CN110199436A - 多频带圆偏振天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于多频带GNSS的圆偏振CP天线设备。该天线设备包括螺旋天线和高阻抗表面HIS，该高阻抗表面包括导电层和接地平面，该导电层包括第一区域和分开的第二区域。该导电层的该第一区域设有至少一个具有第一谐振频率的谐振元件，并且该导电层的该第二区域设有至少一个具有第二谐振频率的谐振元件。

Description

多频带圆偏振天线
技术领域
本发明涉及一种低尺寸、重量和功耗(SWaP)的圆偏振(CP)天线。更具体地，本发明涉及一种适用于多频带通信的低SWaP圆偏振天线，用于诸如全球导航卫星系统(GNSS)等应用。
背景技术
低尺寸、重量和功耗(SWaP)天线对于许多应用而言是有益的，诸如例如在移动设备或可穿戴设备中。为了克服法拉第旋转，卫星与地面系统之间的通信需要圆偏振(CP)天线，由此信号的电场矢量在该信号传播通过电离层时旋转。
一种类型的CP天线是螺旋天线。常规的螺旋天线在图1中示出。该螺旋天线由两个螺旋臂组成，这些螺旋臂在其内部终端处以反相(180°电相位差)被激发。这些螺旋臂的几何形状可以由许多不同的数学表达式来描述，诸如阿基米德螺旋(如图1所示)、等角螺旋、弯折螺旋或其他任意螺旋形状。然而，无论几何形状如何，发射辐射的原理都保持不变。当天线的周长远小于波长时，天线的作用类似于双传输线，并且来自这两个臂的任何辐射由于其相位而抵消。当同一螺旋臂上从点A到点B的路径长度等于波导波长的一半λg/2时，辐射以某个频率fr发生，这会在点B处相对于点A产生180°的额外电相位延迟。点A和A’对称地位于相对的臂上。因此，这些点处的电流是反相的，因为从臂中心到这些点的路径长度是相等的。这意味着在频率fr处，相邻臂上的邻近点A’和B处的电流处于相等相位(并且在点A和B'处也同样如此)，并且来自这两个臂中的每个臂的辐射因此在相位上相加在一起。因此，天线从中辐射强的有源区域是圆周环λg或半径λg/2π。天线从这个有源区域发射出圆偏振辐射，因为沿着相对于环中心的每个90°的角度阶跃变化，场旋转并且相位延迟额外90°，如图2所示。图3示出了来自这种天线的辐射是如何双向发射的，从而产生前瓣和后瓣。由于其几何形状，螺旋天线可以满足这种在宽带宽上辐射的条件，其中从螺旋臂上更外处发射出更低频率下的辐射。
可穿戴且可表面安装的螺旋天线需要在其背面与安装表面之间进行电隔离。需要这种电隔离来防止诸如短路等‘接触’效应，从而天线与金属或高介电常数对象(诸如人体或头部)的紧密接近会以其他方式破坏天线的辐射图案和回波损耗特性。通常通过使用接地平面反射器或吸收器来实现电隔离。
在接地平面反射器的情况下，平坦的导电表面被放置在天线下方，其中在工作频率下气隙间隔为λ0/4，如图4所示。由于λ0/4的间隔，天线后瓣以90°的电相位延迟到达反射器。入射E场与导体表面相切，并且这产生了具有E场的反射信号，该反射信号具有180°的相对相位。λ0/4的路径长度提供了额外的90°电相位延迟，产生了360°的总相位延迟，这意味着反射后瓣与前瓣同相到达。这在工作频率下增大了3dB的天线增益，但是限制了天线发射CP辐射的带宽，并且导致在较低频率下的厚设备，其中λ0很大。应该理解，这是不合期望的，因为螺旋天线的益处之一就是其宽带宽。
在吸收器被放置在天线背面上的情况下，后瓣辐射被吸收，从而提供电隔离同时保持宽带宽。然而，这种方法具有丢失一半辐射功率的缺点。还需要最小厚度为约λ0/14的厚设备，因为将吸收器放置得太靠近会导致螺旋臂之间的场被吸收，从而妨碍天线有效地辐射。
最近的替代方法是使用高阻抗表面(HIS)来代替接地平面反射器。存在各种HIS拓扑。在美国专利号US 6,384,797中披露了一种这样的拓扑。如图5所示，这种拓扑由导电接地平面上方的周期性串联导电谐振元件(诸如，贴片或槽)组成。这些谐振元件可以或可以不通过金属通孔连接到接地平面。另外，HIS可以或者可以不在这两个导电层之间采用介电材料。螺旋天线通常通过气隙与HIS间隔，但是天线可以采用介电材料间隙。
该操作类似于接地平面反射器的操作，其中HIS接地平面在向前方向上反射天线后瓣。然而，HIS谐振元件、接地平面间隔和介电材料的设计允许对从HIS接地平面反射的信号的相位进行控制。这允许将天线放置得比标准导电反射器的λ0/4间隔更接近HIS。在一种已知的实施方式中，已经实现天线与HIS接地平面之间低至λ0/12的间隔。然而，使用一个HIS谐振器单元的一个缺点是其仅提供窄带解决方案。众所周知，固有的窄带宽与介电材料的厚度和介电常数成比例。因此，可以通过增大电介质的厚度、以及通过选择具有高介电常数的电介质来增大带宽。然而，当目标是用于小型轻量设备时，这是不合期望的。由于介电材料的可用厚度太薄，因此这可能也是不切实际的。为了提供多频带解决方案，还已知的是提供了一种嵌套的HIS拓扑，这种拓扑涉及将较小的HIS谐振元件朝向天线的中心放置，其中在外部具有较大的元件，以便在不同有源区域上提供操作，如图6所示。在这样的配置中，具有较高频率的一个反射元件区域位于在此较高频率下天线的相应有源区下方，而具有较低频率的第二反射元件区域围绕此区域对准，位于在此较低频率下天线的相应有源区域下方。
美国专利公开号US 2010/039343描述了一种这样的嵌套HIS拓扑。此文献披露了一种用于圆偏振平面导线天线的天线反射器，其中，该反射器具有电磁带隙结构并且包括接地导体，该接地导体具有放置在与该接地导体相距给定距离处的多个第一贴片元件以及围绕这些第一贴片元件对准的多个第二贴片元件，这些第一贴片元件具有第一频带的谐振特性，这些第二贴片元件具有第二频带的谐振特性，其中，该第一频带高于该第二频带。然而，这种由反射器的具有第二较低频带的贴片元件的第二区域来封闭反射器的具有第一频带的贴片元件的第一区域的实施方式具有以下缺点：其仅能在频率间隔良好(通常是诸如3GHz、6GHz、9GHz等倍数)的频带上进行操作。在这个实施方式中，最接近的两个频带的证实间距目前为相距35％。
美国专利公开号US 2013/249762披露了一种包括螺旋和反射器的天线，该反射器包括混合结构，该混合结构包括第一反射区域和第二反射区域。该第一反射区域是标准导电反射器区域，其包括放置在与天线距一定距离处的导电平面，该距离等于该第一反射区域所反射的辐射的平均波长的四分之一，而该第二反射区域包括HIS(AMC)类型的反射器。该第一反射区域被设计成反射第一子频带，而该第二反射区域被设计成反射频率低于该第一子频带频率的第二子频带。类似于美国专利公开号US 2010/039343中的安排，AMC类型的反射器区域围绕标准导电反射器区域对准。然而，应该理解的是，这种混合天线结构具有与使用标准导体反射器相关联的缺点，该缺点在于：其需要天线与反射器之间的在较高子频带下的λ0/4的间隔。
本发明的目的是提供一种克服上述问题中的至少一个问题的CP SwaP多频带天线。
发明内容
本发明提供了一种低SWaP的CP多频带天线，其可以在频率上紧密间隔的两个不同频率范围内进行操作，从而提供在频率上紧密间隔的两个或更多个不同所分配频带上的操作。该设备利用处于螺旋天线的下侧上的创新性高阻抗表面(HIS)接地平面，该接地平面提供与安装表面的电隔离。因此，此设备适用于磨损的车身应用或车载应用。
根据本发明的第一方面，如所附权利要求中所述，提供了一种用于多频带GNSS的圆偏振CP天线设备，该天线设备包括：
螺旋天线；以及
高阻抗表面HIS，该高阻抗表面包括：
导电层，该导电层被分成第一区域和分开的第二区域，和
接地平面，
其中，该导电层的该第一区域设有至少一个具有第一谐振频率的谐振元件，并且该导电层的该第二区域设有至少一个具有第二谐振频率的谐振元件。
在一个实施例中，该第一区域包括该导电层的第一半部分，并且该第二区域包括该导电层的第二半部分。
在一个实施例中，该至少一个具有第一谐振频率的谐振元件包括具有第一尺寸的导电谐振元件的周期性阵列，并且该至少一个具有第二谐振频率的谐振元件包括具有第二尺寸的导电谐振元件的周期性阵列。
在一个实施例中，谐振元件的周期性阵列包括矩形周期性阵列、六边形周期性阵列、槽形周期性阵列、螺旋周期性阵列、耶路撒冷十字形周期性阵列或分形形状周期性阵列中的一者。
在一个实施例中，该设备进一步包括将该导电层连接到该接地平面的多个通孔。
在一个实施例中，该HIS进一步包括耦合在该导电层与该接地平面之间的介电材料。
在一个实施例中，该介电材料包括特氟龙、陶瓷、氧化铝或石英基材料中的一种。
在一个实施例中，该天线的工作频带与该介电材料的介电常数和厚度成比例。
在一个实施例中，该介电材料的介电常数和/或厚度适于使该天线在多个所分配频带上进行操作。
在一个实施例中，这些多个频带之间的间距包括1:1.2或更低的比率。
在一个实施例中，该设备进一步包括耦合在该螺旋天线与该接地平面之间的电阻负载。
在一个实施例中，该设备进一步包括位于HIS下方的宽频带匹配电路。
在一个实施例中，该宽频带匹配电路包括Marchand平衡—非平衡转换器(marchand balun)。
在一个实施例中，该螺旋天线包括经弯曲的螺旋天线。
在一个实施例中，该设备的厚度包括λ0/30。
在一个实施例中，该导电层沿着基本上的直线被分成该第一区域和该第二区域。
在一个实施例中，将该导电层分成该第一区域和该第二区域所沿着的该直线偏离该天线的中心线。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种包括多个天线设备的天线阵列。
本发明还提供了一种用于多频带GNSS的圆偏振CP天线设备，该天线设备包括：
螺旋天线；以及
高阻抗表面HIS，该高阻抗表面包括：
导电层，该导电层包括第一区域和分开的第二区域，以及接地平面，
其中，该导电层的该第一区域设有至少一个具有第一谐振频率的谐振元件，并且该导电层的该第二区域设有至少一个具有第二谐振频率的谐振元件。
附图说明
参考附图，将从下文仅作为示例给出的其实施例的描述中更清楚地理解本发明，在附图中：
图1示出了常规螺旋天线的典型结构；
图2示出了图1的螺旋天线的有源区域；
图3示出了图1的天线的双向辐射图案；
图4示出了使用常规接地平面反射器结合螺旋天线的相位效应；
图5示出了天线的一种已知高阻抗表面拓扑的结构；
图6示出了结合嵌套谐振元件的天线的另一种已知高阻抗表面拓扑的结构；
图7示出了本发明的天线的HIS拓扑的一个实施例；
图8示出了本发明的实施例，其中，天线具有弯折的螺旋形拓扑并且结合了电阻阻抗匹配；
图9示出了平衡-不平衡变换器，该平衡-不平衡变换器可以结合到本发明的天线中处于高阻抗表面下方，以便提供宽带50Ω匹配；
图10示出了本发明的天线的透视图；并且
图11示出了天线在其上提供圆偏振的两个频率范围，这两个频率范围可以覆盖多个所分配频带。
具体实施方式
现在将借助附图7至图11来解释本发明。本发明包括一种CP天线，该天线包括螺旋天线5和HIS 10。HIS 10包括两个不同的区域，每个区域设有至少一个谐振元件。两个区域的每个区域中的谐振元件的尺寸是不同的，如图7所示。这导致每个区域中的谐振元件具有不同的谐振频率。因此，第一区域15的谐振元件具有第一谐振频率，在该第一谐振频率下，反射的电磁信号的电相位为360°(或倍数n×360°，其中，n是整数值)，并且第二区域20的谐振元件具有第二谐振频率，在该第二谐振频率下，反射的电磁信号的电相位为360°(或倍数n×360°，其中，n是整数值)。在本发明的优选实施例中，HIS 10包括基板，该基板包含导电层和接地平面，其中该导电层包括两个周期性导电谐振贴片元件阵列25，这些导电谐振贴片元件通过导电通孔连接到公共导电接地平面。介电材料耦合在导电层与接地平面之间。可以使用诸如特氟龙、氧化铝、陶瓷或石英基材料等任何合适的介电材料。
由于HIS 10的每个区域或HIS 10的一半使用独立的谐振器，因此本发明的天线可以在两个不同的频率范围内进行操作。每个谐振器对应于单个频率，在该单个频率下反射与天线前瓣同相，从而在理论上给出0dB的轴比。存在高于和低于此频率的频率范围，在该频率范围下产生椭圆偏振辐射，该辐射具有>0dB的轴比，但该轴比对于系统要求可能足够低(例如，在许多系统中，轴比<3dB被认为是可接受的圆偏振)。在这两个频率范围内，可以容纳两个或更多个所分配频带。在图11的实施例中，每个频率范围包括两个频带。此外，这两个频率范围在频率上可以比通过使用嵌套的HIS拓扑(诸如在本发明背景技术部分中所描述的拓扑)的螺旋天线可实现的频率间距更紧密地间隔。这是因为对于紧密间隔的频率，螺旋的有源区域可以重叠。当使用嵌套的HIS时，谐振元件不能重叠或具有非常相似的尺寸，因为第二频率的谐振元件被第一频率的谐振元件包围，如图6所示。相反，由于本发明的其中HIS利用两个独立的区域的结构，对于第一频率，天线从有源区域的一半辐射，而对于第二频率从相对的一半辐射。
因此，可以紧密地定位这两个螺旋有源区域，而不需要HIS元件重叠。实际上，本天线的结构使得能够实现低至1:1.2或甚至更低的频率比。
在操作期间，在第一频率范围内，来自天线5的位于HIS 10的第一区域15附近的区域或一半的后瓣辐射被相位反射，并且与前瓣有利地相加。由于第二区域20被配置成在第二频率范围内进行操作，该第二区域的作用类似于具有远小于在第一频率范围下的λ0/4的间距的标准导电反射器，并且在该第一频率范围内发射的后瓣辐射被大致反相反射，并与在此区域上发射的前瓣辐射相消地相加。净效应是在第一频率范围内的总前后瓣辐射的大约一半有利地相加并且被辐射到前瓣中的自由空间中，而不具有在后瓣方向上发射的辐射。第二频率范围的操作是相反的，使得大约一半的辐射被发射到前瓣中的自由空间中，并且没有辐射在后瓣方向上发射。因此，使用具有接地平面并且适于表面安装的非常薄(例如，0.033λ的厚度)的天线，这种布置使得能够在两个非常紧密间隔的频率范围内实现具有良好圆偏振特性的前瓣辐射。
应该理解，第一半和第二半或区域不需要具有相等的尺寸或相等的厚度。进一步应该理解，将HIS的导电层沿着其分成两半的线可以偏离天线的中心线。
此外，通过增大基板的介电常数和/或厚度，可以提供两个独立的频带以提供在更宽的频率范围上的覆盖。就此而言，应该理解，虽然天线实际上仍然可以在两个不同的频率范围内进行操作，但是通过扩展这两个频率范围的带宽，天线可以提供在增加数量的多个频带分配上的覆盖。
通过增大螺旋天线本身的尺寸，也可以增大天线的工作带宽。在这种情况下，如图10所示的本发明的具有两个区域的HIS可以应用于图6所示的嵌套的HIS方法，其中每个嵌套区域将被分成独立的两半或两个区域，从而提供4个总HIS区域、提供在4个分开频率范围内的CP辐射。此外，这种方式可以应用于多个(多于两个)嵌套区域，从而给出多个工作频率范围。
在图7所示的本发明的所描述的实施例中，HIS谐振元件25是方形贴片。然而，这些谐振元件25同样可以具有各种不同类型的形状或大小，诸如六边形、螺旋形、十字形或槽形。在每个区域上提供的谐振元件的大小取决于物理因素。这些包括设计频率、介电材料介电常数和厚度以及操作模式。
虽然在本发明的所描述的实施例中，在这两个导电层之间提供了介电基板，但是应该理解，在本发明的替代性实施例中不提供介电基板。类似地，在本发明的替代性实施例中，未提供通孔来连接HIS的这两个导电层。
在本发明的一个实施例中，天线的增益是无源的。这意味着，通过聚焦功率的天线，在不使用放大器的情况下实现增益。
通常发现，当将螺旋天线放置成非常接近HIS(例如，相距<λ0/12)时，HIS负载该天线，从而产生来自螺旋天线臂的端部的反射。这进而导致较差的圆偏振性能(高轴比)和较高的天线VSWR。根据本发明的一个实施例，通过使用从天线臂的端部通过通孔连接到HIS的接地平面的电阻负载，可以减少这些反射，如图8所示。通过使用具有相对介电常数>1的电介质来代替螺旋天线与HIS之间的气隙或泡沫芯，也可以保持间隙的电厚度同时减小物理厚度。这可以应用于减小设备厚度。取决于期望的工作频率/波长，这些技术的组合使得本发明的天线能够以低至λ0/30的厚度来进行操作。其还提高了辐射质量性能。
螺旋天线可以具有任何已知的几何形状，包括弯折的几何形状。应该理解，这种几何形状减小了螺旋天线的表面积，如图8所示。
在该设备的另一实施例中，可以将宽频带匹配电路结合到天线中。图9示出了一种这样的实施方式，其中采用Marchand平衡-不平衡变换器30形式的平衡-不平衡变换器(平衡电路到不平衡电路连接器)位于高阻抗表面的下方，以提供宽带50Ω匹配。这可以通过在HIS接地平面的下侧上添加附加的电路系统层来实施，这些电路系统层在不平衡输入端处被反馈(例如，使用SMA连接器)，并且在平衡输出端处被连接到天线螺旋臂的中心。
与其中需要单向圆偏振辐射和电隔离的现有螺旋天线相比，本发明的螺旋天线具有许多优点。
首先，将高阻抗表面分成两个区域或两半允许这两个不同的频率范围比现有的多频带圆偏振螺旋天线(诸如，使用嵌套的高阻抗表面的那些天线)可能的更紧密地间隔在一起。这使得天线适用于具有在频率上被间隔开近至2％的分开的所分配频带边缘的系统，诸如多频带GNSS。
本发明的天线的另一个优点是，其重量和尺寸可以制成小于与吸收器结合使用的螺旋天线、或与接地反射器结合使用的螺旋天线可能的重量和尺寸。此外，该天线提供了比与接地反射器结合使用的螺旋天线改进的带宽。
本发明还非常适用于与经弯曲的螺旋天线一起使用，其中不同频带的有源区域由于弯折高度而重叠，这使得多频带高阻抗表面的常规方法对于需要紧密间隔的频带的应用特别困难。经弯曲螺旋的使用导致在两个紧密间隔的频率范围内进行操作的非常紧凑的天线设计。
本发明还可以应用于天线阵列。这种布置通常涉及由天线沿着一个或两个轴线以固定间距重复而组成的结构(即线性或矩形阵列)。
应该理解，本发明可以用于辐射圆偏振电磁信号的任何应用中，诸如例如通信、雷达和成像系统。
一种这样的应用是多频带、多卫星GNSS覆盖，例如GPS跟踪。对于个人定位，该天线可以附接到例如衣服或头盔的物品上以供徒步部队和紧急服务工作者使用。同样，该天线可以用作表面安装设备，用于精确跟踪车辆(诸如例如汽车和火车)、以及自动车辆和无人飞机。
此外，由于本发明提供了多频带能力，因此其非常稳固并且可以在信号丢失对操作是至关重要的应用中提供内置信道冗余。

Claims (18)

1.一种用于多频带GNSS的圆偏振CP天线设备，所述天线设备包括：
螺旋天线；以及
高阻抗表面HIS，所述高阻抗表面包括：
导电层，所述导电层被分成第一区域和分开的第二区域，和
接地平面，
其中，所述导电层的所述第一区域设有至少一个具有第一谐振频率的谐振元件，并且所述导电层的所述第二区域设有至少一个具有第二谐振频率的谐振元件。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一区域包括所述导电层的第一半部分，并且所述第二区域包括所述导电层的第二半部分。
3.如权利要求1或权利要求2所述的设备，其中，所述至少一个具有第一谐振频率的谐振元件包括具有第一尺寸的导电谐振元件的周期性阵列，并且所述至少一个具有第二谐振频率的谐振元件包括具有第二尺寸的导电谐振元件的周期性阵列。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述谐振元件的周期性阵列包括矩形周期性阵列、六边形周期性阵列、槽形周期性阵列、螺旋周期性阵列、耶路撒冷十字形周期性阵列或分形形状周期性阵列中的一者。
5.如前述权利要求中任一项所述的设备，进一步包括将所述导电层连接到所述接地平面的多个通孔。
6.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述HIS进一步包括耦合在所述导电层与所述接地平面之间的介电材料。
7.如权利要求6所述的设备，其中，所述介电材料包括特氟龙、陶瓷、氧化铝或石英基材料中的一种。
8.如权利要求6或权利要求7所述的设备，其中，所述天线的工作频带与所述介电材料的介电常数和厚度成比例。
9.如权利要求8所述的设备，其中，所述介电材料的介电常数和/或厚度适于使所述天线在多个所分配频带上进行操作。
10.如权利要求9所述的设备，其中，所述多个频带之间的间距包括1:1.2或更低的比率。
11.如权利要求2至10中任一项所述的设备，进一步包括耦合在所述螺旋天线与所述接地平面之间的电阻负载。
12.如前述权利要求中任一项所述的设备，进一步包括位于所述HIS下方的宽频带匹配电路。
13.如权利要求12所述的设备，其中，所述宽频带匹配电路包括Marchand平衡—非平衡转换器。
14.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述螺旋天线包括经弯曲的螺旋天线。
15.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述设备的厚度包括λ0/30。
16.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述导电层沿着基本上的直线被分成所述第一区域和所述第二区域。
17.如权利要求16所述的设备，其中，将所述导电层分成所述第一区域和所述第二区域所沿着的所述直线偏离所述天线的中心线。
18.一种天线阵列，包括如权利要求1至权利要求17中任一项所述的多个天线设备。
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