CN101401256A - 具有极化分集的天线 - Google Patents

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Abstract

一种水平极化天线阵列允许通过可选天线元件和重定向器将RF能量高效分布到通信环境中，这些可选天线元件和重定向器产生如基本上全向辐射图形的特定辐射图形。结合垂直极化阵列，可产生特定高增益无线环境，使得一个环境不干扰其它附近的无线环境且避免这些其它环境所产生的干扰。还可通过使用水平和/或垂直天线阵列的特定配置来产生更低增益的图形。在优选实施例中，此处所公开的天线系统用在多输入多输出(MIMO)无线环境中。

Description

具有极化分集的天线
相关申请的交叉引用
本申请是2005年1月21日提交的名为“System and Method for aMinimized Antenna Apparatus with Selectable Elements”的美国专利申请No.11/041,145的部分继续申请，该专利申请要求2004年8月18日提交的名为“Planar Antenna Apparatus for Isotropic Coverage and QoS Optimizationin Wireless Network”的美国临时专利申请No.60/602,711以及2004年8月18提交的名为“Software for Controlling a Planar Antenna Apparatus forIsotropic Coverage and QoS Optimization in Wireless Networks”的美国临时专利申请No.60/603,157的优先权；本申请还要求2005年12月23日提交的名为“Coaxial Antennas with polarization Diversity”的美国临时专利申请No.60/753,442的优先权。通过引用将前述申请的公开内容包括在此。
该申请涉及2006年11月9日提交的名为“Multiple Input MultipleOutput(MIMO)Antenna Configurations”的美国临时专利申请No.60/865,148，通过引用将其公开内容包括在此。
技术领域
本发明总的来说涉及无线通信，且更具体地涉及具有极化分集的天线系统。
背景技术
在通信系统中，存在对于更高的数据吞吐量的日益增长的需求以及相对应的减少可能扰乱数据通信的干扰的动力。例如，在电气与电子工程师协会(IEEE)802.11网络中，如基站的接入点可通过无线链路与一个或多个远程接收节点如网络接口卡通信。该无线链路可能容易受到来自其它接入点和站(节点)、其它无线电发送设备、在接入点与远程接收节点之间的无线链路环境中的改变或扰动等的干扰。该干扰可能通过强制在更低的数据速率进行通信来使无线链路降级，或可能足够强以至于完全扰乱无线链路。
一种用于减少在接入点与远程接收节点之间的无线链路中的干扰的解决方案是在“分集”方案中提供数个全向天线。在这样的实施中，接入点的常见配置包括经由开关网络耦合到两个或者更多在物理上分离的全向天线的数据源。接入点可选择用来维持无线链路的全向天线中的一个。由于全向天线之间的分离，所以各天线经历不同的信号环境并且各天线对无线链路造成不同的干扰水平。开关网络将数据源耦合到在无线链路中经历最少干扰的任何全向天线。
对接入点使用两个或更多全向天线的一个问题在于典型的全向天线被垂直极化。垂直极化射频(RF)能量在办公或居住空间内部不像例如水平极化RF能量那样高效地传播。迄今为止，用于产生水平极化RF天线的现有技术解决方案尚未提供足够的RF性能以在商业上获得成功。
发明内容
由于天线保存能量，天线的增益是一种无源现象。天线不增加功率，而是功率被重新分布以在某个方向上提供比例如各向同性天线所传输的辐射功率更多的辐射功率。因此，如果天线在某方向上具有大于一的增益，则该天线在其它方向上必然具有小于一的增益。高增益天线具有范围更长和信号质量更好的优点，但是需要在特定方向上的仔细对准。低增益天线具有更短范围，但是天线定向一般无足轻重。
在了解了这些原理的情况下，本发明的实施例允许使用垂直极化天线阵列和水平极化天线阵列二者。本发明的水平极化天线阵列允许通过例如产生和影响特定辐射图形(例如基本上全向辐射图形)的可选天线元件、反射器(reflector)和/或导向器(director)将RF能量高效分布到通信环境中。结合垂直极化阵列，可产生特定高增益无线环境，使得一个无线环境不会干扰其它附近的无线环境(例如在办公楼的楼层之间)，并且还避免其它环境所产生的干扰。
本发明的一个实施例提供一种天线系统。该天线系统可以是多输入和多输出(MIMO)天线系统。该天线系统包括耦合到垂直极化天线阵列的多个水平极化天线阵列。各极化阵列可耦合到不同的无线电设备(radio)。垂直极化天线阵列可生成与一个水平极化天线阵列所生成的辐射图形基本上垂直的辐射图形。水平极化天线阵列可包括选择性地耦合到射频馈送端口(radio frequency feed port)的天线元件。
在一些实施例中，当第一和第二天线元件耦合到射频馈送端口时，水平极化天线阵列中的一个所生成的辐射图形基本上为全向并且基本上在水平极化天线阵列的平面中。在一些实施例中，水平极化天线阵列可包括用以对耦合到射频馈送端口的天线元件所生成的辐射图形进行限制或者另外进行影响的反射器或导向器。在其它实施例中，一个或多个天线元件包括减慢电子并改变天线元件的谐振的负载结构(loading structure)。天线元件在一个实施例中基本上定位到方形衬底的边缘。在另一实施例中，天线元件基本上定位到三角形衬底的边缘。
本发明的一些实施例可在系统中的天线阵列上实施一系列寄生元件。这些元件中的至少两个元件可通过开关网络选择性地相互耦合。通过寄生元件的选择性耦合，这些元件可共同地用作反射器或导向器，而在耦合之前这些元件对于发射的辐射图形可以已经是有效地不可见的。通过共同地用作例如反射器，可以通过在特定方向上反射回图形来影响阵列的驱动元件所发射的辐射图形，从而增加在该方向上的图形的增益。
在本发明的一些实施例中，水平极化天线阵列的射频馈送端口通过天线元件选择器耦合到天线元件。天线元件选择器在一个实施例中包括RF开关。在另一实施例中，天线元件选择器包括p型、本征、n型(PIN)二极管。
在天线系统的一个实施例中，通过将垂直阵列装配到水平阵列的印刷电路板(PCB)中的一个或多个矩形缝中，水平极化天线阵列耦合到垂直极化天线阵列。垂直阵列上的连接器片可在水平阵列的PCB中的一个或多个矩形缝处焊接到水平阵列。
在当前公开的天线系统的另一实施例中，水平和垂直极化天线阵列可通过PCB连接器元件耦合。PCB连接器元件的一部分可装配到在水平极化天线阵列的PCB内形成的一个或多个矩形缝内。PCB连接器元件上的连接器片可在矩形缝处焊接到水平极化阵列。PCB连接器也可焊接到垂直极化天线阵列。例如，焊接可发生在水平和/或垂直阵列的PCB上的馈送器(feed)相交处和/或PCB连接器处。放置到RF走线的零欧姆电阻器跳线也可用来实现耦合。
本发明的又一实施例公开了一种包括水平极化天线阵列的天线系统，该水平极化天线阵列具有被配置成选择性地耦合到射频馈送端口的多个天线元件。当多个天线元件的第一天线元件和第二天线元件耦合到射频馈送端口时，生成基本上在水平极化天线阵列的平面中的基本上全向辐射图形。该系统还包括耦合到水平极化天线阵列的垂直极化天线阵列。垂直极化天线阵列生成与多个水平极化天线阵列所生成的辐射图形基本上垂直的辐射图形。
在一个替代实施例中，通过将每一个垂直极化天线阵列装配到在水平极化天线阵列中的一个的印刷电路板内形成的矩形缝内，使各水平极化天线阵列耦合到垂直极化天线阵列中的一个。在另一替代实施例中，通过将印刷电路板连接器元件的一部分装配到在水平极化天线阵列的一个的印刷电路板内形成的矩形缝内，使各水平极化天线阵列耦合到垂直极化天线阵列中的一个。各垂直极化天线阵列在连接器片处焊接到印刷电路板连接器元件。
附图说明
图1图示了根据本发明实施例的示例双极化、高增益、全向天线系统。
图2A图示了如在图1中提及的和在本发明的示例实施例中实施的天线系统的各个组件，包括垂直极化全向阵列、两个水平极化全向阵列和馈送PCB。
图2B图示了不含馈送PCB的在图1中公开的天线系统的替代实施例。
图3图示了可在本发明的实施例中实施的示例垂直极化全向阵列。
图4A图示了可在本发明的示例实施例中实施的具有可选元件的水平极化天线阵列的方形配置。
图4B图示了可在本发明的替代实施例中实施的具有可选元件和/反射器/导向器的水平极化天线阵列的方形配置。
图4C图示了可在本发明的替代实施例中实施的包括选择性耦合的天线元件和选择性耦合的反射器/导向器的示例天线阵列。
图4D图示了可在本发明的替代实施例中实施的具有可选元件的水平极化天线阵列的三角形配置。
图4E图示了图4A所示的和根据本发明示例实施例的水平极化天线阵列的一个天线元件的示例尺寸组。
图5图示了根据本发明替代实施例的一系列低增益天线阵列。
图6图示了可从实施本发明的各种实施例而得到的一系列辐射图形。
图7图示了关于水平和垂直天线阵列一系列所测量的辐射图形的图。
图8图示了用于耦合在本发明的各种实施例中公开的各种天线阵列和PCB馈送器的示例天线机械结构。
图9图示了用于将多于一个垂直天线阵列耦合到水平阵列的替代天线机械结构，其中该耦合包括水平阵列的PCB中的多个槽。
具体实施方式
图1图示了根据本发明实施例的示例双极化、高增益、全向天线系统100。对当前公开的本质上同轴的天线系统的任何提及不应被(唯一地)理解为包括同轴线缆穿过的空心导管的天线元件。在这里公开的天线系统的某些实施例(如天线系统100)中，公开了共享包括垂直天线阵列的共同的轴的两个水平天线阵列。该系统以如下程度同轴使得这些水平阵列共享由垂直阵列形成的前述共同的垂直轴，然而也设想了其它配置。然而，关于实施当前公开的双极化、高增益、全向天线系统100的通信装置可使用包括同轴馈送器的各种布线机构(cabling mechanism)。
尽管公开了相互垂直的水平和垂直天线阵列，但是各种阵列不必沿着前述轴相互垂直(例如以90度相交)。在当前公开的本发明的实践中设想了各种阵列配置。例如，垂直阵列可以耦合到关于该垂直阵列以45度角布置的另一天线阵列。关于两个或更多阵列使用各种相交角还可允许特定RF发射图形的成形。
图2A图示了如在图1中提及的且在本发明的示例实施例中实施的天线系统100的各个组件。如图1所示的天线系统100包括以下在图3中详述的垂直极化全向阵列210。如图1所示的天线系统100还包括关于图4A-4D详细讨论的至少一个水平极化全向天线阵列220。图1所示的天线系统100还包括用于耦合例如两个水平极化全向天线阵列如阵列220的馈送PCB 230。不同的无线电设备可耦合到不同极化中的每一个。
由变化的阵列(例如关于水平而言垂直)生成的辐射图形可关于特定的RF发射图形基本上相似。可替代地，由水平和垂直阵列生成的辐射图形可以基本上互不相同。
在一些实施例中，垂直极化阵列210可包括如参照图3具体图示的两个或更多垂直极化元件。两个垂直极化元件可耦合以形成垂直极化阵列210。在一些实施例中，垂直极化阵列是全向的。
馈送PCB 230(在一些实施例中)耦合如图1所示的水平极化天线阵列220。在这样的实施例中，馈送PCB 230可在位于水平阵列220上的馈送槽240处耦合水平极化全向阵列。在替代实施例中，馈送PCB 230可在天线或用于支持的PCB上的任何位置或者在天线或用于支持的PCB内的任何槽处耦合各水平极化全向天线阵列220。馈送PCB 230可在PCB中的相交走线(trace)元件处焊接到水平天线阵列220。例如，水平阵列中的RF走线可通过如例如在图8的背景下讨论的阵列的相交来与垂直阵列中的类似走线相交。
在省略前述馈送PCB 230的一些实施例中，可在走线元件互连处引入如零欧姆电阻器跳线(jumper)的中间部件。零欧姆电阻器跳线有效地用作与例如使用前述馈送PCB 230相比关于尺寸、特定天线阵列布置和配置以及进一步地关于在制造过程中可能引起的成本而言更容易管理的线链接(wirelink)。也可出现走线的直接焊接。尽管图1和图2A所示的馈送PCB 230耦合两个水平天线阵列220，然而水平阵列220可利用在上文中和在图8的背景下讨论的技术进一步耦合或单独耦合到垂直极化天线阵列210或其元件。通过前述走线耦合两个(或更多)阵列可允许RF馈送器穿过(traverse)两个完全不同的阵列。例如，RF馈送器可将水平极化阵列“跳接”(jump)到垂直极化阵列。在包括如这里讨论的零欧姆电阻器和/或连接器片(connectortab)的各种中间元件的背景下可发生该“跳接”。
图2B图示了在图1中公开的天线系统的不包括馈送PCB的替代实施例。图2B的实施例包括前述水平阵列220a和220b以及垂直阵列210a和210b。取代了利用馈送PCB 230，各种阵列可通过经由如在图8的背景下讨论的各种PCB缝以及如这里讨论的焊接/跳接馈送走线来插入阵列的组合来相互耦合。图2B的小图示出可出现该阵列-阵列耦合的地方。
图3图示了可在本发明的实施例中实施的如图1和图2所示的且包括两个天线元件310和320的示例垂直极化全向阵列210。天线阵列210的垂直极化全向天线元件310和320可形成于具有第一侧340和第二侧350的衬底330上。图3中的黑线310a描绘的垂直极化全向阵列210的部分可以在衬底的一侧(340)上。相反，图3中的虚线320a所描绘的垂直极化全向阵列210的部分可以在衬底330的另一侧(350)上。在一些实施例中，衬底330包括PCB如FR4、Rogers 4003或者其它介电材料。
图3中天线阵列210的垂直极化全向天线元件310和320耦合到馈送端口360。馈送端口被描绘成在图3的垂直极化全向阵列元件310的基座处的小圆圈。馈送端口360可被配置成接收和/或发送RF信号到通信设备和用于选择一个或多个天线元件的耦合网络(未示出)。可从例如耦合到前述耦合网络的RF同轴线缆接收RF信号。耦合网络可包括DC隔离电容器和有源RF开关以将射频馈送端口360耦合到一个或多个天线元件。RF开关可包括PIN二极管或砷化镓场效应晶体管(GaAs FET)或本领域中已知的其它开关器件。PIN二极管可包括单极单投开关以接通或关断各天线元件(即将各天线元件耦合到馈送端口360或者将该天线元件从馈送端口360解耦合)。
图4A图示了可在本发明的示例实施例中实施的具有可选元件的水平极化天线阵列400的方形配置。在图4A中，水平极化天线阵列400包括具有第一侧(实线410)和可基本上平行于第一侧的第二侧(虚线420)的衬底(图4A的平面)。该衬底可包括例如PCB如FR4、Rogers 4003或一些其它介电材料。
在图4A中衬底的第一侧(实线410)上，天线阵列400包括射频馈送端口430和四个天线元件410a-410d。虽然在图4A中描绘了四个改良偶极天线(dipole)(即天线元件)，然而关于阵列400可实施更多或更少的天线元件。另外，尽管图4A的天线元件410a-410d基本上定位到方形衬底的边缘并从而最小化天线阵列400的尺寸，但是也可以实施其它形状。在一些实施例中，这些元件可基本上布置到衬底的中间或中央。
例如，图4D图示了可在本发明的替代实施例中实施的具有可选元件的水平极化天线阵列的三角形配置。三角形水平极化天线阵列的各边可以与如图4A所示的方形水平极化天线阵列400的边相等或成比例。关于例如图4A中所示的示例方形配置，其它实施例可实施不相等或不成比例的边。三角形阵列上的天线元件可如其方形对等天线元件那样基本上布置到阵列的边缘或中间/中央。
返回图4A，天线元件410a-410d形成关于射频馈送端口430径向对称的布局，然而可实施许多不对称布局、矩形布局和/或仅在一个轴上对称的布局。另外，虽然图4A描绘了相同尺寸的天线元件410a-410d，但是天线元件410a-410d不需要尺寸相同。
在图4A中的虚线所描绘的衬底的第二侧上，天线阵列400包括接地组件420。接地组件420的一部分(例如部分420a)可被配置成结合天线元件410a形成改良偶极天线。如图4A所示，通过在彼此相对的方向上延伸的各个传导走线420a-420d对各天线元件410a-410d完成偶极天线。所得到的改良偶极天线提供例如图7所示的水平极化定向辐射图形(即基本上在天线阵列400的平面中)。
为了最小化或减小天线阵列400的尺寸，各改良偶极天线(例如天线元件410a和接地组件420的部分420a)可包括一个或多个负载结构440。为了进行清楚的说明，在图4A中仅对从天线元件410a和部分420a形成的改良偶极天线的负载结构440进行编号。通过配置负载结构440以减慢电子并改变各改良偶极天线的谐振，改良偶极天线在电学上变得更短。换句话说，在给定的工作频率，提供负载结构440减小了改良偶极天线的尺寸。为天线阵列400的一个或多个改良偶极天线提供负载结构440最小化了天线阵列440的尺寸。
图4B图示了可在本发明的替代实施例中实施的具有可选元件和反射器/导向器的水平极化天线阵列400的方形配置。图4B的天线阵列400包括一个或多个反射器/导向器450。反射器/导向器450包括限制了天线元件415a结合接地组件的部分425a形成的改良偶极天线的定向辐射图形的无源元件(与辐射RF能量的有源元件相对照)。为了清楚，在图4B中仅标记了元件415a和部分425a。由于反射器/导向器450，天线元件415和部分425在配置上与图4A的天线元件410和部分420略有不同。反射器/导向器250可放置在衬底的任一侧上。可以包括附加反射器/导向器(未示出)以进一步影响一个或多个改良偶极天线的定向辐射图形。
在一些实施例中，天线元件可选择性地或永久地耦合到射频馈送端口。然而，反射器/导向器(例如寄生元件)可被配置成反射器/导向器的长度可通过将一个或多个反射器/导向器选择性地彼此耦合来改变。例如，长度为100密耳的一系列断开的和单独的寄生元件可以以与前述天线元件的选择性耦合相似的方式选择性地耦合。
通过将多个前述元件耦合在一起，这些元件可有效地变成对有源天线元件发射的RF图形进行反射以及另外地进行成形和影响的反射器(例如反向朝着驱动偶极天线导致在该方向上的更高的增益)。天线阵列所发射的RF能量可通过这些反射器/导向器集中起来，以解决给定无线环境的特定细微差别。类似地，可以有效地使寄生元件(通过解耦合)对于任何发射的辐射图形透明。在其它阵列(例如垂直极化阵列)上可实施相似的反射器系统。
关于导向器元件或可共同用作导向器的一系列元件可使用类似的实施。导向器远离源集中来自该源的能量，从而增大天线的增益。在本发明的一些实施例中，可使用反射器和导向器二者来影响天线结构的增益。可以在两个阵列、单个阵列或特定阵列上实施反射器/导向器(例如，在两个水平阵列和单个垂直阵列的情况下，反射器/导向器系统可仅存在于水平阵列中的一个上或可替代地不存在于水平阵列上而仅存在于垂直阵列上)。
图4C图示了包括选择性地耦合到无线电馈送端口的一系列天线元件的示例天线阵列。此外，该天线阵列包括可共同地用作例如反射器的一系列选择性地耦合的寄生元件。根据选择性地耦合的元件的特定长度，选择性地耦合的元件还可用作导向器。天线和寄生元件的选择性耦合可利用上述耦合网络和各种中间元件(例如PIN二极管)。通过天线和寄生元件的选择性耦合控制，可对RF发射图形和作为结果的无线环境进行进一步控制。
图4E图示了图4A所示的水平极化天线阵列400的一个天线元件的根据本发明示例实施例的示例尺寸组。天线阵列400的单独组件(例如天线元件410a和部分420a)的尺寸可取决于天线阵列400的期望工作频率。RF仿真软件(例如来自Zeland Software的IE3D)可帮助建立单独组件的尺寸。图4E所示的天线阵列400的天线组件尺寸是基于Rogers 4003 PCB衬底针对在2.4GHz附近的操作而设计的。具有不同的介电性能的不同衬底如FR4可能需要与图4E中所示不同的尺寸。
返回图4A和图4B，射频馈送端口430(结合任何种类的天线元件)以与图3所示的馈送端口360相似的方式从通信设备(未示出)接收RF信号和/或向其发送RF信号。通信设备实际上可包括用于生成和/或接收RF信号的任何设备。通信设备可包括例如无线电调制器/解调器。通信设备还可包括发射机和/或接收机，如802.11接入点、802.11接收机、机顶盒、膝上型计算机、IP使能的电视机、PCMCIA卡、遥控、网络电话或远程终端如手持游戏设备。在一些实施例中，通信设备可包括用于从路由器接收视频的数据分组(data packet)的电路以及用于将数据分组转换成本领域中已知的符合802.11的RF信号的电路。通信设备可包括用于通过无线链路，例如802.11无线网络，与一个或多个远程接收节点(未示出)通信的接入点。该设备还可通过使能数个远程接收节点之间的通信来形成无线局域网的一部分。
如上所言，天线元件选择器(未示出)可用来将射频馈送端口430耦合到一个或多个天线元件410。天线元件选择器可包括RF开关(未示出)，如PIN二极管、GaAs FET或本领域中已知的其它RF开关器件。在图4A中所示的天线阵列400中，天线元件选择器包括四个PIN二极管，各PIN二极管将天线元件410a-410d中的一个连接到射频馈送端口430。在本实施例中，PIN二极管包括单极单投开关以接通或关断各天线元件(即将各天线元件410a-410d耦合到射频馈送端口430或者将各天线元件410a-410d从射频馈送端口430解耦合)。
一系列控制信号可用来偏置各PIN二极管。在PIN二极管正向偏置且导通DC电流的情况下，PIN二极管开关接通且选择相对应的天线元件。在二极管反向偏置的情况下，PIN二极管开关关断。在本实施例中，射频馈送端口430和天线元件选择器的PIN二极管在具有天线元件410a-410d的衬底的一侧上，然而其它实施例分离了射频馈送端口430、天线元件选择器和天线元件410a-410d。
在一些实施例中，一个或多个发光二极管(LED)(未示出)耦合到天线元件选择器。LED用作天线元件410a-410d中的哪个接通或关断的视觉指示器。在一个实施例中，LED与PIN二极管放置在电路中，使得LED在对应天线元件410被选中时发光。
在一些实施例中，天线组件(例如天线元件410a-410d、接地组件420和反射器/导向器450)由RF传导材料形成。例如，天线元件410a-410d和接地组件420可由金属或其它RF传导材料形成。各天线元件410a-410d与接地组件420共面而不是如图4A和图4B所示设置在衬底的相对侧上。在一些实施例中，天线组件可共形地装配到壳。在这样的实施例中，天线元件选择器包括与天线元件410a-410d分离的结构(未示出)。天线元件选择器可装配于相对小的PCB上而PCB可电耦合到天线元件410a-410d。在一些实施例中，开关PCB直接焊接到天线元件410a-410d。
在根据IEEE 802.11标准的无线LAN的示例实施例中，天线阵列被设计成在约2.4GHz到2.4835GHz的频率范围上工作。在选择所有四个天线元件410a-410d以得到全向辐射图形的情况下，天线阵列400的组合频率响应约为90MHz。在一些实施例中，不考虑接通的天线元件410a-410d的数目，将天线元件410a-410d中的多于一个天线元件耦合到射频馈送端口430都维持与在802.11无线LAN频率上的低于10dB的回波损耗(return loss)的匹配。
可选天线元件410a-410d可组合以得到定向性比单个天线元件的辐射图形更低的组合辐射图形。例如，选择所有天线元件410a-410d得到定向性比单个天线元件的定向辐射图形更低的基本上全向辐射图形。类似地，选择两个或更多天线元件(例如彼此相对地定位的天线元件410a和天线元件410c)可得到基本上全向辐射图形。以这一方式，选择天线元件410a-410d的子集或者基本上所有天线元件410a-410d可得到用于天线阵列400的基本上全向辐射图形。反射器/导向器450可在方位角上进一步限制天线元件410a-410d中的一个或多个天线元件的定向辐射图形。关于可选配置的其它益处公开在2005年1月21日提交的名为“System and Method for a Minimized AntennaApparatus with Selectable Elements”的美国专利申请No.11/041,145中，其公开内容先前已通过引用包括在此。
图5图示了根据本发明替代实施例的一系列低增益天线阵列。在天线阵列510中，水平极化全向阵列520耦合到两个垂直极化全向阵列530a和530b。垂直极化全向阵列(530a和530b)可产生更高增益的辐射图形，而水平极化全向阵列520可产生更低增益的辐射图形。
在天线阵列540中，馈送PCB 550耦合到两个水平极化全向阵列560a和560b，这两个水平极化全向阵列560a和560b(又)耦合到一个垂直极化全向阵列570。馈送PCB 550和两个水平极化全向阵列560a和560b可产生更高增益的辐射图形，而垂直极化全向阵列570产生更低增益的辐射图形。
在又一实施例(580)中，单个水平极化全向阵列590可耦合到一个垂直极化全向阵列595。水平极化全向阵列590和垂直极化全向阵列595各自可产生更低增益的辐射图形。
图6图示了可从实施本发明的各种实施例得到的一系列可能的辐射图形。在图形610中，单个垂直天线阵列620发射低增益辐射图形。在图形630中，单个水平阵列640发射类似的低增益辐射图形。天线元件660a和660b的双垂直阵列如由PCB馈线(feed line)690耦合的一对水平天线元件680a和680b关于图形670一样发射更高增益的辐射图形650。
图7图示了一系列测量的辐射图形700的图。例如，图710图示了关于示例水平阵列的测量的示例辐射图形。又例如，图720图示了关于示例垂直天线阵列的测量的示例辐射图形。
图8图示了用于耦合在本发明的各种实施例中公开的各种天线阵列和PCB馈送器的示例天线机械结构。小矩形缝810a-810c可形成于水平极化全向阵列820的PCB内。类似地，小矩形缝可形成于垂直极化全向阵列830的PCB内。垂直极化全向阵列830可装配在水平极化全向阵列820的缝810c中的一个内。垂直极化全向阵列830的连接器片840a可焊接到水平极化全向阵列820的连接器片840b。在一些实施例中，连接器片包括铜。一个或多个垂直极化全向阵列830可经由缝810a-810c装配到水平极化全向阵列820内。两个(或更多)阵列经由连接器片(或任何其它耦合机构如直接焊接)的耦合可允许RF馈送器穿过两个完全不同的阵列。例如，RF馈送器可将水平极化阵列“跳接”到垂直极化阵列。
一个或多个馈送PCB 850也可装配到水平极化全向阵列820内的小缝860中。具体地，馈送PCB 850的特别配置的部分870装配到小缝860中。一个或多个馈送PCB 850可通过这种方式耦合到水平极化全向阵列820。在其它实施例中，一个或多个馈送PCB 850可耦合到垂直极化全向阵列830。在这点上也可使用前述连接器片/焊接方法。类似地，一个或多个水平极化全向阵列820可以用任何多种方式耦合到一个或多个垂直极化全向阵列830。类似地，本领域技术人员应理解馈送PCB 850可耦合到一个或多个水平极化全向阵列820和/或一个或多个垂直极化全向阵列830。
图9图示了用于将多于一个垂直天线阵列耦合到水平阵列的替代天线机械结构，其中该耦合包括水平阵列的PCB中的多个槽。如图9所示，水平阵列910包括用于接纳垂直阵列930的多个槽920。水平阵列910和垂直阵列930的实际耦合可通过与上述方式相似的方式(例如在走线处直接焊接和/或使用跳线电阻器)进行。
这里公开的实施例用于说明的目的。此处所述的结构和方法的各种变化或修改对于本领域技术人员而言是明显的。例如，关于使用多个天线作为发射机和/或接收机的MIMO无线技术可使用本发明的实施例，以相对于使用相同带宽的单输入和单输出(SISO)系统产生显著的容量改善，并传输功率。该MIMO天线系统的例子公开在美国临时专利申请No.60/865,148中，先前已通过引用将其包括在此。这样的变化、修改和/或改变依赖于本公开的教导并且这些教导已通过这些变化、修改和/或改变使现有技术得到进步，则该变化、修改和/或改变应被认为落入本发明的精神和范围之内。因此，此处的说明和附图应当参照在所附权利要求中阐明的具体限制来限定。

Claims (28)

1.一种多输入多输出(MIMO)天线系统，包括：
至少一个水平极化天线阵列；以及
耦合到所述至少一个水平极化天线阵列的垂直极化天线阵列。
2.根据权利要求1所述的MIMO天线系统，其中所述垂直极化天线阵列被配置成生成与所述至少一个水平极化天线阵列所生成的辐射图形基本上垂直的辐射图形。
3.根据权利要求1所述的MIMO天线系统，其中所述垂直极化天线阵列被配置成生成与所述至少一个水平极化天线阵列所生成的辐射图形基本上相似的辐射图形。
4.根据权利要求1所述的MIMO天线系统，其中所述垂直极化天线阵列被配置成生成与所述至少一个水平极化天线阵列所生成的辐射图形基本上不同的辐射图形。
5.根据权利要求1所述的MIMO天线系统，其中所述至少一个水平极化天线阵列包括被配置成选择性地耦合到射频馈送端口的多个天线元件。
6.根据权利要求5所述的MIMO天线系统，其中当所述多个天线元件中的第一天线元件和第二天线元件耦合到所述射频馈送端口时生成基本上在所述至少一个水平极化天线阵列的平面中的基本上全向辐射图形。
7.根据权利要求5所述的MIMO天线系统，其中所述多个天线元件中的至少一个天线元件包括被配置成减慢电子并改变所述多个天线元件中的所述至少一个天线元件的谐振的负载结构。
8.根据权利要求5所述的MIMO天线系统，其中在所述至少一个水平极化天线阵列上的所述多个天线元件基本上被定位到方形衬底的边缘。
9.根据权利要求5所述的MIMO天线系统，其中在所述至少一个水平极化天线阵列上的所述多个天线元件基本上被定位到方形衬底的中间。
10.根据权利要求5所述的MIMO天线系统，其中在所述至少一个水平极化天线阵列上的所述多个天线元件基本上被定位到三角形衬底的边缘。
11.根据权利要求5所述的MIMO天线系统，其中在所述至少一个水平极化天线阵列上的所述多个天线元件基本上被定位到三角形衬底的中间。
12.根据权利要求5所述的MIMO天线系统，其中所述射频馈送端口通过天线元件选择器选择性地耦合到所述多个天线元件中的至少一个天线元件。
13.根据权利要求12所述的MIMO天线系统，其中所述天线元件选择器包括RF开关。
14.根据权利要求12所述的MIMO天线系统，其中所述天线元件选择器包括PIN二极管。
15.根据权利要求6所述的MIMO天线系统，还包括被配置成影响耦合到所述射频馈送端口的所述第一天线元件和所述第二天线元件的辐射图形的至少一个反射器或导向器。
16.根据权利要求1所述的MIMO天线系统，其中通过将所述垂直极化天线阵列装配到在所述至少一个水平极化天线阵列的印刷电路板内形成的至少一个矩形缝内，使所述至少一个水平极化天线阵列耦合到所述垂直极化天线阵列。
17.根据权利要求16所述的MIMO天线系统，其中所述垂直极化天线阵列上的连接器片在所述至少一个水平极化天线阵列的所述印刷电路板内形成的所述至少一个矩形缝处焊接到所述至少一个水平极化阵列。
18.根据权利要求1所述的MIMO天线系统，其中通过将印刷电路板连接器元件的一部分装配到在所述至少一个水平极化天线阵列的印刷电路板内形成的矩形缝内，而借助所述印刷电路板连接器元件使所述至少一个水平极化天线阵列耦合到所述垂直极化天线阵列，从而允许射频(RF)馈送器穿过所述至少一个水平极化阵列和所述垂直极化阵列。
19.根据权利要求18所述的MIMO天线系统，其中所述印刷电路板连接器元件上的连接器片在所述至少一个水平极化天线阵列的所述印刷电路板内形成的所述矩形缝处焊接到所述至少一个水平极化阵列。
20.根据权利要求19所述的MIMO天线系统，其中所述印刷电路板连接器元件还在连接器片处焊接到所述垂直极化天线阵列。
21.根据权利要求1所述的MIMO天线系统，其中各天线阵列耦合到不同的无线电设备。
22.根据权利要求1所述的MIMO天线系统，其中所述至少一个水平极化天线阵列在所述至少一个水平极化天线阵列和所述垂直极化天线阵列的印刷电路板中的相交走线元件处耦合到所述垂直极化天线阵列，从而允许RF馈送器穿过所述至少一个水平极化阵列和所述垂直极化阵列。
23.根据权利要求22所述的MIMO天线系统，其中所述至少一个水平极化天线阵列和垂直极化天线阵列还在所述相交走线元件处通过零欧姆电阻器跳线来耦合。
24.根据权利要求1所述的MIMO天线系统，其中所述至少一个水平极化天线阵列和所述垂直极化天线阵列中的每一个包括多个寄生天线元件，各阵列上的所述多个寄生天线元件中的至少两个寄生天线元件被配置成通过开关网络选择性地相互耦合，所述多个寄生天线元件中的所述至少两个寄生天线元件的选择性耦合使所述多个寄生天线元件中的所述至少两个寄生天线元件的每一个共同地将辐射图形能量反射回所述辐射图形的源，所述辐射图形的反射增加了所述反射的辐射图形在所述图形反射的方向上的增益。
25.根据权利要求1所述的MIMO天线系统，其中所述至少一个水平极化天线阵列和所述垂直极化天线阵列中的至少一个包括多个寄生天线元件，各阵列上的所述多个寄生天线元件中的至少两个寄生天线元件被配置成通过开关网络选择性地相互耦合，所述多个寄生天线元件中的所述至少两个寄生天线元件的选择性耦合使所述多个寄生天线元件中的所述至少两个寄生天线元件的每一个共同地将辐射图形能量反射回所述辐射图形的源，所述辐射图形的反射增加了所述反射的辐射图形在所述图形反射的方向上的增益。
26.一种多输入多输出(MIMO)天线系统，包括：
多个水平极化天线阵列，每个水平极化天线阵列包括多个天线元件，所述多个天线元件被配置成选择性地耦合到射频馈送端口，其中将第一天线元件和第二天线元件耦合到所述射频馈送端口生成基本上在所述水平极化天线阵列的平面中的基本上全向辐射图形；以及
多个垂直极化天线阵列，耦合到所述多个水平极化天线阵列，其中所述多个垂直极化天线阵列被配置成生成与所述多个水平极化天线阵列所生成的辐射图形基本上垂直的辐射图形。
27.根据权利要求26所述的MIMO天线系统，其中通过将所述多个垂直极化天线阵列的每一个装配到在所述多个水平极化天线阵列的一个的印刷电路板内形成的至少一个矩形缝内，使所述多个水平极化天线阵列的每一个耦合到所述多个垂直极化天线阵列中的一个。
28.根据权利要求26所述的MIMO天线系统，其中通过将印刷电路板连接器元件的一部分装配到在所述水平极化天线阵列的一个的印刷电路板内形成的至少一个矩形缝内，并在连接器片处将所述多个垂直极化天线阵列的每一个焊接到印刷电路板连接器元件，使所述多个水平极化天线阵列的每一个耦合到所述多个垂直极化天线阵列中的一个。
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