专利名称：天线馈电系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及无线通信，并且更为具体而言涉及微波天线和微波无线设备。
背景技术：
微波系统的核心元件包括无线收发器、天线、天线馈电机构和连接这些元件必要的射频电缆以及一个或一个以上客户站。客户站通过数字电缆连接至所述无线收发器。所述微波天线系统的性能基于上面所述元件的特征以及所述元件集成到系统内的效率。这些年来微波系统已经有许多的改进，并且对微波系统的需求继续增长，部分是由于世界偏远地区对互联网服务的大量需求。因而有动机对微波系统的性能和成本进行进一步的改进。在改进了成本和性能的微波系统中一些需要考虑因素包括 -通过缩减元件数和缩减或除去昂贵的RF电缆来降低成本。-由于缩减RF电缆和RF连接器的损耗而提高性能，所述损耗既影响发送功率又影响接收噪声系数。-由于缩减部件数和RF连接器而提高可靠性。-当所述用户设备仅具有数字接口而不是具有RF接口和数字接口二者时改进使用的方便性。-由于无线链接设备要求更少的部件而改进使用的方便性。-当所述无线收发器和天线通过数字电缆供电时改进使用的方便性并改善功能性。因此，上述因素提供了改进微波系统设计的促动因素。
发明内容
本发明在微波系统的性能、成本、可靠性和使用方便性方面提供了显著改进。微波系统的核心元件包括无线收发器、天线、天线馈电机构以及连接这些元件必要的RF电缆。 在本发明中，描述了一种天线馈电系统。所述天线馈电系统包括所述无线收发器，其与所述天线馈电机构和所述天线导体集成。所述集成带来许多益处，包括除去RF电缆和连接器。 在示例性实施方式中，所述天线馈电组件还包括用于数字信号接口的连接、天线馈电插脚、 控制器插脚和副反射器。通常，这些元件设置在印刷电路板上并且装入防风雨的外壳内。所述天线馈电组件的设计要求对所述一个或一个以上天线馈电插脚、一个或一个以上控制器插脚和一个或一个以上副反射器的位置、尺寸和形状进行详细说明。为了方便并最优化所述整个天线系统的设计和性能，采用了 3D有限元素法(FEM)软件和数值优化软件。所述天线系统包括所述天线馈电系统、该天线馈电系统的相关外壳、以及抛物面反射器。通过垂直于印刷电路板装配所述天线馈电插脚和控制器插脚，所述天线系统的性能得
以显著提高。微波系统还描述为包括中馈式抛物面反射器和无线收发器，其中所述无线收发器与中馈式抛物面反射器物理上集成，并且其中所述无线收发器通过数字电缆供电。所述集成带来许多益处，包括除去所述微波系统中的RF电缆和连接器。在一种实施方式中，所述天线馈电组件还包括用于数字信号接口的连接；天线馈电插脚，控制器插脚以及副反射器。 通常，这些元件设置在印刷电路板上并装入防风雨的外壳内。在一种实施方式中，所述无线收发器具有用于以太网(Ethernet)电缆的连接器， 其既接收所述数字信号，又接收用于所述无线收发器和中馈式反射器的电能。所述以太网电缆连接至无源适配器，所述无源适配器进而连接至客户站，其中所述无源适配器由同样连接至所述客户站的USB电缆供电。所述无源适配器在以太网电缆的与所述无线收发器连接的部分注入电能。所述以太网电缆的长度选择成这样以使有足够的电能支持所述无线收发器和支持所述数字信号传输至所述无线收发器。本实施方式可以支持并入具有0SI1-7 层能力的无线网关的无线收发器。在另一种实施方式中，所述无线收发器具有用于USB电缆的连接器，其既接收所述数字信号，又接收用于所述无线收发器和中馈式抛物面反射器的电能。所述USB电缆连接至USB中继器，所述中继器进而连接至客户站。所述USB电缆的长度选择成这样以使有足够的电能支持所述无线收发器和支持所述数字信号传输到所述无线收发器。本实施方式可以支持并入USB客户端控制器的无线收发器，从而支持OSI1-3层。
所述附图中的元件不一定必须按比例绘制，而其重点在于图示本发明的原理。在附图中，相同的附图标记在不同视图中表示相应的部分。图1图示了微波系统的现有技术的设计。图2图示了根据本发明实施方式的示例性天线馈电系统。图3图示了根据本发明实施方式的具有天线管的位于防风雨外壳内的天线馈电系统。图如图示了根据本发明实施方式的所述天线馈电系统上的天线馈电插脚的波型。图4b图示了根据本发明实施方式的所述天线馈电系统上天线馈电插脚和控制器插脚的单个波型。图如图示了根据本发明实施方式的所述天线馈电系统上天线馈电插脚和控制器插脚的叠加。图5图示了包括并入了天线馈电系统的中馈式抛物面反射器的微波系统，其中所述以太网电缆向所述无线收发器提供数字信号和电能。图6图示了包括并入了天线馈电系统的中馈式抛物面反射器的微波系统，其中 USB电缆向所述无线收发器提供数字信号和电能。
具体实施方式
尽管在IEEE802. 11 Wi-Fi微波系统的背景下描述，本文披露的所述系统可以普遍地应用于任何移动网络。本发明的示例性实施方式基于业界熟知的抛物面反射器。抛物面反射器是抛物面形状的反射装置，用于收集或发送能量，例如无线电波。所述抛物面反射器由于所述抛物面形状的几何特性而工作；如果向所述收集器内表面的入射角度等于反射角度，那么平行于凹面的轴的任何入射射线将被反射至中心点，或“聚焦”。因为许多类型的能量可以以这种方式反射，抛物面反射器可以用来收集和集中以特定角度进入所述反射器的能量。类似地， 从所述“聚焦”到所述凹面辐射的能量可以以平行于所凹面的轴的波束向外发射。这些概念是本领域技术人员所熟知的。
具体实施方式
中的定义如下
-天线馈电一包括天线馈电机构元件、天线馈电导体以及相关连接器的组件。-天线馈电系统一包括天线馈电和无线收发器的系统。-天线系统一典型的天线系统包括所述天线馈电和天线，例如抛物面反射器101。 在本发明中，无线收发器与所述天线馈电集成，所以所述天线系统包括天线馈电系统和天线。-中馈式抛物面反射器一抛物面反射器，以及天线馈电，其中到天线馈电的所述信号通过所述抛物线天线的中心“馈给”。-微波系统一包括天线系统、无线收发器、以及一个或一个以上客户站设备的系统。所述无线收发器可以与所述天线系统集成。图1是微波系统和客户站的现有技术设计100的图。所述系统包括抛物面反射器 101，其由装配支架102支承。所述抛物面反射器101反射从天线馈电机构104发射的RF 信号103。天线馈电机构104通过天线馈电导体105接收RF信号。如图1所示，天线馈电导体105连接至RF连接器106。进而，RF连接器106连接至同轴电缆或其等同体107。同轴电缆107在其每一个端上具有RF连接器106。同轴电缆107的另一端连接至位于防风雨外壳109内的无线收发器108。防风雨外壳109可以是仅用于无线收发器108的外壳，如图1所示。可选地，防风雨外壳109可以是适合封装多个电子设备的外壳，所述多个电子设备包括客户站114。后一种配置未示出。无线收发器108基于无线收发器108内运行的调制/解调算法将所述RF信号转换为基带信号。例如，所述无线收发器可以采用IEEE802.il收发器。在这种转换中，所述基带信号在所述调制过程中加密并成为非基带信号。相反地，所述非基带信号在解调过程中解密并成为基带信号。如上所述，无线收发器108支持射频(RF)信号，在无线收发器108 的其他实施方式可以支持其他类型的非基带信号，例如光或声音。无线收发器108具有为数字信号提供输入/输出连接的数字连接器110。数字连接器110可以是，但不限于，以太网连接器或USB连接器。如图1所示，对于一种实施方式，数字电缆111是以太网电缆，所述以太网电缆从无线收发器108连接至基于以太网的供电(POE)设备112。所述POE设备112在数字电缆 111上注入电能，这样数字电缆111向无线收发器108进行供电。所述P0E112从AC电源 113接收电能。数字信号连接到从P0E112到客户站114的数字电缆115上。客户站114可以客户端计算机，例如膝上电脑。
在改进了性能和降低了成本的微波系统中有许多问题需要处理。第一，如图1所示的微波系统和客户站的现有技术，RF收发器108位于离天线馈电导体105—定距离的位置。作为最低限度，需要RF107和4个RF连接器106。对于较长的距离，还需要RF双向放大器。因而，如果无线收发器108靠近天线馈电机构104设置或与天线馈电机构104物理上理想地集成，将会有相当可观的益处。第二，基本的天线馈电系统具有许多设计和选择考虑因素。在图1中，天线馈电系统包括天线馈电导体105，包括RF连接器106，以及天线馈电机构104。在基础设计中，天线馈电系统以其相位中心位于所述抛物面体的中心进行放置。理想地，由所述天线馈电辐射的所有能量将由所述抛物面体拦截并以期望的方向进行反射。为实现最大的增益，所述能量将散发出去以使所述孔径上的场分布均勻。然而，因为所述天线馈电相对较小，在实践中对所述馈电发射的这种控制是难达到的。一些能量实际上未到达所述反射区域而被损耗； 这通常称为“溢出”。同时，场在所述孔径上通常并不均勻，而是逐渐变少的，其中在所述反射器中心的信号最大，而在边缘处信号较小。这种“锥度损失”降低了增益，但是这种场锥度降低了旁瓣水平。第三，一种最简易的用于微波系统的天线馈电是偶极天线。由于其简易，所述偶极天线第一个被用作反射器天线的馈电。尽管容易设计和实施，所述偶极天线馈电具有固有的不均等的E和H面辐射波型，这不能有效的照射所述凹面并因此降低了效率。对于某些应用，所述偶极天线馈电的另一种缺点在于，由于不均等的辐射波型，交叉极化性能不是最优的。因此，需要对简易偶极天线进行改进以实现性能优化及成本效率的方法。图2图示了根据本发明实施方式的示例性天线馈电系统200。如图所示，无线收发器108的功能与天线馈电导体105的功能以及传统天线馈电机构104的功能集成。所述示例性天线馈电系统200位于与传统天线馈电机构104相同相对于反射天线的位置。所述示例性天线馈电系统200装配在共用基板上，所述共用基板可以是多层印刷电路板208，如图 2所示。天线馈电系统200包括数字连接器201，其等同于图1中的数字连接器110。数字连接器201可以是以太网或USB连接器或其他数字连接器。来自客户站(例如客户站114) 的数字信号连接至数字电缆上的数字连接器201。为对所述天线馈电系统内的无线收发器供电，所述数字电缆包括供电元件。所述供电元件可以提供在以太网电缆、USB电缆或其他等同数字电缆上。图3图示了包括位于具有天线管303的外壳内的天线馈电系统的天线元件300。 如图3所示，所述外壳可以是防风雨外壳，例如封装所述天线馈电系统的元件的塑料外壳 301。所述天线馈电系统及其有关的外壳、以及抛物面反射器属于天线系统。如图所示，天线馈电系统包括数字连接器201、印刷电路板208、天线馈电插脚 205、控制器插脚206和副反射器207。根据图3，副反射器207将所述辐射波302反射回至反射天线(未示出)。塑料外壳301可遵照副反射器207的形状。作为一种选择，塑料外壳 301可与副反射器207互换。管303可以调节以适应各种长度，从而适应不同尺寸的反射器。数字电缆，等同于数字电缆111，可以穿过管303并连接至数字连接器201。数字连接器201可以具有防风雨的连接器，例如防风雨的以太网或USB连接器。返回参见图2，数字连接器201通过导体202连接至无线收发器203。连接器202可以通过印刷电路卡208上的金属连接器实现。无线收发器203具有与图1中的无线收发器108类似的功能。因此，无线收发器203产生连接至天线馈电导体204的RF信号，其进而连接至天线馈电插脚205。天线馈电插脚205向天线(例如抛物面反射器101)辐射所述 RF信号103。然而，所述辐射的信号由控制器插脚206和副反射器207修改和增强。这些元件将在本文中进一步进行论述。如图2所示，天线馈电插脚205包括设置在所述印刷电路卡相反侧的两个插脚，并且所述插脚电连接在一起。图如图示了具有来自天线馈电插脚403的辐射波型402的组件401。在它们最基础的结构中，天线馈电插脚403实施为半波长偶极天线。然而，包括控制器插脚206和副反射器207的最优系统设计是根据半波长偶极天线的修正设计。控制器插脚206在业界内被称为无源辐射器或寄生元件。这些元件没有任何有线输入。取而代之的是，它们吸收从附近另外的有源天线元件辐射出的无线电波，并且与所述有源元件同相地将所述无线电波重新辐射出去，这样它放大了整个发送信号，如图4b和图 4c所示。根据图如及元件400，组件401包括辐射圆形波402的天线馈电插脚403。如图 4b和图如所示，组件421包括天线馈电插脚403和两个控制器插脚424。根据图4b和元件420，这些圆形波402到达控制器插脚424附近并且控制器插脚似4产生重新辐射的波 425。结果是所述能量朝向所述反射天线更好地聚集，如图如和元件440所示。根据图如， 来自所述天线馈电插脚403的辐射波402和来自所述控制器插脚424的重新辐射的波425 的叠加产生朝向所述抛物面反射器(未示出)辐射的高度聚集的电波446。一种使用无源辐射器的天线的例子是八木天线(Yagi)，其通常具有在驱动元件之后的反射器以及在所述驱动元件之前的一个或一个以上控制器，其分别充当类似闪光灯中的反射器和透镜以产生“光束”。因此，寄生元件可以用来改变附近有源元件的辐射参数。对于本发明，控制器插脚206在天线馈电系统200内电绝缘。可选地，控制器插脚206可以接地。对于示例性实施方式，控制器插脚206包括两个插脚，所述两个插脚插过 PCB208嵌入以使两个插脚保持在PSB208两侧。如图2所示。在示例性实施方式中，控制器插脚206和天线馈电插脚205垂直于印刷电路板208进行安装。进一步地，这些插脚可以采用表面贴装(SMT)插脚实现。控制器插脚206和天线馈电插脚205的垂直布置允许无线电波的传输与天线馈电系统200在同一平面内。在这种布置中，所述电场正切于PCB208的金属以使在所述金属表面上的电场为零。因而来自所述垂直插脚的辐射波对PCB208上其他电子线路的影响最小。 因此，发射近似相当于E和H面辐射波型，这提供了有效的天线照度，从而提高所述微波系统的效率。所述辐射波型和参数通过位于天线馈电插脚205附近的副反射器天线207进一步修改。如图3中所示，所述副反射器将辐射波“反射”回反射天线(图3中未示出)。否则， 这种发射电波不能有效地被引导。因此，所述控制器插脚和副反射器修改所述天线波型和波束宽度，并可能改善所述微波系统的性能。所述天线馈电系统的整体性能是基于天线馈电插脚205、控制器插脚206、副反射器207的设计以及无线收发器203和数字连接器201的合并。对于每个所述元件，每个元件在所述天线馈电系统内的位置是确定的，以及每个元件的尺寸和形状是确定的。为了使性能最优化，这些设计考虑因素要与所述天线的设计特征匹配。为使所述复杂的设计容易，执行两步骤的设计流程
1、采用3D电磁有限元素法(FEM)软件仿真和分析。在业界，所述软件称为HFSS，或高频结构仿真器。HFSS是用于S-参数提取、全波SPICE 模型生成以及高频高速元件的3D电磁场仿真的工业标准软件。HFSS 采用3D全波有限元素法(FEM)场解算器。HFSS可以从软件供应商获取或可以作为定制软件开发。2、采用数值优化软件来设计所述天线馈电系统。在此软件中并入遗传算法。由于该设计步骤，基于各种不同的设计参数获得优化的物理设计。对于本发明，重要的设计参数包括获取可接受的回波损耗(即最大化反射能量) 以及获取高增益(即使所述能量的聚焦最大化)。其他的设计考虑因素可包括无线系统标准，包括多带配置、天线配置、最小化形状因数、简单组件和可制造性的设计。一种特定类型的抛物面反射器为栅格反射器。栅格反射器提供小包装和轻重量的设计。因而，在输送成本为关键因素的农村，它们是有用的。此外，具有小形状因数和栅格天线的栅格反射器非常适合用于强风环境。所述抛物面反射器的另一种选择是角形反射器。角形反射器为回归反射器 (retro-reflector)，其包括三个互相垂直、交叉的平坦表面，该角形反射器将电磁波反射回到所述源。所述三个交叉表面通常为正方形。如果中等量的增益已足够，并且期望得到的较小的形状因数和较低的成本，那么角形反射器是有用的。当微波系统与上述天线馈电系统一起构建时，所述微波系统会获得显著的益处。 例如，除去RF电缆，而仅需要数字电缆来连接至中馈式抛物面反射器。因而，简化了安装问题。进一步地，有可选的实施方式允许所述数字电缆还向所述数字收发器供电。一种实施方式是图5中所示的微波系统500。根据图5，抛物面反射器101适当地安装在装配支架102上。抛物面反射器101并入如图3所示的中馈式组件。天线元件506 是天线元件300的一种实施方式。天线元件506同样并入天线馈电系统200 (图5中未示出)的一种实施方式。天线元件506包括如图3所示的外壳和天线管。天线元件506包括以太网连接器510，为清楚起见单独地示出以太网连接器510。 来自天线元件506的数字信号通过以太网电缆511连接至无源适配器522，该无源适配器 522进而通过另外的以太网电缆511将所述数字信号连接至客户站514。另外的以太网连接器510帮助连接。无源适配器522还包括USB连接器520，其通过USB电缆521连接至客户站514上的USB连接器520。通过USB电缆520，从客户站514向无源适配器522供电。 进而，无源适配器522将电能注入到连接至天线元件506的以太网电缆的部分。因此，用于天线元件506 (包括无线收发器)和用于所述抛物面反射器的电能由客户站114提供。典型的USB端口可提供接近5伏特、500mw的电能。当这种级别的电流供应到无源适配器622时，那么就有足够的电能支持长度高达100米的以太网电缆。这意味着有足够的电能来“供电”所述无线收发器，并且有足够的电能来支持所述数字信号到所述无线收发器的传输。因此，抛物面反射器101可位于离无源适配器522高达100米的位置。在上述实施方式中，所述无线收发器可并入具有0SI1-7层支持的无线网关。因此，可以提供全路由、防火墙、网络转换以及网络处理能力。上述无线收发器的一种实施方式为基于无线的Linux RT0S3网关。这种功能是IT系统管理者所期望的，因为他们可以在无需分配所述客户端设备的条件下管理网络。
本发明的可选实施方式是如图6所示的微波系统600。类似于图5，微波系统600 包括具有装配支架102的抛物面反射器101、和天线元件606。天线元件606是如图3所示的天线元件300的另一种实施方式。对于本实施方式，天线元件606具有数字连接器，即USB 连接器520，为了清楚起见，将其单独地示出。另外，所述无线收发器为具有支持0SI1-3层的客户端控制器的无线收发器。一种实施方式为基于无线的windows客户端设备。类似于微波系统500，微波系统600的无线收发器由所述数字电缆供电。对于微波系统600，USB电缆521向所述天线元件606内的无线收发器提供数字信号和电能。在本实施方式中，USB电缆521从天线元件606的USB连接器520连接至USB中继器622。进而， 另外的USB电缆521从USB中继器622连接至客户站614。因此，客户站614向并入天线元件606内的无线收发器提供电能。关于上述实施方式，每个USB电缆限制在长度为大约4. 5米以确保所述无线收发器接收到足够的信号性能和电能。考虑到采用本实施方式的成本明显降低，在许多应用中这种限制是可接受的。尽管已经描述了本发明的各种实施方式，但是在本发明的范围内可以有更多的实施方式和实施，这对本领域普通技术人员是显而易见的。例如，可以是本申请说明书中所述的任何系统或方法的任何组合。
权利要求
1.一种天线馈电系统包括 中馈式抛物面反射器；以及无线收发器，其中所述无线收发器与所述中馈式抛物面反射器物理集成。
2.如权利要求1所述的天线馈电系统，还包括 用于数字信号连接的连接器；一个或一个以上天线馈电插脚； 一个或一个以上控制器插脚；以及一个或一个以上副反射器。
3.如权利要求2所述的天线馈电系统，其中所述天线馈电系统的元件集成在印刷电路板上。
4.如权利要求2所述的天线馈电系统，其中所述天线馈电系统的设计包括对所述一个或一个以上天线馈电插脚、一个或一个以上控制器插脚以及一个或一个以上副反射器的位置、尺寸和形状进行说明。
5.如权利要求4所述的天线馈电系统，其中所述天线馈电系统的设计由优化天线系统性能的数值优化软件确定，其中所述天线系统包括所述天线馈电系统及其有关的外壳、和抛物面反射器。
6.如权利要求5所述的天线馈电系统，其中所述天线系统的性能基于所述天线系统的回波损耗和增益进行优化。
7.如权利要求2所述的天线馈电系统，其中所述控制器插脚和所述天线馈电插脚垂直于所述天线馈电系统进行装配。
8.如权利要求7所述的天线馈电系统，其中表面贴装插脚用于所述控制器插脚和所述天线馈电插脚。
9.如权利要求2所述的天线馈电系统，其中数字连接器为以太网连接器或USB连接器。
10.如权利要求2所述的天线馈电系统，其中所述天线馈电系统装在防风雨外壳内。
11.如权利要求10所述的天线馈电系统，其中所述防风雨外壳支持可互换的副反射
12.如权利要求1所述的天线馈电系统，其中所述中馈式抛物面反射器为栅格反射器。
13.—种从天线馈电系统进行接收信号和向其发送信号的方法，所述方法包括以下步骤接收来自中馈式抛物面反射器的非基带信号和向该中馈式抛物面反射器发送非基带信号，将所述非基带信号连接至无线收发器； 在所述无线收发器内加密和解密所述非基带信号；在所述无线收发器内生成基带信号，以及在所述无线收发器内接收基带信号；以及将所述基带信号连接至数字连接器，其中所述无线收发器与所述中馈式抛物面反射器物理集成。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述天线馈电系统还包括 一个或一个以上天线馈电插脚；一个或一个以上控制器插脚；以及一个或一个以上副反射器。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述天线馈电系统的元件集成在印刷电路板上。
16.如权利要求15所述的方法，所述天线馈电系统的设计包括对所述一个或一个以上天线馈电插脚、一个或一个以上控制器插脚以及一个或一个以上副反射器的位置、尺寸和形状进行说明。
17.如权利要求16所述的方法，所述天线馈电系统的设计由优化天线系统性能的数值优化软件确定，其中所述天线系统包括所述天线馈电系统及其有关的外壳、和抛物面反射ο
18.如权利要求17所述的方法，其中所述天线系统的性能基于所述天线系统的回波损耗和增益进行优化。
19.如权利要求14所述的方法，其中所述控制器插脚和所述天线馈电插脚垂直于所述天线馈电系统装配。
20.如权利要求19所述的方法，其中表面贴装插脚用于所述控制器插脚和所述天线馈电插脚。
21.如权利要求13所述的方法，其中所述数字连接器为以太网连接器或USB连接器。
22.如权利要求13所述的方法，其中所述天线馈电系统装在防风雨外壳内。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述防风雨外壳支持可互换的副反射器。
24.如权利要求13所述的方法，所述中馈式抛物面反射器为栅格反射器。
25.(原始)一种天线馈电系统包括角形反射器；以及无线收发器，其中所述无线收发器与所述角形反射器物理集成。
全文摘要
微波系统包括天线、天线馈电、无线收发器以及上述元件之间适当的电缆。通过这些元件的进一步集成和通过所述天线馈电内的设计的改进实现了成本、性能以及可靠性的改进。一种改进是将所述无线收发器与所述天线馈电集成。这种改进具有许多益处，包括除去了RF电缆和连接器。另外一种改进是并入寄生辐射器和副反射器作为所述天线馈电的一部分。包括所述反馈设计的整个天线通过3D有限元素法(FEM)软件和数值优化软件进行优化。另外一种改进是使用数字电缆来向所述集成的无线收发器和中馈式抛物面反射器供电。
文档编号H01Q19/12GK102239599SQ201080003481
公开日2011年11月9日 申请日期2010年6月2日 优先权日2009年6月4日
发明者约翰·R·桑福德, 罗伯特·J·佩拉 申请人:优波网络公司