專利名稱：采用輻射分集的電磁信號的接收和/或發(fā)射裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及應用于無線發(fā)射領域的電磁信號接收和/或發(fā)射裝置，特別地是在諸如家庭環(huán)境，室內(nèi)體操場，電視演播室或者禮堂等之類的封閉或者半封閉環(huán)境進行發(fā)射的情況下。
為糾正涉及多路徑的漸隱問題，當前使用的是定向天線，通過它們輻射方向圖的空間選擇性，能夠減少由接收機撿出的輻射線的數(shù)目，因此可以衰減多路徑效應。在這種情況下，要求與信號處理電路結合在一起的多個定向天線能保證360°的空間覆蓋。法國專利申請?zhí)枮?813855，以申請者的名字遞交的專利還提出了一種能夠增加陣列天線頻譜有效性的小型多波束天線。但是，就室內(nèi)的項目數(shù)或者便攜設備的數(shù)目來說，這些解決方案仍顯得笨重而昂貴。
為了防止?jié)u隱，最常用的技術是使用空間分集。如

圖1所示，這種技術包括使用了一對諸如與開關3連接在一起的兩個貼片式天線(1，2)的寬空間覆蓋天線。這兩個天線在空間上分開一定的距離，所述的距離必須大于等于λ0/2，其中λ0是與天線工作頻率相對應的波長。根據(jù)這種裝置，能夠表現(xiàn)出的是兩個天線同時漸隱的概率非常之小。證據(jù)來自Kamilo Feher博士的“無線數(shù)據(jù)通信”第七章——移動無線電系統(tǒng)的分集技術中所給出的說明，尤其是第344頁的圖7.8。也可以在假設每個貼片的接收等級完全獨立時通過純粹的概率計算來證明。在這種情況下，可以規(guī)定如果P(例如為1％)是天線接收信號的等級低于檢測閾值的概率，兩個天線的等級低于這個閾值的概率是P2(因此為0.01％)。如果兩個信號不是完全不相關，那么對Pdiv有0.01％＜Pdiv＜1％，其中Pdiv為在分集的情況下接收等級低于檢測閾值的概率。但是，依靠開關3，就能夠通過監(jiān)控電路(未給出)對接收的信號的檢驗來選擇鏈接在表現(xiàn)出較高等級的支路。天線開關3與開關4相連，所述的開關4能夠控制兩個貼片天線1或者2當它們連接在TX5電路時，使之處于發(fā)射狀態(tài)，或者當它們連接在RX6電路時，使之處于接收狀態(tài)。
本發(fā)明的目的還在于提出一種能夠保持準全方位角覆蓋的方案。
因此，本發(fā)明的主題是接收和/或發(fā)射電磁信號的裝置，所述的裝置包括至少兩個隙縫-饋電天線型電磁信號的接收和/或發(fā)射裝置，和將至少一個所述的接收和/或發(fā)射裝置與多波束信號的使用裝置相連的連接裝置，其特征在于，連接裝置包括由連接元件連接在使用裝置上的兩條饋線，所述的兩條饋線與隙縫-饋電天線的隙縫之間電磁耦合，每條饋線以開關元件為末端，所述的開關元件按一定的方式放置以模擬作為監(jiān)控信號的函數(shù)的一條饋線末端的開路和短路和另一條饋線末端的短路和開路，從而可以獲得不同的輻射方向圖。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，隙縫-饋電天線是圍繞中心點彼此有規(guī)律間隔開的Vivaldi型天線。而且，饋線包括微帶天線或者共面天線。
根據(jù)本發(fā)明，饋線穿過隙縫-饋電天線關于隙縫的開路區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，饋線穿過隙縫-饋電天線的隙縫中的兩個截然不同的開路平面。而且，第一饋線在隙縫-饋電天線的兩個隙縫之間的長度等于kλ1，并且第二饋線在隙縫-饋電天線的兩個隙縫之間的長度等于(k+0.5)λ1，其中λ1為導入饋線的波長，而k為正整數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，開關元件包括二極管。連接元件包括T元件，所述的元件的尺寸被設定為要有選擇性地向一個或者另一個饋線送入能量。因此，饋線在隙縫-饋電天線的隙縫和T之間的長度等于1＝nλ1/2，其中n為整數(shù)，λ1為導入饋線的波長。
圖2示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例的俯視平面圖。
圖3為說明用于驗證根據(jù)本發(fā)明的簡單結構的模擬結果的饋線/隙縫裝置的工作原理的示意圖。
圖4a和4b為表示有選擇性耦合入圖3電路的兩中工作結構的曲線。
圖5為能夠饋入本發(fā)明中使用的兩條饋線的T電路的平面示意圖。
圖6為模擬圖5中電路的裝置的示意性表示。
圖7a和7b為在根據(jù)本發(fā)明的圖6中電路的兩種工作結構的情況下作為頻率的函數(shù)的給出匹配情況的曲線。
圖8a和8b為用來說明圖2中裝置的工作方式的俯視示意圖。
圖9表示控制電壓是+VCC還是-VCC時，作為方位角的函數(shù)的圖2中裝置的輻射方向圖。
圖10為根據(jù)本發(fā)明的裝置的另一個實施例的俯視平面示意圖。
為簡化說明，在圖中相同的元件用相同的參考數(shù)字表示。
如圖2所示，4個天線11a，11b，11c，11d是Vivaldi型天線，它們制作在普通的基底10上，并且圍繞中心點相互垂直放置。按照公知的樣式，Vivaldi型天線的結構由非金屬化基底獲得的隙縫構成，所述的隙縫向外漸漸加寬。這種天線結構已為本領域的技術人員所熟知，因而本發(fā)明中無需重新對此進行詳細描述。
根據(jù)本發(fā)明，4個Vivaldi型天線由兩條饋線12，13激勵，這兩條饋線比如通過微帶技術而做成。這兩條饋線穿過4個Vivaldi型天線的隙縫并且末端都有開關元件14，15，所述的開關元件14，15放置在饋線的末端和地線之間，這樣，作為施加于饋線上的控制電壓的函數(shù)，就可以在一個饋線末端模擬開路或短路而在另一個饋線的末端模擬短路和開路。
如圖2所示，開關元件包括饋線13和地線之間正向安裝的二極管14，和饋線12和地線之間反向安裝的二極管15。而且，兩條饋線12，13通過T電路16連接在以符號P表示的普通發(fā)射/接收電路上。要得到能表現(xiàn)出想要的輻射分集性的結構的工作方式，饋線需按照下面的方式確定尺寸，即對于饋線12，饋線在Vivaldi型天線的兩個隙縫之間，比如11a和11b、11b和11c或者11c和11d之間的長度等于kλ1，其中λ1為導入微帶饋線12中的波長，饋線在最后一個Vivaldi型天線11d的隙縫和與二極管15的連接之間的長度等于λ1/4，其中λ1為導入微帶饋線中的波長。
對于饋線13，饋線在Vivaldi型天線的兩個隙縫之間，比如11a和11b、11b和11c或者11c和11d之間的長度等于(k+0.5)λ1，其中λ1為導入微帶饋線13中的波長，饋線在最后一個Vivaldi型天線11d的隙縫和與二極管14的連接之間的長度等于λ1/4。
而且，如圖2所示，饋線12，13在接近λf/4距離處穿過隙縫，其中λf為導入隙縫的波長。也就是說，饋線穿過Vivaldi型天線的隙縫的位置為作為二極管狀態(tài)的函數(shù)的關于饋線的短路平面或者開路平面，以及處于關于隙縫的開路區(qū)域。
現(xiàn)說明作為施加于P的控制電壓的函數(shù)的圖2裝置的工作原理如果控制電壓為+VCC那么二極管15處于截止狀態(tài)。這就導致饋線12的末端處于開路，因而使饋給天線11d的隙縫的平面中處于短路。因此饋線12和天線11d的隙縫之間電磁耦合。由于饋線12在每個隙縫之間的特定伸縮長度，在其它天線11c，11b，11a的三個隙縫的平面中建立起同相短路。因此，四個天線11a，11b，11c，11d與饋線12同相耦合。
而且，由于排列方式的緣故，二極管14處于導通狀態(tài)。因此在饋線13的末端為短路，因而使饋給天線11d的隙縫的平面中處于開路。因此，在饋線13和饋給天線13的隙縫之間沒有電磁耦合。由于饋線13在每個隙縫之間的特定伸縮長度，在其它天線11c，11b，11a的三個隙縫的平面中建立開路。因此，沒有一個天線與饋線13耦合。
如果在P處饋入的控制電壓為-VCC二極管15處于導通狀態(tài)。因此饋線12的末端處于短路狀態(tài)，從而使饋給天線11d的隙縫的平面中處于開路。因此，饋線12和天線11d的隙縫之間沒有電磁耦合。饋線12在天線11c，11b，和11a，的每個隙縫之間的伸縮長度能夠在其它三個隙縫的平面中建立開路。在在這種情況下，沒有一個天線和饋線12耦合。
二極管14處于截至狀態(tài)。因此處于饋線13末端的開路狀態(tài)，使饋給天線11d的隙縫的平面中處于短路。因此，饋線13和天線11d的隙縫之間電磁耦合。由于饋線13在天線11d的隙縫和天線11c的饋入隙縫之間的伸縮長度，在天線11c的饋入隙縫平面中建立反相短路。同樣，饋線13在天線11d的隙縫和天線11b的饋入隙縫之間的伸縮長度，在天線11b的饋入隙縫平面中建立同相短路。按照這種方式，在天線11a的饋入隙縫平面中建立反相短路。在這種情況下，天線11d，11b同相耦合而天線11c，11a之間的耦合有180°的相移。
諸如圖2所示的裝置的工作原理通過使用如圖3所示的簡單結構來模擬。在這種情況下，諸如11a，11b，11c，11d的隙縫-饋電天線型天線由隙縫20來表示，所述的隙縫20在從隙縫的末端到連接端口1的饋線21的距離為λf/4處耦合，所述的饋線21末端為70歐姆的饋線短線和50歐姆的饋線短線以便于和端口匹配。而且，在饋線的另一側，在從饋線21算起距離為λf處放置表示圖2中饋線12，13的另外兩個饋線22，23，其中λf表示導入隙縫的波長。饋線22的末端為正向放置的二極管24，它放在饋線22的端部和地線之間，而饋線23的末端為反向放置的二極管25，它放在饋線23的端部和地線之間。饋線22，23之間的中平面位于從隙縫20的另一端算起λf處。與饋線21一樣，兩條饋線22，23使用70歐姆的匹配饋線短線和50歐姆的匹配饋線短線與饋入端口2，3耦合。饋線22，23之間分開的距離要足以使它們二者之間沒有耦合，也就是說，分開的距離e實際上等于饋線寬度的5倍。更特別地，在模擬的范圍中，下面給出了圖3中使用的各個元件的值。
λ1/4＝8.3mm W1＝0.52mm.
λf/4＝10.1mmWf＝0.4mm.
L70ohms＝8mm W70ohms＝1mmL50ohms＝6mm W50ohms＝1.85mme＝2.6mmL＝6.05mm.
Diode＝HSMP 489B.
表1中給出了作為二極管偏置的函數(shù)的從隙縫到一條饋線或者另一條饋線的耦合表1

模擬的結果由圖4a和4b的曲線給出，所述的曲線表示在兩種結構中的選擇性耦合，即兩條饋線的開路/短路結構或者短路/開路結構。
根據(jù)曲線，可以理解，在圖4a表示的OC-SC結構中，參數(shù)S21較高并且表現(xiàn)出的階值為(-1到-2dB)，而參數(shù)S31較低并且表現(xiàn)出的階值為-20dB。因此從端口1到端口2有發(fā)射，而從端口1到端口3沒有發(fā)射，即兩個端口之間絕緣。對圖4b表示的SC-OC結構，發(fā)生的情況相反。由于參數(shù)S31表現(xiàn)出-1dB到-2dB的階值，所以從端口1到端口3有發(fā)射，并且由于參數(shù)S21表現(xiàn)出-20dB的階值，所以從端口1到端口2沒有發(fā)射。
現(xiàn)在參考圖5到7說明將由符號P表示的發(fā)射/接收電路連接在兩條饋線上的連接電路的實施例。
如圖5所示，使用的電路為能夠向兩條饋線12，13中的一條或者另一條發(fā)送能量的T電路。因此，圖5中示出的T電路包括連接在發(fā)射/接收電路P上的支路30，所述的支路30由T電路的兩個支路31和32擴展，支路31連接在圖2實施例的饋線12上，同時支路32連接在圖2實施例的饋線13上。為了將能量正確送入兩條饋線中的一條或者另一條，T電路的尺寸必須如下定出如果二極管15處于導通狀態(tài)而二極管14處于截止狀態(tài)，Vivaldi型天線由饋線13饋入。
如上所提及，在每一個饋線/隙縫的交叉處，饋線12表現(xiàn)出開路，同時饋線13表現(xiàn)出短路。為了將能量在T電路的等級上直接送入饋線13，因此需要饋線12的開路使得T平面變?yōu)殚_路，對于饋線13的短路使得T平面變?yōu)槎搪贰?br> 為了獲得這種類型的工作方式，需要饋線1在天線11a的饋入隙縫和T電路之間的長度滿足下面的公式L＝nλ1/2其中λ1為導入饋線的波長，而n為整數(shù)。
這在圖5中表現(xiàn)的非常清楚。
為證明這種T電路的靈活性，通過使用IE3D軟件，并且按照圖6中表示的方式制作T電路和Vivaldi型天線來模擬所述的電路。在這種情況下，Vivaldi型天線11a由與微帶饋線21在一起的隙縫20表示所述的微帶饋線21在從隙縫的端部算起λf/4并且從饋線21的端部算起λ1/4處穿過隙縫20，其中λf為導入隙縫的波長，λ1為導入微帶饋線的波長。饋線21由兩個長度為L的70歐姆和50歐姆的饋線來加長，以便匹配輸出能量的端口1。
而且，如圖6所示，圖5中的T電路包括兩個加長的微帶饋線25，26，所述的兩個微帶饋線穿過隙縫20從微帶饋線21算起λf處，其中λf表示導入隙縫的波長。兩條饋線25和26一起由饋線27連接，所述的饋線27包括兩個與接收發(fā)射電路能量的輸入端口相匹配的70歐姆匹配饋線L和50歐姆匹配饋線L。
而且，如圖6所示，圖5的T電路包括兩條延長的微帶線25、26，微帶線25、26從線21處以長度λf穿過隙縫20。兩條線25、26一起由包括兩條70歐姆匹配饋線L和50歐姆匹配饋線L的線27連接到接收傳輸電路能量的輸入端口。
如圖6所示，兩條饋線25，26這樣放置兩條饋線的中平面位于距隙縫20的另一端λf/4處，并且T電路的輸入端和隙縫之間的距離等于λ1/2，以及饋線25和26的端部距隙縫的距離為λ1/4，這樣就能在饋線/隙縫的交叉水平上處于如上所述的開路和短路。
更特別的是，用下面的尺寸來模擬。
λ1/4＝8.3mm W1＝0.52mm.
λf/4＝10.1mm Wf＝0.4mm.
L70ohms＝8mmW70ohms＝1mmL50ohms＝6mmW50ohms＝1.85mme＝2.6mm圖7a和7b給出了模擬的結果，所述的圖7a和7b表示的是在圖7a的兩種短路/開路結構，和圖7b的兩種開路/短路結構的情況下，以dB為單位作為頻率的函數(shù)的發(fā)射和反射系數(shù)。表示在圖中的結果表明通帶極寬，小于-10dB的參數(shù)S11和S22跨越至少1.5GHz并且損耗極小，即在5.6GHz處損耗小于-1.5dB。
現(xiàn)參考圖8a，8b以及圖9更詳細地說明使用圖2中示出地那種類型的裝置時輻射分集的獲得情況。如上所述，由于圖2的系統(tǒng)取決于所施加的電壓，兩種結構的Vivaldi型天線11a，11b，11c，11d的相位不同。當Vivaldi型天線11a，11b，11c，11d由饋線12饋入時，也就是在控制電壓為+VCC時，如圖8a所示，四條天線11a，11b，11c，11d的相位為0°，當施加的控制電壓為-VCC時，穿過Vivaldi型天線的饋線為饋線13，如圖8b所示。在這種情況下，天線11a，11c同相，但是與天線11b，11c之間的相位相反。因此圖9中表示的輻射圖形與圖8a和8b中的結構相對應?？梢岳斫猓斒┘拥碾妷簽?VCC時輻射最大，而當施加的電壓為-VCC時輻射最大處相移22.5°。因此，按照所施加的控制電壓，輻射方向圖的波瓣可以對準方向(-180°，-135°，-90°，-45°，0°，45°，90°，135°)或者方向(-157.5°，-112.5°，-67.5°，-22.5°，22.5°，67.5°，112.5°，157.5°)，這就能夠保持輻射分集性。
現(xiàn)在參考圖10說明根據(jù)本發(fā)明的電磁波信號的發(fā)射/接收裝置的一種新的拓撲結構。在這種情況下，Vivaldi型天線11a，11b，11c，11d作為控制電壓的函數(shù)由饋線12a，13a中的一個或者另一個饋入，正如圖2中的實施例一樣。相對于圖1中示出的結構的不同之處是兩條饋線12a，13a和Vivaldi型天線的隙縫之間的耦合受到隙縫兩個截然不同的開路平面的影響，如圖10的清晰顯示。特別地，饋線12a從隙縫的端部算起λf/4處穿過天線11a，11b，11c，11d的隙縫，同時饋線13a從隙縫的端部算起λf/4+λf/2處穿過天線11a，11b，11c，11d的隙縫。因此，饋線確實處于兩個截然不同的開路平面中，饋線在兩個隙縫之間的長度仍然要滿足相同的等式，即對于饋線12a，饋線在Vivaldi型天線的兩個隙縫11a和11b，11b和11c，或者11c和11d之間的長度等于kλ1，其中k為正整數(shù)，λ1為導入饋線的波長，對于饋線13a，饋線在Vivaldi型天線的兩個隙縫11a和11b，11b和11c，或者11c和11d之間的長度等于(k+0.5)λ1，其中k為正整數(shù)，λ1為導入饋線的波長。也是在這種情況下，兩條饋線12a，13a通過與圖5中描述的類型一樣的T電路連接在發(fā)射/接收電路P上。這種新的拓撲結構如同在參考圖2的拓撲結構的情況下一樣能夠獲得輻射方向圖分集性。
對上述的實施例作多處修改而不脫離下述權利要求的范圍，對本領域的技術人員來說是很明顯的。
權利要求
1.一種電磁信號的發(fā)射/接收裝置，包括至少兩個隙縫-饋電天線(11a，11b，11c，11d)型電磁信號的接收和/或發(fā)射裝置，和將至少一個所述的接收和/或發(fā)射裝置與多波束信號的使用裝置相連的連接裝置，其特征在于，連接裝置包括由連接元件連接在使用裝置(P)上的兩條饋線(12，13；12a，13a)，所述的兩條饋線與隙縫-饋電天線的隙縫組之間電磁耦合，每條饋線以開關元件(14，15)為末端，所述的開關元件(14，15)按一定的方式放置以模擬作為監(jiān)控信號的函數(shù)的一條饋線末端的開路和短路和另一條饋線末端的短路和開路，從而可以獲得不同的輻射方向圖。
2.根據(jù)權利要求1中所述的裝置，其特征在于隙縫-饋電天線是圍繞中心點彼此有規(guī)律間隔開的Vivaldi型天線。
3.根據(jù)權利要求2或3所述的裝置，其特征在于饋線包括微帶天線或者共面天線。
4.根據(jù)權利要求1到3所述的裝置，其特征在于饋線穿過隙縫中的開路區(qū)域中的隙縫-饋電天線的隙縫。
5.根據(jù)權利要求1到3所述的裝置，其特征在于饋線在隙縫的兩個截然不同的開路平面中穿過隙縫-饋電天線的隙縫。
6.根據(jù)權利要求1到5所述的裝置，其特征在于第一饋線在隙縫-饋電天線的兩個隙縫之間的長度等于kλt，并且第二饋線在隙縫-饋電天線的兩個隙縫之間的長度等于(k+0.5)λt，其中λt為導入饋線的波長，而k為正整數(shù)。
7.根據(jù)權利要求1到6中所述的裝置，其特征在于開關元件包括二極管。
8.根據(jù)權利要求1到7中所述的裝置，其特征在于連接元件包括T元件，所述的元件的尺寸被設定為要有選擇性地向一個或者另一個饋線送入能量。
9.根據(jù)權利要求1到8中所述的裝置，其特征在于饋線在隙縫-饋電天線的隙縫和T之間的長度等于1＝nλ1/2其中n為整數(shù)，λ1為導入饋線的波長。
全文摘要
用于電磁波信號的發(fā)射/接收裝置包括至少兩個隙縫－饋電天線(11a，11b，11c，11d)型電磁信號的接收和/或發(fā)射裝置，和將至少一個所述的接收和/或發(fā)射裝置與多波束信號的使用裝置相連的連接裝置，其中，連接裝置包括由連接元件連接在使用裝置(P)上的兩條饋線(12，13)，所述的兩條饋線與隙縫－饋電天線的隙縫之間電磁耦合，每條饋線以開關元件(14，15)為末端，所述的開關元件(14，15)按一定的方式放置以模擬作為監(jiān)控信號的函數(shù)的一條饋線末端的開路和短路和另一條饋線末端的短路和開路，從而可以獲得不同的輻射方向圖。
文檔編號H01Q13/20GK1392680SQ02123210
公開日2003年1月22日 申請日期2002年6月12日 優(yōu)先權日2001年6月15日
發(fā)明者弗蘭克·圖德, 阿里·盧齊耶, 弗朗索瓦絲·勒博爾澤 申請人:湯姆森許可貿(mào)易公司