CN1165588A - 双频段8螺旋线螺旋天线 - Google Patents

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詹姆斯·H·汤普森
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Abstract

一种体积较小的双频段8螺旋线螺旋天线。在柔软基片上设置辐射体和馈电网络，并将该基片卷成柱状后，获得螺旋结构。其中包括2个相互交错的4辐射体组，分别工作于两个不同频率，一组为有源，另一组为有源或无源。还至少包括一馈电网络，提供0°、90°、180°和270°信号给有源辐射体。两组辐射体及其相关馈电网络可位于一基片的正、反面，或多层基片中隔开的两层。

Description

双频段8螺旋线螺旋天线
本申请涉及1995年8月6日提出的代理人文件号QCPA206和QCPA207等两项申请，其题名分别为“螺旋天线的180°功率分配器”和“4螺旋线螺旋天线和馈电网络”，均同属本案申请人。将其揭示内容援引于此，供以下各处参考。
技术领域
本发明一般涉及螺旋天线，尤其涉及具有两组交错4辐射体的双频段螺旋天线。本发明还涉及辐射体单元的无源激活和单信号输入馈电结构。
背景技术
当代已开发出许多通信和导航产品，借助地球轨道卫星提供所需通信和导航信号。此类产品的例子有卫星导航系统、卫星跟踪和定位系统，以及依靠卫星在地球站上之间转发通信信号的通信系统。这些卫星可组成各种已知卫星星座的一部分，并以各种轨道高度运转，如低地球轨道(LEO)、中地球轨道(MEO)，或者说，在地球同步轨道上运转。
电子技术在封装、功耗、小型化和生产方面的进步，其结果一般已能以对商业用户和个体消费者有吸引力的价格，利用便携封装的上述产品。然而，其中需要进一步开发的领域是用来与卫星通信的天线。适当频率范围合用的天线一般会大于便携设备配用的所需天线。往往采用微带技术实现这些天线。然而，该类天线中，馈电网络常会大于要求的尺寸，或呈现特性不符合要求。
此外，在不同频率进行收、发信的应用场合，双频段天线仅在小于所需形状时可用。可设置双频段天线的一种方法是端对端堆叠2组单频段4螺旋线螺旋天线，从而形成一个同轴圆柱体。然而，这种解决办法的缺点是该天线长于便携或手持所要求的尺寸。
另一种提供双频段性能的技术是利用分别调谐在一个频率上的2副单频段天线。然而，对手持机来说，这2副天线必须位置相互贴近。不幸的是，手持机上相互贴近的2副天线造成该机庞大不美，不符合需要。同时，用卫星转发器传送信号时，通信信号圆极化，或通过与大气交互作用变成圆极化，因而需要圆极化性能良好的天线。
因此，需要的是一种工作于2个频率，且封装小到足以适合便携和/或手持应用的天线。还希望天线的馈电结构减小成一个输入连接多种用途。
发明内容
本发明提出一种双频段8螺旋线螺旋天线。在一较佳实施例中，将天线辐射体蚀刻在微带基片的辐射体部分，馈电网络在蚀刻在该基体上。对发射操作，馈电网络接纳输入信号，并进行需要的功率分配和相位控制(或调整)，提供天线辐射体馈电所需的信号相位。对接收操作，馈电网络接纳并组合辐射体接收的信号。这里对馈电网讲述的是提供具有适当相对相位的信号，以对辐射体提供发送信号。应理解为这些网络也进行接收。
在一较佳实施例中，此双频段天线具有4个谐振(匹配)于第一频率的辐射体，该组辐射体又与第二组谐振于和第一频率不同的第二频率的4个辐射体交错。对卫星通信有效的一组频率用例如为一频率为另一频率的1.5倍。辐射体组长度不同，以工作于不同频率，而且上端附近间距可变，以配制天线辐射圆。这点尤其适用于两组中较长的一组超越另一组的部分。即，两组辐射体在位置相互贴近部分间距相同，而较长的一组在伸越较短的一组的部分可有不同间距。这两组交错的辐射体提供形式上紧凑的双频段操作。
一组辐射体有源驱动，另一组可无源驱动，也可有源驱动。各种4个有源辐射体直接连接馈电网络提供的0°、90°、180°和270°信号。采用无源辐射体时，不直接连至馈电网络，但由其邻近有源辐射体耦合信号。
在本发明的其它方面中，两组辐射体及其相应馈电网络同装在一块支承基片的一面，或一组分装在该基片的另一面，然后形成圆柱状。后一步骤使有些结构中，可简化辐射体间连接的短路件的制作。在基片上馈电网络的反面适当形成平面接地层。另外，也可将辐射体及其相关馈电网络装在分立支承基片(衬层)的表面，再将这些基片夹在馈电网络所用接地层的两面。
还揭示用于提供馈电线和天线元间接口的各种馈电网络。根据此处所述的馈电网络，可用三元件进行各种组合，以提供驱动天线用的0°、90°、180°、270°信号。其中一元件为分支线耦合器，另一元件为功率分配器。分支线耦合器接纳一输入信号，并将该信号分成振幅实际相同、相位相差90°的两个输出信号。180°功率分配器接纳一输入信号，并将该信号分成振幅实际相等、相位相差180°的两个输出信号。该分配器还用递变接地面的结构，使输入信号从不平衡变为平衡。
为了在分开的频率对两组辐射体提供馈电信号或接收信号，做成两节的宽带分支线耦合器，并做得使反射能量对两个预选工作频率等于或接似于零。
下面参照附图进一步详细本发明的实施例、特征、优点，以及各实施例的结构的操作。
附图概述
参照附图阐述本发明。图中，相同标号表示相同或功能一样的组成部分。此外，标号中最左一位数字表明首次出现该号的附图。要注意附图未必按比例画，尤其在说明天线辐射部分时。
图1示出微带4螺旋线螺旋天线。
图2示出无限平衡变换馈电微带4螺旋线螺旋天线的蚀刻基片下表面。
图3示出无限平衡变换馈电微带4螺旋线螺旋开线的蚀刻基片上表面。
图4示出无限平衡变换馈电微带4螺旋线螺旋天线蚀刻基片的立体图。
图5(a)示出天线辐射体的接头。
图5(b)示出一实施例的馈线对辐射体的连接。
图5(c)示出另一实施例的馈线对辐射体的连接。
图6(a)示出另一实施例的微带4螺旋线螺旋天线蚀刻基片下表面。
图6(b)示出另一实施例的微带4螺旋线螺旋天线蚀刻基片上表面。
图7示出呈现窄带频响特性的单节分支线耦合器。
图8示出图7中单节分支线耦合器的频响。
图9示出呈现宽带/双频段频响特性的双节分支线耦合器。
图10示出图9中双节分支线耦合器的频响。
图11示出本发明一实施例的包含1个180°功率分配器和2个分支线耦合器的窄带馈电网络。
图12示出本发明一实施例的包含2个180°功率分配器和1个分支线耦合器的窄带馈电网络。
图13(a)示出具有双频段馈电网络的微带双频段8螺旋线螺旋天线的基本上表面。
图13(b)示出图13(a)基片的剖面图。
图14示出具有双频段馈电网络和阻抗变换器的微带双频段8螺旋线螺旋天线的基片上表面。
图15示出本发明一实施例8螺旋线天线的辐射元阻抗与频率的关系曲线。
图16示出在一组辐射体采用可变间距的双频段8螺旋线天线实施例。
图17示出图16天线低频辐射图。
图18示出图16天线高频辐射图。
图19(a)按照无限平衡变换馈电实施例，示出具有双频段馈电网络和阻抗变换器的微带双频段8螺旋线天线的基片上表面。
图19(b)示出图19(a)中基片的下表面。
图20示出说明辐射体变换器部分的连接的无限平衡变换馈电实施例侧视图。
图21示出实现包含2个180°功率分配器和1个单切分支线耦合器的馈电网络的例子。
图22示出采用图21所示馈电网络的4螺旋线螺旋天线的布局例。
图23示出本发明一实施例的双馈电双频段8螺旋线螺旋天线。
图24(a)、24(b)和24(c)分别示出在一支承基片正、反面实现图23中8螺旋线天线的结构的俯视图、剖面图和仰视图。
图25(a)、25(b)和25(c)分别示出在多层支承基片实现图23中8螺旋线天线的结构的俯视图、剖面图和仰视图。
本发明的实施方式
1.发明综述
本发明针对一种双频段8螺旋线螺旋天线和双频段螺旋天线用的馈电网络。按照此说明揭示的双频段天线，微带基片包含两部分，第一部分具有天线辐射体，第二部分具有天线馈电网络。将微带基片卷成圆柱状，从而辐射体围一中心轴螺旋状卷绕。
馈电网络包含新颖性独特的结构，以提供振幅实际相等且相对相位差为0°、90°、180°和270°的4个信号对螺旋天线进行驱动。揭示两种馈电网络，分别用于单、双频段工作。为此，对单频段工作，馈电网络可包含诸如分支线耦合器和180°功率分配器等元件的组合。对双频段工作，可用双频段分支线耦合器提供与两个工作频率匹配的天线信号。
2. 4螺旋线螺旋天线
在详述本发明之前，介绍一例4螺旋线螺旋微带天线会有帮助。参照图1～6阐述该天线。图1中画出一种4螺旋线螺旋天线100。天线100用蚀刻在基片108上的辐射体104构成。基片是一种薄膜可弯曲材料，卷成圆柱形，使辐射体104围圆柱轴螺旋状卷绕。下文讨论的实施例不要求此圆柱形必须有圆形截面。只要该截面呈现均匀分布的对称状，诸如围成正方形、正六边形，正八边形等等，均属本发明主旨的功能。
图2～4示出制作4螺旋线螺旋天线的元件。图2和3分别为基片108的下表面200和上表面300的图。基片108包括辐射体部件204和馈电部分208。
请注意本文各处均将基片108的表面称为“上”表面和“下”表面。采用各名称只是为了便于讲述，并不认为该名称的使用负有规定基片108的空间方向的功能。此外，这里所讲述和示出的实施例中，天线描述成用基片卷成圆柱形，且上表面为圆柱外表面的方法进行制作。其它实施例中，基片卷成圆柱形，而下表面为圆柱外表面。
在一较佳实施例中，微带基片100为柔软的聚四氟乙烯(PTFE)薄层，或为PTFE/玻璃复合物或其它电介质材料。基片100最好厚为0.005英寸或0.13英寸左右。采用铜材料提供信号线条和接地线条。另外的实施例中，也可依据费用、环境考虑和技术上公知的其它因素，选用别的导电材料代替铜。
图2～5画出具有无限平衡变换结构的天线实施例。其中，在馈电部分208形成馈电网络308，以对辐射体104提供0°、90°、180°及270°的信号。馈电部分208的下表面200具有馈电电路308的接地平面212。在馈电部分208的上表面300蚀刻馈电电路308的信号线条。后文的节4详述馈电电路308的具体实施例。
为了讨论，辐射体部分204具有靠近馈电部分204的第一端232和在辐射体部分204另一侧的第二端234。依据所实现的天线实施例，可将辐射体104蚀刻在辐射体部分204的下表面200。辐射体104从第一端232延伸到第二端234的长度取决于天线馈电点和其它设计上的考虑，如需要的辐射图等。此长度一般为四分之一波长的整数倍。
本实施例中，下表面200上的辐射体104在辐射体部分204延伸从第一端232至另一端234的长度。这些辐射体画成辐射体104A、104B、104C和104D。在无限平衡变换实施例中，由蚀刻在辐射体部分204的上表面300中的馈电线316在第二端234对辐射体104馈电。馈电线316从第一端232延伸到第二端234对辐射体104馈电。此结构中，馈电点在第二端234。接触基片108的辐射体104A和104D(在馈电线316的反面)的表面提供电气地给将馈电网络的天线信号送到天线馈电点的馈电线316。
图4为于限平衡变换实施例的立体图。该图进一步说明馈电线316和基片108上蚀刻的辐射体104。图中还示出用连接404将馈电线316接到辐射体104的样子。实际上，连接404并不真的做成图4所示那样。图5包含图5(a)、5(b)和5(c)，说明实现连接404的其它实施例。
图5(a)为模式图，示出辐射体部分204的局部视图。按照此实施例，辐射体104在第二端234具有接头504。天线卷成圆柱体时，使适当的辐射体/馈电线对相互连接。例如，图5(b)和5(c)画出这种连接，其中接头504折成朝向柱心。图5(b)所示实施例中，通过用另设的短导体508焊接(或电气连接)辐射体104C和馈电线316，实现连接404。图5(b)中，馈电线316在柱体的内表面，所以画成虚线。
图5(c)所示实施例中，将辐射体104A和反面的馈电线316折成朝向柱心，相互重叠，并在叠合点电气连接，最好将适当的馈电线316焊接到相关的辐射体104c。
图6画出比刚讲述的无限平衡变换实施例阐单明了的实施例。该图包括图6(a)和6(b)，分别画出下表面200和上表面300。此实施例中，辐射体104蚀刻在上表面300中，并在第一端232蚀电。这些辐射体画成辐射体104A、104B、104C和104D。此实施例中，下表面200没有辐射体104。
因而在第一端232上对这些辐射体馈电，不需要无限平衡变换实施例所要求的平衡变换馈电线316。这样，本实例一般较容易实现，而且可免除馈电线316引入的衰耗。
请注意图6(a)和6(b)所示实施例中，辐射体104的长度为λ/2的整数倍，此处为天线中心频率的波长。在这种辐射体104为λ/2的整数倍的实施例中，各辐射体104在第二端234电气相连。可由基片卷成柱体时围绕周边形成环状的第二端234的跨接导体，实现此连接。图22画出此实施例的一种。另一种实现办法中，辐射体104的长度为λ/4的奇数倍，辐射体104在第二端234处开路，使天线可在中心频率谐振。
3.分支耦合器
采用分支线耦合器为分配功率和方向耦合的简单且价廉的手段。图7画出单节窄带分支线耦合器700。该耦合器包含干线分支臂704、副分支臂708和2个旁路分支臂712。输入信号提供给干线分支臂704(称为干线704)，并由旁路分支臂712耦合到副分支臂708(称为副线708)。副线708一端用匹配终端阻抗接地。旁路分支臂712最好是若干以1/4波长分隔开的长度为1/4波长的段，从而形成周长约为1波长的一个节。
在输出端，干线704和副线708各载送一输出信号。此两信号相位差90°。两个输出端均提供约为输入信号功率电平一半的信号。
此单节分支线耦合器的一个性能是其频响略窄。图8按反射能量画出典型单节分支耦合器700的频响800，即反射能量的大小如何随频率变化。
为了适应较宽的频率范围，可做成双节分支线耦合器。图9画出这种耦合器900。单节分支线耦合器700与此耦合器900的主要实际不同点是耦合器900增加一旁路分支臂914。
与单节分支线耦合器700相比，耦合器900的优点在于其频响较宽。即，反射能量低于容许电平的频率范围大于单节分支线耦合器700的该范围。图10画出典型双节分支线耦合器900的频响。然而，对于真正的宽带应用，耦合器900由于工作频率遭遇反射能量电平，仍非完全理想。
然而，对于要求性能优化为2个工作频率附近的2段窄带宽的宽带应用，此频响曲线具有2个反射能量电平为零或至少非常接近零的频率，即图10中的A点和B点，所以是理想的。
4.馈电网络
上文节2已述4螺旋线螺旋天线和后面节5所述双频段无线都需要馈电网络，以提供驱动天线辐射体104所需的0°、90°、180°及270°信号。此节4所述为可做成执行上述辐射体104与天线馈电线接口的若干馈电网络。对这些馈电网络讲述的是：180°功率分配器、单节(700)和双节(900)分支线耦合器。已证明这些器件对实现本发明主旨是有效的。然而，精于此技术者会意识到除这里说明的以外，还能作其它公知的信号传送结构。此天线仅要求以实际相等的功率和适当的相位关系，为各组辐射体产生4种信号。具体馈电网络的选择取决于精于此技术者熟知的设计因素，也可制造性、可靠性和成本等等。
用于提供所需相位的一种元件是180°功率分配器说明。上述援引的专利申请中说述一180°功率分配器范例。这种分配器接纳沿传导路径输入的信号，将其分成振幅实际相等且相位差180°的两个信号。通过采用与传导层相邻的渐变接地层，使输入信号在平衡信号与不平衡信号之间转变，完成上述功能。
输入信号沿与渐变换地层相对的传导路径运行时，从不平衡变为平衡。这种转变在返回传导路径上产生与传导路径电流大小相等、方向相反的电流。因此，返回传导路径的信号对传导路径的信号相位偏差180°。通过在信号输入和返回二路径都进行渐变，可得两信号，一为0°信号，另一为180°信号。可用适当的辅助孔、镀层通孔或类似技术，通过基片传送180°信号，以耦合到适当的辐射体。
为了诸如此处所述各种4螺旋线或8螺旋线螺旋天线正确运转，必须将发射信号分成0°、90°、180°及270°信号。同样，也要把接收的0°、90°、180°及270°信号组合成一个接收信号。为此，提供馈电电路308。本节揭示若干馈电电路308实施例。这些实施例采用180°功率分配器与本文件节3已述分支线耦合器的组合。
馈电电路308的第一实施例组合2个分支线耦合器700和1个180°功率分配器。图11画出该实施例。按照该例，在一连接处或输入点C，将输入信号提供给馈电网络。然后，180°功率分配器1100将输入信号分成相位偏差180°的两个信号，分别称为0°信号和180°。此两信号各馈入一单节分支线耦合器700。具体是0°信号馈入耦合器700A，180°信号馈入耦合器700B。
耦合器700A和700B分别提供2个振幅相等、相位相差90°的输出，并称之为0°信号和90°信号。因为输入耦合器700A的信号与输入耦合器700B的信号相差180°，此两耦合器输出的0°信号、90°信号也分别相差180°。结果，馈电网络输出端有4螺旋线天线馈所需的0°、90°、180°及270°信号。这些信号分别馈给辐射体104A。104B、104C和104D。
图12所示馈电电路308的第二实施例采用2个180°功率分配器1100和1个单节分支线耦合器700。按照此实施例，耦合器700先将输入信号分成2个振幅相等、相位相差90°的输出信号。此两0°和90°输出信号分别馈入180°功率分配器1100A和180°功率分配器1100B。因为各180°功率分配器1100产生2个振幅相等、相位相差180°的输出，两个分配器1100的输出为0°、90°、180°及270°信号。
然而，注意这些信号次序不对。分配器1100A提供0°和180°信号，而分配器1100B提供90°和270°信号。因此，为了按正确顺序提供信号给辐射体104，90°和180传导路径必须相互变换位置。信号换位的一种方法是此两信号之一馈至下表面200，直到该信号穿越另一信号。
在此位置，信号线条作为补片蚀刻在下表面200上。该补片周围为无接地平面的光面。然而，此光面对接地不利。因此，希望保留连续接地平面，没有任何拆光的面。
另一实施例中，通过利用两条信号传导路径间的绝缘桥，使一路径穿越另一路径，交换信号位置。这样可使接地面连续。再一实施例中，通过利用交叉信号与接地面之间的绝缘部分，使信号线条穿越接地面，进行交叉。
馈电电路308的又一实施例采用一个分支线耦合器对两个无限平衡变换天线结构馈电，如前文中图2和3所示。后面的图15中进一步说细说明。按照此实施例，分支线耦合器700先将输入信号分成0°和90°输出信号，馈入远离馈电网络308的辐射体104的顶端。如上文讨论，这种馈电方法导致所馈每对辐射体上建立的信号相位相差180°，因而如上面对图2～5讨论的那样，提供所需要的0°、90°、180°及270°信号。
虽然这里就4螺旋线螺旋天线要求的0°、90°、180°及270°信号进述了馈电电路308，但阅读上述说明后，精于此技术者会明白其它天线结构如何实现所揭示的技术。
5.双频段8螺旋线螺旋天线
有许多应用需要双频段天线。其中的一种是上、下行链路各用一个频率的卫星通信系统。提供双频段天线的一种方法是端对端堆叠两副旋转天线，其中一副谐振于第一频率，另一副谐振于第二频率。然而，这种解决办法的缺点是该堆叠天线的总长不符合许多便携或手持应用的需要。为了避免这种叠高的结构，可使两副天线中的一副位于内部，并与另一副同轴。虽然此第二方法没有长度不符合需要的问题，但在某些状态下，天线辐射图会以不合需要的方式相互干扰。
没有上述天线中各种问题的双频段天线是双频段8螺旋线天线。图13中用图13(a)的俯视图和图13(b)的剖面，画出制作该天线的蚀刻微带基片。图中，天线包含两组辐射体104和1304。标为104A、104B和104C和104D的第一组辐射体104谐振于第一频(即有源谐振器104与第一频率匹配)，标为1304A、1304B、1304C和1304D的第二组辐射体对与第一频率不同的第二频率谐振(匹配)。
依据各种制造条件、功率规定、体积限制或技术上熟知的其它参数，辐射体1304可无源驱动，也可有源驱动。
如图13所示，辐射体1304与辐射体104相互交错。然而，辐射体1304可脱离辐射体104，形成在基片108的另一面或完全在另一基片上。图13示出双频段8螺旋线天线的布局，采用无源辐射体1304和有源辐射体104。与以上所述4螺旋线天线相同，此天线也采用馈电网络1308，并将辐射体1304和104蚀刻在微带基片上后，卷成柱体。
图13还示出双频段8螺旋线天线馈电用馈电网络1308的一个实施例。按照实施例，馈电网络1308包含2个双节分到线耦合器900和1个180°功率分配器1100。经实施例馈电网络1308的操作与图11所示馈电网络308实施例的相同。主要区别在于采用双节分支线耦合器900代替单节分支耦合器700。另一实施例中，实现馈电网络也可以是图12所示的网络，也以耦合器900代替耦合器700。
耦合器900由于其频响特性，适合天线工作在2个频率。具体地说，如果耦合器900做得使天线工作频率实际接近图10中A点和B点代表的两个频率，此两频率的反射能量就大致为零。换句话说，将耦合器900做成使A、B两点中的一个实际与有源辐射体104的谐振频率一致，另一个点与无源辐射体1304的谐振频率一致。
为了优化8螺旋线天线的性能，使输入信号源的阻抗在存在无源辐射体1304时，与有源辐射体104的阻抗在两个频率都匹配。实现此性能的一种途径是耦合器900与有源辐射体104之间采用变换器段。图14说明此途径。在本实施例中，该图画出馈电网络1308包含一个180°功率分配器1100、2个分支线耦合器900和4个变换器1404。
在双频段8螺旋线天线的一个实施例中，工作频率选为一个频率约为另一个频率的1.5倍。此实施例中，变换器1404做成传输线段，每段长度低频为λ/2，高频为3λ/4。存在无源辐射体1303时，耦合器900的输出阻抗Zout在低频与有源辐射体104的天线阻抗Zant匹配。
本实施例的馈电网络按一实施例作最佳阐述。该例中，发射用1.618GHz的频率，接收用2.492GHz的频率。这就是上文对图10谈到的A和B点。存在无源辐射体1304时，有源(或驱动)辐射体104在两个频率，或此两频率附近的窄频带内，阻抗均匹配。为了使馈电网络1308与辐射体104、1304阻抗匹配，变换器1404做成1.618GHz和2.492GHz时长度l分别约为λ/2和3λ/4。此长度下，在1.618GHz频点看，变换器阻抗不变，所以Zout与Zant依然匹配。对2.492GHz的频率，变换器1404为3λ/4，因而起1/4波长变换器的作用，且特性阻抗Ztrans为： Z trans = Z out * Z ant @ 2.492
因此，为了使天线阻抗Zant与双节分支线耦合器900的阻抗Zout匹配，利用上述关系确定变换器1404的阻抗Ztrans。一旦Ztrans确定，即可用公知设计技术达到其值，实现变换器1404。通过改变用于实现变换器1404的线条的宽度，取得合适的Ztrans。
图15示出包括2个所关注窄频段的连续宽频范围内，天线阻抗的变化曲线。图中，实线代表一范例天线的阻抗实部，虚线代表其虚部。把虚部与零阻抗的交点当作天线谐振频率。图15中，虚部曲线交零于1.618Ghz(发射用)和2.492GHz(接收用)的两个所需频率，分别标为A’和B’。这两个点的实阻抗值分别为15Ω(A’点)和10Ω(B’点)。
虽然图14未画出下表面，应注意此具体实施例中，辐射体部分204的下表面无接地面。馈电部分208的下表面有接地面，但应注意180°功率分配器反面的接地面会依据实现的实施例，按说明变化，使90°和180°信号相互交换位置。
注意图13中辐射体1304在超过辐射体104的部分改变间距。这样改变间距对配制天线辐射图很有用，可使第二频率的天线辐射图更有效地在天线与所需信号接收者(或信息源)之间耦合能量。即，天线辐射体间距的改变使天线辐图变化，用于调整与所期望的天线应用和通信系统特性相符的辐射图。也能用于调整第二组辐射体的辐射图，以便与第一组辐射体的辐射图匹配得更好。精于此技术者不难理解经改善给定通信系统中天线的运作需要这样改变间距。
图16画出利用这种间距差的天线范例，并附有图17和18的该天线模拟所得辐射图。采用半径约0.25英寸的圆柱体，外部辐射体工作于1618GHz，长λ/2，内部辐射体工作于2.49GHz，长λ/2。各辐射体元设计成用约100密耳宽的导电材料做在基片108上。图16中，内部螺旋辐射体1304画得较长，超过辐射体104长度的部分间距不同。辐射体1304藏在圆柱状基片卷的内部，所以画成虚线。
包含图19(a)和19(b)中，画出双频段8螺旋线天线的无限平衡变换馈电实施例。该例中，馈电线做成变换器段1908。将变换器段1908提供给馈电部分208，并从双节分支线耦合器900延伸到辐射体部分204的第二端1932。无源辐射体(图19未画示)与有源辐射体1904相互交错。变换器段1908具有两种功能，即对有源和无源辐射体都进行阻抗匹配，并起无限平衡变换天线的馈电线的作用。
图20为于限平衡变换馈电实施例的侧视图，说明变换器段1908与辐射体1904的连接。注意天线卷成柱体，因而实际上以图5所示方式进行连接。
为了便于讨论，接着以说明图14所示实施例用的例子，讲述图19所示无限平衡变换馈电实施例。该实施例中，变换器段1908做成在1.618GHz和2.492GHz两频率工作时，长度l分别为λ/2和3λ/4。此长度下，从1.618GHz频点看，变换器不改变阻抗，因而Zout在馈电点仍与Zant匹配。然而，对于2.492GHZ的频率，变换器1404为3λ/4，因而起1/4波长变换器的作用。
虽然图19(a)和19(b)未画出，但实现有源辐射体104为工作频率的λ/2的8螺旋线天线时，在馈电点的相对端将有源辐射体104短路连接在一起。完成此连接有若干种技术，包括采用以辅助孔在微带基片108背面连接有源辐射体104的分路器，或采用与图5所示相似的接头。
应注意这些提供的布局图用于说明元件的功能性，未必表明最佳布局。根据本说明文中和图中的揭示。考虑材料、功率、空间和规模等方面的制约，可用标准布局优化技术取得最佳布局。然而，下面对分支线耦合器700和180°功率分配器1100讲述布局例子。
图21是说明图12所示馈电网络的布局的布局图。现参阅图21，所示分支线耦合器700在布局上面积效率高于图7所示结构。180°功率分配器1100画成接口部分线条大，以加大电容，减小特性阻抗。图21中还有90°信号和180信号交叉的交叉部分2104。无散列的实轮廓线2122画出下表面200上的线条轮廓。散列部分表示上表面300上的线条。
图22画出一例采用图21所示馈电网络308的4螺旋线螺旋天线有源辐射体元的布局。注意此实施例中，在第二端234用短路环状的导体2204将辐射体104短路。
图12～21说明采用单一馈电(或电信号连接)对8螺旋线天线或天线馈电结构耦合输入或输出信号。然而，即使对有些应用效率低，采用双馈电连接还是会有好处。这种馈电结构肯定减少阻抗匹配问题和串话，而且简化天线谐振。
图23～25画出多馈电结构，其中8螺旋线天线的各4螺旋线部分分配馈电。尽管实现目前此发明点没有要求，还是采用与图13和16中相同的超长部分间距可变的辐射体。对于一表面形成两组辐射体的单基片，双馈电概会上可画成图23那样，其中分别用馈电网络2308和2310对辐射体2304和2306馈电。然而，可在基片下表面形成一组辐射体，以便长度为λ/2的倍数且一末端短路连接时，避免两组辐射体间的电气连接。即，可横跨辐射体端部形成导电体，而无需复杂的绝缘层等。
可如图24(a)、24(b)和24(c)那样实现此结构，其中在支承基片2400的正反面2402和2403分别形成两组辐射体2402、2403，并由两个馈电网络2308相应馈电。图24(a)中，短辐射体2304画成做在表面2402上，且邻近其一端有相应的馈电网络2308，另一端有在各辐射体间延伸的短接导体2404。平面导体(或接地面)2408位于距离辐射体2304端部不远处。此距离实际上等于长、短辐射体长度之差。
图24(c)中，波长较长的部分或长辐射体2306形成在基片2400的反面2403，而且邻近其一端有相应的馈电网络2308，另一端有在各辐射体间延伸的短接导体2406。该导体是也构成第二接地面的大平面。接地面2406位于基片2400上辐射体2304的馈电网络2308的相对侧。接地面2408位于基片2400上辐射体2306的馈电网络2308的相对侧。
图24(b)中，所示两个输入信号导体2410位于基片2400上馈电网络2308附近，并与该网络连接。该网络画得较厚仅是为了说明清楚。如上所述，平面2406和2408起馈电网络2308的适当接地面的作用，并具有相应的结构。
另外，可用多层基片或多基片组件制作图24的天线。其实现方法是在原位于支承基片正、反面的两个辐射体部分的馈电网络之间设置一导电材料层。图25(a)、25(b)和25(c)示出达到此要求的一种方法。其中，在两块支承基片2500和2502的外表面分别形成两组组辐射体2500和2502，然后依次装在接地平面的正、反面。
图25(a)中，短辐射体2304画成做成基片2500的表面2504上，并带有相应的馈电网络2308和短接导体2404。图25(c)中，波长较长部分或长辐射体2306画成做在基片2502的表面2506上，并带有馈电网络2308和短接导体2506。注意短接导体2506不再是大的接地面。
用技术上熟知的多种技术中的一种，将基片2500和2502沿内表面2510和2512在在一起。可用各种接合剂，或用技术上公知的材料的中间层制作基片等方法完成此接合。其结果是两块基片中间夹有导电材料2508的复合多层支承结构。材料2508位于两馈电网络2308附近，并在其相对侧，起该网络的接地面的作用。
图25(b)中，还示出2个信号导体2410，该导体位于基片2500和2502上馈电网络2308附近，并与其连接。该网络画成较厚仅是为了说明清楚。
6.结语
虽然上文已阐述本发明各种实施例，但应理解为仅属范例，并非限定。因此，本发明的外延和范围不受上述实施例限制，而仅遵照以下各项权利要求及其等价内容的规定。
例如，精于相关技术者会明白，尽管所揭示各种接地面按整片状进行说明，依据所实现的天线和/或馈电网络，也可用其它接地结构，例如接地网、穿孔接地面等等。同时，可按天线设计者的要求，采用其它馈电网络器件或装置对辐射体收、发信号。

Claims (20)

1.一种双频段8螺纹线螺旋天线，其特征在于，该天线包括：对第一频率匹配且设置在支承基片的辐射体部分的第一组4个螺旋辐射体；对第一频率匹配且设置在所述支承基片的所述辐射体部分，并与所述第一组辐射体相互交错的第二组4个螺旋辐射体；形成在所述支承基片的馈电网络部分，提供0°、90°、180°及270°信号给所述第一和第二辐射体组中的至少一组的至少一个馈电网络。
2.如权利要求1所述的双频段天线，其特征在于，所述支承基片为微带基片。
3.如权利要求1所述的双频段天线，其特征在于，所述第一和第二辐射体包含有源和无源驱动辐射体，所述有源辐射体由至少一个所述馈电网络驱动。
4.如权利要求1所述的双频段天线，其特征在于，所述天线为双馈电天线，所述第一和第二辐射体组均分别由至少一个馈电网络有源驱动。
5.如权利要求4所述的双频段天线，其特征在于，所述第一和第二辐射体组位于所述支承基片的正、反面，并带有其相关馈电网络。
6.如权利要求4所述的双频段天线，其特征在于，所述第一组辐射体位于具有第二表面的第一支承基片层的相反面第一平行表面上，所述第二组辐射体位于具有第二表面的第二支承基片层的相反面第一平行表面上，所述第一和第二支承基片层沿各自的第二表面接合成单一支承基片结构，且所述第一和第二组辐射体留在该结构的外表面，并将一大小预定的接地面沿与所述第一表面平行且位于其反面的所述第二平面，设置在所述第一和第二基片层之间。
7.如权利要求1所述的双频段天线，其特征在于，所述第一和第二组辐射体中，有一组较长，并在其长度超越另一组的部分，螺旋状体采用可变间距。
8.如权利要求1所述的双频段天线，其特征在于，各馈电网络包含：具有接收输入信号的输入臂、提供第一输出信号的第一输出臂和提供第二输出信号的第二输出臂的分支线耦合器，其中所述第一和第二输出信号相差90°；连接所述分支线耦合器的所述第一输出臂，以接收所述第一输出信号，并输出第三和第四输出信号的第一功率分配器，其中所述第三和第四输出信号相差180°；连接所述分支线耦合器所述第二输出臂，以接收所述第二输出信号，并输出第五和第六输出信号的第二功率分配器，其中所述第五和第六输出信号相差180°。
9.如权利要求8所述的双频段天线，其特征在于，所述第一和第二功率分配器分别包含：基片；设置在所述基片的第一表面的第一传导路径；设置在所述基片的第二表面，以形成接地面的接在部分，该接地面从较大的宽度渐变为位于所述第二表面，并实际与所述第一传导路径对齐，而且宽度实际等于所述第一传导路径的宽度的第二传导路径。
10.如权利要求8所述的双频段天线，其特征在于，所述分支线耦合器是单节分支线耦合器。
11.如权利要求8所述的双频段天线，其特征在于，所述分支线耦合器是双节分支线耦合器。
12.如权利要求1所述的双频段天线，其特征在于，各馈电网络分别包含：从一输入信号提供相差180°的第一和第二输出信号的功率分配器；具有接收所述功率分配器的所述第一输出信号的输入臂、提供第三输出信号的第一输出臂和提供第四输出信号的第二输出臂的第一分支线耦合器，其中所述第三和第四输出信号相差90°；具有接收所述功率分配器的所述第二输出信号的输入臂、提供第五输出信号的第三输出臂和提供第六输出信号的第四输出臂的第二分支线耦合器，其中所述第五和第六输出信号相差90°。
13.如权利要求12所述的双频段天线，其特征在于，还包含设置在所述基片上，并将所述辐射体接至所述第一和第二分支耦合器的所述第一、第二、第三和第四输出臂的4个变换器。
14.如权利要求13所述的双频段天线，其特征在于，所述第一和第二频率中的一个约为另一个的1.5倍，所述变换器的长度约为所述一个频率的λ/2，所述另一个频率的3λ/4.
15.一种双频段8螺旋线螺旋天线，其特征在于，该天线包括：对第一频率匹配且设置在微带基片辐射体部分的4个有源辐射体；在第二频率匹配且设置在所述微带基片辐射体部分，并与所述有源辐射体相互交错的4个无源辐射体；形成在所述微带基片的馈电部分，以提供0°、90°、180°及270°信号给所述第一和第二辐射体组中的至少一组的至少一个馈电网络。
16.如权利要求15所述的双频段天线，其特征在于，所述馈电网络包含：从一输入信号提供相差180°的第一和第二输出信号的功率分配器；具有接收所述功率分配器的所述第一输出信号的输入臂、提供第三输出信号的第一输出臂和提供第四输出信号的第二输出臂的第一分支线耦合器，其中所述第三和第四输出信号相差90°；
具有接收所述功率分配器的所述第二输出信号的输入臂，提供第五输出信号的第三输出臂和提供第六输出信号的第四输出臂的第二分支线耦合器，其中所述第五和第六输出信号相差90°
17.如权利要求16所述的双频段天线，其特征在于，各分支线耦合器为双节分支线耦合器。
18.如权利要求16所述的双频段天线，其特征在于，还包含设置在所述基片上，并将所述分交线耦合器的所述第一、第二、第三和第四输出臂接至所述有源辐射体的4个变换器。
19.如权利要求18所述的双频段天线，其特征在于，所述第一和第二频率中的一个约为另一个的1.5倍，所述变换器的长度约为所述一个频率的λ/2，所述另一个频率的3λ/4。
20.如权利要求15所述的双频段天线，其特征在于，各馈电网络包含：具有接收输入信号的输入臂、提供第一输出信号的第一输出臂和提供第二输出信号的第二输出臂的分支线耦合器，其中所述第一和第二输出信号相差90°；连接所述分支线耦合器的所述第一输出臂，以接收所述第一输出信号，并输出第三和第四输出信号的第一功分配器，其中所述第三和第四输出信号相差180°；连接所述分支线耦合器的所述第二输出臂，以接收所述第二输出信号，并输出第五和第六输出信号的第二功率分配器，其中所述第五和第六输出信号相差180°。
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