包括闭环寄生元件的模态天线系统的制作方法

包括闭环寄生元件的模态天线系统
1.优先权要求
2.本技术要求提交日为2020年5月28日的标题为“modal antenna system including closed
‑
loop parasitic element”美国临时申请no.63/030,941的优先权权益，该申请通过引用并入本文。
技术领域
3.本公开的示例方面大体上涉及天线系统领域，诸如，例如被配置为以多种不同模式操作的模态天线系统。


背景技术：

4.模态天线正越来越多地用在无线通信中，例如在智能电话手持机中。与传统的无源天线相比，此类天线通常提供改进的信号质量和更紧凑的形状因子。一种模态天线配置涉及被配置为更改与被驱动元件相关联的辐射图(radiation pattern)的寄生元件。


技术实现要素：

5.本公开的实施例的方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可以从描述中获知，或者可以通过实施例的实践而获知。
6.本公开的一个示例方面涉及一种天线系统。天线系统可以包括接地平面和与接地平面间隔开的被驱动元件。天线系统可以包括部署为与被驱动元件邻近的寄生元件。寄生元件可以通过第一耦合件和第二耦合件耦合到接地平面。第二耦合件可以独立于第一耦合件。例如，第一耦合件可以包括一个或多个可调谐组件。第二耦合件可以将寄生元件固定到接地平面。
7.本公开的另一个示例方面涉及一种天线系统。天线系统包括接地平面。天线系统还包括平面被驱动元件。平面被驱动元件与接地平面间隔开并耦合到一个或多个第一可调谐组件。天线系统包括部署为与平面被驱动元件邻近的寄生元件。寄生元件包括基本水平的部分。寄生元件还包括第一基本竖直的部分和第二基本竖直的部分。第一基本竖直的部分通过包括第一耦合可调谐组件的第一耦合件耦合到接地平面。第二基本竖直的部分通过独立于第一耦合件的第二耦合件耦合到接地平面。
8.参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解各种实施例的这些和其它特征、方面和优点。结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图图示了本公开的实施例，并且与本描述一起用于解释相关原理。
附图说明
9.在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的实施例的详细讨论，该讨论参照附图，其中：
10.图1a图示了根据本公开的示例实施例的包括闭环寄生元件的天线系统的等距
(isometric)视图；
11.图1b图示了根据本公开的示例实施例的包括闭环寄生元件的天线系统的顶视图；
12.图2图示了根据本公开的示例实施例的天线系统的至少一部分的框图；
13.图3图示了根据本公开的示例实施例的天线系统的至少一部分的框图；
14.图4图示了根据本公开的示例实施例的天线系统的至少一部分的框图；
15.图5a图示了根据本公开的示例实施例的包括开路闭环寄生元件的天线系统的频率图；
16.图5b图示了根据本公开的示例实施例的包括短路闭环寄生元件的天线系统的频率图；以及
17.图6图示了与根据本公开的示例实施例的示例天线系统相关联的示例二维天线辐射图。
具体实施方式
18.现在将详细参考实施例，在附图中图示了实施例的一个或多个示例。通过解释实施例的方式提供每个示例而不是限制本公开。实际上，对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可以对实施例进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分说明或描述的特征可以与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，意图是本公开的各方面覆盖此类修改和变化。
19.本公开的示例方面涉及一种天线系统。天线系统可以包括模态天线，该模态天线包括被驱动元件和部署为与被驱动元件邻近的寄生元件。被驱动元件和寄生元件可以耦合到接地平面和/或与接地平面间隔开。模态天线可以以多种不同模式操作，并且每种模式可以与不同的辐射图和/或极化状态相关联。天线系统可以包括调谐电路，该调谐电路被配置为控制与寄生元件相关联的电气特性，以便以多种不同模式操作模态天线。
20.根据本公开的示例实施例，寄生元件可以通过第一耦合件和第二耦合件耦合到接地平面。第二耦合件可以独立于第一耦合件。例如，第二耦合件可以与第一耦合件间隔开，并且可以相对于第一耦合件提供单独的接地路径。第一耦合件可以包括一个或多个可调谐组件。例如，可调谐组件可以包括开关、可调谐电容器、mems器件、可调谐电感器、可调谐移相器、场效应晶体管或二极管，或它们的组合。
21.在一些实施例中，被驱动元件可以是或可以包括平面被驱动元件。例如，被驱动元件的长度和/或宽度可以显著大于被驱动元件的高度，使得被驱动元件形成平面。在一些实施方式中，平面被驱动元件可以平行于接地平面。
22.在一些实施例中，被驱动元件可以是螺旋平面被驱动元件。例如，螺旋平面被驱动元件可以包括在被驱动元件的外围与中央气隙部分之间的连续气隙。中央部分例如可以在至少三个侧面上由被驱动元件包围。在一些实施例中，气隙可以封住被驱动元件产生磁偶极子的隔离部分。例如，在一些实施例中，被驱动元件可以是形成隔离磁偶极子天线系统的隔离磁偶极子被驱动元件。
23.在一些实施例中，被驱动元件可以耦合到至少一个有源组件。例如，至少一个有源组件可以是或可以包括阻抗匹配电路。阻抗匹配电路可以包括被配置为与被驱动元件阻抗匹配的组件。例如，第一被驱动元件耦合件可以将被驱动元件耦合到至少一个有源组件。在
一些实施例中，被驱动元件可以通过独立于第一被驱动元件耦合件的第二被驱动元件耦合件耦合到接地平面。
24.在一些实施例中，寄生元件可以包括基本水平的部分、第一基本竖直的部分和第二基本竖直的部分。作为一个示例，竖直部分可以是与接地平面的平面表面垂直相交的平面竖直部分或包括该平面竖直部分。在一些情况下，竖直部分可以对准和/或平行。基本水平的部分可以与竖直部分垂直相交。基本竖直的部分可以是和/或可以形成基本水平的部分和地之间的耦合件(例如，第一耦合件和第二耦合件)的至少一部分。例如，第一基本竖直的部分可以形成第一耦合件的至少一部分，而第二基本竖直的部分可以形成第二耦合件的至少一部分。
25.基本水平的部分可以平行于接地平面和/或被驱动元件。例如，在一些实施例中，被驱动元件可以定义最长的被驱动元件维度，并且基本水平的部分可以定义最长的水平部分维度。最长的被驱动元件维度和最长的水平部分维度可以基本平行(例如，在大约10度的平行内)。作为另一个示例，基本水平的部分可以是平面的和/或平行于接地平面。例如，由基本水平的部分的长度和宽度定义的平面可以平行于接地平面。
26.在一些实施例中，基本水平的部分可以相对于被驱动元件竖直地偏移和/或水平地偏移。例如，基本水平的部分与接地平面之间的间距可以小于被驱动元件与接地平面之间的间距，使得在基本水平的部分与被驱动元件之间定义竖直间距(例如，相对于高度)。作为另一个示例，基本水平的部分可以被部署为使得在被驱动元件与基本水平的部分之间定义水平间距(例如，相对于长度和/或宽度)。
27.寄生元件可以是闭环寄生元件。例如，基本竖直的部分、基本水平的部分和接地平面可以定义寄生环，该寄生环被配置为与被驱动元件交互以更改天线系统的辐射图。作为一个示例，基本竖直的部分可以部署在基本水平的部分的相对端上以形成寄生环。
28.寄生环可以由可调谐组件(例如，被配置为打开和/或闭合环的开关)进行调整，以调整天线系统的辐射图(例如，作为波束转向(steer)和/或波束赋形过程的一部分)。例如，在一些实施例中，第一耦合件可以包括至少一个可调谐组件。调谐电路可以控制至少一个可调谐组件以调整寄生元件的电气特性。例如，调整电气特性可以附加地调整天线系统的辐射图。在一些实施例中，第一耦合件的至少一个可调谐组件可以包括开关、可调谐电容器、mems器件、可调谐电感器、可调谐移相器、场效应晶体管或二极管中的至少一种，或它们的组合。
29.此外，第二耦合件可以将寄生元件固定到接地平面，使得第二耦合件不能断开连接。例如，在一些实施例中，第二耦合件(例如，第二基本竖直的部分)可以被焊接、软焊或以其它方式附接到接地平面。作为另一个示例，第二耦合件可以与接地平面连续地形成(例如，由同一金属片材形成)。
30.在一些实施例中，寄生元件可以是单片的。例如，基本竖直的部分和/或基本水平的部分中的每一个可以是连续的、由同一片材形成等，使得寄生元件是单件(例如，不包括中断从第一耦合件到第二耦合件的电子流的任何气隙)。
31.在一些实施例中，耦合到寄生元件的至少一个可调谐组件和耦合到被驱动元件的至少一个有源组件可以部署在公共基板上。例如，寄生元件的第一耦合件和有源组件可以被部署在被驱动元件的同一端附近，使得(一个或多个)有源组件和(一个或多个)可调谐组
件可以被包括在同一基板(例如，同一个电路板)上。这可以允许用于调谐和/或阻抗匹配的天线电路通常在单个电路中制造，可以有利于提高制造的容易性和/或降低成本。
32.本公开的各方面可以实现许多技术效果和益处。作为一个示例，本文所述的闭环寄生元件可以提供对天线系统的改进控制。例如，本文所述的闭环寄生元件可以允许提供增加的调谐范围的天线系统。例如，可以跨更宽的频带范围来更好地保持峰值效率。
33.图1a图示了根据本公开的示例实施例的包括闭环寄生元件的天线系统100的等距视图。此外，图1b图示了根据本公开的示例实施例的包括闭环寄生元件的天线系统100的顶视图。天线系统100可以包括接地平面102。接地平面102可以电气地接地(例如，接地到大地(earth ground)、电源的接地端子等)。接地平面102可以由任何合适的材料形成，诸如，例如导电材料。在一些实施例中，接地平面102可以在诸如电路板之类的基板上形成。
34.天线系统100还可以包括被驱动元件110。被驱动元件110可以与接地平面102间隔开(例如，在高度方向h上)。例如，可以在被驱动元件110和接地平面102之间定义竖直间距。被驱动元件110的长度和/或宽度(例如，沿着长度方向l和宽度方向w)可以显著大于被驱动元件110的高度(例如，沿着高度方向h)，使得被驱动元件110形成平行于接地平面102的平面。
35.被驱动元件110可以包括在被驱动元件110的外围与中央气隙部分119之间的连续气隙118。中央气隙部分119可以例如在至少三个侧面上由被驱动元件110包围。在一些实施例中，连续气隙118可以封住被驱动元件产生磁偶极子的隔离部分112。
36.被驱动元件110可以耦合到至少一个有源组件136。例如，至少一个有源组件136可以是阻抗匹配电路或包括该阻抗匹配电路。阻抗匹配电路可以包括被配置为与被驱动元件110阻抗匹配的组件。例如，第一被驱动元件耦合件114可以将被驱动元件110耦合到至少一个有源组件136。被驱动元件110可以通过独立于第一被驱动元件耦合件的第二被驱动元件耦合件116耦合到接地平面102。例如，第一被驱动元件耦合件114和/或第二被驱动元件耦合件116可以是垂直于被驱动元件110和/或接地平面102部署的平面部分或可以包括该平面部分。
37.天线系统100可以包括寄生元件120。寄生元件120可以包括基本水平的部分122、第一基本竖直的部分124和第二基本竖直的部分126。作为一个示例，竖直部分124、126可以是与接地平面102的平面表面垂直相交的平面竖直部分或包括该平面竖直部分。在一些实施例中，竖直部分124、126可以对准和/或平行。基本水平的部分122可以与竖直部分124、126垂直相交。在一些实施例中，竖直部分124、126可以部署在基本水平的部分122的相对端上。
38.基本水平的部分122可以平行于接地平面102和/或被驱动元件110。例如，在一些实施例中，被驱动元件110可以定义最长的被驱动元件维度(例如，沿着长度方向l)，并且基本水平的部分可以定义最长的水平部分维度(例如，沿着长度方向l)。最长的被驱动元件维度和最长的水平部分维度可以基本平行(例如，在大约10度的平行内)。作为另一个示例，基本水平的部分122可以是平面的和/或平行于接地平面102。例如，由基本水平的部分122的长度和宽度定义的平面可以平行于接地平面102。
39.在一些实施例中，寄生元件120可以部署在由被驱动元件110和接地平面102定义的天线体积内。例如，基本水平的部分122可以从被驱动元件110竖直地偏移和/或水平地偏
移。例如，基本水平的部分与接地平面之间的间距可以小于被驱动元件与接地平面之间的间距，使得在基本水平的部分122与被驱动元件110之间定义竖直间距132(例如，相对于高度维度h)。作为另一个示例，基本水平的部分122可以被部署为使得基本水平的部分122的表面被包含在由被驱动元件110的边缘定义并垂直于接地平面102的体积内。
40.基本竖直的部分124、126、基本水平的部分122和接地平面102可以共同定义寄生环，该寄生环被配置为与被驱动元件110交互以更改天线系统100的辐射图。例如，可以由可调谐组件134(例如，被配置为打开和/或闭合环的开关)来调整寄生环，以调整天线系统100的辐射图(例如，作为波束转向和/或波束赋形过程的一部分)。例如，在一些实施例中，在第一基本竖直的部分124处的第一耦合件可以包括至少一个可调谐组件134。调谐电路(例如，图2
‑
4的调谐电路)可以控制至少一个可调谐组件134来调整寄生元件的电气特性。例如，调整电气特性可以附加地调整天线系统100的辐射图。在一些实施例中，至少一个可调谐组件134可以包括开关、可调谐电容器、mems器件、可调谐电感器、可调谐移相器、场效应晶体管或二极管中的至少一种，或它们的组合。此外，在第二基本竖直的部分126处的第二耦合件可以被固定到接地平面102，使得第二耦合件不能被断开连接。
41.在一些实施例中，耦合到寄生元件120的至少一个可调谐组件134和耦合到被驱动元件110的至少一个有源组件136可以部署在公共基板上。例如，寄生元件的第一耦合件(例如，第一基本竖直的部分124)和有源组件136可以被部署在被驱动元件110的同一端附近，使得(一个或多个)有源组件136和(一个或多个)可调谐组件134可以被包括在同一基板(例如，同一电路板)上。这可以允许用于调谐和/或阻抗匹配的天线电路在单个电路中共同制造，可以有利于改进制造的容易性和/或降低成本。
42.图1a
‑
1b出于说明和讨论的目的描绘了具有多种模式的一个示例模态天线系统。使用本文提供的公开的本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其它模态天线和/或天线配置。如本文所使用的，“模态天线”是指能够以多种模式操作的天线，其中每种模式与不同的辐射图相关联。
43.所描述的配置可以提供通过改变被驱动元件110上的电抗来转换(shift)被驱动元件110的辐射图特性的能力。转换天线辐射图可以被称为“波束转向”。在天线辐射图包括零点(null)的情况下，由于零点可以被转换到天线系统100周围的替代位置(例如，以减少干扰)，因此类似的操作可以被称为“零点转向(null steering)”。在一些实施例中，第一耦合件(例如，第一基本竖直的部分124)可以包括开关，该开关用于在“接通”时将寄生元件120接地，并且在“关断”时终止短路。但是，应当注意的是，诸如通过使用可变电容器或其它可调谐组件，(一个或多个)寄生元件120上的可变电抗可以进一步提供天线方向图或频率响应的可变转换。例如，可调谐组件134可以包括可调谐电容器、mems器件、可调谐电感器、开关、可调谐移相器、场效应晶体管或二极管中的至少一种。
44.图2图示了根据本公开的示例实施例的天线系统200的至少一部分的框图。天线系统200可以包括被驱动元件210。例如，被驱动元件210可以是诸如以上参考图1a
‑
1b所描述的被驱动元件110之类的被驱动元件。根据本公开，可以采用任何其它合适的被驱动元件。
45.被驱动元件210可以通过第一被驱动元件耦合件214来通信rf信号。例如，第一被驱动元件耦合件214上的信号可以与被驱动元件210处的电磁波相关联。被驱动元件210可以通过第二被驱动元件耦合件216耦合到地(例如，诸如接地平面102之类的接地平面)。
46.天线系统200可以包括寄生元件220。寄生元件220可以是例如闭环寄生元件，诸如以上参考图1a
‑
1b描述的寄生元件120。例如，寄生元件220可以被配置为基于通过第一耦合件224(例如，第一耦合可调谐组件234)耦合到寄生元件220的可调谐组件234的调谐，来调整与天线系统200相关联的辐射图。作为一个示例，调谐电路250可以被配置为调整可调谐组件234处的电气特性(例如，电抗)。作为另一个示例，调谐电路250可以被配置为打开或闭合可调谐组件234处的开关(例如，以选择性地短路和/或打开第一耦合件224)。例如，第一耦合件224和/或可调组件234可以被配置为选择性地将寄生元件220接地。此外，第二耦合件226可以被配置为将寄生元件220固定到地。例如，寄生元件220可以通过第二耦合件226耦合(例如，固定)到地(例如，诸如接地平面102之类的接地平面)以形成闭环寄生元件。
47.图3图示了根据本公开的示例实施例的天线系统300的至少一部分的框图。天线系统300可以包括类似于图2的天线系统200的组件(例如，寄生元件220)。天线系统300还可以包括通过第一耦合件314耦合到被驱动元件210的一个或多个有源元件336。此外，调谐电路350可以被配置为控制有源元件336(例如，用于与驱动元件210相关联的阻抗匹配和/或其它功能)。在一些实施例中，调谐电路350、一个或多个有源元件336和/或(一个或多个)可调谐组件334可以被部署和/或制造在共用的基板上。
48.图4图示了根据本公开的示例方面的天线系统400的实施例的示意图。天线系统400可以包括模态天线402。模态天线402可以包括被驱动元件404和定位在被驱动元件404附近的寄生元件406。模态天线402可以以多种不同模式操作，并且每种模式可以与不同的辐射图和/或极化特性相关联，例如，如参考图1a至3和图5
‑
6所描述的。
49.调谐电路408(例如，调谐电路)可以被配置为控制与寄生元件406相关联的电气特性，以便以多种不同模式操作模态天线402。例如，调谐电路408可以被配置为接收(例如，从发射信号解调)控制信号，并且基于与控制信号相关联的控制指令来控制寄生元件406的电气特性。例如，控制指令可以指定与可调谐组件410相关联的调谐、开关状态等。例如，可调谐组件410可以与寄生元件406耦合(例如，耦合到寄生元件406的第一耦合件)。调谐电路408可以被配置为控制可调谐组件410以更改寄生元件406的第一耦合件与电压源或电流源或者电压宿(sink)或电流宿的电连接性，诸如通过寄生元件406的第一耦合件使寄生元件406短路到地和/或使第一耦合件与地断开连接，和/或调整其间的电抗。
50.射频电路412可以被配置为向模态天线402的被驱动元件404传输rf信号。例如，一条或多条传输线414(例如，单根同轴电缆)可以将射频电路412耦合到模态天线402。射频电路412可以被配置为放大或以其它方式生成rf信号，该rf信号通过传输线414(例如，作为发射信号的一部分)被传输到模态天线402的被驱动元件404。
51.在一些实施例中，射频电路412可以包括前端模块416和/或控制电路418。前端模块416可以被配置为生成和/或放大被传输到被驱动元件404和/或从被驱动元件404接收的rf信号。前端模块416可以包括例如一个或多个功率放大器、低噪声放大器、阻抗匹配电路等。控制电路418可以被配置为生成和/或传输控制信号。例如，在一些实施例中，控制电路418可以将控制信号调制到rf信号上以产生用于由传输线414传输的发射信号。
52.在一些实施例中，可以在第一频带内定义rf信号，并且可以在与第一频带不同的第二频带内定义控制信号。例如，第一频带的范围可以从大约500mhz到大约50ghz，在一些实施例中从大约1ghz到大约25ghz，在一些实施例中从大约2ghz到大约7ghz，例如，大约
5ghz。第二频带的范围可以从大约10mhz到大约1ghz，在一些实施例中从大约20mhz到大约800mhz，在一些实施例中从大约30mhz到大约500mhz，在一些实施例中从大约50mhz到大约250mhz。例如，大约100mhz。
53.图5a和5b图示了根据本公开的一些方面的图1a
‑
4中的任何一个的天线系统的示例频率图。例如，图5a描绘了包括闭环寄生元件的天线系统的频率图，该寄生元件具有开路(例如，与接地平面断开连接)的第一耦合件和将寄生元件固定到接地平面的第二耦合件。此外，图5b描绘了用于图5a的天线系统的频率图，其中除了将寄生元件固定到接地平面的第二耦合件之外，第一耦合件被短路到接地平面。作为一个示例，第一耦合件可以是可以在开路和短路状态之间切换的开关。更通常地，可以通过控制与闭环寄生元件相关联的电气特性来转换天线的频率。作为一个示例，可以改变在第一耦合件(例如，第一耦合可调谐组件)处的可调谐组件的特性(例如，电抗)，以控制与闭环寄生元件相关联的电气特性。
54.例如，天线系统可以配置有图5a或5b中所示的频率响应，和/或介于两者之间的一些频率响应(例如，如果可调谐组件包括可变电抗元件，诸如变容二极管)。作为一个示例，如图5a和5b中所描绘的，使闭环寄生元件的第一耦合件短路通常可以将高频f
h
和低频f
l“捏合”在一起。此外，使第一耦合件短路可以减小中频f
m
的幅度。而只有一个耦合件的寄生元件(例如，省略了将寄生元件固定到接地平面的第二耦合件)可以在短路到地时将频率响应调低，包括固定到地的第二耦合件可以将高频和低频捏在一起。在一些实施例中，这可以提供改进的天线连接性。
55.应当理解的是，在本公开的范围内，其它配置是可能的。例如，可以采用更多或更少的寄生元件。可以更改(一个或多个)寄生元件的定位和/或其它调谐，以实现可以表现出不同频率和/或频率组合的附加模式。
56.图6图示了与图1a
‑
4中的任何一个的天线系统相关联的二维天线辐射图。根据本公开的示例方面，可以通过控制与模态天线的(一个或多个)闭环寄生元件相关联的电气特性来转换辐射图。例如，在一些实施例中，辐射图可以从第一模式622转换到第二模式624或第三模式626。例如，第一模式622可以与开路闭环寄生元件相关联(例如，其中包括开关的调谐元件处于打开状态)，而第三模式626可以与短路闭环寄生元件相关联(例如，其中包括开关的调谐元件被闭合以将寄生元件耦合到接地平面)。
57.如本文所使用的，“大约”与所陈述的数值相结合是指在所陈述的数值的10％以内。
58.如本文所使用的，关于一个或多个对象的“邻近”旨在指一个或多个对象的定位使得，一个或多个对象在具有和/或不具有物理耦合(例如，部署为与辐射元件邻近的寄生元件，诸如在天线体积内并形成电磁耦合)的情况下实现功能关系中的任何一个或多个，这些对象之间没有部署插入组件和/或这些对象被部署在同一基板上。作为一个示例，邻近的对象在每个对象的表面之间可以具有小于大约10cm的距离，诸如小于大约1cm，诸如小于大约10mm。
59.虽然已经关于其具体示例实施例对本主题进行了详细描述，但是应该认识到的是，在获得对前述内容的理解之后，本领域技术人员可以容易地产生对此类实施例的替代、变化和等同形式。因而，本公开的范围是作为示例而不是作为限制，并且本公开不排除包括如对于本领域普通技术人员将是显而易见的对本主题的此类修改、变化和/或添加。