CN1249817A - 用于发射和接收线性极化信号的天线 - Google Patents

Abstract

一种用于接收和/或发射线性极化信号的天线,它包括至少一个在一个方向上圆极化的第一辐射单元(24,26),以及至少一个在另一个方向上圆极化的第二辐射单元(28,30)。由方向相反的圆极化辐射单元所产生的幅度基本相同的信号被结合以产生一线性极化信号。该线性极化的方向根据所结合信号之间的相位差(△Φ)而定。移相器(32)能调节天线极化方向。调节可以是自动化的。

Description

用于发射和接收线性极化信号的天线

发明涉及到一种用于发射和接收线性极化信号的天线。

在电信领域中，我们经常利用特定的载频来传输不同的极化的信号。因此对于同样的一个载频，我们可以拥有两个传输不同信息的信道。如果是圆极化，一个信道被用于右圆极化的信号，另一个信道被用于相反方向极化的信号，也就是说左圆极化。如果极化是线性的，一个信道根据被称为“平行”(或“水平”)极化来传输，而另一个信道传输正交(或“垂直”)极化信号。

通常，天线特别是地面上的天线被用于接收和/或发射来自同样方向和确定的极化方式的信号。因此，天线一方面必须要恰当地指向发射源，另一方面，在线性极化的情况下，必须要朝向它的轴的周围，以使得线性极化信号的接收是最大。

例如，当天线用于接收地球卫星的信号时，天线的轴必须要指向该卫星并且在其轴周围的朝向必须要能够使得接收的信号为最大。

用于线性极化信号的天线调节必须要特别仔细。实际上，如果调节有缺陷，天线同时要在希望的极化方式和竖直极化上发射，这就会产生发射干扰信号，该干扰信号可能被用于该竖直极化的其他接收机所接收。通常标准强调，根据确定方向线性极化发射的天线依据竖直线性极化只能在不超过一个有限级别下发射，当天线的一个方向角相对其最佳方向张开仅约1度时，该有限级别能被达到。

直到目前，天线极化的调节都是手工进行。

我们知道，该调节的结果不总是令人满意的。另外，它随着时间的流逝还会变化。

除此之外，天线调节的校验只能够通过证实所接收的信号具有所应达到的品质来进行。例如，当我们接收电视信号时，我们将在图像的质量是满意的情况下评价调节是正确的。但该校验形式有时是不足的，特别是在天线用于发射的情况下。

发明能够解决该缺陷。它提供了一种具有能够在其接收和/或发射的线性极化方向上简化调节、甚至是自动调节的装置的天线。

根据发明的天线，其特征在于它包括至少两个辐射元件，一个是右圆极化另一个是左圆极化，两部件被提供有基本上同样幅度的信号；和一种装置，该装置用于将提供给单元的信号的一个相对于另一个移相，并用于改变该相位差以便改变线性极化的方向产生有相位差的信号的结合。

发明基于这样一种看法，两同样幅度并且圆极化方向相反的信号结合能提供一个线性极化信号，该极化相对于天线轴倾斜一角θ，该角度等于信号相位差的一半。该特性将在后边一点进行解释。

因此发明提供了一种装置，它能够根据要接收或发射信号的线性极化方向调节天线的朝向，它比机械调节类型更加简单可靠。

为实现该调节，我们检测一垂直极化(或交叉极化)信号，并选择相位差，该相位差对于该交叉极化提供了信号的最小水平。实际上，基于交叉极化最小的调节要比基于所希望的极化最大的调节要精确的多。

调节易于是自动化的。

基于所接收信号进行的调节对于发射来说同样可用，只要所发射信号的频段与所接收信号的频段相邻。例如，如果接收是在4G赫兹的载频上进行并且发射是在6G赫兹的载频上进行，接收的调节对于发射同样有效。

调节的进行可以借助于来自发射站，例如同步卫星，的参照信号，或者借助于接收的有用信号。在后一种情况中，调节可以一直自动进行，例如在每一通信的开始。

在一个实施例中，我们可以配备一个装置以表明关于线性极化的方向的天线指向的正确调节不能被获得。例如，如果交叉极化的接收信号的最小值超过了一预定义的阈值，一个警告信号将被发射。实际上，最好将这种情况通知使用者，因为在这种情况下有发射污染环境的信号的危险。相反，或作为该装置的一种补充，提供一个装置用于在交叉极化信号最小值超过一阈值时自动禁止发射。

左和右圆极化辐射单元的数目不限于一个。它可以更多。唯一的限制是左圆极化单元的数目要等于右圆极化单元的数目，并且作用在这些极化方向相反的单元上的信号幅度要基本上相同。

当在每一个方向上圆极化单元的数目至少等于2时，我们可以利用这些单元用作有源天线，以优质地调节指向，也就是天线轴的方向。

为调节指向，我们可以寻找天线轴上的信号最大值，或者天线轴上信号最小值。

为寻找最小值，特别是零信号，我们给例如4个辐射单元提供具有同样幅度但相位规律间隔的例如0°，90°，180°，270°的信号。

实施例最好涉及带有反射天线，辐射单元位于该反射器的焦点上。

根据这些实施例所描述的发明其他的特点和优点将参照附图来进行，在附图中：

图1是示出了要使用根据本发明天线的电信系统的简图，

图2是应用本发明的天线简图，

图3和4是示出符合发明的天线一部分的简图，

图5是用于解释根据发明的天线工作的图，并且

图6是同样用于解释符合发明的天线工作情况的简图。

我们将要描述的与这些图相关联的例子涉及到电信系统，在该系统中，同步卫星10(图1)与多个地面站通信，每一个地面站包括天线12，14，等等。传输的信息是，例如，电话通信。每一地面站12，14朝向卫星10的信号传输按照载频6G赫兹进行，而卫星朝向地面站传输的信号在4G赫兹的载频上进行。

在这种情况下，有时我们将称地面站朝向卫星的发射信号为“上行信号”，而从卫星10朝向地面站的发射信号将被称为“下行信号”。

所有这些信号都具有线性极化。在这里我们知道，线性极化信号是这样的信号，对于它总是垂直于传播方向16的电场向量

与其自身平行传播。我们利用该信号的极化特性，以便对于一给定的载频在两正交极化上传输不同类型的信息。一个极化常常被称为“水平”极化，和一个竖直的极化或正交的极化，常常被称为“垂直”极化，甚至向量

也不是水平方向就是垂直方向。

发明所要解决的问题是能够简化对于接收所希望极化，如水平极化的信号的天线12，14的调节。

天线通常包括一个反射器18(图2)，在其焦点F上有辐射单元(接收机/发射机)。当然天线12的轴20必须要指向要通信的站，也就是说朝向在实施例中的卫星10。轴20方向的调节，被称作天线的指向，它必须与方向16重合。

另外，还需要将位于轴20周围的、在反射器18焦点F的支撑22之上的辐射单元进行定向，以使得它能够接收希望的水平极化H，而不是交叉极化V。

对于执行这一调节，发明提供了一种简单而有效的装置。

因此，在支撑22上安装有右圆极化辐射单元24，26和左圆极化辐射单元28，30(图3)。辐射单元24，26通过提供可变的相移的移相器32一同被连接到加法器36的第一输入端34上。加法器36的第二输入端38接收由左圆极化辐射单元28，30提供的信号。

如下所述，在加法器36的输出端得到一个线性极化信号，它在板22的平面上距轴Ox一个确定的角度θ。角θ是加法器36的输入36和38的信号之间的相位差Δ的函数。

在这里我们知道，圆极化信号是这样的信号，对于它电场向量

以均匀的速度围绕在传播轴周围旋转。该围绕传播轴的旋转是在确定的方向上实现，或右或左。

在加法器36的第一输入端34上的信号具有极化向量E₁，它具有下面的复数值：

(1)  E₁＝(x+jy)e^jΔ

在该式中：x是电场向量的横坐标，y是xOy坐标体系中在平板22的平面内的纵坐标(图5和6)，j是比如j²＝-1的虚数而Δ是由移相器提供的对应的相位差。

在加法器36的输入端38上，我们得到一个信号，其极化向量E₂具有下列复数值：

(2)  E₂＝x-jy

向量E₂的分量x和y与向量E₁的分量相同，因为这些信号的幅度是相同的。

该二向量之和，也就是说向量E₁和E₂之和，是一个横坐标为X及纵坐标为Y的向量，如：

上面的公式(3)和(4)示出了加法器36输出信号的电场

(图5)有一个恒定的幅度并与Ox轴形成以一角θ＝Δ/2。因此我们看到，相位差Δ的调节能够使得天线极化的最佳方向变化。

通常，天线在工厂中进行调节，以便极化方向对应于天线所处的位置，也就是说天线被预调节以便水平极化或垂直极化与Ox轴形成一个确定的角。该预调节对应于图6上的向量

和 在这种情况下，向量 和Ox轴之间的夹角等于Δ₀/2。

在天线安装时或安装以后，移相器32能够允许进行精确的调节。为进行该调节，我们进行如下：

首先我们知道与天线相关联的电路通常包括，一方面是发射信号的输入，也就是对于极化H的信号输入，另一方面，对于所接收信号的一个或两个输出，也就是说对于极化H的信号的输出以及可能的极化V的信号的输出。

为了调节，在垂直于天线必须被调节的那个极化的极化上连接天线。在例子中，我们考虑对于极化H调节天线，因此我们将天线连接到极化V的接收输入端，并且进行调节使得接收到的信号最小。实际上，我们知道在竖直极化最小值附近，梯度的变化时非常大，也就是说调节必须非常精细，而相反，在正常极化的最大值附近，变化是非常缓慢的，因此如果在该最大值附近进行该调节，就不需要进行太精细的调节。

对于竖直极化的最小值，相位差有一值Δ₁。为获得对于极化H的相位差，我们加入一个180°的相位差(也就是说对于电场向量来讲旋转90°)。

该调节最好能自动进行，例如借助于：一交换机，它将所接收的信号从对应于通常使用的输入H交换到对应于调节的输入V；自动改变移相器32所产生的相位差的装置；及一差动装置，在加法器36的输出上检测信号的最小值；以及借助于装置将相位差值Δ₁加上180°存储于存储器中，它对应于差动装置提供的最小值。当进行调节时，交换机将输入V所接收的信号引向输入H。我们将注意到外部不需要输入V。

调节例如通过同步卫星10发射的参考信号可以只进行一次就行。

可选择地，也可以借助于有用负荷信号进行，也就是说常用信号，例如所接收的电话信号。

在某些系统中，当站12向卫星10发射上行信号时，在传输之后，它又接收卫星10响应所发射信号的下行信号。在这种情况下，对于发射来讲，在返回信号上的调节能够使极化调节最佳化。

在一个最佳实施例中，调节过程是为实现天线正确运行的控制而进行，以便在不良运行的情况下发射一警告信号和/或使得发射停止。

更精确地，电路周期性地自动进行天线极化方向的调节过程。如果交叉极化信号的最小值超过了一阈值，就产生一警告信号和/或停止发射。实际上，在这种情况下，天线发射一交叉极化干扰信号，这对于某些应用来讲是不能允许的。

具有图3上所示辐射单元的天线是一个有源天线。这些辐射单元的存在能够用于进行指向的最佳调节，也就是说最佳调节天线发射或接收的方向。

尽管这里我们仅描述了两个左圆极化的辐射单元和两个右圆极化的辐射单元，但发明并不仅限于这一数目。每一种辐射单元的数目至少等于1。该数目和辐射单元的分配主要根据反射器的配置和希望的指向。辐射单元阵列将根据是圆锥反射器或是偏心反射器，如在图2上所示，或者是双反射器天线，而有所不同。

在图3上所示的单元对应于用于接收的辐射单元。对于发射而言也具有相似的单元。

在图4上所示的例子中，辐射单元被置于一平板上或矩形基片22上。它形成一“补片”类型的平面导体。移相器32和加法器34及电路的其他部件被安置在另一基片40上，辐射单元22和基片40上电路的连接是通过非接触连接进行的。

尽管辐射单元形成了能够进行极化方向和指向电子调节的有源天线，我们也能够将该装置与驱动系统(未示出)相结合，该驱动系统能够将天线指向伺服到指向卫星的方向，电子调节是主要的精细调节。

天线的自动调节可以在接收一个有用信号而该信号不传输有用信息的期间周期性地进行。例如数字信号分组传输包括这种期间(在分组传输之间)。

发明并不限于发射/接收天线。它也涉及到一产生线性极化信号的方法，其特征在于将幅度基本相同方向相反的圆极化信号相结合。最好在该结合的信号中置一个相位差，以在线性极化上置一个方向。

Claims (13)

1.一种用于接收和/或发射线性极化信号的天线，其特征在于它包括至少一个在一个方向上圆极化的第一辐射单元(24，26)和至少一个在另一个方向上圆极化的第二辐射单元(28，30)，由相反方向的圆极化辐射单元提供的幅度基本相等的信号被组合以提供一个线性极化信号，该线性极化方向和相组合的信号之间的相位差(Δ)有关。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于它还包括在一个方向上圆极化的至少两个辐射单元和在另一个方向上圆极化的至少两个辐射单元。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于提供利用辐射单元调节天线的指向(16)的装置。

4.根据权利要求1，2或3所述的天线，其特征在于调节方向相反的圆极化信号之间的相位差以调节天线的极化方向。

5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于它包括一能自动改变相对相位差(Δ)的装置，一接收信号的测量装置及当所接收的信号为最佳时停止相移变化的装置。

6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于进行相位差的调节以使得所接收的信号在垂直于所希望极化的极化上最小。

7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于调节借助于所接收的有用信号进行。

8.根据权利要求5到7之一所述的天线，其特征在于相位差调节自动和周期性的进行。

9.根据前述权利要求之一所述的天线，其特征在于它包括一加法器(36)，它在其输入(34)上接收可变相位的移相器(32)的输出所提供的信号，由此移相器的输入接收在一个方向上圆极化的辐射单元(24，26)的信号，加法器(36)的另一个输入(38)接收没有相位差的在另一个方向上圆极化的辐射单元(28，30)的信号。

10.根据权利要求6所述的天线，其特征在于它包括当在垂直于所希望极化的极化的信号最小值超过一阈值时发射警告信号和/或停止发射的装置。

11.根据前述权利要求之一所述的天线，其特征在于辐射单元被置于反射器(18)焦点上的基片(22)上。

12.一种生成线性极化信号的方法，其特征在于在相反方向的具有基本上相同的幅度的圆极化信号被结合，每个信号由至少一个相应的辐射单元所提供，还在于将一个圆极化信号相对于相反方向的一个圆极化信号移相，线性极化的方向和该相移有关。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于一个方向上的圆极化信号由至少两个辐射单元所提供，而另一个方向上的圆极化信号由至少两个辐射单元提供，还在于利用这些有源天线辐射单元以调节指向，也就是天线轴的方向。

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