CN101715617B - 包括极化和空间分集天线系统的无线网络装置 - Google Patents

包括极化和空间分集天线系统的无线网络装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于以频段内的射频通信波信号的无线接入网关(1)，所述网关包含在外壳(2)内，并且包括底壁(13)和覆在所述底壁(13)上并且具有大致平行于底壁的上表面的主电路板(7)。所述网关配备有天线系统，所述天线系统包括至少两个天线：第一线性极化天线(4)，用于沿第一极化轴传播第一波信号，所述第一天线包括沿位于大致平行于底平面的第一平面上的第一纵轴延伸的第一辐射元，以及第二线性极化天线(5)，用于沿垂直于第一极化轴定向的第二极化轴传播第二波信号，所述第二天线包括沿位于垂直于第一平面定向的第二平面上的第二纵轴延伸的第二辐射元。第一和第二天线被放置成彼此相距至少λ/2的距离，其中λ是对应于频段内的射频的波长。两个天线在网关的外壳内物理地分开，以实现空间分集，并且它们被定向为具有正交极化，从而实现极化分集。假定两个天线的极化轴是正交的，位于垂直的平面上，并且一个天线放置在平行于底壁的平面上，则天线系统能够在接入网关被放置在不同操作位置时保持通信质量。

Description

包括极化和空间分集天线系统的无线网络装置
技术领域
本发明涉及无线网络装置，并且具体地涉及用作一个或多个移动终端和有线网络之间的接入点的装置。
背景技术
宽带接入技术允许服务提供商将他们的内容和服务提供扩展至企业和家庭用户。例如，用户可订阅多个服务或应用，诸如来自一个或多个服务提供商的语音服务、互联网接入服务、视频流、游戏服务等。这些可通过专用或公共数据网络(例如，互联网)获得的服务和/或应用可通过诸如数字用户线(DSL)线路的单个网络连接来传递。
无线局域网(WLAN)与它们的有线同类一样，被发展为向有限地理区域中的用户提供高带宽。它们被发展为由有线设施中经历的添加、删除或修改而引起的高的安装和维护费用的替代，由此以用于消费者和小的企业领域的WLAN的典型市场为目标。
当前，最广泛应用的WLAN标准是IEEE 802.11标准族，所述标准族被实现为具有不同规范。具体地讲，也被称为Wi-Fi的802.11b规范在2.4GHz频率范围内操作，并使用直接序列扩频技术，而802.11g规范在2.4GHz频率范围内操作并使用正交频分复用(OFDM)技术。另一方面，802.11a规范在5.15-5.35GHz和5.725-5.925GHz的范围内操作。
WLAN通过使用无线接入点(或接入网关)而操作，所述无线接入点向在接入点附近具有无线“客户机”装置的用户提供到诸如以太网或互联网的各种数据网络的接入。无线接入点至少包括通常根据在IEEE 802.11规范的不同部分中指定的标准之一进行操作的无线电设备。一般来讲，接入点中的无线电设备通过使用全向天线与客户机装置进行通信，所述全向天线允许无线电设备在任何方向上与客户机装置进行通信，即发射和接收数据。然后，接入点被连接(通过硬接线连接)至数据网络系统，完成客户机装置到数据网络的接入。
无线网关通常被实现为现有有线网络和一组客户机之间的最终链路，为这些用户提供到建筑物内的数据网络的所有资源和服务的无线接入。
美国专利申请No.2002/0175864公开了一种用于将移动装置桥接至有线网络的电子装置，所述电子装置包括由两个相互正交的缝隙天线构成的天线对，所述缝隙天线形成在金属带上并共享金属带的共同部分作为接地单元。天线对可隐蔽在电子装置的内部。
无线通信中性能劣化的主要原因是多径衰落、极化失配(polarization mismatch)和同信道干扰。一种用于增加信号效率的技术是多输入多输出(“MIMO”)。MIMO技术使用耦合至信号处理芯片集的多个天线来同时发射和/或接收多个信号。MIMO提供对抗不想要的路径效应的天线分集，并改进了通信信道容量。因为发射天线和接收天线之间的传输路径通常是线性独立的，所以成功地将信号发射至客户机的可能性通常与天线的数量成比例地增加。
在使用MIMO的无线通信中，通过一个无线电信道来发射和接收两个或更多个唯一数据流，由此传递每信道数据速率的两倍或更多倍。多于一个的相干无线电上变频器和天线被用于发射多个信号，并且多于一个的相干无线电下变频器和天线接收多个信号。MIMO系统中的峰值吞吐量增加等于信道中发射(或接收)的数据流的数量的因子。因为从不同无线电设备和天线发射(或接收)多个信号，所以MIMO信号通常被称为“多维”信号。
WO专利申请No.2006/003416描述了一种无线网络装置，所述装置具有被配置为提供发射和/或接收极化分集的正交极化天线。天线可被集成在装置的外壳内或安装在外壳上，从而它们不物理地突出到外壳的外部。装置可具有两个这样的天线，所述天线正交地布置在外壳的相同或不同面上。
MIMO技术可按照发射分集和/或接收分集工作。根据常用的术语，MIMO技术以发射和接收分集两者工作。在发射机处使用多个天线而在接收机处使用单个天线的系统被称为多输入单输出(MISO)，而在发射机处使用单个天线而在接收机处使用多个天线的系统被称为单输入多输出(SIMO)。在接收分集(即MIMO和SIMO技术)中，组合接收机侧的多个天线的响应。
如之前提到的，当由于多个接收机天线处的接收信号的多径衰落引起的波动彼此独立时，分集工作良好。天线分集技术可采取各种形式，例如，空间、极化、频率或角度分集。在空间分集方案中，分集天线必须以各种间距分开地放置。
Proceedings of SPIE，第4740(2002)卷，第160-167页刊登的M.Kar和P.Wahid的“Investigations on Polarization Schemes foruse in Wireless Environments”中记录了无线通信中的极化分集方案的回顾。
IEEE Proc.-Micrw.Antennas Propag.，第152卷，第6期(2005)中刊登的S.B.Yeap等人的“Integrated diversity antennafor laptop and PDA in a MIMO system”介绍了填充有电介质材料板的双折叠偶极子天线的设计。据作者陈述，在实现极化分集的同时，天线可彼此空间邻近地放置(小于λ/2)。膝上型计算机设计被描述为：其中在膝上型计算机的屏幕上实现电介质载入的双折叠偶极子的两个不同定向。
Microwave Journal，第45卷，第50-63页(2002)中刊登的H.-R.Chuang等人的文章“A 2.4GHz Polarization-diversity PlanarPrinted Dipole Antenna for WLAN and Wireless CommunicationApplications”中描述了极化分集天线，其中在PCB衬底上组合并制造了分别用于垂直和水平极化的两个正交印刷偶极子天线。
发明内容
在室内应用中，无线接入网关通常包括外壳，所述外壳容纳无线接入点电路和直接插入以太网或电话插孔以建立例如与PSTN(公共交换电话网络)线的网络通信的电连接器。通常，网关具有向外指的两个外部独立天线，所述天线可由用户手动地调整。这允许根据各种环境条件来调谐天线的通信质量。
申请人观察到，通常，外部天线在辐射效率、匹配、带宽和增益方面具有好的性能。在这种情况下，电子设备的RF电路和在其上安装天线的电子设备外壳不显著地影响天线性能。尽管如此，外部天线增加了网关的阻碍性，并且通常与网关外壳不和谐，这对客户感觉造成了不好的影响。
另一方面，内部天线，即安装在用作接入点的电子装置的外壳内部的天线，即使它们改进了电子设备外壳的包装风格，在辐射图、增益和辐射效率方面相对于外部天线也具有较差的性能，因为它们受到装置的其它电子元件的存在的影响。此外，由于电子设备包装的尺寸和形状，内部安装的天线具有大小限制。
为了改进信号效率，希望无线通信接入点装置利用发射和/或接收分集工作，从而希望设计一种其中天线提供大致不相关的波信号的天线系统。
申请人观察到，存在对于在提供大致全向覆盖的同时具有内部天线的无线接入网关的需要。为了本发明的目的，术语“大致全向”是指在主平面内峰峰波动被限制为几dB，典型地在10dB内，并且优选地跨越主平面内的360°角的90％不大于5dB。
此外，申请人面临在使得最终用户可以在室内环境中在不同位置安装网关的同时保持通信质量的问题。具体地讲，注意到，应当在接入网关的不同安装位置实现大致全向的覆盖。
申请人考虑到，使用AG的天线系统中的线性极化天线特别有利，因为当实现极化分集时它们通常确保天线之间相对高的不相关性。
申请人发现，包括具有至少两个具有正交极性的线性极化天线并具有位于垂直平面上的辐射元的天线系统的AG当被放置在不同操作位置处时能够保持通信质量。两个天线中的至少一个被布置在与AG的外壳的底壁平行的平面上，当水平布置在支撑表面上时，底壁是AG的底座。接入网关包括覆在底壁上并且具有与底壁大致平行的上表面的主电路板。
申请人发现，主电路板用作反射由天线发射的辐射场的反射表面，并且特别建议将布置在与底壁平行的平面上的天线放置在由主电路板的上表面定义的平面附近，从而改进天线系统的辐射增益，因为由来自主电路板的反射引起的失真被大大减小。
有利地，天线系统的每一个天线都是平面天线，因为这允许天线组件的配置具有一定的自由度，并便于天线在外壳中的集成。
优选地，本发明的天线系统的每一个天线都是偶极子天线，所述偶极子天线在与其偶极子轴正交的平面中提供大致全向的辐射图。更优选地，天线是印刷偶极子天线。
在本发明的一个方面中，提供了所附权利要求1中所述的接入网关。如所附权利要求2至34所述提供该装置的有利实施例。
附图说明
本发明的特征和优点将通过下述对其仅用于非限制性例子的实施例的详细描述而变得清楚，所述描述是参照附图进行的，其中：
图1示例了根据本发明的第一实施例的接入网关的示意性透视图。
图2示例了图1的接入网关的顶部平面图。
图3示例了图1的接入网关的示意性透视图，其中外壳被盖板封闭。
图4是2x1SIMO RF切换方案的符号表示。
图5是根据本发明的实施例的偶极子天线的平面顶视图。
图6是图5的偶极子天线的平面底视图。
图7示例了根据本发明的第二实施例的接入网关的示意性透视图。
图8a示出了图1-3的天线系统的xy平面中的测量的远场增益图。图8b示意性地示例了在图8a的增益图的测量期间网关的定向。
图9a示出了图1-3的天线系统的xz平面中的测量的远场增益图。图9b示意性示例了图9a的增益图的测量期间网关的定向。
图10a示出了图1-3的天线系统的yz平面中的测量的远场增益图。图10b示意性示例了图10a的增益图的测量期间网关的定向。
图11a示出了从计算机仿真获得的图7的天线系统的xy平面中的远场增益图。图11b示意性示例了图11a的增益图的仿真中网关的定向。
图12a示出了从计算机仿真获得的图7的天线系统的xz平面中的远场增益图。图12b示意性示例了图12a的增益图的仿真中网关的定向。
图13a示出了从计算机仿真获得的图7的天线系统的yz平面中的远场增益图。图13b示意性示例了图13a的增益图的仿真中网关的定向。
具体实施方式
图1和2分别示例了根据本发明的优选实施例的接入网关(AG)的示意性透视图和顶部平面图。接入网关1是可用作到另一个网络(例如互联网或移动通信网络)的进入点的无线网络装置。在用于小服务区和有限无线电覆盖的最简单的WLAN配置，例如家庭多媒体应用中，接入网关本身可提供无线电接口。在优选的实施例中，接入网关包括无线电前端，即处理发送和接收方向上的射频(RF)信号的系统单元，其中天线系统(下面详细描述)由合适的RF切换技术来控制。
AG 1包含在顶部打开的外壳2中，所述外壳2包括底壁13和由彼此相对的侧壁12a和12b、后壁12c和前壁12d形成的外围12。为了清楚起见，在图1和2中，未示出与后壁相对的外壳的前壁。图3示出了前壁12d，所述图3示例了AG的透视图，其中外壳2由被布置为与底壁13(图中不可见)相对并面向底壁的盖板14封闭。外壳可与盖板一起形成大致为立方体或矩形平行六面体形状的盒子。外壳2(和盖板14)是不导电的，以避免屏蔽天线系统，并且可例如由塑料材料形成。在图1和2(和图7)中，外壳2被示例为具有透明的壁，仅为了提高图的清楚度。然而应理解，外壳可由非透明材料形成，图3示出了外壳的封闭状态。
在图1-3示例的实施例中，外壳的底壁13位于与外围12的壁所在的平面正交的平面上。相对于外壳2的“底”壁13被称为AG的典型定向，即图1-3中示出的定向，其中底壁构成定义在例如桌子或书桌的支撑表面上(水平地)保持AG的底平面的底表面。如下面将要详细描述的，可在操作期间通过不同定向布置AG，例如，AG可被布置用于垂直墙壁安装，其底壁紧靠房屋垂直墙壁。
AG包括天线系统，所述天线系统包括第一天线4和第二天线5，所述天线都安装在AG 1的外壳2的内部。根据图1和2示例的实施例，天线系统包括两个且不多于两个天线。
每个天线能够在例如WiFi频率范围的频段内的射频传播波信号，所述波信号被线性极化，极化方向沿主轴(下文中被称为极化轴)延伸。
每个天线都包括主要沿主方面(将被称为辐射元轴或(辐射元的)纵轴)延伸的辐射元。辐射元的纵轴布置在一个平面中，所述平面定义将被称为辐射元的平面或天线平面的平面。在一些实施例中，辐射元沿纵轴延伸至少其长度(即，电气长度)的60％，优选为至少70％。在本上下文中，辐射元可包括例如一个或多个导电带或通常能够对辐射作出贡献的布线结构，并且主要沿纵轴布置。例如，天线可具有诸如金属管或金属线的细长结构形式的辐射元。
在优选实施例中，每个天线大致为平面，辐射元设置在平面衬底的表面上，所述衬底定义辐射元的平面。在本上下文中，“大致为平面”也可包括天线的辐射元可在法线方向上延伸到辐射元平面以外绝对值不超过约λ/8。例如，辐射元可以是布置在平面衬底上并具有不大于λ/8的厚度的一个或多个导体。
优选地，第一和第二天线4、5是偶极子或单极子天线。如已知的，通常偶极子天线为大致笔直的辐射元，即沿主方向(即，纵轴)布置的电导体或一对电连接的导体，其端与端之间的测量值为λd/2，并且在中间位置处连接至RF馈线，其中λd是电磁场在传播介质中的波长，即
Figure G2007800532389D00081
并且ε为有效介电常数，并且λ为对应于操作频率范围的中心频率的波长(例如，2.4GHz的频率对应于12.5cm的λ值)。通常，辐射元由两个长度为λd/4的偶极子臂形成。由辐射元辐射的电场的极化对应于辐射元的主定向。换句话说，偶极子天线是线性极化的并且极化轴对应于辐射元的纵轴。偶极子中的RF电流在中心(馈线与辐射元接合的点)最大，并且在辐射元的端部最小。RF电流最大的点将被称为偶极子中心，并且通常位于大约辐射元沿其纵轴的中点。
单极子天线是通过用地平面来代替偶极子天线的一半而形成的，所述地平面与剩下的一半成直角。如果地平面足够大，则单极子像偶极子一样工作，就好像其在地平面中的反射形成了偶极子失去的一半。具体地讲，单极子天线具有在操作或辐射频率约为λd/4长并与导电地平面电绝缘的辐射元，以产生接近偶极子的辐射图的辐射图。
根据优选的实施例，天线是偶极子天线，因为它们通常能够被实现为较简单的天线设计，尤其是当形成在印刷板上时，并且它们能够比单极子天线更容易并入AG外壳。在没有限制本发明的整体范围的情况下，对优选实施例的下述描述将关于偶极子天线。
振荡电偶极子产生关于预定平面大致全向的辐射图，所述预定平面通常与辐射元轴正交，并且在与其上布置有辐射元的平面垂直的平面内。偶极子或单极子天线的全向性是指，在预定平面内，所有方向上的最大增益至少为1dB，从而离理想偶极子的2.2dB的值并不远，所述理想偶极子具有两条零横截面的电线并仅沿纵向延伸。
天线系统的每个天线的辐射图的大致全向性特别有利，因为利用根据本发明的AG外壳内的天线布置，可保证在外壳的主平面内无线通信的大致全向覆盖，如下面将要详细描述的一样。
第一天线4被放置在AG的外壳2中，使得其辐射元被放置在与由底壁13定义的平面大致平行的平面上，即在与图1和2中的(x，y)平面平行的平面，也被称为底平面上。沿第一方向，即y轴定向其辐射元的极化轴。在本发明的意图内，术语“大致平行”于底平面可包括：辐射元的平面可与底平面形成不大于约10-15°的角，优选为5°内的角。
第二天线5被布置在外壳中，使得其极化轴沿大致垂直于第一方向的方向，即沿z轴的方向，并且被布置在与第一天线4所在的平面大致垂直的平面上，即(y，z)平面上。因此，第二天线5的极化轴(在单极子或偶极子天线的情况下与辐射元轴重合)位于与由外壳的底壁13定义的平面大致垂直的平面上。优选地，第二天线的极化轴所在的平面被布置为与外壳的侧壁12a大致平行。第二天线5也将在本文中被称为垂直天线或垂直定向天线。
两个天线的相互空间定向是这样的，其中第一天线在一个极化中具有较高增益，第二天线在正交极化中具有较高增益，由此实现极化分集。极化分集是通过放置第一天线4使其主极化大致沿第一方向(例如沿y轴方向)延伸，同时放置第二天线5使其主极化沿与第一方向正交的第二方向(例如沿z轴方向)延伸而获得的。
由于两个天线的极化轴是正交的，位于垂直的平面上，并且天线之一被布置在与底壁大致平行的平面上，所以当AG被放置在不同操作位置时天线系统能够保持通信质量。例如，可通过水平放置在支撑平面上(例如，底壁被布置在书桌或桌子上)的AG，或垂直放置(例如，挂在墙上，其底壁与房屋墙壁相邻放置或相接触)的AG来获得高质量的室内无线通信。
天线4和5可分别通过保持结构14和15固定在外壳2的内壁上。在图1和2的实施例中，天线4和5为平面天线，并且辐射元放置在平面衬底上。
在图1和2中，附图标记6表示用作AG 1中的无线电前端的收发机芯片集。芯片集可建立在包含RF电路的微型PCI卡上，其优选地集成在共用管芯上。RF电路通常包括射频滤波器(通常为SAW技术)、中频滤波器和允许发射和接收流之间的切换的双工器。其可包括解调器和放大器。芯片集支持实现RF切换方案的一组算法(即，芯片集的固件)。
根据第一实施例，RF切换方案是所谓的SIMO(单输入多输出)，其中在目的地(接收机)处使用多个天线。源(发射机)仅具有一个天线。具体地讲，本实施例的RF切换方案为2x1，所述方案使用两个接收信号和一个发射信号。发射机在两个天线之间切换，以选择具有最佳信号强度的天线。接收机从两个天线接收信号，所述信号被组合成一个改进的信号。优选地，在接收侧，在无线电前端上实现的算法组合来自两个天线的两个信号，并确定在信噪比(SNR)或接收信号强度指示(RSSI)方面最佳的信号。在传输阶段开始之前，该技术通过用于通信的切换网络来选择具有最佳SNR或RSSI的天线。发射天线的选择取决于接收流的质量。图4是2x1SIMO切换方案的符号示例，其中40表示发射机而41表示接收机，所述方案实际上在射频前端中实现。
优选地，无线电前端(由图1和2中的芯片集6表示)实现最大比率合并(MRC)处理技术，这是一种已知的技术，其使用导频信号或控制信道信号来估算多个天线的无线电信道特性，然后向每个天线施加权重以最大化总和信号的SNR。为了使MRC工作，需要两个(或更多个)接收机，其中适当应用的移相器和可变增益放大器实现所需的RF信号处理。MRC在SIMO方案中可以是有利的，因为其在其中各个接收机信号衰落在统计上不相关的衰落环境中提供了好的性能。
SIMO技术和一般来讲MIMO技术需要接收(和MIMO的情况下的发射)流之间的大致不相关性。
为了减小接收流之间的相关性，天线对被配置为除了极化分集以外，还实现空间分集。第一和第二天线被分开至少λ/2的距离(沿x轴)，其中λ是无线电信号的波长。优选地，所述距离至少为2/3λ。优选地，所述距离不大于3λ，更优选地不大于1.5λ。天线之间的距离可被取为天线的偶极子中心之间的距离。一般来讲，可在垂直于第一和第二纵轴的方向上(即，图1和2中的x轴)定义该距离。根据一个实施例，λ包括在从2.400到2.485GHz的频段(即，IEEE 802.11b规范中定义的WiFi频段)内。根据一个实施例，天线间隔不小于约6cm。
优选地为印刷电路板(PCB)的主电路板7包括在外壳2中。PCB包括在法线方向上彼此相对的上表面和下表面，下表面布置在外壳的底壁13上。两个天线通过PCB连接至分集接收电路，所述分集接收电路在本实施例中包括在芯片集6中。因此，由两个偶极子天线接收的信号波被发送至分集接收电路，在分集接收电路中，选择具有较高接收强度的信号波之一，或将来自两个天线的信号波组合，然后得到的组合波被发送至接收机并被接收。
优选地，PCB上表面与外壳的底壁13的底平面大致平行，即PCB上表面被布置为与底平面形成不大于3-5°的角。因此，第一天线4所在的平面与PCB的上表面大致平行。优选地，第一天线4的平面与PCB上表面形成不大于10-15°的角，最优选地在5°内的角。
在PCB的上表面上安装一个或多个电子元件，并且一般来讲是多个元件。关于外壳和PCB的“上”和“下”表面被称为AG的典型定向，即图1-3所示的定向，其中底壁13用作AG的底部。优选地，PCB 7用作至少一些电子元件的共用平台，并且通过跨越或穿过板的金属迹线在它们之间提供电气连接。在图1所示的实施例中，PCB保持在支撑框架18上以允许底壁和PCB下表面之间的空气流冷却电子元件。在垂直于PCB下表面的方向上底壁和PCB下表面之间的距离为例如0.6cm。
电子元件包括电源模块9、一个或多个连接器和/或接口8a、处理器模块11和可选的电连接至DSL连接器8b的DSL模块10。图1和2中示意性地示例了电子模块作为一个或多个功能块，尽管如下面示范地，应理解每个块可实际上包括一个或多个电子元件(例如，电容器、继电器、变压器等)。
电源模块9可包括切换电源单元、用于过流和过压保护的电路和DC/DC变换器。电源模块9通过PCB 7被连接至电源连接器16。一个或多个连接器8a可以是诸如RJ 45连接器的以太网端口、诸如RJ 11连接器的电话端口、USB主机和装置端口，这些端口可通过外壳的后壁12c的一个或多个开口从AG的外部访问并且可经由电缆连接(未示出)连接至例如互联网或PSTN的有线网络。DSL前端10可包括用作模拟接口的变压器，用于变换通过例如RJ11连接器的连接器8b进入和离开PSTN的传输信号的电压。根据实施例，处理器模块11包括其上安装有由金属材料制成、用于冷却芯片的热沉的CPU(中央处理单元)芯片。DSL接口可包括在处理器模块中。可包括另外的处理器模块19，所述处理器模块19包括由热沉冷却、用于控制以太网端口的CPU芯片。附图标记24指示电源的电感，所述电感在第二天线5的附近。可存在用作有线和无线网络的接口的另外的驱动电路(未示出)。
由于在电子元件的操作期间存在电场，并且它们的物理阻碍可作为电辐射屏蔽的事实，AG中包含的电子元件可影响离它们近的天线的辐射图。例如，当模块11和19中的CPU芯片上的金属热沉直接在天线的附近时，会改变天线的阻抗，并因此减小天线系统的整体效率。PCB本身(即，在操作期间，电流流过其导电迹线)也可通过部分扭曲或阻塞天线信号而作为天线的辐射图的屏蔽。如在本情况下，当天线布置在AG的外壳内部时，电子元件的影响尤其有害。
在前壁12d的附近，可选地存在连接至发光器件LED(未示出)的塑料光管的阵列3。光管从底壁13向上延伸至具有孔的盖板14(图3)，光管通过孔凸出并且从外壳的外部可见，以用于对操作状态进行光指示。光管阵列3可代表天线的电磁辐射的又一障碍。
因此，申请人研究了天线的定位，以便最小化与其它电子元件的交互。在图2中用虚线区17指示的具有连接器8a和8b以及电源插座16的AG区是这样的区域，其中，当AG被连接至一个或多个有线网络时，通电的电缆(未示出)被连接至插口和插座。如果AG水平地放置在支撑表面上，则区17通常位于房屋墙壁附近；如果AG被放置在房屋垂直墙壁上，则区17朝向房间屋顶。连接器和电缆严重影响频段内的天线匹配，进而影响辐射图。天线优选地放置在外壳的与具有外部连接器的后半部分相对的前半部分。优选地，天线被放置在距离多个连接器8a和8b以及插座16的最外侧边缘不小于λ/2的距离处，更优选地不小于λ的距离处。在本实施例中，DSL模块10和电源模块9存在于PCB的后半部分中。离DSL和电源模块至少/4的距离(例如，对于2.4GHz的WiFi应用约为30mm)帮助避免天线和模块中存在的诸如电容器电感和变压器的块状元件之间的交互。优选地，第二天线5的偶极子中心位于距离电感器24至少λ/8的距离处。
天线4和5优选地放置在PCB7的外部，以便减小PCB在它们的辐射图中的影响。优选地，从每个天线的近缘到PCB(例如，其平面衬底的近缘)的横向距离为至少约2mm。在图1和2的实施例中，所述横向距离沿第一和第二天线的x轴。
PCB用作反射由天线发射的辐射场的反射表面，并在大致垂直于反射表面的方向上产生最大值。申请人发现，如果水平定向的天线4的辐射元被放置在由PCB的上表面定义的平面附近的平面中，则沿与辐射元轴正交的平面(其中增益最大)和辐射元所在的平面之间的交线定义的方向辐射增益被提高，因为沿该方向由来自PCB的反射导致的失真被减小。优选地，第一天线4的辐射元被放置在沿z轴距离由PCB的上表面定义的平面不大于λ/4(例如，对于2.4GHz的WiFi应用约为3cm)的距离内，更优选地不大于λ/8的距离内。
PCB 7的厚度为例如1.5mm，这通常比WLAN应用中典型地使用的频段的λ/4的值小得多。
根据优选的实施例，偶极子天线4的平面衬底的上表面(即，天线4的辐射元轴)大致与PCB 7的上表面共面，即在法线方向上距离PCB上表面在5mm以内，优选地在2mm以内。
优选地，将垂直定向天线5定位成使得其辐射元的近缘沿其辐射元的纵轴(即z轴)紧密接近PCB的上表面。优选地，天线5的辐射元的近缘位于距离PCB的上表面不大于约5mm。在一些实施例中，天线5是偶极子中心位于沿其纵轴距离PCB的上表面至少约λ/4，优选地为约/4的偶极子天线。
垂直定向的天线5相对于水平定向的天线4的位置优选地使得两个天线的偶极子中心位于沿第一天线4的辐射元轴(即，y轴)不大于λ/4的距离内。
尽管第一天线也可使其辐射元位于PCB的下表面以下(即，上述从第一天线平面到PCB的上表面的距离应被认为是绝对值)，但天线也应优选地不离外壳的底壁太近或与外壳的底壁直接接触。如果那样的话，底壁，即使由非导电材料制成，也将影响从天线传播的电磁(EM)信号，从而对辐射图造成明显变形。优选地，天线的近主表面(即，后表面)和底壁之间的距离为至少3mm，更优选地为至少5mm。这也可以避免与导电水平平面(即(x，y)平面)的紧密接近，所述导电水平平面诸如在其上保持AG的金属书桌的平面，用作EM场的水平分量的反射表面。
优选地，每个天线都是制造在电介质衬底上的印刷偶极子天线。图5和6是根据本发明实施例的平面偶极子天线的平面视图(分别为前和后)。偶极子天线50包括具有前表面52(图5)和后表面(图6)的电介质衬底51。例如，电介质衬底可以是0.8mm厚并且相对介电常数为约4.7的FR-4PCB衬底。衬底的前表面52上印刷了双U形偶极子导电带，所述导电带包括两个腿59，每个腿连接至偶极子臂55。偶极子臂55的主定向定义天线的辐射元轴(或者，对于该类型的天线，偶极子轴)，所述轴在图5中沿Y轴定向。腿59连接至印刷在前表面上的导电接地平面54。印刷带由金属(例如铜)制成。
偶极子臂55被折叠为L形以减小整体天线高度Hd。也可被称为电气长度的每个偶极子臂55的长度，即大致为笔直部分55a和55b的长度之和(L2+W1)约为λd/4，并且优选地将近λd/4，其中λd是传播介质中电磁场的波长，即
Figure G2007800532389D00151
并且ε为传播介质的有效介电常数，并且λ为与操作频段的中心频率(例如2.45GHz)相关的波长。
根据实施例，电介质衬底具有40mm的高度Hd和18mm的长度Ld。
假定偶极子臂为L形，构成偶极子臂55的辐射元也沿与纵轴横向的方向，即部分55b延伸。优选地，每个偶极子臂的电气长度的至少60％，更优选地至少70％沿纵向延伸。应注意，偶极子臂55的部分55b与部分55a相比对电场作出的贡献小，所述贡献还取决于两个部分之间沿纵向的距离，因为沿部分55b流动的电流具有相反的符号。
微带馈线57印刷在偶极子天线50的后表面53上。在本实施例中，微带57是L形的。通孔60穿过51将偶极子臂55的末端连接至微带57。天线的馈电是通过一端连接至无线电前端的同轴电缆(未示出)来实现的。在对端，同轴电缆的内导体被焊接至微带57，而电缆的外或接地导体被焊接至天线的接地平面54。在该天线中，馈电结构与偶极子的接地平面形成平衡-不平衡变换器，允许从平衡配置(同轴电缆)传递至不平衡配置(印刷偶极子)。同轴电缆的焊接方案可以不同，例如，引入馈线57外部的又一金属通孔(未示出)并通过电介质衬底连接至接地平面54，并且通过同轴电缆的内导体连接至馈线57。
天线50的偶极子中心的位置示意性地表示为附图标记61。偶极子中心大致位于沿纵轴(即图5中的Y轴)距离偶极子臂的两端等距离的位置，并且大致在沿辐射元轴的辐射元的中点处。
对于2.45GHz的中心频率，形成偶极子天线的导电带的示范性大小可以是(参照图5和6)：W1＝15mm，W2＝2.4mm，L1＝2.5mm，L2＝6.5mm，LG＝3mm，WG＝14mm，Lb＝7mm，Wb＝WG，WS1＝6.8mm，LS1＝11.4mm，以及Ls2＝1.4mm。在该例子中，电气长度(W1+L2)的约30％沿与纵向横向的方向。
在图1和2示例的实施例中，偶极子天线4是印刷偶极子天线，被定向成上表面与外壳的底壁13相对并面向开放的顶部(或盖板14)，而偶极子天线5是被定向成上表面面向第一天线4的印刷偶极子天线。
图8a、9a和10a描绘出了沿根据图1-3所示实施例的AG的三个主平面在消声室中测量的共极远场增益图，所述AG具有带有图5和6所示类型的印刷偶极子天线并以2.45GHz操作的天线系统。虚线表示水平定向天线，即第一天线4(在图中由FD1表示)的增益图，而实线表示垂直定向天线，即第二天线5(在图中由FD2表示)的增益图。具体地讲，图8a示出了在典型定向中AG外壳沿(x，y)平面水平定位时测量的辐射图，底壁为其上保持有AG的底座，如图8b示意性示例的。测量结果是在远场区域中在一定距离处平行于(x，y)的平面中获取的。
图9a示出了在平行于前壁12d的平面中测量的辐射图，并且如图9b示意性示例的，AG外壳垂直地定位并保持在垂直于底壁13(和盖板14)的平面，即(x，z)平面中。AG的该定向可以是典型的，如果AG挂在房屋垂直墙壁上，并且底壁接近房屋墙壁。
图10a描绘了当如图10b所示AG外壳水平地位于与侧壁12b平行的平面中时测量的辐射图。
实验结果显示：天线4和5在三个主平面中的组合辐射图大致是全向的，其中波动在获取图8a、9a和10a的测量结果的三个主平面中大于周角的92％中不超过5dB。
可根据已知等式从辐射图计算互相关系数或包络相关，所述已知等式在例如所引用的S.B.Yeap等人的文章中已有记载。为主平面中的每一个从图8a、9a和10a的辐射图计算包络相关，并发现对于每个主平面中的天线系统，包络相关不超过值0.12。
图7示例了根据本发明的又一实施例的AG的透视图。根据该实施例，RF切换方案可以是3x1SIMO，其中在接收机处使用三个天线，并在发射机处使用一个天线。优选地，切换方案是3x2或3x3MIMO，所述切换方案使用接收和发射分集两者。信号的组合可使用已知的信号处理技术，诸如空间复用或根据新兴的IEEE 802.11n标准的空时编码。
发射和接收分集要求发射和接收流的不相关。申请人设计了一种包括天线系统的AG，所述天线系统包括具有低度相关性并且对于AG外壳相对于支撑表面或房屋墙壁的不同位置而提供高质量无线通信的至少三个内部天线。
在图7的实施例中，天线系统包括三个且不多于三个天线。所述三个天线在AG的外壳内物理地分开以实现空间分集，并且它们被定向成具有正交极化，以实现三轴极化分集。
在图7中，向对应于图1所示的那些元件给出相同的附图标记，并且在下文中省略对其的详细描述。AG 30包括布置在外壳2内部的三个天线，并且其辐射元大致沿纵轴(即辐射元轴)延伸。每个天线被线性地极化。第一天线22包括辐射元，其纵轴在相对于AG的外壳2的底壁13水平定向的平面中，即大致平行于底壁13的平面中，并具有沿第一方向，即y轴定向的极化轴。第二天线23包括辐射元，其纵轴在相对于外壳的底壁13垂直定向的平面中，并具有沿与第一天线22的极化轴大致垂直的第二方向(z轴)的极化轴。第二天线23的辐射元的纵轴位于与第一天线22的辐射元的平面大致垂直的平面上。
优选地，第二天线位于外壳内，在大致平行于外壳2的侧壁12a的平面上。第一和第二天线22和23在(x，y)平面上距离底壁13、安装在PCB 7上的连接器8a、8b和16以及电子模块9、10、10和11的最小距离优选地被选择成与参照图1和2示例的本发明的第一实施例中的相同。
优选地，第一和第二天线22和23与参照图1和2描述的实施例的第一和第二天线4和5一样布置在接入网关30的外壳2内。
网关30的外壳2可包括与底壁相对的盖板14(图7中未示出)，从而在封闭的状态下，可在图3的透视图中示例网关30。
第三天线20是线性极化天线，用于沿垂直于第一和第二天线22和23的极化轴定向的极化轴传播波信号，即沿x轴布置第三天线的垂直轴。通过沿三个大致垂直方向定向三个天线的极化轴，获得天线系统的最大极化分集。第三天线20包括沿纵轴延伸的辐射元，所述辐射元优选地位于与第二天线23的辐射元的平面垂直的平面中。
在优选的实施例中，每个天线都是大致平面的，并具有放置在平面衬底的表面上的辐射元，所述平面衬底定义辐射元的平面。
为了减小PCB对辐射图的干扰，第三天线20优选地布置在PCB 7的外部，例如其近缘(例如，其平面衬底的近缘)沿y轴在距离PCB的外缘至少2mm的距离处。
优选地，第三天线布置在与第一天线22的平面大致平行的平面上，从而与底壁13所定义的平面平行。以该方式，可减小电子元件和PCB本身对辐射图的干扰。优选地，放置第三天线20，使得辐射元的平面在由PCB的上表面定义的平面的附近，以便减小由来自PCB的反射引起的失真。优选地，第三天线20放置在沿z轴距离由PCB的上表面定义的平面不大于λ/4的距离处，优选地在不大于/8的距离处。
优选地，天线20的上表面被放置成与PCB 7的上表面大致共面，即在法线方向上距离PCB上表面在5mm以内，更优选地，在2mm以内，从而最小化由于来自PCB的反射而引起的辐射图的变形。
优选地，第三天线20的辐射元的平面被放置成与第一天线22的辐射元的平面大致共面。
三个天线在外壳内空间分开，以便实现天线系统的空间分集。第一天线22和第三天线20之间的距离不小于λ/2，其中λ是无线电信号的波长。优选地，所述距离不大于3λ，更优选地不大于1.5λ。天线之间沿特定方向的距离被定义为天线的偶极子中心之间的距离。例如，对于2.45GHz的中心频率，第一和第三天线之间的距离约为11cm。
第一天线22和第二天线23之间沿x轴的距离不小于λ/2。根据实施例，第一和第二天线之间的距离为至少λ。例如，对于2.45GHz的中心频率，所述距离约为22cm。
在示例的实施例中，三个天线被布置成紧密接近PCB 7的外缘，例如，每个天线的近缘与PCB的相应外缘之间的距离不大于2-3mm。然而，应理解，第一、第二和第三天线可放置在外壳中，以占据边长为至少λ/2的三角形的顶点。
根据优选的实施例，第一和第二天线的偶极子中心沿第一天线的纵轴(即y轴)的方向位于近距离处，绝对值不大于λ/4。
第三天线22距离光管阵列3的距离为至少0.5cm，并且距离前壁(图7中未示出)的距离为至少0.5cm。
图11a、12a和13a记载了沿AG的三个主平面的共极远场增益图的计算机仿真，所述AG根据图7所示的实施例并具有带有图5和6所示类型的印刷偶极子天线并以2.45GHz操作的天线系统。虚线表示水平定向天线，即第一天线22(在图中由FD1表示)的增益图，实线表示垂直定向天线，即第二天线23(在图中由FD2表示)的增益图，而点线表示第三天线20(在图中由FD3表示)的增益图。具体地讲，图11a示出了当AG外壳在典型定向中沿(x，y)平面水平定位时仿真的辐射图，如图11b示意性示例的，其中底壁为其上保持有AG的底座。
图12a示出了在平行于前壁12d的平面中仿真的辐射图，其中如图12b示意性示例的，AG外壳垂直地定位并保持在垂直于底壁13(和盖板13)的平面，即(x，z)平面中。
图13a描绘了当如图13b示意性示例的，AG 外壳水平地定位在平行于侧壁12b的平面中时仿真的辐射图。
仿真结果显示，天线20、22和23在三个主平面中的组合辐射图大致为全向的，其中波动在执行图11a、12a和13a的仿真的三个主平面中大于周角的90％中不超过5dB。
尽管已通过一些实施例公开和描述了本发明，但本领域技术人员应明了，在不偏离所附权利要求中限定的必要特征/范围的情况下，所述实施例的一些变形和本发明的其它实施例也是可以的。

Claims (33)

1.一种用于以频段内的射频通信波信号的无线接入网关(1；30)，所述网关包含在外壳(2)内，所述外壳(2)包括定义底平面的底壁(13)，并且所述无线接入网关包括：
所述外壳(2)内的主电路板(7)，覆在所述底壁(13)上并且具有彼此相对的上表面和下表面，所述下表面面向底壁，并且所述上表面与底平面大致平行，以及
天线系统，被布置在外壳(2)中并且包括：
第一线性极化天线(4；22)，用于沿第一极化轴传播第一波信号，所述第一天线包括在大致平行于底平面的第一平面中沿第一纵轴延伸的第一辐射元，以及
第二线性极化天线(5；23)，用于沿垂直于第一极化轴定向的第二极化轴传播第二波信号，所述第二天线包括在垂直于第一平面定向的第二平面中沿第二纵轴延伸的第二辐射元，
其中，第一和第二天线彼此相距至少λ/2的距离，其中λ是对应于频段内的射频的波长，并且其中，所述第一天线(4；22)的第一平面被放置在沿垂直于第一平面的方向距离主电路板(7)的上表面不大于λ/4的距离处。
2.如权利要求1所述的网关，其中，所述第一天线(4；22)为大致平面的，第一辐射元放置在第一平面衬底的上表面上，所述上表面定义所述第一平面；并且其中，所述第二天线(5；23)为大致平面的，第二辐射元放置在第二平面衬底的上表面上，所述上表面定义所述第二平面，使得第一和第二平面衬底彼此垂直地定向。
3.如权利要求1或2所述的网关，其中，第一和第二纵轴分别对应于第一和第二极化轴。
4.如权利要求1或2所述的网关，其中，所述第一和第二天线被放置成彼此相距至少2λ/3。
5.如权利要求1所述的网关，其中，第一平面距离主电路板(7)的上表面的所述距离不大于λ/8。
6.如权利要求1所述的网关，其中，第一平面距离主电路板(7)的上表面的所述距离不大于5mm。
7.如权利要求1所述的网关，其中，第一和第二天线电连接至主电路板(7)。
8.如权利要求1所述的网关，其中，外壳(2)包括由相对的侧壁(12a，12b)、前壁(12d)和后壁(12c)形成的外围(12)。
9.如权利要求8所述的网关，其中，相对的侧壁中的至少一个(12a)与底壁(13)大致垂直，并且位于第二平面上的第二纵轴被放置成与所述侧壁中的至少一个(12a)大致平行。
10.如权利要求8所述的网关，进一步包括安装在外壳(2)中并且可通过后壁(12c)从接入网关的外部访问的至少一个连接器(8a，8b，16)。
11.如权利要求10所述的网关，其中，第一和第二天线的每一个都与至少一个连接器(8a，8b，16)的外缘在第一纵轴的方向上空间分开至少λ/2的距离。
12.如权利要求10所述的网关，其中，第一和第二天线的每一个都与至少一个连接器(8a，8b，16)的外缘在第一纵轴的方向上空间分开至少λ的距离。
13.如权利要求1所述的网关，其中，天线系统包括两个且不多于两个天线(4，5)。
14.如权利要求1所述的网关，其中，第一和第二天线的每一个的辐射图在与第一和第二天线的每一个的纵轴分别正交的主平面中大致为全向。
15.如权利要求2所述的网关，其中，所述第一和第二平面衬底由电介质材料形成。
16.如权利要求15所述的网关，其中，第一和第二天线是具有印刷在第一平面衬底上的第一辐射元和印刷在第二平面衬底上的第二辐射元的印刷天线。
17.如权利要求1所述的网关，其中，第一和第二天线的每一个都是偶极子天线。
18.如权利要求17所述的网关，其中，第一(4：22)和第二天线(5；23)中的每一个都具有沿纵轴大致放置在辐射元的中心的偶极子中心，第一天线的偶极子中心与第二天线的偶极子中心沿第一纵轴空间分开不大于λ/4的距离。
19.如权利要求1所述的网关，其中，天线系统进一步包括第三线性极化天线(20)，用于沿垂直于第一和第二极化轴定向的第三极化轴传播第三波信号，所述第三天线包括沿位于第三平面上的第三纵轴延伸的第三辐射元。
20.如权利要求19所述的网关，其中，所述第三平面与外壳(2)的底壁(13)的底平面大致平行地定向。
21.如权利要求20所述的网关，其中，第三平面放置在沿垂直于第三平面的方向距离主电路板(7)的上表面不大于λ/4的距离处。
22.如权利要求21所述的网关，其中，所述第三平面距离主电路板(7)的上表面的距离不大于λ/8。
23.如权利要求21所述的网关，其中，所述第三平面距离主电路板(7)的上表面的距离不大于5mm。
24.如权利要求19至23中任一项所述的网关，其中，第三天线为大致平面的，第三辐射元放置在第三平面衬底的上表面上，所述上表面定义所述第三平面。
25.如权利要求24所述的网关，其中，所述第三平面衬底由电介质材料制成。
26.如权利要求25所述的网关，其中，所述第三天线是具有印刷在第三平面衬底上的第三辐射元的印刷天线。
27.如权利要求19至23中任一项所述的网关，其中，第三平面被定向成与第一天线(22)的第一辐射元所在的第一平面大致共面。
28.如权利要求19至23中任一项所述的网关，其中，第三天线(20)和第一天线(22)被放置成彼此相距至少λ/2的距离，并且第三天线(20)和第二天线(23)被放置成彼此相距至少λ/2的距离。
29.如权利要求28所述的网关，其中，第一天线(22)和第二天线(23)被放置成彼此相距至少λ的距离。
30.如权利要求19至23中任一项所述的网关，其中，第三天线的辐射图在与第三纵轴正交的主平面中大致为全向。
31.如权利要求19至23中任一项所述的网关，其中，所述第三天线为偶极子天线。
32.如权利要求19所述的网关，其中，第三纵轴对应于第三极化轴。
33.如权利要求19所述的网关，其中，天线系统包括三个且不多于三个天线(20，22，23)。
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