CN1307808C - 采用辐射分集的电磁信号的接收和/或发射装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种电磁信号的发射和/或接收装置，包括：至少两个隙缝-馈电天线(11a，11b，11c，11d)型电磁信号的接收和/或发射装置，和将至少一个所述的接收和/或发射装置与多波束信号的使用装置相连的连接装置，连接装置包括由公共连接元件将其一端连接在使用装置(P)上的第一和第二馈线(12，13；12a，13a)，所述的第一和第二馈线与隙缝-馈电天线的所有隙缝之间电磁耦合，第一馈线(12)的另一端接被控制为或者处于开路状态或者处于短路状态的开关元件(15)，第二馈线(13)的另一端接被控制为或者处于短路状态或者处于开路状态的开关元件(14)，从而可以获得不同的辐射方向图。

Description

采用辐射分集的电磁信号的接收和/或发射装置

技术领域

本发明涉及应用于无线发射领域的电磁信号接收和/或发射装置，特别地是在诸如家庭环境，室内体操场，电视演播室或者礼堂等之类的封闭或者半封闭环境进行发射的情况下。

背景技术

在用于高吞吐量无线发射的公知系统中，由发射机发出的信号沿着多个截然不同的路径到达接收机。当这些路径在接收机层合在一起时，走过长度不同路径的不同辐射线之间的相差引起的干扰图象易于造成信号的渐隐或者信号相当的退化。而且，在一段时间中渐隐位置的变换是环境变化的函数，诸如新物体的出现或者有人经过。这类由于多路径而引起的渐隐可能会造成较大的退化，所述的退化既可以看作是信号质量的又可以看作是系统性能的退化。

为纠正涉及多路径的渐隐问题，当前使用的是定向天线，通过它们辐射方向图的空间选择性，能够减少由接收机捡出的辐射线的数目，因此可以衰减多路径效应。在这种情况下，要求与信号处理电路结合在一起的多个定向天线能保证360°的空间覆盖。法国专利申请号为98 13855，以申请者的名字递交的专利还提出了一种能够增加阵列天线频谱有效性的小型多波束天线。但是，就室内的项目数或者便携设备的数目来说，这些解决方案仍显得笨重而昂贵。

为了防止渐隐，最常用的技术是使用空间分集。如图1所示，这种技术包括使用了一对诸如与开关3连接在一起的两个贴片式天线(1，2)的宽空间覆盖天线。这两个天线在空间上分开一定的距离，所述的距离必须大于等于λ₀/2，其中λ₀是与天线工作频率相对应的波长。根据这种装置，能够表现出的是两个天线同时渐隐的概率非常之小。证据来自KamiloFeher博士的“无线数据通信”第七章--移动无线电系统的分集技术中所给出的说明，尤其是第344页的图7.8。也可以在假设每个贴片的接收等级完全独立时通过纯粹的概率计算来证明。在这种情况下，可以规定如果P(例如为1％)是天线接收信号的等级低于检测阈值的概率，两个天线的等级低于这个阈值的概率是P²(因此为0.01％)。如果两个信号不是完全不相关，那么对P_div有：0.01％＜P_div＜1％，其中P_div为在分集的情况下接收等级低于检测阈值的概率。但是，依靠开关3，就能够通过监控电路(未给出)对接收的信号的检验来选择链接在表现出较高等级的支路。天线开关3与开关4相连，所述的开关4能够控制两个贴片天线1或者2：当它们连接在TX5电路时，使之处于发射状态，或者当它们连接在RX6电路时，使之处于接收状态。

发明内容

本发明的目的是提出上述类型的常规方案的替代方案，所述的方案应用于隙缝-馈电型，并且能够获得辐射分集。

本发明的目的还在于提出一种能够保持准全方位角覆盖的方案。

因此，本发明的主题是一种电磁信号的发射和/或接收装置，包括：至少两个隙缝-馈电天线(11a，11b，11c，11d)型电磁信号的接收和/或发射装置，和将至少一个所述的接收和/或发射装置与电磁信号的使用装置相连的连接装置，其特征在于，连接装置包括其一端与公共连接元件一起连接的第一和第二馈线(12，13；12a，13a)，所述公共连接元件与使用装置(P)连接，所述的第一和第二馈线与隙缝-馈电天线的所有隙缝之间电磁耦合，第一和第二开关元件与第一和第二馈线的另一端和地连接，第一和第二开关元件被控制成当第一开关元件处于开路状态时，第二开关元件处于短路状态，或者第二开关元件处于开路状态时，第一开关元件处于短路状态。

根据本发明的优选实施例，隙缝-馈电天线是围绕中心点彼此有规律间隔开的Vivaldi型天线。而且，馈线包括微带天线或者共面天线。

根据本发明，馈线穿过隙缝-馈电天线关于隙缝的开路区域。

根据本发明的另一个实施例，馈线穿过隙缝-馈电天线的隙缝中的两个截然不同的开路平面。而且，第一馈线在隙缝-馈电天线的两个隙缝之间的长度等于kλ₁，并且第二馈线在隙缝-馈电天线的两个隙缝之间的长度等于(k+0.5)λ₁，其中λ₁为导入馈线的波长，而k为正整数。

根据本发明的优选实施例，开关元件包括二极管。连接元件包括T元件，所述的元件的尺寸被设定为要有选择性地向一个或者另一个馈线送入能量。因此，馈线在隙缝-馈电天线的隙缝和T之间的长度等于1＝nλ₁/2，其中n为整数，λ₁为导入馈线的波长。

附图说明

参考附图，阅读下面对不同实施例的说明将会使本发明的其它特点和优点更加清楚，其中：

图1是已经描述根据背景技术的空间分集式电磁信号发射/接收装置的平面示意图。

图2示意性地表示根据本发明的第一个实施例的俯视平面图。

图3为说明用于验证根据本发明的简单结构的模拟结果的馈线/隙缝装置的工作原理的示意图。

图4a和4b为表示有选择性耦合入图3电路的两中工作结构的曲线。

图5为能够馈入本发明中使用的两条馈线的T电路的平面示意图。

图6为模拟图5中电路的装置的示意性表示。

图7a和7b为在根据本发明的图6中电路的两种工作结构的情况下作为频率的函数的给出匹配情况的曲线。

图8a和8b为用来说明图2中装置的工作方式的俯视示意图。

图9表示控制电压是+VCC还是-VCC时，作为方位角的函数的图2中装置的辐射方向图。

图10为根据本发明的装置的另一个实施例的俯视平面示意图。

为简化说明，在图中相同的元件用相同的参考数字表示。

具体实施方式

图2中示出的是包括隙缝-馈电天线并且显示出辐射分集性的接收和/或发射电磁信号的装置的第一个实施例。

如图2所示，4个天线11a，11b，11c，11d是Vivaldi型天线，它们制作在普通的基底10上，并且围绕中心点相互垂直放置。按照公知的样式，Vivaldi型天线的结构由非金属化基底获得的隙缝构成，所述的隙缝向外渐渐加宽。这种天线结构已为本领域的技术人员所熟知，因而本发明中无需重新对此进行详细描述。

根据本发明，4个Vivaldi型天线由两条馈线12，13激励，这两条馈线比如通过微带技术而做成。这两条馈线穿过4个Vivaldi型天线的隙缝并且末端都有开关元件14，15，所述的开关元件14，15放置在馈线的末端和地线之间，这样，作为施加于馈线上的控制电压的函数，就可以在一个馈线末端模拟开路或短路而在另一个馈线的末端模拟短路和开路。

如图2所示，开关元件包括馈线13和地线之间正向安装的二极管14，和馈线12和地线之间反向安装的二极管15。而且，两条馈线12，13通过T电路16连接在以符号P表示的普通发射/接收电路上。要得到能表现出想要的辐射分集性的结构的工作方式，馈线需按照下面的方式确定尺寸，即：

对于馈线12，馈线在Vivaldi型天线的两个隙缝之间，比如11a和11b、11b和11c或者11c和11d之间的长度等于kλ₁，其中λ₁为导入微带馈线12中的波长，馈线在最后一个Vivaldi型天线11d的隙缝和与二极管15的连接之间的长度等于λ₁/4，其中λ₁为导入微带馈线中的波长。

对于馈线13，馈线在Vivaldi型天线的两个隙缝之间，比如11a和11b、11b和11c或者11c和11d之间的长度等于(k+0.5)λ₁，其中λ₁为导入微带馈线13中的波长，馈线在最后一个Vivaldi型天线11d的隙缝和与二极管14的连接之间的长度等于λ₁/4。

而且，如图2所示，馈线12，13在接近λ_f/4距离处穿过隙缝，其中λ_f为导入隙缝的波长。也就是说，馈线穿过Vivaldi型天线的隙缝的位置为作为二极管状态的函数的关于馈线的短路平面或者开路平面，以及处于关于隙缝的开路区域。

现说明作为施加于P的控制电压的函数的图2装置的工作原理：

如果控制电压为+VCC：

那么二极管15处于截止状态。这就导致馈线12的末端处于开路，因而使馈给天线11d的隙缝的平面中处于短路。因此馈线12和天线11d的隙缝之间电磁耦合。由于馈线12在每个隙缝之间的特定伸缩长度，在其它天线11c，11b，11a的三个隙缝的平面中建立起同相短路。因此，四个天线11a，11b，11c，11d与馈线12同相耦合。

而且，由于排列方式的缘故，二极管14处于导通状态。因此在馈线13的末端为短路，因而使馈给天线11d的隙缝的平面中处于开路。因此，在馈线13和馈给天线13的隙缝之间没有电磁耦合。由于馈线13在每个隙缝之间的特定伸缩长度，在其它天线11c，11b，11a的三个隙缝的平面中建立开路。因此，没有一个天线与馈线13耦合。

如果在P处馈入的控制电压为-VCC：

二极管15处于导通状态。因此馈线12的末端处于短路状态，从而使馈给天线11d的隙缝的平面中处于开路。因此，馈线12和天线11d的隙缝之间没有电磁耦合。馈线12在天线11c，11b，和11a，的每个隙缝之间的伸缩长度能够在其它三个隙缝的平面中建立开路。在在这种情况下，没有一个天线和馈线12耦合。

二极管14处于截至状态。因此处于馈线13末端的开路状态，使馈给天线11d的隙缝的平面中处于短路。因此，馈线13和天线11d的隙缝之间电磁耦合。由于馈线13在天线11d的隙缝和天线11c的馈入隙缝之间的伸缩长度，在天线11c的馈入隙缝平面中建立反相短路。同样，馈线13在天线11d的隙缝和天线11b的馈入隙缝之间的伸缩长度，在天线11b的馈入隙缝平面中建立同相短路。按照这种方式，在天线11a的馈入隙缝平面中建立反相短路。在这种情况下，天线11d，11b同相耦合而天线11c，11a之间的耦合有180°的相移。

诸如图2所示的装置的工作原理通过使用如图3所示的简单结构来模拟。在这种情况下，诸如11a，11b，11c，11d的隙缝-馈电天线型天线由隙缝20来表示，所述的隙缝20在从隙缝的末端到连接端口1的馈线21的距离为λ_f/4处耦合，所述的馈线21末端为70欧姆的馈线短线和50欧姆的馈线短线以便于和端口匹配。而且，在馈线的另一侧，在从馈线21算起距离为λ_f处放置表示图2中馈线12，13的另外两个馈线22，23，其中λ_f表示导入隙缝的波长。馈线22的末端为正向放置的二极管24，它放在馈线22的端部和地线之间，而馈线23的末端为反向放置的二极管25，它放在馈线23的端部和地线之间。馈线22，23之间的中平面位于从隙缝20的另一端算起λ_f处。与馈线21一样，两条馈线22，23使用70欧姆的匹配馈线短线和50欧姆的匹配馈线短线与馈入端口2，3耦合。馈线22，23之间分开的距离要足以使它们二者之间没有耦合，也就是说，分开的距离e实际上等于馈线宽度的5倍。更特别地，在模拟的范围中，下面给出了图3中使用的各个元件的值。

λ₁/4＝8.3mm     W₁＝0.52mm.

λ_f/4＝10.1mm    W_f＝0.4mm.

L_70ohms＝8mm     W_70ohms＝1mm

L_50ohms＝6mm     W_50ohms＝1.85mm

e＝2.6mm

L＝6.05mm.

Diode＝HSMP489B.

表1中给出了作为二极管偏置的函数的从隙缝到一条馈线或者另一条馈线的耦合：

表1

结构	控制电压	馈线22末端的二极管	馈线23末端的二极管	耦合	无耦合
						OC-SC	-VCC	截止(OC)	导通(SC)	1到2	1到3
SC-OC	+VCC	导通(SC)	截止(OC)	1到3	1到2

模拟的结果由图4a和4b的曲线给出，所述的曲线表示在两种结构中的选择性耦合，即两条馈线的开路/短路结构或者短路/开路结构。

根据曲线，可以理解，在图4a表示的OC-SC结构中，参数S21较高并且表现出的阶值为(-1到-2dB)，而参数S31较低并且表现出的阶值为-20dB。因此从端口1到端口2有发射，而从端口1到端口3没有发射，即两个端口之间绝缘。对图4b表示的SC-OC结构，发生的情况相反。由于参数S31表现出-1dB到-2dB的阶值，所以从端口1到端口3有发射，并且由于参数S21表现出-20dB的阶值，所以从端口1到端口2没有发射。

现在参考图5到7说明将由符号P表示的发射/接收电路连接在两条馈线上的连接电路的实施例。

如图5所示，使用的电路为能够向两条馈线12，13中的一条或者另一条发送能量的T电路。因此，图5中示出的T电路包括连接在发射/接收电路P上的支路30，所述的支路30由T电路的两个支路31和32扩展，支路31连接在图2实施例的馈线12上，同时支路32连接在图2实施例的馈线13上。为了将能量正确送入两条馈线中的一条或者另一条，T电路的尺寸必须如下定出：

如果二极管15处于导通状态而二极管14处于截止状态，Vivaldi型天线由馈线13馈入。

如上所提及，在每一个馈线/隙缝的交叉处，馈线12表现出开路，同时馈线13表现出短路。为了将能量在T电路的等级上直接送入馈线13，因此需要：

馈线12的开路使得T平面变为开路，对于馈线13的短路使得T平面变为短路。

为了获得这种类型的工作方式，需要馈线1在天线11a的馈入隙缝和T电路之间的长度满足下面的公式：

L＝nλ₁/2

其中λ₁为导入馈线的波长，而n为整数。

这在图5中表现的非常清楚。

为证明这种T电路的灵活性，通过使用IE3D软件，并且按照图6中表示的方式制作T电路和Vivaldi型天线来模拟所述的电路。在这种情况下，Vivaldi型天线11a由与微带馈线21在一起的隙缝20表示：所述的微带馈线21在从隙缝的端部算起λ_f/4并且从馈线21的端部算起λ₁/4处穿过隙缝20，其中λ_f为导入隙缝的波长，λ₁为导入微带馈线的波长。馈线21由两个长度为L的70欧姆和50欧姆的馈线来加长，以便匹配输出能量的端口1。

而且，如图6所示，图5中的T电路包括两个加长的微带馈线25，26，所述的两个微带馈线穿过隙缝20从微带馈线21算起λ_f处，其中λ_f表示导入隙缝的波长。两条馈线25和26一起由馈线27连接，所述的馈线27包括两个与接收发射电路能量的输入端口相匹配的70欧姆匹配馈线L和50欧姆匹配馈线L。

而且，如图6所示，图5的T电路包括两条延长的微带线25、26，微带线25、26从线21处以长度λ_f穿过隙缝20。两条线25、26一起由包括两条70欧姆匹配馈线L和50欧姆匹配馈线L的线27连接到接收传输电路能量的输入端口。

如图6所示，两条馈线25，26这样放置：两条馈线的中平面位于距隙缝20的另一端λ_f/4处，并且T电路的输入端和隙缝之间的距离等于λ₁/2，以及馈线25和26的端部距隙缝的距离为λ₁/4，这样就能在馈线/隙缝的交叉水平上处于如上所述的开路和短路。

更特别的是，用下面的尺寸来模拟。

λ₁/4＝8.3mm     W₁＝0.52mm.

λ_f/4＝10.1mm    W_f＝0.4mm.

L_70ohms＝8mm     W_70ohms＝1mm

L_50ohms＝6mm     W_50ohms＝1.85mm

e＝2.6mm

图7a和7b给出了模拟的结果，所述的图7a和7b表示的是在图7a的两种短路/开路结构，和图7b的两种开路/短路结构的情况下，以dB为单位作为频率的函数的发射和反射系数。表示在图中的结果表明通带极宽，小于-10dB的参数S11和S22跨越至少1.5GHz并且损耗极小，即在5.6GHz处损耗小于-1.5dB。

现参考图8a，8b以及图9更详细地说明使用图2中示出地那种类型的装置时辐射分集的获得情况。如上所述，由于图2的系统取决于所施加的电压，两种结构的Vivaldi型天线11a，11b，11c，11d的相位不同。当Vivaldi型天线11a，11b，11c，11d由馈线12馈入时，也就是在控制电压为+VCC时，如图8a所示，四条天线11a，11b，11c，11d的相位为0°，当施加的控制电压为-VCC时，穿过Vivaldi型天线的馈线为馈线13，如图8b所示。在这种情况下，天线11a，11c同相，但是与天线11b，11c之间的相位相反。因此图9中表示的辐射图形与图8a和8b中的结构相对应。可以理解，当施加的电压为+VCC时辐射最大，而当施加的电压为-VCC时辐射最大处相移22.5°。因此，按照所施加的控制电压，辐射方向图的波瓣可以对准方向(-180°，-135°，-90°，-45°，0°，45°，90°，135°)或者方向(-157.5°，-112.5°，-67.5°，-22.5°，22.5°，67.5°，112.5°，157.5°)，这就能够保持辐射分集性。

现在参考图10说明根据本发明的电磁波信号的发射/接收装置的一种新的拓扑结构。在这种情况下，Vivaldi型天线11a，11b，11c，11d作为控制电压的函数由馈线12a，13a中的一个或者另一个馈入，正如图2中的实施例一样。相对于图1中示出的结构的不同之处是两条馈线12a，13a和Vivaldi型天线的隙缝之间的耦合受到隙缝两个截然不同的开路平面的影响，如图10的清晰显示。特别地，馈线12a从隙缝的端部算起λ_f/4处穿过天线11a，11b，11c，11d的隙缝，同时馈线13a从隙缝的端部算起λ_f/4+λ_f/2处穿过天线11a，11b，11c，11d的隙缝。因此，馈线确实处于两个截然不同的开路平面中，馈线在两个隙缝之间的长度仍然要满足相同的等式，即：

对于馈线12a，馈线在Vivaldi型天线的两个隙缝11a和11b，11b和11c，或者11c和11d之间的长度等于kλ₁，其中k为正整数，λ₁为导入馈线的波长，

对于馈线13a，馈线在Vivaldi型天线的两个隙缝11a和11b，11b和11c，或者11c和11d之间的长度等于(k+0.5)λ₁，其中k为正整数，λ₁为导入馈线的波长。也是在这种情况下，两条馈线12a，13a通过与图5中描述的类型一样的T电路连接在发射/接收电路P上。这种新的拓扑结构如同在参考图2的拓扑结构的情况下一样能够获得辐射方向图分集性。

对上述的实施例作多处修改而不脱离下述权利要求的范围，对本领域的技术人员来说是很明显的。

Claims (9)

1.一种电磁信号的发射和/或接收装置，包括：至少两个隙缝-馈电天线(11a，11b，11c，11d)型电磁信号的接收和/或发射装置，和将至少一个所述的接收和/或发射装置与电磁信号的使用装置相连的连接装置，

其特征在于，连接装置包括其一端与公共连接元件一起连接的第一和第二馈线(12，13；12a，13a)，所述公共连接元件与使用装置(P)连接，所述的第一和第二馈线与隙缝-馈电天线的所有隙缝之间电磁耦合，第一和第二开关元件分别与第一和第二馈线的另一端和地连接，第一和第二开关元件被控制成当第一开关元件处于开路状态时，第二开关元件处于短路状态，或者第二开关元件处于开路状态时，第一开关元件处于短路状态。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于隙缝-馈电天线是围绕中心点彼此有规律间隔开的Vivaldi型天线。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于第一和第二馈线包括微带天线或者共面天线。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于第一和第二馈线穿过隙缝中的开路区域中的隙缝-馈电天线的隙缝。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于第一和第二馈线在隙缝的两个截然不同的开路平面中穿过隙缝-馈电天线的隙缝。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于第一馈线在隙缝-馈电天线的两个隙缝之间的长度等于kλ_t，并且第二馈线在隙缝-馈电天线的两个隙缝之间的长度等于(k+0.5)λ_t，其中λ_t为导入馈线的波长，而k为正整数。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于第一和第二开关元件均包括二极管。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于公共连接元件包括T形元件，用于选择性地向第一或者第二馈线送入能量。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于第一和第二馈线在隙缝-馈电天线的隙缝和T形元件之间的长度等于：

$1={\mathrm{n\λ}}_1/2$

其中n为正整数，λ₁为导入馈线的波长。

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