專(zhuān)利名稱(chēng)：采用有源相控陣天線(xiàn)的通信系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及寬帶接入領(lǐng)域，尤其涉及采用應(yīng)用于諸如WIMAX、WIFI、WPAN、蜂 窩通信等系統(tǒng)的有源相控陣天線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)通信方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
存在著對(duì)寬帶無(wú)線(xiàn)接入解決方案的日益增長(zhǎng)的需求。術(shù)語(yǔ)WI-MAX被WI-MAX論壇 定義為微波存取全球互通，WI-MAX論壇正在采取行動(dòng)來(lái)提高IEEE 802. 16標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性和 互操作性。已經(jīng)采取了若干方法和技術(shù)以使寬帶接入能夠符合IEEE 802. 16標(biāo)準(zhǔn)以及類(lèi)似 的標(biāo)準(zhǔn)，支持該標(biāo)準(zhǔn)的最普通的技術(shù)稱(chēng)為MIM0——多輸入多輸出，MIM0是以若干天線(xiàn)的部 署為基礎(chǔ)的一種技術(shù)。然而，MIM0技術(shù)主要因其相對(duì)高的成本而具有一些顯著的缺點(diǎn)。此外，與用于 WIMAX、WIFI、WPAN和蜂窩通信的其他技術(shù)一樣，MIM0也不提供用于應(yīng)對(duì)需求帶寬的動(dòng)態(tài)改 變的系統(tǒng)和方法，并且也不提供有效的方法來(lái)使準(zhǔn)確的定向傳輸和接收成為可能。雖然上面參照WIMAX進(jìn)行了介紹，但是WI-FI標(biāo)準(zhǔn)(IEEE 802. 11)、WPAN(IEEE 802. 153C)、公共蜂窩通信協(xié)議以及其他的方法和協(xié)議也具有類(lèi)似的問(wèn)題。本發(fā)明被設(shè)計(jì)用 于為這些和其他已知的或者以后開(kāi)發(fā)的通信方法和協(xié)議解決類(lèi)似的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施方式的一方面涉及通過(guò)借助于有源相控陣天線(xiàn)系統(tǒng)來(lái)傳送和接收 電信號(hào)、在相距幾米到幾千米的對(duì)象之間執(zhí)行無(wú)線(xiàn)通信的系統(tǒng)和方法。例如，蜂窩站和多個(gè) 蜂窩電話(huà)設(shè)備之間的通信，控制站和車(chē)輛控制單元之間的WIMAX、WIFI、WPAN、移動(dòng)電話(huà)通 信，從TV機(jī)頂盒(STB)到HDTV接收器的HDTV傳輸?shù)?。在本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中，包括四個(gè)一維相控輻射器陣的天線(xiàn)單元使得能夠 與多個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信(傳送和接收)，其中所述天線(xiàn)單元在多個(gè)輻射模式之間進(jìn)行切換，從 而能夠向特定的設(shè)備進(jìn)行高效的傳輸(或接收)，所述特定的設(shè)備位于所述天線(xiàn)單元周?chē)?的廣闊的角度內(nèi)。本發(fā)明的另一目的是提供使多個(gè)接收/傳送對(duì)象之間能夠進(jìn)行高速率通信的低 成本系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目的是提供一種系統(tǒng)和方法，用于室外及室內(nèi)應(yīng)用的高吞吐量通
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方式提供了一種無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于傳 輸和接收輻射的一個(gè)或多個(gè)相控陣天線(xiàn)單元、用于驅(qū)動(dòng)和控制所述一個(gè)或多個(gè)相控陣天線(xiàn) 單元的相控陣電路，其中所述一個(gè)或多個(gè)相控陣天線(xiàn)單元包括四維或更多維的輻射器陣 列。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，所述相控陣天線(xiàn)單元可以是有源的。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，所述維度的輻射器陣列是線(xiàn)性的。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，將所述相控陣天線(xiàn)單元在垂直方向上進(jìn)行布置。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，所述維度的輻射器陣列是對(duì)稱(chēng)的。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，所述維度的輻射器陣列是線(xiàn)性和對(duì)稱(chēng)的。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，將偶數(shù)維的輻射器陣列相對(duì)于奇數(shù)一維輻射器陣列 偏移大約兩個(gè)鄰近輻射器之間的距離的一半。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，所述一個(gè)或多個(gè)相控陣天線(xiàn)單元包括四個(gè)或更多個(gè) 輻射器，其中將兩個(gè)或更多個(gè)輻射器組中的其中一個(gè)組定義為參考組，以及四個(gè)或更多個(gè) 輻射器組中的兩個(gè)或更多個(gè)組由所述相控陣電路控制，以用相對(duì)于所述參考組的可編程相 移進(jìn)行傳送和接收。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，每個(gè)輻射器組都包括至少一維的輻射器陣列。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，所述可編程相移是+180或-180度。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)選擇性地在三種或更多種輻射模式之間進(jìn) 行切換，其中輻射模式是根據(jù)各自以不同的相移進(jìn)行傳送和接收的輻射器組的數(shù)目以及根 據(jù)與每個(gè)輻射器組相關(guān)聯(lián)的可編程相移進(jìn)行定義的。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，在所述三種或更多種輻射模式之間的選擇性地切換 使得能夠與相當(dāng)廣闊的水平角上的對(duì)象進(jìn)行通信。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，所述廣闊的水平角大于90度。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，在所述三種或更多種輻射模式之間的選擇性地切換 依賴(lài)于在所述三種或更多種輻射模式中接收到的信號(hào)水平。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，所述相控陣電路控制所述相控陣天線(xiàn)單元來(lái)通過(guò)垂 直射束孑L徑(vertical beam aperture)進(jìn)行福射。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，根據(jù)可編程方向圖(pattern)來(lái)垂直地操控 (steer)窄的垂直射束孔徑。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，所述相控陣電路包括兩級(jí)PSIPP0;并且所述窄的垂 直射束孔徑根據(jù)可編程方向圖通過(guò)向所述兩級(jí)PSIPP0提供控制信號(hào)而被垂直操控。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，通信系統(tǒng)用于室外通信。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，通信系統(tǒng)用于室內(nèi)通信。 在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，所述用于傳輸和接收輻射電信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)相控 陣天線(xiàn)單元傳送和接收各種如今已知的或者以后開(kāi)發(fā)的通信協(xié)議和方法。這可以包括例 如，符合WIMAX或WIFI或HDTV或蜂窩通信的數(shù)據(jù)信號(hào)、或者它們的任何組合。
在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)包括四個(gè)相控陣天線(xiàn)，所述四個(gè)相控陣天 線(xiàn)以基本上矩形結(jié)構(gòu)進(jìn)行放置，以覆蓋環(huán)繞所述天線(xiàn)的360度區(qū)域。


從下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中，將能夠更全面地理解和意識(shí)到本發(fā)明。在不止一 幅圖中出現(xiàn)的相同的結(jié)構(gòu)、元件或部件通常在它們所出現(xiàn)的所有圖形中用相同或類(lèi)似的標(biāo) 號(hào)進(jìn)行標(biāo)記，其中圖1A是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的相控陣天線(xiàn)單元的示意圖；圖1B是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的位于垂直桿上的、包括四個(gè)相控陣天線(xiàn) 單元的相控陣天線(xiàn)系統(tǒng)的示意圖；圖2A是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的處于第一操作模式中的相控陣天線(xiàn)單元 的輻射方向圖的圖示描述(極化圖和笛卡爾圖)；圖2B是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的處于第二操作模式中的相控陣天線(xiàn)單元 的輻射方向圖的圖示描述(極化圖和笛卡爾圖)；圖2C是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的處于第三操作模式中的相控陣天線(xiàn)單元 的輻射方向圖的圖示描述(極化圖和笛卡爾圖)；圖2D是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，概括了三種操作模式的相控陣天線(xiàn)單元 的輻射方向圖的圖示描述(極化圖和笛卡爾圖)，其中根據(jù)服務(wù)需求，每個(gè)模式在不同的時(shí) 刻進(jìn)行操作；圖2E是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，概括了三種操作模式的相控陣天線(xiàn)單元 的輻射方向圖的極化圖示描述，其中四個(gè)相控陣天線(xiàn)單元位于單個(gè)桿的四個(gè)面上；圖3A是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，用于實(shí)施相控陣天線(xiàn)電路的電路基礎(chǔ)的 示意圖，該相控陣天線(xiàn)電路支持三種操作模式的組合；圖3B是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的收發(fā)機(jī)前端的示意圖，該前端連接到圖 3A的混頻器的高頻端口以實(shí)施支持三種操作模式的組合的相控陣天線(xiàn)電路；圖4是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的與三個(gè)傳送/接收端點(diǎn)進(jìn)行通信的360度 相控陣天線(xiàn)系統(tǒng)的圖示。
具體實(shí)施例方式在其公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用被合并到本文的、2006年10月3日提交的PCT/ IL2006/001144和2006年9月6日提交的PCT/IL2006/001039中，描述了用于提供低成本 和輕量型(light weight)分布式有源相控陣天線(xiàn)的元件和電路設(shè)計(jì)。這些申請(qǐng)描述了可 被實(shí)現(xiàn)為低成本和小尺寸電路或者被制造為集成芯片以產(chǎn)生并控制由相控陣天線(xiàn)所傳送 和檢測(cè)到的信號(hào)的電路。本申請(qǐng)實(shí)施了上述申請(qǐng)描述的思想以提供適當(dāng)?shù)挠性聪嗫仃囂炀€(xiàn) 來(lái)實(shí)施下面進(jìn)一步描述的本發(fā)明。圖1A示出了有源相控陣天線(xiàn)(APAA)(稱(chēng)為“天線(xiàn)單元” )100的輻射部件，它包括 位于矩形套(casing) 105上的四個(gè)或更多個(gè)一維輻射器陣列(稱(chēng)為“輻射器”)110、115、 120、125，這些輻射器陣列可用微帶技術(shù)來(lái)實(shí)施，所述矩形套105存在于具有相關(guān)聯(lián)的底座 的絕緣襯底上。在圖1A中特別描述的整個(gè)天線(xiàn)陣列由標(biāo)記為A1-A16、B1-B16、C1-C16、和 D1-D16的64個(gè)輻射器組成。然而，根據(jù)所要求的功率輸出和精度，可以采用不同數(shù)目的輻 射器。每個(gè)輻射器都成六邊補(bǔ)片(patch)形狀，例如輻射器A1，130。每個(gè)輻射器都具有饋線(xiàn)(傳遞到達(dá)或者來(lái)自輻射器的電磁波的I/O端口)135、145、155、165，饋線(xiàn)或者位于輻射 器的上頂點(diǎn)(例如，A1-A16、C1-C16)，或者位于輻射器的下頂點(diǎn)(例如，B1-B16、D1-D16)。 仿真顯示，在傳輸增益和/或接收增益以及在鄰近輻射器之間提供相對(duì)好的隔離方面，六 邊形輻射器比正方形輻射器或圓形輻射器能夠提供更好的結(jié)果。然而，可以選擇不同的幾 何形狀。應(yīng)當(dāng)注意的是，雖然圖1A所示的一維輻射器陣列是線(xiàn)性(輻射器沿著直線(xiàn)放置) 和對(duì)稱(chēng)的(輻射器之間的距離相等)，但是在根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施方式中，所述一 維輻射器陣列可以是非線(xiàn)性或者非對(duì)稱(chēng)的。在本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中，輻射器的饋線(xiàn)布置形成對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，即在第一和第 三一維輻射器陣列中，輻射器的饋線(xiàn)位于六邊補(bǔ)片的上頂點(diǎn)，而在第二和第四一維輻射器 陣列中，輻射器的饋線(xiàn)位于所述補(bǔ)片的下頂點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)注意的是，輻射器饋線(xiàn)的該對(duì)稱(chēng)布置可 選地有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)的輻射模式。在本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中，偶數(shù)的一維輻射器陣列相對(duì)于奇數(shù)的一維輻射器 陣列偏移了大約兩個(gè)鄰近輻射器之間的距離的一半，從而輻射器B1140不是位于輻射器 A1130的下面而是位于輻射器A1和A2之間。輻射器的這種部署能夠在給定區(qū)域上優(yōu)化輻 射器的密度，從而改善射束成形(formation)。雖然圖1A示出了水平方向的天線(xiàn)套105，但是在APAA系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，天線(xiàn)也 可以垂直布置，即輻射器Al、Bl、C1和D1將位于天線(xiàn)的上端而輻射器A16、B16、C16和D16 將位于天線(xiàn)的下端。如圖1B所示。天線(xiàn)尺寸依賴(lài)于波的頻率和襯底的介電常數(shù)。然而，對(duì)于某些應(yīng)用中的使用而言， 例如WI-MAX應(yīng)用，輻射器的尺寸典型地將不超過(guò)幾厘米。在本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中，為了在用于與天線(xiàn)100的覆蓋區(qū)域中的設(shè)備進(jìn)行 通信的仍然高的功率密度的情況下獲得更廣闊的方位角覆蓋，用相同的物理輻射器陣列生 成了三種不同的輻射方向圖(稱(chēng)為“輻射模式”)?？蛇x地，天線(xiàn)100的多個(gè)輻射模式的產(chǎn)生由對(duì)四個(gè)一維輻射器陣列110、115、120、 125中的信號(hào)的相對(duì)相移來(lái)定義。在本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中，通過(guò)向四個(gè)一維輻射器陣列110、115、120、125提 供隨后的相移方向圖來(lái)定義第一輻射模式?？蛇x地，第一一維輻射器陣列110具有0度相 移——該陣列作為參考陣列。第二一維輻射器陣列115具有與第一陣列相同的0度相移。 相對(duì)于第一一維輻射器陣列110而言，第三一維輻射器陣列120具有180度的相移(S卩，對(duì) 于1 < i < 16的每個(gè)輻射器Ci而言，其相位相對(duì)于第一一維輻射器陣列110中的相應(yīng)輻 射器Ai偏移了 180度)。這同樣適用于第四一維輻射器陣列，第四一維輻射器陣列相對(duì)于 第一一維輻射器陣列也偏移了 180度。應(yīng)當(dāng)注意的是，通過(guò)相同的輻射器既傳送又接收是可能的，而且這通常是最高效 的結(jié)構(gòu)。然而，在本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中，將傳輸和接收在傳送輻射器和接收輻射器之 間分離了。對(duì)傳輸和接收部署不同輻射器可以用各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如將這些功能分 離到兩個(gè)不同的相控陣單元，或者可選地在相控陣單元中定義用于傳輸?shù)淖虞椛淦鹘M，同 時(shí)將互補(bǔ)的子組用于接收。圖2A根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，示出了第一輻射模式下的極化圖205的示意圖和輻射方向圖的笛卡爾圖示210，表明了天線(xiàn)的方位角范圍。射束205(用于傳輸和接收) 所覆蓋的方位角是基本上平面形的射束，它的垂直距離大約為5度的孔徑。這種窄的孔徑 角度依賴(lài)于單個(gè)一維陣列中輻射器的數(shù)目。圖2A還示出了笛卡爾圖210，它描述了天線(xiàn)增益(dB)隨著方位角的變化。如下面將進(jìn)一步解釋的那樣，所述系統(tǒng)能夠進(jìn)行輻射方向圖的垂直操控，從而將 相位0或180度提供給輻射器Ak、Bk、Ck、Dk，以及將相位均勻線(xiàn)性地添加分布給每個(gè)一維 陣列中的輻射器。這樣，適當(dāng)?shù)难鼋墙嵌葘⒌玫礁采w。在所傳送的信號(hào)具有高功率密度的 情況下，三種天線(xiàn)輻射模式所覆蓋的方位角與相控陣天線(xiàn)電操控的仰角一起將使所述系統(tǒng) 能夠覆蓋廣闊的立體角。圖2A表明第一輻射模式創(chuàng)建了兩個(gè)主瓣，這兩個(gè)主瓣覆蓋了大約100度的角度。 然而，該第一輻射模式在兩個(gè)最大點(diǎn)處提供了最好的覆蓋(形成了這兩個(gè)瓣)以及在這兩 個(gè)主瓣之間的中間部分提供了較弱的覆蓋?？蛇x地，如下面所描述的，將采用其他的輻射模 式來(lái)增強(qiáng)在第一輻射模式的射束205不處于最佳性能的區(qū)域中的覆蓋?？蛇x地，第一輻射模式通過(guò)向四個(gè)一維輻射器陣列110、115、120、125提供下面的 相移來(lái)實(shí)現(xiàn)?？蛇x地，作為參考的第一一維輻射器陣列110具有0度相移，第二一維輻射器 陣列115相對(duì)于第一一維輻射器陣列110具有相同的相移(即0度)。第三一維輻射器陣 列120相對(duì)于第一一維輻射器陣列110具有180度偏移。第四一維輻射器陣列125相對(duì) 于第一一維輻射器陣列110也具有180度偏移(即，與第三一維輻射器陣列具有相同的相 移)。圖2B根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，示出了第二輻射模式的極化圖230和輻射方 向圖的笛卡爾圖示235，從而能夠充分理解第二輻射模式的方位角覆蓋。可選地，第二輻射 模式通過(guò)向四個(gè)一維輻射器陣列110、115、120、125提供下面的相移來(lái)實(shí)現(xiàn)?？蛇x地，作為 參考的第一一維輻射器陣列110具有0度相移，第二一維輻射器陣列115相對(duì)于第一一維 輻射器陣列具有180度相移。第三一維輻射器陣列120具有0度偏移，即與提供給第一一維 輻射器陣列110的相位相同。第四一維輻射器陣列125相對(duì)于第一一維陣列110具有180 度的相移。圖2B還示出了笛卡爾圖235，它描述了天線(xiàn)增益(dB)隨著方位角的變化。圖2B表明第二輻射模式在一個(gè)主瓣中提供傳輸和接收覆蓋。如同針對(duì)第一模式 所提到的，第二輻射模式的垂直射束角度具有相同的大約5度的窄孔徑。圖2C根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，示出了第三輻射模式的極化圖260和該輻射 方向圖的笛卡爾圖示265，表明了第三輻射模式的方位角范圍。第三輻射模式通過(guò)向四個(gè) 一維輻射器陣列提供下面的相移來(lái)實(shí)現(xiàn)。作為參考的第一一維輻射器陣列110具有0度相 移，第二一維輻射器陣列115相對(duì)于第一一維輻射器陣列具有180度相移。第三一維陣列 120具有180度相移。第四一維輻射器陣列125相對(duì)于第一一維輻射器陣列110具有0度 相移，即，與提供給第一一維輻射器陣列100的相位相同。圖2C還示出了笛卡爾圖265，它描述了天線(xiàn)增益(dB)隨著方位角的變化。圖2C表明第三輻射模式在兩個(gè)主瓣中提供傳輸和接收覆蓋，這提供了對(duì)由第一 和第二輻射模式所覆蓋區(qū)域之間的間隙的最佳覆蓋。如同針對(duì)第一輻射模式所提到的那 樣，第三輻射模式的垂直射束角度具有相同的大約5度的窄孔徑。
圖2D示出了由所有這三種模式的總和所提供的覆蓋。它示出了這三種模式的總 和，極化視圖280和笛卡爾視圖285提供了大于90度寬的區(qū)域的良好的覆蓋。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，APAA系統(tǒng)將在小于三種模式之間進(jìn)行切換或者在多 于三種模式之間進(jìn)行切換。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，APAA系統(tǒng)可以向一維輻射器陣列提供大于或小于 180度的相移。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，APAA系統(tǒng)所包括的一維輻射器陣列可以多于或者小 于四個(gè)。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，除了一維輻射器陣列之外，APAA系統(tǒng)還可以包括輻 射器的各種組合，其中輻射器的任何子組(稱(chēng)為組)將與相對(duì)于任何參考子組的可編程相 移相關(guān)聯(lián)。例如，天線(xiàn)單元可以包括8個(gè)一維輻射器陣列，其中第一和第二輻射器陣列將構(gòu) 成第一組輻射器，第三和第四一維輻射器陣列將構(gòu)成第二組輻射器，第五和第六一維輻射 器陣列將構(gòu)成第三組輻射器，第七和第八一維輻射器陣列將構(gòu)成第四組輻射器。在更一般的情況中，天線(xiàn)單元可以由N(實(shí)際上大于8的整數(shù))個(gè)輻射器組成，這N 個(gè)輻射器以任何可能的幾何圖形進(jìn)行放置，其中所述系統(tǒng)在輻射模式之間進(jìn)行選擇性地切 換，其中輻射模式由組的數(shù)目和與每個(gè)組相關(guān)聯(lián)的相移來(lái)定義。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式來(lái)操作APAA系統(tǒng)時(shí)，該系統(tǒng)在所述三種輻射模 式之間進(jìn)行切換。該切換可以是周期性的切換模式或者是任何期望的模式。在本發(fā)明的示 例性實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)能夠改變切換模式以適應(yīng)動(dòng)態(tài)情況，例如當(dāng)接收或傳送源進(jìn)入 或者離開(kāi)該系統(tǒng)所覆蓋的區(qū)域時(shí)，或者當(dāng)要求不同的需求和優(yōu)先權(quán)時(shí)?？蛇x地，切換模式的 改變提供了一個(gè)區(qū)域的覆蓋相對(duì)于另一區(qū)域的覆蓋的優(yōu)先權(quán)，例如，為了向特定的客戶(hù)設(shè) 備增加帶寬?！S輻射器陣列之間的相移為0度或者180度的輻射模式的使用能夠簡(jiǎn)化如圖3A 和圖3B所示的、支持APAA系統(tǒng)中的傳輸和接收的電子電路。圖3A是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，用于向輻射器陣列提供輻射信號(hào)的電路 基礎(chǔ)的示例性圖示。如PCT/IL2006/001144中詳細(xì)描述的那樣，該電路使用振蕩器單元305，該 振蕩器單元305的輸出通過(guò)被稱(chēng)為“多支管(manifold)”的分路元件(splitting element) 306-312而被分成8個(gè)分支。然后，這些信號(hào)到達(dá)第一級(jí)PSIPP0 (相移推推振蕩 器)320-327。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到，在該級(jí)PSIPP0處所確定的相移用于操控射束的仰 角?？梢灶A(yù)見(jiàn)到，在第一和第二級(jí)PSIPP0處應(yīng)用零度相移，如圖2A、圖2B和圖2C以及標(biāo)號(hào) 分別為205、230和260所描述的那樣，輻射方向圖(射束)將是平坦型的“扇”，其對(duì)稱(chēng)軸垂 直于天線(xiàn)表面。離開(kāi)第一級(jí)PSIPP0的信號(hào)由另一級(jí)分路元件330-337進(jìn)行分路，并前進(jìn)到有助于 操控射束的仰角的第二級(jí)PSIPP0 340-355。圖3A示出了所述系統(tǒng)的部件，取決于位于輻 射器附近并在圖3B中示出的開(kāi)關(guān)380a-380d和383a_383d的位置，所述系統(tǒng)部件開(kāi)始自 甚低頻的主振蕩器305，然后是分支管306-312的功率分路器、兩級(jí)PSIPP0(即320-327和 340-355)，直到作為上變頻器或下變頻器的混頻器361a-361p。理論上，沒(méi)有圖3B所示的開(kāi)關(guān)線(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)可確保相同的系統(tǒng)行為。然而，該解決方案涉及更多的部件，并提供較低的商業(yè)價(jià)值。在一般的情況中，由16X4個(gè)輻射天線(xiàn)進(jìn)行傳送或接收將需要使用四個(gè)如圖3A所 示的電路。然而，使用圖3B的電路圖，系統(tǒng)將變得更經(jīng)濟(jì)和更高效。實(shí)際上，具有兩級(jí)開(kāi)關(guān) 線(xiàn)(即上下通路)的圖3B能夠傳遞具有0度相位或180度相位的輻射器Ak、Bk、Ck、Dk信 號(hào)。那意味著僅用圖3A的一個(gè)子系統(tǒng)就足夠饋送所述三種天線(xiàn)模式所需要的所有信號(hào)。參照?qǐng)D3A，來(lái)自第二級(jí)PSIPP0 340-355的信號(hào)是能夠?qū)νㄟ^(guò)IF端口進(jìn)入混頻器 的基帶信號(hào)(或者來(lái)自輻射器、通過(guò)RF端口進(jìn)入混頻器的RF信號(hào))進(jìn)行上變頻(或下變 頻)的泵信號(hào)(bump signal) 0事實(shí)上，將具有相同相位的相同信號(hào)用于傳送和接收操作， 確保了傳輸和接收中射束的相同方向。16個(gè)混頻器中的高頻端口將是連接到圖3B的框的每個(gè)端口。這些混頻器中的每 個(gè)高頻端口將向所述四個(gè)輻射器組Ak、Bk、Ck、Dk傳遞信號(hào)，或接收來(lái)自這四個(gè)輻射器組 Ak、Bk、Ck、Dk的信號(hào)，其中1彡k彡16。圖3B示出了能夠向四個(gè)一維四輻射器陣列提供相移信號(hào)的低成本簡(jiǎn)單電路，每 個(gè)一維輻射器陣列屬于4個(gè)不同的線(xiàn)性陣列中的一個(gè)陣列，每個(gè)線(xiàn)性陣列包含位于該陣列 中相同位置處的16個(gè)元件。圖3B所示的電路對(duì)應(yīng)于單個(gè)陣列中所述補(bǔ)片的16個(gè)位置被 復(fù)制16次，并且連接到每個(gè)混頻器361a-361p。圖3B包括三個(gè)相同的開(kāi)關(guān)通路，第一開(kāi)關(guān) 通路包括延遲元件373和兩個(gè)開(kāi)關(guān)(即372與374)。第二開(kāi)關(guān)通路包括延遲元件378b和 兩個(gè)開(kāi)關(guān)(即377b與379b)，以及第三開(kāi)關(guān)通路包括延遲元件378d和兩個(gè)開(kāi)關(guān)(即377d 與379d)。該電路還包括四個(gè)定向子電路，每個(gè)定向子電路包括開(kāi)關(guān)380、383和放大器381、 382，其中，索引a_d分別表明各個(gè)子電路?，F(xiàn)在返回圖2A，為了在第一輻射模式中操作，180度的相移應(yīng)當(dāng)被提供給第三和 第四一維輻射器陣列，而0度相移應(yīng)當(dāng)被提供給第一和第二一維輻射器陣列。這是通過(guò)選 擇圖3B中的下述通路來(lái)實(shí)現(xiàn)的輻射器Ak將輻射具有0度參考相位的、沿著通過(guò)390a的通路的信號(hào)。輻射器Bk將輻射具有0度相位的、沿著通過(guò)1001/1000/401/500的通路的信號(hào)。輻射器Ck將輻射具有180度相位的、沿著通過(guò)390c的通路的信號(hào)，只要該信號(hào)通 過(guò)延遲元件373 (該延遲元件373將該信號(hào)偏移180度)進(jìn)行路由。輻射器Dk將輻射具有180度相位的、沿著通過(guò)390d的通路的信號(hào)，只要該信號(hào)通 過(guò)延遲元件373 (該延遲元件373將該信號(hào)偏移180度)進(jìn)行路由。為了類(lèi)似地(或相同地依賴(lài)于射束操控)將信號(hào)驅(qū)動(dòng)到所有的16X4輻射器，由 離開(kāi)所有“k”個(gè)混頻器的信號(hào)來(lái)執(zhí)行操作，其中，1彡k彡16。應(yīng)當(dāng)注意的是，延遲元件373、378b和378d是簡(jiǎn)單的和低成本的傳輸線(xiàn)，通路 39la、390a、390b、390和390d也是簡(jiǎn)單的傳輸線(xiàn)。第一組和第二組線(xiàn)的電氣區(qū)別是180度。 電子開(kāi)關(guān)和傳輸線(xiàn)而不是圖3A中多個(gè)子系統(tǒng)的使用，減小了整個(gè)系統(tǒng)的成本和尺寸。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的APAA系統(tǒng)400。該系統(tǒng)由四個(gè)相控陣 天線(xiàn)單元410、415、420和425組成，每個(gè)相控陣天線(xiàn)單元位于桿405的不同面上。在本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中，這四個(gè)相控陣天線(xiàn)單元中的每一個(gè)單元的覆蓋都 是方位角大于90度，從而所有這四個(gè)相控陣天線(xiàn)單元能夠覆蓋360度。如參照?qǐng)D2A-2C 所描述的那樣，每個(gè)相控陣天線(xiàn)單元在所述三種輻射模式之間進(jìn)行切換。同時(shí)，四個(gè)相控陣天線(xiàn)單元中的每個(gè)相控陣天線(xiàn)單元還操控射束的仰角。垂直地操控射束由兩個(gè)陣列的 PSIPP0(即 320-327 和 350-355 (圖 3A))來(lái)控制?？蛇x地，所有這四個(gè)相控陣單元都由單個(gè)的相控陣電路來(lái)控制。在本發(fā)明的另一 示例性實(shí)施方式中，這四個(gè)相控陣單元中的每一個(gè)或者部分由分立的相控陣電路進(jìn)行控制 和驅(qū)動(dòng)。當(dāng)傳送和接收數(shù)據(jù)時(shí)，所述系統(tǒng)可以檢測(cè)向相控陣天線(xiàn)單元415傳送數(shù)據(jù)的PC設(shè) 備430和也向相同的相控陣天線(xiàn)單元415傳送數(shù)據(jù)的車(chē)輛控制設(shè)備435。圖4還示出了中 繼器(repeater)設(shè)備440的天線(xiàn)以及正在傳送被相控陣天線(xiàn)單元410所接收的數(shù)據(jù)的蜂 窩電話(huà)設(shè)備445。由于該系統(tǒng)正在所述三種輻射模式之間進(jìn)行切換，所以在所述三種輻射模 式中的每個(gè)輻射模式下，以不同的強(qiáng)度將每個(gè)設(shè)備傳輸進(jìn)行攔截。在本發(fā)明的示例性實(shí)施 方式中，當(dāng)所接收到的信號(hào)最大時(shí)，所述系統(tǒng)從所述三種模式中為每個(gè)設(shè)備識(shí)別最佳的接 收模式，并在該最佳接收模式中向該設(shè)備分配傳送和接收的優(yōu)先權(quán)。因此，假設(shè)用于PC設(shè) 備430的最佳接收模式是第一輻射模式以及用于車(chē)輛控制設(shè)備的最佳接收模式是第三輻 射模式，那么該系統(tǒng)可以減小被分配用于第二輻射模式中的傳輸和接收的時(shí)間以及增加被 分配給第一和第三輻射模式的時(shí)間。在本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)也根據(jù)由傳 送設(shè)備所施加的帶寬需求來(lái)分配傳輸和接收時(shí)隙。在本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中，所述系 統(tǒng)通過(guò)考慮傳送設(shè)備被最佳接收的仰角來(lái)分配用于改變仰角的時(shí)隙。在本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中，為四個(gè)相控陣天線(xiàn)單元410、415、420和425中的 每個(gè)單元提供獨(dú)立的控制電路，從而能夠?yàn)樗鏊膫€(gè)相控陣天線(xiàn)中的每一個(gè)天線(xiàn)獨(dú)立地優(yōu) 化帶寬需求。雖然上述描述是參照APAA系統(tǒng)進(jìn)行的，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到，本發(fā)明 并不限于有源通信，而是能夠應(yīng)用于任何適當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議或方法，包括例如WIMAX、WI-FI、 WPAN以及HDTV (高清TV)或蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，上述方法和系統(tǒng)可以以多種方式進(jìn)行改變，包括省略或添加步驟、改 變步驟的順序以及所使用的設(shè)備的類(lèi)型。應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，不同的特征可以以各種方式進(jìn)行組 合。特別地，在上面特定實(shí)施方式中示出的所有特征并不是在本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施方式中都 是必需的。上述特征的進(jìn)一步組合也被考慮位于本發(fā)明某些實(shí)施方式的范圍內(nèi)。例如，上 述的系統(tǒng)可用四個(gè)線(xiàn)性天線(xiàn)陣列進(jìn)行工作，每個(gè)天線(xiàn)陣列包含任意數(shù)目的輻射器。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，本發(fā)明并不局限于上文特別示出和描述的內(nèi)容。相 反地，本發(fā)明的保護(hù)范圍僅由所附權(quán)利要求書(shū)定義。
權(quán)利要求
一種無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，該無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)包括用于傳輸和接收電子輻射的至少一個(gè)有源相控陣天線(xiàn)單元；用于驅(qū)動(dòng)和控制所述至少一個(gè)相控陣天線(xiàn)單元的相控陣電路，其中所述至少一個(gè)相控陣天線(xiàn)單元包括至少四個(gè)一維輻射器陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少四個(gè)一維輻射器陣列是線(xiàn)性的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)相控陣天線(xiàn)單元以垂直方向進(jìn)行布置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少四個(gè)一維輻射器陣列是對(duì)稱(chēng)的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少四個(gè)一維輻射器陣列是線(xiàn)性和對(duì)稱(chēng)的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，偶數(shù)的一維輻射器陣列相對(duì)于奇數(shù)的一維輻射 器陣列偏移大約兩個(gè)鄰近輻射器之間的距離的一半。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)相控陣天線(xiàn)單元包括至少四個(gè)輻 射器組，其中所述至少兩個(gè)輻射器組中的其中一個(gè)輻射器組被定義為參考組，以及所述至 少四個(gè)輻射器組中的至少兩個(gè)輻射器組由所述相控陣電路控制，以用相對(duì)于所述參考組的 可編程相移來(lái)進(jìn)行傳送和接收。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，每個(gè)輻射器組包括至少一維的輻射器陣列。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述可編程相移高達(dá)+180度或-180度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)選擇性地在至少三種輻射模式之間進(jìn) 行切換，其中輻射模式是根據(jù)各自以不同的相移進(jìn)行傳送和接收的輻射器組的數(shù)目以及根 據(jù)與每個(gè)輻射器組相關(guān)聯(lián)的所述可編程相移進(jìn)行定義的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，在所述至少三種輻射模式之間的選擇性地切 換使得能夠與相當(dāng)廣闊的水平角上的對(duì)象進(jìn)行通信。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述廣闊的水平角大于90度。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述在至少三種輻射模式之間的選擇性地切 換依賴(lài)于在所述至少三種輻射模式中接收到的信號(hào)水平。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述相控陣電路控制所述相控陣天線(xiàn)單元通過(guò) 垂直射束孔徑進(jìn)行輻射。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，窄的垂直射束孔徑根據(jù)可編程方向圖而被垂 直地操控。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述相控陣電路包括兩級(jí)PSIPPO ；以及其中窄的垂直射束孔徑根據(jù)可編程方向圖通過(guò)向所述兩級(jí)PSIPPO提供控制信號(hào)而被 垂直地操控。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述通信系統(tǒng)用于室外通信。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述通信系統(tǒng)用于室內(nèi)通信。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，用于傳輸和接收輻射的所述至少一個(gè)相控陣天 線(xiàn)單元傳送或接收符合WIMAX或WIFI或WPAN或HDTV或蜂窩通信的數(shù)據(jù)信號(hào)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)包括四個(gè)相控陣天線(xiàn)，所述四個(gè)相控 陣天線(xiàn)以基本上矩形的結(jié)構(gòu)進(jìn)行放置，從而覆蓋環(huán)繞所述天線(xiàn)的360度區(qū)域。
21. 一種相控陣通信方法，該方法包括以下步驟a、提供用于傳輸和接收輻射的至少一個(gè)相控陣天線(xiàn)單元，其中所述至少一個(gè)相控陣天 線(xiàn)單元包括至少四個(gè)一維輻射器陣列；b、提供用于驅(qū)動(dòng)和控制所述至少一個(gè)相控陣天線(xiàn)單元的相控陣電路；C、用所述至少一個(gè)相控陣天線(xiàn)單元傳送或接收電磁輻射，其中所述傳送或接收電磁輻 射通過(guò)選擇性地在輻射模式之間進(jìn)行切換來(lái)執(zhí)行，其中輻射模式由在任何時(shí)刻與每個(gè)輻射 器相關(guān)聯(lián)的相移進(jìn)行定義。
全文摘要
本主題公開(kāi)了一種無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于傳輸和接收電子輻射的至少一個(gè)有源相控陣天線(xiàn)單元和用于驅(qū)動(dòng)和控制所述至少一個(gè)相控陣天線(xiàn)單元的相控陣電路，其中所述至少一個(gè)相控陣天線(xiàn)單元包括至少四個(gè)一維輻射器陣列。本主題還公開(kāi)了用于使用所描述的系統(tǒng)的方法。
文檔編號(hào)G01S1/00GK101842714SQ200880108370
公開(kāi)日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2008年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月23日
發(fā)明者A·米拉諾, H·溫斯坦 申請(qǐng)人:光束網(wǎng)絡(luò)有限公司