CN111201717A - Rf信号聚合器及实现其的天线系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种被设计为与天线元件耦合以形成天线系统的信号聚合器组件，其中所形成的天线系统可以在接收模式下实现百分之百或更高的效率。另外，天线系统可以在天线辐射图案的不同扇区中实现特定的极化和增益。信号聚合器用于动态地启用或禁用其任意数量的RF端口以选择要聚合的RF输入信号。

Description

RF信号聚合器及实现其的天线系统
背景技术
天线系统被广泛地实现于常规设备中，以将这些设备连接到蜂窝网络、无线局域网、全球定位等。这些天线系统通常用于在接收器电路(“接收”或“RX”)处接收信号、在发送器电路(“发送”或“TX”)处发送信号、或在收发器电路处进行接收和发送两者。
物理定律规定了单个无源天线不能超过百分之百的效率(0dB)。无源天线(即具有固定辐射图案的天线)不能产生能量，而是只能使能量从一种状态变形为另一种状态。
然而，如果有可能规避物理定律，则迫切地需要一种能达到百分之百或更高效率的天线系统，而这将是一项开创性的创新。还需要这样的天线系统可以在其辐射图案的不同扇区(sector)中保持特定的极化。
发明内容
本公开涉及一种被设计为与一个或多个天线元件耦合以形成天线系统的射频(RF)信号聚合器组件，其中所形成的天线系统可以在接收(Rx)模式中实现百分之百或更高的效率。另外，该天线系统可以在天线辐射图案的不同扇区中实现特定的极化和高增益。
信号聚合器组件通常包括多个传输路径，每个传输路径将信号聚合器的公共端口耦合到其多个离散端口中的一个，使得每个离散端口经由在它们之间延伸的不同传输路径耦合到公共端口。信号聚合器还包括RF信号总线，其中在RF信号总线处，每个传输路径可以被聚合。在每个离散端口与RF信号总线之间进一步实现的可以是RF反射隔离器，该反射隔离器可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)组件或基于铁磁材料的组件。反射隔离器用于防止在相应的离散端口和被配置为与其耦合的天线元件的方向上的不期望的反馈。
可替代地，每个反射隔离器可以单独地实现为多端口RF环行器(circulator)、二极管、晶体管、耦合器、放大器或回转器(gyrator)。
另外，一个或多个子组件可以实现用于分别将一个或多个离散端口与公共端口进行匹配，所述子组件可以单独地选自：开关、可调电容器、可调电感器、晶体管、其他电压控制的可调组件等，如本领域技术人员将理解的。
在此方面，信号聚合器用于动态地启用或禁用其任意数量的离散RF端口，以分别选择离散端口的一个或多个RF输入信号进行聚合。
在本发明的另一方面，公开了一种天线系统，该天线系统包括一个或多个RX子天线以及直至任意数量的TX子天线，每个RX子天线耦合到本文所公开的RF信号聚合器组件。在此方面，每个RX子天线都可以被设计为具有不同的极化、增益、辐射图案和频带谐振。这样，该天线系统能够被构造为具有传统的无源天线设计无法实现的辐射图案特性。例如，利用实现了多个圆极化天线和RF信号聚合器的天线系统，可以在所有方向上实现圆极化，而无源天线只能在其辐射图案的一部分中实现圆极化。
在一些实施例中，一个或多个子天线可以包括有源多模式波束操纵/零操纵天线(在本文中称为“模态天线”)。模态天线的示例在共同拥有的美国专利No.9,240,634、8,648,755、8,362,962、和7,911,402，其全部内容通过引用并入本文。
在另一方面，公开了一种用于使用RF信号聚合器组件或实现其的天线系统来聚合信号的方法。
在所附的详细说明中对本文的其他特征和优点进行了描述。
附图说明
图1示出了根据一个实施例的RF信号聚合器。
图2示出了被配置为用于发送和接收功能的天线系统，该天线系统根据另一个实施例实现了RF信号聚合器。
图3示出了被配置为仅用于接收功能的天线系统，该天线系统根据又一实施例实现了RF信号聚合器。
图4示出了图3的天线系统，该天线系统配置有多个不同的极化以便与GPS或GLONASS网络上的多个源进行通信。
图5示出了具有有源组件的RF信号聚合器，以便启用/禁用传输路径以分别聚合和/或调谐(tune)每个不同的RF端口的阻抗。
具体实施方式
为有助于以上提供的细节，提供以下说明以使本领域技术人员能够理解、制造和使用如本文所述和本文明确要求保护的发明。因为各个特征的特定组合将产生可在其中实践本发明的大量实践实施例，并且出于向审查者提供合理清晰和简洁的说明的目的，本文将仅呈现优选实施例。然而，应当认识到，本领域普通技术人员可以在没有过度实验的情况下类似地实践本文未明确描述的其他实施例。这样，关于本发明的范围的任何评估都应针对本文中明确提供的权利要求进行，并在以其最广泛合理解释来考虑本说明以及考虑本领域普通知识和技术水平的情况下来解释本发明的范围。本说明中的任何内容都不旨在限制本发明的精神和范围。
现在，如上所述，本公开内容涉及一种射频(RF)信号聚合器组件，该组件被设计为与一个或多个天线元件耦合以形成天线系统，其中所形成的天线系统可以实现百分之百或更高的效率。
另外，天线系统可以在天线辐射图案的不同扇区中实现特定的极化和增益。
RF信号聚合器可以用于动态地启用或禁用其任何数量的RF端口以选择要聚合的RF输入信号。
RF信号聚合器优选地制造为集成电路或单片集成电路(也称为IC、芯片或微芯片)，该集成电路通常是在一个半导体材料(通常是硅)的小平片(或“芯片”)上的一组电子电路。然而，可以根据本领域普通技术水平将RF信号聚合器实现为印刷电路或其他电路。
RF信号聚合器以及实现其的天线系统可以在接收侧实现例如0dB的超高效性能。
RF信号聚合器通常不应用于天线系统的发送侧；然而，在接收侧上实现RF信号聚合器的天线系统可以进一步实现传统的发送天线，例如，利用双工器的集成或本领域技术人员已知的其他技术。在此方面，这样的天线系统可以使用RF信号聚合器组件来实现RF信号聚合，并且可以进一步支持传输功能。
RF信号聚合器通常包括多个传输路径，每个传输路径将信号聚合器的公共端口耦合到其多个离散端口中的一个，使得每个离散端口经由在它们之间延伸的不同传输路径耦合到公共端口。信号聚合器还包括RF信号总线，其中，在RF信号总线处，每个传输路径可以被聚合并且被进一步引导到公共端口。在每个离散端口与RF信号总线之间进一步实现的可以是反射隔离器，诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)RF反射隔离器或基于铁氧体的反射隔离器。反射隔离器用于防止在相应的离散端口和被配置为与其耦合的天线元件的方向上的不期望的反馈信号。
RF信号聚合器组件可以包括公共端口和至少两个但直至任意数量的“n”个离散端口。每个离散端口被配置为耦合相应的天线元件。因此，每个天线元件可以获得不同的接收信号，然后可以通过相应的离散端口传送不同的接收信号。每个不同的接收信号都通过反射隔离器或等效的子组件或电路，以防止不期望的反馈。然后，每个离散RF端口的不同信号可以在RF信号总线处汇聚并耦合至公共端口，以连接到接收器或收发器。
在一些实施例中，实现了开关或其他子组件，并且RF信号聚合器组件适于隔离单个传输路径、离散端口和天线元件，使得隔离的路径和天线元件可以用于信号传输。注意，在这样的实施例中，不执行信号聚合，而是反之将该组件配置为提供单个传输路径(未聚合)以发送信号。在其他实施例中，RF信号聚合器没有以任何状态用于传输的目的，而是仅将信号聚合器组件实现用于接收功能。
例如，在一些实施例中，公共端口可以被标记为第一端口(P1)，而离散端口可以被标记为第二端口(P2)、……、第n端口(PN)。P2P1、P3P1、P4P1、……、PNP1的每个组合表示在公共端口和不同的RF端口中的一个之间的单个路径(未聚合)，并且这种路径和对应的配置可以用于传输功能。
可能希望将无源天线元件耦合到RF信号聚合器的每个相应的离散RF端口。在这方面，无源元件的组合可以在辐射图案的每个扇区中提供不同的极化，从而实现了单个无源天线元件无法实现的益处。
可替代地，接收天线元件和发送天线元件中的任何一个或多个元件可以包括有源多模式零操纵(null-steering)/波束操纵(beam-steering)天线元件，在本领域中另外将其称为模态天线。有源多模式天线元件还可以包括频带切换天线、用于调整失谐效果的有源阻抗匹配天线或波束操纵/零操纵天线。
现在参考附图，图1示出了根据一实施例的RF信号聚合器组件10。该信号聚合器组件10包括公共端口12和多个离散RF端口11a、11b、11c、11d、……、11n。尽管示出了5个离散端口，但是信号聚合器组件可以包括少至两个的离散端口，或者包括物理上适合于组件本身的数量的离散端口，即，可以是十几个、数十个或甚至数百个离散端口。在此处，五个离散端口11(a-d、……、n)中的每一个分别连接到不同的传输路径12(a-d、……、n)。每个传输路径耦合到信号总线14，并且该信号总线连接到公共端口12。子组件13a、13b、13c、13d、……、13n分别耦合到每个传输路径12(a-d、……、n)。
子组件13(a-d、……、n)可以优选地包括CMOS RF单向反射隔离器。可替代地，子组件可以包括：三端口或四端口RF环行器、隔离器、二极管、晶体管、耦合器、放大器或回转器。
尽管在图1中未示出，RF信号聚合器组件可以另外包括一种或多种阻抗匹配技术或设备，以补偿组件的各个离散端口处的阻抗。在这方面，匹配每个离散端口可以实现最佳的功率传递。
另外，可以使用阻抗匹配技术或设备来调整公共端口，以补偿组件的公共端口处的阻抗。在这方面，匹配公共端口可以实现通过组件的最佳功率传递。
在图1中未示出的一些实施例中，RF信号聚合器组件可以进一步包括嵌入式双工器、环行器和/或开关，以分离接收流和发送流。
图2示出了被配置用于发射和接收功能的天线系统100，该天线系统被示为实现RF信号聚合器10。在此处，该天线系统可以容纳RF双工器或环行器20(诸如三端口环行器)，该双工器或环行器进一步耦合至以下元件中的每一个：(i)一个RF开关30和与其连接的一个或多个传输子天线元件70a、70b；以及(ii)一个RF信号聚合器组件10和与其连接的多个接收子天线元件60a、60b、60c、……、60n。示出了RX传输线80r和TX传输线80t。示出的环行器或双工器还耦合至RF连接器40，以进一步与收发器连接。
RF信号聚合器组件可以在其体积中包含或嵌入RF开关、双工器或环行器和/或其他子组件。可替代地，如图所示，RF信号聚合器组件形成与外部RF开关、双工器或环行器以及其他组件耦合的单独且不同的组件，它们的组合可以共同地容纳在天线系统模块中。
包括耦合到RF信号聚合器的多个接收子天线元件的天线系统可以包括不同的天线元件，也就是说，每个接收天线元件可以分别包括不同的极化、增益、辐射图案和与之相关的谐振频率。接收子天线元件可以是相同的，或者可以完全包括不同的天线。
因此，该天线系统可能包括传统无源天线设计无法实现的辐射图案特性，例如，可以在所有方向上实现圆极化，而无源天线只能在其辐射图案的一些扇区中实现圆极化。
图3示出了被配置为仅用于接收功能的天线系统200，该天线系统根据又一实施例实现了RF信号聚合器10。在此处，接收天线系统200包括五个RX天线元件，包含：第一天线元件60a，其位于用于实现天线系统的模块的顶表面上；第二RX天线元件60b和第三RX天线元件60c，其各自位于相对的侧面(分别为左侧和右侧)；以及第四和第五RX天线元件60d、60e，分别位于天线系统模块的前侧和后侧。每个RX天线耦合到RF信号聚合器组件10的离散RF端口。该组件10还耦合到公共端口处的RF连接器。
虽然示出了位于模块化天线系统的多个侧面上的五个天线，但是可以提供不具有公共体积或模块的天线：即，天线可以与支撑件互连或者以本领域技术人员所理解的其他方式进行互连。
图4示出了图3的天线系统200，该天线系统配置有多个不同极化250a、250b、250c、250d和250e以便与多个源通信，该多个源在此处分别为GPS或GNSS网络中的卫星300a、300b、300c、300d和300e。该天线系统位于地面水平线225上方，并且由于多个天线元件，该天线系统可以并行地从露天接收来自多个卫星的信号。因此，通过使用所示的天线系统和所公开的RF信号聚合器组件，可以并行地(同时)捕获来自遍布天空的不同GPS/GNSS卫星的信号。
图5示出了根据另一实施例的RF信号聚合器，其中，信号聚合器组件包括有源组件15a、15b、15c、15d、……、15n，以便启用/禁用传输路径以分别聚合和/或调谐每个不同的RF端口的阻抗。例如，有源组件可以包括控制线16，其中处理器可以控制输送到有源组件的信号，诸如电压信号，以实时地重新配置每个有源组件的状态。在此处，可以单独地控制有源组件的状态以改变调谐状态(例如阻抗状态)，或者例如在有源组件是开关的情况下，改变“开”/“关”特征。因此，取决于提供的控制信号和实现的有源组件的类型，可以对阻抗进行匹配或可以启用/禁用传输路径。有源组件的示例可以包括任何电压控制的可调谐电抗组件或开关，或者可以包括固态器件、二极管、晶体管或其他电压控制的可调谐组件。
在又一个应用中，实现与本文公开的单个信号聚合器组件耦合的多个接收天线的天线系统可以用于获得VHF/UHF/FM频带中的信号。

Claims (20)

1.一种射频(RF)信号聚合器组件，包括：
公共端口；
多个离散端口；
多个传输路径，所述传输路径中的每一个将所述离散端口之一连接到所述公共端口，使得所述离散端口中的每一个经由其与所述公共端口之间延伸的不同传输路径耦合到所述公共端口；
RF信号总线，其中所述公共端口在所述RF信号总线处耦合到所述多个传输路径中的每一个；以及
集成在所述多个传输路径中的每一个中的一个或多个子组件。
2.根据权利要求1所述的RF信号聚合器组件，其中，所述一个或多个子组件包括CMOSRF反射隔离器。
3.根据权利要求1所述的RF信号聚合器组件，其中，所述子组件独立地选自以下器件组成的组中：环行器、隔离器、二极管、晶体管、耦合器、放大器和回转器。
4.根据权利要求1所述的RF信号聚合器组件，还包括集成在其体积内的双工器。
5.根据权利要求1所述的RF信号聚合器组件，还包括集成在其体积内的环行器。
6.根据权利要求1所述的RF信号聚合器组件，还包括集成在其体积内的RF开关。
7.根据权利要求1所述的RF信号聚合器组件，还包括有源组件，所述有源组件耦合到所述传输路径之一，以便对连接到相应传输路径的对应离散端口和有源组件的阻抗进行匹配。
8.根据权利要求7所述的RF信号聚合器组件，其中，所述有源组件包括电压控制的可调谐电抗组件或开关。
9.根据权利要求1所述的RF信号聚合器组件，还包括有源组件，所述有源组件耦合到所述公共端口以便匹配在所述公共端口处的阻抗，以使来自所述公共端口的功率传递最大化。
10.根据权利要求9所述的RF信号聚合器组件，其中，所述有源组件包括电压控制的可调谐电抗组件。
11.一种天线系统，包括：
射频(RF)信号聚合器组件，包含：
公共端口；
多个离散端口；
多个传输路径，所述传输路径中的每一个将所述离散端口之一连接到所述公共端口，使得所述离散端口中的每一个经由其与所述公共端口之间延伸的不同传输路径耦合到所述公共端口；
RF信号总线，其中所述公共端口在所述RF信号总线处耦合到所述多个传输路径中的每一个；以及
集成在所述多个传输路径中的每一个中的一个或多个子组件；以及
多个接收天线元件，所述多个接收天线元件中的每一个连接到所述信号聚合器组件的所述多个离散端口之一。
12.根据权利要求11所述的天线系统，所述多个接收天线包括：设置在所述天线系统的顶部的第一接收天线元件；设置在所述天线系统的左侧的第二接收天线元件；设置在所述天线系统的右侧的第三接收天线元件；设置在所述天线系统的前侧的第四接收天线元件；设置在所述天线系统的后侧的第五接收天线元件；其中，所述天线系统适于接收来自多个不同方向的信号。
13.根据权利要求12所述的天线系统，其中，所述第一至第五天线元件中的至少两个包括不同的圆极化辐射图案。
14.根据权利要求13所述的天线系统，其中，所述第一至第五天线元件中的每一个包括被设计为具有用于GPS或GNSS信号接收的谐振的天线。
15.根据权利要求11所述的天线系统，还包括一个或多个发送天线元件。
16.根据权利要求15所述的天线系统，其中，所述一个或多个发送天线元件耦合到RF开关。
17.根据权利要求16所述的天线系统，其中，所述RF开关和所述RF信号聚合器组件中的每一个耦合到双工器或环行器。
18.根据权利要求17所述的天线系统，其中，所述双工器或环行器还耦合到用于与收发器连接的RF连接器。
19.根据权利要求18所述的天线系统，其中，所述接收或发送天线元件中的一个或多个包括有源多模式天线元件。
20.根据权利要求19所述的天线系统，其中，所述有源多模式天线元件包括：频带切换、阻抗匹配、零操纵、波束操纵或其组合。
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