CN110224232B - 用于减少不希望方向上的信号辐射的天线系统和方法 - Google Patents

用于减少不希望方向上的信号辐射的天线系统和方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种能够减少不希望方向上的信号辐射同时保持该不希望方向之外的信号辐射的天线系统。该天线系统可以包括信号输入源以及各自电耦合到该信号输入源的主天线和副天线。该主天线可以响应于来自该信号输入源的能量的第一部分而发射主信号以产生主辐射图案，并且该副天线可以响应于来自该信号输入源的能量的第二部分而发射次级信号以产生次级辐射图案。可以对该次级信号进行幅度修改和相移以定位该次级辐射图案，以便抵消或减少该主辐射图案的在不希望方向上延伸的部分，同时基本上保持该主辐射图案的在该不希望方向之外的部分。

Description

用于减少不希望方向上的信号辐射的天线系统和方法
技术领域
本发明总体上涉及射频通信硬件。更具体地，本发明涉及用于减少不希望方向上的信号辐射而同时保持不希望方向之外的信号辐射的系统和方法。
背景技术
技术优势和法规遵从性规则使得期望限制天线系统的在特定方向上延伸的信号辐射量。例如，在一些场景中，必须控制特定方向上的信号辐射以满足法规要求或减轻对其他系统的干扰。实际上，对于在5GHz U-NII 1频带中工作的WiFi天线，联邦通信委员会(FCC)将在天顶周围+/-60°的锥形区域(即，向天空方向)中辐射的有效全向辐射功率(EIRP)限制到21dbm，这意味着对于最大输出功率为0.5W(27dBm)的无线电装置，向天空方向上的最大天线增益小于-6dBi。然而，在这种向天空方向之外(即，在主要的感兴趣区域)的天线增益必须维持特定增益要求，以获得良好RF通信信号。实际上，对于良好的通信链路，在5GHz频带中工作的WiFi天线可能要具有6dBi的峰值增益。因此，存在冲突要求，并且已知的系统和方法很难解决这种冲突要求。例如，限制特定方向上的信号辐射量的已知系统和方法包括减小天线系统的总增益、修改天线系统的辐射图案、以及修改天线系统的天线波束宽度。然而，这些系统和方法中的每一个都包括缺点。
例如，降低天线系统的总增益的系统和方法使天线系统失谐、添加衰减器、或降低功率放大器的输出功率。然而，这种调整在所有方向上降低了来自天线系统的信号强度，而不是仅仅在不希望方向上，并且除了降低由天线系统发射的信号的信号强度之外，甚至还可能降低天线系统可以接收的信号的信号强度。此外，修改天线系统的辐射图案的系统和方法通过添加波束机械或电气倾斜以使辐射的主瓣偏离期望存在低水平信号辐射的不希望方向来实现。然而，当天线系统包括机械下倾时，天线系统必须安装在倾斜的固定或可调平台上，使得主天线波束指向背离不希望方向，从而添加要实施的大型且可能复杂的机械结构，这些机械结构依赖于操作员来实现正确安装。当天线系统包括电气下倾时，对天线阵列的各个天线元件实施渐进相移，使辐射的主瓣偏离不希望方向，但会限制范围，因为在较大的相移时，旁瓣开始出现并增加在不希望方向发射的信号辐射。更进一步地，修改天线系统的波束宽度的系统和方法通过向天线系统添加附加天线元件(比如反射器或引导器)或增加天线阵列中的天线元件的数量来实现。然而，这些附加元件需要附加体积并且可能增加峰值增益，从而超过FCC限制。
发明内容
鉴于上述情况，一直存在对可以减少不希望方向上的辐射而同时保持不希望方向之外的信号辐射的系统和方法的持续需求。本申请提供了一种能够减少不希望方向上的信号辐射同时保持该不希望方向之外的信号辐射的天线系统。该天线系统可以包括信号输入源以及各自电耦合到该信号输入源的主天线和副天线。该主天线可以响应于来自该信号输入源的能量的第一部分而发射主信号以产生主辐射图案，并且该副天线可以响应于来自该信号输入源的能量的第二部分而发射次级信号以产生次级辐射图案。可以对该次级信号进行幅度修改和相移以定位该次级辐射图案，以便抵消或减少该主辐射图案的在不希望方向上延伸的部分，同时基本上保持该主辐射图案的在该不希望方向之外的部分。
附图说明
图1是根据所披露实施例的天线系统的透视图；
图2是根据所披露实施例的天线系统和天线馈送网络的框图；
图3是根据所披露的实施例的天线系统在仰角平面中的主辐射图案的曲线图；
图4是根据所披露的实施例的天线系统在仰角平面中的次级辐射图案的曲线图；并且
图5是根据所披露的实施例的天线系统在仰角平面中的主辐射图案和总组合辐射图案的曲线图。
具体实施方式
尽管本发明具有许多不同形式的实施例，但是在附图中示出并且将在本文中详细描述其具体实施例，以理解本披露应被认为是对本发明的原理的例示。不旨在将本发明限制为具体的所展示实施例。
本文披露的实施例可以包括一种能够减少不希望方向(例如，向天空方向)上的信号辐射而同时保持不希望方向之外的信号辐射的天线系统。该天线系统可以包括信号输入源、电耦合到信号输入源的主天线、以及电耦合到信号输入源的副天线。在一些实施例中，主天线可以包括天线阵列，在一些实施例中，主天线可以具有各种几何形状，包括偶极、单极和螺旋等，并且在一些实施例中，主天线可以是双极化的。在一些实施例中，副天线可以包括相对于主天线较小(体积和覆盖区)的贴片天线，在一些实施例中，副天线可以与主天线的类型相同，在一些实施例中，副天线可以具有比主天线更小的频率带宽，并且在一些实施例中，副天线可以具有单个极化或者是双极化的。
主天线可以响应于来自信号输入源的能量而发射产生主辐射图案的主信号，并且副天线可以响应于来自信号源的能量而发射产生次级辐射图案的次级信号。可以对次级信号进行幅度修改和相移以定位次级辐射图案，以便抵消或减少主辐射图案的在不希望方向上延伸的部分，同时基本上保持主辐射图案的在不希望方向之外延伸的部分。例如，可以识别主辐射图案的在不希望方向上延伸的第一最大值点(峰值增益)，并且可以调整副天线的物理位置和到副天线的电输入以使得次级辐射图案的第二最大值点(峰值增益)以与主辐射图案的第一最大值点对准的角度在不希望方向上延伸。也就是说，次级信号的幅度(增益)和相移可以抵消或减小主辐射图案的在不希望方向上的峰值增益，但可以同时保持主辐射图案的在不希望方向之外的部分。
在一些实施例中，接地平面可以耦合到主天线和副天线两者，并且接地平面可以在主天线与副天线之间是连续的或不连续的。在一些实施例中，接地平面可以包括各种反射器，比如角反射器，并且反射器可以与主天线和副天线之一或两者相关联，以用于定位主辐射图案和次级辐射图案。在一些实施例中，接地平面可以包括将主天线与副天线分开以辅助定位次级辐射图案的反射器部分。
图1是根据所披露实施例的天线系统20的透视图。如图1所示，天线系统20可以包括耦合到例如连续接地平面28的第一主天线22、第二主天线24以及副天线26。连续接地平面28可以包括将第一主天线22和第二主天线24与副天线26分开的反射器部分30。
图2是根据所披露实施例的天线系统20和天线馈送网络32的框图。如图2所示，天线系统20可以由电信号输入源34(例如，无线电装置)结合功率分配器或耦合器36、主移相器38和副移相器40来馈送。在操作中，功率分配器或耦合器36可以将由电信号输入源34发射的电能分成服务于第一主天线22和第二主天线24的主分支以及服务于副天线26的副分支。在一些实施例中，功率分配器或耦合器36可以在主分支与副分支之间不相等地分配由电信号输入源34发射的电能，使得馈送给副天线26的次级信号具有比馈送给第一主天线22和第二主天线24的主信号更低的幅度和增益。主分支可以进一步在第一主天线22与第二主天线24之间分离主信号，并且主信号的指向第二主天线24的部分可以通过主移相器38来馈送以使主辐射图案的由第一主天线22和第二主天线24共同形成的主瓣部分背离不希望方向倾斜。指向副天线26的次级信号可以通过次级移相器40来馈送以便抵消或减少主辐射图案的在不希望方向上延伸的部分，同时基本上保持主辐射图案的在不希望方向之外的部分。
尽管图1和图2中所示的天线系统20和馈送网络32被示出为具有第一主天线22、第二主天线24、功率分配器或耦合器36、以及主移相器38，但本文所披露的实施例不限于此。例如，在一些实施例中，天线系统20可以包括第一主天线22而不具有第二主天线22。因此，馈送网络32不需要包括功率分配器或耦合器36和主移相器38。此外，在一些实施例中，除了第一主天线22和第二主天线24之外，天线系统20还可以包括多个主天线。因此，馈送网络32还可以包括用于功率分配器或耦合器36的附加分支、以及除了移相器38之外的多个移相器。
图3是根据所披露的实施例的天线系统20在仰角平面中的主辐射图案43的曲线图42。例如，主辐射图案43可以由被馈送有主信号的第一主天线22和第二主天线24产生。主辐射图案43可以包括背离不希望方向(例如，向天空方向)倾斜的主瓣44以及在不希望方向上辐射功率的副瓣45。在图2中所示的曲线图42中，天顶是在90°角度处，并且向天空方向是从30°到150°。
可以识别副瓣45的在不希望方向上的最大值点(峰值)46，并将其用于定位和以其他方式调谐由被馈送有次级信号的副天线26产生的次级辐射图案。例如，图4是天线系统20在仰角平面中的次级辐射图案50的曲线图48，并且包括最大值点(峰值)52，该最大值点被相移并与最大值点46对准以减小或抵消主辐射图案的在不希望方向上的部分(包括其峰值46)。在一些实施例中，可以基于主辐射图案43的在不希望方向上的第一增益与次级辐射图案50的在不希望方向上的第二增益的比率来识别产生次级辐射图案50的次级信号的幅度(增益)。在一些实施例中，次级信号的相移量可以等于主辐射图案43的在不希望方向上的第一增益与次级辐射图案50的在不希望方向上的第二增益之间的相位差。
图5是根据所披露的实施例的天线系统20在仰角平面中的主辐射图案43和总组合辐射图案56的曲线图54。如图5所示，通过将次级辐射图案50与主辐射图案43组合，主辐射图案43的最大值点46可以在不希望方向上减小到总组合辐射图案56的在不希望方向上的最大值点58，同时在不希望方向之外的总组合辐射图案56可以基本上等于在不希望方向之外的主辐射图案43，这意味着通过将次级辐射图案50与主辐射图案43组合，在不希望方向之外的主辐射图案43可以基本上保持不变。尽管如点60所示，总组合辐射图案56可能在一些点处相对于主辐射图案43增大，但本文所披露的系统和方法仍然减小了主辐射图案43的在不希望方向上的最大值点46，从而提供改进的功能并符合法规要求。
已经结合减少不希望方向上的信号辐射以符合法规要求而同时保持在不希望方向之外产生的信号辐射的天线系统描述了本文披露的系统和方法。然而，应当理解，本文所披露的系统和方法的应用不限于此。相反，如本领域普通技术人员已知和期望的，本文所披露的系统和方法可以用于在任何方向上并且出于任何原因来减少信号辐射。例如，本文所披露的系统和方法可以用于通过减少朝向其他设备(比如相邻接入点或基站)的方向上的信号辐射而同时保持在这种方向之外产生的信号辐射来减轻对此类设备的干扰。
虽然以上已经详细地描述了几个实施例，但其他修改是可能的。例如，可以向所描述的系统添加其他部件或从其中移除其他部件，并且其他实施例可以位于本发明的范围内。
根据前述内容将观察到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以实现许多变体和修改。应理解的是，并不意使或不应推断出关于本文所描述的特定系统、方法或应用的限制。当然，旨在覆盖如落入本发明的精神和范围内的所有这种修改。

Claims (20)

1.一种天线系统，包括：
信号输入源；
主天线，所述主天线电耦合到所述信号输入源；以及
副天线，所述副天线电耦合到所述信号输入源，
其中，所述副天线在体积、覆盖区或频率带宽上小于所述主天线，
其中，所述主天线响应于来自所述信号输入源的能量的第一部分来发射主信号以产生主辐射图案，
其中，所述副天线响应于来自所述信号输入源的所述能量的第二部分来发射次级信号以产生次级辐射图案，并且
其中，对所述次级信号进行幅度修改和相移以定位所述次级辐射图案，以便抵消或减少所述主辐射图案的在不希望方向上延伸的第一部分，同时保持所述主辐射图案的在所述不希望方向之外的第二部分。
2.如权利要求1所述的天线系统，进一步包括耦合到所述主天线和所述副天线两者的连续接地平面。
3.如权利要求2所述的天线系统，其中，所述接地平面包括反射器部分，所述反射器部分将所述主天线与所述副天线分开以辅助定位所述次级辐射图案。
4.如权利要求1所述的天线系统，其中，所述主辐射图案的所述第一部分包括所述主辐射图案的在所述不希望方向上的最大值点。
5.如权利要求1所述的天线系统，其中，所述次级信号的幅度基于所述主信号的在所述不希望方向上的第一增益与所述次级信号的在所述不希望方向上的第二增益的比率。
6.如权利要求1所述的天线系统，其中，所述次级信号的相移量等于所述主信号的在所述不希望方向上的第一增益与所述次级信号的在所述不希望方向上的第二增益之间的相位差。
7.如权利要求1所述的天线系统，其中，功率分配器在所述主天线与所述副天线之间分配来自所述信号输入源的所述能量。
8.如权利要求7所述的天线系统，其中，所述功率分配器在所述主天线与所述副天线之间不相等地分配来自所述信号输入源的所述能量，使得所述次级信号具有比所述主信号更低的幅度。
9.如权利要求1所述的天线系统，其中，所述主天线包括天线阵列。
10.如权利要求1所述的天线系统，其中，所述不希望方向是朝向天空。
11.一种用于减少不希望方向上的信号辐射的方法，包括：
识别主辐射图案的在所述不希望方向上延伸的第一最大值点，所述主辐射图案是由发射主信号的主天线产生的；
将次级辐射图案的第二最大值点定位成在所述不希望方向上延伸并与在所述不希望方向上延伸的所述主辐射图案的所述第一最大值点对准，所述次级辐射图案是由发射次级信号的副天线产生的，其中，所述副天线在体积、覆盖区或频率带宽上小于所述主天线；以及
对所述次级信号进行幅度修改和相移以抵消或减少所述主辐射图案的在所述不希望方向上延伸的所述第一最大值点，同时保持所述主辐射图案的在所述不希望方向之外的部分。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括：将所述主天线和所述副天线耦合到连续接地平面。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包括：所述连续接地平面的反射器部分将所述主天线与所述副天线分开以辅助定位所述次级辐射图案的所述第二最大值点。
14.如权利要求11所述的方法，进一步包括：基于所述主信号的在所述不希望方向上的第一增益与所述次级信号的在所述不希望方向上的第二增益的比率来设置所述次级信号的幅度。
15.如权利要求11所述的方法，其中，所述次级信号的相移量等于所述主信号的在所述不希望方向上的第一增益与所述次级信号的在所述不希望方向上的第二增益之间的相位差。
16.如权利要求11所述的方法，进一步包括：功率分配器在所述主天线与所述副天线之间分配来自信号源的能量。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括：所述功率分配器在所述主天线与所述副天线之间不相等地分配来自所述信号源的所述能量，使得所述次级信号具有比所述主信号更低的幅度。
18.如权利要求11所述的方法，其中，所述主天线包括天线阵列。
19.如权利要求11所述的方法，其中，所述不希望方向是朝向天空。
20.一种天线系统，包括：
信号输入源；
连续接地平面；
主天线阵列，所述主天线阵列耦合到所述连续接地平面并电耦合到所述信号输入源；以及
副天线，所述副天线耦合到所述连续接地平面并电耦合到所述信号输入源，
其中，所述副天线在体积、覆盖区或频率带宽上小于所述主天线，
其中，所述主天线阵列响应于来自所述信号输入源的能量的第一部分来发射主信号以产生主辐射图案，
其中，所述副天线响应于来自所述信号输入源的所述能量的第二部分来发射次级信号以产生次级辐射图案，
其中，对所述次级信号进行幅度修改和相移以定位所述次级辐射图案，以便抵消或减少所述主辐射图案的在不希望方向上延伸的第一部分，同时保持所述主辐射图案的在所述不希望方向之外的第二部分，
其中，施加到所述主天线阵列中的一个天线的相移使所述主辐射图案的在所述不希望方向之外的所述第二部分背离所述不希望方向倾斜，并且
其中，所述连续接地平面的反射器部分将所述主天线阵列与所述副天线分开，以辅助定位所述次级辐射图案。
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