專利名稱：包括極化和空間分集天線系統(tǒng)的無線網絡裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線網絡裝置，并且具體地涉及用作一個或多個移動終端和有線網絡
之間的接入點的裝置。
背景技術：
寬帶接入技術允許服務提供商將他們的內容和服務提供擴展至企業(yè)和家庭用戶。例如，用戶可訂閱多個服務或應用，諸如來自一個或多個服務提供商的語音服務、互聯網接入服務、視頻流、游戲服務等。這些可通過專用或公共數據網絡(例如，互聯網)獲得的服務和/或應用可通過諸如數字用戶線(DSL)線路的單個網絡連接來傳遞。
無線局域網(WLAN)與它們的有線同類一樣，被發(fā)展為向有限地理區(qū)域中的用戶提供高帶寬。它們被發(fā)展為由有線設施中經歷的添加、刪除或修改而引起的高的安裝和維護費用的替代，由此以用于消費者和小的企業(yè)領域的WLAN的典型市場為目標。
當前，最廣泛應用的WLAN標準是IEEE 802. 11標準族，所述標準族被實現為具有不同規(guī)范。具體地講，也被稱為Wi-Fi的802. lib規(guī)范在2. 4GHz頻率范圍內操作，并使用直接序列擴頻技術，而802. 11g規(guī)范在2. 4GHz頻率范圍內操作并使用正交頻分復用(OFDM)技術。另一方面，802. lla規(guī)范在5. 15-5. 35GHz和5. 725-5. 925GHz的范圍內操作。
WLAN通過使用無線接入點(或接入網關)而操作，所述無線接入點向在接入點附近具有無線"客戶機"裝置的用戶提供到諸如以太網或互聯網的各種數據網絡的接入。無線接入點至少包括通常根據在IEEE 802. 11規(guī)范的不同部分中指定的標準之一進行操作的無線電設備。 一般來講，接入點中的無線電設備通過使用全向天線與客戶機裝置進行通信，所述全向天線允許無線電設備在任何方向上與客戶機裝置進行通信，即發(fā)射和接收數據。然后，接入點被連接(通過硬接線連接)至數據網絡系統(tǒng)，完成客戶機裝置到數據網絡的接入。 無線網關通常被實現為現有有線網絡和一組客戶機之間的最終鏈路，為這些用戶提供到建筑物內的數據網絡的所有資源和服務的無線接入。 美國專利申請No. 2002/0175864公開了一種用于將移動裝置橋接至有線網絡的電子裝置，所述電子裝置包括由兩個相互正交的縫隙天線構成的天線對，所述縫隙天線形成在金屬帶上并共享金屬帶的共同部分作為接地單元。天線對可隱蔽在電子裝置的內部。
無線通信中性能劣化的主要原因是多徑衰落、極化失配(polarizationmismatch)和同信道干擾。 一種用于增加信號效率的技術是多輸入多輸出("MMO") 。 MMO技術使用耦合至信號處理芯片集的多個天線來同時發(fā)射和/或接收多個信號。MIMO提供對抗不想要的路徑效應的天線分集，并改進了通信信道容量。因為發(fā)射天線和接收天線之間的傳輸路徑通常是線性獨立的，所以成功地將信號發(fā)射至客戶機的可能性通常與天線的數量成比例地增加。 在使用MIMO的無線通信中，通過一個無線電信道來發(fā)射和接收兩個或更多個唯一數據流，由此傳遞每信道數據速率的兩倍或更多倍。多于一個的相干無線電上變頻器和天線被用于發(fā)射多個信號，并且多于一個的相干無線電下變頻器和天線接收多個信號。 MMO系統(tǒng)中的峰值吞吐量增加等于信道中發(fā)射(或接收)的數據流的數量的因子。因為從 不同無線電設備和天線發(fā)射(或接收)多個信號，所以MIMO信號通常被稱為"多維"信號。
WO專利申請No. 2006/003416描述了一種無線網絡裝置，所述裝置具有被配置為 提供發(fā)射和/或接收極化分集的正交極化天線。天線可被集成在裝置的外殼內或安裝在外 殼上，從而它們不物理地突出到外殼的外部。裝置可具有兩個這樣的天線，所述天線正交地 布置在外殼的相同或不同面上。 MIMO技術可按照發(fā)射分集和/或接收分集工作。根據常用的術語，MIMO技術以發(fā) 射和接收分集兩者工作。在發(fā)射機處使用多個天線而在接收機處使用單個天線的系統(tǒng)被稱 為多輸入單輸出(MISO)，而在發(fā)射機處使用單個天線而在接收機處使用多個天線的系統(tǒng)被 稱為單輸入多輸出(SIM0)。在接收分集(即MM0和SM0技術)中，組合接收機側的多個 天線的響應。 如之前提到的，當由于多個接收機天線處的接收信號的多徑衰落引起的波動彼此 獨立時，分集工作良好。天線分集技術可采取各種形式，例如，空間、極化、頻率或角度分集。 在空間分集方案中，分集天線必須以各種間距分開地放置。 Proceedings of SPIE，第4740 (2002)巻，第160-167頁刊登的M. Kar和P. Wahid 的"Investigations on Polarization Schemes foruse in Wireless Environments''中 記錄了無線通信中的極化分集方案的回顧。 IEEE Proc.-Micrw. Antennas Propag.，第152巻，第6期(2005)中刊登的
S. B. Yeap等人的"Integrated diversity antennafor laptop and PDA in a MIMO
system"介紹了填充有電介質材料板的雙折疊偶極子天線的設計。據作者陳述，在實現極化
分集的同時，天線可彼此空間鄰近地放置(小于入/2)。膝上型計算機設計被描述為其中
在膝上型計算機的屏幕上實現電介質載入的雙折疊偶極子的兩個不同定向。Microwave Journal，第45巻，第50-63頁(2002)中刊登的H. -R. Chuang等人的
文章"A 2. 4GHz Polarization-diversity PlanarPrinted Dipole Antenna for WLAN and
Wireless CommunicationApplications"中描述了極化分集天線，其中在PCB襯底上組合并
制造了分別用于垂直和水平極化的兩個正交印刷偶極子天線。

發(fā)明內容
在室內應用中，無線接入網關通常包括外殼，所述外殼容納無線接入點電路和直 接插入以太網或電話插孔以建立例如與PSTN(公共交換電話網絡)線的網絡通信的電連接 器。通常，網關具有向外指的兩個外部獨立天線，所述天線可由用戶手動地調整。這允許根 據各種環(huán)境條件來調諧天線的通信質量。 申請人:觀察到，通常，外部天線在輻射效率、匹配、帶寬和增益方面具有好的性能。 在這種情況下，電子設備的RF電路和在其上安裝天線的電子設備外殼不顯著地影響天線 性能。盡管如此，外部天線增加了網關的阻礙性，并且通常與網關外殼不和諧，這對客戶感 覺造成了不好的影響。 另一方面，內部天線，即安裝在用作接入點的電子裝置的外殼內部的天線，即使它 們改進了電子設備外殼的包裝風格，在輻射圖、增益和輻射效率方面相對于外部天線也具
5有較差的性能，因為它們受到裝置的其它電子元件的存在的影響。此外，由于電子設備包裝 的尺寸和形狀，內部安裝的天線具有大小限制。 為了改進信號效率，希望無線通信接入點裝置利用發(fā)射和/或接收分集工作，從 而希望設計一種其中天線提供大致不相關的波信號的天線系統(tǒng)。
申請人:觀察到，存在對于在提供大致全向覆蓋的同時具有內部天線的無線接入網
關的需要。為了本發(fā)明的目的，術語"大致全向"是指在主平面內峰峰波動被限制為幾dB，
典型地在10dB內，并且優(yōu)選地跨越主平面內的360°角的90%不大于5dB。 此外，申請人面臨在使得最終用戶可以在室內環(huán)境中在不同位置安裝網關的同時
保持通信質量的問題。具體地講，注意到，應當在接入網關的不同安裝位置實現大致全向的覆蓋。 申請人:考慮到，使用AG的天線系統(tǒng)中的線性極化天線特別有利，因為當實現極化 分集時它們通常確保天線之間相對高的不相關性。 申請人:發(fā)現，包括具有至少兩個具有正交極性的線性極化天線并具有位于垂直平 面上的輻射元的天線系統(tǒng)的AG當被放置在不同操作位置處時能夠保持通信質量。兩個天 線中的至少一個被布置在與AG的外殼的底壁平行的平面上，當水平布置在支撐表面上時， 底壁是AG的底座。接入網關包括覆在底壁上并且具有與底壁大致平行的上表面的主電路 板。 申請人:發(fā)現，主電路板用作反射由天線發(fā)射的輻射場的反射表面，并且特別建議
將布置在與底壁平行的平面上的天線放置在由主電路板的上表面定義的平面附近，從而改
進天線系統(tǒng)的輻射增益，因為由來自主電路板的反射引起的失真被大大減小。 有利地，天線系統(tǒng)的每一個天線都是平面天線，因為這允許天線組件的配置具有
一定的自由度，并便于天線在外殼中的集成。 優(yōu)選地，本發(fā)明的天線系統(tǒng)的每一個天線都是偶極子天線，所述偶極子天線在與 其偶極子軸正交的平面中提供大致全向的輻射圖。更優(yōu)選地，天線是印刷偶極子天線。
在本發(fā)明的一個方面中，提供了所附權利要求1中所述的接入網關。如所附權利 要求2至34所述提供該裝置的有利實施例。


本發(fā)明的特征和優(yōu)點將通過下述對其僅用于非限制性例子的實施例的詳細描述 而變得清楚，所述描述是參照附圖進行的，其中 圖1示例了根據本發(fā)明的第一實施例的接入網關的示意性透視圖。
圖2示例了圖1的接入網關的頂部平面圖。 圖3示例了圖1的接入網關的示意性透視圖，其中外殼被蓋板封閉。 圖4是2xlSIM0 RF切換方案的符號表示。 圖5是根據本發(fā)明的實施例的偶極子天線的平面頂視圖。 圖6是圖5的偶極子天線的平面底視圖。 圖7示例了根據本發(fā)明的第二實施例的接入網關的示意性透視圖。 圖8a示出了圖1-3的天線系統(tǒng)的xy平面中的測量的遠場增益圖。圖8b示意性
地示例了在圖8a的增益圖的測量期間網關的定向。
圖9a示出了圖1-3的天線系統(tǒng)的xz平面中的測量的遠場增益圖。圖9b示意性 示例了圖9a的增益圖的測量期間網關的定向。 圖10a示出了圖1-3的天線系統(tǒng)的yz平面中的測量的遠場增益圖。圖10b示意 性示例了圖10a的增益圖的測量期間網關的定向。 圖lla示出了從計算機仿真獲得的圖7的天線系統(tǒng)的xy平面中的遠場增益圖。圖 lib示意性示例了圖lla的增益圖的仿真中網關的定向。 圖12a示出了從計算機仿真獲得的圖7的天線系統(tǒng)的xz平面中的遠場增益圖。圖 12b示意性示例了圖12a的增益圖的仿真中網關的定向。 圖13a示出了從計算機仿真獲得的圖7的天線系統(tǒng)的yz平面中的遠場增益圖。圖 13b示意性示例了圖13a的增益圖的仿真中網關的定向。
具體實施例方式
圖1和2分別示例了根據本發(fā)明的優(yōu)選實施例的接入網關(AG)的示意性透視圖 和頂部平面圖。接入網關l是可用作到另一個網絡(例如互聯網或移動通信網絡)的進入 點的無線網絡裝置。在用于小服務區(qū)和有限無線電覆蓋的最簡單的WLAN配置，例如家庭多 媒體應用中，接入網關本身可提供無線電接口 。在優(yōu)選的實施例中，接入網關包括無線電前 端，即處理發(fā)送和接收方向上的射頻(RF)信號的系統(tǒng)單元，其中天線系統(tǒng)(下面詳細描述) 由合適的RF切換技術來控制。 AG 1包含在頂部打開的外殼2中，所述外殼2包括底壁13和由彼此相對的側壁 12a和12b、后壁12c和前壁12d形成的外圍12。為了清楚起見，在圖1和2中，未示出與后 壁相對的外殼的前壁。圖3示出了前壁12d，所述圖3示例了 AG的透視圖，其中外殼2由被 布置為與底壁13(圖中不可見)相對并面向底壁的蓋板14封閉。外殼可與蓋板一起形成 大致為立方體或矩形平行六面體形狀的盒子。外殼2(和蓋板14)是不導電的，以避免屏蔽 天線系統(tǒng)，并且可例如由塑料材料形成。在圖1和2(和圖7)中，外殼2被示例為具有透明 的壁，僅為了提高圖的清楚度。然而應理解，外殼可由非透明材料形成，圖3示出了外殼的 封閉狀態(tài)。 在圖卜3示例的實施例中，外殼的底壁13位于與外圍12的壁所在的平面正交的 平面上。相對于外殼2的"底"壁13被稱為AG的典型定向，即圖1-3中示出的定向，其中 底壁構成定義在例如桌子或書桌的支撐表面上(水平地)保持AG的底平面的底表面。如 下面將要詳細描述的，可在操作期間通過不同定向布置AG，例如，AG可被布置用于垂直墻 壁安裝，其底壁緊靠房屋垂直墻壁。 AG包括天線系統(tǒng)，所述天線系統(tǒng)包括第一天線4和第二天線5，所述天線都安裝在 AG l的外殼2的內部。根據圖l和2示例的實施例，天線系統(tǒng)包括兩個且不多于兩個天線。
每個天線能夠在例如WiFi頻率范圍的頻段內的射頻傳播波信號，所述波信號被 線性極化，極化方向沿主軸(下文中被稱為極化軸)延伸。 每個天線都包括主要沿主方面(將被稱為輻射元軸或(輻射元的)縱軸)延伸的 輻射元。輻射元的縱軸布置在一個平面中，所述平面定義將被稱為輻射元的平面或天線平 面的平面。在一些實施例中，輻射元沿縱軸延伸至少其長度(即，電氣長度)的60%，優(yōu)選 為至少70%。在本上下文中，輻射元可包括例如一個或多個導電帶或通常能夠對輻射作出貢獻的布線結構，并且主要沿縱軸布置。例如，天線可具有諸如金屬管或金屬線的細長結構形式的輻射元。 在優(yōu)選實施例中，每個天線大致為平面，輻射元設置在平面襯底的表面上，所述襯底定義輻射元的平面。在本上下文中，"大致為平面"也可包括天線的輻射元可在法線方向上延伸到輻射元平面以外絕對值不超過約例如，輻射元可以是布置在平面襯底上并具有不大于A/8的厚度的一個或多個導體。 優(yōu)選地，第一和第二天線4、5是偶極子或單極子天線。如已知的，通常偶極子天線為大致筆直的輻射元，即沿主方向(即，縱軸)布置的電導體或一對電連接的導體，其端與端之間的測量值為入d/2，并且在中間位置處連接至RF饋線，其中入d是電磁場在傳播介質
中的波長，即;i/V7，并且7為有效介電常數，并且A為對應于操作頻率范圍的中心頻率的波長(例如，2. 4GHz的頻率對應于12. 5cm的A值)。通常，輻射元由兩個長度為A d/4的偶極子臂形成。由輻射元輻射的電場的極化對應于輻射元的主定向。換句話說，偶極子天線是線性極化的并且極化軸對應于輻射元的縱軸。偶極子中的RF電流在中心(饋線與輻射元接合的點)最大，并且在輻射元的端部最小。RF電流最大的點將被稱為偶極子中心，并且通常位于大約輻射元沿其縱軸的中點。 單極子天線是通過用地平面來代替偶極子天線的一半而形成的，所述地平面與剩
下的一半成直角。如果地平面足夠大，則單極子像偶極子一樣工作，就好像其在地平面中的
反射形成了偶極子失去的一半。具體地講，單極子天線具有在操作或輻射頻率約為A /4長
并與導電地平面電絕緣的輻射元，以產生接近偶極子的輻射圖的輻射圖。 根據優(yōu)選的實施例，天線是偶極子天線，因為它們通常能夠被實現為較簡單的天
線設計，尤其是當形成在印刷板上時，并且它們能夠比單極子天線更容易并入AG外殼。在
沒有限制本發(fā)明的整體范圍的情況下，對優(yōu)選實施例的下述描述將關于偶極子天線。 振蕩電偶極子產生關于預定平面大致全向的輻射圖，所述預定平面通常與輻射元軸正交，并且在與其上布置有輻射元的平面垂直的平面內。偶極子或單極子天線的全向性是指，在預定平面內，所有方向上的最大增益至少為ldB，從而離理想偶極子的2. 2dB的值并不遠，所述理想偶極子具有兩條零橫截面的電線并僅沿縱向延伸。 天線系統(tǒng)的每個天線的輻射圖的大致全向性特別有利，因為利用根據本發(fā)明的AG外殼內的天線布置，可保證在外殼的主平面內無線通信的大致全向覆蓋，如下面將要詳細描述的一樣。 第一天線4被放置在AG的外殼2中，使得其輻射元被放置在與由底壁13定義的平面大致平行的平面上，即在與圖l和2中的(x， y)平面平行的平面，也被稱為底平面上。
沿第一方向，即y軸定向其輻射元的極化軸。在本發(fā)明的意圖內，術語"大致平行"于底平面可包括輻射元的平面可與底平面形成不大于約10-15°的角，優(yōu)選為5。內的角。
第二天線5被布置在外殼中，使得其極化軸沿大致垂直于第一方向的方向，即沿z軸的方向，并且被布置在與第一天線4所在的平面大致垂直的平面上，S卩(y，z)平面上。因此，第二天線5的極化軸(在單極子或偶極子天線的情況下與輻射元軸重合)位于與由外殼的底壁13定義的平面大致垂直的平面上。優(yōu)選地，第二天線的極化軸所在的平面被布置為與外殼的側壁12a大致平行。第二天線5也將在本文中被稱為垂直天線或垂直定向天線。
兩個天線的相互空間定向是這樣的，其中第一天線在一個極化中具有較高增益，第二天線在正交極化中具有較高增益，由此實現極化分集。極化分集是通過放置第一天線4使其主極化大致沿第一方向(例如沿y軸方向)延伸，同時放置第二天線5使其主極化沿與第一方向正交的第二方向(例如沿z軸方向)延伸而獲得的。 由于兩個天線的極化軸是正交的，位于垂直的平面上，并且天線之一被布置在與底壁大致平行的平面上，所以當AG被放置在不同操作位置時天線系統(tǒng)能夠保持通信質量。例如，可通過水平放置在支撐平面上(例如，底壁被布置在書桌或桌子上)的AG，或垂直放置(例如，掛在墻上，其底壁與房屋墻壁相鄰放置或相接觸)的AG來獲得高質量的室內無線通信。 天線4和5可分別通過保持結構14和15固定在外殼2的內壁上。在圖1和2的實施例中，天線4和5為平面天線，并且輻射元放置在平面襯底上。 在圖1和2中，附圖標記6表示用作AG 1中的無線電前端的收發(fā)機芯片集。芯片集可建立在包含RF電路的微型PCI卡上，其優(yōu)選地集成在共用管芯上。RF電路通常包括射頻濾波器(通常為SAW技術)、中頻濾波器和允許發(fā)射和接收流之間的切換的雙工器。其可包括解調器和放大器。芯片集支持實現RF切換方案的一組算法(S卩，芯片集的固件)。
根據第一實施例，RF切換方案是所謂的SM0 (單輸入多輸出)，其中在目的地(接收機)處使用多個天線。源(發(fā)射機)僅具有一個天線。具體地講，本實施例的RF切換方案為2xl，所述方案使用兩個接收信號和一個發(fā)射信號。發(fā)射機在兩個天線之間切換，以選擇具有最佳信號強度的天線。接收機從兩個天線接收信號，所述信號被組合成一個改進的信號。優(yōu)選地，在接收側，在無線電前端上實現的算法組合來自兩個天線的兩個信號，并確定在信噪比(SNR)或接收信號強度指示(RSSI)方面最佳的信號。在傳輸階段開始之前，該技術通過用于通信的切換網絡來選擇具有最佳SNR或RSSI的天線。發(fā)射天線的選擇取決于接收流的質量。圖4是2xlSIM0切換方案的符號示例，其中40表示發(fā)射機而41表示接收機，所述方案實際上在射頻前端中實現。 優(yōu)選地，無線電前端(由圖1和2中的芯片集6表示)實現最大比率合并(MRC)處理技術，這是一種已知的技術，其使用導頻信號或控制信道信號來估算多個天線的無線電信道特性，然后向每個天線施加權重以最大化總和信號的SNR。為了使MRC工作，需要兩個(或更多個)接收機，其中適當應用的移相器和可變增益放大器實現所需的RF信號處理。MRC在SMO方案中可以是有利的，因為其在其中各個接收機信號衰落在統(tǒng)計上不相關的衰落環(huán)境中提供了好的性能。 SMO技術和一般來講MMO技術需要接收(和MMO的情況下的發(fā)射)流之間的大致不相關性。 為了減小接收流之間的相關性，天線對被配置為除了極化分集以外，還實現空間分集。第一和第二天線被分開至少入/2的距離(沿x軸)，其中A是無線電信號的波長。優(yōu)選地，所述距離至少為2/3 A 。優(yōu)選地，所述距離不大于3 A ，更優(yōu)選地不大于1. 5 A 。天線之間的距離可被取為天線的偶極子中心之間的距離。 一般來講，可在垂直于第一和第二縱軸的方向上(即，圖1和2中的x軸)定義該距離。根據一個實施例，A包括在從2. 400到2. 485GHz的頻段(即，IEEE 802. lib規(guī)范中定義的WiFi頻段)內。根據一個實施例，天線間隔不小于約6cm。 優(yōu)選地為印刷電路板(PCB)的主電路板7包括在外殼2中。PCB包括在法線方向上彼此相對的上表面和下表面，下表面布置在外殼的底壁13上。兩個天線通過PCB連接至分集接收電路，所述分集接收電路在本實施例中包括在芯片集6中。因此，由兩個偶極子天線接收的信號波被發(fā)送至分集接收電路，在分集接收電路中，選擇具有較高接收強度的信號波之一，或將來自兩個天線的信號波組合，然后得到的組合波被發(fā)送至接收機并被接收。
優(yōu)選地，PCB上表面與外殼的底壁13的底平面大致平行，即PCB上表面被布置為與底平面形成不大于3-5°的角。因此，第一天線4所在的平面與PCB的上表面大致平行。優(yōu)選地，第一天線4的平面與PCB上表面形成不大于10-15。的角，最優(yōu)選地在5。內的角。
在PCB的上表面上安裝一個或多個電子元件，并且一般來講是多個元件。關于外殼和PCB的"上"和"下"表面被稱為AG的典型定向，即圖1-3所示的定向，其中底壁13用作AG的底部。優(yōu)選地，PCB 7用作至少一些電子元件的共用平臺，并且通過跨越或穿過板的金屬跡線在它們之間提供電氣連接。在圖1所示的實施例中，PCB保持在支撐框架18上以允許底壁和PCB下表面之間的空氣流冷卻電子元件。在垂直于PCB下表面的方向上底壁和PCB下表面之間的距離為例如0. 6cm。 電子元件包括電源模塊9、一個或多個連接器和/或接口 8a、處理器模塊11和可選的電連接至DSL連接器8b的DSL模塊10。圖1和2中示意性地示例了電子模塊作為一個或多個功能塊，盡管如下面示范地，應理解每個塊可實際上包括一個或多個電子元件(例如，電容器、繼電器、變壓器等)。 電源模塊9可包括切換電源單元、用于過流和過壓保護的電路和DC/DC變換器。電源模塊9通過PCB 7被連接至電源連接器16。 一個或多個連接器8a可以是諸如RJ 45連接器的以太網端口 、諸如RJ 11連接器的電話端口 、 USB主機和裝置端口 ，這些端口可通過外殼的后壁12c的一個或多個開口從AG的外部訪問并且可經由電纜連接(未示出)連接至例如互聯網或PSTN的有線網絡。DSL前端IO可包括用作模擬接口的變壓器，用于變換通過例如RJ11連接器的連接器8b進入和離開PSTN的傳輸信號的電壓。根據實施例，處理器模塊11包括其上安裝有由金屬材料制成、用于冷卻芯片的熱沉的CPU(中央處理單元)芯片。DSL接口可包括在處理器模塊中?？砂硗獾奶幚砥髂K19，所述處理器模塊19包括由熱沉冷卻、用于控制以太網端口的CPU芯片。附圖標記24指示電源的電感，所述電感在第二天線5的附近?？纱嬖谟米饔芯€和無線網絡的接口的另外的驅動電路(未示出)。
由于在電子元件的操作期間存在電場，并且它們的物理阻礙可作為電輻射屏蔽的事實，AG中包含的電子元件可影響離它們近的天線的輻射圖。例如，當模塊11和19中的CPU芯片上的金屬熱沉直接在天線的附近時，會改變天線的阻抗，并因此減小天線系統(tǒng)的整體效率。PCB本身(即，在操作期間，電流流過其導電跡線)也可通過部分扭曲或阻塞天線信號而作為天線的輻射圖的屏蔽。如在本情況下，當天線布置在AG的外殼內部時，電子元件的影響尤其有害。 在前壁12d的附近，可選地存在連接至發(fā)光器件LED(未示出)的塑料光管的陣列3。光管從底壁13向上延伸至具有孔的蓋板14(圖3)，光管通過孔凸出并且從外殼的外部可見，以用于對操作狀態(tài)進行光指示。光管陣列3可代表天線的電磁輻射的又一障礙。
因此，申請人研究了天線的定位，以便最小化與其它電子元件的交互。在圖2中用虛線區(qū)17指示的具有連接器8a和8b以及電源插座16的AG區(qū)是這樣的區(qū)域，其中，當AG被連接至一個或多個有線網絡時，通電的電纜(未示出)被連接至插口和插座。如果AG水平地放置在支撐表面上，則區(qū)17通常位于房屋墻壁附近；如果AG被放置在房屋垂直墻壁上，則區(qū)17朝向房間屋頂。連接器和電纜嚴重影響頻段內的天線匹配，進而影響輻射圖。天線優(yōu)選地放置在外殼的與具有外部連接器的后半部分相對的前半部分。優(yōu)選地，天線被放置在距離多個連接器8a和8b以及插座16的最外側邊緣不小于A /2的距離處，更優(yōu)選地不小于A的距離處。在本實施例中，DSL模塊10和電源模塊9存在于PCB的后半部分中。離DSL和電源模塊至少/4的距離(例如，對于2. 4GHz的WiFi應用約為30mm)幫助避免天線和模塊中存在的諸如電容器電感和變壓器的塊狀元件之間的交互。優(yōu)選地，第二天線5的偶極子中心位于距離電感器24至少A /8的距離處。 天線4和5優(yōu)選地放置在PCB7的外部，以便減小PCB在它們的輻射圖中的影響。優(yōu)選地，從每個天線的近緣到PCB(例如，其平面襯底的近緣)的橫向距離為至少約2mm。在圖1和2的實施例中，所述橫向距離沿第一和第二天線的x軸。 PCB用作反射由天線發(fā)射的輻射場的反射表面，并在大致垂直于反射表面的方向上產生最大值。申請人發(fā)現，如果水平定向的天線4的輻射元被放置在由PCB的上表面定義的平面附近的平面中，則沿與輻射元軸正交的平面(其中增益最大)和輻射元所在的平面之間的交線定義的方向輻射增益被提高，因為沿該方向由來自PCB的反射導致的失真被減小。優(yōu)選地，第一天線4的輻射元被放置在沿z軸距離由PCB的上表面定義的平面不大于A /4 (例如，對于2. 4GHz的WiFi應用約為3cm)的距離內，更優(yōu)選地不大于A /8的距離內。 PCB 7的厚度為例如1. 5mm，這通常比WLAN應用中典型地使用的頻段的A /4的值小得多。 根據優(yōu)選的實施例，偶極子天線4的平面襯底的上表面(即，天線4的輻射元軸)大致與PCB 7的上表面共面，即在法線方向上距離PCB上表面在5mm以內，優(yōu)選地在2mm以內。 優(yōu)選地，將垂直定向天線5定位成使得其輻射元的近緣沿其輻射元的縱軸(即z軸)緊密接近PCB的上表面。優(yōu)選地，天線5的輻射元的近緣位于距離PCB的上表面不大于約5mm。在一些實施例中，天線5是偶極子中心位于沿其縱軸距離PCB的上表面至少約入/4，優(yōu)選地為約/4的偶極子天線。 垂直定向的天線5相對于水平定向的天線4的位置優(yōu)選地使得兩個天線的偶極子中心位于沿第一天線4的輻射元軸(即，y軸)不大于A /4的距離內。
盡管第一天線也可使其輻射元位于PCB的下表面以下(S卩，上述從第一天線平面到PCB的上表面的距離應被認為是絕對值)，但天線也應優(yōu)選地不離外殼的底壁太近或與外殼的底壁直接接觸。如果那樣的話，底壁，即使由非導電材料制成，也將影響從天線傳播的電磁(EM)信號，從而對輻射圖造成明顯變形。優(yōu)選地，天線的近主表面(g卩，后表面)和底壁之間的距離為至少3mm，更優(yōu)選地為至少5mm。這也可以避免與導電水平平面(即(x，y)平面)的緊密接近，所述導電水平平面諸如在其上保持AG的金屬書桌的平面，用作EM場的水平分量的反射表面。 優(yōu)選地，每個天線都是制造在電介質襯底上的印刷偶極子天線。圖5和6是根據本發(fā)明實施例的平面偶極子天線的平面視圖(分別為前和后)。偶極子天線50包括具有前表面52(圖5)和后表面(圖6)的電介質襯底51。例如，電介質襯底可以是0.8mm厚并且相對介電常數為約4. 7的FR-4PCB襯底。襯底的前表面52上印刷了雙U形偶極子導電帶，所述導電帶包括兩個腿59，每個腿連接至偶極子臂55。偶極子臂55的主定向定義天線的輻射元軸(或者，對于該類型的天線，偶極子軸)，所述軸在圖5中沿Y軸定向。腿59連接至印刷在前表面上的導電接地平面54。印刷帶由金屬(例如銅)制成。
偶極子臂55被折疊為L形以減小整體天線高度Hd。也可被稱為電氣長度的每個偶極子臂55的長度，即大致為筆直部分55a和55b的長度之和(L2+W》約為A d/4，并且優(yōu)選地將近A/4，其中Ad是傳播介質中電磁場的波長，g卩義/VJ,并且T為傳播介質的有效
介電常數，并且A為與操作頻段的中心頻率(例如2.45GHz)相關的波長。
根據實施例，電介質襯底具有40mm的高度Hd和18mm的長度Ld。
假定偶極子臂為L形，構成偶極子臂55的輻射元也沿與縱軸橫向的方向，即部分55b延伸。優(yōu)選地，每個偶極子臂的電氣長度的至少60%，更優(yōu)選地至少70%沿縱向延伸。應注意，偶極子臂55的部分55b與部分55a相比對電場作出的貢獻小，所述貢獻還取決于兩個部分之間沿縱向的距離，因為沿部分55b流動的電流具有相反的符號。
微帶饋線57印刷在偶極子天線50的后表面53上。在本實施例中，微帶57是L形的。通孔60穿過51將偶極子臂55的末端連接至微帶57。天線的饋電是通過一端連接至無線電前端的同軸電纜(未示出)來實現的。在對端，同軸電纜的內導體被焊接至微帶57，而電纜的外或接地導體被焊接至天線的接地平面54。在該天線中，饋電結構與偶極子的接地平面形成平衡_不平衡變換器，允許從平衡配置(同軸電纜)傳遞至不平衡配置(印刷偶極子)。同軸電纜的焊接方案可以不同，例如，引入饋線57外部的又一金屬通孔(未示出)并通過電介質襯底連接至接地平面54，并且通過同軸電纜的內導體連接至饋線57。
天線50的偶極子中心的位置示意性地表示為附圖標記61。偶極子中心大致位于沿縱軸(即圖5中的Y軸)距離偶極子臂的兩端等距離的位置，并且大致在沿輻射元軸的輻射元的中點處。 對于2. 45GHz的中心頻率，形成偶極子天線的導電帶的示范性大小可以是(參照圖5禾卩6) = 15mm，W2 = 2. 4mm，L! = 2. 5mm，L2 = 6. 5mm，LG = 3mm，WG = 14mm，Lb = 7mm，Wb = WG， WS1 = 6. 8mm， LS1 = 11. 4mm，以及Ls2 = 1. 4mm。在該例子中，電氣長度(W一L》的約30%沿與縱向橫向的方向。 在圖l和2示例的實施例中，偶極子天線4是印刷偶極子天線，被定向成上表面與外殼的底壁13相對并面向開放的頂部(或蓋板14)，而偶極子天線5是被定向成上表面面向第一天線4的印刷偶極子天線。 圖8a、9a和10a描繪出了沿根據圖1_3所示實施例的AG的三個主平面在消聲室中測量的共極遠場增益圖，所述AG具有帶有圖5和6所示類型的印刷偶極子天線并以2.45GHz操作的天線系統(tǒng)。虛線表示水平定向天線，即第一天線4(在圖中由FD1表示)的增益圖，而實線表示垂直定向天線，即第二天線5(在圖中由FD2表示)的增益圖。具體地講，圖8a示出了在典型定向中AG外殼沿(x，y)平面水平定位時測量的輻射圖，底壁為其上保持有AG的底座，如圖8b示意性示例的。測量結果是在遠場區(qū)域中在一定距離處平行于(x，y)的平面中獲取的。 圖9a示出了在平行于前壁12d的平面中測量的輻射圖，并且如圖9b示意性示例的，AG外殼垂直地定位并保持在垂直于底壁13(和蓋板14)的平面，S卩(x， z)平面中。AG
12的該定向可以是典型的，如果AG掛在房屋垂直墻壁上，并且底壁接近房屋墻壁。 圖10a描繪了當如圖10b所示AG外殼水平地位于與側壁12b平行的平面中時測
量的輻射圖。 實驗結果顯示天線4和5在三個主平面中的組合輻射圖大致是全向的，其中波動
在獲取圖8a、9a和10a的測量結果的三個主平面中大于周角的92%中不超過5dB。 可根據已知等式從輻射圖計算互相關系數或包絡相關，所述已知等式在例如所引
用的S. B. Ye即等人的文章中已有記載。為主平面中的每一個從圖8a、9a和10a的輻射圖
計算包絡相關，并發(fā)現對于每個主平面中的天線系統(tǒng)，包絡相關不超過值O. 12。 圖7示例了根據本發(fā)明的又一實施例的AG的透視圖。根據該實施例，RF切換方
案可以是3xlSIM0，其中在接收機處使用三個天線，并在發(fā)射機處使用一個天線。優(yōu)選地，切
換方案是3x2或3x3MIM0，所述切換方案使用接收和發(fā)射分集兩者。信號的組合可使用已知
的信號處理技術，諸如空間復用或根據新興的IEEE 802. lln標準的空時編碼。 發(fā)射和接收分集要求發(fā)射和接收流的不相關。申請人設計了一種包括天線系統(tǒng)的
AG，所述天線系統(tǒng)包括具有低度相關性并且對于AG外殼相對于支撐表面或房屋墻壁的不
同位置而提供高質量無線通信的至少三個內部天線。 在圖7的實施例中，天線系統(tǒng)包括三個且不多于三個天線。所述三個天線在AG的外殼內物理地分開以實現空間分集，并且它們被定向成具有正交極化，以實現三軸極化分集。 在圖7中，向對應于圖l所示的那些元件給出相同的附圖標記，并且在下文中省略對其的詳細描述。AG 30包括布置在外殼2內部的三個天線，并且其輻射元大致沿縱軸(即輻射元軸)延伸。每個天線被線性地極化。第一天線22包括輻射元，其縱軸在相對于AG的外殼2的底壁13水平定向的平面中，即大致平行于底壁13的平面中，并具有沿第一方向，即y軸定向的極化軸。第二天線23包括輻射元，其縱軸在相對于外殼的底壁13垂直定向的平面中，并具有沿與第一天線22的極化軸大致垂直的第二方向(z軸)的極化軸。第二天線23的輻射元的縱軸位于與第一天線22的輻射元的平面大致垂直的平面上。
優(yōu)選地，第二天線位于外殼內，在大致平行于外殼2的側壁12a的平面上。第一和第二天線22和23在(x， y)平面上距離底壁13、安裝在PCB 7上的連接器8a、8b和16以及電子模塊9、10、10和11的最小距離優(yōu)選地被選擇成與參照圖l和2示例的本發(fā)明的第一實施例中的相同。 優(yōu)選地，第一和第二天線22和23與參照圖1和2描述的實施例的第一和第二天線4和5 —樣布置在接入網關30的外殼2內。 網關30的外殼2可包括與底壁相對的蓋板14(圖7中未示出)，從而在封閉的狀態(tài)下，可在圖3的透視圖中示例網關30。 第三天線20是線性極化天線，用于沿垂直于第一和第二天線22和23的極化軸定
向的極化軸傳播波信號，即沿x軸布置第三天線的垂直軸。通過沿三個大致垂直方向定向
三個天線的極化軸，獲得天線系統(tǒng)的最大極化分集。第三天線20包括沿縱軸延伸的輻射
元，所述輻射元優(yōu)選地位于與第二天線23的輻射元的平面垂直的平面中。 在優(yōu)選的實施例中，每個天線都是大致平面的，并具有放置在平面襯底的表面上
的輻射元，所述平面襯底定義輻射元的平面。
為了減小PCB對輻射圖的干擾，第三天線20優(yōu)選地布置在PCB 7的外部，例如其 近緣(例如，其平面襯底的近緣)沿y軸在距離PCB的外緣至少2mm的距離處。
優(yōu)選地，第三天線布置在與第一天線22的平面大致平行的平面上，從而與底壁13 所定義的平面平行。以該方式，可減小電子元件和PCB本身對輻射圖的干擾。優(yōu)選地，放置 第三天線20，使得輻射元的平面在由PCB的上表面定義的平面的附近，以便減小由來自PCB 的反射引起的失真。優(yōu)選地，第三天線20放置在沿z軸距離由PCB的上表面定義的平面不 大于A /4的距離處，優(yōu)選地在不大于/8的距離處。 優(yōu)選地，天線20的上表面被放置成與PCB 7的上表面大致共面，即在法線方向上 距離PCB上表面在5mm以內，更優(yōu)選地，在2mm以內，從而最小化由于來自PCB的反射而引 起的輻射圖的變形。 優(yōu)選地，第三天線20的輻射元的平面被放置成與第一天線22的輻射元的平面大 致共面。 三個天線在外殼內空間分開，以便實現天線系統(tǒng)的空間分集。第一天線22和第三 天線20之間的距離不小于入/2，其中A是無線電信號的波長。優(yōu)選地，所述距離不大于 3入，更優(yōu)選地不大于1. 5 A 。天線之間沿特定方向的距離被定義為天線的偶極子中心之間 的距離。例如，對于2. 45GHz的中心頻率，第一和第三天線之間的距離約為llcm。
第一天線22和第二天線23之間沿x軸的距離不小于A /2。根據實施例，第一和 第二天線之間的距離為至少A 。例如，對于2. 45GHz的中心頻率，所述距離約為22cm。
在示例的實施例中，三個天線被布置成緊密接近PCB 7的外緣，例如，每個天線的 近緣與PCB的相應外緣之間的距離不大于2-3mm。然而，應理解，第一、第二和第三天線可放 置在外殼中，以占據邊長為至少入/2的三角形的頂點。 根據優(yōu)選的實施例，第一和第二天線的偶極子中心沿第一天線的縱軸(即y軸) 的方向位于近距離處，絕對值不大于 第三天線22距離光管陣列3的距離為至少0. 5cm，并且距離前壁(圖7中未示出) 的距離為至少0. 5cm。 圖11a、12a和13a記載了沿AG的三個主平面的共極遠場增益圖的計算機仿真，所 述AG根據圖7所示的實施例并具有帶有圖5和6所示類型的印刷偶極子天線并以2. 45GHz 操作的天線系統(tǒng)。虛線表示水平定向天線，即第一天線22(在圖中由FD1表示)的增益圖， 實線表示垂直定向天線，即第二天線23 (在圖中由FD2表示)的增益圖，而點線表示第三天 線20(在圖中由FD3表示)的增益圖。具體地講，圖lla示出了當AG外殼在典型定向中沿 (x，y)平面水平定位時仿真的輻射圖，如圖llb示意性示例的，其中底壁為其上保持有AG的 底座。 圖12a示出了在平行于前壁12d的平面中仿真的輻射圖，其中如圖12b示意性示 例的，AG外殼垂直地定位并保持在垂直于底壁13(和蓋板13)的平面，S卩(x，z)平面中。
圖13a描繪了當如圖13b示意性示例的，AG外殼水平地定位在平行于側壁12b的 平面中時仿真的輻射圖。 仿真結果顯示，天線20、22和23在三個主平面中的組合輻射圖大致為全向的，其 中波動在執(zhí)行圖11a、12a和13a的仿真的三個主平面中大于周角的90X中不超過5dB。
盡管已通過一些實施例公開和描述了本發(fā)明，但本領域技術人員應明了，在不偏離所附權利要求中限定的必要特征/范圍的情況下，所述實施例的一些變形和本發(fā)明的其 它實施例也是可以的。
權利要求
一種用于以頻段內的射頻通信波信號的無線接入網關(1；30)，所述網關包含在外殼(2)內，所述外殼(2)包括定義底平面的底壁(13)，并且所述無線接入網關包括所述外殼(2)內的主電路板(7)，覆在所述底壁(13)上并且具有彼此相對的上表面和下表面，所述下表面面向底壁，并且所述上表面與底平面大致平行，以及天線系統(tǒng)，被布置在外殼(2)中并且包括第一線性極化天線(4；22)，用于沿第一極化軸傳播第一波信號，所述第一天線包括在大致平行于底平面的第一平面中沿第一縱軸延伸的第一輻射元，以及第二線性極化天線(5；23)，用于沿垂直于第一極化軸定向的第二極化軸傳播第二波信號，所述第二天線包括在垂直于第一平面定向的第二平面中沿第二縱軸延伸的第二輻射元，其中，第一和第二天線彼此相距至少λ/2的距離，其中λ是對應于頻段內的射頻的波長。
2. 如權利要求l所述的網關，其中，所述第一天線(4 ;22)為大致平面的，第一輻射元放置在第一平面襯底的上表面上，所述上表面定義所述第一平面；并且其中，所述第二天線(5 ;23)為大致平面的，第二輻射元放置在第二平面襯底的上表面上，所述上表面定義所述第二平面，使得第一和第二平面襯底彼此垂直地定向。
3. 如權利要求1或2所述的網關，其中，第一和第二縱軸分別對應于第一和第二極化軸。
4. 如權利要求1至3中任一項所述的網關，其中，所述第一和第二天線被放置成彼此相距至少2/3入。
5. 如權利要求1至4中任一項所述的網關，其中，第一天線(4 ;22)的第一平面被放置在沿垂直于第一平面的方向距離主電路板(7)的上表面不大于入/4的距離處。
6. 如權利要求5所述的網關，其中，第一平面距離主電路板(7)的上表面的所述距離不大于A/8。
7 如權利要求5所述的網關，其中，第一平面距離主電路板(7)的上表面的所述距離不大于5mm。
8. 如權利要求l所述的網關，其中，第一和第二天線電連接至主電路板(7)。
9. 如前述權利要求中任一項所述的網關，其中，外殼(2)包括由相對的側壁(12a，12b)、前壁(12d)和后壁(12c)形成的外圍(12)。
10. 如權利要求9所述的網關，其中，相對的側壁中的至少一個(12a)與底壁(13)大致垂直，并且位于第二平面上的第二縱軸被放置成與所述側壁中的至少一個(12a)大致平行。
11. 如權利要求9所述的網關，進一步包括安裝在外殼(2)中并且可通過后壁(12c)從接入網關的外部訪問的至少一個連接器(8a，8b， 16)。
12. 如權利要求11所述的網關，其中，第一和第二天線的每一個都與至少一個連接器(8a，8b，16)的外緣在第一縱軸的方向上空間分開至少入/2的距離。
13. 如權利要求11所述的網關，其中，第一和第二天線的每一個都與至少一個連接器(8a，8b，16)的外緣在第一縱軸的方向上空間分開至少A的距離。
14. 如權利要求l所述的網關，其中，天線系統(tǒng)包括兩個且不多于兩個天線(4，5)。
15. 如權利要求1所述的網關，其中，第一和第二天線的每一個的輻射圖在與第一和第 二天線的每一個的縱軸分別正交的主平面中大致為全向。
16. 如權利要求2所述的網關，其中，所述第一和第二平面襯底由電介質材料形成。
17. 如權利要求16所述的網關，其中，第一和第二天線是具有印刷在第一平面襯底上 的第一輻射元和印刷在第二平面襯底上的第二輻射元的印刷天線。
18. 如前述權利要求中任一項所述的網關，其中，第一和第二天線的每一個都是偶極子天線。
19. 如權利要求18所述的網關，其中，第一 (4:22)和第二天線(5 ;23)中的每一個都具有沿縱軸大致放置在輻射元的中心的偶極子中心，第一天線的偶極子中心與第二天線的偶極子中心沿第一縱軸空間分開不大于入/4的距離。
20. 如前述權利要求中任一項所述的網關，其中，天線系統(tǒng)進一步包括第三線性極化天線(20)，用于沿垂直于第一和第二極化軸定向的第三極化軸傳播第三波信號，所述第三天線包括沿位于第三平面上的第三縱軸延伸的第三輻射元。
21. 如權利要求20所述的網關，其中，所述第三平面與外殼(2)的底壁(13)的底平面大致平行地定向。
22. 如權利要求21所述的網關，其中，第三平面放置在沿垂直于第三平面的方向距離主電路板(7)的上表面不大于入/4的距離處。
23. 如權利要求22所述的網關，其中，所述第三平面距離主電路板(7)的上表面的距離不大于A/8。
24. 如權利要求22所述的網關，其中，所述第三平面距離主電路板(7)的上表面的距離不大于5mm。
25. 如權利要求20至24中任一項所述的網關，其中，第三天線為大致平面的，第三輻射元放置在第三平面襯底的上表面上，所述上表面定義所述第三平面。
26. 如權利要求25所述的網關，其中，所述第三平面襯底由電介質材料制成。
27. 如權利要求26所述的網關，其中，所述第三天線是具有印刷在第三平面襯底上的第三輻射元的印刷天線。
28. 如權利要求20至27中任一項所述的網關，其中，第三平面被定向成與第一天線(22)的第一輻射元所在的第一平面大致共面。
29. 如權利要求20至28中任一項所述的網關，其中，第三天線(20)和第一天線(22)被放置成彼此相距至少入/2的距離，并且第三天線(20)和第二天線(23)被放置成彼此相距至少A/2的距離。
30. 如權利要求29所述的網關，其中，第一天線(22)和第二天線(23)被放置成彼此相距至少A的距離。
31. 如權利要求20至30中任一項所述的網關，其中，第三天線的輻射圖在與第三縱軸正交的主平面中大致為全向。
32. 如權利要求20至31中任一項所述的網關，其中，所述第三天線為偶極子天線。
33. 如權利要求20所述的網關，其中，第三縱軸對應于第三極化軸。
34. 如權利要求20所述的網關，其中，天線系統(tǒng)包括三個且不多于三個天線(20,22，23)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于以頻段內的射頻通信波信號的無線接入網關(1)，所述網關包含在外殼(2)內，并且包括底壁(13)和覆在所述底壁(13)上并且具有大致平行于底壁的上表面的主電路板(7)。所述網關配備有天線系統(tǒng)，所述天線系統(tǒng)包括至少兩個天線第一線性極化天線(4)，用于沿第一極化軸傳播第一波信號，所述第一天線包括沿位于大致平行于底平面的第一平面上的第一縱軸延伸的第一輻射元，以及第二線性極化天線(5)，用于沿垂直于第一極化軸定向的第二極化軸傳播第二波信號，所述第二天線包括沿位于垂直于第一平面定向的第二平面上的第二縱軸延伸的第二輻射元。第一和第二天線被放置成彼此相距至少λ/2的距離，其中λ是對應于頻段內的射頻的波長。兩個天線在網關的外殼內物理地分開，以實現空間分集，并且它們被定向為具有正交極化，從而實現極化分集。假定兩個天線的極化軸是正交的，位于垂直的平面上，并且一個天線放置在平行于底壁的平面上，則天線系統(tǒng)能夠在接入網關被放置在不同操作位置時保持通信質量。
文檔編號H04B7/10GK101715617SQ200780053238
公開日2010年5月26日 申請日期2007年6月4日 優(yōu)先權日2007年6月4日
發(fā)明者D·巴比爾利, F·利西, M·斯托圖, S·格曼尼, V·波法 申請人:皮雷利&C.有限公司