TWI648909B - 多模式複合式天線 - Google Patents

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羅伯 馬克史特
馬瑞納 瓦爾夫納 伊斯納
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斯泰倫博斯大學
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Abstract

一種所揭示的多模式複合式天線。該天線係包括：至少二個偶極組件，各該偶極組件係具有二個臂，該些臂具有連接各該臂之信號傳輸線；導體管，該信號傳輸線係延伸於該導體管中，其形成用於該信號傳輸線的屏蔽；以及該導體管的延伸。在一實施例中，該延伸係藉由導體管而形成，且折回至導體管上。該些偶極組件能藉由至少一差模激發而激發，以實現偶極輻射場型，且該延伸係當至少一偶極組件藉由共模激發而激發時形成具有單極輻射場型的單極組件。該複合式天線能通過該差模激發及共模激發二者之應用而組合該單極及偶極輻射場型。

Description

多模式複合式天線 相關申請案的交互參照
本申請案請求於2014年1月17日提出申請的南非智財局第2014/00363號的臨時專利申請案之優先權，且該南非第2014/00363號的臨時專利申請案係藉由參照本文而含括。
本發明關於一種天線，尤指一種多模式複合式天線。
在許多無線天線應用中，能從各種可能角度之寬廣變化接收或傳送信號是所期望的。然而，天線組件之輻射場型係並非完全是全向性的，因為總是有著比該天線之優選方向所接收自更少功率的方向。對於諸如單極或偶極天線的直天線而言，在導線的方向上該輻射場型為零。
為了創建可從具有更均勻功率分布之更多方向傳送或接收的複合式天線，已做出各種結合單極及偶極天線的嘗試。理想通常是創建用於在地平面上之天線的半球輻射場型。然而，單一單極及偶極的組合係由於有多 個局部最小值而不會產生非常半球形的輻射場型。另外，一般單極及偶極之搭配是個問題，且許多結合單極及偶極之先前嘗試因為其無法準確搭配而為次優的。
WO2013109173A1專利討論一種組合的單極及偶極天線。偶極天線係具有沿著偶極傳輸線之非屏蔽部份所安置的共模(common-mode)抑制濾波器，以創建來自非屏蔽傳輸線之正交單極組件。雖然本公開解決了搭配問題，所述天線需求共模抑制濾波器及必然的所得複雜性。非屏蔽傳輸線亦可導致即使是差模激發所驅動時的寄生干擾。
本發明旨在解決這些和其他缺點到至少某種程度上。
對本發明之背景的前述討論係僅僅為了便於對本發明的理解。應當理解的是，該討論並非以本申請之優先權日的技術中之一般通常知識的部分所提及之任何材料所理解或承認。
依據本發明，本文提供一種多模式複合式天線，係包括：至少二偶極組件，各該偶極組件係具有二個臂，該些臂具有連接各該臂之信號傳輸線，該些偶極組件能藉由至少一差模激發而激發，以實現偶極輻射場型；導體管，該信號傳輸線係延伸於該導體管中，且該導體管形成用於該信號傳輸線的屏蔽；以及該導體管的延伸，該延伸係當至少一該偶極組件藉由共模激發所激發時形成具 有單極輻射場型的單極組件；該複合式天線從而能透過該差模激發及共模激發二者之應用而組合該單極及偶極輻射場型。
進一步之特徵提供該導體管係直圓柱形導體管，且該單極組件係藉由該圓柱形管已折回其自身上之的延伸而形成。
在一實施例中，該圓柱形管的延伸係折回其自身上且通常延伸平行於該圓柱形導體管，而該偶極臂係圓柱形組件。
在一不同的實施例中，該圓柱形管的延伸係折回其自身上且從該圓柱形導電屏蔽向外張開以形成圓錐形截面，且各該偶極臂係由朝向其自由端變寬的片材所製成，以形成通常為扇形偶極臂。
進一步之特徵提供各該偶極組件之各臂的長度係等於該導體管形成該單極組件的該延伸垂直於該偶極組件所測量的高度，以從而確保該偶極輻射場型及單極輻射場型發生在相同頻率。
進一步之特徵提供該導體管係連接至地平面，且各該偶極組件之該二個臂係通常共線並沿共同平面之相反方向延伸。
進一步之特徵提供該複合式天線包含具有對彼此垂直延伸之臂的二個偶極組件，該二個偶極組件及該單極組件從而形成在三個交互垂直方向延伸之三個輻射組件。
進一步之特徵提供四個信號傳輸線各連接該二個偶極組件之該些臂的其中之一，且對於連接各該偶極組件之該對信號傳輸線係為耦接至具有差模及共模的180°混成耦合器。
進一步之特徵提供混成耦合器同時以四個正交橫向電磁激發模式激發該二個偶極組件。
進一步之特徵提供波束形成之權重係施加至該四個正交激發模式，以便電子形塑該複合式天線之視野。
進一步之特徵提供該波束形成之權重係施加至該四個正交激發模式，使該複合式天線之視野涵蓋係近似半球形視野。
本發明延伸至包括以預定場配置之如前所述安排的多個多模式複合式天線之天線陣列。
本發明進一步延伸至包括如前所述之天線陣列的無線電望遠鏡，其中，掃瞄方向可藉由電子形塑該複合式天線之視野所控制而不需要該複合式天線得以移動。
10‧‧‧天線
12‧‧‧第一偶極組件
12A、12B、14A、14B‧‧‧臂
14‧‧‧第二偶極組件
16A、16B、16C、16D‧‧‧信號傳輸線
18、108‧‧‧管
20、110‧‧‧套筒
22‧‧‧第一180°混成耦合器
22A、24A‧‧‧總和埠
24‧‧‧第二180°混成耦合器
22B、24B‧‧‧差分埠
100‧‧‧多模式複合式天線
102‧‧‧第一偶極組件
102A、102B、104A、104B‧‧‧臂
104‧‧‧第二偶極組件
105‧‧‧基板
106A、106B、106C、106D‧‧‧信號傳輸線
L1‧‧‧長度
L2‧‧‧高度
x、y、z‧‧‧軸
本發明將要藉由僅為範例之方式而參照所附表示在目前描述，其中：第1A圖係根據本發明之第一實施例的多模式複合式天線之三維視圖；第1B圖係第1A圖之天線的頂面視圖； 第1C圖係第1A圖之天線的剖示圖；第1D圖係顯示具有四個信號傳輸線的第1A圖之天線的一部分的底視圖；第2圖係顯示二個混成耦合器至信號傳輸線的連接的示意性概要圖；第3A至3D圖係來自偶極組件及單極組件之分離激發所導致之遠場輻射場型；第4A至4D圖係對於四個正交橫向電磁(TEM)激發模式的激發場分布；第5A至5D圖係對應第4A至4D圖之激發場分布的遠場輻射場型；第6A圖係從混成耦合器之一的差模激發所導致之輻射近場分布；第6B圖係從混成耦合器之一的共模激發所導致之輻射近場分布；第7圖係顯示對於共模激發及差模激發之180度角上的遠場分布圖；第8圖係顯示當用於半球形視野之各掃描角度之最大增益的波束形成時該半球形視野上的複合式天線之增益的簡圖；第9圖係顯示當確保半球形視野上的近軸對稱增益之波束形成時半球形視野上的複合式天線之增益的簡圖；第10A圖係根據本發明之第二實施例的多模式複合式天線之三維視圖； 第10B圖係第10A圖之天線的頂面視圖；第10C圖係第10A圖之天線的剖示圖；第10D圖係顯示具有四個信號傳輸線的第10A圖之天線的一部分的底視圖；第11A圖係由差模激發所導致之第10A圖的天線之輻射近場分布；第11B圖係由共模激發所導致之第10A圖的天線之輻射近場分布；第12圖係根據本發明之多模式複合式天線之陣列的範例場配置佈局；以及第13圖係顯示當波束形成以確保在半球形視野上的近軸對稱增益時的半球形視野上的第12圖之多模式複合式天線陣列的增益之概略圖
第1A至1C圖說明根據本發明第一實施例的多模式複合式天線(10)。天線(10)係包含各具有沿共同平面之相反方向延伸之共線臂對(12A、12B、14A、14B)的第一偶極組件(12)及第二偶極組件(14)。在此實施例中，該些臂係圓柱形之導電組件，且第一偶極組件(12)之臂(12A、12B)係垂直延伸於第二偶極組件(14)之臂(14A、14B)。
最清楚地顯示於第1D圖中，各偶極臂係連接至分別之信號傳輸線(16A、16B、16C、16D)。該四個信號傳輸線在形成用於該些信號傳輸線之屏蔽的導電正圓柱管(right cylindrical tube)(18)內延伸。如第1C圖中最清楚 所顯示地，圓柱管(18)具有已折回其自身上的延伸，以形成與導體管(18)平行延伸之外套筒(20)。導體管(18)係連接至地平面(未顯示)。較佳地，如第1C圖中所顯示，各偶極組件(12)之各臂的長度(L1)係等於該導體管之延伸的高度(L2)，而該導體管之延伸的高度(L2)形成如對於該偶極組件所垂直地測量之單極組件，以從而確保偶極輻射圖案及單極輻射圖案發生在相同頻率。
如將在本文中所解釋的，當四個信號傳輸線(16A、16B、16C、16D)係藉由差模激發所激發時，該二個偶極組件(12、14)實現地面上偶極輻射場型(dipole-over-ground radiation pattern)。當藉由共模激發所激發時，導電套筒(20)形成具有單極輻射場型的單極組件。一併地，二個偶極組件及一個單極組件形成三個相互垂直的輻射組件。藉由施加差模激發及共模激發二者，多模式複合式天線(10)得以結合單極及偶極輻射場型，從而達成近似半球形視野。
第2圖係藉由可各自單獨或組合激發之三個垂直輻射組件的手段以顯示四個信號傳輸線(16A、16B、16C、16D)連接第一、二180°混成耦合器(22、24)的示意性說明。各混成耦合器係具有總和埠(22A、24A)及差分埠(22B、24B)，且具有藉由信號傳輸線(16A、16B、16C、16D)之方式將該些偶極組件之一的各臂連接至各混成耦合器的二個輸出。混成耦合器以下列方式工作：當在適配負載中總和埠(22A、24A)激發且差分埠(22B、24B)被端接 (terminated)時，混成耦合器之輸出係同相位。當在適配負載中差分埠(22B、24B)激發且總和埠(22A、24A)被端接時，輸出係異相位。
該二個混成耦合器可用以分別激發各偶極組件及單極組件。假設有三軸x、y和z，而z係垂直於地平面，且第一偶極(12)具有連接第一偶極(12)之信號傳導至第一混成耦合器(22)之沿x軸延伸的其二個臂(12A、12B)。在保持該二個耦合器之其它三個埠(22A、24A、24B)被端接於它們的特性阻抗之同時，激發第一混成耦合器(22)之差分埠(22B)，將該第一偶極(12)之二個臂(12A、12B)激發成異相位導致如第3A圖中顯示之標準地面上偶極輻射場型。該近場分布引起第6A圖中所顯示的此種輻射場型。類似地，在保持其它三個埠(22A、22B、24A)端接於它們的特性阻抗之同時，激發第二混成耦合器(24)之差分埠(24B)將該第二偶極(14)之二個臂(14A、14B)激發成異相位導致如第3B圖中顯示之輻射場型。
僅激發第一混成耦合器(22)之總和埠(22A)使第一偶極(12)之二臂(12A、12B)激發成同相位，這導致如第6B圖中顯示之近場分布及如第3C圖中顯示之單極輻射場型的遠場輻射場型。而類似地，僅激發第二混成耦合器(24)之總和埠(24A)使第二偶極(14)之二個臂(14A、14B)激發成同相位，這導致如第3D圖中顯示之單極輻射場型的輻射場型。
將因此而理解的是，藉由單獨激發該二個 混成耦合器的四個埠之一，可產生顯示在第3A至3D圖中之四個不同輻射場型，其中二者係地面上偶極輻射場型，且二者為單極輻射場型。第7圖顯示沿x軸與z軸之間的角度所繪示之第3A及3C圖之偶極及單極輻射場型的圖像。
在某些應用中，所期望的是同時激發全部四個信號傳輸線，而不是單獨地。藉由使用四個正交橫向電磁(TEM)激發模式且線性組合它們，可實現如第3A至3D圖所示意的相同輻射場型。所要求該四正交TEM激發模式，以達到分別如第4A至4D圖中所顯示之TEM1至TEM4。顯示在第3A至3D圖中之各輻射場型可以如下之該四個正交TEM激發模式TEM1至TEM4的線性組合實現：˙第3A圖之激發場型=TEM1+TEM2˙第3B圖之激發場型=TEM1-TEM2˙第3C圖之激發場型=TEM3-TEM4˙第3D圖之激發場型=TEM3+TEM4其中：˙TEM1係於該總和埠端接於適配負載時，藉由將二個混成耦合器之差分埠同時激發為同相位所產生；˙TEM2係於該總和埠端接於適配負載時，藉由將二個混成耦合器之差分埠激發為異相位所產生；˙TEM3係以該差分埠端接於適配負載，藉由將二個混成耦合器之總和埠激發為同相位所產生；以及˙TEM4係以該差分埠端接於適配負載，藉由將二個混成 耦合器之總和埠激發為異相位所產生。
藉由施加複雜波束形成(beam-forming)權重至該四個正交激發模式(TEM1至TEM4)，可形塑複合式天線之視野。第8圖係顯示當用於半球形視野的各掃描角度之最大增益的波束形成時該半球形視野上的複合式天線之增益的簡圖。第9圖係顯示當確保半球形視野上的近軸對稱增益之波束形成時半球形視野上的複合式天線之增益的簡圖。
由於該四個橫向激發模式之正交本質，天線可藉由波束形成各激發模式而使用作為掃描天線之單一組件。在地平面之存在中，近半球形視野涵蓋可藉由施加複雜波束形成權重至各激發模式而得到。
複合式天線可用於無線通訊網絡而整合至微基地台收發器(BTS)中，或者如四埠多輸入及多輸出(MIMO)天線，都在視線(line-of-sight)及充足等向多路徑(RIMP)兩者的環境中。在可能起因於多路徑效應而仍能截獲從各種方向及極化方向的信號同時，該天線可安裝在牆上，以便維持高資料傳輸率。該天線藉由該多正交激發模式而多樣化達到在多路徑MIMO應用中允許對應單一多模式天線的使用。
當相比於現有的天線設計，例如印刷基板的天線設計，複合式天線的配置允許更對稱的設計。本發明之天線展示相比於雙極化天線之在天線極化性能的改進。
第10A至10C圖顯示根據本發明之第二實施例的多模式複合式天線(100)，其具有相較於第1A至1C圖之天線為改進的操作帶寬。複合式天線(100)包含各具有沿共同平面之相反方向延伸之共線臂對(102A、102B、104A、104B)的第一及第二偶極組件(102、104)。在此實施例中，各臂係由朝向自由末端變寬從而形成通常為扇形偶極臂的片材製成。該扇形偶極臂可製作成固態金屬板，或者在本實施例所說明地，可印刷在基板(105)上。第一偶極組件(102)之該些臂(102A、102B)係垂直延伸於第二偶極組件(104)之該些臂(104A、104B)。如第10C圖所顯示，各偶極組件(102)之各臂的長度(L1)係等於如垂直該偶極組件所測量之形成單極組件的導體管之延伸的高度(L2)，以從而確保偶極輻射場型及單極輻射場型發生在相同頻率。
最清楚地顯示於第10D圖中，各偶極臂係連接於分開之信號傳輸線(106A、106B、106C、106D)。該四個信號傳輸線在形成用於該些信號傳輸線之屏蔽的導電直圓柱管(108)內延伸。圓柱管(108)具有已折回其自身上以形成外套筒(110)的延伸。在本實施例中，外套筒(110)從圓柱管(108)向外張開，以形成圓錐形截面，如第10C圖所顯示。
如第1A至1C圖之實施例中，多模式複合式天線(100)之偶極組件(102、104)及單極套筒(110)可使用四個信號傳輸線(106A、106B、106C、106D)而單獨激發。由說明於第11A圖中的至少一偶極組件之差模激發所導致 的近場分布，且由說明於第11B圖中的至少一偶極組件之共模激發所導致的近場分布，以便形成單極輻射場型。藉由施加相同之四個正交TEM模式，可得到寬帶近半球形視野。
迄今所描述之二個多模式複合式天線可由不同的尺寸及配置下為不同的應用製成。下面的表1說明用於多模式複合式天線之四個範例的應用，且一併說明各天線之寬度(即偶極組件之二個臂的組合長度)及如垂直地測量於該偶極組件之天線的高度。它亦顯示天線之近似帶寬及所說明之二個實施例中何者係推薦適於應用。標題「應用」下方之首字母縮寫詞對於無線電信領域之所屬技術領域中具有通常知識者而言為習知的。GSM代表全球移動通信系統且係一種蜂巢電話技術。UMTS係通用行動通訊系統，WCDMA係寬帶碼分多址，且LTE係長期演進。當然，存在許多其它的應用，且本發明不限於任何這些應用。
而任一所描述之實施例的多模式複合式天線可用作一單一天線，也可佈置成包括佈置在預定場配置中的多個天線的天線陣列。第12圖顯示用於多模式複合式天線之陣列的範例場配置。所說明之場配置係基於96個組件的陣列且排成不規則配置。該配置係基於現有的如LOFAR(低頻陣列)所演示相位天線陣列的無線電望遠鏡且係選為能與單純差分(即基於偶極子)之現存天線分別的天線陣列。第12圖之場配置係設計用以在VHF(特高頻)帶觀測。在本說明中，改變天線之大小以達到55MHz的諧振頻率，其要求天線的高度近似1.3公尺且寬度(即二個天線臂的長度)約2.6公尺。藉由如之前描述的施加複雜波束形成權重至該四個正交激發模式(TEM1至TEM4)，天線陣列的 增益可在各掃描角最大化。第13圖係顯示當波束形成以確保在半球形視野上的近軸對稱增益時的半球形視野上的第12圖之多模式複合式天線陣列的增益之概略圖。該陣列配置實現近軸對稱增益場型變化小於5dB於半球形視野上。這在視野涵蓋中的改進係相較於現存天線陣列。可發現單獨天線之四個基本激發模式之間的相互耦合係非常低的，對於所有激發模式都低於-15dB。
該天線陣列可在無線電天文學應用中找到特定應用。在這樣的應用中，該天線陣列係用作可藉由電子形塑複合式天線之視野而不需要為了用於天線之實體移動及追踪目標的可能而實行在特定方向一路向下掃瞄到地平線的無線電望遠鏡。
本發明不限定於所描述實施例，且各種修飾係涵括於本發明的範疇之內。舉例而言，該複合式天線不需要僅有二個偶極組件，但可含括三、四個或任何更多的偶極組件數目。導體管之延伸不需要藉由將管折疊回其本身而形成，但可為當偶極組件係由共模激發所激發時導致單極輻射場型的任何其它延伸種類。存在針對構建之材料的眾多選擇及針對激發該偶極組件的眾多手段。
除非內容要求，整篇說明書及申請專利範圍的單字「包括(comprise)」或如「包括(comprises)」或「包括(comprising)」將理解成暗示含括所述整數或整數組，但不排除任何其它整數或整數組。

Claims (13)

  1. 一種多模式複合式天線，係包括：至少二偶極組件，各該偶極組件係具有二個臂，該些臂具有連接各該臂之信號傳輸線，該些偶極組件能藉由至少一差模激發而激發，以實現偶極輻射場型；導體管，該信號傳輸線係延伸於該導體管中，且該導體管形成用於該信號傳輸線的屏蔽；以及該導體管的延伸，該延伸係當至少一偶極組件藉由共模激發所激發時形成具有單極輻射場型的單極組件；該複合式天線從而能透過該差模激發及共模激發二者之應用而組合單極及偶極輻射場型。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多模式複合式天線，其中，該導體管係直圓柱形導體管，且該單極組件係藉由該圓柱形管已折回其自身上的延伸而形成。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之多模式複合式天線，其中，該圓柱形管的該延伸係折回其自身上且通常延伸平行於該圓柱形導體管，而該偶極臂係圓柱形組件。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之多模式複合式天線，其中，該圓柱形管的該延伸係折回其自身上且從該圓柱形導電屏蔽向外張開以形成圓錐形截面，且各偶極臂係由朝向其自由端變寬的片材所製成，以形成通常為扇形偶極臂。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之多模式複合式天線，其 中，各偶極組件之各臂的長度係等於該導體管形成該單極組件的該延伸垂直於該偶極組件所測量的高度，以從而確保該偶極輻射場型及單極輻射場型發生在相同頻率。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之多模式複合式天線，其中，該導體管係連接至地平面，且各偶極組件之該二個臂係通常共線並沿共同平面朝相反方向延伸。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之多模式複合式天線，其中，該複合式天線包含具有彼此垂直延伸之臂的二個偶極組件，該二個偶極組件及該單極組件形成朝三個相互垂直方向延伸之三個輻射組件。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之多模式複合式天線，其中，有四個信號傳輸線各連接至該二個偶極組件之該些臂的其中一者，且連接各偶極組件之該對信號傳輸線係耦接至具有差模及共模的180°混成耦合器。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之多模式複合式天線，其中，該180°混成耦合器同時以四個正交橫向電磁激發模式激發該二個偶極組件。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之多模式複合式天線，其中，波束形成之權重係施加至該四個正交激發模式，以便電子形塑該複合式天線之視野。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之多模式複合式天線，其中，該波束形成之權重係施加至該四個正交激發模式，如此該複合式天線之視野涵蓋係近似半球形視野。
  12. 一種天線陣列，包括多個以預定場組構而配置之如申請專利範圍第1項所述的多模式複合式天線。
  13. 一種無線電望遠鏡，包括如申請專利範圍第12項所述之天線陣列，其中，掃瞄方向可藉由電子形塑該複合式天線之視野所控制而不需要該複合式天線可以移動。
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