技术领域
[0001] 本
发明涉及天线组件，具体地涉及一种
电介质谐振器天线组件。
背景技术
[0002] 天线是设计用于发射和/或接收无线电、电视、
微波、电话和雷达
信号的换能器，即，天线将特定
频率的
电流转换为
电磁波和将电磁波转换为特定频率的电流。物理上，天线是一个或者更多个导电体的排列结构，该排列结构被设置为响应于所施加的交变
电压和相关联的交变电流而产生
辐射电
磁场，或者能够被置于
电磁场中，使得该场在天线中感生出交变电流且在该天线的
端子之间感生出交变电压。
[0003] 诸如
移动电话的便携式无线通信
电子设备通常包括通过
焊接或者熔接连接到印刷
电路板上的导电迹线或者触点的天线。这种电子设备的制造商常常面临着降低设备的物理尺寸、重量和成本并且提高设备的电性能的压
力。低成本要求迫使电子设备及其天线应当很简单并且廉价地制造和组装。
[0004] 在最近几年，演化出了小且具有高辐射效率的新型天线，因此在蜂窝电话中的使用被关注。在电介质谐振器天线(DRA)中，探针能够在谐振电介质天线体(antennavolume)中激励发射模式。
[0005] 在与大规模市场产品关联且用于本土无线网络的天线开发
框架内，由电介质谐振器组成的天线被认为是受关注的方案。具体地说，这种类型的天线在
通带和辐射方面呈现出良好的特性。另外，它们容易采用能够被表面安装的分立元件的形式。这种类型的部件用术语SMC部件表示。SMC部件在大规模市场的无线通信领域受关注，因为它们允许使用低成本
基板，由此导致成本降低同时确保设备集成。另外，当以SMC部件的形式开发RF射频功能时，即便对于低
质量基板仍能获得良好的性能，并且集成度因此受欢迎。
[0006] 另外，就吞吐量而言的新要求导致使用诸如0G、1G、2G、3G和4G的高吞吐量蜂窝通信网络或者诸如Hyerlan2和IEEE 802.11A网络的多媒体网络。在此情况下，天线必须能够确保在很宽的频带上工作。现在，DRA由任意形状的电介质贴片组成，其特征在于其相对
介电常数。通带直接与介电常数有关，因此限定了谐振器的大小。由此，介电常数越低，DRA天线的频带越宽，但是在此情况下，部件很臃肿。然而，在用于无线通信网络的情况下，紧凑度限制要求减小电介质谐振器天线的大小，可能导致与这种应用要求的带宽不兼容性。
[0007] 增强无线
数据速率的趋势是MIMO(多输入多输出)天线系统，其中紧凑和信道不相关的天线对于这种系统是关键的。
[0008] 本
发明人的US 2008122703，在此通过引用并入，涉及一种用于具有接地平面的通信设备的电介质辐射器天线结构。该天线结构可以包括具有与接地平面垂直的中
心轴线的电介质体(dielectric volume)以及模式激励元件。模式激励元件可以包括第一模式激励元件和第二模式激励元件，该第一模式激励元件被设置在电介质体中或者附接到电介质体并且在距中心轴线第一距离且垂直于接地平面的平面中延伸，该第二模式激励元件被设置在电介质体中或者附接到电介质体并且在距中心轴线第二距离且垂直于接地平面和第一模式激励元件的平面两者的平面中延伸。该天线结构能够用于以降低的耦合在一个频率上同时发射和接收超过一个信号。
发明内容
[0009] 本发明提供一种新颖和先进的方案，其智能地满足高速无线通信的要求。
[0010] 由此通过以智能和新颖方式控制DRA天线阵列，天线可以针对高速无线通信用极化、空间、模式分集、波束成型、高增益天线系统实现多个(例如15个)独立的MIMO信道。
[0011] 本发明的其它优点可以包括：
[0012] ●针对弱S/N、强衰落的分集
[0013] ●针对多用户的空分多址(SDMA)
[0014] ●针对数据率、强S/N、强衰落的MIMO
[0015] ●针对弱S/N、弱衰落的波束成型
[0017] ○动态波束导向
[0018] ○自适应阵列
[0019] 这些目的通过一种天线组件来实现，该天线组件包括具有多个面的承载结构，各个面至少部分地具有接地平面，并且各个面设置有至少一个电介质谐振器天线(DRA)元件。该天线组件还包括
控制器结构和开关结构，该开关结构连接到各个所述DRA元件，所述控制器结构被配置为切换所述天线元件和改变各个DRA元件的频率、极化或者辐射模式中的一个或者多个。优选地，在天线组件中，各个天线元件包括电介质体和两个或者更多个模式激励元件，该电介质体具有垂直于所述接地平面的中心轴线，该两个或者更多个模式激励元件包括第一模式激励元件和第二模式激励元件，该第一模式激励元件被设置到或者附接于所述电介质体并且在距所述中心轴线第一距离且垂直于所述接地平面的平面中延伸，该第二模式激励元件被设置到或者附接于所述电介质体并且在距所述中心轴线第二距离且垂直于所述接地平面和所述第一模式激励元件的平面两者的平面中延伸。该天线组件还可以包括
移相器、自适应匹配电路、加法器/加权控制器、
传感器、存储单元、解调器、通带处理器。最优选地，所述承载结构是立方形。所述承载结构还可以是球形、半球形、圆柱形、半圆柱形、圆形、半圆形、棱锥形或者它们的组合中的一个或者多个。
[0020] 所述天线组件可以是MIMO(多输入多输出)、MISO(多输入单输出)、SIMO(单输入多输出)或者SISO(单输入单输出)天线系统之一的一部分。
[0021] 本发明还涉及一种通信设备，该通信设备包括天线结构，该天线结构包括具有多个面的承载结构，各个面至少部分地具有接地平面，并且各个面设置有至少一个电介质谐振器天线(DRA)元件。该天线组件还包括控制器结构和开关结构，该开关结构连接到各个所述DRA元件，所述控制器结构被配置为切换所述天线元件和改变各个DRA元件的频率、极化或者辐射模式中的一个或者多个。该天线元件包括电介质体、多个模式激励元件以及针对每个模式激励元件的单独的信号馈入器，该电介质体具有垂直于所述接地平面的中心轴线，该多个模式激励元件包括第一模式激励元件和第二模式激励元件，该第一模式激励元件被设置到或者附接于所述电介质体并且在距所述中心轴线第一距离且垂直于所述接地平面的平面中延伸，该第二模式激励元件被设置到或者附接于所述电介质体并且在距所述中心轴线第二距离且垂直于所述接地平面和所述第一模式激励元件的平面两者的平面中延伸。
[0022] 优选地，所述通信设备是便携式通信设备，最优选地，所述通信设备是蜂窝电话。所述通信设备还可以是基站、无线路由器/网关、通信卡、相机、膝上型电脑或者PDA中的一种。
[0023] 本发明还涉及一种在通信设备中增强针对弱S/N和强衰落的分集、针对多用户的空间码分多址(SDMA)、针对数据速率、强S/N和强衰落的MIMO以及针对弱S/N和弱衰落的波束成型中的至少一项的方法。该方法包括以下步骤：在具有多个面的承载结构上提供至少一个电介质谐振器天线(DRA)元件，各个面至少部分地具有接地平面，并且各个面被提供有；和使用控制器结构和连接到各个所述DRA元件的开关结构，切换所述天线元件和改变各个DRA元件的频率、极化或者辐射模式中的一个或者多个。
附图说明
[0024] 下面将参照附图更详细地描述本发明，其中：
[0025] 图1示出蜂窝电话形式的便携式通信设备的正视图；
[0026] 图2示意地示出根据
现有技术的电介质谐振器天线结构的侧视图；
[0027] 图3示出该电介质谐振器结构的立体图；
[0028] 图4示出图3的电介质谐振器结构从上方观察的图；
[0029] 图5示出根据本发明的一个
实施例的天线组件的立体图；
[0030] 图6是根据本发明的天线系统的示意图；
[0031] 图7是根据本发明的天线系统的一部分的示意图；以及
具体实施方式
[0033] 在图1中，例示了蜂窝电话形式的便携式通信设备10。电话10的不同功能单元设置在
外壳内，其中在
正面设置有开口，通过这些开口设置了显示器14和
键盘12。电话10还包括至少一个天线结构，根据本发明该至少一个天线结构设置在电话的内部。电话仅仅是可以实施本发明的便携式通信设备的一个类型。其它示例是PDA(
个人数字助理)和膝上型计算机。本发明还不限于便携式通信设备，而可以用于静止通信设备，例如基站。
[0034] 图2示出根据现有技术设置在包括接地平面17的
电路板16上的天线结构18的侧视图。板16上还设置有无线电电路(未示出)，该无线电电路被设置以向天线馈入多个信号，在本发明中是3个信号。这些信号可以进一步具有相同频率。天线结构18还被设置以通过空气接收可以具有相同频率的3个信号，并且将这些信号转发到无线电电路以便进一步处理。因此，天线结构18可以设置用于MIMO系统。
[0035] 天线结构18是电介质谐振器天线，因此具有在本实施方式中为立方形体的体(volume)，其中填充有电介质材料20。该体由此是电介质体。体的形状在此被设置为在上述频率谐振。天线结构18还包括被设置为在该立方体内激励3个模式的3个模式激励元件22、24、26。
[0036] 在图3以及在从上方观察的图4中，以立体图更详细地示出该结构。对于立方体，示出三维
坐标系统，其中有x轴、y轴和z轴，其中z轴在立方体的中间从该立方体的面对接地平面17的底侧向上前进。z轴由此是接地平面17的法线并且以此方式限定了立方体的中心轴线。x轴开始于立方体中间的同一点，并且在立方体的左、右底边之间且平行于这些边沿着朝向接地平面17的远短边的方向延伸，由此以直
角交叉立方体的远底边。y轴在中间开始于立方体中间的同一点，并且在立方体的前底边和后底边之间且平行于这些边沿着朝向接地平面27的右长边的方向延伸，由此以直角交叉立方体的右底边。矩形探针形式的第一模式激励元件22被设置在平行于xz平面且与中心轴线z相距距离d1的平面中，并且其底边在立方体的右纵边上。设置第一模式激励元件22的平面还垂直于接地平面17。矩形探针形式的第二模式激励元件24被设置在平行于xy平面且与中心轴线相距距离d2的平面中，并且其底边在立方体的远纵边上。设置第二模式激励元件24的平面还垂直于接地平面17和设置第一模式激励元件22的平面。由此第一和第二模式激励元件被设置为邻接接地平面。插销形式的第三模式激励元件26从立方体的面对接地平面17的底侧沿着z轴(即，沿着中心轴线)延伸。各个模式激励元件进一步连接到电话的单独的信号馈入器(未示出)以接收单独信号。
[0037] 根据本发明的一个方面的天线180在图5的立体图中示出。天线180包括承载结构181，在此情况下，承载结构181具有立方形体。承载元件的各个面182设置有至少一个上述天线元件18。各个面是包括接地平面(未示出)的电路板186。各个电路板186还可以进一步设置有无线电电路(未示出)，该无线电电路被设置以向各个天线元件18馈入多个信号，具体取决于激励元件的数量。
[0038] 图6是天线系统的示意图，该天线系统包括上述天线元件618和天线
接口电路600。天线接口电路600包括控制器601、
开关控制器602、移相器603、自适应匹配电路604、加法器/加权合并器605、传感器606、存储单元607、解调器608、通带处理器609以及开关元件610。移相器603和自适应匹配电路604可以针对不同应用而采用或者连接。
[0039] 控制部分连接到天线元件618。
[0040] 改变发射
相位角的移相器603连接到天线元件618，并且由开关控制器602控制。自适应匹配电路604由控制单元601控制，并且连接到天线元件618。
[0041] 在图6中，多个天线元件618(仅例示了一个)可以分别单独连接到移相电路603和自适应匹配电路604。在图2所示的结构中，天线处于接收模式，但清楚的是，通过将图6的信号传播箭头的方向颠倒，信号可以被提供到处于发射模式的天线。自适应匹配电路604处于控制器601的控制下。
[0042] 来自自适应匹配电路的信号被提供到加法器/加权合并器605，该加法器/加权合并器605将自适应匹配电路605的输出合并以形成合成信号。该合成信号接着被存储在
存储器单元607中。传感器606检查信号(例如，信号的电平与(噪声加干扰)的比)并且将该信息传递到控制器，该控制器接着调整加权系数、匹配电路604和开关元件610以改善或者可能地优化传感器606感测的参数。优化信息能够用于优化或者改善存储信号的质量，该信号接着被传递到解调器608。该信息也被使用以调整天线系统以接收下一进入信号。
[0043] 在开关控制器602的控制下，开关610和移相器进行的操作能够改变天线的响应和辐射模式。这些操作在控制器601的控制下进行以改善或者可能地优化针对特定信号频率、极化和传播方向的操作。天线的辐射模式(振幅、相位或者极化)能够由电控开关系统切换或者由
数字信号处理(DSP)系统处理。在终端情况下，用于天线的空间可能有限，因此，该类型的天线可以通过使用多个天线或者可重配置天线来实现。
[0044] 图7例示了根据本发明的终端的操作级。第一发射机TX1751和第二发射机TX2752发射无线
电信号1，该无线电信号1采用不同路径到设置有根据本发明的天线结构的接收机70。TX2设置有MIMO天线系统。无线电信号被天线718(在此情况下为2个)接收并且被提供到传感器706以便检测信号强度。基于检测出的信号强度，控制器701在两个天线之间切换以得到最佳的可得信号强度。这提供了针对弱
信噪比和强衰落的分集。
[0045] 以相同方式，在包括天线7518的TX2中，无线电信号被接收并且提供到传感器7516以便检测信号强度。基于检测出的信号强度，控制器7511在两个天线之间切换以得到最佳的可得信号强度。这提供了针对弱信噪比和强衰落的分集。
[0046] 根据本发明的天线结构可以用紧凑尺寸提供15个MIMO信道。如上所述的智能切换网络允许天线提供高增益以及波束成型、空间、极化和空间分集特征。
[0047] 隔离可以超过15dB。由此，提供了很紧凑的方案。每个单天线可以具有+5dBi天线增益。通过波束成型，可以实现更高的增益。
[0048] 由此，天线将很强大，特别是对于高速无线通信。
[0049] 根据本发明的一个方面的立方体可以指被六个方面、刻面(facet)或者侧面包围的三维物体，在各个
顶点处都有三个方面、刻面或者侧面相交。
[0050] 本发明不限于用于蜂窝电话。在用于通信的任何设备(如基站、无线路由器/网关、通信卡、相机、膝上型电脑、PDA等)中使用都是有利的。
[0051] 另外，本发明的天线可以用于其它天线配置，如MISO(多输入单输出)、SIMO(单输入多输出)或者SISO(单输入单输出)。
[0052] 在所描述的实施例中，对于承载结构和天线元件两者均以立方体的形式提供体。应理解本发明绝不限于立方体或者任何其它具体形状。体可以是球形、半球形、圆柱形、半圆形、圆形、半圆形、具有棱锥形状或者这些形状的组合。体可以是任何类型的规则或者不规则形状。模式激励元件被描述为位于电介质材料的外，然而，模式激励元件也可以设置在材料内部，距离中心轴线一定距离，例如，彼此
正交。模式激励元件还可以例如置于电介质材料中设置的空腔中。其它配置也是可能的。
[0053] 模式激励元件可以通过例如在电介质材料上印刷或者
镀敷金属或者通过将金属元件插入到电介质材料中钻出的孔中来提供。因此，还可以提供单个部件的天线结构，其可以是表面安装部件。部件可以非常小，因此可以在便携式通信设备中占据有限空间。这种部件可以容易地大规模生产，由此允许提供廉价的天线结构。由于是部件，它可以容易地安装到例如电路板或者任何其它基板上。
[0054] 本发明的在通信设备中增强针对弱S/N和强衰落的分集、针对多用户的空分多址(SDMA)、针对数据速率、强S/N和强衰落的MIMO以及针对弱S/N和弱衰落的波束成型中的至少一项的方法包括以下步骤(图8)：
[0055] ●在具有多个面的承载结构上使用801至少一个电介质谐振天线(DRA)元件，各个面至少部分地具有接地平面，并且各个面被设置有，
[0056] ●通过控制器结构和连接到各个所述DRA元件的开关结构，切换802所述天线元件和改变各个DRA元件的频率、极化或者辐射模式中的一个或者多个。
[0057] 应当注意，词语“包括”不排除存在不同于所列出的元件或步骤的其它元件或步骤，并且在元件前的词语“一”不排除存在多个这种元件。还应注意，任何附图标记的引用不限制
权利要求的范围，本发明可以通过
软件和
硬件实现，并且多个“装置”可以用同一件硬件表示。
[0058] 以上提到和描述的实施方式仅仅以示例给出并且不应限制本发明。落在以下所描述的
专利权利要求限定的本发明的范围内的其它方案、用途、目的和功能，对于本领域技术人员而言是清楚的。
