耦合天线结构和方法

耦合天线结构和方法
【专利摘要】本发明提供天线设备和使用及调谐方法。在一个示例性实施例中，本发明的解决方案尤其适合于利用卫星无线链路的小形式因数、具有金属包装的应用(例如，GPS)，且使用电磁(例如，电容式)馈送方法，所述方法包含并不电连接到所述天线的辐射器元件的一个或一个以上单独馈送元件。此外，所述天线设备的某些实施方案提供承载所述天线的一个以上操作频带的能力。
【专利说明】耦合天线结构和方法
[0001] 优先权
[0002] 本申请案主张在2014年3月3日申请的具有相同标题的共同拥有且共同待决的 第14/195,670号美国专利申请案的优先权，所述美国专利申请案是2013年3月11日申请 的具有相同标题的共同拥有且共同待决的第13/794,468号美国专利申请案的部分接续申 请案且主张其优先权，所述两案皆以全文引用的方式并入本文中。

【技术领域】
[0003] 本发明大体上涉及供用于例如无线或携带型无线电装置等电子装置中的天线设 备，且更明确地说，在一个示范性方面中，涉及供用于金属装置或具有金属表面的装置内的 天线设备，以及其利用方法。

【背景技术】
[0004] 天线通常可见于大多数现代无线电装置中，所述无线电装置例如移动计算机、便 携式导航装置、移动电话、智能电话、个人数字助理（PDA)，或其它个人通信装置（PCD)。通 常，这些天线包括具有接地平面的平坦辐射元件，所述接地平面一股平行于所述平坦辐射 元件。所述平坦辐射元件与接地平面通常经由短路导体连接到彼此，以便实现天线的所需 阻抗匹配。所述结构经配置以使得其充当所需操作频率下的共振器。通常，这些内部天线 位于在塑料封闭体内部的无线电装置的印刷电路板（PCB)上，所述塑料封闭体准许将射频 波传播到天线且从天线传播射频波。
[0005] 最近，这些无线电装置包含金属主体或外部金属表面已合乎需要。可出于任何数 目的原因而使用金属主体或外部金属表面，所述原因包含例如提供美观益处，例如对底层 无线电装置产生令人愉悦的观感及触感。然而，金属封闭体的使用对于射频（RF)天线实施 方案产生新的挑战。典型现有技术天线解决方案对于与金属外壳和/或外部金属表面共同 使用常常并不合适。这归因于以下事实：无线电装置的金属外壳和/或外部金属表面充当 使天线性能降级的RF屏蔽物，在需要天线于若干频带中操作时尤其如此。
[0006] 因此，存在对于与例如携带型无线电装置一起使用的天线解决方案的突出需要， 所述携带型无线电装置具有小形式因数金属主体和/或外部金属表面，其提供改善的天线 性能。


【发明内容】

[0007] 本发明通过尤其提供供用于金属外壳内的具空间效益的天线设备以及其调谐及 使用方法来满足前述需要。
[0008] 在第一方面中，揭示一种耦合天线设备。在一个实施例中，所述耦合天线设备包含 具有导电环式结构的第一辐射器元件。所述导电环式结构包含经配置以优化所述耦合天线 设备的一个或一个以上操作参数的一个或一个以上突出导电部分。
[0009] 在替代实施例中，所述耦合天线设备包含：第一辐射器元件，其具有闭合结构；一 个或一个以上第二辐射器元件，其经安置而接近于所述第一辐射器元件；以及一个或一个 以上第三辐射器元件，其经安置而接近于所述一个或一个以上第二辐射器元件。所述闭合 结构包含经配置以优化所述耦合天线设备的一个或一个以上操作参数的一个或一个以上 突出导电部分。
[0010] 在第二方面中，揭示一种具卫星定位功能的无线设备。在一个实施例中，所述具卫 星定位功能的无线设备包含：无线接收器，其经配置以至少接收卫星定位信号；以及与所 述接收器进行信号通信的天线设备。所述天线设备包含具有闭环结构的外部辐射器元件， 其具有经配置以优化所述天线设备的一个或一个以上操作参数的一个或一个以上突出导 电部分。
[0011] 本发明的另外特征、其性质及各种优点将将从随附图式及以下详细描述而更显而 易见。

【专利附图】

【附图说明】
[0012] 本发明的特征、目标及优点将从下文结合图式所阐述的详细描述而更显而易见， 在图式中：
[0013] 图1是详述根据本发明的一个实施例的天线设备的示意图。
[0014] 图2A是根据本发明的原理的无线电装置的耦合天线设备的一个实施例的下侧的 透视图。
[0015] 图2B是根据本发明的一个实施例配置的图2A的耦合天线设备的透视图。
[0016] 图2C是图2A到2B的耦合天线设备的分解图，其详述根据本发明的原理的耦合天 线设备的各种组件。
[0017] 图3A是根据本发明的原理的无线电装置的耦合天线设备的第二实施例的下侧的 透视图。
[0018] 图3B是根据本发明的第二实施例配置的图3A的耦合天线设备的透视图。
[0019] 图3C是图3A到3B的耦合天线设备的分解图，其详述根据本发明的原理的耦合天 线设备的各种组件。
[0020] 图4A是根据本发明的原理的无线电装置的耦合天线设备的第三实施例的下侧的 透视图。
[0021] 图4B是根据本发明的第三实施例配置的图4A的耦合天线设备的透视图。
[0022] 图4C是图4A到4B的耦合天线设备的分解图，其详述根据本发明的原理的耦合天 线设备的各种组件。
[0023] 图5A是根据本发明的原理的无线电装置的耦合天线设备的第四实施例的下侧的 透视图。
[0024] 图5B是根据本发明的第四实施例配置的图5A的耦合天线设备的透视图。
[0025] 图5C是图5A到5B的耦合天线设备的分解图，其详述根据本发明的原理的耦合天 线设备的各种组件。
[0026] 图6A是适用于根据本发明的原理的图2A到5C的耦合天线设备中的不对称外部 环形元件的顶侧视图。
[0027] 图6B是适用于根据本发明的原理的图2A到5C的耦合天线设备中的对称外部环 形元件的顶侧视图。
[0028] 图7是利用根据本发明的原理建构的示范性耦合天线设备实施例的随频率而变 的回程损失的曲线图。
[0029] 图8是说明根据本发明的原理的示范性耦合天线设备的以下各者的曲线图：（i) 效率（dB) ；(ii)轴比（dB) 右手圆极化（RHCP)信号增益；（iv)左手圆极化（LHCP) 信号增益；以及（v)随频率而变的效率)。
[0030] 图9是说明根据本发明的原理建构的示范性耦合天线设备的所测量SNR (信噪比） 的曲线图。
[0031] 图10是说明与根据本发明的原理制造的图2A到5C的耦合天线设备一起利用的 图6A的不对称外部环形元件的随频率而变的RHCP信号增益的曲线图。
[0032] 图11是说明与根据本发明的原理制造的图2A到5C的耦合天线设备一起利用的 图6A的不对称外部环形元件的随频率而变的LHCP信号增益的曲线图。
[0033] 图12是说明与根据本发明的原理制造的图2A到5C的耦合天线设备一起利用的 图6A的不对称外部环形元件的随频率而变的轴比（AR)增益的曲线图。
[0034] 图13是说明与根据本发明的原理制造的图2A到5C的耦合天线设备一起利用的 图6B的对称外部环形元件的随频率而变的回程损失的曲线图。
[0035] 本文所揭示的所有图的版权（2013-2014)属Pulse Finland 0y所有。保留所有 权利。

【具体实施方式】
[0036] 现参考诸图式，其中相同数字贯穿各图指代相同部分。
[0037] 如本文所使用，术语"天线"及"天线组合件"是指（但不限于）并入有单个元件、 多个元件或元件的一个或一个以上阵列的任何系统，所述元件接收/发射和/或传播电磁 辐射的一个或一个以上频带。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、数字编码毫米波能量，或其类似者。能量可使用一个或一个以上转发 器链路从一个位置发射到另一位置，且一个或一个以上位置可为移动的、静止的，或固定到 地球上的位置，例如基站。
[0038] 如本文所使用，术语"板"及"基板"大体是指（但不限于）其上可安置其它组件的 任何实质上平坦或弯曲的表面或组件。举例来说，基板可包括单层或多层印刷电路板（例 如，FR4)、半导电裸片或晶片，或甚至外壳或其它装置组件的表面，且可为实质上硬质或者 至少略带柔性。
[0039] 术语"频率范围"及"频带"是指（但不限于）用于传达信号的任何频率范围。此 些信号可依照一个或一个以上标准或无线空气接口而传达。
[0040] 如本文所使用，术语"携带型装置"、"移动装置"、"客户端装置"及"计算装置"包 含但不限于个人计算机（PC)及微型计算机（不管是桌上型、膝上型还是其它）、机顶盒、个 人数字助理（PDA)、手持式计算机、个人通信器、平板计算机、携带型导航助件、装备J2ME的 装置、蜂窝式电话、智能电话、平板计算机、个人集成通信或娱乐装置、便携式导航装置，或 能够处理数据的几乎任何其它装置。
[0041] 此外，如本文所使用，术语"辐射器"、"辐射平面"及"辐射元件"是指（但不限于） 可充当接收和/或发射射频电磁辐射的系统的部分的元件，例如天线。因此，示范性辐射器 可接收电磁辐射、发射电磁辐射，或两者。
[0042] 术语"馈送"及"RF馈送"是指（但不限于）可传送能量、变换阻抗、增强性能特性 且使传入/传出RF能量信号之间的阻抗特性符合一个或一个以上连接元件的阻抗特性的 任何能量导体及稱合元件，例如福射器。
[0043] 如本文所使用，术语"顶部"、"底部"、"侧"、"上"、"下"、"左"、"右"及其类似者仅指 示一个组件与另一组件的相对位置或几何形状，且不以任何方式指示绝对参考系或任何所 要求定向。举例来说，在将组件安装到另一装置（例如，安装到PCB的下侧）时，所述组件 的"顶部"部分可实际上位于"底部"部分之下。
[0044] 如本文所使用，术语"无线"意味着任何无线信号、数据、通信或其它接口，包含 但不限于 Wi-Fi、蓝牙、3G(例如，3GPP、3GPP2,及 UMTS)、HSDPA/HSUPA、TDMA、CDMA(例如， IS-95A、WCDMA，等）、FHSS、DSSS、GSM、PAN/802. 15、WiMAX(802. 16)、802· 20、窄频 /FDMA、 0FDM、PCS/DCS、长期演进（LTE)或进阶LTE (LTE-A)、模拟蜂窝式、CDH)、例如GPS及GLONASS 等卫星系统，及毫米波或微波系统。
[0045] 概述
[0046] 在一个突出方面中，本发明提供改善的天线设备以及使用及调谐方法在一个示范 性实施例中，本发明的解决方案尤其适合于利用卫星无线链路的小形式因数、具有金属包 装的应用（例如，GPS)，且使用电磁（例如，在一个实施例中，电容式）馈送方法，所述方法 包含并不电连接到天线的辐射元件的一个或一个以上单独馈送元件。此外，所述天线设备 的某些实施方案提供承载所述天线的一个以上操作频带的能力。
[0047] 示范性实施例的详细描述
[0048] 现提供本发明的设备和方法的各种实施例及变体的详细描述。尽管基本上在例 如腕表等携带型无线电装置的上下文中进行论述，但本文中论述的各种设备及方法不限于 此。实际上，本文中所描述的许多设备及方法适用于任何数目的装置，包含可受益于本文所 述的耦合天线设备和方法的移动及固定装置两者。
[0049] 此外，尽管基本上在于GPS无线频谱内操作的上下文中论述图1到6B的耦合天 线设备的实施例，但本发明不限于此。实际上，图1到6B的天线设备适用于任何数目的 操作频带，包含但不限于用于以下各者的操作频带：GL0NASS、Wi-Fi、蓝牙、3G(例如，3GPP、 3GPP2,及 UMTS)、HSDPA/HSUPA、TDMA、CDMA(例如，IS-95A、WCDMA，等）、FHSS、DSSS、GSM、 PAN/802. 15、WiMAX(802. 16)、802· 20、窄频 /FDMA、OFDM、PCS/DCS、长期演进（LTE)或进阶 LTE (LTE-A)、模拟蜂窝式，及CDPD。
[0050] 示范件天线设各
[0051] 现参考图1，展示且详细描述耦合天线设备100的一个示范性实施例。如图1中所 示，耦合天线设备100包含三（3)个主天线元件，包含安置为邻近于中间辐射器元件104及 内部馈送元件106的外部元件102。辐射器元件104、馈送元件106及外部元件102不与彼 此电连接，而替代地电容耦合，如下文所论述。外部元件102进一步经配置以充当用于天线 设备100的初级辐射器元件。外部元件的宽度及外部元件距中间元件的距离是基于特定天 线设计要求而选择，所述特定天线设计要求包含（i)所关注的操作频带，及（ii)操作带宽， 其示范性值可由本发明的所述领域的技术人员容易地实施。
[0052] 如图1中所示，耦合天线设备的中间辐射器元件安置为邻近于外部元件，且与外 部元件分离间隙距离120。举例来说，在一个实施方案中，使用0. 2到1mm的距离，但应了 解，此值可取决于实施方案及操作频率而变化。此外，可通过调整间隙距离及通过调整外部 与中间辐射器元件的重叠面积且通过外部及中间辐射器元件两者的总面积而调整耦合强 度。间隙120尤其使得能够调谐天线共振频率、带宽及辐射效率。中间辐射器元件进一步 包含两个部分104 (a)及104 (b)。第一部分104a为主耦合元件，且第二部分104b向左漂移 且不以其它方式连接到天线结构。举例来说，如果出于某种机械原因，中间元件形成为较大 部分且仅其较短部分需要作为耦合元件，则第二部分104b可在结构中的左侧。安置在中间 辐射器元件部分104(a)的一个末端处的是用于将中间辐射器元件104连接到接地的短路 点110。在所说明的实施例中，短路点110位于距内部馈送元件106预定义距离122(在示 范性实施方案中通常为1到5_，但可取决于实施方案及操作频率而变化）处。短路点110 的放置部分地确定耦合天线设备100的共振频率。部分104 (a)连接到部分104 (b)，其中部 分104(b)形成完整的中间辐射器（环）。
[0053] 图1还说明由接地点114以及电连接的馈送点116组成的内部馈送元件106。内 部馈送元件106安置与中间辐射器元件104相距距离124处。此外，接地点114相对于馈 送点116的放置及定位部分地确定耦合天线设备100的共振频率。应注意，馈送元件的接 地点主要用于馈送点阻抗匹配。在一个实施方案中，馈送元件形式及此项技术中已知类型 的IFA类型（倒F形天线）结构以及此元件的阻抗调整为普通天线设计者所熟知，且因此 不在本文中进一步描述。馈送与接地点之间的典型距离为约1到5_，但此可取决于频率及 应用而变化。
[0054] 此外，应了解，必要时可消除接地点，例如通过在馈线上放置分流电感器。馈送点 116以及接地点110及114的放置极大地影响右手圆极化（RHCP)及左手圆极化（LHCP)隔 离增益，如下文所论述。顺带说一下，GPS及大多数卫星导航发射为RHCP ;卫星发射RHCP信 号，因为据发现其比例如线性极化的信号受大气信号变形及损失的影响小。因此，任何接收 天线应具有与传输卫星相同的极化。如果接收装置天线主要是LHCP极化，则将出现显著信 号损失（约几十dB)。另外，卫星信号在每次从对象（例如地球表面或建筑物）反射时将把 极化从RHCP改变成LHCP。与直接接收的RHCP信号相比，在接收单元附近被反射一次的信 号具有几乎相同的振幅但小的时延及LHCP。这些反射信号对于GPS接收器灵敏度尤其有 害，且因此优选使用其中LHCP增益比RHCP增益最少低5dB到10dB的天线。
[0055] 举例来说，在示范性说明中，馈送及接地线放置经选择以使RCHP增益占优势且 LHCP增益受到抑制（以便增强对GPS圆极化信号的灵敏度）。然而，如果颠倒馈送与接地 线放置，则天线设备100的"手性（handedness) "将颠倒，由此产生优势性LHCP增益，同时 抑制RHCP增益。为此目的，本发明在某些实施方案中还涵盖例如在运行中例如经由硬件或 软件开关或手动地切换或重新配置天线的能力，以便针对特定用途或应用根据需要切换前 述"手性"。例如可能需要结合LHCP源进行操作或接收前述反射信号。
[0056] 因此，尽管未说明，但本发明涵盖：（i)具有可实质上独立于彼此操作的RHCP占优 势及LHCP占优势天线两者的携带型或其它装置，及（ii)其中接收器可取决于所接收信号 的极化而在两者之间切换的变体。
[0057] 图1的耦合天线设备100因此包括堆叠配置，其包括外部元件102、安置在外部元 件内部的中间辐射器元件104,及内部馈送元件106。应注意，一个中间辐射器元件足以在 所需操作频率上激发。然而，对于多频带操作，可添加额外中间元件及馈送元件。作为一个 实例，如果需要2. 4GHz ISM频带，则可由另一组中间元件及馈送元件馈送相同外部辐射器。 内部馈送元件进一步经配置以与馈送点116电耦合，且中间辐射器元件经配置以电容耦接 到内部馈送元件。外部元件102经配置以充当最终天线辐射器，且进一步经配置以电容耦 接到中间辐射器元件。在本实施例中，外部元件102以及馈送元件104及106的尺寸经选 择以实现所需性能。具体来说，如果元件（外部、中间、内部）测量为彼此分离，则其中无一 者将被独立地调谐到接近所需操作频率的值。然而，在三个元件耦合在一起时，其形成在所 需的一个或一个以上操作频率中产生共振的单个辐射器封装。归因于天线的物理大小和低 介电介质（如塑料）的使用，实现单个共振的相对宽的带宽。此结构在卫星导航应用的示 范性上下文中的一个突出益处是存在典型兴趣来用同一天线覆盖GPS及GLONASS导航系统 两者，即示范性实施方案所允许的最小1575到1610MHz。
[0058] 本发明的所属领域的技术人员应了解，以上尺寸对应于一个特定天线/装置实施 例，且是基于特定实施方案而配置，且因此仅说明本发明的较广泛原理。距离120U22及 124进一步经选择以实现耦合天线设备100的所需阻抗匹配。举例来说，归因于可调整的多 个元件，有可能将所得天线调谐到所需操作频率，即使单元大小（天线大小）在很大程度上 变化。举例来说，顶部（外部）元件大小可扩展到例如100乘60_，且通过调整元件之间的 耦合，可有利地实现正确调谐及匹配。
[0059] 檇带型无线电裝置配置
[0060] 现参考图2A到5C，展示且描述携带型无线电装置的四（4)个示范性实施例，其包 括根据本发明的原理配置的耦合天线设备。此外，相对于图6A到6B展示外部元件的各种实 施方案，其可结合图2A到5C中所说明的耦合天线设备实施例而利用以便进一步实现各种 天线操作特性的优化。在一些实施例中，图1的天线设备1〇〇的一个或一个以上组件是使用 覆盖有金属的塑料主体形成，通过任何适当制造方法（例如，示范性激光直接构造（"LDS"） 制造工艺，或即使例如下文参考的印刷工艺）制造。
[0061] LDS天线制造工艺中的近期进展已使得能够将天线直接构造在原本非导电的表面 上（例如，构造在掺杂有金属添加剂的热塑性材料上）。随后借助于激光激活经掺杂金属添 加剂。LDS使得能够将天线构造成更复杂的三维（3D)几何形状。举例来说，在各种典型智 能电话、腕表及其它移动装置应用中，其上可安置天线的底层装置外壳和/或其它天线组 件是使用标准注射模制工艺而使用LDS聚合物制造。接着使用激光来激活（热塑性）材料 的随后被电镀的区域。通常，接着添加电解铜浴继之以例如镍或金等连续添加剂层以完成 天线的构造。
[0062] 此外，可根据本发明而使用移印、导电墨水印刷、FPC、钣金、PCB工艺。应了解，本 发明的各种特征有利地不绑定到任何特定制造技术，且因此可广泛地与任何数目的前述工 艺一起使用。尽管一些技术固有地对于制作例如3D成形辐射器及调整元件之间的间隙具 有限制，但可藉由使用任何种类的导电材料及工艺形成发明性天线结构。
[0063] 然而,LDS的使用是示范性的，可使用其它实施方案来例如经由使用柔性印刷电路 板（PCB)、钣金、印刷辐射器等来制造耦合天线设备，如上文所指出。然而，可根据例如维持 所需的小形式因数和/或其它设计要求及属性来选择以上各种设计考虑。举例来说，在一 个变体中，在2013年3月1日申请且标题为"沉积天线设备和方法（DEPOSITION ANTENNA APPARATUS AND METHODS)"的共同拥有且共同待决的第13/782, 993号美国专利申请案（其 主张2012年3月2日申请的第61/606, 320号美国临时专利申请案、2012年3月12日申请 的第61/609, 868号美国临时专利申请案及2013年1月8日申请的第61/750, 207号美国 临时专利申请案的优先权权益，各案具有相同标题，且前述各者中的每一者以全文引用的 方式并入本文中）中描述的基于印刷的方法和设备用于将天线辐射器沉积在基板上。在一 个此变体中，天线辐射器包含使用本文论述的印刷工艺印刷到基板上的四分之一波环或线 式结构。
[0064] 图2A到5C中所说明的携带型装置（S卩，具有GPS功能性的手腕可安装手表、资 产跟踪器、运动计算机，等）放置在经配置以具有大体圆形形式的封闭体200、300、400、500 中。然而，应了解，尽管所展示此装置具有大体圆形形式因数，但可用拥有其它合乎需要的 形式因数的装置实践本发明，所述形式因数包含但不限于正方形（例如，相对于图6A及6B 所说明）、矩形、其它多边形、椭圆形、不规则等。此外，封闭体经配置以收纳至少部分用透明 材料（例如透明聚合物、玻璃或其它适当透明材料）形成的显示盖（未图示）。所述封闭体 还经配置以收纳类似于图1中所示的耦合天线设备的耦合天线设备。在示范性实施例中， 封闭体由注入模制聚合物（例如聚乙烯或ABS-PC)形成。在一个变体中，塑料材料进一步 具有安置在其表面上的金属化导电层（例如，铜合金）。所述金属化导体层大体形成如图1 中所说明的耦合天线设备。
[0065] 现参考图2A到2C，展示根据本发明的原理的供用于携带型无线电装置中的耦合 天线设备200的一个实施例。图2A说明耦合天线设备200的下侧，其说明所做出的到印刷 电路板（219,图2B及2C)的各种连接。具体来说，图2A说明用于中间环辐射器元件204的 短路点210以及用于内部馈送迹线元件206的短路点216及电馈送点214。内部馈送迹线 元件及中间环辐射器元件两者皆安置在所说明实施例的前盖203内部以使耦合天线设备 与携带型无线电装置一起使用。根据本发明的第一个实施例，前盖203 (见图2A及2C)是 使用激光直接构造（"LDS"）聚合物材料而制造，所述聚合物材料随后经掺杂且用外部环辐 射元件202 (见图2B到2C)电镀。LDS技术的使用是示范性的，因为其允许复杂（例如弯 曲）金属结构直接形成在底层聚合物材料上。
[0066] 此外，在一示范性实施例中，中间环辐射器元件204也是使用LDS技术而安置在经 掺杂前盖203的内部上。中间环辐射器元件204建构成两（2)个部分204(a)及204(b)。 在示范性实施方案中，元件204(a)用以提供有利地点以供接地接点（短路点）210啮合。 短路点210安置在中间环辐射器的第一部分204(a)的一个末端上。耦合天线设备200进 一步包含随后在其上建构内部馈送元件206的LDS聚合物馈送框架218。内部馈送元件包 括电馈送点216以及短路点214,其两者皆经配置以分别在点216'及214'处耦合到印刷 电路板219 (见图2C)。内部馈送框架元件安置为邻近于中间辐射器环元件部分204,使得 同轴馈送点处于与中间辐射器元件短路点210相距距离222处。中间辐射器元件的短路点 210及内部馈送元件的短路点214经配置以分别在点21(V及21V处与PCB219介接。后 盖220定位在印刷电路板的下侧上且形成耦合天线设备的闭合结构。
[0067] 现参考图3A到3C，展示根据本发明的原理的供用于携带型无线电装置中的耦合 天线设备300的替代实施例。图3A说明耦合天线设备300的下侧，其展示所做出的到印刷 电路板（319,图3C)的各种连接。具体来说，图3A说明用于中间环辐射器元件304的短路 点310以及用于内部馈送迹线元件306的短路点316及电馈送点314。内部馈送迹线元件及 中间环辐射器元件两者皆安置在所说明实施例的前盖303内部以使耦合天线设备与携带 型无线电装置一起使用。在一示范性实施例中，前盖303 (见图3A及3C)是使用激光直接构 造（"LDS"）聚合物材料而制造，所述聚合物材料随后经掺杂且用外部环辐射元件302 (见 图3B到3C)电镀。此外，在一示范性实施例中，中间环辐射器元件404也是使用LDS技术 安置在经掺杂前盖303的内部上。中间环辐射器元件304建构成两（2)个部分304(a)及 (b)，且并入有安置在中间环辐射器的第一部分304(a)的一个末端上的短路点310。所述 外部环辐射元件302及中间环辐射器304在构造上类似于图2A到2C中所说明的实施例。 然而，耦合天线设备300不同于图2A到2C的实施例，不同之处在于内部馈送元件306随后 直接建构到前盖303的内部上，而非形成在单独馈送框架上。所述内部馈送元件包括电馈 送点316以及短路点314,其两者皆经配置以分别在点316'及314'处耦合到印刷电路板 319 (见图3C)。后盖320定位在印刷电路板的下侧上，且形成耦合天线设备的闭合结构。 [0068] 现参考图4A到4C，展示根据本发明的原理的供用于携带型无线电装置中的耦合 天线设备400的又一替代实施例。在图4A到4C所说明的实施例中，前盖403是由例如 ABS-PC或聚碳酸酯等非LDS聚合物制造。确切地说，单独地提供中间环框架405,使得中间 环辐射器元件404及内部馈送元件406建构到中间环框架405上。所述中间环框架有利地 由LDS聚合物组成，其中中间环辐射器元件及内部馈送元件电镀到中间环框架的表面上。 此外，外部环辐射元件402包括由例如不锈钢、铝或其它抗腐蚀材料（如果暴露于环境应力 而没有任何额外保护涂层）形成的冲压金属环。选定材料理想地应具有适当RF导电性。还 可使用电镀金属，例如镍-金电镀等或安置到前盖403上的其它熟知RF材料。中间环框架 包含经配置以电耦合到印刷电路板419的三（3)个端子。这些端子包含用于中间环辐射器 元件404的短路点410,以及用于内部馈送迹线元件406的短路点416及电馈送点414。用 于中间环辐射器的短路点410经配置以在衬垫410'处与印刷电路板419耦合，而短路点 416及电馈送点414经配置以分别在衬垫416'及414'处与印刷电路板419耦合。中间环 辐射器元件404建构成两（2)个部分404 (a)及404(b)，且并入有安置在中间环辐射器的第 一部分404(a)的一个末端上的短路点410。在示范性实施例中，具有接地接点410的部分 用作耦合元件，且中间环元件404的其余部分向左"漂浮"（即，无RF接触），且无助于辐射 或耦合。后盖420随后定位在印刷电路板的下侧上，且形成耦合天线设备400的闭合结构。 [0069] 尽管前述实施例大体上包括安置在主机装置封闭体内的单个耦合天线设备，但还 应理解，在一些实施例中，除例如图1的示范性耦合天线设备100之外的额外天线元件可安 置在主机装置内。这些其它天线元件可经设计以接收其它类型的无线信号，例如但不限于 例如Bluetooth?、蓝牙低能量（BLE)、802. 11 (Wi-Fi)、无线通用串行总线（USB)、AM/FM无线 电、国际科学医疗（ISM)频带（例如，ISM-868、ISM-915,等）、ZigBee?等，以便扩展携带型 装置的功能性而又维持空间上紧凑的形式因数。图5A到5C中展示包括一个以上耦合天线 组合件的示范性实施例。
[0070] 在图5A到5C所说明的实施例中，类似于图4A到4C中所示的实施例，前盖503是 由例如ABS-PC或聚碳酸酯等非LDS聚合物制造。单独地提供两个中间环框架元件505,使 得中间环辐射器元件504及内部馈送元件506建构到所述对中间环讯框505上。示范性中 间环讯框有利地由LDS聚合物组成，其中中间环辐射器元件及内部馈送元件电镀到中间环 框架元件的表面上。此外，外部环辐射元件502包括安置到前盖503上的冲压金属环。中 间环框架包含经配置以电耦合到印刷电路板519的五（5)个端子。这些端子包含用于中间 环辐射器元件504的短路点510、513、515以及用于内部馈送迹线元件506的短路点516及 电馈送点514。用于中间环辐射器的短路点510、513、515经配置以分别在衬垫位置51(V、 513'、515<处与印刷电路板519耦合，而短路点516及电馈送点514经配置以分别在衬 垫516'及514'处与印刷电路板519耦合。中间环辐射器元件504建构成两（2)个部分 504(a)及504(b)，且并入有安置在中间环辐射器的第一部分504(a)的一个末端上的短路 点510。在示范性实施例中，部分504b提供用于GPS频率激发的中间环，且部分504a提供 针对另一频率（例如，2. 4GHz)的中间环激发。两个中间环元件耦合到相同的顶部（外部） 环辐射器，从而使得完整结构在双频带模式中操作。后盖520随后定位在印刷电路板的下 侧上，且形成耦合天线设备500的闭合结构。
[0071] 所说明的耦合天线设备500包括两个天线组合件"a"及"b"，使得"a"包括中间辐 射器元件504(1)及内部馈送元件506(1)，且"b"包括中间辐射器元件504(2)及内部馈送 元件506 (2)，"a"及"b"两者具有共同的外部环元件502。所述两个天线组合件可在相同频 带或者在不同频带中操作。举例来说，天线组合件"a"可经配置以在大约2. 4GHz的Wi-Fi 频带中操作，而天线组合件"b"可经配置以在GNSS频率范围中操作以提供GPS功能性。所 述操作频率选择是示范性的，且可根据本发明的原理而对于不同应用加以改变。
[0072] 此外，在结合用户身体组织加载来调谐天线馈送阻抗（见基于接地及馈送迹线位 置调谐阻抗的先前论述）时，本发明的天线设备的轴比（AR)可受影响。轴比（AR)是界定 圆极化天线的性能的重要参数；最佳轴比为一（1)，其与其中旋转信号的振幅在所有阶段 中相等的条件相关。完全线性极化的天线将具有无限轴比，意味着其信号振幅在相位旋转 90度时减小到零。如果用完全线性极化的天线接收最佳圆极化信号，则归因于极化失配而 出现3dB信号损失。换句话说，50%的入射信号丢失。实际上，归因于机械构造等的不对称 性而极难以实现最佳圆极化（AR= 1)。常规使用的陶瓷GPS贴片天线在用于实际实施方案 中时通常具有1到3dB的轴比。此被认为是"工业标准"，且具有足够的性能水平。
[0073] 此外，还应理解，装置200可进一步包括用以将所需信息显示给用户的显示装置， 例如液晶显示器（IXD)、发光二极管（LED)或有机LED(OLED)、TFT (薄膜晶体管），等。此 夕卜，主机装置可进一步包括触摸屏输入及显示装置（例如，电容性或电阻性）或电子技术中 所熟知的类型，由此向用户提供触摸输入能力以及传统的显示功能性。
[0074] 现参考图6A到6B，展示且详细描述可与例如图2A到5C中所说明的耦合天线设 备100、200、300、400、500结合使用的外部环元件600的替代配置。在一个实施例中，四分 之一波天线用于耦合到上盖的馈送元件，所述上盖包含外部环元件600。此上盖可由外部环 元件600沉积于其上的LDS聚合物制成，或者可由具有或不具有底层聚合物基底材料的完 全金属带槽框制成。所说明的外部环元件600包含大体上矩形的特征曲线，其中一个或一 个以上额外导电部分602的添加适用于优化频率以及RHCP及LHCP增益。然而，应了解，必 要时可容易地代之以其它外部环元件形状（例如圆形或其它多边形形状）。此外，尽管使用 相对简单的几何形状说明图6A及6B的外部环元件600结构，但应了解，可使用本文中先前 描述的各种方法非常容易地实现更复杂的三维（3D)结构。
[0075] 如图2A到5C中所说明，通常通过变化内部天线元件的参数来执行天线优化；然 而，此优化使得例如难以优化所有GPS/GL0NASS天线参数，例如AR/RHCP/LHCP。通过变化外 部环元件600的结构，现可优化各种电参数。具体来说，通过变化外部环元件600的几何形 状，耦合天线设备现可优化圆极化，包含例如增大RHCP增益、减小LHCP增益及具有良好轴 t匕。举例来说，如果外部环元件600制得不对称（例如图6A中所示的外部环元件），则可调 整耦合天线设备的电参数以便优化RHCP/LHCP/AR增益。此外，在不对称及对称设计（例如 图6A及6B中所示的设计）两者中，还可操纵外部环元件600的额外金属长度、宽度、厚度 及形状以便优化RHCP/LHCP/AR及共振参数，如下文关于图10到13所论述。通过变化外部 环元件的几何结构，可优化各种天线性能参数，从而导致例如更强的卫星信号接收器。
[0076] 性篮
[0077] 现参考图7到9,呈现在本受让人对根据本发明建构的示范性耦合天线设备（例如 图2A到2C中所说明的耦合天线设备）的测试期间获得的性能结果。
[0078] 图7说明利用根据图2A到2C中所描绘的实施例而建构的示范性天线设备在连 接到模拟手腕的同时所测量的随频率而变的回程损失Sll(dB)的示范性曲线图。用于所 述频带的示范性数据在1. 575GHz处展示特征性共振结构，其中中频带宽（IFBW)为70kHz， 因此产生1540到1610MHz的大致频率操作范围。更具体来说，1. 575GHz处的回程损失为 约-20. 2dB(分贝）。
[0079] 图8呈现通过模拟图2A到2C的示范性天线实施例的测试设置而产生的数据旁佐 性能（在手腕处测量）。更具体来说，图8处的数据，线（i)表明定位在携带型装置内和用 户的手腕上的当前天线设备实现约_7dB到-6dB的效率。此外，图8,线（v)表明定位在携 带型装置内和用户的手腕上的当前天线设备实现比1550与1605MHz之间的示范性频率范 围大20%的效率，其中最高效率（约27% )出现在约1617MHz处。天线效率（％)被定义 为辐射与输入电力之比的百分比：

【权利要求】
1. 一种耦合天线设备，其包括： 多个天线辐射器元件，所述多个天线辐射器元件包括： 第一辐射器元件； 接近于所述第一元件的第二辐射器元件；以及 接近于所述第二元件的第三辐射器元件；且 其中所述第一、第二和第三元件各自与所述多个天线辐射器元件中的其它元件中的一 者或一者以上电磁耦合，且协作以提供实质上针对接收定位资产无线信号加以优化的圆极 化。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中所述第一元件包括接近主机装置的外表面的外部 元件，所述第二元件包括中间元件，且所述第三元件包括实质上在所述主机装置内部的馈 送元件。
3. 根据权利要求2所述的设备，其中所述第一元件包括导电环式结构，所述导电环式 结构包括经配置以优化所述耦合天线设备的一个或一个以上操作参数的一个或一个以上 突出导电部分。
4. 根据权利要求2所述的设备，其中（i)所述外部元件的宽度及（ii)所述外部元件距 所述中间元件的距离中的至少一者是至少部分基于所需频率操作频带及操作带宽而选择。
5. 根据权利要求1所述的设备，其中所述电磁耦合包括电容耦合，且所述第一元件、第 二元件与所述第三元件并不电耦合。
6. 根据权利要求1所述的设备，其中所述第二元件由第一及第二子元件组成，所述子 元件中的每一者对应于不同频带。
7. 根据权利要求6所述的设备，其进一步包括将所述第二辐射器元件连接到接地的短 路点。
8. 根据权利要求7所述的设备，其中所述短路点的放置至少部分地确定所述耦合天线 设备的共振频率。
9. 根据权利要求8所述的设备，其中所述第三元件包括接地点及电连接馈送点。
10. 根据权利要求9所述的设备，其中所述接地点相对于所述馈送点的放置至少部分 地确定所述耦合天线设备的共振频率。
11. 根据权利要求9所述的设备，其中至少所述馈送点及接地点的所述放置影响右手 圆极化RHCP和/或左手圆极化LHCP隔离增益中的至少一者。
12. -种电容耦合天线设备，其包括多个实质上堆叠的辐射器，所述辐射器经配置以具 有实质上大于其左手圆极化LHCP隔离增益的右手圆极化RHCP隔离增益，由此促进对卫星 定位信号的灵敏度。
13. 根据权利要求12所述的设备，其中所述多个实质上堆叠的辐射器元件是沿大体上 对应于将自其接收所述卫星信号的方向的轴线而堆叠。
14. 根据权利要求12所述的设备，其中所述多个实质上堆叠的辐射器元件包括第一、 第二和第三元件，其中所述第一元件包括接近主机装置的外部金属外壳的外部元件，所述 第二元件包括中间元件，且所述第三元件包括实质上在所述主机装置内部的馈送元件。
15. 根据权利要求14所述的设备，其中所述第一元件包括导电环式结构，所述导电环 式结构包括经配置以优化所述耦合天线设备的一个或一个以上操作参数的一个或一个以 上突出导电部分。
16. 根据权利要求12所述的设备，其中所述多个辐射器元件并不电耦合到彼此。
17. 根据权利要求12所述的设备，其进一步包括切换设备，所述切换设备经配置以至 少切换与所述多个实质上堆叠的辐射器中的一者相关联的馈送点，以便产生实质上大于其 右手圆极化RHCP隔离增益的左手圆极化LHCP隔离增益。
18. -种调谐具有至少第一、第二和第三辐射元件的耦合天线设备的方法，所述方法包 括： 至少部分基于所述天线设备的所需频率操作频带及操作带宽而选择（i)外部元件的 宽度及（ii)所述第一元件距所述第二元件的距离中的至少一者；以及 选择将所述第二辐射器元件连接到接地的短路点的放置以便至少部分地确定所述耦 合天线设备的共振频率。
19. 根据权利要求18所述的方法，其中所述第三元件包括接地点及电连接馈送点，且 所述方法进一步包括选择所述接地点相对于所述馈送点的放置以便至少部分地确定所述 耦合天线设备的共振频率。
20. -种具卫星定位功能的无线设备，其包括： 无线接收器，其经配置以至少接收卫星定位信号；以及 与所述接收器信号通信的天线设备，所述天线设备包括： 堆叠配置，其包括外部辐射器元件、安置在所述外部元件内部的至少一个中间辐射器 元件及内部馈送元件，所述内部馈送元件进一步经配置以与馈送点电耦合，且所述至少一 个中间辐射器元件经配置以电磁耦合到所述内部馈送元件。
21. 根据权利要求20所述的无线设备，其中所述外部辐射器元件、所述至少一个中间 辐射器元件及馈送元件的尺寸经选择而使得其共振频率值实质上接近于彼此，且协作地实 现较大带宽。
22. 根据权利要求20所述的无线设备，其进一步包括至少部分为金属的外壳。
23. 根据权利要求22所述的无线设备，其中所述外部辐射器元件是由所述至少部分为 金属的外壳组成。
24. 根据权利要求20所述的无线设备，其中所述外部及至少一个中间辐射器元件中的 至少一者包括激光直接结构化LDS结构。
25. 根据权利要求20所述的无线设备，其中所述外部辐射器元件包括闭环结构，其具 有经配置以优化所述天线设备的一个或一个以上操作参数的一个或一个以上突出导电部 分。
26. -种耦合天线设备，其包括： 多个天线辐射器构件，所述多个天线辐射器构件包括： 第一福射器构件； 接近于所述第一辐射器构件的第二辐射器构件；以及 接近于所述第二辐射器构件的第三辐射器构件；且 其中所述第一、第二和第三辐射器构件各自与所述多个天线辐射器构件中的其它辐射 器构件中的一者或一者以上电磁耦合，且协作以提供实质上针对接收定位资产无线信号加 以优化的圆极化。
【文档编号】H01Q21/24GK104051865SQ201410088728
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月11日 优先权日:2013年3月11日
【发明者】波尔蒂·尼西宁, 基默·科斯金涅米, 普拉萨德·拉玛钱德朗 申请人:芬兰脉冲公司