專利名稱：輻射電纜對(duì)車載通信系統(tǒng)的天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用與移動(dòng)車載天線進(jìn)行通信的輻射電纜天線的通信系統(tǒng)，特別是涉及一種適用于與固定輻射電纜天線進(jìn)行通信的改進(jìn)的車載天線。
各種各樣的技術(shù)和裝置已用于滿足車載通信系統(tǒng)的需要。例如在包括固定天線的用來與多個(gè)移動(dòng)天線進(jìn)行通信的車載通信系統(tǒng)中，就采用了一種把輻射電纜天線作為該系統(tǒng)的固定部分并把偶極子天線作為該系統(tǒng)的移動(dòng)部分的技術(shù)。通常，輻射電纜天線由具有用介質(zhì)材料分離開的內(nèi)外導(dǎo)體的“泄漏”同軸電纜構(gòu)成，其中外導(dǎo)體開有連續(xù)的槽或沿電纜縱方向延伸的一排孔。在包括一排孔的電纜中，每一波長(zhǎng)設(shè)置多個(gè)孔，以便從物理意義上接近于一個(gè)連續(xù)的槽。在這兩種情況下，都是用槽或孔來把電纜內(nèi)輻射的電磁信號(hào)耦合輻射到電纜外面成為電磁場(chǎng)，這樣，電纜就能夠用來作為一個(gè)發(fā)射或接收電磁能量的分布天線。
由輻射電纜所波及的通信覆蓋面積取決于電纜的長(zhǎng)度、輻射信號(hào)沿電纜長(zhǎng)度的衰減以及輻射電纜與接收天線之間的傳輸效率(或其倒數(shù)“耦合損耗”)。通常，在車載通信系統(tǒng)中，為了波及相對(duì)較大的覆蓋面積，輻射電纜的長(zhǎng)度都相對(duì)較長(zhǎng)；信號(hào)的衰減與電纜的長(zhǎng)度成正比。典型的情況是，為了保證沿電纜的整個(gè)長(zhǎng)度有所要求的信號(hào)強(qiáng)度，就要用沿電纜長(zhǎng)度設(shè)置的多級(jí)放大器來放大信號(hào)。因?yàn)檫@些放大器非常昂貴，所以，對(duì)于車載通信系統(tǒng)來說，減少所需要的放大器的數(shù)量非常有利于輻射電纜的設(shè)計(jì)和成本的降低。提高輻射電纜和接收天線之間的傳輸效率(即降低耦合損耗)而不過份增大電纜衰減就能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。
對(duì)車載通信系統(tǒng)的輻射電纜極為有利的另一種考慮是改善接收信號(hào)電平的一致性。在采用偶極子天線作為該系統(tǒng)的移動(dòng)部分的情況下，已經(jīng)確定隨車輛小的移動(dòng)，偶極子所接收到的信號(hào)大約能夠變化7到9dB。這種相應(yīng)于車輛小的移動(dòng)而接收信號(hào)電平的大的變化必須使用具有大動(dòng)態(tài)范圍和快速時(shí)間相應(yīng)的接收機(jī)，并且將會(huì)促使被發(fā)送的信息的劣化。
鑒于上述的情況，對(duì)于車載通信系統(tǒng)來說，就必須提高固定輻射電纜天線和移動(dòng)接收天線之間的傳輸效率，而不過份增大電纜衰減，由此來減低系統(tǒng)中所需要的放大器的數(shù)量。另外，系統(tǒng)還必須保持接收信號(hào)電平相應(yīng)于車輛小的移動(dòng)不發(fā)生明顯的變化。本發(fā)明就是針對(duì)上述的每種需要而提出的方案。
按照本發(fā)明的一個(gè)方案，提供一種車載通信系統(tǒng)中用來與固定輻射電纜天線進(jìn)行通信的開槽陣列天線。該輻射電纜天線適用于響應(yīng)輻射電纜天線的激勵(lì)而產(chǎn)生具有第一特征相位波前的輻射場(chǎng)。該開槽陣列天線能夠運(yùn)行在發(fā)射模式或接收模式下，該開槽陣列天線由一個(gè)內(nèi)導(dǎo)體、圍繞該內(nèi)導(dǎo)體的介質(zhì)材料和一個(gè)外導(dǎo)體構(gòu)成，該外導(dǎo)體具有用來使電磁輻射通過的多個(gè)第一孔。這些孔沿開槽陣列天線的長(zhǎng)度按預(yù)定的關(guān)系定位，以便在按照發(fā)射模式運(yùn)行時(shí)能夠產(chǎn)生具有由所述孔的位置決定的第二相位波前的輻射場(chǎng)。在接收模式下運(yùn)行時(shí)，該開槽陣列天線沿該第二相位波前耦合輻射場(chǎng)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第二相位波前基本上平行于第一相位波前。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方案，提供一種由固定輻射電纜天線和移動(dòng)開槽陣列天線構(gòu)成的在規(guī)定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行通信的通信系統(tǒng)。該輻射電纜天線包括一個(gè)帶有用來使電磁輻射通過的多個(gè)第一孔的外導(dǎo)體，這些孔沿輻射電纜天線的長(zhǎng)度按預(yù)定的關(guān)系定位，以便響應(yīng)輻射電纜天線的激勵(lì)而產(chǎn)生具有第一特征相位波前的輻射場(chǎng)。開槽陣列天線基本上平行于輻射電纜天線，并包括一個(gè)帶有用來使電磁輻射通過的多個(gè)第二孔的外導(dǎo)體，這些孔沿開槽陣列天線的長(zhǎng)度按預(yù)定的關(guān)系定位，以便響應(yīng)開槽陣列天線的激勵(lì)而產(chǎn)生具有第二特征相位波前的輻射場(chǎng)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第二相位波前基本上平行于第一相位波前。
參照附圖所進(jìn)行的如下的詳細(xì)說明將使本發(fā)明的上述優(yōu)點(diǎn)和其他優(yōu)點(diǎn)更加清楚。
附圖簡(jiǎn)要說明

圖1是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的輻射電纜到車載通信系統(tǒng)的透視圖；圖2a是可以用于按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的輻射電纜到車載通信系統(tǒng)的開槽陣列天線的側(cè)視圖2b是圖2a所示的開槽陣列天線的橫截面圖；圖3是說明按照本發(fā)明的原理進(jìn)行發(fā)射天線和接收天線的相位波前匹配的輻射電纜到車載通信系統(tǒng)的頂面圖；圖4表示可以用于按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的輻射電纜到車載通信系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)；圖5a和5b是按照本發(fā)明的不同實(shí)施例的運(yùn)行在一個(gè)分集系統(tǒng)中的開槽陣列天線的方框圖；圖6是用于得到關(guān)于按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的輻射電纜到車載通信系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)試裝置的方框圖；圖7是使用圖6的測(cè)試裝置所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線圖。
已經(jīng)按照附圖以舉例的方式表示了特定的實(shí)施例并將要作詳細(xì)的描述，然而，本發(fā)明能夠作出各種改型和替換形式。但是，應(yīng)該理解本發(fā)明并不被限定于所公開的特定形式，而是本發(fā)明將覆蓋落入權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的宗旨和范圍內(nèi)的所有的改型、等同形式以及替換形式。
現(xiàn)在返回到附圖，并首先參照?qǐng)D1，標(biāo)號(hào)10表示包括輻射電纜天線12和開槽陣列天線14的車載通信系統(tǒng)，輻射電纜天線12構(gòu)成系統(tǒng)的固定部分，被安裝在高速公路、鐵路或地鐵的隧道或開敞路段內(nèi)。開槽陣列天線14構(gòu)成系統(tǒng)的移動(dòng)部分，安裝在沿高速公路、鐵路或地鐵行駛的各種車輛上。
可以理解互易性原理能使兩個(gè)天線12、14的任一個(gè)運(yùn)行在發(fā)射模式或接收模式下。例如在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，輻射電纜天線12被稱為發(fā)射電磁能量的輻射天線，而開槽陣列天線14被稱為接收電磁能量的接收天線。在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，開槽陣列天線14被稱為發(fā)射天線，而輻射電纜天線12被稱為接收天線。然而，通常希望兩種天線都不專門用作發(fā)射或接收，而希望兩種天線既能運(yùn)行于發(fā)射模式又能運(yùn)行于接收模式。
另外，因?yàn)樘炀€相對(duì)于它們的輻射特性更容易說明和理解，所以，不管他們是用作發(fā)射天線還是用作接收天線，如下的討論偶爾也用它們的輻射場(chǎng)、輻射圖形等來描述各個(gè)天線。盡管如此，還是可以知道這種描述一般不是指接收天線產(chǎn)生輻射場(chǎng)，而是耦合由發(fā)射天線根據(jù)互易性原理產(chǎn)生的場(chǎng)。
輻射電纜天線12是所屬技術(shù)領(lǐng)域中公知類型的天線，由具有內(nèi)導(dǎo)體16和由介質(zhì)材料(未示出)隔開的外導(dǎo)體18構(gòu)成的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的同軸電纜構(gòu)成。該外導(dǎo)體設(shè)置有沿電纜的長(zhǎng)度方向延伸的一排孔20a,20b,20c,…20n(或一條連續(xù)的槽)。為了使天線12運(yùn)行為一個(gè)發(fā)射天線，把射頻(RF)信號(hào)加到內(nèi)導(dǎo)體上，由此來激勵(lì)天線12，其頻率取決于要應(yīng)用天線12的通信用途。例如在把天線12用于列車通信系統(tǒng)的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，用2400-2480MHz的較窄的頻率范圍的RF信號(hào)來激勵(lì)天線12。天線12被激勵(lì)之后，產(chǎn)生按TEM模式沿電纜長(zhǎng)度傳播的電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)的導(dǎo)波波長(zhǎng)和傳播速度取決于激勵(lì)頻率以及電纜的尺寸和材料。
當(dāng)電磁場(chǎng)沿電纜傳播時(shí)，該場(chǎng)逐個(gè)遇到沿電纜長(zhǎng)度定位的各個(gè)孔20a,20b,20c,…20n，通常，每個(gè)孔以正比于導(dǎo)波波長(zhǎng)的距離與下一個(gè)孔相間隔，例如孔間間隔半波長(zhǎng)或四分之一波長(zhǎng)。這些孔也可以沿電纜的長(zhǎng)度間距不等。在這兩種情況下，信號(hào)沿電纜長(zhǎng)度的衰減都正比于電纜的長(zhǎng)度，并且，正比于從孔20a…20n的輻射信號(hào)量。因此，在電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)的情況下，就需要用放大器(未示出)沿電纜12的長(zhǎng)度來增強(qiáng)各個(gè)點(diǎn)的信號(hào)，以便把通過整個(gè)電纜長(zhǎng)度的輻射場(chǎng)維持在可容許的電平上。
當(dāng)沿電纜傳播的RF能量遇到一個(gè)孔時(shí)，一部分能量“泄漏”到大氣中去，由此而限定一個(gè)單獨(dú)的RF能量的“波”。RF能量的剩余部分繼續(xù)在電纜內(nèi)傳播，并逐個(gè)遇到其余的孔，由此而產(chǎn)生多個(gè)單獨(dú)的RF能量波。這些單獨(dú)的能量波都有助于在電纜外能由接收天線檢測(cè)到的輻射場(chǎng)，由這些孔泄漏出去的能量波的幅度從一個(gè)孔到下一個(gè)孔沒有明顯的變化，但是，其相位則相對(duì)于各個(gè)孔沿電纜的位置變化。
例如參照?qǐng)D3，在輻射電纜天線12內(nèi)傳播的RF能量S1將首先在時(shí)間t0遇到孔20a，并引起部分RF能量(用箭頭22a表示)泄漏到孔20a外面到大氣中；然后，在時(shí)間t1，經(jīng)輻射電纜天線12傳播的RF能量將遇到孔20b，并引起部分RF能量(用箭頭22b表示)泄漏到孔20b外面到大氣中；此后，在時(shí)間t2…tn,RF能量逐次遇到孔20c…20n,同樣地，把部分RF能量(用箭頭22c…22n表示)泄漏到外面到大氣中。每遇到下一個(gè)孔之間的時(shí)間間隔(t0,t1),(t1,t2)等由孔間的距離和電纜中RF信號(hào)傳播的速度來決定。
孔間的時(shí)間間隔引起從逐個(gè)的孔每個(gè)孔泄漏出來的能量波相互產(chǎn)生相位差。這些相位差用逐個(gè)箭頭22a…22n的長(zhǎng)度圖示于圖3上，箭頭的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于單獨(dú)的波的相對(duì)相位。例如最長(zhǎng)的箭頭22a代表從孔20a泄漏出來的能量波，次最長(zhǎng)箭頭22b的長(zhǎng)度比最長(zhǎng)的箭頭22a的長(zhǎng)度短，因?yàn)樗韽目?0a到20b的相位滯后，其余類推。由此，每個(gè)單獨(dú)波的相位的疊加就限定一個(gè)從輻射電纜天線12發(fā)射出來的輻射場(chǎng)的相位波前。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，由輻射電纜天線12產(chǎn)生的輻射場(chǎng)適宜于由安裝在有軌電車或汽車之類的車輛上的開槽陣列天線14接收，這樣，天線14的軸線就要平行于固定的輻射電纜天線12和地面。圖1表示了這種構(gòu)形，它帶有安裝在由有軌電車構(gòu)成的車輛16上的開槽陣列天線14。另外，在優(yōu)選實(shí)施例中，開槽陣列天線14沿基本平行于輻射電纜天線12的軸線的取向被安裝在該車輛16上。在優(yōu)選實(shí)施例中，車輛16適宜于沿基本平行于輻射電纜天線12的軸線方向運(yùn)動(dòng)。例如根據(jù)圖1，車輛16可以沿從A到B的畫線的兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，線AB基本平行于輻射電纜天線12。
開槽陣列天線14由具有園柱狀內(nèi)導(dǎo)體24和由介質(zhì)材料(未示出)隔開的外導(dǎo)體26構(gòu)成的長(zhǎng)度為l的電纜構(gòu)成。開槽陣列天線14的長(zhǎng)度l是便于安裝在車輛16上的尺寸。該外導(dǎo)體26包括沿天線的長(zhǎng)度方向延伸的縱向孔陣列30a,30b…30n。類似于輻射電纜天線12，開槽陣列天線14可以作為發(fā)射天線或接收天線運(yùn)行。其物理尺寸、槽數(shù)、槽間距離等大體是任意的。例如可以想象外導(dǎo)體26的直徑可以小到半英寸，大到6英寸，槽數(shù)可以從3個(gè)到15個(gè)變化。
在一個(gè)實(shí)施例中，在開槽陣列天線14后面(即在車輛16的安裝表面上)定位有一個(gè)反射器(未示出)。該反射器用來對(duì)天線14與車輛16及其后面的物體進(jìn)行去耦，以便減弱或消除來自車輛和/或物體的任何不利影響。當(dāng)天線14被用作發(fā)射天線時(shí)，該反射器在垂直于陣列的平面上產(chǎn)生一個(gè)寬的波束，該波束覆蓋面對(duì)接收天線12的車輛16的側(cè)面上的從地到頂?shù)慕嵌确秶?br> 為了用作一個(gè)發(fā)射天線，把所選頻率(如2400到2480MHz)的RF信號(hào)加到內(nèi)導(dǎo)體24上，來激勵(lì)開槽陣列天線14，這樣，來產(chǎn)生在內(nèi)外導(dǎo)體24、26之間沿天線14的長(zhǎng)度l傳播的電磁場(chǎng)。該電磁場(chǎng)的導(dǎo)波波長(zhǎng)和傳播速度取決于激勵(lì)頻率、天線14的尺寸和材料。在電磁場(chǎng)沿電纜傳播時(shí)，會(huì)逐個(gè)地遇到定位在天線14上的各孔30a,30b,30c…30n。
現(xiàn)在來參照?qǐng)D2a，開槽陣列天線14的各孔30a,30b,30c…30n借助于金屬突片34a…34n耦合在電纜內(nèi)傳播的RF能量，從而類似于輻射電纜天線12，導(dǎo)致這些槽把單獨(dú)的信息包或RF能量波輻射到大氣中。如圖2b中能最清楚地看到的那樣，突片34被定位在槽30內(nèi)，以便把它們連接到外導(dǎo)體26上，并朝天線14的內(nèi)導(dǎo)體24延伸。在一個(gè)實(shí)施例中，金屬突片34a…34n沿開槽陣列天線14的長(zhǎng)度在各個(gè)槽30a…30n的另一個(gè)側(cè)面上是對(duì)中的。例如如圖2a所示，突片34a、34b、34c和34d分別在相鄰的槽30a、30b、30c和30d的上、下、上、下側(cè)面上是對(duì)中的。然而，也可以沿相對(duì)于槽30的幾個(gè)任意取向定位突片34。
從各個(gè)槽30泄漏的每個(gè)單獨(dú)的能量波(用箭頭32a…32n表示)相對(duì)前一個(gè)槽泄漏出來的波相位延遲，從每個(gè)槽的波的復(fù)合或疊加就限定一個(gè)與開槽陣列天線14相關(guān)的相位波前，相位波前的特征由頻率、槽間的距離以及電纜內(nèi)的RF信號(hào)的傳播速度決定。
當(dāng)運(yùn)行為一個(gè)接收天線時(shí)，開槽陣列天線14被設(shè)計(jì)來耦合由輻射電纜天線12產(chǎn)生的場(chǎng)。按照本分明的原理，這種耦合可以以小于其它本領(lǐng)域的耦合損耗(即較高的傳輸效率)通過沿匹配的相位波前的輻射場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)，而不用公知的通信系統(tǒng)。更具體地說，選擇槽30之間的距離和開槽陣列天線14中的信號(hào)的傳播速度和方向，以便產(chǎn)生帶有呈現(xiàn)與輻射電纜天線12產(chǎn)生的相位波前漸進(jìn)匹配的相位波前的輻射場(chǎng)。
例如在使用本發(fā)明的原理的火車通信系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，輻射電纜12被用作發(fā)射天線，開槽陣列天線14被用作接收天線。把頻率為2400-2480MHz的激勵(lì)信號(hào)加到輻射電纜12上，引起沿開槽陣列天線14的方向產(chǎn)生的輻射場(chǎng)。如上所述，所產(chǎn)生的場(chǎng)的相位波前取決于在電纜2內(nèi)傳播的速度和相鄰孔20a…20n之間的距離。對(duì)本例來說，假定孔20a…20n之間都間隔1/2導(dǎo)波波長(zhǎng)。
為了沿匹配的相位波前耦合輻射的相位場(chǎng)，選擇開槽陣列天線14的取向、槽特征以及在開槽陣列天線14內(nèi)傳播的方向和速度，以便與輻射電纜12“匹配”或至少基本上匹配。天線之間的匹配或均衡程度越大，天線之間的傳輸效率(和降低的耦合損耗)的水平就越高。還可以知道，兩個(gè)天線之間的耦合損耗的程度基本上與把天線作為發(fā)射天線還是把天線作為接收天線無關(guān)。
對(duì)于天線12、14的取向來說，固定天線和移動(dòng)天線的軸線相互平行可以得到最大的益處?？梢院苋菀椎乜刂七@種最佳的天線取向，例如在鐵路或地鐵通信系統(tǒng)中，固定的輻射電纜天線安裝得平行于地面、隧道的內(nèi)側(cè)或外側(cè)；開槽陣列天線14被與地面平行地安裝在一個(gè)或多個(gè)有軌電車或地鐵列車的側(cè)面上。然而，應(yīng)該知道，本發(fā)明并不局限于鐵路或地鐵的應(yīng)用。
影響相位波前的“匹配”程度的另一種設(shè)計(jì)考慮是輻射電纜天線12的孔20之間的相當(dāng)?shù)木嚯x以及開槽陣列天線14的槽30之間的相當(dāng)?shù)木嚯x。然而，關(guān)于槽距離，相當(dāng)?shù)木嚯x不需要相互“匹配”，但至少相互成比例。例如在上述的例子中，輻射電纜天線12的孔20a…20n相互間隔的距離為半個(gè)導(dǎo)波波長(zhǎng)，開槽陣列天線14的槽30a,30b,30c…30n可以與下一個(gè)相鄰的槽間隔半個(gè)導(dǎo)波波長(zhǎng)、1/4導(dǎo)波波長(zhǎng)或?qū)РúㄩL(zhǎng)的其他合適的比例。
圖4表示按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的開槽陣列天線可以采用的一個(gè)簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)。如圖4所示，開槽陣列天線40經(jīng)電纜46連接到負(fù)載42。該負(fù)載42以匹配的阻抗終結(jié)天線40。在一個(gè)實(shí)施例中，負(fù)載40由呈現(xiàn)與天線40阻抗匹配的一個(gè)裝置構(gòu)成，如發(fā)射機(jī)或接收機(jī)。調(diào)節(jié)槽的電納，以使送到天線的大部分信號(hào)都輻射出去，僅有一小部分(-6dB到-20dB量級(jí))由負(fù)載吸收。轉(zhuǎn)換開關(guān)44可以讓操作者有選擇地調(diào)整天線40內(nèi)的信號(hào)傳播方向，以便響應(yīng)于輻射電纜天線(圖4中未示出)匹配傳播方向。更具體地說，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)44的適當(dāng)調(diào)整，可以來選擇天線40內(nèi)的信號(hào)的傳播方向或使其從先前的反向。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，開槽陣列天線可以被運(yùn)行為一個(gè)分集天線，把分離的發(fā)射機(jī)52,54(圖5a)或分離的接收機(jī)56,58(圖5b)連接到開槽陣列天線50的每一端，就能實(shí)現(xiàn)這種方案。例如圖5a表示一個(gè)把開槽陣列天線50用作發(fā)射天線的分集系統(tǒng)，而圖5b表示一個(gè)把開槽陣列天線50用作接收天線的分集系統(tǒng)。在圖5a中，發(fā)射機(jī)52激勵(lì)一個(gè)經(jīng)天線50朝發(fā)射機(jī)54傳播的信號(hào)，同樣，發(fā)射機(jī)54激勵(lì)一個(gè)經(jīng)天線50以相反方向朝發(fā)射機(jī)52傳播的信號(hào)。這兩個(gè)相反方向的信號(hào)每一個(gè)都向外對(duì)天線50產(chǎn)生具有不同相位波前的輻射場(chǎng)，而且這兩個(gè)輻射場(chǎng)都能由接收天線接收。在圖5b中，分集系統(tǒng)按照前述的方式沿兩個(gè)不同的相位波前耦合輻射場(chǎng)，從而接收來自該輻射場(chǎng)的信號(hào)。
在典型的分集系統(tǒng)中，接收機(jī)之間或發(fā)射機(jī)之間的“隔離”必須達(dá)到20dB到30dB的量級(jí)。在圖5a和圖5b所示的實(shí)施例中，所要求的隔離一部分通過天線50中的衰減來實(shí)現(xiàn)，一部分通過兩個(gè)不同傳播方向的相位波前的失配來實(shí)現(xiàn)。例如調(diào)節(jié)槽的電納可以得到對(duì)分集系統(tǒng)的足夠的隔離，從而使達(dá)到天線的遠(yuǎn)端(輸入端的對(duì)端)的信號(hào)電平比天線的輸入端的信號(hào)電平小13dB到15dB。其余對(duì)隔離的貢獻(xiàn)是由天線中兩個(gè)傳播方向之間的相位失配提供的。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明在車載通信系統(tǒng)中使用開槽陣列天線14而不用普通的偶極子天線顯著地改進(jìn)了傳輸效率和接收信號(hào)的一致性。圖6表示在隔音室內(nèi)使用測(cè)試設(shè)備來得到這種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。用2400-2480MHz的RF信號(hào)激勵(lì)模擬車載通信系統(tǒng)的固定部分的長(zhǎng)度為30英尺的輻射電纜天線60，以便在接收天線62的方向上產(chǎn)生輻射場(chǎng)。在單獨(dú)的試驗(yàn)中，離輻射電纜天線60的軸線大約24英寸的豎直偶極子天線和開槽陣列天線用作測(cè)試接收天線，各接收天線62以2英寸的增量平行于輻射電纜天線60的軸線前進(jìn)17英尺距離。
如后面所述，測(cè)試設(shè)備中的開槽陣列天線由在1又5/8英寸直徑的硬同軸外導(dǎo)體上加工成的10個(gè)軸向槽構(gòu)成，并具有一個(gè)定位于天線后面的反射器。分析并選擇陣列元件(槽)間隔、槽特性和傳播速度，以便使開槽陣列天線產(chǎn)生的場(chǎng)的相位陡度與輻射電纜天線60產(chǎn)生的場(chǎng)的相位陡度相匹配。
圖7表示接收功率對(duì)豎直偶極子天線軸向位置曲線(用標(biāo)號(hào)75標(biāo)注)和對(duì)開槽陣列天線軸向位置曲線(用標(biāo)號(hào)70標(biāo)注)。圖7中可以看到，由開槽陣列天線接收到的平均信號(hào)功率70比由豎直偶極子天線接收到的平均信號(hào)功率75高約12-15dB。由開槽陣列天線接收到的最小信號(hào)功率與由豎直偶極子天線接收到的最小信號(hào)功率之間的差值約17-19dB。由此得到的啟示是，在采用輻射電纜天線和開槽陣列天線的車載通信系統(tǒng)中，放大器之間的電纜長(zhǎng)度能夠增加相當(dāng)于10-12dB的衰減值的長(zhǎng)度或大約400英尺長(zhǎng)(約30％-50％)。這就能夠減少通信系統(tǒng)中所需要的放大器的數(shù)量約30％-50％。
圖7還說明了接收功率電平的“平穩(wěn)性”，由偶極子接收到的信號(hào)75從點(diǎn)到相鄰點(diǎn)變化7-9dB。而由開槽陣列天線14所接收到的信號(hào)從點(diǎn)到相鄰點(diǎn)僅變化1-2dB。由此所得到的啟示是，在采用輻射電纜天線和開槽陣列天線的車載通信系統(tǒng)中，響應(yīng)于小的車輛移動(dòng)，能保持接收到的信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定。相應(yīng)地，被發(fā)射的信息的畸變很小，并且，不再需要具有大動(dòng)態(tài)范圍和快速時(shí)間響應(yīng)的接收機(jī)。
本發(fā)明已經(jīng)參照一個(gè)或多個(gè)特定實(shí)施例作了描述，所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將能夠不背離本發(fā)明的宗旨和范圍而作出各種變化。這些實(shí)施例的每一個(gè)實(shí)施例及其顯而易見的變化都被認(rèn)為落在如下的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的宗旨和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種車載通信系統(tǒng)中用來與固定輻射電纜天線進(jìn)行通信的開槽陳列天線，所述輻射電纜天線適用于響應(yīng)輻射電纜天線的激勵(lì)而產(chǎn)生具有第一特征相位波前的輻射場(chǎng)，所述開槽陣列天線能夠運(yùn)行在發(fā)射模式或接收模式下，所述開槽陣列天線包括一個(gè)內(nèi)導(dǎo)體；圍繞該內(nèi)導(dǎo)體的介質(zhì)材料和一個(gè)外導(dǎo)體；所述外導(dǎo)體具有用來使電磁輻射通過的多個(gè)第一孔，所述孔沿開槽陣列天線的長(zhǎng)度按預(yù)定的關(guān)系定位，所述開槽陣列天線按照發(fā)射模式運(yùn)行時(shí)用來產(chǎn)生具有由所述孔的位置決定的第二相位波前的輻射場(chǎng)，按照接收模式運(yùn)行時(shí)，所述開槽陣列天線適用于沿所述第二相位波前耦合一個(gè)輻射場(chǎng)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的開槽陣列天線，其特征在于第一特征相位波前基本上平行第二特征相位波前。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的開槽陣列天線，其特征在于具有基本上平行于所述輻射電纜天線軸線的軸線。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的開槽陣列天線，其特征在于連接到可沿基本上平行于所述輻射電纜天線軸線的方向上移動(dòng)的移動(dòng)車輛上。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的開槽陣列天線，其特征在于在開槽陣列天線與車輛之間定位一個(gè)反射器。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的開槽陣列天線，其特征在于所述孔的每一個(gè)孔包括用來耦合輻射場(chǎng)的各自的金屬突片。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的開槽陣列天線，其特征在于所述金屬突片定位在相鄰的所述孔的不同的側(cè)面上。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的開槽陣列天線，其特征在于相鄰的所述孔隔開四分之一波長(zhǎng)的距離。
9．根據(jù)權(quán)利要求1的開槽陣列天線，其特征在于相鄰的所述孔隔開半波長(zhǎng)的距離。
10．一種包括一個(gè)固定輻射電纜天線和一個(gè)在規(guī)定區(qū)域內(nèi)通信的移動(dòng)開槽陣列天線通信系統(tǒng)，所述輻射電纜天線包括一個(gè)帶有用來使電磁輻射通過的多個(gè)第一孔的外導(dǎo)體，所述孔沿輻射電纜天線的長(zhǎng)度按預(yù)定的關(guān)系定位，以便響應(yīng)于輻射電纜天線的激勵(lì)而產(chǎn)生具有第一特征相位波前的輻射場(chǎng)；所述開槽陣列天線基本上平行于輻射電纜天線，并包括一個(gè)帶有用來使電磁輻射通過的多個(gè)第二孔的外導(dǎo)體，所述孔沿開槽陣列天線的長(zhǎng)度按預(yù)定的關(guān)系定位，以便響應(yīng)于開槽陣列天線的激勵(lì)而產(chǎn)生具有第二特征相位波前的輻射場(chǎng)。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的通信系統(tǒng)，其特征在于第一特征相位波前基本上平行第二特征相位波前。
12．根據(jù)權(quán)利要求10的通信系統(tǒng)，其特征在于所述開槽陣列天線具有基本上平行于所述輻射電纜天線軸線的軸線。
13．根據(jù)權(quán)利要求12的通信系統(tǒng)，其特征在于開槽陣列天線連接到可沿基本上平行于所述輻射電纜天線軸線的方向上移動(dòng)的移動(dòng)車輛上。
14．根據(jù)權(quán)利要求13的通信系統(tǒng)，其特征在于在開槽陣列天線與車輛之間定位一個(gè)反射器。
15．根據(jù)權(quán)利要求10的通信系統(tǒng)，其特征在于所述輻射電纜天線的相鄰的所述孔隔開與所述開槽陣列天線的相鄰的所述孔之間距離成比例的距離。
16．一種在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)在固定的輻射電纜天線和車輛之間進(jìn)行通信的方法，所述車輛可沿所述輻射電纜天線的長(zhǎng)度的軸線方向移動(dòng)，所述輻射電纜天線包括一個(gè)帶有用來使電磁輻射通過的多個(gè)第一孔的外導(dǎo)體，所述孔沿輻射電纜天線的長(zhǎng)度按預(yù)定的關(guān)系定位，以便響應(yīng)于輻射電纜天線的激勵(lì)而產(chǎn)生具有第一特征相位波前的輻射場(chǎng)；所述方法包括如下步驟用電磁信號(hào)激勵(lì)所述輻射電纜天線以便產(chǎn)生具有所述第一特征相位波前的輻射場(chǎng)；對(duì)所述車輛安裝一個(gè)開槽陣列天線，所述開槽陣列天線基本上平行于所述輻射電纜天線，并包括一個(gè)帶有用來使電磁輻射通過的多個(gè)第二孔的外導(dǎo)體，所述孔沿開槽陣列天線的長(zhǎng)度按預(yù)定的關(guān)系定位；以及沿所述第二特征相位波前耦合所述輻射場(chǎng)來接收所述開槽陣列天線處的所述輻射場(chǎng)的一部分，所述第二特征相位波前由所述多個(gè)第二孔的位置來決定并基本上與所述第一特征相位波前匹配。
17．根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其特征在于所述電磁信號(hào)由射頻信號(hào)構(gòu)成。
18．根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其特征在于所述電磁信號(hào)由具有2400MHz和2480MHz之間頻率的射頻信號(hào)構(gòu)成。
19．根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其特征在于由所述開槽陣列天線接收到的所述輻射場(chǎng)的部分限定一個(gè)接收信號(hào)，所述接收信號(hào)響應(yīng)于所述車輛沿所述輻射電纜天線的長(zhǎng)度在軸向上的移動(dòng)基本上保持恒定。
20．根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其特征在于由所述開槽陣列天線接收到的所述輻射場(chǎng)的部分限定一個(gè)接收信號(hào)，所述接收信號(hào)具有基本上與所述電磁信號(hào)的頻率變化無關(guān)的幅度。
21．根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其特征在于由所述開槽陣列天線接收到的所述輻射場(chǎng)的部分限定一個(gè)接收信號(hào)，所述接收信號(hào)具有基本上與所述電磁信號(hào)在所述輻射電纜天線內(nèi)的傳播方向無關(guān)的幅度。
22．一種在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)在固定的輻射電纜天線和車輛之間進(jìn)行通信的方法，所述車輛可沿所述輻射電纜天線的長(zhǎng)度在軸向上移動(dòng)，所述輻射電纜天線包括一個(gè)帶有用來使電磁輻射通過的多個(gè)第一孔的外導(dǎo)體，所述孔沿輻射電纜天線的長(zhǎng)度按預(yù)定的關(guān)系定位，以便在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)沿第一特征相位波前接收輻射場(chǎng)；所述方法包括如下步驟對(duì)所述車輛安裝一個(gè)開槽陣列天線，所述開槽陣列天線基本上平行于所述輻射電纜天線，并包括一個(gè)帶有用來使電磁輻射通過的多個(gè)第二孔的外導(dǎo)體，所述孔沿開槽陣列天線的長(zhǎng)度按預(yù)定的關(guān)系定位，以便響應(yīng)于開槽陣列天線的激勵(lì)而產(chǎn)生具有第二特征相位波前的輻射場(chǎng)；用電磁信號(hào)激勵(lì)所述開槽陣列天線以便產(chǎn)生具有所述第二特征相位波前的輻射場(chǎng)；以及沿所述第一特征相位波前耦合所述輻射場(chǎng)來接收所述輻射電纜天線處的所述輻射場(chǎng)的部分，所述第一特征相位波前基本上與所述第二特征相位波前匹配。
23．根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其特征在于所述電磁信號(hào)由射頻信號(hào)構(gòu)成。
24．根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其特征在于所述電磁信號(hào)由具有2400MHz和2480MHz之間頻率的射頻信號(hào)構(gòu)成。
25．根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其特征在于由所述輻射電纜天線接收到的所述輻射場(chǎng)的部分限定一個(gè)接收信號(hào)，所述接收信號(hào)響應(yīng)于所述車輛沿所述輻射電纜天線的長(zhǎng)度在軸向上的移動(dòng)基本上保持恒定。
26．根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其特征在于由所述輻射電纜天線接收到的所述輻射場(chǎng)的部分限定一個(gè)接收信號(hào)，所述接收信號(hào)具有基本上與所述電磁信號(hào)的頻率變化無關(guān)的幅度。
27．根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其特征在于由所述輻射電纜天線接收到的所述輻射場(chǎng)的部分限定一個(gè)接收信號(hào)，所述接收信號(hào)具有基本上與所述電磁信號(hào)在所述開槽陣列天線內(nèi)的傳播方向無關(guān)的幅度。
全文摘要
一種包括固定輻射電纜天線和開槽陣列天線的低損耗車載通信系統(tǒng),這兩種天線都能作為發(fā)射天線和/或接收天線運(yùn)行。輻射電纜天線包括響應(yīng)于天線的激勵(lì)來產(chǎn)生具有限定的相位波前的輻射場(chǎng)的多個(gè)孔。開槽陣列天線被安裝在可沿固定輻射電纜天線的長(zhǎng)度在軸向上移動(dòng)的車輛上,開槽陣列天線包括相應(yīng)的多個(gè)槽,槽的取向能沿基本與輻射電纜天線的相位波前匹配的相位波前耦合輻射場(chǎng)。
文檔編號(hào)H01Q1/32GK1211832SQ9810325
公開日1999年3月24日 申請(qǐng)日期1998年6月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月26日
發(fā)明者G·迪內(nèi)斯 申請(qǐng)人:安德魯公司