CN1153316C - 组合卫星和vhf/uhf接收天线 - Google Patents
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Abstract
单个天线组件接收两种信号：直接广播卫星信号(DBS)和如象本地VHF/UHF电视通道广播的地面广播信号。该组件包含一个电磁信号反射器，在第一频段内反射和聚焦电磁信号，例如：用于DBS的微波信号。在第二频段内接收电磁信号的天线被合并在该反射器中。
Description
发明领域
本发明涉及用于接收广播信号，例如：电视信号的天线。
背景
直接广播卫星(DBS)服务新近在美国创建。DBS对全国用户提供电视广播节目、影片和其他的视频和音频服务，不要求与有线部门联系。还有，需要向DBS服务部订购，例如：来自Hughes(休斯)，原始星(Primestar)和回波星(Echostar)的直接电视，DBS接收一般包括流行接收机，例如：由印弟安纳州，印第安纳波利斯的Thomson censumer电子股份有限公司生产的DSS接收机，安装合适的天线系统，例如：同DSS系统一起的18″碟形反射器天线。
与DBS有关的一个问题是本地广播服务，例如：由本地VHF/UHF广播站提供的电视广播节目，不能经过DBS服务得到。这个问题的简单解决是安装适宜接收本地广播信号的单独的天线组件。举例，适宜于接收本地广播信号的独立天线组件的例子是由Antenna America股份有限公司生产的自由度天线。该自由度天线与碟形DBS天线的背面一致，用与碟形反射有关的硬件安装。但是，对DBS系统加上另外的天线组件将要求不希望有的附加设备、附加安装工作，从而增加成本。
即使第二天线组件，例如：采用自由度天线，但由第二天线组件接收的广播信号是粗劣的。具体地说，因为DBS天线一般地固定在瞄准专门卫星位置的位置，第二天线组件同DBS天线一起安装也有固定位置。相对于广播信号源而言第二天线组件的固定位置或方位不能提供广播信号的最佳接收。
因此，需要有一种天线装置，允许接收DBS和本地广播两种信号。
发明概要
通过提供的天线，本发明可解决已叙述过的问题。该天线包含：在第一频段内反射和聚焦电磁信号的反射器；与上述反射器合并在一起的用来在第二频段内接收电磁信号的装置。
附图的简述
参见附图可以较好的理解本发明，其中：
图1说明用来接收卫星和本地广播信号的双用途天线的实施例；
图2说明示于图1的天线的碟形反射器的实施例；
图3说明单独的折叠式蝴蝶结天线；
图4说明包括图1和图3中所示的双用途天线系统的另一实施例；
图5示意表示压控天线开关/放大器的实施例；
图6示意表示音调控制的天线开关/放大器的实施例；
图7示意表示用于对变频器、天线开关/放大器产生控制信号的电源稳压器的实施例；
图8说明换接的折叠式蝴蝶结天线方向图的图解；
图9-a说明接收卫星和本地广播信号的双用途天线的另一个实施例；
图9-b说明图9-a所示的高通滤波器的示意图；
图10说明包括图9-a所示特性的双用途天线系统的另外实施例；
图11-a说明图10所示的天线系统的反射器的一个实施例；
图11-b说明图11a所示的反射器实施例的方位。
在不同的图中，相同的或相似的元件的标号是相同的。
详细说明
图1所示的碟形天线，用来接收第一频段信号，例如：微波直接广播卫星(DBS)信号，其被改善后亦可接收来自地面广播站的其他频段的信号，例如：VHF和UHF信号。示于图1的双用途天线包含碟形反射器100，变频器11和变频器支撑臂120。变频器11可以是，例如：常规的低噪声组件变换器(LNB)。碟形反射器100反射和聚焦由直接广播卫星(DBS)发射的微波广播信号。变频器支撑臂120将变频器11放置在被反射的微波信号的焦点上。
这些碟形反射器应用被称为“注模”的方法制作。在该方法中，为了构成微波反射器将导电金属涂料(例如：镍或钼涂料)加到碟形器前表面上，该碟形器通常由重量轻的绝缘材料(例如：塑料或玻璃纤维)制作。根据本发明的原理，接收DBS信号的反射器亦包括接收VHF/UHF波段信号的天线单元。为了用注模生产碟形反射器，接收VHF/UHF波段信号的天线单元按下述细节在碟形器的表面上遮蔽导电涂料而形成。经实验确定，与碟形反射器合并在一起的VHF/UHF天线单元按下面所述不降低微波反射器的相应的功能。
在碟形器的表面上形成VHF/UHF天线单元的方法包含除去导电涂料以产生图1中的细的界限线12。这些界限线将VHF/UHF天线方向图同导电材料的剩余部分分开。按理论推断和实验检验，这些细线对反射器的所有性能不产生负面影响，只要它们的宽度保持约为微波广播信号波长的十分之一(或小些)。参见Johnson，Richard C.和Jaski，Henry在Antenna Applicantions Reference Guide(McGraw Hill，1987)中的文章“The Paraboloidal Grid Reflector”。
例如，关于美国的RCA数字卫星服务(DSS)其广播信号在12.2和12.7之间发射。(Ku波段的K4部分)其可以允许的线宽约为十分之一英寸(2.5mm)或更小。但是，实验证实只要线宽小于八分之一英寸(3.0mm)微波接收就不会衰减。
本发明的另外方面涉及VHF/UHF天线单元的结构。该结构绘于图2-a，在下文被称为“折叠式蝴蝶结天线”。业已发现折叠式蝴蝶结天线不需调节就可接收贯穿整个VHF/UHF电视频段的电视广播信号(在美国为54-870MHz)。这是因为折叠式蝴蝶结天线展现出大的频率带宽，它将扩展到VHF低波段广播电视频率的下边缘(54MHz)。举例：从JohnD.Kraus所著的“Antenna”一书已知(参见例如，pp.340-358McGrawHill，1988年第二版本)蝴蝶结双锥形天线与经典的偶极天线相比有较大的频率带宽。图2-d示出的实验结果显示出：与常规设计的天线例如蝴蝶结锥形天线或折叠偶极天线相比折叠式蝴蝶结天线的特点是有很大的带宽。
按上述，应用注模法，折叠式蝴蝶结天线可容易地在碟形反射器上构成。对大量生产双用途天线而言，这是所希望的。另外，所提供的VHF/UHF天线的成本与可联接到蝶形组件上的分开的天线组件相比有大幅度的下降，实验用的折叠式蝴蝶结天线的实际尺寸已被试验确定并示于图2-a中。具体地说，碟形天线100宽18英寸(46cm)，折叠式蝴蝶结天线单元长度220是18英寸(46cm)宽度210是9英寸(23cm)。
导电涂料对在碟上的折叠式蝴蝶结天线的宽带特性也有贡献。因为固有的电阻，任何导电涂料导电性是不完美的。例如：在直径为18英寸(46cm)的碟上用镍涂料制作的折叠式蝴蝶结天线有大约17Ω的总电阻。这个电阻明显降低折叠式蝴蝶结天线的性能，因为它减弱接收到的信号，但是实际上这个电阻提高折叠式蝴蝶结天线的整体性能，这是因为该电阻在VHF/UHF电视频率的全部波段内提供较好的天线阻抗匹配。这个电阻起天线宽波段负载的作用。由较好的天线的阻抗匹配而得到的改善超过由电阻引起的信号损失。通过改变导电涂料的电阻率可以使信号损失和阻抗匹配之间的折衰选择被最佳化。
如果使用较大的碟形反射器，通过应用折叠式蝴蝶结天线单元阵可得到VHF/UHF接收的更进一步改善。例如，尺寸大于18英寸的碟上可以这样使用，即两个尺寸按图2-a所描述的天线单元能配置成图2-b所示的垂直堆积阵的方式。由多个单元接收的电累计信号将提供3dB附加增益。
在图2-a中，折叠式蝴蝶结天线230的单元被从中心馈送点13和14向基本上与反射器100的外边缘相重合的各自的末端(15，16)分开。在17边上两个单元是相连接的，在另一个边上两个单元在各自的馈送点13和14上被分开。
另外对已构成的图1和图2-a中的碟形表面100，一个折叠式蝴蝶结天线的结构被设计成图3中所示的单独天线。对于单独天线而言，制作比上述实施例加工成形18英寸(46cm)的碟更小的天线是优选的，因为较小的天线可以方便的放到许多不同的地点。图3说明一个较小的折叠式蝴蝶结天线30的实施例，它在功能和尺寸之间进行了折衷选择。实验结果证明，当天线30长18英寸(46cm)宽4英寸(10cm)时可以获得能接受的特性。天线30的单元可以用不同的技术建造，例如：在常规的电路板上刻蚀天线结构或者在非导电的基片材料上安装铝箔或铜箔窄条。为接收电视的或其他的广播信号，使天线工作时有一定程度的方向性是可取的。这是因为定向天线不仅提供较大的信号幅度而且亦抑制不希望的多路信号和其他的干扰。该折叠式蝴蝶结天线有“数字8”形式的天线方向图。
如图2-c所说明的，为了最佳VHF/UHF接收，天线应放置得使方向图的波瓣指向VHF/UHF电视发射天线。使天线能指向多个发射天线的方法是让天线机械地旋转。但是，假如象图1和图2-a所示的折叠式蝴蝶结天线与碟形反射器结合在一起，则实际地旋转天线是不会需要的，因为接收DBS信号的天线一般地是固定在一个位置，瞄准特定的卫星。另外，实际上能转动的天线因转动设备而包含有大量的额外成本。而且转动天线从一个方向到相反的方向(即90°)需用约10～20秒。每当用户改变通道时，需要调节天线以寻求最佳天线方向。
本发明实施例的另外一个方面是对需要转动的天线提供可换接的折叠式蝴蝶结天线系统。如图4所示，可换接的折叠式蝴蝶结天线系统包含正交组合的两个折叠式蝴蝶结天线。较小尺寸的折叠式蝴蝶结天线430被安装到变频器支撑臂120的下面。三个输出信号(即是：较小的折叠式蝴蝶结天线430的输出，碟上的折叠式蝴蝶结天线230的输出，变频器11的输出)被分别加到开关/放大器40上。两个4∶1平衡-不平衡变换器50，60分别为两个折叠式蝴蝶结天线而设置以进行阻抗匹配。馈送点13，14的终端在反射器10的背后，平衡-不平衡变换器50附在碟的下面。为响应由控制电路60产生的控制信号，开关/放大器40选择指向要求的VHF/UHF发射天线的折叠式蝴蝶结天线的输出信号，换接操作的控制在下面更详细的描述。
单根同轴电缆可运载大量不同的信号，例如：(1)下变频微波信号；(2)VHF/UHF广播信号；(3)变频器以及开关/放大器40用的直流电源；(4)用于开关/放大器40的转换控制信号。这允许整个双用途天线系统能简单的装配。图4表示典型的导线连接。
图5所示为开关/放大器40的典型电路500的示意图。开关/放大器电路500包含放大器520，530；转换电路D1，D2；转换控制电路510，双工滤波器560。按下述，图5中电路的转换操作由直流电平控制。图6示出另外的典型电路600，如以下所述它响应于交流转换控制信号，例如：22KHz信号。开关/放大器40的每个实施例都在折叠式蝴蝶结天线230，430之间提供快速选择。
在图5中两个相同的放大器520，530包含晶体管Q3和Q4。每个放大器提供大约10dB的增益。常规的计算机分析和设计技术可被用于在VHF/UHF电视频段(54-870MHz)上调节增益、输入和输出阻抗。输入滤波器U1和U2抑制55MHz以下的可能的干扰。通过PIN二极管D1和D2，响应放大器520和530交替地加上电源，实现转换作用。转换电压源电路510按这样的方式配置，当结点V2是8V时结点V1变成0V。相应地，当结点V2是8V时，晶体管Q3的集电极(亦是PIN二极管D2的阳极)由于R1变成5V，晶体管Q4(PIN二极管D1的阳极)的集电极变为0V。这个正向偏置的PIN二极管D2对射频信号呈导通状态。因此，来自输入端A被放大了的信号直接到输出端530。另一方面，D1被反偏置，堵塞来自输入端B的信号。更进一步，由于晶体管Q4上没有加上电源电压，放大器530对来自输入端B的信号不提供正增益，事实上，它衰减了进一步将输入端B和输出端530隔离的信号。另一方面，当结点V2是0V时，结点V1变成8V。在这种情况下，上述运作将被颠倒，来自输入端B的信号被放大，被引向输出端530。
按上述，在电视系统(例如：卫星调谐器或电视接收机)中直流电源供给电路可经过同轴电缆的中心导体给开关/放大器40提供直流电源电压。在示于图5和图6的典型实施例中，这个直流电源电压(例如：在10V和25V之间)通过电感L5同VHF/UHF广播信号分开，被供给稳压器REG的输入端515。稳压器REG为整个开关/放大器电路提供稳定的直流电源电压(例如8V)。
为响应由下面详细说明的电视系统发出的天线转换控制信息(即是直流电源电压的变化)，控制电路510对PIN二极管D1和D2提供不同的直流偏置。这个从电视系统来的直流电源电压不仅被加到稳压器REG的输入端也经过包括电阻R16，R17的电压分配器511加到晶体管Q2的基极。该被稳定的直流电源电压被加到晶体管Q2的发射极。当电视系统送来一个较低的直流电源电压(例如：低于14.8V)，电压分配器511提供一个较低的偏置电压(例如：低于7.4V)到晶体管Q2的基极，于是晶体管Q2变成接通(即是导电的)。于是被稳定的电源电压出现在结点V2同时正向偏置PIN二极管D2。在另外一方面，Q1变为断开(即是不导电)同时结点V1变为0V。于是，没有电源供给放大器530和二极管D1。可注意到，当Q2是断开时电阻R18对Q1提供基极电流以保证Q1被完全接通。对于较高的直流电源电压(例如：大于14.8V)，Q2变成不导电而Q1成为导电。电阻R18被加上，为控制电路510在其门限值附近(例如：14.8V)提供稳定性。
双工滤波器560包括低通滤波器540和高通滤波器550。双工滤波器560被设计得兼顾VHF/UHF广播信号(55-803MHz)和已变换的微波信号(950-1450MHz)，于是，它们能经过单根同轴电缆的同一中心导体传输。更特别的，用于VHF/UHF广播信号的低通滤波器540(具有截止频率为，例如830MHz)包括电感L6，L7和电容C11。用于被变换的微波信号的高通滤波器550(具有截止频率，例如：950MHz)包括电感L8，电容C12和C14。电感L9，L10和电容C13为变频器11提供直流电源电压通道。
图6示出开关/放大器40的另一个典型实施例的示意图。在这个实施例中，交流信号(例如：1.5V p-p，22KHz)被用于控制开关/放大器40的转换功能。应用常规的振荡器方法在电视系统中产生音调信号，该信号被加到同轴电缆的中心导体，或者从该处消除。假设音调是存在的，该音调信号被加到音调转换电路610且在其中整流，该电路610包含音调整流电路C9，D4，D5和C10。被整流的音调信号使两个晶体管Q5和Q2转向导电。于是，被稳定的直流电压(例如：8V)经过晶体管Q2加到结点V2′。另一方面，晶体管Q1变成不导通的同时V1′变成0V。这引起晶体管Q3和PIN二极管D2导通，同时截止晶体管Q4和PIN二极管D1。由此，开关/放大器电路600选择输入A。
图7示出直流电源电路700，它有能力将音调信号加到同轴电缆的中心导体上。这个直流电源供给电路被用于电视系统中(例如：卫星调谐器或电视接收机)，对变频器，例如：图11和图4中变频器11提供不同的直流电源电压。此外，由图7中电路产生的电压可选择信号的极化(右旋或左旋的圆形极化)，它被变频器11所接收。图7中的电源供给电路也为图6所示的开关/放大器600提供直流电源。图7所示电路的某些方面在美国专利US-5,563,000和US-5,578,916中是已知的。图7所示电路的其他特性在下文叙述。
在图7中，有两个控制状态的控制信号被耦合到电阻的一个末端710。每个控制状态引起图7中的电路在图7的输出端730上产生不同的直流电压。例如：控制信号状态是0V在端子730上产生13V，而当控制信号状态是5V时在端子730上产生17V。典型地，输出端子730经同轴电缆的中心导体被耦合到变频器或LNB上，如象图1和4中的变频器11。每个电压引起变频器11接收不同的信号极化，例如，13V引起变频器接收右旋图形极化信号，而当17V时引起变频器接收左旋圆形极化信号。
也在图7中，22KHz“音调”信号经电容器C5被耦合到放大器U1的正输入端。当22KHz音调信号存在时，放大器U1和晶体管Q1、Q2使22KHz信号同端子730上的输出信号相结合。电路的运作是这样的，端子730上的信号既包括22KHz信号，当其存在时，又包括可被选择的直流电平(例如：13V或17V)。输出信号中音调信号存在与否由图6中的转换电路来检测和用来在折叠式蝴蝶结式天线输出信号之间作切换。于是，图7中的电路在端子730上产生一个输出信号，该端组合交流与直流的控制信号，用来独立地控制信号的极化和天线的转换。另外，端子730上的直流电压用来做图6中转换放大器的电源。
控制信号的具体状态和22KHz音调存在与否由电视系统中控制器件，例如：微型控制器(图7中未示出)来检测，试举例，在远距离控制时用户启动专门的键选择专门的信号极化或者起动折叠式蝴蝶结天线之间的转换。键的启动产生遥控信号，该信号被微型控制器接收。微型控制处理遥控信号以便选择合适的功能。例如：微型控制器产生供给图7中电阻器R16的控制信号的合适状态或者控制耦合(或不耦合)22KHz信号到电容器C5上的开关。
要注意的是开关/放大器40的转换操作可用几种不同的方式启动。例如，在用遥控器选择了另外一个以后，用户可以一个通道接一个通道地手动选择折叠式蝴蝶结天线中的一个。其次，这个选择可由包括存储器的微机系统自动进行，其中在耦合到各自的天线选择的通道上的信息被储存。一旦用户选择用于特定的广播电视通道的天线中的一个，当他又选择了相同的通道以后，同一天线将自动地再次被选择。第三，通过测量能表示被接收的VHF/UHF电视信号电平的自动增益控制(AGC)信号，该微机系统可自动选择比较好的VHF/UHF天线。当电视接收机的被称为“自动程序”运作时，自动选择可以完成。最好，如果需要，这个选择可以在后面由用户手动来改善。通过允许快速通道选择(有时被称作“通道冲浪滑板”)前述的自动天线选择方法使用户受益。
图8是一对被换向的正交的折叠式蝴蝶结天线的天线方向图。虚线代表碟形天线230的方向图，实线代表图4中安装在变频器支撑臂120下的天线430的方向图。业已确定，通过切换两个折叠式蝴蝶结天线同一个全向天线(即是天线有360°的复盖范围)相比较，则潜在的多通道和干扰的一半可除去。
图9-a说明双用途天线的另外的实施例。在图9-a中，导电屏板被嵌入绝缘模压混合物(例如：塑料)中，以形成碟形反射器800。该屏板不能容易地构成折叠式蝴蝶结形状，于是一种较简易的形状被使用。一种较好实现的屏板是将屏板分成两部分此两部分具有最小分开的间隙，按上述该间隙小于八分之一英寸(3.0mm)。被分开的导电屏板仍能够反射微波信号，分开的部分分别构成双极型VHF和UHF天线。这些形状亦可按前述用导电涂料构成。
在图9-a中，导电屏板被水平和垂直分割。屏板的下面部分930被设计成按UHF双极型天线工作，以获最佳UHF接收。上面部分940与下面部分930组合提供一个VHF天线。在VHF电视频率范围内，下面部分对上面部分是射频耦合的，以获最佳VHF接收。射频(RF)滤波器910，920用作耦合装置。每一个滤波器可以是一个简单的并联谐振陷波电路，相似于业余爱好者使用的无线电偶极天线或简化为示于图9-b中高通滤波器，这些变化亦可用导电涂料构成。通过在碟上掩蔽导电涂料，某些射频滤波可以得到改善。
图10是使用导电网眼式反射器的典型天线系统。该碟中双极型天线的输出被耦合到平衡-不平衡变换器，然后也耦合到双工滤波器的一个输入端，例如频道主模4001 IFD(Channal Master model 4001 IFD)。双工滤波器的另一输入端也被耦合到变频器的输出，以接收来自卫星的微波广播信号。双工滤波器的组合的输出端经单个同轴电缆(而不是两个)耦合到电视系统。这里另外的双工滤波器可从组合信号中将VHF/UHF和卫星信号分离，于是常规的VHF/UHF电视接收机和卫星调谐器可以能够各自接收两个被分开的信号。
业已发现，图10所示的VHF/UHF接收系统的实施例在广播站附近有很好信号接收性能(例如：20英里以内)。通过对屏板组件的部分附加上径向杆可以完成VHF/UHF接收的更进一步的改善，如图11-a所示。径向杆使被嵌入的双极型天线的功能类似双锥形的天线。
一个“无限(大)的”双锥形天线的均匀输入阻抗(Ri)按下式给出：
Ri＝120 ln cot θhc/2 (Ω)
式中θhc如图11-b所示。对于有限的双锥形天线，其中天线单元的长度小于所接收频率的一个波长，其输入天线阻抗变成电抗性的。于是增加“锥体”部分(即是屏板)的有效长度是合乎需要的。杆或线可以从天线背面按径向延伸地附加。按图11-b中所示，这些杆可处于θhc角度处，以控制天线的输入阻抗以及特别地改善在VHF/UHF广播频率波段内的较低频率的信号接收。
新近研究的称为“可程控数字平衡器”的NTSC接收技术，对改善双用途天线系统是先进的。这是因为对NTSC本地广播信号平衡器更进一步减小多道路和干扰问题。
虽然本发明已被叙述，具有一定程度的特殊性，但应理解的是，目前的公开是通过举例的方式进行的，结构细节的变化是在不脱离本发明精神下完成的。例如，双用途天线不仅用来接收数字/模拟电视信号，它也用于接收数字/模拟音频或数字信号。
Claims (10)
1.一种电磁信号反射器包括：
一反射器，用于在第一频段内反射和聚焦电磁信号；以及
天线装置，用于接收第二频段内的电磁信号，其中所说反射器的一部分形成所说天线装置。
2.按权利要求1的电磁信号反射器，其中：
所说反射器和天线装置包括：在所说的第一频段内反射电磁信号的一种反射材料。
3.按权利要求2的电磁信号反射器，其中：
所说天线装置借助非导电间隙同所说反射材料的剩余部分相分离，该间隙的宽度小于所说第一频段内电磁信号波长的八分之一。
4.按权利要求3的电磁信号反射器，其中：
所说的反射材料粘到所说的反射器的表面。
5.按权利要求4的电磁信号反射器，其中：
所说的反射材料的所说的剩余部分构成阻抗变换装置。
6.按权利要求4的电磁信号反射器，其中：
所说的反射材料的所说的剩余部分构成耦合装置。
7.按权利要求4的电磁信号反射器，其中：
所说的反射材料的所说的剩余的第一部分构成阻抗变换装置，以及
所说的反射材料的所说的剩余的第二部分构成耦合装置。
8.按权利要求3的电磁信号反射器，其中：
所说的反射材料被嵌入所说的反射器实体内。
9.按权利要求2的电磁信号反射器，更进一步包括：
天线单元，耦合到从所说的反射器边缘延伸出的所说天线装置。
10.在第一和第二频段同时接收电磁信号的设备包括：
在所说的第一频段内反射和聚焦电磁信号的反射器；
在所说的第一频段内在聚焦点上接收所说的电磁信号的喇叭；
在所说的聚焦点安置所说的喇叭的馈送安装装置，以及
在所说的第二频段内接收电磁信号并同所说的反射器合并在一起的天线装置。
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