CN101026266A - 使用空间二次谐波的双频带相控阵 - Google Patents

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Abstract

本文涉及可在多频带上操作的定向天线，其中定向天线包括有源天线单元和至少一个无源天线单元，无源天线单元从属连接在有源天线上。无源天线单元具有基本上优化的长度和间距，从而在与有源天线单元相关的基础频率上工作；同时无源天线单元还可在与基础频率相关的更高谐振频率上操作。无源天线单元的空间谐波射流分布被用来建立多个天线操作频带。定向天线还包括与无源天线单元相连的其他装置；通过将基础共谐频率或更高共谐频率上的信号，或同时将这两种信号应用于可在多频带上操作的有源天线单元可形成天线波束；与无源天线单元相连的装置可调整天线波束的方向。

Description

使用空间二次谐波的双频带相控阵
本申请是2002年11月8日递交的申请号为02826713.3，发明名称为“使用空间二次谐波的双频带相控阵”的分案申请。
发明背景
随着无线网络的成熟以及无线网络的应用越来越广泛，数据的传输速率越来越高。这样的一个无线网络实例就是无线局域网，该无线局域网采用802.11、80211a或80211b通讯协议，以下将这三种协议统称为802.11协议。802.11协议规定2.4GHz(802.11b)载波频率用于常规的服务，同时规定5.2GHz(802.11a)和5.7GHz(802.11g)载波频率用于更新型的、更高速的数据服务。
与其他的无线电设备相似，无线网络适配器包括发射装置和接收装置，这二装置和天线相连。该天线可以在指定频率上可提供最大的增益。举例而言，如果某一单级天线在2.4GHz这一频率上操作效率最高，则在5GHz这一频率上，该单级天线不能很好地工作。同样，如果某一定向天线在5GHz这一频率上可最有效地工作，但这一定向天线对2.4GHz的兼容性比较差。
发明概述
为了解决同时兼容多个无线网络载波频率这一问题，本发明中的定向天线可在多个工作频率上提供高增益及较高的方向性。照此方式，使用这种新发明的定向天线系统可兼容多个无线系统，就802.11无线局域网而言，使用新型定向天线的系统可兼容2.4 GHz和5GHz载波频率；因此，这样的系统具有向前及向后的兼容性。
定向天线的应用范围很广，其中定向天线的间距、长度、天线结构、接地阻抗以及基础面结构都是支持多频操作的具体因素。无源天线单元的多个空间谐波射流分布被用来建立多个工作频带，其中的无源天线单元从属连接在至少一个有源天线单元上。
在本发明的某一实施方案中，本发明中的定向天线可在多个频带上工作，该定向天线包括有源天然单元以及至少一个与有源天线单元相连的无源天线单元。无源天线单元具有基本上优化的长度和间距，从而无源天线单元可有选择性地在与有源天线单元相关的基础频率上工作或在与基础频率相关的更高共谐频率上工作。更高共谐频率可以是基础频率的二次谐振频率。
定向天线还包括与无源天线单元相连的其他装置；通过将基础共谐频率或更高共谐频率上的信号应用于可在多频带上操作的有源天线单元可形成天线波束，与无源天线单元相连的装置可调整天线波束的方向。
定向天线可调整基础频率或更高共谐频率上的天线波束的方向。
定向天线可进一步包括阻抗负载单元，阻抗负载单元之间通过无源天线单元和基础面间的转换开关相连。阻抗负载单元在操作上与无源天线相连，从而使相连的无源天线单元成为基础频率的反射器。同一阻抗负载单元可在更高的共谐频率上将相关的无源天线变成定向天线。阻抗负载单元也可做到相反的状态。
天线单元可以是单级天线，也可以是双极天线。此外，天线单元可以是二维或三维天线单元，天线单元支持两个以上的谐振。天线单元还具有一定的长度和间距，从而支持两个以上的频率。此外，天线单元可以支持多个更高的共谐频率，这些共谐频率并不是基础频率的整数倍。
天线单元可以以某一方式排列，在这种方式下，更高的共谐频率是基础频率的非整数倍。定向天线还包括某一输入阻抗，输入阻抗在所需的频带上与天线组相连。使用以下优化技术可对定向天线进行优化，这些优化技术包括：在有源天线单元中加厚度适当的折叠臂、使用集总阻抗元件、使用发射杆或通过上述技术的组合来对定向天线进行优化。
定向天线可用于蜂窝电话系统、手机、无线互联网、无线局域网、接入点、远程适配器、转发器以及802.11网络。
图示简介
通过以下对本发明优选实施方案的更详细说明可清楚地展示本发明的目标、特点及优势；本文所附图示表明了这些选实施方案。在不同的图示中，相同的参照符号代表相同的部分。本文所附图示并不一定是按比例绘制的，为了说明本发明的原理，某些地方进行了重调。
图1是诸如802.11无线局域网这样无线网络的示意图，在该无线网络中使用了本发明的定向天线。
图2A是某一无线基站图，该无线基站采用了在图1所示无线局域网中工作的单级定向天线。
图2B是图2A中定向天线的等比例放大图。
图2C是阻抗负载和转换开关的示意图，其中转换开关被用来改变图2B所示天线单元的相位。
图3表明了三个双极天线的线性排列，这种排列方式是图2A所示定向天线的另一种实施方案。
图4A是双极天线的空间频射流分布图，该双极天线用于图2A所示定向天线的另一实施方案中。
图4B是频率的曲线图，该图表明了图中4A中天线单元的谐振点。
图5表明的是图3所示定向天线的变化形式，其中双极天线单元的下半部分连接在共同的基础面上。
图6是图3所示双极定向天线的实施方案以及该双极天线的转发情况。
图7是图与5所示定向天线的环形排列方式。
图8A和图8B是图7所示定向天线在5GHz频率下的一组发射模式。
图9A和图9B是图7所示定向天线在2GHz频率下的一组发射模式。
图10是增益情况图，图中表明了图7所示定向天线的方向性。
优选实施方案的详细说明
以下是本发明优选实施方案的详细说明。
图1是某一无线网络的示意图，在该无线网络中使用了本发明的多频带定向天线。该无线网络是带有分布系统105的无线局域网络100。接入点110a、110b和110c与分布系统105有线的连接。该无线网络中的各个接入点110都有各自的区域115a、115b和115c，在各自的区域区，接入点可向基站120a、120b和120c发射射频信号，并可从这些基站接收射频信号，接入点由无线局域网的硬件和软件所支持，接入点可据此进入分布系统105。
本发明技术提供接入点110和基站120，这二者带有各种形式的天线。这种天线多样性可使接入点110和基站120根据所收到信号的质量从二个天线中选择一个，从而满足发射和接收的需要。从两个天线中选择一个天线的原因是为了避免发生多路衰减，如果信号从二条不同的路径去往天线，这会使某一处天线产生信号消失现象，但在另一天线处不会发生信号消失现象。另外，当同一天线收到二个不同的信号时，信号会出现干扰。在二个天线中选用一个天线的另一个原因是为环境的改变，例如将基站120c从第三区域115c分别进位到第一区域120a和第二区域120b。
在无线局域网100中，接入点A和C采用常规的2.4GHz载波频率802.11通讯协议。然而，接入点B采用更新的高带宽5GHz载波频率802.11通讯协议。这意味着当基站120c从第三区域115c移动到第二区域115b时，如果基站120c的天线在第一区域115a和第三区域115c是采用2.4GHz载波频率的话，则这种提供不同路径的天线无法在第二区域115b提供最大的增益。与此相类，如果天线是在5GHz频率下工作的话，则天线在第一区域和第三区域的2.4GHz频率上不能提供最大的增益。在这二种情况的任何一种情况下，数据的传输速率都会因天线不在“自家”区域而受到损失。此外，通常用于天线集合的单极天线有一定的缺陷，单极天线的全向波束形式所具有的增益是固定不变的。
提供天线多样性的定向天线与简单的单极天线形成了对照，定向天线有时被称为天线阵列。这一天线阵列可用来调整天线波束的方向，从而在某一特定方向天上产生最大的增益。2001年5月16号提交的题为“用于无线通讯系统的自适应天线”(律师文件卷号是：2479.2042-001)的美国09/859,001号专利对此有所有论述，该专利的全文在此通过引证被并入本文。某种类型的天线阵利用到了这种特点，当四分之一波无源单极天线或半波双极天线单元在接近其基本共谐频率时，不同的负载条件可使天线具有反射性和定向性。如果有源天线和无源天线都加长的话，则定向增益会增加。
本发明在此概念上又前进了一步，如果像半波单极天线或全波双极天线这样的无源天线单元在加长后，在空间谐波谐振频率附近，例如在二次空间谐波谐振频率附近，无源天线单元可以具有反射性和定向性，并且可在多个频带上操作。
利用在空间谐波附近产生谐振这一概念，使用本发明原理的直线形、环形或其他几何形状的天线阵列比非谐振定向天线的带宽高出50％，达3DB，且定向增益几乎增加一倍。当加入第一谐振频率(即基础频率如2.4GHz)后，整个频带完全覆盖了两个单独子频带的倍频带。
因此，当图1中的第三基站120c从第三区域115c经地第二区域115b而移动到第一区域115a时，由于基站通过与接入点C、B和A的连接而与分布系统105形成无缝的无线连接，从而基站120在移动过程享有较高的天线增益；即便第三基站120c从2.4GHz 802.11迁移到5GHz 802.11然后再回到2.4GHz 802.11时，基站120c应能享有较高的天线增益。
图2A是第一基站120a的等比例放大图，该基站使用定向天线阵列200，该天线阵为环形阵，位于第一基站120a主体部分之外。在另一实施方案中，定向天线阵200可放置在位于第一基站120a的内部的PCMCIA(个人计算机存储卡)卡上。无论在哪种实施方案中，定向天线阵200都可含有5个单极无源天线单元205a、205b、205c、205d、205e(统称为无源天线单元205)以及至少一个单极有源天线单元206。在另一实施方案中，定向天线阵200最少可由从属连接在至少一个有源天线单元上的一个无源天线单元组成。定向天线阵200通过USB(通用串行总线)接口215连接到基站120a上。
定向天线阵列200中的无源天线单元205从属连接在有源天线单元206上，从而可使定向天线阵列200实现扫描。这里的扫描是指定向天线阵列200的至少某一天线波束在无源天线单元205的数量增加时可以转过360°。举例而言，确定扫描角度的技术是在每个扫描角度上采样波束信号，然后选取信号/噪音比最大的角度。可以对其他的性能进行测试，也可以使用更高级的技术来确定最佳的扫描角度，并将这些高级技术与定向天线阵列200结合使用。
定向天线阵列200也可以以全方位形式使用，这样天线阵列就变成了全方位模式(图中没有示出)。基站120可采用用于载波信号发射前的全方位模式。当向接入点110发送信号或从接入点110接收信号时，基站120也可采用选定的定向天线。在“专用”网络中，基站120可以还原为全单向天线，因为基站120可以同其他基站120进行通讯。
除了具有扫描特点外，定向天线阵列200可以提供2.4GHz波束220a以及5GHz波束220b(统称为波束220)。波束220可以在同一时间生成，也可在不同的时间生成。通过选择适当的天线长度和间距就可生成波束。其他像接地、输入阻抗、天线形状等因素也对天线形式双工波束的能力有一定的影响。应该理解的是，2.4GHz和5GHz只是示范性频率，根据本发明的原理，通过选择适当的天线形式可使天线在多个整型或非整型倍数的基础频率上工作。
图2B是定向天线阵列200的详细视图，该天线阵列包括前面所述的无源天线单元205和有源天线单元206。定向天线阵列200还包括基础面330，无源天线单元与基础面形式成导电连接，以下将结合图2C对此进行说明。
定向天线阵列200可生成定向天线波瓣，例如可生成2.4GHz、802.11协议的无线局域网络的天线波瓣220a，该波瓣与天线单元205a和205e离开一定的角度。这表明天线单元205a和205e处于“转发”或“定向”模式，而天线单元205b、205c和205d处于“发射”模式。换句话就是，有源天线单元206与无源天线单元205间的相互连接可使定向天线阵列200扫描定向天线波瓣220a，在这种情况下，无源天线单元205的设定模式表明了这一结果，无源天线单元205的不同模式的组合可形成不同的天线波瓣220a模式以及不同的角度。
图2c是某一具体电路或装置的示意图，该电路或装置可用来将无源天线单元205设置为反射或发射模式。反射模式由长虚线305表示，发射或定向模式由短虚线310表示。标志虚线305和310是通过将无源天线单元205a分别经由感应元件320或电容元件325与基础面330连接起来。无源天线单元205a与电感元件320或电容元件325之间的连接是通过转换器315实现的。该转换器可以是机械转换器，也可是电子转换器，该转换器可以按适于频率应用的方式将无源天线单元205与基础面330连接起来。转换器315是由控制信号335在典型的开关控制模式下设置的。
在经电感320与基础面330连接起来之后，无源天线单元205a被有效地加长了，情况如长虚线305所示。这可以被看作是为频率信号提供了一个“背板”，该背板通过与有源天线206间的相互连接而与无源天线单元205a连接起来。在图2B所示的情况中，无源天线单元205a和205e分别经由电感320与基础面330相连。同时，在图2B所示的实施方案中，其他无源天线单元205b、205c、和205d分别通过电容元件325与基础面330相连。这种电容式连接有效地缩短了无源天线的长度，情况如较短虚线310所表明的。将所有无源天线单元205按电容方式连接起来可有效地将定向天线阵列200设定为全向天线。
应该理解的是，也可以使用其他连接技术将无源天线单元205与基础面330连接起来，例如使用延迟线和集总阻抗技术将无源天线单元与基础面连接起来。
图3是双极天线阵列300的示意图，该天线阵由3根双极天线组成，该天线阵在此用于说明多频波束扫描的概念。半波有源双极天线D位于天线阵列的中央，并由发生器G供电。双极天线D的物理长度用实线表示。位于有源双极天线D1两侧的双极天线D1和D2也用实线表示，双极天线D1和D2上带有阻抗线圈或阻抗元件X1和X2。阻抗线圈X1和X2的值可使某一双极天线(如D1)成为反射天线，而使另一双极天线(如D2)成为定向天线，从而使天线阵列300类似于经典的Yagi(八木天线)阵。
如图中虚线所示，当三根双极天线D、D1、D2加长时(即天线的长度相对于频率按比例加长)，这三根双极天线会接近第二谐振点，此时每根天线的总电子长度大约为全波长度。双极无线D1和D2在带有相同负载X1和X2的情况下再次成为转发天线和定向天线。接近二次谐波谐振频率的特征是转发天线和定向天线间的位置交换，这种位置交换是由二次谐波谐振频率造成的，二次谐波谐振频率与一次谐振频率具有不同的阻抗特性。
图4A是无源天线单元D1和D2的空间谐波射流分布示意图。基础频率的空间谐波射流分布405在天线单元上有一个单峰值，二次空间谐波射流分布410沿天线单元有二个峰，三次空间谐波射流分布(未在图中表明)有三个峰，峰值数量可以以此类推。
图4B是无源天线单元D1和D2的反馈图，这种反馈是由于无源天线单元与有源天线单元206之间的从属连接造成的。有源天线单元206发射出一定范围的载波频率。在每个实轴交汇点上，无源天线发生谐振。无源天线发生谐振的范围在实轴交汇点的±5％之内，无源天线谐振会对复合波束(如图2中的波束220a和220b)的生成产生较大的作用。
图5是另一单极天线阵列500的示意图，该天线阵列采用本发明的原理。该单级天线阵列500包括有源天线D和无源天线单元D1和D2。基础面505是竖直的，这种直形状可产生一个平衡的谐振结构，该结构可以映射无源单级天线单元D1和D2。无源天线单元D1和D2从属连接在有源天线单元D并分别通过阻抗元件X1和X2与基础面505形成导电连接。通过选定转换开关(图中未表明)的状态，无源天线单元D1和D2可以与基础面505形成导电连接，此外，阻抗元件X1和X2可以加以调节。
在操作中，单级天线阵列500通过重发射载波信号(例如2.4GHz或5GHz)控制天线波束，由有源天线D传输，形成一个复合波束(波束220a和220b的复合)。重发射可以看作是相位递增的，通过有源天线和无源天线的谐振的方式产生，如图6中所示。
参见图6，定向天线200从左至右具有相位递增特性。递增的相位谐振过程如下：有源天线D在载波频率(如基础频率或二次谐波频率)上产生谐振，转发无源天线单元D1在同一频率上谐振，当无源转发天线单元D1产生的电磁波通过时，有源天线单元D继续产生谐振，然后无源定向天线D2产生谐振。射频波605a、605b和605c按此顺序产生，所生产的复合波束(如图2中的波束220a)向箭头610所指的方向发射出去。总体而言，有源天线单元D的长度小于无源天线单元D1和D2的长度具有一定的益处，这样可对转发的波束产生更小的干扰。
图7表明的是图5所示的单极天线阵列500排列成环状阵列的情况。通过调节赋予阻抗元件X1-X6的阻值可以使所形成的复合波束(如结合图8A、8B、9A和9B说明的)覆盖全方位。
以下是摸拟单极天线环形阵列700的结果。该单极环形阵列700的直径为1.3英寸，高为1.72英寸。无源天线单元中有三个连续的单元被加载3欧姆的阻抗(通常为短路开关的短路阻抗)，其余的三个天线单元被加载3+j600欧姆的阻抗。
图8A和图8B绘制的是在5GHz频率下模拟所产生的基本面模式。射角“杯突”在右侧(图8A)，方位的“杯突”在左侧(图8B)。正如模拟所示的，这些“杯突”在3.4GHz到5.7GHz这一频率范围内保持着基本一致的形状。频带的覆盖范围是50％，对于相控双极天线阵列而言，这一覆盖范围是非常大的。在这一频带范围内的方向性系数在7+dBj到9+dBj之间，这一系数同样是非常高的。
图9A和9B所示的是2GHz频率下模拟辐射的模式。射角形式是θ的函数，如图9B右侧所示，当θ＝60度时，穿过波束的锥形杯突如图9A的左侧所示。方向性系数为3dBi。在两个频率下方位模式的明显不同之处在于波束方向性，2GHz频率的波束指向南方，而5GHz频率的波束指向北方。这表明存在着两种不同的模式。在5GHz频率带中，天线阵列的电子指标高于2GHz频带，所以天线阵列的上端可以产生更高的增益。在这一特定实施方案中，模拟的增益差为5.5dB。在5GHz频率下，3dB的带宽是较宽的，超过50％。这是因为有两种不同的增益优化因素在起作用。基中一个是天线单元的谐振峰，另一个是天线阵列的峰。这两个峰在频率上是错开的，并随带宽而加宽。
图10所示的是仪表测量的天线增益值，天线的增益性能很易随频率而增大。图10还表明了两个模拟模型的方向性系数，这两个模拟模型为环形阵列700，直径分别为1.3英寸和1.7英寸。当第一个模型放大到IEEE801.11b和802.1a无线局域网频率时，其方向性系数分别为2.9和7.1dBi。第二个模型的性能更加优越，当放大时，第二模型的方向性系数分别为3.5和8.2-8.7dBi。使用这种排列，一个天线阵列可以覆盖802.11的所有频带。在另外一种情况下，其他无线网络的频带也可以被覆盖，其中载波频率基本上是另一载波频率的谐振频率，或载波频率不是整数倍整形谐波频率，但定向天线阵列可被设计为支持非整数倍谐波谐振。
通过采用可折叠单极天线技术可以匹配有源天线的输入阻抗。使用可折叠的单极天线，可在单极天线单元上并行添加可折叠的天线臂(未在图中表明)，该可折叠天线作为旁路可与基础面相连。该可折叠部分可作为输入阻抗的调整因子。此外，通过添加反馈元件可以进行匹配，这一点是必要的，因为天线阵列所覆盖基本带宽将不可避免地产生波动，而这可以对波动进行补偿。天线的发射段也可用来实现阻抗匹配。使用现有的线路板建立这样的发射线具有一定的优势。为了在较宽频带上对阻抗匹配进行优化，可以使用这三种技术，这样做有时甚至是必要的。基础面不必一定是竖直的。基础面有一部份可以是水平的，或者全部是水平的。
采用本发明定向天线的系统后可实现双频带操作，应用电子扫描的无源天线阵列，例如使用前面所述的环形天线阵列。当需要使用宽带扫描天线阵列时，这种技术也可以加以应用。本发明应用于带宽时所产生的增益比采用现有技术为基础的共谐天线阵列高出一倍。因此，本发明在双频带及更高的宽频带上支持采用以往基础共谐天线阵列中相同类型的天线和电子元件，所以采用本发明技术不会造成成本的增加。
虽然本发明是结合优选实施方案进行具体说明的，但应该理解的是，在不脱离本文所附权利要求所涵盖的本发明范围情况下，本技术领域的技术人员可在形式及细节上对本发明进行各种修改。
举例而言，本发明的天线单元可以不是单极或双极天线。天线单元可以是其他任何类型的天线，只要这些天线单元能够支持基础共谐频率之上的谐振。同样，天线阵列的间距也不必限制于只适合于三次谐波或更高次的谐波。
实际的天线单元谐振点可以不是整数倍基础频率，采用2维或3维的天线形状可以支持谐振。通过选择天线单元的形状及调节天线单元的形状可以利用这一特点，从而在所需要的频带上产生谐振。出于相同的原因，天线阵列的谐振间距不必一定遵循多个整型系列值。这是因为，当天线阵列为了2维环形结构时，天线阵列有其自身特定的谐振系列值。对天线阵列结构的优化是使其从一个天线单元到另一个天线单元间形成相位增加，这样波束基本上可在一个方向上传输出去，从而形成定向波束。这种谐振间距上的特性也可使优化天线阵列的频带更具灵活性。
应该理解的是，本发明中的定向天线可应用干各种无线电子装置中，例如应用于手机、接入点及转发器中；本发明中的定向天线还可应用于网络中，例如应用于蜂窝系统、天线互联网、无线局域网及802.11网络中。

Claims (1)

1.一种定向天线，该定向天线可在多个频带上操作，该定向天线包括：
向天线集总发射或从天线集总接收射频信号的装置；其中天线集总包括至少一个有源天线单元和多个无源天线单元，无源天线单元与至少一个所述的有源天线单元形成电磁连接；
选定独立阻抗元件状态的装置，其中独立阻抗元件与天线集总中的各个无源天线单元形成电子连接，通过使无源天线单元的空间谐波射流分布相一致可以影响各个无源天线单元以及转发信号的相位，从而在第一和第二工作频带上生成复合波束。
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Date Code Title Description
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20070829