CN102474014A

CN102474014A - 一种多绕组天线

Info

Publication number: CN102474014A
Application number: CN2010800303502A
Authority: CN
Inventors: 奥利弗·保罗·雷斯特恩
Original assignee: Sarantel Ltd
Current assignee: Sarantel Ltd
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2012-05-23
Also published as: GB0911635D0; TW201112490A; WO2011001153A1; GB2471578A; JP2012532518A; GB2471578B; KR20120042858A; GB201011226D0; BR112012000087A2

Abstract

在介质负载多绕组螺旋天线中，导电的相位环(16)被放置在馈电节点和螺旋辐射单元之间。相位环包含一个环状导体路径，其电长度等于工作频率的全波长，使得其可以在该频率下谐振。螺旋单元耦合到当前空分耦合位置的外边缘上。螺旋单元包含开路或者闭路的延长导线轨迹，或者两者均有。在螺旋单元为闭合回路轨迹时，这些轨迹被连接到第二谐振环(60U)上，这个环在与第一谐振环相同或者不同的频率下谐振。该发明适用于端射和背射螺旋天线。

Description

一种多绕组天线

本发明涉及一种工作频率超过200MHz的圆极化辐射多绕组天线，主要但不完全是介质负载多绕组天线。

在公布的国际专利申请书WO2006/136809、英国专利公告2442998A、欧洲专利公告EP1147571A和英国专利公告2420230A、2444388A、2437998A、2445478A中公开了介质负载多绕组天线。通过引用，将这些专利公告所公开的完整内容使用于本申请书。这些天线主要用于接收全球导航卫星系统(GNSS)的圆极化信号，例如接收全球定位系统(GPS)卫星星座的卫星信号进行定位和导航。这些天线还可用于卫星电话等其他卫星业务，例如1626.5～1675.0MHz和1518.0～1559.0MHz的L波段Inmarsat(国际海事卫星)业务、TerreStar

的S波段业务、全球通信集团(ICO)的S波段业务和SkyTerra业务。分配给S波段业务的频率范围从2000MHz至2200MHz。

根据本发明的第一部分，圆极化辐射介质负载多绕组天线的工作频率超过200MHz，其中，天线的组成部分有：由相对介电常数至少为5的实心介质材料制作的电绝缘底板；一对馈电节点；至少4个在底板上的延伸导电辐射单元，所述馈电节点及辐射单元之间相互连接及耦合；由在工作频率点谐振的闭环所形成的相位环；所述辐射单元在对应的空间隔离耦合位置与相位环耦合。这样通过相位环以步进相位对辐射单元进行馈电，从而产生圆极化特性。通常情况下，天线具有中心轴和相位环，相位环包含位于底板上且环绕中心轴的导电轨迹。相位环可以是连续或断开的导电轨迹。在后一种情况下，相位环包含至少一对与导电轨迹部分串联的总电抗(通常为电容)，这些导电轨迹部分和总电抗共同形成上述的闭环。

尽管其他配置也有可能，相位环以圆形为最佳，包含一个正方形或其他多边形，以及一个弯曲的圆(即，沿着一条在圆的内部和外部反复偏离的路径)。

本发明所述天线的一种优选实施例中，其底板是一个具有圆柱侧面部分、近端和远端表面部分的圆柱体。优选的，相位环位于近端表面部分，从而使天线成为一个“端射”天线，即产生圆极化辐射模式并在远端方向具有最大值。将馈电节点置于中心位置最为容易，可以是将其设置在底板上，也可以是将其作为通过端表面承载相位环的连接器组合的一部分。对于优选的天线来说，通过沿圆柱轴线呈放射状延伸的相应的馈电连接导体，所述馈电节点从完全相反的位置耦合到相位环。

优先选择使相位环在底板上介质加载，并且该相位环具有单一波长(即360度)的电长度。对于优选的天线来说，辐射单元具有耦合到相位环的第一端点，以及沿相位环空间隔离的第二端点，第二端点开路。在这种情况下，每个辐射单元的电长度优选的是工作频率波长的四分之一或四分之一的奇数倍。

在一种替代的优选实施例中，天线具有在工作频率点谐振的第二导电环，其连接辐射单元的第二端点，在这种情况下，每个辐射单元的电长度是工作频率波长的一半或一半的整数倍。

也可以根据本发明构建一个“背射”天线，相位环通常安装在核心的远端表面部分。在这种情况下，在不同的频率点谐振的第二导电环可以在圆柱侧面环绕核心设置。这样的环可以形成一个围绕核心近端部分延伸的导电套的环形边缘，其中，导电套构成一个完整的平衡-非平衡转换器的一个组成部分，如上面所引用的专利公告所述。其中一些些辐射单元可能是开路的，从远端相位环延伸到沿第二导电环空间隔离的开路端点；而其他一些闭路的辐射单元从远端相位环延伸到第二导电环。这样天线能够在两个不同频率点谐振，每个谐振都是圆极化辐射。

根据本发明的第二部分，圆极化辐射介质负载多绕组天线的工作频率超过200MHz，其中，天线包含有：由相对介电常数大于5的实心材料制作的电绝缘核心，其占据由核心外表面所决定的内部空间的大部分；多个馈电节点；在核心外表面或临近核心外表面的天线单元结构，包含多个延伸导电天线单元(在延伸天线单元和馈电节点之间形成耦合)，在工作频率点的谐振环路，延伸天线单元在远离馈电节点的方向从谐振环路延伸。

在谐振相位环与第一横向扩展表面部分相关联的情况下，延伸导电天线单元可能沿侧面部分从环路延伸到第二横向扩展表面部分，每个这样的单元是核心圆柱侧面部分的螺旋轨迹。通过靠近天线中轴线的导电衬垫，两个馈电节点更适宜构成一个平衡馈电点，每个衬垫通过对应的电感连接链与相位环相连，天线还包含耦合两个馈电节点的旁路电容以进行匹配。

谐振的相位环有可能在其毗邻第一横向扩展表面部分的位置，具有一个位于核心侧面部分的环形导电路径，延伸导电天线单元是螺旋和轴向展开的。

根据本发明的又一部分，圆极化辐射介质负载多绕组天线的工作频率超过200MHz，其中，天线的组成部分有：由相对介电常数大于5的实心材料制作的电绝缘核心，其占据由核心外表面所决定的内部空间的大部分；一对馈电节点；在核心外表面或临近核心外表面的天线单元结构，并包含与馈电节点相连的相位环；至少4个延伸导电单元耦合到相位环上对应的空间隔离点。

天线可能形成聚合天线的组成部分，其中包含如上所述与平衡-非平衡转换器相关联并耦合馈电节点的天线。相反，这种组合可能具有差分放大器，其具有耦合到馈电网络的差分输入。

在本说明书中，术语“辐射”应用于天线单元时，是指辐射电磁场的单元应当受激于工作于天线工作频率的发射机。相反，当天线耦合到接收机时，应认为这些单元从周围环境吸收电磁能量，天线工作于一种互惠的方式。因此，这里包含“辐射”的专利描述和权利要求在权利范围中，单独针对接收机天线以及发射天线。

通过附图举例的方式对本发明进行描述：

图1是按照本发明从一个侧面和近端对第一种天线的透视图；

图2是承载平衡-非平衡转换器和前端射频放大器的印刷电路板的透视图，其中，采用该电路板安装图1的天线；

图3A和图3B是天线的等效电路图；

图4A和图4B是按照本发明构成第二种天线组成部分的天线单元的透视图，图4A从一个侧面和近端说明该天线单元，图4B从一个侧面和远端说明该天线单元；

图5A是按照本发明从一个侧面和远端对第三天线的透视图；

图5B是第三种天线安装导体的图形表示，视角同图5A；

图6是第三种天线馈电结构的轴向截面；

图6A是图6所示馈电结构的细节，说明了从传输线馈电截面远端部分分离的压板；

图7A和图7B说明了馈电结构压板导电层的导线分布图；

图8是等效电路图；

图9描述了第三种天线插入损耗(S11)的频率响应；

图10说明了第三种天线的改进远端导线分布图。

如图1所示，发明中的第一种天线包含一个12绕的介质负载端射天线10，其有一个圆柱状的介质核心12，该核心由相对介电常数为36的陶瓷材料制成。

圆柱体外表面部分12上的是轴向共存半圈螺旋轨迹14，每个轨迹形成了一个以天线中心轴为中心的延伸导电辐射单元(天线中心轴由核心的圆柱侧表面12S所定义的)。该核心具有一个垂直延伸到当前天线轴线和侧表面部分12S的近端核心。这就形成了天线的端面。天线的另一端由垂直延伸到天线轴线的核心远端表面部分12D构成，这形成了另一个天线端面。

放置在近端核心表面部分12P的是一个导电环16。每一个螺旋放射单元14延伸并穿过由核心近表面部分12P和圆柱侧表面12S所形成的边缘，一直到近表面部分12P上的导电环16外边缘，相应连接的螺旋单元14均匀分布在导电环周围。

螺旋单元14在靠近核心12P的远端的开路端14E终止。在本发明的这个最佳实现中，螺旋单元14都有着相同的长度，每一个都有长度为四分之一天线工作频率波长的电长度，该长度为从当前单元与近端导电环16的连接点到螺旋单元14的开路端14E的距离。实际上，螺旋单元14构成了一个开闭式的单极螺旋单元。在一个替代实现中，单元14为四分之一螺旋会比半圈螺旋更具优势。

有两个馈电连接导体18A、18B，从导电环16的内环呈内放射状延伸，并放置在近端核心表面部分12P，它们在直径方向正相对位置连接到导电环16。馈电连接导体的内端部分，即它们与天线中轴线靠近的一端，形成了馈电节点，这两个馈电节点建立了天线的馈电连接平衡。每个馈电连接导体18A、18B在天线的工作频率形成了一个串联电感。一个旁路电容20桥接由馈电连接导体18A、18B内端部分构成的两个馈电节点，这个电容与上面提到的串联电感一起，构成了阻抗匹配网络。一对金属弹簧连接器22从馈电节点向内延伸以连接天线和接收机/发射机回路。

导电环16的电长度是在天线工作频率的单波长，即360°。相应的，当来自螺旋单元14的信号(在天线用于接收信号时)或者来自于馈电节点的信号(在天线用于发送信号时)驱动导电环时，它谐振于工作频率，谐振电流回路在导电环16中，由于在导电环16周围的步进相位以及近端周围的螺旋单元14，使得天线谐振于圆极化模式。根据螺旋单元14的振幅和相位的分布，调整螺旋单元14的相位，以这种的方式可以有效地合成一个旋转的偶极子进而产生需要的圆极化特性。

因此，导电环16实际上是一个拓扑意义上在馈电节点和辐射单元之间的相位环，后者由馈电节点通过这个中间的相位环来驱动。(注意这个馈电节点是在导电环16的内部，辐射单元却在外部。)

在这一实现中，导电环16是连续的。然而，如下文所述，也可能有两个中断，再由电容桥接，形成了替代匹配网络的一部分。

如图所示，圆形的导电环是首选，但却不是必须的。虽然在这一实现中，有12个螺旋辐射单元，但是也可以使用较少数量，如10个、8个、6个或者4个。一个普遍的特点是，相位环形成了一个封闭的谐振于工作频率的导体环。这样的话，尽管这种情况下这些单元都具有相同的长度和配置，但是导体环16对螺旋单元15的相位调整有要求。使用谐振环的这种方法，尤其是将谐振环放置在核心12形成的底板上作为导体部分时，会形成一个特别稳定的相位单元，此种方法比集中逐步网络相对便宜，同时可以维持一个不错的产量。举个例子，如果使用四分之一波长的螺旋单元14，在馈电节点处的天线阻抗相对较低(一般为几欧姆)。如上文提到的，这些馈电节点形成了一个平衡的馈电点。该天线用于单端接收器时，应该与承载有平衡-非平衡转换器的印刷电路板相连接，如图2所示。参考图2，一个前段接收器电路板30具有印制轨迹32，用来连接近端的天线(图1)引脚22。印制轨迹32构成了天线和平衡-非平衡转换器之间的连接，该平衡-非平衡转换器单元是从Johanson Technology，Inc.(Camarillo，CA90312，USA)制造的范围中BL15类型下所选取的。平衡-非平衡转换器电路34为前端射频放大器36提供了单端输出，它也装载在印刷线路板30上。

天线的发射方式和常规的介质负载四臂天线类似，它也是心形的，有一个远端轴线最大值，并且大体是全方向的。

图1中天线的匹配网络是串联电感-旁路电容类型的，如图3A和3B中的等效电路所说明的那样。图3A说明导体环16是一个回路，每个馈电连接导体18A(图1)都由电感L来代表，电容20(图1)表示为一个穿过馈电节点F的旁路电容C。参考图3B，相位环和相连的螺旋单元表示为一个电阻或者多个电阻R。等效电路图3B为一个平衡布置。一般来讲，源阻抗表示为天线和匹配网络，在馈电节点测量时，其数值为50欧姆。

如图4A和4B所示，发明中的第二种天线有两个相位环用来保证相位的稳定。为了简单，在图4A的近端视图中，放置在核心的近端表面部分12P部分的导体没有与引脚和旁路匹配电容相连接。实际使用中，天线中包含有这些部分(如图1所示)。近端表面部分12P的图大体上和上文描述的第一种天线相同。但是，如图4B所示，在这一实现中，每个螺旋单元14大体上都绕核心12做了全圈螺旋，延伸并穿过由圆柱侧表面部分12S和远端表面12D交界所形成的边缘，一直到第二导体环40，该环放置在远端表面部分12D上。在替代时间中，螺旋单元是半圈螺旋的。

这一实现中每一个螺旋单元14的电长度都是天线工作频率波长的一半。在这种天线的变体中，螺旋单元会有全波长的电长度或者为更高的半波长的整数倍。如上文所述图1中的第一个天线，近端导体环16的电长度为全波长，即360°，这一天线中，远端导体环40具有同样的尺寸。但是，也可能使两个导体环的电长度不同来区分它们的谐振频率，进而提高天线的带宽。

尽管对于给定的核心材料和核心直径，第二种天线的核心12比第一种天线的更大而且更重，但是第二个相位环提供了更好的相位稳定性。

参考图5A和5B，发明中的第三种天线是一种十绕螺旋天线，其具有10个分成两组的延伸天线单元，其中一组包含一些闭合回路的螺旋导电轨迹：50A、50B、50C、50D、50E、50F；另外一组包含一些开路的导体轨迹：51A、51B、51C、51D。这些轨迹都被放置在固体圆柱核心52的圆柱外表面部分52C上。

该核心由陶瓷材料制成。在这种情况下，它是一种相对介电常数为36钛酸盐材料。这一实施例的结构，计划用于GPS L1和L2基带(1575.42MHz和1227.6MHz)，核心的直径为14毫米。核心的长度为17.75毫米，比直径长，但是在另一个实施例中会比直径短。

第三种天线是一种背射螺旋天线，因为它具有一个同轴传输线路馈电器，放置在轴向的内腔(没有画出)中，从核心的远端面52D穿过核心到近端面52P。端面52D和52P都是平坦的并且与核心的中轴线垂直。它们相反方向放置，因为这一实施例中，一个朝向远端另一个朝向近端。同轴传输线是一个硬的同轴馈电线，放置在带有外屏蔽导体的腔中，并于腔壁保持一定距离，使得屏蔽导体与核心52的材料之间存在有效的绝缘层。参考图6，同轴传输馈电线具有一个导体管外屏蔽层56，一种第一管状空气间隙或者绝缘层57，和一个延伸内部导体58，此导体通过绝缘层57与屏蔽层绝缘。屏蔽层56具有外部保护和一体成型的弹簧56T或者的逆电流器，把该屏蔽层与腔壁隔离。一种第二管状空气间隙位于屏蔽层56和腔壁之间。绝缘层57改由一个塑料套构成，屏蔽层56和腔壁之间的层也一样。在较低的近端馈电线中，内导体58位于屏蔽层56的中心(未标明)，这在上文提到的WO2006/136809有说明。

屏蔽层56，内导体58和绝缘层57构成一根预定特性阻抗的传输线，这里是50欧姆，在轴向的腔中穿过天线的核心52(未标明)，用于耦合远端螺旋轨迹50A-50F，51A-51D到天线连接设备的射频回路中。电线单元50A-50F，51A-51D与馈电线之间的耦合通过与螺旋轨迹50A-50F，51A-51D相关的导体连接部分产生，这些连接部分形成短放射状轨迹50AR、50BR、50CR、50DR、50ER、50FR、51AR、51BR、51CR、51DR，并放置在核心52的远端面52D上。每一连接部分从当前螺旋轨迹的远端延伸到远端导体相位环16的外部边缘，该相位环放置在核心远端面52D与核心中轴向腔相邻的地方。如图5B所示，相位环16更临近于核心的远端面52D和近端螺旋轨迹50A-50F、51A-51D，距离天线中轴线和轴向传输馈电线的位置会稍远一些(如图6所示)。在这一实施例中，在第一工作频率即GPS L1的频率：1575.42MHz，相位环16具有平均的直径尺寸：11毫米，以及全波长的电长度，即360°。开路的螺旋轨迹51A-51D也谐振于天线的第一工作频率：1575.42MHz，且通过当前的连接部分51AR-51DR连接到远端的相位环16(如图5B所示)。尽管它们没有绝对均匀地分布在相位环16的周围，但是分布对于四个开路的单元是足够均衡的，令它们能够在第一种天线谐振模式下产生圆极化反馈。

闭合的螺旋轨迹50A-50F用第二组辐射单元来表示，它们谐振于第二种较低的工作频率，即GPS L2频率，1227.60MH，代表了第二种天线谐振模式。它们同样通过当前的连接部分50AR-50FR连接到远端相位环16，如下文所将要说明的那样。

远端相位环16通过一个匹配网络耦合到屏蔽层和轴向传输线部分的内导体16、18，这利用了远端面52D上的层压板59，这也将在下文中说明。轴向传输馈电线部分和层压板59共同在集中到核心52前组成了馈电结构，他们之间的内在联系可以通过比较图5A和图6得到。

相位环16的电长度由这些因素决定，包含物理路径长度、核心材料的相对介电常数、配置、位置和材料的层压板59。

再次参考图6，传输馈电线的内导体既有一个近端部分58P，来保护一个从核心52的近端面52P到设备回路的引脚。类似的，屏蔽层56近端面上的完整凸耳(图中未示出)，在核心近端面52P接地设置时对其进行保护。

第一组的六个闭合回路螺旋轨迹50A-50F的近端面与一个常规虚接地导体60相连。在这一实施例中，常规导体是第二种环形相位环并且以镀套的形式环绕在核心52的近端部分。导电套60在靠近核心的地方，通过放置核心52的近端面52P的导电覆层62连接到带馈电线的屏蔽导体56(图1)。

第一组的六个闭合回路螺旋轨迹50A-50F有着不同的长度，50A-50C和50D-50F中的三个单元由于屏蔽层边缘60U的距离到核心的近端面52P的不同而使长度有所不同。长度最短的单元是50A和50D连接到了导电套60，边缘20U到近端面52P的距离比最长天线单元50C、50F连接到导电套60的距离要长。在GPS L2的频率1227.60MHz的条件下，当天线工作于第二种谐振模式，即天线对圆极化信号敏感时，闭合回路螺旋轨迹50A-50F的导体路径的不同长度导致了50A-50C，50D-50F中三种单元相位的不同。这种模式下，电流将围绕着连接核心52一面的远端相位环16的50D，、50E、50F单元和连着核心另一面的远端相位环16的50A、50B、50C单元之间的导电套60的边缘60U。

导电套60、近端面52P的镀层62以及馈电线56、58的外屏蔽层56共同形成了一个四分之一波长的平衡-非平衡转换器，安装时提供天线和天线连接设备的常规屏蔽。平衡-非平衡转换器把馈电线56、58近端的单端电流转化为远端的平衡电流，使其出现在核心52的远端面部分52D上。

导电套60的边缘60U的电长度λ_g2，λ_g2，作为电流以天线的第二谐振模式频率通过边缘60U时的波导波长，使得边缘呈现出在该频率上的环形谐振。屏蔽环边缘60U作为谐振单元的相关操作的更多细节在上文提到的EP1147571A有更多的描述

同时，该实施例中的导电套60和镀层62具有一定的优势，因为他们可以同时提供平衡-非平衡转换功能和环谐振功能，环谐振可以通过连接图4A和4B所示的第二组环状导体螺旋轨迹50A-50F来独立地提供，这种环状导体围绕着核心52并且具有核心外表面的近端和远端边缘，这种方式不同于上面提到的，把屏蔽层连接到馈电线保护导体56形成开端谐振器的实现方式。这种导体可以相对较窄使得它可以构成一个环形的轨迹，宽度和构成螺旋轨迹50A-50F，51A-51D的导体轨迹相似，并且可以提供天线工作频率波导波长相匹配的电长度，还可以提供环谐振来增强与闭合回路螺旋轨迹50A-50F的环路相连的谐振模式，即第二种谐振模式。

可见导电套60的边缘60U起到了近端相位环的作用，以增强在工作频率即1227.60MHz下的圆极化谐振。然而如上文提到的，套边缘60U位于核心52的外圆柱表面部分52C，在另一种形式中，平衡-非平衡转换器可能仅由一个核心52近端面52P上的片状的导体构成，利用延伸在核心52的近表面52P的螺旋轨迹50A-50F，来形成整个位于近端面部分52P的相位环。

导电套60和近端表面镀层62起到了隔离闭合回路螺旋轨迹50A-50F与核心近端面52P馈电线屏蔽层56之间电流的作用。值得注意的是，闭合回路螺旋轨迹50A-50F可以视作远端相位环16与三个螺旋轨迹相连的两个子集，使得每个闭合回路螺旋轨迹的子集一般来说都有一个长轨迹50C、50F，一个中等长度的轨迹50B、50E和一个短轨迹50A、50D。

导体环16相对的三个导体环路：最短的闭合回路螺旋轨迹50A、50D与屏蔽层边缘60U的环路、中等长度的闭合回路螺旋轨迹50B、50E与屏蔽层边缘60U的环路、最长的闭合回路螺旋轨迹50C、50F与屏蔽层边缘60U的环路，电长度均约等于λ_g2，即第二谐振模式频率环路的波导波长。这些辐射单元都是半圈螺旋单元并且是在核心的圆柱面部分52C上延伸的。闭合回路螺旋轨迹50A-50F的配置和他们之间的连接，与单个介质负载六绕螺旋天线相似，操作方法的更多细节详见GB2445478A.

与闭合回路螺旋轨迹50A-50F相比，另一种螺旋导体轨迹51A-51D具有在位于核心远端表面部分52D和屏蔽层边缘60U之间的核心圆柱表面部分52C上的开路近端面，如图5A和5B所示。这些开路螺旋轨迹的安排使得它们均匀地分布在核心周围，与闭合回路螺旋轨迹50A-50F交叉，每个开路轨迹51A-51D绕核心中轴线做半圈螺旋。由于均匀地分布在核心中轴线周围，开路轨迹51A-51D由正交的51A，51C；51B，51D构成。每一个开路轨迹51A-51D，与核心远端表面部分52D相应的辐射连接单元51AR-51DR，构成了某种意义的四分之三波长的单极天线，这个实施例中，每个轨迹的电长度大约等于四分之三的天线第一谐振模式频率沿轨迹的波导波长λ_g1，该波长受其他因素(如开路单元的长度)影响。在这一实施例中，第一种圆极化模式的频率是GPS L1的频率，即1575.42MHz.。

如使用闭合回路螺旋轨迹50A-50F一样，开路轨迹51A-51D也呈现出物理长度和电长度的不同。因此，开路轨迹包含了第一对截然相反的轨迹51A、51C，它比第二对截然相反的轨迹51B、51D长。这些长度的微小差别造成了相应谐振的相位超前和相位滞后。

需要注意的是，这一实现中的第一种谐振模式频率比第二种高。在其他的实施例中，也可能出现相反的情况。尽管一般说来，闭合回来单元具有平均电长度nλ_g2/2，开路单元具有平均电长度(2m-1)λ_g1/4，但是当n和m为正整数时，可能使用螺旋单元的谐波共振。

既然开路轨迹51A-51D与相应的辐射连接单元51AR-51DR组成的单极天线系统和屏蔽层边缘60U之间不存在连接，那么第一种圆极化谐振模式由层边缘60U的环谐振的独立性决定。然而，远端相位环16和由导电套60、馈电线56、58和核心近端表面52P的镀层62与它们之间的连接形成的平衡-非平衡转换器(降低了屏蔽导体56固有电容的影响)，提高了与四臂单极天线51A-51D的匹配度，进而在第一种谐振模式下产生了一个稳定圆极化辐射方式。此外，单极天线长度的限度也放宽了。

关于五个螺旋轨迹50A、51A、50B、51B、50C；50D、51C、50E、51D、50F连接到远端相位环16的两种方法，闭合回路轨迹50A、50B、50C；50D、50E、50F和开路轨迹51A、51B；51C、51D围绕在核心周围时是关于中心线CL1；CL2对称的，(见图5B)。换句话说，对于每个馈电耦合节点来说，其排列方式是关于当前中线的镜像。更特别的是，螺旋轨迹连接在每个馈电耦合节点上，它们组成了多对相邻的天线单元。每对组成了一个闭合回路天线单元和一个开路天线单元，天线单元的队列按给定的方向围绕在核心周围，闭合回路单元对超过开路单元对的数量，与同方向开路单元对超过闭合回路单元对的数量相等。要记住，在前面的内容中，每个单元“对”可以包含至少一个其他“对”的单元，天线单元耦合到远端相位环16的另一侧，包含四对：50A、51A；51A、50B；50B、51B；及51B、50C。这四对中，从天线上面逆时针俯视这些序列，有两对闭合回路单元超过开路单元50A、51A；50B、51B，两对开路单元超过闭合回路单元51A、50B；51B、50C，这就满足了上面提到了数量相等的条件。对于天线单元连接到相位环16的另一边的情况也是相同的。还有两对闭合回路单元超过开路单元50D、51C；50E、51D两对开路单元超过闭合回路单元51C、50E；51D、50F。这些闭合回路和开路单元序列都已建立起来，产生比没有达到这些条件的天线更好的辐射方式。

可能会遇见这样的情况，一个天线仅有四个闭合回路单元和四个开路单元。然而，六个单元组成一种，四个单元组成另一种，即在这种情况下，六个闭合回路单元和四个开路单元会更佳，因为每一组50A-50F；51A-51D会有一个更一致的空间分配。相应的，如果完整的天线单元50A-50F，51A-51D是均匀地围绕在核心周围，在任何给定的垂直于天线轴的底板上，闭合回路螺旋轨迹50A-50F将有一个72°的角间距(4对轨迹)或36°的角间距(4对轨迹)。最大的60°适宜分布偏差为24°。若考虑4个开路螺旋轨迹51A-51D，内部单元角度分配为72°或108°，即产生一个从90°仅为18°的最佳偏差。

阻抗匹配由一个印刷线路板(PCB)59上的匹配网络来实现，该板面对面地装载在核心的远端表面52D上(如图1所示)。

PCB 59形成了包含馈电线56、58的馈电结构的一部分，(如图6所示)。

馈电线56、58不仅仅实现了用来传输天线信号的50欧姆特性阻抗。首先，像上面提到的，屏蔽层56和导电套60一起在天线单元结构到馈电结构中起到了提供常规隔离作用。根据屏蔽层导体的长度，即：(a)屏蔽层连接至核心近端面52P上的镀层62的距离(b)屏蔽层连接至PCB聚合板59上导体的距离，与轴向内腔(其中具有馈电的传输线路)的直径，及将屏蔽层56与腔壁之间的空间填充的材料的介电常数，所述外表面上屏蔽层56的电长度大约是天线两种谐振需求模式中每种频率波长的四分之一。因此，导电套60、镀层62与屏蔽层56的组合，在天线单元结构的馈电结构的连接点上产生了平衡电流。

在优选的天线中，有一个绝缘层包裹在馈电结构保护层16的周围。这层的介电常数比核心52的介电常数低，其在优选天线中是空气层，它减小了核心52在屏蔽层56的电长度上的影响。既然与需要的工作频率相关的谐振模式以电压偶极子的径向延伸为特征，那么谐振需求模式中的低介电常数保护套的影响是相对较小的，因为保护套是有厚度的，至少在最佳的实现中，比那种核心小的多。因此，可能引起与从需要的谐振模式耦合到屏蔽层56相关的线性谐振模式。

天线具有由螺旋天线单元50A-50F，51A-51D的有效电长度决定的谐振频率。天线的电长度，对于给定的谐振频率来说，也是取决于核心材料的相对介电常数，天线直径也大致降低到当前空气核心的四臂天线。既然相位环放置在核心材料上，它们的直径也大致降低到当前空气中的全波长。

本发明中的天线特别适合用于1GHz双频带卫星通信。在这种情况下，第二组的螺旋天线单元50A-50F有平均纵向延伸(即平行于中轴线)，约为16毫米，同时，第一组的51A-51D也有一个平均纵向延伸，约为15.5毫米。导体套20的长度一般约为1.75毫米。这在双频带频率上形成了一个四波平衡-非平衡转换器。这个尺寸不是很精确。确实，某种情况下导体套的长度可以在两个中心频率上产生一个四波平衡-非平衡转换器，这取决于中心频率的距离。一般来说，导体套在中心频率平均值处形成四波平衡-非平衡转换器是比较好的。

天线单元50A-50F和51A-51D的精确尺寸能够在设计阶段和实践中得到不断修正。核心轴向腔中的轴向传输线的尺寸在2毫米之内。

下面将叙述更多的馈电结构的细节。如图6所示，馈电结构包含了轴向50欧姆馈电线56、57、58和连接到线路远端的聚合板59。PCB板59比核心52的尺寸小使得PCB板59完全处于核心52远端面52D的边缘之内，(如图1所示)。

这一实施例中，PCB板以盘状形式位于核心远端面52D上。它的尺寸可以使得其边缘位于处在核心远端和核心表面部分52D的相位环之上。如图6A的剖面图所示，聚合板59有一个中心孔72，可以用于安装轴向馈电线的内导体58。三个离心孔74用于安装屏蔽层56的远端耳56G。远端耳56G是弯曲的，用以协助当前的轴向馈电结构固定到PCB板59。所有的4个孔32，34都是穿透的。另外，59A、59PB边缘的59P部分放置在聚合板的近端和远端面上。PCB板有一个聚合板，有一个绝缘层和三个导体层。额外的绝缘层和导体层可以在备选的发明实施例中使用。如图6A所示，在这个实施例中，两个外部导体层包含远端层76和近端层78，近端层78被绝缘层80A、80B隔开。绝缘层80A、80B以玻璃纤维增强环氧树脂板制成。在绝缘层80A、80B之间是导体层81。远端和近端的导体层被当前的导体所侵蚀，如图7A和7B所示。从导体层76、78图纸所示的导体图案可以看出，远端导体层76有一个延长的导体轨迹36L1和36L2，它们连接到内部馈电线导体58上。在它由第一镀层边缘位置59PA形成的外部端点上，扇形导体86A在核心轴线上呈90°的角度。这一内部馈电导体58和扇形导体86A之间的延伸轨迹是76L1和76L2两部分之中的，由于它们相对狭长的形状，构成了在天线工作频率上的电感。既然第一边缘位置59PA连接到了在辐射导体50DR、50ER、50FR、51CR、51DR范围内的远端环16(在核心远端面52D上，如图5A所示)，这些电感在内馈电线导体18和当前螺旋天线单元之间串联起来，即两个组：50A-50F；51A-51D。

馈电线屏蔽层56在放于聚合板74中的孔时，是直接连接到板的正对面的镀层边缘位置59PB，这是通过第二种外延的扇形电流导体86B来连接的，由于它有相对较大的面积，所以电感较小。相应的，屏蔽层被有效的地直接连在了位于其他辐射导体10AR，50BR，50CR，51AR，51BR范围内的相位环16上。第二种扇形导体86B向第一种扇形导体86A沿着轨迹36L1，36L2延伸，以提供分离的旁路电容的焊点。在这一实现中，第二种扇形导体86B有两种扩展，76FA和76FB在反面平行于电感轨迹76L1，76L2。每一种扩展(76FA和76FB)都由一条更宽的电感可忽略的轨迹构成。76FA提供了一种瓷片电容82-1，连接到了与中心孔72相关的镀层上，第二种瓷片电容82-8A，连接到两个电感轨迹76L1和76L2的交点上。另一种扩展36FB提供了第三种瓷片电容器82-2B，也是连接到电感轨迹76L1和76L2的交点上。在这一实施例中，电容器82-1，82-2A，82-2B为0201瓷片电容(如Murata GJM)。需要指出的是，由于位于聚合板59的远端面，扇形导体86A和86B被分开放置在核心的远端面52P上。

上面提到的2孔匹配网络在图8中有说明。该网络提供了以下的双频带匹配：(a)子电路100、101，分别表示由闭环的螺旋元件50A-50F及辅助部分构成的源极，和由开环的螺旋元件51A-51D及辅助部分构成的源极；(b)一个50欧姆的负载102。在这个例子中，馈电线56-58(图6和6A)是一个50欧姆的同轴电缆部分104。电感L1和L2由轨迹部分76L1、76L2构成(见上)。旁路电容器C1表示图6A和7A的电容器82-1。另一个旁路点容C2由两片平行的瓷片电容82-2A，82-2B组成(见上，参考图7A)。使用了两个电容用做电容C2来获得相对高的电容值，从而可以使用低轮廓瓷片电容并降低阻抗损耗。

中间导体层81的导电结构是一个简单的环，这个环与导体边缘59A，59B和相应的孔72，74分开。这个环或者叫做圈垫划定了与相位环16相关的电磁区域，进而降低其第一种工作频率的谐振频率。

核心远端面52D上馈电线59、58，PCB板59和导体轨迹之间的连接，是以导电胶水焊接或者粘连的。馈电线56-58和聚合版59共同形成了馈电结构，此时，内导体58的远端面焊接在聚合板的通道72上，保护耳56G在当前的离心孔74中。馈电线56-58和PCB板59共同形成了一个带完整匹配网络的馈电结构。

匹配网络由串联电感L1、L2，旁路电容C1、C2构成，它连接到射频回路时，在天线的辐射单元结构和传输线远端的50欧姆端之间形成了匹配网络。这个旁路阻抗代表了匹配网络，提高了单极天线单元51A-51D的容限，并对当前的辐射模式有所改进。

如上所述，馈电结构在插入核心52之前聚合成一个单元，聚合板19于同轴线16-18绑在了一起。第三种天线的后续制造步骤在WO2006/136809中有说明。

使用上面说明的结构，可能创造一个双频带的圆极化频率响应，天线的插入损耗-频率图如图9所示。天线的第一频带以上谐振频率f₁为中心，第二频带以下谐振频率f₂为中心。这一天线中，两中心频率距离f₂-f₁约为平均频率的1/2(f₁+f₂)的25％。在当前的右圆极化波中，其主要为向上的辐射方式。

本发明中的天线可以适于左手圆极化波。使用左手圆极化波的服务为全球声音和数据卫星通信系统，该系统有一个中心频率约为1616MHz的频带和另一个中心频率为2492MHz的频带。

上述所述为不连续的相位环16的可行性。这一实现提供了在给定空间选择相位环谐振频率的弹性。另外，电容形成了阻抗匹配网络的一部分。这一实施例中，通过上面描述的短辐射连接部分，把相位环的外部边缘连接到螺旋辐射单元(如图5A和5B所示)。图10中没有标明馈电结构。实际中，可能使用具有与上面描述相同的物理配置的PCB匹配网络。扩展辐射馈电连接导体18A、18B把相位环16直接耦合到轴向传输馈电线上，或者对于端射天线，耦合到轴向电路板上(如图2所示)。

Claims

1.一种圆极化辐射多绕组天线，具有超过200MHz的工作频率，其特征在于，所述天线中包含了一个电绝缘底板；一对馈电节点；至少4个放置在底板上的延伸导体辐射单元，所述馈电节点与所述辐射单元之间相互连接及耦合；一个由谐振于工作频率的闭合回路构成的相位环，所述辐射单元在对应的空间隔离耦合位置与所述相位环耦合。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线设有一中心轴线，并且所述相位环包含一个位于底板上且环绕所述轴线的导体轨迹。

3.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述天线的相位环中，还包含一个连续的环状导体。

4.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述天线的相位环中，还包含至少一对与导电轨迹部分串联的总电抗，所述导电轨迹部分和总电抗一起形成谐振于工作频率的所述闭合回路。

5.如上述任意一项权利要求所述的天线，其特征在于，所述底板是一个实心电介质材料构成的圆柱体，介电常数至少为5，所述圆柱体有一个圆柱形的侧表面部分，以及近端和远端表面部分；由所述实心材料形成的一个核心，占据了由该核心外表面所决定的内部空间的大部分；所述相位环位于所述核心的近端或远端其中的一个端面部分上；所述馈电节点位于中心，并且通过沿所述圆柱体轴线放射性延伸的馈电连接导体，将所述馈电节点耦合到所述相位环。

6.如权利要求5所述的天线，其特征在于，所述天线内部的相位环为圆形。

7.如权利要求1～4中任意一项所述的天线，其特征在于，所述天线内部的底板是一个有圆柱形侧表面部分，及近端和远端表面部分的圆柱体；所述相位环位于近端或远端其中的一个端面部分上，所述馈电节点位于中心并且通过匹配网络耦合到相位环上；所述匹配网络设置有一对反向布置的连接导体与所述相位环连接。

8.如权利要求7所述的天线，其特征在于，所述连接导体包含扇形导体，每个所述扇形导体有一个连接到相位环的外表面部分，其与圆柱体轴线的角度至少为45°。

9.如上述任意一条权利要求所述的天线，其特征在于，所述辐射单元设置的第一端点耦合到相位环，还设置有第二端点与所述相位环相分离。

10.如权利要求9所述的天线，其特征在于，所述天线中有一些辐射单元的第二端点是开路结构。

11.如权利要求9所述的天线，其特征在于，所述天线还设有位于底板上的第二导体环，所述第二导体环至少把其中一些所述辐射单元的第二端点连接到了一起。

12.如权利要求7或8所述的天线，其特征在于，所述辐射单元包含多个位于所述圆柱形的侧表面部分上的螺旋辐射单元，每一个所述螺旋辐射单元设有耦合到相位环的第一端点，和与相位环相分离的第二端点；所述天线进一步包含一个在圆柱体另一端表面上或临近核心另一端表面的第二导体环，所述第二导体环谐振于第二天线工作频率；所述螺旋辐射单元包含第一辐射单元及第二辐射单元，所述第一辐射单元具有开路的、与所述第二导体环分离的第二端点，所述第二辐射单元具有闭路的、将第二辐射单元连接至第二导体环的第二端点。

13.如权利要求12所述的天线，其特征在于，所述第一辐射单元的电长度为(2m-1)λ_g1/4，第二辐射单元的电长度为nλ_g2/2，m和n为非零正整数，λ_g1和λ_g2为第一、第二天线工作频率的波导波长。

14.如权利要求12或13所述的天线，其特征在于，所述天线包含从核心近端表面穿过核心连接到其远端表面的传输线部分，所述馈电节点形成在传输线部分的远端；所述匹配网络包含一个位于远端表面上的两孔网络。

15.一种用于圆极化辐射的介质负载多绕组天线，具有超过200MHz的工作频率，其特征在于，所述天线包含：一个相对介电常数大于5的实心材料制成的核心，核心占据了由核心外表面所决定的内部空间的大部分；一些馈电节点；在核心外表面上或靠近核心外表面设置的天线单元结构，天线单元结构由一些与馈电节点之间形成耦合的导电延伸天线单元，一个谐振于工作频率的相位环，所述延伸天线单元从馈电节点以远离谐振环的方向延伸。

16.如权利要求15所述的天线，其特征在于，所述延伸导体天线单元具有开路的端点。

17.如权利要求15或16所述的天线，其特征在于，所述天线的核心有中心轴线，核心的外表面具有第一和第二两个相互反向且延伸到轴线的横断面的横向延伸表面部分，以及一个延伸到当前轴线两个横断面的侧表面部分；所述馈电节点和谐振环与第一横向延伸表面部分相连接，所述延伸导体天线单元从谐振环的侧表面部分延伸到第二横向延伸表面部分。

18.如权利要求17所述的天线，其特征在于，所述天线具有两个馈电节点，其通过对应的连接点与所述谐振环连接，所述连接点在所述谐振环上相对设置。

19.如权利要求15～18中任意一项所述的天线，其特征在于，所述天线具有两个通过对应电感连接至谐振环的馈电节点，所述天线还包含一个耦合到两个所述馈电节点的旁路电容。

20.如权利要求17所述的天线，其特征在于，所述天线的核心是圆柱形，谐振环包含一个位于所述第一横向延伸表面部分上的环状导体路径，所述延伸导体天线单元是螺旋状且与轴线同轴布置。

21.如权利要求17所述的天线，其特征在于，所述天线的核心是圆柱形，所述谐振环包含一个位于所述侧表面部分上，在靠近第一横向延伸表面部分设置的环状导体路径；所述延伸导体天线单元是螺旋状轴线且轴向延伸布置。

22.如权利要求15～21中任意一项所述的天线，其特征在于，所述谐振环包含至少一个串联电容。

23.如权利要求16～21中任意一项所述的天线，其特征在于，所述延伸导体天线部分为所述工作频率波长的四分之一或者四分之三。

24.如权利要求15～18中任意一项所述的天线，其特征在于，所述天线具有一对馈电节点，馈电节点构成了谐振环的平衡馈电连接。

25.一种用于圆极化辐射的介质负载多绕组天线，具有超过200MHz的工作频率，其特征在于，所述天线包含：一个相对介电常数大于5的实心材料制成的核心，其占据了由该核心外表面所决定的内部空间的大部分；一对馈电节点；在核心外表面上或靠近核心外表面的天线单元结构，其包含一个连接到所述馈电节点的相位环，以及至少4个通过对应的分离点与相位环耦合的延伸导体单元。

26.如权利要求25所述的天线，其特征在于，四个所述延伸导体单元中每一个单元的电长度是工作频率四分之一波长的奇数倍(1，3，5，……)。

27.一种聚合天线，其特征在于，包含一个如权利要求24～26中任意一项所述的天线，和一个耦合到馈电节点的平衡-非平衡转换器。

28.一种聚合天线，其特征在于，包含一个如权利要求18或19所述的天线，和一个具有耦合到馈电节点的差分输入的差分放大器。