CN1457150A - 镜像抑制天线 - Google Patents

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Abstract

一种镜像抑制天线，具有用于从天线接收的信号中拦截镜像频率信号的功能。镜像抑制天线包括天线单元，用于从空中接收无线信号，或将预定信号发送到空中，并且在接收信号时，不接收镜像噪声；和阻抗匹配单元，用于去除在从天线单元接收的信号中的具有预定频率的镜像噪声。传输到后面电路的镜像频率的噪声成分可以被最小化，或通过在设计天线和匹配电路时，包含镜像抑制功能去除噪声成分，因而实现整个接收机的改善的镜像抑制性能。

Description

镜像抑制天线
技术领域
本发明涉及一种具有用于从天线接收的信号中拦截(intercept)镜像频率信号功能的镜像抑制天线。
背景技术
目前，用于无线通信的接收机的模拟单元包括天线和用于将从天线接收的电子信号转换成低频信号或居于直流上的基带信号的功能。在接收机结构中镜像频率存在(例如，外差式系统)的结构中，用于抑制镜像频带中的噪声信号的功能是确定接收机的接收性能的重要因素。用于抑制镜像的方法包括使用镜像抑制滤波器、镜像抑制混频器、或编织器(weaver)等方法，并且这些方法已经研究了很长时间。传统的抑制镜像的方法是当从天线接收的信号通过阻抗匹配电路后，在后面的含有频带选择滤波器的电路中抑制镜像成分。
图1表示外差式接收机的方块图，它是在接收信号中有镜像频率成分的接收机的代表性例子。图2是表示当有用信号和镜像信号通过图1的外差式接收机的镜像抑制滤波器(image-reject filter)和下变频器(downconversionmixer)时，镜像抑制滤波器的射频输入信号和下变频器的输出信号的频域频谱；在这种情况下，假设在从天线接收的并通过匹配电路的信号中的镜像频带中存在大的干扰信号。
考虑到电子特性，根据频率，天线具有不同的特性。根据传统的天线和匹配电路的设计原理，天线被设计成有效地将有用频带中的空中广播信号(over-the-air broadcast signal)转化成电子信号，并且相应的匹配电路被设计成将在有用频率上的天线的输入阻抗无损地转变成标准阻抗(通常，50欧姆)。即，设计的天线和匹配电路两者的关注频率(interest frequency)被限制在有用频带，不考虑在有用频带之外的频率上的天线和匹配电路的特性。
因而，还不知道用于有效接收具有有用频带的信号并抑制天线和用于以规定的阻抗线(line)匹配天线的匹配电路中的镜像噪声信号的方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的一个目的提供一种抑制用于接收无线信号的天线中的镜像成分信号的镜像抑制天线和一种用于以规定的阻抗值匹配天线的匹配电路。
因此，为了达到上述目的，这里提供了一种镜像抑制天线。镜像抑制天线包括用于接收空间的无线信号而不接收镜像噪声成分的天线单元，和一种消除了从天线单元接收的信号中的具有预定频率的镜像噪声的阻抗匹配单元。
附图说明
参考如下附图，详细说明优选实施例，本发明的上述目的和优点将会很清楚：
图1是表示外差式接收机的方块图，该接收机作为在接收的信号中具有镜像频率成分的接收机的代表性例子；
图2是表示当有用信号和镜像信号通过图1的外差式接收机中的镜像抑制滤波器(image-reject filter)和下变频器(downconversion mixer)时，镜像抑制滤波器的射频输入信号和下变频器的输出信号的频域频谱；
图3是表示具有附加的镜像抑制功能的偶极天线和单极天线；
图4是表示对应于用于韩国PCS通信频带的镜像抑制偶极天线和一般天线两者的50欧姆规定阻抗的反射损耗大小的图表；
图5是表示在图4的反射阻抗被转换成阻抗不匹配因子和抑制镜像天线和普通天线接收和发送信号的效率的情况的图；
图6是表示一种结构，其中，其包含通过具有镜像频率的信号、并联于阻抗匹配电路末端的带通滤波器(BPF)；
图7是表示一种结构，其中，其包含不通过具有镜像频率的信号、串联于阻抗匹配电路末端的陷波滤波器；及
图8是表示其中使用开放式导线(open stub)调谐器，镜像频率的输入阻抗为0的结构。
具体实施万式
在下文中，通过参考附图，描述本发明的优选实施例，详细地说明本发明。
如果镜像频率存在方法(image frequency existence method)被采用来设计接收机的结构，则不能精确地知道相应的镜像频带。因而，在存在镜像信号的镜像频带中的噪声分量应当在电路中被抑制，这可以被用来设计天线和天线匹配器。因此，天线可以被设计成高效接收具有有用频率的信号，同时不接收具有镜像频带的信号。此外，天线匹配电路可以被设计成能通过在有用信号的频带上的信号，而不能通过具有镜像频带的信号。如果天线和天线匹配电路如上单独构造或互相结合，即使存在空中广播波形大镜像噪声成分(over-the-air broadcast-shaped large image noise component)，小噪声被接收并且更小量的镜像噪声被发送给后面电路。
图3是本发明被应用到偶极和单极导线天线的例子。整个导线的长度是lRF，陷波(带阻)滤波器设置在离馈电点(feeding point)lIM的位置。陷波滤波器的阻断频带等于镜像频带。因此，根据电子特性，图3的天线在镜像频带上具有长度lIM，在包含有用频率的其它频带上具有长度lRF。
根据天线工程，如果导线天线的长度比操作频率的波长小很多，天线的输入阻抗的实部接近0，它的虚部变得非常大。假设天线与具有标准阻抗(例如，50欧姆)的馈电线路连接，天线几乎不能在相应频率上执行发送和接收功能。如果陷波滤波器被设置在接近馈电点，以便天线的长度小于相应的镜像噪声频带的波长，天线几乎不能接收具有镜像频带的信号。镜像频率是fIM，对应于镜像频率fIM的波长是λIM。满足关系lIM＜＜λIM/4。而且，有用频率是fRF，对应于频率fRF的波长是λRF。在陷波滤波器插入的情况下，调整天线的长度lRF，以便在频率fRF上，更加有效地执行接收功能。即，天线的输入阻抗接近所用的标准阻抗。
天线在频率fRF上执行发送和接收功能，而在频率fIM上几乎不能执行发送和接收功能。传统天线的问题是，传统天线被设计成在频率fRF上有效地执行接收和发送功能，而且与根据本发明的天线相比，在镜像频率fIM上接收了大量镜像噪声。
图4和图5表示本发明应用到用于韩国PCS无线终端的偶极天线的仿真结果。图4和图5表示了由感兴趣的天线设计者测量的天线输入终端的频率函数分别表示的反射损耗S11和阻抗不匹配因子q＝1-|S11|2的情况。当S11的值越小，在相应频率上，更加有效地执行发送和接收功能，而当S11的值越大，由于阻抗不匹配，几乎不能执行发送和接收功能。反过来看，当q的值接近0dB，发送和接收功能被有效地执行。在韩国PCS通信中，发送频率1750MHz到1780MHz以及接收频率1840MHz到1870MHz被使用，PCS终端采用外差式接收方法，它的中间频率是220.38MHz。从这些标准的要求，镜像频率带被设置为1399.2MHz到1429.2MHz。
虚线表示传统偶极天线的S11，实线表示根据本发明的偶极天线的S11。LC并联谐振滤波器被用作带通滤波器(BPF)，LC并联谐振滤波器的谐振点被设置为1414MHz，其作为镜像频带的中间点。根据本发明，S11在PCS的发送和接收频带(1750MHz到1870MHz)上增加很小，因而带宽减小很少。然而，S11的增加导致了在q上几分钟内的1dB的差值。
在发送和接收频带上，根据本发明的天线的q值最少低于传统天线的q值10dB，因而，根据本发明的天线接收比以空中广播信号形状存在的镜像频率的噪声信号最少低10dB的噪声成分。
匹配电路能够被设计成具有抑制镜像的功能。具有镜像抑制功能的匹配电路可以和前面的镜像抑制天线或传统天线结合在一起。
当在天线的输入阻抗和有用频带的标准阻抗之间存在很大的差值时，阻抗匹配电路能够将天线的阻抗转换成标准阻抗，同时最小化匹配电路的损耗。在用于设计匹配电路的传统方法中，有用阻抗转换在有用频带上执行，但是其它频带的阻抗转换特性没有被考虑。如果匹配电路被设计成在有用频带上执行阻抗转换并在有用镜像频带上阻抗不匹配，则在匹配电路中，能够获得镜像抑制效果。
从电路中看天线和匹配电路，将反射损耗S11的大小设置到1是一个目的。当使用没有损耗的匹配电路时，为了将S11的大小设置为1，天线和匹配电路的输入阻抗可以具有纯虚数数字成分或无限大的实部成分。因而，匹配电路只被设计成在镜像频带上，具有“短路”或“断路”电特性。
如图6所示，电特性“短路”可通过将BPF并联在已知传统匹配电路的前端或后端获得，其中BPF只能通过镜像频带。以这种方式，因为BPF，从镜像频带看天线和匹配电路，S11的大小变成1。新匹配电路的剩下部分用传统方法设计，以便在频率fRF上的天线的阻抗被转换成响应BPF的fRF频率的标准阻抗。
电特性“断路”可通过只在镜像频带上串联下述陷波滤波器获得，陷波滤波器仅仅不能通过镜像频带，如图7所示。除了陷波滤波器之外的匹配电路的剩下部分用传统方法设计来将在频率fRF上的天线的阻抗转换成标准阻抗。
当通过组合没有损耗的元件，例如L和C，构造匹配电路时，如果在镜像频带上的BPF或陷波滤波器被使用，确保了在镜像频率fIM上S11是1。如果考虑BPF和陷波滤波器的频率上的效果来设计匹配电路的剩下部分，可以在频率fRF最小化S11的大小，因而，方法非常清楚。此外，当BPF或陷波滤波器被使用时，滤波器不必位于匹配电路的天线的末端或RF电路的末端，如图6和图7所示。甚至，当滤波器的元件/功能部分位于中间位置，而不是整个匹配电路的两端时，匹配电路执行镜像抑制功能。图6和图7表示滤波器位于匹配电路的两端的实施例。
图8表示其中从短导线(stub)的输入端看的阻抗是0和开放式短导线(open stub)的长度是λg/4的结构，它可以使用印刷电路技术很容易地实现。在这里，λg表示在印刷电路底层上的传输线的导波长(guided wavelength)。
根据本发明，当设计天线和匹配电路时，通过包含镜像抑制功能可以最小化或消除传输到后续电路的镜像频率的噪声成分，因而实现整个接收机的改善的镜像抑制性能。此外，如果定义用于所需的镜像抑制性能的系统标准要求，可以设计电路来解决在天线和阻抗匹配电路的部分系统要求，以及获得在电路设计部分的剩余抑制量。因而，减少加到电路的镜像抑制性能的标准要求。本发明的镜像抑制效果分别应用到天线和匹配电路，因而在已经生产的无线通信设备中，天线和天线匹配电路中一个，或同时被修改，从而获得镜像抑制性能。
虽然，本发明参考优选实施例被详细展示和说明，本领域的技术人员应当理解，在没有脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上，作出各种变化。因而，公开的实施例不应当认为形成限制的观点，而是描述的观点。本发明的范围不是在上述描述中，而是在权利要求中公开，在等价范围之内的不同应该解释为包含在本发明之内。

Claims (8)

1、一种镜像抑制天线，包括：
天线单元，用于从空中接收无线信号；及
镜像抑制单元，用于消除从天线单元接收的信号中的具有预定频率的镜像信号。
2、如权利要求1所述的镜像抑制天线，其中，镜像抑制单元被连接到天线单元和接地点，并且在从天线单元接收的信号中的镜像成分信号的频率上短路。
3、如权利要求1所述的镜像抑制天线，其中，镜像抑制单元通过具有镜像成分信号的1/4波长长度的开放式短导线制成。
4、如权利要求2所述的镜像抑制天线，其中，镜像抑制单元通过具有镜像成分信号的1/4波长长度的开放式短导线制成。
5、如权利要求1所述的镜像抑制天线，其中，在镜像抑制单元中，在从天线单元接收的信号的虚部数字成分的频率上谐振的陷波滤波器被安置在小于从天线单元的虚部数字成分的波长的距离上。
6、一种接收预定信号并向用于执行预定功能的RF电路提供信号的天线，该天线包括：
天线单元，用于从空中接收无线信号；
镜像抑制单元，用于在从天线单元接收的信号中去除具有预定频率的镜像信号；及
阻抗匹配单元，用于匹配天线的阻抗和RF电路的阻抗，并向RF电路单元提供去除镜像信号的接收信号。
7、如权利要求6所述的天线，其中，镜像抑制单元是并联在阻抗匹配单元的前后端的并且只通过从天线单元接收的信号中的镜像成分的频率的带通滤波器(BPF)。
8、如权利要求6所述的天线，其中，镜像抑制单元是串联在阻抗匹配单元的前端或后端的并且仅仅不能通过从天线单元接收的信号中的镜像成分的频率的陷波滤波器。
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