CN102594429A - 采用带通采样和快速半导体开关切换的天线分集方案 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种采用带通采样和快速半导体开关切换的天线分集方案，并提供一种车辆或其他主站，包括第一和第二天线，快速半导体开关，切换控制器，和RF接收器。控制器将开关以校准的切换速率切换，以选择性地且择一地将第一天线连接到RF接收器和负载中之一，负载具有校准的阻抗值。在使用负载的任何实施例中，第一天线可以是寄生元件。半导体开关可以是CMOS装置或砷化镓半导体开关。用在具有第一天线、第二天线和RF接收器的车辆或其他主站中的切换控制方法包括从控制器发送切换信号到开关，和响应于切换信号以校准的切换速率切换开关，以选择性地且择一地将第一天线连接到RF接收器和负载中的一个。

Description

采用带通采样和快速半导体开关切换的天线分集方案
技术领域
本发明涉及一种系统和方法，其用于使用带通采样和快速半导体开关切换来改善使用多个接收天线(即天线分集antenna diversity))的车辆中的无线射频接收。
背景技术
无线射频(radio frequency：RF)通讯涉及以电磁无线电波的形式将电能通过自由空间发送。无线电波所携带的信息可用各种模拟信号编码技术来控制，最常见的是波幅调制(AM)和频率调制(FM)。新兴的卫星无线电(XM)能经由数字信息调制以高频率发送无线电波。
多个接收天线可用在被称为天线分集方案的系统中。天线分集可改善存在多个接收路径的信号接收，或改善通过单个天线所作的接收被阻挡的情况下的信号接收。常规的天线分集方案需要信号检测和/或解调制，以及复杂的判定算法，以在多个天线输入信号之间进行选择。因为判定算法和天线控制步骤发生在接收器处，所以通常在每个分集天线和接收器之间需要RF线缆。分集接收器的复杂性和所需的多个RF线缆通常会造成在用在有些系统中(如在车辆上或在其他多路径RF应用中)使用常规的天线分集方案过于昂贵。
发明内容
如本文所述的天线分集系统有助于解决上述一些复杂性和成本问题。本发明的系统使用带通采样和高速半导体开关切换，以独立于无线电接收器来执行所公开的方法。采样和开关切换技术一起使用以将多个RF信号组合，即提供一种特定的天线分集方案。例如，在具有多个隐藏天线的车辆中，或在结构性本体阻挡一个接收天线处的所需辐射方向图的任何其他系统中，本发明的方法是有利的。如本领域公知的那样，术语“辐射方向图(radiationpattern)”是指通过电磁场的相对场强度呈现的具体几何图形。
例如，定位在示例性车辆的前保险杠之上或之中的天线对车辆后部而言具有有限的性能/辐射，而定位在后保险杠之上或之中的天线对车辆前部而言有具有限的性能/辐射。与这种车辆结合使用的本发明的方法将来自多个天线的RF信号平均，并由此与仅使用前部天线或后部天线相比能改善无线电的接收。
现存的天线分集结构通常采用相对复杂的判定标准来实现各个天线输入之间的切换。判定标准可基于信号状态，其需要信号检测和/或解调制。切换机制可存在于位于天线附近或在无线电接收器中的模块内。使用高速晶体管或其他半导体开关机构，本方法替代地将在无线电接收器以外位置处的RF信号之间进行平均，而不需要信号检测和/或解调制，且不需要上述判定标准/算法。
具体说，一种用在主站(例如上述示例性车辆)中的系统包括第一天线，第二天线，半导体开关，RF接收器，和切换控制器。切换控制器持续地以校准的切换速率切换半导体开关。半导体开关的切换快速地将各种天线配置相对于RF接收器进行连接和断开。在另一实施例中，开关将天线连接到负载/与所述负载断开，所述负载具有校准的阻抗值。
当第一天线连接时第二天线与RF接收器断开，且反之亦然。当相对于负载连接/断开时，第二天线直接且持续地连接到RF接收器，例如经由同轴线缆。在该实施例中第一天线并不实体连接到RF接收器，且替代地用作寄生元件。寄生元件用于改变第二天线的辐射特性，从而与寄生元件有关的任何辐射方向图中的零点不与在寄生元件与第二天线断开的情况下的辐射方向图中的零点对准。由此，连接/断开负载之间的平均方向图具有“被填补“的零点，这又可以改善信号的接收特性。
还公开了一种切换方法，其可以在具有上述系统的主站上执行，即具有上述第一和第二天线、RF接收器、半导体开关和切换控制器的任何主站上。方法包括从切换控制器发送切换信号到半导体开关。方法还包括响应于切换信号被开关的接收而持续地以校准的切换速率切换半导体开关。这选择性地且择一地将第一天线连接到RF接收器。在替换实施例中，针对如上所述的具有校准的阻抗值的负载进行连接。
本发明的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施本发明最佳模式的以下详细描述并连同附图显而易见。
附图说明
图1是示例性车辆形式的主站一部分的示意图，其具有多个天线。
图2是可与图1的具有多个接收天线的主站一起使用的系统的示意图。
图3是具有天线的示例性车辆形式的主站一部分的示意图，该天线用作寄生元件。
图4是可与图3所示的主站一起使用的系统的示意图。
具体实施方式
参见附图，其中几幅图中相同附图标记指示相同的部件，且以图1开始，示意性的主站10显示为具有第一天线16和第二天线18。取决于天线16、18相对于发送或播出的无线电信号(例如图2所示的RF信号21)的位置关系，相应的第一天线16或第二天线18任一个相对于另一天线会具有受限制的无线电接收效果。例如，天线16或18有时会被阻挡，由此影响在该特定天线处的接收。因此，天线16，18和主站10的其他部件如本文所述地被控制，以优化主站10中的接收质量。
尽管图1显示了两个天线，但是可以在主站10中使用任意多个天线。为了简要，多个天线在后文中将被描述为是两个天线16和18。半导体开关20用在主站10以外，以择一地将第一天线16和第二天线18连接到无线射频(RF)接收器24(见图2和4)。即，半导体开关20以校准的切换频率进行切换(箭头fs)，从而第一天线16连接到RF接收器且第二天线18断开，且反之亦然。
在图1所示的非限制示例性车辆实施例中，天线16和18定位在或埋入在窗玻璃(window glass)14中，例如后侧窗格，并由此固定到车身部件12。用于定位/连接相应的第一天线16和第二天线18的各种车身部件12都是可以的，包括但不限于在保险杠17、中立柱或其他车身面板、在窗玻璃14等中或被其隐蔽。这种定位可实现完全或部分地隐藏天线16、18。主站10的其他可行实施例包括商用或居住用建筑物，或任何其他合适的固定或移动结构。
参见图2，图1的主站10因此配置为具有天线分集系统25，其能使用多个天线，例如天线16和18。天线16、18中的至少一个可隐藏和/或隐蔽起来，例如通过虚线所示的保险杠17示，或包含在窗玻璃14中/定位在窗玻璃14上，相应的第一天线16和第二天线18具有互补的辐射方向图(radiationpattern)。使用天线分集系统25或图4所示的替换实施例可有助于优化主站10中无线电收听体验。
参见图2，本天线分集系统25包括相应的第一天线16和第二天线18，RF接收器24，半导体开关20，和切换控制器26。在一些实施例中，切换控制器26从DC电源(未示出)获取电力，例如12伏备用电池。例如，在XM无线电系统中，信号强度相对于AM或FM无线电播来说较弱。低噪音放大器(未示出)由此通常用于在XM信号经由同轴或其他合适的线缆40转发到RF接收器24之前增强XM信号。一些FM接收器还需要低噪音放大器和DC电源，且因此经由备用电池进行的供电是一种用于所有公开实施例的可选方案。
相应的第一天线16和第二天线18定位在主站10中以接收所0123发送的RF信号21。RF信号21可从任何远程位置发送，例如从FM无线电塔站或XM卫星。天线分集系统25还可与AM无线电一起使用。但是，在这种情况主站10和相应的第一和第二天线16、18的尺寸将必须是按比例构造的，以适于AM无线电波的相对大的波长和波幅。因此，对于最实际的应用和使用来说，RF信号21期望处在较高频率，如FM、XM或电视发送频率。
图2的切换控制器26可在一个实施例中配置为是开关控制振荡器，其自动地产生并发送切换信号(箭头28)到半导体开关20。切换信号(箭头28)以校准的切换频率(fS)命令半导体开关20进行切换。半导体开关20的切换动作如图2中双头箭头22所示，即在天线16和18之间来回发生的动作。
切换控制器26将两个或多个天线辐射方向图进行平均，从而任何窄角度的天线方向图的零点(null)被填补。该方向图平均方法缓和了由于多路径干扰造成的快速暂时信号衰减的影响，或由于与RF信号21的清晰接收相干扰的图1的车身部件(一个或多个)12或其他结构的干涉所造成的方向图零点的影响。校准的切换频率(fS)比调制的信号带宽的两倍还大，这是带通采样领域公知的术语。这种快速切换速率是需要的，从而RF接收器24(例如FM，XM，或其他RF接收器)能感知各种天线辐射方向图的平均增益。
即，为了避免混淆和切换的协调，切换频率(fS)可被控制器26选择并记录，如下：
2fH/n≤fS≤2fL/(n-1)
2fH/(n+1)≤fS≤2fL/n
其中，n是整数，且fL、fH是经校准通带(pass band)的相应经校准下限和上限。例如，对于运行在约88MHz到约108MHz频带下并具有约200kHz的FM通道带宽的FM无线电来说，切换速率(fS)是约400kHz的最小值。但是，由于美国和大多数其他工业化国家的城市中FM无线电频带的普遍流行的特点，最低理论极限下的低切换速率被认为是不实际的。对于上述一组等式来说存在各种更高频率的解决方案，一种可行的示例性解决方案是用于FM无线电的大约43MHz的切换频率和用于XM无线电的大约100MHz的切换频率。
在一个可行实施例中，图2的半导体开关20可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)装置，即使用互补且对称的p型和n型金属氧化物半导体晶体管对来用于其状态或逻辑功能。其他的快速致动半导体开关设计(如场效应晶体管(FET)，绝缘栅门极晶体管(IGBT)，和/或其他的晶体管开关)也可以用于在相应的第一天线16和第二天线18之间以高速进行切换，只要所选的晶体管类型足够耐用且能保持校准的切换速率。在另一实施例中，半导体开关20可配置为是砷化镓(GaA)半导体开关。这种实施例可以提供更低的系统损失，特别是在与XM无线电一起使用时。
参见图3，一种替换的主站110可用于替换图1的主站10。主站110使用一个或多个寄生元件116作为多个天线中之一，在该情况下代替图1的第一天线16。半导体开关20选择性地将寄生元件116耦合到负载32，该负载具有校准的阻抗值。这造成对作用在寄生元件116上的电流分布的扰动，这又会影响天线中的辐射方向图和相互耦合，这里的天线是指元件116和第二天线18。
参见图4，第二天线18经由线缆40直接并持续地连接到RF接收器24。由于寄生元件/第一天线116和第二天线18之间的相互耦合，半导体开关20的快速切换干扰第二天线18的辐射方向图。RF接收器24感知通过寄生元件116的各个相互耦合的作用形成的天线辐射方向图的平均增益。
如在本文使用的，术语“增益”是指给定天线(例如第二天线18)的辐射方向图的方向度(degree of directivity)。术语“寄生元件”是指提供负载的任何电子电路元件，例如感应器、电容器或电阻器，其具有不需要其特定目的的特性。所有导体都具有电阻和电感特性，且在存在电感的情况下还存在电容。电阻器由此具有一定量的寄生电容等。因此，被选择作为负载32的具体电路元件及其校准的阻抗可基于天线116、18的尺寸以及所接收的RF信号21的特点来选择。
上述天线分集系统25或125可用于改善在多路径条件下RF信号的接收，如在主站10或110上(见图1和3)。切换控制方法因此可以使用本文公开的天线分集25，125。例如，这种方法可包括从切换控制器26发送切换信号(图2和4的箭头28)到半导体开关20，并随后响应于切换信号以校准的切换频率(fS)切换半导体开关20。以此方式，当第一天线配置为是寄生元件116时，可以选择性地且择一地将RF接收器24连接到第一天线16和第二天线18，或将第一天线16连接到负载32。上述切换控制方法可与额外的后切换噪音过滤技术结合使用，以进一步优化图2和4所示的RF接收器24处的信号质量。
尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。
相关申请的交叉应用
本申请要求于2011年1月5地递交的美国临时专利申请No.61/429,793和于2011年12月1日递交的美国专利申请No.13/308597的权益，所述申请通过引用以其全部内容合并与此。

Claims (10)

1.一种系统包括：
第一天线；
第二天线；
无线射频(RF)接收器，与通讯第一和第二天线通讯；
半导体开关；和
切换控制器，其以校准的切换频率切换半导体开关，以由此择一地将第一天线连接到RF接收器和负载中的至少一个和与RF接收器和负载中的所述至少一个断开，该负载具有校准的阻抗值。
2.如权利要求1所述的系统，其中半导体开关的切换择一地将第一天线连接到所述负载和与所述负载断开，且其中第二天线直接且持续地电连接到RF接收器。
3.如权利要求1所述的系统，其中切换半导体开关择一地实现：
将第一天线连接到RF接收器同时将第二天线与RF接收器断开；和
将第一天线与RF接收器断开同时将第二天线连接到RF接收器。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述校准的切换速率为约43KHz到约100MHz。
5.如权利要求4所述的系统，其中RF接收器是FM接收器，其中所述校准的切换速率大于约43MHz。
6.如权利要求4所述的系统，其中RF接收器是XM接收器，其中所述校准的切换速率大于约100MHz。
7.一种主站包括：
车身部件；
第一天线；
第二天线，其中第一和第二天线中的至少一个实体连接到车身部件；
无线射频(RF)接收器，与第一和第二天线通讯；
半导体开关；和
切换控制器，其以校准的切换频率切换半导体开关，以由此择一地将第一天线连接到RF接收器和负载中的至少一个和与RF接收器和负载中的所述至少一个断开，所述负载具有校准的阻抗值。
8.如权利要求7所述的主站，其中车身部件是窗玻璃。
9.如权利要求8所述的主站，其中主站是车辆。
10.如权利要求7所述的主站，其中主站是车辆且车身部件是保险杠。
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