CN104471908B - 用于发射电磁信号的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于发射电磁信号的方法和系统。提供了包括传送第一数据的第一数据信号、传送第二数据的第二数据信号和传送第三数据的第三数据信号的数据信号。一个或多个发射装置以天线的两个正交的线极性来发射所述第一数据信号和所述第一数据信号的反相信号，从而在传播时维持其反相关系。发射装置还以环绕所述第一数据信号的发射轴线旋转了45度的线极性来发射所述第二数据信号。发射装置还以与所述第二数据信号正交且因此偏离所述第一数据信号±45度的线极性来发射所述第三数据信号。一个或多个接收站接收所述所发射的第一数据信号、所述第一数据信号的反相信号、所述第二数据信号和所述第三数据信号。

Description

用于发射电磁信号的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年5月22日在美国专利商标局提交的发明名称为“使用多个线极化信号在单个频率上传递不同数据(Communicating Distinct Data Over A SingleFrequency Using Multiple Linear Polarized Signals)”的非临时专利申请第13/477,084号的利益。
上文提到的专利申请的说明书以引用方式全文并入本文中。
技术领域
本文中公开的方法和系统一般涉及信息传递。更具体来说，本文中公开的方法和系统涉及使用多个线极化信号在同一个频率上同时传递多个信道的不同数据。
背景技术
当前的基于卫星和地面的无线电通常通过以两种极化方案中的一种极化方案的两个正交的极性(即，左旋和右旋圆极化或垂直和水平线极化)来发射信号而复用频率。通常，沿相同或邻近路径只能传输不超过两个信号，每个信号占用两种极化方案中的仅一种方案中的两个正交的极化中的一个极化。共同转让给本申请人的专利#US 7,590,191 B1和US7,957,425以及美国申请13/237,846已描述了通过使用圆极化和线极化信号的组合来增加所发射电磁信号的容量的方法。需要一种用于仅使用线极化信号来增加数据携载容量的方法。
在线极化中，电磁波的电分量或磁分量被限制在沿所述电磁波的传播方向的单个平面内。线极化信号是水平极化或垂直极化的，每一信号与另一信号正交，即，环绕发射轴线旋转90度。它们一旦被发射就不会彼此干扰，且使用极化接收天线单独地接收而不会受到来自另一个信号的干扰。
电磁信号的极化可以通过各种方法来建立，例如，在较低频率天线的情况中经由天线中的辐射元件的形状，或者在较高频带中通过对抛物面天线的喇叭和反射器馈电的偶极子，或者在光的情况中通过专门的发射器或通过滤波器。
电磁波的基本原理是线性叠加原理：“当同一个地方同时存在两个或两个以上波时，所得波是各个波的总和”。《物理学》第三版，Cutnell/Johnson著，Wiley and Sons出版社出版，1995.ISBN0-471-59773-2，第521页。“反相信号”是异相正好180度的两个相同信号，使得当相同振幅的两个反相信号组合时，它们共计为零功率，彼此抵消。
如本文中使用，术语“馈源喇叭”或“馈源”指代包括喇叭和换能器两者的设备，也被称作极化器。换能器可以含有发射极化信号以便传输的辐射器或偶极子。典型换能器是附接到喇叭的机械装置。喇叭照亮天线，以及拾取已极化的数据信号以便接收且将所接收的信号传递给换能器。换能器还将数据信号从输入凸缘的发射侧路由到喇叭或从喇叭路由到输出凸缘的接收侧。
如本文中使用，“数据信号”指代经调制以携载任何种类的信息的电磁信号。“信息信号”和“数据信号”均指代含有待传递的经编码信息的电磁信号。
频带是具有中心频率和多个边频率的一组连续的频率。“相同频率”的两个信号表示用以传输数据信号的频带的频率中的至少一个频率对于两个信号来说是相同的，即，频带的至少一部分重叠。两个数据信号可以占用同一个频带或部分重叠的频带。数据信号可以传送数字或模拟信息。“发射轴线”是发射天线与对应的接收天线之间的线。
当经由非吸收性介质(例如空间)传输时，电磁波不会相互作用。水平和垂直线极化数据信号一旦被发射就不会彼此相互修改，且在没有干扰的情况下通过空间传递。直到现在，由于涉及到噪声和干扰，在单个极化方案中通常仅可以使用两个数据信号来在相同频率上传递不同数据信号。这表示在给定频率上，最多可以同时传输两个数据信号，所选极化方案的每一个极性上一个。需要单单使用线极化方案来传输额外数据信号，导致数据携载容量增加。需要一种通过使用线极化信号在相同频率上同时传输高达(例如)三个数据信号的方法。
因此，长久以来就存在但还没得到解决的需要是使用多个线极化数据信号在单个频率上传递额外的不同数据。
发明内容
提供本发明内容部分来以简化形式介绍是选择的一些概念，在本发明的详细描述中对所述概念作进一步公开。本发明内容部分不打算限制所主张主题的范围。
本文中公开的方法和系统解决了对于在相同频率上同时传递三个不同的数据信号而不是两个以及使移动系统中的容量倍增的上述需要。本文中公开的方法和系统解决了对于使用多个线极化的电磁发射在单个频率上传递额外的不同数据从而致使容量增加的上述需要。本文中公开的方法和系统可以在电磁信号可以被极化的任何介质中使用。数据源提供传送第一数据、第二数据和第三数据的多个数据信号，其中所述数据信号处在相同频率。每一数据信号是通过任何已知手段编码到所选发射频率的发射载波上的信息串流(模拟或数字的)。所述数据信号包括传送第一数据的第一数据信号、传送第二数据的第二数据信号以及传送第三数据的第三数据信号。一个或多个发射装置以线极化方案的两个正交的线极性来发射所述第一数据信号和所述第一数据信号的反相副本。发射装置还以从所述第一数据信号或从所述第一数据信号的反相信号起环绕发射轴线旋转了45度的线极性来发射所述第二数据信号。第二数据信号是从与第一数据信号相同的位置或与第一数据信号不同的位置发射。
一个或多个接收站接收所发射的第一数据信号、第一数据信号的反相信号和第二数据信号。
在一实施例中，所述发射装置以线极性发射第三数据信号(S3)，其中所述第三数据信号是与所述第二数据信号正交地发射。所述第三数据信号是从所述第一数据信号或反相的第一数据信号起环绕发射轴线旋转了315度或等效地旋转了-45度且因此与所述第二数据信号正交地发射。
在此实施例中，所述第一数据信号(S1)和所述第一数据信号的异相了180度的反相副本(S1-1)是以正交的线极性(例如，水平和垂直极性)来极化，并且从相同位置以正交极化发射。这些信号是从相同位置发射以在信号通过介质传播时维持反相关系。在发射之前，在必要时对所述第一数据信号和所述第一数据信号的反相信号的相位和振幅进行调整，使得所述第一数据信号和所述第一数据信号的反相信号在被一起接收而导致被组合时能够彼此抵消。在180度异相且具有相等振幅的两个相同信号被组合或一起接收时，两个电磁信号的完全抵消发生。在环顾发射轴线四周时，S1和S1反相信号的所得发射在45度、135度、225度和315度处具有空区。两个所发射的反相的信号的空区出现在偏离垂直+45处且同样地出现在偏离水平+45度处。
所述第二数据信号S2是在45度处的所述第一数据信号的空区中发射。所述第三数据信号S3是在-45处的空区中发射且与所述第二数据信号S2正交。与所述第二数据信号的发射极性对准的接收馈源从两个反相的第一数据信号接收到零干扰，因为所述第二数据信号是在所述反相的信号S1和S1-1的空区中发射。所述第二数据信号与所述第三数据信号正交，这导致来自所述第三数据信号的零干扰。因此，恰当对准的接收天线在来自所述第一数据信号S1和S1-1或所述第三数据信号S3的零干扰的情况下接收所述第二数据信号S2。所述第二数据信号是在接收站处以两个正交的线极性来接收。将在所述正交的线极性中的一个线极性上所接收的第二数据信号与在所述正交的线极性中的另一个线极性上所接收的第二数据信号同相地组合以减少来自所述第一数据信号和所述第一数据信号的反相信号的干扰。
与所述第三数据信号的发射极性对准的接收馈源从两个反相的第一数据信号接收到零干扰，因为所述第三数据信号是在所述两个反相的第一数据信号的空区中发射。所述第三数据信号与所述第二数据信号正交，这导致来自所述第二数据信号的零干扰。因此，恰当对准的接收天线在来自所述第一数据信号S1和S1-1或所述第二数据信号S2的零干扰的情况下接收所述第三数据信号S3。
为了接收第一数据信号，使用具有垂直和水平接收极性两者的天线。所述天线馈源极性需要与S1发射极性对准以在两个接收线性端口(垂直和水平)中拾取所选的两个反相的信号，即，S1和S1反相信号。对以水平极性或垂直极性接收的数据信号的集合中的一个集合进行反相，且接着在必要时对所接收信号的两个集合中的一个集合进行相位调整，使得线性S1信号相位匹配。接着，将所接收的且经反相的信号与以另一个极性接收的信号相加。当对一个信号反相且将它与另一个信号相加时，经线极化的数据S1信号彼此匹配，由此增加第一数据信号的信号强度。在发射之前对两个S1信号中的一个信号反相且接着在被接收到之后又对它进行反相，导致没有净相移。由于造成干扰的第二和第三极化数据信号两者是在水平和垂直线性端口两者中以相等电平接收到，并且对一个极性上的两个所接收的信号中的一个信号反相且接着将它与另一个极性上的相同信号相加，因此造成干扰的第二和第三数据信号在相加时消去，致使对第一数据信号S1的干扰微不足道。
数据信号S2和S3可以从与S1和S1反相信号相同的位置或从不同的位置发射。数据信号S2和S3可以从相同位置或从不同位置一起发射。环绕发射轴线的旋转是必需的。
在替代实施例中，S2(垂直)和S3(水平)数据信号两者是同相发射的相同信号。两个反相的正交信号照例携载第一数据信号。然而，替代携载不同的第二和第三数据信号，第二和第三信号(水平和垂直)两者携载相同的第二数据信号。在此实施例中，当接收到水平和垂直极化两者且将它们同相相加以检测S2时，相对于发射天线环绕发射轴线的旋转来说的接收天线环绕发射轴线的旋转无关紧要，从而允许用在发射极性相对于接收极性的旋转是未知或变化的移动应用中。在对所接收的水平和垂直极性相加之后，来自数据信号S1和S1反相信号(S1-1)的任何干扰抵消且仅留下第二数据信号S2。本文中公开的天线设计和信号处理使两个反相的第一数据信号的发射天线相对于接收天线的旋转对于接收来说是不重要的。
在通过组合接收天线的两个接收极性(水平(H)和垂直(V))而进行相加之后，造成干扰的反相的S1信号总计为零且以水平和垂直极性发射的所要的第二数据信号S2对于接收天线环绕发射轴线的所有旋转都总计为一(全功率)。这表示如果接收天线可以以相等电平接收两个极性H和V，那么环绕发射轴线的旋转无关紧要。如果存在沿Z轴的另一旋转，例如，远离或朝向发射器，那么在一些情况中，可以在相加之前调整每一个极子的所接收电平，使得造成干扰的所接收的S1信号的振幅匹配并消去。
为了在没有来自第二数据信号S2的干扰的情况下检测第一数据信号S1，使用以相等强度接收信号的两个正交的接收极子，或者以电子方式调整所述两个极子的强度，使得两个极性的振幅相等。为了检测S1数据信号，对来自一个线性接收元件的所接收信号反相且将它与正交极性上的接收信号相加。这消除了造成干扰的S2数据信号。然而，可以看出，在接收天线偶极子接近偏离发射偶极子45度时，接收元件环绕发射轴线的旋转使信号强度降落，且接着信号增益开始再次升高，从而需要接收极子与S1和S1反相信号发射极子在一定程度上对准。
由于第一数据信号S1的信号强度随接收天线的旋转改变而变化，因此有各种选择可用来维持数据信号S1的信号强度。一个选择是提供接收天线极性与发射极性的较小程度的对准。例如，如果接收天线可以维持在与发射天线相差十五度旋转的范围内，那么接收天线将接收为完全对准的天线的大约75％的功率。或者，在另一实施例中，对准问题是通过使正交接收天线的两个集合各自相对于另一个集合环绕发射轴线旋转45度且各自能够接收水平和垂直极性两者来解决。接收端处的电子控制器可以选择具有较高的S1数据信号强度的正交偶极子对，因此允许天线环绕发射轴线作整360度的旋转而没有完全损失信号。沿发射轴线的旋转可以通过增加水平或垂直接收极子的信号强度以匹配另一个极子的信号强度来进行补偿。
一旦选择了偶极子对，便在接收站处以所选偶极子对的两个极性来接收第一数据信号和第一数据信号的反相信号。对第一数据信号和第一数据信号的反相信号中的一者反相且将它与第一数据信号和第一数据信号的反相信号中的另一者相加以得到强度增加的第一数据信号。所接收的第二数据信号在相加时消去。
在三维接收天线中，偶极子的多个集合可以沿所有三个轴线定位。电子控制器可以接着在任何特定时刻从最好的正交偶极子对中进行选择。
使用上述技术，可以在允许发射极化电磁信号的任何传输介质中增加数据携载容量。本文中公开的方法和系统可应用于(例如)卫星通信系统、微波无线电系统和使用偏振光的系统中。
附图说明
在结合附图进行阅读时，能更好地理解前面的概述以及以下对本发明的详细描述。为了说明本发明，在图式中示出了本发明的示例性构造。然而，本发明不限于本文中公开的特定方法和组件。
图1示出了使用多个线极化数据信号在单个频率上传输电磁信号的方法。
图2示出了用于使用多个线极化数据信号在单个频率上传输电磁信号的系统。
图3举例示出了第一数据信号S1和第一数据信号的反相信号S1-1的空区。
图4举例示出了第一数据信号S1、第一信号的反相信号S1-1、第二数据信号S2和第三数据信号S3环绕发射轴线的相对旋转。
图5举例示出了关于在接收站处接收数据信号以便获取第一数据信号的流程图。
图6举例示出了关于在S2和S3携载相同数据信号时在接收站处接收数据信号以便获取第二数据信号的流程图。
图7举例示出了陀螺仪接收天线的配置。
图8A到图8B举例示出了用以在相同频率上同时发射和接收三个不同的数据信号的方法的典型实施方案。
具体实施方式
图1示出了使用多个线极化数据信号在单个频率上传输电磁信号的方法。数据源提供101传送第一数据、第二数据和第三数据的多个数据信号，其中所述数据信号处在相同频率。所述数据信号包括传送第一数据的第一数据信号、传送第二数据的第二数据信号以及传送第三数据的第三数据信号。每一数据信号是通过任何已知手段编码到所选发射频率的发射载波上的数据的串流。一个或多个发射装置以线极化方案的两个正交的线极性来发射102第一数据信号和第一数据信号的反相信号。发射装置还以从第一数据信号或第一数据信号的反相信号起环绕发射轴线旋转了45度的线极性来发射103第二数据信号。第二数据信号是从与第一数据信号相同的位置或与第一数据信号不同的位置发射。一个或多个接收站接收104所发射的第一数据信号、第一数据信号的反相信号和第二数据信号。
在一实施例中，发射装置以环绕第一数据信号或第一数据信号的反相信号的发射轴线旋转了315度或等效地旋转了-45度且因此与第二数据信号正交的线极性来发射第三数据信号。
本文中公开的方法增加电磁传输系统中的数据携载容量，从而允许在相同频率上同时传输三个不同的数据信号。本文中公开的方法和系统使用线极化电磁发射来发射三个数据信号。
将第一数据信号S1分成两个相同副本。对这些副本中的一个副本反相，即，使相位改变180度。这两个反相的第一数据信号是在线极性天线的两个正交端口中发射，同时维持其反相关系。线极化的第一数据信号是(例如)水平极化的数据信号，且线极化的第一数据信号的反相信号在此实例中是垂直极化的数据信号。在发射第一数据信号和第一数据信号的反相信号之前，在必要时对相位和振幅进行调整，使得第一数据信号和第一数据信号的反相信号在被一起接收或被组合时能够彼此抵消。在180度异相且具有相等振幅的两个相同信号被组合或一起接收时，两个电磁信号的完全抵消发生。第一数据信号与第一数据信号的反相信号从同一个位置发射且正好180度异相，使得这些信号在空间中传播时可以维持其相位关系。
顺发射轴线往下看，如图3中所示，两个反相的信号的空区出现在偏离垂直+45度处以及同样地出现在偏离水平+45度处。空区指代环绕发射轴线的在其中测不到干扰其他信号的来自第一数据信号的功率的区。在这些旋转处的线性偶极子将从第一数据信号S1和第一信号的反相信号S1-1接收到零功率。
在一实施例中，第二数据信号S2和第三数据信号S3是以正交的线极性(也被称作水平和垂直线极性)来极化且进行发射。这两个数据信号中的一个数据信号(例如，第二数据信号S2)是在从第一数据信号S1起环绕发射轴线45度处发射，且第三数据信号S3是在相对于垂直极化的第二数据信号S2离轴90度处或正交于垂直极化的第二数据信号S2来发射。第三数据信号因此是相对于S1数据信号和S1的反相数据信号两者离轴45度来发射。结果是，数据信号S2和S3是在S1与S1的反相信号的功率空区中发射，使得在接收时数据信号S1和S1-1不会干扰数据信号S2和S3，且因此对数据信号S2和S3的接收就像在不存在S1和S1反相信号的情况下那样正常地发生。
图2示出了用于使用多个线极化数据信号在单个频率上传输电磁信号的系统。系统200包括发射站201和接收站202。发射站201包括数据源201a、发射器201b、极化器201c和天线201d。数据源201a提供在单个频率上传送第一数据、第二数据和第三数据的多个数据信号。发射器201b包括用于发射所述数据信号中的每一个数据信号的一个或多个发射装置。极化器201c按线极化方案对所述数据信号中的每一个数据信号进行极化。发射站201处的天线201d将经线极化的数据信号(包括第一数据信号、第一信号的反相信号、第二数据信号和第三数据信号)中的每一个数据信号发射给一个或多个接收站202中的每一个接收站。
发射器201b以线极化方案的两个正交的线极性来发射第一数据信号和第一数据信号的反相信号。发射器201b中的一个发射器以环绕第一数据信号或第一数据信号的反相信号的发射轴线旋转了45度的线极性来发射第二数据信号。第二数据信号是从与第一数据信号相同的位置或与第一数据信号不同的位置发射。接收站202接收所发射的第一数据信号、第一数据信号的反相信号、第二数据信号和第三数据信号。接收站202包括(例如)线极性的天线202a和接收器202b。接收器202b接收所发射的数据信号。线极性的天线202a接收经线极化的数据信号。
在一实施例中，发射器201b中的一个发射器还以环绕第一数据信号或第一数据信号的反相信号的发射轴线旋转了315度或等效地旋转了-45度且因此与第二数据信号正交的线极性来发射第三数据信号。
图3举例示出了第一数据信号S1和第一数据信号的反相信号S1-1的发射空区。这些空区表示环绕发射轴线的在其中第一数据信号和第一数据信号的反相信号的发射功率为零的区。图4举例示出了第一数据信号S1、第一信号的反相信号S1-1、第二数据信号S2和第三数据信号S3环绕发射轴线的相对旋转。图4还示出了环绕发射轴线的极化。接收天线202a可以由偶极子表示。通常，由于干扰问题，沿同一条传输路径不能广播三个信号。然而，通过发射两个正交的S1和S1反相数据信号，S2和S3数据信号不会察觉到来自S1和S1-1数据信号的干扰。反过来，通过使用S1和S1-1再反相信号的相加，可以从第一数据信号S1去除来自S2和S3数据信号的干扰。
已知在线性偶极子中接收到的未对准的经线极化信号的功率由P＝A cos2θ表示，其中θ是所发射信号的旋转与接收偶极子的旋转之间的角度，A是恰当对准的偶极子接收到的信号的振幅，且P是在指定角度θ时的相对接收功率电平。这被称作极化损耗因数(PLF)。表示以不同相位角接收的多个相同的正弦波的总和的所得振幅的方程式给出如下：
Y＝A sin x+B sin(x+P2)+C sin(x+P3)…；
其中P2和P3表示第二和第三波相对于第一波的相位角，且A、B和C表示对应波的振幅。
将这两个方程式组合起来，由从所发射的反相正交线性信号中的任一个信号起以任何角度θ环绕发射轴线的偶极子接收的功率电平表示如下：
Y＝cos2θsin x+cos2(90-θ)sin(x+180°)
＝cos2θsin x-cos2(90-θ)sin x
求解Y，可以看出空区(在其中由偶极子接收的反相正交数据信号S1的振幅为零)出现在环绕发射轴线的45°、135°、225°、315°处。由于在这些对准处不存在造成干扰的S1信号，因此这些对准是发射水平和垂直数据信号S2和S3之处。并且，由于这些对准是空区，因此接收水平和垂直数据信号S2和S3仅要求接收偶极子与发射偶极子对准。由于在此旋转处具有零功率，数据信号S1以及其反相信号S1-1不会干扰数据信号S2和S3。
两个反相的第一数据信号需要从同一个发射站201发射以便在这些信号通过介质传播时维持反相关系。数据信号S1和S2可以从任何位置发射，只要S2数据信号的旋转角度是相对于S1和S1反相数据信号的旋转角度加或减45度。
为了接收线性第二数据信号，使线极性的接收天线与发射站对准。例如，垂直极性上的所接收S2数据信号与发射垂直极性对准。由于第一数据信号以及其反相信号的空区与第二数据信号的发射旋转完全对准，因此第一数据信号以及其反相信号不会干扰接收第二数据信号的天线。数据信号S3与数据信号S2正交，且因此也不会干扰S2。第二线性数据信号S2是像在没有来自S1、S1-1和S3数据信号的干扰的情况下那样正常地被接收。仅需要与所发射的S2数据信号对准的单极性接收天线。
为了接收第三数据信号，使线极性的接收天线与发射站对准。例如，水平极性上的所接收S3数据信号与S3发射水平极性对准。由于第一数据信号以及其反相信号的空区与第三数据信号的发射旋转完全对准，因此第一数据信号以及其反相信号不会干扰接收第三信号的天线。数据信号S2与数据信号S3正交，且因此不会干扰S3。第三线性数据信号S3是像在没有来自S1、S1-1和S2数据信号的干扰的情况下那样正常地被接收。仅需要与所发射的S3数据信号对准的单极性接收天线。
为了接收第一数据信号，使用具有垂直和水平接收极性两者的天线202a。接收天线202a必须经对准以在两个接收线性端口(例如，垂直和水平端口)中拾取所选的两个反相S1信号。对以水平极性或垂直极性中的任一个极性接收的数据信号的集合中的一个集合进行反相，且在必要时对数据信号的两个集合中的一个集合进行相位调整，使得线性S1信号相位匹配。将第一极性信号与来自第二极性的现在是两次反相的信号集合相加。当数据信号是反相的且一起相加时，两个S1数据信号彼此匹配，由此增加第一数据信号的信号强度。由于两个造成干扰的第二和第三极化数据信号是在两个线性端口中以相等电平来接收，且所述两个接收到的信号中的一个被反相且接着与另一个相加，因此造成干扰的第二数据信号在相加时消去，导致最低程度的干扰。这可以由以下方程式表示：
在水平端口中接收：S1+S2cos245°+S3cos245°；
在垂直端口中接收：S1ˉ1+S2cos245°+S3cos245°；
对一个反相且与另一个相加(组合)如下：
Srx＝S1+S2cos245°+S3cos245°+S1-S2cos245°-S3cos245°＝2S1。换句话说，造成干扰的S2和S3数据信号在反相和相加之后消去，且接收到的信号Srx是具有两倍功率的S1。
在另一实施例中，可以去除第二数据信号S2或第三数据信号S3，且在所述极性上没有发送信号。例如，仅垂直极性的数据信号S2可以与S1和S1ˉ1数据信号一起发射。
在替代实施例中，垂直S2数据信号与水平S3数据信号是同相发射但彼此正交的相同信号。在S2与S3信号相同且同相的此实施例中，接收天线极化不需要与发射天线极化对准。需要可以接收水平和垂直极性两者的天线102a。接收天线102a可以由两个正交的偶极子表示。当一起相加时，可以看出在接收S2数据信号时接收偶极子环绕发射轴线的旋转无关紧要，从而允许用在移动应用中。
在另一实施例中，为了不受干扰地接收S2数据信号，使用两个正交的接收元件，例如以相等强度接收信号的水平和垂直接收元件。或者，以电子方式对两个极子的强度进行调整，使得两个极性的振幅相等。为了检测第二数据信号S2，将水平线性接收极性上的所接收信号与正交极性上的所接收信号相加。
以下方程式描述了所接收的造成干扰的信号S1和S1ˉ1的功率电平。在水平(H)和垂直(V)极性中，其中θ是造成干扰的S1信号与一个接收线性偶极子之间的角度，且90-θ是另一个所发射的信号S1ˉ1与同一个所选的线性接收偶极子之间的角度，Hrx是在水平偶极子中接收到的信号且Vrx是在正交偶极子中接收到的信号：
Hrx＝S1cos2θsin x+S1cos2(90-θ)sin(x+180°)
Vrx＝S1cos2(θ)sin(x+180°)+S1cos2(90-θ)sin(x)
将上述两个方程式组合在一起：
Srx＝Hrx+Vrx＝S1cos2θsin x-S1cos2(90-θ)sin(x)-S1cos2(θ)sin(x)+S1cos2(90-θ)sin(x)＝0。
因此，造成干扰的反相S1数据信号在与接收站202中的所接收信号相加之后消去，不管接收偶极子相对于发射偶极子的旋转。以两个极性H和V接收的第二数据信号S2的功率方程式如下：
Hrx＝S2cos2(θ)+S2cos2(90-θ)；
Vrx＝S2cos2(90-θ)+S2cos2(θ)；
将在两个端口(即，水平和垂直端口)中接收到的信号组合起来：
H+V＝2S2cos2(θ)+2S2cos2(90-θ)＝2S2(cos2(θ)+sin2θ)＝2S2。
因此，所要数据信号S2的功率电平总是总计为二，不管两个接收偶极子相对于两个发射偶极子环绕发射轴线的旋转，而不想要的数据信号S1和S1ˉ1总是总计为零功率。
总言之，在将两个接收极性(即，接收天线202a的Hrx和Vrx)相加之后，造成干扰的反相数据信号S1和S1ˉ1总是总计为零，且以水平和垂直极性发射的所要第二数据信号S2总是总计为二(全功率)。环绕发射轴线的旋转无关紧要。如果存在环绕Z轴线的另一旋转，例如，远离或朝向发射器，那么可以调整接收电平，使得每一偶极子的振幅相等且因此造成干扰的所接收的信号消去。
为了检测第一数据信号S1，不是将以两个极性接收到的信号相加，而是使两个信号中的一个的相位改变180度(反相)且接着与另一个相加。观察在垂直和水平极化中的造成干扰的线性数据信号S2，可以看出对来自两个接收极性的两个经极化的所接收信号中的一个反相且与两个经极化的所接收信号中的另一个相加消除了造成干扰的数据信号S2，不管接收偶极子环绕发射轴线的旋转，留下S1一个且没有来自S2的干扰。
由Hrx和Vrx极子(未对准)接收的信号表示如下，其中θ和90-θ是H和V极性上的数据信号S2的发射偶极子分别与接收偶极子之间的旋转角度：
Hrx＝cos2θsin x+cos2(90-θ)sin(x)；
Vrx＝cos2(90-θ)sin(x)+cos2θsin x；
通过使相位改变180度将一个信号反相，两个信号的总和变成：
P＝cos2θsin x+cos2(90-θ)sin(x)+cos2(90-θ)sin(x+180)+cos2θsin(x+180)；
P＝cos2θsin x+cos2(90-θ)sin(x)-cos2(90-θ)sin(x)-cos2θsin(x)；
P＝0；
因此，H和V极性上的造成干扰的数据信号S2在对一个信号反相且与另一个信号相加之后消去。
有多种选项可用来检测所要数据信号S1，其中T是一个发射极性与接收偶极子之间的角度，且90°-T是另一发射极性与同一接收偶极子之间的旋转角度。以下方程式表示所接收的信号：
Hrx＝cos2T sin x+cos2(90°-T)sin(x+180°)；
Vrx＝cos2T sin(x+180°)+cos2(90°-T)sin x；
对以上方程式中的一个反相且相加：
P＝Hrx+Vrx；
P＝cos2T sin x+cos2(90°-T)sin(x+180°)+cos2T sin(x+180°-180°)+cos2(90°-T)sin(x-180°)；
P＝cos2T sin x-cos2(90°-T)sin(x)+cos2T sin(x)-cos2(90°-T)sin(x)；
P＝2(cos2T sin x-sin2(T)sin(x))。
可以看出，在正交的接收偶极子接近相对于发射偶极子的45度旋转时环绕发射轴线的旋转使S1的信号强度掉落到零，且接着信号强度再次开始增加。
总言之，通过接收水平和垂直极性信号，且使一个信号反相并与另一个相加，使造成干扰的S2信号抵消。然而，接收天线202a环绕发射轴线的旋转影响接收偶极子处的第一数据信号S1的信号强度。可以使用各种方法来一直接收到可检测到的S1信号。一个选择是提供接收极子与发射极子的较小程度的对准，使得接收极性的旋转角度接近发射极性的角度。例如，如果接收天线202a可以维持在与发射天线极子相差十五度旋转的范围内，那么接收天线202a将接收为完全对准的天线的大约至少75％的功率。或者，可以通过使正交接收天线202a的两个集合各自相对于另一个集合旋转45来解决对准问题。电子控制器202c可以选择具有较高增益的天线202a，因此允许接收天线202a环绕发射轴线作整360度的旋转。
图5举例示出了关于在接收站202处接收数据信号以便获取第一数据信号的流程图。在接收站202处按线极化方案来接收501第一数据信号和第一数据信号的反相信号。对第一数据信号和第一数据信号的反相信号中的一者反相502且与第一数据信号和第一数据信号的反相信号中的另一者相加503以得到强度增加的第一数据信号。所接收的第二数据信号在相加时抵消。在第二数据信号与第三数据信号不相同的情况下，所接收的第二数据信号和所接收的第三数据信号两者在相加时抵消。
图6举例示出了关于在S2和S3相同且同相时在接收站202处接收数据信号以便获取第二数据信号的流程图。在此实例中，接收天线馈源相对于发射天线馈源的旋转是未对准的。在接收站202处以两个正交的线极性来接收601第二数据信号。将在所述正交的线极性中的一个线极性上所接收的第二数据信号与在所述正交的线极性中的另一个线极性上所接收的第二数据信号同相组合602以减少来自第一数据信号和第一数据信号的反相信号的干扰。
在另一实施例中，两个正交极子的第一集合接收第一数据信号、第一数据信号的反相信号和第二数据信号。正交极子的第二集合也接收第一数据信号、第一数据信号的反相信号和第二数据信号。一个或多个接收站处的电子控制器202c选择两个正交极子的第一集合或两个正交极子的第二集合来检索处于第一数据信号的最大接收强度的第一数据信号。在三维版本中，正交偶极子的多个集合可以沿各种轴线定位。电子控制器202c可以接着在任何特定时刻从最好的正交偶极子对中进行选择。
在接收天线的另一实施例中，天线202a被设计或配置成模拟或充当陀螺仪。在此配置中，将垂直极性偶极子用作陀螺仪的中心轴线。水平天线是环绕垂直轴线旋转的圆盘。圆盘的旋转使天线202a保持陀螺仪稳定，使得所述轴线始终平行于发射天线的垂直轴线，且优选地垂直地球表面。水平天线拾取优选地与地球表面平行的水平极化信号。
图7举例示出了陀螺仪接收天线的配置。天线的心轴是也充当垂直接收偶极子的旋转轴701。整个总成700是装有万向节703的以允许装置的动量陀螺仪稳定它自身。万向节703由能透过所选的电磁信号的材料制成。平台702环绕轴701旋转且随轴701一起旋转。此平台702形成水平接收偶极子。接收电子器件705可以安装在平台702上。电动机704使轴701和平台702高速转动。并且，电动机704给心轴的下端增加了重量，使得当心轴逐步停止时，垂直轴701由于重力而垂直于地球对准。所得的所接收信号可以由电磁信号中继给接收站202处的额外电子器件。
图8A和图8B举例示出了用以在相同频率上同时发射和接收三个不同的数据信号的方法的典型实施方案。通过发射器A 801A对第一数据信号进行编码且放大，且通过分裂器802将第一数据信号分裂成两个信号。通过反相器803将一个副本的相位向前或向后调整180度。经由天线804A以水平极化来发射S1信号。经由天线804B以垂直极化来发射经反相的S1信号。
通过发射器B 801B经由天线804C在从S1起的45度旋转处发射S2。通过发射器C801C经由天线804D在从S2起的90度旋转处，即，与S2正交地发射S3。
以天线820A的水平极性接收S1水平。以天线820A的垂直极性接收S1反相信号。通过180度移相器823将S1反相信号反相回以与S1同相。在组合器824处对两个接收到的信号进行同相组合。通过接收器C821A来执行额外的解码和检测，导致输出第一数据信号S1。
以天线820C的水平极性接收S2，所述水平极性与天线804C的发射极性对准。在接收器A 821C中处理所接收的S2信号，导致输出第二数据信号S2。以天线820D的垂直极性接收S3，所述垂直极性与天线804D的发射极性对准。在接收器B 821D中检测并解码所接收的S3信号，导致输出第三数据信号S3。
提供前述实例只是为了进行阐释且决不应被理解为限制本文中公开的本发明。虽然已参考各种实施例来描述本发明，但是应理解本文中使用的词语是描述性和说明性的词语，而不是限制性词语。另外，尽管本文中已参考特定手段、材料和实施例来描述本发明，但是本发明不打算限于本文中公开的具体细节；而是，本发明扩展到所有功能上等效的结构、方法和用法，这些结构、方法和用法属于所附权利要求书的范围内。本领域的技术人员在已了解了本说明书的教导之后可以实现对它的众多修改，且在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以对其各方面作出改变。

Claims (16)

1.一种用于发射电磁信号的方法，包括：
提供传送第一数据、第二数据和第三数据的多个数据信号，其中所述数据信号处在相同频率，且其中所述数据信号包括传送第一数据的第一数据信号、传送第二数据的第二数据信号和传送第三数据的第三数据信号；
以线极化方案的两个正交的线极性来发射所述第一数据信号和所述第一数据信号的反相信号；
以环绕所述所发射的第一数据信号和所述第一数据信号的所述所发射的反相信号中的一者的发射轴线旋转了45度的线极性来发射所述第二数据信号，其中所述第二数据信号是从与所述第一数据信号相同的位置和与所述第一数据信号不同的位置中的一者发射；以及
在一个或多个接收站处接收所述所发射的第一数据信号、所述第一数据信号的所述所发射的反相信号和所述所发射的第二数据信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述一个或多个接收站处的所述接收包括：
按所述线极化方案来接收所述第一数据信号和所述第一数据信号的所述反相信号；
通过对所述所接收的第一数据信号和所述第一数据信号的所述所接收的反相信号中的一者反相以产生一经反相的信号；以及
将所述经反相的信号与所述所接收的第一数据信号和所述第一数据信号的所述所接收的反相信号中的另一者相加以得到强度增加的所述第一数据信号，其中所述所接收的第二数据信号在相加时抵消。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以线极性发射所述第三数据信号，其中所述第三数据信号与所述第二数据信号正交。
4.根据权利要求3所述的方法，其中在所述一个或多个接收站处的所述接收包括：
通过与发射天线的所述极性对准的接收天线接收所述第一数据信号和所述第一数据信号的所述反相信号；
通过对所述所接收的第一数据信号和所述第一数据信号的所述所接收的反相信号中的一者反相以产生一经反相的信号；以及
将所述经反相的信号与所述所接收的第一数据信号和所述第一数据信号的所述所接收的反相信号中的另一者相加以得到强度增加的所述第一数据信号，其中所述所接收的第二数据信号在相加时抵消，且其中所述所接收的第三数据信号在相加时抵消。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述第三数据信号与所述第二数据信号相同且与所述第二数据信号同相发射。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在所述一个或多个接收站处的所述接收包括：
通过能够接收水平和垂直线极性两者的接收天线接收所述第二数据信号和所述第三数据信号，其中所述接收天线与发射天线的所述极性对准或非对准；以及
将来自所述水平和垂直线极性的所述所接收的信号同相相加以得到强度增加的所述第二数据信号，其中所述所接收的第一数据信号在相加时抵消。
7.根据权利要求5所述的方法，其中在所述一个或多个接收站处的所述接收包括：
以两个正交的线极性来接收所述第二数据信号；以及
将所述正交的线极性中的一个线极性上的所述所接收的第二数据信号与所述正交的线极性中的另一个线极性上的所述所接收的第二数据信号同相组合以减少来自所述所接收的第一数据信号和所述第一数据信号的所述所接收的反相信号的干扰，其中接收天线馈源相对于发射天线馈源的旋转是非对准的。
8.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：
利用两个正交极子的第一集合接收所述所发射的第一数据信号、所述第一数据信号的所述所发射的反相信号和所述所发射的第二数据信号；
利用正交极子的第二集合接收所述所发射的第一数据信号、所述第一数据信号的所述所发射的反相信号和所述所发射的第二数据信号；以及
选择两个正交极子的所述第一集合和两个正交极子的所述第二集合中的一者来检索处于所述所接收的第一数据信号的最大接收强度的所述第一数据信号。
9.根据权利要求5所述的方法，进一步包括在所述一个或多个接收站处提供旋转稳定的接收天线来以所述正交的极性中的一个极性拾取反相信号。
10.一种用于发射电磁信号的方法，包括：
提供传送第一数据、第二数据和第三数据的多个数据信号，其中所述数据信号处在相同频率，且其中所述数据信号包括传送第一数据的第一数据信号、传送第二数据的第二数据信号和传送第三数据的第三数据信号；
以线极化方案的两个正交的线极性来发射所述第一数据信号和所述第一数据信号的反相信号；
以环绕所述所发射的第一数据信号和所述第一数据信号的所述所发射的反相信号中的一者的发射轴线旋转了45度的线极性来发射所述第二数据信号，其中所述第二数据信号是从与所述第一数据信号相同的位置和与所述第一数据信号不同的位置中的一者发射；
以环绕所述所发射的第一数据信号和所述第一数据信号的所述所发射的反相信号中的一者的发射轴线旋转了315度的线极性来发射所述第三数据信号，其中所述第三数据信号是从与所述第一数据信号相同的位置和与所述第一数据信号不同的位置中的一者发射，且其中所述第三数据信号是从与所述第二数据信号相同的位置和与所述第二数据信号不同的位置中的一者发射；以及
在一个或多个接收站处接收所述所发射的第一数据信号、所述第一数据信号的所述所发射的反相信号、所述所发射的第二数据信号和所述所发射的第三数据信号。
11.根据权利要求10所述的方法，其中在所述一个或多个接收站处的所述接收包括：
按所述线极化方案来接收所述第一数据信号和所述第一数据信号的所述反相信号；
通过对所述所接收的第一数据信号和所述第一数据信号的所述所接收的反相信号中的一者反相以产生一经反相的信号；
将所述经反相的信号与所述所接收的第一数据信号和所述第一数据信号的所述所接收的反相信号中的另一者相加以得到强度增加的所述第一数据信号，其中所述所接收的第二数据信号在相加时抵消，且其中所述第三数据信号在相加时抵消，以及
在一个或多个接收站处，在与发射所述第二数据信号的天线的极性对准的线极性天线处接收所述第二数据信号，由此在无干扰的情况下接收所述第二数据信号，以及
在一个或多个接收站处，在与发射所述第三数据信号的天线的极性对准的线极性天线处接收所述第三数据，由此在无干扰的情况下接收所述第三数据信号。
12.一种用于发射电磁信号的系统，包括：
数据源，用于提供传送第一数据、第二数据和第三数据的多个数据信号，其中所述数据信号处在相同频率，且其中所述数据信号包括传送第一数据的第一数据信号、传送第二数据的第二数据信号和传送第三数据的第三数据信号；
一个或多个发射装置，用于以线极化方案的两个正交的线极性来发射所述第一数据信号和所述第一数据信号的反相信号；
所述一个或多个发射装置，用于以环绕所述所发射的第一数据信号和所述第一数据信号的所述所发射的反相信号中的一者的发射轴线旋转了45度的线极性来发射所述第二数据信号，其中所述第二数据信号是从与所述第一数据信号相同的位置和与所述第一数据信号不同的位置中的一者发射；以及
一个或多个接收站，用于在一个或多个接收站处接收所述所发射的第一数据信号、所述第一数据信号的所述所发射的反相信号和所述所发射的第二数据信号。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述一个或多个发射装置以线极性发射所述第三数据信号，所述第三数据信号与所述第二数据信号正交并且是环绕所述所发射的第一数据信号和所述第一数据信号的所述所发射的反相信号中的一者的所述发射轴线旋转了315度来发射。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述第三数据信号与所述第二数据信号相同。
15.根据权利要求12所述的系统，其中所述一个或多个接收站包括：
天线，所述天线包括接收经极化的线性信号的垂直偶极子，所述垂直偶极子被配置为用于旋转式陀螺仪的轴；
附接到所述轴的平台，所述平台被配置为与所述轴正交的偶极子；以及
用以驱动所述轴的电动机，其中所述轴和所述平台在万向节中陀螺仪式旋转。
16.根据权利要求12所述的系统，进一步包括：
两个正交极子的第一集合，用于接收所述所发射的第一数据信号、所述第一数据信号的所述所发射的反相信号和所述所发射的第二数据信号；
正交极子的第二集合，用于接收所述所发射的第一数据信号、所述第一数据信号的所述所发射的反相信号和所述所发射的第二数据信号；以及
电子控制器，用于选择两个正交极子的所述第一集合和两个正交极子的所述第二集合中的一者来检索处于所述所接收的第一数据信号的最大接收强度的所述第一数据信号。
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