CN108539412A - 基于Vivaldi天线的天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于微波范围内的电磁波的天线系统，其优选地具有任选地优选地为Vivaldi天线(1)的至少一根定向天线和/或优选地为偶极天线的全向天线，具有至少一个中央单元(20)，所述至少一个中央单元(20)具有至少一个有源构件(21)，所述至少一个有源构件(21)可与至少一个接收/传输系统连接。为了使这种系统更加灵活，所述插入天线(1)被电容耦合到所述中央单元(20)的至少一个母板，并且升压器模块、衰减模块、校准模块、组合器模块、滤波器模块(16)或无源模块任选地可插入所述中央单元(20)中。所述中央单元(20)的功能性根据所述插入模块(16)来确定。

Description

基于Vivaldi天线的天线系统
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于微波范围内的电磁波的优选地具有Vivaldi天线的天线系统。
背景技术
用于微波范围的Vivaldi天线在现有技术中是已知的，并且每根这种类型的天线具有由导电板制成的辐射构件或短构件，使得多个此类构件可以被布置在不同的平面中，这使得任选地可能将它们直接连接到同轴电缆。
在多种目前的应用中，特别是在接收源自用于不为目的构建的环境中的无线麦克风的信号的情况下，更具体地在文艺表演、音乐会等中，必须具有根据需要尽可能多的可用的不同的天线或天线组合，从而导致与将实际需要的情况相比需要具有更大量可用的此类天线，以便能够作出适当选择。呈投资和维护、运输和存储成本形式的相关联成本相当大，并且仍然存在干扰或缺陷的原因，这导致整个系统发生故障，而不管它们出现在接收系统的哪一部分。
本发明基于提供允许消除或至少大大减少上述缺点的解决方案的问题。
发明内容
根据本发明，这种解决方案基于权利要求1的描述条款中列举的特征，换句话说，基于提供接收系统的模块化结构，所述接收系统具有中央单元或基座，所述中央单元或基座是有源电子部件的唯一的部件部分，通常如将要在下文描述和要求保护的不同的Vivaldi天线和天线构件可以任选地插入其中，由此根据具体应用，可以使用具有定向或全向天线模式的天线构件，并且各种滤波模块、升压器模块、校准模块和组合器构件可以任选地在其他几何区域中插入中央单元中。
这使得可能将昂贵的中央单元的数量减少到预定的最小数量，并且可能以防万一仅具有少量的备用单元。可以根据需要储备与先前所需的整个装置相比非常便宜的天线构件，而没有与其成本、所需空间或布置相关联的任何困难，这也适用于是不需要太多空间的便宜的无源部件(有源部件仅在具有放大器模块的中央单元中提供)的适当的升压器、滤波器、校准或组合器模块。
由此可以在现场配置适当的组合，并且容易根据条件的变化对接收装置进行必要的调整。
附图说明
下面将参考附图在本发明的实施方案中描述本发明，在附图中，
图1示出与中央单元一起使用的Vivaldi天线构件，
图2示出与中央单元一起使用的槽偶极天线构件，
图3示出中央单元，
图4示出Vivaldi天线的常规设计，
图5至图9示出将与中央单元组合的不同模块，
图10示出由中央构件、Vivaldi天线构件和滤波器模块组成的有源定向天线，
图11示出由中央单元、槽偶极天线构件和滤波器模块组成的有源定向天线，
图12示出由中央单元和升压器模块组成的升压器，
图13示出由中央单元和校准模块组成的校准单元，
图14示出由校准单元、升压器和接收器组成的系统布置，
图15示出由有源天线、升压器和接收器组成的系统布置；并且
图16示出两个Vivaldi天线的组合。
具体实施方式
Vivaldi天线领域的技术人员不需要提供不同天线的设计和使用的更详细的解释以便理解本发明，并且可互换的滤波器模块的使用对于本领域的技术人员来说也是众所周知的以便理解本发明。这种互换性允许对不同的传输路径及其具体情况作出响应，以便适当调整整个系统的整体特性。
图1纯粹示意性地示出定向Vivaldi天线1的辐射部分；图2也纯粹示意性地示出具有全向模式的槽偶极天线2的辐射部分；并且图3也纯粹示意性地示出具有母板3和示出的天线的中央单元20的布置，所述示出的天线可以是Vivaldi天线1或者槽偶极天线2。天线被电容耦合到母板3。参考数字4指示(任何)所示的插入模块，其中P1、P2作为中央单元20的输入和输出端口。在有源天线功能中，只有端口P1有效，并且端口P2不具有功能。端口P2用作输入端，并且端口P1仅在升压器功能(中间放大器)中用作输出端。同轴信号电缆根据应用任选地连接到端口P1、P2；在21处示出放大器，其是中央单元的有源部件。
图4纯粹示意性地示出最先进的Vivaldi天线1'，其旨在说明模块化设计的原理，因为根据本发明并且不同于现有技术，辐射部分与非辐射部分分离并且可以通过电容耦合而连接，这允许根据本发明有利地改变天线。
此外，除了天线定向模式以外，还可以借助于模块适配器4使用可互换的模块，以便改变其他性质，例如选择性。
此外，优选地使用电路板技术构造的Vivaldi天线1在结合中具有至少两个、理想地四个凹槽1'，这有利地改善较低频率下的天线增益，因为返回电流在凹槽的边缘处产生附加场，所述附加场与主磁场相互作用从而改善主射束方向上的定向模式。所述凹槽可以大致被认为是反射器或导向器。此外，Vivaldi天线1可以因此被制造得更紧凑。
优选地使用印刷电路技术构造的槽偶极天线2在结合中具有至少一个三角形构件2'，所述三角形构件2'将天线狭槽分成至少两个单独的狭槽2"，由此有利地改善带宽。利用带宽，在较大的频率范围内获得较低的返回电流阻尼(S11＜-10dB)，这确保在较大的频率范围内获得较高的增益，从而反映出较低的功率。这个原理提供了结构叠加的附加导体带和产生的场。此外，这种布置不需要平衡变压器，所述平衡变压器通常与偶极天线一起用于平衡输出。
除了有源构件21和模块适配器4之外，中央单元20的母板3在结合中具有矩形凹槽3'，其对应于Vivaldi天线1的宽带空载模式，并且因此属于天线的非辐射部分。矩形凹槽3'是有利的，因为其有助于部件的布置。
电磁波经由使用微带技术制成的馈电线3”而馈入和馈出，其位于母板3的顶部上，并且借助于电镀通孔而电流耦合到母板的下侧或所谓的接地。下侧被进而电容耦合到Vivaldi天线1。以这种方式，可以布置模块化部件以节省空间。
图5至图8以方框图的形式示出滤波器模块16、升压器模块6、校准模块12、无源模块18以及组合器模块14，它们将在下面更详细地讨论。
如图10和图11所示，滤波器模块16(图6、图10、图11)与Vivaldi天线1结合使用，并且与槽偶极天线2结合使用。在技术上，此类滤波器可以包括例如LC滤波器、陶瓷滤波器、SAW滤波器等。在这种配置中，所述装置被用作有源接收天线。滤波器模块的功能是限制可接收的频率范围，从而改善远场选择。滤波器的设计不需要另外的解释，因为对于天线领域的技术人员是众所周知的。
无源模块18(图8)是桥接器/跳线器，其唯一的功能是将天线连接到端口P2以无源模式使用天线。例如，如图16所示，它可以用作传输天线或者组合成多层天线。因此，在无源模块18上仅存在微带导体19，其具有优选地50Ω的期望阻抗。
当使用升压器模块6(图5、图12)时，其设置有中央单元20但没有天线，如图12所示。在这种配置中，所述装置被用作同轴电缆到端口P1、P2的路径(未示出)中的中间放大器。升压器模块6具有许多功能。一方面，输入负载借助于衰减器7来限制，所述衰减器7可以借助于DIP开关(优选地旋转DIP开关8)来设置。为了不使下游放大器(未示出)过载，这是必要的。
为此，升压器模块6具有电平检测器9、比较器10和灯11。利用这种布置，测试信号可以被用来建立在由电平检测器9测量的负载处通过比较器10进行评估并且由灯11(例如LED)显示的电平，以向用户指示所述电平对应于正确值。如上所述，电平调整优选地借助于衰减器7和旋转DIP开关8来进行。校准过程将在下面更详细地描述。
当在校准模式中使用时(图13)，当校准模块12被附接或插入时，可以在端口P1处施加恒定负载的测试频率以通过使用其可调节元件来设置正在测试的相应传输路径的电平(参见图14)。在13处示出振荡器，优选地为VCO(电压控制振荡器)，其在恒定负载下产生测试信号。由于使用的电路径与天线输入的电路径是分离的，所以天线单元是否插入(如图所示)并不重要。
校准过程将参考图14进行解释，所述校准过程应用于由中央单元20和校准模块12组成的校准设置、由中央单元20和升压器模块6组成的升压器以及接收器23(它们全部通过同轴电缆22互连)的示例性实施方案。
如上所述，校准单元12在恒定负载下产生测试频率，所述测试频率用于通过测量和评估施加到下游升压器6的负载并借助于衰减器7对其进行调节来设置电平。以这种方式，在衰减器7中消除了电缆中未被抑制的过度负载，以排除放大器过载并且确保恒定的传输质量。电平调整针对每个电缆部分来执行并且是静态的，即只有在部件之间的电缆没有改变的情况下才必须执行一次电平调整。
图15示出由有源天线2、升压器6和用于记录的接收器23组成的系统配置的实例。
本发明使得可以将中央单元20用于不同的目的，为此不得不预先使用无法用于其他目的的附加装置。这也适用于作为图16所示的具有至少两根Vivaldi天线的多层天线(天线级联)的应用，其中中央单元20设置有Vivaldi天线并且具有组合器模块14(图9)，所述组合器模块14将两个输入信号成束，所述两个输入信号一个源自中央单元20的Vivaldi天线1，并且另一个源自外部Vivaldi天线1'，所述外部Vivaldi天线1'以纯粹无源模式操作(技术上，两个Vivaldi天线1和1'可以相同，并且它们在此仅被不同地引用)并且具有中央单元20'(技术上，两个中央单元20和20'相同，并且它们在此仅被不同地引用)，所述中央单元20'具有其相应的无源模块18(图8)。多层天线系统的优点对于本领域技术人员是已知的，例如具有相关联的半宽度减小的天线波瓣的成束。
在传输天线应用中，如本领域技术人员应当理解的，上述过程是相反的，其中可实现的益处保持与在接收天线应用中的益处相同。
与天线和中央单元相比，插入模块明显更小，并且本文的描述纯粹是示意性的，其中模块具有标准大小以有助于它们的使用。本领域技术人员可以容易地确定中央单元和单独模块中的电连接器及其配合部件的几何布置以及位置和构造来理解本发明。
另外，为了使本领域技术人员能够实现根据本发明的轻量且可适应的可用装置和结构，重要的是通过将无源部件与有源部件分开并且通过使用具有每个所选天线的有帮助的插入的标准化的接口(几何接口和“电”接口)，实现了必须在每种情况下可获的所需部件的数量的未预期的大量减少，更不用说快速适应所需任务(校准、组合、改变天线特性等)。
总而言之，本发明涉及用于微波范围内的电磁波的接收系统，所述接收系统优选地具有任选地至少一个Vivaldi天线1和/或全向偶极天线2，具有至少一个有源部件20，其具有至少一个，至少一个可连接到至少一个接收/传输装置，其特征在于插入天线1或2与中央单元20的至少一个母板3电容耦合，在于升压器模块6、衰减模块7、校准模块12、组合器模块14、滤波模块16或无源模块18可以任选地插入到有源部件20中，并且在于中央单元20的功能性根据插入模块6、7、12、14、16、18来确定。
当然，未描述在接收系统中不再使用某些通用模块的情况，并且这种描述将是笨拙的且绝对混淆的。事实上，如果为了传输、接收、组合天线、升压器、衰减、校准以及可能为了其他目的而应提供模块化系统，那么只有天线连接必须用中央单元和中央单元中的模块适配器标准化。
参考数字：
01Vivaldi天线 10比较器
01’凹槽 11显示元件
02偶极天线 12校准模块
02’三角形元件 13振荡器
02”狭槽 14组合器模块
03中央单元母板 15分离器/组合器
03’矩形凹槽 16滤波器模块
03”输入/输出线 17滤波器
04模块适配器 18无源模块
05最先进的Vivaldi天线 19微带导体
06升压器模块 20中央单元
07衰减器 21有源元件(放大器)
08旋转DIP开关 22同轴电缆
09电平检测器 23接收器

Claims (5)

1.一种用于微波范围内的电磁波的天线系统，其优选地具有任选地优选地为Vivaldi天线(1)的至少一根定向天线和/或优选地为偶极天线(2)的全向天线，具有至少一个中央单元(20)，所述至少一个中央单元(20)具有至少一个有源构件(21)，所述至少一个有源构件(21)可与至少一个接收/传输系统连接，其特征在于所述插入天线(1或2)被电容耦合到所述中央单元(20)的至少一个母板(3)，并且在于升压器模块(6)、衰减模块(7)、校准模块(12)、组合器模块(14)、滤波器模块(16)或无源模块(18)任选地可插入所述中央单元(20)中，并且在于所述中央单元(20)的功能性根据所述插入模块(6、7、12、14、16、18)来确定。
2.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述Vivaldi天线(1)优选地使用印刷电路板技术以在结合中的至少两个、更优选地四个凹槽(1')的形式来构造。
3.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述偶极天线(2)被至少构造成三角形导体构件(2')和至少两个分离的狭槽(2")。
4.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述中央单元母板(3)在结合中由矩形凹槽(3')制成。
5.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，被优选地制成为微带导体的馈电线(3”)借助于从顶部延伸的电镀通孔而电流连接到下侧，所谓的接地，并且在于所述下侧被进而电容连接到所述Vivaldi天线(1)或所述偶极天线(2)。
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