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CN1452270A - 智能型天线 - Google Patents

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CN1452270A
CN1452270A CN03102730A CN03102730A CN1452270A CN 1452270 A CN1452270 A CN 1452270A CN 03102730 A CN03102730 A CN 03102730A CN 03102730 A CN03102730 A CN 03102730A CN 1452270 A CN1452270 A CN 1452270A
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Abstract

一种使用于可携式装置的智能型天线，是使用低成本的分离式模拟元件所构成。特别的是，此智能型天线系统的天线元件，相位移器以及成波网络，是由RF传输线路、RF耦合器以及RF开关所构成，其是为可动态重新定位电波束形成信号，以指向最大信号强度方向的系统。此智能型的天线系统可安装于可携式装置，以在使用无线网络时，提供较大的信号接收与发射。

Description

智能型天线
(1)技术领域
本发明有关一种可动态重新定位的天线系统，特别是有关于一种可扫瞄然后重新定位无线电波束的智能型天线，使此天线电波束对准目标方向从而使其具有天线电波束朝向最大的信号增益方向的能力。
(2)背景技术
传统的具有重新定位的天线系统(一般称为″智能型天线″)，可调整电波束的方向，以达到最大的输入或输出信号，典型的由具有高成本与高难度技术的数字电路元件来执行。尤其是，相位阵列通常被使用来选择传送信号的路径与电波束的形式，在一或多个具有信号转换器与数字信号处理器(Digital SignalProcessor；DSP)的天线，通过电子方法处理每一个信号，在天线对准期间通常进行多次。此外，在传统的天线系统中，成波网络传统依赖类似的数字信号处理元件。例如DSP芯片与其他的电子元件，相对于分离式微波元件而言，具有较高的成造与实施成本。而且，分离式元件也可以被安装在较为紧密的结构中，使智能型天线系统可较目前以DSP为基础的系统具有较小的尺寸。因此，一种低成本与容易实施的智能型天线系统是被期望的，其使用分离的微波(模拟)元件所构成的相位阵列与成波网络元件。
(3)发明内容
本发明的目的在与提供一低成本、小尺寸、容易架构的可重新定位的智能型天线系统，以使用于可携式装置中。其利用价格较便宜的分离式模拟元件，设置在所有的天线阵列、相位阵列、以及成波网络的中，使天线电波束能指向最大信号强度的方向。因此经由此系统，执行信号分量的相位处理与依路径发送的功能，将不再需要使用昂贵的数字芯片与元件。
本发明的目的是提供一种结构更紧凑、成本低而可具有天线电波束朝向最大的信号增益方向的能力的智能型天线系统。
本发明的智能型天线系统，是由目前已存在，并且价格较为便宜的微波元件，以形成相位移器与开关，其构成一智能型天线系统的相位阵列与成波网络元件。当耦合一无线区域网络装置(Wireless Local Area Network；WLAN)，其具有一简单的处理单元，来自于相位阵列的信号经处理后用来决定方向，以及合适的电波束形成信号依路线，经由成波网络，再经由天线输出，以指向此信号方向。由于是由一或多个天线元件所构成，所以相反的电波束空间指向是可能的。一无线电频率(Radio Frequency；RF)传输线路，连接每一天线元件至RF耦合器，其为每一天线元件形成一相位移器。在每一相位移器，RF开关与耦合器元件的数量一致，被安装来与相位移器一起工作，使可选择性的操作通过由每一耦合器线路传送来的信号。为了使电波束形成与依指定路径传送的信号能传送至WLAN装置，因此包含一成波网络(Beam FormingNetwork；BFN)开关，以连接相位阵列的每一相位移器。
本发明的一态样，包含分离的相位移控制器与成波网络控制器元件，其处理由WLAN装置传送来的信号，以选择启动此系统中的开关元件。
本发明的另一态样，相位移控制器与成波网络控制器是包含于WLAN装置中，如同功能元件，其处理信号选择启动此系统中的开关元件，以完成电波束的指向。
本发明利用价格较便宜的分离式模拟元件，设置在所有的天线阵列、相位阵列、以及成波网络之中，使天线电波束能指向最大信号强度的方向。因此经由此系统，执行信号分量的相位处理与依路径发送的功能，将不再需要使用昂贵的数字芯片与元件。
本发明在此以不同的实施例与图示加以描述。当本发明以最佳的实施例来加以说明本发明时，熟知此项技术的人士，在本发明揭示后参照本发明的教示，当可进行本发明的变化与改善，但其均不脱离本发明的精神与范围。本发明的描述，是为了实例说明本发明的一般原则，且不应被用来限制本发明的范围。
(4)附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特点、和优点能更明显易懂，特举较佳实施例，并配合下列图形进行更详细说明，其中：
图1为由一可携式装置所延伸出来的五个可定位天线电波束的示意图；
图2为相阵列、成波网络、控制器与WLAN装置的示意图；
图3为天线元件与相关微波开关的示意图；
图4为天线阵列的示意图；
图5为相位移器配置的示意图；
图6为可重新定位的成波网络的示意图；以及
图7为此天线控制器系统的另一实施例的示意图。
(5)具体实施方式
本发明辅以目前经深思熟虑所得最佳的模式加以说明。这些说明是用来实例解释本发明的一般性的原则，当不被用来限定本发明的范围。本发明的范围应参考下述的权利要求来决定。
在此所参考的全部的文献，将被完全的结合作为参考而被引用。
当了解本发明的原则后，本发明具有种种变化型式，其并不脱离本发明的精神与范围。同时本发明的可重新定位的天线观念，可应用于可携式装置，或其他装置，包含膝上型电脑，移动电话，个人数字助理等等。同时本发明虽然是较适合使用于可携式电脑装置上，无论如何，其仍可被广泛的应用于无线通讯的全部领域中。
一般来说，此系统包含一天线阵列，相位阵列，成波网络，WLAN装置，以及一或多个控制装置。如上所述，阵列的天线元件的构成零件，相位阵列的相位移器，以及构成成波网络的开关，均是由分离的RF模拟元件所构成，而不是由昂贵的DSP单元与相关电子元件所构成。WLAN装置(泛指任何使用于无线通讯系统的WLAN装置)包含无线电收发器与处理元件，以转换信号，决定信号方向，过滤干扰信号以及执行网络安全功能。参阅图2，是用来图示说明本发明的智能型天线系统1。天线阵列6提供如导管的功能，此系统的信号均经由其输入与输出。相位移器8的功能，是依据由每一天线输入的信号决定相位传送的路径。相位阵列4，是为构成天线阵列6与相位移器8的功能元件，其完全由模拟元件所构成的天线元件共同架构一信号路径。由一系列的开关所构成的可重新导向成波网络10，使输入信号依路线传送至WLAN装置12，并相反地转换输出信号至合适的相位移器与天线元件，以构成具有方向性的电波束结构。WLAN装置12，由成波网络10接收信号，转换此信号至数字信息以进行处理，并执行种种的演算功能以决定信号的方向，过滤不要的信号干扰，形成安全确认的功能，并传送控制信号至不同的控制装置。在图2中，成波网络控制器16与相位移控制器14连接至WLAN装置12。成波网络控制器16有效地与成波网络10连接，以依路径输入与输出信号。相位移控制器14有效地连接相位阵列的开关，以构成信号依路径传送的功能。
经由上述的必需的元件形成″智能型天线″系统，其中完全使用分离式模拟元件来构成相位阵列与成波网络，而不是使用数字电路。如熟知此项技术的人士所了解，这样的结构可使用多种天线元件，WLAN装置，与控制器装置所构成，其并不脱离本发明的精神与范围。
此系统，从头至尾使用于天线阵列、相位移阵列与成波网络的元件与零件均为分离式微波元件，以致于介于这些零件的中的RF信号，在WLAN装置前，均不需要经过模拟-数字(Analog-Digital；A/D)的转换过程。同样地，由WLAN装置所产生的一输出模拟信号，当其经由成波网络与天线元件输出时，并不需要经过任何A/D的转换。除了使用于天线阵列、相位阵列与成波网络的分离式RF元件外，本发明的智能型天线系统并没有任何具体构造的特别要求。而这些分离式的零件与系统元件，可被安装与设计在单一的(组合式或固定式)基材(Substrate)上，以完成此系统的电波束形成功能。此系统亦可同时将控制器元件与分离式元件安装于单一基材上，甚至更进一步地整合系统使其包含一WLAN装置与此智能型天线系统的控制器与全部分离式元件在单一基材上。
在一些系统中，天线被要求安置于不同的区域，以获得最佳的接收与形成电波束，在这样的实例中，部分或者是全部的天线将不会被安装于此系统的其他部分中。事实上许多不同上述的配置的变更是可行的(例如：系统包含数个天线，且部分在基材上而部分在基材外，控制器在基材上，以及分离式的WLAN装置有效地与系统连接)，其并不脱离本发明的精神与范围。
天线阵列
参考图2至4，本发明的天线阵列6可以是任何数量或结构的个别天线元件62。天线元件62是为RF装置，具有可接收与传送RF信号的能力。图1中显示一可携式电脑装置2所配置的天线形成的五个电波束。根据本发明的一态样，电波束65与66相当于固定方向式的天线(固定式天线)，其安置于可携式电脑装置2的相反两个方向。电波束67，68与69是为指向性的天线，其以角度为间隔(典型的天线之间约为120度)，其可更进一步的对准，以改变输出RF信号的相位分量(″指向性天线″″Pointing Antennas″)。这些指向性天线的增益可增加(一般约4-6dB)以提供在操作时，在所需的方向上有较强的信号。本发明亦可使用由天线元件67-69，产生超过一个方向的电波束，使其对准一电波束，并加以结合以产生可更精确对准的电波束。当一系统具有一具有指向性的天线元件时，即可实施本系统，而用来维持较强的通信信号的指向精确性与能力，则可由数个天线来实现，较佳的情况是使用五个或多于五个可获得最佳的结果。熟知此项技术的人士当可了解到，本发明并不限定使用于本系统中的天线数量，任何数量的天线其均不脱离本发明的精神与范围。
在本发明的范围中，使用于可携式装置的天线阵列的实际方向与特别的天线元件的几何学，有宽广的变化空间。在本发明的一实施例系统中，在图4中所示的天线62是为细长圆柱型的天线，以平行的方式间隔的被安装(在此实施例中，典型的为半波长)。这样的构造合适于安置在可携式装置的显示面板的背面，例如图1中的可携式电脑装置2。在可携式装置的其他地方，亦可安装任何形状的指向性天线元件，以完成天线阵列。通常在一实际的系统中，考虑到因为天线元件所造成的干扰或由经验得知的干扰，依指定路线传送信号至相位阵列的能力，以及实际的尺寸等等需求，将会决定一特定系统的天线元件最佳的规划方式。在不同的可携式装置中，某些天线元件与天线阵列，将可提供上述的考虑与设计的需求。
相位阵列
本发明的相位阵列，是由分离式模拟元件所构成，例如RF传输线，RF耦合器，与RF开关。图3中的相位阵列4，包含一些相位移器42，经由RF传输线路18，耦合于个别的天线阵列6的天线元件62。隐藏在相位阵列4后面的操作原理，是为每一指向性的天线元件收到入射天线阵列的信号后，均有相对于这些方向的相位分量。当信号进入天线后，每一指向性的天线元件收到经由相对应的RF传输线在系统中传送而来的不同相位分量的信号。RF耦合器，沿着RF传输线位移一距离(相当于入射信号的波长)，以致于每一信号分量(不同的信号强度)将沿着相位传输线19至RF开关424，如图5中所示。RF开关424与开关102，可选择性地操作在一扫瞄的功能，以传送个别的信号相位分量至WLAN装置处理。根据系统扫瞄完成(典型的，将全部个别的信号相位分量由相位移器42传送至WLAN装置)WLAN装置将依据个别的信号分量，来决定最大信号强度的方向。
参阅图5，是为相位移器42的示意图，RF传输线路18是为一导管，经由其传送至与接收来自于天线元件62的信号。传输线路18是为一同轴电缆、带线(Strip Line)或其他任何传统RF传输导波管或导管。RF耦合器422沿着RF传输线路18安装，每一个间隔距离425相当于网络信号的相位差。RF耦合器422可为槽隙耦合器(Slot Coupler)或是任何传统的耦合装置。一些RF耦合器沿着RF传输线安装，以传输大部分的信号相位分量。通常，较多数量的RF耦合器，将产生较准确的方向判断以及信号指示，如果较多信号相位分量可在WLAN装置中有效地进行系统处理与反向地传输具有相位分量的输出信号。相反地，一具有较少RF耦合器的系统，用来处理相位信号分量将较为容易构成与执行电波束形成的工作，因此使系统可较为快速与动态地决定信号的方向与重新定位天线电波束以指向最大增益的方向。
每一RF耦合器422，是经由相位传输线19依路线传送至RF开关423的单一端口，相位传输线19是由与RF传输线路18类似的材料所构成。接着，开关424被操作，以选择性地传送来自于每一个开关423信号。开关423亦可连接地线，以接地RF信号而不是传递至开关424。此系统将更有效地执行电波束扫瞄与电波束形成功能，当使用具有低插入损失与快速切换时间的开关。
成波网络
本系统的成波网络10，具有在所需求方向形成电波束功能，可依适当的路线发送信号，由WLAN装置，经过每一开关，以执行一或多个天线的电波束指向工作，如图6中所示。通常本发明的系统具有以下三种传送路线的态样。第一态样125天线元件62是经由传输线路18直接连接至开关102(请参考图3)。因此，可直接由开关102传递输出RF信号至天线元件62，而不需经过任何的相位移器。当需要一特别的系统结构时，此方法的开关102可以规避相位阵列，以传递信号。第二种态样126，如图中所示，来自于WLAN装置的输出信号，依路线经由开关102而传送至相位移器42。然后相位移器42的开关424及423是选择性地操作，以传送信号通过相位移器与一天线元件的RF耦合器。此态样详细说明了本系统的信号指向的操作，使得来自于天线元件的信号″波瓣(Lobe)″与本质上的″方向指示″元件被形成在所希望的方向。态样127图示说明，开关102的路线是绕过相位移器，而不是通过相位移器。使用这样的结构在成波网络中，可增加输出信号的路线的选择性，以使天线的方向指示可在最短的时间内完成。熟知此项技术的人士，当可知上述的开关与指定路线的功能的变化可依系统设计的需求使用于任何特别的成波网络中，其并不脱离本发明的精神与范围。
成波网络的开关102，424与423是为多端口(multi-port)RF开关(例如任何传统的RF开关)，可使用电子信号操作，并安装于传统的电路中。控制装置，如成波网络控制器16与相位移控制器14，可使用来决定与精确控制开关的逻辑与操作，以完成信号的路线安排。
WLAN装置
本发明的WLAN装置提供信号转换(A/D或D/A)、处理(CPU)、过滤与防护功能，而且提供控制信号至其他的系统元件(例如控制装置)。就其本身而言，WLAN装置是为一传送与接收以及处理装置，其被与不同的软件与硬件元件结合，以完成所需要的功能。WLAN装置将处理由电波束形成网络来的信号，滤除不需要的信号，例如有着错误ID的信号，并且传送正确信号的信息，(例如信号强度与信噪比)至控制装置。此外，WLAN装置可以是任何已知的或是现在被使用的WLAN装置，其可以被安装并与本发明的相位阵列与信号形成网络一起工作。通常，本发明的相位阵列与信号形成网络可与任何的WLAN装置一起工作，且就其本身而言，本发明的弹性的智能型天线系统具有较佳成本效益与较小的尺寸。
控制装置
参阅图2与图7，相位移控制器14与成波网络控制器16收到由WLAN装置传来的输入或命令数据。图7中显示，安装于WLAN装置12中的相位移控制器与网络形成控制器的另一实施例。这样的整合控制装置在WLAN装置12中，可以将其功能整合，通过软件或硬件来完成，WLAN装置12完成相位移控制器14与成波网络的功能。使用数据加上附加的处理操作(经由DSP)，每一控制器可分别使合适的此智能型天线系统中RF开关作用，以进行扫瞄与电波束形成的功能。使用本发明的架构，相位移控制器14仅收到相关于相位移阵列的命令与处理信号，以及成波网络控制器16仅收到相关于电波束形成网络的开关的命令与处理信号。每一控制器可被规划来连接其他控制器，以增加系统的附加功能，或如上所述，安装一或两个控制器为单一的控制元件，或为WLAN装置的元件。
此特别的WLAN装置与控制器装置的系统规划，将依据不同的系统需求来改变，本发明的智能型天线系统的电子控制元件的各种安排，将不影响相位阵列与成波网络元件的创造力，其被广泛的应用于智能型天线系统的许多装置中。通常，在一特定的智能型天线系统，WLAN装置(与相关的控制器，无论被规划为WLAN装置的功能元件，或是分离系统的控制元件)由天线阵列收到输入的RF信号，处理这些信号以决定信号方向，检测信号中的安全ID，以锁定正确的信号，避免每一天线的干扰信号，传送控制信号至每一系统元件(开关)，并产生输出通讯信号，其经由天线阵列向外传送，以定向的电波束形式。
系统时间的安排/程序
一个特定的天线系统的操作与开关操作的逻辑，将十分容易地由熟知此项技术的人士来决定，因为在此工业领域中，RF开关元件可容易与广泛地被利用。通常，这些开关将是由系统控制元件来控制，以在最大信号强度的方向形成电波束。当一实施例的系统循环中，天线阵列6将被相位阵列4的相位移器8扫瞄。开关102，由成波网络控制器(或WLAN装置)来启动，以耦合与本系统的第一相位移器相对应的一端口。开关424耦合第一相位移器42，其然后循环的经由n端口来选择(其相对应于相位移器42中的RF耦合器的数量)，以致于输入信号的相位分量，由第一天线元件连续地依规定的路线，经由开关424与102传送至WLAN装置12。WLAN装置然后送一信号至成波网络控制器，以启动开关102耦合此系统的第二相位移器。一旦耦合后，第二相位移器的开关424，循环地经由n端口选择(再一次其相当于此相位移器的RF控制器的数量)，以致于经由第二天线输入的信号分量，连续地经由固定的路线被传送，其经由第二开关424与开关102至WLAN装置12。然后重复此流程，直到此相位阵列的每一相位移器，被扫瞄与相位分量被依固定的路线传送至WLAN装置处理。控制演算法也可以在WLAN及/或控制装置中执行，其用来改变相位阵列的顺序。例如，一演算法，其连续扫瞄天线元件邻近于已知上次最大的信号强度的方向，可有效地增加系统的速度与效率。当WLAN装置根据由相位阵列扫瞄的信号，以决定最大信号的方向而产生一最佳电波束形成信号与路径。由WLAN装置传送而来的命令信号，或送至相位移控制器与成波网络控制器的命令信号，启动开关102，424与423，以致于此希望的信号，依路径首先被传送至合适的相位移器，然后经由此相位移器的一合适的RF耦合器，最后输出至希望的天线(具有相位分量，以实施指向性电波束的指向)。当系统正在形成电波束的状态，相位阵列的扫瞄可以上述的方法为周期性地监视信号强度与方向。如果扫瞄的信号指示信号的方向改变，然后此系统可形成一如上述的电波束形成流程，以重新安排此成波网络以及相位阵列的开关，以符合此新的最大信号强度的方向。
在系统中，以数个天线同时形成电波束，开关102可以为一数端口的开关(或是数信号重复器)，具有由WLAN装置同时输出信号至多于一个传输线。或者，两个或多个n端口的开关可用来耦合WLAN装置，以同时直接输出信号至数个天线，作为形成电波束的操作。
本发明的系统在上述的描述，是以功能组件的方块图的形式来说明。除非在此说明中其为对立的，一或多个功能可被整合在单一的实体装置或是一软件组件在软件产品中，或者一或多个功能可被实施在分离的实体装置中或软件组件，在单一位置或者是分布在网络中，其均不脱离本发明的范围与精神。
仔细的描述每一个组件实际上的实施方式，以了解本发明的据以实施的方法是不必要的。当本发明已在此揭示了系统特征、功能与在本系统中不同功能组件之间的关系后，实际的实施以方式已充分被揭示，其不脱离一程序设计师与系统工程师的日常技能。一熟知此项技术的人士当可应用平常的技能即可实施本发明，而无过度的实验需求。
当本发明已通过上述的实施例予以揭示，显然熟知此项技术的人士当可利用本发明进行不同的修改与改善，其并不脱离本发明的精神与范围。本发明并不限定在特定的实施例中，而应包含在下述的权利要求所限定的范围中。

Claims (20)

1.一种天线系统，其特征在于，至少包含：
一天线阵列，以传送与接收数个系统信号；
一相位阵列，有效连接至该天线阵列，且包含数个相位移器，以修正所述系统信号；以及
一成波网络，包含一依路径传送所述系统信号的装置，其中所述系统信号能依路径选择传送至与接收来自于天线元件，以调整由该天线阵列形成的电波束至一希望的方向。
2.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，还包含一系统控制装置，以处理所述系统信号，并与该依路径传送所述系统信号的装置互动。
3.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述的天线阵列包含数个天线元件。
4.如权利要求3所述的天线系统，其特征在于，至少一所述的天线元件包含一指向性天线，具有形成一电波束在数个方向的能力。
5.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，还包含数个传输线路，连接该天线阵列、该相位阵列、与该成波网络。
6.如权利要求5所述的天线系统，其特征在于，所述的数个传输线路，被规划成能提供数个信号路径，介于该天线阵列与该成波网络之间。
7.如权利要求6所述的天线系统，其特征在于，所述的数个信号路径被规划，以致于一系列的个别信号路径由传输线连接至每一天线元件，以形成该成波网络一单一传输线路。
8.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述的该依路径传送所述系统信号的装置，包含数个开关，每一该开关具有选择性操作的能力，以允许或限制一或多个系统信号，经过该成波网络的所述传输线路。
9.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述的相位阵列，包含数个相位移器，以选择性地通过该系统信号的相位分量。
10.如权利要求9所述的天线系统，其特征在于，所述的相位移器，包含分离式模拟元件。
11.如权利要求10所述的天线系统，其特征在于，所述的分离式模拟元件包含槽隙耦合器。
12.如权利要求11所述的天线系统，其特征在于，所述的一或多个槽隙耦合器沿着属于一个别的天线元件的一个所述传输线路安装。
13.如权利要求12所述的天线系统，其特征在于，所述的槽隙耦合器是沿着该传输线路均匀地间隔安装。
14.如权利要求13所述的天线系统，其特征在于，所述的间隔是为一预定的距离，该预定距离相当于该系统信号的波长。
15.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述的数个开关，是由该系统控制装置选择性地操作，以扫瞄所述输入RF信号，输入该相位阵列，并重新导向输出RF信号由一第一天线元件至一第二天线元件。
16.如权利要求15所述的天线系统，其特征在于，所述的扫瞄包含选择性地通过该相位阵列的相位元件至该系统控制装置进行处理，以产生一最大天线增益的方向。
17.如权利要求15所述的天线系统，其特征在于，所述的输出RF信号的重新导向与该第二天线元件的该天线电波束的该指向相符，是在该最大增益的方向。
18.一种可携式无线通讯处理系统，其特征在于，包含如权利要求1所述的天线系统与用来控制该天线系统的一处理系统，该天线系统与该处理系统的所述元件被安装于一可携式装置中。
19.一种可重新导向的RF天线系统，其特征在于，至少包含：
一系统信号源；
一天线阵列，以传送与接收该系统信号；
一相位阵列，有效地连接至该天线阵列，且包含数个通过该系统信号的相位分量的装置；
一成波网络，有效地连接至该相位阵列，且该天线阵列包含依选择性的路径传送系统信号的装置；以及
一系统控制装置，用来操作该依选择性的路径传送系统信号的装置，以重新导向该天线系统。
20.一种在无线通讯系统中调整天线电波束分量的方法，其特征在于，至少包含下列步骤：
形成一天线阵列，使用数个天线元件，以传送与接收数个系统信号；
提供一相位阵列，使用数个相位移元件；
安装一成波网络，使用数个开关与传输线路，以形成数个信号路径；以及
选择性的操作所述开关，以依一希望的路径传送所述系统信号。
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