具有紧凑天线的电磁波接收和解码系统的制作方法

专利名称：具有紧凑天线的电磁波接收和解码系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于接收电磁波和对电磁波进行解码的系统，该系统具有紧凑天线，具体是通过在数字陆地电视领域中将这样的紧凑天线与解码器组合。
背景技术：
随着无线信息传输方法的增多，天线的使用变得日益广泛。尤其在数字陆地电视中，由于数字调制的已知优点而提供了比模拟电视更加广泛的电视节目，所以预计在近些年，天线的使用将有实质性的增长。
然而，尽管将调制的稳健性用于数字陆地电视，但是在使用便携式天线进行接收的情况下，测量活动表现出了大量的接收问题。
这是由于数字陆地电视的传输信号是数字的，与逐渐恶化的模拟信号不同，数字图像自优质接收开始，经过快速过渡完成图像的损失。
因此，提供以下技术方案是非常重要的，即，允许不但对于固定天线(典型地，在房屋或建筑物的屋顶上)进行优质接收，而且最重要的，使便携式天线的任何接收配置能够进行优质接收。
本发明源自以下观测，即，由通常使用靠近解码器设置的天线来实现这种便携式接收，所述解码器用于处理由天线接收的信号。
图1示意性地示出了单极天线100，具体包括矩形辐射单元102、杆106、以及接地面104。该天线100在与被表示为λ的波长相对应的UHF(超高频)频带的中心频率F周围的频率范围内工作。
在这种情况下，辐射单元102的尺寸是175mm的高度和90mm的宽度。接地面的尺寸是83mm乘96mm，即0.2λ的数量级(order)。
该天线通过天线/解码器连接装置108与解码器110相连，这些装置110具体由导线组成。
该解码器110接收由天线100发送的数据，对这些数据进行解码，并通过解码器/电视连接装置112将其发送至电视机114。
图2是示出了作为频率(绘制在x轴202上，以GHz为单位)函数的单极天线100的反射系数(绘制在y轴204上，以dB为单位)曲线的曲线图200。
由于频率工作范围是低于-10dB的那部分曲线，所以可以看出，向该单极天线分配了在横坐标208(即，450MHz)与横坐标210(即，903MHz)之间的UHF(超高频)频带内工作。例如，专用于数字陆地电视的天线的工作频带位于470MHz与862MHz之间。换言之，这样的单极天线100可用于数字陆地电视的环境中。
然而，发现以下解决方案非常重要提供能够用于家用环境中的更多的紧凑天线和附件。
现在，天线代表了电子领域中所观测到的通常小型化趋势的例外。该例外由物理定律决定。
这是由于在天线领域，在一方面的天线所占据的最大体积与另一方面的天线辐射和带宽效率之间，存在必要的折衷。
事实上，天线的总体大小与其天线辐射单元的大小相关，天线辐射单元的大小取决于与天线的工作频率范围相对应的波长。
因此，很明显，问题在于，在减小辐射单元的大小、从而减小天线和附件的总体大小的同时，仍需要为所述天线提供满意的电磁性能。
此外，这些天线和这些附件还必须能够适当地集成于受限的环境中，例如，家用或专用环境中。
然而，似乎所提出的修改导致了便携式天线成本的增加，以及相关附件数量的增加。
这些附加成本与数字陆地电视市场的经济准则相悖，该市场必须是大众市场，其中，元件对于订户而言必须尽可能的便宜。

发明内容
本发明能够解决上述问题中的至少一个。
本发明涉及一种数据发射系统，包括天线，至少具有安装在导电接地面上的单极辐射单元，其特征在于，辐射单元通过靠近所述导电表面边缘设置的杆，与接地面的导电表面相连。
由于本发明，便携式天线按照以下方式提高了性能对于性能的同一需求等级，这些天线可以更加紧凑，同时确保了优质接收。辐射单元的大小减少了约30％。
此外，减少了要使用的特别大且笨拙的附件(尤其是连接装置，包括连接电缆以及家用中继发射机)的数量。
根据一个实施例，由于辐射单元通过在杆激励点处与辐射单元紧固的杆来与导电表面相连，所以该激励点相对于接地面的表面是偏离中心的。
在一个实施例中，接地面使诸如接地面的长、宽、和/或高之类的尺寸中的至少一个是λ/2的倍数的数量级(order)，其中，λ是天线使用的波长。
根据一个实施例，系统包括装置，使得在工作频带中系统的反射系数小于-10dB。
根据另一个特征，系统包括第二辐射单元，第二辐射单元通过位于靠近所述导电表面的相对边缘设置的杆，安装在同一导电接地面上。
在一个实施例中，天线具有中空(hollow-out)的辐射单元。
根据一实施例，天线的接地面与数字陆地电视解码器的一个面(例如，上表面)相对应。
在一个实施例中，系统包括用于在数字陆地电视的环境中接收发送信号和对发送信号进行解码的装置，例如，该数字陆地电视的环境具有位于470与862MHz之间的频率。
根据一个实施例，天线包括用于枢转装置，用于相对于接地面的表面枢转旋转机制，尤其使天线体积最小化，用于包装和安放。


参照附图，本发明的其它特征和优点将从作为非限制性示例的下面的描述中变得清楚，其中
已描述过的图1示出了具有单极天线的已知接收和解码系统；已描述过的图2示出了作为已知单极天线的工作频率的函数的反射系数；图3a和3b示意性地示出了天线和天线相应的反射系数曲线图；图4示意性地示出了天线周围的电磁场；图5示出了具有两个辐射单元的天线和相应的反射曲线图；图6a示出了由框架类型的两个辐射单元组成的天线，这些辐射单元固定在盒体上；图6b示出了根据图6a具有转动杆的天线的不同位置；图7a和7b示出了与根据本发明的天线的性能相关参数的测量；图8示出了位于解码器的盒体上的框架天线的电磁特性；图9示出了将辐射单元附加到盒体的可选实施例，将其称为极化分集菱形天线；图10、11和12示出了菱形天线变体的电磁特性；图13示出了另一变体，其中，天线集成到盒体内，将其称为多分集天线；以及图14示出了具有较小接地面的图9天线的变体。
具体实施例方式
图3a示出了根据本发明的单极天线300，该单极天线300工作于其中心频率与波长λ相对应的频率范围内，以及所述天线300的反射系数的曲线图310。
该天线300包括通过杆304与接地面结合的辐射单元302。杆304位于靠近接地面306的边缘上。在该实施例中，该接地面306使其尺寸中的至少一个，具体为长、宽和/或高，是λ/2的倍数的数量级。
辐射单元302的尺寸是，175mm的高和90mm的宽。接地面306的尺寸是250mm乘150mm。
曲线图310示出了与现有技术天线100相对应的曲线308，以及与根据本发明的天线300相对应的曲线309，所述曲线308和309代表作为频率(绘制在x轴312上，以GHz为单位)的函数的反射系数(绘制在y轴314上，以dB为单位)的变化。
这示出了由于接地面306与辐射单元302之间的相互作用，匹配频率带从根据现有技术的天线100情况下的[450MHz(对应横坐标316)*930MHz(对应横坐标318)]变化为根据本发明的天线情况下的[304MHz(对应横坐标320)-936MHz(对应横坐标322)]。
带宽(反射系数<-10dB)从66％变为102％。换言之，因此，该带宽增加了50％。
此外，应注意，低频降低了30％。
在图4中，更准确地说明了辐射单元与接地面之间的这种相互作用，图4示意性地示出了从侧面所视的根据本发明的天线400，包括从端口(port)所视的辐射单元402、以及其长为λ/2的倍数数量级的接地面，该接地面通过杆404与辐射单元402相连。
该图4示出了天线400周围产生的场线。事实上，具体地，电场线产生于辐射单元402与接地面406的最外边缘408之间。
因此，延伸场线，并且能够进行较低频率处的操作。
图3b示出了由较小或紧凑辐射单元330组成的天线328，该辐射单元330具有120mm的高和60mm的宽(比辐射单元302小30％)，通过杆304同与天线300相同的接地面306(即，具有250mm乘150mm的尺寸)连接。
因此，能够将辐射单元302的尺寸减小约30％，以便获得辐射单元330，以及再次在与数字陆地电视相对应的470-862MHz的UHF(超高频)频带中工作。
天线尺寸减小30％与小辐射单元330与接地面之间低频的频移相对应。
在图3b示出的曲线图中，曲线332代表作为频率(绘制在x轴312上，以GHz为单位)函数的反射系数(绘制在y轴314上，以dB为单位)。
通过将该曲线332与上述定义的曲线308作比较，可以看出，由于本发明，天线具有比根据现有技术的天线的辐射单元紧凑30％的辐射单元，同时仍保持相同的工作频带。
图5示意性地示出了能够将紧凑辐射单元500与另一紧凑辐射单元502放置在相同接地面的每一面上，以便有益于天线分集。
这是由于，能够将天线放置在解码器边缘上的事实允许两个天线至少间隔λ/4，这使得能够为了空间分集而将天线去相关。
图示510示出了作为频率(绘制在x轴514上，以GHz为单位)函数的反射系数(绘制在y轴512上，以dB为单位)的曲线516和518，在两个辐射单元500和502的情况下，这两条曲线实际上是重叠的。
由于框架天线比相同电磁特性的实心辐射单元更加紧凑(较小的外部尺寸)，所以为了使整个组件更加紧凑，可以使用框架天线，即，具有诸如单极天线之类的中空的辐射单元的天线。
能够将天线的接地面用作数字陆地电视解码器的一个面(例如，上表面)，因而能够将辐射单元固定至解码器上，同时仍受益于辐射单元与解码器的面之间的协同作用。
由于按照这种方式，制造出了紧凑并且作为单个部件的信号接收装置/解码器组件，所以该紧固导致了紧凑性的大幅度增加、以及成本的降低(尤其，通过减少诸如辐射单元与解码器盒体之间的连接装置之类的附件数量，以及减少包装和运输成本)。
本发明能够有多种变体。因此，以下提出了结合了标准数字解码器尺寸的三种变体。
对于第一种变体，保持了相同的盒体尺寸，而对于第二和第三变体，实质上必须修改解码器的上盖面。
基本思想是考虑解码器的尺寸限制，以及针对适于放在该盒体上的天线提出解决方案，使得仅提供单个整体天线/解码器产品。
图6a示出了天线600，由于两个辐射单元602和604放置在沿盒体的最长长度的盒体的任一面上，所以能够进行二维空间分集。
该变体包采用具有250×125×40mm尺寸的解码器盒体，结合了该盒体的天线的总高度是160mm；具有0.3mm厚度的辐射单元由金属片制成，并且，两个辐射单元间隔21cm，即，714MHz处的λ/2。
因此，与理论方法相比，470到700MHz之间的空间分集不是最优的(两天线之间的距离＞λ/2)。
因而，为了将其体积最小化，尤其为了进行包装和安放，天线可以枢转0-90度旋转机制。
天线与盒体之间的距离使得能够对天线进行非常简单地配合，因而消除了匹配电路。应当注意，在该阶段，端口匹配直接为50欧姆，这对于相关的放大链来说是有利的。
关于整体尺寸，有·总高度160mm；·底面积250×125mm；·辐射单元厚度0.3mm。
图6b示出了利用转动杆608和610，辐射单元602和604相对于盒体606能够具有三种位置-位置620，称为空间极化分集工作位置；-位置622，称为空间分集工作位置；-位置624，称为更易于运输或安放盒体/天线组件的封装位置。
图7a示出了不同工作参数下的仿真，即，数字陆地接收天线或DTTVR(数字陆地TV接收)的匹配等级S11、天线间绝缘S12、以及匹配等级S22；以及图7b示出了这些参数的测量。
在图7a和图7b中，可以看出，从射频角度，在没有附加匹配电路的情况下，根据本发明的天线与工作频带(470-862MHz)上的所需性能(-10dB)相匹配。
两端口之间的绝缘大于10dB。这主要是由于两天线之间的物理距离。
图8示出了根据本发明的系统的端口802和端口804在860MHz和470MHz处以dB为单位的辐射曲线图，部分以横截面示出。
将注意到，端口No.1和No.2的辐射曲线图在所给频率处实质上是相同的。其方向性从470MHz处的1.7dBi变化至860MHz处的7.5dBi。
此外，0-135°的旋转机制也使空间分集能够在完整的460-862MHz频带上具有极化分集。
将辐射单元添加到盒体的另一实施例的变体称为极化分集菱形天线。该天线在图9中示出。
为了制造该变体，实质上有必要修改解码器的盒体900的上盖面。
该天线允许阶数2(两端口彼此成90°)的极化分集，解码器盒体900具有200×100×30mm的尺寸，所指示的总高度81mm考虑了30mm的盒体高度。
匹配需要辐射单元902与放大链之间的电池(cell)。该电池必须呈现100+j90欧姆的负载。
关于总体大小，系统具有下列尺寸·总高度215mm；·辐射单元的厚度15mm，该厚度可由金属化泡沫塑料制成。
为了精确地确定天线的尺寸，还可以考虑·通过在端口之间设置两条短路，来提高两端口之间的绝缘；·靠近端口设置短路增加了对于带宽损害的绝缘；·辐射单元的加厚增加了带宽；以及·将倾斜部分向上延伸增加了带宽。
盒体盖面构造的主要优点在于，能够容易地在该盒体内垂直放置两个解码调谐器。
图10、11和12中示出的该天线的电磁特性示出了，该天线与470-860MHz波段匹配(与100+j90欧姆匹配)，以及示出了两端口之间的绝缘大于11dB。
该天线的端口No.1和No.2的辐射曲线图是互补的，因而允许空间的总体覆盖。
方向性从470MHz处的2.6dBi变化至860MHz处的5.7dBi。如图12所示，由470MHz处和860MHz处的极化来提供分集。这是由于，例如，在φ＝0°的平面中，端部No.1的激励示出了在特定孔径内的大部分E_，而端部No.2的激励示出了大部分E_φ。
图13中示出了天线结合在盒体上、具体为解码器盒体上的另一变体。这称为多分集天线。
将具有阶数2(两端口彼此成90°)的极化分集的天线结合至具有250×125×40mm的尺寸的解码器盒体内。包括盒体的天线的总高度是120mm。
具有0.3mm厚度的辐射单元可以通过切割金属片制成。然后，位于盒体底部的辐射单元可以紧固至底盘上并同时制造。
天线的尺寸考虑了下列特性-通过在端口之间设置两条短路，来提高两端部之间的绝缘；-靠近端口设置短路增加了对带宽损害的绝缘；-辐射单元的加厚增加了带宽；-将倾斜部分向上延伸增加了带宽。
该天线与470-860MHz频带相匹配(与17+j45欧姆匹配)。为此，必须在同轴电缆的起始点来匹配天线。两端口之间的绝缘大于17dB。
不同的测量示出了与盒体相关联的、被称为多分集天线的该天线变体的电磁特性，与端口No.1和No.2相对应的辐射曲线图在860MHz处覆盖了两个不同区域的空间，并且在470MHz处实质上是相同的。因此在UHF的高频处存在曲线图分集。
此外，辐射单元朝盒体的底部移动的事实导致了曲线图朝盒体后面的位移，其中，曲线图的方向性从2.5dBi(470MHz)变化至8.3dBi(860MHz)。
为了示出还存在极化分集，对场E沿x、y和z轴的分量进行观察。也有必要考虑，如果与其它两轴(j、k)相比，沿轴(i)的场E的分量是主要的，则极化是沿该轴(i)。
按照这种方式，即，天线具有极化分集，则与第一端口相对应的场E的分量主要沿轴(i)，以及与第二端部相对应的场E的分量主要沿另一轴(j或k)。
可以提取天线极化的定位方向，该定位方向清楚地示出了存在着极化分集

如图14所示，在本发明的一个变体中，如果必要，可以以下方式修改盖面，即，只留下靠近天线的三分之一的凸起，而省略和/或去除凸起的剩余部分。
权利要求
1.一种数据发射系统，包括天线(300、328、600)，所述天线至少具有安装在导电接地面(306、504、606)上的单极辐射单元(302、500、502、600、602)，其特征在于，辐射单元(302、500、502、600、602)通过靠近所述导电表面的边缘的杆(304、608、610)，与所述导电接地面(306、504、606)相连。
2.如权利要求1所述的发射系统，其特征在于，由于所述辐射单元(302、500、502、600、602)通过在杆的激励点处与所述辐射单元(302、500、502、600、602)紧固的杆(304、608、610)，与所述接地面(306、504、606)的表面相连，所述激励点相对于所述接地面的表面(306、504、606)是偏离中心的。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，接地面(306、504、606)使诸如接地面的长、宽、和/或高之类的尺寸中的至少一个是λ/2倍数的数量级，其中，λ是所述天线(300、328、600)使用的波长。
4.如权利要求1、2和3之一所述的系统，其特征在于，所述系统包括装置，使得在工作频带中的反射系数小于-10dB。
5.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，所述系统包括第一紧凑辐射单元(500、600)和第二紧凑辐射单元(502、602)，通过位于所述接地面的分离边缘上的杆被安装在同一导电接地面(504、606)上。
6.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，所述天线(300、328、600)具有中空辐射单元。
7.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，所述天线(300、328、600)的接地面(306、504、606)与数字陆地电视解码器的一个面相对应。
8.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，所述系统包括接收和解码装置，用于在位于470到862MHz之间频带内的数字陆地电视环境内，接收发射信号并对发射信号进行解码。
9.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，所述天线包括枢转装置，用于相对于所述接地面的表面枢转旋转机制。
全文摘要
本发明涉及一种数据发射系统，包括天线(300)，具有单极辐射单元(302)，该单极辐射单元(302)由具有导电表面的接地面(306)支撑。根据本发明，辐射单元(302)面向接地面(306)的表面设置，从而与接地面(306)相互作用，以便提高辐射单元的性能。
文档编号H04B7/00GK1934751SQ200580009147
公开日2007年3月21日 申请日期2005年3月15日 优先权日2004年3月22日
发明者让-弗朗索瓦·平托斯, 让-卢克·罗伯特, 菲利普·米纳德, 阿里·卢泽尔 申请人:汤姆森许可贸易公司