CN1202592C - 复合天线 - Google Patents

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Abstract

一个微波传输带平面天线与一个螺旋状天线被基本地串联安装在一起。微波传输带平面天线的基准导线电耦合到螺旋状天线上，由此可以与天空中的轨道卫星稳定地进行通信。

Description

复合天线
发明领域
本发明涉及一种圆形极化天线，它具有范围从低仰角到天顶角的方向性，适用于与低或中间轨道卫星的通信，本发明还涉及具有极为小巧的特点、可安装在用于通信卫星的手提电话上或安装在袖珍便携式无线电设备上的天线。
发明背景
近年来，许多公司提出一种使用低轨或中轨卫星作为通信卫星的手提式电话的概念。作为在这种通信中使用的频带宽，分配一个1.6GHz的带宽来从地面手提电话到通信卫星通信，分配一个2.4GHz的带宽来从通信卫星到地面手提电话通信。上述1.6GHz的带宽也被用作地面站和通信卫星之间双向通信的带宽，为了确保通信线路的质量，一般在通信中使用圆形极化波。
作为改进通信线路质量的设备，已经有一种天线被提出(如未审查的日本专利申请NO.Hei-7-183719中公布的天线)。特别地，该天线基准导线由平面天线反向延伸到天线振子，从而改善了低仰角时天线的方向性。图10所示是一个传统天线的图例，微波传输带平面天线(MSA)1是由一个绝缘层1C、一个在绝缘层1C上的插入式发射部件1b、一个连接在发射部件1b底部的地导线1d，和一个由基准地导线1d向下延伸的柱状地导线1e构成的，这样构成的目的是为了改善天线在低仰角时的方向性。
当传统的天线接收由卫星发射的进入的圆形极化波时，或从地面站向卫星发射圆形极化波时，如果处在低仰角的情况下，天线增益或圆形极化波的轴向比就会变得过大，随之会影响通信线路的质量，这是因为随着便携式通信设备的天线与卫星天线的位置关系变化，通信线路的质量也容易发生变化，所以很难保持天线对天空各个方向的通信灵敏度。
本发明考虑了当前上述天线的缺点。本发明的目的是进一步改进低仰角时具有圆形极化波模式的天线的方向性和轴向比。
根据本发明，上述目标通过采用以下所述的结构来实现。更加明确地说，本发明提供的复合天线包括：一个微波传输带平面天线(MSA)，它具有圆形极化波模式且包括一个作为共用基准导体的导体板、一个在导体板上的绝缘层、一个平行于导体板的插入式发射部件，在发射部件与导体板之间是绝缘层；一个线形发射部件，它是螺旋状缠绕而成，位于导体板下方，与微波传输带平面天线有基本的共轴关系；螺旋状缠绕的线形发射部件的上端与导体板电气相连，这样形成一个螺旋状天线。螺旋状天线可以通过直流耦合或电容耦合与导体板相连。而且，该螺旋状天线垂直于轴的截面尺寸与上述微波传输带平面天线垂直于轴的截面尺寸相同。
在高仰角时，辐射特性的方向性很大程度上依靠MSA的插入式发射部件的平面部分。相反地，在低仰角时，辐射特性的方向性很大程度上依靠螺旋状天线以及在MSA的插入式发射部件外沿和基准导线间形成的电场。
如果MSA的基准导线象传统天线的基准导线一样向下延伸，那么天线对于其轴向方向的极化波(例如，垂直极化波)具有高灵敏度，但对于水平极化波，则天线灵敏度低。
根据本发明，采用前面说明的将螺旋状天线电气地耦合到MSA导体板上的方法，改善了天线对水平极化波的灵敏度，天线对水平极化波灵敏度的改善，螺旋状天线起了很大作用，这是因为水平分量由流经螺旋状天线的高频电流形成。螺旋部件上线的宽度、长度和匝数，以及螺旋状部件的线缠绕的间距，都可根据卫星通信系统的实际需要而设计。
附图的简要说明
图1A所示是根据本发明的一个实施例的复合天线，它具有一个方形MSA和一个四线螺旋状天线，螺旋状天线与MSA有基本的共轴关系；
图1B所示是一个根据本发明的一个实施例的复合天线，它有一个方形MSA和一个八线螺旋状天线，螺旋状天线与MSA有基本的共轴关系；
图2A是穿过线A-A的MSA截面视图；
图2B是MSA的顶视图；
图3A所示是本发明的另一个实施例的复合天线，它具有一个圆形MSA和一个四线螺旋状天线，螺旋状天线与MSA有基本的共轴关系；
图3B所示是根据本发明的另一个实施例的复合天线，其中它有一个可控制天线方向性的发射部件；
图4A和4B所示的是对于线性极化波本发明的复合天线增益的测量样本，此时复合天线的天顶角方向被设定为90度，其中，图4A所示是插入式发射部件的长边与线性极化天线(例如，传送天线)的电场方向平行时的辐射特性图；图4B所示是插入式发射部件的长边与线性极化天线(例如，传送天线)的磁场方向平行时的辐射特性图。
图5A和5B是本发明的复合天线对水平极化波的天线增益的测量样本，其测量方法与图4A和4B的测量方法一样，而此时复合天线的轴向比图4A和4B中复合天线的轴向位置多旋转90度，其中，图5A是插入式发射部件的短边与线性极化天线的电场方向平行时的辐射特性图，图5B是插入式发射部件的短边与线性极化天线的磁场方向平行时的辐射特性图；
图6所示是一个便携式无线电设备，它装有本发明的复合天线；
图7所示是卫星与装有本发明复合天线的便携式无线电设备进行通信的示意图；
图8所示是本发明的复合天线安装在便携式无线电设备上的另一个例子；
图9是图8所示的便携式无线电设备天线电路的框图；
图10所示是一个传统天线的例子，它的圆形MSA的基准导线向下延伸。
优选实施例的详细说明
作为一实施例，本发明提出了一种复合天线，它包括：一个微波传输带平面天线，它包含一个作为普通基准导线的导体板、一个在导体板上的绝缘层、一个平行于导体板的插入式发射部件，在发射部件与导体板之间是绝缘层及一个给插入式部件供电的馈入接口。馈入接口还有一个馈入点，馈入点在通孔附近，而通孔是在导体板内由馈入点向上延伸形成的；一个螺旋状线形发射部件，它位于导体板下方，螺旋缠绕而成，与微波传输带平面天线有基本的共轴关系；螺旋缠绕的线形发射部件的上端通过DC或电容耦合与导体板相连，从而形成一个螺旋状天线，它与微波传输带平面天线共用上面提到的馈入点。
图1A和图1B所示的是根据本发明的实施例的方杆状天线。图1A所示是耦合了四线螺旋状天线的复合天线的例子，图1B所示是耦合了八线螺旋状天线的复合天线例子。在图例中，相同的元件用同一个参考数码标明。参考数码1标明一个微波传输带平面天线(以后微波传输带平面天线用MSA表示)；2标明螺旋状天线；数码3标明MSA1和螺旋状天线2共用的馈入点；数码4标明MSA1的基准导线和给螺旋状天线2供电的平面基准导线(导体板)；12标明了由MSA1和螺旋状天线2构成的复合天线。
更为详细地说，参考数码1a标明MSA1的馈入点；数码1b标明MSA1的插入式发射部件；1c标明MSA1的绝缘层。参考数码2a标明固定螺旋状天线的绝缘杆；2b标明螺旋状天线的线形发射部件；2c标明绝缘物质，它的作用是在螺旋状天线底部发射部件形成的交叉处防止它们相互接触；2d标明在螺旋状天线底部发射部件形成的交叉。
首先，MSA1表示一个单点背面馈入式平面天线，图2A是上述背面馈入式MSA1的截面视图；图2B是MSA1的顶视图。在作为基准导线的导体板4内形成通孔4a，电流通过馈入接口1a从通孔4a的背面馈入插入式发射部件1b。除了方形MSA外，MSA的形状还可以是圆形、三角形、五边形。在本实施例中的天线具有方形插入式发射部件1b，在圆形极化波模式下所需的工作频率，可通过控制方形MSA的横向和纵向边长，以及绝缘常数和绝缘层1c的厚度来产生。根据螺旋状天线2的宽度和尺寸，天线的频率变化也从几兆赫兹到十几兆赫兹不等，所以，对于这些变化必须预先考虑。
如图1A和1B所示，螺旋状天线的外形(例如截面轮廓和尺寸)与MSA1基本上一致，就可以得到从低仰角到天顶角各个方向上均匀的方向性。相反地，如果螺旋状天线2的外形造得比MSA1大，那么天线在低仰角的方向性就会降低，而到天顶角的方向性就会增强。反之，如果螺旋状天线2的外形造得比MSA1小，那么天线在低仰角方向上也不会有足够的方向性。
一般来说，我们知道当一个线性极化天线接收到圆形极化波时，接收到的能量会下降约3dB。由于这个原因，当一个垂直极化天线接收由低仰角通信卫星圆形极化天线发出的电波时，会产生3dB的衰耗。表1明显地表示出，本发明的复合天线可稳定地进行通信，这是因为本发明对水平极化分量的天线增益进行了特别的改进。
尽管在上述的实施例中，由于使用方形MSA1，而形成方杆状的复合天线，但也可用圆形MSA1，而形成如图3A所示的圆杆状复合天线，或形成三角杆状复合天线。本发明的复合天线并不限定于使用某些特殊的形状，复合天线的外形可根据安装本发明复合天线的便携式无线电设备的设计和应用而进行选择。如图3B所示，除了作为螺旋状四线天线的线形发射部件2b缠绕在绝缘杆2a上外，另一个线形发射部件5也缠绕在绝缘杆2a上，它用来调整复合天线的方向性。在这种情况下，形成四线螺旋天线的线形发射部件5和线形发射部件2b间隔放置。线形发射部件5的一端和线形发射部件2b一样，连接天基准导线4上，而它的另一端是不连接的。
虽然上述的实施例采用将螺旋状天线的线形发射部件2b和线形发射部件5通过DC耦合与基准导线4直接连接的方案，但也可选择用电容耦合的方式与基准导线4相连，而不是直接接触。
表1所示是本发明实施例复合天线与MSA基准导线向下延伸的传统天线相比较的测试结果。在这个测试中，本发明的复合天线与传统天线采用相同的MSA。用作支撑MSA的绝缘物是一个由厚纸做的方杆，这样做是为了与MSA具有基本相同的外部尺寸。本发明的实施例复合天线，如图1A所示，它的四个螺旋状发射部件是由铜箔条构成的以作为螺旋状天线。而且对传统天线而言，其中MSA基准导线向下延伸的方杆状基导线也是由铜箔条构成的。表1中所示的东、西、北、南四个方向对应于图2B方形MSA1顶视图中所示的东、西、北、南四个方向。
表1
在约10度仰角时天线的增益和轴向比的测试结果
频率带宽1.6GHz，天线长度约14cm。
    增益     轴向比
    方向     水平极化分量(dBi)     垂直极化分量(dBi)     dB
本发明的四线螺旋状天线(线宽2.5mm)     东西南北     -2.78-3.98-6.72-5.47     -1.48-1.28+0.81-0.29     1.302.707.535.18
向下延伸的基准导线(传     东西南     -6.17-8.17-9.77     -1.90-2.20-0.61     4.275.979.16
统天线)     南北     -9.77-8.27     -1.51     6.76
图4A和4B所示是本发明复合天线对于线性极化波的天线增益测试样本，此时复合天线的天顶角方向设为90度。图4A所示是插入式发射部件的长边(或图2B所示的发射部件1b的长边)与线性极化天线(例如，传送天线)的电场方向平行时的辐射特性图，图4B所示是插入式发射部件的长边与线性极化天线的磁场方向平行时的辐射特性图。图5A和5B是本发明的复合天线对线性极化波的天线增益的测试样本，测试方法与图4A和4B的样本的测试方法相同。但复合天线的轴向比图4A和4B中天线轴向位置多旋转90度。图5A所示是插入式发射部件的短边与线性极化天线电场方向平行时的辐射特性图。图5B所示是插入式发射部件的短边与线性极化天线磁场方向平行时的辐射特性图。对天线进行测试的频率带宽分别是：1.647GHz，1.650GHz，1.653GHz，1.656GHz，和1.659GHz。
图6所示是一个安装了本发明复合天线的便携式无线电设备，图7所示是便携式无线电设备与卫星之间进行通信的示意图。在图6中，本发明的复合天线12被安装在便携式无线电设备11上，以便于携带。在这幅图中，参考数码11a标明一个扬声器；11b，标明显示部分；11c，标明操作部分；11d，一个麦克风。显示部分11b位于扬声器11a的上面，这样防止由于在低仰角时人头部的影响而产生天线增益的衰耗。为了将复合天线12安装在便携式无线电设备11上，在便携式无线电设备11和复合天线12之间需要有一个绝缘支撑物，它起到支撑复合天线12的作用并允许如同轴线6之类的传输线通过，这样将复合天线12支撑在一个较高的位置，可以与人体保持一定距离。进一步说，对于低仰角时的圆形极化波，本发明的复合天线改善了天线增益和轴向比，这使得对天空各方向都保持良好的通信灵敏度成为可能。例如，如图7所示，当与位于轨道20的卫星进行通信时，地面上的便携式无线电设备11可平稳地传输从天顶角到低仰角各个方向上的信号。
图8所示是本发明的复合天线安装在便携式无线电设备上的另一个例子，图9所示是图8中的便携式无线电设备的天线电路框图。图8中的便携式无线电设备这样配置的目的是为了使复合天线12可以绕轴A旋转。在等待模式下，复合天线12可折叠放置，这样与便携式无线电设备11的外壳吻合。在便携式无线电设备11外壳的上表面放置一个被封装的微波传输带平面天线MSA30，由此构成复合天线12和一个分集式天线。MSA30的配置如图2A和2B所示。主要在天顶角方向上，MSA30在圆形右旋(或左旋)极化波模式下的增益与复合天线12的增益一样。分集式天线由如图9所示的复合天线12、MSA30、无线电路部分31、复合天线12和MSA30的信号合成设备(或信号选择设备)32构成。如图8所示，用一个天线支撑杆13固定复合天线12，这样使复合天线的位置比便携式无线电设备11外壳高出连接部件13a的长度。这是为了在低仰角通信时防止人头部的影响而产生的天线增益衰耗。打电话时，复合天线支撑12在右上方，使用预先确定的圆形右旋(或左旋)极化波建立通信。在便携式无线设备11的等待模式下，旋转复合天线12，使它与便携式无线电设备11的外壳侧表面紧密接触。进一步说明的是，复合天线12沿着便携式无线电设备的外壳，围绕着旋转连接器33旋转，如图9所示。图9中的虚线表示复合天线在折叠状态下旋转后的位置。在折叠状态下，复合无线12的方向与它在被使用时的方向相反，这样翻转了圆形极化波旋转的方向，所以，在便携式无线电设备11的等待模式下，无法使用复合天线12，而只有MSA30处于激活状态。
虽然便携式无线电设备的复合天线被做成可折叠式的，但它也可被做成抽取式的。
本发明改善了低仰角时圆形极化波的天线增益和轴向比，也易于实现对天空各方向都保持通信灵敏度的复合天线。并且，在复合天线的上部有一个馈入点，这样复合天线可稳定地工作而不被人体所干扰。

Claims (4)

1、一种复合天线，包括：
一个微波传输带平面天线，它具有圆形极化波模式，由一个作为共用基准导体的导体板、在导体板上的绝缘层、一个与导体板平行的插入式发射部件构成，导体板与插入式发射部件之间是绝缘层；
一个线形发射部件，它是螺旋缠绕而成，位于导体板下方，与微波传输带平面天线有基本的共轴关系；且
螺旋缠绕成的线形发射部件的上端通过直流耦合或电容耦合与导体板相连，这样形成一个螺旋状天线，
而且，该螺旋状天线垂直于轴的截面尺寸与上述微波传输带平面天线垂直于轴的截面尺寸相同。
2、如权利要求1中所述的复合天线，其中一个通用馈入点位于导体板中的通孔附近，电源通过从馈入点向上延伸的馈入接口从插入式发射部件的背面给微波传输带平面天线供电，同时电源也通过导体板从线形发射部件给螺旋状天线供电。
3、如权利要求1中所述的复合天线，其中螺旋状天线由多个线形发射部件构成，且在螺旋状天线的底部，线形发射部件相互交叉，但并不接触。
4、如权利要求1所述的复合天线，还包括用于控制天线方向性的发射部件，其中所述发射部件被设置在该导体板下面，并通过直流耦合或电容耦合连接该导体板。
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