专利名称：低功率切换分集式天线系统的制作方法
技术领域：
本发明的领域本发明一般地涉及分集式天线系统，特别是涉及切换分集式天线系统。
本发明的背景电功率消耗和无线电信号的高灵敏度接收许多年来一直是便携式电子装置，如寻呼机和个人通信装置的关键性的设计参数。
当在一个电磁能量的辐射(发射)被许多物体，如建筑物，车辆和树木反射和吸收的通信系统中，用一个电子装置接收一个无线电信号时，将所得到的电磁能量环境描述为一个衰落环境，正交极化的诸电磁能波的诸分量在它们的振幅和相位中只有很低的相关性。一个增加电子装置在这样的系统中接收这样的无线电信号的灵敏度的已知技术是用两个接收天线，安排这两个接收天线使它们对两个基本上正交极化，如两个分开90度的线性极化的携带无线电信号的电磁能量作出响应。当用两个天线截取近似分开90度的两个极化的电磁波时，能够用被两个天线中的一个第二个天线截取的无线电信号来增强被两个天线中的一个第一个天线截取的无线电信号。这种方法称为分集式接收。
尽管能够将被两个接收天线截取的诸无线电信号加起来增加耦合到一台接收机的截取能量的平均强度，但是当诸无线电信号的相位近似或精确地分开180度时，要以一种避免两个信号部分地或完全地相互抵消的方式来做到这一点在技术上是复杂的。那种技术称为分集式组合。一个为了用这样两个天线的非常普通的另一种方法，它是简单的并能很好地工作，是选择有一个较强信号的天线。当用这个技术时，需要一个切换诸天线的装置，以及选择一个较强信号的方法。
一个用于切换诸天线的普通技术是用PIN结二极管(P型区-本征耗尽层-N型区半导体二极管)。在这种技术中，用一个PIN结二极管接通一个天线电源，而用一个第二个PIN结二极管断开另一个天线电源，直到切换反转为止。因为在一个时候只能接收一个信号，所以当现在接收的信号太弱时或在另一种情形(如一个定时选择)中用一个算法来实现切换。在断开的PIN结二极管上加上反向偏压，所以只支取漏电流。虽然在接通的PIN结二极管上加上前向偏压，但是典型地只支取1到10毫安量级的电流。这样一种技术已经用了十多年，但是这样大的电流消耗在一个如一个寻呼机那样的产品中是一个严重的问题。
所以，我们需要的是这样一个装置，它能实现一个只支取非常小于1毫安电流的切换分集式天线。
诸图的简单描述
图1是根据本发明的诸优先的和另一些实施例，一个包括一个选择性呼叫无线电设备的无线电通信系统的一个电路方框图。
图2是根据本发明的诸优先的和另一些实施例，一个包括一个低功率切换分集式天线系统的选择性呼叫无线电设备的一个电路方框图。
图3是根据本发明的诸优先的和另一些实施例，一个用在一个低功率切换分集式天线系统中的变容二极管调谐天线的频率响应的图。
图4是根据本发明的诸优先的和另一些实施例，低功率切换分集式天线系统的一个组合器和匹配网络部分的一个电路示意图。
图5是根据本发明的诸优先的和另一些实施例，用在一个低功率切换分集式天线系统中的一个环形天线的一个电路示意图。
图6是根据本发明的诸优先的和另一些实施例，用在一个低功率切换分集式天线系统中的一个单极天线的一个电路示意图。
图7是根据本发明的诸优先的和另一些实施例，一个选择性呼叫无线电设备的一个电路方框图。
优先实施例的详细描述本发明利用两个变容二极管调谐天线，安排它们截取基本上分开90度的电磁能量的两个分量。将被截取的能量耦合到一台接收机。将两个固定的反向偏压耦合到两个变容二极管。一个变容二极管将一个变容二极管调谐天线(一个ON(接通)天线)调谐到一个想要的频率上，而第二个变容二极管将一个第二个变容二极管调谐天线(一个OFF(断开)天线)调谐到一个频带外的频率(这里我们将它称为拒绝频率)上，接收机对此频率不作出响应，它减少OFF变容二极管调谐天线在想要的频率上的增益。两个变容二极管都被加上反向偏压，所以为了切换两个变容二极管调谐天线所需的总功率消耗非常小。在想要的频率上ON变容二极管调谐天线的增益与OFF变容二极管调谐天线的增益之比是很大的，典型地至少达到10分贝(dB)。这种切换基本上消除了由两个变容二极管调谐天线恢复的诸信号之间的任何可能的干扰，这就防止了当两个分量不同相时它们相互部分地或全部地抵消，并允许选择用来接收截取信号的两个分量中较强的一个。
参照图1，在那里根据本发明的诸优先的和另一些实施例，画出了一个包括一个选择性呼叫无线电设备120的无线电通信系统100的一个电路方框图。这个无线电通信系统100至少包括一个基站110和一个选择性呼叫无线电设备120。基站110是无线电通信系统100的一个常规的固定网络的一部分，选择性呼叫无线电设备120代表诸寻呼机和诸其它的无线电接收装置，如能够在无线电通信系统100中工作的诸个人通信装置。将一个包括一个要传递给选择性呼叫无线电设备120的消息的信号105耦合到基站110，基站110完成信号到与一个基站天线112耦合的无线电能量的标准变换，基站天线112将该能量作为电磁能辐射出去。该电磁能被环境中的许多不同的物体(在图1中未画出)反射和吸收，这产生一个以诸信号受到衰落为特征的电磁能量场，这是一个对熟练的技术人员来说众所周知的现象。当电磁能量115足够强时，选择性呼叫无线电设备120截取电磁能量115中的一些(在这里可以换一个方式将电磁能量115称为一个辐射信号115)并接收在其中传输的消息。
参照图2，在那里根据本发明的诸优先的和另一些实施例，画出了选择性呼叫无线电设备120的一个电路方框图。选择性呼叫无线电设备120包括一个低功率切换分集式天线系统200，一台接收机250，和一个控制器260。当选择性呼叫无线电设备120接通电源时，将两个偏压信号(也可以较简单地称为偏压)261，262中的一个设置在所述偏压的一个第一个值(即，一个第一个DC电压)上，将两个偏压261，262中的另一个设置在所述偏压的一个第二个值(即，一个第二个DC电压)上。将偏压261，262耦合到低功率切换分集式天线系统200，该系统包括两个射频(RF)扼流圈215，217，两个变容二极管调谐天线205，207，一个组合器210和一个匹配网络220。第一个偏压261通过扼流圈215进行耦合，从扼流圈215将一个经扼流的偏压216耦合到在一个第一个变容二极管调谐天线(ANT1)205中的一个变容二极管。RF扼流圈215对于RF频率，特别是在选择性呼叫无线电设备120的一个正常调谐范围内的那些频率代表一个高阻抗。RF扼流圈对于偏压也代表一个直流(DC)阻抗，该阻抗相对于变容二极管调谐天线的DC阻抗是比较低的，因为，如将在下面较详细描述的那样，在变容二极管调谐天线中的变容二极管在两个切换条件中都是反向遍压的，所以变容二极管调谐天线的DC阻抗非常高。于是，可将一个高值电阻，如一个常规的100千欧(kOhm)，或一个电感扼流圈用作RF扼流圈。一个100kOhm的电阻是优先的，因为它比一个电感扼流圈小和便宜。类似地，第二个偏压262通过RF扼流圈217进行耦合，从扼流圈217将一个经扼流的偏压218耦合到在一个第二个变容二极管调谐天线(ANT2)207。将两个变容二极管调谐天线205，207中的耦合到第一个值的一个调谐到在选择性呼叫无线电设备120的一个正常调谐范围内的一个想要的频率上，而将两个变容二极管调谐天线205，207中另一个调谐到离开想要的频率很远的地方，即调谐到在这里称为拒绝频率的一个频率上。根据本发明的优先实施例，想要的频率近似为930MHz。在实际上如此安排两个变容二极管调谐天线205，207，使得它们能恢复极化近似分开90度的电磁辐射的两个分量(即，两个分量基本上是正交极化的)。由于切换调谐，由ON变容二极管调谐天线恢复的截取信号分量在想要的频率上很强于由OFF变容二极管调谐天线恢复的截取信号分量。将被两个变容二极管调谐天线205，207恢复的截取信号分量206，208耦合到一个组合器网络210，它以一个基本上线性的方式将两个分量加在一起。所得的信号211耦合到一个匹配网络220，匹配网络220将在这里称为一个接收机端口信号的信号在设计得与接收机250的一个额定输入组抗匹配的一个预算确定的阻抗上耦合到接收机250。然后接收机250接收信号并产生一个平方根和指示器(RSSI)251和一个耦合到控制器260的解调信号252。控制器260恢复来自RSSI251的信息和解调信号252，将解调信号252用于确定是将两个偏压261，262保持在它们现在的状态还是将在第一个值的偏压切换到一个第二个值和类似地将在第二个值的偏压切换到一个第一个值，从而在想要的频率上反转诸变容二极管调谐天线的增益。如将在下面较充分解释的那样，第一个偏压261的第一个值不一定与第二个偏压262的第一个值相同。偏压261，262的第二个值优先地是相同的，但是不一定要相同。
参照图3，在那里根据本发明的诸优先的和另一些实施例，画出了一个用在一个低功率切换分集式天线系统200中的变容二极管调谐天线205，207的频率响应的图。曲线310表示当变容二极管调谐天线205，207断开(偏压的第二个值与它们耦合到)时它们的典型增益，而曲线315表示当变容二极管调谐天线205，207接通时它们的典型增益。我们将看到诸曲线表示在想要的频率上一个ON变容二极管调谐天线与一个OFF变容二极管调谐天线的增益比近似为15dB(其中曲线315在它的最大值)。在这个比，被OFF变容二极管调谐天线恢复的信号分量的诸不希望有的效益对来自ON变容二极管调谐天线的分量几乎没有影响。进一步我们将看到至少10dB的比在大多数RF频率上典型地很容易达到而诸部件不会有过分的价格和尺寸，并且在一个10dB或更多的比，OFF的截取信号分量(截取信号分量206，208中的一个)与ON的截取信号分量(截取信号分量206，208中的另一个)的诸组合效应实际上对ON的截取信号分量没有影响。尽管不是优先的，但是当ON到OFF的截取信号分量之比低到3dB时，可以在一个较小的程度上实现本发明的有利之处。
我们将进一步看到在本发明的优先实施例中，将OFF天线调谐到一个在这里称为拒绝频率的频率上，换句话说能够将OFF天线的这种调谐状态简单地描述为失调，我们还能看到这是一个能实现希望有的目标的方法，即它能实现在想要的频率上OFF天线的一个增益比在想要的频率上ON天线的一个增益至少小3dB。
参照图4，在那里根据本发明的诸优先的和另一些实施例，画出了低功率切换分集式天线系统200的组合器210和匹配网络220的一个电路示意图。根据本发明的诸优先的和另一些实施例，组合器是一个常规的无源网络用于将来自两个变容二极管调谐天线的诸信号组合起来，它包括两个电容器405，410，每个都是1微微法。匹配网络也是一个常规的无源网络用于阻抗匹配，它包括一个串联耦合的5微微法的电容器415和一个与地耦合的10毫微亨的线圈420。当选择性呼叫无线电设备120工作在有非常不同的值的想要的频率上时，对于诸电容器405，410，415和线圈420用诸其它的值是合理的。
参照图5，在那里根据本发明的诸优先的和另一些实施例，画出了用在一个低功率切换分集式天线系统200中的变容二极管调谐天线205，207的一个环形天线变体的一个电路示意图。变容二极管调谐天线205，207每个都截取电磁能量115，并且每个都包括一个变容二极管515，一个电容器510和一个环形天线部件505。变容二极管的阳极与地耦合，而阴极与扼流偏压216，218中的一个耦合(与天线有关)。变容二极管515的阴极通过电容器510与环形天线部件505耦合。环形天线部件505的另一端将诸截取信号分量206，208耦合到组合器210。电容器510优先地是2微微法并当阻断偏压216，218时代表在想要的频率上的一个低阻抗。环形天线部件505是一个常规的环形天线部件，它有一个典型的有效阻抗50毫微亨和2欧姆，并优先地制成为安装在一块印刷电路板上的一个导线环。变容二极管调谐天线205的环形天线部件505在选择性呼叫无线电设备120内定向在相对于变容二极管调谐天线207的环形天线部件505成90度的方向上。设置第一个偏压261的第一个值，使得在想要的频率上变容二极管调谐天线205的增益达到最佳值，设置第二个偏压262的第一个值，使得在想要的频率上变容二极管调谐天线207的增益达到最佳值。因此，偏压261，262的第一个值不一定相同，但是另一方面，能够将它们设置在一个第一个预先确定的值上，这个值是当设计本发明的性能没有什么退化的低功率切换分集式天线系统200时确定的。偏压261，262的第二个值是较不关键的，并优先地将它们设置在一个第二个预先确定的值上。第一个和第二个偏压261，262的第一个和第二个值两者都是正电压，它们对变容二极管515进行反向偏压。于是，偏压261，262只提供的漏电流，导致一个非常低于一微安的电流消耗，这比一个已有技术的PIN结二极管切换分集式天线系统的电流消耗低许多个数量级。变容二极管是一个常规的变容二极管，优先地是一个由美国伊利诺斯州Schaumburg的摩托罗拉公司制造的型号为MMBV2101LT1的变容二极管。选择偏压261，262以一个近似2到1的比改变变容二极管515的电容量，这使变容二极管调谐天线205，207的ON和OFF状态之间的天线增益比近似达到15dB。
参照图6，在那里根据本发明的诸优先的和另一些实施例，画出了用在一个低功率切换分集式天线系统200中的变容二极管调谐天线205，207的一个单极天线变体的一个电路示意图。在变容二极管调谐天线205，207的单极天线变体中，如上面的对于环形天线变体的描述那样，变容二极管615耦合在经扼流的偏压216，218和地之间。单极天线部件610的一个馈电端与变容二极管615的阴极和组合器210耦合。单极天线部件610是一个常规的电感负载的单极天线部件，变容二极管615是一个常规的变容二极管，当加上偏压216，218的第一个值时，它有一个选择用于在想要的频率上和单极天线部件610发生谐振的值。诸单极天线部件610实际上位于选择性呼叫无线电设备120内，相互分开90度，能达到用变容二极管调谐天线205，207的环形天线变体所能达到的相同结果，该结果就是截取电磁能量115的诸基本上不相关的样本。
参照图7，在那里根据本发明的诸优先的和另一些实施例，画出了一个选择性呼叫无线电设备120的一个电路方框图。选择性呼叫无线电设备120包括低功率切换分集式天线系统200，用于截取辐射信号115。低功率切换分集式天线系统200将截取的辐射信号115变换成一个耦合到一台接收机250的传导的无线电信号221，接收机250接收传导的无线电信号221。接收机250是一台常规的接收机，它拒绝传导的无线电信号221的在拒绝频率附近的部分。接收机250通过以一个比放大传导的无线电信号221的在想要的频率附近的部分的增益低得很多的增益，放大传导的无线电信号221的被拒绝部分来实现拒绝。例如，传导的无线电信号221的在想要的频率附近的增益与在拒绝频率附近的增益之比典型地大于70dB。接收机250对传导的无线电信号221的在想要的频率附近的部分进行变换并产生与控制器260耦合的RSSI251和解调的信号252。控制器260与一个显示器724，一个报警器722，一组用户控制器720和一个电可擦可编程只读存储器(EEPROM)726耦合。控制器260包括一个数字变换电路710，两个数字到模拟变换器(DAC)761，762，一个模拟到数字变换器(ADC)763和一台微处理器760。解调的信号252与数字变换电路710耦合，在数字变换电路710中它被变换成一个与微处理器760耦合的二进制信号。RSSI251与ADC763耦合，ADC763将RSSI251变换成一个与微处理器760耦合的二进制字。微处理器760与EEPROM726耦合，用于当一个维护工作时将存储在那里的一个嵌入地址存储起来和用于当无线电设备120正常工作时加载该嵌入地址。微处理器760是一台常规的微处理器，它包括一台中央处理机(CPU)，一个只读存储器(ROM)和一个随机存取存储器(RAM)。
当在一个出站信令协议的一个地址域中接收的一个地址与存储在EEPROM726中的一个嵌入地址匹配时，微处理器760的一个消息处理机功能以一种对于熟练的技术人员是众所周知的方式，对诸出站字进行解码并处理一个出站消息。消息处理机功能根据出站消息的内容和根据由一组用户控制器720的操纵设置的诸模式，以一种常规的方式，对已经由地址匹配确定的一个用于选择性呼叫无线电设备120的出站消息进行处理。当一个出站消息包括用户信息时，典型地产生一个报警信号。报警信号与报警装置722耦合，报警装置722典型地或者是一个可听见的报警装置或者是一个无声的报警装置。
当出站消息包括字母数字信息或图形信息时，一个显示功能在一个由一组用户控制器720的操纵确定的时间中，以一种常规的方式在显示器724上显示出这些信息。
当选择性呼叫无线电设备120正在接收一个无线电信号时，通过当变容二极管调谐天线205，207处在不同的ON和OFF的状态时，确定与从低功率切换分集式天线系统200接收的解调信号252相关的一个质量，和与从低功率切换分集式天线系统200接收的诸以前的解调信号252相关的诸质量，并对这些确定的质量进行相互比较和与诸以前确定的质量水平进行比较，控制器260以一种常规的方式确定变容二极管调谐天线205，207中哪一个在ON的状态和变容二极管调谐天线205，207中哪一个在OFF的状态。例如，在一种简单的方法中，与现在的解调信号252相关的RSSI251与一个预先确定的质量水平进行比较，当RSSI251处在预先确定的水平以上时，不对变容二极管调谐天线205，207进行切换，但是当RSSI251在一个预先确定的时间内低于预先确定的水平时，对变容二极管调谐天线205，207进行切换。
到现在为止我们应该看到本发明已经提供了一个切换分集式天线系统，它工作在电流消耗非常低于已有技术的切换分集式天线系统的状态中，从而允许在便携式装置，如寻呼机中使用切换分集式天线，增大接收的灵敏度。此外，因为本发明的切换变容二极管调谐天线有一个高DC阻抗，所以我们能够用电阻代替扼流圈，将诸偏压耦合到变容二极管调谐天线，从而降低了价格和尺寸。
权利要求
1．一个低功率切换分集式天线系统，用于在一个想要的频率上截取电磁辐射，它包括一个第一个变容二极管调谐天线，该天线包括一个第一个天线部件，它截取电磁辐射的一个第一个极化分量，和一个第一个变容二极管，它与第一个天线部件耦合，其中第一个变容二极管在对一个第一个偏压的一个第一个值作出响应时，将第一个变容二极管调谐天线调谐到想要的频率上，和在对第一个偏压的一个第二个值作出响应时，将第一个变容二极管调谐天线调谐到一个拒绝频率上；和一个与第一个变容二极管调谐天线耦合的第二个变容二极管调谐天线，该天线包括一个第二个天线部件，它使得第二个变容二极管调谐天线对电磁辐射的一个第二个极化分量作出响应，第二个极化分量相对于第一个极化分量基本上正交地极化那样地进行定向，和一个第二个变容二极管，它与第二个天线部件耦合，其中第二个变容二极管在对一个第二个偏压的一个第一个值作出响应时，将第二个变容二极管调谐天线调谐到想要的频率上，和在对第二个偏压的一个第二个值作出响应时，将第二个变容二极管调谐天线调谐到一个拒绝频率上。
2．根据权利要求1的低功率切换分集式天线系统，它进一步包括一个有一个用于第一个和第二个变容二极管调谐天线中的每一个的输入端的组合网络，该网络将第一个极化分量和第二个极化分量组合起来。
3．根据权利要求2的低功率切换分集式天线系统，它进一步包括一个与组合网络耦合的匹配网络，该网络在一个预先确定的阻抗上提供一个接收机端口信号。
4．根据权利要求1的低功率切换分集式天线系统，它进一步包括一个控制器，该控制器提供第一个偏压和第二个偏压，其中当提供第一个偏压的第一个值时提供第二个偏压的第二个值，和当提供第二个偏压的第一个值时提供第一个偏压的第二个值。
5．根据权利要求1的低功率切换分集式天线系统，其中当第一个偏压在第一个值和第二个偏压在第二个值时，第一个变容二极管调谐天线和第二个变容二极管调谐天线的一个相对的被恢复的信号强度至少为3dB。
6．根据权利要求1的低功率切换分集式天线系统，其中当第一个和第二个偏压的第一个和第二个值都是反向偏压值。
7．一个便携式电子装置包括权利要求1的低功率切换分集式天线。
8．根据权利要求7的便携式电子装置，进一步包括一台接收机，该接收机对在想要的频率上的信号比对在拒绝频率上的信号有大得多的放大。
9．一个低功率切换分集式天线系统，用于在一个想要的频率上截取电磁辐射，它包括一个第一个变容二极管调谐天线，该天线包括一个第一个天线部件，它截取电磁辐射的一个第一个极化分量，和一个第一个变容二极管，它与被一个第一个偏压调谐的第一个天线部件耦合；和一个与第一个变容二极管调谐天线耦合的第二个变容二极管调谐天线，该天线包括一个第二个天线部件，它使得第二个变容二极管调谐天线对电磁辐射的一个第二个极化分量作出响应，第二个极化分量相对于第一个极化分量基本上正交地极化那样地进行定向，和一个第二个变容二极管，它与被一个第二个偏压调谐的第二个天线部件耦合，其中当第一个偏压处在一个第一个状态和第二个偏压处在一个第二个状态时，第一个变容二极管调谐天线的增益与第二个变容二极管调谐天线的增益的一个比至少为3dB，和其中当第二个偏压处在一个第一个状态和第一个偏压处在一个第二个状态时，第一个变容二极管调谐天线的增益与第二个变容二极管调谐天线的增益的比小于-3dB。
10．根据权利要求9的低功率切换分集式天线系统，它进一步包括一个有一个用于第一个和第二个变容二极管调谐天线中的每一个的输入端的组合网络，该网络将第一个极化分量和第二个极化分量组合起来。
11．根据权利要求10的低功率切换分集式天线系统，它进一步包括一个与组合网络耦合的匹配网络，该网络在一个预先确定的阻抗上提供一个接收机端口信号。
12．根据权利要求9的低功率切换分集式天线系统，它进一步包括一个控制器，该控制器提供第一个偏压和第二个偏压，其中当提供第一个偏压的第一个值时提供第二个偏压的第二个值，和当提供第二个偏压的第一个值时提供第一个偏压的第二个值。
13．根据权利要求9的低功率切换分集式天线系统，其中第一个和第二个偏压的第一个和第二个值都是反向偏压值。
14．一个便携式电子装置包括权利要求9的低功率切换分集式天线系统。
全文摘要
一个低功率切换分集式天线系统(200)包括两个变容二极管调谐天线(205,207),它们每一个又都包括一个天线部件和一个变容二极管。两个变容二极管调谐天线截取电磁辐射的基本上正交极化的两个分量。将两个变容二极管调谐天线中的一个调谐到一个想要的频率,并使另一个失调,从而使调谐的变容二极管天线与失调的变容二极管调谐天线的一个相对增益在想要的频率上至少达到3dB。
文档编号H01Q21/26GK1295726SQ99804613
公开日2001年5月16日 申请日期1999年2月16日 优先权日1998年3月30日
发明者洛伦佐·A·庞塞德莱昂 申请人:摩托罗拉公司