具有偶极子的三重偏振苜蓿叶形天线

摘要

本发明涉及一种天线设备，包括用于提供恒定电流电回路的近似的装置(1、72、72′、77、77′)，所述恒定电流电回路的近似被布置成提供第一基本为超环面形的辐射图(29)，其中所述天线设备进一步包括第一(67)和第二(68)电偶极子。所述电偶极子(67、68)被基本上彼此正交布置，并且被布置成提供第二(30)和第三(31)基本为超环面形的辐射图，所述第二(30)和第三(31)基本为超环面形的辐射图彼此基本上正交并且都与第一基本为超环面形的辐射图(29)正交。用于所述恒定电流电回路的近似的装置(1、72、72′、77、77′)包括至少两个电流路径部分(2、3、4、5；69、70、71；69′、70′、71′；73、74、75、76；73′、74′、75′、76′)，其中电流(I1、I2、I3、I4)能够被施加到所述部分(2、3、4、5；69、70、71；69′、70′、71′；73、74、75、76；73′、74′、75′、76′)中的每一个部分，以便所述部分(2、3、4、5；69、70、71；69′、70′、71′；73、74、75、76；73′、74′、75′、76′)每一个中的电流(I1、I2、I3、I4)基本上会彼此同相。

说明书

技术领域

本发明涉及一种天线设备，包括用于提供恒定电流电回路的近似(approximation)的装置，所述恒定电流电回路的近似被布置成提供第一基本为超环面形(toroid-shaped)的辐射图，其中所述天线设备进一步包括第一和第二电偶极子，所述电偶极子基本上被彼此正交(orthogonal)布置，并且被布置成提供第二和第三基本为超环面形的辐射图，所述第二和第三基本为超环面形的辐射图彼此基本上正交并且都与第一基本为超环面形的辐射图正交。

背景技术

对无线通信系统的需求已经稳步发展，并且仍然继续发展，并且在此发展期间已经取得了多个技术改进阶段。为了通过使用不相关的传播路径来使无线系统获得增加的系统容量，已经考虑用MIMO(多输入多输出Multiple Input Multiple Output)系统来构建用于提高容量的优选技术。MIMO使用多个独立无关的信号路径，例如借助于若干发射和接收天线。所期望的结果是具有多个不相关的天线端口以供接收和发射。

对MIMO来说，所期望的是对信道进行估计并且连续地更新此估计。可以通过以先前已知的方式连续地发射所谓的导频信号来执行此更新。所述信道的估计产生信道矩阵。如果多个发射天线Tx向多个接收天线Rx发射信号(所述信号构成所发射的信号向量)，则在每个Rx天线中对所有Tx信号求和，并且借助于线性组合来形成所接收的信号向量。通过使所接收的信号向量与所反向的信道矩阵相乘，可以对所述信道进行补偿并且获取原始信息，即如果知道确切的信道矩阵，那么就有可能获取确切的发射信号向量。因此信道矩阵分别充当在Tx和Rx天线的天线端口之间的耦合。这些矩阵大小为MxN，其中M是Tx天线的输入(天线端口)的数目而N是Rx天线的输出(天线端口)的数目。这对于MIMO系统领域中的技术人员都是已知的。

为了使MIMO系统能够有效地运行，就需要发射信号是不相关的或至少基本上不相关的信号。在这里术语“不相关的信号”指的是辐射图基本上是正交的。这一点对于一个适于以至少两个正交偏振进行接收和发射的天线来说是可能的。如果要对一个天线使用两个以上的正交偏振，那么必须在所谓的具有多个独立传播路径的富散射环境中使用该天线，这是因为如果不那样的话便不可能得益于两个以上的正交偏振。当许多电磁波在空间中的单个点重合时，就认为出现了富散射环境。因此，在富散射环境中，由于多个独立的传播路径使天线的所有自由度都能够被利用，所以就能够利用两个以上的正交偏振。

MIMO系统的天线可以利用空间分离，即物理分离，以便在天线端口的接收信号之间实现低相关性。然而这会导致不适于例如便携式终端的大型阵列。另一种用于获得不相关信号的方式是借助于偏振分离，即通常利用正交偏振来发送和接收信号。

于是对具有三个端口的MIMO天线来说建议使用三个正交偶极子，但是这种天线制造起来很复杂并且当在较高频率使用时需要大量空间，例如用于MIMO系统的那些天线(大约2GHz)。

在US2002/0113748中，公开了两种优选正交布置的偶极子和回路元件。如所述申请的图5所示，所述回路元件采用环的形式，并且在所述环中的某一点进行馈送。

因为建议回路元件的直径高达工作频率的一个波长，从而表明所述回路可以长达若干个波长。

然而，为了使用依照US2002/0113748的天线设备来获取基本上与偶极子图正交的辐射图，一种方法是使用小型回路。这种小型回路应当具有大约在工作频率的十分之一波长的直径，从而产生恒定电流电回路元件的近似。使用恒定电流电回路或至少其充分的近似是用于获取基本上与偶极子图正交的辐射图的有利方法。

尽管在US2002/0113748中并没有明确地建议，但可以根据所述文献来推导出这种小型回路天线。然而，所述小型回路天线带宽相当窄并且由此难以适当地匹配，这是因为它具有高电抗和低电阻。此外，这种小型回路天线明显小于相邻的偶极子天线，从而导致难以实施的构造。

因此，依照US2002/0113748的天线设备存在着问题，这是因为回路元件必须非常小以便作为恒定电流回路元件的充分近似。

本发明所解决的目标问题是提供一种适于MIMO系统的天线设备，所述天线设备能够以三个基本上不相关的偏振进行发送和接收，并且应当包括两个基本上正交的偶极子和恒定电流电回路元件的近似。此外，恒定电流电回路元件的近似应当易于被匹配并且与根据现有技术方案推出的带宽相比具有大带宽。

发明内容

此目标问题是借助于依照本介绍的天线设备来解决的，所述天线设备进一步的特征在于：用于恒定电流电回路的近似的装置包括至少两个电流路径部分，此处能够把电流施加到所述部分中的每一个部分，以使所述部分每一个中的电流基本上彼此同相。

在从属权利要求中公开了优选实施例。

借助于本发明可获得若干优点，例如：

-获得低成本的三重偏振天线设备。

-使得用平面技术制造三重偏振天线成为可能，从而避免了耗费空间的天线设备。

-获得了易于制造的三重偏振天线。

附图说明

现在将参考附图来更详细地描述本发明，其中

图1示出了四叶苜蓿叶形(clover)天线；

图2示出了恒定电流电回路的理想辐射图；

图3示出了两个正交的偶极子天线；

图4示出了具有两个垂直偶极子天线的四叶苜蓿叶形天线；

图5示出了偶极子天线的理想辐射图；

图6示出了三个正交的辐射图；

图7示出了用平面技术实现的依照本发明的天线设备的侧视图；

图8a示出了用平面技术实现的四叶苜蓿叶形天线；

图8b示出了用平面技术实现的两个正交的偶极子天线；

图9a示出了怎样使用三个偶极子臂来模拟第一电偶极子；

图9a示出了怎样使用三个偶极子臂来模拟第二电偶极子；

图10a示出了依照第一类的第一种情况的偶极子设备；

图10b示出了依照第一类的第二种情况的偶极子设备；

图11a示出了依照第二类的第一种情况的偶极子设备；和

图11b示出了依照第二类的第二种情况的偶极子设备。

具体实施方式

依照本发明，提供了所谓的三重模式的天线设备。三重模式的天线设备被设计成用于发射三个基本上正交的辐射图。

在本发明中使用了先前已知的、所谓的四叶苜蓿叶形天线1，并且在图1中示出了该天线1。四叶苜蓿叶形天线1包括导电材料(例如弯曲铜线)的第一2、第二3、第三4和第四5回路，其中所述回路2、3、4、5全部大体上都位于相同的平面上，即图1的纸面上的天线平面P。每个回路2、3、4、5从具有馈送端口7的馈送导线6延伸到通向地9的接地导线8，优选它们都被连接到相同的馈送导线6。如图1所示，在对称的圆形苜蓿叶图案中，回路2、3、4、5优选基本上具有相同的长度并且位于彼此旁边。

当沿第一回路2而行时，该回路起始于第一馈送连接点10(此处它与馈送导线6接触)，顺时针前进并且终止于第一地连接点11(此处它与接地导线8接触)。相对于第一回路2顺时针定位的第二回路3也起始于第一馈送连接点10(此处它与馈送导线6接触)，顺时针前进并且终止于第二地连接点12(此处它与接地导线8接触)。

相对于第二回路3顺时针定位的第三回路4起始于第二馈送连接点13(此处它与馈送导线6接触)，顺时针前进并且终止于第二地连接点12(此处它与接地导线8接触)。相对于第三回路4顺时针定位的第四回路5起始于第二馈送连接点13(此处它与馈送导线6接触)，顺时针前进并且终止于第一地连接点11(此处它与接地导线8接触)。

每个回路2、3、4、5都包括弓形导线部分2a、3a、4a、5a和第一2b、3b、4b、5b和第二2c、3c、4c、5c直线导线部分。第一回路2的直线导线部分2b、2c会与相邻第四5和第二3回路的相邻直线导线部分5c、3b一起形成第一14和第二15并行对导线部分。采用相同方式形成第三16和第四17并行对导线部分。弓形导线部分2a、3a、4a、5a以这样的方式延伸，以使它们一起形成不完全的基本上呈圆形的导电部分。术语“不完全”的指的是所述基本上呈圆形的导电部分在每个弓形导线部分2a、3a、4a、5a之间有中断。

因为所有回路2、3、4、5都是从相同的馈送导线6馈送的，所以每个回路中的电流I₁、I₂、I₃、I₄都基本上是彼此同相的。特别地是，在每个弓形导线部分2a、3a、4a、5a中，电流I₁、I₂、I₃、I₄与在所有其它弓形导线部分2a、3a、4a、5a中的电流I₁、I₂、I₃、I₄是同相的。此外，当关于第一并行对导线部分14时，包含在直线导线部分2b、5c中的电流I₁、I₄以相反方向前进，从而彼此抵消。相应的情况适用于第二15、第三16和第四17并行对导线部分。

这意味着借助于回路2、3、4、5的叠加，四叶苜蓿叶形天线1实际上是导电环的近似，其中电流在整个环上具有相同的相位。这意味着获得了理想的所谓恒定电流电回路的近似。近似的偏差主要源于弓形导线部分2a、3a、4a、5a并未形成完全且准确的圆，并且每个弓形导线部分2a、3a、4a、5a中的电流I₁、I₂、I₃、I₄沿所关注的弓形导线部分2a、3a、4a、5a并没有相同的相位。

可以使用更多或更少的苜蓿叶形回路，所使用的苜蓿叶形回路越多，理想导电环的近似就变得越准确。另一方面，所使用的苜蓿叶形回路越多，天线结构就变得越复杂。在所示出的实施例中，使用了四叶苜蓿叶形天线1。此外，所使用的苜蓿叶形天线越小--以波长为量度，所述近似就会越好，这是因为电流沿着所关注的弓形导线部分2a、3a、4a、5a在更小的范围内改变。这里“波长”优选指的是依照本发明的天线设备的操作带宽的中心波长。

在图2中示出了由四叶苜蓿叶形天线近似的恒定电流电回路的理想辐射图18，并且该辐射图18被构形成超环面状环(toroid ring)，其中超环面状环的弧基本上沿四叶苜蓿叶形天线1的弓形导线部分2a、3a、4a、5a而行。恒定电流电回路的理想辐射图18具有纵向对称面P′，该对称面P′用于把所述超环面状环划分为两个相等的圆形等分，因此所述纵向超环面状环对称面P′与四叶苜蓿叶形天线平面P重合。

依照本发明，把四叶苜蓿叶形天线与如图3所示正交布置的第一19和第二20偶极子组合在一起，所述第一19和第二20偶极子是用例如弯曲铜线之类的导电材料来制造的。第一偶极子19包括具有两个并行导线21a、21b的第一馈送部分21和第一臂部分22，所述第一臂部分22包括两个偶极子臂22a、22b，此处以这样的方式将两个馈送导线21a、21b弯曲90°，以使所述导线或偶极子臂22a、22b现在以相反方向延伸直到它们达到它们的末端。第二偶极子20包括具有相应的馈送导线23a、23b和偶极子臂24a、24b的相应第二馈送部分23和第二臂部分24。导电部分21、22、23、24优选基本上具有相同的长度。

参考图4，在四叶苜蓿叶形天线中央布置偶极子19、20，所述四叶苜蓿叶形天线只示意性地用弓形导线部分2a、3a、4a、5a示出。偶极子19、20分别具有垂直上升到四叶苜蓿叶形天线平面P(未在图4中示出)的馈送部分21、23，并且它们各自的臂部分22、24基本上平行于四叶苜蓿叶形天线面延伸。第一臂部分22的延伸部分基本上与第二臂部分24的延伸部分正交。

在图5中示出了具有馈送部分27和臂部分28的偶极子天线26的理想辐射图25，并且该辐射图25被构形成超环面状环。偶极子天线26的臂部分28构成了中心轴，辐射图25的超环面状环是绕该中心轴形成的。换句话说，辐射图25的弓形形状以这样的方式绕所述臂部分28前进，以使臂部分28的延伸部分形成超环面状环的中心对称线。

对依照本发明的天线来说，参考图6，用侧视图示出了所生成的天线图，其中四叶苜蓿叶形天线平面P垂直于纸平面延伸。

四叶苜蓿叶形天线1生成具有第一纵向超环面状环对称面P′的第一超环面形辐射图29。第一辐射图29是用从左到右升高的倾斜线来标记的。

第一偶极子天线19生成具有第二纵向超环面状环对称面P″的第二超环面形辐射图30，所述第二纵向超环面状环对称面P″与纸平面重合或平行并且与第一纵向超环面状环对称面P′正交。第二辐射图30是用从左到右降低的倾斜线来标记的。

第二偶极子天线20生成具有第三纵向超环面状环对称面P″的第三超环面形辐射图31，所述第三纵向超环面状环对称面P″既与第一纵向超环面状环对称面P′正交又与第二纵向超环面状环对称面P″正交。从而我们拥有了第一P′、第二P″和第三P平面。第三辐射图31是用水平线标记的。

理论上如图6所示，这些辐射图29、30、31具有相同的相位中心，但是实际上第二30和第三31辐射图相对于第一辐射图29会被升高或降低。这种偏差优选应当小到用波长来量度，例如大约λ/10，此处λ是天线设备的操作带宽的中心波长。

依照以下定义，因为纵向超环面状环对称平面P′、P″、P彼此正交，所以辐射图也彼此正交。

作为结论，借助于本发明，获取了三个不同的超环面形辐射图29、30、31，此处每个辐射图都与其它辐射图正交。

因为辐射图是正交的，所以相关性等于零，此处所述相关性ρ可以被写为：

在如上等式中，Ω表示表面而符号^*标示复共轭。对辐射图的积分来说，Ω表示包括所有空间角度的封闭表面，并且当此积分等于零时，所述辐射图之间没有相关性，即所述辐射图彼此正交。分母是结果归一化项。

非常期望的是具有三个至少基本上正交的辐射图，原因在于这使得在富散射环境中实现不相关的并行信道，即信道矩阵中的行可以是独立的。而这意味着本发明适用于MIMO系统。

在先前描述的第一实施例中，四叶苜蓿叶形天线和第一和第二偶极子是用诸如铜线之类的弯曲导线来制造的。任何其它导电材料也会实现本发明的功能。

在第二实施例中，四叶苜蓿叶形天线和第一和第二偶极子是用平面技术来制造的，从而构成微带天线。如图7中示意性地示出，于是依照本发明的三重模式天线包括叠放在彼此之上的第一32、第二33、第三34和第四35铜包绝缘迭片(laminate)，例如基于聚四氟乙烯(Teflon)的迭片。通过移除铜，可以在迭片32、33、34、35上形成不同的导电结构。可以通过蚀刻或替代性地研磨的方式来移除铜。

在图7中，从侧面示出了第一32、第二33、第三34和第四35迭片，每一个迭片都具有第一36、37、38、39和第二40、41、42、43面，从而形成夹层结构。夹层结构具有顶部44、底部45和第一46、第二47和第三48中间部分，其中每个中间部分46、47、48被形成于两个相邻的迭片之间。

在顶部44上，在第一迭片32的第一面36上形成偶极子臂部分。以下，在第一32和第二33迭片之间的第一中间部分46，在第一迭片32的第二面40上或者在第二迭片33的第一面37上形成四叶苜蓿叶形回路。在未使用的一面上，移除所有的铜。

在更下面，在第二33和第三34迭片之间的第二中间部分47，以这样的方式组合四叶苜蓿叶形回路，从而借助于用于连接第一46和第二47中间部分的通孔(未示出)来把每个回路连接到共同的馈送线和共同的地线。然后在第二迭片33的第二面41上或在第三迭片34的第一面38上形成组合网络。在未使用的一面上，移除所有的铜。

在更下面，在第三34和第四35迭片之间的第三中间部分48，以这样的方式来组合所述偶极子臂部分，从而借助于用于连接顶部44和第三48中间部分42的通孔(未示出)来把偶极子臂部分连接到相应的馈送线路和共同的地线。此外，借助于用于连接第二47和第三48中间部分的通孔(未示出)来在第三中间部分48形成四叶苜蓿叶形馈送线路。在夹层的边缘把四叶苜蓿叶形馈送线路连接到苜蓿叶形天线连接器49。从而在第三迭片34的第二面42或在第四迭片35的第一面39上形成组合网络。在未使用的一面上，移除所有的铜。

在底部45，在第四迭片35的第二面43上，借助于用于连接第二中间部分47和底部45的通孔(未示出)来为每个偶极子形成偶极子馈送线路。在夹层的边缘，每个偶极子馈送线路都被连接到偶极子天线连接器50(只示出了一个)。

图8a中示出了所蚀刻的苜蓿叶形臂及其馈送通孔的外部特征的例子。在那里，示出了包括第一2、第二3、第三4和第四5回路的蚀刻的四叶苜蓿叶形天线1。每个回路都被连接到相应的第一51、第二52、第三53和第四54通孔。在参考图7的例子中，在另一层中这些通孔51、52、53、54在另一点被结合到一点。还提供了第五共同的中心通孔55，从而总得产生用于对四叶苜蓿叶形天线1进行馈送的两个终端，在参考图7的例子中这些终端可经由苜蓿叶形天线连接器49而被使用。

此外在图8b中，示出了所蚀刻的偶极子臂及其馈送通孔的外部特征的例子。第一偶极子19的偶极子臂22a、22b被连接到相应的第一56和第二57偶极子通孔。第二偶极子20的偶极子臂24a、24b被连接到相应的第一58和第二59偶极子通孔。这些通孔51、52、53、54优选被带到另一层，如在参考图7的例子中所描述的，其中每个偶极子可经由与每个偶极子的通孔56、57；58、59相对应的连接器50而被使用。

由于可逆性的缘故，对所描述的所有三重模式天线设备的发射属性来说，如本领域技术人员所知，存在相应的同样的接收属性，以使三重模式天线设备能够以三种基本上不相关的操作模式进行发送和接收。

本发明不局限于上述实施例，所述实施例只应被当作是本发明的例子，并且可以在所附权利要求的范围内自由地改变。

例如，不是必须有两个分立的偶极子天线。为了获得所描述的偶极子辐射图，必须获得两个电偶极子，但这并不意味着需要两个分立的偶极子天线。可以通过只使用三个偶极子臂-第一60、第二61和第三62偶极子臂来获得两个电偶极子，如图9a和9b所示每个臂从中心点向外延伸。偶极子臂的中心端通过适当的馈送线64、65、66连接到馈送设备63。三个偶极子臂60、61、62采用这样的方式延伸以在它们之间形成基本上为60°角，即它们对称地延伸。在下文中，电流的正方向是从中心向外的。

在第一操作模式中，如图9a所示，向第一偶极子臂60馈送相对幅度为-的电流，向第二偶极子臂61馈送相对幅度为的电流并且向第三偶极子臂62馈送相对幅度为0的电流。所产生的第一电偶极子67(用虚线来标记)基本上指向垂直于第三偶极子臂62的方向。

在第二操作模式中，如图9b所示，向第一偶极子臂60馈送相对幅度为-1/的电流，向第二偶极子臂61馈送相对幅度为-1/的电流并且向第三偶极子臂62馈送相对幅度为1的电流。所产生的第二电偶极子68(用虚线来标记)基本上指向平行于第三偶极子臂62的方向。

从而只使用三个偶极子臂60、61、62就获得了两个正交的电偶极子67、68。

还可以想到使用成圆形布置的电偶极子来代替上述苜蓿叶形天线结构以便获得恒定电流电回路的近似。

在第一方案中，参考图10a和10b，以等边三角形72、72′的形式来布置第一69、69′、第二70、70′和第三71、71′电偶极子，每个电偶极子优选采用偶极子天线的形式。在此三角形72、72′内，以先前描述的任何一种方式来布置两个更多的正交电偶极子(未示出)。

在第二方案中，参考图11 a和11b，以正方形77、77′的形式来布置第一73、73′、第二74、74′、第三75、75′和第四76、76′电偶极子，每个电偶极子优选采用偶极子天线的形式。在此正方形77、77′内，以先前描述的任何一种方式来布置两个更多的正交电偶极子(未示出)。

在参考图10a和11a的第一情况中，相应的偶极子馈送导线部分78、79、80；81、82、83、84被分别定位在三角形72或正方形77的每个边的中间。这使得每一单个电偶极子69、70、71；73、74、75、76基本上是直的。

在参考图10b和11b的第二情况中，相应的偶极子馈送导线部分78′、79′、80′；81′、82′、83′、84′被分别定位在三角形72′或正方形77′的每个角中。这使得每一单个电偶极子69′、70′、71′、73′、74′、75′、76′对于三角形来说呈60°角而对于正方形来说呈90°角。

应当采用这样的方式馈送如上所述的偶极子，以使偶极子中的电流(未在图中标出)彼此基本上同相，从而实现恒定电流电回路的近似。

参考关于图10a、10b、11a和11b的例子，当然也可以想到其它几何形式。就上述苜蓿叶形天线而言，可以使用不同数目的呈圆形布置的电偶极子。所使用的电偶极子越多，理想导电环的近似就会越准确。另一方面，所使用的电偶极子越多，天线结构就会越复杂。

在此所描述的所有平面P、P′、P″、P只是出于解释的缘故而被假想和添加的。

参考图7所描述的层配置只是可以怎样实现这种设备的一个例子。在本发明的范围内许多其它这种配置都是可能的。

还可以想到许多不是用平面技术实现的其它配置。如先前所提及的，例如可以使用弯曲线。

在说明书中并未更加详细论述的所有馈送线路、组合网络和连接都是通常已知的类型，并且易于被技术人员设计和/或获取。

苜蓿叶形天线对实现本发明来说不是必须的，依照本发明的天线设备部分的实质在于至少提供对位于先前所述的四叶苜蓿叶形天线平面P中的恒定电流电回路的近似，所述四叶苜蓿叶形天线平面P通常构成所产生的近似恒定电流电回路所位于其中的天线平面P。

依照上述实施例的苜蓿叶形天线是用于提供这种近似的优选方式。如上所述，苜蓿叶形回路的数目可以改变，但是不应当小于2以便能够提供所有积极效果。所述回路不必精确地位于相同的平面中，而是可以利用所维护的工作原理而略微地倾斜。电流的方向可以不同于所公开的方向。