CN102723979B - 分集式天线装置及方法 - Google Patents
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Abstract
适用于通信设备的分集式天线装置和方法，在三个主要空间方向(X、Y、Z)能保证可接受的发射和/或接收条件。分集式天线装置包括多个发射和/或接收圆极化波的天线和天线选择电路，根据表示天线接收电平的信息选择天线中的一个用于发射和/或接收。第一组天线提供第一基本半球辐射图，第二组天线提供第二基本半球辐射图以使第一和第二组天线作为一个整体提供一个基本球形辐射图。
Description
本申请是申请日为2001年7月19日，申请号为01125454.8，发明名称为“分集式天线装置及方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及分集式天线装置，可用于各种通信装置发射和/或接收具有极化波形的信号。
背景技术
如便携电话或其他便携式装置的通信装置，可利用一个具有多个天线的分集式天线，该天线有选择地使用以确保一个高抗多径即多径对抗特征。在图1中展示此类便携式通信装置的一个例子，如图所示，便携通信装置100包括两个彼此之间以等于或大于λ/4距离分开的天线101和102,λ是可被天线101和102发射和/或接收的一个电磁波的波长。便携通信装置100用具有更有利条件的天线101和102中的一个发射和/或接收信号。
便携通信装置100可以利用如图2所示的电路以选择两个天线中的一个。如图2所示，天线101和102分别连接到接收机103和104上。接收机103和104的输出供给到接收电平比较器105，并相互之间比较以便决定天线101和102中显示出更好的输出特性的一个并形成一个比较信号。这个比较信号从接收电平比较器105提供到天线转换开关106，与之响应，可转换地选择来自接收机103或104的合适的输出信号，其相应于显示出更好的输出特性的天线101或102。
在便携通信装置100中，为保证可接受的发射和/或接收状态，两个天线101和102被以预定距离(如等距离或大于λ/4)排列以利用一个所谓分集空间的效应。换句话说，天线彼此被足够地隔开，使得其中每个天线互相独立承受衰落变化。除非两个天线101和102显著地衰落，可以提供一个可接受的发射和/或接收的状态。
图3中展示一个利用分集天线装置的便携通信装置110。如图所示，便携通信装置110包括两个排列在不同面上的天线111和112。便携通信装置110用天线111和112中显示出更好状态的一个来发射和/或接收信号。这样的天线可类似于便携通信装置100的方式被选择。
在便携通信装置110中，天线112被设定的具有尖锐的方向性，以确保高增益，使用于发射和/或接收的电磁波达到相对较远的距离并保证一个好的抗多径特性。因为便携通信装置110用天线111和112中显示出更好状态的一个来发射和/或接收信号，用辐射图形分集效应就可保证好的发射和/或接收状态。
家庭、办公室或类似场所中的各种装置之间的无线电通信可能发生。在这样的无线电通信中，需要在建筑楼层之间发射和接收信号。进一步地，当通信装置(如便携型通信装置)被使用时可以与地面构成任何角度，在这种情况下，如果天线固定在便携通信装置机体上，则天线方向可随装置体的倾斜而改变。
上述分集天线装置可用于户外或一个建筑物的同一楼层。这些装置可具有相对于平行地面方向提供良好增益的辐射图形。作为一个示例，便携通信装置100和110的每个天线都可有在图4或图5中的一个辐射图形，即天线101，102和111具有如图4A和4B中所示的辐射图形以及天线112具有如图5A和5B所示的辐射图形。
从图4和图5明显看出，上述分集天线装置沿着Z轴方向，也就是向上或向下方向来发射和/或接收电磁波是很困难的。所以，尽管这样的分集天线装置可以很好地抵抗在同一平面的多径干扰，但不适合于三个主要空间方向上的发射和/或接收。另外，由于这样的分集天线装置可利用线极化波(如水平极化波或垂直极化波)，因为天线相对地面的角度，发射和/或接收条件会有很大的变化。
因此，由于通信装置的位置和/或方向决定了信号的极化平面变化，当上述分集天线装置用于在家中、办公室或类似场所的无线电通信或用于各种便携通信装置时，不能保证可接受的或稳定的发射和/或接收条件。
发明内容
根据本发明，提供了一种分集天线装置，包括(a)多个发射和/或接收一个圆极化波的天线，和(b)根据表示天线接收电平的信息，选择发射和/或接收的天线中的一个的天线选择电路，其中第一组天线提供第一大体半球辐射图形且第二组天线提供第二大体半球辐射图形，这样第一和第二组天线作为一个整体提供大体球形的辐射图形。
通过使用具有多个大体球形辐射图形的分集天线装置，可在所有的方向提供一个可接受的发射和/或接收的状态。因此，由于天线对地面角度的改变，发射和/或接收状态可以没有显著地变化。另外，圆极化波可用于发射和/或接收。结果能获得增加的抗多径特性。于是，这样的分集天线装置可适合于家庭，办公室或类似场所或者其他便携通信装置。
阅读随后的附图，按照本发明的上述或其他目的、特征和优点由下面的详细描述变得显而易见，其中相应的元器件由相同的数字标识。
附图说明
图1是便携通信装置的透视图；
图2是图1便携通信装置的接收电路图；
图3是另一个便携通信装置的透视图；
图4A和4B是一个用于便携通信装置的天线辐射模式图；
图5A和5B是另一个用于便携通信装置的天线辐射模式图；
图6是另一个便携通信装置的透视图；
图7是图6的便携通信装置的接收电路图；
图8A和8B是图6的便携通信装置的第一和第四天线辐射模式图；
图9A和9B是图6的便携通信装置的第二和第三天线辐射模式图；
图10是图6的便携通信装置和图8和图9辐射图坐标系统的图；
图11A和11B是分别表示两个便携通信装置用于在一个建筑物的同一楼层和不同楼层发射和/或接收的图；以及
图12A和12B是天线图。
具体实施方式
图6和图7删除具有分集天线装置的便携通信装置1。便携通信装置1适合用无线电通信发射和/或接收各种信息信号。另外，这种通信装置可具有相对较小的尺寸和重量。值得注意的是本发明不限于使用这样的便携通信装置，而且可用于其他通过无线电通信的发射和/或接收各种类型信息的装置。
便携通信装置1可包括设置在便携通信装置体2的一个或多个面上的第一至第四天线10,11，12和13。例如，机体2的一个面上可提供天线10和13且相对的另一面上可提供天线11和12。便携通信装置1可包括安排在装置机体2中的接收电路3(图7)。第一至第四天线10，11，12和13和接收电路3，起着通过便携通信装置1利用来进行无线电通信的分集天线装置的作用。便携通信装置1还包括显示设备14(象液晶显示器)，输入设备15(包括多个输入按钮和/或一个键盘或类似物)，和信息以及其他类型设备16。
第一至第四天线10,11,12和13，每个都是一贴片天线并用于发射和/或接收圆极化波。贴片天线包括具有预定形状和由预定材料(例如方形金属件)制成的、安排在由预定材料(例如金属基板)制成的基板的平行预定距离的元件以及在方形金属元件的两个相邻侧有馈电点。尽管天线10－13被描述为贴片天线，但本发明并不受此限制，发射和/或接收圆极化波的其他类型天线也是可以使用的。
如图7所示，接收电路3包括分别与第一至第四天线10－13连接的第一至第四接收机20,21,22和23，一个电平比较器24，和一个天线转换开关25。
第一至第四接收机20－23各自接收第一至第四天线10－13的电磁波，从那里提取信号成分并输出所提取的信号作为接收信号。另外，第一至第四接收机20－23将表示接收信号电平的信号输出到电平比较器24。
电平比较器24从第一至第四接收机20－23中接收接收电平信号，并相互比较接收电平的幅度，从而决定第一至第四天线10、11、12和13的哪一个提供最佳接收状态。于是，电平比较器24将表示这种决定的结果的比较信号输出到天线转换开关25。
天线转换开关25响应于来自电平比较器24的比较信号，从第一至第四天线10－13中选择显示最好接收状态的一个接收信号。天线转换开关25将选择出的接收信号输出到包括在便携通信装置1中的其他电子电路和/或信息处理装置，例如信息设备16。
于是，在本实施例中，从第一至第四接收机20－23输出的接收电平信号表示各自天线的接收电平且由此提供接收电平信息。接收电路3选择从显示最高的接收电平，也就是提供最好接收状态的天线中输出的接收信号。此外，电平比较器24和天线转换开关25根据接收电平信息选择天线。
尽管接收电路3已描述包括多个接收机20－23，电平比较器24和天线转换开关25以及操作多个天线10－13以接收信号，但本发明并未受到限制，相反，其他构形也可被使用。例如，除接收机20－23之外，具有分集天线装置的便携通信装置1可这样构成，发射机被耦合到天线10－13，这样发射和接收就可均由天线10－13来完成。这种情况中，最好是在发射期间，使用接收所选择的天线。
在便携通信装置1中，第一天线10和第四天线13彼此配对并且第二天线11和第三天线12彼此配对，彼此配对的天线空间间隔距离等于或大于λ/4，其中，λ是电磁波波长。因此，每对中的两个天线都可防止显著地衰落。
在便携通信装置1中，由于第一至第四天线10－13以成对关系安排，其中天线彼此之间有足够的间隔，这样如上所述，各个天线的衰落互相是独立变化的(以便使用空间分集效应)，并且可选择地用于发射和/或接收，可提供可接受的发射和/或接收条件。
在便携通信装置1中，图8A/8B和9A/9B分别表示第一天线10和第四天线13，以及第二天线11和第三天线12的辐射图。得到这种辐射图，是通过将便携通信装置1安排在直角坐标系统的预定方位，如图10所示(即在取向中，便携通信装置1所在面上的第一至第四天线10－13被表示为其方向基本平行于X轴的正方向)。另外，在图8和图9中所示辐射图中，每个天线都位于坐标系的原点。
从图8和图9中可以看出，第一和第四天线10和13以及第二和第三天线11和12各自的辐射图的方向性是沿着X轴正的和负的方向。因此，在便携通信装置1中，第一及第四天线10和13(具有沿X轴正方向)和第二及第三天线11和12(具有沿X轴负方向)中的一个，其显示最好接收状态的可被选择在发射和/或接收操作期间使用。于是利用所谓定向分集效应，便携通信装置1可提供可接受的发射和/或接收状态。
此外，在便携通信装置1中，如图8和图9所示，第一和第四天线10和13以及第二和第三天线11和12具有半球形辐射图并且彼此间方向相反。因此第一至第四天线10－13作为一个整体来看，具有几乎球形的辐射图。通过应用提供这样的球形辐射图的天线，便携通信装置1沿着所有三个主要空间方向(X、Y、Z)提供可接受的发射和/或接收状态。
如图12A和12B所示，天线10－13中的每一个都包括被电介质204分开的方形金属件或贴片天线200和一金属基板或地202。贴片天线200具有长度A,这里其中λ0代表自由空间中的波长，以及Er代表相对介电常数(例如对陶瓷是5.0)，并且基板202具有长度尺度B。例如，在图8和图9中，为第一至第四天线10－13提供半球的辐射图，每个天线在A和B之间的大小比率可被调整为一个预定值，最好是比率A/B在1/(1.5)到1/(1.2)之内的值，其中1.2是圆极化波的最佳限制，1.5是半球辐射图的最佳限制。
在便携通信装置1中，分集天线装置包括在内，这样第一至第四天线10－13作为一个整体提供了一个几乎球形的辐射图以及每个天线利用一个圆极化波以发射和/或接收。一般来说，当圆极化波用于发射和/或接收与线性极化波用于发射和/或接收相比较时，能获得更高的抗多径特性。这是由于当圆极化波遇到并被物体反射时，圆极化波的旋转方向变为相反方向，经过了奇数次被发射后的反射之后，被接收的圆极化波具有相反的旋转方向。另外，理想的右圆极化天线不接收左圆极化波。换句话说，在这种情况下，理想的右圆极化天线接收发射之后没有被反射或发射后偶数次反射的圆极化波。于是，从理论上讲多径的干扰影响可被减半。
另外，使用线性极化波的便携通信装置不会提供可接受的发射和/或接收条件。即，这种便携通信装置可以这样使用线性极化波发射和/或接收，使线性极化波的极化方向与地面垂直方向成一致。因此，如果天线角度相对地面而变动，那么发射和/或接收条件可改变很大，这会使便携通信装置提供一个可接受的发射和/或接收状态变得很困难。
另一方面，由于具有分集式天线装置的便携通信装置1使用圆极化波，其发射和/或接收的极化方向不断地旋转，发射和/或接收状态可没有由于相对地面天线角度的变化而显著地改变。因此，便携通信装置1提供一个与天线相对地面角度或方向无关的可接受的发射和/或接收状态。
因此，由于便携通信装置1的每个天线都可构成为使用圆极化波来发射和/或接收，多径干扰的影响就能减小，由于天线相对地面的角度变化没有显著改变发射和/或接收状态，那么就可提供可接受的发射和/或接收条件。
于是，因为便携通信装置1包括作为一个整体提供一个几乎球形辐射图的分集天线，可在三个主要空间方向上提供可接受的发射和/或接收状态。另外，由于便携通信装置1的每个天线都被构成为使用圆极化波发射和/或接收，因此多径干扰的影响能被减少到在不考虑天线的角度或方向的情况下能保证可接受的发射和/或接收的状态。于是，由于这两种特性协同影响，便携通信装置1能显示出优良的发射和/或接收特性。
如图11A或11B所示，由于上述优越的特点，具有分集式天线装置的便携通信装置1可被有效用于家庭、办公室或类似场所，那就是说，便携通信装置1在图11A中显示提供一个在同一楼层可接受的发射和/或接收状态，而且在图11B中显示还提供在第一层和第二层之间以垂直方向或垂直和水平方向的可接受的发射和/或接收状态。在图11A和11B中，便携通信装置1的球形辐射图用虚线圆EP表示。
当发射和/或接收在室内进行时，例如在家里或办公室或者类似场所，将会有许多反射物如地板、天花板，和墙等。在这种情况下，由于反射波多径干扰会产生巨大影响。然而，由于具有分集式天线装置的便携通信装置1使用圆极化波，因此反射波多径的干扰影响会被减少，所以能进行满意的发射和/或接收。
尽管便携通信装置1已经在上面描述包括第一至第四天线10－13，其中第一和第四天线10和13与第二天线和第三天线11和12是成对关系，以利用空间分集效应，但本便携通信装置不受此限制并有不同的构形。例如，本便携通信装置可构成为仅包括两个天线(例如第一和第二天线10和11)，每个都有半球形辐射图，且其被设置为辐射图的背侧(即在其上得到增益的一侧相反的一侧)彼此相对。由于这样的安排，只用两个天线就可以形成几乎是球形辐射图，体现了本发明的优点并简化了结构。
另外，本发明中的每个天线不限于提供如图8或图9所示的半球形辐射图的。而本发明可使用提供其他类型的图形的一个天线或一些天线。例如，具有尖锐方向性的辐射图以便获得一个可被利用的高增益的一个天线或一些天线。但在这种情况下，由于各个天线覆盖广阔的范围是困难的，多个天线被排成球形或柱面形，这样前面部位(即获得最高增益的一侧)指向外以便整个天线安排就可具有一个几乎球形的辐射图。而且，本发明的所有天线不必提供相同的辐射图。那就是说，本发明所用的第一数字天线提供第一辐射图，本发明所用的第二数字天线提供第二辐射图等等，其中每一个辐射图都互相不同。于是，根据本发明，天线可提供多个不同类型的辐射图，然而，天线作为一个整体应该最好具有基本球形的辐射图。
此外，尽管在图7中上述接收机(如接收机20－23中任何一个)与天线相连并且天线转换开关25与接收机相连，但本发明不限于这种特定的安排，还可使用其他的安排，例如，天线转换开关25与每个天线相连，(或者，单个天线转换开关25可连接到所有天线)，以便与之相连接收信号，并可连接到单独的接收机以便提供输出。在这种情况下，为相互比较天线的接收电平天线被天线转换开关25连续转换以连接到接收机，从而指示天线接收电平的接收电平信号按时间序列被输入到电平比较器24，进行电平比较。此后，根据比较结果，天线转换开关25可被转换以选择用于发射和/或接收的天线中合适的一个。
尽管上述例子只是使用单个接收机，但本发明并不受此限制，可以使用其他数量的接收机，例如此数目可以多于一或少于天线的数目。
于是，由于天线转换开关25以上述方式被安排在每个天线和接收机之间，天线的连接可根据接收电平的比较改变。然而，由于接收机的数量可减少(变成一个)，减少了成本并且装置也可小型化。
另外，虽然在前面将两个便携通信装置1描述成用圆极化波来发射和/或接收信号，但本发明并未受此限制。作为替代，在发射一边和/或接收一边的一个或多个便携通信装置1可利用例如线性极化波的其他类型的波来发射和/或接收信号。因此，在发射一边和/或接收一边使用线性极化波的便携通信装置1可从适合使用线性极化波的另一个天线发射信号或从该天线接收信号。
适合使用线性极化波的天线装置可以比适合使用圆极化波的天线构成更简单。因此，如果发射一边和接收一边其中之一的天线被构成为使用线性极化波，整个发射和接收系统的构成能被简化且可获得成本减少。然而，与在发射和接收两边使用圆极化波的天线构成相比，在这种情况下，天线发射和/或接收的效率将减小并且抗多径特性会被减小。但是，发射和/或接收条件不会由于天线相对于地面角度的变化显著变化。因此，就可以获得与天线相对于地面方向无关的可接受的发射和/或接收条件。
尽管本发明的最优实施例和改进已被详细描述，但应明白本发明并不受这些实施例和改进的限制，本领域的技术人员可以作其他改进和变化而不脱离本发明由所附权利要求限定的精神和范围。
Claims (6)
1.一种分集式天线装置，包括：
(a)多个用于发射和/或接收圆极化波的天线，和
(b)天线选择电路，根据表示所述天线接收电平的信息选择所述天线中的一个用于发射和/或接收；
(c)所述多个天线分别具有半球形的辐射图，在装置主体的一侧的面上，将该辐射图中能够获得最高增益的前面侧指向外，在该一侧的面的对角线上配置一对第一组天线，并且，在与该装置主体的一侧的面相对的另一侧的面上，将该辐射图中能够获得最高增益的前面侧指向外，在该另一侧的面的对角线上配置一对第二组天线，作为整体具有球形的辐射图，
所述第一组天线和第二组天线以等于或大于λ/4距离相间隔配置，λ是发射和/或接收的电磁波的波长，
所述天线选择机构具有：电平比较器，该电平比较器比较从所述多个天线输入的各天线的接收电平的大小，选择接收电平最良好的天线；和天线转换开关，该天线转换开关转换到由该电平比较器选出的接收电平最良好的天线，进行发射和/或接收。
2.根据权利要求1的分集式天线装置，其中至少两个天线是贴片天线。
3.根据权利要求1的分集式天线装置，其中至少天线中的一个是具有天线部分长度A和基板部分长度B的贴片天线，其中比率A/B在1/(1.5)至1/(1.2)范围内。
4.一种发射和/或接收方法，包括以下步骤：
(a)用多个天线发射和/或接收圆极化波；和
(b)根据表示所述天线接收电平的信息，选择所述天线中的一个用于发射和/或接收；
(c)所述多个天线分别具有半球形的辐射图，在装置主体的一侧的面上，将该辐射图中能够获得最高增益的前面侧指向外，在该一侧的面的对角线上配置一对第一组天线，并且，在与该装置主体的一侧的面相对的另一侧的面上，将该辐射图中能够获得最高增益的前面侧指向外，在该另一侧的面的对角线上配置一对第二组天线，作为整体具有球形的辐射图，
所述第一组天线和第二组天线以等于或大于λ/4距离相间隔配置，λ是发射和/或接收的电磁波的波长，
所述天线选择机构具有：电平比较器，该电平比较器比较从所述多个天线输入的各天线的接收电平的大小，选择接收电平最良好的天线；和天线转换开关，该天线转换开关转换到由该电平比较器选出的接收电平最良好的天线，进行发射和/或接收。
5.根据权利要求4的方法，其中至少两个天线是贴片天线。
6.根据权利要求4的方法，其中至少天线中的一个是具有天线部分长度A和基板部分长度B的贴片天线，其中比率A/B取值在1/(1.5)至1/(1.2)范围内。
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