阵列天线系统的制作方法

日期:2019-06-12 21:36:41

专利名称:阵列天线系统的制作方法
阵列天线系统 技术领域与本发明一致的系统涉及一种阵列天线,更具体地说,涉及一种用于根 据无线电信号的通信方向快速产生波束模式的阵列天线系统。
背景技术
最近,在无线电通信中,正在开发在短距离内发送和接收无线电信号的 通信方案。在现有技术中已知使用阵列天线进行这样的通信。这样的通信方 案通常在毫米波通信中使用。然而,阵列天线及其相关技术同样被应用于其 它类型的通信。通常,现有技术的阵列天线包括多个天线部件。从所述天线部件辐射的 波束被重叠以获得方向性,并要求具有高主瓣增益,以及充分低的旁瓣电平 以便于避免与其它装置的干扰。由于阵列天线具有方向性,所以改变主瓣的垂直角度(即,倾斜角度), 从而以特定方向发送和接收无线电信号。可通过调整馈入天线部件的信号之 间的相位来改变主瓣的垂直角度。通过这种方式,可以提高主瓣的增益。一种调整信号之间的相位的现有技术方法是使用可变移相器调节在天线 部件处接收的信号的相位。因此,天线部件分别布置有单独的可变移相器。 来自天线部件的无线电信号的相位由可变移相器调整,因此改变主瓣的垂直 角度。在调节每个可倾斜的角度的相位之后确定倾斜角是否为最佳。在使用可变移相器的现有技术方法中,必须通过在可变移相器处连续将 相位移位来改变倾斜角,直到获得最佳主瓣和最佳旁瓣电平。该方法具有的 缺点在于获得最佳倾斜角需要长时间。另外,因为每个天线部件需要包括单 独的可变移相器,所以天线系统的成本高、尺寸大,这造成问题。为了解决 这些不足之处,已经提出使用单个可变移相器的方法。然而,单个可变移相 器提高了旁瓣电平,造成的缺点在于增加了与其它装置的干扰。

发明内容
本发明的示例性实施例解决了上述的缺点和其它上面没有描述的缺点。 另外,本发明无需克服上述缺点,而且本发明的示例性实施例可以不克;il上 述的任何问题。本发明提供一种阵列天线系统,其用于减少找寻最佳倾斜角的时间,提 供高主瓣增益和低旁瓣电平,并通过简化结构来实现成本的减少以及功率消 耗的降低。根据本发明的一方面,提供一种阵列天线系统,包括多个天线部件, 以行列间隔布置;以及控制装置,根据发送和接收的无线电信号的方向有选 择地操作多个天线部件中的 一些。可按nxn矩阵形式以规则间隔来布置多个天线部件。阵列通信系统还可包括多个射频(RF)电路,其处理来自多个天线部件 中有选择地操作的天线部件的信号。控制装置可包括方向确定器,其根据来自RF电路的结果来确定在多个 天线部件上发送和接收的无线电信号的方向。方向确定器可根据在天线部件上发送和接收的无线电信号的强度差来确 定无线电信号的方向。控制装置可包括有选择地将天线部件连接到RF电路的n元开关。控制装置可包括开关控制器,其根据无线电信号的方向从多个天线部件 选择天线部件,并操:作开关以形成与无线电信号的方向近似的波束模式。开关控制器可选择天线部件,从而使选择的天线部件形成直线。开关控制器可选择天线部件,从而使选择的天线部件形成尽量垂直于无 线电信号的方向的直线。开关控制器可vMv以nxn矩阵形式布置的多个天线部件选择n元天线部件。开关控制器可有选择地从多个天线部件中将以矩形形式布置的n元天线 部件连接到开关。以矩形形式布置的n元天线部件可被布置为尽可能地互相远离。 波束模式可随着选择的天线部件的数量增加而更接近于无线电信号的方向。


通过下面参照附图对本发明的特定示例性实施例进行的描述,本发明的上述和其它方面将会变得更加清楚,其中图1是才艮据本发明示例性实施例的阵列天线系统的示图; 图2是图1的天线阵列的另一示图;图3A是当以直线形式打开图2的天线阵列的天线部件时的波束模式的 曲线图;图3B是当以矩形形式打开图2的天线阵列的天线部件时的波束模式的 曲线图;图4是对当以直线形式和以矩形形式打开图1的天线部件时的波束才莫式 进行比较的曲线图;图5是当以矩形形式打开图1的天线阵列的天线部件时的误比特率 (BER)的曲线图;图6是当以直线形式打开图1的天线阵列的天线部件时的BER的曲线图。
具体实施方式
现在将参照附图更详细地描述本发明的特定示例性实施例。 在以下的描述中,即使在不同的附图中,相同的标号也用于相同的部件。 在描述中提供限定的内容(诸如详细的结构和部件)以帮助对本发明的全面另外,由于已知的功能或结构将在不必要的细节上模糊本发明,所以不对其 进行描述。图1是根据本发明示例性实施例的阵列天线系统的示图。阵列天线系统包括包括多个天线部件15的天线阵列10、开关区20、 开关控制器25、至少一个RF电路30和方向确定器35。天线阵列10包括以行列间隔布置的多个天线部件15。也就是说,天线 部件15被布置成nxn矩阵形式。这里,如果天线部件15之间的间隔根据天 线的操作频带在行和列中是规则和确定的,则这是有利的。图1通过示例示 出4x4矩阵天线阵列。根据发送和接收的无线电信号的方向有选择地打开或关闭天线阵列10 的每个天线部件15。在进行这样的过程中,至少两个天线部件15被打开。
例如,在图1中的天线部件15的坐标系中,位于坐标(O, 3)、 (1, 2)、 (2, 1)和(3, 0)处的天线部件15 (即,直线"B")可被打开,或者位于坐标 (0, 3)、 (1, 3)、 (2, 3)和(3, 3)处的天线部件15 (即,直线"A")可 被打开。此外,位于坐标(1, 3)和(3, 2)处的两个天线部件15 (即,直 线"C")可被打开,或者位于坐标(3, 1)和(0, 0)处的两个天线部件15 (即,直线"D")可被打开。以矩形形式布置的位于坐标(0, 3)、 (0, 0)、 (3, 0)和(3, 3)处的天线部件15可被打开。天线阵列10中被打开的天 线部件15的组合可根据发送和接收的无线电信号的方向以及选择方法而变 化。开关区20包括打开或关闭天线部件15的多个开关(未示出)。开关的数 量取决于将被打开的天线部件15的最大数量。例如,当以nxn形式布置天 线阵列10并且将被打开的天线部件15的最大数量是n时,开关区20包括n 元开关。例如,在图l中,由于天线阵列10具有4x4布置,所以开关区20 可包括四个开关。然后每个开关最多将具有nxn个触点以打开和关闭所有的天线部件15。因此在图1中,每个开关最多将包括16个触点。用于图1中 的开关的另一布置将具有16个开关,每个开关具有一个触点;或者2个开关, 每个具有8个触点等。因此,具有各种可能用于打开天线部件15的组合。开关控制器25提供与将被开关区20打开的天线部件15相关的信息。例 如,为了打开位于(0, 3)、 (0, 2)、 (0, 1)和(0, 0)处的天线部件15, 开关控制器25为每个开关提供打开(0, 3)的控制信号、打开(0, 2)的 控制信号、打开(0, 1)的控制信号和打开(0, 0)的控制信号。RF电路30处理在天线部件15上发送和接收的无线电信号。可提供单个 RF电路或多个RF电路。例如,在图1中提供了四个RF电路30,并根据开 关的数量来选4奪RF电路30的数量。RF电路30处理无线电信号并将其输出 到外部,并同时将处理的信号提供给方向确定器35。方向确定器35 4艮据RF电路30处理的结果来确定在天线部件15上接收 的无线电信号的方向。在天线系统的初始操作中,为了确定无线电信号的方 向,天线阵列10的天线部件15中的多个天线部件15被打开。最初被打开的 天线部件15具有使得能够容易地执行无线电信号的方向确定的布置。例如, 在天线系统的初始操作中,位于坐标(0, 3)、 (1, 3)、 (2, 3)和(3, 3) 处的天线部件15可被打开。 通过测量在天线部件15上接收的无线电信号的强度,方向确定器35根 据在天线部件15上接收的无线电信号的强度的值来确定无线电信号的方向。方向确定器35确定无线电信号的方向并将方向信息提供给开关控制器 25,开关控制器25控制开关打开沿着垂直于无线电信号的方向的直线排列的 天线部件15。例如,当无线电信号的方向是a,也就是说,当相对于图1中沿着直线 A的天线部件15的入射角0=90度时,开关控制器25发出控制信号以打开垂 直于无线电信号布置的位于坐标(0, 3)、 (1, 3)、 (2, 3)和(3, 3)处的 天线部件15。此时,注意可打开在平行于直线A的任何直线中的天线部件 15。换句话说,可有选择地打开位于坐标(0, 2)、 (1, 2)、 (2, 2)和(3, 2)处的天线部件。如果无线电信号的方向是|3,也就是说,当相对于直线A 的入射角0=45度时,开关控制器25发出控制信号以打开位于坐标(0, 3)、 (1, 2)、 (2, 1)和(3, 0)处形成直线B的天线部件15。此时,注意到可 打开在平行于直线A的任何直线中的天线部件15。图2是图1的天线阵列的另一示图。天线阵列IO总共包括十六个天线部件15,所述天线部件15被布置在具 有x轴和y轴的网格中。天线部件15之间的间距沿着x轴和y轴分别为X72, 其中X代表在天线部件15上发送和接收的操作频率的波长。与天线部件15 互连的各种直线指示^f艮据无线电信号的方向打开的天线部件15的各种组合。从坐标(0, 3)处的天线部件发出的虚线指示可与位于(0, 3)处的天 线部件15 —起打开的天线部件15的组合。和天线部件(0, 3) —样,其它 天线部件15可形成将被打开的组合。例如,连接天线部件(l, 3)、 (0, 1)、 (2、 0)和(3、 2)的矩形、在矩形(1, 3)、 (0, 2)、 (2、 0)和(3、 1) 中的天线部件以及在矩形(2, 3)、 (0, 2)、 (1、 0)和(3、 1)中的天线部 件代表通过打开沿着各个矩形布置的天线部件15来进行无线电信号的发送 和接收。图3A是示出当以直线形式打开图2的天线阵列的天线部件时的波束模 式的曲线图,图3B是示出当以矩形形式打开图2的天线阵列的天线部件时的波束模式的曲线图。图3A示出当入射角相对于以直线形式打开的多个天线部件15为0、30、 60和90度时的波束模式。例如,图3A示出当入射角相对于图1中位于坐标 (0, 3)、 (1, 3)、 (2, 3)和(3, 3)处的多个天线部件15为0、 30、 60和 90度时的波束模式。如图3A所示,当入射角对于天线部件15为90度时, 产生最尖锐的波束模式。也就是说,由于波束强度集中在90度的入射角,所 以主瓣的方向性和增益;f艮高。相反地,由于随着入射角增加到60、 30和0度 波束变粗,所以波束强度变弱并且主瓣的方向性和增益很低。更详细地说,在图3A中,当打开以直线形式布置的天线部件15时,应 该打开属于相对于入射角的正确角度的直线的天线部件15。例如,当无线电 信号的入射角相对于直线A是90度时,应该打开位于坐标(O, 3)、 (1, 3)、(2, 3)和(3, 3)处的天线部件15。当无线电信号的入射角相对于直线B 是90度时,应该打开位于坐标(0, 3)、 (1, 2)、 (2, 1)和(3, 0)处形成 直线B的天线部件15。图3B示出当入射角相对于以矩形形状打开的天线部件15为0、 30、 60 和90度时的波束模式,其中,天线部件15之间的间距为并且所述入射 角基于直线A。如果以矩形形状布置天线部件15并且其间距为A72,则具有 九种不同的可能的布置。九种不同的可能的布置申的两个示例为位于坐标(0, 3)、 (1, 3)、 (0, 2)和(1, 2)处或者坐标(1, 2)、 (2, 2)、 (1, 1)和(2, 1)处的天线部件。如上,当以矩形形式打开天线部件15时,图3B中在90度的入射角处 的波束模式比图3A中在90度的入射角处产生的波束模式宽。当以矩形形式 打开天线部件15时,在0、 30、 60和90度处产生几乎相同的波束模式,这 意味着较低的主瓣增益以及方向性。换句话说,与以直线形式打开天线部件 15的情况相比,当以矩形形式打开天线部件15时,产生的主瓣具有较^(氐的 方向性和较低的增益。因此,与矩形方式相比,以直线形式打开天线部件15 是有利的。图4是对当以直线形式和以矩形形式打开图1的天线部件时的波束模式 进行比较的曲线图。在以直线形式打开天线部件15的情况下,打开位于坐标 (0, 3)、 (1, 2)、 (2, 1)和(3, 0)处的天线部件15 (即,直线B),所述 天线部件15之间的间距为0.7X,而在以矩形形式打开天线部件15的情况下, 打开位于坐标(0, 3)、 (3, 3)、 (0, 0)和(3, 0)处的天线部件15,所述 天线部件15之间的间距为1.5X。如图4所示,当以直线形式和矩形形式打开天线部件15时,主瓣的量级
基本相同。然而,当以矩形形式打开天线部件15时,产生更大的旁瓣。当发 送和接收无线电信号时,旁瓣引起与其它装置的干扰,从而降低了天线效率。 因此,为了降低旁瓣电平,以如图4所示的直线形式打开天线部件15 是有利的。图5是示出当以矩形形式打开图1的天线阵列的天线部件15时的误比特 率(BER)的曲线图。在图5中,A代表x轴上的天线部件15之间的距离, dy代表y轴上的天线部件15之间的距离。具体地说,图5示出以九种矩形形 式打开的天线部件15的BER。当dx-A/2和dy-X/2时,相邻的四个天线部件(例如位于坐标(O, 3)、 (1, 3)、 (0, 2)和(1, 2)处的天线部件15)被打开。当4=人和~=人时,间隔人的天线部件15 (例如位于坐标(1, 3)、 (3, 3)、(1, 1)和(3, 1)处的天线部件15)被打开。当d^l.5X和dy-1.5人时,位于坐标(O, 3)、 (3, 3)、 (0, 0)和(3, 0) 处的天线部件15被打开。当dx=X/2和dy=X时,x轴上相邻的天线部件15和y轴上相隔一个的天 线部件15的组合(例如,位于坐标(1, 3)、 (2, 3)、 (1, 1)和(2, 1)处 的天线部件15);故打开。当dx=A/2和dy=1.5X时,x轴上相邻的天线部件15和y轴上相隔两个的 天线部件15的组合(例如,位于坐标(2, 3)、 (3, 3)、 (2, 0)和(3, 0) 处的天线部件15)被打开。当dx=X和dy=A/2时,x轴上相隔一个的天线部件15和y轴上相邻的天 线部件15的组合(例如,位于坐标(O, 1)、 (2, 1)、 (0, 0)和(2, O)处 的天线部件15)被打开。当d^ i和d严1.5 i时,x轴上相隔一个的天线部件15和y轴上相隔两个 的天线部件15的组合(例如,位于坐标(O, 3)、 (2, 3)、 (0, 0)和(2, 0) 处的天线部件15)被打开。当dx=1.5X和dy=X/2时,x轴上相隔两个的天线部件15和y轴上相邻的 天线部件15的组合(例如,位于坐标(O, 2)、 (3, 2)、 (0, 1)和(3, 1) 处的天线部件15)被打开。当d^l.5X和dy-人时,x轴上相隔两个的天线部件15和y轴上相隔一个 的天线部件15的组合(例如,位于坐标(O, 2)、 (3, 2)、 (0, 0)和(3, 0) 处的天线部件15)被打开。如此,当以矩形形式打开天线部件15时,如图5所示,BER随着信噪 比(SNR)增加而急剧下降。随着被打开的天线部件15之间的间距增力o, BER 降低。因此,当以矩形形式打开天线部件15时,选择尽可能远离地布置的天 线部件15是有利的。换句话说,例如使用超过d^X/2和dy=V2间距的dx=1.5X 和dy=1.5X的间距或者超过dx=X和dy=X间距的dx=1.5X和dy=1.5X的间距等更 加有利。图6是当以直线形式打开图1的天线阵列的天线部件时的BER的曲线 图。到达角(AOA)表示入射角,d是形成直线的天线部件15之间的距离。 具体地说,图6示出以九种直线的形式打开的天线部件15的BER。在图6中,当入射角为30、 48.4、 56.6、 63.7、 75、 86.3、 93.4、 101.6 或120.4度时,通过打开以垂直于入射角的直线布置的天线部件15来测量 BER。在30、 75和120度的入射角处,打开四个天线部件15。在其它情况下, 打开两个天线部件。如图6所示,当打开两个天线部件15时的BER大于当打开四个天线部 件15(即,用于入射角30、 75和120度)时的BER。因此,为了降低BER, 使用四个天线部件15比两个天线部件15更有利。虽然在上面描述的示例性实施例中以4x4矩阵形式布置天线部件,但是 可按矩阵形式布置不同数量的天线部件。例如,可按8x8矩阵形式布置64 个天线部件,或者按8x4矩阵形式布置32个天线部件。另外,随着天线部 件的数量增加,可以形成更接近于无线电信号的方向的波束模式。在以上构造的阵列天线系统中,以矩阵形式布置多个天线部件15,并根 据发送和接收的无线电信号有选择地将其打开。因此,不需要像现有技术一 样重复将主瓣的方向与发送和接收的无线电信号的方向进行匹配的处理。结 果,本发明的示例性实施例的天线系统可以更迅速地形成与发送和接收的无 线电信号匹配的波束才莫式。此外,与现有技术相比,通过减少天线系统中的RF电路30的数量,可 以实现简化天线系统结构、降低成本以及减少功率消耗。尽管简化了天线系 统的结构,仍可以维持BER电平。进一步地,可以^v图3和图4的曲线图看出,可通过提高天线系统的方 向性和主瓣的增益来增强天线效率。另外,通过降低旁瓣电平,可不需要现
有技术中所需的额外部件和处理来降低旁瓣,减低系统复杂度并减少干扰的 可能性。如上所述,本发明的示例性实施例可以迅速地形成与发送和接收的无线 电信号的方向匹配的波束模式。另外,可以简化天线系统结构,可以降低成 本并可以减少功率消耗。此外,可通过提高通信系统的方向性和主瓣的增益 来增强天线效率,并可通过降低旁瓣电平来减少干扰的可能性。以上的示例性实施例和优点仅是示例性的,并且不应理解为限制本发明。 本发明的构思可以很容易地应用到其它类型的设备。此外,对本发明的示例 性实施例的描述是示例性的而不是限制权利要求的范围,并且多种替换、修 改和变化对于本领域的技术人员将很明显。
权利要求
1. 一种阵列天线系统,包括多个天线部件,以行列间隔布置;和控制装置,根据接收的无线电信号的方向有选择地操作多个天线部件中的至少两个天线部件。
2、 如权利要求1所述的阵列天线系统,其中,以规则间隔的nxn矩阵 形式来布置所述多个天线部件。
3、 如权利要求2所述的阵列天线系统,其中,基于阵列天线系统的操作 频率来确定所述规则间隔。
4、 如权利要求2所述的阵列天线系统,还包括至少一个射频电if各,处理来自所述多个天线部件中有选择地操作的所述 至少两个天线部件的信号。
5、 如权利要求4所述的阵列天线系统,其中,所述控制装置包括 方向确定器,根据通过所述至少一个射频电路处理的结果确定在所述多个天线部件上接收的无线电信号的方向。
6、 如权利要求5所述的阵列天线系统,其中,所述方向确定器根据在所 述多个天线部件上接收的无线电信号的强度差来确定无线电信号的方向。
7、 如权利要求5所述的阵列天线系统,其中,所述控制装置包括n元开关,有选#^也将所述多个天线部件连接到所述至少一个RF电路。
8、 如权利要求7所述的阵列天线系统,其中,所述控制装置还包括 开关控制器,根据无线电信号的方向从所述多个天线部件选择所述至少两个天线部件,并根据无线电信号的方向操作所述n元开关以形成波束^^莫式。
9、 如权利要求8所述的阵列天线系统,其中,所述开关控制器选择所述 至少两个天线部件从而所述至少两个部件形成直线。
10、 如权利要求9所述的阵列天线系统,其中,所述至少两个天线部件 的直线垂直于无线电信号的方向。
11、 如权利要求8所述的阵列天线系统,其中,所述开关控制器从所述 以n x n矩阵形式布置的多个天线部件选择n元天线部件。
12、 如权利要求8所述的阵列天线系统,其中,所述开关控制器在所述 多个天线部件中有选:f奪地将以矩形形式布置的n元天线部件连接到n元开关。
13、 如权利要求12所述的阵列天线系统,其中,所述以矩形形式布置的n元天线部件被尽可能互相远离地放置。
14、 如权利要求8所述的阵列天线系统,其中,所述开关控制器根据波 束模式与无线电信号的方向接近的程度来选择n元天线部件的数量。
全文摘要
提供一种阵列天线系统。该阵列天线系统包括多个天线部件,以行列间隔布置;以及控制装置,根据接收的无线电信号的方向有选择地操作多个天线部件中的至少两个天线部件。
文档编号H01Q21/00GK101212084SQ200710146628
公开日2008年7月2日 申请日期2007年8月23日 优先权日2006年12月28日
发明者杨苏强, 金暎桓 申请人:三星电子株式会社


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