TWI446628B - 高效環形天線系統和方法 - Google Patents

Description

高效環形天線系統和方法

本發明關於天線，尤其是關於天線系統及相關使用方法。。

傳統的室內電視天線通常包括兩種天線，用於UHF接收的環形天線和用於VHF接收的伸縮天線。通常，在這種設置中，UHF環形天線與4:1平衡-不平衡轉換器成對，以便將天線的輸入阻抗與放大器的輸入阻抗匹配以及將平衡天線輸出轉換成不平衡放大器輸入。此外，儘管UHF環形天線通常使所接收的信號放大一些量，但電視接收機將接收不到這些增強的信號，因為平衡-不平衡轉換器使它們某程度地衰減。例如，如果UHF天線的增益為約2dBi而由於平衡-不平衡轉換器的信號損失為約2dB，則淨信號增益為0。此外，由UHF和VHF天線接收到的電視信號在它們被傳送到放大器前通常被雙工處理(be diplexed)。雙工器(diplexer)中的濾波器可能進一步衰減該信號。

圖1是傳統的室內電視天線系統100的功能框圖。系統100包括兩個天線，7.5英寸直徑的UHF環形天線102和VHF伸縮天線104。環形天線102接收UHF信號以及使它放大約2dBi。當傳遞到4:1平衡-不平衡轉換器108時，環形天線輸出信號106被平衡並且具有約300歐姆的阻抗。4:1平衡-不平衡轉換器108使其不平衡和減小該阻抗，使得輸出信號110不平衡並且具有約75歐的阻抗。此外，當天線輸出信號106通過時，4:1平衡-不平衡轉換器108使其衰減約2dB。

伸縮天線104接收和發送平衡VHF信號至1:1平衡-不平衡轉換器112。1:1平衡-不平衡轉換器輸出不平衡的輸出信號114。然後，UHF輸出信號110和VHF輸出信號114通過雙工器116，其中，由高通濾波器進一步衰減UHF信號。然後，不平衡的信號110和114接著通過由電力注入器120供電的不平衡的放大器118。最後，由電視接收機122接收UHF和VHF信號。因為電視天線系統100中固有的信號損失，因此，由UHF信號產生的電視畫面通常不是完全令人滿意。

儘管現有的設備，例如上述所述的那些，對它們預期的目的來說通常已經足夠，但它們不能在所有方面完全令人滿意。本公開內容的實施例克服現有技術的一個或多個缺點。

在一個示例性方面中，本公開內容涉及一種天線。該天線可以包括導電環，導電環具有第一頂面和第一底面，第一頂面和第一底面以第一厚度分開，導電環具有由定義饋電點的間隙截斷的第一邊緣部，以及導電環回應頻帶中的電磁信號。該天線還可以包括導電帶，具有第二頂面和第二底面，第二頂面和第二底面以與第一厚度基本上類似的第二厚度分開，導電環位於由第二頂面定義的平面中，導電帶具有第一遠端和相對的第二遠端以及在第一和第二遠端之間延伸的第二邊緣部，第二邊緣部與第一邊緣部分開，以及第二邊緣部以距第一邊緣部基本上恒定的距離，沿第一邊緣部延伸。導電帶與導電環電絕緣並且結構上相對於導電環構造和定位以便調整導電環的輸入阻抗。

在一些實例中，第二頂面可以與第一頂面基本上共面，使得第二邊緣部與第一邊緣部相對。

在其他實例中，第二頂面可以基本上垂直於第一頂面，使得第二邊緣部與第一頂面相對。

在其他實例中，第一邊緣部可以基本上平行於第二邊緣部。

在其他實例中，第一和第二邊緣部彎曲且基本上同心於一個軸，以及其中，導電環是圓形環。

在另一示例性方面中，本公開內容涉及一種天線系統。該天線系統可以包括導電環，具有帶第一端子和第二端子的饋電點部，導電環具有平衡的輸出和第一輸入阻抗。該天線系統還可以包括放大器，具有電耦接至所述第一端子的第三端子和電耦接至第二端子的第四端子，放大器具有平衡的輸入和第二輸入阻抗，其中，第一、第二、第三和第四端子形成在導電環和放大器之間的平衡的傳輸線。該天線系統還可以包括導電帶，與導電環的所述饋電點部相鄰並分開，導電帶與環形天線電絕緣並且結構上相對於導電環構造和定位以便調整導電環的所述第一輸入阻抗，從而與放大器的所述第二輸入阻抗基本上匹配。該天線系統還可以包括殼體，結構上構造成容納導電環、放大器和導電帶。

在一些實例中，導電環包括其中具有饋電點部的第一頂面，以及導電帶包括與第一頂面基本上共面的第二頂面。

在其他實例中，導電環包括其中具有饋電點部的饋電點表面，以及導電帶包括基本上垂直於饋電點表面的頂面。

在其他實例中，導電環包括由定義饋電點部的間隙截斷的第一邊緣部，以及導電帶包括第一遠端和相對的第二遠端，以及第二邊緣部在第一和第二遠端之間延伸。第二邊緣部可以與第一邊緣部相對並且分開，第二邊緣部以距第一邊緣部基本上恒定的距離，沿第一邊緣部延伸。

在另一示例性方面中，本公開內容涉及一種接收電視信號的方法。該方法可以包括使用具有第一輸入阻抗和由定義饋電點的間隙截斷的第一邊緣部的導電環來接收電磁信號。該方法還可以包括經由被電耦接至導電環的饋電點部的平衡的傳輸線，將電磁信號從導電環傳輸到具有第二輸入阻抗的放大器。該方法還可以包括以及使用與導電環的饋電點部相鄰並且分開的電絕緣的導電帶，使導電環的第一輸入阻抗與放大器的第二輸入阻抗基本上匹配，導電帶具有與第一邊緣部分開且相對的第二邊緣部，以及第二邊緣部以基本上恒定的距離，沿第一邊緣部延伸。

在一些實例中，基本上匹配可以包括將導電環的第一輸入阻抗從約300歐調整至約75歐。

在其他實例中，導電環可以包括其中具有饋電點的第一頂面，以及導電帶可以包括與第一頂面基本上共面的第二頂面。

為促進本公開內容的原理的理解目的，現在將參考在圖中示出的實施例，以及將使用特定語言來描述。然而，應理解到，不打算限制本公開內容的範圍。所描述的設備、儀器、方法和如在此所述的本公開內容的原理的任何另外應用的任何變更和進一步改進是預期的，如本公開內容所涉及的領域的技術人員通常會考慮到的。特別地，可以充分預期相對於一個實施例所描述的特徵、部件和/或步驟可以與相對於本公開內容的其他實施例所述的特徵、部件和/或步驟結合。本書所使用說明的術語“磁帶”可意指“導電帶”，而術語“環形天線”可意指“導電環”。

如上所述，傳統的天線系統通常包括4:1平衡-不平衡轉換器以便使環形天線的輸入阻抗與放大器的輸入阻抗匹配。根據本公開內容的示例性天線系統不包括阻抗匹配的4：1平衡-不平衡轉換器，由此避免通常由平衡-不平衡轉換器強加的信號衰減。相反，在此所述的示例性天線系統利用阻抗匹配技術，涉及將導電匹配帶放置在環形天線的導電環附近。這些導電匹配帶與它們相關的環形天線電絕緣並且減小天線的輸入阻抗以便與下游放大器的輸入阻抗匹配。因此，根據本公開內容的示例性天線系統可以產生比傳統的系統更強的電視信號，以及以更高效的方式實現。

圖2是根據本公開內容的一個示例性方面的電視天線系統200的功能框圖。電視天線系統200包括UHF環形天線202、放大器204、對放大器供電的電力注入器206以及電視接收機208。在所示的實施例中，環形天線202和放大器204包含在殼體205中，但在另外的實施例中，天線和放大器可以分開在不同殼體中。環形天線202可用來接收具有在約470MHz和725MHz間的波長的數位電視信號。在其他實施例中，然而，環形天線202可以用來接收在其他波長範圍中的TV信號。另外，在所示的實施例中，環形天線202具有約2dBi的增益，但是，可替代地，可以具有更小或更大的增益。環形天線202進一步具有平衡的輸出和輸入阻抗210。將結合圖3，更詳細地描述環形天線202。如圖2所示，環形天線202將所接收的UHF信號發送到放大器204。放大器204是可用來放大從環形天線202接收的UHF信號的低雜訊放大器。放大器204具有平衡的輸入和輸入阻抗212。如圖2所示，放大器將所放大的UHF信號傳送到電視接收機208，在此它被解碼以產生電視畫面。

特別地，環形天線202的輸入阻抗210與放大器204的輸入阻抗212匹配。在所示的實施例中，輸入阻抗210為約75歐以及輸入阻抗212也為約75歐。在另外的實施例中，放大器的輸入阻抗可以為約50歐，以及可以通過匹配帶(如下所述)相應地調整環形天線的輸入阻抗以便與它匹配。由此，因為環形天線202和放大器204具有約相同的輸入阻抗以及兩者為平衡電路，因此，在環形天線和放大器間不需要平衡-不平衡轉換器。即，在平衡的傳輸線上，電磁信號可以直接從環形天線傳遞到放大器。因此，將環形天線202的約2dBi增益傳遞到放大器204，而不被平衡-不平衡轉換器衰減。用這種方式，傳遞到電視接收機208的UHF信號可以提高至少2dB。儘管上面描述了約75歐和50歐的輸入阻抗，可以預期其他更高或更低的輸入阻抗。

圖3是根據本公開內容的一個示例性實施例的圖2的平面環形天線202的示意圖。環形天線202包括具有饋電點252的導電環250和導電匹配帶254，兩者均容納在殼體209中。在本實施例中，放大器204也容納在殼體209中，但為了清楚，在圖3中未示出放大器。匹配帶254通過電介質例如空氣與環250電絕緣。通常，根據相對於環250的位置，匹配帶254可用來降低天線202的輸入阻抗210，使得大約地匹配放大器204的輸入阻抗212。

更詳細地，在所示的實施例中，環250和匹配帶254是0.2mm厚的鋅金屬片，但在其他實施例中，它們可以是另外的導電金屬，諸如銅或鋁或合金以及可以是不同厚度。應注意到，導電金屬可以是任何導電金屬，以及不限於在此明確引用的那些。環250具有寬度256和高度258，在所示的實施例中，兩者均為190.5mm(即環250為方形環)。此外，環250的導電部具有寬度260，在所示的實施例中，為28.575mm。此外，匹配帶254具有長度262和高度264，在所示的實施例中，分別為158.75mm和12.7mm。關於匹配帶254相對於環250的方位，匹配帶的邊緣沿包含饋電輸入252的環250的相對邊緣，以平行方式延伸。換句話說，沿匹配帶254的邊緣的所有點與環的饋電點邊緣上的相對點以相同的距離266分開。在所示的實施例中，匹配帶254和環250間的距離266為12.7mm。此外，在殼體209內，沿相同平面(即共面)對齊環250的平面表面268和匹配帶254的平面表面270。平面表面268中的間隙定義饋電點252。在所示的實施例中，觸點(端子)272和274位於饋電點252的任一面上並且將環250電耦接至放大器204。

如上所述，匹配帶254可用來影響環250的輸入阻抗。更具體地說，將匹配帶254放在環250附近干擾環的磁場的分佈，以及進而，影響環的阻抗。在所示的實施例中，將匹配帶254放在環250的饋電輸入252下12.7mm將約300歐的環的固有阻抗降低到約75歐。匹配帶254的結構特性和相對於環250的位置和方位確定環的磁場的干擾量。由此，改變匹配帶254與環250的距離、環的平面表面268相對於帶的平面表面270的方位、匹配帶的長度262，以及匹配帶的高度264的至少一個可能影響天線202的輸入阻抗210。

此外，相對于傳統環天線，將匹配帶254放在環250附近不會顯著地改變天線接收方向圖。在所示的實施例中，天線202為“全向”並且在UHF頻率，具有“數字8”天線方向圖。例如，在598MHz，環形天線202具有圖4中所示的“數字8”天線方向圖280。

使用如上所述的導電匹配帶的阻抗匹配技術不限於圖3中所示的環和帶結構。例如，現在參考圖5，所示的是根據本公開內容的另一示例性實施例的環形天線300的示意圖。如圖3的環形天線202，環形天線300包括具有饋電點304的導電環302和通過空氣與環302電絕緣的導電匹配帶306。同時，如圖3的匹配帶254，匹配帶306可用來降低天線300的輸入阻抗，使得與下游的平衡的放大器的輸入阻抗大約地匹配。然而，在圖5的實施例中，匹配帶306不與環302共面。特別地，環302包括具有定義饋電點304的間隙的平面饋電點表面308。同時，如圖5所示，匹配帶306包括大約垂直於環302中的平面表面308的平面表面310。因此，由匹配帶306的平面表面310定義的平面通過導電環302。

更詳細地，在所示的實施例中，環302和匹配帶306為0.2mm厚鋅金屬片，但在其他實施例中，它們可以是另外的導電金屬，諸如銅或鋁或合金以及可以是不同厚度。應注意到，導電金屬可以是任何導電金屬，以及不限於在此明確引用的那些。環302具有寬度312和高度314，在所示的實施例中，均為177.8mm(即，環302為方形環)。此外，環302的平面導電表面308具有深度316，在所示的實施例中，為6mm。此外，匹配帶306具有(平面表面310的)長度318和高度320，在所示的實施例中，分別為165.1mm和12mm。關於匹配帶306相對於環302的方位，匹配帶的邊緣沿環的表面308以平行方式延伸。更具體地，沿匹配帶306的邊緣的所有點與表面308上的相對點以相同距離322分開。在所示的實施例中，匹配帶306和環302間的距離322為3mm。此外，用於天線300的天線接收方向圖為全向並且與圖4中所示的“數字8”圖案類似。進一步地，觸點(端子)可以位於饋電點304的任一面上以便使環302電耦接至放大器，諸如圖2中的放大器204。

使用導電匹配帶的阻抗匹配技術也不限於方形環天線，諸如圖3和5所示的天線202和300。該阻抗匹配技術可以與其他形狀環形天線，諸如矩形環形天線和圓形環形天線一起使用。

現在參考圖6，所示的是根據本公開內容的另一示例性實施例的圓形環形天線350的示意圖。如圖3的環形天線202，環形天線350包括具有饋電點354的導電環352和通過空氣與環352電絕緣的導電匹配帶356。同時，如圖3的匹配帶254，匹配帶356可用來降低環352的輸入阻抗，使大約地匹配電耦接至饋電點354上的端子的平衡的放大器的輸入阻抗。

更詳細地，在所示的實施例中，環352和匹配帶356為0.2mm厚鋅金屬片，但在其他實施例中，可以是另外的導電金屬，諸如銅或鋁或合金以及可以是不同厚度。應注意到，導電金屬可以是任何導電金屬，並不限於在此明確引用的那些。環352具有內半徑358，在所示的實施例中，為172.5mm。此外，環302具有寬度362的平面表面360，在所示的實施例中，為18mm。匹配帶356具有寬度366的平面表面364，在所示的實施例中，為16mm。此外，匹配帶為具有如從與環352相同的中心點(軸)測量的內半徑368的半圓形。在所示的實施例中，內半徑368為212.5mm。關於匹配帶356相對於環352的方位，匹配帶的邊緣和包含饋電點354的環的相對邊緣基本上同心。換句話說，沿匹配帶的邊緣的所有點與沿環352的外側邊緣的相對點等距離。特別地，在所示的實施例中，匹配帶356繞環352的中心點延伸90°，根據其半徑368，與環相隔22mm。此外，沿相同平面(即共面)對齊環352的平面表面360和匹配帶356的平面表面364。平面表面360中的間隙定義饋電點354。觸點(端子)可以位於饋電點354的任一側上，以便將環352電耦接至放大器，諸如圖2中的放大器204。

儘管已經示出和描述了示例性實施例，就上述公開內容中，可以預期寬範圍的改進、改變和替代，並且在一些實例中，可以採用本公開內容的一些特徵，無需相應使用其他特徵。例如，在一些實施例中，根據本公開內容的天線的部件可以具有與圖3，5和6所示的天線不同的尺寸。同時，以與所述實施例中不同的方式，可以相對於它們相關的環定向和放置一些實施例中的匹配帶。例如，匹配帶可以位於與環傾斜的平面中。此外，在不同類型的天線系統中，諸如室外天線系統、商用天線系統、大型天線系統和受益於阻抗匹配而不使用平衡-不平衡轉換器的任何其他天線系統，可以應用在此所述的阻抗匹配技術。應理解到，可以在上文的內容中做出變化，而不脫離本公開內容的範圍。相應地，寬泛地並且以與本公開內容的範圍一致的方式解釋所附的權利要求是適當的。

100．．．電視天線系統

102．．．環形天線

104．．．伸縮天線

106．．．信號

108．．．轉換器

110．．．信號

112．．．轉換器

114．．．信號

116．．．雙工器

118．．．放大器

120．．．電力注入器

122．．．電視接收機

200．．．電視天線系統

202．．．環形天線

204．．．放大器

206．．．電力注入器

208．．．電視接收機

209．．．殼體

210．．．阻抗

212．．．阻抗

250．．．環

252．．．饋電輸入

254．．．匹配帶

256．．．環的寬度

258．．．環的高度

260．．．環的寬度

262．．．匹配帶的長度

264．．．匹配帶的高度

266．．．距離

268．．．表面

270．．．表面

272．．．觸點(端子)

274．．．觸點(端子)

280．．．天線方向圖

300．．．天線方向圖

302．．．環

304．．．饋電點

306．．．饋電點

308．．．表面

310．．．表面

312．．．環的寬度

314．．．環的高度

316．．．環的深度

318．．．匹配帶的長度

320．．．匹配帶的高度

322．．．距離

350．．．環形天線

352．．．環

354．．．饋電點

356．．．匹配帶

358．．．內半徑

360．．．表面

362．．．環的寬度

364．．．表面

366．．．匹配帶寬度

368．．．內半徑

圖1是傳統的室內電視天線系統的功能框圖。

圖2是根據本公開內容的一個示例性方面的電視天線系統的功能框圖。

圖3是根據本公開內容的一個示例性實施例的圖2的平面環形天線的示意圖。

圖4是圖3的平面環形天線的示例性天線接收方向圖的示例。

圖5是根據本公開內容的另一示例性實施例的環形天線的示意圖。

圖6是根據本公開內容的另一示例性實施例的圓形環形天線的示意圖。

100．．．電視天線系統

102．．．環形天線

104．．．伸縮天線

106．．．信號

108．．．轉換器

110．．．信號

112．．．轉換器

114．．．信號

116．．．雙工器

118．．．放大器

120．．．電力注入器

122．．．電視接收機

Claims (21)

1. 一種天線，包括：導電環，具有第一頂面和第一底面，所述第一頂面和所述第一底面以第一厚度分開，所述導電環具有由定義饋電點的間隙截斷的第一邊緣部，以及所述導電環回應頻帶中的電磁信號；導電帶，具有第二頂面和第二底面，所述第二頂面和所述第二底面以與所述第一厚度基本上類似的第二厚度分開，所述導電環位於由所述第二頂面定義的平面中，所述導電帶具有第一遠端和相對的第二遠端以及在所述第一和第二遠端之間延伸的第二邊緣部，所述第二邊緣部與所述第一邊緣部分開，以及所述第二邊緣部以距所述第一邊緣部基本上恒定的距離，沿所述第一邊緣部延伸；以及其中，所述導電帶與所述導電環電絕緣並且結構上相對於所述導電環構造和定位以便調整所述導電環的輸入阻抗。
2. 如申請專利範圍第1項所述的天線，其中，所述第二頂面與所述第一頂面基本上共面，使得所述第二邊緣部與所述第一邊緣部相對。
3. 如申請專利範圍第1項所述的天線，其中，所述第二頂面基本上垂直於所述第一頂面，使得所述第二邊緣部與所述第一頂面相對。
4. 如申請專利範圍第1項所述的天線，其中，所述導電帶包括鋅、銅和鋁中的一種，以及其中，所述導電環包括鋅、銅和鋁中的一種。
5. 如申請專利範圍第1項所述的天線，其中，所述第一邊緣部基本上平行於所述第二邊緣部。
6. 如申請專利範圍第5項所述的天線，其中，所述導電環是方形環和矩形環中的一種。
7. 如申請專利範圍第1項所述的天線，其中，所述第一和第二邊緣部彎曲並且關於軸基本上同心；以及其中，所述導電環是圓形環。
8. 如申請專利範圍第1項所述的天線，其中，所述頻帶在從約470MHz至725MHz的範圍。
9. 如申請專利範圍第1項所述的天線，其中，所述導電帶結構上相對於所述導電環構造和定位以便將所述導電環的輸入阻抗從約300歐調整到約75歐。
10. 一種天線系統，包括：導電環，具有帶第一端子和第二端子的饋電點部，所述導電環具有平衡的輸出和第一輸入阻抗；放大器，具有電耦接至所述第一端子的第三端子和電耦接至所述第二端子的第四端子，所述放大器具有平衡的輸入和第二輸入阻抗，其中，所述第一、第二、第三和第四端子形成在所述導電環和所述放大器之間的平衡的傳輸線；導電帶，與所述導電環的所述饋電點部相鄰並分開，導電帶與導電環電絕緣並且結構上相對於所述導電環構造和定位以便調整所述導電環的所述第一輸入阻抗，以便與所述放大器的所述第二輸入阻抗基本上匹配；以及殼體，結構上構造成容納所述導電環、放大器和導電帶。
11. 如申請專利範圍第10項所述的天線系統，其中，所述導電環包括其中具有所述饋電點部的第一頂面；以及其中，所述導電帶包括與所述第一頂面基本上共面的第二頂面。
12. 如申請專利範圍第10項所述的天線系統，其中，所述導電環包括其中具有所述饋電點部的饋電點表面；以及其中，所述導電帶包括基本上垂直於所述饋電點表面的頂面。
13. 如申請專利範圍第10項所述的天線系統，其中，所述導電環包括由定義所述饋電點部的間隙截斷的第一邊緣部；以及其中，所述導電帶包括第一遠端和相對的第二遠端以及在所述第一和第二遠端之間延伸的第二邊緣部，所述第二邊緣部與所述第一邊緣部相對並且分開，以及所述第二邊緣部以距所述第一邊緣部基本上恒定的距離，沿所述第一邊緣部延伸。
14. 如申請專利範圍第10項所述的天線系統，其中，所述導電環為方形環、矩形環和圓形環中的一種。
15. 如申請專利範圍第10項所述的天線系統，其中，所述導電帶包括鋅、銅和鋁專的一種；以及其中，所述導電環包括鋅、銅和鋁中的一種。
16. 如申請專利範圍第10項所述的天線系統，其中，所述導電帶結構上相對於所述導電環構造和定位，以便將所述第一輸入阻抗調整到約75歐。
17. 一種接收電視信號的方法，包括：使用具有第一輸入阻抗和由定義饋電點的間隙截斷的第一邊緣部的導電環來接收電磁信號；經由被電耦接至所述導電環的所述饋電點部的平衡的傳輸線，將所述電磁信號從所述導電環傳輸到具有第二輸入阻抗的放大器；以及使用與所述導電環的所述饋電點部相鄰並且分開的電絕緣的導電帶，使所述導電環的所述第一輸入阻抗與所述放大器的所述第二輸入阻抗基本上匹配，所述導電帶具有與所述第一邊緣部分開且相對的第二邊緣部，以及所述第二邊緣部以基本上恒定的距離，沿所述第一邊緣部延伸。
18. 如申請專利範圍第17項所述的方法，其中，接收電磁信號包括接收具有在從約470MHz到725MHz的範圍中的波長的電磁信號。
19. 如申請專利範圍第17項所述的方法，其中，所述的基本上匹配包括將所述導電環的所述第一輸入阻抗從約300歐調整至約75歐。
20. 如申請專利範圍第17項所述的方法，其中，所述的接收電磁信號包括使用方形環、矩形環和圓形環中的一種來接收電磁信號。
21. 如申請專利範圍第17項所述的方法，其中，所述導電環包括其中具有所述饋電點的第一頂面；以及其中，所述導電帶包括與所述第一頂面基本上共面的第二頂面。