專利名稱：非周期陣列天線的制作方法
背景技術(shù)：
各種類型的無線通信系統(tǒng)可以被用來在中央基站(或者接入點)和一個或更多的遠端或移動單元之間提供無線電通信。它們所公有的是基站，基站通常是一個或更多由計算機控制的無線電收發(fā)機，在語音通信的情況下，收發(fā)機被互連到諸如公共交換電話網(wǎng)絡(PSTN)的陸基網(wǎng)絡，而對于數(shù)據(jù)通信，則被互連到無線局域網(wǎng)(WLAN)。基站包括用于把前向鏈路射頻信號發(fā)射到移動單元的天線裝置?；咎炀€也負責接收從每個移動單元傳送的逆向鏈路射頻信號。每個移動單元也包含用于接收前向鏈路信號和傳送逆向鏈路信號的天線裝置。典型的移動單元是數(shù)字蜂窩電話機或者耦合到個人計算機上的無線調(diào)制解調(diào)器或無線適配器。
在移動單元上用于傳送和接收信號的最常見類型的天線是非定向單極子天線。這種類型的天線由耦合到用戶單元內(nèi)部的收發(fā)機的單根導線或天線單元構(gòu)成。收發(fā)機接收要被從用戶單元內(nèi)的電路傳送的逆向鏈路信號，并以分配給該用戶單元的特定頻率把信號調(diào)制到天線單元上。由天線單元在特定頻率下接收到的前向鏈路信號被收發(fā)機解調(diào)并提供給用戶單元內(nèi)的處理電路。在很多類型的無線蜂窩系統(tǒng)中，多個移動用戶單元可以在相同頻率上傳送和接收信號，并使用編碼算法在每單元的基礎上檢測針對于各個用戶單元的信令信息。
從單極子天線發(fā)射出的被傳送信號本質(zhì)上是非定向的。即，信號在基本水平的平面內(nèi)在所有方向上被以相同的強度發(fā)射。同樣地，用單極子天線單元接收信號也是非定向的。單極子天線在一個方向上檢測信號的能力相對于其檢測來自另一方向的相同或不同信號的能力并無差別。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個方面涉及便攜式設備中的波束形成。在說明性實施例中，能夠傳送或接收射頻(RF)信號的有源天線單元被置于至少兩個無源天線單元之間。有源天線最好偏離在兩個無源天線單元之間所畫出的假想線，以使有源單元不位于無源天線單元的公共平面上。在具體應用中，無源和有源天線單元被彼此平行的放置，天線單元形成了三角形天線陣列。更具體地說，有源天線被設置在頂點的天線陣列所形成的角能提供定向傳輸和360度的水平掃描。天線單元可被設置形成鈍角。
本發(fā)明的另一方面涉及在便攜式天線裝置中設置有源和無源天線單元的組合。例如，包括無源和有源天線單元的天線陣列可以被設置在可折疊、易于存放的鉸鏈連接、彈簧助力的面板中。當被打開時，天線裝置可以形成固定的或可調(diào)的天線陣列。
通?？梢哉{(diào)整至少為兩個的無源天線單元的設置以改變由天線陣列所產(chǎn)生的輸入/輸出波束方向圖。更具體地說，天線陣列的至少兩個無源天線單元的每一個都能被單獨地設為反射或透射模式，以改變對應的無線天線裝置的例如輸入/輸出波束方向圖的方向性和角波束寬度的特性。因此，可以更容易地把蜂窩設備的輸入/輸出波束方向圖朝著例如基站的特定目標接收機進行定向，以便降低信噪干擾水平并增大對應天線裝置的增益。
當無源天線單元被設定為反射模式時，通常把RF信號從無源天線反射掉以調(diào)整波瓣圖案。相反，在透射模式時，每個無源天線單元允許RF信號相對無衰減地通過，并支持RF信號的方向性，提高了在特定方向上的波束傳輸?；谥辽賰蓚€無源天線單元的設置，可以基于例如天線陣列的特定取向來調(diào)整輸入/輸出波束方向圖。
可以基于經(jīng)加權(quán)的控制信號來調(diào)整該至少兩個無源天線的特性。即，依據(jù)驅(qū)動對應無源天線單元的加權(quán)控制信號，至少兩個無源天線單元可以分別更多或更少地反射或透射。因此，天線陣列的輸入/輸出波束可以被選擇性地倍增或控制以便支持在幾乎任意方向上的波束定向?？梢詫斎?輸出波束方向圖進行掃描以找出用于傳送或接收的最佳設置。
在一種應用中，至少一個無源天線單元包括兩個無源天線單元，其中每一個均可以被選擇性地設為透射或反射模式。有源天線單元可以被設置在兩個無源天線單元之間。
有源天線單元和至少一個無源天線單元之間彼此間的間隔也可以依據(jù)應用改變。例如，依據(jù)工作頻率，至少兩個無源天線單元可以相對于彼此和有源天線單元間隔開。在一種應用中，無源天線單元被設置在距有源天線單元大約四分之一波長處以提高波束定向能力。對于在某些緊湊便攜式蜂窩設備中的使用，有源和至少一個無源天線單元之間的間隔可以是大約3.5和4.5英寸，盡管這樣的間隔小于對應的傳送和接收信號的載波頻率的四分之一波長。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有很多優(yōu)點。例如，可以采用被設置形成角度的有源天線單元和至少兩個無源天線單元的組合來調(diào)整輸入/輸出波束方向圖的定向性、增益和角波束寬度。和線性陣列相反，本發(fā)明的角天線陣列不包括如現(xiàn)有技術(shù)中那樣的分裂或雜散波瓣。包含天線陣列的幾個元件可以被很容易地裝配到緊湊便攜式蜂窩設備中。因此，包括根據(jù)本發(fā)明的原理的天線裝置的緊湊蜂窩設備可以花費較少的代價制造而又提供降低的干擾和衰減的益處，這是僅使用用于傳送和接收RF信號的標準有源單元所無法取得的。
支持根據(jù)本發(fā)明的原理的波束形成的另一益處是更好地和基站進行通信的能力。便攜式設備的輸出波束的定向性能減少功耗。包括天線陣列的可折疊天線裝置可以被更容易地收起以利運輸。
本發(fā)明的天線陣列的另一特征是產(chǎn)生可以在360度上任意定向的高增益方向圖的能力。每個方向圖可具有大致相等的增益。此外，這樣的天線陣列可以支持非定向模式，集成到膝上型電腦中時也易于制造。
設計概念源于蜂窩無線天線系統(tǒng)對于基本的靈巧天線的需求。它們涵蓋方位掃描(電學性質(zhì))、低成本(市場考慮)和易于使用(用戶接口)的能力。假設天線單元是非定向的，則掃描整個方位角空間的能力至少需要三個元件。為了成本最低，三個元件中的兩個被做成無源的。為了易于使用，陣列被排列成鈍角三角形，這使得它幾乎是平坦的，便于收藏。
源從連接無源單元的直線的微小偏移提供了形成單向波束的方法。如果沒有偏移，則輻射圖案將會具有兩個相同的主波束，各位于陣列的一側(cè)。單向波束可以提供額外3dB的寬面的方向性，以及向著波束后方的增高的干擾抑制。利用此偏移來形成單向波束以覆蓋所有方位角。
本設計的重要性是它滿足了蜂窩通信天線的要求的冗長列表。
1.)寬覆蓋角本陣列掃描360度方位角的能力是高增益寬覆蓋角。此外，本陣列具有非定向模式。
2.)高方向性本陣列具有定向器和反射器，所以它形成了高度定向的單向波束?？紤]到其尺寸，它的大約6dBi的方向性被認為較高。
3.)干擾抑制這由圖案具有單個可操縱主波束和至少一個零點的事實達到滿足。
4.)小尺寸掃描360度的非定向單元陣列所需的最少單元數(shù)量是3個，所以對于該鈍角三角形陣列選擇了3個。
5.)最小的互耦損耗本陣列通過只使用一個有源單元來使得互耦損耗最小，所以它沒有要耦合到的損耗性端口。陣列中的兩個無源單元被設計成以很低的損耗散射。無源單元的損耗基本上在它連接到的負載上。所用負載是理論上無損的元件，例如開關(guān)、電感和電容器。即使在實際上，這些元件的損耗也很低，所以電氣上很小的陣列中消除了高互耦損耗的問題。
6.)最小的電路損耗信號發(fā)生源向沒有功率分散電路的單個有源單元供電，所以源電路損耗處于其最小值。無源單元負載放在實際上盡可能靠近端子的低損耗元件，所以無源單元電路損耗也是最小的。
7.)增益損耗被最小化，故陣列是高效率的，并且其增益高于相似尺寸的全有源陣列。
8.)高功率處理能力在全有源陣列中，供電電路中的所有元件(功率分配器，移相器等)必須處理較高的發(fā)射機功率。在本陣列中，因為只有一個有源單元，所以不使用功率分配器。此外，移相器由無源天線單元中的元件來處理。因為到達無源單元的功率是通過空間耦合的，所以無源天線單元只處理有源單元的功率的一小部分(通常低于距有源單元0.1波長處10dB)。所以這些元件可使其額定功率降低相同倍數(shù)。
9.)低成本只使用三個元件已經(jīng)把成本降到最低。一個有源單元意味著無需功率分配元件，所以除了天線自身的成本以外沒有用于硬件的成本。無源單元只需要成本較低的低功率開關(guān)和無功負載。無功負載可以是印制在構(gòu)成天線的同一電路板上的短傳輸線部分，所以負載的成本被包括在天線中。剩余的成本是開關(guān)和控制器。開關(guān)和控制器復雜度是所需波束位置的數(shù)量的函數(shù)。它們的成本和其他系統(tǒng)的成本是等效的。但是，在本陣列中只需要兩個開關(guān)，這和大多數(shù)其他系統(tǒng)中的超過兩個不同。
10.)收藏方便陣列可以被很方便地收起為幾乎平坦的鈍角三角形形狀。它也可以被收成完全平坦的。新穎的收藏概念在下面描述，其中，關(guān)閉膝上型電腦的正常操作也將陣列收起。該特征使得陣列方便用戶。
其他各種問題在無線通信系統(tǒng)的移動用戶單元上使用的現(xiàn)有技術(shù)天線中也是固有的。通常，具有掃描能力的天線陣列由很多個位于接地層上方的天線單元構(gòu)成。對于滿足便攜性要求的用戶單元，在物理上接地層必須比較小。例如，在蜂窩通信應用中，接地層通常小于所傳送或接收的信號的波長。由于小的接地層和通常為單極子元件的天線單元之間的相互作用，即使波束自身被沿著水平線定向，由陣列所形成的波束的峰值強度也被抬升到水平線以上，例如，大約30度。對應地，沿著水平線的波束的強度比峰值強度低大約3dB。一般來說，用戶單元距離基站較遠，所以用戶單元和基站之間的入射角大約是零。接地層將不得不遠遠大于所傳送/接收的信號的波長以便能夠?qū)⒎逯挡ㄊ蛩骄€。例如，在800MHz的蜂窩系統(tǒng)中，接地層的直徑將必須遠大于14英寸，而在1900MHz下工作的個人通信服務(PCS)系統(tǒng)(或者工作在相似頻率下的WLAN)中，接地層直徑將必須遠大于大約6.5英寸。具有如此之大尺寸的接地層妨礙了將用戶單元用作便攜式設備。
使用平坦的接地層的現(xiàn)存現(xiàn)有技術(shù)天線的另一個不利之處是當接地層尺寸減小時，因為外部環(huán)境和天線直接耦合，陣列輸入阻抗變得對環(huán)境高度地敏感，例如，當陣列被放在金屬表面或桌面上時，即，外部環(huán)境變?yōu)樘炀€的一部分。如果將接地層的尺寸增大到足夠的尺寸，該耦合的問題被減到最小。但是，在很多應用中，不希望接地層尺寸很大。異形的接地層已經(jīng)被用于將單極子陣列的波束拉向水平線。這些異形接地層具有較大的三維特征。即，人們期望使用不是太大和太笨拙的天線結(jié)構(gòu)將波束向下推向水平線。
本發(fā)明大大地減少了前述現(xiàn)有技術(shù)天線系統(tǒng)所遇到的問題。本發(fā)明提供了便宜的天線陣列，用于和諸如CDMA蜂窩或WLAN通信網(wǎng)絡的無線“同頻”網(wǎng)絡通信系統(tǒng)中的移動用戶單元一起使用。本發(fā)明使用設置在接地層上方，但是和接地層電絕緣的至少兩個無源天線和一個有源天線，以及位于每個無源天線下方的對應的諧振帶。無源天線單元和諧振帶圍繞有源天線放置，并且諧振帶耦合到對應的無源單元，以便通過更有效地利用可用的接地層面積來提高天線增益。此外，由于有源單元在接地層的上方，所以天線陣列的敏感度降低了，因為天線和外部環(huán)境因素之間的耦合被最小化了。
具體來說，耦合的諧振帶和無源單元構(gòu)成了不平衡偶極子天線單元，所以多個偶極子天線單元和有源天線單元共同形成了復合的輸入/輸出波束，該波束在位置上可以沿著和接地層基本上平行的地平線定向。此外，至少兩個無源天線單元中的每一個都可以被分別設置為反射或透射模式，以改變天線裝置的輸入/輸出波束方向圖的特性。無源單元可以非周期性地圍繞有源天線單元分布。
在一個實施例中，無源單元和耦合的諧振帶可以在印刷電路板的一側(cè)上形成，而有源單元在另一側(cè)。電路板的厚度提供了從直線構(gòu)造的偏移，以提供非周期性結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的實施例也可以包括一個或更多的下列特征。接地層可以是柱面的，以使接地層的上側(cè)是柱面的平面端，而接地層的底側(cè)是柱面的相反的平面端。在這種排列中，每個諧振帶均被置于接地層的各個狹縫中。每個狹縫的壁和諧振帶的表面間隔開，并且用非金屬材料填充壁和表面的間隔以使諧振帶的非頂端部分和接地層電絕緣。
在其他的實施中，接地層由數(shù)量上和多個諧振帶相等的多個平板組成。每個平板具有外緣和內(nèi)緣。諧振帶沿著各個平板的外緣對齊，并且平板的內(nèi)緣和在接地層的中心連接在一起，與基本上和諧振帶的軸平行的軸線形成中央接合部。有源單元沿著中央接合部的軸線對齊。中央接合部是便于把天線裝置折疊到平坦緊湊單元中的鉸鏈。
在某些實施例中，每個平板包括第一非金屬襯底和該襯底一側(cè)上的一層第一導電材料。接地層的導電部分和諧振帶由相同的導電材料構(gòu)成。每個平板可以包括第二非金屬襯底，夾在第一襯底層和第二襯底層之間的第二導電材料，以及第二非金屬襯底一側(cè)上的一層第三導電材料。接地層的導電部分和諧振帶的可以由第一導電材料和第三導電材料構(gòu)成。


根據(jù)下面對附圖中所示的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的更為具體的描述，本發(fā)明的前述和其他目的、特征和優(yōu)點將很清晰，在附圖中，同樣的參考字符指示貫穿各個視圖的相同部分。附圖不一定是按比例的，相反，重點在于說明本發(fā)明的原理。
圖1是框圖，是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的天線裝置的局部透視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的耦合到收發(fā)機的天線裝置的透視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的可折疊或鉸鏈連接的天線裝置的透視圖；圖4是框圖，是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的更詳細的天線裝置的局部透視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的鉸鏈連接的天線裝置的透視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的用于調(diào)整無源天線單元的特性的選擇性受控阻抗元件的框圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的用于調(diào)整無源天線單元的特性的選擇性受控阻抗元件的框圖；
圖8是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的用于調(diào)整無源天線單元的特性的選擇性受控阻抗元件的框圖；圖9A和圖9B是由線性天線陣列所產(chǎn)生的波瓣圖案的頂視圖；圖10A和圖10B是由根據(jù)本發(fā)明的某些原理的天線裝置產(chǎn)生的定向波束的頂視圖；圖11是由根據(jù)本發(fā)明的某些原理的天線裝置產(chǎn)生的定向波束的頂視圖和側(cè)視圖；圖12是由根據(jù)本發(fā)明的某些原理的天線裝置產(chǎn)生的定向波束的頂視圖和側(cè)視圖；圖13是由根據(jù)本發(fā)明的某些原理的天線裝置產(chǎn)生的定向波束的頂視圖和側(cè)視圖；圖14是由根據(jù)本發(fā)明的某些原理的天線裝置產(chǎn)生的定向波束的頂視圖和側(cè)視圖；圖15A是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的由蜂窩系統(tǒng)中的移動用戶單元使用的天線陳列的透視圖；圖15B是圖15A的天線陣列的無源天線單元的全剖視圖；圖16是用于控制圖15A的天線陣列的電子線路的系統(tǒng)級圖示；圖17A和17B示出了在印刷電路板上實現(xiàn)的非周期性陣列的另一個實施例；
圖18A是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的天線陣列的另一實施例的透視圖；圖18B是圖18A的天線陣列的無源天線單元的全剖視圖；圖19是折疊到平坦緊湊單元中的圖18A中的天線陣列的視圖；圖20是天線陣列平板的多個層的另一種結(jié)構(gòu)；圖21是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的帶有非周期性間隔著的無源天線單元的天線陣列的透視圖。
具體實施例方式
下面是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的說明。
圖1是框圖，是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的天線裝置100的局部透視圖；如圖所示，有源天線單元120被設置在第一無源天線單元110和第二無源天線單元112之間。如圖所示，有源天線單元120和無源天線單元110及112一般都是平行單極子單元。但是它們被設置成相對于彼此不位于同一垂直平面內(nèi)。例如，在有源單元120處具有頂點的角度β由在這些元件的底部之間所畫的線形成。通常，天線單元被設置成使得角度β是個鈍角，例如在90度到180度之間，并且接近180度。但是，這個角度的精確量可以依據(jù)應用改變。
還應該注意，在天線裝置100中使用的許多的無源天線單元的數(shù)量不一定僅僅是兩個，并且在圖1中所示的兩個無源天線單元110和112的圖解僅僅是一種可能的實施例。通過選擇不同數(shù)量的單元，可以獲得不同的定向輻射圖案。
有源天線單元120和無源天線單元110和112都可以被固定到支撐表面140上。但是，天線裝置100可以被設計成使得天線單元的部分或全部是可收起或可調(diào)節(jié)的。例如，天線單元的一部分或全部都可以被自動地、手動地、電子地或機械地調(diào)整，以便對應的包括天線裝置100的設備在不使用時是緊湊的，但是在打開使用(如圖所示)時仍可工作。因此，天線單元可以是便攜式的，并在不使用時免受損壞。
表面140可以是接地層或者其他的導電平面，或者它可以是絕緣表面，諸如向上的桌面或者是安置天線裝置100的塑料殼。
盡管所有的天線單元，即有源天線單元120和無源天線單元110和112被設置為形成角度β，但是據(jù)此原理的多個無源單元的實際定位可以依據(jù)應用改變。例如，每個無源天線單元可以與它最近的鄰居間隔開四分之一個波長。這個間隔能夠提高在有源天線120處的RF信號的接收和傳輸。在一個應用中，元件間的間隔從大約一英寸直到十英寸。
無源天線單元110和112可以和有源天線單元120間隔大于或小于四分之一個波長。例如，在一個天線工作在蜂窩電話無線電頻率的應用中，每個無源天線單元110和112可以和有源天線單元120間隔4英寸。即使當天線單元的間隔大于或小于天線裝置100發(fā)送和接收RF信號的載波頻率的波長的四分之一時，天線裝置100仍能有效地進行通信。
有源天線單元120可以是半波偶極子天線，偶極子或其他在所有方向上產(chǎn)生軸向向外的RF(射頻)信號的非定向天線裝置。應該注意，有源天線單元120也可以是定向天線裝置。但是在工作中，依據(jù)如何設置無源天線單元110、112，由有源天線單元120產(chǎn)生的RF信號的一部分可以被從無源天線單元110、112反射掉。
通常，可以由控制單元150調(diào)整無源天線單元110、112，形成射頻(RF)波束，當從上方觀察時，該波束可以沿任意可能的360度取向。例如，控制單元150能夠選擇性地施加加權(quán)因子來調(diào)整每個無源天線單元110和112的阻抗，控制它們反射的角度?；谒x的加權(quán)，無源天線單元對應的特性可以被調(diào)整，以使它們反射更多或反射更少。此外，無源天線單元110和112對應的特性可以被調(diào)整，以使它們更多的透射或更少的透射。
無源天線的反射或透射狀態(tài)取決于用于控制無源天線單元110和112的電路。
處理裝置170和RF上行/下行轉(zhuǎn)換器160連接，以便在有源天線單元120上傳送或接收RF信號。通常，采用技術(shù)手段來確定用于在天線裝置100上把例如編碼數(shù)字分組的信號發(fā)送和接收到無線通信系統(tǒng)中的目標設備去的最佳方向和角波束寬度，無線通信系統(tǒng)以蜂窩語音或數(shù)據(jù)系統(tǒng)或局域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡為例?；谒柙O置，處理裝置170和控制單元150連接，控制單元150反過來選擇性地調(diào)整無源天線單元110和112的特性。因此，和收發(fā)機裝置650連接的個人計算機裝置305能夠在天線裝置上傳送和接收數(shù)據(jù)信息。
如所討論的那樣，天線裝置100的輸入/輸出波束方向圖依據(jù)如何設置無源天線單元110和112改變。例如，當任一無源天線單元被設為反射模式時，朝著對應的無源天線單元定向的入射RF信號被散射或在相反方向上反射。反之，當對應的無源天線單元被設為透射模式時，RF信號通過無源天線單元110和112被傳送。因此輸入/輸出波束方向圖的特性可以被動態(tài)地調(diào)整，更好地接收或傳送RF信號。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的某些原理，可以被設置在鉸鏈連接的面板中的天線裝置的透視圖。如圖所示，第一面板215通過鉸鏈225連接到第二面板218。鉸鏈225可以是彈簧助力的，以使天線裝置235在被放到平面上時(原文可能寫錯為225)打開形成角度β。通常，可以像書本那樣打開和關(guān)閉天線裝置。
有源天線單元235可以被沿著鉸鏈225的軸線安置，而無源天線單元110和112被分別設置在第一面板215和第二面板218的向外展開的部分。天線裝置235可以通過有線電纜146和收發(fā)機裝置650耦合。
在一個實施中，鉸鏈225包括機械制動以使第一面板215和第二面板218被打開時形成角度β。另外，面板也可以由用戶調(diào)整到多個角度之一。通常，面板215和218也可以由便于緊湊存儲的可折起或卷起的柔性塑料薄膜代替。在某些應用中，僅需要打開框架天線裝置100即使有源和無源天線平行并形成所示的角度β。
圖3展示的是可以把天線裝置235放平以裝配進手提包310的實施例的透視圖。此外，天線裝置235可以足夠小以裝入便攜式計算機305的內(nèi)表面。
本發(fā)明的一個方面涉及把用戶從不得不花費精力把天線裝置235展開或收藏起來解放出來，而不是通常所要求的打開和關(guān)閉手提包。
在一個應用中，天線裝置235支持2GHz的RF通信。在這樣的應用中，在非壓縮或打開位置，面板215和218的尺寸可以是在2.9”×1.7”×0.2”的量級。當天線裝置235如此小時，它可以被保存在膝上型計算機305的內(nèi)部。例如，可以取定天線裝置235的尺寸為裝入膝上型計算機305的屏幕和鍵盤手扶部分之間。
由于有源天線單元120和無源天線單元110和112所形成的陣列通常形成直線，該陣列的端射性能和類似的線性陣列的性能不同。天線裝置235可以在非定向模式下工作。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的某些原理的天線裝置100和對應的電子線路的更詳細的視圖。
如所述的那樣，無源天線單元110及112被選擇性地工作在兩種模式之一反射模式和透射模式。處理器170和控制單元150可以提供該控制信號。
每個無源天線單元110及112均可以被調(diào)整到不同的阻抗。在反射模式中，通過感性地耦合到地，無源天線單元110及112被等效地加長。反之，在透射模式中，通過容性地耦合到地，無源天線單元110及112被等效地縮短。因此，通過了解哪個無源天線單元處于反射模式，哪個處于透射模式，能夠確定由天線裝置100掌控的波束的方向。通常，輸入/輸出波束方向圖的方向擴展到/自有源天線單元120，投影在透射模式中通過無源天線單元，在反射模式中偏移無源天線單元。
在這個實施例中，天線裝置100包括底平面140，其上可以固定兩個無源天線單元110和112以及有源天線單元120。底平面140可以包括可調(diào)節(jié)阻抗元件。圖5示出了本發(fā)明的鉸鏈情形的實施例，其中固定了無源天線單元110和112以及有源天線單元120。
繼續(xù)參考圖4，根據(jù)天線裝置100的工作，與對應的無源天線單元相關(guān)聯(lián)的可選阻抗元件601和602可以是可獨立可調(diào)的，以影響要被傳送到或接收自收發(fā)機裝置650的信號的方向性。通過利用有源天線單元120在信號傳送過程中針對每個無源天線單元適當?shù)卣{(diào)整相位，形成了在位置上可以朝著目標定向的復合波束。即，最佳的相位設置是使得裝置100是針對反向輻射RF能量的每個無源天線單元110和112，幫助生成定向逆向鏈路信號的相位設置。結(jié)果是將更強的逆向鏈路信號定向到預定接收機基站方向上的天線裝置100、235。
用于反向輻射傳輸信號的RF能量的相位設置也使得無源天線單元110和112允許有源天線單元120最優(yōu)地接收從基站傳送來的前向鏈路信號。由于每個無源天線單元可編程的本質(zhì)和獨立的相位設置，在有源天線120處只接收到從或多或少地位于基站位置的方向抵達的前向鏈路信號。無源天線單元110及112在本質(zhì)上抑制不是像前向鏈路信號那樣從類似位置上傳送來的其他信號。換言之，通過獨立地調(diào)整每個無源天線單元的相位形成了定向天線波束。這種隔離的形式能降低多個共享有限的無線帶寬的用戶之間的干擾。多路徑衰減也能被降低。
可調(diào)阻抗元件以和分別利用和該特定可選阻抗元件相關(guān)聯(lián)的阻抗設置反向輻射RF能量兼容的方式移動逆向鏈路信號的相位，該阻抗設置如同阻抗控制輸入630所設置的那樣。在一個實施例中，在和無源天線單元的數(shù)量2和每個可選阻抗元件601和602的阻抗狀態(tài)數(shù)減1相乘相等的很多條線上提供阻抗控制輸入730。例如，如果可選阻抗元件601和602具有兩個狀態(tài)，則有兩條線。另外，可以采用狀態(tài)的串行編碼方法來減少控制線的數(shù)量。設置在底平面140或面板215、218上的解碼電路可以被用來解碼控制命令。
通過移動來自每個無源單元110和112的被傳送信號的反向輻射RF能量的相位，被傳送信號的某些部分將和被傳送信號的其他部分更加同相。在這種方式下，信號彼此更加同相的部分將組合形成更強的復合波束。通過使用可選阻抗元件601和602，分別給每個天線單元110和112所提供的相移量確定了更強的復合波束將要被傳送的方向，如上面按照反射和透射所描述的那樣。
如上面所指出的那樣，由可選阻抗元件601和602所提供的反向輻射來自每個無源天線單元110和112的RF能量的相位設置對從基站或其他的傳送設備接收的前向鏈路頻率信號具有類似的物理作用。即，當每個無源天線單元110和112反向輻射RF能量時，由于每個無源天線單元110和112在底平面140上的位置，各自接收的信號最初彼此是不同相的?？蛇x阻抗元件601和602對每個接收到的信號進行相位調(diào)整。調(diào)整使得每個信號和其他的被反向輻射的信號同相。因此，當每個信號被有源天線單元120接收時，有源天線單元120處的復合接收信號在基站的方向上將更準更強。
為了最佳地給天線裝置100中的每個可選阻抗元件601和602設置阻抗，可選阻抗元件601和602的控制值由控制單元150(圖1)提供。通常，在優(yōu)選實施例中，當收發(fā)機裝置650既不通過天線裝置100傳送數(shù)據(jù)也不通過它接收數(shù)據(jù)時，控制單元150在空閑周期確定這些最佳的阻抗設置。在此期間，諸如前向鏈路引導信號的預先確定的被接收信號被從基站連續(xù)地發(fā)送，并在每個無源天線單元110和112和有源天線單元120上接收。即，在空閑周期期間，調(diào)整可選阻抗元件，例如通過使被接收信號的能量或其他鏈路品質(zhì)因數(shù)最大，來優(yōu)化來自基站的引導信號的接收。這為特定抵達角度提供了最佳的阻抗設置。
這樣，處理器170基于當前引導信號的優(yōu)化接收為每個無源天線單元110和112確定了最優(yōu)的相位設置。隨后處理器170為每個可選阻抗元件601和602提供并設置最佳阻抗。當天線裝置100為了在基站和接收機裝置650之間傳送或接收信號而進入有源模式時，可選阻抗元件601和602的阻抗設置仍像在先前的空閑時間周期期間設置的那樣。
在給出處理器170所進行的相位(即阻抗)設置計算的詳細描述之前，應該再次理解，本發(fā)明的原理是部分基于基站的位置相對于任一便攜式或移動用戶單元(即收發(fā)機裝置650)在本質(zhì)上是接近圓周的。即，如果環(huán)繞移動用戶單元畫一個圓圈，并且在任意兩個位置之間，假設不同位置具有最少為一度的間隔尺寸，則基站可位于很多不同的可能角度位置中的任何一個。例如假設準確度為1度，則針對天線裝置100存在360個不同的可能的相位設置組合。每個相位設置組合可被認為是一組雙阻抗值，電氣連接到各個無源天線單元110和112的每個可選阻抗元件601和602各占一個。應該注意，收發(fā)機裝置650可能包括任意適當數(shù)量的有源天線單元或無源天線單元。
總的來說，有至少兩種不同的找到最佳阻抗值的方法。在第一種方法中，控制單元150進行一種類型的優(yōu)化搜索，其中對所有可能的阻抗組合進行嘗試。對每個阻抗設置(在此情況下，針對多個角度設置中的每一個)，兩個預先計算的阻抗值被從例如控制單元150中的存儲器儲存位置讀入，然后被施加到各個可選阻抗元件601和602。然后由控制單元150檢測接收機處的響應。在測試了所有可能的角度以后，具有例如由最高的信噪比所衡量的(例如，每比特的能量Eb或每個芯片的能量Ec對整個干擾Io的比率)最佳接收機響應的一個可被用來傳送或接收RF信號。
在第二種方法中，通過允許每個阻抗值改變而其他的阻抗值保持不變來單獨地確定它。這種擾動方法迭代地到達兩個阻抗設置中的每一個的最佳值。
圖6是可選阻抗元件601的實施例，它耦合到其對應的無源天線單元110?？蛇x阻抗元件601包括開關(guān)801a、容性負載805a和感性負載810a。如圖所示，容性負載805a和感性負載810a均被連接到接地層。
開關(guān)801a是由控制線630上的信號控制的單刀雙擲開關(guān)。當控制線630上的信號處于第一狀態(tài)時(例如數(shù)字‘1’)，開關(guān)801a把無源天線單元110電氣耦合到容性負載805a。容性負載使得無源天線單元110等效地更短。當控制線630上的信號處于第二狀態(tài)時(例如數(shù)字‘0’)，開關(guān)801a把無源天線單元110電氣耦合到感性負載810a，這使得無源天線單元110等效地更長，因此，呈反射性。
圖7是耦合到其對應的無源天線單元110的可選阻抗元件601的另一實施例。在這個實施例中，可選阻抗元件601包括連接到幾個不同的分立阻抗元件的SPMT(單刀多擲)開關(guān)801b，每個阻抗元件都具有多個預定值。
開關(guān)801b是由四條控制線630上的二進制編碼的十進制(BCD)信號所控制的單刀多擲開關(guān)。四條控制線630上的信號命令開關(guān)801b的電極803把無源天線單元110電氣連接到16選一阻抗元件。如圖所示，只提供了9個阻抗元件用于耦合無源天線單元110。
可選阻抗元件可包括容性元件805b、感性元件810b和延遲線元件815。阻抗元件中的每一個在電氣上位于開關(guān)801b和接地層之間。
在本實施例中，容性元件805b包括三個電容C1、C2和C3。每個電容器具有不同的電容以使得無源天線單元110在連接到無源天線單元110時具有不同的透射率。例如，容性元件805b的電容值彼此之間可能相差一個數(shù)量級。
類似地，感性元件810b可包括三個電感L1、L2和L3。感性元件810b可以具有彼此相差一個數(shù)量級的電感值以便在連接到無源單元110時為無源天線單元110提供不同的反射率。
類似地，延遲線元件815包括三條不同的線D1、D2和D3。延遲線815的尺寸可被定為在被無源天線單元110反向輻射的信號中以例如30度為增量產(chǎn)生相移。
在另一實施例中，開關(guān)801b可以是雙刀雙擲開關(guān)，以提供耦合到無源天線單元110的阻抗的不同組合以提供阻抗的各種組合。這樣，無源天線單元110可被用來以各種相角把RF能量反射到有源天線單元120，以允許天線裝置100以各種角度提供定向波束。在一種情況中，控制單元150(i)選擇第一種阻抗組合，由天線裝置100以一個角度來提供接收波束，和(ii)提供第二種阻抗元件組合，由天線裝置100以第二個角度來提供傳送波束。應該理解，選擇可選阻抗元件805b、810b和815的組合在耦合到其他無源天線單元112的其他可選阻抗元件602處分別以類似的方式被做出。
開關(guān)801b的其他技術(shù)實施例是可能的。例如，開關(guān)801b可以由多個單刀單擲開關(guān)以各種組合構(gòu)成。開關(guān)801b也可以由諸如GaAs開關(guān)或pin二極管開關(guān)的固態(tài)開關(guān)構(gòu)成并以典型方式控制。可以想像，這樣的開關(guān)包括可選阻抗元件特性以消除分立阻抗或延遲線元件。另一實施例包括微電子機械開關(guān)(MEMS)，它起到機械開關(guān)的作用，但是具有非?？斓捻憫獣r間和極小的外形。
圖8是連接到無源天線單元110的可選阻抗元件601的另一個實施例。在這個實施例中，可選阻抗元件601由變?nèi)萜?01c構(gòu)成。變?nèi)萜?01c受控制線630上的模擬信號的控制。在另一實施例中，變?nèi)萜?01c由數(shù)字控制線上的BCD信號控制。如圖所示，變?nèi)萜?01c被連接到接地層。變?nèi)萜?01c允許將模擬型的移相選擇能力施加到無源天線單元601上。應該理解，在這個實施例中，每個無源天線單元110均被連接到對應的變?nèi)萜?，以便通過變?nèi)萜鲗嶋H上無窮多的可選阻抗值提供實際上無窮多的相移。這樣，天線裝置100能夠提供實際上任意方向上的定向波束；例如，在圓周的180度中以1度為增量。
圖9A和圖9B是線性天線陣列的頂視圖。通常，輻射圖案沿著陣列的軸線是對稱的。這樣，至少發(fā)射波束的一部分被浪費掉了，因為它沒有指向目標。因此增益被降低，圖9A所示的波束能量的一半指向了和目標相反的方向。而在接收模式時，后瓣有可能收到有害的干擾信號。圖9B示出線性陣列產(chǎn)生了分兩叉的波瓣。
圖10A和圖10B均示出了用來在根據(jù)本發(fā)明的某些原理的非對稱(即非周期的)陣列上傳送和接收無線信號的定向波束。當無源天線單元110和112的阻抗被設為反射模式時，由天線裝置100可以形成具有高增益的單波束。有源天線單元120從包括無源天線單元110和112的平面的小的位移提供了空間相位以消除后瓣，否則該波瓣將收到干擾信號。恰當?shù)卣{(diào)整無源天線單元110、112形成了具有更高增益和方向性的更窄的波束。這個結(jié)構(gòu)能以3dB(分貝)的系數(shù)提高增益。
在一個實施例中，對天線陣列100進行調(diào)諧以便在大約800MHz(兆赫)最佳地發(fā)射并具有6.9”×4”×0.5”的尺寸。即，無源天線單元110、112可被間隔開大約4”，每個天線單元具有大致7”的高度。有源天線單元120可從在每個無源天線單元110、112之間所畫的假想線間隔開0.5”。
圖11到圖14示出了可以通過調(diào)整每個無源天線單元110、112的有效阻抗獲得的定向波束。方位角平面示出如圖中取向的向下俯視天線陣列的波瓣圖案的頂視圖。仰角平面示出了由天線裝置100、235產(chǎn)生的波瓣圖案的側(cè)視圖。如圖所示，可獲得的方向性的范圍在5和7dBi之間，并且前后比在6和29之間。注意，每一個圖標示出用來產(chǎn)生對應定向波束的每個無源天線110、112的阻抗設置。
圖11。右邊射圖案。所示陣列在800MHz下仿真。陣列寬4”，厚0.5”，形成了152度的角。元件高6.9”。負載阻抗被示為Z1和Z2。3歐姆是等效損耗電阻。用100歐姆，容性，波束在右側(cè)面形成。方向性為5.33dBi，增益是5.08dBi。方位角圖案在左側(cè)示出，而仰角圖案在右側(cè)示出。前后比是6dB。
圖12。左邊射。Z 1和Z2的電抗被修改為25歐姆，感性。圖案點在左側(cè)。800MHz方向性是5.25dB，增益為4.64dB。
圖13。端射圖案。該圖案通過兩個無源單元之一開路(由500歐姆的開關(guān)電子表示)而另一個短路獲得。800MHz方向性是6.49dBi，增益是5.42dBi?？梢杂酶玫淖杩蛊ヅ鋪硖岣咴鲆?。前后比是10dB。
圖14。偏移端射圖案。當阻抗被進一步操縱時，可以使得發(fā)射圖案指向任意方位角方向。一個例子是Z1是容性的，Z2被短路。圖案指向偏移端射右邊大約25度。方向性是7dBi，增益是6.73dBi。前后比是29dB。
如前面的討論中所述，無源天線單元的數(shù)量取決于特定的應用，如圖1所示的使用兩個無源天線單元110和112只是為了說明的目的。
圖17A和17B示出了非周期性天線裝置100的另一個實施例。此處，兩個無源天線單元110和112被形成在印刷電路板700的一側(cè)，有源單元120形成在另外一側(cè)。印刷電路板的厚度提供了所需的從精確平面排列的偏移。在這個實施例中，阻抗元件601和602，甚至還有收發(fā)機606的一部分可以被很方便地設置在印刷電路板700上。(為了清晰，在這個實施例中消除了控制線等的細節(jié))在這個具體實施例中，還示出了地結(jié)構(gòu)708和對應的諧振圖形710和712。地結(jié)構(gòu)708發(fā)揮了在上面較早的實施例中描述的接地層的功能。
諧振圖形710和712分別提供了無源單元110和112的額外的發(fā)射鏡像。這樣，每個無源單元實際上變成了單極子，其鏡像作為偶極子元件出現(xiàn)。事實上，無源發(fā)射元件110、112不是偶極子，而是具有其對應諧振鏡像的單極子。這種差別的重要性在于這個具體實施例不需要用于饋電或加負載的不平衡變壓器。
如圖17B所示，印刷電路板的厚度提供了無源單元110和112相對于有源單元120在平面位置上的差別，從而形成了角度β，如圖所示。
在一個優(yōu)選實施例中，地結(jié)構(gòu)718和有源單元120一樣也位于電路板700的同一側(cè)。地結(jié)構(gòu)708和718幫助消除了目標之間，諸如人手之間的臨近阻抗的影響。從該圖示應該理解，諧振結(jié)構(gòu)710和712最好被連接到地結(jié)構(gòu)708，或者連接到其一部分。諧振圖形710和712大致是四分之一波長，帶有能諧振的自由端。在其他實施例中，這也可以是二分之一波長，帶有提供所需諧振的短路端。
此外，雖然諧振結(jié)構(gòu)710和712被示為直的矩形部分，但是它們也可以被實現(xiàn)為彎曲的線或其他所需的奇異形狀。重要的是它們提供連接到接地層的一部分的諧振結(jié)構(gòu)，以便平衡掉無源單元110或112中對應的一個帶來的單極子。
在另一實施例中，可以在印刷電路板700的相反一側(cè)把天線單元實現(xiàn)為所需的偶極子元件。
可以用各種方法實現(xiàn)無源單元相對于有源單元的間隔，只要它能提供所需的非周期性間隔。例如，考慮圓周的弧形，無源單元可以位于弧形上，中心元件從弧形的中心偏離開。
通過另一個例子，圖15A示出了具有由五個無源天線單元110/112所圍繞的單個有源天線120的天線裝置1110。無源天線單元110/112中的每一個都作為根據(jù)較早描述的原理和技術(shù)的無源天線單元110或無源天線單元112工作。即，如果無源天線單元110/112之一被標為無源天線單元110，則在其任意一側(cè)的無源天線單元將起到無源天線單元112的作用。
天線裝置1110作為用戶單元1111籍以完成和基站1112的信號傳送和接收的裝置，用戶單元1111例如耦合到無線蜂窩調(diào)制解調(diào)器的膝上型計算機1114。用戶單元提供無線數(shù)據(jù)和/或語音服務，并能把例如膝上型計算機1114或個人數(shù)字助理(PDA)等的設備通過基站1112連接到網(wǎng)絡，網(wǎng)絡可以是公共交換電話網(wǎng)絡(PSTN)、分組交換計算機網(wǎng)絡，或其他的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，例如因特網(wǎng)或私有的企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)?；?112可以在很多不同的通信協(xié)議上和網(wǎng)絡進行通信，通信協(xié)議如基本ISDN，或者如果網(wǎng)絡是例如因特網(wǎng)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡，則甚至是TCP/IP。用戶單元在本質(zhì)上可以是移動的，并且可以在和基站1112通信的同時從一個位置傳播到另外一個。在典型情況中，很多個用戶接入單元1111位于包圍著基站1112的區(qū)域內(nèi)，并享受公共基站的服務。但是，其他的安排也是可能的。
本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員也應該理解，圖15A可以是標準蜂窩型通信系統(tǒng)，諸如CDMA、TDMA、GSM或其他的無線電信道被分配，用于在基站1112和用戶單元1114之間傳送數(shù)據(jù)和/或語音信號的系統(tǒng)。在一個優(yōu)選實施例中，圖15A是類似CDMA的系統(tǒng)，使用例如美國專利NO.6,151,332中所定義的碼分復用原理。
天線裝置1110包括柱形的底面或接地層1120，底面或接地層1120上面固定有源天線單元120和五個無源天線單元110/112。如圖所示，天線裝置1110被耦合到膝上型計算機1114(未按比例繪制)。天線裝置1110允許膝上型計算機1114通過從基站1112傳送來的前向鏈路信號1130和傳送到基站1112去的逆向鏈路信號1132進行無線通信。
在所示實施例中，天線單元如圖所示，以分散的方式設置在接地層1120上。即，實施例包括五個非對稱地圍繞著接地層1120周圍間隔開的無源天線單元110/112，以及位于和接地層1120中心相對應的位置的有源天線單元。
把注意力轉(zhuǎn)向圖16，示出了控制用戶接入單元1111的電子線路的框圖。用戶接入單元1111包括天線裝置或陣列1110和電子線路部件1142。有源天線單元120通過雙工濾波器1162被直接連接到電子線路部件1142，而每一個無源天線單元110/112則被連接到延遲器1158、可變或集總阻抗元件1157和開關(guān)1159。
無線信號在基站1112和有源天線單元120之間通信。反過來，有源天線單元120把信號提供給電子線路部件1142或者從電子線路部件1142接收信號。無源天線單元110/112要么反射信號，要么把信號定向到有源天線單元120。如圖16所示，控制器1172可以提供控制信號1178用于控制無源天線單元110/112的延遲器1158、阻抗元件1157和開關(guān)1159。
在傳送方向，電子線路部件1142所提供的射頻信號被直接饋送到向基站1112發(fā)送信號的有源天線單元120。
在接收方向，電子線路部件1142在雙工濾波器1162處從有源天線單元120接收無線電信號，雙工濾波器1162把接收到的信號提供給無線電接收機1164。無線電接收機1164把經(jīng)過解調(diào)的信號提供給去除調(diào)制編碼的解碼電路1166。例如，這樣的解碼器可以以現(xiàn)有技術(shù)中已知的方式工作，以便去除碼分多址(CDMA)類型的編碼，分離出針對特定用戶單元的各種信號，碼分多址(CDMA)類型的編碼可能涉及使用偽隨機碼和/或沃爾什(Walsh)碼。經(jīng)過解碼的信號隨后被饋送到數(shù)據(jù)緩存電路1168，然后數(shù)據(jù)緩存電路1168再把經(jīng)解碼的信號饋送到數(shù)據(jù)接口電路1170。然后數(shù)據(jù)接口電路1170可以把信號提供給典型的計算機接口，例如可以是通用串行總線(USB)、PCMCIA類型接口、串行接口或其他的與膝上型計算機1114兼容的公知計算機接口?？刂破?172可以從數(shù)據(jù)接口從消息接口電路1174接收消息和/或把消息傳送到消息接口電路1174，以控制解碼器1166、編碼器1174的工作和發(fā)射機1176及接收機1164的調(diào)諧。
現(xiàn)在參考圖15B，每個無源天線單元110/112均被固定到接地層1120的上方。傳送饋線1182在底部饋電點1183連接到無線天線單元110/112和延遲線1158，延遲線1158又被連接到可變或集總阻抗元件1157和開關(guān)1159。無源天線單元110/112和傳送饋線1182以及接地層1120電氣絕緣。延遲線1158、可變或集總阻抗元件1157和開關(guān)1159位于接地層1120內(nèi)，但是也和接地層電氣絕緣。傳送線1182為控制信號提供了到達無源天線單元110/112的路徑。
被置于接地層1120上所形成的狹縫1192內(nèi)的諧振帶1190位于每個無源天線單元110/112下方。狹縫1192的尺寸比諧振帶1190略大以限定出間隔1194。諧振帶1190頂端1196被電氣耦合到接地層1120。但是，間隔1194被用非金屬材料填充，例如像是聚苯乙烯或聚四氟乙烯的PCB材料，以便使諧振帶1190的非頂端部分1198和接地層1120電氣絕緣。
無源天線單元110/112和對應的諧振帶1190都由例如銅制成。對于在PCS帶寬(1850MHz到1990MHz)的應用，無源天線單元110/112的長度大約為工作信號的波長的四分之一，厚度大約為波長的十分之一。每個諧振帶也都是大約長四分之一波長，十分之一波長厚。諧振帶1190的底部位于接地層1120的底部上方大約八分之一個波長的高度“h”處，盡管諧振帶1190的底部可以幾乎和接地層1120的底部接觸。
使用中，信號被傳送到有源天線單元120，并且也從有源天線單元120處接收，以使天線陣列1110能夠和基站1112進行通信。接地層1120的彎曲的外表面1200把由天線陣列1110形成的波束向下拉向水平線，因為彎曲表面1200的表面法線指向水平線。由于諧振帶1190存在，無源天線單元110/112和對應的諧振帶1190耦合，形成等效的不平衡偶極子天線。這樣以來，無源天線單元110/112和諧振帶1190的組合提供了把陣列波束沿著水平線進一步定向的能力，故此接地層1120的尺寸可以被減小而不需要犧牲天線陣列1110的波束定向能力。事實上作為不平衡偶極子天線單元陣列，天線陣列1110能夠形成具有不超過地平線10度乃至更少，例如恰好不超過0度的峰值波束強度的波束。
此外，無源天線單元110/112和諧振帶1190的耦合增大了天線的有效面積，因而提高了增益。并且，因為天線單元110/112被固定在接地層1120的上方，天線陣列對外部環(huán)境因素(例如當天線被放置在金屬臺面上時)的敏感性降低了，因為天線單元110/112和這些因素的直接耦合被最小化了。
天線陣列也可以用非柱面的接地層來實現(xiàn)。例如，如圖18A中所示的具有由6個平板1204構(gòu)成的接地層1202的天線陣列120。7個天線單元以和圖中所示類似的方式被固定在接地層1202上。即，該實施例包括6個無源定向器/反射器元件110/112，它們環(huán)繞接地層1202的周圍間隔開，位于每個平板1204的外緣1208以上，而第七有源單元120被放置在和接地層1202的中心對應的位置。每個平板1204的內(nèi)緣1207在接地層1202的中心處被和其他的內(nèi)緣1207接合在一起形成鉸鏈1209。鉸鏈1209可以是彈簧助力的，以便使平板1204可折疊形成平坦緊湊單元(圖19)，從而使得天線陣列便于運輸。
具體參考圖18B，每個天線單元110/112被固定在接地層1202的頂部，但是和接地層1202電氣絕緣。天線單元110/112在底部饋電點1212處被連接到傳送饋線1210。每個平板1204配備有連接到集總或可變阻抗元件1215的延遲線1214和開關(guān)1216，延遲線1214和開關(guān)1216被連接到天線單元110/112。傳送饋線1210、延遲線1214、集總或可變阻抗元件1215和開關(guān)1216起到和參考圖15A和圖15B所描述的實施例的傳送饋線1182、延遲線1158、可變或集總阻抗元件1157和開關(guān)1159相同的作用。
每個平板1204還配備有沿著平板1204的外緣1208放置的諧振帶1216。諧振帶1216頂端1220被頂部段1203電氣耦合到接地層1202。
每個平板1204都包括由例如像是聚苯乙烯或聚四氟乙烯的PCB材料制成的非金屬電介質(zhì)襯底1222。對于PCS應用，襯底具有工作信號的波長的大約三分之一的高度和十分之一波長的寬度，大約是0.03英寸厚。用印刷電路板(PCB)技術(shù)，通過在襯底1222的一側(cè)1218上淀積厚度大約為0.0015英寸的銅，然后把銅光刻成所需形狀，生成接地層1202和諧振帶1216。這樣，接地層1202、諧振帶1216和頂部段1203形成了包圍襯底1222的內(nèi)部區(qū)域1224的連續(xù)的銅層。此外，存在一個高度為“h1”的薄的區(qū)域1226，把諧振帶1216的底部與平板1204的底部分離開。PCB技術(shù)也被用來在襯底1222的相反一側(cè)上印刷傳輸饋線1210、延遲線1214、集總或可變阻抗元件1215和開關(guān)1216。天線單元110/112和諧振帶1216大約是長四分之一個波長，十分之一個波長寬。
現(xiàn)在參考圖20，示出了平板1204的另一種布置。這里，導電材料1304，例如銅被夾在由電介質(zhì)材料制成的兩個襯底1302A和1302B之間。在襯底1302A和1302B外側(cè)，各有對應的導電材料層1306A和1306B。內(nèi)導電材料1304被用于天線單元110/112、延遲線1214、集總或可變阻抗元件1215和開關(guān)1216的傳送線活動，它們通常被埋入襯底1302A或1302B之一。外層導電材料1306A和1306B起到了接地層1202和諧振帶1216的作用。
圖15A和圖18A中所示的元件110/112當在實際中使用時，最好是非均勻間隔開的，這樣由天線陣列1110或1201在各個方向上所形成的波束不一定具有同樣的形狀。
在某些情況下，天線陣列1110或1201在物理上被膝上型計算機1114的計算機屏幕1115所阻擋，如圖21所示，或者陣列可能被其他的物體所阻擋。陣列的這些被阻擋的區(qū)域3000需要較少的天線單元，所以在這些區(qū)域中，天線單元的間隔可以較大。因此，在陣列的相反一側(cè)3002上的元件的間隔可以較小。在陣列的特定區(qū)域，用更多的無源單元，或者更高的元件密度，天線陣列通過能夠以更高的頻率工作而不受增益減小柵瓣的影響，在該區(qū)域的方向上能夠覆蓋更寬的頻帶。
當被朝著如圖21中的基站1112相對于天線陣列1110的位置所示的具有較多的通信終端的地理區(qū)域定向的陣列的某些元件被更緊密地分布在陣列的區(qū)域3002內(nèi)時，陣列1110或1201的無源單元110/112的非均勻間隔或非周期性間隔還提供了更好的性能。通過在所選的方向上具有較低的旁瓣水平，天線陣列的性能得到提高。
還需記得，在上面所描述的某些實施例中，特別是在其中每個無源天線單元110和112被連接到對應的變?nèi)萜鞯哪切?，通過變?nèi)萜鲗嶋H上無窮多的可選阻抗值，天線陣列提供了實際上無窮多的相移。這樣，具有被連接到這種變?nèi)萜鞯臒o源單元110/112的天線陣列1110或1201能夠提供實際上沿著任意方向的定向波束，例如，在180度的圓周上以一度為增量。具有如此細致的調(diào)整輻射方向的能力，使得天線陣列1110或1201具有非均勻分布的無源單元，因而是非周期性的，增加了對天線陣列的另一維控制。
注意，上面所描述的實施例僅僅是為了說明的目的，而非對本發(fā)明的限制。例如，盡管分別如圖15A和18A所示的天線陣列1110和1201的無源天線單元110/112和各自的延遲線、阻抗元件和開關(guān)相關(guān)聯(lián)，但是可以用先前描述的任意設備和過程來操作單元110/112。具體來說，可以用任何在討論天線陣列1110和1201之前所描述的技術(shù)和設備將單元110/112中的每一個在透射模式和反射模式之間切換。
雖然參考本發(fā)明的優(yōu)選實施例對其進行了具體的描述和展示，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應該理解，可以在形式和細節(jié)上做出各種變化而不偏離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于在無線通信用戶單元中使用的天線裝置，包括至少兩個無源天線單元和一個有源天線單元；無源天線單元被置于有源天線周圍，以使無源天線單元不位于至少一個和有源單元公共的平面內(nèi)，并使至少兩個無源天線單元中的每一個都可獨立地設為反射或透射模式以改變天線裝置的輸入/輸出波束方向圖的特性。
2.權(quán)利要求1所述的天線裝置，還包括位于每個無源單元下方的對應的諧振帶，每個無源天線單元和對應的諧振帶的組合構(gòu)成了不平衡偶極子天線單元，從而多個偶極子天線單元形成了可被沿著水平線定向的復合輸入/輸出定向波束。
3.如權(quán)利要求1所述的天線裝置，還包括被設置于臨近至少一部分天線單元的接地層。
4.如權(quán)利要求2所述的天線裝置，其中，接地層是柱面的，接地層的上側(cè)是柱面的平面端，而接地層的底側(cè)是柱面的相反的平面端。
5.如權(quán)利要求2所述的天線裝置，其中，每個諧振帶被置于接地層的對應的狹縫中，每個狹縫的壁與對應諧振帶的表面間隔開，壁和表面的間隙以非金屬材料填充以使諧振帶的非頂端部分和接地層電氣絕緣。
6.如權(quán)利要求3所述的天線裝置，還包括由和多個諧振帶數(shù)目相等的多個平板構(gòu)成的接地層。
7.如權(quán)利要求6所述的天線裝置，其中，每個平板具有外緣和內(nèi)緣，諧振帶沿著對應平板的外緣對齊，平板的內(nèi)緣在接地層中心接合在一起，形成具有和諧振帶的軸基本平行的軸線的中央接合部，有源單元沿著中央接合部的軸線對齊。
8.如權(quán)利要求7所述的天線裝置，其中，中央接合部是便于把天線裝置折疊入平坦緊湊單元中的鉸鏈。
9.如權(quán)利要求7所述的天線裝置，其中，每個平板包括第一非金屬襯底和第一襯底一側(cè)上的一層第一導電材料，接地層的導電部分和諧振帶由第一導電材料構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求7所述的天線裝置，其中，每個平板包括第二非金屬襯底、夾在第一襯底層和第二襯底層之間的第二導電材料，以及第二非金屬襯底的相反一側(cè)上的一層第三導電材料，接地層的導電部分和諧振帶分別由第一導電材料和第三導電材料構(gòu)成。
11.如權(quán)利要求2所述的天線裝置，其中，定向波束升起超過地平線的角度為0度到10度。
12.如權(quán)利要求1所述的天線裝置，其中，無源天線單元圍繞有源天線單元非周期性地分布。
13.如權(quán)利要求1所述的天線裝置，其中，無源天線單元在印刷電路板的一側(cè)形成，有源單元在印刷電路板的另一側(cè)形成。
14.如權(quán)利要求13所述的天線裝置，還包括臨近每個無源單元放置，并和對應的無源單元位于印刷電路板的同一側(cè)的對應的諧振圖形。
15.如權(quán)利要求13所述的天線裝置，還包括臨近無源單元放置的地結(jié)構(gòu)。
16.如權(quán)利要求13所述的天線裝置，還包括臨近有源單元放置的接地結(jié)構(gòu)。
17.如權(quán)利要求13所述的天線裝置，其中諧振圖形平衡對應的無源單元。
全文摘要
一種天線陣列，它使用被設置在接地層上方，但是和接地層電氣絕緣的至少兩個無源天線(110，112)和一個置于接地層(140)下、但與接地層電絕緣的有源天線(120)，以及位于每個無源天線下方的對應的諧振帶(1216)。無源天線單元圍繞有源單元放置，并且至少兩個無源天線單元中的每一個都可獨立地設為反射或透射模式以改變天線裝置的輸入/輸出波束方向圖的特性。
文檔編號H01Q21/12GK1788389SQ03807603
公開日2006年6月14日 申請日期2003年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月1日
發(fā)明者常兵, 格里芬·K·葛薩爾德, 克里斯托夫·A·施耐德, 威廉姆·R·帕爾瑪, 邁克爾·J·林奇, 托馬斯·E·戈薩基, 肯尼斯·M·蓋尼, 小詹姆斯·A·普羅克特 申請人:Ipr特許公司