CN1218581A - 具有集成的双工器的螺旋线天线以及相应的制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开一种内置双工器的螺旋线天线,包括两个去耦同轴螺旋线,每个由印制在基片上的辐射状导线束(111－114)组成,并与各自分开的小型化的宽带辐射导线供电结构(12,13,14)组合,所说供电结构印制在所说相应基片上并配有至少一个由半集总元件制作的混合耦合器(12,13,14),以减小其尺寸。所说螺旋线方便地按与旋转方向(17)相反方向盘绕,在垂直于所说螺旋线轴的平面内其激励位置彼此间相对偏移。

Description

具有集成的双工器的螺旋线天线 以及相应的制造方法
本发明的领域为具有半球状或准半球状辐射图的宽带天线，特别地，本发明涉及工作在相应发射和接收的两个相邻频段的谐振螺旋线天线，特别涉及两个通道的去耦，并因此涉及双工的功能。
能发现本发明的天线特别在处固定位置的用户和移动物体之间的移动卫星通信中的应用，这些移动物体例如为航空，航海或陆基类型的物体。在该领域中，实施了或目前发展了某些卫星通信系统(包括例如INMARSAT,INMARSAT-M,GLOBA-LSTAR，和其他系统)。这些天线在使用同步卫星的个人通信系统(PCS)中也有价值的。
对于所有这些提供与同步卫星链接的系统，由于在收发信号入射角存在很大差异，要求该天线应具有半球状复盖的幅射图。此外，在有用频段具有椭圆度率大于5dB的圆极化。
更一般地，本发明可应用在所有要求使用宽波段，半球状复盖的辐射图形，圆极化以及良好的椭圆度率的系统中。
在上述应用场合中，该天线必须具有或10％范围内的很宽的通带，或分别对应收发的两个相邻付瓣的上述特性。
代表本申请人申请的专利FR-89 14952已描述了特别适合于这种申请的已知类型的天线。
这种称为谐振四线螺旋线(RQH)天线的天线由于阻抗匹配问题在通常限于50％的频带内具有非常接近设计标准的特性。使用双层RQH天线有可能工作在两个频带上。这些天线是由两个电磁耦合同轴的谐振四线螺旋线的同心“嵌套”形成的。
由四个辐射状导线束形成四线天线。在A.Sharaiha和C.Terret所著“Analysis of quadrifilar resonant helical antenna formobile communications”一文中详细描述了一个示例性的实施例，该论文发表在PIEEE H,Vol.140,NO.4,August 1993的期刊上。
在这种结构中，辐射状导线束印制在一种薄的绝缘基片上，然后绕在穿透无线电射频的圆柱介质上。该螺旋线的四根导线束其一端开路或短路，而另一端在电气上连接位于该支撑圆柱的下部的基底上的导电线段。因而该螺旋线的四根导线束通过这些导电线段进行激励。
这种天线通常要求具有90°相移的而幅度相同的信号去激励该不同天线导线束的供电电路。有若干已知技术用来得到该类型的供电电路。
在上述文章“Analysis of quadrifilar resonant helicalantenna for mobile commnication”中。这种功能可借助使用耦合器(3dB-90°)和混合环形电路结构来实现。该装置被插在放置在天线基底上的印刷电路上。
这种技术具有制造和实施相对比较简单的优点。另一方面它导致不能忽略的空间要求，如果同天线(例如尺寸约10厘米的天线)相比较的话，这个缺陷使该方法同许多应用不相兼容，特别当要求最大限度的小型化的时候。
按照在J.L.Wong和H.E.King所著“UHF Satellite array nulladjacent signals”(Microwave&RF,March 1984)一文中所描述的第二种技术，每个双线螺旋线可以由“折叠的平衡-不平衡变换器”式同轴对称化子提供。之后该两个双线螺旋线借助混合耦合器正交激励。
该方法的优点在于要求仅使用一个外部混合器元件。相反，用于该类型天线的对称化子/适配器(例如用其芯和外皮形成一个偶极子的同轴线段做成)复杂并且体积大。
此外，该类型装置的缺陷在于形成带宽很窄的带通滤波器类型。
第三，在C.C.kilgus著文“Resonant quadrifilar helix”(Microwave Journal,December 1970)中描述了更为复杂的技术。该同轴馈线在其末端被分裂开以形成一个对称化子，相移90°由调整导线束的长度来提供。
使用该技术将省去混合耦合器。然而其缺陷在于要求准确调整该导线束的长度。此外，天线不再对称，其结构将更为复杂。除此之外，该方法留待专门用于使用窄工作频带的系统。
在具有执行收发信号的双向天线的情况，有必要就可能而言将对通常彼此靠得近的发射频带和接收频带进行去耦。
这是通常放置在天线馈电位置处的双工器的作用。存在若干类型的双工器。Gord Neilson和Tohn Mchory的著文“RF filters anddiplexers for cellular applications”(Antem'90)中描述了用于无线通信领域的若干双工器类型。
通常这些已知器件具有呈现独立于和附加于天线的元件形式的缺陷。因此它们需要考虑空间要求，特别是当该天线的尺寸很小的时候。
此外，这些元件的制作和实施都复杂。因此，如果同天线本身的价格相比成本价更高。
最后，这些双工器起滤波器作用并由此引入信号有用部分的损失。
本发明的目的具体地在于克服这些现有技术的不同的缺陷。
特别地，本发明的目的在于提供一种天线以及其供电系统(以下术语“天线”包括正常的天线以及其供电系统)它具有两个充分去耦的付带，并不要求附加的标准双工器的存在。
换言之，本发明的目的在于提供一种双向天线，它能以简单有效方式实现双工器功能而不使用已知的双工器。
本发明的另一目的在于提供这样一种类型的天线，其成本价低，并容易按工业规模制造。具体地，本发明的目的在于提供这样一种天线，它能很快地加以制作。
本发明的另一目的在于提供不要求专门的和复杂的调整操作的这种类型的天线。
本发明的再一目的在于提供占据空间小的天线(以及特别是这种天线的供电系统)，如果同已知器件相比较的话。
本发明的再一目的在于提供这样一种天线，它实现四根导线束的等幅度激励以及准确的90°相移的关系，并因此在两个付带中实现高质量的圆极化。
借助具有包括两个去耦同轴螺旋线的集成双工的螺旋线天线实现这些将是明显的目的以及其他的目的，每个去耦的同轴螺旋线由在基片上印制的幅射导线束形成，每个所说螺旋线与对所说辐射状导线束宽带供电的一个独立的并小型化的结构相关，所说供电结构印制在所说相应基片上并至少包括一个由半固定(或“非均匀间隔”)元件组成的混合耦合的，以降低其尺度。
采用印刷元件形式制作天线导线束和供电结构使天线、其供电结构以及双工器按完全相同的操作生产而没有任何专门的连接装置从而其尺寸特别小。
可以使用由半集总元件作成的混合耦合器以得到所要求的质量，并且如果与通常使用的传输线相比尤其能降低该装置的空间要求。
由于形成每个所说同轴螺旋线的两层是完全去耦的，故这种结构直接实现一个双工器的作用而不必附加任何元件。每个螺旋线的供电位置各自地和直接地对应发射信号和接收信号。
这样将得到很简单而低成本的双向天线。
有利地，所说螺旋线，当它们处于平面状态时具有对称于所说天线轴的方向的导线束并按与旋转方向相反的方向盘绕，由此所说导线束基本上是平行的。
该技术使内螺旋线的印刷面指向内而外螺旋线的印刷面指向外。
最好，为减小去耦，所说四线螺旋线的激励位置在垂直于所说螺旋线的轴的一个平面内彼此相对偏离。按好的实施例，它们偏离135°。
本发明能应用于所有类型的螺旋天线。按优选实施例，所说螺旋线是一个四线螺旋线，由四根用包括三个混合耦合器的供电结构供电的辐射状导线束构成。
有利地，对于最后列举的情况，所说的供电结构包括一第一180°混合耦合器，将所说天线的供电输入端和/或输出端同相移180°的两个中间输出端和/或输入端相联结，以及两个90°混合耦合器，每一个将所说第一混合耦合器的所说中间输出端和/或输入端之一个端同两个所说辐射状导线束的端点之一端相联结。
按本发明有利的实施例，所说天线被安装在具有不同介电常数值的第一部分和第二部分的一个支撑上，所说第一部分支承所说辐射状导线束，而所说第二部分支承所说供电结构。
最好，支承天线导线束的所说第一部分的介电常数大于1。
这样有可能进一步减小天线占据的空间。
在此所描述的天线类型可单独使用或以天线阵列方式使用。
本发明还涉及所说天线的制造。若与现有技术相比这种制造方法特别简单。
按制造一种谐振螺旋天线的第一个方法，其设计步骤如下：
-在一平面基片上印制至少两个设计的幅射状天线，以形成-螺旋线以及对所说辐射状导线束宽带供电的独立的小型的结构。供电结构至少包括由半集总元件组成的一个混合耦合器，以减小其尺寸。
-围绕一个圆柱支撑盘绕所说基片。
按第二个制造谐振螺旋线天线的方法其实甚至更为简单，执行以下步骤：
-得到支承基片的一个圆柱支撑；
-在所说基片上印制至少两个设计的辐射状天线，以形成-螺旋线以及对所说辐射状导线束宽带供电的独立的小型的结构，该结构至少包括由半集总元件制成的一个混合耦合器，以减小其尺寸；
本发明的其他特征和优点根据以下给出作为一个简单但非限制性的例子的本发明的一优选实施例的说明，以及附图将显而易见其中：
-图1示例性说明按本发明形成天线外层的平面表示的具有集成供电的一种四导线螺旋线；
-图2表示图1圆柱盘绕的螺旋线，以形成第一个工作的螺旋线；
-图3说明按本发明的平面表示的具有集成供电的第二种四导线螺旋线，形成天线的内层；
-图4表示图3圆柱盘绕的螺旋线，以形成第二种工作螺旋线；
-图5表示安装天线的截面图，包括偏位安装的图2和图4的螺旋线；
-图6给出图1和图3的供电结构的更详细的图；
-图7A-7C说明按本发明的一种3dB,90°耦合器的设计；
-图7A表示分布元件的一种标准耦合器；
-图7B表示使用P元件的对应图；
-图7C表示相应的微带线耦合器；
-图8A和8B说明一种-3dB 180°耦合器的设计；
-图8A表示180°混合环形器3。
-图8B表示相应微带线耦合器；
-图9说明图1和图2的具体实施例的驻波比(SWR)；
-图10和11表示辐射图，分别在频率1.98GHz和2.2GHz按右向圆极化和左向圆极化对同一实施例进行测量的；
-图12表示两个螺旋线之间的去耦(S21)。
因此本发明涉及按简单低成本制造技术制造的具有集成双工器的宽带供电系统的天线。
如上所述，本发明可应用到任何类型的螺旋线天线，在此描述的一个优选实施例涉及四线螺旋线天线。
按本发明，天线具有分别用于发射和接收的两个同轴螺旋线。其每一个都是由在一个基片上印制的四根导线束形成的，而且在该基片上还连带印制了供电结构。
这样对于单一操作，天线，供电和双工器操作都可以插入。这就使得有可能得到成本价很低的高度紧凑的天线。
现在将给出形成一层的第一螺旋线的详细的说明。
图1说明当螺旋线平面放置时的印制元件。
首先它包括四个辐射状天线导线束111-114。
例如在作参考的专利FR-8914952中给出了确定这些导线束的特性的一个模式。
天线的尺寸随频段以及要求的复盖范围而变化。例如这种天线的尺寸可以表示如下：
-长度：90mm
-宽度：2mm
-厚度：35μm
-倾角：54.5°
它们例如由在一种薄的介电基片上的铜做成。介电基片例如可用聚酰亚胺薄膜(εT≈3.8)。
四根导线束111-114最好在其上端151-154是开路。它们也可以是短路的。然而本发明的系统特别适合于激励这样的天线，其导线束多半是开路的，以便得到相同的性能特性，其占据的尺寸比短路导线束天线的更小。
导线束另端161-164连接到其供电电路的馈线。
在延伸天线情况下，供电系统在同一基片上形成。它是由设计成半集总元件的三个混合耦合器12,13和14构成的。
第一混合耦合器12首先连接到天线信号的输入端(和输出端，分别取决于使用情况)17，然后连接到其他两个耦合器13和14的两个输入端(和分别输出端)18和19。它是一个180°混合耦合器。
混合耦合器13和14是两个相同的90°耦合器。它们首先连接到输入端18(以及分别19)，然后连接到导线束161-162(以及分别163和164)端。
这样在一宽频段上四根导线束按理想的90°相移供电。
由此得到的装置绕在按三角学观念是圆柱形的一个支撑上。形成的盘绕是向外的(印制电路是在圆柱的外面形成的)，以得到在图2中前向视图表示的外螺旋线。
该圆柱支撑无线电波可穿透，即它的介电常数接近1。
必须指出，通过使用介电常数大于1的支撑，对于相应天线的导线束部位，则容易进一步减小该种装置的高度。
图3说明按平面表示放置的形成天线内层的元件。除天线导线束511-544按相反方向放置外，这些元件完全与相对图1中所描述的相似。盘绕方向52和第一种螺旋线的盘绕方向17是相反的。
在该例中，介质基片与图1的相同。供电系统53也在天线导线束511和514的延伸方向并由半集总元件制成。
之后该装置被朝向内面盘绕在据无线电波的观点是穿透的一个支撑上，给出图4的内螺旋线。
如图5的剖面图所示那样，这样得到的两层天线最后被彼此之间相对同心地装配。
外层(由外导体61形成)以及内层(由内导体62形成)相对其激励位置偏离135°的角度。
图6给出按本发明的使用半集总元件的供电结构的更准确的视图，相对其实际尺寸放大到三倍。它包括两类型的印制线：
-具有电感特性的宽度小的线；
-具有电容特性的更宽的线。
这样，90°耦合器13和14每个都由四个宽元件311-314构成，该四个宽元件311-314两个成对地由四根细线321-324连接。180°耦合器具有六个宽元件331-336与六根宽度小的线341-346连接。
图7A和7C说明-3dB 900°耦合器的设计。
如果必要的话，在由Bretagne Occidentale大学的M.Coupez的著文“Etude de structures de dephaseurs potentiellementintegrables a 900MHz”(study of phose-shifter structures thatCan be potentially integrated at 900MHz)(可能在900MHz集成的相移器结构研究)中能发现更为实质性的细节，该文是1988年5月发表的。
图7A是由分布元件构成的-3dB 90°耦合器的标准附图。它具有两线段81,82，其长度为λg/4，特性阻抗Zc，以及两线段83,84，其长度为λg/4，特性阻抗Zc/
Figure A9719451200111
如图7B所示，该两个线段的每一个线段均可用电容C以及电感L和L’形成的固定元件的7相移元件取代。
通过使用微带线的电感性质(小宽度线85)和电容性质(较宽线86)，如图7C所示，它有可能再度转换为由分布元件组成的耦合器。
使用相同的过程能将图8A中所示的-3dB 180°混合环形器的标准结构转换成具有如图8B中说明的半集总元件的耦合器。
该类型的螺旋线特别具有以下优点：
-它具有开路导线束，因此每个导线束的阻抗容易对50Ω进行匹配，用于具有所要求特性的天线(半球复盖和低度的反向极化)；
-使用混合器的供电结构是完全平衡宽带结构；
-等幅度(对每个导线束相同)；以及
-同相(0°；±90°；±180°；±270°)；
-供电装置的尺寸小于已知系统(可达50％的效益)。确实可容易地看到每个半集总元件具有的尺寸远小于取代它的线(通常尺寸是λ/4的倍数)
-天线具有高的导线束对导线束的隔离度；
通过指示，以下是用一具体的用于近距离通信和设备的通讯所设计的实施例得到的测量结果。
由天线和集成供电电路形成的装置的尺寸如下：
-直径：26mm
-高度：130mm
-总重量：70g
测量的射电电气特性为：
-发射：2.17-2.2GHz；
-接收：1.98-2.01GHz
-极化：右向圆极化；
-视野：180°；
-椭圆度：＜5dB对于Q＜90°
         ＜2dB对于Q＜75°
-全方向性亏损：±0.6dB(在水平方向)。
图9表示每个螺旋线在每个天线输入端的驻波比(SWR)随频率的变化。能看到对于在400MHz的每个天线可得到小于2的SWR。
图10和11分别表示在频率1.98GHz(图10)和2.2GHz(图11)随一偶极子旋转按右向圆极化(a)和按左向圆极化(b)测量的辐射图。
可看到得到的以下方面：
-在-3dB的平均孔径是半球的并大于180°；
-在整个复盖范围内反向极化的抑制大于-15dB。
图12表示两螺旋线之间的去耦大于20dB。
按本发明的天线可按各种方法制作。
这样，按第一实施例，如图1和图3所示，螺旋线可以平面印制。之后它们盘绕在一个支撑上以形成天线(图2和图4)。
按另一实施例，可以直接在其限定的圆柱模型中形成接受印制元件而设计的基片。在此情况下，可直接在圆柱体上印制导线束和供电结构。
此外，必须指出，虽然它能被作成一个单元，但本发明的天线方便地有助于形成天线列阵。

Claims (10)

1．一种具有集成双工器的螺旋线天线包括两个去耦的同轴螺旋线，每一个由印制在一基片上的辐射状导线束形成，每一个所说螺旋线同用于所说辐射导线束的宽带供电的独立的和小型的结构相联结，所说供电结构印制在所说相应基片上并包括至少一个由半集总元件制成的混合耦合器，以减小其尺度。
2．按权利要求1的天线，其特征在于当所说螺旋线平面放置时其具有导线束方向对称于所说天线的轴，并按卷绕相反方向盘绕，以使所说导线束实质上是平行的。
3．按权利要求1或2的天线，特征在于所说四线螺旋线的激励位置在垂直于所说螺旋线轴的一平面中彼此间相对偏移。
4．按权利要求3的天线，其特征在于该激励位置偏移135°。
5．按权利要求1-4之一的天线，特征在于所说螺旋线是四线螺旋线，每一个由包括三个混合器耦合器的供电结构供电的四根辐射状导线束构成。
6．按权利要求5的天线，其特征在于每一个所说供电结构包括一第一180°混合耦合器，将所说天线的供电输入端和/或输出端同两个相移180°的中间输出端和/或输入端联结起来，以及两个90°的混合耦合器，每一个将所说第一混合耦合器的所说中间输出端和/或输入端之一端同两个所说辐射状导线束的端点之一联结起来。
7．按权利要求1-6之一的天线，其特征在于至少所说螺旋线之一安装在具有不同介电常数的第一部分和第二部分的一个支撑上，所说第一部分支承所说辐射状导线束，而所说第二部分支承所说供电结构。
8．按权利要求7的天线，其特征在于所说支承天线导线束的第一部分的介电常数大于1。
9．制造包括两个去耦的同轴螺旋线的具有集成小型化双工和供电装置的螺旋线天线的一种方法，其特征在于对于一个所说螺旋线，所说方法包括下列步骤：
-在一平面基片上印制至少两个设计的辐射状天线以形成一个螺旋线以及对所说辐射状导线束宽带供电的独立的小型化的结构，该结构至少包括由半集总元件组成的一个混合耦合器，以减小其尺寸；
-围绕一个圆柱支撑盘绕所说基片。
10．制造包括两个去耦同轴螺旋线的具有集成小型化双工和供电装置的螺旋线天线的一种方法，其特征在于对于每一个所说螺旋线，所说方法包括下列步骤：
-得到支承基片的一个圆柱支撑；
-在所说基片上印制至少两个设计的辐射状天线，以形成一螺旋线以及对所说辐射状导线束宽带供电的独立的小型化的结构，该结构至少包括由半集总元件制成的一个混合耦合器，以减小其尺寸。
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