CN102904003B - 多频带狭槽环路天线设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种多频带狭槽环路天线设备和调谐并利用所述多频带狭槽环路天线设备的方法。在一个实施例中，在手提移动装置(例如，蜂窝式电话或智能手机)内使用天线配置。天线包含两个辐射结构：环形或环路结构，所述环形或环路结构实质上包围装置外壳的外部周边；和调谐结构，所述调谐结构设置于外壳内部。环形结构接地至装置的接地面，以便产生虚拟部分和操作部分。调谐结构与接地面间隔，并且调谐结构包括数个辐射器分支，所述数个辐射器分支影响各个频带中的天线操作；例如，至少一个较低频带和三个较高频带。在一个实施中，使用耦接于装置馈电与辐射器分支之间的电抗匹配电路来影响第二较低频带辐射器。

Description

多频带狭槽环路天线设备和方法
优先权
本申请案主张在2011年7月25日提交的具有相同标题的美国专利申请案第13/190,363号的优先权，所述美国专利申请以引用方式全部并入本文。
技术领域
本发明一般涉及供电子装置(例如，无线装置或便携式无线电装置)使用的天线设备，并且更特定来说在一个示范性方面中涉及多频带狭槽环路或环形天线和调谐并利用所述多频带狭槽环路或环形天线的方法。
背景技术
内部天线为见于大多数现代无线电装置中的元件，所述现代无线电装置例如移动电脑、移动电话、装置、智能手机、个人数字助理(PDAs)或其它个人通信装置(personal communication devices；PCDs)。通常，这些天线包含平坦辐射面和平行于所述平坦辐射面的接地面，所述平坦辐射面和接地面通过短路导体彼此连接，以实现天线的匹配。所述结构配置成使得所述结构充当在期望的操作频率下的谐振器。天线在多于一个频带(例如，双频带、三频带或四频带移动电话)中操作也是常见要求，在这种情况下，使用两个或两个以上谐振器。
在开发用于移动应用的实惠并且功率效率高的显示器技术(例如，液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器、有机发光二极管(organic light emitting diodes；OLED)、薄膜晶体管(thin film transistors；TFT)等)的过程中的新进展导致以大显示器为特征的移动装置大量产生，其中例如移动电话中的屏幕尺寸为89mm至100mm (3.5英寸至4英寸)，并且一些平板电脑中屏幕尺寸为大约180mm(7英寸)。为实现最佳性能，通常使用显示器接地面(或屏蔽)。现代显示器需要这类较大的接地面，然而对于无线天线操作来说，这些较大的接地面不再是最理想的。具体来说，不再是最理想的是基于以下事实：接地面尺寸在用于装置的一或更多个空中接口的天线设计中发挥着十分重要的作用。结果，天线频宽至少在某种程度上由于天线辐射器与大接地面之间的阻抗失配而减少。
此外，目前趋势增加了对于具有较大显示器的较薄移动通信装置的需要，所述较大显示器通常用于用户输入(例如，触摸屏)。这种较大显示器又需要刚性结构来支撑显示器总成，尤其是在触摸屏操作期间支撑，以便使得接口稳固并且耐用，并减轻显示器的移动或偏转。通常利用金属主体或金属框架，以为移动装置中的显示器提供更好的支撑。
使用金属外壳/底架、较大接地面和对较薄装置外壳的需求对射频(RF)天线实施造成新的挑战。典型的天线解决方案(例如，单极天线、PIFA天线)需要离地净高区域和距接地面足够的高度，以便在多个频带中有效地操作(现代便携式装置的典型要求)。这些天线解决方案通常不适用于前述具有金属外壳和/或底架的薄装置，因为分隔辐射器与接地面所需要的垂直距离不再有效。此外，尤其当需要天线在若干频带中操作时，移动装置的金属主体充当RF屏蔽并使天线性能降级。
目前采用各种方法来尝试改善利用金属外壳和/或底架的较薄通信装置中的天线操作(例如，欧洲专利公开号EP1858112B1中描述的狭槽环形天线)。这种实施需要在印刷线路板(printed wired board；PWB)内接近馈电点处以及沿装置的整个高度制造狭槽。对于具有较大显示器的装置来说，最佳天线操作所需要的狭槽位置通常干扰装置用户接口功能(例如，按钮、滚轮等)，因此限制装置布局实施的灵活性。
此外，这种金属外壳必须在PCB两侧具有非常接近于狭槽的开口。为防止在装置内产生射频空腔模式，通常使用金属壁连接开口。所有这些步骤会增加装置复杂性和成本，并阻碍天线与期望操作频带匹配。
另一个现有的实施采用多谐振耦合的馈电天线，所述多谐振耦合的馈电天线包含装配在无线电装置周边周围的金属环辐射元件。在辐射器内(通常在两侧)制造若干狭槽，以便实现多频带天线功能；令人遗憾的是，这种方法增加装置的成本和复杂性。假定装置用户通常通过通信装置的侧面/边缘抓握通信装置，那么这种配置容易受到由于当用户的手触摸狭槽上方的辐射器时所产生的短路造成的天线去谐和通信失效的影响。此外，需要较宽的狭槽(宽度通常为约3mm)来实现期望的低频带(通常700MHz至960MHz)操作，并且较宽的狭槽因此可能对装置的美学吸引力造成不利影响。
因此，极需要用于(例如)便携式无线电装置的无线多频带天线解决方案，所述无线多频带天线解决方案具有较小的形状因子并适合用于装置周边，并且所述无线多频带天线解决方案提供较低的成本和复杂性以及提供天线谐振的经改善控制。
发明内容
本发明通过提供尤其是一种省空间的多频带天线设备和调谐并使用所述多频带天线设备的方法，来满足上文的需要。
在本发明的第一方面中，公开一种移动通信装置。在一个实施例中，装置包含：外壳和电子总成，所述电子总成实质上含于所述外壳中，所述电子总成包含接地面和至少一个馈电口；和多频带天线设备。多频带天线设备包含：第一天线结构，所述第一天线结构包含元件，所述元件设置于实质上外壳的外部周边周围；和第二天线结构，所述第二天线结构包含数个单极辐射器分支。在一个变体中，第一天线结构在至少两个接地点处连接至接地面，从而形成虚拟部分和操作部分，所述操作部分包含设置于接近外壳底侧的元件中的狭槽；所述虚拟部分的外部周边实质上包围接地面；并且操作部分的外部周边设置于接地面外部并实质上包围第二天线结构。
在另一个实施例中，移动装置包含：装置外壳；和天线，所述天线具有实质上外部的辐射器元件，所述辐射器元件具有至少一个狭槽，所述至少一个狭槽相对于外壳设置成以便最小化由于用户在装置使用期间抓握装置造成辐射器元件在狭槽间短路的可能性。
在替代性实施例的一个变体中，辐射器元件包含实质上闭合的环路，并且至少一个狭槽包含单个狭槽，所述单个狭槽设置于实质上装置外壳的底部边缘上，所述底部边缘在装置使用期间未被用户正常地抓取。
在另一个变体中，辐射器元件包含实质上闭合的环路，所述实质上闭合的环路设置于移动装置外壳的顶部边缘、底部边缘和侧面边缘上；且至少一个狭槽包含单个狭槽，所述单个狭槽设置于顶部边缘或底部边缘两者中的任一者处。
在本发明的第二方面中，公开一种多频带天线设备。在一个实施例中，设备经调适以供便携式无线电通信装置使用，并且设备包含：第一天线结构，所述第一天线结构包含元件，所述元件配置成设置于实质上装置外壳的外部周边周围。在一个变体中，第一天线结构在至少两个位置处连接至装置的接地面，从而形成虚拟部分和操作部分；并且所述操作部分包含狭槽，所述狭槽形成于元件中，以便设置为接近外壳底侧。
在另一个变体中，虚拟部分的外部周边实质上包围接地面；并且第二天线结构的外部周边设置于接地面的外部。
在又一个变体中，狭槽经配置以实现至少一个较高频带中的天线谐振。
在本发明的第三方面中，公开一种操作多频带天线设备的方法。在一个实施例中，天线设备供便携式无线电装置使用并具有馈电、环路辐射器元件，所述馈电、环路辐射器元件设置于实质上装置外壳的周边区域周围。环路辐射器元件具有狭槽，所述狭槽设置于实质上外壳的底部边缘处，并且无线电装置的接地面设置于远离环路辐射器元件的底部边缘一定距离处。方法包含以下步骤：用包含较低频率分量和较高频率分量的馈电信号激励馈电；和至少在较高频率下引起环路辐射器元件中的射频振荡。狭槽经配置以实现天线设备在较高频率范围内的调谐。
在本发明的第四方面中，公开一种减轻用户干扰对辐射和接收移动装置的影响的方法。在一个实施例中，移动装置的特征在于优选的用户抓取位置，并且方法包含以下步骤：用包含至少第一频率分量的信号激励环路天线元件；环路辐射器元件设置于实质上装置外壳的周边区域周围，并且在形成于环路天线元件内的狭槽间产生电磁场。狭槽位于相对于优选的抓取位置的远侧，以便减轻由于用户抓取造成的电磁干扰。
在本发明的第五方面中，公开一种调谐多频带天线设备的方法。
将由附图和以下详细描述更显而易见本发明的进一步特征结构、本发明的本质和各种优点。
附图说明
本发明的特征结构、目标和优点将由下文结合诸图阐述的详细描述变得更显而易见，其中：
图1为详细说明环形天线设备的移动装置的侧立视图，所述环形天线设备根据本发明的一个实施例配置并安装于所述移动装置中。
图1A为图示图1的实施例的天线设备的移动装置的俯视图。
图1B为详细说明根据本发明的一个实施例的多频带环形天线调谐配置的方块图。
图1C为详细说明图1的多频带环形天线的电容耦合的方块图。
图2为详细说明根据本发明的一个实施例的多频带匹配电路的示意图。
图3为曲线图：(i)已测量自由空间输入回波损耗；(ii)CTIA v3.1头、右脸颊旁边回波损耗；和(iii)CTIA v3.1头和手、右脸颊旁边回波损耗测量，数据用根据图1A的实施例配置的示范性五频带天线设备获得。
图4为曲线图：(i)已测量总自由空间效率；(ii)CTIA v3.1头、右脸颊旁边的效率；和(iii)CTIA v3.1头和手、右脸颊旁边的效率测量，数据用根据图1A的实施例配置的示范性多频带天线设备获得。
图5为示范性五频带天线设备的已测量自由空间输入回波损耗的曲线图，所述示范性五频带天线设备根据图1A的实施例配置并包含图2的调谐电路。
本文所公开的所有图为Copyright 2011 Pulse Finland Oy版权所有。
具体实施方式
现在参照诸图，其中各处相同元件符号代表相同元件。
如本文所使用的，术语“天线”、“天线系统”、“天线总成”和“多频带天线”是指(但不限于)并入接收/发送和/或传播电磁辐射的一或更多个频带的单个元件、多个元件或一或更多个元件阵列的任何设备或系统。辐射可具有众多类型，例如，微波、毫米波、射频、数字调制、模拟、模拟/数字编码、数字编码的毫米波能量等等。
如本文所使用的，术语“板”和“基板”通常是指(但不限于)任何实质上平坦或弯曲的表面或组件，在所述表面或组件上可设置其它组件。举例来说，基板可包含单层或多层印刷电路板(例如，FR4)、半导体芯片(die)或晶片乃至外壳表面或其它装置组件，并且基板可为实质上刚性的或者至少稍有柔性的。
术语“频率范围”、“频带”和“频域”是指(但不限于)用于通信信号的任何频率范围。这些信号可按照一或更多个标准或无线空中接口通信。
如本文所使用的，术语“便携式装置”、“移动计算装置”、“客户端装置”、“便携式计算装置”和“终端用户装置”包括但不限于个人电脑(PCs)和微型电脑，无论是台式机、笔记本电脑或机顶盒、个人数字助理(PDAs)、手提电脑、个人通信器、平板电脑、便携式导航辅助设备、装有J2ME的装置、蜂窝式电话、智能手机、个人集成通信或娱乐装置或照字面意义能够与网络或另一个装置交换数据的任何其它装置。
此外，如本文所使用的，术语“辐射器”、“辐射面”和“辐射元件”是指(但不限于)可充当系统接收和/或发送射频电磁辐射的部分的元件；例如，天线或所述天线的部分。
术语“RF馈电”、“馈电”、“馈电导体”和“馈电网络”是指(但不限于)任何能量导体和一或更多个耦合元件，所述任何能量导体和一或更多个耦合元件可转移能量、变换阻抗、增强性能特征并使输入/输出RF能量信号之间的阻抗性质符合一或更多个连接元件(例如，辐射器)的阻抗性质。
如本文所使用的，术语“环路”和“环形”通常是指(但不限于)闭合的(或几乎闭合的)路径，不论任何形状或大小或对称性。
如本文所使用的，术语“顶部”、“底部”、“侧面”、“向上”、“向下”、“左”、“右”等等仅仅暗示一个组件对于另一个组件的相对位置或几何结构，并且决不暗示绝对参考坐标或任何需要的方向。举例来说，当组件安装至另一个装置(例如，安装至PCB的下侧)时，组件的“顶部”部分实际上可存在于“底部”部分下方。
如本文所使用的，术语“无线”意味着任何无线信号、数据、通信或其它接口，所述其它接口包括(但不限于)Wi-Fi、蓝牙、3G(例如，3GPP、3GPP2和UMTS)、HSDPA/HSUPA、TDMA、CDMA(例如，IS-95A、WCDMA等)、FHSS、DSSS、GSM、PAN/802.15、WiMAX(802.16)、802.20、窄频带/FDMA、OFDM、PCS/DCS、长期演进(LTE)或先进的LTE(LTE-Advanced；LTE-A)、模拟蜂窝式、CDPD、例如GPS的卫星系统、毫米波或微波系统、光学的、声学的和红外线(即，IrDA)。
概述
在一个显著的方面中，本发明提供供移动无线电装置使用的多频带天线设备。天线设备有利地提供与背景技术解决方案相比较降低的复杂性和成本以及改善的天线性能。在一个实施例中，移动无线电装置包含金属结构(例如，环路或环)，所述金属结构至少部分地环绕装置外壳的外部周边并充当天线辐射元件。在一个实施中“环路”辐射器包含单个较窄狭槽，所述单个较窄狭槽设置成以便最小化由于在使用期间的装置抓握造成辐射器在狭槽上方短路的可能性并改善装置的视觉吸引力。
多频带天线设备的示范性实施例进一步包含调谐电路，所述调谐电路包括多个分支，所述多个分支各自经配置以实现预定频带中的天线调谐。金属环路在多个位置处接地至装置接地面，因此控制天线的电长度。狭槽的大小经选择以最佳化较高操作频带中的天线性能。狭槽位置影响低频带较低频带谐振频率，所述谐振频率配置成存在于远低于用于无线电装置正常操作的天线的最低操作频率。在一种方法中，使用串联在馈电与较低频带谐振电路之间的电感器来调谐天线较低频带操作。
有利的是，耦接至具有本文所公开的示范性天线的电子装置的天线被大大简化，因为仅需要单个馈电连接(虽然不限于单个馈电)。在一个特定实施中，较高频带调谐条电流地连接至环路元件，从而允许调谐最高的较高频带谐振而不改变装置的视觉外观或对装置的视觉外观造成不利影响。
在另一个实施中，调谐元件通过电磁场电容耦合，所述电磁场在调谐条与环路辐射器之间的非导电间隙上方感应。
也公开调谐和操作天线设备的方法。
示范性实施例的详细描述
现在提供各种实施例的详细描述以及本发明的设备和方法的变体。尽管主要在移动装置的背景中论述，但本文论述的各种设备和方法并不限制于此。实际上，本文所述的设备和方法中的许多设备和方法可用于任何数目的复杂天线，无论所述复杂天线与移动装置还是固定装置、蜂窝式或其它类型的装置相关联。
示范性天线设备
现在参照图1至图2，详细描述本发明的无线电天线设备的示范性实施例。供移动无线电装置使用的天线设备的一个示范性实施例呈现于图1中，所述图1图示主机移动装置100的侧立视图。装置100包含显示模块104和相应的接地面106，所述接地面106设置于两个电介质盖102、103中间。在一个变体中，电介质盖103中的一个电介质盖103包含开口，所述开口对应于显示器周边，以便允许(例如)触摸屏或其它交互功能。然而，显示器104可包含(例如)配置成仅显示信息的仅显示装置、允许用户提供通过显示器104输入至装置中的输入的触摸屏显示器(例如，电容性的或其它技术)，或其它技术。显示器104可包含(例如)液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器、LED-LCD显示器、有机发光二极管(OLED)显示器或基于TFT的装置。本领域的技术人员应了解本发明的方法同等地适用于任何未来显示技术，只要显示模块与装置和天线配置(例如，图1至图2中描述的装置和天线配置)大体机械地相容。
金属环路或环110设置于实质上装置外壳的外部周边处，如图1中所示。本实施例的环形结构为装置提供机械刚性、结构完整性并增强美学吸引力。在一个变体(未图示)中，用金属段(例如，环路的部分)替换环110，所述金属段环绕装置周边的部分。
可使用各种适合方法中的任何方法制造图1的环110，所述方法包括(例如)金属铸件、冲压制品、金属条或设置于非导电载体(例如，塑料)上的导电涂层。
图1A为详细说明图1的实施例的示范性天线结构的俯视平面图。环110在多个位置116、117、119处连接至接地面106。此外，环的顶部部分沿顶部周边结构115附接至接地面。
接地点116、接地点117用于天线调谐，并且所述接地点116、接地点117的位置有效地界定环形或环路天线操作部分(即，天线发射/接收RF辐射的部分)的长度。接地点115、接地点119优选为分隔一定距离，所述距离小于天线的四分之一波长(在最高操作频率下)。在一个变体中，接地结构115经配置以覆盖环的上边缘的大部分，如图1A中所示。在另一个变体(未图示)中，接地点115使上部环边缘的部分接地。
环上部部分(即，以接地点116、接地点117、接地点119、接地点115为界限并通过图1A中的虚线矩形112来标记)形成接地(或虚拟)部分。虚拟天线部分配置成处于与接地面的电势相同的电势。这种配置最小化自天线接地部分发射的不需要的天线RF辐射，并进一步降低天线对由于用户在操作期间抓握移动装置造成的短路和负载效应的敏感度。在一个变体中，可通过外壳设计按需要移除上部环部分，以简化总成并降低无线电装置的成本。在另一个变体中，环用以提供装置结构支撑和视觉吸引力。
简要地说，图1至图1A中所示实施例的天线经配置以在低频与高频(相对于彼此)操作范围两者中操作。在一个变体中，低操作频率范围介于约800MHz与约960MHz之间，并且高操作频率范围介于约1700MHz与2200MHz之间。本领域的技术人员将了解，以上频率界限为示范性的，并且以上频率界限可基于具体的设计要求和参数(例如，天线尺寸、装置操作的目标国家等)自一个实施至另一个实施之间变化。通常，操作频率范围中的每一个操作频率范围可支持根据管理有关无线应用系统的规格(例如，LTE/LTE-A或GSM)配置的一或更多个不同的频带。本文关于图1A图示并描述的一个天线实施例可支持一个或两个较低频带(LFB1、LFB2)和至少三个较高频带(UFB1、UFB2、UFB3)。在另一个实施例中，高频操作范围(例如，介于约2500MHz与约2700MHz之间)用以实现第四较高频带(UFB4)中的天线操作。
现在返回图1A，环路或环形结构的底部部分(设置于虚拟部分112下方)形成天线辐射器的操作结构，并在本文被称为环形或环路操作部分。一个接地点116确定操作部分在高频范围内的电长度，而另一个接地点117确定低频范围内的天线电长度。本实施例的环110包含较窄狭槽114，所述较窄狭槽114沿主机装置的底部边缘设置，并且本实施例的环110经配置以实现高频范围内的天线调谐。在一个变体中，狭槽的宽度为约0.8mm，但可取决于期望的性能和物理属性而使用其它值。为了维持装置的美学吸引力并增加外壳的结构完整性，可用电介质材料(例如，塑料)填充狭槽。
此外，本发明预期使用：(i)具有变化或不恒定宽度(即：在整个环厚度上的不同位置处槽宽不同)的狭槽；和(ii)使用两个或两个以上狭槽。
在图1A的实施例中，接地面106距环110的底部边缘间隔规定距离118；例如，约13mm。装置的无接地底部部分108容纳天线调谐结构120。调谐结构120经配置以实现天线在便携式无线电装置100的较低操作频带与较高操作频带中的同时操作。结构120在馈电点138处耦接至馈电电子装置，并且结构120包含若干调谐分支122、124、128、130。
如下实现所示实施例中的天线频率调谐：调谐分支124实现第一较低频带(LFB1)中的天线调谐，所述LFB1对应于天线低频谐振f1。在一个变体中，LFB1包含自824MHz至894MHz的频带，并且f1以约850MHz为中心(也称为850MHz频带)。在另一个变体中，LFB1包含自880MHz至960MHz的频带，并且f1以约900MHz为中心(也称为900MHz频带)。
在图1A的实施例的一个变体中，串联调谐电路136设置于馈电136与分支124的水平部分之间。调谐电路136经配置以调整较低频率天线谐振器的电长度并增加较低频带中的天线操作频宽。这种增加的较低频率带宽实现两个较低频带LFB1、LFB2中的天线操作。
在一个实施中，调谐电路136包含线圈，所述线圈经配置以向辐射器分支124提供约10纳亨(nH)的串联电感，其中LFB1为850MHz频带，并且LFB2为900MHz频带。本领域的技术人员将了解，其它调谐元件实施同等地适用于本发明，所述其它调谐元件实施包括但不限于分立电感器、电容元件或上述的组合。
图1A中所示实施例在LFB1(和LFB2)频带中的天线操作通过谐振器124的整体长度和调谐元件136的电抗值来调谐。
环形结构底部部分的长区段126(形成于接地点117与狭槽114之间)在频率f0下形成谐振。为了在较低频率(例如，LFB1、LFB2)下实现期望的天线操作并防止耦合的低频谐振，将f0谐振调谐至低于天线低操作频率范围(例如，820MHz至960MHz)。在一个变体中，在约600MHz处选择底部部分谐振频率f0。
天线高频操作范围通过至少两个高频谐振形成，所述至少两个高频谐振以下称为f2谐振和f3谐振。第一高频谐振(f2)通过环110的较短部分127形成，所述环110形成于狭槽114与接地点116之间。在所示实施例中，这种谐振的天线调谐通过改变调谐分支130中条的长度来实现。调谐分支130电流地或者电容地耦合至环110，如下文关于图1B至图1C详细描述。
直接馈电天线高频调谐结构128经配置以在第二高频谐振(f3)下形成谐振。在所示实施例中，f3谐振的值通过调谐分支128的长度(和调谐分支128接近环的底部部分的程度)来调谐。f2谐振与f3谐振中的每一者可经配置以提供一或更多个较高频带中的天线功能。
在一个变体中，f2谐振频带和f3谐振频带的组合跨越自约1710MHz至2170MHz的频率范围，因此允许符合LTE的系统的以下高频带中的装置操作：分别对应于UFB1至UFB3的1710MHz至1880MHz、1850MHz至1990MHz和1930MHz至2170MHz。
在另一个实施例中，结合调谐分支124使用直接馈电低频范围辐射结构122，来形成低频范围的频率分量的称为f4谐振的谐波谐振，从而实现第四较高频带(UFB4)中的天线操作。UFB4的值通过C形结构(具有两个转弯)的水平分支122的长度来调谐，所述C形结构由图1A的调谐分支122、调谐分支124形成。
现在参照图1B至图1C，图示并描述天线调谐结构的两个示范性实施例。图1B的天线调谐结构120对应于图1A的天线实施例并包含f2调谐分支130，所述f2调谐分支130在点139处直接连接至环形结构110。
在另一个实施例(图1C中所示)中，调谐结构140的调谐分支142包含两个垂直条145、146和环路结构144，所述环路结构144设置于所述两个垂直条145、146之间。垂直条146在接地点148处接地。调谐分支142与环110电气隔离。在一个变体中，隔离通过沿环110的内表面设置的电介质材料的薄层实现。调谐分支142通过电场电容地耦合至环110，所述电场在非导电间隙150、非导电间隙152上方感应。在一个实施中，间隙的宽度选定为约0.3mm，但可同样成功地使用其它值。
在电容耦合设置中，调谐条与金属环的操作部分之间的电介质间隙需要足够地小，以便在天线的最高操作频率以上形成间隙谐振。调谐分支电容耦合至环形结构不需要调谐结构至环的任何物理附接(例如，钎焊、焊接)，因此有利地有助于天线制造并允许较宽范围的材料选择。
环部分127与调谐分支142之间的间隙由于环部分127的表面与调谐分支142的表面之间的较强电场，而在一定频率下引起间隙谐振，所述频率由环部分127的表面与调谐分支142的表面之间的电容界定。减小间隙产生这些元件之间的更紧密耦合，并且减小间隙使间隙谐振频率变得更高并超过天线操作频带。间隙谐振频率进一步受到调谐分支142的条144、条146与环部分127之间重叠表面区域(也称为耦合区域)的尺寸的影响。较大的耦合区域允许较大的间隙。
在另一个实施例(未图示)中，多频带天线配置成不具有调谐元件136，从而形成具有单个较低频带LFB1和三个较高频带(UFB1、UFB2、UFB3)的4频带谐振器。
在本发明的另一个方面中，天线结构(例如，图1A中所示天线结构)装配有调谐网络，以便最佳化天线性能；例如，增加天线效率和减小损耗。图2图示这种调谐网络的一个实施例，所述调谐网络经配置以在四个或四个以上频带中操作，此处是在自约800kHz至2700MHz的频率范围内操作。网络200包含输入口202，所述输入口202的特征在于标称阻抗为50欧姆，所述输入口202连接至便携式电子装置的馈电口。电路接地点216连接至装置接地面，并且电路输出口214连接至天线辐射结构，例如，图1A中的馈电点138。电感元件204和电容元件206形成第一谐振电路(L2C2)，所述L2C2经配置以实现LFB2频带和UFB4频带中的天线调谐。电容元件206、电容元件208、电容元件210和电感元件204、电感元件212的示范性值如图2中所示。第一电感元件212和第一电容元件208控制天线辐射器与L2C2电路之间的阻抗变换。第二电容元件210用于调谐目的，并且在需要时可在一些实施中省略第二电容元件210。应认识到精确的组件值和/或调谐网络配置是基于具体应用和参数要求来选择的，并且精确的组件值和/或调谐网络配置可自一个应用至另一个应用变化，在给定本公开内容的情况下，电子领域的技术人员较容易确定这些值。
性能
图3至图5提供在由受让人对根据本发明的一个实施例构造的示范性天线设备模拟和测试期间获得的性能结果。
图3图示作为频率的函数的自由空间回波损耗S11(以dB计)的曲线图，所述自由空间回波损耗S11用类似于图1A中所示实施例构造的四频带多频带天线测量。天线的四个频带包括一个900MHz的较低频带和三个较高频带(1710MHz至1880MHz、1850MHz至1990MHz和1930MHz至2170MHz)。在图3中用标志符302指定的实线标记较低频带的界限，而用标志符304指定的线标记1710MHz与2170MHz之间的高频范围的界限。用标志符306至标志符310标记的曲线对应于在以下装置配置中获得的测量：(i)第一曲线306取自自由空间中；(ii)第二曲线308根据CTIA v3.1取自头、右脸颊(BHR)的测量配置旁边；和(iii)第三曲线310根据CTIA v3.1取自头和手、右脸颊(BHHR)的测量配置旁边。呈现于图3中的数据表明，包含沿装置底部定位的单个较小狭槽的示范性天线有利地未因为用户的手的存在而偏离频带去谐，并且在整个BHHR测量中维持6dB回波损耗。
图4呈现和与上文关于图3描述的天线相同的天线的已测量自由空间效率相关的数据。将天线的效率(以dB计)定义为已辐射功率与输入功率的比率的十进制对数：
零(0)dB的效率对应于理想的理论辐射器，其中所有输入功率以电磁能量的形式辐射。
图4中用标志符402至标志符412标记的曲线对应于在以下装置配置中获得的测量：(i)曲线402、曲线408取自自由空间中；(ii)曲线404、曲线410根据CTIA v3.1取自头、右脸颊(BHR)的测量配置旁边；和(iii)曲线406-412根据CTIA v3.1取自头和手、右脸颊(BHHR)的测量配置旁边。图4中的数据表明，根据本发明的原理构造的天线实施例并不容易受到由于用户手和头接近造成的较高损耗的影响，从而允许无线电装置的稳固操作。
图5图示作为频率的函数的自由空间回波损耗S11(以dB计)的曲线图，所述自由空间回波损耗S11针对根据图1A中所示实施例构造的五频带多频带天线获得，并且利用本文图2的实施例的调谐电路。天线频带包括850MHz和900MHz(两个较低频带)以及1710MHz至1880MHz、1850MHz至1990MHz和1930MHz至2170MHz(三个较高频带)。标志符502、标志符504标记较低频率范围的较低(824MHz)程度和较高(960MHz)程度，而标志符506、标志符508分别标记较高频率范围的较低(1710MHz)程度和较高(2170MHz)程度。具有标志符512的曲线对应于上文关于图3描述的4频带天线的测量响应。用标志符510标记的曲线图示使用图2的实施例的匹配电路200模拟的天线响应。电路200的已测量散射参数(s-parameter)用于模拟响应510。
两个天线响应510、512之间的比较表明响应510的较低频率范围中的天线频宽增加，这种天线频宽增加允许850MHz和900MHz较低频带中的天线操作。
呈现于图3至图5中的数据表明，配置有较窄狭槽的环路或环形天线能够在宽频率范围内操作；即，覆盖自824MHz至960MHz的较低频带以及自1710MHz至2170MHz的较高频带。这种能力有利地允许用单个天线在若干移动频带内操作便携式计算装置，所述若干移动频带例如，GSM850、GSM900、GSM1900、GSM1800、PCS-1900以及LTE/LTE-A和/或WiMAX(IEEEStd.802.16)频带。此外，使用单独的调谐分支允许形成较高阶天线谐振，因此允许额外高频带(例如，2500MHz至2600MHz频带)中的天线操作。这种能力进一步将天线的用途扩展至Wi-Fi(802.11)和额外的LTE/LTE-A频带。本领域的技术人员将了解，可根据一或更多个特定应用按需要修改上文给定的频带组成，并且还可支持/使用额外的频带。
有利的是，狭槽环路或环形天线配置(如本文所述的图示实施例中的配置)进一步允许除前述操作频带的宽度和多样性之外，通过减小由于用户抓握造成天线短路(和相关联副效应)的可能性来改善装置操作。此外，使用放置在底部的间隙(例如，本文示范性实施例中所示的较小单个间隙)改善装置的美学吸引力，因为装置底部在使用期间极少看到并且所述间隙降低对于非导电覆盖元件或装饰性覆盖元件(通常在背景技术解决方案中需要)的需要，从而还会降低装置成本。
应认识到，尽管按照方法的步骤的具体顺序描述了本发明的某些方面，但这些描述仅为本发明的较宽泛方法的说明，并且可根据特定应用按需要修改这些描述。在某些情况下可不必要提出某些步骤或某些步骤可选。此外，可向所公开的实施例添加某些步骤或功能，或变更两个或两个以上步骤的执行顺序。所有这些变化视为涵盖在本文公开并主张的发明内。
尽管以上详细描述已显示、描述并指出本发明应用于各种实施例的新颖特征结构，但应理解，本领域的技术人员在不脱离本发明的情况下可对所图示装置或工艺的形式和细节进行各种省略、替代和改变。上文描述为目前预期的执行本发明的最佳模式。这种描述决不意味着限制性的，而应视为本发明一般原理的说明。本发明的范围应参照权利要求书来确定。

Claims (25)

1.一种供便携式无线电通信装置使用的多频带天线设备，所述天线设备包含：
第一天线结构，所述第一天线结构包含辐射器构件，所述辐射器构件配置成设置于装置外壳的外部周边周围；
其中：
所述第一天线结构在至少两个位置处连接至所述装置的接地面，从而形成虚拟部分和操作部分；并且
所述操作部分包含狭槽，所述狭槽形成于所述辐射器构件中，以便设置为接近所述外壳的底侧，所述狭槽进一步将所述操作部分划分为长区段和短区段；和
第二天线结构，所述第二天线结构包含数个调谐分支，其中至少一个调谐分支耦合至所述便携式无线电通信装置的馈电口，所述数个调谐分支共同配置为实现在所述操作部分的所述长区段和所述短区段内的数个谐振。
2.如权利要求1所述的天线设备，其中所述狭槽的位置和尺寸经配置以实现至少一个较高频带中的天线谐振。
3.如权利要求1所述的天线设备，其中所述数个调谐分支共同包含数个单极辐射器分支，其中所述数个单极辐射器分支包含：
第一辐射器分支，所述第一辐射器分支电气耦接至所述装置的所述馈电口并经配置以在第一较高频带中操作；
第二辐射器分支，所述第二辐射器分支耦接至所述装置的所述馈电口并经配置以在第二较高频带中操作；和
第三辐射器分支，所述第三辐射器分支电气耦接至所述装置的所述馈电口并经配置以在第一较低频带中操作。
4.如权利要求1或3所述的天线设备，其中：
所述虚拟部分的外部周边包围所述接地面；并且
所述第二天线结构设置于所述接地面的外部。
5.如权利要求3所述的天线设备，所述天线设备进一步包含电抗电路，所述电抗电路耦接于所述第三辐射器分支与所述馈电口之间。
6.如权利要求5所述的天线设备，其中所述电抗电路包含(i)电感元件和/或(ii)电容元件中的至少一者。
7.如权利要求5所述的天线设备，其中第二电抗电路经配置以调整所述第三辐射器分支的电长度。
8.如权利要求5所述的天线设备，其中所述第一较低频带包含GSM频带，并且所述第一较高频带和所述第二较高频带选自由1700MHz频带、2100MHz频带和2500MHz频带组成的群组。
9.如权利要求3所述的天线设备，其中所述狭槽设置为接近所述装置外壳的下部角落。
10.如权利要求1所述的天线设备，其中所述至少两个位置经配置以影响所述辐射器构件的电长度。
11.如权利要求10所述的天线设备，其中所述至少两个位置包含：(i)第一接地结构，所述第一接地结构设置于所述辐射器构件的第一侧上；和(ii)第二接地结构，所述第二接地结构设置于所述辐射器构件的第二侧上，所述第二侧与所述第一侧相对，以使得所述第一接地结构和所述第二接地结构配置在所述狭槽的远侧。
12.如权利要求1所述的天线设备，其中所述辐射器构件的部分设置为接近所述装置外壳的底侧且沿所述底侧的横向范围与接地面间隔。
13.一种移动装置，所述移动装置包含：
装置外壳；和
天线，所述天线包含：
外部的辐射器元件，所述外部的辐射器元件具有至少一个狭槽，所述至少一个狭槽相对于所述外壳设置在用户在所述装置使用期间最不易接触到的位置，以便最小化由于抓握装置造成辐射器元件在所述至少一个狭槽间短路的可能性；和
内部的辐射器元件，所述内部的辐射器元件包括数个调谐分支，其中每个所述调谐分支耦合至所述移动装置的单个馈电口，所述数个调谐分支配置为实现在所述外部的辐射器元件的各个部分内的数个谐振。
14.如权利要求13所述的移动装置，其中所述外部的辐射器元件包含除所述至少一个狭槽之外闭合的环路，并且所述至少一个狭槽包含单个狭槽，所述单个狭槽设置于所述装置的所述外壳的底部边缘上，所述底部边缘在所述装置的所述使用期间未被所述用户正常地抓取。
15.如权利要求13所述的移动装置，其中：
所述外部的辐射器元件包含环路，所述环路除所述至少一个狭槽之外是闭合的且设置于所述移动装置的所述外壳的顶部边缘、底部边缘和侧面边缘上；并且
所述至少一个狭槽包含单个狭槽，所述单个狭槽设置于所述顶部边缘或所述底部边缘两者中的任一者处。
16.如权利要求13所述的移动装置，其中：
所述外部的辐射器元件包含第一结构，所述第一结构在至少两个位置处连接至所述装置的接地面，以便形成虚拟部分和操作部分；并且
所述狭槽设置于所述装置外壳的底侧上的所述操作部分中。
17.如权利要求16所述的移动装置，其中所述操作部分的外部周边设置于所述接地面的外部并包围所述数个调谐分支。
18.如权利要求13所述的移动装置，其中所述数个调谐分支包含：
第一辐射器分支，所述第一辐射器分支电气耦接至所述装置的所述馈电口并经配置以在第一频带中操作；
第二辐射器分支，所述第二辐射器分支耦接至所述装置的所述馈电口并经配置以在第二频带中操作；和
第三辐射器分支，所述第三辐射器分支电气耦接至所述装置的所述馈电口并经配置以在第三频带中操作。
19.如权利要求18所述的移动装置，所述数个调谐分支中的每一个单极辐射器分支包含导电条，所述导电条具有至少一个转弯。
20.如权利要求19所述的移动装置，其中所述至少一个转弯形成C形结构的至少一部分。
21.如权利要求18所述的移动装置，其中所述第三辐射器分支进一步与第四辐射器分支结合使用以形成C形结构，以形成一频率分量的谐波谐振，从而实现在第四频带中的操作。
22.如权利要求18所述的移动装置，其中：
所述外部的辐射器元件包含除所述至少一个狭槽之外闭合的环路；并且
所述第二辐射器分支电气耦接至接近所述狭槽的所述环路。
23.如权利要求18所述的移动装置，其中：
所述外部的辐射器元件包含除所述至少一个狭槽之外闭合的环路元件；并且
所述第二辐射器分支在非导电间隙上方电磁耦合至接近所述狭槽的所述环路元件。
24.如权利要求13所述的移动装置，其中所述外部的辐射器元件包含环路，所述环路除所述至少一个狭槽之外是闭合的且形成单个连续结构。
25.一种操作供便携式无线电装置使用的多频带天线设备的方法，所述设备具有馈电、环路辐射器元件，所述馈电、环路辐射器元件设置于所述装置的外壳的周边区域周围，所述环路辐射器元件具有狭槽，所述狭槽设置于所述外壳的底部边缘处，并且所 述无线电装置的接地面设置于远离所述环路辐射器元件的底部边缘一定距离处，所述方法包含以下步骤：
用包含较低频率分量和较高频率分量的馈电信号激励所述馈电；和
通过使用第二辐射器元件至少在所述较高频率下引起所述环路辐射器元件中的射频振荡，所述第二辐射器元件包括各自耦合至所述馈电的多个调谐分支，所述多个调谐分支设置为邻近所述环路辐射器元件；
其中，所述狭槽经配置以实现所述天线设备在所述较高频率下的调谐。
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