CN1681215A - 用于地面广播的天线系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于地面广播的天线系统。该天线系统具有：偶极天线探针，用于接收广播信号；信号放大器，用于放大接收的广播信号；天线匹配单元，用于匹配天线探针和信号放大器之间的阻抗；输出匹配单元，用于匹配信号放大器的输出信号与输出信号被馈送到其的广播接收器的输入端之间的阻抗；和偏置提取器，用于将从广播接收器接收的功率转换为用于驱动信号放大器需要的功率并且将转换的功率供应到信号放大器。

Description

用于地面广播的天线系统
                         技术领域
本发明涉及一种天线系统，更具体地讲，涉及一种被设计以接收电视(TV)广播信号和传输电视(TV)广播信号的用于地面广播的天线系统。
                         背景技术
国家电视系统委员会(NTSC)标准是现今使用在北美的模拟TV广播标准，而高级电视系统委员会(ATSC)标准是数字TV广播标准。通过甚高频-高频(VHF-H)频带正在进行采用将数字信号嵌入到现有NTSC TV频率范围的被称作NTSC视频中的数据(dNTSC)的新技术的广播。需要室内或室外天线接收VHF-H广播。由于天线必须被连接到数字机顶盒以接收数据广播所以室内天线在许多方面优于室外天线。
图1是显示dNTSC技术被应用到其的VHF-H频带内的频谱的示意图。
这里，双边带(DSC)调制被用于将模拟广播信号100和数字广播信号110混合为载波。NTSC格式允许具有频率fvisc的载波携带具有fcl到fch的频率范围的模拟广播信号100，而dNTSC格式被用于另外地携带数字广播信号110，即用于发送在模拟广播信号100的频率范围以外的dNTSC数据信号。
图2是列出VHF信道7至13的图1所示的各个信号的频率的表。在信道7至13上载波的频率范围从大约170到大约220兆赫(MHz)。不考虑信道，模拟广播信号100具有0.1MHz的带宽，而dNTSC 110具有0.76MHz的带宽。
然而，用于接收包括数字广播信号的VHF-H信号的室内天线受空间限制。由于该空间限制，很难确定根据频带改变并且实现偶极天线的天线的尺寸。因此，高度期望具有有期望的电长度(electrical length)同时占据小空间的室内天线以使用户能够观看超高频(UHF)频带以及VHF-H频带上的电视广播。
另外，由于当在该信号在被发送到下一阶段之前在天线中被扩大时较高的信噪比(SNR)被实现，所以在天线中广播信号需要被扩大以提高其SNR。在偶极天线的情况下，该天线必须被设计以解决对于信号放大在平衡电路和不平衡电路之间出现的问题。
                         发明内容
本发明提供一种天线系统，其被设计以通过通过将电感添加到天线探针来对天线探针的电长度补偿并且实现天线探针和信号放大器之间的宽带阻抗匹配来最大化信号传输。
当参照以下描述、附图和所附权利要求，本发明的上述目的以及其他目的对本领域的一个技术人员将变得清楚。
根据本发明的一方面，提供了一种用于地面广播的天线系统，包括：偶极天线探针，用于接收广播信号；信号放大器，用于放大接收的广播信号；天线匹配单元，用于匹配天线探针和信号放大器之间的阻抗；输出匹配单元，用于匹配信号放大器的输出信号与输出信号被馈送到其的广播接收器的输入端之间的阻抗；和偏置提取器，用于将从广播接收器接收的功率转换为用于驱动信号放大器需要的功率并且将转换的功率供应到信号放大器。
广播信号可包括在甚高频-高频(VHF-H)频带传输的国家电视系统委员会(NTSC)视频中的数据(dNTSC)广播信号。
另外，偶极天线探针可包括具有可变长度的探针。
另外，信号放大器可包括用于降低包含在接收的广播信号中的噪声并且放大接收的广播信号的单片微波集成电路(MMIC)。
另外，天线匹配单元可包括与天线探针的负探针串联连接的线圈结构。
另外，天线匹配单元可包括平衡转换器电路。在这种情况下，平衡转换器电路最好包括铁氧体磁芯。
另外，输出匹配可包括电容器元件。
偏置提取器包括多个无源电路元件。
在本发明的另一优选实施例中，天线系统还可包括：电路保护器，用于保持从广播接收器供应的功率的基本恒定并且防止静电放电。在这种情况下，电路保护器可包括放电器。
                         附图说明
通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明的上述和其他特点和优点将会变得更加清楚，其中：
图1是显示dNTSC技术被应用到其的VHF-H频带内的频谱示意图；
图2是列出图1中显示的各个信号的频率的表；
图3是根据本发明实施例的天线系统的方框图；
图4是根据本发明实施例的天线系统的电路图；和
图5示出根据本发明实施例构造的天线系统。
                       具体实施方式
以下，参照对优选实施例和附图的详细描述，本发明的优点和特点以及实现其的方法可被更容易理解。然而，本发明可以多种形式呈现并且不应被解释为对于此所述的实施例的限制。说明书中相同的标号表示同一部件。
图3是根据本发明实施例的天线系统的方框图。参照图3，根据本发明实施例的天线系统300包括：天线探针310，用于接收广播信号；天线匹配单元320，用于执行天线探针310和低噪声放大器330之间的阻抗匹配；低噪声放大器330，用于以最小化包含在广播信号中的噪声并且最大化在广播信号的频带的增益的这样的方式来放大广播信号；输出匹配单元340，用于在在低噪声放大器330输出的信号被发送到广播接收器370的输入端之前执行低噪声放大器330和广播接收器(如机顶盒)370之间的阻抗匹配；和偏置提取器350，用于从广播接收器370的输入端接收功率并且随后将预定的功率电平供应到低噪声放大器330。
在这种情况下，天线系统300还可包括电路保护器360，用于保护形成天线系统300的电路元件。
广播信号的频带可包括范围从30到300兆赫(MHz)的甚高频(VHF)频带或范围从300MHz到3千兆赫(GHz)的超高频(UHF)频带。另外，天线探针310可以是偶极天线。为了帮助理解本发明，在偶极天线中，被连接到大地的探针和不被连接到大地的探针分别被称为‘负探针’和‘正探针’。
现在，将对上述部件的功能和操作进行详细描述。
为了适当地将经过天线探针310接收的广播信号传输给低噪声放大器330，阻抗匹配通过位于天线探针310与低噪声放大器330之间的天线匹配单元320来被执行。为了方便阻抗匹配，天线探针310上的电抗成分可通过修改天线探针310的结构来去除。对于通常的偶极天线，天线探针310上的电抗成分随偶极长度而改变。因此，当偶极天线中的天线探针310的长度由于空间限制被减小时，同样期望以实行在电抗成分的量的改变的方式来改变天线探针的结构。为了改变天线探针310的结构，或者正探针或者负探针的一侧可以是线圈(以下称为“负载线圈”)的形式，这减小天线探针310的电容量和偶极天线的电压驻波比(VSWR)。
天线匹配单元320使用负载线圈以在VHF或UHF频带将天线探针310的阻抗与低噪声放大器330的输入阻抗匹配，从而尽可能地将施加到天线探针310的电位差传输到低噪声放大器330，同时为在宽频率的范围的接收提供了宽频带阻抗匹配。
另外，天线匹配单元320包括用于将偶极天线的平衡电路耦合到同轴线缆的不平衡电路的电路，从而防止当将平衡电路耦合到不平衡电路时由于在同轴线缆中流动的多余的表面电流而导致天线的辐射模式和接收特性的改变。
在从天线匹配单元320接收广播信号时，低噪声放大器330在广播信号的频带以如最大化增益和最小化噪声温度(noise temperature)的方式来放大该信号。这样，广播信号在被发送到广播接收器370之前在天线系统300内被放大，从而最小化广播信号的失真。
输出匹配单元340使低噪声放大器330的输出阻抗与广播接收器370的调谐器阻抗匹配。
在从天线探针310接收的广播信号通过天线匹配单元320并且由低噪声放大器330放大之后，放大的信号随后通过输出匹配单元340到广播接收器370的调谐器。偏置提取器350将来自广播接收器370的功率转换为用于驱动低噪声放大器330需要的功率电平。
天线系统300还可包括电路保护器360，用于保护形成天线系统300的电路部件不受由于静电或大地电位差引起的尖峰噪声。尽管图3示出电路保护器360位于能够从广播接收器370接收功率的位置，但电路保护器360也可位于另一位置。例如，单独的电路保护器还可定位于天线匹配单元320和低噪声放大器330之间以保护低噪声放大器330。
另外，广播信号或功率可经由单一线缆在天线系统300和广播接收器370之间传输。
图4是根据本发明实施例的天线系统的电路图。
天线探针310是由正探针312和负探针314组成的偶极天线探针。在这种情况下，以上描述的负载线圈316可被连接到低噪声放大器330的输入端332或者接地端334。在此示例性实施例中，负载线圈316可被连接到接地端334。另外，正探针312和负探针314的长度可被调整以提高广播信号的接收敏感性。例如，同时，当偶极天线的输入阻抗Zin被表示为20-j314，通过产生可通过将负载线圈串联到负探针314来实现的+j314成分而获得最后20的输入阻抗Zin。在这种情况下，电抗X＝jwL＝j(2πfL)，其中j是虚数算子，w是角频率，并且L是负载线圈316的电感量。为了在范围从174到216MHz的VHF-H频带提供阻抗匹配特性，当f是200MHz时314＝2×3.14×200×106×L。解该方程得到250nH的电感量。在这种情况下，负载线圈316具有匝数10、1.1mm的厚度、和5.2mm的内径。
通过这样做，偶极天线的输入阻抗最终变为20。同时，当低噪声放大器330的输入阻抗是50Ω时，为互阻抗匹配，具有1∶2.5匝比的阻抗匹配变压器被用于匹配50Ω。另外，单独的电路最好被用于解决由将偶极天线的平衡电路与同轴线缆的不平衡电路耦合引起的问题。在示例性实施例中，天线匹配单元320中的平衡转换器电路被用于使平衡电路能够被耦合到不平衡电路，或与之相反。当平衡转换器电路使用传输线来实现时，该电路通常在尺寸上庞大并且具有窄频带。因此，为了减少尺寸和加宽的带宽，平衡转换器电路可使用图5中所示的铁氧体磁芯来实现。同时，平衡转换器电路可被连接到低噪声放大器330的输入端或者输出端，最好连接到低噪声放大器330的输入端，从而解决天线探针310的平衡电路与同轴线缆的不平衡电路之间的不平衡。
预定量的功率必须被供应到低噪声放大器330以放大通过天线探针310馈送的广播信号。在示例性实施例中，Gali-52LNA单片微波IC(MMIC)被用作从微型电路可获得的低噪声放大器330(以下称为′Gali-52LNA′)。
当Gali-52LNA需要4.4V的工作电压和50mA的工作电流时，偏置提取器350使由广播接收器370供应的电压的幅值和电流等于4.4V和50mA。在这种情况下，广播接收器370是机顶盒并且从机顶盒供应的电压是12V直流(DC)。
这里，偏置提取器350包括电阻、电容、和电感。
由于Gali-52LNA需要4.4V的工作电压和50mA的电流，所以(12-4.4)＝0.05×x，其中，x是电阻。解该方程获得152Ω的x。因此，由于功率是38mW(0.05×0.05×152)，所以两个75Ω、1/4瓦特电阻R1和R2被串联连接。
用于偏置提取的电感L1必须具有大于50Ω的阻抗，并且最好大于500Ω。当频率是200MHz并且jx＝jwL时，2×3.14×2×108×L＞500。此不等式的解是L＞398nH。实际上，当电感量的范围是从350nH到3uH时电感L1显示相同的特性。对于芯片电感，最好被设计以提供小于3uH的电感量并且100mA的阻挡电流。在示例性实施例中，容易被安放的2.7uH芯片电感被使用。
旁路芯片电容C3、C4和C5起阻止通过偏置电路传输并且朝向低噪声放大器330反射的无线电波的作用。在本实施例中，电容器C3、C4、和C5分别具有1,000pF、100pF、和10nF的电容量。电容器C2被用于去除当图4中示出的同轴线缆380被连接到广播接收器370时发生的瞬时脉冲。由于期望使用具有大电容量的电容器，所以10-uF钽电容器被用在该示例性实施例中。参照图4，用于合适地传输由低噪声放大器330放大的广播信号的输出匹配单元340使用防止DC信号的传递的DC阻止电容器C1来实现。电容器C1的电容量被设置，从而其阻抗X小于50Ω，最好在可用的频率范围小于5Ω。当X＝1/(jwC1)并且以赫兹为单位的频率是200MHz时，5＞|1/(2×pi×2×108×C1)。此不等式的解是C1＞169pF。然而，由于随着增加频率，电容器C1变得自振并且不能保持其固有特性，所以期望使用具有高自振点的非常小的电容器或者具有稍低电容量的电容器。在该示例性实施例中，由于在可用频率范围电容C1的介入损耗小于0.3dB，所以其具有100pF的电容量。
同时，电路保护器360通过消除从同轴线缆380的内部导线或者正探针312产生的静电放电来保护低噪声放大器330。在该示例性实施例中，电路保护器360使用放电器(arrestor)来构成。存在三类可用的放电器，即可变电阻器类型、电容器类型、和放电类型。由于附于电路的可变电阻器类型和电容器类型放电器改变电特性，所以期望使用如示例性实施例中所示的放电类型放电器。
图5示出根据本发明实施例的在其中图4中示出的电路被放置在印刷电路板(PCB)上的天线系统。同轴线缆380通过连接到广播接收器370的一端(未示出)从广播接收器370接收用于向低噪声放大器330供应的功率并且将由低噪声放大器330放大的广播信号传输到广播接收器370。
本发明的天线系统采用降低的适于室内使用的偶极天线的长度来设计并且用于在将通过天线探针反馈的广播信号发送到如机顶盒的广播接收器之前放大该信号，从而最小化广播信号的失真。在讨论该详细描述中，本领域的技术人员将理解在实质上不脱离本发明的原理的情况下可对优选实施例进行许多改变和修改。从而，公开的本发明的优选实施例用于示例性目的并且不用于限制目的。

Claims (19)

1、一种用于地面广播的天线系统，包括：
偶极天线探针，用于接收广播信号；
信号放大器，用于放大接收的广播信号；
天线匹配单元，用于匹配天线探针和信号放大器之间的阻抗；
输出匹配单元，用于匹配信号放大器的输出信号与输出信号被馈送到其的广播接收器的输入端之间的阻抗；和
偏置提取器，用于将从广播接收器接收的功率转换为用于驱动信号放大器需要的功率并且将转换的功率供应到信号放大器。
2、如权利要求1所述的天线系统，其中，广播信号包括甚高频-高频(VHF-H)频带传输的国家电视系统委员会(NTSC)视频中的数据(dNTSC)广播信号。
3、如权利要求1所述的天线系统，其中，偶极天线探针包括具有可变长度的探针。
4、如权利要求1所述的天线系统，其中，信号放大器包括用于降低包含在接收的广播信号中的噪声并且放大接收的广播信号的单片微波集成电路(MMIC)。
5、如权利要求1所述的天线系统，其中，天线匹配单元包括与天线探针的负探针串联连接的线圈结构。
6、如权利要求1所述的天线系统，其中，天线匹配单元包括平衡转换器电路。
7、如权利要求6所述的天线系统，其中，平衡转换器电路包括铁氧体磁芯。
8、如权利要求1所述的天线系统，其中，输出匹配单元包括电容器部件。
9、如权利要求1所述的天线系统，其中，偏置提取器包括多个无源电路部件。
10、如权利要求1所述的天线系统，还包括电路保护器，用于保持从广播接收器供应功率的基本恒定并且防止静电放电。
11、如权利要求10所述的天线系统，其中，电路保护器包括放电器。
12、一种在天线系统中最大化信号传播的方法，该方法包括以下步骤：
将负载线圈装备到天线探针；
匹配天线探针和信号放大器之间的阻抗；
匹配信号放大器的输出信号与输出信号馈送到其的广播接收器的输入端之间的阻抗；
将从广播接收器接收的功率转换为用于驱动信号放大器需要的功率；和
将转换的功率供应到信号放大器。
13、如权利要求12所述的方法，其中，供应到天线探针的广播信号是在甚高频-高频(VHF-H)频带传输的国家电视系统委员会(NTSC)视频中的数据(dNTSC)广播信号。
14、如权利要求12所述的方法，其中，天线探针具有可变长度。
15、如权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：操作信号放大器中单片微波集成电路(MMIC)以降低包含在接收的广播信号中的噪声并且放大接收的广播信号。
16、如权利要求12所述的方法，其中，提供的步骤包括步骤：将线圈结构与天线探针的负探针串联。
17、如权利要求12所述的方法，其中，匹配天线探针和信号放大器之间的阻抗的步骤经由平衡转换器电路来执行。
18、如权利要求12所述的方法，其中，转换功率的步骤经由包括多个无源电路元件的偏置提取器来执行。
19、如权利要求12所述的方法，还包括步骤：操作电路保护器以保持从广播接收器供应的功率基本恒定并且防止静电放电。
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