專利名稱：采用帶通采樣和快速半導(dǎo)體開關(guān)切換的天線分集方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)和方法，其用于使用帶通采樣和快速半導(dǎo)體開關(guān)切換來改善使用多個(gè)接收天線(即天線分集antenna diversity))的車輛中的無線射頻接收。
背景技術(shù)：
無線射頻(radio frequency :RF)通訊涉及以電磁無線電波的形式將電能通過自由空間發(fā)送。無線電波所攜帶的信息可用各種模擬信號(hào)編碼技術(shù)來控制，最常見的是波幅調(diào)制(AM)和頻率調(diào)制(FM)。新興的衛(wèi)星無線電(XM)能經(jīng)由數(shù)字信息調(diào)制以高頻率發(fā)送無線電波。多個(gè)接收天線可用在被稱為天線分集方案的系統(tǒng)中。天線分集可改善存在多個(gè)接收路徑的信號(hào)接收，或改善通過單個(gè)天線所作的接收被阻擋的情況下的信號(hào)接收。常規(guī)的天線分集方案需要信號(hào)檢測(cè)和/或解調(diào)制，以及復(fù)雜的判定算法，以在多個(gè)天線輸入信號(hào)之間進(jìn)行選擇。因?yàn)榕卸ㄋ惴ê吞炀€控制步驟發(fā)生在接收器處，所以通常在每個(gè)分集天線和接收器之間需要RF線纜。分集接收器的復(fù)雜性和所需的多個(gè)RF線纜通常會(huì)造成在用在有些系統(tǒng)中(如在車輛上或在其他多路徑RF應(yīng)用中)使用常規(guī)的天線分集方案過于昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
如本文所述的天線分集系統(tǒng)有助于解決上述一些復(fù)雜性和成本問題。本發(fā)明的系統(tǒng)使用帶通采樣和高速半導(dǎo)體開關(guān)切換，以獨(dú)立于無線電接收器來執(zhí)行所公開的方法。采樣和開關(guān)切換技術(shù)一起使用以將多個(gè)RF信號(hào)組合，即提供一種特定的天線分集方案。例如，在具有多個(gè)隱藏天線的車輛中，或在結(jié)構(gòu)性本體阻擋一個(gè)接收天線處的所需輻射方向圖的任何其他系統(tǒng)中，本發(fā)明的方法是有利的。如本領(lǐng)域公知的那樣，術(shù)語“輻射方向圖 (radiation pattern) ”是指通過電磁場(chǎng)的相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)的具體幾何圖形。例如，定位在示例性車輛的前保險(xiǎn)杠之上或之中的天線對(duì)車輛后部而言具有有限的性能/輻射，而定位在后保險(xiǎn)杠之上或之中的天線對(duì)車輛前部而言有具有限的性能/輻射。與這種車輛結(jié)合使用的本發(fā)明的方法將來自多個(gè)天線的RF信號(hào)平均，并由此與僅使用前部天線或后部天線相比能改善無線電的接收?，F(xiàn)存的天線分集結(jié)構(gòu)通常采用相對(duì)復(fù)雜的判定標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)天線輸入之間的切換。判定標(biāo)準(zhǔn)可基于信號(hào)狀態(tài)，其需要信號(hào)檢測(cè)和/或解調(diào)制。切換機(jī)制可存在于位于天線附近或在無線電接收器中的模塊內(nèi)。使用高速晶體管或其他半導(dǎo)體開關(guān)機(jī)構(gòu)，本方法替代地將在無線電接收器以外位置處的RF信號(hào)之間進(jìn)行平均，而不需要信號(hào)檢測(cè)和/或解調(diào)制，且不需要上述判定標(biāo)準(zhǔn)/算法。具體說，一種用在主站(例如上述示例性車輛)中的系統(tǒng)包括第一天線，第二天線，半導(dǎo)體開關(guān)，RF接收器，和切換控制器。切換控制器持續(xù)地以校準(zhǔn)的切換速率切換半導(dǎo)體開關(guān)。半導(dǎo)體開關(guān)的切換快速地將各種天線配置相對(duì)于RF接收器進(jìn)行連接和斷開。在另一實(shí)施例中，開關(guān)將天線連接到負(fù)載/與所述負(fù)載斷開，所述負(fù)載具有校準(zhǔn)的阻抗值。
當(dāng)?shù)谝惶炀€連接時(shí)第二天線與RF接收器斷開,且反之亦然。當(dāng)相對(duì)于負(fù)載連接/ 斷開時(shí)，第二天線直接且持續(xù)地連接到RF接收器，例如經(jīng)由同軸線纜。在該實(shí)施例中第一天線并不實(shí)體連接到RF接收器，且替代地用作寄生元件。寄生元件用于改變第二天線的輻射特性，從而與寄生元件有關(guān)的任何輻射方向圖中的零點(diǎn)不與在寄生元件與第二天線斷開的情況下的輻射方向圖中的零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。由此，連接/斷開負(fù)載之間的平均方向圖具有“被填補(bǔ)“的零點(diǎn)，這又可以改善信號(hào)的接收特性。還公開了一種切換方法，其可以在具有上述系統(tǒng)的主站上執(zhí)行，即具有上述第一和第二天線、RF接收器、半導(dǎo)體開關(guān)和切換控制器的任何主站上。方法包括從切換控制器發(fā)送切換信號(hào)到半導(dǎo)體開關(guān)。方法還包括響應(yīng)于切換信號(hào)被開關(guān)的接收而持續(xù)地以校準(zhǔn)的切換速率切換半導(dǎo)體開關(guān)。這選擇性地且擇一地將第一天線連接到RF接收器。在替換實(shí)施例中，針對(duì)如上所述的具有校準(zhǔn)的阻抗值的負(fù)載進(jìn)行連接。本發(fā)明的上述特征和優(yōu)勢(shì)及其他特征和優(yōu)勢(shì)將從用于實(shí)施本發(fā)明最佳模式的以下詳細(xì)描述并連同附圖顯而易見。


圖I是示例性車輛形式的主站一部分的示意圖，其具有多個(gè)天線。圖2是可與圖I的具有多個(gè)接收天線的主站一起使用的系統(tǒng)的示意圖。圖3是具有天線的示例性車輛形式的主站一部分的示意圖，該天線用作寄生元件。圖4是可與圖3所示的主站一起使用的系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式參見附圖，其中幾幅圖中相同附圖標(biāo)記指示相同的部件，且以圖I開始，示意性的主站10顯示為具有第一天線16和第二天線18。取決于天線16、18相對(duì)于發(fā)送或播出的無線電信號(hào)(例如圖2所示的RF信號(hào)21)的位置關(guān)系，相應(yīng)的第一天線16或第二天線18任一個(gè)相對(duì)于另一天線會(huì)具有受限制的無線電接收效果。例如，天線16或18有時(shí)會(huì)被阻擋， 由此影響在該特定天線處的接收。因此，天線16，18和主站10的其他部件如本文所述地被控制，以優(yōu)化主站10中的接收質(zhì)量。盡管圖I顯示了兩個(gè)天線，但是可以在主站10中使用任意多個(gè)天線。為了簡(jiǎn)要， 多個(gè)天線在后文中將被描述為是兩個(gè)天線16和18。半導(dǎo)體開關(guān)20用在主站10以外，以擇一地將第一天線16和第二天線18連接到無線射頻(RF)接收器24 (見圖2和4)。S卩，半導(dǎo)體開關(guān)20以校準(zhǔn)的切換頻率進(jìn)行切換(箭頭fs)，從而第一天線16連接到RF接收器且第二天線18斷開，且反之亦然。在圖I所示的非限制示例性車輛實(shí)施例中，天線16和18定位在或埋入在窗玻璃 (window glass) 14中,例如后側(cè)窗格,并由此固定到車身部件12。用于定位/連接相應(yīng)的第一天線16和第二天線18的各種車身部件12都是可以的，包括但不限于在保險(xiǎn)杠17、中立柱或其他車身面板、在窗玻璃14等中或被其隱蔽。這種定位可實(shí)現(xiàn)完全或部分地隱藏天線16、18。主站10的其他可行實(shí)施例包括商用或居住用建筑物，或任何其他合適的固定或移動(dòng)結(jié)構(gòu)。
參見圖2，圖I的主站10因此配置為具有天線分集系統(tǒng)25，其能使用多個(gè)天線，例如天線16和18。天線16、18中的至少一個(gè)可隱藏和/或隱蔽起來，例如通過虛線所示的保險(xiǎn)杠17示，或包含在窗玻璃14中/定位在窗玻璃14上，相應(yīng)的第一天線16和第二天線 18具有互補(bǔ)的福射方向圖(radiation pattern)。使用天線分集系統(tǒng)25或圖4所示的替換實(shí)施例可有助于優(yōu)化主站10中無線電收聽體驗(yàn)。參見圖2，本天線分集系統(tǒng)25包括相應(yīng)的第一天線16和第二天線18，RF接收器 24，半導(dǎo)體開關(guān)20，和切換控制器26。在一些實(shí)施例中，切換控制器26從DC電源(未示出) 獲取電力，例如12伏備用電池。例如，在XM無線電系統(tǒng)中，信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)于AM或FM無線電播來說較弱。低噪音放大器(未示出)由此通常用于在XM信號(hào)經(jīng)由同軸或其他合適的線纜40轉(zhuǎn)發(fā)到RF接收器24之前增強(qiáng)XM信號(hào)。一些FM接收器還需要低噪音放大器和DC 電源，且因此經(jīng)由備用電池進(jìn)行的供電是一種用于所有公開實(shí)施例的可選方案。相應(yīng)的第一天線16和第二天線18定位在主站10中以接收所0123發(fā)送的RF信號(hào)21。RF信號(hào)21可從任何遠(yuǎn)程位置發(fā)送，例如從FM無線電塔站或XM衛(wèi)星。天線分集系統(tǒng)25還可與AM無線電一起使用。但是，在這種情況主站10和相應(yīng)的第一和第二天線16、 18的尺寸將必須是按比例構(gòu)造的，以適于AM無線電波的相對(duì)大的波長(zhǎng)和波幅。因此，對(duì)于最實(shí)際的應(yīng)用和使用來說，RF信號(hào)21期望處在較高頻率，如FM、XM或電視發(fā)送頻率。圖2的切換控制器26可在一個(gè)實(shí)施例中配置為是開關(guān)控制振蕩器，其自動(dòng)地產(chǎn)生并發(fā)送切換信號(hào)(箭頭28)到半導(dǎo)體開關(guān)20。切換信號(hào)(箭頭28)以校準(zhǔn)的切換頻率(fs) 命令半導(dǎo)體開關(guān)20進(jìn)行切換。半導(dǎo)體開關(guān)20的切換動(dòng)作如圖2中雙頭箭頭22所示，即在天線16和18之間來回發(fā)生的動(dòng)作。切換控制器26將兩個(gè)或多個(gè)天線輻射方向圖進(jìn)行平均，從而任何窄角度的天線方向圖的零點(diǎn)(null)被填補(bǔ)。該方向圖平均方法緩和了由于多路徑干擾造成的快速暫時(shí)信號(hào)衰減的影響，或由于與RF信號(hào)21的清晰接收相干擾的圖I的車身部件(一個(gè)或多個(gè))12或其他結(jié)構(gòu)的干涉所造成的方向圖零點(diǎn)的影響。校準(zhǔn)的切換頻率(fs)比調(diào)制的信號(hào)帶寬的兩倍還大，這是帶通采樣領(lǐng)域公知的術(shù)語。這種快速切換速率是需要的，從而RF接收器24(例如FM，XM，或其他RF接收器)能感知各種天線輻射方向圖的平均增益。S卩，為了避免混淆和切換的協(xié)調(diào)，切換頻率(fs)可被控制器26選擇并記錄，如下2fH/n ^ fs ^ 2fL/ (η-1)2fH/ (η+1)彡 fs 彡 2fL/n其中，η是整數(shù)，且t、fH是經(jīng)校準(zhǔn)通帶(pass band)的相應(yīng)經(jīng)校準(zhǔn)下限和上限。例如，對(duì)于運(yùn)行在約88MHz到約108MHz頻帶下并具有約200kHz的FM通道帶寬的FM無線電來說，切換速率(fs)是約400kHz的最小值。但是，由于美國(guó)和大多數(shù)其他工業(yè)化國(guó)家的城市中FM無線電頻帶的普遍流行的特點(diǎn)，最低理論極限下的低切換速率被認(rèn)為是不實(shí)際的。 對(duì)于上述一組等式來說存在各種更高頻率的解決方案，一種可行的示例性解決方案是用于 FM無線電的大約43MHz的切換頻率和用于XM無線電的大約IOOMHz的切換頻率。在一個(gè)可行實(shí)施例中，圖2的半導(dǎo)體開關(guān)20可以是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS) 裝置，即使用互補(bǔ)且對(duì)稱的P型和η型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管對(duì)來用于其狀態(tài)或邏輯功能。其他的快速致動(dòng)半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)計(jì)(如場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，絕緣柵門極晶體管(IGBT)， 和/或其他的晶體管開關(guān))也可以用于在相應(yīng)的第一天線16和第二天線18之間以高速進(jìn)
5行切換，只要所選的晶體管類型足夠耐用且能保持校準(zhǔn)的切換速率。在另一實(shí)施例中，半導(dǎo)體開關(guān)20可配置為是砷化鎵(GaA)半導(dǎo)體開關(guān)。這種實(shí)施例可以提供更低的系統(tǒng)損失，特別是在與XM無線電一起使用時(shí)。參見圖3，一種替換的主站110可用于替換圖I的主站10。主站110使用一個(gè)或多個(gè)寄生元件116作為多個(gè)天線中之一，在該情況下代替圖I的第一天線16。半導(dǎo)體開關(guān) 20選擇性地將寄生元件116耦合到負(fù)載32，該負(fù)載具有校準(zhǔn)的阻抗值。這造成對(duì)作用在寄生元件116上的電流分布的擾動(dòng)，這又會(huì)影響天線中的輻射方向圖和相互耦合，這里的天線是指元件116和第二天線18。參見圖4，第二天線18經(jīng)由線纜40直接并持續(xù)地連接到RF接收器24。由于寄生元件/第一天線116和第二天線18之間的相互耦合，半導(dǎo)體開關(guān)20的快速切換干擾第二天線18的輻射方向圖。RF接收器24感知通過寄生元件116的各個(gè)相互耦合的作用形成的天線輻射方向圖的平均增益。如在本文使用的，術(shù)語“增益”是指給定天線(例如第二天線18)的輻射方向圖的方向度(degree of directivity)。術(shù)語“寄生元件”是指提供負(fù)載的任何電子電路元件, 例如感應(yīng)器、電容器或電阻器，其具有不需要其特定目的的特性。所有導(dǎo)體都具有電阻和電感特性，且在存在電感的情況下還存在電容。電阻器由此具有一定量的寄生電容等。因此， 被選擇作為負(fù)載32的具體電路元件及其校準(zhǔn)的阻抗可基于天線116、18的尺寸以及所接收的RF信號(hào)21的特點(diǎn)來選擇。上述天線分集系統(tǒng)25或125可用于改善在多路徑條件下RF信號(hào)的接收，如在主站10或110上(見圖I和3)。切換控制方法因此可以使用本文公開的天線分集25，125。 例如，這種方法可包括從切換控制器26發(fā)送切換信號(hào)(圖2和4的箭頭28)到半導(dǎo)體開關(guān) 20，并隨后響應(yīng)于切換信號(hào)以校準(zhǔn)的切換頻率(fS)切換半導(dǎo)體開關(guān)20。以此方式，當(dāng)?shù)谝惶炀€配置為是寄生元件116時(shí)，可以選擇性地且擇一地將RF接收器24連接到第一天線16 和第二天線18，或?qū)⒌谝惶炀€16連接到負(fù)載32。上述切換控制方法可與額外的后切換噪音過濾技術(shù)結(jié)合使用，以進(jìn)一步優(yōu)化圖2和4所示的RF接收器24處的信號(hào)質(zhì)量。盡管已經(jīng)對(duì)執(zhí)行本發(fā)明的較佳模式進(jìn)行了詳盡的描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可得知在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)的用來實(shí)施本發(fā)明的許多替換設(shè)計(jì)和實(shí)施例。相關(guān)申請(qǐng)的交叉應(yīng)用本申請(qǐng)要求于2011年I月5地遞交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/429，793和于2011 年12月I日遞交的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 13/308597的權(quán)益，所述申請(qǐng)通過引用以其全部?jī)?nèi)容合并與此。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)包括第一天線；第二天線；無線射頻(RF)接收器，與通訊第一和第二天線通訊；半導(dǎo)體開關(guān)；和切換控制器，其以校準(zhǔn)的切換頻率切換半導(dǎo)體開關(guān)，以由此擇一地將第一天線連接到 RF接收器和負(fù)載中的至少一個(gè)和與RF接收器和負(fù)載中的所述至少一個(gè)斷開，該負(fù)載具有校準(zhǔn)的阻抗值。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中半導(dǎo)體開關(guān)的切換擇一地將第一天線連接到所述負(fù)載和與所述負(fù)載斷開，且其中第二天線直接且持續(xù)地電連接到RF接收器。
3.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中切換半導(dǎo)體開關(guān)擇一地實(shí)現(xiàn)將第一天線連接到RF接收器同時(shí)將第二天線與RF接收器斷開；和將第一天線與RF接收器斷開同時(shí)將第二天線連接到RF接收器。
4.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述校準(zhǔn)的切換速率為約43KHz到約100MHz。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中RF接收器是FM接收器，其中所述校準(zhǔn)的切換速率大于約43MHz。
6.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中RF接收器是XM接收器，其中所述校準(zhǔn)的切換速率大于約 IOOMHz。
7.一種主站包括車身部件；第一天線；第二天線，其中第一和第二天線中的至少一個(gè)實(shí)體連接到車身部件；無線射頻(RF)接收器，與第一和第二天線通訊；半導(dǎo)體開關(guān)；和切換控制器，其以校準(zhǔn)的切換頻率切換半導(dǎo)體開關(guān)，以由此擇一地將第一天線連接到 RF接收器和負(fù)載中的至少一個(gè)和與RF接收器和負(fù)載中的所述至少一個(gè)斷開，所述負(fù)載具有校準(zhǔn)的阻抗值。
8.如權(quán)利要求7所述的主站，其中車身部件是窗玻璃。
9.如權(quán)利要求8所述的主站，其中主站是車輛。
10.如權(quán)利要求7所述的主站，其中主站是車輛且車身部件是保險(xiǎn)杠。
全文摘要
本發(fā)明提出一種采用帶通采樣和快速半導(dǎo)體開關(guān)切換的天線分集方案，并提供一種車輛或其他主站，包括第一和第二天線，快速半導(dǎo)體開關(guān)，切換控制器，和RF接收器。控制器將開關(guān)以校準(zhǔn)的切換速率切換，以選擇性地且擇一地將第一天線連接到RF接收器和負(fù)載中之一，負(fù)載具有校準(zhǔn)的阻抗值。在使用負(fù)載的任何實(shí)施例中，第一天線可以是寄生元件。半導(dǎo)體開關(guān)可以是CMOS裝置或砷化鎵半導(dǎo)體開關(guān)。用在具有第一天線、第二天線和RF接收器的車輛或其他主站中的切換控制方法包括從控制器發(fā)送切換信號(hào)到開關(guān)，和響應(yīng)于切換信號(hào)以校準(zhǔn)的切換速率切換開關(guān)，以選擇性地且擇一地將第一天線連接到RF接收器和負(fù)載中的一個(gè)。
文檔編號(hào)H04B7/08GK102594429SQ20121000179
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月5日
發(fā)明者D.S.卡珀, H.J.宋, J.H.沙弗納, J.S.科爾伯恩, T.J.塔爾蒂 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司