專利名稱：非周期陣列天線的制作方法
背景技術(shù)：
各種類型的無線通信系統(tǒng)可以被用來在中央基站(或者接入點(diǎn))和一個(gè)或更多的遠(yuǎn)端或移動(dòng)單元之間提供無線電通信。它們所公有的是基站，基站通常是一個(gè)或更多由計(jì)算機(jī)控制的無線電收發(fā)機(jī)，在語音通信的情況下，收發(fā)機(jī)被互連到諸如公共交換電話網(wǎng)絡(luò)(PSTN)的陸基網(wǎng)絡(luò)，而對(duì)于數(shù)據(jù)通信，則被互連到無線局域網(wǎng)(WLAN)?；景ㄓ糜诎亚跋蜴溌飞漕l信號(hào)發(fā)射到移動(dòng)單元的天線裝置?；咎炀€也負(fù)責(zé)接收從每個(gè)移動(dòng)單元傳送的逆向鏈路射頻信號(hào)。每個(gè)移動(dòng)單元也包含用于接收前向鏈路信號(hào)和傳送逆向鏈路信號(hào)的天線裝置。典型的移動(dòng)單元是數(shù)字蜂窩電話機(jī)或者耦合到個(gè)人計(jì)算機(jī)上的無線調(diào)制解調(diào)器或無線適配器。
在移動(dòng)單元上用于傳送和接收信號(hào)的最常見類型的天線是非定向單極子天線。這種類型的天線由耦合到用戶單元內(nèi)部的收發(fā)機(jī)的單根導(dǎo)線或天線單元構(gòu)成。收發(fā)機(jī)接收要被從用戶單元內(nèi)的電路傳送的逆向鏈路信號(hào)，并以分配給該用戶單元的特定頻率把信號(hào)調(diào)制到天線單元上。由天線單元在特定頻率下接收到的前向鏈路信號(hào)被收發(fā)機(jī)解調(diào)并提供給用戶單元內(nèi)的處理電路。在很多類型的無線蜂窩系統(tǒng)中，多個(gè)移動(dòng)用戶單元可以在相同頻率上傳送和接收信號(hào)，并使用編碼算法在每單元的基礎(chǔ)上檢測(cè)針對(duì)于各個(gè)用戶單元的信令信息。
從單極子天線發(fā)射出的被傳送信號(hào)本質(zhì)上是非定向的。即，信號(hào)在基本水平的平面內(nèi)在所有方向上被以相同的強(qiáng)度發(fā)射。同樣地，用單極子天線單元接收信號(hào)也是非定向的。單極子天線在一個(gè)方向上檢測(cè)信號(hào)的能力相對(duì)于其檢測(cè)來自另一方向的相同或不同信號(hào)的能力并無差別。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)方面涉及便攜式設(shè)備中的波束形成。在說明性實(shí)施例中，能夠傳送或接收射頻(RF)信號(hào)的有源天線單元被置于至少兩個(gè)無源天線單元之間。有源天線最好偏離在兩個(gè)無源天線單元之間所畫出的假想線，以使有源單元不位于無源天線單元的公共平面上。在具體應(yīng)用中，無源和有源天線單元被彼此平行的放置，天線單元形成了三角形天線陣列。更具體地說，有源天線被設(shè)置在頂點(diǎn)的天線陣列所形成的角能提供定向傳輸和360度的水平掃描。天線單元可被設(shè)置形成鈍角。
本發(fā)明的另一方面涉及在便攜式天線裝置中設(shè)置有源和無源天線單元的組合。例如，包括無源和有源天線單元的天線陣列可以被設(shè)置在可折疊、易于存放的鉸鏈連接、彈簧助力的面板中。當(dāng)被打開時(shí)，天線裝置可以形成固定的或可調(diào)的天線陣列。
通常可以調(diào)整至少為兩個(gè)的無源天線單元的設(shè)置以改變由天線陣列所產(chǎn)生的輸入/輸出波束方向圖。更具體地說，天線陣列的至少兩個(gè)無源天線單元的每一個(gè)都能被單獨(dú)地設(shè)為反射或透射模式，以改變對(duì)應(yīng)的無線天線裝置的例如輸入/輸出波束方向圖的方向性和角波束寬度的特性。因此，可以更容易地把蜂窩設(shè)備的輸入/輸出波束方向圖朝著例如基站的特定目標(biāo)接收機(jī)進(jìn)行定向，以便降低信噪干擾水平并增大對(duì)應(yīng)天線裝置的增益。
當(dāng)無源天線單元被設(shè)定為反射模式時(shí)，通常把RF信號(hào)從無源天線反射掉以調(diào)整波瓣圖案。相反，在透射模式時(shí)，每個(gè)無源天線單元允許RF信號(hào)相對(duì)無衰減地通過，并支持RF信號(hào)的方向性，提高了在特定方向上的波束傳輸?；谥辽賰蓚€(gè)無源天線單元的設(shè)置，可以基于例如天線陣列的特定取向來調(diào)整輸入/輸出波束方向圖。
可以基于經(jīng)加權(quán)的控制信號(hào)來調(diào)整該至少兩個(gè)無源天線的特性。即，依據(jù)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)無源天線單元的加權(quán)控制信號(hào)，至少兩個(gè)無源天線單元可以分別更多或更少地反射或透射。因此，天線陣列的輸入/輸出波束可以被選擇性地倍增或控制以便支持在幾乎任意方向上的波束定向?？梢詫?duì)輸入/輸出波束方向圖進(jìn)行掃描以找出用于傳送或接收的最佳設(shè)置。
在一種應(yīng)用中，至少一個(gè)無源天線單元包括兩個(gè)無源天線單元，其中每一個(gè)均可以被選擇性地設(shè)為透射或反射模式。有源天線單元可以被設(shè)置在兩個(gè)無源天線單元之間。
有源天線單元和至少一個(gè)無源天線單元之間彼此間的間隔也可以依據(jù)應(yīng)用改變。例如，依據(jù)工作頻率，至少兩個(gè)無源天線單元可以相對(duì)于彼此和有源天線單元間隔開。在一種應(yīng)用中，無源天線單元被設(shè)置在距有源天線單元大約四分之一波長(zhǎng)處以提高波束定向能力。對(duì)于在某些緊湊便攜式蜂窩設(shè)備中的使用，有源和至少一個(gè)無源天線單元之間的間隔可以是大約3.5和4.5英寸，盡管這樣的間隔小于對(duì)應(yīng)的傳送和接收信號(hào)的載波頻率的四分之一波長(zhǎng)。
本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)。例如，可以采用被設(shè)置形成角度的有源天線單元和至少兩個(gè)無源天線單元的組合來調(diào)整輸入/輸出波束方向圖的定向性、增益和角波束寬度。和線性陣列相反，本發(fā)明的角天線陣列不包括如現(xiàn)有技術(shù)中那樣的分裂或雜散波瓣。包含天線陣列的幾個(gè)元件可以被很容易地裝配到緊湊便攜式蜂窩設(shè)備中。因此，包括根據(jù)本發(fā)明的原理的天線裝置的緊湊蜂窩設(shè)備可以花費(fèi)較少的代價(jià)制造而又提供降低的干擾和衰減的益處，這是僅使用用于傳送和接收RF信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)有源單元所無法取得的。
支持根據(jù)本發(fā)明的原理的波束形成的另一益處是更好地和基站進(jìn)行通信的能力。便攜式設(shè)備的輸出波束的定向性能減少功耗。包括天線陣列的可折疊天線裝置可以被更容易地收起以利運(yùn)輸。
本發(fā)明的天線陣列的另一特征是產(chǎn)生可以在360度上任意定向的高增益方向圖的能力。每個(gè)方向圖可具有大致相等的增益。此外，這樣的天線陣列可以支持非定向模式，集成到膝上型電腦中時(shí)也易于制造。
設(shè)計(jì)概念源于蜂窩無線天線系統(tǒng)對(duì)于基本的靈巧天線的需求。它們涵蓋方位掃描(電學(xué)性質(zhì))、低成本(市場(chǎng)考慮)和易于使用(用戶接口)的能力。假設(shè)天線單元是非定向的，則掃描整個(gè)方位角空間的能力至少需要三個(gè)元件。為了成本最低，三個(gè)元件中的兩個(gè)被做成無源的。為了易于使用，陣列被排列成鈍角三角形，這使得它幾乎是平坦的，便于收藏。
源從連接無源單元的直線的微小偏移提供了形成單向波束的方法。如果沒有偏移，則輻射圖案將會(huì)具有兩個(gè)相同的主波束，各位于陣列的一側(cè)。單向波束可以提供額外3dB的寬面的方向性，以及向著波束后方的增高的干擾抑制。利用此偏移來形成單向波束以覆蓋所有方位角。
本設(shè)計(jì)的重要性是它滿足了蜂窩通信天線的要求的冗長(zhǎng)列表。
1.)寬覆蓋角本陣列掃描360度方位角的能力是高增益寬覆蓋角。此外，本陣列具有非定向模式。
2.)高方向性本陣列具有定向器和反射器，所以它形成了高度定向的單向波束?？紤]到其尺寸，它的大約6dBi的方向性被認(rèn)為較高。
3.)干擾抑制這由圖案具有單個(gè)可操縱主波束和至少一個(gè)零點(diǎn)的事實(shí)達(dá)到滿足。
4.)小尺寸掃描360度的非定向單元陣列所需的最少單元數(shù)量是3個(gè)，所以對(duì)于該鈍角三角形陣列選擇了3個(gè)。
5.)最小的互耦損耗本陣列通過只使用一個(gè)有源單元來使得互耦損耗最小，所以它沒有要耦合到的損耗性端口。陣列中的兩個(gè)無源單元被設(shè)計(jì)成以很低的損耗散射。無源單元的損耗基本上在它連接到的負(fù)載上。所用負(fù)載是理論上無損的元件，例如開關(guān)、電感和電容器。即使在實(shí)際上，這些元件的損耗也很低，所以電氣上很小的陣列中消除了高互耦損耗的問題。
6.)最小的電路損耗信號(hào)發(fā)生源向沒有功率分散電路的單個(gè)有源單元供電，所以源電路損耗處于其最小值。無源單元負(fù)載放在實(shí)際上盡可能靠近端子的低損耗元件，所以無源單元電路損耗也是最小的。
7.)增益損耗被最小化，故陣列是高效率的，并且其增益高于相似尺寸的全有源陣列。
8.)高功率處理能力在全有源陣列中，供電電路中的所有元件(功率分配器，移相器等)必須處理較高的發(fā)射機(jī)功率。在本陣列中，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)有源單元，所以不使用功率分配器。此外，移相器由無源天線單元中的元件來處理。因?yàn)榈竭_(dá)無源單元的功率是通過空間耦合的，所以無源天線單元只處理有源單元的功率的一小部分(通常低于距有源單元0.1波長(zhǎng)處10dB)。所以這些元件可使其額定功率降低相同倍數(shù)。
9.)低成本只使用三個(gè)元件已經(jīng)把成本降到最低。一個(gè)有源單元意味著無需功率分配元件，所以除了天線自身的成本以外沒有用于硬件的成本。無源單元只需要成本較低的低功率開關(guān)和無功負(fù)載。無功負(fù)載可以是印制在構(gòu)成天線的同一電路板上的短傳輸線部分，所以負(fù)載的成本被包括在天線中。剩余的成本是開關(guān)和控制器。開關(guān)和控制器復(fù)雜度是所需波束位置的數(shù)量的函數(shù)。它們的成本和其他系統(tǒng)的成本是等效的。但是，在本陣列中只需要兩個(gè)開關(guān)，這和大多數(shù)其他系統(tǒng)中的超過兩個(gè)不同。
10.)收藏方便陣列可以被很方便地收起為幾乎平坦的鈍角三角形形狀。它也可以被收成完全平坦的。新穎的收藏概念在下面描述，其中，關(guān)閉膝上型電腦的正常操作也將陣列收起。該特征使得陣列方便用戶。
其他各種問題在無線通信系統(tǒng)的移動(dòng)用戶單元上使用的現(xiàn)有技術(shù)天線中也是固有的。通常，具有掃描能力的天線陣列由很多個(gè)位于接地層上方的天線單元構(gòu)成。對(duì)于滿足便攜性要求的用戶單元，在物理上接地層必須比較小。例如，在蜂窩通信應(yīng)用中，接地層通常小于所傳送或接收的信號(hào)的波長(zhǎng)。由于小的接地層和通常為單極子元件的天線單元之間的相互作用，即使波束自身被沿著水平線定向，由陣列所形成的波束的峰值強(qiáng)度也被抬升到水平線以上，例如，大約30度。對(duì)應(yīng)地，沿著水平線的波束的強(qiáng)度比峰值強(qiáng)度低大約3dB。一般來說，用戶單元距離基站較遠(yuǎn)，所以用戶單元和基站之間的入射角大約是零。接地層將不得不遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所傳送/接收的信號(hào)的波長(zhǎng)以便能夠?qū)⒎逯挡ㄊ蛩骄€。例如，在800MHz的蜂窩系統(tǒng)中，接地層的直徑將必須遠(yuǎn)大于14英寸，而在1900MHz下工作的個(gè)人通信服務(wù)(PCS)系統(tǒng)(或者工作在相似頻率下的WLAN)中，接地層直徑將必須遠(yuǎn)大于大約6.5英寸。具有如此之大尺寸的接地層妨礙了將用戶單元用作便攜式設(shè)備。
使用平坦的接地層的現(xiàn)存現(xiàn)有技術(shù)天線的另一個(gè)不利之處是當(dāng)接地層尺寸減小時(shí)，因?yàn)橥獠凯h(huán)境和天線直接耦合，陣列輸入阻抗變得對(duì)環(huán)境高度地敏感，例如，當(dāng)陣列被放在金屬表面或桌面上時(shí)，即，外部環(huán)境變?yōu)樘炀€的一部分。如果將接地層的尺寸增大到足夠的尺寸，該耦合的問題被減到最小。但是，在很多應(yīng)用中，不希望接地層尺寸很大。異形的接地層已經(jīng)被用于將單極子陣列的波束拉向水平線。這些異形接地層具有較大的三維特征。即，人們期望使用不是太大和太笨拙的天線結(jié)構(gòu)將波束向下推向水平線。
本發(fā)明大大地減少了前述現(xiàn)有技術(shù)天線系統(tǒng)所遇到的問題。本發(fā)明提供了便宜的天線陣列，用于和諸如CDMA蜂窩或WLAN通信網(wǎng)絡(luò)的無線“同頻”網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中的移動(dòng)用戶單元一起使用。本發(fā)明使用設(shè)置在接地層上方，但是和接地層電絕緣的至少兩個(gè)無源天線和一個(gè)有源天線，以及位于每個(gè)無源天線下方的對(duì)應(yīng)的諧振帶。無源天線單元和諧振帶圍繞有源天線放置，并且諧振帶耦合到對(duì)應(yīng)的無源單元，以便通過更有效地利用可用的接地層面積來提高天線增益。此外，由于有源單元在接地層的上方，所以天線陣列的敏感度降低了，因?yàn)樘炀€和外部環(huán)境因素之間的耦合被最小化了。
具體來說，耦合的諧振帶和無源單元構(gòu)成了不平衡偶極子天線單元，所以多個(gè)偶極子天線單元和有源天線單元共同形成了復(fù)合的輸入/輸出波束，該波束在位置上可以沿著和接地層基本上平行的地平線定向。此外，至少兩個(gè)無源天線單元中的每一個(gè)都可以被分別設(shè)置為反射或透射模式，以改變天線裝置的輸入/輸出波束方向圖的特性。無源單元可以非周期性地圍繞有源天線單元分布。
在一個(gè)實(shí)施例中，無源單元和耦合的諧振帶可以在印刷電路板的一側(cè)上形成，而有源單元在另一側(cè)。電路板的厚度提供了從直線構(gòu)造的偏移，以提供非周期性結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的實(shí)施例也可以包括一個(gè)或更多的下列特征。接地層可以是柱面的，以使接地層的上側(cè)是柱面的平面端，而接地層的底側(cè)是柱面的相反的平面端。在這種排列中，每個(gè)諧振帶均被置于接地層的各個(gè)狹縫中。每個(gè)狹縫的壁和諧振帶的表面間隔開，并且用非金屬材料填充壁和表面的間隔以使諧振帶的非頂端部分和接地層電絕緣。
在其他的實(shí)施中，接地層由數(shù)量上和多個(gè)諧振帶相等的多個(gè)平板組成。每個(gè)平板具有外緣和內(nèi)緣。諧振帶沿著各個(gè)平板的外緣對(duì)齊，并且平板的內(nèi)緣和在接地層的中心連接在一起，與基本上和諧振帶的軸平行的軸線形成中央接合部。有源單元沿著中央接合部的軸線對(duì)齊。中央接合部是便于把天線裝置折疊到平坦緊湊單元中的鉸鏈。
在某些實(shí)施例中，每個(gè)平板包括第一非金屬襯底和該襯底一側(cè)上的一層第一導(dǎo)電材料。接地層的導(dǎo)電部分和諧振帶由相同的導(dǎo)電材料構(gòu)成。每個(gè)平板可以包括第二非金屬襯底，夾在第一襯底層和第二襯底層之間的第二導(dǎo)電材料，以及第二非金屬襯底一側(cè)上的一層第三導(dǎo)電材料。接地層的導(dǎo)電部分和諧振帶的可以由第一導(dǎo)電材料和第三導(dǎo)電材料構(gòu)成。


根據(jù)下面對(duì)附圖中所示的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的更為具體的描述，本發(fā)明的前述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將很清晰，在附圖中，同樣的參考字符指示貫穿各個(gè)視圖的相同部分。附圖不一定是按比例的，相反，重點(diǎn)在于說明本發(fā)明的原理。
圖1是框圖，是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的天線裝置的局部透視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的耦合到收發(fā)機(jī)的天線裝置的透視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的可折疊或鉸鏈連接的天線裝置的透視圖；圖4是框圖，是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的更詳細(xì)的天線裝置的局部透視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的鉸鏈連接的天線裝置的透視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的用于調(diào)整無源天線單元的特性的選擇性受控阻抗元件的框圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的用于調(diào)整無源天線單元的特性的選擇性受控阻抗元件的框圖；
圖8是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的用于調(diào)整無源天線單元的特性的選擇性受控阻抗元件的框圖；圖9A和圖9B是由線性天線陣列所產(chǎn)生的波瓣圖案的頂視圖；圖10A和圖10B是由根據(jù)本發(fā)明的某些原理的天線裝置產(chǎn)生的定向波束的頂視圖；圖11是由根據(jù)本發(fā)明的某些原理的天線裝置產(chǎn)生的定向波束的頂視圖和側(cè)視圖；圖12是由根據(jù)本發(fā)明的某些原理的天線裝置產(chǎn)生的定向波束的頂視圖和側(cè)視圖；圖13是由根據(jù)本發(fā)明的某些原理的天線裝置產(chǎn)生的定向波束的頂視圖和側(cè)視圖；圖14是由根據(jù)本發(fā)明的某些原理的天線裝置產(chǎn)生的定向波束的頂視圖和側(cè)視圖；圖15A是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的由蜂窩系統(tǒng)中的移動(dòng)用戶單元使用的天線陳列的透視圖；圖15B是圖15A的天線陣列的無源天線單元的全剖視圖；圖16是用于控制圖15A的天線陣列的電子線路的系統(tǒng)級(jí)圖示；圖17A和17B示出了在印刷電路板上實(shí)現(xiàn)的非周期性陣列的另一個(gè)實(shí)施例；
圖18A是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的天線陣列的另一實(shí)施例的透視圖；圖18B是圖18A的天線陣列的無源天線單元的全剖視圖；圖19是折疊到平坦緊湊單元中的圖18A中的天線陣列的視圖；圖20是天線陣列平板的多個(gè)層的另一種結(jié)構(gòu)；圖21是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的帶有非周期性間隔著的無源天線單元的天線陣列的透視圖。
具體實(shí)施例方式
下面是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的說明。
圖1是框圖，是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的天線裝置100的局部透視圖；如圖所示，有源天線單元120被設(shè)置在第一無源天線單元110和第二無源天線單元112之間。如圖所示，有源天線單元120和無源天線單元110及112一般都是平行單極子單元。但是它們被設(shè)置成相對(duì)于彼此不位于同一垂直平面內(nèi)。例如，在有源單元120處具有頂點(diǎn)的角度β由在這些元件的底部之間所畫的線形成。通常，天線單元被設(shè)置成使得角度β是個(gè)鈍角，例如在90度到180度之間，并且接近180度。但是，這個(gè)角度的精確量可以依據(jù)應(yīng)用改變。
還應(yīng)該注意，在天線裝置100中使用的許多的無源天線單元的數(shù)量不一定僅僅是兩個(gè)，并且在圖1中所示的兩個(gè)無源天線單元110和112的圖解僅僅是一種可能的實(shí)施例。通過選擇不同數(shù)量的單元，可以獲得不同的定向輻射圖案。
有源天線單元120和無源天線單元110和112都可以被固定到支撐表面140上。但是，天線裝置100可以被設(shè)計(jì)成使得天線單元的部分或全部是可收起或可調(diào)節(jié)的。例如，天線單元的一部分或全部都可以被自動(dòng)地、手動(dòng)地、電子地或機(jī)械地調(diào)整，以便對(duì)應(yīng)的包括天線裝置100的設(shè)備在不使用時(shí)是緊湊的，但是在打開使用(如圖所示)時(shí)仍可工作。因此，天線單元可以是便攜式的，并在不使用時(shí)免受損壞。
表面140可以是接地層或者其他的導(dǎo)電平面，或者它可以是絕緣表面，諸如向上的桌面或者是安置天線裝置100的塑料殼。
盡管所有的天線單元，即有源天線單元120和無源天線單元110和112被設(shè)置為形成角度β，但是據(jù)此原理的多個(gè)無源單元的實(shí)際定位可以依據(jù)應(yīng)用改變。例如，每個(gè)無源天線單元可以與它最近的鄰居間隔開四分之一個(gè)波長(zhǎng)。這個(gè)間隔能夠提高在有源天線120處的RF信號(hào)的接收和傳輸。在一個(gè)應(yīng)用中，元件間的間隔從大約一英寸直到十英寸。
無源天線單元110和112可以和有源天線單元120間隔大于或小于四分之一個(gè)波長(zhǎng)。例如，在一個(gè)天線工作在蜂窩電話無線電頻率的應(yīng)用中，每個(gè)無源天線單元110和112可以和有源天線單元120間隔4英寸。即使當(dāng)天線單元的間隔大于或小于天線裝置100發(fā)送和接收RF信號(hào)的載波頻率的波長(zhǎng)的四分之一時(shí)，天線裝置100仍能有效地進(jìn)行通信。
有源天線單元120可以是半波偶極子天線，偶極子或其他在所有方向上產(chǎn)生軸向向外的RF(射頻)信號(hào)的非定向天線裝置。應(yīng)該注意，有源天線單元120也可以是定向天線裝置。但是在工作中，依據(jù)如何設(shè)置無源天線單元110、112，由有源天線單元120產(chǎn)生的RF信號(hào)的一部分可以被從無源天線單元110、112反射掉。
通常，可以由控制單元150調(diào)整無源天線單元110、112，形成射頻(RF)波束，當(dāng)從上方觀察時(shí)，該波束可以沿任意可能的360度取向。例如，控制單元150能夠選擇性地施加加權(quán)因子來調(diào)整每個(gè)無源天線單元110和112的阻抗，控制它們反射的角度。基于所選的加權(quán)，無源天線單元對(duì)應(yīng)的特性可以被調(diào)整，以使它們反射更多或反射更少。此外，無源天線單元110和112對(duì)應(yīng)的特性可以被調(diào)整，以使它們更多的透射或更少的透射。
無源天線的反射或透射狀態(tài)取決于用于控制無源天線單元110和112的電路。
處理裝置170和RF上行/下行轉(zhuǎn)換器160連接，以便在有源天線單元120上傳送或接收RF信號(hào)。通常，采用技術(shù)手段來確定用于在天線裝置100上把例如編碼數(shù)字分組的信號(hào)發(fā)送和接收到無線通信系統(tǒng)中的目標(biāo)設(shè)備去的最佳方向和角波束寬度，無線通信系統(tǒng)以蜂窩語音或數(shù)據(jù)系統(tǒng)或局域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)為例?；谒柙O(shè)置，處理裝置170和控制單元150連接，控制單元150反過來選擇性地調(diào)整無源天線單元110和112的特性。因此，和收發(fā)機(jī)裝置650連接的個(gè)人計(jì)算機(jī)裝置305能夠在天線裝置上傳送和接收數(shù)據(jù)信息。
如所討論的那樣，天線裝置100的輸入/輸出波束方向圖依據(jù)如何設(shè)置無源天線單元110和112改變。例如，當(dāng)任一無源天線單元被設(shè)為反射模式時(shí)，朝著對(duì)應(yīng)的無源天線單元定向的入射RF信號(hào)被散射或在相反方向上反射。反之，當(dāng)對(duì)應(yīng)的無源天線單元被設(shè)為透射模式時(shí)，RF信號(hào)通過無源天線單元110和112被傳送。因此輸入/輸出波束方向圖的特性可以被動(dòng)態(tài)地調(diào)整，更好地接收或傳送RF信號(hào)。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的某些原理，可以被設(shè)置在鉸鏈連接的面板中的天線裝置的透視圖。如圖所示，第一面板215通過鉸鏈225連接到第二面板218。鉸鏈225可以是彈簧助力的，以使天線裝置235在被放到平面上時(shí)(原文可能寫錯(cuò)為225)打開形成角度β。通常，可以像書本那樣打開和關(guān)閉天線裝置。
有源天線單元235可以被沿著鉸鏈225的軸線安置，而無源天線單元110和112被分別設(shè)置在第一面板215和第二面板218的向外展開的部分。天線裝置235可以通過有線電纜146和收發(fā)機(jī)裝置650耦合。
在一個(gè)實(shí)施中，鉸鏈225包括機(jī)械制動(dòng)以使第一面板215和第二面板218被打開時(shí)形成角度β。另外，面板也可以由用戶調(diào)整到多個(gè)角度之一。通常，面板215和218也可以由便于緊湊存儲(chǔ)的可折起或卷起的柔性塑料薄膜代替。在某些應(yīng)用中，僅需要打開框架天線裝置100即使有源和無源天線平行并形成所示的角度β。
圖3展示的是可以把天線裝置235放平以裝配進(jìn)手提包310的實(shí)施例的透視圖。此外，天線裝置235可以足夠小以裝入便攜式計(jì)算機(jī)305的內(nèi)表面。
本發(fā)明的一個(gè)方面涉及把用戶從不得不花費(fèi)精力把天線裝置235展開或收藏起來解放出來，而不是通常所要求的打開和關(guān)閉手提包。
在一個(gè)應(yīng)用中，天線裝置235支持2GHz的RF通信。在這樣的應(yīng)用中，在非壓縮或打開位置，面板215和218的尺寸可以是在2.9”×1.7”×0.2”的量級(jí)。當(dāng)天線裝置235如此小時(shí)，它可以被保存在膝上型計(jì)算機(jī)305的內(nèi)部。例如，可以取定天線裝置235的尺寸為裝入膝上型計(jì)算機(jī)305的屏幕和鍵盤手扶部分之間。
由于有源天線單元120和無源天線單元110和112所形成的陣列通常形成直線，該陣列的端射性能和類似的線性陣列的性能不同。天線裝置235可以在非定向模式下工作。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的天線裝置100和對(duì)應(yīng)的電子線路的更詳細(xì)的視圖。
如所述的那樣，無源天線單元110及112被選擇性地工作在兩種模式之一反射模式和透射模式。處理器170和控制單元150可以提供該控制信號(hào)。
每個(gè)無源天線單元110及112均可以被調(diào)整到不同的阻抗。在反射模式中，通過感性地耦合到地，無源天線單元110及112被等效地加長(zhǎng)。反之，在透射模式中，通過容性地耦合到地，無源天線單元110及112被等效地縮短。因此，通過了解哪個(gè)無源天線單元處于反射模式，哪個(gè)處于透射模式，能夠確定由天線裝置100掌控的波束的方向。通常，輸入/輸出波束方向圖的方向擴(kuò)展到/自有源天線單元120，投影在透射模式中通過無源天線單元，在反射模式中偏移無源天線單元。
在這個(gè)實(shí)施例中，天線裝置100包括底平面140，其上可以固定兩個(gè)無源天線單元110和112以及有源天線單元120。底平面140可以包括可調(diào)節(jié)阻抗元件。圖5示出了本發(fā)明的鉸鏈情形的實(shí)施例，其中固定了無源天線單元110和112以及有源天線單元120。
繼續(xù)參考圖4，根據(jù)天線裝置100的工作，與對(duì)應(yīng)的無源天線單元相關(guān)聯(lián)的可選阻抗元件601和602可以是可獨(dú)立可調(diào)的，以影響要被傳送到或接收自收發(fā)機(jī)裝置650的信號(hào)的方向性。通過利用有源天線單元120在信號(hào)傳送過程中針對(duì)每個(gè)無源天線單元適當(dāng)?shù)卣{(diào)整相位，形成了在位置上可以朝著目標(biāo)定向的復(fù)合波束。即，最佳的相位設(shè)置是使得裝置100是針對(duì)反向輻射RF能量的每個(gè)無源天線單元110和112，幫助生成定向逆向鏈路信號(hào)的相位設(shè)置。結(jié)果是將更強(qiáng)的逆向鏈路信號(hào)定向到預(yù)定接收機(jī)基站方向上的天線裝置100、235。
用于反向輻射傳輸信號(hào)的RF能量的相位設(shè)置也使得無源天線單元110和112允許有源天線單元120最優(yōu)地接收從基站傳送來的前向鏈路信號(hào)。由于每個(gè)無源天線單元可編程的本質(zhì)和獨(dú)立的相位設(shè)置，在有源天線120處只接收到從或多或少地位于基站位置的方向抵達(dá)的前向鏈路信號(hào)。無源天線單元110及112在本質(zhì)上抑制不是像前向鏈路信號(hào)那樣從類似位置上傳送來的其他信號(hào)。換言之，通過獨(dú)立地調(diào)整每個(gè)無源天線單元的相位形成了定向天線波束。這種隔離的形式能降低多個(gè)共享有限的無線帶寬的用戶之間的干擾。多路徑衰減也能被降低。
可調(diào)阻抗元件以和分別利用和該特定可選阻抗元件相關(guān)聯(lián)的阻抗設(shè)置反向輻射RF能量兼容的方式移動(dòng)逆向鏈路信號(hào)的相位，該阻抗設(shè)置如同阻抗控制輸入630所設(shè)置的那樣。在一個(gè)實(shí)施例中，在和無源天線單元的數(shù)量2和每個(gè)可選阻抗元件601和602的阻抗?fàn)顟B(tài)數(shù)減1相乘相等的很多條線上提供阻抗控制輸入730。例如，如果可選阻抗元件601和602具有兩個(gè)狀態(tài)，則有兩條線。另外，可以采用狀態(tài)的串行編碼方法來減少控制線的數(shù)量。設(shè)置在底平面140或面板215、218上的解碼電路可以被用來解碼控制命令。
通過移動(dòng)來自每個(gè)無源單元110和112的被傳送信號(hào)的反向輻射RF能量的相位，被傳送信號(hào)的某些部分將和被傳送信號(hào)的其他部分更加同相。在這種方式下，信號(hào)彼此更加同相的部分將組合形成更強(qiáng)的復(fù)合波束。通過使用可選阻抗元件601和602，分別給每個(gè)天線單元110和112所提供的相移量確定了更強(qiáng)的復(fù)合波束將要被傳送的方向，如上面按照反射和透射所描述的那樣。
如上面所指出的那樣，由可選阻抗元件601和602所提供的反向輻射來自每個(gè)無源天線單元110和112的RF能量的相位設(shè)置對(duì)從基站或其他的傳送設(shè)備接收的前向鏈路頻率信號(hào)具有類似的物理作用。即，當(dāng)每個(gè)無源天線單元110和112反向輻射RF能量時(shí)，由于每個(gè)無源天線單元110和112在底平面140上的位置，各自接收的信號(hào)最初彼此是不同相的。可選阻抗元件601和602對(duì)每個(gè)接收到的信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整。調(diào)整使得每個(gè)信號(hào)和其他的被反向輻射的信號(hào)同相。因此，當(dāng)每個(gè)信號(hào)被有源天線單元120接收時(shí)，有源天線單元120處的復(fù)合接收信號(hào)在基站的方向上將更準(zhǔn)更強(qiáng)。
為了最佳地給天線裝置100中的每個(gè)可選阻抗元件601和602設(shè)置阻抗，可選阻抗元件601和602的控制值由控制單元150(圖1)提供。通常，在優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)收發(fā)機(jī)裝置650既不通過天線裝置100傳送數(shù)據(jù)也不通過它接收數(shù)據(jù)時(shí)，控制單元150在空閑周期確定這些最佳的阻抗設(shè)置。在此期間，諸如前向鏈路引導(dǎo)信號(hào)的預(yù)先確定的被接收信號(hào)被從基站連續(xù)地發(fā)送，并在每個(gè)無源天線單元110和112和有源天線單元120上接收。即，在空閑周期期間，調(diào)整可選阻抗元件，例如通過使被接收信號(hào)的能量或其他鏈路品質(zhì)因數(shù)最大，來優(yōu)化來自基站的引導(dǎo)信號(hào)的接收。這為特定抵達(dá)角度提供了最佳的阻抗設(shè)置。
這樣，處理器170基于當(dāng)前引導(dǎo)信號(hào)的優(yōu)化接收為每個(gè)無源天線單元110和112確定了最優(yōu)的相位設(shè)置。隨后處理器170為每個(gè)可選阻抗元件601和602提供并設(shè)置最佳阻抗。當(dāng)天線裝置100為了在基站和接收機(jī)裝置650之間傳送或接收信號(hào)而進(jìn)入有源模式時(shí)，可選阻抗元件601和602的阻抗設(shè)置仍像在先前的空閑時(shí)間周期期間設(shè)置的那樣。
在給出處理器170所進(jìn)行的相位(即阻抗)設(shè)置計(jì)算的詳細(xì)描述之前，應(yīng)該再次理解，本發(fā)明的原理是部分基于基站的位置相對(duì)于任一便攜式或移動(dòng)用戶單元(即收發(fā)機(jī)裝置650)在本質(zhì)上是接近圓周的。即，如果環(huán)繞移動(dòng)用戶單元畫一個(gè)圓圈，并且在任意兩個(gè)位置之間，假設(shè)不同位置具有最少為一度的間隔尺寸，則基站可位于很多不同的可能角度位置中的任何一個(gè)。例如假設(shè)準(zhǔn)確度為1度，則針對(duì)天線裝置100存在360個(gè)不同的可能的相位設(shè)置組合。每個(gè)相位設(shè)置組合可被認(rèn)為是一組雙阻抗值，電氣連接到各個(gè)無源天線單元110和112的每個(gè)可選阻抗元件601和602各占一個(gè)。應(yīng)該注意，收發(fā)機(jī)裝置650可能包括任意適當(dāng)數(shù)量的有源天線單元或無源天線單元。
總的來說，有至少兩種不同的找到最佳阻抗值的方法。在第一種方法中，控制單元150進(jìn)行一種類型的優(yōu)化搜索，其中對(duì)所有可能的阻抗組合進(jìn)行嘗試。對(duì)每個(gè)阻抗設(shè)置(在此情況下，針對(duì)多個(gè)角度設(shè)置中的每一個(gè))，兩個(gè)預(yù)先計(jì)算的阻抗值被從例如控制單元150中的存儲(chǔ)器儲(chǔ)存位置讀入，然后被施加到各個(gè)可選阻抗元件601和602。然后由控制單元150檢測(cè)接收機(jī)處的響應(yīng)。在測(cè)試了所有可能的角度以后，具有例如由最高的信噪比所衡量的(例如，每比特的能量Eb或每個(gè)芯片的能量Ec對(duì)整個(gè)干擾Io的比率)最佳接收機(jī)響應(yīng)的一個(gè)可被用來傳送或接收RF信號(hào)。
在第二種方法中，通過允許每個(gè)阻抗值改變而其他的阻抗值保持不變來單獨(dú)地確定它。這種擾動(dòng)方法迭代地到達(dá)兩個(gè)阻抗設(shè)置中的每一個(gè)的最佳值。
圖6是可選阻抗元件601的實(shí)施例，它耦合到其對(duì)應(yīng)的無源天線單元110?？蛇x阻抗元件601包括開關(guān)801a、容性負(fù)載805a和感性負(fù)載810a。如圖所示，容性負(fù)載805a和感性負(fù)載810a均被連接到接地層。
開關(guān)801a是由控制線630上的信號(hào)控制的單刀雙擲開關(guān)。當(dāng)控制線630上的信號(hào)處于第一狀態(tài)時(shí)(例如數(shù)字‘1’)，開關(guān)801a把無源天線單元110電氣耦合到容性負(fù)載805a。容性負(fù)載使得無源天線單元110等效地更短。當(dāng)控制線630上的信號(hào)處于第二狀態(tài)時(shí)(例如數(shù)字‘0’)，開關(guān)801a把無源天線單元110電氣耦合到感性負(fù)載810a，這使得無源天線單元110等效地更長(zhǎng)，因此，呈反射性。
圖7是耦合到其對(duì)應(yīng)的無源天線單元110的可選阻抗元件601的另一實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，可選阻抗元件601包括連接到幾個(gè)不同的分立阻抗元件的SPMT(單刀多擲)開關(guān)801b，每個(gè)阻抗元件都具有多個(gè)預(yù)定值。
開關(guān)801b是由四條控制線630上的二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制(BCD)信號(hào)所控制的單刀多擲開關(guān)。四條控制線630上的信號(hào)命令開關(guān)801b的電極803把無源天線單元110電氣連接到16選一阻抗元件。如圖所示，只提供了9個(gè)阻抗元件用于耦合無源天線單元110。
可選阻抗元件可包括容性元件805b、感性元件810b和延遲線元件815。阻抗元件中的每一個(gè)在電氣上位于開關(guān)801b和接地層之間。
在本實(shí)施例中，容性元件805b包括三個(gè)電容C1、C2和C3。每個(gè)電容器具有不同的電容以使得無源天線單元110在連接到無源天線單元110時(shí)具有不同的透射率。例如，容性元件805b的電容值彼此之間可能相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。
類似地，感性元件810b可包括三個(gè)電感L1、L2和L3。感性元件810b可以具有彼此相差一個(gè)數(shù)量級(jí)的電感值以便在連接到無源單元110時(shí)為無源天線單元110提供不同的反射率。
類似地，延遲線元件815包括三條不同的線D1、D2和D3。延遲線815的尺寸可被定為在被無源天線單元110反向輻射的信號(hào)中以例如30度為增量產(chǎn)生相移。
在另一實(shí)施例中，開關(guān)801b可以是雙刀雙擲開關(guān)，以提供耦合到無源天線單元110的阻抗的不同組合以提供阻抗的各種組合。這樣，無源天線單元110可被用來以各種相角把RF能量反射到有源天線單元120，以允許天線裝置100以各種角度提供定向波束。在一種情況中，控制單元150(i)選擇第一種阻抗組合，由天線裝置100以一個(gè)角度來提供接收波束，和(ii)提供第二種阻抗元件組合，由天線裝置100以第二個(gè)角度來提供傳送波束。應(yīng)該理解，選擇可選阻抗元件805b、810b和815的組合在耦合到其他無源天線單元112的其他可選阻抗元件602處分別以類似的方式被做出。
開關(guān)801b的其他技術(shù)實(shí)施例是可能的。例如，開關(guān)801b可以由多個(gè)單刀單擲開關(guān)以各種組合構(gòu)成。開關(guān)801b也可以由諸如GaAs開關(guān)或pin二極管開關(guān)的固態(tài)開關(guān)構(gòu)成并以典型方式控制。可以想像，這樣的開關(guān)包括可選阻抗元件特性以消除分立阻抗或延遲線元件。另一實(shí)施例包括微電子機(jī)械開關(guān)(MEMS)，它起到機(jī)械開關(guān)的作用，但是具有非?？斓捻憫?yīng)時(shí)間和極小的外形。
圖8是連接到無源天線單元110的可選阻抗元件601的另一個(gè)實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，可選阻抗元件601由變?nèi)萜?01c構(gòu)成。變?nèi)萜?01c受控制線630上的模擬信號(hào)的控制。在另一實(shí)施例中，變?nèi)萜?01c由數(shù)字控制線上的BCD信號(hào)控制。如圖所示，變?nèi)萜?01c被連接到接地層。變?nèi)萜?01c允許將模擬型的移相選擇能力施加到無源天線單元601上。應(yīng)該理解，在這個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)無源天線單元110均被連接到對(duì)應(yīng)的變?nèi)萜?，以便通過變?nèi)萜鲗?shí)際上無窮多的可選阻抗值提供實(shí)際上無窮多的相移。這樣，天線裝置100能夠提供實(shí)際上任意方向上的定向波束；例如，在圓周的180度中以1度為增量。
圖9A和圖9B是線性天線陣列的頂視圖。通常，輻射圖案沿著陣列的軸線是對(duì)稱的。這樣，至少發(fā)射波束的一部分被浪費(fèi)掉了，因?yàn)樗鼪]有指向目標(biāo)。因此增益被降低，圖9A所示的波束能量的一半指向了和目標(biāo)相反的方向。而在接收模式時(shí)，后瓣有可能收到有害的干擾信號(hào)。圖9B示出線性陣列產(chǎn)生了分兩叉的波瓣。
圖10A和圖10B均示出了用來在根據(jù)本發(fā)明的某些原理的非對(duì)稱(即非周期的)陣列上傳送和接收無線信號(hào)的定向波束。當(dāng)無源天線單元110和112的阻抗被設(shè)為反射模式時(shí)，由天線裝置100可以形成具有高增益的單波束。有源天線單元120從包括無源天線單元110和112的平面的小的位移提供了空間相位以消除后瓣，否則該波瓣將收到干擾信號(hào)。恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整無源天線單元110、112形成了具有更高增益和方向性的更窄的波束。這個(gè)結(jié)構(gòu)能以3dB(分貝)的系數(shù)提高增益。
在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)天線陣列100進(jìn)行調(diào)諧以便在大約800MHz(兆赫)最佳地發(fā)射并具有6.9”×4”×0.5”的尺寸。即，無源天線單元110、112可被間隔開大約4”，每個(gè)天線單元具有大致7”的高度。有源天線單元120可從在每個(gè)無源天線單元110、112之間所畫的假想線間隔開0.5”。
圖11到圖14示出了可以通過調(diào)整每個(gè)無源天線單元110、112的有效阻抗獲得的定向波束。方位角平面示出如圖中取向的向下俯視天線陣列的波瓣圖案的頂視圖。仰角平面示出了由天線裝置100、235產(chǎn)生的波瓣圖案的側(cè)視圖。如圖所示，可獲得的方向性的范圍在5和7dBi之間，并且前后比在6和29之間。注意，每一個(gè)圖標(biāo)示出用來產(chǎn)生對(duì)應(yīng)定向波束的每個(gè)無源天線110、112的阻抗設(shè)置。
圖11。右邊射圖案。所示陣列在800MHz下仿真。陣列寬4”，厚0.5”，形成了152度的角。元件高6.9”。負(fù)載阻抗被示為Z1和Z2。3歐姆是等效損耗電阻。用100歐姆，容性，波束在右側(cè)面形成。方向性為5.33dBi，增益是5.08dBi。方位角圖案在左側(cè)示出，而仰角圖案在右側(cè)示出。前后比是6dB。
圖12。左邊射。Z 1和Z2的電抗被修改為25歐姆，感性。圖案點(diǎn)在左側(cè)。800MHz方向性是5.25dB，增益為4.64dB。
圖13。端射圖案。該圖案通過兩個(gè)無源單元之一開路(由500歐姆的開關(guān)電子表示)而另一個(gè)短路獲得。800MHz方向性是6.49dBi，增益是5.42dBi?？梢杂酶玫淖杩蛊ヅ鋪硖岣咴鲆妗Ｇ昂蟊仁?0dB。
圖14。偏移端射圖案。當(dāng)阻抗被進(jìn)一步操縱時(shí)，可以使得發(fā)射圖案指向任意方位角方向。一個(gè)例子是Z1是容性的，Z2被短路。圖案指向偏移端射右邊大約25度。方向性是7dBi，增益是6.73dBi。前后比是29dB。
如前面的討論中所述，無源天線單元的數(shù)量取決于特定的應(yīng)用，如圖1所示的使用兩個(gè)無源天線單元110和112只是為了說明的目的。
圖17A和17B示出了非周期性天線裝置100的另一個(gè)實(shí)施例。此處，兩個(gè)無源天線單元110和112被形成在印刷電路板700的一側(cè)，有源單元120形成在另外一側(cè)。印刷電路板的厚度提供了所需的從精確平面排列的偏移。在這個(gè)實(shí)施例中，阻抗元件601和602，甚至還有收發(fā)機(jī)606的一部分可以被很方便地設(shè)置在印刷電路板700上。(為了清晰，在這個(gè)實(shí)施例中消除了控制線等的細(xì)節(jié))在這個(gè)具體實(shí)施例中，還示出了地結(jié)構(gòu)708和對(duì)應(yīng)的諧振圖形710和712。地結(jié)構(gòu)708發(fā)揮了在上面較早的實(shí)施例中描述的接地層的功能。
諧振圖形710和712分別提供了無源單元110和112的額外的發(fā)射鏡像。這樣，每個(gè)無源單元實(shí)際上變成了單極子，其鏡像作為偶極子元件出現(xiàn)。事實(shí)上，無源發(fā)射元件110、112不是偶極子，而是具有其對(duì)應(yīng)諧振鏡像的單極子。這種差別的重要性在于這個(gè)具體實(shí)施例不需要用于饋電或加負(fù)載的不平衡變壓器。
如圖17B所示，印刷電路板的厚度提供了無源單元110和112相對(duì)于有源單元120在平面位置上的差別，從而形成了角度β，如圖所示。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，地結(jié)構(gòu)718和有源單元120一樣也位于電路板700的同一側(cè)。地結(jié)構(gòu)708和718幫助消除了目標(biāo)之間，諸如人手之間的臨近阻抗的影響。從該圖示應(yīng)該理解，諧振結(jié)構(gòu)710和712最好被連接到地結(jié)構(gòu)708，或者連接到其一部分。諧振圖形710和712大致是四分之一波長(zhǎng)，帶有能諧振的自由端。在其他實(shí)施例中，這也可以是二分之一波長(zhǎng)，帶有提供所需諧振的短路端。
此外，雖然諧振結(jié)構(gòu)710和712被示為直的矩形部分，但是它們也可以被實(shí)現(xiàn)為彎曲的線或其他所需的奇異形狀。重要的是它們提供連接到接地層的一部分的諧振結(jié)構(gòu)，以便平衡掉無源單元110或112中對(duì)應(yīng)的一個(gè)帶來的單極子。
在另一實(shí)施例中，可以在印刷電路板700的相反一側(cè)把天線單元實(shí)現(xiàn)為所需的偶極子元件。
可以用各種方法實(shí)現(xiàn)無源單元相對(duì)于有源單元的間隔，只要它能提供所需的非周期性間隔。例如，考慮圓周的弧形，無源單元可以位于弧形上，中心元件從弧形的中心偏離開。
通過另一個(gè)例子，圖15A示出了具有由五個(gè)無源天線單元110/112所圍繞的單個(gè)有源天線120的天線裝置1110。無源天線單元110/112中的每一個(gè)都作為根據(jù)較早描述的原理和技術(shù)的無源天線單元110或無源天線單元112工作。即，如果無源天線單元110/112之一被標(biāo)為無源天線單元110，則在其任意一側(cè)的無源天線單元將起到無源天線單元112的作用。
天線裝置1110作為用戶單元1111籍以完成和基站1112的信號(hào)傳送和接收的裝置，用戶單元1111例如耦合到無線蜂窩調(diào)制解調(diào)器的膝上型計(jì)算機(jī)1114。用戶單元提供無線數(shù)據(jù)和/或語音服務(wù)，并能把例如膝上型計(jì)算機(jī)1114或個(gè)人數(shù)字助理(PDA)等的設(shè)備通過基站1112連接到網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)可以是公共交換電話網(wǎng)絡(luò)(PSTN)、分組交換計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，或其他的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，例如因特網(wǎng)或私有的企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)?；?112可以在很多不同的通信協(xié)議上和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，通信協(xié)議如基本ISDN，或者如果網(wǎng)絡(luò)是例如因特網(wǎng)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，則甚至是TCP/IP。用戶單元在本質(zhì)上可以是移動(dòng)的，并且可以在和基站1112通信的同時(shí)從一個(gè)位置傳播到另外一個(gè)。在典型情況中，很多個(gè)用戶接入單元1111位于包圍著基站1112的區(qū)域內(nèi)，并享受公共基站的服務(wù)。但是，其他的安排也是可能的。
本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員也應(yīng)該理解，圖15A可以是標(biāo)準(zhǔn)蜂窩型通信系統(tǒng)，諸如CDMA、TDMA、GSM或其他的無線電信道被分配，用于在基站1112和用戶單元1114之間傳送數(shù)據(jù)和/或語音信號(hào)的系統(tǒng)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，圖15A是類似CDMA的系統(tǒng)，使用例如美國專利NO.6,151,332中所定義的碼分復(fù)用原理。
天線裝置1110包括柱形的底面或接地層1120，底面或接地層1120上面固定有源天線單元120和五個(gè)無源天線單元110/112。如圖所示，天線裝置1110被耦合到膝上型計(jì)算機(jī)1114(未按比例繪制)。天線裝置1110允許膝上型計(jì)算機(jī)1114通過從基站1112傳送來的前向鏈路信號(hào)1130和傳送到基站1112去的逆向鏈路信號(hào)1132進(jìn)行無線通信。
在所示實(shí)施例中，天線單元如圖所示，以分散的方式設(shè)置在接地層1120上。即，實(shí)施例包括五個(gè)非對(duì)稱地圍繞著接地層1120周圍間隔開的無源天線單元110/112，以及位于和接地層1120中心相對(duì)應(yīng)的位置的有源天線單元。
把注意力轉(zhuǎn)向圖16，示出了控制用戶接入單元1111的電子線路的框圖。用戶接入單元1111包括天線裝置或陣列1110和電子線路部件1142。有源天線單元120通過雙工濾波器1162被直接連接到電子線路部件1142，而每一個(gè)無源天線單元110/112則被連接到延遲器1158、可變或集總阻抗元件1157和開關(guān)1159。
無線信號(hào)在基站1112和有源天線單元120之間通信。反過來，有源天線單元120把信號(hào)提供給電子線路部件1142或者從電子線路部件1142接收信號(hào)。無源天線單元110/112要么反射信號(hào)，要么把信號(hào)定向到有源天線單元120。如圖16所示，控制器1172可以提供控制信號(hào)1178用于控制無源天線單元110/112的延遲器1158、阻抗元件1157和開關(guān)1159。
在傳送方向，電子線路部件1142所提供的射頻信號(hào)被直接饋送到向基站1112發(fā)送信號(hào)的有源天線單元120。
在接收方向，電子線路部件1142在雙工濾波器1162處從有源天線單元120接收無線電信號(hào)，雙工濾波器1162把接收到的信號(hào)提供給無線電接收機(jī)1164。無線電接收機(jī)1164把經(jīng)過解調(diào)的信號(hào)提供給去除調(diào)制編碼的解碼電路1166。例如，這樣的解碼器可以以現(xiàn)有技術(shù)中已知的方式工作，以便去除碼分多址(CDMA)類型的編碼，分離出針對(duì)特定用戶單元的各種信號(hào)，碼分多址(CDMA)類型的編碼可能涉及使用偽隨機(jī)碼和/或沃爾什(Walsh)碼。經(jīng)過解碼的信號(hào)隨后被饋送到數(shù)據(jù)緩存電路1168，然后數(shù)據(jù)緩存電路1168再把經(jīng)解碼的信號(hào)饋送到數(shù)據(jù)接口電路1170。然后數(shù)據(jù)接口電路1170可以把信號(hào)提供給典型的計(jì)算機(jī)接口，例如可以是通用串行總線(USB)、PCMCIA類型接口、串行接口或其他的與膝上型計(jì)算機(jī)1114兼容的公知計(jì)算機(jī)接口?？刂破?172可以從數(shù)據(jù)接口從消息接口電路1174接收消息和/或把消息傳送到消息接口電路1174，以控制解碼器1166、編碼器1174的工作和發(fā)射機(jī)1176及接收機(jī)1164的調(diào)諧。
現(xiàn)在參考圖15B，每個(gè)無源天線單元110/112均被固定到接地層1120的上方。傳送饋線1182在底部饋電點(diǎn)1183連接到無線天線單元110/112和延遲線1158，延遲線1158又被連接到可變或集總阻抗元件1157和開關(guān)1159。無源天線單元110/112和傳送饋線1182以及接地層1120電氣絕緣。延遲線1158、可變或集總阻抗元件1157和開關(guān)1159位于接地層1120內(nèi)，但是也和接地層電氣絕緣。傳送線1182為控制信號(hào)提供了到達(dá)無源天線單元110/112的路徑。
被置于接地層1120上所形成的狹縫1192內(nèi)的諧振帶1190位于每個(gè)無源天線單元110/112下方。狹縫1192的尺寸比諧振帶1190略大以限定出間隔1194。諧振帶1190頂端1196被電氣耦合到接地層1120。但是，間隔1194被用非金屬材料填充，例如像是聚苯乙烯或聚四氟乙烯的PCB材料，以便使諧振帶1190的非頂端部分1198和接地層1120電氣絕緣。
無源天線單元110/112和對(duì)應(yīng)的諧振帶1190都由例如銅制成。對(duì)于在PCS帶寬(1850MHz到1990MHz)的應(yīng)用，無源天線單元110/112的長(zhǎng)度大約為工作信號(hào)的波長(zhǎng)的四分之一，厚度大約為波長(zhǎng)的十分之一。每個(gè)諧振帶也都是大約長(zhǎng)四分之一波長(zhǎng)，十分之一波長(zhǎng)厚。諧振帶1190的底部位于接地層1120的底部上方大約八分之一個(gè)波長(zhǎng)的高度“h”處，盡管諧振帶1190的底部可以幾乎和接地層1120的底部接觸。
使用中，信號(hào)被傳送到有源天線單元120，并且也從有源天線單元120處接收，以使天線陣列1110能夠和基站1112進(jìn)行通信。接地層1120的彎曲的外表面1200把由天線陣列1110形成的波束向下拉向水平線，因?yàn)閺澢砻?200的表面法線指向水平線。由于諧振帶1190存在，無源天線單元110/112和對(duì)應(yīng)的諧振帶1190耦合，形成等效的不平衡偶極子天線。這樣以來，無源天線單元110/112和諧振帶1190的組合提供了把陣列波束沿著水平線進(jìn)一步定向的能力，故此接地層1120的尺寸可以被減小而不需要犧牲天線陣列1110的波束定向能力。事實(shí)上作為不平衡偶極子天線單元陣列，天線陣列1110能夠形成具有不超過地平線10度乃至更少，例如恰好不超過0度的峰值波束強(qiáng)度的波束。
此外，無源天線單元110/112和諧振帶1190的耦合增大了天線的有效面積，因而提高了增益。并且，因?yàn)樘炀€單元110/112被固定在接地層1120的上方，天線陣列對(duì)外部環(huán)境因素(例如當(dāng)天線被放置在金屬臺(tái)面上時(shí))的敏感性降低了，因?yàn)樘炀€單元110/112和這些因素的直接耦合被最小化了。
天線陣列也可以用非柱面的接地層來實(shí)現(xiàn)。例如，如圖18A中所示的具有由6個(gè)平板1204構(gòu)成的接地層1202的天線陣列120。7個(gè)天線單元以和圖中所示類似的方式被固定在接地層1202上。即，該實(shí)施例包括6個(gè)無源定向器/反射器元件110/112，它們環(huán)繞接地層1202的周圍間隔開，位于每個(gè)平板1204的外緣1208以上，而第七有源單元120被放置在和接地層1202的中心對(duì)應(yīng)的位置。每個(gè)平板1204的內(nèi)緣1207在接地層1202的中心處被和其他的內(nèi)緣1207接合在一起形成鉸鏈1209。鉸鏈1209可以是彈簧助力的，以便使平板1204可折疊形成平坦緊湊單元(圖19)，從而使得天線陣列便于運(yùn)輸。
具體參考圖18B，每個(gè)天線單元110/112被固定在接地層1202的頂部，但是和接地層1202電氣絕緣。天線單元110/112在底部饋電點(diǎn)1212處被連接到傳送饋線1210。每個(gè)平板1204配備有連接到集總或可變阻抗元件1215的延遲線1214和開關(guān)1216，延遲線1214和開關(guān)1216被連接到天線單元110/112。傳送饋線1210、延遲線1214、集總或可變阻抗元件1215和開關(guān)1216起到和參考圖15A和圖15B所描述的實(shí)施例的傳送饋線1182、延遲線1158、可變或集總阻抗元件1157和開關(guān)1159相同的作用。
每個(gè)平板1204還配備有沿著平板1204的外緣1208放置的諧振帶1216。諧振帶1216頂端1220被頂部段1203電氣耦合到接地層1202。
每個(gè)平板1204都包括由例如像是聚苯乙烯或聚四氟乙烯的PCB材料制成的非金屬電介質(zhì)襯底1222。對(duì)于PCS應(yīng)用，襯底具有工作信號(hào)的波長(zhǎng)的大約三分之一的高度和十分之一波長(zhǎng)的寬度，大約是0.03英寸厚。用印刷電路板(PCB)技術(shù)，通過在襯底1222的一側(cè)1218上淀積厚度大約為0.0015英寸的銅，然后把銅光刻成所需形狀，生成接地層1202和諧振帶1216。這樣，接地層1202、諧振帶1216和頂部段1203形成了包圍襯底1222的內(nèi)部區(qū)域1224的連續(xù)的銅層。此外，存在一個(gè)高度為“h1”的薄的區(qū)域1226，把諧振帶1216的底部與平板1204的底部分離開。PCB技術(shù)也被用來在襯底1222的相反一側(cè)上印刷傳輸饋線1210、延遲線1214、集總或可變阻抗元件1215和開關(guān)1216。天線單元110/112和諧振帶1216大約是長(zhǎng)四分之一個(gè)波長(zhǎng)，十分之一個(gè)波長(zhǎng)寬。
現(xiàn)在參考圖20，示出了平板1204的另一種布置。這里，導(dǎo)電材料1304，例如銅被夾在由電介質(zhì)材料制成的兩個(gè)襯底1302A和1302B之間。在襯底1302A和1302B外側(cè)，各有對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電材料層1306A和1306B。內(nèi)導(dǎo)電材料1304被用于天線單元110/112、延遲線1214、集總或可變阻抗元件1215和開關(guān)1216的傳送線活動(dòng)，它們通常被埋入襯底1302A或1302B之一。外層導(dǎo)電材料1306A和1306B起到了接地層1202和諧振帶1216的作用。
圖15A和圖18A中所示的元件110/112當(dāng)在實(shí)際中使用時(shí)，最好是非均勻間隔開的，這樣由天線陣列1110或1201在各個(gè)方向上所形成的波束不一定具有同樣的形狀。
在某些情況下，天線陣列1110或1201在物理上被膝上型計(jì)算機(jī)1114的計(jì)算機(jī)屏幕1115所阻擋，如圖21所示，或者陣列可能被其他的物體所阻擋。陣列的這些被阻擋的區(qū)域3000需要較少的天線單元，所以在這些區(qū)域中，天線單元的間隔可以較大。因此，在陣列的相反一側(cè)3002上的元件的間隔可以較小。在陣列的特定區(qū)域，用更多的無源單元，或者更高的元件密度，天線陣列通過能夠以更高的頻率工作而不受增益減小柵瓣的影響，在該區(qū)域的方向上能夠覆蓋更寬的頻帶。
當(dāng)被朝著如圖21中的基站1112相對(duì)于天線陣列1110的位置所示的具有較多的通信終端的地理區(qū)域定向的陣列的某些元件被更緊密地分布在陣列的區(qū)域3002內(nèi)時(shí)，陣列1110或1201的無源單元110/112的非均勻間隔或非周期性間隔還提供了更好的性能。通過在所選的方向上具有較低的旁瓣水平，天線陣列的性能得到提高。
還需記得，在上面所描述的某些實(shí)施例中，特別是在其中每個(gè)無源天線單元110和112被連接到對(duì)應(yīng)的變?nèi)萜鞯哪切?，通過變?nèi)萜鲗?shí)際上無窮多的可選阻抗值，天線陣列提供了實(shí)際上無窮多的相移。這樣，具有被連接到這種變?nèi)萜鞯臒o源單元110/112的天線陣列1110或1201能夠提供實(shí)際上沿著任意方向的定向波束，例如，在180度的圓周上以一度為增量。具有如此細(xì)致的調(diào)整輻射方向的能力，使得天線陣列1110或1201具有非均勻分布的無源單元，因而是非周期性的，增加了對(duì)天線陣列的另一維控制。
注意，上面所描述的實(shí)施例僅僅是為了說明的目的，而非對(duì)本發(fā)明的限制。例如，盡管分別如圖15A和18A所示的天線陣列1110和1201的無源天線單元110/112和各自的延遲線、阻抗元件和開關(guān)相關(guān)聯(lián)，但是可以用先前描述的任意設(shè)備和過程來操作單元110/112。具體來說，可以用任何在討論天線陣列1110和1201之前所描述的技術(shù)和設(shè)備將單元110/112中的每一個(gè)在透射模式和反射模式之間切換。
雖然參考本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例對(duì)其進(jìn)行了具體的描述和展示，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以在形式和細(xì)節(jié)上做出各種變化而不偏離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于在無線通信用戶單元中使用的天線裝置，包括至少兩個(gè)無源天線單元和一個(gè)有源天線單元；無源天線單元被置于有源天線周圍，以使無源天線單元不位于至少一個(gè)和有源單元公共的平面內(nèi)，并使至少兩個(gè)無源天線單元中的每一個(gè)都可獨(dú)立地設(shè)為反射或透射模式以改變天線裝置的輸入/輸出波束方向圖的特性。
2.權(quán)利要求1所述的天線裝置，還包括位于每個(gè)無源單元下方的對(duì)應(yīng)的諧振帶，每個(gè)無源天線單元和對(duì)應(yīng)的諧振帶的組合構(gòu)成了不平衡偶極子天線單元，從而多個(gè)偶極子天線單元形成了可被沿著水平線定向的復(fù)合輸入/輸出定向波束。
3.如權(quán)利要求1所述的天線裝置，還包括被設(shè)置于臨近至少一部分天線單元的接地層。
4.如權(quán)利要求2所述的天線裝置，其中，接地層是柱面的，接地層的上側(cè)是柱面的平面端，而接地層的底側(cè)是柱面的相反的平面端。
5.如權(quán)利要求2所述的天線裝置，其中，每個(gè)諧振帶被置于接地層的對(duì)應(yīng)的狹縫中，每個(gè)狹縫的壁與對(duì)應(yīng)諧振帶的表面間隔開，壁和表面的間隙以非金屬材料填充以使諧振帶的非頂端部分和接地層電氣絕緣。
6.如權(quán)利要求3所述的天線裝置，還包括由和多個(gè)諧振帶數(shù)目相等的多個(gè)平板構(gòu)成的接地層。
7.如權(quán)利要求6所述的天線裝置，其中，每個(gè)平板具有外緣和內(nèi)緣，諧振帶沿著對(duì)應(yīng)平板的外緣對(duì)齊，平板的內(nèi)緣在接地層中心接合在一起，形成具有和諧振帶的軸基本平行的軸線的中央接合部，有源單元沿著中央接合部的軸線對(duì)齊。
8.如權(quán)利要求7所述的天線裝置，其中，中央接合部是便于把天線裝置折疊入平坦緊湊單元中的鉸鏈。
9.如權(quán)利要求7所述的天線裝置，其中，每個(gè)平板包括第一非金屬襯底和第一襯底一側(cè)上的一層第一導(dǎo)電材料，接地層的導(dǎo)電部分和諧振帶由第一導(dǎo)電材料構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求7所述的天線裝置，其中，每個(gè)平板包括第二非金屬襯底、夾在第一襯底層和第二襯底層之間的第二導(dǎo)電材料，以及第二非金屬襯底的相反一側(cè)上的一層第三導(dǎo)電材料，接地層的導(dǎo)電部分和諧振帶分別由第一導(dǎo)電材料和第三導(dǎo)電材料構(gòu)成。
11.如權(quán)利要求2所述的天線裝置，其中，定向波束升起超過地平線的角度為0度到10度。
12.如權(quán)利要求1所述的天線裝置，其中，無源天線單元圍繞有源天線單元非周期性地分布。
13.如權(quán)利要求1所述的天線裝置，其中，無源天線單元在印刷電路板的一側(cè)形成，有源單元在印刷電路板的另一側(cè)形成。
14.如權(quán)利要求13所述的天線裝置，還包括臨近每個(gè)無源單元放置，并和對(duì)應(yīng)的無源單元位于印刷電路板的同一側(cè)的對(duì)應(yīng)的諧振圖形。
15.如權(quán)利要求13所述的天線裝置，還包括臨近無源單元放置的地結(jié)構(gòu)。
16.如權(quán)利要求13所述的天線裝置，還包括臨近有源單元放置的接地結(jié)構(gòu)。
17.如權(quán)利要求13所述的天線裝置，其中諧振圖形平衡對(duì)應(yīng)的無源單元。
全文摘要
一種天線陣列，它使用被設(shè)置在接地層上方，但是和接地層電氣絕緣的至少兩個(gè)無源天線(110，112)和一個(gè)置于接地層(140)下、但與接地層電絕緣的有源天線(120)，以及位于每個(gè)無源天線下方的對(duì)應(yīng)的諧振帶(1216)。無源天線單元圍繞有源單元放置，并且至少兩個(gè)無源天線單元中的每一個(gè)都可獨(dú)立地設(shè)為反射或透射模式以改變天線裝置的輸入/輸出波束方向圖的特性。
文檔編號(hào)H01Q21/12GK1788389SQ03807603
公開日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2003年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月1日
發(fā)明者常兵, 格里芬·K·葛薩爾德, 克里斯托夫·A·施耐德, 威廉姆·R·帕爾瑪, 邁克爾·J·林奇, 托馬斯·E·戈薩基, 肯尼斯·M·蓋尼, 小詹姆斯·A·普羅克特 申請(qǐng)人:Ipr特許公司