CN100399718C

CN100399718C - 高数据传输速率无线通信系统

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Publication number: CN100399718C
Application number: CNB028278003A
Authority: CN
Inventors: J·劳弗伯格; R·切德斯特; P·约翰逊; L·斯劳特
Original assignee: Trex Enterprises Corp
Current assignee: Trex Enterprises Corp
Priority date: 2001-12-18
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2022-12-18
Also published as: CN1618182A; EP1456964A2; AU2002357339A1; EP1456964A4; EP1456964B1; WO2003052994A2; AU2002357339A8; WO2003052994A3

Abstract

一种高数据传输速率通信系统按大于70GHz的频率并按大约1.25Gbps或更大的数据传输速率来进行操作。较佳实施例包括具有共振LC电路的调制器，该共振LC电路包括一个二极管，该二极管的背偏压表示“关闭”，即无传送，前偏压表示“打开”或传送。该调制器是无线毫米波通信链路的高性能收发器的一部分。较佳实施例提供了8英里以上的通信链路，它在毫米频谱的71～76GHz部分内进行操作，并提供1.25Gbps的数据传输速率，其位出错率小于10^-12。第一收发器按第一带宽来传送，并按第二带宽来接收，这两个带宽均在以上的频谱范围内。第二收发器按第二带宽来传送，并按第一带宽来接收。这些收发器装备有天线，这些天线提供足够小的波束发散，以确保这些数据信道的有效的空间和方向划分，以便几乎无限数量的收发器将能够同时使用相同的频谱。在较佳实施例中，这第一和第二频谱范围是71.8+/-0.63GHz和73.8+/-0.63GHz，半功率波束宽度大约是0.2度或更小。较佳的是，提供了备用收发器集，在天气条件非常恶劣的情况下，该备用收发器集将会接管该链路。在对于移动应用而言尤其有用的其他实施例中，这些收发器中的至少一个收发器包括GPS定位器。

Description

高数据传输速率无线通信系统

本发明涉及通信系统，明确地说，涉及高数据传输速率无线通信系统。

发明背景

无线通信

点对点和点对多个点

使用电磁频谱的各个部分的无线通信链路众所周知。至少在所传送的数据方面的大多数这种无线通信是单向的--点对多个点，它包括商业无线电广播和电视。但是，有许多点对点无线通信的例子。最近变得十分流行的移动电话系统是低数据传输速率的点对点通信的例子。电话系统中继线路上的微波发送器是原先技术的、按高得多的数据传输速率的点对点无线通信的另一个例子。原先技术包括采用红外线和可见波长的点对点激光通信的一些例子。

对于高数据传输速率信息传输的需求

对于更快的信息传输的需求正在迅速增长。如今并预测到将来，信息传输是数字化的，并且仍将是数字化的--其容量按位/秒来加以测量。为了传送典型的电话交谈，在数位上要利用大约5,000位/秒(5Kbits/秒)。与因特网连接的典型的个人计算机调制解调器按(例如)56Kbits/秒来进行操作。通过使用mp3技术，可以按64Kbits/秒的数字数据传输速率来对音乐进行实时的、点对点优质传送。可以按大约5百万位/秒(5Mbits/秒)的数据传输速率来实时地传送视频。广播的优质视频通常采用45或90Mbps。提供点对点通信服务的公司(例如，电话和电报公司)建立中继线路，以用作关于其点对点客户的通信链路的各个部分。这些中继线路通常使用多路复用技术来同时传送成百上千或成千上万个消息。这样，大容量的中继线路必须能够在吉比特(十亿个位--Gbits/秒)范围内进行传送。大多数现代的中继线路利用光纤线路。典型的光纤线路每秒可以传送大约2～10Gbits，并且，许多独立的光纤可以被包括在中继线路中，从而使光纤中继线路可以设计并构造成传送实际上无限量的所需的任何数量的信息。但是，光纤中继线路的建造费用昂贵(有时非常昂贵)，并且这些线路的设计与建造经常会花费许多个月的时间，尤其是如果该路由越过了私人财产或产生环境上的争议时。来自考虑中的特定中继线路的那些潜在用户的预期收入常常无法证明该光纤中继线路的成本是值得的。数字微波通信自从二十世纪70年代中期以来一直是可供使用的。18-23GHz射频频谱内的服务被称作“短程微波”，它提供在2与7英里之间进行操作的点对点服务，并支持4～8个T1链路(每个链路按1.544Mbps)。最近，据报道，在11～38GHz波段内的微波系统操作已被设计而成，用于使用高阶调制方案来按高达155 Mbps(它是被称作“OC-3标准”的标准传输频率)的速率进行传送。

数据传输速率对频率

通常，带宽有效调制方案允许按频谱范围(包括无线电波长到微波波长)内的可用带宽的1～10个位/Hz的速率来进行数据传输。这样，1至数十个Gbps的数据传输要求将为传输而需要成百上千个MHz的可用带宽。无线电通信、电视、电话、紧急情况服务、军事服务与其他服务之间的该频谱的合理共享通常将特定的频带分配限制到大约10％的分级带宽(即等于大约10％的中心频率的频率范围)。AM无线电通信的大分级带宽(例如，550～1650GHz)是一个异例；在20％的分级带宽处，与更新近的频率分配(很少超过10％的分级带宽)相比，FM无线电通信也是非典型的。

对于高性能调制器的需求

随着数据传输速率的提高，对于无线发送器中所使用的调制器的性能的要求也增加了。原先技术的调制方法不足以同时满足对高数据传输速率和适度的高功率输出这两个要求。

可靠性要求

无线数据传输所要求的可靠性通常非常高，这与包括光纤的硬连线链路所要求的可靠性相一致。关于出错率的典型规格小于“100亿中的一个位”(10^-10位出错率)以及99.999％的链路可用性(每年5分钟的故障时间)。这需要全天候的链路可操作性--在有雾和雪的时候，以及在降雨率达到100mm/小时的许多地区。

天气条件

结合以上的可用性要求，天气有关的衰减限制了采用比这些很长的无线电波短的所有波长的无线数据传输的有用范围。(见图16。)对于光链路(例如，激光通信链路)，在大暴风雨内的典型范围是100米，而对微波链路则为10,000米。

电磁辐射的大气衰减通常随着该微波和毫米波波段内的频率增加。但是，氧气分子和水汽分子的循环转变的激励优先引起差不多60～118GHz(氧气)和差不多23～183GHz(水汽)波段内的辐射的吸收。通过大角度的散射，雨致衰减随着频率从3到差不多200GHz的增长而单调地增加。在更高的毫米波频率处(即，与10毫米至1毫米的波长相对应的30GHz至300GHz)(那里的可用带宽最大)，十分恶劣的天气中的雨致衰减将可靠的无线链路性能限制到1英里或更短的距离。在接近于和低于10GHz的微波频率处，即使在大雨中，也可以非常可靠地实现到10英里的链路距离，但该可用带宽小得多。

需要能够有效率地使用可用毫米波频谱的高数据传输速率无线通信链路。

发明概述

本发明提供了一种高数据传输速率通信系统，该通信系统按大于70GHz的频率并按大约1.25Gbps或更大的数据传输速率来进行操作。较佳实施例包括具有共振LC电路的调制器，该共振LC电路包括一个二极管，该二极管背偏压表示“关闭”(即，无传送)，前偏压表示“打开”(或传送)。该调制器是无线的毫米波通信链路的高性能收发器的一部分。较佳实施例提供了在毫米频谱的71～76GHz部分内进行操作的、不止8英里的通信链路，并且为1.25Gbps的数据传输速率提供了小于10^-10的位出错率。第一收发器按第一带宽来进行传送，并按第二带宽来进行接收，这两个带宽都在以上的频谱范围内。第二收发器按该第二带宽来进行传送，并按该第一带宽来进行接收。这些收发器装备有天线，这些天线提供足够小的束发散，以确保这些数据信道的有效的空间划分和方向划分，以便几乎无限数量的收发器将能够同时使用相同的频谱。在较佳实施例中，第一和第二频谱范围是71.8+/-0.63GHz和73.8+/-0.63GHz，半功率波束带宽大约是0.2度或更小。较佳的是，提供备用收发器集，如果发生十分恶劣的天气条件，该收发器集将会接管该链路。在其他实施例中，对于移动应用而言尤其有用的是，这些收发器中的至少一个收发器包括GPS定位器。

附图简述

图1是一种全双工毫米波链路示意图。

图2A是框图，表现了按毫米波频率来进行操作的1.25Gbps发送器。

图2B是框图，表现了按毫米波频率来进行操作的1.25Gbps接收器。

图3A和3B表现了按71.8-73.8GHz频率来进行操作的1.25Gbps数字无线电通信的频谱平面图。

图4A和4B是来自采用60dB信号衰减和1.25Gbps数据传输速率的毫米波接收器的被测量的输出电压(可见图形)。

图5是框图，表现了单独的发送和接收天线配置的布局。

图6是框图，表现了单一天线配置毫米波收发器的布局。

图7显示了用于原型展示的、在41小时时期内的路径损耗。

图8A和B表现了原先技术的调制器的特点。

图9A和B以及图10A和B表现了使用二极管来构造高频RF通信系统的一种尝试的各种结果，该二极管的后偏压表示“打开”，前偏压表示“关闭”。

图11A和B以及图12A和B表现了本发明的较佳实施例，该较佳实施例包括调谐短截线，以产生共振LC电路，从而提供高频RF调制--其中，二极管的后偏压表示“关闭”(即，无传送)，前偏压表示“打开”(或传送)。

图13A和B描绘了两个数据链路，这两个数据链路在非干扰的基础上(13A)和在可能存在干扰的情况中(13B)进行操作。

图14表现了数据链路的框图--其中，在该链路的每个末端处使用以太网交换器，以便将无线电CPU数据与其他外部用户数据组合起来，并利用其他外部用户数据来提取无线电CPU数据。

图15表现了无线电通信的框图--其中，使用以太网交换器来组合来自正在该链路上被传递的该数据流的数据，并从正在该链路上被传递的该数据流中提取数据。

图16表现了各种级别的相对湿度处的大气衰减，作为关于毫米波频率的频率函数。

图17表现了该毫米波收发器的各个部件。

图18A和B表现了该I/O电路板70。

图19A和B表现了信号调节与时钟恢复电路板71。

图20表现了一种毫米波通信收发器的框图。

图21A和B表现了该IF电路板80。

图22A、B和C表现了喇叭天线51的细节。

图23表现了带通滤波器11、14和19的细节。

图24表现了二极管调制器15的细节。

图25表现了耿氏振荡器8和17的细节。

图26A和B表现了混频器7的细节。

图27A和B表现了低噪声放大器10的细节。

较佳实施例的详细说明

对于高数据传输速率收发器的需求

无线通信链路的价值取决于许多因素(包括它可以在其上可靠地进行操作的距离)。关于通信链路的硬件集的可操作范围越长远，其潜在的经济价值就越大。虽然可以将同一硬件应用于短程的情况(对应于减少的经济价值)，但当该硬件被应用于更远程的情况时，可以实现更高的经济价值。比较而言，要安装在大城市的环境中，光纤通常的花费是每一英里$500,000或更多。这样，关于要求大量带宽(与双扭铜线和低频无线电的性能相比较很大)、但没有大到要求超过大约1吉比特/秒的情况，本发明具有可以接近该光纤成本的经济价值。这样，如果近似1吉比特/秒的无线链路可以在5英里距离上进行操作，则它可以接近相当于大约250万美元的有竞争力的价值；如果它可以在10英里距离上进行操作，则它可以接近相当于大约500万美元的有竞争力的价值。因此，从经济上讲，较长距离是十分合意的。

根据在(大约10英里(16km)的)长距离上提供高数据传输速率链路(例如，1.25Gbs)的目标，就可以计算在这种长距离上自然发生的信号损失的数量。假设：在两端使用1.2米(4英尺)直径天线，在具有85％的相对湿度、温度为25摄氏度的海平面处以大约73GHz进行操作；这意味着关于10英里(16km)链路的60dB的信号损失。

原型展示

通过参考图1～7，来描述对于本发明有用的一种毫米波发送器和接收器的原型展示。利用这个实施例，本“申请者”已展示了按1.25Gbps的、在71～76GHz范围内的数字数据传输，其位出错率在10^-12以下。

收发器系统

图1表现了如何通过在每个站址处使用毫米波收发器来实现“站A”与“站B”之间的全双工无线数据链路。该收发器硬件包括毫米波发送器和接收器对(包括一对毫米波天线)。毫米波发送器信号是用高速二极管开关调幅的。接收器包括毫米波下变频器，该毫米波下变频器将所接收的信号频谱从71.8-73.8GHz频率转换为2.0±0.625GHz中频(IF)范围。它也包括自动增益控制电路(AGC)、检测器和数据/时钟恢复电路，以提取由发送器发送的基带数字数据。

被用来支持全双工无线链路的毫米波硬件包括并行地进行操作的两个发送器-接收器对。“站A”处的该发送器按73.8GHz中心频率来进行传送，“站B”处的接收器使用71.8GHz的本机振荡器，将进来的无线电信号下变频为中心于2GHz的中频(IF)。“站B”处的发送器按71.8GHz的中心频率来进行传送，一个73.8GHz本机振荡器被用于“站A”处的接收器。在这两种情况中，该IF频率仍然保持居中于相同的2GHz频率。每个收发器为发送器电路和接收器电路使用单个毫米波本机振荡器，但如图3A和3B所示，“站A”和“站B”中所使用的频率有2GHz的差异。

毫米波链路配置

图1中表现了站A与站B之间的全双工无线链路的示意图。在一较佳实施例中，使用标号为201和202的两个毫米波收发器(每个站1个收发器)来建立该链路。站A处的收发器包括发送器205和接收器210，该发送器和接收器分别被连接到抛物面碟形天线215和抛物面碟形天线220。站A处的该收发器连在坚固的支撑结构230上。站B的硬件配置类似于站A的硬件配置。站B处的收发器包括发送器250和接收器255，该发送器和接收器被分别连接到抛物面碟形天线270和抛物面碟形天线265。站B处的该收发器连在坚固的支撑结构280上。从“站A”传送到“站B”的毫米波信号具有73.8GHz的中心频率，从“站B”传送到“站A”的信号中心在71.8GHz。在相反方向上被传送的这些信号具有彼此垂直的极化，以进一步减少串话干扰。

毫米波发送器和接收器

一单向数字无线链路由位于“站A”的毫米波发送器和位于“站B”的接收器来支持。图2A表现了该发送器的框图。图2B展示了该接收器的框图。在该发送器中，利用在73.8GHz进行共振的谐振腔调谐耿氏二极管本机振荡器(LO)1(例如，可用来自美国加州的Santa Barbara的Spacek Labs公司的ModelGE-738)，来生成传输功率。来自LO 1的功率是由一快速二极管开关调制器2调幅的。该调制器允许至少15dB的调制深度，对该调制深度进行调整，以优化链路性能。被置于调制器2与LO 1之间的隔离器3(例如，可用来自美国加州的Chino的MRI公司的Model WJE-WI)防止开关调制器2所反射的功率进入并影响LO 1。该二极管开关调制器2按根据吉比特以太网标准(80232由“IEEE标准协会”提出)的1.25吉比特/秒的数据传输速率由开关驱动器4来加以控制。该调制信号被引入光纤5，并在光学收发器6(例如，工作在850nm光波长的Finisar Model FTRJ-8519-1)中被转换成电信号。使用波导带通滤波器7(例如，中隔或E平面波导滤波器)，在73与74.6GHz之间的1.6GHz宽通频带中过滤该调幅毫米波信号。部件2、3、4和7被包装在毫米波模块8中。为该模块和每个部件提供散热片，以减少其特征的温度漂移。该毫米波信号从波导滤波器7传播到卡塞格仑碟形天线215，在那里，它被垂直极化地辐射到自由空间中。

如图2B所示的站B处的该接收器利用卡塞格仑天线265(例如，可用来自Millitech的Model CRA-R48G)来收集进来的垂直极化的毫米波功率，并将其引入与毫米波接收器模块12相连接的波导器11。在该接收器的前端是20dB增益低噪声放大器13。在放大之后，该信号被传递到波导带通滤波器14，该波导带通滤波器拒绝73-74.6GHz频带以外的信号。然后，使用混频器15(例如，可用来自CA的Santa Barbara的Spacek Labs公司的Model M74-2)和按71.8GHz频率工作的本机耿氏振荡器16(例如，可用来自CA的Santa Barbara的Spacek Labs公司的模型Model GE-718)，将这个被过滤的信号向下变频为2±0.625GHz中频带。最后得到的中频(IF)信号35被转换成IF电路33中的基带信号37。在IF电路33中，中频信号35由放大器17(例如，可用纽约的布鲁克林的MiniCirciuts的Model ERA-1)来放大，并由具有1.2与2.8GHz之间的通频带的微带带通滤波器18来加以过滤。滤波器18具有在其通频带内的小于100ps延迟时间变化的平组(flat group)延迟响应，以便将该被传送的数字信号中的时间抖动减到最小。该信号的一小部分用耦合器20(例如，可用来自纽约的布鲁克林的MiniCirciuts的Model D18P)被摘离微带线18，并且出于监控信号功率的目的，而被检测器21(例如，可用来自CA的圣何塞的Herotek公司的Model DTM180)转换成低频电压。剩余的信号被指引到自动增益控制电路(AGC)22(例如，可用来自MA的Chelmsford的Hittite公司的Model HMC346MS8G)，自动增益控制电路(AGC)22保持对于30dB那么大的输入功率变化的稳定的功率输出。用于AGC 22的信号电平反馈38由耦合器23来提供。放大器24使信号功率达到检测器25正确工作所要求的电平。要求自定义微波检测器电路提供700MHz的视频带宽。最后得到的被检测的信号的基带分量通过低通滤波器(通频带DC-1000MHz)27(例如，可用来自纽约的布鲁克林的MiniCircuits的Model SCLF-1000)而与高频分量分离，并在放大器28中被放大到适合进一步处理的电平。被过滤的基带信号37进入时钟与数据恢复电路29(例如，可用来自CA的Camarillo的Vitesse Semiconductor公司的Model VSC8122)，用于调节。数据恢复电路29的数据输出与光学收发器30(例如，可用来自CA的Sunnyvale的Finisar公司的Model FTRJ-8519)连接，光学收发器30将这些电压信号转换成光学数据信号，这些光学数据信号通过光缆31传送。出于电路测试的目的而提供时钟/数据恢复电路的时钟输出32。

图3A和3B展示了从“发送器A”处的基带输入到“接收器B”处的基带输出的信号频谱变换。按1.25Gbps的数据传输速率，该基带信号频谱占据从近似120MHz到近似630MHz(0.63GHz)的频带70。利用一滤波器将信号频谱限于这个频带，包括交替的高、低电压电平的该1.25Gbps数据传输速率将对应于一625MHz频率的正弦信号。站A处的发送器的输出频谱71包括位于73.8GHz的中心载波72，以及反映出相对于该中心载波的该基带信号的两个侧频带73。通过改变调制器2中的该信号的调制深度，可以调整相对于这两侧频带的强度的该中心载波的强度。这个被传送的信号的带宽由具有被示作74的特征的波导带通滤波器7来加以限制。当来自发送器A的信号到达接收器B时，其频谱形状75保持类似于被传送的信号71的频谱形状。在由低噪声放大器13进行放大之后，大部分白色热噪声被接收器带通滤波器14(其特征被示作76)从该频谱中除去。在71.8GHz的该接收器的本机振荡器信号被示作77。在毫米波混频器15中，具有频谱75的所接收的信号和具有频谱77的本机振荡器相互作用，以产生中频频谱78。中频频谱78是被转变成低频的频谱75的复制品。中频频谱78中心在2GHz，并且用滤波器18限制频带，以除去所有其他的频谱分量。一经检测，中频频谱78就被转变成基带频谱80，并且用低通滤波器27限制，以保留原来被传送的1.25Gbps数字信号中所包含的信号分量。低通滤波器27特征被示作81。

图4A和4B表现了从“发送器A”被传送的并由“接收器B”来接收的1.25Mbps伪随机码流(PRBS7)数字信号的测量的可见图形。图4A表现了：当未处理的检测信号在站A与站B之间被传播时，它被削弱60dB。尽管存在噪声，恢复的嵌入信号的位出错率(BER)为10^-10。具有较少的信号衰减(58dB)的类似的测量给出10^-12的BER结果。如图2B所示的数据/时钟恢复电路29采用该未处理的检测信号，并转换成如图4B所示的、具有低抖动的更干净的信号，而不对其BER特征产生大的影响。数据/时钟恢复电路29提供与光学联网设备相兼容的标准化输出。

使用另一个单向链路来补充以上所描述的单向链路，以创建图1中所示的全双工链路。这第二个链路中所使用的发送器和接收器配置类似于图2A和2B中所示的配置。它不同于图2A中所示的配置体现在：位于“站B”处的发送器的本机振荡器按频率71.8GHz共振，而位于“站A”处的接收器中的本机振荡器按频率73.8GHz共振，从“站B”传播到“站A”的该毫米波信号是水平极化，而不是垂直极化。精通该技术领域的人也将会理解：需要相应地调整毫米波模块8和12(包括带通滤波器、低噪声放大器和混频器)中所使用的这些毫米波组件的带通特征，以适应具有由第二链路中所使用的这些本机振荡器确定的中心频率的1.25Gbps信号。

独立天线收发器配置

在图1所示的该独立天线收发器配置中，这些接收器和收发器中的每一个均使用单独的天线，用于毫米波信号传输和接收。如图1所示，这个配置对被部署在相同地点的接收器与发送器之间的信号隔离进行最大化。图5表现了该收发器硬件布局和关于这种配置的连接。该收发器的电子组件受到密封的金属发送器外壳39和接收器外壳40的保护。抛物面发送天线41和接收天线42被连到这些外壳上，天线导臂45和46分别经由外壳39和40中的密封端口47和48而连接到毫米波发送器模块43和接收器模块44。由外部的+12伏特电源56来提供到该收发器的电功率。毫米波发送器模块43和提供关于该发送器的调制输入的光板50被包装在发送器外壳39内。光板50将被进入光纤53的光信号转换成电压信号。

毫米波接收器模块44、中频板51、时钟/数据恢复电路板52和光学电路板57被置于接收器外壳40内。由IF板51检测到的中频信号在时钟恢复板52中被加以调节，然后由光学电路板57传送入光纤58。连到这些外壳上的密封连接器提供来自/去往在外部连接的光纤53和光纤58、功率检测器输出59、时钟输出54和电力电缆55的功率输入和信号输入/输出。RFI/EMI滤波器60保护接收器和发送器电路避免遇到电力电缆55中所引起的外部干扰。

单一天线收发器配置

在被称作“单一天线配置”的另一个实施例中，发送器和接收器都在每个站位置处使用共同的碟形天线。在图6中，单一天线配置的例子被示作99。在单一天线配置中，发送器和接收器的电子组件都被包装在相同的密封收发器外壳100内。接收和发送天线101具有导臂102，该导臂经由密封端口103而与该外壳内的这些毫米波组件进行通信。毫米波接收器104和发送器105模块、IF接收器106、时钟/数据恢复107以及光纤/光收发器108板类似于该单独天线收发器配置中所使用的那些设备。为了利用单一天线来发送和接收信号，收发器99包括被置于天线导臂与毫米波发送器和接收器模块之间的双工器组件109。双工器109将发送器105所生成的毫米波功率110引入该天线导臂，同时防止它进入接收器104。所接收的功率111被指引到接收器104，而不进入发送器。可以被用于双工器109的现成的组件是正交模式(orthomode)换能器(例如，由Millitech公司制造的型号OMT-12RR125)。该OMT可以在接收器端口与发送器端口之间至少提供25dB隔离。

测量的路径损耗

图7表现了关于并入本发明的该无线电收发器的通信链路的路径损耗的测量数据。该数据持续41小时的时期，并按10秒的间隔来加以采样。该链路跨越8英里(13km)的距离。图7中所展示的链路损耗的这些变化主要是由于随着时间的推移而发生的天气变化(由湿度变化控制)的缘故。

十分狭窄的波束宽度

四英寸直径的碟形天线按72GHz投射出大约0.2度的一半功率波束宽度。该完全功率波束宽度(到天线样式中的第一批零)比0.45度窄。这暗示：可以从单一发送器位置，从一排4英尺碟形天线那里，按围绕圆圈的方位角方式可投射大约800个独立的波束而不会相互干扰。在10英里的距离处，相隔400英尺的两个接收器可以从同一发送器位置接收独立的数据通道。相反，单一位置中的两个接收器可以从10英里远的两个发送器中区分出独立的数据通道，即使当这些发送器相隔400英尺那么近时，也是如此。更大的碟形天线可以被用于甚至更多的方向性。

坚固的天线支架

只具有大约0.2度的一半功率波束宽度的通信波束要求极端稳定的天线支架。原先技术的天线塔架(例如，被用于微波通信的天线塔架)通常被设计成具有大约0.6～1.1度或更大的角度稳定性。所以，本发明要求对波束方向实行更好的控制。为求良好的性能，接收天线应该始终位于被传送的波束的半功率复盖区内。在10英里处，0.2度波束的半功率复盖区大约有150英尺。在最初对准期间，应该指引该波束，以便该接收收发器天线近似地位于该半功率波束宽度复盖区的中心。关于该发送器天线的支架应该足够坚固，以便该波束方向不会有足够大的变化，以致该接收收发器天线在半功率复盖区以外。这样，在这个例子中，该发送天线的方向稳定性应该在+/-0.09度以内。

该天线的这个坚固的支架不仅确保了如所设计的这两个收发器之间的连续通信，而且确保了这些狭窄的波束宽度，坚固的天线支架减少了干扰在相同的频谱带中进行操作的任何附近的链路的可能性。

备用微波收发器对

在严峻的天气条件期间，数据传输质量将按毫米波频率而变差。所以，在本发明的较佳实施例中，提供了备用通信链路，只要检测到质量传输中有预定的急下降，该备用通信链路就会自动开始工作。较佳的后备系统是在10.7-11.7GHz频带中进行操作的微波收发器对。这个频带已经由该FCC分配，用于固定的点对点操作。FCC服务规则将该频带分成40-MHz最大带宽的各个信道，从而将关于数字传输的最大数据传输速率限制到45Mbps全双工。提供这个频带内的这个数据传输速率的收发器从诸如Western Multiplex公司(型号Lynx DS-3、Tsunami 100BaseT)和DMC Stratex Networks(型号DXR700和Altium 155)的卖主那里有现货供应。该数字无线电在FCC部分101条例下获得许可。该微波天线是24英寸直径的卡塞格伦碟形天线。在此直径处，该碟形天线的一半功率波束宽度是3.0度，该完全功率波束宽度是7.4度，所以，干扰的危险高于MMW天线。为了补偿这一点，FCC分配12个单独的发送信道和12个单独的接收信道，用于10.7-11.7GHz频带内的频谱协调。

毫米波链路故障的感测和切换到见余的微波信道是从诸如Cisco、FoundryNetworks和Juniper Networks等卖主那里有现货供应的网络路由切换硬件的现存的自动化特点。

狭窄的波束宽度天线

在毫米波频率给予的这些狭窄的天线波束宽度允许这些波长的无线电波的地理分份，这是按较低的频率所无法实现的。这个事实消除了对于频带分配(频率共享)的需求，因此，与先前按较低RF频率所实现的情况相比，允许通过大得多的带宽并(因而)按高得多的数据传输速率来进行无线通信。

制造和部署具有窄得足以确保无干扰的波束宽度的天线的能力要求机械公差、指向精度和电子波束操纵/跟踪性能，它们胜过通信天线原先技术的各种性能。在70GHz以上的频率进行的远程通信的较佳天线具有超过50dB的增益--比家庭用的直播圆盘式卫星电视天线高出100倍，比飞行器上的高分辨率天气雷达天线高出30倍。但是，在干扰不是潜在的问题的情况下，具有40～45dB的增益的天线可能是较佳的。

被用于高增益应用的大多数天线在各种几何结构之一中利用大型抛物面主收集器。该主聚焦天线将该接收器直接放置在该抛物面的焦点处。该卡塞格伦天线将中凸双曲面辅助反射器放置在该焦点的前面，以便通过主要反射器中的孔来将该焦点反射回去，从而允许将该接收器安装在该碟形天线后面。(这很方便，因为该碟形天线通常也从后面得到支撑。)该格利高里天线类似于卡塞格伦天线，除了这一点以外：该辅助镜是被放置在该抛物面的焦点后面的中凹椭圆体。偏移抛物面将该焦点从该碟形天线的中心旋转离开，用于减少孔阻塞和改进安装几何结构。卡塞格伦天线、主聚焦和偏移抛物面天线是用于该MMW通信系统的较佳碟形天线几何结构。

较佳的主要碟形反射器是传导抛物面。该碟形上的较佳表面公差对于40GHz以下的应用而言大约是1英寸的千分之十五(15密耳)，但对于按72 GHz的运用而言是接近于5密耳。典型的液压成形的铝制碟形提供15密耳的表面公差，尽管双层的层压制件(使用间隔层周围的两个铝层)可以将此改进到5密耳。卡塞格伦几何结构中的该辅助反射器是用机器制造的铝制小“棒棒糖”，它可以被毫不费力地制成1密耳公差。关于辅助反射器和接收器波导导臂的装配较佳地包括关于对天线测试范围的现场(in-situ)对准的微调调整。

平板天线

关于远程MMW通信的另一种较佳的天线是平板格子阵列天线(例如，本发明作者之一和其他发明者在2000年3月14日发行的第6,037,908号美国专利(由此，它被引用于此，用作参考)中所描述的天线)。那种天线是按横向电磁(TEM)模式来将行波传播通过该辐射孔的平面相控阵列天线。通信天线将会包括那种天线的变体，它包括平面相控阵列，但通过增加混合行波/组合馈送来消除原先技术中的该天线的频率扫描特征。与抛物面表面相比，具有5密耳表面公差的平板的制作实质上更价廉、更容易。平面格子阵列利用电路板处理技术(例如，照相平版印刷术)(这些技术本质上非常精确)，而不是利用费用昂贵的高精度机加工。

粗略定点和精细定点

定点高增益天线要求实行粗略定位和精细定位。最初，通过使用直观观测器(例如，孔观瞄准器或激光指示器)，可以实现粗略定位。在微调之前，将该天线锁定在其最后的粗略位置中。在开启该远程发送器的条件下执行精细调整。当调整和锁定(lock down)该精细定位器时，监控与该接收器连接的功率表，以获得最大功率。

在50dB以上的增益电平处，风力负荷和塔架或建筑物弯曲会引起不可接受的波束漂移电平。易坏的天线装配不仅会导致对无线客户的服务损失，而且会因疏忽而造成对其他得到许可的波束路径的干扰。为了只在特殊的“管道”内保持传输，可能要求采用某种关于电子波束操纵的方法。

调制器

原先技术的调制器

图8A和8B表现了分别处于两种不同的状态--“打开”和“关闭”的常规原先技术的RF调制器的高度简化的示意图。RF信号800A从端口802A处的左边进入传输线801A。在图8A中，被示出处于开关打开状态或“打开”状态的调制器开关803A被用来控制RF信号805A的数量，RF信号805A沿传输线801A延续并继续退出到端口804A处的右边。

图8B表现了处于开关关闭或“关闭”状态的该调制器。在这种情况下，开关803B用作传输线301B上的短路，因此导致RF功率800B朝向端口802B反射回去，并在端口804B处产生大大减少的信号。这是大多数原先技术的调制器的操作的本质。

只要将操作频率(调制速率和RF频率)保持得足够低，图8A和8B中的该常规调制器的执行就可令人满意。但是，当该调制速率或RF频率提高到大约50GHz的范围时，这些常规调制器的性能会减弱。

图9A表现了在60～120GHz的范围内操作良好的基于二极管的调制器的简化示意图。在这个实施例中，可从位美国马省的Lowell的M/A-COM获得的二极管MA 4E2038或其等效物被加以修改，用于高频通信模块中。图9B表现了关于处于背偏压的开关打开状态的这个二极管的模拟传输和反射信号。在低频，传输很高，反射很低。遗憾的是，当查看较高的频率时，这个二极管开关的性能在接近60GHz时迅速退化。在这个频率处，反射量变得可与传输量相比，因此，良好的“打开”状态的概念受到严重的损害。

如图10A和10B所示，关于该“关闭”状态，会发生类似的情况。图10A表现了图9A中的该基于二极管的调制器的简化示意图，但它处于该开关关闭或所谓的“关闭”状态。图10B表现了关于处于前偏压开关关闭状态的这个模拟二极管的对应的模拟传输和反射信号。如果只查看该低频性能，则该传输如图8B中那样很低，该反射也如图8B中那样很高。遗憾的是，当查看这些较高的频率时，这个二极管开关的性能在接近60GHz时迅速退化。在这个频率处，该传输量变得可与该反射量相比，因此，良好的“关闭”状态的看法也受到严重的损害。

本发明的高性能调制器

本发明的调制器能够执行对高频信号的高数据传输速率调制。如图11A所示，这项大大改进的性能是将调谐短截线115加入二极管MA4E2038的结果。该修改过的基于二极管的调制器可以按72GHz的范围来进行操作。图11B表现了关于处于背偏压的开关打开状态的这个模拟二极管的这些模拟传输和反射信号。在大约72GHz的频率范围内，该反射很高，该传输很低。读者应该注意，被用于这个实施例的交换约定与该常规调制器的交换约定相反。这是因为：在该“二极管关闭”状态中，调谐短截线1105、二极管电容1106和引线电感1107都组合起来，以形成共振LC电路；当被适当调谐时，该共振LC电路呈现跨越在72GHz或接近于72GHz的、点1109处的该传输线的RF短路。

图12A表现了与图11A相同的电路，除了现在处于该前偏压的二极管状态以外。在这种情况下，如图12B所示，在72GHz或接近于72GHz，被传送的信号变大，同时，被反射的信号变得相对较小。这又与利用“开-关”关系进行运作的调制器相一致，这在二极管的偏压条件方面与该常规二极管调制器的情况相反。在图12A所示的状态中，通过将前偏压应用于该二极管，已使该调谐电路“不合调”(就72 GHz传输而言)。

特别值得注意的是这个事实：图12A和图12B中的该模型假设不对传输线中的RF信号的二极管“交换”或调制起传导作用。在这种情况下，假设：由于该二极管上的轻微的前偏压(来自该调制器信号)，该二极管的电容已改变(增加因数10)。这个事实众所周知：当存在轻微的前偏压时，二极管显示结电容有大量增加(例如，见R.Ludwig和R.Bretchko所著的RF电路设计、理论和应用的第287页，Prentice Hall

)。这样，通过二极管电容中所引起的变化，而不是通过二极管电导中所引起的变化，本发明可以调制RF信号。

这种新颖的调制模式暗示：可以避免该开关二极管中的潜在功耗的情况。利用使用传导切换的常规调制器，当该二极管的电阻越过与该传输线的特征阻抗相对应的值时，会电阻性地损耗大量功率。例如，当二极管变成前偏压至50欧姆的电阻(在被用来调制50欧姆传输线时)时，最大功率转移到该二极管结电阻(并且在其中发生损耗)。在这个“匹配的”条件期间，可以损耗该功率的一半。这样，在传导过渡期间，有时，该切换过程的效率很低。对比而言，本发明的该调制器不需要驱动二极管通过这种有损耗的过渡。因此，完全避免了发生于常规电导切换期间的这个低效率的过程。

对于适应的功率发送器控制的需求

毫米波点对点开放空间通信链路可以被限制在小于1度以内。通信范围也被加以限制。所以，可以一再地使用相同的频谱范围，从而按非常高的数据传输速率来提供几乎无限的信道。但是，随着这些点对点无线通信链路的激增，防止附近的链路之间发生干扰的需求也增加了，尤其当这些链路正运行在相同的或重叠的频率时更是如此。虽然毫米波通信链路通常为狭窄的波束而设计，但是，存在这种可能性：两个位置接近的链路可能会彼此干扰；或者，从建筑物、地体或其他物体那里被反射的能量可能会跳入另一个通信链路的路径并沿该路径振动，从而导致干扰。图13A展示了正在非干扰基础上进行操作的一组点对点通信链路。图13B展示了相同的链路，但障碍物40(例如，建筑物或树木)产生被传送的信号的某个反射，从而导致这些信号之一可能会干扰其他信号中的一个或多个信号。为了将多个链路之间的潜在干扰减到最小，需要按实现可靠的通信所要求的最小的必要功率电平来操作每个链路中的该发送器。每个链路的最小传送功率电平会发生变化，这取决于该链路距离、天气条件、地体、大气和其他因素。这些因素中的一些因素(例如，天气)作为时间函数而发生波动。本发明提供了适应的发送器功率控制，以便在变化的条件下保持最小的必要传输功率。当天气条件和大气条件变化时，该链路路径衰减也发生变化，从而使该所接收的信号发生相当大的变化。但是，监控并调整被传送的功率，以便将该接收器处的该信号电平保持在所需范围以内。

第一较佳实施例

在由本发明“申请者”建立和测试的第一较佳实施例中，毫米波数据链路被配置成：在该链路的各端之间双向传递以太网数据包。图14表现了该数据链路的框图。图15展示了在该链路的每一端处所使用的该毫米波收发器的框图。链路42的一端(被指定为“收发器A”)按72GHz来传送，并按75GHz来接收；另一端44(被指定为“收发器B”)按75GHz来传送，并按72GHz来接收。在每一端处使用具有2英尺直径的碟形天线24，以实现近似0.34度的辐射波束宽度。

末端A处的该所接收的信号强度被用来控制由链路末端B传送的功率。链路末端B处所接收的信号强度被用来控制由链路末端A传送的功率。在A处被接收的信号强度经由从A流向B的数据流而被传达给末端B。在B处被接收的该信号强度经由从B流向A的数据流而被传达给末端A。所接收的信号强度被用来按这样一种方法来调整被传送的功率，以便将所接收的信号强度保持在链路末端A与B之间的路径中的变化的条件的所需范围以内。

链路末端A处所接收的信号强度经由“自动增益控制”(AGC)电路系统5，由“中央处理器”(CPU)27A来检测(见图15)。CPU 27将该数据编码为信息包，这些信息包经由如32A处所示的以太网连接而被发送到以太网交换器26A，它将这些CPU信息包与从用户网络30A流自其他以太网消息通信量组合进无线电，用于传输到链路末端B。该CPU消息跨越该数据链路而从A流到B，并且流入链路末端B处的以太网交换器26B，它将该CPU消息(来自链路末端A)发送到链路末端B处的CPU 27B。链路末端B处的该CPU解释这些以太网信息包，并提取在A处被接收的信号强度。链路末端B处的CPU 27B将在A处所接收的该信号强度与预定范围进行比较，并且，如果该所接收的信号强度低于该预定范围的下门限，则CPU B提高链路末端B处的被传送的功率电平。如果在链路末端A处所接收的信号强度被确定在预定范围的上门限以上，则CPU B降低链路末端B处的被传送的功率电平。链路末端B处的被传送功率电平的提高或降低经由该传输信号通道中的可变衰减器25(数控的)而由该CPU来实现。使用在链路末端B处所测量的并通过该数据链路而被传递到链路末端A的该信号强度，按类似的方式来调整由链路末端A传送的该功率电平。读者应该注意，图15表现了该链路的两端，因为它们除了本机振荡器频率以外是相同的；并且，图15中的A和B已在对这些组件的标号中被舍弃(drop)。以下详细地描述这些收发器。

收发器

该链路硬件包括毫米波收发器对--包括一对毫米波天线24和一对以太网交换器26(每个收发器用一个)。该毫米波信号是调幅的和单侧频带过滤的，并且包括简化级别的载波。该调谐器接收器包括外差混频器、锁相中频(IF)和IF功率检测器。收发器A(图14)按71-73GHz来传送，收发器B(图14)按74-76GHz来传送。收发器A按74-76GHz来接收，收发器B按71-73GHz来接收。

链路末端A处的该收发器包括由Milliflect公司制造的碟形天线24、由本发明者制造的无线电电子设备、由Diamond Systems公司制造的CPU 27和由Hewlett Packard公司制造的外部以太网交换器26。天线24所接收的信号通过正交模式换能器12和71-73GHz带通滤波器11，并由低噪声放大器10来进行放大。在被放大之后，该信号通过混频器7而与75GHz本机振荡器8信号相混合，以产生2-4GHz下变频信号。这个最后得到的2-4 GHz信号由Hittite公司制造的放大器6来加以放大并经带通滤波器4滤波，之后被发送到自动增益控制(AGC)电路5。在通过该AGC电路之后，该信号由检测器电路3来进行功率检测和低通滤波，以产生基带数据信号。该基带数据信号被传递到时钟和数据恢复电路2(使用“模拟设备ADN2809”时钟恢复芯片)，它纯化该数据波形形状，之后，它由Finisar公司制造的光纤接口1转换成光信号。

从该用户网络进来的数据由以太网交换器26来获取，在那里，该数据与来自收发器CPU 27和来自其他用户网络的其他以太网数据组合。来自该以太网交换器的组合数据流被发送到光纤转换器1，并被二极管调制器15用来调制75GHz耿氏振荡器17的输出。该调制信号被传递通过可变衰减器25，然后被加以带通滤波14并被发送到将该信号发送到天线24的正交模式换能器12。

AGC电路5检测所接收的信号的强度，并调整其电平，以便对检测器电路3呈现固定电平。AGC电路5也将这个被检测的信号电平发送到CPU 27，CPU 27经由以太网交换器26将该电平发送到该链路的另一端。在该链路的另一端，以太网交换器26将该信号强度信息发送到CPU 27，CPU 27使用该信号强度信息来命令可变衰减器25，从而调整该被传送的信号功率。

商业单元

为商业应用而准备的毫米波通信链路已由本发明“申请者”建立并测试。以下参考图17至图27B来详细地描述那个链路。这个实施例包括能够支持0.1至10英里以上的距离上的155、622、1244、2488和1250Mbps数据传输速率的无线点对点数据通信链路收发器。所规定的这些数据传输速率一般被称作“OC-4”、“OC-12”、“OC-24”、“OC-48”和“吉比特以太网”。完整的点对点数据链路将会使用该数据链路的每一端处的这些所描述的收发器之一。在较佳实施例中，数据链路的一端处的收发器在74-76GHz频率范围内进行传送，并在71-73GHz范围内进行接收。数据链路的另一端处的收发器在71-73GHz频率范围内进行传送，并按74-76GHz来接收。除了频率的选择以外，每个链路的每一端处的收发器操作是相同的。在较佳实施例中，该收发器电子设备外壳被直接安装到2英尺直径碟形天线。通过使用2英尺天线，允许在晴朗的天气下实现多达5英里的链路距离，其位出错率(BER)小于10^-12；或者在降雨量达1.5英寸/小时时，允许实现多达1英里的距离。揭示了该收发器电子设备和该耐受坏天气的户外外壳的实施。

GPS定位

在较佳实施例中，数据链路的每一端处的收发器包括GPS接收器和CPU，该CPU从GPS卫星接收信号、计算该收发器位置并根据命令或周期性地将这个位置报告给远程地点。该数据链路通信电子设备和GPS接收器被安置在一共同的外壳内。使用毫米波频率和2英尺直径碟形天线来进行数据链路通信。经由被安装在外部或被并入而作为该电子设备外壳的一部分的小型活动天线，来接收GPS卫星信号。

收发器使用光纤接口来连接到用户网络，并在74-76GHz频带中用无线方式将数据传送到本发明的另一个实施例。收发器从71-73GHz频带中的另一个收发器那里接收数据，并经由光纤接口将数据发送到用户网络。本发明的收发器由毫米波电子设备、“中频”(IF)电子设备、输入/输出电子设备和适合户外的外壳组成。该收发器也包含电源以及用于状态与健康监控和无线电控制的中央处理器(CPU)，并且被直接连接到卡塞格伦类型的碟形天线。使用简单的开-关键控法(调幅)，在该毫米波链路上发送信息。

在操作中，本发明的该较佳实施例使用GPS接收器来自动确定这些数据链路端点的位置，并向“链路操作中心”报告这些位置。另外，当最初被部署到该领域时，本发明首先倾听该操作频带中的其他信号，如果激活该链路发送器，则它们可能会受到干扰。如果发现其他信号已经存在于该频带中，则该链路将通知该操作者，并且在传送任何其自己的信号之前，将需要某个超越命令。这个操作协议减少了新近部署的数据链路干扰先前存在的数据链路的机会。

较佳实施例的特点

接收频率范围 71-73GHz

发送频率范围 74-76GHz

发送器输出功率 40兆瓦(+16dBm)

数据传输速率(用户可选择的) 155、622、1244或1250Mbps

与用户网络的连接光纤连接，类型LC

与用户功率的连接 110VAC

功耗＜50瓦

重量(无天线) 23磅

高度(无天线) 13”

宽度(无天线) 13”

深度(无天线或喇叭天线) 10”

深度(无天线) 14”

用户CPU接口 10baseT以太网--web浏览器接口

或RS232串行链路

“全球定位系统”(GPS)接收器被连到该CPU上，并且，该GPS接收器将GPS卫星信号转换成物理位置坐标。该CPU从该GPS接收器那里读取这些坐标，并经由该数据链路将它们报告给远程地点(“链路”或“网络操作中心”)。该CPU板利用工业标准PC/104波形因数来加以建立，从而允许容易地将GPS接收器插到“堆栈”上。该较佳实施例的GPS接收器是由宾夕法尼亚州的州立学院的Real Time Devices USA公司制造的具有活动天线的型号#GPS140HR。

收发器说明

参考图20A和20B来描述收发器电子设备。收发器42由Milliflect公司制造的碟形天线24、Harmony Castings制造的无线电电子设备外壳43、毫米波发送器、毫米波接收器、IF电子设备、中央处理器(CPU)27和I/O电子设备组成。天线24所接收的信号通过喇叭天线51并进入正交模式换能器12和71-73GHz带通滤波器11，并且由低噪声放大器10来进行放大。在被放大之后，该信号由第二带通滤波器11来过滤，并通过混频器7与75GHz本机振荡器8信号混合，以产生2-4GHz下变频信号。这个最后得到的2-4GHz信号被发送到自动增益控制(AGC)电路5。在通过该AGC电路之后，该信号由检测器电路3进行功率检测和低通过滤，以产生基带数据信号。然后，该基带数据信号被传递到时钟和数据恢复电路2(使用“模拟设备ADN2819”时钟恢复芯片)，时钟和数据恢复电路2又纯化该数据波形形状，之后，它被光纤接口1转换成光信号。

从该用户网络进来的数据被发送到光纤转换器1，并被二极管调制器15用来调制75 GHz耿氏振荡器17的输出。该调制信号被传递通过带通滤波器14，并被发送到正交模式换能器12，正交模式换能器12经由喇叭天线51将该信号发送到天线24。

本发明的关键组件的详细说明

本发明的这些关键组件中的几个关键组件已由本“申请者”制作。参考图17～27B来详细地描述这些组件。可以使用对于该行业而言的标准技术来制造这些组件。

电源

该电源被连接到标准110VAC，并经由“I/O板”70和“信号调节与时钟恢复板”71来为这各种无线电组件供应+12V、+5V、-12V。电源61是从加利福尼亚Pomona的ICP America或购买的型号#ACE890或其等效物。

I/O电路板

经由图18A和B中所示的I/O电路板70，来形成与该用户网络、AC输电线和外界的连接。I/O电路板70被安装到内罩53。该I/O电路板包含光纤接口1、与电源61的连接、从CPU 27到外部环境的以太网连接71、从CPU 27到外部环境的USB连接，以及从CPU 27到外部环境的“RS232串行链路”连接。该PC板由CA的圣地亚哥的Proto-Qwik公司或相等的PC板制造商制造，并由本机构内部实行装配。

光纤接口

如图15所示的光纤接口1将去往和来自用户网络的光信号转换成无线电设备所使用的电信号。该设备支持高达1.25Gbps的数据传输速率，并且是由加利福尼亚州的Sunnyvale的Finisar公司制造的零件#FTRJ-8519-1或等效物。如图18A和B所示，光纤接口1位于I/O电路板70上。

信号调节与时钟恢复板

图17和图19A、B表现了“信号调节与时钟恢复板”71。该板被安装到内罩53，并支持CPU 27。经由I/O板70，并通过“信号调节与时钟恢复板”71，从电源61为CPU 27和其他无线电电子设备提供电力。该PC板由美国加州的圣地亚哥的Proto-Qwik公司或相等的PC板制造商制造，并由本机构内部实行装配。“信号调节与时钟恢复板”71包含执行以下功能的电路系统：

将电源61所提供的+12V转换成+10V供给耿氏振荡器8和17。

将+5V转换成3.3V，供其他电路使用。

为该无线电设备中的其他电路系统提供+12V、+10V、+5V和+3.3V。

为CPU 27提供+12V、+10V、+5V和+3.3V电压测量。

为CPU 27提供+12V、+10V、+5V和+3.3V电流测量。

经由“功率检测器”电路3来为该无线电设备所接收的数字数据再计时并对其进行恢复。(使用美国马省的Norwood的Analog Devices所制造的“时钟与数据恢复电路”73--零件#ADN2819)。该基本电路设计也由AnalogDevices提供，并且被并入“信号调节与时钟恢复板”71的设计。

使用德克萨斯州的达拉斯的Texas Instruments公司所制造的“PRBS发生器”74--零件#TLK1501，来生成并检测2⁷伪随机码流(PRBS7)。该基本电路设计也由Texas Instruments来提供，并且被并入“信号调节与时钟恢复板”71的设计。

在引入的“光纤转换器”1、“PRBS发生器”74与“时钟与数据恢复电路”73之间，切换并选择为“二极管调制器”15提供的该数据流。该数据流由俄勒冈州的Hillsboro的Triquint Semiconductor所制造的“纵横开关电路”72--零件#TQ8004来加以选择。

使用“振荡器电路”75来生成时钟信号，这些时钟信号允许“时钟与数据恢复电路”73和“PRBS发生器”74按155、622、1244和1250Mbps的数据传输速率来进行操作。

经由“IF电路板”80上的“AGC电路”76来检测该所接收的信号的电平，并向CPU板27提供这个电平。

经由“二极管调制器”15来检测该被传送的信号的电平，并向CPU板27提供这个电平。

CPU板

该中央处理器(CPU板27)执行状态监控、报告，并且对各种无线电参数和功能实行控制。CPU 27是由加利福尼亚州的Newark的Diamond Systems公司制造的型号“普罗米修斯”。CPU 27是“PC/104”波形因数可兼容的，并从闪存运行该LINUX操作系统的修改版本。CPU 27经由10baseT以太网连接和两个RS232串行链路(通过I/O板70)而与外部环境进行通信。软件被配置成允许经由以太网或串行连接来从远程地点实行更新。CPU板27包含16个模拟I/O信号和24个数字I/O信号，这些信号经由“信号调节与时钟恢复板”71而被连接到该无线电电子设备。经由“信号调节与时钟恢复板”71，使用CPU 27上的这些模拟I/O信号来监控+12V、-12V、+5V、3.3V以及这些电源中的每个电源内的电流。经由“信号调节与时钟恢复板”71，CPU 27上的该模拟I/O也被用来感测该AGC电平(所接收的信号强度)和该无线电设备的TX功率(所传送的功率电平)。来自CPU 27的数字输出信号被用来配置俄勒冈州的Beaverton的Triquint Semiconductor所制造的数据路径“纵横开关”72，并且被用来经由“振荡器电路”75而设置用于该数据通路的时钟频率。该PC板由加州的圣地亚哥的Proto Qwik公司或相等的PC板制造商制造，并且由本机构内部实行装配。

IF电路板

“IF电路板”80从“混频器”7接收2-4GHz中频(IF)信号，并将检测到的数字数据流输出到“时钟与数据恢复电路”73。图17和图20A、B表现了“IF板”80。IF板80包含执行以下功能的电路系统：

将“混频器”7的输出放大近约30dB，并将这个被放大的信号传递到由马省的Chelmsford的Hittite Microwave公司制造的“可变衰减器”79--零件#HMC346MS8G。

对将该频带限制到2-4GHz的“可变衰减器”79的输出进行放大和带通滤波，并将这个被滤波的信号提供给“检测器电路”78。“可变衰减器”79具有近似30dB的范围，从而虑及所接收的信号电平的广泛波动。

检测由“检测器电路”78检测到的信号电平，并调整“可变衰减器”79，以便在纽约的布鲁克林的Mini-Circuits公司所制造的“检测器电路”78--零件#的输出处保持恒定的预置信号电平。这个被感测的信号电平也经由“信号调节与时钟恢复板”71而被传递到CPU 27。

使用由纽约的布鲁克林的Mini-Circuits公司制造的“检测器电路”78--零件#ADE-30W，来检测该信号中的功率。

喇叭天线

喇叭天线51将卡塞格伦天线24所接收的信号转换到与“正交模式换能器”12连接的圆形波导管。图22A、B和C表现了喇叭天线51的详细绘图。喇叭天线51通过几个螺丝钉而被安装到“前护盖”52，并且在末端处用塑料圆盘(未示出)来加以密封，以防止水进入该波导管和“正交模式换能器”12。喇叭天线51与“前护盖”52之间的O环(未示出)防止水在此接口处进入。喇叭天线51可能由马省(MA)的Northfield的Sisson Engineering或相等的机械工厂来制造。

正交模式换能器

“正交模式换能器(OMT)”12被连到“喇叭天线”51和“带通滤波器”11、14上。OMT 12被用来将具有水平极化的信号从经由喇叭天线51的天线24引导到带通滤波器11，并将具有垂直极化的信号从经由带通滤波器14的“二极管调制器”15发送到经由喇叭天线51的天线24。OMT 12将具有不同极化的信号分成两个单独的路径，或者将具有不同极化的信号组合进入一个共同的路径，该共同的信道经由喇叭天线51而被连接到天线24。通过使用OMT 12，可允许单一天线既被用于传输、又被用于接收，而不会造成发送器与接收器之间的干扰。OMT 12由马省(MA)的Northfield的Sisson Engineering或相等的机械工厂来制造。

带通滤波器

带通滤波器11和14被用来在来自二极管调制器15的被传送的信号与低噪声放大器10之间提供进一步的隔离。图23表现了该带通滤波器护盖的机械图。该护盖由马省(MA)的Northfield的Sisson Engineering或相等的机械工厂来制造。在带通滤波器11、14和19内是包含网格状线的薄垫片，这些薄垫片由印第安纳州的Ligonier的Advanced Metal Etching制造。这些薄垫片的该网格状图形确定该带通滤波器在其上发挥作用的频谱范围。根据滤波器制作者规定的标准，来选择关于按71-73GHz和74-76GHz进行运作的带通滤波器的网格状图形。带通滤波器11和19被配置成传递71-73GHz的范围内的频率。带通滤波器14被配置成传递74-76GHz的范围内的频率。在带通滤波器内使用不同尺寸的带通滤波器薄垫片，以实现这些不同的通频带频率。可从该供应者那里获得这些滤波器薄垫片尺寸的细节。

耿氏振荡器17按75GHz来生成发送信号，该发送信号由二极管调制器15来实行关于数据(来自经由纵横开关72的光纤转换器1)的调制，以产生具有74-76GHz的频谱范围的信号。带通滤波器14被配置成传递74与76GHz之间的频率并拒绝其他频率，以便只可以传送74-76GHz的范围内的信号，并且除去来自耿氏振荡器17和调制器15的不需要的发射。

从经由喇叭天线51和OMT 12的天线24进来的信号被传递通过带通滤波器11，并由低噪声放大器10进行放大。带通滤波器11被配置成只将71与73GHz之间的频率传递到低噪声放大器10，从而确保来自调制器15和带通滤波器14的信号(用于传输，在74-76GHz)不会直接传入该接收器。来自低噪声放大器10的信号再次由带通滤波器19进行滤波，以除去低噪声放大器10所引入的任何不合需要的频谱成分。

二极管调制器15

二极管调制器15被用来将数据流施加到耿氏振荡器17的连续输出上。根据出现在来自光纤转换器1(经由纵横开关72)的数据流中的1和0，二极管调制器15接通并切断来自耿氏振荡器17的信号。这个开/关键控信号通过带通滤波器14、OMT 12和喇叭天线51而被发送到天线24。

图24表现了该二极管调制器的示意图。该护盖已由马省(MA)的Northfield的Sisson Engineering或相等的机械工厂制造。该调制器二极管是可从马省(MA)的Lowell的MACOM公司或相等的公司购买零件#MA4E2038。该二极管由加利福尼亚的Camarillo的Vitesse Semiconductor所制造的二极管驱动器芯片--零件#VSC7928来驱动。以上已描述了调制器电路系统。

耿氏振荡器8和17

耿氏振荡器8和17被用来按75GHz生成CW(连续波)信号。图25表现了该耿氏振荡器护盖的绘图。该护盖由马省(MA)的Northfield的SissonEngineering或相等的机械工厂来制造。二极管是由加州(CA)的Santa Clara的Filtronic Solid State或相等的制造商制造的零件#LSW9177S2。通过调整腔92中的调谐杆91的深度，可以从71-76GHz调谐振荡频率。

耿氏振荡器17的输出形成发送器的电源，并且被传递到二极管调制器15。耿氏振荡器17产生近似60毫瓦的输出功率，这导致：在通过调制器15、带通滤波器14、OMT 12和喇叭天线51之后，大约40毫瓦的功率进入天线24。

耿氏振荡器8的输出是用于接收器的该本机振荡器信号，并且经由带通滤波器11、低噪声放大器10和第二带通滤波器11而被传递到混频器7，在那里，它与天线24所接收的该72-74GHz信号相混合。

低噪声放大器10

低噪声放大器10用作所接收的信号的第一放大器。天线24所接收的信号通过喇叭天线51、OMT 12和带通滤波器11而进入低噪声放大器10。低噪声放大器10的输出通过第二带通滤波器11而被传递到混频器7。该低噪声放大器被设计成具有6dB噪声系数并放大70与95GHz之间的信号。图27A和B表现了低噪声放大器10的护盖，该护盖由马省(MA)的Northfield的SissonEngineering或相等的机械工厂来制造。

混频器

来自耿氏振荡器8和第二带通滤波器11的信号被传递到混频器7，混频器7将来自带通滤波器11的引入的接收信号与来自耿氏振荡器8的该本机振荡器信号相混合，以产生经由放大器6而被发送到IF板80的2-4GHz中频(IF)信号。图27A和B表现了该混频器护盖，该混频器护盖由马省(MA)的Northfield的Sisson Engineering或任何合适的机械工厂来制造。混频器二极管是由加州的Palo Alto的Agilent公司或相等的公司制造的零件#HSCH9201。

天线

用于收发器的天线24是具有卡塞格伦馈送配置的2英尺碟形天线，它由碟形元件94和辅助反射器93组成。碟形元件94是由CO的Colorado Springs的Milliflect公司制造的零件#。辅助反射器93由加州(CA)的圣地亚哥的Marathon Machine或类似的机械工厂来制造。碟形天线元件94所收集的信号被反射到辅助反射器93上，然后经由喇叭天线51而进入该无线电电子设备。来自该无线电电子设备的信号传出喇叭天线51，到辅助反射器93上，并反跳出碟形天线元件94而进入自由空间。

外壳

图17表现了该外壳，该外壳由宾夕法尼亚州的Harmony的HarmonyCastings所制造的“前护盖”52、“内罩”53、“后护盖”54、“后罩”55以及佛罗里达的Pompano Beach的3D Engineering所制造的密封垫片56、57和58组成。这些护盖、密封垫和罩子形成包含这些毫米波组件和其他电子组件的前箱，以及包含电源61和与I/O板70的连接的后箱。喇叭天线51突出通过该“前护盖”，并且由O环(未示出)密封，以形成不漏水的密封垫。当后罩就位并且导管连接孔62被密封或被连接到导管时，前箱不漏水，后箱也不漏水。这种两箱式的设计允许在前箱内执行工厂制造工作，允许在该后箱内执行现场/安装工作，而不会使前箱电子设备受到任何不利的环境影响。

每一收发器的单一本机振荡器

在以上所描述的这些较佳实施例中，为每个收发器提供用于传输的本机振荡器和用于接收的单独的本机振荡器。在其他较佳实施例中，每个收发器只装备有一个本机振荡器。收发器按72GHz或75GHz来传送，并分别按75GHz或72GHz来接收。例如，在一个链路处，我们想要按75GHz来传送并按72GHz来接收。如果我们按75GHz来操作LO，则我们可以为所传送的信号来对它进行调制。72GHz的进入的信号与这个相同的LO信号相混合，并产生关于该IF电路系统的3GHz中频(IF)信号。在该数据链路的另一端，我们想要按72GHz来传送并按75GHz来接收。该链路的这另一端处的LO按72GHz来加以操作，并为所传送的信号而加以调制。这个相同的LO频率与按75GHz的进入的RF进行混合，以便再产生3GHz IF信号。这种途径可行，这是因为我们已选择被该IF频率的量所分开的发送频率和接收频率。由于71-76GHz频带内可用的总频谱的数量以及该无线电设备所使用的该数据传输速率(1.25GHz)，我们能够选择这样的IF。

其他实施例

在本发明的实践中，可以利用诸如71-76GHz、81-86GHz和92-100GHz等任何毫米波载波频率范围。同样，诸如5.2-5.9GHz、5.9-6.9GHz、10.7-11.7GHz、17.7-19.7GHz和21.2-23.6GHz等这几个当前分配的毫米波频带中的任何频带都可以被用于该备用链路。MMW和微波通道的调制带宽均可以增加，只受FCC频谱分配而被再次限制。也可以使用能够在符合FCC发射规则的装置中的该链路距离上传送该调制载波的任何扁平、等角或成形天线。导臂、主聚焦和偏移抛物面碟形天线以及平面格子阵列都被包括在内。

可以利用耿氏二极管源、注频锁定放大器或按这个所选择的载波频率或按该频率的分谐波产生共振的MMW管源来生成传输功率。源功率可以是使用二极管开关、混频器或双相或连续相调制器来加以调幅的、频率或相位。调制可以采取简单的双状态(bi-state)AM调制的形式，或者可以涉及两种以上的符号状态；例如，使用量化振幅调制(QAM)。可以使用双侧频带(DSB)、单侧频带(SSB)或残留侧频带(VSB)技术来传递、抑制或减小一个AM侧频带，从而影响带宽效率。也可以使用相位或频率调制方案(包括简单的FM、双相或正交相移键控法(QPSK))。可以使用具有全载波或遏止载波的传输。通过使用合适的符号传输方案，可以按高达用赫兹为单位的调制带宽的256倍的任何数据传输速率(用位/秒表示)来执行数字源调制。也可以执行模拟调制。可以在调制器后面并入整体式或离散组件功率放大器，以提高输出功率。可以与载波频率任意组合来使用线或圆极化，以便在发送器信道与接收器信道之间提供极化和频率分集。也可以使用一对碟形天线(而不是单一碟形天线)，以便在单一收发器中提供空间分集。

可以在磷化铟、砷化镓或改变结构的InP-on-GaAs上制作该MMW耿式二极管和毫米波放大器。对短程链路可以完全去除毫米波放大器。可以使用硅或砷化镓来制作检测器。可以在整体式集成电路上制作混频器/下变频器，或者，可以用掺杂硅、砷化镓或磷化铟上的离散混频器二极管来制造该混频器/下变频器。该锁相回路可以使用微处理器控制的正交(I/Q)比较器或扫描滤波器。该检测器可以被制作在硅或砷化镓上，或者可以包括使用锑化铟的异质结构二极管。

备用收发器可以使用交替频带，这些交替频带被覆盖在FCC部分101特许规则下。在网络运用中，路由器或开关通常将划分数据流，以便同时使用该毫米波链路和该微波链路。在严峻的天气期间，该毫米波链路将停止传递数据，并且，该路由器或开关将通过该微波备用链路来自动发送所有数据，直到天气转晴和该毫米波链路自动恢复工作为止。这些天线可以是任何适当尺寸的卡塞格伦、偏移或主聚焦碟形天线或平板格子阵列天线，以实现合适的增益。

该系统中所使用的天线可能具有各种尺寸--直径从1英寸到几英尺不等。可以使用平板天线，来代替碟形天线。可以使用主聚焦天线，而不是卡塞格伦馈送。该天线不需要定向，或者可以在几个方向上形成波束。较佳的频率范围是如上所述的71GHz至76GHz，以及81GHz至86GHz的频率范围。可以使用其他频带(包括92-95GHz)。可以使用实现该毫米波传输功率或本机振荡器的各种方法，包括倍频、集成功率放大器、体效应振荡器、准光放大器或其他技术。关于本发明的开-关键控实施，可以使用调制该传输功率的各种方法，包括PIN二极管调制器、受电压控制的放大器、准光学调制器或其他技术。可以使用放大并检测这个所接收的信号的各种方法，包括二极管功率检测器、同步检测或其他方法。在本发明的该实施中，可以使用除开-关键控法以外的调制技术。可以使用除这里所规定的接收器以外的GPS接收器，或者，可以使用关于位置确定的另一项技术(除通过使用GPS以外)。

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上文包含许多技术规格，但读者不应该将这些解释为是对本发明的范围的限制，而只应该将其解释为其较佳实施例的例证。例如，在以上详细描述的该较佳实施例连同这些技术调制方案的状态的说明中被提及的完全分配的毫米波频带可以允许按超过10 Gbits/秒的速率来传送数据。这类数据传输速率将会允许采用与10吉比特以太网相兼容的链路--预期在接下来的两年内会变得可行的标准。在光纤通信不可供使用以及通信地点之间的距离短于15英里但长于自由空间激光通信设备可以合理服务的距离的那些位置，本发明尤其有用。大约1英里至大约10英里的范围对于本发明的应用而言是理想的。但是，在拥有主要是晴朗的天气的地区，该系统可以为20英里或更长的距离提供良好的服务。相应地，要求读者通过所附权利要求书及其合法的相等物(而不是通过以上提供的例子)来确定本发明的范围。

Claims

1.一种毫米波通信系统，其特征在于包括：

A)位于第一地点的第一毫米波收发器系统，它能够按大于70GHz的频率和1.25Gbps或更大的数据传输速率通过大气将数字信息传送到第二地点并从第二地点接收数字信息，所述第一收发器包括产生波束的至少一个天线，该波束具有2度或更小的半功率波束宽度，以及，

B)位于所述第二地点的第二毫米波收发器系统，它能够按大于70GHz的频率和1.25Gbps或更大的数据传输速率来将数字信息传送到所述第一地点并从所述第一地点接收数字信息，所述第二收发器包括产生波束的至少一个天线，所述天线能提供足够小的波束发散，以确保这些数据信道的有效的空间和方向划分。

2.如权利要求1中的系统，其特征在于，所述第一收发器系统或所述第二收发器系统中的至少一个收发器系统包括GPS单元。

3.如权利要求1中的系统，其特征在于，所述第一收发器系统被配置成按71与76GHz之间的频率来传送和接收信息。

4.如权利要求1中的系统，其特征在于，所述第一收发器系统被配置成按81与86GHz之间的频率来传送和接收信息。

5.如权利要求1中的系统，其特征在于，所述第一收发器系统被配置成按71与86GHz之间的频率来传送和接收信息。

6.如权利要求1中的系统，其特征在于，所述第一收发器系统被配置成按92与95GHz之间的频率来传送和接收信息。

7.如权利要求1中的系统，其特征在于，所述第一收发器系统被配置成按71与95GHz之间的频率来传送和接收信息。

8.如权利要求1中的系统，其特征在于，所述第一和第二收发器系统中的一个收发器系统被配置成：按71.8+/-0.63GHz的范围内的频率来传送信息，并按73.8+/-0.63GHz的范围内的频率来接收信息。

9.如权利要求1中的系统，其特征在于，所述第一和第二收发器系统中的一个收发器系统被配置成：按92.3～93.2GHz的范围内的频率来传送信息，并按94.1～95.0GHz的范围内的频率来接收信息。

10.如权利要求1中的系统，其特征在于：进一步包括后备收发器系统，它被配置成：如果产生反常的天气条件，则在所述第一与第二地点之间提供信息的连续传输。

11.如权利要求10中的系统，其特征在于，所述后备收发器系统是微波系统。

12.如权利要求10中的系统，其特征在于，所述后备收发器系统被配置成在10.7-11.7GHz的频率范围内进行操作。

13.如权利要求1中的系统，其特征在于，所述第一地点和所述第二地点被分离至少一英里。

14.如权利要求1中的系统，其特征在于，所述第一地点和所述第二地点被分离至少2英里。

15.如权利要求1中的系统，其特征在于，所述第一地点和所述第二地点被分离至少7英里。

16.如权利要求1中的系统，其特征在于，所述第一地点和所述第二地点被分离至少10英里。

17.如权利要求1中的系统，其特征在于，所述第一收发器和所述第二收发器中的每个收发器被配置成：在正常的天气条件期间，按小于10-12的位出错率来传送和接收信息。

18.如权利要求1中的系统，其特征在于，所述第一收发器系统和所述第二收发器系统均装备有提供大于50dB的增益的天线。

19.如权利要求1中的系统，其特征在于，所述天线中的至少一个天线是平板天线。

20.如权利要求1中的系统，其特征在于，所述天线中的至少一个天线是卡塞格伦天线。

21.如权利要求1中的系统，其特征在于，所述第一和第二收发器中的每个收发器均包括两个天线--发送天线和接收天线。

22.如权利要求1中的系统，其特征在于，所述第一和第二收发器中的每个收发器只包括被配置成进行传送和接收的一个天线。

23.如权利要求1中的系统，其特征在于，所述第一和第二收发器分别包括第一和第二调制器，按高频来进行高数据传输速率通信的所述第一和第二调制器中的每个调制器均包括共振LC电路，该共振LC电路包括：

(1)电容器，

(2)电感器，

(3)二极管，

(4)偏压装置，用于：对所述二极管实行背偏压，以最小化传输，并对所述二极管实行前偏压，以进行传送。

24.如权利要求23中的系统，其特征在于，所述第一收发器系统被配置成按大于70GHz的频率来传送和接收信息。

25.如权利要求23中的系统，其特征在于，所述第一收发器系统被配置成按71与76GHz之间的频率来传送和接收信息。

26.如权利要求23中的系统，其特征在于，所述第一收发器系统被配置成按81与86GHz之间的频率来传送和接收信息。

27.如权利要求23中的系统，其特征在于，所述第一收发器系统被配置成按92与95GHz之间的频率来传送和接收信息。

28.如权利要求23中的系统，其特征在于，所述第一和第二收发器系统中的一个收发器系统被配置成：按71.8+/-0.63GHz的范围内的频率来传送信息，并按73.8+/-0.63GHz的范围内的频率来接收信息。

29.如权利要求23中的系统，其特征在于，所述第一和第二收发器系统中的一个收发器系统被配置成：按92.3～93.2GHz的范围内的频率来传送信息，并按94.1～95.0GHz的范围内的频率来接收信息。

30.如权利要求23中的系统，特征在于，进一步包括后备收发器系统，它被配置成：如果发生反常的天气条件，则在所述第一地点与第二地点之间提供信息的连续传输。

31.如权利要求30中的系统，其特征在于，所述后备收发器系统是微波系统。

32.如权利要求1中的系统，其特征在于，所述第一收发器系统和所述第二收发器系统中的每个收发器系统均包括单个本机振荡器，其中，所述本机振荡器频率被加以调制，以产生传输频率，并且，所述本机振荡器频率与进入的信号相混频，以产生中频，其中，所述第一收发器中的该单个本机振荡器按某个频率进行操作，该频率不同于所述第二收发器中的该单个本机振荡器的频率。

33.如权利要求32中的系统，其特征在于，所述第一本机振荡器的频率和所述第二本机振荡器的频率之差等于所述中频。