CN1169258C - 用于双极化天线的隔离改进电路 - Google Patents

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Abstract

一个用于双极化天线的隔离改进电路，双极化电路包括发射机和接收机天线用于同时发射传输信号和接收接收机信号，其中发射机和接收机天线的配置使得物理或电气相互正交以便减少被接收机天线拾取的发射机信号。隔离改进电路通过提供延时传输信号减少出现在接收机天线输出端口的发射机信号的电平，该传输信号破坏性地干扰由接收机元件拾取的发射机信号。

Description

用于双极化天线的隔离改进电路
技术领域
本发明涉及发射和接收天线，尤其涉及在天线系统中天线之间的隔离。
背景技术
为了在发射一个信号的同时接收另一个信号，在所设计的天线系统中面临的一个问题是如何隔离接收子部件使得它不能拾取由发射子部件发射的信号。通过不同极化的发射和接收可以提供很大的隔离。但是即使在这种双极化天线系统中也常常需要进一步的隔离。
参照图1，所示的一个普通的双极化天线系统，它包括至少两个相互正交元12、一个用于发射发射机信号的发射机天线元16以及一个用于同时接收接收机信号的接收机天线元17。所示的天线系统包括两个阵列10和11，每个包括四个并行的天线元，每个阵列称为一个天线。发射机信号经过端口#1提供到发射机天线元10，而接收机信号在由接收机天线元11拾取后提供到端口#2。没有隔离，即使两个天线元16和17正交(并且阵列10的所有并行天线元正交于阵列11的在线天线元)，并且即使发射机和接收机信号的频率不同，接收机天线阵列11从发射机天线阵列10拾取一些信号。
为了抵消这种干扰作用，或者换句话说为了将接收机天线元与发射机天线元隔离，现有技术常常使用无源元件或导电材料隔离层来提供隔离。这需要反复试验并因此是耗费时间和昂贵的。另外，无源隔离层降低了天线性能，同时，无源元件或隔离层的特定配置仅用于一个频带；一般对于任何其他的频带必须使用不同的布置，并且将只用于一个特定的阵列几何图形。
在美国专利N0.5,373,297中，Briguglio的“具有宽带有源和/或无源隔离控制的微波转发器”公开了一种装置，通过使用第二接收天线在微波转发器中提供隔离，这里发射元发射由第一接收机元接收的信号，因此继续它的传播。第二接收天线聚焦在发射天线上以接收由发射天线辐射的一部分信号；它被对准以便在它的输出端提供发射信号，该信号(仅仅)具有与出现在第一接收天线输出端的信号相同的增益和相位。隔离装置包括耦合到发射天线和第一接收天线的放大器部分，用于放大和调制由第一接收天线接收的信号并且随后提供它到发射天线；耦合到第二接收天线的移相器；以及具有耦合到第一接收天线和移相器的输入端并且具有耦合到放大器部分的输出端的功率合成器。功率合成器将由第一接收天线拾取的信号与由第二接收天线接收并且随后由移相器移相的信号组合起来。这个移相信号与来自移相器的相同信号有180°的移相。(这样，来自发射元不需要的信号出现在第一接收元的输出端口，并且随后在合成器中产生抵消)。
同样在美国专利No.4,480,255中公开的Davidson的“用于获得天线阵列之间高隔离的方法”，通过抵消不希望的信号提供隔离使得由射频发生器驱动的第一天线阵列和耦合到例如射频通讯装置的第二天线阵列可以是一个用于同时接收和发射的收发信机，可以相互靠近定位。在提供的隔离中，两个天线阵列中每一个的各个元被认为属于第一或第二部分。每个发射阵列的两个部分以90°相位差(相互间)和以相同的功率驱动，两个天线阵列在空间上相互间足够地靠近使得由一个阵列发射和由另一个阵列接收的辐射在到达与另一个阵列有关的射频发生器之前经受一个抵消效应。
这两种方法根据所使用的相消抵消技术提供隔离。但是，在美国专利No.5,373,297中，Briguglio要求组合两个接收信号，一个是移相的，在仔细对准第二接收天线之后用于提供被移相的信号以便以正确增益和相位对一个信号提供移相。在美国专利No.4,480,255使用的方法中，Davidson限制了天线阵列的间隔。现在需要一种提供隔离的方法，它比使用对准的第二天线更始终如一和要求较少反复试验，以提供用于抵消的正确的相位和增益，不限制天线阵列在空间上如何放置。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种隔离电路来改进双极化天线系统两个端口之间的隔离，并且通过较少反复试验始终如一地提供这种隔离，采用的方式不限制发射天线和接收天线在空间上如何放置。
本发明在一个隔离电路中达到上述目的，用在一个双极化天线系统中，该系统具有一个响应发射信号并且连接到发射机天线的第一端口，用于提供发射机信号，也具有连接到接收机天线的第二端口，隔离电路包括：一个耦合装置，用于通过耦合到第一端口的传输信号从传输信号得到一抵消信号(canceling signal)，并且用于在第二端口提供抵消信号，耦合装置提供的抵消信号的幅度大体上等于经过接收机天线到达第二端口的发射机信号的幅度。抵消长度的导线用于从第一端口传导抵消信号到第二端口，以及用于移相抵消信号；其中调节抵消长度使得如在第二端口提供的抵消信号与经过接收机天线到达第二端口的发射机信号相比大体上有180°的相位差。
在本发明的一个方面，耦合装置包括第一离散耦合器用于耦合在第一端口的一部分传输信号到抵消长度的导线，以及第二离散耦合器用于耦合抵消长度导线以外的相移抵消信号到第二端口的接收机馈线，而且另外其中每个耦合器包括一个抵消长度导线的耦合长度和一个发射机或接收机馈线的耦合长度，并且保持导线耦合长度与馈线的耦合长度成一个固定的空间关系。
在本发明的另一个方面，耦合装置包括第一离散耦合器用于耦合在第一端口的传输信号到抵消长度的导线，以及一个探测天线用于提供相移抵消信号经过接收机天线到第二端口，其中第一耦合器包括一个抵消长度导线的耦合长度和一个发射机馈线的耦合长度，并保持导线的耦合长度与馈线的耦合长度成一个固定的空间关系。
在本发明的一个方面，耦合装置包括第一耦合器用于耦合在第一端口的一部分传输信号到抵消长度的导线，以及第二耦合器用于耦合抵消长度导线以外的相移抵消信号到第二端口的接收机馈线。
在本发明的另一个方面，耦合装置包括第一耦合器用于耦合在第一端口的传输信号到抵消长度的导线，以及一个探测天线用于提供相移抵消信号经过接收机天线到第二端口。
根据本发明的一个方面，这里提供一种隔离电路，用在一种双极化天线系统中，该系统具有一个第一端口，响应发射信号并且经由发射机馈线连接到发射机天线元，用于提供发射机信号，还具有一个第二端口，经由接收机馈线连接到接收机天线元，其特征在于，该隔离电路包括：a)耦合装置，用于通过经由所述的发射机馈线耦合所述第一端口上的所述发射信号，从该发射信号得到一个抵消信号，还用于将所述抵消信号提供在所述第二端口上，所述的耦合装置提供的所述抵消信号其幅度等于经由接收机天线元到达所述第二端口的发射机信号的幅度；和b)导线，具有抵消长度，用于将所述的抵消信号从所述第一端口传导到所述的第二端口，还用于移相所述的抵消信号；其中所述的抵消长度可被调节，以使所述第二端口上所提供的所述抵消信号与经由接收机天线元到达所述第二端口的发射机信号相比有180°的相位差，并且其中所述的耦合装置包括：一个离散型的第一耦合器，用于将所述第一端口的传输信号耦合到具有抵消长度的导线；和一个探测天线，用于将所述的相移的抵消信号经由接收机天线元提供到所述第二端口，其中所述的第一耦合器包括：一个具有抵消长度的导线的耦合长度和一个发射机馈线的耦合长度，并且保持所述导线的耦合长度与所述发射机馈线的耦合长度成一个固定的空间关系。
与Briguglio的美国专利No.5,373,297的隔离电路相比较，本发明的优选实施例(如下面主要附图所示)将更始终如一地完成并且将只有很少的反复试验，因为与使用对准的第二天线提供正确的增益和相位相比较，它使用直接耦合。
与Davidso的美国专利No.4,480,255中使用的方法相比较，本发明较简单(没有任何驱动发射元件，标识为包括两组元件，具有90°相位差)，并且可以使用本发明而不限制发射机和接收机天线在空间上如何放置。
附图说明
图1是一个普通的天线电路，没有本发明的隔离改进电路；
图2是本发明使用两个离散耦合器隔离改进电路的天线电路；
图3是一个本发明的使用单个离散耦合器改进电路、使用非离散的第二耦合器的天线电路。
具体实施方式
现在参照图2，在优选实施例示出一个用于双极化天线的隔离改进电路包括并行发射机天线元10，在物理或者电气意义上它正交面向并行接收机天线元11，以及包括耦合器#1，它响应提供到端口#1的传输信号，用于经过抵消长度的导线24提供给耦合器#2一个延时信号S21，D。导线24的抵消长度是固定的使得到达端口#2的延时传输信号S21，D与经过接收机天线到达端口#2的发射机信号的S21部分相比较不同相大约等于载波波长的一半，即使得S21和S21，D在相位上相差大约180°。
在图2、图1和图3中描述的天线元16和17只用于说明在双极化天线中发射机和接收机天线元是相互正交的。虽然这些描述建议发射机和接收机元件在物理上正交，所需的正交也可以用电子方式提供，使用相位阵列，一个用于发射一个用于接收。
选择两个耦合器#1和#2以组合提供大约如S21相同幅度的延时传输信号S21，D。这样，端口#2接收不需要的发射机信号以及抵消信号的一部分S21，延时传输信号S21，D在幅度上大约等于S21但相位相差180°。因此抵消信号S21，D大体上抵消了不需要的信号S21。
在实现优选实施例的本发明的隔离电路中，在决定隔离电路之前，即在确定导线24的抵消长度之前，以及在确定耦合器#1和#2组合中需要提供适当的抵消幅度的耦合之前，测量S21的相位和幅度。通过将导线24的一部分并行放置于从端口#1或者到端口#2引入的馈线而提供耦合。虚线矩形26包围耦合发生的导线部分和馈线部分；虚线的矩形包围这里称为端口#1的导线的耦合长度和端口#1的馈线的耦合长度。
在端口#1的导线耦合长度被在线安排于端口#1的馈线的耦合长度并且根据特定的应用通过不同装置保持与端口#1的馈线的固定的空间关系。例如修改本发明到个人通讯(PC)天线系统的情况下(一般在1.85-1.99GHz的频率范围内)，这里馈线常常是被蚀刻进印刷电路板的微条馈线，设计端口#1的导线的耦合长度在线安排于支座的馈线以提供所需的增益，一般为千分之几或几十英寸。一般地，这种情况下导线的耦合长度本身也蚀刻进印刷电路板，因此与端口#1的馈线的耦合长度保持固定的空间关系。
在某些应用中，最好使用在线(in-line)耦合器。再次参照图2，这样一种耦合器将包括端口#1的导线的耦合长度(在虚线矩形26内的部分)以及端口#1的馈线的耦合长度(在相同虚线矩形26内的馈线部分)。在在线耦合器的情况下，图2的虚线矩形表示包围导线和馈线耦合长度的外壳，并且将结构支持两个耦合长度成一固定的空间关系。馈线耦合长度的端21和22随后将焊接到馈线上，导线耦合长度的下游端25将焊接到导线24的另一端。
耦合器无论是否在线，最好是一个较窄带的耦合器，即仅仅特别响应发射机信号的载波频率。
在在线耦合器的情况下，无论天线系统用于射频或微波通讯，从用户的立场来说，耦合器单元基本上是相同的。在线耦合器一般是密封的模块，横截面通常是矩形，并且如上所述在一个外壳内支持馈线的耦合长度和导线的耦合长度为一个固定的空间关系。如果天线系统是用于微波通讯的，在耦合器内部将是各种已知的耦合结构中任何一个，用于从一个波导耦合微波到另一个波导，抵消长度的导线在这种情况下是各种各样的波导(例如横向电波矩形波导)。如果天线系统用于射频通讯，在耦合器内部将是各种已知的耦合结构中任何一个，用于从一个导线耦合射频信号到另一个导线，在这种情况下抵消长度的导线是适用于射频通讯的，如同轴电缆。耦合器本身内部，即耦合发生的区域的导线的耦合长度，如由虚线矩形26表示的耦合器#1，不必如耦合器外部抵消长度导线的相同导线形式，对于馈线耦合长度和耦合器外边的馈线也是如此。例如，在耦合器内部，导线24的耦合长度可以是蚀刻到印刷电路板的传导金属，但在耦合器外边的导线24可以是同轴电缆。
本发明不打算限制使用任何特别类型的导线用于提供传输信号的延时。传导传输信号以便提供可调节延时的任何装置被确定在本发明的范围内。例如导线24可以是同轴电缆、并行线、地上线(wireover ground)、带状条，或者屏蔽带状条传输线，或者任何不同配置的波导。另外，对于本领域的技术人员来说，很明显导线24可以包括各种电容或电感元件，这些元件帮助产生提供到端口#2的传输信号的延时。在一些实施例中，调节这些电容和电感元件，以及导线的长度有益地确定了导线24。在其他实施例中，完全通过调节这些电容和电感元件完成确定导线24。
不必使用如图2所示的两种离散耦合器。除了使用第二离散耦合器以外，提供传输信号作为抵消信号到端口#2的其他装置也是可以想像的。例如，现在参照图3，代替两个离散耦合器实施例，在端口#1由耦合器#1提取的抵消信号通过将它从探测天线32发射到馈给端口#2的接收天线元11而提供到端口#2，探测天线和接收天线元11组成第二非离散耦合器。如在优选实施例中，相同抵消长度的导线用于提供一个适当的相位延迟使得当由探测天线32提供的信号到达端口#2时，它大体上与S21的相位相差180°。在这个实施例中，耦合器#1的增益必须预置使得当经过探测天线32提供的信号S21，D到达端口#2时，它实际的幅度等于到达端口#2的传输信号部分S21。
应该理解上面描述的安排只不过是本发明原理应用的说明。本领域的技术人员可以做出许多其他修改和其他的安排而不背离本发明的精神和范围，并且附加的权利要求书要包括这种修改和安排。

Claims (2)

1.一种隔离电路，用在一种双极化天线系统中，该系统具有一个第一端口，响应发射信号并且经由发射机馈线连接到发射机天线元(10)，用于提供发射机信号，还具有一个第二端口，经由接收机馈线连接到接收机天线元(11)，其特征在于，该隔离电路包括：
a)耦合装置，用于通过经由所述的发射机馈线耦合所述第一端口上的所述发射信号，从该发射信号得到一个抵消信号，还用于将所述抵消信号提供在所述第二端口上，所述的耦合装置提供的所述抵消信号其幅度等于经由接收机天线元(11)到达所述第二端口的发射机信号的幅度；和
b)导线(24)，具有抵消长度，用于将所述的抵消信号从所述第一端口传导到所述的第二端口，还用于移相所述的抵消信号；
其中所述的抵消长度可被调节，以使所述第二端口上所提供的所述抵消信号与经由接收机天线元(11)到达所述第二端口的发射机信号相比有180°的相位差，并且其中所述的耦合装置包括：一个离散型的第一耦合器，用于将所述第一端口的传输信号耦合到具有抵消长度的导线(24)；和一个探测天线(32)，用于将所述的相移的抵消信号经由接收机天线元(11)提供到所述第二端口，其中所述的第一耦合器包括：一个具有抵消长度的导线(24)的耦合长度和一个发射机馈线的耦合长度，并且保持所述导线(24)的耦合长度与所述发射机馈线的耦合长度成一个固定的空间关系。
2.根据权利要求1所述的隔离电路，其特征在于，所述的第一离散耦合器是一个在线耦合器。
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