CN102544772B - 多波束天线的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包含N个辐射元件(11a，11b)的网络的多波束天线系统，N是偶整数，该网络的元件经由传输线路(11，12)两个两个地连接。该系统另外还包含M个辐射源(S1，S2，S3)，M是大于或等于1的整数，该辐射源每一个都处在离网络中心的距离为Li的位置上，使得距离Li严格小于称为远场的场的距离，以及i从1变化到M。这个系统显著地可以用在MIMO设备中。

Description

多波束天线的系统

技术领域

本发明涉及多波束天线系统，特别是可以用在无线通信的背景下的多波束天线系统，更特别的是在电磁波的传播条件因多条路径而严重恶化的无线家庭网络中的多波束天线系统。

背景技术

对于诸如无线家庭网络、智能网络或类似类型网络之类的新兴应用，作为能够将辐射功率集中在空间的特定方向的天线的定向天线(directiveantenna)的使用被证明特别有吸引力。但是，物理定律迫使天线有一个最小尺寸，随着天线更定向或随着它的工作频率降低，这个尺寸变得更加重要。

直到目前为止，定向天线的使用仍然局限于工作在极高频上、往往具有固定波束、和不具有诸如雷达应用或卫星应用的那些之类的尺寸约束的应用。因此，对于这些应用类型，已知有生成多个波束但由往往复杂并且昂贵的许多模块组成的天线设备。相反，称为反向天线(retrodirectiveantenna)的天线设备使定向波束能够在空间的优先方向非常简单地形成。反向天线网络基于网络的每个天线接收具有特征路径长度差，也就是说，不同相位的源的入射信号的事实。这种相差是发射源的方向特征。事实上，为了沿着源的该方向发射要发送的信号，发送时每个天线之间的相差与接收时每个天线之间的相差相反，以便预测返回路径上的路径长度差就足够。

在反向天线当中，最知名的网络是称为“Van-Atta”网络的网络，1959年10月6日的美国专利Nr2908002对它作过显著描述。如图1所示，Van-Atta型反向网络由相对于网络的中心轴Oy对称的许多辐射元件1a、1b、2a、2b、3a、3b构成。经由具有相等电长度的传输线路(transmissionline)1、2、3，这些辐射元件成对连接，辐射元件1a与辐射元件1b连接，辐射元件2a与辐射元件2b连接，辐射元件3a与辐射元件3b连接，这些天线相对于网络的中心轴是对称相对的。在这种情况下，传输线路引起的相差因此在所有辐射元件上都是相同的，以及两个连续辐射元件之间的相差在接收信号时和在发送反向到最近符号的信号时是相同的。因此，发送网络的辐射元件的信号之间的相差与接收网络的辐射元件的信号之间的相差相反。因此获得发送信号的反向性(retro-directivity)。

但是，这种方法具有一定数量的明显缺点。为了获得信号的反向性，入射波的前沿必须是平直的。另外，天线网络必须是平直的或相对于网络中心或多或少是对称的。由于入射波的前沿必须是平直的，所以有必要将辐射元件的网络设置在远离发送源的场区中。作为结果，直到现在为止，Van-Atta型网络的应用已经仅仅是卫星或雷达型应用。

作为对这些类型反向网络所作的研究的结果，本发明提出了使用辐射元件的网络的原理生成可以用在无线通信中的多波束天线系统，尤其在无线家庭网络中或在经由无线链路通信的对等型网络中，更特别的是，在MIMO(多输入多输出)系统的范围中，而且在具有与以定向天线工作的处理系统相关联的单个天线的天线系统中。

发明内容

因此，本发明的目的是包含N个辐射元件的网络的多波束天线系统，N是偶整数，该网络的元件经由传输线路两个两个地连接，其特征在于，它包含M个辐射源，M是大于或等于1的整数，该辐射源每一个都处在离网络中心的距离为Li的位置上，使得距离Li严格小于称为远场的场的距离，以及i从1变化到M。远场和近场的概念具体描述在如下文章中：《RadiatingZoneBoundariesofShortλ/2andλDipoles》，IEEEAntennasandPropagationMagazinevol.46，No.5，2004年10月。因此，对于相对波长的小尺寸源，距离Li小于1.6λ，其中λ是工作频率上的波长(在空气中，λ＝λ₀，并且在不同媒体中λ＝λ_g，使得其中ε_r和μ_r是媒体的电容率和磁导率)。

按照一个优选实施例，该网络的元件经由具有相同电长度的传输线路两个两个地对称连接，并且辐射源的数量严格大于1。优选的是，在MIMO系统的范围中，辐射源的数量等于MIMO系统的输入数量。

按照另一个实施例，该多波束天线系统包含一个辐射源，以及波束的方向性通过将使得线路的相差能够被修改的有源电路集成到至少一条传输线路中来获得。例如，有源电路可以是描述在2010年11月23日以THOMSONLicensing(汤姆森特许公司)的名称提交的法国专利申请第0958282号中的那些的类型的混合耦合器或滤波器。

按照另一个实施例，将引入恒定相差和使得频率滤波成为可能的无源滤波器引入两个两个地连接网络元件的传输线路中，从而使得能够，例如在接收时，改善噪声抑制，或在发送时，减少来自辐射源的寄生辐射。

按照本发明的不同实施例，该网络的辐射元件由从单极子、贴片、缝隙、喇叭形天线或类似元件当中选择的元件构成。同样，该辐射源也由从单极子、偶极子、贴片、缝隙、喇叭形天线或类似元件当中选择的源构成。

按照一个优选实施例，在将单极子用作网络的辐射元件的情况下，该单极子具有d＝λ/4的尺寸，其中λ是工作频率上的波长。另外，每个辐射元件的距离是λ/4的倍数，其中λ是工作频率上的波长。显然，可以不偏离本发明的范围地考虑其它距离。

另外，当该系统含有几个辐射源时，按照一个实施例，该辐射源之一按照辐射元件网络的对称轴来放置，其它源偏移θi角度，i从2变化到M。按照另一个实施例，该源相对于网络的中心轴是对称的，并且偏移θi角度，i从2变化到M。

附图说明

本发明的其它特点和优点随着阅读如下对几个实施例的描述而出现，该描述是参考附图作出的，在附图中：

已经描述过的图1是VanAtta型反向网络的示意性表示；

图2A是依照本发明的多波束天线系统的第一实施例的示意性透视图，图2B代表图2A的多波束天线系统的放大部分；

图3示出了针对网络元件之间的距离的第一数值和按照使用的源，诸如在图2中示出的源之类的多波束系统的辐射图案；

图4示出了针对网络元件之间的距离的第二数值和按照使用的源，诸如在图2中示出的源之类的第二实施例的辐射图案；

图5是本发明第二实施例的示意性透视图；

图6A和6B用3D示出了按照使用的源的图5的实施例的辐射图案；以及

图7A和7B示出了按照图6A和6B的图案的源的正交平面的2D横截面。

具体实施例

首先参考图2、3和4对依照本发明的多波束天线系统的第一实施例加以描述。在与接地平面一起提供的大尺寸的基板10上，已经实现包含VanAtta型单极子和几个源的网络的系统，如下文更详细所述，该单极子被设置在与源接近的场中。

在所示的实施例中，基板是长度为L＝4.6λ的正方形，其中λ是工作频率上的波长(在空气中，λ＝λ₀)。如图2B更详细所示，天线部分由在所示的实施例中由高度为h～λ₀/4的单极子形成的4个元件11a、11b、12a和12b的网络构成。单极子11a、12a、12b和11b彼此相隔距离d，并且经由在所示的实施例中是VanAtta型的用微带技术实现的线路的网络两个两个地连接，也就是说，连接两个单极子的线路具有相同电长度以获得相同相位。更具体地说，两个外部单极子11a和11b经由线路11连接，而单极子12a经由线路12与单极子12b连接，整体相对于轴Oy是对称的。

在上面表示的实施例中，已经使用VanAtta型网络，但是，对于本领域的技术人员来说，显然，也可以使用使得能够控制返回到源的波束的方向的不同网络。此外，所示的网络元件是单极子。但是，对于本领域的技术人员来说，明显的是，对于网络也可以使用其它类型的元件，特别是，如下文所描述，贴片或缝隙。

依照本发明，几个辐射源处在与单极子网络相对离网络的距离为Li的位置上。距离Li以减小天线系统总尺寸的方式选择。在本情况下，小于远场的距离。对于尺寸接近或小于波长(λ₀)的天线，距离Li小于1.6λ₀，其中λ₀是工作频率上的波长。因此，在图2B中所示的实施例中，中心与对应于网络对称轴的轴Oy有关的第一源S1处在离网络中心的距离为L的位置上，第二源S2处在离网络中心的距离为LS1的位置上，以及第三源S3处在离网络中心的距离为LS1、相对于源S1与S2对称的位置上。作为结果，源S1和S2相对于源S2偏移了θi角度。

在所示的实施例中，源S1、S2和S3由高度为λ₀/4的单极子构成。但是，对于本领域的技术人员来说，很明显，也可以考虑其它类型辐射源。为了获得紧凑多波束天线系统而注重的条件之一是N个辐射元件的网络位于与该一个或多个源接近的场区中。如果源具有接近或小于λ₀的尺寸，则这个条件是通过将源放置在包括在离网络中心在λ₀到1.6λ₀之间的距离上来达到，其中λ₀是工作频率上的波长。在相反情况下，远场的距离通过本领域的技术人员熟知的公式2*D²/λ₀来确定，其中D是天线的最大尺寸。

图2B的实施例已经使用ANSYS公司的3D(HFSS)电磁模拟器作了模拟。考虑到互耦，对网络元件之间的偏离使用两个不同值进行模拟，即，对于第一实施例，d＝λ₀/2，以及对于第二实施例，d＝λ₀/4，而其它尺寸，即，距离L＝0.4λ₀，距离LS1＝λ₀和角度θ1＝60°对于两个实施例完全相同。

图3示出了针对第一实施例获得的结果，而图4示出了针对第二实施例获得的结果。

在这些图中，激发的源用黑圆圈表示。当一个源被激发时，它在方位角平面上以全向方式辐射。作为结果，该源照射网络，网络的每个元件都捕获到部分信号。这是朝着经由相应微带线自身连接的元件的重新注入。所得图案是源和网络辐射的叠加。从图3中可以注意到，该图案按照激发源的位置沿着不同方向取向，这使得利用表示在图2B中的系统获得的多波束系统成为可能，这是因为获得网络的定向辐射。这种辐射可以通过将有源部分插入网络中来修改，以便使源的辐射最小化。源和网络的贡献可以通过改变源与网络之间的距离(耦合+/-强度)来修改，但也可以在传输线路的层次上通过将例如双向放大电路插入网络中来修改。易于理解，作为结果，网络将具有比激发源更大的贡献。随着在链路中更上游的地方出现放大，这也提供了接收时与噪声有关的优点。因此，这使整个设备的信噪比得到提高。

在第二实施例中，网络的元件间距离较小。随着源被放置在相对于网络中心相同距离的位置上，网络的极端元件之间的相位和幅度差因此而减小。将注意到，如图4所示，获得的辐射图案关于它们的方向性更加突出。事实上，如对于源S2和S3所示，获得的最大辐射不是在源的方向上，而是在不同方向上。通过使用按照本发明的多波束天线系统，因此可以同时在优先方向获得多个波束。因此可以容易地将这个系统与MIMO型设备集成在一起，MIMO的每个输入端与源S1、S2或S3之一连接或经由波束选择设备与之连接。

现在，我们将参考图5到7描述本发明的不同实施例。在这个实施例中，在由例如3个导电层的FR4(ε₄＝4.4，tanδ＝0.02)类型的多层基板构成的基板20上，产生了4个“贴片”型辐射元件的网络。贴片21a、22a、22b、21b是印刷在基板上和在5.7GHz的频率上彼此相隔λ₀/2距离的半波贴片。如图5所示，这些贴片经由相同电长度的传输线路21和22两个两个地连接(21a和21b，22a和22b)。在所示的实施例中，传输线路经由利用宽度2.69毫米和厚度1.4毫米的微带技术生产的线路构成。将它们安排在基板的两侧，以避免任何跨接，下侧的线路经由金属化孔与网络元件连接。

在图5的实施例中，辐射源由在5.7GHz的频率上长度为λ₀/2和直径为1毫米的两个偶极子23、24构成。偶极子23、24处在离网络中心的距离为1.1λ₀和相对于穿过网络中心的法线角度为60°的位置上。

上面描述对天线系统的模拟使用与用于所描述的其它实施例相同的工具来进行。图6A和7A示出了使用偶极子23时获得的辐射图案，而图6B和7B示出了使用偶极子24时获得的辐射图案。在这些不同图案上沿着所选的源的方向可以清楚地看到波束的角偏差。

因此，通过关联靠近一个或几个辐射源的电磁场中的VanAtta型或类似类型辐射元件的网络，能够构建尤其可以显著用在MIMO设备中的多波束系统，即使网络的行为不是完全反向的，也同样可以。

Claims (8)

1.一种包含N个辐射元件(11a，11b，12a，12b，21a，21b，22a，22b)的网络的多波束天线系统，N是整数，该网络的元件经由传输线路(11，12；21，22)两个两个地连接，其特征在于，它另外包含M个辐射源(S1，S2，S3；23，24)，M是大于或等于1的整数，该辐射源每一个都处在离网络中心的距离为Li的位置上，使得距离Li严格小于称为远场的场的距离，以及i从1变化到M，其中该网络是能够控制返回到源的波束的方向的网络，其中，如果M等于1，则波束的方向性通过将使得线路的相差能够被修改的有源或无源电路集成到至少一条传输线路中来获得。

2.根据权利要求1所述的多波束天线系统，其特征在于，该网络的元件经由具有相同电长度的传输线路两个两个地对称连接，以及辐射源的数量严格大于1。

3.根据权利要求1所述的多波束天线系统，其特征在于，有源电路是从混合耦合器或滤波器当中选择的。

4.根据权利要求1所述的多波束天线系统，其特征在于，无源电路是无源滤波器。

5.根据前面权利要求之一所述的多波束天线系统，其特征在于，该网络的辐射元件由从单极子、贴片、缝隙、或喇叭形天线当中选择的元件构成。

6.根据权利要求1到4之一所述的多波束天线系统，其特征在于，该辐射源由从单极子、偶极子、贴片、缝隙、或喇叭形天线当中选择的源构成。

7.根据权利要求1到4之一所述的多波束天线系统，其特征在于，当该系统含有几个辐射源时，该辐射源之一根据辐射元件网络的对称轴来放置，其它源偏移θi角度，i从2变化到M。

8.根据权利要求1到4的任何一项所述的多波束天线系统，其特征在于，当该系统含有几个辐射源时，该源相对于网络的中心轴是对称的，并且偏移θi角度，i从2变化到M。