CN104779437B - 一种可智能切换的手持设备的天线系统及切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可智能切换的手持设备的天线系统及切换方法，其中，天线系统包括：设置在手持设备底部的用于多个频段信号的发射和主接收的主天线以及用于低频段信号的第二路接收的第一MIMO天线、设置在手持设备顶部的用于高频段信号的第二路接收的第二MIMO天线，所述第二MIMO天线与主天线之间设置有用于交叉切换的双刀双掷开关。本发明将传统的一个全频段的MIMO天线拆分为第一MIMO天线和第二MIMO天线，第一MIMO天线设置于在手持设备顶部，第二MIMO天线设置于在手持设备底部，第二MIMO天线与原来的手持设备底部的主天线可智能切换。通过本发明可以降低天线设计难度，改善手机高频段的发射性能，解决高频段信号覆盖差时，手握状态下上行链路能力不足的问题。

Description

一种可智能切换的手持设备的天线系统及切换方法

技术领域

本发明涉及手持式电子设备天线系统领域，尤其涉及一种可智能切换的手持设备的天线系统及切换方法。

背景技术

目前，手持式电子设备例如手机集成的功能模块越来越多，而手机却越做越薄，同时随着4G LTE网络的普及，智能手机需要支持的频段越来越多，这些都给手机的天线设计带来了很大的挑战。4G LTE网络大量使用了高频段，如国内的TD-LTE Band 38/39/40/41和LTE FDD Band 1/3，都是高于1700MHz的高频段，高频段本身覆盖能力差，特别是室内，信号会比较差，加上用户浏览网页或打电话时，由于人手对手机天线的影响，信号会更差。因此，如何改善手握状态下的手机天线性能，特别是高频段的性能，已经变得越来越迫切，运营商也越来越重视手握状态下的天线性能，提高了性能要求，同时对于宽屏手机提出了宽手模型的测试要求，宽手模型与手机底部的天线接触面积更大，对手机天线性能的影响更大，给手机的天线设计带来了更大的挑战。

4G智能手机由于支持的功能模块和结构设计不同，天线设计也各不相同。4G智能手机一般有两个2G/3G/4G天线，一个天线用于2G/3G/4G信号的发射和主接收（主天线），另一个天线用于3G/4G信号的第二路接收（MIMO天线）。由于两个接收信号来自两个不同位置的天线，同时被手握住的概率较小，手握对接收信号的影响相对较小，而只有一个天线用于发射，一旦这个天线被手握住，发射性能会受到严重影响。因此，手握状态下天线的发射性能比接收性能恶化更严重，上行链路能力不足是主要瓶颈。

图1是典型的4G智能手机的2G/3G/4G主天线和MIMO天线的位置布局。主天线一般位于手机底部，以获得更好的辐射性能和更低的SAR值，主天线一般支持2G/3G/4G所有频段的发射和主接收（TX和PRX）；MIMO天线一般位于手机的顶部，由于空间受限性能相对较差，MIMO天线一般支持3G/4G所有频段的第二路接收（DRX）；图中“基带处理模块”是基带处理部分，负责数据处理和控制；图中“射频处理模块”是射频处理部分，包括射频收发芯片、功率放大器、双工器和滤波器等器件，射频处理部分的TX和PRX与主天线开关相连，主天线开关与主天线通过射频同轴线相连，射频处理部分的DRX与MIMO天线开关相连，MIMO天线开关与MIMO天线相连；PCB位于手机上半部分；电池位于手机下半部分。

如上所述，典型的4G智能手机，由于手机底部的主天线容易被手握住，天线性能会受到严重影响。

在现有的手机中，有的虽然支持主天线和MIMO天线动态切换以改善手握状态下的天线性能，但是手机顶部的全频段MIMO天线不仅要满足原来的DRX的性能要求，而且要满足新的TX和PRX的性能要求，设计难度很大，往往由于手机顶部空间有限，其无法满足现有天线性能的要求。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可智能切换的手持设备的天线系统及切换方法，旨在解决现有的手持设备的天线性能有待改进的问题。

本发明的技术方案如下：

一种可智能切换的手持设备的天线系统，其中，包括：设置在手持设备底部的用于多个频段信号的发射和主接收的主天线以及用于高频段信号的第二路接收的第二MIMO天线、设置在手持设备顶部的用于低频段信号的第二路接收的第一MIMO天线，所述第二MIMO天线与主天线之间设置有用于交叉切换的双刀双掷开关。

所述的可智能切换的手持设备的天线系统，其中，所述天线系统还包括相连的基带处理模块与射频处理模块，所述第一MIMO天线通过第一MIMO天线开关与射频处理模块相连，所述第一MIMO天线开关用于低频段的第二路接收的不同频段信号之间的切换。

所述的可智能切换的手持设备的天线系统，其中，所述双刀双掷开关通过第二MIMO天线开关以及主天线开关与射频处理模块相连，所述第二MIMO天线开关用于高频段的第二路接收的不同频段信号之间的切换，所述主天线开关用于所有频段的发射和主接收的不同频段信号之间的切换。

所述的可智能切换的手持设备的天线系统，其中，所述双刀双掷开关具有四个端口：连接于主天线的端口A1、连接于第二MIMO天线的端口A2、连接于主天线开关的端口S1及连接于第二MIMO天线开关的端口S2。

所述的可智能切换的手持设备的天线系统，其中，所述第一MIMO天线支持频率小于1700MHz的频段，所述第二MIMO天线支持频率大于1700MHz的频段。

所述的可智能切换的手持设备的天线系统，其中，所述双刀双掷开关由基带处理模块控制。

所述的可智能切换的手持设备的天线系统，其中，所述双刀双掷开关与主天线开关通过PCB射频走线相连，所述双刀双掷开关与第二MIMO天线开关通过PCB射频走线相连。

所述的可智能切换的手持设备的天线系统，其中，所述双刀双掷开关与主天线通过第一射频同轴线或者PCB射频走线相连，所述双刀双掷开关与第二MIMO天线通过第二射频同轴线或者PCB射频走线相连。

一种如上所述的可智能切换的手持设备的天线系统的切换方法，其中，包括步骤：

A、选择主天线来发射和主接收高频段信号；并选择第二MIMO天线来作为高频段信号的第二路接收，然后实时监测主天线主接收和第二MIMO天线第二路接收的电平值；

B、判断主天线主接收和第二MIMO天线第二路接收的电平值之差是否大于阀值，当是时进入步骤C，否则不触发天线切换；

C、触发天线切换，用第二MIMO天线作为高频段信号的发射和主接收，用主天线作为高频段信号的第二路接收，然后实时监测第二MIMO天线主接收和主天线第二路接收的电平值，并根据电平值之差是否大于阀值确定是否触发天线切换，并依次类推完成天线切换。

所述的可智能切换的手持设备的天线系统的切换方法，其中，阀值为2dB。

有益效果：本发明将传统的一个全频段的MIMO天线拆分为用于低频段信号的第一MIMO天线和用于高频段信号的第二MIMO天线，第一MIMO天线设置于在手持设备顶部，第二MIMO天线设置于在手持设备底部，第二MIMO天线与原来的手持设备底部的主天线可智能切换。通过本发明可以降低天线设计难度，改善高频段的发射性能，解决高频段信号覆盖差时，手握状态下上行链路能力不足的问题。

附图说明

图1为现有技术中手机天线系统的结构示意图。

图2为本发明可智能切换的手持设备的天线系统的结构示意图。

图3与图4为本发明天线系统两种不同实施例的结构示意图。

图5为本发明可智能切换的手持设备的天线系统的切换方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种可智能切换的手持设备的天线系统及切换方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图2，图2为本发明一种可智能切换的手持设备的天线系统较佳实施例的结构示意图，如图所示，其包括：设置在手持设备（如手机）底部的用于多个频段信号的发射（TX）和主接收（PRX）的主天线以及用于高频段信号的第二路接收（DRX）的第二MIMO天线、设置在手持设备顶部的用于低频段信号的第二路接收（DRX）的第一MIMO天线，所述第二MIMO天线与主天线之间设置有用于交叉切换的双刀双掷开关（DPDT）。

如果不拆分全频段MIMO天线，将放在手持设备顶部的全频段MIMO天线与主天线进行智能切换，此时，手持设备顶部的全频段MIMO天线不仅要满足原来的DRX的性能要求，同时还要满足新的TX和PRX的性能要求，TX和PRX的性能要求比DRX的性能要求高很多，但是手持设备顶部空间有限且容易受人头影响，而且手持设备顶部的天线用作TX时，会有较大的SAR值，因此会大幅提高该全频段MIMO天线的设计难度。如果不拆分全频段MIMO天线，将全频段MIMO天线放在手持设备底部与主天线进行智能切换，此时，手持设备底部要放下两个全频段天线，特别是低频段天线要求较大的天线空间，在紧凑的智能手机结构设计里，难度很大。

本发明将传统的一个全频段的MIMO天线拆分为用于低频段信号的第一MIMO天线和用于高频段信号的第二MIMO天线，第二MIMO天线与原来的手持设备底部的主天线可智能切换，根据第二MIMO天线与主天线的接收信号强度，选择性能更好的天线作为高频段信号的发射和主接收，选择另外一个天线作为高频段信号的第二路接收，从而改善手持设备高频段发射性能，且降低了设计难度，第二MIMO天线放在手持设备底部，具有更好的辐射性能和更低的SAR值。图3和图4是本发明两种不同设计实例，手持设备底部的第二MIMO天线可以设置于主天线的左边，也可以设置在主天线的右边。

如图2所示，所述天线系统还包括相连的基带处理模块与射频处理模块，所述第一MIMO天线通过第一MIMO天线开关与射频处理模块相连，所述第一MIMO天线开关用于低频段的第二路接收的不同频段信号之间的切换。

如图2所示，所述双刀双掷开关通过第二MIMO天线开关以及主天线开关与射频处理模块相连，所述第二MIMO天线开关用于高频段的第二路接收的不同频段信号之间的切换，所述主天线开关用于所有频段的发射和主接收的不同频段信号之间的切换。

所述双刀双掷开关与主天线开关通过PCB射频走线相连，所述双刀双掷开关与第二MIMO天线开关通过PCB射频走线相连。

所述双刀双掷开关与主天线通过第一射频同轴线或者PCB射频走线相连，所述双刀双掷开关与第二MIMO天线通过第二射频同轴线或者PCB射频走线相连。

所述双刀双掷开关具有四个端口：连接于主天线的端口A1、连接于第二MIMO天线的端口A2、连接于主天线开关的端口S1及连接于第二MIMO天线开关的端口S2。

所述双刀双掷开关由基带处理模块控制。基带处理模块发送给双刀双掷开关的控制信号Control有0或1两种取值。当Control=0时，端口S1与端口A1连通，端口S2与端口A2连通；当Control=1时，端口S1与端口A2连通，端口S2与端口A1连通。

第一MIMO天线和第二MIMO天线，各自支持哪些频段，可根据手持设备的结构空间和各频段天线性能要求来选择。

一般的，第一MIMO天线可用于支持频率小于1700MHz的频段，包括：LTE B5/8/12/13/17/20/26/28等、WCDMA B5/8等、CDMA BC0/10等；第二MIMO天线可用于支持频率大于1700MHz的频段，包括：LTE B1/2/3/4/7/25/38/39/40/41/42等、WCDMA B1/2等、CDMA BC1/15等。例如具体为：主天线支持GSM B2/3/5/8、WCDMA B1/2/5/8和LTE B1/3/7/8/20的TX&PRX，同时支持WCDMA B1/2和LTE B1/3/7的DRX；第一MIMO天线支持WCDMA B5/8和LTE B8/20的DRX；第二MIMO天线支持WCDMA B1/2和LTE B1/3/7的TX&PRX和DRX。

或者具体为：主天线支持GSM B2/3/5/8、WCDMA B1/2/5/8和LTE B1/3/7/38/39/40/41的TX&PRX，同时支持WCDMA B1/2和LTE B1/3/7/38/39/40/41的DRX；第一MIMO天线支持WCDMA B5/8的DRX；第二MIMO天线支持WCDMA B1/2和LTE B1/3/7/38/39/40/41的TX&PRX和DRX。

如果手持设备底部天线空间不够，第二MIMO天线无法支持所有要支持的高频段；或者有些高频段主天线的手握性能也不差，没有必要与第二MIMO天线作动态切换；或者某些高频段天线性能要求不高。在这些情况下，也可以将部分天线性能要求不高的高频段放在第一MIMO天线来支持，第二MIMO天线仅支持部分天线性能要求比较高的高频段，此时，放在第一MIMO天线来支持的这些高频段无法通过智能切换天线来提高发射性能。

基于上述天线系统，本发明还提供一种如上所述的可智能切换的手持设备的天线系统的切换方法，如图5所示，其包括步骤：

S101、选择主天线来发射和主接收高频段信号；并选择第二MIMO天线来作为高频段信号的第二路接收，然后实时监测主天线主接收和第二MIMO天线第二路接收的电平值；

S102、判断主天线主接收和第二MIMO天线第二路接收的电平值之差是否大于阀值（如2dB），当是时进入步骤S103，否则进入步骤S104；

S103、触发天线切换，用第二MIMO天线作为高频段信号的发射和主接收，用主天线作为高频段信号的第二路接收，然后实时监测第二MIMO天线主接收和主天线第二路接收的电平值，并根据电平值之差是否大于阀值确定是否触发天线切换，并依次类推完成天线切换。

S104、不触发天线切换。

当2G/3G/4G通信开始时该方法流程开始执行，直到通信结束。对于不支持分集接收或MIMO接收的GSM/TD-SCDMA等通信制式，固定用主天线进行发射和主接收，第一MIMO天线和第二MIMO天线不起作用，Control值始终为0，直到制式切换。对于支持分集接收或MIMO接收的CDMA/WCDMA/LTE等通信制式，分以下两种情况处理：

对于低频段，DPDT开关不做动态切换，主天线始终用于低频段信号的发射和主接收（TX和PRX），第一MIMO天线始终用于低频段信号的第二路接收（DRX）。第二MIMO天线不起作用。Control值始终为0，直到频段切换或制式切换。

对于高频段，根据主天线和第二MIMO天线的接收信号强度，DPDT开关可动态切换，选择接收信号强度较好的天线用于高频段信号的发射和主接收（TX和PRX），选择接收信号强度较差的另外一个天线用于高频段信号的第二路接收（DRX）。第一MIMO天线不起作用。具体控制流程如下：

首先，TX和PRX用主天线，DRX用第二MIMO天线，此时DPDT的Control=0，端口S1与端口A1连通，端口S2与端口A2连通，同时实时监测PRX和DRX的信号电平。

当DRX电平值减去PRX电平值小于阀值（比如2dB）时，不触发天线切换。当DRX电平值减去PRX电平值大于某个阀值（比如2dB）时，触发天线切换。此时DPDT的Control=1，端口S1与端口A2连通，端口S2与端口A1连通，即TX和PRX用第二MIMO天线，DRX用主天线，然后继续实时监测PRX和DRX的信号电平。当DRX电平值减去PRX电平值大于某个阀值（比如2dB）时，再次触发天线切换，切换到初始状态。当DRX电平值减去PRX电平值小于阀值（比如2dB）时，不触发天线切换。这样，根据DRX和PRX电平值差异，DPDT开关可不断在两种状态来回切换以完成天线选择，直到频段切换或制式切换。

不同的通信制式具体监测的接收信号电平参数不同，对于CDMA可以监测RxAGC（接收信号自动增益控制），对于WCDMA可以监测RSCP（接收信号码功率），对于LTE可以监测RSRP（参考信号接收功率）。

本发明将传统的一个全频段的MIMO天线拆分为用于低频段信号的第一MIMO天线和用于高频段信号的第二MIMO天线，第一MIMO天线设置于在手持设备顶部，第二MIMO天线设置于在手持设备底部，第二MIMO天线与原来的手持设备底部的主天线可智能切换。通过本发明可以降低天线设计难度，改善高频段的发射性能，解决高频段信号覆盖差时，手握状态下上行链路能力不足的问题。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种可智能切换的手持设备的天线系统，其特征在于，包括：设置在手持设备底部的用于多个频段信号的发射和主接收的主天线以及用于高频段信号的第二路接收的第二MIMO天线、设置在手持设备顶部的用于低频段信号的第二路接收的第一MIMO天线，所述第二MIMO天线与主天线之间设置有用于交叉切换的双刀双掷开关；所述第二MIMO天线设置在手持设备的底部，具有更好的辐射性能和更低的SAR值；所述天线系统还包括相连的基带处理模块与射频处理模块，所述第一MIMO天线通过第一MIMO天线开关与射频处理模块相连，所述第一MIMO天线开关用于低频段的第二路接收的不同频段信号之间的切换；

所述双刀双掷开关通过第二MIMO天线开关以及主天线开关与射频处理模块相连，所述第二MIMO天线开关用于高频段第二路接收的不同频段信号之间的切换，所述主天线开关用于所有频段的发射和主接收的不同频段信号之间的切换；

所述第二MIMO天线与所述主天线进行智能切换，根据所述所述第二MIMO天线与所述主天线的接收信号强度，选择性能更好的天线作为高频段信号的发射与主接收，选择另外一个作为高频段的第二路接收，改善手持设备的高频段发射性能；

对于低频段，双刀双掷开关不做动态切换，主天线始终用于低频段信号的发射和主接收，第一MIMO天线始终用于低频段信号的第二路接收，第二MIMO天线不起作用；对于高频段，根据主天线和第二MIMO天线的接收信号强度，双刀双掷开关动态切换，选择接收信号强度较好的天线用于高频段信号的发射和主接收，选择接收信号强度较差的另外一个天线用于高频段信号的第二路接收，且第一MIMO天线不起作用。

2.根据权利要求1所述的可智能切换的手持设备的天线系统，其特征在于，所述双刀双掷开关具有四个端口：连接于主天线的端口A1、连接于第二MIMO天线的端口A2、连接于主天线开关的端口S1及连接于第二MIMO天线开关的端口S2。

3.根据权利要求1所述的可智能切换的手持设备的天线系统，其特征在于，所述第一MIMO天线支持频率小于1700MHz的频段，所述第二MIMO天线支持频率大于1700MHz的频段。

4.根据权利要求1所述的可智能切换的手持设备的天线系统，其特征在于，所述双刀双掷开关由基带处理模块控制。

5.根据权利要求1所述的可智能切换的手持设备的天线系统，其特征在于，所述双刀双掷开关与主天线开关通过PCB射频走线相连，所述双刀双掷开关与第二MIMO天线开关通过PCB射频走线相连。

6.根据权利要求1所述的可智能切换的手持设备的天线系统，其特征在于，所述双刀双掷开关与主天线通过第一射频同轴线或者PCB射频走线相连，所述双刀双掷开关与第二MIMO天线通过第二射频同轴线或者PCB射频走线相连。

7.一种如权利要求1所述的可智能切换的手持设备的天线系统的切换方法，其特征在于，包括步骤：

A、选择主天线来发射和主接收高频段信号；并选择第二MIMO天线来作为高频段信号的第二路接收，然后实时监测主天线主接收和第二MIMO天线第二路接收的电平值；

B、判断主天线主接收和第二MIMO天线第二路接收的电平值之差是否大于阈 值，当是时进入步骤C，否则不触发天线切换；

C、触发天线切换，用第二MIMO天线作为高频段信号的发射和主接收，用主天线作为高频段信号的第二路接收，然后实时监测第二MIMO天线主接收和主天线第二路接收的电平值，并根据电平值之差是否大于阈 值确定是否触发天线切换，并依次类推完成天线切换；

对于低频段，双刀双掷开关不做动态切换，主天线始终用于低频段信号的发射和主接收，第一MIMO天线始终用于低频段信号的第二路接收，第二MIMO天线不起作用；对于高频段，根据主天线和第二MIMO天线的接收信号强度，双刀双掷开关动态切换，选择接收信号强度较好的天线用于高频段信号的发射和主接收，选择接收信号强度较差的另外一个天线用于高频段信号的第二路接收，且第一MIMO天线不起作用。

8.根据权利要求7所述的可智能切换的手持设备的天线系统的切换方法，其特征在于，阈 值为2dB。