用于分集应用的使用相关性管理的模态天线的制作方法
【专利说明】用于分集应用的使用相关性管理的模态天线
[0001]发明背景发明领域
[0002]本申请总体上涉及无线通信领域。特别是，本申请涉及适用于分集应用的模态天线和用于针对要求两个或多于两个来自相同或不同位置的福射方向图(pattern)的分集或其它方案设计模态天线的方法。
[0003]相关技术
[0004]随着新一代手机和其它无线通信装置变得越来越小和嵌入了增加的应用(移动互联网浏览、软件下载，等等)，要求新的天线设计解决这些装置的固有限制并且启用新功能。使用经典的天线结构，需要某一物理量以在特定频率处并且使用特定带宽产生谐振天线结构。在多频带应用中，可能需要不止一个这样的谐振天线结构。但是由于与移动装置相关的尺寸限制，这样复杂的天线阵列的实际实施可能是禁止的。
[0005]现有技术中的最新发展已提供了如在2008年3月5日提交的、序列号为12/043，090、题目为“用于控制天线束方向的天线和方法(ANTENNA AND METHOD FORSTEERING ANTENNA BEAM DIRECT1N) ”的共同拥有的美国专利申请中所描述的天线辐射特征的控制；该申请的全部内容通过引用并入本文。
[0006]最近，已经朝向用于纠正情况的应用发展“波束控制天线”，在纠正情况中，无线装置可能进入具有很少甚至没有信号接收的位置，在现有技术中另外称为“零值”或“零值场”。当装置进入零值时，波束控制机制激活以将天线辐射特性转变为可用的状态或模式。因此，由于这些天线提供各种操作模式的事实，近来这些“零控天线(null steeringantennas) ”被称为“有源模态天线”，或简称为“模态天线”，其中模态天线中的每个天线模式存在不同的辐射方向图。天线模式可以是不同的并且呈现不同的辐射形状，但是也能够被配置为展示辐射图特性中的更多的被测量的且连续的变化。
[0007]为了进一步理解本发明，本技术领域中的技术人员必须熟悉天线分集方案。在现有技术中，天线分集通常利用两个或多于两个天线辐射器以努力提高无线通信链路的质量和可靠性。尤其在室内和城市峡谷，发射机和接收机之间的视线往往变得充满各种障碍物，诸如墙和其它物体。每个信号反弹可以引入最终在接收天线处引起干扰的相位偏移、时延、衰落和失真。因此，无线链路中的破坏性干扰往往是个问题并且导致性能的降低。
[0008]天线分集方案可以通过给接收机提供多个天线减轻来自多径环境的干扰，并且因此减轻多个信号的各部分的比例。分集方案内的多个天线中的每个天线经历不同的干扰特性。因此，第二天线可能在第一天线经历零值的物理位置处接收有效的信号。总之，分集方案提供鲁棒性的链路。
[0009]天线分集通常可以以以下几种形式来实现，这几个形式包括:空间分集、方向图分集、极化分集和发送/接收分集。虽然每种形式是不同的，但是许多天线系统可以根据多种形式来设计。
[0010]空间分集通常包括多个具有相似特性的天线辐射器。多个天线在物理上彼此隔开。在第一天线可能经历信号接收的显著减少，即，零值的情况下，第二天线适用于与接收机一起使用。
[0011]方向图分集通常包括两个或多于两个具有不同辐射方向图的共址天线。该技术利用定向天线，这些定向天线往往间隔很短的距离。总之，这些共址天线能够区分很大一部分角空间并且还可以相对于全向天线元件提供相对更高的增益。
[0012]极化分集通常包括具有正交极化的成对天线。反射信号可以经历取决于其传播经过的介质的极化变化。通过配对两个互补极化，该方案可以使系统免除极化失配，否则极化失配经导致信号衰减。
[0013]发送/接收分集通常包括提供用于发送和接收功能两者的分集能力。由于对来自基站或有关链路性能的通信链路的端侧的输入的需要，实现发送分集可能更有问题。
[0014]上述每个分集方案中的每个需要一个或多个处理技术来实行天线分割，诸如:切换、选择和合并。切换是功率最有效的处理技术，该技术通常包括从第一天线接收信号直到该信号水平衰减到阈值水平之下，在此情况下，切换使第二天线辐射器与接收机进行通信。选择是将单个天线信号提供给接收机的处理技术；然而，选择过程需要监测信噪比(SNR)或用于确定由接收机利用的理想信号的类似定量。合并是一种处理技术，在该技术中对多个信号中的每个信号加权并且将其合并为与接收机通信的输出信号。虽然已经针对接收描述了这些技术，其类似物可能用于发送功能。此外，这些技术的组合可能用于动态的分集控制。
[0015]可以在图l(a-b)中识别现有技术的天线分集方案的实例。图1a表示具有说明最小均方误差(MMSE)合并技术的两个接收链(两个辐射器)的结构。在这里，在每条路径对信号加权并且选择信号以提供组合电压之间的最小均方。可替代的是，图1b表示具有用于最大比合并(MRC)处理的两个辐射器的天线结构。在这里，将每个加权因子应用到每个接收信号。
[0016]虽然以上描述的天线分集方案可以被实现以提供鲁棒性的信号链路，但是存在与这些目前的分集结构相关的缺点。例如，使用多个天线辐射器可显著地限制尺寸约束并且与附近的通信装置的电子器件的耦合是天线系统设计的常见问题。此外，功率限制和效率在多个路径被接通的许多实例中可能是个问题。实现3个或多于3个接收分集或发送分集天线只是放大了涉及额外的天线所需的容量以及用于天线和传输线所需的电路板面积的问题。接收机随着额外的接收端口被实现以容纳更大数量天线而变得更加复杂。
[0017]现有技术中还没有提出由单个天线构成的分集天线方案。实际上，现有技术的分集结构需要两个或多于两个天线辐射器。随着有源模态天线的出现，本文的申请人公开了用于分集和相关应用的单天线方案，由此提供显著减小了尺寸以便实现小巧的无线装置和其它装置的鲁棒性的天线。
【发明内容】
[0018]如本文所描述的用于分集应用的多模式天线提供单个天线和单个传输线路径以提供无线装置内的容量以及电路板上的面积。与实现多个传统的分集技术需要两个或多于两个接收机端口相比，本分集方案可以使用单个接收机端口。该单个多模式结构可以由单个天线生成大量的辐射模式。使用单个天线分集方案，考虑SAR(特定吸收比)，天线可以被更优地定位。当在手机应用的情况下针对用户的头或在用户手中时，生成产生多个辐射方向图的多个模式的能力提供提高天线性能的方法。这些模态分集天线可以被类似地在接入点或其它无线装置中实现。吞吐量性能可以通过优化两个或多于两个生成的模式之间的包络相关系数(ECC)而得到提高。
[0019]在本发明的一个方面中，天线适用于在单个频带下的分集操作。天线通常包括设置在电路板上和在其间形成天线体积的福射结构。第一无源(parasitic)元件被放置在天线体积内并且适用于电抗性地耦合到辐射结构。第一无源元件还与第一有源元件耦合，用于改变与天线辐射器电抗性(reactive)耦合并且因此调整辐射器的频率响应。还提供第二无源元件并且第二无源元件被设置在天线的体积之外并且相邻于辐射结构。第二无源元件还与第二有源元件进行耦合，用于改变其上的当前模式。
[0020]天线被配置为在两个或多于两个天线模式之间操作。在第一天线模式中，第二无源元件处于打开状态；即，不接地。在其第一天线模式中，天线辐射器将经历可以忽略的频率中的失调和辐射方向图的改变。在第二天线模式中，第二无源元件是被短路的；即，接地。被短路的无源元件从天线生成分割谐振频率响应。在组合中，第二无源元件适用于生成分割频率响应并且第一无源元件适用于变换更高的谐振频率使得天线适用于在每个天线模式中在目标频率下操作。第二天线模式中的更高谐振频率的天线生成不同的辐射方向图。因此，在第二天线模式中放置天线的可观察的影响包括如第二无源元件从打开状态转变为短路状态的零值位置的变换。在这点上，具有单个辐射结构的天线系统能够在期望的频带处进行分集操作并且适用于在无线平台上提供鲁棒性的链路。
[0021]在实际意义上，本文所描述的分集天线可以被包括在无线通信装置中，诸如:手机、便携式电子装置、接入点、手提电脑、平板装置等等。可以针对一个或多个分集应用，诸如:接收分集、发送分集、以及发送和接收分集，配置天线；其中，天线的零控功能使能在单个辐射器结构上进行分集应用。在这点上，诸如避免空间和能量的浪费的好处转化为低成本和高性能的无线解决方案。此外，相关系数可以根据频率函数动态地变化以进行优化。可以调整相关系数以当装置在多个用例中使用时，补偿手和头的负荷对无线装置的影响。
[0022]在一个实施例中，天线包括设置在电路板上和在其间形成天线体积的辐射结构。第一无源元件被放置在天线体积内并且配置为提供调整的电抗使得天线在期望的频带上操作。第二无源元件被放置在天线体积之外并且与其相邻。第二无源元件适用于引入辐射结构的分割谐振频率响应。第一无源元件和第二无源元件每