CN105633597A - 双极化天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种双极化天线阵列。这里描述的是用于实现便携式设备中具有动态极化调节的天线阵列的架构、平台和方法。

Description

双极化天线阵列
技术领域
本公开涉及双极化天线阵列。
背景技术
越来越多数目的无线通信标准被应用于便携式设备以及朝向更小、更薄和更轻的便携式设备的趋势可导致针对一个或多个天线(在下文中被称作天线)的主要设计挑战。天线表示基本不同于便携式设备中的其他组件的一类组件。例如，天线可被配置为在自由空间高效地辐射，而其他组件或多或少地与它们的周围环境相隔离。
在毫米波(mm波)频率处运行的天线-用于高数据速率短距离链路-被预计在未来将变得流行。这样的应用或标准的一个示例被称作WiGig(每秒无线千兆比特)，其运行在60GHz左右的ISM频带出。此外，毫米波无线电系统的采用预期在诸如5G蜂窝无线电之类的未来标准中扮演角色。通常，这些短距离毫米波无线电系统需要发射机与接收天线之间未被遮挡的视距(LOS，line-of-sight)来以最低的功率消耗实现最高的数据率。这样的系统还可通过使用来自周围物体的信号反射来在非视距(NLOS)配置中操作。WiGig标准的目标是通过使用无线链路使得NLOS传输成为可能。在LOS要求下，发射天线和接收天线的朝向可能要求它们各自的主瓣面向彼此以实现最大无线电链路效率。诸如那些在移动设备(例如，膝上型计算机、平板、智能电话等等)中使用的单元件天线设计受限于覆盖范围并且还在毫米波操作频率处表现出低增益。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种设备，包括：天线阵列，该天线阵列包括多个水平极化天线元件和多个垂直极化天线元件；射频(RF)模块，该RF模块通过天线阵列辅助无线信号的发送或接收。RF模块还包括：检测器，该检测器被配置为确定和比较水平极化天线元件和多个垂直极化天线元件之间的无线信号强度；以及开关组件，该开关组件将该多个天线元件耦合至RF模块，其中开关组件响应于水平极化天线元件和垂直极化天线元件之间的无线信号的确定和比较来将选择的多个天线元件耦合至RF模块。
根据本公开的另一方面，提供了一种天线阵列，包括：多个交错的水平极化天线元件和垂直极化天线元件，其中基于对至少一个水平极化天线元件、至少一个垂直极化天线元件、或者其组合中的无线信号强度的测量或比较，至少一个天线元件在天线阵列中的信号接收或发送期间被采用。
附图说明
参考附图来描述具体实施方式。在图示中，标号的最左侧的(一个或多个)数字标识了该标号首次在其中出现的图示。相同的标号在用于整个附图中以标示相似的特征和组件。
图1是视距(LOS)无线通信期间的便携式设备的示例布置。
图2是如这里的当前实现方式中所述的示例天线配置。
图3是如这里的当前实现方式中所述的示例天线配置的另一实现。
图4是如这里的当前实现方式中所述的无线电芯片的示例封装实现。
图5是示出了用于实现便携式设备中具有动态极化调节的天线阵列的示例方法的示例流程图。
具体实施方式
这里描述的是用于实现便携式设备中具有动态极化调节的天线阵列的架构、平台和方法。例如，第一便携式/固定式设备与第二便携式设备通过它们各自的天线阵列建立无线通信链路。天线阵列可包括交错的水平极化天线元件和垂直极化天线元件。在WiGig的某些应用中，无线坞接(docketing)可被实现。在无线坞接中，诸如膝上机、平板、或智能电话之类的便携式设备被坞接至静止或固定的坞接台站。
在建立无线通信链路之后，第一便携式设备确定并比较它的天线阵列的水平极化天线元件和垂直极化天线元件之间的无线信号强度。通过使用诸如梯度优化算法之类的算法，第一便携式设备得出辅助天线阵列中的最大功率传递的期望极化。此后，第一便携式设备可响应于无线信号强度的确定和选择，来选择它的天线阵列中的至少一个天线元件。所选择的至少一个天线元件可被用于发送无线信号或从第二便携式设备接收无线信号。
图1是视距(LOS)无线通信期间便携式设备的示例布置100。在某些实现方式中，便携式设备可操作于毫米波频率处。布置100示出了便携式设备102和它的天线104的爆炸图示，以及另一便携式设备106和天线108。布置100还示出了针对每个天线104和108的波导或传输线110和射频(RF)模块112。在针对60GHz或毫米波系统的某些实现方式中，芯片和天线在相同的封装基底上，其中RF模块112是收发机芯片。另外，开关可以是相同CMOS收发机或封装基底的所有部分。
便携式设备102可包括但不限于：平板计算机、上网本、笔记本计算机、膝上型计算机、移动电话、蜂窝电话、智能电话、个人数字助理、多媒体播放设备、数字音乐播放器、数字视频播放器、导航设备、数字相机等等。便携式设备102例如还可与网络环境中的其他便携式设备106通信。网络环境例如包括被配置为辅助便携式设备102和另一便携式设备106之间的通信的蜂窝网络。
例如，便携式设备102可以是毫米波便携式设备，由于它在30GHz和300GHz之间的频率(否则称作毫米波或mm波频率)处操作的特性或能力。便携式设备102例如在建立并进行与另一便携式设备106的LOS无线通信时利用天线104。LOS无线通信例如在30-300GHz频率范围处操作，其中便携式设备之间的遮挡可轻易地降低LOS无线通信期间的无线信号强度。在以上示例中，天线104包括由如图2和3中进一步描述的水平极化和垂直极化天线元件组成的天线阵列。
在实现方式中，便携式设备102的天线104可在与便携式设备106的LOS无线通信期间利用水平极化、垂直极化、或圆形极化。例如，便携式设备102确定水平极化在与便携式设备106的LOS无线通信期间提供了最大功率传递。在此示例中，天线104的水平极化天线元件被便携式设备102用于LOS无线通信。就是说，便携式设备102可在没有影响它在无线信号的发送或接收中的效率的情况下停用或关闭天线104的垂直极化天线元件以节省功率。
在另一示例中，便携式设备102确定圆形极化在从便携式设备106接收无线信号时提供了最大功率传递。在此示例中，天线104的水平极化天线元件和垂直极化天线元件的组合可被用于提供天线104的天线辐射方向图中的圆形极化。
继续参考图1，便携式设备102可首先建立与另一便携式设备106的LOS无线通信链路。此后，便携式设备102可检测并确定辅助所建立的LOS无线通信的最大功率传递的极化方式。例如，便携式设备102利用诸如梯度优化算法之类的算法来确定提供最大功率传递的极化。在此示例中，便携式设备102可根据所确定的生成最大功率传递的极化来调节它的天线104。
作为这里的当前实现方式的示例，诸如使用便携式设备102内的分离天线之类的其他形式的检测可被用于确定生成最大功率传递的极化。在此示例中，无线信号强度的确定基于除了天线104之外的天线。
在实现方式中，RF模块112作为信号控制器辅助通过天线104的、无线信号形式的数据的发送或接收。RF模块112可利用传输线110进行无线信号的发送和接收。如图所示，传输线110将天线104中的每个水平极化天线元件和垂直极化天线元件耦合至RF模块112的收发机。
尽管示例布置100以有限形式示出了便携式设备102和106之间的毫米波无线通信的基本组件，诸如电池、一个或多个处理器、SIM卡等其他组件未被描述以便简化这里描述的实施例。另外，NLOS无线通信应用可实现与针对LOS无线通信应用所述的技术或过程相同的技术或过程。
图2示出了示例天线200，该示例天线是分别代表便携式设备102和106的天线104和108的天线。在此示例中，天线200可在LOS(例如，毫米波)无线通信期间被用作接收机或发射机。如图所示，天线200包括传输线110，进一步包括极化检测器202和开关组件204的RF模块112，以及包括天线元件208-2、208-4、...、和203-32的天线阵列206。
作为这里的当前实现方式的示例，便携式设备102利用天线200建立与另一便携式设备106的无线通信(例如，毫米波)。例如，便携式设备102通过天线200发送请求信号来建立与便携式设备106的无线通信(例如，毫米波)。在此示例中，天线200包括具有交错天线元件208的天线阵列206以便以水平、垂直、和圆形极化进行操作。天线阵列206可包括基于天线元件208的几何配置或物理位置的具体极化配置。
例如，如图所示，天线阵列206是4乘4(4X4)配置，其包括由水平极化天线元件208-2、垂直极化天线元件208-4、另一水平极化天线元件208-6、和另一垂直极化天线元件208-8组成的第一行。4X4天线配置还包括由垂直极化天线元件208-10、水平极化天线元件208-12等等组成的第二行。在此示例中，4X4配置包括水平极化天线元件(例如，天线元件208-12)，该水平极化天线元件在它沿x-y轴的四个角中由垂直极化天线元件围绕。例如，天线元件208-12由分别在天线元件208-12的顶侧、右侧、底侧、和左侧处的垂直极化天线元件208-2、208-14、208-20和208-10围绕。
在便携式设备102建立与便携式设备106的无线通信(例如，毫米波)之后，便携式设备102的天线200可初始地包括其中天线阵列206的所有天线元件208处于开启(ON)状态的配置。就是说，交错的水平和垂直极化天线元件208在LOS无线通信期间被激活。在此配置处，极化检测器202执行水平极化和垂直极化天线元件208之间的无线信号强度的确定和比较。
例如，极化检测器202被配置为测量并比较每个水平和垂直极化的天线元件208中的功率信号。在此示例中，极化检测器202利用梯度优化算法来得出由便携式设备102用于高效LOS无线通信的期望极化方式。
例如，如果极化检测器202通过使用梯度优化算法假定所有的水平极化天线元件208相比于垂直极化天线元件208的无线信号强度正在接收更高功率的信号，那么开关组件204可被配置为关断所有的垂直极化天线元件208。就是说，水平极化天线元件208可保留为被激活。在此示例中，极化检测器202还可采用提供最小功率的功率阈值，极化检测器202可针对该功率阈值再次执行无线信号强度的确定和比较。
例如，在其中水平极化天线元件208保留被激活并且垂直极化天线元件208处于关断(OFF)状态的情形中，水平极化天线元件208处接收的辐射功率达到最小功率阈值。在此示例中，极化检测器202通过开关组件204可再次激活先前被关断的垂直极化天线元件208以便赶上所确定和比较的无线信号强度的新设置。换而言之，极化检测器202可在无线通信(例如，毫米波)期间提供天线阵列206中对极化的动态调节。
在其他实现方式中，极化检测器202可在特定时段之后而非使用最小功率阈值来执行无线信号强度的确定和比较。另外，极化检测器202可选择并采用水平极化天线元件和垂直极化天线元件208二者，或者它可选择一部分的水平极化或垂直极化天线元件208。例如，极化检测器202确定最大信号强度呈现在4X4配置中第一列的水平极化天线元件处。在此示例中，极化检测器202可在关断接收更少无线信号强度的垂直极化天线元件208之外关断其他列中的水平极化天线元件208。
在另一实现方式中，来自基站的功率反馈控制(未示出)可被用于选择要采用的天线元件208。例如，在由天线200向基站进行信号传输期间，基站可发送控制信号，该控制信号可指示哪些元件208可被用于高效无线通信。
作为这里的当前实现方式的示例，传输线110可包括将RF模块112耦合至天线阵列206的多个波导。例如，传输线110是在用于WiGig应用的60GHz左右谐振的波导。在此示例中，波导的内部尺寸辅助无线信号的最大功率传递。
继续参考图2，RF模块112可被配置为控制无线信号(例如，毫米波)的发送或接收。在发送或接收期间，RF模块112可采用不同形式的数字调制或解调、信号转换方法等等来发送或接收毫米波无线信号。另外，RF模块112可被集成或组装到便携式设备102的印刷电路板(PCB)中。
尽管天线200可在单个基底中制造，其他实现方式可将天线元件208从单个基底中分离。另外，无线信号强度的检测和测量可在每个天线元件208上实现，而非比较各天线元件之间的无线信号强度。
图3示出了示例天线200的另一实现方式，该示例天线是分别代表便携式设备102和106的天线104和108的天线。在此示例中，天线包括具有极化检测器202和开关组件204的RF模块112、传输线110、和具有基于列交错的天线元件302的天线阵列300。
作为这里的当前实现方式的示例，天线阵列300是4X4交错天线阵列，该天线阵列包括由水平极化天线元件302-2、302-10、302-18、302-26组成的第一列。在此示例中，4X4交错天线阵列的第二列包括垂直极化天线元件302-4、302-12、302-20和302-28；此后跟随具有类似配置的第三列等等。
如上所述，极化检测器202可被配置为确定和比较天线元件之间的无线信号强度。如图2中所述的相同配置和实现可类似地应用于图3。就是说，响应于所确定和比较的无线信号强度，极化检测器202可停用水平或垂直极化元件中的一些或全部元件。在其他实现方式中，如果圆形极化被确定为在LOS毫米波无线通信期间提供更高的无线信号强度，则极化检测器202可采用水平极化天线元件和垂直极化天线元件的组合来提供圆形极化。
尽管图3示出了天线元件302之间的交错的另一特定形式，天线元件302的其他几何配置可应用于与上所述相同的原理。
例如，天线元件302的交错可包括(第一列中的)水平极化天线元件302-2、302-10、302-18、和302-26被诸如垂直极化天线元件302-4、302-12等等垂直极化天线元件围绕或包围。在另一示例中，2X2水平极化天线元件被4X4垂直极化天线元件在不同方向或角度围绕等等。在这些示例中，水平极化天线元件和垂直极化天线元件302还可被配置为包括相对于其他天线元件302包括特定的几何尺寸、旋转、大小、角度、深度、平面位置等等。
就是说，例如，水平极化天线元件302和垂直极化天线元件302之间的物理关系并不一定如图3中所述的那样彼此垂直或者形成刚好90度角。水平极化天线元件302和垂直极化天线元件302之间的关系可形成不是二维(2D)平面的三维(3D)平面(未示出)。
图4示出了用于封装400无线电芯片和天线的实现方式。对于毫米波频率，可能期望天线和无线电芯片在同一封装上以便减少传输损耗。如上所述，波导可被实现以辅助无线信号的最大功率传递。在此示例中，传输线可包括传输线介质或布线层402以及天线层404。层402和404可使用印刷电路板(PCB)技术或多层封装基底技术来进行制造。在此示例中，层402和404被制造于毫米波管芯406上。
图5示出了示例流程图500，该流程图示出了用于实现便携式设备中具有动态极化调节的天线阵列的示例方法。方法被描述的次序并不意图被理解为限制，并且所述方法的任何数目的区块可以任何次序进行组合来实现该方法或替换方法。此外，在不背离这里所述的主题的精神和范围的情况下，可将个体区块从方法中删除。另外，在不背离本发明的范围的情况下，方法可在任何合适的硬件、软件、固件、或其组合中实现。
在区块502处，建立无线通信(例如，毫米波)链路被执行。例如，便携式设备(例如，便携式设备102)检测毫米波无线信号。在此示例中，便携式设备102可例如通过发送加入可由另一便携式设备(例如，便携式设备106)发起的ad-hoc通信的请求来建立无线通信链路。
在区块504处，确定和比较便携式设备内的交错天线阵列的天线元件之间的无线信号强度被执行。例如，便携式设备102的天线200包括交错的水平和垂直极化的天线元件208，这些天线元件用于建立无线通信链路。在此示例中，RF模块112的极化检测器202可被配置为检测并比较每个水平和垂直极化天线元件208之间的无线信号强度。
在区块506处，响应于确定的更强无线信号强度而选择天线元件被执行。在以上示例中，极化检测器202可选择一部分或多个水平极化天线元件208，或者极化检测器202可响应于所确定的交错天线阵列206的天线元件之间的无线信号强度而选择至少一个垂直极化天线元件208。
在区块508处，通过所选择的天线元件发送或接收毫米波无线信号被执行。例如，便携式设备102通过RF模块(例如，RF模块112)可发送毫米波无线信号到所选择的天线元件208或者可从所选择的天线元件接收毫米波无线信号。在此示例中，当停用未选择的天线元件时，开关组件204被RF模块112所采用。为此，在无线通信链路的效率未受影响的同时可得到功率节省。
以下示例属于其他实施例。
示例1是一种方法，该方法包括：通过包括多个水平极化天线元件和多个垂直极化天线元件的天线阵列来建立无线通信链路；确定和比较多个水平极化天线元件和多个垂直极化天线元件之间的无线信号强度；响应于无线信号强度的确定和比较，选择多个天线元件中的至少一个天线元件；以及通过选择的至少一个天线元件来发送或接收无线信号。
在示例2中，如示例1中记载的方法，其中多个水平极化天线元件和垂直极化天线元件被交错以形成极化配置，该极化配置是基于至少一个水平极化天线元件和至少一个垂直极化天线元件的物理位置之间的关系的。
在示例3中，如示例1中记载的方法，其中无线信号强度的确定和比较包括对水平极化天线元件的第一无线信号强度与垂直极化天线元件的第二无线信号强度的确定和比较。
在示例4中，如示例1中记载的方法，其中无线信号强度的确定和比较采用梯度优化算法来得出期望的天线优化。
在示例5中，如示例1中记载的方法，其中该选择包括停用未选择的天线元件以用于功率节省。
在示例6中，如示例1中记载的方法，还包括：将选择的至少一个天线元件的无线信号强度与功率阈值进行比较，其中响应于选择的至少一个天线元件的无线信号强度低于所述功率阈值，水平极化天线元件和垂直极化天线元件之间的无线信号强度的确定和比较被重复。
在示例7中，如示例6中记载的方法，其中对无线信号强度的确定和比较的重复包括先前未选择和停用的天线元件的开启。
在示例8中，如示例1-7中任一项中记载的方法，其中无线通信链路信号采用毫米波信号。
示例9是一种设备，包括：天线阵列，该天线阵列包括多个水平极化天线元件和多个垂直极化天线元件；射频(RF)模块，该RF模块通过天线阵列辅助无线信号的发送或接收，RF模块还包括：检测器，该检测器被配置为确定和比较多个水平极化天线元件和多个垂直极化天线元件之间的无线信号强度；以及开关组件，该开关组件将该多个天线元件耦合至RF模块，其中开关组件响应于水平极化天线元件和垂直极化天线元件之间的无线信号的确定和比较来将选择的多个天线元件耦合至RF模块。
在示例10中，如示例9中记载的设备，其中无线信号强度的确定和比较包括对至少一个水平极化天线元件的第一无线信号强度与至少一个垂直极化天线元件的第二无线信号强度的确定和比较。
在示例11中，如示例9中记载的设备，其中天线阵列包括由垂直极化元件围绕的至少一个水平极化元件，或者由水平极化元件围绕的至少一个垂直极化元件。
在示例12中，如示例9中记载的设备，其中开关组件被配置为停用未选择的天线元件以用于功率节省。
在示例13中，如示例9中记载的设备，其中极化检测器采用梯度优化算法来得出期望的天线极化。
在示例14中，如示例9中记载的设备，其中极化检测器还被配置为将选择的天线的无线信号强度与功率阈值进行比较，其中极化检测器响应于所比较的、选择的天线的无线信号强度低于功率阈值而重复无线信号度的确定和比较。
在示例15中，如示例9-14中任一项中记载的设备，其中无线信号的发送和接收采用毫米波(mm波)信号。
在示例16中，如示例9-14中任一项中记载的设备，其中水平极化天线元件和垂直极化天线元件是相交错的。
示例17是一种天线阵列，包括：多个交错的水平极化天线元件和垂直极化天线元件，其中基于对至少一个水平极化天线元件、至少一个垂直极化天线元件、或者其组合中的无线信号强度的测量或比较，至少一个天线元件在天线阵列中的信号接收或发送期间被采用。
在示例18中，如示例17中记载的天线阵列，其中多个交错的水平极化天线元件和垂直极化天线元件形成极化配置，该极化配置是基于至少一个水平极化天线元件和至少一个垂直极化天线元件的物理位置之间的关系的。
在示例19中，如示例17中记载的天线阵列，其中当选择的至少一个天线元件的无线信号强度落至功率值之下时，对无线信号强度的测量或比较被重复。
在示例20中，如示例17-19中任一项中记载的天线阵列，其中无线信号的发送和接收采用毫米波(mm波)信号。

Claims (12)

1.一种设备，包括：
天线阵列，该天线阵列包括多个水平极化天线元件和多个垂直极化天线元件；
射频RF模块，该RF模块通过所述天线阵列辅助无线信号的发送或接收，所述RF模块还包括：
检测器，该检测器被配置为确定和比较所述水平极化天线元件和多个垂直极化天线元件之间的无线信号强度；以及
开关组件，该开关组件将该多个天线元件耦合至所述RF模块，其中所述开关组件响应于水平极化天线元件和垂直极化天线元件之间的无线信号的确定和比较来将选择的多个天线元件耦合至所述RF模块。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述无线信号的发送和接收采用毫米波(mm波)信号。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述无线信号的发送和接收包括：对至少一个水平极化天线元件的第一无线信号强度与至少一个垂直极化天线元件的第二无线信号强度的确定和比较。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述天线阵列包括：由垂直极化元件围绕的至少一个水平极化元件，或者由水平极化元件围绕的至少一个垂直极化元件。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述开关组件被配置为：停用未选择的天线元件以功率节省。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述极化检测器采用梯度优化算法来得出期望的天线极化。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述极化检测器还被配置为：将选择的天线的无线信号强度与功率阈值进行比较，其中所述极化检测器响应于所比较的、所述选择的天线的无线信号强度低于所述功率阈值而重复无线信号度的确定和比较。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述水平极化天线元件和所述垂直极化天线元件是相交错的。
9.一种天线阵列，包括：
多个交错的水平极化天线元件和垂直极化天线元件，其中基于对至少一个水平极化天线元件、至少一个垂直极化天线元件、或者其组合中的无线信号强度的测量或比较，至少一个天线元件在所述天线阵列中的信号接收或发送期间被采用。
10.如权利要求9所述的天线阵列，其中所述多个交错的水平极化天线元件和垂直极化天线元件形成极化配置，该极化配置是基于所述至少一个水平极化天线元件和所述至少一个垂直极化天线元件的物理位置之间的关系的。
11.如权利要求9所述的天线阵列，其中所述无线信号的发送和接收采用毫米波(mm波)信号。
12.如权利要求9所述的天线阵列，其中当选择的至少一个天线元件的无线信号强度落至功率值之下时，对所述无线信号强度的测量或比较被重复。
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