良好的共振，尽管在一些情况下还可以采用不同的匹配电路。
[0019]在本发明的一些实施方式中，可以设置至少一个替选部件用于包含在匹配电路中。可以设置至少一个开关以使得能够激活至少一个替选部件来代替另一部件。在一些实施方式中，所述第一电感器可以选自至少两个可能的电感器，和/或所述第二电感器可以选自至少两个其他可能的电感器。
[0020]应当理解，用于匹配电路的替选部件的设置允许天线配置的更大的灵活性，从而允许天线的调谐范围极大增加。
[0021]在特定实施方式中，可以设置一对辐射元件，所述一对辐射元件中的每一个耦接至两个(或更多个)匹配电路，其转而与两个(或更多个)不同端口相关联，使得天线可操作用于同时提供高达四个(或更多个)输出。因此，2对辐射元件可以提供8个输出，4对辐射元件可以提供16个输出，以此类推。如果多于两个的匹配电路和端口与每个辐射元件相关联，则可以增加输出的数目，这是因为输出的数目由辐射元件的数目乘以每个辐射元件的匹配电路/端口的数目来确定。
[0022]如例如在W02011/048357中描述的，每对辐射元件可以耦接在一起。因此，根据本发明，每对辐射元件可以包括相互耦接的辐射元件，其中每个辐射元件具有被分成两个分离的端口的相关联的馈送端口，并且其中，每个端口设置有分离的阻抗匹配电路，该分离的阻抗匹配电路被配置成用于对与每个辐射元件相关联的两个不同输出之一进行独立调谐。每个辐射元件还可以被设置用于如下状态中的每个状态中的选择操作:驱动状态、浮动状态或接地状态。
[0023]至少一个所述辐射元件可以由非共振共振器构成。在特定实施方式中，采用两个非共振共振器。可以配置每个辐射元件在频率的宽带和/或窄带范围上进行操作。在特定实施方式中，每个阻抗匹配电路可以包括宽带调谐电路和窄带调谐电路。
[0024]在一个实施方式中，天线设置在基板(例如底盘)上，该基板在其第一侧上印刷有接地面。第一辐射元件可以设置在基板的与第一侧相对的第二侧上，并且横向与所述接地面间隔开。第一辐射元件可以由金属贴片构成，该金属贴片可以为平面的或为其他形式。在【具体实施方式】中，第一辐射元件可以由具有平面部分和与接地面正交的部分的L形金属贴片构成。所述正交部分可以从所述平面部分的、离接地面最远的边缘延伸，使得所述正交部分与所述接地面间隔开所谓的第一间隙。
[0025]第二辐射元件可以由金属贴片构成，该金属贴片可以为平面的或为其他形式。在特定实施方式中，第二辐射元件由与接地面正交的平面金属贴片构成。第二辐射元件可以位于接地面与第一辐射元件的正交部分之间(即位于第一间隙内)。接地面与第二辐射元件之间的距离将形成所谓的第二间隙。应当理解，在该实施方式中，第二辐射元件与第一辐射元件的正交部分之间的距离将确定它们之间的互耦量。因此全文通篇将该距离称为互间隙。
[0026]每个辐射元件的形状没有特别限制，并且可以为例如正方形、矩形、三角形、圆形、椭圆形、圆环形、梯形、星形或不规则形状。另外，每个辐射元件可以包括至少一个凹口或断口(cut-out)。应当理解，每个辐射元件的形状和配置将取决于关于所关注的应用的天线的期望特性。
[0027]相似地，接地面的尺寸和形状可以变化以提供所有操作模式的最佳特性。相应地，第一接地面可以例如为正方形、矩形、三角形、圆形、椭圆形、圆环形、梯形、星形或不规则形状。另外，接地面可以包括至少一个凹口或断口。
[0028]每个端口可以连接至控制系统，该控制系统包括用于选择相关联输出的操作状态的控制装置。该控制系统可以包括选择性地被配置成允许输出浮动、连接至接地面或由其相关联的阻抗匹配电路驱动的开关。
[0029]在以上实施方式中，第一馈送端口可以设置在第一辐射元件与第一分离器电路之间，并且第二馈送端口可以设置在第二辐射元件与第二分离器电路之间。
[0030]第一馈送端口可以位于辐射元件的中心或偏离中心(B卩，距辐射元件的一侧比另一侧近)。
[0031]在【具体实施方式】中，第一馈送端口可以位于沿第一辐射元件长度的距离的约三分之一处。其有利之处在于:这使得沿接地面生成非对称电流，从而支持许多不同共振。这还使得第一辐射元件能够生成更多的共振，这是因为第一辐射元件在每个方向上具有不同的电气长度。此外，将第一馈送端口定位成偏离中心允许更大空间用于要被定位成靠近第一辐射元件的第二辐射元件，这转而导致两个辐射元件之间的更好的耦合。
[0032]第一馈送端口可以沿接地面的边缘连接至接地面。第一馈送端口可以连接在所述边缘的中心处或者连接在或朝向所述边缘的一侧。使第一馈送端口连接在接地面的一侧允许第二辐射元件充分使用接地面的宽度。然而，这也会导致辐射元件与接地面之间的不同的耦合效率。
[0033]在一些实施方式中，将第二馈送端口放置成接近第一馈送端口。这使得每个馈送端口能够独立操作(接通)，或作为相邻馈送端口的驱动器(接地)，或电气断开(断开)。因此，可以通过选择与每个辐射元件相关的不同操作模式来动态调谐每个辐射元件的操作频率。下表提供了基于选择第一馈送端口(馈送端口 I)和第二馈送端口(馈送端口 2)的以上状态的组合的一些可能的操作状态。
[0034]
【权利要求】
1.一种多输出天线，包括: 一个或更多个辐射元件； 耦接至所述辐射元件或每个辐射元件的至少两个匹配电路；以及 其中，每个匹配电路与被设置成驱动分离的共振频率的分离的端口相关联，使得所述辐射元件或每个辐射元件可操作用于同时提供多个输出。
2.一种用于耦接至一个或更多个辐射元件的多输出天线控制模块，所述控制模块包括: 被设置用于耦接至所述辐射元件或每个辐射元件的至少两个匹配电路；以及 其中，每个匹配电路与被设置成驱动分离的共振频率的分离的端口相关联，使得所述辐射元件或每个辐射元件可操作用于同时提供多个输出。
3.根据权利要求1所述的多输出天线或根据权利要求2所述的控制模块被配置成可调谐的，使得每个输出能够以多个不同的操作频率进行操作。
4.根据权利要求1或3所述的多输出天线或根据权利要求2或3所述的控制模块，其中，所述辐射元件或每个辐射元件经由分离器电路耦接至所述至少两个匹配电路。
5.根据权利要求4所述的多输出天线或控制模块，其中，所述分离器电路用于将被设置用于所述辐射元件或每个辐射元件的单个馈送端口划分成两个或更多个端口。
6.根据权利要求5所述的多输出天线或控制模块，其中，所述分离器电路包括并联连接并经由T形结连结至所述单个馈送端口的电容器和电感器。
7.根据权利要求6所述的多输出天线或控制模块，其中，所述分离器电路的所述电容器与第一端口所关联的第一匹配电路串联连接，并且所述分离器电路的所述电感器与第二端口所关联的第二匹配电路串联连接。
8.根据任一项前述权利要求所述的多输出天线或根据权利要求2至7中任一项所述的控制模块，其中，每个匹配电路可重构为使得它们的相应端口能够将它们的输出调谐成不同频率。
9.根据任一项前述权利要求所述的多输出天线或根据权利要求2至8中任一项所述的控制模块，其中，所述匹配电路包括一个或更多个电感器和可变电容器。
10.根据权利要求9所述的多输出天线或控制模块，其中，每个匹配电路包括与变容管并联连接的第一电感器，所述变容管转而与第二电感器串联连接。
11.根据任一项前述权利要求所述的多输出天线或根据权利要求2至10中任一项所述的控制模块，其中，至少一个替选部件被设置用于选择性地包括在所述匹配电路中。
12.根据任一项前述权利要求所述的多输出天线或根据权利要求2至11中任一项所述的控制模块，其中，多于两个的匹配电路和端口与每个辐射元件相关联。
13.根据任一项前述权利要求所述的多输出天线或根据权利要求2至12中任一项所述的控制模块，其中，所述天线包括一对辐射元件，所述一对辐射元件中的每个辐射元件耦接至两个匹配电路，所述两个匹配电路转而与两个不同端口相关联，使得所述天线可操作用于同时提供高达4个输出。
14.根据权利要求13所述的多输出天线或控制模块，其中，所述辐射元件对相互耦接并且所述辐射元件对中的每个辐射元件具有被分成两个分离的端口的相关联的馈送端口，其中，每个端口设置有被配置用于对每个辐射元件所关联的两个不同输出之一进行独立调谐的分离的阻抗匹配电路。
15.根据任一项前述权利要求所述的多输出天线或根据权利要求2至14中任一项所述的控制模块，其中，采用两个非共振辐射元件。
16.根据任一项前述权利要求所述的多输出天线或根据权利要求2至15中任一项所述的控制模块被设置在基板上，所述基板在其第一侧印刷有接地面。
17.根据权利要求16所述的多输出天线或控制模块，其中，第一辐射元件设置在所述基板的与所述第一侧相对的第二侧，并且横向与所述接地面间隔开。
18.根据权利要求17所述的多输出天线或控制模块，其中，所述第一辐射元件由具有平面部分和与所述接地面正交的部分的L形金属贴片构成。
19.根据权利要求18所述的多输出天线或控制模块，其中，所述正交部分从所述平面部分的离所述接地面最远的边缘延伸，使得所述正交部分与所述接地面间隔开所谓的第一间隙。
20.根据权利要求19所述的多输出天线或控制模块，其中，所述第二辐射元件由正交于所述接地面的平面金属贴片构成。
21.根据权利要求20所述的多输出天线或控制模块，其中，所述第二辐射元件位于所述接地面与所述第一辐射元件的所述正交部分之间。
22.根据任一项前述权利要求所述的多输出天线或根据权利要求2至21中任一项所述的控制模块，其中，每个端口连接至包括用于选择相关联的输出的操作状态的控制装置的控制系统。
23.根据权利要求13所述的多输出天线或控制模块，其中，第一馈送端口设置在第一辐射元件与第一分离器电路之间，并且第`二馈送端口设置在第二辐射元件与第二分离器电路之间。
24.根据权利要求23所述的多输出天线或控制模块，其中，所述第一馈送端口位于相对于所述第一辐射元件的偏离中心处。
25.根据权利要求23或24所述的多输出天线或控制模块，其中，所述第二馈送端口被放置成接近所述第一馈送端口。
26.根据权利要求1或3至25中任一项所述的多输出天线，其被配置成用在便携式设备中的底盘天线。
27.一种天线结构，包括至少一个根据权利要求1或3至26中任一项所述的天线和至少一个另外的天线。
28.根据权利要求27所述的天线结构，其中，所述至少一个另外的天线由可重构的平衡天线或非平衡天线构成。
29.根据权利要求27或28所述的天线结构，其中，所述至少一个另外的天线也是根据权利要求1或3至26中任一项所述的天线。
30.根据权利要求27至29中任一项所述的天线结构，其中，每个天线与其他天线以最大可用距离间隔开。
31.根据权利要求30所述的天线结构，其中，第一天线位于所述结构的第一端，并且第二天线位于所述结构的第二端。
32.一种便携式电子设备，包括:根据权利要求1或3至26中任一项所述的多输出天线、根据权利要求2至25中任一项所述的控制模块或根据权利要求27至31中任一项所述的天线结构中的一个或更多个。
33.一种天线接口模块，包括: 根据权利要求1或3至26中任一项所述的多输出天线；以及 自动调谐系统，所述自动调谐系统被配置成将多个输出中的每个调谐成目标操作频率。
34.根据权利要求33所述的天线接口模块，其中，所述自动调谐系统包括耦接至每个匹配电路和/或分离器电路的至少一个变容管。
35.根据权利要求34所述的天线接口模块，其中，所述自动调谐系统被设置成:监视所述目标操作频率的反射信号的功率水平；以及调节所述至少一个变容管的偏置电压以使所反射的信号的功率水平最小。
36.根据权利要求35所述的天线接口模块，其中，所述自动调谐系统包括定向耦合器、功率检测器、模数转换器ADC、微处理器以及至少一个数模转换器DAC。
37.根据权利要求36所述的天线接口模块，其中，所述数模转换器的数目与设置在每个匹配电路和/或分离器电路中的变容管的数目相对应，使得由分离的数模转换器提供每个变容管的偏置电压。
38.根据权利要求2至25中任一项所述的多输出天线控制模块，还包括:上述被配置成将所述多个输出中的每个调谐成目标操作频率的自动调谐系统。
39.一种基本上如参 照附图在以上进行描述的多输出天线。
40.一种基本上如参照附图在以上进行描述的控制模块。
41.一种天线结构，包括:至少一个基本上如参照附图在上文中进行描述的天线和至少一个另外的天线。
42.一种基本上如参照附图在上文中进行描述的天线接口模块。
【文档编号】H01Q5/00GK103765670SQ201280037264
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年7月26日 优先权日:2011年7月26日
【发明者】彼得·哈尔, 胡振华 申请人:伯明翰大学