CN101682120A - 正方形四绕螺旋天线的结构 - Google Patents

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柳钟元
李文揆
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Abstract

本发明公开了一种正方形四绕螺旋天线(S－QHA)结构。所述S－QHA结构包括正方形柱体、四个辐射元件和馈送网络。所述四个辐射元件形成在所述正方形柱体上。所述馈送网络位于所述正方形柱体的顶部或底部，并且用于在顺时针或逆时针方向上以90度的相差将信号馈送到所述辐射元件。作为结果，根据本发明的S－QHA可以接收圆极化信号。

Description

正方形四绕螺旋天线的结构
技术领域
本发明一般地涉及用于便携式无线通信设备的卫星通信的四绕螺旋天线(QHA)的结构，更具体地，涉及正方形四绕螺旋天线(S-QHA)的结构，其中，螺旋辐射元件形成在正方形柱体上，馈送网络提供在正方形柱体的顶部或底部上并且将具有90度相差的信号提供给辐射元件，提供将螺旋辐射元件短路到馈送网络接地端的阻抗匹配电路，从而适于接收圆极化信号。
背景技术
一般地，为了使天线从卫星接收高质量的服务，必须符合许多要求，包括高质量圆极化特性、宽波束带宽、高前后(F/B)比，以及基于接地和终端的位置和形状的性能改变的最小化。
由于相对好地符合这些要求而被广泛使用的卫星接收天线包括QHA。QHA首先由C.C.Kilgus于1969年5月在IEEE卷AP-17的第349页至351页上所发表的文章《Resonant Quadrifilar Helix(共振四绕螺旋)》中引入。
每个现有技术中的QHA配置为以柱体形形状实施四个辐射元件，如图1和图2中所示。为了支撑辐射元件并且减小QHA的尺寸，使用装载电介质的实心柱体或装载电介质的空心柱体。
图1的QHA具有在美国专利公开文献No.2006/0022891中公开的结构，并且包括从柱体形QHA 10的底部区域20到顶部区域22延伸的丝状绕组12、14、16和18。位于相对位置上的丝状绕组12和16通过传导桥23相互电连接，丝状绕组14和18通过传导桥24相互电连接。通过丝状绕组12或16传播的信号与通过丝状绕组14或18传播的信号具有垂直的相位关系，从而实现所希望的极化。丝状绕组12、14、16和18包括各个传导部件，例如具有圆形或方形截面的传导线或在电介质上具有传导线的电线。在工作频率上，在沿着具有对应于偶数个1/4波长的丝状长度的QHA上使用传导桥，但是一般不沿着具有对应于奇数个1/4个波长的丝状长度的QHA上使用。传导桥23和24(也称为“横杆”)包括各个传导带状条体。
图2示出了美国专利公开文献No.2005/0115056中公开的QHA的结构。
但是，为了将这种QHA用于便携式终端，需要小尺寸的QHA天线，其中，小尺寸天线的问题是发射模式图形、发射效率、轴比和天线增益上的减小。
发明内容
因此，本发明要解决的是现有技术中所存在的上述问题，本发明的目的是提供一种S-QHA结构，其中，螺旋辐射元件形成在装载电介质的实心正方形柱体、装载电介质的空心正方形柱体或正方形PCB，从而利于制造QHA。
另外，本发明的另一个目的是提供一种天线模块，该天线模块可以容易地实现并且可以形成为各种形状，因为天线单元和馈送网络相互隔离。
为了实现上述目的，本发明提供一种正方形四绕螺旋天线(S-QHA)结构，包括：正方形柱体；形成在所述正方形柱体上的四个辐射元件；以及馈送网络，其位于所述正方形柱体的顶部或底部，并且用于在顺时针或逆时针方向上以90度的相差将信号馈送到所述辐射元件。
优选地，所述S-QHA结构还包括低噪声放大单元，所述低噪声放大单元连接到所述辐射元件并且用于以低噪声方式对接收到的信号进行放大。
S-QHA结构可以还包括阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路的一端接地到所述馈送网络的短路点，而其另一端电连接到所述辐射元件。
另外，优选地，所述馈送网络由低温共烧陶瓷(LTCC)或多层印制电路板(PCB)形成。
优选地，所述正方形柱体使用空气、电介质、陶瓷和PCB中的一种或多种作为媒介，其具有正方形截面，并且具有空心或实心形式，所述空心形式相对于垂直线相对称。
根据本发明的S-QHA结构可以容易地制造，并且其工作频率可以容易地改变，因为辐射元件形成在正方形柱体上。
附图说明
图1为示出了具有空心圆柱电介质的现有技术中的QHA结构的示意图；
图2为示出了具有实心圆柱电介质的现有技术QHA结构的示意图；
图3为示出了根据本发明的实施例的1/4波长S-QHA的结构的示意图；
图4示出了根据本发明的另一个实施例的具有阻抗匹配电路的1/4波长的S-QHA的结构的示意图；
图5为示出了基于图3和图4的S-QHA的构造的示意图；
图6为基于图3和图4的使用PCB的S-QHA天线的组装示意图；
图7为示出了基于图3和图4的各种形式正方形柱体的示意图；
图8为示出了各种结构的示意图，其中，基于图3和图4的天线模块与低噪声放大器相组合；
图9为示出了基于图3和图4的各种辐射元件的结构的示意图；
图10为示出了基于图3和图4的具有右旋圆偏振(RHCP)的S-QHA的模拟结果的示意图；
图11为示出了基于图3和图4的具有左旋圆偏振(LHCP)的S-QHA的模拟结果的示意图。
附图中的标号描述：
31、41和51：正方形柱体
32和42：辐射元件
33和43：阻抗匹配电路
35和45：壳体
37和47：馈送网络
39和49：低噪声放大单元
44：馈送点
46：短路点
58A-58D：连接突起和凹体
具体实施方式
下面将参照附图详细描述根据本发明的实施例的用于在便携式无线设备中接收卫星信号的卫星通信天线模块。
如图3中所示，本发明包括正方形柱体31；四个形成在正方形柱体31上的辐射元件32；以及馈送网络31，其置于正方形柱体31的顶部和底部，用于在顺时针或逆时针方向上以90度的相差将信号馈送至辐射元件32。
另外，根据本发明的1/4波长的S-QHA天线连接到辐射元件32，并进一步包括用于以低噪声方式对接收到的信号进行放大的低噪声放大单元39。
另外，如图4中所示，本发明还包括阻抗匹配电路33，其中，各个辐射元件32短路到馈送网络37的接地。
如图5中所示，每个阻抗匹配电路33和43配置为使得其一端接地至馈送网络的短路点46，而另一端则电连接到辐射元件32或42。
在便携式装置的天线的一端上打开的辐射元件32和42构成具有对应于传输频率大约1/4波长的QHA结构。馈送网络37和47分别位于正方形柱体31和41的底部。
根据本发明的S-QHA的结构包括正方形柱体31、41或51、四个辐射元件32或42、输出阻抗匹配电路33或43、馈送网络37或47、馈送点44以及低噪声放大单元39或49，其中，所述输出阻抗匹配电路33或43配置为使得天线的一端接地至馈送网络的短路点46而另一端连接到辐射元件，所述馈送网络37或47配置为在正方形柱体底部馈送信号，所述馈送点44配置为将来自馈送网络的信号发送至辐射元件。
每个馈送网络37和47在顺时针方向或逆时针方向上以90度的相差将信号馈送至相应S-QHA的辐射元件33或43，并且使用低温共烧陶瓷(LTCC)或多层印制电路板(PCB)实现。
S-QHA的正方形柱体31和41可以由各种媒介实现，例如电介质、陶瓷和PCB。电介质可以具有实心形式41或空心形式31。空心形式41相对于垂直线对称，其可以实现为多种形式。然而，空心形式41并不限于这里所描述的实施例。
使用PCB板的S-QHA的一个例子表示为图6中的正方形柱体51，并且可以使用单层板或多层板实现。各个正方形部件通过连接突起或凹体58A和58B相互连接。另外，正方形柱体PCB和馈送网络通过连接突起和凹体58C和58D相互连接。所连接部分上的辐射元件通过焊接电连接到相关的辐射元件。
为了改进S-QHA的输入阻抗，分支从每个辐射元件32和42分叉，并且短路到每个馈送网络37和47的短路点46，从而实现电连接。天线的阻抗随着阻抗匹配电路33和43的长度和线宽度或与辐射元件相接触的位置而变化。
根据本发明，天线的频率可以通过调节辐射元件32和42的长度或宽度、正方形柱体31、41和51的宽度、高度或介电常数、或者空心结构、或者S-QHA中阻抗匹配电路33、34的长度、宽度或接触位置从而进行调节。
S-QHA的正方形柱体31和41可以配置为具有正方形横截面，并且可以具有实心或空心形式，如图7中所示。空心结构可以相对于垂直线相对称。
在本发明的天线模块中，天线和馈送网络可以实现为具有各种构造。
图8示出了天线模块的基本构造，其中，天线单元与馈送网络相组合，图9示出了辐射元件32和42的各种示例，其可以实现为各种形式，例如直线形式、对角形式和螺旋形式。然而，本发明并不限于上述实施例。
图10和11示出了本发明所提供的S-QHA实施例的模拟结果。图10示出了在1.57GHz的中心频率上具有右旋圆偏振(RHCP)的S-QHA示例，其使用具有9.7介电常数的陶瓷板进行设计。图11示出了在1.57GHz的中心频率上具有左旋圆偏振(LHCP)的S-QHA示例，其使用具有4.6介电常数的PCB进行设计。
图10中所示的S-QHA天线具有10*10*17.5mm的尺寸、25dB的高F/B比率、119.5度的3dB波束宽度、4.2dBi的方向性以及40％的辐射效率。另外，3dB轴比达到260度，主方向上的0度轴比具有0dB的理想值。
图11中所示的S-QHA天线的具有9.7*9.7*17.5mm的尺寸、高于30dB的高F/B比率、123.6度的3dB波束宽度、3.6dBi的方向性以及38％的辐射效率。另外，3dB轴比达到180度，主方向上的0度轴比具有0dB的理想值。
虽然上述描述限于本发明的优选实施例，但是本发明并不仅限于此，并且本发明可以具有各种变异、修改以及等同方案。因此，本发明可以对实施例进行各种合适的修改。明显地，只要其基于所附权利要求书所描述的技术精神，则这种修改落入了本发明的权利范围中。
根据本发明，螺旋辐射元件形成在正方形柱体以及天线阻抗匹配电路上，其一端短路至馈送网络的接地端，而另一端则连接至辐射元件，从而对可能由于天线尺寸的减少而引起的衰减的辐射图形、辐射效率、轴比以及天线增益进行补偿。
根据本发明的QHA结构的上述结构应用于用于接收圆极化信号的便携式终端，例如射频识别(RFID)终端、全球定位系统(GPS)终端、卫星接收数字多媒体广播(DMB)终端、扩展调制(XM)终端和数字卫星无线设备。

Claims (5)

1.一种正方形四绕螺旋天线(S-QHA)结构，包括：
正方形柱体；
形成在所述正方形柱体上的四个辐射元件；以及
馈送网络，其位于所述正方形柱体的顶部或底部，并且用于在顺时针或逆时针方向上以90度的相差将信号馈送到所述辐射元件。
2.根据权利要求1所述的S-QHA结构，还包括低噪声放大单元，所述低噪声放大单元连接到所述辐射元件并且用于以低噪声方式对接收到的信号进行放大。
3.根据权利要求2所述的S-QHA结构，还包括阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路的一端接地到所述馈送网络的短路点，而其另一端电连接到所述辐射元件。
4.根据权利要求3所述的S-QHA结构，其中，所述馈送网络由低温共烧陶瓷(LTCC)或多层印制电路板(PCB)形成。
5.根据权利要求3所述的S-QHA结构，其中，所述正方形柱体使用空气、电介质、陶瓷和PCB中的一种或多种作为媒介，其具有正方形截面，并且具有空心或实心形式，所述空心形式相对于垂直线相对称。
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