CN105009369B - 针对极低海拔来扩展轴比带宽 - Google Patents
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Abstract
提供了用于在极低海拔处扩展轴比带宽的系统和方法。在某些实施方式中，系统包括：天线，具有第一组天线元件和第二组天线元件，其中第一组天线元件中的元件与第二组天线元件中的对应元件关于平面反射对称；以及全球导航卫星系统接收机，被配置成驱动天线并且处理从全球导航卫星系统卫星接收的信号，其中全球导航卫星系统接收机以第一相位延迟操作第一组天线元件中的元件和以第二、不同相位延迟操作第二组天线元件中的元件，并且以不同功率水平来驱动第一组天线元件和第二组天线元件。
Description
背景技术
圆极化天线被广泛用在全球导航卫星系统（GNSS）、卫星和雷达领域中。另外，从GNSS卫星接收信号的地面站与定位在地面站的视野内的卫星进行通信。地面站的视野中的卫星包含定位在地面站正上方的天顶与地面站的地平线之间的任何卫星。为了接收圆极化信号，天线提供足够的轴比（AR）以接收信号。然而，在某些实施方式中，天线无法在足够带宽内提供良好的轴比。例如，天线可能无法以极低的仰角在宽带宽内提供适当的轴比以用于接收圆极化信号，在极低的仰角时信号源在与天线的位置有关的地平线附近。
发明内容
提供了用于在极低海拔处扩展轴比带宽的系统和方法。在某些实施方式中，系统包括：天线，具有第一组天线元件和第二组天线元件，其中第一组天线元件中的元件与第二组天线元件中的对应元件关于平面反射对称；以及全球导航卫星系统接收机，被配置成驱动天线并且处理从全球导航卫星系统卫星接收的信号，其中全球导航卫星系统接收机以第一相位延迟操作第一组天线元件中的元件并且以第二、不同相位延迟操作第二组天线元件中的元件，并且以不同功率水平来驱动第一组天线元件和第二组天线元件。
附图说明
要理解的是，附图仅描绘示范性实施例并且因此不被认为在范围上是限制性的，将通过使用附图用附加的明确性和细节来描述示范性实施例，在附图中：
图1是图解在本公开中描述的一个实施例中的天线系统的图。
图2-6是图解在本公开中描述的一个实施例中的在离开天线的天顶的不同角度处的天线的轴比的图表。
图7是图解在本公开中描述的一个实施例中的全球导航卫星系统接收机和天线的图。以及
图8是针对在本公开中描述的一个实施例中的用于在低海拔扩展轴比带宽的方法的流程图。
依据惯例，各种描述的特征不按比例绘制，而是被绘制成强调与示范性实施例有关的特定特征。
具体实施方式
在下面的详细描述中，对形成该描述的部分的附图进行参考，并且在附图中通过说明的方式示出特定说明性实施例。然而，要理解的是，可以利用其它实施例而且可以做出逻辑、机械和电气的改变。而且，在绘制的附图和说明书中呈现的方法不要被解释为限制个体步骤可以按照其执行的次序。因此，下面的详细描述不要以限制意义进行理解。
本公开的实施例能够覆盖宽的带宽同时在低海拔处提供足够的轴比性能。在至少一个实施例中，系统包含具有多个天线元件的天线，其中多个天线元件被分离成上组和下组，上组定位在地平线之上，其中下组相对于上组中的天线元件对称地定位在地平线之下。系统中的每个天线元件对于通过上组中的天线元件并且通过下组中的天线元件对椭圆极化信号的发射和接收具有伴随的相位延迟。为了在低海拔处扩展轴比性能用于关于天线位置的地平线附近的信号的通信，与下组相关联的相位关于与上组相关联的相位被延迟。可替代地，系统通过经由下组中的元件以与上组中的元件相比的不同功率水平接收和发射信号来扩展轴比。另外，系统能够通过同时地延迟与下组相关联的相位并且以相对于上组中的元件的不同功率水平来驱动下组中的元件来扩展轴比。通过与上组不同地操作下组，系统能够在接近与天线位置相关联的地平线的极低海拔处接收信号同时具有大的轴比带宽。
图1是天线100的图，该天线100能够被驱动以改进在低海拔处系统的轴比性能和带宽。在某些实施例中，天线100包含通过接合构件112接合在一起的多个元件，其中该接合构件112在天线元件与天线控制器110之间路由电气连接。在至少一个实施方式中，接合构件112处在示范性平面114中，该示范性平面114将元件分离成两个不同组。例如，当存在如示出的八个元件时，示范性平面114将元件分离成包含元件102-U、104-U、106-U和108-U的上组120以及包含元件102-L、104-L、106-L和108-L的下组130。在天线100作为基于地面的系统的部分促进信号的接收和发射的某些应用中，下组130中的元件102-L、104-L、106-L和108-L被定位成比上组120中的对应元件102-U、104-U、106-U和108-U更接近地面。在替代的实施方式中，接合构件112连接到天线元件的不同位置，其中天线元件仍被划分成上组120和下组130，其中接合构件112的位置不与地平线114对齐。在至少一个实施方式中，天线100的元件是圆形单极天线元件。例如，每个单极元件具有半周长，该半周长等于特定天线元件的中心操作频率的波长的四分之一。
在某些实施例中，上组120中的每个元件与下组130中的对应元件相关联，使得上组120中的每个元件相对于下组130中的对应元件对称地布置。例如，元件102-U和102-L关于示范性平面114具有相对彼此的镜面对称性。同样地，元件104-U和104-L；106-U和106-L以及108-U和108-L关于示范性平面114也具有相对彼此的镜面对称性。在至少一个实施方式中，上组120和下组130中的每套对应元件彼此之间相距相同距离。另外，天线控制器110能够分离地延迟天线100的每个元件，使得天线100能够对具有不同极化的电磁波进行响应。例如，当天线被配置成接收和发射右旋圆极化信号时，天线控制器110能够把经由天线元件104-U接收或通过天线元件104-U发射的信号延迟90°的相位延迟，把经由天线元件106-U接收或通过天线元件106-U发射的信号延迟180°的相位延迟，并且把经由天线元件108-U接收或通过天线元件108-U发射的信号延迟270°的相位延迟，而经由天线元件102-U接收或通过天线元件102-U发射的信号不被延迟。同样地，下组130中的元件被类似地延迟。当接收或发射的信号如以上描述的那样被延迟时，天线100被配置成发出或接收右旋圆极化信号。类似地，天线控制器110能够把经由天线元件108-U接收或通过天线元件108-U发射的信号延迟90°的相位延迟，把经由天线元件106-U接收或通过天线元件106-U发射的信号延迟180°的相位延迟，并且把经由天线元件104-U接收或通过天线元件104-U发射的信号延迟270°的相位延迟，而经由天线元件102-U接收或通过天线元件102-U发射的信号不被延迟，其中下组130中的元件再次被类似地延迟。当接收或发射的信号如以上刚刚描述的那样被延迟时，天线100被配置成发出或接收右旋圆极化信号。其它各种椭圆极化（诸如例如左旋圆极化信号）也能够通过控制上组120和下组130中的元件的相位延迟经由天线100而被发出。
在某些实施例中，天线100的元件的布置允许天线具有改进的轴比带宽。如在本文中使用的短语“轴比”指代由如本领域技术人员理解的电场因子限定的长轴和短轴的量值的比率。例如，当通过天线100接收的信号是圆极化和椭圆极化时，天线的轴比是一，因为电场的长轴和短轴两者相等。与此相比，当信号线性极化时，天线的轴比无穷大，因为短轴的量值是零。当轴比在1与无穷大之间时，信号是椭圆极化的，但不是圆极化的。另外，如在本文中使用的短语“轴比带宽”指代一频率范围，天线在该频率范围中维持它的极化，并且当天线发出或接收圆极化信号时，该数字表达天线的圆极化的质量。另外，通过机械定位天线接收机，天线也能够接收或发出椭圆（但不是圆）极化或线性极化信号。在某些应用中，广泛使用圆极化信号。例如，从全球导航卫星系统（GNSS）卫星接收信号的天线通常具有足够的轴比带宽以促进接收从特定卫星发出的圆极化信号。因为能够在相对于天线位置的地平线上方的任何位置处找到卫星，所以当接收天线能够从地平线上方的任何位置接收信号同时仍然维持足够的轴比时改进了GNSS接收机的性能。例如，当天线在从天顶（在天线正上方）到接近地平线的极低仰角的每个位置处具有低的轴比时改进GNSS接收机的性能。
在某些实施例中，为了在天线100的地平线上方的每个位置处改进天线100的轴比带宽，包含元件102-U、104-U、106-U和108-U的天线元件的上组120中的元件与包含元件102-L、104-L、106-L和108-L的天线元件的下组130中的天线元件相比被不同地延迟。例如，天线元件的下组130中的元件可以具有如下相位延迟：该相位延迟相对于天线元件的上组120中的对应天线元件偏移60°。在针对下组130的60°的相位延迟偏移的特定示例中，天线元件的上组中的天线元件104-U可以被延迟90°，并且天线元件的下组中的对应天线元件104-L可以被延迟150°。类似地，当天线元件106-U如以上描述的那样被延迟180°以用于圆极化信号的发出和接收时，对应天线元件106-L可以被延迟230°，该对应天线元件106-L具有与上天线组120中的对应天线元件106-U偏移的延迟。可替代地，下组130能够相对于上组120被延迟任何量值的相位延迟。当下组130相对于上组120被延迟时，下组130将被配置成接收或发射圆极化信号，该圆极化信号与上组120中的对应元件相比被相位延迟。在至少一个实施方式中，天线控制器110基于通过天线100接收或发射的信号的频率来确定上组120与下组130之间的相位延迟偏移。
可替代地，能够通过以不同功率水平驱动对应天线元件来改进针对天线100的轴比带宽。为了以不同功率水平来驱动对应天线元件，天线控制器110能够通过大于下组130中的天线元件102-L、104-L、106-L和108-L的功率水平的功率水平来驱动天线元件的上组120中的天线元件102-U、104-U、106-U和108-U。例如，天线控制器110以一功率水平来驱动天线元件102-L、104-L、106-L和108-L，该功率水平是天线控制器110以其驱动天线元件的上组中的天线元件102-U、104-U、106-U和108-U的功率水平的十分之一。在至少一个实施方式中，天线控制器110基于通过天线100接收或发射的信号的频率来确定上组120与下组130之间的功率水平的差。通过执行以不同功率水平来驱动天线元件和相位延迟对应天线元件的组合，针对天线100的轴比带宽能够在接近地平线的极低海拔处被改进。
图2-6是图解在相对于针对天线的天顶的各种角度处的轴比的图表，该天线在一些实施方式中如以上关于图1描述的那样操作。例如，图2图解当以相同的相应相位延迟和相同功率来驱动上组120中的元件和下组130中的元件两者时针对天线（诸如图1中的天线100）的轴比结果202的图表200。如图解的那样，针对特定天线的轴比结果202随着离开天顶角度靠近90°的角度而急剧增加，其中90°的角度对应于与特定天线位置相关联的地平线。因此，当天线被驱动使得上组120和下组130具有相同的相应相位延迟和相同功率时，天线可能具有以下困难：从非常接近天线的地平线或者以与天线的天顶成接近90°的角度定位的源准确地接收信号。
图3图解针对天线（诸如图1中的天线100）的轴比结果302的图表300，其中下组130以相对于上组120中的对应元件60°的相位延迟被驱动。如在图3中示出的那样，轴比结果302图解：与当上组120和下组130两者如在图2中示出的那样相对于相位延迟和功率相同地被驱动时的轴比相比改进的性能。例如，轴比结果302中的最大轴比从在图2中定位在90°处移位到110°，这是因为下组130相对于上组120的延迟偏移。轴比的移位改进天线在天线的地平线处或地平线附近接收信号的能力。然而，轴比性能在参照与天线的天顶相关联的轴比时仍在90°处稍微地下降。
具有与图3类似外观的图4图解针对天线的轴比结果402的图表400，其中以上组120的功率水平的十分之一来驱动下组130。如在图4中示出的那样，轴比结果402的最大轴比定位在与图3中的轴比结果302类似的相对于天线100的位置的角度处。因此，以上组120的功率的十分之一来驱动下组130在与天线的天顶成90°处具有与图3中的轴比结果302描述的天线性能类似的性能。
图5图解针对天线的轴比结果502的图表500，其中以相对于上组120中的对应元件60°的相位延迟来驱动下组130，并且以上组120的功率水平的十分之一来驱动下组130。如在图5中示出的那样，轴比结果502图解：与当上组120和下组130两者相对于相位延迟和功率被相同驱动时的轴比相比改进的性能。另外，轴比结果502图解与如下情况下的轴比相比改进的性能：当下组130具有与上组120相比的相位延迟时或者当以与上组120相比的不同功率水平来驱动下组130时。例如，当下组130被相位延迟并且以不同功率水平被驱动时，轴比结果502中的最大轴比从如在图2中示出的那样定位在90°处移位到定位在与天线的天顶成大约125°处。如在图表500中图解的那样，在90°处的轴比也被显著地改进。因此，当下组130相对于上组120以不同功率水平被驱动或者被相位延迟这两者时，天线能够从定位在地平线处或地平线附近的源更成功地接收圆极化信号。
图6图解由类似于图1中的天线100起作用的天线提供的轴比结果602、604和606的图表600。另外的轴比结果602和606表示如以上关于图5中的轴比结果502描述的那样驱动的天线。另外，轴比结果602和606图解响应于在不同频带中从GNSS卫星发射的信号的轴比。例如，轴比结果602表示针对在1.575 GHz从GNSS卫星发射的信号的接收的轴比。轴比结果606表示针对在1.2 GHz从GNSS卫星发射的信号的接收的轴比。与此相比，轴比结果604表示：当下组130中的元件相对于上组120中的对应元件被相位延迟90°并且下组130中的元件以上组120中的元件的功率的十分之一被驱动时，针对在1.2 GHz从GNSS卫星发射的信号的接收的轴比。在某些实施方式中，天线控制器110能够同时地在多个频带内驱动上组120和下组130两者的元件。
图7图解用于从卫星接收信号的GNSS系统的框图。GNSS系统包含GNSS接收机702，该GNSS接收机702充当针对天线700的天线控制器。天线700能够从可见卫星接收圆极化信号，其中天线700包含天线元件的上组720和天线元件的下组730。例如，卫星705、715、725和735定位在天空中的不同位置处，这些位置对于天线700可见。当上组720和下组730两者都被GNSS接收机710同样地驱动时，天线能够当从卫星705、715和725接收信号时维持足够的轴比。然而，天线735在相对于天线700的位置的地平线750附近并且轴比是高的，使得天线700难以从天线735接收圆极化信号。
为了促进从定位在地平线750附近的卫星接收信号，GNSS接收机与天线元件的上组720不同地驱动天线元件的下组730。例如，GNSS接收机相对于通过上组720接收的信号延迟通过下组730接收的信号的相位。可替代地，GNSS接收机以相比上组720不同的功率水平来驱动下组730。另外，GNSS接收机延迟通过不同的元件组接收的信号，并且依据接收的信号的频率来驱动不同的元件组。例如，如果正在L1、L2或L3频带中接收信号，则GNSS接收机改变天线组的延迟和功率。另外，GNSS接收机710能够同时驱动天线元件在多个频带中接收信号。当GNSS接收机710相比上组720不同地延迟和/或驱动下组730时，GNSS接收机710能够更改天线700的轴比，使得天线700能够高效地从定位在地平线750附近的卫星接收圆极化信号。
图8是用于在低海拔处驱动天线以扩展轴比带宽的方法800的流程图。方法800在802处进行，其中第一组单极天线元件被驱动以对椭圆极化电磁波进行响应。方法800进行到804，其中第二组单极天线元件被驱动以对椭圆极化电磁波进行响应，其中第一组天线元件和第二组天线元件关于平面彼此镜面对称。在某些实施方式中，当第一组天线元件和第二组天线元件被彼此不同地驱动时，对单极天线元件的驱动扩展轴比带宽。例如，天线控制器以相对于第二组不同的相位延迟来驱动第一组。可替代地，天线控制器以不同功率水平来驱动第一组和第二组。
示例实施例
示例1包含天线系统，该天线系统包括：天线，具有第一组天线元件和第二组天线元件，其中第一组和第二组关于平面对称布置；以及天线控制器，被配置成相比第二组天线元件不同地驱动第一组天线元件，其中天线控制器驱动第一组天线元件和第二组天线元件以对椭圆极化电磁波进行响应。
示例2包含示例1的天线系统，其中天线控制器以第一相位延迟操作第一组天线元件中的元件，并且以第二、不同相位延迟操作第二组天线元件中的元件。
示例3包含示例1-2中的任何一个的天线系统，其中天线控制器以不同功率水平驱动第一组天线元件和第二组天线元件。
示例4包含示例1-3中的任何一个的天线系统，其中天线控制器为第一组天线元件提供第一相位延迟，该第一相位延迟不同于针对第二组天线元件的第二相位延迟，并且以不同功率水平来驱动第一组天线元件和第二组天线元件。
示例5包含示例4的天线系统，其中天线控制器基于通过天线接收或发射的信号的频率确定第一相位延迟与第二相位延迟之间的差和确定不同功率水平。
示例6包含示例1-5中的任何一个的天线系统，其中天线控制器提供多个信号给第一组天线元件中的元件，该第一组天线元件中的元件以多个不同相位延迟被延迟，其中多个不同相位延迟不同于针对第二组天线元件中的对应元件的相位延迟。
示例7包含示例1-6中的任何一个的天线系统，其中第一组天线元件和第二组天线元件中的每一组包括四个圆形单极辐射体，该四个圆形单极辐射体被接合在一起使得一组天线元件中的四个圆形单极辐射体定位在正方形状的接合构件的顶点处。
示例8包含示例1-7中的任何一个的天线系统，其中天线从至少一个全球导航卫星系统卫星接收信号。
示例9包含示例1-8中的任何一个的天线系统，其中天线在至少一个全球导航卫星系统频带中接收信号。
示例10包含一种用于为天线在低海拔处扩展轴比带宽的方法，该方法包括：驱动第一组单极天线元件以对椭圆极化的电磁波进行响应；以及驱动第二组单极天线元件以对椭圆极化的电磁波进行响应，其中第一组天线元件和第二组天线元件关于平面彼此镜面对称。
示例11包含示例10的方法，其中第一组单极天线元件中的元件以关联的相位延迟被驱动，该关联的相位延迟不同于驱动第二组单极天线元件中的对应元件的相位延迟。
示例12包含示例10-11中的任何一个的方法，其中以不同功率水平来驱动第一组单极天线元件和第二组单极天线元件。
示例13包含示例10-12中的任何一个的方法，其中第一组单极天线元件中的元件具有相对于第二组单极天线元件中的对应元件的关联的相位延迟，并且以不同功率水平来驱动第一组单极天线元件和第二组单极天线元件。
示例14包含示例13的方法，其中基于通过天线接收或发射的信号的频率来确定所述关联的相位延迟和所述不同功率水平。
示例15包含示例10-14中的任何一个的方法，其中第一组单极天线元件中的天线元件与多个不同相位延迟相关联，其中所述多个不同相位延迟不同于针对第二组单极天线元件中的对应元件的相位延迟。
示例16包含示例10-15中的任何一个的方法，还包括从至少一个全球导航卫星系统卫星接收信号。
示例17包含一种用于从GNSS卫星接收信号的系统，该系统包括：天线，具有第一组天线元件和第二组天线元件，其中第一组天线元件中的元件与第二组天线元件中的对应元件关于平面反射对称；以及全球导航卫星系统接收机，被配置成驱动天线并且处理从全球导航卫星系统卫星接收的信号，其中全球导航卫星系统接收机以第一相位延迟操作第一组天线元件中的元件和以第二、不同相位延迟操作第二组天线元件中的元件，并且以不同功率水平来驱动第一组天线元件和第二组天线元件。
示例18包含示例17中的任何一个的系统，其中全球导航卫星系统接收机基于通过天线接收或发射的信号的频率确定第一相位延迟与第二相位延迟之间的差并且确定不同功率水平。
示例19包含示例17-18中的任何一个的系统，其中全球导航卫星系统接收机提供多个信号给第一组天线元件中的元件，所述第一组天线元件中的元件以多个不同相位延迟被延迟，其中所述多个不同相位延迟不同于针对第二组天线元件中的对应元件的相位延迟。
示例20包含示例17-19中的任何一个的系统，其中第一组天线元件和第二组天线元件中的每一组包括四个圆形单极辐射体，该四个圆形单极辐射体被接合在一起使得一组天线元件中的四个圆形单极辐射体定位在正方形状的接合构件的顶点处。
虽然在本文中已经图解和描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将领会的是，设计为实现相同目的的任何布置可以替代所示出的特定实施例。因此，显然意图是本发明仅被权利要求及其等同物限制。
Claims (3)
1.一种天线系统，所述天线系统包括：
天线，具有第一组天线元件和第二组天线元件，其中第一组天线元件包括第一组四个圆形单极辐射体，以及第二组天线元件包括第二组四个圆形单极辐射体， 其中第一组四个圆形单极辐射体中的每个单极辐射体与第二组四个圆形单极辐射体中的一个单极辐射体相关联，其中相关联的单极辐射体连接到接合构件的顶点，其中接合构件的两个表面平行于一平面，并且该两个表面之间的厚度被该平面等分，其中第一组天线元件和第二组天线元件关于该平面对称布置；以及
天线控制器，被配置成驱动第一组天线元件和第二组天线元件以使得通过第一组天线元件发射和接收的信号与通过第二组天线元件发射和接收的信号不同地发射和接收，其中天线控制器驱动第一组天线元件和第二组天线元件以使得通过第一组天线元件和通过第二组天线元件发射和接收的信号是椭圆极化电磁波。
2.权利要求1的所述天线系统，其中所述天线控制器被配置成以第一相位延迟来延迟来自第一组天线元件的信号，并且以第二、不同相位延迟来延迟来自第二组天线元件的信号。
3.一种用于为天线在低海拔处扩展轴比带宽的方法，所述方法包括：
通过第一组四个圆形单极天线元件接收和发射信号以对椭圆极化的电磁波进行响应；以及
通过第二组四个圆形单极天线元件接收和发射信号以对椭圆极化的电磁波进行响应，通过第一和第二组四个圆形单极天线元件不同地接收和发送信号，其中第一组四个圆形单极天线元件中的每个圆形单极天线元件与第二组四个圆形单极天线元件中的一个圆形单极天线元件相关联，其中相关联的圆形单极天线元件彼此连接，且连接到正方形状的接合构件的顶点，该正方形状的接合构件位于一平面中，其中第一组天线元件和第二组天线元件关于该平面对称地布置。
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