在以下说明中，为了解释而非限制的目的，陈述细节和描述以提供对本发明的透彻理解。然而，对本领域技术人员而言明显的是本发明可在脱离这些细节和描述的其它实施方案中实践。
[0062]用于设计更有源的具有多个谐振频率的天线的一个解决方案在共同持有的美国专利第7，830，320号中公开，其中隔离磁偶极子tm(MD)与多个放置于MD下的无源和有源调谐元件相结合。然而，随着新一代无线设备和应用的出现，需要通过使用简洁且有源的天线结构合并例如波束转换、波束控制、空间或极化天线分集、阻抗匹配、频率转换、模式转换等额外功能。本发明解决了现有天线设计的缺陷以制造与分集应用交叉的具有零值控制和频率调谐功能的更有源的天线。
[0063]樽杰天线
[0064]图2(a_d)中提供了模态天线。图2 (a)示出位于地平面56上的MD元件51、与有源元件53耦合的第二无源元件52和与第二有源元件55耦合的第一无源元件54。在此示例性实施方案中，有源元件53和55可包括两种状态转换，其将第一和第二无源元件与地进行电气连接(短路)或断开(开路)。结合第一和第二无源元件，天线50可以有利地提供前者的频率分割和零值控制功能，以及后者的频移功能。
[0065]图2(b)示出三种不同状态下与图2(a)中所示天线50的示例性实施方案相关的频率特性59。第一状态被表示为简单MD的频率特性57，其在第一和第二无源元件52和54均为开路时获得，这导致了谐振频率第二状态被表示为当第一无源元件54通过开关55接地短路时获得的与图2(a)的天线50有关的频率转移特性58。第三状态被表示为当第一和第二无源元件52和54通过开关53和55均接地短路时获得的具有频率&和f。的双谐振频率特性59。这个组合能实现两种不同的操作模式，但具有相同频率同样地，使用图2中的示例配置可以容易地影响例如零值控制等操作。
[0066]已确定此零值控制技术在零值方向产生了几个dB的信号改善。图2(c)示出在第三状态下(都短路)频率&处的与图2 (a)中的天线50相关的辐射方向图，其与第一状态(都开路)下图2(a)中的天线50的辐射方向图61(如图2(d)所示)相比在方向上显示有九十度的移位。如前面所讨论的，使用有源元件53，通过借助控制无源元件52来控制(例如，转换)天线模式，可以容易地实现辐射方向图中的这种移位。通过提供独立的有源调谐功能，在同一个频率上可以获得两种不同模式的操作。这种零控天线在共同持有的序列号为12/043，090的美国专利中进一步描述。
[0067]为了本发明的目的，可在下文中将天线的第一状态(都开路)描述为“第一天线模式”。在第一天线模式中，当第一和第二无源元件均为开路时(不接地)，天线显示出单谐振。此外，也为了本发明的目的，可在下文中将第三状态(都闭合)描述为天线的“第二天线模式”。在第二天线模式中，天线显示沿着频率轴转移以使天线适应在两个天线模式之间的公共频带上的操作的分割谐振特性。然而应注意，每个天线模式的辐射方向图是独特的，因此天线适应于零值控制。
[0068]尽管所描述的是IMD型模态天线，但是应注意可以相似地使用与有源可调无源元件结合以形成有源模态天线的任何天线辐射器。在这点上，可以以与所描述的例子相似的方式而非限制性地实施任何模态天线。
[0069]适应于在单个频率处接收分集应用的模态天线
[0070]使用另外的设计、电路和硬件，上面描述的模态天线已被适应于分集应用，且本申请的申请人已成功地研制出了本文描述的功能模型。利用这种独特的天线分集方法，单辐射器能够分集信号处理，并适应于提供降低的功率需求和无线通信设备中的更小的形状系数。
[0071]本文所公开的特定实施方案中，有源元件可包含以下项的任一项:开关、电压控制的可调电容器、电压控制的可调移相器、变容二极管、PIN 二极管、MEMS开关、MEMS可调电容器、BST可调电容器和FET。
[0072]现在转到图3(a_b)，其提供了适应于分集应用的模态天线系统。如图3(a)所示，根据本发明的一个实施方案的总示意图提供单天线辐射器，其与接收机和发射机中的至少一个通信，必要时通过双工器以防止对敏感接收组件的损坏。将天线辐射器进一步连接到基带控制信号，从而为分集处理提供控制机制。
[0073]图3(b)的实施方案中进一步示出了天线系统，其中该天线系统包括置于电路板上的天线福射器，在其中间形成天线容积(volume)。第一无源元件被放置在该天线容积中，其足够靠近以反映性地与天线进行耦合，从而提供如上面讨论的频移功能，本文中，第一无源元件可被称为频移导体或调谐导体。第二无源元件位于天线容积外且邻近天线辐射器，而且被布置成足够远以最小化电抗性耦合同时保持足够的接近度以影响天线辐射方向图特性，第二无源元件可以可选择地被称为移位导体，因为它用于对辐射方向图的相位进行移位。
[0074]在接收分集方案中，图3(b)中所示的天线适应于在如上所述的第一天线模式(第一和第二无源元件不接地)和第二天线模式(第二无源元件短路)之间转换。在一个实施方案中，接收机适应于在扩展持续时间内接收来自在第一天线模式操作的天线的信号，直到该信号可以衰减至低于所确定的阈值，其中当有这种信号衰减时，天线适应于转换至在第二天线模式下操作，以维持稳固的链路。
[0075]尽管第一无源元件被描述为在第一和第二天线模式两者中维持开路状态，但有可能的是配置天线以断开第一无源元件。凡是需要频率响应的动态调谐的地方，优选地代替开关组件将第一无源元件连接到基带控制信号而通过插入可调电容器来提供可变电抗。
[0076]应理解，尽管代表性图示描述了 MD天线辐射器，但平面倒F天线(PIFA)、曲折线或其他天线辐射器可被相似地配置以用于模态分集应用。
[0077]图4(a_e)进一步示出根据图3 (a_b)中描述的本发明的至少一个实施方案的适应于接收分集的零控天线的回波损耗和效率。在如上所述的第一天线模式中，第一和第二无源元件不接地，且在图4a和4b中示出产生的回波损耗和效率的曲线。相似地，在如上所述的第二天线模式中，第二无源元件被短路，从而改变天线的现有模式且改变其辐射方向图。图4(c_d)表示根据图3(a_b)中所描述的天线的第二天线模式的回波损耗和效率曲线。图4e表示根据第一和第二两种模式的天线的效率和相关系数。
[0078]在如图5中进一步描述的本发明的另一实施方案中，模态天线包含放置于辐射结构的容积内的第一无源元件和位于辐射结构的容积外且邻近辐射结构的容积的第二无源元件。每个无源元件单独地连接到有源元件，例如开关、可调电容器或其他有源元件。每个有源元件和附加无源元件被基带控制信号控制。第一无源元件大体上被包含在天线的容积内且大体上与其平行地对齐。第二无源元件相对于第一无源元件朝向相反的方向。在这点上，可以分别对齐第一和第二无源元件以提供在多个模式中辐射方向图的理想变化。第一和第二无源元件的对齐不限于图5所示的实施方案，且事实上可以被设计以用于在多个天线模式中的最优辐射方向图特性。
[0079]在特定实施方案中，可以使用单个有源元件，如图6所示。在此，提供了模态天线，其包括具有在辐射器和电路板之间关联的天线容积的天线辐射器。第一无源元件被放置于天线容积内。第二无源元件被放置于天线容积外、但邻近辐射器。有源元件将两个无源元件连接到共同连接点，例如接地连接点或调谐电路。基带信号被提供给有源元件以用于天线的动态控制。在这点上，无源元件适应于根据基带信号接通/断开。
[0080]在本发明的另一方面，可将处理器合并到天线系统中，以提供天线辐射方向图的动态控制。如图7所示，模态天线包含放置于电路板上的天线辐射器，在其间形成天线容积。第一无源元件被放置于天线容积内。第二无源元件被放置于天线容积外且邻近辐射结构。每个无源元件单独地附接到有源元件。每个有源元件被进一步连接到处理器，且适应于接收来自处理器的基带信号。天线辐射器可以进一步地被连接到双工器，以保护敏感接收组件，且接收机和发射机被耦合到双工器。在这点上，处理器可以控制发送到无源元件的每个有源元件的信号，以进行接通/断开或改变其电抗。
[0081]图8进一步说明图7中的天线系统和对于不同天线模式产生的相关系数的变化。此处，每个无源元件上的电抗负载的动态调整提供在多个模式中对天线相关系数的对应动态调整。此技术提供提高的吞吐量性能。
[0082]图9示出根据如上所述的第一模式和第二模式与图7中的天线相关的辐射方向图的三维表示。
[0083]图10示出了可以从双状态零控天线配置实现的辐射方向图形状的变化。二维辐射方向图示出了在其中一个主平面中的辐射场组件。蓝色和绿色迹线为辐射场的正交线性分量，红色迹线表示组合的辐射场。蓝色迹线中的零取向在模式I和2之间旋转了 135度，同时当实施模式2时，模式I中绿色迹线中的三个零区域中的两个被填满。
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