專利名稱：低功率切換分集式天線系統的制作方法
技術領域：
本發明的領域本發明一般地涉及分集式天線系統，特別是涉及切換分集式天線系統。
本發明的背景電功率消耗和無線電信號的高靈敏度接收許多年來一直是便攜式電子裝置，如尋呼機和個人通信裝置的關鍵性的設計參數。
當在一個電磁能量的輻射(發射)被許多物體，如建筑物，車輛和樹木反射和吸收的通信系統中，用一個電子裝置接收一個無線電信號時，將所得到的電磁能量環境描述為一個衰落環境，正交極化的諸電磁能波的諸分量在它們的振幅和相位中只有很低的相關性。一個增加電子裝置在這樣的系統中接收這樣的無線電信號的靈敏度的已知技術是用兩個接收天線，安排這兩個接收天線使它們對兩個基本上正交極化，如兩個分開90度的線性極化的攜帶無線電信號的電磁能量作出響應。當用兩個天線截取近似分開90度的兩個極化的電磁波時，能夠用被兩個天線中的一個第二個天線截取的無線電信號來增強被兩個天線中的一個第一個天線截取的無線電信號。這種方法稱為分集式接收。
盡管能夠將被兩個接收天線截取的諸無線電信號加起來增加耦合到一臺接收機的截取能量的平均強度，但是當諸無線電信號的相位近似或精確地分開180度時，要以一種避免兩個信號部分地或完全地相互抵消的方式來做到這一點在技術上是復雜的。那種技術稱為分集式組合。一個為了用這樣兩個天線的非常普通的另一種方法，它是簡單的并能很好地工作，是選擇有一個較強信號的天線。當用這個技術時，需要一個切換諸天線的裝置，以及選擇一個較強信號的方法。
一個用于切換諸天線的普通技術是用PIN結二極管(P型區-本征耗盡層-N型區半導體二極管)。在這種技術中，用一個PIN結二極管接通一個天線電源，而用一個第二個PIN結二極管斷開另一個天線電源，直到切換反轉為止。因為在一個時候只能接收一個信號，所以當現在接收的信號太弱時或在另一種情形(如一個定時選擇)中用一個算法來實現切換。在斷開的PIN結二極管上加上反向偏壓，所以只支取漏電流。雖然在接通的PIN結二極管上加上前向偏壓，但是典型地只支取1到10毫安量級的電流。這樣一種技術已經用了十多年，但是這樣大的電流消耗在一個如一個尋呼機那樣的產品中是一個嚴重的問題。
所以，我們需要的是這樣一個裝置，它能實現一個只支取非常小于1毫安電流的切換分集式天線。
諸圖的簡單描述
圖1是根據本發明的諸優先的和另一些實施例，一個包括一個選擇性呼叫無線電設備的無線電通信系統的一個電路方框圖。
圖2是根據本發明的諸優先的和另一些實施例，一個包括一個低功率切換分集式天線系統的選擇性呼叫無線電設備的一個電路方框圖。
圖3是根據本發明的諸優先的和另一些實施例，一個用在一個低功率切換分集式天線系統中的變容二極管調諧天線的頻率響應的圖。
圖4是根據本發明的諸優先的和另一些實施例，低功率切換分集式天線系統的一個組合器和匹配網絡部分的一個電路示意圖。
圖5是根據本發明的諸優先的和另一些實施例，用在一個低功率切換分集式天線系統中的一個環形天線的一個電路示意圖。
圖6是根據本發明的諸優先的和另一些實施例，用在一個低功率切換分集式天線系統中的一個單極天線的一個電路示意圖。
圖7是根據本發明的諸優先的和另一些實施例，一個選擇性呼叫無線電設備的一個電路方框圖。
優先實施例的詳細描述本發明利用兩個變容二極管調諧天線，安排它們截取基本上分開90度的電磁能量的兩個分量。將被截取的能量耦合到一臺接收機。將兩個固定的反向偏壓耦合到兩個變容二極管。一個變容二極管將一個變容二極管調諧天線(一個ON(接通)天線)調諧到一個想要的頻率上，而第二個變容二極管將一個第二個變容二極管調諧天線(一個OFF(斷開)天線)調諧到一個頻帶外的頻率(這里我們將它稱為拒絕頻率)上，接收機對此頻率不作出響應，它減少OFF變容二極管調諧天線在想要的頻率上的增益。兩個變容二極管都被加上反向偏壓，所以為了切換兩個變容二極管調諧天線所需的總功率消耗非常小。在想要的頻率上ON變容二極管調諧天線的增益與OFF變容二極管調諧天線的增益之比是很大的，典型地至少達到10分貝(dB)。這種切換基本上消除了由兩個變容二極管調諧天線恢復的諸信號之間的任何可能的干擾，這就防止了當兩個分量不同相時它們相互部分地或全部地抵消，并允許選擇用來接收截取信號的兩個分量中較強的一個。
參照圖1，在那里根據本發明的諸優先的和另一些實施例，畫出了一個包括一個選擇性呼叫無線電設備120的無線電通信系統100的一個電路方框圖。這個無線電通信系統100至少包括一個基站110和一個選擇性呼叫無線電設備120。基站110是無線電通信系統100的一個常規的固定網絡的一部分，選擇性呼叫無線電設備120代表諸尋呼機和諸其它的無線電接收裝置，如能夠在無線電通信系統100中工作的諸個人通信裝置。將一個包括一個要傳遞給選擇性呼叫無線電設備120的消息的信號105耦合到基站110，基站110完成信號到與一個基站天線112耦合的無線電能量的標準變換，基站天線112將該能量作為電磁能輻射出去。該電磁能被環境中的許多不同的物體(在圖1中未畫出)反射和吸收，這產生一個以諸信號受到衰落為特征的電磁能量場，這是一個對熟練的技術人員來說眾所周知的現象。當電磁能量115足夠強時，選擇性呼叫無線電設備120截取電磁能量115中的一些(在這里可以換一個方式將電磁能量115稱為一個輻射信號115)并接收在其中傳輸的消息。
參照圖2，在那里根據本發明的諸優先的和另一些實施例，畫出了選擇性呼叫無線電設備120的一個電路方框圖。選擇性呼叫無線電設備120包括一個低功率切換分集式天線系統200，一臺接收機250，和一個控制器260。當選擇性呼叫無線電設備120接通電源時，將兩個偏壓信號(也可以較簡單地稱為偏壓)261，262中的一個設置在所述偏壓的一個第一個值(即，一個第一個DC電壓)上，將兩個偏壓261，262中的另一個設置在所述偏壓的一個第二個值(即，一個第二個DC電壓)上。將偏壓261，262耦合到低功率切換分集式天線系統200，該系統包括兩個射頻(RF)扼流圈215，217，兩個變容二極管調諧天線205，207，一個組合器210和一個匹配網絡220。第一個偏壓261通過扼流圈215進行耦合，從扼流圈215將一個經扼流的偏壓216耦合到在一個第一個變容二極管調諧天線(ANT1)205中的一個變容二極管。RF扼流圈215對于RF頻率，特別是在選擇性呼叫無線電設備120的一個正常調諧范圍內的那些頻率代表一個高阻抗。RF扼流圈對于偏壓也代表一個直流(DC)阻抗，該阻抗相對于變容二極管調諧天線的DC阻抗是比較低的，因為，如將在下面較詳細描述的那樣，在變容二極管調諧天線中的變容二極管在兩個切換條件中都是反向遍壓的，所以變容二極管調諧天線的DC阻抗非常高。于是，可將一個高值電阻，如一個常規的100千歐(kOhm)，或一個電感扼流圈用作RF扼流圈。一個100kOhm的電阻是優先的，因為它比一個電感扼流圈小和便宜。類似地，第二個偏壓262通過RF扼流圈217進行耦合，從扼流圈217將一個經扼流的偏壓218耦合到在一個第二個變容二極管調諧天線(ANT2)207。將兩個變容二極管調諧天線205，207中的耦合到第一個值的一個調諧到在選擇性呼叫無線電設備120的一個正常調諧范圍內的一個想要的頻率上，而將兩個變容二極管調諧天線205，207中另一個調諧到離開想要的頻率很遠的地方，即調諧到在這里稱為拒絕頻率的一個頻率上。根據本發明的優先實施例，想要的頻率近似為930MHz。在實際上如此安排兩個變容二極管調諧天線205，207，使得它們能恢復極化近似分開90度的電磁輻射的兩個分量(即，兩個分量基本上是正交極化的)。由于切換調諧，由ON變容二極管調諧天線恢復的截取信號分量在想要的頻率上很強于由OFF變容二極管調諧天線恢復的截取信號分量。將被兩個變容二極管調諧天線205，207恢復的截取信號分量206，208耦合到一個組合器網絡210，它以一個基本上線性的方式將兩個分量加在一起。所得的信號211耦合到一個匹配網絡220，匹配網絡220將在這里稱為一個接收機端口信號的信號在設計得與接收機250的一個額定輸入組抗匹配的一個預算確定的阻抗上耦合到接收機250。然后接收機250接收信號并產生一個平方根和指示器(RSSI)251和一個耦合到控制器260的解調信號252。控制器260恢復來自RSSI251的信息和解調信號252，將解調信號252用于確定是將兩個偏壓261，262保持在它們現在的狀態還是將在第一個值的偏壓切換到一個第二個值和類似地將在第二個值的偏壓切換到一個第一個值，從而在想要的頻率上反轉諸變容二極管調諧天線的增益。如將在下面較充分解釋的那樣，第一個偏壓261的第一個值不一定與第二個偏壓262的第一個值相同。偏壓261，262的第二個值優先地是相同的，但是不一定要相同。
參照圖3，在那里根據本發明的諸優先的和另一些實施例，畫出了一個用在一個低功率切換分集式天線系統200中的變容二極管調諧天線205，207的頻率響應的圖。曲線310表示當變容二極管調諧天線205，207斷開(偏壓的第二個值與它們耦合到)時它們的典型增益，而曲線315表示當變容二極管調諧天線205，207接通時它們的典型增益。我們將看到諸曲線表示在想要的頻率上一個ON變容二極管調諧天線與一個OFF變容二極管調諧天線的增益比近似為15dB(其中曲線315在它的最大值)。在這個比，被OFF變容二極管調諧天線恢復的信號分量的諸不希望有的效益對來自ON變容二極管調諧天線的分量幾乎沒有影響。進一步我們將看到至少10dB的比在大多數RF頻率上典型地很容易達到而諸部件不會有過分的價格和尺寸，并且在一個10dB或更多的比，OFF的截取信號分量(截取信號分量206，208中的一個)與ON的截取信號分量(截取信號分量206，208中的另一個)的諸組合效應實際上對ON的截取信號分量沒有影響。盡管不是優先的，但是當ON到OFF的截取信號分量之比低到3dB時，可以在一個較小的程度上實現本發明的有利之處。
我們將進一步看到在本發明的優先實施例中，將OFF天線調諧到一個在這里稱為拒絕頻率的頻率上，換句話說能夠將OFF天線的這種調諧狀態簡單地描述為失調，我們還能看到這是一個能實現希望有的目標的方法，即它能實現在想要的頻率上OFF天線的一個增益比在想要的頻率上ON天線的一個增益至少小3dB。
參照圖4，在那里根據本發明的諸優先的和另一些實施例，畫出了低功率切換分集式天線系統200的組合器210和匹配網絡220的一個電路示意圖。根據本發明的諸優先的和另一些實施例，組合器是一個常規的無源網絡用于將來自兩個變容二極管調諧天線的諸信號組合起來，它包括兩個電容器405，410，每個都是1微微法。匹配網絡也是一個常規的無源網絡用于阻抗匹配，它包括一個串聯耦合的5微微法的電容器415和一個與地耦合的10毫微亨的線圈420。當選擇性呼叫無線電設備120工作在有非常不同的值的想要的頻率上時，對于諸電容器405，410，415和線圈420用諸其它的值是合理的。
參照圖5，在那里根據本發明的諸優先的和另一些實施例，畫出了用在一個低功率切換分集式天線系統200中的變容二極管調諧天線205，207的一個環形天線變體的一個電路示意圖。變容二極管調諧天線205，207每個都截取電磁能量115，并且每個都包括一個變容二極管515，一個電容器510和一個環形天線部件505。變容二極管的陽極與地耦合，而陰極與扼流偏壓216，218中的一個耦合(與天線有關)。變容二極管515的陰極通過電容器510與環形天線部件505耦合。環形天線部件505的另一端將諸截取信號分量206，208耦合到組合器210。電容器510優先地是2微微法并當阻斷偏壓216，218時代表在想要的頻率上的一個低阻抗。環形天線部件505是一個常規的環形天線部件，它有一個典型的有效阻抗50毫微亨和2歐姆，并優先地制成為安裝在一塊印刷電路板上的一個導線環。變容二極管調諧天線205的環形天線部件505在選擇性呼叫無線電設備120內定向在相對于變容二極管調諧天線207的環形天線部件505成90度的方向上。設置第一個偏壓261的第一個值，使得在想要的頻率上變容二極管調諧天線205的增益達到最佳值，設置第二個偏壓262的第一個值，使得在想要的頻率上變容二極管調諧天線207的增益達到最佳值。因此，偏壓261，262的第一個值不一定相同，但是另一方面，能夠將它們設置在一個第一個預先確定的值上，這個值是當設計本發明的性能沒有什么退化的低功率切換分集式天線系統200時確定的。偏壓261，262的第二個值是較不關鍵的，并優先地將它們設置在一個第二個預先確定的值上。第一個和第二個偏壓261，262的第一個和第二個值兩者都是正電壓，它們對變容二極管515進行反向偏壓。于是，偏壓261，262只提供的漏電流，導致一個非常低于一微安的電流消耗，這比一個已有技術的PIN結二極管切換分集式天線系統的電流消耗低許多個數量級。變容二極管是一個常規的變容二極管，優先地是一個由美國伊利諾斯州Schaumburg的摩托羅拉公司制造的型號為MMBV2101LT1的變容二極管。選擇偏壓261，262以一個近似2到1的比改變變容二極管515的電容量，這使變容二極管調諧天線205，207的ON和OFF狀態之間的天線增益比近似達到15dB。
參照圖6，在那里根據本發明的諸優先的和另一些實施例，畫出了用在一個低功率切換分集式天線系統200中的變容二極管調諧天線205，207的一個單極天線變體的一個電路示意圖。在變容二極管調諧天線205，207的單極天線變體中，如上面的對于環形天線變體的描述那樣，變容二極管615耦合在經扼流的偏壓216，218和地之間。單極天線部件610的一個饋電端與變容二極管615的陰極和組合器210耦合。單極天線部件610是一個常規的電感負載的單極天線部件，變容二極管615是一個常規的變容二極管，當加上偏壓216，218的第一個值時，它有一個選擇用于在想要的頻率上和單極天線部件610發生諧振的值。諸單極天線部件610實際上位于選擇性呼叫無線電設備120內，相互分開90度，能達到用變容二極管調諧天線205，207的環形天線變體所能達到的相同結果，該結果就是截取電磁能量115的諸基本上不相關的樣本。
參照圖7，在那里根據本發明的諸優先的和另一些實施例，畫出了一個選擇性呼叫無線電設備120的一個電路方框圖。選擇性呼叫無線電設備120包括低功率切換分集式天線系統200，用于截取輻射信號115。低功率切換分集式天線系統200將截取的輻射信號115變換成一個耦合到一臺接收機250的傳導的無線電信號221，接收機250接收傳導的無線電信號221。接收機250是一臺常規的接收機，它拒絕傳導的無線電信號221的在拒絕頻率附近的部分。接收機250通過以一個比放大傳導的無線電信號221的在想要的頻率附近的部分的增益低得很多的增益，放大傳導的無線電信號221的被拒絕部分來實現拒絕。例如，傳導的無線電信號221的在想要的頻率附近的增益與在拒絕頻率附近的增益之比典型地大于70dB。接收機250對傳導的無線電信號221的在想要的頻率附近的部分進行變換并產生與控制器260耦合的RSSI251和解調的信號252。控制器260與一個顯示器724，一個報警器722，一組用戶控制器720和一個電可擦可編程只讀存儲器(EEPROM)726耦合。控制器260包括一個數字變換電路710，兩個數字到模擬變換器(DAC)761，762，一個模擬到數字變換器(ADC)763和一臺微處理器760。解調的信號252與數字變換電路710耦合，在數字變換電路710中它被變換成一個與微處理器760耦合的二進制信號。RSSI251與ADC763耦合，ADC763將RSSI251變換成一個與微處理器760耦合的二進制字。微處理器760與EEPROM726耦合，用于當一個維護工作時將存儲在那里的一個嵌入地址存儲起來和用于當無線電設備120正常工作時加載該嵌入地址。微處理器760是一臺常規的微處理器，它包括一臺中央處理機(CPU)，一個只讀存儲器(ROM)和一個隨機存取存儲器(RAM)。
當在一個出站信令協議的一個地址域中接收的一個地址與存儲在EEPROM726中的一個嵌入地址匹配時，微處理器760的一個消息處理機功能以一種對于熟練的技術人員是眾所周知的方式，對諸出站字進行解碼并處理一個出站消息。消息處理機功能根據出站消息的內容和根據由一組用戶控制器720的操縱設置的諸模式，以一種常規的方式，對已經由地址匹配確定的一個用于選擇性呼叫無線電設備120的出站消息進行處理。當一個出站消息包括用戶信息時，典型地產生一個報警信號。報警信號與報警裝置722耦合，報警裝置722典型地或者是一個可聽見的報警裝置或者是一個無聲的報警裝置。
當出站消息包括字母數字信息或圖形信息時，一個顯示功能在一個由一組用戶控制器720的操縱確定的時間中，以一種常規的方式在顯示器724上顯示出這些信息。
當選擇性呼叫無線電設備120正在接收一個無線電信號時，通過當變容二極管調諧天線205，207處在不同的ON和OFF的狀態時，確定與從低功率切換分集式天線系統200接收的解調信號252相關的一個質量，和與從低功率切換分集式天線系統200接收的諸以前的解調信號252相關的諸質量，并對這些確定的質量進行相互比較和與諸以前確定的質量水平進行比較，控制器260以一種常規的方式確定變容二極管調諧天線205，207中哪一個在ON的狀態和變容二極管調諧天線205，207中哪一個在OFF的狀態。例如，在一種簡單的方法中，與現在的解調信號252相關的RSSI251與一個預先確定的質量水平進行比較，當RSSI251處在預先確定的水平以上時，不對變容二極管調諧天線205，207進行切換，但是當RSSI251在一個預先確定的時間內低于預先確定的水平時，對變容二極管調諧天線205，207進行切換。
到現在為止我們應該看到本發明已經提供了一個切換分集式天線系統，它工作在電流消耗非常低于已有技術的切換分集式天線系統的狀態中，從而允許在便攜式裝置，如尋呼機中使用切換分集式天線，增大接收的靈敏度。此外，因為本發明的切換變容二極管調諧天線有一個高DC阻抗，所以我們能夠用電阻代替扼流圈，將諸偏壓耦合到變容二極管調諧天線，從而降低了價格和尺寸。
權利要求
1．一個低功率切換分集式天線系統，用于在一個想要的頻率上截取電磁輻射，它包括一個第一個變容二極管調諧天線，該天線包括一個第一個天線部件，它截取電磁輻射的一個第一個極化分量，和一個第一個變容二極管，它與第一個天線部件耦合，其中第一個變容二極管在對一個第一個偏壓的一個第一個值作出響應時，將第一個變容二極管調諧天線調諧到想要的頻率上，和在對第一個偏壓的一個第二個值作出響應時，將第一個變容二極管調諧天線調諧到一個拒絕頻率上；和一個與第一個變容二極管調諧天線耦合的第二個變容二極管調諧天線，該天線包括一個第二個天線部件，它使得第二個變容二極管調諧天線對電磁輻射的一個第二個極化分量作出響應，第二個極化分量相對于第一個極化分量基本上正交地極化那樣地進行定向，和一個第二個變容二極管，它與第二個天線部件耦合，其中第二個變容二極管在對一個第二個偏壓的一個第一個值作出響應時，將第二個變容二極管調諧天線調諧到想要的頻率上，和在對第二個偏壓的一個第二個值作出響應時，將第二個變容二極管調諧天線調諧到一個拒絕頻率上。
2．根據權利要求1的低功率切換分集式天線系統，它進一步包括一個有一個用于第一個和第二個變容二極管調諧天線中的每一個的輸入端的組合網絡，該網絡將第一個極化分量和第二個極化分量組合起來。
3．根據權利要求2的低功率切換分集式天線系統，它進一步包括一個與組合網絡耦合的匹配網絡，該網絡在一個預先確定的阻抗上提供一個接收機端口信號。
4．根據權利要求1的低功率切換分集式天線系統，它進一步包括一個控制器，該控制器提供第一個偏壓和第二個偏壓，其中當提供第一個偏壓的第一個值時提供第二個偏壓的第二個值，和當提供第二個偏壓的第一個值時提供第一個偏壓的第二個值。
5．根據權利要求1的低功率切換分集式天線系統，其中當第一個偏壓在第一個值和第二個偏壓在第二個值時，第一個變容二極管調諧天線和第二個變容二極管調諧天線的一個相對的被恢復的信號強度至少為3dB。
6．根據權利要求1的低功率切換分集式天線系統，其中當第一個和第二個偏壓的第一個和第二個值都是反向偏壓值。
7．一個便攜式電子裝置包括權利要求1的低功率切換分集式天線。
8．根據權利要求7的便攜式電子裝置，進一步包括一臺接收機，該接收機對在想要的頻率上的信號比對在拒絕頻率上的信號有大得多的放大。
9．一個低功率切換分集式天線系統，用于在一個想要的頻率上截取電磁輻射，它包括一個第一個變容二極管調諧天線，該天線包括一個第一個天線部件，它截取電磁輻射的一個第一個極化分量，和一個第一個變容二極管，它與被一個第一個偏壓調諧的第一個天線部件耦合；和一個與第一個變容二極管調諧天線耦合的第二個變容二極管調諧天線，該天線包括一個第二個天線部件，它使得第二個變容二極管調諧天線對電磁輻射的一個第二個極化分量作出響應，第二個極化分量相對于第一個極化分量基本上正交地極化那樣地進行定向，和一個第二個變容二極管，它與被一個第二個偏壓調諧的第二個天線部件耦合，其中當第一個偏壓處在一個第一個狀態和第二個偏壓處在一個第二個狀態時，第一個變容二極管調諧天線的增益與第二個變容二極管調諧天線的增益的一個比至少為3dB，和其中當第二個偏壓處在一個第一個狀態和第一個偏壓處在一個第二個狀態時，第一個變容二極管調諧天線的增益與第二個變容二極管調諧天線的增益的比小于-3dB。
10．根據權利要求9的低功率切換分集式天線系統，它進一步包括一個有一個用于第一個和第二個變容二極管調諧天線中的每一個的輸入端的組合網絡，該網絡將第一個極化分量和第二個極化分量組合起來。
11．根據權利要求10的低功率切換分集式天線系統，它進一步包括一個與組合網絡耦合的匹配網絡，該網絡在一個預先確定的阻抗上提供一個接收機端口信號。
12．根據權利要求9的低功率切換分集式天線系統，它進一步包括一個控制器，該控制器提供第一個偏壓和第二個偏壓，其中當提供第一個偏壓的第一個值時提供第二個偏壓的第二個值，和當提供第二個偏壓的第一個值時提供第一個偏壓的第二個值。
13．根據權利要求9的低功率切換分集式天線系統，其中第一個和第二個偏壓的第一個和第二個值都是反向偏壓值。
14．一個便攜式電子裝置包括權利要求9的低功率切換分集式天線系統。
全文摘要
一個低功率切換分集式天線系統(200)包括兩個變容二極管調諧天線(205,207),它們每一個又都包括一個天線部件和一個變容二極管。兩個變容二極管調諧天線截取電磁輻射的基本上正交極化的兩個分量。將兩個變容二極管調諧天線中的一個調諧到一個想要的頻率,并使另一個失調,從而使調諧的變容二極管天線與失調的變容二極管調諧天線的一個相對增益在想要的頻率上至少達到3dB。
文檔編號H01Q21/26GK1295726SQ99804613
公開日2001年5月16日 申請日期1999年2月16日 優先權日1998年3月30日
發明者洛倫佐·A·龐塞德萊昂 申請人:摩托羅拉公司