CN1627561A

CN1627561A - 天线设备以及使用该天线设备的无线通信装置

Info

Publication number: CN1627561A
Application number: CNA2004100988972A
Authority: CN
Inventors: 福田淳一
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2024-12-13
Also published as: CN100456559C; US7176841B2; EP1542313A1; US20050128155A1; JP2005175902A; JP4466827B2; DE602004020856D1; EP1542313B1

Abstract

从天线元件的一端馈送电信号，并且天线元件的另一端由可变电抗电路所终止。可变电抗电路的电抗值根据设备的使用状态而改变，从而最优地设置其方向性。对电馈送点处的匹配条件进行控制，以匹配电馈送点的阻抗，所述电馈送点的阻抗根据可变电抗电路的值而波动。根据上述结构，提供了如下的天线设备以及具有所述天线设备的无线通信装置，所述天线设备尺寸较小，可以控制其方向性，并且不会依赖于使用状态而损害通信品质。

Description

天线设备以及使用该天线设备的无线通信装置

技术领域

本发明涉及适于在诸如蜂窝电话一类的无线通信装置，或在诸如WLAN(无线局域网)或RFID(射频识别)一类的无线通信装置中所使用的天线设备。

背景技术

在最近的移动通信系统中，已经在研究除电话之外的各种服务，所述服务例如是使用web浏览技术的数据通信或TV电话、使用GPS(全球定位系统)的位置信息检测服务，或者使用RFID(射频识别)的验证和计费。

通过上述研究，为了处理各种服务，则要求诸如蜂窝电话一类的无线通信装置具有大量功能。另外，还要求无线通信装置具有与其使用状态无关的稳定的通信品质。

一般而言，移动式无线通信装置总是依赖于其使用状态而改变其相对于通信方(基站)的方向或倾角。假设将以下状态作为使用状态：在使无线通信装置靠近用户头部的情况下执行的通话，或者用户保持无线通信装置远离其头部的情况下执行的除通话之外的数据通信。即使在总是根据服务的内容而改变使用状态的移动式无线通信装置中，也要求天线设备具有稳定的通信品质，尤其要求具有稳定的接收灵敏度。

一般而言，天线的接收灵敏度会根据相对于基站的方向或倾角而改变，这一点不仅仅适用于移动式无线通信装置。作为一种用于防止接收灵敏度恶化的对策，天线分集技术是公知的，所述天线分集技术使用多个天线元件，并且选择接收灵敏度最高的天线元件来接收通信数据。但是，由于需要安装多个天线元件，因此天线分集技术对于要减小尺寸的移动式无线通信装置并不适合。

而且，即使由于所接近的人体对电波的吸收，也会降低无线通信装置的接收灵敏度。作为一种用于防止接收灵敏度恶化的对策，控制天线方向性(电波的辐射方向)的方法是公知的。作为控制天线方向性的示例，存在一种阵列天线技术，其使用多个天线元件，并且通过将相位和振幅不同的多个信号馈送到各个天线元件，来综合从各个天线元件所辐射的电波。因为需要以给定的间距排列天线元件，从而致使天线设备很庞大，因此所述阵列天线技术对于要减小尺寸的移动式无线通信装置并不适合。

而且，已经公开了一种这样的技术，该技术通过将电抗可变的元件或电路添加到多个非馈电(non-electricity-feed)天线中的每一个而产生任意的方向性，所述多个非馈电天线以圆周的形式排列在一个馈电天线周围(Roger F.Harrington，“reactive controlled directive arrays”，IEEEtransactions on antennas and propagation，vol.AP26，No.3，1978年5月，第390到395页)。在该技术中，如此改变非馈电天线元件的电长度，从而主要在水平面(相同的极化平面)上产生任意的天线方向性。而且，在JP 2001-024431A中已经公开了使用以上原理的ESPAR(电控无源阵列辐射器)天线。在这些技术中，由于电信号只馈送到一个天线元件，因此信号处理器电路可以比上述阵列天线简化得多，从而抑制了功耗的增长。但是，为了在实际应用的范围内改变方向性，则必须提供大约4到6个非馈电天线元件，因此上述技术对于要减小尺寸的移动式无线通信装置并不适合。

而且，作为控制天线方向性的示例，日本专利No.3399545公开了一种由一个馈电天线元件和一个非馈电天线元件所组成的天线设备。该天线设备存在这样的问题，即可控制的方向性样式有限。

另外，JP 2001-326514A公开了一种天线设备，其中环形天线的终端(termination)在短路状态和开路状态这两种状态之间转变，从而改变方向性(垂直极化或水平极化)。由于可以控制极化平面，因此该天线设备可以根据无线通信装置的使用状态而选择方向性。但是，可控制的方向性被限制在两个方向上。而且，由于使用了环形天线，因此还必须提供其长度与所使用的频率的一个波长一样长的天线元件。因此，整个天线设备的尺寸较大，并且难以将天线设备并入到移动式无线通信装置中去。

如上所述的传统的天线设备存在天线的方向性受限，并且天线元件的数量增大，或天线本身的尺寸变大的问题。

发明内容

为了解决以上问题而研制了本发明，因此本发明的一个目的在于，即使无线通信装置根据其使用状态而改变了其对于基站的方向或倾角，也可以通过适应性地控制天线的方向性而抑制接收灵敏度的恶化。而且，本发明的另一个目的在于，在无需天线从无线通信装置中伸出的情况下实现小型化。

为了达到上述目的，本发明提供了一种天线设备，其包括：可变电抗电路，其具有基于控制信号而可变的电抗值；RF电路，其在输出侧具有匹配电路；天线元件，电信号从所述RF电路馈送到所述天线元件的一端，并且所述天线元件的另一端由所述可变电抗电路所终止；以及电抗及匹配控制电路，其输出用于将所述可变电抗电路的所述电抗值设置到预定值的所述控制信号。

所述天线元件包括三个部分。而且，可以以预定的间隔将所述天线元件划分为至少两部分。

在所述天线设备中，所述可变电抗电路包括：变容二极管，其具有根据来自外部的信号而改变的电容；插在所述天线元件和所述变容二极管之间的带状线；以及与所述变容二极管并联连接的线圈。

在所述天线设备中，所述电抗及匹配控制电路执行控制，以与所述控制信号同步地改变关于所述RF电路中的匹配电路的天线匹配常数，所述控制信号用于将所述可变电抗电路的电抗值设置到预定值。

而且，所述天线设备还包括检测所述天线设备的使用状态的使用模式判断电路、检测所述天线设备的方向或倾角的位置检测电路，以及用于测量所述天线设备的接收品质的接收测量部分中的任意一种。

在所述天线设备中，所述电抗及匹配控制电路根据从所述使用模式判断电路、位置检测电路和接收测量部分中的任意一个所输出的检测结果，来使所述可变电抗电路改变电抗值，并且使所述RF电路改变匹配常数。

而且，所述天线设备还可以包括存储器电路，其存储了与所述天线设备的使用状态、方向、倾角和接收品质相对应的最佳电抗值。

在所述天线设备中，所述电抗及匹配控制电路根据从所述使用模式判断电路、位置检测电路和接收测量部分中的任意一个所输出的检测结果，读取所述存储器电路中所存储的最佳电抗值，从而使所述可变电抗电路改变电抗值，并且使所述RF电路改变匹配常数。

同时，根据本发明的无线通信装置可以包括多个所述天线设备，所述无线通信装置从所述多个天线设备中选择出任意一个，或者选择和综合所述天线设备中的两个或多个，以提供接收信号。

在如上所述所构成的天线设备中，从所述天线元件的一端馈送电信号，并且所述天线元件的另一端由集总常数(lumped constant)的可变电抗元件所终止，从而适当地调整天线元件的电长度，并且也使天线元件的长度比预定值更短。从而，可以实现尺寸上相对较小，并且结构上相对简单的天线设备。

另外，因为通过调整电抗值，可以容易地控制天线的方向性，因此可以抑制接收灵敏度的恶化，并且可以提高通信品质。

而且，即使通过改变在终端处所使用的电抗值而改变了电馈送点处的阻抗，也可以控制RF电路中的匹配电路的条件，从而使接收灵敏度最优。

附图说明

从以下结合附图的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得更加明显，在附图中：

图1示出了根据本发明第一实施例的天线设备的结构的概念图；

图2示出了图1所示的可变电抗电路和电抗及匹配控制电路的结构示例的框图；

图3示出了图1所示的可变电抗电路的另一结构示例的框图；

图4示出了图1所示的天线设备的辐射特性的图；

图5示出了根据本发明第二实施例的天线设备的结构的概念图；

图6示出了根据本发明第三实施例的天线设备的结构的概念图；以及

图7示出了根据本发明第四实施例的天线设备的结构的概念图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图更详细地描述使用本发明的天线设备的天线设备和无线通信装置。

(第一实施例)

图1示出了根据本发明第一实施例的天线设备的结构的概念图。

参考图1，根据本发明第一实施例的天线设备包括天线元件1、RF(射频)电路4、可变电抗电路5、电抗及匹配控制电路6、使用模式判断和位置检测电路8和存储器电路7。而且，这些电路分别形成在介电基板(substrate)2上，并且彼此集成在一起。

接下来，将参考附图描述根据该实施例的天线设备的各个部分的操作。图2示出了图1所示的可变电抗电路和电抗及匹配控制电路的结构示例的框图。图3示出了图1所示的可变电抗电路的另一结构示例的电路图。

将电信号从RF电路4馈送到天线元件1，所述RF电路4连接到天线元件1的一端，并且所述天线元件1由可变电抗电路5所终止，所述可变电抗电路5连接到天线元件1的另一端。如图1所示，天线元件1由两条基本上并联放置的线路和另一条线路所构成，所述另一条线路基本上垂直连接到所述两条方向相同的线路的一端。这种结构给予天线元件1在垂直方向上和在水平方向上的方向性。

在介电基板2上，除了形成包括天线元件1在内的各个电路的部分之外，形成导电图形(接地图形3)。

RF电路4连接到天线元件1的一端，并且通过匹配电路(未示出)将电信号馈送到天线元件1。为了匹配天线的电馈送点(electricity feedingpoint)处的阻抗，匹配电路可以具有多种可开关电路元件或诸如变容二极管一类的可变电抗元件，从而控制所述阻抗。

如图2所示，可变电抗电路5由变容二极管51、线圈52和53、电容器54和带状线55所组成。变容二极管51根据通过线圈52所输入的控制信号来改变其电抗值。而且，变容二极管51以并联的形式与由线圈53和电容器54所组成的串联电路排列在一起。通过适当地选择线圈53的常数，可变电抗电路5扩展了阻抗的可变范围。

线圈52消除了从电抗及匹配控制电路6所提供的施加电压中的高频噪声，并且电容器54切断了施加到线圈53的直流电压，从而防止线圈53被损坏。而且，为了移动变容二极管51的电抗值的可变范围，在天线元件1和变容二极管51之间放置了带状线55。

如上所述的带状线55和线圈53的提供，使得可以仅仅利用变容二极管51而将可设置的电抗值设置到想要的范围。可以用微带线或移相器替代带状线55。

而且，可变电抗电路5还可以如图3一样构成。就是说，可变电抗电路5由线圈59、60和电容器57、58以及开关56所组成，其中线圈59、60和电容器57、58构成了电抗元件，而开关56切换天线元件1与各个电抗元件的连接。开关56根据来自电抗及匹配控制电路6的控制信号进行切换，以选择想要的电抗元件。电抗元件的结构和数量并不局限于本示例，可以提供任意数量的电容器和线圈。

电抗及匹配控制电路6由DAC(数模转换器)61和控制电路62所组成。电抗及匹配控制电路6根据从存储器电路7所输出的控制信息来输出用于设置可变电抗电路5的电抗值的控制信号，以及RF电路4的匹配条件。

存储器电路7预先存储了与天线设备的使用状态相对应的诸如最佳电抗值和匹配条件一类的控制信息，并且根据从使用模式判断和位置检测电路8所输出的检测信号，将所述控制信息输出到电抗及匹配控制电路6，在所述控制信息中，天线元件1填入了所需的方向特性。

使用模式判断和位置检测电路8从控制设备(未示出)中获取使用模式信息，并且对于天线设备的方向或倾角，以及如何使用无线通信装置做出假设。

在本示例中，控制设备收集来自各种传感器(未示出)的检测信号，所述各种传感器检测天线设备的方向或倾角，或者无线通信装置的使用状态(使用模式)。然后，控制设备产生使用模式信息，并且将所产生的使用模式信息输出到使用模式判断和位置检测电路8。

使用模式(使用状态)包括当无线通信装置靠近用户的头部时进行通话的状态，以及使用外部的头戴式带话筒耳机等的麦克风或耳机进行通话的状态。而且，使用模式还包括在注视显示屏时执行TV电话或数据通信的状态，以及通过将无线通信装置连接到个人计算机或PDA(个人数字助理)来执行数据通信的状态。另外，使用模式还包括通过使用内置照相机(未示出)来拍摄静止图像或移动图像的状态。

而且，对于各种传感器，可以使用用于检测倾角的由霍尔元件所组成的地磁传感器，或者用于测量到人体的距离的传感器。

电抗和匹配控制电路6可以根据使用状态的监测信号，或者并入了所述天线设备的装置的方向或倾角，来设置可变电抗电路5的值，或者根据使用状态的监测信号，和并入了所述天线设备的装置的方向或倾角两者来设置可变电抗电路5的值。另外，天线设备的使用状态的判断可以和上述使用模式中所执行的使用状态估计过程一起进行。

天线设备可以具有测量部分，其用于测量指示接收品质的参数，所述参数例如是接收灵敏度、SIR(信噪比)或错误率。在这种情况下，电抗及匹配控制电路6设置可变电抗电路5的值和RF电路4的匹配条件，以获得这些参数的最好测量结果。

接下来，将更详细地描述根据本实施例的天线设备的操作。图4示出了图1所示的天线设备的辐射特性的图。

如图1所示的天线设备被折成三个部分，就是说，其天线元件1具有两个基本上彼此并行的元件，和一个与这两个元件相垂直的元件。从天线元件1的一端将电信号馈送到天线元件1，并且天线元件1的另一端由可变电抗电路5所终止，从而通过调整终端的电抗值来控制天线的方向性。

接下来，将描述天线元件1在各个三维平面，即YZ平面、XZ平面和XY平面上的辐射特性，其中坐标轴X、Y和Z的定义如图1所示。

图4示出了在改变可变电抗电路5的电抗值的情况下的天线设备1的辐射特性的图。

在该示例中，天线元件1的高度(Z方向)为10mm，并且宽度(X方向)为20mm。天线设备1的操作频率是2GHz。

主瓣的方向会根据可变电抗电路5的电抗值而改变，在所述主瓣的方向上天线增益最大。参考图4，当电抗的相对值为1000时，主瓣的方向是-X方向，当电抗值为200时，主瓣的方向是±Y方向，当电抗值为-100时，主瓣的方向是+X方向，并且当电抗值为-500时，主瓣的方向是+Z方向。因此，当可变电抗电路5的电抗值(相对值)以1000、200、-100、-500和1000的顺序而连续改变时，天线元件1的主瓣的方向以-X、±Y、+X、+Z和-X的顺序而改变。

随着这种方式的可变电抗电路5的电抗值的改变，可以获得想要的天线方向性。

这里，在本实施例的天线设备中，在电馈送点处的阻抗会随同可变电抗电路5的值的改变而一起改变，并且RF电路4和天线元件1的匹配条件也会改变。出于这个原因，RF电路4具有匹配电路(未示出)，其用于改变电馈送点处的阻抗。为了在控制可变电抗电路5的电抗值时防止电馈送点处的阻抗失配，电抗及匹配控制电路6还同时控制着RF电路4中匹配电路的阻抗常数。这样一来，可以防止天线设备的接收灵敏度恶化。

如上所述，由于本实施例的天线设备同时控制着天线元件1中电馈送部分的阻抗值和终端部分的电抗值，以使天线方向性最优化，因此可以根据使用状态而获得最佳的接收灵敏度或通信品质。

(第二实施例)

接下来，将描述根据本发明第二实施例的天线设备。图5示出了根据本发明第二实施例的天线设备的结构的概念图。

在图5中，该天线设备与图1中的天线设备的不同之处在于，天线元件1被划分为天线元件9和10。在图1所示的天线元件1中，由于从天线元件1的一端馈送电信号，并且天线元件1的另一端由电抗元件所终止，因此在元件长度较短的情况下，天线元件1的共振频率与使用频率不一致，并且在电馈送点处难以实现组抗匹配。

如图5所示，根据第二实施例的天线设备具有两元件结构，在该两元件结构中，将如图1所示的天线元件1划分成两个L形的天线元件9和10。在该示例中，两个天线元件9和10在空间上电磁耦合在一起，从而能够获得与图1所示的第一实施例的天线元件相同的辐射特性。由于如图5所示的天线元件9的无馈电的端口是打开的，因此可以容易地使天线元件的共振频率与使用频率相一致。这样一来，可以容易地匹配电馈送点处的阻抗。其他结构与第一实施例中的结构相同，因此将省略其描述。

在第二实施例的天线设备中，需要将电抗值设置到与第一实施例不同的值，但是可以获得与图4所示的第一实施例的天线设备相同的方向特性。

(第三实施例)

接下来，将描述根据本发明第三实施例的天线设备。图6示出了根据本发明第三实施例的天线设备的结构的概念图。

在图6中，该天线设备与图1中的天线设备的不同之处在于，天线元件1的一部分被置换为迂回线(meandering line)11。在这种情况下，通过将直线上一部分或全部置换为迂回线11，在实际区域中所占据的元件长度可以更短。其他结构与第一实施例中的结构相同，因此将省略其描述。

(第四实施例)

随后，作为使用本发明的天线设备的无线通信装置的示例，将描述翻盖式蜂窝电话。图7示出了作为根据本发明第四实施例的天线设备的蜂窝电话的外观的平面视图。

参考图7，蜂窝电话90具有通过枢轴部分92而彼此耦合的上机壳和下机壳。上机壳配备了电路基板103和显示部分91，在电路基板103上形成了天线元件101。下机壳配备了电路基板104和输入部分93，在电路基板104上形成了天线元件102。

蜂窝电话90包括用于选择天线元件101和102中任意一个的选择设备，因此只有被选择的天线是可用的。蜂窝电话90还包括综合设备，其用于综合天线元件101和102的接收信号，并且可以以最大比率综合这些信号。而且，还可以将天线元件101和102安装在枢轴部分92的附近，或者其他部分中。

在第四实施例中，选择了接收灵敏度极好的天线元件，或者进行了高比率的综合，从而可以获得与图4所示的天线设备相同，或比其更高的天线方向特性。

天线元件101和102可以通过使用导电图形、金属导线、金属板等等来创建，电路基板103、104例如可以由介电基板或FPC(柔性印制电路)所制成。

而且，如果根据无线通信装置的配置而可以将两个天线元件101和102排列成彼此垂直，则可以增强天线的方向性，并且可以进一步提高接收灵敏度。

另外，如果可以以与发送和接收频率相对应的间隔排列三个或更多在第一、第二或第三实施例中所描述的天线元件，则可以将这些天线元件用作天线阵列。

在排列了多个天线元件的结构中，由于根据本发明的天线设备可以控制多个天线元件中每一个的方向性，因此在想要获得和传统的天线设备一样的方向特性的情况下，可以减少天线元件的数量。

在第四实施例中，将第一、第二或第三实施例中所描述的天线设备应用到翻盖式蜂窝电话中。相似地，可以将以上天线设备并入到各种构造(直板式、滑盖式、转动式、旋转双轴机械式等等)的蜂窝电话，以及在WLAN(无线局域网)或RFID(射频识别)中所使用的无线通信装置中。

虽然已经结合优选的实施例描述了本发明，但是应该了解，本发明所包括的主题并不局限于这些特定的实施例。相反，本发明的主题想要包括所附的权利要求书的精神和范围内可以包括的所有替换、修改和等同物。

Claims

1.一种天线设备，包括：

可变电抗电路，其具有基于控制信号而可变的电抗值；

射频电路，其在输出侧具有匹配电路；

天线元件，电信号从所述射频电路馈送到所述天线元件的一端，并且所述天线元件的另一端由所述可变电抗电路所终止；以及

电抗及匹配控制电路，其输出用于将所述可变电抗电路的所述电抗值设置到预定值的所述控制信号。

2.如权利要求1所述的天线设备，

其中所述天线元件包括第一、第二和第三元件，并且

其中以预定的间隔将所述第一和第三元件排列在相同的方向上，并且所述第二元件垂直地连接到所述第一和第三元件。

3.如权利要求2所述的天线设备，其中以预定的间隔将所述天线元件的所述第二元件划分成至少两部分。

4.如权利要求1所述的天线设备，其中将所述天线元件的一部分或全部制成迂回线。

5.如权利要求1所述的天线设备，其中所述可变电抗电路包括：

变容二极管，其具有根据来自外部的信号而改变的电容；

插在所述天线元件和所述变容二极管之间的带状线；以及

与所述变容二极管并联连接的线圈。

6.如权利要求1所述的天线设备，其中所述电抗及匹配控制电路执行控制，以与所述控制信号同步地改变关于所述射频电路中的所述匹配电路的天线匹配常数，所述控制信号用于将所述可变电抗电路的所述电抗值设置到所述预定值。

7.如权利要求6所述的天线设备，还包括：

检测所述天线设备的使用状态的使用模式判断电路；

检测所述天线设备的方向或倾角的位置检测电路；以及

用于测量所述天线设备的接收品质的接收测量部分，

其中所述电抗及匹配控制电路根据从所述使用模式判断电路、所述位置检测电路和所述接收测量部分中的任意一个所输出的检测结果，来使所述可变电抗电路改变所述电抗值，并且使所述射频电路改变所述匹配常数。

8.如权利要求7所述的天线设备，还包括存储器电路，该存储器电路存储了与所述天线设备的所述使用状态、所述方向、所述倾角和所述接收品质相对应的最佳电抗值，

其中所述电抗及匹配控制电路根据从所述使用模式判断电路、所述位置检测电路和所述接收测量部分中的任意一个所输出的检测结果，读取所述存储器电路中所存储的所述最佳电抗值，从而使所述可变电抗电路改变所述电抗值，并且使所述射频电路改变所述匹配常数。

9.一种无线通信装置，其包含了多个如权利要求1所述的天线设备，所述无线通信装置从所述多个天线设备中选择出任意一个，或者选择和综合所述天线设备中的两个或多个，以提供接收信号。

10.一种包含了多个如权利要求2所述的天线设备的无线通信装置，所述无线通信装置从所述多个天线设备中选择出任意一个，或者选择和综合所述天线设备中的两个或多个，以提供接收信号。

11.一种包含了多个如权利要求3所述的天线设备的无线通信装置，所述无线通信装置从所述多个天线设备中选择出任意一个，或者选择和综合所述天线设备中的两个或多个，以提供接收信号。

12.一种包含了多个如权利要求4所述的天线设备的无线通信装置，所述无线通信装置从所述多个天线设备中选择出任意一个，或者选择和综合所述天线设备中的两个或多个，以提供接收信号。

13.一种包含了多个如权利要求5所述的天线设备的无线通信装置，所述无线通信装置从所述多个天线设备中选择出任意一个，或者选择和综合所述天线设备中的两个或多个，以提供接收信号。

14.一种包含了多个如权利要求6所述的天线设备的无线通信装置，所述无线通信装置从所述多个天线设备中选择出任意一个，或者选择和综合所述天线设备中的两个或多个，以提供接收信号。

15.一种包含了多个如权利要求7所述的天线设备的无线通信装置，所述无线通信装置从所述多个天线设备中选择出任意一个，或者选择和综合所述天线设备中的两个或多个，以提供接收信号。

16.一种包含了多个如权利要求8所述的天线设备的无线通信装置，所述无线通信装置从所述多个天线设备中选择出任意一个，或者选择和综合所述天线设备中的两个或多个，以提供接收信号。