CN1612412A - 高频多波束天线系统 - Google Patents

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Abstract

高频多波束天线系统包括聚焦装置和辐射元件，该聚焦装置具有旋转外形，该旋转外形由介质透镜(2)的横截面围绕位于其面中的轴(1)旋转产生，辐射元件呈具有纵向辐射的定向印刷天线的形式。

Description

高频多波束天线系统
技术领域
本申请涉及一种高频多波束天线系统。更具体地，本申请涉及一种具有多个辐射元件(或一次源)的高增益毫米天线，该辐射元件照射聚焦装置使其以360°的方位角辐射。
背景技术
本发明特别用于以单元结构为基础的、利用LMDS(局域多点分布服务)系统的高比特率无线通信网络。在该结构中，装备有天线、能与小区的其他站点进行通信的发送/接收台可以用作小区的节点。在这种情况下，该结构被称为“P-MP”(点-多点)。该系统另外一个可能的结构是“MP-MP”(多点-多点)结构，在该结构中，每个站点可以是无线网络的两个其他站点之间在呼叫中的中继。
在无线网络中，使用毫米频率(30到3000GHz)或EHF(极高频)来提高信息传送速率。在这些频率下，可利用的带宽较宽(大于1GHz)，但作为距离的函数的衰减较高。
因此，补偿该无线网络的毫米频率发射台的短程、在网络的发送台和接收台之间需要“LOS”(视线)限制了覆盖率。除了LMDS系统的低成本和在毫米频率时的性能以外，其覆盖受限制意味着它们不能被密集地使用。
在MP-MP结构，或格状网络结构中，网络的每个站点都可以是中继站，能够克服这种障碍。因此，高比特率无线网络的覆盖和容量提高了。
作为距离的函数的衰减通过高天线增益得到了补偿，该衰减限制了高比特率无线网络的两个站点之间的传输范围。提高天线的增益涉及提高它的方向性，从而以精确的方向集中辐射波形。因此，天线的对准也必须准确。
而且，改变网络的配置必须包括对网络站点的天线系统的可靠的重新对准，该网络具有对每个站点的360°方位角的覆盖。
由Radiant Networks公司提出的解决方案是由四个高增益毫米天线组成的天线系统。该系统使用已知的“TDMA/TDD”(时分多址，时分双工)访问技术。在该技术中，时间被分成具有固定周期的帧，该帧依次细分成“时隙”，时隙被单独地用来在两天线之间发送/接收，该天线用来调整它们各自站点之间的通话。天线通过马达媒介机械对准。该解决方案复杂，花费高且体积大。而且，机械调整既不可靠又不及时。
另外一个解决方案在专利申请GB2238174A中描述。该文件描述了一种由一套相邻并排列成能获得360°方位角覆盖的介质透镜组成的高频天线。每个透镜的背面本身由多个用于发送和接收的辐射元件组成。根据不同的、均匀间隔的角方向、保持从一个透镜到另一个透镜的周期，精确排列这些单元来发送或接收波束。在每侧，透镜由平面界定，该平面的方向通过光学系统的对称中心轴。该天线系统实现起来很复杂。在该系统中，将多个辐射元件用于同样的透镜。其结果是，这些辐射元件的某些焦点肯定没有对准。天线系统并未在与馈入对应的所有的方向上，呈现出相同的辐射图，特别是同样的方向性。
发明内容
本发明提出了一种更简单的毫米天线系统，该系统满足使用格状网络结构的网络的要求，并且克服了上述缺陷。
特别是，本发明提出了一种具有360°方位角覆盖、高增益和低廉的毫米天线系统。
为此，本发明涉及一种上述高频天线系统，该天线系统包含聚焦装置和辐射元件，该聚焦装置具有旋转外形，该旋转外形由介质透镜的横截面围绕位于它面中的轴旋转产生，辐射元件呈具有纵向辐射的定向印刷天线的形式。
介质透镜可以是轴对称的，例如月牙形的横截面或圆形的、单焦点的、双焦点的、多焦点的横截面，聚焦良好或不良等。
根据本发明的天线系统能提供以下特别的特征：
·辐射元件印刷在公共基板上。
·每个辐射元件是“Vivaldi”型印刷隙缝天线，这指的是可通过调整形成“Vivaldi”型辐射元件的隙缝末端的长度和宽度，以较高的设计灵活性来调整天线系统的照射。
·装配有排列在所述公共基板上的发射和/或接收和/或切换电路。
·聚焦装置具有环形的旋转外形，基板是盘形的，辐射元件沿基板的外围排列，以获得360°方位角覆盖。
·辐射元件围绕发射和/或接收和/或切换电路排列，该切换电路有助于减小天线系统的体积。
·聚焦装置由合成泡沫塑料制成。
本发明扩展至具有上述天线系统的发送和/或接收台，以及具有配备有根据本发明的天线系统的发送/接收台的通信网络。
附图说明
现在更详细地描述本发明，并用图进行说明。
图1非常示意性地示出了根据本发明的天线系统的第一实施例。
图2非常示意性地示出了根据本发明的天线系统的第二实施例。
图3非常示意性地示出了辐射元件、切换和发射/接收电路在公共基板上的排列。
图4示出了根据本发明的天线系统的聚焦装置的辐射图。
具体实施方式
通常，根据本发明的毫米天线系统的聚焦装置采用环形的旋转外形和恒定径向切面的一种“浮标(buoy)”的形式。
图1示出了聚焦装置的第一实施例，该聚焦装置具有旋转外形，该旋转外形由介质透镜2的月牙形横截面围绕其面中的轴1旋转得到。在本实施例中，将包括所有焦点的聚焦区域限制在圆3上，因此聚焦是完美的。
图2示出了根据本发明的聚焦装置的另一实施例。该聚焦装置具有旋转外形，该旋转外形由介质透镜5的圆形横截面围绕其面中的轴4旋转得到。在本实施例中，将包括所有焦点的聚焦区域限制在环6上，因此聚焦是不完美的。
自然地，本发明扩展至具有不同旋转外形的聚焦装置，该旋转外形可以从既不是圆形又不是“月牙”形的透镜的横截面得到。
图3非常示意性地示出了印刷电路基板10，其上印有Vivaldi天线型辐射元件11以及切换和发射/接收电路13。盘形基板放置在中心和聚焦装置的对称水平面中，聚焦装置如图1或2所示。
正如图3中可看到的那样，Vivaldi天线11提供360°方位角覆盖，其分布在围绕基板外围的圆中。每个Vivaldi天线的相位中心应该和聚焦区域3或6的焦点一致。
而且，Vivaldi天线是具有纵向辐射的定向隙缝天线。在本发明中，其辐射的主方向对应于基板10的平面。通过调整“Vivaldi”天线的“口”的长度、外形和宽度，这种类型的天线的聚焦装置(在这种情况下，浮标)相对较为容易控制。聚焦系统的照射控制用来控制辐射图，特别是天线系统的方向性。
如上所述，标记13表示发射/接收电路和切换装置，切换装置选择与给定方位角方向相对应的辐射元件。正如图3中可看到的那样，天线11排列在电路13的周围，从而以基板10的中心为中心。在基板的中心，也可以印刷信号处理电路。
在同一公共基板上结合所有的元件11和13，简化了天线系统并使天线系统体积更小。
图4示出了根据本发明的天线系统在垂直平面20和水平面21中的辐射图。
通过辐射元件11照射浮标形聚焦装置的一部分得到辐射图。
从垂直平面20中可以看到，得到的辐射图22的方向性与从轴对称透镜中得到的相同。图4中，θe表示在-3dB的立视图(elevation)中天线的孔径角。
相反地，在水平面21中，得到的辐射图23的方向性小于由辐射元件在同一照射方位角的情况下旋转透镜得到的辐射图。已知的是，在旋转透镜的情况下，具有旋转形状的辐射元件的照射可以用于获得同样的辐射孔径，该辐射孔径在相位和振幅上实际上是一致的。根据本发明，在这样的天线系统的情况下，聚焦装置，由于其管状形状，引起相位和振幅变形，导致了方向性的损耗。图4中，θa表示在-3dB的方位角孔径。
根据本发明，Vivaldi型隙缝天线的使用提供了对位于“口”11的隙缝的长度、外形和孔径的控制。更窄的孔径提供了聚焦装置的方位角的更大部分的照射(大于角θv)。因为照射的面积大了，因此增益和天线在该方位角的方向性提高了。然而，照射聚焦装置方位中更宽的部分引起了更大的相位变形。通过最优化，调整聚焦装置的半径24和Vivaldi天线水平面的方向性，得到最大的方位角方向性。
根据本发明的天线系统按如下配置：
·由聚焦装置的横截面形状、大致均匀的材料的介电常数，以及根据如1或4的旋转轴的聚焦装置的径向部分的高度26(D)决定焦距25(F)。
·聚焦装置的半径24必须大于焦距25。可以增大聚焦装置的半径24，以便在聚焦装置的中心获得更大的可利用空间，从而使基板10不仅能容纳Vivaldi天线而且能容纳包括发射/接收电路和切换电路13的激励系统。
·幅射元件的参数：-3dB的垂直孔径角θv和-3dB的水平孔径角θh。
天线的增益G的估计由以下关系式给出：
G(dB)＝10log(K/θeθa)(1)，其中K是常数，根据天线的照射效率，其值介于约26000和35000之间，包括两端点值。
天线增益必须足以补偿作为距离的函数的衰减，并且必须符合高比特率无线网络的要求。
-3dB的立视图中的孔径角的近似值由下式给出：
θe＝kλ/D (2)
其中
λ表示工作频率的波长
D表示聚焦装置的径向部分的高度
k是根据天线的照射效率、一般在60和80之间变化的常数
在第一个近似中，θa可以取与θh相同。
通过增加高度26(D)提高天线增益的值总是可能的。需要获得360°方位角覆盖和增益值大于Gmin＝G-3dB的辐射元件的数量N由以下关系式给出：
N＝360°/θa   (3)
已经生产出根据本发明的天线系统，并且聚焦装置表现出以下特点：
·均匀的透镜，
·圆的内形，椭圆形的外形，
·用于聚焦装置的合成泡沫塑料典型地为预填有介质材料的聚苯乙烯，材料的介电常数εr＜2，优选地，介电常数等于1.56，
·高度D为11.5cm，
·频率42GHz，
从关系式(2)θe＝4°(因为k近似等于65)得到立视图中的孔径角。
辐射元件11在距水平(θh)和垂直(θv)-3dB处具有28°的孔径角。如果，在第一近似中，假定θa等于θh，由关系式(3)给出的、具有360°方位角覆盖所需的辐射元件的数量N等于N＝360/28＝13。
利用这种天线系统结构，得到天线增益：
1.K＝26000  G＝23.6dB
2.K＝35000  G＝24.9dB
考虑波束边缘的3dB损耗，天线系统的最小增益介于20.6和21.9dB之间，包括两端点值。
在根据本发明的天线系统的上述实施例中，已经计算了Vivaldi隙缝天线尺寸，以便为天线系统提供介于20.6和21.9dB(包括两端值)之间的最小增益，其中隙缝的外形的长度必须为26mm，孔径为9mm。
13个Vivaldi天线沿盘形基板10的聚焦面积分布成圆形，基板10直径约为8cm，在中心具有25mm的直径空间，其中容纳切换电路和发射/接收电路13。如果必要，盘10的直径可以增大，以便在中心提供容纳其他天线电路的更多空间。
根据本发明的聚焦装置可以具有从不均匀介质透镜如具有渐变折射率的横截面得到的外形。
本发明也能应用于内部区域通信网络，特别是60GHz的格状网络结构。
在根据本发明的天线系统中，因为在Vivaldi天线情况下，所以辐射元件具有水平极化。通常，这些辐射元件是排列在在浮标形聚焦装置的对称水平面中延伸的基板上的平面共面辐射元件。在双极化或垂直极化的情况下，可以使用喇叭形辐射体(horn)作为辐射元件。

Claims (10)

1、一种高频多波束天线系统，包括：聚焦装置，具有旋转外形，该旋转外形由介质透镜(2；5)的横截面围绕位于其面中的轴(1；6)旋转产生，其特征在于包括辐射元件(11)呈具有纵向辐射的定向印刷天线的形式。
2、根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于辐射元件印刷在公共基板(10)上。
3、根据权利要求1和2所述的天线系统，其特征在于每个辐射元件是“Vivaldi”型印刷隙缝天线(11，12)。
4、根据权利要求2所述的天线系统，其特征在于包括排列在所述公共基板(10)上的发射和/或接收和/或切换电路(13)。
5、根据权利要求4所述的天线系统，其特征在于聚焦装置具有环形的旋转外形，其中基板是盘形的(10)，且辐射元件(11)沿基板的外围排列。
6、根据权利要求5所述的天线系统，其特征在于辐射元件(11)围绕发射和/或接收和/或切换电路(13)排列。
7、根据权利要求1-6之一所述的天线系统，其特征在于聚焦装置由合成泡沫塑料制成，具有圆形的径向切面(5)。
8、根据权利要求1-6之一所述的天线系统，其特征在于聚焦装置由合成泡沫塑料制成，具有月牙形的径向切面(2)。
9、一种格状网络结构无线通信网络的发送/接收台，其特征在于包括根据权利要求1-8之一所述的天线系统。
10、一种格状网络结构无线通信网络，其特征在于包括一个或多个根据权利要求9所述的发送/接收台。
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