CN106134002A - 多模复合天线 - Google Patents

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Abstract

公开了一种多模复合天线。该天线包括：至少两个偶极元件，每个偶极元件具有两个臂，信号传输线连接至每个臂；信号传输线在其内延伸的导电管，导电管形成所述信号传输线的屏蔽；以及导电管的延伸部。在一个实施方式中，通过折向自身的导电管来形成延伸部。通过至少一个差模激励能够激励偶极元件，以实现偶极辐射图，并且当由共模激励来激励至少一个偶极元件时，延伸部形成具有单极辐射图的单极元件。通过差模激励和共模激励两者的应用，复合天线能够具有组合的单极辐射图和偶极辐射图。

Description

多模复合天线
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年1月17日提交的申请号为2014/00363的南非临时专利申请的优先权，通过引用将其并入本文。
技术领域
本发明涉及天线，并且更具体地，涉及多模复合天线。
背景技术
在多种无线天线应用中，理想的是从各种各样的可能的角度接收或发送信号。然而，天线元件的辐射图是不可能完全全向的，因为总是存在一个方向，天线从该方向比从其优选方向接收的功率更少。对于直线天线(如单极或偶极天线)来说，所述辐射图在导线的方向上为零。
为了组合单极和偶极天线，已经进行了各种尝试，以便创建可以发送或从多个方向接收更均匀的功率分布的复合天线。通常，理想的是，创建用于在地平面上的天线的半球辐射图。然而，由于有多个局部最小值，单个单极和偶极的组合不会产生完全半球形的辐射图。此外，单极和偶极的配置通常是个问题，并且由于不能准确地进行配置，之前为组合单极和偶极而做出的许多的尝试是次优的。
WO2013109173A1讨论了组合的单极和偶极天线。偶极天线具有位于沿着偶极传输线的非屏蔽部的共模抑制滤波器，从而从非屏蔽传输线创建正交单极元件。虽然本公开内容解决了配置问题，但是所描述的天线需要共模抑制滤波器，以及由此引起的复杂性。甚至当通过差模激励进行驱动时，非屏蔽传输线还可引起杂散干扰。
本发明旨在至少在一定程度上解决这些以及其它缺点。
前面讨论的本发明的背景技术仅仅为了便于本发明的理解。但是应当理解的是，该讨论不是承认或许可任何所提到的材料是截至本申请的优先权日的本领域的公知常识的一部分。
发明内容
根据本发明，提供了一种多模复合天线，包括：
至少两个偶极元件，每个偶极元件具有两个臂，信号传输线连接至每个臂，所述偶极元件能够被至少一个差模激励激励，以实现偶极辐射图；
导电管，所述信号传输线在所述导电管内延伸，且所述导电管形成所述信号传输线的屏蔽；以及
导电管的延伸部，当由共模激励来激励至少一个偶极元件时，延伸部形成具有单极辐射图的单极元件，
通过差模激励和共模激励两者的应用，复合天线因此能够具有组合的单极辐射图和偶极辐射图。
进一步的特征提供了：所述导电管是正圆柱形导电管，并且通过折向所述圆柱形导电管自身的所述圆柱形管的延伸部形成所述单极元件。
在一个实施方式中，所述圆柱形管的延伸部被折向所述圆柱形导电管自身、并且大致平行于所述圆柱形导电管进行延伸，并且所述偶极臂是圆柱形元件。
在不同实施方式中，所述圆柱形管的延伸部被折向所述圆柱形导电管自身、并且从所述圆柱形导电屏蔽向外展开，以形成圆锥部分，并且每个偶极臂是由向所述偶极臂的自由端加宽的板材制成，以形成大致扇形偶极臂。
进一步的特征提供了：当垂直于所述偶极元件测量时，每个偶极元件的每个臂的长度等于形成所述单极元件的所述导电管的所述延伸部的高度，从而确保所述偶极辐射图和所述单极辐射图发生在相同频率。
进一步的特征提供了：所述导电管被连接到地平面，并且每个偶极元件的所述两个臂是大致共线的，并且以相反方向沿着共平面延伸。
进一步的特征提供了：所述复合天线包括两个偶极元件，所述两个偶极元件具有垂直于彼此延伸的臂，所述两个偶极元件以及所述单极元件形成在三个互相垂直的方向上延伸的三个辐射元件。
进一步的特征提供了：存在四个信号传输线，每个所述信号传输线被连接到所述两个偶极元件的所述臂中的一个，并且被连接到每个偶极元件的一对信号传输线被耦接到具有差模和共模的180度混合耦合器。
进一步的特征提供了：所述180度混合耦合器使用四个正交横向电磁激励模式，同时激励所述两个偶极元件。
进一步的特征提供了：波束形成权重被应用到四个正交激励模式，从而对复合天线的视场进行电整形。
进一步的特征提供了：波束形成权重被应用到四个正交激励模式，使得复合天线的视场范围近似于半球形视场。
本发明扩展到天线队列，包括以预定的场配置布置的多个前述的多模复合天线。
本发明进一步扩展到无线电望远镜，包括前述的天线队列，其中，扫描的方向能够通过对复合天线的视场进行电整形来控制，而无需复合天线能够移动。
附图说明
现在将参考附图说明，仅通过示例的方式来描述本发明，在附图说明中：
图1A是根据本发明第一实施方式的多模复合天线的三维视图；
图1B是图1A的天线的俯视图；
图1C是图1A的天线的剖视图；
图1D是示出具有其四条信号传输线的图1A的天线的一部分的仰视图；
图2是示出两个混合耦合器与信号传输线的连接的示意图；
图3A至图3D是由偶极元件和单极元件的单独激励引起的远场辐射图；
图4A至图4D是用于四个正交横向电磁(TEM)激励模式的激励场分布；
图5A至图5D是对应于图4A至4D的激励场分布的远场辐射图；
图6A是由混合耦合器中的一个的差模激励所得到的辐射近场分布；
图6B是由混合耦合器中的一个的共模激励所得到的辐射近场分布；
图7是示出共模激励和差模激励在180度的角度上的远场分布的曲线图；
图8是示出当波束形成在半球形视场的每个扫描角度处的最大增益时，在半球形视场上的复合天线的增益的示图；
图9是示出当波束形成以确保在半球形视场的近轴对称增益时，在半球形视场上的复合天线的增益的示图；
图10A是根据本发明的第二实施方式的多模复合天线的三维视图；
图10B是图10A的天线的俯视图；
图10C是图10A的天线的剖视图；
图10D是示出具有四条信号传输线的图10A的天线的一部分的仰视图；
图11A是由差模激励引起的图10A的天线的辐射近场分布；
图11B是由共模激励引起的图10A的天线的辐射近场分布；
图12是根据本发明的多模复合天线的阵列的示例性场配置的布局；以及
图13是示出当波束形成以确保在半球形视场的近轴对称增益时，半球形视场上的图12的多模复合天线阵列的增益的示图。
具体实施方式
图1A至图1C示出根据本发明第一实施方式的多模复合天线(10)。天线(10)包括第一和第二偶极元件(12、14)，其每一个具有一对在相对的方向上沿着共同平面延伸的共线的臂(12A、12B、14A、14B)。在本实施方式中，该臂是圆柱形的导电元件，并且第一偶极元件(12)的臂(12A、12B)垂直于第二偶极元件(14)的臂(14A、14B)延伸。
如在图1D中最清楚地示出，偶极臂的每一个被连接到独立的信号传输线(16A、16B、16C、16D)。四条信号传输线在形成信号传输线的屏蔽的导电性正圆柱管(18)内延伸。如在图1C中最清楚地所示，导电管(18)具有折回其自身以形成外套筒(20)的延伸部，该外套筒在与导电管(18)平行方向上延伸。导电管(18)被连接到地平面(未示出)。如图1C所示，优选地，当垂直于所述偶极元件测量时，每个偶极子元件(12)的每个臂的长度(L1)等于形成单极元件的导电管的延伸部的高度(L2)，该导电管，从而确保了偶极辐射图和单极辐射图发生在相同的频率。
如将在本文中阐述的，当由差模激励来激励四条信号传输线(16A、16B、16C、16D)时，两个偶极元件(12、14)实现偶极-到-地面的辐射图。当由共模激励来激励时，导电套筒(20)形成具有单极辐射图的单极元件。两个偶极元件和一个单极元件一起形成三个相互垂直的辐射元件。通过应用差模激励和共模激励两者，多模复合天线(10)能够具有组合的单极和偶极辐射图，从而能够实现接近半球形视场。
图2是示出第一和第二个180度的混合耦合器(22、24)与四条信号传输线(16A、16B、16C、16D)连接的示意图，凭借180度的混合耦合器，可以单独或者组合激励三个垂直辐射元件的每个。每个混合耦合器具有和端口(22A、24A)与差端口(22B、24B)，并且具有它的两个输出端，其中，两个输出端通过信号传输线(16A、16B、16C、16D)的方式连接到其中一个偶极元件的每一个臂。混合耦合器的工作如下：当在匹配负载中激励和端口(22A、24A)且终止差端口(22B、24B)时，混合耦合器的输出是同相的。当在匹配负载中激励差端口(22B、24B)且终止和端口(22A、24A)时，则输出是异相的。
两个混合耦合器可以被用来单独地激励每个偶极元件和单极元件。假设有三个轴x、y和z，其中z垂直于地平面，并且第一偶极(12)具有沿着x轴延伸的两个臂(12A、12B)，第一混合耦合器(22)被连接到第一偶极(12)的信号传输线。激励第一混合耦合器(22)的差端口(22B)，同时保持两个耦合器的其它三个端口(22A、24A、24B)接载它们的特性阻抗，激励异相的第一偶极的两个臂(12A、12B)产生在图3A所示的典型偶极-到-地面的辐射图。在图6A中示出引起这种辐射图的近场分布。同样，激励第二混合耦合器(24)的差端口(24B)，同时保持其它三个端口(22A、22B、24A)接载它们的特性阻抗，激励异相的第二偶极(14)的两个臂(14A、14B)产生在图3B中所示的辐射图。
仅激励第一混合耦合器(22)的和端口(22A)激励了同相的第一偶极(12)的两个臂(12A、12B)，得到在图6B中所示的近场分布以及在图3C中所示的远场辐射图(其是单极辐射图)。并且同样的，仅激励第二混合耦合器(24)的和端口(24A)激励了同相的第二偶极(14)的两个臂(14A、14B)，得到在图3D中所示的单极辐射图。
因此，将理解的是，通过分别地激励两个混合耦合器的四个端口中的一个，可以产生在图3A和图3D中所示的四种不同的辐射图，其中两种是偶极-到-地辐射图，另两种是单极辐射图。图7示出沿x和z轴之间的角度绘制的图3A和图3C的偶极和单极辐射图的曲线图。
在一些应用中，理想的是同时(而不是分别)激励所有四条信号传输线。通过使用四个正交横向电磁(TEM)激励模式，并将它们线性地组合，可以实现如在图3A至图3D所示的相同的辐射图。为实现这种辐射图所需的四个正交TEM激励模式分别是如在图4A至图4D中所示的TEM1到TEM4。在图3A到图3D中所示的辐射图的每一个可以被实现为如下的四个正交TEM激励模式TEM1到TEM4的线性组合：
·图3A的激励模式＝TEM1+TEM2
·图3B的激励模式＝TEM1-TEM2
·图3C的激励模式＝TEM3-TEM4
·图3D的激励模式＝TEM3+TEM4
其中：
·通过同步激励两个同相的混合耦合器的差端口，同时和端口接载匹配负载来产生TEM1；
·通过激励两个异相的混合耦合器的差端口，同时和端口接载匹配负载来产生TEM2
·通过激励两个同相的混合耦合器的和端口，并且差端口接载匹配负载来产生TEM3；并且
·通过激励两个异相的混合耦合器的和端口，并且差端口接载匹配负载来产生TEM4。
通过将复杂波束形成权重应用到四个正交激励模式(TEM1到TEM4)，可以形成复合天线的视场。图8是示出当用波束形成在半球形视场的每个扫描角度处的最大增益时，在半球形视场上的复合天线的增益的示图。图9是示出当波束形成以确保在半球形视场的近轴对称增益时，半球形视场上的复合天线的增益的示图。
由于四个横向激励模式的正交性质，可通过用波束形成每个激励模式来使用天线作为单个元件扫描天线。在有地平面的情况下，可通过将复杂波束形成权重应用到每个激励模式而获得近半球形视场的范围。
在瞄准线和丰富的各向同性多路径(RIMP)环境两者中，该复合天线可以集成在用于无线通信网络的微基站收发信机台(BTS)，或者作为4-端口多输入和多输出(MIMO)天线。该天线可安装在墙壁上，同时仍然能够拦截来自不同的方向上的信号以及可能由于多路径效应引起的极化，从而保持高的数据吞吐量速率。由多个正交激励模式所取得的天线分集(antenna diversity)允许在多路径MIMO应用中使用单个多模天线。
相较于现有的天线设计(诸如印制基板天线设计)，该复合天线的配置允许更对称的设计。与双极化天线相比，本发明的天线显示出了在天线的极化性能上的改进。
图10A至图10C示出了根据本发明第二实施方式的多模复合天线(100)，其相较于图1A至图1C的天线，具有改进的工作带宽。复合天线(100)包括第一和第二偶极元件(102，104)，其每一个具有一对在相对的方向上沿着共同平面延伸的臂(102A，102B，104A，104B)。在本实施方式中，每个臂都是由向其活动端加宽的板材制成，以大致形成扇形偶极臂。扇形偶极臂可以制成固体金属板，或者在所示的实施方式中，可以在基板(105)上被打印。第一偶极元件(102)的臂(102A，102B)垂直于第二偶极元件(104)的臂(104A，104B)延伸。正如在图10C所示，每个偶极元件(102)的每个臂的长度(L1)等于形成单极元件的导电管的延伸高度(L2)(当垂直于偶极元件测量时)，从而保证了偶极辐射图和单极辐射图发生在相同的频率。
在图10D中最清楚地示出，偶极臂的每一个被连接到单独的信号传输线(106A，106B，106C，106D)。四条信号传输线在形成用于信号传输线的屏蔽的导电右圆柱形管(108)内延伸。如在图10C中所示，圆柱形管(108)具有折回其自身以形成外套筒(110)的延伸部。在一个实施方式中，该外套筒(110)从该圆柱形管(108)向外展开，以形成圆锥形部分。
如在图1A至图1C的实施方式中，可使用四条信号传输线(106A，106B，106C，106D)分别激励多模复合天线(100)的偶极元件(102，104)和单极套筒(110)。在图11A中示出了由至少一个偶极元件的差分模式激励引起的近场分布，以及由至少一个偶极元件的共模激励引起的近场分布，从而形成图11B中示出的近场分布单极辐射图。通过应用相同的四个正交的TEM模式，可以得到宽频近半球视场。
因此，针对不同的应用，可以制造不同的尺寸和配置的迄今描述的两个多模复合天线。下面的表1示出了用于多模复合天线的四个示例性应用，以及每个天线的示例性宽度(即偶极元件的两个臂的组合长度)以及垂直于偶极元件所测量的天线的高度。它还示出了天线的近似带宽，以及哪两个所示的实施方式被推荐用于该应用。标题“应用”下的缩写对于无线电通信领域的人所公知的。GSM代表全球移动通信系统，并且是蜂窝电话技术。UMTS是通用移动通信系统，WCDMA是宽带码分多址，以及LTE是长期演进。当然，存在许多其它的应用，并且本发明不限于任何这些应用。
表1：各种应用的多模复合天线的近似尺寸
所描述的任一个实施方式的多模复合天线可以用作单个天线，也可以被布置成天线阵列，该天线阵列包括以预定的场配置布置的多个天线。图12示出了用于多模复合天线的阵列的示例性场配置。示出的场配置是基于96个元件阵列并以不规则的配置进行布置。该配置是基于现有的演示器定相天线阵列无线电望远镜(被称为LOFAR(低频阵列))，并且被选择将本发明的天线阵列与现有的天线(其是纯差分的，即基于偶极的)进行比较。图12的场配置旨在以VHF(非常高的频率)的频段进行观察。在本说明书中，天线的尺寸被调整为达到55兆赫的共振频率，其需要大约1.3米的天线高度以及约2.6米的宽度(即，两个天线臂的长度)。如前所述，通过将复杂波束形成权重应用到四个正交激励模式(TEM1到TEM4)，可以在每个扫描角处将天线阵列的增益最大化。图13是示出当波束形成以确保半球形视场上的近轴对称增益时，图12的在半球视场上的多模复合天线阵列的增益。阵列配置实现了近轴对称增益模式，其在半球形视场范围上变化小于5dB。相比于现有的天线阵列，这是视场范围的改进。各个天线的四个基本激励模式之间的相互耦合被认为是非常低的，低于所有激励模式的-15dB。
天线阵列能找到在无线电天文学应用中的特定的应用。在这种应用中，天线阵列被用作无线电望远镜，该天线阵列通过对复合天线的视场进行电整形来完成在特定方向上扫描下降到水平线的所有路径，而无需天线能够物理移动并追踪目标。
本发明不局限于所描述的实施方式，并且在本发明的范围内包含多种修改。例如，该复合天线不一定仅有两个偶极元件，而是可以包括三个、四个或者任何更高数目的偶极元件。导电管的延伸部不一定通过将管折向其自身，而是可以是任何其它类型的延伸，当由共模激励激励偶极元件时，其得到单极辐射图。在结构材料以及用于激励偶极元件的方式上可以存在多种选择。
贯穿整个说明书和权利要求，除非内容需要，否则单词“包括”或变体诸如“包含”或“包括”将被理解为包括表示整数或者整数组，但不排除任何其它整数或整数组。

Claims (13)

1.一种多模复合天线，包括：
至少两个偶极元件，每个偶极元件具有两个臂，信号传输线连接至每个臂，所述偶极元件能够被至少一个差模激励激励，以实现偶极辐射图；
导电管，所述信号传输线在所述导电管内延伸，且所述导电管形成所述信号传输线的屏蔽；以及
所述导电管的延伸部，当由共模激励来激励至少一个偶极元件时，所述延伸部形成具有单极辐射图的单极元件，
通过差模激励和共模激励两者的应用，所述复合天线因此能够具有组合的单极和偶极辐射图。
2.根据权利要求1所述的多模复合天线，其中，所述导电管是正圆柱形导电管，并且通过折向所述圆柱形导电管自身的所述圆柱形管的延伸部形成所述单极元件。
3.根据权利要求2所述的多模复合天线，其中，所述圆柱形管的延伸部被折向所述圆柱形导电管自身、并且大致平行于所述圆柱形导电管进行延伸，并且所述偶极臂是圆柱形元件。
4.根据权利要求2所述的多模复合天线，其中，所述圆柱形管的延伸部被折向所述圆柱形导电管自身、并且从所述圆柱形导电屏蔽向外展开，以形成圆锥部分，并且每个偶极臂是由向所述偶极臂的自由端加宽的板材制成，以形成大致扇形偶极臂。
5.根据前述权利要求的任意一项所述的多模复合天线，其中，当垂直于所述偶极元件测量时，每个偶极元件的每个臂的长度等于形成所述单极元件的所述导电管的所述延伸部的高度，从而确保所述偶极辐射图和所述单极辐射图发生在相同频率。
6.根据前述权利要求的任意一项所述的多模复合天线，其中，所述导电管被连接到地平面，并且每个偶极元件的所述两个臂是大致共线的，并且以相反方向沿着共平面延伸。
7.根据前述权利要求的任意一项所述的多模复合天线，其中，所述复合天线包括两个偶极元件，所述两个偶极元件具有垂直于彼此延伸的臂，所述两个偶极元件以及所述单极元件形成在三个互相垂直的方向上延伸的三个辐射元件。
8.根据权利要求7所述的多模复合天线，其中，存在四个信号传输线，每个所述信号传输线被连接到所述两个偶极元件的臂中的一个，并且被连接到每个偶极元件的一对信号传输线被耦接到具有差模和共模的180度混合耦合器。
9.根据权利要求8所述的多模复合天线，其中，所述180度混合耦合器使用四个正交横向电磁激励模式，同时激励所述两个偶极元件。
10.根据权利要求9所述的多模复合天线，其中，波束形成权重被应用到所述四个正交激励模式，从而对所述复合天线的视场进行电整形。
11.根据权利要求10所述的多模复合天线，其中，所述波束形成权重被应用到所述四个正交激励模式，使得所述复合天线的视场范围近似于半球形视场。
12.一种天线阵列，包括以预定的场配置布置的多个在前述权利要求的任意一个中所述的多模复合天线。
13.一种无线电望远镜，包括如权利要求12所述的天线阵列，其中，扫描的方向能够通过对所述复合天线的视场进行电整形来控制，而无需复合天线能够移动。
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