CN101171757B - 通用天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种被设计在无线链接中使用的天线系统(10，50)，具有分别用于接收(Rx)和发送(Tx)的极化方向，所述极化方向与分别用于类似系统的发送和接收的极化方向相同，所述类似系统被放置在不同于第一系统的几何使用构造中。本发明使相同设备能够在设备的独立项目中和不同位置中被实施，同时使天线对能够正确工作。

Description

通用天线系统

技术领域

本发明涉及一种被设计用在无线链接上的天线系统，更具体地来说，涉及一种被涉及用来在用于高比特率视频传输的国内环境中的天线系统。这样的系统必须具有拓扑集成分集(topologies integrating diversity)。

背景技术

如果这涉及到例如使用无线链接链接屏幕和前端机顶盒，则在数字电视领域中会遇到这样的情况。

因此，这涉及在设备的两个项目中实施无线链接，所述两个项目具有不同的几何结构和定位，却是相同产品的一部分。辐射设备的集成约束(integration constraints)主要是由设备的几何结构和布置来决定：这约束了天线类型的选择。目前，由于要极化这样的天线，所以例如在相同产品的设备的两个项目上使用的两种不同构造常常导致使用两种不同的辐射设备结构。由于必须开发不同的设备，所以这会产生开发和生产成本。

发明内容

本发明提出一种能够根据不同几何构造而使用的天线系统，从而集成到呈现不同几何约束的设备的两个项目的系统可以是相同的。

本发明涉及一种用于在发送和接收中工作的无线链接的天线系统，包括至少两个辐射元件，具有根据第一极化方向在接收(Rx)中工作的第一辐射元件和根据第二极化方向在发送(Tx)中工作的第二辐射元件。在这种情况下，第一辐射元件和第二辐射元件彼此相邻安放，从而第一天线系统与第二相同天线系统一起工作，所述第二相同天线系统与第一天线系统平行或成90°定位。

通过保持相同天线系统的两个几何上不同的构造中的接收和发射中使用的极化方向，本发明允许在具有不同几何约束的设备中使用相同的系统。由于只需要一个结构，所以这会限制开发和生产成本。

根据一实施例，辐射元件被在实现第一刚性基片上，所述第一刚性基片包括延伸过接收辐射元件的部分的柔性材料层，所述柔性材料层在其另一端包括第二刚性基片。

可以将这样的系统集成到具有不同几何约束的设备的两个项目中，而无需修改天线系统本身的结构。

在一实施例中，柔性材料层构成刚性基片的内层。

在一实施例中，使用三个不同的辐射元件，一个用于发送，两个用于接收。

该实施例解决了一个众所周知的问题：国内环境(建筑物内或室内链接)中的无线链接会受到与由信号在障碍物(墙、家具等)上反射而引起的多通路或多路径现象有关的传播信道中的损耗。此外，还观察到这种通道会根据例如人们在房屋中的移动而随着时间改变。因此，接收到的信号电平会根据路径的构造性或破坏性结合而发生波动。为了解决这个问题，本领域的技术人员知道如何以这样的方式使用两个接收天线来集成空间、极化或辐射分集以便接收。

根据第一实施例，辐射元件在其集成的第一刚性基片的平面上辐射，使用例如插槽、Vivaldi、印刷偶极子、Yagi偶极子类型的印制电路技术来实现辐射元件。

根据第二实施例，辐射元件在垂直于其集成的第一刚性基片的平面的平面上辐射，可以使用从印制电路、电介质、陶瓷、3D金属技术之中选择的技术来实现辐射元件。

在本发明的一个特性中，当第一极化方向和第二极化方向彼此垂直时，相对于第一天线系统成90°定位第二天线系统。

可以很容易地将这样的天线布局集成到设备的项目中。以这样的方式使用发送与接收之间的极化的正交性，从而能够使这个天线方案匹配具有不同方向(典型水平：前端机顶盒)和垂直(等离子体屏幕)的设备的项目。实际上，对于我们感兴趣的高比特率链接，设备的两个项目之间的链接通常是直观的。这就意味着如果设备的第一项目的发送天线的极化与设备的第二项目的接收天线的极化相同时，该链接为最佳状态，反之亦然。

根据一实施例，在波导、微带连接板、偶极子、辐射槽之中选择辐射元件，波导可以用镀锡模压金属或镶嵌有金属的塑料模塑来制造，也可是方形。

附图说明

通过阅读不同非约束性实施例的、参照附图而进行的描述，本发明的其他特性和优点将会呈现，其中：

图1a和1b以两种不同的几何构造图解示出了根据本发明的一实施例的辐射设备。

图2示出了用于表示图1a和1b的两个构造中的辐射设备的反射系数的两个曲线图。

图3示出了用于表示用图1a和1 b的两个构造中的辐射设备而得到的插入损失的两个曲线图。

图4a和4b图解示出了使用根据图1的实施例的幅射设备而实现的无线链接，分别用于包括具有纵向和横向辐射的辐射元件的设备。

图5图解示出了根据本发明的另一实施例的辐射设备。

图6示出了为图5的辐射设备的每个波导而获得的3D和2D辐射图形。

图7是根据图5的实施例的辐射设备的防护层的示图。

图8图解示出了使用根据图5的实施例的辐射设备而产生的无线链接。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一实施例的天线系统10。系统10包括集成在第一刚性基片11上的三个辐射元件(Rx1，Rx2，Tx)和集成在第二刚性基片12上的这些辐射元件的控制电路。控制电路通常包括微波和基带功能以及数字功能。系统10包括在两个刚性平面基片11和12之间的柔性材料层13。以这种方式在柔性部分13上集成一个或多个微波传输带线14，从而建立刚性基片11和12之间的连接。在保持集成了辐射元件的刚性基片11的位置不变的同时，通过折叠柔性层13可以将柔性部分13用于改变设备10的几何构造。刚性基片11和12最好是平坦的，并且能够具有诸如夹套(clips)或甚至平滑的凹槽(groove)等的固定装置。

刚性材料层例如可以由诸如FR4型材料等的低成本材料制成。柔性材料层可以由Kampton型材料制成，并且还可以构成刚性基片11和12的中间层。最后这个特性可以防止每个刚性基片11和12上提供的功能之间的线路中断。其他柔性材料，诸如聚乙烯对苯二酸(PET)或聚丁烯对苯二酸(PBT)或热塑性合成橡胶(TPE)型的衍生聚酯等的塑料材料，也可以在根据本发明的设备中兼容使用。

通过保持适用于给定无线链接的极化方向，柔性材料的使用在天线系统10的使用和定位中提供了极大的灵活性。

使用HFSS 3D电磁模化软件(Ansoft)模拟了图1中提出的两个构造中存在的操作。因此，所选择的刚性材料属于FR4型(Er＝4.4；tanΔ＝0.023；h＝0.54mm)，柔性材料属于Kapton型(Er＝3.5；tanΔ＝0.009；h＝0.075mm)。模拟了特性阻抗为50ohm的微波传输带线。50ohm微波传输带线的宽度在电路部分和辐射元件的刚性基片级等于0.14mm，而在唯独柔性材料级为0.185mm。

在图2和3中示出了根据阻抗匹配和插入损失而得到的结果。曲线2a表示为图1a的平面系统观测到的反射系数，而曲线2b表示为图1b的折叠系统观测到的反射系数。曲线3a示出了为图1a的平面设备观测到的插入损失，而曲线3b示出了为图1b的折叠设备观测到的插入损失。因此，证明了，在其中要求操作本发明的天线系统的频域中，强加于柔性基片上的机械力没有损害阻抗匹配或插入损失。实际上，反射系数在两种情况下都非常低(＜-25dB)，这意味着在线路一端注入的几乎全部能量被有效地发送到另一端。同样地，需要注意的是，插入损失在两种线路构造中非常低(＜0.3dB)，这意味着沿着这条线路几乎没有能量消耗。

图4a和4b示出了在播放视频的等离子体屏幕41与使用根据本发明的一对天线系统10的前端机顶盒之间实现的无线连接的两个使用例子。根据来自电缆或卫星解码器或甚至服务器的发射的数字接收改变并进行视频内容处理。前端机顶盒可以远离屏幕，并且位于同一房间或相邻房间。因此，无线链接特别适合于这样的应用。本来等离子体屏幕就非常平直并安装在墙上或竖直安放在基座上，而前端机顶盒为平行六面体形状并在水平位置上使用。等离子体屏幕和前端机顶盒是这样的特性，从而它们的几何尺寸在垂直尺寸上延伸。由于实施无线链接所需要的天线系统的安装最好不要涉及增加这两个技术元件的尺寸，所以本发明在此获得应用。

在图4a中，集成了三个不同的辐射元件：一个用于发送Tx，而两个用于接收Rx1和Rx2，箭头表示所使用的线性极化的方向。采用两个用于接收的辐射元件能够获得用于接收的2阶分集(order 2 diversity diagram)。如附图中所图解示出的辐射图形(radiation patterns)44和45中所示，由三个辐射元件发射的波具有水平线性极化和在基片的平面上的纵向辐射。在这种情况下，可以将如图1a中所示的天线系统水平放置在前端机顶盒上，而没有任何折叠约束。但是，对屏幕而言，相同的天线系统必须在垂直方向上延伸其尺寸以保证屏幕的低厚度。然后垂直放置相同系统以根据辐射和极化保证兼容性，这种定位需要系统以图1b所示的方式弯曲，从而使集成了辐射元件的刚性基片呈水平。例如在扬声器43处找到可以安装这样的设备的空间。然后极化方向适用于发射和接收。

具有纵向辐射的辐射元件最好通过采用印制技术来实现，并且对应于例如Vivaldi、印刷偶极子、印刷Yagi型等的结构。

图4b示出了其中使用横向辐射辐射元件的另一示例，也就是在如图4b图解所示的辐射图形44和45所示的、垂直于基片的平面中。然后无线链接的构造改变。接下来将需要折叠的系统安装在前端机顶盒上，并且将另一系统垂直平坦地安放在屏幕上。

可以使用印制技术(插入、环形缝隙天线等)、电介质或陶瓷(DRA：电介质共振器天线等)、3D金属(PIFA：平面倒置F天线、波导等)来实现呈横向辐射的辐射元件。

图5示出了根据本发明的另一实施例的天线系统10。在这个实施例中，系统包括至少两个辐射元件，一个用于接收Rx，而一个用于发送Tx，彼此具有成90°角的极化方向。在图5中，示出了三个辐射元件，两个用于接收Rx1和Rx2，而一个用于发送Tx。因此获得用于接收的2阶分集图。辐射元件Tx发射的波具有与辐射元件Rx接收的波垂直的极化。因此，可以通过将系统之一相对于另一个系统旋转90°来实现这样的系统之间的无线链接。这就在考虑用于接收和发送的极化方向的同时允许在各种几何结构的物体中使用相同的系统。

在图5中，在开波导技术中示出了辐射元件。例如可以使用镀锡模压金属、在折叠金属片中实现的镶嵌有金属的塑料模塑或复制模塑来制造这样的结构。同时最好将模塑实现为屏幕机箱和/或前端机顶盒。但是，也可以使用诸如印制技术(插板、偶极子、辐射槽等)、接线基座(wire-base)技术等的各种技术来制造辐射元件。也可以在相同设备中使用几个所述技术：例如，矩形波导用于接收，而偶极子用于发送。还可以使用方形波导来替代矩形波导以增加极化分集图。

基于有限元方法，通过使用Ansoft公司的HFSS软件模拟了图5中所示的系统。系统包括三个彼此相邻安装的相同矩形开波导，其尺寸为a＝18mm、b＝36mm、h＝40mm。每个波导之间的距离为d＝13mm。因此，总尺寸为98mm×36mm×40mm。这适用于其中无线链接可用的多种应用中。

在图6中示出了在5500MHz工作获得的辐射图形。这些辐射图形符合为分别获取的开波导而得到的辐射图形，并且具有由于存在第二波导Rx2而导致的波导Rx1的辐射图形的轻微变形，反之亦然。

如图7所示，可以在图5的波导之间放置附加屏蔽层(shielding)70，以防止电磁泄漏并获得良好的电磁适应性。屏蔽层70由其上安放了波导的镀板构成。

图8示出了图5中所示的系统50的使用的示例。在屏幕81中，设备50被垂直放置，而在前端机顶盒82中却被水平安放。

因此，本发明使相同型号的天线系统能够用于不同几何结构的多种应用系统，而无需改变其上实施无线链接的物体的尺寸。因此本发明对所得到的辐射设备的应用具有非常广泛的通用性。因此，方便实施无线链接。需要注意的是，这样的链接的开发和生产成本由于本发明而变低。此外，可以在根据本发明的辐射设备中使用一般公众产品中广泛使用的材料，从而减少了这个方案的成本。

本发明并不局限于所述实施例，并且本领域的技术人员需要意识到还存在不同的实施例变化，诸如使用各种辐射元件的分集图、刚性和柔性部件的不同设计可能性、在寻找符合本方案的集成区的辐射元件的尺寸中存在的单独约束、诸如在例如机场和车站中的平板显示的不同应用等。

Claims (11)

1.一种用于在发送和接收中工作的无线链接的天线系统，包括至少两个辐射元件，所述两个辐射元件为根据第一极化方向在接收(Rx)中工作的第一辐射元件和根据第二极化方向在发送(Tx)中工作的第二辐射元件，其中：所述第一辐射元件和第二辐射元件被彼此相邻地安放在第一刚性基片上，并且被定向使得：如果包括所述天线系统的第一天线系统和与第一天线系统相同的、并且被相对于第一天线系统平行或成90°定位的第二天线系统一起工作，则第一天线系统的第一辐射元件与相同的第二天线系统的第二辐射元件协作，而第一天线系统的第二辐射元件与相同的第二天线系统的第一辐射元件协作。

2.如权利要求1所述的系统，其中：所述第一刚性基片包括延伸过接收辐射元件的部分的柔性材料层，所述柔性材料层在其另一端包括第二刚性基片。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：柔性材料层(13)构成刚性基片的内层。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述辐射元件在所述第一刚性基片的平面上辐射。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于：使用印制电路技术来实现所述辐射元件。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于：所述辐射元件具有从插槽、Vivaldi、印刷偶极子、Yagi偶极子类型之中选择的结构。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述辐射元件在垂直于第一刚性基片的平面的平面上辐射。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于：采用从印制电路、电介质、陶瓷、3D金属技术之中选择的技术来实现所述辐射元件。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于：当所述第一极化方向和第二极化方向互相垂直时，相对于所述第一天线系统成90°定位所述第二天线系统。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于：从波导、微带连接板、偶极子、辐射槽之中选择辐射元件。

11.如上述权利要求中任一权利要求所述的系统，其特征在于：其包括三个辐射元件，其中用于接收的两个辐射元件(Rx1，Rx2)围绕用于发送的辐射元件(Tx)。

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