CN101542839B - 测向天线系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一个天线系统包括第一天线元件、第二天线元件和一个寄生元件，其中寄生元件关于第一天线元件和第二天线元件布置，使得在第一和第二天线元件的各个天线场型之间的最大增益差发生在第一天线元件场型的一个零位上。

Description

测向天线系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及测向天线系统，特别涉及采用多个天线的测向天线系统。

发明背景

天线系统形式多样。目前受人欢迎的是基于印刷电路板(PCB)的系统。例如，PCB贴片天线(PCB patch antenna)包括一个发射部分位于PCB的一层上和一个接地平面位于发射部分上方或下方的另一层上(其中“上方”和“下方”是指叠层内的位置)。由于贴片天线的发射部分利用接地平面，其被称为一个接地天线。其它天线元件不在接地平面的上方或下方，被称为非接地天线。通过短接贴片元件一端到接地，平面倒F型天线(PIFA)可以由一些贴片天线制成。为了改变场型和/或增加频段到天线的运行频谱，可以将多个天线元件与寄生元件相连。

一个使用天线系统的例子是在测向(或测标)天线系统里。当前测向天线系统的使用包括寻找射频(RF)干扰源(有时被称为“电磁干扰”或“EMI”)或寻找信标。

现有技术包括一些设计用于指出射频(RF)信标的方向。现有技术的测向天线使用两种技术的其中一种。第一种技术是高方向性的天线波束，例如由Yagi天线(即八木天线)或相控阵天线产生的那种。有时，高方向性的天线波束能够关于RF信标方向提供一个良好指示。通常，当波束掠过所有方位角的方向时，具有最大信号强度的方向可能就是信标方向。但是，高方向性的天线系统通常庞大且笨重，因此使得它们不适合便携式或移动使用。

被应用到当前测向天线系统内的另一种技术包括计算两个天线波束的信号强度差。一个天线波束在所有方位角方向上几乎是均匀的，而另一个天线波束有多个零位(null)。一个示例的现有技术系统包括一个偶极和一个被放置在PCB上的缝隙天线(slot antenna)。当信标沿着一个零位方位角时，均匀波束和零波束之间的信号强度差很大，因此可以提供方向指示。但是，多个零位意味着有不止一个显示较大信号强度差的方位角方向。在偶极/缝隙天线的例子里，零位是间隔180°的，从而一个较大的信号强度差意味着要么用户在正确的方向上要么在错误的方向上。目前，市场上还没有紧凑小巧的测向天线系统，其能够明确指示一个发射机的方位角方向。

发明概述

本发明的各种实施例涉及一个系统和方法，其包括至少两个天线元件提供第一和第二天线场型，天线元件被布置使得两个天线场型的接收信号强度的最大差值发生在其中天线场型的一个零位上。

在一个例子里，系统包括一个天线A和一个天线B。第三元件是充当天线A的寄生元件并充当天线B的反射器。天线A和B以及第三元件被布置安排使得天线B有一个几乎全向的场型，而天线A有一个具有一个零位的心脏形场型。一个RF电路接收来自天线的信号，并比较信号强度。显示最大信号强度差的方位角方向也可以被看作是信号的方向。

天线元件可以是任何类型的天线，如PIFAs、贴片天线、单极天线、螺旋天线、喇叭天线等。天线元件(包括第三元件)可以是接地的也可以是不接地的，是短接到地的或浮动接地的。

前述已经相当广泛地描述了本发明的特征和技术优势，以便能够更好地理解以下本发明的详细描述。本发明的其它特征和优势将在其后描述，其形成本发明的权利要求科目。本领域技术人员应该理解，披露的概念和具体实施例可以被容易利用作为一个基础，用来修改或设计其它结构用于执行本发明的相同目的。本领域技术人员也应该理解，这种等同的构造并没有脱离在附加权利要求内阐述的本发明精神和范围。被看作本发明特性的新颖特征，无论是其组成还是运行方法，与其它目的和优势一起从以下结合附图的描述将被更好地理解。但是，应该深刻地认识到，每个附图仅是用作描述和叙述用途，而不是意在作为限制本发明的定义。

附图说明

为了更全面地理解本发明，现结合附图对以下描述作出参考，其中：

图1描述本发明一个实施例的典型天线系统；

图2描述图1各个天线的典型天线场型；

图3描述本发明一个实施例适配的典型天线系统；

图4描述在运行频带内的各个点上图3天线元件的天线场型；

图5描述本发明一个实施例的典型天线系统；

图6描述本发明一个实施例的典型天线系统；

图7描述本发明一个实施例的典型天线系统；

图8描述本发明一个实施例的典型天线系统；

图9描述本发明一个实施例的典型天线系统；

图10描述本发明一个实施例的典型天线系统；

图11描述本发明一个实施例的典型天线系统；和

图12描述本发明一个实施例的典型方法。

发明详述

图1描述本发明一个实施例的典型天线系统100。天线系统100包括两个天线元件102和103。在天线元件102和103之间是寄生元件104，还有一个开关105被用来每次选择来自一个天线元件102/103的信号。在此特定例子里，各种组件都被配置在PCB 101上，其还有接地平面在一个更低的层上，其轮廓由图中虚线显示。布置寄生元件104以便在天线103上提供一个RF陷波(trap)，从而在寄生元件和天线103之间的方向线上建立一个零位(null)。

系统100也包括RF模块106，其与开关105连接以接收来自天线102和103的信号。在此实施例里，RF模块106有一个控制电路来操作开关105，以便在接收天线102和天线103的信号之间进行切换。开关105轮流将来自天线102和103的信号馈电到RF模块106，RF模块106连接计算电路107，其比较来自天线102和103的各个信号的强度。计算电路107输出一个方向指示(根据比较信号强度而导出的)到诸如用户接口(图中未显示)。在一些实施例里，RF模块106包括一个接收信号强度指示器(RSSI)。天线元件102和103被显示在接地平面上方；所以，天线100是一个接地天线系统。其它实施例可以移走一个或多个天线元件102和103(以及寄生元件104)离开接地平面，从而形成一个不接地的天线系统。

图2描述关于天线102和103(图1)的示范天线场型201和202。如图所示，场型202包括一个在30°和60°之间的零位，而场型201在所有方位角方向上是大体均匀的。当在零位的方位角方向上接收到一个RF信号，天线102和103的信号强度之间的差是最大的。在此特定的例子里，信号强度差超过30分贝(decibel)。计算电路，如图1的电路107，比较信号强度并输出一个比较的指示。

图3描述本发明一个实施例的典型天线系统300。天线系统300包括接地平面301、天线元件303和304、以及布置在印刷电路板(PCB)502上的寄生元件305。在此例子里，导电部分是由铜制成，但是，可以使用其它导体。同样也可以使用不同于PCB的基板。

寄生元件305相对于天线元件304是寄生的，相对于天线元件303充当一个反射器(reflector)。天线元件303和304以及寄生元件305被配置得，使得天线元件303和304之间的最大信号强度差发生在一个对应天线元件304的零位的方位角方向上。虽然未在图3内显示，系统300的一些实施例还包括一个RF模块，RF模块轮流从天线元件303和304接收信号。合适的开关包括由PIN二极管、晶体管、集成电路、手工开关等制成的那些开关。每次用户将测向设备朝向一个方向，各种实施例都至少每次提供一个来自每个天线的信号到RF电路。一些实施例提供周期性的切换，如在5赫兹、10赫兹等。本发明的其它实施例可以省略开关，取而代之的是提供两个RF输入到RF模块。

图3包括尺寸并按比例进行绘制。系统300在2.4GHz到2.48GHz的频段上运行。虽然提供了系统300的尺寸，应该理解，不是本发明的所有实施例都受此限制。例如，天线系统通常可以被调整到在不同运行频段上工作，这同样适用于系统300(以及图1的系统100)。事实上，本发明的实施例可以适用于任何RF频段。

此外，天线元件、接地平面和寄生元件的形状可以不同于图1和3内所示的形状。例如，可以选择各种格式的天线元件和寄生元件，如单极、螺旋状、PIFA、环状、喇叭状等。任何一个或所有元件可以是接地的或不接地的、短接到地的或不短接到地的(如浮动接地的，floating)。

图4描述图3的天线元件303和304在运行频段的各个点上的天线场型。最大的信号强度差是在天线元件304的零位401的方位角上(例如，在零位401的方位角上，天线303大约是0dB，相比之下，天线304大约是-15dB)。天线元件303也有零位402，但在这个方位角上的信号强度差小于在零位401的方位角上的信号强度差(例如，小于零位401上的信号强度差15dB)。例如，在零位401上的差值在+15dB左右(即0-(-15)＝+15dB)，然而在零位402上的差值是-15dB(即-15db-0dB＝-15dB)。在零位401上的差值比在零位402上的差值更大(即+15dB大于-15dB)。

图5描述本发明一个实施例的典型天线系统500。天线系统500有些类似于图3系统300的结构，但尺寸有所不同，为了便于描述其更具体化。系统500包括布置在基板502上的接地平面501。系统500还包括PIFA天线元件503和504，以及寄生元件505。

开关506运行以轮流提供来自天线元件503和504的信号到模块507，其接收信号并比较信号强度。如在此所示的任何一个实施例，也可以设计省略开关506，使用一个双输入RF模块代替。块510是概念性的，表示任何一个或多个天线元件503-505可以是短接到地的或浮动接地的。

系统500的运行频率可以通过修改元件503和504的有效辐射长度而改变。天线元件505的零位方位角方向可以通过修改寄生元件505的锯齿结构(saw tooth structure)进行调整。通常，突出结构505a-d的长度影响零位的方向，从而可以设计突出结构505a-d的长度以便提供一个期望的零位方向。

天线元件503将元件505不看作是一个寄生元件，而是看作一个反射器。在此例子里，天线元件503和504被布置在系统500内，使得天线元件503上的电场在离元件505最远的点上是最高的。

图6描述本发明一个实施例的典型系统600。系统600类似于图5的系统500，但增加了槽缝(slot)601-605。在此例子里，槽缝601-605是用来提供开关电路506和天线元件503和504之间的匹配。槽缝601-605也调谐系统600的运行频段。

图7描述本发明一个实施例的典型系统700。系统700类似于图5的系统500，但增加了槽口(notch)701-703。槽口701-703在系统700内用于抑制元件503和504之间的相互耦合，并用来塑造形成天线元件503和504的场型。其它实施例可以使用槽口以建立额外的运行频段和/或调谐运行频段。

图8描述本发明一个实施例的典型系统800。系统800增加了条片(strip)801-803。在此例子里，额外条片801-803被用来进行场型成形和阻抗匹配。在其它实施例里，额外条片将增加运行频段到天线系统。

图9描述本发明一个实施例的典型系统900。系统900采用额外的寄生元件901和902。寄生元件901和902提供场型成形、阻抗匹配和/或额外的运行频段。如图所示，寄生元件901和902是短接到地的，但在其它实施例里可以是浮动接地的。

图10描述本发明一个实施例的典型系统1000。系统1000描述一个特定实施例，可以合并一个或多个槽缝、槽口、额外条片和额外寄生元件。

图11描述本发明一个实施例的典型系统1100。系统1100是一个示例的客户设备，它采用一个或多个天线系统，如以上所述的有关图1-10的系统。在此例子里，系统1100足够小以至于客户能够携带在口袋里和/或系在一个钥匙链上。

系统1100包括外壳1105，其隐藏并保护天线系统(图中未显示)，并有钥匙链系缚机构106。启动键1101打开系统1100，开始接收信号和比较信号强度。当接收信号强度差增加时，灯1102-1104接连着发光。当所有三盏灯1102-1104都亮时，用户有一个可靠的信标方向指示(图中未显示)。

图12描述本发明一个实施例的典型方法1200。例如，方法1200可以由一个采用以上描述的一个或多个系统的设备执行。

在步骤1201，使用第一天线元件的一个场型，从发射机接收到一个信号。在步骤1202，使用第二天线元件的一个场型，从发射机接收到一个信号。在此实施例里，在第一和第二天线元件的场型之间最大增益差发生在第一天线元件场型的一个零位方位角上。增益差是一个已知值，第一天线的零位方位角同样是已知的。

在步骤1203，确定第一和第二天线的接收信号强度差。例如，可以使用一个RSSI来确定信号强度。当两个天线场型的接收信号强度差符合已知的最大增益差时，发射机就在第一天线场型的零位的相同方位角上。

在步骤1204，输出一个方向指示，其至少部分基于比较的接收信号强度。例如，可以输出一个与接收信号强度差成比例的模拟信号到计算电路，该计算电路逻辑地计算该方向与零位方位角到底有多近。方向指示可以被馈电到一个用户接口(UI)。例如，用户接口(如图11的灯1102-1104)能够指出该方向距离发射机的方位角是近(和/或趋近)还是远(和/或趋远)。在如图11内系统1100所示的客户设备里，一个对应具有最大增益差的方位角的信号强度差使得所有三盏灯都发光。较小的增益差导致较少的灯发光。当灯1102-1104接连着发光时，用户可以拿着设备转身并观看。当用户看到所有三盏灯1102-1104都亮着时，用户可以知道他正在寻找的发射机方向。

虽然方法1200被显示为一系列离散步骤，但实施例的范围并不限于此，可以增加、省略、重新安排或修改步骤。例如，在一些例子里，可以同时执行步骤1201和1202。在其它实施例里，如在天线输入之间切换的那些实施例，可以轮流重复步骤1201和1202。

如以上有关图1-12所述的系统和方法可以被用于各种应用。例如，信标可以放在孩童或宠物身上，在他们从视野中消失时，父母或宠物主人能够更迅速地找到孩童或宠物。在另一个例子里，信标可以被放置在汽车上，从而汽车主人能够在拥挤或大型停车场内找到汽车。各种实施例也可以被用来定位EMI源和干扰发射台。

与现有技术的系统相比，本发明的各种实施例有一个或多个优势。例如，具有一个零位的场型的实施例比采用两个或多个零位的场型的系统能够提供更确定的指示。此外，与采用诸如Yagi天线或相控阵天线的高方向性的系统相比，本发明实施例可以更小型而紧凑。

虽然已经详细说明了本发明及其优越性，但应理解，在不脱离所附权利要求定义的本发明的条件下可以做出各种改变，替换和变化。此外，本申请的范围不限定到此处说明书中描述的处理方法，机器，制造，物质构成，手段，方法和步骤等的特定实施例。从说明书可以容易理解，可以利用实质上执行了与这里说明的相应实施例相同功能或实现了相同结果的目前已有的或者将来会开发出的处理方法，机器，制造，物质构成，手段，方法和步骤。因此，所附的权利要求书旨在包括这些处理方法，机器，制造，物质构成，手段，方法或步骤。

Claims (19)

1.一个天线系统，包括：

第一天线元件；

第二天线元件；和

一个寄生元件，其中寄生元件关于第一天线元件和所述第二天线元件布置，其中所述寄生元件和所述第一和第二天线元件被布置，使得所述第一天线元件有一个具有单个零位的场型，而所述第二天线元件有一个在所有方向角上全向的场型，且所述第一和第二天线元件的各个天线场型之间的最大增益差发生在第一天线元件场型的所述零位上。

2.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述第一天线元件的天线场型包括一个心脏形。

3.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述第二天线元件的天线场型在所有方向角上的总增益差小于5dB。

4.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述第一和第二天线元件选自：

喇叭元件；

螺旋元件；

单极元件；

贴片元件；和

PIFA元件。

5.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述第一天线元件和所述第二天线元件包括的组件选自：

槽缝；

槽口；和

额外条片。

6.根据权利要求1所述的天线系统，还包括至少一个额外的寄生组件。

7.根据权利要求1所述的天线系统，还包括：

电路，其使用所述各个天线场型接收信号，比较各个场型的信号强度，并提供一个输出显示所述信号强度的差值。

8.根据权利要求7所述的天线系统，还包括：

一个用户接口，与接收信号和提供方向指示的所述电路连接。

9.一个测向天线系统，包括：

第一天线元件；

第二天线元件；

一个寄生组件，其中所述寄生组件和所述第一和第二天线元件被布置，使得所述第一天线元件有一个具有单个零位的场型，而所述第二天线元件有一个在所有方向角上全向的场型，且所述第一和第二天线元件的各个天线场型之间的最大增益差发生在第一天线元件场型的所述零位上；和

电路，从每个所述天线场型接收信号，比较其信号强度，并至少部分地基于比较结果提供一个信号发射机的方向指示。

10.根据权利要求9所述的测向天线系统，还包括：

一个用户接口，与接收信号并提供所述方向指示的所述电路连接。

11.根据权利要求9所述的测向天线系统，其中所述测向天线系统包含在一个手持设备内。

12.根据权利要求9所述的测向天线系统，其中所述第二天线元件的所述场型包括一个零位，其比所述第一天线元件的所述场型的零位具有更多增益。

13.根据权利要求9所述的测向天线系统，还包括：

一个开关，与所述第一和第二天线元件以及所述接收信号的电路连接，所述开关轮流地提供来自所述第一和第二天线元件的信号到所述接收信号的电路。

14.一种测向天线系统使用方法，使用一个包括第一和第二天线元件以及一个寄生元件的天线系统，提供一个发射机的方向指示，本方法包括：

使用第一天线元件的场型，接收来自发射机的信号；

使用第二天线元件的场型，接收来自发射机的信号，其中所述寄生元件和所述第一和第二天线元件被布置，使得所述第一天线元件有一个具有单个零位的场型，而所述第二天线元件有一个在所有方向角上全向的场型，且第一和第二天线元件的场型之间的最大增益差发生在第一天线元件场型的零位方位角上；

确定第一和第二天线的接收信号强度差；和

至少部分地基于所述接收信号强度差，输出一个方向指示。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述最大增益差是一个已知值，并且所述接收信号强度差与所述已知值进行比较来提供所述方向指示。

16.根据权利要求15所述的方法，其中一个符合所述已知值的确定值显示所述发射机的方位角方向。

17.根据权利要求14所述的方法，其中使用第二天线元件的场型接收来自发射机的信号包括：

切换一个RF电路的输入以便被电连接到所述第二天线元件。

18.根据权利要求14所述的方法，其中使用第二天线元件的场型接收来自发射机的信号包括：

切换一个RF电路的输入以便被电连接到所述第一天线元件。

19.根据权利要求15所述的方法，还包括：

在一个用户接口上提供所述方向指示。

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