CN1792000A - 馈电波导和扇区天线 - Google Patents

Abstract

在本发明的扇区天线中，形成一种馈电波导，在中间从馈电端口分支到多个天线中的每一个。由波导管形成这种馈电波导，并且包括主馈电线以及从主馈电线的两端的两个方向出现分支的分支馈电线，主馈电线从延伸自馈电端口的波导处延伸并向两个方向产生分支。设置扇区选择结构，用于在从主馈电线分支出并延伸的每一个分支馈电线开始的位置，通过有效地形成阻挡每一个分支波导的横截面的导电壁，来切断形成每一个分支波导。

Description

馈电波导和扇区天线

技术领域

本发明涉及用于微波和毫米波段的无线通信设备的馈电波导，并且涉及一种使用馈电波导的扇区天线。

背景技术

近年来，已经实现了例如无线LAN的超高速无线通信系统或者根据IEEE1394标准的通信系统，能够实现包括运动画面的多媒体数据传输。这种系统需要实现在低误码率下至少100Mbps的超高速数据传输。为了避免多径传播对通信产生不利影响，使用窄波束天线并且实现从特定位置到特定位置的点对点通信。

图1A和1B示出了现有技术的窄波束天线的示意图。该天线是平面天线，其中在一个表面上形成馈电部分53并且在另一个表面上形成天线元件，图1A是从馈电表面52处看的窄波束天线的透视图，并且图1B是从天线辐射表面51处看的透视图。

在天线辐射表面51上形成了多个圆形的设置元件，从而形成了隙缝阵列天线。从馈电部分53形成了波导(未示出)，馈电部分53设置于馈电表面52上并且朝向天线辐射表面51。在该天线中，如图1B示意所示，馈电表面52的供电导致具有极强方向性的天线辐射波束54的发射。

图1A和1B中所示形式的天线具有较差可用性的缺点，需要天线的方向性调整并且不能够实现点到多点的通信。可以考虑用于解决这些问题的一种方法是使用扇区天线，合成具有不同方向的天线辐射波束的多个天线。然而，只合成天线的扇区天线具有发射功率分散在每一个扇区中的缺点，导致通信距离的缩短。一个公知的改善该问题的方法是使得能够根据需要来选择要提供天线辐射波束的扇区。

图2示出了现有技术具有扇区选择结构的毫米波段扇区天线71的示意透视图。在图2所示的示例中，在托板72上形成金字塔结构，并且在该结构的四个侧面表面的每一个上形成天线元件。如图所示，形成天线，其中在每一个表面中形成的天线元件对于每一个表面在不同方向上发射天线辐射波束64。

在托板72上设置一个馈电端口63，并且从该馈电端口63到每一个天线形成波导。因此波导在中间出现分支以便形成多个馈电分布路径73。在每一个扇区的天线之前，在每一个馈电分布路径73中按照MMIC(单片微波集成电路)74形成用于确定电源是否提供给每一个扇区的选择结构。结果，扇区天线71中的MMIC74的操作选择用于提供天线辐射波束64的扇区，从而可以选择辐射方向。

例如，也在JP-A-H11-225013中公开了这种扇区天线。在JP-A-H11-225013中说明的扇区天线具有一种构造，其中使用导体反射板使从多个天线元件中发射的辐射波束指向不同方向。每一个天线元件的馈电波导开始于一个馈电端口、通过MIC(微波集成电路)、并且分支到多个波导，从而MIC的操作能够选择与要供电的天线元件相连的波导。

然而，在结合图2所述的现有技术示例的配置中，对于每一个扇区的选择结构，即MMIC74，较长的馈电分布路径73的存在导致到馈电分布路径73的发射功率的泄漏，而不是从馈电分布路径73到选定扇区的泄漏，并因此减少了有效发射功率。还有在切断的MMIC74中反射信号波的缺点，并且这些反射的信号波干扰发射到选定扇区的信号波并且产生不利影响。

在JP-A-H11-225013中所述的扇区天线中，只示出了作为选择结构的每一个天线开关的电路，并且没有考虑到非选定馈电分布路径的发射功率的泄漏以及由反射导致的不利影响。

发明内容

本发明的目的是在具有多个分支波导并且允许选择到每一个分支波导的供电的馈电波导中，减少到非选定分支波导的功率的泄漏并且减少从非选定分支波导的反射所导致的不利影响。此外，本发明的另一个目的是在给扇区天线的每一个天线供电中使用上述馈电波导并且因此提供一种能够既有效且具有较少错误地发射数据的扇区天线。

为了实现上述目的，具有从馈电一侧波导分支出的多个分支波导的馈电波导具有用于选择性地切断每一个分支波导的选择结构。这些选择结构被设置在从馈电一侧波导到多个分支波导的分支点处的每一个分支波导的开始位置。

按照这种配置，当使用选择结构来切断从一个分支点分出的任意分支波导时，分支点实际上等效于其中不存在已经被切断的分支波导的波导。结果，可以将发射功率传输到未切断的分支波导一侧，实际上没有到已经切断的分支波导的发射功率的泄漏并且实际上没有从已经切断的分支波导的反射。

根据本发明的另一种模式，选择结构被设置在从馈电一侧波导到多个分支波导的分支点处、从每一个分支波导的开始位置进入每一个分支波导nλ/2的位置，其中λ是波导中传输信号的波长并且n是正整数。

按照这种配置，当使用选择结构来切断从一个分支点分出的任意分支波导时，发射功率前进到已经被切断的分支波导但是由选择结构反射并且不会传输超出该点。已经由此时处于切断状态的选择结构反射的反射波具有与在分支波导的开始位置的传输信号相同的相位，从而可以减少发射功率的损耗和由反射波导致的不利影响。

在本发明中，可以由波导管形成馈电波导，从而可以低损耗地发射用于超高速通信中的例如毫米波的短波电磁波。

在这种情况中，波导管可以具有由导电壁形成的普通结构，但是也可以通过在小于λ/2的间距处形成导电通路来组成，从而设置了导电通路的通路行实际上具有作为对于发射功率为连续的导电壁的功能，然后使用这种功能来从由通路行以及介质板中的金属层有效形成的导电壁中形成伪波导管。对于后一种组成的情况，其有利于按照平面形式在介质板上形成希望的波导，即利于平面电路的形成。

当波导形成波导管(包括伪波导管)时，可以形成选择性的结构，通过有效地形成阻挡(block)组成分支波导的波导管的横截面的导电壁，切断波导。

更具体地，可以从在组成分支波导的波导管的相对导电壁之间延伸的二极管以及选择性地给二极管施加反向偏置电压或顺相配置电压的电路中形成选择结构。将正向偏置电压施加到二极管的应用会导致二极管有效地作为导电通路。通过适当地设置二极管，由二极管有效地形成的导电通路作为阻挡形成分支波导的波导管的横截面的导电壁，从而选择结构呈现切断状态。当将反向偏置电压施加给二极管时，二极管对在波导管中传输的发射功率没有影响并且因此选择结构呈现开启状态。可以容易地将这些二极管安装在平面电路组成中的介质板上。

作为另一个模式，可以从导体板以及选择性地使导电板移动到阻挡组成分支波导的波导管横截面的位置和开启波导管的位置的结构中组成选择结构。

本发明的扇区天线的特征在于其使用上述馈电波导作为到每一个具有不同方向的方向性的多个天线的馈电波导。在该馈电波导中，如上述解释，可以管理发射功率传输到选定的分支波导而减少到未选定分支波导的功率的泄漏以及从未选定波导反射的波的不利影响，结果，本发明的扇区天线可以实现有效的数据传输并且具有较少的错误。

此外，可以由波导管形成馈电波导，从而本发明的扇区天线可以应用于使用例如毫米波的短波长电磁波的超高速通信。特别地，如上述解释，使用导体通路和介质板中的金属层来形成波导管的组成有利于作为平面电路的希望馈电波导的形成以及其有利于平面扇区天线的组成。

如上述解释，本发明可以减少到未选定分支波导的功率的泄漏以及在具有分支的馈电波导中从未选定分支波导反射的波所导致的不利影响，并且，使得只到选定分支波导的发射功率的有效传输是有效的并且实际上不受反射的影响。

在本发明中，可以由波导管形成波导，从而可以实现具有较低损耗的例如毫米波的短波长电磁波的传输。此外，实际上在上述波导光中不会发生反射效应，从而可以实现几乎没有差错的数据传输。因此可以有利地将本发明的波导应用于超高速无线通信中。

使用本发明这种馈电波导的扇区天线可以低损耗、不受反射影响地提供选定方向中的天线辐射，并且能够实现较少差错的超高速数据传输。此外，使用这种扇区天线有利于天线方向的调整并因此能够实现点到多点的通信。

附图说明

图1A是从馈电表面一侧看的现有技术示例的窄波束天线的透视图；

图1B是从天线辐射表面看的图1A的窄波束天线的透视图；

图2是现有技术的扇区天线示例的透视图；

图3A是根据本发明实施例从馈电表面看的扇区天线的透视图；

图3B是从天线辐射表面看的图3A的扇区天线的透视图；

图4A是具有分支馈电线的图3A的扇区天线的平面图；

图4B是具有分支馈电线的图3A的扇区天线的垂直面图；

图5是从馈电表面一侧看的本发明另一个扇区天线的透视图；

图6是示出了根据本发明另一种配置的扇区选择结构、具有分支馈电线的垂直面图；以及

图7是示出了根据本发明又一种配置的扇区选择结构、具有分支馈电线的垂直面图。

具体实施方式

结合附图的下述解释有关本发明的实施例。

图3A和图3B是根据本发明实施例的馈电波导的示意图以及备有这种馈电波导的扇区天线。本实施例的扇区天线是平面天线，其中在介质板11的一个表面上形成了馈电端口3并且在另一个表面上形成了天线元件；图3A是从馈电表面2一侧看的透视图，以及图3B是从天线辐射表面1一侧看的透视图。

在该扇区天线中，形成了多个圆形元件作为天线元件。在四个区域的每一个中按阵列排列这些天线元件，从而在垂直或水平方向上都可以切割矩形的天线辐射表面1。在每一个区域中形成的天线元件组成一个扇区的天线10a、10b、10c和10d。扇区天线10a、10b、10c和10d的每一个可以是平板天线或隙缝天线，并且在任意一种情况中，每一个天线具有不同方向的方向性，如图3B中天线辐射波束4所示意。因此，使得可以选择提供发射功率到这些天线10a、10b、10c和10d，有利于调整天线的方向性，并且能够应用于点到多点的通信。

由在介质板11中延伸的波导管形成从馈电端口3到每一个天线10a、10b、10c和10d的波导。如图3A中虚线所示，由这些波导管实现的波导从馈电端口3向天线辐射表面1一侧延伸，并随后与在图3A中向上并向下延伸的主馈电线5相连。主馈电线5的两个末端分别与向图3A的右和左延伸的分支馈电线6和7相连。分支馈电线6的两个末端分别与分别通到天线10a和10b的扇区天线馈电线9a和9b相连。分支馈电线7的两个末端分别与扇区天线馈电线9c和9d相连。

本实施例中，扇区选择结构8a、8b、8c和8d被设置在各自分支点处，是从主馈电线5到分支馈电线6和7的分支部分。

下面的解释结合图4A和4B涉及扇区选择结构8a、8b、8c和8d的配置。图4A是具有分支馈电线6的平面图并且图4B是垂直面图。

本实施例中，扇区选择结构8a和8b由与电路(未示出)相连用于选择性地提供反向偏置电压或正向偏置电压的圆筒形二极管组成。设置这些二极管，使组成分支馈电线6的波导管的壁之间的间距小于λ/2，其中λ是在波导中的传输信号的波长。

在图4A和4B所示的示例中，将正向偏置电压施加到扇区选择结构8b的二极管上，从而二极管进入导通状态。结果，该二极管有效地作为导体，即，呈现在波导管中形成圆筒状导电通路的状态。此外，因为二极管和组成分支馈电线6的波导管壁之间的间距小于λ/2，对于波导中的发射功率，该二极管有效地作为阻挡(block)波导管横截面的导电壁。因此，在图4A和4B所示的状态中，在分支馈电线6中在从主馈电线5分支到图4A和4B左侧的波导的开始位置，即在分支点处，有效地形成导电壁。换句话说，切断了该分支。

相反地，将反向偏置电压施加到扇区选择结构8a的二极管上，从而二极管具有较高电阻，并且该二极管对在波导管中传输的发射功率不产生任何影响。换句话说，从主馈电线5到图4A和4B右侧的分支点开启。因此，发射功率选择性地从主馈电线5侧传输到图4A和4B右侧，并且传输通过扇区天线馈电线9a，并且导向天线10a。因为如上所述在从主馈电线5一侧到图4A和4B左侧的部分中由扇区选择结构8b在分支点处有效地形成了导电壁，在该部分中有效地形成了弯曲但是理想的波导管，实现了不存在朝向左侧的分支波导的等效状态。结果，实际上不存在传输到从主馈电线5一侧到图4A和4B左侧的分支波导的发射功率的泄漏以及经过扇区天线馈电线9b到天线10b的发射功率的泄漏，并且实际上没有从该分支点的反射。

因此，当扇区选择结构8a、8b、8c和8d处于切断(cut-off)状态时，即在分支点处有效地形成导电壁时，可以对形成的导电壁进行设置以便形成波导管的管壁的一部分，从而实际上不会产生反射波。换句话说，配置扇区选择结构8a、8b、8c和8d，以便在与在馈电一侧组成波导的导电壁延伸的表面相同的表面上有效地形成导电壁。本发明中，这些位置是设置选择结构的分支点或分支波导的开始位置。

类似地，将反向偏置电压或正向偏置电压的选择性地应用于组成扇区选择结构8c和8d的二极管使得在分支馈电线7一侧的发射功率选择性地导通到选定的一侧，没有泄漏到未选定的一侧或从未选定的一侧的反射。

如上解释所述，当在分支馈电线6的一侧上开启扇区选择结构8a时，可以将正向偏置电压施加到组成扇区选择结构8c和8d的二极管的两端，从而将扇区选择结构8c和8d处于切断状态。在这种情况中，可以有效地将发射功率只导向天线10a。在此，从选择结构8c和8d都切断的分支馈电线7向主馈电线5产生反射波。优选地将从主馈电线5的馈电端口3到分支馈电线7的长度设置为λ/2的整数倍。按照这种设置，因为传输信号和反射波在从馈电端口3到图3A上侧的主馈电线5的分支点处具有相同的相位，可以减少由反射波导致的不利影响和损耗。对于分支馈电线6一侧也是相同的，并且优选地使从主馈电线5的馈电端口3到分支馈电线6为λ/2的整数倍。

如上解释所述，根据本实施例，设置从主馈电线5一侧在分支馈电线6和7的分支点处选择性地有效形成导电壁的扇区选择结构8a、8b、8c和8d可以减少到多个分支波导中的未选定分支波导的发射功率的泄漏以及从未选定分支波导一侧的反射，并且可以有效且无误地将发射功率只传导到选定分支波导，并且，不受从未选定波导一侧的反射所导致的不利影响。

此外，本实施例中，采用波导管作为波导，从而可以低损耗地传输例如具有60GHz频率并且在自由空间具有5mm数量级波长的毫米波。因此，可以有利地将本实施例的馈电波导和扇区天线应用于使用毫米波的超高速无线通信设备中。

波导管可以是由导电壁包围的普通配置，以便形成具有矩形横截面的路径，但是也可以由导电通路和设置在介质板11中的金属层形成伪波导管。换句话说，通过按照间距小于λ/2的行来形成导电通路并且随后利用这些排列了导电通路的通路行作为发射功率的导电壁的有效功能，可以由金属层和通路行形成波导管。因为可以在平面介质板11中相对容易地形成波导管，从而可以容易地作为平面电路形成馈电波导，所以这种配置是有利的。此外，本实施例中的扇区选择结构8a、8b、8c和8d由圆筒形二极管形成，并且也可以容易地从介质板11的馈电端口3一侧安装这些元件。因此，可以在整个平面配置中容易地实现本实施例的扇区天线和馈电波导，尤其是使用伪波导管的形式，并且本实施例的扇区天线和馈电波导及其适用于大规模制造。

下面的解释结合图5涉及本发明的另一个实施例。

图5是从馈电表面2看的本实施例的扇区天线的透视示意图。在该图中，将相同的参考数字付给与上述实施例中部分相同的部分，并且在此省略这些部分的详细解释。

在本实施例中，扇区选择结构18a、18b、18c和18d的安装位置与上述实施例的安装位置不同。具体地，将扇区选择结构18a、18b、18c和18d设置在从分支点移入到分支馈电线6和7的每一个分支波导的向着每一个分支波导的λ/2处的位置。在这种配置中，发射功率也进入到未选定的分支波导中，但是因为在只进入每一个分支波导λ/2的位置处切断了波导管，发射功率倍反射而没有传输超出这些点。因为在分支点处反射波与传输信号具有相同的相位，不会发生损耗并且向选定一侧的传输信号不受不利影响。

如前述实施例所示，本实施例的结构使得发射功率仅有效地导向选定分支波导，而没有产生损耗，以及也没有产生由未选定分支波导的反射所引起的不利影响。

尽管在每一个上述实施例中说明了使用圆筒形二极管作为选择结构的示例，本发明不局限于这种形式。作为扇区选择结构配置的其它示例，图6和7示出了两个配置示例，其中由导电盘选择性地切断波导。图6和7是具有分支馈电线6的垂直截面示意图。

图6示出了一种配置示例，其中使导电盘29a和29b相对分支馈电线6垂直移动并从而选择性地插入到分支点处，在导电盘29a从波导管的内部撤回时，扇区选择结构28a处于开启状态(open state)，并且导电盘29b插入到波导管中时，扇区选择结构28b处于切断状态。因此选择性地将发射功率只传输到扇区选择结构28a一侧。例如，可以通过将金属盘与压电致动器相连作为导电盘29a和29b来配置这些扇区选择结构28a和28b，并且可以通过选择性地将电压施加到压电致动器上来实现控制。

图7示出了一种配置示例，其中导电盘39a和39b具有转动操作以使导电壁位于阻挡分支点的位置；当导电盘39a转到沿着波导管的管壁位置时扇区选择结构38a处于开启状态，并且当导电盘39b转到垂直于波导管的位置时扇区选择结构38b处于切断状态。因此选择性地将发射功率只传输到扇区选择结构38a一侧。例如，可以使用MEMS(微机电系统)技术来形成这种配置的扇区选择结构38a和38b。

在上述发明中，扇区选择结构的位置位于波导的分支点处或位于每一个分支波导内nλ/2处，但是从易于安装每一个扇区选择结构来看，在安装位置中允许一定量的误差。作为不显著削弱希望特性的范围，优选地该误差处于λ/2的±30％的范围中。此外，尽管在上述发明中说明了本发明应用于发射电路的示例，本发明也可以应用于接收电路，其中需要明了的是本发明可以既有效地执行了从希望的方向接收波到接收电路并且避免了不希望的波的接收。

Claims (14)

1、一种馈电波导，具有从馈电侧波导分出的多个分支波导，并且设置了用于选择性地切断每一个所述分支波导的选择结构，在每一个所述分支波导的开始位置从所述馈电侧波导分出到所述多个分支波导的点处，设置这些选择结构。

2、一种馈电波导，具有从馈电侧波导分出的多个分支波导，并且在每一个所述分支波导的开始位置从所述馈电侧波导分出到所述多个分支波导的点处进入每一个所述分支波导nλ/2的位置处，设置了用于选择性地切断每一个所述分支波导的选择结构，其中λ是在波导中的传输信号的波长并且n是正整数。

3、根据权利要求1或2所述的馈电波导，其中，由波导管形成所述馈电波导。

4、根据权利要求3所述的馈电波导，其中，从介质板中的金属层以及导电壁中形成所述波导管，导电壁是由导电通路有效地形成的，导电通路是在所述介质板中以预定间隔按照行安装的。

5、权利要求3或4所述的馈电波导，其中，所述选择结构通过有效地形成阻挡所述波导管的横截面的导电壁，来切断形成所述分支波导的波导。

6、权利要求5所述的馈电波导，其中，所述选择结构是由下面的物体组成：二极管，在形成所述分支波导的波导管的相对导电壁之间延伸，以及电路，用于选择性地将反向偏置电压或正向偏置电压施加到所述二极管。

7、权利要求5所述的馈电波导，其中，从导电盘和选择性地使所述导电盘移动到阻挡形成所述分支波导的波导管的横截面的位置以及开启所述波导管的位置的结构中，形成所述选择结构。

8、一种具有多个天线和在中间从馈电端口出现分支并且通向每一个所述天线的馈电波导的扇区天线，每一个天线具有不同方向的方向性，所述扇区天线设置了：

选择结构，在从馈电侧波导到多个馈电波导的多个分支波导的位置，用于在每一个所述分支波导的开始点处选择性地切断每一个所述分支波导。

9、一种扇区天线，具有多个天线和在中间从馈电端口出现分支并且通向每一个所述天线的馈电波导，其中每一个天线具有不同方向的方向性，所述扇区天线设置了：

选择结构，在从馈电侧波导到所述馈电波导的多个分支波导的分支位置，用于在从每一个所述分支波导的开始点进入每一个所述分支波导nλ/2的位置处选择性地切断每一个所述分支波导，其中λ是所述馈电波导中的传输信号的波长并且n是正整数。

10、根据权利要求8或9所述的扇区天线，其中，由波导管形成所述馈电波导。

11、根据权利要求10所述的扇区天线，其中，从介质板中的金属层以及导电壁中形成所述波导管，导电壁是由导电通路有效地形成的，导电通路是在所述介质板中以预定间隔按照行安装的。

12、根据权利要求10或11所述的扇区天线，其中，所述选择结构通过有效地形成阻挡所述波导管的横截面的导电壁，来切断形成所述分支波导的波导。

13、根据权利要求12所述的扇区天线，其中，所述选择结构是由下面的物体组成：二极管，在形成所述分支波导的波导管的相对导电壁之间延伸，以及电路，用于选择性地将反向偏置电压或正向偏置电压施加到所述二极管。

14、根据权利要求12所述的扇区天线，其中，从导电盘和用于将所述导电盘移动到阻挡形成所述分支波导波导的横截面的位置以及开启所述波导管的位置的结构中形成所述选择结构。

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