CN111796152A

CN111796152A - 天线系统和紧凑型天线测试场

Info

Publication number: CN111796152A
Application number: CN202010223524.2A
Authority: CN
Inventors: 科比特·罗威尔; 亚当·坦凯伦
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2019-04-04
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2020-10-20
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: US11152712B2; US20200321706A1; EP3719929A1; CN111796152B; EP3719929B1

Abstract

一种天线系统(14)，包括宽带天线(16)和透镜体(18)。所述天线(16)的至少一部分被放置在所述透镜体(18)内。所述天线(16)具有带有端部(24、26)的至少两个天线部分(20、22)。所述天线部分(20、22)限定了它们之间的距离(d)，距离(d)朝向限定了所述天线(16)的孔径(A)的所述端部(24、26)逐渐增加。所述透镜体(18)具有合并成所述透镜体(18)的公共材料区部(36)的至少两个弯曲区部(28、30)。所述公共材料区部(36)位于所述天线(16)的所述孔径(A)下方。此外，描述了一种紧凑型天线测试场(10)。

Description

天线系统和紧凑型天线测试场

技术领域

本发明涉及天线系统。此外，本发明涉及紧凑型天线测试场(range)(CATR)。

背景技术

紧凑型天线测试场(CATR)在现有技术中是已知的。它们通常包括馈电天线和分配给馈电(feed)天线的反射器。理想地，所使用的馈电天线应当具有大的半功率波束宽度(HPBW)以在传送电磁信号时适当地照射反射器。

传统上，馈电天线由具有波导馈电的轴向扼流喇叭型天线建立，其中，由于导波物理学，因此波导馈电受频带限制。实际上，在低频处存在截止频率并且在高频处存在高阶模式。因此，现有的馈电天线以及具有这些馈电天线的紧凑型天线测试场受限于其频率在23到43GHz范围内的信号。

然而，对于现代通信标准诸如新无线电(NR)或者更确切地说5G，有必要处理具有高达87GHz的频率的信号。

在现有技术中，已知可以用作紧凑型天线测试场的馈电天线的天线，其可以处理，特别是传送，具有超过43GHz的更高频率的信号。然而，目前已知的天线具有相对较低的半功率波束宽度，其导致与轴向扼流喇叭型天线中的一个相比，静区要小50％。

因此，紧凑型天线测试场必须应对要处理的频率与影响可用静区大小的相应半功率波束宽度之间的权衡。

因此，存在对于确保使用具有高频率和较大半功率波束宽度的信号的天线系统以及紧凑型天线测试场的需求。

发明内容

本发明提供一种天线系统，包括宽带天线和透镜体，其中天线的至少一部分被放置在透镜体内，其中天线具有带有端部的至少两个天线部分，其中天线部分限定了它们之间的距离，其中距离朝向限定了天线孔径的端部逐渐增加，其中透镜体具有合并成透镜体的公共材料区部的至少两个弯曲区部，并且其中公共材料区部位于天线的孔径下方。

本发明基于以下发现，即散焦透镜可以被用于宽带天线，以便确保具有高达87GHz的频率的信号可以被传送，同时提供较大的半功率波束宽度(HPBW)。

透镜的散焦效果由透镜体的形状提供，其具有合并成透镜体的公共材料区部的两个弯曲区部，同时天线的孔径位于公共材料区部的上方。换句话说，天线部分延伸穿过公共材料区部，因为它们的限定了天线孔径的相应端部位于公共材料区部上方。

天线部分之间的距离由彼此面对的天线部分的表面之间设置。因此，天线部分彼此相对，同时在至少两个天线部分之间限定了槽或者更确切地说室/空间。

天线部分与被用于引导一个或多个电磁波(即信号)的天线的部分有关。特别地，被发射的信号由天线部分引导朝向天线部分的相应端部。因此，天线部分的端部被取向为朝向天线的辐射方向，即电磁波被发射的方向。被接收的信号是经由端部(即孔径)接收的。

实际上，端部与天线的自由端部有关。

天线部分可以被(基本上)对称地形成。特别地，彼此面对的天线部分的表面具有相同的形状。然而，天线部分沿着在两个天线部分之间(特别地，在中间并且在相同平面内)延伸的轴线相对于彼此是镜像的。

弯曲区部位于相对于公共材料区部的相对侧面上。因此，弯曲区部从相对侧面合并成公共材料区部。

公共材料区部在垂直于透镜体的轴向方向的横截面上提供透镜体的连续材料部分。该轴向方向(基本上)与被发射的电磁波的传播方向一致。

连续材料部分在透镜体的轴向方向上具有上限和下限，其中由孔径限定的平面位于这两个限之间。

宽带天线被配置为处理具有高达87GHz的频率的信号。

公共材料区部相对于由天线提供的电磁波辐射方向位于天线的孔径的下方。换句话说，当观察天线的孔径时，公共材料区部位于孔径的下方。

根据一个方面，公共材料区部对应于透镜中心。该透镜中心可以不同于透镜体的几何中心。因此，该透镜中心仅仅与公共材料区部有关，公共材料区部与透镜体的所有区部连接或者更确切地说由透镜体的所有区部合并。换言之，该透镜中心可以与透镜体的主要部分有关。然而，在旋转对称的透镜体的情况下，透镜中心可以等同于透镜体的几何中心。

根据另一方面，公共材料区部位于天线的相位中心的区域内。在天线设计理论中，相位中心是向外球状地传播所传送的电磁波的点，其中在球面上任意一点的相应信号的相位相等。这个相应的点，即天线的相位中心，通常位于天线部分之间。在所提供的特定设计中，天线的相位中心位于天线的孔径下方，因为天线的相位中心被提供于位于孔径下方的公共材料区部中。

如以上提及的，连续材料部分在透镜体的轴向方向上具有上限和下限，其中相位中心位于这两个限之间。

另一方面提供了两个弯曲区部中的至少一个，特别是两个弯曲区部中的每个，是漏斗状的。因此，透镜体具有上侧面和下侧面，均包括漏斗状的弯曲区部，其被取向为朝向透镜体的中心，特别是公共材料区部。漏斗状的弯曲区部不与彼此合并。因此，不提供开口，特别是连续的开口，因为两个漏斗状的区部均在透镜体的公共材料区部处结束。换言之，透镜体闭合或者更确切地说密封由漏斗状的弯曲区部提供的漏斗部。

一般而言，漏斗部与具有截锥或者更确切地说圆锥台形状的空间有关。

此外，天线的孔径可以限定与两个弯曲区部中的一个相交的平面，特别地，其中该平面与由漏斗状的弯曲区部提供的漏斗部相交。由天线的孔径提供的平面(基本上)垂直于天线部分的取向。由于孔径由天线部分的端部限定，因此相应的平面也由端部限定。

端部之间提供的孔径可以部分地位于漏斗部(即由透镜体的形状提供的凹槽或者更确切地说开口)中，由于相应的天线部分，特别是它们的端部，位于透镜体内部。

弯曲区部一般可以对应于在透镜体的侧面中的弯曲凹部。特别地，弯曲区部位于透镜体的相对侧面，即透镜体的上侧面和下侧面。

因为两个弯曲区部合并成位于它们之间的公共材料区部，因此透镜体可以具有至少一个透镜中心/整个材料的主要部分。

透镜体可以类似扁平环状物、喇叭状环体、没有开口的环体、没有连续开口的环体、纺锤环体和/或不对称的半球。这些相应的体都确保了公共材料区部由两个弯曲区部合并而提供。

通常，环体可以通过以下被参数化限定

其中，

是构成完整圆的角，因此它们的值起始和终止于相同点，

R是从管的中心到环体的中心的距离，

r是管的半径。

R还已知为环状的大半径以及r已知为环体的小半径。

喇叭状环体由R＝r限定。因此，两个半径是相似的。环体不具有孔或者更确切地说(连续的)开口。

纺锤环体由R<r限定。环体也不具有孔或者更确切地说(连续的)开口。

根据另一方面，天线部分在公共材料区部的整个轴向长度上彼此间隔开。该轴向方向对应于电磁波的传播方向或者更确切地说一个或多个天线部分的取向。因此，该轴向方向(基本上)垂直于孔径或者更确切地说由孔径限定的平面。因为彼此间隔开的天线部分是在整个轴向长度上彼此隔开，因此它们之间的特定距离被提供于公共材料区部的轴向起点处和公共材料区部的轴向终点处。

换句话说，由两个弯曲区部(特别是下部的弯曲区部和上部的弯曲区部)提供的漏斗部延伸进入天线部分之间提供的槽/空间。

根据一个方面，天线是Vivaldi天线。Vivaldi天线也被称为锥槽形天线或者更确切地说孔径天线。因此，天线至少部分地由印刷电路板(PCB)提供。相应的天线部分被提供于PCB限定的平面内。实际上，可以提供建立天线部分的导电材料带。因此，天线部分之间的距离也被称为槽。实际上，维瓦第天线是宽频带(宽带)的简单平面天线。通常，偏振可以是线性的。

根据另一个方面，天线是喇叭型天线。喇叭型天线与波导馈电有关。通常，喇叭型天线可以具有4个天线部分，其限定了它们之间的空间，空间朝向相应的天线部分的端部逐渐增大。因此，距离朝向两个相对天线部分的端部逐渐增加。

此外，透镜体可以是旋转非对称的。因此，第一弯曲区部和第二弯曲区部可以是相对于彼此不同的。然后，透镜中心，即透镜体的公共材料区部，可以不同于透镜体的几何中心。

另一方面提供了在透镜体的俯视图中，透镜体具有椭圆的或圆形的形状。换言之，透镜体的外边缘可以是椭圆的或者更确切地说圆形的。

根据另一方面，透镜体由泡沫材料制成。泡沫材料确保透镜体是轻的以及仅仅是不能破坏的，因为如有必要透镜体可能会被挤压。同时，透镜体由泡沫制成保证了部分集成的天线被透镜体保护。

另一方面提供了天线部分包括金属。特别地，天线部分由金属制成。例如，喇叭型天线的天线部分与金属片材有关。相比之下，Vivaldi天线或者更确切地说锥槽形(线型)天线的天线部分对应于由印刷电路板(PCB)上提供的金属制成的线。在任何情况下，金属确保了高电导率。

此外，天线系统可以具有大于35度、特别地大于50度的半功率波束宽度。天线是宽带天线，其被配置为处理具有高达87GHz的频率的信号。同时，半功率波束宽度(HPBW)高于35度，特别地，高于50度，使得现代通信标准(例如5G或NR)能够使用包括相应天线系统的紧凑型天线测试场(CATR)来测量。

此外，本发明提供了包括如上所述的天线系统的紧凑型天线测试场。以上提及的优点以相似方式应用于紧凑型天线测试场。

附图说明

当结合附图时，通过参考以下详细描述，所要求保护的主题的前述各方面和许多伴随优点将变得更容易领会，因为其变得更容易理解，附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的紧凑型天线测试场，其包括根据本发明的天线系统，

图2是根据本发明的天线系统和常规的天线系统的辐射方向图，

图3示意性地示出了图1中使用的透镜体的剖视图，以及

图4示意性地示出了根据本发明的另一示例的天线系统的天线的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图所述的详细描述(其中相似的数字是指相似的元件)旨在作为对所公开主题的各种实施例的描述，并且不旨在表示唯一的实施例。本公开中描述的每个实施例仅仅作为示例或说明来提供，并且不应该被解释为比其他实施例更优选或更有利。本文提供的说明性示例并不旨在是详尽的，也并不旨在将所要求保护的主题限制为所公开的精确形式。

在图1中，所示的紧凑型天线测试场10包括信号源12，其被连接至天线系统14。

此外，紧凑型天线测试场10包括反射器15，其被分配至天线系统14，因为被天线系统14发射的电磁波撞击在反射器15上。

天线系统14包括宽带天线16和透镜体18，其中天线16部分地位于透镜体18内部。

在所示实施例中，宽带天线16与也被称为锥形槽(线型)天线的维瓦第(Vivaldi)天线有关。

天线16具有第一天线部分20以及第二天线部分22，其(基本上)对称，但是相对于天线16的轴向中心线而镜像的。

天线部分20、22各自具有端部24、26，其被分配至天线16的辐射方向。天线部分20、22的端部24、26一起限定了天线16的孔径A。

实际上，孔径A与天线16的开口区域有关，开口区域是被由端部24、26限制的区域限定的。

通常，端部24、26被分配至或取向为朝向天线16的辐射方向。

此外，天线部分20、22彼此隔开了沿着天线16的轴向长度不同的一段距离d。

如图1中所示，天线部分20、22被成形为使得天线部分20和22之间的距离d朝向端部24、26逐渐增加。

实际上，距离d被提供于彼此面对的天线部分20、22的两个表面之间。

天线16(即Vivaldi天线)的天线部分20、22可以包括金属。实际上，天线部分20、22可以由金属制成，这是因为它们是由印刷电路板(PCB)上提供的导体建立的。实际上，天线部分20、22位于由PCB限定的公共平面中。

如已经提及的，天线16至少部分地位于透镜体18内部。实际上，天线16的一部分被放置在透镜体18内部，天线16的一部分至少部分地，特别是完全地包括天线部分20、22。

一般而言，透镜体18具有至少两个弯曲区部28、30，其被分配至透镜体18的上侧面32和下侧面34，其中上侧面32和下侧面34限定了透镜体18的相对侧面。

如图1中所示以及图3中所示透镜体18的剖视图，弯曲区部28、30是漏斗状的，这意味着弯曲区部28、30限制了漏斗部，即被形成为截锥或者更确切地说圆锥台的空间。

漏斗部(即截锥或者更确切地说圆锥台)中较窄的部分被取向为朝向彼此。

实际上，弯曲区部28、30合并成透镜体18的公共材料区部36，使得相应的漏斗部，即被形成为截锥或者更确切地说圆锥台的空间，被公共材料区部36密封或者更确切地说闭合。这清楚地在图3中示出。

如图1中所示，公共材料区部36位于由天线部分20、22的端部24、26限定的天线16的孔径A的下方。

公共材料区部36可视为透镜体18的透镜中心，其不必等同于透镜体的几何中心，因为透镜体18可以是旋转非对称的。然而，公共材料区部36可以与透镜体18的核心有关，透镜体18的所有其它区部与该核心连接。

在图1中，也示出了天线16具有相位中心P，其位于公共材料区部36内。因此，相位中心P相对于由天线16提供的电磁波的辐射方向位于孔径A的下方。

换言之，公共材料区部36位于天线16的相位中心P的区域内。

由天线部分20、22的端部24、26提供的天线16的孔径A限定了平面E，其与两个弯曲区部28、30中的一个(即上部的弯曲区部28)相交。

实际上，平面E与由漏斗状的弯曲区部28提供的漏斗部或者更确切地说截锥相交，如图1中所示。

因此，天线部分20、22彼此间隔了朝向端部24、26增加的一段距离d。

在图1的所示实施例中，当天线部分20、22位于与下部的弯曲区部30相交的平面中时，天线部分20、22已经彼此间隔了一段距离d。如已经提及的，当天线部分20、22位于与上部的弯曲区部28相交的平面中时，天线部分20、22仍然彼此间隔了一段距离d。实际上，距离d朝向端部24、26增加。

换言之，天线部分20、22在公共材料区部36的整个轴向长度上彼此间隔开，这由弯曲区部28、30的转换来限制。

此外，透镜体18可以由泡沫材料制成，使得透镜体18可以被挤压。此外，透镜体18保护被至少部分地放置在透镜体18内部的天线16。

如图1和3中所示，在透镜体18的俯视图中，透镜体18可以具有椭圆的或圆形的形状。图3中所示的剖视图已经提供了信息，即透镜体18的外圆周可以是弯曲的，使得透镜体18的整体形状为椭圆形或圆形。

在图2中，图1中示出的天线系统14的辐射方向图与无透镜体18的类似天线16的辐射方向图一起被示出。

实际上，天线系统14(即宽带天线16连同透镜体18)的半功率波束宽度(HPBW)高于35度。特别地，半功率波束宽度高于50度，即55度。

替代图1中示出的Vivaldi天线，天线16也可以由图4中示意性示出的喇叭型天线建立。

喇叭型天线可以包括4个天线部分，即第一和第二天线部分20、22以及第三和第四天线部分。第一和第二天线部分20、22以及第三和第四天线部分是成对设置的，其中它们被彼此相对地设置，使得4个天线部分限制了一个空间。

在图4中，当天线16被以剖面的方式示出时，仅示出天线部分20、22。然而，喇叭型天线的形状和结构是已知的。

因此，天线部分20、22可以由金属片材建立，其限定了相位中心P可以位于其中的室/空间。

如图4中所示，两个相对的天线部分20、22之间的距离d朝向天线部分20、22的相应端部24、26逐渐增加，其中端部24、26限定了天线16的孔径A。

因此，喇叭型天线和Vivaldi天线在它们关于相位中心P以及朝向自由端部24、26逐渐增加的距离d的结构方面基本上相似。

因此，图4中示出的喇叭型天线可以与图1和3中示出的透镜体18以相似方式使用。因此，天线16的相位中心P也位于透镜体18的公共材料区部36内，这是因为天线部分20、22在公共材料区部36的整个轴向长度上彼此间隔开。

通常，透镜体18对应于扁平环状物、喇叭状环体、没有开口的环体、没有连续开口的环体、纺锤环体和/或不对称的半球，如图1和3中所示。换言之，透镜体18不具有中心开口或者更确切地说孔洞。

天线16的相位中心P位于透镜中心(即公共材料区部36)内。因此，天线系统14的辐射特性被改进，特别是半功率波束宽度(HPBW)被改进。

Claims

1.一种天线系统(14)，包括宽带天线(16)和透镜体(18)，

其中所述天线(16)的至少一部分被放置在所述透镜体(18)内，

其中所述天线(16)具有带有端部(24、26)的至少两个天线部分(20、22)，

其中所述天线部分(20、22)限定了它们之间的距离(d)，

其中所述距离(d)朝向限定了所述天线(16)的孔径(A)的所述端部(24、26)逐渐增加，

其中所述透镜体(18)具有合并成所述透镜体(18)的公共材料区部(36)的至少两个弯曲区部(28、30)，并且

其中所述公共材料区部(36)位于所述天线(16)的孔径(A)下方。

2.根据权利要求1所述的天线系统(14)，其中所述公共材料区部(36)对应于透镜中心。

3.根据权利要求1或2所述的天线系统(14)，其中所述公共材料区部(36)位于所述天线(16)的相位中心(P)的区域内。

4.根据前述权利要求中任一项所述的天线系统(14)，其中两个弯曲区部(28、30)中的至少一个，特别是所述两个弯曲区部(28、30)中的每个，是漏斗状的。

5.根据前述权利要求中任一项所述的天线系统(14)，其中所述天线(16)的孔径(A)限定了与两个弯曲区部(28、30)中的一个相交的平面(E)，特别地，其中所述平面(E)与由漏斗状的弯曲区部(28)提供的漏斗部相交。

6.根据前述权利要求中任一项所述的天线系统(14)，其中所述透镜体(18)类似扁平环状物、喇叭状环体、没有开口的环体、没有连续开口的环体、纺锤环体和/或不对称的半球。

7.根据前述权利要求中任一项所述的天线系统(14)，其中所述天线部分(20、22)在所述公共材料区部(36)的整个轴向长度上彼此间隔开。

8.根据前述权利要求中任一项所述的天线系统(14)，其中所述天线(16)是Vivaldi天线。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的天线系统(14)，其中所述天线(16)是喇叭型天线。

10.根据前述权利要求中任一项所述的天线系统(14)，其中所述透镜体(18)是旋转非对称的。

11.根据前述权利要求中任一项所述的天线系统(14)，其中在所述透镜体(18)的俯视图中，所述透镜体(18)具有椭圆的或圆形的形状。

12.根据前述权利要求中任一项所述的天线系统(14)，其中所述透镜体(18)由泡沫材料制成。

13.根据前述权利要求中任一项所述的天线系统(14)，其中所述天线部分(20、22)包括金属，特别地，其中所述天线部分(20、22)由金属制成。

14.根据前述权利要求中任一项所述的天线系统(14)，其中所述天线系统(14)具有大于35度、特别地大于50度的半功率波束宽度。

15.一种紧凑型天线测试场10)，包括根据前述权利要求中任一项所述的天线系统(14)。