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一种天线设备(1)包括非导电基板(2)，其中天线采取印刷在非导电基板的一侧或者两侧的导电图案的形式。导电印刷图案包括天线元件(5)和无源天线臂(115)，天线元件(5)被配置成在接地连接(13，13’)处电连接到共平面的接地层(8)并进一步被配置成在馈源连接处电连接到发射机/接收机，所述无源天线臂在无源天线臂接地连接(116)处连接到共平面的接地层。包括接地的寄生共振导电元件的SAR降低系统被置于非导电基板的一侧，并被适配成与无源天线臂耦合并降低由天线元件在预定频率处所生成的电磁场。

1.  一种无线电发射设备，包括外壳和内部驱动天线并进一步包括在所述外壳内的内部寄生天线形式的SAR降低组件，其特征在于，所述内部驱动天线在被馈送了预定无线电信号时，当所述设备在典型的使用条件下接近用户的身体的某些部位时，生成在所述天线附近具有比吸收率(SAR)峰值的RF电磁场，所述SAR降低组件位于所述SAR峰值处或其附近，其中所述寄生天线被调谐，以生成具有与由所述驱动天线所生成的RF电磁场的振幅和相位关系的RF电磁场，从而造成所述SAR峰值降低。

2.  一种天线设备，包括驱动天线并进一步包括寄生天线形式的SAR降低组件，所述驱动天线包括布置在包括导电接地层的宿主印刷电路板(PCB)电介质基板的无接地层区域上的至少一个导电轨，其中所述驱动天线连接到RF馈源，所述寄生天线连接到所述导电接地层并被调谐以在与所述驱动天线的峰值比吸收率测量值的频率处或在其附近共振。

3.  如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述驱动天线被形成单独的电介质基板上，所述单独的电介质基板在所述无接地层区域中被表面安装到所述宿主PCB基板上。

4.  如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述驱动天线包括被配置为在单独的电介质基板的一侧或两侧形成的一个或多个导电轨的多频带天线，其中所述电介质基板在所述无所述接地层的区域中被表面安装到所述宿主PCB基板上。

5.  如权利要求2到4中任一项所述的设备，其特征在于，所述SAR降低组件被印刷或蚀刻或以其他方式形成在电介质基板上或在宿主PCB上。

6.  如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述阻抗电路是能电调谐的。

7.  如权利要求5到6中任一项所述的设备，其特征在于，所述阻抗电路被配置成在与所述峰值吸收率相对应的频率处具有低阻抗，而在所述设备的其他操作频率处具有高阻抗。

8.  如权利要求2到7中任一项所述的设备，其特征在于，所述SAR降低组件位于所述宿主PCB的与所述驱动天线所在的表面相对的表面上。

9.  如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述SAR降低组件包括在单独的电介质基板上形成的导电轨，所述单独的电介质基板被表面安装在所述宿主PCB的与所述驱动天线所在的表面相对的表面上。

10.  如任何前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述SAR降低组件不与所述驱动天线共平面。

无线电发射设备中的SAR降低
技术领域
本发明涉及被配置成在一个频带具有降低的比吸收率(SAR)而不会显著影响作为整体的天线设备的性能的多频带天线设备。具体而言，而非穷尽性地，本发明的各实施例可以用作便携式和移动计算平台、平板以及智能电话的双频带或多频带Wi-Fi天线。
背景
诸如膝上型计算机、笔记本以及平板计算机之类的现代便携式计算设备常常具有用于与Wi-Fi网络、蜂窝式无线电网络等等进行通信的若干个天线。这些天线的重要设计参数是比吸收率(SAR)。SAR是有多少发射的射频(RF)电磁能量被人体组织所吸收的度量。
移动或便携式设备中的嵌入式天线可以方便地直接安装在无线电电路所使用的印刷电路板(PCB)上，例如，使用表面安装技术(SMT)天线。利用这样的安排，包括弹簧连接器或同轴电缆的额外组件是不需要的，并且组装过程被简化。然而，将天线直接安装在PCB上的缺点是，一般需要在天线周围的区域填充PCB的任何导电接地层中产生间隙。导电接地层中的间隙是需要的，以便增大操作频率带宽和提高天线的辐射效率。然而，这样的接地间隙的存在会显著增大由天线所产生的SAR值。在这样的安排中，甚至在天线安装在PCB的通常与人体发生接触的一侧的相对侧的情况下，SAR水平也会升高。
降低SAR值在便携式计算设备中是重要的，因为便携式计算设备常常在人体的附近使用(例如，膝上型计算机在使用时常常位于用户的膝上)。诸如便携式平板计算机之类的设备在使用时可以位于用户的手中，或者甚至靠近用户的头部。特定设备的SAR值通过对在比体积的组织内(诸如1g 或10g)单位质量的人体组织所吸收的RF能量取平均来测量。SAR的单位是W/kg或mW/g，为公众允许的峰值最大容许暴露量(MPE)由各个政府规定。欧洲的MPE SAR是在10g的组织内平均2.0mW/g，美国的MPESAR是在1g的组织内平均1.6mW/g。
如果特定设备的SAR值被标识为超出这些极限之外，那么，在设备中发射的功率量必须降低，或者天线设计必须改变。移动以及便携式设备的最小发射功率规范通过简单地降低设备中的发射功率，防止SAR值的降低。因此，必须标识用于降低天线的SAR值的替代方法。当需要降低天线在一个频带中的SAR而不会影响天线在另一个频带中的性能时，提升的SAR水平的问题在双频带天线中特别严重。降低便携式计算设备中的SAR的方法包括将天线凹陷在设备内以便避免与人体直接接触，将天线置于设备的不大可能与人体组织接触的部分，使用吸收或屏蔽(防护)材料，或使用超材料(meta-material)来降低朝向人体的辐射。
已知一种用于通过在手机的一端引入寄生单极天线来降低手机的相对一端的移动电话天线的SAR值的方法(参见“Parametric Study of Antenna with Parasitic Element for Improving the Hearing Aids Compatibility of Mobile Phones and the Specific Absorption Rate in the Head(具有用于改进移动电话的助听兼容性以及头部的比吸收率的寄生元件的天线的参数研究)”，I.B.Bonev，O.Franek，以及G.F.Pedersen，发布于Progress In Electromagnetics Research Symposium Proceedings，摩洛哥马拉喀什，2011年3月20-23)。
US 2008/254836 A1公开了一种通过将金属屏蔽板与主天线定位在手机的同一端来降低移动通信设备中的SAR值的方法，其中寄生金属板被短路到接地。Poutanen也公开了此方法(参见“Interaction between mobile terminal antenna and user(移动终端天线与用户的相互作用)”，MSc论文，赫尔辛基技术大学，2007年)。应该理解，金属板实际上只是接地面扩展，虽然与天线处于PCB的同一端，而并非在另一端。金属板被配置为护罩，并且不以任何方式调谐。
发明内容从一个方面来看，提供了包括外壳和内部驱动并进一步包括SAR降低组件的天线的无线电发射设备，其中所述内部驱动天线在被馈送了预定无线电信号时，当所述设备在典型的使用条件下接近用户的身体的某一部位时，在所述天线附近生成具有比吸收率(SAR)峰值的RF电磁场，所述SAR降低组件是所述外壳内的位于所述SAR峰值处或其附近的内部寄生天线的形式，其中所述寄生天线被调谐以生成与所述由所述驱动天线所生成的所述RF电磁场具有振幅和相位关系的RF电磁场，从而造成所述SAR峰值的降低。
各实施例适用于带有各种电气和机械配置的天线和天线系统。这些包括，但不仅限于，单极、倒F天线、平面倒F天线、槽缝天线、切口天线和磁偶极子(环路)天线。天线可以使用各种各样的制造方法来实现，包括但不仅限于，印刷电路技术、压制和成形金属，以及配备有电介质支撑的导电元件。
在基本水平，寄生天线被有利地配置为频带中的反射器，其中，任何特定不合乎需要的SAR峰值由驱动天线生成。将理解，SAR的大小将在空间上以及随着不同的频率而改变。相应地，给定天线可能在一个频率处在第一空间位置处具有第一SAR峰值，且在另一个频率处在不同的第二空间位置处具有第二SAR峰值。然而，一般发现，大多数设计良好的无线电发射设备往往在相对良好定义的频带中在相对良好定义的位置中具有可容易地标识的SAR峰值，但将明白，SAR峰值的位置以及其频率将需要通过测量来确定，而非从一开始就是已知的。
通过调整寄生天线的长度和形状或配置来调谐寄生天线，以便它生成相对于在频带中以及被确定为存在有问题的SAR峰值的空间位置中由驱动天线所生成的RF电磁场的经相移的RF电磁场，优选地基本上是反相的。换言之，寄生天线可以被配置成充当驱动天线的位于被确定为存在SAR峰值的空间位置的反射器。这与US 2008/254836的接地补片安排完全不同的操作机制，该接地补片安排没有被调谐辐射，并且当然不是在专门地选择以降低驱动天线的峰值SAR的频率和相位处。
应该理解，寄生天线的定位不仅仅由驱动天线的位置确定，而且还由在SAR将被降低的频率处SAR峰值的空间位置确定。尽管寄生天线和驱动天线有时可以处于面对或相互相对的空间关系，但是其他配置可能要求寄生天线位于驱动天线的侧面。再次，尽管寄生天线和驱动天线将常常位于不同的平面中，但是，它们在某些配置中可以共平面。
SAR降低组件可以是弯曲的(例如，可以是L形)或线性单极类结构，并可以例如采取导体棒的形式。可另选地，SAR降低组件可被配置成小环路天线。不排除其他配置。可以在电介质基板上或在宿主PCB上印刷或蚀刻或以其他方式形成SAR降低组件。可另选地，SAR降低组件可以是单独的金属组件或单独的镀金属塑料组件。
SAR降低组件连接到RF接地，例如连接到接地层(直接或者通过阻抗电路，如下面更详细地讨论的)，并被配置和/或被调谐以充当在与驱动天线的预定峰值比吸收率频率相对应的频率处的寄生共振器。
从另一个方面来看，提供了一种天线设备，所述天线设备包括驱动天线且进一步包括寄生天线形式的SAR降低组件，所述驱动天线包括布置在包括导电接地层的宿主印刷电路板(PCB)电介质基板的无接地层区域上的至少一个导电轨，其中所述驱动天线连接到RF馈源，所述寄生天线连接到所述导电接地层并被调谐以在与所述驱动天线的峰值比吸收率测量值相对应的频率处或在其附近共振。
驱动天线可以在宿主PCB基板上直接形成，或可以在单独的电介质基板上以厚片或薄片的形式来形成，该厚片或薄片被表面安装到宿主PCB基板上的无接地层区域中。
多频带天线可以按引人注意的方式得益于某些实施例。
天线设备可以包括被配置为在电介质基板的一侧或两侧形成的一个或更多导电轨的驱动多频带天线，而电介质基板可以被表面安装在无线电设备的印刷电路板(PCB)的第一表面上。
无线电设备的宿主PCB具有至少一个导电接地层，但是，至少在驱动天线的电介质基板下面的区域缺少导电接地层。驱动多频带天线的各导电 轨中的至少一个连接到RF馈源。多频带天线的该至少一个导电轨，以及可任选地其他导电轨，可以连接到导电接地层。以寄生天线形式提供了SAR降低组件，所述寄生天线连接到所述导电接地层并被调谐以在与所述多频带天线的峰值比吸收率测量值相对应的频率处或在其附近共振。
可以按适当的方式在电介质基板上印刷或蚀刻或以其他方式形成导电轨。导电轨中的至少一个可被形成为包括天线元件的平面倒F天线(PIFA)，所述天线元件被配置成在接地连接处电连接到共平面的接地层并进一步被配置成在馈源连接处电连接到发射机/接收机。附加导电轨可被形成为无源天线臂，所述无源天线臂在无源天线臂接地连接处连接到共平面的接地层。
SAR降低组件可以位于驱动天线的电介质基板的下面的区域中的PCB的第一表面或者相对的第二表面。SAR降低组件可以被印刷、蚀刻或以其他方式形成在电介质基板上，所述电介质基板被表面安装(例如，焊接或回流)在PCB的第一或第二表面上。可另选地，在电介质基板被表面安装到PCB之前，可以在其上面形成了驱动天线的电介质基板的下表面上形成SAR降低组件。在某些实施例中，可以在其上面形成了驱动天线的电介质基板的上表面上形成SAR降低组件，或将SAR降低组件包含在电介质基板中。例如，可以在三层电介质基板的一层或两层上形成驱动多频带天线，可以在第三层上形成SAR降低组件。
一般而言，优选的是，SAR降低组件位于PCB的与其上安装驱动天线的表面相对的表面上。这是因为，当无线电设备正在被使用时，这可能对应于朝用户的头或身体的方向的SAR峰值。
尽管上文所描述的各实施例会有效地降低给定频带中的峰值SAR而不会影响多频带天线在该频带的效率，但是有可能出现以下情况：SAR降低组件可能会影响多频带天线在另一个操作频带中的性能。例如，在2.4-2.5GHz/4.9-5.9GHz双频带天线中，已经发现，调谐到在5.8GHz共振以降低在该频率处的峰值SAR同时在该频带对天线效率具有很小影响的导电寄生元件确实降低了该双频带天线在2.4-2.5GHz频带中的效率。
通过经由阻抗电路将SAR降低组件电连接到接地层来解决此问题是可 能的。阻抗电路包括至少一个电容器和/或电感器。至少一个电容器和/或电感器可以是集总的组件，或者可另选地，它可以是通过在基板上以适当的已知方式印刷导电轨所产生的分布式组件。可以调谐阻抗电路，以便到接地层的连接在某些频率实际上是断路，而在其他频率是短路。例如，可以调谐阻抗电路，以在2.4-2.5GHz频带中看起来像断路，而在4.9-5.9GHz频带中看起来像短路。如此，4.9-5.9GHz频带中的SAR降低被维持，且2.4-2.5GHz频带中的效率基本上未受影响，因为没有显著的电流可以在该频带中在SAR降低组件中流动。
在某些实施例中，阻抗电路是可通过使用可变电容器来电调谐。诸如变容二极管、RF微机电系统(MEM)可变电容器，或钡钛酸锶(BST)可变电容器之类的可变电容器可以被用来调谐阻抗电路。
在多频带天线包括被配置为PIFA的导电轨和被配置为接地无源天线元件的附加导电轨的各实施例中，SAR降低组件可以被配置成与无源天线元件耦合，并在预定频率处降低由无源天线元件所生成的电磁场。
尽管在本申请中双频带Wi-Fi天线被用作示例，但是将理解，本发明同样适用于在其他频带工作的多频带天线，包括GSM、CDMA、WCDMA、LTE等等。
附图说明
在下文中，参考各个附图，进一步描述本发明的各实施例，其中：
图1是安装在宿主PCB上的双频带Wi-Fi天线；
图2示出了在16dBm的功率级在没有SAR降低的情况下在5.8GHz处测量到的SAR；
图3示出了带有SAR降低共振器的双频带天线；
图4示出了在16dBm的功率级别在带有SAR降低共振器的情况下在5.8GHz处测量到的SAR；
图5示出了在SAR降低之前在两个频带中的天线效率，带有印刷的SAR降低共振器和带有该共振器加滤波器电路；
图6示出了通过调谐电路接地以改善天线在低频带中的效率的共振 器；
图7示出了安装在带有SAR降低共振器的宿主PCB上的单频带天线；
图8示出了穿过图7的实施例的截面示意图；以及
图9示出了穿过替换实施例的截面示意图。
具体实施方式
图1示出了现有技术双频带天线设备1。天线设备1包括可以被表面安装到宿主PCB 3的无接地层区域4中的厚片或薄片类电介质基板2。宿主PCB 3，除支撑移动无线电设备的各种电子组件(未示出)之外，还包括具有与无接地层区域4交界的边9的导电接地层8。例如，在GB2487468A中进一步描述了这一类型的双频带天线的操作。天线设备1包括位于天线基板2的上表面上的第一导电轨5，以及位于天线基板2的下表面上的第二导电轨10。第一导电轨5在一端通过通孔12和接地连接13连接到接地层8。第一导电轨5的另一端通过通孔15和馈电连接7连接到RF馈源14。第一导电轨5被配置为平面倒F天线(PIFA)，并充当天线设备1的驱动臂。第二导电轨10通过接地连接13'在一端连接到接地层8，并被配置为天线设备1的无源臂。天线基板2通过回流或焊接被表面安装到无接地层区域4，且一般与宿主PCB 3共平面或平行于宿主PCB 3。天线设备1在Wi-Fi频带2.4-2.5GHz和4.9-5.9GHz中操作。
图2示出了如图1所示的天线设备的SAR测量值。测量值是使用SpeagiSAR2SAR测试系统作出的。测试是利用16dBm的输入功率级执行的。2.4GHz低频带的结果表明，测量到的SAR值在1.6mW/g的MPE限度内。然而，该图表还示出了4.9GHz高频带的结果，其中SAR值高于MPE限度。还观察到朝天线的中心的“热点”。峰值SAR值大约2.7mW/g。
图3示出了应用于图1的现有技术天线设备1的本发明实施例，其中相同部分与图1一样地标记。接地导电条带115位于宿主PCB 3的与在其上安装了天线基板2的表面相对的表面上。通常，宿主PCB的此表面将是与无线电通信设备(例如，平板计算机)的外壳最近的表面。导电条带115 通过接地连接116连接到接地层3。导电条带115位于由天线基板2覆盖的区域内，但是在宿主PCB 3的相对表面上。在如图3所示的实施例中，导电条带115具有弯曲的L形结构，但是在特定应用中其他结构也是有效的。导电条带的尺寸被确定为在5.8GHz处共振，这是在图2中观察到峰值SAR的频率。
添加在与SAR峰值投影到宿主PCB 3上的空间位置相对应的位置中且在SAR值的峰值出现的频率周围共振的寄生共振导电元件115(即，不直接连接到任何无线电)，会降低天线设备1的SAR值，而不会损害天线在该频带中的性能。这样的寄生元件115通过对其位置、结构和尺寸的选择来设计，以便通过与附近PIFA 5的电磁耦合而在它上面激励出RF电流，并且由寄生SAR降低元件115重新辐射的电磁场在峰值SAR出现的区域具有与来自PIFA 5的场大致相对的相位。通过此手段，由PIFA 5所生成的电磁场在峰值SAR以前出现的区域被显著地降低。由于SAR值与局部电场或磁场的大小的平方成比例，从而降低局部电场或磁场会降低峰值，且平均SAR值也降低。
图4示出了，向天线设备1添加寄生共振导电元件115会将对应的天线SAR值降低到MPE限度内。峰值SAR值大约是1.2mW/g，并且因此低于MPE。
应该指出的是，虽然该方法是利用特定类型的天线示出的，但是它也适用于许多其他不同类型的天线，这些天线是印刷在基板的一侧或两侧的导电图案的形式并区域4中直接固定到设备PCB 3，在区域4中接地层8被移除以允许天线1在所需的频率带宽内有效地辐射。
虽然所示出的降低SAR的方法在降低给定频带中的峰值SAR方面是有效的，而不会影响天线在该频带的效率，但是有可能出现以下情况：对于多频带天线，寄生元件影响不同频带中的天线性能。例如，在双频带Wi-Fi天线的说明性示例中，共振器具有在2.4GHz频带降低天线效率达从大约50％到大约20％的均值的效果。图5示出了在添加SAR降低设备之前天线设备在两个频带中的天线效率的图表，带有印刷的SAR降低共振器且带有 共振器加上附加滤波器电路。
图5示出了在共振元件115通过被调谐以在2.4GHz频带提供高阻抗并在5GHz频带提供低阻抗的L-C电路217连接到接地的情况下，如何恢复低频带的效率。图6示出了此特定安排，其中导电共振器115通过包括电感器218和电容器219的阻抗电路217(该阻抗电路217被调谐，以在2.4-2.5GHz频带看起来像高阻抗，且在4.9-5.9GHz频带看起来像低阻抗)连接到接地层8的边9。如此，在5GHz频带中的SAR降低得到维持，而2.4GHz频带未受影响。在图5中示出了低频带效率的这一改善。
图7示出了一般性地类似于图3实施例的天线设备的天线设备1'(相同部分与图3一样地标记)，但是采用导电轨形式的单频带驱动PIFA天线5。在电介质基板2的上侧形成PIFA天线5，电介质基板2被表面安装到宿主PCB 3的区域4中，区域4没有否则在宿主PCB 3上延伸的导电接地层8。导电L形棒115形式的寄生SAR降低元件被布置在宿主PCB 3的下侧，并在连接116处连接到接地层。将理解，不必在单独的基板2上形成PIFA天线5，而是可以直接在宿主PCB 3的无接地层的区域4上形成，其中在宿主PCB 3的下侧带有寄生SAR降低元件。
图8是穿过图7的实施例的截面示意图。在此示例中，宿主PCB 3具有两个导电接地层8，一个位于上侧，一个位于下侧。在无接地层区域4，在宿主PCB 3的上侧提供固态电介质基板2，驱动天线5被示为处于固态电介质基板2的上侧(位置“c”)。在此安排中，SAR降低元件优选地位于固态电介质基板2的下侧(位置“b”——115')或在宿主PCB 3的下侧(位置“a”——115)。如果驱动天线5在电介质基板2的上侧和下侧延伸(位置“b”和“c”——如在图3实施例中)，则SAR降低元件115优选地位于宿主PCB 3的下侧的位置“a”。
图9是替换实施例的截面示意图，其中提供铸造的电介质支撑2'并被用作驱动天线5的支持。铸造的电介质支撑2'可以具有平面的或弯曲的侧面和正面，并可以是空心的。可以在位置“a”或“b”提供寄生SAR降低元件115、115'(即，优选地，不在与驱动天线5相同的平面上)。
对所属技术领域的专业人员显而易见的是，参考上文所描述的各实施例中的任何一个所描述的特征可以在不同的实施例之间可互换地适用。上文所描述的各实施例是示出了本发明的各种特征的示例。
在整个说明书和权利要求中，“包括”和“包含”等等措词表示“包括但不限于”，它们不旨在(并不)排除其他其他部分、添加物、组件、整体或步骤。在整个说明书和权利要求中，单数涵盖复数，除非上下文要求。具体而言，在使用不定冠词的情况下，说明书将被理解为设想复数以及单数，除非上下文另有要求。
结合本发明的特定方面、实施例或示例所描述的特征、整体、特征、化合物、化学部分或组将被理解为适用于此处所描述的任何其他方面、实施例或示例，除非不兼容。本说明书(包括任何附带的权利要求、摘要和附图)中所公开的所有特征，和/或所公开的任何方法或进程的所有步骤，可以以任何组合方式进行组合，但是，这样的特征和/或步骤中的至少某些是互相排斥的组合的情况除外。本发明不限于任何一个前述的实施例的细节。本发明可以扩展到本说明书(包括任何所附带的权利要求、摘要和附图)中所公开的任何新颖的特征，或任何新颖的特征的组合，或扩展到所公开的任何方法或进程的任何新颖的步骤或任何新颖的步骤的组合。
读者的注意力被指向与涉及本申请的本说明书同时或在本说明书之前提出的并且对外开放可以利用本说明书进行公共的检查的所有文件和文档，此处引用了所有这样的文件和文档的内容作为参考。