CN104662736A - 用于干扰抑制的天线系统 - Google Patents

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Abstract

一种天线系统能够优化与一个或多个收发器的通信链路质量，同时抑制一个或多个干扰源。天线提供一种低成本、物理上小的多元件天线系统，该多元件天线系统能够集成到移动装置中并且被设计成在辐射图案中形成零陷以便减少来自不想要的干扰源的干扰。该天线系统是通过以下方式在视线和高多径环境两者中进行操作：调整辐射图案并且对接收信号强度进行采样,以便降低来自干扰源的信号电平，同时监测并优化来自期望源的接收信号强度。

Description

用于干扰抑制的天线系统
发明背景
发明领域
本发明总体上涉及无线通信领域。具体地说，本发明涉及用于优化与预期收发器的通信链路质量的天线系统和方法。
相关技术说明
随着新一代的手机、网关以及其他无线通信装置嵌入有越来越多的应用并且对带宽的需要变得更大，为了优化链路质量，将会要求新的天线系统。确切地说，将会要求更好地控制辐射场，以便提供与预期收发器的更好的通信链路质量，同时抑制来自不期望的收发器的信号。
此外，随着这些新的手机和其他无线通信装置变得更小并嵌入有越来越多的应用，要求新的天线设计以便解决这些装置的固有限制并赋予新的能力。对于经典天线结构，生产处于特定频率且具有特定带宽的谐振天线结构要求特定物理体积。在多带应用中，可能需要一个以上这种谐振天线结构。然而，此类复杂天线阵列的有效实现可能由于与移动装置相关联的尺寸约束而被禁止。另外，提供激励多个天线所要求的多个功率放大器或馈电网络在许多应用中成本昂贵。
通过调零或减少在干扰源的方向上的天线增益可以实现很大益处。一种常见技术是实现一种天线阵列，其中单独天线元件发射或接收的RF信号的振幅和相位受到控制；可以施加对施加至这些元件或由这些元件接收的信号的加权，以便将在一个或多个干扰源的方向上形成减少的增益、或零陷。
这种自适应天线设计的目标是增加一个方向上的增益，这造成与全向图案相比，对应于期望连接的链路预算提高并且来自不想要的源的干扰减少。典型地，多个天线被组装成阵列配置，并且能够更改这些单独天线的振幅和相位的馈电网络被连接至这些天线上。一种算法被开发来修改该天线阵列的复合辐射图案以对天线波束赋形来增加期望的接收或发射方向上的增益和减少干扰源的方向上的增益。
这种方法的困难是将多个天线集成在无线装置中要求的体积以及设计和实现馈电网络以将RF信号分配至多个天线元件的复杂性。通过使用可以提供在干扰源的方向上形成零陷(null)的能力的单个驱动天线元件将会是大为有益的。
发明概述
在各种实施例中，一种有源可调谐的天线能够进行有源波束调整以配置天线辐射图案来在预期通信方向上提供增益极大值并且在一个或多个干扰源的方向上提供增益极小值。这种有源调谐被适配成用于通过增加预期信号并减少不期望的信号来使得链路预算提高，从而提供提高的信噪比(SNR)性能。
附图简要说明
图1示出有源模态天线，该有源模态天线能够配置天线辐射图案以在预期通信方向上提供增益极大值并且在一个或多个干扰源的方向上提供增益极小值。
图2示出该有源模态天线的使用情况，辐射图案被旋转或更改以优化第一基站的链路质量、同时减少来自第二基站的干扰。
图3进一步示出对更能自适应的天线系统的需要，这种天线系统提供修改移动天线的辐射图案的能力，以在优化多个收发器的链路质量的同时最小化来自多个源的干扰。
图4示出有源模态天线和通过激活寄生元件实现的各种天线辐射图案，这些寄生元件定位在辐射结构周围以实现波束操控(beam steering)和/或零陷操控(null steering)，从而增强链路预算质量。
图5示出根据实施例的有源模态天线，其中单个驱动天线元件被许多寄生元件和相关联的有源调谐元件围绕；天线调谐模块(ATM)将控制信号提供给这些有源调谐元件以对天线辐射图案赋形。
图6示出根据实施例的有源模态天线，其中寄生元件和相关联的有源调谐元件以二维来定位在驱动天线结构周围；这些寄生元件是由天线调谐模块控制的。
图7示出根据本发明的实施例的有源模态天线。
图8示出根据实施例的有源模态天线，其中寄生元件和相关联的有源调谐元件以三维来定位在驱动天线元件周围，以对辐射图案控制提供另外的能力。
图9示出根据实施例的有源模态天线，其中寄生元件和相关联的有源调谐元件以三维来定位在驱动天线周围，以对辐射图案控制提供另外的能力。
图10示出被适配成用于利用寄生元件和相关联的有源调谐元件进行辐射图案控制的有源模态天线；自适应处理器分析来自多个源的信号并向这些单独有源元件发送控制信号以便提供最佳天线辐射图案。
图11示出另一个实施例，其中有源模态天线用于多用户环境例如像WLAN应用；该有源模态天线能够对辐射图案赋形以最大化预期收发器的链路质量，同时最小化来自非预期收发器的干扰。
图12示出更稳健的通信系统，其中所有用户都配备有源模态天线；有源模态天线网络提供了改进的干扰抑制和增加的通信链路质量。
图13示出有源模态天线，其中连接至第一信号源上的第一驱动天线被寄生元件和相关联的有源调谐元件围绕；存在第二驱动天线并且该第二驱动天线连接至第二信号源上；并且天线调谐模块(ATM)将控制信号提供给这些有源调谐元件以对天线辐射图案赋形。
图14示出图13的天线系统，其中有源模态天线和无源结构这两者都耦接到共享信号源上。
优选实施例的详细说明
在以下描述中，为了解释目的而非限制，阐明细节和描述以便提供对本发明的全面理解。然而，本领域的技术人员应当明白，本发明可以在偏离这些细节和描述的其他实施例中进行实践。
在此所描述的这些天线系统利用波束操控技术来减少来自一个或多个源的干扰。一种平台已被衍生用于基于天线辐射图案的修改来增加链路预算，并且这种平台是部分基于2008年3月5日提交的标题为“用于操控天线波束方向的天线和方法(ANTENNA AND METHOD FORSTEERING ANTENNA BEAM DIRECTION)”的美国序列号12/043,090，该申请作为2011年3月22日提交的美国专利号7,911,402(以下称为“402专利”)授予，该专利的内容通过引用结合在此。该‘402专利描述了一种能够修改天线辐射图案的结构，在此所描述的实施例中，可以将该结构用于在预期通信方向上提供增益极大值并且在一个或多个干扰源的方向上提供增益极小值。这将造成通过增加预期信号并减少不期望的信号来使得链路预算提高，从而提供提高的信噪比(SNR)性能。
在一个实施例中，一种天线系统包括：隔离磁偶极子(IMD)天线元件；第一寄生元件；与该第一寄生元件相关联的第一有源调谐元件；以及天线调谐模块(ATM)，该ATM将控制信号提供给该有源调谐元件来控制该IMD元件的辐射模式。该ATM可以包括处理器和算法，该处理器和算法在存在干扰信号时更改该天线系统的辐射图案来增加与预期收发器的通信链路质量。接收信号强度指示符(RSSI)或其他系统度量是从相关信号源和第一干扰源采样的，并且更改天线模式以便降低这个干扰源的信号电平。
在另一个实施例中，该天线包括：两个或更多个寄生元件；与每个寄生元件相关联的有源调谐元件；以及天线调谐模块(ATM)，该ATM将控制信号提供给这些有源调谐元件来更改该IMD元件的辐射模式。该ATM包含处理器和算法，该处理器和算法被适配成用于在存在一个或多个干扰信号时更改该天线系统的辐射图案来增加与预期收发器的通信链路质量。RSSI或其他系统度量是从相关信号源和干扰源采样的，并且更改天线模式以便降低干扰源的信号电平。
在另一个实施例中，用于控制天线系统的算法和软件驻存于该天线调谐模块(ATM)中。
在另一个实施例中，用于控制天线系统的算法和软件可以驻存于与通信装置或无线装置相关联的基带处理器或其他处理器中。
在某些实施例中，有源调谐元件被适配成用于提供与该天线相关联的分裂谐振频率特性，例如像通过将相关联的寄生元件短接到地进行提供。有源调谐元件可以被适配成用于使得与该天线相关联的辐射图案旋转。这种旋转可以通过控制流经该寄生元件的电流实现。在一个实施例中，寄生元件定位在基板上。在空间是关键约束的应用中，这种配置可能变得尤其重要。在一个实施例中，寄生元件相对于IMD驱动元件以预先确定角度定位。例如，可以将该寄生元件定位成平行于该IMD，或其可以定位成垂直于该IMD，或与该IMD驱动元件成某一角度。寄生元件可进一步包括多个寄生部分。虽然已经确定该IMD元件对于在此的实施例是优选的，但也可以利用其他驱动元件，包括PIFA和单极型驱动元件。
在另一个实施例中，这些有源调谐元件单独包括以下各项中的至少一项：电压控制可调谐电容器、电压控制可调谐移相器、FET以及开关。在其他实施例中，可以利用用于控制寄生元件的类似部件，如本领域的技术人员将理解的那样。
在另一个实施例中，该天线进一步包括与IMD元件相关联的第三有源调谐元件。这个第三有源调谐元件被适配成用于调谐与该天线相关联的频率特性。这个第三有源元件也由该ATM控制，并且与一个或多个寄生元件一致调整以便优化天线系统性能。
在某些实施例中，主机装置可以包括处理器如基带处理器或应用处理器，该处理器被适配成用于对通信链路进行采样并且确定模态天线的一个或多个模式以便实现最佳链路质量。该处理器可以被适配成用于将控制信号发送到模态天线的一个或多个有源元件，或可替代地将这些控制信号发送到ATM以便与该模态天线的一个或多个有源元件进行通信。
本领域的技术人员将了解，上文所论述的各种实施例、或其部分可以用各种方式组合从而形成本发明涵盖的另外的实施例。
现将参照某些图来更详细地论述上文所引用的‘402专利。总体来说，一种波束操控技术利用驱动天线元件和一个或多个偏移寄生元件实现，该一个或多个偏移寄生元件随着寄生元件上的电抗负载变化来更改该驱动天线上的电流分布。更确切地，可以将这些寄生元件中的一个或多个定位成用于带切换(band-switching)，即，定位在由驱动元件和电路板形成的天线容积内，并且可以将一个或多个另外的寄生元件定位在该天线容积外部并与该驱动元件相邻以实现天线辐射图案中的相移。生成多个模式，每个模式以寄生元件的电抗或切换表征，并且因此这种技术可以称作“模态天线技术”，并且被配置成用于以此方式更改辐射模式的天线可以称作“有源多模天线”或“有源模态天线”。
现在转向附图，图1(a-c)示出根据‘402专利的有源模态天线的示例，其中图1a描绘电路板11和设置在该电路板上的驱动天线元件10，在该电路板与该驱动天线元件之间的容积形成天线容积。第一寄生元件12至少部分地定位在天线容积内，并进一步包括与该第一寄生元件耦接的第一有源调谐元件14。第一有源调谐元件14可以是无源部件或有源部件或一系列部件，并且被适配成用于或者借助可变电抗或者短接到地来更改第一寄生元件上的电抗以造成该天线的频移。第二寄生元件13设置在电路板周围并定位在天线容积外部。第二寄生元件13进一步包括第二有源调谐元件15，该第二有源调谐元件单独包括一个或多个有源部件和无源部件。第二寄生元件定位成与驱动元件相邻并仍在该天线容积外部，从而产生一种通过使得通过改变驱动天线元件上的电流来操控该驱动天线元件的辐射图案的能力。天线辐射图案的这种移位是一种类型的“天线波束操控”。在其中天线辐射图案包括零陷的情况下，类似操作可以称作“零陷操控”，因为可以将该零陷操控至在该天线周围的替代位置。在所示示例中，第二有源调谐元件包括开关，该开关用于在“接通”状态时使得第二寄生元件短接到地并且在“断开”状态时终止短接。然而，应当注意，在该第一寄生元件或该第二寄生元件上的可变电抗例如通过使用可变电容器或其他可调谐的部件可进一步提供天线图案的可变移位或频率响应。图1c示出在该第一寄生元件和该第二寄生元件被切换成“断开”时的该天线的频率(f0)；在第二寄生元件短接到地时的该天线的分频响应(fL；fH)；以及在该第一寄生元件和该第二寄生元件各自短接到地时的频率(f4；f0)。图1b描绘在该第一寄生元件和该第二寄生元件两者“断开”时在第一模式16下的天线辐射图案；在仅第二寄生元件短接到地时在第二模式17下的天线辐射图案；以及在该第一寄生元件和该第二寄生元件两者被短接成“接通”时在第三模式18下的天线辐射图案。此有源模态天线的另外的细节可以在阅读‘402专利之后了解；然而，通常可以将一个或多个寄生元件定位在该驱动元件周围，以便提供天线辐射图案的带切换(频移)和/或波束操控，该天线辐射图案是使用有源调谐元件来有源地控制的。
图2示出波束操控技术的典型使用情况，其中辐射图案22被旋转或更改以优化第一基站21b的链路质量、同时减少来自第二基站21a的干扰。天线辐射图案22可以被认为是包括极大值24和极小值或零陷23。
图3进一步示出对更能自适应的天线系统的需要，这种天线系统提供修改移动天线的辐射图案32的能力，以在优化收发器的链路质量的同时最小化来自多个源的干扰。基站A 31将信号30发射到移动装置，其中该信号被散射器所反射，从而产生被环境破坏的复合信号。
图4(a)示出驱动IMD天线40和辐射图案41。图4(b)示出具有寄生元件43和调谐元件44的驱动IMD天线42以及所得辐射图案45。寄生元件与有源元件的结合造成辐射图案旋转。图4(c)示出第二寄生元件43b，其中有源调谐电路44b定位在驱动IMD天线42附近。与利用单个寄生元件的实施例相比，具有有源调谐元件44a、44b的两个寄生元件43a、43b在对辐射图案45赋形方面提供另外的自由度。
图5示出自适应天线，其中单个驱动天线50被具有有源调谐元件53的寄生元件52围绕。天线调谐模块(ATM)54将控制信号55提供给这些有源调谐元件以对天线辐射图案赋形。多达多个寄生元件可被结合来产生许多模式，可以针对这些模式配置天线。该天线从馈电元件51接收信号，该馈电元件将该天线连接至电路板上。
图6示出更能自适应的天线系统，其中具有有源调谐元件63的寄生元件62以二维来陈列在驱动天线61周围。天线调谐模块(ATM)66将控制信号64提供给这些有源调谐元件以对天线辐射图案赋形。天线辐射器61定位在电路板65上方，其方式为使得在天线辐射器与电路板之间形成天线容积。寄生元件可以设置在天线容积内，以便使得能够进行带切换或频移功能。可替代地，一个或多个寄生元件可以定位成与天线辐射器相邻并在天线容积外部，以便使得能够进行该天线的波束操控功能。
图7示出自适应天线系统，其中具有有源调谐元件73的寄生元件72以二维来陈列在驱动天线71周围。天线调谐模块(ATM)76将控制信号74提供给这些有源调谐元件以对天线辐射图案赋形。
图8示出自适应天线系统，其中具有有源调谐元件83(a-d)的寄生元件82(a-d)以三维来陈列在驱动天线81周围。天线调谐模块(ATM)85将控制信号提供给这些有源调谐元件以对天线辐射图案赋形。这为辐射图案控制提供另外的能力。可以使用基板来嵌入有天线辐射器和多达多个寄生元件，并且可以将多达另外多个寄生元件定位在基板的表面上。
图9示出自适应天线系统，其中耦接至有源调谐元件93(a-g)上的寄生元件92(a-g)分别以三维来陈列在驱动天线91周围。这些寄生元件和有源调谐元件不限制于平面区域中，并且可以定位在基板容积94上。天线调谐模块(ATM)95将控制信号96(a-b)提供给这些有源调谐元件以对天线辐射图案赋形。这为辐射图案控制提供另外的能力。带切换寄生元件98定位在天线容积内并且与有源元件97相关联。
图10示出利用分别连接至寄生元件上的有源元件101、102和103的自适应天线系统。自适应处理器104分析来自多个源107(a-c)的信号并且将控制信号V1、V2和V3发送给这些单独有源元件，以便提供最佳天线辐射图案。天线调谐模块(ATM)105提供这些控制信号。
图11示出用于多用户环境例如像WLAN应用的自适应天线系统。自适应天线能够对天线系统的辐射图案113赋形，以最大化预期收发器111(a-c)的链路质量，同时最小化来自收发器111d的干扰。收发器111(a-d)分别具有非自适应天线辐射图案112(a-d)。自适应天线包括天线辐射器115和耦接到对应有源调谐元件上的寄生元件114(a-c)。天线辐射图案形成三个波瓣113a、113b和113c以增加极大值，从而改进与用户A、B和C的信号通信。在用户D的方向上、在辐射图案中形成零陷。
图12示出更稳健的通信系统，其中所有用户都配备有自适应天线系统。自适应天线系统提供了改进的干扰抑制和增加的通信链路质量。自适应天线120能够对天线系统的辐射图案121赋形，以最大化预期收发器126、127和128的链路质量，同时最小化来自收发器129的干扰。这些收发器126-129分别具有自适应天线辐射图案122、123、124和125。
图13示出自适应天线，其中连接至第一信号源200a上的第一驱动天线131被具有有源调谐元件133、135和137的寄生元件132和136围绕。存在第二驱动天线139，该第二驱动天线连接至第二信号源200b上。天线调谐模块(ATM)138将控制信号133a、134a、135a、136a和137a提供给这些有源调谐元件以对天线辐射图案赋形。就此而言，该天线包括有源模态天线131和无源天线139。
图14示出具有第一驱动天线141和第二驱动天线149的自适应天线，该第一驱动天线和该第二驱动天线两者连接至被具有有源调谐元件144、145、146、147的寄生元件143围绕的信号源200上。天线调谐模块(ATM)148将控制信号143a、144a、145a、146a、147a提供给这些有源调谐元件以对天线辐射图案赋形。就此而言，两个天线辐射器共享公共馈电元件。
在此各种实施例中，一种天线系统包括一个或多个有源模态天线和多达多个无源天线；该一个或多个模态天线各自包括与对应有源元件相关联的一个或多个寄生元件。天线调谐模块用于将控制信号发送给这些有源元件以将寄生元件短接到地，由此引起该模态天线的可变电流模式，从而产生多个模式，其中该天线包括在对应模式中的每个模式下的唯一天线辐射图案。辐射图案可以包括极大值或零陷，并且该极大值可以被操控至源来改进信号，而该零陷可以被操控至干扰源来降低干扰。

Claims (17)

1.一种天线系统，包括：
一个模态天线，该模态天线包括：一个天线元件，该天线元件定位在一个电路板上方以在该天线元件与该电路板之间形成一个天线容积；一个或多个寄生元件，该一个或多个寄生元件定位成与所述天线相邻并在所述天线容积外部；以及多达多个天线，该多个天线定位在所述天线容积内，其中所述寄生元件中的每一个寄生元件耦接到一个有源元件上，以有源地配置该天线的一个或多个模式；以及
一个天线调谐模块(ATM)，该ATM被适配成用于将多个控制信号提供给这些有源元件，以便改变该天线的该一个或多个模式。
2.如权利要求1所述的天线系统，其中来自在环境中的多个收发器的多个通信信号被采样，并且所述控制信号从该ATM被发送到这些有源调谐元件来调整天线辐射图案以改进与这些收发器的通信。
3.如权利要求1所述的天线系统，其中辐射图案被调整，以便降低多个干扰收发器的信号电平并且增加从多个预期收发器接收到的信号电平。
4.如权利要求1所述的天线系统，其中这些寄生元件和这些有源元件以二维来定位在所述天线元件周围。
5.如权利要求1所述的天线系统，其中这些寄生元件和这些有源元件以三维来定位在所述天线元件周围。
6.如权利要求1所述的天线系统，其中该天线元件包括一个隔离磁偶极子(IMD)元件。
7.如权利要求6所述的天线系统，其中一个第二隔离磁偶极子(IMD)天线被引入到该天线系统中，其中这两个IMD天线都连接至一个收发器或多个单独收发器的多个端口上；
与这些寄生元件相关联的这些有源调谐元件被调整来改进来自该对驱动IMD天线的性能以便均衡通信信道。
8.如权利要求6所述的天线系统，其中一个第二隔离磁偶极子(IMD)天线被引入到该天线系统中；这两个天线组合形成一个两元件阵列；来自在环境中的多个收发器的多个信号被采样，并且多个控制信号从该ATM被发送到这些有源调谐元件来调整该阵列的天线辐射图案；并且该两元件阵列的复合辐射图案被调整，以便降低多个干扰收发器的信号电平并且增加从多个预期收发器接收到的信号电平。
9.如权利要求1所述的天线系统，其中这些有源调谐元件包括以下各项中的一项：一个开关、FET、MEMS装置、或展现有源电容或电感特性的一个部件、或其任何组合。
10.如权利要求6所述的天线系统，其中两个或更多个隔离磁偶极子天线(IMD)被引入到该天线系统中，其中每个IMD天线连接至一个收发器或多个单独收发器的一个单独端口上；连接至这些寄生元件上的这些有源调谐元件被调整来改进来自该多个驱动IMD天线的性能以便均衡通信信道。
11.如权利要求6所述的天线系统，其中两个或更多个隔离磁偶极子(IMD)天线被引入到该天线系统中；该多个天线组合形成一个多元件阵列；来自在环境中的多个收发器的多个信号被采样，并且多个控制信号从该ATM被发送到这些有源调谐元件来调整该阵列的天线辐射图案；该多元件阵列的复合辐射图案被调整，以便降低多个干扰收发器的信号电平并且增加从多个预期收发器接收到的信号电平。
12.如权利要求6所述的天线系统，其中这些天线元件中的一个或多个天线元件并不是一个隔离磁偶极子天线。
13.如权利要求12所述的天线系统，其中这些非IMD天线元件单独选自由以下各项组成的组：一个单极子、一个偶极子、倒F天线(IFA)、平面F天线(Pifa)以及一个回路。
14.如权利要求1所述的天线系统，其中多个控制信号从主机装置中的一个处理器被发送到该ATM；该ATM将多个控制信号提供给这些有源调谐元件来调整辐射图案，以便降低多个干扰收发器的信号电平并且增加从多个预期收发器接收到的信号电平。
15.一种包括模态天线的天线系统，该天线系统被适配成用于为了以下操作中的一个或多个操作来有源地配置该模态天线的一个辐射图案：操控在一个预期收发器的一个第一方向上的一个极大值、或操控在一个干扰源的一个第二方向上的一个零陷。
16.如权利要求15所述的天线系统，包括一个天线调谐模块(ATM)，该ATM被适配成用于将多个控制信号发送给该模态天线的一个或多个有源元件以配置该天线的一个模式。
17.如权利要求15所述的天线系统，包括一个处理器，该处理器被适配成用于将多个控制信号发送给该模态天线的一个或多个有源元件以配置该天线的一个模式。
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