TW201528608A

TW201528608A - 無線通訊裝置

Info

Publication number: TW201528608A
Application number: TW103101485A
Authority: TW
Inventors: Huang-Tse Peng; Hsiang-Feng Hsieh; Wen-Tsan Chung
Original assignee: Wistron Neweb Corp
Priority date: 2014-01-15
Filing date: 2014-01-15
Publication date: 2015-07-16
Also published as: US20150200458A1; US9419337B2

Abstract

一種無線通訊裝置，包含有一天線，用來接收一接收訊號，其中該天線的一輻射部之一輸入阻抗呈電感性集中；一可調式匹配電路，耦接於該天線，用來根據一控制訊號，調整該天線的匹配；以及一射頻處理電路，耦接於該可調式匹配電路，用來根據該接收訊號對應的一接收頻段以及一發射頻段，判斷是否調整該天線的匹配，以產生該控制訊號至該可調式匹配電路；其中，該可調式匹配電路調整該天線的匹配，以最佳化該天線於該接收頻段以及該發射頻段的匹配。

Description

無線通訊裝置

本發明係指一種無線通訊裝置，尤指一種可適時調整天線匹配，使天線的匹配保持在最佳化狀態的無線通訊裝置。

天線係用來發射或接收無線電波，以傳遞或交換無線電訊號。一般具無線通訊功能的電子產品，如筆記型電腦、個人數位助理(Personal Digital Assistant)等，通常透過內建之天線來存取無線網路。而隨著無線通訊技術的演進，不同無線通訊系統的操作頻率可能不同，因此，理想的天線應能以單一天線涵蓋不同無線通訊網路所需的頻帶。此外，配合可攜式無線通訊裝置體積縮小之趨勢，除了寬頻需求外，而天線尺寸則應盡量減小，以將天線整合入可攜式無線通訊裝置中。

現今大部分可攜式無線通訊裝置為兼顧美觀、耐用性等，常使用金屬殼體或結構件，因此當天線整合入可攜式無線通訊裝置時，往往會遭遇天線效率降低或不穩定的問題。在此情形下，天線設計者除了需面對寬頻需求的挑戰外，尚需考慮與產品機殼的整合性，因此在天線開發上就存在著一定的難度。

此外，由於無線通訊裝置的普及，使用者對於無線通訊品質的要求也越來越高，因此，如何在空間限制條件下，設計具有寬頻特性之寬頻天線，及確保無線通訊品質，已成為業界所努力的目標之一。

因此，本發明的主要目的即在於提供一種無線通訊裝置，用來適時調整天線匹配，使天線的匹配保持在最佳化狀態，以確保無線通訊品質。

本發明揭露一種無線通訊裝置，包含有一天線，用來接收一接收訊號，其中該天線的一輻射部之一輸入阻抗呈電感性集中；一可調式匹配電路，耦接於該天線，用來根據一控制訊號，調整該天線的匹配；以及一射頻處理電路，耦接於該可調式匹配電路，用來根據該接收訊號對應的一接收頻段以及一發射頻段，判斷是否調整該天線的匹配，以產生該控制訊號至該可調式匹配電路；其中，該可調式匹配電路調整該天線的匹配，以最佳化該天線於該接收頻段以及該發射頻段的匹配。

10‧‧‧無線通訊裝置

11、31‧‧‧可調式匹配電路

13‧‧‧射頻處理電路

110、112、114‧‧‧匹配單元

111‧‧‧控制單元

130‧‧‧射頻處理單元

131‧‧‧儲存單元

132‧‧‧中央處理器

ANT‧‧‧天線

RX_sig‧‧‧接收訊號

TX_sig‧‧‧發射訊號

CTRL_sig‧‧‧控制訊號

ADJ_sig‧‧‧調整訊號

MTH_info‧‧‧匹配資訊

RAD‧‧‧輻射部

GND‧‧‧接地部

C1、C2‧‧‧電容

L1、L2‧‧‧電感

Z1、Z2、Z3、Z4‧‧‧被動元件

20‧‧‧低頻調整單元

22‧‧‧高頻調整單元

第1圖為本發明實施例一無線通訊裝置的示意圖。

第2圖為本發明實施例第1圖的匹配單元的示意圖。

第3圖為本發明實施例另一可調式匹配電路的示意圖。

第4圖為本發明實施例第1圖的天線的外觀示意圖。

第5圖及第6圖分別為第1圖的天線本體的史密斯圖以及電壓駐波比示意圖。

第7圖為第1圖的天線耦接於可調式匹配電路時的電壓駐波比示意圖。

請參考第1圖，其為本發明實施例一無線通訊裝置10的示意圖。無線通訊裝置10可以是具有無線通訊功能的行動裝置，如行動電話、平板電腦以及筆記型電腦等。無線通訊裝置10包含有一天線ANT、一可調式匹配電路11以及一射頻處理電路13。天線ANT用來接收一接收訊號RX_sig。可調式匹配電路11耦接於天線ANT，用來根據一控制訊號CTRL_sig，調整天線ANT的匹配。射頻處理電路13耦接於可調式匹配電路11，用來根據接收訊號RX_sig對應的一接收頻段以及一發射頻段，判斷是否調整天線ANT的匹配，以產生控制訊號CTRL_sig至可調式匹配電路11。

可調式匹配電路11包含有匹配單元110以及控制單元111。匹配單元110耦接於天線ANT及射頻處理電路13之間，用來匹配天線ANT。控制單元111耦接於射頻處理電路13及匹配單元110，用來根據控制訊號CTRL_sig，輸出一調整訊號ADJ_sig至匹配單元110，以控制匹配單元110之運作。

射頻處理電路13包含一射頻處理單元130、一儲存單元131以及一中央處理器132。射頻處理單元130用來處理接收訊號RX_sig，以供中央處理器132讀取接收訊號RX_sig所夾帶的資料。儲存單元131用來儲存一匹配資訊MTH_info。中央處理器132耦接於射頻處理單元130以及儲存單元131，用來根據接收訊號RX_sig對應的接收/發射頻段，判斷天線ANT目前的匹配情形是否為最佳化狀態，據以決定是否調整天線ANT的匹配。若天線ANT的匹配不是最佳化狀態，則中央處理器132由儲存單元131讀取匹配資訊MTH_info，據以產生控制訊號CTRL_sig至控制單元111。除此之外，射頻處理電路13另用來根據中央處理器132輸出的資料，產生發射訊號TX_sig至天線ANT，使天線ANT發射發射訊號TX_sig，以實現無線通訊裝置10與基地台之間的無線通訊。

在操作上，當使用者啟動無線通訊裝置10的無線通訊功能時，無線通訊裝置10首先透過天線ANT接收環境中的基地台所發出的接收訊號RX_sig，接著透過射頻處理單元130解調接收訊號RX_sig，以得知接收訊號RX_sig的載波頻率、對應的無線通訊技術或基地台回報的量測值，例如接收訊號強度(Received Signal Strength Indication，RSSI)，並將上述資訊傳送至中央處理器132。中央處理器132據以判斷是否調整天線ANT的匹配。當需要調整匹配時，中央處理器132根據接收訊號RX_sig對應的無線通訊技術及接收/發射頻段，由儲存單元131讀取相應的匹配資訊MTH_info，據以產生控制訊號CTRL_sig至控制單元111。控制單元111則根據控制訊號CTRL_sig，產生調整訊號ADJ_sig至匹配單元110，以調整天線ANT的匹配。

在上述操作機制下，不限於無線通訊裝置10開啟其無線通訊功能之際，在無線通訊裝置10移動的過程中，亦可隨時偵測來自其他基地台的接收訊號，判斷天線目前的匹配是否為最佳化狀態，以動態地調整天線的匹配，來達到天線的匹配保持在最佳化狀態之目的。如此一來，可調式匹配電路可等效擴大天線的頻寬，也可使天線效能保持在最佳化狀態，以確保無線通訊品質。本領域具通常知識者當可據此修飾及變化，而不限於此。

舉例來說，請參考第2圖，其為本發明實施例匹配單元110的示意圖。匹配單元110包含電容C1、C2以及電感L1、L2。匹配單元110的架構如第2圖所示。電容C1以及電感L2可組成一濾波器或一低頻調整單元20，可調式匹配電路11可調整電容C1之電容值以及電感L2之電感值中二者或其中之一，以調整天線ANT於低頻頻段之匹配。另一方面，電容C2以及電感L1可組成另一濾波器或一高頻調整單元22，可調式匹配電路11可調整電容C2之電容值以及電感L1之電感值中二者或其中之一，以調整天線ANT於高頻頻段之匹配。

另一方面，匹配資訊MTH_info可包含天線ANT在不同無線通訊系統SYS以及對應操作頻段中，電容C1、C2及電感L1、L2所對應的電容值及電感值。較佳地，電容C1、C2及電感L1、L2為電調式元件，因此匹配單元110可根據調整訊號ADJ_sig，調整其電容電感值。其中，電容C1、C2的可調整電容值範圍介於0.2~15微微法拉(picofarad，pF)，而電感L1、L2的可調整電感值範圍介於1~33毫微亨(nanohenry，nH)。

除此之外，匹配單元110亦可搭配具有固定輸入阻抗的固定式匹配單元，以提昇可調式匹配電路調整天線匹配的靈活度以及精確度。請參考第3圖，其為本發明實施例另一可調式匹配電路31的示意圖。可調式匹配電路31包含有匹配單元110、112、114以及控制單元111(未繪於第3圖)。匹配單元112耦接於天線ANT與匹配單元110之間，包含具有固定電氣參數或特徵阻抗的被動元件Z1、Z2。匹配114單元耦接於匹配單元110與射頻處理電路13之間，包含具有固定電氣參數或特徵阻抗的被動元件Z3、Z4。其中，匹配單元112、114較佳地為一L型匹配電路，然而不限於此，匹配單元112、114亦可為任何類型的匹配電路，例如單一被動元件、T-型匹配電路或π-型匹配電路等。當然，匹配單元的配置無所限制，設計者可視情況，僅使用可調整的匹配單元110，亦可採用單一或多個具有固定輸入阻抗的匹配單元112、114來搭配可調整的匹配單元110，以符合實際需求。

請參考第4圖，其為本發明實施例天線ANT的外觀示意圖。天線ANT包含一輻射部RAD以及一接地部GND。接地部GND耦接於輻射部RAD，輻射部RAD用來由空中感應接收訊號RX_sig以及將發射訊號TX_sig輻射至空中。

請注意，當天線整合入無線通訊裝置10的機殼(未繪於第4圖)內部時，由於機殼內部往往存在電路板、顯示面板、傳輸線或金屬機構件等導電元件，使得天線的輻射部與上述導電元件之間容易發生耦合效應，進而於兩者之間產生寄生電容。在寄生電容越大的情況下，利用可調式匹配電路來調整天線匹配的困難度將大幅提升，因為當寄生電容的電容值遠大於可調式匹配電路的調整範圍時，可調式匹配電路將難以對天線匹配產生有效變動。反之，在寄生電容越小的情況下，可調式匹配電路調整天線匹配則相對有效以及容易許多。

另一方面，根據倒F天線(Inverted-F Antenna，IFA)或平面倒F天線(Planar Inverted-F Antenna，PIFA)的饋入點與接地點的距離，其產生的耦合共振模態可分為次耦合(under-coupled)、臨界耦合(critical-coupled)和過耦合(over-coupled)。其中，耦合共振模態為次耦合的天線具有電感性集中的輸入阻抗，表示其寄生電容較小，因此透過可調式匹配電路調整天線匹配也相對有效以及容易。

據此，天線ANT較佳地為一倒F天線或一平面倒F天線，同時，當天線ANT整合入無線通訊裝置10的機殼內部時，在天線ANT沒有耦接於可調式匹配電路11的情況下，輻射部RAD的輸入阻抗較佳地呈現電感性集中，以使可調式匹配電路11調整天線匹配的效果較佳。

在實作上，以實現用於長期演進(Long Term Evolution，LTE)通訊系統的天線及無線通訊裝置為例，請參考第5圖及第6圖，其分別為天線本體的史密斯圖(Smith Chart)以及電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)圖。設計者將倒F天線或平面倒F天線設置於機殼內部時，可先將天線本體(即輻射部RAD)的輸入阻抗調整至電感性集中，第5圖所示的量測波形完全落在史密斯圖的上半部，因此可知天線本體於此時的輸入阻抗不包含電容性成分並呈現電感性集中。如第6圖所示，設計者同時根據長期演進通訊系統的操作頻段(704~960MHz、1710~2700MHz)，將電壓駐波比的最低值調整至大約為操作頻段的中心頻率附近(約2GHz)。接著，設計者可將天線ANT耦接至可調式匹配電路11或31，以著手設計匹配單元110、112及114的電路架構以及電氣參數值。較佳地，設計者可優先設計具有固定電氣參數的固定式匹配單元112、114，以將天線匹配優化至適合可調式匹配單元110的匹配模態，再針對特定操作頻段或頻寬需求，透過可調式匹配單元110進行天線匹配的微調動作，使天線匹配得以保持在最佳化狀態，如此即可設計出適用於長期演進通訊系統的天線及無線通訊裝置。

請參考第7圖，其為天線ANT搭配可調式匹配電路31時的電壓駐波圖。如第7圖所示，在長期演進通訊系統的操作頻段範圍內，天線ANT的電壓駐波比大致低於或落在3附近，表示天線ANT可收發在長期演進通訊系統的操作頻段範圍內的無線訊號，以支援長期演進通訊系統。

因此，本發明可進一步歸納出一套開發流程，以將可調式天線實現於不同類型或型號的無線通訊裝置。開發流程可包含下列步驟：

(1)將天線本體設置於機殼內部並調整天線本體，使其對應在操作頻段的中心頻率(或中心頻率附近)的輸入阻抗呈現電感性集中。

(2)將可調式匹配單元耦接至天線本體，以及設定可調式匹配單元的原始電氣參數以及調整範圍，讓天線本體最後的等效輸入阻抗及電壓駐波比等天線特性隨著可調式匹配單元的運作而變化。

值得注意的是，設計者執行步驟(1)之後，並在執行步驟(2)之前，可將固定式匹配單元耦接至天線本體，以及設計固定式匹配單元的電路架構及電氣參數，讓天線本體於此時的等效輸入阻抗及電壓駐波比等天線特性大致符合操作頻段。因此設計者在進行步驟(2)時，可針對部分操作頻段的天線特性進行微調，以提昇可調式匹配電路調整天線匹配的靈活度以及精確度。

此外，請回到第4圖，輻射部RAD的體積可大致上小於等於55*10*7立方毫米，而接地部GND的面積可大致上小於等於55*80平方毫米。設計者可在此空間限制條件下，依照上述開發流程，將天線整合入無線通訊裝置的機殼內部，再搭配可調式匹配電路動態調整天線的匹配，以確保天線匹配保持在最佳化狀態。如此一來，即可達到兼顧天線與產品機殼的整合性、天線的頻寬需求以及無線通訊品質之目的。

總而言之，本發明的無線通訊裝置可隨時偵測來自基地台的接收訊號，判斷天線目前的匹配是否為最佳化狀態，以動態地調整天線匹配，來達到天線匹配保持在最佳化狀態之目的。同時在實作上，本發明歸納出一套開發流程，設計者可在特定空間限制條件下，依照開發流程將天線整合入無線通訊裝置的機殼內部，再搭配可調式匹配電路動態調整天線的匹配，以確保天線匹配保持在最佳化狀態。如此一來，即可達到兼顧天線與產品機殼的整合性、天線的頻寬需求以及無線通訊品質之目的。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。