CN110731056A - 定向mimo天线 - Google Patents

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Abstract

一种多输入多输出（MIMO）天线系统和操作方法，其提供了具有极化独立的操作模式的空间和时间复用。

Description

定向MIMO天线
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年2月24日提交的、题为“Directional MIMO Antenna”、序列号为62/463,076的共同待决的美国临时专利申请的优先权，特此将其全部内容通过引用并入本文中。
背景技术
多输入和多输出（MIMO）是一种用于使用多个发射和接收天线以利用多径传播来增加无线电链路的容量的方法。MIMO技术现在用于许多无线通信标准，包括IEEE 802.11n（Wi-Fi）、IEEE 802.11ac（Wi-Fi）、HSPA+（3G）、WiMAX（4G）和长期演进（LTE）（4G）。MIMO方法也已被应用于并建议给其中可能存在多径的其他用途，诸如根据ITU G.hn标准的电力线通信、HomePlug AV2规范和某些蓝牙环境。
发明内容
MIMO系统通过对信道估计、操作模式中的相干处理和波束形成网络的使用而提供了具有极化独立操作模式的空间和时间复用。
附图说明
下面的描述涉及附图，其中：
图1图示了在多径环境中的MIMO系统；以及
图2图示了从第一天线和第二天线B发出的信号的相干区域，该相干区域可以用于开发空间和时间复用。
图3A是由一对交叉的领结（bowtie）辐射器提供的定向天线的示意图。
图3B是与图3A的天线一起使用以提供左旋和右旋极化输出的组合电路。
图4A和4B图示了另一种类型的定向天线，其使用以圆柱形图案布置的四对交叉偶极子。
图4C是使用布置在共同平面中的四个交叉偶极子的另一种类型的定向天线。
图4D是示例极化组合网络，其可以与图4A、4B和4C的天线一起使用以提供垂直、水平、左旋和右旋极化模式。
图5A是图4A的交叉偶极子天线和用以提供另外的垂直、水平、定向和定向寻找操作模式的切换馈送部（feed）的更详细的视图。
图5B是可以与图5A一起使用的组合电路。
图6A是与交叉偶极子天线一起使用以提供接收方位角和仰角估计的另一组合电路。
图6B示出了设置成邻近交叉偶极子元件的环形天线。
图6C是可以与图6B的天线一起使用的示例组合电路。
具体实施方式
图1图示了可以在多径环境105中使用的MIMO系统100。发射器110子系统（在左手侧示出）的组件包括一个或多个发射数据源111、一个或多个编码器112、一个或多个调制器114和/或发射器115、以及多个发射天线120（TA、TB、TC……TN）。诸如微处理器之类的控制器130管理发射器组件的操作。控制器130在训练模式和操作模式中操作该系统，在训练模式中，经由天线120发射导频信号125，在操作模式中，经由天线120传输编码数据。活动发射器115的数量可以或者可以不与天线120的数量相同，这取决于该系统的状态。
接收器子系统160组件包括两个或更多个接收天线270（RA、RB、RC……RM）、一个或多个接收器190（其可以包括解调器）和接收信号处理器195。诸如微处理器之类的控制器199也被用在接收器侧。在一些实施例中，至少一个组合电路180与每个天线170相关联，以提供极化分集、或估计仰角和到达角、或两者。
在诸如针对移动电话的一些实现方式中，发射器110位于基站中，并且接收器160处于移动电话中；然而，应当理解的是，发射器110也可以处于移动电话中，并且接收器处于基站160中，或者在其他实现方式中，发射器110和接收器160位于每个无线设备中。因此，应当理解的是，发射器和接收器可以均实现在基站或移动电话中，并且其他类型的无线通信网络可以利用平板计算机、膝上型计算机、智能手表、物联网（IoT）设备或任何其他无线设备中的相同组件。
MIMO系统100在多径环境105中操作，使得由（一个或多个）发射天线120辐射的信号可以在到达（一个或多个）接收天线170中的一个或多个之前遵循多个路径。
使用在发射器110和接收器160两者处具有多个天线的MIMO的空间复用可以利用由多径环境中存在的独立传播路径提供的额外自由度。特别地，这种空间复用允许在相同的频率之上同时发送独立的信息流。
用以利用该情形来提供复用操作模式的有效方式是要通过在训练模式中发送正交导频序列125来获得发射天线与接收天线之间的信道状态信息的估计。为了达成这点，不同传播路径的时间频率传递函数之间的相关性应当足够低，以创建独立的信道。
在训练模式中，发射侧的控制器130将发射器110设定为首先仅使用天线中的一个（诸如，天线TA）进行辐射。接收器160由其控制器199放置在寻找导频信号的扫描模式中，并且以便记录从天线TA接收到的导频信号的到达角（AOA）和到达时间（TOA）。接着，控制器仅激活天线TB以用于辐射，并且接收器被再次放置在扫描模式中，以便记录从天线TB接收到的导频信号的AOA和TOA。针对其他发射天线TC至TN重复该过程。下面描述了关于用以估计AOA的一种方式的更多细节。可以利用向信号添加的时间戳或利用相位估计来估计TOA，如也在下面描述的。
由于空间相干性，可能不会实现单独来自空间复用的最佳增益，这是因为传播作为到达角的函数不是随机的，而是表现出局部最大值。
关于空间频率（到达角）和时间频率（到达时间）的所得信息可以用于形成如图2中所表示的3D处理域。X轴表示到达仰角（φ），并且y轴表示方位角（
Figure 714699DEST_PATH_IMAGE001
）角到达。Z轴表示到达时间。从天线TA发出的信号的相干区域在高度（时间）t1处形成在角（
Figure 187DEST_PATH_IMAGE001
A，φA）周围；类似地，从天线TB发出的信号的相干区域在时间t2处形成在角（
Figure 143723DEST_PATH_IMAGE001
B，φB）周围。
在操作模式中，于是在发射天线中的两个或更多个被激活的情况下，在广泛的相干条件之上优化性能是可能的。特别地，对导频序列的观察到的响应被用于设计空间和时间频域中的传递函数。这些传递函数被信号处理器195用于在操作模式期间进行相干接收器处理。特别地，信号处理器195可以在操作模式中实现一个或多个匹配滤波器或接收器相关器。因此，在正常操作期间，两个或更多个天线TA……TN在发射侧可以是活动的，以提供空间和/或时间复用模式）。可以使用从匹配滤波器输出的相关峰值来估计到达时间（TOA）。
如也在图2中示出的，在多天线基站/多波束蜂窝电话MIMO配置中，扫描接收天线（在接收侧）中的两个将汇聚在两个主导平面波上。空间频率处理使能实现匹配滤波器，该匹配滤波器可以针对干扰信号进行区分，并且使用相干平面波来增加信号功率。还可以预期的是，与两个波束相关联的传递函数是不相关的。
而且，可以通过在系统100中利用极化分集来添加另一个复用维度。例如，可以利用调制器114或发射器115电路，以在每个发射波束中提供左旋/右旋圆形和/或垂直/水平极化。更特别地，然后可以借助于定向接收天线170和一个或多个对应的组合网络180来提供极化相关的操作模式。
在一个实现方式中，接收天线170可以均是如图3A中所示出的交叉的领结型天线300。一个这种领结天线300使用如下这样布置的四个大体为三角形的辐射器310（或区段）：它们的顶点邻近中心点330。四个馈线A、B、C、D连接到四个三角形辐射器310中的每一个的相应的一个，典型为靠近中心点。图3B示出了可以与图3A的交叉领结一起使用的极化组合网络180-1。四个馈送点耦合到向90度混合组合器302进行馈送的一对180度混合组合器301-1、301-2。该组合网络180-1提供左旋（LH）305-L和右旋（RH）305-H圆极化（C-POL）馈送点。
应当理解的是，其他类型的组合网络可以用于产生其他类型的定向和/或极化信号。例如，可以通过将180混合部301-1、301-2的总和端口馈送到另一个组合器（未示出）中，来从定向元件中导出单极模式。由控制器199和判定逻辑（也在控制器199中）控制的开关可以准许诸如例如通过选择在给定时间处产生最高接收功率的模式而对这些定向操作模式之一的选择。
在其他实施例中，取决于期望的操作频率，图3B的混合部可以被铁氧体平衡-不平衡变换器（balun）代替。特别地，不同的技术用正交传输线平衡-不平衡变换器来代替组合网络180-1。一个平衡-不平衡变换器连接在馈送点A与C之间，并且另一个平衡-不平衡变换器连接在馈送点B与D之间。在美国专利9,118,116中提供了该配置的更多细节，该美国专利特此通过引用被并入。
可以使用仍其他类型的定向天线170。图4A和4B是圆柱形形状因子定向天线170的示例。圆柱形形状因子具有给定的高度和直径；通过将由电介质形成的圆柱形基板的表面金属化来提供辐射器或天线区段。圆柱体进一步被分为四个象限（北（N）、东
Figure 198267DEST_PATH_IMAGE002
、南（S）和西（W））；每个象限依次包含类似于交叉领结的四个辐射天线元件（换句话说，总共存在16个辐射元件）。
图4C是四个象限、四个元件定向天线的另一个实现方式。在此，四个“象限”或“北、东、南和西”组件实际上是设置在相同平面基板上（在腔之上）而不是在中空圆柱形基板侧面上的平面辐射贴片或区段。与图4A配置一样，每个象限401-N、401-E、401-S、401-W包括一组四个平面贴片元件420（为清楚仅标记了一个），其充当两个“交叉领结”辐射器。在我们于2018年1月1日提交的题为“Low Profile Antenna-Conformal”的序列号为15/861,749的共同待决的美国专利申请中进一步描述了该类型的定向天线，特此将该美国专利申请通过引用在其整体上并入。
图4D是可以与图4A、4B和4C的定向天线一起使用的第二类型的组合器180-2的详细电路图。该图示出了来自N、E、S、W象限中的每一个的四个A、B、C、D馈送部的互连。与每个馈送点相关联的单刀四掷（SP4T）开关使得能够为相应的馈送点选择开路、全向、定向或短路连接。然后将这些开关输出馈送到4：1组合器910-1、910-2，以分别提供垂直和水平全向模式。90°混合组合器912通过单刀六掷（SP6T）开关进行耦合，该单刀六掷开关为N、E、S、W象限中的每一个提供相应的垂直全向或垂直定向模式、或者开路的选择。从水平取向元件在混合部912的另一个端口（端口2）上提供类似的连接。通过将输出连接到单刀双掷（SP2T）开关并且馈送垂直定向/全向、右旋定向/全向、左旋定向/全向和水平定向/全向点，然后可以选择性地激活来自这些各种模式的输出。
图5A示出了组合器180-2的更多细节，图4A的圆柱形实现方式的给定象限或图4C）的实施例的区段如何提供垂直和水平馈送点。在此，作为辐射三角形元件3和4的两个端口被馈送到锥形平衡-不平衡变换器710中，以提供垂直极化输出（V）。因此，SP4T开关1010为可用面方向（N、E、S、W）中的每个对应的一个提供多个输出选项，包括开路、垂直、全向、垂直定向或短路。
向示例侧或象限的水平馈送点提供类似的切换，其中两个端口（即元件1和2）被馈送到锥形平衡-不平衡变换器中，以提供水平极化输出（H）。SP4T开关1010再次提供四个选项——开路、水平全向、水平定向或短路。
图5B更详细地示出了90°混合组合器连接。在此，通过SP6T开关提供第二支线上的V出端子，该SP6T开关提供多个选项（垂直全向、垂直北南东或西、定向和开路）。H出端子提供对应的六个垂直极化输出。第二支线及其对应的SP6T开关也具有六个对应的选项。关于更多信息，参见我们已发布的美国专利9,013,360，其通过引用并入本文中。
图6A是可以在MIMO系统100中使用的另一种类型的射频（RF）组合网络180-3，其针对方位角和仰角两者提供到达方向的估计。它可以用于从先前提及的定向天线400中的任一个（诸如交叉领结天线）产生取向独立的响应。典型地将为每个定向天线元件400提供组合器180-3。
在该布置中，第一混合组合器401产生信号VΣ，该信号VΣ表示四个辐射元件A、B、C、D处的信号的总和，并且在抑制水平分量的情况下，其仅（或主要）表示垂直分量。第二混合功率组合器402（其是差异或180°组合器）提供输出信号：
Figure 360869DEST_PATH_IMAGE003
并且第三180°混合器403提供并输出信号：
Figure 274598DEST_PATH_IMAGE004
然后，组合器402、403的输出馈送90°正交混合部404以产生信号，
Figure 346459DEST_PATH_IMAGE005
其与方位角成比例。
相位检测器406可以确定信号VΣ与V之间的相位差异406，从而提供方位角
Figure 662034DEST_PATH_IMAGE001
。混合除法器407确定它们之间的比率，以产生与仰角θ成比例的输出。
在水平和垂直极化信号两者都存在的情况下，可以使用图6B中所示出的定向天线元件401的另一个实现方式。圆形线环320被设置在圆柱形辐射元件300上方。
图6C示出了可以与图6B的天线一起使用的另一个组合电路。在此，线环320的输出可以与其他信号组合以产生与水平分量成比例的信号
Figure 845803DEST_PATH_IMAGE006
混合组合器602、604是180°组合器，其提供来自辐射器A、B、C、D的总和与差异输出两者。如所示出的那样布置的180°混合组合器602、604、正交组合器606和组合器608产生信号：
Figure 105883DEST_PATH_IMAGE007
以及
Figure DEST_PATH_IMAGE008
。
来自混合组合器的所得信号可以由信号处理器195进一步处理，以获得表示方位角和仰角两者的信号，该信号独立于任何水平分量和垂直分量。例如，（一个或多个）模数转换器（ADC）可以处理混合组合器的输出，并且被馈送到一个或多个数字信号处理器（DSP），从而获得方位角和仰角。关于用以确定方位角和仰角的该方法的更多信息可以在2018年1月4日提交的题为“Indoor Positioning System Utilizing Beamforming withOrientation and Polarization Independent Antennas”的序列号为15/861,739的美国专利申请中找到，特此将该美国专利申请的全部内容通过引用并入。如上面所提及的，相同的信号处理器195还可以基于在训练模式期间做出的信道估计来实现匹配滤波器；然后，在一个实现方式中，使用从该匹配滤波器输出导出的相关峰值来估计到达时间（TOA）。

Claims (7)

1.一种用于在多径环境中操作多输入多输出（MIMO）系统的复用方法，所述MIMO系统包括包含两个或更多个发射天线的发射子系统、以及包含两个或更多个接收天线的接收子系统，所述复用方法包括：
在训练模式中，
激活第一发射天线以发射预定的导频信号，从在所述接收子系统处接收到的一个或多个信号中确定第一到达角（AOA）和第一到达时间（TOA）；
激活第二发射天线以发射预定的导频信号，并且从在所述接收子系统处接收到的一个或多个信号中确定第二到达角（AOA）和第二到达时间（TOA）；
从在所述接收子系统处接收到的信号中导出空间频率和时间频率传递函数；
在操作模式中，
使用空间和时间传递函数来区分在所述接收子系统处接收到的信号。
2.根据权利要求1所述的复用方法，附加地，其中所述接收天线中的两个或更多个是定向接收天线。
3.根据权利要求2所述的复用方法，其中所述到达角包括仰角和方位角。
4.根据权利要求2所述的复用方法，其中所述定向接收天线是交叉偶极子天线。
5.根据权利要求2所述的复用方法，其中每个定向接收天线进一步包括具有天线元件组的结构，其中每组天线元件包括四个辐射区段，并且进一步包括以下步骤：
组合每组元件中的两个或更多个辐射区段的输出，以提供水平、垂直、左旋或右旋极化模式中的两个或更多个。
6.根据权利要求2所述的复用方法，附加地，其中所述定向接收天线进一步包括四个象限元件，其中每个象限元件进一步包括：
导电圆柱体侧部和馈送点；
沿主轴彼此相对地定位的四个象限元件中的第一对；
沿所述主轴彼此相对地定位的四个象限元件中的第二对；以及
组合电路，其用于选择性地组合由相应象限元件提供的馈送点。
7.一种装置，包括：
多个定向接收天线，其被布置成从发射天线阵列接收多个信号；
多个组合电路，其中每个组合电路连接到所述定向接收天线中的相应的一个，
以便在第一发射天线活动时，针对接收到的一个或多个信号产生指示第一到达角（AOA）的第一角信号；
以便在第二发射天线活动时，产生指示第二到达角（AOA）的第二角信号；
信号处理器，
用于从在接收子系统处接收到的信号中导出空间频率和时间频率传递函数；以及
在操作模式中，用于使用空间和时间传递函数来区分在所述接收子系统处接收到的信号。
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