CN1266563A - 天线分集系统 - Google Patents

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Abstract

一种天线分集系统包括至少两个天线(202、212)。在第一实施例中,借助于各自的开关(204、214)经由一个公共点(222)每个天线被连接到接收机(224),该开关在通状态下在天线与接收机之间提供低阻抗连接,和在断状态下提供基本上为电抗负载(210、220)到天线(202、212)。对于断状态适当阻抗的选择,取决于开关(204、214)的状态,负载能使天线(202、212)作为天线阵起到具有改变波束方向图的作用。通过循环开关状态的一个序列调整天线波束,提供改善的克服衰落和多径影响。在第二实施例中,各天线被连接到一个混合耦合器,它能使两个波束方向图同时可以被信号质量测量和比较利用。

Description

天线分集系统
技术领域
本发明涉及装有控制波束方向装置的天线分集系统，尤其涉及能够产生天线波束方向图范围的天线分集电路，并涉及操作这种系统的方法。这种系统的应用包括在商业或民用环境，和诸如DECT(数字增强的无绳电信)和GSM(全球移动通信系统)的无绳与蜂窝电信系统中的无线数据链路。
为了便于描述，将参照一种使用一个接收机的天线分集系统描述本发明，但是应当理解因为发射和接收天线之间的互易性，本发明同样可以应用到发射机中。
背景技术
在诸如建筑物内之类的复杂传播环境中，信号衰落是经常发生的，衰落是由沿不同长度传播路径的多个信号的互相干扰引起的。如果干扰存在，则接收信号强度可能降低到低于要求的接收电平。
在建筑物内经常存在信号传播方向的显著不同，导致具有可以指向良好信号同时抑制其它信号的天线的接收机将经受不太严重的衰落并因此享有较好的接收质量。
在建筑物中的传播环境的变化一般非常快，例如由于在传播路径附近的人的移动。因此，实现对由方向性天线提供的潜在的改善，则必须能够快速的调整，因此要求电调整。
包括多个天线的自适应天线系统是已知的。例如，公开的PCT申请WO95/33312公开了用于从利用两个接收机的多个方向性天线中选择的两个天线的一种装置。对从第一天线接收的通信信号测量第一信号质量度量，和对从第二天线接收的通信信号测量第二信号质量度量。当第一和第二信号质量度量之间的差值超过一个阈值时，接收机被连接到第三天线和测量第三信号质量度量。基于这三个度量，选择第一和第二天线，从中接收通信信号。在这种系统中通过改变所选择的方向性天线实现调整。但是这种公知技术具有要求至少两个完整的接收机的缺点，这使其成本相对提高了。
仅要求一个接收机的天线分集系统的例子提供在我们的PCT申请WO97/08774(PHB34000)中，该系统设置一个具有两个天线的收发信机和用于选择提供最强接收信号的天线的装置。虽然这种系统提供了某些优点，但这样一种装置并未试图使用未被选上的天线，和不能选择性地拒绝多径信号。
发明概要
本发明的一个目的是以选择性拒绝多径信号的方式实现天线分集。
按照本发明的第一个方面，提供一种包括至少两个天线的天线分集系统，至少两个天线的每个被连接到波束形成装置，和用于控制该波束形成装置提供至少两个可选的预定天线波束方向图的控制装置。
按照本发明的第二个方面，提供一种操作包括至少两个天线的天线分集系统的方法，至少两个天线的每个被连接到波束形成装置，和到用于控制波束形成装置的控制装置，该方法包括操作该控制装置提供至少两个可选预定天线波束方向图。
本发明基于这样一种认识，即在现有技术中不存在通过包含多个天线的天线分集装置可以形成多种波束方向图。每种波束方向图是由一个或多个连接到收发信机上的天线产生的，而其余的各天线利用一个适当的阻抗予以端接。仅需要一个收发信机。
附图简述
现在将通过例子并参照附图描述本发明的实施例，在附图中：
图1表示典型的户内多径环境；
图2是使用两个天线的天线分集系统的示意图；
图3是一种天线分集系统的天线方向图；
图4是具有两个天线的天线分集电路的实施例的图；
图5是利用混合耦合器的天线分集系统的示意图；
图6是利用仅用于信号质量测量的混合耦合器的天线分集系统的示意图；
图7是具有三个天线的天线分集系统的图；
在各附图中相同的标号被用于表示对应的部件。
本发明的实施方式
在图1中表示了一种简单的户内情况。这种情况包括两个房间100，每个房间具有带门道104的墙102。发射机106位于一个房间和接收机108位于另一个房间。在发射机106与接收机108之间通过门道104的三个可能的信号路径被表示为：直接的第一信号路径110；从墙102经一次反射的第二信号路径112；和从墙102经两次反射的第三信号路径114。实际上将存在大量的信号路径，从墙102具有各种次数的反射和传输通过墙102。由于这种反射和传输的结果，在接收机108的信号强度对于不同路径将是变化的。
为了避免信号110到114之间的干扰，希望具有方向性天线装置，该装置选择性地接收来自一个特定方向的信号。另外，希望能够调整方向性天线装置。例如，如果将天线瞄准接收直接信号110和该信号被阻挡(例如，某人在走到信号路径110中)，则天线可能被调整接收可替代的信号112、114。
图2是包括第一和第二天线202、212的天线分集系统200的示意图。这些天线最好是基本上全方向的，和可以是任何常规形式的，例如单偶极子、双偶极子、或微带片。天线202、212可以是相同或不同类型的。第一天线202被连接到第一开关204。在通状态下，开关204选择来自天线202的信号经第一接点206和公共连接点222到接收机(Rx)224。在断状态下，开关204经第二接点208提供终端210到天线210。终端210被选择为反射终端，无功率吸收，和因此将具有基本上电抗型的阻抗。类似，第二天线212被连接到第二开关214，从这里或者经第一接点216连接到公共连接点222或者经接点218到终端220。
提供信号质量测量装置(SQM)226以进行衰落或者接收信号的其它问题的检测。在所述装置的实施中可以使用任何方便的方法，例如所接收无线电信号强度或误码率的检测。提供控制器228(CON)以响应于来自接收机224和信号质量测量装置226的信息设置开关204、214的状态。
如果两个开关204、214都在通的状态，和如果从天线202、212到公共点222有相等的电长度，则辐射图将在边射方向上显示最大响应，各天线形成一个两振子的边射天线阵。
如果第一开关204为通状态，连接天线202到公共连接点222，而第二开关214为断状态，呈现一个反射终端220到第二天线212，则该天线可用作端射双振子天线阵。为通状态的第一天线202是该天线阵的馈电振子，而取决于反射终端220的相位，第二天线212用作引向器或反射器。如果两个天线202、212之间的距离被选择为大于在感兴趣的频率(中心频率)上的半波长，则可以产生端射配置，对于四分之一的距离有最佳的效果。端射配置沿该天线阵的轴向具有全向方向图。最大增益的方向取决于反射终端220的相位。如果终端220具有正的阻抗，这使得第二天线212作为一个反射器，这一般是理想的安排。
倒换第一和第二开关204、214，则倒换第一和第二天线202、212的作用，也颠倒了最大增益的方向。
第一和第二开关204、214的这三种组合(通-通、通-断和断-通)允许天线202、212能在双端射和一边射天线阵配置中工作。
对于n单元线性天线阵的天线方向图的一般表示为：
             e＝sin nu/sin u
其中e是天线阵增益，归一化为单位最大增益，n是天线单元数，和u是由下式给出的：
u＝(dcosφ+a)/2
其中d是单元间距(按波长)，a是在感兴趣的频率(或中心频率)上的各单元之间的相移，和φ是相对于该天线阵的轴向顺时针测量的角度。对于边射天线阵方向图a＝0，而对于端射天线阵方向图a＝±π/2。
在天线阵中两个天线的组合与其它或者单一天线或者简单天线空间分集(其中选择提供最强信号的天线)相比较在天线增益中提供了3dB的改善。但是，射频电路并不比实施天线空间分集所要求的那么复杂，由于没有要求使天线波束进行调整的附加相移元件。
图3A到3C表示对于两个天线由1/3波长分开的装置的通过开关204、214的三种组合产生的天线谐振方向图的极座标图。所有的图中天线阵的轴是沿X轴的，即在纸面上从左到右，对于第一个天线202在左边和第二个天线在右边。图3A表示当开关204、214都通的方向图，这是x轴对称的边射方向图。图3B表示当第一开关204通和第二开关214断的方向图，这是最大增益在负x方向的端射方向图。最后，图3C表示当第一开关204断和第二开关214通的图，这是最大增益在正x方向的端射方向图。
在整个角度范围内各天线方向图之间的增益差是相当明显的，这将影响对衰落性能上的改善。一种调整波束的有效策略是驱动电路每次移动最大增益方向90°，使得从左边端射到边射，再到右边端射，一此类推。这种特性通过4状态电路可以获得，该4状态电路从通-断到通-通再到断通，周期性地转换开关204、214的状态。在衰落的检测中，该4状态电路可以被转换到其下一个状态。
可以利用一种RF开关的变形。开关最好具有至少15dB的通断比，和通状态的损耗最好很低。当开关关断时，应当是反射的，即应当或短路或开路，或者具有小的或无电阻部分的任何值的电抗。为了使第二天线作为反射器，通过天线与开关之间的适当网络(例如一段长度的传输线)实现适当的终端相位。
适当的开关包括PIN二极管和GaAs FET开关。转换低噪声FET放大器的栅偏置构成用于此目的的良好RF开关。当FET被偏置断时，由FET产生的固有阻抗失配，形成反射阻抗。对于实际实施而言，表示在图2的理想的双向开关204、214是不现有的。
某些应用可能要求全向辐射方向图，这种方向图是不能由如图3所示的上述开关装置实现的。但是，对上述描述的装置作稍许改进，这样的辐射方向图是可能的。在这个经修改的电路中，第二开关214具有第三开关位置，在该位置第二天线212被不受影响地附加调谐。当第二开关214在这个第三位置和第一开关204在其第一位置时，第一天线202被连接到接收机。在这种组态下，天线方向图是只有第一天线202的简单的方向图，这种方向图最好被选择是无方向性的。
按照本发明的基于在我们的PCT申请WO97/08774天线分集电路被表示在图4。该系统包括衬底410，例如Duroid材料或者FR4玻璃纤维。在衬底410的一面设置第一加长端馈金属偶极子412。在使用中被设计为，该偶极子被垂直放置，使得该偶极子的有效部分是具有对应基本上为感兴趣频率(或中心频率)的1/4波长的上面部分。该加长的偶极子是利用微带形成的。
在也利用微带形成的衬底410的反面是接地面414和包括利用微带的第一和第二元件416、417的第二偶极子，该第一和第二元件在从第一偶极子元件的自由端对应于基本为1/4波长的距离上被连接到接地面414和远离接地面延伸。
第一和第二元件416、417的每个具有对应于感兴趣频率(或中心频率)的1/4波长的长度。第一和第二元件416、417相当于第一偶极子元件的纵轴是倾斜的。在衬底的反面的元件414、416、417、426、427是利用虚线画的。
偶极子元件412、416、417形成第一印制天线。第二印制天线是具有偶极子元件422、426和427的相同类型的。各天线被布局在衬底410上，使得偶极子元件412、422通过对应于感兴趣频率(或中心频率)的1/3波长的距离分开。这两个偶极子元件的馈电线是与偶极子相同宽度的和包括50Ω线。公共馈电点222被基本上设置在这个线的中点。第一和第二元件416、417和第二偶极子的426、427是在衬底410的反面。PIN二极管434、436在远离它们的主辐射区的位置被连接到第一偶极子元件412、422的馈电线上。这些PIN二极管还被连接到各自的包含电容短线442、444低通滤波器438、440，这些短线被连接到终端446。
在使用中公共馈电端222被连接到射频接收机224的输入端，和提供一个控制器228，设置PIN二极管434、436的电源。当由信号质量测量装置226检测到衰落时，控制器228按要求改变PIN二极管的状态，产生下一个天线的方向图，例如如上所述的4状态电路起作用。
对如图4所示的具有5.8GHz的天线分集电路的实际实施的测量，给出基本上与上述详细理论计算符合的天线方向图的结果。
在图5中表示出天线分集系统的另外一个实施例的示意图，其中两个辐射方向图是同时可以利用的。在这个实施例中，第一和第二天线202、212不直接连接到开关204、214，而代之以分别连接到90°混合耦合器(HC)502的第一和第二输入端503、505。使用在DECT系统中的一种合适的混合耦合器的例子是Mutata LDC30B030GC1900，这种耦合器足够小，以安装到任何手机中和具有小于1dB的损耗。
来自混合耦合器502的第一输出信号504提供第一波束信号，当第二天线212具有反射终端时，由于由混合耦合器502施加的90°相移，该信号将是从第一天线202获得的信号相同的。来自混合耦合器502的第二输出信号504提供第二波束信号，当第一天线202具有反射终端时，该信号将是从第二天线212获得的信号相同的。因此，如果天线202、212是无方向性的和由1/3波长的距离分开，对于输出504、506的天线响应方向图被表示在图3B和3C。利用不同的天线间距和具有不同于90°相移的耦合器可能产生不同的响应方向图。
两个方向耦合器(DC)508能够取样每个输出信号504、506，将被记录下来由信号质量比较器(SQC)510利用。比较器510可以例如包括测量每个信号的接收无线电信号强度，或者某些其它适合的诸如误码率之类的质量参数的电路。
如果要求的方向耦合器508可能被开关替代。这种替代性的实现具有当接收机224正在接收信号时，比较器510不能比较信号质量的缺点，但是避免使用方向耦合器在某些应用方面可能是可取的。
包括如上所述的开关204、214的与图2的相同的转换装置可以被用于选择来自方向耦合器508的一个输出，用于连接到公共连接点222和接收机224。控制器(CON)512响应于来自接收机224和信号质量比较器510的信息设置开关204、214的状态。与图2的装置的不同是每次仅开关204、214中的一个可以是通，和不利用的波束必须在匹配负载514(即50Ω)端接，以便混合耦合器502的正确工作。
转换的实施例(图2的)和混合耦合器的实施例(图5的)两者特别适合使用在诸如DECT之类的时分多址(TDMA)系统中，其中信号被按时间帧发射，每个帧包括前序部分和数据部分。在这样的系统中，信号质量的测量或比较可以在一个帧的前序部分的接收期间被执行，对于数据部分的接收，能使最佳波束方向图将被选择。
这种实施例通过降低信号测量与分集转换的实现之间的时间延迟还允许在高速下使用。这保证了在每帧的基础上转换的执行，避免了试图确定接收信号的暂时衰落特性的需要。
另外的优点是两个波束的方向性降低了在接收信号中的延迟，因此降低了码间干扰和使得可能实现较高的数据速率。
转换和混合耦合器实施例的两者还适合用于发射，在这种情况下接收机224由收发信机替代。用于接收的最后选择的波束可能被用于发射，采用在时分双工系统中的对称发射信道的优点。所发射的信号比简单无方向性天线将具有3dB方向增益的好处，因此使得加大覆盖。
在频分双工系统中，取决于上行链路和下行链路发射的频率差和无线传播环境的其他特性，发射信道可能不是对称的。因此在某些情况下可能比较简单地使用全向波束方向图用于发射。
图5的混合耦合器实施例的优点是在接收期间3dB功率被耗散在混合耦合器502的不利用的输出端的负载514上。但是，其性能不差于利用单一无方向天线，因为3dB的每个波束的方向性增益。
图6表示第二混合耦合器实施例，该实施例减轻了这个问题。该实施例类似于图5的，但是代之以天线202、212直接被连接到混合耦合器502的各自输入端503、505，它们被连接到开关602、604。为了取样和比较接收的信号，开关602、604连接天线202、212到混合耦合器502的输入端503、505，其输出端被直接连接到信号质量比较器510。
对于正常接收和发射，各开关连接天线202、212到直接连接到开关204、214的端子606、608，旁路了混合耦合器502。其余的电路操作是与如图2所示的转换实施例相同的，仅利用收发信机(Tx/Rx)610替代接收机224。当连接到混合耦合器502的各自输出端504、506时，开关204、214的设置是由比较器510作出的测量确定的。
如果需要对来自不同波束的接收信号质量进行连续的比较，开关602、604可以由方向耦合器508替代。
按照本发明的方法还可以被应用到具有多于两个天线的天线分集系统。例如，详细描述在图3A的边射天线方向图的两个天线装置的一个问题是相对于该阵列轴对称的。图7是克服这种限制的一种可能三天线安排的平面图。该安排包括：第一天线202和由在感兴趣的频率(或中心频率)上的半波长的最大距离分开的第二天线212，以及在第一和第二天线202、212之间但由在感兴趣的频率(或中心频率)上的半波长的最大距离分开的第三天线702。
这种安排含两个天线阵的在A和B方向上端射的能力，而同时增加在方向C和D上产生天线方向图的能力。
虽然该天线分集系统已经相对于利用一个接收机的情况进行了描述，但是显而易见可能等效地被用于发射机。例如，在诸如DECT或GSM之类的双向无绳通信系统，在手机中对来自基站接收为最佳的天线波束方向图，由于互易原理对从手机到基站发射信号来说也是最佳的。
从阅读本说明书的公开的内容，对于本专业的技术人员来说其它的修改也将是显而易见的。这些修改可以包括在天线分集系统业已公知的其它的特征和操作这种系统的方法，和这些特征可以被用于替代或附加已然描述在本说明书中的各个特征。
在本说明书和权利要求书中的在某元件之前的“一个”的词并不排除多个这样的元件。另外，“包括”的词也不排除并非这里所列的其它元件的存在。
工业实用性
本发明具有广泛的工业应用范围，例如，包括无线数据链路和诸如DECT和GSM之类的无绳和蜂窝电信系统。

Claims (10)

1.一种包括至少两个天线的天线分集系统，该至少两个天线的每个被连接到波束形成装置，和用于控制波束形成装置提供至少两个可替代的预定天线波束方向图的控制装置。
2.按照权利要求1所要求的天线分集系统，其特征在于该系统还包括确定接收的信号质量的信号质量测量装置，和在于响应于来自信号质量测量装置的输出，控制装置控制波束形成装置提供天线波束方向图，以便改善接收或发射信号特性。
3.按照权利要求1或2所要求的天线分集系统，其特征在于波束形成装置包括混合耦合器。
4.按照权利要求1或2所要求的天线分集系统，其特征在于波束形成装置包括连接到每个天线的相应的开关装置。
5.按照权利要求4所要求的天线分集系统，其特征在于每个开关装置具有一个通状态，该通状态是其相应的天线被连接到一个公共连接点，和一个断状态，该断状态开关提供一个适当的终端到天线。
6.按照权利要求4或5所要求的天线分集系统，其特征在于由控制装置提供的每个状态是一个或多个开关装置处于通和其余的处于断。
7.按照权利要求4-6任何一个所要求的天线分集系统，其特征在于每个开关装置具有至少15dB的通断比，在通的状态具有低的损耗，和在断的状态提供基本上反射的终端到其相应的天线。
8.按照权利要求4-7任何一个所要求的天线分集系统，其特征在于该开关装置是半导体开关装置。
9.一种操作包括至少两个天线的天线分集系统的方法，该至少两个天线被连接到波束形成装置，和用于控制波束形成装置的控制装置，该方法包括操作控制装置提供至少两个可替代的预定天线波束方向图。
10.按照权利要求9所要求的操作天线分集系统的方法，其特征在于该系统还包括信号确定接收信号质量的信号质量测量装置，和在于该方法还包括响应于来自信号质量测量装置的输出操作该控制装置，提供一个改善接收或发射信号特性的天线波束方向图。
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