用于siso和mimo應用的轉向天線、cpl天線和一個或更多個接收對數(shù)檢測器放大器的組合的制作方法
【專利說明】用于SI SO和ΜI MO應用的轉向天線、CPL天線和一個或更多 個接收對數(shù)檢測器放大器的組合
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2013年3月15日提交的美國臨時專利申請No. 61/798, 521的權益。
技術領域
[0003] 本發(fā)明涉及用于在無線和有線模式下消除無線電干擾的幾種方法和對數(shù)檢測器 放大器（LDA)的實現(xiàn)方式。這樣的方法包括基于ΜΜ0的多天線選擇、調(diào)整和轉向，以及其中 結合轉向或CPL天線使用每接收天線一個LDA以改進接收機性能的方法。在本發(fā)明的統(tǒng)稱 下包括子集，一個更具體地涉及使用一個或更多個LDA來實施新的高性能高集成RF前端， 另一個描述LDA的雙向用途，包括作為發(fā)射功率放大器的LDA以及LDA和有源天線的最終 集成拓撲。
【背景技術】
[0004] 由于新一代蜂窩式電話和其他無線通信裝置變小并且嵌入有增加的應用程序，因 此要求新的天線設計解決這些裝置的固有的局限性以支持新的能力。在傳統(tǒng)天線結構的情 況下，需要一定的物理容量以產(chǎn)生在特定頻率并具有特定帶寬的諧振天線結構。然而，這樣 的天線的有效實現(xiàn)方式經(jīng)常面臨由于設備中的有限的可用空間而引起的大小約束。
[0005] 天線效率是確定該裝置的性能的重要參數(shù)之一。特別是，輻射效率是描述如何有 效地發(fā)生輻射的度量，并且被表示為天線的輻射功率與輸入功率的比率。更有效的天線將 輻射較高比例的饋送至其的能量。同樣，由于天線的固有互易性，更高效的天線將接收能量 中的更多的接收能量轉換為電能。因此，對于廣范圍的各種應用通常期望具有良好效率和 緊湊尺寸的天線。
[0006] 常規(guī)的環(huán)形天線通常是電流饋送裝置，其主要產(chǎn)生磁（H)場。因此，常規(guī)的環(huán)形天 線通常不適于作為發(fā)射器。這對于小型環(huán)形天線而言尤其如此，（即小于或具有小于一個 波長的直徑的那些天線）。通過環(huán)形天線接收到的輻射能量的量部分地由其面積確定。通 常，每當環(huán)的面積減半時，可以接收到的能量的量減少大約3dB。因此，大小效率折衷是針對 環(huán)形天線設計的主要考慮因素之一。
[0007] 電壓饋送天線例如偶極天線，輻射電（E)場和Η場兩者，并且可以用于發(fā)射模式和 接收模式二者。復合天線是下述天線，其中橫向磁場（ΤΜ)模式和橫向電場（ΤΕ)模式二者 被激發(fā)，從而導致性能益處例如寬的帶寬（較低的Q)、大的輻射強度/功率/增益以及良好 的效率。存在有許多二維、非復合天線的示例，其通常包括電路板上的金屬的印制條。這些 天線中的大部分是電壓饋送的。一種這樣的天線的示例是平面倒F天線（PIFA)。大量的天 線設計利用四分之一波長（或四分之一波長的某些倍數(shù)）、電壓饋送、偶極天線。
[0008] 在當今的無線通信裝置中越來越多地使用ΜΜ0(多輸入多輸出）技術，以提供增 強的數(shù)據(jù)通信速率，同時最小化錯誤率。ΜΙΜΟ系統(tǒng)被設計成：通過同時使用若干發(fā)射（Τχ) 天線發(fā)射不同的信號（所述這些信號不相同而是同一消息的不同的變體）并且同時使用若 干接收（Rx)天線接收不同的信號以減輕多路徑環(huán)境的干擾。Μπω系統(tǒng)一般可以提供顯著 增加的數(shù)據(jù)吞吐量而無需額外的帶寬，或者通過在天線上擴展相同的總發(fā)射功率以實現(xiàn)陣 列增益而提供增加的發(fā)射功率。Μπω協(xié)議構成無線通信標準例如IEEE 802. lln(Wi-Fi)、 4G、長期演進（LTE)、WiMAX和HSPA+中的一部分。然而，在具有多天線的配置中，大小約束 往往會變得嚴重，并且由于天線中的電磁耦合引起的干擾效應會使發(fā)射和接收質(zhì)量顯著劣 化。同時，在多條路徑被激勵的許多情況下效率可能劣化，并且功耗增加。
[0009] 發(fā)射和接收質(zhì)量的這種劣化對于WLAN和WAN的應用特別成問題，因為覆蓋、在任 何點上傳遞的有效吞吐量、干擾的電平以及容量是用于有效寬帶連通性的特別重要的參 數(shù)。在新應用例如休閑視頻流的情況下，對WLAN和WAN的性能期望非常高，在這樣的系統(tǒng) 中使用的天線必須能解決這些性能問題，以提高性能。
[0010] 有很多機會來改善如終端用戶使用其智能電話在WAN上或使用其PC或手持設備 在私人或公共WLAN網(wǎng)絡上所體驗的性能。具體而言，WLAN在下述住宅的情況下具有改進 住宅部署的余地，其中每個住處都有一個或更多個Wi-Fi接入點或路由器。多年來在范圍 的覆蓋和吞吐量方面得到了很大改善，平均而言，廣大用戶在其家中獲得良好的覆蓋和吞 吐量數(shù)據(jù)。但是，日益嚴重的問題是可用帶寬的稀缺以及每年增加的相關干擾問題。用于 WLAN用途的第一 ISM頻帶在美國為900MHz。隨著裝置如相機和無繩電話以及各種協(xié)議和 不同的調(diào)制方案的豐富，900MHz頻帶迅速變得過于擁擠。然后，2. 4GHz頻帶被分配和用于 11個信道上的IEEE802. lib和802. llg設備，但只有3個非交疊的信道。
[0011] 新的無繩電話（例如：數(shù)字增強無繩電信DECT 6. 0)在2. 4GHz頻段中引進，但是 目前的狀態(tài)是，平均而言，在任何大都市區(qū)或郊區(qū)，每個WLAN節(jié)點附近會發(fā)現(xiàn)5或10個路 由器。對于路由器而言，這意味著帶寬的競爭，因為它們將彼此看作惡意應用程序。存在用 于降低發(fā)射功率和回退（延遲）發(fā)射的算法，但是實際的一面是它們在大多數(shù)情況下未應 用在Wi-Fi應用中。而對于LTE、WCDMA，在移動手持機用戶設備（UE)與演進節(jié)點B(e節(jié)點 B)、GSM基站收發(fā)站之間存在有恒定功率調(diào)整。平均來說，2. 4GHz頻帶也過于擁擠。相對較 新使用的5GHz頻帶提供了更多非交疊信道，但是需要更高清晰度的更多視頻而加劇的對 于更多帶寬的持續(xù)渴求表明需要更多的帶寬資源，例如提供160MHz帶寬的802. llac。
[0012] WLAN和WAN系統(tǒng)的性能問題通常由新的一代的802. llb/g/a/n無線網(wǎng)卡和模塊 的開發(fā)得到解決。然而，附近的無線LAN相互沖突，這主要是由于交疊信道的干擾抵消。這 種沖突使帶寬隨著客戶變得更遠離于路由器并且更接近于鄰近的WLAN中的競爭路由器而 減少。此外，視頻應用由于干擾引起的疲軟的吞吐量數(shù)據(jù)或性能不佳仍然是一個問題，因 而提供了性能改進的重大機會。此外，目前的802. 11系統(tǒng)必須與新的競爭無線標準例如 LTE-Adanced版本10(http://www. 3gpp. org)進行比較，該新的競爭無線標準許諾通過橋 接模式對于蜂窩裝置、平板電腦和PC在下載（DL)時數(shù)據(jù)高達3Gbps并且在上傳（UL)時高 達1.5Gbps。主要的區(qū)別是蜂窩網(wǎng)絡例如居住環(huán)境中的LTE和Wi-Fi的同步方面。在LTE 和Wi-Fi的情況下干擾問題不應存在或者應更低；但是，即使對于同步的WAN而言，由于多 徑衰落引起的有待完善的容量和較低的吞吐量仍然存在。
[0013] 本申請人開發(fā)了對數(shù)檢測器放大器（LDA)，LDA通過使接收器能夠在存在噪聲時 更可靠地接納低電平系統(tǒng)來解決上述問題。另外，LDA允許發(fā)射機成比例地降低發(fā)射功率 以向相鄰裝置提供較低水平的干擾。在美國專利7, 911，235中描述了示例性的LDA，該專 利的內(nèi)容通過引用并入本文。如在其中說明的，LDA包括放大器（例如，離散晶體管或運算 放大器）、用于設置檢測器的操作的頻率的裝置（例如，調(diào)諧LC或RC調(diào)諧反饋電路或鎖相 環(huán)）以及控制器。放大器的輸入信號在放大器中產(chǎn)生振蕩，并且控制器感測指示振蕩的閾 值，并且響應于檢測振蕩來中斷放大器的振蕩使得中斷的頻率與輸入信號的功率的對數(shù)成 比例。
[0014] 在操作期間，在放大器的輸入端的電噪聲以由LC調(diào)諧反饋電路確定的頻率來設 置電路振蕩。調(diào)諧電路的帶寬之外的噪聲對電路的操作的影響最小。另一方面，位于LC調(diào) 諧反饋電路的帶寬內(nèi)的進入信號導致振蕩器比在隨機噪聲單獨激發(fā)電路的情況下更快地 振蕩。在接收的噪聲中存在有想要的信號的情況下，輸入信號在設定的操作頻率處的相對 電平較高，并且與單獨的隨機噪聲的情況下相比會更早地達到閾值。想要的信號的電平越 高，則達到閾值越早并且振蕩的中斷將更頻繁。因此，具有預期頻率的想要的信號與單獨隨 機噪聲相比使得振蕩更快地發(fā)生。已證明這樣的LDA對于消除干擾相當有效。
[0015] 希望通過提供更大的空間分集來解決現(xiàn)有技術中的上述問題。在傳統(tǒng)的移動蜂窩 網(wǎng)絡系統(tǒng)中，基站不具有關于小區(qū)內(nèi)的移動單元的位置的信息，在小區(qū)內(nèi)的所有方向上輻 射信號以提供無線電覆蓋。這導致在沒有要到達的移動單元時發(fā)射功率的浪費，另外，造成 對使用相同頻率的相鄰小區(qū)即所謂的同信道小區(qū)的干擾。同樣地，在接收時，天線接收來自 所有方向的信號，包括噪聲和干擾信號。通過使用智能天線技術并且使小區(qū)內(nèi)的移動單元 的空間位置不同，空分多址技術提供有吸引力的性能增強。基站的輻射圖案，無論是在發(fā)射 和接收時，適于每個用戶以在該用戶的方向上獲得最高增益。這通常使用相控陣列技術來 實現(xiàn)。
[0016] 鑒于使用這樣的天線時增加的空間分集和當使用LDA時對干擾消除的顯著改善， 希望根據(jù)本發(fā)明來探索LDA在無線和有線通信的新應用中的使用。特別是，希望使LDA、多 天線、有源天線以及多有源天線和接收器同步，以減少或消除干擾，從而提供無線路由器和 客戶之間的更大范圍和帶寬。本發(fā)明解決本領域中的這些和其他需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 所要求保護的天線系統(tǒng)通過實現(xiàn)一個或更多個解決方案來解決本領域中的上述 需求，包括具有適于減少或基本上消除無線通信的干擾的LDA的、適于改善空間分集的天 線。如上所述，附近的無線局域網(wǎng)彼此沖突，這主要是由于交疊信道的干擾抵消。這種沖突 隨著客戶端遠離路由器，并接近鄰近WLAN中的競爭路由器而使得帶寬減小。通過使用同步 的LDA、多天線、有源天線以及多有源天線和接收器，以減少或消除這種抵消，如本文所述， 可以使用本發(fā)明在無線路由器和客戶端之間提供更大的范圍和帶寬。
[0018] 此處描繪的本發(fā)明處理該干擾問題，著眼于使用LDA、多天線、有源天線以及多有 源天線和接收器的各種解決方案，以部分或完全減少干擾。在這里描述的多種實施方式包 括：
[0019] 1.LDA，其作為在天線的基部處的接收器低噪聲放大器（LNA)，如復合印制環(huán)路 (CPL)天線。
[0020] 2.射頻前端，其包括發(fā)射器功率放大器以及RF發(fā)射/接收開關、可選帶通濾波器， 還包括LDA作為具有相同輸入/輸出頻率的接收器LNA。
[0021] 3. LDA作為天線的RF前端，其中LDA用作：
[0022] a.雙向全雙工或半雙工放大器裝置，
[0023] b.發(fā)射器功率放大器，
[0024] c.發(fā)射器功率放大器，其中一體的對數(shù)轉換功率檢測器輸出到基帶以發(fā)射功率電 平反饋，
[0025] d.替換具有多波段或可變發(fā)射器和接收器的RF前端，以覆蓋全雙工或半雙工時 分多路復用或頻分復用的應用的不同波段，
[0026] e.替換具有分離器的RF前端（和可選的帶通濾波器），或者
[0027] f.替換不具有分離器（和可選的帶通濾波器）的RF前端，其中接收器路徑在全雙 工或半雙工配置的另一頻率。
[0028] 4.基于LDA的射頻前端，其具有用于SIS0或Μ頂0收發(fā)器、接收器，或發(fā)射器的每 天線一個LDA系統(tǒng)。
[0029] 5.各種架構，其使用可調(diào)節(jié)天線和基于LDA的RF前端使得能夠減少SIS0或Μ頂0 中的干擾。
[0030] 6.各種架構，其允許使用可調(diào)節(jié)CPL天線和非LDA的RF前端來減少SIS0或Μ頂0 中的干擾。
[0031] 7.結合每天線一個接收LDA使用一個或更多個可選擇的、可調(diào)節(jié)的、可轉向的天 線，以控制用于SIS0或ΜΜ0的天線的架構。
[0032] 8.結合每天線一個發(fā)射/接收LDA使用一個或更多個可選擇的、可調(diào)節(jié)的、可轉向 的天線，以控制用于SIS0或ΜΜ0的天線的架構。
[0033] 9.結合在天線的基部每模塊一個集成的LDA功率放大器使用一個或更多個可選 擇的、可調(diào)節(jié)的、可轉向的天線來控制天線的架構。
[0034] 10.結合在RF頻率的雙向LDA來使用一個或更多個可選擇的、可調(diào)節(jié)的、可轉向的 天線的架構，其中，LDA用作為反向的發(fā)射器功率放大器，正向的接收器LNA，以及RF開關由 用于發(fā)射和接收路徑的分離器替換，包括針對可調(diào)節(jié)天線的控制。
[0035] 11.結合雙向LDA來使用一個或更多個可選擇的、可調(diào)節(jié)的、可轉向的天線的架 構，包括接收器解調(diào)，其中，LDA用作為反向的發(fā)射器功率放大器，正向的接收器LNA，RF開 關由用于發(fā)射和接收路徑的分離器替換，以及類似接收器LNA的LDA饋送QPSK解調(diào)器，包 括針對可調(diào)節(jié)天線的控制。
[0036] 12.使用直接連接到單向或雙向LDA的節(jié)點的一個或更多個可選擇的、可調(diào)節(jié)的、 可轉向的天線的架構，其中，可以通過LDA的參數(shù)電子地控制天線的信號之間的相位。
[0037] 13.使用直接連接到單向或雙向LDA的節(jié)點的一個或更多個可選擇的、可調(diào)節(jié)的、 可轉向的天線的架構，其中，可以通過LDA的參數(shù)電子地控制天線相位、天線頻率帶寬、天 線頻率的中心頻率、天線之間的轉向中的一個或更多個。
[0038] 將LDA添加在接收器鏈中可以提供附加的選擇性和干擾拒絕，同時使用Μ頂0或其 他分集方案允許系統(tǒng)有利地使用多徑衰落，以及在空間分集足夠大時發(fā)送多個數(shù)據(jù)流。可 轉向天線或相關裝置允許動態(tài)調(diào)整天線的圖案、方向或增益。最后，提供本文所述的實施方 式，以呈現(xiàn)使用此處所述的具有天線的LDA而成為可能的廣范圍選擇和優(yōu)點，并且本文的 實施方式?jīng)]有顯示出在本發(fā)明的范圍內(nèi)的所有可能的這樣的配置。
【附圖說明】
[0039] 根據(jù)以下結合附圖做出的詳細描述本發(fā)明的前述和其他有益特征和優(yōu)點將變得 明顯，在附圖中：
[0040] 圖1示出了平面CPL天線的示例。
[0041] 圖2示出了針對Wi-Fi 802. 112. 4-2.5GHZ頻譜的功率電平和頻率，其中，若干 0FDM信號可以在交替或相鄰信道中共存或干擾，或者由于共信道干擾而變糟。
[0042] 圖3是示出了對數(shù)檢測器的實施方式的框圖。
[0043] 圖4是不出了其中輸出頻率與輸入頻率不相同的LDA系統(tǒng)的實施方式的框圖。
[0044] 圖5A是示出了 LDA系統(tǒng)的另一實施方式的框圖。
[0045] 圖5B是示出了其中Frep信號可以在各個節(jié)點分流并且通過低通濾波器輸出的 LDA系統(tǒng)的又一實施方式的框圖。
[0046] 圖