用于siso和mimo应用的转向天线、cpl天线和一个或更多个接收对数检测器放大器的组合的制作方法
【专利说明】用于SI SO和ΜI MO应用的转向天线、CPL天线和一个或更多 个接收对数检测器放大器的组合
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年3月15日提交的美国临时专利申请No. 61/798, 521的权益。
技术领域
[0003] 本发明涉及用于在无线和有线模式下消除无线电干扰的几种方法和对数检测器 放大器（LDA)的实现方式。这样的方法包括基于ΜΜ0的多天线选择、调整和转向，以及其中 结合转向或CPL天线使用每接收天线一个LDA以改进接收机性能的方法。在本发明的统称 下包括子集，一个更具体地涉及使用一个或更多个LDA来实施新的高性能高集成RF前端， 另一个描述LDA的双向用途，包括作为发射功率放大器的LDA以及LDA和有源天线的最终 集成拓扑。
【背景技术】
[0004] 由于新一代蜂窝式电话和其他无线通信装置变小并且嵌入有增加的应用程序，因 此要求新的天线设计解决这些装置的固有的局限性以支持新的能力。在传统天线结构的情 况下，需要一定的物理容量以产生在特定频率并具有特定带宽的谐振天线结构。然而，这样 的天线的有效实现方式经常面临由于设备中的有限的可用空间而引起的大小约束。
[0005] 天线效率是确定该装置的性能的重要参数之一。特别是，辐射效率是描述如何有 效地发生辐射的度量，并且被表示为天线的辐射功率与输入功率的比率。更有效的天线将 辐射较高比例的馈送至其的能量。同样，由于天线的固有互易性，更高效的天线将接收能量 中的更多的接收能量转换为电能。因此，对于广范围的各种应用通常期望具有良好效率和 紧凑尺寸的天线。
[0006] 常规的环形天线通常是电流馈送装置，其主要产生磁（H)场。因此，常规的环形天 线通常不适于作为发射器。这对于小型环形天线而言尤其如此，（即小于或具有小于一个 波长的直径的那些天线）。通过环形天线接收到的辐射能量的量部分地由其面积确定。通 常，每当环的面积减半时，可以接收到的能量的量减少大约3dB。因此，大小效率折衷是针对 环形天线设计的主要考虑因素之一。
[0007] 电压馈送天线例如偶极天线，辐射电（E)场和Η场两者，并且可以用于发射模式和 接收模式二者。复合天线是下述天线，其中横向磁场（ΤΜ)模式和横向电场（ΤΕ)模式二者 被激发，从而导致性能益处例如宽的带宽（较低的Q)、大的辐射强度/功率/增益以及良好 的效率。存在有许多二维、非复合天线的示例，其通常包括电路板上的金属的印制条。这些 天线中的大部分是电压馈送的。一种这样的天线的示例是平面倒F天线（PIFA)。大量的天 线设计利用四分之一波长（或四分之一波长的某些倍数）、电压馈送、偶极天线。
[0008] 在当今的无线通信装置中越来越多地使用ΜΜ0(多输入多输出）技术，以提供增 强的数据通信速率，同时最小化错误率。ΜΙΜΟ系统被设计成：通过同时使用若干发射（Τχ) 天线发射不同的信号（所述这些信号不相同而是同一消息的不同的变体）并且同时使用若 干接收（Rx)天线接收不同的信号以减轻多路径环境的干扰。Μπω系统一般可以提供显著 增加的数据吞吐量而无需额外的带宽，或者通过在天线上扩展相同的总发射功率以实现阵 列增益而提供增加的发射功率。Μπω协议构成无线通信标准例如IEEE 802. lln(Wi-Fi)、 4G、长期演进（LTE)、WiMAX和HSPA+中的一部分。然而，在具有多天线的配置中，大小约束 往往会变得严重，并且由于天线中的电磁耦合引起的干扰效应会使发射和接收质量显著劣 化。同时，在多条路径被激励的许多情况下效率可能劣化，并且功耗增加。
[0009] 发射和接收质量的这种劣化对于WLAN和WAN的应用特别成问题，因为覆盖、在任 何点上传递的有效吞吐量、干扰的电平以及容量是用于有效宽带连通性的特别重要的参 数。在新应用例如休闲视频流的情况下，对WLAN和WAN的性能期望非常高，在这样的系统 中使用的天线必须能解决这些性能问题，以提高性能。
[0010] 有很多机会来改善如终端用户使用其智能电话在WAN上或使用其PC或手持设备 在私人或公共WLAN网络上所体验的性能。具体而言，WLAN在下述住宅的情况下具有改进 住宅部署的余地，其中每个住处都有一个或更多个Wi-Fi接入点或路由器。多年来在范围 的覆盖和吞吐量方面得到了很大改善，平均而言，广大用户在其家中获得良好的覆盖和吞 吐量数据。但是，日益严重的问题是可用带宽的稀缺以及每年增加的相关干扰问题。用于 WLAN用途的第一 ISM频带在美国为900MHz。随着装置如相机和无绳电话以及各种协议和 不同的调制方案的丰富，900MHz频带迅速变得过于拥挤。然后，2. 4GHz频带被分配和用于 11个信道上的IEEE802. lib和802. llg设备，但只有3个非交叠的信道。
[0011] 新的无绳电话（例如：数字增强无绳电信DECT 6. 0)在2. 4GHz频段中引进，但是 目前的状态是，平均而言，在任何大都市区或郊区，每个WLAN节点附近会发现5或10个路 由器。对于路由器而言，这意味着带宽的竞争，因为它们将彼此看作恶意应用程序。存在用 于降低发射功率和回退（延迟）发射的算法，但是实际的一面是它们在大多数情况下未应 用在Wi-Fi应用中。而对于LTE、WCDMA，在移动手持机用户设备（UE)与演进节点B(e节点 B)、GSM基站收发站之间存在有恒定功率调整。平均来说，2. 4GHz频带也过于拥挤。相对较 新使用的5GHz频带提供了更多非交叠信道，但是需要更高清晰度的更多视频而加剧的对 于更多带宽的持续渴求表明需要更多的带宽资源，例如提供160MHz带宽的802. llac。
[0012] WLAN和WAN系统的性能问题通常由新的一代的802. llb/g/a/n无线网卡和模块 的开发得到解决。然而，附近的无线LAN相互冲突，这主要是由于交叠信道的干扰抵消。这 种冲突使带宽随着客户变得更远离于路由器并且更接近于邻近的WLAN中的竞争路由器而 减少。此外，视频应用由于干扰引起的疲软的吞吐量数据或性能不佳仍然是一个问题，因 而提供了性能改进的重大机会。此外，目前的802. 11系统必须与新的竞争无线标准例如 LTE-Adanced版本10(http://www. 3gpp. org)进行比较，该新的竞争无线标准许诺通过桥 接模式对于蜂窝装置、平板电脑和PC在下载（DL)时数据高达3Gbps并且在上传（UL)时高 达1.5Gbps。主要的区别是蜂窝网络例如居住环境中的LTE和Wi-Fi的同步方面。在LTE 和Wi-Fi的情况下干扰问题不应存在或者应更低；但是，即使对于同步的WAN而言，由于多 径衰落引起的有待完善的容量和较低的吞吐量仍然存在。
[0013] 本申请人开发了对数检测器放大器（LDA)，LDA通过使接收器能够在存在噪声时 更可靠地接纳低电平系统来解决上述问题。另外，LDA允许发射机成比例地降低发射功率 以向相邻装置提供较低水平的干扰。在美国专利7, 911，235中描述了示例性的LDA，该专 利的内容通过引用并入本文。如在其中说明的，LDA包括放大器（例如，离散晶体管或运算 放大器）、用于设置检测器的操作的频率的装置（例如，调谐LC或RC调谐反馈电路或锁相 环）以及控制器。放大器的输入信号在放大器中产生振荡，并且控制器感测指示振荡的阈 值，并且响应于检测振荡来中断放大器的振荡使得中断的频率与输入信号的功率的对数成 比例。
[0014] 在操作期间，在放大器的输入端的电噪声以由LC调谐反馈电路确定的频率来设 置电路振荡。调谐电路的带宽之外的噪声对电路的操作的影响最小。另一方面，位于LC调 谐反馈电路的带宽内的进入信号导致振荡器比在随机噪声单独激发电路的情况下更快地 振荡。在接收的噪声中存在有想要的信号的情况下，输入信号在设定的操作频率处的相对 电平较高，并且与单独的随机噪声的情况下相比会更早地达到阈值。想要的信号的电平越 高，则达到阈值越早并且振荡的中断将更频繁。因此，具有预期频率的想要的信号与单独随 机噪声相比使得振荡更快地发生。已证明这样的LDA对于消除干扰相当有效。
[0015] 希望通过提供更大的空间分集来解决现有技术中的上述问题。在传统的移动蜂窝 网络系统中，基站不具有关于小区内的移动单元的位置的信息，在小区内的所有方向上辐 射信号以提供无线电覆盖。这导致在没有要到达的移动单元时发射功率的浪费，另外，造成 对使用相同频率的相邻小区即所谓的同信道小区的干扰。同样地，在接收时，天线接收来自 所有方向的信号，包括噪声和干扰信号。通过使用智能天线技术并且使小区内的移动单元 的空间位置不同，空分多址技术提供有吸引力的性能增强。基站的辐射图案，无论是在发射 和接收时，适于每个用户以在该用户的方向上获得最高增益。这通常使用相控阵列技术来 实现。
[0016] 鉴于使用这样的天线时增加的空间分集和当使用LDA时对干扰消除的显著改善， 希望根据本发明来探索LDA在无线和有线通信的新应用中的使用。特别是，希望使LDA、多 天线、有源天线以及多有源天线和接收器同步，以减少或消除干扰，从而提供无线路由器和 客户之间的更大范围和带宽。本发明解决本领域中的这些和其他需要。
【发明内容】
[0017] 所要求保护的天线系统通过实现一个或更多个解决方案来解决本领域中的上述 需求，包括具有适于减少或基本上消除无线通信的干扰的LDA的、适于改善空间分集的天 线。如上所述，附近的无线局域网彼此冲突，这主要是由于交叠信道的干扰抵消。这种冲突 随着客户端远离路由器，并接近邻近WLAN中的竞争路由器而使得带宽减小。通过使用同步 的LDA、多天线、有源天线以及多有源天线和接收器，以减少或消除这种抵消，如本文所述， 可以使用本发明在无线路由器和客户端之间提供更大的范围和带宽。
[0018] 此处描绘的本发明处理该干扰问题，着眼于使用LDA、多天线、有源天线以及多有 源天线和接收器的各种解决方案，以部分或完全减少干扰。在这里描述的多种实施方式包 括：
[0019] 1.LDA，其作为在天线的基部处的接收器低噪声放大器（LNA)，如复合印制环路 (CPL)天线。
[0020] 2.射频前端，其包括发射器功率放大器以及RF发射/接收开关、可选带通滤波器， 还包括LDA作为具有相同输入/输出频率的接收器LNA。
[0021] 3. LDA作为天线的RF前端，其中LDA用作：
[0022] a.双向全双工或半双工放大器装置，
[0023] b.发射器功率放大器，
[0024] c.发射器功率放大器，其中一体的对数转换功率检测器输出到基带以发射功率电 平反馈，
[0025] d.替换具有多波段或可变发射器和接收器的RF前端，以覆盖全双工或半双工时 分多路复用或频分复用的应用的不同波段，
[0026] e.替换具有分离器的RF前端（和可选的带通滤波器），或者
[0027] f.替换不具有分离器（和可选的带通滤波器）的RF前端，其中接收器路径在全双 工或半双工配置的另一频率。
[0028] 4.基于LDA的射频前端，其具有用于SIS0或Μ頂0收发器、接收器，或发射器的每 天线一个LDA系统。
[0029] 5.各种架构，其使用可调节天线和基于LDA的RF前端使得能够减少SIS0或Μ頂0 中的干扰。
[0030] 6.各种架构，其允许使用可调节CPL天线和非LDA的RF前端来减少SIS0或Μ頂0 中的干扰。
[0031] 7.结合每天线一个接收LDA使用一个或更多个可选择的、可调节的、可转向的天 线，以控制用于SIS0或ΜΜ0的天线的架构。
[0032] 8.结合每天线一个发射/接收LDA使用一个或更多个可选择的、可调节的、可转向 的天线，以控制用于SIS0或ΜΜ0的天线的架构。
[0033] 9.结合在天线的基部每模块一个集成的LDA功率放大器使用一个或更多个可选 择的、可调节的、可转向的天线来控制天线的架构。
[0034] 10.结合在RF频率的双向LDA来使用一个或更多个可选择的、可调节的、可转向的 天线的架构，其中，LDA用作为反向的发射器功率放大器，正向的接收器LNA，以及RF开关由 用于发射和接收路径的分离器替换，包括针对可调节天线的控制。
[0035] 11.结合双向LDA来使用一个或更多个可选择的、可调节的、可转向的天线的架 构，包括接收器解调，其中，LDA用作为反向的发射器功率放大器，正向的接收器LNA，RF开 关由用于发射和接收路径的分离器替换，以及类似接收器LNA的LDA馈送QPSK解调器，包 括针对可调节天线的控制。
[0036] 12.使用直接连接到单向或双向LDA的节点的一个或更多个可选择的、可调节的、 可转向的天线的架构，其中，可以通过LDA的参数电子地控制天线的信号之间的相位。
[0037] 13.使用直接连接到单向或双向LDA的节点的一个或更多个可选择的、可调节的、 可转向的天线的架构，其中，可以通过LDA的参数电子地控制天线相位、天线频率带宽、天 线频率的中心频率、天线之间的转向中的一个或更多个。
[0038] 将LDA添加在接收器链中可以提供附加的选择性和干扰拒绝，同时使用Μ頂0或其 他分集方案允许系统有利地使用多径衰落，以及在空间分集足够大时发送多个数据流。可 转向天线或相关装置允许动态调整天线的图案、方向或增益。最后，提供本文所述的实施方 式，以呈现使用此处所述的具有天线的LDA而成为可能的广范围选择和优点，并且本文的 实施方式没有显示出在本发明的范围内的所有可能的这样的配置。
【附图说明】
[0039] 根据以下结合附图做出的详细描述本发明的前述和其他有益特征和优点将变得 明显，在附图中：
[0040] 图1示出了平面CPL天线的示例。
[0041] 图2示出了针对Wi-Fi 802. 112. 4-2.5GHZ频谱的功率电平和频率，其中，若干 0FDM信号可以在交替或相邻信道中共存或干扰，或者由于共信道干扰而变糟。
[0042] 图3是示出了对数检测器的实施方式的框图。
[0043] 图4是不出了其中输出频率与输入频率不相同的LDA系统的实施方式的框图。
[0044] 图5A是示出了 LDA系统的另一实施方式的框图。
[0045] 图5B是示出了其中Frep信号可以在各个节点分流并且通过低通滤波器输出的 LDA系统的又一实施方式的框图。
[0046] 图