CN1486522A - 无线通信用的方向可变天线系统 - Google Patents

Abstract

在无线网络中实现的方向可变天线系统允许无线通信设备建立和保持相互间的无线数据连接。在一个实施例中，天线配有马达和步进马达驱动器，用来旋转天线到所要方向。在另一实施例中，天线包括天线阵列，它能电控电磁信号到所选择的方向。

Description

无线通信用的方向可变天线系统

发明领域

本发明涉及一种天线系统，具体地说，涉及无线网络中用于通信的天线系统。

背景技术

在一般无线网络中，全方向天线已在各种移动通信设备中实现，例如，数字移动电话网络。除了声音通信以外，也为各种设备，例如，台式计算机，膝上电脑，服务器，无线网络中的外部设备和功率管理集线器。之间的高速数据通信作了很多努力，与声音通信相比，数据通信典型地要求大的带宽，极低的比特错误率，和与不同地方的多个设备的通信能力。

在一般天线网络中，为保证以极低的比特错误率高速传输数据，要求较高的射频信噪比(SNR)，来传送由各设备发射和接收的数据。由于一般移动无线设备中典型的全向天线的RF功率在所有空间方向上扩散，例如，移动电话，与这些设备的通信只能在较短的距离内。

此外，在典型的移动无线网络中，至少有一些通信设备的位置彼此并不固定，因而使网络内不同设备的数据传输和接收复杂化。

在移动无线网络中，以高度数据完整性建立高速数据连接，同时避免移动通信设备高功率传输的要求，这是所希望的。此外，同样希望在无线网络中各移动通信设备间，即使设备之间的空间位置不固定，也能保持高速数据连接。

发明内容

本发明提供一种方向可变的天线系统，用于无线网络的通信，通常包括：

天线，它能在有天线增益的方向发射电磁信号；和

控制器，它连到天线，能产生方向选择信号来控制电磁信号向着所选择的方向，该方向相应于检测网络内所要的发射信号的高增益位置。

有利的是，本发明实施例中的方向可变的天线系统能把带有数字数据的电磁信号，以集中的功率密度，发给要传输的设备，从而在比较长的距离上，以高度的数据完整性，实现高速率数据传输，同时避免需要高的RF功率。此外，本发明实施例的方向可变的天线系统允许移动无线网络内的不同的设备，即使设备的空间位置彼此不固定的情况下，也能保持即时通信。

附图说明

本发明将以具体实施例并结合附图说明，其中：

图1是本发明的实施例中，机械波束控制方向可变的天线系统的部分切开的透视图；

图2A是图1的方向可变天线系统沿截面线2a-2a的侧面图；

图2B是图1的方向可变天线系统沿截面线2b-2b的另一侧视图；

图3是原理方块图，表示用数字信号处理的控制器，用于方向可变的天线系统；

图4是原理方块图，表示机械波束控制的方向可变天线系统的天线控制单元；

图5是本发明的实施例中，具有一组配备有方向可变天线系统的膝上电脑的移动无线网络原理图；

图6是本发明实施例中电子波束控制的方向可变天线系统的部分切割透视图；

图7A是图6的方向可变天线系统沿截面线7a-7a的侧视图；

图7B是图6的方向可变天线系统沿截面线7b-7b的侧视图；

图8是本发明另一实施例中电子波束控制的方向可变天线系统部分的切开的透视图；

图9是流程图，表示在无线网络中，本发明实施例跟踪信号的方法；和

图10是流程图，表示在天线网络中，本发明的另一实施例的跟踪信号的方法。

具体实施方式

图1是一例方向可变天线系统的部分切开的透视图，该天线用于移动无线通信网络。在这一实施例中，天线系统包括机械控制的天线12，它封在介质罩内，马达驱动器13连接马达14，它能把天线旋转到所要的方向。在实施例中，马达14能使天线12在水平面内旋转360°来扫描天线波束。在另一实施例中，马达13能驱动天线在方位和高度两个方向扫描。

在实施例中，天线12是平面微带天线，它包括一组微带天线单元，能在正增益天线方向发射和接收电磁信号，其它类有正增益的是向天线也能在本发明范围内实现方向可变天线系统，例如，抛物面反射器天线，喀塞卡隆天线，波导隙缝阵天线和相控阵天线，它们都能产生定向波束，实现方向可变天线系统。各种类型的一般天线，可以业内人士熟悉的形式，设计来产生所要的天线波束方向图。

图2A和2B分别是图1机械控制方向可变天线系统沿截面线2a-2a和2b-2b的另一侧视图。

图3是控制器实施方块图，用来由方向可变天线系统中的天线选择电磁发射和接收方向。控制器20能产生向选择信号来控制由天线12发射的电磁信号向所选择的高增益位置方向，与在天线通信网络内控制所需的发射信号相应。在实施例中，控制器20有驱动信号输出22，它连到机械控制方向可变天线系统中的马达14，此外，控制器20有连到天线12的RF输入24和RF输出26。

在实施例中，控制器20包括收发机40和天线单元30，收发机40，它通过RF输入24和RF输出26连到天线，能产生天线增益信号，与检测所要的无线通信网络内另一无线设备发射的信号相应。由收发机40产生的天线增益信号发送给天线控制单元30，后者产生方向选择信号控制天线12指向所要的天线增益方向。

在实施例中，收发器40包括解调器41，它连到RF输入24，把收到的RF信号变换成基带信号。解调器41，以业内人士熟悉的多级形式，把接收的RF信号变换成基带信号。为了减少噪声频谱对接收的RF信号的影响，低噪声放大器(LNA)连在天线12和解调器41之间。

在实施例中，收发器40进一步包括基带处理器42，它连到解调器41，产生发给天线控制单元30的天线增益信号。在实施例中，基带处理器42，除了产生天线增益信号用于控制天线波束向着与无线网络内的其它无线设备所要通信的方向之外，还能处理由方向可变天线系统发射和接收的信号。在这一实施例中，由方向可变天线系统发射和接收的数据在基带处理器42和计算机46之间传送，后者能通过接口进一步把数据传给外围设备，例如通过通用串行总线(UBS)接口。

在实施例中，收发器40进一步包括调制器44，它连到基带处理器42，产生基带信号，把由方向可变天线系统发射的信号带给无线网络内的其它天线设备。调制器44调制由基带处理器42产生的基带信号以产生RF信号，在一个实施例中，由调制器44产生的RF信号由功率放大器23放大，该放大器连在调制器44和天线12间。RF信号解调为基带信号和基带信号调制为RF信号可以业内人士熟悉的方式进行。

图4是天线控制单元例的方块图，它能用于机械控制天线的方向可变天线系统。在这一实施例中，天线控制单元30包括数字信号处理器(DSP)32，它通过信号路径36连接来接收来自基带处理器42的天线增益信号。在实施例中，数字信号处理器32也连到闪存和随机存储(RAM)器33。在实施例中，存储器33存储应用软件，它装有产生天线方向选择信号的算法。在实施例中，数字信号处理器32，根据天线在所要方向的瞬时增益，天线瞬时角和驱动马达原参数产生方向选择信号。

在实施例中，方向可变的天线由进步马达机械控制，天线控制单元进一步包括步进马达驱动器38，它连在数字信号处理器32和马达14之间，用来转动天线12。马达14能把天线转到相应于由步进马达驱动器38接收的方向选择信号的所要方向。在另一实施例中，DC/DC调节器31连到数字信号处理器32和马达14。在实施例中，在天线12和数字信号处理器之间有反馈路径37来给处理器32指示天线的当前角位置，从而允许处理器以更好的精度跟踪天线的运动。

图5表示移动无线网络，它包括一组用方向可变天线的移动无线设备。在图5中，三个膝上电脑51，52，和53分别配备有方向可变天线65，66，和67，试图起动无线数据连接的一个无线通信设备称为主设备，而其它响应建立数据连接请求的无线通信设备称为从属设备，例如，移动无线通信设备51可以是主设备，它试图建立与无线通信设备52或无线通信设备53的无线数据连接。

主设备51的方向可变天线系统起初通过连续的角位置(如箭头55，56和57所示)扫描，直到它到达相应于对从属设备的高增益位置，该从属设备是要与它建立无线数据连接的设备。在扫描方向可变天线65期间，轮询请求被重复发送，直到主设备51接收到一个从属设备对轮询请求的响应。如果从属设备52不是打算与主设备51要建立无线数据连接的设备，那么，从属设备52的方向可变天线66不发送对轮询请求的响应。

另一方面，如果从属设备52是要与主设备51建立无线数据连接的设备，那么从属设备53的方向可变天线67指向主设备51的方向可变天线65，并从从属设备53向主设备51发送响应，以完成表示主设备51和从属设备53之间建立无线数据连接的握手。

当对轮询请求的响应被它设备51检测时，主设备51的方向可变天线系统65，以天线65产生的电磁辐射天线方向图的主瓣58指向从属设备53。以同样的状态，从属设备53的方向可变天线系统67，以天线67产生的电磁辐射天线方向图的主瓣59指向主设备51。

图6表示电磁波束扫描的方向可变天线部分切割的透视图。在这一实施例中，天线无需机械旋转来在所有方向扫描天线波束。在图6的实施例中，电控天线包括四个天线面或平面来覆盖全部方位角，每一天线面有一组天线单元，它能电控电磁信号发向与天线控制单元30产生的方向选择信号相应的选定方向。在实施例中，每一面的天线单元包括微带辐射器阵列。在列中，天线控制单元的全部电路集成大一个天线表面上，该面上配置了微带辐射器阵列。在图6中，例如，四个天线平面互相以90°布置，每一天线面有二个天线单元阵列，如阵列61和62。

图7A和7B分别是图6的电控方向可变天线沿截面线7a-7a和7b-7b的侧视图，电源线63和64用来把电源供给天线阵列61和62，用于发射电磁信号。

图8表示电子波束控制的方向可变天线系统的另一实施例。三个天线表面81，82，和83实现对全部方位角的覆盖。在图8的实施例中，每一无线表面有二个与图6，7A和7B相同布置的微带辐射单元天线阵列。在实现由波束控制的方向可变天线的实施例中，至少一些天线单元能被激活或接通，同时其它天线单元断开，以允许移动无线设备调节发射电磁信号的RF功率电平。

图9是流程图，表示在无线通信网络中由主通信设备用方向可变天线系统跟踪信号的方法。该方法通常包括在多个方向扫描天线波束，在扫描天线波束期间发送至少一个轮询请求，检测无线网络内对轮询请求的响应源，和把天线波束指向该源。发送对轮询请求的响应源是要与主设备建立无线数据连接的从属设备，在实现机械控制方向可变天线的实施例中，主、从设备的天线可以不同速度和不同角增量旋转，该速度和角增量以减少建立无线数据连接的时间最优化。

当主设备的天线在方位向360°扫描时，轮询请求被周期性地发送，以寻找要与主设备建立无线数据连接的从属设备。在主设备的方向可变天线扫描期间，主设备的收发机等待网络内从属设备的响应，主设备借助于检测携带有从属设备发出的响应的RF信号波束方向图确定其天线波束所要的方向，并根据由从属设备发送的RF信号产生天线增益信号。

在实施例中，由主设备接收的RF信号解调为IF信号，然后该IF信号变换成基带信号，该基带信号由基带处理器处理，产生天线增益信号，又经天线控制单元处理，产生马达驱动信号。在实现机械控制天线的实施例中，天线由马达转向与马达驱动信号相应的所要方向。一旦主设备的天线波束指向从属设备，天线旋转即终止。在实施例中，天线的位置由主设备的天线控制单元储存，同时主设备与从属设备开始交换数据。

在实施例中，由主设备的方向可变天线系统进行细调，使接收的RF信号的增益最大，以尽快建立主设备与从设备间的无线数据连接。无线位置的细调由稍改变天线波束方向并测量接收RF信号的强度来实现。

如果主设备或从设备在互相移动，那么主设备天线波束所要的方向可在整个时间内改变，如果主设备的方向可变天线系统的天线控制单元确定收到的RF信号强度越来越弱，则它驱动天线到稍为不同的位置，以试图增加接收RF信号的强度。如果无线数据连接丢失，则天线波束在全方向扫描，直到来自从设备的RF信号被检测并恢复无线数据连接。在移动无线通信中，天线波束既可在不同方向连续扫描，也可以小步进在不同方向扫描，以保持主设备与从设备间的无线数据连接，其中主、从设备可不停地改变相互的角位置。

在无线网络内信号跟踪的方法也能应用于这样的实施例中，其中至少有一些无线通信设备采用电控方向可变天线代替机械控制天线用于无线数据连接。代替产生马达驱动信号旋转天线，天线波束的方向由有选择地把RF功率作用于最合适固定指向的天线单元来开关。

在实施例中，天线波束的指向可借助于业内人士熟悉的相控阵天线阵辐射原理来改变，亦即改变平面天线阵列中不同天线单元发射的RF信号的相移。在从设备的信号被主设备接收之前，RF功率作用于主设备所有天线面上的天线阵列，以在全方向辐射轮询请求，一旦检测到从设备的响应，选择一个主设备的天线面，向选择的方向，以所需的功率电平发射RF信号。在另一实施例中，发射的RF信号的功率电平由只激励天线阵中一些天线单元断开其它天线单元的方法来调节。

图10是流程图，表示在无线网络内由从设备跟踪信号的方法。该方法通常包括在多个方向扫描从设备的天线波束，检测主设备的轮询请求，确定天线波束对主设备所要的方向，把天线波束指向主设备，和发射对主设备的响应。在一个实施例中，从设备天线所要的方向是由检测携带主设备轮询请求的RF信号波束图形和根据携带轮询请求的RF信号产生天线增益信号来确定。在实施例中，用于从属通信设备的天线波束的扫描和细调是以与主设备建立和保持无线数据连接相同的方法来进行。

电波束扫描的方向可变天线典型地具有很快的开关时间，例如，约50ns的数量级。这些天线可作为在无线局域网(WLAN)中的进入点在无线设备中实现。机械控制天线的旋转速度约为每分钟120转，它可在较小尺寸的移动设备中实现。轮询请求的发射和接收，以及响应对建立无线网络中主通信设备与从通信设备的握到可用，例如，IEEE 802.11的工业标准协议来执行。其它类型的协议也可用本发明范围内的方向可变天线系统来建立不同无线设备间的无线数据连接。

本发明已用具体例子作了描述，可作各种改型，它们都在本发明权利要求书表述的范围内。

Claims (47)

1.一种无线通信用的方向可变天线系统，包括：

天线，它能在有天线增益的方向发射电磁信号；和

控制器，它连到天线，能产生方向选择信号来控制电磁信号向着所选择的方向，该方向相应于检测所要的网络内发射信号的高增益位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于控制器包括：

收发机，它连到天线，能产生相应于检测所要信号的天线增益信号；和

天线控制单元，它能产生相应于天线增益信号的方向选择信号。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于收发机包括：

解调器，连接来把所要的信号变换成基带信号；和

调制器，连接来把RF信号传到天线。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于收发机进一步包括：

低噪声放大器，它连在天线与解调器之间；和

功率放大器，它连在调制器和天线之间。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于收发机进一步包括基带处理器，它连到解调器，产生天线增益信号。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于天线控制单元包括数字信号处理器，连接来接收天线增益信号。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于天线控制单元进一步包括连接到数字信号处理器的步进马达驱动器。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于天线控制单元进一步包括连到数字信号处理器和天线的调节器。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于还包括连到步进马达驱动器的马达。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于还包括连在天线和控制器之间的马达，该马达能把天线转到相应于方向选择信号的所选择方向。

11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于天线包括一组天线单元，它们能电控电磁信号到相应于方向选择信号所选的方向。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于至少有一些天线单元能被单独激活，以不同的功率电平发射电磁信号。

13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于天线单元配置成在不同平面上的一组天线阵列。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于天线单元至少配置在三个平面上，形成电控辐射方向图。

15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于天线包括微带天线。

16.根据权利要求1所述的系统，其特征在于至少一个通信设备的天线能在多个方向扫描，直到由所说的一个通信设备发射的电磁信号被另一个要接收该电磁信号的通信设备所检测到。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于要接收电磁信号的通信设备包括：

天线，它能接收由至少一个通信设备发射的电磁信号；和

控制器，它连接天线，能产生方向选择信号来控制天线向所选择的方向，该方向相应于检测至少由一个通信设备发射的电磁信号。

18.一种包括至少第一和第二通信设备的无线系统，每一设备包括：

天线，它能在有天线增益的方向发射电磁信号；

收发机，它连接天线，能检测所要的信号并相应地产生天线增益信号；和

天线控制单元，它连接收发机，能产生方向选择信号，来控制电磁信号向相应于天线增益信号高增益位置的所选方向。

19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于收发机包括：

解调器，连接来把所要的信号变换成基带信号；和

调制器，连接来向天线传送RF信号。

20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于收发机进一步包括：

低噪声放大器，它连在天线与解调器之间；和

功率放大器，它连在调制器和天线之间。

21.根据权利要求19所述的系统，其特征在于收发机进一步包括连接解调器的基带处理器，产生天线增益信号。

22.根据权利要求18所述的系统，其特征在于天线控制单元包括连接接收天线增益信号的数字信号处理器。

23.根据权利要求22所述的系统，其特征在于天线控制单元进一步包括连接到数字信号处理器的步进马达驱动器。

24.根据权利要求23所述的系统，其特征在于天线控制单元进一步包括连接数字信号处理器和天线的调节器。

25.根据权利要求23所述的系统，进一步包括连接步进马达驱动器的马达。

26.根据权利要求18所述的系统，其特征在于天线包括一组天线单元，能电控电磁信号向着相应于方向选择信号所选的方向。

27.根据权利要求26所述的系统，其特征在于至少有一些天线单元能被单独激励，发射不同功率电平的电磁信号。

28.根据权利要求26所述的系统，其特征在于天线单元配置成在不同平面上的一组天线阵列。

29.根据权利要求28所述的系统，其特征在于天线单元至少布置在三个平面上，形成电控辐射方向图。

30.根据权利要求18所述的系统，其特征在于天线包括微带天线。

31.根据权利要求18所述的系统，其特征在于第一通信设备的天线能在多个方向扫描，直到第二通信设备发射的电磁信号被第一通信设备检测到。

32.根据权利要求31所述的系统，其特征在于第二通信设备的天线能在多个方向扫描，直到第一通信设备发射的电磁信号被第二通信设备检测到。

33.一种在无线网络中跟踪信号的方法，该方法包括如下步骤：

(a)在多个方向扫描天线波束；

(b)在扫描天线波束期间，发射至少一个轮询请求；

(c)检测无线网络中对至少一个轮询请求响应源的响应；和

(d)把天线波束对准该源。

34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于发射至少一个轮询请求的步骤包括周期性地发射一组轮询请求。

35.根据权利要求33所述的方法，其特征在于还包括在检测响应源的响应后，确定天线波束所要方向的步骤。

36.根据权利要求33所述的方法，其特征在于确定天线所要方向的步骤包括：

检测携带响应源响应的RF信号的波束方向图型；和

根据携带响应源响应的RF信号产生天线增益信号。

37.根据权利要求33所述的方法，其特征在于产生天线增益信号的方法包括下列步骤：

把RF信号变换成中频信号；

解调中频信号为基带信号；和

处理基带信号。

38.根据权利要求36所述的方法，其特征在于确定天线波束所要方向的步骤进一步包括根据天线增益信号进一步产生马达驱动信号。

39.根据权利要求38所述的方法，其特征在于把天线波束指向响应源的步骤包括把天线转到所要的方向。

40.根据权利要求39所述的方法，其特征在于把天线转到所要方向的步骤进一步包括存储所要的方向。

41.根据权利要求35所述的方法，其特征在于把天线波束指向响应源的步骤包括电控天线波束指向所要方向。

42.根据权利要求33所述的方法，其特征在于响应源移动，进一步包括在把天线波束指向响应源之后，保持与响应源通信的步骤。

43.根据权利要求42所述的方法，其特征在于保持与响应源通信的步骤包括重复步骤(a)-(d)。

44.一种在至少有一个主通信设备和从通信设备的无线网络中，每个都有天线，由主通信设备跟踪信号的方法包括下列步骤：

(a)在多个方向扫描主通信设备的天线波束；

(b)在上述扫描期间，至少发射一个轮询请求；

(c)检测从通信设备的所说的至少一个轮询请求的响应；

(d)在检测响应之后，确定天线波束对从通信设备所要的方向；和

(e)把天线波束指向从通信设备。

45.根据权利要求44所述的方法，其特征在于发射至少一个轮询请求的步骤包括周期性地发射一组轮询请求。

46.根据权利要求44所述的方法，其特征在于确定天线波束所要方向的步骤包括：

检测携带从设备响应的RF信号的波束方向图型；和

根据从设备响应的RF信号，产生天线增益信号。

47.根据权利要求46所述的方法，其特征在于产生天线增益信号的步骤包括：

把RF信号变换成中频信号；

把中频信号解调成基带信号；和

处理基带信号。

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