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TWI446731B - 用於膝上型電腦及可攜裝置之單纜線天線模組 - Google Patents

用於膝上型電腦及可攜裝置之單纜線天線模組 Download PDF

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TWI446731B
TWI446731B TW098114614A TW98114614A TWI446731B TW I446731 B TWI446731 B TW I446731B TW 098114614 A TW098114614 A TW 098114614A TW 98114614 A TW98114614 A TW 98114614A TW I446731 B TWI446731 B TW I446731B
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TW
Taiwan
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antenna
pci
signal
conductive
radio frequency
Prior art date
Application number
TW098114614A
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English (en)
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TW200950363A (en
Inventor
Gregory Poilasne
Maha Achour
Ajay Gummalla
Vaneet Pathak
Ryan Robert Bartsch
Angela Mae Dodd
Original Assignee
Hollinworth Fund L L C
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Publication date
Application filed by Hollinworth Fund L L C filed Critical Hollinworth Fund L L C
Publication of TW200950363A publication Critical patent/TW200950363A/zh
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Publication of TWI446731B publication Critical patent/TWI446731B/zh

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Description

用於膝上型電腦及可攜裝置之單纜線天線模組
本發明係有關於無線通訊裝置，例如電腦及可攜裝置的射頻天線及其實施。
射頻天線可用於提供各種裝備與裝置，例如電腦(如膝上型電腦)及具備無線通訊能力的裝置的無線通訊。舉例而言，射頻天線可耦接至膝上型電腦或其他可攜裝置的周邊零組件介面卡以提供無線通訊。
基於多頻率天線的無線通訊的實施及實例，每一操作在不同無線通訊的頻帶，包含基於超材料(metamaterial)結構的多頻率天線。
於一層面，無線通訊系統包括一在一第一射頻頻帶進行第一無線通訊之第一周邊零組件介面卡；一在不同於一第一射頻頻帶之一第二射頻頻帶進行無線通訊之第二周邊零組件介面卡；一天線，架構成操作在第一及第二射頻頻帶；一信號路由器，耦接於天線及第一與第二PCI卡之間以導引來自天線之在第一射 頻頻帶的一通訊信號至第一PCI卡以及來自天線之在第二射頻頻帶的一通訊信號至第二PCI卡，以及導引來自第一PCI之在第一射頻頻帶的一通訊信號至天線以及來自第二PCI之在第二射頻頻帶的一通訊信號至天線；以及一單纜線，連接於天線及信號路由器之間，以在天線與信號路由器之間傳送第一與第二射頻頻帶的通訊信號。
於另一層面，一天線系統，用以耦接至電腦中第一及第二PCI卡。此系統包括一天線；第一、第二及第三纜線；以及一雙訊器。第一纜線耦接天線以及雙訊器，副纜線耦接雙訊器及第一PCI卡，以及第三纜線耦接雙訊器以及第二PCI卡。
於另一層面，一天線系統，用以耦合至電腦中三或更多PCI卡。此系統包含：一天線；一射頻二極管開關；一耦接天線及射頻二極管開關的主纜線；以及三或更多副纜線，每一個耦接射頻二極管開關以及三或更多PCI卡的每一個。天線分別操作在對應於相關三或更多PCI卡的應用的三或更多頻率範圍，以及三或更多副纜線分別載送三或更多頻率範圍的信號。
於另一層面，一天線系統，用以耦合至PCI，其中無線廣域網路(WWAN)以及無線區域網路(WLAN)是整合一起。此系統包含：一天線，操作在關於WLAN應用的一第一頻率範圍以及關於WWAN應用的一第二頻率範圍；一纜線；以及一雙訊器。纜線耦接整合在PCI的天線及雙訊器。
100‧‧‧膝上型電腦
101、103‧‧‧帶
102‧‧‧基底
105‧‧‧螢幕
107、111、113‧‧‧左纜線
109、115、117‧‧‧右纜線
119‧‧‧WLAN迷你PCI
121‧‧‧WWAN迷你PCI
201、203‧‧‧PCI
205‧‧‧左天線帶
207‧‧‧右天線帶
209、211、213‧‧‧天線
215‧‧‧天線
217‧‧‧開關多樣性功能
219‧‧‧纜線
223‧‧‧多樣性接收(RX)埠
401‧‧‧天線帶
403‧‧‧天線帶
405、407‧‧‧單纜線
409‧‧‧信號路由器
411‧‧‧信號路由器
413‧‧‧WLAN迷你PCI
415‧‧‧WWAN迷你PCI
501、502‧‧‧結構
505、507‧‧‧內導線
509‧‧‧第一導電補片
511‧‧‧第二導電補片
513‧‧‧缺口
515‧‧‧第一殘根延伸
517‧‧‧第二殘根延伸
519‧‧‧第一導電補片
521‧‧‧第二導電補片
523‧‧‧導電曲折線
550‧‧‧第二殘根延伸上的位置
570‧‧‧天線電接地
805‧‧‧末梢部分
811、817‧‧‧區域
903‧‧‧結構
1001、1002、1105、1107、1111‧‧‧結構元件
1201‧‧‧第一細胞補片
1203‧‧‧第一發射墊
1205‧‧‧第一介孔線
1207‧‧‧第二細胞補片
1209‧‧‧第二發射墊
1211‧‧‧第二介孔線
1213‧‧‧饋線
1219‧‧‧補片
1280‧‧‧第一接地
1281‧‧‧第二接地
1301‧‧‧低頻帶的更低末端
1303‧‧‧低頻帶的更上末端
1309‧‧‧高頻的更低末端
1311‧‧‧高頻的更上末端
1601、1603‧‧‧雙訊器
1605‧‧‧左埠L
1607‧‧‧右埠L
1609‧‧‧左埠H
1613‧‧‧高頻範圍(WLAN)PCI卡
1615‧‧‧低頻範圍(WWAN)PCI卡
1617‧‧‧短纜線
1619‧‧‧短纜線
1621‧‧‧左單埠S
1623‧‧‧左帶通用天線
1625‧‧‧纜線
1627‧‧‧右單埠S
1629‧‧‧左帶通用天線
1631‧‧‧纜線
1633‧‧‧開關多樣性
1635‧‧‧TX/RX
1637‧‧‧RX
4401‧‧‧埠1
4402‧‧‧埠2
4403‧‧‧埠3
2403‧‧‧左帶
2405‧‧‧通用天線
2409‧‧‧通用天線
2411‧‧‧左單纜線
2413‧‧‧右纜線
2415‧‧‧左三訊器
2417‧‧‧右三訊器
第1圖說明裝備有二天線及雙纜線組態的無線通訊網路系統的膝上型電腦的實例； 第2圖說明具有無線區域網路迷你PCI以及無線廣域領域迷你PCI的系統的實例；第3圖係說明第2圖中每一帶的兩天線之間絕緣目標規格的表格；第4圖說明裝備有通用天線單覽組態的無線通訊系統的膝上型電腦的實例；第5圖說明單層通用天線架構的實例；第6圖說明第5圖中單層通用天線架構測量的回流損失；第7圖說明第5圖中單層通用天線架構測量的效率；第8圖說明有關於依第5圖中設計的調整低頻帶的單層通用天線的架構；第9圖說明有關於依第5圖中設計的調整中頻帶的單層通用天線的架構；第10圖說明有關於依第5圖中設計的調整高中頻帶的單層通用天線的架構；第11圖說明有關於依第5圖中設計的調整高頻帶的單層通用天線的架構；第12A-12D圖說明多層通用天線架構的上視圖、透視圖以及剖面圖；第13圖說明第12A-12D圖所示多層通用天線架構的測量的低、中及高頻帶的回流損失；第14圖說明第12A-12D圖所示之在多層通用天線架構 的調整之前測量的回流損失；第15圖說明第12A-12D圖所示之在多層通用天線架構的調整之後測量的回流損失；第16圖說明於通用天線單纜線及雙訊器組態的無線通訊系統的實例；第17圖說明WAN/LAN雙訊器的功能方塊圖；第18A-18B圖說明使用一個E-CHLH單位細胞的低通帶通濾波器以及3細胞低通濾波器；(a)具零件墊的電路佈局(b)預先製造的原型；第19A-19B說明低通帶通濾波器的傳輸(S12)與回流損失(S11/S22)；(a)模擬自第18A圖(b)測量自第18B圖；第20圖說明使用一個E-CRLH單位胞的高通帶通濾波器以及3胞高通濾波器；第21圖說明第20圖中模擬的傳輸(S12)及回流損失(S11/S22)；第22圖說明分別組合第18A-18B圖及19A-19B圖的低通與高通帶通濾波器的3阜雙訊器；第23圖說明模擬的傳輸S12及S13以及第22圖高通低通雙訊器的阜2與阜3之間的結合；第24圖說明具有3個PCIs的通用天線單纜線組態的無線通訊的實例；以及第25圖說明具整合的PCI以提供WLAN、WWAN以及 雙訊器的通用天線單纜線組態的無線通訊系統的實例。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
超材料可用於製造操作在二或更多頻帶的通用天線以及製造雙訊器於具有無線通訊能力的裝置，例如膝上型電腦以及其他可攜式裝置。這些裝置使用材料的優點包含壓縮尺寸、材料與製程降低的成本以及無線訊號的接收與傳輸的強化性能。
大部份材料中電磁波的傳播遵守(E,H,λ)向量場的右手定則，E是電場，H是磁場，λ是波向量。相速度方向與信號能量傳播(波群速度)的方向相同，並且折射係數是正數。這類材料是右手的(“right handed”RH)。大部份自然材料是右手的材料。人造材料也可能是右手的材料。
超材料具有人造的結構。當以遠小於超材料所導引的電磁能量波長的結構平均單位胞尺寸p設計時，超材料類似導引的電磁能量的同質性媒介。不像右手材料，超材料可呈現具有同時是負介電常數ε及負導磁性μ的負折射係數，並且相速度方向相反於信號能量傳播方向，(E,H,λ)向量場的相對方向跟隨左手定則。支援具有同時是負介電常數ε及負導磁性μ的負折射係數超材料是左手(“left handed”LH)的材料。
許多超材料是左右超材料與右手超材料的混合，因此是混合的左手與右手(CRLH)超材料。CRLH超材料可能在低頻時類似左手超材料並且在高頻時類似右手超材料。Caloz及Itoh，Hohn Wiley與Sons(2006)”電磁場超材料：傳輸線理論與微波應用”揭露 基於各種CRLH超材料設計某些裝置。CRLH超材料的實例及其天線的應用可見於Tatsuo Itoh電子信件的”invited paper：超材料的前景Vol.40,No.16”(八月，2004)。
CRLH超材料可架構以及建構為呈現為特定應用而裁製的電磁特性以及用於其他材料難以實施或無法實施的其他應用。除此之外，CRLH超材料可用於發展新應用以及建構RH材料不可能完成的新裝置。在此呈現的MTM天線以及/或雙訊器設計可能藉由使用傳統FR-4印刷電路板實施。其他製造技術的應用包括薄膜製造技術、系統晶片技術(SOC)、低溫共燒陶瓷(LTCC)技術以及單晶微波積體電路(MMIC)技術。基於超材料的天線及其他裝置的實例揭露於2007年4月27號申請的美國專利號No.11/741,674，標題”基於超材料架構的天線、裝置及系統”，以及2007年八月24號申請的美國專利號11/844,982，標題”基於超材料結構的天線”，結合這兩篇專利做為本文件揭露的一部分。
對於MTM基礎的天線，MTM結構的改變可能影響天線共振模式的頻率以及共振模式的阻抗匹配。實際上，一或更多的MTM結構的左手模式的存在影響天線共振。這樣的左手模式可刺激以及較匹配於最低共振以及改善更高共振的阻抗匹配。本文件提供的實例說明微調MTM結構的一些方法以最佳化天線設計以及符合規格要求。特別是，文件揭露的技術及設計使用MTM架構以形成天線以及雙訊器，並且可以應用於裝備有操作於不同頻率範圍與頻帶的迷你PCI之裝置，例如三或更多頻帶。膝上型電腦以及其他可攜式裝置可使用操作在32MHz的32位元的迷你PCI卡。膝上型電腦可能包含兩種型式的迷你PCI：WLAN迷你PCI以及WWAN迷你PCI。一些膝上型電腦可能包括第三PCI以操作 在額外的頻率，例如藍牙以及/或超寬頻(UMB)。
第1圖說明具有迷你PCI 119及121以及二天線結構或帶(strip)101及103的膝上型電腦100的實例。於此實例中，二天線帶101與103的每一個包含用以傳輸與接收兩分開頻帶的無線通訊信號的兩天線，例如WWAN與WLAN。膝上型電腦100包含一個基底102，並且二或更多PCI 119與121位於其上以及連接到基底102的膝上型螢幕。二天線帶101與103分別都接到一對左纜線107及一對右纜線109。於此實例，左纜線107包含二左纜線111與左纜線113，右纜線109包含二右纜線115與右纜線117。左纜線111與右纜線115都連接到WLAN迷你PCI 119；以及左纜線113以及右纜線117都接到WWAN迷你PCI 121。這些纜線可使用同軸電纜或其他型射頻纜線實施。二纜線107或109沿螢幕105的每一側跑到位於膝上型電腦100的基底102的迷你PCI 119與121。四個主電纜(bulky cable)107與109的存在需要螢幕105的溝緣(bezel)區的一些空間以容納纜線107與109，並且因此最小化干擾螢幕的溝緣區。
第2圖說明第1圖中具有WLAN迷你PCI以及WWAN迷你PCI的膝上型電腦的無線通訊步驟的特定實施。二天線帶，左天線帶205以及右天線帶207連接到PCI 201及203。左天線帶205包含二天線209及211。類似於第1圖的設計，PCI 201及203可能位在膝上型電腦的基板，並且天線帶205及207可能位在膝上型螢幕的周邊區域。天線209組態以及操作在提供頻率範圍700MHz到2170MHz的無線廣域網路的信號傳輸與接收(TX/RX)。其他天線211組態以及操作在提供頻率範圍2300MHz到5825MHz的無線區域網路/全球互通微波存取(WiMAX)的信號 傳輸與接收(TX/RX)。同樣地，右無線帶207包括二天線215與213。類似位在左帶205的天線211，天線213傳輸與接收無線區域網路/全球互通微波存取頻率範圍2300MHz到5825MHz的無線區域網路/全球互通微波存取的信號。天線215，類似天線208，組態以及操作在無線廣域網路頻率範圍的多樣RX模式。
WLAN 211及WWAN 213，類似於天線，經由二各別的纜線219連接到WLAN迷你PCI 201的二埠以及連接WLAN迷你PCI 201的開關多樣性功能217。適合的協定，例如802.11a/b/g以及/或802.16協定，藉由使用內部開關在對稱埠組態實施。舉例來說，為增加多輸入多輸出(MIMO)藉由內部地結合最大比例組合(MRC)也可實施802.11n協定。位在左帶205的WWAN天線209連接到WWAN迷你PCI 203的傳輸與接收(TX/RX)。位在右帶207的無線廣域網路接收天線215連接到WWAN迷你PCI 203的多樣性接收(RX)埠223。
第3圖顯示第2圖中每一帶的兩天線之間絕緣目標規格。針對獨立的頻帶說明於WLAN迷你PCI卡201的連接器以及WWAN迷你PCI卡203的連接器之間測得到的S12/S21(db)目標值。
天線可能放置於膝上型電腦的選擇位置以遵守某些管理的要求，例如聯邦傳播委員會的要求以及其他相關於射頻性能的要求。第1圖所示的排列，為了將二天線的二組101及103連接總共四天線與二迷你PCI卡119及121需要四條長纜線111、113、115及117，並且因此佔據膝上型電腦的寶貴空間。四條長纜線111、113、115及117的存在可能限制連接到可攜式顯示器與鍵盤的樞紐的機械設計。
MTM結構可用於形成具有多諧振的MTM天線並且因此單MTM天線可能設計成操作在二或更多不同頻率範圍或頻帶以取代二或更多分別操作在二或更多頻率範圍或頻帶的不同天線。
第4圖基於二MTM天線帶401及403說明裝備有無線通訊系統的膝上型電腦的實例。於此實例中二MTM天線帶401及403位於膝上型螢幕105的溝緣的左上方及右角落。每一帶401或403具有操作在通用頻率範圍的MTM天線，通用頻率範圍涵蓋約略700MHz到6000MHz的無線廣域網路及無線區域網路/全球互通微波存取頻率範圍。信號路由器409及411、WLAN迷你PCI 413及WWAN迷你PCI 415位於膝上型電腦的基底。每一信號路由器409及411分別劃分來自天線401或403的不同頻帶的信號成為不同的信號，並導引其至各自不同頻帶PCI卡，以及發送來自在不同頻帶的不同PCI卡的信號至天線401或403。當二頻帶的二PCI卡用於第4圖的系統中的無線通訊時，信號路由器409以及411可以是信號雙訊器，並且當使用三頻帶的三PCI卡時，409與411可以是信號三訊器(triplexer)。特別地，因為每一天線401或403操作在多頻帶，單纜線用於饋送天線401或403，並且纜線的其他端連接到在基板102的各別的雙訊器。就其本身而論，第1圖所示的左纜線111與113以第4圖的單纜線取代，並且第1圖的右纜線115及117以第4圖所示的單纜線407取代。膝上型電腦基底中的二雙訊器409與411分別用於發送信號往返二MTM天線401與403。雙訊器409與411分別連接到位在基板102的WLAN迷你PCI 413與WWAN迷你PCI 415。單左纜線405連接到左雙訊器409，並且單右纜線連接到右雙訊器411。單纜線405與407的每一個可以各種型態實施，例如同軸電纜或介質上 線印刷(line printed on a dielectric)例如撓性薄膜(flex film)。
可能使用第4圖所顯示的天線設計的各種通用天線設計的實例於第5-15圖說明並且在此描述於如下。
單層通用天線
於一實施，單層MTM天線結構可用於形成操作在多頻帶例如頻率由700MHz到6000MHz的通用天線。第5-11圖說明單層MTM天線的實例以及其以壓縮結構在不同頻帶的操作。
第5圖顯示為實施第4圖的系統而形成於基板(例如FR-4基板)上金屬化層中的單層MTM通用天線的天線組件。圖案化形成天線組件的單金屬化層可以是由適當的金屬所形成，例如銅、錫或銀。特別是，第5圖的單層MTM天線包括作為天線電接地570的導電元件以及具有二結構501與502的天線結構，結構501與502互相電容耦合並且以缺口503分開。二結構501與502一起形成MTM天線。結構502連接到接地570。
第一結構501形成具有內導線505以及環繞內導線505的外導線507的螺旋設計。第一細胞結構501包含互連內導線505與外導線507的第一導電補片509。內導線505的一末端部分連接到第一導電補片509，第一導電補片509是連接到外導線。第一細胞結構501包含外導線507的其他末端部分所連接到的第二導電補片511。第一及第二導電補片以缺口513隔離並且經由缺口513電容性耦合。第二導電補片511包括第一殘根延伸515(stub extension)與第二殘根延伸517，並且經由缺口503隔離以及電容性耦合到第二結構。
第二結構502包含以導電曲折線523連接一起的第一導 電補片519以及第二導電補片521。第一導電補片519經由缺口503介接第一細胞結構501的第二導電補片511。第二導電補片521連接到接地金屬化結構570，例如LCD顯示接地或環繞第1圖中膝上型螢幕的可用金屬。
操作上，第4圖的單纜線405或407連接到輸入/輸出埠550以導引第4圖中MTM天線與各自的雙訊器之間的傳輸與接收信號。例如，單纜線405或407可連接到第二殘根延伸517上的位置550。於實施上，第5圖中天線元件的結構501與502的各種部分的形狀與尺寸可控制為變更及調整共振頻率。
第6圖及第7圖基於第5圖的設計分別顯示測量的回流損失以及關於MTM單層通用天線的信號頻率的效率第6圖及第7圖的測量結果證實模擬的回流損失與效率。特別是，在更高頻帶從4.5GHz到5.7GHz測量的效率指示模擬測量至少10%的改善。調整及配對單層通用天線的結構元件可用於達成在不同頻率MTM天線的不同零件傳輸或接收信號之低，中與高頻帶。
低頻帶824-960MHz
第5圖中天線的低頻帶範圍從824MHz到960MHz，並且為第5圖中MTM天線顯示於第8圖中的特定結構元件所支持。MTM天線的不同部份影響824MHz到960MHz低頻帶的不同頻譜部份。在結構501的螺旋結構傳輸與接收低頻帶的更低共振頻率。內導線505的末梢部分805相對外導線507的部分的相對位置可影響低頻帶的更低共振頻率以及對其他天線共振招致一些影響。藉由改變內導線505的末梢部分805的寬度與總長度也可能影響天線共振。影響的共振可能是偏移或稍微誤配對。在結 構501的螺旋結構的同樣區域中傳輸與接收MTM天線由2.3GHz到2.7GHz的上中頻帶。在低頻操作的結構改變影響從2.3GHz到2.7GHz更上中頻帶的頻率。
藉由細胞結構519以及導電曲折線523可控制低頻的更上共振頻率。區域817與811傳輸與接收在此頻譜範圍的無線信號。導電曲折線523的區域811相對導電路徑511可進出延伸以為了回流損失調整共振大約925MHz，然而不會重大地改變天線的區域。藉由經由缺口503細胞補片519與第二導電補片511之間的耦合以及藉由連接導電曲折線523到細胞補片519的連接817可以吻合共振。舉例來說，匹配MTM天線的共振到輸入信號可能用於保護輸入信號免於反射回去以由缺口503組態所有電容以及由導電曲折線523組態所有電感，以至於其符合50歐姆的輸入。
更低中頻帶1.710-2.170GHz
MTM天線也呈現從1.710GHz到2.170GHz的更低中頻帶共振。第9圖顯示出第5圖中在更低中頻帶可重大影響天線頻率的頻率的單層通用天線的架構901與903。第8圖所示胞補片519、曲折導線523以及經過導線811的曲折導線523的迴路部分811控制更低中頻帶共振。如第9圖所示，藉由增加額外的銅到靠近結構903的細胞補片519完成調整，並且阻抗匹配是由細胞補片519與導電補片511之間的面積中的缺口503所決定。
更上中頻帶2.300-2.700GHz
第10圖說明第5圖中可影響更高中頻帶天線頻率的單層通用天線的特定架構元件1001與1002。結構501中螺旋結構決 定更上中頻帶範圍的更低共振頻率。特別是，螺旋內的外導線507的頂線厚度增加可降低更上中頻帶的共振頻率，並且螺旋內的外導線507的頂線厚度減少可提升更上中頻帶的共振頻率。可藉由控制導電補片509與補片511之間經由缺口513的耦合而控制阻抗匹配。經由缺口513耦合的電容增加可改善低頻帶匹配模式，然而也會影響低頻824MHz到960MHz的天線共振。
結構501中的螺旋的長度L決定更上中頻帶的更上共振頻率。特別是，螺旋的中央部份的尺寸受到調整並且對於此範圍有很大影響。舉例來說，改變螺旋的長度可能偏移在大約2.750MHz以及低頻帶的更上共振模式。改變螺旋的寬度可偏移其他共振到大約2.3GHz更上中頻帶共振以及相對更低頻在高頻上具有影響。
高頻帶4.9-5.8GHz
第11圖說明第5圖中可影響從4.9GHz到5.8GHz的高頻帶的天線頻率的單層通用天線的結構元件1101、1105、1107與1111。可藉由使用突出於結構501的螺旋下的殘根延伸515以及藉由移除補片511中央底部份以形成殘根延伸515與517之間的凹口達成在高頻的阻抗匹配。藉由延展胞519之下的殘根延伸517可產生額外的高頻帶共振。這樣的高頻帶相較更低頻率的頻帶有較廣的天線頻寬。實施上，此天線的最高共振可調整為高於所需要的頻率以增加相關的天線頻寬。
多層通用天線
藉由多層天線結構也可實施第4圖中的通用天線設計，多層天線結構建構成在大範圍頻率中支持多頻帶，例如從 700MHz到6000MHz。
第12A-12D圖顯示形成於基板的多重MTM通用天線的實例。於此實例中，天線元件形成在基底的二表面上的二金屬化層。第一金屬化層形成於基板的第一側，並且圖案化成包含第一超材料天線元件。第二金屬化層形成於基板上相反於第一側的第二側，並且圖案化成包含第二超材料天線元件。導電介孔形成在基板以連接第一超材料天線元件的一個到第二超材料天線元件的一個。第一及第二超材料天線元件集體提供天線操作在不同頻帶。
如第12A與12B所示，此實例中通用天線包含第一細胞補片1201，第一發射墊1203以及第一介孔線1205可能約25x4.5mm，5x0.3mm，30x0.3mm(包含從補片1219到胞1201的所有彎曲)。如第12A與12B圖所示，多層天線包含第二細胞補片1207、第二發射墊1209、第二介孔線1211，以及饋線1213，所有都形成於第二層。於一些實施上，第二細胞補片1207的尺寸、第二發射墊1209、第二介孔線1211以及饋線1213可能分別大約35x4.5mm、7x0.3mm、30x0.3mm(包含從補片1219到細胞1207的彎曲)。每一細胞補片(1201或1207)以及其各自的發射墊(1203或1209)是藉由缺口互相分開，並且是電容地互相耦合以傳輸信號。每一介孔線(1205或1211)連接到其各自的胞補片(1201或1207)。
如第12A、12B與12C圖所示，導電介孔1215形成於基板1223中以提供第一層上的第一發射墊1203與第二層上的第二發射墊1209之間的導電路徑。如第12A、12B與12D圖所示，二介孔1217亦形成於基板1223中並且分別連接到第一層與第二 層上的二導電補片1219，提供第一層上的第一介孔線1205與第二層上的第二介孔線1211之間的導電路徑。在某些實施例中，介孔(1215、1217)的尺寸可能是直徑大約0.5mm。
參考第12B圖，天線包含第一接地1280形成於第一層的一個位置，此位置取代第一層上的第一細胞補片1201以及第二細胞補片的足印(footprint)，並且第二接地1280形成於第二層的一個位置，此位置取代第一層上的第二細胞補片1201以及第二細胞補片的足印。第一接地1281連接到第一層內的導電補片1219並且第二接地1281連接到第二層內的導電補片1281。
第12A-12D內的MTM天線，當用於實施第4圖系統中天線401與403時，係連接到用以傳輸信號或接收信號往返二或更多PCI卡413及414的單纜線405或407。參考第12A與12B圖，單纜線405或407可能耦合到第一發射墊1203以及第二發射墊1209的其中一個以導引信號從PCI卡413以及414到MTM天線或從MTM天線接收信號。
調整以及匹配第12A-12D圖中多層通用天線的結構元件以達到低、中及高頻帶的實施提供如下。
低頻帶824MHz-960MHz
藉由第二細胞結構1207、第二介孔線1211以及第一發射墊1203控制從824MHz到960MHz低頻帶的更低末端。藉由第一細胞補片1201、第一介孔線1205、第一發射墊1203、饋線1213以及第二發射墊1209控制低頻帶的更上末端。
第13圖說明低頻帶的更低末端及更高末端的大約位置。
藉由增加或減少第一細胞補片1201在表面面積的數量調整低頻帶的更低末端1301。這可能藉由拉長第12A圖y方向細胞補片1201與1207至板邊緣或藉由延伸x方向第一細胞補片到接地電極，接地1280連接補片1219的邊緣並且是附加到裝置佈局的更上邊緣。於此實例中，裝置佈局的更上邊緣是在第1圖中裝載膝上型顯示器105的上邊緣裡面。
藉由增加或減少表面面積的數量調整第二細胞補片而達成調整低頻帶的更上末端1303。藉由變更第二胞補片1207，根據匹配及頻率改變經由在第二補片的改變最小限度地影響其他諧波。
第一介孔線1205及第二介孔線1211由接地在同一點連接。第12D圖中，第二層以及介孔1217用於連接這些層。這些連接有助於匹配低頻帶更低末端1301與更高末端1303的諧波。經由模擬，當介孔線1205與1211沒有連接一起，誤匹配可能發生並且在低頻的更低末端1301與更高末端1303之間可能存在零(null)。零可能存在於低頻帶的更低末端1301與更高末端1303，並且可防止二末端免於合併，其可幫助拓寬頻寬。為了改變更低末端1301的位置，考慮變化介孔線1205與1211的長度。因為介孔線1205與1211互連，第一介孔線1205與第二介孔線1211的寬度與長度可能對低頻帶的更低末端1301與更高末端1303有影響。
第一層上的饋線1213以及第二層上的第一細胞結構1201之間的耦合也可能對低頻的更上末端諧波1303有影響。更多重疊可造成對於諧波1303在頻率上的下偏移，但也可能造成對諧波1309與1311頻率的下偏移。
中頻帶1.71-2.40GHz
如第13圖所示從1.71GHz到2.40GHz具有更低末端1305以及更上末端1307。第二細胞結構1207、第二介孔線1211以及第一發射墊1203控制中頻帶的更低末端1305。第一胞結構1201、第一介孔線1205、第一發射墊1203、饋線1213以及第二發射墊1209控制中頻帶的更上末端1307。
第一發射墊1203以及第二發射墊1209控制中頻帶的更低末端1305及更上末端1307。相關的參數包括第一胞結構1201與第一發射墊1203之間的缺口1210、第二胞結構1207與第二發射墊1209之間的缺口、發射墊1203與1209的長度與寬度，以及連接第二發射墊1209到饋線1213的介孔1217。缺口1210與1212扮演匹配二諧波的角色，然而發射墊的長度與寬度可能偏移諧波頻率位置。
高頻帶4.80-5.40GHz
第13圖說明從4.80GHz到5.40GHz的高頻帶的更低末端1309與更高末端1311的大約位置。第二胞結構1207、第二介孔線1211以及第一發射墊1203控制高頻帶的更低末端。第一胞結構1201、第一介孔線1205、第一發射墊1203、饋線1213以及第二發射墊1209控制高頻帶的更高末端。
饋線1213控制高頻帶的更低末端1309以及更上末端1311係藉由增加銅補片到饋線1213的頂端或底端以因此增加其厚度。銅的量對更高的諧波也有很大影響。如先前所描述的改變饋線1213也可影響低頻的更上末端諧波。
跨越低、中與高頻帶的調整方法
設計第12A-C圖的MTM天線可組態各種組件以調整跨越低、中與高頻帶的天線頻率。一些調整實例提供如下。
如第12A圖所示增加銅的補片於第一胞結構的末端可對低頻帶的更低末端1301的降低頻率有影響。然而，匹配可能在低頻的更低末端1301降級。這可用存在於低頻帶的更低末端1301與更高末端1303之間的零說明於第15圖，其不再如同更上末端1303共振類似同樣阻抗或50歐姆匹配。
藉由降低第一發射墊1203以及第一胞結構1201之間的缺口1210以及/或藉由從饋線增加更多銅使得饋線1213直接排列於第一胞架構1201之上，對於更低末端1301諧波可增加電容。然而，添加更多銅可影響更高頻帶以及中頻帶，因為發射墊附加到饋線1213。藉由延伸第一發射墊1203的長度所以第一發射墊的更多面積可與第一胞結構1201耦合，對於更末端1301諧波也可增加電容。第一發射墊120的延伸可能降低中頻帶的更低末端1305。縮短第二介孔線1211以及改變第二介孔線1211的位置與第二胞結構1207連接可影響低頻帶的更低末端1301與更上末端1303。
藉由縮短第二介孔線1211、低頻帶的更上末端1303可往上偏移頻率，將更低末端1301與更高末端1303分離。然而，更低末端1301也可能向上偏移，但不是如同更上末端1303的程度一般。此連接可改變自第二細胞結構1207以及第二發射墊1209，並且阻抗可改變以及變成不匹配成50歐姆。這可能如同增加銅補片在第一胞結構1201的末端因此降低頻率上的共振一樣有相同影響。考慮補償步驟，如上述，增加補片在第一胞結構1201的末端。
增加更多銅到第二發射墊1209至饋線1213與細胞1207之間所提供的空間可能有降低中頻帶的更上末端1307的頻率的影響而不會改變對第二胞結構1207的電容以及不會引起對低頻的更上端1303的諧波的阻抗誤匹配。此變更可影響高頻的更上末端1311，因為發射墊1209是饋線1213的一部分並且可能降低高頻帶的更高末端1311。
增加銅到饋線1213可能增加高頻的更低末端1309與更高末端1311。此外，增加銅在各種位置可改變更高模式位置。
雙訊器：
參考第4圖中的系統，單左纜線405連接到左雙訊器409，並且單右纜線407連接到右雙訊器。雙訊器409與411連接到WLAN迷你PC 413以及WWAN迷你PC 415並且可能於各種組態中執行。
第16圖基於第4圖的設計說明用於具有WLAN與WWAN PCI卡的一裝置內之多工切換的從二埠(L與H)至一埠(S)且反之亦然的頻域之被動的、互易的(reciprocal)裝置。於此實例中，左埠L 1605以及右埠L 1607每一個都關聯低頻範圍(WWAN)PCI卡1615，並且左埠H 1609以及右埠L 1607是關連高頻範圍(WLAN)PCI卡1613。雙訊器1601或1603可包含介於埠L與S之間的低通濾波器，以及埠H與S之間的高通濾波器。埠H與WLAN迷你PCI 1613是經由短纜線1617連接，並且埠L與WWAN迷你PCI是經由另一短纜線1619連接。左單埠S1612是經由纜線1625耦接左帶通用天線1623，並且右單埠S 1627經由纜線1631耦接到左帶通用天線1629。開關多樣性1633、TX/RX 1635以及RX 1637與上述及第2圖中是同樣組件。這兩短纜線(或埠L與H)之間的絕緣目標與第3圖中表格內所列的天線絕緣目標相同。
基於可用於實施第4圖所顯示通用天線單纜組態系統的MTM結構之其他雙訊器的設計描述於美國專利號12/272,178，標題”濾波器設計方法以及基於超材料結構的濾波器”，於2008年十一月17日申請，在此結合為參考以當作文獻揭露的一部分。
在一些例證的雙訊器設計，如第17圖所說明的雙訊器接收來自TX收發器的輸入信號並且傳輸信號到天線。同樣的雙訊器也可接收來自天線的信號以及傳輸接收的信號到RX收發器。雙訊器設計可用於各種實施中的手機頻帶VIII(RX：880-915MHz & TX：925-960MHz)以及頻帶III(RX：1710-1785MHz & TX：1850-1880MHz)。舉例來說，對於第一個實施(實施A)，頻帶III傳輸信號(TX：1850-1880MHz)可傳送到天線而頻帶III接收信號(RX：880-915MHz)可傳送到RX收發器。於另一實施，(實施B)，頻帶III傳輸信號(TX：925-960MHz)可傳送到天線而頻帶III接收信號(RX：1710-1785MHz)傳送到RX收發器。
雙訊器也可設計為排斥傳輸頻率的諧波。舉例來說，雙訊器接近900MHz低頻部分在高頻帶1800MHz附近具有至少-40dB排斥。此外，更高的諧波可藉由雙訊器抑制。雙訊器可用於維持雙訊器低與高頻帶之間至少-27dB絕緣。
使用描述於此部分的同樣方法可設計具有其他頻帶與帶拒/絕緣需求的其他雙訊器。
低通(LP)帶通(BP)濾波器設計：
使用第18A圖中所描述E-CRLH單位細胞接著三細胞習知的LP濾波器可設計低頻帶通濾波器。在此設計中，為了穩定與結合目的在此設計中包含墊。製造的濾波器說明於第18B圖。
藉由設定表1所顯示Matlab碼的以下參數可設計手機雙訊器的低頻帶部分。
電路參數，如表2所示，用於電路模擬工具以評估濾波器響應。
模擬的結果呈現在第19A圖。就880-960MHz而言，LPBP濾波器響應符合雙訊器更低頻帶規格，然而在1.1GHz以上時排斥更高諧波以及具有較陡的排斥。第19B圖所顯示的測量結果證實具有更高測量的插入損失的模擬結果，其可能是因為低品質損 失電感以及電容選擇。
高通帶通濾波器設計：
使用第20圖描述的延伸的CRLH(E-CRLH)單位細胞接著三細胞習知的HP濾波器設計高頻帶通濾波器。設計中包含墊以評估所有濾波器響應的影響。
藉由設定表3所示的Matlab碼中的以下參數設計手機雙訊器的高頻帶部分。
電路參數，如表4所示，用於電路模擬工具以評估濾波器響應。
注意，解釋墊影響，LR的數值必須由22nH增加到LR=30nH，其推演至Matlab以及空白表格程式模擬。
模擬的結果呈現在第21圖。由第21圖，就包含 1710-1880MHz而言，HP BP濾波器響應符合雙訊器更高頻帶規格，然而在1.37GHz以下時排斥更高諧波(大於3GHz)以及具有較陡的排斥。
完整的雙訊器組合：
完整的雙訊器電路組合顯示於第22圖並且描述三個埠：
埠1 4401：天線輸入/輸出埠。
埠2 4402：天線對低頻Rx收發器或來自低頻TX收發器。
埠3 4403：天線對高頻Rx收發器或來自高頻TX收發器。
雙訊器響應說明於第23圖，由模擬資料，更高諧波排斥是位於-40dB以下，並且更低與更高頻帶之間的絕緣是維持在-40dB以下。此外，介於收發器埠2及3之間的絕緣是維持在-40dB以下。
具有3個PCI的通用天線單纜線組態的無線通訊系統：第24圖顯示操作在3個不同RF頻率範圍具有3個迷你PCI的例證系統。於此實例中，左帶2403包含通用天線2405並且右帶2403包含通用天線2409。左通用天線2405與右通用天線2409設計及操作在用於包含三個不同頻率範圍的全部頻率範圍，並且分別是連接到左單纜線2411以及右單纜線2413。左與右纜線2411與2413的其他末端分別連接到左與右三訊器2415與2417。左與右三訊器2415與2417的埠1皆關聯頻率範圍1；左與右三訊器2415與2417皆關聯頻率範圍2；左與右三訊器2415與2417皆關聯頻率範圍3。三訊器2415與2417的每一個包含連接到埠1、2與3的三個濾波器，每一個在對應的頻率範圍內通過信號。每個濾波 器的角色是在埠規格下通過一頻率範圍的信號而排斥其他頻率。
可選替地，三訊器可包含具有過高更上側頻帶排斥的低通濾波器，此更上側頻帶排斥是取決於其他濾波器頻率範圍的頻率範圍。三訊器也包含具有過高更低側頻帶排斥的高通濾波器，此更低側頻帶排斥是取決於其他濾波器頻率範圍的頻率範圍。在此描述的三訊器可以各種方式設計，並且說明的實施例並不會限制熟此技藝者無法實施選替的設計。舉例來說，對於具有四或更多迷你PCI的案例，切換器用於頻率多工，偕同四或更多纜線分別連接於切換器與四或更多迷你PCI之間。
此外，整合無線區域網路及無線廣域網路功能的新型PCI卡的出現，通用天線2501以及單纜2503組態可延伸至整合雙訊器(或三訊器或切換器)2505至PCI卡2507，如第25圖所示。這造成減少多纜線連接於雙訊器(或三訊器或切換器)與迷你PCI之間。藉由使用習知的FR-4印刷電路板或其他技術，例如薄膜製造技術、系統晶片技術、低溫共燒陶瓷(LTCC)技術、單石微波(monolithic wave)積體電路技術以及其類似技術達成整合。
雖然本文包含許多細節，但是這些不能解釋為限制任何發明或宣告權利的範圍，而是特定實施例的特徵描述。組合單一實施例也可實施描述於本文中之分開的實施例的一些特徵。相反地，亦可用多實施例分別地實施或用適合的次組合實施描述於單一實施例的各種特徵。
特定的實施以及具體實施例以描述於本文。描述的實施或具體實施例的變異或改良，以及其他實施或具體實施例可以本文的揭露與說明為基礎而實施。
100‧‧‧膝上型電腦
101、103‧‧‧帶
102‧‧‧基底
105‧‧‧螢幕
107、111、113‧‧‧左纜線
109、115、117‧‧‧右纜線
119‧‧‧WLAN迷你PCI
121‧‧‧WWAN迷你PCI

Claims (26)

  1. 一種無線通訊系統，包括：一在一第一射頻(RF)頻帶進行第一無線通訊之第一周邊零組件介面(PCI)卡；一在不同於該一第一射頻頻帶之一第二射頻頻帶進行無線通訊之第二周邊零組件介面卡；一第一天線，架構成操作在該第一及第二射頻頻帶；一信號路由器，耦接於該第一天線及該第一與第二PCI卡之間以導引來自該第一天線之在該第一射頻頻帶的一通訊信號至該第一PCI卡以及來自該第一天線之在該第二射頻頻帶的一通訊信號至該第二PCI卡，以及導引來自該第一PCI之在該第一射頻頻帶的一通訊信號至該第一天線以及來自該第二PCI之在該第二射頻頻帶的一通訊信號至該第一天線；以及一單纜線，連接於該第一天線及該信號路由器之間，以在該第一天線與該信號路由器之間傳送該第一與第二射頻頻帶的通訊信號，其中該第一天線係一超材料天線包括：一導電接地補片；一第一區域，定義一螺旋組態；以及一第二區域，不同於該第一區域，包括電性連接至該導電接地補片之一第一導電補片、一第二導電補片 以及電性連接至該第一與第二導電補片之一導電曲折線。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之無線通訊系統，其中：該天線包括一混合型左右手超材料結構(composite left and right handed metamaterial structure)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之無線通訊系統，其中：該信號路由器包括一超材料結構。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之無線通訊系統，其中：該第一PCI卡是一無線區域網路(WLAN)PCI卡以及該第二PCI卡是一無線廣域網路(WWAN)PCI卡。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之無線通訊系統，其中：該信號路由器是操作在該第一及第二射頻頻帶的一雙訊器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之無線通訊系統，包括：一第二天線，架構為操作於該第一及第二射頻頻帶；一第二信號路由器，耦接在該第二天線及該第一與第二PCI卡之間以導引來自在該第二天線的該第一射頻頻帶的一通訊信號至該第一PCI卡以及來自該第二天線的在該第二射頻頻帶的一通訊信號至該第二PCI卡；以及一第二單纜線，連接於該第二天線與該第二信號路由器之間以於該第二天線與該第二信號路由器之間傳 輸該第一及第二射頻頻帶的通訊信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之無線通訊系統，包括：一第一纜線，連接在該信號路由器及該第一PCI卡之間以傳輸該信號路由器與該第一PCI卡之間的通訊信號；一副纜線，連接在該信號路由器與該第二PCI卡之間以傳輸該信號路由器與該第二PCI卡之間的通訊信號；一第三纜線，連接在該第二信號路由器與該第一PCI卡之間以傳輸該第二信號路由器與該第一PCI卡之間的通訊信號；一第四纜線，連接在該第二信號路由器與該第二PCI卡之間以傳輸該第二信號路由器與該第二PCI卡之間的通訊信號。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之無線通訊系統，包括：一在不同於該一第一及第二射頻頻帶之一第三射頻頻帶進行無線通訊的第三PCI卡；其中該第一與第二天線被架構為操作在該第三射頻頻帶，該信號路由器導引來自該第一天線的在該第三射頻頻帶的通訊信號至該第三PCI卡以及導引來自該第三PCI卡的在該第三射頻頻帶的一通訊信號至該第一天線，以及該第二信號路由器導引來自在該第二天線的該第三射頻頻帶的一通訊信號至該第三 PCI卡。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之無線通訊系統，其中：該信號路由器、該第二信號路由器、該第一PCI卡及該第二PCI卡整合至一積體電路裝置，該積體電路裝置經由該單纜線連接至該第一天線，經由該第二單纜線連接至該第二天線。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之無線通訊系統，其中：該單一電纜連接至該導電中間補片以導引一通訊信號至該第一天線或自該第一天線接收一通訊信號。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之無線通訊系統，其中：該第一天線是一超材料天線，包括：一基板；一第一金屬化層形成於該基板的一第一側以及圖案化成為包含第一超材料天線元件；一第二金屬化層形成於相反該基板的該第一側的一第二側，以及圖案化成為包括第二超材料天線元素；以及一導電介孔位於該基板，連接該第一超材料天線元件之一到該第二超材料天線元件之一；其中該第一及第二超材料天線元件共同地提供天線操作在該第一及第二射頻頻帶。
  12. 一天線系統，用以耦接至電腦中第一及第二PCI卡， 包括：一天線，包含：一導電接地補片；一第一區域，定義一螺旋組態；以及一第二區域，不同於該第一區域，包括電性連接至該導電接地補片之一第一導電補片、一第二導電補片以及電性連接至該第一與第二導電補片之一導電曲折線；第一、第二及第三纜線；以及一雙訊器；其中該第一纜線耦接該天線以及該雙訊器，該第二纜線耦接該雙訊器及該第一PCI卡，以及該第三纜線耦接該雙訊器以及該第二PCI卡。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之天線系統，其中該天線包含一超材料。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之天線系統，其中該天線是架構成支援多共振頻率的一單層通用天線。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之天線系統，其中該天線是架構成支援多共振頻率的一多層通用天線。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之天線系統，其中該雙訊器包含一超材料。
  17. 一天線系統，用以耦合至電腦中三或更多PCI卡，包 含：一天線，包含：一導電接地補片；一第一區域，定義一螺旋組態；以及一第二區域，不同於該第一區域，包括電性連接至該導電接地補片之一第一導電補片、一第二導電補片以及電性連接至該第一與第二導電補片之一導電曲折線；一射頻二極管開關(switchplexer)；一耦接該天線及該射頻二極管開關的主纜線；以及三或更多副纜線，每一個耦接該射頻二極管開關以及該三或更多PCI卡的每一個；其中該天線分別操作在對應於相關該三或更多PCI卡的應用的三或更多頻率範圍，以及該三或更多副纜線分別載送該三或更多頻率範圍的信號。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之天線系統，其中該天線包括一超材料。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之天線系統，其中該天線是架構成支援多共振頻率的一單層通用天線。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之天線系統，其中該天線是架構成支援多共振頻率的一多層通用天線。
  21. 如申請專利範圍第17項所述之天線系統，其中該射頻 二極管開關包括一超材料。
  22. 一天線系統，用以耦合至PCI，其中無線廣域網路(WWAN)以及無線區域網路(WLAN)是整合一起，包含：一天線，操作在關於WLAN應用的一第一頻率範圍以及關於WWAN應用的一第二頻率範圍，該天線包含：一導電接地補片；一第一區域，定義一螺旋組態；以及一第二區域，不同於該第一區域，包括電性連接至該導電接地補片之一第一導電補片、一第二導電補片以及電性連接至該第一與第二導電補片之一導電曲折線；一纜線；以及一雙訊器；其中該纜線耦接該天線及整合在該PCI的該雙訊器。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之天線系統，其中該天線包含一超材料。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之天線系統，其中該天線是架構成支援多共振頻率的一單層通用天線。
  25. 如申請專利範圍第23項所述之天線系統，其中該天線是架構成支援多共振頻率的一多層通用天線。
  26. 如申請專利範圍第22項所述之天線系統，其中該雙訊器包含一超材料。
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