CN102067382A - 天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于接收和发射某一频带内的无线电信号的天线（1）。该天线（1）包括能够辐射所述天线的操作频带内的线性极化无线电信号的辐射器元件（3）。后者还包括支持元件（2）和至少一个安装在所述支持元件上的第一导向器元件（4）。该导向器元件包括体，所述体在天线的操作频带内是传导的。所述体的形状使得其在与天线的最大增益方向正交的平面上的投影包围有限的平面部分。

Description

天线

技术领域

本发明涉及根据权利要求1前序部分所述的天线。

背景技术

现今已知若干种类型的天线，可以根据诸如接收圆极化的线性的能力之类的许多特征来对它们进行分类。一般而言，天线包括三个基本元件：生成由天线发射的电磁场（即无线电信号）的辐射器（radiator）、反射器和一个或多个修正这样的场以使天线更具方向性（directive）的导向器（director）。Yagi-Uda天线允许接收和发射线性极化的电磁场；这些天线装备有适于生成这样的场的辐射器（例如λ/2偶极子（dipole）或弯曲（bent）偶极子）和适于接收线性极化（即线性极化电场）的直线形导向器（通常为金属棒）。这种天线从专利申请GB 2406971中已知，该专利申请描述了天线，这些天线的导向器是放在天线悬臂（boom）上的金属棒，或者是具有插入在非传导性（dielectric）外壳中并以十字形图案从其中出来的金属棒的X形元件。作为替代，Yagi环状天线可以接收具有椭圆极化或圆极化的无线电波，并且其特征在于具有圆形横截面的环形辐射器和导向器。在导向器的数量、提供至辐射器的功率以及天线的长度相等的情况下，该第二类型的天线通常更具方向性并提供了比Yagi-Uda天线更宽的带宽。

然而，Yagi环状天线具有如下缺点：不可能在水平极化无线电信号和垂直极化无线电信号之间进行区分。

发明内容

本发明的目的是提供一种替换现有技术的天线。

特别地，本发明的主要目的是改进用于接收线性极化信号的已知天线的方向性和增益。

通过合并所附权利要求书中陈述的特征的天线实现了这些目的，所附权利要求书旨在作为本说明书的组成部分。

本发明基于如下思想，即，使用能够生成和接收线性极化电磁场（即无线电信号）的辐射器，以及使用适于接收具有椭圆极化或圆极化的电磁场的导向器。

所述导向器具有旨在接收圆极化的体，所述体在天线的操作频率内是传导的（conductive），所述传导体使得其在与天线的最大增益方向正交的平面上的投影包围（enclose）所述平面的有限部分。

例如，所述投影可以是环状物（具有圆或椭圆的形状），或者更一般地，其可以是至少在一个点往回靠拢（close back）到其自身的图形，比如套索（noose）。

事实上，申请人完成的测试已经示出，这种类型的导向器增大了天线的增益，即使所述辐射器被用于生成或接收线性极化的电磁场。

有利地，天线的导向器元件可以包括螺旋元件，该螺旋元件具有平行于天线的最大增益方向或与该方向一致的螺旋旋转轴。这个解决方案提供了天线的组装过程被简化以及天线在机械上更坚固的优势。

附图说明

根据下面的以非限制性实例提供的描述和附图，本发明的其他目的和优点将变得清楚明白，在附图中：

图1示出了根据本发明第一实施例的天线的两个透视图；

图2a和2b示出了可以在图1的天线中使用的辐射器的两个实例；

图3a-3d示出了根据本发明的天线的导向器元件的一些可能形状；

图4示出了根据本发明第二实施例的天线；

图5a-5i示出了根据本发明的天线的反射器栅格（grid）的一些可能形状；

图6示出了根据本发明第三实施例的天线；以及

图7示出了包括根据本发明的两个天线的天线阵列。

具体实施方式

图1示出了根据本发明第一实施例的天线1。

天线1被设计为接收和发射UHF频带（band）内的线性极化的无线电信号。

天线1包括支持（support）元件2，其在图1的实例中是棒（在工业界中被称为“悬臂”），在其上安装辐射器3、导向器4和反射器5。天线1还提供有配件（fitting）6，可以通过该配件6将天线1安装到杆（pole）7上。

在图1的实例中，图2a中所示的辐射器3是双锥形（biconic）偶极子并可以生成和接收线性极化的无线电信号。

图2a中所示类型的辐射器例如是安装在由Fracarro Radioindustrie S.p.A出售的BLU420F天线上的那些辐射器，并且包括导体31，其典型地为金属棒或板，其被以形成类似双锥形结构的双须（two-whisker）结构的方式弯曲。

辐射器3还配备有在外壳32内部放置的巴伦（balun），其允许辐射器3的阻抗适于天线将例如通过由附图标记33指代的连接器F连接到的同轴电缆的阻抗。

借助于巴伦，天线接收交变电压信号，该交变电压信号然后被传送至导体31，在该导体31中创建了时变电荷分布，以便生成线性极化的电磁场，即将被发射的无线电信号。

相反地，当天线用在接收中时，所接收的电磁场在导体31中产生时变电荷分布，即然后通过巴伦被传送至同轴电缆的电流。

辐射器3还装备有配件34，该配件34用于其到天线悬臂2的连接。

辐射器的选择不具约束性，只要辐射器适于生成并接收线性极化；因此，也可以使用其他类型的辐射器，例如图2b中所示的那个辐射器。图2b示出了一种弯曲的辐射器，其中导体31是以某种方式弯曲以形成“蝴蝶”外形的棒。这种辐射器例如安装在由Fracarro Radioindustrie S.p.A出售的TAU15/45天线上。

尽管天线1被设计成接收和发射线性极化的无线电信号，（除了线性极化的信号之外）导向器4还可以接收具有圆极化或椭圆极化的电磁场的无线电信号。

如已知的那样，在具有圆极化或椭圆极化的场的情况下，电场可以被分解为两个偏移（offset）正交的（水平的和垂直的）矢量分量，以便最后得到的场的方向随着时间改变。

因此，能够接收具有圆极化或椭圆极化的场的每个导向器元件4可以在任何时刻接收最后得到的电场的这两个分量。

在图1的实例中，天线包括六个导向器4，每个导向器都包括圆形金属环状物。

每个导向器4借助于非传导性锚定元件41被固定至悬臂2，在图1的实例中，该非传导性锚定元件41将悬臂2保持在由导向器4的周界限定的区域内。

可替换地，导向器4可以以使得悬臂保持在由导向器4的周界限定的区域外部的方式来安装。

一般而言，导向器4以使得其几何中心沿着匹配天线的最大增益方向的轴对准的方式安装。

锚定元件41优选地包括夹钳（clamp），该夹钳允许锚定元件41容易地安装在所述悬臂上并且随后可以例如借助于螺丝钉紧固所述夹钳。

如已知的那样，导向器4在悬臂2上的位置取决于将从天线1获得的增益和回波损耗值，而导向器的维度与由天线1接收的频带密切相关。

对于接收UHF频带信号（470MHz-862MHz）的天线，导向器可以有利地包括以彼此间的距离约为10cm的方式布置的直径大约为10cm的圆形环状物，其中辐射器定位为距离反射器约20cm且距离最近的导向器约5cm。

在图1的实例中，天线被设计为接收UHF频带信号；所述元件沿着悬臂的布置已如下进行了优化：

- 辐射器3定位为与（二面类型的）反射器5安装在悬臂2上的点的距离d ₁ 为20cm，

- 第一导向器定位为与辐射器的距离d ₂ 为5cm，

- 第二导向器定位为与第一导向器的距离d ₃ 为11cm，

- 第三导向器定位为与第二导向器的距离d ₄ 为8cm，

- 第四导向器定位为与第三导向器的距离d ₅ 为9cm，

- 第五导向器定位为与第四导向器的距离d ₆ 为9cm，

- 第六导向器定位为与第五导向器的距离d ₇ 为9cm。

通过使用直径为10cm的导向器，如此优化的天线具有匹配悬臂的纵轴的最大增益方向；在感兴趣的UHF频带中，它在整个频带上具有12dBi（在470MHz处）和15dBi（在862MHz处）之间的增益和低于-14dB的回波损耗。

尽管在图1的实例中，导向器包括圆形金属环状物，但是这个形状不认为是限制性的；事实上，不同的形状也是可能的，如在图3a-3d中以实例方式示出的那样。

在所有情况下，为了接收给定频带内的圆极化信号，所述导向器包括至少一个体，所述体在该频带内是传导的，并且以使得所述体在与辐射器的最大增益方向正交的平面上的投影包围所述平面的有限部分的方式定形。

因此导向器4可以具有螺旋形状，如图3a中所示，并优选地以使得螺旋轴平行于天线的最大增益方向或与该方向一致的方式安装在悬臂上。

因此当如此安装的螺旋被投影到与最大增益方向正交的平面上时，获得了环状物，即包围平面部分的图形。

要是所述螺旋具有未与最大增益的轴正交的倾斜轴，那么所述螺旋在与最大增益的轴正交的平面上的投影将会是曲线，该曲线包括彼此连接的一连串套索，每个套索是包围有限平面部分的图形。

作为替换，导向器4可以具有多边形的形状，例如六边形（图3b）或八边形（图3c）。

同样，在另一个实施例中，导向器4可以具有椭圆形状（图3d）。

优选地，将所述导向器转角（corner）（如果有的话，例如图3b和3c）被修圆（round off）。

导向器4优选地包括例如金属片圆筒或金属棒的单件金属体。

可替换地，导向器4可以包括多个焊接在一起或借助于（例如金属夹钳）接合的金属元件。

可替换地，导向器4还可以包括具有金属覆盖（例如铝箔）的绝缘芯（例如由塑料制成）。

所述传导体还可以包括电容器，例如平面（flat－faced）电容器，它是天线在其中操作的频率带内的闭合电路。以此方式，所述体在感兴趣的频率带中是传导的，即使它的一部分包括非传导性材料。

如果导向器4是闭合的环状物，如图3b-3d所示，那么其优选地以使之位于与天线的最大增益方向正交的平面中的方式来安装。此外，安装在相同悬臂上的导向器优选地以使得其几何中心沿着平行于天线的最大增益方向的轴对准的方式布置，从而增强天线增益。

天线反射器5可以或者是二面的（如图1中所示）或者是平的。

在图1的实例中，反射器5是包括两个金属栅格51的结构，所述两个金属栅格51布置在悬臂的相对侧上，以便对应于二面角的面。所述栅格安装在支持结构52上，该支持结构52的特征在于栅格插入在其中的合适的狭槽53中。当安装在结构52上时，栅格51与水平平面（即与图1的辐射器3的最大增益方向）形成60°的角θ。

在图4中示出了具有正方形平反射器的天线的实例，其中图1的相同附图标记指代同样的或等价的项目（item）。

图4的天线具有被用作图1的双锥形偶极子辐射器的替代的弯曲偶极子辐射器3（图2b）和包括垂直（即垂直于辐射器的最大增益方向）安装的单个栅格51的平反射器。

可替换地，平反射器可以借助于两个或更多个布置在悬臂的相对侧上且位于与之正交的一个平面中的栅格来获得。

图5a-5f示出了可以用于根据本发明的天线中的（平的或二面的）反射器的栅格51的一些可能实施例；具体说来：

● 在图5a中，栅格51具有椭圆形状

● 在图5b中，栅格51具有八边形的形状

● 在图5c中，栅格51具有六边形的形状

● 在图5d中，栅格51具有圆形形状

● 在图5e中，栅格51具有五边形的形状

● 在图5f中，栅格51具有矩形的形状。

不管是平的还是二面的，所述反射器都可以被提供为完全由以十字形图案布置的金属元件构成（如图5a-5f所示）的栅格，或者它也可以包括非传导性元件。

在图5g-5i（所谓的“管”解决方案）的实例中，栅格51由多个（实心或中空的）金属棒54制成，所述金属棒54彼此平行地安装在包括金属的中心竖直体（upright）55和由金属材料或非传导性材料制成的两个侧竖直体56的结构上。

所述棒的数量、维度和间隔可以改变以便改进天线的方向性和增益；在图5g的实例中，所述反射器栅格包括七根棒；在图5h中，有五根棒；在图5i中，有三根棒。

在图5g-5i的实例中，所述栅格在将更靠近于安装位置中的悬臂的部分（在这些图的下部）中更密集（即棒更紧密地在一起）；这提供了改进天线的前向/后向比率的效果。

而在图5g和5h中，侧竖直体56包括金属板，在图5i中，以棒53固定于其中的非传导性外壳的形式提供侧竖直体56。

根据上面的描述本发明的优势是清楚明白的，因此清楚的是，本领域技术人员可以对其进行许多变化，而不背离本发明的保护范围。

例如，天线可以包括多个安装在一个或多个支持元件上的、具有不同形状（例如螺旋环状物和圆形环状物）的导向器。

安装在相同棒上的导向器，甚至在具有不同形状时，优选地以使得各自中心沿着平行于天线的最大增益方向或与该方向一致的轴对准的方式对准。

同样，辐射器可以是任何能够生成和接收线性极化电磁场的设备，例如，它可以包括一对以V图案对称布置的导体（这个解决方案也被称为双V或扇形天线），以便获得两个半波偶极子。

而且，辐射器3可以不直接安装在悬臂上。这是例如图6中所示天线的情况，其中单个辐射器3放置在两个悬臂2a和2b之间，每一个配备有各自的导向器4a和4b，在图6的实例中，其数目为每悬臂十个。

图6的辐射器3以使得最大增益方向是平行于两个悬臂2a和2b的直线的方式来安装。

图6的天线包括单个反射器5，该反射器5的大小适合于覆盖辐射器3以及两个悬臂2a和2b；反射器5是二面类型的，其中两个栅格51安装在提供于两个悬臂2a和2b上的两个支持结构52a和52b上。

为了使悬臂处于适当的位置并且同时支持辐射器3，图6的天线包括三个非传导性横档（crosspiece）8、9和10，它们使悬臂2a和2b彼此平行。

横档9支持辐射器3，横档10通过配件61将悬臂连接至杆7，并且横档8通过防止两个悬臂2a和2b之间的任何相对移动（例如由风引起的）来使天线的整体结构变得紧固。

此外，清楚的是，上述发明也可以应用于天线阵列，这意味着一组天线具有公用的反射器。

图7中示出了天线阵列的实例，其中所述阵列包括两个天线，每个天线提供有安装在两个相应悬臂2a和2b上的导向器4a和4b以及它自己的辐射器3a和3b。

图7的阵列使用两个天线所公用的单个反射器5。

Claims (15)

1. 用于接收和发射频带内的无线电信号的天线（1），其包括：适于辐射所述频带内的线性极化无线电信号的辐射器元件（3）；支持元件（2）；以及至少一个安装在所述支持元件（2）上并包括体的第一导向器元件（4），所述体在所述频带内是传导的，其特征在于，所述体在与天线的最大增益方向正交的平面上的投影包围所述平面的有限部分。

2. 根据权利要求1所述的天线，其中所述传导体具有螺旋形状并在平行于所述最大增益方向的方向上延伸。

3. 根据权利要求1所述的天线，其中所述传导体是环状物。

4. 根据权利要求3所述的天线，其中所述环状物具有椭圆形状。

5. 根据权利要求3所述的天线，其中所述环状物具有圆形形状。

6. 根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中所述传导体由金属制成。

7. 根据权利要求1至6中任一项所述的天线，其中所述体包括具有金属覆盖的绝缘芯。

8. 根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中所述体包括电容器，所述电容器是所述频带内的闭合电路。

9. 根据前述权利要求中任一项所述的天线，包括多个导向器元件，其中所述导向器元件的传导体的几何中心沿着天线的所述最大增益方向对准。

10. 根据权利要求9所述的天线，其中第二导向器元件具有与所述第一导向器元件的形状不同的形状。

11. 根据权利要求9所述的天线，其中所述至少一个导向器元件包括六个导向器元件，以及其中所述天线还包括至少一个安装在所述支持元件上的金属栅格（51），并且其中：

- 所述辐射器（3）定位为与所述栅格安装在所述支持元件（2）上的点的距离（d ₁ ）为20cm，

- 第一导向器定位为与辐射器的距离（d ₂ ）为5cm，

- 第二导向器定位为与第一导向器的距离（d ₃ ）为11cm，

- 第三导向器定位为与第二导向器的距离（d ₄ ）为8cm，

- 第四导向器定位为与第三导向器的距离（d ₅ ）为9cm，

- 第五导向器定位为与第四导向器的距离（d ₆ ）为9cm，

- 第六导向器定位为与第五导向器的距离（d ₇ ）为9cm。

12. 根据权利要求11所述的天线，其中所述至少一个导向器元件具有以直径为10cm的圆形环状物的形式提供的传导体。

13. 根据前述权利要求中任一项所述的天线，包括至少一个第二支持元件（2b）和至少一个安装在所述第二支持元件（2b）上的第二导向器元件（4b），其中所述辐射器元件布置在天线的所述两个支持元件之间。

14. 根据前述权利要求中任一项所述的天线，包括至少一个第二支持元件（2b）、一个适于辐射所述频带内的线性极化无线电信号的第二辐射器（3b）、以及至少一个第二导向器元件（4b），其中所述第二辐射器元件（3b）和所述第二导向器元件（4b）安装在所述第二支持元件（2b）上。

15. 根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中所述至少一个导向器元件适于在任何时刻接收具有圆极化或椭圆极化的电磁波的电场。

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