无线电通信系统.pdf

一种无线电通信接收器，包括天线阵列，具有至少两个天线以提供天线分集。接收器用于接收包含从源数据流得到的正交编码数据子流的信号。接收器还包括接收器电路，耦合至天线阵列，具有检测数据子流的检测级和用于组合所检测的数据子流来恢复源数据流的组合级。每个天线都具有固体材料的电绝缘芯，该固体材料具有大于5的相对介电常数。每个天线还都具有设置在芯的外表面上或者与芯的外表面相邻的3维天线元件结构。

1.  一种无线电通信接收器装置，用于以超过200MHz的一个或多个频率进行工作，以接收包含从源数据流得到的正交编码数据子流的多个信号，其中，所述装置包括：天线阵列，具有至少两个天线，以提供天线分集；接收器电路，耦合至所述天线阵列，且具有被配置为检测所述数据子流的检测级和用于组合所检测的数据子流来恢复所述源数据流的组合级，其中，每个所述天线均包括：固体材料的电绝缘芯，所述固体材料具有大于5的相对介电常数；以及3维天线元件结构，设置在所述芯的外表面上或者与所述芯的外表面相邻，并限定内部体积，所述芯的材料占所述内部体积的大部分。

2.  根据权利要求1所述的装置，其中，所述检测级包括补偿网络，被配置为主要消除由阵列的天线之间的交互作用所引起的存在于从所述天线阵列馈送至所述检测级的信号之间的相关性。

3.  根据权利要求2所述的装置，其中，所述补偿网络被配置为使所述天线下游的电路的S参数等于所述天线阵列的S参数的复共轭转置。

4.  根据权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述天线的每一个均被配置为使得在所述天线的公共工作频率处，每个天线对于沿第一轴极化的波在其辐射图案中具有至少一个第一最大值，并对于沿第二轴极化的波在其辐射图案中具有至少一个第二最大值。

5.  根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一最大值基本上处于第一平面，而所述第二最大值基本上处于不同于所述第一平面的第二平面。

6.  根据权利要求5所述的装置，其中，所述第一平面与所述第二平面垂直。

7.  根据权利要求6所述的装置，其中，所述天线中的每一个都在所述装置中被定向，使与其相关的第一平面与相邻的所述天线的第一平面垂直。

8.  根据权利要求4至7中任一项所述的装置，其中，所述第一轴是水平轴，以及所述第二轴是垂直轴。

9.  根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述天线中的每一个都被配置为使得在所述天线的公共工作频率处，相对于在所述频率处接收的信号，每个天线都在其辐射图案中具有零点，并且其中，至少一个天线被定向以使相应零点被导向另一个天线。

10.  根据权利要求9所述的装置，其中，所有天线都被定向为使得每个天线的所述辐射图案中的零点均被导向另外另一个天线。

11.  根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述天线的工作频率为2.65GHz、3.5GHz或5GHz。

12.  根据权利要求1至11中任一项所述的装置，其中，每个天线都具有中心轴，具有不同定向辐射图案的相邻天线的中心轴被以小于0.38λ的距离分隔，其中，λ是在工作频率处的接收波在空气中的波长。

13.  根据权利要求12所述的装置，其中，所述阵列包括至少两个具有相同定向的辐射图案的天线，每一个这种天线的轴与最近的其他这种天线的轴分隔至少0.38λ的距离，其中，具有不同定向辐射图案的相邻天线使它们的轴分隔小于0.19λ。

14.  根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述天线中的每一个都具有与所述装置的地平面隔离的辐射元件。

15.  根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述阵列的每个天线都具有平衡馈送连接。

16.  根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述阵列的每个天线都具有相关的不平衡变压器。

17.  根据权利要求16所述的装置，其中，所述不平衡变压器是所述天线的整体形成的部分。

18.  根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，每个天线的所述芯都限定中心轴，其中，所述天线元件结构包括至少两个天线元件，每一个天线元件都在轴向上基本共同延伸，每个元件都在所述芯的外表面上或与所述芯的外表面相邻的轴向分隔位置之间延伸，以及其中，所述天线元件结构还包括链接导体，链接处于所述分隔位置之一处的所述天线元件部分以形成环路，处于另一个所述分隔位置处的天线元件部分耦合至所述馈送连接。

19.  根据权利要求18所述的装置，其中，每个天线的所述芯都是圆柱形。

20.  根据权利要求18或19所述的装置，其中，所述天线元件的各个分隔部分基本处于包含所述芯的中心轴的单个平面内。

21.  根据权利要求20所述的装置，其中，每个天线的所述天线元件等长且为螺旋形，每个天线元件都成为在所述空间分隔的位置之间环绕所述芯的半圈。

22.  根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，每个天线都包括整体的陷波器，该陷波器被配置为提高在所述天线的馈送连接处的基本平衡条件，以及将所述天线元件结构与所述装置的地平面隔离。

23.  根据权利要求22所述的装置，其中，每个天线都包括中心孔和安装在所述孔中的馈送器结构，所述馈送器结构在所述芯的末端处耦合至所述天线元件。

24.  根据权利要求23所述的装置，其中，每个天线的所述链接导体都包括在所述芯的外表面的近端部分上的圆柱传导套管，其中，所述套管的近端连接至所述馈送器结构的外部屏蔽部分。

25.  根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括连接器和接口，一起适用于使所述装置与计算机连接。

26.  根据权利要求25所述的装置，其中，所述装置是通用串行总线装置，以及所述接口是通用串行总线接口。

27.  根据权利要求25所述的装置，其中，所述装置是PCMCIA卡，以及所述接口是PCMCIA接口。

28.  根据前述权利要求中任一项所述的装置，被配置为接收统计上独立地编码的不同编码的子流。

29.  根据权利要求28所述的装置，其中，所述装置是MIMO通信装置。

30.  根据权利要求28或29所述的装置，被配置为利用已经使用正交频分复用进行调制的数据子流。

31.  根据权利要求30所述的装置，其中，被配置为利用已经使用正交扩展码进行调制的数据子流。

32.  根据前述权利要求中任一项所述的装置，被配置为收发器，以及其中，所述天线的每一个都被连接用于数据流发射。

33.  根据权利要求1至31中任一项所述的装置，被配置为收发器，以及其中，至少两个所述天线被连接用于数据流的发射，以及至少两个所述天线被连接用于信号的接收。

34.  一种无线电通信装置，用于在多信道无线电通信网络中在大于200MHz的频率处来使用，所述装置包括：至少两个发射天线；信号处理器，被配置为将单个数据流分为对应于天线数量的数据子流的组；以及编码级，被配置为将每个数据子流作为编码信号馈送给相应的一个天线，所述数据子流的组被正交编码，其中，每个发射天线都包括：固态材料的电绝缘芯，所述固态材料具有大于5的相对介电常数；以及3维天线元件结构，设置在所述芯的外表面上或与所述芯的外表面相邻，并限定内部体积，所述芯的材料占所述内部体积的大部分。

35.  一种多信道无线电通信系统，包括多个无线电通信装置，所述多个无线电通信装置被配置为相互进行通信，其中，每个装置均具有至少两个天线，被配置为接收信号或发射信号，并且所述至少两个天线中的每一个都具有：固态材料的电绝缘芯，所述固态材料具有大于5的相对介电常数；以及3维天线元件结构，设置在所述芯的外表面上或与所述芯的外表面相邻，并限定内部体积，所述芯的材料占所述内部体积的大部分。

36.  根据权利要求35所述的系统，所述系统为MIMO通信系统。

无线电通信系统
本发明涉及无线电通信装置，具体地，涉及用在多信道无线电通信系统中的无线电通信装置。
在无线电通信领域中，多输入多输出(MIMO)系统通过至少两个天线发射信号，并通过至少两个天线接收信号。图1中示出了典型的MIMO通信系统，下面将进行更详细的描述。将数据流分成多个独立的子流，并使用相同的频带通过不同的天线来发射每个子流。每个信号均被编码以与其他信号统计上独立。在接收器处，每个天线均接收通过所有发射天线所发射的信号以及在本地环境中产生的任何多路径信号。根据信道条件以最大可能的程度处理所接收的信号以隔离各个数据子流，然后将它们重新组合以重新创建原始数据流。
可以使用正交频分多址(OFDMA)技术或码分多址(CDMA)技术来编码分离的发射信号，以使其统计上独立。编码确保了信号之间的低相关性。
MIMO系统的吞吐量比等效的SISO(单输入单输出)系统大得多。该附加的吞吐量能够潜在地在不增加带宽或总的发射功率的情况下实现。MIMO系统在存在大量散射的环境(例如，可通过独立的瑞利衰落模拟的环境)中工作的最好。这种散射起到对信号进行空间去相关的空间多路复用器的功能。在这种环境中，接收天线接收沿着许多路径发射的信号的独立线性组合。从而，接收天线的输出是彼此可以区分的发射信号的线性组合。
在传统的MIMO系统中，根据两种机制产生接收天线之间的耦合。首先，每个接收天线均接收来自发射器的信号，该信号在天线的传导结构中感应电流。感应电流生成它们自身的电磁场，该电磁场再辐射对应信号。这些再辐射的信号被相邻天线接收。其次，在典型系统中，由天线生成的信号导致接收器地平面中的电流，并且这些电流被相邻天线共享。例如，通过地平面上的单极四分之一波长(λ/4)天线，地平面中的电流模仿在地平面以下的等效四分之一波长偶极子。通过无论什么机制在接收天线之间发生耦合，这都是严重的问题，因为这导致从接收天线馈送到与天线耦合的接收器电路的信号之间相关性的增加。当接收天线彼此接近时，这些效应尤其严重。
MIMO信道可通过可以被视为天线到天线的冲激响应的矩阵的信道矩阵[H]模拟或通过时间信道矩阵(temporal channel matrix)模拟。信道矩阵具有多个项(例如，h₁₁)，每个项均表示在相应天线之间创建的各个子信道中的一个。图1示出了典型的MIMO信道。发射侧具有三个发射天线，以及接收侧具有三个接收天线。h₁₁、h₂₁和h₃₁是表示在相应的发射天线与接收天线之间的子信道的矢量。为了简化未示出其他矢量。信道矩阵可以写为：
[H]=h11h12h13h21h22h23h31h32h33]]>
如果由各个发射天线发射的信号表示为x₁、x₂和x₃，则由接收天线7a接收的信号y1可以表示为h₁₁x₁+h₁₂x₂+h₁₃x₃。该模型不考虑接收天线之间的接收信号的任何再辐射。
可使用香农哈特雷(Shannon-Hartley)定律确定SISO信道的信息容量(以二进制比特/秒为单位)，其表示为：
C＝B·log₂(1+ρ)b/s    (1)
其中，B是信道的带宽，以及ρ是信噪比。
根据香农哈特雷定律，信道容量的理论极限通过用于检测具有给定比特误码率的编码信号的信噪比来确定。从而，在存在噪声的情况下，可以以小于信道的理论容量的速率在信道上发射信息。
可以示出具有m个接收天线和n个发射天线的MIMO信道的容量(以比特/秒/单位频率为单位)为：
C＝log₂det[[I_m]+(ρ/n)[H][H]^tc]b/s/Hz    (2)
其中，I_m是单位矩阵，以及
[H]^tc是[H]的复共轭转置。
还可以示出乘数[H][H]^tc等于归一化幅值平方相关矩阵[R]。因此，还可以将MIMO信道的容量写为：
C＝log₂det[[I_m]+(ρ/n)[R]]b/s/Hz    (3)
可以将3×3情况下的相关矩阵写为：
[R]=r11r12r13r21r22r23r31r32r33]]>
其中，例如，r₁₂是从接收天线7a和7b馈送的信号之间的相关性。
在信道统计上是正交和平行的MIMO系统的情况下，[R]可被示为与单位矩阵类似。因此，等式(2)简化为：
C＝nlog₂[1+(ρ/n)]b/sHz(当n＝m时)    (4)
因此，在理想的信道条件下，容量相对于发射和接收天线的数量n线性地增加。
然而，如上所述，天线之间的耦合引起从每个接收天线馈送的信号之间的相关性。这可以通过考虑其中每个天线接收的信号之间的相关性均相同的MIMO系统来建模。这可以通过一致的相关系数r来表示。通过某些其他简化假设，容量表达式可近似为：
C≈nlog₂(1+(ρ/n)(1-r))b/s/Hz(当n＝m时)    (5)
该等式示出了当r→0(不相关)时，MIMO系统的容量收敛为理想情况(等式4)，其中，容量是发射和接收天线的数量的线性倍数。然而，当存在相关性时，1＞r＞0，相关性的影响类似于信噪比的减小。例如，相关系数r＝0.5等效于信噪比降低3dB。这种相关性的结果使系统经受来自其他数据子流的同信道干扰。
这些等式说明了天线之间的耦合如何减小MIMO信道的容量。
一种解决方案是确保任意给定的MIMO阵列的天线具有大空间分布，将每个天线放置在其他天线的电磁场到达的范围之外，从而减小了接收阵列中相邻天线上的信号之间的相关性。然而，这不总是可能的。例如，在小型装置中，天线的分离受到装置大小的限制。此外，如上所述，耦合可以横跨地平面发生。
通过使用具有对不同极化信号敏感的不同定向的辐射图案的接收天线来实现极化和图案分集。理论上，极化分集导致由相邻天线生成的信号之间的高统计独立性。然而，实际上，当天线彼此接近地放置到它们的近场区域重叠的程度时，辐射图案相组合，并且显著减小了极化和图案分集。因此，还减小了从相邻天线馈送的信号之间的统计独立性。
在教材Space-Time Processing of MIMO Communications(A.B.Gersham和N.D.Sidroponlos；2005；Wiley)的第28页至31页中，注意到在邻近的分隔天线元件之间的相互耦合可以对通信性能产生影响。通过考虑从MIMO系统中的每个接收天线馈送的信号之间的相关性来评估相互耦合的效果。然后，信号之间的相关性被用于确定系统容量。类似于图4所示，MIMO网络模型被用于这种分析。该模型包括发射和接收天线阵列、MIMO传播信道、匹配网络、接收放大器和负载。使用散射参数(S参数)来描述通过网络的信号流量。选择匹配网络的S参数作为接收天线阵列的S参数的复共轭转置。
本发明的目的在于提高在具有多个天线的无线电通信装置中的信号接收。
根据本发明的一个方面，无线电接收器装置用于在超过200MHz的一个或多个频率处进行工作，用于接收包含从源得到的正交编码数据子流的多个信号，具有：至少两个天线以提供分集；接收器电路，耦合至天线阵列并具有被配置为检测数据子流的检测级和用于组合所检测的数据子流来恢复源数据流的组合级，以及其中，每个天线均包括：固体材料的电绝缘芯，该固体材料具有大于5的相对介电常数；以及3维天线元件结构，设置在芯的外表面上或者与芯的外表面相邻，并限定内部体积，芯的材料占所述内部体积的大部分。
通过这种天线，可以在天线的介电芯内集中电磁近场。这使得当与例如与单极天线相关联的近场相比时，显著减小了与这种天线相邻的近场的广度和强度。因此，对于给定的天线间隔，可以显著减小相邻天线之间的耦合，从而减小从天线获得的信号之间的相关性。
优选地，检测级包括补偿网络，被配置为主要消除由阵列天线之间的交互作用所引起的、存在于从天线阵列馈送至检测级的信号之间的相关性。
优选地，补偿网络被配置为使天线下游的电路的S参数为天线阵列的S参数的复共轭转置(表示匹配和耦合)。
优选地，每个天线均被配置为使得在每个天线的工作频率处，每个天线都相对于在该频率处接收并沿第一轴极化的信号在其辐射图案中具有至少一个第一最大值。在每个天线的工作频率处，每个天线都相对于在该频率处接收并沿第二轴极化的信号在其辐射图案中具有至少一个第二最大值。
第一最大值基本上可处于第一平面中，而所述第二最大值基本上可处于第二平面中，第一平面与第二平面垂直。所述天线中的每一个都可以在装置中被定向，使其相关的第一平面与相邻天线的第一平面垂直。这提供了极化分集，并利用了由典型多路径环境所引起的极化散射。这种配置还对通过根据本发明的便携式终端的不同定向来维持信号强度有贡献。
优选地，每个天线都被配置为使得在天线的工作频率处，每个天线都相对于在该频率处接收的信号在其辐射图案中具有零点。然后，该装置可被配置为使得至少一个天线被定向来将其零点导向另一个接收天线。即，通过将天线配置为在天线的工作频率处在辐射图案中具有零点并适当地对它们进行定向，这样还减小了天线之间的耦合。因此，降低了在其他天线的方向上的近场，并因此降低了天线之间的耦合。
优选地，所有天线都被定向，使得每个天线的零点被导向天线阵列的相邻天线。
优选地，装置被配置为使用具有2.65GHz、3.5GHz或5GHz的工作频率的接收信号。在这些频率处，天线在它们最接近的点处分别以0.043m、0.0325m和0.0228m的距离彼此分离。
优选地，每个天线都具有中心轴。具有不同定向辐射图案的天线可以被彼此更接近地定位。具体地，它们可以被定位为使它们的轴分隔小于0.38λ(λ为工作频率处波在空气中的波长)。从Jake模型获得该数字(参见，例如Liang和Chin：“Downlink channel covariance matrix(DCCM)estimation....”IEEE J.Sel.Area Commun.2001年2月第19卷第2期第222-232页)。
如果阵列包含至少三个天线，其中至少两个具有相同定向的辐射图案，则具有相同定向的每个天线的轴有利地与最相邻的其他这种天线的轴分隔至少0.38λ的距离，具有不同定向辐射图案的相邻天线具有以小于0.910λ分隔的轴。
可以存在与每个天线相关联的隔离陷波器(isolating trap)，使得其与无线电通信装置的地平面隔离。该装置使通过地平面在天线之间任意直接耦合最小化。这减小了来自相邻天线的信号之间的相关性。通常，陷波器为不平衡变压器的形式，其位于天线的天线元件结构和与其耦合的无线电通信装置的射频(RF)电路之间。在天线具有耦合至馈送结构并形成环路的一部分的多个延长天线导体的情况下，陷波器可以包括链接导体。该链接导体可以是在芯的外表面的近端部分上环绕芯的传导套管，套管的近端连接至馈送器结构的外部屏蔽(screen)部分，后者从与芯的末端处的天线元件的连接穿过芯，到达芯的近端。套管的作用在于，在天线的工作频率处，套管的边缘有效地与由在近端处的馈送器结构的外部导体表示的地隔离。因此，以在GB-A-2292638和GB-A-2309592(其内容结合于此作为参考)中描述的方式，将套管用作隔离陷波器。
优选地，每个天线的芯是圆柱的，并限定了中心轴。每个天线都包括天线元件结构，该天线元件结构具有在轴向上基本共同延伸的多个天线元件，并且每个元件都在芯的外表面上或与芯的外表面相邻的在轴向上空间分隔的位置之间延伸。天线元件结构还包括链接导体，链接天线元件处于空间分隔位置之一处的部分，以形成环路。在另一空间分隔位置处的天线元件部分被耦合至在芯的末端处的天线的平衡馈送连接。
此外，优选地，天线元件的各个空间分隔的位置基本上处于包含上述GB-A-2309592中描述的芯的中心轴的单个平面中。每个天线的天线元件等长且为螺旋形，每个天线元件都成为在所述空间分隔位置之间环绕芯的半圈。阵列的每个天线都包括整体的陷波器，该陷波器被配置为提高例如上述天线的馈送连接处的基本平衡条件。
优选地，该装置还包括连接器和接口，一起适用于使该装置与计算机连接。该装置可以是通用串行总线装置或PCMCIA卡。
优选地，该装置适用于接收统计上彼此独立的不同编码的子流。优选地，该装置是MIMO通信装置。优选地，该装置被配置利用子流，该子流使用正交频分复用或使用正交扩展码调制。
优选地，该装置被配置为收发器，并且每个天线都被配置用于数据流发射。
优选地，该装置被配置为收发器，并且其中，至少两个所述天线被配置用于发射信号，以及至少两个天线被配置用于接收信号。
在另一个方面，本发明提供了一种无线电通信装置，在多信道无线电通信网络中在大于200MHz的频率处使用，该装置包括：至少两个发射天线；信号处理器，被配置为将信号数据流分为对应于发射天线数量的多个数据子流；以及编码级，被配置为将每个数据子流馈送给相应的一个天线，数据子流的组被进行正交编码，其中，每个发射天线都包括：固态材料的电绝缘芯，该固态材料具有大于5的相对介电常数；以及3维天线元件结构，设置在芯的外表面上或与芯的外表面相邻，并限定内部体积，芯的材料占所述内部体积的大部分。
在又一方面，本发明提供了一种多信道无线电通信系统，包括多个无线电通信装置，被配置为相互进行通信，其中，每个装置均具有至少两个天线，这些天线被配置为接收信号或发射信号，并且每个天线都具有固态材料的电绝缘芯，该固态材料具有大于5的相对介电常数；以及3维天线元件结构，设置在芯的外表面上或与芯的外表面相邻，并限定内部体积，芯的材料占所述内部体积的大部分。
现在，将参照附图通过示例来描述本发明，其中：
图1是由现有技术已知的MIMO系统的示意图；
图2是根据本发明的第一无线电通信装置的示图；
图3是适于使用图2所示装置的介质加载天线(dielectric loadedantenna)的透视图；
图4是结合图2的无线电通信装置的MIMO通信系统的一部分的示意图；
图5是示出图3的天线的辐射图案的示图；
图6是以三维形式示出图3的天线的辐射图案的示图；
图7是以三维形式示出对于垂直极化信号的图3的天线的辐射图案的示图；
图8是以三维形式示出表示图3的天线的水平极化信号的辐射图案的示图；
图9是根据本发明的可替换的无线电通信装置的示图。
参照图1，在MIMO无线电通信系统1中，数据流2在发射端被发射信号处理器4分为多个正交编码的子流3。然后，经由各个发射天线6a、6b和6c，通过发射器5来发射子流。在接收端，每个接收天线7a、7b和7c接收由发射天线发射的所有信号。此外，每个接收天线都接收由环境中的物体(例如，建筑物)所引起的各个子流的任意反射形式。接收天线耦合至接收器8，所接收到的子流9被从接收器8传送至接收信号处理器10。接收信号处理器组合所接收到的子流，以产生重新构造的数据流11。这包括数据复用过程。在给定散射环境中存在的MIMO信道可通过信道矩阵[H]来表示。以已知的方法，通过从发射器发射正交训练序列来表征该矩阵。
在图2中示出了可用在图1的系统中的根据本发明的无线电通信装置20。参照图2，该装置20具有适用于连接至个人计算机等的USB(通用串行总线)接口21。装置20的部件容纳在壳体22中。USB接口包括USB连接器23，其沿着壳体22的一侧边缘进行定位。装置20包括两个接收天线24、25和一个发射天线26。天线耦合至与信号处理器28耦合的发射器/接收器27。信号处理器28耦合至USB接口21。这些天线都是如下面参照图4更详细描述的介质加载天线。无线电通信装置20适于用来接收信号的MIMO通信，这是因为其包括两个接收天线。由于其仅包括单个发射天线，所以不能基于MIMO发射信号。
参照图3，用在图2所示的无线电通信装置中的天线40具有天线元件结构，该天线元件结构具有在陶瓷芯41的圆柱外表面上形成为金属导体轨道的两个纵向延伸的螺旋天线元件40A、40B。芯41具有容纳同轴馈送结构的轴向通道42。同轴馈送结构包括金属外层43和轴内馈送器导体44。在这种情况下，内导体44和外层43形成馈送器结构，用于在芯的末端面41D的馈送位置处将馈送线耦合至天线元件40A、40B。天线元件结构还包括对应的径向天线元件40AR、40BR，其被形成为末端面41D上的金属轨道，该金属轨道将各个纵向延伸元件40A、40B的相对端40AE、40BE对称地连接至馈送器结构。天线元件40A、40B的另一端40AF、40BF也在直径上相对，并通过环绕芯41的近端(proximal end)部分的镀套管形式的环形公共虚拟接地导体45链接。该套管45又通过芯41的近端面41P上的金属镀层(plating)46连接至轴向通道42的衬套43。
优选地，传导套管45覆盖天线芯41的近端部分，从而环绕馈送器结构43、44，芯41的材料填充在套管45和轴向通道42的金属衬套43之间的整个空间。套管45形成了通过芯41的近端面41P的金属镀层46连接至衬套43的圆柱体，套管45和金属镀层46的组合形成不平衡变压器，使得通过馈送器结构43、44形成的传输线中的信号在天线近端处的不平衡状态与邻近套管45的上边缘45U平面中的轴向位置处的平衡状态之间转换。
此外，可以在GB 2309592A中了解的该天线的其他优选特征。在WO 00/74173A1和GB 2399948A中描述了具有类似结构和特性的天线。
上述介质加载天线将电近场集中到芯的介电材料中。当天线接收信号时，在天线元件中感应的电压环绕天线产生非常小的电场。再次参照图2，电场足够小，使得相邻的接收天线(天线24或25)不被其他天线电场所显著激励。因此，当与传统的单极天线相比时，天线之间的耦合大大减小。这确保了由每个接收天线馈送的信号之间的相关性被显著减小。
如上所述，天线40具有起到不平衡变压器作用的套管45。套管45的进一步效果在于，对于天线工作频率区域中的信号，套管45的边缘45U与由馈送器结构的外导体43表示的地有效地隔离。这意味着在天线元件40A、40B之间环流的电流被限制到边缘45U，因此通过螺旋天线元件和边缘形成的环路被隔离。因此，套管45由此用作隔离陷波器。参照图2，接收天线24、25均与装置20的地平面隔离。这意味着当通过接收天线24、25接收信号时，在两个天线之间没有电流流过，因此天线没有经由装置的地平面而传导地耦合。这减小了由每个接收天线所生成的信号之间的相关性。
另一个优点在于其中放置有天线的壳体22没有形成辐射结构(在此情况下为接收结构)的一部分。这是因为每个天线的辐射元件与地平面隔离，因此，它们也与壳体隔离。这意味着当用户手持壳体时，天线之间的耦合程度基本不改变。相反，传统的单极天线没有与壳体隔离。因此，壳体用作根据两种机制的辐射结构的一部分。首先，来自壳体的任意反射都辐射到天线。第二，壳体经由通过接收地平面的耦合直接驱动天线元件。如果用户手持盒子，则天线之间的耦合程度发生变化。
装置20的这个特征带来了极大的优点。该优点在于接收天线之间的耦合相对静态。因此，相关性矩阵[R]表示接收天线之间的耦合。然后，可使用阵列组合网络来去除耦合效应。阵列组合网络被用于将相反的功率流(power flow)应用于通过天线馈送的信号，从而去除从每个天线馈送的信号中表示天线之间的耦合的部分。
参照图4，在MIMO通信系统中，发射天线阵列50经由信道[H]向接收天线阵列51发射信号。发射天线阵列50包括两个发射天线50A、50B。接收阵列51包括两个接收天线51A、51B，它们对应于天线24、25。接收天线51A、51B都耦合至与放大器阵列53耦合的匹配和组合网络52。放大器阵列53包括两个放大器53A、53B，每个放大器分别对应于相应的接收天线51A、51B。每个放大器都耦合至相应的负载54A、54B。
在图4中，负载54A、54B表示放大器53A、53B下游的所有电路。用来自放大器阵列的反射(图4中的a₂)来表示负载电压矢量。这个反射分量是重要的，并且有可能是系统中的最大反射系数。它不能简单地被看作是噪声(如现有技术中的情况)。来自接收天线阵列51下游(图4中天线阵列51的右侧)的整个网络的S参数必须选择为等于分别耦合在天线之间的接收天线的S参数的复共轭转置。
匹配和组合网络52提供了阻抗匹配的功能和去除耦合效应的功能。匹配和耦合是相关的，这是由于例如接收天线之间的耦合影响匹配。通过将匹配和组合网络52的S参数设置为接收天线阵列的S参数的复共轭转置来实现这两个功能。
用于导出匹配和组合网络52的所需S参数的一种技术利用网络分析器。网络分析器连接至接收天线和将它们耦合至网络52的相关馈送导体的组件。经由一个天线的馈送导体将测试信号馈送至该天线，并测量反射信号和在其他天线的馈送导体上生成的信号。利用馈送至另一个天线的测试信号来进行相同的动作，并且对于每个天线重复该动作。然后，结果被用于填充表示天线阵列的n×n的S参数矩阵(n是接收天线的数量)，根据该矩阵来计算用于匹配和组合网络的复共轭转置S参数矩阵。
现在，参照天线自身，在图3中示出了这些天线中的一个，每个天线的天线元件结构都具有半圈螺旋元件40A、40B，其工作以使天线在其辐射图案中具有横向零点。零点被横向地导向轴41A并垂直地导向平面47。因此，如图5所示，辐射图案在横穿轴41A的垂直和水平平面中呈近似数字8的形式。通过在图3和图5中示出的包括轴X、Y、Z的轴系统来示出辐射图案相对于图3的透视图的定向。辐射图案具有两个零点或切口，分别在天线的每一侧，并且每一个均以图3所示线48为中心。
通过选择阵列中天线的定向，它们的辐射图案可用于提供极化分集。首先，应该更详细地考虑辐射图案：
图6是对于组合的所有极化模式的图5所示辐射图案的3维表示。辐射图案在对应于图3中的箭头48的y方向上具有零点。对应的零点存在于沿y轴的相反方向上。
图7示出了仅对于垂直极化信号的图3所示天线的3维辐射图案。从图7可以看出，天线在xz平面上基本是全向的，并且零点在yz平面中从y轴向外延伸。
现在看到，替换为水平极化波的图案，图8示出了yz平面的每个象限中的最大值，但是它们没有延伸到其y轴本身。最大值沿z轴存在，并未沿zx平面从z轴向外延伸。
再次参照图2，接收天线24在无线电通信装置20内被定向，使得其x轴具有由箭头29所表示的第一方向，以及其y轴具有由箭头30表示的第二方向。如图6所示，沿着其y轴引导天线24的零点。因此，在第二方向(即，接收天线25的方向)上引导天线24的辐射图案中的一个零点。此外，与箭头29平行地引导在表示垂直极化的辐射图案中的最大值，而不引导表示水平极化的辐射图案中的最大值。这可以从图7和图8中看出。以这种方式，减小了天线之间的耦合。
天线25在无线电通信装置20内被定向，使得其z轴与箭头29平行，以及其y轴与箭头30平行。因此，与箭头30平行且在接收天线24的方向上引导天线25的辐射图案中的零点。此外，通常与箭头29平行地引导表示水平极化的辐射图案中的最大值。
这种装置提供了极化和图案分集。如上所述，天线24和25被定向，使得天线24更适合于接收在与箭头29平行的方向上接收的垂直极化信号，而天线25更适合于接收在该方向上接收的水平极化信号。在结合有装置20的MIMO系统中，可以使用两个发射天线，每一个均被定向以使其发射具有与接收天线24、25中的一个的极化相对应的极化的信号。
当使用上述天线时极化分集尤其有利，这是因为被配置为接收不同极化波的天线之间的耦合被减小。如上所述，参照图3描述的介质加载天线具有小近场延展，这是因为大多数近场能量被存储在天线的介电芯中。这使得当与传统天线相比时，允许天线被更近地放置在一起。实际上，接收天线之间的最小间隔将取决于天线芯的介电常数，并且可以根据期望的壳体22的尺寸来最优化。
通过如上所述选择天线的定向来实现极化分集的使用，这使得相邻的接收天线以小于0.38λ的间隔来放置，同时保持空间分集。由于近场范围小于其他类型天线的近场范围，所以相邻天线的近场区域没有重叠，并且辐射图案基本上没有组合而破坏各自的图案。优化的装置具有三个接收天线，它们被定向使得它们的图案最大值分别与x、y或z轴中的一个对准。这些天线可以以长度为0.38λ的间隔成行地设置。
该装置的又一方面在于，天线24和25的辐射图案中的零点被定向为彼此相对。结果，与其他方向相比，接收天线24、25方向上存在更小的接收信号的再辐射，从而，进一步减小了天线之间的耦合。
可以示出，如果相邻天线在它们的最近点处间隔至少0.38λ，则可以充分减小在从发射器接收的信号与通过来自具有相同辐射图案的相邻天线的再辐射接收的信号之间的相关性，其中，λ是所期望信号的中心频率处空气中的波长。在无线电通信装置中，包括具有相同辐射图案且适于在2.65GHz频率，0.38λ处使用的天线。类似配置的装置可使用以其他频率为中心的信号，所述其他频率例如是3.5GHZ和5GHz，在此情况下，0.38λ分别为3.25cm和2.28cm。然而，在考虑到小装置的情况下以这种量分离的装置不总是实用。
然而，在使用具有不同辐射图案并且每一个均用于接收统计上独立的信号的两个天线的情况下，天线可以以比0.38λ更近的距离放置在一起，而不会大大增加在由发射器接收的信号与通过来自相邻天线的再辐射接收的信号之间的相关性。因此，参照图2，接收天线24和25可以以接收信号的中心频率在它们的最近点处以比0.38λ更近地距离进行定位。优选地，在以2.65GHz的中心频率进行操作的系统中，接收天线24和25被定位为在它们的最近点彼此距离小于2cm。这能够使装置的总尺寸减小。
参照图9，根据本发明的可替换的无线电通信装置60为PCMCIA(个人计算机存储卡国际协会)装置的形式，适合于连接至个人计算机等。该装置包括四个天线61、62、63和64。两个天线61和63是接收天线，另外两个天线62和64是发射天线。天线耦合至与信号处理器66耦合的发射器/接收器65。信号处理器66耦合至PCMCIA接口67。天线全都是如上面关于图3所描述的介电加载天线。无线电通信装置60适合于用于接收信号和用于发射信号的MIMO通信，这是因为其对于接收和发射都具有两个天线。
装置60中的接收天线61、63相对于彼此的定向与上面参照图5描述的第一无线电通信装置相同。这也适用于发射天线62和64。