專利名稱：用于抑制回應(yīng)信號的陣列天線和設(shè)計所述天線的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在無線通信系統(tǒng)中使用的前方指向性(front directional)天線，并且尤其涉及一種使得回應(yīng)信號的傳輸特性為零(0)的隔離天線。
背景技術(shù)：
設(shè)計傳統(tǒng)的隔離天線的方法包括天線元件布設(shè)步驟S11、多回應(yīng)屏蔽步驟S12、信號合成步驟S13以及回應(yīng)抑制方向圖輸出步驟S14，如圖1所示。
在天線元件布設(shè)步驟S11中，天線元件被以相對較寬的間隔(例如0.7至1.5倍波長)進行布設(shè)，以通過使用較少數(shù)量的元件而獲得高方向增益，較少數(shù)量即1個或者2個元件111被布設(shè)在水平方向中而較多數(shù)量即4至10個元件被布設(shè)在垂直方向中，以減小天線尺寸。
多回應(yīng)屏蔽步驟S12是在通過天線元件布設(shè)步驟S11中布設(shè)的天線元件接收到回應(yīng)信號時，用于重復(fù)安置折射電波阻礙物115和116以重復(fù)減弱回應(yīng)信號的接收強度的步驟。
信號合成步驟S13是用于將通過在元件布設(shè)步驟S11中布設(shè)的天線元件接收到的信號合成到回應(yīng)信號通過多回應(yīng)屏蔽步驟減弱的狀態(tài)的步驟。
回應(yīng)抑制方向圖輸出步驟S14是用于將合成的回應(yīng)抑制方向圖信號輸出到天線外部從而以供用戶使用的步驟。
此處，如同圖1的方向圖130，輸出信號的方向圖具有主波束131以及旁瓣132，主波束131的半幅度由于折射電波阻礙物具有很窄角度(例如20度)，旁瓣132具有較大寬度。
然而，傳統(tǒng)的隔離天線的問題在于回應(yīng)信號的可能零點角度134受到電波阻礙物的尺寸和數(shù)量的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供一種天線設(shè)備以及設(shè)計所述天線設(shè)備的方法，所述天線設(shè)備形成前方指向所需的各種角度的主波束，并且對相對于所述主波束的所有180度(例如假定前方指向為0度則為90～270度)的回應(yīng)方向以-30db(1/1000)強度抑制回應(yīng)信號的接收。
本發(fā)明提供了一種設(shè)計用于抑制無線通信中使用的回應(yīng)信號的前方指向性陣列天線的方法，包括(a)相似方向圖元件布設(shè)步驟，用于以預(yù)定間隔的導(dǎo)體的反射面板上布設(shè)元件，所述元件在布設(shè)數(shù)量較少的短軸(x軸)以及垂直于所述x軸方向的長軸(y軸)上具有互相相似發(fā)射方向圖特性；(b)接收平衡步驟，用于在所述反射面板的邊緣形成具有預(yù)定角度和長度的反射表面，所述反射表面在所述前表面上相對于到達位于所述邊緣中的元件的電波的方向而中心對稱；(c)x軸方向信號抑制步驟，通過x軸串聯(lián)分布和合成以執(zhí)行與y行數(shù)量相同的x軸方向上的串聯(lián)分布和合成抑制傳輸特性，從而在步驟(b)之后的陣列天線的信號合成過程中以用于為x軸布設(shè)的輸出分布和合成；(d)y軸方向信號抑制步驟，通過y軸串聯(lián)分布和合成以在最終執(zhí)行y軸方向的分布與合成過程中執(zhí)行y軸方向上的串聯(lián)分布和合成抑制傳輸特性，從而以用于對x軸布設(shè)的輸出分布和合成；以及(e)回應(yīng)抑制固定方向圖輸出步驟，用于將y軸的布設(shè)信號分布和合成的結(jié)果提供給所述天線設(shè)備外部的聯(lián)系裝置(contact mean)。
在步驟(a)中，元件使用小偶極子執(zhí)行負(fù)載匹配，所述小偶極子相對地小于λ/2的偶極子，具有低于所述小偶極子元件的反射面板λ/4的高度，具有大于λ/8的寬度作為所述小偶極子元件的寬度，并且將前方指向性元件添加到所述小偶極子元件。
用于抑制x或者y軸的傳輸特性的串聯(lián)分布，可以選擇性應(yīng)用二項分布函數(shù)、Chebyshev函數(shù)、Taylor函數(shù)以及余弦函數(shù)中的一者。
本發(fā)明進一步提供了在無線通信系統(tǒng)中使用的前方指向性陣列天線，包括多個前方指向性天線元件311，具有大于λ/8的寬度作為小偶極子元件323的寬度并且在相鄰元件之間耦合前方指向性元件324以具有前方指向性特性和非干擾特性；反射面板，用于在列(x)和行(y)中低于λ/4的高度H處平面布設(shè)(plan-arrange)并且固定多個天線元件，并且具有角形反射部分322，所述角形反射部分322具有20至60度的反射曲率，具有與所述天線元件被固定的高度類似的高度，從而調(diào)節(jié)位于兩個邊緣端的天線元件之間的發(fā)射方向圖的平衡；x軸串聯(lián)分布部分312，根據(jù)二項分布應(yīng)用串聯(lián)分布以為短軸(x)形成零點，短軸中的元件布設(shè)數(shù)量是布設(shè)并且固定在列和行中的天線元件311中較少部分；y軸串聯(lián)分布部分313，對布設(shè)數(shù)量比x軸串聯(lián)分布部分312的信號更大的長軸根據(jù)Chebyshev函數(shù)應(yīng)用串聯(lián)分布，從而為y軸形成零點；以及輸入輸出部分314，用于輸出y軸串聯(lián)分布部分313的組合信號到外部部分。


通過下面的參考附圖的對優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以更加理解本發(fā)明的上述和其他特征和優(yōu)點，其中圖1為顯示根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)的回應(yīng)信號抑制方法和天線設(shè)備的圖示；圖2為顯示設(shè)計根據(jù)本發(fā)明的抑制回應(yīng)信號的陣列天線的方法的流程圖；
圖3為顯示根據(jù)本發(fā)明的天線設(shè)備的圖示；圖4為顯示根據(jù)本發(fā)明的角形反射部分的圖示；圖5為顯示根據(jù)本發(fā)明的回應(yīng)信號抑制原理的圖示；以及圖6為顯示根據(jù)本發(fā)明的天線設(shè)備配置以及所測量的方向圖的示例。
具體實施例方式
下面參考附圖更加全面的描述本發(fā)明，在附圖中顯示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。然而，本發(fā)明可以實施為不同形式，并且不應(yīng)認(rèn)為是限制于在此描述的實施例。這些實施例是為了使得本說明書全面完整而提供，并且對本領(lǐng)域技術(shù)人員全面表達本發(fā)明的范圍。在附圖中，層和區(qū)域的厚度為了清楚起見被放大了。在整個說明書中相似數(shù)字表示相似元件。
圖2為顯示設(shè)計根據(jù)本發(fā)明的用于抑制回應(yīng)信號的陣列天線的方法的流程圖。如圖2所示，設(shè)計陣列天線的方法包括相似方向圖元件布設(shè)步驟S21、接收平衡步驟S22、x軸方向信號抑制步驟S23、y軸方向信號抑制步驟S24以及回應(yīng)抑制固定方向圖輸出步驟S25。
相似方向圖元件布設(shè)步驟S21是使得各個天線元件在天線的反射面板上具有相似方向圖的步驟。由于布設(shè)在邊緣上的元件和布設(shè)在中心部分上的元件即使具有相同尺寸但由于互相干擾而仍然具有互不相同的特性，所以在控制陣列天線的發(fā)射方向圖時可能發(fā)生錯誤，從而形成不理想的波束方向圖。基于此原因，優(yōu)選的，使用處于布設(shè)在反射面板上的狀態(tài)時其發(fā)射方向圖相似的元件。
圖3為顯示在預(yù)定布設(shè)間隔(例如半個波長)處形成具有相似發(fā)射方向圖的天線元件的方法的圖示。在傳統(tǒng)的天線元件中，使用半波長(λ/2)偶極子，并且安裝高度H為距離反射面板321λ/4。然而，本發(fā)明的天線元件具有低于λ/4的高度(λ/8～λ/16)。因此，本發(fā)明的陣列天線可以通過將天線元件布設(shè)得靠近反射面板321而降低在相鄰元件之間發(fā)生的反射干擾的強度。
在組成較低高度的天線元件時，元件323被制成具有較大的寬度W(例如大于λ/8)，從而可以屏蔽在反射面板321上產(chǎn)生的反相功率并且產(chǎn)生前方指向性，從而降低元件之間的干擾強度。
前方指向性元件324(例如投射器)可以附加布設(shè)在各個元件323的前端部分上以降低相鄰元件之間的干擾。
此處，發(fā)射元件使用長度L為λ/4的小偶極子而不是λ/2的偶極子進行負(fù)載匹配，從而相鄰元件之間的鄰近距離被分隔以減少相互干擾。
相似發(fā)射方向圖元件之間的布設(shè)間隔優(yōu)選的為λ/2，從而易于控制旁瓣。
在接收平衡步驟S22中，通過布設(shè)在邊緣上的元件接收到的信號具有不同的增益和方向圖，依賴于無線電波的到達方向，并且在其兩端之間非對稱。
基于前述原因，如圖4所示，其中顯示了根據(jù)本發(fā)明的角形反射部分，位于邊緣上的反射器需要適當(dāng)?shù)拈g隔、反射角度和高度，從而位于兩個邊緣端的天線元件311可以產(chǎn)生相似發(fā)射方向圖214特性。
也就是說，接收平衡步驟S22是通過實際測量比較兩個邊緣端的發(fā)射方向圖并且確定邊緣反射器的模型例如如圖4所示的角形部分322的步驟。
下面參考圖5解釋x軸方向信號抑制步驟S23和y軸方向信號抑制步驟S24，其中顯示了抑制回應(yīng)信號的原理。
x軸方向信號抑制步驟S23具有如下特性，即經(jīng)歷了相似方向圖元件布設(shè)步驟S21和接收平衡步驟S22的陣列天線元件通過分布信號的百分比自由控制波束。特別的，其具有如下特性，即串聯(lián)分布例如λ/2間隔的二項式分布對反射器平面的方向(即假定前方指向為0度則為+90和-90度之間的方向)形成極限零點。
此處，在反射面板的邊緣通過邊緣接收平衡步驟S22而具有適當(dāng)?shù)慕切畏瓷淦髂Ｐ偷那闆r下，回應(yīng)端的信號源并不具有穿過自由空間直接到達陣列天線的所有元件的信號傳輸路徑，但是當(dāng)各個元件的發(fā)射方向圖被實際測量時，則測量預(yù)定量(例如與主波束相比大約為-20db)。在本發(fā)明中，回應(yīng)信號接收現(xiàn)象被解釋為穿過反射面板的邊緣耦合回應(yīng)信號，在反射面板的前端上共振并且然后重新發(fā)射到反射面板的前端。
因此，當(dāng)執(zhí)行為x軸的第一串聯(lián)組合時在所示的水平方向圖221中，根據(jù)通過串聯(lián)分布的波束控制模型的回應(yīng)部分的前方信號和發(fā)射方向圖被解釋為反射面板上y軸的共振信號在各個獨立元件的極化方向上接收，并且如果執(zhí)行x軸的波束控制則回應(yīng)信號被剩余以形成x軸的零點。
y軸方向信號抑制步驟S24具有類似于x軸方向信號抑制步驟S23的原理，并且具有如下特性，即對經(jīng)歷了相似方向圖元件布設(shè)步驟S21和接收平衡步驟S22的陣列天線元件應(yīng)用串聯(lián)分布，并且特別是例如λ/2間隔的二項分布等串聯(lián)分布對反射器平面的方向(即假定前方方向為0度則為y軸上+90和-90度之間的方向)形成極限零點。
因此，對y軸形成極限零點導(dǎo)致對在x軸抑制之后測量的回應(yīng)方向的y軸共振信號的第二極限偏移，從而形成發(fā)射方向圖223和224，使得所有回應(yīng)方向信號的傳輸特性為零，同時保持前方指向信號的傳輸特性。
回應(yīng)抑制固定方向圖輸出步驟S25是輸出前方信號到外部部分以在陣列天線外部使用的步驟，在所述前方信號中已經(jīng)通過x軸方向信號抑制步驟S23使用短軸串聯(lián)合成以及通過y軸方向信號抑制步驟S24使用長軸串聯(lián)合成去除了回應(yīng)信號。
此處，可以選擇二項分布、Chebyshev函數(shù)、Taylor函數(shù)以及余弦函數(shù)中的一者作為在x軸方向信號抑制步驟S23和y軸方向信號抑制步驟S24中對x軸和y軸抑制傳輸特性的串聯(lián)分布。
圖6為顯示根據(jù)本發(fā)明的天線設(shè)備配置以及方向圖示的示例。
如圖6所示，本發(fā)明的天線為在無線通信中使用的前方指向性陣列天線，并且包括多個天線元件311、具有角形反射部分322的反射面板321、x軸串聯(lián)分布部分312、y軸串聯(lián)分布部分313以及輸入輸出部分314。
多個天線元件311具有小偶極子元件323，其寬度較寬，例如大于λ/8，以對整個反射面板321的表面屏蔽在反射面板321上產(chǎn)生的反相功率，從而產(chǎn)生前方指向性以降低相鄰元件之間的干擾。
而且，前方指向性元件324例如投射器被附加布設(shè)在小偶極子元件323的前端部分上，從而大幅度降低相鄰元件之間的干擾。
天線元件311安裝在距離具有角形反射部分322的反射面板321λ/4的高度處。
此處，天線元件311優(yōu)選的布設(shè)在λ/2的間隔，很容易控制旁瓣。
其上形成了角形反射部分322的反射面板321被配置為使得多個天線元件311在行和列方向中在低于λ/4的高度下平面布設(shè)和固定，從而平衡在位于邊緣上的天線元件和位于中心部分上的天線元件之間的發(fā)射方向圖，并且具有角形反射部分322，角形反射部分322具有20至60度的反射曲率，具有與所述天線元件固定高度類似的高度，從而調(diào)節(jié)位于兩個邊緣端的天線元件之間的發(fā)射方向圖的平衡。
x軸串聯(lián)分布部分312根據(jù)二項式分布應(yīng)用串聯(lián)分布以對x軸形成零點。
y軸串聯(lián)分布部分313例如根據(jù)Chebyshev函數(shù)對x軸串聯(lián)分布部分312的信號應(yīng)用串聯(lián)分布以對y軸形成零點。
輸入輸出部分314輸出y軸串聯(lián)分布部分313的組合信號到外部部分。
與圖6所示的回應(yīng)抑制的單個方向圖類似，通過本發(fā)明的天線設(shè)備形成的實際發(fā)射方向圖不僅對回應(yīng)信號形成完備的零點，而且由于λ/2間隔的二項式分布的特性不會產(chǎn)生前端旁瓣，因此還形成單個波束331，并且還具有回應(yīng)零點延伸到前端的特性。
因此，其優(yōu)點在于回應(yīng)信號始終保持零點，并且還可以通過x和y軸的布設(shè)元件的數(shù)量而設(shè)計前方水平和垂直波束的寬度。而且，通過應(yīng)用各種串聯(lián)分布例如Chebyshev函數(shù)、Taylor函數(shù)、余弦函數(shù)以及二項式分布作為串聯(lián)分布以形成完備的零點，可以自由確定x和y軸的抑制程度，并且因此可以控制前方/回應(yīng)(F/B)比例，并且還可以設(shè)計所需的半功率角度，前方/旁邊(F/S)比例和增益。
如前所述，根據(jù)本發(fā)明的在無線通信系統(tǒng)中采用的陣列天線，可以設(shè)計最大F/B比例，從而能夠在不需要通信的方向上獲得足夠的隔離性能。
特別的，本發(fā)明的陣列天線可以應(yīng)用到各種無線通信系統(tǒng)例如AMPS、CDMA、GSM、TRS、PSC、衛(wèi)星廣播、WCDMA、便攜式互聯(lián)網(wǎng)、PHS、軍事通信、CDMA EV-DO等的數(shù)據(jù)通信。由于可以對不需要的電波執(zhí)行直接RF延遲和屏蔽，其優(yōu)點在于可以經(jīng)濟地擴展服務(wù)區(qū)域，并且在軍事上可以很容易執(zhí)行電子戰(zhàn)。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)計用于抑制無線通信中使用的回應(yīng)信號的前方指向性陣列天線的方法，包括(a)相似方向圖元件布設(shè)步驟，用于以預(yù)定間隔在作為導(dǎo)體的反射面板上布設(shè)元件，所述元件在布設(shè)數(shù)量較小的短軸(x軸)以及垂直于所述x軸方向的長軸(y軸)上具有互相相似發(fā)射方向圖特性；(b)接收平衡步驟，用于在所述反射面板的邊緣形成具有預(yù)定角度和長度的反射表面，所述反射表面在前表面上相對于到達位于所述邊緣中的元件的電波的方向而中心對稱；(c)x軸方向信號抑制步驟，通過x軸串聯(lián)分布和合成以執(zhí)行與y行數(shù)量相同的x軸方向上的串聯(lián)分布和合成抑制傳輸特性，從而在步驟(b)之后的陣列天線的信號合成過程中以用于對x軸布設(shè)的輸出分布和合成；(d)y軸方向信號抑制步驟，通過y軸串聯(lián)分布和合成以在最終執(zhí)行y軸方向的分布與合成過程中執(zhí)行y軸方向上的串聯(lián)分布和合成抑制傳輸特性，從而以用于對x軸布設(shè)的輸出分布和合成；以及(e)回應(yīng)抑制固定方向圖輸出步驟，用于將y軸的布設(shè)信號分布和合成的結(jié)果提供給所述天線設(shè)備外部的聯(lián)系裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述步驟(a)中，所述元件使用小偶極子執(zhí)行負(fù)載匹配，所述小偶極子相對地小于λ/2的偶極子，所述小偶極子元件具有距小偶極子元件的反射面板低于λ/4的高度，具有大于λ/8的寬度作為所述小偶極子元件的寬度，并且將前方指向性元件添加到所述小偶極子元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中選擇性應(yīng)用二項分布函數(shù)、Chebyshev函數(shù)、Taylor函數(shù)以及余弦函數(shù)中的一者作為抑制x或者y軸的傳輸特性的串聯(lián)分布。
4.一種在無線通信系統(tǒng)中使用的前方指向性陣列天線，包括多個前方指向性天線元件(311)，具有大于/8的寬度作為小偶極子元件(323)的寬度并且在相鄰元件之間耦合前方指向性元件(324)以具有前方指向性特性和非干擾特性；反射面板，用于在列(x)和行(y)中低于λ/4的高度H處平面布設(shè)并且固定多個天線元件，并且具有角形反射部分(322)，所述角形反射部分(322)具有20至60度的反射曲率，具有與所述天線元件被固定的高度類似的高度，從而調(diào)節(jié)位于兩個邊緣端的天線元件之間的發(fā)射方向圖的平衡；x軸串聯(lián)分布部分(312)，根據(jù)二項分布應(yīng)用串聯(lián)分布以為短軸(x)形成零點，短軸中的元件布設(shè)數(shù)量是布設(shè)并且固定在列和行中的天線元件(311)中較少部分；y軸串聯(lián)分布部分(313)，對布設(shè)數(shù)量比x軸串聯(lián)分布部分(312)的信號更大的長軸根據(jù)Chebyshev函數(shù)應(yīng)用串聯(lián)分布，從而對y軸形成零點；以及輸入輸出部分(314)，用于輸出y軸串聯(lián)分布部分(313)的組合信號到外部部分。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種設(shè)計用于抑制無線通信中使用的回應(yīng)信號的前方指向性陣列天線的方法，包括(a)相似方向圖元件布設(shè)步驟，用于以預(yù)定間隔在為導(dǎo)體的反射面板上布設(shè)元件，所述元件在布設(shè)數(shù)量較小的短軸(x軸)以及垂直于所述x軸方向的長軸(y軸)上具有互相相似發(fā)射方向圖特性；(b)接收平衡步驟，用于在所述反射面板的邊緣形成具有預(yù)定角度和長度的反射表面，所述反射表面在前表面上相對于到達位于所述邊緣中的元件的電波的方向而中心對稱；(c)x軸方向信號抑制步驟，通過x軸串聯(lián)分布和合成以執(zhí)行與y行數(shù)量相同的x軸方向中的串聯(lián)分布和合成抑制傳輸特性，從而在步驟(b)之后的陣列天線的信號合成過程中以用于對x軸布設(shè)的輸出分布和合成；(d)y軸方向信號抑制步驟，通過y軸串聯(lián)分布和合成以在最終執(zhí)行y軸方向的分布與合成過程中執(zhí)行y軸方向中的串聯(lián)分布和合成抑制傳輸特性，從而以用于對x軸布設(shè)的輸出分布和合成；以及(e)回應(yīng)抑制固定方向圖輸出步驟，用于將y軸的布設(shè)信號分布和合成的結(jié)果提供給所述天線設(shè)備外部的聯(lián)系裝置。
文檔編號H01Q21/00GK1977423SQ200580021338
公開日2007年6月6日 申請日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月28日
發(fā)明者鄭夏在 申請人:株式會社Wl霍斯特