CN1539178A - 用于频率选择波束形成的方法和仪器 - Google Patents

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Abstract

一种定相天线阵列，提供了使用户单元能够在不同方向上发送和接收信号，并允许在两个方向上同时优化增益。这样，由不同频率上的通信信号所产生的干扰和多径效应就能被补偿，于是提高了在前向和反向两个方向上的增益。频率选择组件(410)分别连接到天线(210)上。至少两个预加重结构(415和420)连接到频率选择组件(210)上独立提供具有分离频谱的可操纵的波束。预加重组件(415和420)可以包括相位偏移器件以分别操纵波束，可以包括至少一个可变增益放大器件以独立放大由各自天线(210)接收或发送的信号，这样分别优化波束的波形。通过拥有独立可操作和独立调整波形的波束，定向天线在多频带和/或多径环境中、同频或扩频网中更引人注目。

Description

用于频率选择波束形成的方法和仪器
发明背景
在无线通信领域，时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)协议都用于基站和移动站间的通信。TDMA协议用于单频发送和接收信号，而CDMA***使用一个频带发送信号，用另一个频带接收信号。两种情况下，多传输路径都可能是干扰源。
图1是环境的例子，在环境100中存在多径传输。环境100包括第一天线塔105a和第二天线塔105b。天线塔105a和105b上都有基站(未画出)。环境100还包括第一写字楼110a和第二写字楼110b。在第一写字楼110a中，用户单元115处在两个信号塔105a和105b的信号范围中。
从天线塔105a、105b到用户单元115有若干个信号路径。第一条信号路径120是从第一天线塔105a到用户单元115的直接路径。第二条信号路径125包括从110b反射来的信号，它是从105a发送到用户单元115的独立信号。第三条信号路径130是从第二天线塔105b到用户单元115的直接信号。
第一信号路径120在第一天线塔105a的方向上。如果用户信号配置了可操纵天线，用户单元115可以仅仅指向(指向一个波)这个预期信号最强的方向。预期最强信号在第一天线塔105a和第二写字楼110b之间的方向上。
在方向寻找时，多传输路径总是有害的，因为它干扰了信号的真实方向。与第一信号路径120同相的多径成分实际上是有好处的，这样，方向改变就不重要了。所以，多传输路径不总是干扰。无论如何，第三信号路径130全都是干扰，因为它和通过第一信号路径传输的信号不一致并且不可能与第一信号路径上的信号同相。
如果用户单元115使用了定相天线阵列，它就可以使用定相天线阵列控制对应的天线波指向第一天线塔105a，或者当多传输路径出现时指向所需最强的信号。除此之外，定向天线阵列可用于控制对应的天线波，使它只从第一天线塔来的信号路径120方向接收信号，于是消除了第二信号路径125造成的多径效应(信号展宽)，或第三信号路径130造成的干扰。
图2是图1中用户单元115所使用的定相阵列天线，它能操纵对端波束，在那里控制是通过射频信号的相移来实现的，射频信号收/发自组成阵列天线200的天线元。定相阵列天线200是由天线子集205组成的。每个天线子集205包括一个天线元210、一个双工器215和一个相位偏移器220。控制信号用于调整相位偏移器220所施加的相位偏移。
在发送模式下，定相阵列天线200的子集205接收信号230。信号是被相位偏移器220以某种方式所偏移的，当所有天线元210的波束是合成的时候，这种方式使波束(未画出)由控制信号225所指挥。当双工器215处于发送模式的时候，信号230从相位偏移器220通过双工器215传递到天线元210。
在接收模式下，天线元210从同一个控制信号225定义的方向接收的射频信号最强。天线元210项双工器215提供接收到的信号，双工器215设置成为接收模式使所收到的射频信号能传递到相位偏移器220。相位偏移器220向加法器(未画出)提供相位偏移过的信号230用来重建信号。重建后的信号然后被接收器所处理(未画出)。
发明概述
当前，确定用户单元和天线塔之间的优化增益的实验揭示出，当使用不同频率传输信号时，最适宜的信号方向随不同频率而变化。在CDMA技术中，为用户单元定义，接收(Rx)信号范围在1930-1990MHz，发送(Tx)信号频段从1850-1910MHz。进一步的测试表明最佳信号路径对CDMA技术中的Tx和Rx信号是不同的，与不同频率下传输信号的情况一样。进一步的实验证实，事实上，用户单元和基站天线塔之间的最佳信号路径是频率相关的，这影响了Tx和Rx的信号路径。
至少一种理由已经确认解释不同频率信号的不同最优信号方向，它是由于天线塔与用户单元天线间传送信号的折射角不同。例如，在CDMA技术中，当Tx和Rx信号穿过写字楼窗户上的玻璃时，Tx信号“弯曲”了一种角度，Rx信号“弯曲”了第二种角度。不同的反射角可能造成信号在用户单元所在的办公室内跑多个路径。而且，Tx和Rx信号以不同角度围绕写字楼以外的物体弯曲，这也是传输路径不同的另一个原因。角度差和多径的结果是，最好的情况下降低信噪比(SNR)，最糟的情况下是造成通信中断的干扰。
在定向天线技术中有一个假设，前向和反向连接传输的信号的最优方向沿着同样的路径。这样，一旦方向被选定——一般方向是基于Rx信噪比(SNR)选定的，所选方向同时用于Tx和Rx信号。当所选方向被发现是按照两个连接之一所优化的，天线的所选方向对于另一个连接可能是次优的，如同上面讨论过的实验中所学习到的那样。
总的来说，本发明使用户单元能够同时在不同方向上接收和发送信号，允许在两个方向上优化增益。这样，工作在不同频率上的通信信号造成的折射和多径效应就能够被补偿，以增加前向和反向两个连接上的增益。
因此，本发明包括带有排列成天线阵列的多个天线元的定向天线。频率选择组件连接到各自的天线元，频率选择组件提供同时的频率鉴别。至少2个预加重结构连接到频率选择组件来独立提供可操纵的波束，这些波束含有频谱分离的信号。
频率选择组件可以被设计用于发送和接收信号，例如在CDMA***中，其中发送和接收信号频带是分开的。频率选择组件业可以被设计用于分离具有不同频率的同方向的信号。频率选择组件还可以分离多于2个的信号，此时多于2个相位偏移单元连接到频率选择组件上。频率选择组件可以由印刷点路或非印刷电路技术组成，或者二者兼而有之。
预加重结构可能包含相位偏移单元以独立操纵波束。独立的控制信号设置各自的相位偏移量。预加重结构可能还包括至少一个可变增益放大组件以独立放大接收或发送到各自天线元的信号。通过带有多于1个可变增益放大组件，它们对应与每个天线元，各自的波形可以被优化。
定向天线还可以包括对应与每个波束的合成器以合成通过天线元所发送和接收的信号。
通过使用独立可操作和可整形的波束，定向天线适用于多频带和/或多路径环境。
在一种实施方案中，基于从基站接收到的引导信号，用户单元优化前向连接波束模式(也就是接收、Rx、在前向联接上的接收信号波束)。基于从基站通过前向连接对给定接收信号质量的反馈，用户单元还可以优化反向(也就是发送、Tx)波束模式。而且同时，当用户单元优化前向波束(Rx波束)到最佳信噪比(SNR)或载波干扰比(C/I)时，用户单元可以操纵反向波束(Tx波束)到信号的接收功率最大的方向，信号是从给定的基站发来的。这种或其它确定前向和反向连接(分别以用户单元的角度看来的接收和发送波束)波束的方向的技术由美国专利提供，美国专利申请编号No.09/776,396，申请时间2001年2月2日，标题为《自适应天线方向再搜索的方法和设备》，申请人Proctor等，其全部内容都在此作为参考。
附图的简要描述
本发明的上述及其它目标、特性和优势将在下面对其具体化的详细的描述和优选的实施方案中变得更为清楚明了，在附图中相同的标记代表同样的部件。附图不一定是按比例的，强调说明本发明的原理。
图1是无线通信***所处环境的示意图；
图2是先进的定相阵列天线***的方框图；
图3是运行本发明原理的***所处环境的示意图；
图4是图3所使用双工独立波束阵列的方框图；
图5是图4中双独立波束阵列的实现方式的详细示意图；
图6是用于图4中双工独立波束阵列的频率选择组件的实现方式的示意图；
图7是图6所示典型频率选择组件的频率响应图；
图8是图3***所用程序的实现的流程图。
发明的详细描述
下面是本发明的优选的实施方案的描述。
图3是本发明的举例使用方法的示意图。一个可移动个人计算机305通过天线电缆310连接到天线阵列315。因为天线元317的排列，天线阵列315可以组成定向波束。
如图，天线阵列315提供2个波束：一个发送波束320和一个接收波束325。发送波束320被定向于通过窗口330在优化方向上发送信号120到天线塔105a。同样地，接受波束325被定向于通过窗口330在优化方向上从天线塔105a接收波束125。
当采用CDMA时，对于用户单元，发送(Tx)信号工作在1850-1910MHz，接受(Rx)信号工作在1930-1990MHz。这两个信号的频率差足够大，以至于造成例如穿过窗口330时信号的折射角的差别，这个差别与其它与方向有关的差别同时起作用。为了优化信噪比、减轻多径效应和其它信号干扰，天线阵列能够在同一个天线阵列315上同时提供Tx和Rx波束。
为了优化接收波束角，控制接收角的***可以使用接收信号的信噪比(SNR)作为确定最佳接收波束角度的参数。一种可以用于优化接收角的方法已经在专利中描述，美国专利号No.6,100,843和相关未决专利美国专利申请编号No.09/616,588，申请是间2000年7月14日，标题为《用于同一频率网络中的自适应天线》，申请人Proctor等，其全部内容都通过在此引述而合并于本文。
为了优化传输波束角，控制发送波束角的***在不同角度上发送，并允许塔105a上的基站(未画出)提供信号方向是否最佳的反馈。可以采用发送和反馈信号不同的实现方式来确定最佳发送波束角，例如美国专利申请中所描述的，美国专利申请编号No.09/776,396，申请是间2001年2月2日，标题为《自适应天线方向再搜索的方法和设备》，申请人Proctor等，其全部内容都通过在此引述而合并于本文。
例如，在美国专利申请No.09/776,396的描述中，根据用户单元接收到的引导信号有多好，用户单元可以优化前向连接波束模型(Rx波束)。基于从基站通过前向连接对给定接收信号质量的反馈，用户单元还可以优化反向(Tx波束)波束模型。而且，当用户单元优化前向波束(Rx波束)到最佳信噪比(SNR)或载波干扰比(C/I)时，用户单元可以操纵反向波束(Tx波束)到信号的接收功率最大的方向，信号是从给定的基站发来的。
本发明的原则在使用不同频率信号的***中是有作用的。例如，在具有不同频率发送和接收波束的***中，***可以在两个不同频率上发送这两个信号。而且，当天线阵列315可以向3个信号提供3个不同的波束角时，可以使用接收信号和2个频谱分离的发送信号。同时存在的波束角的数量要求相应数量的相位偏移器和频率选择组件，它们提供同样数量频率的信道。
图4是用于提供发送波束320和接收波束325的***的方框图。天线集合405包括天线元210、频率选择组件410、接收预加重结构415(相位偏移器和放大器)和发送预加重结构420。
预加重结构415、420分别由控制信号425、435所控制。接收预加重结构415支持接收信号430，发送预加重结构420支持发送信号440。
天线集合405是n个由天线阵列315(图3)组成的天线集合405之一。每个天线结构405中预加重结构415、415的数量决定了波束的数量，波束可以在天线集合315上同时以不同的角度和/或模式生成。频率选择组件410提供不同频率信号间的鉴别。而且，频率选择组件410提供被动的方法用于分离不同频率的信号，这样可以降低天线集合405所需的功率。
预加重结构415、420的独立控制由控制器445提供，它生成接收控制信号425和发送控制信号435。控制器445拥有智能来为发送波束320和接收波束325(图3)提供角度和/或模式，或者，由本地***(移动计算基305)提供智能来决定波束的最优角度和/或模式。在这种实现方式中，本地***向控制器445提供最优角度和/或模式信息，它们依次提供给预加重结构415、420。
图5是图4中双独立波束阵列***的扩展实现的示意图。按照本发明的原则，发送波束320和接收波束325可以被同一个天线阵列315(图3)同时独立地定向。
双独立波束阵列***500包括组成网络505的多个发送/接收波束。每个网络505包括一个天线元510、频率选择组件515、各自的接收和发送预加重结构415、420。在这种实现方法中，接受预加重结构415包括低噪音可变增益接收放大器520和接收相位偏移器522。发送预加重结构420包括低噪音可变增益发送放大器525。
网络505中的放大器520、525提供更好的性能，可能比在远离天线元510的地方放置单个接收和发送放大器更贵。无论如何，因为波束是定向的，在波束最强的方向上有较高的增益，放大器520、525不需要高功率，与全方向天线的情况相同，所以单个放大器的成本可以相对便宜。
另外，低噪声放大器520和功率放大器525可以在合成器530和535之后。因为只用单一放大器，***500可能不贵，但是将具有比图示分布式放大方案更糟糕的性能。
相位偏移器522、527可以是通用相位偏移器或者是在专利中描述的类型，美国专利申请编号No.09/774,534，申请日期2001年1月31日，标题为《带有增强相位偏移性能的电子相位偏移器)》，申请人Chiang等，其全部内容都通过在此引述而合并于本文。
第一合成器530发送信号到组成网络505的波束的N发送参考点。第二合成器535从到组成网络505的波束N接收参考点接收信号。合成器可以是典型合成器，比如威尔金斯功率合成器。
进一步地，天线元510可以是可用于波束形成的天线阵列的通用天线元，也可以是其它天线类型，例如美国专利申请所示类型，美国专利申请号No.09/773,277，申请日期2001年1月31日，标题为《无线通信***所用堆叠双极天线》，申请人Chiang等，和美国专利申请编号No.09/773,377，申请日期2001年1月31日，标题为《印刷电路低外观垂直双极天线》，申请人Gothard等，其全部内容都通过在此引述而合并于本文。
进一步地，频率选择组件515可以是多种类型的，包括可印刷和不可印刷的。对频率选择组件515来说，无论如何，提供充分的频带隔离是非常重要的，不要让Tx和Rx信号互相泄漏，这会产生信号噪音。
图6提供了可印刷的频率选择组件的例子。参见图6，频率选择组件315包括2个90度混合器605，2个低通滤波器(LPF)，和1个180度固定相位偏离器615。从天线元150收到的信号被送往第1个90度混合器605，然后输出到低噪音放大器(LNA)320a。放大后的接收信号提供给接收器(未画出)做进一步处理。
发送器(未画出)向功率放大器(PA)320b提供信号。放大了的发送信号由频率选择组件315处理并提供给天线元510(未画出)。被天线所发送的信号更适合于由频率选择组件315从低噪声放大器320a处隔离。
频率选择组件314可以是低成本的，但是可能不能提供与其它可能的频率选择组件一样的性能水平。比如，因为Q值低，频率选择组件315不能提供80MHz以内的发送和接收信号间的高度隔离。如轮如何，因为频率选择组件是可印刷的，它很小而且制造起来不贵。
频率选择组件的一种商用的选择来自安杰仑科技(AgilentTechnoloigies)，它被称为薄膜整体声共鸣器(FBAR)，它在一个小的包装体积里提供高Q值滤波器。HPMD-7903就是一个这样的双工FBAR，它相当小。HPMD-7903具有很好的性能参数，但是比图6中可印刷的频率选择组件昂贵。
目前频率选择组件315的另一个可选择的实现方式是陶瓷双工器。陶瓷双工器(i)具有高性能、高Q值过滤特性，(ii)相对便宜，但是(iii)相对较大。在选择频率选择组件是其它性能参数也要考虑到，包括***损耗、噪声截止、功率处理、发送和接收带宽、信道隔离、带内波动、阻抗、和温度参数。
图7是一种频率选择组件315的频率响应曲线700。频率响应曲线700指出了接收通带705a和发送通带705b的通带范围。发送和接收特性用于CDMA***中的用户单元，其中发送频带指定为1850-1910MHz之间，接收频带指定为1930-1990MHz之间。
图8是用于双独立波束阵列***500(图5)的程序800的实现方式的流程图。程序800开始于步骤805。在步骤810中，程序800确定控制信号是否被收到以调整天线阵列接收波束的方向。如果收到了，在步骤815中，程序800控制连接到天线阵列上的接收预加重结构415(图5)的状态。如果没有收到，程序800转到步骤820。
在步骤820中，程序800确定控制信号是否被收到以调整发送波束方向。如果收到了，程序800转到步骤825，在那里程序800控制连接到同一个天线阵列上的发送预加重结构420(图5)的状态。程序800转回步骤810，直到***关闭。
程序800的另一种实现方式包括其它步骤或其它决策点，它们控制天线阵列315(图3)(i)以上面讨论过的方式，比如控制放大器520、525(图5)，或者(ii)以没有描述过的方式，但是一般在定向波束控制方法上可以理解。
程序800可以在控制器445(图4)上执行，也可以在主控器上执行，例如个人计算机305上的控制器(图3)。
本发明已经用优选的实施方案作为参考详细地说明和描述了，本领域普通技术人员都应知道的是，在不脱离所附权利要求书定义的范围的情况下，其中的形式和细节可以做多种变化。

Claims (28)

1.一种定向天线，包括：
排列为天线阵列的多个天线元；
连接到各自天线元上的频率选择组件；
连接到每个频率选择组件上的至少2个预加重结构，他们产生具有频谱分离信号的独立可操作的波束。
2.根据权利要求1的定向天线，其中频率选择组件分离发送和接收信号。
3.根据权利要求1的定向天线，其中频率选择组件分离带有不同频率的同方向信号。
4.根据权利要求1的定向天线，其中频率选择组件是印刷电路。
5.根据权利要求1的定向天线，其中频率选择组件是非印刷电路。
6.根据权利要求1的定向天线，其中预加重结构包含相位偏移单元。
7.根据权利要求6的定向天线，其中相位偏移单元接收独立的控制信号以设定各自的频率偏移量。
8.根据权利要求1的定向天线，其中至少一个预加重结构包含至少一个可变增益放大组件。
9.根据权利要求8的定向天线，其中与每个天线元对应的可变增益放大组件的个数等于频谱分离的波束的个数，这些波束独立优化波形。
10.根据权利要求1的定向天线，还包含对应于没波束的合成器，它产生通过天线元接收或发送的合成信号。
11.根据权利要求1的定向天线，其中波束同时发生。
12.根据权利要求1的定向天线，其用于多径环境。
13.根据权利要求1的定向天线，其用于如下网络之一：同频网络，扩频网络，码分多址(CDMA)网络，或正交频分复用(OFDM)网络。
14.根据权利要求1的定向天线，其中，根据接收到的引导信号，连接到频率选择组件上的预加重结构之一被调整为优化接收波束模式。
15.根据权利要求1的定向天线，其中根据通过前向连接对给定接收信号质量的反馈，连接到频率选择组件上的预加重结构之一被调整为优化发送波束模式。
16.根据权利要求1的定向天线，其中连接到频率选择组件上的预加重结构之一被调整为操纵发送波束，这个波束对准来自给定基站信号接收功率最大的方向上；根据从包含最佳信噪比(SNR)和最佳载波干扰比(C/I)的组中选择的标准，另一个连接到频率选择组件上的预加重结构被调整为优化接收波束。
17.一种产生独立可操纵波束的方法，包括：
预加重在第一频率上的第一信号，这个信号通过排列成天线阵列的天线元接收或发送，这些天线元拥有连接到各自天线元上的频率选择组件，它们产生可操作的第一波束；
预加重与第一信号频谱分离的第二信号，产生独立可操作的第二波束，这些波束通过同一个天线阵列接收或发送。
18.根据权利要求17的方法，其中对第一和第二信号的预加重包括对信号的相位偏移。
19.根据权利要求18的方法，还包括分别选择第一和第二信号的相位偏移。
20.根据权利要求17的方法，其中第一信号通过天线阵列发送，第二信号通过天线阵列接收。
21.根据权利要求17的方法，其中预加重第一和第二信号包括可变地放大信号，以优化波束的形状。
22.根据权利要求17的方法，其中预加重第一和第二信号是同时进行的使波束同时产生。
23.根据权利要求17的方法，其用于多径环境。
24.根据权利要求17的方法，其用于如下网络之一：同频网络，扩频网络，码分多址(CDMA)网络，或正交频分复用(OFDM)网络。
25.根据权利要求17的方法，还包括根据接收到的引导信号优化接收波束模式
26.根据权利要求17的方法，还包括根据通过前向连接对给定接收信号质量的反馈优化发送波束模式。
27.根据权利要求17的方法，还包括操纵发送波束对准来自给定基站信号接收功率最大的方向上；根据从包含最佳信噪比(SNR)和最佳载波干扰比(C/I)的组中选择的标准，优化接收波束。
28.一种形成波束的仪器，包括：
用于对处于第一频率上的第一信号相位偏移的工具，这个信号通过排列成天线阵列的天线元接收或发送，这些天线元拥有连接到各自天线元上的频率选择组件，它们产生可操作的第一波束；
用于对处于与第一信号频谱分离的第二信号相位偏移的工具，它产生独立可操作的第二波束，这些波束通过同一个天线阵列接收或发送。
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