專利名稱：寬帶天線系統(tǒng)的制作方法
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寬帶天線系統(tǒng)
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本專利申請(qǐng)要求(于2005年12月12日提交的)的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng) No.60/749899的優(yōu)先權(quán)，因此要求該較早提交日的利益，該美國(guó)臨時(shí)專利申 請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用融入本文。
背景技術(shù)：
先前的通信模塊通常使用單個(gè)寬帶天線，其對(duì)于低頻帶使用要求較大的 形狀因數(shù)(form factor)。例如，天線的頻率帶寬通常取決于天線的長(zhǎng)度。通 常，天線的頻率范圍和天線的長(zhǎng)度之間存在反比例關(guān)系。換句話說(shuō)，較長(zhǎng)的 天線通常提供較低頻率的頻率范圍，而較短的天線通常提供較高頻率的頻率 范圍。因此，每種不同的天線長(zhǎng)度典型地在一個(gè)特定頻率設(shè)定處提供最佳增 益。
通常，當(dāng)通信模塊被配置為在寬頻率范圍上進(jìn)行通信時(shí)，天線必須被配 置為容納較低頻率，從而導(dǎo)致設(shè)備體積龐大。因此，先前的通信模塊本身往 往是體積龐大的。另外地，當(dāng)人們從最佳頻率開(kāi)始調(diào)高或者調(diào)低頻率時(shí)，天 線通常會(huì)具有大的性能折衷。在這點(diǎn)上，在頻帶內(nèi)遠(yuǎn)離最佳頻率的的部分進(jìn) 行通信將提供次佳(sub-optimal)的通信。而且，寬頻帶上的通信包括連同 所選頻率一起的不期望頻率(例如干擾)的范圍。
現(xiàn)有技術(shù)的上面的示例和與其相關(guān)的限制確定為是說(shuō)明性的而不是唯一 的。在閱讀本說(shuō)明書(shū)和研究附圖時(shí)，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，相關(guān)技術(shù)的 其他限制將變得明顯。

發(fā)明內(nèi)容
結(jié)合系統(tǒng)和方法來(lái)描述和圖解說(shuō)明下列實(shí)施例和方面，所述實(shí)施例和方 面是示例性和圖解性的，而并非限制范圍。在各個(gè)實(shí)施例中，已經(jīng)減少或者 消除了一個(gè)或多個(gè)上述問(wèn)題，同時(shí)，其他實(shí)施例致力于其他改進(jìn)。
通常，此處呈現(xiàn)的系統(tǒng)提供一種可調(diào)諧寬帶天線模塊。例如，天線模塊
可以包括能夠通過(guò)一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)耦合在一起的多個(gè)單極天線元件(例如，3 到4個(gè)天線元件)，以便為天線模塊提供靈活的頻率性能。也可以使用球形天 線和偶極天線。在這點(diǎn)上，開(kāi)關(guān)可以改變天線的總長(zhǎng)，從而改變天線的頻率 特性(例如，帶寬、最佳接收頻率等)。頻率響應(yīng)也可以受控于低壓微尺寸壓控 變?nèi)萜?。這可被例示為與天線模塊共存的調(diào)諧的諧振匹配濾波器網(wǎng)絡(luò)。另外 地，開(kāi)關(guān)可被用來(lái)"接入(switch in)"和"斷開(kāi)(switch out)"電容性元件，以 便調(diào)節(jié)天線的帶寬。諧振匹配濾波器網(wǎng)絡(luò)隨后可被用于微調(diào)該帶寬的頻率。
天線元件的控制可以利用用于生成PWM和邏輯信號(hào)的"不定制的(off the shelf)"電路或者利用定制電路(例如，單個(gè)芯片，諸如特定用途集成電路， 或"ASIC")來(lái)實(shí)現(xiàn)，該定制電路可經(jīng)由與主機(jī)系統(tǒng)(例如移動(dòng)電話處理器)連 接的2線接口 (例如I2C總線)進(jìn)行編程。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)容 易地理解，可以使用與主機(jī)系統(tǒng)之間的其他通信接口。設(shè)備內(nèi)部的寄存器通 常是讀/寫(xiě)("R/W，，)。電路也可以包括ROM空間，以便(例如)供唯一的設(shè) 備ID使用。另外地，該電路可以包括用于控制電路的調(diào)諧的微處理器。然而， 這不應(yīng)當(dāng)被解釋為在主機(jī)系統(tǒng)處理器中排除單獨(dú)或者部分地使用算法。
在一個(gè)實(shí)施例中， 一種用于控制通信設(shè)備的操作頻率的系統(tǒng)包括天線 模塊，其包括多個(gè)天線元件；和一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)，被配置成選擇性地耦合天 線元件之一。所述系統(tǒng)還包括通信地耦合到開(kāi)關(guān)的控制器，其中該控制器生 成控制信號(hào)來(lái)控制所述開(kāi)關(guān)，并且其中當(dāng)被控制信號(hào)指示提供操作頻率時(shí)， 所述開(kāi)關(guān)選擇性地耦合天線元件中的所述多個(gè)。天線模塊可以包括比開(kāi)關(guān)總 數(shù)多一個(gè)的天線元件。替換地或者另外地，開(kāi)關(guān)可^f皮實(shí)現(xiàn)為復(fù)用器。
所述系統(tǒng)還可以包括耦合到天線模塊的通信模塊，用于經(jīng)由多個(gè)天線元 件中的至少一個(gè)進(jìn)行通信。在這點(diǎn)上，控制器可以由通信模塊配置。另外地， 控制器可以包括指示微處理器生成控制信號(hào)的軟件模塊。
在另一實(shí)施例中， 一種便攜式通信設(shè)備包括第一天線模塊，其包括多個(gè) 天線元件。該便攜式通信設(shè)備還包括通信地耦合到第一天線模塊的接收機(jī)， 用于經(jīng)由該第一天線模塊接收第一信號(hào)。另外地，該便攜式通信設(shè)備包括控 制器，用于監(jiān)控第一信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量，其中該控制器通過(guò)基于第一信號(hào)的信 號(hào)質(zhì)量可變化地耦合天線元件來(lái)調(diào)節(jié)第一天線模塊的操作頻率。
所述便攜式通信設(shè)備還可以包括第二天線模塊，其包括多個(gè)天線元件。 例如，接收機(jī)可以可通信地耦合到第二天線模塊以便接收第二信號(hào)?？刂破?可以監(jiān)控第二信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量，并且通過(guò)基于第二信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量可變化地 耦合第二天線模塊的天線元件來(lái)調(diào)節(jié)第二天線模塊的操作頻率。
接收機(jī)可以包括耦合到第 一天線模塊的第 一接收機(jī)模塊和耦合到第二天 線模塊的第二接收機(jī)模塊。例如，控制器可以監(jiān)控第一接收機(jī)模塊以便確定 第一信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量?？刂破骺梢员O(jiān)控第二接收機(jī)模塊以便確定第二信號(hào)的 信號(hào)質(zhì)量。在這點(diǎn)上，控制器可以將第一信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量與第二信號(hào)的信號(hào) 質(zhì)量進(jìn)行比較，以便確定處理第一信號(hào)和第二信號(hào)中的哪一個(gè)。
控制器可以包括控制天線元件的可變化耦合的軟件模塊。替換地或者另 外地，控制器可以包括指示控制器生成用于控制接收參數(shù)的控制信號(hào)的軟件 模塊。例如，所述便攜式通信設(shè)備還可以包括諧振網(wǎng)絡(luò)。在這點(diǎn)上，接收參 數(shù)可以是接收頻率、帶寬、或者接收頻率和帶寬的組合，并且其中控制信號(hào) 可以是用于將諧振網(wǎng)絡(luò)調(diào)諧到接收頻率的脈寬調(diào)制信號(hào)。諧振網(wǎng)絡(luò)可以包括 變?nèi)荻O管，從而脈寬調(diào)制信號(hào)改變變?nèi)荻O管的電容以便調(diào)諧接收頻率。
所述便攜式通信設(shè)備還可以包括耦合在控制器和諧振網(wǎng)絡(luò)之間的濾波 器，用于對(duì)脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行濾波。另外地，所述便攜式通信設(shè)備可以包括 放大器。例如，接收參數(shù)可以是信號(hào)增益，并且控制信號(hào)可以是控制放大器 的增益的脈寬調(diào)制信號(hào)。所述便攜式通信設(shè)備還可以包括耦合在控制器與放 大器之間的濾波器，用于對(duì)脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行濾波。放大器可以是由脈寬調(diào) 制信號(hào)數(shù)字控制的低噪聲放大器。
在一個(gè)實(shí)施例中， 一種配置接收頻帶的方法包括使用天線模塊接收無(wú) 線電信號(hào)；監(jiān)控接收到的無(wú)線電信號(hào)，以便確定無(wú)線電信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量；并 且當(dāng)無(wú)線電信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量與信號(hào)質(zhì)量的闊值級(jí)別不一致時(shí)，生成第一控制 信號(hào)。所述方法還包括基于第一控制信號(hào)操作開(kāi)關(guān)，以便將第一天線元件 耦合到天線模塊的第二天線元件，從而降低天線模塊的接收頻率。
所述方法可以還包括通過(guò)生成第二控制信號(hào)以改變諧振網(wǎng)絡(luò)的頻率參 數(shù)，來(lái)調(diào)諧接收頻率。第二控制信號(hào)可以是脈寬調(diào)制信號(hào)。所述方法還可以 包括通過(guò)生成第二控制信號(hào)以改變放大器的增益參數(shù)，來(lái)控制接收到的無(wú) 線電信號(hào)的增益。放大器可以是低噪聲放大器。所述方法還可以包括基于 控制信號(hào)操作另一開(kāi)關(guān)，以便將第三天線元件耦合到第二天線元件，從而進(jìn) 一步降低天線模塊的接收頻率。
除了上述的示例性方面和實(shí)施例，通過(guò)參考附圖和研究下列描述，其他
方面和實(shí)施例將變得明顯。


參考的附圖中圖解說(shuō)明了示例性實(shí)施例。此處所公開(kāi)的實(shí)施例和附圖應(yīng) 當(dāng)被認(rèn)為是示例圖解性的而不是限制性的。
圖1是具有可轉(zhuǎn)4矣的(switchable)天線元件的通信系統(tǒng)的方框圖。 圖2是具有可轉(zhuǎn)接的天線元件的天線模塊的另 一方框圖。 圖3是具有可轉(zhuǎn)接的天線元件并采用天線分集的天線模塊的方框圖。 圖4是圖解說(shuō)明對(duì)于具有可轉(zhuǎn)接的天線元件的天線的處理的流程圖。 圖5是諧振網(wǎng)絡(luò)的電路圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將對(duì)附圖進(jìn)行參考，附圖有助于圖解說(shuō)明本發(fā)明的各種相關(guān)特征。 盡管現(xiàn)在將主要結(jié)合供便攜式無(wú)線電子設(shè)備使用的天線描述本發(fā)明，但是應(yīng) 當(dāng)清楚地理解，本發(fā)明可應(yīng)用于期望使用多種頻率和/或通信類(lèi)型進(jìn)行通信的 其他應(yīng)用。在這點(diǎn)上，為了圖解和描述目的，提供具有可轉(zhuǎn)接的天線元件的 寬帶天線的下列描述。而且，該描述并不意欲限制本發(fā)明為此處所公開(kāi)的形 式。因此，與下列示教相稱的變化和修改、以及相關(guān)領(lǐng)域的技能和知識(shí)在本 發(fā)明的范疇之內(nèi)。此處描述的實(shí)施例旨在進(jìn)一步解釋實(shí)踐本發(fā)明所知的模式，
特定應(yīng)用或使用所需的各種修改。
圖1是具有可轉(zhuǎn)接的天線元件14和15的通信系統(tǒng)10的方框圖。在該實(shí) 施例中，通信系統(tǒng)10配備有通信模塊12(例如收發(fā)機(jī))，其使用天線模塊20 來(lái)傳遞射頻信號(hào)。天線模塊配備有天線元件14和15，以改變天線模塊的頻 率范圍(frequency coverage)。例如，天線元件15可以為天線模塊20提供特定 頻率范圍，并且被天線元件14擴(kuò)展時(shí)，改變頻率范圍，從而天線模塊20覆 蓋更低的頻率。在這點(diǎn)上，通信模塊12可以經(jīng)由天線元件15發(fā)送和/或接收 某一頻率范圍之內(nèi)的無(wú)線電信號(hào)。通信系統(tǒng)10配備有控制器11,其監(jiān)控通 信模塊12的無(wú)線電信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量。該控制器11可以確定何時(shí)通過(guò)切換到 另一頻帶可以改善通信?？刂破?1可以監(jiān)控通信模塊12,以便確定接收到 的無(wú)線電信號(hào)何時(shí)降低到超過(guò)某一預(yù)定閾值?？刂破?1可以確定通過(guò)切換到
另一頻帶可以改善通信?？刂破?1然后可以生成一控制信號(hào)，該控制信號(hào)操
作以閉合開(kāi)關(guān)13并且因此將天線元件14與天線元件15連接。因此，天線模 塊20的天線總長(zhǎng)增加，并且天線模塊20的通信的頻帶降低。也就是，天線 元件14和15的組合的天線長(zhǎng)度將使得通信系統(tǒng)10能夠以更低頻率進(jìn)行通 信。
盡管對(duì)于當(dāng)通信惡化時(shí)通信模塊12從較高頻帶切換到較低頻帶進(jìn)行了 圖示和描述，但是本發(fā)明并未規(guī)定為限于這樣的頻率/天線控制。相反，控制 器11也可以通過(guò)將天線元件14從天線元件15去耦合(decoupling)來(lái)從較低頻 帶切換到較高頻帶。另外地，控制器11可以是配置為用微處理器操作的控制 軟件模塊。在這點(diǎn)上，控制器11可以分析通信模塊12的通信，并且根據(jù)需 要在天線長(zhǎng)度之間快速地切換。而且，本發(fā)明不應(yīng)當(dāng)限于由通信系統(tǒng)IO所示 的天線元件的數(shù)量。相反，諸如下面描述的其他實(shí)施例可以包括更多天線元 件。
圖2是具有可轉(zhuǎn)接的天線元件101、 102、 103、 104、 117的天線^^塊100 的方框圖。天線模塊100可以總體地為主機(jī)系統(tǒng)(host system)112提供最佳頻 率控制特征。例如，主才幾系統(tǒng)112可以是移動(dòng)手機(jī)，例如全球移動(dòng)通信系統(tǒng) ("GSM")蜂窩電話或者碼分多址("CDMA")蜂窩電話、或者任何其他合適 的便攜式設(shè)備(例如，個(gè)人數(shù)字助理、便攜式DVD等)。在這點(diǎn)上，對(duì)于通信 信號(hào)的發(fā)送和/或接收，主機(jī)系統(tǒng)112可能需要射頻("RF")頻譜之內(nèi)的某些 頻率范圍。也就是，頻率范圍通常特定于由聯(lián)邦通信委員會(huì)和/或其他無(wú)線電 頻譜管制代理許可的特殊形式的通信，例如GSM或者CDMA。另外，這樣 的通信通常需要某種級(jí)別的增益和/或千擾的波段限制。天線模塊100可以提 供這樣的增益控制和對(duì)頻率范圍的波段限制，由此可以提供多個(gè)不同的通信 類(lèi)型。
如該實(shí)施例所示，天線模塊100包括可轉(zhuǎn)接的天線元件101至104。天 線元件101至104根據(jù)主機(jī)系統(tǒng)112的期望頻率范圍而"接入"或者"斷開(kāi)"。 如上所討論的，天線的物理長(zhǎng)度通常指示天線的頻率接收/發(fā)送性能(例如，對(duì) 于較長(zhǎng)的RF波長(zhǎng)，較長(zhǎng)的天線比較短的天線提供更強(qiáng)大的接收/發(fā)送性能)。 在這點(diǎn)上，天線模塊100可以通過(guò)從天線模塊100中接入或者斷開(kāi)各個(gè)天線 元件來(lái)改變天線的有效物理長(zhǎng)度。天線基本元件(antenna base element)117本 身可以為天線模塊IOO提供第一天線長(zhǎng)度。開(kāi)關(guān)116可以將天線元件104耦
合到天線基本元件117，以便對(duì)天線模塊100生成第二天線長(zhǎng)度。類(lèi)似地， 開(kāi)關(guān)115可以將天線元件103耦合到天線元件104,以Y更對(duì)天線模塊100生 成第三天線長(zhǎng)度，諸如此類(lèi)。因此，當(dāng)開(kāi)關(guān)113、 114、 115和115閉合時(shí)， 天線元件101、 102、 103和104耦合到天線基本元件117。
為了提供天線元件101至104的切換，天線模塊100包括控制器111?？?制器111與主機(jī)系統(tǒng)112連接，并且提供天線元件101至104的控制。也就 是，控制器111可以經(jīng)由線路123至126提供控制信號(hào)，以便分別地操作開(kāi) 關(guān)113至116。在這點(diǎn)上，控制器111可以包括控制軟件127，其指示控制器 111生成所述控制信號(hào)并且從而控制開(kāi)關(guān)101至104的操作。例如，控制器 111在來(lái)自主機(jī)系統(tǒng)112的軟件控制下，可以接入和斷開(kāi)天線段，以便對(duì)所選 頻率提供最佳總長(zhǎng)。在這點(diǎn)上，主機(jī)系統(tǒng)112可以將控制信號(hào)傳送到控制器 111。該控制信號(hào)可以包括指示軟件127切換天線段101、 102、 103、 104和 117的軟件參數(shù)。這通常被稱作粗(coarse)天線調(diào)節(jié)。
盡管被示出為配備有天線模塊100,但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚地 意識(shí)到，可以以其他方式來(lái)實(shí)現(xiàn)控制器111。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器111 可以替代地是配備有主機(jī)系統(tǒng)112的模塊，而不是與主機(jī)系統(tǒng)112分離連接 的控制器。例如，主機(jī)系統(tǒng)112可以是具有處理器功能的蜂窩電話，該處理 器功能能夠?qū)崿F(xiàn)控制軟件127以經(jīng)由開(kāi)關(guān)113至116來(lái)提供天線元件101至 104的天線控制。在另一實(shí)施例中，控制器111用生成脈寬調(diào)制(PWM)和邏 輯信號(hào)的"不定制的"電路或者定制電路(例如，單個(gè)芯片，例如特定用途集 成電路，或"ASIC")來(lái)實(shí)現(xiàn)，該定制電路可經(jīng)由與主機(jī)系統(tǒng)112的接口(例 如，I2C總線、串行總線、單線通信、或者任意其他合適的通信接口)進(jìn)行編 程。如此，本發(fā)明并未規(guī)定為限于此處所示和所述的實(shí)施例。另外，這種電 路的寄存器通常將是讀/些("R/W，，)。這樣的電路也可以包括ROM空間，以 便(例如)供唯一的設(shè)備ID使用。
天線模塊100也可以包括諧振網(wǎng)絡(luò)105,以改善天線模塊的頻率特性。 例如，諧振網(wǎng)絡(luò)105可以為天線模塊IOO提供微調(diào)性能。諧振網(wǎng)絡(luò)105可以 是經(jīng)由控制可調(diào)諧電^各(例如，變?nèi)荻O管)的可編程PWM輸出控制的軟件。 在這點(diǎn)上，控制器111可以微調(diào)期望頻率和/或?qū)⒅C振網(wǎng)絡(luò)105的通帶限制為 所需帶寬(例如10 MHz),從而為諸如GSM或者CDMA的通信提供最佳的接 收/發(fā)送性能。
來(lái)自諧振網(wǎng)絡(luò)105的被調(diào)諧的/波段受限的RF可以是特定用途的，并且 因此隨后可通過(guò)用于從中提取通信數(shù)據(jù)(例如，聲音、數(shù)據(jù)、和/或視頻)的許 多類(lèi)型的主機(jī)系統(tǒng)來(lái)處理。另外，諧振網(wǎng)絡(luò)105可被用于微調(diào)所選擇的頻率， 并且通常是經(jīng)由控制可調(diào)諧電路(例如變?nèi)荻O管)的可編程脈寬調(diào)制(PWM) 輸出來(lái)軟件控制。在這點(diǎn)上，控制器111可以微調(diào)期望的頻率和/或限制通帶 為期望的帶寬(例如lOMHz)。圖5示出了諧振網(wǎng)絡(luò)105的示例。
天線模塊100也可以包括濾波器110，以主要經(jīng)由PWM提供諧振網(wǎng)絡(luò) 105的DC控制。也就是，控制器111可以生成被脈寬調(diào)制的數(shù)字信號(hào)。該濾 波器110可以平滑該P(yáng)WM信號(hào)，以便生成具有相對(duì)于PWM信號(hào)改變的電 壓的持續(xù)DC信號(hào)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易地熟悉這樣的數(shù)字控制?？梢允?用包括數(shù)模("D/A")轉(zhuǎn)換器的替換技術(shù)。
在一個(gè)實(shí)施例中，諧振網(wǎng)絡(luò)105包括可變電容。例如，諧振網(wǎng)絡(luò)105可 以利用變?nèi)荻O管、通過(guò)改變與開(kāi)關(guān)(例如，天線元件101、 102、 103、和/ 或104)和天線元件相關(guān)的電容來(lái)提供相對(duì)快速的調(diào)諧性能。在這點(diǎn)上，來(lái)自 濾波器110的濾波的PWM信號(hào)的電壓可以變化，以便改變變?nèi)荻O管的電 容，從而"調(diào)諧"天線模塊IOO。
典型地，變?nèi)荻O管在其沒(méi)有電流流動(dòng)的反向偏壓區(qū)進(jìn)行操作。由于變 容二極管的耗盡區(qū)的寬度隨著施加的偏壓而變化，因此二極管的電容可以進(jìn) 行變化。通常，耗盡區(qū)寬度與所施加的電壓的平方根成比例，并且電容與耗 盡區(qū)寬度成反比。因此，電容與所施加的電壓的平方根成反比。
在一個(gè)實(shí)施例中，天線模塊100包括California的Goleta的Agile Materials有限公司的變?nèi)荻O管，其與其他變?nèi)荻O管相比可以提供改善的 線性性能。例如，Agile Materials變?nèi)荻O管的電容可以相對(duì)于施加到二極管 的偏壓更線性地變化。如此，Agile Materials 二極管可以具有更好的調(diào)諧控制。 該改善的調(diào)諧控制也可以降低軟件復(fù)雜性。例如，線性功能通常比非線性功 能更易于控制。如此，用于操作Agile Materials變?nèi)荻O管的PWM信號(hào)的軟 件控制可能更簡(jiǎn)單。在一個(gè)實(shí)施例中，有效的調(diào)諧范圍大約是500 MHz。在 另 一實(shí)施例中，有效的調(diào)諧范圍在大約400 MHz和800 MHz之間。調(diào)諧可以 通過(guò)提供在大約O伏和5伏之間的范圍內(nèi)的有效電壓(例如，經(jīng)由PWM信號(hào)) 來(lái)實(shí)現(xiàn)。
來(lái)自Agile Materials的變?nèi)荻O管可以提供其他優(yōu)點(diǎn)。例如，除了線性
性能之外，Agile Materials的變?nèi)荻O管可以提供寬溫度范圍上的性能。也就 是，當(dāng)在相當(dāng)寬的溫度范圍提供線性性能時(shí)，Agile Materials的變?nèi)荻O管可 以比其他變?nèi)荻O管提供更好的線性性能。這對(duì)于手機(jī)操作和/或操作溫度通 常較高的汽車(chē)應(yīng)用是有利的。
然而，本發(fā)明并未規(guī)定為限于變?nèi)荻O管，可以使用其他類(lèi)型的變?nèi)荻?極管。例如，在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體("CMOS")工藝中，通過(guò)在正型輕度 摻雜(positively-doped)區(qū)內(nèi)放置正型重度摻雜區(qū)(例如，P+植入)，可以形成 變?nèi)荻O管。如此，這些結(jié)的電容類(lèi)似于N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶 體管("MOSFET")的電容。
除了經(jīng)由天線元件選擇的控制和/或諧振網(wǎng)絡(luò)105的可變電容(例如，經(jīng)由 變?nèi)荻O管)的調(diào)諧和帶寬限制的控制特征以外，天線模塊IOO可以利用其他 信號(hào)調(diào)節(jié)(conditioning)組件。例如，天線模塊100可以包括濾波器106， 用于提供RF的附加帶寬限制特征。在一個(gè)實(shí)施例中，濾波器106是表面聲 波("SAW")濾波器，其提供通過(guò)大約698MHz及以下的頻率的低通帶區(qū)(即， 低通濾波器或者"LPF")。這樣的濾波器使得能夠覆蓋UHF III、 IV和V頻 帶中的UHF電視信號(hào)。另外地，濾波器106可被用來(lái)滿足具有低GSM和 CDMA頻帶的移動(dòng)和便攜式DVB-T無(wú)線電接入接口 (MBRAI)等級(jí)3的 DVB-H設(shè)備規(guī)格。
另外地，天線;漠塊100可以包括放大器107,以增加來(lái)自諧振網(wǎng)絡(luò)105 的RF的增益。在一個(gè)實(shí)施例中，放大器107是由控制器11數(shù)字控制的低噪 聲放大器("LNA")?？刂破?11可以生成PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)被濾波 器109濾波以便提供放大器107的DC控制?？梢钥刂圃鲆媪?，以便進(jìn)一步 改善天線模塊100輸出在頻譜上的線性。該實(shí)施例的放大器107也可被用來(lái) 克服下游設(shè)備的插入損耗(例如，平衡-不平衡變壓器108)以及與濾波器106 相關(guān)的損耗。平衡-不平衡變壓器108可以將平衡的輸出提供給調(diào)諧器(例如配 備有主機(jī)系統(tǒng)112的調(diào)諧器)，以最小化負(fù)信號(hào)路由(routing)影響。
如上所述，控制器111的控制功能可被主機(jī)系統(tǒng)112合并以充分利用主 機(jī)系統(tǒng)內(nèi)已經(jīng)存在的處理性能。在這點(diǎn)上，主機(jī)系統(tǒng)112可以使用控制器1U 來(lái)優(yōu)化接收/發(fā)送性能。例如，主機(jī)系統(tǒng)112可以接收通信數(shù)據(jù)并且對(duì)接收的 數(shù)據(jù)執(zhí)行各種糾錯(cuò)和校準(zhǔn)("EDAC")方案?；跈z測(cè)到的出錯(cuò)率，主機(jī)系統(tǒng) 112可以指示控制器111接入或者斷開(kāi)天線元件101至104和/或指示控制器
111改變諧振網(wǎng)絡(luò)105的電容，以改善接收的信號(hào)的增益，并且從而降低出錯(cuò) 率。另外，主機(jī)系統(tǒng)112可以指示控制器111控制放大器107來(lái)改善接收的 信號(hào)的增益，從而降低出錯(cuò)率。
在一個(gè)實(shí)施例中，接口 130被配置在主機(jī)系統(tǒng)112與天線模塊IOO之間。 接口 130可以包括差分天線信號(hào)(例如，經(jīng)由平衡-不平衡變壓器108)、 2線串 行控制總線(例如，具有SCL和SDA線的I2C總線)、未轉(zhuǎn)換的電池(即，VBAT)、 或者轉(zhuǎn)換的2.8V電源(例如操作功率)。該接口也可以包括VIO端口來(lái)為串行 控制總線選擇輸入/輸出(I/0)電壓。接口 130也可以包括GND端口以提供地 電勢(shì)。這些端口可被配置有接口 130,因此天線模塊100可被制模為如通常 被各種平臺(tái)所需的單個(gè)單元。例如，天線模塊100上的電路可以以沖模形式 來(lái)配置，以便最小化"痕跡"(例如，板上芯片或者倒裝晶片組件)。
在一個(gè)實(shí)施例中，控制器111可以包括被用來(lái)校準(zhǔn)天線模塊100的各種 調(diào)諧和/或帶寬限制方面的校準(zhǔn)特征。例如軟件127可以包括被用來(lái)檢測(cè)天線 模塊100內(nèi)的各個(gè)組件的減小特性的信號(hào)增益表。也就是，控制器lll可以 訪問(wèn)信號(hào)增益表，以便確定在給定環(huán)境下信號(hào)強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)是多少。因此控制器 111可以確定接收信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度是否適當(dāng)?shù)卦谛盘?hào)增益表的值內(nèi)。如果不 是，則控制器111可以調(diào)節(jié)控制特征，例如諧振網(wǎng)絡(luò)105的電容和/或放大器 107的增益，以便將接收信號(hào)的增益恢復(fù)到最佳水平。在一個(gè)實(shí)施例中，控 制器111在控制算法中并入"智能自動(dòng)校準(zhǔn)"性能，得到的結(jié)果被存儲(chǔ)在查 找表中。這樣可以提供"一次性，，校準(zhǔn)并且在組裝時(shí)進(jìn)行鎖定。
盡管此處已經(jīng)示出和描述了 一個(gè)實(shí)施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容 易地意識(shí)到，本發(fā)明并未規(guī)定為限于所示的實(shí)施例。相反，天線模塊100可 以以落入本發(fā)明的范疇和精神內(nèi)的其他方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，諸如放大器107、 濾波器106、和/或平衡-不平衡變壓器108的某些組件可以是可選的或者以其 他方式實(shí)施(例如，濾波器106可以是可調(diào)諧的帶通濾波器)。另外地，本發(fā)明 并未規(guī)定為限于此處所示和所述的天線元件或開(kāi)關(guān)的數(shù)目。例如，切換可以 通過(guò)復(fù)用器而不是各個(gè)開(kāi)關(guān)元件113至116來(lái)執(zhí)行，以便實(shí)際上控制任意數(shù) 量的天線元件。在這點(diǎn)上，大量的更短的天線元件可以對(duì)主機(jī)系統(tǒng)112提供 更離散的頻率選擇。
在一個(gè)實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)元件113至116是樣史型電沖幾系統(tǒng)("MEMS")。例 如，MEMS設(shè)備通常是指微米尺寸的機(jī)械組件，并且包括各種幾何學(xué)的3D平版特征。這樣的設(shè)備典型地使用類(lèi)似于諸如表面顯微機(jī)械加工(surface micromachining)和/或整體顯4效才幾才成力口工(bulk micromachining)的半導(dǎo)體工藝 的平面工藝來(lái)制造。這些設(shè)備的尺寸通常在從微米到千米的范圍。然而，本 領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)容易地意識(shí)到，本發(fā)明并未規(guī)定為限于特定類(lèi)型的開(kāi)關(guān) 控制?？梢允褂闷渌?lèi)型的開(kāi)關(guān)，尤其是具有高頻操作的那些開(kāi)關(guān)。在一個(gè) 實(shí)施例中，天線模塊101至104由陶瓷襯底上的銅制成，并且經(jīng)由MEMS開(kāi) 關(guān)的操作而可控制地連接。
圖3是使用可轉(zhuǎn)接的天線元件并且利用天線分集的天線模塊200的方框 圖。例如，天線模塊200被圖解為具有接收鏈A和B。接收鏈A和B的使用 使得例如主機(jī)系統(tǒng)212的接收機(jī)能夠選擇或組合接收鏈，以改善接收信號(hào)的 信號(hào)質(zhì)量。在例如CDMA蜂窩電話等的一些示例中，接收鏈補(bǔ)償并且甚至充 分利用信號(hào)的多徑衰減。接收分集還通過(guò)向接收機(jī)給出對(duì)多個(gè)信號(hào)進(jìn)行選擇 以進(jìn)行處理(例如，來(lái)自接收鏈A的信號(hào)、來(lái)自接收鏈B的信號(hào)或者它們的 組合)來(lái)輔助這一努力。也就是，多個(gè)接收鏈可以改善接收信號(hào)的增益，因?yàn)?一個(gè)或多個(gè)接收鏈在更好的物理位置接收信號(hào)。
天線模塊200對(duì)每個(gè)接收鏈采用圖1中所示并描述的各種調(diào)諧和帶寬限 制特征。在該實(shí)施例中，接收鏈A和B使用相同的調(diào)諧、帶寬限制和信號(hào)調(diào) 節(jié)組件。如此，僅需要描述一個(gè)接收鏈。然而，本發(fā)明并未規(guī)定限于相同的 接收鏈。相反，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚地意識(shí)到接收鏈能夠以其他方式 配置，包括接收鏈彼此不同的那些方式，以便充分利用設(shè)計(jì)(例如，大小、組 件選擇、電路板布局等)和/或接收考慮。當(dāng)使用圖1的天線模塊100時(shí)，接收 鏈A包括信號(hào)調(diào)節(jié)組件，例如濾波器106A、放大器107A(及其用于PWM控
在該實(shí)施例中，接收鏈A配備有天線元件104A和103A。天線元件104A 和103A可^皮配備為偶極天線或者單極天線元件。天線元件104A和103A可 由生成控制信號(hào)的控制器211可控制地切換，該控制信號(hào)經(jīng)由控制線126A和 125A被傳送到開(kāi)關(guān)116A和115A。在這點(diǎn)上，控制器211可以將天線元件 104A和103A接入到天線基本元件117A,或者可以將天線元件104A和103A 與天線基本元件117斷開(kāi)。如此，接收鏈A的頻率范圍可以通過(guò)選擇天線元 件103A和104A來(lái)控制。另外，控制器211可以生成PWM信號(hào)，通過(guò)例如 改變網(wǎng)絡(luò)的電容從而改變接收鏈A的調(diào)諧特性來(lái)控制諧振網(wǎng)絡(luò)105A。
此上描述的各個(gè)特征可用于多個(gè)設(shè)備中，具體地，這些特征可以有利地
用于蜂窩電話、便攜式媒體播放器、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、需要寬帶頻率靈活 天線的汽車(chē)和其他應(yīng)用，包括數(shù)字和模擬廣播TV和廣播無(wú)線電。例如，上 面的天線模塊可被用于使用DVB-H標(biāo)準(zhǔn)的蜂窩電話應(yīng)用的數(shù)字視頻廣播 (DVB)TV天線使用。然而，這些特征可被用于其他標(biāo)準(zhǔn)，例如DVB-T標(biāo)準(zhǔn)。 其他實(shí)現(xiàn)可以包括WiFi、 WAN、 WLAN、 PAN、 GPS和/或其他各種通信方 案。
通過(guò)抽象軟件和硬件組件并且智能化天線模塊，可以極大地簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)可 調(diào)諧天線的任務(wù)。例如，主機(jī)系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單地檢測(cè)安裝了哪個(gè)模塊并且自動(dòng) 配置該特定模塊的操作。另外，軟將可以周期性地校準(zhǔn)天線來(lái)克服老化組件 的影響。
圖4是圖解說(shuō)明具有可轉(zhuǎn)接的天線元件(例如，圖1的天線元件14和15) 的天線(例如，圖1的天線模塊20)的處理300的流程圖。處理300通常以在 處理組分(element) 301中通過(guò)天線模塊接收無(wú)線電信號(hào)而開(kāi)始。例如，天 線模塊可被配備有用于無(wú)線通信的移動(dòng)手機(jī)，例如蜂窩電話或者PDA。在這 點(diǎn)上，天線模塊可以經(jīng)由配備有移動(dòng)手機(jī)的接收機(jī)來(lái)接收無(wú)線電信號(hào)。在處 理組分302中，接收到的無(wú)線電信號(hào)被監(jiān)控，以確定無(wú)線電信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量。 在一個(gè)實(shí)施例中，例如圖2的控制器111的控制器將無(wú)線電信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量 與信號(hào)質(zhì)量的預(yù)定閾值進(jìn)行比較。例如，控制器可以監(jiān)控接收到的信號(hào)的出 錯(cuò)率，并且比較該出錯(cuò)率和給定的可接受出錯(cuò)率值。
響應(yīng)于確定接收到的無(wú)線電信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量，在處理組分303，當(dāng)接收 到的無(wú)線電信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量與信號(hào)質(zhì)量的閾值級(jí)別不 一致(例如，糾錯(cuò)低于預(yù) 定級(jí)別)時(shí)，控制器可以生成控制信號(hào)。在處理組分304中，該控制信號(hào)可以 操作開(kāi)關(guān)將天線元件耦合到另一天線元件，從而降低天線模塊的接收頻率。 例如，通過(guò)耦合兩個(gè)天線元件而形成的天線越長(zhǎng)，則越可以降低移動(dòng)手機(jī)的 操作頻率。通過(guò)將天線模塊切換到較低的接收頻率，當(dāng)例如在一個(gè)頻帶中的
干擾將信號(hào)下降至超過(guò)可接受界限時(shí)，移動(dòng)手機(jī)可以改變頻帶。
圖5是可由以上描述的天線模塊使用的諧振網(wǎng)絡(luò)105的電路圖。在該實(shí) 施例中，諧振網(wǎng)絡(luò)105包括無(wú)線電信號(hào)輸入端411,并且被配置來(lái)接收射頻 信號(hào)。在這點(diǎn)上，無(wú)線電信號(hào)輸入端411可以耦合到基本天線元件117,用以 經(jīng)由天線元件的所選擇的耦合(例如，天線元件117和101 - 104)來(lái)接收無(wú)線
電信號(hào)。無(wú)線電信號(hào)可以環(huán)繞天線環(huán)路401被傳送。例如，天線環(huán)路401可 以是電感耦合(例如，磁耦合)，其與由在控制信號(hào)輸入端410維持的DC控制 信號(hào)施加的控制聯(lián)合來(lái)改變無(wú)線電信號(hào)的頻率特性(例如頻帶限制)。在這點(diǎn) 上，控制器(例如控制器lll)可以將脈寬調(diào)制信號(hào)傳送到控制信號(hào)輸入端410, 以便調(diào)諧諧振網(wǎng)絡(luò)105的頻率特性。脈寬調(diào)制信號(hào)可以通過(guò)改變(耦合到地面 基準(zhǔn)405的)變?nèi)荻O管404的電容來(lái)這樣做。也就是，天線環(huán)路401的電感 耦合與通過(guò)控制信號(hào)的變?nèi)荻O管404的調(diào)諧一起可以形成可被調(diào)諧到期望 頻率的諧振電路。在該實(shí)施例中還包括RF去耦元件403。 RF去耦元件403 的一個(gè)示例包括一電阻器，當(dāng)電阻值變化時(shí)，輸入無(wú)線電信號(hào)的帶寬也可以 變化。RF去耦元件403有助于防止RF信號(hào)被施加到DC輸入端。諧振電路 105也包括電容器402，其被用來(lái)將在控制信號(hào)輸入端410處引入的DC信號(hào) (即，脈寬調(diào)制信號(hào))從無(wú)線電信號(hào)中去耦，以便類(lèi)似地防止DC信號(hào)被施加到 RF信號(hào)。
盡管此處所示出和描述的實(shí)施例通常是指作為接收無(wú)線電信號(hào)的通信， 但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)容易地意識(shí)到本發(fā)明并不僅僅意欲限于無(wú)線電接 收。相反，上面實(shí)施例的天線切換靈活性也能夠使設(shè)備在例如一個(gè)發(fā)送頻率 的下降超過(guò)可接受界限時(shí)以其他頻率進(jìn)行發(fā)送。
應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的特殊天線元件配置(例如，大量天線元件)可以變 化以實(shí)現(xiàn)相同或者類(lèi)似的目的。在這點(diǎn)上，為了圖解和描述目的，已經(jīng)呈現(xiàn) 了前面的描述。而且，所述描述并非意欲將本發(fā)明限制于此處所公開(kāi)的形式。 盡管上面已經(jīng)討論了許多示例性方面和實(shí)施例，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 將會(huì)認(rèn)識(shí)到某些變化、修改、改變、添加和它們的子組合。因此，下面所附 權(quán)利要求和之后并入的權(quán)利要求意圖被解釋為包括在它們真實(shí)的精神和范疇 之內(nèi)的所有這樣的變化、修改、改變、添加和子組合。
權(quán)利要求
1.一種用于控制通信設(shè)備的操作頻率的系統(tǒng)，包括天線模塊，其包括多個(gè)天線元件；一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)，被配置用來(lái)選擇性地耦合所述天線元件中的多個(gè)；和通信地耦合到開(kāi)關(guān)的控制器，其中該控制器生成控制信號(hào)以控制所述開(kāi)關(guān)，并且其中當(dāng)被控制信號(hào)指示來(lái)提供操作頻率時(shí)，所述開(kāi)關(guān)選擇性地耦合所述天線元件中的所述多個(gè)。
2. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中天線模塊包括比開(kāi)關(guān)總數(shù)多一個(gè)的天 線元件。
3. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，還包括耦合到天線模塊的通信模塊，用于 經(jīng)由多個(gè)天線元件中的至少 一個(gè)來(lái)進(jìn)行通信。
4. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中控制器配置有通信模塊。
5. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中控制器包括指示微處理器生成控制信 號(hào)的軟件模塊。
6. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述開(kāi)關(guān)是復(fù)用器。
7. —種便攜式通信設(shè)備，包括.-第一天線模塊，其包括多個(gè)天線元件；通信地耦合到第一天線模塊的接收機(jī)，用于經(jīng)由該第一天線模塊接收第 一信號(hào)；和控制器，用于監(jiān)控所述第一信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量，其中該控制器通過(guò)基于第 一信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量可變化地耦合天線元件來(lái)調(diào)節(jié)第一天線模塊的操作頻率。
8. 如權(quán)利要求7所述的便攜式通信設(shè)備，還包括 第二天線模塊，其包括多個(gè)天線元件；其中接收機(jī)可通信地耦合到第二天線模塊以便接收第二信號(hào)，其中，控 制器監(jiān)控所述第二信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量，并且通過(guò)基于第二信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量可變 化地耦合第二天線模塊的天線元件來(lái)調(diào)節(jié)第二天線模塊的操作頻率。
9. 如權(quán)利要求8所述的便攜式通信設(shè)備，其中接收機(jī)包括耦合到第一天 線模塊的第 一接收機(jī)模塊和耦合到第二天線模塊的第二接收機(jī)模塊，其中控 制器監(jiān)控第一接收機(jī)模塊以確定第一信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量，其中控制器監(jiān)控第二 接收機(jī)模塊以確定第二信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量，并且其中控制器將第一信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量與第二信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行比較，以確定處理第一信號(hào)和第二信號(hào)中的 哪一個(gè)。
10. 如權(quán)利要求8所述的便攜式通信設(shè)備，其中控制器包括控制天線元 件的可變化耦合的軟件模塊。
11. 如權(quán)利要求7所述的便攜式通信設(shè)備，其中控制器包括指示控制器 生成用于控制接收參數(shù)的控制信號(hào)的軟件模塊。
12. 如權(quán)利要求11所述的便攜式通信設(shè)備，還包括諧振網(wǎng)絡(luò)，其中所述 接收參數(shù)是接收頻率、帶寬、或者接收頻率和帶寬的組合，并且其中控制信 號(hào)是將諧振網(wǎng)絡(luò)調(diào)諧到接收頻率的脈寬調(diào)制信號(hào)。
13. 如權(quán)利要求12所述的便攜式通信設(shè)備，其中諧振網(wǎng)絡(luò)包括變?nèi)荻O 管，其中脈寬調(diào)制信號(hào)改變變?nèi)荻O管的電容以便調(diào)諧接收頻率。
14. 如權(quán)利要求12所述的便攜式通信設(shè)備，還包括耦合在控制器和諧振 網(wǎng)絡(luò)之間的濾波器，用于對(duì)脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行濾波。
15. 如權(quán)利要求11所述的便攜式通信設(shè)備，還包括放大器，其中接收參 數(shù)是信號(hào)增益，并且其中控制信號(hào)是控制放大器的增益的脈寬調(diào)制信號(hào)。
16. 如權(quán)利要求15所述的便攜式通信設(shè)備，還包括耦合在控制器與放大 器之間的濾波器，用于對(duì)脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行濾波。
17. 如權(quán)利要求16所述的便攜式通信設(shè)備，其中放大器是由脈寬調(diào)制信 號(hào)數(shù)字控制的低噪聲放大器。
18. —種配置接收頻帶的方法，包括 使用天線模塊接收無(wú)線電信號(hào)；監(jiān)控接收到的無(wú)線電信號(hào)，以便確定該無(wú)線電信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量； 當(dāng)無(wú)線電信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量與信號(hào)質(zhì)量的閾值級(jí)別不一致時(shí)，生成第一控 制信號(hào)；和基于第一控制信號(hào)操作開(kāi)關(guān)，以便將第一天線元件耦合到天線模塊的第 二天線元件，從而降低天線模塊的接收頻率。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，還包括通過(guò)生成用于改變諧振網(wǎng)絡(luò)的 頻率參數(shù)的第二控制信號(hào)，來(lái)調(diào)諧接收頻率。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述第二控制信號(hào)是脈寬調(diào)制信號(hào)。
21. 如權(quán)利要求18所述的方法，還包括通過(guò)生成用于改變放大器的增 益參數(shù)的第二控制信號(hào)，來(lái)控制接收到的無(wú)線電信號(hào)的增益。
22. 如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第二控制信號(hào)是脈寬調(diào)制信號(hào)，并且放大器是低噪聲放大器。
23. 如權(quán)利要求18所述的方法，還包括基于控制信號(hào)操作另一開(kāi)關(guān)， 以便將第三天線元件耦合到第二天線元件，從而進(jìn)一步降低天線模塊的接收 頻率。
全文摘要
通常，天線模塊包括能夠通過(guò)一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)耦合在一起的多個(gè)單極天線元件(例如，3到4個(gè)天線元件)，從而提供可調(diào)諧的寬帶天線模塊。例如，該開(kāi)關(guān)可以改變天線的總長(zhǎng)，從而改變天線的頻率范圍。頻率響應(yīng)也可以由低壓微尺寸壓控變?nèi)萜骰蛘咦內(nèi)荻O管控制，并且可被例示為與天線模塊共存的調(diào)諧的諧振匹配濾波器網(wǎng)絡(luò)。另外地，開(kāi)關(guān)可被用來(lái)“接入”和“斷開(kāi)”電容性元件，以便調(diào)節(jié)天線的帶寬。諧振匹配濾波器網(wǎng)絡(luò)隨后可被用于微調(diào)該帶寬的頻率。
文檔編號(hào)H04B7/04GK101371402SQ200680052635
公開(kāi)日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2006年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月12日
發(fā)明者丹尼斯·林, 亞伯拉罕·哈滕斯坦, 阿爾夫·弗里曼, 馬丁·哈坎森, 鮑勃·格羅珀 申請(qǐng)人:弗萊克斯電子有限責(zé)任公司