已知天线性能取决于天线元件的尺寸、形状和材料成分、在元件 之间的交互作用以及在某些天线物理参数(例如，直线天线的长度和 环形天线的直径)之间的关系和由所述天线接收或发送的信号波长。 这些物理和电特性确定了几个天线操作参数，包括输入阻抗、增益、 方向性、信号偏振、谐振频率、带宽和辐射模式。由于天线是通信设 备的信号接收和发送路径所必须的元件，所以天线性能直接影响设备 性能。
通常，可操作的天线应当具有数量级为操作频率一半波长(或其 倍数)的最小物理天线尺寸以便限制在电阻损耗中所耗散的能量并且 使所发送或接收的能量最大化。由于接地面映像的效应，可以在接地 面以上操作的四分之一波长天线(或其奇整数倍)呈现与半波长天线 类似的属性。通信设备产品设计者更喜欢高效的天线，其能够进行宽 带宽和/或多频带操作、被电匹配(例如，阻抗匹配)到通信系统的发 送和接收组件并且可用于多个模式(例如，可选的信号偏振和可选的 辐射模式)。
通常在许多应用中使用半波长偶极天线。辐射模式是常见的环形 形状，其大部分能量在方位角方向上均匀地辐射并且少量能量在竖直 方向上辐射。某些通信设备关心的频带为1710到1990MHz以及2110 到2200MHz。半波长偶极天线在1900MHz近似为3.11英寸长，在1710 MHz为3.45英寸长，并且在2200MHz为2.68英寸长。典型的增益大 约为2.15dBi。
由半波长偶极导出位于接地面以上的四分之一波长单极天线。物 理天线长度是四分之一波长，但是电磁能量与接地面(用于产生镜像 天线)的交互作用使所述天线呈现半波长偶极性能。从而，在接地面 上的单极天线的辐射模式类似于半波长偶极模式，典型的增益近似为2 dBi。
共同的自由空间(即，不在接地面上)环形天线(其直径近似为 所发送或接收频率波长的三分之一)还沿着径向轴显示常见的环形辐 射模式，其增益近似为3.1dBi。在1900MHz，此天线直径大约为2英 寸。典型的环形天线输入阻抗为50欧姆，向标准的50欧姆传输线路 提供良好的匹配特性。
公知的贴片天线(patch antenna)向定向半球形范围提供近似为 4.7dBi的增益。尽管与四分之一或半波长天线相比较很小，但贴片天 线具有相对较窄带宽。小尺寸只可归因于与在贴片天线板之间所使用 的绝缘材料相关联的传播速度。
给定四分之一和半波长天线的有益性能，通常构造传统的天线， 使得天线长度数量级为辐射频率的四分之一波长并且在接地面上操作 所述天线，或者在不使用接地面的情况下所述天线长度为半波长。这 些尺寸允许天线能够以谐振频率或其附近频率被容易地激励和操作 (其中依照方程式c＝λf来确定谐振频率(f))，其中c为光速并且 λ为电磁辐射的波长)。一半和四方之一波长天线限制在电阻损耗中 所耗散的能量并且使所发送的能量最大化。但是当操作频率增加/降低 时，操作波长降低/增加并且天线元件尺寸按比例地降低/增加。特别地， 当所接收或发送信号的谐振频率降低时，四方之一波长和半波长天线 的尺寸按比例地增加。所产生的更大天线，即便在四分之一波长，可 能不适于供某些通信设备使用，特别是意在由用户携带的便携式和个 人通信设备使用。由于这些天线趋向于比通信设备大，所以它们一般 被安装在从通信设备伸出的一部分天线上从而易被破坏。
无线通信设备和系统的迅速发展使得十分需要物理尺寸小、较少 突出并且更高效的天线，其能够进行宽带宽或多频带操作和/或在多模 式下操作(即，可选的辐射模式或可选的信号偏振)。例如，利用多 个通信系统或在不同频带内的信号协议来操作的通信设备可能要求在 多频带中操作。例如，移动电话系统发送器/接收器和全球定位系统接 收器使用不同的信号协议在不同的频带中操作。由于在不同的国家通 常并不分配通信频率，所以在多个国家设备的操作还要求多频带操作。
诸如个人通信手持电话之类的最新的通信设备的较小封装没有为 常规的四分之一和半波长天线元件提供足够的空间。随后探求物理尺 寸更小的天线，其可在所关心的频带内操作(即，呈现多个谐振频率 和/或宽带宽以覆盖通信设备的所有操作频率)并且提供其它想要的天 线操作属性(输入阻抗，辐射模式，信号偏振等)。
如那些本领域技术人员所知，依照关系：gain＝(βR)^2+2βR， 其中R是包含天线的球体的半径并且β是传播因数，至少相对于单个 元件天线在物理天线尺寸和天线增益之间存在直接关系。从而增加的 增益要求更大物理尺寸的天线，而用户继续要求更小物理尺寸的手持 电话，所述更小的手持电话反过来要求更小的天线。作为进一步约束 条件，为了简化系统设计并且争取最低成本，设备设计者和系统操作 者更喜欢利用能够进行高效的多带和/或宽带宽操作的天线以允许通信 设备访问在不同的频带内操作的各种无线服务或在宽带宽上操作的该 类服务。最后，增益受到在天线操作频率和有效的天线电长度(用波 长来表示)之间已知关系的限制。即，天线增益对于具体几何形状的 所有四分之一波长天线来说都是恒定的，即在其中有效天线长度为操 作频率的四分之一波长的操作频率。
为了克服由于手持电话和个人通信设备所施加的天线尺寸限制， 天线设计者已经转向使用所谓的慢波结构，其中所述结构的物理尺寸 不等于有效的电尺寸。回想有效天线尺寸数量级为应当为半波长(或 在接地面以上的四分之一波长)以实现上面所讨论的有益辐射和低损 耗属性。通常，将慢波结构定义为其中行波的相速度小于自由空间光 速的结构。波速(c)是波长和频率的乘积，并且考虑材料电容率和磁 导率，即c/((sqrt(εr)sqrt(μr))＝λf。由于在通过慢波结构传 播期间频率并不改变，所以如果波行进慢于光速(即相速度较低)， 那么在所述结构内的波长小于自由空间波长。慢波结构去耦在物理长 度、谐振频率和波长之间的常规关系。
由于在慢波结构中传播的波的相速度小于自由空间光速，所以这 些结构的有效电长度大于用于以光速来传播波的结构的有效电长度。 相应地增加了所产生的用于慢波结构的谐振频率。从而如果两个结构 将以相同的谐振频率操作例如作为半波偶极子，那么用于传播慢波的 结构将在物理尺寸上小于用于以光速传播波的结构。这种慢波结构可 以被用为天线元件或天线辐射结构。
因为便携式通信设备(例如，蜂窝式手持电话)的设计者在提供 更多操作特征时继续缩小设备尺寸，所以天线性能的要求变得更加严 格。这种通信设备达到下一性能级别要求具有改进性能的更小天线， 特别是相对于辐射效率来说。目前，设计者努力获得足够的多频带天 线性能来用于设备的多带特征。但是如已知的，效率和带宽是相关的， 并且因此要求进行设计折中。设计者可以优化在一个(或者在某些情 况下一个以上)操作频率带中的性能，但是通常必须折中效率或带宽 以同时在两个或多个频带中达到足够的性能。然而，大部分便携式通 信设备很少在任何给定时间要求在一个以上频带中操作。
另外，现代便携式通信设备必须维持小型尺寸及高效率，同时仍 然试图利用有限的电池资源来提供足够的操作时间。因此天线的小型 性和效率性对于实现在商业上可行的无线设备来说是重要的。
已知的Chu-Harrington关系涉及天线的尺寸和带宽。通常，当尺 寸减小时，天线带宽也减小。但是相反地，因为手持电话通信设备的 能力扩展以提供更高的数据率以及接收带宽集中信息(例如，流视频)， 所以必须增加天线带宽。
依照各种通用的通信信号协议操作的当前无线通信设备遭受如下 所阐明的操作缺陷，其中所述通信信号协议例如GSM、EDGE、CDMA、 蓝牙802.11x和UWB以及WCDMA。
A.因为在通信设备操作期间PA输出功率改变以及因为当信号频 率改变时天线阻抗改变引起的次最佳的PA负载阻抗(其中天线阻抗为 PA负载阻抗)所导致的较差的功率放大器(PA)效率。
B.如在上面A.中所阐明的较差PA效率，进一步受到由于天线相 对小尺寸以安装在通信设备的可用空间包络线内所导致的其相对窄带 宽的影响(即，Chu-Harrington限制)。
C.当手效应或接近(proximityeffect)效应使天线谐振频率失调和/ 或修改天线阻抗时的次最佳的PA负载阻抗所导致的较差的PA效率。
D.次最佳的PA输出阻抗(即，次最佳的天线阻抗)所导致的辐 射能量转送(耦合效率)损耗，其中次最佳的PA输出阻抗由于使用相 对小的天线并且它对应相对较窄带宽所导致。
E.由于手效应或接近效应所引起的天线谐振频率失调所导致的 辐射能量转送(耦合效率)损耗。
F.由于阻抗变换为比接近于天线自然辐射阻抗的较低值更高的 值(即，50欧姆)所导致的较差的PA效率。
本发明的教导旨在克服一个或多个这些缺点并且由此改进通信设 备的操作。

依照一个实施例，本发明包括通信设备，其进一步包括天线、功 率放大器，用于操作输入信号以便向所述天线提供第一信号来进行发 送，所述天线向所述功率放大器提供负载阻抗，所述第一信号具有与 功率相关的参数，并且还包括用于依照与功率相关的参数来控制负载 阻抗的控制器。
依照另一实施例，本发明包括一种天线，进一步包括：绝缘基底、 设置在所述基底不同表面上的第一和第二辐射结构、电子设备模块， 所述电子设备模块包括功率放大器、被连接到第一辐射结构的第一可 控阻抗元件、被连接到第二辐射结构的第二可控阻抗元件以及用于在 第一状态下将所述第一可控阻抗元件连接到所述功率放大器并且在第 二状态下将所述第二可控阻抗元件连接到所述功率放大器的控制器。
附图说明
当结合附图阅读本发明的以下详细描述时，可以很容易地理解本 发明并且其优点和用途变得更加明显，其中：
图1是示出作为功率放大器输出功率的函数的功率放大器效率的 图表。
图2和3是依照本发明教导的通信设备的框图。
图4和5是依照本发明教导的通信设备的组件的两个实施例的示 意图。
图6是手持电话通信设备的透视图并且图7是手持电话通信设备 的横截面图。
图8是依照本发明一个实施例的天线的示意图。
图9是图7的天线的寄生电容的示意图。
图10是依照本发明另一实施例的天线的示意图。
图11-18是示出依照本发明教导用于控制一个或多个天线的设备 的框图。
图19到21是示出依照本发明教导的各种天线控制技术的框图。
图22是示出包括可控高频带和低频带天线的通信设备的框图。
图23是依照本发明教导构造的前端模块的透视图。
图24是依照本发明教导在隔开的末端(terminal end)处具有馈送 点的天线的示意图。
图25是示出依照本发明教导的发送信号路径的框图。
图26是用于接收和发送通信信号的天线系统和相关联组件的框 图。
依照常例，各种所描述的设备特征并未按比例绘制，而是为了强 调与本发明有关的具体特征来绘制。遍及附图和文本，同样的附图标 记表示同样的元件。

在详细描述与控制天线结构和操作参数相关的示例性方法和设备 之前，应当观察到本发明主要在于元件和过程步骤的新颖性和非显而 易见的组合。为了避免用对那些本领域技术人员来说明显的细节模糊 了本公开内容，当附图和说明书非常详细地描述与理解本发明有关的 其它元件和步骤时，已经以较少细节给出了某些常规的元件和步骤。
以下实施例并不旨在限制本发明的结构或方法，而只是提供示例 性的构造。实施例是自由的而不是强制性的并且是说明性的而不是穷 举的。
天线调谐控制技术在本领域中已知用来向多带通信设备提供多频 带天线性能。本发明教导一种天线控制方法和设备，其克服了会削弱 通信设备性能的次最佳天线阻抗(由天线调谐过程引入)以及频率失 调效应。
依照本发明一个实施例，将天线调谐(通过控制其有效电长度) 到所想要的谐振频率以消除由天线的操作环境所引起的谐振失调。重 新调谐天线改进了天线的性能从而改进了通信设备的性能。
已知通信设备的发送功率放大器(PA)被设计成用于向其负载 (即，天线)提供可控的输出功率并且给出所想要的输出阻抗(一般 为包括任何阻抗变换元件的50欧姆)。功率放大器所设计的输出功率 范围取决于操作环境以及设备所使用的信号协议。输出功率由设备组 件控制以便允许利用接收设备来有效地通信。例如，当所述手持设备 在基站覆盖区域附近移动时，蜂窝式手持设备PA的输出功率被控制以 有效地与蜂窝式基站通信。
在现有技术中，当由PA向固定负载阻抗(即，固定天线阻抗) 所提供的功率改变时PA效率改变。此外，PA输出功率从而PA效率 响应于负载阻抗(天线阻抗)的改变而变化。已知尽管天线被设计成 呈现额定50欧姆阻抗，实际上阻抗随信号频率而变化。例如，当信号 频率从在天线操作频带中央附近的天线谐振频率变换到在频带边缘附 近的信号频率时，天线阻抗改变。由于天线阻抗随信号频率而改变， 所以不可以在操作频带上将PA输出阻抗与天线阻抗相匹配。从而依照 现有技术，可以期望的最好情况是以常规的50欧姆来建立PA输出阻 抗，在谐振频率将天线设计为50欧姆阻抗并且认识到当信号频率不同 于谐振频率时低效率被引入系统。总之，在现有技术中，PA效率可以 随着PA输出功率的改变以及信号频率的改变而下降。减小的输出功率 效率会要求更多的电池功率从而缩短了电池寿命。
依照本发明另一实施例，控制天线阻抗(PA负载阻抗)以向PA 呈现这样的阻抗，其在规定的PA无线电频率(RF)输出功率来改进 功率放大器的功率附加效率(PAE)。控制负载阻抗以从阻抗值范围中 提供所想要的阻抗值允许PA输出电压和电流(用于确定PA输出功率) 包括可以由PA电源所提供的值，以便在任何规定的功率级改进效率。 由于许多通信设备操作在电池电源下，所以改进效率延长了在电池再 充电之间的“通话时间”(对于具体的电池大小来说)。控制天线(负 载)阻抗还克服了当信号频率改变时自然出现的天线阻抗变化效应。
本发明的又一实施例控制天线谐振频率和阻抗以便获得这两个技 术的组合的优点。
注意，本发明的此阻抗控制技术不同于现有技术的复共轭匹配 (即，第一组件的输出阻抗是其连接的第二组件的输入阻抗的复共轭) 的阻抗匹配技术。这些现有技术旨在最大化从第一组件传输到第二组 件的功率。
尽管考虑到本发明的上下文存在许多PA效率的测量并且均在本 发明的范围内，不过优选的测量看起来是功率附加效率(PAE)，被定 义为RF输出功率减去PA的RF功率输入，所产生的数值除以向PA 所提供的DC功率(即，DC电流和DC电压的乘积)和RF输入功率 的和。可以在由Vendelin、Pavio和Rohde发表的题为“Microwave Circuit Design Using Linear Techniques and Nonlinear Techniques”的参考资料 的63页得到PA效率(也被表示为PA增益)的另外量度。
通常依照现有技术，PA输出阻抗是几个欧姆(对于通用的PA拓 扑来说为3Ω)，并且必须被变换为(通过插入在PA和放大器之间的 阻抗匹配电路)天线的输入阻抗，标称为50Ω。对于相对较大阻抗变 换来说给定此要求，用于进行变换所要求的反应网络具有相对窄带宽。 由于依照本发明不要求此阻抗变换，所以避免了窄带宽变换组件的窄 带宽效应。
图1示出了对于固定负载阻抗来说作为功率放大器输出功率(用 dBm表示)的函数的功率放大器PAE的图表。在最大功率输出，功率 放大器PAE大约为50％(在类A模式下操作的功率放大器的理论最大 效率)。当功率输出减少时，PAE下降。曲线96描绘了当PA具有固 定的DC偏置并且向固定阻抗(诸如固定的50欧姆天线负载阻抗)提 供信号时此PAE降低的情况。因为PA不会利用可用的电源电压来驱 动负载，所以不想要低的PAE。
曲线98描绘了利用DC-DC转换器扩充的PA可得到的改进PAE， 即以当功率输出降低时控制被提供到所述PA的DC偏置电压。DC到 DC转换器响应于固定DC电源电压产生可控的DC电压以响应于PA 功率输出来偏置PA。如通过虚线98所指示的，此技术增加了PAE， 其中曲线98与曲线96相比描绘了更高的PAE。但是此方法要求附加 的组件并且增加了PA和利用它来操作的通信设备的复杂度。
应当注意，大部分蜂窝式电话及其它无线通信设备通常在适度的 功率级操作。在统计上，GSM手持电话在大约18dBm的平均输出功 率操作，其中依照如图1中所示的现有技术中的阻抗匹配技术，PAE 一般小于25％。
为了解决与功率输出级变化相关联的PA低效率以及在通信设备 操作中所产生的低效率(即，减少的“通话时间”)的问题，本发明 响应于PA的功率输出级来动态和自适应地控制PA负载阻抗(即，天 线阻抗)。
在一个实施例中，依照下述技术来调节天线阻抗，以在通信设备 操作期间PAE下降时响应于PA输出功率级来改进PA负载阻抗(天线 阻抗)。依照本发明控制PA旨在允许PA使用所有可用的电源电压/ 电流来放大输入信号(减去可能会导致PA饱和及削剪(clip)输入信 号的任何电压)并且延长以电池电源操作的那些通信设备的电池寿命 和通话时间。与PA的输出功率(来自PA的输出信号的功率)相关的 其它参数可以用来控制天线阻抗，包括PA输出信号中的峰值DC电流。
如图1中的曲线100所描绘，在一个实施例中，本发明响应于规 定的输出功率在40％的第一PAE级和大约50％的第二PAE级之间以不 连续的步骤来调节天线阻抗。当PAE下降到大约40％时，调节天线(负 载)阻抗以将PA PAE上升回到大约50％。因此本发明比现有技术提 供了更好的PAE。依照本发明的教导的PA负载阻抗的控制可以依照如 图1所指示的不连续的阻抗值步骤或者在可允许和可达到的阻抗值范 围内基本上连续地实现。
在图1中所描绘的PAE值仅仅是示例性的，如已知按照包括通信 协议和功率放大器设计的许多因素来确定实际的PAE和理论上最大可 能的PAE。如图1中所示，在从大约0到大约30dBm的功率级改进了 PAE，不过所述技术通常可以被应用于在任何功率级操作的PA。PA PAE也可以通过响应于PA输出功率级改变连续地修改天线阻抗来被 连续地改进，而不是如所描述的离散地改进。那些本领域技术人员已 知用于控制天线阻抗的技术，所述天线阻抗即被提供给PA的输出端的 阻抗。PA输出功率还可能受到由电源所提供的可用电流和电压的限制。
某些通信设备包括在PA和天线之间的阻抗变换元件。从而依照 本发明另一实施例，代替控制天线阻抗以控制PA效率，控制由阻抗变 换元件向PA所提供的阻抗以控制所述PA效率。
依照本发明的另一实施例，处理器或控制器控制一个或多个天线 元件或天线组件以对所述天线进行频率调谐和/或修改天线的阻抗。图 2示出了包括天线105的通信设备103，所述天线105用于经由无线电 频率链路106接收和发送信息信号。在一个实施例中，通信设备103 包括蜂窝式手持电话。由天线105所接收的信号被接收电路107处理 以提取其中所包含的信息。用于由天线105发送的信息信号在发送电 路109中生成并且经由功率放大器111被提供到天线105，以用于经由 无线电频率链路106发送。控制器110控制接收和发送电路107/109。
天线处理器/控制器113(例如，天线控制器)响应于由控制器110 所提供的信号(或作为选择响应于发送电路109或功率放大器111)， 所述信号用于指示通信设备103的操作参数。响应于此信号，处理器/ 控制器113产生用于控制频率调谐和/或阻抗控制元件117的控制信号。 例如，处理器/控制器113响应于指示通信设备103的PA输出功率或 操作频率的信号。响应于此，处理器/控制器113实现对天线的改变以 改变天线阻抗和/或天线谐振频率。例如，处理器/控制器113在天线结 构上选择馈送点和/或接地点的位置以修改天线的阻抗和/或通过控制 辐射段来改变天线的有效电长度以有效地伸长或缩短天线的辐射结 构。响应于天线阻抗和/或谐振频率的变化，改进PAE和/或改进通信设 备的操作。
在一个实施例中，其中频率调谐和/或阻抗控制元件117包括多个 被控的阻抗元件(每个阻抗元件进一步包括一个或多个电感和电容元 件)，处理器/控制器113将一个或多个阻抗元件接入或连接到天线105 以改变呈现给PA的天线阻抗，由此在所规定的PA RF功率输出下改 进PA PAE。
例如，依照本发明的教导可以确定将第一值的电容器插入到天线 电路中改进了在PCS频带中操作的PA PAE，并且插入第二值的电容器 改进了以用于在DCS频带中的操作的PAE。响应于用于指示通信设备 103的操作频带的信号将适当的电容器插入到天线电路中，其中所述信 号被提供到天线处理器/控制器113。
在又一实施例中，处理器/控制器113修改(例如，通过切换天线 元件和在天线电路之内和/或之外的相关电路，相对于其馈送点来移动 天线接地点或相对于接地点来移动馈送点)一个或多个天线物理特性 (例如，有效电长度、馈送点位置、接地点位置)来修改天线谐振频 率并且由此改进对于当前操作频带来说通信设备103的性能。从而如 从这里所阐明的例子中可以看出，存在多种可以用来可控地修改天线 阻抗和/或天线谐振频率的技术和结构元件以改进通信设备103的操 作。
用于控制天线谐振频率的一个技术与天线辐射结构串联地插入电 容器，结果只是在略微地改变天线阻抗的情况下产生明显的谐振频率 改变。与天线辐射结构并联放置的电容器也可以改变谐振频率，但是 可能导致天线阻抗的更大变化。
在另一实施例中，通过从天线辐射结构插入(接入)或删除(断 开)不同长度的导通元件来在处理器/控制器113的控制下修改天线谐 振频率。从而控制信号修改天线有效电长度。例如，可将具有不同有 效电长度的曲折线(meanderline)元件从天线105接入或断开以改变 谐振频率。下面进一步地描述用于实现此谐振频率调谐的这种组件。
图2的频率调谐和/或阻抗控制元件117可以包括与天线105相关 联的元件，或者如图3中所图示，可以包括与所述天线105相分离并 且插入在PA 111和天线105之间的阻抗控制元件119。这里对元件117 的引用包括元件119。
可以确定通信设备103及其组件的各个操作参数并响应于提供到 频率调谐和/或阻抗控制元件117的控制信号。这种参数包括但不限于 PA RF输出功率、通信设备的操作频率和PA/天线信号路径上的 VSWR。
在本发明的蜂窝式系统应用中，蜂窝式手持电话中的功率放大器 是具有基站收发器的闭环控制系统的元件。当被开启时，手持电话RF 功率被设置为缺省值(可能接近于最大输出功率)并且选择操作频率。 当用户进行呼叫时，用于请求频率或时隙分配的信号在控制信道上被 发送到基站。所述基站利用为手持电话所分配的频率和发送功率来作 出响应。依照本发明的教导，响应于所规定的发送功率将天线阻抗调 节到所想要的值并且把天线调谐到适当的谐振频率。
在蜂窝式呼叫期间，基站收发器可以依照通信系统和手持电话的 操作方案来命令手持电话降低或增加其输出功率和/或改变为在不同的 频率上发送或接收。使用新规定的功率输出来再次调节天线阻抗和/或 天线谐振频率。从而基站功率命令控制PA以改变发送信号的功率级并 且还控制天线阻抗(PA负载阻抗)以提供改进PAE的阻抗。
在一个实施例中，控制阻抗以将PA PAE增加到最大PAE的50％。 与现有技术不同，在不改变PA DC偏置电压/电流的情况下增加PAE， 不过所描述的技术没有阻止使用如目前在本领域中已知的偏置控制或 多级切换功率放大级。
在另一实施例中，可以测量VSWR(或正向功率)并且据此导出 用于控制天线阻抗的控制信号以改进PAE。
当处理器/控制器113如上所述调节天线谐振频率时，因为在接收 设备的信号强度或信噪比可能响应于谐振频率变化而增加，则可以降 低PA输出功率，允许在不削弱接收端的信号质量的情况下减小功率。 从而谐振频率调节可以发起天线阻抗调节来改进PAE。
依照另一实施例，天线参数可由用户通过可离散地调节或可连续 调节的切换元件或控制元件的操作来手动地调节，所述控制元件控制 频率调谐和阻抗控制元件117来改变天线的谐振长度或天线阻抗以改 进PA PAE和通信设备的总效率。这种实施例还可以包括用于自动地调 节频率调谐和阻抗控制元件117的处理器/控制器113。
图4示出了天线120，包括在接地面128上布置的导通元件124。 切换元件130、132、134和136将馈送导线140、142、144和146可 切换地连接到传导元件124上的各自位置，从而信号源150通过闭合 的切换元件130、132、134或136被连接到导通元件124。相对于天线 结构信号馈送的位置影响了天线阻抗。切换元件130、132、134和136 响应于由功率级传感器160所提供的控制信号被配置为打开或闭合状 态。这种功率级传感器通常与可买到的功率放大器相关联。
同样，天线到地线的连接可以通过多个切换元件中的一个或多个 的操作来重新定位，每个切换元件都通过不同的导通元件将所述天线 连接到地线。图5示出了天线180，包括用于可切换地将导通元件200、 202、204和206连接到地线的切换元件190、192、194和196。切换 元件200、202、204和206中适当的一些响应于由功率级传感器160 所提供的控制信号在特定功率级被闭合或打开以影响天线阻抗，并从 而影响与天线180一起操作的PA的PAE。
尽管结合图4和5的PIFA天线(平面反向F天线)描述了本发明 的教导，不过所述教导适用于其它类型的天线，包括单极和偶极天线、 贴片天线、螺旋形天线和电介质谐振天线以及诸如螺旋/微带、曲折线 负载PIFA、ILA等的组合天线。
在图4和5中所标识的切换元件可以由离散开关(例如，PIN二 极管、控制场效应晶体管、微电机系统或在本领域中已知的其它切换 技术)来实现以在天线结构中移动馈送头(馈送端)点或接地头(接 地端)点，以改变在馈送和接地端之间的阻抗，即用于驱动天线的功 率放大器所引起的阻抗。切换元件可以包括被附着到天线的有机层压 载体以形成包括天线和基底的模块和基底，在所述基底上安装所述天 线及其相关联的组件。通过适当地选择一个或多个切换元件来重新定 位馈送点可以对于用于装载PA的阻抗来说将阻抗从大约五个欧姆改 变到几百欧姆以如这里所描述获得更高效的PA操作。
某些通信设备提供了各种通信服务，因此要求操作在如那些服务 所使用的多频带(子频带)中。大部分现有技术通信设备包括用于呈 现多谐振特性以覆盖每个子频带的单个天线。
依照Chu-Harrington关系，天线的带宽随着天线尺寸减小的直接 函数而降低。此关系认为物理天线距离与操作波长成正比。 Chu-Harrington限制(可从特定尺寸的天线获得的最宽带宽)适用于单 频带天线。依照此关系，要求相对较大的单频带常规天线来充分地覆 盖在多频带内操作的通信设备的总操作带宽。但是手持式通信设备要 求相对较小的天线，其依照所述关系呈现较窄带宽。还应当注意，即 使有也是极少数通信设备要求同时在一个以上子频带内操作。
当单个天线提供多个操作带时，以各自频带基础来评估 Chu-Harrington可能是适当的。由于本发明以每个频带为基础来改进天 线性能，所以可以以每个频带为基础和所组合的结果来重新评估 Chu-Harrington限制以便产生由所述天线所覆盖的总带宽的结果。
依照本发明的教导，使用这里所描述的任何技术来将天线谐振频 率调谐到所想要操作的子频带。由于每个子频带都比总带宽窄，所以 本发明的可调频天线可以小于Chu-Harrington关系所要求的单个大空 间(single large space-hungry)天线。
图6图示了手持电话或其它通信设备240，其具有在所述设备240 内大体上由附图标记242所标识的区域中所布置的天线。如在本领域 中所知，当手持电话240被用户拿来接收或发送信号时，用户的手被 放在区域242附近。在用户的手和天线之间的距离由用户手的大小和 手相对于天线的方向来确定。
所谓的手效应或接近负载指的是用户的手对天线性能的影响。当 用户的手(和头)接近手持电话及其内部天线时，包括手和头的材料 的共同介电常数与在自由空间环境中相比改变了天线操作特性，自由 空间环境即其中天线周围都是空气，从而天线性能由空气的介电常数 来确定。此效应使天线谐振频率失调，一般会降低谐振频率。所述天 线还可能通过配置某些手持电话机械组件来失调，诸如折叠型手持电 话的折叠位置和滑动型手持电话的滑动位置。本发明的教导还可以消 除这些物理配置的失调效应。
被设计为在824-894MHz的CDMA频带中操作的手持电话包括 用于在频带中心附近呈现谐振频率峰值并且天线带宽包含大部分但未 必是全部CDMA频带以实现可接受的手持电话性能的天线。但是手效 应使天线失调，以致谐振频率被移到频带中心以下的频率或许甚至移 出所述频带。由于天线带宽不再与824-894MHz的CDMA频带重合， 所以该结果削弱了天线和手持电话的性能。已知对于在CDMA频带中 操作的手持电话来说手效应可能使天线失调高达40-50MHz。
用于克服手效应的一个已知技术是使用宽带宽天线，包括感兴趣 的频率，即824-894MHz，并且延伸到高于和低于感兴趣频带的频率。 当手效应使天线失调时，操作频率保持在天线带宽之内。然而，依照 用于管理天线物理属性和性能(例如，Chu-Harrington效应)的各个原 理，在天线带宽和尺寸之间存在直接关系，即当天线带宽增加时天线 尺寸增加。但是随着手持电话尺寸继续缩小，使用较大的天线来提供 宽带宽操作是不可行的并且被认为无法被手持电话设计者和用户所接 受。
用于克服手效应的另一已知技术增加了在天线250(安装在印刷电 路板252上)和手持电话盒254之间的距离249(参见图7)。仅仅把 此距离增加5mm会略微降低手效应。然而，必须增加手持电话尺寸来 适应所增加的距离。
依照本发明实施例，可调谐频率的有源内部通信设备(手持电话) 天线克服了与上述现有技术天线相关联的某些缺点，特别是相对于手 效应和身体或其它物体对天线的接近天线负载。调谐天线减少了这些 效应(在发送和接收模式下)并且改进了系统的辐射效率，即天线、 功率放大器和通信设备的相关组件。可以响应于用于表明天线已经失 调(例如由于手效应)的信号来实现调谐。例如，控制信号用于感测 通信设备的功率输出或发送频率或根据近场探测器所导出的信号。调 谐还可以通过用户所操作的手动控制开关来实现。
图8示出了天线300(在此例子中，天线300包括螺旋天线，但是 本发明的教导并不限于螺旋天线)，其中接近于手持电话通信设备内 布置的接地面302或在其上面安装天线300。天线300进一步包括内部 螺旋段300A和外部螺旋段300B。天线300的接地端304被连接到接 地面302。手持电话包括信号处理组件，未示出，在当所述手持电话在 接收模式下操作时可操作地处理由天线300所接收的信号，并且用于 当所述手持电话在发送模式下操作时向所述天线300提供信号。馈送 端306被连接在这种附加组件和天线300之间。
在图9中示出了天线300的等效电路310，包括信号源312，其表 示当手持电话在发送模式下操作时由所述天线300所发送的信号。等 效电路310进一步包括通过分别在内部螺旋段300A和接地面302之 间、在外部螺旋段300B和接地面302之间以及在所述内部螺旋段300A 与外部螺旋段300B之间的耦合所形成的寄生电容316、318和320。
依照本发明一个实施例的教导，修改这些寄生电容中的一个或多 个以改变天线300的谐振频率，其也将对相对于本发明的教导对天线 阻抗具有一定影响以修改所述天线阻抗来改进PA PAE。据此如图8所 示，天线300进一步包括变容二极管350，其响应于可变电压源352来 改变所述变容二极管350的电容从而改变在所述天线300和接地面302 之间的电容。借助电容改变来相应地改变天线谐振频率，所述电容改 变随后由电压源352所提供的电压来控制。在一个实施例中，提供手 动操作的控制器来允许手持电话用户手动地调节被施加到变容二极管 的电压以调谐天线300实现最佳性能。在另一实施例中，天线处理器/ 控制器113(参见图2)例如响应于其中通信设备操作的子频带来控制 可变电压源352。
改变天线300的任何区域中的电容会改变天线的谐振频率。改变 其中电流最大或接近最大的电容可能导致谐振频率发生重大改变。还 可以使用相对小的电容值来实现天线的高阻抗区域中的变化，这是因 为在高阻抗区域相对于天线的阻抗来说小电容器的电抗更为显著。其 中可以进行阻抗改变的一个区域包括接近地线和/或馈送端304/306的 区域，从而变容二极管350优选地被布置在接近地线/馈送端304/306。 除使用可变电抗器之外，可以借助在本发明范围内考虑的其它技术来 改变电容。
依照另一实施例，修改天线300的电感来改变天线的谐振频率(包 括基波谐振频率及其它谐振模式)。这种电感可以与天线300串联或 并联(到地线)。从而可以修改天线电抗的电感的或电容的无功分量 (或这两者)来改变谐振频率。
依照又一实施例，通过经由切换元件364向变容二极管350施加 由电压源362所提供的离散固定DC电压来控制谐振频率。参见图10。 开关364可以由用户来手动操作或者响应于性能参数或操作量度来自 动控制，其中操作量度用于指示天线已经从其谐振频率失调。
从而当切换元件被置于闭合或短接情况时此实施例响应于DC电 压值提供离散的谐振频率变换。本发明进一步考虑多个电压源和相应 的多个开关以从单个天线提供多个电容值从而提供多个谐振频率。在 本申请中还可以使用MEMS切换或集成的电容器，以及任何其它电容 调谐方法。
在另一实施例中，图11的RF(无线电频率)探测器400响应于 功率放大器111感测在可调天线404的近场区中的辐射功率。诸如这 里所描述的那些天线调谐系统(包括图2的天线处理器/控制器113) 调谐天线谐振频率以使探测响应最大化。可以以离散的预定步骤或响 应于使所感测的近场功率最大化进行调谐。通常，此技术不会补偿在 天线周围材料中的吸收损耗，但是校正天线谐振频率的无损介电效应。
某些通信设备或手持电话可依照多个系统协议操作(例如，蜂窝 式系统的CDMA、TDMA、EDGE、GSM或蓝牙或IEEE 802.11x)， 每个协议被分配给不同的频带(也被称为子频带)。在现有技术中， 这种手持电话包括多个天线，每个天线被指定用于在一个频带中操作 或者所述天线能够具有多个谐振特性。使用多个天线显然增加了手持 电话尺寸并且并对于任何特定频率，并未优化具有多个谐振特性的单 个天线，特别是如果子频带相互隔开，由此使性能降级的话。
当希望例如响应于不同的蜂窝式协议在不同的频带中操作手持电 话时，本发明响应于操作的子频带来调谐单个天线(通过激活适当的 切换元件以改变天线谐振频率)。对于自动切换到不同可用协议的手 持电话来说，手持电话控制器通过为变容二极管350选择适当的DC电 压来自动控制天线谐振频率以使得所述天线谐振频率在所选择的操作 频带内。
依照本发明的这种多频带天线由图12的多频带可调谐天线450来 描绘。响应于从控制器110所提供的指示通信设备的当前操作子频带 的信号来通过操作参数控制多频带天线450。
当通信设备在从操作的第一频带中到第二频带中之间切换时，由 天线450所呈现的阻抗改变并且对于PA 111来说可能并非是最佳的阻 抗，即，提供用于允许PA以所想要的PAE操作的负载阻抗。如果多 个频带在频率上显著地隔开，那么不太可能是最佳阻抗。这种方案可 能出现在其中当从GSM频带(880-960MHz)上的操作切换到CDMA 频带(824-894MHz)上的操作时在功率放大器PAE上存在明显下降 的手持电话中。例如，当操作切换到第二频带时VSWR可能增加并且 PAE可能下降。从而依照本发明的实施例，可以控制谐振频率和天线 阻抗以改进通信设备的操作，包括PA的PAE。
响应于指示当前操作频带或子频带的控制信号，天线被调谐到不 同的谐振频率和/或修改天线阻抗以提供用于提高PA PAE的PA负载阻 抗。频率调谐和/或阻抗调节可以通过短截线调谐器或集中和分布元件 的组合修改天线阻抗以对于所请求的PA输出功率级来说改进PA PAE 或者将天线重新调谐回到其所想要的谐振频率来实现。
作为选择，天线谐振频率和/或阻抗可以通过修改天线有效电长 度、电感或电容中的一个或多个来改变，包括通过使用一个或多个集 中电容或电感元件或使用这里所描述的各个技术来修改这些特征。在 一个应用中，由图12的元件所实现的天线频带调谐使PA PAE增加大 约9％；还可以观察到PAE增加高达大约20％。
如果天线频率调谐能力由于减少了带宽要求而允许减小天线体积 尺寸(所预计的减小大约为1/2)，正如要求天线在任何时间只在一个 频带或子频带中谐振的情况。仿真指示在某些应用中，天线谐振频率 调谐独自可以在不需要控制天线阻抗(即PA负载阻抗)的情况下生成 所想要的PAE增益，同时维持足够的带宽来覆盖每个频带或子频带， 由此很好地利用减小天线体积的可能。
图13示出了本发明的另一实施例，其中当功率放大器输出功率如 上所述改变时过滤器460和天线465中的一个或两个的阻抗是可控的 以改进功率放大器111的PAE。开关组件462选择过滤器460的元件 来实现过滤器输入阻抗改变。类似地，开关组件464选择天线465的 元件来实现天线阻抗改变。
通常，过滤器依照其过滤功能来控制，例如在具有最小插入损耗 的频带内滤出带外谐波频率。控制过滤器还有助于提供所想要的PA负 载阻抗(结合天线阻抗)来达到所想要的PA PAE。
由通信设备所产生的几个不同信号中的任何一个可以用来控制开 关组件462和464。在所示的实施例中，将由功率传感器468所导出的 控制信号提供到编码器/多路复用器470以生成用于每个开关组件462 和464的控制信号。响应于控制信号，开关462和464(被示为机械开 关但是可实现为电子、机械或电动机械开关)被配置为提供它们各自 受控设备所想要的阻抗。如这里其它地方所描述的用于控制天线阻抗 的技术和组件可以被应用于图13的实施例以控制过滤器输入和/或输 出阻抗和天线阻抗。
图14示出了能够在850/960MHz的GSM频带和在1800/1900MHz 的GSM频带中操作的双频带通信设备480的某些元件。当在前者的 GSM频带中操作时，将被发送的信号通过功率放大器486和适当配置 的发送/接收控制开关487提供到天线484。当在后者的GSM频带中操 作时，将被发送的信号通过功率放大器488和不同配置的发送/接收控 制开关487提供到天线484。天线484包括辐射结构490和可控的天线 元件491，用于允许调节天线的谐振频率和/或其阻抗。
由控制器110所提供的控制信号响应于所想要的操作频带或子频 带和PA输出功率来控制功率放大器486/488和可控的天线元件485。 控制信号控制元件485以提供用于为PA的486/488提供所想要的PAE 的天线阻抗。另外，控制信号控制元件491以提供在操作频率带或子 频带内的天线谐振频率。
尽管结合在一个GSM频带内操作的通信设备进行描述，但结合通 信设备480所描述的本发明的教导也适用于其它信号传输协议，即 EGSM、CDMA、DCS、PCS、EDGE等和其它非蜂窝式通信系统和协 议。
在通信设备中提供用于调谐天线的能力还允许使用较小的天线结 构，同时该天线结构(及其相关联的组件，诸如PA)以比现有技术天 线更高的PAE操作。尽管并未非是显而易见的，不过这是在带宽和天 线体积之间的Chu-Harrington关系的直接结果。通常，较小的天线呈现 较窄带宽，但是如果天线谐振频率可被控制到通信设备的当前操作频 带，那么宽带天线能够在其中并不要求通信设备操作的所有频带中进 行可接受的操作。如果响应于操作频带或子频带，天线的操作频带或 子频带是可选的，那么在通信设备中可以使用较小的(由此可能是更 高效的)天线。例如，在半双工通信系统(不同的发送和接收频率) 中，发送/接收控制开关的位置根据无线设备是处于发送状态还是接收 状态来命令天线将其谐振频率改变到操作的子频带。此技术允许大部 分天线在体积上减小大约1/2并且成比例地增加天线的PAE。
依照另一实施例，对于半双工通信协议来说，通信设备处理器根 据手持电话操作模式来选择频带(子频带)的接收或发送部分，并且 向天线提供控制信号以通过这里所描述的技术来改变一个或多个天线 参数以修改天线谐振频率和/或天线阻抗。由于子频带具有比通信设备 所操作的全频带更窄的带宽，所以依照此实施例可以减小天线尺寸。
对本领域技术人员来说并非显而易见的是本发明的实施例允许在 通信设备内使用较小的天线，同时改进操作带宽上的天线性能(例如， PAE)。用于响应于通信设备的操作频率来改变或选择天线性能参数(例 如，谐振频率)的能力避免了要求天线能够在所有可能频带中操作， 并且进一步允许在不牺牲天线性能的情况下使用较小的自适应天线。 实际上，可以改进天线性能。至少，构造较小的天线并使用本发明的 教导来改进其性能，克服已知的较小天线的性能限制。从而可以将较 小的手持电话在不牺牲天线和手持电话性能的情况下设计成供较小天 线使用。为了改进天线性能，处理器可以对于给定操作环境(例如， 信号偏振或信号协议)或操作频率来改进馈送点、接地点、阻抗、天 线结构或天线有效长度。
依照本发明所获得的优点是：1)较小的天线尺寸；和2)由于根 据当前操作带宽来自适应地控制天线结构而在操作带宽上改进的天线 PAE。
天线调谐还可以克服由于手或其它接近效应所导致的失调。已知 当用户将身体部分或其它物体接近手持电话或无线通信设备时天线频 率可能会发生变换。在该情况下出现两种物理现象，都会导致较差的 手持电话信号接收和发送。第一效应是由天线的接近电容性负载所导 致的天线谐振的失调。第二效应是与接近的生物或其它物质(木材， 纸张，水等)的介电特性相关联的电阻损耗机制(包括复数值的介电 常数)所引起的信号吸收。
在接近人体操作的无线手持式设备常常会导致在远场辐射信号中 存在超过7dB的损失。按照所公开的仿真研究验证，至少3dB的损失 可归因于吸收。其余损失的一部分因此可以归因于天线失调效应(4db 或更多)。
本发明主动地调谐天线，但是可能不会校正由于辐射场分量吸收 所导致的上述损失。尽管如此，此方法把手持电话接收或发送性能改 进了几个分贝。由于手/头部负载当前辐射信号性能一般从-3dBi减低 到-10dBi以上。由于本发明的近场控制调谐技术预计可以获得4dB或 更多增加的增益。
此实施例可以通过修改天线中的电感或电容调谐元件，诸如通过 响应于接近传感器506控制天线504的频率调谐和阻抗控制元件502 (如图15中所图示)来实现。可以通过如上所述改变天线的有效电长 度来实现该实施例。
在另一实施例中，接近传感器506向天线阻抗控制电路512提供 控制信号(参见图16)，用于将功率放大器111得到的阻抗控制到天 线514中或控制天线514的谐振频率。
接近传感器506包括用于使用光学传感器、电容传感器或另一感 测设备来检测存在身体或身体一部分的传感器。响应于控制信号，将 所述天线调谐到预定频率以偏移由接近物体所导致的失调并且部分地 补偿由于所述失调所导致的损失。在另一实施例中，接近传感器被替 换为近场RF探测器，用于提供控制信号，来调谐天线以使近场信号最 大化。
在另一实施例中，传感器506包括用于检测手持电话通信设备的 配置的组件。例如，滑动型手持电话和翻转型手持电话可能处于打开 或关闭位置，影响了天线504的操作。通过确定手持电话配置，可以 控制天线以改进天线和手持电话性能。
在又一实施例中，本发明包括天线谐振频率调谐组件，用于在制 造通信设备期间减少在制造过程中的谐振频率变化。
这种谐振频率调谐组件包括诸如如上所述的频率调谐和阻抗控制 元件117(参见图2)或可调频天线404(参见图11)的多个调谐组件 (例如，组件矩阵)，这些组件是可控的以补偿由于产生变化而导致 的谐振频率和带宽可变性的预计范围。在产生阶段期间，配置调谐组 件来设置所想要的谐振频率以实现最佳性能(PAE，VSWR等)。在 一个实施例中，调谐矩阵包括具有熔线的无源部件，所述熔线被打开 (烧断)以将矩阵组件插入到天线电路中。在另一实施例中，有源设 备开关(控制场效应晶体管，微电机系统(MEMS)或在本领域中已知 的其它切换技术)被用来通过闭合一个或多个切换设备来将组件插入 到天线电路中。
图17示出了天线的主要辐射结构550。开关552(例如，熔线， 晶体管开关)可切换地将一个或多个调谐组件556A、556B、556C和 556D连接到主要辐射结构550上的各个位置来控制天线阻抗和谐振频 率中的一个或多个。所述开关可以在制造和测试主要辐射结构550之 后被永久地打开或闭合以克服制造变化的影响。在另一实施例中，开 关552由与通信设备相关联的控制器来控制，主要辐射结构550与所 述通信设备一起操作，所述控制器响应于通信设备的操作特性来控制 开关552，并由此控制天线的操作，特别是天线谐振频率和阻抗。
本发明的教导还可以应用于提供天线分集的通信设备。即，每个 不同天线包括用于实现改变电抗或改变有效电长度以便控制天线谐振 频率的组件。
如图18中所示，通信设备600包括两个天线602和604，依照本 发明的各个教导和实施例，每个天线响应于用于控制各自天线谐振频 率和/或阻抗的天线控制器610和612。分集控制器618确定在任何给 定时间天线610和612中的哪个是可操作的(在接收模式下，可以组 合信号以产生合成的接收信号)。用于执行适当算法的处理器控制天 线控制器210和212和分集控制器218来改进通信设备的信号质量度 量。
图19-21示出了附加的可配置或可控天线，其提供能够克服或至 少减小在天线操作环境内不想要的条件所带来的效应的能力。图19中 的天线700包括曲折线结构702，其进一步包括多个曲折线段702A、 被连接到馈送段704的第一端子和被连接到辐射结构706的第二端子。 通过在天线控制器718的控制下闭合相关联的开关714，将被连接到一 个或多个曲折线段702A的示例性抽头710接地。将一个或多个曲折线 段702A连接到地线对天线谐振频率、带宽和输入阻抗中的一个或多个 产生影响。
曲折线结构702是慢波结构，其中包括曲折线结构702的导线的 物理尺寸不等于其有效的电尺寸。通常，慢波导线或结构被定义为其 中行波的相速度小于自由空间光速的结构。相速度是波长和频率的乘 积并且考虑了材料电容率和材料的磁导率，其中在所述材料上形成曲 折线结构，即c/((sqrt(εr)sqrt(μr))＝λf。由于在通过慢波曲 折线结构702传播期间频率保持不变，所以如果波行进慢于在真空中 的光速(c)(即，相速度较慢)，那么在所述结构中波的波长小于自 由空间波长。慢波结构去耦在物理长度、谐振频率和波长之间的常规 关系，允许使用在物理上更短的导线，这是因为从其自由空间波长中 减少了在导线中行进的波的波长。
经由可利用天线700操作的通信设备的1xX RF开关722连接馈送 段704以接收和发送电路720。在本领域中已知的接收和发送电路700 包括一个或多个低噪声放大器和相关联的接收、解调和解码组件，用 于根据由天线700所接收的信号来确定信息信号，并且进一步包括一 个或多个功率放大器、调制和编码组件，用于响应于信息信号来生成 发送信号。
接收和发送电路720的某些组件是对频率灵敏的，从而对于通信 设备的最佳性能来说，必须响应于通信设备的操作频带和模式来选择 适当的频率敏感组件。由电路720经由控制导线724所提供的控制信 号或来自天线控制器718的控制信号所控制的1xX开关722提供了用 于将天线700连接到接收和发送电路700的适当的频率敏感组件的能 力。另外，希望响应于通信设备的操作模式来配置天线控制器718以 改进天线700的性能。例如，当通信设备在第一频带中在接收模式下 操作时，配置1xX开关722以将为在第一频带中操作而优化的接收组 件连接到天线700。此外，将天线控制器718配置为控制开关714来改 进天线700的操作以在第一频带中接收信号。在示例性实施例中，优 化天线性能建议配置开关714以提供能够改进操作的接收电路720的 PAE的天线阻抗。
在一个实施例中，在绝缘基底上或在该绝缘基底内形成图19的天 线700。从而包括基底的绝缘材料的电容率和磁导率影响曲折线结构 702的属性，从而影响天线700的属性。在这种实施例中，可以将天线 700形成为用于简化插入和连接到通信设备的相关联电路的模块，诸如 图6的手持电话或通信设备240。使用模块天线还促进了在制造过程期 间的重复性以确保天线适当的物理布局和连接。
在一个实施例中，通过经由电感器把每个抽头710连接到地线来 实现开关714以为每个抽头710建立DC地线。
在图20的实施例中，天线750包括可配置的信号馈送结构，该结 构包括曲折线结构702。通过在天线控制器718的控制之下闭合多个开 关754之一来确定天线操作特性(例如，天线阻抗，增益，辐射模式)。
图21示出了包括曲折线结构802的天线800，所述曲折线结构802 进一步包括多个曲折线段802A和由天线控制器718控制的示例性开关 808，以提供天线800的离散谐振频率调谐。由于曲折线结构802形成 天线的一部分，并由此影响天线参数，包括谐振频率，所以缩短一个 或多个曲折线段802A改变了谐振长度从而改变了天线800的谐振频 率。可以闭合一个或多个开关808以将天线800调谐到所想要的频率。 通常，通过操作开关808来进行调谐导致离散地而不是连续地调谐谐 振频率。
在示例性的操作模式中，控制1xX开关722以响应于通信设备的 当前操作参数，而将接收和发送电路720适当的对频率敏感的组件连 接到天线800。在天线控制器718的控制之下，还通过配置开关808来 控制天线800的谐振频率以建立天线谐振频率，所述天线谐振频率与 所选择的对频率敏感的组件的操作频率相同。
在图19-21中所标识的各种切换元件可以由离散开关(例如，PIN 二极管，控制场效应晶体管，微电机系统或在本领域中已知的其它切 换技术)来实现。切换元件可以包括附着到天线的有机分层载体，以 在单个绝缘基底上形成包括天线(例如，曲折线结构和辐射结构)、 控制开关和1xX开关的模块。
图22示出了频带切换天线结构900，包括各自的低频带和高频带 天线902和904。阻抗控制电路906和907将低频带天线902连接到无 线电频率(RF)开关910的切换端子908。RF开关910的各自发送和 接收端子912和914被分别连接到低频带功率放大器920和过滤器922 的串行连接和第一频带低噪声放大器(LNA)928和过滤器930的串行 连接。
RF开关910的各自发送和接收端子932和934被分别连接到串行 连接的低频带功率放大器920和过滤器922以及串行连接的第二频带 LNA 938和过滤器940。切换端子941可用于选择输入端子932或输入 端子934。
通常，阻抗控制电路906和907与低频带功率放大器920的当前 可选的天线(负载)阻抗不同，所述低频带功率放大器920改进了其 操作。典型地，功率放大器920在两个频带中操作，每个频带提供不 同的PA输出阻抗。因此希望提供可选的阻抗(阻抗控制电路906或 907)。
在一个实施例中，在电感器连接在共同端子和地线之间的情况下， 阻抗控制电路906包括在共同端子的第一和第二电容器的一系列连接。 在一个实施例中，在电容器连接在共同端子和地线之间的情况下，阻 抗控制电路907包括在共同端子的第一和第二导线的一系列连接。在 其它实施例中，可以根据低频带天线902的阻抗和PA 920的阻抗来使 用不同的阻抗控制电路。
通过阻抗控制电路906将高频带天线904连接到切换端子950，并 且通过阻抗控制电路907连接到切换端子954。RF开关910的各自发 送和接收端子960和962被分别连接到串行连接的高频带功率放大器 964和过滤器966以及串行连接的第三频带LNA 970和过滤器972。
RF开关910的各自发送和接收端子978和980被分别连接到串行 连接的高频带功率放大器964和过滤器966以及串行连接的第四频带 LNA 984和过滤器986。
过滤器930、940、972和986依照常规方式与LNA的功能相关联 以从所接收的信号中移除噪声和带外频率分量，每个过滤器930、940、 972和986的通频带取决于其相关联LNA的操作频带。
通过通信设备的操作来确定切换天线900的操作模式，天线900 在该操作模式下起作用。当在低频带(即，低频操作)接收模式下操 作时，切换端子908被配置为将低频带天线902和阻抗控制电路906 连接到过滤器930和第一频带LNA 928，或者切换端子941被配置为 将低频带天线902和阻抗控制电路907连接到过滤器940和第二频带 LNA 938。切换端子908和941的配置由天线控制器(未在图22中示 出)根据通信设备的操作特性来控制。特别地是，如果通信设备可以 在两个不同的低频带频率下操作，那么切换端子908或941之一可用 于响应于操作低频带将相关联的LNA 928或938分别连接到低频带天 线902。
在低频带发送模式下操作期间，经由RF开关910的所选配置(即 经由端子912或端子932)通过阻抗控制电路906和907之一将PA 920 连接到低频带天线902，如由改进功率放大器920的PAE的阻抗控制 电路906或907之一来确定。在另一实施例中，阻抗控制电路906和 907也是可控的，以改变由相关联的功率放大器得到的阻抗以改进该功 率放大器的PAE。
在高频带中所切换天线900操作期间，在接收模式下控制切换端 子950和954以将LNA 970或LNA 984连接到高频带天线904或者通 过阻抗控制电路906和907之一将高频带PA 964连接到高频带天线 904。
如这里其它地方所讨论，通信设备设计者的意图通常是将发送和 接收信号路径中的组件阻抗变换为标称50欧姆以改进设备性能。由于 这些组件一般被分别地获得和装配，所给出的阻抗值可能大部分与50 欧姆不同，并且到50欧姆的变换可能会导致在上面所讨论的不想要的 带宽限制。
另外，组件和连接导线(其可能提供除50欧姆之外的阻抗)的布 局趋向于使阻抗不同于所想要的50欧姆。最后，天线供应商对发送和 接收信号路径中的设计特征和组件没有控制或只有较少影响。
除由于这些阻抗失配所导致的性能降级之外，还已知在电磁场附 近的天线与通信设备中的组件的交互可能导致：a)由于在强加电阻损 耗机制的接近元件中激励所不需要的电流而导致的较低辐射PAE和b) 影响其谐振频率的天线元件上的电介质负载效应。
为了克服对天线性能的这些影响，本发明给出了嵌入串行组件串 中的一个或多个组件的无线电频率模块的教导，其中串行组件串包括 发送和接收电路、低噪声放大器、功率放大器和用于把这些组件连接 到天线的元件中的一个或多个。由模块组件所提供的阻抗在所有模块 组件之间基本上是一致的(并且可能不是常规的50欧姆)以改进信号 接收和发送性能，克服现有技术的阻抗变化和失配效应。在图23中示 出示例性的模块并且在所附文本中描述。
所述模块还改进了功率放大器PAE(导致在电池充电之间的较长 通话时间)。使用模块减少了市场的开发时间并且降低了制造和组件 集成成本，这是因为所有组件被嵌入到模块中并且其制造是重复的。
在图23中示出了图22的切换天线900的模块化实施例，其中模 块1000包括前端电子设备模块1002(在一个实施例中包括阻抗控制电 路906和907、RF开关910、过滤器922、966、930、940、972和986， 功率放大器920和964以及低噪声放大器928、938、970和984或这 些元件的任何组合)、有机(或其它)分层材料1004、低频带和高频 带天线902和904(优选由适当长度的导通材料来构造，包括印刷在分 层1004的一个或多个表面上或可从中除去的导通挠性薄膜材料)以及 载体1008。在另一实施例中，阻抗控制电路906和907的无源组件以 及过滤器922、966、930、940、972和984的无源组件被作为分层1004 的材料内的无源元件形成。备选的分层材料包括已知的具有和不具有 玻璃纤维添加材料的PCB复合物和环氧树脂材料。可以代替有机分层 材料来使用印刷电路板材料和挠性薄膜材料。
在其中低和高频带天线在824-960MHz和1710-1990MHz的各 自频带中操作的实施例中，模块化切换天线900(即，分层材料)大约 为28mm长，大约15mm宽并且大约7mm高，提供现有技术多频带 天线的大约二分之一到四分之一的体积的天线体积。采用模块化形式 来实现这里所教导的各种天线控制技术提供了更高效的封装、更简单 地插入到通信设备中、更低的成本、更好的可靠性以及更好的性能。 特别地是，大体上减少了与使用通信设备中的模块相关联的设计和布 局过程。此外，这里所描述的各个天线实施例的可选/可控/可调谐特征 比现有技术多频带天线提供了比操作带宽更高的PA PAE。
在模块1000内，不必将所连接组件的阻抗值变换为常规的50欧 姆。
在CDMA系统中，如这里所描述天线的有源调谐提供这样的阻抗， 所述阻抗存在于经由介于天线和PA中间双工器的PA输出。依照调节 天线的相位、幅度和/或阻抗的各个方案可能必须考虑双工器的传输特 性以及天线和PA的相互关联的传输线。因此当调节天线阻抗时必须考 虑双工器的频率相关特性。作为选择，除在天线的调谐元件之外，可 以进行双工器的异频调谐。为了以小于额定负载来改进放大器PAE， 还要求对双工器本身进行功率相关调谐。
结果，优选包括天线、相位/幅度/阻抗调谐组件、双工器和相关联 控制元件作为模块的一部分，诸如图23的模块1000。所述模块如所描 述起到在优化PA效率的操作频率处向PA提供负载的作用。在另一实 施例中，可以使用一定程度的失调来在操作期间调节天线接近效应(例 如，用户手和身体与天线的接近关系)。
在天线包括调谐组件(如上述各种实施例所述)也是在CDMA系 统的便携式设备RF设计中目前所遇到的许多问题的可接受的解决方 案。上述功能也是包括调谐组件的所有可能的副产品，所述功能诸如 优化GSM操作的PA效率，在接近电介质(人体，桌子等)的情况下 调谐以便维持天线谐振、可选频带调谐(非CDMA中的子频带)以允 许减小天线的物理体积，并且通常进行调谐以便提供比操作频率更恒 定的阻抗(较好匹配)。
依照本发明的另一天线控制实施例，通过有选择地从终端1104或 终端1108驱动辐射结构1100来实现天线空间分集。仅作为示例性实 施例示出曲折线辐射器结构。
开关1112处于由附图标记1112A所表示的配置中并且开关1120 处于配置1120B中，馈送段1114被耦合到端1104，在端1108产生电 流最小值并且在端1104产生电流最大值。将开关1112重新配置为配 置1112B并且配置开关1120以闭合开关1120使得将电流最大值变换 到端1108并且将电流最小值变换到端1104。改变电流最大值和电流最 小值的位置修改天线模式(相位中心)以实现空间分集。
开关1112和1120由在通信设备的其它元件中所产生的控制信号 来控制。例如，如果所接收信号的信噪比低于所标识的阈值(或者所 接收的信号的误码率率超过预定阈值)，那么使开关配置反向以试图 改进性能。
如这里其它地方所描述，利用单个天线操作的常规通信设备的一 个实施例使用串行的组件串(信号路径)，包括功率放大器(并且在 接收模式下为低噪声放大器)、开关叩诊槌(switch plexor)(供GSM 协议使用)或者双工器(供CDMA协议使用)、天线阻抗控制元件和 天线。开关叩诊槌或双工器响应于操作情况切换到串行串，适当的功 率放大器或低噪声放大器。
已知实际的标称天线阻抗可以根据其操作带宽上的频率在大约20 欧姆和几欧姆之间变动。功率放大器的输出阻抗一般为几个欧姆(大 约3到7欧姆并且通常是复杂的)并且如上所述随输出功率而改变。 为了适应在信号路径中的阻抗变化并且认识到在任何情况下阻抗随频 率而改变，将天线阻抗变换为能够改进功率放大器PAE的阻抗。特别 地，从点轨迹中选择最佳阻抗，所述点轨迹根据向天线所提供的信号 频率和从PA所输出的规定的RF功率来产生。最佳阻抗是允许功率放 大器以最优的PAE操作的值，即生成输出信号，所述输出信号在没有 信号削波或饱和的情况下使用可用的电源电压/电流。
通常，将功率放大器阻抗变换为大约50欧姆。因此希望天线提供 50欧姆阻抗(通过将一般大约为15欧姆的天线辐射电阻变换为50欧 姆)以使得当被50欧姆传输线路连接到功率放大器时，所述天线向PA 提供令人满意的负载。通过在PA和天线之间信号路径中利用50欧姆 互连，插入和级联常规的过滤器和切换元件(以及信号路径中的任何 其它信号处理元件，诸如偏置电路、RF连接器、传输线路、发送/接收 开关)并且将最大功率从功率放大器转移到天线。
已知大阻抗变换(例如，3到50欧姆)可以减少信号带宽，其中 带宽减小是两个阻抗比率的直接函数。用于克服带宽减小的一个已知 技术使用多级匹配，其中在顺序阶段实现总阻抗变换，每个阶段匹配 比总阻抗变换的比率更低比率的两个阻抗，如Fano匹配标准所描述。
为了克服这些阻抗失配和阻抗变化的效应，依照本发明一个实施 例，功率放大器输出阻抗并未被变换为50欧姆，而是作为替代变换为 接近于天线辐射电阻的值或在50欧姆和PA输出阻抗之间的中间值。 在其中过滤器插入在功率放大器和天线之间的另一实施例中，功率放 大器和天线的阻抗被变换为滤波器阻抗。当两个阻抗的比率较低时， 变换为低于50欧姆的阻抗减小了伴随的带宽减小。
图25示出了本发明的这一方面，其中过滤器和/或开关编织器1150 被插入在功率放大器1152和天线1154之间。阻抗变换组件1160将功 率放大器1152的输出阻抗Zout＝n变换为阻抗m，其中开关编织器和 /或过滤器1150具有输入阻抗Zin＝m和输出阻抗Zout＝p。阻抗变换 组件1164把由开关编织器和/或过滤器1150所提供的阻抗变换为天线 输入阻抗Zin＝q。优选地，所有系列的等效特性阻抗值n、m、p和q 小于50欧姆。因此，与这些阻抗变换相关联的带宽减小小于其中所有 阻抗被变换为50欧姆的现有技术系统。还可以设计天线来向PA的输 出阻抗提供更接近的阻抗匹配，由此消除需要将阻抗变换到人为指定 的值，由此优化天线链中的PA、过滤器、开关编织器(或同向双工器) 和元件的性能。此方法的好处在于在发送和接收路径中损耗更低并且 带宽更大。
在优选实施例中，在图25中所示的各个元件形成为无线电频率天 线/功率放大器模块，包括在集成电路周围的绝缘材料，其中在所述集 成电路内形成元件1150、1160和1164的电子组件。相对于在模块内 包括的其它组件PA 1152固定预先定位向模块化元件提供了最好的性 能。
可以将元件1150的滤波器元件实现为在模块内的无源组件，由此 不必在集成电路中形成。
为了改进功率放大器的性能，确定用于在适当的带宽上改进PAE 的PA负载阻抗。变换一个或多个模块元件的阻抗以便向PA提供负载 阻抗并且控制阻抗变换组件1160和1164以在元件之间匹配阻抗(除 PA 1152之外)。
本发明的另一实施例给出以图26中的框图形式对所示的前端模块 (FEM)1200的模块化教导。FEM 1200包括天线1204和路由开关1206。 接收路径包括接收过滤器1208和低噪声放大器1210。发送路径包括发 送过滤器1214和功率放大器1218。在另一实施例中，FEM 1200进一 步包括在图24中所示的阻抗变换组件，用以改进FEM 1200的带宽响 应。
进一步将LNA 1210和PA 1218连接到RF集成电路(RPIC)1230， RF集成电路(RPIC)1230包括与在发送模式下处理输出信号并且在接 收模式下处理输入信号相关联的常规组件，其中所述处理例如上下频 率变换、调制和解调以及信号频率合成。基带处理器1240解码由RFIC 1230在接收模式下所提供的基带信号来生成信息信号。在发送模式中， 基带处理器1240编码信息信号并且向RFIC 1230提供所编码的信号。 在接收模式中，基带处理器1240接收来自RFIC 1230的基带信号，解 码所述基带信号以生成信息信号。
使用FEM 1200减少了通信设备制造商的上市所需时间，这是由 于采用模块化形式方便地提供了组件和功能。还通过使用FEM 1200来 实现减小的制造成本(存货和跟踪组件更少，所要求的设计更简单) 并且还实现了制造的可重复性。
在一个实施例中，FEM 1200包括有益地动态选择的天线阻抗值以 在不同的功率级加载PA，从而如上所述改进了操作PAE的PA。已经 由发明人所示的10％到20％的PAE改进由于延长了电池寿命从而延长 了手持电话的“通话”时间。
还可以应用与天线阻抗控制相关的本发明的教导来控制由PA向 天线提供的信号的VSWR以进行传输。实际的VSWR可以由已知技术 来测量并且与所想要的VSWR相比较。天线阻抗响应于实际的VSWR 是可控的以实现所想要的VSWR。
虽然已经参考优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员应当 理解，可以在不脱离本发明范围的情况下进行各种改变并且可以用等 效物来替换其元素。本发明的范围进一步包括来自这里所阐明的各种 实施例的任何元件组合。另外，在不脱离其实质范围的情况下可以进 行对本发明的教导进行修改以适应特定的情况。因此，本发明旨在并 不限于所公开的特定实施例，而且本发明包括落入所附权利要求范围 内的所有实施例。
这是要求了于2005年10月17日提交的、已分配申请号11/252,248 的美国专利申请权益的继续部分申请，所述申请要求享有于2004年10 月15日提交的临时专利申请号60/619,231的权益。