CN100384100C

CN100384100C - 用于传输电磁信号的天线系统

Info

Publication number: CN100384100C
Application number: CNB021480680A
Authority: CN
Inventors: 菲利普·米纳尔; 阿里·卢齐耶; 弗兰克·图多; 弗朗索瓦丝·勒博尔泽
Original assignee: Thomson Licensing SAS
Current assignee: Thomson Licensing SAS; International Digital Madison Patent Holding SAS
Priority date: 2001-10-29
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2022-10-24
Also published as: EP1309035A1; US20030080912A1; ES2304423T3; JP4105522B2; FR2831734A1; EP1309035B1; DE60225886D1; US6917342B2; CN1417959A; KR100941124B1; KR20030035908A; DE60225886T2; MXPA02010251A; JP2003188638A

Abstract

本发明涉及用于接收和/或传送电磁信号的设备，包括在两个点P1和P2成对相切的三个环状槽缝(20，21，22)。这些槽缝由两条馈线(23，24)馈电，以便生成一个线/缝过渡。一条馈线23经由点P1而另一条馈线24经由点P2，两条馈线通过一个T型接头连接于公共端口1。二极管25或26安装于每条馈线的自由端子上，这就使在一条馈线的端子模拟一个短路或开路并在另一条馈线上模拟一个开路或短路成为可能。

Description

用于传输电磁信号的天线系统

技术领域

本发明涉及用于电磁信号传输的天线系统，系统用于无线传输领域，尤其是在封闭或半封闭的环境中进行传输的状况，诸如家居环境，体育馆，电视演播室，电影院和剧场等。

背景技术

在已知的高比特率的无线传输系统中，发射机所传输的信号沿着多条不同的路径抵达接收机。当这些信号在接收机进行合成时，传输路径长度不同的各种电磁信号间的相位差造成的干扰图容易导致信号的衰减或明显的损耗。

而且，衰减的位置在时间上取决于环境的变化如新物体的存在或人员的移动的变化。因多路径而引起的衰减会导致所接收的信号的质量以及系统性能的显著衰退。

为抑制衰减，最常用的技术是空间分集技术。该项技术的突出要点是使用一对大范围空间覆盖的天线，比如说组合成开关的贴片式的两个天线构成。这两个天线必须隔开一段大于或等于λ₀/2的距离，这里λ₀是与天线的工作频率相对应的波长。利用这种类型的天线，就能够验证两个天线同时处于一个衰减区中的可能性是非常低的。而且，借助于开关，就能够以通过一个控制电路对接收信号进行检测的方式来选择与信号电平最高的天线连接的支路。

上述解决方案的主要缺陷是相当松散庞大。因此，申请人提出了上述解决方法之外的各种其他的解决方法。这些方法适用于通过线/缝过渡馈电的槽缝型天线，能够实现辐射分集。

为此，已对槽缝型天线进行了研究，比如说通过切线/槽缝过渡来馈送信号的环形槽缝天线。图1中示出了这种类型的天线。天线制在一个基片1上，比如Chukoh Flo CGP 500基片上，这里Er＝2.6，TanD＝0.0018，而高度h＝0.76mm。它包括一个环状槽缝2，其圆周长约为k’λs，这里k’是一个整数，而λs为槽缝的导波波长。

如图1所示，环状槽缝2通过在P点紧密相切的线/缝过渡来馈送信号。这一线/缝过渡包括在基片1上制成的微带线3，微带线从切点到槽缝2的距离为y。微带线3在其一端3’至点P间的长度约为kλm/4，这里k是一个奇整数，而λm是在微带线中的导波波长。而且，要对微带线的特性阻抗进行选择，以便能在端口1处提供50欧姆的阻抗。在这种情况下，槽缝与微带线间的耦合属于电磁耦合。为实现激励微带线与槽缝间的最大限度的耦合，有必要使微带线处于短路面中。这样，就可以通过调整槽缝2与激励线3之间的距离来优化耦合。由于耦合发生于微带线短路平面一侧或另一侧的某一区域，就能以这种方式激励的天线获得宽带效应，如表1中给出如下：

表1

Y(mm)	-0.25	0	+0.25	+0.5
Y(mm)	-0.25	0	+0.25	+0.5	匹配带宽(％)	14.3	14	12	9.5

图2也示出了一个环状槽缝2的反射系数S11，作为对应于表1中给出的y的不同值的频率的函数。这些曲线给出了环状槽缝与所述值的匹配。在该项研究中，还简述了由切向馈线对称激励的两个环状槽缝在相反相位上辐射。这就实现了在经过零点的轴向上的辐射。

然而，与这种主张相反，本申请人已经注意到，在具有与这些槽缝相关的微带线定位方式以便一个槽缝处于微带线的短路面中的上述类型的结构中，这两个环状槽缝以相同相位进行辐射，这就产生了沿着具有纯度很高的线极化的轴向的结构辐射。

发明内容

因此，本发明提供一种利用由如上所述的线/缝过渡来馈电的槽缝型天线传输电磁信号的天线系统，能够获得具有宽频带，并具有纯度很高的线极化的紧凑型天线。

本发明也提供一种如上所述天线的一种新颖的拓扑结构，能够获得在接收方面具有辐射分集的紧凑型天线设备。

为实现上述目的，一种用于传输电磁信号的天线系统，包括：

第一槽缝天线(10)，由环形槽缝或多边形槽缝构成；

第二槽缝天线(11)，由环形槽缝或多边形槽缝和第一馈线(12)构成，其中，

第一馈线(12)通过切线的线/缝过渡向第一和第二槽缝天线供电；

所数第一和第二槽缝天线对称地放置在所述第一馈线(12)的每一侧，并由给出第一馈线(12)和每一槽缝天线之间磁耦合的线/缝过渡馈电，所述过渡紧邻第一馈线的短路平面。

按照这种结构，能够获得高纯度的线极化的天线。

按照本发明的另一特点，用于传输槽缝天线型信号的第一和第二装置在45°或135°附近的位置上从穿过所述传输装置的中心和对称的第一点的平面提供了扰动，按照选择的角度，附加的扰动将线极化转换成为左或右圆极化。

根据本发明另一特点，能够获得传输中的辐射分集，系统包括用于传输由线/缝过渡馈送的槽缝天线型电磁波的第三装置，第三装置与两个电磁波传输装置中的一个相对于第二点对称，并且，第二馈线与第一馈线共同连接到利用信号的装置，第二馈线与通过由线/缝过渡馈送信号的槽缝天线型电磁波传输装置电磁耦合，并位于穿过第二对称点的一个平面内，第一与第二馈线的自由端与一个器件连接，这样，就能够在这两条线中的一条线的自由端模拟一个短路或开路并在另一条线的自由端模拟一个开路或短路。

根据本发明的又一个特点，每条馈线在对称点与器件间的长度约为kλm/4，这里k为一个整数，而λm则为在线中的导波波长，以便根据器件在含有对称点的平面内的状态来重建电气短路或开路平面。在这种情况下，如果线长为kλm/4，这里k＝2，就足以使二极管的状态发生翻转，以便获得上述性能。于是，对于k＝1，导通的二极管(CC)加上四分之一波长的馈线在过渡点处实现开路CO，而对于k＝2，截止的二极管(CO)加上半波长的馈线实现开路。

根据本发明的另一个特点，用于传输由线/缝过渡馈送的槽缝天线型电磁波的装置包括环状的或多角形的槽缝，而多角形可以是长方形，正方形，或任何其他已知的多角形。

而且，槽缝的周长约为k’λs，这里k是一个整数，而λs是在槽缝中的导波波长。

根据本发明的又一个特点，设备还包括与传送装置连接并通过线/缝过渡与中央电磁波传输装置电磁耦合的第三馈线。

根据优选的实施例，器件由二极管、晶体三极管、电子开关以及微电子机械系统组成。而且，这些馈线是利用微带技术或共平面技术制成的。

附图说明

通过参照附图阅读各个实施例，本发明的其他特色与优势将会变得一目了然，附图中：

图1、已加以描述，是根据现有技术的以切线方式馈送信号的一个环状槽缝的顶视平面简图。

图2、示出了对应于图1中的设备的曲线，给出了作为环状槽缝的对应于不同y值的频率的一个函数的反射系数S11。

图3、根据第一实施例的具有切向馈线的两个环状槽缝的顶视平面简图。

图3A与3B、均为曲线图，分别给出了根据图3的作为频率的函数的反射系数S11以及天线系统的辐射模式。

图4、根据本发明的第二实施例的天线系统的拓扑结构的顶视平面简图。

图5、一条曲线，给出了作为在图4中所示的拓扑结构的频率的函数的反射系数S11。

图6、示出了图4的天线系统的三个状态的辐射形状。

图7、本发明的另一个实施例的顶视平面简图。

图8、一条曲线，给出了图7中的天线的当图7的二极管25与26处于导通状态而二极管33处于截止状态时，作为频率的函数的反射系数。

图9、示出了当图7中的二极管25与26处于导通状态，而二极管33处于截止状态时，图7中的天线的辐射模式。

具体实施方式

为简化描述，相同的元件使用相同的参数。在本发明中，术语“电磁波传输装置”表示能够传送和/或接收电磁波的任何装置，这些装置通称为“天线”。

首先，将参照附图3，3A和3B对能够获得具有纯度很高的线极化的宽带天线系统的一个实施例进行描述。如图3所示，天线系统包括由两个环状槽缝10，11组成的槽缝型天线，而槽缝10，11位于在点P’与两个槽缝10，11相切的微带线馈线12的每一侧。在这一情况下，这两个环形槽缝由线缝过渡馈电，所述线缝过渡给出了馈线12和槽缝之间的磁耦合。馈线在其远离输入端口的端子与切点之间的长度约为kλm/4，这里，k是一个奇整数，而λm是微带线的导波波长。

如在图1的情况中，每个环状槽缝10、11的周长基本上等于k’λs，这里k’是一个整数，而λs是槽缝中的导波波长。利用该结构，由于位于微带线12的每一侧的每个槽缝10，11的椭圆极化是反向发出的，因此能够产生纯度很高的线极化，尤其是在沿着天线的轴向上。在这一情况下，为保持天线的主频，每个环状槽缝的周长要比k’λs稍小，这里λs是隔离的槽缝的导波波长。

图3B示出了图3的天线系统在中心工作频率为5.7GHz时在E与H平面中的辐射方向图。由于系统是在与图1的系统相同的基片上制成的，因此可以看出，交叉极化小于-19.1dB，尤其是在天线的轴向上。

图3A示出了图3的系统的作用于测量与模拟的频率的函数的反射系数S11。天线系统在-10dB时模拟中的匹配为15.7％，在测量时的匹配为22％。

这种类型的设备，比如说，可以用三重板技术在介电常数为εr1与εr2的两上基片上制作。例如，在第一基片的顶面上蚀刻出两个环状槽缝。利用微带技术制成的馈线在两个基片之间制作，而接地面在第二基片的底面上形成。

按照本发明的附加特征，两个环状槽缝可用已知的方式提供转换线极化成为圆极化的扰动。特别地，每个环状槽缝具有两个对角线相反的扰动，扰动位于穿过所述传输装置中心和对称的第一点的平面的45°或135°周围。扰动可用现有技术由切割或各种形状的突出形成。

下面将参照附图4，5与6对本发明的可获得辐射分集的实施例进行描述。辐射模式利用上述的基本结构。

如图4所示，电磁信号传输系统的新颖的拓扑结构由环状槽缝型的三个天线组成。这些槽缝在点P1和P2处成对相切。详细讲，环状槽缝20与21在点P1处相切，而槽缝21与22在点P2处相切。因此，点P1与P2是对称点，一个平面，详细讲是一个切面，可以通过这两点。

如图4所示，槽缝20，21，22由分别通过点P1与P2的切面中的微带线23，24馈电。

如图4所示，微带线23，24通过一个T型接头与端口1连接以便与馈电电路(未示出)相连。

而且，在点P1或P2与远离端口1的端子23’或24’之间的线23或24的长度最好约为kλm/4，这里，k是一个整数，而λm是引入馈线的导波波长。

如图4所示，在每条线23，24的端子上安装一个电子器件，能在每条线的端子上模拟短路或开路，而在另一条线的端子上模拟开路或短路。详细讲，一个二极管25反向安装在端子23’与地之间，而一个二极管26正向安装在端子24‘和地之间。这种安装方式能够根据二极管25与26的偏压状态在三个状态间转换辐射方向图，这种偏压是以为业内人士所知的方式产生的。下面的表2中示出了不同的转换状态。

表2

从图4的结构可以获得如图5中所示的曲线，能够给出作为频率的函数的反射系数S11。根据曲线将会发现，在-10dB的情况下，当单个二极管截止时匹配带宽为22％，而当两个二极管均截止时为17.8％。

还有，图6示出了当工作频率为5.4GHz时，与两个理想二极管的状态对应的天线的三个辐射状态。于是，为天线设备获得了第三级的辐射分集。

为获得具有图4所示的天线拓扑结构的传输通道，如图7所示，建议通过设置微带线27来供电中央环状槽缝即槽缝21，以产生Knorr描述的常规的线/缝过渡。这条线由在接收模式中在线27的端子上重建一个短路的二极管33来终结。

为确保发送与接收间的最大限度的隔离，两个二极管25与26必须处于导通状态，也就是说在发送模式中在微带线23与24的端子上有一个短路，而二极管33必须处于截止状态，也就是说在发送模式中在传输带27的端子上有一个开路CO。在这种情况下，如在下面的表3中所示，图7中所示的系统有四个操作状态：

表3

能够操纵这四种状态的控制设备通过对这三个二极管中的每一个进行独立控制的设备来提供。例如，控制设备由在T型接头与馈线23，24之间安装的阻塞设备28’，28组成。这些阻塞设备由人们熟知的类型的DC阻塞器组成。在转输带27与端口2之间也设置了一个DC阻塞器29。而且，线端子或“抽头”30，31，32安置于各自的线23，24和27与用于对各个二极管25，26和33施加偏压的终结头之间。每条辐射线端子的长度的设置要能够在交点上重建一个开路。通过这种方式向每个二极管施加偏压，而不会干扰射频RF(辐射可透过状态)。此外，在访问天线期间，DC阻塞设备能够滤除DC电流。

利用图7所示的系统，可以获得一条曲线，能给出设备的作为传输频率的函数的参数S的幅值，也就是在图8中的二极管25与26处于短路状态时。将会注意到，在这一情况下，传输通道的匹配带宽大于22％。

而且，在传输中，可以获得设备的如图9中所示的辐射方向图。观察不同的辐射方向图就会发现，在天线的轴向上可以获得高质量的线极化。而且，可以获得发送与接收间的高水平的隔离以及对于发送与接收而言的相同的极化。此外，紧凑型的天线扩展器可以提供第三级的辐射方向图分集。

上述的实施例是借助于范例给出的，而且可以用多种方式进行修改，对于精于此业的人士而言这是不言自明的。因而，槽缝可以是环形之外的其他形状，可以是多边形的，即正方形或长方形的，或者其他形状等。馈线可以利用微带线技术或共平面技术生产。二极管可以用其他器件如晶体三极管，电子开关以及微电子机械系统来替代。

Claims

1.一种用于传输电磁信号的天线系统，包括：

第一槽缝天线(10)，由环形槽缝或多边形槽缝构成；

所述第一和第二槽缝天线对称地放置在所述第一馈线(12)的每一侧，并由给出第一馈线(12)和每一槽缝天线之间磁耦合的线/缝过渡馈电，所述过渡紧邻第一馈线的短路平面。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于还包括：

第三槽缝天线(22)，由环形槽缝或多边形槽缝构成；

第二馈线(24)与第一馈线共同与信号处理装置连接；

第三槽缝天线(24)和第一及第二槽缝天线之一对称地放置在所数第二馈线的每一端，并由给出第二馈线和每个槽缝天线之间磁耦合的线/缝过渡耦合；

第一和第二馈线都有一个自由端子，所述自由端子连接到交替地在一个自由端模拟短路在另一个自由端模拟开路的器件(25，26)。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于在器件与过渡之间的馈线(23’，24’)的长度为kλ_m/4，这里k是一个整数，而λ_m是馈线的导波波长，以便根据过渡电平上的器件的状态来重建一个电气短路或开路平面。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，槽缝的周长为k’λ_s的波长，这里k’是整数而λ_s是槽缝的导波波长。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括第三馈线(27)通过knorr型线/缝过渡连接到第一、第二和第三槽缝天线之一。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在传送模式中，在第一与第二馈线的端子处的电子器件被馈电，以便模拟短路。

7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，器件(25，20，30)由二极管、晶体三极管、电子开关或微电子机械系统组成。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，馈线由微带线或共平面线构成。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，向第一和第二槽缝天线的每一个提供两个扰动，所述扰动位于穿过所述槽缝天线的中心和过渡的平面的45°或135°。