CN101569055B - 天线系统和用于操作天线系统的方法 - Google Patents

Abstract

一种天线系统(30)，包括两个或更多个天线(301)以及阻抗匹配网络(302)。该天线系统(30)的天线(301)是密集分离的，其中举例来说，这些天线彼此分离了一个小于或等于λ/2的距离，其中λ是信号波长。网络(302)是自适应的，它可以被适配成考虑和/或抵消由耦合引起的任何性能降级，其中所述耦合可以是由天线(301)紧密地放置在一起造成的。本发明还涉及一种在该天线系统(30)中使用的方法。

Description

天线系统和用于操作天线系统的方法

技术领域

本发明主要涉及天线系统。特别地，本发明涉及一种包含多个天线和阻抗匹配网络的天线系统。此外，本发明还涉及一种用于操作具有多个天线和阻抗匹配网络的天线系统的方法。

相关技术描述

近年来，多种天线系统成为了无线通信系统的关注主题。它们通常包括：(i)在系统一端(发射或接收系统)使用多个天线，这种系统通常被称为智能天线系统或自适应天线系统；(ii)在系统两端同时使用多个天线，这种系统通常被称为多输入多输出(MIMO)系统。现有技术的智能天线系统可以提供性能益处。例如，这些益处包括：波束成形增益、分集增益和干扰抑制，由此可以扩展小区覆盖范围和/或提高服务质量。除了这些益处之外，MIMO系统还可以提供并行传输无干扰信道的可能性，而此类信道的最大数量则受发射和接收天线的限制。由此，空中数据吞吐量潜在能够随天线数量而呈线性增长。

在现有技术中，为MIMO系统获取多个并行信道以及为智能天线系统获取分集增益所需的条件是将天线放置得足够远，以使不同天线上的接收信号尽可能互不相同。换言之，信号之间必需具有很低的相关性。通常，所必需的分离度大于λ/2，其中λ是信号波长。由此，处于移动基站的天线在空间上是可以足够分离的。但在小型移动终端、例如移动电话中，终端的(最大)尺寸通常小于或等于λ/2。由此，这对天线间距可能小于或等于λ/2的小型移动终端来说，不是切实可行的选项。除了相关性问题之外，相隔很近的天线有可能对彼此产生强电磁干扰。而这进而可以改变天线特性，由此导致天线阻抗失配增大，并且由此减小天线输出端的接收功率。此外，信号间的相关性同样会受互耦合影响。

图1示出了现有技术的单天线系统10。单天线系统10可操作用于将单个天线101的输入阻抗调谐到负载电路102的输入阻抗。这是借助匹配网络103执行的，理想情况下该网络是无损电路。例如，匹配网络103可以包括连接在天线101与负载电路102之间的集中或分布部件。在现有技术中，该调谐只执行一次，并且对于指定天线101是固定的。

近来，自适应阻抗匹配成为移动终端的关注主题。这种自适应阻抗匹配依靠匹配网络103来减小单个天线101与负载102之间的失配。失配检测是通过借助所有可能的匹配点改变匹配网络103以及通过测量接收功率(对接收机而言)或反射功率(对发射机而言)来执行的。最优匹配网络可以对应于最大接收功率(对接收机而言)或最小反射功率(对发射机而言)。主要目标可以是减小因为附近物体改变天线阻抗而导致的失配损耗。

在具有良好分离的天线的多天线系统中，互耦合通常是可以忽略的，并且单天线匹配技术也是易于使用的。换言之，对此类系统来说，匹配网络可以包括分离或没有相互连接的子网络，每个子网络将天线匹配到其负载电路，这与图1所示的单天线情况是相同的。一般来说，用于具有多个天线的天线系统20的匹配网络采用的是图2的形式，其中输入端口P1、P2、……PN与连接至天线A1、A2、……AN的输出端口之间是相互连接的。从电路理论可知，通过单端口(或天线)网络的复共轭匹配扩展，具有多个端口的(或多端口)网络(例如多个天线)能够完美地匹配(就多端口天线与多端口负载之间的最大功率传输而言)。除了几乎为零的阻抗失配之外，如在无线信号以相等概率从空间中任何方向(3-D)到来的环境中一样，天线之间的信号是不相关的。但是，这种情况对移动通信环境来说通常是不成立的，在该环境中，无线信号通常是非均匀地来自不同方向的。此外，该环境同时包含了诸如用户之类的近场对象以及诸如建筑物和地形之类的远场散播物。因此，已知的天线匹配技术无法在移动通信环境中为间隔很近的多个天线提供有效匹配。

由此有必要提高天线系统的性能，尤其是在将多个天线中的天线密集放置在一起的那些天线系统中。

发明概述

因此，本发明优选寻求单独或以任何组合方式来缓解、减轻或消除本领域的一个或多个上述不足和缺陷。

根据本发明的一个方面，提供有一种包含多个天线和阻抗匹配网络的天线系统，其中该网络是自适应的。

至少两个天线可以分离一个距离，以使得存在耦合。例如，所述至少两个天线可以分离一个小于或等于λ/2的距离，其中λ是信号波长。此外，该网络在所述耦合方面可以是自适应的。

阻抗匹配网络可以被适配成抵消任何由多个天线间的耦合引起的性能降级。

天线系统还可以包括：被适配成从接收信号中估计至少一个信道参数的信道测量装置，以及被适配成根据所述至少一个信道参数以及天线系统的至少一个预定义参数来产生控制信号的信号处理装置。该阻抗匹配网络可以根据所述控制信号而被控制。举例来说，所述至少一个信道参数可以是信道的至少一个统计数据量度，例如开路相关性量度。

根据本发明的另一个方面，提供有一种移动终端，例如移动电话，其中该移动终端包括根据本发明实施例的天线系统。

根据本发明的再一个方面，提供有一种用于操作具有多个天线和阻抗匹配网络的方法，其中该方法包括由网络执行的自适应阻抗匹配处理。

该天线系统可以包括至少两个天线，其中所述至少两个天线分离了一个距离，以使得存在耦合。例如，所述距离可以小于或等于λ/2，其中λ是信号波长。该方法可以包括在考虑了所述耦合的情况下的阻抗匹配网络自适应。

作为补充或替换，该方法可以包括抵消由多个天线之间的耦合引起的任何性能降级。

此外，该方法可以包括从接收信号中估计至少一个信道参数，根据所述至少一个信道参数以及天线系统的至少一个预定义参数来产生控制信号，以及根据所述控制信号来控制网络。举例来说，所述至少一个信道参数可以是信道的至少一个统计数据量度，例如开环相关性量度。

根据本发明的另一个方面，提供有一种包含程序指令的计算机程序产品，其中当在具有计算机能力的计算机系统上运行该程序指令时，所述程序指令将会促使计算机系统执行根据本发明实施例的方法。举例来说，该计算机程序可以包含在记录介质上；保存在计算机存储器中，包含在只读存储器中，或是在电子载波信号上传送。

在从属权利要求中定义了本发明的更进一步的实施例。

附图简述

图1是具有单个天线的现有技术天线系统的框图。

图2是具有多个天线的现有技术天线系统的框图。

图3是具有多个天线和阻抗匹配网络的天线系统实施例的框图。

图4是两个接收天线的电路模型的框图，其中每一个接收天线都具有相等负载ZL，并且其中负载ZL代表的是天线看到的相等负载(匹配网络+负载级联)。

图5是具有与R_L和X_L(以欧姆为单位)相匹配的负载阻抗的平均电容变化(以比特/秒/赫兹为单位)的轮廓图。

实施例详述

以下描述的实施例公开了实施本发明的最佳模式，并且使本领域技术人员能够实施本发明。这些实施例的不同特征可以采用不同于如下所述的方式来进行组合。本发明可以采用多种不同形式实现，并且不应该被解释成是局限于这里阐述的实施例。相反，通过提供这些实施例，可以使本公开更为全面和完整，并且这些实施例向本领域技术人员充分传达本发明的范围。本发明只受所附的专利权利要求的限制。

在下文中将会描述天线系统的一个实施例。该天线系统通常包括多个天线和阻抗匹配网络。该阻抗匹配网络是自适应的。

该天线系统包括两个或更多天线，其中所述两个或更多天线分离了一个距离(相对于彼此)，以使得存在耦合。例如，该天线可以分离一个小于或等于λ/2的距离。自适应阻抗匹配网络可以在所述耦合方面是自适应的。例如，自适应阻抗匹配网络可以被适配成抵消由多个天线之间的耦合(例如电磁或互耦合)引起的任何性能降级。

天线系统可以包括被适配成从接收信号中估计至少一个信道参数的信道测量装置，以及被适配成根据所述至少一个信道参数以及天线系统的至少一个预定义参数来产生控制信号的信号处理装置。所述自适应阻抗匹配网络是可以根据所述控制信号来控制的。

例如，自适应阻抗匹配网络可以用于优化具有多个天线的天线系统的性能，特别地，所述优化是响应于环境变化并且在考虑了多个天线中的天线之间的耦合(例如电磁或互耦合)的情况下进行的。

根据本发明实施例的自适应阻抗匹配网络可以用于在无线通信中改善具有多个天线的天线系统的性能，尤其是在那些将多个天线中的天线密集放置在一起并且在天线之间存在互耦合的天线系统中。

根据本发明实施例的天线系统可以有利地用在诸如移动终端之类的小型系统中，在此类系统中，包含多个天线通常意味着在这些天线之间存在很强的电磁(或互)耦合，无论环境是怎样的，这种电磁(或互)耦合单独就会导致严重的性能降级。

特别地，根据本发明实施例的天线系统可以使用多端口自适应阻抗匹配网络来抵消由天线所看到的互耦合和/或环境变化引起的性能降级。除了单天线系统中也存在的阻抗失配之外，多天线系统性能还取决于接收信号之间的相关性。因此，将自适应匹配应用于多个天线的处理并不是单天线情况的简单扩展。

图3示出了包含多个天线301和阻抗匹配网络302的天线系统30的实施例。该阻抗匹配网络302是自适应的。由于在环境中存在散射物体(例如汽车、建筑物、道路标志)，因此，射频(RF)信号从发射机(未显示)的发射天线经由多条传播路径传送到接收天线A1、A2、……、AN的集合301。发射天线与接收天线A1、A2、……AN之间的传输函数是这些信号路径的一个函数，其中每一条路径都具有不同的参数，例如路径长度(或延迟)、离开和到达方向以及多普勒频率。总的传输函数是用于所有可能的发射和接收天线对的所有路径的总和，被称为MIMO信道矩阵H。信道测量装置303，例如信道测量单元，被适配成从接收信号中提取或估计矩阵H。这个操作可以在规则间隔上执行，例如使用训练信号来执行。信号处理装置304，例如信号处理单元，被适配成根据所估计的H以及接收天线的已知特性(例如自阻抗和互阻抗方面的特性)来产生在所关注的一个或多个工作频段的性能量度方面最优的多端口匹配网络。举例来说，该性能量度可以是接收功率、相关性和/或容量。然后，在自适应匹配网络302中，通过应用来自信号处理单元304的控制信号，可以实现所预测的最优匹配网络。矩阵H的测量或估计可以借助于控制信号，其中除了传输函数正被测量的天线之外，该控制信号将会通过开路(例如在自适应匹配网络304中)来临时断连所有天线301。

根据一个实施例，H的即时估计可以用于自适应处理。作为替换或补充，H的统计数据(例如不同接收信号之间的相关性)也是可以使用的。该统计数据可以从关于H的估计中计算得到，其中所述估计是在环境统计数据被认为稳定的时间间隔上在多个信道测量时刻获取的。在变化缓慢的环境中，这种基于信道统计数据的自适应匹配、即平均行为，具有减小自适应过程中所涉及的计算工作量的益处，原因例如在于只需要较少的信息，并且其执行较不频繁。此外，由于减小了对估计误差的灵敏度，因此它还可以提供更为牢固的性能。

根据另一个实施例，在下文中被称为天线系统30的完整实施方式，自适应匹配网络302被调整成实现任何从天线端口看到的N×N阻抗矩阵。

根据其他实施例，可以利用对可实现的阻抗矩阵施加了限制的简化的自适应匹配网络302。例如，该匹配网络可以是非耦合的，也就是说，自适应匹配网络304包括用于每一个天线Aj的独立匹配网络，其中每一个匹配网络都被调整成被连接在所述天线Aj与相应端口Pj之间，并且在所述独立匹配网络之间是没有任何互连的。

还可以进一步降低复杂度。例如，信道测量单元303可以被适配成限制信道估计，以便仅仅产生作为信道统计数据量度的开路相关性。根据这个开路相关性，可以作为匹配阻抗的函数来评估性能量度。

更进一步，如果匹配网络是非耦合的，也就是说，如果在将每个天线与其负载相连的匹配电路之间没有互连，那么，通过在信号处理单元30内部以及在由自适应匹配网络的特定电路实现方式提供的匹配阻抗范围上实施二维网格搜索，可以执行所述优化处理。然后，在自适应匹配网络304中可以通过恰当的控制信号来实现优化解决方案。原本打算用于单天线自适应匹配的已知电路实现方式可以被用于实现与自适应匹配网络10的每一个天线A1、A2、……、AN相连的独立匹配网络。

作为自适应匹配系统益处的例证，在下文中将会考虑一种具有两个发射天线和两个接收天线的简单的MIMO系统。作为示例，所有天线都是相同的半波长(或λ/2)电偶极子。考虑下行链路传输，其中假设处于移动基站的发射天线距离很远，并且由此是不相关的。接收天线是紧凑地放置在电话上或内，其中举例来说，接收天线之间的间隔可以是0.05λ。接收偶极天线的自阻抗和互阻抗分别是z₁₁＝92.7+j39.4Ω以及z₁₂＝91.1+j17.87Ω。阻抗匹配网络是用与每一个天线相连的阻抗负载z_L表示的。该环境被表示为电压V_OC1和V_OC2，其中所述电压是处于开路时的相应天线端口上的电压。在图4中给出了用于接收天线的电路模型。

用于众所周知的Kronecker模型的信道矩阵可以以如下方式形成：

$H={\mathrm{\Ψ}}_R^{1/2}{H}_{\mathrm{iid}}---\left(1\right)$

其中 ${\mathrm{\Ψ}}_R=\left[\begin{array}{cc}1& \mathrm{\α}\\ {\mathrm{\α}}^{*}& 1\end{array}\right]$

是接收相关性矩阵，α是接收天线上的开路相关性，*表示复共轭运算符，并且矩阵H_iid的元素是具有零均值以及平均功率1的复数高斯随机变量。该开路相关性是从开路电压获取的，也就是说

$\mathrm{\α}=E\left(V_{\mathrm{oc}1}{V}_{\mathrm{oc}2}^{*}\right)/\sqrt{E\left({\left|V_{\mathrm{oc}1}\right|}^2\right)E\left({\left|V_{\mathrm{oc}2}\right|}^2\right)},---\left(2\right)$

用于发射机上的相等发射功率的2×2MIMO系统矩阵的即时容量可以如下推导：

C＝log₂det(I+2γ_ref Re(Z₁₁)Re(Z_L)Z^-1H(Z^-1H)^H)(3)

其中

$Z=(Z_{L}I+\left[\begin{array}{cc}{Z}_{11}& Z_{12}\\ Z_{12}& Z_{11}\end{array}\right])$

I是2×2的单位矩阵，(.)^H是厄密共轭转置运算符，γ_ref＝20dB是基准SNR。信道矩阵是对照单天线系统上的平均接收功率来执行归一化的，其中发射和接收天线上的共轭阻抗是匹配的。

假设该传播环境符合拉普拉斯分布：

$p\left(\mathrm{\φ}\right)=c_1\exp [-\sqrt{2}|\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_0|/\mathrm{\σ}]/\sqrt{2}\mathrm{\σ},---\left(4\right)$

其中φ₀＝90°(端射方向)和σ＝15°分别是所述分布的平均和标准偏差，c₁是归一化因子，使得p(φ)在方位面上的积分是1。

为使自适应匹配系统运作，在信道测量单元303中首先将会使用等式(2)来从天线的开路电压中计算开路相关性。在本示例中，α＝0.96-j0.27。然后，这个值将被传递到信号处理单元304，在那里将会根据匹配负载阻抗z_L来计算性能量度，在本例中则是计算平均或遍历容量。这个平均容量可以很方便地从等式(3)的即时容量中获取，例如使用在G.Alfano、A.M.Tulino、A.Iozano以及S.Verdu发表于Proc.ISSSTA，Vol.1，pp.515-519，Sydney，Australia，30Aug.-2Sep.30204的论文“Ca pacityof MIMO channels with one-sided correlation“中的近似闭合形式表述来获取。然后，通过在负载电阻和电抗的负载阻抗平面上执行二维网格搜索，可以发现最大平均容量。图5中给出了负载阻抗平面上的平均容量的轮廓图。在本范例中，与最大平均容量(7.4比特/秒/赫兹)相对应的最优匹配负载是2-j22Ω。然后，这个匹配点将会通过控制信号而被中继到自适应匹配网络，其中该匹配网络将会实现这个匹配条件。

作为对比，这种经过优化的平均容量与通过只在天线自阻抗上实施复共轭匹配获取的容量进行了对比，其中这种通过只在天线自阻抗上实施复共轭匹配获取的容量也被称为自阻抗匹配(z_L＝z_L ^*)。如图5所示，最优容量(用*标记的点)是7.4比特/秒/赫兹，这与6.32比特/秒/赫兹的自阻抗匹配(用o标记的点)形成对比。这表明从所提出的自适应技术中得到了超出1比特/秒/赫兹的容量增益。另一个效益指数可以通过自阻抗匹配达到容量7.4比特/秒/赫兹的容量所需要的附加信号功率来给出。这是通过提升基准SNRγ_ref直至自阻抗匹配的容量等于7.4比特/秒/赫兹来获取的。在本示例中可以发现，需要大于3dB的附加功率，其中该功率将会通过自适应处理转换成等价的3dB的信号强度增益。如上所述，从使用了一般化的自适应匹配网络的完整实施方式中甚至可以预期得到更高的增益。

如果小型的多天线系统(例如移动电话之类的移动终端)共享了相同的发射和接收频率(以及天线)，那么在接收机环境以及上述实施例中使用的自适应匹配网络还可用于改善发射信号，这与时分双工(TDD)系统中的情形是相同的。这是因为发射天线看到的传播信道与放置在一起的接收天线看到的传播信道是相同的。

本发明的某些实施例允许提高包含多个天线的天线系统的性能。特别地，本发明的某些实施例允许提高其中将多个天线中的天线密集放置在一起并且在这些天线之间可以存在很强的电磁耦合或互耦合的天线系统的性能。

本发明的某些实施例具有可以在小型系统、例如移动电话之类的移动终端中使用的优点。由于未来的趋势是移动终端更为小型化，因此，本发明的某些实施例可以很有利地在所预期的小型移动终端中使用。

根据本发明的上述实施例的应用和用途是很多的，并且包含了所有那些使用具有多个天线的天线系统的领域，尤其是在那些将多个天线中的天线彼此密集地放置在一起的天线系统中。

除非以别的方式加以定义，否则这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)全都具有本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义。此外还应该理解，除非在这里明确定义，否则应该将术语、例如在常用字典中定义的术语解释成具有与其在相关领域上下文中的含义相一致的含义，并且不应该用理想化或过度正式的含义来对其进行解释。

这里使用的术语“优化/优化处理”被用于意指在某些方面实现/达到改进的性能结果。相应地，术语“最优”被用于意指在某些方面改进的性能或改进的结果。举例来说，优化可以是指接收功率、相关性、容量、BER(比特差错率)、FER(帧差错率)等方面的优化处理。

除非以别的方式加以说明，否则这里使用的单数形式“一”、“一个”以及“该”旨在还包含复数形式。更进一步，应该理解的是，本说明书中使用的术语“包含/包括”和/或“含有/具有”是为了规定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在性，而并未排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其组合的添加或存在。

在上文中已经参考具体实施例而对本发明进行了描述。但是，除了上述实施例之外，在本发明的范围中还有可能存在其他实施例。本发明所属领域的普通技术人员应该能够实施针对上述实施例的组合和修改。本发明的不同特征可以采用除所描述的组合方式之外的其他组合方式来进行组合。上文描述的不同实施例并未限制本发明的范围，相反，本发明的范围只受所附的专利权利要求的限制。

Claims (6)

1.一种用于多输入多输出，MIMO，系统的天线系统(30)，其中该天线系统包括多个天线(301)和阻抗匹配网络(302)，其中至少两个天线被分隔一个距离，使得存在耦合，并且其中该阻抗匹配网络(302)在所述耦合方面是自适应的，其特征在于，所述天线系统(30)还包括：

被适配成估计所接收信号之间相关性的至少一个信道参数的信道测量装置(303)，以及

被适配成根据所述至少一个信道参数以及天线系统(30)的至少一个预定义参数来产生控制信号的信号处理装置(304)，其中所述阻抗匹配网络(302)根据所述控制信号是可控的。

2.根据权利要求1的天线系统(30)，其特征在于：至少两个天线被分离一个小于或等于λ/2的距离，其中λ是信号波长。

3.根据前述任一权利要求的天线系统(30)，其特征在于：该阻抗匹配网络(302)被适配成抵消由多个天线(301)之间耦合引起的任何性能降级。

4.根据权利要求1的天线系统(30)，其中，至少一个信道参数是信道的至少一个统计数据量度。

5.一种移动电话，其特征在于：它包括根据前述任一权利要求的天线系统(30)。

6.一种操作用于多输入多输出，MIMO，系统的天线系统(30)的方法，其中该天线系统(30)具有多个天线(301)和阻抗匹配网络(302)，其特征在于：

由阻抗匹配网络(302)执行自适应阻抗匹配，其中天线系统(30)包括至少两个天线，这些天线被分离了一个距离，使得存在耦合；

在考虑了所述耦合的情况下执行阻抗匹配网络的自适应处理；

估计所接收信号之间相关性的至少一个信道参数；

根据所述至少一个信道参数以及天线系统(30)的至少一个预定义参数来产生控制信号；以及

根据所述控制信号来控制阻抗匹配网络(302)。

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