專利名稱：高數(shù)據(jù)傳輸速率無線通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信系統(tǒng)，明確地說，涉及高數(shù)據(jù)傳輸速率無線通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
無線通信點對點和點對多個點使用電磁頻譜的各個部分的無線通信鏈路眾所周知。至少在所傳送的數(shù)據(jù)方面的大多數(shù)這種無線通信是單向的——點對多個點，它包括商業(yè)無線電廣播和電視。但是，有許多點對點無線通信的例子。最近變得十分流行的移動電話系統(tǒng)是低數(shù)據(jù)傳輸速率的點對點通信的例子。電話系統(tǒng)中繼線路上的微波發(fā)送器是原先技術(shù)的、按高得多的數(shù)據(jù)傳輸速率的點對點無線通信的另一個例子。原先技術(shù)包括采用紅外線和可見波長的點對點激光通信的一些例子。
對于高數(shù)據(jù)傳輸速率信息傳輸?shù)男枨髮τ诟斓男畔鬏數(shù)男枨笳谘杆僭鲩L。如今并預測到將來，信息傳輸是數(shù)字化的，并且仍將是數(shù)字化的——其容量按位/秒來加以測量。為了傳送典型的電話交談，在數(shù)位上要利用大約5,000位/秒(5Kbits/秒)。與因特網(wǎng)連接的典型的個人計算機調(diào)制解調(diào)器按(例如)56Kbits/秒來進行操作。通過使用mp3技術(shù)，可以按64Kbits/秒的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率來對音樂進行實時的、點對點優(yōu)質(zhì)傳送?？梢园创蠹s5百萬位/秒(5Mbits/秒)的數(shù)據(jù)傳輸速率來實時地傳送視頻。廣播的優(yōu)質(zhì)視頻通常采用45或90Mbps。提供點對點通信服務的公司(例如，電話和電報公司)建立中繼線路，以用作關(guān)于其點對點客戶的通信鏈路的各個部分。這些中繼線路通常使用多路復用技術(shù)來同時傳送成百上千或成千上萬個消息。這樣，大容量的中繼線路必須能夠在吉比特(十億個位——Gbits/秒)范圍內(nèi)進行傳送。大多數(shù)現(xiàn)代的中繼線路利用光纖線路。典型的光纖線路每秒可以傳送大約2～10Gbits，并且，許多獨立的光纖可以被包括在中繼線路中，從而使光纖中繼線路可以設計并構(gòu)造成傳送實際上無限量的所需的任何數(shù)量的信息。但是，光纖中繼線路的建造費用昂貴(有時非常昂貴)，并且這些線路的設計與建造經(jīng)常會花費許多個月的時間，尤其是如果該路由越過了私人財產(chǎn)或產(chǎn)生環(huán)境上的爭議時。來自考慮中的特定中繼線路的那些潛在用戶的預期收入常常無法證明該光纖中繼線路的成本是值得的。數(shù)字微波通信自從二十世紀70年代中期以來一直是可供使用的。18-23GHz射頻頻譜內(nèi)的服務被稱作“短程微波”，它提供在2與7英里之間進行操作的點對點服務，并支持4～8個T1鏈路(每個鏈路按1.544Mbps)。最近，據(jù)報道，在11～38GHz波段內(nèi)的微波系統(tǒng)操作已被設計而成，用于使用高階調(diào)制方案來按高達155Mbps(它是被稱作“OC-3標準”的標準傳輸頻率)的速率進行傳送。
數(shù)據(jù)傳輸速率對頻率通常，帶寬有效調(diào)制方案允許按頻譜范圍(包括無線電波長到微波波長)內(nèi)的可用帶寬的1～10個位/Hz的速率來進行數(shù)據(jù)傳輸。這樣，1至數(shù)十個Gbps的數(shù)據(jù)傳輸要求將為傳輸而需要成百上千個MHz的可用帶寬。無線電通信、電視、電話、緊急情況服務、軍事服務與其他服務之間的該頻譜的合理共享通常將特定的頻帶分配限制到大約10％的分級帶寬(即等于大約10％的中心頻率的頻率范圍)。AM無線電通信的大分級帶寬(例如，550～1650GHz)是一個異例；在20％的分級帶寬處，與更新近的頻率分配(很少超過10％的分級帶寬)相比，F(xiàn)M無線電通信也是非典型的。
對于高性能調(diào)制器的需求隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，對于無線發(fā)送器中所使用的調(diào)制器的性能的要求也增加了。原先技術(shù)的調(diào)制方法不足以同時滿足對高數(shù)據(jù)傳輸速率和適度的高功率輸出這兩個要求。
可靠性要求無線數(shù)據(jù)傳輸所要求的可靠性通常非常高，這與包括光纖的硬連線鏈路所要求的可靠性相一致。關(guān)于出錯率的典型規(guī)格小于“100億中的一個位”(10-10位出錯率)以及99.999％的鏈路可用性(每年5分鐘的故障時間)。這需要全天候的鏈路可操作性——在有霧和雪的時候，以及在降雨率達到100mm/小時的許多地區(qū)。
天氣條件結(jié)合以上的可用性要求，天氣有關(guān)的衰減限制了采用比這些很長的無線電波短的所有波長的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠杏梅秶?見

圖16。)對于光鏈路(例如，激光通信鏈路)，在大暴風雨內(nèi)的典型范圍是100米，而對微波鏈路則為10,000米。
電磁輻射的大氣衰減通常隨著該微波和毫米波波段內(nèi)的頻率增加。但是，氧氣分子和水汽分子的循環(huán)轉(zhuǎn)變的激勵優(yōu)先引起差不多60～118GHz(氧氣)和差不多23～183GHz(水汽)波段內(nèi)的輻射的吸收。通過大角度的散射，雨致衰減隨著頻率從3到差不多200GHz的增長而單調(diào)地增加。在更高的毫米波頻率處(即，與10毫米至1毫米的波長相對應的30GHz至300GHz)(那里的可用帶寬最大)，十分惡劣的天氣中的雨致衰減將可靠的無線鏈路性能限制到1英里或更短的距離。在接近于和低于10GHz的微波頻率處，即使在大雨中，也可以非?？煽康貙崿F(xiàn)到10英里的鏈路距離，但該可用帶寬小得多。
需要能夠有效率地使用可用毫米波頻譜的高數(shù)據(jù)傳輸速率無線通信鏈路。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種高數(shù)據(jù)傳輸速率通信系統(tǒng)，該通信系統(tǒng)按大于70GHz的頻率并按大約1.25Gbps或更大的數(shù)據(jù)傳輸速率來進行操作。較佳實施例包括具有共振LC電路的調(diào)制器，該共振LC電路包括一個二極管，該二極管背偏壓表示“關(guān)閉”(即，無傳送)，前偏壓表示“打開”(或傳送)。該調(diào)制器是無線的毫米波通信鏈路的高性能收發(fā)器的一部分。較佳實施例提供了在毫米頻譜的71～76GHz部分內(nèi)進行操作的、不止8英里的通信鏈路，并且為1.25Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率提供了小于10-10的位出錯率。第一收發(fā)器按第一帶寬來進行傳送，并按第二帶寬來進行接收，這兩個帶寬都在以上的頻譜范圍內(nèi)。第二收發(fā)器按該第二帶寬來進行傳送，并按該第一帶寬來進行接收。這些收發(fā)器裝備有天線，這些天線提供足夠小的束發(fā)散，以確保這些數(shù)據(jù)信道的有效的空間劃分和方向劃分，以便幾乎無限數(shù)量的收發(fā)器將能夠同時使用相同的頻譜。在較佳實施例中，第一和第二頻譜范圍是71.8+/-0.63GHz和73.8+/-0.63GHz，半功率波束帶寬大約是0.2度或更小。較佳的是，提供備用收發(fā)器集，如果發(fā)生十分惡劣的天氣條件，該收發(fā)器集將會接管該鏈路。在其他實施例中，對于移動應用而言尤其有用的是，這些收發(fā)器中的至少一個收發(fā)器包括GPS定位器。
附圖簡述圖1是一種全雙工毫米波鏈路示意圖。
圖2A是框圖，表現(xiàn)了按毫米波頻率來進行操作的1.25Gbps發(fā)送器。
圖2B是框圖，表現(xiàn)了按毫米波頻率來進行操作的1.25Gbps接收器。
圖3A和3B表現(xiàn)了按71.8-73.8GHz頻率來進行操作的1.25Gbps數(shù)字無線電通信的頻譜平面圖。
圖4A和4B是來自采用60dB信號衰減和1.25Gbps數(shù)據(jù)傳輸速率的毫米波接收器的被測量的輸出電壓(可見圖形)。
圖5是框圖，表現(xiàn)了單獨的發(fā)送和接收天線配置的布局。
圖6是框圖，表現(xiàn)了單一天線配置毫米波收發(fā)器的布局。
圖7顯示了用于原型展示的、在41小時時期內(nèi)的路徑損耗。
圖8A和B表現(xiàn)了原先技術(shù)的調(diào)制器的特點。
圖9A和B以及圖10A和B表現(xiàn)了使用二極管來構(gòu)造高頻RF通信系統(tǒng)的一種嘗試的各種結(jié)果，該二極管的后偏壓表示“打開”，前偏壓表示“關(guān)閉”。
圖11A和B以及圖12A和B表現(xiàn)了本發(fā)明的較佳實施例，該較佳實施例包括調(diào)諧短截線，以產(chǎn)生共振LC電路，從而提供高頻RF調(diào)制——其中，二極管的后偏壓表示“關(guān)閉”(即，無傳送)，前偏壓表示“打開”(或傳送)。
圖13A和B描繪了兩個數(shù)據(jù)鏈路，這兩個數(shù)據(jù)鏈路在非干擾的基礎上(13A)和在可能存在干擾的情況中(13B)進行操作。
圖14表現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈路的框圖——其中，在該鏈路的每個末端處使用以太網(wǎng)交換器，以便將無線電CPU數(shù)據(jù)與其他外部用戶數(shù)據(jù)組合起來，并利用其他外部用戶數(shù)據(jù)來提取無線電CPU數(shù)據(jù)。
圖15表現(xiàn)了無線電通信的框圖——其中，使用以太網(wǎng)交換器來組合來自正在該鏈路上被傳遞的該數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)，并從正在該鏈路上被傳遞的該數(shù)據(jù)流中提取數(shù)據(jù)。
圖16表現(xiàn)了各種級別的相對濕度處的大氣衰減，作為關(guān)于毫米波頻率的頻率函數(shù)。
圖17表現(xiàn)了該毫米波收發(fā)器的各個部件。
圖18A和B表現(xiàn)了該I/O電路板70。
圖19A和B表現(xiàn)了信號調(diào)節(jié)與時鐘恢復電路板71。
圖20表現(xiàn)了一種毫米波通信收發(fā)器的框圖。
圖21A和B表現(xiàn)了該IF電路板80。
圖22A、B和C表現(xiàn)了喇叭天線51的細節(jié)。
圖23表現(xiàn)了帶通濾波器11、14和19的細節(jié)。
圖24表現(xiàn)了二極管調(diào)制器15的細節(jié)。
圖25表現(xiàn)了耿氏振蕩器8和17的細節(jié)。
圖26A和B表現(xiàn)了混頻器7的細節(jié)。
圖27A和B表現(xiàn)了低噪聲放大器10的細節(jié)。
較佳實施例的詳細說明對于高數(shù)據(jù)傳輸速率收發(fā)器的需求無線通信鏈路的價值取決于許多因素(包括它可以在其上可靠地進行操作的距離)。關(guān)于通信鏈路的硬件集的可操作范圍越長遠，其潛在的經(jīng)濟價值就越大。雖然可以將同一硬件應用于短程的情況(對應于減少的經(jīng)濟價值)，但當該硬件被應用于更遠程的情況時，可以實現(xiàn)更高的經(jīng)濟價值。比較而言，要安裝在大城市的環(huán)境中，光纖通常的花費是每一英里$500,000或更多。這樣，關(guān)于要求大量帶寬(與雙扭銅線和低頻無線電的性能相比較很大)、但沒有大到要求超過大約1吉比特/秒的情況，本發(fā)明具有可以接近該光纖成本的經(jīng)濟價值。這樣，如果近似1吉比特/秒的無線鏈路可以在5英里距離上進行操作，則它可以接近相當于大約250萬美元的有競爭力的價值；如果它可以在10英里距離上進行操作，則它可以接近相當于大約500萬美元的有競爭力的價值。因此，從經(jīng)濟上講，較長距離是十分合意的。
根據(jù)在(大約10英里(16km)的)長距離上提供高數(shù)據(jù)傳輸速率鏈路(例如，1.25Gbs)的目標，就可以計算在這種長距離上自然發(fā)生的信號損失的數(shù)量。假設在兩端使用1.2米(4英尺)直徑天線，在具有85％的相對濕度、溫度為25攝氏度的海平面處以大約73GHz進行操作；這意味著關(guān)于10英里(16km)鏈路的60dB的信號損失。
原型展示通過參考圖1～7，來描述對于本發(fā)明有用的一種毫米波發(fā)送器和接收器的原型展示。利用這個實施例，本“申請者”已展示了按1.25Gbps的、在71～76GHz范圍內(nèi)的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸，其位出錯率在10-12以下。
收發(fā)器系統(tǒng)圖1表現(xiàn)了如何通過在每個站址處使用毫米波收發(fā)器來實現(xiàn)“站A”與“站B”之間的全雙工無線數(shù)據(jù)鏈路。該收發(fā)器硬件包括毫米波發(fā)送器和接收器對(包括一對毫米波天線)。毫米波發(fā)送器信號是用高速二極管開關(guān)調(diào)幅的。接收器包括毫米波下變頻器，該毫米波下變頻器將所接收的信號頻譜從71.8-73.8GHz頻率轉(zhuǎn)換為2.0±0.625GHz中頻(IF)范圍。它也包括自動增益控制電路(AGC)、檢測器和數(shù)據(jù)/時鐘恢復電路，以提取由發(fā)送器發(fā)送的基帶數(shù)字數(shù)據(jù)。
被用來支持全雙工無線鏈路的毫米波硬件包括并行地進行操作的兩個發(fā)送器-接收器對。“站A”處的該發(fā)送器按73.8GHz中心頻率來進行傳送，“站B”處的接收器使用71.8GHz的本機振蕩器，將進來的無線電信號下變頻為中心于2GHz的中頻(IF)?！罢綛”處的發(fā)送器按71.8GHz的中心頻率來進行傳送，一個73.8GHz本機振蕩器被用于“站A”處的接收器。在這兩種情況中，該IF頻率仍然保持居中于相同的2GHz頻率。每個收發(fā)器為發(fā)送器電路和接收器電路使用單個毫米波本機振蕩器，但如圖3A和3B所示，“站A”和“站B”中所使用的頻率有2GHz的差異。
毫米波鏈路配置圖1中表現(xiàn)了站A與站B之間的全雙工無線鏈路的示意圖。在一較佳實施例中，使用標號為201和202的兩個毫米波收發(fā)器(每個站1個收發(fā)器)來建立該鏈路。站A處的收發(fā)器包括發(fā)送器205和接收器210，該發(fā)送器和接收器分別被連接到拋物面碟形天線215和拋物面碟形天線220。站A處的該收發(fā)器連在堅固的支撐結(jié)構(gòu)230上。站B的硬件配置類似于站A的硬件配置。站B處的收發(fā)器包括發(fā)送器250和接收器255，該發(fā)送器和接收器被分別連接到拋物面碟形天線270和拋物面碟形天線265。站B處的該收發(fā)器連在堅固的支撐結(jié)構(gòu)280上。從“站A”傳送到“站B”的毫米波信號具有73.8GHz的中心頻率，從“站B”傳送到“站A”的信號中心在71.8GHz。在相反方向上被傳送的這些信號具有彼此垂直的極化，以進一步減少串話干擾。
毫米波發(fā)送器和接收器一單向數(shù)字無線鏈路由位于“站A”的毫米波發(fā)送器和位于“站B”的接收器來支持。圖2A表現(xiàn)了該發(fā)送器的框圖。圖2B展示了該接收器的框圖。在該發(fā)送器中，利用在73.8GHz進行共振的諧振腔調(diào)諧耿氏二極管本機振蕩器(LO)1(例如，可用來自美國加州的Santa Barbara的Spacek Labs公司的Model GE-738)，來生成傳輸功率。來自LO 1的功率是由一快速二極管開關(guān)調(diào)制器2調(diào)幅的。該調(diào)制器允許至少15dB的調(diào)制深度，對該調(diào)制深度進行調(diào)整，以優(yōu)化鏈路性能。被置于調(diào)制器2與LO 1之間的隔離器3(例如，可用來自美國加州的Chino的MRI公司的Model WJE-WI)防止開關(guān)調(diào)制器2所反射的功率進入并影響LO 1。該二極管開關(guān)調(diào)制器2按根據(jù)吉比特以太網(wǎng)標準(80232由“IEEE標準協(xié)會”提出)的1.25吉比特/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率由開關(guān)驅(qū)動器4來加以控制。該調(diào)制信號被引入光纖5，并在光學收發(fā)器6(例如，工作在850nm光波長的Finisar Model FTRJ-8519-1)中被轉(zhuǎn)換成電信號。使用波導帶通濾波器7(例如，中隔或E平面波導濾波器)，在73與74.6GHz之間的1.6GHz寬通頻帶中過濾該調(diào)幅毫米波信號。部件2、3、4和7被包裝在毫米波模塊8中。為該模塊和每個部件提供散熱片，以減少其特征的溫度漂移。該毫米波信號從波導濾波器7傳播到卡塞格侖碟形天線215，在那里，它被垂直極化地輻射到自由空間中。
如圖2B所示的站B處的該接收器利用卡塞格侖天線265(例如，可用來自Millitech的Model CRA-R48G)來收集進來的垂直極化的毫米波功率，并將其引入與毫米波接收器模塊12相連接的波導器11。在該接收器的前端是20dB增益低噪聲放大器13。在放大之后，該信號被傳遞到波導帶通濾波器14，該波導帶通濾波器拒絕73-74.6GHz頻帶以外的信號。然后，使用混頻器15(例如，可用來自CA的Santa Barbara的Spacek Labs公司的Model M74-2)和按71.8GHz頻率工作的本機耿氏振蕩器16(例如，可用來自CA的Santa Barbara的Spacek Labs公司的模型Model GE-718)，將這個被過濾的信號向下變頻為2±0.625GHz中頻帶。最后得到的中頻(IF)信號35被轉(zhuǎn)換成IF電路33中的基帶信號37。在IF電路33中，中頻信號35由放大器17(例如，可用紐約的布魯克林的MiniCirciuts的Model ERA-1)來放大，并由具有1.2與2.8GHz之間的通頻帶的微帶帶通濾波器18來加以過濾。濾波器18具有在其通頻帶內(nèi)的小于100ps延遲時間變化的平組(flat group)延遲響應，以便將該被傳送的數(shù)字信號中的時間抖動減到最小。該信號的一小部分用耦合器20(例如，可用來自紐約的布魯克林的MiniCirciuts的Model D18P)被摘離微帶線18，并且出于監(jiān)控信號功率的目的，而被檢測器21(例如，可用來自CA的圣何塞的Herotek公司的Model DTM180)轉(zhuǎn)換成低頻電壓。剩余的信號被指引到自動增益控制電路(AGC)22(例如，可用來自MA的Chelmsford的Hittite公司的Model HMC346MS8G)，自動增益控制電路(AGC)22保持對于30dB那么大的輸入功率變化的穩(wěn)定的功率輸出。用于AGC 22的信號電平反饋38由耦合器23來提供。放大器24使信號功率達到檢測器25正確工作所要求的電平。要求自定義微波檢測器電路提供700MHz的視頻帶寬。最后得到的被檢測的信號的基帶分量通過低通濾波器(通頻帶DC-1000MHz)27(例如，可用來自紐約的布魯克林的MiniCircuits的Model SCLF-1000)而與高頻分量分離，并在放大器28中被放大到適合進一步處理的電平。被過濾的基帶信號37進入時鐘與數(shù)據(jù)恢復電路29(例如，可用來自CA的Camarillo的Vitesse Semiconductor公司的Model VSC8122)，用于調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)恢復電路29的數(shù)據(jù)輸出與光學收發(fā)器30(例如，可用來自CA的Sunnyvale的Finisar公司的Model FTRJ-8519)連接，光學收發(fā)器30將這些電壓信號轉(zhuǎn)換成光學數(shù)據(jù)信號，這些光學數(shù)據(jù)信號通過光纜31傳送。出于電路測試的目的而提供時鐘/數(shù)據(jù)恢復電路的時鐘輸出32。
圖3A和3B展示了從“發(fā)送器A”處的基帶輸入到“接收器B”處的基帶輸出的信號頻譜變換。按1.25Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，該基帶信號頻譜占據(jù)從近似120MHz到近似630MHz(0.63GHz)的頻帶70。利用一濾波器將信號頻譜限于這個頻帶，包括交替的高、低電壓電平的該1.25Gbps數(shù)據(jù)傳輸速率將對應于一625MHz頻率的正弦信號。站A處的發(fā)送器的輸出頻譜71包括位于73.8GHz的中心載波72，以及反映出相對于該中心載波的該基帶信號的兩個側(cè)頻帶73。通過改變調(diào)制器2中的該信號的調(diào)制深度，可以調(diào)整相對于這兩側(cè)頻帶的強度的該中心載波的強度。這個被傳送的信號的帶寬由具有被示作74的特征的波導帶通濾波器7來加以限制。當來自發(fā)送器A的信號到達接收器B時，其頻譜形狀75保持類似于被傳送的信號71的頻譜形狀。在由低噪聲放大器13進行放大之后，大部分白色熱噪聲被接收器帶通濾波器14(其特征被示作76)從該頻譜中除去。在71.8GHz的該接收器的本機振蕩器信號被示作77。在毫米波混頻器15中，具有頻譜75的所接收的信號和具有頻譜77的本機振蕩器相互作用，以產(chǎn)生中頻頻譜78。中頻頻譜78是被轉(zhuǎn)變成低頻的頻譜75的復制品。中頻頻譜78中心在2GHz，并且用濾波器18限制頻帶，以除去所有其他的頻譜分量。一經(jīng)檢測，中頻頻譜78就被轉(zhuǎn)變成基帶頻譜80，并且用低通濾波器27限制，以保留原來被傳送的1.25Gbps數(shù)字信號中所包含的信號分量。低通濾波器27特征被示作81。
圖4A和4B表現(xiàn)了從“發(fā)送器A”被傳送的并由“接收器B”來接收的1.25Mbps偽隨機碼流(PRBS7)數(shù)字信號的測量的可見圖形。圖4A表現(xiàn)了當未處理的檢測信號在站A與站B之間被傳播時，它被削弱60dB。盡管存在噪聲，恢復的嵌入信號的位出錯率(BER)為10-10。具有較少的信號衰減(58dB)的類似的測量給出10-12的BER結(jié)果。如圖2B所示的數(shù)據(jù)/時鐘恢復電路29采用該未處理的檢測信號，并轉(zhuǎn)換成如圖4B所示的、具有低抖動的更干凈的信號，而不對其BER特征產(chǎn)生大的影響。數(shù)據(jù)/時鐘恢復電路29提供與光學聯(lián)網(wǎng)設備相兼容的標準化輸出。
使用另一個單向鏈路來補充以上所描述的單向鏈路，以創(chuàng)建圖1中所示的全雙工鏈路。這第二個鏈路中所使用的發(fā)送器和接收器配置類似于圖2A和2B中所示的配置。它不同于圖2A中所示的配置體現(xiàn)在位于“站B”處的發(fā)送器的本機振蕩器按頻率71.8GHz共振，而位于“站A”處的接收器中的本機振蕩器按頻率73.8GHz共振，從“站B”傳播到“站A”的該毫米波信號是水平極化，而不是垂直極化。精通該技術(shù)領(lǐng)域的人也將會理解需要相應地調(diào)整毫米波模塊8和12(包括帶通濾波器、低噪聲放大器和混頻器)中所使用的這些毫米波組件的帶通特征，以適應具有由第二鏈路中所使用的這些本機振蕩器確定的中心頻率的1.25Gbps信號。
獨立天線收發(fā)器配置在圖1所示的該獨立天線收發(fā)器配置中，這些接收器和收發(fā)器中的每一個均使用單獨的天線，用于毫米波信號傳輸和接收。如圖1所示，這個配置對被部署在相同地點的接收器與發(fā)送器之間的信號隔離進行最大化。圖5表現(xiàn)了該收發(fā)器硬件布局和關(guān)于這種配置的連接。該收發(fā)器的電子組件受到密封的金屬發(fā)送器外殼39和接收器外殼40的保護。拋物面發(fā)送天線41和接收天線42被連到這些外殼上，天線導臂45和46分別經(jīng)由外殼39和40中的密封端口47和48而連接到毫米波發(fā)送器模塊43和接收器模塊44。由外部的+12伏特電源56來提供到該收發(fā)器的電功率。毫米波發(fā)送器模塊43和提供關(guān)于該發(fā)送器的調(diào)制輸入的光板50被包裝在發(fā)送器外殼39內(nèi)。光板50將被進入光纖53的光信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。
毫米波接收器模塊44、中頻板51、時鐘/數(shù)據(jù)恢復電路板52和光學電路板57被置于接收器外殼40內(nèi)。由IF板51檢測到的中頻信號在時鐘恢復板52中被加以調(diào)節(jié)，然后由光學電路板57傳送入光纖58。連到這些外殼上的密封連接器提供來自/去往在外部連接的光纖53和光纖58、功率檢測器輸出59、時鐘輸出54和電力電纜55的功率輸入和信號輸入/輸出。RFI/EMI濾波器60保護接收器和發(fā)送器電路避免遇到電力電纜55中所引起的外部干擾。
單一天線收發(fā)器配置在被稱作“單一天線配置”的另一個實施例中，發(fā)送器和接收器都在每個站位置處使用共同的碟形天線。在圖6中，單一天線配置的例子被示作99。在單一天線配置中，發(fā)送器和接收器的電子組件都被包裝在相同的密封收發(fā)器外殼100內(nèi)。接收和發(fā)送天線101具有導臂102，該導臂經(jīng)由密封端口103而與該外殼內(nèi)的這些毫米波組件進行通信。毫米波接收器104和發(fā)送器105模塊、IF接收器106、時鐘/數(shù)據(jù)恢復107以及光纖/光收發(fā)器108板類似于該單獨天線收發(fā)器配置中所使用的那些設備。為了利用單一天線來發(fā)送和接收信號，收發(fā)器99包括被置于天線導臂與毫米波發(fā)送器和接收器模塊之間的雙工器組件109。雙工器109將發(fā)送器105所生成的毫米波功率110引入該天線導臂，同時防止它進入接收器104。所接收的功率111被指引到接收器104，而不進入發(fā)送器?？梢员挥糜陔p工器109的現(xiàn)成的組件是正交模式(orthomode)換能器(例如，由Millitech公司制造的型號OMT-12RR125)。該OMT可以在接收器端口與發(fā)送器端口之間至少提供25dB隔離。
測量的路徑損耗圖7表現(xiàn)了關(guān)于并入本發(fā)明的該無線電收發(fā)器的通信鏈路的路徑損耗的測量數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)持續(xù)41小時的時期，并按10秒的間隔來加以采樣。該鏈路跨越8英里(13km)的距離。圖7中所展示的鏈路損耗的這些變化主要是由于隨著時間的推移而發(fā)生的天氣變化(由濕度變化控制)的緣故。
十分狹窄的波束寬度四英寸直徑的碟形天線按72GHz投射出大約0.2度的一半功率波束寬度。該完全功率波束寬度(到天線樣式中的第一批零)比0.45度窄。這暗示可以從單一發(fā)送器位置，從一排4英尺碟形天線那里，按圍繞圓圈的方位角方式可投射大約800個獨立的波束而不會相互干擾。在10英里的距離處，相隔400英尺的兩個接收器可以從同一發(fā)送器位置接收獨立的數(shù)據(jù)通道。相反，單一位置中的兩個接收器可以從10英里遠的兩個發(fā)送器中區(qū)分出獨立的數(shù)據(jù)通道，即使當這些發(fā)送器相隔400英尺那么近時，也是如此。更大的碟形天線可以被用于甚至更多的方向性。
堅固的天線支架只具有大約0.2度的一半功率波束寬度的通信波束要求極端穩(wěn)定的天線支架。原先技術(shù)的天線塔架(例如，被用于微波通信的天線塔架)通常被設計成具有大約0.6～1.1度或更大的角度穩(wěn)定性。所以，本發(fā)明要求對波束方向?qū)嵭懈玫目刂啤榍罅己玫男阅?，接收天線應該始終位于被傳送的波束的半功率復蓋區(qū)內(nèi)。在10英里處，0.2度波束的半功率復蓋區(qū)大約有150英尺。在最初對準期間，應該指引該波束，以便該接收收發(fā)器天線近似地位于該半功率波束寬度復蓋區(qū)的中心。關(guān)于該發(fā)送器天線的支架應該足夠堅固，以便該波束方向不會有足夠大的變化，以致該接收收發(fā)器天線在半功率復蓋區(qū)以外。這樣，在這個例子中，該發(fā)送天線的方向穩(wěn)定性應該在+/-0.09度以內(nèi)。
該天線的這個堅固的支架不僅確保了如所設計的這兩個收發(fā)器之間的連續(xù)通信，而且確保了這些狹窄的波束寬度，堅固的天線支架減少了干擾在相同的頻譜帶中進行操作的任何附近的鏈路的可能性。
備用微波收發(fā)器對在嚴峻的天氣條件期間，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量將按毫米波頻率而變差。所以，在本發(fā)明的較佳實施例中，提供了備用通信鏈路，只要檢測到質(zhì)量傳輸中有預定的急下降，該備用通信鏈路就會自動開始工作。較佳的后備系統(tǒng)是在10.7-11.7GHz頻帶中進行操作的微波收發(fā)器對。這個頻帶已經(jīng)由該FCC分配，用于固定的點對點操作。FCC服務規(guī)則將該頻帶分成40-MHz最大帶寬的各個信道，從而將關(guān)于數(shù)字傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)傳輸速率限制到45Mbps全雙工。提供這個頻帶內(nèi)的這個數(shù)據(jù)傳輸速率的收發(fā)器從諸如Western Multiplex公司(型號Lynx DS-3、Tsunami 100BaseT)和DMC Stratex Networks(型號DXR700和Altium 155)的賣主那里有現(xiàn)貨供應。該數(shù)字無線電在FCC部分101條例下獲得許可。該微波天線是24英寸直徑的卡塞格倫碟形天線。在此直徑處，該碟形天線的一半功率波束寬度是3.0度，該完全功率波束寬度是7.4度，所以，干擾的危險高于MMW天線。為了補償這一點，F(xiàn)CC分配12個單獨的發(fā)送信道和12個單獨的接收信道，用于10.7-11.7GHz頻帶內(nèi)的頻譜協(xié)調(diào)。
毫米波鏈路故障的感測和切換到見余的微波信道是從諸如Cisco、FoundryNetworks和Juniper Networks等賣主那里有現(xiàn)貨供應的網(wǎng)絡路由切換硬件的現(xiàn)存的自動化特點。
狹窄的波束寬度天線在毫米波頻率給予的這些狹窄的天線波束寬度允許這些波長的無線電波的地理分份，這是按較低的頻率所無法實現(xiàn)的。這個事實消除了對于頻帶分配(頻率共享)的需求，因此，與先前按較低RF頻率所實現(xiàn)的情況相比，允許通過大得多的帶寬并(因而)按高得多的數(shù)據(jù)傳輸速率來進行無線通信。
制造和部署具有窄得足以確保無干擾的波束寬度的天線的能力要求機械公差、指向精度和電子波束操縱/跟蹤性能，它們勝過通信天線原先技術(shù)的各種性能。在70GHz以上的頻率進行的遠程通信的較佳天線具有超過50dB的增益——比家庭用的直播圓盤式衛(wèi)星電視天線高出100倍，比飛行器上的高分辨率天氣雷達天線高出30倍。但是，在干擾不是潛在的問題的情況下，具有40～45dB的增益的天線可能是較佳的。
被用于高增益應用的大多數(shù)天線在各種幾何結(jié)構(gòu)之一中利用大型拋物面主收集器。該主聚焦天線將該接收器直接放置在該拋物面的焦點處。該卡塞格倫天線將中凸雙曲面輔助反射器放置在該焦點的前面，以便通過主要反射器中的孔來將該焦點反射回去，從而允許將該接收器安裝在該碟形天線后面。(這很方便，因為該碟形天線通常也從后面得到支撐。)該格利高里天線類似于卡塞格倫天線，除了這一點以外該輔助鏡是被放置在該拋物面的焦點后面的中凹橢圓體。偏移拋物面將該焦點從該碟形天線的中心旋轉(zhuǎn)離開，用于減少孔阻塞和改進安裝幾何結(jié)構(gòu)?？ㄈ駛愄炀€、主聚焦和偏移拋物面天線是用于該MMW通信系統(tǒng)的較佳碟形天線幾何結(jié)構(gòu)。
較佳的主要碟形反射器是傳導拋物面。該碟形上的較佳表面公差對于40GHz以下的應用而言大約是1英寸的千分之十五(15密耳)，但對于按72GHz的運用而言是接近于5密耳。典型的液壓成形的鋁制碟形提供15密耳的表面公差，盡管雙層的層壓制件(使用間隔層周圍的兩個鋁層)可以將此改進到5密耳?？ㄈ駛悗缀谓Y(jié)構(gòu)中的該輔助反射器是用機器制造的鋁制小“棒棒糖”，它可以被毫不費力地制成1密耳公差。關(guān)于輔助反射器和接收器波導導臂的裝配較佳地包括關(guān)于對天線測試范圍的現(xiàn)場(in-situ)對準的微調(diào)調(diào)整。
平板天線關(guān)于遠程MMW通信的另一種較佳的天線是平板格子陣列天線(例如，本發(fā)明作者之一和其他發(fā)明者在2000年3月14日發(fā)行的第6,037,908號美國專利(由此，它被引用于此，用作參考)中所描述的天線)。那種天線是按橫向電磁(TEM)模式來將行波傳播通過該輻射孔的平面相控陣列天線。通信天線將會包括那種天線的變體，它包括平面相控陣列，但通過增加混合行波/組合饋送來消除原先技術(shù)中的該天線的頻率掃描特征。與拋物面表面相比，具有5密耳表面公差的平板的制作實質(zhì)上更價廉、更容易。平面格子陣列利用電路板處理技術(shù)(例如，照相平版印刷術(shù))(這些技術(shù)本質(zhì)上非常精確)，而不是利用費用昂貴的高精度機加工。
粗略定點和精細定點定點高增益天線要求實行粗略定位和精細定位。最初，通過使用直觀觀測器(例如，孔觀瞄準器或激光指示器)，可以實現(xiàn)粗略定位。在微調(diào)之前，將該天線鎖定在其最后的粗略位置中。在開啟該遠程發(fā)送器的條件下執(zhí)行精細調(diào)整。當調(diào)整和鎖定(lock down)該精細定位器時，監(jiān)控與該接收器連接的功率表，以獲得最大功率。
在50dB以上的增益電平處，風力負荷和塔架或建筑物彎曲會引起不可接受的波束漂移電平。易壞的天線裝配不僅會導致對無線客戶的服務損失，而且會因疏忽而造成對其他得到許可的波束路徑的干擾。為了只在特殊的“管道”內(nèi)保持傳輸，可能要求采用某種關(guān)于電子波束操縱的方法。
調(diào)制器原先技術(shù)的調(diào)制器圖8A和8B表現(xiàn)了分別處于兩種不同的狀態(tài)——“打開”和“關(guān)閉”的常規(guī)原先技術(shù)的RF調(diào)制器的高度簡化的示意圖。RF信號800A從端口802A處的左邊進入傳輸線801A。在圖8A中，被示出處于開關(guān)打開狀態(tài)或“打開”狀態(tài)的調(diào)制器開關(guān)803A被用來控制RF信號805A的數(shù)量，RF信號805A沿傳輸線801A延續(xù)并繼續(xù)退出到端口804A處的右邊。
圖8B表現(xiàn)了處于開關(guān)關(guān)閉或“關(guān)閉”狀態(tài)的該調(diào)制器。在這種情況下，開關(guān)803B用作傳輸線301B上的短路，因此導致RF功率800B朝向端口802B反射回去，并在端口804B處產(chǎn)生大大減少的信號。這是大多數(shù)原先技術(shù)的調(diào)制器的操作的本質(zhì)。
只要將操作頻率(調(diào)制速率和RF頻率)保持得足夠低，圖8A和8B中的該常規(guī)調(diào)制器的執(zhí)行就可令人滿意。但是，當該調(diào)制速率或RF頻率提高到大約50GHz的范圍時，這些常規(guī)調(diào)制器的性能會減弱。
圖9A表現(xiàn)了在60～120GHz的范圍內(nèi)操作良好的基于二極管的調(diào)制器的簡化示意圖。在這個實施例中，可從位美國馬省的Lowell的M/A-COM獲得的二極管MA 4E2038或其等效物被加以修改，用于高頻通信模塊中。圖9B表現(xiàn)了關(guān)于處于背偏壓的開關(guān)打開狀態(tài)的這個二極管的模擬傳輸和反射信號。在低頻，傳輸很高，反射很低。遺憾的是，當查看較高的頻率時，這個二極管開關(guān)的性能在接近60GHz時迅速退化。在這個頻率處，反射量變得可與傳輸量相比，因此，良好的“打開”狀態(tài)的概念受到嚴重的損害。
如圖10A和10B所示，關(guān)于該“關(guān)閉”狀態(tài)，會發(fā)生類似的情況。圖10A表現(xiàn)了圖9A中的該基于二極管的調(diào)制器的簡化示意圖，但它處于該開關(guān)關(guān)閉或所謂的“關(guān)閉”狀態(tài)。圖10B表現(xiàn)了關(guān)于處于前偏壓開關(guān)關(guān)閉狀態(tài)的這個模擬二極管的對應的模擬傳輸和反射信號。如果只查看該低頻性能，則該傳輸如圖8B中那樣很低，該反射也如圖8B中那樣很高。遺憾的是，當查看這些較高的頻率時，這個二極管開關(guān)的性能在接近60GHz時迅速退化。在這個頻率處，該傳輸量變得可與該反射量相比，因此，良好的“關(guān)閉”狀態(tài)的看法也受到嚴重的損害。
本發(fā)明的高性能調(diào)制器本發(fā)明的調(diào)制器能夠執(zhí)行對高頻信號的高數(shù)據(jù)傳輸速率調(diào)制。如圖11A所示，這項大大改進的性能是將調(diào)諧短截線115加入二極管MA4E2038的結(jié)果。該修改過的基于二極管的調(diào)制器可以按72GHz的范圍來進行操作。圖11B表現(xiàn)了關(guān)于處于背偏壓的開關(guān)打開狀態(tài)的這個模擬二極管的這些模擬傳輸和反射信號。在大約72GHz的頻率范圍內(nèi)，該反射很高，該傳輸很低。讀者應該注意，被用于這個實施例的交換約定與該常規(guī)調(diào)制器的交換約定相反。這是因為在該“二極管關(guān)閉”狀態(tài)中，調(diào)諧短截線1105、二極管電容1106和引線電感1107都組合起來，以形成共振LC電路；當被適當調(diào)諧時，該共振LC電路呈現(xiàn)跨越在72GHz或接近于72GHz的、點1109處的該傳輸線的RF短路。
圖12A表現(xiàn)了與圖11A相同的電路，除了現(xiàn)在處于該前偏壓的二極管狀態(tài)以外。在這種情況下，如圖12B所示，在72GHz或接近于72GHz，被傳送的信號變大，同時，被反射的信號變得相對較小。這又與利用“開-關(guān)”關(guān)系進行運作的調(diào)制器相一致，這在二極管的偏壓條件方面與該常規(guī)二極管調(diào)制器的情況相反。在圖12A所示的狀態(tài)中，通過將前偏壓應用于該二極管，已使該調(diào)諧電路“不合調(diào)”(就72GHz傳輸而言)。
特別值得注意的是這個事實圖12A和圖12B中的該模型假設不對傳輸線中的RF信號的二極管“交換”或調(diào)制起傳導作用。在這種情況下，假設由于該二極管上的輕微的前偏壓(來自該調(diào)制器信號)，該二極管的電容已改變(增加因數(shù)10)。這個事實眾所周知當存在輕微的前偏壓時，二極管顯示結(jié)電容有大量增加(例如，見R.Ludwig和R.Bretchko所著的RF電路設計、理論和應用的第287頁，Prentice Hall2000)。這樣，通過二極管電容中所引起的變化，而不是通過二極管電導中所引起的變化，本發(fā)明可以調(diào)制RF信號。
這種新穎的調(diào)制模式暗示可以避免該開關(guān)二極管中的潛在功耗的情況。利用使用傳導切換的常規(guī)調(diào)制器，當該二極管的電阻越過與該傳輸線的特征阻抗相對應的值時，會電阻性地損耗大量功率。例如，當二極管變成前偏壓至50歐姆的電阻(在被用來調(diào)制50歐姆傳輸線時)時，最大功率轉(zhuǎn)移到該二極管結(jié)電阻(并且在其中發(fā)生損耗)。在這個“匹配的”條件期間，可以損耗該功率的一半。這樣，在傳導過渡期間，有時，該切換過程的效率很低。對比而言，本發(fā)明的該調(diào)制器不需要驅(qū)動二極管通過這種有損耗的過渡。因此，完全避免了發(fā)生于常規(guī)電導切換期間的這個低效率的過程。
對于適應的功率發(fā)送器控制的需求毫米波點對點開放空間通信鏈路可以被限制在小于1度以內(nèi)。通信范圍也被加以限制。所以，可以一再地使用相同的頻譜范圍，從而按非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率來提供幾乎無限的信道。但是，隨著這些點對點無線通信鏈路的激增，防止附近的鏈路之間發(fā)生干擾的需求也增加了，尤其當這些鏈路正運行在相同的或重疊的頻率時更是如此。雖然毫米波通信鏈路通常為狹窄的波束而設計，但是，存在這種可能性兩個位置接近的鏈路可能會彼此干擾；或者，從建筑物、地體或其他物體那里被反射的能量可能會跳入另一個通信鏈路的路徑并沿該路徑振動，從而導致干擾。圖13A展示了正在非干擾基礎上進行操作的一組點對點通信鏈路。圖13B展示了相同的鏈路，但障礙物40(例如，建筑物或樹木)產(chǎn)生被傳送的信號的某個反射，從而導致這些信號之一可能會干擾其他信號中的一個或多個信號。為了將多個鏈路之間的潛在干擾減到最小，需要按實現(xiàn)可靠的通信所要求的最小的必要功率電平來操作每個鏈路中的該發(fā)送器。每個鏈路的最小傳送功率電平會發(fā)生變化，這取決于該鏈路距離、天氣條件、地體、大氣和其他因素。這些因素中的一些因素(例如，天氣)作為時間函數(shù)而發(fā)生波動。本發(fā)明提供了適應的發(fā)送器功率控制，以便在變化的條件下保持最小的必要傳輸功率。當天氣條件和大氣條件變化時，該鏈路路徑衰減也發(fā)生變化，從而使該所接收的信號發(fā)生相當大的變化。但是，監(jiān)控并調(diào)整被傳送的功率，以便將該接收器處的該信號電平保持在所需范圍以內(nèi)。
第一較佳實施例在由本發(fā)明“申請者”建立和測試的第一較佳實施例中，毫米波數(shù)據(jù)鏈路被配置成在該鏈路的各端之間雙向傳遞以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。圖14表現(xiàn)了該數(shù)據(jù)鏈路的框圖。圖15展示了在該鏈路的每一端處所使用的該毫米波收發(fā)器的框圖。鏈路42的一端(被指定為“收發(fā)器A”)按72GHz來傳送，并按75GHz來接收；另一端44(被指定為“收發(fā)器B”)按75GHz來傳送，并按72GHz來接收。在每一端處使用具有2英尺直徑的碟形天線24，以實現(xiàn)近似0.34度的輻射波束寬度。
末端A處的該所接收的信號強度被用來控制由鏈路末端B傳送的功率。鏈路末端B處所接收的信號強度被用來控制由鏈路末端A傳送的功率。在A處被接收的信號強度經(jīng)由從A流向B的數(shù)據(jù)流而被傳達給末端B。在B處被接收的該信號強度經(jīng)由從B流向A的數(shù)據(jù)流而被傳達給末端A。所接收的信號強度被用來按這樣一種方法來調(diào)整被傳送的功率，以便將所接收的信號強度保持在鏈路末端A與B之間的路徑中的變化的條件的所需范圍以內(nèi)。
鏈路末端A處所接收的信號強度經(jīng)由“自動增益控制”(AGC)電路系統(tǒng)5，由“中央處理器”(CPU)27A來檢測(見圖15)。CPU 27將該數(shù)據(jù)編碼為信息包，這些信息包經(jīng)由如32A處所示的以太網(wǎng)連接而被發(fā)送到以太網(wǎng)交換器26A，它將這些CPU信息包與從用戶網(wǎng)絡30A流自其他以太網(wǎng)消息通信量組合進無線電，用于傳輸?shù)芥溌纺┒薆。該CPU消息跨越該數(shù)據(jù)鏈路而從A流到B，并且流入鏈路末端B處的以太網(wǎng)交換器26B，它將該CPU消息(來自鏈路末端A)發(fā)送到鏈路末端B處的CPU 27B。鏈路末端B處的該CPU解釋這些以太網(wǎng)信息包，并提取在A處被接收的信號強度。鏈路末端B處的CPU 27B將在A處所接收的該信號強度與預定范圍進行比較，并且，如果該所接收的信號強度低于該預定范圍的下門限，則CPU B提高鏈路末端B處的被傳送的功率電平。如果在鏈路末端A處所接收的信號強度被確定在預定范圍的上門限以上，則CPU B降低鏈路末端B處的被傳送的功率電平。鏈路末端B處的被傳送功率電平的提高或降低經(jīng)由該傳輸信號通道中的可變衰減器25(數(shù)控的)而由該CPU來實現(xiàn)。使用在鏈路末端B處所測量的并通過該數(shù)據(jù)鏈路而被傳遞到鏈路末端A的該信號強度，按類似的方式來調(diào)整由鏈路末端A傳送的該功率電平。讀者應該注意，圖15表現(xiàn)了該鏈路的兩端，因為它們除了本機振蕩器頻率以外是相同的；并且，圖15中的A和B已在對這些組件的標號中被舍棄(drop)。以下詳細地描述這些收發(fā)器。
收發(fā)器該鏈路硬件包括毫米波收發(fā)器對——包括一對毫米波天線24和一對以太網(wǎng)交換器26(每個收發(fā)器用一個)。該毫米波信號是調(diào)幅的和單側(cè)頻帶過濾的，并且包括簡化級別的載波。該調(diào)諧器接收器包括外差混頻器、鎖相中頻(IF)和IF功率檢測器。收發(fā)器A(圖14)按71-73GHz來傳送，收發(fā)器B(圖14)按74-76GHz來傳送。收發(fā)器A按74-76GHz來接收，收發(fā)器B按71-73GHz來接收。
鏈路末端A處的該收發(fā)器包括由Milliflect公司制造的碟形天線24、由本發(fā)明者制造的無線電電子設備、由Diamond Systems公司制造的CPU 27和由Hewlett Packard公司制造的外部以太網(wǎng)交換器26。天線24所接收的信號通過正交模式換能器12和71-73GHz帶通濾波器11，并由低噪聲放大器10來進行放大。在被放大之后，該信號通過混頻器7而與75GHz本機振蕩器8信號相混合，以產(chǎn)生2-4GHz下變頻信號。這個最后得到的2-4GHz信號由Hittite公司制造的放大器6來加以放大并經(jīng)帶通濾波器4濾波，之后被發(fā)送到自動增益控制(AGC)電路5。在通過該AGC電路之后，該信號由檢測器電路3來進行功率檢測和低通濾波，以產(chǎn)生基帶數(shù)據(jù)信號。該基帶數(shù)據(jù)信號被傳遞到時鐘和數(shù)據(jù)恢復電路2(使用“模擬設備ADN2809”時鐘恢復芯片)，它純化該數(shù)據(jù)波形形狀，之后，它由Finisar公司制造的光纖接口1轉(zhuǎn)換成光信號。
從該用戶網(wǎng)絡進來的數(shù)據(jù)由以太網(wǎng)交換器26來獲取，在那里，該數(shù)據(jù)與來自收發(fā)器CPU 27和來自其他用戶網(wǎng)絡的其他以太網(wǎng)數(shù)據(jù)組合。來自該以太網(wǎng)交換器的組合數(shù)據(jù)流被發(fā)送到光纖轉(zhuǎn)換器1，并被二極管調(diào)制器15用來調(diào)制75GHz耿氏振蕩器17的輸出。該調(diào)制信號被傳遞通過可變衰減器25，然后被加以帶通濾波14并被發(fā)送到將該信號發(fā)送到天線24的正交模式換能器12。
AGC電路5檢測所接收的信號的強度，并調(diào)整其電平，以便對檢測器電路3呈現(xiàn)固定電平。AGC電路5也將這個被檢測的信號電平發(fā)送到CPU 27，CPU 27經(jīng)由以太網(wǎng)交換器26將該電平發(fā)送到該鏈路的另一端。在該鏈路的另一端，以太網(wǎng)交換器26將該信號強度信息發(fā)送到CPU 27，CPU 27使用該信號強度信息來命令可變衰減器25，從而調(diào)整該被傳送的信號功率。
商業(yè)單元為商業(yè)應用而準備的毫米波通信鏈路已由本發(fā)明“申請者”建立并測試。以下參考圖17至圖27B來詳細地描述那個鏈路。這個實施例包括能夠支持0.1至10英里以上的距離上的155、622、1244、2488和1250Mbps數(shù)據(jù)傳輸速率的無線點對點數(shù)據(jù)通信鏈路收發(fā)器。所規(guī)定的這些數(shù)據(jù)傳輸速率一般被稱作“OC-4”、“OC-12”、“OC-24”、“OC-48”和“吉比特以太網(wǎng)”。完整的點對點數(shù)據(jù)鏈路將會使用該數(shù)據(jù)鏈路的每一端處的這些所描述的收發(fā)器之一。在較佳實施例中，數(shù)據(jù)鏈路的一端處的收發(fā)器在74-76GHz頻率范圍內(nèi)進行傳送，并在71-73GHz范圍內(nèi)進行接收。數(shù)據(jù)鏈路的另一端處的收發(fā)器在71-73GHz頻率范圍內(nèi)進行傳送，并按74-76GHz來接收。除了頻率的選擇以外，每個鏈路的每一端處的收發(fā)器操作是相同的。在較佳實施例中，該收發(fā)器電子設備外殼被直接安裝到2英尺直徑碟形天線。通過使用2英尺天線，允許在晴朗的天氣下實現(xiàn)多達5英里的鏈路距離，其位出錯率(BER)小于10-12；或者在降雨量達1.5英寸/小時時，允許實現(xiàn)多達1英里的距離。揭示了該收發(fā)器電子設備和該耐受壞天氣的戶外外殼的實施。
GPS定位在較佳實施例中，數(shù)據(jù)鏈路的每一端處的收發(fā)器包括GPS接收器和CPU，該CPU從GPS衛(wèi)星接收信號、計算該收發(fā)器位置并根據(jù)命令或周期性地將這個位置報告給遠程地點。該數(shù)據(jù)鏈路通信電子設備和GPS接收器被安置在一共同的外殼內(nèi)。使用毫米波頻率和2英尺直徑碟形天線來進行數(shù)據(jù)鏈路通信。經(jīng)由被安裝在外部或被并入而作為該電子設備外殼的一部分的小型活動天線，來接收GPS衛(wèi)星信號。
收發(fā)器使用光纖接口來連接到用戶網(wǎng)絡，并在74-76GHz頻帶中用無線方式將數(shù)據(jù)傳送到本發(fā)明的另一個實施例。收發(fā)器從71-73GHz頻帶中的另一個收發(fā)器那里接收數(shù)據(jù)，并經(jīng)由光纖接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶網(wǎng)絡。本發(fā)明的收發(fā)器由毫米波電子設備、“中頻”(IF)電子設備、輸入/輸出電子設備和適合戶外的外殼組成。該收發(fā)器也包含電源以及用于狀態(tài)與健康監(jiān)控和無線電控制的中央處理器(CPU)，并且被直接連接到卡塞格倫類型的碟形天線。使用簡單的開-關(guān)鍵控法(調(diào)幅)，在該毫米波鏈路上發(fā)送信息。
在操作中，本發(fā)明的該較佳實施例使用GPS接收器來自動確定這些數(shù)據(jù)鏈路端點的位置，并向“鏈路操作中心”報告這些位置。另外，當最初被部署到該領(lǐng)域時，本發(fā)明首先傾聽該操作頻帶中的其他信號，如果激活該鏈路發(fā)送器，則它們可能會受到干擾。如果發(fā)現(xiàn)其他信號已經(jīng)存在于該頻帶中，則該鏈路將通知該操作者，并且在傳送任何其自己的信號之前，將需要某個超越命令。這個操作協(xié)議減少了新近部署的數(shù)據(jù)鏈路干擾先前存在的數(shù)據(jù)鏈路的機會。
較佳實施例的特點接收頻率范圍 71-73GHz發(fā)送頻率范圍 74-76GHz發(fā)送器輸出功率40兆瓦(+16dBm)
數(shù)據(jù)傳輸速率(用戶可選擇的)155、622、1244或1250Mbps與用戶網(wǎng)絡的連接 光纖連接，類型LC與用戶功率的連接 110VAC功耗 ＜50瓦重量(無天線) 23磅高度(無天線) 13”寬度(無天線) 13”深度(無天線或喇叭天線)10”深度(無天線) 14”用戶CPU接口 10baseT以太網(wǎng)——web瀏覽器接口或RS232串行鏈路“全球定位系統(tǒng)”(GPS)接收器被連到該CPU上，并且，該GPS接收器將GPS衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)換成物理位置坐標。該CPU從該GPS接收器那里讀取這些坐標，并經(jīng)由該數(shù)據(jù)鏈路將它們報告給遠程地點(“鏈路”或“網(wǎng)絡操作中心”)。該CPU板利用工業(yè)標準PC/104波形因數(shù)來加以建立，從而允許容易地將GPS接收器插到“堆?！鄙稀Ｔ撦^佳實施例的GPS接收器是由賓夕法尼亞州的州立學院的Real Time Devices USA公司制造的具有活動天線的型號#GPS140HR。
收發(fā)器說明參考圖20A和20B來描述收發(fā)器電子設備。收發(fā)器42由Milliflect公司制造的碟形天線24、Harmony Castings制造的無線電電子設備外殼43、毫米波發(fā)送器、毫米波接收器、IF電子設備、中央處理器(CPU)27和I/O電子設備組成。天線24所接收的信號通過喇叭天線51并進入正交模式換能器12和71-73GHz帶通濾波器11，并且由低噪聲放大器10來進行放大。在被放大之后，該信號由第二帶通濾波器11來過濾，并通過混頻器7與75GHz本機振蕩器8信號混合，以產(chǎn)生2-4GHz下變頻信號。這個最后得到的2-4GHz信號被發(fā)送到自動增益控制(AGC)電路5。在通過該AGC電路之后，該信號由檢測器電路3進行功率檢測和低通過濾，以產(chǎn)生基帶數(shù)據(jù)信號。然后，該基帶數(shù)據(jù)信號被傳遞到時鐘和數(shù)據(jù)恢復電路2(使用“模擬設備ADN2819”時鐘恢復芯片)，時鐘和數(shù)據(jù)恢復電路2又純化該數(shù)據(jù)波形形狀，之后，它被光纖接口1轉(zhuǎn)換成光信號。
從該用戶網(wǎng)絡進來的數(shù)據(jù)被發(fā)送到光纖轉(zhuǎn)換器1，并被二極管調(diào)制器15用來調(diào)制75GHz耿氏振蕩器17的輸出。該調(diào)制信號被傳遞通過帶通濾波器14，并被發(fā)送到正交模式換能器12，正交模式換能器12經(jīng)由喇叭天線51將該信號發(fā)送到天線24。
本發(fā)明的關(guān)鍵組件的詳細說明本發(fā)明的這些關(guān)鍵組件中的幾個關(guān)鍵組件已由本“申請者”制作。參考圖17～27B來詳細地描述這些組件?？梢允褂脤τ谠撔袠I(yè)而言的標準技術(shù)來制造這些組件。
電源該電源被連接到標準110VAC，并經(jīng)由“I/O板”70和“信號調(diào)節(jié)與時鐘恢復板”71來為這各種無線電組件供應+12V、+5V、-12V。電源61是從加利福尼亞Pomona的ICP America或購買的型號#ACE890或其等效物。
I/O電路板經(jīng)由圖18A和B中所示的I/O電路板70，來形成與該用戶網(wǎng)絡、AC輸電線和外界的連接。I/O電路板70被安裝到內(nèi)罩53。該I/O電路板包含光纖接口1、與電源61的連接、從CPU 27到外部環(huán)境的以太網(wǎng)連接71、從CPU 27到外部環(huán)境的USB連接，以及從CPU 27到外部環(huán)境的“RS232串行鏈路”連接。該PC板由CA的圣地亞哥的Proto-Qwik公司或相等的PC板制造商制造，并由本機構(gòu)內(nèi)部實行裝配。
光纖接口如圖15所示的光纖接口1將去往和來自用戶網(wǎng)絡的光信號轉(zhuǎn)換成無線電設備所使用的電信號。該設備支持高達1.25Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，并且是由加利福尼亞州的Sunnyvale的Finisar公司制造的零件#FTRJ-8519-1或等效物。如圖18A和B所示，光纖接口1位于I/O電路板70上。
信號調(diào)節(jié)與時鐘恢復板圖17和圖19A、B表現(xiàn)了“信號調(diào)節(jié)與時鐘恢復板”71。該板被安裝到內(nèi)罩53，并支持CPU 27。經(jīng)由I/O板70，并通過“信號調(diào)節(jié)與時鐘恢復板”71，從電源61為CPU 27和其他無線電電子設備提供電力。該PC板由美國加州的圣地亞哥的Proto-Qwik公司或相等的PC板制造商制造，并由本機構(gòu)內(nèi)部實行裝配?！靶盘栒{(diào)節(jié)與時鐘恢復板”71包含執(zhí)行以下功能的電路系統(tǒng)將電源61所提供的+12V轉(zhuǎn)換成+10V供給耿氏振蕩器8和17。
將+5V轉(zhuǎn)換成3.3V，供其他電路使用。
為該無線電設備中的其他電路系統(tǒng)提供+12V、+10V、+5V和+3.3V。
為CPU 27提供+12V、+10V、+5V和+3.3V電壓測量。
為CPU 27提供+12V、+10V、+5V和+3.3V電流測量。
經(jīng)由“功率檢測器”電路3來為該無線電設備所接收的數(shù)字數(shù)據(jù)再計時并對其進行恢復。(使用美國馬省的Norwood的Analog Devices所制造的“時鐘與數(shù)據(jù)恢復電路”73——零件#ADN2819)。該基本電路設計也由AnalogDevices提供，并且被并入“信號調(diào)節(jié)與時鐘恢復板”71的設計。
使用德克薩斯州的達拉斯的Texas Instruments公司所制造的“PRBS發(fā)生器”74——零件#TLK1501，來生成并檢測27偽隨機碼流(PRBS7)。該基本電路設計也由Texas Instruments來提供，并且被并入“信號調(diào)節(jié)與時鐘恢復板”71的設計。
在引入的“光纖轉(zhuǎn)換器”1、“PRBS發(fā)生器”74與“時鐘與數(shù)據(jù)恢復電路”73之間，切換并選擇為“二極管調(diào)制器”15提供的該數(shù)據(jù)流。該數(shù)據(jù)流由俄勒岡州的Hillsboro的Triquint Semiconductor所制造的“縱橫開關(guān)電路”72——零件#TQ8004來加以選擇。
使用“振蕩器電路”75來生成時鐘信號，這些時鐘信號允許“時鐘與數(shù)據(jù)恢復電路”73和“PRBS發(fā)生器”74按155、622、1244和1250Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率來進行操作。
經(jīng)由“IF電路板”80上的“AGC電路”76來檢測該所接收的信號的電平，并向CPU板27提供這個電平。
經(jīng)由“二極管調(diào)制器”15來檢測該被傳送的信號的電平，并向CPU板27提供這個電平。
CPU板該中央處理器(CPU板27)執(zhí)行狀態(tài)監(jiān)控、報告，并且對各種無線電參數(shù)和功能實行控制。CPU 27是由加利福尼亞州的Newark的Diamond Systems公司制造的型號“普羅米修斯”。CPU 27是“PC/104”波形因數(shù)可兼容的，并從閃存運行該LINUX操作系統(tǒng)的修改版本。CPU 27經(jīng)由10baseT以太網(wǎng)連接和兩個RS232串行鏈路(通過I/O板70)而與外部環(huán)境進行通信。軟件被配置成允許經(jīng)由以太網(wǎng)或串行連接來從遠程地點實行更新。CPU板27包含16個模擬I/O信號和24個數(shù)字I/O信號，這些信號經(jīng)由“信號調(diào)節(jié)與時鐘恢復板”71而被連接到該無線電電子設備。經(jīng)由“信號調(diào)節(jié)與時鐘恢復板”71，使用CPU 27上的這些模擬I/O信號來監(jiān)控+12V、-12V、+5V、3.3V以及這些電源中的每個電源內(nèi)的電流。經(jīng)由“信號調(diào)節(jié)與時鐘恢復板”71，CPU 27上的該模擬I/O也被用來感測該AGC電平(所接收的信號強度)和該無線電設備的TX功率(所傳送的功率電平)。來自CPU 27的數(shù)字輸出信號被用來配置俄勒岡州的Beaverton的Triquint Semiconductor所制造的數(shù)據(jù)路徑“縱橫開關(guān)”72，并且被用來經(jīng)由“振蕩器電路”75而設置用于該數(shù)據(jù)通路的時鐘頻率。該PC板由加州的圣地亞哥的Proto Qwik公司或相等的PC板制造商制造，并且由本機構(gòu)內(nèi)部實行裝配。
IF電路板“IF電路板”80從“混頻器”7接收2-4GHz中頻(IF)信號，并將檢測到的數(shù)字數(shù)據(jù)流輸出到“時鐘與數(shù)據(jù)恢復電路”73。圖17和圖20A、B表現(xiàn)了“IF板”80。IF板80包含執(zhí)行以下功能的電路系統(tǒng)將“混頻器”7的輸出放大近約30dB，并將這個被放大的信號傳遞到由馬省的Chelmsford的Hittite Microwave公司制造的“可變衰減器”79——零件#HMC346MS8G。
對將該頻帶限制到2-4GHz的“可變衰減器”79的輸出進行放大和帶通濾波，并將這個被濾波的信號提供給“檢測器電路”78?！翱勺兯p器”79具有近似30dB的范圍，從而慮及所接收的信號電平的廣泛波動。
檢測由“檢測器電路”78檢測到的信號電平，并調(diào)整“可變衰減器”79，以便在紐約的布魯克林的Mini-Circuits公司所制造的“檢測器電路”78——零件#的輸出處保持恒定的預置信號電平。這個被感測的信號電平也經(jīng)由“信號調(diào)節(jié)與時鐘恢復板”71而被傳遞到CPU 27。
使用由紐約的布魯克林的Mini-Circuits公司制造的“檢測器電路”78——零件#ADE-30W，來檢測該信號中的功率。
喇叭天線喇叭天線51將卡塞格倫天線24所接收的信號轉(zhuǎn)換到與“正交模式換能器”12連接的圓形波導管。圖22A、B和C表現(xiàn)了喇叭天線51的詳細繪圖。喇叭天線51通過幾個螺絲釘而被安裝到“前護蓋”52，并且在末端處用塑料圓盤(未示出)來加以密封，以防止水進入該波導管和“正交模式換能器”12。喇叭天線51與“前護蓋”52之間的O環(huán)(未示出)防止水在此接口處進入。喇叭天線51可能由馬省(MA)的Northfield的Sisson Engineering或相等的機械工廠來制造。
正交模式換能器“正交模式換能器(OMT)”12被連到“喇叭天線”51和“帶通濾波器”11、14上。OMT 12被用來將具有水平極化的信號從經(jīng)由喇叭天線51的天線24引導到帶通濾波器11，并將具有垂直極化的信號從經(jīng)由帶通濾波器14的“二極管調(diào)制器”15發(fā)送到經(jīng)由喇叭天線51的天線24。OMT 12將具有不同極化的信號分成兩個單獨的路徑，或者將具有不同極化的信號組合進入一個共同的路徑，該共同的信道經(jīng)由喇叭天線51而被連接到天線24。通過使用OMT 12，可允許單一天線既被用于傳輸、又被用于接收，而不會造成發(fā)送器與接收器之間的干擾。OMT 12由馬省(MA)的Northfield的Sisson Engineering或相等的機械工廠來制造。
帶通濾波器帶通濾波器11和14被用來在來自二極管調(diào)制器15的被傳送的信號與低噪聲放大器10之間提供進一步的隔離。圖23表現(xiàn)了該帶通濾波器護蓋的機械圖。該護蓋由馬省(MA)的Northfield的Sisson Engineering或相等的機械工廠來制造。在帶通濾波器11、14和19內(nèi)是包含網(wǎng)格狀線的薄墊片，這些薄墊片由印第安納州的Ligonier的Advanced Metal Etching制造。這些薄墊片的該網(wǎng)格狀圖形確定該帶通濾波器在其上發(fā)揮作用的頻譜范圍。根據(jù)濾波器制作者規(guī)定的標準，來選擇關(guān)于按71-73GHz和74-76GHz進行運作的帶通濾波器的網(wǎng)格狀圖形。帶通濾波器11和19被配置成傳遞71-73GHz的范圍內(nèi)的頻率。帶通濾波器14被配置成傳遞74-76GHz的范圍內(nèi)的頻率。在帶通濾波器內(nèi)使用不同尺寸的帶通濾波器薄墊片，以實現(xiàn)這些不同的通頻帶頻率?？蓮脑摴吣抢铽@得這些濾波器薄墊片尺寸的細節(jié)。
耿氏振蕩器17按75GHz來生成發(fā)送信號，該發(fā)送信號由二極管調(diào)制器15來實行關(guān)于數(shù)據(jù)(來自經(jīng)由縱橫開關(guān)72的光纖轉(zhuǎn)換器1)的調(diào)制，以產(chǎn)生具有74-76GHz的頻譜范圍的信號。帶通濾波器14被配置成傳遞74與76GHz之間的頻率并拒絕其他頻率，以便只可以傳送74-76GHz的范圍內(nèi)的信號，并且除去來自耿氏振蕩器17和調(diào)制器15的不需要的發(fā)射。
從經(jīng)由喇叭天線51和OMT 12的天線24進來的信號被傳遞通過帶通濾波器11，并由低噪聲放大器10進行放大。帶通濾波器11被配置成只將71與73GHz之間的頻率傳遞到低噪聲放大器10，從而確保來自調(diào)制器15和帶通濾波器14的信號(用于傳輸，在74-76GHz)不會直接傳入該接收器。來自低噪聲放大器10的信號再次由帶通濾波器19進行濾波，以除去低噪聲放大器10所引入的任何不合需要的頻譜成分。
二極管調(diào)制器15二極管調(diào)制器15被用來將數(shù)據(jù)流施加到耿氏振蕩器17的連續(xù)輸出上。根據(jù)出現(xiàn)在來自光纖轉(zhuǎn)換器1(經(jīng)由縱橫開關(guān)72)的數(shù)據(jù)流中的1和0，二極管調(diào)制器15接通并切斷來自耿氏振蕩器17的信號。這個開/關(guān)鍵控信號通過帶通濾波器14、OMT 12和喇叭天線51而被發(fā)送到天線24。
圖24表現(xiàn)了該二極管調(diào)制器的示意圖。該護蓋已由馬省(MA)的Northfield的Sisson Engineering或相等的機械工廠制造。該調(diào)制器二極管是可從馬省(MA)的Lowell的MACOM公司或相等的公司購買零件#MA4E2038。該二極管由加利福尼亞的Camarillo的Vitesse Semiconductor所制造的二極管驅(qū)動器芯片——零件#VSC7928來驅(qū)動。以上已描述了調(diào)制器電路系統(tǒng)。
耿氏振蕩器8和17耿氏振蕩器8和17被用來按75GHz生成CW(連續(xù)波)信號。圖25表現(xiàn)了該耿氏振蕩器護蓋的繪圖。該護蓋由馬省(MA)的Northfield的SissonEngineering或相等的機械工廠來制造。二極管是由加州(CA)的Santa Clara的Filtronic Solid State或相等的制造商制造的零件#LSW9177S2。通過調(diào)整腔92中的調(diào)諧桿91的深度，可以從71-76GHz調(diào)諧振蕩頻率。
耿氏振蕩器17的輸出形成發(fā)送器的電源，并且被傳遞到二極管調(diào)制器15。耿氏振蕩器17產(chǎn)生近似60毫瓦的輸出功率，這導致在通過調(diào)制器15、帶通濾波器14、OMT 12和喇叭天線51之后，大約40毫瓦的功率進入天線24。
耿氏振蕩器8的輸出是用于接收器的該本機振蕩器信號，并且經(jīng)由帶通濾波器11、低噪聲放大器10和第二帶通濾波器11而被傳遞到混頻器7，在那里，它與天線24所接收的該72-74GHz信號相混合。
低噪聲放大器10低噪聲放大器10用作所接收的信號的第一放大器。天線24所接收的信號通過喇叭天線51、OMT 12和帶通濾波器11而進入低噪聲放大器10。低噪聲放大器10的輸出通過第二帶通濾波器11而被傳遞到混頻器7。該低噪聲放大器被設計成具有6dB噪聲系數(shù)并放大70與95GHz之間的信號。圖27A和B表現(xiàn)了低噪聲放大器10的護蓋，該護蓋由馬省(MA)的Northfield的SissonEngineering或相等的機械工廠來制造。
混頻器來自耿氏振蕩器8和第二帶通濾波器11的信號被傳遞到混頻器7，混頻器7將來自帶通濾波器11的引入的接收信號與來自耿氏振蕩器8的該本機振蕩器信號相混合，以產(chǎn)生經(jīng)由放大器6而被發(fā)送到IF板80的2-4GHz中頻(IF)信號。圖27A和B表現(xiàn)了該混頻器護蓋，該混頻器護蓋由馬省(MA)的Northfield的Sisson Engineering或任何合適的機械工廠來制造?；祛l器二極管是由加州的Palo Alto的Agilent公司或相等的公司制造的零件#HSCH9201。
天線用于收發(fā)器的天線24是具有卡塞格倫饋送配置的2英尺碟形天線，它由碟形元件94和輔助反射器93組成。碟形元件94是由CO的Colorado Springs的Milliflect公司制造的零件#。輔助反射器93由加州(CA)的圣地亞哥的Marathon Machine或類似的機械工廠來制造。碟形天線元件94所收集的信號被反射到輔助反射器93上，然后經(jīng)由喇叭天線51而進入該無線電電子設備。來自該無線電電子設備的信號傳出喇叭天線51，到輔助反射器93上，并反跳出碟形天線元件94而進入自由空間。
外殼圖17表現(xiàn)了該外殼，該外殼由賓夕法尼亞州的Harmony的HarmonyCastings所制造的“前護蓋”52、“內(nèi)罩”53、“后護蓋”54、“后罩”55以及佛羅里達的Pompano Beach的3D Engineering所制造的密封墊片56、57和58組成。這些護蓋、密封墊和罩子形成包含這些毫米波組件和其他電子組件的前箱，以及包含電源61和與I/O板70的連接的后箱。喇叭天線51突出通過該“前護蓋”，并且由O環(huán)(未示出)密封，以形成不漏水的密封墊。當后罩就位并且導管連接孔62被密封或被連接到導管時，前箱不漏水，后箱也不漏水。這種兩箱式的設計允許在前箱內(nèi)執(zhí)行工廠制造工作，允許在該后箱內(nèi)執(zhí)行現(xiàn)場/安裝工作，而不會使前箱電子設備受到任何不利的環(huán)境影響。
每一收發(fā)器的單一本機振蕩器在以上所描述的這些較佳實施例中，為每個收發(fā)器提供用于傳輸?shù)谋緳C振蕩器和用于接收的單獨的本機振蕩器。在其他較佳實施例中，每個收發(fā)器只裝備有一個本機振蕩器。收發(fā)器按72GHz或75GHz來傳送，并分別按75GHz或72GHz來接收。例如，在一個鏈路處，我們想要按75GHz來傳送并按72GHz來接收。如果我們按75GHz來操作LO，則我們可以為所傳送的信號來對它進行調(diào)制。72GHz的進入的信號與這個相同的LO信號相混合，并產(chǎn)生關(guān)于該IF電路系統(tǒng)的3GHz中頻(IF)信號。在該數(shù)據(jù)鏈路的另一端，我們想要按72GHz來傳送并按75GHz來接收。該鏈路的這另一端處的LO按72GHz來加以操作，并為所傳送的信號而加以調(diào)制。這個相同的LO頻率與按75GHz的進入的RF進行混合，以便再產(chǎn)生3GHz IF信號。這種途徑可行，這是因為我們已選擇被該IF頻率的量所分開的發(fā)送頻率和接收頻率。由于71-76GHz頻帶內(nèi)可用的總頻譜的數(shù)量以及該無線電設備所使用的該數(shù)據(jù)傳輸速率(1.25GHz)，我們能夠選擇這樣的IF。
其他實施例在本發(fā)明的實踐中，可以利用諸如71-76GHz、81-86GHz和92-100GHz等任何毫米波載波頻率范圍。同樣，諸如5.2-5.9GHz、5.9-6.9GHz、10.7-11.7GHz、17.7-19.7GHz和21.2-23.6GHz等這幾個當前分配的毫米波頻帶中的任何頻帶都可以被用于該備用鏈路。MMW和微波通道的調(diào)制帶寬均可以增加，只受FCC頻譜分配而被再次限制。也可以使用能夠在符合FCC發(fā)射規(guī)則的裝置中的該鏈路距離上傳送該調(diào)制載波的任何扁平、等角或成形天線。導臂、主聚焦和偏移拋物面碟形天線以及平面格子陣列都被包括在內(nèi)。
可以利用耿氏二極管源、注頻鎖定放大器或按這個所選擇的載波頻率或按該頻率的分諧波產(chǎn)生共振的MMW管源來生成傳輸功率。源功率可以是使用二極管開關(guān)、混頻器或雙相或連續(xù)相調(diào)制器來加以調(diào)幅的、頻率或相位。調(diào)制可以采取簡單的雙狀態(tài)(bi-state)AM調(diào)制的形式，或者可以涉及兩種以上的符號狀態(tài)；例如，使用量化振幅調(diào)制(QAM)。可以使用雙側(cè)頻帶(DSB)、單側(cè)頻帶(SSB)或殘留側(cè)頻帶(VSB)技術(shù)來傳遞、抑制或減小一個AM側(cè)頻帶，從而影響帶寬效率。也可以使用相位或頻率調(diào)制方案(包括簡單的FM、雙相或正交相移鍵控法(QPSK))?？梢允褂镁哂腥d波或遏止載波的傳輸。通過使用合適的符號傳輸方案，可以按高達用赫茲為單位的調(diào)制帶寬的256倍的任何數(shù)據(jù)傳輸速率(用位/秒表示)來執(zhí)行數(shù)字源調(diào)制。也可以執(zhí)行模擬調(diào)制。可以在調(diào)制器后面并入整體式或離散組件功率放大器，以提高輸出功率?？梢耘c載波頻率任意組合來使用線或圓極化，以便在發(fā)送器信道與接收器信道之間提供極化和頻率分集。也可以使用一對碟形天線(而不是單一碟形天線)，以便在單一收發(fā)器中提供空間分集。
可以在磷化銦、砷化鎵或改變結(jié)構(gòu)的InP-on-GaAs上制作該MMW耿式二極管和毫米波放大器。對短程鏈路可以完全去除毫米波放大器?？梢允褂霉杌蛏榛墎碇谱鳈z測器?？梢栽谡w式集成電路上制作混頻器/下變頻器，或者，可以用摻雜硅、砷化鎵或磷化銦上的離散混頻器二極管來制造該混頻器/下變頻器。該鎖相回路可以使用微處理器控制的正交(I/Q)比較器或掃描濾波器。該檢測器可以被制作在硅或砷化鎵上，或者可以包括使用銻化銦的異質(zhì)結(jié)構(gòu)二極管。
備用收發(fā)器可以使用交替頻帶，這些交替頻帶被覆蓋在FCC部分101特許規(guī)則下。在網(wǎng)絡運用中，路由器或開關(guān)通常將劃分數(shù)據(jù)流，以便同時使用該毫米波鏈路和該微波鏈路。在嚴峻的天氣期間，該毫米波鏈路將停止傳遞數(shù)據(jù)，并且，該路由器或開關(guān)將通過該微波備用鏈路來自動發(fā)送所有數(shù)據(jù)，直到天氣轉(zhuǎn)晴和該毫米波鏈路自動恢復工作為止。這些天線可以是任何適當尺寸的卡塞格倫、偏移或主聚焦碟形天線或平板格子陣列天線，以實現(xiàn)合適的增益。
該系統(tǒng)中所使用的天線可能具有各種尺寸——直徑從1英寸到幾英尺不等。可以使用平板天線，來代替碟形天線?？梢允褂弥骶劢固炀€，而不是卡塞格倫饋送。該天線不需要定向，或者可以在幾個方向上形成波束。較佳的頻率范圍是如上所述的71GHz至76GHz，以及81GHz至86GHz的頻率范圍?？梢允褂闷渌l帶(包括92-95GHz)?？梢允褂脤崿F(xiàn)該毫米波傳輸功率或本機振蕩器的各種方法，包括倍頻、集成功率放大器、體效應振蕩器、準光放大器或其他技術(shù)。關(guān)于本發(fā)明的開-關(guān)鍵控實施，可以使用調(diào)制該傳輸功率的各種方法，包括PIN二極管調(diào)制器、受電壓控制的放大器、準光學調(diào)制器或其他技術(shù)。可以使用放大并檢測這個所接收的信號的各種方法，包括二極管功率檢測器、同步檢測或其他方法。在本發(fā)明的該實施中，可以使用除開-關(guān)鍵控法以外的調(diào)制技術(shù)。可以使用除這里所規(guī)定的接收器以外的GPS接收器，或者，可以使用關(guān)于位置確定的另一項技術(shù)(除通過使用GPS以外)。
--------------------------------------------------上文包含許多技術(shù)規(guī)格，但讀者不應該將這些解釋為是對本發(fā)明的范圍的限制，而只應該將其解釋為其較佳實施例的例證。例如，在以上詳細描述的該較佳實施例連同這些技術(shù)調(diào)制方案的狀態(tài)的說明中被提及的完全分配的毫米波頻帶可以允許按超過10Gbits/秒的速率來傳送數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)傳輸速率將會允許采用與10吉比特以太網(wǎng)相兼容的鏈路——預期在接下來的兩年內(nèi)會變得可行的標準。在光纖通信不可供使用以及通信地點之間的距離短于15英里但長于自由空間激光通信設備可以合理服務的距離的那些位置，本發(fā)明尤其有用。大約1英里至大約10英里的范圍對于本發(fā)明的應用而言是理想的。但是，在擁有主要是晴朗的天氣的地區(qū)，該系統(tǒng)可以為20英里或更長的距離提供良好的服務。相應地，要求讀者通過所附權(quán)利要求書及其合法的相等物(而不是通過以上提供的例子)來確定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種毫米波通信系統(tǒng)，其特征在于包括A)位于第一地點的第一毫米波收發(fā)器系統(tǒng)，它能夠按大于70MHz的頻率和大約1.25Gbps或更大的數(shù)據(jù)傳輸速率通過大氣將數(shù)字信息傳送到第二地點并從第二地點接收數(shù)字信息，所述第一收發(fā)器包括產(chǎn)生波束的至少一個天線，該波束具有大約2度或更小的半功率波束寬度，以及，B)位于所述第二地點的第二毫米波收發(fā)器系統(tǒng)，它能夠按大于70MHz的頻率和大約1.25Gbps或更大的數(shù)據(jù)傳輸速率來將數(shù)字信息傳送到所述第一地點并從所述第一地點接收數(shù)字信息，所述第二收發(fā)器包括產(chǎn)生波束的至少一個天線，該波束具有大約2度或更小的半功率波束寬度。
2.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一收發(fā)器系統(tǒng)或所述第二收發(fā)器系統(tǒng)中的至少一個收發(fā)器系統(tǒng)包括GPS單元。
3.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一收發(fā)器系統(tǒng)被配置成按71與76GHz之間的頻率來傳送和接收信息。
4.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一收發(fā)器系統(tǒng)被配置成按81與86GHz之間的頻率來傳送和接收信息。
5.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一收發(fā)器系統(tǒng)被配置成按71與86GHz之間的頻率來傳送和接收信息。
6.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一收發(fā)器系統(tǒng)被配置成按92與95GHz之間的頻率來傳送和接收信息。
7.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一收發(fā)器系統(tǒng)被配置成按71與95GHz之間的頻率來傳送和接收信息。
8.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二收發(fā)器系統(tǒng)中的一個收發(fā)器系統(tǒng)被配置成按大約71.8+/-0.63GHz的范圍內(nèi)的頻率來傳送信息，并按大約73.8+/-0.63GHz的范圍內(nèi)的頻率來接收信息。
9.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二收發(fā)器系統(tǒng)中的一個收發(fā)器系統(tǒng)被配置成按大約92.3～93.2GHz的范圍內(nèi)的頻率來傳送信息，并按大約94.1～95.0GHz的范圍內(nèi)的頻率來接收信息。
10.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于進一步包括后備收發(fā)器系統(tǒng)，它被配置成如果產(chǎn)生反常的天氣條件，則在所述第一與第二地點之間提供信息的連續(xù)傳輸。
11.如權(quán)利要求10中的系統(tǒng)，其特征在于，所述后備收發(fā)器系統(tǒng)是微波系統(tǒng)。
12.如權(quán)利要求10中的系統(tǒng)，其特征在于，所述后備收發(fā)器系統(tǒng)被配置成在小于11.7GHz的頻率范圍內(nèi)進行操作。
13.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一地點和所述第二地點被分離至少一英里。
14.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一地點和所述第二地點被分離至少2英里。
15.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一地點和所述第二地點被分離至少7英里。
16.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一地點和所述第二地點被分離至少10英里。
17.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一收發(fā)器和所述第二收發(fā)器中的每個收發(fā)器被配置成在正常的天氣條件期間，按小于10-10的位出錯率來傳送和接收信息。
18.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一收發(fā)器系統(tǒng)和所述第二收發(fā)器系統(tǒng)均裝備有提供大于50dB的增益的天線。
20.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，所述天線中的至少一個天線是平板天線。
21.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，所述天線中的至少一個天線是卡塞格倫天線。
22.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二收發(fā)器中的每個收發(fā)器均包括兩個天線——發(fā)送天線和接收天線。
23.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二收發(fā)器中的每個收發(fā)器只包括被配置成進行傳送和接收的一個天線。
24.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，按高頻來進行高數(shù)據(jù)傳輸速率通信的所述第一和第二調(diào)制器中的每個調(diào)制器均包括共振LC電路，該共振LC電路包括(1)電容器，(2)電感器，(3)二極管，(4)偏壓裝置，用于對所述二極管實行背偏壓，以最小化傳輸，并對所述二極管實行前偏壓，以進行傳送。
25.如權(quán)利要求24中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一收發(fā)器系統(tǒng)被配置成按大于70GHz的頻率來傳送和接收信息。
26.如權(quán)利要求24中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一收發(fā)器系統(tǒng)被配置成按大于80GHz的頻率來傳送和接收信息。
27.如權(quán)利要求24中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一收發(fā)器系統(tǒng)被配置成按大于90GHz的頻率來傳送和接收信息。
28.如權(quán)利要求24中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一收發(fā)器系統(tǒng)被配置成按71與76GHz之間的頻率來傳送和接收信息。
29.如權(quán)利要求24中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一收發(fā)器系統(tǒng)被配置成按81與86GHz之間的頻率來傳送和接收信息。
30.如權(quán)利要求24中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一收發(fā)器系統(tǒng)被配置成按92與95GHz之間的頻率來傳送和接收信息。
31.如權(quán)利要求24中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二收發(fā)器系統(tǒng)中的一個收發(fā)器系統(tǒng)被配置成按大約71.8+/-0.63GHz的范圍內(nèi)的頻率來傳送信息，并按大約73.8+/-0.63GHz的范圍內(nèi)的頻率來接收信息。
32.如權(quán)利要求24中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二收發(fā)器系統(tǒng)中的一個收發(fā)器系統(tǒng)被配置成按大約92.3～93.2GHz的范圍內(nèi)的頻率來傳送信息，并按大約94.1～95.0GHz的范圍內(nèi)的頻率來接收信息。
33.如權(quán)利要求24中的系統(tǒng)，特征在于，進一步包括后備收發(fā)器系統(tǒng)，它被配置成如果發(fā)生反常的天氣條件，則在所述第一地點與第二地點之間提供信息的連續(xù)傳輸。
34.如權(quán)利要求34中的系統(tǒng)，其特征在于，所述后備收發(fā)器系統(tǒng)是微波系統(tǒng)。
35.該點對點通信系統(tǒng)，其特征在于包括A)位于第一地點的第一收發(fā)器系統(tǒng)，用于通過大氣將信息傳送到第二地點并從第二地點接收信息；B)位于所述第二地點的第二收發(fā)器系統(tǒng)，用于通過大氣將信息傳送到所述第一地點并從所述第一地點接收信息，C)功率控制裝置，用于根據(jù)從所述第二收發(fā)器系統(tǒng)處的接收到的信號強度中導出的信息來控制所述第一收發(fā)器系統(tǒng)處的傳輸功率，并用于根據(jù)從所述第一收發(fā)器系統(tǒng)處的接收到的信號強度中導出的信息來控制所述第二收發(fā)器系統(tǒng)處的傳輸功率。
36.如權(quán)利要求35中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二收發(fā)器系統(tǒng)中的至少一個收發(fā)器系統(tǒng)是光學系統(tǒng)或激光系統(tǒng)。
37.一種點對點通信方法，其特征在于包括以下步驟A)通過大氣將信息從位于第一地點的第一毫米波收發(fā)器系統(tǒng)傳送到第二地點處的第二毫米波收發(fā)器系統(tǒng)，B)通過大氣將信息從位于這第二地點的第二毫米波收發(fā)器系統(tǒng)傳送到這第一地點處的第一毫米波收發(fā)器系統(tǒng)，C)使用功率控制裝置，它用于根據(jù)從所述第二收發(fā)器系統(tǒng)處的接收到的信號強度中導出的信息來控制所述第一收發(fā)器系統(tǒng)處的傳輸功率，并用于根據(jù)從所述第一收發(fā)器系統(tǒng)處的接收到的信號強度中導出的信息來控制所述第二收發(fā)器系統(tǒng)處的傳輸功率。
38.如權(quán)利要求37中的方法，其特征在于，所述第一收發(fā)器系統(tǒng)被配置成按大于57GHz的頻率來傳送和接收信息。
39.如權(quán)利要求37中的方法，其特征在于，所述第一收發(fā)器系統(tǒng)被配置成按大于90GHz的頻率來傳送和接收信息。
40.如權(quán)利要求37中的方法，其特征在于，所述第一收發(fā)器系統(tǒng)被配置成按71與76GHz之間的頻率來傳送和接收信息。
41.如權(quán)利要求37中的方法，其特征在于，所述第一收發(fā)器系統(tǒng)被配置成按81與86GHz之間的頻率來傳送和接收信息。
42.如權(quán)利要求37中的方法，其特征在于，所述第一收發(fā)器系統(tǒng)被配置成按92與95GHz之間的頻率來傳送和接收信息。
43.如權(quán)利要求37中的方法，其特征在于，使用至少一個GPS單元來對準所述第一收發(fā)器或所述第二收發(fā)器。
44.如權(quán)利要求37中的方法，其特征在于，所述第一收發(fā)器和所述第二收發(fā)器中的每個收發(fā)器均包括GPS單元，每個GPS單元被用于對準。
45.如權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一收發(fā)器系統(tǒng)和所述第二收發(fā)器系統(tǒng)中的每個收發(fā)器系統(tǒng)均包括單個本機振蕩器，其中，所述本機振蕩器頻率被加以調(diào)制，以產(chǎn)生傳輸頻率，并且，所述本機振蕩器頻率與進入的信號相混頻，以產(chǎn)生中頻，其中，所述第一收發(fā)器中的該單個本機振蕩器按某個頻率進行操作，該頻率不同于所述第二收發(fā)器中的該單一本機振蕩器的頻率。
46.如權(quán)利要求45中的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一本機振蕩器的頻率和所述第二本機振蕩器的頻率定義等于所述中頻的差頻。
全文摘要
一種高數(shù)據(jù)傳輸速率通信系統(tǒng)按大于70MHz的頻率并按大約1.25Gbps或更大的數(shù)據(jù)傳輸速率來進行操作。較佳實施例包括具有共振LC電路的調(diào)制器，該共振LC電路包括一個二極管，該二極管的背偏壓表示“關(guān)閉”(即無傳送)，前偏壓表示“打開”(或傳送)。該調(diào)制器是無線毫米波通信鏈路的高性能收發(fā)器的一部分。較佳實施例提供了8英里以上的通信鏈路，它在毫米頻譜的71～76GHz部分內(nèi)進行操作，并提供1.25Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，其位出錯率小于10
文檔編號H04B10/112GK1618182SQ02827800
公開日2005年5月18日 申請日期2002年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月18日
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