在多个频率区域提供可操作性的集中式无线设备的制造方法
【专利说明】在多个频率区域提供可操作性的集中式无线设备
相关申请的前后参照
[0001]本申请要求优先权来自序列号61/671906，2012年7月16日提交的美国临时专利申请，以及序列号13/803100，2013年3月14日提交的题为“在多个频率区域提供可操作性的集中式天线无线设备”的美国非临时专利申请，其全部内容在此引用参考。
发明领域
[0002]本发明涉及多频带无线设备领域，且通常涉及需要电磁波信号的发送和接收的无线设备。
背景
[0003]无线设备典型地执行一个或更多蜂窝通信标准和/或无线连接标准，每个标准被分配在一个或更多频带，并且所述频带被包含在电磁频谱的一个或更多区域内。
[0004]为了这个目的，所述无线手持或便携设备内的空间通常是专用于一辐射系统的集成。然而该辐射系统预期应当要小以在该设备中占据尽可能少的空间，然后允许实现更小的设备，或用于增加更多的特定设备和功能至该设备。
[0005]这在所述无线设备是一个多功能无线设备的情况下更加重要。共同拥有的专利申请W02008/009391和US2008/0018543描述了一种多功能的无线设备。所述申请号W02008/009391和US2008/0018543的全部公开内容在此引用参考。
[0006]典型的无线设备必须包括一个能在一个或更多频率区域具有良好的无线电-电气性能(例如在输入阻抗水平，阻抗带宽，增益，效率，或辐射模式方面)下工作的辐射系统。此外，在数个频率区域操作的可能性允许全球连接，连接的速度增加，或多种功能。
[0007]对于一个良好的无线连接，进一步要求高增益和效率。用于辐射系统的其他更常用的设计要求是电压驻波比(VSWR)，其应该是大约50欧姆的阻抗。用于无线手持或便携设备的辐射系统的其它要求是低成本和一低的特定吸收率(SAR)。
[0008]用于无线设备的辐射系统通常包括一辐射结构，其包括一天线元件和与其结合工作的接地平面层，以提供在电磁频谱的一个或更多频率区域所确定的无线电-电气性能。这在图1中示出，其中示出了一辐射结构100包括一天线元件101和一接地平面层102。典型地，该天线元件具有一个接近于在辐射结构工作频率的四分之一波长的整数倍的尺寸，使得天线元件谐振在所述频率下且一辐射模式被激发至所述天线元件。
[0009]在无线设备中相关于天线元件的一个问题是专用于这种集成式的体积随着对无线设备新的更小的和/或更薄的形态因子的出现且在一同一无线设备中不同功能的越来越集中而不断收缩。
[0010]一些关于小型化和/或优化天线元件的多波段特性的技术在现有技术中已有描述。然而，其中所描述的该辐射结构仍然依赖于在天线元件上激发的辐射模式。
[0011]例如，共同拥有的共同待决的专利申请US2007/0152886描述了基于空间填充曲线几何学的天线的一新系列。而且，共同拥有的共同待决的专利申请US2008/0042909涉及了天线的一新系列，被称为多级天线，通过类似几何元件的一电磁分组而形成。前述的申请号US2007/0152886和US2008/0042909的全部公开内容在此引用参考。
[0012]一些其他的尝试都集中于天线元件不要求复杂的几何形状，同时仍然通过使用一天线元件，其在无线设备操作的一个或更多频率范围内不谐振，提供一定程度的小型化。
[0013]例如，W02007/128340公开了一种无线便携设备，包括一非谐振天线元件，用于接收广播信号(诸如，例如，DVB-H，DMB, T-DMB或FM)。该无线便携设备还包括用于结合所述天线元件的接地平面层。虽然该天线元件具有一高于所述无线设备操作的频率范围的第一谐振频率，该天线元件仍然具有无线设备的辐射过程和电磁性能的主要责任。这从在接地平面层上无辐射模式可被激发这一事实清楚地表明，因为该接地平面层在工作频率下电短路(即，其尺寸比波长小得多)。
[0014]在这样的限制下，虽然无线便携式设备的性能可能足以用于接收电磁波信号(诸如一广播服务的那些)，对于也需要电磁波信号传输的蜂窝通信标准该天线元件可能无法提供一足够的性能(例如，在输入回波损耗或增益方面)。
[0015]共同拥有的专利申请W02008/119699描述了包括能够在两个频率区域运行的一辐射系统的一无线手持或便携设备。该辐射系统包括具有在所述两个频率区域以外的一谐振频率的天线元件，以及一接地平面层。在该无线设备中，该接地平面层有助于提高两个频率区域中操作的辐射系统的电磁性能，但仍然需要激发天线元件上的一辐射模式。事实上，该辐射系统依赖于天线元件的一谐振频率和接地平面层的一谐振频率之间的关系，以便使得该辐射系统在所述两个频率区域内正常操作。
[0016]上述申请号TO2008/119699的全部公开内容在此引用参考。
[0017]一些关于提高天线元件的特性的进一步的技术涉及优化与所述天线元件相关联的一接地平面层的几何形状。例如，共同拥有的共同待决的专利申请US12/033446描述了基于多级结构和/或空间填充曲线几何学的接地平面层的一新系列。上述申请号US12/033446的全部公开内容在此引用参考。
[0018]为了尽可能减少无线手持或便携设备占用的体积，在手机天线设计中最近的趋势为倾向通过使用非谐振元件最大化接地平面对辐射过程的贡献。
[0019]共同拥有的专利申请，W02010/015365和TO2010/015364，其全部公开内容在此引用参考，旨在解决一些上述的缺点。换句话说，他们描述了一无线手持或便携设备包括了一辐射系统其包括了一辐射结构和一射频系统。该辐射结构是由一接地平面层和至少一个辐射增强器构成。该辐射增强器在任何频率区域操作中是不谐振的，因此一射频系统在期望操作的频带中被用于对该辐射结构正确地匹配。
[0020]更具体地说，在W02010/015364中的每个辐射增强器的目的是用于提供特定频率区域中的操作。因此，该射频系统被设计成这样一种方式，与第一辐射增强器相关联的第一内部端口同与一第二辐射增强器相关联的第二内部端口高度隔离，由于在该辐射结构的内部端口之间的就波长而言的距离，因此，即在该辐射增强器之间。
[0021]另一技术被美国专利7，274，340公开，其示出了基于使用两个非谐振元件通过加入两个匹配网络系统提供阻抗匹配的一辐射系统。该两个非谐振元件被布置为这样一种方式其提供与该接地平面的耦合。尽管使用了两个非谐振元件，用于低频带的元件的尺寸是显著巨大的，为低频带的最低频率的自由空间波长的1/9.3倍。由于这样的尺寸，低频带的元件当处于高频带时将会是一谐振元件。低频带元件的尺寸不期望于贡献增加由天线模块所需的印刷电路板(PCB)空间。事实上，这样的辐射系统仍然大约是一手机内部的一常规内部天线的尺寸，因此整体辐射系统相较于现有的选择解决方案没有提供一显著的空间优势。
[0022]因此，一无线设备不需要一大的天线元件并且只需要在PCB中的一最小面积将会是有利的，因为这将易于在无线设备内集成辐射结构。
[0023]一无线设备，其包括一(或多个)辐射增强器的集中式配置，但该无线设备在电磁频谱的两个或更多频率区域中设置有一足够的无线电-电气性能将会是一个有利的解决方案。这个问题由根据本发明的集中式无线设备所解决。
内容
[0024]本发明的一个目的是提供一无线设备(诸如例如但不限于一移动电话、一智能电话、一平板电脑、一电子书、一导航仪设备、一 PDA、一 MP3播放器、一便携式视频播放器、一手机、一 USB电子狗、一笔记本电脑、一上网本、一游戏设备、一照相机、一 PCMCIA，或通常的一多功能无线设备)，其在所期望的频带操作。这样的一无线设备设置有一集中式配置(以下称为一集中式无线设备)且运行在具有改进的无线电-电气性能的电磁频谱的两个或更多频率区域中，增加了集中式无线设备相邻组件的鲁棒性，降低了集中式无线设备的辐射系统所需的面积，以及增加了在印刷电路板(PCB)上集成其它组件和走线的灵活性。
[0025]本发明的另一目的涉及一方法，使得集中式无线设备的操作在具有改进的无线电-电气性能的电磁频谱的两个或更多频率区域中设置有一集中式配置，增加了集中式无线设备相邻组件的鲁棒性，降低了集中式无线设备的辐射系统所需的面积，以及增加了在印刷电路板(PCB)上集成其它组件和走线的灵活性。
[0026]本发明的一个方面涉及使用该辐射结构的接地平面层作为一有效的辐射器以在该集中式无线设备操作的两个或更多频率区域中提供一增强的无线电-电气性能，从而消除对一天线元件的需求，特别是对一宽频带天线元件的需求。该接地平面层的不同辐射模式可以被有利地激发，其取决于该接地平面层的尺寸。
[0027]因此，一不需要大的天线元件的无线设备将是有利的，因为这将易于在无线设备内集成辐射结构。释放由于不存在大的天线元件的体积将使得更小和/或更薄的设备成为可能，或者甚至采用全新的形态因子(例如弹性的，超薄的，可拉伸的和/或可折叠的设备)其由于大天线元件的存在现今是不可行的。此外，通过消除需要精确定制的元件，以获得一标准解决方案其只需要在不同的无线设备中实施较小的调整。通过使用一标准增强器跨接多个移动设备平台使得能够降低整体设备的成本，同时加快了设计过程从而降低了上市时间。
[0028]根据本发明设置有一集中式解决方案的一集中式无线设备是有利的，因为它减少了所需要的面积并且它可以增加在所述无线设备的PCB上布置元件的灵活性。即，由于在一小范围内增强器的集中，更多的空间变得可以用来集成该无线设备的其它组件例如显示器和电池。此外，通过实现一集中式配置，其集成在一无线设备中得以简化，由于仅仅该无线设备体积的一小部分被需求用来加载该集中式配置。
[0029]根据本发明的集中式无线设备执行两个，三个，四个或更多蜂窝通信标准(例如 LTE700、GSM850、GSM 900、GSM 1800、GSM 1900、UMTS、HSDPA、CDMA、W-CDMA CDMA2000、TD-SCDMA, LTE2300、LTE2500 等)，无线连接标准(例如 WiF1、IEEE 802.11 标准、蓝牙、ZigBee, UffB, WiMAX、WiBro,或其它高速标准)，和/或广播标准(例如FM、DAB、，XDARS,SDARS, DVB-H、DMB、T-DMB,或其它相关的数字或模拟视频和/或音频标准)，每个标准被分配在一个或更多频带，并且所述频带被包含在电磁频谱的两个、三个或更多频率区域内。
[0030]在本文件的上下文中，一频带是指使用一特定的蜂窝通信标准、一无线连接标准或一广播标准的频率的一范围；同时一频率区域是指电磁频谱的连续频率。例如，GSM1800标准被分配在一频带从1710MHz至1880MHz，而GSM1900标准被分配在一频带从1850MHz至1990MHZ。一无线设备执行该GSM1800和GSM1900标准必须具有在从1710MHz至1990MHZ的一频率区域内能够工作的一辐射系统。作为另一实例，一无线设备执行GSM1800标准和UMTS标准(被分配的频带从1920MHz至2170MHz)，必须具有在两个单独的频率区域内能够工作的一福射系统。
[0031]根据本发明的一集中式无线设备可以具有一直板形状，这意味着它的配置是通过一单一主体给予的。它也可以具有一两体配置，诸如一翻盖、翻盖式、旋转式或滑动结构。在另一些情况下，该设备可以具有包括三个或更多主体的一配置。它可以进一步或另外具有一扭转配置，其中一主体部分(例如，具有一屏幕)可以被扭转(即，围绕其最好是不平行的两个或更多轴旋转)。另外，本发明使得彻底全新的形态因子，例如用于由弹性的、可拉伸的和/或可折叠的材料制成的设备，成为可能。
[0032]根据本发明，该集中式无线设备的通信模块包括在电磁频谱的至少两个频率区域中能够发射和接收电磁波信号的一辐射系统:第一频率区域和第二频率区域，其中优选地该第一频率区域的最高频率低于该第二频率区域的最低频率。所述辐射系统包括一辐射结构，该辐射结构包括:能够支持至少一种辐射模式的至少一个接地平面层，该至少一个接地平面层包括至少一个连接点；至少一个辐射增强器从/向该至少一个接地平面层耦合电磁能量，该/每个辐射增强器包括一连接点；以及至少一个内部端口。该/每个内部端口被限定在该/每个辐射增强器的连接点与该至少一个接地平面层的至少一个连接点其中之一之间。该集中式无线设备的辐射系统进一步包括一射频系统，和至少一个外部端口。
[0033]本发明的辐射系统的一个主要特点是，在至少两个频率区域的操作中的操作是由一个辐射增强器，或者由至少两个辐射增强器，或者由至少一个辐射增强器以及至少一个天线元件实现的，在所有的情况下占据该接地平面层的一小部分面积。所述射频系统包括至少一个端口连接至每个该辐射结构的至少一个内部端口(即尽可能多的端口作为该辐射结构的内部端口)，以及至少另一个端口连接至该辐射系统的至少一个外部端口。所述射频系统修正该辐射结构的阻抗，在该辐射系统的工作的至少两个频率区域中向该辐射系统提供阻抗匹配。
[0034]在本文中，该辐射结构的一端口被称为一内部端口 ；而该辐射系统的一端口被称为一外部端口。在这样的背景下，术语“内部”和“外部”当指代一端口时被简单地用于区分该辐射结构的一端口与该辐射系统的一端口，并且不携带是否一端口是从外部访问与否的含义。
[0035]该接地平面层可以基本上被塑形为矩形、正方形、三角形、圆形，或类似。它也可以具有一个以上的被布置在不同的位置的主体，如在一翻盖或笔记本配置中，或者其可以包括多于一层如在一多层PCB中。
[0036]—接地平面矩形被定义为包括该辐射结构的接地平面层的最小尺寸的矩形。即，该接地平面矩形是其边与所述接地平面层的至少一个点相切的一矩形。
[0037]在一些情况下，该接地平面矩形的一边，优选该接地平面矩形的一长边，与相应于第一频率区域的最低频率的自由空间波长之间的比率，优势地大于一最低比率。一些可能的最小比率为0.1,0.16，0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.8，1，1.2和1.4。所述比率另外可以是小于最大比例(即，所述比率可以是大于一最小比率而小于一最大比率)。一些可能的最大比率为 0.4,0.5,0.6,0.8，1，1.2，1.4，1.6，2，3，4，5，或 10。
[0038]根据本发明，设置该接地平面矩形的一尺寸，优选其长边的尺寸，相对于在这些范围内的所述自由空间波长，使得该接地平面层能够用来支持一个，两个，三个或更多有效辐射模式，其中，在该接地平面层上流动的电流基本被调整且对辐射过程以相位贡献。
[0039]该/每个辐射增强器在发射中优势地从该射频系统中耦合电磁能量至该接地平面层，且在接收中从该接地平面层至该射频系统。从而，该辐射增强器增强电磁辐射