TWI474554B - 無線電通訊系統 - Google Patents

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Description

無線電通訊系統
本發明是關於一無線電通訊裝置且尤其是關於用於一多通道無線電通訊系統的無線電通訊裝置。
在無線電通訊領域中，多輸入多輸出(MIMO)系統在至少兩天線上發射信號且在至少兩天線上接收信號。一典型的MIMO通訊系統在第1圖中被顯示，其在下面將被更詳細地描述。一資料串流被分成多個獨立的子串流且每一子串流被利用相同的頻帶在一不同的天線上發射。每一信號被編碼而在統計上與其他信號無關。在接收器處，每一天線接收所有該等發射天線所發射的信號以及任何在本地環境中形成的多路徑信號。該等已接收的信號被處理以根據通道條件在最大程度上隔離個別的資料子串流，該等個別的資料子串流之後被重新組合以重建該原始資料串流。
獨立的發射信號可利用正交分頻多工存取(OFDMA)技術或分碼多重存取(CDMA)技術來被編碼成為統計獨立的。編碼確保了信號間的低相關性。
一MIMO系統的通量允許其遠遠大於一等效的SISO(單輸入單輸出)系統。此額外的通量可能並不伴有頻寬或總發射功率的增加。MIMO系統在有大量散射的環境中工作最出色，如可以以獨立的瑞雷衰落(Rayleigh fading)來模型化的環境。此類散射作用為一空間多工器，其在空間上對該等信號進行解相關。在這類環境中，該等接收天線接收沿著許多路徑被發射的該等信號之獨立線性組合。因此該等接收天線之輸出是該等彼此可被區分開的被發射信號之線性組合。
在一習知的MIMO系統中，接收天線間的耦合依據以下兩機制發生。首先，每一接收天線從發射器中接收信號，該等信號在該天線之導電結構中感應出電流。該等感應電流產生它們自己的電磁場，該等電磁場再輻射對應的信號。這些被再輻射的信號由相鄰的天線所接收。其次，在一典型的系統中，該等天線所產生的信號導致一接收器接地面中的電流產生且這些電流被相鄰的天線共用。例如，利用一接地面上有一單極的四分之一波長(λ/4)天線，該接地面中的電流在該接地面下呈現出一等效的四分之一波長偶極子。無論透過哪個機制耦合都會出現在接收天線間，這是一個嚴重的問題，因為這會導致自該等接收天線饋送至被耦接到該等天線的接收器電路中的信號之間的相關性增加。這些影響在該等接收天線很近時尤其嚴重。
一MIMO通道可由一通道矩陣[H]來被模型化，該通道矩陣[H]可被視為天線至天線脈衝回應矩陣或時間通道矩陣。該通道矩陣具有複數個項，例如h11 ，每一個表示各個天線之間所產生的個別子通道中的一個。第1圖顯示一典型的MIMO通道。發射側具有三個發射天線而接收側具有三個接收天線。h11, h21 及h31 是表示各個發射與接收天線之間的子通道的向量。為了清晰明瞭，其他向量未被顯示。該通道矩陣可被寫成：
如果該等各個發射天線所發射的信號由x1 、x2 及x3 表示，則接收天線7a所接收的信號y1 可被表示為h11 x1 ＋h12 x2 ＋h13 x3 。此模型並未考慮接收天線之間已接收信號的任何再輻射。
一SISO通道的資訊容量(以二進制位元每秒為單位)可利用向農－哈特萊定律(Shannon－Hartley Law)來被決定，該定律說明：C＝B．log2 (1＋ρ)b/s (1)
其中：B是通道頻寬；以及ρ是信號雜訊比。
根據向農－哈特萊定律，一通道容量的理論極限可由信號雜訊比決定以檢測一具有一給定位元錯誤率的已編碼信號。由此可知在有雜訊的情況下，資訊可以以小於該通道之理論容量的一速率在一通道上被發射。
可以說明具有m個接收天線及n個發射天線的一MIMO通道之容量(以位元每秒每單位頻率為單位)為：C ＝log 2 det [[I m ]＋(ρ /n )[H ][H ] tc ]b/s/Hz (2)
其中：Im 是單位矩陣；以及[H ] tc 是[H]的共軛複數轉置
也可以說明倍數[H][H]tc 等於正規化的量值平方相關性矩陣[R]。因此，該MIMO通道容量也可被寫為：C ＝log 2 det [[I m ]＋(ρ /n )[R]]b/s/Hz (3)
在3×3情況下的相關性矩陣可被寫為：
其中：例如r12 是饋送自接收天線7a及7b的信號間的相關性。
在其中的通道是統計上正交且平行的一MIMO系統情況中，[R]可被顯示為類似於單位矩陣。因此方程式(2)簡化為：C ＝nlog 2 [1＋(ρ /n )]b/s/Hz (當n＝m時) (4)
因此，在理想的通道條件下，容量相對於發射及接收天線的數目n線性增加。
然而，如上面所指出的，天線之間的耦合導致饋送自每一接收天線的信號之間的相關性產生。這可藉由考慮一MIMO系統而被模型化，在該MIMO系統中每一天線所接收的信號之間的相關性是相同的。這可由一均勻相關性係數r來表示。在某些其他簡化的假設下，該容量公式可被近似為：C nlog 2 (1＋(ρ /n )(1－r ))b/s/Hz (當n＝m時) (5)
此方程式顯示當r→0(無相關性)時，一MIMO系統的容量收斂至該理想情況(方程式(4))，其中該容量是該發射及接收天線數目的一線性倍數。然而，當相關性存在(1>r>0)時，相關性的影響類似於信號雜訊比的減少。例如，一個r＝0.5的相關性係數等效於信號雜訊比中減少3dB。一個結果就是相關性導致該系統遭受來自其他資料子串流的共通道干擾。
這些方程式說明了天線間的耦合如何減少該MIMO通道的容量。
一個解決方法就是確保任一給定的MIMO陣列中的天線具有一個較大的空間分佈，將每一天線放置在其他天線的電磁場可及的範圍之外，從而減少該接收陣列中相鄰天線上的信號間的相關性。然而，這並非總是可能的。例如，在小型裝置中，該等天線的間距受裝置的大小所限制。另外，如上面所指出的，耦合可出現在接地面各處。
極化及場型分集藉由利用具有被不同定向的輻射場型的接收天線來被實現，該等天線對不同的極化信號敏感。理論上，極化分集導致了相鄰天線所產生之信號間的高統計獨立性。然而，實際上，當天線被放置得近到它們的近場區域重疊的程度時，該等輻射場型組合，且極化及場型分集被明顯減少。因此饋送自相鄰天線的信號之間的統計獨立性也被減少。
在教科書Space－Time Processing of MIMO Communications(A.B.Gersham及N.D.Sidroponlos；2005；Wiley)的第28到31頁中，應該注意到被緊密放置的天線元件之間的相互耦合可能會影響通訊效能。相互耦合的影響藉由考量饋送自一MIMO系統中每一接收天線的信號間的相關性而被估計。接著信號間的該相關性被用以決定系統容量。類似於第4圖所示的一MIMO網路模型被用於作此分析。該模型包括發射及接收天線陣列、一MIMO傳播通道、一匹配網路、接收放大器及負載。透過該網路模型的信號流動利用散射參數(s－參數)來被描述。該匹配網路之該等s參數被選擇為該接收天線陣列之s－參數的共軛複數轉置。
本發明之一目的是改良具有複數個天線的一無線電通訊裝置中的信號接收。
根據本發明之一層面，一種無線電通訊接收器裝置，用於以一或多個超過200MHz的頻率進行操作來接收複數個含有自一來源中被導出的已正交編碼的資料子串流之信號，具有至少兩天線以提供天線分集，以及被耦接到天線陣列之接收器電路，該接收器電路具有一被配置以檢測該等資料子串流的檢測級以及一用於將該等被檢測的資料子串流組合而獲得源資料串流的組合器級，以及其中每一天線包含：由相對介電常數大於5的固體材料製成的一電絕緣核心，以及一排列在該核心之外表面上或與其相鄰並界定了一內部容量的三維天線元件結構，該核心的材料佔據了大部分的內部容量。
使用此天線，電磁近場可被集中在該天線之介電核心內。與，例如和一單極天線相關聯的近場相比，這使得與此天線相鄰的近場之範圍及強度明顯減少。因此，對於一給定的天線間隔，顯著減少相鄰天線間的相關性並因此減少自該等天線中所獲得的信號間的相關性是可能的。
較佳地，該檢測級包括一補償網路，其被配置主要以消除存在於自該天線陣列被饋送至該檢測級的信號間的由該陣列之天線間的相互作用所導致的相關性。
較佳地，該補償網路被配置，藉此該等天線之電路下游的s－參數是該天線陣列之s－參數(表示匹配及耦合)的共軛複數轉置。
較佳地，每一天線被組配，藉此對於以每一天線之一可操作的頻率被接收且沿著一第一軸線被極化的一信號，每一天線在該頻率處在其輻射場型中具有至少一第一最大值。對於以每一天線之一可操作的頻率被接收且沿著一第二軸線被極化的一信號，每一天線在該頻率處在其輻射場型中具有至少一第二最大值。
該第一最大值實質上可位於一第一平面且該第二最大值實質上可位於一第二平面，該第一平面與該第二平面正交。每一天線在該裝置中可被定向，藉此其相關聯的第一平面與一相鄰天線之一第一平面正交。這提供了極化分集並利用了一典型的多路徑環境所造成的極化散射。此配置也有助於維持根據本發明的一可攜式終端機之具有不同方向的信號強度。
較佳地，每一天線被配置，藉此對於以該等天線之一可操作的頻率被接收的一信號，每一天線在該頻率處在其輻射場型中具有一零值。接著該裝置可被配置，藉此該等天線中之至少一個被定向以使其零值指向該等接收天線中之另一個。這藉由，例如組配該等天線以在該等天線之操作頻率處在該等輻射場型中具有零值並適當地對它們定向也減少了該等天線間的耦合。因此，近場在其他天線的方向中被減少從而減少該等天線間的耦合。
較佳地，所有該等天線被定向，藉此每一天線之零值被指向該天線陣列中一相鄰天線。
較佳地，該裝置被配置與已接收的信號一起使用，其具有2.65GHz、3.5GHz或5GHz的操作頻率。在這些頻率處，該等天線在其等最近點彼此分開，距離分別為0.043m、0.0325m及0.0228m。
較佳地，該等天線每一個具有一中心軸。具有被不同定向的輻射場型的天線可被彼此近得多地放置。特別地，它們可被放置為其等軸線相距小於0.38λ，λ為該操作頻率處的波在空氣中的波長。此圖形可從Jakes的模型中被獲得(參見，例如2001年2月的IEEE J.Sel.Area Commun.第19冊第2期第222－232頁中的Liang與Chin：“Downlink channel covariance matrix(DCCM)estimation....”)。
如果該陣列含有至少三個天線，其中至少兩天線具有方向相同的輻射場型，則具有相同方向的每一天線之軸線與最近的其他此類天線之軸線被有利地分隔至少0.38λ的一段距離，具有被不同定向的輻射場型之相鄰天線之軸線間距小於0.910λ。
可以有一與每一天線相關聯的隔離分離器，藉此其與該無線電通訊裝置之接地面分離。此配置透過該接地面使該等天線間的任何直接耦合最小化。這減少了來自相鄰天線的信號間的相關性。一般地，該分離器是一平衡－不平衡器之形式，其位在該天線之天線元件結構與被耦接到的該無線電通訊裝置之射頻(RF)電路之間。在該具有複數個被耦接到一饋電結構的延長天線導體並形成一迴路之一部分的天線之情況中，該分離器可包含一鏈結導體。此鏈結導體可以是環繞在核心之外表面的近處部分上的一導電套管，該套管之近處末端被連接到該饋電線結構之一外隔板部分，該饋電線結構從位於該核心之一遠處末端的與該等天線元件的連接處，穿越該核心到該核心之一近處末端。該套管的一作用就是在該天線之操作頻率處，該套管之邊緣於該近處末端處與該饋電線結構之外部導體所表示的地面有效隔離。因此，該套管作用如同以在GB－A－2292638及GB－A－2309592中所述之方式操作的一隔離分離器，藉此其等內容以參照形式被併入本文。
較佳地，每一天線之核心都是圓柱形的且界定了一中心軸。每一天線包含一具有多個天線元件的天線元件結構，該等天線元件在軸線方向中實質上是同廣衍的且每一元件在該核心之外表面上的軸向相間隔的位置之間或與該核心之外表面相鄰的軸向相間隔的位置之間延伸。該天線元件結構也包括一鏈結導體，其鏈結在該等相間隔的位置中之一個的該等天線元件的部分而形成一迴路。在該等相間隔的位置中之另一個的該等天線元件的部分被耦接到位於該核心之遠處末端處的該天線之一平衡饋電連接。
另外，該等天線元件之各個相間隔的部分較佳地實質上位於如上述GB－A－2309592中所描述的一個含有該核心之中心軸的單一平面中。每一天線之該等天線元件都長度相等且是螺旋狀的，每一個都在該等相間隔的位置間圍繞著該核心轉半轉。該陣列之每一天線都包括一整合分離器，其被配置以促進該天線之饋電連接處一實質上平衡的狀況，如上所述。
較佳地，該裝置更包含一連接器及一介面，一起適合於使該裝置與一電腦接合。該裝置可以是一通用串列匯流排裝置或一PCMCIA卡。
較佳地，該裝置適於接收被不同地編碼的子串流，該等子串流在統計上是相互獨立的。較佳地，該裝置是一MIMO通訊裝置。較佳地，該裝置被配置與已被利用正交分頻多工或正交展頻碼來調變的子串流一起使用。
較佳地，該裝置被配置為一無線電收發機且該等天線每一個被配置用於資料串流發射。
較佳地，該裝置被配置為一無線電收發機且其中該等天線中之至少兩個被配置用於發射以及至少兩個被配置用於信號接收。
在另一層面中，本發明提供一種無線電通訊裝置，用於在多通道無線電通訊網路中以大於200MHz的頻率進行操作，該裝置包含至少兩發射天線及一被配置以將一個單一的資料串流分成對應於該發射天線數目的多個資料子串流之信號處理器，以及一被配置以將每一資料子串流饋送至該等天線中之各自一個的編碼級，該組資料子串流被正交編碼，其中每一發射天線包含：一由相對介電常數大於5的固體材料製成的電絕緣核心，及一排列在該核心之外表面上或與其相鄰並界定了一內部容量的三維天線元件結構，該核心的材料佔據了該內部容量的大部分。
在又一層面中，本發明提供一種多通道無線電通訊系統，包含複數個被配置以相互進行通訊的無線電通訊裝置，其中每一裝置具有至少兩被配置用於信號接收或發射的天線且每一天線具有一由相對介電常數大於5的固體材料製成的電絕緣核心，及一排列在該核心之外表面上或與其相鄰並界定了一內部容量的三維天線元件結構，該核心的材料佔據了該內部容量的大部分。
本發明現在將參考該等附圖藉由舉例的方式來被描述，其中：第1圖是從該先前技術中已知的一MIMO系統之示意圖；第2圖是根據本發明的一第一無線電通訊裝置之圖式；第3圖是適合於與第2圖所示之該裝置一起使用的一介電負載天線之透視圖；第4圖是包括第2圖之該無線電通訊裝置的一MIMO通訊系統之一部分的示意圖；第5圖是說明第3圖之該天線的輻射場型的一圖式；第6圖是說明第3圖之該天線在三維中的輻射場型之一圖式；第7圖是說明對於垂直極化信號，在三維中的第3圖之該天線的輻射場型之一圖式；第8圖是說明三維中的表示第3圖之該天線的水平極化信號的該輻射場型之一圖式；第9圖是根據本發明的一可選擇的無線電通訊裝置之圖式。
參見第1圖，在一MIMO無線電通訊系統1中，一資料串流2在發射端被發射器信號處理器4分成多個已正交編碼的子串流3。接著，該等子串流3經由各自的發射天線6a、6b及6c被一發射器5發射。在接收端，每一接收天線7a、7b及7c接收由該等發射天線所發射的所有該等信號。此外，每一接收天線還接收由環境(諸如建築物)中的物體所造成的該等個別子串流的任何反射形式。該等接收天線被耦接到一接收器8，已接收的子串流9從中被傳遞給一接收器信號處理器10。該接收器信號處理器將該等已接收的子串流進行組合而產生重組的資料串流11。此包括一資料多工過程。存在於一給定的散射環境中的MIMO通道可以由通道矩陣[H]所表示。此矩陣之特點是藉由以一已知方式從該發射器中發射正交訓練序列。
根據本發明的可用於第1圖之該系統中的一無線電通訊裝置20被顯示於第2圖中。參見第2圖，此裝置20具有一USB(通用串列匯流排)介面21，該USB介面21適合於連接到一個人電腦等等。該裝置20之元件被封裝在一外殼22中。該USB介面21包括一USB連接器23，其被沿著該外殼22之一側邊放置。該裝置20包括兩接收天線24、25及一發射天線26。該等天線被耦接到發射器/接收器27，而該發射器/接收器27被耦接到信號處理器28。該信號處理器28被耦接到該USB介面21。該等天線全都是如下面參考第3圖所詳細描述的介電負載天線。由於該無線電通訊裝置20包含兩接收天線，所以其適合於接收信號的MIMO通訊。由於該無線電通訊裝置20只包含一個單一的發射天線，所以其不能在一MIMO基礎上發射信號。
參見第3圖，用於第2圖所示之該無線電通訊裝置的一天線40具有一天線元件結構，其中兩縱向延伸的螺旋狀天線元件40A、40B形成一陶瓷核心41之圓柱形外表面上的金屬導體軌道。該核心41具有一軸向通道42，其封裝一同軸饋電結構。該同軸饋電結構包含一金屬外部導體43及一軸向內部饋電線導體44。在此情況中，該內部導體44與該外部導體43形成一饋電線結構，用於將一饋線耦接到位於該核心之遠處末端表面41D上的一饋電位置處的該等天線元件40A、40B。該天線元件結構也包括對應的徑向天線元件40AR、40BR，其等形成該遠處末端表面41D上的金屬軌道，將該等各自的縱向延伸元件40A、40B之呈反向的末端40AE、40BE連接到該饋電線結構。該等天線元件40A、40B之另一末端40AF、40BF也呈反向且由一環狀共同虛接地導體45所鏈結，該環狀共同虛地導體45呈現的形式為該核心41之一近處末端部分周圍的一鍍面套管。此套管45藉由該核心41之近處末端表面41P上的鍍層46接著被連接到該軸向通道42之襯料43。
較佳地，該導電套管45覆蓋該天線核心41之一近處部分，從而圍繞該饋電線結構43、44，該核心41的材料填充了該套管45與該軸向通道42之金屬襯料43之間全部空間。該套管45形成藉由該核心41之近處末端表面41P的鍍層46而被連接到該襯料43的一圓柱體，該套管45與該鍍層46之組合形成了一平衡－不平衡器(balun)，藉此由該饋電線結構43、44所形成的傳輸線中的信號在該天線之近處末端處的一不平衡狀態與一軸向位置處的一平衡狀態之間被轉換，該軸向位置大約在該套管45之上邊緣45U的平面中。
此天線之另一些較佳特徵可在GB 2309592A中被找到。具有類似結構及特性的天線被描述於WO 00/74173A1及GB 2399948A中。
上述該等介電負載天線將近電場集中在該核心之介電材料中。當該等天線接收信號時，該等天線元件中的感應電壓會在該等天線附近產生一非常小的電場。回顧第2圖，該場小到足以使相鄰的接收天線(天線24或25)不會被另一天線的電場顯著激發。因此與一習知的單極天線相比，該等天線之間的耦合被大大減少。這確保了由每一接收天線饋送而來的信號之間的相關性被明顯減少。
如上面所提到的，該天線40具有一作用為平衡－不平衡器的套管45。該套管45之另一作用就是，對於該天線之操作頻率區域中的信號，該套管45之邊緣45U被有效地與該饋電線結構之外部導體43所代表的地面隔離。這意味著在該等天線元件40A、40B之間循環的電流被限制在該邊緣45U及該等螺旋狀天線元件所形成的迴路，且因此該邊緣被隔離。因此，該套管作用如同一隔離分離器(trap)。參見第2圖，該等接收天線24、25都與裝置20之接地面隔離。這意味著當信號被該等接收天線24、25接收時，該兩個天線之間沒有電流流過且因此該等天線不會經由該裝置之接地面被導電地耦接。這減少了每一接收天線所產生的信號之間的相關性。
另一益處就是該等天線被放置於其中的該外殼22不形成該輻射(在此情況中為接收)結構之一部分。這是因為每一天線的該等輻射元件都與該接地面隔離且因此它們也與該外殼隔離。這意味著當一使用者觸摸該外殼時，該等天線之間的耦合度實質上不會變化。相比之下，習知的單極天線不與該外殼隔離。因此根據以下兩機制，該外殼作用如同輻射結構之一部分。首先，來自該外殼的任何反射被輻射向該等天線。其次，該外殼透過該接收器接地面經由耦合直接驅動該天線元件。如果該使用者觸摸該盒子，則該等天線之間的耦合度變化。
該裝置20的此特徵帶來了一個顯著的優點。那就是該等接收天線之間的耦合是相當靜態的。因此相關性矩陣[R]表示該等接收天線之間的耦合。則該耦合的影響可利用一陣列組合網路而被移除。一陣列組合網路可被用以把相反的功率流應用於饋送自該等天線的信號，而將饋送自每一天線的該等信號中之表示該等天線之間耦合的部分移除掉。
參見第4圖，在一MIMO通訊系統中，一發射天線陣列50經由通道[H]將信號發射到接收天線陣列51。該發射天線陣列50包含兩發射天線50A、50B。該接收陣列51包含兩接收天線51A、51B，其等對應於天線24及25。兩接收天線51A、51B都被耦接到一匹配及組合網路52，該匹配及組合網路52被耦接到一放大器陣列53。該放大器陣列53包含兩放大器53A、53B，每一個對應於該等接收天線51A、51B中之各自一個。每一放大器被耦接到各自的一負載54A、54B。
在第4圖中，該等負載54A、54B表示放大器53A、53B之所有的電路下游。負載電壓向量依據該放大器陣列的反射(第4圖中的a2 )來被表達。此反射分量是重要的且很可能是該系統中的最高反射係數。它不能僅被視為雜訊(如該先前技術中的情況)。來自該接收天線陣列51的整個網路下游(第4圖中該天線陣列51的右邊)中的S參數必須被選擇等於該等接收天線的S參數的共軛複數轉置，該等天線之間分別耦合。
該匹配及組合網路52提供阻抗匹配功能以及移除耦合影響功能。匹配及耦合是有關的，因為，例如接收天線之間的耦合會影響匹配。兩功能都藉由將該匹配及組合網路52之該等s－參數設定為該接收天線陣列之該等s－參數的共軛複數轉置而被執行。
一種用於導出該匹配及組合網路52之該等所需的s－參數的技術利用了一網路分析器。該網路分析器被連接到該接收天線組合以及將它們耦接到該網路52的該等相關聯的饋電導體。一測試信號經由饋電導體被饋送給一天線且一反射信號及其他天線之饋電導體上所產生的信號都被測量。對被饋送給該等天線中之另一個的測試信號執行相同動作且依此類推到每一天線。然後結果被用以填充(populate)表示該天線陣列的一個n x n s－參數矩陣(n為接收天線數目)，從中為該匹配及組合網路計算出共軛複數轉置s－參數矩陣。
現在參見該等天線本身，其中之一被顯示於第3圖中，每一天線的天線元件結構都具有半轉(half－turn)的螺旋狀元件40A、40B，該等元件40A、40B操作使得該天線在其輻射場型中具有橫向零點。該等零點被橫穿地指向該軸線41A並垂直於平面47。因此，該輻射場型大致為橫穿該軸線41A的垂直平面及水平平面中的一個8字形狀，如第5圖所示。對於第3圖之該透視圖的該輻射場型方向由包含第3圖及第5圖中所示之軸線X、Y、Z的軸線系統顯示。該輻射場型具有兩零點或凹口，該天線之每一側一個，且每一個都置於第3圖所示之線條48上。
藉由選擇一陣列中的天線的方向，它們的輻射場型可被用以提供極化分集。首先，應該詳細考慮輻射場型：第6圖是對於組合了所有極化模式的第5圖之該輻射場型的一個三維表示。該輻射場型在對應於第3圖中之該箭頭48的y方向中具有一個零點。一個對應零點存在於沿著y軸的相反方向中。
第7圖顯示只對於垂直極化信號的第3圖所示之該天線的一個三維輻射場型。如可從第7圖中看到的，該天線在xz平面中實質上是全向性的且一個零點從yz平面中的y軸向外延伸。
現在請看，取代水平極化波的一場型的是，第8圖指示出yz平面之每一象限中的最大值，但它們並不延伸到y軸本身。最大值沿著z軸存在但並不沿著zx平面從z軸向外延伸。
回顧第2圖，接收天線24在該無線電通訊裝置20中被定向，藉此其x軸具有如箭頭29所指示的一第一方向以及其y軸具有如箭頭30所指示的一第二方向。如可從第6圖中看到的，天線24之零點被指向沿著其y軸。因此，天線24之輻射場型中的該等零點中之一個被指向在該第二方向中，即接收天線25之方向。另外，表示垂直極化的該輻射場型中的最大值被指向與箭頭29平行，而表示水平極化的該輻射場型中的最大值則不是。這可從第7圖及第8圖中被看出。以此方式，該等天線之間的耦合被減少。
天線25在該無線電通訊裝置20中被定向，藉此其z軸與箭頭29平行且其y軸與箭頭30平行。因此，天線25之輻射場型中的一零點被指向與箭頭30平行且在接收天線24之方向中。另外，表示水平極化的該輻射場型中的該等最大值一般被指向與箭頭29平行。
此配置提供了極化及場型分集。如上所述，天線24及25被定向，藉此天線24較適合於接收在平行於箭頭29的方向中所接收的垂直極化信號，而天線25較適合於接收在該方向中所接收的水平極化信號。在一包括該裝置20的MIMO系統中，兩發射天線可被使用，每一個都被定向藉此發射對應於該等接收天線24、25中之一者的極化的極化信號。
極化分集在上述天線被使用時是特別有益的，因為被配置以接收不同極化波的天線之間的耦合被減少。如上面所指出的，參考第3圖所描述之該介電負載天線具有一個很小的近場伸出距離(outreach)，因為大部分的近場能量被儲存在該天線之介電核心中。與習知的的天線相比，這允許該等天線被較靠近地放置在一起。實際上，接收天線之間的最小間距將取決於該等天線之核心的介電常數且可根據該想要的外殼22的大小而被最佳化。
使用極化分集(藉由選擇上述之該等天線的方向來實現)允許相鄰的接收天線以小於0.38λ之間距被放置同時保持空間分集。由於近場的範圍小於其他類型的天線，所以相鄰的天線的近場區域不會重疊且輻射場型實質上不會組合而破壞個別的場型。一最佳配置具有三個已定向的接收天線，藉此它們的場型最大值分別與x、y或z軸中之一個對齊。這些天線在長度為0.38λ的一空間內可被放置成一排。
此配置之另一層面是天線24及25之輻射場型中的該等零點朝向彼此。因此，在該等接收天線24及25之方向中的已接收信號之再輻射少於在其他方向中的，且因此該等天線之間的耦合被進一步減少。
可以說明自該發射器被接收的信號與藉由相鄰天線的再輻射(具有相同的輻射場型)所接收的信號之間的相關性實質上可被減少，如果該等相鄰天線被放置為其等最近點處達到至少0.38λ，其中λ是所想要的信號之中心頻率處在空氣中的波長。在一無線電通訊裝置中，包含具有相同輻射場型的天線且適於使用在2.65GHz頻率，0.38λ。類似組配的裝置可與集中於其他頻率(例如3.5GHz及5GHz)的信號一起被使用，在以上情況中0.38λ分別是3.25cm及2.28cm。儘管如此，以此量將裝置隔開對於小裝置而言，不總是實際的。
然而，在兩個具有不同輻射場型的天線被使用且每一個被用以接收統計獨立的信號之情況中，可以較0.38λ更接近地將天線放置在一起，而該發射器所接收的信號與藉由相鄰天線的再輻射所接收的信號之間的相關性沒有實質增加。因此，參見第2圖，在被接收信號之中心頻率下，該等接收天線24及25可於它們的最近點處彼此間較0.38λ被更接近地放置。較佳地，在以2.65GHz的中心頻率操作的一系統中，該等接收天線24及25彼此在其最近點處以小於2cm之間距被放置。這使得該裝置的總體大小能夠被減小。
參見第9圖，根據本發明的PCMCIA(個人電腦記憶卡國際協會)裝置形式的一可選擇的無線電通訊裝置60，適合於連接到一個人電腦等等。此裝置包括四個天線61、62、63及64。該等天線中的兩個61及63是接收天線而另外兩個天線62及64是發射天線。該等天線被耦接到發射器/接收器65，該發射器/接收器65被耦接到信號處理器66。該信號處理器66被耦接到一PCMCIA介面67。該等天線全都是介電負載天線，如上關於第3圖所述。該無線電通訊裝置60適合於接收信號及發射信號的MIMO通訊，因為其對於每一種都包括兩天線。
裝置60中接收天線61及63的方向及關於彼此與上文參考第5圖所述之該第一無線電通訊裝置中的相同。對於發射天線62及64而言也是一樣的。
1．．．MIMO無線電通訊系統
2．．．資料串流
3．．．子串流
4．．．發射器信號處理器
5．．．發射器
6a~6c．．．發射天線
7a~7c．．．接收天線
8．．．接收器
9．．．子串流
10．．．接收器信號處理器
11．．．資料串流
20．．．無線電通訊裝置
21．．．USB介面
22．．．外殼
23．．．USB連接器
24~25．．．接收天線
26．．．發射天線
27．．．發射器/接收器
28．．．信號處理器
29~30．．．箭頭方向
40．．．天線
40A~40B．．．螺旋狀天線元件
40AE~40BE．．．天線元件末端
40AF~40BF．．．天線元件末端
40AR~40BR．．．徑向天線元件
41．．．陶瓷核心
41A．．．軸線
41D．．．遠處末端表面
41P．．．近處末端表面
42．．．軸向通道
43．．．金屬外部導體
44．．．軸向內部饋電線導體
45．．．套管
45U．．．套管邊緣
46．．．鍍層
47．．．平面
48．．．箭頭方向
50．．．發射天線陣列
50A~50B．．．發射天線
51．．．接收天線陣列
51A~51B．．．接收天線
52．．．匹配及組合網路
53．．．放大器陣列
53A~53B．．．放大器
54A~54B．．．負載
60．．．無線電通訊裝置
61、63．．．接收天線
62、64．．．發射天線
65．．．發射器/接收器
66．．．信號處理器
67．．．PCMCIA介面
第1圖是從該先前技術中已知的一MIMO系統之示意圖；第2圖是根據本發明的一第一無線電通訊裝置之圖式；第3圖是適合於與第2圖所示之該裝置一起使用的一介電負載天線之透視圖；第4圖是包括第2圖之該無線電通訊裝置的一MIMO通訊系統之一部分的示意圖；第5圖是說明第3圖之該天線的輻射場型的一圖式；第6圖是說明第3圖之該天線在三維中的輻射場型之一圖式；第7圖是說明對於垂直極化信號，在三維中的第3圖之該天線的輻射場型之一圖式；第8圖是說明三維中的表示第3圖之該天線的水平極化信號的該輻射場型之一圖式；第9圖是根據本發明的一可選擇的無線電通訊裝置之圖式。
20．．．無線電通訊裝置
21．．．USB介面
22．．．外殼
23．．．USB連接器
24、25．．．接收天線
26．．．發射天線
27．．．發射器/接收器
28．．．信號處理器
29、30．．．箭頭方向

Claims (36)

  1. 一種無線電通訊接收器裝置，用於以一或多個超過200MHz的頻率進行操作來接收複數個含有自一源資料串流中被導出的已正交編碼的資料子串流之信號，其中該裝置包含一具有至少兩天線以提供天線分集的天線陣列，以及被耦接到該天線陣列的接收器電路，該接收器電路具有一被配置以檢測該等資料子串流的檢測級以及一用於將該等被檢測的資料子串流組合而重新獲得該源資料串流的組合器級，其中每一天線包含：一具有相對介電常數大於5的固體材料的電絕緣核心，及一排列在該核心之外表面上或與其相鄰並界定了一內部容量的三維天線元件結構，該核心的材料佔據了該內部容量的大部分，以及其中該等天線間之間距係依據該等天線之每一個之該核心的相對介電常數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該檢測級包括一補償網路，其被配置主要以消除存在於自該天線陣列被饋送至該檢測級的信號間的由該陣列之天線間的相互作用所導致的相關性。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中該補償網路被配置，藉此該等天線之電路下游的s-參數等於該天線陣列之s-參數的共軛複數轉置。
  4. 如申請專利範圍第1、2或3項中之任何一項所述之裝置，其中每一天線被組配，藉此以該等天線之一共同的操作頻率，對於沿著一第一軸線被極化的波，每一天線 在其輻射場型中具有至少一第一最大值，以及對於沿著一第二軸線被極化的波，每一天線在其輻射場型中具有至少一第二最大值。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中該第一最大值實質上位於一第一平面以及該第二最大值實質上位於不同於該第一平面的一第二平面。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之裝置，其中該第一平面與該第二平面正交。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之裝置，其中每一天線在該裝置中被定向，藉此其相關聯的第一平面與一相鄰天線之第一平面正交。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中該第一軸線是水平軸線以及該第二軸線是垂直軸線。
  9. 如申請專利範圍第1、2或3項中之任何一項所述之裝置，其中每一天線被配置，藉此對於以該等天線之一共同的操作頻率被接收的一信號，每一天線在該頻率處在其輻射場型中具有一零值，以及其中該等天線中之至少一個被定向，藉此該各自的零值被指向該等天線中之另一個。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之裝置，其中所有該等天線被定向，藉此每一天線之輻射場型中的一零值被指向該等天線中之另一個。
  11. 如申請專利範圍第1、2或3項中之任何一項所述之裝置，其中該等天線之操作頻率是2.65GHz、3.5GHz或 5GHz。
  12. 如申請專利範圍第1、2或3項中之任何一項所述之裝置，其中該等天線每一個都具有一中心軸，以及具有被不同定向的輻射場型的相鄰天線之中心軸相距一段小於0.38λ的距離，在此λ為一操作頻率處的已接收的波在空氣中的波長。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之裝置，其中該陣列含有至少兩具有相同方向的輻射場型的天線，每一此類天線之軸線與最近的其他此類天線之軸線相距一段至少0.38λ的距離，以及其中具有被不同定向的輻射場型的相鄰天線之軸線之間距小於0.19λ。
  14. 如申請專利範圍第1、2或3項中之任何一項所述之裝置，其中每一天線具有與該裝置之一接地面相隔離的輻射元件。
  15. 如申請專利範圍第1、2或3項中之任何一項所述之裝置，其中該陣列之每一天線具有一平衡饋電連接。
  16. 如申請專利範圍第1、2或3項中之任何一項所述之裝置，其中該陣列之每一天線具有一相關聯的平衡-不平衡器。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之裝置，其中該平衡-不平衡器是該天線之一整合形成部分。
  18. 如申請專利範圍第1、2或3項中之任何一項所述之裝置，其中每一天線之該核心界定了一中心軸，其中該天線元件結構包含至少兩天線元件，該等天線元件每一個 在軸線方向中實質上是共同延伸的且每一元件在該核心之外表面上的軸向相間隔的位置之間或與該核心之外表面相鄰的軸向相間隔的位置之間延伸，以及其中該天線元件結構更包括一鏈結導體，其鏈結在該等相間隔的位置中之一個的該等天線元件部分而形成一迴路，在該等相間隔的位置中之另一個的該等天線元件部分被耦接到該饋電連接。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中每一天線之該核心都是圓柱形的。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之裝置，其中該等天線元件之各個相間隔的部分實質上位於一個含有該核心之中心軸的單一平面中。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之裝置，其中每一天線之該等天線元件都是長度相等且為螺旋狀的，每一個都在該等相間隔的位置間圍繞著該核心轉半轉。
  22. 如申請專利範圍第1、2或3項中之任何一項所述之裝置，其中該等天線每一個都包括一整合分離器，被配置以促進該天線之一饋電連接處的一實質上平衡的狀況以及將該天線元件結構與該裝置之一接地面隔離。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之裝置，其中每一天線包括一中央鑽孔以及被安裝在該鑽孔中的一饋電線結構，該饋電線結構被耦接到該等位於該核心之一遠處末端的天線元件。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之裝置，其中每一天線之該 鏈結導體包含該核心之外表面的一近處部分上的一圓柱形導電套管，以及其中該套管之近處末端被連接到該饋電線結構之一外隔板部分。
  25. 如申請專利範圍第1、2或3項中之任何一項所述之裝置，更包含一連接器以及一介面，一起適合於使該裝置與一電腦接合。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之裝置，其中該裝置是一通用串列匯流排裝置以及該介面是一通用串列匯流排介面。
  27. 如申請專利範圍第25項所述之裝置，其中該裝置是一PCMCIA卡以及該介面是一PCMCIA介面。
  28. 如申請專利範圍第1、2或3項中之任何一項所述之裝置，被配置以接收被不同地編碼的子串流，該等子串流被編碼成為統計獨立的。
  29. 如申請專利範圍第28項所述之裝置，其中該裝置是一MIMO通訊裝置。
  30. 如申請專利範圍第29項所述之裝置，被配置與已被利用正交分頻多工來調變的資料子串流一起使用。
  31. 如申請專利範圍第30項所述之裝置，被配置與已被利用正交展頻碼來調變的資料子串流一起使用。
  32. 如申請專利範圍第1、2或3項中之任何一項所述之裝置，被組配為一無線電收發機且其中該等天線每一個被連接用於傳輸資料串流。
  33. 如申請專利範圍第1、2或3項中之任何一項所述之裝 置，被組配為一無線電收發機且其中該等天線中之至少兩個被連接用於發射資料串流以及至少兩個被連接用於接收信號。
  34. 一種無線電通訊裝置，用於在多通道無線電通訊網路中以大於200MHz的頻率進行操作，該裝置包含至少兩發射天線及一被配置以將一個單一的資料串流分成對應於該天線數目的一組資料子串流之信號處理器，以及一被配置以將每一資料子串流以一已編碼的信號饋送至該等天線中之各自一個的編碼級，該組資料子串流被正交編碼，其中每一發射天線包含：一具有相對介電常數大於5的固體材料的電絕緣核心，以及一排列在該核心之外表面上或與其相鄰並界定了一內部容量的三維天線元件結構，該核心的材料佔據了該內部容量的大部分，以及其中該等天線間之間距係依據該等天線之每一個之該核心的相對介電常數。
  35. 一種多通道無線電通訊系統，包含複數個被配置以相互進行通訊的無線電通訊裝置，其中每一裝置具有至少兩被配置用於信號接收或發射的天線且該等至少兩天線中之每一個含有一具有相對介電常數大於5的固體材料的電絕緣核心，以及一排列在該核心之外表面上或與其相鄰並界定了一內部容量的三維天線元件結構，該核心的材料佔據了該內部容量的大部分，以及其中該等天線間之間距係依據該等天線之每一個之該核心的相對介電常數。
  36. 如申請專利範圍第35項所述之系統，是一MIMO通訊系統。
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