CN101842714B - 采用有源相控阵天线的通信系统和方法 - Google Patents

采用有源相控阵天线的通信系统和方法 Download PDF

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Abstract

本主题公开了一种无线通信系统，该系统包括：用于传输和接收电子辐射的至少一个有源相控阵天线单元和用于驱动和控制所述至少一个相控阵天线单元的相控阵电路，其中所述至少一个相控阵天线单元包括至少四个一维辐射器阵列。本主题还公开了用于使用所描述的系统的方法。

Description

采用有源相控阵天线的通信系统和方法
相关申请 
2006年10月3日提交的、标题为“PHASE SHIFTED OSCILLATOR ANDANTENNA”、序列号为PCT/IL2006/001144的专利申请以及2006年9月6日提交的、标题为“APPARATUS AND METHODS FOR RADAR IMAGINGBASED ON PUSH PUSH OSCILLATORS”、序列号为PCT/IL2006/001039的专利申请的公开内容通过引用合并到本文。 
技术领域
本发明总体上涉及宽带接入领域，尤其涉及采用应用于诸如WIMAX、WIFI、WPAN、蜂窝通信等系统的有源相控阵天线的无线通信方法和系统。 
背景技术
存在着对宽带无线接入解决方案的日益增长的需求。术语WI-MAX被WI-MAX论坛定义为微波存取全球互通，WI-MAX论坛正在采取行动来提高IEEE 802.16标准的适应性和互操作性。 
已经采取了若干方法和技术以使宽带接入能够符合IEEE 802.16标准以及类似的标准，支持该标准的最普通的技术称为MIMO——多输入多输出，MIMO是以若干天线的部署为基础的一种技术。 
然而，MIMO技术主要因其相对高的成本而具有一些显著的缺点。此外，与用于WIMAX、WIFI、WPAN和蜂窝通信的其他技术一样，MIMO也不提供用于应对需求带宽的动态改变的系统和方法，并且也不提供有效的方法来使准确的定向传输和接收成为可能。 
虽然上面参照WIMAX进行了介绍，但是WI-FI标准(IEEE 802.11)、 WPAN(IEEE 802.153C)、公共蜂窝通信协议以及其他的方法和协议也具有类似的问题。本发明被设计用于为这些和其他已知的或者以后开发的通信方法和协议解决类似的问题。 
发明内容
本发明的实施方式的一方面涉及通过借助于有源相控阵天线系统来传送和接收电信号、在相距几米到几千米的对象之间执行无线通信的系统和方法。例如，蜂窝站和多个蜂窝电话设备之间的通信，控制站和车辆控制单元之间的WIMAX、WIFI、WPAN、移动电话通信，从TV机顶盒(STB)到HDTV接收器的HDTV传输等。 
在本发明的示例性实施方式中，包括四个一维相控辐射器阵的天线单元使得能够与多个设备进行通信(传送和接收)，其中所述天线单元在多个辐射模式之间进行切换，从而能够向特定的设备进行高效的传输(或接收)，所述特定的设备位于所述天线单元周围的广阔的角度内。 
本发明的另一目的是提供使多个接收/传送对象之间能够进行高速率通信的低成本系统。 
本发明的另一目的是提供一种系统和方法，用于室外及室内应用的高吞吐量通信。 
根据本发明的一个示例性实施方式提供了一种无线通信系统，该系统包括用于传输和接收辐射的一个或多个相控阵天线单元、用于驱动和控制所述一个或多个相控阵天线单元的相控阵电路，其中所述一个或多个相控阵天线单元包括四维或更多维的辐射器阵列。 
在本发明的某些实施方式中，所述相控阵天线单元可以是有源的。 
在本发明的某些实施方式中，所述维度的辐射器阵列是线性的。 
在本发明的某些实施方式中，将所述相控阵天线单元在垂直方向上进行 布置。 
在本发明的某些实施方式中，所述维度的辐射器阵列是对称的。 
在本发明的某些实施方式中，所述维度的辐射器阵列是线性和对称的。 
在本发明的某些实施方式中，将偶数维的辐射器阵列相对于奇数一维辐射器阵列偏移大约两个邻近辐射器之间的距离的一半。 
在本发明的某些实施方式中，所述一个或多个相控阵天线单元包括四个或更多个辐射器，其中将两个或更多个辐射器组中的其中一个组定义为参考组，以及四个或更多个辐射器组中的两个或更多个组由所述相控阵电路控制，以用相对于所述参考组的可编程相移进行传送和接收。 
在本发明的某些实施方式中，每个辐射器组都包括至少一维的辐射器阵列。 
在本发明的某些实施方式中，所述可编程相移是+180或-180度。 
在本发明的某些实施方式中，所述系统选择性地在三种或更多种辐射模式之间进行切换，其中辐射模式是根据各自以不同的相移进行传送和接收的辐射器组的数目以及根据与每个辐射器组相关联的可编程相移进行定义的。 
在本发明的某些实施方式中，在所述三种或更多种辐射模式之间的选择性地切换使得能够与相当广阔的水平角上的对象进行通信。 
在本发明的某些实施方式中，所述广阔的水平角大于90度。 
在本发明的某些实施方式中，在所述三种或更多种辐射模式之间的选择性地切换依赖于在所述三种或更多种辐射模式中接收到的信号水平。 
在本发明的某些实施方式中，所述相控阵电路控制所述相控阵天线单元来通过垂直射束孔径(vertical beam aperture)进行辐射。 
在本发明的某些实施方式中，根据可编程方向图(pattern)来垂直地操控(steer)窄的垂直射束孔径。 
在本发明的某些实施方式中，所述相控阵电路包括两级PSIPPO；并且 所述窄的垂直射束孔径根据可编程方向图通过向所述两级PSIPPO提供控制信号而被垂直操控。 
在本发明的某些实施方式中，通信系统用于室外通信。 
在本发明的某些实施方式中，通信系统用于室内通信。 
在本发明的某些实施方式中，所述用于传输和接收辐射电信号的一个或多个相控阵天线单元传送和接收各种如今已知的或者以后开发的通信协议和方法。这可以包括例如，符合WIMAX或WIFI或HDTV或蜂窝通信的数据信号、或者它们的任何组合。 
在本发明的某些实施方式中，所述系统包括四个相控阵天线，所述四个相控阵天线以基本上矩形结构进行放置，以覆盖环绕所述天线的360度区域。 
附图说明
从下面结合附图的详细描述中，将能够更全面地理解和意识到本发明。在不止一幅图中出现的相同的结构、元件或部件通常在它们所出现的所有图形中用相同或类似的标号进行标记，其中： 
图1A是根据本发明的示例性实施方式的相控阵天线单元的示意图； 
图1B是根据本发明的示例性实施方式的位于垂直杆上的、包括四个相控阵天线单元的相控阵天线系统的示意图； 
图2A是根据本发明的示例性实施方式的处于第一操作模式中的相控阵天线单元的辐射方向图的图示描述(极化图和笛卡尔图)； 
图2B是根据本发明的示例性实施方式的处于第二操作模式中的相控阵天线单元的辐射方向图的图示描述(极化图和笛卡尔图)； 
图2C是根据本发明的示例性实施方式的处于第三操作模式中的相控阵天线单元的辐射方向图的图示描述(极化图和笛卡尔图)； 
图2D是根据本发明的示例性实施方式，概括了三种操作模式的相控阵 天线单元的辐射方向图的图示描述(极化图和笛卡尔图)，其中根据服务需求，每个模式在不同的时刻进行操作； 
图2E是根据本发明的示例性实施方式，概括了三种操作模式的相控阵天线单元的辐射方向图的极化图示描述，其中四个相控阵天线单元位于单个杆的四个面上； 
图3A是根据本发明的示例性实施方式，用于实施相控阵天线电路的电路基础的示意图，该相控阵天线电路支持三种操作模式的组合； 
图3B是根据本发明的示例性实施方式的收发机前端的示意图，该前端连接到图3A的混频器的高频端口以实施支持三种操作模式的组合的相控阵天线电路； 
图4是根据本发明的示例性实施方式的与三个传送/接收端点进行通信的360度相控阵天线系统的图示。 
具体实施方式
在其公开内容通过引用被合并到本文的、2006年10月3日提交的PCT/IL2006/001144和2006年9月6日提交的PCT/IL2006/001039中，描述了用于提供低成本和轻量型(light weight)分布式有源相控阵天线的元件和电路设计。这些申请描述了可被实现为低成本和小尺寸电路或者被制造为集成芯片以产生并控制由相控阵天线所传送和检测到的信号的电路。本申请实施了上述申请描述的思想以提供适当的有源相控阵天线来实施下面进一步描述的本发明。 
图1A示出了有源相控阵天线(APAA)(称为“天线单元”)100的辐射部件，它包括位于矩形套(casing)105上的四个或更多个一维辐射器阵列(称为“辐射器”)110、115、120、125，这些辐射器阵列可用微带技术来实施，所述矩形套105存在于具有相关联的底座的绝缘衬底上。在图1A中 特别描述的整个天线阵列由标记为A1-A16、B1-B16、C1-C16、和D1-D16的64个辐射器组成。然而，根据所要求的功率输出和精度，可以采用不同数目的辐射器。每个辐射器都成六边补片(patch)形状，例如辐射器A1，130。每个辐射器都具有馈线(传递到达或者来自辐射器的电磁波的I/O端口)135、145、155、165，馈线或者位于辐射器的上顶点(例如，A1-A16、C1-C16)，或者位于辐射器的下顶点(例如，B1-B16、D1-D16)。仿真显示，在传输增益和/或接收增益以及在邻近辐射器之间提供相对好的隔离方面，六边形辐射器比正方形辐射器或圆形辐射器能够提供更好的结果。然而，可以选择不同的几何形状。 
应当注意的是，虽然图1A所示的一维辐射器阵列是线性(辐射器沿着直线放置)和对称的(辐射器之间的距离相等)，但是在根据本发明的另一示例性实施方式中，所述一维辐射器阵列可以是非线性或者非对称的。 
在本发明的示例性实施方式中，辐射器的馈线布置形成对称结构，即在第一和第三一维辐射器阵列中，辐射器的馈线位于六边补片的上顶点，而在第二和第四一维辐射器阵列中，辐射器的馈线位于所述补片的下顶点。应当注意的是，辐射器馈线的该对称布置可选地有助于实现对称的辐射模式。 
在本发明的示例性实施方式中，偶数的一维辐射器阵列相对于奇数的一维辐射器阵列偏移了大约两个邻近辐射器之间的距离的一半，从而辐射器B1140不是位于辐射器A1130的下面而是位于辐射器A1和A2之间。辐射器的这种部署能够在给定区域上优化辐射器的密度，从而改善射束成形(formation)。 
虽然图1A示出了水平方向的天线套105，但是在APAA系统的实际应用中，天线也可以垂直布置，即辐射器A1、B1、C1和D1将位于天线的上端而辐射器A16、B16、C16和D16将位于天线的下端。如图1B所示。 
天线尺寸依赖于波的频率和衬底的介电常数。然而，对于某些应用中的 使用而言，例如WI-MAX应用，辐射器的尺寸典型地将不超过几厘米。 
在本发明的示例性实施方式中，为了在用于与天线100的覆盖区域中的设备进行通信的仍然高的功率密度的情况下获得更广阔的方位角覆盖，用相同的物理辐射器阵列生成了三种不同的辐射方向图(称为“辐射模式”)。 
可选地，天线100的多个辐射模式的产生由对四个一维辐射器阵列110、115、120、125中的信号的相对相移来定义。 
在本发明的示例性实施方式中，通过向四个一维辐射器阵列110、115、120、125提供随后的相移方向图来定义第一辐射模式。可选地，第一一维辐射器阵列110具有0度相移——该阵列作为参考阵列。第二一维辐射器阵列115具有与第一阵列相同的0度相移。相对于第一一维辐射器阵列110而言，第三一维辐射器阵列120具有180度的相移(即，对于1≤i≤16的每个辐射器Ci而言，其相位相对于第一一维辐射器阵列110中的相应辐射器Ai偏移了180度)。这同样适用于第四一维辐射器阵列，第四一维辐射器阵列相对于第一一维辐射器阵列也偏移了180度。 
应当注意的是，通过相同的辐射器既传送又接收是可能的，而且这通常是最高效的结构。然而，在本发明的示例性实施方式中，将传输和接收在传送辐射器和接收辐射器之间分离了。对传输和接收部署不同辐射器可以用各种拓扑结构来实现，例如将这些功能分离到两个不同的相控阵单元，或者可选地在相控阵单元中定义用于传输的子辐射器组，同时将互补的子组用于接收。 
图2A根据本发明的示例性实施方式，示出了第一辐射模式下的极化图205的示意图和辐射方向图的笛卡尔图示210，表明了天线的方位角范围。射束205(用于传输和接收)所覆盖的方位角是基本上平面形的射束，它的垂直距离大约为5度的孔径。这种窄的孔径角度依赖于单个一维阵列中辐射器的数目。 
图2A还示出了笛卡尔图210，它描述了天线增益(dB)随着方位角的变化。 
如下面将进一步解释的那样，所述系统能够进行辐射方向图的垂直操控，从而将相位0或180度提供给辐射器Ak、Bk、Ck、Dk，以及将相位均匀线性地添加分布给每个一维阵列中的辐射器。这样，适当的仰角角度将得到覆盖。在所传送的信号具有高功率密度的情况下，三种天线辐射模式所覆盖的方位角与相控阵天线电操控的仰角一起将使所述系统能够覆盖广阔的立体角。 
图2A表明第一辐射模式创建了两个主瓣，这两个主瓣覆盖了大约100度的角度。然而，该第一辐射模式在两个最大点处提供了最好的覆盖(形成了这两个瓣)以及在这两个主瓣之间的中间部分提供了较弱的覆盖。可选地，如下面所描述的，将采用其他的辐射模式来增强在第一辐射模式的射束205不处于最佳性能的区域中的覆盖。 
可选地，第一辐射模式通过向四个一维辐射器阵列110、115、120、125提供下面的相移来实现。可选地，作为参考的第一一维辐射器阵列110具有0度相移，第二一维辐射器阵列115相对于第一一维辐射器阵列110具有相同的相移(即0度)。第三一维辐射器阵列120相对于第一一维辐射器阵列110具有180度偏移。第四一维辐射器阵列125相对于第一一维辐射器阵列110也具有180度偏移(即，与第三一维辐射器阵列具有相同的相移)。 
图2B根据本发明的示例性实施方式，示出了第二辐射模式的极化图230和辐射方向图的笛卡尔图示235，从而能够充分理解第二辐射模式的方位角覆盖。可选地，第二辐射模式通过向四个一维辐射器阵列110、115、120、125提供下面的相移来实现。可选地，作为参考的第一一维辐射器阵列110具有0度相移，第二一维辐射器阵列115相对于第一一维辐射器阵列具有180度相移。第三一维辐射器阵列120具有0度偏移，即与提供给第一一维辐射 器阵列110的相位相同。第四一维辐射器阵列125相对于第一一维阵列110具有180度的相移。 
图2B还示出了笛卡尔图235，它描述了天线增益(dB)随着方位角的变化。 
图2B表明第二辐射模式在一个主瓣中提供传输和接收覆盖。如同针对第一模式所提到的，第二辐射模式的垂直射束角度具有相同的大约5度的窄孔径。 
图2C根据本发明的示例性实施方式，示出了第三辐射模式的极化图260和该辐射方向图的笛卡尔图示265，表明了第三辐射模式的方位角范围。第三辐射模式通过向四个一维辐射器阵列提供下面的相移来实现。作为参考的第一一维辐射器阵列110具有0度相移，第二一维辐射器阵列115相对于第一一维辐射器阵列具有180度相移。第三一维阵列120具有180度相移。第四一维辐射器阵列125相对于第一一维辐射器阵列110具有0度相移，即，与提供给第一一维辐射器阵列100的相位相同。 
图2C还示出了笛卡尔图265，它描述了天线增益(dB)随着方位角的变化。 
图2C表明第三辐射模式在两个主瓣中提供传输和接收覆盖，这提供了对由第一和第二辐射模式所覆盖区域之间的间隙的最佳覆盖。如同针对第一辐射模式所提到的那样，第三辐射模式的垂直射束角度具有相同的大约5度的窄孔径。 
图2D示出了由所有这三种模式的总和所提供的覆盖。它示出了这三种模式的总和，极化视图280和笛卡尔视图285提供了大于90度宽的区域的良好的覆盖。 
在本发明的某些实施方式中，APAA系统将在小于三种模式之间进行切换或者在多于三种模式之间进行切换。 
在本发明的某些实施方式中，APAA系统可以向一维辐射器阵列提供大于或小于180度的相移。 
在本发明的某些实施方式中，APAA系统所包括的一维辐射器阵列可以多于或者小于四个。 
在本发明的某些实施方式中，除了一维辐射器阵列之外，APAA系统还可以包括辐射器的各种组合，其中辐射器的任何子组(称为组)将与相对于任何参考子组的可编程相移相关联。例如，天线单元可以包括8个一维辐射器阵列，其中第一和第二辐射器阵列将构成第一组辐射器，第三和第四一维辐射器阵列将构成第二组辐射器，第五和第六一维辐射器阵列将构成第三组辐射器，第七和第八一维辐射器阵列将构成第四组辐射器。 
在更一般的情况中，天线单元可以由N(实际上大于8的整数)个辐射器组成，这N个辐射器以任何可能的几何图形进行放置，其中所述系统在辐射模式之间进行选择性地切换，其中辐射模式由组的数目和与每个组相关联的相移来定义。 
当根据本发明的示例性实施方式来操作APAA系统时，该系统在所述三种辐射模式之间进行切换。该切换可以是周期性的切换模式或者是任何期望的模式。在本发明的示例性实施方式中，所述系统能够改变切换模式以适应动态情况，例如当接收或传送源进入或者离开该系统所覆盖的区域时，或者当要求不同的需求和优先权时。可选地，切换模式的改变提供了一个区域的覆盖相对于另一区域的覆盖的优先权，例如，为了向特定的客户设备增加带宽。 
一维辐射器阵列之间的相移为0度或者180度的辐射模式的使用能够简化如图3A和图3B所示的、支持APAA系统中的传输和接收的电子电路。 
图3A是根据本发明的示例性实施方式，用于向辐射器阵列提供辐射信号的电路基础的示例性图示。 
如PCT/IL2006/001144中详细描述的那样，该电路使用振荡器单元305，该振荡器单元305的输出通过被称为“多支管（manifold）”的分路元件（splitting element）306-312而被分成8个分支。然后，这些信号到达第一级PSIPPO（相移锁定注入推推振荡器）320-327。本领域技术人员将意识到，在该级PSIPPO处所确定的相移用于操控射束的仰角。可以预见到，在第一和第二级PSIPPO处应用零度相移，如图2A、图2B和图2C以及标号分别为205、230和260所描述的那样，辐射方向图（射束）将是平坦型的“扇”，其对称轴垂直于天线表面。 
离开第一级PSIPPO的信号由另一级分路元件330-337进行分路，并前进到有助于操控射束的仰角的第二级PSIPPO 340-355。图3A示出了所述系统的部件，取决于位于辐射器附近并在图3B中示出的开关380a-380d和383a-383d的位置，所述系统部件开始自甚低频的主振荡器305，然后是分支管306-312的功率分路器、两级PSIPPO（即320-327和340-355），直到作为上变频器或下变频器的混频器361a-361p。 
理论上，没有图3B所示的开关线的电路结构可确保相同的系统行为。然而，该解决方案涉及更多的部件，并提供较低的商业价值。 
在一般的情况中，由16×4个辐射天线进行传送或接收将需要使用四个如图3A所示的电路。然而，使用图3B的电路图，系统将变得更经济和更高效。实际上，具有两级开关线（即上下通路）的图3B能够传递具有0度相位或180度相位的辐射器Ak、Bk、Ck、Dk信号。那意味着：仅用图3A的一个子系统就足够馈送所述三种天线模式所需要的所有信号。 
参照图3A，来自第二级PSIPPO 340-355的信号是能够对通过IF端口进入混频器的基带信号（或者来自辐射器、通过RF端口进入混频器的RF信号）进行上变频（或下变频）的泵信号（bump signal）。事实上，将具有相同相位的相同信号用于传送和接收操作，确保了传输和接收中射束的相同方向。 
16个混频器中的高频端口将是连接到图3B的框的每个端口。这些混频器中的每个高频端口将向所述四个辐射器组Ak、Bk、Ck、Dk传递信号，或接收来自这四个辐射器组Ak、Bk、Ck、Dk的信号，其中1≤k≤16。 
图3B示出了能够向四个一维四辐射器阵列提供相移信号的低成本简单电路，每个一维辐射器阵列属于4个不同的线性阵列中的一个阵列，每个线性阵列包含位于该阵列中相同位置处的16个元件。图3B所示的电路对应于单个阵列中所述补片的16个位置被复制16次，并且连接到每个混频器361a-361p。图3B包括三个相同的开关通路，第一开关通路包括延迟元件373和两个开关(即372与374)。第二开关通路包括延迟元件378b和两个开关(即377b与379b)，以及第三开关通路包括延迟元件378d和两个开关(即377d与379d)。该电路还包括四个定向子电路，每个定向子电路包括开关380、383和放大器381、382，其中，索引a-d分别表明各个子电路。 
现在返回图2A，为了在第一辐射模式中操作，180度的相移应当被提供给第三和第四一维辐射器阵列，而0度相移应当被提供给第一和第二一维辐射器阵列。这是通过选择图3B中的下述通路来实现的： 
辐射器Ak将辐射具有0度参考相位的、沿着通过390a的通路的信号。 
辐射器Bk将辐射具有0度相位的、沿着通过1001/1000/401/500的通路的信号。 
辐射器Ck将辐射具有180度相位的、沿着通过390c的通路的信号，只要该信号通过延迟元件373(该延迟元件373将该信号偏移180度)进行路由。 
辐射器Dk将辐射具有180度相位的、沿着通过390d的通路的信号，只要该信号通过延迟元件373(该延迟元件373将该信号偏移180度)进行路由。 
为了类似地(或相同地：依赖于射束操控)将信号驱动到所有的16×4辐射器，由离开所有“k”个混频器的信号来执行操作，其中，1≤k≤16。 
应当注意的是，延迟元件373、378b和378d是简单的和低成本的传输线，通路391a、390a、390b、390和390d也是简单的传输线。第一组和第二组线的电气区别是180度。电子开关和传输线而不是图3A中多个子系统的使用，减小了整个系统的成本和尺寸。 
图4示出了根据本发明的示例性实施方式的APAA系统400。该系统由四个相控阵天线单元410、415、420和425组成，每个相控阵天线单元位于杆405的不同面上。 
在本发明的示例性实施方式中，这四个相控阵天线单元中的每一个单元的覆盖都是方位角大于90度，从而所有这四个相控阵天线单元能够覆盖360度。如参照图2A-2C所描述的那样，每个相控阵天线单元在所述三种辐射模式之间进行切换。同时，四个相控阵天线单元中的每个相控阵天线单元还操控射束的仰角。垂直地操控射束由两个阵列的PSIPPO(即320-327和350-355(图3A))来控制。 
可选地，所有这四个相控阵单元都由单个的相控阵电路来控制。在本发明的另一示例性实施方式中，这四个相控阵单元中的每一个或者部分由分立的相控阵电路进行控制和驱动。 
当传送和接收数据时，所述系统可以检测向相控阵天线单元415传送数据的PC设备430和也向相同的相控阵天线单元415传送数据的车辆控制设备435。图4还示出了中继器(repeater)设备440的天线以及正在传送被相控阵天线单元410所接收的数据的蜂窝电话设备445。由于该系统正在所述三种辐射模式之间进行切换，所以在所述三种辐射模式中的每个辐射模式下，以不同的强度将每个设备传输进行拦截。在本发明的示例性实施方式中，当所接收到的信号最大时，所述系统从所述三种模式中为每个设备识别最佳 的接收模式，并在该最佳接收模式中向该设备分配传送和接收的优先权。因此，假设用于PC设备430的最佳接收模式是第一辐射模式以及用于车辆控制设备的最佳接收模式是第三辐射模式，那么该系统可以减小被分配用于第二辐射模式中的传输和接收的时间以及增加被分配给第一和第三辐射模式的时间。在本发明的示例性实施方式中，所述系统也根据由传送设备所施加的带宽需求来分配传输和接收时隙。在本发明的示例性实施方式中，所述系统通过考虑传送设备被最佳接收的仰角来分配用于改变仰角的时隙。 
在本发明的示例性实施方式中，为四个相控阵天线单元410、415、420和425中的每个单元提供独立的控制电路，从而能够为所述四个相控阵天线中的每一个天线独立地优化带宽需求。 
虽然上述描述是参照APAA系统进行的，但是本领域技术人员将意识到，本发明并不限于有源通信，而是能够应用于任何适当的通信协议或方法，包括例如WIMAX、WI-FI、WPAN以及HDTV(高清TV)或蜂窝通信标准和协议。 
应当意识到，上述方法和系统可以以多种方式进行改变，包括省略或添加步骤、改变步骤的顺序以及所使用的设备的类型。应当意识到，不同的特征可以以各种方式进行组合。特别地，在上面特定实施方式中示出的所有特征并不是在本发明的每个实施方式中都是必需的。上述特征的进一步组合也被考虑位于本发明某些实施方式的范围内。例如，上述的系统可用四个线性天线阵列进行工作，每个天线阵列包含任意数目的辐射器。 
本领域技术人员应当意识到，本发明并不局限于上文特别示出和描述的内容。相反地，本发明的保护范围仅由所附权利要求书定义。 

Claims (21)

1.一种无线通信系统，该无线通信系统包括：
用于传输和接收数据通信的至少一个相控阵天线单元；以及
用于驱动所述至少一个相控阵天线单元和控制所述至少一个相控阵天线单元在辐射模式之间进行切换的相控阵电路，其中所述至少一个相控阵天线单元包括至少四个一维辐射器阵列，且其中所述相控阵电路包括第一级和第二级相移锁定注入推推振荡器PSIPPO。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少四个一维辐射器阵列是线性的。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个相控阵天线单元以垂直方向进行布置。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少四个一维辐射器阵列是对称的。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少四个一维辐射器阵列是线性和对称的。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述至少四个一维辐射器阵列成行排列，其中每行安置一个一维辐射器阵列，其中安置在偶数行的一维辐射器阵列相对于安置在奇数行的一维辐射器阵列偏移大约为两个邻近辐射器之间的距离的一半。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个相控阵天线单元包括至少四个辐射器组，其中所述至少四个辐射器组中的其中一个辐射器组被定义为参考组，以及所述至少四个辐射器组中的至少两个辐射器组由所述相控阵电路控制，以用相对于所述参考组的可编程相移来进行传送和接收。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，每个辐射器组包括至少一个一维辐射器阵列。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述可编程相移高达+180度或-180度。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统选择性地在至少三种辐射模式之间进行切换，其中辐射模式是根据各自以不同的相移进行传送和接收的辐射器组的数目以及根据与每个辐射器组相关联的可编程相移进行定义的。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，在所述至少三种辐射模式之间的选择性地切换使得能够与相当广阔的水平角上的对象进行通信，其中所述相当广阔的水平角大于90度。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述在至少三种辐射模式之间的选择性地切换依赖于在所述至少三种辐射模式中接收到的信号水平。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述相控阵电路控制所述相控阵天线单元通过垂直射束孔径进行辐射。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，窄的垂直射束孔径根据可编程方向图而被垂直地操控，其中所述窄的垂直射束孔径是指大约为5度的孔径。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述窄的垂直射束孔径根据所述可编程方向图通过向所述第一级和所述第二级相移锁定注入推推振荡器PSIPPO提供控制信号而被垂直地操控。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述通信系统用于室外通信。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述通信系统用于室内通信。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，用于传输和接收数据通信的所述至少一个相控阵天线单元以及所述相控阵电路适用于传送或接收符合WIMAX或WIFI或WPAN或HDTV或蜂窝通信的数据信号。
19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统包括四个相控阵天线，所述四个相控阵天线以基本上矩形的结构进行放置，从而覆盖环绕所述天线的360度区域。
20.一种相控阵通信方法，该方法包括以下步骤：
a、提供用于传输和接收辐射的至少一个相控阵天线单元，其中所述至少一个相控阵天线单元包括至少四个一维辐射器阵列；
b、提供用于驱动所述至少一个相控阵天线单元和控制所述至少一个相控阵天线单元在辐射模式之间进行切换的相控阵电路，其中所述相控阵电路包括第一级和第二级相移锁定注入推推振荡器PSIPPO；以及
c、用所述至少一个相控阵天线单元传送或接收电磁辐射，其中所述传送或接收电磁辐射通过选择性地在辐射模式之间进行切换来执行，其中辐射模式由在任何时刻与每个辐射器相关联的相移进行定义。
21.一种用于驱动相控阵天线无线通信系统的电路，其中所述相控阵天线无线通信系统包括用于传输和接收数据通信的至少一个相控阵天线单元，该电路包括：
a、用于提供信号的振荡器电路；
b、用于对射束在辐射模式间进行切换的第一级和第二级相移锁定注入推推振荡器，其中所述射束由所述至少一个相控阵天线单元所创建；
c、用于对所述相控阵天线所传输的信号进行上变频的上变频器以及用于对所述相控阵天线所接收的信号进行下变频的下变频器；以及
d、用于有选择地对提供给所述上变频器或下变频器的信号提供相移的传输线。
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