多谐振天线结构制造技术

本公开总体上涉及能够进行无线通信的任何设备，例如具有一个或多个天线的移动电话或可穿戴设备。该天线具有带有多个谐振的结构，以利用一个到主无线电系统的馈电连接，从单个天线覆盖所有商业无线通信频段。天线在频段较低部分中存在两个高效且紧密间隔的谐振的情况下可用。这些谐振中的一个能够通过使用附接到辐射器可的变电抗而被实时调节，而另一谐振则是固定的。

Multi-resonant antenna structure

The present disclosure generally relates to any device capable of wireless communication, such as a mobile phone or wearable device with one or more antennas. The antenna has a structure with multiple resonances to cover all commercial wireless communication bands from a single antenna using a feed connection to the main radio system. The antenna can be used in the case of two highly efficient and closely spaced resonances in the lower part of the frequency band. One of these resonances can be adjusted in real time by using a transformer reactance attached to the radiator, while the other is fixed.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多谐振天线结构相关申请的交叉引用本申请要求2016年10月21日提交的美国临时专利申请No.62/410,933的优先权，该临时专利申请的全部内容通过引用明确地并入本文。
技术介绍

本公开的实施例总体上涉及具有一个或更多个天线的任何带有无线调制解调器的设备(以下简称为设备)，例如移动电话或可穿戴设备，其中所述天线用于支持设备与对应无线网络的无线通信。现有技术描述在移动数据设备中使用的天线必须覆盖大范围的频率。天线效率取决于天线尺寸和瞬时工作带宽。天线效率随着工作带宽增大而减小。天线效率随着天线尺寸减小而减小。现代移动通信系统中通常的工作频率分为三个频率范围。这些频率范围由当地主管部门(例如美国的FCC)和当地网络服务提供商确定：低频段——698MHz到960MHz；中频段——1710MHz到2710MHz；以及，高频段——2300MHz到2700MHz。目前对于移动通信还正在考虑在低频端的600MHz和在高频端的直至5600MHz的额外频率扩展。频率范围的扩大加重问题。在移动通信设备中使用的通常的天线结构(像平面倒F天线(PIFA)、单极或环形天线)具有大约10％的工作带宽。这指的是它们以可用效率覆盖大约10％的频率带宽。例如，以850MHz中心频率工作的天线将具有大约85MHz的可用工作带宽。如以下表I所示，完全覆盖任何目标频段所需的带宽超过10％带宽。表I频段描述频率覆盖％带宽低频段698到960MHz约32％中频段1710MHz到2710MHz约24％高频段2300MHz到2700MHz约16％除了带宽，天线的尺寸也影响可用效率。对于高效率的谐振，天线结构必须能够在目标频率处支持1/2波长的电流和电压分布。对于较高的频率，设备具有足够的尺寸以支持1/2波长电流模式。在较低的频率下，波长更长，设备对于支持1/2波长电流模式不够大。这样的影响是更低的效率。总而言之，在低频率下，天线性能因为两个因素而受损：1)需要覆盖比10％带宽大得多的带宽；和2)天线在波长方面变小。载波聚合是先进LTE(LTEAdvanced)的一个重要特征。载波聚合允许网络运营商组合不同频段的频道以增大在给定时刻提供给单个用户的可用带宽。在载波聚合中可使用大量的可行频段组合。组合中的许多包括来自频谱不同位置的频率。例如，组合低频段频道和中频段频道或高频段频段。一些组合组合了来自不同频段的频道，但使得单个天线谐振能够覆盖两者的目标频段。一个例子是两个相距紧密的中频段频道。从天线性能视角而言，这些组合不具有挑战性。但是，从天线性能视角而言，组合来自相邻低频段的两个频道的频段组合非常具有挑战性。主要原因在于，与整个设备相比，低频段谐振器通常非常大。经常难以使得单个辐射器良好地工作，更不要说两个低频段辐射器。因为这个原因，不认为载波聚合中的低频段-低频段频率组合是实用的。对于带宽、效率、尺寸折中的一个常见解决方案是设计可调天线，其将瞬时带宽限制为约10％，天线设计成在该瞬时带宽上具有好的效率。可以通过给孔径加载可变电抗负载来改变天线的谐振效率，使得它能够在大的频率范围上使用。还可以调节天线阻抗以允许将更大的功率传递到天线终端中。然而，该方法不提供优化的效率，不再进一步说明。图6示出一个多谐振平面倒F天线(PIFA)的典型响应。如图6所示，低频段是698MHz到960MHz，中频段是1710MHz到2170MHz，高频段是2300MHz到2700MHz。设计为具有三个谐振的标准多谐振PIFA会使得每个谐振覆盖所期望的带宽的一部分。图7A和7B示出典型的具有连接到天线的低频段“臂”的可变电容器的多谐振PIFA。在图7A中，设备100包括接地平面702和双谐振天线结构。设备100包括能够用作外部天线的导电框架706(例如金属框架)。天线结构包括每个都耦合到框架706的三个腿部710、712、714。腿部710在馈电点716处耦合到框架706并通过接地平面702耦合到电连接。腿部712耦合接地718。腿部714通过调谐器720耦合到接地平面702。所述结构包括低频段谐振区域722、中频段谐振区域724，和高频段谐振区域726。该实施方式在保持高峰值效率的同时允许在整个目标频率范围上调节天线结构的低频谐振。在图7B中，指示出低频段谐振区域728和中频段/高频段谐振区域730。如图7B所示，低频段谐振区域728比中频段/高频段谐振区域730大得多。调谐器720位于低频段谐振区域728内。图8示出图7A至7B的PIFA的低频段谐振的电压驻波比(VSWR)。随着电容数值从Cmin802增大到Cmax804，天线的谐振频率向下偏移。图9示出电容调谐天线的对应的效率。效率随着电容从Cmin902增大到Cmax904而下降。天线的自然(无负载)响应位于频段的高端处。该处是电容负载最小(Cmin)的位置。随着电容负载增大，天线谐振频率下降。峰值天线效率随着频率减小。该调谐方法的附带结果是天线效率也随着频率降低而下降。效率下降是由于两个因素：1)随着频率减小(波长增大)，天线相对于波长变得“更小”；和2)电容负载增大，以降低谐振频率。组合的效果导致频率从频率范围的高端到频率范围的低端下降2到3dB。该类型可调天线结构具有许多性能益处。通过将天线的瞬时带宽限制为大约10％，能够维持天线效率。通过改变天线谐振，不仅维持了效率，而且还维持了阻抗匹配。这提高了天线馈电端处的功率传递。调谐机构可以单独用于天线的仅一个谐振部分，例如低频段区域，而不影响天线的其它谐振区域。可对天线结构的不同谐振臂应用多个调谐器以独立地调谐每个谐振。以上对于频率范围的低端的效率下降说明了主要缺陷。更高的电容加载导致更低的效率。而且，天线结构上的并联电容仅降低谐振频率。这意味着天线结构无负载的自然谐振必须位于目标频段的高端处。如果天线的自然响应接近目标频段的低端，则加载电容只会将谐振调谐的更低。该设计方法在低频率范围中产生单个窄带高效谐振，因此该设计方法不能在需要来自两个相邻低频段的频道的载波聚合应用中使用。因此，在本领域中，需要在两个相邻低频段中效率高的天线结构。
技术实现思路
本公开总体上涉及具有一个或更多个天线的任何能够无线通信的设备，例如移动电话或可携带设备。该天线具有带有多个谐振的结构，以利用一个到主无线电系统的馈电连接，从单个天线覆盖所有商业无线通信频段。天线在频段的较低部分中存在两个高效且紧密间隔的谐振的情况下可用。这些谐振中的一个能够通过使用附接到辐射器的可变电抗而被实时调节，而另一谐振则是固定的。在一个实施例中，设备1000包括：接地平面1002；天线结构1004，其包括：金属框架1030；耦合到馈电点1016和金属框架1030的第一腿部1006；耦合到接地平面1002和金属框架1030的第二腿部1008；耦合到接地平面1002的第三腿部1010；以及，耦合到第二腿部1008和第三腿部1010的臂1012；以及，耦合到接地平面1002和臂1012的可变电抗器件1024。一种使用设备1000的方法，其中，设备1000包括：接地平面1002；天线结构1024，其包括：金属框架1030；耦合到馈电点1016和金属框架1030的第一腿部1006；耦合到接地平面1002和金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种设备(1000)，包括：接地平面(1002)；天线结构(1004)，其包括：金属框架(1030)；耦合到馈电点(1016)和所述金属框架(1030)的第一腿部(1006)；耦合到所述接地平面(1002)和所述金属框架(1030)的第二腿部(1008)；耦合到所述接地平面(1002)的第三腿部(1010)；以及，耦合到所述第二腿部(1008)和所述第三腿部(1010)的臂(1012)；以及耦合到所述接地平面(1002)和所述臂(1012)的可变电抗器件(1024)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.21 US 62/410,9331.一种设备(1000)，包括：接地平面(1002)；天线结构(1004)，其包括：金属框架(1030)；耦合到馈电点(1016)和所述金属框架(1030)的第一腿部(1006)；耦合到所述接地平面(1002)和所述金属框架(1030)的第二腿部(1008)；耦合到所述接地平面(1002)的第三腿部(1010)；以及，耦合到所述第二腿部(1008)和所述第三腿部(1010)的臂(1012)；以及耦合到所述接地平面(1002)和所述臂(1012)的可变电抗器件(1024)。2.如权利要求1所述的设备，其中，所述可变电抗器件(1024)包括数字可变电容器(400)。3.如权利要求2所述的设备，其中，所述数字可变电容器(400)包括多个MEMS元件(500)。4.如权利要求1所述的设备，其中，所述设备(1000)是移动电话。5.如权利要求1所述的设备，其中，所述金属框架(1030)具有固定的谐振频率。6.如权利要求5所述的设备，其中，所述臂(1012)具有可变的谐振频率。7.如权利要求1所述的设备，其中，所述可变电抗器件(1024)具有0.5pF的电容。8.如权利要求1所述的设备，其中，所述可变电抗器件(1024)的等效串联电...

【专利技术属性】
技术研发人员：小保罗·安东尼·托纳塔，李永重，金学耀，
申请(专利权)人：卡文迪什动力有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US