專利名稱：多波束天線的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多波束天線系統(tǒng)，特別是可以用在無(wú)線通信的背景下的多波束天線系統(tǒng)，更特別的是在電磁波的傳播條件因多條路徑而嚴(yán)重惡化的無(wú)線家庭網(wǎng)絡(luò)中的多波束天線系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
對(duì)于諸如無(wú)線家庭網(wǎng)絡(luò)、智能網(wǎng)絡(luò)或類似類型網(wǎng)絡(luò)之類的新興應(yīng)用，作為能夠?qū)⑤椛涔β始性诳臻g的特定方向的天線的定向天線(directive antenna)的使用被證明特別有吸引力。但是，物理定律迫使天線有一個(gè)最小尺寸，隨著天線更定向或隨著它的工作頻率降低，這個(gè)尺寸變得更加重要。
直到目前為止，定向天線的使用仍然局限于工作在極高頻上、往往具有固定波束、 和不具有諸如雷達(dá)應(yīng)用或衛(wèi)星應(yīng)用的那些之類的尺寸約束的應(yīng)用。因此，對(duì)于這些應(yīng)用類型，已知有生成多個(gè)波束但由往往復(fù)雜并且昂貴的許多模塊組成的天線設(shè)備。相反，稱為反向天線(retrodirective antenna)的天線設(shè)備使定向波束能夠在空間的優(yōu)先方向非常簡(jiǎn)單地形成。反向天線網(wǎng)絡(luò)基于網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)天線接收具有特征路徑長(zhǎng)度差，也就是說(shuō)，不同相位的源的入射信號(hào)的事實(shí)。這種相差是發(fā)射源的方向特征。事實(shí)上，為了沿著源的該方向發(fā)射要發(fā)送的信號(hào)，發(fā)送時(shí)每個(gè)天線之間的相差與接收時(shí)每個(gè)天線之間的相差相反，以便預(yù)測(cè)返回路徑上的路徑長(zhǎng)度差就足夠。
在反向天線當(dāng)中，最知名的網(wǎng)絡(luò)是稱為“Van-Atta”網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)，1959年10月6日的美國(guó)專利Nr 2908002對(duì)它作過(guò)顯著描述。如圖1所示，Van-Atta型反向網(wǎng)絡(luò)由相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的中心軸Oy對(duì)稱的許多輻射元件la、lbja、2b、3a、3b構(gòu)成。經(jīng)由具有相等電長(zhǎng)度的傳輸線路(transmission line) 1、2、3，這些輻射元件成對(duì)連接，輻射元件Ia與輻射元件Ib 連接，輻射元件加與輻射元件2b連接，輻射元件3a與輻射元件北連接，這些天線相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的中心軸是對(duì)稱相對(duì)的。在這種情況下，傳輸線路引起的相差因此在所有輻射元件上都是相同的，以及兩個(gè)連續(xù)輻射元件之間的相差在接收信號(hào)時(shí)和在發(fā)送反向到最近符號(hào)的信號(hào)時(shí)是相同的。因此，發(fā)送網(wǎng)絡(luò)的輻射元件的信號(hào)之間的相差與接收網(wǎng)絡(luò)的輻射元件的信號(hào)之間的相差相反。因此獲得發(fā)送信號(hào)的反向性(retro-directivity)。
但是，這種方法具有一定數(shù)量的明顯缺點(diǎn)。為了獲得信號(hào)的反向性，入射波的前沿必須是平直的。另外，天線網(wǎng)絡(luò)必須是平直的或相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中心或多或少是對(duì)稱的。由于入射波的前沿必須是平直的，所以有必要將輻射元件的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置在遠(yuǎn)離發(fā)送源的場(chǎng)區(qū)中。作為結(jié)果，直到現(xiàn)在為止，Van-Atta型網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已經(jīng)僅僅是衛(wèi)星或雷達(dá)型應(yīng)用。
作為對(duì)這些類型反向網(wǎng)絡(luò)所作的研究的結(jié)果，本發(fā)明提出了使用輻射元件的網(wǎng)絡(luò)的原理生成可以用在無(wú)線通信中的多波束天線系統(tǒng)，尤其在無(wú)線家庭網(wǎng)絡(luò)中或在經(jīng)由無(wú)線鏈路通信的對(duì)等型網(wǎng)絡(luò)中，更特別的是，在MIMO(多輸入多輸出)系統(tǒng)的范圍中，而且在具有與以定向天線工作的處理系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的單個(gè)天線的天線系統(tǒng)中。發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是包含N個(gè)輻射元件的網(wǎng)絡(luò)的多波束天線系統(tǒng)，N是偶整數(shù)， 該網(wǎng)絡(luò)的元件經(jīng)由傳輸線路兩個(gè)兩個(gè)地連接，其特征在于，它包含M個(gè)輻射源，M是大于或等于1的整數(shù)，該輻射源每一個(gè)都處在離網(wǎng)絡(luò)中心的距離為L(zhǎng)i的位置上，使得距離Li嚴(yán)格小于稱為遠(yuǎn)場(chǎng)的場(chǎng)的距離，以及i從1變化到M。遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)的概念具體描述在如下文章中〈〈Radiating Zone Boundaries of Short λ/2and λ Dipoles〉〉，IEEE Antennas and Propagation Magazine vol. 46，No. 5，2004年10月。因此，對(duì)于相對(duì)波長(zhǎng)的小尺寸源，距離Li小于1.6λ，其中λ是工作頻率上的波長(zhǎng)(在空氣中，λ = Xci，并且在不同媒體中λ=入g，使得七唭中、和Pr是媒體的電容率和磁導(dǎo)率)。
按照一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，該網(wǎng)絡(luò)的元件經(jīng)由具有相同電長(zhǎng)度的傳輸線路兩個(gè)兩個(gè)地對(duì)稱連接，并且輻射源的數(shù)量嚴(yán)格大于1。優(yōu)選的是，在MIMO系統(tǒng)的范圍中，輻射源的數(shù)量等于MIMO系統(tǒng)的輸入數(shù)量。
按照另一個(gè)實(shí)施例，該多波束天線系統(tǒng)包含一個(gè)輻射源，以及波束的方向性通過(guò)將使得線路的相差能夠被修改的有源電路集成到至少一條傳輸線路中來(lái)獲得。例如，有源電路可以是描述在2010年11月23日以THOMSONLicensing(湯姆森特許公司)的名稱提交的法國(guó)專利申請(qǐng)第095擬82號(hào)中的那些的類型的混合耦合器或?yàn)V波器。
按照另一個(gè)實(shí)施例，將引入恒定相差和使得頻率濾波成為可能的無(wú)源濾波器引入兩個(gè)兩個(gè)地連接網(wǎng)絡(luò)元件的傳輸線路中，從而使得能夠，例如在接收時(shí)，改善噪聲抑制，或在發(fā)送時(shí)，減少來(lái)自輻射源的寄生輻射。
按照本發(fā)明的不同實(shí)施例，該網(wǎng)絡(luò)的輻射元件由從單極子、貼片、縫隙、喇叭形天線或類似元件當(dāng)中選擇的元件構(gòu)成。同樣，該輻射源也由從單極子、偶極子、貼片、縫隙、喇叭形天線或類似元件當(dāng)中選擇的源構(gòu)成。
按照一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，在將單極子用作網(wǎng)絡(luò)的輻射元件的情況下，該單極子具有d =λ/4的尺寸，其中λ是工作頻率上的波長(zhǎng)。另外，每個(gè)輻射元件的距離是λ/4的倍數(shù)， 其中λ是工作頻率上的波長(zhǎng)。顯然，可以不偏離本發(fā)明的范圍地考慮其它距離。
另外，當(dāng)該系統(tǒng)含有幾個(gè)輻射源時(shí)，按照一個(gè)實(shí)施例，該輻射源之一按照輻射元件網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱軸來(lái)放置，其它源偏移θ i角度，i從2變化到Μ。按照另一個(gè)實(shí)施例，該源相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的中心軸是對(duì)稱的，并且偏移θ i角度，i從2變化到M。


本發(fā)明的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)隨著閱讀如下對(duì)幾個(gè)實(shí)施例的描述而出現(xiàn)，該描述是參考附圖作出的，在附圖中
已經(jīng)描述過(guò)的圖1是Van Atta型反向網(wǎng)絡(luò)的示意性表示；
圖2A是依照本發(fā)明的多波束天線系統(tǒng)的第一實(shí)施例的示意性透視圖，圖2B代表圖2A的多波束天線系統(tǒng)的放大部分；
圖3示出了針對(duì)網(wǎng)絡(luò)元件之間的距離的第一數(shù)值和按照使用的源，諸如在圖2中示出的源之類的多波束系統(tǒng)的輻射圖案；
圖4示出了針對(duì)網(wǎng)絡(luò)元件之間的距離的第二數(shù)值和按照使用的源，諸如在圖2中示出的源之類的第二實(shí)施例的輻射圖案；
圖5是本發(fā)明第二實(shí)施例的示意性透視圖6A和6B用3D示出了按照使用的源的圖5的實(shí)施例的輻射圖案；以及
圖7A和7B示出了按照?qǐng)D6A和6B的圖案的源的正交平面的2D橫截面。具體實(shí)施例
首先參考圖2、3和4對(duì)依照本發(fā)明的多波束天線系統(tǒng)的第一實(shí)施例加以描述。在與接地平面一起提供的大尺寸的基板10上，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)包含Van Atta型單極子和幾個(gè)源的網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)，如下文更詳細(xì)所述，該單極子被設(shè)置在與源接近的場(chǎng)中。
在所示的實(shí)施例中，基板是長(zhǎng)度為L(zhǎng) = 4.6X的正方形，其中λ是工作頻率上的波長(zhǎng)(在空氣中，λ = λ0)ο如圖2Β更詳細(xì)所示，天線部分由在所示的實(shí)施例中由高度為 h λ。/4的單極子形成的4個(gè)元件11a、lib、12a和12b的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。單極子11a、1加、12b 和lib彼此相隔距離d，并且經(jīng)由在所示的實(shí)施例中是Van Atta型的用微帶技術(shù)實(shí)現(xiàn)的線路的網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)兩個(gè)地連接，也就是說(shuō)，連接兩個(gè)單極子的線路具有相同電長(zhǎng)度以獲得相同相位。更具體地說(shuō)，兩個(gè)外部單極子Ila和lib經(jīng)由線路11連接，而單極子1 經(jīng)由線路 12與單極子12b連接，整體相對(duì)于軸Oy是對(duì)稱的。
在上面表示的實(shí)施例中，已經(jīng)使用Van Atta型網(wǎng)絡(luò)，但是，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，顯然，也可以使用使得能夠控制返回到源的波束的方向的不同網(wǎng)絡(luò)。此外，所示的網(wǎng)絡(luò)元件是單極子。但是，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，明顯的是，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)也可以使用其它類型的元件，特別是，如下文所描述，貼片或縫隙。
依照本發(fā)明，幾個(gè)輻射源處在與單極子網(wǎng)絡(luò)相對(duì)離網(wǎng)絡(luò)的距離為L(zhǎng)i的位置上。距離Li以減小天線系統(tǒng)總尺寸的方式選擇。在本情況下，小于遠(yuǎn)場(chǎng)的距離。對(duì)于尺寸接近或小于波長(zhǎng)Utl)的天線，距離Li小于1.6 λ ^，其中λ ^是工作頻率上的波長(zhǎng)。因此，在圖2Β 中所示的實(shí)施例中，中心與對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱軸的軸Oy有關(guān)的第一源Sl處在離網(wǎng)絡(luò)中心的距離為L(zhǎng)的位置上，第二源S2處在離網(wǎng)絡(luò)中心的距離為L(zhǎng)Sl的位置上，以及第三源S3處在離網(wǎng)絡(luò)中心的距離為L(zhǎng)SI、相對(duì)于源Sl與S2對(duì)稱的位置上。作為結(jié)果，源Sl和S2相對(duì)于源S2偏移了 θ 角度。
在所示的實(shí)施例中，源Si、S2和S3由高度為λ 的單極子構(gòu)成。但是，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，很明顯，也可以考慮其它類型輻射源。為了獲得緊湊多波束天線系統(tǒng)而注重的條件之一是N個(gè)輻射元件的網(wǎng)絡(luò)位于與該一個(gè)或多個(gè)源接近的場(chǎng)區(qū)中。如果源具有接近或小于λ ^的尺寸，則這個(gè)條件是通過(guò)將源放置在包括在離網(wǎng)絡(luò)中心在XcJljLeXci 之間的距離上來(lái)達(dá)到，其中λ ^是工作頻率上的波長(zhǎng)。在相反情況下，遠(yuǎn)場(chǎng)的距離通過(guò)本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的公式2*D2/ λ 0來(lái)確定，其中D是天線的最大尺寸。
圖2Β的實(shí)施例已經(jīng)使用ANSYS公司的3D(HFSS)電磁模擬器作了模擬?？紤]到互耦，對(duì)網(wǎng)絡(luò)元件之間的偏離使用兩個(gè)不同值進(jìn)行模擬，即，對(duì)于第一實(shí)施例，d = λ 0/2,以及對(duì)于第二實(shí)施例，d= λ "4，而其它尺寸，S卩，距離L = 0.4 λ ^，距離LSl = λ ^和角度Θ1 =60°對(duì)于兩個(gè)實(shí)施例完全相同。
圖3示出了針對(duì)第一實(shí)施例獲得的結(jié)果，而圖4示出了針對(duì)第二實(shí)施例獲得的結(jié)果。
在這些圖中，激發(fā)的源用黑圓圈表示。當(dāng)一個(gè)源被激發(fā)時(shí)，它在方位角平面上以全向方式輻射。作為結(jié)果，該源照射網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)元件都捕獲到部分信號(hào)。這是朝著經(jīng)由相應(yīng)微帶線自身連接的元件的重新注入。所得圖案是源和網(wǎng)絡(luò)輻射的疊加。從圖3中可以注意到，該圖案按照激發(fā)源的位置沿著不同方向取向，這使得利用表示在圖2B中的系統(tǒng)獲得的多波束系統(tǒng)成為可能，這是因?yàn)楂@得網(wǎng)絡(luò)的定向輻射。這種輻射可以通過(guò)將有源部分插入網(wǎng)絡(luò)中來(lái)修改，以便使源的輻射最小化。源和網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)可以通過(guò)改變?cè)磁c網(wǎng)絡(luò)之間的距離(耦合+/_強(qiáng)度)來(lái)修改，但也可以在傳輸線路的層次上通過(guò)將例如雙向放大電路插入網(wǎng)絡(luò)中來(lái)修改。易于理解，作為結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)將具有比激發(fā)源更大的貢獻(xiàn)。隨著在鏈路中更上游的地方出現(xiàn)放大，這也提供了接收時(shí)與噪聲有關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。因此，這使整個(gè)設(shè)備的信噪比得到提高。
在第二實(shí)施例中，網(wǎng)絡(luò)的元件間距離較小。隨著源被放置在相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中心相同距離的位置上，網(wǎng)絡(luò)的極端元件之間的相位和幅度差因此而減小。將注意到，如圖4所示， 獲得的輻射圖案關(guān)于它們的方向性更加突出。事實(shí)上，如對(duì)于源S2和S3所示，獲得的最大輻射不是在源的方向上，而是在不同方向上。通過(guò)使用按照本發(fā)明的多波束天線系統(tǒng)，因此可以同時(shí)在優(yōu)先方向獲得多個(gè)波束。因此可以容易地將這個(gè)系統(tǒng)與MIMO型設(shè)備集成在一起，MIMO的每個(gè)輸入端與源Si、S2或S3之一連接或經(jīng)由波束選擇設(shè)備與之連接。
現(xiàn)在，我們將參考圖5到7描述本發(fā)明的不同實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，在由例如 3個(gè)導(dǎo)電層的？1 4(￡4 = 4.4，tan δ = 0. 02)類型的多層基板構(gòu)成的基板20上，產(chǎn)生了 4 個(gè)“貼片”型輻射元件的網(wǎng)絡(luò)。貼片21a、2h、22b、21b是印刷在基板上和在5. 7GHz的頻率上彼此相隔λ/2距離的半波貼片。如圖5所示，這些貼片經(jīng)由相同電長(zhǎng)度的傳輸線路21 和22兩個(gè)兩個(gè)地連接Qla和21b，2h和22b)。在所示的實(shí)施例中，傳輸線路經(jīng)由利用寬度2. 69毫米和厚度1. 4毫米的微帶技術(shù)生產(chǎn)的線路構(gòu)成。將它們安排在基板的兩側(cè)，以避免任何跨接，下側(cè)的線路經(jīng)由金屬化孔與網(wǎng)絡(luò)元件連接。
在圖5的實(shí)施例中，輻射源由在5. 7GHz的頻率上長(zhǎng)度為λ 0/2和直徑為1毫米的兩個(gè)偶極子23、24構(gòu)成。偶極子23、24處在離網(wǎng)絡(luò)中心的距離為1. 1 λ ^和相對(duì)于穿過(guò)網(wǎng)絡(luò)中心的法線角度為60°的位置上。
上面描述對(duì)天線系統(tǒng)的模擬使用與用于所描述的其它實(shí)施例相同的工具來(lái)進(jìn)行。 圖6Α和7Α示出了使用偶極子23時(shí)獲得的輻射圖案，而圖6Β和7Β示出了使用偶極子對(duì)時(shí)獲得的輻射圖案。在這些不同圖案上沿著所選的源的方向可以清楚地看到波束的角偏差。
因此，通過(guò)關(guān)聯(lián)靠近一個(gè)或幾個(gè)輻射源的電磁場(chǎng)中的Van Atta型或類似類型輻射元件的網(wǎng)絡(luò)，能夠構(gòu)建尤其可以顯著用在MIMO設(shè)備中的多波束系統(tǒng)，即使網(wǎng)絡(luò)的行為不是完全反向的，也同樣可以。
權(quán)利要求
1.一種包含N個(gè)輻射元件(11a，11b，12a，12b，21a，21b，22a，22b)的網(wǎng)絡(luò)的多波束天線系統(tǒng)，N是整數(shù)，該網(wǎng)絡(luò)的元件經(jīng)由傳輸線路(11，12 ；21,22)兩個(gè)兩個(gè)地連接，其特征在于， 它另外包含M個(gè)輻射源(Si，S2，S3 ；23，M)，M是大于或等于1的整數(shù)，該輻射源每一個(gè)都處在離網(wǎng)絡(luò)中心的距離為L(zhǎng)i的位置上，使得距離Li嚴(yán)格小于稱為遠(yuǎn)場(chǎng)的場(chǎng)的距離，以及i 從1變化到M。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波束天線系統(tǒng)，其特征在于，該網(wǎng)絡(luò)的元件經(jīng)由具有相同電長(zhǎng)度的傳輸線路兩個(gè)兩個(gè)地對(duì)稱連接，以及輻射源的數(shù)量嚴(yán)格大于1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波束天線系統(tǒng)，其特征在于，該多波束天線系統(tǒng)包含一個(gè)輻射源，以及波束的方向性通過(guò)將使得線路的相差能夠被修改的有源或無(wú)源電路集成到至少一條傳輸線路中來(lái)獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多波束天線系統(tǒng)，其特征在于，有源電路是從混合耦合器或?yàn)V波器當(dāng)中選擇的。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多波束天線系統(tǒng)，其特征在于，無(wú)源電路是無(wú)源濾波器。
6.根據(jù)前面權(quán)利要求之一所述的多波束天線系統(tǒng)，其特征在于，該網(wǎng)絡(luò)的輻射元件由從單極子、貼片、縫隙、或喇叭形天線當(dāng)中選擇的元件構(gòu)成。
7.根據(jù)前面權(quán)利要求之一所述的多波束天線系統(tǒng)，其特征在于，該輻射源由從單極子、 偶極子、貼片、縫隙、或喇叭形天線當(dāng)中選擇的源構(gòu)成。
8.根據(jù)前面權(quán)利要求之一所述的多波束天線系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)該系統(tǒng)含有幾個(gè)輻射源時(shí)，該輻射源之一根據(jù)輻射元件網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱軸來(lái)放置，其它源偏移角度，i從2變化到M。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到7的任何一項(xiàng)所述的多波束天線系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)該系統(tǒng)含有幾個(gè)輻射源時(shí)，該源相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的中心軸是對(duì)稱的，并且偏移θ i角度，i從2變化到M。
全文摘要
本發(fā)明涉及包含N個(gè)輻射元件(11a，11b)的網(wǎng)絡(luò)的多波束天線系統(tǒng)，N是偶整數(shù)，該網(wǎng)絡(luò)的元件經(jīng)由傳輸線路(11，12)兩個(gè)兩個(gè)地連接。該系統(tǒng)另外還包含M個(gè)輻射源(S1，S2，S3)，M是大于或等于1的整數(shù)，該輻射源每一個(gè)都處在離網(wǎng)絡(luò)中心的距離為L(zhǎng)i的位置上，使得距離Li嚴(yán)格小于稱為遠(yuǎn)場(chǎng)的場(chǎng)的距離，以及i從1變化到M。這個(gè)系統(tǒng)顯著地可以用在MIMO設(shè)備中。
文檔編號(hào)H01Q3/30GK102544772SQ201110404930
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者A.洛齊爾, D.洛西恩童, J-F.平托斯 申請(qǐng)人:湯姆森特許公司