CN1722519A - 宽带全向辐射设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于接收和/或发送电磁信号的辐射设备，其包括至少两个通过缝隙连接并且具有公共缝隙(FC)的天线(A1，A2)。连接装置(L，P)将至少一条天线(A)连接到电磁信号的处理装置。所述连接装置(L，P)包括连接到处理装置的两条连接线路(L1，L2)。通过开路来终止两条线路(L1，L2)，并且将其电磁耦合到两条天线(A1，A2)的公共缝隙(FC)，从而在通过连接线路(L1，L2)上存在的切换装置(3)将所述连接从一条线路切换到另一条线路时，使相位差被导入到两条天线(A1，A2)的电磁信号之间。

Description

宽带全向辐射设备
技术领域
本发明涉及用于接收和/或发射电磁信号的辐射设备，其包括至少两个接收和/或发送装置以及连接装置，更具体地说，所述接收和/或发送装置用于接收和/或发送缝隙连接的天线类型的电磁信号并且具有公共缝隙，连接装置用于将至少一个所述接收和/或发送装置连接到电磁信号的处理装置
背景技术
在“室内”通信领域，要求无线连接房屋内的不同设备。为此，使用了端射锥形槽(end-fire tapered slot)类型的电磁信号接收和/或发送装置或天线。这些主要由金属衬底上实现的锥形槽构成的天线通常称为Vivaldi天线或LTSA(线性锥形槽天线)。由于它们在衬底的平面中辐射，所以可以很容易地将其集成到设备中。当例如，在网络中使用多个这种类型的天线时，辐射设备的连接马上变得复杂起来。
Vivaldi天线的量度(dimentioning)是本领域的技术人员所熟知的。可以将其划分成图1所示的三个部分，其为天线A1(Vivaldi轮廓)的量度，连接到连接端口P的连接线路2的量度，以及能够将线路2的能量发送到天线A1的线路2/缝隙F1跃迁(transition)的量度。为了保证线路2与缝隙F1之间的能量的正确耦合，必须考虑连接线路2和天线A1的缝隙F1的相对位置来获得特定几何条件下的位置。例如在文件US6,246,377中给出了一个例子。
具有两种在网络中放置Vivaldi天线A1和A2的技术。如图2所示，第一种技术涉及通过相同的线路2将其串联连接。两条线路2/缝隙F跃迁之间的线路的长度确定两个连续天线A1和A2所发送或接收的信号之间的相位差。通过在例如根据微带线技术所实现的连接线路下采用奇数倍于定向半波长的线路长度，即，L＝nLm/2(n＝2k+1，k为整数)，发送场E1和E2相对于两个天线A1和A2的对称轴相对称。对于这样的串联连接，从振幅和频率相位差的观点来看，至天线A1和A2的耦合是不同的。这是由于连接端口P与每个天线A1和A2之间的不同线路长度导致的。
如图3所示，第二种技术在于将其并联连接。通过L1与L2之间的长度差可以确定发送场E1和E2之间的相位差。通过采用相同长度，或如|L1-L2|＝n*Lm(其中n为整数)，发送场E1和E2如图3所示。这种连接技术给出了平衡连接，但是其要求更加复杂的连接电路。尤其是，如果天线的数目增加了，则连接网络的尺寸也增加了，并且它的实施有时还需要使用部件。从而这种结构的成本就增加了。
文件EP0,301,216中表述的一种方案就是通过将两个缝隙连接在一起，(如图4所示)，从而用单个线路2/缝隙FC跃迁来替换两个线路/缝隙。因此只有单个线路2/缝隙FC跃迁，并且在天线A1和A2中，缝隙FC终止于其两个末端中的每一个。线路2到缝隙FC的耦合能量平等地发送到天线A1和A2。
但是，这样的辐射设备具有固定的辐射图，尤其当线路2在距离A1和A2相同距离处切断缝隙时，该辐射图在天线的对称轴上具有零点。这样的特性可以证明在辐射设备中要求各向同性的应用的框架之内会非常具有破坏性。
发明内容
本发明提出一种展现辐射图的辐射设备，其能够通过简单的连接而动态地重构。
本发明涉及一种如介绍部分所述的辐射设备，其中连接装置包括两条连接到所述处理装置的连接线路，所述两条连接线路由被电磁耦合到所述两个接收和/发送装置的公共缝隙的开路来终止，从而在通过所述连接线路上存在的至少一个转换器件将所述连接从一条线路切换到另一条线路时，使相位差导入到所述两个接收和/发送装置的电磁信号之间。
当然，耦合到两条天线所共用缝隙的两条线路所允许的公共连接使辐射设备的辐射图可以通过从一条线路切换到另一条线路来调制。
根据一实施例，将接收和/或发送装置分组成具有公共缝隙的对，通过所放置的两条路线来实现每对的连接，从而切断离接收和/发送装置的所述对的对称轴不同距离的公共缝隙，从而使相位差导入到所述对的接收和/发送装置之间。
这样，一条线路例如放置在天线的对称轴的正中，而另一条线路偏置波长的四分之一。然后将180°的相位差导入所述对的两条天线所发送的信号之间。因此，辐射图在轴中不再具有零点。
根据一实施例，将所述对分组，每组具有通过相同两条连接线路连接的两对，已经将固定相位差导入到用于连接所述两对之一的所述线路之一上。
通过这个实施例，可以利用两条线路来控制例如四条天线。例如，固定相位差为180°。
根据一实施例，通过对具有N条支线的公共缝隙中的N条缝隙进行连接，将接收和/或发送装置分组，每组具有N个接收和/或发送装置，彼此绝缘的连接线路形成集中在所述公共缝隙上并且以偏移方式安置的N’条支线，所述N’条支线相对于所述公共缝隙的支线轮换。
该实施例使多条天线的连接得以简化。例如可以在每条线路占用单独平面的多层衬底中方便地采用该实施例。
最好选择偶数N。而且最好选择N’＝N。在这种方式下，旋转偏移如下：将每条线路插入每个形成在公共缝隙的支线之间的角度扇区中。
根据一实施例，接收和/或发送装置为围绕中心点而均匀隔开的Vivaldi型天线。
这样的天线是本领域技术人员常用的并且公知的。最好通过这样的天线来实现本发明，但是也可以通过线路/缝隙跃迁连接的任一类型的天线来实现本发明，例如，印刷偶极子，LTSA(线性锥形槽天线)设备。
根据一实施例，连接线路是由微带线或共面线构成的。
根据一实施例，切换装置包括至少一个二极管。
根据另一实施例，切换装置包括用于选择性地激活一条连接线路或另一条连接线路的分立转换器。
附图说明
在阅读了参照附图所进行的不同实施例的描述后，本发明的其他特性和优势将呈现出来，其中：
图1是表示根据现有技术的缝隙/线路耦合类型的一条天线的连接的方框图。
图2是表示根据现有技术的缝隙/线路耦合类型的两条天线的串联连接的方框图。
图3是表示根据现有技术的缝隙/线路耦合类型的两条天线的并联连接的方框图。
图4是表示根据现有技术的公共/缝隙线路耦合类型的两条天线的有利并联连接的方框图。
图5a和5b是表示本发明中使用的两条天线的连接装置的方框图。
图6a、6b和6c将图5的设备的辐射图表示为两条天线之间的角度的函数。
图7a和7b表示具有2N条天线的辐射设备的情况以及相应的电路图。
图8是表示具有两对天线的本发明的实施例的方框图。
图9是表示具有数目为N＝4条天线的本发明的实施例的方框图。
图10是表示如图9所示的辐射设备的剖面。
图11a、11b是表示通过如图9所示的辐射设备获得的辐射图的立体视图。
具体实施方式
图5a和5b示出了本发明的第一实施例。在这些图中，通过相同的线路(L1或L2)/缝隙FC跃迁来连接和馈送两条天线A1和A2。根据缝隙上链接到端口P的线路L1和L2的位置，可以定义A1发送的信号E1与A2发送的信号E2之间的相位差。这个相位差规因于线路/缝隙跃迁与天线A1和A2之间的距离差。
这样就能够根据线路/缝隙跃迁的位置来获得不同的图形。因此，当两条天线A1与A2之间的角度为90°时，可以获得如图6b所示的两个截然不同的辐射图。
在这个图中可以看到，当线路L1在离天线A1和A2相同的距离处与缝隙交叉时，对应于线路L1的连接的图D1在轴上不具有零点，因为发送的信号具有相同的幅度并且在天线A1和A2层(level)上同相，但是沿着这个轴反相负重组。但是，在缝隙Ls/4中将线路L2偏移了定向波长的四分之一，这样就能够导入90°的相位差。因此，相对于到达天线A1的信号，180°的相位差被导入到达天线A2的信号上。因此，两条天线所发送的辐射沿着轴建设性地重组。所以，对应于线路L2的图D2沿着轴不再具有零点。
图5a和5b由于两条线路L1和L2之间的转换器件3的实施而有所不同。转换器件使一条线路的连接可以被切换到另一条线路，从而获得具有不同辐射图的结构。
在图5a中，转换器件3包括位于线路L1和L2末端的二极管，从而授权一条线路上的耦合而同时禁止另一条线路上的耦合。
在图5b中，两条线路L1和L2之间的转换器件3b包括分立或集成转换器，例如SPDT(单刀双掷)。
需要注意的是，在图5所示的实施例中，一条线路被放置在天线的对称轴的中央，而另一条线路偏离中心。但是，这样的连接线路也可以都偏离中心并且放置在距离天线不同的距离的位置上。这样尤其可以控制根据本发明的设备中的两条天线之间导入的相位差，从而控制整个辐射图。
通过图5所示的设备，辐射图的分集(diversity)的概念已在角度α的多个值的模拟中得以验证。在图6中给出了根据辐射图的结果。其展示了在不考虑天线之间的角度的情况下，当连接线路偏移时，发现有效分集在辐射最大的位置具有辐射零点。最大和零点的形状和位置取决于天线之间的距离和角度。将这个几何相位差添加到电相位差。这个效应，尤其是对于本发明，使所述设备可以量度，从而获得所需的图形。
需要注意的是，线路(例如，微带)与多条缝隙之间的跃迁正确操作。当两条天线在相同缝隙上结合并且通过相同的线路连接时，从电气图的观点上来说，这会导致天线阻抗并联。如图7a所示，当天线A的数目增加时，公共缝隙包括支线B，朝着支线B的方向耦合电磁信号，多条支线B在由支线B构成的线路L/公共缝隙跃迁层的相同位置上相交。从图7b所示的电路图的观点上来说，这会导致天线A的阻抗ZA串联。因此，可以成倍地增加通过相同线路L连接的天线的数目。在图8中示出了本发明成倍增加辐射设备的天线数目的一个实施例。将四条天线A1、A2、A3、A4分别分组成分别具有公共缝隙FC1和FC2的对(A1，A4)和(A2，A3)。这样的表示并联连接的结构具有良好的带宽，从而使操作可以在不同的频率下进行。转换器件3由转换器构成，转换器例如包括两个如图5b所示的二极管，并且使缝隙FC1和FC2可以连接到线路L1和L2中的一条或另一条。将转换器件3连接到连接端，连接端其本身连接到信号反馈和/或处理装置。
当连接从线路L1切换到线路L2时，天线A3中出现的信号E3相对于天线A2中出现的信号移相了180°，其通过图8中矢量E3的方向变化来表示。当导入的相位差为180°时，则天线A3中的信号E3的方向如图8所示变化。
由于电磁信号的性能是相似的，所以对于天线A4和A1来说，所有东西都是相同的。但是，为了获得能够使能辐射图分集的真正的观测的相位变化，在与天线对A1和A4相邻的线路L1上实现固定的相位差180°。
在图9中示出了使天线的数目增加的另一实施例。在这个图中，以四角星形的方式，通过公共缝隙FC来连接四条天线A1、A2、A3、A4。如图10所示，例如将其刻于地平面M中。将第一馈线L1安置在地平面M之上的第一衬底S1上，并且将第二馈线L2安置在地平面M之上的第二衬底S2上。所以，这些线路彼此绝缘。在使用低成本的多层衬底S、例如FR4时，这样的结构会十分方便。这种类型的衬底尤其可以用于实现RF底板。
这样的多层衬底使天线和连接装置可以在相同的衬底上实现，而不用在它们之间采用附加部件。
由此获得的辐射设备具有发送时与在天线之间的相等能量分布相匹配的操作带宽。由于所述连接的卓越固有绝缘，所以这个实施例不需要任何附加部件来提供线路之间的绝缘。可以获得辐射的良好分集，对于每条线路所获得的辐射图是互补的。
图11示出了图9中示出的四倍天线结构的立体图中的辐射图Da和Db。需要注意的是分别为线路L1和L2而获得的两个图形Da和Db是不同的，并且其展示了出色的互补性。因此，通过从一条线路切换到另一条线路，可以获得动态可配置的辐射。也可以在仅对于两条天线的、二维的图6中看到这样的图形互补性。
本发明不限于所描述的实施例，并且本领域的技术人员将意识到不同实施例变体的存在，例如，根据本发明的原理所连接的倍增的天线。

Claims (11)

1.一种用于接收和/或发送电磁信号的辐射设备，其包括至少两个接收和/或发送装置(A1，A2)以及连接装置(L，P)，所述接收和/或发送装置用于接收和/或发送缝隙连接的天线类型的电磁信号并且具有公共缝隙(FC)，连接装置用于将至少一个所述接收和/或发送装置(A1，A2)连接到电磁信号的处理装置；
其特征在于：连接装置(L，P)包括两条连接到所述处理装置的连接线路(L1，L2)，所述两条连接线路(L1，L2)由被电磁耦合到所述两个接收和/发送装置的公共缝隙(FC)的开路来终止，从而在通过所述连接线路(L1，L2)上存在的转换器件(3)将所述连接从一条线路(L1，L2)切换到另一条线路(L2，L1)时，使相位差导入到所述两个接收和/发送装置的电磁信号之间。
2.如权利要求1所述的辐射设备，其中将所述接收和/发送装置(A1，A2)分组成具有公共缝隙(FC)的对((A1，A2))，对((A1，A2))的所述连接由放置的两条路线(L1，L2)来实现，从而切断离接收和/发送装置的所述对((A1，A2))的对称轴不同距离的所述公共缝隙(FC)，从而使相位差导入到所述用于接收和/或发送的所述对((A1，A2))的装置之间。
3.如权利要求2所述的辐射设备，其中将所述对分组，每组具有通过相同两条连接线路(L1，L2)连接的两对((A2，A3)(A1，A4))，已经将固定相位差导入到用于连接所述两对之一的所述线路之一上。
4.如权利要求1所述的辐射设备，其中通过将所述N条缝隙连接到具有N条支线的公共缝隙(FC)，对所述接收和/或发送装置(A1，A2，A3，A4)进行分组，每组具有N个接收和/或发送装置，彼此绝缘的连接线路(L1，L2)形成集中在所述公共缝隙(FC)上并且以偏移方式安置的N’条支线，所述N’条支线相对于所述公共缝隙(FC)的支线轮换。
5.如权利要求4所述的辐射设备，其中N为偶数。
6.如权利要求4和5中任一权利要求所述的辐射设备，其中N’＝N。
7.如以上权利要求中任一权利要求所述的辐射设备，其中用于接收和/或发送的装置(A)是围绕中心点而被有规则地隔开的端射阵列。
8.如以上权利要求中任一权利要求所述的辐射设备，其中所述连接线路(L)是由微带线或共面线构成的。
9.如权利要求1至8中的任一权利要求所述的辐射设备，其中所述转换器件(3)包括至少一个二极管。
10.如权利要求1至8中的任一权利要求所述的辐射设备，其中所述转换器件(3)是用于选择性地激活所述连接线路(L1，L2)中的一条或另一条的分立转换器。
11.如权利要求1至8中的任一权利要求所述的辐射设备，其中所述转换器件(3)是用于选择性地激活所述连接线路(L1，L2)中的一条或另一条的集成转换器。
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