CN1188930C - 用于地面蜂窝式通信和卫星通信的小型双模式综合天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出包括蜂窝式通信天线和卫星通信天线的综合天线组件。这种天线组件可用于其中任一个频段的通信。采用这种组件的无线电话可工作于地面蜂窝式通信系统或卫星通信系统。在本发明的较佳实施例中，卫星通信天线是四线的螺旋天线，而蜂窝式通信天线是用套管式偶极子。套管式偶极子的鞭状部分轴向地定位于四线螺旋天线的中心。这种定向使得既能在卫星频段又能在蜂窝频段内工作而无显著的电磁耦合。

Description

用于地面蜂窝式通信和卫星通信的小型双模式综合天线系统
发明背景
1.发明领域
本发明涉及天线技术。本发明特别涉及能在多个频段上进行通信的多种天线的综合。
2.相关技术
近年来，地面蜂窝天线服务的有效性和使用已有显著的发展。同时新一代的基于卫星的电话系统已可利用。其结果，日益要求诸如无线电话设备之类的无线装置能进入由地面蜂窝式和基于卫星的通信系统所提供的服务。因此，这种设备所用的天线必须能够双模式、双频率运作。
当用现行的天线技术来满足这种要求时出现一些问题。覆盖蜂窝频段(约824至960MHz)和典型的卫星通信波段(例如2484至2500MHz)的单个天线孔径设计，将要求多倍频程带宽运作。此外，由于每个模式的较佳极化不同，孔径要求双极化能力。蜂窝通信一般使用垂直极化，而卫星通信典型地使用圆极化。用单一天线组件支持两类通信极为困难。叠积的微带拼接天线是一种可能，因为它们提供双带运作的潜力。但当考虑在手持无线装置或电话中来实现时，它们的尺寸在蜂窝频率上是不可行的。
如果对每个频段使用各别的天线如偶极子、单极或螺旋天线，则两个天线之间的电磁耦合将在天线的各自辐射图案中引起严重的失真，从而降低每个天线的有效性。对手持电话而言，这意味着在展开另一天线时必须将一个天线缩回，以减少电磁耦合的有害影响。对于固定的或车用天线而言，各别的天线意味多个安装位置，使一个天线与另一个离得足够远以减小它们之间的相互作用。多天线安装增加了电话装置的尺寸、成本和复杂性。
因此，对天线组件的要求是能在蜂窝和卫星频段上通信，并且尺寸紧凑，但当在其中一个频段工作时，不受电磁耦合问题的影响。
发明内容
本发明提出包括蜂窝式通信天线和卫星通信天线的综合天线组件。这种天线组件可用于其中任一个频段的通信。采用这种组件的无线电话可工作于地面蜂窝式通信系统或卫星通信系统。在本发明的较佳实施例中，卫星通信天线是四线螺旋天线，而蜂窝式通信天线是套管式偶极子。套管式偶极子的鞭状部分轴向地定位于四线螺旋天线的中心。这种定向使得即能在卫星频段又能在蜂窝频段内工作而无显著的电磁耦合。
依照本发明的一个方面，提供一种综合天线组件它包括：
蜂窝式通信天线，它能工作在一蜂窝频段，并具有第一中心轴，以及
卫星通信天线，它能工作在一卫星频段，所述卫星通信天线的位置邻近于所述蜂窝式通信天线并具有与所述第一中心轴对准的第二中心轴。
依照本发明的另一方面，提供了一种综合天线组件，它包括：
卫星通信天线，它包括四线螺旋天线，用于接收来自卫星的射频(RF)信号，以及
蜂窝式通信天线，包括套管式偶极子天线，其鞭状部分沿所述四线螺旋天线的中心纵轴定位。
特征和优点
本发明具备以单个天线组件提供蜂窝和卫星频率能力的特点。
本发明还具备提供组装在天线组件内如信号滤波和低噪声放大电路的电路，以防止电磁干扰的特点。
本发明具有以天线间电磁耦合为最小的方式提供双频工作的优点。
本发明还具有以天线组件相对紧凑的方式提供双频工作的优点。
通过下述结合附图对本发明较佳实施例的具体说明，本发明的上述和其他的特点和优点将更明显。
附图说明
图1示出按本发明的实施例的套管式偶极子和四线螺旋天线的组合。
图2示出按本发明的实施例的套管式偶极子和二线螺旋天线的组合。
图3示出按本发明的实施例的单极天线和四线螺旋天线的组合。
较佳实施例的详细说明
I.概述
本发明满足了可进行蜂窝和卫星通信并以单个、小型的装置加以实施的天线组件的需要。通过采用套管式偶极子或单极天线提供蜂窝连通性，并采用四线螺旋天线提供卫星连通性来实现这种天线组件。蜂窝天线的线状(或鞭状)部分轴向地定位在四线螺旋天线的中心，致使蜂窝无线的中心轴与卫星通信天线的中心轴对准。这种安装使两天线之间的电磁耦合为最小，同时使整体组件的尺寸为最小。下面，对本发明的特定实施例进行说明。
II.偶极子和四线螺旋天线的组合
本发明的蜂窝天线可由偶极子天线来实施。本节将说明在与用作卫星通信的四线螺旋天线的组合中套管式偶极子特别有用。这种组合使电磁耦合最小并能有效地进行具体组装。对卫星通信而言如果天线组件只作接收运作，则可采用单个四线螺旋天线。在组件上可加上第一四线螺旋天线。这可使第一四线螺旋天线专门用于接收卫星RF信号，而第二四线螺旋天线可用于发送卫星RF信号。
A.套管式偶极子与单接收四线螺旋天线的组合
本发明的较佳实施例包括套管式偶极子天线和四线螺旋天线。当将这种天线组件接到如移动或便携电话的电信装置中，可使该电话装置工作在蜂窝和卫星频率上。图1示出这种实施例的特点。天线组件100一般为圆柱形并以其纵向截面示出。天线100通过两种电缆即同轴电缆102和卫星通信电缆118连接到电信装置(未图示)。同轴电缆102的中心导体104通过装置100的上部的轴中心。同轴电缆的屏蔽层被接地至馈线套管106的顶部。中心导体104和馈线套管106一起构成蜂窝通信的套管式偶极子天线。馈线套管106和中心导体104的长度各为蜂窝频率的波长的四分之一。这种天线辐射出十分适合于蜂窝应用的轴向为零的辐射图案，并提供垂直极化的、峰值增益接近地平线的全方位覆盖。
图1所示的实施例中，中心导体104由四线螺旋天线108所包围。四线螺旋天线使得所装的电信装置工作在卫星频段中。四线螺旋天线提供更适合于卫星通信应用的圆极化、上半球覆盖。所示的实施例中用介质芯隔开中心导体104和四线螺旋天线108。
本发明的一些应用中，四线螺旋天线用于单接收模式。如果要求连通全球定位系统(GPS)时就是这种情况。在这种应用中，四线螺旋天线108接收到的信号需要处理以改进整体接收机灵敏度。图1所示的实施例中，由微带110将四线螺旋天线的输出连接到安装在印刷电路板(PCB)112或类似的已知支撑基板上的电路中。此电路包含前置放大滤波器114和低噪声放大器(LNA)116。这些部件的设计是本专业技术人员所熟知的。然后LNA116的输出接到卫星通信电缆118，后者连接到电信装置。
图1所示的实施例中，馈线套管106除用作偶极子天线的下部以外，还屏蔽LNA116和滤波器114使不受外部的电磁干扰。而且，馈线套管106的开路端对流在馈线套管106的外部上的电流呈现高阻抗。这样，使流在馈线套管106的终端的电流为最小。结果使从馈线套管106伸出的卫星通信电缆118和同轴电缆102之间的耦合为最小。实际套管长度可作调节以考虑馈线套管106中LNA116和滤波器114的负载影响。
由于四线螺旋天线的中心上的电磁场持性，四线螺旋天线对中心导体104的电磁耦合得以减小。因为在直径上相对的线对的每个线臂被反相地激励，故该对的每个线臂上的电流流向相反。结果由这些电流沿四线螺旋天线108的轴感应的轴向电场趋于抵消。对中心导体108的耦合为最小。因而四线螺旋天线108的辐射图案和增益受到轴向安装的中心导体104的影响为最小。
中心导体104对线绕组本身的耦合由于绕组不完全地平行于轴向取向的中心导体104的事实而得以减小。例如，如果线臂平行于中心导体104地取向，则发生最大耦合。如果各线垂直于中心导体104，则发生最小耦合。既然由于螺旋绕组型式或形状以及可变的节距而各线既不完全平行于也不完全垂直于中心导体104，故各线上感生的电流较偶极子上的来得弱。结果辐射图案并不受到第一级的影响。可以调整中心导体104的长度和解决所产生的许多线负载的影响。
B.套管与收、发四线螺旋天线的组合
存在实现图1的基本方法的另一可能实施例。如图2所示，如果要求对卫星通信的发送能力，且发送频率不同于进入的卫星通信的频率，则可在发送四线螺旋天线的顶上叠上类似天线组件100的装置。
要求这种天线组件的系统的例子是近地轨道(LEO)卫星通信系统。一个这样的LEO系统使用8个不同轨道平面中约48个卫星。这一系统采用上行链路(发送)频段1610至1626MHz，而下行链路(接收)频段2484至2500MHz。本专业技术人员将明白可利用其他卫星和/或其他频段而不偏离本发明的精神和范围。
图2中，子组件直接对应于图1的组件100。子组件201包括接收四线螺旋天线202，用于接收卫星通信。子组件201还包括中心导体203和套管204，一起构成套管式偶极子天线，用于蜂窝通信。第二四线螺旋天线205用作发送天线将RF信号发送给卫星。同轴电缆206将电信装置连接到套管式偶极子204。第一卫星通信电缆208将电信装置连接到接收四线螺旋天线202。第二卫星通信电缆210将电信装置连接到发送四线螺旋天线205。
如果将馈电给接收四线螺旋天线202和套管偶极子天线204，沿发送四线螺旋天线205的轴线定中心，则发送四线天线205受到接收四线天线202和套管偶极子天线204的影响为最小。这种“三模式”实施例对于接线盖安装的车辆的天线应用是理想的，因为那时必须使车顶对接收天线的障碍为最小。
应当注意如将发送四线螺旋天线205置于组件的顶部，则会产生电磁耦合的问题。这样安排(未图示)时，套管偶极子天线204对卫星通信电缆210的耦合将损害套管偶极子天线204的辐射图案和增益，因为套管偶极子天线204和卫星通信电缆都轴向地取向。
III.单极和四线螺旋天线的组合
适合于车项装置的本发明的实施例如图3所示。该实施例能同时接收卫星信号(如来自GPS)并进入地面蜂窝服务。这一实施例使用单极天线而不是套管偶极子作蜂窝通信。
与上述实施例类似，天线组件300由同轴电缆301连接到无线电信装置，与前述一样，中心导体302从同轴电缆301伸出并位于天线组件300的中心。中心导体302用作蜂窝通信的单极天线。同轴电缆301的屏蔽层连接到平的馈线顶板304。四线螺旋天线306包围中心导体302并由介质芯307与其隔开。四线螺旋天线306用微带308连接到安装在PCB310上的电路。电路包括用于改善整体接收机灵敏度的前置放大滤波312和LNA314，如图1和2的实施例中一样。电路的输出馈至卫星通信电缆315。
单极即中心导体302辐射轴向为零的垂直极化图案，同时四线螺旋天线306提供圆极化半球覆盖。与上述II.A.的理由一样，接收卫星通信天线即四线螺旋天线306大体上不受中心导体存在的影响，反之也然。
上述装置一般用天线罩盖住并保护。天线组件300的基座318可包括附装到支持表面的机构(未图示)。例如使用一个或多个磁铁阵列将它附装到车辆的金属顶或类似的表面上。
IV.结论
虽然已在上面说明本发明的各实施例，应理解它们作为例子提出来而并不是限制。本专业的技术人员将明白只要不偏离本发明的精神和范围可以在形式和细节上可作各种改变。因此，本发明不受上述示例实施例的限制，而仅受下述权利要求及其等价物的限定。

Claims (8)

1.一种综合天线组件，其特征在于，包括：
蜂窝式通信天线，它能工作在一蜂窝频段，并具有第一中心轴，以及
卫星通信天线，它能工作在一卫星频段，所述卫星通信天线的位置邻近于所述蜂窝式通信天线并具有与所述第一中心轴对准的第二中心轴。
2.如权利要求1所述的天线组件，其特征在于，
所述卫星通信天线包括四线螺旋天线，用于接收来自卫星的射频(RF)信号。
3.如权利要求2所述的天线组件，其特征在于，所述蜂窝式通信天线包括套管式偶极子天线。
4.如权利要求1所述的天线组件，其特征在于，所述蜂窝式通信天线包括套管式偶极子天线。
5.如权利要求1所述的天线组件，其特征在于，所述蜂窝式通信天线包括单极天线。
6.如权利要求1所述的天线组件，其特征在于，所述卫星通信天线包括四线螺旋天线，用于接收来自卫星的射频(RF)信号；并且
所述蜂窝式通信天线包括单极天线，所述单极天线沿所述四线螺旋天线的中心纵轴定位。
7.一种综合天线组件，其特征在于，包括：
卫星通信天线，它包括四线螺旋天线，用于接收来自卫星的射频(RF)信号，以及
蜂窝式通信天线，包括套管式偶极子天线，其鞭状部分沿所述四线螺旋天线的中心纵轴定位。
8.如权利要求7所述的天线组件，其特征在于，还包括：
第二卫星通信天线，它能工作在与所述第一卫星通信天线所能工作的频段不同的卫星频段。
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