[0001] 本
申请要求于2015年1月13日递交的
发明名称为“无线通信设备表面上的多频带天线”的第14/596,002号美国申请案的在先申请优先权，该在先申请的内容以引入的方式并入本文。
技术领域
[0002] 本发明大体涉及无线通信设备的系统和方法，在特定
实施例中，涉及用于在无线通信设备中提供具有改进性能的多频带天线的系统和方法。
背景技术
[0003] 现代无线设备的工业设计正朝着低配置化设备发展。例如，许多器件的厚度都小于10mm。此外，现代无线设备越来越多地使用诸如金属环、金属槽和金属
外壳等
金属化结构。这些现代无线设备包括蜂窝电话、
平板电脑，或诸如
手表、眼镜和
虚拟现实耳机等可穿戴设备。无线设备需要多个多频带射频(radio frequency，简称RF)天线在用户身上或附近进行工作。典型的天线包括蜂窝主集天线、蜂窝分集天线、无线组网(例如，WiFi、802.11或蓝牙)天线、近场(例如，
近场通信或无线充电)天线和全球
定位(例如，GPS)天线。必须要对多个多频带天线进行协调设计，以便彼此之间相互配合，并与诸如扬声器、LCD屏幕、
电池和
传感器等其他电磁组件相互配合。然而，彼此靠近的天线会降低隔离度，降低效率，并增加信道干扰。在一些设备中，顶天线和主集天线都用于在单频带或单
频率上进行通信，当其中一个天线被用户遮挡时，例如，当该用户的手放在该设备上时，有源天线在该顶天线和该底主集天线之间切换变化。由于所述顶天线经常位于诸如WiFi和GPS组合天线之类的其它天线附近，所以所述顶天线的性能变得越来越重要。
发明内容
[0004] 在一实施例中，一种无线通信设备包括：
电路板；盖板，其具有
覆盖一部分所述
电路板的第一表面的后表面和所述后表面中的开口，其中，所述后表面基本上为射频(radio frequency，简称RF)不透明材料；顶天线，设置在所述盖板内，并通过所述电路板的第一边缘上的第一馈点与所述电路板电连接；副天线，设置在所述盖板内，并具有通过第二馈点与所述电路板电连接的第一天线部分，其中，所述第二天线的第二天线部分从所述电路板的第二边缘横向延伸越过所述电路板的所述第一表面，并且在所述盖板的所述后表面和所述电路板的所述第一表面之间，使得所述第二天线部分至少有一部分通过所述后表面中的所述开口露出。
[0005] 在一实施例中，一种无线通信设备包括：电路板；第一收发器，与所述电路板相连接；第一天线，其通过所述电路板上的第一馈点与所述第一收发器相连接，并且用于在第一射频(radio frequency，简称RF)频带中进行通信；所述第一天线从所述电路板的第一边缘延伸；第二收发器，与所述电路板相连接；第二天线，其通过所述电路板上的第二馈点与所述第二收发器相连接，并且用于在第二RF频带和第三RF频带中进行通信。所述第二天线的第一部分从所述电路板的所述第一边缘延伸并远离所述第一天线，所述第二天线的第二部分在所述电路板的第一侧延伸。
[0006] 在一实施例中，一种方法包括：在无线通信设备上提供
用户界面，其具有围绕电路板设置的盖板、第一天线和第二天线。所述第一天线用于在第一射频(radio frequency，简称RF)频带中进行通信，并且所述第一天线从所述电路板的第一边缘延伸。所述第二天线用于在第二RF频带和第三RF频带中进行通信。所述第二天线的第一部分从所述电路板的所述第一边缘延伸并远离所述第一天线，并且所述第二天线的第二部分在所述电路板的第一侧延伸。所述方法还包括：通过使用所述第一频带并使所述无线通信设备在所述第一天线上进行通信的第一通信服务来进行第一通信，以响应用户通过所述用户界面的输入；通过使用所述第二频带并使所述无线通信设备所述第二天线上进行通信的第二通信服务来进行第二通信，其中，所述第一通信与部分第一通信同时进行。
附图说明
[0007] 为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考下文结合附图进行的描述，其中：
[0008] 图1是示出一些实施例提供的用于手持通信设备的多天线的布置图；
[0009] 图2是示出实施例提供的形成的天线近场
辐射图的电路板的侧视图；
[0010] 图3是示出一实施例提供的该设备
正面的所述顶天线和所述GPS/WiFi天线的剖视图；
[0011] 图4是示出一实施例提供的所述GPS/WiFi天线的一部分和所述盖板的所述后表面的示图；
[0012] 图5是示出一实施例提供的所述盖板设备的所述后表面206中的开口208的布置的截面视图；
[0013] 图6是一实施例提供的具有蜂窝天线和GPS/WiFi天线的设备的功能
框图。
具体实施方式
[0014] 下文将详细论述当前优选实施例的制作和使用。然而，应了解，本发明提供可在各种具体上下文中体现的许多适用的发明性概念。所论述的具体实施例仅仅说明用以实施和使用本发明的具体方式，而不限制本发明的范围。此外，所描述的方法和装置可应用于无线通信系统天线的布局设计，但不具体限于此。
[0015] 现代通信设备能够在不同频带上的多个不同信道上同时进行通信，并在单个设备中提供更大的数据吞吐量和多种并发无线通信服务。许多无线通信设备设计成多频带设备，能够在不同的蜂窝频带上进行通信，例如700MHz-900MHz频带、1700MHz频带、1900MHz频带、2100MHz频带和2500MHz频带。此外，无线设备经常具有附加特征，例如在2.4GHz频带、3.6GHz频带和5GHz频带等上的WiFi连接，以及在1227MHz频率和1575MHz频率上的GPS。在不同频率或不同频带上进行通信的能
力可以由多频带天线提供。例如，在一些设备中，蜂窝业务由设置在两个或多个不同蜂窝频带上进行通信的天线或一组天线提供，补充业务由设置在所述WiFi频带和所述GPS频带上进行通信的WiFi/GPS天线提供。
[0016] 然而，在某些情况下，所述蜂窝频带和所述WiFi频带或所述GPS频带可能重叠，那么，所述蜂窝天线则会与所述GPS/WiFi天线紧邻，从而引起干扰。另外，在相对较小的设备中，例如手持蜂窝电话、平板电脑，或诸如手表、眼镜和虚拟现实耳机等可穿戴设备等，具有相似频带的这些天线分配到的空间越来越小。例如，在824-960MHz和1700-2700MHz范围内的蜂窝天线的优化需要大体积，以进行高效工作。这些频率与所述GPS
信号和所述WiFi信号的频率接近或重叠。这些重叠频带与接近的所述蜂窝天线和所述GPS/WiFi天线相组合会在这些天线中引起干扰。例如，蜂窝天线在1700MHz频带内的传输可能会对1575MHz频带内的GPS信号造成干扰。由于所述GPS信号是从卫星发射的，所以这种信号干扰的问题特别突出，会导致信号较弱且容易被覆盖。
[0017] 此外，为了减少天线的占地面积并减小所述
手持设备的整体尺寸，会在该设备的末端设置多个天线。因为在该设备的所述末端的所述天线通常避开了用户倾向于抓住该设备的区域，这些区域可能阻挡来自该设备的前表面或后表面侧面的天线的无线信号，因此，这种布置还允许改进的无线连接。在一些实施例中，例如，由不同
位置的多个天线提供改进的连接，当检测到信号功率降低时，该设备在天线之间切换。
[0018] 本文描述的各种系统和方法提供用于在所述无线设备的各个表面上反馈的所述天线的多个辐射元件，以在所述无线设备的不同侧面上实现选择性天线辐射。不同的馈点位置和不同的天线表面改善了例如4G中无线设备的LTE天线性能。另外，所述无线设备不同侧面上的所述GPS/WiFi天线的一部分上的路由改善了该天线的效率并隔离了与其共享相同频带或重叠频带的其他天线。所述盖板设备的所述后表面中的开口允许天线辐射的发射，否则将不能传送无线信号。所述GPS/WiFi天线的不同部分在共享接
地层的不同侧谐振，从而在使用所述无线设备的可用体积时分配
电流和提高效率。
[0019] 本文描述的系统和方法提供了GPS/WiFi天线，其从手持设备的前面延伸到该设备的背面，增加了所述GPS/WiFi天线和所述蜂窝顶天线之间的间隔。所述GPS/WiFi天线与所述蜂窝顶天线之间的间隔的增加减少了这些天线之间的干扰。另外，改进的天线谐振和天线辐射传播是通过从该设备的金属后盖板中的开口中露出的所述GPS/WiFi天线的背面部分来实现的。
[0020] 图1是示出一些实施例提供的用于手持通信设备的多天线的布置图。主集天线104通过电路板102的底部边缘处的馈点106与所述电路板102相连接。顶天线108和副天线110设置在该设备的顶部边缘处，并且通过所述电路板102的所述顶部边缘处的各自的馈点106与所述电路板102相连接。
[0021] 所述电路板102可以是印刷电路板(printed circuit board，简称PCB)，例如具有10层分开放置的导电元件的10层单板，其通过例如玻璃
纤维和
聚合物等介电层或绝缘层实现电绝缘。诸如显示器、
触摸屏、输入按钮、发射器、处理器、
存储器、电池、充电电路和片上系统(system on chip，简称SoC)结构等组件可以安装在或连接到所述电路板102上，或者与所述电路板102中的所述导电层电连接。在一些实施例中，所述电路板102用作上述天线
104、108和110的接地层。
[0022] 在一些实施例中，所述主集天线104和所述顶天线108是用于在多个蜂窝频带上进行传送、发射和/或接收的多模天线。在一些实施例中，所述主集天线104和所述顶天线108是为频率匹配性能选择的交换天线或智能天线。所述电路板102上的电路用于检测所述有源天线所输入或接收的无线信号，并用于切换接收或发送蜂窝通信信号的所述蜂窝天线104和108。在一些实施例中，当所述
输入信号的功率下降到预定
阈值以下，所述电路在所述天线104和108之间切换，或者切换至具有最高信号强度的所述蜂窝天线104和108。在其他实施例中，所述主集天线104或所述顶天线108是基于该设备将进行通信的所述蜂窝频带来选择的。有源RF
开关可以在所述蜂窝天线104和108之间切换，以改善在不同频带处的天线性能。
[0023] 该设备还包括一个或多个副天线110，用于为诸如蓝牙、GPS和WiFi等通信服务提供通信能力。在一些实施例中，所述副天线110是用于在多个频带上为多个通信服务进行传送、发送和/或接收的双模天线。例如，所述副天线110可以是在GPS频率、GPS频率集或GPS频带上传送或接收GPS定位信号的GPS/WiFi天线。此类GPS/WiFi天线也可以用于在例如2.4GHz的WiFi频带、3.6GHz的WiFi频带或5GHz的WiFi频带上发送和接收WiFi信号。所述GPS/WiFi天线110沿着所述电路板102和该设备的所述顶部边缘，沿着所述电路板102和该设备的一侧从所述电路板102的所述顶部边缘延伸，然后穿过所述电路板102的所述后表面。这种布置使得所述GPS/WiFi天线的一部分与所述顶天线108间隔，远比该天线仅沿着所述电路板102的所述顶部边缘延伸好。此外，由于所述电路板102用作接地层，所以所述电路板102将所述GPS/WiFi天线110的侧面部分与所述顶天线108屏蔽，从而反射了所述顶天线
108的传输。在同时使用所述顶天线108和所述双模GPS/WiFi天线110时，这种结合所述电路板102或所述接地层的天线108和110的布置在减小的空间中提供了额外的屏蔽。
[0024] 图2是示出实施例提供的形成的天线近场辐射图的所述电路板102的侧视图。在一些实施例中，所述电路板102和所述天线108和110设置在盖板、外壳和保护壳等中。所述盖板的所述后表面206由金属等射频不透明材料制成。所述后表面206的所述射频不透明材料阻挡无线信号。所述GPS/WiFi天线110的下部在所述电路板102和所述盖板的所述后表面206之间延伸，并通过所述后表面206中的开口208中露出。所述盖板的所述后表面206中的所述开口208允许所述GPS/WiFi天线208通过所述开口208进行发送或接收，还允许在该设备的背面为所述GPS/WiFi天线110留有辐射孔204。另外，所述后表面206的所述射频不透射材料将所述GPS/WiFi天线110与所述顶天线108形成的传输或辐射孔202屏蔽。
[0025] 图3是示出一实施例提供的该设备正面的所述顶天线108和所述GPS/WiFi天线110的剖视图。所述电路板102设置在所述盖板内，各个天线在各自的馈点106处与所述电路板102的顶侧相连接。介电天线载体302设置在所述盖板内；在一些实施例中，所述顶天线108和所述GPS/WiFi天线110设置在单独的天线载体302上并沿着所述外壳的边缘306延伸。诸如相机304等附加的组件可以设置在所述外壳内。所述馈点106可以是所述天线108和110通过
焊接、
超声波焊接、有线连接、插头和
弹簧触点等与所述电路板102相连接的位置。所述天线载体302包括介电材料或其它电绝缘材料，例如聚合物等。
[0026] 所述GPS/WiFi天线110具有沿着远离馈点106和所述电路板102的所述顶部边缘延伸的第一天线部分110A。第二天线部分110B沿着所述外壳的所述顶部边缘延伸。在一些实施例中，所述第二天线部分110B沿着所述外壳的的
角部延伸到所述外壳的的侧边缘或第二边缘。第三天线部分110C垂直延伸，在一些实施例中，其增加所述电路板102的厚度以便在所述电路板102的所述背面或所述后表面提供连接。虽然所述第三天线部分110C被示为设置在所述天线载体302上，但是，在一些实施例中，所述第二天线部分110B可以延伸至所述电路板102的边缘，使得所述第三天线部分110C直接与所述电路板102相邻。此外，在其它实施例中，所述GPS/WiFi天线110可以在所述外壳的所述内表面上，例如沿所述外壳的所述边缘306形成。在其它实施例中，所述顶天线108或所述GPS/WiFi天线110可以完全或部分地集成在所述外壳中。例如，所述第一天线部分110A可以在所述天线载体302上形成，并且可以
接触所述外壳的所述边缘306的导电部分，其可以具有集成在其中的导电部分并用作所述第二天线部分110B和/或所述第三天线部分110C，为穿过所述电路板102的所述后表面延伸的第四天线部分(未示出，参见图4中的元件110D)提供连接。
[0027] 图4是示出一实施例提供的所述GPS/WiFi天线110的一部分和所述盖板的所述后表面206的示图。所述GPS/WiFi天线110具有第四天线部分110D，其从所述盖板的边缘延伸越过所述天线载体302并越过所述电路板102的所述背面。所述第四天线部分110D具有较长的部分，其通常沿着与所述电路板102的所述顶部边缘相同的方向延伸，使得所述第四天线部分横向延伸穿过所述电路板102的所述背面。本实施例中的GPS/WiFi天线110的体积更小，与所述顶天线的干扰或隔离度问题也减少了。
[0028] 所述多频带GPS/WiFi天线使用所述无线设备盖板的所述后表面上的空腔和/或开口208来提供改进的天线谐振。在一些实施例中，所述第四天线部分110D用于在例如所述GPS频带上谐振，而所述第一天线部分(参见图3中的元件110A)用于在例如所述WiFi频带范围内谐振。所述GPS/WiFi天线110的不同部分在不同频率下的不同区域内谐振，那么，谐振区域具有比该天线的其他区域更大的电流
密度。例如，所述第一天线部分用于在WiFi频带中通信时谐振，那么，在WiFi频带中通信时，所述第一天线部分中的电流密度大于所述第二天线部分。类似地，所述第二天线部分用于在GPS频带中通信时谐振，那么，在GPS频带中通信时，所述第二天线部分中的电流密度大于所述第一天线部分。
[0029] 一个天馈的多频带天线可以根据工作频率在所述无线设备的不同侧面进行谐振和辐射。可以通过调整特定天线部分的长度，或者通过调整该天线部分从该天线馈点延伸的最远的距离来调整所述第一天线部分110A和所述第四天线部分110D，从而以特定频率谐振。在一些实施例中，所述GPS/WiFi天线110是四分之一
波长偶极子天线，该天线的相关部分具有谐振部分，其长度大约为谐振频率波长的四分之一。例如，1575MHz的GPS信号的波长约为19cm，那么，谐振四分之一波长偶极子天线的长度约为4.75cm。类似地，2.4GHz的WiFi信号的波长约为12.5cm，那么，谐振四分之一波长偶极子天线的长度约为3.125cm。
[0030] 所述背表面206上的所述开口208提供的所述附加谐振使得所述第四天线部分110D与该设备相对侧上的其它天线元件之间相隔离并使辐射性能得到改善。所述盖板的所述后表面206中的所述开口208的尺寸使其可以露出所述第四天线部分110D。因此，当所述第四天线部分110D是GPS谐振天线部分时，所述第四天线部分的长度可以是大约4.75cm，那么，所述开口的长度可以在大约4.75cm到大约6cm之间。在一些实施例中，所述开口208具有基本上由射频透明材料制成的防护罩或开口盖板。所述盖板为所述第四天线部分110D提供保护并且密封该盖板设备。另外，在一些实施例中，所述第四天线部分110D可以在所述盖板的表面上或嵌入所述盖板中形成。在此类实施例中，所述GPS/WiFi天线110可以在该设备组装时相连接的多个分离部分中形成。
[0031] 图5是沿图4中的平面AA截取的截面视图，并且示出了一实施例提供的所述盖板设备的所述后表面206中的开口208的布置。在该视图中，由于所述第一天线部分110A的布局，因此，示出的所述GPS/WiFi天线是不连续的。所述第一天线部分110A设置在所述天线载体302上并且在所述天线载体302的边缘周围延伸。所述第三天线部分110C垂直于所述电路板的所述后表面延伸至所述第四天线部分110D。虽然未示出，所述第二天线部分110B(参见图
2)将所述第一天线部分110A与所述第三天线部分110C电连接。所述第四天线部分110D在所述开口208中沿着所述电路板102的所述后表面或沿着其下方横向延伸。在所示实施例中，所述第四天线部分110D直接设置在所述防护罩502上；但在其他实施例中，所述第四天线部分110D直接设置在所述天线载体302和所述电路板102的背面，同时与所述防护罩502分开放置。所述电路板102的至少有一部分设置在所述顶天线108的各部分之间和所述第四天线部分110D的各部分之间，在该两个辐射发射体之间提供屏蔽并增强这些天线之间的隔离度。
[0032] 图6是一实施例提供的具有蜂窝天线104和108和GPS/WiFi天线110的设备的功能框图。该设备可以是任何无线通信设备，例如蜂窝电话、平板电脑，或诸如手表、眼镜和虚拟现实耳机等可穿戴设备，或卫星电话、个人通信设备和计算机等。该设备可以包括电路板/接地层102，具有处理器602、存储器604、蜂窝
接口，例如蜂窝收发器610，有源开关612，以及与所述有源开关612电通信的顶天馈106和主集天馈106。
[0033] 所述蜂窝收发机610可以是允许该设备使用蜂窝信号进行通信的任何组件或任何组件集合，并且可以用于通过蜂窝网络的蜂窝连接来接收和/或发送信息。在一些实施例中，所述蜂窝收发机610可以是单个设备，或者是分开的接收器和发射机。所述蜂窝收发机610还可以分别通过所述顶天馈106和所述主集天馈106与顶天线108和主集天线104进行信号通信。所述处理器602用于通过所述主集天线104或所述顶天线108以及所述蜂窝收发器
610发送或接收信号。
[0034] 诸如GPS/WiFi收发器606之类的辅助接口也设置在所述电路板102上，所述GPS/WiFi收发器606与GPS/WiFi
控制器608电通信。在一些实施例中，所述GPS/WiFi控制器608和所述GPS/WiFi收发器606可以是安装在所述电路板102上的诸如片上系统，附加板或分立器件之类的第三方设备。在其他实施例中，所述GPS/WiFi控制器608和所述GPS/WiFi收发器606被集成到所述电路板102中，在一些实施例中，所述处理器602可以执行GPS/WiFi通信管理的部分。在其他实施例中，所述辅助接口可以是允许该设备通过补充协议来传送数据或控制信息的任何组件或任何组件集合。例如，所述辅助接口可以是用于根据蓝牙、近场通信、无线充电或其他无线协议进行通信的非蜂窝无线接口。
[0035] 所述GPS/WiFi收发器还可以通过该GPS/WiFi天馈106与GPS/WiFi天线110进行信号通信。所述处理器602用于通过所述GPS/WiFi天线104、所述GPS/WiFi控制器602和所述GPS/WiFi收发器610发送和接收信号。
[0036] 所述处理器602可以是能够执行计算和/或其他处理相关任务的任何组件，并且所述存储器604可以是能够存储所述处理器602的编程和/或指令的任何组件。在一些实施例中，该设备还包括用户界面/输入616，与所述处理器602相连接以允许用户执行或与所述处理器602上运行的一个或多个程序交互。
[0037] 因此，用户可以
访问无线通信设备并且通过使用第一频带的第一通信服务来发起第一通信。例如，发起电话呼叫和数据
请求等，可使所述无线设备通过蜂窝网络传输数据。此类请求使得所述无线通信设备在诸如所述顶天线108或所述主集天线104等第一天线上进行通信。用户还可以通过诸如WiFi或GPS等第二通信服务来发起第二通信。例如，用户可以请求GPS定位，以便所述处理器602通过所述GPS/WiFi天线110接收GPS定位信号。所述第二通信使用第二频带并使所述无线通信设备使用第二天线在第二频带进行通信。另外，在使用所述第二通信服务时，使用所述第一通信服务的请求可以同时进行。例如，用户可以通过蜂窝网络请求地图，并请求该设备显示此用户在所述地图上的位置。因此，该用户通过所述蜂窝网络发起针对所述地图的所述第一通信，并在所述GPS频带上发起接收所述GPS信号的所述第二通信，以确定所显示的此用户在所述地图上的位置。该设备也可以自动使用所述天线104、108和110，而无需用户提示。
[0038] 虽然已参考说明性实施例描述了本发明，但此描述并不意图限制本发明。所属领域的技术人员在参考该描述后，将会明白说明性实施例的各种
修改和组合，以及本发明其他实施例。因此，所附
权利要求书意图涵盖任何此类修改或实施例。
