相關(guān)申請的引用

本申請要求于2016年3月4日提交的序列號為62/304,052的臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，該申請通過引用以其全文結(jié)合在此。

本發(fā)明涉及通信系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及一種緊湊型無源中繼器。

背景技術(shù)：

無線中繼器從無線路由器或無線接入點接收現(xiàn)有信號并且將其重新廣播以創(chuàng)建第二網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)兩個以上的主機需要通過ieee802.11協(xié)議連接到彼此而距離太長以至于無法建立直接連接時，使用無線中繼器來進行橋接。主網(wǎng)絡(luò)外部的那些主機能夠通過新的中繼網(wǎng)絡(luò)連接。無線中繼器通常用于改善家庭和小型辦公室內(nèi)的信號范圍和強度。然而，這種設(shè)備需要恒定的電源并且經(jīng)常是笨重的、不雅觀的，因而難以不顯眼地在家庭和小型辦公室內(nèi)安裝。

無源中繼器或無源無線電鏈路偏轉(zhuǎn)是反射性或者有時是衍射性面板或其它對象，這種對象在信號路徑中的障礙物阻礙任何直接視線通信的地方協(xié)助閉合無線電或微波鏈路。相比于具有有源部件的微波無線電中繼站，無源中繼器更簡單并且需要非常少的維護并且不需要現(xiàn)場電力。無源中繼器還不需要附加的頻率，不像有源中繼器站那樣使用不同的發(fā)射和接收頻率來阻止反饋。相應(yīng)的缺點是如果不進行放大則返回信號顯著地變?nèi)酢?/p>

可以通過用拋物線天線接收信號并且引導(dǎo)其通過波導(dǎo)到達對其進行輻射的第二拋物線天線來實現(xiàn)豎直水平的無源無線電中繼鏈路偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。對于水平平面中的無源微波無線電中繼鏈路偏轉(zhuǎn)，使用由金屬材料制成的平坦表面，這種平坦表面被布置為使得傳入波束的角度與傳出信號的角度相對應(yīng)。所得的結(jié)構(gòu)類似于廣告牌。

類似的系統(tǒng)可以偶爾用于tv中繼發(fā)射器或者用作隧道發(fā)射器。在這些情況下，八木天線接收發(fā)射信號并且通過同軸電纜將其供應(yīng)給第二八木天線。

所有這種無源系統(tǒng)非常大，通常像廣告牌那么大，因而不適于在家庭和小型辦公室內(nèi)使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個實施例提供一種具有兩個以上的天線陣列的透射式無源中繼器。每個天線元件具有關(guān)聯(lián)區(qū)域。由所述天線陣列限定了孔隙(aperture)，各個天線陣列處的能量通過所述孔隙從所述區(qū)域的各區(qū)域之間經(jīng)過。

本發(fā)明的另一個實施例提供一種具有孔隙的反射式無源中繼器。在所述孔隙處接收的能量是從所述孔隙反射回來的。所述孔隙被配置成在由多個獨立的天線元件的復(fù)雜耦合(complexcoupling)所確定的兩個區(qū)域之間提供共形映射(conformalmapping)。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的無源中繼器的框圖，示出以db為單位的鏈路、弗里斯(friis)等式；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的無源中繼器的框圖，示出用于以mw為單位的功率的鏈路、friis等式；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的無源中繼器的框圖，示出示例性數(shù)學(xué)系統(tǒng)模型；

圖4a和圖4b是曲線圖，示出根據(jù)本發(fā)明在2g頻帶(圖4a)和5g頻帶(圖4b)內(nèi)通過wi-fi接收的功率；

圖5a和圖5b示出根據(jù)本發(fā)明的用于按照透射模式(圖5a)和反射模式(圖5b)操作的孔隙系統(tǒng)；

圖6示出根據(jù)本發(fā)明的用于具有矩形天線元件的無源中繼器的孔隙透射模式孔隙；

圖7示出根據(jù)本發(fā)明的用于具有六邊形天線元件的無源中繼器的孔隙透射模式；

圖8a和圖8b是根據(jù)本發(fā)明的用于無源中繼器的天線元件；

圖9示出根據(jù)本發(fā)明的子元件的細(xì)節(jié)；

圖10示出根據(jù)本發(fā)明的另一個子元件的細(xì)節(jié)；

圖11是示出根據(jù)本發(fā)明的無源中繼器中的孔隙元件透射模式的框圖；

圖12示出根據(jù)本發(fā)明的包括八木式三元件天線的單向天線；

圖13a和圖13b示出根據(jù)本發(fā)明的處于孔隙元件透射模式的從動元件饋送反轉(zhuǎn)技術(shù)；以及

圖14是示出根據(jù)本發(fā)明的無源中繼器中的孔隙元件反射模式的框圖。

具體實施方式

本發(fā)明的一實施例提供一種具有兩個以上的天線陣列的透射式無源中繼器。每個天線元件具有關(guān)聯(lián)區(qū)域。由所述天線陣列限定了孔隙，各個天線陣列處的能量通過所述孔隙從所述區(qū)域的各區(qū)域之間經(jīng)過。

本發(fā)明的另一實施例提供一種具有孔隙的反射式無源中繼器。在所述孔隙處接收的能量是從所述孔隙反射回來的。所述孔隙被配置成在由多個獨立天線元件的復(fù)雜耦合所確定的兩個區(qū)域之間提供共形映射。

對于wi-fi應(yīng)用，以下定義適用：

接入點(ap)應(yīng)用

路由器(ap+路由功能)

ap(獨立式ap)

網(wǎng)關(guān)(ap+調(diào)制解調(diào)器-dsl/vdsl/電纜/光纖)

站點(sta)應(yīng)用

sta(wi-fi站點)

移動客戶端(mc)

筆記本電腦客戶端(lc)

圖1是根據(jù)本發(fā)明的無源中繼器的框圖，示出以db為單位的鏈路、friis等式。在本發(fā)明的實施例中，無源中繼器10包括被配置成擴展輻射覆蓋范圍的兩個背靠背天線，即，第一區(qū)域12中的第一天線和第二區(qū)域13中的第二天線。

以下是適用于本發(fā)明的實施例的以db為單位的鏈路、friis等式(參考圖1)：

引導(dǎo)r12，從區(qū)域1到區(qū)域2。

pr＝pt+gt+gr+20log(λ/(4πr12))dbm

其中，pr，pt＝以dbm為單位的功率，并且gt，gr＝以db為單位的增益。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的無源中繼器的框圖，示出用于以mw為單位的功率的鏈路、friis等式。在本發(fā)明的實施例中，無源中繼器10包括被配置成擴展輻射覆蓋范圍的兩個背靠背天線，即，第一區(qū)域12中的第一天線和第二區(qū)域13中的第二天線。

以下是適用于本發(fā)明的實施例的用于以mw為單位的功率的鏈路、friis等式(參考圖1)：

引導(dǎo)ant1到ant2，r12，區(qū)域1到區(qū)域2。

pr＝ptxgtxgrx(λ/(4πr12))²mw

其中，pr，pt＝以mw為單位的功率，并且gt，gr＝標(biāo)定為1.0的增益。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的無源中繼器的框圖。在本發(fā)明的實施例中，無源中繼器10包括被配置成擴展輻射覆蓋范圍的兩個背靠背天線陣列，即，第一區(qū)域12中的第一天線和第二區(qū)域13中的第二天線。天線由允許一個區(qū)域內(nèi)的能量通過并到達另一個區(qū)域的窗口或孔隙11驅(qū)動。

以下是示例性數(shù)學(xué)系統(tǒng)模型(參考圖3)：

引導(dǎo)rxd＝tx+gt+gx+20log(λ/(4πr2))

r1ri＝tx+gt+10log(ai/(4π(r1∧2))

r2-r1rx＝ri+gx+10log(ai/(4π((r2-r1)∧2)))

從發(fā)射器tx輻射的由dbm表示的信號由具有區(qū)域ai的孔隙ri接收。在本發(fā)明的實施例中，區(qū)域ai是全息面板或菲涅爾透鏡。

孔隙ri處的接收功率＝場強乘以區(qū)域ai的面積。反過來，可以基于ai和用于具有增益rx的距離r2-r1的擴展因數(shù)確定接收信號rx。引導(dǎo)路徑來自于上述鏈路或friis等式。

本發(fā)明的實施例用于wi-fi應(yīng)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到本發(fā)明的實施例可以等效地應(yīng)用于任何其它收發(fā)器系統(tǒng)。

本發(fā)明將采用的基本原理是惠更斯原理。如下所述：

“主波前上的每一個點是次球面波或小波的來源?；谶@一點，次波前可以被解釋為這些次波的表面包絡(luò)?！?/p>

本發(fā)明的實施例中的做法是用可以用復(fù)數(shù)(實部，虛部)加權(quán)的發(fā)射信號重新發(fā)射接收信號的天線系統(tǒng)替換這些點。復(fù)數(shù)加權(quán)是通過控制孔隙內(nèi)的天線元件密度和通過每個子元件的相位延遲來實現(xiàn)的，其中，相位延遲向傳出信號施加定向分量。

在透射模式(在以下描述)中，相位延遲僅需要以小步長(諸如即，八個離散步長和)在360的范圍變化。所得的元件因此提供了類似于菲涅爾透鏡的薄層。

在反射模式(在以下描述)中，相位延遲僅需要以小步長(諸如22.5o，即，八個離散步長和)在的范圍變化。所得的元件因此提供了類似于菲涅爾波帶片的薄層。如果所有元件的相位相同，則結(jié)果是平面反射鏡。

可以使用不同的相位形成反射形發(fā)散或會聚透鏡或其它這種共形映射。

圖4a和圖4b是曲線圖，示出根據(jù)本發(fā)明計算在2g頻帶(圖4a)和5g頻帶(圖4b)內(nèi)通過wi-fi接收的功率。在圖2中，孔隙被置于0.00英尺和20.00英尺(609.6厘米)的端點之間。ap或路由器位于每一個端點處?？紫犊梢砸苿痈拷黙p或路由器，例如從10.00英尺(304.8厘米)到5.00英尺(152.4厘米)或者從10.00英尺(304.8厘米)到15.00英尺(457.2厘米)。結(jié)果顯示出當(dāng)孔隙更靠近ap或路由器(即，更接近例如2.00英尺(60.96厘米)或18.00英尺(548.64厘米)處的端點)時實現(xiàn)最佳孔隙性能。引導(dǎo)路徑和通過孔隙的路徑對于2g頻帶在25％的點處是相等的。在中點處，孔隙的性能最差。

一個替代方案是將孔隙放置為靠近ap或路由器。對此的改進需要有源系統(tǒng)，這種系統(tǒng)需要雙向rf放大器、非福斯特電路或天線系統(tǒng)元件中的負(fù)阻抗電路。這將挫敗無源系統(tǒng)的目的但是可以被用作無源系統(tǒng)的外部附屬物。

孔隙

孔隙是在接入點和路由器之間實現(xiàn)焦點的無源系統(tǒng)(參見圖3)?？紫兜膶嵤├惶峁槠桨?。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到孔隙可以具有帶有一個或多個彎曲的彎曲表面、曲面或彎曲表面和/或曲面的組合中的任一種。

在此公開的天線系統(tǒng)的實施例在透射模式或反射模式中的任一種模式中操作。

在透射模式中(參見圖5a)，天線系統(tǒng)10在孔隙的一側(cè)接收信號并且將其從另一側(cè)發(fā)射出去。

發(fā)射功率不得超過接收功率。當(dāng)然，功率是聚焦的。

在反射模式中(參見圖5b)，天線系統(tǒng)10從孔隙反射回所有接收功率。

這還在孔隙的另一側(cè)上提供了rf屏障。

孔隙在由多個獨立天線元件的復(fù)雜耦合所確定的兩個區(qū)域之間提供共形映射。本發(fā)明的實施例還可以級聯(lián)多個孔隙，按照需要并且當(dāng)需要時包括透射模式和反射模式的組合。

為了簡化起見，在此的討論以平坦孔隙開始。這些孔隙可以采用以下任一：電介質(zhì)透鏡、階梯式電介質(zhì)透鏡、離散式金屬形狀散射透鏡、菲涅爾透鏡、全息透鏡以及離散的多個天線元件透鏡。

孔隙可以是透射式的或反射式的并且可以支持多個頻帶。

圖6示出根據(jù)本發(fā)明的用于具有矩形天線元件的無源中繼器的孔隙透射模式。在圖6中，在來自第一區(qū)域12內(nèi)的發(fā)射器tx和第二區(qū)域13內(nèi)的接收器rx的路徑內(nèi)示出具有深度31的孔隙11。在本發(fā)明的實施例中，孔隙包括元件陣列30，在圖6中，該陣列是10x10陣列。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到孔隙內(nèi)的天線陣列可以包括任何數(shù)量的行和列。

每個元件包括由傳輸線連接的兩個定向天線。傳輸線的長度被調(diào)整使得為元件選擇所需的相位延遲，從而有效地指向天線。在本發(fā)明的實施例中，相位延遲可以被調(diào)整為指引信號路徑以及縮窄或加寬信號路徑。例如，對于更寬的信號路徑，位于陣列邊緣處的天線元件的相位延遲可以被調(diào)整為創(chuàng)建從中心線通過孔隙的軸線發(fā)散的信號路徑，即，加寬的信號路徑；對于定向信號路徑，可以按照類似的方式調(diào)整所有天線元件的相位延遲，即，它們?nèi)恐赶蛲环较颉１绢I(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到相位延遲的任何數(shù)量的變化可以應(yīng)用于天線元件中的一個或多個天線元件以便按照需要對孔隙的輸出進行成形。

因此，每條傳輸線的相位被選擇為形成給定的透鏡系統(tǒng)。所使用的元件數(shù)量限定所得的焦點、波束圖案或增益。因此，可以按照與使用離散元件為平坦區(qū)域透鏡實現(xiàn)的方式相同的方式實現(xiàn)焦點。在此公開的天線系統(tǒng)基本上是平面波束形成器。

圖7示出根據(jù)本發(fā)明的用于具有六邊形天線元件的無源中繼器的孔隙透射模式。在圖7中，在來自第一區(qū)域12內(nèi)的發(fā)射器tx和第二區(qū)域13內(nèi)的接收器rx的路徑內(nèi)示出具有深度31a的孔隙11a。在本發(fā)明的實施例中，孔隙包括元件陣列34，在圖6中，該陣列是10x10陣列。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到孔隙內(nèi)的天線陣列可以包括任何數(shù)量的行和列。

本發(fā)明的此實施例的操作類似于以上結(jié)合圖6描述的操作。使用圖6中的六邊形天線元件vs.矩形天線元件是選擇問題。通常，大多數(shù)天線是矩形的；其它選項包括六邊形、圓形等等。

圖8a和圖8b示出用于根據(jù)本發(fā)明的無源中繼器的孔隙元件以及具體地天線元件透射模式的三元件八木式天線。

如圖8a和圖8b所示，所使用的兩個天線50、51是三元件八木式天線自具有從動元件和反射器55。這些天線展現(xiàn)極佳的前后比。這些天線通過非雙絞的傳輸線對57連接。通過調(diào)整長號長度52來為給定的元件調(diào)整相位并且通過相位移位器53對相位進行移位。圖8a示出安裝有阻抗控制蓋件54的孔隙；圖8b示出移除了阻抗控制蓋件56的孔隙。

這些天線的一個特征是它們具有極佳的前后比。這些天線通過非雙絞的傳輸線對連接。通過調(diào)整長號(trombone)長度為給定的元件調(diào)整相位。如果需要的話，使用旋轉(zhuǎn)的第二孔隙元件實現(xiàn)交叉極化。

圖9示出根據(jù)本發(fā)明的子元件的細(xì)節(jié)。子元件描述了天線元件結(jié)構(gòu)?？紫栋ㄟ@種子元件的陣列。每個子元件包括由傳輸線連接的兩個定向天線。傳輸線的長度被調(diào)整使得為元件選擇所需的相位延遲。在本發(fā)明的實施例中，所示出的元件是矩形的或六邊形的并且均勻地分布。也可以允許非均勻分布，以按照需要或如果需要的話實現(xiàn)振幅加權(quán)。這還可以通過從孔隙中的元件陣列撤出元件以實現(xiàn)與均勻陣列相同的結(jié)果來實現(xiàn)。

每條傳輸線的相位被選擇為形成給定的透鏡系統(tǒng)。所使用的更多元件限定所得的焦點和波束圖案。因此，可以按照與使用離散元件為平坦區(qū)域透鏡實現(xiàn)的方式相同的方式實現(xiàn)焦點。這個新系統(tǒng)基本上是平面波束形成器。

在圖9中，第一三元件八木式天線包括定向器90、偶極子91以及與第二三元件八木式天線95共享的反射器92。八木式天線包括平衡-不平衡變換器98。

本實施例中的天線元件是在pcb96上形成的(以輪廓示出)并且包括銅底部跡線97和銅頂部跡線92。在一些實施例中，pcb材料可以被插入在頂部跡線和底部跡線之間。

圖10示出根據(jù)本發(fā)明的另一個子元件細(xì)節(jié)。在圖10中，子元件包括兩個三元件八木式天線，每一個例如連接最右側(cè)八木式天線，并包括定向器105、偶極子104以及具有第一反射器邊緣101和第二反射器邊緣100的共享反射器。設(shè)置了匹配物102和平衡-不平衡變換器106。使用跡線103實現(xiàn)相位移位器107。在圖10中，為5.4ghz頻帶提供用于天線子元件的各個部件的維度。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到可以為需要的操作頻率選擇其它適當(dāng)?shù)木S度。

圖11是示出根據(jù)本發(fā)明的無源中繼器中的孔隙元件透射模式的框圖。定向天線40、42具有將天線彼此隔離并且允許雙向相位移位路徑的前后比。這符合互惠定律。在本發(fā)明的實施例中，定向天線提供至少15db并且最多25db的前后比，因此實現(xiàn)30db到50db的隔離。可以適用于這種天線系統(tǒng)的天線示例包括八木式三元件天線、對數(shù)周期天線、喇叭天線和貼片天線。八木式和對數(shù)周期天線通過平衡傳輸線41連接并且還可以交叉以便進行雙極化。喇叭天線應(yīng)當(dāng)使用波導(dǎo)連接并且也提供雙極化。

圖12示出根據(jù)本發(fā)明的包括八木式三元件天線的單向天線。如所述，本發(fā)明容易地適用于許多不同的天線配置，包括但不限于八木式天線、對數(shù)周期天線、貼片天線和喇叭天線。圖12示出的三元件八木式天線包括反射器121、偶極子122和定向器123。通過平衡-不平衡變換器124實現(xiàn)對rf饋線120的加載。

圖13a和圖13b示出根據(jù)本發(fā)明的處于孔隙元件透射模式的從動元件饋送反轉(zhuǎn)技術(shù)，逆轉(zhuǎn)或180度。在圖13a和圖13b中，平衡反射器60連接到從動元件55。已經(jīng)移除阻抗蓋板。注意，傳輸線60在反射器元件57下方通過。

圖13b示出用于反轉(zhuǎn)從動元件的極性的機構(gòu)。這允許的相位移位。使用這種相位移位允許長號的寬度為不要長號時的寬度的一半。注意，反轉(zhuǎn)元件子安裝在在頂部，不同于非反轉(zhuǎn)元件。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到簡單的對數(shù)周期天線可以替換八木式天線。其它類型的天線也可以替換這些天線，包括圓形極化類型。

圖14是示出根據(jù)本發(fā)明的無源中繼器中的孔隙元件反射模式的框圖。根據(jù)本發(fā)明的此實施例的孔隙包括定向天線70和連接到無損終端72的傳輸線71。在反射模式中，所有接收能量基本上是在帶有相位移位的情況下反射回來的并且因此變成發(fā)射能量。相應(yīng)地，通過在孔隙陣列中使用適當(dāng)?shù)膫鬏斁€相位移位實現(xiàn)反射透鏡。

盡管在此參照優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易認(rèn)識到其它應(yīng)用可以替換本文列出的那些應(yīng)用而不背離本發(fā)明的精神和范圍。相應(yīng)地，本發(fā)明應(yīng)當(dāng)僅由以下權(quán)利要求書限定。