进行无线通信的低成本、多波束、多波段和多分集天线系统和方法

专利名称：进行无线通信的低成本、多波束、多波段和多分集天线系统和方法
技术领域：
本发明涉及无线通信系统，特别涉及用于无线通信的低成本、多波束、多波段和多分集天线系统。
背景技术：
现有的、能够提供自适应波束成型和/或多波束切换的无线通信天线都相当昂贵。低成本天线解决方案无法提供多波束与天线分集，特别是无法提供多波段和/或多种服务的天线。因此，现有技术不能提供一个经济的而又具有可调节波束的、不同波束模式可重新配置的天线系统，或一个经济的而又使用多种服务、通过多波段进行通信的天线系统。
Gans等的美国专利“高速无线通信网络的指向性波束选择(DirectiveBeam Selectivity for High Speed Wireless Communication Networks)”(专利号5,610,617)，使用巴特勒矩阵(Butler matrices)形成波束用于无线通信。在此，Gans的公开通过引用结合到本文中。Gans的天线有选择地在不同方向上提供一个狭窄波束。因此，使用Gans的天线，能够得到只靠一边的狭窄波束或笔直向前的狭窄波束。在这种现有的巴特勒矩阵里，波束数量受制于这个矩阵的输入和输出数目。作为例子，在一个现有的具有四个输入端口和四个输出端口的巴特勒矩阵里，通常仅仅提供四种波束供用户选择。
现有的所谓自适应天线阵通常使用导致系统成本很高的组件。通常在这种自适应天线阵里，放大器和移相器电路用在每个天线元件上，或至少与天线阵的每个纵列相连。因此，作为例子，如果一个现有的自适应天线阵具有64个元件，它会有64组移相器和/或64组放大器/衰减器，或对天线阵的每个纵列，至少有一组移相器和/或一组放大器/衰减器。这极大地增加了整个系统的成本和复杂度。这些组件通常能够改变在每个元件上的振幅和相位。这种自适应天线阵需要放大器和移相器来获得天线阵的期望相位和振幅级数。因为相移也会导致信号强度损失，放大器就用于试图补偿这些损失和提高系统的适应性。在天线系统里，噪声是一个重要的参数。通过在天线里使用放大器，增强自适应天线阵的噪声性能，也克制移相器所产生的噪声。R.Q.Lee等在IEEE Transactions on Antennas andPropagation(Vol.38，No.8，August 1990)杂志中所述的现有技术已知的天线元件是一个电磁耦合的贴片天线，在此，它的公开通过引用结合到本文中。
发明概述本发明涉及的系统和方法实施例，采用开关式移相器和以低成本模式获取多波束系统用于无线通信系统的馈电网络。本系统和方法的实施例也便于进行多波段通信和采用多分集。这种多波束、多波段系统和方法的实施例使得通信系统获得增强的通信性能或其它服务(如位置跟踪)。本系统和方法的实施例可以采用开关式移相器、多分集天线和/或具有多层构造的馈电网络，来提供一个低损失的、外部组件数量少的和/或组件小巧紧凑的天线系统。
有优势地，本发明实施例能够使多波束在不同方向上、同样频率波段上同时成形，同时灵活选择波束方向、波束宽度和数码控制的波束形状。更可取地，本发明的天线阵紧凑小巧，成本相对低，并能够在多波段上工作。天线阵实施例中，较高波段元件可以嵌入到低波段元件里，因为两个波段共享同样的孔径，在两个波段上都得到相似的辐射特性。可以使用一个基于基准的网络代替复杂的巴特勒矩阵，这样更好地减少移相器电路的数目。本发明实施例中的移相器设计紧凑，可以使用低损耗的PIN二极管网络设计。本发明进一步提供在每个波段上大于20％带宽的超宽带、双极化分集扫描和为减少制造成本的低制造公差。
本天线系统能够连接在无线通信系统上，如无线局域网(WLAN)或移动电话网络，通过适当地利用定向(波束)和/或多波束，(本天线系统)可用来增强性能。例如，可以使用波束来提高某些方向上的覆盖或用来跟踪、增强位置估计。还可以使用波束来避免某些方向上的干扰。本发明天线阵在一些实施例中能同时形成至少两个模式(pattern)，它们是独立的或非耦合的，因此能够提供分集给一个或多个用户，和/或能够服务于多用户。本系统和方法至少能够采用下列组件。
本系统和方法可以使用多种不同类型的天线元件。但是，用于本系统和方法的元件之间的增益、带宽、分集、尺寸大小和互耦是所有需要考虑的事项。在以上提到的LEE参考文献中，披露了一个合适的元件。但是，本发明采用新的、特别适合本系统和方法使用的天线元件，将在以下讨论。本发明不同实施例的天线元件可以采用不同的波束特性，如分集形式(包括极化分集)。因此，本发明实施例的元件可采用具有两个或多个馈电的多分支，这些馈电能够用来发送或接收低交叉相关的独立信号。依照本发明实施例采用的不同天线元件构造和排列，允许在一个天线阵面板里拥有比常规设计更紧凑的群集密度。这样能够使元件相互紧靠放置，并仍然能够良好地运行。同样，依照本发明的不同实施例，天线元件的带宽可能相当宽，以至于能够覆盖特定应用中工作波段的整个频谱。
具有上述多分支宽带构造的多种天线元件，被适当地间隔放置在一个支撑结构或面板上来提供天线阵构造，(这种支撑结构或面板)可能是平面的或其它适形的形状。面板上的元件布局提供空间给元件在不同波段上工作，同时通过提供充分的间隔保持低互耦。优选地，天线阵被布置成在同区域内可以容纳多波段元件，从而这些波段共享相同的孔径。
本发明移相器网络实施例中的移相器是低成本的和紧凑的，仅需要少量的外部组件，却能够提供数码控制的离散相位。本移相器可以采用很低损耗的开关电路模式。本系统和方法可以采用延迟线相移和PIN二极管、变容二极管等，来进一步地减少损耗。优选地，本系统和方法不使用放大器对振幅控制，或至少极大地减少对振幅控制的需要，因为采用的移相器是非常低损耗的，且不产生任何明显的噪声。不使用放大器减能够极大地减少天线阵及其运作的成本。作为例子，本系统和方法采用的离散相位可以是0°、90°、180°和270°。
优选地，天线和移相器通过一个馈电网络连接起来，该馈电网络允许多波束在独立方向上多频率波段上成形。优化馈电网络来减少天线之间的耦合，优化移相器来减少损耗，而且两者都是紧凑小巧的。使用不同的方法和系统馈电给天线阵元件来减少交叉极化，并减少使用的PIN二极管数目，达到极大的成本减少。
优选地，本系统和方法还对天线阵里的故障提供故障检测。这种故障检测可以采用端口检测，以便于进行天线阵的快速诊断测试。例如，轮询(poll)天线面板来发现它是否在正确的电流下工作，来检测有故障的PIN二极管。
本天线阵能够使整个无线通信系统获得较好的性能。本系统和方法的实施例采用移相器和/或波束成形的切换方法，很容易地实现了天线阵分集。与典型的巴特勒矩阵相比，本天线阵不仅能够用来提供只靠一边的狭窄波束或笔直向前的狭窄波束，而且能够提供更全向的(波束)模式或不同类型的(波束)模式，它们可以是狭窄波束方向的组合。本天线阵的成形波束数目不依赖于输入和输出，因此，也不受制于一个预先确定的波束数目。从而，本天线阵变得非常灵活。
为了能够更好地理解以下对该发明的细致说明，前面所述已经相当广泛地概述本发明的特征和技术优点。本发明的其它特征和优点将会在下文描述，这也形成了本发明的权利要求。应该注意的是，披露的概念和特定实施例可被容易地利用作为一个基础，来修正或设计其它结构，实现本发明的同样目的。也应该认识到，像这样等同的结构并没有偏离如附带的权利要求所阐述的本发明。作为本发明的构成和运作方法、又被看作是本发明特点的、新的特征以及更多的目的和优点，可通过以下的描述以及相应的附图被更好地理解。但是，需要清楚地理解，所提供的每个附图仅仅是为了说明和描述，而不是作为本发明的限制。


为了更完整地理解本发明，现在结合相应的附图做进一步描述。
图1是依照本发明至少一个实施例产生的不同波束模式的示意图；图2是一个多层贴片天线元件实施例的侧视图；图3是图2多层贴片天线一个实施例的透视图；图4是图2多层贴片天线另一个实施例的透视图；图5是依照本发明一个多分支分集单极天线元件实施例的正视图；图6是图5天线元件实施例的侧视图；图7是依照本发明多分支分集单极天线元件的一个可选实施例的正视图；图8是依照本发明多分支分集单极天线元件的另一个可选实施例的正视图；图9是依照本发明多分支分集单极天线元件的第三个可选实施例的正视图；图10是图5中多个多分支分集单极天线元件排列而成的一个天线阵实施例的正视图；
图11是依照本发明使用集成的磁电偶极子来提供分支分集的天线元件实施例的正视图；图12是依照本发明使用集成的磁电单极子来提供分支分集的天线元件实施例的正视图；图13是图11使用集成的磁电偶极子提供分支分集的天线元件组成的天线阵实施例的正视图；图14是图12使用集成的磁电单极子提供分支分集的天线元件组成的天线阵实施例的正视图；图15是四分支分集的综合槽型贴片天线元件的一个实施例的示意图；图16是四分支分集的综合槽型贴片天线元件的另一个实施例的示意图；图17是天线阵元件间隔的示意图；图18是不同带宽的天线阵元件交错排列的一个实施例的示意图；图19是不同带宽的天线阵元件交错排列的另一个实施例的示意图；图20是不同带宽的天线阵元件交错排列的第三个实施例的示意图；图21是一个平面型天线阵面板实施例的侧面图；图22是一个弯曲天线阵面板实施例的侧面图；图23是一个圆柱形天线阵列实施例的顶视图，和平面型面板形成圆柱形天线阵实施例的正视图；图24是一个平面天线阵面板和两个角度配置的天线阵面板的扫描角的对比示意图；图25是一个采用导向器和角度反射器的平面天线阵面板实施例的侧视图；图26是在天线阵里元件方向的一个实施例的示意图；图27是在天线阵里元件方向的另一个实施例的示意图；图28是在交错排列天线阵里元件方向的一个实施例的示意图；图29是在交错排列天线阵里元件方向的另一个实施例的示意图；图30是一个天线阵里正方形天线元件实施例中的互耦示意图；图31是一个天线阵里十字形天线元件实施例中的互耦示意图；
图32是依照本发明一个实施例的馈电网络的示意图；图33是依照本发明另一个实施例的馈电网络的示意图；图34是依照本发明一个单分支移相器实施例的示意图；图35是依照本发明一个四分支移相器实施例的示意图；图36是依照本发明一个具有改良隔离的双分支移相器实施例的示意图；图37是依照本发明提供的一个缩减尺寸的45°相移线实施例；图38是依照本发明提供的另一个缩减尺寸的45°相移线实施例；图39A是依照本发明提供的一个缩减尺寸的90°相移线实施例；图39B是依照本发明提供的一个缩减尺寸的180°相移线实施例；图39C是依照本发明提供的一个缩减尺寸的270°相移线实施例；图40A是依照本发明采用图39A和图39B的缩减尺寸的90°和180°相移线的一个双分支相位实施例的示意图；图40B是一个具有一个相位基准线和一个相位转换线的超宽带90°移相器实施例的示意图；图40C是一个具有一个相位基准线和一个相位转换线的超宽带180°移相器实施例的示意图；图41是依照本发明采用图39A、图39B和图39C的缩减尺寸的90°、180°和270°相移线的一个四分支移相器实施例的示意图；图42是依照本发明实施例的双分支馈电网络的示意图；图43是依照本发明具有一个移相器和一个开关的相移馈电实施例的示意图；图44是依照本发明另一个实施例的有间隔的天线元件的差分馈电的示意图；图45是一个没有采用差分馈电的天线阵元件排列实施例的示意图，显示一个合成的天线波束模式和交叉极化功率损耗；图46是一个采用差分馈电的天线阵元件排列实施例的示意图，显示一个合成的天线波束模式和交叉极化功率损耗；图47是另一个采用差分馈电的天线阵元件排列实施例的示意图，显示一个合成的天线波束模式和交叉极化功率损耗；和图48是第三个采用差分馈电的天线阵元件排列实施例的示意图，显示一个合成的天线波束模式和交叉极化功率损耗。
具体实施例方式
使用低成本(天线)面板，本系统和方法的不同实施例可以被用来在不同方向上同时形成多波束，和/或波束具有不同属性或特征，如波束宽度、极化等。通过改变馈电网络，本系统和方法的实施例提供不同方式来减少成本和提供解决方案。本系统和方法可以使用便宜的PIN或变容二极管，同时在多波段上维持性能和进行运作。依照本系统和方法的实施例，天线阵让元件紧密组合、交错排列，而且不需要牺牲辐射模式，而得到一个小巧紧凑的天线阵。通过使用开关式移相器，不使用巴特勒矩阵，可以进一步减小天线阵的尺寸。在面板上对不同波段交叉排列元件，这样多个工作波段可以使用同样孔径。本发明的天线阵带宽也可能非常广。例如，在本发明天线阵的高波段上，能够提供一个完全千兆赫的带宽覆盖。本发明实施例的面板(天线)可以提供数码扫描能力，特别是那些采用多层贴片元件构造的实施例。本发明的天线阵面板是宽带的，所以制造公差也是比较大，细微的改变并不会极大地影响带宽，或影响工作波段。
图1是依照本系统和方法的实施例产生的不同波束模式101~112的示意图。相移的数字选择允许选择这些波束模式或类似的波束模式。正如本领域的普通技术人员将注意到的，不同的波束具有不同的有益特性。例如，模式101、105和106能够被用来进行波束扫描。模式102提供一个宽波束，可以较好地覆盖整个服务区。
本发明的实施例优选地采用具有多种天线集成的天线元件。这些元件通常被认为具有多分支分集(multi-branch diversity)，或更特别地被认为具有双分支分集、三分支或四分支分集等。图2显示的是依照本发明提供的天线元件和天线阵200，它们将在下文描述。
图2是一个配置在面板里(在面板盖201和202之间)的多层贴片天线(stacked patch antenna)元件构造200的侧面图。图3和图4是图2多层贴片天线200的实施例300和400的透视图。通过使用寄生元件203(parasitic element)来调谐天线元件200，寄生元件203离馈电元件204(feed element)有一个预定高度，可以提供更高的增益、加宽元件200的响应波段，并提供极化纯度(polarization purity)。寄生元件203与馈电元件204之间的间隔高度被优选地调整来提供一个恰好的宽带匹配。优选地，馈电元件204和相连的馈电网络被配置在相同的印刷电路板(PCB)结构205上和/或嵌入其中。馈电天线204背面的射频电路以及馈孔206(feed via)，被馈电天线接地层207屏蔽，从而减少交叉极化和旁瓣作用。通过集成馈电网络和PCB 205上至少一部分的元件，消除焊接缝，从而简化天线元件200的馈电方式。在馈电天线上采用集成的馈孔206，而不是采用孔径馈给机制，来减少后瓣辐射。通过接地层208来减少更多的后瓣辐射，该接地层208与PCB 205下的射频馈电电路209有一段距离。依照本发明的实施例，天线阵里的每个元件200可至少拥有两个馈电(第二个馈电未在图中显示)，来提供双分集。这些馈电被充分地隔离，来产生充分的分集优势。依照本发明的实施例，元件能够拥有任何数目的馈电来提供分集。
图3中的“交叉类型”天线元件300可以被用来减少互耦。寄生天线元件303大约比馈电天线304大1.3倍，来产生好的双重谐振。对于天线元件300的一个最低工作频率，寄生天线的尺寸大概是0.29波长(λ)见方。为了优化宽带性能到好的退化模式(degenerated mode)，寄生元件303最好距离馈电元件304大约0.05λ到0.08λ的间距。由于寄生元件303置于馈电元件304上的一个过耦合位置上(an over coupled location)，多层贴片天线元件构造300在带宽上，比单独的馈电元件的带宽增加17％左右。
图4中的天线元件400拥有寄生元件403，该寄生元件403被优化到和馈电天线404的相似大小，(这种大小)可以通过空间限制产生。对于天线元件400的一个最低工作频率，寄生天线元件的尺寸大概是0.2λ见方。寄生天线元件403配置在馈电元件404上面大约0.04λ到0.06λ的间隔的高度，宽带性能被优化到好的退化模式。寄生天线403不是十字形的，所以其带宽比单独的馈电元件的带宽增加26％左右。
图5显示的是多分支分集单极天线元件实施例500，图6显示的是实施例500的一个侧面图。另外，图7、8和9分别显示的是多分支分集单极天线元件的实施例700、800和900。天线元件500采用单极天线501作为馈电元件。单极天线501可以是一个陶瓷介电质天线，或其它。接地层502形成对单极天线501的差分通路(differential path)，为元件500产生类似偶极天线(dipole)的特性。接地层502优选地支撑馈电网络503和以下讨论的相移电路(在图中未显示)。将信号馈给到单极天线501的馈电网络503，可以采用微带线固定在电介质(在图中未显示)上的方式，接地层502被配置在该电介质的相反表面。或者，单极天线501可以通过一个平面波导等等被馈给，引导信号进入天线元件。在馈电网络里使用微带或平面波导，便于提供一个普遍的平面阵列。单极天线501、馈电网络503和接地层502最好被放置在反射体504前面一个最优距离Rλ上，大概是0.25λ。反射体504也是一个接地层。因为馈电元件501可以是介电质负载的单极天线，它们尺寸可以很小。因此，依照实施例500、700、800和900，能够配置一个小的天线阵。实施例700可以利用平面圆盘单极天线701，获得超宽带特性。多个圆环状单极天线801可以被用来提供多波段特性给天线元件800。方形盘状单极天线901能够被用来提供宽带特性给天线元件900。在与接地层502相连的拐角处具有短路插脚(在图中未显示)的方形盘单极天线901可以被用来产生额外的更低阶模式和宽带特性。实施例500、700、800和900的不同构造可以被扩展到天线阵里，而提供一个多分支分集天线系统。馈电给天线元件500的三个单极天线501，可以提供向左倾斜的、向右倾斜的和垂直的极化，而馈电给元件700、800和900的两个单极天线(分别是单极天线701、801和901)可以提供向左倾斜的和向右倾斜的极化。但是，元件500、700、800和900的实施例可以采用比图中更少的或更多的单极天线501、701、801或901，来提供不同的极化。
多个元件500能够被排列到一个天线阵里，如图10的天线阵1000。图10显示了四个元件500，但是可以排列任何数目的元件到一个天线阵里，如右边和下边的省略符所示的。元件500可以被合适地隔开，来提供期望的相控阵波束成形，例如彼此间隔相距二分之一波长。那样，将有能力从这个天线阵产生许多具有不同独立特性的独立波束，这些独立特性包括极化分集、不同宽度、不同角度等。优选地，元件500由馈电网络1001支撑，馈电网络1001类似于上述的馈电网络503。
图11和12显示的是四分支分集的综合槽型贴片天线元件(slotintegrated patch antenna element)1100和1200实施例的示意图。综合槽型贴片天线元件1100和1200有切入电导体1102或1202的X形状槽孔1101或1201，而提供槽型天线元件，而电导体1102或1202则形成贴片天线元件。特别注意图11，综合槽型贴片天线元件1100的贴片馈电1103和1104，通常对准X形状槽孔1101的交叉点1105。综合槽型贴片天线元件1100的槽孔馈电如箭头1108和1109所示。现在转到图12，综合槽型贴片大线元件1200的贴片馈电1203和1204，通常对准X形状槽孔1201的槽1206和槽1207。综合槽型贴片天线元件1200的槽孔馈电如箭头1208和1209所示。在综合槽型贴片天线元件1100和1200的每个实施例中，通过正交极化，馈电1103和1104或1203和1204分别提供两个分支分集。电导体1102或1202里的槽孔1106和1107或1206和1207产生磁场，对两个最初的波束分集分支中的每一个(分支)都产生两个正交波束分支，从而提供四个分支(或波束)分集。元件1100或1200能够被排列在一个天线阵里。在这样的天线阵里，给天线的每个馈电都可以被控制，而形成不同的扫描波束。
图13和14是天线元件1300和1400使用集成的磁性和电偶极子来提供分支分集的示意图。磁性双分支分集天线1301或1401具有槽孔1302和1303或1402和1403，这些槽孔在电导体1304或1404里。元件1300和1400在靠近槽孔1302、1303、1402或1403的末端边缘被馈电，如图13和14中箭头所示。注意图13，通过集成磁性槽型天线1301和其中的十字形电偶极子1305，可以获得提供四分支分集的四个波束。或者，如图14所示，通过集成磁性槽型天线1401和相应的电单极1405，并使用底部馈电，可以获得提供四分支分集的四个波束。元件1400使用的电单极元件的长度可以是元件1300使用的电单极元件长度的一半，从而节省空间和重量。由于接地材料1304或1404的电场(E-field)和磁场(B-field)具有不同的极化波束，分集可以由一个元件(1300或1400)的磁偶极子和电偶极子产生的波束之间实现。进一步地，磁性天线1301或1401产生的波束模式将不同于电偶极子1305或1405产生的波束模式，从而提供进一步分集。
如图15和16分别所示，天线元件1300或1400能够被排列，来形成一个提供四分支分集系统1500和1600的天线阵。优选地，在天线阵1500和1600里使用一个反射平面1501或1601等来指引波束，尤其是当元件1300或1400产生的波束可能是全向的。优选地，反射平面1501或1601被放置在距离天线元件1300和1400平面的一个最佳间隔，Rλ。
如图17中所示，依照本发明，天线阵1700中元件1701的间隔ΔY和ΔX对扫描角度和增益最好进行优化。例如，对最佳的+/-45度扫描角，ΔX可以被优化到大概0.43λ的间隔，来提供这些方向上的最佳增益。但是，更大的ΔX或ΔY间隔可以提供更高的增益。因此，作为另外的例子，ΔY可以被优化来提高天线阵的增益，但是，如果ΔX或ΔY的间隔非常大，扫描角可能受到限制。
依照本发明，图18和19描述的是天线阵1800和1900采用共享的孔径。但是，双波段天线阵1800和1900中元件交互定位方式，分别为元件1801和1802或1901和1902提供波段上的独立辐射模式特性。特别注意图18，较大的贴片1801代表较低频的元件，较小的贴片1802代表较高频的元件。天线阵1800采用五个低频元件1801，较高频的元件1802被排列或交替排列在这五个低频元件所占用的空间里，从而，所有的元件1801和1802共享同样的孔径，但可能采用不同的辐射模式。相似地，图19里十字形天线元件1901让较小的较高频的元件1902嵌入其十字形中，从而，所有的元件1901和1902共享同样的孔径，但可能采用不同的辐射模式。
图20描述的是提供孔径共享并有能力获得在双波段上有相似辐射模式特性的天线阵2000的实施例。在天线阵2000的所示实施例中，四个较大的低频元件2001配置在天线阵的两个外测边沿上，较小的低频元件2002配置在两行低频元件2001里面/之间。例如，在波段的频率比例大概是2∶1的双波段天线阵2000里，如果低频波段元件的间隔有充分的间距，大概0.65λ的最优ΔY间距可以被用于较高频的和较低频的元件。
依照本发明，如图21、22和23所述，天线阵2100、2200或2300可以在一个平面结构(2100)上、在一个弯曲结构(2200)上或在一个圆柱形结构(2300)上实施。可以这样实现将元件定位在平面上、弯曲表面上或圆柱形表面上，或者如图22和23所示，天线面板2201或2301能够被用来形成弯曲天线阵2200或圆柱形天线阵2300。同样地，使用天线面板也能够形成球形天线阵。通过转换射频(RF)信号到不同的天线板，可以确定波束特征和方向。天线阵2200和2300的弯曲表面更适宜提高整个天线阵的扫描角。或者，通过使用星形拓扑的馈电网络，例如将位于天线阵结构中心的射频馈电分配到围绕着该中心的输出节点上，可以提高天线面板的扫描角度。通过使用星形拓扑的馈电网络，天线面板通常被布置成圆柱形方式，从而提供一个能360°扫描的圆柱形天线阵。每个面板也可以采用分集分支馈电里的单个移相器，来提供进一步的上倾或下倾波束(up-tilt or down-tilt beams)。本领域的技术人员将会注意到，天线阵可以被配置在任何数目形状的表面上，作为例子，包括球形或半球形结构面。
如图24中描述的波束模式所示，有角度地配置的天线阵面2400，类似于图23中所示的圆柱形天线阵2300的阵面，可以提高天线阵的扫描角度，提高的扫描角度如弧2403所示。因此，为了减少天线阵所必需的元件数目，与单个平面天线阵2402相比，面板2401可被安装在一个三角形布置上来提高扫描角度。每个面板2401可以有不同列和行的元件2404。天线阵面的配置角度α，可以确定最大的扫描角度或天线阵的视野范围。
如图25所示，通过使用阵列构造2500，天线阵的扫描角度可以被扩大。按照惯例，沿着天线阵平面的辐射是空场。但是，依照本发明，可以提高沿这个平面方向上的辐射特性。当沿着天线阵2501正面的一个角度进行扫描时，如箭头2502，谐振结构2503(例如偶极子元件)可以被用来作为导向器，引导天线场朝向一个锐角。结构2503可以是无源的或有源的。馈电网络将提供相关的信号给有源结构，而不给无源结构。支撑天线元件2506的绝缘PCB 2504，最好延伸来支撑导向器2503。但是，接地层2505可以支撑贴片天线元件2506，最好不要延伸超过贴片元件2506到导向结构2503。结果，接地层2505可以作为导向器的反射体，协助引导沿着天线阵平面的波束。这样，将提供一个边射或端射(edge-fire or end-fire)的天线阵。另外或者，可将有角度的反射盘2507置于接地层2505的末端上，来获得这个边射或端射天线阵的更高增益。反射盘2507也可用来优化和调整元件2506和2503构成的天线阵平板的波束宽度。相对于PCB 2504的平面，反射盘获得最大增益的一个最佳角度可以是45°，发射盘2507的最佳长度大约是0.25λ。
如图26和27所示，天线阵2600和2700里的元件方向可以因阵列不同而不同。构造2600和2700都提供双分支分集。在图26的天线阵2600里，十字形元件2601以“直立”的方向做贴片安排，元件之间边缘到边缘的间隔将比天线阵2700中(的间隔)更接近，如间隔为0.13λ而得到期望的元件到元件的间距0.5λ。但是，在提供期望的0.5λ间距时，图27中的天线阵2700可以导致一个更小的天线阵。优选地，元件之间间距在0.5λ时，元件之间的边缘到边缘距离也放宽了，如0.2λ。由于十字形天线元件2701的互耦的减少(将在以下的图31中进行讨论)，天线阵2700里的元件之间间距可以被减小，而不会出现严重的性能退化。进一步地，天线阵2700的构造可以避免不均衡的互藕，因此，在分支之间避免不同的辐射模式。最后，天线阵2700提供的45°向右倾斜和向左倾斜的极化，在某些情况下可以提供更好的分集性能。
图28和29显示的是交错型天线阵2800和2900。如图28所示，旋转较大较低频的十字形元件2801来放宽嵌入的较高频元件2802的间隔要求，和图29的天线阵2900里元件2901和2902的间隔成对比。旋转元件2801和2802还可以在不同的波段元件之间提供更大的隔离。另外地，在某些环境里，天线阵2900的辐射模式特征可能没有天线阵2800的辐射特征理想。
图30和31用来说明靠近放置的线路贴片元件之间的互耦。图30显示的是方形贴片天线元件3002的强互藕3001，而图31显示的是旋转十字形天线元件3102之间的相对弱互藕3101。因此，十字形元件减少了元件之间的互藕(如图31所示)，又给高频元件提供更多空间(如图28所示)，又没有牺牲性能，获取具有对称波束模式的相对高的增益。进一步地，由于更长的有效电流通路，使用十字形元件能够减少天线元件尺寸，产生更好的互耦特征，提供更小的天线阵。
本系统和方法可采用至少一个双波段扫描天线阵，在每个波段上至少具有双波束。优选地，因为有各自的移相电路，每个波束被独立地控制。或者，同一波段的双波束共享一套相似的移相电路。本发明可以采用一个离散相移的移相器网络，如0°、90°、180°和270°相移。但是，本发明不限于这些特殊的离散相移，可以有选择地采用其它固定的相移或连续变化的相移。图32是一个具有四个天线的天线阵的移相器配置3200实施例的简略示意图。在图32中，移相器3201与每个天线元件3202相连。优选地，一个移相器与相关天线元件的每个分支相连。威尔金森(Wilkinson)功率分配器等等(在图中未显示)可被用来进行隔离。优选地，本发明提供一个在每个波段上至少具有双波束的双波段扫描天线阵。通过它们各自元件的移相电路，每个波束可以被独立地控制。或者，同一波段的双波束可以共享一套类似的移相电路，使用一个开关在两个天线馈电之间进行切换。同样，为了减少一个天线阵里使用的组件(如移相器和/或PIN二极管)数目，依照本发明，可以采用如图33中所示的移相器配置。在图33所示的布局实施例中，一个移相器3301与一个分支的三个天线元件3302中的每一个相连，而第四个元件3303提供一个不转换的基准相位。
图34和36显示的是在一个真实延迟线移相器网络里可以被本发明采用的移相器。图34显示的是单分支移相器3400的简略示意图，图35显示的是四分支移相器3500的简略示意图，图36显示的是具有改良隔离的双分支移相器3600实施例。图34中所示的单分支移相器3400实施例以反向背对背的方式使用两个PIN二极管3401和3402，来确保输入端3403和输出端3404之间的隔离，电感器3405在长度ΔΦ上提供一个直流偏压(DCbias)。长度ΔΦ可以被用来确定移相器3400提供的相位数量。当没有偏压时，二极管3401和3402提供好的隔离。当有偏压时，二极管3401和3402便于提供好的传输特征。
在图35的延迟移相器3500里，使用了曲流电感器(meander lineinductor)3501、3502、3503和3504。曲流电感器类似于印刷电路传输线，但是具有很高的阻抗。曲流电感器3501、3502、3503和3504的线路长度最好大约是0.25λg(导波长)，从而在馈电给射频线的末端处提供很高的阻抗。那样可减少射频线上的损耗。移相器3500里四个不同的线路长度(ΔΦs)3505、3506、3507和3508，以0°相移线3505的参考线长度为基准，提供四种离散的相移。图35的所示实施例可以被校准到0°、90°、180°和270°。优选地，移相器3500的每条线都被背对背的二极管隔离。当提供偏压到一个特定分支时，任一方向上的PIN二极管都是正向偏压。但是，其它分支的PIN二极管(并不一定开启)是反向偏压的。这样，对整个移相器系统提供一个很好的隔离度。额外的二极管3520可以被放置在90°线3506上，来进一步确保隔离。第二个额外的二极管3530可以被放置在270°线3508距离面结型二极管3535(junction diode)0.25λg的位置上，通过在距离面结型二极管3535(junction diode)0.25λg的位置上提供一个短路来进一步确保隔离。
如图36所示，对被校准到0°的线路长度ΔΦ(3605)，一个0.25λg的线路长度可以提供优良的结隔离，在这个情况中，位于90°线3606上的额外二极管3620可以有选择地被放置在距离面结型二极管3535(junctiondiode)0.25λg的位置上，来提供更好的结隔离。在不同的ΔΦ长度上，距离面结型二极管0.25λg的间隔的位置上，可以采用更多的额外二极管来进一步增强结隔离和减少延迟移相器(如移相器3500)里的噪声。当有偏压在这种二极管上时，它们提供另外的断路给结点，获得更好的隔离度和宽带性能。这些额外的二极管最好能预防不同分支之间的反相功率泄漏抵消(opposite phased power leakage cancellation)，并通过消除传输路径上的谐振效应加宽工作带宽。结果，贯穿整个移相器网络的传输损耗也减少了。因为额外的二极管而有特别增强功能的如图35和图36的移相器，能够使用便宜的、稍微有损耗的二极管，但能够在高频获得合理的性能表现。
移相器里的传输线，如图35移相器3500里180°和270°相移的传输线，可能会相当长，而产生一个大的相移网络。图37、38和39A显示一种方式用来减少相位路径长度和传输线物理长度而得到很小的等效电路。如本领域的技术人员所知和图37所示，使用三个短截线3701，能够缩减一个45°线的大小，形成缩减尺寸的相移线3700。这个缩减尺寸的相移线3700能够被再次改造，而得到缩减尺寸的45°相移线3800。这些线的部分能够被用来形成不同缩减尺寸的开关线相位延迟电路。例如，组合两个缩减尺寸的45°相移线3800并赋予合适的阻抗，可以得到一个缩减尺寸的90°相移线3900(如图39A所示)。作为例子，短截线阻抗可被调到端到端50Ω。组合四个缩减尺寸的45°相移线3800，得到180°缩减尺寸的相移线3910(如图39B所示)，组合六个缩减尺寸的45°相移线3800，得到270°缩减尺寸的相移线3920(如图39C所示)。
缩减尺寸的相移线3800、3900、3910和3920的部分可以被用来形成不同缩减尺寸的开关线相位延迟电路，如图40和41所示的电路4000和4100。图40A的移相器电路4000由两个移相器4001和4002组成。移相器4001有两个分支，0°分支4003和90°分支4004。0°分支4003没有使用缩减尺寸的相移线，但90°分支4004采用两个45°缩减尺寸的相移线(3800)，而得到一个类似于上述3900线的90°相移线。移相器4002也有两个分支，分支4005是一个0°分支，分支4006是一个180°分支。正如移相器4001一样，0°分支4005也没有使用缩减尺寸的相移线。180°分支4006采用四个45°缩减尺寸的相移线(3800)，而得到一个类似于上述3910线的180°相移线。移相网络4001可以提供0°、90°、180°和270°的相移。图41显示的是一个移相器(如图35的移相器3500)的缩减尺寸电路4100。
如本领域的技术人员所知和图40B所示，一个超宽带90°移相器电路4010(如频率比例大于2∶1)，包含相位基准线4012和相移线4013，相位基准线4012有一个符合270°相位长度的导波长长度，相移线4013提供一个关于基准线4012的90°宽带相移。相移线4013可以包含两个正交短截线4015和4016，4015和4016形成一个“加号形状”，“垂直”短截线4015的一端4018经由短路引脚4017短路到地面，而另一端4019是一个断路。优选地，通过在一个感兴趣的中心频率设计电路4010，如5.5GHz，电路4010可以在90°相移的+/-5°范围内工作，如到3.3GHz。如图40C所示，一个本发明的超宽带180°移相器电路4020包含一个相位基准线4022和级联式相移线4023，相位基准线4022有一个符合540°相移的导波长长度，级联式相移线4023提供一个关于基准线4022的180°宽带相移。同样地，使用一个级联式导波长长度基准线和相应的级联式相移线，可以得到其它发明的宽带移相器，例如一个270°宽带移相器。或者，基准相位线4012、4022等可以被弯曲，来进一步缩减模块的大小。
图42披露的是依照本发明配置的馈电网络元件。图42所示的馈电网络4200优选地被配置在天线面板里。馈电网络4200采用空间优化的双分支交错馈电，馈电网络4200能够被安装在印刷电路板(如以上讨论的PCB205/2504)上的微带线上、嵌入式带线等上面。图42所示的馈电网络4200实施例有两个射频馈电分支4201和4202，被集成为一个单波段或多波段的双分支天线阵。作为例子，每个射频馈电馈给四组天线元件或纵列。射频分支4201馈给天线元件或纵列4203-4206，射频分支4202馈入天线元件或纵列4207-4210。每个天线或纵列4203-4205和4207-4209分别有相连的移相器4213-4215和4217-4219，天线元件或纵列4206和4210作为基准元件，没有移相器。
但是，如图43所示，通过双分支馈电4300使用移相器和一个开关来分支信号，可以减少使用在馈电网络(如馈电网络4200)里的移相器数目。馈电4300可以用来将一个四分支延迟线移相器网络缩减到一个双分支单开关网络。馈电4300可以减少30％或更多的本发明馈电网络中使用的PIN二极管和移相器组件数目。在4301的输入被馈给到一个0°或90°移相器4302，如上述的移相器4001。移相器4302的输出通过开关4303被馈给到天线元件4305和4306的0°相位输入4304，或者切换到天线元件4305和4306的180°相位输入4307，经由分配器4308或4309，获得期望的相移。结合起来，移相器4302和开关4303完成0°、90°、180°和270°相移系统，并在一个分支上减少对一组移相器的需求。更进一步地，因为移相器里超过180°的相移，馈电4300避免了可能的信号抵消。馈电网络的其它实施例采用移相器和开关分支馈给来减少组件数目，同时获得期望的相移性能，这也是可能的。例如，移相器4302可以配置成提供0°和270°相移，且元件4305和4306的0°相位输入端4304的馈给线可以被扩展到一个足够的长度，以便提供一个额外的90°相移。
如图44的所述实施例所示，通过在天线元件4401和4402上使用反相位馈电，差分馈电4400可以被用来限制交叉极化功率损耗。馈电4403和4404位于天线元件4401和4402的相对侧，而天线元件4401和4402间隔分开半个波长，馈电4403和4404提供180°反相信号给元件。但是，合成波束的整个场矢量保持同相。如图46-48所示，天线子阵差分馈电控制可以被用来利用布置在天线阵里的差分馈电，限制交叉极化功率损耗。但是，首先转到图45，不采用差分馈电的天线阵4500有一个比主波束4520减少-18dB的交叉极化的辐射模式4510。在图46里，天线阵4600的天线元件组4601和4602利用差分馈电，为天线阵4600交叉极化，形成等效的相位抵消，而减少交叉极化功率损耗。辐射模式4610比主波束4620减少-30dB。在图47里，天线阵4700中间元件的组4701，距离邻近元件4703-4706的馈电有半个波长的间隔，在辐射模式4710和主波束4720之间提供大概-30dB的交叉极化隔离。在图48里，天线阵4800的天线元件组4801和4802被反向配置馈电，提供差分馈电，来减少交叉极化功率损耗，辐射模式4810比主波束4820减少-30dB。
本发明天线阵的控制系统可以采用电流反应装置进行故障检测。优选地，这种电流反应装置电路嵌入在馈电网络里，自动评估天线面板使用的整个电流。这个电路可以评估相移网络使用的整个电流。相移可以是随机启动或在预定模式下启动，来评估面板或面板里的特定电路使用的电流是否在接受/期望水平内。这种检测可以被用来确定移相器里的二极管是否工作。优选地，提供这样的功能使得网管能够轮询(poll)天线阵面板，如通过网络管理系统，来评估(天线)平板是否有故障。
尽管已经细致地描述了本发明和它的优点，应该明白的是，在不偏移由附带权力要求所定义的本发明的情况下，在这儿可作出各种改变、替换或者改造。而且，本申请的范围不是限制在说明书里所描述的过程、机器、制造、物质合成、手段、方法和步骤的特定实施例。因为人们将受益于本发明的公开，目前存在的或以后将要开发的、并能实质上执行如这儿所述相应实施例的相同功能或达到相同结果的过程、机器、制造、物质合成、手段，方法或步骤，可能被使用。所以，附带权力要求意在包括这样范围之内的过程、机器、制造、物质合成、手段，方法或步骤。
权利要求
1.一个低成本的、自适应的、多波束的和多分集的天线阵，包含多个天线元件，所述元件提供多波束，每一个所述波束有选择性地具有不同的特性；和一个集成的馈电网络，所述馈电网络从一个输入馈电给所述元件，并对所述多波束提供自适应波束成形，所述馈电网络包含开关式移相器。
2.根据权利要求1所述的天线阵，其中所述波束被选择性地定义在不同的方向上。
3.根据权利要求1所述的天线阵，其中所述特性包含波束极化。
4.根据权利要求1所述的天线阵，其中所述特性包括波束宽度。
5.根据权利要求1所述的天线阵，其中所述天线阵被定义在一个面板内。
6.根据权利要求1所述的天线阵，其中所述馈电网络被定义在一个印刷电路板上。
7.根据权利要求6所述的天线阵，其中每个所述天线元件的至少一部分被定义在所述印刷电路板上。
8.根据权利要求1所述的天线阵，其中所述天线阵是一个无线局域网天线阵。
9.根据权利要求1所述的天线阵，其中所述馈电网络采用二极管作为开关。
10.根据权利要求9所述的天线阵，其中所述二极管以背对背形式配置在所述移相器里。
11.根据权利要求10所述的天线阵，其中所述二极管是PIN二极管。
12.根据权利要求1所述的天线阵，其中所述天线阵是多波段的。
13.根据权利要求12所述的天线阵，其中波段共享一个孔径。
14.根据权利要求12所述的天线阵，其中不同波段的元件是交错排列的。
15.根据权利要求1所述的天线阵，其中所述天线阵是宽带的。
16.根据权利要求15所述的天线阵，其中所述天线阵有高制造公差，由于所述天线阵是宽带的。
17.根据权利要求1所述的天线阵，其中所述元件被排列以降低互耦。
18.根据权利要求1所述的天线阵，其中所述元件包含贴片天线元件。
19.根据权利要求18所述的天线阵，其中所述贴片元件包含多层贴片天线元件。
20.根据权利要求19所述的天线阵，其中所述多层贴片天线元件包含一个比馈电元件大的无源元件。
21.根据权利要求20所述的天线阵，其中所述多层贴片元件包含一个十字形馈电元件。
22.根据权利要求21所述的天线阵，其中所述十字形馈电元件为元件之间降低互耦。
23.根据权利要求20所述的天线阵，其中所述多层贴片元件包含一个十字形无源元件。
24.根据权利要求20所述的天线阵，其中所述多层贴片元件通常包含一个方形无源元件。
25.根据权利要求19所述的天线阵，其中所述无源元件被间隔在距离所述馈电元件0.3λ-0.8λ的范围内。
26.根据权利要求18所述的天线阵，其中所述天线元件包含分集单极元件。
27.根据权利要求26所述的天线阵，其中所述分集单极元件包含一个单极馈电元件和一个提供差分路径的接地。
28.根据权利要求27所述的天线阵，其中所述接地是一个支撑所述馈电网络的接地层。
29.根据权利要求27所述的天线阵，其中所述单极馈电元件是一个平面圆盘状的，且是超宽频的。
30.根据权利要求27所述的天线阵，其中所述单极馈电元件是多个环形的，且是多波段的。
31.根据权利要求27所述的天线阵，其中所述单极馈电元件是一个正方形的，且是宽带的。
32.根据权利要求1所述的天线阵，还包含一个位于所述元件后面的反射体。
33.根据权利要求32所述的天线阵，其中所述反射体是接地层。
34.根据权利要求1所述的天线阵，其中所述天线元件包含综合槽型贴片天线元件。
35.根据权利要求34所述的天线阵，其中所述综合槽型贴片天线元件是提供分支分集的馈电。
36.根据权利要求34所述的天线阵，其中所述综合槽型贴片天线元件是提供极化分集的馈电。
37.根据权利要求34所述的天线阵，其中所述综合槽型贴片天线元件是提供分支分集和极化分集的馈电。
38.根据权利要求1所述的天线阵，其中每一个所述天线元件包含集成的磁偶极子和电偶极子。
39.根据权利要求38所述的天线阵，其中所述磁偶极子是由接地材料定义的槽孔提供。
40.根据权利要求39所述的天线阵，其中所述电偶极子被放置在所述槽孔里。
41.根据权利要求40所述的天线阵，其中所述槽孔被间隔分开，所述电偶极子包含布置在所述槽孔里的两个电单极子。
42.根据权利要求1所述的天线阵，其中所述元件的间隔为扫描角度和增益被优化。
43.根据权利要求42所述的天线阵，其中所述最优元件间隔是0.64λ。
44.根据权利要求1所述的天线阵，其中所述天线阵被布置在一个平坦表面上。
45.根据权利要求1所述的天线阵，其中所述天线阵被布置在一个弯曲表面上。
46.根据权利要求1所述的天线阵，其中制成所述天线阵的所述面板被相互成角度布置，形成一个弯曲天线阵。
47.根据权利要求1所述的天线阵，还包含延伸所述天线阵的扫描角度的导向器。
48.根据权利要求47所述的天线阵，其中定义所述馈电网络和支撑所述元件的印刷电路板支撑所述导向器。
49.根据权利要求47所述的天线阵，其中布置在所述元件后面的接地层反射体不延伸到超过所述导向器，从而帮助引导波束沿着所述天线阵的平面。
50.根据权利要求49所述的天线阵，还包含至少一个布置在所述接地层反射体末端的角度反射体，以提供更高的增益，并优化调谐波束宽度。
51.根据权利要求1所述的天线阵，其中所述移相器定义多个线路长度，通过在所述线路之间转换来提供相移。
52.根据权利要求51所述的天线阵，其中所述线路长度是由缩减尺寸的相移线提供。
53.根据权利要求52所述的天线阵，其中所述缩减尺寸的相移线中的几个通过一个移相器在路径上被组合，来提供期望的相移路径。
54.根据权利要求51所述的天线阵，其中所述相移是离散的。
55.根据权利要求51所述的天线阵，还包含布置在线路长度上的二极管，来提供所述线路之间的隔离。
56.根据权利要求55所述的天线阵，还包含布置在线路长度上的二极管，与所述线路长度上的结点位置间隔分离，来提供所述线路之间的隔离。
57.根据权利要求55所述的天线阵，还包含布置在线路长度上的二极管，与所述线路长度上的结点位置间隔分离，来避免在不同的所述线路之间的反相功率渗漏抵消。
58.根据权利要求55所述的天线阵，还包含布置在线路长度上的二极管，与所述线路长度上的结点位置间隔分离，来取消所述线路上的谐振效应。
59.根据权利要求1所述的天线阵，其中所述馈电网络在两个正交分支上馈电给所述元件。
60.根据权利要求59所述的天线阵，其中所述馈电网络包含一个移相器和一个开关，所述移相器提供两个正交相位，所述开关有选择地馈电给其中一个所述正交分支。
61.根据权利要求1所述的天线阵，其中所述馈电网络包含对所述元件的差分馈电。
62.根据权利要求61所述的天线阵，其中所述元件的所述差分馈电提供180°反相信号给所述元件。
63.根据权利要求1所述的天线阵，还包含由电流反应装置提供的故障检测的控制，评估所述馈电网络的所述移相器所使用的电流，从而决定所述馈电网络移相器的适当运作。
64.一个低成本的、自适应的、多种波束的和多分集的天线阵面板，包含至少部分定义在一个印刷电路板上的多个天线元件，所述元件提供多波束，每一个所述波束有选择地具有离散的特性；和定义在所述印刷电路板上的一个馈电网络，所述馈电网络由一个输入馈电给所述元件，并对所述多波束提供自适应波束成形，所述馈电网络包含开关式移相器。
65.根据权利要求64所述的面板，其中所述面板提供一个无线局域网天线阵。
66.根据权利要求64所述的面板，其中所述移相器采用PIN二极管作为开关。
67.根据权利要求64所述的面板，其中所述天线阵是多波段的，所述多个波段共享一个公共孔径。
68.根据权利要求67所述的面板，其中不同波段的所述元件被交错分布在所述印刷电路板上。
69.根据权利要求64所述的面板，其中所述元件适合安装在所述面板上。
70.根据权利要求64所述的面板，其中所述元件被排列来提供减少互耦。
71.一个低成本的、自适应的、多波段、多波束的和多分集的天线阵，包含多个低频天线元件，所述低频元件提供多个低频波束，每个所述低频波束有选择性地具有离散的特征；多个高频天线元件，与所述低频元件交错分布，所述高频元件提供多个高频波束，每个所述高频波束有选择性地具有离散的特征；和一个集成的馈电网络，从一个单独的输入馈电给每个所述的多个元件，并对所述多波束提供自适应波束成形，所述馈电网络包含开关式移相器。
72.根据权利要求71所述的天线阵，其中所述低频波束和所述高频波束共享所述天线阵的一个孔径。
73.根据权利要求71所述的天线阵，其中所述天线阵是一个无线局域网天线阵。
74.一个低成本的、自适应的、多波束的和多分集的无线局域网天线阵面板，包含至少部分定义在一个印刷电路板上的多个天线元件，所述元件提供多波束，每个所述波束有选择性地具有离散的特征；和定义在所述印刷电路板上的一个馈电网络，所述馈电网络由一个输入馈电给所述元件，并对所述多波束提供自适应波束成形，所述馈电网络包含开关式移相器。
75.根据权利要求74所述的面板，其中所述天线阵是多波段的，所述多个波段共享一个公共孔径。
76.根据权利要求75所述的面板，其中不同波段的所述元件被交错分布在所述印刷电路板上。
77.根据权利要求74所述的面板，其中所述元件适合安装在所述面板上。
78.根据权利要求74所述的面板，其中所述元件被排列来提供减少互耦。
79.一个用来自适应地低成本地提供多个多分集天线波束的方法，所述方法包含一个开关式移相器馈电网络馈电给多个天线元件；所述元件提供多个天线波束，每个所述波束有选择性地具有离散的特征；所述馈电网络对所述多波束提供自适应波束成形。
80.根据权利要求79所述的方法，还包含在不同方向上有选择性地定义所述波束。
81.根据权利要求79所述的方法，其中所述特征包括波束极化。
82.根据权利要求79所述的方法，其中所述特征包括波束宽度。
83.根据权利要求79所述的方法，其中所述馈电还包含采用二极管作为开关。
84.根据权利要求83所述的方法，其中所述采用还包含在所述移相器上背靠背地布置所述二极管。
85.根据权利要求79所述的方法，其中所述提供还包含所述元件提供多波段的天线波束。
86.根据权利要求85所述的方法，其中所述波段共享一个天线孔径。
87.根据权利要求85所述的方法，还包含对于不同波段，交错排列元件。
88.根据权利要求79所述的方法，还包含排列所述元件以减少元件之间的互耦。
89.根据权利要求79所述的方法，还包含在同一个印刷电路板上至少部分定义所述多个天线元件和所述馈电网络。
90.根据权利要求79所述的方法，其中所述提供还包含提供多个低频波束，采用所述天线元件的多个低频波束，所述低频波束有选择性地具有离散的特征，且提供多个高频波束，采用所述天线元件的多个高频波束，所述高频波束有选择性地具有离散的特征。
91.根据权利要求90所述的方法，其中所述馈电还包含由一个独立的输入馈电给所述多个低频元件和所述多个高频元件。
92.根据权利要求79所述的方法，其中所述元件包含贴片天线元件。
93.根据权利要求92所述的方法，其中所述贴片元件包含多层贴片天线元件。
94.根据权利要求93所述的方法，其中所述多层贴片天线元件包含一个比馈电元件更大的无源元件。
95.根据权利要求94所述的方法，其中所述多层贴片天线元件包含一个十字形的馈电元件。
96.根据权利要求95所述的方法，其中所述十字形的馈电元件提供减少元件之间的互耦。
97.根据权利要求93所述的方法，其中所述多层贴片元件包含一个十字形的无源元件。
98.根据权利要求93所述的方法，其中所述多层贴片元件包含一个正方形的无源元件。
99.根据权利要求92所述的方法，其中所述天线元件包含分集单极天线元件。
100.根据权利要求99所述的方法，其中所述分集单极天线元件包含一个单极馈电元件和一个提供差分路径的接地。
101.根据权利要求100所述的方法，其中所述接地是一个支撑所述馈电网络的接地层。
102.根据权利要求79所述的方法，还包含一个位于所述元件后面的反射体。
103.根据权利要求102所述的方法，所述反射题是一个接地层。
104.根据权利要求79所述的方法，所述天线元件包含综合槽型贴片天线元件。
105.根据权利要求104所述的方法，还包含馈电给所述综合槽型贴片天线元件，来提供至少一个分支分集和极化分集。
106.根据权利要求79所述的方法，其中每个所述天线元件包含一个集成的磁偶极和电偶极。
107.根据权利要求106所述的方法，还包含在接地材料上定义槽孔，来提供所述的磁偶极。
108.根据权利要求107所述的方法，还包含在所述槽孔里布置所述电偶极。
109.根据权利要求108所述的方法，还包含间隔分开所述槽孔；并在所述槽孔里布置电单极，来提供所述电偶极。
110.根据权利要求79所述的方法，还包含为扫描角度和增益，优化所述元件的所述间隔。
111.根据权利要求110所述的方法，其中最优的元件间隔是0.64λ。
112.根据权利要求79所述的方法，还包含提供导向器，用于延伸包含所述元件的天线阵的扫描角。
113.根据权利要求112所述的方法，还包含利用印刷电路板支撑所述导向器，所述印刷电路板定义所述馈电网络和支撑所述元件。
114.根据权利要求112所述的方法，还包含通过在所述元件后面放置一个接地层反射体，所述反射体并不延伸到所述导向器的后面，帮助引导波束沿着所述天线阵的平面。
115.根据权利要求114所述的方法，还包含至少布置一个反射体在所述接地层反射体末端，以提供更高的增益和优化调谐波束宽度。
116.根据权利要求79所述的方法，还包含在所述移相器里定义多个线路长度，在所述线路之间切换来提供相移。
117.根据权利要求116所述的方法，其中所述线路长度是缩减尺寸的相移线。
118.根据权利要求117所述的方法，还包含通过移相器，在路径上组合所述缩减尺寸的相移线，来提供想要的相移路径。
119.根据权利要求116所述的方法，其中所述相移是离散的。
120.根据权利要求116所述的方法，还包含在所述线路长度上布置二极管，来提供所述线路之间的隔离。
121.根据权利要求120所述的方法，还包含在所述线路长度上布置所述二极管，与所述线路长度的结点处间隔分开，来提供所述线路之间的所述隔离。
122.根据权利要求120所述的方法，还包含在所述线路长度上布置所述二极管，与所述线路长度的结点处间隔分开，来避免不同所述线路之间的反相功率渗漏抵消。
123.根据权利要求120所述的方法，还包含在所述线路长度上布置所述二极管，与所述线路长度的结点处间隔分开，来取消所述线路上的谐振效应。
124.根据权利要求79所述的方法，还包含所述馈电网络使用两个正交分支，馈电给所述元件。
125.根据权利要求124所述的方法，还包含所述馈电网络的一个移相器提供两个正交相位；并有选择性地切换馈电给其中一个所述正交分支。
126.根据权利要求79所述的方法，所述馈电网络包含所述元件的差分馈给。
127.根据权利要求126所述的方法，还包含所述元件的所述插分馈电，提供180°反相信号到所述元件。
128.根据权利要求79所述的方法，还包含通过感应电流在所述馈电网络上检测故障，评估所述馈电网络的所述移相器所使用的电流，从而决定所述馈电网络移相器的适当运作。
全文摘要
本系统和方法采用开关式移相器和一个馈电网络，来提供一个低成本的多波束天线系统进行无线通信。本系统和方法还能够便于进行多波段通信和采用多分集天线。本系统和方法使得通信系统获得增强的通信性能或其它服务(如位置跟踪)。本系统和方法可以采用开关移相器、多分集天线和/或一个具有多层构造的馈电网络，来提供一个低成本、外部组件数量少和/或组件小巧紧凑的天线系统。
文档编号H01Q21/29GK1898885SQ200480034554
公开日2007年1月17日 申请日期2004年11月23日 优先权日2003年11月24日
发明者宋濬哲, 罗斯·D·穆, 麦志强, 道格拉斯·R·乔治, 黄飚 申请人:香港应用科技研究院有限公司