CN101785144B - 电子控向天线 - Google Patents
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Abstract
一种电子控向天线包括至少一个驱动元件，至少一个可控地网元件，以及支撑结构，驱动元件和可控地网元件都布置在所述支撑结构上。可控地网元件具有能够被改变的至少一个几何特征。至少部分地通过改变至少一个可控地网元件的几何特征来选择性地控制驱动元件的辐射角。地网元件可以包括多个导电部分，多个导电部分的至少一个子集可以适于单独地电连接到一起从而改变驱动元件的辐射角。
Description
技术领域
本发明一般地涉及天线，更具体地涉及提供发射和接收多样性的天线。
背景技术
无线电平台正在变得日益复杂，在单个解决方案中通常能够找到多个无线电收发设备和天线。例如，要求天线发射和接收多样性的解决方案通常使用两个或更多个天线，每个天线相对于彼此在不同平面上定向。例如，Nintendo
WiiTM(美国Nintendo公司的商标)游戏控制台使用两个在不同平面上定向的天线来实现接收多样性。
然而这样的解决方案要求使用占用相当大空间的分开的天线，因此通常是不希望的。尽管对于类似WiiTM的产品，在控制台中具有足够的空间，但是诸如例如移动电话、个人数字助理(PDA)、无线电子邮件装置等小形状系数的装置完全不能提供容纳多个天线的空间。例如，当前正在开发的平台可能具有多至12个有源无线电解决方案，每个都具有单独的相应天线。包括用于MIMO(多输入多输出)应用的其他天线，将这样大量的天线封装在例如标准FR-4(耐燃4)印刷电路板(PCB)上就变得更加困难了(FR-4是用编织的纤维玻璃毡片加强的环氧树脂)。
另一个近来提出的解决方案包括使用可变电容器来电子调谐天线。然而，在该方案中，改变天线的发射元件的谐振频率，而不改变天线的辐射角。因此，该技术不能被用来控制天线的方向。
因此，需要一种天线，其不受由传统天线表现出的上述一个或多个问题的影响。
发明内容
本发明通过在其示例性实施例中提供电子控向天线和用于电子控向天线的方法来满足上述需要。
根据本发明的一个方面，电子控向天线包括至少一个驱动元件，至少一个可控地网元件，以及支撑结构，驱动元件和可控地网元件布置在所述支撑结构上。可控地网元件具有可以被改变的至少一个几何特征。至少部分地通过改变可控地网元件的几何特征来选择性地控制驱动元件的辐射角。地网元件可以包括多个导电部分，导电部分的至少一个子集可以适于单独地电连接到一起，从而改变驱动元件的辐射角。
可控地网元件还可以包括至少一个开关元件，所述开关元件连接到多个导电部分的第一和第二导电部分。开关元件被操作为选择性地将第一和第二导电部分电连接到一起。驱动元件还可以至少部分地基于至少部分的地网元件是电连接到电压源还是地来在多个频率范围之一中操作。
根据本发明的另一方面，披露了一种用于电子控向天线的方法，所述天线包括至少一个驱动元件、至少一个地网元件以及支撑结构，驱动元件和可控地网元件布置在所述支撑结构上。该方法包括通过改变该至少一个可控地网元件的至少一个几何特征来选择性控制至少一个驱动元件的辐射角的步骤。该可控地网元件可以包括多个导电部分，其中控制驱动元件的辐射角的步骤包括单独地将导电部分的至少一个子集电连接到一起。类似地，地网元件还可以包括至少一个开关元件，所述开关元件连接到多个导电部分的第一和第二导电部分，其中所述控制驱动元件的辐射角的步骤包括将第一和第二导电部分电连接到一起。
根据本发明的另一方面，通信系统包括发射机和接收机。所述发射机和/或接收机包括电子控向天线，所述天线包括至少一个驱动元件、至少一个可控地网元件以及支撑结构，驱动元件和可控地网元件布置在所述支撑结构上。可控地网元件具有能够被改变的至少一个几何特征。至少部分地通过改变可控地网元件的几何特征来选择性地控制驱动元件的辐射角。地网元件可以包括多个导电部分，导电部分的至少一个子集可以适于被单独电连接到一起，从而改变驱动元件的辐射角。
本发明的这些和其他目的、特征和优点将由下面结合附图对其示例性实施例的详细描述而变得显而易见。
附图说明
图1是示出了根据本发明的实施例形成的示例性电子控向天线的至少一部分的横截面视图。
图2A是示出了根据本发明的实施例的在图1中示出的电子控向天线的示例性驱动元件的至少一部分的平面视图。
图2B是示出了根据本发明的实施例的图1中示出的电子控向天线的示例性地网元件的至少一部分的平面视图。
图3是示出了根据本发明的实施例的图2B中示出的地网元件的示例性实施方式的框图。
具体实施方式
这里，在如下的示例性天线的背景下描述本发明的各个方面，所述示例性天线被电子控向使得从其得到多个辐射图案。尽管在此引用了这些部件的某些装置部件和/或结构，但是应该理解本发明不限于这些或任何特定装置部件和/或其结构。相反，本发明的技术有利地提供一种天线，其能够在较小的空间中实现等效的多天线解决方案。结合本发明技术的天线基本上可以包括任何类型的天线，包括但不限于偶极天线、微带天线、缝隙天线、多波段和单波段天线、PIFA(平面倒F天线)、非PIFA(非平面倒F天线)等，这对于采用在此所阐述的技术的本领域技术人员是显而易见的。
图1是示出了根据本发明的实施例形成的示例性电子控向天线100的至少一部分的横截面视图。天线100分别包括在此被实施为偶极的驱动元件120，以及第一、第二和第三地网元件131、132和133。在图2B和图3中更详细地示出了地网元件131、132和133。每个地网元件131、132、133可以形成在(例如，印刷在)单层印刷电路板(PCB)110或可替换的电介质基板上。更具体的，驱动元件120优选地形成在PCB 110的上表面112上，以及地网元件131、132、133形成在PCB的与上表面相反的底表面114上。驱动元件120通过包括在PCB 110中的电介质材料与地网元件131、132、133电绝缘。适于与本发明一起使用的驱动元件可以包括例如利用形成在电介质基板的上表面上的金属特征制造的驱动元件，或利用至少部分在基板的上表面上延伸的分离的金属特征制造的驱动元件。其示例包括使用金属线制成的天线，如在上面所提及的偶极天线、或如同在非平面倒F天线中一样，压印成薄片金属、预成形并附着至基板的上表面的天线。
尽管本实施例描述了驱动元件120位于PCB110的上表面112上，以及地网元件131、132和133位于PCB的底表面114上，但是本质上部件的任何方向和/或布置都可以与在此披露的本发明的技术结合使用。此外，尽管天线100被示出为包括单个驱动元件120和三个地网元件131、132、133，但是本发明不限于任何特定数量的驱动元件和/或地网元件。
通过选择性地改变一个或多个地网元件的几何特征(例如，长度、形状等)，例如下面将进一步讨论的，通过将地网元件131、132、133中的一个或多个电连接至地或可选的电压源，驱动元件120的辐射角可以相应地被改变，从而产生变化的相应辐射图案，其理论上可以分别被表示为图案141、142和143。以该方式，天线100在减少的空间中有利地提供了相对于彼此布置在不同平面中的多个天线的等效性能。此外，由于包括了多个驱动元件且其每一个都具有不同的阻抗和与其相关联的相应谐振，天线100能够提供在不同频段的多样性信号发射和接收。
图2A是根据本发明的实施例的PCB 110的上表面112的平面视图，示出了图1中示出的电子控向天线100的驱动元件120的至少一部分。驱动元件120优选地包括导电材料，例如铜、铝、导电墨等。应该理解，尽管示出了单个驱动元件，但是也类似地构想了包括多个驱动元件的天线。在偶极实施方式的情况下，如图所示，传输线202，例如75欧姆的馈线，可以被用来传送由天线发射的信号和/或从天线接收的信号。传输线202在一个或多个馈电点204处连接到驱动元件120，所述馈电点理想地位于沿驱动元件长度Ld的中心。该布置通常被称作中心馈电偶极。可以类似地设计其他馈电点布置。例如，在端部馈电偶极布置中，传输线可以在驱动元件的相对端处连接到驱动元件。
图2B是根据本发明的实施例的PCB 110的底表面114的平面视图，示出了图1中示出的电子控向天线100的示例性地网元件131、132、133的至少一部分。尽管示出了单侧PCB，但是也可以使用多层PCB。当使用具有多个层的PCB时，每个层可以包括一个或多个地网元件。从图中明显可知，每个地网元件131、132、133包括多个导电部分。具体地，地网元件131包括导电部分220，地网元件132包括导电部分222，以及地网元件133包括导电部分224。每个地网元件的有效长度Lc是串联连接在一起的导电部分的数量的函数。
应该理解，尽管示出了三个地网元件，可以类似地构想包括更多地网元件(例如4个)或更少地网元件(例如2个)的天线。此外，两个或更多地网元件可以电连接到一起，从而形成有效长度等于组合的地网元件的各个长度之和的新的地网元件。类似地设计仅包括一个地网元件的天线布置。在该布置中，当地网元件的导电部分没有连接到一起时，天线可以表现出不定向辐射图案(例如各向同性图案)，以及在各个导电部分连接到一起时，天线可以表现出方向性的辐射图案。
图3是根据本发明的实施例的示出了图1中示出的控向天线100的地网元件131、132、133的示意性布置300的方块图。如上所述，每个地网元件优选地包括多个导电部分。应该理解，本发明不局限于导电部分的任何特定数量和/或形状。各个导电部分与二极管或可选的开关元件(例如场效应晶体管)互连。优选地，每个地网元件被分成足够数量的导电部分，从而使得单个部分的尺寸足够小，从而在没有被连接时对于驱动元件来说基本上是透明的。此外，尽管导电部分被示出为具有彼此相同的尺寸和形状，但是这些部分不必具有相同的尺寸或形状。
在此所使用的术语“透明”旨在表示驱动元件的辐射角没有明显改变。当与给定地网元件相关联的多个导电部分串联连接在一起时，给定地网元件优选地变为对驱动元件不透明，从而使得根据地网元件的有效长度或其他几何特征，和/或地网元件相对于驱动元件的位置改变驱动元件的辐射角。
更具体地，第一地网元件131优选地包括多个导电部分321、322、323、324、325、326和327，以及多个互连二极管351、352、353、354、355和356。部分321的第一端连接到二极管351的阳极，二极管351的阴极连接到部分322的第一端，部分322的第二端连接到二极管352的阳极，二极管352的阴极连接到部分323的第一端，部分323的第二端连接到二极管353的阳极，二极管353的阴极连接到部分324的第一端，部分324的第二端连接到二极管354的阳极，二极管354的阴极连接到部分325的第一端，部分325的第二端连接到二极管355的阳极，二极管355的阴极连接到部分326的第一端，部分326的第二端连接到二极管356的阳极，以及二极管356的阴极连接到部分327的第一端。
类似地，第二地网元件132优选地包括多个导电部分331、332、333、334、335、336和337，以及多个互连二极管361、362、363、364、365和366。部分331的第一端连接到二极管361的阳极，二极管361的阴极连接到部分332的第一端，部分332的第二端连接到二极管362的阳极，二极管362的阴极连接到部分333的第一端，部分333的第二端连接到二极管363的阳极，二极管363的阴极连接到部分334的第一端，部分334的第二端连接到二极管364的阳极，二极管364的阴极连接到部分335的第一端，部分335的第二端连接到二极管365的阳极，二极管365的阴极连接到部分336的第一端，部分336的第二端连接到二极管366的阳极，以及二极管366的阴极连接到部分337的第一端。
第三地网元件133优选地包括多个导电部分341、342、343、344、345、346和347，以及多个互连二极管371、372、373、374、375和376。部分341的第一端连接到二极管371的阳极，二极管371的阴极连接到部分342的第一端，部分342的第二端连接到二极管372的阳极，二极管372的阴极连接到部分343的第一端，部分343的第二端连接到二极管373的阳极，二极管373的阴极连接到部分344的第一端，部分344的第二端连接到二极管374的阳极，二极管374的阴极连接到部分345的第一端，部分345的第二端连接到二极管375的阳极，二极管375的阴极连接到部分346的第一端，部分346的第二端连接到二极管376的阳极，以及二极管376的阴极连接到部分347的第一端。
地网元件131、132和133优选地在第一端连接到电压源，电压源可以是分别经由相应的电路311、312和313的VCC(例如，大约3.0伏)。根据本发明的一个实施例，每个电路311、312和313都包括电感(例如螺旋电感)或其他电感元件。具体地，在电路311、312和313中的第一、第二和第三电感中的每一个的第一端分别经由第一电源线317连接到VCC或可选电压源，电路311中的第一电感的第二端连接到导电部分321的第二端，电路312中的第二电感的第二端连接到导电部分331的第二端，以及电路313中的第三电感的第二端连接到导电部分341的第二端。电路311、312和313中的电感优选地在有意使用的各个频率范围内具有低阻抗(例如小于1欧姆)。尽管可以使用电阻来代替电感，但是通过使用电感将各个地网元件连接到电压源线路317，地网元件的有效阻抗以及因此的天线辐射角可以作为天线的操作频率的函数而变化。
在本发明的另一实施例中，电路311、312和313中的一个或多个可以包括用于提供规定电流至与其相连的相应地网元件的电流源。该电流可以用于正向偏置给定地网元件中的各个二极管，从而使得给定地网元件中的导电部分串联电连接到一起。
每个地网元件131、132、133可以通过控制电路314被选择性地接入，或者单独或者与一个或多个其他地网元件组合，从而改变天线100的辐射角(见图1)。理论上控制电路314可以被描述为包括开关315，具有通过第二电源线318连接至地或可选电压源的公共极，以及分别连接到每个地网元件131、132和133的三个端，即1，2和3。应该理解，只要第一和第二电源线之间的电压电势的差至少等于各个地网元件中的每个串联连接的二极管的阈值电压的总和且不大于二极管的击穿电压，则实质上任何电压都可以分别施加给第一和第二电源线317和318。提供给控制电路314的至少一个控制信号CTL可以用来选择在任意给定时间处哪一个地网元件被连接在天线中。可以使用例如多路复用器或可选的开关布置(传输门等)来实现控制电路314，从阅读此处的描述，这对于本领域的技术人员来说是显而易见的。
当通过控制电路314连接到第二电源线318时，在给定的地网元件两端施加电压(例如VCC)，其优选地使给定地网元件中的二极管成为正向偏置并导通。优选地，各个地网元件131、132、133中的二极管具有与其相关的相对较低的正向偏置电压。例如，与用于通常P-N结二极管的大约0.6伏的正向偏置电压相比，肖特基二极管和零偏压检测二极管具有小于大约0.2伏的正向偏置电压(例如阈值电压)。使用具有低正向偏置电压的二极管将使得地网元件能在低电压电源应用(例如大于2.0伏)中操作。
当给定地网元件中的二极管被导通时，它们从大体上高阻状态(例如大于大约1兆欧姆)切换至大体上低阻状态(例如小于大约1欧姆)，从而将给定地网元件中的导电部分电连接到一起以产生更大的、电不透明的地网元件，其长度基本上等于各个单独部分的长度的和。类似地，当给定地网元件中的二极管被截止时，在地网元件中的相应的各个导电部分变为彼此电绝缘。如上所解释的，这些单独的导电部分优选地被指定大小，从而与天线的驱动元件相比具有电学上的小尺寸，因此对驱动元件不会有实质性的明显的影响。
通过仅作为示例而不丧失一般性的方式，考虑控制电路314被配置为将地网元件132连接到地线318的情况，如开关位置2所示。在该种情况下，地网元件131中二极管351、352、353、354、355和356将截止，从而有效地使各个导电部分321、322、323、324、325、326和327彼此电绝缘。类似地，地网元件133中的二极管371、372、373、374、375和376将截止，从而有效地使各个导电部分341、342、343、344、345、346和347彼此电绝缘。因此，地网元件131和133将对于控向天线100的驱动元件120电透明(见图1)。同时，在地网元件132两端施加电源电压VCC，因此地网元件132中的二极管361、362、363、364、365和366将导通，从而将各个导电部分331、332、333、334、335、336和337串联电连接在一起。地网元件132因此对于驱动元件电学上不透明，从而产生示出的天线辐射图案142。以类似的方式，当地网元件131或133被接入时，分别产生示出的天线辐射图案141或143中的一个。
通过电连接一个或多个地网元件中的导电部分的各种子集，可以获得驱动元件或多个驱动元件的辐射角的更精细的控制，这是因为给定地网元件的形状(例如长度)可以作为在给定地网元件中连接在一起的导电部分的数量的函数而改变。此外，可以通过将多于一个的地网元件131、132和133电连接到一起来得到其他天线辐射图案。还可以设想，使用本发明的教导的天线可以是时分多用的，从而在规定的时间间隔内通过动态地重新配置地网元件来改变驱动元件的辐射角，由此在任何给定时间间隔内产生期望的辐射图案。
结合本发明的实施例的技术的天线可以包括任何数量和类型的地网元件，包括但不限于，例如，接地扇形、扇形线、合成正方形和/或合成长方形。尽管在此描述的示例性实施例包括如下的地网元件，其包括散布在分开的导体之间的二极管开关元件，然而，可以通过包括例如但不限于开关、二极管、晶体管、和/或多路复用器的多种方式来控制地网元件的电连接。
本发明的至少部分技术可以在集成电路中实现。在形成集成电路时，通常以重复的模式在半导体晶片的表面上制造相同的管芯。每个管芯包括此处所述的装置，以及可以包括其他结构和/或电路。单个管芯从晶片上被切下或被划片，然后被封装为集成电路。本领域的技术人员知道如何对管芯划片并知道如何封装管芯来制造集成电路。如此制造的集成电路被认为是本发明的一部分。
根据本发明的集成电路可以在任何需要天线辐射的应用和/或电子系统中使用，如同例如包括发射机或收发机和/或接收多样性的系统，如同例如包括接收机或收发机的系统。用于实现本发明的技术的合适的系统可以包括但不限于个人计算机、通信网络、移动通信装置(例如，蜂窝电话)、游戏系统、无线接口装置等。结合这样的集成电路的系统被认为是本发明的一部分。给出在此提供的本发明的教导，本领域的普通技术人员应能够构想本发明的技术的其他实施方式和应用。
尽管已经在此参考附图描述了本发明的示例性实施例，应该理解本发明仅仅不限于这些实施例，本领域的技术人员在不背离所附权利要求的范围的情况下可以进行各种其他修改和改变。
Claims (9)
1.一种电子控向天线，包括：
至少一个驱动元件；
多个可控地网元件；以及
支撑结构，所述至少一个驱动元件和所述多个可控地网元件布置在所述支撑结构上；
其中至少一个可控地网元件包括多个导电部分和多个可单独激活的开关元件，每个所述开关元件连接在所述多个导电部分的串联连接的两个相邻导电部分之间；
其中所述多个可控地网元件中的每一个在第一端耦合到第一电位；
其中通过将选择的地网元件在第二端连接到不同于第一电位的第二电位，所述多个可控地网元件中的每一个能够单独或与一个或多个其他地网元件组合地被选择性地接入；以及
其中，至少部分地通过接入所述多个可控地网元件中的一个或多个以及通过激活所述一个或多个接入的可控地网元件的一个或多个所述开关元件以将至少部分所述导电部分电连接在一起，由此改变所述至少一个可控地网元件的至少一个几何特征，从而能够选择性地控制所述至少一个驱动元件的辐射角。
2.根据权利要求1所述的天线，其中所述至少一个几何特征包括所述至少一个可控地网元件的形状和长度中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的天线，其中，所述至少一个几何特征作为至少一个控制信号的函数而选择性地变化。
4.根据权利要求1所述的天线，其中所述至少一个可控地网元件还包括连接在所述多个导电部分中的至少一个和电压源之间的电感。
5.根据权利要求1所述的天线，进一步包括：控制电路，连接到所述至少一个可控地网元件，所述控制电路被操作为接收向其提供的至少一个控制信号以及作为所述至少一个控制信号的函数而激活所述多个开关中的一个或多个。
6.根据权利要求5所述的天线，其中所述控制电路包括多路复用器。
7.一种电子控向天线的方法，所述天线包括至少一个驱动元件、多个可控地网元件以及所述至少一个驱动元件和所述多个可控地网元件布置在其上的支撑结构，至少一个可控地网元件包括多个导电部分和多个可单独激活的开关元件，每个所述开关元件连接在所述多个导电部分的串联连接的两个相邻导电部分之间，所述多个可控地网元件中的每一个在第一端耦合到第一电位，所述方法包括以下步骤：
通过将选择的地网元件在第二端连接到不同于第一电位的第二电位从而单独或与一个或多个其他地网元件组合地选择性地接入所述可控地网元件，以及通过激活所述一个或多个接入的可控地网元件的一个或多个所述开关元件以将至少部分所述导电部分电连接在一起，由此改变所述至少一个可控地网元件的至少一个几何特征，从而能够选择性地控制所述至少一个驱动元件的辐射角。
8.一种集成电路，包括权利要求1所述的电子控向天线。
9.一种通信系统，包括：
发射机；以及
接收机；
其中所述发射机和所述接收机中的至少一种包括电子控向天线，所述电子控向天线包括：
至少一个驱动元件；
多个可控地网元件；以及
支撑结构，所述至少一个驱动元件和所述多个可控地网元件布置在所述支撑结构上；
其中至少一个可控地网元件包括多个导电部分和多个可单独激活的开关元件，每个所述开关元件连接在所述多个导电部分的串联连接的两个相邻导电部分之间，
其中所述多个可控地网元件中的每一个在第一端耦合到第一电位；
其中通过将选择的地网元件在第二端连接到不同于第一电位的第二电位，所述多个可控地网元件中的每一个能够单独或与一个或多个其他地网元件组合地被选择性地接入；
其中至少部分地通过接入所述多个可控地网元件中的一个或多个以及通过激活所述一个或多个接入的可控地网元件的一个或多个所述开关元件以将至少部分所述导电部分电连接在一起，由此改变所述至少一个可控地网元件的至少一个几何特征，从而能够选择性地控制所述至少一个驱动元件的辐射角。
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