使用平衡天线的平台减噪方法

摘要

一种平衡天线被集成到诸如膝上计算机之类的无线移动设备中以改善天线接收。该天线连接至射频(RF)互连电缆。平衡-不平衡转换器设置在天线与电缆之间。通过使用平衡天线，无线移动设备的母板和显示器所产生的噪声被天线捕获的那部分相比不平衡天线所捕获的部分而言被显著减少，从而不被天线捕获。

权利要求

1.一种天线系统，包括：

a)包括母板和显示器的无线移动设备；

b)设置在所述无线移动设备内部的平衡双极天线，所述平衡双极天线耦合至不平衡电缆，所述电缆将所述天线耦合至接收器、发射器或设置在所述无线移动设备中的发射器/接收器，其中所述天线被包封在所述无线移动设备内，所述平衡双极天线包括：b1)左臂，包括朝向第一方向的五个左臂部分，所述五个左臂部分互相之间平行放置，并且这些左臂部分在交替的尾部通过四个左臂正交放置的部分互相连接，其中这些左臂部分以及其正交部分是在同一个平面内的；

b2)右臂，包括朝向所述第一方向的五个右臂部分，所述五个右臂部分互相之间平行放置，并且这些右臂部分在交替的尾部通过四个右臂正交放置的部分互相连接，其中这些右臂部分以及其正交部分是在同一个平面内的，并且是在和左臂部分以及其正交部分处在相同的平面内的；

b3)第一连接器；以及

b4)第二连接器；以及

c)耦合在所述天线与所述电缆之间的平衡-不平衡转换器，所述平衡-不平衡转换器包括：c1)要耦合至所述电缆的不平衡输入；

c2)要耦合至所述第一连接器的第一平衡输出信号；以及c3)要耦合至所述第二连接器的第二平衡输出信号。

2.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述天线能成功地接收频率处于

470MHz与862MHz之间的数字电视信号。

3.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述天线能成功地接收频率处于

2.4GHz与2.48GHz之间的无线因特网信号。

4.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述天线能成功地接收频率处于

450MHz与900MHz之间的超高频电视信号。

5.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述不平衡电缆是射频互连电缆。

6.如权利要求5所述的天线系统，其特征在于，所述射频互连电缆是广濑同轴电缆。

7.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述显示器是液晶显示器。

8.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述无线移动设备是膝上计算机。

9.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述不平衡电缆设置在所述显示器后面、所述显示器与所述无线移动设备的外壳之间。

10.一种在具有显示器的无线移动设备内部使用的天线系统，所述天线系统包括：包括左臂和右臂的平衡双极天线，其中所述左臂和所述右臂对称，所述左臂包括互相之间平行放置的五个左臂垂直朝向部分，并且这些左臂垂直朝向部分在交替的尾部通过四个左臂水平放置的部分互相连接；

将所述平衡双极天线耦合至接收器、发射器或发射器/接收器的不平衡电缆；

耦合在所述平衡双极天线与所述不平衡电缆之间的平衡-不平衡转换器，所述平衡-不平衡转换器进一步包括：要耦合至所述电缆的不平衡输入；

要耦合至第一连接器的第一平衡输出信号；

要耦合至第二连接器的第二平衡输出信号；

其中所述平衡双极天线、所述不平衡电缆以及所述平衡-不平衡转换器位于所述无线移动设备内部。

11.如权利要求10所述的天线系统，其特征在于，所述不平衡电缆是射频互连电缆。

12.如权利要求11所述的天线系统，其特征在于，所述射频互连电缆是广濑同轴电缆。

13.如权利要求10所述的天线系统，其特征在于，所述平衡双极天线和所述平衡-不平衡转换器是使用相似材料同时制造的。

14.如权利要求10所述的天线系统，其特征在于，所述平衡-不平衡转换器是成品零件。

15.一种无线移动设备，包括：

液晶显示器；

包括两个对称臂的平衡双极天线，所述两个对称臂中的每一个均包括：朝向第一方向的五个部分，所述五个部分互相之间平行放置，并且这些部分在交替的尾部通过四个正交放置的部分互相连接；以及耦合在所述平衡双极天线与电缆之间的平衡-不平衡转换器，所述电缆设置在所述液晶显示器后面和所述液晶显示器与所述无线移动设备的外壳之间，所述平衡-不平衡转换器进一步包括：要耦合至所述电缆的不平衡输入；

要耦合至所述平衡双极天线中的第一连接器的第一平衡输出信号；

要耦合至所述平衡双极天线中的第二连接器的第二平衡输出信号；

其中所述电缆将所述天线耦合至接收器、发射器、或发射器/接收器。

16.如权利要求15所述的无线移动设备，其特征在于，所述电缆是不平衡广濑同轴电缆。

17.如权利要求16所述的无线移动设备，其特征在于，所述接收器成功地接收数字电视信号。

说明书

使用平衡天线的平台减噪方法

技术领域

[0001] 本申请涉及天线，更具体地涉及无线移动设备中的天线操作。

[0002] 背景

[0003] 无线通信的性能高度依赖于通信设备的平台噪声水平。系统板和显示器都是移动设备中的已知的平台噪声源。无论使用什么调制方案，设备的范围和吞吐量都主要由信噪比(SNR)决定。连接至无线移动设备的天线从设备平台拾取噪声，从而不利地影响该设备的无线通信。时钟信号即一种电磁干扰(EMI)源可被天线接收，像在设备内传输的其它信号可被天线接收一样。

[0004] 常规的天线系统使用具有大接地面的不平衡天线，如图1所示。接地面是发射元件的一部分，其广泛地收集平台噪声。常规的不平衡天线发射/接收不仅来自天线/接地面元件，还来自通常植入无线移动平台内部的射频(RF)互连电缆，这是由天线的不平衡馈电引起的。

[0005] 因此，存在对可用于无线移动设备中且受设备噪声影响最小的天线的持续需要。

[0006] 附图简述

[0007] 通过参照结合附图的以下详细描述，本发明的上述方面和许多伴随优点将变得更加容易理解，而且本发明也变得更好理解，在全部附图中，相同的标记表示相同的部件，除非另作说明。

[0008] 图1是根据现有技术的不平衡平面倒F形天线的示意图；

[0009] 图2是根据某些实施例的移动减噪系统的示意图；

[0010] 图3是根据某些实施例的在用于无线因特网连接的图2的移动减噪系统中使用的平衡双极天线的示意图；

[0011] 图4是根据某些实施例的在用于数字电视的图2的移动减噪系统中使用的平衡弓带状双极天线的示意图；

[0012] 图5是根据某些实施例的在用于数字电视的图2的移动减噪系统中使用的连接至商用平衡-不平衡转换器的第二平衡弓带状双极天线的示意图；

[0013] 图6是根据某些实施例的将图1的不平衡天线与图3的平衡双极天线进行比较的频率与噪声的曲线图；

[0014] 图7是根据某些实施例的用于测试集成到图2的移动减噪系统中的图3的DTV天线的噪声功率测量配置；以及

[0015] 图8是根据某些实施例的将图1的不平衡天线与图4的平衡弓带状双极天线进行比较的频率与噪声的曲线图。

[0016] 详细描述

[0017] 根据此处所描述的实施例，平衡天线被集成到无线移动设备中用于减噪。作为示例，该无线移动设备可以是膝上计算机。在某些实施例中，平衡双极天线被放置在膝上计算机内部用于无线因特网连接。该天线连接至射频(RF)诸如同轴电缆之类的互连电缆。在天线与电缆之间设置了平衡-不平衡转换器。在其它实施例中，平衡弓带状双极天线被放置在膝上计算机内部用于数字电视支持。同样，使用了平衡-不平衡转换器来平衡天线与RF互连电缆。通过使用如此处所描述而配置的平衡天线，母板和无线移动设备的显示器所产生的噪声被天线捕获的部分相比于不平衡天线所捕获的部分而言被显著减少。此外，RF互连电缆的外导体的表面电流以及来自无线移动设备的接地平面的辐射被抑制，因此总噪声功率被最小化。

[0018] 图1是现有技术的平面倒F形天线(PIFA)系统70——此处也称为天线70的图示。天线70包括天线元件72和接地面74。天线70是不平衡天线的示例。天线元件72是F形的，具有齿部84、86以及88，其中最后一个齿连接至接地面74。天线70连接至具有外导体82和内导体78的不平衡同轴电缆76，其中同轴电缆76连接至发射器、接收器或发射器/接收器(未示出)的组合。外导体82连接至天线70的接地面74，而内导体78连接至天线元件72的齿部86。

[0019] 通过将同轴电缆76连接至天线70，天线发射。然而，除天线元件72按计划发射之外，天线70的接地面74从而其所连接的同轴电缆76也会发射。在噪声源接近天线和/或同轴电缆的位置，信噪比(SNR)被降低，从而导致天线70的范围和吞吐量减小。当天线70在诸如笔记本电脑之类的无线设备中使用时，未考虑来自母板(也称为系统板)和视频显示器的噪声影响而定位天线70和同轴电缆76。就无线移动设备而言，这样的定位是不成功的，因为天线/接地面/互连电缆收集噪声，从而导致性能降低。

[0020] 由于噪声源的原因(最显著的是母板和显示器)，因此在无线移动设备内定位天线70一般是不成功的。除母板是噪声源之外，诸如液晶显示器(LCD)系统之类的显示设备引发被同轴电缆76以及天线元件72收集的噪声。母板和LCD的噪声水平降低SNR，从而连接至天线70的发射器、接收器或发射器/接收器仅能处理极高功率的信号。

[0021] 为解决此问题，可在无线移动设备内设置平衡天线，同时保持高SNR。图2是根据某些实施例的移动减噪系统100的示意图。移动减噪系统100包括无线移动设备20和内置天线系统200。移动无线设备20看起来是膝上计算机，但也可以是许多种类型的无线移动设备中的一种，这些设备包括但不限于个人数字助理(PDA)、超移动个人计算机(UMPC)、移动因特网设备(MID)以及蜂窝电话。

[0022] 图2的无线移动设备20包括诸如液晶显示器(LCD)之类的显示器22。内置天线系统200包括天线50、射频(RF)互连电缆24以及平衡-不平衡转换器40。内置天线系统200向无线移动设备20发射无线信号，并从无线移动设备20接收无线信号。虽然示意性地描述为设置在无线移动设备20的显示器上方，但天线50实际可设置在设备的外壳之下。天线50可定位于显示器22之上、显示器之下，诸如在显示器与母板之间(例如在膝上计算机的基座与显示器之间的接合处)、在显示器的任一侧、或在显示器底座侧与外塑料壳之间。因此，在这种配置下，内置天线50对无线移动设备20的用户不可见，但仍可操作。

[0023] 以下在图3、4以及5中进一步描述天线系统200。天线系统200的部件即RF互连电缆24设置在无线设备20的显示器22后面。在图2中，虚线表示RF互连电缆24在显示器22后面的一个可能位置。在某些实施例中，RF互连电缆24设置在显示器22的背面与无线设备20的诸如塑料外壳之类的外壳之间。RF互连电缆24可以是诸如同轴电缆或双绞电缆之类的多种电缆中的任一种。在某些实施例中，RF互连电缆24是广濑(Hirose)同轴电缆。

[0024] 如上所述，图1的天线70在图2所示的配置下不能成功发射，这是因为天线元件72和同轴电缆76与膝上计算机中的噪声源之间的接近度引起的SNR降低而引起的。(虽然天线70能接收计划的信号，但接收器接收由于噪声而显著衰减的信号，该信号不足以进行处理。其影响是天线70因此不能在膝上计算机环境中“工作”)。天线系统200的两个部件与天线70的部件不同。首先，图2中的天线50是没有接地面的双极天线。接着，平衡-不平衡转换器40设置在天线50与RF互连电缆24之间，其防止电缆变成双极天线的“第三臂”而从周围环境收集噪声。

[0025] 平衡-不平衡转换器40将天线50连接至RF互连电缆24，该电缆24馈送至接收器、发射器或发射器/接收器组合(未示出)。平衡-不平衡转换器是将平衡器件连接至不平衡器件的一种类型的变压器。因此，单词“平衡-不平衡转换器”是单词“平衡”和“不平衡”的组合。平衡线路是具有带有相反方向的相等电流的两个导体的线路。换言之，两个导体相对于地具有同一电压。双绞电缆是平衡线路的示例。不平衡线路是包括一个导体和接地的线路。同轴电缆是一种类型的不平衡线路。平衡-不平衡转换器可将不平衡信号转换成平衡信号，反之亦然。平衡-不平衡转换器的应用之一是将平衡的双极天线连接至不平衡的同轴传输线路。平衡-不平衡转换器将来自同轴电缆的信号分成两个相等的信号，以在天线的两极上传输。平衡-不平衡转换器还提供两个相等的信号，其中一个信号具有预定相，而另一个信号相对于该预定相具有180度的相差。

[0026] 平衡-不平衡转换器40被包括在内置天线50中以减轻无线移动设备20中的噪声。在某些实施例中，实验结果示出将平衡-不平衡转换器与天线50一起使用能显著减少无线移动设备的显示器所产生的噪声。以下进一步详细描述的图6和8说明使用无线减噪系统100中的天线系统200的减噪程度。

[0027] 在某些实施例中，图2的无线减噪系统100将不同的天线50用于不同的应用，其中根据相应应用的频率范围来最优地选择天线。例如，在某些实施例中，无线减噪系统100将平衡双极天线50A(图3)用于无线因特网连接，而将平衡弓带状双极天线50B(图4)或50C(图5)用于数字电视(DTV)应用。(天线50A、50B以及50C在本文中统称为天线50；同样，平衡-不平衡转换器40A、40B以及40C在本文中统称为平衡-不平衡转换器40)。最优选择不同的天线以在不同的频率下工作。无线因特网连接在2.4与2.48GHz之间的范围下工作，而数字电视在470与862MHz之间工作。标准的超高频(UHF)电视信号在450-900MHz的范围中工作。通过简单地调节天线系统200的天线50的特性，无线减噪系统100由此可工作于多个频率范围。本领域的天线设计者理解可如何实现相对于计划信号的波长来调节天线的臂长。

[0028] 图3是根据某些实施例的在用于无线因特网连接的图100的移动减噪系统100中使用的平衡双极天线系统200A的示意图。该天线系统200A包括平衡双极天线50A、平衡-不平衡转换器40A以及RF互连电缆(未示出)。平衡双极天线50A包括左臂32和右臂34，用于无线接收射频(RF)信号或用于无线地发射RF信号。左臂和右臂是对称的，并且左臂32包括朝向第一方向的五个部分(带状部分或节状部分)，该五个部分互相之间平行放置，并且在交替的尾部通过四个正交放置的部分互相连接，其中该五个部分和四个正交的部分是在同一个平面内的。类似的，右臂34包括朝向相同第一方向的五个部分，该五个部分在交替的尾部通过四个正交放置的部分互相连接，所有的各个部分都是在同一个平面内的。在图3中，五个部分被放置在垂直方向上而四个部分放置在水平方向上。连接器36、38分别从臂32、34延伸以连接至平衡-不平衡转换器40A。

[0029] 平衡-不平衡转换器40A包括要连接至RF互连电缆(未示出)的不平衡输入(1)，和要连接至天线50A的连接器36、38的两个平衡输出信号(3，4)。从连接器36、38接收的信号是相同的。双极天线50A没有接地面。表1示出了平衡-不平衡转换器40A的端子功能。

[0030] 表1：平衡-不平衡转换器40A的端子功能。

[0031]端子 功能
1 不平衡端口
2 接地或直流馈送+RF接地
3 平衡端口
4 平衡端口
5 接地
6 无连接

[0032] 图4是根据某些实施例的在用于数字电视(DTV)应用的无线减噪系统100中使用的平衡弓带状双极天线系统200B的示意图。该天线系统200B包括平衡弓带状双极天线50B、平衡-不平衡转换器40B以及RF互连电缆(未示出)。平衡弓带状双极天线50B包括左臂52和右臂54，用于无线接收射频(RF)信号或用于无线地发射RF信号。微波带线56、
58分别从天线臂62、64延伸以连接至平衡-不平衡转换器40B。

[0033] 平衡-不平衡转换器40B包括具有四分之一波长的单支节64的不对称的微带耦合线62和66，这两者分别从微带线56延伸至左天线臂52和从微带线58延伸至右天线臂54。上不对称微带耦合线62通过其远端的通孔60具有与微带线的连接，其将平衡-不平衡转换器电路接地。具有不平衡输入端口68的下不对称微带耦合线66具有通过通孔64与四分之一波长的单支节的连接，其连接平衡-不平衡转换器电路的接地面，微带耦合线66与平衡-不平衡转换器电路均从微带线56和天线左臂52延伸。从天线臂52、54两者接收到延伸的微带线56、58的信号分别是相等的。参照天线50B的接收操作，从天线臂52、54接收的信号在呈现给平衡-不平衡转换器40B时具有相同的大小和180度的异相。

[0034] 当天线50B是移动减噪系统100的一部分时(图2)，不平衡RF互连电缆24将耦合至不平衡输入端口68。弓带状双极天线50B没有接地面。在某些实施例中，平衡-不平衡转换器40B与天线50B在同一表面上制造。通过将天线50B和平衡-不平衡转换器40B制造在一起，可实现优于附连场外的平衡-不平衡转换器的显著成本节省(例如参见以下的图5)。

[0035] 替代地，根据某些实施例，如图5所示，移动减噪系统100可采用天线系统200C。该天线系统200C包括双极天线50C、成品平衡-不平衡转换器40C以及RF互连电缆(未示出)。诸如当没有用于图4中的天线和微带线平衡-不平衡转换器40B的内部空间时，双极天线50C可与平衡-不平衡转换器40C一起使用。在某些实施例中，双极天线50C优选用于DTV应用，而平衡-不平衡转换器40C可买到。在无线减噪系统100中(图2)，平衡-不平衡转换器40C的平衡端口1、2分别连接至天线50C的连接器96、98中的一个。平衡-不平衡转换器40C的不平衡端口3连接至RF互连电缆24的内导体，而平衡-不平衡转换器的接地端口4连接至电缆24的外导体。

[0036] 作为无线减噪系统100的一部分的天线系统200的实验测量结果示出使用具有相应平衡-不平衡转换器40的双极天线50(图3、4以及5)对减噪的惊人改进。例如，在图6中，可买到的不平衡PIFA(未示出)的性能与移动减噪系统100(图2)中的平衡双极天线50A(图3)形成对照。曲线图120绘制了各个天线中测得噪声的频率(GHz)与噪声(dBm)的关系，其中天线在移动减噪系统100中工作，而测量是从集成在LCD显示器22附近的天线进行的。噪声在2.4～2.48吉赫兹(GHz)的频率下测得，如X轴所示。(这是无线因特网连接的频率范围。)Y轴是以分贝(参照毫瓦)或dBm表示的测得噪声水平。优选较低的噪声水平。

[0037] 陶瓷平衡-不平衡转换器接口用于在平衡双极天线50A中提供180度的异相。各个天线50A和70由与RF互连电缆24相同的单根hirose同轴电缆馈电。

[0038] 在产生曲线图120之前，测量了具有定位于多个不同位置的天线50A和70的无线移动设备20的噪声，其中样本之一产生曲线图120。该曲线图120示出了平衡天线50A降低了整个频率范围上的噪声，其中最大差别为四分贝(4dB)。除宽带噪声降低之外，如箭头所示的平衡天线50A的窄带噪声相比常规天线70而言被降低高达11dB。

[0039] 图7示出了根据某些实施例的设置在图2的移动减噪系统100中的平衡天线50C的噪声测量设置。RF互连电缆24是耦合在天线50C与无线电模块之间的单根hirose电缆。(虽然未示出，但无线电模块也在膝上计算机20内部)。室128包围膝上计算机20，从而将天线50C、电缆24以及膝上计算机20从电磁干扰(EMI)屏蔽开。如图所示，Hirose电缆24连接至外部同轴电缆130。在EMI屏蔽盒128中测得平台噪声，并在谱分析仪126中记录该噪声。

[0040] 图8是示出使用图7的配置对两个不同天线在450到900MHz的超高频率(UHF)上测得的噪声功率。曲线图140绘制了X轴上的频率(MHz)与Y轴上的dBm之间的关系，该曲线图归一化至毫瓦(0dBm→1mW)。较低的噪声功率量相对于较高的噪声功率量可被解释为良好的无线工作状态。在测量期间，膝上计算机20打开并运行Windows XP。(Windows XP是华盛顿州雷蒙德市的微软公司的产品。)黑色实线图表示从诸如图1的天线70之类的集成PIFA接收到的噪声谱。中等灰度的点线图是当LCD显示器22电源关闭(但膝上计算机20仍开启)时从天线70测得的噪声谱。当LCD显示器22开启时，噪声水平存在显著的差别，这证实了从LCD电路的决定性噪声发射。

[0041] 低灰度的点线图示出了当LCD显示器22开启时在具有场外平衡-不平衡转换器作为平衡馈电的双极天线50C的情况下测得的噪声功率。宽带噪声现在在感兴趣的整个频带上被降低超过10dB，而在窄带干扰中被降低超过20dB。

[0042] 如图8所示，测得的数据与2.4～2.48GHz下测得的数据相关联。该曲线图140证实，平衡双极天线50C减轻了无线移动设备中的噪声，而且可扩展至任何频带。平衡双极天线50A、50B以及50C的成本与常规的PIFA天线70的成本相当。然而，与天线70相比，平衡双极天线50提供与无线移动设备中的低噪声内部集成。

[0043] 具有平衡双极天线50的天线系统200可以是用于在对无线移动设备作最少修改的情况下减轻平台噪声以改善无线性能的有用的低成本解决方案。该天线系统200在膝上计算机和其它移动因特网设备(MID)平台中是有吸引力的。原始设备制造商(OEM)会对该技术感兴趣。

[0044] 根据某些实施例，通过在膝上计算机20中用平衡天线50A(图3)、50B(图4)或50C(图5)代替不平衡天线70(图1)，证实了对减噪的显著改善。例如，对用于WiFi/WiMAX的2.4GHz频率和用于DTV应用的470～862MHz频率的测量结果表现出这样的改善。

[0045] 在某些实施例中，天线系统200通过降低无线设备的天线端口处的平台噪声的大小而显著提高了无线通信的吞吐量和范围。减轻噪声的一般途径包括使用屏蔽、使用自适应时钟、以及降低移动设备的平台的噪声水平。使用平衡双极天线50相比这些替代途径而言更便宜和更简单。

[0046] 在某些实施例中，天线系统200以良好的信噪比(SNR)实现了膝上计算机中的内置数字TV天线装置，从而提供了与使用外置天线配置可获得的信号相当或比其更好的良好TV信号。当前，外置天线用于膝上计算机中的DTV接收，这是因为常规不平衡天线获得的平台噪声水平高。外置DTV天线提高了膝上计算机的成本和复杂程度，这是计算机OEM厂商期望避免的。由于在膝上计算机配置中使用具有低噪声的内置天线，所以OEM和无线公司优选减噪的嵌入式DTV天线。

[0047] 天线系统200通过降低接收器的噪声敏感度而增大了诸如DTV、无线局域网(WLAN)等等之类的操作覆盖范围。将平衡双极天线50用于DTV的实验研究在屋顶高度处(地面以上10m)产生了90dB uV/m的信号强度，而不平衡内置天线70拾取15dB的平台噪声。该结果解释了当使用不平衡内置天线时，在单元的给定位置处接收令人满意的信号(即覆盖概率)可能从100％减少至小于50％的原因。在某些实施例中，使用平衡双极天线50降低天线处拾取的噪声12dB(即3dB接收器噪声灵敏度)将覆盖概率提高至90％。因此，控制噪声拾取对固定发射功率(广播系统)下的链路预算具有直接和有益的影响。这允许覆盖范围扩展(小于50％到高于90％的覆盖概率)。

[0048] 结合多样性，实验结果表明利用内置天线解决方案获得类似于单个外置天线的性能的概率。内置(嵌入式)双极天线50可用于DTV、UHF、无线因特网以及移动平台中的其它无线技术。与仅将外置天线用于无线移动设备的当前范例对比，嵌入式内置天线会显著提高用户方便程度，同时仍允许有吸引力的工业设计。在移动平台底座中集成数字TV天线的能力会是膝上计算机OEM商的显著分化特征。

[0049] 虽然已经关于有限个实施例描述了本申请，但本领域技术人员将会理解从中得出的多种修改和变化。所附权利要求旨在覆盖落入上述描述的真实精神和范围中的所有这些修改和变化。