CN1157061A - 提供全向场型图的方法和天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于提供全向场型图的方法(400)和天线(100)。天线(100)的尺寸比具有相同带宽的现有技术全向天线小些。在环(102)的不连续处使用至少一个电容元件(104)，可使尺寸变小成为可能。该场型图是平衡的，利用由电容元件(104)产生的电流最大值(110和112)保持了该天线的全向性。

Description

提供全向场型图的方法和天线
本发明涉及天线，特别涉及全向天线。
现有技术的全向环形天线很小，它与工作波长有关，因而具有窄的工作频带宽度而且对于许多通信系统不适用。为了增加工作带宽，就要加大环的尺寸。由于环做大了会使沿该环的电流分布不再是均匀的，而且辐射场型图不是全向的，故而具有定向性。又由于带宽增加了，天线的尺寸加大了，故而可能影响全向场型图。这可用以工作频带的中心频率的波长所表示的不同尺寸的环的表的形式来表示，如下所示。又由于该环从0.2波长的圆周变到0.5波长，故以中心频率的百分比表示的不可使用的波长从0.14％变到9.0％，而且，该场型图的均匀性降低了。如果定方位平面中的最大响应与最小响应的比较能够用分贝来表示，则可示于下表中。波长的圆周    辐射电阻    百分比带宽    以dB表示最大
                                    方位比最小方位0.2         0.32欧姆    0.14％        1.0dB0.3         1.5欧姆     0.56％        2.0dB0.4         5.18欧姆    2.33％        4.0dB0.5         12.3欧姆    6.45％        6.0dB
当该环大得足以使该带宽大到可在典型的通信系统中使用时(典型地大于5.0％)，方位场型图变为不均匀，具有峰值和零。当这些零值是在RF通信链路中的其它天线的站点方向上时，它们产生降低的性能。
全向、垂直极化的天线通常称为“电偶极子”，这是众所周知的，通常用在通信系统中。在陆上移动、蜂窝和其它基站-移动站通信系统中，信号从许多周围物体反射，这些反射以建设性和破坏性的方式相组合。当该组合具有破坏性时，信号被抵消而通信变为不可能的。但是，如果利用水平极化的第二天线可供应用，则另一个或分集通信路径就是可供应用的。鉴于这第二路径是有效的，故第二天线必须与第一天线隔离和“去相关”。实现这个要求的一个非常有效的途径是使这两天线的极化正交。因为第一天线通常是垂直极化的，故第二天线应该是水平极化的。
据此，现在需要一种用于提供全向场型图的方法和天线，其中该天线要比具有可相比拟带宽的现有技术的天线小些。
图1是根据本发明的用以提供全向极化场型图的一种天线的一个实施例的图。
图2是根据本发明的用以提供全向极化场型图的一种天线的第二实施例的图。
图3是根据本发明的环形天线的波损失的图解表示。
图4是根据本发明的用以实施一种提供全向场型图的方法和步骤的一个实施例的流程图。
总的来说，本发明提供一种用以提供具有小型结构的全向场型图的方法和天线。
图1-4更全面地示出本发明。图1以标号100示出根据本发明的一种用以提供全向场型图的天线的一个实施例的图。环102是一个不连续的环，至少包括一个第一电容元件104、馈送点106和匹配网络108。不连续性的引入可平衡全向发射场型图。利用电容元件104，可使电流最大值110和112位于该环102的任一侧，以平衡发射场型图。在800MHz，电容器约为0.7皮法。
图2以标号200示出根据本发明的一种用以提供全向场型图的天线的第二实施例的图。天线200含有一个电偶极子202和一个环204。
电偶极子202接收第一输入206。该环204接收第二输入208。电偶极子202利用一个偶极子整数“超高频”“平衡-不平衡”变换器(dipoleintegral“bazooka”balun)，用于共模操作。该环204在图1中详细地示出。该环204利用一个无穷的环平衡-不平衡变换器，用于共模操作。该环平衡-不平衡变换器是利用具有小直径的绞线对传输线用以作为传输线的线来实现的。
该天线可包括一个混合耦合器210，用于把一个辨向(onesense)圆极化输入到第一输入206，和把反辨向圆极化输入到第二输入208。在幅度上，第二输入208等于第一输入206，在相位上，第二输入208与第一输入206正交。混合耦合器210提供具有左侧圆输入214和右侧圆输入212的第一输入206和第二输入208。
电偶极子202由约为四分之一波长的两个导电圆柱体构成，并且这两个导电圆柱体的尺寸相等，彼此共直线地放置。这两个圆柱体由黄铜制成，当然，任何高导电率金属都可被使用。每个圆柱体的长度要比工作频段中心的中心频率波长的四分之一稍短些。圆柱体的直径约为长度的十分之一。与偶极子的连接是利用同轴电缆，与下面的圆柱体同轴位置地跨接两个圆柱体之间的缝隙。下面的圆柱体除了是偶极子的一部分之外还形成该平衡-不平衡变换器。该环是由铜管制成，铜管直径约为波长的百分之二。该环的直径是波长的七分之一。该环有两点是不连续的，而电容器跨接在这不连续点上。电容器的值选择得可在工作的中心频率谐振。在800MHz，电容器约为0.7皮法。因为该环的圆周接近半波长，故电流沿该环分布是不均匀的。在无电容器的情况下，出现单个电流最大值，因此它偏离该环的中心。该混合耦合器210是市售可买到的。
图3以标号300示出根据本发明表示回波损失的图解。回波损失302是频率304的函数。电偶极子308和环312的回波损失以中心频率fo306为中心。现有技术的环的回波损失310具有比本发明的该环的回波损失312明显窄些的带宽。
在本领域中，定义“Q”为2π乘由电抗元件存储的能量与谐振电路一个周期中消耗的能量的比值。为此，Q等于环的电抗与环的辐射电阻之比，如下所示：
Q＝Xl/Rr式中：Xl＝环的感抗，而Rr＝环的辐射电阻。
“Q”还是天线提供多少可用频带宽度的度量。它等于工作的中心频率除以半功率的带宽，如下所示：
Q＝F中心/(F最大-F最小)式中F最大是最大工作频率，F最小是最小工作频率，而F中心是中心工作频率。
为了获得5％的可用带宽(这是许多通信系统典型的)，Q应当小于20。这就要求电抗“Xl”不大于20倍的式1的辐射电阻“Rr”。
在电气上，对于小环而言，辐射电阻非常小，但它是按照环直径的四次方而增加的。该电抗比该电阻大得多，但它随直径仅线性地增加。因此，无限小的小环具有一个无限的“Q”，并且，环越大而Q迅速减小。
图4以标号400示出根据本发明用以实施一种提供水平和垂直极化的全向场型图的方法步骤的一个实施例的流程图。在步骤402，电偶极子接收第一输入。在步骤404，环接收第二输入。该环是一个不连续的环，包括在不连续处有至少一个第一电容元件，用于平衡全向发射场型图。
该电偶极子利用一个同轴的或“超高频”的偶极子平衡-不平衡变换器，允许同轴地连接到该偶极子上。该环利用一个分离的平衡-不平衡变换器，以与该偶极子共同放置地进行操作。该环平衡-不平衡变换器是利用同轴的或“超高频平衡-不平衡”变换器或使用具有各导体是小直径导线的绞线对传输线来实现的。使用由电偶极子使用的同一条同轴的或“超高频平衡-不平衡”变换器，使连接到该环的传输线与该天线结构“去耦合”。分离的同轴馈线可平行放置，同时通过用以构成该偶极子下臂的下管和电偶极子的平衡-不平衡变换器。
圆极化是由共同放置的电偶极子和环通过把它们连接到一个公共RF信号源(它们之间具有相等的RF信号幅度和正交相位关系)而提供的。在步骤406，利用混合耦合器，使第一输入用于该电偶极子，而第二输入用于环形天线。在幅度上，第二输入等于第一输入，而且第二输入的相位与第一输入的相位正交。一个混合组合器提供具有正交关系的两个隔离的输入。据此，该混合组合器可以同时地和分别独立地提供左侧和右侧圆极化信号。
为此，本发明提供一种用于提供电气上小的、全向的、水平极化场型图的方法和天线。天线单元可与一个电偶极子共同放置和独立连接到该电偶极子。利用这种结构，多个波极化可以用于分集，以改进通信系统的可靠性。使用圆极化可改进室内RF数据通信系统。这种类型的小天线可用于无绳电话和微蜂窝基站。优点是：因与该偶极子综合和共同放置，故该天线要比同样带宽的现有技术天线的尺寸小些；一个接收天线例如手持天线可位于任何方位上，并且该天线由于使用平衡-不平衡变换器，因而造价低。
虽然上文描述了示例的实施例，但是对于本领域的技术人员而言显而易见可进行许多改变和修改而不脱离本发明。为此，特意把所有这样的改变和修改都包括在所附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围内。

Claims (8)

1.一种用以提供全向场型图的方法，其特征在于，该方法包括：
由电偶极子接收第一输入；和
由一个环接收第二输入，其中该环是一个不连续环，它含有在不连续处的至少一个第一电容元件，以平衡全向发射场型图。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，还包括一个初始步骤，利用一个混合耦合器，把圆极化输入到第一输入和第二输入。
3.一种用以提供全向场型图的天线，其特征在于，该天线包括：
一个导电环，定方位在水平平面上，用于接收第一输入，以提供一种电流分布，该环至少含有一个第一不连续点，该环的圆周大于0.5波长；和
在不连续处的至少一个第一电容元件用以改变在该环上的电流分布，因此提供全向场型图。
4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，该环利用一个同轴的或“超高频”的平衡-不平衡变换器，用于共模操作。
5.根据权利要求所述4的天线，其特征在于，该环平衡-不平衡变换器是利用具有小导线直径的绞线对传输线实现的。
6.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，还包括一个电偶极子，可操作地耦合到该导电环上，用于接收第二输入。
7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，该电偶极子利用一个同轴的或“超高频平衡-不平衡”的变换器，用于共模操作。
8.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，该天线还包括一个混合耦合器，用于把圆极化输入到第一输入和第二输入，其中，在幅度上，第二输入等于第一输入，和第二输入的相位与第一输入的相位正交。
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