НАСТРАИВАЕМАЯ ДВУХАНТЕННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ РАБОТЫ ВО МНОЖЕСТВЕ ЧАСТОТНЫХ ДИАПАЗОНОВ
ADJUSTABLE DOUBLE-ANTENNA SYSTEM FOR OPERATION IN MULTIPLE FREQUENCY RANGES

Область техники
Настоящая заявка относится в целом к области связи и, в частности, к настраиваемой двухантенной системе.
Уровень техники
Устройства беспроводной связи, такие как мобильные телефоны, могут иметь одну антенну для передачи и приема сигналов. Желание поддерживать множество частотных диапазонов и множество стандартов беспроводной связи может потребовать увеличения размера имеющейся антенны или установки дополнительных антенн. Эти варианты представляют сложности для новейших беспроводных устройств с небольшими размерами.
Краткое описание чертежей
На фиг.1A приведена система с одной приемопередающей антенной.
На фиг.1B приведена система с множеством приемопередающих антенн.
На фиг.1C приведена система с отдельными ненастраиваемыми передающей и приемной антеннами.
На фиг.2A приведено устройство с двумя настраиваемыми антеннами в соответствии с вариантом осуществления настоящей заявки.
На фиг.2B приведено устройство с множеством настраиваемых антенн, которые могут обеспечить многообразие передачи и (или) приема.
На фиг.3A приведена частотная характеристика антенны с точки зрения мощности отраженного сигнала для частотного диапазона передачи и приема в системе, приведенной на фиг.1A.
На фиг.3B приведена частотная характеристика антенн с точки зрения мощности отраженного сигнала для частотных диапазонов передачи и приема в системе, приведенной на фиг.1B.
На фиг.3C приведена частотная характеристика антенн с точки зрения отраженной мощности для частотных диапазонов передачи и приема в системе, приведенной на фиг.1C.
На фиг.4 приведена резонансная частотная характеристика антенны с точки зрения мощности отраженного сигнала для частотных диапазонов передачи и приема в системе, приведенной на фиг.2.
На фиг.5 приведена конфигурация, в которой две антенны расположены внутри, вблизи или на верхней части устройства или монтажной платы устройства.
На фиг.6 приведена конфигурация, в которой две антенны расположены по существу перпендикулярно к горизонтальной плоскости (вид в разрезе) устройства или монтажной платы устройства.
На фиг.7 приведена конфигурация, в которой одна антенна расположена по существу перпендикулярно второй антенне на или внутри устройства или монтажной платы устройства.
На фиг.8 приведен пример измеренной частотной характеристики антенны с точки зрения мощности отраженного сигнала для демонстрации возможности настроить частоты для пары из передающей и приемной антенн, приведенной на фиг.2.
На фиг.9 приведен способ применения антенной системы 200, приведенной на фиг.2.
Подробное описание
Некоторые устройства беспроводной связи, такие как "всемирные телефоны", предназначены для работы во множестве частотных диапазонов ("многодиапазонные") и во множестве стандартов связи ("многорежимные"), которым для нормального функционирования может понадобиться многодиапазонная антенна и (или) множество антенн. Согласно законам физики, многодиапазонная антенна, чтобы работать во всех требуемых частотных диапазонах, должна быть электрически больше, чем однодиапазонная. "Многодиапазонное" устройство может использовать одну приемопередающую антенну для каждого частотного диапазона и таким образом иметь множество приемопередающих антенн (фиг.1B). В альтернативном варианте в "многодиапазонном" устройстве можно использовать одну многодиапазонную антенну, но тогда в него требуется ввести мультиплексор или однополюсный переключатель на множество направлений для направления антенного сигнала для каждого частотного диапазона на соответствующий передатчик и приемник каждого диапазона.
Аналогично, в "многорежимном" устройстве можно использовать одну приемопередающую антенну для каждого стандарта связи и, таким образом, иметь множество приемопередающих антенн (фиг.1B). В альтернативном варианте, в "многорежимном" устройстве можно использовать одну многодиапазонную антенну с дополнительными мультиплексорами или однополюсными переключателями на множество направлений. Некоторые стандарты беспроводной связи, такие как EV-DO (Развитие с оптимизированной передачей данных) and MIMO (множественный вход - множественный выход), могут использовать разнообразные схемы, которые требуют дополнительных антенн для улучшения пропускной способности и качества передачи речи. Стремление иметь более многодиапазонные антенны в беспроводных устройствах связи возникло и стало актуальным из-за роста размеров и стоимости беспроводных устройств. Производители переносных телефонов находятся под постоянным давлением, требующим от них снижения стоимости и размеров их устройств.
На фиг.1A приведена система 100 с одной приемопередающей антенной 102, антенным переключателем 104, передающей схемой 106 и приемной схемой 108. Антенный переключатель позволяет передающей схеме 106 и приемной схеме 108 использовать одну антенну 102 для передачи и приема сигналов.
На фиг.1B приведена система 110 с множеством приемопередающих антенн 102, 112, антенными переключателями 104, 114, передающими схемами 106, 116 и приемными схемами 108, 118. Например, антенна 102, антенный переключатель 104, передающая схема 106 и приемная схема 108 могут быть выполнены с возможностью передачи и приема сигналов CDMA, а антенна 112, антенный переключатель 114, передающая схема 116 и приемная схема 118 могут быть выполнены с возможностью передавать и принимать сигналы GSM или WCDMA.
На фиг.1C приведена система 120 с отдельными ненастраиваемыми передающей и приемной антеннами 122, 123, передающей схемой 126 и приемной схемой 128. Для такой системы 120 может быть проблемой взаимовлияние, то есть взаимные помехи, перекрытие или утечка энергии или частоты между передающими и приемным сигналами, как показано на фиг.3C.
На фиг.3A приведена частотная характеристика антенны с точки зрения мощности отраженного сигнала для частотного диапазона 300 передачи (Tx) и приема (Rx) для системы 100 на фиг.1A.
На фиг.3B приведена частотная характеристика антенн с точки зрения мощности отраженного сигнала для частотных диапазонов 302A, 302B передачи и приема для системы 110 на фиг.1B.
На фиг.3C приведена частотная характеристика антенн с точки зрения мощности отраженного сигнала для частотных диапазонов 304, 306 передачи и приема для системы 120 на фиг.1C.
Например, в одной конфигурации идеальный частотный диапазон передачи может быть 824-849 мегагерц (МГц), а идеальный частотный диапазон приема может быть 869-894 МГц. Как показано на фиг.3C, частотный диапазон 304 передачи перекрывается с частным диапазоном 306 приема, что может вызвать помехи или шум в приемной и передающей схемах 126, 128. Для ограничения таких помех или шума может потребоваться введение фильтров или развязок.
На фиг.2A приведено устройство 220 с двумя настраиваемыми антеннами 202, 203, контроллером 210 частоты, передающей схемой 206 и приемной схемой 208 в соответствии с вариантом выполнения настоящей заявки. Устройство 220 имеет один комплект отдельных передающей и приемной антенн 202, 203, которые можно настраивать на множество частотных диапазонов и (или) множество режимов беспроводной связи. Устройство 220 может быть устройством беспроводной связи, таким как мобильный телефон, карманный персональный компьютер (КПК), пейджер, стационарное устройство или переносная плата связи (например, плата Международной ассоциации производителей плат памяти для персональных компьютеров (PCMCIA)), которую можно вставить, подключить или присоединить к компьютеру, такому как портативный компьютер или компьютер типа "ноутбук".
Антенны 202, 203 могут быть достаточно малыми и иметь размеры, позволяющие поместить их внутрь данного устройства связи. Передающая и приемная схема 206, 208 изображены в виде отдельных блоков, но они могут иметь один или несколько общих элементов, таких как процессор, память, генераторы псевдослучайных шумовых (PN) последовательностей и т.д. В устройстве 220 может отсутствовать необходимость в антенном переключателе 104, как на фиг.1A, что может снизить размеры и стоимость устройства 220.
Для обеспечения связи на многих частотных диапазонах (многодиапазонной) (также называемыми полосами частот или наборами каналов) и (или) во многих стандартах беспроводной связи (многорежимной) отдельные передающая и приемная антенны 202, 203 имеют элементы для настройки/подгонки частоты, управление которыми может осуществляться контроллером 220 частоты. Антенная система 200 выполнена с возможностью адаптивно оптимизировать эффективность своей работы на определенной рабочей частоте. Это может оказаться полезным пользователю, который желает использовать устройство 200 в различных странах или территориях, где применяются различные частотные диапазоны и (или) различные стандарты беспроводной связи.
Например, антенны 202, 203 могут быть настроены на работу в любом частотном диапазоне многодиапазонных беспроводных систем, таких как Множественный доступ с кодовым разделением (CDMA) 450 МГц, CDMA 800 МГц, Расширенная глобальная система мобильной связи (EGSM) 900 МГц, Система глобального позиционирования (GPS) 1575 МГц, CDMA 1800 МГц, CDMA 1900 МГц, Цифровая сотовая система (DCS) 1700 МГц, Универсальная система мобильной связи (UMTS) 1900 МГц и т.д. Антенны 202, 203 можно использовать для связи по стандарту CDMA 1x EV-DO, в котором можно использовать одну или несколько несущих с частотой 1,25 МГц. Система 200 может использовать множество стандартов беспроводной связи (множество режимов), таких как CDMA, GSM, Широкодиапазонный CDMA (WCDMA), Синхронный CDMA с временным разделением (TD-SCDMA), Мультиплексирование с ортогональным разделением частот (OFDM), WiMAX и т.д.
Элементы настройки антенн 202, 203 могут быть отдельными элементами или могут быть объединены в одном элементе. Элементы настройки могут управляться отдельными блоками управления в передающей и приемной схемах 206, 208 или управляться одним блоком управления, таким как контроллер 210 частоты.
На фиг.4 приведена мощность отраженного сигнала для частотных диапазонов 400, 402 передачи и приема для системы 200 на фиг.2. В отличие от диапазонов на фиг.3, диапазоны 400, 402 на фиг.4 не перекрываются. Между диапазонами 400, 402 может иметься постоянный или настраиваемый зазор. Диапазоны 400, 402 могут быть уже диапазонов 300, 302 на фиг.3. Антенны 202, 203 могут иметь более узкую индивидуальную частотную характеристику для минимизации взаимовлияния (или взаимных помех) между передающей и приемной схемами 206, 208. В любом временном сегменте каждая антенна может перекрывать только небольшую часть поддиапазона приема или передачи вокруг рабочего канала, как показано на фиг.4 и 8.
Элементы настройки можно использовать для изменения рабочей частоты TX- и RX-антенн 202, 203. Элементы настройки могут представлять собой управляемые напряжением микроэлектромеханические системы (MEMS), управляемые напряжением ферроэлектрические конденсаторы, варакторы, варакторные диоды или другие элементы, позволяющие регулировать частоту. Например, приложение к элементу настройки иного напряжения или подача иного тока может изменить емкость элемента настройки, что изменяет частоту передачи или приема антенны 202 или 203.
Двухантенная система 200 может иметь одно или несколько преимуществ. Двухантенную систему 200 можно сделать хорошо изолированной (малое взаимовлияние, малая утечка). Пара ортогональных антенн, как показано на фиг.7, может обеспечить еще более высокую развязку (еще меньшее взаимовлияние). Антенны с высокой добротностью и узким диапазоном могут обеспечить хорошую развязку цепей TX и RX в полнодуплексной системе, такой как система CDMA.
Благодаря использованию отдельных и небольших TX- и RX-антенн 202, 203 с узкой мгновенной шириной полосы для обеспечения хорошей развязки антенн 202, 203, в системе 200 можно исключить некоторые антенные переключатели, мультиплексоры, переключатели и изоляторы из высокочастотных цепей многодиапазонных и (или) многорежимных устройств, что сокращает расходы и уменьшает площадь монтажной платы.
Антенны меньшего размера обеспечивают большую гибкость в выборе места установки антенны в устройстве 220.
В системе 200 можно улучшить подавление гармоник для обеспечения лучшего качества сигнала, то есть лучшего качества передачи речи и более высокой скорости передачи данных.
В системе 200 можно осуществить интеграцию антенн со схемами передатчика и (или) приемника для снижения размера и стоимости беспроводного устройства. Используемые в системе 200 настраиваемые по частоте передающие и приемные антенны 202, 203 могут обеспечить уменьшение размеров и стоимости главных многорежимных и (или) многодиапазонных беспроводных устройств посредством уменьшения размеров и (или) числа антенн.
Систему 200 можно использовать для реализации функции разнесения, например поляризационного разнесения (фиг.7) или пространственного разнесения (фиг.2B), например, в системах EV-DO или MIMO. На фиг.2B приведено устройство с множеством настраиваемых антенн 232A, 232B, 233A, 233B, которые могут обеспечить разнесение при передаче и (или) разнесение при приеме. Можно использовать любое число настраиваемых передающих и (или) приемных антенн.
Антенны 202, 203 на фиг.2A могут иметь различную конфигурацию и расположение внутри устройства 220. На фиг.5-7 приведены некоторые примеры.
На фиг.5 приведена конфигурация (вид спереди), в которой две антенны (с элементами настройки) 502, 504 расположены внутри, вблизи или на верхней части устройства 500 или пластины или монтажной платы устройства. На фиг.5 показаны также приемные и передающие схемы или источники 506, 508.
На фиг.6 приведена конфигурация (вид сбоку в разрезе), в которой две антенны 602, 604 расположены по существу перпендикулярно горизонтальной плоскости устройства 600 или монтажной платы устройства. Эту конфигурацию можно назвать плоской инвертированной F-образной антенной (PIFA). На фиг.6 также показаны передающая и приемная схемы 606, 608.
На фиг.7 приведена конфигурация (вид спереди), в которой одна антенна 702 расположена по существу перпендикулярно второй антенне 704 на или внутри устройства 700 или монтажной платы устройства. На фиг.7 также показаны передающая и приемная схемы 706, 708.
На фиг.8 приведен пример измеренной мощности отраженного сигнала для демонстрации возможности частотной настройки пары из TX/RX антенн 202, 203 на фиг.2. В верхней половине фиг.8 показана мощность отраженного сигнала передающей антенны со средней частотой 853 МГц и емкостью 1,8 пикофарад (пФ). В верхней половине также показана мощность отраженного сигнала приемной антенны с центральной частотой 899 МГц и емкостью 1,8 пФ. В нижней половине фиг.8 показана мощность отраженного сигнала передающей антенны с центральной частотой 837 МГц и емкостью 2 пФ. В нижней половине показана также мощность отраженного сигнала приемной антенны с центральной частотой 876 МГц и емкостью 2 пФ. Можно измерить и другие данные с использованием различных конфигураций и параметров антенной системы 200.
На фиг.9 иллюстрируется способ применения антенной системы 200 на фиг.2. В блоке 900 система 200 передает сигналы при помощи первой антенны 202 и принимает сигналы при помощи второй антенны 203 с использованием первого частотного диапазона, относящегося к первому режиму беспроводной связи. Первый частотный диапазон может представлять собой набор каналов, например, каналов, заданных различными кодами и (или) частотами.
В блоке 902 устройство 220 определяет, не произошли ли изменения частотного диапазона и (или) режима. Если не произошли, антенная система 200 может перейти к блоку 900. Если произошли изменения, то система 200 переходит к блоку 904. Устройство 220 может определить, обеспечивают ли частотный диапазон и (или) второй режим беспроводной связи более качественную связь (прием пилотного сигнала или сигнала данных, отношение сигнал-шум, частота ошибочных кадров, частота ошибочных битов и т.д.) по сравнению с первым частотным диапазоном и (или) режимом беспроводной связи.
В блоке 904 система 200 при помощи элементов 210, 212 настраивает антенны в соответствии со вторым частотным диапазоном, относящимся к первому режиму беспроводной связи или ко второму режиму беспроводной связи. Второй частотный диапазон может представлять собой набор каналов, например каналов, заданных различными кодами и (или) частотами.
В блоке 906 система 200 передает сигналы при помощи первой антенны 202 и принимает сигналы при помощи второй антенны 203 с использованием второго частотного диапазона.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что информация и сигналы могут быть представлены при помощи множества различных технических средств и способов. Например, данные, команды, информация, сигналы, биты, символы и элементарные сигналы, которые могут упоминаться в вышеприведенном описании, могут быть представлены напряжениями, токами, волнами, магнитными полями или частицами, оптическими полями или частицами или любым их сочетанием.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что приведенные в качестве иллюстрации различные логические блоки, модули, схемы и этапы алгоритма, описанные в связи с раскрытыми в настоящем документе вариантами осуществления, могут быть реализованы в виде электронного аппаратного обеспечения, компьютерного программного обеспечения или их сочетания. Чтобы наглядно показать эту взаимозаменяемость аппаратного и программного обеспечения, приведенные в качестве иллюстрации различные компоненты, блоки, модули, схемы и этапы были описаны выше с точки зрения их функциональности. Будет ли такая функциональность реализована в аппаратном или программном виде, зависит от конкретной области применения и конструктивных ограничений, накладываемых на систему в целом. Для каждой конкретной области применения опытные специалисты могут реализовать описанную функциональность различными способами, но такие решения по реализации изобретения не должны считаться отклонениями от объема настоящего изобретения.
Приведенные в качестве иллюстрации различные логические блоки, модули и схемы, описанные в связи с раскрытыми в настоящем документе вариантами осуществления, могут быть реализованы и выполнены при помощи процессора общего назначения, процессора цифровых сигналов, специализированных интегральных схем, вентильной матрицы с эксплуатационным программированием или другого программируемого логического устройства, дискретной вентильной или транзисторной логической схемы, дискретных аппаратных компонентов или любого сочетания вышеперечисленного, предназначенных для выполнения описанных в настоящем документе функций. Процессор общего назначения может быть микропроцессором, но в альтернативном варианте процессор может быть любым обычным процессором, контроллером, микроконтроллером или конечным автоматом. Процессор может быть также реализован в виде сочетания вычислительных устройств, например в виде сочетания процессора цифровых сигналов и микропроцессора, множества микропроцессоров, одного или нескольких микропроцессоров в сочетании с ядром процессора цифровых сигналов или любой другой конфигурации.
Этапы способа или алгоритма, описанные в связи с раскрытыми в настоящем документе вариантами осуществления, могут быть реализованы непосредственно в аппаратном обеспечении, в программном модуле, исполняемом процессором или в сочетании этих двух вариантов. Программный модуль может находиться в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), в флэш-памяти, в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), в электрически программируемом ПЗУ (ЭППЗУ), в электрически стираемом программируемом ПЗУ (ЭСППЗУ), в регистрах, на жестком диске, на сменном диске, в CD-ROM или на любом другом носителе данных, известном из уровня техники. Типичный носитель данных соединен с процессором так, что процессор может считывать информацию из носителя данных и записывать информацию на носитель данных. В альтернативном варианте носитель данных может представлять собой единое целое с процессором. Процессор и носитель данных могут находиться в специализированной интегральной схеме. Специализированная интегральная схема может находиться в пользовательском терминале. В альтернативном варианте процессор и носитель данных могут находиться в пользовательском терминале в качестве отдельных компонентов.
Вышеприведенное описание раскрытых вариантов осуществления изобретения представлено для того, чтобы позволить любому специалисту в данной области техники использовать настоящее изобретение. Этим специалистам в данной области техники должны быть очевидны различные возможные видоизменения этих вариантов осуществления, и раскрытые здесь общие принципы могут применяться к другим вариантам осуществления без отступления от сущности и объема изобретения. Таким образом, подразумевается, что настоящее изобретение не ограничивается приведенными здесь вариантами осуществления, но должно соответствовать наиболее широкому объему, согласующемуся с раскрытыми здесь принципами и новыми признаками.