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CN102725908B - 多协议天线结构和用于合成多协议天线方向图的方法 - Google Patents

多协议天线结构和用于合成多协议天线方向图的方法 Download PDF

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CN102725908B CN201080045605.2A CN201080045605A CN102725908B CN 102725908 B CN102725908 B CN 102725908B CN 201080045605 A CN201080045605 A CN 201080045605A CN 102725908 B CN102725908 B CN 102725908B
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Abstract

公开了用于多协议操作的具有移动馈电位置的平面非对称天线结构的实施例。天线结构包括两个椭圆锥形右臂和左臂，每个具有不同的半径，并且还包括布置在右臂和左臂之间的偏离中心的馈电点。一个臂具有比另一臂小的椭圆锥形并且馈电点被布置得更靠近一个臂而不是另一个臂。还公开了合成多协议天线方向图的方法。该方法包括：在较低频带在天线结构的两个臂上提供基本上相等的表面电流以在远场中生成接近水平的方向图，在较高频带在右臂上提供更大表面电流以生成具有大的水平分量的远场方向图，以及在中间频带在左臂上提供更大的表面电流以生成非对称远场方向图。

Description

多协议天线结构和用于合成多协议天线方向图的方法
技术领域
实施例关于多协议天线和天线结构。一些实施例关于具有集成多协议天线的平板显示器。一些实施例关于具有配置成与不同协议无线网络基站和接入点通信的集成天线的便携式计算装置，例如，膝上型计算机、笔记本计算机和上网本计算机。
背景技术
便携式计算和通信装置，例如，膝上型计算机、笔记本计算机和上网本计算机，一般配置有无线能力并且包括一个或更多内部天线以与接入点或基站通信。这些内部天线一般提供在垂直和水平方向上具有类似增益的天线方向图。因为接入点和基站一般位于更水平的方向上，在垂直方向上浪费了这些天线的增益的很多。在水平方向上具有增加的增益并且在垂直方向上具有降低的增益(即，更环形的辐射方向图)的内部天线会更合适在便携式计算和通信装置中使用，但是由于形状因子(form factor)约束，常规天线一般不能够提供这种辐射方向图。此外，这些常规天线一般不能够支持多协议系统(例如，WiMAX和WiFi)。
因此，存在对于合适在平板显示器和其它平面装置中使用的多协议天线结构的一般需要。
附图说明
图1A是根据一些实施例的多协议天线结构的正视图；
图1B是图1A的多协议天线结构的计算回损和测量回损之间的比较；
图2A-2C示出图1A的多协议天线结构的在不同频带的频率的表面电流；
图3A-3C示出图1A的多协议天线结构的在不同频带的频率的仰角方向图；
图4A-4C示出图1A的多协议天线结构的在不同频带的频率的二维天线方向图；
图5是根据一些实施例的具有集成天线结构的平板显示器；以及
图6是根据一些实施例的无线通信装置的框图。
具体实施方式
以下描述和附图充分说明特定实施例以使得本领域技术人员能够实践它们。其它实施例可包括结构的、逻辑的、电的、过程和其它改变。一些实施例的部分和特征可被包括在其它实施例的部分和特征中或可被其它实施例的部分和特征替换。权利要求书中阐述的实施例包括那些权利要求的所有可用等同。
图1A是根据一些实施例的多协议天线结构的正视图。天线结构100是合适用于多协议操作的具有移动馈电位置(feed position)的非对称平面天线。天线结构100包括两个椭圆锥形(elliptically tapering)臂，右臂112和左臂114，每个具有不同半径。天线结构100还包括布置在右臂和左臂之间的偏离中心的馈电点110。
在图1A中示出的示例中，右臂112具有比左臂114小的椭圆锥形，并且馈电点110被布置得更靠近右臂112而不是左臂114。在这些实施例中，左臂和右臂包括在平面非导电衬底上放置的导电材料。可选择偏离中心的馈电点110的位置以及左臂和右臂的不同半径以提供两个或更多频带内的谐振，来支持多协议操作。在一些实施例中，非导电衬底是柔性的聚对苯二甲酸乙二醇脂(polyethyleneterephtalate，PET)衬底。
图1B示出多协议天线结构100的回损，其表明实际天线结构很符合仿真结果。多协议天线结构100具有能够在大多数笔记本/上网本装置中集成的低剖面(low-profile)。
在一些实施例中，对于较低频带，选择偏离中心的馈电点110和臂的不同半径以在这两个臂上提供基本上相等的表面电流，来在远场中生成接近水平的方向图，如图2A中示出的。在中间频带，可选择偏离中心的馈电点110和臂的不同半径以在左臂114上提供比右臂112上的表面电流大的表面电流，来生成非对称远场方向图，如图2B中示出的。此外，在较高频带，还可选择偏离中心的馈电点110和臂的不同半径以在右臂112上提供比左臂114上的表面电流大的表面电流，来生成具有更大水平分量的远场方向图，如图2C中示出的。
这两个椭圆锥形臂(即，右臂112和左臂114)是上辐射单元102的一部分。下辐射单元104作为具有与上辐射单元102的椭圆锥形右臂和左臂相对的对应椭圆锥形部分的接地层来操作。偏离中心的馈电点110可设在上辐射单元和下辐射单元之间，如所示出的。
多协议天线结构100的实施例提供用于多协议天线解决方案的天线设计。多协议天线结构100可合适用于WiMAX和WiFi应用，但是实施例的范围在这方面并不受限。多协议天线结构100通过合成平面天线表面上的电流分布来提供在每个频带具有优化方向图的多频带功能性。图2A、2B和2C中示出在不同频率的表面电流分布。实施例可扩展到包括无线广域网络(WWAN)应用、WiMAX应用、长期演进(LTE)应用、超宽带(UWB)应用以及无线保真(WiFi)应用的组合的其它无线应用和协议。图1A中示出的具有单个馈电的多协议天线结构100可合适用于WiMAX和WiFi频带(2.3～2.7、3.3～3.8、以及5.15～5.825GHz)。多协议天线结构100可在两个WiMAX频带2.3～2.7和3.3～3.8GHz提供接近水平面的方向图并且可在较高WiFi频带5.15～5.825GHz提供WiFi兼容的方向图，如图3A、3B以及3C中示出的。在WiFi的较低频带(2.4～2.5GHz)的接近水平面的方向图最小化对WiFi性能的影响。在WiFi链路的边缘，接近水平面的方向图可增加吞吐量，超过常规WiFi天线的吞吐量。
根据实施例，在感兴趣的多个不同频率的多个辐射模式被创建用于多频带操作，以在WiMAX频带内提供具有高辐射效率的环形的接近水平面的方向图。由于形状因子约束等，对于笔记本/上网本应用中的传统天线设计，环形的天线方向图并不常见。多协议天线结构100包括与笔记本和上网本装置应用关联的物理和电的问题。
多协议天线结构100是在衬底上印刷的具有紧凑且低剖面的结构的平面设计，并且包括顶辐射区和下接地层。在一些实施例中，天线结构100可具有29mm(w)×40mm(h)×0.25mm(t)的尺寸。下接地层可帮助确定阻抗匹配。在一些实施例中，接地层区可位于这些装置的LCD显示器后面或下面。下面更详细地描述这些实施例。
具有不同半径的左臂和右臂的椭圆锥形可在不同频率提供多个谐振，用于多协议操作。馈电位置(其可朝着右臂112的更小椭圆锥形移动)也帮助提供多协议操作。可依靠感兴趣的频带和带宽来变更椭圆锥形的大小、形状以及位置。
在一些实施例中，在较低频率范围(例如，2.3～2.7GHz)，电流分布在这两个臂。每个臂上的电流具有类似的幅度，但是具有相反的相位，并且因此等效电流可被示出为短的垂直分量，如图2A中示出的。这在远场中提供接近水平面的方向图，如图3A中示出的。在中间频率范围(例如，3.3～3.8GHz)，更大的电流分布在具有更大椭圆锥形的左臂114上而不是在右臂112上。等效电流倾斜到左臂114侧，如图2B中示出的，从而在远场中提供非对称的辐射方向图，如图3B中示出的。在较高频率(例如，5.15～5.825GHz)，更大的电流分布在具有更小椭圆锥形的右臂112而不是在左臂114上。图2C中示出具有更大水平分量的等效电流，并且图3C中绘制远场方向图。电流分布示出，合成天线表面上的电流通过锥形的大小、形状和位置来确定远场。
因为天线结构100是具有移动馈电位置的非对称结构，所以在顶辐射单元102的两个臂之间不总是存在完全电流抵消。在较低频率，大部分电流集中在垂直馈电位置并且电流分布的矢量和提供相对短的垂直电流。短的垂直电流分量提供环形的接近水平面的方向图，如图3A中示出的。天线结构100在感兴趣的频带提供非常好的辐射效率。当频率增加时，电流分布的矢量和不再提供短的垂直电流分量，而是提供具有更大幅度的水平分量的倾斜分量。在较高频率(例如，5.15～5.825GHz)，方向图变成更随机的方向图，但是其对于WiFi应用是可接受的。在中间频率，方向图不是接近水平面的方向图但是对于WiMAX应用是可接受的。当在上网本计算机中集成天线时，例如由于与金属环境的结构耦合，尤其是在中间频带和较高频带，方向图可改进。图4A-4C示出在上网本计算机中集成天线之后的天线结构100的二维方向图，其尤其是在中间频带和较高频带具有改进方向图。
在一些实施例中，多协议天线结构100在单频带天线的相同覆盖范围(foot print)中提供具有接近水平面的方向图的多频带能力。形状因子和成本与单频带天线的形状因子和成本相同，但是具有多协议能力。
在一些实施例中，能够通过修改锥形结构而合成电流分布来实现所希望的远场。这些实施例提供合成多协议天线方向图的方法。该方法包括：在较低频带在天线结构的两个臂上提供基本上相等的表面电流以在远场中生成接近水平的方向图，在较高频带在右臂112上提供更大的表面电流以生成具有大的水平分量的远场方向图，以及在中间频带在左臂114上提供更大的表面电流以生成非对称的远场方向图。
图5是根据一些实施例的具有集成天线结构的平板显示器。平板显示器500包括外壳502、平面显示区域506以及设在外壳502内的一个或更多天线结构504。天线结构100(图1A)可合适用作天线结构504中的每个。在一些实施例中，天线结构504的接地层的至少部分位于平面显示区域506后面。当垂直地布置平面显示区域506时，上辐射单元102位于显示区域506之上。平面显示区域506的平面和天线结构的平面表面106基本上平行，并且天线结构504的接地层可与显示区域506的接地层电隔离。在一些实施例中，可包括薄片绝缘体以使得天线结构504的接地层与显示区域506的接地层电隔离。
在一些实施例中，平板显示器500可包括配置成根据多输入多输出(MIMO)通信技术来操作的天线结构504中的两个或更多。在一些备选实施例中，天线结构504中的这两个或更多可配置成或布置成作为相控阵来操作或以分集模式来操作，但是实施例的范围在这方面并不受限。
在一些实施例中，平板显示器500可以是独立显示器。在这些实施例中，平板显示器500可例如充当台式计算机或电视机的显示器。在一些其它实施例中，平板显示器500可以是便携式通信装置(例如，笔记本或上网本计算机、无线电信装置)的一部分。在一些实施例中，平面显示区域506可包括液晶显示器(LCD)，但是其它类型的平面显示区域也是合适的。
在一些实施例中，提供具有集成天线结构504的笔记本计算机。笔记本计算机可包括平板显示器500，平板显示器500具有外壳502、平面显示区域506以及设在外壳502内的一个或更多天线结构504。笔记本计算机还可包括耦合到一个或更多天线结构504的无线收发信机。在一些实施例中，笔记本计算机可以是主要配置用于无线网络通信的无线通信装置，例如，上网本计算机，并且可主要依赖在线应用，但是实施例的范围在这方面并不受限。下面更详细描述这些实施例。
图6是根据一些实施例的无线通信装置的框图。无线通信装置600可包括无线收发信机604、一个或更多天线结构504以及平板显示器500。无线通信装置600可几乎是配置用于无线通信的任何装置，例如，个人数字助理(PDA)、具有无线通信能力的膝上型或便携式计算机、笔记本或上网本计算机、网络读写板(web tablet)、无线电话、无线头戴送受话器、寻呼机、即时消息传递装置(instant messagingdevice)、数字摄像机、接入点、电视机、医疗装置(例如，心率监视器、血压监视器等)或可无线地接收和/或发射信息的其它装置。
在一些实施例中，无线收发信机604可配置成通过多载波通信信道来传送正交频分复用(OFDM)通信信号。OFDM信号可包括多个正交子载波。在这些多载波实施例中的一些中，无线收发信机604可以是无线局域网络(WLAN)通信站(例如，包括无线保真(WiFi)装置的无线接入点(AP)、基站或移动装置)的一部分。在一些宽带多载波实施例中，无线收发信机604可以是宽带无线接入(BWA)网络通信站(例如，全球微波接入互操作性(WiMAX)通信站)的一部分。在一些其它宽带多载波实施例中，无线收发信机604可以是第3代合作伙伴计划(3GPP)通用地面无线电接入网络(UTRAN)长期演进(LTE)或长期演进(LTE)通信站，但是实施例的范围在这方面并不受限。在这些宽带多载波实施例中，无线收发信机604可配置成根据正交频分多址(OFDMA)技术来通信。
在一些实施例中，无线收发信机604可配置成根据特定通信标准(例如，电气与电子工程师协会(IEEE)标准和/或用于WLAN的提议规范，IEEE标准包括IEEE 802.11-2007和/或802.11(n)标准)来接收信号，但是实施例的范围在这方面并不受限，因为它们也可适合于根据其它技术和标准来发射和/或接收通信。在一些实施例中，无线收发信机604可配置成根据用于无线城域网络(WMAN)的IEEE802.16-2004和IEEE 802.16(e)标准(包括其变化和演进)来传送信号，但是实施例的范围在这方面并不受限，因为它们还可适合于根据其它技术和标准来发射和/或接收通信。对于关于IEEE 802.11和IEEE802.16标准的更多信息，请参考“IEEE Standards for InformationTechnology--Telecommunications and Information Exchange betweenSystems”-Local Area Networks-Specific Requirements-Part 11“Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)，ISO/IEC 8802-11：1999”和2005年5月的Metropolitan AreaNetworks-Specific Requirements-Part 16：“Air Interface for FixedBroadband Wireless Access Systems”以及相关修改/版本。对于关于UTRAN LTE标准的更多信息，见2008年3月的UTRAN-LTE的第3代合作伙伴计划(3GPP)标准的版本8(包括其变化和演进)。
在一些其它实施例中，无线收发信机604可配置成接收使用例如以下的一个或更多其它调制技术被发射的信号：扩频调制(例如，直接序列码分多址(DS-CDMA)和/或跳频码分多址(FH-CDMA))、时分复用(TDM)调制和/或频分复用(FDM)调制，但是实施例的范围在这方面并不受限。
提供摘要以遵照37 C.F.R第1.72(b)节，其要求将允许读者弄清本技术公开的本质和主旨的摘要。带着它将不被用于限制或解释权利要求书的范围或含义的理解来提交它。以下权利要求书特此并入详细描述中，其中，每个权利要求作为单独的实施例而独立成立。

Claims (18)

1.一种用于多协议操作的具有移动馈电位置的平面非对称天线结构，所述天线结构包括：
单独的上辐射单元，包括两个椭圆锥形右臂和左臂，每个具有不同的半径并且指向离开彼此、相反的方向；
单独的下辐射单元，作为接地层来操作，所述单独的下辐射单元具有与所述单独的上辐射单元的所述椭圆锥形右臂和左臂相对的对应椭圆锥形部分；以及
布置在所述右臂和左臂之间并且在与每个臂相距预先确定的距离处的偏离中心的馈电点，
其中，一个臂具有比另一臂小的椭圆锥形并且所述馈电点被布置得更靠近一个臂而不是另一臂，以及
其中，所述右臂和左臂中至少一个臂的边的至少一部分和与所述右臂和左臂中所述至少一个臂相对的对应椭圆锥形部分的边的至少一部分限定相同椭圆的一部分。
2.如权利要求1所述的天线结构，其中，所述右臂具有比所述左臂小的椭圆锥形。
3.如权利要求2所述的天线结构，其中，所述馈电点被布置得更靠近所述右臂而不是所述左臂。
4.如权利要求3所述的天线结构，其中，所述左臂和右臂包括在平面非导电衬底上放置的导电材料。
5.如权利要求4所述的天线结构，其中，选择所述偏离中心的馈电点的位置和所述左臂和右臂的不同半径以提供两个或更多频带内的谐振。
6.如权利要求5所述的天线结构，其中，在较低频带，选择所述偏离中心的馈电点和所述左臂和右臂的不同半径以在这两个臂上提供基本上相等的表面电流，来在所述较低频带的远场中生成接近水平的方向图，
其中，在较高频带，选择所述偏离中心的馈电点和所述左臂和右臂的不同半径以在所述右臂上提供比在所述左臂上大的表面电流，来生成具有大的水平分量的远场方向图，以及
其中，在中间频带，选择所述偏离中心的馈电点和所述左臂和右臂的不同半径以在所述左臂上提供比在所述右臂上大的表面电流，来生成非对称的远场方向图。
7.如权利要求5所述的天线结构，其中，所述上辐射单元和下辐射单元被放置在非导电衬底的平面表面上，所述下辐射单元充当所述平面表面上放置的接地层，
其中，当垂直地布置所述平面表面时，在所述上辐射单元上以相反方向流动的电流的远场效应至少部分抵消并且在所述下辐射单元上以相反方向流动的电流的远场效应至少部分抵消，以提供在水平方向上具有增加的增益并且在垂直方向上具有降低的增益的天线方向图。
8.如权利要求7所述的天线结构，其中，所述非导电衬底包括印刷电路板，
其中，所述上辐射单元和下辐射单元被设在所述印刷电路板的第一侧上，以及
其中，所述印刷电路板的相对侧至少在与所述上辐射单元相对的区域中没有导电材料。
9.如权利要求8所述的天线结构，其中，对于至少一个频带，由所述天线结构提供的天线方向图刚好在水平面之上具有增加的增益。
10.如权利要求9所述的天线结构，其中，所述非导电衬底是柔性的聚对苯二甲酸乙二醇脂（PET）衬底。
11.一种具有集成天线结构的平板显示器，包括：
外壳；平面显示区域；以及一个或更多天线结构，
其中，所述一个或更多天线结构中的每个包括：
单独的上辐射单元，包括两个椭圆锥形右臂和左臂，每个具有不同的半径并且指向离开彼此、相反的方向；
单独的下辐射单元，作为接地层来操作，所述单独的下辐射单元具有与所述单独的上辐射单元的所述椭圆锥形右臂和左臂相对的对应椭圆锥形部分；以及
布置在所述右臂和左臂之间并且在与每个臂相距预先确定的距离处的偏离中心的馈电点，
其中，一个臂具有比另一臂小的椭圆锥形并且所述馈电点被布置得更靠近一个臂而不是另一臂，以及
其中，所述右臂和左臂中至少一个臂的边的至少一部分和与所述右臂和左臂中所述至少一个臂相对的对应椭圆锥形部分的边的至少一部分限定相同椭圆的一部分。
12.如权利要求11所述的平板显示器，其中，所述一个或更多天线结构的接地层至少部分被设在所述平面显示区域后面。
13.一种无线通信装置，包括：
显示器，包括外壳、平面显示区域以及设在所述外壳内的一个或更多天线结构；以及
耦合到所述一个或更多天线结构的无线收发信机，
其中，所述一个或更多天线结构包括：
单独的上辐射单元，包括两个椭圆锥形右臂和左臂，每个具有不同的半径并且指向离开彼此、相反的方向；
单独的下辐射单元，作为接地层来操作，所述单独的下辐射单元具有与所述单独的上辐射单元的所述椭圆锥形右臂和左臂相对的对应椭圆锥形部分；以及
布置在所述右臂和左臂之间并且在与每个臂相距预先确定的距离处的偏离中心的馈电点，
其中，一个臂具有比另一臂小的椭圆锥形并且所述馈电点被布置得更靠近一个臂而不是另一臂，以及
其中，所述右臂和左臂中至少一个臂的边的至少一部分和与所述右臂和左臂中所述至少一个臂相对的对应椭圆锥形部分的边的至少一部分限定相同椭圆的一部分。
14.如权利要求13所述的无线通信装置，还包括设在所述外壳内的所述天线结构中的两个天线结构，其中，所述无线收发信机和所述两个天线结构被配置用于根据IEEE 802.16标准的多输入多输出（MIMO）通信。
15.如权利要求13所述的无线通信装置，其中，所述天线结构的接地层至少部分被设在所述平面显示区域后面。
16.一种合成多协议天线方向图的方法，包括：
在较低频带，在天线结构的右臂和左臂上提供基本上相等的表面电流以在远场中生成接近水平的方向图；
在较高频带，在所述右臂上提供更大的表面电流以生成具有大的水平分量的远场方向图；以及
在中间频带，在所述左臂上提供更大的表面电流以生成非对称的远场方向图，
其中，所述右臂具有比所述左臂小的椭圆锥形，以及馈电点被布置得更靠近所述右臂而不是所述左臂并且在与每个臂相距预先确定的距离处，
其中，两个椭圆锥形臂是单独的上辐射单元的一部分并且指向离开彼此、相反的方向，
其中，所述天线结构还包括单独的下辐射单元，作为接地层来操作，所述单独的下辐射单元具有与所述单独的上辐射单元的所述椭圆锥形右臂和左臂直接相对的对应椭圆锥形部分，以及
其中，所述右臂和左臂中至少一个臂的边的至少一部分和与所述右臂和左臂中所述至少一个臂相对的对应椭圆锥形部分的边的至少一部分限定相同椭圆的一部分。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述天线结构是具有移动馈电位置的平面非对称天线结构，所述天线结构包括两个椭圆锥形右臂和左臂，每个具有不同的半径，并且还包括布置在所述右臂和左臂之间的偏离中心的馈电点。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述多协议天线方向图配置成同时支持WiMAX和WiFi操作。
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