CN101292395A - 多频带操作的可调谐双天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种用于多频带操作的可调谐双天线系统，其允许装置在例如CDMA和GSM等多个频率和/或多种模式之间切换。所述系统可包括可调谐发射天线和可调谐接收天线。一种配置可包括多个发射天线和多个接收天线。

Description

多频带操作的可调谐双天线系统
技术领域
本申请案大体上涉及通信，且更具体地说，涉及一种可调谐双天线系统。
背景技术
例如移动电话的无线通信装置可具有用于发射和接收信号的单个天线。支持多频带和多个无线通信标准的期望可能需要增加现有天线的大小或安装额外天线。对具有较小形状因数的较新无线装置来说，这些选择会引发问题。
发明内容
无
附图说明
图1A说明具有单个发射/接收天线的系统。
图1B说明具有多个发射/接收天线的系统。
图1C说明具有单独的不可调谐发射和接收天线的系统。
图2A说明根据本申请案的实施例的具有两个可调谐天线的装置。
图2B说明具有多个可调谐天线的装置，其可提供发射和/或接收分集。
图3A根据针对图1A的系统的发射和接收频带的经反射的功率说明天线频率响应。
图3B根据针对图1B的系统的发射和接收频带的经反射的功率说明天线频率响应。
图3C根据针对图1C的系统的发射和接收频带的经反射的功率说明天线频率响应。
图4根据针对图2的系统的发射和接收频带的经反射的功率说明天线谐振频率响应。
图5说明两个天线定位在装置或装置的电路板内部、近旁或上部的配置。
图6说明两个天线大体上与装置或装置的电路板的水平面(横截面视图)正交定位的配置。
图7说明在装置或装置的电路板上或内部，天线大体上与第二天线正交定位的配置。
图8根据经反射的功率说明测量到的天线频率响应的实例，以证明图2的TX/RX天线对的频率可调谐性。
图9说明使用图2的天线系统200的方法。
具体实施方式
某些例如“全球电话”的无线通信装置希望以多个频带(“多带”)和多个通信标准(“多模式”)操作，这可能需要多带天线和/或多个天线以合适地起作用。物理定律规定多带天线在电学上将比单带天线大，以在所需频带上起作用。“多带”装置可针对每一频带使用一个发射/接收天线，且因此具有多个发射/接收天线(图1B)。或者，“多带”装置可使用一个多带天线，但需要添加多路复用器或单极多掷开关，以将针对每一频带的天线信号路由到每一频带的合适的发射器和接收器。
类似地，“多模式”装置可针对每一通信标准使用一个发射/接收天线，且因此具有多个发射/接收天线(图1B)。或者，“多模式”装置可使用一个多带天线与额外的多路复用器或单极多掷开关来操作。某些例如EV-DO(演进数据优化)和MIMO(多输入多输出)的无线标准可使用分集方案，其需要额外的天线以增强数据通过量性能和语音质量。在无线通信装置上存在更多的多带天线的需求不断增长，且已经由于无线装置的大小和成本的增加而成为问题。手机制造商处在减小其装置的成本和大小的压力下。
图1A说明系统100，其具有：单个发射/接收天线102、双工器104、发射电路106和接收电路108。所述双工器允许发射电路106和接收电路108共享单个天线102以发射和接收信号。
图1B说明系统110，其具有：多个发射/接收天线102，112；双工器104，114；发射电路106，116和接收电路108，118。举例来说，天线102、双工器104、发射电路106和接收电路108可经配置以发射和接收CDMA信号，而天线112、双工器114、发射电路116和接收电路118可经配置以发射和接收GSM或WCDMA信号。
图1C说明系统120，其具有：单独的不可调谐发射和接收天线122，123；发射电路126和接收电路128。关于此系统120的问题可能是耦合，即发射信号与接收信号之间的能量或频率的串扰、重叠或泄漏，如图3C中所示。
图3A根据针对图1A的系统100的发射(Tx)和接收(Rx)频带300的经反射的功率说明天线频率响应。
图3B根据针对图1B的系统110的发射和接收频带302A，302B的经反射的功率说明天线频率响应。
图3C根据针对图1C的系统120的发射和接收频带304，306的经反射的功率说明天线频率响应。
举例来说，在一个配置中，理想的发射频带可以是824到849兆赫(MHz)，且理想的接收频带可以是869到894MHz。如图3C中所示，发射频带304与接收频带306重叠，这可能在发射电路126和接收电路128中导致干扰或噪声。可能不得不添加滤波器或隔离器来限制此类干扰或噪声。
图2A说明根据本申请案的实施例的装置220，其具有：两个可调谐天线202，203；频率控制器210；发射电路206和接收电路208。所述装置220具有一组单独的发射和接收天线202，203，其可针对多个频带和/或多个无线通信模式而调谐。所述装置220可以是无线通信装置，例如：移动电话、个人数字助理(PDA)、寻呼机、固定装置(stationarydevice)或便携式通信卡(例如，个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA))，其可嵌入、插入或附接到计算机，例如膝上型计算机或笔记本式计算机。
天线202，203可足够小且尺寸经设计以配合在特定通信装置内。将发射电路206和接收电路208展示为单独的单元，但其可共享一个或一个以上元件，例如处理器、存储器、伪随机噪声(PN)序列生成器等。装置220可不需要如图1A中的双工器104，这可降低装置220的大小和成本。
单独的发射和接收可调谐天线202，203具有频率调谐/适配元件，其可由频率控制器210控制以能够在多个频带(多带)(也被称为频率范围或信道集)中和/或根据多个无线标准(多个模式)通信。天线系统200经配置以针对特定操作频率而适应性优化其性能。对于希望在具有不同频带和/或不同无线标准的各个国家或地区中使用装置200的使用者来说，上述情况是有用的。
举例来说，天线202，203可经调谐以在多带无线应用的任一频带中操作，例如：码分多址(CDMA)450MHz、CDMA 800MHz、经扩展的全球移动通信系统(EGSM)900MHz、全球定位系统(GPS)1575MHz、CDMA 1800MHz、CDMA 1900MHz、数字蜂窝式系统(DCS)1700MHZ、通用移动电信系统(UMTS)1900MHz等。天线202，203可用于CDMA 1x EV-DO通信，其可使用一个或一个以上1.25MHz载波。系统200可使用多个无线标准(多个模式)，例如：CDMA、GSM、宽带CDMA(WCDMA)、时分同步CDMA(TD-SCDMA)、正交频分多路复用(OFDM)、WiMAX等。
天线202，203的调谐元件可以是单独的元件或集成为单个元件。所述调谐元件可由发射电路206和接收电路208中的单独的控制单元控制，或由例如频率控制器210的单个控制元件所控制。
图4说明图2的系统200的发射频带400和接收频带402的经反射的功率。图4中的频带400、402不像图3中那样存在存在重叠。频带400与402之间可能存在固定的或可调谐节的间隙。所述频带400，402可比图3中的频带300，302狭窄。天线202，203可具有较窄的个别频率响应，以使发射电路206与接收电路208之间的耦合(或串扰)减到最小。在任一时隙处，每一天线只能覆盖围绕操作信道的发射或接收频率次带的一小部分，如图4和图8中所示。
可使用调谐元件来改变TX和RX天线202，203的操作频率。所述调谐元件可以是：电压可变微机电系统(MEMS)、电压可变铁电电容器、可变电抗器(varactor)、变容二极管(varactor diode)或其它频率调节元件。举例来说，施加到调谐元件的不同电压或电流可改变所述调谐元件的电容，这改变天线202或203的发射或接收频率。
双天线系统200可具有一种或一种以上益处。所述双天线系统200可以是高度隔离的(低耦合，低泄漏)。如图7中所示的一对正交天线可提供更高的隔离(低耦合)。在例如CDMA系统的全双工系统中，高质量且窄带天线可在TX链路与RX链路之间提供高隔离。
通过使用具有窄瞬时带宽以在天线202与天线203之间提供高隔离的单独且小型的TX和RX天线202，203，系统200可允许从多带和/或多模式装置中的射频(RF)电路中省去特定双工器、多路复用器、开关和隔离器，这将节约成本并缩小电路板面积。
在装置220中，较小的天线在选择天线安装位置时提供更大的灵活性。
系统200可增强谐波抑制以提供更好的信号质量，即更好的语音质量或更高的数据率。
系统200可允许天线与发射器和/或接收器电路的集成以减小无线装置大小和成本。通过减少天线的大小和/或数目，系统200的频率可调谐的发射和接收天线202，203可允许主机多模式和/或多带无线装置的大小和成本减小。
系统200可用于实施分集特征，例如，EV-DO或MIMO系统中的偏振分集(图7)或空间分集(图2B)。图2B说明具有多个可调谐天线232A，232B，233A，233B的装置，其可提供发射分集和/或接收分集。可实施任一数目的可调谐发射天线和/或接收天线。
图2A的天线202，203可在装置220内以多种方式且在多个位置配置。图5到图7提供一些实例。
图5说明两个天线(具有调谐元件)502，504定位在装置500或装置的平板或电路板的内部、近旁或上部的配置(正视图)。图5还展示发射和接收电路或电源506，508。
图6说明两个天线602，604大体上垂直于装置600或装置的电路板的水平面而定位的配置(横截面端视图)。这可被称为平面倒“F”天线(PIFA)。图6还展示发射和接收电路606，608。
图7说明在装置700或装置的电路板上或内部，一个天线702大体上与第二天线704正交定位的配置(正视图)。图7还展示发射和接收电路706，708。
图8说明测量到的经反射的功率的实例，以证明图2的TX/RX天线对202，203的频率可调谐性。图8的上半部分展示发射天线经反射功率，其具有853MHz的中心频率和1.8微微法拉(pF)的电容。上半部分还展示接收天线经反射功率，其具有899MHz的中心频率和1.8pF的电容。图8的下半部分展示发射天线经反射功率，其具有837MHz的中心频率和2pF的电容。下半部分还展示接收天线经反射功率，其具有876MHz的中心频率和2pF的电容。可使用天线系统200的多种配置和参数来测量其它数据。
图9说明使用图2的天线系统200的方法。在框900中，系统200使用与第一无线通信模式相关联的第一频率范围，用第一天线202发射信号且用第二天线203接收信号。所述第一频率范围可以是信道集，例如由不同代码和/或频率定义的信道。
在框902中，装置220确定频率范围和/或模式是否已改变。如果无改变，那么天线系统200可在框900中继续。如果存在改变，那么系统200过渡到框904。装置220可确定频率范围和/或第二无线通信模式是否提供比第一频率范围和/或无线通信模式更好的通信(导频或数据信号接收、信噪比(SNR)、帧误差率(FER)、位误差率(BER)等)。
在框904中，系统200根据与第一无线通信模式或第二无线通信模式相关联的第二频率范围，用元件210，212对天线202，203进行调谐。所述第二频率范围可以是信道集，例如由不同代码和/或频率定义的信道。
在框906中，系统200使用第二频率范围，用第一天线202来发射信号且用第二天线203来接收信号。
所属领域的技术人员将理解：可使用多种不同技术和技法中的任一者来表示信息和信号。举例来说，贯穿上文描述内容可能提及的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁性粒子、光场或光学粒子或其任一组合来表示。
所属领域的技术人员将进一步了解：结合本文所揭示的实施例而描述的各种说明性逻辑区块、模块、电路和算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件与软件的这种可互换性，上文已大体上依据各种说明性组件、区块、配置、模块、电路和步骤的功能性描述了各种说明性组件、区块、配置、模块、电路和步骤。将此类功能性实施为硬件还是软件取决于特定应用和强加在整个系统上的设计约束。所属领域的技术人员可针对每一特定应用以各种不同的方式来实施所描述的功能性，但此类实施决策不应被解释为导致脱离本发明的范围。
可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其经设计以执行本文所描述的功能的任一组合来实施或执行结合本文所揭示的实施例而描述的各种说明性逻辑区块、模块和电路。通用处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实施为计算装置的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器、一个或一个以上结合DSP核心的微处理器或任一其它此类配置。
结合本文所揭示的实施例而描述的方法或算法的步骤可直接实施在硬件中，由处理器执行的软件模块中或上述两者的组合中。软件模块可驻留在随机存取存储器(RAM)、快闪存储器、只读存储器(ROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、寄存器、硬盘、可移除盘、CD-ROM或此项技术中已知的任一其它形式的存储媒体中。例示性存储媒体耦合到处理器，使得处理器可从存储媒体读取信息且将信息写入存储媒体中。在替代方案中，存储媒体可与处理器成一体式。处理器和存储媒体可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替代方案中，处理器和存储媒体可作为离散组件驻留在用户终端中。
提供所揭示实施例的先前描述旨在使所属领域的技术人员能够制作或使用本发明。所属领域的技术人员将容易了解对这些实施例的各种修改，且本文所定义的一般原理可在不脱离本发明的精神或范围的情况下应用于其它实施例。因此，本发明不希望限于本文所展示的实施例，而是希望赋予其与本文所揭示的原理和新颖特征相一致的最宽的范围。

Claims (21)

1.一种无线通信装置，其包括：
发射天线，其具有第一可调谐元件，以将与第一通信模式相关联的第一发射频带改变为与所述第一通信模式或第二通信模式相关联的第二发射频带；以及
接收天线，其具有第二可调谐元件，以将与所述第一通信模式相关联的第一接收频带改变为与所述第一通信模式或所述第二通信模式相关联的第二接收频带。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述频带包括码分多址(CDMA)450MHz、CDMA800MHz、扩展型全球移动通信系统(EGSM)900MHz、全球定位系统(GPS)1575MHz、CDMA 1800MHz、CDMA 1900MHz、数字蜂窝式系统(DCS)1700MHZ和通用移动电信系统(UMTS)1900MHz中的至少两者。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一发射频带至少比所述第二发射频带高100MHz。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二通信模式包括CDMA、GSM、宽带CDMA(WCDMA)、时分同步CDMA(TD-SCDMA)、正交频分多路复用(OFDM)和WiMAX中的至少两者。
5.根据权利要求1所述的装置，其中第一和第二可调谐元件包括电压可变微机电系统(MEMS)。
6.根据权利要求1所述的装置，其中第一和第二可调谐元件包括电压可变铁电电容器。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一发射频带与所述第一接收频带实质上彼此隔离。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述发射天线与所述接收天线正交定位。
9.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括第二接收天线，所述第二接收天线具有第三可调谐元件，以提供接收分集。
10.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括第二发射天线，所述第二发射天线具有第三可调谐元件，以提供发射分集。
11.一种无线通信装置，其包括：
发射装置，其具有第一调谐装置，以将与第一通信模式相关联的第一发射频带改变为与所述第一通信模式或第二通信模式相关联的第二发射频带；以及
接收装置，其具有第二调谐装置，以将与所述第一通信模式相关联的第一接收频带改变为与所述第一通信模式或所述第二通信模式相关联的第二接收频带。
12.一种无线通信装置，其包括：
发射天线，其具有第一可调谐元件，以将与第一通信模式相关联的第一发射频率信道集改变为与所述第一通信模式或第二通信模式相关联的第二发射频率信道集；以及
接收天线，其具有第二可调谐元件，以将与所述第一通信模式相关联的第一接收频率信道集改变为与所述第一通信模式或所述第二通信模式相关联的第二接收频率信道集。
13.一种用于无线通信的方法，所述方法包括：
使用与第一无线通信模式相关联的第一频率范围，用第一天线发射信号且用第二天线接收信号；
将所述发射天线和所述接收天线调谐到与所述第一通信模式或第二无线通信模式相关联的第二频率范围；以及
使用所述第二频率范围，用所述第一天线发射信号且用所述第二天线接收信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括确定所述第二无线通信模式是否提供比所述第一无线通信模式更好的通信。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述频率范围包括码分多址(CDMA)450MHz、CDMA 800MHz、扩展型全球移动通信系统(EGSM)900MHz、全球定位系统(GPS)1575MHz、CDMA 1800MHz、CDMA 1900MHz、数字蜂窝式系统(DCS)1700MHz和通用移动电信系统(UMTS)1900MHz中的至少两者。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一频率范围至少比所述第二频率范围高100MHz。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一和第二通信模式包括CDMA、GSM、宽带CDMA(WCDMA)、时分同步CDMA(TD-SCDMA)、正交频分多路复用(OFDM)和WiMAX中的至少两者。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一天线和所述第二天线使用实质上彼此隔离的频带。
19.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括用第三天线接收信号，以提供接收分集。
20.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括用第三天线发射信号，以提供发射分集。
21.一种用于无线通信的方法，所述方法包括：
使用与第一无线通信模式相关联的第一频率信道集，用第一天线发射信号且用第二天线接收信号；
将所述发射天线和所述接收天线调谐到与所述第一通信模式或第二无线通信模式相关联的第二频率信道集；以及
使用所述第二频率信道集，用所述第一天线发射信号且用所述第二天线接收信号。
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