专利名称：自适应天线阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及天线的领域，更具体地，涉及移动设备中的天线的领域。
背景技术：
移动设备例如移动电话中的天线设计是复杂的并有挑战性的工作。一方面，对于减小天线尺寸以适应更小的形状因数和为其它组件提供空间存在持续的压力。尺寸的减小有减少天线性能的倾向。另一方面，对于改进的天线性能存在不断的需求，以增加连接可靠性并减少功率需求。此外，新式手机倾向于使用多个不同频率的频带，这就优选每个频带具有自己的天线以优化性能。但是，更多天线的使用倾向于占据更多的空间，并且通常单个天线必须被用于超出该天线的理想范围的频率。已经使用平面倒F天线(PIFA)来解决上述一些问题。PIFA倾向于允许改进的辐射方向图(radiation patterns)，并通过使用狭槽等提供理想的具有较小范围的谐振频率。 寄生元件的使用能够进一步用来提高某些谐振模式的带宽。如果馈入和接地已经被适当地设置，两根PIFA可以紧密地安装在一起，一根被调谐用于第一频率，一根被调谐用于第二频率，从而提供多频带接收性能，例如GSM和UMTS。然而，存在一个问题是PIFA仍具有较窄的带宽，因而还希望调谐天线系统，以获得用于理想频率范围的更佳的灵敏度。此外，还希望解决使用者持有移动设备或将移动设备接近使用者的身体放置的幻影效应(phantom effects)，例如，阻抗失谐和随之发生的效率损耗。尽管自适应系统已经被提议用来帮助提供更多的灵活性和适应性并解决使用者的身体接近天线而存在的阻抗失谐，该系统倾向于显著增加天线子系统的成本。因此，渴求一种自适应天线系统，其能够提供改进的性能，同时将任何成本影响最小化。
发明内容
本发明提供了一种通信系统，其包括具有彼此相对的第一边缘和第二边缘的天线阵列。可调谐集成电路(tunable integrated circuit,TIC)被布置在所述第一边缘和第二边缘之间。控制器模块可用来调整TIC的值。TIC的值可被调整来改变所述第一边缘和第二边缘之间的电容耦合。因而天线阵列的频率响应可基于TIC的值来调整。在一个实施方式中，所述控制器模块可以是闭环的，并且TIC的值可基于通信系统的检测性能来调整。在一个实施方式中，所述天线阵列可以是被调谐用于不同频率范围的第一天线和第二天线， 其中所述第一边缘是所述第一天线的一部分，而所述第二边缘是所述第二天线的一部分。
本发明通过实施例来说明，但是不限于附图所示，附图中相同的附图标记表示相似的部件，其中图1示出了移动设备的简化示意图；图2示出了移动设备电路的示例性实施方式的示意图；图3示出了移动设备电路的一个实施方式的简化示意图；图3a示出了控制器模块的简化示意图；图4示出了双频带天线阵列的一个实施方式的透视图；图5示出了双频带天线阵列的一个实施方式的俯视图；图6示出了双频带天线阵列的可选实施方式的俯视图；图7a示出了三频带天线阵列的一个实施方式的俯视图；图7b示出了三频带天线阵列的可选实施方式的俯视图；图8示出了可用来补偿天线阵列中的阻抗失谐的方法的一个实施方式；图9示出了天线阵列的被电耦合在一起的两个边缘的示意图。
具体实施例方式下面的详细说明描述了示例性实施方式，但并不是意图限制于这些确切公开的组合。因此，除非另有说明，这里公开的特征可被组合在一起来形成其它组合，为了简洁这些组合并没有示出。因为多频带PIFA提供紧凑封装(compact footprint)中较有利的RF能力并能够产生使用一个或多个馈入的多个频带，所以对于许多移动设备来说已经是一种流行的天线选择。一般而言，PIFA基于其尺寸被调谐用于特定的频率范围，并且随着频率移动到调谐频率范围以外，电压驻波比(VSWR)增加，这表示更多db的功率损耗。但是，如果小心设计， 天线阵列(可以是一根或多根适于多频带例如但不限于GSM和UMTS的PIFA)能够在理想范围内提供大约2 1到3 1的电压驻波比(VSWI )。一个重要的问题是，即使对于较好地设计的天线，阻抗失谐在理想频率范围内也较低，影响天线阻抗的环境因素是不断变化的。因此，即使将天线调谐到特定设置是一个很好的折衷方法，这也不能提供充分优化的天线系统来满足顾客想要的性能。为了解决这个问题，包括可变电容器的调谐电路(例如但不限于串并联电容电路)可用来改进理想范围内的VSWR。这样做的一个方法是提供开环配置，其中操作的预期频率被用来控制调谐电路上的电容设置。然而，如果调谐电路能够基于探测到的天线性能来改变其设置(闭环调谐电路)，该调谐电路还能够基于环境因素来调整，并因此更好地解决了由于幻影手等引起的损耗。图1示出了移动设备20，其包括用户界面系统30、电路模块50和天线阵列100。 用户界面30可包括用户输入组件和用户输出组件的任何理想配置，例如但不限于一个或多个下压按钮、开关、显示器、触屏和扬声器，以及被设置来允许用户(或其它设备)与移动设备20连接的连接器。天线阵列100允许移动设备20以无线方式与远程设备(邻近移动设备布置或离开一些距离)通信。电路模块50接收并处理来自用户界面和天线的输入，然后以适当方式输出信号。通常，电路模块50将包括处理器、发射器、接收器和电源，该电源允许移动设备运作而不被连接到外部电源。但是，根据移动设备的预期目的，电路模块的多种配置是可能的，并且对于本领域技术人员来说是已知的，因此电路模块的整体配置并不予以限制。图2示出了电路模块的一部分的简化示意图，主要用于无线通信系统。电路模块 50包括电路板52，该电路板52包括处理器模块54(可以是一些以常规方式操作的用于理想电路配置的已知组件)，处理器模块讨与高频带发射器/接收器(HB TX/RX)56通信，并还与低频带发射器/接收器(LB TX/RX)58通信。HB TX/RX 56通过调谐电路60馈给天线阵列100。LB TX/RX通过调谐电路62馈给天线阵列100。可以理解的是，一个单独的调谐电路用于高频带和低频带，因此即使调谐电路62是自适应的并由此无线通信系统在一些条件范围内提供良好性能，无线通信系统(包括发射器/接收器、调谐电路和天线阵列)的总成本显著地增加。图3示出了被设置来提供理想的成本/性能权衡(trade-off)的通信系统的一个实施方式。处理器模块M被耦合到LB TX/RX 57a和HB TX/RX 57b。应该注意的是，尽管示意性地示出为单个组件，在操作中发射/接收功能可由不同的组件(例如，单独的发射器和接收器)来实现。此外，单个发射/接收电路同样能够提供高频带和低频带功能(例如， 具有用于高频带和低频带馈入的各自输出)。因此，所示电路的结构是逻辑上的，而不是物理上的。LB TX/RX 57a和HB TX/RX 57b分别被耦合到形成天线阵列的低频带天线 (LBA) 110和高频带天线(HBA) 130。图4和图5示出了天线阵列的可能配置的一个实施方式。如图所示，HBA 130包括馈入135和接地140，LBA 110包括馈入115和接地120。将 LBA 110和HBA 130耦合的是可调谐集成电路(TIC) 150，其通过控制器模块66来控制。如图4和图5所示，TIC 150在LBA 110的第一边缘111和HBA 130的第二边缘131之间延伸。已经确定的是，可以通过调整TIC 150的电容值来调整LBA 110和HBA 130之间的电容耦合。然后，这允许调整LBA 110和HBA 130的阻抗。举例来说，使用TIC，例如 PARATEK MICROWAVE公司的PARATUNE电容器，其可在0. 5-1. 5pF之间调整，这能提供理想的阻抗范围，以允许VSWR在低频带和高频带频率上是理想的。其它可能的TIC包括在理想范围内可调谐的微机电系统(MEMQ。已经确定的是，可能产生长期耐久性问题的一个问题是TIC受到的电压，因此使用与应用场合相关的环境因素相适合的TIC是有利的。在一个实施例中，将电容从0. 5pF增加到1. 5pF会导致频率响应减弱。因此，如果天线被调谐用于频率带的高端，增加TIC的电容值能够使天线被调谐用于频率带的较低端，因而允许天线在整个范围内理想地运作。这允许LBA 110和HBA 130以较宽频率范围的理想的VSWR值来运作。此外，如果TIC 150的值基于性能反馈来调整(例如，是闭环的)，环境因素例如幻影手等也可以解决。因此，可以理解的是，相比于单独的调谐电路(例如图2中所示)，图4 和图5中所示的配置允许减少组件，并因此提供理想的成本效应性能改进。可以理解的是， 对于某些天线设计和使用，提供更大的可调性范围(例如但是不限于在0. 5pF和3. OpF之间)是理想的。图3a示出了包括前端ASIC的控制器模块66的一个实施方式。该前端ASIC具有探测器和运算法则，该运算法则基于探测器探测到的值为控制器提供输入，从而控制器能够调整TIC 1的值。布置在馈入上的双向耦合器能够用来提供闭环输入。此外，可选的第二 TIC 2可被布置在馈入和天线阵列之间，以进一步改进阻抗匹配。应该注意的是，电容调谐的理想范围将随天线阵列的配置和TIC的位置而定，因而尽管公开的范围有利于所述的天线阵列的配置，但是其可以根据需要调整。例如，如果天线阵列被设置成图5中所示，然后移动TIC 150使其耦合边缘111和边缘131，但是远离边缘152布置，这将改变其相对于低频带和高频带的性能(潜在地改进高频带性能，同时降低低频带性能)。因此，可根据高频带和低频带天线最初是如何被调谐的，并根据是否需要额外的阻抗匹配用于特定的频带和/或幻影效应来改变TIC 150的位置。对于所述配置，将 TIC 150布置得更靠近发射边缘(例如，更靠近边缘15 通过更高Q的平衡增加了天线调谐灵敏度。移动TIC 150更靠近接地140将引起不太灵敏的调谐，由此增加了调谐范围，潜在地大于3 1的范围。TIC 150的所述位置是最终的天线谐振频率、调谐范围和Q之间的平衡。可以理解的是，根据天线阵列的配置，TIC的位置还可具有用于不同频带的不同调谐影响。根据天线阵列的配置，特定TIC位置可优化低频带和高频带性能(从而为最优TIC 位置作准备)。然而，可以理解的是，通过天线阵列的两个相对边缘之间耦合的TIC可能获得的改进的阻抗匹配可以改进系统性能，和/或允许使用减小的功率。图6示出了双频带单馈入天线阵列的一个实施方式的示意图。PIFA200包括馈入215和接地220，还包括形成狭槽的第一边缘211和第二边缘212。TIC 150布置在狭槽内，并耦合第一边缘211和第二边缘212。TIC可以是无源TIC，其是闭环控制的，并在大约 0.5pF和大约IOpF之间的值的范围内是可调的。如所示，TIC 150布置在第一边缘211和第二边缘212的端部A和端部B之间。但是，TIC的位置可调整到第一边缘211和第二边缘212的两个端部A、B之间的一些其它位置上。将TIC 150布置得更靠近端部A可倾向于改进高频带的调谐能力，同时对低频带具有较小的影响。相反地，将TIC 150移动得更靠近端部B可增加低频带的调谐能力，同时减小高频带的调谐能力。此外，多个TIC可被设置在狭槽内，至少一个靠近端部B且至少一个靠近端部A，以较大程度地改进高频带和低频带的调谐。可以理解的是，如果提供三频带单馈入天线阵列，与图6中所示相似的设置是可能的。单个TIC可耦合两个边缘(例如，但不限于，在天线阵列中形成狭槽的边缘)。根据天线阵列结构，可提供多个TIC，每个耦合天线阵列的边缘。此外，如果使用了桥元件(如下面图9中所示)，多个桥元件可被用来将单个TIC耦合到两个以上的边缘。尽管多个桥元件可与不同的配置一起使用，但是对于许多配置来说，这可能是更简单的，正如有效地用 TIC元件耦合两个相对的边缘。因此，可以理解的是，TIC的数量和相对边缘的选择以及沿着选定的相对边缘的位置是可以改变的，从而提供天线阵列中理想的调谐灵敏度。根据TIC的调谐能力，在选取 TIC提供的值时可以进行一些权衡，以提供最理想的通信系统。因此，TIC的位置和理想的值可以取决于例如天线阵列配置和Tic的性能等因素而改变。图7a和7b示出了三频带天线阵列300、300a两个实施方式。可以理解的是，天线阵列还可以根据需要包括其它的频带(例如，可提供一个适于在大约0. 7GHz范围的附加的低频带)。此外，天线阵列300还能够以已知的方式配置用于理想的频率。如所示，天线阵列300包括LBA310 (例如适于GSM型频率)、HBA 330 (例如适于UMTS型频率)和无线局域网络(WLAN)天线350(例如适合于在高速无线通信中使用的频率)。通常，WLAN天线将被配置用于例如2. 3GHz,2. 4GHz、3. 5GHz或5GHz等频率。可以理解的是，可在该天线阵列上设置任何理想的信号协议。天线阵列300a相似地配置，但是包括在HBA 330和LBA 310之间的桥元件。但是，可以理解的是，相应的馈入和接地(可在LBA和HBA之间共享)的位置允许两个PIFA之间的足够间隔。如所示，LBA 310包括接地315、馈入316和第一边缘311。HBA 330包括接地335、 馈入336、第二边缘331和第三边缘332。第一边缘311和第二边缘331彼此相对。WLAN天线350包括接地335、馈入357和第四边缘351。第三边缘332和第四边缘351彼此相对。 TIC 161将相对的第一边缘311和第二边缘331耦合。TIC 162将相对的第三边缘332和第四边缘351耦合。因此，在天线阵列中可设置一个以上的TIC来耦合对应的相对边缘。例如，在图7b中，TIC 164同样沿着第一边缘111和第二边缘131布置。附加的 TIC 163沿着相对的边缘312、333布置。每个TIC可单独或成组地控制，但是为了节省成本，有利地采用对使用的各个TIC具有不同输出(或单个输出，如果TIC的值被确定为优选是有联系的)的单个控制模块。每个TIC可被布置来优化受到TIC影响的部分天线阵列的性能。例如，如果使用两个TIC来耦合LBA 310和HBA 330，一个TIC可被布置在LBA 310 高阻抗点，一个可被布置在HBA 330高阻抗点。因此，可以理解的是，由于HBA 330被耦合到两个(或图7中更多的)TIC，这样被耦合到HBA 330的TIC的值可被潜在地一起调整，以优化HBA 330的性能。此外，根据需要，两个或更多TIC可沿两个相对的边缘布置，TIC分隔开，并适当地配置来以理想的方式改进性能。然而，这种配置增加了成本，并且对于一些天线阵列来说提供耦合两个相对边缘的单个TIC是足够的。但是，如果封装限制强加了性能限制，可使用理想数量的TIC来耦合天线阵列的理想数量的边缘，以提供理想的性能。应该注意的是，如果在天线阵列中使用多个TIC，每个TIC可被单独地配置为可闭环调整或可开环调整。但是，如果至少一个TIC是可闭环调整的，则期望提供最大的灵活性。如果多个TIC成组调整，那么单个探测器可被用来为所有TIC提供闭环系统，例如图3a 中所示。可以理解的是，对于一些移动设备，提供一个以上的天线阵列是理想的。在这种配置中，每个天线阵列可包括在天线阵列的相对边缘之间的TIC，从而为每个天线阵列提供可调整性。图8示出了用于调整天线阵列的至少一部分的阻抗的一般方法。在步骤810中， 耦合到天线阵列的两个相对边缘的TIC被调整，以提供天线阵列的相应部分上的理想的频率响应。可以理解的是，一个以上的TIC可被耦合到相同的两个相对边缘。同样，附加TIC 可被耦合到其它的相对边缘。通常，可期望增加Tic的数目来改进调谐性能，但是将会趋向于增加成本。例如，对于图4和图5中所示的配置，增加TIC的电容值将导致天线阵列被调谐用于更低的频率。因此，可通过将TIC设定在第一最低值(例如但不限于，0. 5pF)来将天线阵列设置用于更高频率，而将TIC调整到最大允许值(例如但不限于，1. 5pF)来设置天线阵列用于更低频率。因此，天线的最初调谐和TIC的预定设置可被确定用于理想的频率范围。可以理解的是，对于开环系统，可选步骤815和820可以省略。但是，如果系统是闭环的，那么在步骤815中探测阻抗失谐。阻抗失谐可以根据需要通过控制器模块来探测，在一个实施方式中可以通过与双向耦合器通信的探测器来探测(如图3a中所示)。接着，在步骤820中，调整TIC的值以解决步骤815中探测到的阻抗失谐。可以理解的是，例如，如果移动设备包括免提耳机，那么用于TIC的预定值足够用于许多情形。但是，如果使用者恰好手持移动设备，那么可以预期的是预定TIC值将不再是最适宜的。因此，通过以闭环方式调整TIC的值，天线阵列阻抗可以朝着其自由空间条件调整回来，从而提供改进的效率并潜在地提供改进的可靠性，这是因为输入功率的大部分能够被传递。因此，可以理解的是， TIC可以基本上实时更新，以连续解决移动设备所经历的环境条件的变化。如上所述，耦合天线阵列的两边缘的经济并有效的方法是布置TIC，使其耦合两个相对并通常彼此紧密布置的边缘。应该注意的是，如果包括附加元件，例如桥元件，耦合的边缘还可以间隔更远地布置。图9示出了一个实施方式，其中第一边缘411通过TIC 450 和桥元件460被耦合到第二边缘431。该桥元件可以是任何理想的元件，例如导电迹线，其适于在两个边缘411、431之间延伸。因此，在一些实施方式中，TIC可耦合天线阵列的不同部分上的边缘。本发明已经通过优选和典型的实施方式进行了描述。通过对本公开的阅读，本领域普通技术人员可以想到在所附权利要求的范围和精神内的许多其它的实施方式、修改以及变化。
权利要求
1.一种通信系统，其包括电路模块，其被配置来接收和发射信号；天线阵列，其包括分隔开的第一边缘和第二边缘；以及可调谐集成电路(TIC)，其电耦合所述第一边缘和第二边缘。
2.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述TIC是闭环控制的。
3.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述天线阵列被配置来提供第一频带和第二频带，所述第一边缘和第二边缘包括被配置来提供各自的第一频带和第二频带的所述天线阵列的边缘。
4.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述TIC具有至少1.OpF的可调范围。
5.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述TIC在至少0.5pF和1. 5pF之间的范围内是可调的。
6.根据权利要求4所述的通信系统，其特征在于，所述TIC在达到至少3.OpF的范围内是可调的。
7.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述TIC是第一TIC，所述天线阵列还包括第二 TIC和分隔开的第三边缘、第四边缘，所述第二 TIC电耦合所述第三边缘和第四边缘。
8.一种天线系统，其包括天线阵列，其包括分隔开的第一边缘和第二边缘；以及可调谐集成电路(TIC)，其电耦合所述第一边缘和第二边缘。
9.根据权利要求8所述的天线系统，其特征在于，所述TIC是闭环控制的。
10.根据权利要求8所述的天线系统，其特征在于，所述天线阵列被配置来提供第一频带和第二频带，所述第一边缘和第二边缘包括被配置来提供各自的第一频带和第二频带的所述天线阵列的边缘。
11.根据权利要求8所述的天线系统，其特征在于，所述TIC具有至少LOpF的可调范围。
12.根据权利要求8所述的天线系统，其特征在于，所述TIC至少在大约0.5pF和大约 1.5pF之间是可调的。
13.根据权利要求8所述的天线系统，其特征在于，所述TIC是第一TIC，所述天线阵列还包括第二 TIC和分隔开的第三边缘、第四边缘，所述第二 TIC电耦合所述第三边缘和第四边缘。
14.一种在移动设备中调谐天线阵列的方法，其包括调整电耦合天线阵列的第一边缘和第二边缘的可调谐集成电路(TIC)，以改变所述天线阵列的频率响应。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述调整同时改变用于两个频带的所述天线阵列的频率响应。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述调整至少在0.5pF和1. 5pF之间改变所述TIC的电容值。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述调整基于查表法，所述查表法包括基于理想的操作频率的所述TIC的预定值。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述调整以闭环方式进行，以响应探测到的天线性能。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述探测到的天线性能是电压驻波比。
20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述TIC的调整是调整第一TIC，该方法还包括调整与天线阵列的第三边缘和第四边缘电耦合的第二 TIC。
全文摘要
本发明涉及一种天线阵列，其包括布置在两个分隔开的边缘之间的可调谐集成电路(TIC)。所述TIC在一数值范围内是可调的，并能够允许天线阵列来提供理想性能，以响应外部因素的改变。在一些实施方式中，所述天线阵列可包括布置在另两个分隔开的边缘之间的第二TIC。所述TIC能够以闭环的方式调整。
文档编号H01Q9/04GK102349193SQ201080011866
公开日2012年2月8日 申请日期2010年1月14日 优先权日2009年1月14日
发明者彼得·宋, 纳迪·普富尔, 陶园, 麦德斯·萨格 申请人:莫列斯公司