CN1615562B - 用于改进近程范围无线网络性能的天线系统 - Google Patents

Abstract

一种用于为无线用户提供网络接入服务的天线系统(10)产生至少第一(62)和第二(64)天线波束，其中第二天线(64)波束可相对于第一天线波束移动。还可以产生附加天线波束(66)。在天线系统(10)的安装期间，安装者可以调节第二天线波束(64)(还可能是附加天线波束)的位置，以便提高天线系统对于给定部署区域的最大数据率覆盖范围。

Description

用于改进近程范围无线网络性能的天线系统

发明背景

近程范围无线技术(例如IEEE802.11a，IEEE802.11b，蓝牙

超宽带，家用RF，HIPERLAN等)在用于实现固定和便携式设备之间通信的应用中变得越来越普遍。这种技术可以为大量用户提供低功耗、低成本、高带宽通信。在一种可能应用中，这种技术可用于在用户设备和网络接入点之间提供无线通信。该网络接入点可作为例如接入互联网或其它大型网络的网关。这种网络接入点具有传统上使用的全向天线，用于与周边的用户进行通信。因此，接入点以外的用户设备所接收到的信号强度将随距离接入点的距离增加而迅速下降。随着接收信号强度的下降，在无线网络联接中保持的数据率也会相应下降。因此，最大数据率仅能在接入点周围的很小范围内保持。人们总希望最大数据率在无线接入点周围所覆盖的区域应当尽可能的大。而且总希望可实现最大数据率的区域可以很容易与接入点所部署的区域一致。

附图说明

图1示出根据本发明一实施例的天线系统的底视图；

图2示出图1所示天线系统的截面侧视图；

图3示出根据本发明另一实施例的天线系统的底视图；

图4示出用于本发明至少一个实施例中以固定天线系统的侧板角度的定位器的透视图；

图5示出根据本发明一实施例，用于图4中的定位器中的角块的透视图；

图6示出图4中的定位器的透视图，其中插入一个天线系统；

图7示出在天花板上安装有图1所示天线系统的房间的截面侧视图，并示出该天线系统的可能覆盖情况；

图8示出在墙壁上安装有图1所示天线系统的房间的截面侧视图，并示出该天线系统的可能覆盖情况；

图9示出根据本发明另一实施例的天线系统的底视图；

图10示出图9的天线系统的截面侧视图；

图11示出在天花板上安装有图9所示天线系统的房间的截面侧视图，并示出该天线系统的可能覆盖情况；

图12示出在墙壁上安装有图9所示天线系统的房间的截面侧视图，并示出该天线系统的可能覆盖情况；

图13示出根据本发明另一实施例的天线系统的底视图。

详细描述

在下面的详细描述中，将参照附图进行说明，该附图示出实现本发明的特定实施例。对这些实施例的描述足够详细，本领域技术人员据此可以实践本发明。应当理解本发明的多个实施例虽然不同，但彼此并非相互排他。例如，在不脱离本发明精神和范围的情况下，结合一个实施例描述的特定特征、结构或特性可以在其它实施例中实现。另外，应当理解在不脱离本发明精神和范围的情况下，可以改变每个所公开实施例中各个元件的位置或设置。下面的详细描述并非限制性的，本发明的范围仅由所附权利要求来限定，与授权的权利要求的等同物的全部范围一起合理地解释权利要求。在附图中，相同的附图标记表示在几个附图中的相同或相似的功能部件。

图1示出根据本发明一个实施例的天线系统10的底视图。在至少一个应用中，天线系统10用于为希望连接到网络的用户提供近程无线接入点服务。这里所使用的词汇“近程”是指100米或其以内的距离。如图中所示，该天线系统10包括主板12和四个可枢转的侧板14、16、18、20。主板12和各侧板14、16、18、20都具有布置在其上的对应天线元件22阵列。元件22的每个阵列都可用于在系统工作期间产生(接收和/或发射)对应的天线波束。因此，在正常工作期间，图1的天线系统10将产生5个主波束(也可存在旁瓣)。图2示出图1中天线系统10的截面侧面图，示出侧板16、20利用铰链24与主板12的连接。可以使用任何形式的铰链。更详细地说，当天线系统10最终被安装时，可以提供锁定机构将各侧板14、16、18、20锁定在固定位置。该天线系统10还包括用于将系统10安装在部署区域(例如提供网络接入服务的区域)内的安装台(mount)26。安装台26可包括任何可以便于将天线系统10安装在部署区域中的指定位置的结构。安装台26还可以为将要导向到天线系统的电线和/或馈线提供管道。

当部署天线系统10时，将天线系统10安装在部署区域中的高架位置。这些安装包括例如天花板安装、杆安装、墙壁安装或其它相似的安装位置。在天线工作期间，由天线系统10产生的各波束都总方向向下(generallydownward direction)传播，从而“照射”下面的楼面面积(floor space)的对应部分。天线系统10的整体覆盖图形为这些波束中每一个的单独覆盖区的组合。在安装天线系统10的过程中，安装者可以根据特定部署区域的特性，对天线系统10进行调节，从而实现对该区域的最佳覆盖图形。即，可以对天线系统10进行调节，从而将其设计为最大化部署区域中可支持最大数据率的面积。为了实现该目的，安装者例如可以调节并适当地固定各侧板14、16、18、20相对于主板12的角度取向。

可以根据部署区域的物理特征，例如所安装的天线系统10与下面的楼面之间的距离(即部署高度)，来调节侧板14、16、18、20的角度。当天线系统10的部署高度较低(例如当天线系统安装在天花板上而天花板高度较低)时，可以使用较大的侧板角度，从而扩大最大数据率覆盖区域。相反，当部署高度较大时，可以使用较小的侧板角度，从而在该区域中实现更均匀地覆盖。在一种可能的安装技术中，安装者可以首先估计天线系统10的部署高度，然后相应地调节并固定侧板14、16、18、20的角度。可以提供一个列表，列出对于不同部署高度范围的适当侧板角度。在实际安装天线系统10之前或之后都可以调节侧板角度。

作为选择，在安装期间可以使用其他用于调节侧板14、16、18、20的角度的技术。例如，在一种方案中，可以在天线系统10的一个或更多侧板上提供平板反射元件(例如镜子)，以便用于调节侧板14、16、18、20。然后在一个安装者使例如一个激光指向设备从对应光束应当会聚的点瞄准反射元件的同时，另一个安装者可以调节侧板的角度。当激光指向器直接返回到原位置，则将侧板的角度固定在此处。相似的技术可以利用安装者的视线来确定是否已经实现了光束的正确对准。即，一个安装者站在对应光束应当会聚的点并利用光学设备例如双眼望远镜或望远镜观察反射元件，而另一个安装者调节对应侧板的角度。当第一个安装者在反射器中看到自己的图像时，他指示第二个安装者将侧板固定在当前位置。安装者可以根据一些标准，例如房间的大小和形状、部署高度、天线束宽度知识等来确定在调节期间占据的适当位置。

在至少一种实现方式中，与侧板14、16、18、20相关联的一个或更多天线阵列22具有电子束控制能力。即，可以使用相控阵列技术来为波束定向提供进一步的调节能力。也可以使用相控阵列技术提供一定程度的束成形能力。安装者可以使用这些能力来进一步提高部署区域内的最大数据率覆盖图形(例如，在已经进行了机械调节之后)。例如，安装者可以指导波束从一个侧板向左或向右运动，从而在例如房间的畸形(oddshaped)角落中获得增强的覆盖率。安装者还可以决定调节天线波束的形状(例如波束宽度)从而更好地适应特定的部署区域。为了电子调节与一侧板相关联的主波束的方向，可以调节对应阵列元件的激励相位。为了电子调节主波束的形状，可以调节对应阵列元件的激励相位和幅度。通常使用可调节的波束生成器网络来提供这种功能性。这种波束生成技术是公知技术。当安装者已经实现了最佳的波束方向和/或与一侧板相关联的波束的形状时，可以在相关联的波束生成器中固定对应相位和/或幅度值，并不再改变它们(除非以后移动天线系统10或对其执行周期性的重新校准)。

应当理解图1中的天线系统10仅是特定发明原理的示意性说明，还可以对其进行多种修改。例如，可以使用任何数目的可枢转侧板。在一个可能的实现方式中，例如可以仅提供一个可枢转侧板。另外，侧板和主板可以采用任何形状。例如，在另一可能实现方式中，主板12具有六边形形状，并提供六个侧板，每个侧板与该六边形中的一个边缘铰接。很明显，可以使用很多不同的结构。同样地，可以改变各阵列中的天线元件的数目和结构。在至少一个实施例中，如图3所示，提供一种天线系统30，它包括具有单独天线元件28的主板12和每一个都包括一个元件阵列的侧板14、16、18和20。还希望在一个或更多侧板内仅包括一个单独元件。在本发明的天线系统中可以使用大量不同天线元件类型中的任何一种。在一种方案中，例如可以在各板上使用微带贴片元件(patch element)。其他可用的元件类型包括例如偶极子、地平面、缝隙、环形、以及其他类型，包括上述类型的组合。可以使用的极化类型包括例如线性、圆、椭圆、或正交极化。

如上所述，图1中的天线系统10通常包括一个或更多用于在安装期间将侧板14、16、18、20锁定在适当位置的锁定机构。很明显，可以使用任何可以将可枢转侧板锁定在适当位置的结构。在一种方案中，例如，将侧板与主板耦合在一起的铰链24包括螺丝(例如具有翼状螺帽)，可以旋紧该螺丝从而将对应板锁定在适当位置。作为选择，可以使用夹子、支架、以及其他机械结构。图4示出在本发明至少一个实施例中使用的定位器36的透视图，它用于固定侧板14、16、18、20的角度。该定位器36包括一个基底部分38，该基底部分38具有位于其对应的角处的多个块40、42、44、46。在一种方案中，基底部分38包括可以将角块40、42、44、46保持在适当位置的线框。作为选择，可以使用平面材料。这些块40、42、44、46最好为锥体形状，尽管也可以使用其他形状(例如正方形、矩形等)。各块的实际形状通常取决于所使用的侧板的数目和设置。如图5所示，块40、42、44、46可以包括位于其适当侧面上的多个定位槽48，它们具有对应角度指示，用于设定对应侧板的角度。还可以提供止动机构(停止槽)50，从而设定这些板的角度的上限和下限。

图6示出图1所示的天线系统10插入到图4所示的定位器36时的透视图。如图所示，天线系统10的侧板16、18、20中的每一个都压入配合在对应块对之间。在将天线系统10插入定位器36之后，安装者可以通过将板移动到对应块上的适当定位槽，来调节各侧板14、16、18、20的角度。然后通过块的压力将板保持在所处位置。该天线系统10可以在其部署寿命内保持在固定位置。在一个实施例中，块40、42、44、46由轻质塑料材料形成，但是作为选择可以使用其他材料。这些材料最好具有电介质性。在至少一种实现方式中，可以在定位器36的块40、42、44、46上安装天线屏蔽器结构，从而在部署期间覆盖和保护该天线系统10。用于提供天线屏蔽器的材料最好相对于天线系统10的工作频率范围内的射频(RF)能量为低损耗或透明的。

如上所述，本发明的天线系统最好安装在部署区域内的高架位置。然后按照增加该区域内的最大数据率覆盖范围的方式调节并固定侧板角度。图7示出一房间60的截面侧视图，其中在该房间60内具有一安装在天花板上的天线系统10从而为无线用户提供网络接入服务。如图所示，天线系统10的主板12产生总方向向下的主波束62，它覆盖了房间楼面面积的中心部分(还产生了侧波瓣)。相似的，侧板16产生总方向向下的主波束64，它覆盖了楼面面积的侧边部分，侧板20产生总方向向下的主波束66，它覆盖了楼面面积的相对侧边部分。利用天线系统10的其他侧板14、18可以产生相似的波束。由于几乎整个楼面面积都以较为均匀的方式被辐射，因此在整个房间60内可以支持最大数据率。图8示出房间70，它具有一安装在墙壁上的天线系统10，该天线系统10包括一主板12和一侧板16。主板12产生总方向向下的波束72，它覆盖了房间70的楼面面积的第一侧边部分，侧板16产生总方向向下的波束74，它覆盖了房间70的楼面面积的第二侧边部分。很明显，还可以有许多替换天线系统部署方案。

图9示出根据本发明的其他实施例的天线系统80的底视图。该天线系统80包括一个单独的板82，该板82具有布置其上的多个独立天线阵列84、86、88、90、92。在所示实施例中，板82包括位于板82中心的主阵列84和分布在主阵列84周围的四个侧阵列86、88、90、92。板82上这些阵列的数目、大小和排列以及板82的大小和形状都可以根据实施方式而变化。在工作中，板82上的各阵列84、86、88、90、92产生对应的天线波束(接收和/或发射)。可以在安装期间对天线系统80进行电子调节，从而最大化该对应部署区域内的全数据率覆盖范围。在一种方案中，例如，各侧阵列86、88、90、92具有电子可控波束，安装者可以在安装过程中调节该电子可控波束。例如，安装者可以在部署区域内进行一种或多种测量(例如部署高度、房间大小、到墙壁的距离等)，然后利用相控阵列技术相应地设定各波束的角度。在至少一个实施例中，还可以在安装期间调节各独立波束中的一个或更多个的形状(通过例如调节对应阵列内的各个元件的激发幅度和相位)。主阵列84所产生的波束可以或不可以调节。在至少一个实施例中，可以使用一个单独天线元件来代替主阵列84。可以为板82上的各阵列84、86、88、90、92提供独立的波束生成器。一旦安装者已经实现了与阵列84、86、88、90、92中的一个相关联的波束的最佳波束方向和/或形状，则在相关波束生成器中可以固定对应的相位和/或幅度值，此后不再改变(除非以后将移动该天线系统80或执行周期性重新校准)。

图10示出图9中的天线系统80的截面侧视图。如图所示，该天线系统80可包括与板82耦合的选择性安装台94，它用于将系统80安装在部署区域内。该安装台可以包括任何便于将天线系统80安装在部署区域内的架高位置的一个或多个结构。

图11示出一房间100的截面侧视图，其中在该房间100内具有一安装在天花板上的天线系统80从而为无线用户提供网络接入服务。如图所示，天线系统80的主板82产生总方向向下的主波束102，它覆盖了房间100的楼面面积的中心部分。相似的，板82上的一个侧阵列产生覆盖了楼面面积的侧边部分的波束104，另一侧阵列产生覆盖了楼面面积的相对侧边部分的波束106。利用板82上的其他侧阵列可以产生相似的波束。由于几乎整个楼面面积都以相对均匀的方式被辐射，因此在整个房间100内可以支持最大数据率。图12示出房间110，它具有一安装在墙壁上的天线系统80，板82上的主天线阵列产生覆盖了房间110的楼面面积的第一侧边部分的波束112，板82上的侧阵列产生覆盖了房间110的楼面面积的第二侧边部分的波束114。很明显，还可以有许多替换天线系统部署方案。

图13示出根据本发明的其他实施例的天线系统120的底视图。该天线系统120包括一个单独的板122，该板122具有布置其上的天线元件阵列124。阵列124内的元件的数目和类型和板122的尺寸和形状根据不同的实施方式而变化。在工作中，阵列124在部署区域内同时产生多个天线波束(接收和/或发射)。可以与阵列124结合使用多波束波束生成网络，从而产生多个天线波束。该多波束波束生成网络通常与天线系统120协同定位。这种波束形成结构是本领域公知技术。在一种实施方式中，可以对阵列124所产生的一个或更多波束进行电子控制，从而使安装者对波束进行调节，从而提高系统120在该部署区域内的最大数据率覆盖范围。在对于特定部署区域已经实现了最佳波束位置后，可以固定波束生成器的设定从而使波束此后保持稳定。

虽然结合特定实施例对本发明进行说明，但是应当理解在不脱离本领域技术人员所能理解的本发明精神和范围的情况下，还可以进行多种修改和变化。这些修改和变化将被认为落入本发明和所附权利要求的范围内。

Claims (12)

1.一种用于给网络提供近程无线接入的天线系统，包括：

第一板，具有第一表面和相对的第二表面，其中至少一个天线元件布置于第一表面上以产生第一天线波束；和

第二板，与所述第一板可枢转地耦合，具有布置于其上的至少一个天线元件，以便产生第二天线波束，其中第二板适应枢转以便在所述第二板与所述第一板的第二表面之间形成钝角；以及

安装台，与所述第一板的第二表面耦合，用于将所述天线系统安装在网络接入部署区域内的高架位置，从而使所述每一个天线波束在网络接入部署区域内指向总方向向下的方向。

2.如权利要求1所述的天线系统，其中：

设置在第一板和第二板上的天线元件的每一个包括微带贴片元件或偶极子或地平面或缝隙或微带贴片元件、偶极子、地平面以及缝隙的组合；

设置在第一板和第二板上的天线元件具有线性极化或圆极化或椭圆极化或正交极化；和

所述天线系统进一步包括可调节波束生成器网络以调节天线元件的激励相位和幅度来电调节第一天线波束和第二天线波束中的每一个的形状和调节天线元件的激励相位来电调节第一天线波束和第二天线波束中的每一个的方向。

3.如权利要求1所述的天线系统，其中：

所述安装台是天花板安装台。

4.如权利要求1所述的天线系统，其中：

所述安装台是墙壁安装台。

5.如权利要求1所述的天线系统，包括：

至少一个可枢转地与所述第一板耦合的附加板，具有布置在其上的至少一个天线元件，从而产生至少一个附加天线波束。

6.如权利要求1所述的天线系统，其中：

所述第一板上的至少一个天线元件包括天线元件阵列，以便产生所述第一天线波束。

7.如权利要求1所述的天线系统，其中：

所述第二板上的至少一个天线元件包括天线元件阵列，以便产生所述第二天线波束。

8.如权利要求1所述的天线系统，包括：

锁定机构，用于以相对于所述第一板的固定角度位置锁定所述第二板。

9.如权利要求8所述的天线系统，其中：

所述锁定机构包括具有多个块的定位器，从而利用压力将所述第二板保持在固定位置。

10.如权利要求1所述的天线系统，包括：

与所述第二板耦合的平面反射元件，用于在安装期间调节第二板相对于所述第一板的角度。

11.一种用于给网络提供近程无线接入的天线系统，包括：

板，具有至少一个第一天线元件以产生第一天线波束并具有第二天线元件阵列以产生第二天线波束，其中使用相阵技术使第二天线波束相对于第一天线波束可电控制；和

安装台，与所述板耦合，用于将所述天线系统安装在网络接入部署区域内的高架位置，从而使所述第一天线波束和第二天线波束在网络接入部署区域内指向总方向向下的方向；和

其中所述的板进一步包括至少一个附加的天线元件阵列以产生至少一个附加的天线波束，其中使至少一个附加的天线波束相对于第一和第二天线波束可电控制；和

进一步包括可调节的波束生成器网络以调节附加天线元件阵列的激励相位和幅度来电调节附加天线波束的形状，和调节附加天线元件阵列的激励相位来电调节附加天线波束的方向。

12.一种用于给网络提供近程无线接入的天线系统，包括：

第一板，具有布置于其上的至少一个天线元件，用于产生第一天线波束；和

第二板，与所述第一板可枢转地耦合，具有布置于其上的至少一个天线元件，以便产生第二天线波束；

锁定机构，用于以相对于所述第一板的固定角度位置锁定所述第二板；以及

与所述第二板耦合的平面反射元件，用于在安装期间调节第二板相对于所述第一板的角度。

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