CN102570052A - 多波束天线的紧凑系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多波束天线系统，其包括M个辐射源和N个辐射元件(11a，11b，11c，11d，12a，12b，12c，12d)的P个网络(11，12)，P大于1而N是偶数，网络元件经由相同电长度的传输线(11’，11”，12’，12”)两两相连。另外，P个网络共同位置位于每个网络的中心(O)，M个辐射源(S1，S2，S3，S4)每一个位于距所述中心距离Li处，所述距离Li严格小于被称为远场的场的距离并且i从1变化到M。该系统可以在MIMO类型的设备中使用。

Description

多波束天线的紧凑系统

技术领域

本发明涉及一种紧凑的多波束天线系统，具体地涉及一种可以在无线通信环境中使用的多波束天线系统，所述无线通信环境更具体地是其中由于多个路径引起电磁波的传播条件非常不利的无线家用网络。

背景技术

对于诸如无线家庭网络、智能网络或者类似类型的网络之类新兴应用，作为能够在空间的特定方向上聚焦辐射功率的天线的定向天线的使用正在被证明尤其是有吸引力的。然而，物理定律对天线施加了最小尺寸，由于天线更定向或者由于其操作频率低，所以该尺寸更加重要。

迄今为止，定向天线的使用仍然被局限在以非常高频率操作的、通常具有固定波束，并且不具有诸如雷达应用或者卫星应用的那些尺寸之类的尺寸约束的应用。由此，对于这些应用类型，已知生成多个波束但是由大量通常复杂且昂贵的模块组成的天线装置。相反，被称作反向(retro-directive)的天线装置使得能够以空间的优先方向非常简单地形成定向波束。反向天线网络是基于网络的每个天线接收具有路径-长度差(也就是说，差相位)特性的源的入射信号的事实。该相位差是发射源的方向的特性。事实上，为了在源的方向上发射要发送的信号，其满足传送处的每个天线之间的相位差与接收处的每个天线的相位差相反以便预见返回路径上的路径-长度差。

在反向天线中，最众所周知的网络是被称作“Van-Atta”网络的网络，其在1959年10月6日的美国专利Nr 2908002特别进行了描述。如图1中所示，Van-Atta类型的反向网络由关于网络的中心轴Oy对称的多个辐射元件1a、1b、2a、2b、3a、3b构成。辐射元件被连接成对，经由具有相等电长度的传输线1、2、3，辐射元件1a连接到辐射元件1b，辐射元件2a连接到辐射元件2b，辐射元件3a连接到辐射元件3b，天线关于网络的中心轴反对称。在该情形下，因此，由传输线引入的相移在所有辐射元件上相同并且两个连续辐射元件之间的相位差在反向到最接近的符号(closest sign)的信号的接收和信号的传送中是相同的。因此，传送网络的辐射元件的信号之间的相位差与接收网络的辐射元件的信号之间的相位差相反。由此获得传送的信号的反向性。

然而，该方法具有某些显著的缺陷。因此，为了获得信号的反向性，入射波的前端必须是平直的(flat)。另外，天线网络必须是平直的或者关于网络中心或多或少对称。由于入射波的前端必须是平直的，辐射元件的网络必须位于远离传送器源的场区。结果，到目前为止，Van-Atta网络的应用仅仅是卫星或者雷达类型的应用。

随着对这些类型的反向网络进行的研究，在与本文同一天提交的、标题为“System of multi-beam antennas”的法国专利申请中已经提出使用位于与接近网络的场的区域的源相关联的Van Atta类型的辐射元件的网络的原理以便产生能够在无线通信应用，特别是在无线家庭网络或者经由无线链路通信的对等类型的网络中，使用的多波束天线的系统，更具体地，在被称为MIMO(多输入多输出)系统的系统范围中，而且在具有与利用定向天线操作的处理系统相关联的单个天线的天线系统中。

发明内容

在本专利申请中，多波束天线系统包括N个辐射元件的网络，N是偶数，网络的元件经由传输线两两连接。该系统另外包括M个辐射源，M是大于或者等于1的整数，(多个)辐射源中的每一个位于距网络的中心Li的距离处使得距离Li严格小于被称为远场的场的距离。

本专利申请涉及一种对该网络类型的改进，其使得能够获得辐射波束的更好的定向性并产生作为结果的更高定向性的多波束天线系统。

由此，本发明的目的是一种多波束天线系统，其包括M个辐射源和N个辐射元件的P个网络，P大于1而N是偶数，所述网络的元件经由相同电长度的传输线两两相连，其特征在于P个网络共同位置位于每个网络的中心并且在于M个辐射源每一个位于距所述中心距离Li处，所述距离Li严格小于被称为远场的场的距离并且i从1变化到M。

远场和近场的概念由S.Laybros和P.F.Combes在2004年10月的IEEEAntennas and Propagation magazine，Vol.46，No.5标题为″On radiatingzone band erase of short，λ/2and λdipole″的论文中进行了特别描述。

由此，当源具有相对于波长的小尺寸时，源和网络的共同位置中心之间的距离Li小于1.6λ，其中λ是操作频率处的波长。

根据优选实施例，源和网络的该共同位置中心之间的距离Li在M个源之间相等，并且被包括在0.3λ和0.5λ之间。

根据本发明的另一特征，M个源被布置为关于P个网络的共同位置源对称。

优选地，N个辐射元件的每一个网络在传输线级别包括使得能够控制所述网络的辐射图案的相移部件。

根据优选实施例，相移部件由传输线的分段构成。

此外，根据本发明的另一特征，网络的两个辐射元件之间的距离是λ/4的倍数，其中λ是操作频率处的波长。

根据使得能够获得超定向性天线系统的不同特征，两个辐射元件之间的距离小于λ/4，其中λ是操作频率处的波长。

根据各种实施例，所述辐射元件是从单极子天线、贴片(patch)天线、缝隙(slot)天线、喇叭(horn)天线或者类似元件中选择的。同样地，所述源是从单极子天线、贴片天线、缝隙天线、喇叭天线或者类似元件中选择的。

附图说明

在阅读若干实施例的以下描述时，将出现本发明的其它特征和优点，该描述是参照附图进行的，其中：

已经描述的图1是Van Atta类型反向网络的图示表示。

图2是依据本发明的多波束天线系统的第一实施例的从上面看的图示视图。

图3示出在由源S1提供波束时，图2的多波束天线系统的辐射图。

图4是本发明的第二实施例的图示视图。

图5示出了在网络经由系统的不同源照亮(light)时，图4的实施例的辐射图。

图6是本发明的第三实施例的图示视图。

图7是示出用于源或者用于辐射元件的元件的实施例的图6的系统的正视图。

图8示出在由源S1照亮网络时，对于不同操作频率的图6的多波束天线系统的辐射图。

具体实施方式

首先将参照图2和图3给出依据本发明的紧凑的多波束天线系统的第一实施例的描述。

在配备接地平面的大尺寸的基板10上，天线系统由此已经产生包括两个Van Atta类型的单极子网络和对称地位于网络周围的若干源。将如下文中更详细解释的，单极子位于接近源的场中。在图2的实施例中，基板10是具有250×250mm尺寸的接地平面的正方形基板。其优选地使用FR4类型(εr＝4.4并且tan(delta)＝0.02)的多层标准基板产生。基板具有1.4mm的厚度。如图2中所示，在基板10上已经产生了两个反向类型的网络，每个由四个间隔距离d的1/4波长单极子(quarter wave monopole)构成，在所示的实施例中，d被选择为等于0.2λ0，λ0是操作频率处的波长(在空气中，λ＝λ0)。

在本发明中，通过反向，被理解为元件以波到达的方向返回能量的网络，不一定是平面。

更具体地，第一网络11由此包括四个1/4波长单极子11a，11b，11c，11d，所述单极子经由以微带(microstrip)技术所产生的中间的电源线11’和11”两两连接。由此，单极子11a和11d经由线11”连接，单极子11b和11c经由线11’连接。此外，电源线11’和11”具有相同的电长度，所述电长度形成以上解释的作为结果的反向网络。

此外，如图2所示，四个单极子的网络11具有相移部件，使得能够修改辐射图案的朝向，如下文所解释的。这些相移部件由电源线11’和11”上的标记为“I”的线路分段构成。

在基板10上，第二反向网络12自身也被示为由四个彼此间隔相同距离的1/4波长单极子12a、12b、12c、12d构成，即，在示出的实施例中，d＝0.2λ0。关于第一网络，单极子两两连接，即单极子12a和12d以及单极子12b和12c经由相同电长度的传输线12’和12”连接。网络12还包括由微带线“I’”的分段形成的相移部件。

如图2中所示，两个网络优选地是对称的并且共同位置位于在点O处。本领域技术人员清楚的是，还可以使用在单极子之间具有不同距离的网络，如每一个具有不同数量的辐射元件的网络，唯一的条件是辐射元件的数量是偶数并且该网络以反向方式操作。

如图2中所示，向网络11和12提供由1/4波长单极子构成的四个源S1、S2、S3和S4。各源被布置为关于两个网络11和12对称并且关于中心O位于相同的距离L。选择源之一与两个网络的共同位置的中心O之间的距离L使得网络的单极子位于接近源的场中，也就是当源是小尺寸时，它被选择为小于1.6λ。

基于完成的元件方法，使用Ansys公司的3D HFSS电磁软件对图2中所示的实施例进行了仿真。如上述的，源由λ/4尺寸的单极子构成。两个网络包括由高度λ/4的单极子形成的辐射元件。电源线是具有宽度3.57μm的微带线以获得厚度0.2mm的50欧姆的特性阻抗并且基板是FR4。为值L选择的尺寸使得L＝0.5λ0。

仿真表明利用如图2中表示的系统，通过优化电源线上相移部件“I”、“I’”，对于源S1获得如图3中所示的辐射图案。由源S1以及两个反向网络的作用产生的该辐射图案在源S1的方向上具有强的定向性。图2中所示的网络是对称的，在源S2、S3和S4的方向中对于辐射图案获得类似的结果。获得的辐射图案关于瞄准的方向是对称的，这使得在天线接入的级别处，更好地对信号进行解相关。此外，在图2和图3中所示的源/网络拓扑的几何对称性的情况下，可以利用类似的并且对称的图案同时瞄准四个不同方向，这使得能够进行在诸如MIMO系统之类的系统中感兴趣的应用。

现在参照图4至图5描述本发明的第二实施例。在图4中，示出了包括三个反向网络21、22、23的天线系统。在该实施例中，三个网络21、22、23是共同位置位于中心0的相同结构的网络。更具体地每个网络21、22或23包括四个辐射元件，即，四个1/4波长单极子21a、21b、21c、21d，22a、22b、22c、22d和23a、23b、23c、23d。在该情形下，由尺寸λ/4的单极子构成的辐射元件经由构成相同长度的电线的电源线21’、21”、22’、22”以及23’、23”两两连接。对于每个网络，执行如在第一实施例中的单极子之间的连接并且电源线21’、21”、22’、22”以及23’、23”具有从一个网络到另一个网络的相同的长度。此外，如图4中所示，经由在三个网络的周边对称分布的1/4波长单极子构成的6个电源S’1、S’2、S’3、S’4、S’5、S’6提供三个共同位置的定向网络。更具体地，反向网络的两个单极子之间的距离是0.2λ0，同时源S’1、S’2、S’3、S’4、S’5、S’6位于距中心O距离L＝0.4λ0。由此，两个源之间的角度偏差是60°并且两个网络之间的角度偏差也是60°。在低成本FR4基板上以标准的方式产生三个网络并且多层基板的两个外层用于产生如图4所示的电源线，所述电源线每一个由不同金属化的两个平板上实现的两个分段构成并且通过金属分段连接，这避免跨接。

使用关于图2的天线系统的相同软件来仿真图4的天线系统并且在图5中表示为不同源获得的辐射图案。每个源的辐射图案实际上是由源自身以及三个反向网络的响应的作用产生的。图5中获得的结果表明，获得的不同图案在源的方向上具有主要定向性。使用相移部件可以减少甚至消除获得的副波瓣(lobe)，即，在电源线中优化的附加的线路分段，如图6的实施例中所示的。

图4的多波束天线系统是极其紧凑的系统，这是在于其在5.5GHz处具有0.8λ0的直径。它使得能够同时获得若干定向波束。

现在将参照图6至图8描述使得能够获得更紧凑的多波束天线系统并且具有改进的定向性的本发明的第三实施例。在图6的实施例的情形下，使用两个共同位置处的反向网络40和50。第一网络包括如在之前的实施例中的、经由以微带技术产生的并且具有相同的电长度的电源线40’或者40”两两连接的1/4波长单极子40a、40b、40c和40d。同样地，第二网络50由经由微带技术的并且具有相同的电长度的电源线50’或者50”两两连接的1/4波长单极子50a、50b、50c和50d构成。在所示的实施例中，两个网络彼此正交。它们由关于两个网络对称地布置的四个源SO1、SO2、SO3和SO4照亮。

依据图6的实施例，网络单极子位于彼此距离d＝0.11λ0并且源SO1、SO2、SO3、SO4位于距两个网络的共同位置的中心O的距离L＝0.36λ0处。

如图7中所示，为了优化源单极子(即例如SO3和SO4)与网络单极子(即，如图7中所示的单极子50b，40d和50c)之间的耦合，单极子具有多边形分段，主要是所示的实施例中的六边形分段。单极子具有高度h1＝0.208λ0和直径Φ＝0.0055λ0。对于本领域技术人员明显的是，可以考虑其它轮廓(profile)来优化不同元件之间的耦合。

使用上面已经提到的软件来仿真图6所示的多波束天线系统。在图8中示出了在不同操作频率处的对于源SO1的照亮的仿真结果。

在图8中，可见，在5.4和5.8GHz之间，辐射图案在所选择的源(即实施例中的SO1)的方向中具有定向性，这使得能够进行多波束天线的超定向系统。

本领域技术人员明显的是，可以修改上述实施例而不脱离本发明的范围。具体地，可以从单极子天线、贴片天线、缝隙天线、喇叭天线中选择构成网络的辐射元件。同样地，还可以从单极子天线、贴片天线、缝隙天线、喇叭天线中选择源。这些元件必须在方位方向上具有全向辐射。此外，已经利用四个辐射元件来表示网络。元件的数量可以不同但其必须为偶数。源可以位于与共同位置中心的相同距离或者不同距离处。使用的相移部件可以是有源或者无源的元件。即，与线路分段兼容或者替代线路分段，可以集成被选择的用于优化辐射图案的滤波器或者其它元件。

Claims (10)

1.一种多波束天线系统，包括M个辐射源(S1，S2，S3，S4，SO1，SO2，SO3，SO4)和N个辐射元件(11a，11b，11c，11d，12a，12b，12c，12d；21a，21b，21c，21d，22a，22b，22c，22d，23a，23b，23c，23d，50a，50b，50c，50d，40a，40b，40c，40d)的P个网络(11，12；21，22，23；40，50)，P大于1而N是偶数，所述网络的元件经由相同电长度的传输线两两相连，其特征在于P个网络共同位置位于每个网络的中心(O)并且在于M个辐射源每一个位于距所述中心距离Li处，所述距离Li严格小于被称为远场的场的距离并且i从1变化到M。

2.根据权利要求1所述的多波束天线系统，其特征在于M个源(S1，S2，S3，S4，SO1，SO2，SO3，SO4)被布置为关于P个网络的共同位置的中心对称。

3.根据权利要求1所述的多波束天线系统，其特征在于N个辐射元件的每一个网络在传输线级别包括无源的或者有源的、使得能够控制所述网络的辐射图案的相移部件。

4.根据权利要求3所述的多波束天线系统，其特征在于所述相移部件由传输线的分段构成。

5.根据前述权利要求中任一项所述的多波束天线系统，其特征在于，源和网络的共同位置中心之间的距离Li小于1.6λ，其中λ是操作频率处的波长。

6.根据权利要求5所述的多波束天线系统，其特征在于，所述源和所述网络的共同位置中心之间的距离Li对于M个源相等，并且被包括在0.3λ和0.5λ之间。

7.根据权利要求1到6中的一项所述的多波束天线系统，其特征在于，网络的两个辐射元件之间的距离是λ/4的倍数，其中λ是操作频率处的波长。

8.根据权利要求1到6中的一项所述的多波束天线系统，其特征在于，两个辐射元件之间的距离小于λ/4，其中λ是操作频率处的波长。

9.根据前述权利要求中的一项所述的多波束天线系统，其特征在于，所述源是从单极子天线、贴片天线、缝隙天线、喇叭天线中选择的。

10.根据前述权利要求中一项所述的多波束天线系统，其特征在于，所述辐射元件是从单极子天线、贴片天线、缝隙天线、喇叭天线中选择的。

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