CN1853315A - 波束切换天线系统和用于控制该系统的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种波束切换天线系统和用于控制该系统的方法和设备，借助于该波束切换天线系统可以根据外部环境保持最佳的天线特性，可以减少搜索最佳波束方向的必要时间和功率消耗，可以最小化天线产生的波束的电磁波。该波束切换天线系统包括发送和接收波束的天线元件(1)；围绕所述天线元件的电介质体(7)；至少一个导电反射器(3，6)，该导电反射器面向所述电介质体的外侧；和连接到所述至少一个导电反射器的接地开关电路。接地开关电路包括产生参考电压的参考电压源；连接到参考电压源的接地线路(4)；连接在接地线路和导电反射器之间的电开关装置(5)；和用于控制电开关装置的控制器。导电反射器包括上导电反射器(3)，该上导电反射器具有连接到电开关装置的一端的一个末端；和下导电反射器(6)，该下导电反射器具有连接到电开关装置(4)的另一端的一个末端和连接到接地线路的另一末端。

Description

波束切换天线系统和用于控制该系统的方法及设备

技术领域

本发明涉及波束切换天线，更具体而言涉及一种波束切换天线系统和用于控制该系统的方法及设备，借助于该波束切换天线系统以及该方法和设备可以根据外部环境保持最佳的天线特性，可以减少搜索最佳波束方向的必要时间和功率消耗，可以最小化从天线向用户头部辐射出的波束电磁波。

背景技术

天线配置包括Yagi(八木天线)型，抛物线，螺旋形，平面等等，所具有的波束图可以被分类为定向或全向。当前的移动通信系统使用全向天线。图1中显示了依据相关技术的全向天线。

参照图1，全向天线包括单极元件11，单极元件11是四分之一波长(λ/4)的元件，它与具有典型水平方向的导电反射器13的表面相对垂直地设置。单极元件11经由供电连接器(未显示)连接到供电线路12，导电反射器13经由建立参考电压的接地线14接地。单极元件11将来自供电线路12的射频能量转换成在大气层中以预定图形方式辐射的发射电磁波(波束图)，并将从大气层接收的电磁波转换成馈送给供电线路12的电信号。接收的信号为移动通信系统中的前向链路，发送的信号为反向链路。

上述全向天线的内在特性在于它的波束图是不定向的，因此上述全向天线不能适应外部环境或使用条件，这可能要求一种定向的波束图。换句话说，在特定方向上辐射的发射能量应当在许多情况下大于或小于在别的方向上辐射的发射能量，但是相关技术的全向天线产生的波束图中，发射的能量电平在所有的方向上几乎相同，这就造成了一些不利情况。

例如，使用全向天线发射特定距离所需要的能量要大于使用发射定向波束的天线所需要的能量。在较高功率电平处进行反向链路发射会产生多种负面效应，这包括减少数据通过率，增加误码率，和降低每个小区的前向链路通信容量。此外，一些终端用户关注从保持接近于头部的天线辐射的电磁波，如在使用手持移动通信终端的情况中。因此，在这种情况下使用全向天线自然会引起更多的关注。而且理想的是，诸如蜂窝电话的移动通信终端所采用的天线长度很短，以便利于制造，同时保持美观的舒适外表，而移动通信终端的工作频带是固定的，以致于不能缩短全向天线的λ/4长度。因此，相关技术的全向天线抑制外部安装天线的小型化或必要性。

同时，诸如在美国专利No.6,100,843中提出的自适应定向天线能够随意地实现在特定方向上波束图的定向。所提出的天线使用五个天线元件的复合配置，该配置包括在正方形基座的四个角上设置的四个天线元件，在正方形基座的中心设置有第五个天线元件，还包括含有移相器的控制电路，该控制电路通过使用费时的操作组合来控制每个天线元件发射/接收信号的相位，在该操作期间可能出现“呼叫断开”状态。因而，自适应定向天线太大，很昂贵，并且非常缓慢，因此对于移动通信终端来说并不实用。

在上述自适应定向天线的操作中，在移动通信终端的周围画出一个假想的圆圈，并将该假想的圆圈划分成多个角度，搜索每个角度来确定最佳的波束方向。在空闲时间内，通过执行对每个天线元件的每个角度的循环操作来确定波束方向。每个循环包括测量导频信号的步骤，存储测量信息的步骤和设置最佳相位的步骤。虚圆可以包括360角度之多，更大的数量带来更高的准确度，但是需要更长的时间来完成循环操作。在确定最佳波束方向的整个搜索操作中必须提高反向链路的功率，这就增加了功率消耗并产生与全向天线相同的负面效应。

技术内容

因此，本发明针对一种波束切换天线系统，该波束切换天线系统能够基本消除由于相关技术的限制和缺陷所产生的一个或多个问题。

本发明被设计为解决前述的问题，本发明的一个目的在于提供一种波束切换天线系统，借助于该波束切换天线系统可以根据外部环境保持最佳的天线特性。

本发明的另一个目的是提供一种控制波束切换天线系统的方法和设备，使用该方法和设备能够将天线产生的波束的电磁波控制为将作用到人体的辐射最小化。

本发明的另一个目的是提供一种控制波束切换天线系统的方法和设备，使用该方法和设备能够将搜索最佳的波束定向方向所需要的时间最小化，也能减少它的功率消耗。

本发明的其它特征和优点将在下面的叙述中进行阐述，在研究分析下文内容之后，本发明的特征和优点在某种程度上对于本领域的熟练技术人员来说是很明显的，或者可以从本发明的实践中获知。通过在说明书和权利要求书以及附图中特别指出的主题将会认识到和获得本发明的目的和其它优点。

为了实现这些目的和其它优点，根据本发明的目的，如本文具体表达和概括叙述的发明目的，提供了一种波束切换天线系统，该波束切换天线系统包括用于发送和接收波束的天线元件；围绕所述天线元件的电介质体；至少一个导电反射器，它面向所述电介质体的外侧；和接地开关电路，它连接到所述至少一个导电反射器。接地开关电路可以包括产生参考电压的参考电压源；连接到参考电压源的接地线路；电开关装置，它连接在接地线路和至少一个导电反射器之间；和用于控制电开关装置的控制器，至少一个导电反射器可以包括一个上导电反射器和一个下导电反射器，上导电反射器具有连接到电开关装置的一端的一个末端；下导电反射器具有连接到电开关装置的另一端的一个末端和连接到接地线路的另一末端。

在本发明的另一个方面，提供一种用于控制波束切换天线系统的方法，该波束切换天线系统包括用于形成波束的天线、至少一个用于反射波束的导电反射器、和接地开关，该接地开关将参考电压应用到至少一个导电反射器上。该方法包括形成天线元件的波束的步骤；通过控制接地开关将参考电压应用到至少一个导电反射器，将预定的波束图赋予(impart)给形成的波束的步骤。通过选择地闭合接地开关来执行波束图赋予步骤，从而赋予理想的方向、宽度和增益特性。

通过确定耳机是否被连接到移动通信终端，如果耳机连接到移动通信终端，波束可以被控制为具有无方向性。通过另外确定移动通信终端的操作模式，波束可以被控制为在业务模式下具有方向性，在空闲模式下具有无方向性，如果耳机在业务模式下断开，波束可以被控制为具有方向性，如果耳机在空闲模式下断开，波束可以被控制为具有无方向性。

在本发明的另一个方面，提供一种用于控制波束切换天线系统的设备，该波束切换天线系统包括用于形成波束的天线元件，该设备包括信号源，信号源向天线元件提供信号以形成波束；和控制器，它控制接地开关将参考电压应用到至少一个导电反射器，从而将预定的波束图赋予给形成的波束。该设备还可以包括耳机感应电路，该耳机感应电路用于确定耳机是否被连接到移动通信终端；和模式信号产生电路，该模式信号产生电路用于确定移动通信终端的操作模式。

在本发明的另一个方面，提供一种用于控制波束切换天线系统的方法，该波束切换天线系统包括形成波束的天线元件、至少一个用于反射波束的导电反射器、和接地开关，该接地开关用于将参考电压应用到至少一个导电反射器。该方法包括步骤：选择地将波束切换天线系统配置为当前方向的波束图来接收第一信号，以及配置为不定向波束图的波束切换天线系统来接收第二信号；比较第一和第二信号；通过使用接地开关，基于第一和第二信号的比较来控制波束。

在本发明的另一个方面，提供一种用于控制波束切换天线系统的方法，该波束切换天线系统包括形成波束的天线元件、至少一个用于反射波束的导电反射器、和接地开关，该接地开关用于将参考电压应用到至少一个导电反射器。该方法包括步骤：选择地将波束切换天线系统配置为不定向波束图来接收第一信号，配置为第一方向的波束图来接收第二信号，以及配置为第二方向的波束图来接收第三信号；比较接收的信号；通过使用接地开关，基于接收信号的比较来控制波束。

在本发明的另一个方面，提供一种用于控制波束切换天线系统的设备，该波束切换天线系统包括形成波束的天线元件、至少一个用于反射波束的导电反射器、和接地开关，该接地开关用于将参考电压应用到至少一个导电反射器。该设备包括控制器，该控制器用于比较接收的信号，并且通过使用接地开关，基于接收信号的比较来控制波束，其中波束切换天线系统被选择地配置为当前方向的波束图来接收第一信号，以及被配置为不定向的波束图来接收第二信号。

在本发明的另一个方面，波束切换天线系统被选择地配置为不定向的波束图来接收第一信号，被配置为第一方向的波束来接收第二信号，以及被配置为第二方向的波束图来接收第三信号。

应当理解本发明的前述解释和后面的详细叙述都是示例性和说明性的，它们是为了提供对所要求发明的进一步解释。

附图说明

附图说明了本发明的实施例，它与说明书结合在一起用来解释本发明的原理，所包含的附图是用来提供对本发明进一步的理解，它们被结合在本申请中并构成本申请的一部分。附图中：

图1是依据相关技术的全向天线的截面图；

图2是根据本发明一个实施例的波束切换天线系统的分解透视图；

图3是图2中显示的波束天线切换系统的截面图；

图4是图2中显示的波束天线切换系统的平面图；

图5A至5E分别是根据本发明其它实施例的波束天线切换系统的原理图；

图6A至6K是可能存在的波束图的原理图，这些波束图是通过打开/关闭根据本发明的波束天线切换系统的接地开关而改变；

图7A至7C是按照依据本发明波束天线切换系统的接地开关相应状态的波束图的测试结果图；

图8是用于控制根据本发明波束状态天线系统的接地开关的设备的功能图；

图9是根据本发明一个实施例的控制波束切换天线系统的方法流程图；

图10是具有耳机的移动通信终端的透视图；

图11是根据本发明另一个实施例的控制波束切换天线系统的方法流程图；

图12A是在搜索波束定向方向过程中的不定向波束图的示意图；

图12B是在搜索波束定向方向过程中在第一方向上定向的波束图的示意图；

图12C是在搜索波束定向方向过程中在第二方向上定向的波束图的示意图；

图13是根据本发明的另一个实施例的控制波束切换天线系统的方法流程图。

具体实施方式

现在将对本发明的优选实施例进行详细地参考，本发明的实例在附图中进行了说明。在全部附图中，使用相同或相似的参考标记来表示相似的元件。

波束切换天线系统

参照图2-4，举例说明根据本发明一个实施例的波束切换天线系统，单极元件1经过供电连接器8连接到供电线路2，它具有λ/4的全长，其中λ是空中辐射波束的波长。单极元件1将从供电线路2输送的射频能量转换为在大气层中辐射的具有预定图案的波束，并将从大气层中接收的射频能量转换为供应给供电线路2的电信号。多个上和下导电反射器3a-3d与6a-6d分别以串联地方式连接起来，并且与单极元件1相对地设置，在单极元件1和导电反射器3a-3d和6a-6d之间插入电介质体7，电介质体7具有与导电反射器3a-3d和6a-6d对应的多个周围平面表面。最好是，空气的电介质还占据在单极元件1与导电反射器3a-3d和6a-6d之间的小空间，另一材料的电介质体还占据在电介质体7与导电反射器3a-3d和6a-6d之间的小空间。这样，尽管没有精确地显示尺度，但是电介质的厚度在单极元件1与任何的导电反射器3a-3d和6a-6d之间基本建立了λd/4的距离，其中λd是电介质体7中辐射波束的波长。根据本发明优选的配置，多个导电反射器3a-3d和6a-6d的每一个导电反射器都面向电介质体7的周围平面表面，电介质体7的该周围平面表面围绕着单极元件1。

每个上导电反射器3a-3d和下导电反射器6a-6d的一个末端被电连接到多个接地开关5a-5d中的一个接地开关的一端，接地开关5a-5d分别设置在上和下导电反射器3a-3d和6a-6d的串联(端)，以便构造接地开关电路，该接地开关电路包括产生参考电压的参考电压源，也就是接地；连接到参考电压源的接地线路4；连接在接地线路和导电反射器之间的电开关装置(下文叙述)；和用于控制电开关装置的控制器(见图8)。每个接地开关5a-5d的其它端经过接地线路4被接地，以便接地开关的闭合施加参考电压并完成上和下导电反射器3a-3d和6a-6d的串联连接。在这样的操作中，经由相应的闭合接地开关而被施加了参考电压的导电反射器反射波束，以便赋予(impart)它具有预定方向性的辐射图形。这样，根据本发明的波束切换天线系统的单极元件1提供一种不定向波束，但是根据接地开关5a-5d的开关状态选择地将不定向的波束应用到导电反射器3a-3d和6a-6d，以便产生预定的波束图。这种波束图是具有理想的方向、宽度和增益特性的波束图。

根据本发明，所产生的辐射图形是通过接地的导电反射器来确定，并且该辐射图形不受不接地的导电反射器的影响。为了将未经选择的反射器所产生的辐射图形的失真最小化，每个上导电反射器3a-3d的长度最好是λ/8，每个下导电反射器6a-6d的长度最好是λ/16，每个接地开关5a-5d的长度最好是λ/16，每个接地线路4的长度最好是λ/4。电介质体7的厚度最好是λd/4，但可以通过使用更高的介电常数或者与导电反射器3a-3d和6a-6d反向的更大表面积来减少电介质体7的厚度，以便实现在移动通信终端和基站或中继器的应用中紧凑而小巧的天线系统优势。

本发明的控制方法和设备经过相应的接地线路4选择地将参考电压应用到所选择的上导电反射器3a-3d，下导电反射器6a-6d和接地开关5a-5d。接地开关5a-5d可以使用诸如晶体管或二极管的电开关装置来实现，晶体管或二极管接收来自控制电路的控制信号，以便控制在相应的接地开关的两个端子之间的电流通路。接地开关5a-5d分别被安装在上导电反射器3a-3d和下导电反射器6a-6d之间，从而便于组装接地线路4和下导电反射器6a-6d之间的连接。

为了匹配接地线路4和导电反射器3a-3d和6a-6d之间的阻抗，可以在接地线路和导电反射器3a-3d和6a-6d之间分别提供多个阻抗匹配电路。为了最小化射频能量的损耗，可以在供电线路2和单极元件1之间提供阻抗匹配电路。单极元件1和导电反射器3a-3d和6a-6d可以由相同的金属制成，诸如使用铝制成。

参照图5A至5E，它们分别举例说明了根据本发明其它实施例的波束切换天线系统，围绕单极元件1的电介质体117a-117e的示意水平横截面可以是圆形或正多边形，它们具有至少两个对称设置在电介质体117a-117e外部的反射器113a-113w。相应的接地开关111a-111w分别被串联到反射器113a-113w。单极元件1、电介质体117a-117e、接地开关111a-111w以及反射器113a-113w的结构和控制与结合图2-4中描述的那些相等效。

根据本发明的接地开关的控制依据移动通信终端的操作状态产生从单极元件1中辐射出的波束60的无方向性或方向性，如图6A至6K中的描述，在图6A至6K中通过根据本发明的控制方法和设备来控制接地开关5a-5d。

如图6A中所示，其中所有的接地开关5a-5d都打开，波束60被无方向性地形成。如图6B-6K中所示，如果选择地闭合接地开关5a-5d中的至少一个，以将参考电压施加到导电反射器3a-3d和6a-6d中的一个或多个导电反射器(接地)，则在接地反射器上反射波束60的辐射图，以便指向与所选择的反射器相反的方向。

根据本发明实施例的波束天线系统改变接地开关5a-5d的开关状态，从而能够控制波束的宽度和幅度(增益)。例如，如图6E中所示，通过仅仅闭合接地开关5a所实现的波束60的方向性与图6J中实现的方向性相同，在图6J中除了接地开关5a之外还闭合了接地开关5b和5d。然而，如图6J中所示，波束60的波束宽度更窄，它的增益更大。

图7A-7C分别举例说明了由接地开关5a-5d的开关状态产生的波束。这里，图7A显示了当所有接地开关打开时产生的不定向波束60，图7B和图7C显示了当接地开关之一闭合以便在与闭合开关的相反方向上赋予方向性时产生的定向波束60。

控制波束切换天线系统的方法和设备

现在将叙述用于控制根据本发明优选实施例的波束切换天线系统的方法和设备。在下面的实施例中，波束切换天线系统被应用到终端，但是同样能够被应用到基站。这里，通过配置波束切换天线系统，也就是通过由控制器选择地设置接地开关来实现波束的形成或定向。

<第一实施例>

参照图8，一种用于控制根据本发明波束切换天线系统的接地开关的设备包括耳机感应电路51，模式信号产生电路52，基站信号接收电路53和控制器9，控制器9包括上述的用于产生控制信号来选择地操作接地开关的控制电路。当耳机被连接到移动通信终端时，耳机感应电路51检测到该连接，并产生耳机感应数据Ep。模式信号产生电路52检测终端的操作模式，即，该移动通信终端是通过在始发端和接收端之间建立的业务信道而操作在业务模式下，还是处于业务信道被切断的空闲模式下，然后产生指示终端当前模式的业务/空闲模式数据Tr/Id。天线系统的波束形成是通过基站信号接收电路53和控制器9来确定的，它们基于基站信号RB的前向链路信号的信号接收来产生定向或不定向波束，该前向链路信号是通过天线来接收并被提供给控制器的。基站信号RB包括作为标识基站的导频信号的Ec/Io(载波能量/噪声总和)信号、同步信号、寻呼信号、业务信道信号等。基站信号接收电路53可以借助Rake接收机来实现，该Rake接收机接收来自所有方向在指定频率上的基站信号的总功率。

基于接收到的基站信号RB，控制器9产生多个用于分别控制接地开关5a-5d的开关控制信号S1-S4，以便通过将开关控制信号施加到接地开关的控制端子来控制波束的方向性或无方向性。控制器9搜索在切换状态下或话务状态下的波束定向方向，以保持最佳的业务质量，控制器9根据搜索结果建立在最佳的波束定向方向上的天线波束。

开关控制信号S1-S4的产生也可以基于耳机感应数据Ep和业务/空闲模式数据Tr/Id。参照图9叙述了控制器9根据耳机连接状态和业务/空闲模式进行的操作，用于举例说明根据本发明一个实施例的控制波束状态天线系统的方法，图10叙述了具有波束切换天线系统91和耳机92的移动通信终端90。

参照图8-10，在步骤S81中控制器9通过接收来自耳机感应电路51的耳机感应数据Ep，和来自模式信号产生电路52的业务/空闲模式数据Tr/Id，来确定移动通信终端90的当前状态。如果在步骤S82中确定耳机被连接到移动通信终端，控制器9打开所有的接地开关5a-5d，以便切断对导电反射器3a-3d的参考电压的供应。在这样的操作中，在步骤S85中波束60被不定向的控制。即，当耳机92连接到移动通信终端90时，确定耳机正在被使用，以便移动通信终端的波束切换天线系统91被远离地设置于用户的头部。在移动通信终端90和用户头部之间的这一距离极大地减少了波束的电磁波影响，因为电磁波的强度与距离的平方成反比。在这种情况下，根据本发明的控制方法来配置波束切换天线系统，以便将波束60的图形控制为不定向的，从而便于在移动通信终端90和基站之间的发射/接收，而不用考虑基站的方向。另一方面，如果在步骤S82中确定耳机92被断开连接，但是根据业务/空闲模式数据Tr/Id确定移动通信终端90操作在空闲模式下(S83)，则控制器9类似地打开所有的接地开关5a-5d，以便产生不定向波束60，这是由于假定在空闲模式下，移动通信终端不需要靠近用户的耳朵。在耳机92被断开连接并且移动通信终端90操作在业务模式的情况下，其中在该情况下确定移动通信终端的波束切换天线系统91正在接近用户的头部辐射，则控制器9选择地关闭一个或多个接地开关5a-5d，以便控制波束60远离用户，从而将直接朝用户传播的波束60的电磁波最小化。通过参考移动通信终端90的控制器、扬声器和麦克风的相对位置来假定用户的方向，并将其存储在控制器9中。

通过应用本发明的原理，应当认识到导电反射器5a-5d的多个构造不是必需的。例如，如果所控制的辐射图形被定向在用户的相反方向上，即远离于用户，那么需要仅仅一个导电反射器。如果采用这种配置，导电反射器将被设置成邻近用户。

还应当认识到，根据本发明波束切换天线的上述控制方法和设备可以应用于任何能够实现波束切换的天线系统。例如，根据本发明的控制方法和设备可以应用于对供应给多个天线元件的信号相位进行差分的天线系统，以便对通过结合具有各种角度的多个波束所产生的波束来分别提供方向性，该多个波束是由多个天线元件形成的。

<第二实施例>

图11举例说明了根据本发明另一个实施例的控制波束切换天线系统的方法，该实施例使用图8的设备，该实施例结合图12A-12C进行叙述，图12A-12C中显示了第一和第二基站71和72。

参照图11，在步骤S91执行初始化过程，用于经由安装在移动通信终端90上的波束切换天线系统91在前向链路上接收从基站71和72发送来的基站信号RB，并用于同步移动通信终端和基站。控制器9接着在步骤S92中控制在全向模式下的接地开关5a-5d，以形成如图12A中所示的不定向波束60。在这样的操作中，移动通信终端90的波束切换天线系统91接收从第一和第二基站71和72发送的所有信号。在接收来自所有方向(即在使用不定向波束60的全向模式下)的基站信号RB之后，控制器9立即检测所接收的基站信号RB的接收特性，即它的强度和它的误码率，并将检测的信息存储在移动通信终端90的存储器中.在步骤S93中将存储的信息与在当前方向上形成波束中接收的基站信号RB的信息进行比较。在这种情况下，当前方向是在初始化之前形成的波束的方向，它可以是不定向的波束方向或被定向到特定方向的波束方向。在初始化步骤之前，测量在当前方向形成波束中接收的基站信号RB的强度或误码率，以便将相应的数值在移动通信终端90的存储器中存储一段预定的时间期间。

在随后步骤的叙述中，假定当前方向是如图12B中所示的第一方向，其中波束60被定向为朝着第一基站71。

如果在步骤S93中在形成不定向波束中接收的基站信号RB的强度大于在当前方向(也就是第一方向)上形成波束中接收的基站信号RB的强度，或者如果在形成不定向波束时接收的基站信号RB的误码率小于在第一方向上形成波束中接收的误码率，那么在步骤S94中控制器9控制接地开关5a-5d沿不同的方向形成波束，以便接收该基站信号RB。在这种情况下，假定所述不同的方向是第二方向，如图12C所示，其中波束60被定向到第二基站72。

如果在步骤S93中在形成不定向波束中接收的基站信号RB的强度不大于在第一方向上形成波束中接收的强度，或者如果在形成不定向波束中接收的基站信号RB的误码率不小于在第一方向上形成波束中接收时的误码率，那么控制器9在步骤S97将波束定向在当前(第一)方向上。在这种情况下，第一方向，即当前方向，是最佳的波束定向方向。

在步骤S94中，控制器9测量在第二方向上形成波束时所接收的基站信号RB的强度和误码率，然后在步骤S95中比较在第二方向上测量的基站信号RB的强度或误码率与在当前方向上测量的强度或误码率，所述当前方向也即第一方向。

如果在步骤S95中，在第二方向上在形成波束中接收的基站信号RB的强度大于在第一方向上形成波束中接收的强度，或者如果在第二方向上在形成波束中接收的基站信号RB的误码率小于在第一方向上形成波束中接收的误码率，控制器9在步骤S96中控制接地开关5a-5d形成在第二方向上的波束。在这种情况下，作为不同方向的第二方向是最佳的波束定向方向。

如果在步骤S95中在第二方向上在形成波束中接收的基站信号RB的强度不大于在第一方向上形成波束中接收的强度，或者如果在第二方向上在形成波束中接收的基站信号RB的误码率不小于在第一方向上形成波束中接收的基站信号RB误码率，那么控制器9在步骤S97中控制接地开关5a-5d形成在第一方向上的波束。在这种情况下，控制器9通过在越区切换(Hand off)等情况中控制接地开关5a-5d来形成全向波束，即不定向波束。在步骤S97中的第一方向或全向是最佳的波束定向方向。

在完成步骤S96或S97之后，控制器9在步骤S98确定是否满足方向搜索条件。该方向搜索条件包括接收功率电平和预定的搜索时间，例如空闲模式或休眠期。可以定期地执行搜索，如每隔五秒的时间执行搜索，从而使得即使移动通信终端90在业务模式下操作，也能够执行搜索。如果满足方向搜索条件，即，如果出现搜索时间或如果接收的基站信号RB的接收功率电平小于预定的参考电平，那么控制器9重新执行步骤S92至S97作为预定的搜索周期。

这样，根据本发明的波束切换天线系统的控制方法形成无方向性的波束60，以便将接收的基站信号强度或误码率与当前方向的强度或误码率进行比较。作为比较结果，如果在全向中的接收信号强度等于或小于当前方向中的接收信号强度，或者如果全向中的误码率等于或大于当前方向中的误码率，就将当前方向设置为最佳方向，以略过不必要的搜索时间，从而减少搜索时间和用于搜索的功率消耗。而且，根据本发明的波束切换天线系统的控制方法使用最少的搜索时间来设置最佳的波束定向方向，从而当移动通信终端在业务模式下操作时，能够在所有的时间最佳地保持业务质量。

图13举例说明了根据本发明其它实施例的控制波束切换天线系统的方法，该实施例参照图12A-12C进行叙述。

参照图13，在步骤S111中执行初始化过程，用于经由安装在移动通信终端90上的波束切换天线系统91接收在前向链路上从基站71和72发送的基站信号RB，和用于同步移动通信终端和基站。

控制器9接着在步骤S112控制在全模式下的接地开关5a-5d，以便形成如图12A中所示的不定向波束60。在这样的操作中，移动通信终端90的波束切换天线系统91接收从第一基站和第二基站71和72发送的所有信号。这样，在接收具有不定向波束60的全向中的基站信号RB之后，控制器9测量接收的基站信号RB的强度和误码率，然后存储测量的基站信号RB的强度和误码率。

在接收在全向模式下操作的基站信号RB之后，控制器9在步骤S113和S114中控制接地开关5a-5d，以便首先形成如图12B中显示的在第一方向上定向的波束，然后形成如图12C中显示的在第二方向上定向的波束，从而在不同的方向上连续地接收来自基站71和72的基站信号RB。同时，控制器9检测在第一方向上接收的基站信号RB的强度和误码率，和在第二方向上接收的基站信号RB的强度和误码率，并存储检测的结果。

一旦在全向上、第一方向上和第二方向上接收到基站信号RB，就测量所接收的基站信号RB的强度和误码率，控制器9相互比较在相应方向上的接收信号RB的强度和误码率，以便在步骤S115中建立最佳的波束方向，然后在步骤S116形成在最佳波束方向上的波束60。即，控制器9在显示最佳接收特性的方向上形成波束60，该方向也就是在全向、第一和第二方向上接收的基站信号RB中，显示最大的接收功率强度或最小的误码率的方向。

在完成步骤S115和S116之后，控制器9在步骤S117确定是否满足方向搜索条件。该方向搜索条件包括接收功率电平和预定的搜索时间，例如，空闲模式或休眠期。可以定期地执行搜索，也就是说每隔五秒的时间执行搜索，即使移动通信终端90操作在业务模式下也能够执行搜索。如果满足方向搜索条件，即如果出现搜索时间或如果接收基站信号RB的接收功率电平小于预定的参考电平，那么控制器9重新执行步骤S112至S116作为预定的搜索周期。

因此，在根据本发明的波束切换天线系统和用于控制该波束切换天线系统的方法和设备中，在搜索最佳的波束定向方向的过程中，相互比较不定向和定向波束，并根据比较结果略过对不必要角度的搜索。因此，本发明最小化搜索时间并减少了其功率消耗。本发明根据外部环境将波束控制为定向或不定向，从而能够根据外部环境来保障最佳的天线特性和无线波业务环境。而且，本发明将波束定向为远离移动通信终端的用户，从而能够最小化朝向用户头部的波束的电磁波。

本领域的熟练技术人员很明白，在不脱离本发明的精神或范围的情况下可以对本发明进行各种修改和变化。因此，假如这些修改和变化在附属的权利要求书和它们的等效物的范围内出现，将意味着本发明覆盖了这些修改和变化。

Claims (54)

1.一种波束切换天线系统，包括：

用于发送和接收波束的天线元件；

围绕所述天线元件的电介质体；

至少一个导电反射器，其面向所述电介质体的外侧；

接地开关电路，其连接到所述至少一个导电反射器。

2.如权利要求1的波束切换天线系统，其中所述接地开关电路选择地将所述的至少一个导电反射器接地。

3.如权利要求1的波束切换天线系统，其中所述天线元件是具有λ/4长度的单极元件，其中λ是空中无线电波的波长。

4.如权利要求3的波束切换天线系统，其中所述电介质体具有λd/4的厚度，其中λd是所述电介质体的电介质中的无线电波的波长。

5.如权利要求4的波束切换天线系统，其中所述电介质体的厚度是由所述电介质体的介电常数和面积来确定的。

6.如权利要求1的波束切换天线系统，所述接地开关电路包括：

产生参考电压的参考电压源；

连接到所述参考电压源的接地线路；

连接在所述接地线路和所述的至少一个导电反射器之间的电开关装置；

用于控制所述电开关装置的控制器。

7.如权利要求6的波束切换天线系统，其中所述接地线路具有λ/4的长度，其中λ是空中无线电波的波长。

8.如权利要求6的波束切换天线系统，所述的至少一个导电反射器包括：

上导电反射器，其具有连接到所述电开关装置的一端的一个末端；

下导电反射器，其具有连接到所述电开关装置的另一端的一个末端，和连接到所述接地线路的另一末端。

9.如权利要求8的波束切换天线系统，其中所述的上导电反射器具有λ/8的长度，其中λ是空中无线电波的波长。

10.如权利要求8的波束切换天线系统，其中所述的下导电反射器具有λ/16的长度，其中λ是空中无线电波的波长。

11.如权利要求1的波束切换天线系统，其中所述的电介质体具有至少三个周围平面表面。

12.如权利要求1的波束切换天线系统，它被安装在移动通信终端、基站和中继器的至少一个中。

13.一种用于控制波束切换天线系统的方法，该波束切换天线系统包括用于形成波束的天线、至少一个用于反射波束的导电反射器、和接地开关，所述接地开关用于将参考电压应用到所述至少一个导电反射器上，该方法包括步骤：

形成天线元件的波束；

通过控制接地开关将参考电压应用到至少一个导电反射器，将预定的波束图赋予给形成的波束。

14.如权利要求13的方法，其中所述波束图赋予步骤是通过选择地闭合接地开关来执行的。

15.一种控制移动通信终端的波束切换天线系统的方法，包括步骤：

形成波束；

确定耳机是否被连接到移动通信终端；以及

如果耳机被连接到移动通信终端，将形成的波束控制为具有无方向性。

16.如权利要求15的方法，还包括以下步骤：

确定移动通信终端的操作模式；

如果确定移动通信终端在业务模式下操作，则将波束控制为具有方向性，而如果确定移动通信终端在空闲模式下操作，则将波束控制为具有无方向性。

17.如权利要求16的方法，还包括以下步骤：如果确定耳机没有被连接到移动通信终端，并且移动通信终端在业务模式下操作，则将波束控制为具有方向性。

18.如权利要求16的方法，还包括以下步骤：如果确定耳机没有连接到移动通信终端，并且移动通信终端在空闲模式下操作，则将波束控制为具有无方向性。

19.如权利要求16或17的方法，其中如果波束被控制为具有方向性，则波束被定向为远离移动通信终端的用户。

20.一种用于控制波束切换天线系统的设备，该波束切换天线系统包括用于形成波束的天线元件、至少一个用于反射波束的导电反射器、和接地开关，该接地开关用于将参考电压应用到所述至少一个导电反射器，该设备包括：

信号源，其向天线元件提供信号来形成波束；

控制器，其控制接地开关将参考电压应用到所述至少一个导电反射器，从而将预定的波束图赋予给形成的波束。

21.如权利要求20的设备，其中所述控制器选择地闭合接地开关。

22.如权利要求20的设备，其中波束切换天线系统被安装在移动通信终端中。

23.如权利要求22的设备，还包括：

耳机感应电路，其用于确定耳机是否被连接到移动通信终端；

模式信号产生电路，其用于确定移动通信终端的操作模式。

24.如权利要求23的设备，其中如果确定耳机被连接到移动通信终端，所述控制器就控制波束为具有无方向性。

25.如权利要求23的设备，其中如果确定移动通信终端在业务模式下操作，就控制波束为具有方向性，如果确定移动通信终端在空闲模式下操作，就控制波束为具有无方向性。

26.如权利要求23的设备，其中如果确定耳机没有被连接到移动通信终端，并且移动通信终端在业务模式下操作，则所述控制器控制波束为具有方向性，而如果确定耳机没有被连接到移动通信终端，并且移动通信终端在空闲模式下操作，则控制波束为具有无方向性。

27.如权利要求25或26的设备，其中如果所述控制器控制波束为具有方向性，波束被定向远离移动通信终端的用户。

28.一种用于控制波束切换天线系统的方法，该波束切换天线系统包括用于形成波束的天线元件、至少一个用于反射波束的导电反射器、和、接地开关，该接地开关用于将参考电压应用到所述至少一个导电反射器，该方法包括以下步骤：

选择地将波束切换天线系统配置为当前方向波束图来接收第一信号，以及配置为不定向波束图来接收第二信号；

比较第一和第二信号；

通过使用接地开关，基于第一和第二信号的比较来控制波束。

29.如权利要求28的方法，其中所述第一和第二信号比较步骤是通过比较第一和第二信号的检测接收特性来执行，其中如果第一信号的检测接收特性不差于第二信号的检测接收特性，波束就被定向在当前方向上。

30.如权利要求29的方法，还包括步骤：

如果第二信号的检测接收特性优于第一信号的检测接收特性，选择地将波束切换天线系统配置为不同于当前方向的波束定向方向来接收第三信号；

比较第一和第三信号；

基于第一和第三信号的比较来控制波束。

31.如权利要求30的方法，其中所述的第一和第三信号比较步骤是通过比较第一和第三信号的检测接收特性来执行，其中如果第一信号的检测接收特性不差于第三信号的检测接收特性，就将波束设置为具有无方向性。

32.如权利要求30的方法，其中所述的第一和第三信号比较步骤是通过比较第一和第三信号的检测接收特性来执行，其中如果第一信号的检测接收特性不差于第三信号的检测接收特性，波束被定向在当前方向上。

33.如权利要求32的方法，其中如果第三信号的检测接收特性优于第一信号的检测接收特性，波束就被定向在不同于当前方向的方向上。

34.如权利要求29至32中任何一个所述的方法，其中检测接收特性是接收信号的信号强度。

35.如权利要求29至32中任何一个所述的方法，其中检测接收特性是接收信号的误码率。

36.如权利要求28或30的方法，使用预定的搜索周期。

37.如权利要求36的方法，还包括以下步骤：

将每个接收信号的信号电平与参考信号电平进行比较；以及

如果每个接收信号的信号电平不大于参考信号电平，就执行预定的搜索周期。

38.一种用于控制波束切换天线系统的方法，该波束切换天线系统包括用于形成波束的天线元件、至少一个用于反射波束的导电反射器、和接地开关，该接地开关用于将参考电压应用到所述至少一个导电反射器，该方法包括以下步骤：

选择地将波束切换天线系统配置为不定向波束图来接收第一信号，配置为第一方向波束图来接收第二信号，以及配置为第二方向波束图来接收第三信号；

比较接收的信号；以及

使用接地开关，基于接收信号的比较来控制波束。

39.如权利要求38的方法，其中所述的比较步骤是通过比较接收信号的测量强度来执行，其中波束被控制为具有对应于具有最大强度的接收信号的方向。

40.如权利要求38的方法，其中所述的比较步骤是通过比较接收信号的测量误码率来执行，其中波束被控制为具有对应于具有最小误码率的接收信号的方向。

41.一种用于控制波束切换天线系统的设备，该波束切换天线系统包括用于形成波束的天线元件、至少一个用于反射波束的导电反射器、和接地开关，该接地开关用于将参考电压应用到所述至少一个导电反射器，该设备包括：

控制器，它用于比较第一和第二信号，并且通过使用接地开关，基于第一和第二信号的比较来控制波束，

其中波束切换天线系统被选择地配置为当前方向的波束图以接收第一信号，以及配置为不定向的波束图以接收第二信号。

42.如权利要求41的设备，其中所述控制器比较第一和第二信号的检测接收特性，并且如果第一信号的检测接收特性不差于第二信号的检测接收特性，将波束的定向方向设置为当前方向。

43.如权利要求42的设备，其中如果第二信号的检测接收特性优于第一信号的检测接收特性，则所述控制器将波束定向在不同于当前方向的方向上，以便接收第三信号，比较第一和第三信号，并且基于第一和第三信号的比较来控制波束的定向方向。

44.如权利要求43的设备，其中所述控制器比较第一和第三信号的检测接收特性，并且如果第一信号的检测接收特性不差于第三信号的检测接收特性，则控制波束以便被定向在当前方向上。

45.如权利要求43的设备，其中在越区切换条件下，所述控制器形成全向波束。

46.如权利要求44的设备，其中如果第三信号的检测接收特性优于第一信号的检测接收特性，所述控制器将波束的定向方向设置为不同于当前方向的方向。

47.如权利要求42至46中任何一个所述的设备，其中检测的接收特性是接收信号的信号强度。

48.如权利要求42至46中任何一个所述的设备，其中检测的接收特性是接收信号的误码率。

49.如权利要求41的设备，其中所述控制器设置搜索时间，用于定期地执行波束形成、信号接收和波束图控制的各个过程。

50.如权利要求41的设备，其中所述控制器比较预定的参考信号电平与每个接收信号的信号电平，如果每个接收信号的信号电平不大于参考信号电平，就重复执行波束形成、信号接收和波束图控制的各个过程。

51.如权利要求41的设备，其中通过使用接地开关控制将参考电压应用到至少一个导电反射器，来定向波束。

52.一种控制波束切换天线系统的设备，该波束切换天线系统包括用于形成波束的天线元件、至少一个用于反射波束的导电反射器、和接地开关，该接地开关用于将参考电压应用到所述至少一个导电反射器，该设备包括：

控制器，它比较接收的信号，并通过使用接地开关，基于接收信号的比较来控制波束，

其中波束切换天线系统被选择地配置为不定向波束图来接收第一信号，被配置为第一定向波束图来接收第二信号，以及被配置为第二方向波束图来接收第三信号。

53.如权利要求52的设备，其中所述控制器比较接收信号的测量强度，并控制波束为具有对应于具有最大强度的接收信号的方向。

54.如权利要求52的设备，其中所述控制器比较接收信号的测量误码率，并控制波束为具有对应于具有最小误码率的接收信号的方向。

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