CN1212789A - 正交转换的天线系统 - Google Patents

Abstract

一种用于转换VHF/UHF信号的开关电路。该开关电路包括一个放大器(520,530),用于放大输入信号,一个开关装置(D1,D2),用于将放大的信号耦合到输出,一个响应于控制信号的第一状态的控制电路(510),用于同时使开关装置处于导电状态和启动用于放大输入信号的放大器,和该控制电路也响应于控制信号的第二状态,用于同时使开关装置处于不导电状态和从放大器除去DC工作电压,以便使输入信号与输出进一步隔离。

Description

正交转换的天线系统

                        发明领域

本发明涉及一种天线转换系统，它包括一个用于在具有不同方向性的天线之间转换的开关电路。

                        发明背景

为了接收电视和其它广播信号，通常，最好是有一个具有某些方向性的天线，以鉴别不希望的多径信号。这种定向天线在机械上可向着广播发射机旋转。然而，机械上旋转是不希望的，因为它需要附加昂贵的旋转设备。定向天线的另一种方法是选择一个初始向着所需的发射机定向的固定天线。在不同天线之间的转换概念是于1980年8月由S·Takeda等人在IEEE Trarnsaction on consumer Electronics.Vol.CE-26 pp236-296发表的“采用新的天线系统已经明显地减小在汽车接收机中的FM多径失真”中予以很好描述。更具体地说，这篇文章公开了一种包括正交组合的两个环形天线的转换天线系统。一旦正被使用的一个环形天线产生多径干扰，则多径失真检测器便检测它并且用户可转到另一个环行天线。

如天线开关电路，已经提出了许多方案，方案之一在授予Flynn等人的美国专利4,959,873中被描述。在Flynn等人的专利中，信号输出线转换到永久地连接在公共接点的两个或更多个输入线之一。每个输入线有一个能偏置在正常高增益(“开”)状态或隔离(“关”)状态的相关放大级。偏置在“关”状态使放大级输出对于其本身的输入线呈现低阻抗，选择其长度来影响在与其它线的接点处的高阻抗。该转换方案能使“开”路径的回波损耗和插入损耗保持到低值，而同时对“关”路径信号呈现高插入损耗。然而，该方案特别不适合转换VHF/UHF信号，因为它需要一个特定长度的输入线，明显地限制了电路的设计自由度。因此，需要一个在VHF/UHF频带的频率中对于“关”信号提供可接受的隔离度而不要求附加衰减电路的RF转换方案。

                        发明概要

本发明为解决所述的问题提供一种开关电路，该开关电路包括：一个用于放大输入信号的放大器，用于耦合放大信号到输出的开关装置，响应于控制信号的第一状态的装置，用于同时地使开关装置处于导电状态和启动放大输入信号的放大器，和响应于控制信号的第二状态的装置，用于同时使开关装置处于非导电状态和从放大器去掉DC工作电压，以便进一步使输入信号与输出隔离。

                        附图简述

本发明通过结合附图能更好地理解，其中：

图1表示一种用于接收卫星和本地广播信号的两用天线的一个实施例；

图2表示图1所示的天线的抛物面形反射器的一个实施例；

图3表示一种独立折叠蝴蝶结天线；

图4表示结合图1和图3的特征的两用天线的另一个实施例；

图5表示电压控制的天线开关/放大器的一个实施例的示意图；

图6表示音调控制天线开关/放大器的一个实施例的示意图；

图7表示用于对于变频器和天线开关/放大器产生控制信号的电源调整电路的一个实施例的示意图；

图8表示与转换折叠蝴蝶结天线有关的天线方向图；

图9-a表示一种用于接收卫星和本地广播信号的两用天线的另一种实施例；

图9-b表示图9-a所示的高通滤波器的示意图；

图10表示包括图9-a所示的特征的两用天线的另一个实施例；

图11-a表示图10所示的天线系统的反射器的一个实施例；和

图11-b表示图11-a所示的反射器实施例的一个方面。

在各个图中，用相同的标号表示相同或类似的元件。

                        详细说明

图1表示一种用于接收第一频带的信号，例如微波直播卫星(DBS)信号，已改进到也接收另一个频带的信号，例如来自地面广播站的VHF和UHF信号的抛物面形的天线。图1所示的两用天线包括：抛物面形的反射器100，变频器11，和变频器支撑臂120。例如，变频器11可以是传统的低噪声块变换器(LNB)。抛物面形反射器100反射和聚焦从直播卫星(DBS)发射的微波广播信号。变频器支撑臂120将变频器11设置在反射微波信号的聚焦点上。

这些抛物面形反射器可使用所谓“注模”工艺来制造。在该工艺中，为了构成微波反射器、导电金属涂料(例如，镍或铜涂料)加到抛物面形构件的前表面，该抛物形构件一般由轻型绝缘材料(例如塑料或玻璃纤维)制成。根据本发明的原理，用于接收DBS信号的反射器也包括一个用于接收VHF/UHF频带信号的天线单元。对于使用注模生产的抛物面形反射器，用于接收VHF/UHF频带信号的天线单元如下面详细描述的通过掩蔽导电涂料构成在抛物面形构件的表面上。实验已经确定，用如下所述的抛物面反射器引入的VHF/UHF天线单元不会降低微波反射器的相对功能。

在抛物面形构件的表面上形成VHF/UHF天线的工艺包括除去导电涂料，以产生图1的细边缘线12。这些边缘线使VHF/UHF天线图与导电材料的其余部分分离。如用理论预测和用实验证明的，这种细线不反向影响反射器的整个性能，只要它们的宽度保持大约为微波广播信号波长的1/10(或更少)。作为一个参考，请参见在AntennaApplicatiohs Reference Guide,(McGraw Hill,1987)中由Johnson,Richard c.和Jasik,Henry提出的“抛物面栅条反射器”。

例如，就在美国采用的RCA数字卫星业务(DSS)而言，在12.2和12.7(Ku波段的K4部分)发射广播信号。因此，可允许的线宽大约为1/10英寸(2.5mm)或更少。然而，实验已证明，微波接收不会降低，只要线宽小于1/8英寸(3.0mm)。

本发明的另一方面包含VHF/UHF天线单元的结构，该结构示于图2-a，并在后面称为“折叠蝴蝶结”天线。已经发现，折叠蝴蝶结天线在整个VHF和UHF电视频带的频率(在美国为54-870MHz)对于接收电视广播信号不需要调节。这是因为折叠蝴蝶结天线呈现宽频带宽，适合扩展到VHF低频带广播电视频率(54MHz)的低边缘。例如，从由John D.Kraus的天线(参见1988年第二版，McGraw Hill第340-358页)公知，蝴蝶结形的双锥形天线具有比经典偶极天线较宽频率带宽。图2-d表示折叠蝴蝶结天线特征比诸如蝴蝶结形的双锥形天线或折叠偶极天线之类的传统设计明显宽的带宽。

如上面所述的，折叠蝴蝶结天线通过利用注模工艺可容易地形成在抛物面形的反射器上。这适用于大量生产两用天线。此外，提供VHF/UHF天线的成本比提供可接到抛物面装置的独立天线装置明显降低。典型的折叠蝴蝶结天线的机械尺寸已经经实验确定和示于图2-a。尤其，对于具有18英寸(46cm)宽度的抛物面天线100，折叠蝴蝶结天线单元的长度220为18英寸(46cm)和宽度210为9英寸(23cm)。

导电涂料在抛物面上也起到折叠蝴蝶结天线的宽频带性质。任一个导电涂料因固有电阻而不完全导电，例如，在18英寸(46cm)直径抛物面上用镍涂料制成的折叠蝴蝶结天线具有总电阻约为17欧姆。似乎是，该电阻会降低折叠蝴蝶结天线的性能，因为该电阻会削弱接收的信号。然而，事实上这种电阻能增强折叠蝴蝶结天线的总性能，因为该电阻在VHF/UHF电视频率的整个频带提供更好的天线阻抗匹配。该电阻对于天线起宽频带负载的作用。通过更好的天线的阻抗匹配提供的改进超过由该电阻产生的信号损耗。在信号损耗和阻抗匹配之间的折衷可通过改变导电涂料的电阻率被达到最佳。

如果使用较大的抛物面反射器，在VHF/UHF接收中进一步改进可通过使用折叠蝴蝶结天线单元的阵列来获得。例如，可以用尺寸大于18英寸的抛物面，以致于对于图2-a所描述的尺寸的两个折叠蝴蝶结天线单元能以如图2-b所示的垂直叠层阵列排列。从多个单元接收的信号电总和提供附加3dB增益。

在图2-a中，折叠蝴蝶结天线230的单元被从中心馈电点13和14到各自端点15和16分开，这些端点基本上与反射器100的外边缘一致。两个单元连接在侧边17上。在另一侧，两个单元在各自馈电点13和14隔开。

除了在图1和2-a在抛物面100表面中形成外，折叠蝴蝶结天线结构能被设计为如图3所示的独立天线。对于独立型天线，最好是使该天线做得比在18英寸(46cm)抛物面上构成的上述实施例小，因为较小天线可容易地设置在各种位置上。图3表示在功能和尺寸之间折衷的较小折叠蝴蝶结天线30的一个实施例。实验结果证明，在天线30为18英寸(46cm)长度和4英寸(10cm)宽度时得到可接受的性能。天线30的单元能通过使用诸如将天线结构蚀刻在传统电路板上或将铝或铜粘贴在基片材料的非导电层上不同技术构成。为了接收电视和其它广播信号，最好是使天线用某些方向性工作。这因为定向天线不仅提供较大的信号幅度，而且也抑制不需要的多径信号和其它干扰。该折叠蝴蝶结天线具有“8字形”天线方向图。

为了最佳VHF/UHF接收，如图2-c所示，天线应如此设置，以使方向图的瓣指向VHF/UHF电视发射天线。使该天线指向多个发射天线的一种方法是在机械上旋转该天线。然而，如果折叠蝴蝶结天线与图1和图2-a所示的抛物面反射器结合，机械上旋转天线是不需要的，因为用于接收DBS信号的天线一般在指向特定卫星的位置上固定。此外，机械上旋转一个天线牵涉到用于旋转装置的主要的附加成本。然而，从一个方向到相反(即90度)方向旋转天线要花费大约10-20秒。每当用户改变频道时，为寻找天线的最佳方向需要天线调节。

本发明的另一个方面通过提供可变换折叠蝴蝶结天线系统消除必需旋转该天线。如图4所示，一种可变换折叠蝴蝶结天线系统包括一个正交组合的两个折叠蝴蝶结天线。较小尺寸折叠蝴蝶结天线430安装在变频器支撑臂120下面。三个输出信号(即较小折叠蝴蝶结天线430的输出、在轨物面上的折叠蝴蝶结天线230的输出，和变频器11的输出)分别加到开关/放大器40。两个4:1平衡-不平衡变压器50,60是为阻抗匹配用途提供各自的两个折叠-蝴蝶结天线。用于馈电点13、14的各端位于反射器100的背面；和平衡-不平衡变压器50连接在抛物面的下面。响应于由控制电路60产生的控制信号，开关/放大器40选择从指向所需的VHF/UHF发射天线的折叠蝴蝶结天线输出的信号。转换操作的控制在后面予以详细描述。

一个单个同轴电缆能执行多个诸如(1)下变频微波信号；(2)VHF/UHF广播信号；(3)用于变频器11以及用于开关/放大器40的DC电源；和(4)用于开关/放大器40的开关控制信号之类的不同信号。这允许简单安装整个两用天线系统。典型的导线连接示于图4。

图5表示用于开关/放大器40的典型电路500的示意图。开关/放大器500包括：放大器520,530；开关电路D1,D2；开关控制电路510；和双工滤波器560。如下面所述的，在图5的电路中开关操作是受DC电平控制的。图6表示响应于开关控制信号，例如，如下面所述的22KHz信号的另一种典型电路600。开关/放大器40的任一个实施例提供在折叠蝴蝶结天线230、430之间的极快选择。

在图5中，两个相同放大器520,530包括晶体管Q3和Q4。每个放大器大约提供10db增益。传统的计算机分析和设计技术能用于在VHF/UHF电视频带的频率(54到870MHz)上调节增益、输入和输出阻抗。输入滤波器U1和U2抑制在55MHz以下的电位干扰。该开关是通过PIN二极管D1和D2响应于交替加到每个放大器520和530的电源实现的。开关电压供电电路510是以这种方法安排,当节点V2在8V时，节点V1变成零电压。因此，当节点V2为8V时，晶体管Q3的集电极(即PIN二极管D2的阳极)因R1而变成5V，和晶体管Q4的集电极(PIN二极管D1的阳极)变成0V。这种正向偏置使PIN二极管D2对于RF信号为导电状态。因此，来自输入4的放大信号送到输出端530。另一方面，D1被反向偏置和阻塞来自输入B的信号。而且，由于电源没有加到晶体管Q4，放大器530对输入B的信号不提供任何正增益，并且，事实上，衰减该信号，进一步使输入B与输出端530隔离。另一种方案，在节点V2为0V时，节点V1变成8V。在这种情况下，上面的操作将被相反，和来自输入B的信号经放大后送到输出端530。

如上所述，在电视系统中(例如卫星调谐器或电视接收机)的DC电源电路经同轴电缆的中心导体向开关/放大器40提供DC电源电压。在典型的图5和6所示的实施例中，这种电源电压(例如，在10和25V之间)由电感器L5隔离VHF/UHF广播信号并提供到稳压器REG的输入515。稳压器REG为整个开关/放大器电路提供稳定DC电源电压(例如8V)。

如下面详细描述的响应于由电视系统发送的天线转换控制信息(即DC电源电压的变化)，控制电路510分别对PIN二极管D1、D2提供不同DC偏压。来自电视系统的DC电源电压不仅提供到稳压器REG的输入而且也经包括电阻器R16、R17的分压器511提供到晶体管Q2的基极。稳定DC电源电压提供到晶体管Q2的发射极。当电视系统发送较低DC电源电压(即低于14.8V)时，分压器511对晶体管Q2的基板提供较低的偏压(例如低于7.4V)，以致于晶体管Q2变成导通(即导电)。于是，稳定电源电压出现在节点V2和正向偏置PIN二极管D2。另一方面，Q1变成截止(即，非导电)，和节点V1变成零电压。于是，电源没有加到放大器530和二极管D1。应注意，电阻器18提供Q1的基极电流，以保证在Q2截止时Q1完全导通。对于较高的DC电源电压(例如，大约14.8V)，Q2变成非导电和Q1变成导电。电阻器R18被附加上，以在其阈值电平(例如14.8V)附近对控制电路510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被设计来组合VHF/UHF广播信号(55到803MHz)和被变换微波信号(950到1450MHz)，以使它们经单个同轴线的同一中心导体发射。更具体地说，用于VHF/UHF广播信号的低通滤波器540(具有截止频率为，例如，803MHz)包括电感L6,L7和电容C11。用于被变换微波信号的高通滤波器550(具有截止频率为，例如950MHz)包括电感L8，电容C12，和C14。电感L9,L10和电容C13是为传送DC电源电压到变频器11提供的。

图6表示开关/放大器40的另一个典型实施例的示意图。在该实施例中，AC信号(例如在22KHz上1.5Vp-p)是用于控制开关/放大器40的开关作用。使用传统振荡技术在电视系统中产生音调信号加到同轴电缆中心导体或从同轴电缆的中心导体消除。如果音调存在，音调信号加到音调开关电路610中并被整流，该音调开关电路610包括C9、D4、D5和C10的音调整流电路。该整流的音调信号使晶体管Q5和Q2导通。于是整流的DC电压(例如，8V)经晶体管Q2加到节点V2′。另一方面，晶体管Q1变成不导电和节点V1′变成零电压。这使晶体管Q3和PIN二极管D2导通，并使晶体管Q4和PIN二极管D1截止。因此，开关/放大器电路600选择输入A。

图7表示具有将音调信号加到同轴电缆的中心导体的能力的DC电源电路700。DC电源电路可用在电视系统(例如卫星调谐器或电视接收机)中，用于提供不同DC电源电压到变频器，例如图1和4的变频器11。此外，由图7电路产生的电压可选择被变频器11接收的信号极性(右旋或左旋圆极化)。而且，在图7中的电源电路为图6所示的开关/放大器600提供DC电源。图7所示的电路的某些方面可从美国专利5,563,500和5,578,916公知。图7所示的电路的其它特征下面予以描述。

在图7中，具有两个控制状态的控制信号耦合到晶体管710的一端。每个控制状态使图7的电路在图7的输出端730产生不同的DC电压。例如，OV的控制信号状态在端730产生13V，而5V的控制状态在端730产生17V。典型地，输出端730经同轴电缆的中心导体耦合到变频器或LNB，例如图1和4的变频器11。每个电压使变频器11接收不同的信号极性，例如13V使变频器接收右旋圆极化信号，而17V使变频器接收左旋圆极化信号。

也在图7中，22KHz“音调”信号经电容器C5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和Q2使22KHz信号与在端730的输出信号耦合。该电路操作以使在端730的信号包括当存在时的22KHz信号和选择的DC电平(例如，13V或17V)。在输出信号中音调信号的存在或不存在是通过图6的开关电路检测的，并用于在折叠蝴蝶结天线输入信号之间转换。于是，图7的电路在端730产生一个输出信号，组合AC和DC控制信号，以便独立地控制信号极性和天线转换。此外，在端730提供的DC电压用于启动图6的开关放大器。

控制信号的特定状态和22KHz音调的存在和不存在是通过在电视系统中的控制设备，例如微控制器来确定的(未在图7中表示)。作为一个例子，用户启动遥控器上的一个特定键来选择特定的信号极化或启动在折叠蝴蝶结天线之间转换。键的启动产生一个由微控制器接收的遥控信号。该微控制器处理遥控信号以选择适当的功能。例如，微控制器产生加到图7的电阻器R16的控制信号的适当状态或控制一开关，将22KHz信号耦合(或去耦合)到电容器C5。

应注意，开关/放大器40的开关操作可以用几种不同方法启动。例如，用户通过使用遥控器可手动地一个频道接着一个频道选择折叠蝴蝶结天线之一。其次，该选择可用包括存储器的微计算机系统自动进行，该微计算机系统包括存储器，其中存储在耦合到各自天线选择的频道上的信息。一旦用户选择任一个用于特定广播电视信道的天线，当他选择相同信道以后相同天线还可再次自动地选择。第三，微计算机系统通过测量表示接收的VHF/UHF电视信号的电平的自动增益控制(AGC)信号还能自动地选择最好VHF/UHF天线。该自动选择可以在所谓的电视接收机的“自动编程”操作期间进行。最好是，如果必需的话，该选择可由用户在以后手动地改进。上述自动天线选择方法通过允许快速频道选择，有时称为“频道冲浪(surfing)”有利于用户。

图8表示一对正交转换的折叠蝴蝶结天线的天线方向图。虚线表示在抛物面上天线230的方向图，和实线表示在图4所示的变频器支撑臂120下面安装的天线430已经确定，与全向天线(即，具有360度覆盖区的天线)相比较，一半电位多径和干扰可通过转换两个折叠蝴蝶结天线来消除。

图9-a表示两用天线的另一个实施例。在图9-a中，导电屏嵌入一个绝缘模制混合物(例如塑料)，以构成抛物面形的反射器900。该屏不能容易地构成为折叠蝴蝶结天线，因此应使用较简单的形状。屏的优选实施是用如上所述的小于1/8英寸(3.0mm)的最小分隔间隙将屏划分成两部分。划分的导电屏仍然能够反射微波信号，和各划分部分分别形成偶极型VHF和UHF天线。这些形状也能用如前面的导电涂料制成。

在图9-a中，导电屏被水平和垂直地划分。屏的下面部分930用于运作UHF偶极型天线，以便最佳UHF接收，和在与下面部分930组合的上面部分940提供VHF天线。下面部分930在VHF电视频率内RF耦合到用于最佳VHF接收的上面部分940。射频(RF)滤波器910,920都用作耦合装置。每一个滤波器可以与业余无线电偶极天线相同的简单并联谐振陷波电路或如图9-b所示的简单高通滤波器。该变型也能用导电涂料制成。某些RF滤波也可通过屏蔽抛物面上的导电涂料制成。

图10表示用于导电网状类型反射器的典型天线系统。在抛物面中偶极型天线的输出可耦合到平衡-不平衡变压器，并然后耦合到双工滤波器，例如频道主型号400 1 IFD的输入之一。双工滤波器的另一个输入也可耦合到变频器的输出，以接收来自卫星的微波广播信号。双工滤波器的组合输出经单个同轴电缆(而不是两个)可耦合到电视系统。这里，另一个双工滤波器可从组合信号中分离VHF/UHF和卫星信号，以使传统的VHF/UHF电视接收机和卫星调谐器能分别接收两个分离信号。

已经发现，图10所示的VHF/UHF接收系统的实施例在邻近设置广播站的区域中(例如，在20英里内)提供极好的信号接收。VHF/UHF接收的另一种改进可通过将径向棒附加到图11-a所示的屏部件的部分。该径向棒使嵌入偶极型天线功能与双锥天线相同。

“无限”双锥天线的均匀输入阻抗(Ri)由式：

Ri=120 ln cotθ_hc/2    (欧姆)给出，式中θ_hc为如图11-b所示的。对于有限双锥天线，其中天线单元的长度小于接收频率的一个波长，输入天线阻抗变成电抗性。于是，最好是增加“圆锥”部分(即屏)的有效长度。棒或导线可以从天线的背面径向延伸附加。这些棒可以以如图11-b所示的角θ_hc来控制天线的输入阻抗以及特别在VHF/UHF广播频带的频率内改进低频信号的接收。

一种最近发展的用于NTSC接收的技术，称为“可编程数字均衡器”，特别有利于改进两用天线系统。这因为该均衡器能进一步减小NTSC本地广播信号的多径和干扰问题。

虽然已对本发明进行了相当详细的描述，可以理解为，本发明所公开的内容已通过各种实施例做到和可对结构部件作出改进，而不脱离本发明的精神。例如，两用天线不仅能用于接收数字/模拟电视信号，而且也能用于接收数字模拟音频或数据信号。

Claims (4)

1．一种开关电路包括：

用于放大输入信号的放大器；

用于将所述的放大信号耦合到输出的开关装置；

响应于控制信号的第一状态的装置，用于同时使所述开关装置处于导电状态和启动用于放大所述的输入信号的所述放大器。

响应于控制信号的第二状态的装置，用于同时使所述开关装置处于不导电状态和从所述放大器除去DC工作电压，以进一步使所述输入信号与所述的输出隔离。

2．根据权利要求1的开关电路，其中：

所述的控制信号是一个DC信号。

3．根据权利要求1的开关电路，其中：

所述的控制信号是一个AC信号。

4．根据权利要求1的开关电路还包括：

耦合到所述输出的组合装置，用于提供组合输出信号；和

所述的组合装置，组合放大的信号、所述控制信号和在另一个频段的频率上的信号。

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