專利名稱：用于發(fā)射和接收無線電波的天線設備及方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及天線領域并且具體地分別涉及一種用于發(fā)射和接收無線電波的天線設備、一種包括所述天線設備的無線電通信設備和一種用于發(fā)射和接收無線電波的方法。
當現(xiàn)今制造一個手持便攜式電話時，天線通常適合于這部具體電話的特性并且適合于在缺省環(huán)境中的缺省使用。這意味著該天線隨后不能用于使用某一電話的任何特定情形中或適合不同的手持便攜式電話。因此，手持便攜式電話的每一種模型都必須裝備有一個特殊設計的天線，它一般說來不能被任意地使用于任何其他電話模型中。
小尺寸結構的天線設備的輻射性質，例如一個手持無線電通信設備，很大程度上取決于諸如所述設備和電話外殼的印刷電路板(PCB)之類的支持結構的形狀和尺寸。諸如諧振頻率、輸入阻抗、帶寬、輻射模式、增益、極化和近場模式之類的所有輻射性質是天線設備本身和它與PCB以及電話外殼的相互作用的結果。因此，在下面對輻射性質進行的所有引用是意指天線被結合在其中的整個設備。
在上面已經被提到的相對于諸如無繩電話、遙測系統(tǒng)、無線數(shù)據終端等等之類的其它無線電通信設備也是正確的。因此，本發(fā)明的天線設備在一個很寬的規(guī)模上可應用在各種通信設備中。
通過例如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(因此完成對各種無線電波環(huán)境的適應)的接收天線。這樣的分集功能系統(tǒng)可用來抑制噪聲，和/或諸如延遲信號之類可能會引起碼間干擾的不希望有的信號以及同信道干擾信號，并因此改善了總的信號質量，但是需要一個包括多個接收機鏈路在內的復雜接收機電路結構，以及多個天線輸入端口。
可切換的天線例如從用于獲得分集的著作中可知。
WO 99/44307公開了一種具有天線增益分集的通信設備。該裝置包括第一和第二天線元件，它們中兩者或者僅僅其中一個能夠被耦合到天線信號節(jié)點。沒有耦合到該節(jié)點的天線元件被電耦合到信號地線。
EP-A1-0,546,803公開了一種包括單個天線元件的分集式天線。該天線元件是以四分之一波長單極天線的形式，它能夠在一個公共RF饋送源中的一端或另一端處交替地被饋送。
US-A1-5,541,614公開了一種天線系統(tǒng)，其包括嵌入在頻率選擇光子能帶隙(photonic bandgap)晶體之上的一組中心饋送和分段的偶極天線。例如通過連接/斷開各段偶極子臂以使它們更長或更短，可改變天線系統(tǒng)的某些特性。
然而，這些現(xiàn)有技術的配置其中并無一個描述在某些智能基礎上(例如由于信號情形所引起而需要時)連接或切斷任何可切換的天線元件。所述EP-A1-0,546,803提及如此的智能切換的可能性，但是沒有如何控制該切換的指示。
在這方面，本發(fā)明的一個特定目的是提供這樣一個天線設備，它比現(xiàn)有技術的天線設備展現(xiàn)出更好的性能。
本發(fā)明的另一目的是提供一種天線設備，其某些特性是可控制的，比如諧振頻率、阻抗、輻射模式、極化，帶寬和分集之類的。
本發(fā)明的另外一個目的是提供一種天線設備，在它的天線結構和切換設備之間展現(xiàn)出一個可控制的相互作用。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種天線設備，其簡單、輕便、易于制造而且便宜。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種有效、易于安裝并且可靠的天線設備，特別是，即使在長時間的使用之后在機械上仍然堅固。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種適合于作為無線電通信設備的一個集成部分而被使用的天線設備。
通過天線設備、通過一種無線電通信設備以及通過所附權利要求所述的方法達到了本發(fā)明的這些目的。
在權利要求中，＂天線結構＂意指包括連接到無線電通信設備電路的發(fā)射(饋送)線(組)上的有源元件，以及可以被接地或被留下斷開的并因此作為例如定向器、反射器、阻抗匹配元件等等的那些元件。


圖1示意性地顯示了根據本發(fā)明實施例用于發(fā)射和接收無線電波的天線模塊的框圖。
圖2示意性地顯示了接收或發(fā)射天線元件以及一個切換設備，用于選擇性地連接和斷開作為根據本發(fā)明的天線模塊一部分的接收天線元件。
圖3示意性地顯示了一個接收或發(fā)射天線結構和一個切換設備，用于選擇性地把作為根據本發(fā)明的天線設備一部分在各種不同點處的所述接收天線結構選擇性地接地。
圖4是用于控制發(fā)明的天線設備之切換設備的切換與固定算法例子的流程圖。
圖5是用于控制發(fā)明的天線設備之切換設備的一個替換算法例子的流程圖。
圖6是用于控制發(fā)明的天線設備之切換設備的另外一個替換算法例子的流程圖。
圖7示意性地顯示了接收或發(fā)射天線元件以及一個切換設備，用于選擇性地連接和斷開作為根據本發(fā)明另外一個實施例的天線模塊一部分的接收天線。
最佳實施方式在下列說明中，為了解釋而非限制的目的，闡明了具體的細節(jié)，以便提供對本發(fā)明的全面理解?？墒?，對本領域技術人員來說很明顯，本發(fā)明可以被實踐在偏離這些具體細節(jié)的其它實施例中。在其它實例中，熟知的設備和方法的細節(jié)描述被省略以使本發(fā)明不會因為不必要的細節(jié)而不清楚。發(fā)明的天線模塊(圖1)參考圖1，根據本發(fā)明實施例的一個天線設備或模塊1包括分開的發(fā)射機(TX)2和接收機(RX)3 RF部分。
天線模塊1是用于發(fā)射和接收無線電波的無線電通信設備(未示出)的高頻(HF)部分。因此，天線模塊1最好被安排為通過無線電通信電路被電連接到無線電通信設備的數(shù)字或模擬信號處理器。
天線模塊1最好被安排在一個托架(未示出)上，該托架可以是一個靈活的基底，一個MID(塑?；ミB設備)或一個PCB。如此的天線模塊PCB可以和無線電通信設備的一個PCB一起并排被安裝在(特別是可以被可拆卸地安裝在)基本上同一平面中，或者它可以被附加到例如安裝在無線電設備PCB上的一個絕緣支持裝置上如此以使它基本上與絕緣支持裝置并行但是高于那里。天線模塊PCB還可以基本上與無線電通信設備的PCB垂直。
發(fā)射機部分2包括一個輸入4，用于從無線電通信設備的數(shù)字發(fā)送源中接收數(shù)字信號。輸入4經傳輸線路5被連接到用于把數(shù)字信號變換為模擬信號的一個數(shù)字模擬(D/A)變換器6。變換器6經傳輸線路5進一步被連接到用于把模擬信號頻率上變換為期望RF頻率的一個上變換器7。上變換器7經傳輸線路5依次被連接到用于放大頻率變換信號的一個功率放大器(PA)8。功率放大器8進一步被連接到一個發(fā)射機天線設備9用于轉送放大的RF信號以及用于根據所述信號輻射RF波。一個濾波器(未示出)可以被安排在功率放大器之前或之后的信號路徑中。
在發(fā)射機部分中用于測量電壓駐波比(VSWR)的設備10，優(yōu)選地如圖1中，在發(fā)射機部分3中被連接在功率放大器8和發(fā)射機天線設備9之間，或者被結合在發(fā)射機天線設備9中。
發(fā)射機天線設備9包括連接到傳輸線路5的一個切換設備11和一個發(fā)射天線結構12，其優(yōu)選地由可經切換設備11連接到傳輸線路5的多個發(fā)射天線元件組成?？墒?，關于本發(fā)明，發(fā)射機天線設備9可以同樣好地由被永久連接的單個發(fā)射天線組成。
接收機部分3包括用于接收RF波和用于根據它產生一個RF信號的一個接收天線結構13。接收天線結構13可在多個(至少兩個)天線結構狀態(tài)之間切換，其每一個通過一組輻射相關參數(shù)來區(qū)別，比如諧振頻率，輸入阻抗，帶寬，輻射模式，增益，極化和近場模式之類的。一個切換設備14被安排在它的附近用于在天線結構狀態(tài)之間選擇性地切換天線結構13。接收天線結構13和切換設備14可以被整體地安排在一個接收機天線設備15中。
天線結構13可以分別地包括可連接到傳輸線路16或到RF接地(未示出)的多個元件和/或包括可連接到傳輸線路16或到RF接地的多個連接空出點，這將在下面進一步被描述。
天線結構13經傳輸線路16進一步被連接到用于放大接收信號的一個或多個低噪聲放大器(LNA)17。正如本說明情況中，天線結構13的RF饋送可以經切換設備14被實現(xiàn)，或者能夠分別地在切換設備14之外被實現(xiàn)。
如果接收分集被使用，則來自低噪聲放大器17中的信號輸出在合并器18中被合并。分集合并可以是切換類型，或者是信號的加權和。
傳輸線路16被進一步連接到用于下變換器信號頻率的一個下變換器或下混頻器19以及被連接到用于把接收信號變換為數(shù)字信號的一個模擬數(shù)字(A/D)變換器20。數(shù)字信號在21處被輸出到無線電通信設備的數(shù)字處理電路。
根據本發(fā)明，提供用于控制接收機部分3中的切換設備14的一種控制設備22，并因此根據在發(fā)射機部分2處表示反射系數(shù)的一個測量，選擇性地連接和斷開接收天線結構13的一些部分，在此，該測量可以是由設備10測量的一個電壓駐波比(VSWR)。同樣地，反射功率可以被測量?？墒?，以下本說明將只是指VSWR即使應該理解其他反射測量也被使用。
通過切換設備14，可輕易地控制天線結構13一些部分的連接和斷開。通過重新裝配被連接到傳輸線路16的天線結構13，諸如接收機天線設備15的諧振頻率、輸入阻抗、帶寬、輻射模式、增益、極化和近場模式之類的輻射相關參數(shù)可以被改變。
VSWR最好通過以規(guī)則的時間間隔或連續(xù)地抽樣來在使用期間被反復地測量。
控制設備22可以被安排用于控制切換設備14根據在無線電通信設備中的天線模塊1的使用期間反復接收的測量VSWR來切換狀態(tài)，使得動態(tài)地讓天線設備1在該無線電通信設備的鄰近環(huán)境中適應物體，比如用戶他自己。因此，天線模塊的接收機部分3的性能可以在使用期間被不斷地最佳化。
控制設備22優(yōu)選地包括一個帶有存儲器24的中央處理器(CPU)23，存儲器24經連接25、26被連接到測量設備10并且經線路27被連接到切換設備14。CPU23優(yōu)選地裝備有一個適當?shù)目刂扑惴ú⑶掖鎯ζ?4被用于存儲切換的各種天線結構數(shù)據。切換設備14優(yōu)選地包括一個微型機電系統(tǒng)(MEMS)交換設備。
CPU23因此通過線路25、26接收來自VSWR測量設備10中的測量VSWR值并且處理每一個接收的VSWR值。如果它發(fā)現(xiàn)它相配(根據任何已實現(xiàn)的控制算法)，則它經線路27發(fā)送切換指令信號給切換設備14。
最好，發(fā)射機部分2的天線結構12也可在多個(至少兩個)天線結構狀態(tài)之間切換，其每一個通過諸如諧振頻率、阻抗、輻射模式、極化和帶寬之類的一組輻射相關參數(shù)來區(qū)分，并且切換設備11被安排用于根據經控制線28從控制設備22中發(fā)送的控制信號來選擇性地切換所述天線結構。
此外，天線模塊1包括一個用于經線路29a在CPU23和無線電通信設備的電路之間發(fā)信號的控制端口29。因此，功率放大器8、低噪聲放大器17以及合并器18可以分別地經線路30、31和32而被控制。在圖1中，最后，參考數(shù)字33表示排列在發(fā)射機部分2中的并行串行變換器，用于把并行信號線25、28、30變換成為一個串行線路26。這用于減少在發(fā)射機部分2和接收機部分3之間的線路數(shù)量以及因此的連接數(shù)量。
作為選擇，CPU23、存儲器24和控制端口29可以位于發(fā)射機部分2中并因此并行串行變換器33被安排在接收機部分3中以便獲得同一目的。
如圖1中說明的天線模塊1只有數(shù)字端口(輸入4、輸出21和控制端口29)并因此，它可以被稱為一個數(shù)字控制的天線(DCA)。
然而，應該理解，根據本發(fā)明的天線模塊未必是必須包含A/D和D/A變換器、變頻器或放大器。在任何一種情況中，天線模塊顯然將具有模擬輸入和輸出端口。操作環(huán)境接下來，將描述可能影響根據本發(fā)明的天線設備或模塊性能的各種操作環(huán)境。
諸如小尺寸無線通信設備的諧振頻率、輸入阻抗、帶寬、輻射模式、極化、近場模式之類的天線參數(shù)被該設備附近的物體所影響。在這兒，在附近是指這樣一個距離在該距離內對天線參數(shù)的影響是值得注意的。此距離概略地擴展為離該設備大約一個波長。
諸如移動電話之類的一個小尺寸無線通信設備，可被用于許多不同的鄰近環(huán)境中。
它例如可以是作為一個電話被緊握在耳部，它可以被放進口袋中，它可以被附在腰部的帶子上，或者它可以被手持。另外，它可以被放置在一個金屬桌子上。許多許多的操作環(huán)境可以被列舉。對于所有環(huán)境所共同的是在該設備附近可能有物體，從而影響該設備的天線參數(shù)。在該設備附近有各種物體的環(huán)境對天線參數(shù)有不同的影響。
在下列將明確討論兩個特定的操作參數(shù)。
通過把無線電通信設備定位在真空空間中可獲得自由空間(FS)操作環(huán)境，即，在該設備的附近沒有物體。該設備周圍的空中在這兒被認為是自由空間。許多操作環(huán)境可以被近似為自由空間環(huán)境。通常，如果該環(huán)境對天線參數(shù)有很少的影響，則它可以被稱為自由空間。
通話位置(TP)操作環(huán)境被定義為這樣一個位置在該位置中，該無線電通信設備被用戶緊握在耳部。對天線參數(shù)的影響變化取決于把持該設備的人，更精確地說是取決于該設備如何定位。在這里，TP環(huán)境被認為是一個一般情況，即，包括在上面提及的所有個體變化。諧振頻率(圖2)接下來，將更詳細地描述按照本發(fā)明可以被控制的各種輻射相關參數(shù)，諸如諧振頻率、輸入阻抗和輻射模式之類的。
用于無線的無線電通信設備的天線經受由于用戶的存在所引起的失調。對于許多天線類型，與當設備位于自由空間中時相比，當用戶存在時諧振頻率可能下降一些百分比。
在自由空間和通話位置之間的自適應調諧大體上能夠減少這個問題。
調諧天線的一種直接的方式是改變它的電長度，并從而改變諧振頻率。電長度越長，則諧振頻率越低。如果電長度的改變足夠大的話，則這也是產生頻帶切換的最直接的方式。
在圖2中示出了一種和包括多個切換37-49的切換設備36一起被排列的類似迂回(meander-like)的天線結構35。天線結構35可以被看作多個對準并各個可連接的天線元件50-54，它在連接狀態(tài)中通過切換設備36被連接到饋送點55。饋送點55還被連接到無線電通信設備的接收機電路(未示出)的一個低噪聲放大器上，并因此天線結構35操作為接收天線。低噪聲放大器可替代地可以與天線結構35和切換設備36一起位于天線模塊中。作為選擇，饋送點55被連接到用于接收RF信號的無線電通信發(fā)射機的功率放大器上，并且天線結構35因此操作為發(fā)射天線。
一種典型的操作示例如下。假定切換37和46-49被關閉而剩余切換被打開并且當這樣一種天線結構狀態(tài)被安排在位于空閑空間中的手持便攜式電話中時它適合于最佳性能。當這部電話被移動到通話位置時，用戶的影響降低了諧振頻率并且因此，為了補償用戶的存在，切換49被打開，因此連接天線結構的電長度被減小并且相應地諧振頻率被增加。此增加將利用天線結構35和切換設備36的一種適當設計來補償當電話從自由空間移動到通話位置時所引入的降低。
同一天線結構35和切換設備36也可以被用于在諸如GSM900和GSM1800之類的兩個不同頻帶之間切換。
例如，如果將包括連接到饋送點55的天線元件50-53(切換37和46-48關閉而剩余切換打開)的天線元件50-53的一種天線結構狀態(tài)，用于適合GSM900頻帶，則通過簡單地打開切換47可切換到GSM1800頻帶，因此，目前連接的天線結構(元件50和51)的電長度被減少到大約早先長度的一半，這意味著諧振頻率大約被加倍，這將適合于GSM1800頻帶。阻抗(圖3)代替調諧一個失調天線，人們能夠完成自適應阻抗匹配，它包括讓諧振頻率稍微偏移并且通過匹配來補償此失調。
一個天線結構可以在不同的位置處具有饋送點。每個位置具有一個在E和H場之間不同的比值，這導致不同的輸入阻抗。倘若饋送點切換對天線結構的剩余部分很少有影響，則通過切換饋送點可以利用這種現(xiàn)象。當天線體驗由于用戶(或其它物體)的出現(xiàn)所引起的失調時，天線通過例如改變天線結構的饋送點可以與饋線阻抗匹配。按照一種類似的方式，RF接地點可以被改變。
在圖3中示意性地示出了天線結構61的這樣一種實現(xiàn)的示例，其能夠在彼此相隔的若干不同點處被選擇性地RF接地。天線結構61在本說明情況中是一種安裝在無線電通信設備的PCB62上的平面反向的F天線(PIFA)。天線61具有一條饋線63和N條不同的空出的RF接地64。通過從一個RF接地切換到另外一個，阻抗稍微被改變。
而且，切進/切出無源天線元件可以產生一個阻抗匹配，因為從無源天線元件到有源天線元件的相互耦合產生一個相互的阻抗，它加到有源天線元件的輸入阻抗上。
FS和TP之外的其它典型使用位置能夠被定義，比如腰部位置、口袋位置和鋼桌上。每個情況可以有一個典型的調諧/匹配，以使只有有限數(shù)量的點需要被切換通過。如果天線元件的失調的外部極限能夠被找到，則需要被天線設備覆蓋的自適應調諧/匹配的范圍能夠被估計。
一種實現(xiàn)是定義覆蓋調諧/阻抗匹配范圍的若干天線結構狀態(tài)。在每個不同的天線結構狀態(tài)之間可以有相等或不相等的阻抗差值。輻射模式無線終端的輻射模式被它近場區(qū)域中的用戶或其它物體的存在所影響。引入損耗材料不僅改變輻射模式，而且由于吸收，在輻射功率中引入損耗。
如果終端的輻射模式是自適應控制的，則此問題可以被減小。輻射模式(近場)可以被大概引導為偏離引入損耗的物體，這將減小總損耗。
輻射模式中的一個改變需要產生要被改變的電磁輻射的電流。通常，對于一個小的設備(例如，一個手持便攜式電話)，需要在天線結構中相當大的改變來產生改變的電流 特別是對于較低頻帶。然而，可通過切換到產生不同輻射模式的另一種天線類型或者切換到無線電通信設備的PCB另一位置/側的另一天線結構來執(zhí)行之。
另一種方式可以是從與無線電通信設備的PCB極度相互作用的天線結構(例如鞭狀或微帶天線)切換到不那么做的另一種天線(例如環(huán)形天線)。這將極大地改變輻射的電流，因為與PCB的相互作用對PCB(該PCB被使用作為主要的輻射結構)引入大電流。
注意，在設備的近場區(qū)域中的物體將改變天線輸入阻抗。因此，VSWR可能是有小損耗的時刻的一個優(yōu)良指示符。自由空間的VSWR相比，VSWR中的小變化意味著由于附近物體所引起的小損耗。
上面的討論涉及天線近場和來自近場中的物體中的損耗。可是，在一般情況下，人們能夠在一個產生優(yōu)良信號情形的有利方向上引導一個遠場模式中的主波束。
按照一種類似的方式，極化能夠被改變以便改善信號情形。算法(圖4-6)測量的VSWR在控制切換狀態(tài)的某些種類的算法中被處理。所有描述的算法都是試差(trial-and-error)類型，因為沒有關于新狀態(tài)的信息直到它已經被達到為止。
在下面，參考圖4-6，描述用于控制天線的某些算法示例。
簡單的算法可能是一種切換和固定算法，如圖4的流程圖所示。在這里，在預定義狀態(tài)i＝1，...，N(例如N＝2，一種狀態(tài)對于FS是最佳化而另外一種狀態(tài)對于TP是最佳化)之間執(zhí)行切換。一個狀態(tài)i＝1最初被選擇，隨后，在步驟65，VSWR被測量。測量的VSWR然后在步驟66中與預定義極限(門限值)相比較。如果這個門限值沒有被超過，則該算法返回到步驟65，而如果它被超過，則執(zhí)行一個對新狀態(tài)i＝i+1的切換。如果i+1超過N，則執(zhí)行切換到狀態(tài)1。經過這個步驟之后，該算法返回到步驟65。這里可以有一個時間延遲以便防止按照一種太快的時間刻度來切換。
使用這樣一種算法，每個狀態(tài)1，...，N被使用直到被檢測的VSWR超過預定義極限為止。當這發(fā)生時，該算法執(zhí)行步驟通過預定義狀態(tài)直到達到一個具有低于門限值的VSWR的狀態(tài)時為止。發(fā)射機和接收機天線結構兩者都可以同時被切換?？梢远x任意數(shù)目的狀態(tài)，使得在多種狀態(tài)之間執(zhí)行切換。
另一示例是一種更高級的切換和固定算法，如圖5的流程圖所示。用與早先算法相同的方式，N種狀態(tài)被預定義，并且一個狀態(tài)i＝1最初被選擇，隨后，在步驟68，VSWR被測量，并且在步驟69中，與門限值相比較。如果門限值沒有被超過，則該算法返回到步驟68，但是如果它被超過，則接著是步驟69，其中，所有的狀態(tài)都被切換過并且對于每一狀態(tài)測量VSWR。所有的VSWR被比較并且具有最小VSWR的狀態(tài)被選擇。
步驟70看上去可能像對于i＝1∶N切換到狀態(tài)1測量VSWR(i)存儲VSWR(i)切換到最小VSWR的狀態(tài)最后，該算法返回到步驟68。注意，這種算法可能需要相當快的切換和VSWR測量，因為所有的狀態(tài)必須在步驟70被切換過。
另外一種替換算法特別適合于有多種預定義天線結構狀態(tài)，它可以被排列以使兩個相鄰的狀態(tài)具有只有些許偏差的輻射性質。在圖6中，表示了這樣一種另外算法的流程圖。
N種狀態(tài)被預定義，并且最初一個狀態(tài)i＝1被選擇，一個參數(shù)VSWRold被設置為零，而一個變量＂change＂被設置為+1。在第一步71中VSWRi(狀態(tài)i的VSWR)被測量并儲存，隨后在步驟72中，VSWRi與VSWRold相比較。如果，一方面，VSWRi＜VSWRold，則接著是一個步驟73，其中，＂change＂被設置為+change(這個步驟i實際上沒有必要)。接著是步驟74和75，其中，分別地，VSWRold被設置來呈現(xiàn)VSWR，即，VSWRi，并且天線結構狀態(tài)被改變?yōu)閕+＂change＂，即，i＝i+change。然后，該算法返回到步驟71。如果，另一方面，VSWRi＞VSWRold，則接著是步驟76，其中，變量＂change＂被設置為-change。接下來，該算法繼續(xù)到步驟74和75。注意在這種情況下，該算法改變＂方向＂。
很重要的是當在每一循環(huán)中切換狀態(tài)被改變時，使用一個時間延遲以便只有在特定的時間步長處運行循環(huán)(分別地，71，72，73，74，75，71和71，72，76，74，75，71)。在72處，當前狀態(tài)(VSWRi)與早先一個狀態(tài)(VSWRold)相比較。如果VSWR比早先狀態(tài)好，則在同一＂方向＂中的還一個狀態(tài)變化被執(zhí)行。當達到一個最優(yōu)值時，所使用的天線結構狀態(tài)通常將在每個時間步長處的兩個相鄰狀態(tài)之間來回擺動。當分別達到端狀態(tài)1和N時，該算法可以不進一步分別繼續(xù)切換到狀態(tài)N和1，而是優(yōu)選地固定在端狀態(tài)處直到它分別切換到狀態(tài)2和N-1。
該算法假定在兩個相鄰狀態(tài)之間相對小的差值，并且該天線結構狀態(tài)被排列以使每個狀態(tài)之間的變化率大概相等。這是指在每個狀態(tài)之間有一個類似數(shù)值變化例如在諧振頻率中。例如，在PIFA天線結構的饋送和RF接地之間間距中的小變化將完全適合這種算法，參見圖3。
在所描述的所有算法中，可能只有在適合無線電通信設備操作的特定時間間隔中必需執(zhí)行切換。
作為另外一個替換選項(在圖中未示出)，圖1的控制設備22可以支持一個帶有絕對或相對電壓駐波比(VSWR)范圍的查詢表，其每一個都與各自的天線結構狀態(tài)相關。這樣一種提供將允許控制設備22查閱該查詢表用于尋找給出測量VSWR值的一個適當?shù)奶炀€結構狀態(tài)，并且用于把切換設備14調整到該適當?shù)奶炀€結構狀態(tài)。
應該理解，所描述的所有算法可應用來控制任何接收和發(fā)射天線結構的切換。另外的天線結構(圖7a-f)接下來，參考圖7a-f，將簡要地描述作為根據本發(fā)明的天線模塊1的一部分的用于選擇性地連接和斷開接收天線結構的接收天線結構和切換設備的各種配置示例。
首先參考圖7a，它示出了排列在切換設備或元件81周圍的一個天線結構模型。該天線結構包括接收天線元件，在這里是以四個環(huán)狀天線元件82的形式。在每一環(huán)狀天線元件82內形成一個環(huán)狀無源天線元件83。
切換單元81包括被排列來用于連接和斷開天線元件82和83的電可控的切換(未示出)之矩陣。這些切換可以是PIN二極管切換，或者GaAs場效應晶體管，F(xiàn)ET，但是最好是微型機電系統(tǒng)(MEMS)切換。
通過切換單元35，環(huán)狀天線元件可以互相并聯(lián)或串聯(lián)連接，或者某些元件可以被串聯(lián)連接而某些被并聯(lián)連接。另外，一個或多個元件可以被完全地切斷或者連接到RF接地(未示出)。
接下來，參考圖7b，它示出了一個替換天線結構。它包括圖7a的所有天線元件并且另外在環(huán)狀天線元件82，83的每一對之間包括一個迂回形狀的天線元件84。一個或多個這種迂回形狀的天線元件84可以分別地或者按照與環(huán)形天線元件的任何組合形式來被使用。
在圖7c-e中，示出了包括分別連接到切換設備81上的兩個隙縫天線元件85、兩個迂回形狀天線元件87和兩個微帶天線89在內的天線結構。每一天線元件85，87，89可以在替換的空出饋送連接86，88，90處被饋送。
最后，圖7f示出了一種天線結構，包括連接到切換設備81上的一個鞭狀天線和/或螺旋型天線91以及一個迂回形狀天線元件92。
上述的天線設備是天線概念的一部分，它在我們如下的共同懸而未決的瑞典專利申請被進一步詳細說明和詳解＂An antenna devicefor transmitting and/or receiving RF waves＂(一種用于發(fā)射和/或接收RF波的天線設備)、＂Antenna device and method fortransmitting and receiving radio waves＂(用于發(fā)射和接收無線電波的天線設備和方法)以及＂Antenna device for transmittingand/or receiving radio frequency waves and method relatedthereto＂(用于發(fā)射和/或接收射頻波的天線設備及其相關方法)，所有這些都是與本申請完全相同的日期申請的，因此將它們結合在此供參考。
很明顯，本發(fā)明在多個方式中可以不同。這種變化不被認為是偏離本發(fā)明的范圍。所有此類修改對本領域的技術人員來說很明顯是意指被包括在所附權利要求的范圍之內。
權利要求
1.一種用于發(fā)射和接收無線電波的天線設備(1)，可連接到一個無線電通信設備上，并且包括-發(fā)射機(2)和接收機(3)部分，所述接收機部分包括-一個可在多個天線結構狀態(tài)之間切換的接收天線結構(13，35，61，82-85，87，89，91，92)，其每一個通過諸如諧振頻率、輸入阻抗、帶寬、輻射模式、增益、極化和近場模式之類的一組相關輻射參數(shù)來區(qū)分，和-一個切換設備(14，36，81)，在所述多個天線結構狀態(tài)之間選擇性地切換所述天線結構，其特征在于-接收裝置，用于接收在發(fā)射機部分(2)中測量的表示反射系數(shù)的第一測量，和-一個控制設備(22)，根據表示反射系數(shù)的所述第一接收測量，用于控制所述接收機部分的切換設備(14，36，81)和因此在所述多個天線結構狀態(tài)之間天線結構(13，35，61，82-85，87，89，91，92)的選擇性切換。
2.如權利要求1所述的天線設備，其特征在于所述接收裝置被安排用于反復地接收表示反射系數(shù)的第一測量。
3.如權利要求2所述的天線設備，其特征在于所述控制設備(22)，在無線電通信設備中的所述天線設備的使用期間，被安排用于根據所述反復接收的表示反射系數(shù)的第一測量來控制所述切換設備(14，36，81)在所述多個天線結構狀態(tài)之間切換，使得所述天線設備動態(tài)地適應所述無線電通信設備附近地區(qū)中的任意物體。
4.如權利要求1-3任何一個所述的天線設備，其特征在于所述多個天線結構狀態(tài)的每一個適合于所述無線電通信設備中的天線設備(1)在各個預定義操作環(huán)境中的使用。
5.如權利要求4所述的天線設備，其特征在于所述多個天線結構狀態(tài)的第一天線結構狀態(tài)適用于所述無線電通信設備中的天線設備(1)在自由空間中的使用，而所述多個天線結構狀態(tài)的第二天線結構狀態(tài)適用于所述無線電通信設備中的天線設備在通話位置中的使用。
6.如權利要求5所述的天線設備，其特征在于所述多個天線結構狀態(tài)的第三天線結構狀態(tài)適用于無線電通信設備中的天線設備在腰部位置中的使用。
7.如權利要求6所述的天線設備，其特征在于所述多個天線結構狀態(tài)的第四天線結構狀態(tài)適用于無線電通信設備中的天線設備在口袋位置中的使用。
8.如權利要求1-7任何一個所述的天線設備，其特征在于它被安排用于根據表示反射系數(shù)的所述第一接收測量來切換頻帶。
9.如權利要求1-8任何一個所述的天線設備，其特征在于它被安排用于根據表示反射系數(shù)的所述第一接收測量使接收分集功能連接和斷開。
10.如權利要求1-9任何一個所述的天線設備，其特征在于所述發(fā)射機部分(2)還包括-一個可在多個發(fā)射天線結構狀態(tài)之間切換的發(fā)射天線結構(12)，其每一個通過諸如諧振頻率、阻抗、輻射模式、極化和帶寬之類的一組相關輻射參數(shù)來區(qū)分，和-一個發(fā)射機切換設備(11)，用于在所述多個發(fā)射天線結構狀態(tài)之間選擇性地切換所述發(fā)射天線結構，其中，-控制設備(22)被安排用于根據表示反射系數(shù)的所述第一接收測量來控制所述發(fā)射機部分的所述發(fā)射機切換設備，和因此在所述多個天線結構狀態(tài)之間發(fā)射天線結構的選擇性地切換。
11.如權利要求1-10任何一個所述的天線設備，其特征在于所述控制設備(22)被安排用于根據表示反射系數(shù)的所述第一接收測量超過(66，69，72)一個門限值來控制所述接收機部分(3)的至少切換設備(14，36，81)以便在所述多個天線結構狀態(tài)之間選擇性地切換(67，70，75)接收天線結構(13，35，61，82-85，87，89，91，92)。
12.如權利要求1-10任何一個所述的天線設備，其特征在于-所述控制設備(22)被安排用于控制所述接收機部分(3)的至少切換設備(14，36，81)選擇性地切換接收天線結構(13，35，61，82-85，87，89，91，92)通過所述多個天線結構狀態(tài)，-所述接收裝置被安排用于接收每個天線結構狀態(tài)各自的表示反射系數(shù)的測量，和-所述控制設備(22)還被安排用于根據表示反射系數(shù)的所述第一接收測量超過(69)一個門限值來控制所述接收機部分的切換設備來把所述接收天線結構選擇性地切換到具有表示反射系數(shù)的最小測量的天線結構狀態(tài)。
13.如權利要求1-10任何一個所述的天線設備，其特征在于控制設備(22)被安排用于把表示反射系數(shù)的所述第一接收測量與表示反射系數(shù)的先前一個接收測量進行比較(72)，以及用于根據所述比較來控制所述接收機部分的至少切換設備來在所述多個天線結構狀態(tài)之間選擇性地切換(70)所述接收天線結構。
14.如權利要求1-10任何一個所述的天線設備，其特征在于所述控制設備(22)保存一個帶有絕對或相對反射系數(shù)測量范圍的查詢表，其每一個與各自的天線結構狀態(tài)相關，并且所述控制設備被安排來查閱所述查詢表用于控制所述接收機部分的至少切換設備(14，36，81)。
15.如權利要求1-14任何一個所述的天線設備，其特征在于至少所述多個接收天線結構狀態(tài)包括不同數(shù)目的連接接收天線元件(13，50-54，82-85，87，89，91，92)。
16.如權利要求1-15任何一個所述的天線設備，其特征在于至少所述多個接收天線結構狀態(tài)包括不同安排的饋送關系。
17.如權利要求1-16任何一個所述的天線設備，其特征在于至少所述多個接收天線結構狀態(tài)包括不同安排的RF接地(64)。
18.如權利要求1-17任何一個所述的天線設備，其特征在于所述控制設備(22)被安排在所述接收機部分(3)中。
19.如權利要求1-18任何一個所述的天線設備，其特征在于所述控制設備(22)包括一個中央處理器(23)和一個用于存儲天線結構數(shù)據的存儲器(24)。
20.如權利要求1-19任何一個所述的天線設備，其特征在于它包括一個設備(10)，測量反射系數(shù)以及用于把所述反射系數(shù)測量發(fā)送給所述接收裝置。
21.如權利要求1-20任何一個所述的天線設備，其特征在于所述切換設備(14，36，81)包括一個微型機電系統(tǒng)(MEMS)切換設備。
22.如權利要求1-21任何一個所述的天線設備，其特征在于所述天線結構包括一個可切換的天線元件，其具有迂回(84，87，92)、環(huán)狀(82)、縫隙(85)、微帶(89)、鞭狀(91)、螺線形、螺旋狀以及碎片形結構的任何一種。
23.一種可連接到無線電通信設備上的天線設備(1)，包括-發(fā)射機(2)和接收機(3)部分，所述發(fā)射機部分包括-一個輸入(4)，用于接收來自所述無線電通信設備的發(fā)射機電路中的第一RF信號，-一個功率放大器(8)，用于放大所述接收RF信號，和-一個發(fā)射天線元件(12)，用于接收所述放大信號以及用于根據它來輻射RF波，并且所述接收機部分包括-一個可在多個天線結構狀態(tài)之間切換的接收天線結構(13，35，61，82-85，87，89，91，92)，其每一個通過諸如諧振頻率、輸入阻抗、帶寬、輻射模式、增益、極化和近場模式之類的一組相關輻射參數(shù)來區(qū)分，根據它來接收RF波和轉送第二RF信號，-一個切換設備(14，36，81)，用于在所述多個天線結構狀態(tài)之間選擇性地切換所述天線結構，-一個低噪聲放大器(17)，用于放大所述接收的第二信號，和-一個輸出(21)，用于把所述放大的第二信號輸出給所述無線電通信設備的接收機電路，其特征在于-接收裝置，用于接收在發(fā)射機部分中測量的表示反射系數(shù)的一個測量，和-一個控制設備(22)，用于根據表示反射系數(shù)的所述接收的測量來控制所述接收機部分的切換設備，和因此在所述多個天線結構狀態(tài)之間的天線結構的選擇性地切換。
24.一種無線電通信設備，其特征在于它包括一個如權利要求1-23任何一個所述的天線設備(1)。
25.在一個包括發(fā)射機(2)和接收機(3)部分的可連接到無線電通信設備的天線設備(1)中，所述接收機部分包括-一個可在多個天線結構狀態(tài)之間切換的天線結構(13，35，61，82-85，87，89，91，92)，其每一個通過諸如諧振頻率、阻抗、輻射模式、極化和帶寬之類的一組相關輻射參數(shù)來區(qū)分，和-一個切換設備(14，36，81)，在所述多個天線結構狀態(tài)之間選擇性地切換所述天線結構，一種用于發(fā)射和接收無線電波的方法，其特征在于如下步驟-接收一個表示反射系數(shù)的測量，和-根據表示反射系數(shù)的所述接收測量，控制所述接收機部分的切換設備(14，36，81)和因此在所述多個天線結構狀態(tài)之間的天線結構(13，35，61，82-85，87，89，91，92)的選擇性地切換。
26.如權利要求25所述的方法，其特征在于反復地接收一個表示反射系數(shù)的第一測量。
27.如權利要求26所述的方法，其特征在于根據表示反射系數(shù)的所述反復接收的第一測量，在無線電通信設備中所述天線設備的使用期間控制所述切換設備在所述多個天線結構之間切換，使得所述天線設備動態(tài)地適應所述無線電通信設備附近地區(qū)中的物體。
28.如權利要求25-27任何一個所述的方法，其中，所述多個天線結構狀態(tài)的每一個適合于把所述無線電通信設備中的方法(25)使用在各個預定義操作環(huán)境中。
29.如權利要求25-28任何一個所述的方法，其特征在于根據表示反射系數(shù)的所述第一接收測量來切換頻帶。
30.如權利要求25-29任何一個所述的方法，其特征在于根據表示反射系數(shù)的所述第一接收測量來連接或斷開接收分集功能。
31.如權利要求25-30任何一個所述的方法，其特征在于根據表示反射系數(shù)的所述第一接收測量超過(66，69，72)門限值，控制所述接收機部分(3)的所述切換設備(14，36，81)以便在所述多個天線結構狀態(tài)之間選擇性地切換(67，70，75)接收天線結構(13，35，61，82-85，87，89，91，92)。
32.如權利要求25-30任何一個所述的方法，其特征在于根據表示反射系數(shù)的所述第一接收測量超過(69)一個門限值的進一步步驟-控制所述接收機部分(3)的至少切換設備(14，36，81)選擇性地切換接收天線結構(13，35，61，82-85，87，89，91，92)通過所述多個天線結構狀態(tài)，-接收每個天線結構狀態(tài)各自的表示反射系數(shù)的測量，和-控制所述接收機部分的所述切換設備把所述接收天線結構選擇性地切換(70)到具有表示反射系數(shù)的最小測量的天線結構狀態(tài)。
33.如權利要求25-30任何一個所述的方法，其特征在于把表示反射系數(shù)的所述第一接收測量與表示反射系數(shù)的先前接收的一個測量進行比較(72)，并且根據所述比較來控制所述接收機部分的切換設備在所述多個天線結構狀態(tài)之間選擇性地切換(70)所述接收天線結構。
34.如權利要求25-30任何一個所述的天線設備，其特征在于存儲一個帶有絕對或相對反射系數(shù)測量范圍的查詢表，其每一個與各自的天線結構狀態(tài)相關，并且所述控制設備被安排來查閱所述查詢表用于控制所述接收機部分的至少切換設備(254，36，825)。
全文摘要
本發(fā)明包括一種用于發(fā)射和接收無線電波的天線設備(1),可連接到無線電通信設備上,并且包括發(fā)射機(2)和接收機(3)部分。接收機部分包括一個可在多個天線結構狀態(tài)之間切換的接收天線結構(13,35,61,82－85,87,89,91,92),其每一個通過諸如諧振頻率、阻抗、輻射模式、極化和帶寬之類的一組相關輻射參數(shù)來區(qū)分;和一個切換設備(14,36,81),用于在所述多個天線結構狀態(tài)之間選擇性地切換所述天線結構。該天線設備還包括一個接收裝置,用于接收發(fā)射機部分中表示反射系數(shù)的第一測量,和一個控制設備(22),根據表示反射系數(shù)的所述第一接收測量,用于控制所述接收機部分的切換設備,和因此在所述多個天線結構狀態(tài)之間選擇性地切換天線結構。
文檔編號H01Q1/24GK1390372SQ0081522
公開日2003年1月8日 申請日期2000年10月24日 優(yōu)先權日1999年10月29日
發(fā)明者C·布勞恩, O·愛德華松, L·艾里松 申請人:奧根流動電話通訊公司