弯折馈电结构天线系统和方法

专利名称：弯折馈电结构天线系统和方法
弯折馈电结构天线系统和方法技术领域
本发明的各种实施例通常涉及天线系统及其运行方法，特别涉及具有弯折馈电结构的多波段天线系统及其运行方法。 发明背景
许多无线设备包括天线，它们和其它电路一起被印刷或安装在印刷 电路板(PCBs)上。运行时，天线内的电流可以与在PCB上线内的电流 耦合。耦合是电磁设备设计者熟悉的一种现象，它主要涉及电容和电感效 应，而且包括电流和电流之间的电磁能转换。
图8A-C举例说明耦合。如在图8A和8C内，使用平行电流会产生 最大耦合。如果电流是相反方向，电流通常会抵消，至少部分抵消，如果 导线间的间距在大约1/16的波长范围内。另一方面，当间距在大约1/16 的波长范围内时，相同方向上的电流通常将增加。垂直电流通常会产生最 小耦合，如图8B所示。
如上所述，当两个电流耦合时，这两个电流加或减地相互影响，并 且一个电流上的变化通常将导致另一个电流上的变化。因此，当辐射状结 构有一个电流与第二电流耦合时，第二电流上的变化能影响辐射结构的辐 射性能。在其它例子里，特别是当PCB包括容易吸收射频(RF)能量并 转换成热量的材料时，这种耦合可以进一步降低总体系统性能。耦合通常 被设计者看作是一个问题或将要解决的事情。但是，很难消除所有的耦合。发明概述
本发明各种实施例涉及的系统和方法，包括一个将天线元件连接到 信号源的弯折馈电。例如，弯折馈电具有至少一个辐射部分，它与天线元 件内的第一电流通路平行但方向相反。因此，当电流经过弯折馈电和天线 元件内的第一电流通路时，通过与弯折馈电的辐射部分上的电流耦合，第 一电流通路上的电流至少被部分抵消。
除了第一电流通路，各种实施例还包括第二电流通路，它平行于第 一电流通路和弯折馈电的辐射部分，并与辐射部分方向相同。因此，当电 流经过弯折馈电和第二电流通路时，通过耦合增强电流。
在此例子里，第一电流通路上电流的至少部分抵消可以允许第一电 流通路的谐振频率被有效地独立调谐，而与第二电流通路的谐振频率无关。 而且，弯折馈电的辐射部分可以被天线系统使用，以增加一个谐振频率到 其运行波段的频谱内，或它可以被调谐以与第二电流通路的谐振频率匹配， 从而提高第二电流通路的谐振带宽。相应地，各种实施例连接天线元件到 弯折馈电，使得弯折馈电本身成为一个辐射器，并增强整体系统性能。所 以，本发明的各种实施例可以被用来建立或改善多波段天线系统及其运行 方法。
前述已经大致概述了本发明的特征和技术优势，因此可以更好地理 解本发明随后的详细描述。本发明的其它特征和优点也将在以下描述，其 形成本发明的权利要求部分。本领域有经验的技术人员应该理解，披露的 概念和具体实施例可以很容易使用作为修改或设计其它结构的基础，而实 现本发明的相同目的。本领域有经验的技术人员也应该认识到，这种等同 构造并没有偏离附加权利要求内阐述的本发明的精神和范围。本发明的新 颖特征，无论是其构成还是运行方法，及其目的和优点，从以下的描述并 结合附图将更容易被理解。但是，需要特别明白，每个附图仅是用作说明 和描述之用途，而不是意在限制本发明。


为了更全面理解本发明，现结合附图参考以下的描述，其中
图1A到1C是依照本发明一个实施例的典型天线系统的分解图；
图2是依照本发明一个实施例的典型弯折馈电结构；
图3是依照本发明至少一个实施例的典型电流；
图4是依照本发明一个实施例的典型天线系统；
图5是一个关于典型系统的频率响应的曲线图6A是依照本发明一个实施例的典型系统，图6B是在图6A系统 内采用的典型天线元件；
图7是依照本发明一个实施例的典型方法，此方法可以由天线系统 的用户执行；禾Q
图8A-C描述在各种电流之间的耦合。 发明详述
图1A-C是本发明一个实施例典型天线系统100的分解图。天线系 统100包括弯折馈电结构102。弯折馈电结构102提供从一个馈电点到另 一个馈电点的传导通路，如在系统100内，从印刷电路板(PCB) 101的 一个馈电点到天线元件103的馈电点103c。弯折馈电结构102允许馈电点 103c的布置至少一定程度上独立于PCB 101上馈电点的布置。而且,如下 进一步解释，弯折馈电结构102的布置会影响到天线系统100的谐振频率 以及负责那些谐振频率的电流之间的耦合。
天线系统100也包括天线元件103，它通过馈电点103c连接到弯折 馈电结构102。在此例子里，天线元件103是一个"U型"元件，其是三 维形状且不接地。在此例子里，电流通路103b和103a是平行于弯折馈电 结构102的中间部分(辐射部分)。在此例子里，天线元件103的特别形状 具有这样的特质，电流通路103a的电流105与弯折馈电102的电流106 是相反方向，因此从电流107去耦电流105，所以电流通路103b的频率谐 振可以独立于电流通路103a的频率谐振而被调谐。这种特征便于设计小型 多波段或双波段天线系统，将在以下进一步说明。在此例子里，部件104 是天线元件103的一个支撑部件，可以由各种对天线系统100的辐射性能 影响最小的材料制成。为了方便起见，部件104不在图1C内画出。
在此例子里，弯折馈电结构102被放置或印刷在PCB 101上。在此 例子里，弯折馈电结构102是一个梯形形状，以便平行于电流通路103a 和103b。
应该知道，本发明的各种实施例可以被应用在无线设备里，如移动 电话、个人数字助理(PDAs)、移动邮件设备(如Motion公司的 BLACKBERRY )等等。在这些应用里，普遍是天线设备从PCB接收信 号。但是，电路设计者可能设计PCB时并不考虑天线结构的优化，特别是 关于馈电的布置。弯折馈电，如馈电102，允许天线设计者从PCB上的一 个位置路由信号到一个更理想的位置，以馈入到一个或多个天线元件内。 在此例子里，弯折馈电结构102传送来自PCB101上一个位置的信号，在 这个位置上设备设计者放置了一个馈电，传送到天线元件103上的馈电点 103c。
在布置天线馈电时有各种因素起一定作用。例如，馈电位置可以改 变阻抗匹配要求，要求更多或更少匹配组件，以及影响带宽。再者，馈电 位置可以改变电磁场分布，并影响天线如何连接到其它相邻的组件。再进 一步，对不接地的天线元件(如元件103)，馈电位置可以改变频率谐振。 在图1C的例子里，靠近PCB 101的y轴边缘的馈电位置通常会倾向于降 低带宽，因为增加了与其它电子部件的耦合(例如各种未显示的组件， 如照相机、扬声器、RF模块、电池等等)，但辐射性能通常会得以提高。 相反地，沿着y轴移动馈电位置远离PCB 101的边缘将倾向于提高带宽， 同时降低辐射性能。沿着x轴移动馈电位置可以改变谐振频率以及转变辐 射场型。
在系统100的实施例里，馈电点103c被放置在沿着y轴的PCB 101 尽头，以便利用增强的辐射性能。弯折馈电结构102允许天线系统100的 设计者将馈电点103c放置在PCB 101期望的x-y位置上，而不管PCB设 计者怎样布置馈电。图2是本发明一个实施例的弯折馈电结构102图例。 弯折馈电结构102由于其x轴偏移量可以被称为一个"偏馈结构"。部分 201是平行于电流通路103a和103b的，在以下有时它会被称为弯折馈电 结构102的"辐射部分"。
弯折馈电结构102的梯形形状还有其它优点。例如，在本发明的各 种实施例里，通过改变电流通路105和107 (如图1C)离电流通路106的 距离，设计者可以控制发生在辐射部分201和天线结构103之间的耦合量。 天线结构103和辐射部分201之间更短的距离会导致更多耦合；更长距离 导致更少耦合。
参照图1C，天线元件103是一个U型天线；但是，天线元件103 可以是允许馈电线102的辐射部分201 (图2)向外辐射的任何三维天线。 而且，虽然天线元件103包括两个电流通路103a和103b，但是其它实施 例可以包括多于两个电流通路。例如，其它实施例可以包括三个或四个电 流通路，且运行原理大体与图1A-C例子里的相同。
图3是本发明至少一个实施例的典型电流105-107的图例。在此例 子里，电流105被馈电电流106部分抵消，因为它们是相反的方向。因此， 部分301是电流通路103a (如图1C)的主要辐射部分，尽管谐振频率是 由或至少部分由通路103a的总长度确定。部分抵消也意味着电流通路103a 的谐振频率可以被实质上独立调谐，与电流通路103b (图1C)的频率谐 振无关，因为电流通路103a和103b上的电流是有效解耦的。在此上下文 里的"实质上独立"意味着频率可以在5-10%内被调谐，而不会影响电流 通路103b的辐射性能或带宽。至于电流通路103b和电流107，由于电流 107与馈电电流106是相同方向，在这两者之间有一个加法耦合。
通过调谐辐射部分201的谐振，这种现象可以被用来提高天线元件 103的带宽，归因于电流通路103b，因此它实质上与电流通路103b的谐振 匹配(例如，谐振频率处于各自5-15%的范围内)，从而提高电流通路103b 的带宽，以便可能包括整个已建立的通信波段或另外已建立的通信波段。 例如，在一个例子里，电流通路103b可运行提供全球移动通信系统(GSM) 1800通信波段(4.710 GHz — 1.785 GHz和1.805 GHz — 1.880 GHz)的辐 射性能。但是，通过适当调谐弯折馈电线102的辐射部分和/或电流通路 103b，可以改善性能以至还包括GSM 1900 (4.850 GHz — 1.910 GHz禾口 1.930 GHz-1.990 GHz)，从而提供双波段覆盖。可选地，通过不匹配电流通路103b和201的频率，电流通路201的谐振频率可以被使用作为天线系 统的额外谐振频率。
图4是本发明一个实施例的典型系统400。系统400类似于系统100 (图1)，并提供各种组件的尺寸。系统400可以被应用在这样一个系统里， 此系统可运行以在GSM 900(^90 MHz - 915 MHz和935 MHz - 960 MHz) 和GSM 1800波段上进行通信。实际上，系统400可以被包含在一个 37mmx65mmx5mm总体积的封装内，包括PCB的电磁屏蔽(未显示)。 图5是一个有关系统400频率响应的曲线图，显示在GSM 900和1800波 段上性能。
虽然以上例子描述了一个采用U型平面倒F型天线(PIFA) /单极 天线设计的实施例，本发明的各种实施例可以使用其它类型的设计。图6A 是本发明一个实施例的典型天线系统600图例，图6B是系统600内采用 的天线元件602图例。系统600包括，偏移弯折线馈电601和三维天线元 件602。天线元件602是一个改进的具有多个槽口 (slot)的U型PIFA/单 极天线设计，它包括电流通路603a和603b。虽然天线元件602的设计看 上去不同于系统IOO (图l)的U型设计，系统600利用了馈电线601和 电流通路603a和603b之间的耦合现象，和以上例子一样。
图7描述了本发明一个实施例的可以由天线系统用户执行的典型方 法700，天线系统包括一个具有辐射部分的弯折馈电，以及由弯折馈电馈 入的第一和第二电流通路，其中第一和第二电流通路平行于该辐射部分。 这种天线系统的例子包括图1A-C的系统100和图6的系统600。在步骤 701，使电流经过弯折馈电，因此从至少一部分的弯折馈电发射一个信号。 在歩骤702，使电流经过第一电流通路，与弯折馈电上的电流方向相反， 因此部分抵消第一电流通路上的电流。在步骤703，使电流经过第二电流 通路，与辐射部分上的电流方向相同，因此提高第二电流通路的带宽。在 一个例子里，通过调谐第二电流通路使得其谐振频率实质上与弯折馈电辐 射部分的谐振频率匹配，可以实现步骤703。选择地，步骤703可以包括 从第二电流通路发射至少一个波段，以及从弯折馈电辐射部分发射至少一 个其它波段，而并不提高归因于第二电流通路的带宽。尽管701-703被称为"步骤"，并不要求它们按照顺序被执行。实际上，701-703可以被同时 执行。
在使用弯折馈电的传统天线系统里，实际上，经常是弯折馈电远远 小于波长，并没有产生一个向外辐射的谐振。事实上，弯折馈电经常被使 用作为一个阻抗匹配组件，以匹配天线到其信号馈电。在本发明的实施例 里，如果由弯折结构提供的阻抗匹配不够，通过使用一个在PCB馈电和天 线馈电之间串联的电感器，可以实现阻抗匹配功能。
其它传统系统可以使用弯折结构作为天线本身。例如， 一些系统可 以将馈电线制作在螺旋型天线内。但是，这种天线倾向于仅是单波段结构， 因为，尤其是PCB上信号的负耦合，很难建立一个多波段弯折馈电天线元 件。因此，纯弯折天线通常不用在移动电话或其它无线设备内。
另一种在传统系统内使用的弯折结构已经作为电容弯折馈电、或寄 生元件。电容弯折馈电可能通常被描述作为一个弯折馈电，其被强耦合到 一个天线元件，使得天线向外辐射，但弯折结构不向外辐射。相反，本发 明的各种实施例允许弯折结构的辐射部分向外辐射。
与传统系统相比，本发明的各种实施例可以包括一个或多个优点。 例如，如上所述，弯折馈电可以允许天线设计者独立地设置天线馈电位置， 与PCB馈电位置无关。再者，在一些实施例里，有可能控制和使用天线系 统和弯折馈电线之间的耦合，以提高天线元件的带宽或建立一个额外谐振 频率。再进一步，去耦一个或多个谐振频率也允许更容易地调谐天线系统。 因此，通过使用这种设计，降低天线和PCB之间的距离是可能的也是可期 望的，从而使整个设备尺寸更趋小型化。
尽管已经详细描述了本发明及其其优点，应该理解，在不偏移由附 加权利要求定义的本发明的精神和范围内，可以对其作出各种变化、替换 或更改。而且，本申请的范围不受制于说明书里描述的过程、机构、制造、 成分、装置、方法和步骤的特定实施例。因为从本发明的披露，本领域有 经验的技术人员将容易明白，依照本发明可以利用目前现有的或以后即将开发的过程、机构、制造、成分、方式、方法或步骤来执行与在此所述的 对应实施例实质上同样的功能并获得实质上相同的结果。所以，附加的权 利要求意在包括这种过程、机构、制造、成分、方式、方法或步骤在其范 围内。
权利要求
1.一种传输和接收系统，包括一个具有第一和第二电流通路的天线元件；和一个连接到所述第一和第二电流通路的弯折馈电线，所述弯折馈电线包括一个平行于所述第一电流通路的辐射部分，其中在所述辐射部分上的电流方向与在所述第一电流通路上的电流方向相反，而其中在所述第二电流通路上的电流方向与在所述辐射部分上的所述电流方向相同。
2. 依照权利要求1所述的系统，其中所述第二电流通路的谐振频率被调 谐，使得辐射部分在所述第二电流通路上产生带宽增加。
3. 依照权利要求1所述的系统，其中所述天线元件是一个三维U型，在 所述U型的底部上有一个馈电位置，其中所述U型的分支是所述第一和第 二电流通路。
4. 依照权利要求1所述的系统，其中所述辐射部分和所述第二电流通路被 间隔以便有相互电磁通信，因此，从所述第二电流通路上的所述电流中将 所述第一电流通路上的所述电流去耦，使得所述第一电流通路的谐振可被 独立调谐，而与所述第二电流通路的谐振无关。
5. 依照权利要求1所述的系统，其中所述天线元件是不接地的。
6. 依照权利要求5所述的系统，其中所述第一和第二电流通路是单极结 构。
7. 依照权利要求1所述的系统，其中所述弯折馈电线是一个在印刷电路板 (PCB)上的导体，所述PCB提供一个接地层。
8. 依照权利要求7所述的系统，其中所述系统被布置在无线手机内。
9. 依照权利要求8所述的系统，其中所述系统被包含在一个平面倒F型 天线(PIFA)装置内，所述PIFA装置包括多个到所述PCB接地层的连接。
10. 依照权利要求7所述的系统，其中在所述天线上的馈电点与所述PCB 上的馈电点偏移至少一个尺寸，其中所述偏移至少一个尺寸定义了所述弯 折馈电线的所述辐射部分。
11. 一种在天线结构内执行的方法，所述天线结构包括 一个具有辐射部分的弯折馈电；由所述弯折馈电馈入的第一和第二电流通路，其中所述第一电流通路平 行于所述辐射部分，本方法包括使电流经过所述弯折馈电，因此从所述弯折馈电的所述辐射部分发 射一个信号；使电流经过所述第一电流通路，与弯折馈电的所述辐射部分上的所 述电流方向相反，从而部分抵消所述第一电流通路上的所述电流，和；使电流经过所述第二电流通路，与弯折馈电的所述辐射部分上的所 述电流方向相同，从而加法耦合所述第二电流通路上的所述电流和弯折馈 电的所述辐射部分上的所述电流。
12. 依照权利要求11所述的方法，还包括调谐所述第二电流通路，使得其谐振实质上与弯折馈电的所述辐射部分 的谐振匹配，因此提高所述第二电流通路的所述谐振的带宽。
13. 依照权利要求11所述的方法，还包括从每个所述第一和第二电流通路 以及弯折馈电的所述辐射部分发射单个波段。
14. 依照权利要求11所述的方法，其中所述第一和第二电流通路被包含在 一个未接地的天线元件内。
15. 依照权利要求14所述的方法，其中所述第一和第二电流通路被包含在 一个天线元件内，该天线元件被布置成一个三维U型，在所述U型的底部 上有一个馈电位置，且其中所述U型的分支是所述第一和第二电流通路。
16. —个天线系统，包括一个连接天线元件到信号源的弯折线，所述天线元件包括平行于所述弯 折线的辐射部分的第一和第二电流通路，所述第一电流通路的方向与所述 辐射部分的方向相反，所述第二电流通路的方向与所述辐射部分的方向相 同；在所述第一电流通路上的电流；在所述第二电流通路上的电流；和在所述弯折线上的电流，被提供给所述天线元件，其中所述第一和第二 电流通路和所述弯折线的所述辐射部分被间隔隔开，使得在所述第一电流 通路上的所述电流和在所述弯折线上的所述电流之间，以及在所述第二电 流通路上的所述电流和在所述弯折线上的所述电流之间，发生耦合。
17. 依照权利要求16所述的系统，其中所述电流是在700MHz到1.99GHz的频率范围。
18. 依照权利要求16所述的系统，其中所述天线元件是一个三维U型，在 所述U型的底部上有一个馈电位置，且其中所述U型的分支是所述第一和 第二电流通路。
19. 依照权利要求16所述的系统，其中在所述第一电流通路上的所述电流 和在所述弯折线上的所述电流之间的所述耦合导致至少部分抵消所述第一 电流通路上的所述电流。
20. 依照权利要求16所述的系统，其中在所述第二电流通路上的所述电流 和在所述弯折线上的所述电流之间的所述耦合是加法耦合。
21. 依照权利要求16所述的系统，其中所述弯折线是一个印刷电路板 (PCB)上的导体。
22. 依照权利要求16所述的系统，其中所述天线元件上的馈电点与所述 PCB上的馈电点至少偏移一个尺寸，其中所述偏移至少一个尺寸定义所述 弯折线的所述辐射部分。
全文摘要
一种传输和接收系统包括一个具有第一和第二电流通路的天线元件，以及一个被连接到所述第一和第二电流通路的弯折馈电线，弯折馈电线包括一个平行于第一电流通路的辐射部分，其中辐射部分上的电流方向与第一电流通路上的电流方向相反，而其中第二电流通路上的电流方向与所述辐射部分上的电流方向相同。
文档编号H01Q5/02GK101326682SQ200780000625
公开日2008年12月17日 申请日期2007年3月12日 优先权日2006年3月29日
发明者柳江平 申请人:香港应用科技研究院有限公司