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CN102017297A - 用于控制天线波束方向的天线和方法 - Google Patents

用于控制天线波束方向的天线和方法 Download PDF

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CN102017297A
CN102017297A CN200980115992XA CN200980115992A CN102017297A CN 102017297 A CN102017297 A CN 102017297A CN 200980115992X A CN200980115992X A CN 200980115992XA CN 200980115992 A CN200980115992 A CN 200980115992A CN 102017297 A CN102017297 A CN 102017297A
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Abstract

公开了一种包含IMD元件以及一个或多个寄生元件和主动调谐元件的天线。当IMD元件与主动调谐元件和寄生元件结合使用时，IMD元件允许天线工作在多个谐振频率处。此外，天线辐射方向图的方向可根据寄生元件和主动调谐元件被任意旋转。

Description

用于控制天线波束方向的天线和方法
相关申请的交叉引用
2007年8月20日提交的题为“Antenna with Active Elements”的序列号为11/847,207的共同待决的美国专利申请和2007年8月17日提交的题为“Antenna with Near Field Deflector”的序列号为11/840,617的共同待决的美国专利申请通过引用被全文并入此处以用于所有目的，其中每个申请被转让给本申请的受让人。
发明领域
本发明通常涉及无线通信领域。具体地，本发明涉及用于控制辐射方向和谐振频率以在无线通信中使用的天线和方法。
发明背景
随着新一代的手机和其它无线通信设备变得更小并且被嵌入越来越多的应用中，需要新的天线设计以解决这些设备的固有局限并且实现新的功能。对于经典的天线结构，需要确定的物理上的体积以在特殊频率处产生具有特殊带宽的谐振天线结构。在多频段应用中，可能需要超出一个的这样的谐振天线结构。但是，由于与移动设备相关联的尺寸限制，可能抑制这种复杂的天线阵列的有效实现。
发明概述
在本发明的一个方面中，天线包括隔离的主天线元件、第一寄生元件和与所述寄生元件相关联的第一主动调谐元件，其中寄生元件和主动元件被定位于主天线元件的一侧。在一个实施方式中，主动调谐元件适合于提供与天线相关联的分离谐振频率特征。调谐元件可适合于旋转与天线相关联的辐射方向图。该旋转可通过控制经过寄生元件的电流被实现。在一个实施方式中，寄生元件被定位在基底上。该结构可在空间是重要的限制的应用中变得特别重要。在一个实施方式中，寄生元件被定位为相对于主天线元件成预定的角度。例如，寄生元件可被定位为与主天线元件平行，或者它可被定位为垂直于主天线元件。寄生元件可进一步包括多个寄生部件。
在本发明的一个实施方式中，主天线元件包括隔离磁共振(IMD)。在本发明的另一个实施方式中，主动调谐元件包括下述各项中的至少一个：压控可调电容器、压控可调相移器、FET和开关。
在本发明的一个实施方式中，天线进一步包括一个或多个额外寄生元件以及与这些额外寄生元件相关联的一个或多个主动调谐元件。额外的寄生元件可位于所述主天线元件的一侧。它们可进一步被定位为相对于第一寄生元件成预定的角度。
在本发明的一个实施方式中，天线包括第一寄生元件和与该寄生元件相关联的第一主动调谐元件、第二寄生元件和与该第二寄生元件相关联的第二主动调谐元件，其中寄生元件和主动元件被定位于主天线元件的一侧。第二寄生元件和第二主动调谐元件被定位在主天线元件下面。在一个实施方式中，第二寄生元件和主动调谐元件被用于调谐天线的频率特征，并且在另一个实施方式中，第一寄生元件和主动调谐元件被用于给天线提供波束控制功能。
在本发明的一个实施方式中，与天线相关联的辐射方向图是根据第一寄生元件和主动调谐元件被旋转。在一些实施方式中，例如期望零填充的应用，该旋转可为90度。
在本发明的另一个实施方式中，天线进一步包括与主天线元件相关联的第三主动调谐元件。该第三主动调谐元件适合于调谐与天线相关联的频率特征。
在本发明的一个实施方式中，寄生元件包括多个寄生部件。在另一个实施方式中，天线包括一个或多个额外寄生元件和调谐元件，其中额外的寄生元件和调谐元件被定位于主天线元件的一侧。额外寄生元件可被定位为相对于第一寄生元件成预定的角度。例如，额外寄生元件可被定位为平行于或垂直于第一寄生元件。
本发明的另一个方面涉及用于形成具有波束控制功能的天线的方法。该方法包括提供主天线元件，并将耦合于一个或多个主动调谐元件的一个或多个波束控制寄生元件定位于主天线元件的一侧。在另一个实施方式中，公开了用于形成具有组合的波束控制功能和频率调谐功能的天线的方法。该方法包括提供主天线元件，并将耦合于一个或多个主动调谐元件的一个或多个波束控制寄生元件定位于主天线元件的一侧。该方法进一步包括将耦合于一个或多个主动调谐元件的一个或多个频率调谐寄生元件定位于主天线元件下面。
本领域技术人员将了解到，上述各种实施方式或其一部分可按照各种方式被组合以创建由本发明涵盖的进一步实施方式。
附图说明
图1(a)示出了示例性的隔离磁偶极子(IMD)天线；
图1(b)示出了与图1(a)的天线相关联的示例性辐射方向图；
图1(c)示出了与图1(a)的天线相关联的示例性频率特征；
图2(a)示出了根据本发明的天线的实施方式；
图2(b)示出了与图2(a)的天线相关联的示例性频率特征；
图3(a)示出了根据本发明的天线的实施方式；
图3(b)示出了与图3(a)的天线相关联的示例性辐射方向图；
图3(c)示出了根据本发明的天线的实施方式；
图3(d)示出了与图3(a)的天线相关联的示例性辐射方向图；
图3(e)示出了与图3(a)和图3(c)的天线相关联的示例性频率特征；
图4(a)示出了包含寄生元件和主动调谐元件的示例性IMD天线；
图4(b)示出了与图4(a)的天线相关联的示例性频率特征；
图5(a)示出了根据本发明的天线的实施方式；
图5(b)示出了与图5(a)的天线相关联的示例性频率特征；
图6(a)示出了根据本发明的天线的示例性辐射方向图；
图6(b)示出了与IMD天线相关联的示例性辐射方向图；
图7示出了根据本发明的天线的实施方式；
图8(a)示出了与图7的天线相关联的示例性辐射方向图；
图8(b)示出了与图7的天线相关联的示例性频率特征；
图9示出了根据本发明的天线的另一个实施方式；
图10示出了根据本发明的天线的另一个实施方式；
图11示出了根据本发明的天线的另一个实施方式；
图12示出了根据本发明的天线的另一个实施方式；和
图13示出了根据本发明的天线的另一个实施方式。
优选实施方式的详细描述
在下面的描述中，为了解释而非限制的目的，细节和描述被阐述以提供本发明的深入理解。然而，可在偏离这些细节和描述的其它实施方式中实践本发明对于本领域技术人员将是明显的。
第11/847,207号共同未决的美国专利申请公开了一种用于设计具有多个谐振频率的更有效的天线的解决方法，其中隔离磁偶极子TM(IMD)与位于IMD下面的多个寄生元件和主动调谐元件结合。然而，随着新一代的无线设备和应用的出现，需要利用紧凑且有效的天线结构以包含例如波束转换、波束控制、空间或极化天线分集、阻抗匹配、频率切换、模式切换等额外功能。本发明解决了目前天线设计的缺陷，以创建具有波束控制功能和频率调谐功能的更有效的天线。
参照图1(a)，所示的天线100包括位于接地面12上的隔离磁偶极子(IMD)元件11。接地面可被形成在例如无线设备的印刷电路板(PCB)等的基底上。对于这些天线上的额外细节，可参考2007年2月15日提交的题为“ANTENNA CONFIGURED FOR LOW FREQUENCYAPPLICATIONS”的第11/675,557号美国专利申请，并且该申请通过引用被全部并入本文以用于所有目的。图1(b)示出了与图1(a)的天线系统相关联的示例性辐射方向图13。如图1(b)所示的辐射方向图的主瓣在z轴上。图1(c)示出了对于具有谐振频率f0的图1(a)的天线的作为频率的函数(此后被称作“频率特征”14)的回波损失。在例如共同拥有的第11/675,557号美国专利申请中可找到与该天线系统的操作和特征有关的进一步细节。
图2(a)示出了根据本发明的实施方式的天线20。与图1(a)相似，天线20包括位于接地面24上的主IMD元件21。在图2(a)所示的实施方式中，天线20进一步包括位于接地面24上且定位于主IMD元件21的一侧的寄生元件22和主动元件23。在该实施方式中，主动调谐元件23位于寄生元件22上或者位于其垂直连接上。主动调谐元件23可为例如下述各项中的一个或多个：压控可调电容、压控可调相移器、FET、开关、MEM器件、晶体管或能够显示ON-OFF和/或主动可控传导/电感特性的电路。应该进一步注意到，可通过不同的方式完成该说明书中提到的各种主动控制元件与不同天线和/或寄生元件的耦合。例如，通过将主动元件的一端耦合于馈线并且将另一端耦合于接地部分，主动元件通常可被放置在天线和/或寄生元件的馈电区域内。图2(b)描绘了与图2(a)的天线20相关联的示例性频率特征。在该实施例中，主动控制可包括两个状态的开关，其将寄生元件电连接(短路)至地面或将寄生元件与地面断开(开路)。图2(b)分别用虚线和实线示出了开路状态和短路状态的频率特征。从图2(b)可以明显看出，用作两个状态的开关的寄生元件22和主动元件23的存在导致双谐振频率响应。因此，在利用谐振频率f0(如虚线所示)的开路状态下获得的IMD天线的典型单个谐振频率行为25被转换为双谐振行为26(如实线所示)，其具有两个峰值频率f1和f2。寄生元件22以及它与主天线元件21之间的距离的设计决定了频率f1和f2。
图3(a)和图3(c)进一步示出了根据本发明的实施方式的天线30。与图2(a)相似，主IMD元件31位于接地面36上。寄生元件32和主动器件33也被定位于IMD元件31的一侧。图3(a)进一步示出了在开路状态下主IMD元件31中的电流35(如实线箭头所示)的方向以及寄生元件32中的电流方向34，并且图3(c)示出了在短路状态下电流35的方向。如图3(a)和图3(c)中的箭头所示，两个谐振是由两个不同天线模式产生。在图3(a)中，天线电流33和开路的寄生元件电流34是同相的。在图3(c)中，天线电流33和短路的寄生元件电流38是反相的。应该注意到，通常寄生元件32的设计及其与主天线元件31的距离决定了相位差。图3(b)描绘了当如图3(a)所示寄生元件32处于开路状态时与天线30相关联的典型辐射方向图37。与之相反，图3(d)示出了当如图3(c)所示寄生元件32处于短路状态时与天线30相关联的示例性辐射方向图39。两个辐射方向图的比较揭示了两个结构之间的辐射方向的90度旋转是由于通过切换(开路/短路)寄生元件32创建的两种不同电流分布或电磁模式引起。寄生元件及其与主天线元件之间的距离的设计通常决定了辐射方向图的方向。在该示例性的实施方式中，利用短路状态下寄生元件32在频率f1处得到的辐射方向图与利用开路状态下寄生元件32或如图1(b)所示不利用寄生元件在频率f0处得到的辐射方向图相同。Fig.图3(e)进一步示出了与图3(a)的天线结构(虚线)或图3(c)的天线结构(实线)相关联的频率特征，其示出了较早时也在图2(b)中所示的双谐振行为392。图3(e)还利用实线示出了在没有寄生元件32d的情况下或者在开路状态下的原始频率特征391以用于比较的目的。因此，在图3(a)和图3(c)的示例性实施方式中，在主动元件33的辅助下，通过控制寄生元件32中的电流方向，例如波束转换和/或零填充等操作的可能性可被实现。
图4(a)示出了另一个天线结构40，其包括位于接地面42上的主IMD元件41。天线40进一步包括寄生调谐元件43和主动调谐设备44，它们位于接地面42上、位于主IMD元件41下面或者位于主IMD元件41的体积内。第11/847,207号共同未决的美国专利申请中所述的天线结构给天线40提供了频率调谐功能，其中在寄生元件43和相关联的主动调谐元件44的辅助下，沿着频率轴易改变天线谐振频率。图4(b)显示了示出了该改变功能的示例性频率特征，其中具有谐振频率f0的原始频率特征45被移动至左侧，从而导致具有谐振频率f3的新频率特征46。虽然图4(b)的示例性频率特征示出了至较低频率f3的移动，但是应理解到，同样地可完成向高于f0的频率的移动。
图5(a)示出了本发明的另一个实施方式，其中天线50包括位于接地面56上的主IMD元件51、被耦合于主动元件53的第一寄生元件52和被耦合于第二主动元件55的第二寄生调谐元件54组成。在该示例性的实施方式中，主动元件53和主动元件55可包括两状态开关，其将寄生元件电连接(短路)至地面或者将寄生元件与地面断开(开路)。通过结合图2(a)的天线元件和图4(a)的天线元件，天线50可有利地提供前者的频率分离功能和波束控制功能以及后者的频率移动功能。图5(b)示出了与在三个不同状态下图5(a)所示的天线50的示例性实施方式相关联的频率特征59。第一状态被表示为简单IMD的频率特征57，它是在寄生元件52和寄生元件54是开路时被获得，从而导致谐振频率f0。第二状态被表示为与图4(a)的天线40相关联的频移特征58，它是在通过开关55将寄生元件54短路至地面时被获得。第三状态被表示为具有谐振频率f4和谐振频率f0的双谐振频率特征59，它们是在通过开关53和55将寄生元件52和寄生元件54短路至地面时被获得。该组合实现了两个不同的操作模式，如较早时在图3(a)至图3(e)中所示，但是具有共同频率f0。因此，利用图5的示例性结构易实现例如波束转换和/或零填充等操作。已经确定，根据本发明的零填充技术在零方向上产生了几个dB的信号改善。图6(a)示出了与在第三状态(所有短路)下图5(a)的天线50相关联的频率f0处的辐射方向图，其与在第一状态(所有开路)下图5(a)的天线的辐射方向图61(如图6(b)所示)相比显示出90度的方向移动。如前所述，利用主动元件53，通过寄生元件52的控制来控制(例如转换)天线模式，易完成辐射方向图的这种移动。通过提供分离的主动调谐功能，可在相同频率处实现两个不同模式的操作。
图7示出了根据本发明的实施方式的又一个天线70。天线70包含位于接地面77上的IMD71、被耦合于第一主动调谐元件73的第一寄生元件72、被耦合于第二主动调谐元件75的第二寄生元件74、和被耦合于主IMD元件71以提供主动匹配的第三主动元件76。在该示例性的实施方式中，主动元件73和75可为例如下述各项中的一个或多个：压控可调电容、压控可调相移器、FET、开关、MEM设备、晶体管或能够显示ON-OFF和/或主动可控传导/电感特性的电路。图8(a)示出了示例性的辐射方向图80，可通过利用天线70的调谐功能在不同方向上控制该辐射方向图。图8(b)进一步示出了天线70的调谐功能对频率特征曲线83的影响。如这些示例性的曲线所示，先前被转换为双谐振频率特征82的简单IMD频率特征81现在可在频率轴上可选择地移动，如实线双谐振频率特征曲线83所示，其分别具有低谐振频率fL和高谐振频率fH。在图8(a)中，频率fL和fH处的辐射方向图由虚线表示。通过扫描主动控制元件73和75，可根据(fH-f0)/(fH-fL)将fL和fH调整为0与1之间的任意值，从而实现所有中间辐射方向图。通过调整第三主动匹配元件76可进一步改善f0处的回波损耗。
图9至图13示出了本发明的实施方式，其在定位、方向、形状以及主动调谐元件的个数和寄生调谐元件的个数上具有不同变化，从而有助于波束转换、波束控制、零填充和本发明的其它波束控制功能。图9示出了天线90，其包含位于接地面99上的IMD91、被耦合于第一主动调谐元件93的第一寄生元件92、被耦合于第二主动调谐元件95的第二寄生元件94，第三主动调谐元件96和被耦合于相应主动调谐元件98的第三寄生元件97。在该结构中，第三寄生元件97和相应的主动调谐元件98提供了用于实现不同频率处的波束控制或零填充的机制。虽然图9仅示出了被定位于IMD91的一侧的两个寄生元件，但是应该了解到，额外的寄生元件(和相关联的主动调谐元件)可被添加以实现期望水平的波束控制和/或频率整形。
图10示出了根据本发明的实施方式的天线，它与图5(a)中的天线结构相似，只是寄生元件102被旋转了90度(与图5(a)中的寄生元件52相比)。位于接地面106上的剩余天线元件特别是IMD101、寄生元件104和相关联的调谐元件105保留在与图5(a)中的相应部件相似的位置处。虽然图10示出了关于IMD101的单个寄生元件方向，但是将理解到，寄生元件的方向易被调整为除了90度的其它角度，以实现在其它平面内的期望波束控制水平。
图11提供了根据本发明的实施方式的另一个示例性的天线，它与图10的天线相似，只是包含第三寄生元件116和相关联的主动调谐元件117。在图11的示例性结构中，第一寄生元件112和第三寄生元件116相对于彼此呈90度。剩余的天线元件即主IMD元件111、第二寄生元件114和相关联的主动调谐设备115位于与图5(a)中的相应部件相似的位置。该示例性的结构示出，通过将多个寄生元件放置在相对于彼此的具体方向和/或主IMD元件实现空间中任意方向上的波束控制，可获得额外波束控制功能。
图12示出了根据本发明的实施方式的另一个天线。该示例性的实施方式与图5(a)的天线相似，只是将第一寄生元件122放置在天线120的基底上。例如，在空间是重要的限制的应用中，寄生元件122可被放置在天线的印刷电路板上。位于接地面126上的剩余天线元件特别是IMD121、以及寄生元件124和相关联的调谐元件125保留在与图5(a)中的相应部件相似的位置处。
图13示出了根据本发明的实施方式的另一个天线。在该结构中，天线130包含位于接地面136上的IMD131、被耦合于第一主动调谐元件133的第一寄生元件132和被耦合于第二主动调谐元件135的第二寄生元件134。天线130的独特特征是存在具有多个寄生部件的第一寄生元件132。因此，寄生元件可被设计为包括两个或更多个元件以实现期望水平的波束控制和/或频率整形。
如前所述，图9至图13中所示的各种实施方式仅给图5(a)的天线结构提供了示例性的修改。包含寄生元件和/或主动调谐元件的增加或去除的其它修改或者这些元件的方向、形状、高度或位置的改变易被实现，以帮助波束控制和/或频率整形，并且被认为属于本发明的范围。
虽然已经公开了本发明的特殊实施方式，但是将理解，各种修改和组合是可能的并且被认为在附加权利要求的真实精神和范围内。因此，无意于限制本文提出的精确摘要和公开。

Claims (40)

1.一种天线，包括：
主天线元件；
第一寄生元件；和
与所述第一寄生元件相关联的第一主动调谐元件；
其中所述第一寄生元件和所述第一主动元件被定位于所述主天线元件的一侧。
2.根据权利要求1所述的天线，其中所述第一寄生元件适合于提供与所述天线相关联的分离谐振频率特征。
3.根据权利要求1所述的天线，其中所述第一主动调谐元件适合于旋转与所述天线相关联的辐射方向图。
4.根据权利要求3所述的天线，其中所述辐射方向图的旋转通过控制经过所述寄生元件的电流被实现。
5.根据权利要求3所述的天线，其中所述辐射方向图被旋转90度。
6.根据权利要求1所述的天线，其中所述第一寄生元件被定位在基底上。
7.根据权利要求1所述的天线，其中所述第一寄生元件被定位为相对于所述主天线元件成预定角度。
8.根据权利要求1所述的天线，其中所述主动调谐元件包括下述各项中的至少一个：压控可调电容、压控可调相移器、FET和开关。
9.根据权利要求1所述的天线，其中所述第一寄生元件包括多个寄生部件。
10.根据权利要求1所述的天线，还包括：
一个或多个额外寄生元件；以及
与所述额外寄生元件相关联的一个或多个主动调谐元件，
其中所述额外寄生元件位于所述主天线元件的一侧。
11.根据权利要求10所述的天线，其中所述额外寄生元件被定位为相对于所述第一寄生元件成预定角度。
12.根据权利要求1所述的天线，其中所述主天线元件包括隔离磁偶极子(IMD)。
13.一种天线，包括：
主天线元件；
第一寄生元件；
与所述第一寄生元件相关联的第一主动调谐元件，其中所述第一寄生元件和所述第一主动元件被定位于所述主天线元件的一侧；
第二寄生元件；和
与所述第二寄生元件相关联的第二主动调谐元件；
其中所述第二寄生元件和所述第二主动调谐元件被定位于所述主天线元件的下面。
14.根据权利要求13所述的天线，其中所述第一寄生元件适合于提供与所述天线相关联的分离谐振频率特征。
15.根据权利要求13所述的天线，其中与所述天线相关联的频率特征根据所述第二寄生元件和所述第二主动调谐元件被调谐。
16.根据权利要求13所述的天线，其中所述第一寄生元件和所述第一主动调谐元件适合于提供波束控制功能，并且所述第二寄生元件和所述第二主动调谐元件适合于提供与所述天线相关联的频率调谐功能。
17.根据权利要求13所述的天线，其中与所述天线相关联的辐射方向图根据所述第一寄生元件和所述第一主动调谐元件被旋转。
18.根据权利要求17所述的天线，其中所述辐射方向图被旋转90度。
19.根据权利要求13所述的天线，还包括与所述主天线元件相关联的第三主动调谐元件，其中所述第三主动调谐元件适合于调谐与所述天线相关联的频率特征。
20.根据权利要求13所述的天线，其中所述第一寄生元件被定位于基底上。
21.根据权利要求13所述的天线，其中所述第一寄生元件被定位为相对于所述主天线元件成预定角度。
22.根据权利要求13所述的天线，其中所述主动调谐元件包括下述各项中的至少一个：压控可调电容、压控可调相移器、FET和开关。
23.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一寄生元件包括多个寄生部件。
24.根据权利要求13所述的天线，还包括：
一个或多个额外寄生元件；以及
与所述额外寄生元件相关联的一个或多个主动调谐元件，
其中所述额外寄生元件位于所述主天线元件的一侧。
25.根据权利要求24所述的天线，其中所述额外寄生元件被定位为相对于所述第一寄生元件成预定角度。
26.根据权利要求13所述的天线，其中所述主天线元件包括隔离磁偶极子(IMD)。
27.一种用于形成具有波束控制功能的天线的方法，包括：
提供主天线元件，和
将一个或多个波束控制寄生元件定位于所述主天线元件的一侧，其中所述波束控制寄生元件与一个或多个主动调谐元件耦合。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述波束控制寄生元件适合于提供与所述天线相关联的分离谐振频率特征。
29.根据权利要求27所述的方法，其中与所述天线相关联的辐射方向图根据所述波束控制寄生元件和所述主动调谐元件被旋转任意角度。
30.根据权利要求27所述的方法，其中所述辐射方向图的旋转通过控制经过所述波束控制寄生元件的电流被实现。
31.根据权利要求27所述的方法，其中所述辐射方向图被旋转90度。
32.根据权利要求27所述的天线，其中所述主天线元件包括隔离磁偶极子(IMD)。
33.一种用于形成具有频率调谐功能和波束控制功能的天线的方法，包括：
提供主天线元件；
将一个或多个波束控制寄生元件定位于所述主天线元件的一侧，其中所述波束控制寄生元件与一个或多个主动调谐元件耦合；和
将一个或多个频率调谐寄生元件定位于所述主天线元件下面，其中所述频率调谐寄生元件与一个或多个主动调谐元件耦合。
34.根据权利要求33所述的方法，其中与所述天线相关联的辐射方向图根据所述波束控制寄生元件和所述主动调谐元件被旋转任意角度。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述辐射方向图被旋转90度。
36.根据权利要求33所述的方法，其中与所述天线相关联的频率特征包括分离谐振频率特征。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述频率特征根据所述频率调谐寄生元件和所述主动调谐元件被调谐。
38.根据权利要求33所述的方法，其中额外主动调谐元件与所述主天线元件耦合，以提供另外的频率调谐功能。
39.根据权利要求33所述的方法，其中所述主动调谐元件包括下述各项中的至少一个：压控可调电容、压控可调相移器、FET和开关。
40.根据权利要求33所述的方法，其中所述主天线元件包括隔离磁偶极子(IMD)。
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