專利名稱：用于高頻并行傳輸的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及無線傳輸的系統(tǒng)和方法。更具體地，本發(fā)明涉及在 高載波頻率上的并行傳輸。
背景技術：
近來，需要使用無線數據傳輸的通信應用的類型已經出現了顯著的增 加。例如，這種應用包括視頻會議、視頻點播、高速互聯網接入、高速局 域網、在線游戲和高清電視。例如，在家里或者辦公室，計算設備還是使 用無線網絡系統(tǒng)來連接。很多其他類型的設備還設計有無線通信。在低于約為3GHz的頻率上，信號趨于無方向性，從而導致它們碰撞 附近的物體并且從所述附近的物體上反射出去。這些反射的信號導致了眾 所周知的"多徑"(multipath)，該"多徑"是指反射的信號晚于原始信 號到達目的接收器。己經最小化這種效應的一個方式是通過在給定區(qū)域內 授權給定的頻譜帶給單一信號提供者來分配頻譜。在較高頻率上(如從大約3-60GHz)，信號變得有些方向性，大大地 減少了上述提及的多徑問題。因此，能共存于給定空間和/或頻率中的信號 提供者的數量大大地增加了。 57-64GHz ( "60GHz頻帶")頻帶位于電磁 頻譜的毫米波(millimeter-wave)部分，并且還沒有被商業(yè)無線應用廣泛 利用。該頻譜沒有被美國的FCC和世界上的其他組織授權。除了能在該頻 譜中完成的較高數據率以外，在60GHz頻帶上的能量傳播還具有獨一無二 的特性，這些特性使很多其他的優(yōu)點諸如對極佳的抗干擾、高安全性和頻率重用成為可能。60GHz的傳輸在本質上可以更具有方向性，并可與彼此放置得非常近的其他信號源共存。方向性是對天線將其能量集中在所需方向上的程度的 量度。高度集中的天線通過僅在所需方向上耗費能量，使同一地理區(qū)域中 鏈路之間的干擾可能性最小化，使傳輸被攔截的風險最小化，并使性能最在60GHz范圍內的低功率傳輸(即低于FCC允許的40dBm)的范圍 是有限的，這既是因為自由空氣，歸因于氧氣對能量的吸收，也是由于其 易被建筑如墻壁阻止或者反射。這些表面上的限制有助于傳輸的內在安全 性。全方向傳輸在點對多點傳輸中有用，但是在點對點傳輸的情況中是浪 費能量的。集中的或者方向性的，與全方向傳輸相同的功率的發(fā)射器將會 遠遠超過全方向發(fā)射器的范圍，或者如果需要相同的范圍，則集中的發(fā)射 器將使用少得多的能量。集中的發(fā)射器使頻率近似的集中發(fā)射器能夠比全 方向發(fā)射器更近地共存。通過將多個方向性發(fā)射器并行放置，數據率的能 力通過發(fā)射器的數量翻倍。數據率是直接與可用帶寬和帶寬上的信噪比 (SNR)有聯系的?？捎玫腟NR和帶寬決定了調制方案，調制方案又影響 每符號比特數。例如，使用簡單的魯棒的(robust) DQPSK調制方案(每 符號2比特)的1GHz的帶寬產生每秒2G比特(Gbps)。然而需要更加 安靜的數據信道和更加復雜的調制器和解調器來獲得每符號更多的比特。 在60GHz的情況下，數據率很容易超過2Gbps，這導致跨越較短范圍的極 高數據率。對傳輸進行集中或引導的一個方法是使用"喇叭"(hom)天線，但 是就方向和集中而言這些天線是昂貴的、巨大的且固定的。仍然需要比在 典型的60GHz傳輸上所能做到的更具方向性的傳輸，和更高的數據率的傳 輸。因此，需要在仍然保持60GHz傳輸的優(yōu)點的同時，能克服之前提及的 問題的高頻并行RF傳輸的系統(tǒng)和方法。發(fā)明內容在此公開和要求保護的是用于高頻并行傳輸的系統(tǒng)和方法。在一個實 施例中，發(fā)射器包括多個天線陣列，每一個天線陣列包括多個單獨天線。在一個實施例中，多個天線陣列配置來在大約57GHz禾n 95GHz之間的頻 率上彼此并行傳輸射頻信號。就以下本發(fā)明詳細的描述，本發(fā)明的其他方面、特征和技術將會對本 領域技術人員很明顯。


圖l是典型的天線及其產生的全方向信號模式； 圖2是典型的天線的陣列及其產生的全方向信號模式； 圖3A是本發(fā)明實施例的天線陣列和產生的信號模式的描述； 圖3B-3C根據本發(fā)明的原理例示了天線陣列的其他實施例和所產生的 信號模式；圖4示出了四個單獨的波束賦形陣列組成的超陣列的一個實施例，每 一個波束賦形陣列是由多個高頻RF天線組成；圖5是用來實現本發(fā)明一個或者多個方面的通信系統(tǒng)的一個實施例。
具體實施方式
本發(fā)明的一個方面是提供每一個發(fā)射器的高頻RF天線陣列。通過使 用合適的信號處理，消除了構成陣列的單獨天線之間的干擾，而有利于傳 送所產生RF信號模式的結構性干擾。在一個實施例中，天線陣列的最佳 頻率是在60GHz頻帶上。在另一個實施例中，天線陣列的最佳頻率是在 57GHz禾n 95GHz之間。不論頻率如何，在一些實施例中，構成陣列的所 有單獨的天線都被優(yōu)化以在基本相同的頻率上工作，并且由信號處理來控 制其信號相位以使所有所述天線能彼此協同工作。應當理解的是天線陣列的波束賦形特性部分地基于構成陣列的物理天 線圖案，以及單獨天線的物理圖案。因此，大量的天線配置和陣列圖案與 本發(fā)明的原理一致。另一個方面是使多個前面提及的波束賦形陣列能用于并行傳輸。在一個實施例中，這是通過形成由高頻RF天線的多個單獨波束賦形陣列構成 的超陣列來完成的。使用這種超陣列的并行數據傳輸可以用來增加傳輸距離以及數據傳輸率。單獨的點對點傳輸能夠在長達20米的距離，在非常 低的功率上(<10dBm)獲得〉2Gbps。在一些實施例中，本發(fā)明使數據能 在60GHz頻帶上以每秒多個G (Gbps)并行RF傳輸，而不需要改變無線 發(fā)射器的頻率，因此有助于低成本實施。在一個實施例中，通過將輸入數據流分離或者劃分成多個數據流并且 將其點對點地并行無線廣播來實現并行傳輸。在另一個實施例中，并行輸 入數據流復用成1個或更多個串行流，然后點對點地無線廣播所述串行 流。在一個實施例中，傳輸點包括由多個單獨的波束賦形天線陣列構成的 超陣列。接收點可以由相應序列的接收天線構成，在該接收點后能重新組 合數據流。在一個實施例中，接收到的數據流可以被解復用，重組并且與 并行數據流重對準。在一個實施例中，使用60GHz頻帶傳輸進行并行傳輸雖然在一些實施例中，超陣列可以是一維陣列，但在其他實施例中， 超陣列可以是二維陣列。陣列的波束賦形能力可以與單獨天線的陣列的平 面正交。應當理解的是無論對于一維還是二維，波束賦形都不需要各自是直角 或者正交。在一維超陣列的情況下，當彼此平行時，形成的波束將干擾最 小化。但是，他們不必與構成陣列的天線成直角。更確切地說，波束可以 與天線成任意角度，這例如可以使用諸如天線導航(antenna steering)來 實現。在二維陣列的情況下，陣列形成的波束不需要與單獨天線所在的平 面正交。本發(fā)明的另一個方面是將上述超陣列的實施例印制在襯底上，所述襯 底附在發(fā)射器或者接收器的集成電路(IC)上。雖然典型地由于以上描述 的所造成的千擾和/或大小的問題，不可能將多個天線安裝在IC上，但諸 如在60GHz頻帶上的高頻傳輸系統(tǒng)的方向性使得可以緊密放置單獨天線而 不會引起現有技術的信號干擾問題。假定天線是典型的1/4波長(入/4) 并且多個天線能間隔開1/2波長(入/2)放置，則毫米波長實現方式允許天線隔幾毫米放置，并且很多天線可放置在僅僅幾平方毫米的區(qū)域中。確 切的間隔是由發(fā)射器的頻率和采用的天線的特性決定的。圖1描述了現有技術的典型的RF天線100，以及其產生的全方向信號 模式110。如圖2中所示的，試圖使用天線100的陣列將由于其重疊的信 號傳播導致大量信號失真和干擾。例如，圖2描述了一系列的全方向天線 200a-200d并行設置時的信號傳播。如圖2所示，信號模式210a-210d將嚴 重地重疊。現有技術避免該重疊的一種方式是對于天線200a-200d每一個 天線在不同的頻率上傳輸，和/或改變傳輸的相位。但是，這些方案中每一 個方案由于更加復雜的硬件和/或軟件都會引起較高的生產成本。現參見圖3A，描述的是60GHz頻帶天線陣列300及其產生的信號模 式310的一個實施例。盡管圖.3A的陣列300被示為包括五個單獨天線， 但應當同樣理解的是大于一的任何其他數量的天線可相似地用來形成陣列 300。在其他實施例中，天線陣列300可在60GHz以上的頻帶上的頻率傳 輸，諸如高達95GHz。如圖3A中所示，高頻陣列30的定向導致波束賦形RF信號310。在 60GHz頻帶中或者以上的頻率上，由于短波長和隨后的天線實施，單獨的 天線可以緊密放置在一起以產生單獨的天線之間的定向波束最小干擾。這 是由于較高頻率信號的較短的波長使得可以使用較小的天線這一事實而成 為可能的。方向信號減少了臨近的干擾，提高了通信安全性，提供了較好 的QoS，具有每區(qū)域較高的比特率，并且能量更加有效。繼續(xù)參見圖3A，還應當理解的是根據構成陣列300的天線的物理放 置以及單獨的天線自身的物理圖案，波束賦形信號310可以具有不同于圖 3A中所描述的方向性的其他方向性。而且，應當理解的是信號處理軟件 還可用來改變或者修改波束賦形信號310的特性。通過示出陣列300可具有的很多可能的配置，圖3B-3C描述了其中的 其他的實施例。在圖3B中，例如高頻RF天線陣列320描述為包括彼此接 近放置的3個分離的單獨天線，導致形成波束賦形信號330。類似地，圖 3C描述了高頻RF天線陣列340包括彼此靠近放置的6個分離的單獨天 線，導致形成波束賦形信號340。現參見圖4，描述了包括四個單獨波束賦形陣列410a-410d的超陣列 400的一個實施例，每一個陣列包括多個高頻RF天線。與之前的實施例一 樣，在一個實施例中，包括陣列410a-410d的單獨的天線可以彼此之間距 離約1/2波長之內放置。應當理解的是單獨天線的很多其他配置將會與本 發(fā)明的原理一致。如上述描述的，本發(fā)明的一個方面是使用諸如超陣列400之類的超陣 列來進行高速并行數據傳輸，以增加傳輸距離以及數據傳輸率。為了這個 目的，陣列400可用來在60GHz頻帶中傳輸波束賦形信號420a-420d。在 一個實施例中，信號420a-420d的并行傳輸是通過將輸入數據流(未示 出)分離或者劃分為多個數據流，并且將其從超陣列400無線廣播。雖然 在圖4的實施例中，超陣列400是一維陣列，但在其他實施例中，超陣列 可以是二維陣列。在圖4的一個實施例中，超陣列400印制在附在發(fā)射器 的集成電路(IC)上的襯底上。圖5示出了用來實現本發(fā)明的一個實施例的一個或多個方面的系統(tǒng) 500的簡單示意圖。在該實施例中，數據源500提供數據流給數據分離模 塊520。在一個實施例中，數據源是高比特率源，如高清視頻源。應當理 解的是數據分離模塊可以是能夠將輸入數據流劃分為分離的數據流的硬件 和軟件的任意組合。在數據流由模塊520處理之后，其被提供到發(fā)射器陣列530，如圖5 所示。在一個實施例中，發(fā)射器陣列530包括四個單獨波束賦形子陣列 (如陣列410a-410d)，每一個子陣列又包括多個高頻RP天線。在一個實 施例中，在包含發(fā)射器陣列530的波長大小 的平方的區(qū)域中，四個頻率 優(yōu)化的單獨天線間隔約 /2波長距離，所述單獨天線中的每一個的大小大 約為*/4。在一些實施例中，發(fā)射器陣列530可以印制在集成電路的襯底 上。還應當理解的是發(fā)射器陣列530可以包括更多或更少的子陣列。繼續(xù)參見圖5，在一個實施例中通過在發(fā)射器陣列530和相應的接收 器陣列540之間傳輸高頻信號550使得高速并行數據傳輸成為可能。雖然 在一個實施例中，信號550在60GHz頻帶上，但其也可以相似地在更高頻 帶(如57GHz-95GHz)上。 一旦接收器陣列540已經探測到了傳輸，則可出現一系列的設備識別和兼容性"握手"。在一個實施例中，該兼容性檢 査可包括發(fā)射器陣列530發(fā)送包含開/關值的唯一模式的高頻信號。在接收到該模式后，接收器陣列540可隨后確認信號。還應當理解的是可以使用 用于建立發(fā)射器陣列530和接收器陣列540之間的通信的很多其他過程。 在一些實施例中，信號550依據功率、調制、天線設置和信號處理等等可 以通過幾毫米至幾米之間的距離。與發(fā)射器陣列530 —樣，接收器陣列540可以包括四個單獨的波束賦 形子陣列，每一個子陣列又包括多個高頻RF天線。在一個實施例中，構 成接收器陣列540的單獨的天線可以彼此之間距離約1/2波長之內放置。 在一些實施例中，接收器陣列540可以印制在集成電路的襯底上。還應當 理解的是接收器陣列54.0可以包括更多或者更少的子陣列。此時，如圖5所示，數據流能通過模塊560重新組合，并且提供給數 據接收器(Data Sink) 570。而數據接收器570可以是任何一種數據終 端，例如高清電視、計算機硬盤驅動器、數字錄像機、PDA、 DVD播放器 等等。在一個實施例中，如圖5中描述的信號550的并行傳輸使得能夠使 用60GHz頻帶傳輸，來進行每秒多個G數據率的傳輸。雖然之前的描述已經涉及了特殊的實施例，但應當理解的是本領域技 術人員可以想到在此描述的特定實施例的修改和/或變化。任何這種落入說 明書范圍的修改或者變化也應包括在本文中。應當理解的是在此的說明書 僅僅是示例性的，并不是用來限制本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種發(fā)射器，包括天線陣列，該天線陣列包括多個單獨天線，并且其中所述天線陣列配置來在大約57GHz和95GHz之間的頻率上發(fā)射射頻信號。
2. 如權利要求1所述的發(fā)射器，還包括多個天線陣列，每一個天線 陣列包括所述多個天線，并且其中所述多個天線陣列中的每一個天線陣列 配置來在所述頻率上并行發(fā)射所述射頻信號。
3. 如權利要求1所述的發(fā)射器，其中所述多個單獨的天線都工作在 基本相同的頻率上。
4.如權利要求1所述的發(fā)射器，其中所述頻率是在60GHz的頻帶 上。
5. 如權利要求1所述的發(fā)射器，其中所述射頻信號是至少部分地由 所述多個單獨天線的物理圖案波束賦形的。
6. 如權利要求1所述的發(fā)射器，其中所述天線陣列印制在電路板的 襯底上。
7. 如權利要求1所述的發(fā)射器，其中所述射頻信號傳輸至少0.5cm的距離。
8. —種通信系統(tǒng)，包括天線陣列，用于在大約57GHz和95GHz之間的頻率上發(fā)射射頻信 號，其中所述天線陣列包括配置成對所述信號進行波束賦形的圖案的多個 單獨的天線；以及多個接收器，用來接收來自所述天線陣列的所述射頻信號。
9. 如權利要求8所述的通信系統(tǒng)，還包括多個天線陣列，每一個天 線陣列包括所述多個天線，并且其中所述多個天線陣列中的每一個天線陣 列配置來在所述頻率上彼此并行發(fā)射所述射頻信號。
10. 如權利要求8所述的通信系統(tǒng)，其中所述多個單獨的天線都工作 在基本相同的頻率上。.
11. 如權利要求8所述的通信系統(tǒng)，其中所述頻率是在60GHz頻帶上。
12. 如權利要求8所述的通信系統(tǒng)，其中所述多個天線陣列印制在電 路板的襯底上。
13. 如權利要求8所述的通信系統(tǒng)，其中所述射頻信號在到達所述多個接收器之前，傳輸了至少0.5cm的距離。
14. 如權利要求8所述的通信系統(tǒng)，其中所述多個接收器包括多個接 收陣列，所述接收陣列對應于所述多個單獨天線中的每一個天線。
15. —種通信方法，包括將天線陣列印制在襯底上，所述襯底附在集成電路的半導體部分上， 其中所述天線陣列包括多個單獨的天線；以及在大約57GHz和95GHz之間的頻率上從所述天線陣列發(fā)射射頻信號
16. 如權利要求15所述的方法，其中印制所述天線陣列包括將多個 天線陣列印制在所述襯底上，其中所述多個天線陣列中的每一個天線陣列 包括多個天線，并且其中所述多個天線陣列中的每一個天線陣列配置來在 所述頻率上彼此并行發(fā)射射頻信號。
17. 如權利要求15所述的方法，其中發(fā)射射頻信號包括從所述多個 單獨天線在基本相同的頻率上發(fā)射射頻信號。
18. 如權利要求15所述的方法，其中發(fā)射射頻信號包括在60GHz頻 帶上發(fā)射射頻信號。
19. 如權利要求15所述的方法，還包括至少部分地基于所述多個單 獨天線的物理圖案來對所述射頻信號進行波束賦形。
20. 如權利要求15所述的方法，其中所述印制多個天線陣列包括直 接在集成電路上印制所述多個天線陣列。
21. 如權利要求15所述的方法，其中所述發(fā)射射頻信號包括從所述 多個單獨天線中的每一個單獨天線將射頻信號傳輸至少0.5cm的距離。
22. —種通信方法，包括在集成電路封裝上印制多個天線陣列，其中所述多個天線陣列中的每 一個天線陣列包括多個單獨的天線；和從所述多個天線陣列中每一個天線陣列在大約57GHz和95GHz之間 的頻率上并行發(fā)射射頻信號。
23. 如權利要求22所述的方法，其中發(fā)射射頻信號包括從所述多個 天線陣列中的每一個天線陣列在基本相同的頻率上并行發(fā)射射頻信號。
24. 如權利要求22所述的方法，其中發(fā)射射頻信號包括在60GHz頻 帶上發(fā)射射頻信號。
25. 如權利要求22所述的方法，還包括至少部分地基于所述多個單 獨天線的物理圖案來對所述射頻信號進行波束賦形。
26. 如權利要求22所述的方法，其中印制所述多個天線陣列包括將 所述多個天線陣列印制在所述集成電路封裝上。
27. 如權利要求22所述的方法，其中發(fā)射射頻信號包括從所述多個 天線陣列中的每一個天線陣列將所述射頻信號傳輸至少0.5cm的距離。
全文摘要
使用多個高頻波束賦形RF天線陣列(100)以在每秒多個G的數據率下能進行并行數據傳輸。在一個實施例中，用60GHz頻帶進行來自天線陣列的數據的并行傳輸，所述天線陣列印制在集成電路的襯底或者封裝上。
文檔編號H01Q1/38GK101233652SQ200680027884
公開日2008年7月30日 申請日期2006年7月24日 優(yōu)先權日2005年7月29日
發(fā)明者羅伯特·哈達克 申請人:索尼株式會社;索尼電子有限公司