CN102349194A - 一种电介质负载天线 - Google Patents

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Abstract

一个双波段的电介质负载多臂螺旋天线具有一个从供电连接节点(13K，13L)延伸到环状的连接导体(20U)的第一组螺旋传导天线元件(10A)-(10F)，以及一个从供电连接节点以连接导体的方向延伸到开放回路末端的第二组传动螺旋天线元件(11A-11D)，与连接导体分隔开。第一组螺旋元件是半圈元件，其导电长度大约是天线第一操作频率上的二分之一波长。第二组螺旋元件大约是四分之一圈螺旋元件，其导电长度在天线第二操作频率的四分之一波长范围内。每组元件与各自的圆形偏振辐射的共振模式相关。

Description

一种电介质负载天线
本发明涉及一种电介质负载天线，用来在超过200MHz的频率上工作，其主要但不仅仅是一种多线螺旋形天线，用于圆形的偏振电磁辐射。
专利号为2292638A，2310543A和2367429A的英国专利，以及专利号为WO2006/136809的国际申请都公开了电介质负载四臂螺旋天线。这种天线主要是为了接收来自全球导航卫星系统(GNSS)的圆形偏振信号，例如来自全球定位系统(GPS)卫星群的信号，用于定位导航。L1波段的全球定位系统和相应的伽利略服务是窄频带服务。其他基于卫星的服务需要比先有天线频带更窄的接收或传播设备。专利号为2424521A的英国专利申请中公开的一种提供增强频带宽度的天线。专利号为2311675A的英国专利申请中公开了一种双波段电介质负载天线系统。专利号为1147571A的欧洲专利申请公开了一种具有共振环状导体的能够接收圆形偏振信号的天线。
专利号为2445478A的英国专利申请公开了同类天线。这个申请公开了6螺旋线和8螺旋线天线，它们具有更大的频带宽度和/或比类似的4螺旋线天线具有更大的优势。专利号为2444388A的英国专利申请中公开了一种高阻抗的4螺旋线天线。
上述申请所有公开的内容作为参考文献列入本申请。
本发明的目的是为了提供一个能够接收第一和第二共振频率上的圆形偏振辐射信号的天线。
根据本发明的第一个方面，在200MHz以上频率运转的电介质负载天线包含：一个由实心固体材料制备的电绝缘电介质核，其相对的电介常数大于5，并占据着由核心外表面包围的大部分内部体积，所述外表面具有向相反的方向横向延伸的表面部分和一个介于横向延伸部分的侧表面部分，该天线还包含与其中一个横向延伸的表面部分连接的供电耦合节点，位于与供电耦合节点隔开位置的连接导体，以及一个天线元件结构，包含：一个在核心侧表面部分上从供电耦合节点延伸到连接导体的第一组延长传导天线元件，和一个在侧表面部分上从供电耦合节点以连接导体的方向延伸到连接导体隔开的开放回路末端的第二组延长传导天线元件。在本发明的圆形偏振辐射操作的一个优先实施例中，第一组天线元件构成从一个平衡供电处的一个供电耦合节点通过连接导体延伸到另一个供电耦合节点的传导环部分，每个传导环具有λg1范围内的有效导电长度，其中λg1是在第一操作频率上，沿传导环的波导波长。每个传导环最好包含两个螺旋状导体，其导电长度为mλg1/2，m是一个整数。第二组天线元件的导电长度在(2n-1)λg2/4范围内，λg2是在第二操作频率上，沿第二组元件的波导波长，其中n是一个整数。因此，第一和第二操作频率是第一和第二共振模块的操作频率，分别与第一和第二组延长传导天线元件相对应。
在首选天线中，天线元件结构提供了一个6螺旋线天线和4螺旋线天线，一个具有闭路半圈半波元件，另一个具有四分之一波长四分之一圈开路螺旋线，与核心共同的圆柱形侧表面上的闭路螺旋线交错在一起。第一组螺旋元件和第二组螺旋元件大致均匀地分布在每个核心周围，因此对具有10个螺旋元件的天线来说，它们是6螺旋线和4螺旋线混合的天线元件结构，每组元件是以对向各自组中相邻元件核心轴的角度排布，在任何垂直于轴的假定平面上角度在完全一致的25°内。
与GB2445478A中公开的圆形偏振辐射的优先6螺旋线天线的天线元件一致，第一组螺旋元件具有3对元件，每对元件的电长度有轻微的不同，每对元件在垂直于核心轴的假定平板上彼此正对。值得注意的是，在与本发明一致的优选天线中，第二组元件具有电长度的类似变化，例如这些元件包含两对螺旋元件，这些成对螺旋元件中一对元件里的元件电长度大于其他元件对的元件电长度。以这种方式，在每组元件内的电压和电流之间有可能产生相位连续，因此，每组元件在圆形偏振模块中共振，其各自的共振频率尤其是取决于元件的电长度。
与本发明一致的首选天线具有一个连接导体，以包围核心的平衡-不平衡变换器套管的形式存在，该套管作为第一组天线元件共同的互连导体发挥作用。每个圆形偏振模块内具体的有利辐射模型分别与第一组天线元件和第二组天线元件联合，套管边缘的电长度为λg1，λg1是边缘的波导管波长，其频率在第一操作频率波段范围内，包含第一操作频率。
有利的是，第二操作频率，例如由第二组开放回路元件决定的第二操作频率低于频谱范围内的第一操作频率(后者由第一组闭路式的螺旋状元件决定)。首选天线具有一个第二操作频段，包含第二操作频率，该第二操作频段低于第一操作频段。通常，第一和第二操作频段的中心频率至少相差两个中心频率平均值的5％。
本发明的另一个方面提供了一个在500MHz以上第一和第二频段内操作的电介质负载螺旋天线，其频率波段至少相差两个中心频率平均值的5％，其中该天线包含一个由实心的电介质材料制备的核心，该核心占据了由核心外表面包围的大部分内部体积，还包含一个天线元件结构，该天线元件结构具有限定第一波段共振频率的大量闭路式半波螺旋状传导元件，以及限定第二波段共振频率的多个开放回路的四分之一波螺旋元件。
本发明还包含一种在200MHz以上频率操作的电介质负载天线，其中该天线具有一个实心材料的电绝缘电介质核心，其相对介电常数大于5，占据着由核心外表面围成的大部分内部体积，外表面具有向相反的方向横向延伸的表面部分和一个介于横向延伸部分的侧表面部分，天线还包含与其中一个横向延伸表面部分连接的供电耦合节点，以及一个天线元件结构，其包含至少一对从供电耦合节点延伸出、终止于开放回路末端的传导性延长的天线元件，所述的延长元件的电长度范围为(2n-1)λg/4，其中λg是在操作频率上沿元件上的波导波长，n是整数且最好等于1。有利的方面是，该天线具有两对传导性延长的天线元件，其中一对元件的电长度大于另一对元件的电长度，该天线适用于在所述操作频率上的圆形偏振辐射。
延长传导性天线元件最好大体均匀地分布在圆柱形核心的圆柱形侧面部分，每个天线元件是螺旋状的，位于圆柱形核心轴的中心位置。
尽管符合本发明的天线是背射天线，例如一个供电耦合节点位于核心末梢端表面部分，一条供电线从一个末端表面穿过核心到另一个末端表面，根据本发明还可以构架一个所谓的端射式天线，将核心邻近末端表面部分上的供电耦合节点与平衡-不平衡变换器联结，该平衡-不平衡变换器或是在核心邻近表面上直接成型，或是在印刷电路板上形成天线集合部分，包含附着在核心的天线和印刷电路板的联合体。
然而，首选的天线与上述已有技术中公开的天线一样具有一个平衡-不平衡变换器套管，连接核心邻近末端表面部分与同轴的供电线路的外部导体。
如果反应的匹配网络位于供电线路和供电耦合节点之间，例如上述WO2006/136809公开的那样，那么将获得最好的结果。匹配网络通常包含至少一个分流电容，最好至少有一个串联电感。天线元件结构与天线操作波段内供电线路的有利匹配实现了一个两极LC匹配网络，具有一个连接穿过供电线路导体的第一分流器电容，一个供电线路导体和天线元件之间的第一和第二串联电感，以及连接至两个电感交汇处的第二分流器电容。该网络不仅影响两个波段内天线元件结构的匹配阻抗，还可以提高操作第二频率波段内获得的辐射模式，例如，根据第二组开放回路螺旋元件确定的共振模块。
根据本发明的另一个方面，在200MHz以上的第一和第二频率波段内操作的电介质负载天线包含一个实心材料组成的电绝缘电介质核心，其相对的介电常数大于5，占据着由核心外表面限定的大部分内部体积，其中外表面包含向相反的方向横向延伸的表面部分和横向延伸部分之间的侧面部分，其中天线还包含一对与一个横向延伸表面部分连接的供电耦合节点和一个包含第一和第二组延长传导天线元件的天线元件结构，每组包含至少4个天线元件，所述天线元件在核心侧表面部分从供电耦合节点延伸到其他横向延伸表面部分，其中第一组的元件比第二组元件长，第一和第二组元件分别与不同共振频率上的第一和第二圆形偏振相对应，每组天线元件具有与一个供电耦合节点连接的元件和与其他供电耦合节点连接的元件，元件的这种设置涉及连接到每个供电耦合节点的元件，(a)它们包含成对的邻近天线元件，其中每对包含一个第一组元件和一个第二组元件，(b)所述成对元件以特定的方向围绕该核心，第一组元件位于第二组元件的前面的所述元件对的数目，与在所述方向上，第二组元件位于第一组元件之前的所述元件对的数目相同。
关于连接到每个供电耦合节点的元件，第一组元件和第二组元件以交替的顺序围绕在核心的侧表面部分。
上述列举的邻近天线元件对通常至少包含三对，其中每对中的一个元件也是另一对中的一个元件。
本发明使用双重服务应用，在彼此分开的频率波段，用于接收来自卫星的信号，或向卫星传送信号。这种双重服务应用可以在两个波段上同时接收全球导航卫星系统(GNSS)的信号，例如GPS和伽利略系统分别使用L1和L2波段(1575.42MHz和1277.60MHz)。该天线的其他应用包含S-和L-波段卫星电话服务的手持式和移动收发器，使用邻近的上行线和下行线……例如TerreStar S-波段服务的频率波段具有集中于2.005GHz和2.195GHz的上行和下行波段。像四分之一波长元件一样操作开放回路的天线元件允许它们在远低于半波闭路元件的频率上形成共振，而不管位于相同的核心外表面部分。在另一个实施例中，闭路元件可以是全波的，或是一又二分之一波元件，为四分之一波长开放回路元件调节到闭路元件一半甚至更低的共振频率留足空间。符合本发明的一种天线通常具有集中于第一共振频率f1的操作第一波段和集中于第二共振频率f2的操作第二波段，两个中心频率f2-f1的频率差小于平均频率1/2(f1+f2)的25％。
将参考附图中的示例对本发明进行描述：
图1是依照本发明的一种天线的透视图；
图2是图1所示天线的透视图；
图3表示图1所示天线的圆柱形外表面部分的导体模式，转化为一个平面；
图4是图1所示天线供电结构的轴向截面图；
图5是图4所示供电结构的详细结构，表示一个从供电传输线的末梢部分分开的薄板；
图6A和6B图解显示了供电结构的薄板的传导层的导体模式；
图7是一个等价的电路图；
图8图解说明了图1所示天线插入损失(S11)的频率响应；
图9是本发明第一种天线的透视图；
图10是本发明第二种天线的透视图；
图11是本发明第三种天线的透视图。
参照图1至图3，本发明的一种多臂螺旋天线有一个含10个延长的天线元件的天线元件结构，该些元件分成两组，一组元件包含多个闭路螺旋传导轨道10A，10B，10C，10D，10E，10F，另一组元件包含多个开放回路螺旋传导轨道11A，11B，11C，11D，这些轨道都经过电镀，或在实心的圆柱形核心12的圆柱形外表面部分12C喷涂有金属。为了清楚起见，图2中忽略了这个核心。
核心由陶瓷材料制成。在这种情况下，该区域钙镁钛酸盐材料的相对介电常数为21。这种材料以其在不同温度下的尺寸和电稳定性及较低的介电损失而著称。在该实施例中，预期在GPS L2波段和L1波段(1227.6MHz and1575.42MHz)进行操作，该核心的直径为14mm。核心的长度为17.75mm，大于其直径，但在其他实施例中则可能会小于其直径。核心是由压制而成的，但可以压铸工艺生产，然后用火烧铸。在其他实施例中，也可以使用玻璃-陶瓷材料制造该核心。
这个首选天线是一种背射螺旋天线，在轴向孔(未显示)内具有一条同轴传输线从核心远端表面12D穿过核心到核心近端表面12P。两个端面12D，12P都是垂直于核心中轴的平面。在本发明的这个实施例中，它们彼此相对，一个指向远端，另一个指向近端。同轴传输线是一种不易弯曲的同轴供电线，位于孔的中心，外部防护罩导体与孔壁隔开，从而在防护罩导体与核心12材料之间具有一介电层。根据图4可见，同轴传输线供电线具有一个传导性的管状外部防护罩16，一个第一管状空气间隔或绝缘层17以及一个延长的内部导体18，经绝缘层17与防护罩绝缘。防护罩16具有向外伸出的整体成形的弹簧柄脚16T或将防护罩与孔壁隔开的间隔装置。第二管状空气间隔位于防护罩16与孔壁之间。绝缘层17可以是一个塑料套管，可以是防护罩16与孔壁之间的分层。在下面的供电线近端，内部导体18由绝缘衬套(未显示)固定在防护套16内部中心，如上述专利号为WO2006/136809的专利中所述。
防护套16、内部导体18和绝缘层17结合组成了预定特有阻抗的传输线，这里的电阻有50ohms，穿过天线核心12将天线元件远端10A-10F，11A-11D连接到天线连接设备的无线电频率(RF)电路。天线元件10A-10F，11A-11D与供电线之间的连接联轴节通过有传导性的连接部分与螺旋状的轨道10A-10F，11A-11D结合，这些连接部分构成辐射状轨道10AR，10BR，10CR，10DR，10ER，10FR，11AR，11BR，11CR，11DR，位于核心12远端面12D上。每个连接部分从各自螺旋轨道的远端延伸到位于核心远端面12D上的两个弓形轨道或导体13K，13L中的一个，核心远端面12D毗邻孔12B的末端，形成供电耦合节点。
两个弓形的导体13K，13L由薄板19上的导体分别连接到防护罩和内部导体16，18，固定在核心远端面12D，这将在下文进行描述。同轴的传输供电线和薄板19在装配到核心12之前共同组成一个整体的供电结构，比较图1和图4可见它们的相互关系。
参照图4，传输供电线的内部导体18具有一个邻近部分18P，它像插头一样从核心12的邻近面12P连接到设备电路。同样，防护套16近端的整体支耳(未显示)伸出核心近端面12P，与设备电路地线连接。
第一组的6个闭路天线元件10A-10F的近端10AP-10FP(见图3)由共同的实质地线导体20相互连接。在这个实施例中，共同导体是环状的，以围绕着核心12近端部分的电镀套管的形式存在。套管20反过来由核心12近端面12P的电镀导体盖子22连接到从核心邻近地伸出的供电线防护罩导体16(图1)。
第一组的6个闭路螺旋天线元件10A-10F的长度不同，三个元件的每一套10A-10C，10D-10F具有长度轻微不同的元件，结果套管的边缘20U通常离核心近端面12P的距离不同。最短的元件12A，10D连接至套管20，边缘20U离近端面12P的距离比最长的天线元件10C，10F连接至套管20的距离略远。当天线在第一共振模式下操纵，天线对圆形偏振信号敏感，含有闭路螺旋天线元件10A-10F的传导途径长度的不同会导致3个元件中每套10A-10C，10D-10F内的元件电流之间的相位差。在这种模式中，电流围绕套管20边缘20U流动，一方面元件10D，10E，10F连接到一个供电耦合节点13L，另一方面另一套元件10A，10B，10C连接到另一个供电耦合节点13K。
传导套管20、近端面12P的镀层22与供电线16，18的外层防护罩共同构成四分之一波长平衡-不平衡变换器，提供了将天线元件结构与天线安装连接的设备隔离开的共同模式。平衡-不平衡变换器将供电线16，18近端的单端电流转变为远端的平衡电流，出现在核心12远端表面部分12D。
套管20的边缘20U的导电长度为λg1，λg1是经过边缘20U的电流在天线第一共振模块频率上的波导波长，从而使边缘在该频率上显示出环形共振。上述专利EP1147571A中描述了套管边缘20U作为一个共振元件的运转。
尽管本发明实施例中的套管和镀层有助于提供一个平衡-不平衡变换器的功能和一种环形共振，环形共振也可通过将螺旋元件10A-10F连接到环状导体而独立发生，它围绕着核心12，在核心外表面部分具有近端和远端，而不是像当前实施例一样以连接到供电线防护套导体16形式形成一个开口的空穴。这种导体相对狭窄，从而可以组成一个环状的轨道，其宽度与形成螺旋元件10A-10F，11A-11D的传导轨道宽度相似，假如相对于天线操作频率上的波导波长，它具有一个导电长度，仍会产生一个环形共振，增强与螺旋元件10A-10F及其相互联络提供的回路相关的共振模式，例如第一共振模式。
套管20和近端面镀层22像一个陷阱一样防止闭路天线元件10A-10F中的电流流向核心近端面12P上的供电线防护套16。值得注意的是闭路螺旋轨道10A-10F由弓形的轨道13K，13L三个一套相互连接，组成各自放射轨道10AR，10BR，10CR，10DR，10ER，10FR内端之间的供电耦合节点，从而每组闭路螺旋轨道通常具有一个长轨道10C；10F，一个中等长度的轨道10B；10E和一个短轨道10A；10D。
2个供电耦合节点13K，13L之间分别形成3个传导回路，(a)最短的闭路螺旋传导轨道10A，10D和套管边缘20U，(b)中等长度的闭路螺旋传导轨道10B，10E与套管边缘20U，以及(c)最长的闭路螺旋传导轨道10C，10F和套管边缘20U，其有效导电长度近似于λg1，是沿第一共振模式频率上的环行线路的波导波长。这些元件是半圈元件，在核心的圆柱形表面部分12C上具有共同的边界。闭路螺旋轨道10A-10F及其相互联络的配置与简单的电介质负载6螺旋线螺旋天线的操作类似，其操作在上述专利GB2445478A中有更为详细的描述。
与闭路螺旋导体轨道10A-10F相反，其他螺旋传导轨道11A-11D在核心远端表面部分与套管边缘20U之间的核心圆柱形表面部分12C具有开放回路的近端11AP，11BP，11CP，11DP，如图1，2和图3所示。这些开放回路螺旋轨道也是围绕着核心均匀分布的，在闭路螺旋轨道10A-10F之间交错分布，每个开发回路轨道11A-11D大约围绕核心轴四分之一圈。通过围绕核心轴的均匀分布，开放回路螺旋轨道11A-11D通常包含直角设置的轨道对11A，11C；11B，11D。每个开放回路轨道11A-11D与其各自的位于核心远端表面部分12D的放射连接元件11AR-11DR结合在一起，四分之一单极是指每个轨道的导电长度约与沿天线第二回路偏振共振模式频率的轨道四分之一波导波长相等，尤其是由开放回路元件的长度决定。
如闭路螺旋传导轨道10A-10F一样，开放回路轨道11A-11D还表现出在物理和导电长度方面的微小差别。因此，开路回路轨道包含第一对截然相反的轨道11A，11C，较第二对截然相反的轨道11B，11D更长。时相提前和时相延迟时间长短的这些小变化对合成第二圆形偏振模式频率上的旋转偶极子产生特有的共振。
值得注意的是，本发明的实施例中，第二共振模块的频率低于第一共振模块的频率。
因为开放回路螺旋轨道11A-11D形成的单极元件系统和它们各自的放射轨道11AR-11DR不与套管边缘20U连接，第二回路偏振模式与套管边缘20U的环形共振无关。然而，套管20形成的平衡-不平衡变换器、供电线16，18和它们经核心近端面部分12P的电镀层22的相互联络，减少了它对防护罩导体16固有电容的影响，改善了4螺旋线单级11A-11D的匹配，从而产生第二共振模式中的一种稳定的圆形偏振放射模式。此外，导致单级长度上的忍耐力影响较小。
在详细的描述中，“放射物”和“辐射”可广义地解释为当用于描述天线的特点或元件时，它们代表当和发射台一起使用时，与能量辐射相关的天线的特征或元件，或者当天线与接收器同时使用时，与吸收周围环境的能量相关的天线特征或元件。
至于连接至每个供电耦合节点13K；14L的5个天线元件10A，11A，10B，11B，10C；10D，11C，10E，11D，10F，分别围绕核心的闭路轨道10A，10B，10C；10D，10E，10F和开放回路轨道11A，11B；11C，11D的序列关于中心线CL1；CL2对称(见图3)。换句话说，对于每个供电耦合节点来说，所述序列相对于中心线称镜像分布。更具体地说，关于连接至每个供电耦合节点的元件来说，天线元件的设置包含成对的邻近天线元件，每对元件包含一个闭路天线元件和一个开放回路天线元件，天线元件的序列是以特定的方向围绕着核心，先于开放回路元件的闭路元件的对数与相同方向上先于闭路元件的开放回路元件的对数相等。需要记住的是，在现有背景中，每一“对”元件包含至少一个元件，该元件也是另一对元件中的一个元件，与第一供电耦合节点13K连接的天线元件包含4对10A，11A；11A，10B；10B，11B；和11B，10C。在这四对元件中，从天线序列的角度来看(例如从远核心表面部分12D的远侧位置)，逆时针方向上有2对元件10A，11A；10B，11B，其中闭路元件先于开放回路元件；另两对元件11A，10B；11B，10C的开放回路元件先于闭路元件，因此符合上述相等元件对数的条件。这与连接到其他供电耦合节点13L上的天线元件相同。因此，有两对元件10D，11C；10E，11D的闭路元件先于开放回路元件，另外两对元件11C，10E，11D，10F的开放回路元件先于闭路元件。与不满足上述条件的天线相比，闭路和开放回路元件的序列具有一种更好的辐射模式。
有可能满足仅具有4个闭路元件和4个开放回路元件的天线条件，如下文所述。然而，一类和4种其他种类的6个元素组合是优先实施的，例如在这种情况下有6个闭合回路元件和4个开放回路元件，因为能够获得每组10A-10F；11A-11D元件的更加统一间隔的元件。因此，假如天线元件的完整组合10A-10F，11A-11D均匀地围绕在核心周围，在任何假定的垂直于天线轴的平面上，闭路螺旋轨道10A-10F的角度间隔为72°(对于4对轨道来说)和36°(对于2对轨道来说)。离60°最优间隔的最大偏差是24°关于4个开放回路螺旋轨迹11A-11D来说，内部元件的角度间距为72°和108°，例如产生离最优角度90°仅有18°的偏差。
在薄板印制电路板(PCB)配件19中匹配网络表现的阻抗匹配面对着核心的末端表面部分12D，如图1所示。
印制电路板(PCB)配件19构成包含供电线16，18的供电结构部分，如图4所示。
从天线元件结构传输信号的供电线16，18具有50欧姆的典型阻抗。首先，如上所述，防护罩16与套管20共同作用，在供电结构与天线元件结构的连接点具有共同方式的隔离。在核心近端面12P上与镀层22的连接(a)和与印制电路板(PCB)配件19上的导体连接(b)与轴孔(固定供电传送线路)的尺寸它的连接成防护罩导体的长度、填充防护套16与孔壁之间间隙材料的介电常数是其外表面上的防护罩16的导电长度是2种所需的天线共振模式频率上的四分之一波长，因此传导套管20、镀层22和防护套16的组合在供电结构和天线元件结构的连接处产生平稳的电流。
在优选天线实施例中，有一层绝缘层围绕着供电结构的防护套16。这层绝缘层的介电常数低于核心12的介电常数，是优选天线实施例中的一层空气层，降低核心12对防护套16导电长度和防护罩16外部有关纵向共振的作用。由于与所需操作频率有关的共振模式由电压双极的完全延伸所决定，例如圆柱形核心轴的横切直径，与套管厚度有关的低介电常数套管对所需共振模式的作用相对较小，至少在优选实施例中是小于对核心的作用。因此，可能会引起与套管16相关的共振线形模式，与想要的共振模式不同。
天线的主要共振频率大于500MHz，这些共振频率由上文所述的螺旋天线导体10A-10F，11A-11D的有效导电长度决定。对于特定的共振频率来说，这些元件的导电长度也取决于核心材料相对的介电常数，天线的尺寸大体上因空气核心的4螺旋线天线而减小。
本发明有关的天线尤其适用于1GHz以上的双波段卫星通讯。在这种情况下，第一组螺旋天线元件10A-10F的平均纵向范围(例如，与中心轴平行)约为12.3mm，而第二组螺旋天线元件11A-11D的平均纵向范围约为8.0mm。传导套管20的长度通常为5.45mm。这大约产生两个操作频率波段平均中心频率的四分之一波长平衡-不平衡变换器。该特征不是关键的。事实上，套管长度可设置为能够产生四分之一波长平衡-不平衡变换器作用，或是在两个中心频率，或是在多种情况之间的任意频率，这取决于中心频率之间的间距。
直到获得所需的相位差，通过了解经验的最优化，在尝试与错误的基础上确定天线元件10A-10F和11A-11D的精确尺寸。在核心轴向孔内的同轴传输线的直径大概为2mm。
下文将描述供电结构的其他特征。如图4所示，供电结构包含同轴的50欧姆供电线16，17，18的联合，平面的薄板组合19连接到导线的末端。印刷电路板(PCB)配件19是一种双面印刷电路板，面对面地对着核心12末端面12D。印刷电路板(PCB)配件19的最大尺寸小于核心直径，使得印刷电路板(PCB)配件19完全位于核心12末端面12D的外围内，如图1所示。
在这个实施例中，印刷电路板(PCB)配件19以圆盘的形式位于核心端面12D的中心。其直径与位于核心端面部分12D上的弓形元件结合导体13K，13L相等。如图5分解图所示，该配件19具有一个中心孔洞32，用于接收同轴供电传输线的内部导体18。3个偏心的孔洞34收到保护套16的末梢拖拉16G。拖拉16G是弯曲或“拼合”的，有助于定位印刷电路板(PCB)配件和同轴的供电结构。所有的4个孔32，34经镀金。此外，配件19A，19PB的边缘部分19P经镀金，镀层延伸到薄板近端面和远端面上。
印制电路板(PCB)配件19具有一个双面的薄板，含一个单层的绝缘层和两个有图案的传导层。其他绝缘层和传导层可用于本发明的其他实施例中。如图5所示，在该实施例中，两个传导层包含一个远端层36和一个近端层38，二者由绝缘层40所分隔开。绝缘层40由FR-4玻璃强化环氧树脂板制成。远端和近端传导层分别被蚀刻成相应的传导模式，分别如图6A和图6B所示。传导模式延伸到薄板外围部分19PA，19PB和镀通孔32，34，不同层面上的各个导体分别由边缘镀层和孔镀层相互连接。如图所示的传导层36，38的传导模式，远端传导层36具有一个延长的传导轨道36L1，36L2，当它被封在薄板中央孔32内，延长的传导轨道连接内部供电线导体18和薄板的第一外围镀层边缘部分19PA。该延长的轨道位于两部分36L1，36L2，他们相对狭窄的伸长外形构成天线操作频率上的电感。由于边缘部分19PA通过一个弓形轨道13L连接到核心远端面12D上一半的放射导体10DR，10ER，10FR，11CR，11DR(图1)，这些电感串联在内部供电线导体18和两个每组10A-10F；11A-11D中的每个螺旋天线元件10D，10E，10F；11C，11D之间。如果在薄板上可用空间内，没有长度足够的单独的轨道部分36L1，36L2产生必需的电感，轨道部分36L1，36L2可被分为两个平行的轨道部分，例如二者之间具有一个狭缝，从而使得每单位长度上产生更大的电感。
当位于薄板孔34内时，供电线防护套16由扇形导体16F直接连接到薄板相对的外围镀层边缘部分19PB，由于它具有相对较大的面积而具有较低的电感。因此，防护套通过另一个弓形轨道13K和相应的放射导体10AR，10BR，10CR，11AR，11BR被直接有效地连接到其他天线元件10A，10B，10C，11A，11B上。扇形导体36F沿着电感应的延长轨道36L1，36L2延伸到第一外围电镀边缘部分19PA，向不连续的分流电容提供垫子。因此，在该实施例中，扇形导体36F具有两个延长部分，在平行地延伸在电感轨道36L1，36L2相对的两侧。每个延伸部分36FA，36FB以轨道的形式构成，与中心电感轨道相比，其宽度更宽，具有极小的电感。这些延长部分36FA中的一个向第一薄片电容器42-1提供垫片，连接到与中央孔32相关的镀层，第二薄片电容器42-2A连接到两个电感轨道部分36L1，36L2之间的连接处。另一个延长部分36FB为第三薄片电容器42-2B提供了一个垫片，第三薄片电容器同样连接到电感轨道部分36L1，36L2之间的连接处。在本发明的实施例中，电容器42-1，42-2A，42-2B是0201-型号的薄片电容器(例如，Murata GJM)。
上述结合体包含一个图7中所示的2-极反应匹配网络。该网络提供了一个双波段匹配，位于(a)子电路60，61，分别代表闭路螺旋元件10A-10F及其相应部分组成的源极和开放回路螺旋元件11A-11D及其相应部分组成的源极，和(b)50欧姆负载62之间。在该示例中，供电线16-18(图4和图5)是一个50欧姆的同轴线路部分64。电感L1和L2由轨道部分36L1，36L2构成，如上文所示。分流器电容C1在图5和图6A中标示为电容器42-1。另一个分流器电容C2由两个薄片电容器42-2A，42-2B并联结合构成，如图6A所示。使用第二电容C2的两个电容器可获得相对较高的电容值，降低电阻损失。
供电线路16，18之间的连接、印制电路板(PCB)配件19和核心远端面12D上的传导轨道由焊接或导电胶水粘合。当内部导体18的远端面焊接供在薄板的通孔32内，电线路16-18和配件19共同构成了一个整体供电结构，防护罩柄16G被焊接在相应的不对称通孔34内。供电线路16-18和印制电路板(PCB)配件19共同构成一个具有完整匹配网络的整体供电结构。
由串联电感L1，L2组成的网络和分流器电容C1，C2组成一个匹配网络，位于天线的放射天线元件结构与传输线近端的50欧姆终端之间，当连接到无线频率电流时，该50欧姆负载抗阻匹配到操作频率上的天线元件结构阻抗。匹配网络代表的分流器阻抗为单极天线元件11A-11D提供了更宽的忍耐力和改进的各自的放射模式。
如上所述，在嵌入天线核心12前，供电结构以一个单位的形式装配，配件19的薄板固定在同轴线16-18上。形成一个单一组件的供电结构，包含作为一个整体部分的薄板19，大大降低了天线的组装成本，引入的供电结构可有两种运动：(i)整体的供电结构滑入核心12的轴孔内，(ii)将传导套圈或垫圈安装在防护套16的外部近端部分。该套圈可以是一个位于防护套组件16上的推合座，或是卷曲在防护套上。在将供电结构插入到核心之前，核心12远端面12D上的天线元件结构和轴孔两端直接毗连镀层22的连接部分最好使用焊膏。因此，完成上述步骤(i)和步骤(ii)后，该配件可穿过焊接回流炉，或其它可选的焊接处理，例如激光焊接、感应软钎焊或热空气钎焊的单一焊接步骤。
当薄板直接面向核心时，(a)薄板19的外围和近端面上的导体和(b)核心远端面12D上的喷涂导体之间的焊接桥与导体本身的形状可用于在回流焊接期间提供平衡回路的弯液面。
使用上述结构，有可能产生一个双波段圆形极化频率反应，天线的插入损失频率图表见图8所示。天线具有一个集中于较高共振频率f1的第一波段和一个集中于较低共振频率f2的第二波段。在该天线中，两个中心频率的频率间隔f2-f1大约是平均频率1/2(f1+f2)的25％。在两个波段上的右旋圆偏振波具有一种主要向上指向的辐射模式。
这将可以领略到本发明相关的天线适用于左旋圆偏振波。这种天线如图9所示。为了清楚地显示，图9省略了电介质核。在实践中，该天线的螺旋元件如先前的实施例那样固定在核心的圆柱形表面。这种天线可用于TerreStar(注册商标标识)组合卫星和地面服务的双波段操作，并具有闭路螺旋轨道10A-10F和开放回路螺旋轨道11A-11D，反指向图1-图8所示天线。该示例中核心的长度和直径分别为17.75mm和10mm。如前所述，核心材料的相对介电常数为21。
该天线在两个频率波段上的左旋圆偏振波产生一种主要向上指向的辐射模式，如图1-图8所描述的天线一样，螺旋状轨道10A，10B，10C，11A，11B；10D，10E，10F，11C，11D分别与每个供电耦合节点连接，具有一种对称的轨道序列，例如，它们构成一种模式，在每个实例中与中心元件镜像对称。如图1-图9中所示的天线一样，连接至各个供电耦合节点内的元件顺序是交替的：闭路、开放回路、闭路、开放回路、闭路。
如上所述，根据本发明有可能构建一种具有更少天线元件的天线，例如有4个闭路元件和4个开放回路元件。如图10所示，在与本发明一致的第三种天线中，闭路和开放回路的螺旋元件以交替的顺序围绕在核心外面。在这种情况下，以从远极端顺时针的方向，左旋圆偏振波的天线顺序是开放回路(11A)、闭路(10A)、开放回路(11B)、闭路(10B)。一个等价的序列用于连接到另一个供电耦合节点13L。这种布置并不满足上述序列的对称条件。因此，参考图11，与本发明一致的另一种天线也具有4个闭路元件10A-10D和4个开放回路元件11A-11D。在这种情况下，连接到核心顶面的每个弓形导体13K，13L的元件模式是对称的，在每个组合连接到核心远端面上的各个弓形元件13K，13L的元件10A，10B，11A，11B；10C，10D，11C，11D内，闭路和开放回路螺旋元件的序列关于各个组合的中心成镜像对称。因此，在该实施例中，每个组合内的顺序是：闭路、开放回路、开放回路、闭路。与图2、图9和图10相同，为了清楚地显示，图11所示的天线忽略了它的电介质核。
其他实施例是可行的，例如图1至图9所描述的天线可被修改为具有6个开放回路元件和4个闭路元件。可以注意到，在所有优先实施例中，螺旋天线元件作为一个整体以均匀地角度分隔围绕着天线轴。

Claims (27)

1.一种在200MHz以上频率操作的电介质负载天线，其特征在于，所述天线包含：一个由一种相对介电常数大于5的实心材料制成的电绝缘电介质核，其占据了由核心外表面限定的大部分内部体积；所述外表面包含向相反的方向横向延伸的表面部分和一个介于横向延伸部分之间的侧表面部分；该天线还包含与其中一个横向延伸表面部分连接的供电耦合节点，一个与供电耦合节点隔开的连接导体，和一个天线元件结构；所述天线元件结构进一步包含：
第一组延长传导天线元件，其在核心侧表面部分上从供电耦合节点延伸到连接导体，
第二组延长传导天线元件，其在侧面部分上从供电耦合节点向连接导体方向延伸到与连接导体隔开的开放回路末端。
2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线具有第一和第二操作频率；所述第一组天线元件构成了传导环的一部分，所述传导环部分通过连接导体，从一个供电耦合节点延伸到另一个供电耦合节点；每个传导环具有λg1范围内的有效导电长度，其中λg1是在第一操作频率上，沿传导环的波导波长；第二组天线元件的导电长度在(2n-1)λg2/4范围内，其中λg2是在第二操作频率上，沿第二组元件的波导波长，其中n是一个整数。
3.如权利要求2所述的天线，其特征在于，每个传导环具有两个螺旋导体，每个螺旋导体的导电长度为mλg2，其中m是个整数。
4.如上述任意一项权利要求所述的天线，其特征在于，所述天线元件各自连接到每一个供电耦合节点，第二组元件与第一组元件交错排布。
5.如上述任意一项权利要求所述的天线，其特征在于，至少第一组元件是呈螺旋状的。
6.如上述任意一项权利要求所述的天线，其特征在于，所述天线在第一和第二操作频率的圆形偏振辐射下进行操作，其中第一组天线元件包含3对元件，第二组天线元件具有2对元件。
7.如上述任意一项权利要求所述的天线，其特征在于，所述的第一组天线元件大体上是半圈螺旋，所述的第二组天线元件大体上是四分之一圈螺旋。
8.如上述任意一项权利要求所述的天线，其特征在于，所述天线的供电耦合节点构成部分平衡供电，其中连接导体是一个平衡-不平衡变换器套管，第一组天线元件延伸在供电耦合节点和套管边缘之间。
9.如上述任意一项权利要求所述的天线，其特征在于，所述连接导体的导电长度为λg1，其中λg1是在第一操作频率上边缘的波导波长。
10.如上述任意一项权利要求所述的天线，其特征在于，所述天线的第二操作频率低于第一操作频率。
11.如上述任意一项权利要求所述的天线，其特征在于，对连接到每个供电耦合节点的天线元件来说，天线元件形成的结构是包含第一组天线元件和第二组天线元件的一个序列，该序列相对于该结构的中线呈镜像。
12.如上述任意一项权利要求所述的天线，其特征在于，所述的每组延长传导天线元件具有连接到每个供电耦合节点的元件和连接到其他供电耦合节点的元件，元件的这种设置涉及连接到每个供电耦合节点的元件，(a)它们包含成对的邻近天线元件，其中每对包含一个第一组元件和一个第二组元件，(b)所述成对元件以特定的方向围绕该核心，第一组元件位于第二组元件的前面的所述元件对的数目，与在所述方向上，第二组元件位于第一组元件之前的所述元件对的数目相同。
13.一种在500MHz以上的第一和第二频段内操作的电介质负载螺旋天线，其特征在于，其频率波段至少相差两个中心频率平均值的5％，其中所述天线包含一个由实心的电介质材料制备的核心，该核心占据了由核心外表面包围的大部分内部体积；所述天线还包含一个天线元件结构，该天线元件结构具有限定第一波段共振频率的大量闭路式半波螺旋状传导元件，以及限定第二波段共振频率的多个开放回路的四分之一波螺旋元件。
14.一种在200MHz以上的第一和第二频率波段内操作的电介质负载天线，其特征在于，包含一个实心材料组成的电绝缘电介质核心，其相对的介电常数大于5，占据着由核心外表面限定的大部分内部体积，其中所述外表面具有向相反的方向横向延伸的表面部分和一个介于横向延伸部分之间的侧表面部分；所述天线还包含与一个横向延伸表面部分连接的供电耦合节点和一个天线元件结构，该天线元件结构至少包含一对传导性延长天线元件，其在核心侧面部分从供电耦合节点延伸到所述的另一个横向延伸表面部分，以及开放回路末端的终点，其中所述的每个延长元件的导电长度在(2n-1)λg/4范围内，λg是在其中一个操作频率上，沿元件的波导波长，其中n是一个整数。
15.如权利要求14所述的天线中，其特征在于，该天线元件结构包含至少两对传导性延长天线元件，其中一对传导性延长天线元件的导电长度大于另一对元件的导电长度。
16.如权利要求14或权利要求15所述的天线中，其特征在于，所述核心是圆柱形的，所述2对延长天线元件大体上呈螺旋状，具有一个共同的中心轴。
17.如权利要求14至16所述的天线，其特征在于，所述天线是一种背射天线。
18.如权利要求14至16所述的天线，其特征在于，所述天线具有一个与供电耦合节点耦合的平衡-不平衡变换器。
19.如权利要求18所述的天线，其特征在于，所述天线具有一个穿过核心的同轴供电线、一个环绕核心并与所述的核心另一横向延伸表面部分上供电线外屏连接的平衡-不平衡变换器套管。
20.如权利要求14到权利要求19所述的天线，其特征在于，所述天线在所述操作频率的圆形偏振辐射下进行操作。
21.一种在200MHz以上频率操作的电介质负载天线，其特征在于，包含：
一个由实心材料制成了大体呈圆柱形的电绝缘电介质核心，其相对的介电常数大于5，占据着由核心外表面限定的大部分内部体积，其中所述外表面包含相对于核心中心轴反向地横向延伸的远端和近端外表面部分，还有一个在横向延伸部分之间的圆柱形侧面部分；
供电节点位于核心远端外表面部分区域，构成平衡的供电终端；
一个天线元件结构，其至少包含一对开放回路的延长传导天线元件，其中所述的延长元件的导电长度在(2n-1)λg/4范围内，λg是在天线的一个操作频率上沿元件的波导波长，其中n是一个整数；所述延长元件通过螺旋天线元件部分，从供电节点延伸到核心圆柱形侧表面部分相应的开放回路末端；
一条供电线，从一通道内穿过核心；
一个平衡-不平衡变换器，其连接到供电线上。
22.如权利要求21所述的天线，其特征在于，该天线设有单端供电，其连接在核心近端外表面部分的区域内；所述平衡-不平衡变换器包含一层连接到供电节点并延伸在核心近端外表面部分和核心侧表面近端部分的传导层，其构成天线操作频率上的四分之一波长开放回路短截线。
23.如权利要求22所述的天线，其特征在于，所述的平衡-不平衡变换器的传导层环绕着核心，在核心侧表面部分形成一个天线传导通路，在天线的操作频率上，其导电长度与沿传导通路的单波导波长相等。
24.如权利要求21至权利要求23所述的天线，其特征在于，所述天线在具有所述操作频率的圆形偏振辐射下进行操作，其中天线元件结构至少包含2对所述的传导性延长天线元件。
25.一种在200MHz以上的第一和第二频率波段内操作的电介质负载天线，其特征在于，包含：一个实心材料组成的电绝缘电介质核心，其相对的介电常数大于5，占据着由核心外表面限定的大部分内部体积；所述外表面包含向相反的方向横向延伸的表面部分和一个介于横向延伸部分之间的侧表面部分；所述天线还包含与一对横向延伸表面部分连接的供电耦合节点和一个天线元件结构，该天线元件结构包含第一组和第二组延长传导天线元件，每组包含至少4个天线元件，在核心侧表面部分从供电耦合节点延伸到其他横向延伸表面部分；第一组的元件比第二组的元件长，第一组和第二组元件分别与不同共振频率上的第一和第二圆形偏振共振相对应；每组天线元件具有与一个供电耦合节点连接的元件和与其他供电耦合节点连接的元件，元件的这种设置涉及连接到每个供电耦合节点的元件，(a)它们包含成对的邻近天线元件，其中每对包含一个第一组元件和一个第二组元件，(b)所述成对元件以特定的方向围绕该核心，第一组元件位于第二组元件的前面的所述元件对的数目，与在所述方向上，第二组元件位于第一组元件之前的所述元件对的数目相同。
26.如权利要求25所述的天线，其特征在于，所述天线连接到每个供电耦合节点的元件中，所述的第一组元件和第二组元件围绕着核心侧表面部分以交替的顺序排列。
27.如权利要求26所述的天线，其特征在于，所述天线的第一组天线元件包含6个螺旋天线元件，第二组天线元件包含4个螺旋元件。
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