用于抑制回应信号的阵列天线和设计所述天线的方法

摘要

本发明提供了一种设计用于抑制无线通信中使用的回应信号的前方指向性阵列天线的方法，包括：(a)相似方向图元件布设步骤，用于以预定间隔在为导体的反射面板上布设元件，所述元件在布设数量较小的短轴(x轴)以及垂直于所述x轴方向的长轴(y轴)上具有互相相似发射方向图特性；(b)接收平衡步骤，用于在所述反射面板的边缘形成具有预定角度和长度的反射表面，所述反射表面在前表面上相对于到达位于所述边缘中的元件的电波的方向而中心对称；(c)x轴方向信号抑制步骤，通过x轴串联分布和合成以执行与y行数量相同的x轴方向中的串联分布和合成抑制传输特性，从而在步骤(b)之后的阵列天线的信号合成过程中以用于对x轴布设的输出分布和合成；(d)y轴方向信号抑制步骤，通过y轴串联分布和合成以在最终执行y轴方向的分布与合成过程中执行y轴方向中的串联分布和合成抑制传输特性，从而以用于对x轴布设的输出分布和合成；以及(e)回应抑制固定方向图输出步骤，用于将y轴的布设信号分布和合成的结果提供给所述天线设备外部的联系装置。

说明书

相关申请

本申请要求2004年6月28日提交的韩国专利申请No.2004-48743的优先权，其公开内容作为引用而完整结合于此。

技术领域

本发明涉及一种在无线通信系统中使用的前方指向性(front directional)天线，并且尤其涉及一种使得回应信号的传输特性为零(0)的隔离天线。

背景技术

设计传统的隔离天线的方法包括天线元件布设步骤S11、多回应屏蔽步骤S12、信号合成步骤S13以及回应抑制方向图输出步骤S14，如图1所示。

在天线元件布设步骤S11中，天线元件被以相对较宽的间隔(例如0.7至1.5倍波长)进行布设，以通过使用较少数量的元件而获得高方向增益，较少数量即1个或者2个元件111被布设在水平方向中而较多数量即4至10个元件被布设在垂直方向中，以减小天线尺寸。

多回应屏蔽步骤S12是在通过天线元件布设步骤S11中布设的天线元件接收到回应信号时，用于重复安置折射电波阻碍物115和116以重复减弱回应信号的接收强度的步骤。

信号合成步骤S13是用于将通过在元件布设步骤S11中布设的天线元件接收到的信号合成到回应信号通过多回应屏蔽步骤减弱的状态的步骤。

回应抑制方向图输出步骤S14是用于将合成的回应抑制方向图信号输出到天线外部从而以供用户使用的步骤。

此处，如同图1的方向图130，输出信号的方向图具有主波束131以及旁瓣132，主波束131的半幅度由于折射电波阻碍物具有很窄角度(例如20度)，旁瓣132具有较大宽度。

然而，传统的隔离天线的问题在于回应信号的可能零点角度134受到电波阻碍物的尺寸和数量的限制。

发明内容

本发明的一个目标是提供一种天线设备以及设计所述天线设备的方法，所述天线设备形成前方指向所需的各种角度的主波束，并且对相对于所述主波束的所有180度(例如假定前方指向为0度则为90～270度)的回应方向以-30db(1/1000)强度抑制回应信号的接收。

本发明提供了一种设计用于抑制无线通信中使用的回应信号的前方指向性阵列天线的方法，包括：(a)相似方向图元件布设步骤，用于以预定间隔的导体的反射面板上布设元件，所述元件在布设数量较少的短轴(x轴)以及垂直于所述x轴方向的长轴(y轴)上具有互相相似发射方向图特性；(b)接收平衡步骤，用于在所述反射面板的边缘形成具有预定角度和长度的反射表面，所述反射表面在所述前表面上相对于到达位于所述边缘中的元件的电波的方向而中心对称；(c)x轴方向信号抑制步骤，通过x轴串联分布和合成以执行与y行数量相同的x轴方向上的串联分布和合成抑制传输特性，从而在步骤(b)之后的阵列天线的信号合成过程中以用于为x轴布设的输出分布和合成；(d)y轴方向信号抑制步骤，通过y轴串联分布和合成以在最终执行y轴方向的分布与合成过程中执行y轴方向上的串联分布和合成抑制传输特性，从而以用于对x轴布设的输出分布和合成；以及(e)回应抑制固定方向图输出步骤，用于将y轴的布设信号分布和合成的结果提供给所述天线设备外部的联系装置(contact mean)。

在步骤(a)中，元件使用小偶极子执行负载匹配，所述小偶极子相对地小于λ/2的偶极子，具有低于所述小偶极子元件的反射面板λ/4的高度，具有大于λ/8的宽度作为所述小偶极子元件的宽度，并且将前方指向性元件添加到所述小偶极子元件。

用于抑制x或者y轴的传输特性的串联分布，可以选择性应用二项分布函数、Chebyshev函数、Taylor函数以及余弦函数中的一者。

本发明进一步提供了在无线通信系统中使用的前方指向性阵列天线，包括：多个前方指向性天线元件311，具有大于λ/8的宽度作为小偶极子元件323的宽度并且在相邻元件之间耦合前方指向性元件324以具有前方指向性特性和非干扰特性；反射面板，用于在列(x)和行(y)中低于λ/4的高度H处平面布设(plan-arrange)并且固定多个天线元件，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，具有与所述天线元件被固定的高度类似的高度，从而调节位于两个边缘端的天线元件之间的发射方向图的平衡；x轴串联分布部分312，根据二项分布应用串联分布以为短轴(x)形成零点，短轴中的元件布设数量是布设并且固定在列和行中的天线元件311中较少部分；y轴串联分布部分313，对布设数量比x轴串联分布部分312的信号更大的长轴根据Chebyshev函数应用串联分布，从而为y轴形成零点；以及输入输出部分314，用于输出y轴串联分布部分313的组合信号到外部部分。

附图说明

通过下面的参考附图的对优选实施例的详细描述，本领域技术人员可以更加理解本发明的上述和其他特征和优点，其中：

图1为显示根据传统技术的回应信号抑制方法和天线设备的图示；

图2为显示设计根据本发明的抑制回应信号的阵列天线的方法的流程图；

图3为显示根据本发明的天线设备的图示；

图4为显示根据本发明的角形反射部分的图示；

图5为显示根据本发明的回应信号抑制原理的图示；以及

图6为显示根据本发明的天线设备配置以及所测量的方向图的示例。

具体实施方式

下面参考附图更加全面的描述本发明，在附图中显示了本发明的优选实施例。然而，本发明可以实施为不同形式，并且不应认为是限制于在此描述的实施例。这些实施例是为了使得本说明书全面完整而提供，并且对本领域技术人员全面表达本发明的范围。在附图中，层和区域的厚度为了清楚起见被放大了。在整个说明书中相似数字表示相似元件。

图2为显示设计根据本发明的用于抑制回应信号的阵列天线的方法的流程图。如图2所示，设计阵列天线的方法包括相似方向图元件布设步骤S21、接收平衡步骤S22、x轴方向信号抑制步骤S23、y轴方向信号抑制步骤S24以及回应抑制固定方向图输出步骤S25。

相似方向图元件布设步骤S21是使得各个天线元件在天线的反射面板上具有相似方向图的步骤。由于布设在边缘上的元件和布设在中心部分上的元件即使具有相同尺寸但由于互相干扰而仍然具有互不相同的特性，所以在控制阵列天线的发射方向图时可能发生错误，从而形成不理想的波束方向图。基于此原因，优选的，使用处于布设在反射面板上的状态时其发射方向图相似的元件。

图3为显示在预定布设间隔(例如半个波长)处形成具有相似发射方向图的天线元件的方法的图示。在传统的天线元件中，使用半波长(λ/2)偶极子，并且安装高度H为距离反射面板321λ/4。然而，本发明的天线元件具有低于λ/4的高度(λ/8～λ/16)。因此，本发明的阵列天线可以通过将天线元件布设得靠近反射面板321而降低在相邻元件之间发生的反射干扰的强度。

在组成较低高度的天线元件时，元件323被制成具有较大的宽度W(例如大于λ/8)，从而可以屏蔽在反射面板321上产生的反相功率并且产生前方指向性，从而降低元件之间的干扰强度。

前方指向性元件324(例如投射器)可以附加布设在各个元件323的前端部分上以降低相邻元件之间的干扰。

此处，发射元件使用长度L为λ/4的小偶极子而不是λ/2的偶极子进行负载匹配，从而相邻元件之间的邻近距离被分隔以减少相互干扰。

相似发射方向图元件之间的布设间隔优选的为λ/2，从而易于控制旁瓣。

在接收平衡步骤S22中，通过布设在边缘上的元件接收到的信号具有不同的增益和方向图，依赖于无线电波的到达方向，并且在其两端之间非对称。

基于前述原因，如图4所示，其中显示了根据本发明的角形反射部分，位于边缘上的反射器需要适当的间隔、反射角度和高度，从而位于两个边缘端的天线元件311可以产生相似发射方向图214特性。

也就是说，接收平衡步骤S22是通过实际测量比较两个边缘端的发射方向图并且确定边缘反射器的模型例如如图4所示的角形部分322的步骤。

下面参考图5解释x轴方向信号抑制步骤S23和y轴方向信号抑制步骤S24，其中显示了抑制回应信号的原理。

x轴方向信号抑制步骤S23具有如下特性，即经历了相似方向图元件布设步骤S21和接收平衡步骤S22的阵列天线元件通过分布信号的百分比自由控制波束。特别的，其具有如下特性，即串联分布例如λ/2间隔的二项式分布对反射器平面的方向(即假定前方指向为0度则为+90和-90度之间的方向)形成极限零点。

此处，在反射面板的边缘通过边缘接收平衡步骤S22而具有适当的角形反射器模型的情况下，回应端的信号源并不具有穿过自由空间直接到达阵列天线的所有元件的信号传输路径，但是当各个元件的发射方向图被实际测量时，则测量预定量(例如与主波束相比大约为-20db)。在本发明中，回应信号接收现象被解释为穿过反射面板的边缘耦合回应信号，在反射面板的前端上共振并且然后重新发射到反射面板的前端。

因此，当执行为x轴的第一串联组合时在所示的水平方向图221中，根据通过串联分布的波束控制模型的回应部分的前方信号和发射方向图被解释为反射面板上y轴的共振信号在各个独立元件的极化方向上接收，并且如果执行x轴的波束控制则回应信号被剩余以形成x轴的零点。

y轴方向信号抑制步骤S24具有类似于x轴方向信号抑制步骤S23的原理，并且具有如下特性，即对经历了相似方向图元件布设步骤S21和接收平衡步骤S22的阵列天线元件应用串联分布，并且特别是例如λ/2间隔的二项分布等串联分布对反射器平面的方向(即假定前方方向为0度则为y轴上+90和-90度之间的方向)形成极限零点。

因此，对y轴形成极限零点导致对在x轴抑制之后测量的回应方向的y轴共振信号的第二极限偏移，从而形成发射方向图223和224，使得所有回应方向信号的传输特性为零，同时保持前方指向信号的传输特性。

回应抑制固定方向图输出步骤S25是输出前方信号到外部部分以在阵列天线外部使用的步骤，在所述前方信号中已经通过x轴方向信号抑制步骤S23使用短轴串联合成以及通过y轴方向信号抑制步骤S24使用长轴串联合成去除了回应信号。

此处，可以选择二项分布、Chebyshev函数、Taylor函数以及余弦函数中的一者作为在x轴方向信号抑制步骤S23和y轴方向信号抑制步骤S24中对x轴和y轴抑制传输特性的串联分布。

图6为显示根据本发明的天线设备配置以及方向图示的示例。

如图6所示，本发明的天线为在无线通信中使用的前方指向性阵列天线，并且包括多个天线元件311、具有角形反射部分322的反射面板321、x轴串联分布部分312、y轴串联分布部分313以及输入输出部分314。

多个天线元件311具有小偶极子元件323，其宽度较宽，例如大于λ/8，以对整个反射面板321的表面屏蔽在反射面板321上产生的反相功率，从而产生前方指向性以降低相邻元件之间的干扰。

而且，前方指向性元件324例如投射器被附加布设在小偶极子元件323的前端部分上，从而大幅度降低相邻元件之间的干扰。

天线元件311安装在距离具有角形反射部分322的反射面板321λ/4的高度处。

此处，天线元件311优选的布设在λ/2的间隔，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被配置为使得多个天线元件311在行和列方向中在低于λ/4的高度下平面布设和固定，从而平衡在位于边缘上的天线元件和位于中心部分上的天线元件之间的发射方向图，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，具有与所述天线元件固定高度类似的高度，从而调节位于两个边缘端的天线元件之间的发射方向图的平衡。

x轴串联分布部分312根据二项式分布应用串联分布以对x轴形成零点。

y轴串联分布部分313例如根据Chebyshev函数对x轴串联分布部分312的信号应用串联分布以对y轴形成零点。

输入输出部分314输出y轴串联分布部分313的组合信号到外部部分。

与图6所示的回应抑制的单个方向图类似，通过本发明的天线设备形成的实际发射方向图不仅对回应信号形成完备的零点，而且由于λ/2间隔的二项式分布的特性不会产生前端旁瓣，因此还形成单个波束331，并且还具有回应零点延伸到前端的特性。

因此，其优点在于回应信号始终保持零点，并且还可以通过x和y轴的布设元件的数量而设计前方水平和垂直波束的宽度。而且，通过应用各种串联分布例如Chebyshev函数、Taylor函数、余弦函数以及二项式分布作为串联分布以形成完备的零点，可以自由确定x和y轴的抑制程度，并且因此可以控制前方/回应(F/B)比例，并且还可以设计所需的半功率角度，前方/旁边(F/S)比例和增益。

如前所述，根据本发明的在无线通信系统中采用的阵列天线，可以设计最大F/B比例，从而能够在不需要通信的方向上获得足够的隔离性能。

特别的，本发明的阵列天线可以应用到各种无线通信系统例如AMPS、CDMA、GSM、TRS、PSC、卫星广播、WCDMA、便携式互联网、PHS、军事通信、CDMA EV-DO等的数据通信。由于可以对不需要的电波执行直接RF延迟和屏蔽，其优点在于可以经济地扩展服务区域，并且在军事上可以很容易执行电子战。