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1. CN1329781 - Dual antenna system

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[ ZH ]
双天线系统


本发明涉及包括至少两个天线的移动通信装置。
正在产生数目越来越多的用于无线通信的便携式电气装置。不仅 有本发明优选实施例中所述的移动电话,而且还有带有发射和接收EM 信号的无绳电话及膝上型计算机。
每年,新一代便携式电气装置被投放到市场上。
通常,新一代便携式电气装置变得比前一代电气装置更小。随着 装置变得越来越小,装置的手柄和装置中的发射/接收天线之间的距离 减小。于是,虽然用户干扰的问题始终存在,但是现在该问题越来越 突出。
在本发明之前,通常许可便携式通信装置在某些环境下连接质量 较差。例如,如果常规的移动电话位于金属表面上,或者如果手握住 天线,已知这对无线电连接具有损坏效果。本发明的目的是防止或补 偿这种损坏。
当无线通信装置具有外壳,所述装置包括天线装置和与所述天线 装置耦合的信号处理装置,所述天线装置包括具有不同辐射模式的至 少两个天线时,可获得有利的装置。
从而,即使在对发射和接收的要求都较高的环境中使用通信装置, 选择性辐射模式的使用也能够提高通信装置的信号质量。
这样,本发明提供了多天线系统的有效利用,因为不仅对于通信 装置外壳内的不同位置来说,而且对于天线的方向性来说,通信装置 的天线都是互补的。一种天线辐射模式可能适用于某些传输条件,而 另一种天线辐射模式则可能适用于其它传输条件。
如果用户的手遮蔽一个天线,则另一天线可位于手持机的另一端, 从而不会被遮蔽。如果采用的天线是定向天线,则该优点将具有特别 的意义。
本发明的一个重要方面在于信号质量及借助至少两个天线实现的 信号质量调整以对于必须评估并调整发射和接收条件的事实的认识为 基础。
本发明的另一重要优点在于至少两个天线均可用于发射和接收信 号。双功能天线的结果是可评估移动装置的整体性能,并使移动装置 的整体性能适宜于某些接收和发射条件。
应注意的是,根据本发明的移动装置不仅检测用户实际使用例如 手持机时即,在某些类型的主动使用中的不希望状况,而且还检测并 调整有些静态的不希望的被动状况,例如,如果手持机位于具有金属 表面的桌子上,或者被周围环境部分遮蔽,从而阻碍通过主动天线进 行高质量的发射或接收。
在本发明的一个优选实施例中,天线是均在一个以上的频带下工 作的双波段内部插接(patch)天线。在本发明的另一实施例中,一个 天线或两个天线均被实现为外部天线,这里单波段或双波段天线也是 可能的。
在本发明的一个最佳实施例中,所述至少两个天线的方向性彼此 相反。在这些情况下,可获得近乎最佳的,并且节能的发射和接收, 因为实际上可在通信装置周围的所有方向上形成信号发射和接收。
从而,和全方向天线相反,这种互补的辐射方式可以最少的能耗 提供最佳的传输质量,全方向天线必须覆盖移动装置周围的所有空间, 从而在不使用的辐射方向上浪费了能量。
应注意的是从在发射或接收脉冲串之后,可动态地确定接收和发 射质量的意义上来说,可以连续的方式实现本发明。
此外,还应注意的是和致力于快速改变接收方的接收信号状态的 各种技术相反,测量并控制转换的算法相当缓慢,因为要解决的信号 质量是多少有些静态的特征。
术语“不同的辐射模式”暗示天线的辐射场可不同。从而通过全 方向天线与定向插接天线的组合,或者通过具有不同方向的两个定向 插接天线的组合,可获得不同的辐射模式。
如果两个单独的天线在手持机中彼此分隔,则可获得另一种不同 的辐射模式。从而,在天线根据外部本地状况动态辐射的意义上,可 获得辐射方面的差别。提供不同辐射模式的条件可以是,例如天线之 一被完全或部分遮蔽。从而,如果天线彼此分隔开和/或沿不同方向取 向,则在本发明的范围内,可获得两个天线间辐射的动态互变。
图1是根据本发明的移动通信装置的优选实施例。
图2表示了一个定向天线的辐射特性曲线。
图3表示了两个定向天线的辐射特性曲线。
图4表示了根据本发明的移动通信装置的优选实施例的电路图。
图5表示了根据天线的传输质量,选择发射天线的算法的流程图。
图6表示了根据天线的接收质量,选择接收天线的算法的流程图。
图1表示了一种便携式无线电通信装置,它包括具有外壳14,小 键盘12和显示器16的手持机15。
在手持机内,设置有带有必需的电子电路16的印刷电路板(PCB) 3。屏蔽箱7-9保护电子电路。
另外,麦克风(图1中未表示出)由屏蔽箱10保护。
通过屏蔽墙5和6与PCB3电连接的是具有相同工作频率的第一 天线1和第二天线2。同样在手持机内,与PCB电连接的是电池13 和扬声器4。
天线1、2被布置在外壳14内的不同位置,并具有不同的方向性。 以这样的方式彼此分离地布置这两个天线,以致如果一个天线被遮蔽, 则另一个天线基本上不会被遮蔽。例如,如果一个天线被面朝下放置 在金属板上,则另一个天线将指向上方。同样如果一个天线被用户的 手遮蔽,则另一天线将被置于手持机15的另一端,于是很可能不被遮 蔽。
后面将描述用于检测由于接近用户头部或其它障碍物,由用户的 手引起的天线1、2的失调效应的装置。
这样,本发明还包括检测每个天线的连接质量的装置,以及连续 选择提供最佳连接的天线的选择算法。
在本发明的一个优选实施例中,天线是均在一个以上的频带下工 作的双波段天线。
在本发明的另一优选实施例中,一个或两个天线被实现为外部天 线。单波段或双波段天线也是可能的。
图1表示了双定向天线系统的一个优选实施例。可设计带有PIN 二极管的其它更复杂的系统。这些系统的优点之一是有可能把一个天 线/共振器用于两个方向,从而节省空间。
在一个优选实施例中,在大多数方向上,每个天线的天线增益小 于0dB。但是,当把天线系统和为每个定向角选择具有最大增益的天 线的选择算法结合起来时,在大多数方向上,双天线系统将具有大于 0dB的增益。
天线的体积越小,则天线的效率越低,这是手持机的天线设计的 一般规则。于是,如果利用和单一的常规插接天线相同的体积实现两 个天线,则这两个天线的效率都将低于一个常规天线的效率。在双天 线系统中,手持机将连接选择受到的干扰较少的天线,因为能够在天 线之间进行选择,优于只具有一个可能受到干扰的天线的情况。于是, 为了获得更好的性能,在外壳内,双定向天线不需要比单个内部天线 更多的空间。
图2表示了一个定向天线的辐射特性曲线。
图3表示了本发明的一个优选实施例的辐射特性曲线,在该实施 例中,布置了指向方向相反的两个定向天线。图中在水平面中表示了 在一个工作频带下,这两个天线中的每个天线的方向性。
如果天线结构具有一个以上的工作频带,每个频带将具有类似的 双重方向性。
应注意天线彼此互补,因为例如通过切换到另一天线,可消除沿 φ=0°方向的低劣或危险的发射或接收。
图4表示了双天线前端的电路图。
电路的输出级包括可通过天线转接开关58与两个天线59a和59b 耦接的放大器50,电磁耦合器51的选择开关54。电磁耦合器提供两 个独立的输出。一个输出被提供给功率检测器52,TPD,另一输出被 提供给反射功率检测器57,RPD。
此外,电路还包括也可通过天线转接开关58与天线59a和59b耦 接的低噪声放大器56,带通滤波器55和选择开关54。
当选择开关54位于位置54a时,电路处于发射状态,当选择开关 54位于位置54b时,电路处于接收状态。
功率检测器52,TPD连续测量来自于输出级的功率放大器的发射 功率,而功率检测器57连续测量发射给天线59a或59b,并被反射给 耦合器51的信号的功率。
功率检测器可包括二极管检测器。但是,根据本发明的一个优选 实施例,功率检测装置包括一个对数放大器。由于对数放大器可容易 地集成到收发器芯片中,因此优选对数放大器。二极管检测器通常必 须具有外部分立组件。
下面将说明根据本发明的一个实施例的测量发射质量的方法。
在正常的发射条件下,输出级的阻抗将以这样的方式与连接的天 线59a或59b的阻抗匹配,使得在57中测得的反射信号为零,或者接 近于零。
当连接的天线59a或59b被完全或部分遮蔽时,最后所得到的天 线的输入阻抗将改变,将暂时失去天线相对于输出放大器阻抗的阻抗 匹配。不对其进行调整将导致连接的天线59a或59b把部分输入信号 反射回放大器50。
该反射信号将由功率检测器57检测,从而检测出低劣的发射信号 质量。应注意测量发射质量的可能性是非常有益的,因为由于没有各 种现象会干扰测量,发射评估代表实际情况的极佳评估。
尽管如此,应指出的是还可以其它或多或少的便利方式确定发射 信号质量。
可通过动态读取Rxqual值,例如误码率(BER)或帧错误率 (FER),测量接收质量。Rxqual,FER和BER是按照GSM标准确 定的数值。
图5表示了选择哪个天线用作下一发射脉冲串的发射天线的算法 的流程图。在多波段实现中,由该算法独立选择每个波段的发射天线。
可采用两种方法检测天线的辐射特性:发射过程中的一种方法和 接收过程中的一种方法。为了获得最佳性能,两种方法都应被使用。 相应地,可独立地选择接收和发射天线。
在发射过程中,来自于图4的PA模块50的一部分发射功率将从 天线被反射。反射功率的数量取决于天线受到用户干扰的程度。
因此,发射机天线的选择是根据哪个天线正反射较小的功率进行 的。
在常规的前端中,还检测发射能量和反射能量。于是,双天线系 统只会由于天线选择转接开关58的费用而增大生产造价。
天线的选择算法必须被分成两部分,即,选择TX天线的一部分, 选择RX天线的另一部分。在脉冲串对脉冲串(burst to burst)的基 础上进行天线的选择。由于每个天线的带宽很窄,以致只能或者与TX 波段匹配,或者与RX波段匹配,因此算法的这两个部分独立工作。
图5中表示了发射天线的选择算法的流程图。
该算法包括四个反馈回路,其中将根据连接测量的反射功率,修 改确定发射质量的数值CTX。
在发射第一个脉冲串之前,把计数器CTX置零。随后,在发射每 个脉冲串之后,按照反射功率,使该计数器增加某一数值。如果天线 的输入端几乎不反射功率,则CTX只增加较小的数值。如果反射功率 小于1dB,则CTX保持不变。如果较多的功率被反射,则计数器CTX 增加较大的数值。当计数器超过一定限度CTXmax时,选择另一天线, 并把该计数器置零。
该算法确保如果一个天线的辐射性能很好,则将继续使用该天线。 如果一个天线的辐射性能中等,但是另一天线的辐射性能更差,则将 使用两个天线,但是将更多地使用辐射性能较好的那个天线。
该算法确保两个天线都被测试,但是同时还确保手持机不会不必 要地在天线之间来回切换。
图6表示了选择哪个天线用作下一脉冲串的接收天线的算法的流 程图。
该算法以和上面说明的发射天线选择算法相同的原理为基础,但 是在这种情况下,信号质量的评估是以得自于GSM协议的现有参数 为基础。
在接收过程中,每个脉冲串的Rxqual是接收质量的明确标志。于 是,在接收过程中,Rxqual被用作选择提供较佳连接的天线的基础。 Rxqual已在常规的手持机中被用作信道选择的基础。
在上面说明的本发明的实施例中,低质量的接收或发射将导致耦 接天线之间的转换。
根据本发明的一个实施例,应注意出于接收或发射目的,可分别 选择不同的天线。
根据本发明的一个优选实施例,天线1,2之一是定向天线,所述 定向天线是优选天线。这意味着该天线是主天线,而另一天线主要被 用作只有当绝对需要时才选择的低效(fall-back)天线。从而,不必 获得具有相同高质量要求的两个天线,因为主要的,也是最佳的天线 用作最频繁使用的天线。
此外还应注意,由于质量改进的目的涉及长期使用的质量改进, 因此本发明聚焦于有点静态的传输条件,没有考虑短期发射/接收干扰 信号的问题。