多輸出天線的制作方法
【專利摘要】公開了一種可重構多輸出天線（16），包括：一個或更多個輻射元件（12,14）；經(jīng)由例如分離器（30，32）或雙工器耦接至所述輻射元件（12,14）或每個輻射元件（12,14）的至少兩個匹配電路（42,44,50,52）；其中，每個匹配電路（42,44,50,52）與被設置成驅動分離的共振頻率的分離的端口（38，40，46，48）相關聯(lián)，使得所述輻射元件（12,14）或每個輻射元件（12,14）可操作用于同時提供多個輸出。每個輸出的共振頻率能夠由每個匹配電路獨立控制，端口彼此具有良好隔離，從而以同時的多個獨立輸出操作提供非常寬的操作頻率范圍。還描述了一種天線結構、一種天線接口模塊以及一種用于耦接至一個或更多個輻射元件的多輸出天線控制模塊。公開了一種可重構多輸出天線，包括：一個或更多個輻射。
【專利說明】多輸出天線
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多輸出天線。特別地但非排他性地，本發(fā)明涉及在諸如移動電話、膝上型電腦、個人數(shù)字助理(PDA)或無線電設備的便攜式電子設備中使用的多輸出天線。
【背景技術】
[0002]隨著對高度移動性環(huán)境中連接性的增長的需求，正推出更多的標準和服務(例如DVB-H、RFID、RDF、UWB、LTE等)。為此，一些人相信未來的移動終端將需要并入多于20個的分離的天線。因此，對于移動終端設計者而言，將所有這些天線安裝在手持機中可用的小量空間內(nèi)將具有挑戰(zhàn)性。
[0003]存在將有助于減輕此問題的、關于可重構天線設計的許多提議。特別地，本 申請人:已經(jīng)設計出在W02011/048357中描述的可重構天線，其具有極寬的調(diào)諧范圍。然而，該天線僅能夠同時訪問兩種服務。例如，該天線能夠僅支持DVB-H (470MHz )和GSM (900MHz )信號或 DVB-H (470MHz)和 WiFi (2400MHz)信號或 GSM (900MHz)和 GPS (1500MHz)信號，但是該天線不能如由可能需要同時訪問GSM、GPS和WiFi的當前移動設備所需要的那樣同時支持這些服務中的多于兩種的服務。進一步，該特定天線未必適合將需要多分辨率頻譜感測的未來的認知無線電系統(tǒng)。
[0004]如果未來需要多服務或多頻譜感測，則一種解決方案將是使用更多的可重構天線。然而，如上提及的，在小型設備中設置多個天線是不可行的，因此系統(tǒng)設計者仍然需要解決關于小量可用空間的問題以提供這樣的服務。
[0005]因此，本發(fā)明的目的在于提供有助于解決以上提及的問題的多輸出天線。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種多輸出天線，包括:一個或更多個輻射元件；耦接至所述輻射元件或每個輻射元件的至少兩個匹配電路；其中，每個匹配電路與被設置成驅動分離的共振頻率的分離的端口相關聯(lián)，使得所述輻射元件或每個輻射元件可操作用于同時提供多個輸出。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于耦接至一個或更多個輻射元件的多輸出天線控制模塊，所述控制模塊包括:被設置用于耦接至所述輻射元件或每個輻射元件的至少兩個匹配電路；其中，每個匹配電路與被設置成驅動分離的共振頻率的分離的端口相關聯(lián)，使得所述輻射元件或每個輻射元件可操作用于同時提供多個輸出。
[0008]因此，本發(fā)明的實施方式提供了具有多個匹配電路的天線和/或控制模塊，所述多個匹配電路可以被同時操作以提供多個輸出。相應地，本發(fā)明的單個天線可以模擬來自多個分離的天線的輸出，卻占用比所述多個分離的天線所需要的空間小的空間。更具體地，本發(fā)明的方面允許使用較少的輻射元件，從而還減少了與在分離的的輻射元件被置為鄰近時對其進行耦接相關聯(lián)的問題。進一步，由于所述匹配電路可以永久地耦接至所述輻射元件使得所述端口可以同時操作，所以本發(fā)明的實施方式可以排除對為了選擇或隔離特定輸出所需的開關或其他復雜電路元件的需要。
[0009]有利地，可以由每個匹配電路獨立地控制每個輸出的共振頻率，端口彼此具有良好的隔離，從而以同時的多個獨立輸出操作提供非常寬的操作頻率范圍。因此，多個輸出/端口可以具有獨立的頻率控制(即，當改變端口 I的共振頻率時，端口 2的共振頻率將不受影響并保持相同)。
[0010]根據(jù)以上描述，根據(jù)本發(fā)明的天線是用在如下小型終端中的理想候選:所述小型終端需要同時訪問多種服務或需要諸如用于認知無線電系統(tǒng)等的多種搜索功能。
[0011]在一些實施方式中，多輸出天線可以是可調(diào)諧的(即可調(diào)節(jié)的或可重構的)，使得每個輸出可以以多個不同的操作頻率進行操作。
[0012]多輸出天線還可以包括輻射底盤，并且所述一個或更多個輻射元件可以被配置成激勵所述輻射底盤的多個共振模式以提供所述多個輸出。所述底盤可以由基板或印刷電路板(PCB)構成。每個輻射元件的尺寸、形狀和位置可以被選擇為使所述多個底盤共振模式最優(yōu)化。
[0013]所述輻射元件或每個輻射元件可以經(jīng)由分離器電路耦接至所述至少兩個匹配電路。因此，所述分離器電路可以用于將輻射元件的單個饋送端口劃分成兩個(或更多個)端口。應當理解，每個端口可以并入被配置成驅動其自身的操作頻率和帶寬而不會顯著影響與其他端口相關聯(lián)的任何其他共振頻率的獨立匹配電路。
[0014]分離器電路可以包括LC電路，該LC電路包括并聯(lián)連接的并且以T形結連結至單個饋送端口的電容器和電感器。分離器電路的電容器可以與第一端口所關聯(lián)的第一匹配電路串聯(lián)連接。分離器電路的電感器可以與第二端口所關聯(lián)的第二匹配電路串聯(lián)連接。
[0015]每個匹配電路可重構為使得該匹配電路的相應端口能夠將該相應端口的輸出調(diào)諧成不同頻率。匹配電路可以包括一個或更多個電感器或電容器(例如以L-C電路的形式)并且可以包括可變電容器(即變?nèi)莨?。
[0016]在特定實施方式中，每個匹配電路可以包括與電容器并聯(lián)連接的第一電感器，該電容器轉而與第二電感器串聯(lián)連接。所述第一電感器可以連接至接地面，并且所述電容器可以是可變的且可以由變?nèi)莨軜嫵?。所述變?nèi)莨芸梢跃哂腥魏魏线m的調(diào)諧范圍，諸如2pF至 IOpF, 0.1pF 至 12pF 或 0.3pF 至 0.8pF。
[0017]在本發(fā)明的實施方式中，在分離器電路和/或每個匹配電路中的部件的值可以被選擇為使得所述第一端口與所述第二端口不相關但仍然實現(xiàn)每個端口的合理效率。
[0018]在本發(fā)明的實施方式中，每個匹配電路可以結構上相同(即具有以相同方式設置的相同部件，然而未必具有相同的值)。應當理解，這樣的設置可以提供良好的共振，盡管在一些情況下還可以采用不同的匹配電路。
[0019]在本發(fā)明的一些實施方式中，可以設置至少一個替選部件用于包含在匹配電路中?？梢栽O置至少一個開關以使得能夠激活至少一個替選部件來代替另一部件。在一些實施方式中，所述第一電感器可以選自至少兩個可能的電感器，和/或所述第二電感器可以選自至少兩個其他可能的電感器。
[0020]應當理解，用于匹配電路的替選部件的設置允許天線配置的更大的靈活性，從而允許天線的調(diào)諧范圍極大增加。
[0021]在特定實施方式中，可以設置一對輻射元件，所述一對輻射元件中的每一個耦接至兩個(或更多個)匹配電路，其轉而與兩個(或更多個)不同端口相關聯(lián)，使得天線可操作用于同時提供高達四個(或更多個)輸出。因此，2對輻射元件可以提供8個輸出，4對輻射元件可以提供16個輸出，以此類推。如果多于兩個的匹配電路和端口與每個輻射元件相關聯(lián)，則可以增加輸出的數(shù)目，這是因為輸出的數(shù)目由輻射元件的數(shù)目乘以每個輻射元件的匹配電路/端口的數(shù)目來確定。
[0022]如例如在W02011/048357中描述的，每對輻射元件可以耦接在一起。因此，根據(jù)本發(fā)明，每對輻射元件可以包括相互耦接的輻射元件，其中每個輻射元件具有被分成兩個分離的端口的相關聯(lián)的饋送端口，并且其中，每個端口設置有分離的阻抗匹配電路，該分離的阻抗匹配電路被配置成用于對與每個輻射元件相關聯(lián)的兩個不同輸出之一進行獨立調(diào)諧。每個輻射元件還可以被設置用于如下狀態(tài)中的每個狀態(tài)中的選擇操作:驅動狀態(tài)、浮動狀態(tài)或接地狀態(tài)。
[0023]至少一個所述輻射元件可以由非共振共振器構成。在特定實施方式中，采用兩個非共振共振器?？梢耘渲妹總€輻射元件在頻率的寬帶和/或窄帶范圍上進行操作。在特定實施方式中，每個阻抗匹配電路可以包括寬帶調(diào)諧電路和窄帶調(diào)諧電路。
[0024]在一個實施方式中，天線設置在基板(例如底盤)上，該基板在其第一側上印刷有接地面。第一輻射元件可以設置在基板的與第一側相對的第二側上，并且橫向與所述接地面間隔開。第一輻射元件可以由金屬貼片構成，該金屬貼片可以為平面的或為其他形式。在【具體實施方式】中，第一輻射元件可以由具有平面部分和與接地面正交的部分的L形金屬貼片構成。所述正交部分可以從所述平面部分的、離接地面最遠的邊緣延伸，使得所述正交部分與所述接地面間隔開所謂的第一間隙。
[0025]第二輻射元件可以由金屬貼片構成，該金屬貼片可以為平面的或為其他形式。在特定實施方式中，第二輻射元件由與接地面正交的平面金屬貼片構成。第二輻射元件可以位于接地面與第一輻射元件的正交部分之間(即位于第一間隙內(nèi))。接地面與第二輻射元件之間的距離將形成所謂的第二間隙。應當理解，在該實施方式中，第二輻射元件與第一輻射元件的正交部分之間的距離將確定它們之間的互耦量。因此全文通篇將該距離稱為互間隙。
[0026]每個輻射元件的形狀沒有特別限制，并且可以為例如正方形、矩形、三角形、圓形、橢圓形、圓環(huán)形、梯形、星形或不規(guī)則形狀。另外，每個輻射元件可以包括至少一個凹口或斷口(cut-out)。應當理解，每個輻射元件的形狀和配置將取決于關于所關注的應用的天線的期望特性。
[0027]相似地，接地面的尺寸和形狀可以變化以提供所有操作模式的最佳特性。相應地，第一接地面可以例如為正方形、矩形、三角形、圓形、橢圓形、圓環(huán)形、梯形、星形或不規(guī)則形狀。另外，接地面可以包括至少一個凹口或斷口。
[0028]每個端口可以連接至控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括用于選擇相關聯(lián)輸出的操作狀態(tài)的控制裝置。該控制系統(tǒng)可以包括選擇性地被配置成允許輸出浮動、連接至接地面或由其相關聯(lián)的阻抗匹配電路驅動的開關。
[0029]在以上實施方式中，第一饋送端口可以設置在第一輻射元件與第一分離器電路之間，并且第二饋送端口可以設置在第二輻射元件與第二分離器電路之間。
[0030]第一饋送端口可以位于輻射元件的中心或偏離中心(B卩，距輻射元件的一側比另一側近)。
[0031]在【具體實施方式】中，第一饋送端口可以位于沿第一輻射元件長度的距離的約三分之一處。其有利之處在于:這使得沿接地面生成非對稱電流，從而支持許多不同共振。這還使得第一輻射元件能夠生成更多的共振，這是因為第一輻射元件在每個方向上具有不同的電氣長度。此外，將第一饋送端口定位成偏離中心允許更大空間用于要被定位成靠近第一輻射元件的第二輻射元件，這轉而導致兩個輻射元件之間的更好的耦合。
[0032]第一饋送端口可以沿接地面的邊緣連接至接地面。第一饋送端口可以連接在所述邊緣的中心處或者連接在或朝向所述邊緣的一側。使第一饋送端口連接在接地面的一側允許第二輻射元件充分使用接地面的寬度。然而，這也會導致輻射元件與接地面之間的不同的耦合效率。
[0033]在一些實施方式中，將第二饋送端口放置成接近第一饋送端口。這使得每個饋送端口能夠獨立操作(接通)，或作為相鄰饋送端口的驅動器(接地)，或電氣斷開(斷開)。因此，可以通過選擇與每個輻射元件相關的不同操作模式來動態(tài)調(diào)諧每個輻射元件的操作頻率。下表提供了基于選擇第一饋送端口(饋送端口 I)和第二饋送端口(饋送端口 2)的以上狀態(tài)的組合的一些可能的操作狀態(tài)。
[0034]
【權利要求】
1.一種多輸出天線，包括: 一個或更多個輻射元件； 耦接至所述輻射元件或每個輻射元件的至少兩個匹配電路；以及 其中，每個匹配電路與被設置成驅動分離的共振頻率的分離的端口相關聯(lián)，使得所述輻射元件或每個輻射元件可操作用于同時提供多個輸出。
2.一種用于耦接至一個或更多個輻射元件的多輸出天線控制模塊，所述控制模塊包括: 被設置用于耦接至所述輻射元件或每個輻射元件的至少兩個匹配電路；以及 其中，每個匹配電路與被設置成驅動分離的共振頻率的分離的端口相關聯(lián)，使得所述輻射元件或每個輻射元件可操作用于同時提供多個輸出。
3.根據(jù)權利要求1所述的多輸出天線或根據(jù)權利要求2所述的控制模塊被配置成可調(diào)諧的，使得每個輸出能夠以多個不同的操作頻率進行操作。
4.根據(jù)權利要求1或3所述的多輸出天線或根據(jù)權利要求2或3所述的控制模塊，其中，所述輻射元件或每個輻射元件經(jīng)由分離器電路耦接至所述至少兩個匹配電路。
5.根據(jù)權利要求4所述的多輸出天線或控制模塊，其中，所述分離器電路用于將被設置用于所述輻射元件或每個輻射元件的單個饋送端口劃分成兩個或更多個端口。
6.根據(jù)權利要求5所述的多輸出天線或控制模塊，其中，所述分離器電路包括并聯(lián)連接并經(jīng)由T形結連結至所述單個饋送端口的電容器和電感器。
7.根據(jù)權利要求6所述的多輸出天線或控制模塊，其中，所述分離器電路的所述電容器與第一端口所關聯(lián)的第一匹配電路串聯(lián)連接，并且所述分離器電路的所述電感器與第二端口所關聯(lián)的第二匹配電路串聯(lián)連接。
8.根據(jù)任一項前述權利要求所述的多輸出天線或根據(jù)權利要求2至7中任一項所述的控制模塊，其中，每個匹配電路可重構為使得它們的相應端口能夠將它們的輸出調(diào)諧成不同頻率。
9.根據(jù)任一項前述權利要求所述的多輸出天線或根據(jù)權利要求2至8中任一項所述的控制模塊，其中，所述匹配電路包括一個或更多個電感器和可變電容器。
10.根據(jù)權利要求9所述的多輸出天線或控制模塊，其中，每個匹配電路包括與變?nèi)莨懿⒙?lián)連接的第一電感器，所述變?nèi)莨苻D而與第二電感器串聯(lián)連接。
11.根據(jù)任一項前述權利要求所述的多輸出天線或根據(jù)權利要求2至10中任一項所述的控制模塊，其中，至少一個替選部件被設置用于選擇性地包括在所述匹配電路中。
12.根據(jù)任一項前述權利要求所述的多輸出天線或根據(jù)權利要求2至11中任一項所述的控制模塊，其中，多于兩個的匹配電路和端口與每個輻射元件相關聯(lián)。
13.根據(jù)任一項前述權利要求所述的多輸出天線或根據(jù)權利要求2至12中任一項所述的控制模塊，其中，所述天線包括一對輻射元件，所述一對輻射元件中的每個輻射元件耦接至兩個匹配電路，所述兩個匹配電路轉而與兩個不同端口相關聯(lián)，使得所述天線可操作用于同時提供高達4個輸出。
14.根據(jù)權利要求13所述的多輸出天線或控制模塊，其中，所述輻射元件對相互耦接并且所述輻射元件對中的每個輻射元件具有被分成兩個分離的端口的相關聯(lián)的饋送端口，其中，每個端口設置有被配置用于對每個輻射元件所關聯(lián)的兩個不同輸出之一進行獨立調(diào)諧的分離的阻抗匹配電路。
15.根據(jù)任一項前述權利要求所述的多輸出天線或根據(jù)權利要求2至14中任一項所述的控制模塊，其中，采用兩個非共振輻射元件。
16.根據(jù)任一項前述權利要求所述的多輸出天線或根據(jù)權利要求2至15中任一項所述的控制模塊被設置在基板上，所述基板在其第一側印刷有接地面。
17.根據(jù)權利要求16所述的多輸出天線或控制模塊，其中，第一輻射元件設置在所述基板的與所述第一側相對的第二側，并且橫向與所述接地面間隔開。
18.根據(jù)權利要求17所述的多輸出天線或控制模塊，其中，所述第一輻射元件由具有平面部分和與所述接地面正交的部分的L形金屬貼片構成。
19.根據(jù)權利要求18所述的多輸出天線或控制模塊，其中，所述正交部分從所述平面部分的離所述接地面最遠的邊緣延伸，使得所述正交部分與所述接地面間隔開所謂的第一間隙。
20.根據(jù)權利要求19所述的多輸出天線或控制模塊，其中，所述第二輻射元件由正交于所述接地面的平面金屬貼片構成。
21.根據(jù)權利要求20所述的多輸出天線或控制模塊，其中，所述第二輻射元件位于所述接地面與所述第一輻射元件的所述正交部分之間。
22.根據(jù)任一項前述權利要求所述的多輸出天線或根據(jù)權利要求2至21中任一項所述的控制模塊，其中，每個端口連接至包括用于選擇相關聯(lián)的輸出的操作狀態(tài)的控制裝置的控制系統(tǒng)。
23.根據(jù)權利要求13所述的多輸出天線或控制模塊，其中，第一饋送端口設置在第一輻射元件與第一分離器電路之間，并且第`二饋送端口設置在第二輻射元件與第二分離器電路之間。
24.根據(jù)權利要求23所述的多輸出天線或控制模塊，其中，所述第一饋送端口位于相對于所述第一輻射元件的偏離中心處。
25.根據(jù)權利要求23或24所述的多輸出天線或控制模塊，其中，所述第二饋送端口被放置成接近所述第一饋送端口。
26.根據(jù)權利要求1或3至25中任一項所述的多輸出天線，其被配置成用在便攜式設備中的底盤天線。
27.一種天線結構，包括至少一個根據(jù)權利要求1或3至26中任一項所述的天線和至少一個另外的天線。
28.根據(jù)權利要求27所述的天線結構，其中，所述至少一個另外的天線由可重構的平衡天線或非平衡天線構成。
29.根據(jù)權利要求27或28所述的天線結構，其中，所述至少一個另外的天線也是根據(jù)權利要求1或3至26中任一項所述的天線。
30.根據(jù)權利要求27至29中任一項所述的天線結構，其中，每個天線與其他天線以最大可用距離間隔開。
31.根據(jù)權利要求30所述的天線結構，其中，第一天線位于所述結構的第一端，并且第二天線位于所述結構的第二端。
32.一種便攜式電子設備，包括:根據(jù)權利要求1或3至26中任一項所述的多輸出天線、根據(jù)權利要求2至25中任一項所述的控制模塊或根據(jù)權利要求27至31中任一項所述的天線結構中的一個或更多個。
33.一種天線接口模塊，包括: 根據(jù)權利要求1或3至26中任一項所述的多輸出天線；以及 自動調(diào)諧系統(tǒng)，所述自動調(diào)諧系統(tǒng)被配置成將多個輸出中的每個調(diào)諧成目標操作頻率。
34.根據(jù)權利要求33所述的天線接口模塊，其中，所述自動調(diào)諧系統(tǒng)包括耦接至每個匹配電路和/或分離器電路的至少一個變?nèi)莨堋?br> 35.根據(jù)權利要求34所述的天線接口模塊，其中，所述自動調(diào)諧系統(tǒng)被設置成:監(jiān)視所述目標操作頻率的反射信號的功率水平；以及調(diào)節(jié)所述至少一個變?nèi)莨艿钠秒妷阂允顾瓷涞男盘柕墓β仕阶钚　?br> 36.根據(jù)權利要求35所述的天線接口模塊，其中，所述自動調(diào)諧系統(tǒng)包括定向耦合器、功率檢測器、模數(shù)轉換器ADC、微處理器以及至少一個數(shù)模轉換器DAC。
37.根據(jù)權利要求36所述的天線接口模塊，其中，所述數(shù)模轉換器的數(shù)目與設置在每個匹配電路和/或分離器電路中的變?nèi)莨艿臄?shù)目相對應，使得由分離的數(shù)模轉換器提供每個變?nèi)莨艿钠秒妷骸?br> 38.根據(jù)權利要求2至25中任一項所述的多輸出天線控制模塊，還包括:上述被配置成將所述多個輸出中的每個調(diào)諧成目標操作頻率的自動調(diào)諧系統(tǒng)。
39.一種基本上如參 照附圖在以上進行描述的多輸出天線。
40.一種基本上如參照附圖在以上進行描述的控制模塊。
41.一種天線結構，包括:至少一個基本上如參照附圖在上文中進行描述的天線和至少一個另外的天線。
42.一種基本上如參照附圖在上文中進行描述的天線接口模塊。
【文檔編號】H01Q5/00GK103765670SQ201280037264
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年7月26日 優(yōu)先權日:2011年7月26日
【發(fā)明者】彼得·哈爾, 胡振華 申請人:伯明翰大學