CN101346854A - 天线装置及应用 - Google Patents
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Abstract
在天线装置中设置了被安放到导电面(1)上的导电圆柱体(2)。在圆柱体(2)的端面中设置了径向槽(3)。在小于工作波长一半的区域中，圆柱体(2)的高度被选择来以致辐射特性在圆柱轴之外的区域中比在圆柱轴的区域中具有更高的天线增益。
Description
本发明从一种由被装配到导电面上的导电圆柱体组成的天线装置出发。
可简单且紧凑建立的天线尤其是有利于接收如SDARS或者GPS那样的卫星业务。辐射特性、也就是天线方向图必须附加地对不同业务的要求是可调节的。如今通常使用既可以紧凑地和成本有利地制造又可以提供对于卫星业务所要求的(左旋/右旋圆)极化的贴片天线(Patch-Antennen)。在这种类型的天线中，在0°到10°之间的仰角下附加接收垂直极化信号大多由于过小的增益而失败。
诸如贴片天线的目前所采用的天线通常具有以下特性：这些天线在天顶(90°仰角)拥有最大增益，该最大增益向小的仰角迅速下降。但是，在若干系统中适宜的是，将最大增益向更小的仰角偏移(偏移30°)，以致在边缘区中也有足够的增益可供使用。例如，这在对地静止的卫星系统中是适宜的，这些卫星系统由于其轨道变化曲线而只在小的仰角下可以供给其供电范围。由这些低的仰角，大多也产生了在如城市或者山区那样的屏蔽区域中的接收问题。为了仍然实现接收，采用了工作在相同频率范围中但是(垂直)使用另一种极化的中继器(Repeater)。
从US 6,304,224 B1中公知了一种带有长方体形壳体的天线，其中在外墙中具有十字槽结构。折叠的空腔谐振器相对于十字槽结构位于另一外墙中，其中，由于折叠，可以达到小于工作波长一半的外观尺寸。这实现了具有精密圆极化的高功率辐射。
发明内容
利用权利要求1的措施，也就是说在圆柱体的背向导电面的端面上设置了径向槽，由径向槽所构成的扇形体或者槽本身单个地被馈电，在小于工作波长一半的区域中选择圆柱体的高度，以致辐射特性在圆柱轴之外的区域中比在圆柱轴的区域中具有更高的天线增益，尤其是在垂直极化的情况下，能在0°到10°之间的低仰角下达到高的天线增益。视所选择的圆柱体的高度而定，仰角范围中的增益可以被调节来以致在低仰角的情况下提升该增益。另一方面，除了左旋圆极化之外，在相同的端口上，在0°到30°之间的非常低的仰角下，根据本发明的天线也提供垂直分量的高的增益。通过将天线建立在具有高的介电常数的衬底上和/或利用这样的材料来包围该天线，可以进一步降低下面所说明的天线的尺寸。
附图说明
借助附图阐述本发明的实施例。其中：
图1示出了根据本发明的、在圆柱体端面中具有槽的天线的结构，
图2利用电流分布图示出了相同的天线，
图3示出了根据本发明的天线结构的馈电网络，
图4示出了用于激励天线结构的电阻耦合，
图5示出了用于激励天线的场耦合，
图6示出了在左旋圆极化时针对不同圆柱体高度的、天线方向图与仰角的相关性，
图7示出了在左旋圆极化时天线方向图与方位角的相关性，
图8示出了在垂直极化时天线方向图与仰角的相关性，
图9示出了一种根据本发明的具有被延长超出圆柱体边缘的槽的天线，
图10示出了一种根据本发明的天线装置，其中，圆柱体的边界朝辐射方向突出槽的平面，
图11示出了一种具有凹口的如图10中的天线装置，这些凹口在槽的区域中的突出槽平面的边界中，
图12示出了一种天线装置，用相对介电常数高的材料填充该天线装置的圆柱体，
图13示出了一种天线装置，用相对介电常数高的材料填充以及包围该天线装置的圆柱体，
图14示出了一种在圆柱体端面中具有附加槽的天线装置，
图15示出了一种在圆柱形外壳中具有附加槽的天线装置。
具体实施方式
图1示出了按照本发明的天线装置的构造。金属导电圆柱体被装配或被安放到金属导电面1上。该圆柱体2在其背向导电面1的端面上具有径向槽3。在图1的实施例中，这些槽3被构造为互相垂直布置的矩形十字槽，这些十字槽从圆柱体2的中轴直至朝端面的外边界走向。由槽3所构成的扇形体4单个地被馈电。馈电点5位于槽的交叉点附近，即位于圆柱轴附近。
图2利用附加的电流分布图示出了与图1相同的天线装置，其中，通过灰度梯度可以识别强度。
在小于工作波长一半的区域中，圆柱体的高度被选择来以致在圆柱轴之外的区域中、尤其是在外边缘上，辐射特性具有比在圆柱轴的区域中更高的天线增益。这具有以下优点：通过圆柱体的边界来影响低仰角下的增益，以致可以调整天线方向图的仰角范围。
在图6和7中示出了不同装置的天线方向图。在此，已以理想的匹配为前提。针对圆柱体的不同高度，图6根据仰角θ(方位角Φ＝90°)示出了左旋圆极化时的天线方向图。对于h＝9.1mm的情况，在仰角θ＝20°(或160°)时，图7根据方位角示出了天线方向图。LHCP代表了左旋极化分量，而RHCP代表了右旋极化分量。能明显识别：通过高度的减小可以提高在外部区域中的增益，并且可以降低在天顶(Θ＝90°)的增益。该构思总共具有约7mm的微小的结构高度。相反，横向尺寸位于半个波长(λ/2＝64mm)的数量级。用于不仅降低横向尺寸而且降低高度的可能性例如在于：如图12所示出的那样，在圆柱体中采用具有高介电常数的陶瓷材料6。可替换地或者附加地，也可以利用介电材料7包围天线结构(图13)。通过可以将槽3根据图9延长到圆柱体的边缘区中，给出另一影响量。在槽3的区域中，可以将凹口8设置在边界中。圆柱体的附加边界9也可能超出槽3的平面，以致圆柱体2的边界朝辐射方向突出槽3的平面。在边界9中，同样可以将凹口10设置在槽3的区域中(图11)。通过这些措施可以影响天线方向图的仰角范围，以致强调天线方向图的边缘区中的增益。此外，还可以非常简单和成本有利地实施该构思。如图14和15所示的那样，可以在圆柱体2中布置其它同样为矩形的槽，以便覆盖其它的频率范围和/或激励极化。在图14中，在端面中设置了附加的径向槽11，而在图15中在外壳中设置了槽12。在图8中示出了：在方位角Φ＝90°时，在仰角θ上的垂直极化的增益g。该信号可以要么同样在图3中所画入的端口P1上被量取，要么在与端口P1去耦的端口P2上被量取。能明显识别对于较小仰角的增益g的希望的上升。
通过四个相移90°的信号来实现天线的激励(图1和2示出了激励点5)，这些信号通过诸如在图3中所示出的馈电网络13来产生。在这种情况下，通过与90°迂回线路(Umwegleitung)相组合地来使用三个3dB混合器1-3而产生这4个信号。在接收情况下，可以交互地在输入端(图3：端口P1)上量取该进行接收的左旋圆极化信号。通过改变馈电网络13或者互换天线输入，在相同的天线结构中也能接收右旋圆极化场。在图3中用R标识终端电阻。
可以以由文献公知的不同方式来执行信号向天线结构的输送。例如在图1中示出了直接激励的接触部位5。在这种情况下，根据图4，借助导线14，与被布置在导电面1之下的馈电网络13绝缘地使信号通过导电面1，并且将这些信号直接输送给接触部位(欧姆接触)。除了槽宽度之外，还可以将激励的位置(图1：R_A)用于调节天线阻抗。此外，还可以影响天线的输入阻抗，其方式是可替换地通过场耦合来激励天线。在图5中，通过俯视图示意性地详细示出了该场耦合。在此，不同的阴影线表明了圆柱体之内的不同高度(位置)。通过四个在末端上开放的导线15来实现场耦合，这些导线15在槽3之下垂直于这些槽3分布。通过场的过临界耦合来实现激励。通过改变开放的导线15的导线宽度和长度，以及通过改变槽3与导线15之间的间距，可以在很大程度上影响天线的输入阻抗。箭头指明了导线的激励。在图5中，在导线激励装置和与槽3重叠的导线段之间，例如以用于将天线阻抗与导线阻抗相匹配的分支(Stichleitung)的形式示出了适配器14。即使在直接耦合时也可以设置这样的适配器。
Claims (16)
1.天线装置，其由被安放到导电面(1)上的导电圆柱体(2)组成，该天线装置具有以下特征：
-在圆柱体(2)的背向导电面(1)的端面上设置径向槽(3)，
-由径向槽(3)所构成的扇形体(4)或者槽本身单个地被馈电，
-在小于工作波长一半的区域中，圆柱体(2)的高度被选择来以致辐射特性在圆柱轴之外的区域中比在圆柱轴的区域中具有更高的天线增益。
2.按权利要求1所述的天线装置，其特征在于，实现馈电来使得出现了圆极化。
3.按权利要求1或2所述的天线装置，其特征在于，所述槽(3)被延长超出了圆柱体(2)的边缘。
4.按权利要求1至3之一所述的天线装置，其特征在于，圆柱体(2)的边界(9)朝辐射方向突出槽的平面。
5.按权利要求4所述的天线装置，其特征在于，在槽(3)的区域中，凹口(8)被设置在边界中。
6.按权利要求1至5之一所述的天线装置，其特征在于，实现馈电来使得代替圆极化或者除了圆极化之外出现了垂直极化。
7.按权利要求1至6之一所述的天线装置，其特征在于，在圆柱体(2)中，设置了用于激励在其它频率范围中的辐射和/或极化的其它槽(11，12)。
8.按权利要求1至7之一所述的天线装置，其特征在于，所述槽(3，11，12)被构造成矩形。
9.按权利要求1至8之一所述的天线装置，其特征在于，设置了长度分别为圆柱体直径的两个互相垂直布置的槽(3)。
10.按权利要求1至9之一所述的天线装置，其特征在于，通过欧姆接触将扇形体(4)的馈电点(5)与馈电网络(13)相连接。
11.按权利要求1至10之一所述的天线装置，其特征在于，通过场耦合能激励槽(3)。
12.按权利要求11所述的天线装置，其特征在于，为了通过场耦合激励槽(3)，设置了使要激励的槽(3)交叉的耦合导线(15)。
13.按权利要求1至12之一所述的天线装置，其特征在于，为了从唯一的高频源出发来进行馈电，在导电面(1)之下设置馈电网络(13)，该馈电网络(13)通过欧姆接触和相对应地通过导电面(1)而与每个扇形体(4)的馈电点(5)和/或耦合导线相连接。
14.按权利要求10至13之一所述的天线装置，其特征在于，为了将高频源的能量分配到扇形体(4)和/或用于所希望的辐射的耦合导线上，所述馈电网络(13)具有必要时与90°迂回线路相组合的3dB混合器。
15.按权利要求1至15之一所述的天线装置，其特征在于，利用相对介电常数大于1的材料来填充所述圆柱体(2)和/或由该材料来包围所述圆柱体(2)。
16.按权利要求1至15之一所述的天线装置的应用，其不仅用于进行辐射又用于进行接收，其中，设置了3dB混合器，用于在发送路径和接收路径之间分开。
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