CN1240191C - 用于发射和接收无线电波的天线设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明包括一种用于发射和接收无线电波的天线设备(1)，可连接到无线电通信设备上，并且包括发射机(2)和接收机(3)部分。接收机部分包括一个可在多个天线结构状态之间切换的接收天线结构(13，35，61，82-85，87，89，91，92)，其每一个通过诸如谐振频率、阻抗、辐射模式、极化和带宽之类的一组相关辐射参数来区分；和一个切换设备(14，36，81)，用于在所述多个天线结构状态之间选择性地切换所述天线结构。该天线设备还包括一个接收装置，用于接收发射机部分中表示反射系数的第一测量，和一个控制设备(22)，根据表示反射系数的所述第一接收测量，用于控制所述接收机部分的切换设备，和因此在所述多个天线结构状态之间选择性地切换天线结构。
Description
技术领域
本发明一般涉及天线领域并且具体地分别涉及一种用于发射和接收无线电波的天线设备、一种包括所述天线设备的无线电通信设备和一种用于发射和接收无线电波的方法。
背景技术
在现代无线电通信产业中，存在着对诸如手持便携式电话之类的较小以及更多用途的便携式终端永远不断增加的需求。天线的尺寸决定它的性能是熟知的，参见Johnsson的Antenna EngineeringHandbook(天线工程手册)(McGrawHill 1993，第6章)。在天线、电话主体和诸如用户本身的相邻环境之间的相互作用将变得比以前更重要。因为近来，通常有提供两个或多个频带的需求。因此，制造在各种情形下展现优良天线性能的此类小型而且多用途的终端成为了一个艰难的任务。
当现今制造一个手持便携式电话时，天线通常适合于这部具体电话的特性并且适合于在缺省环境中的缺省使用。这意味着该天线随后不能用于使用某一电话的任何特定情形中或适合不同的手持便携式电话。因此，手持便携式电话的每一种模型都必须装备有一个特殊设计的天线，它一般说来不能被任意地使用于任何其他电话模型中。
小尺寸结构的天线设备的辐射性质，例如一个手持无线电通信设备，很大程度上取决于诸如所述设备和电话外壳的印刷电路板(PCB)之类的支持结构的形状和尺寸。诸如谐振频率、输入阻抗、带宽、辐射模式、增益、极化和近场模式之类的所有辐射性质是天线设备本身和它与PCB以及电话外壳的相互作用的结果。因此，在下面对辐射性质进行的所有引用是意指天线被结合在其中的整个设备。
在上面已经被提到的相对于诸如无绳电话、遥测系统、无线数据终端等等之类的其它无线电通信设备也是正确的。因此，本发明的天线设备在一个很宽的规模上可应用在各种通信设备中。
通过例如EP-A2-0,852,407，GB-A-2,332,124和JP-A-10,145,130可了解具有分集功能(因此完成对各种无线电波环境的适应)的接收天线。这样的分集功能系统可用来抑制噪声，和/或诸如延迟信号之类可能会引起码间干扰的不希望有的信号以及同信道干扰信号，并因此改善了总的信号质量，但是需要一个包括多个接收机链路在内的复杂接收机电路结构，以及多个天线输入端口。
可切换的天线例如从用于获得分集的著作中可知。
WO 99/44307公开了一种具有天线增益分集的通信设备。该装置包括第一和第二天线元件，它们中两者或者仅仅其中一个能够被耦合到天线信号节点。没有耦合到该节点的天线元件被电耦合到信号地线。
EP-A1-0,546,803公开了一种包括单个天线元件的分集式天线。该天线元件是以四分之一波长单极天线的形式，它能够在一个公共RF馈送源中的一端或另一端处交替地被馈送。
US-A1-5,541,614公开了一种天线系统，其包括嵌入在频率选择光子能带隙(photonic bandgap)晶体之上的一组中心馈送和分段的偶极天线。例如通过连接/断开各段偶极子臂以使它们更长或更短，可改变天线系统的某些特性。
然而，这些现有技术的配置其中并无一个描述在某些智能基础上(例如由于信号情形所引起而需要时)连接或切断任何可切换的天线元件。所述EP-A1-0,546,803提及如此的智能切换的可能性，但是没有如何控制该切换的指示。
发明内容
本发明的一个主要目的是提供一种用于发射和接收无线电波的天线设备，其可连接到一个无线电通信设备，并且包括发射机和接收机部分，所述接收机部分包括可在多个天线结构状态之间切换的一个天线结构，多个天线结构状态的每一个通过诸如谐振频率、输入阻抗、带宽、辐射模式、增益、极化以及近场模式之类的一组辐射相关的参数来区分，和一个用于在所述多个天线结构状态之间选择性地切换所述天线结构的一个切换设备，其天线设备是多用途的并能适应各种情形而且适用于获得期望的功能。
在这方面，本发明的一个特定目的是提供这样一个天线设备，它比现有技术的天线设备展现出更好的性能。
本发明的另一目的是提供一种天线设备，其某些特性是可控制的，比如谐振频率、阻抗、辐射模式、极化，带宽和分集之类的。
本发明的另外一个目的是提供一种天线设备，在它的天线结构和切换设备之间展现出一个可控制的相互作用。
本发明的再一个目的是提供一种天线设备，其简单、轻便、易于制造而且便宜。
本发明的再一个目的是提供一种有效、易于安装并且可靠的天线设备，特别是，即使在长时间的使用之后在机械上仍然坚固。
本发明的再一个目的是提供一种适合于作为无线电通信设备的一个集成部分而被使用的天线设备。
通过天线设备、通过一种无线电通信设备以及通过与其相应的方法达到了本发明的这些目的。
本发明的技术方案包括：
(一)一种用于发射和接收无线电波的天线设备，可连接到一个无线电通信设备上，并且包括：发射机和接收机部分，所述接收机部分包括可在多个天线配置状态之间切换的接收天线结构，其中每一个配置状态通过一组相关辐射参数来区分，和切换设备，用于在所述多个天线配置状态之间选择性地切换所述接收天线结构，其特征在于：接收装置，用于接收在发射机部分中测量的表示反射系数的第一测量值，和控制设备，根据表示反射系数的所述第一测量值，用于控制所述接收机部分的切换设备和因此而在所述多个天线配置状态之间选择性地切换该接收天线结构。
(二)一种可连接到无线电通信设备上的天线设备，包括：发射机和接收机部分，所述发射机部分包括输入端，用于接收来自所述无线电通信设备的发射机电路中的第一RF信号，功率放大器，用于放大所述第一RF信号，和发射天线元件，用于接收所述第一RF信号以及用于根据它来辐射RF波，并且所述接收机部分包括可在多个天线配置状态之间切换的天线结构，其中每一个配置状态通过一组相关辐射参数来区分，所述天线结构根据它来接收RF波和转送第二RF信号，切换设备，用于在所述多个天线配置状态之间选择性地切换所述天线结构，低噪声放大器，用于放大所述第二RF信号，和输出端，用于把所述第二RF信号输出给所述无线电通信设备的接收机电路，其特征在于：接收装置，用于接收在发射机部分中测量的表示反射系数的一个测量值，和控制设备，用于根据表示反射系数的所述接收的测量值来控制所述接收机部分的切换设备，和因此而在所述多个天线配置状态之间选择性地切换天线结构。
(三)一种用于在包括发射机和接收机部分并且可连接到无线电通信设备的天线设备中发射和接收无线电波的方法，所述接收机部分包括：可在多个天线配置状态之间切换的天线结构，其中每一个配置状态通过一组相关辐射参数来区分，和切换设备，用于在所述多个天线配置状态之间选择性地切换所述天线结构，所述方法其特征在于如下步骤：接收表示反射系数的测量值，和根据表示反射系数的所述接收测量值，控制所述接收机部分的切换设备并因此而在所述多个天线配置状态之间选择性地切换天线结构。
在权利要求中，″天线结构″意指包括连接到无线电通信设备电路的发射(馈送)线(组)上的有源元件，以及可以被接地或被留下断开的并因此作为例如定向器、反射器、阻抗匹配元件等等的那些元件。
附图说明
从在下面给出的本发明实施例的详细说明以及通过只是说明给出的并因此未限制本发明的附图1-7中将更完全地理解本发明。
图1示意性地显示了根据本发明实施例用于发射和接收无线电波的天线模块的框图。
图2示意性地显示了接收或发射天线元件以及一个切换设备，用于选择性地连接和断开作为根据本发明的天线模块一部分的接收天线元件。
图3示意性地显示了一个接收或发射天线结构和一个切换设备，用于选择性地把作为根据本发明的天线设备一部分在各种不同点处的所述接收天线结构选择性地接地。
图4是用于控制发明的天线设备之切换设备的切换与固定算法例子的流程图。
图5是用于控制发明的天线设备之切换设备的一个替换算法例子的流程图。
图6是用于控制发明的天线设备之切换设备的另外一个替换算法例子的流程图。
图7示意性地显示了接收或发射天线元件以及一个切换设备，用于选择性地连接和断开作为根据本发明另外一个实施例的天线模块一部分的接收天线。
最佳实施方式
在下列说明中，为了解释而非限制的目的，阐明了具体的细节，以便提供对本发明的全面理解。可是，对本领域技术人员来说很明显，本发明可以被实践在偏离这些具体细节的其它实施例中。在其它实例中，熟知的设备和方法的细节描述被省略以使本发明不会因为不必要的细节而不清楚。
发明的天线模块(图1)
参考图1，根据本发明实施例的一个天线设备或模块1包括分开的发射机(TX)2和接收机(RX)3RF部分。
天线模块1是用于发射和接收无线电波的无线电通信设备(未示出)的高频(HF)部分。因此，天线模块1最好被安排为通过无线电通信电路被电连接到无线电通信设备的数字或模拟信号处理器。
天线模块1最好被安排在一个托架(未示出)上，该托架可以是一个灵活的基底，一个MID(塑模互连设备)或一个PCB。如此的天线模块PCB可以和无线电通信设备的一个PCB一起并排被安装在(特别是可以被可拆卸地安装在)基本上同一平面中，或者它可以被附加到例如安装在无线电设备PCB上的一个绝缘支持装置上如此以使它基本上与绝缘支持装置并行但是高于那里。天线模块PCB还可以基本上与无线电通信设备的PCB垂直。
发射机部分2包括一个输入4，用于从无线电通信设备的数字发送源中接收数字信号。输入4经传输线路5被连接到用于把数字信号变换为模拟信号的一个数字模拟(D/A)变换器6。变换器6经传输线路5进一步被连接到用于把模拟信号频率上变换为期望RF频率的一个上变换器7。上变换器7经传输线路5依次被连接到用于放大频率变换信号的一个功率放大器(PA)8。功率放大器8进一步被连接到一个发射机天线设备9用于转送放大的RF信号以及用于根据所述信号辐射RF波。一个滤波器(未示出)可以被安排在功率放大器之前或之后的信号路径中。
在发射机部分中用于测量电压驻波比(VSWR)的设备10，优选地如图1中，在发射机部分3中被连接在功率放大器8和发射机天线设备9之间，或者被结合在发射机天线设备9中。
发射机天线设备9包括连接到传输线路5的一个切换设备11和一个发射天线结构12，其优选地由可经切换设备11连接到传输线路5的多个发射天线元件组成。可是，关于本发明，发射机天线设备9可以同样好地由被永久连接的单个发射天线组成。
接收机部分3包括用于接收RF波和用于根据它产生一个RF信号的一个接收天线结构13。接收天线结构13可在多个(至少两个)天线结构状态之间切换，其每一个通过一组辐射相关参数来区别，比如谐振频率，输入阻抗，带宽，辐射模式，增益，极化和近场模式之类的。一个切换设备14被安排在它的附近用于在天线结构状态之间选择性地切换天线结构13。接收天线结构13和切换设备14可以被整体地安排在一个接收机天线设备15中。
天线结构13可以分别地包括可连接到传输线路16或到RF接地(未示出)的多个元件和/或包括可连接到传输线路16或到RF接地的多个连接空出点，这将在下面进一步被描述。
天线结构13经传输线路16进一步被连接到用于放大接收信号的一个或多个低噪声放大器(LNA)17。正如本说明情况中，天线结构13的RF馈送可以经切换设备14被实现，或者能够分别地在切换设备14之外被实现。
如果接收分集被使用，则来自低噪声放大器17中的信号输出在合并器18中被合并。分集合并可以是切换类型，或者是信号的加权和。
传输线路16被进一步连接到用于下变换器信号频率的一个下变换器或下混频器19以及被连接到用于把接收信号变换为数字信号的一个模拟数字(A/D)变换器20。数字信号在21处被输出到无线电通信设备的数字处理电路。
根据本发明，提供用于控制接收机部分3中的切换设备14的一种控制设备22，并因此根据在发射机部分2处表示反射系数的一个测量，选择性地连接和断开接收天线结构13的一些部分，在此，该测量可以是由设备10测量的一个电压驻波比(VSWR)。同样地，反射功率可以被测量。可是，以下本说明将只是指VSWR 即使应该理解其他反射测量也被使用。
通过切换设备14，可轻易地控制天线结构13一些部分的连接和断开。通过重新装配被连接到传输线路16的天线结构13，诸如接收机天线设备15的谐振频率、输入阻抗、带宽、辐射模式、增益、极化和近场模式之类的辐射相关参数可以被改变。
VSWR最好通过以规则的时间间隔或连续地抽样来在使用期间被反复地测量。
控制设备22可以被安排用于控制切换设备14根据在无线电通信设备中的天线模块1的使用期间反复接收的测量VSWR来切换状态，使得动态地让天线设备1在该无线电通信设备的邻近环境中适应物体，比如用户他自己。因此，天线模块的接收机部分3的性能可以在使用期间被不断地最佳化。
控制设备22优选地包括一个带有存储器24的中央处理器(CPU)23，存储器24经连接25、26被连接到测量设备10并且经线路27被连接到切换设备14。CPU 23优选地装备有一个适当的控制算法并且存储器24被用于存储切换的各种天线结构数据。切换设备14优选地包括一个微型机电系统(MEMS)交换设备。
CPU 23因此通过线路25、26接收来自VSWR测量设备10中的测量VSWR值并且处理每一个接收的VSWR值。如果它发现它相配(根据任何已实现的控制算法)，则它经线路27发送切换指令信号给切换设备14。
最好，发射机部分2的天线结构12也可在多个(至少两个)天线结构状态之间切换，其每一个通过诸如谐振频率、阻抗、辐射模式、极化和带宽之类的一组辐射相关参数来区分，并且切换设备11被安排用于根据经控制线28从控制设备22中发送的控制信号来选择性地切换所述天线结构。
此外，天线模块1包括一个用于经线路29a在CPU 23和无线电通信设备的电路之间发信号的控制端口29。因此，功率放大器8、低噪声放大器17以及合并器18可以分别地经线路30、31和32而被控制。在图1中，最后，参考数字33表示排列在发射机部分2中的并行串行变换器，用于把并行信号线25、28、30变换成为一个串行线路26。这用于减少在发射机部分2和接收机部分3之间的线路数量以及因此的连接数量。
作为选择，CPU 23、存储器24和控制端口29可以位于发射机部分2中并因此并行串行变换器33被安排在接收机部分3中以便获得同一目的。
如图1中说明的天线模块1只有数字端口(输入4、输出21和控制端口29)并因此，它可以被称为一个数字控制的天线(DCA)。
然而，应该理解，根据本发明的天线模块未必是必须包含A/D和D/A变换器、变频器或放大器。在任何一种情况中，天线模块显然将具有模拟输入和输出端口。
操作环境
接下来，将描述可能影响根据本发明的天线设备或模块性能的各种操作环境。
诸如小尺寸无线通信设备的谐振频率、输入阻抗、带宽、辐射模式、极化、近场模式之类的天线参数被该设备附近的物体所影响。在这儿，在附近是指这样一个距离：在该距离内对天线参数的影响是值得注意的。此距离概略地扩展为离该设备大约一个波长。
诸如移动电话之类的一个小尺寸无线通信设备，可被用于许多不同的邻近环境中。
它例如可以是作为一个电话被紧握在耳部，它可以被放进口袋中，它可以被附在腰部的带子上，或者它可以被手持。另外，它可以被放置在一个金属桌子上。许多许多的操作环境可以被列举。对于所有环境所共同的是：在该设备附近可能有物体，从而影响该设备的天线参数。在该设备附近有各种物体的环境对天线参数有不同的影响。
在下列将明确讨论两个特定的操作参数。
通过把无线电通信设备定位在真空空间中可获得自由空间(FS)操作环境，即，在该设备的附近没有物体。该设备周围的空中在这儿被认为是自由空间。许多操作环境可以被近似为自由空间环境。通常，如果该环境对天线参数有很少的影响，则它可以被称为自由空间。
通话位置(TP)操作环境被定义为这样一个位置：在该位置中，该无线电通信设备被用户紧握在耳部。对天线参数的影响变化取决于把持该设备的人，更精确地说是取决于该设备如何定位。在这里，TP环境被认为是一个一般情况，即，包括在上面提及的所有个体变化。
谐振频率(图2)
接下来，将更详细地描述按照本发明可以被控制的各种辐射相关参数，诸如谐振频率、输入阻抗和辐射模式之类的。
用于无线的无线电通信设备的天线经受由于用户的存在所引起的失调。对于许多天线类型，与当设备位于自由空间中时相比，当用户存在时谐振频率可能下降一些百分比。
在自由空间和通话位置之间的自适应调谐大体上能够减少这个问题。
调谐天线的一种直接的方式是改变它的电长度，并从而改变谐振频率。电长度越长，则谐振频率越低。如果电长度的改变足够大的话，则这也是产生频带切换的最直接的方式。
在图2中示出了一种和包括多个切换37-49的切换设备36一起被排列的类似迂回(meander-like)的天线结构35。天线结构35可以被看作多个对准并各个可连接的天线元件50-54，它在连接状态中通过切换设备36被连接到馈送点55。馈送点55还被连接到无线电通信设备的接收机电路(未示出)的一个低噪声放大器上，并因此天线结构35操作为接收天线。低噪声放大器可替代地可以与天线结构35和切换设备36一起位于天线模块中。作为选择，馈送点55被连接到用于接收RF信号的无线电通信发射机的功率放大器上，并且天线结构35因此操作为发射天线。
一种典型的操作示例如下。假定切换37和46-49被关闭而剩余切换被打开并且当这样一种天线结构状态被安排在位于空闲空间中的手持便携式电话中时它适合于最佳性能。当这部电话被移动到通话位置时，用户的影响降低了谐振频率并且因此，为了补偿用户的存在，切换49被打开，因此连接天线结构的电长度被减小并且相应地谐振频率被增加。此增加将利用天线结构35和切换设备36的一种适当设计来补偿当电话从自由空间移动到通话位置时所引入的降低。
同一天线结构35和切换设备36也可以被用于在诸如GSM900和GSM1800之类的两个不同频带之间切换。
例如，如果将包括连接到馈送点55的天线元件50-53(切换37和46-48关闭而剩余切换打开)的天线元件50-53的一种天线结构状态，用于适合GSM900频带，则通过简单地打开切换47可切换到GSM1800频带，因此，目前连接的天线结构(元件50和51)的电长度被减少到大约早先长度的一半，这意味着谐振频率大约被加倍，这将适合于GSM1800频带。
阻抗(图3)
代替调谐一个失调天线，人们能够完成自适应阻抗匹配，它包括让谐振频率稍微偏移并且通过匹配来补偿此失调。
一个天线结构可以在不同的位置处具有馈送点。每个位置具有一个在E和H场之间不同的比值，这导致不同的输入阻抗。倘若馈送点切换对天线结构的剩余部分很少有影响，则通过切换馈送点可以利用这种现象。当天线体验由于用户(或其它物体)的出现所引起的失调时，天线通过例如改变天线结构的馈送点可以与馈线阻抗匹配。按照一种类似的方式，RF接地点可以被改变。
在图3中示意性地示出了天线结构61的这样一种实现的示例，其能够在彼此相隔的若干不同点处被选择性地RF接地。天线结构61在本说明情况中是一种安装在无线电通信设备的PCB 62上的平面反向的F天线(PIFA)。天线61具有一条馈线63和N条不同的空出的RF接地64。通过从一个RF接地切换到另外一个，阻抗稍微被改变。
而且，切进/切出无源天线元件可以产生一个阻抗匹配，因为从无源天线元件到有源天线元件的相互耦合产生一个相互的阻抗，它加到有源天线元件的输入阻抗上。
FS和TP之外的其它典型使用位置能够被定义，比如腰部位置、口袋位置和钢桌上。每个情况可以有一个典型的调谐/匹配，以使只有有限数量的点需要被切换通过。如果天线元件的失调的外部极限能够被找到，则需要被天线设备覆盖的自适应调谐/匹配的范围能够被估计。
一种实现是定义覆盖调谐/阻抗匹配范围的若干天线结构状态。在每个不同的天线结构状态之间可以有相等或不相等的阻抗差值。
辐射模式
无线终端的辐射模式被它近场区域中的用户或其它物体的存在所影响。引入损耗材料不仅改变辐射模式，而且由于吸收，在辐射功率中引入损耗。
如果终端的辐射模式是自适应控制的，则此问题可以被减小。辐射模式(近场)可以被大概引导为偏离引入损耗的物体，这将减小总损耗。
辐射模式中的一个改变需要产生要被改变的电磁辐射的电流。通常，对于一个小的设备(例如，一个手持便携式电话)，需要在天线结构中相当大的改变来产生改变的电流特别是对于较低频带。然而，可通过切换到产生不同辐射模式的另一种天线类型或者切换到无线电通信设备的PCB另一位置/侧的另一天线结构来执行之。
另一种方式可以是：从与无线电通信设备的PCB极度相互作用的天线结构(例如鞭状或微带天线)切换到不那么做的另一种天线(例如环形天线)。这将极大地改变辐射的电流，因为与PCB的相互作用对PCB(该PCB被使用作为主要的辐射结构)引入大电流。
注意，在设备的近场区域中的物体将改变天线输入阻抗。因此，VSWR可能是有小损耗的时刻的一个优良指示符。自由空间的VSWR相比，VSWR中的小变化意味着由于附近物体所引起的小损耗。
上面的讨论涉及天线近场和来自近场中的物体中的损耗。可是，在一般情况下，人们能够在一个产生优良信号情形的有利方向上引导一个远场模式中的主波束。
按照一种类似的方式，极化能够被改变以便改善信号情形。
算法(图4-6)
测量的VSWR在控制切换状态的某些种类的算法中被处理。所有描述的算法都是试差(trial-and-error)类型，因为没有关于新状态的信息直到它已经被达到为止。
在下面，参考图4-6，描述用于控制天线的某些算法示例。
简单的算法可能是一种切换和固定算法，如图4的流程图所示。在这里，在预定义状态i＝1，...，N(例如N＝2，一种状态对于FS是最佳化而另外一种状态对于TP是最佳化)之间执行切换。一个状态i＝1最初被选择，随后，在步骤65，VSWR被测量。测量的VSWR然后在步骤66中与预定义极限(门限值)相比较。如果这个门限值没有被超过，则该算法返回到步骤65，而如果它被超过，则执行一个对新状态i＝i+1的切换。如果i+1超过N，则执行切换到状态1。经过这个步骤之后，该算法返回到步骤65。这里可以有一个时间延迟以便防止按照一种太快的时间刻度来切换。
使用这样一种算法，每个状态1，...，N被使用直到被检测的VSWR超过预定义极限为止。当这发生时，该算法执行步骤通过预定义状态直到达到一个具有低于门限值的VSWR的状态时为止。发射机和接收机天线结构两者都可以同时被切换。可以定义任意数目的状态，使得在多种状态之间执行切换。
另一示例是一种更高级的切换和固定算法，如图5的流程图所示。用与早先算法相同的方式，N种状态被预定义，并且一个状态i＝1最初被选择，随后，在步骤68，VSWR被测量，并且在步骤69中，与门限值相比较。如果门限值没有被超过，则该算法返回到步骤68，但是如果它被超过，则接着是步骤69，其中，所有的状态都被切换过并且对于每一状态测量VSWR。所有的VSWR被比较并且具有最小VSWR的状态被选择。
步骤70看上去可能像：
对于i＝1：N
切换到状态1
测量VSWR(i)
存储VSWR(i)
切换到最小VSWR的状态
最后，该算法返回到步骤68。注意，这种算法可能需要相当快的切换和VSWR测量，因为所有的状态必须在步骤70被切换过。
另外一种替换算法特别适合于有多种预定义天线结构状态，它可以被排列以使两个相邻的状态具有只有些许偏差的辐射性质。在图6中，表示了这样一种另外算法的流程图。
N种状态被预定义，并且最初一个状态i＝1被选择，一个参数VSWRold被设置为零，而一个变量″change″被设置为+1。在第一步71中VSWRi(状态i的VSWR)被测量并储存，随后在步骤72中，VSWRi与V SWRold相比较。如果，一方面，VSWRi＜VSWRold，则接着是一个步骤73，其中，″change″被设置为+change(这个步骤i实际上没有必要)。接着是步骤74和75，其中，分别地，VSWRold被设置来呈现VSWR，即，VSWRi，并且天线结构状态被改变为i+″change″，即，i＝i+change。然后，该算法返回到步骤71。如果，另一方面，VSWRi＞VSWRold，则接着是步骤76，其中，变量″change″被设置为-change。接下来，该算法继续到步骤74和75。注意：在这种情况下，该算法改变″方向″。
很重要的是：当在每一循环中切换状态被改变时，使用一个时间延迟以便只有在特定的时间步长处运行循环(分别地，71，72，73，74，75，71和71，72，76，74，75，71)。在72处，当前状态(VSWRi)与早先一个状态(VSWRold)相比较。如果VSWR比早先状态好，则在同一″方向″中的还一个状态变化被执行。当达到一个最优值时，所使用的天线结构状态通常将在每个时间步长处的两个相邻状态之间来回摆动。当分别达到端状态1和N时，该算法可以不进一步分别继续切换到状态N和1，而是优选地固定在端状态处直到它分别切换到状态2和N-1。
该算法假定在两个相邻状态之间相对小的差值，并且该天线结构状态被排列以使每个状态之间的变化率大概相等。这是指在每个状态之间有一个类似数值变化例如在谐振频率中。例如，在PIFA天线结构的馈送和RF接地之间间距中的小变化将完全适合这种算法，参见图3。
在所描述的所有算法中，可能只有在适合无线电通信设备操作的特定时间间隔中必需执行切换。
作为另外一个替换选项(在图中未示出)，图1的控制设备22可以支持一个带有绝对或相对电压驻波比(VSWR)范围的查询表，其每一个都与各自的天线结构状态相关。这样一种提供将允许控制设备22查阅该查询表用于寻找给出测量VSWR值的一个适当的天线结构状态，并且用于把切换设备14调整到该适当的天线结构状态。
应该理解，所描述的所有算法可应用来控制任何接收和发射天线结构的切换。
另外的天线结构(图7a-f)
接下来，参考图7a-f，将简要地描述作为根据本发明的天线模块1的一部分的用于选择性地连接和断开接收天线结构的接收天线结构和切换设备的各种配置示例。
首先参考图7a，它示出了排列在切换设备或元件81周围的一个天线结构模型。该天线结构包括接收天线元件，在这里是以四个环状天线元件82的形式。在每一环状天线元件82内形成一个环状无源天线元件83。
切换单元81包括被排列来用于连接和断开天线元件82和83的电可控的切换(未示出)之矩阵。这些切换可以是PIN二极管切换，或者GaAs场效应晶体管，FET，但是最好是微型机电系统(MEMS)切换。
通过切换单元35，环状天线元件可以互相并联或串联连接，或者某些元件可以被串联连接而某些被并联连接。另外，一个或多个元件可以被完全地切断或者连接到RF接地(未示出)。
接下来，参考图7b，它示出了一个替换天线结构。它包括图7a的所有天线元件并且另外在环状天线元件82，83的每一对之间包括一个迂回形状的天线元件84。一个或多个这种迂回形状的天线元件84可以分别地或者按照与环形天线元件的任何组合形式来被使用。
在图7c-e中，示出了包括分别连接到切换设备81上的两个隙缝天线元件85、两个迂回形状天线元件87和两个微带天线89在内的天线结构。每一天线元件85，87，89可以在替换的空出馈送连接86，88，90处被馈送。
最后，图7f示出了一种天线结构，包括连接到切换设备81上的一个鞭状天线和/或螺旋型天线91以及一个迂回形状天线元件92。
上述的天线设备是天线概念的一部分，它在我们如下的共同悬而未决的瑞典专利申请被进一步详细说明和详解：″Anantenna devicefor transmitting and/or receiving RF waves″(一种用于发射和/或接收RF波的天线设备)、″Antenna device and method fortransmitting and receiving radio waves″(用于发射和接收无线电波的天线设备和方法)以及″Antenna device for transmittingand/or receiving radio frequency waves and method relatedthereto″(用于发射和/或接收射频波的天线设备及其相关方法)，所有这些都是与本申请完全相同的日期申请的，因此将它们结合在此供参考。
很明显，本发明在多个方式中可以不同。这种变化不被认为是偏离本发明的范围。所有此类修改对本领域的技术人员来说很明显是意指被包括在所附权利要求的范围之内。
Claims (33)
1.一种用于发射和接收无线电波的天线设备(1)，可连接到一个无线电通信设备上，并且包括：
-发射机(2)和接收机(3)部分，所述接收机部分包括
-可在多个天线配置状态之间切换的接收天线结构(13，35，61，82-85，87，89，91，92)，其中每一个配置状态通过一组相关辐射参数来区分，和
-切换设备(14，36，81)，用于在所述多个天线配置状态之间选择性地切换所述接收天线结构，其特征在于：
-接收装置，用于接收在发射机部分(2)中测量的表示反射系数的第一测量值，和
-控制设备(22)，根据表示反射系数的所述第一测量值，控制所述接收机部分的切换设备(14，36，81)，从而在所述多个天线配置状态之间选择性地切换该接收天线结构(13，35，61，82-85，87，89，91，92)。
2.如权利要求1所述的天线设备，其特征在于：所述接收装置被安排用于反复地接收表示反射系数的第一测量值。
3.如权利要求2所述的天线设备，其特征在于：所述控制设备(22)在无线电通信设备中的所述天线设备的使用期间，被安排用于根据所述反复接收的表示反射系数的第一测量值来控制所述切换设备(14，36，81)在所述多个天线配置状态之间切换所述接收天线结构，使得所述天线设备根据周围物体的变化而动态地改变天线配置状态。
4.如权利要求1-3任何一个所述的天线设备，其特征在于：所述多个天线配置状态中的每一个适合于所述无线电通信设备中的天线设备(1)在相应的预定义操作环境中的使用。
5.如权利要求4所述的天线设备，其特征在于：所述多个天线配置状态中的第一天线配置状态适合于所述无线电通信设备中的天线设备(1)在自由空间中的使用，而所述多个天线配置状态中的第二天线配置状态适合于所述无线电通信设备中的天线设备在通话状态中的使用。
6.如权利要求5所述的天线设备，其特征在于：所述多个天线配置状态中的第三天线配置状态适于供无线电通信设备被携带在使用者的腰部位置时的天线设备的使用。
7.如权利要求6所述的天线设备，其特征在于：所述多个天线配置状态的第四天线配置状态适于供无线电通信设备被放置在使用者的衣袋中时的天线设备的使用。
8.如权利要求1所述的天线设备，其特征在于：所述天线设备被安排用于根据表示反射系数的所述第一测量值来切换频带。
9.如权利要求1所述的天线设备，其特征在于：所述天线设备被安排用于根据表示反射系数的所述第一测量值使接收分集功能连接和断开。
10.如权利要求1所述的天线设备，其特征在于：所述发射机部分(2)还包括
-可在多个发射天线配置状态之间切换的发射天线结构(12)，发射天线配置状态中的每一个通过一组相关辐射参数来区分，和
-发射机切换设备(11)，用于在所述多个发射天线配置状态之间选择性地切换所述发射天线结构，其中，
-控制设备(22)被安排用于根据表示反射系数的所述第一测量值来控制所述发射机部分的所述发射机切换设备，和因此而在所述多个天线配置状态之间选择性地切换发射天线结构。
11.如权利要求1所述的天线设备，其特征在于：所述控制设备(22)被安排用于根据表示反射系数的所述第一测量值超过一个门限值(66，69，72)来控制所述接收机部分(3)的切换设备(14，36，81)以便在所述多个天线配置状态之间选择性地切换(67，70，75)接收天线结构(13，35，61，82-85，87，89，91，92)。
12.如权利要求1所述的天线设备，其特征在于：
-所述控制设备(22)被安排用于控制所述接收机部分(3)的切换设备(14，36，81)在所述多个天线配置状态之间选择性地切换接收天线结构(13，35，61，82-85，87，89，91，92)，
-所述接收装置被安排用于接收每个天线配置状态各自的表示反射系数的测量值，和
-所述控制设备(22)还被安排用于根据表示反射系数的所述第一测量值超过一个门限值(69)来控制所述接收机部分的切换设备以便把所述接收天线结构选择性地切换到具有表示反射系数的最小测量值的天线配置状态。
13.如权利要求1所述的天线设备，其特征在于：控制设备(22)被安排用于把表示反射系数的所述第一测量值与表示反射系数的先前接收的测量值进行比较(72)，以及用于根据所述比较来控制所述接收机部分的切换设备以便在所述多个天线配置状态之间选择性地切换(70)所述接收天线结构(13，35，61，82-85，87，89，91，92)。
14.如权利要求1所述的天线设备，其特征在于：所述控制设备(22)保存一个带有绝对或相对反射系数测量值范围的查询表，每一个绝对或相对反射系数测量值范围与各自的天线配置状态相关，并且所述控制设备被安排来查阅所述查询表以便控制所述接收机部分的切换设备(14，36，81)。
15.如权利要求1所述的天线设备，其特征在于：所述多个接收天线配置状态包括不同数目的被连接的接收天线元件(13，50-54，82-85，87，89，91，92)。
16.如权利要求1所述的天线设备，其特征在于：所述多个接收天线配置状态包括不同安排的馈送关系。
17.如权利要求1所述的天线设备，其特征在于：所述多个接收天线配置状态包括不同安排的RF接地(64)。
18.如权利要求1所述的天线设备，其特征在于：所述控制设备(22)包括中央处理单元(23)和用于存储天线配置状态数据的存储器(24)。
19.如权利要求1所述的天线设备，其特征在于：所述天线设备包括用于测量反射系数以及用于把所述反射系数测量值发送给所述接收装置的设备(10)。
20.如权利要求1所述的天线设备，其特征在于：所述切换设备(14，36，81)包括微型机电系统切换设备。
21.如权利要求1所述的天线设备，其特征在于：所述接收天线结构包括可切换的天线元件，其具有迂回状(84，87，92)、环状(82)、缝隙(85)、微带(89)、鞭状(91)、螺旋状以及碎片形结构的任何一种。
22.一种可连接到无线电通信设备上的天线设备(1)，包括：
-发射机(2)和接收机(3)部分，所述发射机部分包括
-输入端(4)，用于接收来自所述无线电通信设备的发射机电路中的第一RF信号，
-功率放大器(8)，用于放大所述第一RF信号，和
-发射天线元件(12)，用于接收所述放大后的第一RF信号以及用于根据该放大后的第一RF信号来辐射RF波，并且所述接收机部分包括
-可在多个天线配置状态之间切换的天线结构(13，35，61，82-85，87，89，91，92)，其中每一个配置状态通过一组相关辐射参数来区分，所述天线结构根据它来接收RF波和转送第二RF信号，
-切换设备(14，36，81)，用于在所述多个天线配置状态之间选择性地切换所述天线结构，
-低噪声放大器(17)，用于放大所述第二RF信号，和
-输出端(21)，用于把所述放大后的第二RF信号输出给所述无线电通信设备的接收机电路，其特征在于：
-接收装置，用于接收在发射机部分中测量的表示反射系数的一个测量值，和
-控制设备(22)，用于根据表示反射系数的所述接收的测量值来控制所述接收机部分的切换设备，和因此而在所述多个天线配置状态之间选择性地切换天线结构。
23.一种无线电通信设备，其特征在于：它包括如权利要求1所述的天线设备(1)。
24.一种用于在包括发射机(2)和接收机(3)部分并且可连接到无线电通信设备的天线设备(1)中发射和接收无线电波的方法，所述接收机部分包括：
-可在多个天线配置状态之间切换的天线结构(13，35，61，82-85，87，89，91，92)，其中每一个配置状态通过一组相关辐射参数来区分，和
-切换设备(14，36，81)，用于在所述多个天线配置状态之间选择性地切换所述天线结构，
所述方法其特征在于如下步骤：
-接收表示反射系数的测量值，和
-根据表示反射系数的所述接收测量值，控制所述接收机部分的切换设备(14，36，81)并因此而在所述多个天线配置状态之间选择性地切换天线结构(13，35，61，82-85，87，89，91，92)。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于：反复地接收表示反射系数的测量值。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于：根据所述反复接收的表示反射系数的测量值，在无线电通信设备中所述天线设备的使用期间控制所述切换设备在所述多个天线配置之间切换所述接收天线结构，使得所述天线设备根据周围物体的变化而动态地改变天线配置状态。
27.如权利要求24所述的方法，其中，所述多个天线配置状态的每一个适合于把所述无线电通信设备中的天线设备使用在相应预定义操作环境中。
28.如权利要求24所述的方法，其特征在于：根据所述接收的表示反射系数的测量值来切换频带。
29.如权利要求24所述的方法，其特征在于：根据所述接收的表示反射系数的测量值来连接或断开接收分集功能。
30.如权利要求24所述的方法，其特征在于：根据所述接收的表示反射系数的测量值是否超过门限值(66，69，72)，控制所述接收机部分(3)的所述切换设备(14，36，81)以便在所述多个天线配置状态之间选择性地切换(67，70，75)天线结构(13，35，61，82-85，87，89，91，92)。
31.如权利要求24所述的方法，其特征在于，根据表示反射系数的所述测量值超过一个门限值(69)来进行以下进一步的步骤：
-控制所述接收机部分(3)的切换设备(14，36，81)在所述多个天线配置状态之间选择性地切换天线结构(13，35，61，82-85，87，89，91，92)，
-接收每个天线配置状态各自的表示反射系数的测量值，和
-控制所述接收机部分的所述切换设备把所述天线结构选择性地切换(70)到具有表示反射系数的最小测量值的天线配置状态。
32.如权利要求24所述的方法，其特征在于：把表示反射系数的所述接收的测量值与表示反射系数的先前接收的测量值进行比较(72)，并且根据所述比较来控制所述接收机部分的切换设备在所述多个天线配置状态之间选择性地切换(70)所述天线结构(13，35，61，82-85，87，89，91，92)。
33.如权利要求24所述的方法，其特征在于：存储一个带有绝对或相对反射系数测量值范围的查询表，每一个绝对或相对反射系数测量值与各自的天线配置状态相关，并且所述控制设备被安排来查阅所述查询表以便控制所述接收机部分的切换设备(14，36，81)。
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