專利名稱：天線分集系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及裝有控制波束方向裝置的天線分集系統，尤其涉及能夠產生天線波束方向圖范圍的天線分集電路，并涉及操作這種系統的方法。這種系統的應用包括在商業或民用環境，和諸如DECT(數字增強的無繩電信)和GSM(全球移動通信系統)的無繩與蜂窩電信系統中的無線數據鏈路。
為了便于描述，將參照一種使用一個接收機的天線分集系統描述本發明，但是應當理解因為發射和接收天線之間的互易性，本發明同樣可以應用到發射機中。
背景技術：
在諸如建筑物內之類的復雜傳播環境中，信號衰落是經常發生的，衰落是由沿不同長度傳播路徑的多個信號的互相干擾引起的。如果干擾存在，則接收信號強度可能降低到低于要求的接收電平。
在建筑物內經常存在信號傳播方向的顯著不同，導致具有可以指向良好信號同時抑制其它信號的天線的接收機將經受不太嚴重的衰落并因此享有較好的接收質量。
在建筑物中的傳播環境的變化一般非常快，例如由于在傳播路徑附近的人的移動。因此，實現對由方向性天線提供的潛在的改善，則必須能夠快速的調整，因此要求電調整。
包括多個天線的自適應天線系統是已知的。例如，公開的PCT申請WO95/33312公開了用于從利用兩個接收機的多個方向性天線中選擇的兩個天線的一種裝置。對從第一天線接收的通信信號測量第一信號質量度量，和對從第二天線接收的通信信號測量第二信號質量度量。當第一和第二信號質量度量之間的差值超過一個閾值時，接收機被連接到第三天線和測量第三信號質量度量。基于這三個度量，選擇第一和第二天線，從中接收通信信號。在這種系統中通過改變所選擇的方向性天線實現調整。但是這種公知技術具有要求至少兩個完整的接收機的缺點，這使其成本相對提高了。
僅要求一個接收機的天線分集系統的例子提供在我們的PCT申請WO97/08774(PHB34000)中，該系統設置一個具有兩個天線的收發信機和用于選擇提供最強接收信號的天線的裝置。雖然這種系統提供了某些優點，但這樣一種裝置并未試圖使用未被選上的天線，和不能選擇性地拒絕多徑信號。
發明概要本發明的一個目的是以選擇性拒絕多徑信號的方式實現天線分集。
按照本發明的第一個方面，提供一種包括至少兩個天線的天線分集系統，至少兩個天線的每個被連接到波束形成裝置，和用于控制該波束形成裝置提供至少兩個可選的預定天線波束方向圖的控制裝置。
按照本發明的第二個方面，提供一種操作包括至少兩個天線的天線分集系統的方法，至少兩個天線的每個被連接到波束形成裝置，和到用于控制波束形成裝置的控制裝置，該方法包括操作該控制裝置提供至少兩個可選預定天線波束方向圖。
本發明基于這樣一種認識，即在現有技術中不存在通過包含多個天線的天線分集裝置可以形成多種波束方向圖。每種波束方向圖是由一個或多個連接到收發信機上的天線產生的，而其余的各天線利用一個適當的阻抗予以端接。僅需要一個收發信機。
附圖簡述現在將通過例子并參照附圖描述本發明的實施例，在附圖中
圖1表示典型的戶內多徑環境；圖2是使用兩個天線的天線分集系統的示意圖；圖3是一種天線分集系統的天線方向圖；圖4是具有兩個天線的天線分集電路的實施例的圖；圖5是利用混合耦合器的天線分集系統的示意圖；圖6是利用僅用于信號質量測量的混合耦合器的天線分集系統的示意圖；圖7是具有三個天線的天線分集系統的圖；在各附圖中相同的標號被用于表示對應的部件。
本發明的實施方式在圖1中表示了一種簡單的戶內情況。這種情況包括兩個房間100，每個房間具有帶門道104的墻102。發射機106位于一個房間和接收機108位于另一個房間。在發射機106與接收機108之間通過門道104的三個可能的信號路徑被表示為直接的第一信號路徑110；從墻102經一次反射的第二信號路徑112；和從墻102經兩次反射的第三信號路徑114。實際上將存在大量的信號路徑，從墻102具有各種次數的反射和傳輸通過墻102。由于這種反射和傳輸的結果，在接收機108的信號強度對于不同路徑將是變化的。
為了避免信號110到114之間的干擾，希望具有方向性天線裝置，該裝置選擇性地接收來自一個特定方向的信號。另外，希望能夠調整方向性天線裝置。例如，如果將天線瞄準接收直接信號110和該信號被阻擋(例如，某人在走到信號路徑110中)，則天線可能被調整接收可替代的信號112、114。
圖2是包括第一和第二天線202、212的天線分集系統200的示意圖。這些天線最好是基本上全方向的，和可以是任何常規形式的，例如單偶極子、雙偶極子、或微帶片。天線202、212可以是相同或不同類型的。第一天線202被連接到第一開關204。在通狀態下，開關204選擇來自天線202的信號經第一接點206和公共連接點222到接收機(Rx)224。在斷狀態下，開關204經第二接點208提供終端210到天線210。終端210被選擇為反射終端，無功率吸收，和因此將具有基本上電抗型的阻抗。類似，第二天線212被連接到第二開關214，從這里或者經第一接點216連接到公共連接點222或者經接點218到終端220。
提供信號質量測量裝置(SQM)226以進行衰落或者接收信號的其它問題的檢測。在所述裝置的實施中可以使用任何方便的方法，例如所接收無線電信號強度或誤碼率的檢測。提供控制器228(CON)以響應于來自接收機224和信號質量測量裝置226的信息設置開關204、214的狀態。
如果兩個開關204、214都在通的狀態，和如果從天線202、212到公共點222有相等的電長度，則輻射圖將在邊射方向上顯示最大響應，各天線形成一個兩振子的邊射天線陣。
如果第一開關204為通狀態，連接天線202到公共連接點222，而第二開關214為斷狀態，呈現一個反射終端220到第二天線212，則該天線可用作端射雙振子天線陣。為通狀態的第一天線202是該天線陣的饋電振子，而取決于反射終端220的相位，第二天線212用作引向器或反射器。如果兩個天線202、212之間的距離被選擇為大于在感興趣的頻率(中心頻率)上的半波長，則可以產生端射配置，對于四分之一的距離有最佳的效果。端射配置沿該天線陣的軸向具有全向方向圖。最大增益的方向取決于反射終端220的相位。如果終端220具有正的阻抗，這使得第二天線212作為一個反射器，這一般是理想的安排。
倒換第一和第二開關204、214，則倒換第一和第二天線202、212的作用，也顛倒了最大增益的方向。
第一和第二開關204、214的這三種組合(通-通、通-斷和斷-通)允許天線202、212能在雙端射和一邊射天線陣配置中工作。
對于n單元線性天線陣的天線方向圖的一般表示為e＝sin nu/sin u其中e是天線陣增益，歸一化為單位最大增益，n是天線單元數，和u是由下式給出的u＝(dcosφ+a)/2其中d是單元間距(按波長)，a是在感興趣的頻率(或中心頻率)上的各單元之間的相移，和φ是相對于該天線陣的軸向順時針測量的角度。對于邊射天線陣方向圖a＝0，而對于端射天線陣方向圖a＝±π/2。
在天線陣中兩個天線的組合與其它或者單一天線或者簡單天線空間分集(其中選擇提供最強信號的天線)相比較在天線增益中提供了3dB的改善。但是，射頻電路并不比實施天線空間分集所要求的那么復雜，由于沒有要求使天線波束進行調整的附加相移元件。
圖3A到3C表示對于兩個天線由1/3波長分開的裝置的通過開關204、214的三種組合產生的天線諧振方向圖的極座標圖。所有的圖中天線陣的軸是沿X軸的，即在紙面上從左到右，對于第一個天線202在左邊和第二個天線在右邊。圖3A表示當開關204、214都通的方向圖，這是x軸對稱的邊射方向圖。圖3B表示當第一開關204通和第二開關214斷的方向圖，這是最大增益在負x方向的端射方向圖。最后，圖3C表示當第一開關204斷和第二開關214通的圖，這是最大增益在正x方向的端射方向圖。
在整個角度范圍內各天線方向圖之間的增益差是相當明顯的，這將影響對衰落性能上的改善。一種調整波束的有效策略是驅動電路每次移動最大增益方向90°，使得從左邊端射到邊射，再到右邊端射，一此類推。這種特性通過4狀態電路可以獲得，該4狀態電路從通-斷到通-通再到斷通，周期性地轉換開關204、214的狀態。在衰落的檢測中，該4狀態電路可以被轉換到其下一個狀態。
可以利用一種RF開關的變形。開關最好具有至少15dB的通斷比，和通狀態的損耗最好很低。當開關關斷時，應當是反射的，即應當或短路或開路，或者具有小的或無電阻部分的任何值的電抗。為了使第二天線作為反射器，通過天線與開關之間的適當網絡(例如一段長度的傳輸線)實現適當的終端相位。
適當的開關包括PIN二極管和GaAs FET開關。轉換低噪聲FET放大器的柵偏置構成用于此目的的良好RF開關。當FET被偏置斷時，由FET產生的固有阻抗失配，形成反射阻抗。對于實際實施而言，表示在圖2的理想的雙向開關204、214是不現有的。
某些應用可能要求全向輻射方向圖，這種方向圖是不能由如圖3所示的上述開關裝置實現的。但是，對上述描述的裝置作稍許改進，這樣的輻射方向圖是可能的。在這個經修改的電路中，第二開關214具有第三開關位置，在該位置第二天線212被不受影響地附加調諧。當第二開關214在這個第三位置和第一開關204在其第一位置時，第一天線202被連接到接收機。在這種組態下，天線方向圖是只有第一天線202的簡單的方向圖，這種方向圖最好被選擇是無方向性的。
按照本發明的基于在我們的PCT申請WO97/08774天線分集電路被表示在圖4。該系統包括襯底410，例如Duroid材料或者FR4玻璃纖維。在襯底410的一面設置第一加長端饋金屬偶極子412。在使用中被設計為，該偶極子被垂直放置，使得該偶極子的有效部分是具有對應基本上為感興趣頻率(或中心頻率)的1/4波長的上面部分。該加長的偶極子是利用微帶形成的。
在也利用微帶形成的襯底410的反面是接地面414和包括利用微帶的第一和第二元件416、417的第二偶極子，該第一和第二元件在從第一偶極子元件的自由端對應于基本為1/4波長的距離上被連接到接地面414和遠離接地面延伸。
第一和第二元件416、417的每個具有對應于感興趣頻率(或中心頻率)的1/4波長的長度。第一和第二元件416、417相當于第一偶極子元件的縱軸是傾斜的。在襯底的反面的元件414、416、417、426、427是利用虛線畫的。
偶極子元件412、416、417形成第一印制天線。第二印制天線是具有偶極子元件422、426和427的相同類型的。各天線被布局在襯底410上，使得偶極子元件412、422通過對應于感興趣頻率(或中心頻率)的1/3波長的距離分開。這兩個偶極子元件的饋電線是與偶極子相同寬度的和包括50Ω線。公共饋電點222被基本上設置在這個線的中點。第一和第二元件416、417和第二偶極子的426、427是在襯底410的反面。PIN二極管434、436在遠離它們的主輻射區的位置被連接到第一偶極子元件412、422的饋電線上。這些PIN二極管還被連接到各自的包含電容短線442、444低通濾波器438、440，這些短線被連接到終端446。
在使用中公共饋電端222被連接到射頻接收機224的輸入端，和提供一個控制器228，設置PIN二極管434、436的電源。當由信號質量測量裝置226檢測到衰落時，控制器228按要求改變PIN二極管的狀態，產生下一個天線的方向圖，例如如上所述的4狀態電路起作用。
對如圖4所示的具有5.8GHz的天線分集電路的實際實施的測量，給出基本上與上述詳細理論計算符合的天線方向圖的結果。
在圖5中表示出天線分集系統的另外一個實施例的示意圖，其中兩個輻射方向圖是同時可以利用的。在這個實施例中，第一和第二天線202、212不直接連接到開關204、214，而代之以分別連接到90°混合耦合器(HC)502的第一和第二輸入端503、505。使用在DECT系統中的一種合適的混合耦合器的例子是Mutata LDC30B030GC1900，這種耦合器足夠小，以安裝到任何手機中和具有小于1dB的損耗。
來自混合耦合器502的第一輸出信號504提供第一波束信號，當第二天線212具有反射終端時，由于由混合耦合器502施加的90°相移，該信號將是從第一天線202獲得的信號相同的。來自混合耦合器502的第二輸出信號504提供第二波束信號，當第一天線202具有反射終端時，該信號將是從第二天線212獲得的信號相同的。因此，如果天線202、212是無方向性的和由1/3波長的距離分開，對于輸出504、506的天線響應方向圖被表示在圖3B和3C。利用不同的天線間距和具有不同于90°相移的耦合器可能產生不同的響應方向圖。
兩個方向耦合器(DC)508能夠取樣每個輸出信號504、506，將被記錄下來由信號質量比較器(SQC)510利用。比較器510可以例如包括測量每個信號的接收無線電信號強度，或者某些其它適合的諸如誤碼率之類的質量參數的電路。
如果要求的方向耦合器508可能被開關替代。這種替代性的實現具有當接收機224正在接收信號時，比較器510不能比較信號質量的缺點，但是避免使用方向耦合器在某些應用方面可能是可取的。
包括如上所述的開關204、214的與圖2的相同的轉換裝置可以被用于選擇來自方向耦合器508的一個輸出，用于連接到公共連接點222和接收機224。控制器(CON)512響應于來自接收機224和信號質量比較器510的信息設置開關204、214的狀態。與圖2的裝置的不同是每次僅開關204、214中的一個可以是通，和不利用的波束必須在匹配負載514(即50Ω)端接，以便混合耦合器502的正確工作。
轉換的實施例(圖2的)和混合耦合器的實施例(圖5的)兩者特別適合使用在諸如DECT之類的時分多址(TDMA)系統中，其中信號被按時間幀發射，每個幀包括前序部分和數據部分。在這樣的系統中，信號質量的測量或比較可以在一個幀的前序部分的接收期間被執行，對于數據部分的接收，能使最佳波束方向圖將被選擇。
這種實施例通過降低信號測量與分集轉換的實現之間的時間延遲還允許在高速下使用。這保證了在每幀的基礎上轉換的執行，避免了試圖確定接收信號的暫時衰落特性的需要。
另外的優點是兩個波束的方向性降低了在接收信號中的延遲，因此降低了碼間干擾和使得可能實現較高的數據速率。
轉換和混合耦合器實施例的兩者還適合用于發射，在這種情況下接收機224由收發信機替代。用于接收的最后選擇的波束可能被用于發射，采用在時分雙工系統中的對稱發射信道的優點。所發射的信號比簡單無方向性天線將具有3dB方向增益的好處，因此使得加大覆蓋。
在頻分雙工系統中，取決于上行鏈路和下行鏈路發射的頻率差和無線傳播環境的其他特性，發射信道可能不是對稱的。因此在某些情況下可能比較簡單地使用全向波束方向圖用于發射。
圖5的混合耦合器實施例的優點是在接收期間3dB功率被耗散在混合耦合器502的不利用的輸出端的負載514上。但是，其性能不差于利用單一無方向天線，因為3dB的每個波束的方向性增益。
圖6表示第二混合耦合器實施例，該實施例減輕了這個問題。該實施例類似于圖5的，但是代之以天線202、212直接被連接到混合耦合器502的各自輸入端503、505，它們被連接到開關602、604。為了取樣和比較接收的信號，開關602、604連接天線202、212到混合耦合器502的輸入端503、505，其輸出端被直接連接到信號質量比較器510。
對于正常接收和發射，各開關連接天線202、212到直接連接到開關204、214的端子606、608，旁路了混合耦合器502。其余的電路操作是與如圖2所示的轉換實施例相同的，僅利用收發信機(Tx/Rx)610替代接收機224。當連接到混合耦合器502的各自輸出端504、506時，開關204、214的設置是由比較器510作出的測量確定的。
如果需要對來自不同波束的接收信號質量進行連續的比較，開關602、604可以由方向耦合器508替代。
按照本發明的方法還可以被應用到具有多于兩個天線的天線分集系統。例如，詳細描述在圖3A的邊射天線方向圖的兩個天線裝置的一個問題是相對于該陣列軸對稱的。圖7是克服這種限制的一種可能三天線安排的平面圖。該安排包括第一天線202和由在感興趣的頻率(或中心頻率)上的半波長的最大距離分開的第二天線212，以及在第一和第二天線202、212之間但由在感興趣的頻率(或中心頻率)上的半波長的最大距離分開的第三天線702。
這種安排含兩個天線陣的在A和B方向上端射的能力，而同時增加在方向C和D上產生天線方向圖的能力。
雖然該天線分集系統已經相對于利用一個接收機的情況進行了描述，但是顯而易見可能等效地被用于發射機。例如，在諸如DECT或GSM之類的雙向無繩通信系統，在手機中對來自基站接收為最佳的天線波束方向圖，由于互易原理對從手機到基站發射信號來說也是最佳的。
從閱讀本說明書的公開的內容，對于本專業的技術人員來說其它的修改也將是顯而易見的。這些修改可以包括在天線分集系統業已公知的其它的特征和操作這種系統的方法，和這些特征可以被用于替代或附加已然描述在本說明書中的各個特征。
在本說明書和權利要求書中的在某元件之前的“一個”的詞并不排除多個這樣的元件。另外，“包括”的詞也不排除并非這里所列的其它元件的存在。
工業實用性本發明具有廣泛的工業應用范圍，例如，包括無線數據鏈路和諸如DECT和GSM之類的無繩和蜂窩電信系統。
權利要求
1.一種包括至少兩個天線的天線分集系統，該至少兩個天線的每個被連接到波束形成裝置，和用于控制波束形成裝置提供至少兩個可替代的預定天線波束方向圖的控制裝置。
2.按照權利要求1所要求的天線分集系統，其特征在于該系統還包括確定接收的信號質量的信號質量測量裝置，和在于響應于來自信號質量測量裝置的輸出，控制裝置控制波束形成裝置提供天線波束方向圖，以便改善接收或發射信號特性。
3.按照權利要求1或2所要求的天線分集系統，其特征在于波束形成裝置包括混合耦合器。
4.按照權利要求1或2所要求的天線分集系統，其特征在于波束形成裝置包括連接到每個天線的相應的開關裝置。
5.按照權利要求4所要求的天線分集系統，其特征在于每個開關裝置具有一個通狀態，該通狀態是其相應的天線被連接到一個公共連接點，和一個斷狀態，該斷狀態開關提供一個適當的終端到天線。
6.按照權利要求4或5所要求的天線分集系統，其特征在于由控制裝置提供的每個狀態是一個或多個開關裝置處于通和其余的處于斷。
7.按照權利要求4-6任何一個所要求的天線分集系統，其特征在于每個開關裝置具有至少15dB的通斷比，在通的狀態具有低的損耗，和在斷的狀態提供基本上反射的終端到其相應的天線。
8.按照權利要求4-7任何一個所要求的天線分集系統，其特征在于該開關裝置是半導體開關裝置。
9.一種操作包括至少兩個天線的天線分集系統的方法，該至少兩個天線被連接到波束形成裝置，和用于控制波束形成裝置的控制裝置，該方法包括操作控制裝置提供至少兩個可替代的預定天線波束方向圖。
10.按照權利要求9所要求的操作天線分集系統的方法，其特征在于該系統還包括信號確定接收信號質量的信號質量測量裝置，和在于該方法還包括響應于來自信號質量測量裝置的輸出操作該控制裝置，提供一個改善接收或發射信號特性的天線波束方向圖。
全文摘要
一種天線分集系統包括至少兩個天線(202、212)。在第一實施例中,借助于各自的開關(204、214)經由一個公共點(222)每個天線被連接到接收機(224),該開關在通狀態下在天線與接收機之間提供低阻抗連接,和在斷狀態下提供基本上為電抗負載(210、220)到天線(202、212)。對于斷狀態適當阻抗的選擇,取決于開關(204、214)的狀態,負載能使天線(202、212)作為天線陣起到具有改變波束方向圖的作用。通過循環開關狀態的一個序列調整天線波束,提供改善的克服衰落和多徑影響。在第二實施例中,各天線被連接到一個混合耦合器,它能使兩個波束方向圖同時可以被信號質量測量和比較利用。
文檔編號H04B7/10GK1266563SQ99800541
公開日2000年9月13日 申請日期1999年4月1日 優先權日1998年4月22日
發明者D·H·埃范斯, K·R·波伊勒, R·J·卡德維爾 申請人:皇家菲利浦電子有限公司