[发明专利]使用寄生元件来控制天线谐振的系统和方法有效

专利信息
申请号: 200780001545.2 申请日: 2007-02-05
公开(公告)号: CN101361282A 公开(公告)日: 2009-02-04
发明(设计)人: 柳江平 申请(专利权)人: 香港应用科技研究院有限公司
主分类号: H04B1/38 分类号: H04B1/38;H01Q1/36
代理公司: 深圳创友专利商标代理有限公司 代理人: 江耀纯
地址: 中国香港新界沙田香港科*** 国省代码: 中国香港;81
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摘要:
搜索关键词: 使用 寄生 元件 控制 天线 谐振 系统 方法
【说明书】:

技术领域

发明通常涉及多频天线系统,特别涉及使用寄生元件用于天 线谐振控制。 发明背景

当前,有许多无线系统,尤其包括四种全球移动通讯系统 (GSM)-GSM 850,900GSM,1800GSM,1900GSM,和第三代(3G)通 信系统以及即将兴起的第四代(4G)通信系统。在移动电话里也采用蓝牙 (BLUETOOTII)和无线局域网(LAN)技术。用户要求越来越多的功能, 所以许多无线工程师发现他们需要更大型天线但不能增加手机尺寸。

作为通常公认的半导体摩尔定律(Moore’s Law)的边界效应 (side effect),在不考虑物理限制的情况下,客户和手机供应商期望消费 技术能够保持尺寸缩小但功能增加。对许多应用而言,现今的技术已经达 到天线的基本尺寸限制。天线,不像手机内部的其它组件,有时并不能持 续降低尺寸。在出现蜂窝系统之前,科学家假设物理定律也适合支配天线 尺寸,此定律现在被称为“Wheeler’s Theorem(惠勒理论)”。简而言之, Wheeler’s Theorem声明:对一个给定的谐振频率和辐射效率,系统总带宽 与天线尺寸成正比。此外,当谐振频率增加时,天线尺寸通常会下降,并 且当效率提升时,天线尺寸通常会增加。因此,效率、带宽或频率的改变 通常要求天线尺寸的改变,并且频率、效率、或尺寸的改变,进而影响带 宽。这通常表明工程师在设计客户和其它设备的天线系统时所面临的物理 限制。

对持续扩展的无线系统,Wheeler’s Theorem蕴含的意思与客户 对带宽和尺寸的期望正好相反。当前,三频GSM(tri-band GSM)要求的 天线尺寸,对具有一个接地平面的内置天线而言是5.5立方厘米,对没有 一个接地平面而直接在下面的天线而言是2.5立方厘米。目前,手机里天 线要求的空间介于总空间的5%到20%之间。通常,要么天线将变得更大 以适应额外的带宽,要么天线性能将会下降以适应更少应用。使用当前系 统已知的知识,相信如果要求的带宽增加一倍,而性能维持不变,手机尺 寸将相应地增加20%以上。

一种平衡性能和尺寸的方法是保持带宽大约不变,同时使用电 路来调整一个有源天线(active antenna)系统的谐振特性。鉴于大多数天 线是无源天线(passive antenna),其到主板(motherboard)/印刷电路板 (PCB)最多有两个连接(馈点和接地),并且没有其他的功率要求,而有 源天线使用一个开关电路来物理控制天线部件。

工程师使用有源天线来降低天线尺寸,同时获得性能增益。有 源天线系统使用一个开关元件以在其中重新调整驱动天线元件、改变谐振 频率,并对每个频率保持相似的效率和带宽性能。因Wheeler’s Theorem起 见,每次天线设置就相当于一个单独天线;因此,使用一个有源天线系统 似乎在某些方面就像,以一个的物理成本达到几个天线。使用这种技术, 工程师可以设计出多个无线网络可接受性能的天线系统,但不会增加尺寸。 不幸地,这些有源天线通常非常复杂,而且很难设计。另外,大多数有源 天线解决方案依赖于一种还没有完全商业化的技术-小功率及薄型 (low-profile)射频(RF)微电磁(MEM)开关。

图1-4描述了各种有源天线系统设计。图1描述一种开关匹配 电路有源天线系统100。此系统被用于诸如NOKIA 8810手机(1998年出 产)里,采用二极管101在天线元件103和RF模块104之间切换额外的 匹配部件102。这样可能适合改变一个单频天线的频率谐振,但不适用于 多频天线。这是因为一个匹配电路通常对一个单频带进行调谐,并且改变 一个单匹配电路通常将仅仅改变谐振2-5%,对多频天线应用而言,这通常 不足够用来转换一个全频带。

图2描述切换馈电有源天线系统200。通过在馈电位置201和 202之间进行切换,改变天线元件203的谐振频率属性是可能的。但是, 这种技术包括板上高功率RF切换元件204,并且可能很难避免RF开关元 件的固有损耗(intrinsic loss)。此外,可能很难独立控制两个或多个频带 的谐振属性,因为它们的谐振都取决于馈电位置。

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