CN1672293A - 定向双频天线结构 - Google Patents

Abstract

利用具有不同工作频率的两个简单天线组合成天线结构，可以获得对于两个工作频率的定向辐射图。实现这一点的方法是：这样设置天线，使得在第二天线的工作频率下第一天线用作第二天线的导向器，而在第一天线的工作频率下第二天线用作第一天线的反射器。在单极天线的情况下，第一天线比第二天线短，故可用作导向器，而第二天线比第一天线长，故可用作反射器。

Description

定向双频天线结构

本发明涉及天线结构，它包括具有第一工作频率的第一天线元件，以及具有第二工作频率的第二天线元件。

在设计用于双频工作的接收器或发射器时，通常选择的天线结构包括调谐到第一工作频率的第一单极天线和调谐到第二工作频率的第二单极天线，根据所选的工作频率来选择使用的天线。当选择另一工作频率时，就选择相关联的天线，并且通过所述天线来完成发射和接收。

常常选择单极天线，因为它价格低廉。

与这种类型天线结构关联的问题是：对于当前的通信标准，需要方向性以及双频工作，这就产生了定向天线，它包括辐射元件以及用于每个工作频率的反射器和/或导向器，因此，导致天线结构具有许多天线元件。

本发明的目的是提供一种具有较少天线元件的多频定向天线。

此目的是这样达到的：按照本发明的天线结构的特征是第一天线元件是第二天线的导向器，而第二天线是第一天线的反射器。

在较高频率工作的天线比在较低频率工作的天线要小些。由于不同的工作频率，第二天线的尺寸不同于第一天线的尺寸。当天线结构工作在第一工作频率时，第一天线用作天线结构的辐射元件，而此时无源的第二天线，由于其不同于第一天线的尺寸，则用作第一天线的导向器或反射器。从而实现定向天线结构。

当天线结构工作在第二工作频率时，第二天线用作天线结构的辐射元件，而此时无源的第一天线，由于其不同于第一天线的尺寸，因此用作第二天线的导向器或反射器。由于不同的工作频率，第一天线的尺寸不同于第二天线的尺寸。

当第一工作频率高于第二工作频率时，第一天线元件用作第二天线元件的导向器，而第二元件用作第一天线元件的反射器。

本发明的又一实施例的特征是第一天线元件是单极天线。单极天线是天线的一种非常简单的形式，它可以用作天线中的辐射元件，也可用作反射器或导向器，所以特别适合用于按照本发明的天线结构。

又一实施例的特征是第二天线元件是单极天线。单极天线是天线的一种非常简单的形式，它可以用作天线中的辐射元件，也可用作反射器或导向器，所以特别适合用于按照本发明的天线结构。

又一实施例的特征是第一天线元件是四分之一波长天线元件且第二天线元件是四分之一波长天线元件。在单极长度是工作频率的四分之一波长的工作频率下，四分之一波长单极是有效的辐射器。在本发明中使用多个天线元件。当使用四分之一波长天线元件时可以实现小型天线结构。

又一实施例的特征是第一天线元件和第二天线元件之间的距离大约为第一和第二工作频率中最高频率的一个四分之一波长。

已发现，按照第一和第二工作频率中最高频率的大约一个四分之一波长的距离来设置所述两个天线元件，可以获得最佳的反射和方向性。

按照本发明包括如权利要求1、2、3或4的天线结构的双频工作的收发信机产生具有适于双频工作的定向天线的收发信机。

收发信机又一实施例的特征在于收发信机包括和当前第一天线结构相同的第二天线结构。通过包括第二天线结构，收发信机可以更好地利用天线结构的定向性。由于提供用于双频工作的两个定向天线结构所需的天线元件数较少，所以可以在收发信机上配备两个天线结构。

收发信机又一实施例的特征在于收发信机设置成使用用于天线分集的第一天线结构和第二天线结构。当两个天线结构适用于所述收发信机时，所述收发信机可以利用天线分集来获得更好的发射和接收。由于天线结构指向不同的方向并具有定向发射和接收特性，所以，收发信机可以例如通过选择来自两个天线结构的最强信号来实现天线分集，从而改善接收和发射质量。

收发信机又一实施例的特征在于收发信机设置成使用用于波束控制第一天线结构和第二天线结构。由于收发信机可以使用两个定向天线结构，并且由于天线结构的小型尺寸和定向特性，所以可以采用波束控制来改善发射和接收。利用两个定向天线结构的任何波束控制方法都可用来获得波束控制。

收发信机又一实施例的特征在于：这样设置第一天线结构和第二天线结构，使得所有天线元件都被包括在一个平面内、每个天线结构的天线元件平行于所述天线结构中的其它天线元件以及第一天线结构设置成与第二天线结构构成20到60度角。

通过将天线结构和天线元件设置在这个位置来将天线的θ成分，即，天线的水平极化引导到水平平面上。

总之，利用具有不同工作频率的两个简单天线组合成天线结构，可以获得两个工作频率的定向辐射模式。其实现方法是：这样设置所述天线，使得在第二天线的工作频率下第一天线用作第二天线的导向器，而在第一天线的工作频率下第二天线用作第一天线的反射器。在单极天线的情况下，第一天线比第二天线短，所以可用作导向器，而第二天线比第一天线长，所以可用作反射器。

下面根据附图描述本发明。

图1a示出包括两个单极天线的天线结构。

图1b示出包括两个单极天线的天线结构。

图2示出包括两个天线结构的通信装置，所述两个天线结构各自具有两个单极天线。

图3示出当第一天线元件用作辐射元件时天线结构的辐射图。

图4示出当第二天线元件用作辐射元件时天线结构的辐射图。

图5示出可用于天线分集和波束控制的两个天线结构和结果辐射图。

图6示出当第一天线元件用作辐射元件时天线结构的3维辐射图。

图7示出具有位于一个平面上且彼此构成一定角度的两个天线结构的收发信机。

在图1-3中，将第一天线画为短单极天线，而将第二天线画为长单极天线。即使打算把这些图作为通常不论及物理比例信息的示意图，但还是把天线画成类似于正常结构，即，一个天线比另一天线短且设置成彼此之间的距离可与短天线的长度相比拟。图8中示出天线结构的物理布置。

图1a示出通信站，它包括两个单极天线的天线结构。为了适应双频工作，可以使用单一的双频天线或两个单独的单频天线。利用两个天线时，最简单的形式就是单极天线。在图1a中，示出通信站1，它具有两个单极天线4、5，其中利用单一收发信机2通过天线4、5来发射和接收信号。当需要工作在特定频率时，开关3将适合的天线4、5连接到收发信机2。当一个天线正被使用时，另一天线不被使用。收发信机2处理信号。它发射在输入端11接收的数据，使接收的数据在输出端14可用。

图1a示出通信装置的另一实施例，它包括具有两个单极天线的天线结构。此处要求通信装置6同时以两个频率工作。所以每个天线9、10专用于各自的收发信机7、8。在图1b中，天线9专用于收发信机8，天线10专用于收发信机7。因此不需要开关。收发信机7、8具有输入端13、12和输出端16、15。

为使第一天线5用作第二天线4的反射器或导向器，要求按照离开第二天线4特定距离的方式来设置第一天线5。已发现：当把两个天线各自加工成四分之一波长天线时，等于具有较高工作频率的天线的工作频率的一个四分之一波长的距离是适合的距离。换句话说，天线4、5之间的距离应大约为两个天线4、5中的较短天线5的长度。

同样重要的是，应当指出，当用开关3转换天线4、5时，可以用适当的阻抗终接不使用的那个天线，以确保不使用的那个天线根据需要作为导向器或反射器。可以通过开关把终端阻抗连接到天线上。可以通过改变所述终端阻抗来改变有源天线的辐射特性。

在图1b中两个天线同时工作，以不同的方式来实现这一点。两个天线工作于不同的频率。当第一天线以第一频率工作时，所述第一频率就不是第二天线的工作频率。所以，有可能确保当第二天线由在其工作频率下与天线匹配的收发信机驱动时，第二天线在第一天线的工作频率下以不同的阻抗终接。这也适用于第一天线。第一天线可由在第一天线的工作频率下与天线相匹配的收发信机驱动，同时，可以选择在第二天线工作频率下的终端阻抗，以确保第一天线在第二天线的工作频率下用作反射器或导向器。这样，只用两个单极天线，不用附加的天线元件，通信装置6就可以同时在两种频率下工作，并且在每个频率下实现定向性。

可以采用数种方法来向天线馈电，例如微带或带状线技术。

图2示出一种通信装置，它包括两个天线结构，每个结构包括两个单极天线。通信装置20包括收发信机21，它利用天线分集以获得最好的接收质量。开关23、24允许收发信机在总数4个天线25、26、27、28中选择两个天线。第一天线26和第四天线28具有相同的第一工作频率，而第二天线25和第三天线27具有相同的第二工作频率。第一天线26和第二天线25物理上构成一组，而第三天线27和第四天线28物理上构成一组。第一天线26工作在比第二天线25高的工作频率，由于其长度比第二天线25短并靠近第二天线25，所以它形成第二天线25的导向器。第二天线25工作在比第一天线26低的工作频率，由于其长度比第一天线26长并靠近第一天线26，所以它形成第一天线26的反射器。这对于第三天线27和第四天线28的组合也是正确的，其中第四天线28用作第三天线27的导向器，而第三天线27用作第四天线28的反射器。

结果，每个天线25、26、27、28的辐射图都是定向的。这种定向性是天线分集的前提条件。如果把具有相同的信号接收特性的两个天线用于分集，就不可能采用天线分集。在图2所示的配置中，第一天线26和第二天线25的主波瓣在辐射图中是朝向左边的，而第三天线27和第四天线28的辐射图的主波瓣是朝向右边的。这样，收发信机21可以利用开关23、24根据工作频率选择两个天线25、26、27、28，然后利用已知的技术选择具有较好接收质量的天线用于天线分集。

除了天线分集之外，图2所示的配置也可用于波束控制应用场合，因为对于波束控制，两个定向天线也是有利的。可以通过收发信机以通常的方式来获得波束控制所需的相位差。

图3示出利用天线分集并且同时以两种频率工作的通信装置。通信装置30包括第一收发信机31和第二收发信机32。第一收发信机连接到第一天线34和第四天线33。第二收发信机连接到第二天线35和第三天线36。第一天线34和第四天线33工作在第一频率，所述工作频率高于第二天线35的工作频率，第二天线35的工作频率和第三天线36的工作频率相同。

如在图1b中说明的，第一天线34用作第二天线35的导向器，第二天线35用作第一天线34的反射器。第四天线33用作第三天线36的导向器，第三天线36用作第四天线33的反射器。如果天线的物理位置如图3所示，那么，第一天线34和第二天线35的辐射图的主波瓣朝向左边，而第三天线36和第四天线33的辐射图的主波瓣朝向右边。这就提供了天线分集所需的信号接收的差异。

如在图1b中说明的，第一收发信机31与它所连接的天线35、36在天线35、36的工作频率下相匹配，但它在第二收发信机32的工作频率下必需提供适合的终端阻抗，以便将所连接的天线35、36转变为连接到第二收发信机32的天线33、34的反射器。

反之亦然，第二收发信机32与它所连接的天线33，34在天线33，34的工作频率下相匹配，但它在第一收发信机31的工作频率必需提供适合的终端阻抗，以便将所连接的天线33、34转变为连接到第一收发信机31的天线35，36的反射器。这种在收发信机31、32的工作频率之外的匹配可以通过改变收发信机的阻抗或添加连接到天线的阻抗元件来实现。添加的阻抗元件设置在收发信机之外。

除了天线分集之外，图2所示的配置也可用于波束控制应用场合，因为对于波束控制，两个定向天线也是有利的。可以通过每一个收发信机以通常的方式来获得波束控制所需的相位差。

图4示出工作在天线结构的第一频率下的天线的辐射图，此时第二天线元件用作反射器。由图可见，反射器使通常单极的全向辐射图改变为具有主波瓣40的方向图。

图5示出工作在天线结构的第二频率下的天线辐射图，此时第一天线元件用作导向器。由图可见，导向器使通常单极的全向辐射图改变为具有主波瓣50的方向图。

图6示出可以用于天线分集和用于波束控制两个天线结构和结果辐射图。利用各自指向不同方向的两个天线结构，这些天线图提供了天线分集所需的接收差异。当由于天线图的主波瓣的指向偏离信号源而一个天线结构的信号接收不良时，另一个天线结构的主波瓣很可能被更好地定向。

图7示出当第一天线元件用作辐射元件时天线结构的3D辐射图。由于天线结构的前后没有接地，所以相当大一部分辐射能量被向下引导。图6示出两个主要的辐射方向。一个主要辐射方向指向左上侧，主要具有φ分量(垂直极化)，另一主要辐射方向指向左下侧，主要具有θ分量(水平极化)。

图8示出具有两个天线结构80、81的收发信机，它们位于同一平面内并且彼此构成一定的角度。可以将水平极化定向在水平平面内，其方法是：将天线结构80、81这样倾斜，以便将水平极化的主辐射方向提升到所述水平平面上，如图7所示配置的情况那样。可以将垂直极化定位在水平平面内，其方法是：将天线结构80、81倾斜，但不是像图7所示的彼此相对倾斜而是彼此离开地倾斜，使波束向下弯折。如图8所示，接地平面84不需要垂直于天线82、83的轴线，而是可以设置在与天线82、83轴线相同的平面内。

Claims (10)

1.一种天线结构，它包括具有第一工作频率的第一天线和具有第二工作频率的第二天线，其特征在于：所述第一天线元件是所述第二天线的导向器，而所述第二天线是所述第一天线的反射器。

2.如权利要求1所述的天线结构，其特征在于：所述第一天线元件是单极天线。

3.如权利要求1或2所述的天线结构，其特征在于：所述第二天线元件是单极天线。

4.如与权利要求2组合的权利要求3所述的天线结构，其特征在于：所述第一天线元件是四分之一波长天线元件，并且所述第二天线元件是四分之一波长天线元件。

5.如权利要求4所述的天线结构，其特征在于：所述第一天线元件和所述第二天线元件之间的距离是所述第一工作频率的大约一个四分之一波长。

6.一种包括权利要求1、2、3、4或5所述的天线结构的收发信机。

7.如权利要求6所述的收发信机，其特征在于：所述收发信机包括和当前第一天线结构相同的第二天线结构。

8.如权利要求7所述的收发信机，其特征在于：所述收发信机设置成把所述第一天线结构和所述第二天线结构用于天线分集。

9.如权利要求7所述的收发信机，其特征在于：所述收发信机设置成把所述第一天线结构和所述第二天线结构用于波束控制。

10.如权利要求6所述的收发信机，其特征在于：这样设置所述第一天线结构和所述第二天线结构，使得所述天线元件被包括在一个平面内、每个天线结构的天线元件平行于该天线结构中的其它天线元件以及所述第一天线结构与所述第二天线较结构构成20到60度角。

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