CN107154817A - 紧凑型无源中继器 - Google Patents

Abstract

本发明的一实施例提供一种具有两个以上的天线阵列的透射式无源中继器，每个阵列包括多个天线元件。每个天线元件具有关联区域。由所述天线阵列限定了孔隙，各个天线阵列处的能量通过所述孔隙在所述区域的各区域之间经过。本发明的另一实施例提供一种具有孔隙的反射式无源中继器。在所述孔隙处接收的能量是从所述孔隙反射回来的。所述孔隙被配置成在由多个独立天线元件的复杂耦合所确定的两个区域之间提供共形映射。

Description

紧凑型无源中继器

相关申请的引用

本申请要求于2016年3月4日提交的序列号为62/304,052的临时专利申请的优先权，该申请通过引用以其全文结合在此。

技术领域

本发明涉及通信***。更具体地，本发明涉及一种紧凑型无源中继器。

背景技术

无线中继器从无线路由器或无线接入点接收现有信号并且将其重新广播以创建第二网络。当两个以上的主机需要通过IEEE 802.11协议连接到彼此而距离太长以至于无法建立直接连接时，使用无线中继器来进行桥接。主网络外部的那些主机能够通过新的中继网络连接。无线中继器通常用于改善家庭和小型办公室内的信号范围和强度。然而，这种设备需要恒定的电源并且经常是笨重的、不雅观的，因而难以不显眼地在家庭和小型办公室内安装。

无源中继器或无源无线电链路偏转是反射性或者有时是衍射性面板或其它对象，这种对象在信号路径中的障碍物阻碍任何直接视线通信的地方协助闭合无线电或微波链路。相比于具有有源部件的微波无线电中继站，无源中继器更简单并且需要非常少的维护并且不需要现场电力。无源中继器还不需要附加的频率，不像有源中继器站那样使用不同的发射和接收频率来阻止反馈。相应的缺点是如果不进行放大则返回信号显著地变弱。

可以通过用抛物线天线接收信号并且引导其通过波导到达对其进行辐射的第二抛物线天线来实现竖直水平的无源无线电中继链路偏转***。对于水平平面中的无源微波无线电中继链路偏转，使用由金属材料制成的平坦表面，这种平坦表面被布置为使得传入波束的角度与传出信号的角度相对应。所得的结构类似于广告牌。

类似的***可以偶尔用于TV中继发射器或者用作隧道发射器。在这些情况下，八木天线接收发射信号并且通过同轴电缆将其供应给第二八木天线。

所有这种无源***非常大，通常像广告牌那么大，因而不适于在家庭 和小型办公室内使用。

发明内容

本发明的一个实施例提供一种具有两个以上的天线阵列的透射式无源中继器。每个天线元件具有关联区域。由所述天线阵列限定了孔隙(aperture)，各个天线阵列处的能量通过所述孔隙从所述区域的各区域之间经过。

本发明的另一个实施例提供一种具有孔隙的反射式无源中继器。在所述孔隙处接收的能量是从所述孔隙反射回来的。所述孔隙被配置成在由多个独立的天线元件的复杂耦合(complex coupling)所确定的两个区域之间提供共形映射(conformal mapping)。

附图说明

图1是根据本发明的无源中继器的框图，示出以dB为单位的链路、弗里斯(Friis)等式；

图2是根据本发明的无源中继器的框图，示出用于以mW为单位的功率的链路、Friis等式；

图3是根据本发明的无源中继器的框图，示出示例性数学***模型；

图4A和图4B是曲线图，示出根据本发明在2G频带(图4A)和5G频带(图4B)内通过Wi-Fi接收的功率；

图5A和图5B示出根据本发明的用于按照透射模式(图5A)和反射模式(图5B)操作的孔隙***；

图6示出根据本发明的用于具有矩形天线元件的无源中继器的孔隙透射模式孔隙；

图7示出根据本发明的用于具有六边形天线元件的无源中继器的孔隙透射模式；

图8A和图8B是根据本发明的用于无源中继器的天线元件；

图9示出根据本发明的子元件的细节；

图10示出根据本发明的另一个子元件的细节；

图11是示出根据本发明的无源中继器中的孔隙元件透射模式的框图；

图12示出根据本发明的包括八木式三元件天线的单向天线；

图13A和图13B示出根据本发明的处于孔隙元件透射模式的从动元件馈送反转技术；以及

图14是示出根据本发明的无源中继器中的孔隙元件反射模式的框图。

具体实施方式

本发明的一实施例提供一种具有两个以上的天线阵列的透射式无源中继器。每个天线元件具有关联区域。由所述天线阵列限定了孔隙，各个天线阵列处的能量通过所述孔隙从所述区域的各区域之间经过。

本发明的另一实施例提供一种具有孔隙的反射式无源中继器。在所述孔隙处接收的能量是从所述孔隙反射回来的。所述孔隙被配置成在由多个独立天线元件的复杂耦合所确定的两个区域之间提供共形映射。

对于Wi-Fi应用，以下定义适用：

接入点(AP)应用

路由器(AP+路由功能)

AP(独立式AP)

网关(AP+调制解调器-DSL/VDSL/电缆/光纤)

站点(STA)应用

STA(Wi-Fi站点)

移动客户端(MC)

笔记本电脑客户端(LC)

图1是根据本发明的无源中继器的框图，示出以dB为单位的链路、Friis等式。在本发明的实施例中，无源中继器10包括被配置成扩展辐射覆盖范围的两个背靠背天线，即，第一区域12中的第一天线和第二区域13中的第二天线。

以下是适用于本发明的实施例的以dB为单位的链路、Friis等式(参考图1)：

引导R12，从区域1到区域2。

Pr＝Pt+Gt+Gr+20Log(λ/(4πR12))dBm

其中，Pr，Pt＝以dBm为单位的功率，并且Gt，Gr＝以dB为单位的增益。

图2是根据本发明的无源中继器的框图，示出用于以mW为单位的功率的链路、Friis等式。在本发明的实施例中，无源中继器10包括被配置成扩展辐射覆盖范围的两个背靠背天线，即，第一区域12中的第一天线和第二区域13中的第二天线。

以下是适用于本发明的实施例的用于以mW为单位的功率的链路、Friis等式(参考图1)：

引导Ant1到Ant2，R12，区域1到区域2。

pr＝pt x gt x gr x(λ/(4πR12))²mW

其中，Pr，Pt＝以mW为单位的功率，并且Gt，Gr＝标定为1.0的增益。

图3是根据本发明的无源中继器的框图。在本发明的实施例中，无源中继器10包括被配置成扩展辐射覆盖范围的两个背靠背天线阵列，即，第一区域12中的第一天线和第二区域13中的第二天线。天线由允许一个区域内的能量通过并到达另一个区域的窗口或孔隙11驱动。

以下是示例性数学***模型(参考图3)：

引导 Rxd＝Tx+Gt+Gx+20Log(λ/(4πR2))

R1 Ri＝Tx+Gt+10Log(Ai/(4π(R1∧2))

R2-R1 Rx＝Ri+Gx+10Log(Ai/(4π((R2-R1)∧2)))

从发射器Tx辐射的由dBm表示的信号由具有区域Ai的孔隙Ri接收。在本发明的实施例中，区域Ai是全息面板或菲涅尔透镜。

孔隙Ri处的接收功率＝场强乘以区域Ai的面积。反过来，可以基于Ai和用于具有增益Rx的距离R2-R1的扩展因数确定接收信号Rx。引导路径来自于上述链路或Friis等式。

本发明的实施例用于Wi-Fi应用。本领域技术人员将认识到本发明的实施例可以等效地应用于任何其它收发器***。

本发明将采用的基本原理是惠更斯原理。如下所述：

“主波前上的每一个点是次球面波或小波的来源。基于这一点，次波前可以被解释为这些次波的表面包络。”

本发明的实施例中的做法是用可以用复数(实部，虚部)加权的发射信号重新发射接收信号的天线***替换这些点。复数加权是通过控制孔隙内的天线元件密度和通过每个子元件的相位延迟来实现的，其中，相位延迟向传出信号施加定向分量。

在透射模式(在以下描述)中，相位延迟仅需要以小步长(诸如即，八个离散步长和 )在360的范围变化。所得的元件因此提供了类似于菲涅尔透镜的薄层。

在反射模式(在以下描述)中，相位延迟仅需要以小步长(诸如22.5o，即，八个离散步长 和)在的范围变化。所得的元件因此提供了类似于菲涅尔波 带片的薄层。如果所有元件的相位相同，则结果是平面反射镜。

可以使用不同的相位形成反射形发散或会聚透镜或其它这种共形映射。

图4A和图4B是曲线图，示出根据本发明计算在2G频带(图4A)和5G频带(图4B)内通过Wi-Fi接收的功率。在图2中，孔隙被置于0.00英尺和20.00英尺(609.6厘米)的端点之间。AP或路由器位于每一个端点处。孔隙可以移动更靠近AP或路由器，例如从10.00英尺(304.8厘米)到5.00英尺(152.4厘米)或者从10.00英尺(304.8厘米)到15.00英尺(457.2厘米)。结果显示出当孔隙更靠近AP或路由器(即，更接近例如2.00英尺(60.96厘米)或18.00英尺(548.64厘米)处的端点)时实现最佳孔隙性能。引导路径和通过孔隙的路径对于2G频带在25％的点处是相等的。在中点处，孔隙的性能最差。

一个替代方案是将孔隙放置为靠近AP或路由器。对此的改进需要有源***，这种***需要双向RF放大器、非福斯特电路或天线***元件中的负阻抗电路。这将挫败无源***的目的但是可以被用作无源***的外部附属物。

孔隙

孔隙是在接入点和路由器之间实现焦点的无源***(参见图3)。孔隙的实施例被提供为平板。然而，本领域技术人员将认识到孔隙可以具有带有一个或多个弯曲的弯曲表面、曲面或弯曲表面和/或曲面的组合中的任一种。

在此公开的天线***的实施例在透射模式或反射模式中的任一种模式中操作。

在透射模式中(参见图5A)，天线***10在孔隙的一侧接收信号并且将其从另一侧发射出去。

发射功率不得超过接收功率。当然，功率是聚焦的。

在反射模式中(参见图5B)，天线***10从孔隙反射回所有接收功率。

这还在孔隙的另一侧上提供了RF屏障。

孔隙在由多个独立天线元件的复杂耦合所确定的两个区域之间提供共形映射。本发明的实施例还可以级联多个孔隙，按照需要并且当需要时包括透射模式和反射模式的组合。

为了简化起见，在此的讨论以平坦孔隙开始。这些孔隙可以采用以下任一：电介质透镜、阶梯式电介质透镜、离散式金属形状散射透镜、菲涅尔透镜、全息透镜以及离散的多个天线元件透镜。

孔隙可以是透射式的或反射式的并且可以支持多个频带。

图6示出根据本发明的用于具有矩形天线元件的无源中继器的孔隙透射模式。在图6中，在来自第一区域12内的发射器Tx和第二区域13内的接收器Rx的路径内示出具有深度31的孔隙11。在本发明的实施例中，孔隙包括元件阵列30，在图6中，该阵列是10x10阵列。本领域技术人员将认识到孔隙内的天线阵列可以包括任何数量的行和列。

每个元件包括由传输线连接的两个定向天线。传输线的长度被调整使得为元件选择所需的相位延迟，从而有效地指向天线。在本发明的实施例中，相位延迟可以被调整为指引信号路径以及缩窄或加宽信号路径。例如，对于更宽的信号路径，位于阵列边缘处的天线元件的相位延迟可以被调整为创建从中心线通过孔隙的轴线发散的信号路径，即，加宽的信号路径；对于定向信号路径，可以按照类似的方式调整所有天线元件的相位延迟，即，它们全部指向同一方向。本领域技术人员将认识到相位延迟的任何数量的变化可以应用于天线元件中的一个或多个天线元件以便按照需要对孔隙的输出进行成形。

因此，每条传输线的相位被选择为形成给定的透镜***。所使用的元件数量限定所得的焦点、波束图案或增益。因此，可以按照与使用离散元件为平坦区域透镜实现的方式相同的方式实现焦点。在此公开的天线***基本上是平面波束形成器。

图7示出根据本发明的用于具有六边形天线元件的无源中继器的孔隙透射模式。在图7中，在来自第一区域12内的发射器Tx和第二区域13内的接收器Rx的路径内示出具有深度31a的孔隙11a。在本发明的实施例中，孔隙包括元件阵列34，在图6中，该阵列是10x10阵列。本领域技术人员将认识到孔隙内的天线阵列可以包括任何数量的行和列。

本发明的此实施例的操作类似于以上结合图6描述的操作。使用图6中的六边形天线元件vs.矩形天线元件是选择问题。通常，大多数天线是矩形的；其它选项包括六边形、圆形等等。

图8A和图8B示出用于根据本发明的无源中继器的孔隙元件以及具体地天线元件透射模式的三元件八木式天线。

如图8A和图8B所示，所使用的两个天线50、51是三元件八木式天线自具有从动元件和反射器55。这些天线展现极佳的前后比。这些天线通过非双绞的传输线对57连接。通过调整长号长度52来为给定的元件调整相位并且通过相位移位器53对相位进行移位。图8A示出安装有阻抗控制盖件54的孔隙；图8B示出移除了阻抗控制盖件56的孔隙。

这些天线的一个特征是它们具有极佳的前后比。这些天线通过非双绞的传输线对连接。通过调整长号(trombone)长度为给定的元件调整相位。 如果需要的话，使用旋转的第二孔隙元件实现交叉极化。

图9示出根据本发明的子元件的细节。子元件描述了天线元件结构。孔隙包括这种子元件的阵列。每个子元件包括由传输线连接的两个定向天线。传输线的长度被调整使得为元件选择所需的相位延迟。在本发明的实施例中，所示出的元件是矩形的或六边形的并且均匀地分布。也可以允许非均匀分布，以按照需要或如果需要的话实现振幅加权。这还可以通过从孔隙中的元件阵列撤出元件以实现与均匀阵列相同的结果来实现。

每条传输线的相位被选择为形成给定的透镜***。所使用的更多元件限定所得的焦点和波束图案。因此，可以按照与使用离散元件为平坦区域透镜实现的方式相同的方式实现焦点。这个新***基本上是平面波束形成器。

在图9中，第一三元件八木式天线包括定向器90、偶极子91以及与第二三元件八木式天线95共享的反射器92。八木式天线包括平衡-不平衡变换器98。

本实施例中的天线元件是在PCB 96上形成的(以轮廓示出)并且包括铜底部迹线97和铜顶部迹线92。在一些实施例中，PCB材料可以被***在顶部迹线和底部迹线之间。

图10示出根据本发明的另一个子元件细节。在图10中，子元件包括两个三元件八木式天线，每一个例如连接最右侧八木式天线，并包括定向器105、偶极子104以及具有第一反射器边缘101和第二反射器边缘100的共享反射器。设置了匹配物102和平衡-不平衡变换器106。使用迹线103实现相位移位器107。在图10中，为5.4GHz频带提供用于天线子元件的各个部件的维度。本领域技术人员将认识到可以为需要的操作频率选择其它适当的维度。

图11是示出根据本发明的无源中继器中的孔隙元件透射模式的框图。定向天线40、42具有将天线彼此隔离并且允许双向相位移位路径的前后比。这符合互惠定律。在本发明的实施例中，定向天线提供至少15dB并且最多25dB的前后比，因此实现30dB到50dB的隔离。可以适用于这种天线***的天线示例包括八木式三元件天线、对数周期天线、喇叭天线和贴片天线。八木式和对数周期天线通过平衡传输线41连接并且还可以交叉以便进行双极化。喇叭天线应当使用波导连接并且也提供双极化。

图12示出根据本发明的包括八木式三元件天线的单向天线。如所述，本发明容易地适用于许多不同的天线配置，包括但不限于八木式天线、对数周期天线、贴片天线和喇叭天线。图12示出的三元件八木式天线包括反射器121、偶极子122和定向器123。通过平衡-不平衡变换器124实现对RF馈线120的加载。

图13A和图13B示出根据本发明的处于孔隙元件透射模式的从动元件馈送反转技术，逆转或180度。在图13A和图13B中，平衡反射器60连接到从动元件55。已经移除阻抗盖板。注意，传输线60在反射器元件57下方通过。

图13B示出用于反转从动元件的极性的机构。这允许的相位移位。使用这种相位移位允许长号的宽度为不要长号时的宽度的一半。注意，反转元件子安装在在顶部，不同于非反转元件。本领域技术人员将认识到简单的对数周期天线可以替换八木式天线。其它类型的天线也可以替换这些天线，包括圆形极化类型。

图14是示出根据本发明的无源中继器中的孔隙元件反射模式的框图。根据本发明的此实施例的孔隙包括定向天线70和连接到无损终端72的传输线71。在反射模式中，所有接收能量基本上是在带有相位移位的情况下反射回来的并且因此变成发射能量。相应地，通过在孔隙阵列中使用适当的传输线相位移位实现反射透镜。

尽管在此参照优选实施例描述了本发明，本领域技术人员将容易认识到其它应用可以替换本文列出的那些应用而不背离本发明的精神和范围。相应地，本发明应当仅由以下权利要求书限定。

Claims (24)

1.一种透射式无源中继器，包括：

两个或更多的天线阵列，每个天线阵列具有关联区域；以及

由所述天线阵列限定的孔隙，其中，各个天线阵列处的能量在所述区域的各区域之间经过。

2.如权利要求1所述的中继器，所述孔隙包括以下任一：

全息板和菲涅尔透镜。

3.如权利要求1所述的中继器，进一步包括：

所述孔隙根据以下等式限定能量传送路径：

引导 Rxd＝Tx+Gt+Gx+20Log(λ/(4πR2))

R1 Ri＝Tx+Gt+10Log(Ai/(4π(R1^2))

R2-R1 Rx＝Ri+Gx+10Log(Ai/(4π((R2-R1)^2)))

其中，从Tx辐射的由dBm表示的信号由具有区域Ai的孔隙Ri接收；

其中，孔隙Ri处的接收功率＝场强乘以区域Ai的面积；

其中，基于Ai和用于具有增益Rx的距离R2-R1的扩展因数确定接收信号Rx；以及

其中，R1是沿着传输路径从发射器到所述孔隙的距离，而R2是沿着所述传输路径从所述发射器到接收器的距离。

4.如权利要求1所述的中继器，其中，在2G频带和5G频带中的任一频带内通过Wi-Fi接收并发射能量。

5.如权利要求1所述的中继器，其中，所述孔隙包括以下任一：

平板、具有一个或多个弯曲的弯曲表面、曲面以及弯曲表面和/或曲面的组合。

6.如权利要求1所述的中继器，进一步包括：

多个孔隙的级联，包括透射模式、反射模式以及透射模式和反射模式的组合中的任一种。

7.如权利要求1所述的中继器，所述孔隙进一步包括以下任一：

电介质透镜、阶梯式电介质透镜、离散式金属形状散射透镜、菲涅尔透镜、全息透镜以及离散的多个天线元件透镜。

8.如权利要求1所述的中继器，其中，所述孔隙用通过复数加权的发射信号重新发射接收信号的天线***替换多个点；

其中，复数加权是通过控制所述孔隙内的天线元件密度以及通过每个天线元件的相位延迟实现的。

9.如权利要求1所述的中继器，其中，相位延迟以约45°的步长在360°的范围变化。

10.如权利要求1所述的中继器，所述孔隙进一步包括：

元件阵列，每个元件包括通过传输线连接的两个定向天线，其中，所述传输线的长度被调整使得为每个元件选择所需相位延迟。

11.如权利要求10所述的中继器，其中，每条传输线的相位被选择为形成给定的透镜***。

12.如权利要求10所述的中继器，其中，所使用的元件数量限定所得的焦点和光束图案。

13.如权利要求1所述的中继器，所述天线阵列进一步包括：

两个定向天线，具有将所述天线彼此隔离并且允许双向相位移位路径的前后比。

14.如权利要求1所述的中继器，所述天线阵列各自进一步包括以下任一：

八木式三元件天线、对数周期天线、喇叭天线、贴片天线以及圆形极化天线。

15.如权利要求14所述的中继器，其中，所述八木式和对数周期天线通过平衡传输线连接，所述平衡传输线被可选地配置为交叉以便进行双极化。

16.如权利要求14所述的中继器，其中，所述喇叭天线使用波导连接并且被可选地配置为用于双极化。

17.如权利要求14所述的中继器，其中，所述三元件八木式天线各自包括：

至少一个从动反射器；

其中，所述三元件八木式天线通过非双绞的传输线对连接；

其中，通过调整长号长度为给定的元件调整相位；以及

其中，相位由相位移位器进行移位。

18.如权利要求17所述的中继器，进一步包括：

第二孔隙元件，旋转以提供交叉极化。

19.如权利要求17所述的中继器，进一步包括：

用于反转所述从动元件的极性以提供180相位移位的机构。

20.一种反射式无源中继器，包括：

孔隙，其中，在所述孔隙处接收的能力是从所述孔隙反射回来的，所述孔隙被配置成在由多个独立天线元件的复杂耦合所确定的两个区域之间提供共形映射。

21.如权利要求20所述的中继器，进一步包括：

多个孔隙的级联，包括透射模式、反射模式以及透射模式和反射模式的组合中的任一种。

22.如权利要求20所述的中继器，其中，相位延迟以约22.5o的步长改变180至端子反射点。

23.如权利要求20所述的中继器，所述孔隙进一步包括：

定向天线；以及

连接到无损终端的传输线。

24.一种能够以透射模式和反射模式中的任一种模式操作的无源中继器，包括：

天线阵列，包括多个独立天线元件，每个天线内的每个元件包括通过传输线连接的两个定向天线，所述传输线的长度被调整为选择确定的相位延迟，其中，所述天线阵列在由所述多个独立天线元件的复杂耦合所确定的两个区域之间实现共形映射；以及

所述天线阵列被配置成用复数加权的发射信号重新发射接收信号，其中，所述复数加权通过控制所述阵列内的天线元件密度以及控制通过所述阵列内的每个元件的相位延迟来实现，以便为传出信号施加定向分量。