CN1089397A - 具有螺旋形馈源的天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及螺旋馈源天线系统，其目的是提出一 个用于接收具有各种不同极化特性的若干个电磁辐 射信号。根据本发明，螺旋馈源根据接收的电磁辐射 的极化特性，可以被转换到轴向背射或轴向端射两种 不同的工作模式。本发明提出的天线系统可用于接 收诸如卫星电视信号等各种信号。

Description

本发明涉及一个用于接收射频、特别是微波的、使用螺旋形馈源的天线系统。

螺旋形天线由单根或多根导体绕成螺旋形而成。除去一些其他可能的工作模式以外，螺旋形天线通常工作在轴向模式或其正交模式。轴向模式沿螺旋线的轴线方向产生最强的辐射，当螺旋线的周长为一个波长的量级时，就出这种电磁波模式。当螺旋线的直径小于一个波长时，可能出现另一种与之正交的电磁模式-正交模式，即在垂直于螺旋线轴线的方向上产生最强的电磁辐射。对于根据本发明的应用来说，特别感兴趣的是轴向电磁模式。

应用螺旋形天线作成这样一种用途的天线系统已广为人知。例如，美国US-3，184，747号专利就提出了一个同轴馈电螺旋天线，该天线在馈源和螺旋线之间安置了一个引向盘，螺旋天线产生朝向引向盘的端射辐射。该专利还给出了构成这种天线系统的螺旋线的几何尺寸。

美国US-4742359号专利提出了一个这样的天线系统，该天线使用了有两个端头的螺旋天线，其中第一端头直接与馈源线相连接。为了以后的说明方便起见，（将把馈线与所说的螺旋天线的轴线方向理解为相一致的或相重合的）这样的螺旋天线可以被作成一种所谓的端射式螺旋天线，即，当接收功率为最大时，在所说的第一个端头处的信号功率的流向与接收到的电磁辐射的方向相同。这样的螺旋天线也可以作成所谓的背射式螺旋天线的形式，即，当接收功率为最大时，在所说的第一个端头处的信号功率的流向与接收到的电磁辐射的入射方向相反。

在所述美国专利中提出了一个天线系统，该系统包括有一个反射器，一个简单的有两个端头的线圈的螺旋天线，该线圈放在所述反射器的焦点上，因此，螺旋天线的轴与反射器的轴在实际上是重合的。馈线将天线系统与外电路相连，于是，这种简单的螺旋天线可作为背射式螺旋天线。该背射式天线在离反射器较近的一端与馈线相连，另一端无任何连接而呈自由状态，而所说的馈线，实际上就是一条同轴电缆。

从国际出版物WO92/13373还进一步了解到，用一个介质透镜可以把一个或多个这种螺旋馈源集合在一起来使用，从而，使从各个方向入射的电磁辐射都可以被同时接收到。

以轴向模式工作时，按右螺旋方向绕制的螺旋天线接收右旋圆极化电磁辐射。而按左螺旋方向绕制的螺旋天线则接收左旋圆极化电磁辐射。这就意味着，现有的一些用于接收不同圆极化特性的电磁辐射的天线系统就要有两个或多个螺旋天线。为了接收具有线极化特性的电磁辐射，这一类天线系统就要使用两个或更多个按相反方向绕制的螺旋天线，这些螺旋天线可以以并排的方式配置在天线系统中，也可以以串联的方式连接起来。

这种用于接收具有不同极化特性的电磁辐射的天线系统是十分笨重的。当这类螺旋形馈源与聚焦装置，如抛物面反射器、介质透镜或其他类似装置一起使用时，对于任何一种极化特性的电磁辐射来说，该螺旋天线，或者准确地说，该螺旋天线的相位中心都必须与聚焦装置的焦点相重合。从天线系统增益的降低以及由于不可避免的散焦和（或）由于两个天线过于靠近而引起的两个极化方向相反的螺旋线之间的互耦的观点来看，使用两个分立的螺旋天线，在有的情况下是不能接受的。

本发明的目的是提出一个结构紧凑的天线系统，用于接收多种具有不同极化特性的电磁信号，最好是微波信号。

根据本发明，接收信号的极化特性，左旋圆极化、右旋圆极化、或线极化，可以由把用作螺旋天线圈的线的相对应的端头与馈线连接起来的方法来改变。

当要接收第一圆极化辐射时，如右旋圆极化，螺旋天线工作在轴向端射模式，为要接收与之相反的圆极化辐射，螺旋天线应按使其工作在轴向背射模式的方式来连接。

根据本发明，这样作优点是，对于一个天线系统来说，只须使用一个螺旋线。因此，对于两个相反方向的圆极化辐射来说，其相位中心可以非常接近，在理想的情况下，完全重合。这样一来，上面提到的增益的降低以及互耦的问题在这种全新结构的天线系统中就得以避免而不存在了。

关于本发明的进一步的特点、优点以及本发明的细节将借助于图1所绘的示意图在下面来加以说明。

图1示出一种较佳的实施例。

在图1中，反射器10可以作成抛物面形或其他类似形状，将入射电磁辐射（图中未画出）汇聚在其焦点处。沿着反射器10的轴线，在其焦点处，安放一个螺旋天线，该螺旋天线是以把一根导体绕成线圈的形状的方式作成的，螺旋线的长度大约为一个λ，其中λ是接收的辐射的波长。该螺旋线11有第一个端12，它与反射器10之间的距离取决于f/D，此处f为聚焦系统（此处为反射器10）的焦距，D为其所述聚焦系统的直径。

与第一个端12相比，螺旋形线圈11的第一个端13位于距反射器的远端。螺旋形线圈11的第一端12通过第一个开关装置14与馈线16的内导体15相连，而第二端13则通过第二个开关装置17与内导体15相连，移相器装置18被用来实现内导体15和位于螺旋线圈11的中部的馈线16的外导体16a之间的连接。

在这个实施例中，开关装置14和17是开关二极管，应该说明的是，使用其他各种类型的开关，如继电器、晶体管等等，来实现这种开关作用都是可以的。移相器装置18是用传输型二极管移相器来实现的。同样也要说明的是，任何其他形式的移相器也是可用的。

开关装置由控制信号S1和S2控制，移相器装置则由控制信号S3来控制。所有这些控制信号S1、S2、S3均由电子控制单元19提供，控制单元19从输入装置20获得相应的信息。在控制单元19与开关装置14、17以及移相器装置18之间都装有滤波器21，以阻止由螺旋天线11接收到的信号进入控制单元19。

螺旋天线11接收到的信号由馈线16传输到图1中由方框22代表的电子部件中，这些电子部件可包括低噪声变换器（LNC）、混频器、振荡器、放大器以及其他类似装置，该电子部件对包含在接收到的信号中的信息作进一步的处理，结果，就产生出对应的声音和（或）图象。

在螺旋线圈11的末端，装有一个平板圆盘状反射器23，其直径介于半个波长到四分之三个波长之间。在螺旋线圈11与抛物面反射器10之间，装有一个直径约为三分之一个波长的引向器24。反射器23和引向器24也可以做成，如矩形板或其他类似形状。

如图1所示，螺旋线圈11是按右手螺旋规则绕制的，下面的表1有助于更清楚地解释图1所示实施例的功能。

表1

开关14    开关17    移相器18

PHCP    关    开    -

LHCP    开    关    -

VLP    开    开    +90°

HLP    开    开    -90°

表中，

RHCP：右施圆极化

LHCP：左旋圆极化

VLP：垂直线极化

HLP：水平线极化

关于可能被接收的极化模式，在这里作如下说明。被接收的电磁辐射的圆极化方向，在每绕过一次反射（例如，通过抛物面反射器10）后，就反向一次。这意味着，经过奇数次反射后，产生与原极化方向相反的圆极化特性，而经过偶数次反射后，则产生与原极化方向相同的圆极化特性。

对于分别为右旋圆极化或左旋圆极化特性的电磁辐射的接收来说，由移相器18产生的相移是无关的。也就是说，可以为任意相移状态。但对于线极化电磁辐射的接收来说，则仅需要两个离散的相移状态，即分别为+90°或-90°。这些状态是由移相器18的物理参数确定的，并且可以通过具有对应值的直流电压控制信号来选择。

图1所示的天线系统的用途之一例是用来接收卫星传送的电视信号。当收视者想要选收具有第一圆极化特性的电视信号时，他只需要通过输入装置20输入一个对应的信息，输入装置20就会给出一个对应的信号到控制单元19。这样，就控制了装置14，17，18等，使得开关装置14处于“开”的状态，开关装置17处于“关”的状态，于是，螺旋线圈11的第一端12就与内导体15相连接，螺旋天线工作在轴向背射模式，因此，具有第一圆极化特性的，例如左旋圆极化特性的电磁辐射就被满意地接收到了。

为了接收相反方向的圆极化电磁辐射，例如右旋圆极化，开关装置14处于“关”状态，而17则处于“开”状态，于是，螺旋线圈11工作在轴向端射模式，因此，右旋圆极化特性的电磁辐射就能被接收到。

为了接收具有线极化特性的电磁辐射，开关装置14和17都被控制在“开”的状态。因此，轴向端和轴向背射两种模式同时都被激发出来，且具有同样的幅度。这两种正交圆极化特性的电磁辐射相合成，就产生一个朝向反射器10的方向传播的具有线极化特性的电磁辐射。

这种合成的电磁辐射的方向由两个圆极化辐射之间的相位差来固定的。该相位差可借助于移相器装置18来控制。在本实施例中，移相器18是一个传输式二极管。

上述实施例的各种变型可能为下述几种变化形式之一种：

-不使用开关装置14和17，而把螺旋线圈11的两个端12和13与内导体15固定连接，这样，就可以作到只是接收具有线极化特性的电磁辐射，如垂直线极化（VLP）或水平线极化（HLP）;

-如果仅要求接收圆极化特性的电磁辐射，可用不需要移相器装置18的天线系统实现。

-不采用抛物面反射器10，也可以采用其他能将入射电磁辐射聚焦的装置。这些聚焦包括衍射（绕射）、折射和（或）反射。按折射原理实现的一个较好的聚焦装置是使用介质透镜，它可以是球形透镜，或半球形龙伯（Luneburg）透镜或其他类似透镜。在这种情况下，可以使用一个或多个螺旋线圈，把他们放在透镜的相应的焦点处。

Claims (4)

1、用于接收从一个或多个方向入射的电磁辐射的天线系统，每个所述电磁辐射可具有不同的极化方向。所述天线系统具有聚焦装置(10)、以及一个或多个螺旋天线(11)，它们被放置在聚焦装置将相应的入射电磁辐射汇聚成束的区域，其特征在于所述天线系统中设有控制装置(19)来控制开关装置(14，17)，因此使螺旋天线(11)以背射模式工作接收具有第一种圆极化特性，如右旋圆极化特性的电磁辐射，以端射模式工作接收具有相反圆极化特性，如左旋圆极化特性的电磁辐射。

2、根据权利要求1的天线系统，其特征在于它提供了控制装置（19）可以同时驱动开关（14，17），因而，具有线极化特性的电磁辐射可以被接收到;还提供了一个移相器装置（18），它由控制装置（19）控制以选择极化的方向，如水平线极化或垂直线极化。

3、用于接收从一个或多个方向入射的电磁辐射的天线系统，所述每个电磁辐射可具有不同的极化方向。所述天线系统具有聚焦装置（10）和一个或多个螺旋天线（11），它们被放置在聚焦装置将相应的入射电磁辐射汇聚成束的区域，并且至少有一个螺旋天线（11）同时以轴向背射模式和轴向端射模式工作，其特征在于：具有控制装置（19），它控制移相器装置（18），通过控制移相装置（18），线极化的方向，如水平极化或垂直极化，可以被选择。

4、根据权利要求1到3的任何一个所述的天线系统，其特征在于所述聚焦装置（10）借助于衍射（绕射）、折射、和（或）反射来实现对被接收的电磁辐射的聚焦。

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