РЕТРАНСЛЯТОР, ИМЕЮЩИЙ КОНФИГУРАЦИЮ С ДВОЙНОЙ АНТЕННОЙ ПРИЕМНИКА ИЛИ ПЕРЕДАТЧИКА С АДАПТАЦИЕЙ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ РАЗВЯЗКИ
RETRANSMITTER HAVING CONFIGURATION WITH DOUBLE ANTENNA OF RECEIVER OR TRANSMITTER WITH ADAPTATION TO INCREASE DECOUPLING

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Эта заявка на изобретение является родственной и испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США №60/841528, поданной 1 сентября 2006 г., и, кроме того, является родственной патенту США №7200134 на имя Proctor et al., озаглавленному "WIRELESS AREA NETWORK USING FREQUENCY TRANSLATION AND RETRANSMISSION BASED ON MODIFIED PROTOCOL MESSAGES FOR ENHANCING NETWORK COVERAGE"; публикации патента США №2006-0098592 (заявка на патент США №10/536471) на имя Proctor et al., озаглавленной "IMPROVED WIRELESS NETWORK REPEATER"; публикации патента США №2006-0056352 (заявка на патент США №10/533589) на имя Gainey et al., озаглавленной "WIRELESS LOCAL AREA NETWORK REPEATER WITH DETECTION"; и публикации патента США № 2007-0117514 (заявка на патент США №11/602455) на имя Gainey et al., озаглавленной "DIRECTIONAL ANTENNA CONFIGURATION FOR TDD REPEATER", содержание которых включено в данный документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Область техники относится, в общем случае, к ретранслятору для сети беспроводной связи и, в частности, к конфигурации антенны, связанной с ретранслятором.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Обычно зона обслуживания сети беспроводной связи, например дуплексной с временным разделением, (TDD), дуплексной с частотным разделением (FDD), беспроводной достоверности (Wi-Fi), глобальной совместимости для микроволнового доступа (Wi-Max), сотовой, глобальной системы мобильной связи (GSM), множественного доступа с кодовым разделением (CDMA) или 3G сети беспроводной связи, может быть увеличена посредством ретранслятора. Примерные ретрансляторы включают в себя, например, ретрансляторы с преобразованием частоты или ретрансляторы на той же самой частоте, которые работают на физическом уровне или на уровне канала передачи данных, что определено базовой эталонной моделью взаимодействия открытых систем (моделью OSI).
Ретранслятор физического уровня, предназначенный для работы, например, в беспроводной сети, основанной на TDD, например Wi-Max, обычно содержит модули антенн и схемы ретранслятора для одновременной передачи и приема пакетов TDD. В предпочтительном варианте антенны для приема и передачи, а также схемы ретранслятора содержатся внутри одного и того же модуля для достижения снижения себестоимости изготовления, простоты монтажа и т.п. В особенности, это имеет место тогда, когда ретранслятор предназначен для его использования потребителем в качестве устройства, базирующегося в месте жительства или в малом офисе, где форм-фактор и простота монтажа являются критическим фактором. В таком устройстве одна антенна или набор антенн обычно обращены, например, к базовой станции, к точке доступа, к шлюзу или к другой антенне или набору антенн, обращенных к абонентскому устройству.
Для любого ретранслятора, который одновременно производит прием и передачу, развязка между приемной и передающей антеннами является критическим фактором производительности ретранслятора в целом. Это имеет место как в случае ретрансляции на той же самой частоте, так и в случае ретрансляции на иной частоте. То есть, если антенны приемника и передатчика не имеют надлежащей развязки, то производительность ретранслятора может значительно ухудшиться. Как правило, коэффициент усиления ретранслятора не может быть большим, чем коэффициент развязки, для предотвращения осцилляций в ретрансляторе или изначального снижения чувствительности. Развязку обычно реализуют путем физического разделения диаграмм направленности антенн или поляризации. Для ретрансляторов с преобразованием частоты дополнительная развязка может быть достигнута за счет использования полосовой фильтрации, но развязка антенн обычно остается ограничивающим фактором для производительности ретранслятора вследствие нежелательных шумов и внеполосных излучений из передатчика, принимаемых в рабочем диапазоне частот приемной антенны. Антенная развязка приемника и передатчика является еще более критичной проблемой в случае ретрансляторов, работающих на одних и тех же частотах, и полосовая фильтрация не обеспечивает дополнительную развязку.
Системы, основанные на сотовой связи, часто имеют ограниченный разрешенный спектр, являющийся доступным для них, и в них не могут использоваться подходы ретрансляции с преобразованием частоты, и, следовательно, в них должны применяться ретрансляторы, использующие одни и те же частотные каналы приема и передачи. Примерами таких сотовых систем являются, в том числе, FDD системы, такие как IS-2000, GSM, WCDMA или TDD, например, такие как Wi-Max (IEEE802.16), PHS (персональной телефонной связи) или TDS-CDMA (множественного доступа с кодовым разделением на основе коммутации с временным разделением).
Как упомянуто выше, для ретранслятора, предназначенного для использования с абонентами, предпочтительным являлось бы изготовление ретранслятора, имеющего физически малый форм-фактор, для достижения дополнительного снижения стоимости, простоты монтажа и т.п. Однако малая форма может приводить к тому, что антенны, расположенные в непосредственной близости, таким образом обостряют обсуждаемую выше проблему развязки.
Те же самые проблемы свойственны и ретрансляторам с преобразованием частоты, таким как, например, ретранслятор с преобразованием частоты, раскрытый в международной заявке № PCT/US 03/16208, права на которую также принадлежат патентовладельцу настоящей заявки на изобретение, в которой развязку каналов приема и передачи осуществляют с использованием способа частотного детектирования и преобразования частоты, что позволяет двум модулям WLAN (IEEE 802.11) осуществлять связь путем перемещения пакетов, связанных с одним устройством, из первого частотного канала во второй частотный канал, используемый вторым устройством. Ретранслятор с преобразованием частоты может быть сконфигурирован, чтобы контролировать передачи по обоим каналам, и, когда обнаружена передача, преобразовывать принятый сигнал на первой частоте в другой канал, где он передается на второй частоте. Проблемы могут возникать тогда, когда уровень мощности от передатчика, попадающий во входной каскад приемника, является слишком высоким, что вызывает интермодуляционное искажение, приводящее к так называемому "вторичному росту ширины спектра" ("spectral re-growth"). В некоторых случаях интермодуляционное искажение может попасть в рабочую полосу частот полезного принятого сигнала, что, таким образом, приводит к эффекту преднамеренных помех или к уменьшению чувствительности приемника. Это существенно уменьшает развязку, достигнутую вследствие смещения частоты и фильтрации.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
С учетом вышеизложенных проблем, различные варианты осуществления ретранслятора содержат конфигурацию адаптивной антенны для приемников, для передатчиков или для обоих из них, для увеличения развязки и обеспечения посредством этого более высокой чувствительности приемника и мощности передачи.
Согласно первому варианту осуществления изобретения, ретранслятор может содержать приемную антенну, первую и вторую передающие антенны, схему взвешивания для применения весового коэффициента, по меньшей мере, к одному из первого и второго сигналов в первом и втором трактах передачи, соединенных соответственно с первой и второй передающими антеннами; и схему управления, сконфигурированную для управления схемой взвешивания в соответствии с адаптивным алгоритмом, чтобы увеличить развязку между трактом приема, соединенным с приемной антенной, и первым, и вторым трактами передачи.
Согласно второму варианту осуществления изобретения, ретранслятор может содержать первую и вторую приемные антенны, передающую антенну и схему взвешивания для применения весового коэффициента, по меньшей мере, к одному из первого и второго сигналов в первом и втором трактах приема, соединенных соответственно с первой и второй приемными антеннами. Ретранслятор дополнительно содержит сумматор для объединения первого и второго сигналов в составной сигнал после того, как, по меньшей мере, к одному из первого и второго сигналов был применен весовой коэффициент; и контроллер для управления схемой взвешивания в соответствии с адаптивным алгоритмом, чтобы посредством этого увеличить развязку между первым и вторым трактами приема и трактом передачи, соединенным с передающей антенной.
Согласно третьему варианту осуществления изобретения, ретранслятор может содержать первый и второй приемники, соединенные с первой и второй приемными антеннами, и передатчик, соединенный с передающей антенной, причем до обнаружения первоначального пакета первый и второй приемники принимают на первой и второй частотах, и после обнаружения первоначального пакета они принимают на той же самой частоте. Ретранслятор может дополнительно содержать направленный ответвитель для приема первого и второго сигналов соответственно из первой и второй приемных антенн и для вывода различных алгебраических комбинаций первого и второго сигналов в первый и второй приемники; и модуль обработки в основной полосе, связанный с первым и вторым приемниками, причем этот модуль обработки в основной полосе вычисляет множество комбинаций взвешенных объединенных сигналов и выбирает из множества вычисленных комбинаций конкретную комбинацию для определения первого и второго весовых коэффициентов, применяемых для первого и второго приемников. В качестве конкретной комбинации для определения первого и второго весовых коэффициентов модуль обработки в основной полосе может выбирать ту комбинацию, которая имеет наиболее оптимальный показатель качества. Этот показатель качества может содержать, по меньшей мере, одно из интенсивности сигнала, отношения сигнал/шум и разброса задержек.
Согласно четвертому варианту осуществления изобретения, ретранслятор может содержать первый и второй приемники, принимающие первый и второй принимаемые сигналы через первую и вторую приемные антенны; первый и второй передатчики, передающие первый и второй передаваемые сигналы через первую и вторую передающие антенны; и модуль обработки в основной полосе, соединенный с первым и вторым приемниками и с первым и вторым передатчиками. Модуль обработки в основной полосе может быть сконфигурирован, чтобы вычислять множество комбинаций взвешенных объединенных принимаемых сигналов и выбирать из вычисленного множества комбинаций конкретную комбинацию для определения первого и второго весовых коэффициентов приема, применяемых для первого и второго принимаемых сигналов, и определять первый и второй весовые коэффициенты передачи, применяемые для первого и второго передаваемых сигналов.
Модуль обработки в основной полосе может быть дополнительно сконфигурирован, чтобы измерять интенсивность принятого сигнала во время приема пакетов; определять показатель развязки между первым и вторым приемниками и первым и вторым передатчиками на основании измеренной интенсивности принятого сигнала; определять первый и второй весовые коэффициенты передачи и первый и второй весовые коэффициенты приема в соответствии с последовательными весовыми установками; и регулировать первый и второй весовые коэффициенты передачи и первый и второй весовые коэффициенты приема в соответствии с адаптивным алгоритмом, чтобы увеличить показатель развязки между первым и вторым приемниками и первым и вторым передатчиками.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сопроводительные чертежи, на которых одинаковые номера позиций относятся к идентичным или к функционально сходным элементам на всех отдельных чертежах и которые вместе с приведенным ниже подробным описанием включены в состав описания и являются его частью, служат для более глубокой иллюстрации различных вариантов осуществления изобретения и для объяснения различных принципов и преимуществ согласно настоящему изобретению.
На Фиг.1A проиллюстрирован примерный корпус для размещения дипольной антенны с двумя микрополосковыми излучателями.
На Фиг.1Б проиллюстрирован внутренний вид раскрытия с Фиг.1A.
На Фиг.2 проиллюстрирована примерная конфигурация двойной дипольной антенны с двумя микрополосковыми излучателями.
На Фиг.3A-3Б изображены блок-схемы конфигурации адаптивной антенны, установленной в передатчике, согласно различным примерным вариантам осуществления изобретения.
На Фиг.4 изображена блок-схема конфигурации адаптивной антенны, установленной в приемнике, согласно различным примерным вариантам осуществления изобретения.
На Фиг.5 изображена блок-схема контрольно-испытательного прибора, используемого для тестирования конфигурации адаптивной антенны, установленной в передатчике.
На Фиг.6 изображены графики, на которых проиллюстрирована зависимость коэффициента усиления от частоты и зависимость сдвига фазы от частоты для антенны без адаптации согласно первому тесту.
На Фиг.7 изображены графики, на которых проиллюстрирована зависимость коэффициента усиления от частоты и зависимость сдвига фазы от частоты для антенны с адаптацией согласно первому тесту.
На Фиг.8 изображены графики, на которых проиллюстрирована зависимость коэффициента усиления от частоты и зависимость сдвига фазы от частоты для антенны без адаптации согласно второму тесту.
На Фиг.9 изображены графики, на которых проиллюстрирована зависимость коэффициента усиления от частоты и зависимость сдвига фазы от частоты для антенны с адаптацией согласно второму тесту.
На Фиг.10 изображена блок-схема примерной конфигурации адаптивной антенны согласно различным примерным вариантам осуществления изобретения.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Здесь раскрыта и описана конфигурация адаптивной антенны для узла сети беспроводной связи, например для ретранслятора. Ретранслятором может являться, например, ретранслятор с преобразованием частоты, раскрытый, например, в патенте США №7200134 или в публикации патента США №2006-0098592 на имя Proctor et al., антенна с одинаковым смещением частоты, например дуплексные ретрансляторы с временным разделением (TDD), раскрытые в публикации патента США №2007-0117514 на имя Gainey et al., и в патенте США №7233771 на имя Proctor et al., а также дуплексные ретрансляторы с частотным разделением (FDD).
Конфигурация адаптивной антенны может содержать двойные приемные антенны, двойные передающие антенны или как двойные приемные, так и двойные передающие антенны. Кроме того, каждая антенна может представлять собой одну из антенн различных типов, включающих в себя микрополосковые антенны, дипольные антенны или антенны иных типов. Например, в одной конфигурации могут использоваться одна или две дипольные антенны и две микрополосковые антенны, причем одна группа предназначена для радиоприема, а другая - для радиопередачи. Эти две микрополосковые антенны могут быть расположены параллельно друг другу с расположенным между ними заземленным экраном. Часть заземленного экрана может выступать за пределы микрополосковых антенн с одной стороны или с обеих сторон. Кроме того, на заземленном экране между микрополосковыми антеннами могут быть расположены электрические схемы ретранслятора, и, таким образом, они могут быть сконфигурированы для максимального подавления шумов. Например, для уменьшения обобщенной связи через заземленный экран или через подложку схемной платы ретранслятора возбуждение антенн может осуществляться сбалансированно таким образом, что любая часть парного сигнала, поступающая в схему возбуждения другой антенны, будет являться связью синфазной помехи для максимального подавления. Для дополнительного улучшения развязки и для повышения эффективности линии связи может быть использовано изолирующее ограждение между микрополосковыми антеннами и дипольными антеннами. В качестве другого подхода, все четыре антенны могут представлять собой микрополосковые антенны, по две с каждой стороны платы.
В качестве другого примера, на Фиг.1A-1Б показана конфигурация дипольной антенны с двумя микрополосковыми излучателями для ретранслятора, в которой может быть реализована конфигурация адаптивной антенны согласно различным вариантам осуществления изобретения. Как показано на Фиг.1A, конфигурация дипольной антенны с двумя микрополосковыми излучателями совместно с электронными схемами ретранслятора может быть рационально размещена в компактном корпусе 100. Корпус 100 может иметь такую конструкцию, что он будет естественным образом ориентирован одним из двух способов; однако, пользователь может быть проинструктирован о том, каким образом следует разместить корпус для того, чтобы максимально улучшить прием сигнала. На Фиг.1Б показана примерная конфигурация дипольной антенны с двумя микрополосковыми излучателями, в которой заземленный экран 113, предпочтительно объединенный с печатной платой (ПП) для электронных схем ретранслятора, может быть расположен параллельно между двумя микрополосковыми антеннами 114 и 115 с использованием, например, распорок 120. Как отмечено выше, во многих случаях для улучшения развязки может быть использовано изолирующее ограждение 112.
Каждая из микрополосковых антенн 114 и 115 расположена параллельно заземленному экрану 113 и может быть выполнена способом печати на монтажной плате или аналогичным способом, или может быть создана в виде штампованного металлического элемента, встроенного в пластмассовый корпус. Плоский участок платы с печатной схемой, соответствующий заземленному экрану 113, может содержать дипольную антенну 111, сконфигурированную, например, в виде встроенной трассы на печатной плате. Как правило, микрополосковые антенны 114 и 115 имеют вертикальную поляризацию, а дипольная антенна 111 имеет горизонтальную поляризацию.
На Фиг.2 показана примерная конфигурация двойной дипольной антенны с двумя микрополосковыми излучателями для ретранслятора, в котором может быть реализована конфигурация адаптивной антенны согласно различным вариантам осуществления изобретения. Конфигурация 200 двойной дипольной антенны с двумя микрополосковыми излучателями содержит первую и вторую микрополосковые антенны 202, 204, разделенные расположенной между ними печатной платой 206 для электронных схем ретранслятора. Первая и вторая дипольные антенны 208, 210 размещены на противоположных сторонах плоского участка платы с печатной схемой посредством, например, распорок. Подобно конфигурации 100 антенны, обсужденной выше, дипольные антенны 208, 210 могут быть сконфигурированы в виде встроенных трасс на печатной плате 206.
Для достижения развязки, равной, приблизительно, 40 дБ, между приемными и передающими антеннами в двойной дипольной антенне с двумя микрополосковыми излучателями может быть использована комбинация неперекрывающихся диаграмм направленности антенн и противоположных поляризаций электромагнитной волны. В частности, в одном из устройств, которыми являются передатчик и приемник, для связи с точкой доступа используют одну из двух двойных переключаемых микрополосковых антенн, имеющую вертикальную поляризацию электромагнитной волны, а в другом из этих устройств, которыми являются передатчик и приемник, используют дипольную антенну, имеющую горизонтальную поляризацию электромагнитной волны. Этот подход был бы особенно пригоден в том случае, когда ретранслятор предназначен для ретрансляции внутренней сети клиентам, находящимся в помещении. Как правило, в этом случае необходимо, чтобы диаграмма направленности антенн, производящих передачу клиентам, была всенаправленной, что требует использования двойных дипольных антенн, поскольку направление к клиентам неизвестно.
В качестве альтернативного варианта осуществления изобретения, когда ретранслятор предназначен для использования для ретрансляции сети извне внутрь здания, могут использоваться две микрополосковые антенны, расположенные на каждой стороне платы с печатной схемой. И вновь со ссылкой на Фиг.2, каждая из двойных дипольных антенн 208 и 210 может быть заменена дополнительными микрополосковыми антеннами. В этом варианте осуществления изобретения на каждой стороне платы с печатной схемой расположены две микрополосковые антенны, причем каждая из новых микрополосковых антенн расположена рядом с микрополосковыми антеннами 202 и 204. В этом случае может быть достигнута развязка свыше 60 дБ. В этом варианте осуществления изобретения две микрополосковые антенны используют для приема, и две микрополосковые антенны используют для передачи. Этот вариант осуществления изобретения особенно пригоден в тех ситуациях, где ретранслятор расположен в окне и действует в качестве ретранслятора "снаружи - внутрь" и/или наоборот. В этом случае антенны, производящие передачу клиентам, могут быть направленными, поскольку направление к клиентам обычно является известным, и они ограничены антеннами, обращенными внутрь здания.
Дополнительная развязка может быть достигнута путем смещения частоты и селективной фильтрации каналов. Однако, как изложено выше, интермодуляционное искажение может попасть в полосу частот полезного принятого сигнала, что, таким образом, приводит к эффекту преднамеренных помех или к уменьшению чувствительности приемника. Это фактически уменьшает развязку, достигнутую вследствие смещения частоты и фильтрации.
Ниже, со ссылкой на Фиг.3A, приведено описание конфигурации 300 адаптивной антенны, установленной в передатчике, которая может быть реализована в виде конфигурации двойной дипольной антенны с двумя микрополосковыми излучателями, показанной на Фиг.2. Конфигурация 300 содержит передатчик 302 и радиочастотный (РЧ) разветвитель 304, которым является, например, делитель Уилкинсона (Wilkinson), предназначенный для разветвления выходного сигнала передатчика на первый тракт 306 и второй тракт 308. Первый тракт 306 возбуждает первую дипольную антенну 310, в то время как второй тракт 308 проходит через схему 312 взвешивания. Выходной сигнал 309 из схемы 312 взвешивания возбуждает вторую дипольную антенну 314. Кроме того, в первом и втором трактах 306, 308 непосредственно перед соответствующими дипольными антеннами могут быть расположены соответственно первый и второй усилители 316, 318 мощности. В альтернативном варианте перед разветвителем 304 может быть расположен только один усилитель мощности; однако, эта конфигурация может приводить к потерям мощности передачи и к снижению коэффициента полезного действия вследствие потерь в схеме 312 взвешивания.
Схема 312 взвешивания обычно предназначена для изменения весового коэффициента (коэффициента усиления и фазы) сигнала во втором тракте 308 по сравнению с сигналом в первом тракте 306. Схема 312 взвешивания может содержать, например, фазовращатель 320 и регулируемый аттенюатор 322. Схема 324 управления, соединенная со схемой 312 взвешивания, определяет и устанавливает надлежащие значения весовых коэффициентов для схемы 312 взвешивания. Схема 324 управления может содержать цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 326, предназначенный для установки значений весовых коэффициентов, и микропроцессор 328, предназначенный для выполнения адаптивного алгоритма для определения значений весовых коэффициентов.
В адаптивном алгоритме, выполняемом микропроцессором 328, для определения значения весовых коэффициентов могут использоваться такие показатели, как, например, радиомаяк, переданный ретранслятором во время обычного режима работы. Например, для ретранслятора с преобразованием частоты, работающего на двух частотных каналах, приемник (на чертеже не показан) может измерять интенсивность принятого сигнала в одном канале, в то время как две передающие антенны могут производить передачу самостоятельно сгенерированного сигнала, например, радиомаяка. Сигнал должен быть самостоятельно сгенерированным так, чтобы ретранслированный сигнал мог быть отличимым от переданного сигнала, рассеивающегося обратно в тот же самый приемник. Исходная величина развязки "передатчик-приемник" может быть определена во время передач самостоятельно сгенерированных сигналов (в отличие от периодов ретрансляции). Весовые коэффициенты могут быть отрегулированы между последовательными передачами с использованием любого количества известных адаптивных алгоритмов минимизации, таких как, например, алгоритмы быстрейшего спуска или алгоритмы, основанные на статистическом градиенте, например алгоритм минимальной среднеквадратичной ошибки (LMS), чтобы посредством этого свести к минимуму связь между передатчиками и приемником (увеличить развязку) на основании исходной величины развязки "передатчик - приемник". Также могут быть использованы другие традиционные адаптивные алгоритмы, регулирующие заданные параметры (упомянутые здесь как весовые коэффициенты) и минимизирующие результирующий показатель. В этом примере показателем, подлежащим минимизации, является принимаемая мощность во время передачи сигнала радиомаяка.
В альтернативном варианте конфигурация 300 адаптивной антенны, установленной в передатчике, может быть реализована в виде дипольной антенны с двумя микрополосковыми излучателями, показанной на Фиг.1. Здесь с усилителями мощности могут быть соединены две микрополосковых антенны, а не две дипольные антенны, а приемник может быть соединен с одиночным диполем. Схема взвешивания является аналогичной схеме, показанной на Фиг.3A.
Ниже, со ссылкой на Фиг.3Б, приведено краткое описание конфигурации 301 адаптивной антенны, установленной в передатчике, которая может быть реализована в ретрансляторе с преобразованием частоты, способном производить передачу и прием на двух различных частотах. В таком ретрансляторе с преобразованием частоты для схемы взвешивания должны использоваться различные весовые коэффициенты в зависимости от того, какая из двух частот используется для передачи. Соответственно конфигурация 301 содержит первый и второй цифроаналоговые преобразователи 326A, 326B, предназначенные для применения первого и второго весовых коэффициентов. Схема 325 управления (микропроцессор 328) может определять, какой именно весовой коэффициент следует применить до операции, выполняемой цифроаналоговыми преобразователями 326A, 326B. В наиболее предпочтительном варианте аналоговый мультиплексор 329, соединенный со схемой 312 взвешивания, может переключать каждое из управляющих напряжений между двумя весовыми установками в зависимости от того, на какой из двух частот производят передачу.
Ниже, со ссылкой на Фиг.4, рассмотрена конфигурация 400 адаптивной антенны, установленной в приемнике, которая может быть реализована в виде конфигурации антенны для ретранслятора, показанной на Фиг.2. Конфигурация 400 содержит первую и вторую микрополосковые антенны 402, 404 и направленный ответвитель 410, предназначенный для объединения сигналов A и B, передаваемых по трактам 406, 408 из первой и второй микрополосковых антенн 402, 404, для того, чтобы первый и второй приемники 416, 418, соединенные с направленным ответвителем 410, принимали различные алгебраические комбинации сигналов A, B. В этом варианте осуществления изобретения направленным ответвителем 410 является 90°-ный гибридный ответвитель (со сдвигом фазы на 90°), содержащий два входных порта A, В для приема сигналов A, B из первой и второй микрополосковых антенн 402, 404 и два выходных порта C, D для вывода различных алгебраических комбинаций сигналов A, B по трактам 412, 414 в первый и второй приемники 416, 418. Выходы первого и второго приемников 416, 418 соединены с модулем 420 обработки в основной полосе для объединения сигналов для выполнения операции формирования диаграммы направленности антенны в цифровом виде в основной полосе. Важно, чтобы комбинация, выводимая в первый и второй приемники 416, 418, являлась уникальной, ибо в противном случае оба приемника 416, 418 будут принимать один и тот же объединенный сигнал, и после его обнаружения не извлекали бы никакой пользы от алгебраической комбинации двух сигналов для получения пользы от третьей уникальной диаграммы направленности антенны. Эту уникальность обеспечивают за счет использования направленных антенн (402 и 404) и ответвителя 410. Этот подход имеет преимущество, заключающееся в том, что первому приемнику 416 разрешено быть настроенным на одну частоту, в то время как другой приемник 418 настроен на другую частоту, к тому же, сигнал из любой из двух направленных антенн будет принят одним из приемников в зависимости от того, на какой частоте сигнала он работает, но вне зависимости от направления прихода сигнала. Этот подход имеет еще одно упомянутое выше преимущество, заключающееся в том, что как только сигнал обнаружен на одной из этих двух частот, другой приемник может быть перенастроен на обнаруженную частоту. Этот подход позволяет восстанавливать алгебраическую комбинацию сигналов A (406) и B (408) из сигналов C (412) и D (414), поскольку после обнаружения сигнала оба приемника настроены на одну и ту же частоту.
Ретранслятор также содержит первый и второй передатчики (на чертеже не показаны), соединенные с первой и второй дипольными антеннами (см. Фиг.2). Как упомянуто выше, во время работы ретранслятора до обнаружения и ретрансляции пакета первый и второй приемники 416, 418 работают на первой и второй частотах для обнаружения наличия сигнала, переданного на одной из этих двух частот. После обнаружения пакета сигнала, например, из точки доступа, оба приемника: первый и второй приемники 416, 418, могут быть настроены на одну и ту же частоту. Здесь сигналы A, B из первой и второй микрополосковых антенн 402, 404 объединяют в направленном ответвителе 410.
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
-
-
Ниже приведено описание функционирования конфигурации 400 адаптивной антенны на примере, в котором порт А 90°-ного гибридного ответвителя создает сдвиг фазы на 90° относительно порта C и сдвиг фазы на 180° относительно порта D, а порт B, наоборот, создает сдвиг фазы на 90° относительно порта D и сдвиг фазы на 180° относительно порта C. Таким образом, когда в два порта A и B вводят сигналы A, B, то выходными сигналами является уникальная алгебраическая комбинация этих двух входных сигналов. Поскольку эти два выходных сигнала являются уникальными, то модулем 420 обработки в основной полосе может быть выполнена их рекомбинация для восстановления любой комбинации или результата смешивания исходных сигналов A, B. Как показано на Фиг.4, в первый приемник 416 поступает сигнал (Rx1), равный сигналу A со сдвигом фазы 90° + сигнал B со сдвигом фазы 180°, а во второй приемник 418 поступает сигнал (Rx2), равный сигналу A со сдвигом фазы 180° + сигнал B со сдвигом фазы 90°. Модуль 420 обработки в основной полосе может выполнять рекомбинацию сигналов согласно, например, следующей формуле: Rx1 со сдвигом фазы 90° + Rx2. Таким образом, рекомбинированные сигналы становятся равными: сигнал А со сдвигом фазы 180° + сигнал B со сдвигом фазы 90° + сигнал А со сдвигом фазы 180° + сигнал B со сдвигом фазы 90°, и, наконец, равными сигналу 2B со сдвигом фазы 90°, что фактически обеспечивает восстановление диаграммы направленности антенны для сигнала B.
Эта конфигурация 400 позволяет первому и второму приемникам 416, 418 иметь почти всенаправленную диаграмму направленности, когда они настроены на различные частоты во время этапа обнаружения, выполняемого в ретрансляторе. Затем после их перенастройки на одну и ту же частоту после обнаружения сигналы могут быть объединены для выполнения операции формирования диаграммы направленности в цифровом виде в полосе частот исходных сигналов.
Таким образом, затем к первому и ко второму приемникам 416, 418 могут быть применены весовые коэффициенты, и может быть выполнена адаптация антенны приемника. Применение весовых коэффициентов в предпочтительном варианте выполняют цифровым способом в модуле 420 обработки в основной полосе, но они также могут быть применены аналоговым способом в приемниках 416 и 418. Когда адаптация предпочтительно реализована в виде цифрового взвешивания в основной полосе, то решение относительно присвоения весовых коэффициентов может быть достигнуто путем одновременного вычисления множества комбинаций объединенных сигналов "со сформированной диаграммой направленности антенны" или объединенных сигналов, умноженных на весовые коэффициенты, и путем выбора наилучшей комбинации из набора комбинаций. Это может быть реализовано путем быстрого преобразования Фурье, путем использования матрицы Батлера для набора дискретных весовых коэффициентов или любым другим способом создания набора объединенных выходных сигналов, и путем выбора "наилучшего" из выходных сигналов. Выбор "наилучшего" может быть произведен на основании интенсивности сигнала, отношения сигнал/шум (SNR), разброса значений задержки или иного показателя качества. В альтернативном варианте вычисление объединенного сигнала "со сформированной диаграммой направленности антенны" или умноженного на весовой коэффициент может выполняться последовательно. Кроме того, комбинация может быть реализована при любых соотношениях весовых коэффициентов (коэффициент усиления и фаза, коррекция) таким образом, что используют наилучшую комбинацию сигналов A, B из первой и второй микрополосковых антенн 402, 404.
Когда в ретрансляторе используют два приемника и два передатчика, то один весовой коэффициент может быть применен в одном плече приемников, а другой весовой коэффициент может быть применен в одном плече передатчиков. В этом случае каждый из передатчиков соединен с одной из двух дипольных антенн на печатной плате. Это позволяет получить дополнительное преимущество производительности за счет адаптации антенн таким образом, чтобы увеличить развязку "приемник - передатчик" до величины, значительно превосходящей развязку, обеспечиваемую только лишь самой конструкцией антенны.
Ниже, со ссылкой на Фиг.10, рассмотрена блок-схема другой конфигурации 1000 адаптивной антенны. В этой конфигурации 1000 весовые коэффициенты могут быть применены как к трактам приемника, так и к трактам передатчика, для достижения более высокой развязки. В конфигурации 1000 может быть использована, например, конфигурация 200 антенны, показанная на Фиг.2. Конфигурация 1000 содержит первую и вторую приемные антенны 1002, 1004, которые соединены соответственно с первым и вторым малошумящими усилителями (МШУ) 1006, 1008 для того, чтобы усилить принятые сигналы. Первой и второй приемными антеннами 1002, 1004 могут являться, например, микрополосковые антенны. Выходы малошумящих усилителей (МШУ) 1006, 1008 соединены с гибридным ответвителем 1010, который может быть сконфигурирован аналогично гибридному ответвителю 410, показанному на Фиг.4. Гибридный ответвитель 1010 соединен с первым и вторым приемниками 1012A, 1012B, которые соединены с модулем 1014 обработки в основной полосе. Передатчик 1016, который также может быть двухкомпонентным, соединен с выходами модуля 1014 обработки в основной полосе. Передатчик 1016 соединен с первой и второй передающими антеннами 1022, 1024 через первый и второй усилители 1018, 1020 мощности. Первой и второй передающими антеннами 1022, 1024 могут являться, например, дипольные антенны.
Модуль 1014 обработки в основной полосе содержит сумматор 1026 (ОБЪЕДИНЕНИЕ КАНАЛОВ), предназначенный для объединения каналов из приемников 1012A, 1012B, цифровой фильтр 1028, предназначенный для фильтрации сигнала, и регулятор 1030 усиления (РУ), предназначенный для регулировки коэффициента усиления сигнала. Модуль 1014 обработки в основной полосе также содержит схему 1032 обнаружения сигнала, предназначенную для обнаружения интенсивности сигнала, средство 1034 определения показателя РУ, предназначенное для определения параметров регулировки усиления, и главный управляющий процессор 1036. Сигнал из РУ 1030 выводят в элементы 1040, 1042 умножения на весовой коэффициент и в демодулятор/модулятор 1038 (ОПЕРАЦИЯ МОДУЛЯЦИИ-ДЕМОДУЛЯЦИИ), предназначенный для выполнения любой необходимой модуляции или демодуляции сигнала. Элементами 1040, 1042 умножения на весовой коэффициент могут являться аналоговые элементы, аналогичные схеме 312 взвешивания, или цифровые элементы. Элементы 1040, 1042 умножения на весовой коэффициент соединены со схемами 1044, 1046 преобразования с повышением частоты, выходы которых соединены с передатчиком 1016.
По сравнению с конфигурацией, показанной на Фиг.3A-3Б, в конфигурации 1000 весовые коэффициенты могут применяться к обоим трактам передатчика в цифровом виде модулем 1014 обработки в основной полосе, а не только в аналоговом виде схемой 312 взвешивания. В альтернативном варианте модуль 1014 обработки в основной полосе может применять весовые коэффициенты в цифровом виде только к трактам приемника, в то время как аналоговая схема применяет весовые коэффициенты к трактам передатчика. В этом случае элементами 1040, 1042 умножения на весовой коэффициент могут являться аналоговые элементы. Процессор 1036 может быть запрограммирован таким образом, что выполняет адаптивный алгоритм для регулирования весовых коэффициентов и вычисляет диаграмму направленности антенны изложенным выше способом.
Как упомянуто выше, показатели для такой адаптации антенны, которая обеспечивает развязку, могут быть основаны на измерении переданных сигналов в приемниках (например, в схеме 1032 обнаружения сигнала) в течение тех промежутков времени, когда ретранслятор сам осуществляет генерацию передаваемого сигнала, не производя прием. Другими словами, операцию ретрансляции на физическом уровне не выполняют, и не производят прием какого-либо сигнала, но передатчик посылает передаваемый сигнал, который самостоятельно сгенерирован им самим. Это позволяет непосредственно измерять развязку "передатчик - приемник" и адаптировать весовые коэффициенты таким образом, чтобы максимально увеличить развязку.
Авторами изобретения было выполнено несколько тестов, демонстрирующих более высокую развязку, достигнутую посредством конфигурации адаптивной антенны согласно различным примерным вариантам осуществления изобретения. На Фиг.5 показана блок-схема контрольно-испытательного прибора, используемого для тестирования конфигурации адаптивной антенны. Для получения данных о рабочих характеристиках дипольной микрополосковой антенной решетки 504, подобной той, которая показана на Фиг.1Б, был использован сетевой анализатор 502. В частности, выход сетевого анализатора 502 соединен с разветвителем 506. Первый выход разветвителя 506 соединен со схемой взвешивания, состоящей из усилителя 508 с регулируемым коэффициентом усиления и регулируемого фазовращателя 510, соединенных последовательно друг с другом. Другой выход разветвителя 506 соединен с линией 512 задержки и с аттенюатором 514, ослабляющим сигнал на 9 дБ, которые компенсируют задержку и ослабление сигнала, имеющие место в первом тракте, и в результате приводят к наличию сбалансированных трактов. Выходной сигнал регулируемого фазовращателя 510 возбуждает первую микрополосковую антенну дипольной микрополосковой антенной решетки 504, а выходной сигнал аттенюатора, ослабляющего сигнал на 9 дБ, возбуждает вторую микрополосковую антенну дипольной микрополосковой антенной решетки 504. Дипольная антенна дипольной микрополосковой антенной решетки 504 производит прием объединенных передаваемых сигналов и соединена с входом сетевого анализатора 502.
-
-
-
-
Со ссылкой на Фиг.6-7, были измерены потери в тракте передачи на частоте 2,36 ГГц (метка 1) и на частоте 2,40 ГГц (метка 2) для дипольной микрополосковой антенной решетки без схемы взвешивания (без адаптации) и для дипольной микрополосковой антенной решетки со схемой взвешивания (с адаптацией) вместе с несколькими объектами, рассеивающими сигнал, физически расположенными вблизи антенной решетки 504. Результаты продемонстрировали, что настройка установленных значений фазы и коэффициента усиления обеспечивает существенную регулировку развязки на конкретных частотах. В частности, метка 1 на Фиг.6 показывает, что без применения адаптации потери в тракте S21 передачи составляют 45 дБ, в то время как метка 1 на Фиг.7 показывает, что после настройки регулируемой фазы и регулируемого коэффициента усиления потери в тракте передачи составляют 71 дБ. Результатом является увеличение развязки на дополнительные 26 дБ. Метка 2 на Фиг.6 показывает, что без применения адаптации потери в тракте S21 передачи составляют 47 дБ, в то время как метка 2 на Фиг.7 показывает, что после настройки регулируемой фазы и регулируемого коэффициента усиления потери в тракте передачи составляют 57 дБ. Результатом является увеличение развязки на дополнительные 10 дБ. Кроме того, несмотря на то, что эти две метки отстоят одна от другой по частоте, приблизительно, на 40 МГц, они могут быть сделаны широкополосными с использованием корректора. Если полезный сигнал занимает только от 2 МГц до 4 МГц ширины полосы частот, то в этом случае для достижения развязки, увеличенной на дополнительные 25 дБ, коррекция не требуется.
-
-
-
-
Со ссылкой на Фиг.8-9, снова были измерены потери в тракте передачи на частоте 2,36 ГГц (метка 1) и на частоте 2,40 ГГц (метка 2) сначала для дипольной микрополосковой антенной решетки без схемы взвешивания (без адаптации), а затем для дипольной микрополосковой антенной решетки со схемой взвешивания (с адаптацией), вблизи металлической пластины, которая преднамеренно действует в качестве рассеивателя сигнала и обеспечивает наихудшие условия работы с наличием отражений сигнала, уменьшающих выигрыш в развязке, который был бы достигнут без адаптивных подходов. Результаты еще раз продемонстрировали, что настройка установленных значений фазы и коэффициента усиления обеспечивает существенную регулировку развязки на конкретных частотах. В частности, метки 1 и 2 на Фиг.8 показывают, что без применения адаптации потери в тракте S21 передачи составляют 42 дБ и 41,9 дБ. Метки 1 и 2 на Фиг.9 показывают, что после настройки регулируемой фазы и регулируемого коэффициента усиления потери в тракте передачи составляют 55 дБ и 51 дБ. Результатом является увеличение развязки на 13 дБ на частоте 2,36 ГГц и увеличение развязки на 9 дБ на частоте 2,40 ГГц. Кроме того, между этими двумя метками достигнута дополнительная развязка, равная приблизительно 20 дБ.
Следует отметить, что ход выполнения регулировок фазы и усиления и их ограниченный характер ограничивают подавление помех. Ожидают, что значительно больше подавление помех будет достигнуто с использованием компонентов, разработанных для обеспечения большей точности и большего диапазона. Кроме того, использование микропроцессора при выполнении адаптации обеспечивает более оптимальное подавление помех. Наконец, использование регулировки коэффициента усиления и фазы с независимой регулировкой в зависимости от частоты (корректора) позволило бы производить подавление помех в более широкой полосе частот.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, в одном и том же ретрансляторе или устройстве может быть создано множество антенных модулей, например множество описанных выше направленных антенн или пар антенн и множество всенаправленных или квазивсенаправленных антенн для использования, например, в среде или в системе с множеством входов и множеством выходов (MIMO). То же самое антенное оборудование может использоваться для многочастотных ретрансляторов, например в системах, основанных на FDD, в которых нисходящая линия связи находится на одной частоте, а восходящая линия связи находится на другой частоте.
Это раскрытие изобретения предназначено для объяснения того, каким образом можно приспособить и использовать различные варианты осуществления согласно настоящему изобретению, а не для ограничения истинного, подразумеваемого и справедливого объема и сущности изобретения. Подразумевают, что приведенное выше описание не является исчерпывающим или ограничивающим изобретение точно раскрытым его вариантом. Возможны модификации или изменения с учетом вышеизложенной идеи изобретения. Вариант (варианты) осуществления изобретения был выбран и описан (были выбраны и описаны) таким образом, чтобы обеспечить наилучшую иллюстрацию принципов настоящего изобретения и его практического применения, и чтобы предоставить специалисту в данной области техники возможность использования изобретения в различных вариантах его осуществления и с различными видоизменениями, подходящими для конкретного предполагаемого использования. Все такие модификации и изменения не выходят за пределы объема настоящего изобретения. Различные описанные выше схемы могут быть реализованы на дискретных схемах или на интегральных микросхемах в зависимости от того, какой из этих вариантов является желательным для реализации. Кроме того, для специалиста в данной области техники понятно, что части настоящего изобретения могут быть реализованы в виде программного обеспечения или аналогичными средствами и могут быть реализованы как способы, связанные с описанным здесь содержанием.