专利名称：用于高频并行传输的系统和方法
技术领域：
本发明一般地涉及无线传输的系统和方法。更具体地，本发明涉及在 高载波频率上的并行传输。
背景技术：
近来，需要使用无线数据传输的通信应用的类型已经出现了显著的增 加。例如，这种应用包括视频会议、视频点播、高速互联网接入、高速局 域网、在线游戏和高清电视。例如，在家里或者办公室，计算设备还是使 用无线网络系统来连接。很多其他类型的设备还设计有无线通信。在低于约为3GHz的频率上，信号趋于无方向性，从而导致它们碰撞 附近的物体并且从所述附近的物体上反射出去。这些反射的信号导致了众 所周知的"多径"(multipath)，该"多径"是指反射的信号晚于原始信 号到达目的接收器。己经最小化这种效应的一个方式是通过在给定区域内 授权给定的频谱带给单一信号提供者来分配频谱。在较高频率上(如从大约3-60GHz)，信号变得有些方向性，大大地 减少了上述提及的多径问题。因此，能共存于给定空间和/或频率中的信号 提供者的数量大大地增加了。 57-64GHz ( "60GHz频带")频带位于电磁 频谱的毫米波(millimeter-wave)部分，并且还没有被商业无线应用广泛 利用。该频谱没有被美国的FCC和世界上的其他组织授权。除了能在该频 谱中完成的较高数据率以外，在60GHz频带上的能量传播还具有独一无二 的特性，这些特性使很多其他的优点诸如对极佳的抗干扰、高安全性和频率重用成为可能。60GHz的传输在本质上可以更具有方向性，并可与彼此放置得非常近的其他信号源共存。方向性是对天线将其能量集中在所需方向上的程度的 量度。高度集中的天线通过仅在所需方向上耗费能量，使同一地理区域中 链路之间的干扰可能性最小化，使传输被拦截的风险最小化，并使性能最在60GHz范围内的低功率传输(即低于FCC允许的40dBm)的范围 是有限的，这既是因为自由空气，归因于氧气对能量的吸收，也是由于其 易被建筑如墙壁阻止或者反射。这些表面上的限制有助于传输的内在安全 性。全方向传输在点对多点传输中有用，但是在点对点传输的情况中是浪 费能量的。集中的或者方向性的，与全方向传输相同的功率的发射器将会 远远超过全方向发射器的范围，或者如果需要相同的范围，则集中的发射 器将使用少得多的能量。集中的发射器使频率近似的集中发射器能够比全 方向发射器更近地共存。通过将多个方向性发射器并行放置，数据率的能 力通过发射器的数量翻倍。数据率是直接与可用带宽和带宽上的信噪比 (SNR)有联系的。可用的SNR和带宽决定了调制方案，调制方案又影响 每符号比特数。例如，使用简单的鲁棒的(robust) DQPSK调制方案(每 符号2比特)的1GHz的带宽产生每秒2G比特(Gbps)。然而需要更加 安静的数据信道和更加复杂的调制器和解调器来获得每符号更多的比特。 在60GHz的情况下，数据率很容易超过2Gbps，这导致跨越较短范围的极 高数据率。对传输进行集中或引导的一个方法是使用"喇叭"(hom)天线，但 是就方向和集中而言这些天线是昂贵的、巨大的且固定的。仍然需要比在 典型的60GHz传输上所能做到的更具方向性的传输，和更高的数据率的传 输。因此，需要在仍然保持60GHz传输的优点的同时，能克服之前提及的 问题的高频并行RF传输的系统和方法。发明内容在此公开和要求保护的是用于高频并行传输的系统和方法。在一个实 施例中，发射器包括多个天线阵列，每一个天线阵列包括多个单独天线。在一个实施例中，多个天线阵列配置来在大约57GHz禾n 95GHz之间的频 率上彼此并行传输射频信号。就以下本发明详细的描述，本发明的其他方面、特征和技术将会对本 领域技术人员很明显。
图l是典型的天线及其产生的全方向信号模式； 图2是典型的天线的阵列及其产生的全方向信号模式； 图3A是本发明实施例的天线阵列和产生的信号模式的描述； 图3B-3C根据本发明的原理例示了天线阵列的其他实施例和所产生的 信号模式；图4示出了四个单独的波束赋形阵列组成的超阵列的一个实施例，每 一个波束赋形阵列是由多个高频RF天线组成；图5是用来实现本发明一个或者多个方面的通信系统的一个实施例。
具体实施方式
本发明的一个方面是提供每一个发射器的高频RF天线阵列。通过使 用合适的信号处理，消除了构成阵列的单独天线之间的干扰，而有利于传 送所产生RF信号模式的结构性干扰。在一个实施例中，天线阵列的最佳 频率是在60GHz频带上。在另一个实施例中，天线阵列的最佳频率是在 57GHz禾n 95GHz之间。不论频率如何，在一些实施例中，构成阵列的所 有单独的天线都被优化以在基本相同的频率上工作，并且由信号处理来控 制其信号相位以使所有所述天线能彼此协同工作。应当理解的是天线阵列的波束赋形特性部分地基于构成阵列的物理天 线图案，以及单独天线的物理图案。因此，大量的天线配置和阵列图案与 本发明的原理一致。另一个方面是使多个前面提及的波束赋形阵列能用于并行传输。在一个实施例中，这是通过形成由高频RF天线的多个单独波束赋形阵列构成 的超阵列来完成的。使用这种超阵列的并行数据传输可以用来增加传输距离以及数据传输率。单独的点对点传输能够在长达20米的距离，在非常 低的功率上(<10dBm)获得〉2Gbps。在一些实施例中，本发明使数据能 在60GHz频带上以每秒多个G (Gbps)并行RF传输，而不需要改变无线 发射器的频率，因此有助于低成本实施。在一个实施例中，通过将输入数据流分离或者划分成多个数据流并且 将其点对点地并行无线广播来实现并行传输。在另一个实施例中，并行输 入数据流复用成1个或更多个串行流，然后点对点地无线广播所述串行 流。在一个实施例中，传输点包括由多个单独的波束赋形天线阵列构成的 超阵列。接收点可以由相应序列的接收天线构成，在该接收点后能重新组 合数据流。在一个实施例中，接收到的数据流可以被解复用，重组并且与 并行数据流重对准。在一个实施例中，使用60GHz频带传输进行并行传输虽然在一些实施例中，超阵列可以是一维阵列，但在其他实施例中， 超阵列可以是二维阵列。阵列的波束赋形能力可以与单独天线的阵列的平 面正交。应当理解的是无论对于一维还是二维，波束赋形都不需要各自是直角 或者正交。在一维超阵列的情况下，当彼此平行时，形成的波束将干扰最 小化。但是，他们不必与构成阵列的天线成直角。更确切地说，波束可以 与天线成任意角度，这例如可以使用诸如天线导航(antenna steering)来 实现。在二维阵列的情况下，阵列形成的波束不需要与单独天线所在的平 面正交。本发明的另一个方面是将上述超阵列的实施例印制在衬底上，所述衬 底附在发射器或者接收器的集成电路(IC)上。虽然典型地由于以上描述 的所造成的千扰和/或大小的问题，不可能将多个天线安装在IC上，但诸 如在60GHz频带上的高频传输系统的方向性使得可以紧密放置单独天线而 不会引起现有技术的信号干扰问题。假定天线是典型的1/4波长(入/4) 并且多个天线能间隔开1/2波长(入/2)放置，则毫米波长实现方式允许天线隔几毫米放置，并且很多天线可放置在仅仅几平方毫米的区域中。确 切的间隔是由发射器的频率和采用的天线的特性决定的。图1描述了现有技术的典型的RF天线100，以及其产生的全方向信号 模式110。如图2中所示的，试图使用天线100的阵列将由于其重叠的信 号传播导致大量信号失真和干扰。例如，图2描述了一系列的全方向天线 200a-200d并行设置时的信号传播。如图2所示，信号模式210a-210d将严 重地重叠。现有技术避免该重叠的一种方式是对于天线200a-200d每一个 天线在不同的频率上传输，和/或改变传输的相位。但是，这些方案中每一 个方案由于更加复杂的硬件和/或软件都会引起较高的生产成本。现参见图3A，描述的是60GHz频带天线阵列300及其产生的信号模 式310的一个实施例。尽管图.3A的阵列300被示为包括五个单独天线， 但应当同样理解的是大于一的任何其他数量的天线可相似地用来形成阵列 300。在其他实施例中，天线阵列300可在60GHz以上的频带上的频率传 输，诸如高达95GHz。如图3A中所示，高频阵列30的定向导致波束赋形RF信号310。在 60GHz频带中或者以上的频率上，由于短波长和随后的天线实施，单独的 天线可以紧密放置在一起以产生单独的天线之间的定向波束最小干扰。这 是由于较高频率信号的较短的波长使得可以使用较小的天线这一事实而成 为可能的。方向信号减少了临近的干扰，提高了通信安全性，提供了较好 的QoS，具有每区域较高的比特率，并且能量更加有效。继续参见图3A，还应当理解的是根据构成阵列300的天线的物理放 置以及单独的天线自身的物理图案，波束赋形信号310可以具有不同于图 3A中所描述的方向性的其他方向性。而且，应当理解的是信号处理软件 还可用来改变或者修改波束赋形信号310的特性。通过示出阵列300可具有的很多可能的配置，图3B-3C描述了其中的 其他的实施例。在图3B中，例如高频RF天线阵列320描述为包括彼此接 近放置的3个分离的单独天线，导致形成波束赋形信号330。类似地，图 3C描述了高频RF天线阵列340包括彼此靠近放置的6个分离的单独天 线，导致形成波束赋形信号340。现参见图4，描述了包括四个单独波束赋形阵列410a-410d的超阵列 400的一个实施例，每一个阵列包括多个高频RF天线。与之前的实施例一 样，在一个实施例中，包括阵列410a-410d的单独的天线可以彼此之间距 离约1/2波长之内放置。应当理解的是单独天线的很多其他配置将会与本 发明的原理一致。如上述描述的，本发明的一个方面是使用诸如超阵列400之类的超阵 列来进行高速并行数据传输，以增加传输距离以及数据传输率。为了这个 目的，阵列400可用来在60GHz频带中传输波束赋形信号420a-420d。在 一个实施例中，信号420a-420d的并行传输是通过将输入数据流(未示 出)分离或者划分为多个数据流，并且将其从超阵列400无线广播。虽然 在图4的实施例中，超阵列400是一维阵列，但在其他实施例中，超阵列 可以是二维阵列。在图4的一个实施例中，超阵列400印制在附在发射器 的集成电路(IC)上的衬底上。图5示出了用来实现本发明的一个实施例的一个或多个方面的系统 500的简单示意图。在该实施例中，数据源500提供数据流给数据分离模 块520。在一个实施例中，数据源是高比特率源，如高清视频源。应当理 解的是数据分离模块可以是能够将输入数据流划分为分离的数据流的硬件 和软件的任意组合。在数据流由模块520处理之后，其被提供到发射器阵列530，如图5 所示。在一个实施例中，发射器阵列530包括四个单独波束赋形子阵列 (如阵列410a-410d)，每一个子阵列又包括多个高频RP天线。在一个实 施例中，在包含发射器阵列530的波长大小 的平方的区域中，四个频率 优化的单独天线间隔约 /2波长距离，所述单独天线中的每一个的大小大 约为*/4。在一些实施例中，发射器阵列530可以印制在集成电路的衬底 上。还应当理解的是发射器阵列530可以包括更多或更少的子阵列。继续参见图5，在一个实施例中通过在发射器阵列530和相应的接收 器阵列540之间传输高频信号550使得高速并行数据传输成为可能。虽然 在一个实施例中，信号550在60GHz频带上，但其也可以相似地在更高频 带(如57GHz-95GHz)上。 一旦接收器阵列540已经探测到了传输，则可出现一系列的设备识别和兼容性"握手"。在一个实施例中，该兼容性检 査可包括发射器阵列530发送包含开/关值的唯一模式的高频信号。在接收到该模式后，接收器阵列540可随后确认信号。还应当理解的是可以使用 用于建立发射器阵列530和接收器阵列540之间的通信的很多其他过程。 在一些实施例中，信号550依据功率、调制、天线设置和信号处理等等可 以通过几毫米至几米之间的距离。与发射器阵列530 —样，接收器阵列540可以包括四个单独的波束赋 形子阵列，每一个子阵列又包括多个高频RF天线。在一个实施例中，构 成接收器阵列540的单独的天线可以彼此之间距离约1/2波长之内放置。 在一些实施例中，接收器阵列540可以印制在集成电路的衬底上。还应当 理解的是接收器阵列54.0可以包括更多或者更少的子阵列。此时，如图5所示，数据流能通过模块560重新组合，并且提供给数 据接收器(Data Sink) 570。而数据接收器570可以是任何一种数据终 端，例如高清电视、计算机硬盘驱动器、数字录像机、PDA、 DVD播放器 等等。在一个实施例中，如图5中描述的信号550的并行传输使得能够使 用60GHz频带传输，来进行每秒多个G数据率的传输。虽然之前的描述已经涉及了特殊的实施例，但应当理解的是本领域技 术人员可以想到在此描述的特定实施例的修改和/或变化。任何这种落入说 明书范围的修改或者变化也应包括在本文中。应当理解的是在此的说明书 仅仅是示例性的，并不是用来限制本发明的范围。
权利要求
1.一种发射器，包括天线阵列，该天线阵列包括多个单独天线，并且其中所述天线阵列配置来在大约57GHz和95GHz之间的频率上发射射频信号。
2. 如权利要求1所述的发射器，还包括多个天线阵列，每一个天线 阵列包括所述多个天线，并且其中所述多个天线阵列中的每一个天线阵列 配置来在所述频率上并行发射所述射频信号。
3. 如权利要求1所述的发射器，其中所述多个单独的天线都工作在 基本相同的频率上。
4.如权利要求1所述的发射器，其中所述频率是在60GHz的频带 上。
5. 如权利要求1所述的发射器，其中所述射频信号是至少部分地由 所述多个单独天线的物理图案波束赋形的。
6. 如权利要求1所述的发射器，其中所述天线阵列印制在电路板的 衬底上。
7. 如权利要求1所述的发射器，其中所述射频信号传输至少0.5cm的距离。
8. —种通信系统，包括天线阵列，用于在大约57GHz和95GHz之间的频率上发射射频信 号，其中所述天线阵列包括配置成对所述信号进行波束赋形的图案的多个 单独的天线；以及多个接收器，用来接收来自所述天线阵列的所述射频信号。
9. 如权利要求8所述的通信系统，还包括多个天线阵列，每一个天 线阵列包括所述多个天线，并且其中所述多个天线阵列中的每一个天线阵 列配置来在所述频率上彼此并行发射所述射频信号。
10. 如权利要求8所述的通信系统，其中所述多个单独的天线都工作 在基本相同的频率上。.
11. 如权利要求8所述的通信系统，其中所述频率是在60GHz频带上。
12. 如权利要求8所述的通信系统，其中所述多个天线阵列印制在电 路板的衬底上。
13. 如权利要求8所述的通信系统，其中所述射频信号在到达所述多个接收器之前，传输了至少0.5cm的距离。
14. 如权利要求8所述的通信系统，其中所述多个接收器包括多个接 收阵列，所述接收阵列对应于所述多个单独天线中的每一个天线。
15. —种通信方法，包括将天线阵列印制在衬底上，所述衬底附在集成电路的半导体部分上， 其中所述天线阵列包括多个单独的天线；以及在大约57GHz和95GHz之间的频率上从所述天线阵列发射射频信号
16. 如权利要求15所述的方法，其中印制所述天线阵列包括将多个 天线阵列印制在所述衬底上，其中所述多个天线阵列中的每一个天线阵列 包括多个天线，并且其中所述多个天线阵列中的每一个天线阵列配置来在 所述频率上彼此并行发射射频信号。
17. 如权利要求15所述的方法，其中发射射频信号包括从所述多个 单独天线在基本相同的频率上发射射频信号。
18. 如权利要求15所述的方法，其中发射射频信号包括在60GHz频 带上发射射频信号。
19. 如权利要求15所述的方法，还包括至少部分地基于所述多个单 独天线的物理图案来对所述射频信号进行波束赋形。
20. 如权利要求15所述的方法，其中所述印制多个天线阵列包括直 接在集成电路上印制所述多个天线阵列。
21. 如权利要求15所述的方法，其中所述发射射频信号包括从所述 多个单独天线中的每一个单独天线将射频信号传输至少0.5cm的距离。
22. —种通信方法，包括在集成电路封装上印制多个天线阵列，其中所述多个天线阵列中的每 一个天线阵列包括多个单独的天线；和从所述多个天线阵列中每一个天线阵列在大约57GHz和95GHz之间 的频率上并行发射射频信号。
23. 如权利要求22所述的方法，其中发射射频信号包括从所述多个 天线阵列中的每一个天线阵列在基本相同的频率上并行发射射频信号。
24. 如权利要求22所述的方法，其中发射射频信号包括在60GHz频 带上发射射频信号。
25. 如权利要求22所述的方法，还包括至少部分地基于所述多个单 独天线的物理图案来对所述射频信号进行波束赋形。
26. 如权利要求22所述的方法，其中印制所述多个天线阵列包括将 所述多个天线阵列印制在所述集成电路封装上。
27. 如权利要求22所述的方法，其中发射射频信号包括从所述多个 天线阵列中的每一个天线阵列将所述射频信号传输至少0.5cm的距离。
全文摘要
使用多个高频波束赋形RF天线阵列(100)以在每秒多个G的数据率下能进行并行数据传输。在一个实施例中，用60GHz频带进行来自天线阵列的数据的并行传输，所述天线阵列印制在集成电路的衬底或者封装上。
文档编号H01Q1/38GK101233652SQ200680027884
公开日2008年7月30日 申请日期2006年7月24日 优先权日2005年7月29日
发明者罗伯特·哈达克 申请人:索尼株式会社;索尼电子有限公司