CN103597659A - 用于无线通信系统的双极化切换波束天线 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种天线设备（10，40，60），包括：第一天线组件（11，41，62），被配置为接收根据第一极化被极化的第一射频信号；第二天线组件（12，42，65），被配置为接收根据第二极化被极化的第二射频信号，第二极化与第一极化正交；和射频信号处理组件，与第一（11，41，62）和第二（12，42，65）天线组件耦接，并被配置为分离地处理接收的第二射频信号和接收的第一射频信号。

Description

用于无线通信系统的双极化切换波束天线

技术领域

本发明总地涉及无线通信系统，并且更具体地涉及无线通信设备中用于发送/接收射频（RF）信号的天线。无线通信设备的示例可以是通用串行总线（USB）插接式收发器、用于无线局域网（LAN）（例如基于IEEE802.11a/b/g/n标准）和/或蜂窝网络（例如基于高速下行链路分组接入（HSDPA）标准或基于长期演进（LTE）标准）的便携式迷你集线器、游戏机、控制设备、个人计算机、膝上型计算机等等。

背景技术

如所知道的，当前在诸如USB插接式收发器之类的无线电通信设备中使用的天线其特征在于几乎全向的辐射图（即具有低增益），这严重限制数据速率方面可实现的性能。

一般，低天线增益限制在诸如农村地区之类的那些场景中的覆盖范围，在这些场景中，热噪声的效应相比小区间干扰占优势。

因此较大的天线增益对于减小数字鸿沟是有益的，因为其潜在地使得能够在固定数字订户线路（DSL或xDSL）不能到达的区域中供应高数据速率连接。

并且，使用高增益定向天线的优势涉及到通过对天线的辐射图进行电子赋形来执行空间域中的抗干扰的可能性。这方面在以高语音/数据流量为特征的城市区域中非常重要，在城市区域中对可实现的数据速率的主要限制因素是小区间干扰。

可以通过向无线电通信设备提供多个天线来提高无线电通信设备的性能，其中，可以根据这多个天线的特征，诸如方向性、极化、相对间隔等，来以不同方式利用它们。

具体地，提高无线电通信设备的性能的最简单的方式是使用多个较宽地间隔开的全向天线，以便从衰落实现某一水平的空间分集。可以通过使用与接收天线的数目相等数目的RF接收器来在基带级重新组合来自不同全向天线的信号。

该方案的缺点在于每个天线需要一个RF接收器，因此实际上能够使用的全向天线的数目非常有限。

另外，当前无线电通信设备的小尺寸，尤其在诸如USB插接式收发器或迷你集线器之类的便携式无线电通信设备的情况下，进一步限制了能够集成到一起的天线的数目和其间的相对距离。具体地，由天线之间的小距离引起的不期望的效应增大衰落相关（fadingcorrelation），这限制了能够实现的分集水平并且在多输入多输出（MIMO）传输中，使得不可以进行多个数据流的并行的空间复用。

申请人的国际专利申请WO2008064696提供了对具有多个RF接收器的问题的解决方案。

具体地，WO2008064696公开了一种无线通信系统，其装备了切换波束天线，切换波束天线包括一定数目的定向天线元件，并且其中，从对应天线元件接收的RF信号的子集被选择并被组合成单个RF信号，该单个RF信号在单个处理链中被处理并被解调。

具体地，WO2008064696所公开的无线通信系统包括：RF调相网络（RF phasing network），用于在组合选定的RF信号之前使它们共相（co-phasing），和处理器，用于控制RF信号组合和调相以便获得单个RF信号，其中该单个RF信号具有满足预定条件的无线电性能指标（RPI）。通过使用从预定集合或码本取得的一组组合权重来在射频执行接收的RF信号的组合。根据WO2008064696，RF接收器的最小数目刚好等于所发送的数据流的数目，而与接收天线的数目无关。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供能够解决以上列出的问题中的至少一个的天线设备。

具体地，申请人已经解决了接收天线之间的衰落相关问题。申请人面临的另一问题在于特别是对于便携式无线电通信设备中的应用而减小天线尺寸。

本发明实现了该目的，因为其涉及如所附权利要求书中所定义的天线设备和通信设备。

具体地，本发明通过一种天线设备实现了上述目的，该天线设备包括：

·第一天线组件，被配置为接收根据第一极化被极化的第一射频信号；

·第二天线组件，被配置为接收根据第二极化被极化的第二射频信号，第二极化与第一极化正交；和

·射频信号处理组件，与第一和第二天线组件耦接，并被配置为分离地处理接收的第二射频信号和接收的第一射频信号。

根据本发明的所述天线设备允许通过被优化用于接收正交极化的两个天线组件和通过被配置为分离地处理由两个天线组件接收的射频信号来解决衰落相关的问题。该特征使得所提出的天线设备也适合于其中多个数据流通过空间复用被并行传输的MIMO应用。

优选地，天线组件中的至少一个包括多个印刷天线元件，和/或基于超材料的天线元件，和/或多个或者全向或者定向的天线元件。

更优选地，第一天线组件包括多个印刷的定向天线元件而第二天线组件包括多个印刷的全向的基于超材料的天线元件。具体地，基于不同技术的两个天线组件允许解决当前无线电通信设备中空间有限的问题。

越加优选地，第一天线组件包括被配置为接收第一射频信号的多个第一天线元件，第二天线组件包括可操作用于接收第二射频信号的多个第二天线元件，并且射频信号处理组件被配置为提供或者基于至少一个接收的第一射频信号和至少一个接收的第二射频信号的单个输出射频信号，或者，基于至少一个接收的第一射频信号的第一输出射频信号和基于至少一个接收的第二射频信号的第二输出射频信号。

便利地，为了便于射频信号处理组件提供单个输出射频信号，所述射频信号处理组件可以被配置为：

·或者对由所有第一天线元件接收的第一射频信号和由所有第二天线元件接收的第二射频信号进行加权和组合来提供单个输出射频信号；

·或者选择由第一天线元件接收的第一射频信号中的一个或多个和/或由第二天线元件接收的第二射频信号中的一个或多个，并且

-将选定的第一和第二射频信号进行加权和组合来提供单个输出射频信号，或

-将选定第一射频信号和由所有第二天线元件接收的第二射频信号进行加权和组合来提供单个输出射频信号，或

-将由所有第一天线元件接收的第一射频信号和选定第二射频信号进行加权和组合来提供单个输出射频信号。

便利地，为便于射频信号处理组件提供第一输出射频信号，所述射频信号处理组件可以被配置为：

·选择由第一天线元件之一接收的第一射频信号并提供所述选定的第一射频信号作为第一输出射频信号；或

·选择由第一天线元件接收的第一射频信号的子集，并将选定的第一射频信号进行加权和组合来提供第一输出射频信号；或

·将由所有第一天线元件接收的第一射频信号进行加权和组合来提供第一输出射频信号。

便利地，为了便于射频信号处理组件提供第二输出射频信号，所述射频信号处理组件可以被配置为：

·选择由第二天线元件之一接收的第二射频信号和提供所述选定的第二射频信号作为第二输出射频信号；或

·选择由第二天线元件接收的第二射频信号的子集，并将选定的第二射频信号进行加权和组合来提供第二输出射频信号；或

·将由所有第二天线元件接收的第二射频信号进行加权和组合来提供第二输出射频信号。

具体地，所有先前描述的用于选择由两个多元件天线组件接收的射频信号和/或对其进行加权和组合的策略提供如下优势：射频收发器的数目不被限制为等于天线元件的数目，因此，可以在使接收器复杂度保持在可接受水平的同时使用较大数目的天线元件。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在将参考附图来描述仅通过示例方式而不应理解为限制性的优选实施例，在附图中：

·图1示意性地示出根据本发明第一实施例的天线设备；

·图2和3示出图1的天线设备的加权单元的两个示例性实施例；

·图4示意性地示出根据本发明的第二实施例的天线设备；

·图5示意性地示出根据本发明一个方面的四个定向天线元件以及对应的辐射图；

·图6示意性地示出根据本发明的具体优选实施例的天线设备；

·图7更详细地示出图6的天线设备的第一天线元件；

·图8示出当针对UMTS频率进行优化时的图7的第一天线元件的回波损耗和增益；

·图9更详细地示出图6的天线设备的第二天线元件；

·图10和11示出与天线设备的两个不同操作条件对应的图6的天线设备的天线组件的两个不同布置；

·图12示意性地示出其中两个组件各自根据各自的优选实施例实现的图6的天线设备；

·图13示意性地示出根据本发明的可替代优选实施例实现的图6的天线设备；以及

·图14示出包括根据本发明的天线设备的无线通信设备。

具体实施方式

介绍以下论述来使得本领域技术人员能够利用本发明。在不偏离所要求保护的本发明的范围的情况下，对实施例的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明不意图限制于所示出的实施例，而是要依照与本文所公开的原理和特征一致的并且在所附说明书和权利要求书中限定的最宽范围。

本发明源自申请人的如下构思：以紧凑方式组合两个不同的天线组件，从而获取具有非常小的形状因子、不同天线元件之间的衰落相关受限的天线设备。

具体地，这两个天线组件被设计成接收正交极化并且RF信号处理组件与这两个天线组件耦接来分离地处理各自的接收的RF信号，使得尽管天线设备的尺寸很小，仍能够保持很低的衰落相关。

优选地，这两个天线组件中的至少一个是基于超材料的天线。就此而言，为了描述清楚，以下将介绍超材料的简要说明。

具体地，超材料是在特定频率呈现负介电常数ε和负磁导率μ的人造材料。

详细地，超材料包括具有单位晶胞（unitary cell）的周期性结构，所述晶胞具有用于微波应用的毫米数量级的尺寸。超材料已经使得可以通过利用相位补偿来构想新的天线类型。

更详细地，电磁波在大多数材料中的传播遵循（E，H，β）矢量场的右手定则，其中，E是电场，H是磁场而β是波矢量。相位速度方向与信号能量传播（群速度）的方向相同并且折射率是正数。这样的材料是“右手的”（RH）。大多数自然材料都是RH材料。人造材料也可能是RH材料。

超材料具有人造结构。当超材料被设计成具有比超材料所传导的电磁能量的波长小得多的结构平均单位晶胞尺寸p时，超材料可以表现得如同所传导的电磁能量的均匀介质。与RH材料不同，超材料可以表现负折射率，其中介电常数ε和磁导率μ同时为负，并且相位速度方向与其中（E，H，β）矢量场的相对方向遵循左手定则的情况下信号能量传播的方向相反。仅支持其中介电常数ε和磁导率μ同时为负的负折射率的超材料是“左手”（LH）超材料。许多超材料是LH超材料和RH材料的混合物，并且因此是复合左右手（CRLH）超材料。CRLH超材料可以在低频处表现为如同LH超材料并且在高频处表现为如同RH材料。在Caloz和Itoh的“Electromagnetic metamaterials:Transmission Line Theoryand Microwave Applications”，JohnWiley&Sons（2006）中记载了各种CRLH超材料的设计和特性。在Tatsuo Itoh的“Invited paper：Prospects formetamaterials”,Electronics Letters,Vol.40，No.16（August，2004）中记载了CRLH超材料以及它们在天线中的应用。

CRLH超材料可以被构造和工程设计为呈现为特定应用量身定制的电磁特性并且可以用在其中使用其它材料可能比较困难、不实际或不可行的应用中。另外，CRLH超材料可以用于开发新的应用和构建利用RH材料可能是不可能的新设备。

回到对本发明的详细描述，优选地，这两个天线组件是利用不同的技术制造的。具体地，第一天线组件可以是印刷天线，其包括印刷在第一介电衬底上并且被布置为接收根据第一极化被极化的RF信号的第一数目的第一天线元件，而第二天线组件可以包括作为印刷在第二介电衬底上（即印刷在利用超材料技术的第二介电衬底上）的基于超材料的单极子的并且意图在使用时被布置为接收根据第二极化被极化的RF信号的第二数目的第二天线元件，第二极化与第一极化正交。

优选地，第一天线元件在使用时意图被布置为接收具有水平极化的RF信号，并且，基于超材料的单极子意图在通信期间被取向为接收具有垂直极化的RF信号。具体地，基于超材料的单极子意图在通信期间垂直地取向。

便利地，第一介电衬底可以是例如其上印刷有四个第一天线元件的圆盘，该圆盘在使用时意图被水平布置，以使得第一天线元件接收具有水平极化的RF信号。这仅仅是一个示例，可以在不偏离本发明的范围的情况下使用不同形状的第一介电衬底和不同数目的第一天线元件。

便利地，基于超材料的单极子具有实现诸如CRLH晶胞之类的紧凑晶胞这样的布局。这种技术允许相对于传统的印刷的单极子显著减小单极子高度。

使用为接收不同极化而优化的两个天线组件减轻衰落相关的问题，因为正交极化一般呈现较低的互相关水平；并且提高了在接收机处可实现的分集水平。利用具有不同取向（水平和垂直）的两个分离的天线组件还便利了紧凑的无线通信设备的设计。

就此而言，例如，根据本发明的优选实施例的一种天线设备可以便利地包括：

·圆柱壳，其包括第一底面，第一底面包括第一介电衬底，以及侧面，侧面包括一个或多个第二介电衬底；

·第一天线元件，其印刷在第一介电衬底上，即布置在圆柱壳的第一底面上；

·第二天线元件，其利用超材料实现并且印刷在第二介电衬底上，即布置在圆柱壳的侧面上；以及

·用于无线电功能性的电子电路（RF和基带），容纳在圆柱壳内。

使用时，天线设备意图搁置于第一底面上，以使得第一天线元件被水平取向，而第二天线元件被垂直取向。

作为第二天线元件布置在圆柱壳的侧面上的替代，所述第二天线元件可以借助旋转接头可旋转地安装在圆柱壳的第二底面上，旋转接头可操作来旋转所述第二天线元件，使得它们在通信期间垂直取向，而当天线设备不活动时，它们被保持水平。

本发明的另一方面涉及到用于选择和组合由不同天线元件接收的RF信号的若干方案。

具体地，第一天线组件和第二天线组件的天线元件连接到RF信号处理组件，RF信号处理组件包括可操作用于选择所述天线元件的预先定义的子集的至少一个RF切换网络。

详细地，每个天线组件可以连接到各自的RF切换网络，或者单个RF切换网络可以用于这两个天线组件。

并且，在使用时，由选定天线元件接收的RF信号在至少一个RF加权网络中被加权，其中RF加权网络包括在所述RF信号中插入在某组值上量化的相位偏移的可配置相位偏移器。在相位偏移加权之后，来自选定的天线元件的RF信号由组合单元在射频处组合并被输入一个或多个RF接收器供解调。

所要选择的RF信号以及相位偏移权重是由控制单元确定的，控制单元控制RF切换网络和RF加权网络的操作。具体地，在使用时，控制单元接收由接收器的基带单元测得的无线电性能指标作为输入。基于这些测量结果，控制单元确定所要选择的最佳天线元件和使得当前信道条件下的无线电性能最大化的最优权重。由基带单元测得并输入控制单元的无线电性能指标可以便利地是：接收信号强度指标（RSSI）、平均介质访问控制（MAC）吞吐量、分组误块率（BLER）、信号与干扰加噪声比（SINR）、用户终端测得的信道质量指标（CQI）等等。这些仅仅是示例，在不偏离本发明的范围的情况下，可以测量并有利地利用其它无线电性能度量。

为了更详细地描述本发明，在图1中示出根据本发明第一实施例即在接收器装备有单个RF解调链的情况下的天线设备10的功能框图。

具体地，图1中示出的天线设备10包括：

·第一天线组件11，其包括被配置为接收水平极化的RF信号的M个第一天线元件，M是大于零的整数；

·第二天线组件12，其包括由超材料制成并且被配置为接收垂直极化的RF信号的N个第二天线元件，N是大于零的整数；

·第一RF切换网络13，其与第一天线组件11耦接并且可操作用于从由所述第一天线组件11接收的RF信号中选择m个第一RF信号，其中1≤m≤M；

·第二RF切换网络14，其与第二天线组件12耦接并且可操作用于从由所述第二天线组件12接收的N个RF信号中选择n个第二RF信号，其中1≤n≤N；

·单个RF组合网络15，其与第一RF切换网络13耦接来从其接收第一选定RF信号并且与第二RF切换网络14耦接来从其接收第二选定RF信号，并且可操作用于对所述第一和第二选定RF信号进行加权和组合以便生成和输出单个组合信号R；

·RF接收器16，其与单个RF组合网络15耦接来从其接收单个组合信号R，并且被配置为处理所述单个组合信号R以便输出经处理的信号；

·基带单元17，其与RF接收器16耦接来从其接收经处理的信号，并且被配置为基于所述经处理的信号来确定一个或多个无线电性能指标；以及

·控制单元18，其与基带单元17耦接来从其接收所确定的无线电性能指标，并且与第一RF切换网络13、第二RF切换网络14和单个RF组合网络15耦接来基于所述所确定的无线电性能指标控制它们的操作。

详细地，将来自第一RF切换网络13的第一选定RF信号表示为y_i，其中1≤i≤m，并且将来自第二RF切换网络14的第二选定RF信号表示为z_l，其中1≤l≤n，则由单个RF组合网络15执行的加权和组合操作可以数学地表示如下：

$R=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{y}_i+\underset{l=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l{z}_l,---\left(1\right)$

其中w_i和w_l分别表示第一和第二选定RF信号的权重。

优选地，组合权重w_i和w_l被设计为纯相位偏移并且因此可以数学地表示为

和通过使得每个选定RF信号在具有适当长度的传输线余线（stub）上传播以使得输出信号经历期望的相位偏移，可以在射频便利地实现加权操作。为了限制电路复杂度，组合权重可以在有限数目的值上被便利地量化以使得有限数目的传输线余线将被实现。

就此而言，例如，可以便利地实现组合权重值的四元集，即对应于相位偏移0°、90°、180°和270°，这些相位偏移继而对应于以下组合权重集合：

$w_i\∈\{\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{j}{\sqrt{2}},-\frac{1}{\sqrt{2}},-\frac{j}{\sqrt{2}}\}$

$w_l\∈\{\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{j}{\sqrt{2}},-\frac{1}{\sqrt{2}},-\frac{j}{\sqrt{2}}\}.$

组合权重集可以便利地还包括用于未被RF切换网络13和14选择（即被丢弃）的RF信号的特殊值零。

图2和3示意性地示出单个RF组合网络15优选地包括的RF加权单元的两个示例性实现21和31。具体地，如图2和3中所示，每个加权单元包括可借助开关选择的具有不同长度的相应一组传输线余线。详细地，在使用时，每个加权单元在输入端被馈送选定RF信号y_i和z_l，并且输出相同的RF信号但是具有所需的相对相位偏移。这两个经加权的RF信号随后在射频被组合，即，被相加，并被输入到RF接收器16。

并且，图4示出根据本发明第二实施例即在接收器装备有两个RF解调链的情况下的天线设备40的功能框图。

具体地，图4中示出的天线设备40包括：

·第一天线组件41，其包括被配置为接收水平极化的RF信号的M个第一天线元件，M是大于零的整数；

·第二天线组件42，其包括由超材料制成并且被配置为接收垂直极化的RF信号的N个第二天线元件，N是大于零的整数；

·第一RF切换网络43，其与第一天线组件41耦接，并且可操作用于从由所述第一天线组件41接收的RF信号中选择M个第一RF信号，其中1≤m≤M；

·第二RF切换网络44，其与第二天线组件42耦接，并且可操作用于从由所述第二天线组件42接收的N个RF信号中选择n个第二RF信号，其中1≤n≤N；

·第一RF组合网络45，其与第一RF切换网络43耦接来从其接收第一选定RF信号，并且可操作用于对所述第一选定RF信号进行组合和加权以便生成和输出第一组合信号Y；

·第二RF组合网络46，其与第二RF切换网络44耦接来从其接收第二选定RF信号，并且可操作用于对所述第二选定RF信号进行加权和组合以便生成和输出第二组合信号Z；

·第一RF接收器47，其与第一RF组合网络45耦接来从其接收第一组合信号Y，并被配置为处理所述第一组合信号Y以便输出第一经处理的信号；

·第二RF接收器48，其与第二RF组合网络46耦接来从其接收第二组合信号Z，并被配置为处理所述第二组合信号Z以便输出第二经处理的信号；

·基带单元49，其与第一RF接收器47耦接来从其接收第一经处理的信号并与第二RF接收器48耦接来从其接收第二经处理的信号，并被配置为基于所述第一和第二经处理的信号来确定一个或多个无线电性能指标；以及

·控制单元50，其与基带单元49耦接来从其接收所确定的无线电性能指标，并与第一RF切换网络43、第二RF切换网络44、第一RF组合网络45和第二RF组合网络46耦接来基于所述所确定的无线电性能指标控制它们的操作。

在可替代实施例中，天线设备40，替代两个RF切换网络43和44，可以便利地包括用于从两个天线组件41和42选择RF信号的单个RF切换网络。

详细地，根据之前说明和使用的符号，第一组合RF信号Y可以数学地表示为

$Y=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{y}_i,---\left(2\right)$

而第二组合RF信号Z可以数学地表示为

$Z=\underset{l=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l{z}_l.---\left(3\right)$

如前所述，M和N个接收的RF信号的子集被选定并且被提供给RF组合网络的组合单元。在最简单的情况中，仅一个RF信号被选定，其对应于针对相应极化的最佳的接收天线元件。在这样的情况下，组合权重w_i和w_l可以便利地全都等于零，除了与用于每个极化的最佳的接收天线元件对应的那个，并且，等式（2）和（3）可以被便利地简化如下：

Y=y_i，        （4）

Z=z_l。         （5）

选择仅一个RF信号适用于例如当天线元件是定向的因此具有显著增益时。每个天线组件的不同天线元件被便利地布置为在对应的辐射图之间具有最小重叠并确保对在与相应的具体极化对应的平面内的所有可能的到达方向的良好接收，如在图5中示意性地示出那样，其中，示出四个天线元件A1，A2，A3和A4以及绘制的对应的辐射图G1，G2，G3和G4。

相反，在最难的情况中，来自所有M个和N个天线元件的RF信号被选定并且因此所有组合权重w_i和w_l具有不同于零的值。第二种情况适用于当天线元件被设计成在与期望极化对应的平面内具有零增益的全向偶极子时。在此情况中，不同天线元件如同阵列一样操作并且因此可以通过对所有接收的RF信号的适当组合来确保天线方向性。并且，在该情况中，天线元件优选地被布置为使得任何一对相邻的天线元件之间的距离d小于或等于半波长λ/2，即，d≤λ/2，以使得可以形成具有可预测形状和没有栅瓣的辐射图，其中λ是天线设备所设计用于的工作波长。例如，在天线设备被设计为在2GHz频段（即，λ≈15cm）工作的情况下，任何一对相邻的天线元件之间的距离d应当优选地小于或等于7.5cm。便利地，天线设备的介电衬底的直径可以为10cm的数量级。

在更一般的情况中，仅M个和N个接收的RF信号的子集被RF切换网络选定，所述子集包括来自第一天线组件的m个RF信号和来自第二天线组件的N个RF信号。在该情况下，这m和n个选定RF信号依据等式（1）被组合，如果仅一个RF组合网络被提供的话，或者依据等式（2）和（3）被组合，如果两个RF组合网络被提供的话。在该组合后，单个组合信号R，或第一组合信号Y和第二组合信号Z，被输入RF接收器，所述RF接收器执行下变频、滤波和模数（A/D）转换。随后，来自RF接收器的数字信号被基带（BB）单元处理，基带（BB）单元执行与物理层和MAC协议层有关的所有层1和层2操作。由BB单元执行的数字信号处理操作的示例是：解调、符号到比特解映射、信道解码、信号组合、无线电测量等。

最佳天线元件的选择和最优组合权重的确定由控制单元（CU）执行。CU从BB单元接收指示瞬时无线电信道条件的一组测量结果。如前所述，可以便利地用于RF信号选择和组合权重确定的测量结果的示例是RSSI、接收的数据分组的BLER、MAC级测得的平均吞吐量、SINR等等。在使用时，CU周期性地扫描不同天线元件和组合权重以便识别确保最佳接收性能的配置。在分组数据通信的情况中，扫描操作可以在空闲间隔期间，例如在网页的读取时间期间，被便利地执行。在诸如语音呼叫或视频呼叫之类的电路交换连接的情况中，扫描操作可以优选地被执行以便最小化脱离连接的可能性以及限制用户感知到的服务质量（QoS）的任何劣化。例如，这可以通过针对第一和第二天线组件以不同的时间间隔激活扫描操作来便利地执行。

并且，图6示意性地示出根据本发明即在接收器装备有两个RF解调链的情况下的具体优选实施例的天线设备60。

具体地，图6中示出的天线设备60包括：

·圆柱壳61；

·第一天线组件62，其包括四个（即，M=4）定向印刷天线元件63，其被布置在圆柱壳61的第一底面61a上并且被优化用于接收水平极化的信号；

·第一RF切换和组合组件64，其与第一天线组件62耦接来选择和组合由所述第一天线组件62接收的RF信号以便输出第一组合RF信号Y；

·第二天线组件65，其包括四个（即，N=4）印刷的全向的基于超材料的单极子66，其安装在圆柱壳61的第二底面61b上并且可操作用于接收垂直极化的信号；以及

·第二RF切换和组合组件67，其与第二天线组件65耦接来选择和组合由所述第二天线组件65接收的RF信号以便输出第二组合RF信号Z。

图7更详细地示出布置在圆柱壳61的第一底面61a上的第一天线组件62的定向印刷天线元件63之一。

具体地，图7中示出的定向印刷天线元件63包括：

·有源偶极子71，长λ/2，具有T形结构，并且，在使用时，被微带线72激发并结束于开路，其中，微带线72垂直穿过形成在有源偶极子71中的狭槽73；

·无源偶极子74，也称为引向器，被布置在有源偶极子71前面并且用于提高天线元件63的增益和方向性；以及

·平面反射器75，其是插在有源偶极子71后面以便控制前到后辐射的金属化区域。

详细地，狭槽线73长约λ/4并且操作为平衡不平衡转换器（balun），即将反馈线的不平衡结构变换成平衡结构（偶极子）的电路。这种天线元件易于设计，因为与50ohm的输入匹配通过基本优化仅两个参数就可获得：微带线72距顶部的距离，以及作为超出狭槽73的微带线部分的余线76的长度。

第一参数主要控制输入阻抗的实部，而第二参数控制虚部。就此而言，作为示例，在图8中报告了针对UMTS频率优化后的印刷偶极子天线的计算出和测得的回波损耗和增益。如图8中所示，可获得的带宽（15dB）多于30%，增益为4dB的数量级，前后比超过10dB。

为了便于定向印刷天线元件63接收水平极化的RF信号，在操作期间，天线设备60将搁置在圆柱壳61的第一底面61a上。优选地，每个定向印刷天线元件63的增益为4-6dB的数量级。

便利地，根据第一RF切换和组合组件64的第一优选实施例，根据等式（4）（其中索引i标识选定的最佳定向印刷天线元件63），仅第一天线组件62的最佳定向印刷天线元件63被选定并且对应的接收的RF信号被提供给RF接收器。根据第一RF切换和组合组件64的所述第一优选实施例，RF切换网络被缩减为4乘1选择器，并且组合操作在单个RF信号被选择时不是必需的。

反而，根据第一RF切换和组合组件64的第二优选实施例，根据等式（2）（其中m=2并且索引i对所选择的两个最佳定向印刷天线元件63进行索引），两个最佳定向印刷天线元件63可以被便利地选定并且对应的RF接收信号可以利用适当的组合权重被便利地组合。根据第一RF切换和组合组件64的所述第二优选实施例，可以通过在射频组合来自不同方向的两个不同路径的能量来利用这两个路径。

并且，图9更详细地示出安装在圆柱壳61的第二底面61b上的第二天线组件65的基于超材料的单极子66之一。

具体地，图9中示出的基于超材料的单极子66具有基本上矩形形状，被构造为形成CRLH超材料晶格，并且包括：

·交叉指型电容器91，沿着基于超材料的单极子66适当定位；

·两个感应分支92，连接到地并相对于交叉指型电容器91在侧向定位；以及

·输入微带线RF馈送线93。

该结构实现的主要优势是相对于在相同频段上操作的经典单极子显著减小了单极子长度。在使用时，具体地，在通信期间，印刷的全向的基于超材料的单极子66被垂直取向以使得它们接收具有垂直极化的RF信号。为了减小天线设备60的尺寸，印刷的全向的基于超材料的单极子66可以借助旋转接头（在图6和9中未示出）安装到圆柱壳61的第二底面61b上，以使得当天线设备60未被供电时或当语音/数据通信不活动时，它们与圆柱壳61的第二底面61b并列布置，而当天线设备60被供电时或当语音/数据通信活动时，它们被旋转以便与圆柱壳61的第二底面61b垂直。

就此而言，图10示出当天线设备60关断时或当语音/数据通信不活动时（即天线设备60空闲）第二天线组件65的印刷的全向的基于超材料的单极子66。具体地，图10示出与圆柱壳61的第二底面61b并列布置的印刷的全向的基于超材料的单极子66。在图10中，还示出旋转接头，并且用标号101标识它们。

并且，图11示出当天线设备60开启时或当语音/数据通信正在进行时的印刷的全向的基于超材料的单极子66。具体地，图11示出与圆柱壳61的第二底面61b垂直地布置的印刷的全向的基于超材料的单极子66。

便利地，印刷的全向的基于超材料的单极子66的定位可以由用户手动完成或可以用（在图10和11中未示出的）机械或电气自动化机制来辅助。

根据第二RF切换和组合组件67的优选实施例，优选根据等式（3）（其中n=N=4并且索引l索引四个印刷的全向的基于超材料的单极子66），利用对辐射图进行赋形以便最大化无线电性能的适当的组合权重集合，组合由四个印刷的全向的基于超材料的单极子66接收的RF信号。根据第二RF切换和组合组件67的所述优选实施例，所有的接收的RF信号被选定，因此用于信号选择的RF切换网络不是必需的。

并且，图12示出包括根据先前描述的第一优选实施例实现的第一RF切换和组合组件64和根据先前描述的优选实施例实现的第二RF切换和组合组件67的天线设备60的功能框图。

具体地，如图12中所示，第一RF切换和组合组件64包括可操作用于选择仅由一个定向印刷天线元件63接收的RF信号的4乘1RF切换网络121，并且不包括任何RF组合网络或单元。在使用时，由4乘1RF切换网络121选定的RF信号Y=y_i被输入第一RF接收器122。

还是如图12中所示，第二RF切换和组合组件67不包括任何RF切换网络，但包括RF组合网络123，RF组合网络123可操作用于根据等式（3）（其中n=N=4并且索引l索引四个印刷的全向的基于超材料的单极子66），组合由所有四个印刷的全向的基于超材料的单极子66接收的RF信号，以便生成组合RF信号Z。在使用时，由所有四个印刷的全向的基于超材料的单极子66接收的RF信号被RF组合网络123借助一组组合权重{w_l}而组合，以赋形出期望的辐射图，并且作为结果产生的组合RF信号Z被输入第二RF接收器124。

图12还示出：

·基带单元125，其与第一RF接收器122和第二RF接收器124耦接来接收由所述第一RF接收器122和第二RF接收器124输出的信号并被配置为基于接收的信号来确定一个或多个无线电性能指标；以及

·控制单元126，其与基带单元125耦接来从其接收所确定的无线电性能指标，并且利用4乘1RF切换网络121和RF组合网络123来基于接收的无线电性能指标控制它们的操作。

根据天线设备60的可替代实施例，该可替代实施例在图13中被示出，其中，其被标注为60’，第二天线组件65的印刷的全向的基于超材料的单极子66被布置在圆柱壳61的侧面61c上，圆柱壳61容纳用于无线连接性的电子电路。如图13中所示，第一天线组件62总是布置在圆柱壳61的下底面61a上。

最后，图14示出多用途无线通信设备140中集成的根据本发明的天线设备141，其包括：

·电子电路，用于无线连接性（在图14中未示出）；

·若干USB和安全数字（SD）端口142，用于将无线通信设备140连接到其它装置（例如消费电子装置），所述端口142中的一些经由可扩展线缆143（例如，卷绕在线轴中）连接到无线通信设备140；以及

·网络摄像头144和/或其它外围件，使得能够供应增值服务（VAS）。

总而言之，本发明涉及到具有很小的形状因子从而强有力地便利其在便携式无线通信设备中的集成的新天线设备。具体地，该天线设备可以是可外部地连接到诸如USB插接式收发器或无线路由器之类的商业无线通信设备的单独设备，或者可以集成到也包括对于提供无线连接性必需的电子电路（即RF和基带芯片集）的完整的无线通信设备中。

通过设计两个天线组件以使得第一和第二天线组件的辐射元件被优化用于接收不同的极化，解决了衰落相关的问题。该特征使得所提出的无线设备也适用于MIMO应用，其中多个数据流通过空间复用被并行传输。

通过集成基于不同技术的两个不同天线组件解决了当前无线电通信设备中空间有限的问题，其中，每个天线包括给定数目的辐射元件。

并且，本发明的另一方面还涉及到用于选择和在射频组合由不同天线元件接收的信号的若干方案。对接收的信号的RF处理提供如下优势：RF收发器的数目不被限制为等于天线元件的数目，因此，可以在使接收器复杂度保持在可接受的水平的同时使用较大数目的天线元件。

从以上内容，本发明的优势是清楚的。

具体地，根据本发明的天线设备允许减小天线尺寸，使得可能实现高性能的紧凑无线通信设备。

最终，可以对本发明进行的落在所附权利要求书所限定的本发明的范围内的各种修改和变形是清楚的。

Claims (16)

1.一种天线设备（10，40，60），包括：

·第一天线组件（11，41，62），被配置为接收根据第一极化被极化的第一射频信号；

·第二天线组件（12，42，65），被配置为接收根据第二极化被极化的第二射频信号，第二极化与第一极化正交；和

·射频信号处理组件，与第一天线组件（11，41，62）和第二天线组件（12，42，65）耦接，并被配置为分离地处理接收的第二射频信号和接收的第一射频信号，

其中，第一天线组件（62）包括多个印刷的定向天线元件（63），并且其中，第二天线组件（65）包括多个印刷的全向的基于超材料的天线元件（66）。

2.根据权利要求1所述的天线设备，其中，第一天线组件（11，41，62）包括被配置为接收第一射频信号的多个第一天线元件，其中，第二天线组件（12，42，65）包括可操作用于接收第二射频信号的多个第二天线元件，并且其中，所述射频信号处理组件被配置为或者提供基于至少一个接收的第一射频信号和至少一个接收的第二射频信号的单个输出射频信号（R），或者提供基于至少一个接收的第一射频信号的第一输出射频信号（Y）和基于至少一个接收的第二射频信号的第二输出射频信号（Z）。

3.根据权利要求2所述的天线设备，其中，所述射频信号处理组件包括：

·第一切换网络（13），与第一天线组件（11）耦接，并且可操作用于选择由第一天线元件接收的第一射频信号的子集；

·第二切换网络（14），与第二天线组件（12）耦接，并且可操作用于选择由第二天线元件接收的第二射频信号的子集；以及

·单个组合网络（15），与第一切换网络（13）和第二切换网络（14）耦接来接收分别由所述第一切换网络（13）和所述第二切换网络（14）选择的第一和第二射频信号作为输入信号，并且可操作用于对所述输入信号进行加权并将经加权的输入信号组合成单个输出射频信号（R）。

4.根据权利要求3所述的天线设备，还包括控制单元（18），其与第一切换网络（13）和第二切换网络（14）以及所述单个组合网络（15）耦接，以基于以一个或多个先前提供的单个输出射频信号（R）为基础的一个或多个无线电性能指标，控制由所述第一切换网络（13）和第二切换网络（14）执行的选择以及由所述单个组合网络（15）执行的加权。

5.根据权利要求2所述的天线设备，其中，所述射频信号处理组件包括：

·第一切换网络（43），与第一天线组件（41）耦接，并且可操作用于选择由第一天线元件接收的第一射频信号的子集；

·第一组合网络（45），与第一切换网络（43）耦接来接收由所述第一切换网络（43）选择的第一射频信号作为第一输入信号，并且可操作用于对第一输入信号进行加权并将经加权的第一输入信号组合成第一输出射频信号（Y）；

·第二切换网络（44），与第二天线组件（42）耦接，并且可操作用于选择由第二天线元件接收的第二射频信号的子集；以及

·第二组合网络（46），与第二切换网络（44）耦接来接收由所述第二切换网络（44）选择的第二射频信号作为第二输入信号，并且可操作用于对第二输入信号进行加权并将经加权的第二输入信号组合成第二输出射频信号（Z）。

6.根据权利要求2所述的天线设备，其中，所述射频信号处理组件包括：

·切换网络（121），与第一天线组件（62）耦接，并且可操作用于选择由第一天线元件（63）接收的第一射频信号之一并提供所述选择的第一射频信号作为第一输出射频信号（Y）；以及

·组合网络（123），与第二天线组件（65）耦接来接收由第二天线元件（66）接收的第二射频信号作为输入信号，并且可操作用于对所述输入信号进行加权并将经加权的输入信号组合成第二输出射频信号（Z）。

7.根据权利要求5或6所述的天线设备，还包括控制单元（50，126），其与所述切换网络（43，44，121）和所述组合网络（45，46，123）耦接，以基于以一个或多个先前提供的第一输出射频信号（Y）和一个或多个先前提供的第二射频信号（Z）为基础的一个或多个无线电性能指标，控制由所述切换网络（43，44，121）执行的选择和由所述组合网络（45，46，123）执行的加权。

8.根据权利要求3-7中任一项所述的天线设备，其中，每个组合网络（15，45，46，123）被配置为通过对各自的输入信号施加对应的相位偏移来对各自的输入信号进行加权。

9.根据权利要求8所述的天线设备，其中，所述相位偏移是借助可选择性切换的多个延迟线（21，31）来施加的。

10.根据之前的权利要求中任一项所述的天线设备，还包括天线壳（61），其容纳所述射频信号处理组件；并且其中，第一天线组件（62）和第二天线组件（65）被布置在天线壳（61）上以便分别接收第一和第二射频信号。

11.根据权利要求10所述的天线设备，其中，所述天线组件中的至少一个包括多个天线元件，所述多个天线元件被布置在天线壳（61）上以使得每对相邻的天线元件之间的距离小于或等于所述天线设备的工作波长的一半。

12.根据权利要求10或11所述的天线设备，其中，第二天线组件（65）可旋转地安装在天线壳（61）上并且可操作用于在所述天线设备（60）开启时或在通信正在进行时被旋转来接收第二射频信号。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的天线设备，其中，天线壳（61）具有圆柱体形状，并且其中，第一天线组件（62）布置在天线壳（61）的第一底面（61a）上，并且，第二天线组件（65）布置在天线壳（61）的或者第二底面（61b）或者侧面（61c）上。

14.一种通信设备（140），包括根据之前的权利要求中任一项所述的天线设备（10，40，60，141）。

15.一种通信设备（140），包括：

·根据权利要求2-13中任一项所述的天线设备（10，40，60，141）；以及

·至少一个接收组件，与所述射频信号处理组件耦接来接收和处理所述输出射频信号。

16.一种通信设备（140），包括：

·根据权利要求4或7所述的天线设备（10，40，60，141）；以及

·至少一个接收组件，与所述射频信号处理组件耦接来接收和处理所述输出射频信号，被配置为基于经处理的输出射频信号来确定所述无线电性能指标，并且与所述控制单元（18，50，126）耦接来向其提供所确定的无线电性能指标。

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