CN108028454A

CN108028454A - 表面波天线、天线阵列以及天线或天线阵列的使用

Info

Publication number: CN108028454A
Application number: CN201680047103.0A
Authority: CN
Inventors: M·贝莱克; J－Y·劳伦特; S·帕卢德; P-Y·杰泽凯尔; F·科隆贝尔; S·阿夫里永
Original assignee: Universite de Rennes 1; Telediffusion de France ets Public de Diffusion
Current assignee: Universite de Rennes 1; Telediffusion de France ets Public de Diffusion
Priority date: 2015-08-10
Filing date: 2016-07-22
Publication date: 2018-05-11
Anticipated expiration: 2036-07-22
Also published as: AU2016307384A1; PT3335267T; RU2018105550A3; US20190165477A1; ES2727749T3; EP3335267A1; CA2994728C; CA2994728A1; EP3335267B1; CN108028454B; RU2707659C2; FR3040111A1; RU2018105550A; PL3335267T3; US10797398B2; TR201906879T4; FR3040111B1; WO2017025675A1; AU2016307384B2

Abstract

本发明涉及一种旨在发射和/或接收具有十米、百米或千米中心波长λ₀的表面波的天线，其特征为它包括具有在0.5λ₀和λ₀之间的长度的至少一个水平线辐射元件(22)，以及安置在相同平面内的具有在0.03λ₀和0.1λ₀之间的相同长度的至少三个垂直线辐射元件(24a‑24c)并且每个垂直线辐射元件包括上端和下端，所述上端被链接到水平线辐射元件(22)，所述下端适于被链接到具有基本上水平的表面的导电介质(26)。本发明还涉及天线阵列以及天线或天线阵列的使用。

Description

表面波天线、天线阵列以及天线或天线阵列的使用

1.发明的技术范围

本发明涉及天线、天线阵列以及天线或天线阵列的使用。具体而言，本发明涉及天线或垂直和/或椭圆极化天线的阵列，所述天线被设计成以宽频带发射和/或接收表面波，所述宽频带尤其包括在大约30kHz和大约30MHz(即千米波、百米波和十米波)之间的低、中和高频率的全部或部分。

2.技术背景

当前，大量辐射塔被用于发射在百米波频带内的高功率。这些塔具有下述缺陷：昂贵、需要非常安全的地基以供它们的安装并且是不美观且不稳定(indiscreet)的。它们没有被优化用于主要使用表面波的散播。

使用仅一个表面波作为传播矢量的天线并不很常见。现代的表面波天线是不适用于这样的应用的鞭式类型或双锥类型的天线。

辐射塔以及通常所有的垂直极化天线(例如鞭式或双锥形天线)必须生成空间波(也称为电离层辐射)场并且是昂贵且不是很稳定的。

已经提议了解决方案来解决这些问题。申请人所提交的法国专利申请FR2965978提议了一种解决方案，该解决方案使得天线的垂直尺寸能够被显著减小，进而使得安装费用能够被降低并使得天线更加稳定。另外，天线提供了对表面波传播的改进以及电离层辐射的减少。然而，电离层辐射仍然是显著的，尤其对于围绕在其上安排天线的地面的法向的在±[20°；80°]之间的角度时。在某些频带中，这种剩余的电离层辐射能导致衰减现象，特别是当表面波和空间波在不同环境中并且经由不同路线传播后在地球表面处干扰时。

3.发明目标

本发明目的在于减轻已知天线的至少一些缺陷。

具体地，本发明的目的在于，在本发明的至少一个实施例中提供其优选辐射是表面波辐射的天线。

本发明的目的还在于在至少一个实施例中提供其电离层辐射被减小的天线。

本发明的目的还在于在本发明的至少一个实施例中提供易于实现的天线。

本发明的目的还在于在至少一个实施例中提供一种稳定的天线且其垂直尺寸是小的。

本发明的目的还在于在至少一个实施例中提供其带宽可被容易地修改的天线。

本发明的目的还在于提供一种表面波天线的阵列。

本发明的目的还在于提供表面波辐射的天线或天线阵列的使用。

4.发明演示

为此，本发明涉及一种被设计成发射和/或接收具有十米、百米或千米中心波长λ₀的表面波的天线，其特征为，它包括：

-长度在0.5λ₀和λ₀之间的至少一个水平线天线(aerial)元件，

-有相同的在0.03λ₀和0.1λ₀之间的长度的至少三个垂直线天线元件，这些天线元件被安置在相同的平面内并且每个天线元件包括上端和下端，所述上端被连接到水平线天线元件，所述下端被设计成连接到具有基本上水平的表面的导电介质，

并且其中至少两个垂直线天线元件的上端被分别连接到所述水平线天线元件的第一端和第二端，并且被称为中心元件的一个垂直线天线元件的上端被连接到所述水平线天线元件的其中心处，所述中心元件还被连接到用于馈送天线的设备。

因此，根据本发明的天线允许垂直极化定向表面波的发射/接收，并且归因于以这样的方式发射/接收表面波的特定形式的天线的使用，电离层辐射相比于传统天线减少了。天线到导电介质，例如陆地或水介质，的连接允许表面波的辐射沿该介质传播。具体而言，表面波被设计成遵循地球曲率，这样允许在长距离上的传播。

另外，天线具有等于垂直线天线元件的长度的高度，换句话说，在0.03λ₀和0.1λ₀之间的高度，这使得其成为在垂直平面中的电短路(electrically short)天线，且具有减小的垂直尺寸。因此，这样的天线是稳定的。另外，其对风、气流、闪电、地震等较不敏感。

如果天线在单个频率中辐射的话，中心波长λ₀对应于与工作频率相关联的波长，或者，如果天线在一个频带中辐射的话，中心波长λ₀对应于与所述频带的中心频率相关联的波长。

天线元件相对于中心元件形成两个对称的环路，从而允许定向表面波的辐射。

有利地，根据本发明的天线包括至少两个水平线天线元件，每个水平线天线元件被连接到至少两个垂直线天线元件以及中心元件。

有利地且根据本发明，至少两个水平线天线元件具有相同的长度、被并排安置且在距导电介质相同的距离处。

并排的水平线天线元件使得增加天线的宽度且进而增加天线的辐射频带成为可能。

有利地且根据本发明，至少两个水平线天线元件是平行的、具有不同的长度、在距导电介质不同的距离处将一个安置在另一个之上。

一个在另一个之上且具有不同的长度的水平线天线元件通过以合适的长度重复天线的各元件以便形成双谐振天线来允许以附加中心频率从该天线的辐射。

有利地，根据本发明的天线包括电阻型、电容型和/或电感型的集总元件，这些集总元件被设计成在天线上形成电流阱。

根据本发明的这个方面，集总元件被用于在天线上形成电流阱，就是说形成在某些频率处断开且在其它频率处闭合的电路，以便创建具有多谐振的天线。

本发明还涉及一种天线阵列，其特征为，它包括至少两个根据本发明的天线，所述天线形成天线行，使得所述天线的水平线天线元件垂直于相同对准平面。

所形成的天线是线性天线阵列，其中所有的天线都被对准。

从根据本发明的天线形成天线阵列使得强化这些天线所提供的优势成为可能：具体而言，天线阵列的辐射具有更好的方向性、表面波的增益被改善并且电离层辐射被显著减少。天线阵列具有与根据本发明的天线相同的垂直尺寸以得到改善的性能。根据本发明的天线对于需要占据小表面面积的情形是有吸引力的。

有利地，根据本发明的天线包括其对准平面是平行的至少两个天线行，来自一个行的天线的每个水平天线元件与来自至少另一行的天线的水平天线元件对准。

形成的阵列是平面天线阵列，包括多个线性阵列。

本发明还涉及根据本发明的至少一个天线的使用，所述天线被连接到陆地或水导电介质，用于发射/接收表面波，使得所述表面波沿所述介质传播。

本发明还涉及根据本发明的至少一个天线阵列的使用，来自天线阵列的每个天线被连接到陆地或水导电介质，用于发射/接收表面波，使得所述表面波沿所述介质传播。

根据本发明的天线或根据本发明的天线阵列在陆地或水导电介质(例如地面、海洋、湖或盐沼)上的使用允许表面波沿所述介质的辐射。导电介质相对于天线或天线阵列具有巨大的尺寸(所述巨大的尺寸被认为相对于天线或天线阵列而言是无限的)并且因而允许表面波在长距离上的传播。另外，导电介质的巨大尺寸允许电离层辐射被减少。

本发明还涉及通过组合如上或如下所述的所有或部分特征来表征的一种天线、天线阵列以及天线或天线阵列的使用。

5.附图列表

本发明的其它目的、特征和优势将通过借助于非限制性示例并参考附图阅读单独提供的下述说明书而显现，其中：

-图1是根据本发明的第一实施例的天线沿xOz面的示意图,

-图2是根据本发明的第一实施例的天线沿xOy面的辐射图案,

-图3是根据本发明的第一实施例的天线沿yOz面的辐射图案,

-图4是根据本发明的第二实施例的天线沿xOz面的示意图。

-图5是根据本发明的第三实施例的天线沿xOz面的示意图，

-图6是根据本发明的第四实施例的天线的示意透视图，

-图7是根据本发明的第五实施例的天线的示意透视图，

-图8是根据本发明的第六实施例的天线的沿xOz面的示意图，

-图9是根据本发明的第一实施例的天线阵列的示意透视图，

-图10是根据本发明的第一实施例的天线沿yOz面的辐射图案,

-图11是根据本发明的第一实施例的天线阵列沿xOy面的辐射图案,

-图12是根据本发明的第二实施例的天线阵列的示意透视图，

-图13是根据本发明的第二实施例的天线阵列沿yOz面的辐射图案,

-图14是根据本发明的第二实施例的天线阵列沿xOy面的辐射图案。

6.本发明的一个实施例的详细描述

以下实施例是示例。尽管该描述参照一个或多个实施例，但这并不必然意指每个参考标记涉及相同实施例，或者特征仅应用于单个实施例。不同实施例的单个特征也可被组合以提供其它实施例。在附图中，缩放和比例并没有严格遵循，并且这是出于说明和清楚的目的。

依据本发明的不同的实施例，正交Oxyz坐标系统在表示天线或天线阵列的每个附图上被使用。

“水平”和“垂直”的概念与一旦安装后处于工作情况中的天线结合使用，如在图1中所示。另外，如果元件的主方向平行于xOy面则其是水平的，并且如果其主方向垂直于Oz轴则该元件是垂直的。

图1是根据本发明的第一实施例的天线20沿xOz面的示意表示。

天线20包括水平线天线元件22(被称为水平元件22)，其被连接到三个垂直线天线元件24a、24b、24c(被称为垂直元件24a、24b、24c)。垂直元件24a、24b、24c各自包括被连接到水平元件22的上端，以及被连接到导电介质26的下端。根据所述实施例，天线元件可以由管或者多束或单束线(优选地具有小的截面)制成。

导电介质26可以是设计用于表面波传播的有缺陷的导电材料。导电介质26可以是具有高导电性的介质(例如海水、盐沼、盐湖等)，或具有较低导电性的介质(例如陆地、沙地等)。在导电介质26具有低电导性(通常低于1S/m)的情况下，接地面被集成到导电介质26且被连接到垂直元件24。接地面可以采用不同的形状(圆形、矩形、不规则多边形等)，并覆盖一个基本上等于或大于天线在导电介质的表面上的投影的表面。

在该实施例中，两个垂直元件24a和24c被分别连接到水平元件22的第一端和第二端。第三垂直元件24b(被称为中心垂直元件24b)被连接到水平元件22的其中心处。另外，中心垂直元件24b被连接到用于馈送天线的设备28。

水平元件22具有在0.5λ₀和λ₀之间的长度，其对应于天线的长度，并且垂直元件24a,24b,24c具有在0.03λ₀和0.1λ₀之间的长度，其对应于天线相对于导电介质的高度h。天线20因此在垂直平面中是电短路的，且具有减小的垂直尺寸。

由于水平元件22和垂直元件24a,24b,24c的长度和特定布置，且由于天线在诸如陆地和海洋之类优选具有巨大尺寸(其可以被认为是相对于天线的尺寸而言无限的尺寸)的陆地或水导电介质上使用，所述天线尤其适用于发射和/或接收沿导电介质传播的定向表面波，由此允许通过遵循地球曲率对长距离波的传播。这种传播通过在其中传播表面波的空气和导电介质之间的不连续性而被激励。

图2和3分别示出根据本发明的第一实施例的天线沿xOy面和沿yOz面的辐射图案，其中水平元件具有0.7λ₀的长度，而垂直元件具有0.06λ₀的长度。在这两个图示中，对应于角度-90°和90°的线表示Oy轴。

这样，天线在垂直于水平元件22的方向(即沿Oy轴)中提供了定向辐射，并且接近于导电介质的表面波辐射具有显著增益，即接近于-90°和90°的天顶角。

下述实施例都是基于该第一实施例，其中对其进行了进一步的修改。

图4是根据本发明的第二实施例的天线20沿xOz面的示意表示。

天线包括附加的垂直元件24d,24e,24f,24g，使得创建变化尺寸的附加谐振环路变得可能。这些附加的垂直元件被安置在如上所述的垂直元件之间并被连接到水平元件22，以在水平元件22上形成不同长度的多个部分30a,30b,30c,30d,30e,30f。例如，两个第一部分30a和30b具有0.175λ₀量级的长度，两个第二部分30c和30d具有0.35λ₀量级的长度，而两个第三部分30e和30f具有0.5λ₀量级的长度。这些部分30a,30b,30c,30d,30e,30f允许处于若干频率的来自天线的多个谐振。

图5是根据本发明的第三实施例的天线20沿xOz面的示意表示。

所述天线包括如在本发明的第二实施例中的两个附加垂直元件24d、24e，以及集总元件，在此两个第一集总元件32a和32b被安置在水平元件22上，而两个第二集总元件32c和32d各自被安置在两个附加元件24d、24e之一上。

集总元件可以是电阻型、电容型(电容器)或电感型(电感器)元件。这些集总元件通常在英文中被称为“load”(“负载”)。集总元件使得再现具有减少的物理长度(或整体尺寸)但有等价的电长度的天线元件的RLC谐振变得可能。

集总元件还可以使得在天线元件上创建在某些工作频率断开(或高阻抗)而在其它工作频率闭合的电路，从而允许天线元件的谐振依据工作频率变化变得可能。这些集总元件由此藉由电流阱创建多个谐振。

图6是根据本发明的第四实施例的天线20的示意透视图示。

天线包括多个水平元件，在此是彼此平行的三个水平元件22a,22b,22c。每个水平元件使得其每个端被连接到垂直元件，并且三个水平元件在它们的中心处被连接到单个垂直元件。导电线将水平元件的各第一端彼此连接，并将水平元件的各第二端彼此连接。

多个水平元件的存在增加了天线的宽度Lr，从而增加了天线的带宽，特别是通过改善驻波比(SWR)。

图7是根据本发明的第五实施例的天线20的示意透视表示。天线包括多个水平元件，在此是在它们的中心正切的三个水平元件22a,22b,22c。就第四实施例来说，天线的带宽尤其通过改善SWR被增加。另外，三个水平元件在它们的中点的连接使得减少天线的阻抗的反应部分变得可能。

图8是根据本发明的第六实施例的天线20沿xOz面的示意表示。

除了第一实施例的水平元件22以及三个垂直元件24a,24b,24c之外，天线20包括第二水平元件122以及减小尺寸的两个第二垂直元件124a,124c，使得形成以不同于频率f₀的频率f_bis谐振的第二天线的等价物变得可能(频率f_bis与波长λ_bis相关联)。水平元件122具有在0.5λ_bis和λ_bis之间的长度，而所述两个垂直元件124a,124c具有在0.03λ_bis和0.1λ_bis之间的长度。第二水平元件122在其中心处被连接到中心垂直元件24b，进而通过馈送设备28提供了公共馈源。这样，通过以不同的尺寸重复天线20的基础结构，设置成两个不同的频率f₀和f_bis，该天线由此为双谐振天线。

图9是根据本发明的第一实施例的天线阵列34的示意透视表示。

天线阵列由根据本发明的各实施例之一的多个天线构成，例如在此为根据本发明的第一实施例的被标记为A₁、A₂、…、A_N-1,A_N的N个天线。所述天线被对准以便所述水平元件垂直于相同的对准面。这样对准的天线形成天线行，也称为线性天线阵列。天线由等幅和等相位的源馈送。在这个实施例中，每个天线与其它天线间隔的等于0.93λ₀的距离d。为了使得附图的含义清楚，天线以与上述实施例不同的长宽比例被表示出，但它们针对长度的尺寸在0.5λ₀和λ₀和之间，而针对高度的尺寸在0.03λ₀和0.1λ₀之间，如前所述。

图10和11分别表示根据本发明的第一实施例的天线阵列34沿yOz面和沿xOy面的辐射图案。在这两个图示中，对应于角度-90°和90°角的线表示Oy轴。曲线36a和36b表示包括N＝2个天线的天线阵列的辐射，而曲线38a和38b表示包括N＝6个天线的天线阵列的辐射。

这样，上述的天线的表面波辐射通过将几个这些天线联网以便形成天线阵列而被改善。天线阵列沿yOz面的辐射非常接近-90°和90°角，其对应于非常接近导电介质的表面的表面波，并且电离层辐射被非常显著地减小。一旦两个天线被联网就能看到性能的这种改善，并且通过增加更多的天线(具体而言为6个天线)这种改善被加强。在电离层辐射(天波)上的表面波可以通过使用合适的振幅加权和/或相位加权被进一步优化。

另外，沿xOy平面的辐射示出了天线的方向性在垂直于天线的水平元件的方向中也被极大地改善。

图12是根据本发明的第二实施例的天线阵列34的示意透视表示。

天线阵列34包括如参考天线阵列的第一实施例所述的多个天线行。这样，天线阵列沿两个维度形成了平面天线阵列。所述阵列还包括X行Y天线，标记为A_1,1,A_2,1等,A_X,1,A_1,2,A_2,2等,A_X,2等,A_1,Y-1,A_2,Y-1,A_X,Y-1,A_1,Y,A_2,Y,A_X,Y。在两个行之间的所述距离d_x小于λ₀。如果距离d_x小于天线的水平天线元件的长度，来自不同的行的天线被安排使得它们的水平天线元件不接触。例如，并排定位的两个天线(例如A_1,1和A_2,1)在Oy轴上移位以便不接触。

由于向天线施加的相移，这种配置使得修改天线阵列的辐射的方向变得可能。具体而言，这些行相对于彼此具有相移例如，当来自包括天线A_1,1,A_1,2等,A_1,Y-1,A_1,Y的第一行的天线A_1,1具有相移时，来自包括天线A_2,1,A_2,2等,A_2,Y-1,A_2,Y的第二行的天线A_2,1具有等于的相移，并且来自包括天线A_X,1,A_X,2等,A_X,Y-1,A_X,Y的第X行的天线A_X,1具有等于的相移。

另外，相同行的天线可以具有不同的相位：例如，所表示的两个天线A_1,1和A_1,2形成具有相同振幅和相同相位的子阵列R₁馈源，而所表示的两个天线A_1,Y-1和A_1,Y形成具有相同振幅和相同相位但相对于子阵列R₁中的天线有90°的相移的子阵列R₂馈源。在每个行中的这种移位使得获得单向辐射变得可能。

图13和14分别表示根据本发明的第二实施例的天线阵列沿yOz面和沿xOy面的辐射图案。在这两个图示中，对应于角度-90°和90°的线表示Oy轴。天线阵列包括三行天线，每行4个天线，即十二个天线。中心波长λ₀等于28m，天线的水平天线元件具有18m(即大约0.64λ₀)的长度，所述天线具有1.8m(即大约0.064λ₀)的高度。在两个行之间的距离d_x等于10m。为了防止来自两个行的天线接触，它们被沿Oy轴移位2m的距离。在来自相同行的两个天线之间的距离d_y针对同相(来自相同的子阵列)的天线等于20.2m，而针对异相90°(来自不同的子阵列)的天线等于27m。

所述曲线根据的若干值表示辐射，分别为对于曲线40a和40b为0°，对于曲线42a和42b为22.5°，对于曲线44a和44b为44°，对于曲线46a和46b为65°，对于曲线48a和48b为85°。

沿xOz的辐射对于所有的值来说是相对等同的。另一方面，在xOy面中的辐射依据的值具有不同的形式，并且具体而言，天线阵列的辐射的优选方向是可变的。这样，天线阵列可以被重新配置以便无需对天线布置执行物理干预，而是仅通过修改每个行相对于其它行的相移值来修改其辐射。在这个实施例中，这样，天线阵列可以在60°的角度范围上被重新配置，如在图11中所见。仅在90°和120°之间的配置被表示，具有负值的配置可被用于获得相对于Oy轴对称的辐射，角度范围随后在60°和120°之间。另外，天线馈送系统的幅度可以被加权以优化辐射图案，尤其以便在天线的严重未对准的情况下防止显著的旁瓣的出现。

本发明不局限于所述的实施例。特别是，天线的不同的实施例的特性可以被组合，并且天线阵列可以由根据任意一个天线实施例的天线形成。

Claims

1.一种被设计成发射和/或接收具有十米、百米或千米中心波长λ₀的表面波的天线，其特征在于，它包括：

-长度在0.5λ₀和λ₀之间的至少一个水平线天线元件(22,122)，

-安置在相同平面内的具有相同的在0.03λ₀和0.1λ₀之间的长度的至少三个垂直线天线元件(24a-24g,124a-124c)，并且每个垂直线天线元件包括上端和下端，所述上端被连接到所述水平线天线元件(22,122)，所述下端被设计成与被连接到具有基本上水平的表面的导电介质(26)，

并且其中至少两个垂直线天线元件(24a-24g,124a-124c)的所述上端被分别连接到所述水平线天线元件的第一端和第二端，并且被称为中心元件(24b)的垂直线天线元件的所述上端被连接到所述水平线天线元件的其中心处，所述中心元件还被连接到用于馈送所述天线的设备(28)。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，它包括至少两个水平线天线元件(22,122)，每个水平线天线元件被连接到至少两个垂直线天线元件(24a-24g,124a-124c)和所述中心元件(24b)。

3.如权利要求2所述的天线，其特征在于，至少两个水平线天线元件(22a-22c)具有相同的长度、被并排安置且在距所述导电介质(26)相同的距离处。

4.如权利要求2或3所述的天线，其特征在于，至少两个水平线天线元件(22,122)是平行的、具有不同的长度、在距所述导电介质(26)不同的距离处一个被安置在另一个之上。

5.如权利要求1-4中任一权利要求所述的天线，其特征在于，它包括电阻型、电容型和/或电感型的集总元件(32a-32d)，所述集总元件被设计成在所述天线上形成电流阱。

6.一种天线阵列，其特征在于，它包括至少两个如权利要求1到5中任一权利要求所述的天线(A₁-A_N)，所述天线形成天线行，使得每个天线的至少一个水平线天线元件垂直于对准平面。

7.如权利要求6所述的天线，其特征在于，它包括其对准平面是平行的至少两个天线行，来自一个行的每个天线的一个水平天线元件与来自至少另一行的天线的水平天线元件对准。

8.如权利要求1到5中任一权利要求所述的至少一个天线(20)的使用，所述天线(20)被连接到陆地或水导电介质(26)，用于发射/接收表面波，使得所述表面波沿所述介质(26)传播。

9.如权利要求6或7中任一权利要求所述的至少一个天线阵列(34)的使用，所述天线阵列的每个天线(A₁-A_N,A_1,1-A_X,Y)被连接到陆地或水导电介质(26)，用于发射/接收表面波，使得所述表面波沿所述介质(26)传播。