CN110870136B - 先进通信系统的零转向天线技术 - Google Patents

Abstract

提供了一种具有在无线通信设备中使用的自适应天线阵列的天线系统。在一个示例实施方式中，该天线系统包括第一天线阵列，该第一天线阵列包括多个天线元件。该天线系统包括第二天线阵列，该第二天线阵列包括多个天线元件。第一天线阵列和第二天线阵列均围绕无线设备的外围设置。第一和第二天线阵列中的至少一个是具有有源多模式天线的自适应天线阵列。有源多模式天线可以适于以多个可能模式之一进行配置。当以多个可能模式中的每一个来配置时，有源多模式天线与不同的辐射样式相关联。

Description

先进通信系统的零转向天线技术

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年3月24日提交的美国临时申请序列号62/476,640的优先权权益；并进一步要求于2017年6月20日提交的美国临时申请序列号62/522,109的优先权权益；上述每个临时申请的内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及无线通信，并且更具体地，涉及用于无线通信的天线系统和方法。

背景技术

工作在4G的蜂窝网络以及无线局域网(WLAN)已得到广泛使用，并且近期已演进为在大范围和整个城市地区的稳定而可靠的网络中提供中等数据速率到高数据速率传输及语音通信。诸如蜂窝电话和平板电脑之类的移动用户设备已经发展成不仅提供语音通信和低数据速率文本及电子邮件服务，而且还提供高数据速率互联网连接的地步。移动和高数据速率通信系统中的下一个演进步骤是向5G协议和网络的过渡。5G网络可以提供实质上更高的数据速率和更低的延迟，并且可以适用于语音、数据和物联网(IoT)应用。此外，毫米波(mmWave)频谱已经开放使用，以允许更大的瞬时带宽来支持更高的数据速率。这些毫米波频段，以及当前用于4G蜂窝和WLAN应用的6GHz以下频段，可与5G系统一起使用。

发明内容

本公开的一个示例方面涉及一种在具有与其相关联的外围的无线设备中使用的天线系统。该天线系统包括第一天线阵列，该第一天线阵列包括多个天线元件。该天线系统包括第二天线阵列，该第二天线阵列包括多个天线元件。第一天线阵列和第二天线阵列均围绕无线设备的外围设置。第一和第二天线阵列中的至少一个是具有有源多模式天线的自适应天线阵列。有源多模式天线可以适于以多个可能模式之一进行配置。当以多个可能模式中的每一个来配置时，有源多模式天线与不同的辐射样式相关联。

附图说明

图1示出了具有围绕其所有侧面延伸的外围的平面无线设备，并且多个天线阵列围绕该外围定位并被配置为用于在该平面无线设备的平面内的波束指向。

图2示出了平面天线阵列，其中可以使用到阵列中的每个天线的加权信号来转向阵列天线图。

图3示出了图2的天线阵列被弯曲，使得难以转向弯曲的天线阵列的阵列图。

图4示出了具有两个侧面的天线阵列，其中两个侧面被配置为彼此相交，并且其中一个或多个有源多模式天线位于天线阵列的两个侧面之一上。

图5示出了图4的天线阵列以及与其相关联的阵列图，其中多模式天线提供了阵列图的转向。

图6示出了根据本公开的示例实施例的具有辐射元件和寄生导体元件的有源多模式天线的示例。

图7示出了根据本公开的示例实施例的具有辐射元件和寄生导体元件的有源多模式天线的示例。

图8示出了根据本公开的示例实施例的具有两个侧面的天线阵列，其中有源多模式天线在其两个侧面的每一个处围绕阵列定位，从而允许转向。

图9示出了根据本公开的示例实施例的包括围绕其外围定位的多个天线的环形结构。

图10示出了根据本公开的示例实施例的图8的天线，其具有附加天线(多面天线)，该附加天线定位成邻近天线阵列并且相对于无线设备的平面表面定位。

图11示出了根据本公开的示例实施例的表示无线设备的三维结构，其中多个天线中的每一个围绕无线设备的外围和平面表面定位。

图12示出了根据本公开的示例实施例的二维天线阵列系统，其包括用于控制设备平面以及与设备平面不同的至少一个附加平面上的天线性能的多个天线阵列。

图13示出了根据本公开的示例实施例的用于二维天线阵列系统的方位角和仰角波束控制。

图14示出了包括具有多个前端模块的无线电片上系统(SOC)的自适应天线阵列，其中每个前端模块(FEM)耦接到天线阵列内的天线，并且处理器(例如，中央处理单元(CPU))被配置为将信号传递到无线电SOC，以控制FEM和天线阵列的性能。

图15示出了根据本公开的示例实施例的图14的自适应天线阵列，其中天线包括有源多模式天线。

图16示出了根据本公开的示例实施例的具有围绕其外围定位的多个自适应天线阵列的无线设备。

图17示出了具有围绕其外围定位的多个自适应天线阵列的无线设备，其中天线系统实现了扇区化方法以在移动设备周围提供天线系统覆盖。

图18描绘了示例有源多模式天线。

图19描绘了示例有源多模式天线。

图20描绘了示例有源多模式天线。

图21描绘了示例有源多模式天线。

图22描绘了示例有源多模式天线。

图23描绘了示例有源多模式天线。

图24描绘了示例有源多模式天线。

图25描绘了示例有源多模式天线。

具体实施方式

出于本文的目的，术语“无线设备”包括能够通过无线网络或无线通信链路进行通信的任何设备。“移动无线设备”是指能够通过无线网络或无线通信链路进行通信的、能够在工作期间由用户手持的设备。示例移动无线设备包括智能手机、蜂窝电话、平板电脑、可穿戴设备、PDA、电子阅读器等。本文所使用的术语“外围(periphery)”包括无线设备的平面区域的外部界限或边缘。“天线阵列”是指一起工作的多个天线。“阵列图(array pattern)”是指与天线阵列相关联的辐射样式(radiation pattern)。阵列图也可以称为天线阵列的阵列波束。“自适应天线阵列”是指带有一个或多个多模式天线的天线阵列，可以控制该多模式天线来调整与天线阵列相关联的阵列图。

本公开的示例性方面涉及一种适用于小形状因子无线设备(例如，移动无线设备)的自适应天线阵列技术，在该设备中实现了阵列天线的动态控制以改善天线系统性能。对形成阵列的天线元件的辐射模式的动态控制可用于：通过将天线图和极化分集(polarization diversity)引入移动天线系统，来提高预期通信链路的增益、减轻来自非预期源的干扰和/或提高通信链路可靠性。

在一些实施例中，天线系统包括具有一个或多个有源多模式天线(也称为“模态天线(modal antennas)”)的阵列。在一些方面，可以将若干天线阵列集成到一个无线设备中，并且可以协调这些天线阵列的覆盖范围以在该设备旋转或重新定位时提供无缝的通信系统覆盖范围。对于更高频率的通信系统(例如，毫米波系统)来说，可以将多个天线阵列集成到一个无线设备(例如，移动无线设备)中，以在该设备周围提供完整的角度覆盖。波束转向(beam steering)方法以及多个阵列之间的切换方法可用于提高系统工作期间的性能。

在一些实施例中，多模式天线可以是能够生成多个辐射样式模式的单端口天线系统，其中这些辐射样式模式在彼此比较时是不相关的。与由单辐射模式天线元件(诸如无源天线)形成的天线阵列相比，将多个多模式天线排列在一起可以形成一个阵列，该阵列具有实质上更多数量的单束(individual beam)状态。由多模式天线生成的多个辐射样式可以用于形成无线设备的多个不同的阵列辐射样式。多模式天线可用于形成和控制阵列辐射样式上的零点和/或波瓣的位置。可以将零点定位成提供对RF干扰源的干扰抑制，例如，通过沿干扰源的方向转动零点。

在一些实施例中，阵列中的每个多模式天线可以连接到前端模块(front-endmodule，FEM)。FEM可以包括功率放大器(PA)和低噪声放大器(LNA)。FEM可以与一个或多个处理器接口，以控制多模式天线来提供自适应阵列。自适应阵列的实现以及用于填充阵列元件的多模式天线可以在形成波束以及形成阵列辐射样式上的零点方面提供高度的灵活性。

在一些实施例中，一个或多个线性阵列位于诸如移动无线通信设备之类的无线通信设备的外围上或外围附近。这些阵列可以包括多个天线元件。元件中的一个或多个可以是能够从多种可能模式中生成多个辐射样式之一的多模式天线。

FEM可以连接到每个阵列元件或阵列中的多个元件，从而允许配置自适应阵列。这种线性阵列配置可在一个平面中提供阵列图的生成和控制，而在与设备平面不同的第二平面中具有宽的波束宽度图。第二平面可以正交于阵列平面但并非总是正交。控制例程(例如算法)可以被配置为由无线设备内或耦接到无线设备的一个或多个处理器(例如，中央处理单元(CPU))执行，以形成和定位来自自适应阵列的主波束，从而提高通信链路性能(例如，提高增益、减轻干扰等)。在一些实施例中，控制例程可以被配置为控制集成到设备的其他阵列，并协调天线系统功能从一个阵列到另一个阵列的切换。

在一些实施例中，一个或多个二维(2D)阵列位于诸如移动无线设备之类的无线设备上。阵列配置可以是这样的类型：使得线性阵列沿着设备的外围放置，并且另外的元件行位于设备的前表面或后表面上或附近。2D阵列配置提供了在多个平面中扫描阵列主波束的能力，从而允许控制波束的方位角(azimuth)和仰角(elevation)。控制例程可以被配置为形成和定位来自自适应阵列的主波束(例如，波瓣)以提高通信链路性能(例如，提高增益、减轻干扰等)。此外，控制例程可以控制集成到设备的其他阵列，并协调天线系统功能从一个阵列到另一个阵列的切换。

在一些实施例中，控制例程可以从一个或多个处理器(例如，基带处理器)存取或获得一个或多个信号质量度量。控制例程可以使用这些度量来制定阵列图转向决策。(一个或多个)度量可以包括信道质量指示符(CQI)、接收信号强度指示符(RSSI)、信号噪声干扰比(SINR)、误码率(BER)、数据速率、(一个或多个)其他度量或任何前述内容的组合，它们提供了有关传播信道和/或通信系统性能的信息。一个或多个处理器可以包括基带处理器、应用处理器或驻留在通信系统中或连接到通信系统的其他处理器。控制例程可以向多模式天线提供控制信号设置，以基于度量来改变天线模式和阵列辐射样式。

在一些实施例中，控制例程可以被配置为具体地确定多模式天线阵列图状态，其减小了在连接至多模式天线阵列的通信系统中的、来自多模式天线阵列视野中的诸如通信系统之类的源或其他RF传输源的干扰。在一些实施方式中，控制例程可以使用CQI、RSSI和/或SINR来为每个天线阵列的每个可用的可能辐射样式建模传播信道。利用为每个可用的可能阵列波束组合建模的传播信道，控制例程可以预测自适应天线阵列的多个辐射样式之中的哪个辐射样式将为下一数据通信交换提供最佳性能和/或改进的性能。具体地，如果通过控制例程使SINR度量最大化、接近最大化或增加，则可以将干扰级别纳入考虑，并且所选的辐射样式可以是提供了与目标收发器的良好通信链路和/或减少来自不期望RF源的干扰的辐射样式。

在一些实施例中，控制例程可以控制天线系统任务从无线通信设备上的一个阵列到另一个阵列的切换。在一些实施方式中，控制例程可以使用CQI、RSSI和/或SINR来为每个可用的可能天线阵列波束组合建模传播信道。利用为每个可用的可能辐射样式波束组合和为每个天线阵列建模的传播信道，控制例程可以预测自适应天线阵列的多个辐射样式之中以及所有阵列之中的哪个辐射样式可以为下一数据通信交换提供最佳性能。例如，控制例程可以预测何时天线阵列的第一组合的当前辐射样式将比天线阵列的第二组合的辐射样式组合提供更差的性能。可以设置信号质量或性能的阈值增量(差)。当切换到一个阵列会导致信号质量或性能的增量满足阈值时，可以选择使用该合适的阵列。/阵列中的有源多模式天线或多个阵列均被配置为在各个多模式天线的模式设置上提高性能以改善切换过程。例如，模式可以被选择为，通过增加阵列之间的信号质量的增量来减少切换所需的时间。

在一些实施例中，多模式天线可以被配置为作为混合阵列来工作，其中一个FEM可以被连接到两个或更多个多模式天线。可以将两个或更多个多模式天线作为子阵列来工作，并且可以确定波束转向系数以驱动混合阵列中的两个或更多个多模式天线的分组。可以调查每个多模式天线的模式，并可以选择提供了增强的通信链路性能的模式。

在一些实施例中，可以根据设备使用情况来调整阵列图，诸如以校正手部和头部的负载或设备取向。例如，当控制例程不依赖信道建模和预测来预期哪个是所有可能性之中以及所有天线阵列之中的最佳辐射样式波束组合时，可以使用确定性方法。在该确定性方法中，可以基于传感器信息在每个阵列的不同的可能辐射样式之中以及在不同的天线阵列之中选择辐射样式。可以使用查找表，该查找表存储不同的可能辐射样式、不同的天线阵列相对于不同的使用情况的性能，该使用情况包括设备取向，头部、手部的影响。

可以用多种方式来确定设备使用情况(诸如手部和头部的负载)，诸如使用一个或多个接近传感器、加速计或其他运动传感器。一个或多个处理器可以从传感器接收信号，并且可以实施控制例程，以基于该信号来确定设备的使用情况。然后，一个或多个处理器可以至少部分地基于无线设备的使用情况来确定系统中的一个或多个有源多模式天线的工作模式。

本公开的一个示例实施例涉及一种在具有与其相关联的外围的无线设备中使用的天线系统。该天线系统包括第一天线阵列，该第一天线阵列包括多个第一天线。该天线系统包括第二天线阵列，该第二天线阵列包括多个第二天线。第一天线阵列和第二天线阵列均围绕无线设备的外围布置。第一和第二天线阵列中的至少一个是包括有源多模式天线的自适应天线阵列。有源多模式天线可以具有单个馈电端口。有源多模式天线可以适于以多个可能模式之一配置。当以多个可能模式中的每一个来配置时，有源多模式天线可以与不同的辐射样式相关联。

在一些实施例中，第一和第二天线阵列中的每一个是包括有源多模式天线的自适应天线阵列。有源多模式天线可以具有一个馈电端口。有源多模式天线可以适于以多个可能模式之一来配置。当以多个可能模式中的每一个来配置时，有源多模式天线可以与不同的辐射样式相关联。

在一些实施例中，自适应天线阵列耦接到一个或多个处理器(例如，经由FEM或其他中间元件)。一个或多个处理器可以被配置为执行控制例程(例如，通过执行存储在一个或多个存储设备中的计算机可读指令)以实现控制例程。在一些实施例中，控制例程可操作为控制有源多模式天线的模式，以定位自适应天线阵列的阵列辐射样式的主波束。举例来说，控制例程可操作为至少部分地基于一个或多个信号质量度量(例如，CQI、RSSI、SINR等)来控制有源多模式天线的模式。在一些实施例中，一个或多个处理器被配置为执行控制例程，该控制例程可操作为协调第一天线阵列和第二天线阵列之间的切换。

在一些实施例中，一个或多个处理器与一个或多个传感器通信。一个或多个处理器可操作为至少部分地基于一个或多个传感器来确定无线设备的使用情况。一个或多个处理器可以被配置为执行控制例程，以至少部分地基于使用情况来控制自适应天线阵列。在一些实施例中，自适应天线阵列被配置用于在无线设备的平面内的波束指向(例如，天线阵列的主瓣的转向)。

在一些实施例中，自适应天线阵列被布置基板上，该基板具有在接合处彼此相交的第一侧面和第二侧面。在一些实施方式中，有源多模式天线可以被布置在第一侧面或第二侧面中的一个侧面上。在一些实施方式中，有源多模式天线可以包括布置在第一侧面上的第一有源多模式天线和布置在第二侧面上的第二有源多模式天线。在一些实施例中，自适应天线阵列布置在环形结构上。

在一些实施例中，天线系统包括设置在无线设备的外围内的平面表面上的一个或多个多面天线。平面表面可以是无线设备的前平面表面或后平面表面。在一些实施例中，每个第一天线和每个第二天线之间的距离是在λ和λ/4之间的距离。λ是与第一天线和第二天线的工作频率相关联的波长。

本公开的另一示例实施例涉及一种在具有外围的无线通信设备中使用的天线系统。该天线系统包括第一自适应天线阵列，该第一自适应天线阵列具有布置在无线通信设备的外围上的多个第一天线元件。第一自适应天线阵列包括第一有源多模式天线，该第一有源多模式天线适于以多个可能模式之一进行配置。当以多个可能模式中的每一个来配置时，第一有源多模式天线与不同的辐射样式相关联。第一自适应天线阵列与第一阵列图相关联。该系统包括第二自适应天线阵列，该第二自适应天线阵列具有布置在无线通信设备的外围上的多个第二天线元件。第二自适应天线阵列包括第二有源多模式天线，该第二有源多模式天线适于以多个可能模式之一进行配置。当以多个可能模式中的每一个来配置时，第二有源多模式天线与不同的辐射样式相关联。第二自适应天线阵列与第二阵列图相关联。该系统包括一个或多个处理器，被配置为执行控制例程，该控制例程可操作为控制第一自适应天线和第二自适应天线以控制第一阵列图和第二阵列图。在一些实施例中，控制例程可操作为控制第一自适应天线和第二自适应天线，以用于在与无线通信设备相关联的方位角上的波束指向(beam pointing)。

在一些实施例中，天线系统包括位于无线通信设备的平面表面上的第三自适应天线阵列。第三自适应天线阵列包括第三有源多模式天线，该第三有源多模式天线适于以多个可能模式之一进行配置。当以多个可能模式中的每一个来配置时，第三有源多模式天线与不同的辐射样式相关联。第三自适应天线阵列与第三阵列图相关联。在一些实施例中，控制例程可操作为控制第一自适应天线阵列、第二自适应天线阵列和第三自适应天线阵列，以进行无线设备的方位角波束控制和仰角波束控制。

在一些实施例中，控制例程可操作为基于无线通信设备的使用情况来控制第一自适应天线阵列和第二自适应天线阵列。可以至少部分地基于来自位于无线通信设备上的传感器(例如，接近传感器、加速计等)的一个或多个信号来确定使用情况。

现在参考附图，现将阐述示例实施例。图1示出了具有围绕其所有侧面延伸的外围10的平面无线设备100(例如，移动无线设备)。设备100包括围绕外围定位的多个天线阵列12(a-d)。多个天线阵列12(a-d)被配置用于在平面无线设备的平面内的波束指向。每个天线阵列具有与其相关联的阵列图11(a-d)。该设备体现了形成设备平面的垂直轴13a和水平轴13b。天线阵列12(a-d)均包括有源多模式天线。有源多模式天线可以具有单个馈电端口，并且可以适于以多个可能模式之一进行配置，其中当以多个可能模式中的每一个来配置时，有源多模式天线包括不同的辐射样式。在一些实施例中，用于有源多模式天线的模式被选择为包括以下之一：垂直极化、水平极化、+45度和-45度极化状态。

共有的US9,748,637、US9,240,634、US8,648,755、US8,362,962和US7,911,402中描述了有源多模式天线(也称为“模态天线”或“零转向(null steering)天线”)的示例；上述每个的内容通过引用并入本文。参照图18至图25描述示例性有源多模式天线。

在任何给定的频率处，可能需要转向天线阵列的阵列图(波束)。当阵列表面是平坦的时，常规技术经常采用一组在其间具有有限的间隔的天线元件。但是，当表面像许多IOT设备、手机和其他设备一样是奇怪形状(不平坦)时，可能需要使用不同的技术来实现波束转向(beam steering)。

图2示出了传统的平面天线阵列20，其包括位于基板22上的多个天线元件21(a-d)。根据现有技术，可以通过向阵列中的每个天线元件提供加权信号来转向阵列天线图。可以控制与每个加权信号相关联的权重(例如，使用一个或多个处理器和/或FEM)，以实现与平面天线阵列20相关联的阵列图的期望的转向方向。

图3示出了图2的常规天线阵列20被弯曲。因为基板22和天线阵列是弯曲的，所以可能难以使用常规技术(诸如通过控制提供给阵列中每个天线元件21(a-d)的加权信号的权重)来转向天线阵列20的阵列图。

图4示出了根据本公开的示例实施例的自适应天线阵列40。天线阵列可以设置在具有两个侧面S1和S2的基板43上。基板43的两个侧面S1和S2被配置为彼此相交(例如在结合处44)。有源多模式天线42(a-b)位于侧面S2上。无源天线元件41(a-b)位于侧面S1上。出于说明和讨论的目的，图4描绘了在侧面S2上的两个有源多模式天线42和在侧面S1上的两个无源天线。使用本文提供的公开内容，本领域普通技术人员将理解，在第一侧面和第二侧面上混合任意数量的有源多模式天线和无源天线是在本公开的范围内。

图5示出了图4的自适应天线阵列40以及与其相关联的阵列图45。多模式天线42(a-b)提供阵列图的转向。在这点上，弯曲阵列可以实现与图2所示的传统平面阵列相同或相似的阵列图转向。弯曲阵列内的一个或多个有源多模式天线的波束转向功能允许在无线设备的平面内的波束指向(例如，转向阵列图以使主波瓣或其他波瓣在无线设备的平面内)，这是因为这些阵列天线均位于无线设备的外围。

图6示出了根据本公开的示例性实施例的可以在自适应天线阵列中使用的、具有辐射元件46和寄生导体元件47的有源多模式天线42的示例。辐射元件46可以包括单个馈电端口。在图6的实施例中，辐射元件可以具有J或U形状。可以(例如，从FEM)将RF信号46提供给辐射元件46。寄生元件47可以耦接到有源调谐元件。有源调谐元件可以是例如电压控制的可调电容器、电压控制的可调移相器、FET、开关、MEMs器件、晶体管或能够表现出开-关和/或有源可控导电/电感特性的电路中的任何一个或多个。寄生导体元件47可以定位成在辐射元件46附件并且与其相邻。可以使用有源调谐元件来改变寄生导体元件47的电抗负载，以实现图6的有源多模式天线42的多个天线模式。

图7示出了根据本公开的示例性实施例的具有辐射元件46和寄生导体元件47的有源多模式天线42的另一示例。辐射元件46可以包括单个馈电端口。在图7的实施例中，辐射元件46可以具有线性形状。可以(例如，从FEM)将RF信号46提供给辐射元件46。寄生元件47可以耦接到有源调谐元件。有源调谐元件可以是例如电压控制的可调电容器、电压控制的可调移相器、FET、开关、MEMs器件、晶体管或能够表现出开-关和/或有源可控导电/电感特性的电路中的任何一个或多个。寄生导体元件47可以定位成在辐射元件46附件并且与其相邻。可以使用有源调谐元件来改变寄生导体元件47的电抗负载，以实现图7的有源多模式天线42的多个天线模式。

尽管在图6和图7中提供了说明性示例，本领域技术人员将理解，相对于有源多模式天线来说，大量的天线元件架构将是可能的。然而，通常，有源多模式天线将包括具有单个馈电端口的辐射元件以及定位成在辐射元件附件并且与其相邻的寄生导体元件，其中，寄生导体元件的无功负载被调制以实现多个天线模式(参见以上通过引用并入的共有专利和参考图18至25讨论的示例性有源多模式天线)。

图8示出了设置在具有两个侧面S1和S2的基板43上的天线阵列40。阵列40包括有源多模式天线42(a-d)，该有源多模式天线42(a-d)定位在阵列40的两个侧面S1和S2的每一个侧面上。与仅在单个侧面上具有多模式天线的天线阵列相比，将有源多模式天线42(a-d)定位在阵列基板43的多个侧面上允许以较少的限制来转向阵列图45。

图9示出了包括多个天线42(a-h)的环形结构50，每个天线围绕环形结构50的外围定位。天线42(a-h)中的一个或多个可以是有源多模式天线。天线阵列结构50可以用于与无线设备相关联的设备平面上的波束指向，或者可以用于提供其他波束转向能力。

图10示出了图8的天线阵列40，其具有被称为“多面天线55(a-d)”的附加天线，该附加天线定位成邻近天线阵列40并且定位在无线设备的平面表面(P)上或与无线设备的平面表面平行的表面上。多面天线55(a-d)可以包括平面表面天线元件，并且可以包括无源或有源多模式天线，或其组合。在一些实施例中，多面天线55(a-d)放置在无线设备的后表面附近。然而，在不脱离本公开的范围的情况下，多面天线55(a-d)也可以位于无线设备的前表面附近。

图11示出了表示无线设备(例如，智能电话、平板电脑等)的三维结构60，其中多个天线中的每一个围绕无线设备的外围65和平面表面P定位。围绕设备定位的各种天线元件和阵列可以包括自适应阵列61、无源天线元件62、无源天线阵列63、有源多模式天线64，或其任何组合。取决于频率和位置，天线元件和阵列之间的距离可以在λ和λ/4之间，其中λ是与各个天线相关联的波长。这样，在5G的示例中，天线可以分别工作在从2.5GHz至60.0GHz范围内的频率，并且可以分别与约12.0cm至1.25mm范围内的波长相关联。这种类型的结构可以包括具有机械触点的分布式结构，也可以包括皮肤耦合类型的结构。

多频率结构可以包括较低频率天线(共享结构天线)内的处于较高频率的一组有源多模式天线。分布可以通过一组穿过后侧外壳或盖的共同馈电(corporate feed)来完成。从机械上来说，馈电可以是来自下方的触点(诸如弹簧连接器)，或者可以是电容耦合组件。

图12示出了二维天线阵列系统，其包括根据本公开的示例实施例的用于控制设备平面上的天线性能的多个自适应天线阵列12(a-d)，以及用于控制与设备平面不同的至少一个附加平面(例如，与设备平面正交的正交平面)上的天线性能的多面天线阵列71(a-d)。

图13示出了诸如图12所示的二维天线阵列系统的方位角和仰角波束控制。箭头73示出了方位角波束控制。箭头75示出了仰角波束控制。

图14示出了包括具有多个前端模块82的无线电片上系统(system on chip，SOC)83的天线阵列。每个前端模块(FEM)耦接到天线阵列内的无源天线81。一个或多个处理器84被配置为将信号85传递到无线电SOC 83，以控制FEM和天线阵列的性能。

图15示出了自适应天线阵列，其中天线包括有源多模式天线86。有源多模式天线进行组合以形成自适应天线阵列。尽管每个天线被示出为包括有源多模式天线，但是本领域技术人员可以理解，一个或多个天线可以包括无源天线而不是有源多模式天线。如图15所示，自适应天线阵列包括具有多个前端模块82的无线电片上系统(SOC)83。每个前端模块(FEM)耦接到天线阵列内的无源天线81。一个或多个处理器84被配置为将信号85传递到无线电SOC 83，以控制FEM和天线阵列的性能。

图16示出了具有围绕其外围定位的多个自适应天线阵列的无线设备，其中自适应天线阵列均与图15中所示的自适应天线阵列相似。具有一个或多个处理器(例如，CPU)84的单个处理系统耦接到四个自适应阵列中的每一个，并且提供用于控制其相应的多模式天线86的模式的信号85。无线电SOC 83容纳多个FEM 82，每个FEM耦接到相应的多模式天线86。每个FEM 82可以包括用于发送和接收功能的功率放大器(PA)和低噪声放大器(LNA)。处理系统84中的算法或控制路由可以提供所有自适应阵列以及多模式天线模式选择。

图17示出了具有围绕其外围10定位的多个自适应天线阵列12(a-d)的无线设备100(例如，诸如智能电话、平板电脑等的移动无线设备)。每个自适应阵列分别提供阵列图11(a-d)。调整阵列图以用于无线设备100的平面上的波束指向，从而实现在切换区域90中的切换。这通过使用处理系统(例如，CPU)84来向耦接到自适应天线阵列的各个无线电系统83发送控制信号来实现。在所示的示例中，切换区域90在由垂直轴13a和水平轴13b限定的设备平面内，如图所示。图17所示的天线系统实现了在移动设备周围提供天线系统覆盖的扇区化方法。

各个实施例的附加特征和益处可包括：

可以在无线设备外围的一个或多个角落中实现自适应天线阵列；

有源多模式天线的模式均被选择为包括以下之一：垂直极化、水平极化、+45度和-45度极化状态，以允许动态控制阵列波束的极化特性；

可以实现一种算法或控制例程以控制无线设备中的多个阵列，从而随着设备取向和/或位置改变而将波束形成责任从一个阵列传递或切换到另一个阵列；

阵列中的一个或多个可以是自适应天线阵列，其中应用了数字波束成形技术；

波束选择模式可以被设计到阵列中，并且控制例程可以提供全向模式，以用于在与诸如接入点之类的节点进行通信之前搜索和选择初始化阶段所需的导频信号或信令；

自适应天线阵列可以以毫米波频率实现以用于5G系统中；

在较低频带处可以将数量减少的元件集成到设备中以提供相控阵列、自适应阵列或混合阵列；以及

当阵列由于诸如智能手机的手部负载、手部和头部负载等使用情况而受影响时，可以控制多模式天线的工作模式以补偿使用情况。

因此，在一些实施例中，可以将多个天线阵列集成到无线通信设备中，并且可以使用有源多模式天线元件来填充阵列中的一些或所有天线元件，以向通信设备中的无线电提供完整的覆盖范围和连接。算法或控制例程可以被配置为形成和定位来自自适应阵列的主波束，以针对通信链路进行优化。另外，控制例程可以控制和协调用于从一个阵列到另一阵列的通信的天线系统功能切换。可以选择阵列波束位置，以增加通信链路的有效辐射功率(EIRP)或抑制干扰。可以将阵列与控制例程一起配置，以向方向和位置动态变化的无线设备提供连续的波束定位。多个阵列的此配置适用于毫米波应用以及6GHz以下的应用，诸如LTE通信。

图18描绘了根据本公开的示例实施例的示例有源多模式天线200。天线200包括处于接地平面224上的主隔离磁偶极(IMD)元件221。在图18所示的示例实施例中，天线200还包括处于接地平面224上的寄生元件222和有源元件223，位于主IMD元件221的侧面。在该实施例中，有源调谐元件223位于寄生元件222或其垂直连接上。有源调谐元件223可以例如是电压控制的可调电容器、电压控制的可调移相器、FET、开关、MEMs器件、晶体管或能够表现出开-关和/或有源可控导电/电感特性的电路中的任何一个或多个。还应注意，可以以不同方式来实现贯穿本说明书所引用的各种有源控制元件到不同天线和/或寄生元件的耦接。例如，通过将有源元件的一端电性耦接到馈线，并将另一端耦接到接地部分，有源元件通常可以被沉积在天线和/或寄生元件的馈电区域内。有源调谐元件223可以被控制为提供模式转换(例如，波束转向)以调整天线200的辐射样式。

图19描绘了根据本公开的示例实施例的示例有源多模式天线250。天线250可以包括处于接地平面256上的主IMD元件251、与有源元件253耦接的第一寄生元件252、以及与第二有源元件255耦接的第二寄生调谐元件254。有源调谐元件252和254可以被控制以提供频率转换和/或模式转换(例如，波束转向)以调整天线250的辐射样式。

图20描绘了根据本公开的示例实施例的示例有源多模式天线270。天线270包括处于接地平面277上的IMD 271、与第一有源调谐元件273耦接的第一寄生元件272、与第二有源调谐元件275耦接的第二寄生元件274、以及与主IMD元件271的馈电耦接以提供有源匹配的第三有源元件276。

图21至26示出了示例有源多模式天线，其在寄生和有源调谐元件的定位、取向、形状和数量上具有不同的变化，以促进波束切换、波束转向、零填充和其他波束控制能力。图21示出了天线290，其包括处于接地平面299上的IMD 291、与第一有源调谐元件293耦接的第一寄生元件292、与第二有源调谐元件295耦接的第二寄生元件294、第三有源调谐元件296、以及与对应的有源调谐元件298耦接的第三寄生元件297。在这种配置中，第三寄生元件297和对应的有源调谐元件298提供了用于实现在不同频率处的波束转向或零填充的机制。尽管图21仅示出了位于IMD 291侧面的两个寄生元件，但是应当理解，可以添加附加的寄生元件(和相关联的有源调谐元件)以实现期望水平的波束控制和/或频率成形。

图22示出了示例有源多模式天线300，其类似于图20中的天线配置，除了将寄生元件302旋转90度之外(与图20中的寄生元件52相比)。有源调谐元件303耦接到寄生元件303。其余天线元件(具体为处于接地平面306上的IMD 301、寄生元件304和相关联的调谐元件305)，保持在与图20中的对应元件类似的位置。尽管图22示出了相对于IMD 301的单个寄生元件取向，但是应当理解，可以容易地将寄生元件的取向调整至除90度以外的角度，以实现其他平面上的期望的波束控制水平。

图23提供了根据本公开的示例性实施例的另一示例天线310，其类似于图22的天线，除了存在第三寄生元件316和相关联的有源调谐元件317之外。在图23的示例配置中，第一寄生元件312和第三寄生元件316相对于彼此呈九十度的角度。其余天线元件(也即主IMD元件311、第二寄生元件314和相关联的调谐元件315)，处于在与图20中的对应元件类似的位置。该示例配置示出了可以通过将多个寄生元件相对于彼此和/或主IMD元件以特定的取向放置来获得附加的波束控制能力，以提供在空间中的任何方向上的波束转向。

图24示出了根据本公开的示例实施例的有源多模式天线320。该示例实施例类似于图20的实施例，除了将第一寄生元件322放置在天线320的基板上之外。例如，在空间为关键约束的应用中，可以将寄生元件322放置在与天线320相关联的印刷电路板上。其余天线元件(具体为处于接地平面326上的IMD 321、寄生元件324和相关联的调谐元件325)，可以保持在与图20中的对应元件类似的位置。

图25示出了根据本公开的示例实施例的有源多模式天线330。在此配置中，天线330包括处于接地平面336上的IMD331、与第一有源调谐元件333耦接的第一寄生元件332和与第二有源调谐元件335耦接的第二寄生元件334。天线330的独特特征是存在具有多个寄生部分的第一寄生元件332。因此，可以将寄生元件设计为包括两个或更多个元件，以便实现期望的波束控制和/或频率成形水平。寄生元件可以具有其他形状而不会脱离本公开的范围。

如先前所论述，图21到25中所说明的各种实施例仅提供对图20的天线配置的示例修改。其他修改(包括增加或消除寄生和/或有源调谐元件，或这些元件的取向、形状、高度或位置的改变)都可以很容易地实现以利于波束控制和/或频率成形，并且预期在本公开的范围之内。

尽管已经针对本主题的特定示例实施例对本主题进行了详细描述，但是应当理解，本领域技术人员在理解前述内容之后，可以容易地产生这些实施例的替代、变化和等同物。相应地，如本领域普通技术人员所显而易见的，本公开的范围是作为示例而不是作为限制，并且本公开不排除包括对本主题的这些修改、变化和/或添加。

Claims (15)

1.一种在具有与其相关联的外围的无线设备中使用的天线系统，所述天线系统包括：

基板，具有在第一平面中取向的第一部分和在与第一平面不同的第二平面中取向的第二部分；

布置在所述基板的所述第一部分上的第一天线阵列，所述第一天线阵列包括多个第一天线；

布置在所述基板的所述第二部分上的第二天线阵列，所述第二天线阵列包括多个第二天线；

所述第一天线阵列和第二天线阵列均设置在所述无线设备的所述外围；以及

耦接到所述第一天线阵列和所述第二天线阵列的一个或多个处理器；

其中，所述第一天线阵列和所述第二天线阵列中的至少一个是包括有源多模式天线的自适应天线阵列，所述有源多模式天线具有单个馈电端口并且适于以多个可能模式之一进行配置，其中当以所述多个可能模式中的每一个来配置时，所述有源多模式天线与不同的辐射样式相关联。

2.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述第一和第二天线阵列中的每一个都是包括有源多模式天线的自适应天线阵列，所述有源多模式天线具有单个馈电端口并且适于以多个可能模式之一进行配置，其中当以所述多个可能模式中的每一个来配置时，所述有源多模式天线包括不同的辐射样式。

3.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述至少一个处理器被配置为执行控制例程，所述控制例程可操作为控制所述有源多模式天线的模式，以定位所述自适应天线阵列的阵列辐射样式的主波束。

4.根据权利要求3所述的天线系统，其中，所述至少一个处理器被配置为执行控制例程，所述控制例程可操作为至少部分地基于一个或多个信号质量度量来控制所述有源多模式天线的模式。

5.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述至少一个处理器被配置为执行控制例程，所述控制例程可操作为协调所述第一天线阵列与所述第二天线阵列之间的切换。

6.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述至少一个处理器被配置为与一个或多个传感器通信，所述至少一个处理器可操作为至少部分地基于所述一个或多个传感器来确定所述无线设备的使用情况。

7.根据权利要求6所述的天线系统，其中，所述至少一个处理器被配置为执行控制例程，以至少部分地基于所述使用情况来控制所述自适应天线阵列。

8.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述至少一个被配置为执行控制例程，以控制所述自适应天线阵列在所述无线设备的平面内进行波束指向。

9.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述基板设置在所述无线设备的所述外围。

10.根据权利要求1所述的天线系统，其中，每个第一天线与每个第二天线之间的距离是在λ与λ/4之间的距离，其中λ是与第一天线和第二天线的工作频率相关联的波长。

11.一种在具有外围的无线通信设备中使用的天线系统，所述天线系统包括：

基板，具有在第一平面中取向的第一部分和在与第一平面不同的第二平面中取向的第二部分；

第一自适应天线阵列，其布置在所述基板的所述第一部分上，所述第一自适应天线阵列包括第一有源多模式天线，所述第一有源多模式天线能够配置为以多个可能模式之一进行操作，其中当以所述多个可能模式中的每一个来配置时，所述第一有源多模式天线与不同的辐射样式相关联，所述第一自适应天线阵列与第一阵列图相关联；

第二自适应天线阵列，其布置在所述基板的所述第二部分上，所述第二自适应天线阵列包括第二有源多模式天线，所述第二有源多模式天线能够配置为以多个可能模式之一进行配置，其中当以所述多个可能模式中的每一个来配置时，所述第二有源多模式天线与不同的辐射样式相关联，所述第二自适应天线阵列与第二阵列图相关联。

12.根据权利要求11所述的天线系统，还包括：

一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被配置为执行控制例程，所述控制例程可操作为控制所述第一自适应天线阵列和所述第二自适应天线阵列在与所述无线通信设备相关联的方位角上进行波束指向。

13.根据权利要求11所述的天线系统，还包括：

位于所述无线通信设备的平面表面上的第三自适应天线阵列，所述第三自适应天线阵列包括第三有源多模式天线，所述第三有源多模式天线适于以多个可能模式之一进行配置，其中，当以所述多个可能模式中的每一个来配置时，所述第三有源多模式天线与不同的辐射样式相关联，所述第三自适应天线阵列与第三阵列图相关联。

14.根据权利要求13所述的天线系统，还包括：

一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被配置为执行控制例程，所述控制例程可操作为控制所述第一自适应天线阵列、所述第二自适应天线阵列，以及所述第三自适应天线阵列，以进行所述天线系统的方位角波束控制和仰角波束控制。

15.根据权利要求11所述的天线系统，还包括：

一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被配置为执行控制例程，所述控制例程可操作为基于所述无线通信设备的使用情况来控制所述第一自适应天线阵列和所述第二自适应天线阵列，所述使用情况至少部分地基于来自位于所述无线通信设备上的传感器的一个或多个信号而确定。

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