CN104823325A - 用于分集应用的使用相关性管理的模态天线 - Google Patents

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Abstract

包括用在分集和相似的方案中的模态天线的天线系统包括：能够有多个天线模式功能的模态天线，其中对于每个天线模式存在不同的辐射方向图；以及用于引导天线模式的改变的控制信号。还公开了设计模态分集天线的方法。

Description

用于分集应用的使用相关性管理的模态天线
发明背景
发明领域
本申请总体上涉及无线通信领域。特别是，本申请涉及适用于分集应用的模态天线和用于针对要求两个或多于两个来自相同或不同位置的辐射方向图(pattern)的分集或其它方案设计模态天线的方法。
相关技术
随着新一代手机和其它无线通信装置变得越来越小和嵌入了增加的应用(移动互联网浏览、软件下载，等等)，要求新的天线设计解决这些装置的固有限制并且启用新功能。使用经典的天线结构，需要某一物理量以在特定频率处并且使用特定带宽产生谐振天线结构。在多频带应用中，可能需要不止一个这样的谐振天线结构。但是由于与移动装置相关的尺寸限制，这样复杂的天线阵列的实际实施可能是禁止的。
现有技术中的最新发展已提供了如在2008年3月5日提交的、序列号为12/043,090、题目为“用于控制天线束方向的天线和方法(ANTENNAAND METHOD FOR STEERING ANTENNA BEAM DIRECTION)”的共同拥有的美国专利申请中所描述的天线辐射特征的控制；该申请的全部内容通过引用并入本文。
最近，已经朝向用于纠正情况的应用发展“波束控制天线”，在纠正情况中，无线装置可能进入具有很少甚至没有信号接收的位置，在现有技术中另外称为“零值”或“零值场”。当装置进入零值时，波束控制机制激活以将天线辐射特性转变为可用的状态或模式。因此，由于这些天线提供各种操作模式的事实，近来这些“零控天线(null steering antennas)”被称为“有源模态天线”，或简称为“模态天线”，其中模态天线中的每个天线模式存在不同的辐射方向图。天线模式可以是不同的并且呈现不同的辐射形状，但是也能够被配置为展示辐射图特性中的更多的被测量的且连续的变化。
为了进一步理解本发明，本技术领域中的技术人员必须熟悉天线分集方案。在现有技术中，天线分集通常利用两个或多于两个天线辐射器以努力提高无线通信链路的质量和可靠性。尤其在室内和城市峡谷，发射机和接收机之间的视线往往变得充满各种障碍物，诸如墙和其它物体。每个信号反弹可以引入最终在接收天线处引起干扰的相位偏移、时延、衰落和失真。因此，无线链路中的破坏性干扰往往是个问题并且导致性能的降低。
天线分集方案可以通过给接收机提供多个天线减轻来自多径环境的干扰，并且因此减轻多个信号的各部分的比例。分集方案内的多个天线中的每个天线经历不同的干扰特性。因此，第二天线可能在第一天线经历零值的物理位置处接收有效的信号。总之，分集方案提供鲁棒性的链路。
天线分集通常可以以以下几种形式来实现，这几个形式包括：空间分集、方向图分集、极化分集和发送/接收分集。虽然每种形式是不同的，但是许多天线系统可以根据多种形式来设计。
空间分集通常包括多个具有相似特性的天线辐射器。多个天线在物理上彼此隔开。在第一天线可能经历信号接收的显著减少，即，零值的情况下，第二天线适用于与接收机一起使用。
方向图分集通常包括两个或多于两个具有不同辐射方向图的共址天线。该技术利用定向天线，这些定向天线往往间隔很短的距离。总之，这些共址天线能够区分很大一部分角空间并且还可以相对于全向天线元件提供相对更高的增益。
极化分集通常包括具有正交极化的成对天线。反射信号可以经历取决于其传播经过的介质的极化变化。通过配对两个互补极化，该方案可以使系统免除极化失配，否则极化失配经导致信号衰减。
发送/接收分集通常包括提供用于发送和接收功能两者的分集能力。由于对来自基站或有关链路性能的通信链路的端侧的输入的需要，实现发送分集可能更有问题。
上述每个分集方案中的每个需要一个或多个处理技术来实行天线分割，诸如：切换、选择和合并。切换是功率最有效的处理技术，该技术通常包括从第一天线接收信号直到该信号水平衰减到阈值水平之下，在此情况下，切换使第二天线辐射器与接收机进行通信。选择是将单个天线信号提供给接收机的处理技术；然而，选择过程需要监测信噪比(SNR)或用于确定由接收机利用的理想信号的类似定量。合并是一种处理技术，在该技术中对多个信号中的每个信号加权并且将其合并为与接收机通信的输出信号。虽然已经针对接收描述了这些技术，其类似物可能用于发送功能。此外，这些技术的组合可能用于动态的分集控制。
可以在图l(a-b)中识别现有技术的天线分集方案的实例。图1a表示具有说明最小均方误差(MMSE)合并技术的两个接收链(两个辐射器)的结构。在这里，在每条路径对信号加权并且选择信号以提供组合电压之间的最小均方。可替代的是，图1b表示具有用于最大比合并(MRC)处理的两个辐射器的天线结构。在这里，将每个加权因子应用到每个接收信号。
虽然以上描述的天线分集方案可以被实现以提供鲁棒性的信号链路，但是存在与这些目前的分集结构相关的缺点。例如，使用多个天线辐射器可显著地限制尺寸约束并且与附近的通信装置的电子器件的耦合是天线系统设计的常见问题。此外，功率限制和效率在多个路径被接通的许多实例中可能是个问题。实现3个或多于3个接收分集或发送分集天线只是放大了涉及额外的天线所需的容量以及用于天线和传输线所需的电路板面积的问题。接收机随着额外的接收端口被实现以容纳更大数量天线而变得更加复杂。
现有技术中还没有提出由单个天线构成的分集天线方案。实际上，现有技术的分集结构需要两个或多于两个天线辐射器。随着有源模态天线的出现，本文的申请人公开了用于分集和相关应用的单天线方案，由此提供显著减小了尺寸以便实现小巧的无线装置和其它装置的鲁棒性的天线。
发明内容
如本文所描述的用于分集应用的多模式天线提供单个天线和单个传输线路径以提供无线装置内的容量以及电路板上的面积。与实现多个传统的分集技术需要两个或多于两个接收机端口相比，本分集方案可以使用单个接收机端口。该单个多模式结构可以由单个天线生成大量的辐射模式。使用单个天线分集方案，考虑SAR(特定吸收比)，天线可以被更优地定位。当在手机应用的情况下针对用户的头或在用户手中时，生成产生多个辐射方向图的多个模式的能力提供提高天线性能的方法。这些模态分集天线可以被类似地在接入点或其它无线装置中实现。吞吐量性能可以通过优化两个或多于两个生成的模式之间的包络相关系数(ECC)而得到提高。
在本发明的一个方面中，天线适用于在单个频带下的分集操作。天线通常包括设置在电路板上和在其间形成天线体积的辐射结构。第一无源(parasitic)元件被放置在天线体积内并且适用于电抗性地耦合到辐射结构。第一无源元件还与第一有源元件耦合，用于改变与天线辐射器电抗性(reactive)耦合并且因此调整辐射器的频率响应。还提供第二无源元件并且第二无源元件被设置在天线的体积之外并且相邻于辐射结构。第二无源元件还与第二有源元件进行耦合，用于改变其上的当前模式。
天线被配置为在两个或多于两个天线模式之间操作。在第一天线模式中，第二无源元件处于打开状态；即，不接地。在其第一天线模式中，天线辐射器将经历可以忽略的频率中的失调和辐射方向图的改变。在第二天线模式中，第二无源元件是被短路的；即，接地。被短路的无源元件从天线生成分割谐振频率响应。在组合中，第二无源元件适用于生成分割频率响应并且第一无源元件适用于变换更高的谐振频率使得天线适用于在每个天线模式中在目标频率下操作。第二天线模式中的更高谐振频率的天线生成不同的辐射方向图。因此，在第二天线模式中放置天线的可观察的影响包括如第二无源元件从打开状态转变为短路状态的零值位置的变换。在这点上，具有单个辐射结构的天线系统能够在期望的频带处进行分集操作并且适用于在无线平台上提供鲁棒性的链路。
在实际意义上，本文所描述的分集天线可以被包括在无线通信装置中，诸如:手机、便携式电子装置、接入点、手提电脑、平板装置等等。可以针对一个或多个分集应用，诸如：接收分集、发送分集、以及发送和接收分集，配置天线；其中，天线的零控功能使能在单个辐射器结构上进行分集应用。在这点上，诸如避免空间和能量的浪费的好处转化为低成本和高性能的无线解决方案。此外，相关系数可以根据频率函数动态地变化以进行优化。可以调整相关系数以当装置在多个用例中使用时，补偿手和头的负荷对无线装置的影响。
在一个实施例中，天线包括设置在电路板上和在其间形成天线体积的辐射结构。第一无源元件被放置在天线体积内并且配置为提供调整的电抗使得天线在期望的频带上操作。第二无源元件被放置在天线体积之外并且与其相邻。第二无源元件适用于引入辐射结构的分割谐振频率响应。第一无源元件和第二无源元件每个被连接到公共的有源元件。在第一状态中，有源元件将第二无源元件保持在第一天线模式中，其中天线适用于在期望的频带处操作。在第二状态中，有源元件短路第二无源元件，由此引入天线辐射器的分割频率响应。此外，第一无源元件耦合到天线辐射器用于变换天线的频率响应使得调整第二天线模式中的其中一个为谐振频率的天线在期望的频带处进行操作。在这点上，当天线处于两个或多于两个天线模式中的每个模式时，其在期望的频带处操作。此外，第二模式提供不同的辐射方向图并且由此提供用于天线的零控的机制。
可替代的是，每个无源元件可以被连接到不同的有源元件。在本文的每个实施例中，有源元件可以包括以下元件中的一个或多个：电压控制的可调电容器或电感器、电压控制的可调移相器、FET和开关...
在另一个实施例中，提供接收分集结构；天线包括放置在电路板上且在其间形成的天线体积的辐射结构。第一无源元件被放置在天线体积内。第二无源元件被放置在天线体积之外并且相邻于天线辐射器。该结构可以称为零控天线。零控天线被连接到双工器，并且双工器处于与接收机和发送机的通信中。将基带控制信号提供到天线。基带影响包括在天线系统中的一个或多个有源元件。如上面所提及的，单个有源元件可以控制第一无源元件和第二无源元件；或可替代的是，可以提供两个或多于两个有源元件，有源元件中的至少一个单独地连接到每个无源元件。在这点上，可以使用与模态天线结合的基带信号主动控制天线模式。
每个无源元件可以单独地平行于天线辐射器进行放置，或相对于天线辐射器偏离任何角度进行放置。无源元件可以彼此平行放置，或以相对于其的任何方向放置。第二无源元件可以被放置在电路板上的一段距离(Hpar)处，该距离大于以其设置天线辐射器的电路板上的距离(Hant)。
辐射结构可以包括隔离磁偶极子(IMD)天线、平面倒F天线(PIFA)、偶极子天线、环状天线、单极子天线、曲折线天线或本技术中熟知的其它天线。在这点上，IMD天线可以提供更好的隔离并且因此可以被优选地用于提出严格的体积要求的应用或天线必须安装在共享其它电路系统的小体积的应用。
此外，天线辐射结构、第一无源元件以及第二无源元件可以至少部分地设置在地平面之上。可替代的是，地面连接可以代替地平面。可以在地平面上蚀刻一个或多个窄缝，或可以移除地平面的部分。
在某些实施例中，天线系统可以包括处理器或CPU，该处理器或CPU用于控制一个或多个有源元件和连接的无源元件的功能。可以将基带信号提供到处理器并且可以将基带信号可编程地传送到一个或多个有源元件和连接的无源元件。在这点上，可编程一个或多个算法以给天线提供大量功能。此外，处理器提供用于动态调整配置每个无源元件的电抗性负载的机制。模态天线的动态调整提供提高的吞吐量和性能。
本发明的另一个方面涉及用于设计用于分集应用的模态天线的方法。该方法包括：提供放置在电路板上并且在其间形成天线体积的天线辐射结构；优化天线体积内的第二无源元件的位置和取向，用于配置天线在期望的频带处操作；以及优化第二无源元件的距离和取向用于提供可用的辐射方向图的影响，其中天线能够使用无源元件的组合用途在期望的频带处进行操作。
本发明的另一个方面涉及设计适用于包括零值控制天线和提供额外的分集端口的额外天线的分集应用的模态天线的方法。该方法包括提供放置在电路板上并且在其间形成天线体积的第一天线辐射结构；优化天线体积内的第二无源元件的位置和取向，用于配置天线在期望的频带处操作；以及优化第二无源元件的距离和取向，用于提供可用的辐射方向图的影响，其中天线能够使用无源元件的组合用途在期望的频带处进行操作。第二天线被放置在距第一天线一段距离处。空值控制的天线提供多个天线模式，且第二天线提供用于额外的分集接收机端口的额外接收路径。
本发明的另一个方面涉及针对零值控制的接收分集配置，将天线效率和包络相关系数(ECC)与分集增益联系的数据库的创建。该数据库可以被下载到位于无线装置中的存储器中，并且用于通过优化接收分集天线的配置的效率和ECC来动态地调整和提高接收性能。该数据库也可以被生成以表示多个用例的接收分集天线系统性能，诸如用户手中的无线装置，靠着用户的头的无线装置，或放置在如桌子的表面上的无线装置；这些用例涉及安装在例如手机中的分集天线系统。
本发明的另一个方面涉及使用包含天线效率和ECC数据的数据库来开发和实现的算法，该算法监测系统接收系能和调整零值控制的天线以优化数据吞吐量和/或接收系统的灵敏。可以开发该算法使得监测系统数据吞吐量，并且给零值控制的分集天线中的有源组件提供一系列预设的调整命令以调整天线参数(效率和ECC)从而优化吞吐量。
可以实现该算法使得可以分析来自无线装置上的传感器(如接近度传感器)的输入，并且使输入可以用于选择调整命令以优化零值控制的天线的吞吐量性能。接近度传感器或其它传感器被用于确定无线装置操作的环境：用户手中的无线装置、靠着用户头的无线装置、相对于参考方向在特定角度或方向上的无线装置。可以通过在零值控制的天线结构中可用的动态调整来补偿主体负荷和极化影响。
附图简述
结合附图研究以下详细描述之后，可以进一步理解本发明，其中：
图1(a)示出具有适合于最小均方误差(MMSE)结合的两个天线的天线分集方案。
图1(b)示出具有两个天线和用于最大比合并(MRC)的合并器的天线分集方案。
图2(a)示出零控天线，其包括单个辐射器、第一无源元件和第二无源元件。
图2(b)示出与根据图2(a)的天线的不同天线模式相应的频率特性曲线。
图2(c)示出辐射方向图，其特征在于与图2(a)的天线相关的第一天线模式。
图2(d)示出辐射方向图，其特征在于与图2(a)的天线相关的第二天线模式。
图3(a)示出根据本发明的实施方案适应于分集应用的零控天线的示意图。
图3(b)示出适应于根据图3(a)所示的实施方案的分集应用的零控天线的例子。
图4(a)示出回波损耗的曲线，其特征在于根据图3(b)中的天线的第一天线模式；其中第二无源元件为开路配置。
图4(b)示出效率曲线，其特征在于根据图3(b)中的天线的第一天线模式。
图4(c)示出回波损耗的曲线，其特征在于根据图3(b)中的天线的第二天线模式；其中第二无源元件短路。
图4(d)示出效率曲线，其特征在于根据图3(b)中的天线的第二天线模式。
图4(e)示出与如图4(a)至4(d)所示的第一和第二模式有关的效率和相关系数的组合曲线。
图5示出适应于分集应用的图3(b)中零控天线的可选实施方案；第一和第二无源元件被放置为相对于彼此相反的对齐。
图6示出图3(b)和5中的零控天线的可选实施方案；该天线包括用于控制无源元件的共用有源元件。
图7示出适应于分集应用的动态零控天线；该天线包括连接于有源元件的处理器和在多个天线模式上为调谐天线的频率响应提供可调电抗性负载的附接无源元件。
图8是示出由适应于分集应用的零控天线的动态负载提供的性能提高的图表。
图9示出与根据图3(b)中的天线经历的两个天线模式中的每个模式相应的三维辐射方向图。
图10示出与根据图3(b)中的天线经历的两个天线模式中的每个模式相应的二维辐射方向图。
图11示出与根据图3(b)中的天线经历的两个天线模式中的每个模式相应的二维辐射方向图。
图12示出适应于分集应用的动态零控天线，其中两个额外的无源元件被实现以提供在多种环境条件下优化天线性能的额外功能，例如移动设备在用户手中、靠着用户的头部或放置于木头、金属或塑料表面上。该天线包括连接于有源元件的处理器和在多个天线模式上为调谐天线的频率响应提供可调电抗负载的附接的无源元件。
图13示出适应于发射和接收分集应用的动态零控天线。与通信链路质量有关的度量在移动设备上被接收并被用于确定哪个天线辐射方向图状态是最优的。
图14示出作为在选择组合接收分集方案中所用的多个天线的函数的接收信号电平的增长。接收信号电平被相对于概率分布函数示出。
图15示出了双天线分集方案的天线效率、包络相关系数和分集增益之间的关系。彩色等值线为固定分集增益的区域。对天线效率和ECC的绘图提供了设计和/或动态调谐分集天线方案所需的信息。
优选实施方案的详细说明
在以下说明中,为了解释而非限制的目的，陈述细节和描述以提供对本发明的透彻理解。然而，对本领域技术人员而言明显的是本发明可在脱离这些细节和描述的其它实施方案中实践。
用于设计更有源的具有多个谐振频率的天线的一个解决方案在共同持有的美国专利第7,830,320号中公开，其中隔离磁偶极子TM(IMD)与多个放置于IMD下的无源和有源调谐元件相结合。然而，随着新一代无线设备和应用的出现，需要通过使用简洁且有源的天线结构合并例如波束转换、波束控制、空间或极化天线分集、阻抗匹配、频率转换、模式转换等额外功能。本发明解决了现有天线设计的缺陷以制造与分集应用交叉的具有零值控制和频率调谐功能的更有源的天线。
模态天线
图2(a-d)中提供了模态天线。图2(a)示出位于地平面56上的IMD元件51、与有源元件53耦合的第二无源元件52和与第二有源元件55耦合的第一无源元件54。在此示例性实施方案中，有源元件53和55可包括两种状态转换，其将第一和第二无源元件与地进行电气连接(短路)或断开(开路)。结合第一和第二无源元件，天线50可以有利地提供前者的频率分割和零值控制功能，以及后者的频移功能。
图2(b)示出三种不同状态下与图2(a)中所示天线50的示例性实施方案相关的频率特性59。第一状态被表示为简单IMD的频率特性57，其在第一和第二无源元件52和54均为开路时获得，这导致了谐振频率f0。第二状态被表示为当第一无源元件54通过开关55接地短路时获得的与图2(a)的天线50有关的频率转移特性58。第三状态被表示为当第一和第二无源元件52和54通过开关53和55均接地短路时获得的具有频率f4和f0的双谐振频率特性59。这个组合能实现两种不同的操作模式，但具有相同频率f0。同样地，使用图2中的示例配置可以容易地影响例如零值控制等操作。
已确定此零值控制技术在零值方向产生了几个dB的信号改善。图2(c)示出在第三状态下(都短路)频率f0处的与图2(a)中的天线50相关的辐射方向图，其与第一状态(都开路)下图2(a)中的天线50的辐射方向图61(如图2(d)所示)相比在方向上显示有九十度的移位。如前面所讨论的，使用有源元件53，通过借助控制无源元件52来控制(例如，转换)天线模式，可以容易地实现辐射方向图中的这种移位。通过提供独立的有源调谐功能，在同一个频率上可以获得两种不同模式的操作。这种零控天线在共同持有的序列号为12/043,090的美国专利中进一步描述。
为了本发明的目的，可在下文中将天线的第一状态(都开路)描述为“第一天线模式”。在第一天线模式中，当第一和第二无源元件均为开路时(不接地)，天线显示出单谐振。此外，也为了本发明的目的，可在下文中将第三状态(都闭合)描述为天线的“第二天线模式”。在第二天线模式中，天线显示沿着频率轴转移以使天线适应在两个天线模式之间的公共频带上的操作的分割谐振特性。然而应注意，每个天线模式的辐射方向图是独特的，因此天线适应于零值控制。
尽管所描述的是IMD型模态天线，但是应注意可以相似地使用与有源可调无源元件结合以形成有源模态天线的任何天线辐射器。在这点上，可以以与所描述的例子相似的方式而非限制性地实施任何模态天线。
适应于在单个频率处接收分集应用的模态天线
使用另外的设计、电路和硬件，上面描述的模态天线已被适应于分集应用，且本申请的申请人已成功地研制出了本文描述的功能模型。利用这种独特的天线分集方法，单辐射器能够分集信号处理，并适应于提供降低的功率需求和无线通信设备中的更小的形状系数。
本文所公开的特定实施方案中，有源元件可包含以下项的任一项：开关、电压控制的可调电容器、电压控制的可调移相器、变容二极管、PIN二极管、MEMS开关、MEMS可调电容器、BST可调电容器和FET。
现在转到图3(a-b)，其提供了适应于分集应用的模态天线系统。如图3(a)所示，根据本发明的一个实施方案的总示意图提供单天线辐射器，其与接收机和发射机中的至少一个通信，必要时通过双工器以防止对敏感接收组件的损坏。将天线辐射器进一步连接到基带控制信号，从而为分集处理提供控制机制。
图3(b)的实施方案中进一步示出了天线系统，其中该天线系统包括置于电路板上的天线辐射器，在其中间形成天线容积(volume)。第一无源元件被放置在该天线容积中，其足够靠近以反映性地与天线进行耦合，从而提供如上面讨论的频移功能，本文中，第一无源元件可被称为频移导体或调谐导体。第二无源元件位于天线容积外且邻近天线辐射器，而且被布置成足够远以最小化电抗性耦合同时保持足够的接近度以影响天线辐射方向图特性，第二无源元件可以可选择地被称为移位导体，因为它用于对辐射方向图的相位进行移位。
在接收分集方案中，图3(b)中所示的天线适应于在如上所述的第一天线模式(第一和第二无源元件不接地)和第二天线模式(第二无源元件短路)之间转换。在一个实施方案中，接收机适应于在扩展持续时间内接收来自在第一天线模式操作的天线的信号，直到该信号可以衰减至低于所确定的阈值，其中当有这种信号衰减时，天线适应于转换至在第二天线模式下操作，以维持稳固的链路。
尽管第一无源元件被描述为在第一和第二天线模式两者中维持开路状态，但有可能的是配置天线以断开第一无源元件。凡是需要频率响应的动态调谐的地方，优选地代替开关组件将第一无源元件连接到基带控制信号而通过插入可调电容器来提供可变电抗。
应理解，尽管代表性图示描述了IMD天线辐射器，但平面倒F天线(PIFA)、曲折线或其他天线辐射器可被相似地配置以用于模态分集应用。
图4(a-e)进一步示出根据图3(a-b)中描述的本发明的至少一个实施方案的适应于接收分集的零控天线的回波损耗和效率。在如上所述的第一天线模式中，第一和第二无源元件不接地，且在图4a和4b中示出产生的回波损耗和效率的曲线。相似地，在如上所述的第二天线模式中，第二无源元件被短路，从而改变天线的现有模式且改变其辐射方向图。图4(c-d)表示根据图3(a-b)中所描述的天线的第二天线模式的回波损耗和效率曲线。图4e表示根据第一和第二两种模式的天线的效率和相关系数。
在如图5中进一步描述的本发明的另一实施方案中，模态天线包含放置于辐射结构的容积内的第一无源元件和位于辐射结构的容积外且邻近辐射结构的容积的第二无源元件。每个无源元件单独地连接到有源元件，例如开关、可调电容器或其他有源元件。每个有源元件和附加无源元件被基带控制信号控制。第一无源元件大体上被包含在天线的容积内且大体上与其平行地对齐。第二无源元件相对于第一无源元件朝向相反的方向。在这点上，可以分别对齐第一和第二无源元件以提供在多个模式中辐射方向图的理想变化。第一和第二无源元件的对齐不限于图5所示的实施方案，且事实上可以被设计以用于在多个天线模式中的最优辐射方向图特性。
在特定实施方案中，可以使用单个有源元件，如图6所示。在此，提供了模态天线，其包括具有在辐射器和电路板之间关联的天线容积的天线辐射器。第一无源元件被放置于天线容积内。第二无源元件被放置于天线容积外、但邻近辐射器。有源元件将两个无源元件连接到共同连接点，例如接地连接点或调谐电路。基带信号被提供给有源元件以用于天线的动态控制。在这点上，无源元件适应于根据基带信号接通/断开。
在本发明的另一方面，可将处理器合并到天线系统中，以提供天线辐射方向图的动态控制。如图7所示，模态天线包含放置于电路板上的天线辐射器，在其间形成天线容积。第一无源元件被放置于天线容积内。第二无源元件被放置于天线容积外且邻近辐射结构。每个无源元件单独地附接到有源元件。每个有源元件被进一步连接到处理器，且适应于接收来自处理器的基带信号。天线辐射器可以进一步地被连接到双工器，以保护敏感接收组件，且接收机和发射机被耦合到双工器。在这点上，处理器可以控制发送到无源元件的每个有源元件的信号，以进行接通/断开或改变其电抗。
图8进一步说明图7中的天线系统和对于不同天线模式产生的相关系数的变化。此处，每个无源元件上的电抗负载的动态调整提供在多个模式中对天线相关系数的对应动态调整。此技术提供提高的吞吐量性能。
图9示出根据如上所述的第一模式和第二模式与图7中的天线相关的辐射方向图的三维表示。
图10示出了可以从双状态零控天线配置实现的辐射方向图形状的变化。二维辐射方向图示出了在其中一个主平面中的辐射场组件。蓝色和绿色迹线为辐射场的正交线性分量，红色迹线表示组合的辐射场。蓝色迹线中的零取向在模式1和2之间旋转了135度，同时当实施模式2时，模式1中绿色迹线中的三个零区域中的两个被填满。
图11示出在第二主平面中可以从双状态零控天线配置实现的辐射方向图形状的变化。在此平面中，当比较模式1和模式2的辐射方向图时，可以看到极化的显著变化。
本发明的另一个实施方案中，如图12所示，可以将多个无源元件合并到天线中。此处，多个无源元件中的每个被连接到处理器以用于天线的动态调整。根据基带控制信号，处理器可以调整一个或多个无源元件。多个无源元件可以为整个天线系统提供多种负载效应和相关管理。
适应于在单个频率处发射分集应用的模态天线
在另一个实施方案中，在单一频带中，天线可以被配置以用于发射分集。在这点上，通过提供适应于在多种天线模式中操作的单辐射器，可以类似地改变发射状态。实质上，发射分集是如上所述的接收分集架构的类似情况。
适应于在单个频率处发射/接收分集的模态天线
在本发明的另一个方面，如图13所示，模态天线适应于发射/接收分集。天线包含放置于电路板上的辐射器元件，在其间形成天线容积。第一无源元件被放置于天线容积内，第二无源元件被放置于天线容积外且邻近天线容积。天线的每个无源元件与有源元件耦合。有源元件与处理器通信。进一步地通过双工器或相似组件将天线连接到发射机和接收机。需要来自通信链路的另一端的额外控制信号，在蜂窝应用中这是基站。该控制信号提供度量，该度量是对通信链路质量的测量；这可以是比特误码率(BER)、信噪比(SNR)或吞吐量。为将发射频率合并到接收分集天线系统，在一个或两个无源元件上需要可变电抗，以最优化作为频率的函数的天线元件/补偿无源对。
尽管示出了在天线容积内具有单个无源元件和来自天线的单个无源元件补偿，但是可修改图13中的天线以包含置于多个位置和取向的多个无源元件以用于引起天线系统的最优辐射特性。另外，每个无源元件可被置于不同高度或距电路板的不同距离处。
在特定实施方案中，多种有源元件，例如开关、电压控制的可调电容器、电压控制的可调移相器、变容二极管、PIN二极管、MEMS开关、MEMS可调电容器、BST可调电容器和FET可与上述零控天线一起实现，以提供在多个频带上的调谐。
在本发明的特定实施方案中，辐射结构可以被至少部分置于地平面之上。在其他实施方案中，不要求地平面在天线辐射器下面。地平面可选的放置于天线下面，然而当在地平面之上使用隔离磁偶极子时，特定实施方案可能得利于减小的散射场。
在其他特定实施方案中，可以包含处理器以用于天线的动态控制。为控制天线性能，可以用一个或多个算法对处理器进行预先编程。例如，处理器可以根据基带控制信号接通或断开第一有源元件。可选择地，可以根据处理器和基带控制信号为一个或多个导体提供电抗。在这点上，处理器提供相对于天线性能的多层控制和可变性。
在另一个实施方案中，提供了算法用于驻留于基带处理器，其中对于两种天线模式，接收信号性能度量被采样，并且由与一个或两个调谐以及第二无源元件连接的有源组件产生的电抗被调整以提高接收性能。在未使用的模式或无效模式中，连续的电抗值在连续的时间间隔期间被采样，以在转换到用作接收天线的模式之前提高接收性能。
图14示出作为在选择组合接收分集方案中所用的多个天线的函数的接收信号电平的增长。选择组合分集方案的接收性能被表示为多个天线N的函数。示出了相对于概率分布函数的接收信号电平。
图15示出了双天线分集方案的天线效率、包络相关系数和分集增益之间的关系。包络相关系数和天线效率之间的关系；彩色等值线为相同分集增益的区域。阴影等值线为固定分集增益的区域。对天线效率和ECC的绘图提供了设计和/或动态调谐分集天线方案所需的信息。

Claims (17)

1.一种设计用于分集应用的模态天线的方法，包括：
提供设置在电路板上并且在其间形成天线体积的天线辐射器；
将第一无源元件放置在所述天线体积内，所述第一无源元件附接到第一有源元件，用于改变所述天线的电抗；
将第二无源元件放置在所述天线体积之外并且邻近所述天线辐射器，所述第二无源元件附接到第二有源元件，用于改变其上的当前模式；以及
提供控制信号，用于主动地配置所述第一有源元件和所述第二有源元件以及相关的导体。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
优化所述第一无源元件相对于所述天线辐射器的距离和取向，以用于在期望的频频处操作。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：
优化所述第二无源元件相对于所述天线辐射器的距离和取向，以用于提供所述天线的分割谐振频率特性。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括以下步骤：
将所述第二无源元件接地，以用于产生所述天线的分割谐振频率特性。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：
改变所述第一无源元件的电抗，用于变换所述天线的所述分割谐振频率。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一有源元件和所述第二有源元件是单独从由以下项组成的组中选择的：开关、电压控制的可调电容器、电压控制的可调移相器、变容二极管、PIN二极管、MEMS开关、MEMS可调电容器、BST可调电容器以及FET。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
使所述天线适用于在第一天线模式操作，其中，所述第一天线模式通过断开所述第二无源元件与地的连接来完成。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括以下步骤：
使所述天线适用于在第二天线模式操作，其中，所述第二天线模式通过将所述第二无源元件接地来完成。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一无源元件和所述第一有源元件适用于提供波束控制功能，并且其中所述第二无源元件和所述第二有源元件适用于提供与所述天线相关的频率调谐功能。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，额外的有源元件被耦合到所述天线以提供动态阻抗匹配以用于优化天线性能。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括：额外的第二无源元件，其用于控制与所述天线相关的辐射方向图。
12.一种用于改变与天线辐射结构相关的辐射方向图的方法，包括：
提供天线系统，所述天线系统至少包括辐射结构以及第二无源元件，所述辐射结构放置在电路板上；
感应所述第二无源元件上的当前模式，以用于改变与所述天线相关的辐射方向图。
13.一种适用于多频带操作和零控的天线系统，包括：
第一零控天线，所述第一零控天线包括：放置在电路板上并且在其间形成第一天线体积的第一辐射结构、放置在所述第一天线体积内的第一无源元件和放置在所述第一天线体积之外并且邻近所述第一辐射结构的第二无源元件；
第二零控天线，所述第二零控天线包括：放置在电路板上并且在其间形成第二天线体积的第二辐射结构、放置在所述第二天线体积内的第三无源元件和放置在所述第二天线体积之外并且邻近所述第二辐射结构的第四无源元件；
其中，对于范围在1710MHz和1755MHz之间的AWS频带的发射频带，优化所述第一零控天线；以及
其中，对于范围在2110MHz和2155MHz之间的AWS频带的接收频带，优化所述第二零控天线。
14.一种天线系统，包括：
放置在电路板上并在其间形成天线体积的辐射结构；
放置在所述天线体积内并且与第一有源元件相关的第一无源元件；以及
放置在所述天线体积之外并且邻近所述辐射结构的第二无源元件，所述第二无源元件与第二有源元件相关；
适用于与所述第一有源元件和所述第二有源元件通信的处理器；
其中，所述处理器适用于接收控制信号和动态地控制所述第一有源元件和所述第二有源元件。
15.根据权利要求14所述的天线系统，其中，所述基带处理器包括适用于采样与多个天线模式相关的接收信号性能度量的算法。
16.根据权利要求15所述的天线系统，其中由所述调谐和第二无源元件的所述有源元件中的至少一个产生的电抗被调整以提高接收性能。
17.根据权利要求16所述的天线系统，其中在非激活模式上的连续时间间隔期间，采样连续的电抗值，以在激活用作接收天线的所述非激活模式之前提高接收性能。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107851897A (zh) * 2016-06-17 2018-03-27 华为技术有限公司 一种天线
CN110571511A (zh) * 2019-09-02 2019-12-13 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种用于超视距无线通信的数字平面角分集天线
CN113366701A (zh) * 2019-03-21 2021-09-07 以伊索电子股份有限公司名义经营的阿维科斯天线股份有限公司 多模式天线系统
WO2023040561A1 (zh) * 2021-09-16 2023-03-23 Oppo广东移动通信有限公司 天线模组及通信设备

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3007270B1 (en) * 2014-10-09 2020-09-23 NXP USA, Inc. Wide band antenna systems
US9853684B2 (en) 2014-10-09 2017-12-26 Blackberry Limited High radiation efficiency antenna systems
US10263817B1 (en) * 2018-06-26 2019-04-16 Avx Antenna, Inc. Method and system for controlling a modal antenna
EP3878049A4 (en) 2019-01-31 2022-08-03 AVX Antenna, Inc. D/B/A Ethertronics, Inc. MOBILE COMPUTING DEVICE WITH A MODAL ANTENNA
CN113948863A (zh) * 2020-07-16 2022-01-18 深圳富泰宏精密工业有限公司 信号馈入组件，天线模块及电子设备

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003258522A (ja) * 2002-02-26 2003-09-12 Toshiba Corp アンテナ装置
CN101371458A (zh) * 2006-01-13 2009-02-18 松下电器产业株式会社 极化调制系统的发送电路和使用该发送电路的通信设备
EP2186144A1 (en) * 2007-08-20 2010-05-19 Ethertronics, Inc. Antenna with active elements
US20100259456A1 (en) * 2007-08-29 2010-10-14 Ethertronics, Inc Multi-layer reactively loaded isolated magnetic dipole antennaa
CN102017297A (zh) * 2008-03-05 2011-04-13 艾斯特里克有限公司 用于控制天线波束方向的天线和方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4309008A (en) 1979-11-07 1982-01-05 Sirks Walter M Baby bottle holder
KR100461768B1 (ko) * 2000-11-28 2004-12-14 주식회사 마이크로페이스 아이엠티2000용 마이크로스트립 패치 어레이 안테나
FI119667B (fi) 2002-08-30 2009-01-30 Pulse Finland Oy Säädettävä tasoantenni
JP4091854B2 (ja) * 2003-01-31 2008-05-28 富士通株式会社 アレーアンテナの制御方法及びその装置、並びにアレーアンテナの制御プログラム
US7068234B2 (en) * 2003-05-12 2006-06-27 Hrl Laboratories, Llc Meta-element antenna and array
EP1538703B1 (en) * 2003-06-09 2009-02-11 Panasonic Corporation Antenna and electronic equipment
US6978165B2 (en) * 2003-09-11 2005-12-20 Motorola, Inc. Communication device with internal antenna system
US20110032165A1 (en) * 2009-08-05 2011-02-10 Chew Chwee Heng Antenna with multiple coupled regions
US9094098B2 (en) * 2008-02-12 2015-07-28 Kyocera Corporation Multi-band radio frequency (RF) communication device using a single antenna
KR20100088554A (ko) * 2009-01-30 2010-08-09 엘지전자 주식회사 무선 통신 시스템에서 신호 수신 및 전송 방법 및 장치
JP5412871B2 (ja) * 2009-02-24 2014-02-12 富士通株式会社 アンテナ、その放射パターン切替方法及び無線通信装置
JP5463868B2 (ja) 2009-11-18 2014-04-09 富士通株式会社 無線通信装置、信号処理方法
US20110249576A1 (en) * 2009-12-21 2011-10-13 Qualcomm Incorporated Antenna selection based on performance metrics in a wireless device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003258522A (ja) * 2002-02-26 2003-09-12 Toshiba Corp アンテナ装置
CN101371458A (zh) * 2006-01-13 2009-02-18 松下电器产业株式会社 极化调制系统的发送电路和使用该发送电路的通信设备
EP2186144A1 (en) * 2007-08-20 2010-05-19 Ethertronics, Inc. Antenna with active elements
US20100259456A1 (en) * 2007-08-29 2010-10-14 Ethertronics, Inc Multi-layer reactively loaded isolated magnetic dipole antennaa
CN102017297A (zh) * 2008-03-05 2011-04-13 艾斯特里克有限公司 用于控制天线波束方向的天线和方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107851897A (zh) * 2016-06-17 2018-03-27 华为技术有限公司 一种天线
CN113366701A (zh) * 2019-03-21 2021-09-07 以伊索电子股份有限公司名义经营的阿维科斯天线股份有限公司 多模式天线系统
CN113366701B (zh) * 2019-03-21 2024-03-12 以伊索电子股份有限公司名义经营的阿维科斯天线股份有限公司 多模式天线系统
CN110571511A (zh) * 2019-09-02 2019-12-13 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种用于超视距无线通信的数字平面角分集天线
WO2023040561A1 (zh) * 2021-09-16 2023-03-23 Oppo广东移动通信有限公司 天线模组及通信设备

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016502328A (ja) 2016-01-21
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KR20150084949A (ko) 2015-07-22
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EP2917967A1 (en) 2015-09-16

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