CN1229530A - 广角圆形极化天线 - Google Patents

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Abstract

一种适合于卫星通信的天线。多个平面辐射元件被放置在微带平面天线的接地导体的下方,接地导体与各个辐射元件之间通过电气耦合装置耦合。此外,多个直线辐射元件与接地导体耦合并且与起馈线作用的同轴线上的斯皮尔拓夫结构电气连接。作为用于卫星通信的天线,广角圆形极化天线能够提高低射角情况下的增益。

Description

广角圆形极化天线
本发明的领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及广角圆形极化天线的小型化和结构，它适合于采用卫星的无线移动通信。
本发明的背景
最近，一些公司提出了采用卫星的移动电话方案。对于这些方案中的频带，从地面移动电话到卫星的通信使用1.6GHz频带，从卫星到地面移动电话的通信使用2.4GHz频带。
另外，1.6GHz频带还作为用于从地面到卫星以及从卫星到地面的双向通信的频带。
计划用全向辐射天线作为适合于这种卫星通信的天线(JP-A-7-183719)。图12示出了JP-A-7-183719专利所公开的这种全向辐射天线的结构。
在图12中，微带平面天线由馈入插头1a、补钉状辐射元件1b和绝缘基片1c构成。微带平面天线(MSA)1的特征在于接地导板1d向下延伸，形成了接地导线柱1e。
微带平面天线(MSA)1通常是这样一种结构：补钉状辐射元件1b通过绝缘基片1c平行放置在接地导板1d上。然而，图12所示的全向辐射天线的特征在于接地导板1d的整个圆周向下延伸，形成了以上所述的圆筒形状。
据此特征，在图12所示的全向辐射天线中，微带平面天线(MSA)1的接地导板1d向下延伸，从而提高了低射角状况下的增益。
不过，上述全向辐射天线在低射角状况下对圆形极化的水平极化分量不敏感。因此，在实际使用时很难保持通信的灵敏度，因为树木等物体吸收垂直极化分量。
不过，上述全向辐射天线在低射角状况下对圆形极化中的水平极化分量不敏感。因此，在实际使用时很难保持通信的灵敏度，因为树木等物体吸收垂直极化分量。
本发明的公开
为了解决上述问题，按照本发明，在微带平面天线的接地导板下面放置了多个平面辐射元件，它们与接地导板电气耦合。
还有，按照本发明在微带平面天线的接地导板下面放置了多个平面辐射元件和多个直线辐射元件，它们与接地导板电气耦合。此外，在上述发明中提供了斯皮尔拓夫结构(sperrtopf，阻塞衬套)。该“斯皮尔拓夫结构”是具有这样一种结构的阻塞衬套，高度的1/4波长或1/2波长的圆筒形导体刚好在天线馈入点的下方靠近馈入点的地方包住了同轴线以便阻止漏电流在同轴电缆外导体的外表面上流动，圆筒形导体上的天线侧断开，另一侧连接到同轴线的外导体上。
附图的简要说明
图1是广角圆形极化天线的透视图，它用于解释本发明的实施例；
图2A到2D是按照本发明实施例的平面辐射元件的各种基本典型形状的示意图；
图3A到3K是按照本发明实施例的平面辐射元件的各种典型改进形状的示意图；
图4A到4C是用按照本发明实施例的电气耦合装置将接地导板与平面辐射元件相互电气耦合起来的各种耦合位置的示意图；
图5A到5C是系统各种例子的示意图，其中，接地导板与平面辐射元件之间通过本发明实施例中的电气耦合装置相互耦合，图5A用导线进行DC耦合，图5B用电容元件进行容性耦合，图5C用电感元件进行感性耦合。
图6A到6E是用于将按照本发明实施例的接地导板与平面辐射元件电气耦合起来的电气耦合装置的长度与宽度的各种示意图；
图7A到7C是按照本发明实施例的示意图，其中，图7A是装有辐射模式失真校正装置的广角圆形极化天线侧面剖视图；图7B是图7A的仰视图；图7C是广角圆形极化天线的侧面剖视，辐射模式失真校正装置装在馈线附近；
图8A到8B是装在移动无线电设备上的本发明广角圆形极化天线的应用示意图，其中，图8A说明了广角圆形极化天线远离移动无线电设备外壳以及馈线被拉到设备外壳外面的情况；图8B说明了广角圆形极化天线靠近移动无线电设备外壳以及馈线被引入设备外壳内的情况；
图9A和9B是与本发明实施例中的广角圆形极化天线有关的图形，图9A示出了双谐振史密斯曲线的例子；图9B示出了VSWR的例子；
图10是以位置关系测量本发明实施例中的广角圆形极化天线辐射模式的示意图，在该位置关系中，水平极化是在低射角情况下提供的；
图11是以位置关系测量本发明实施例的广角圆形极化天线辐射模式的示意图，在该位置关系中，垂直极化是在低射角情况下得到的；
图12是用于解释传统技术的透视图；
图13是用于解释本发明另一实施例中的广角圆形极化天线的透视图；
图14A和14B是图13在低射角情况下的天线辐射特性图，其中，图14A表示垂直极化分量，图14B表示水平极化分量；
图15是本发明的另一个实施例的示意图；
图16A和16B是图13所示天线(其中，无线电波吸收材料被填充到绝缘筒的内部与平面辐射元件相对应的位置上)的辐射特性图，图16A表示垂直极化分量，图16B表示水平极化分量。
本发明的优选实施例
图1是说明本发明结构的示意图。图1中与图12相同的部分用相同的参考数字表示。即，参考数字1表示微带平面天线(MSA)，参考数字1a表示MSA的馈入插头；参考数字1b表示MSA的补钉状辐射元件；参考数字1c表示MSA的绝缘基片；参考数字1d表示MSA的接地导板；参考数字2表示电气连接装置；参考数字3表示平面辐射元件；参考数字4表示绝缘筒(支撑筒)；参考数字5表示馈入点；参考数字b表示馈线(同轴线或同轴电缆)。
圆形、四边形等形状的微带平面天线(MSA)起着圆形极化天线的作用，如果绝缘基片1c的相对介电常数、直径和粘在绝缘基片1c上的补钉状辐射元件1b的尺寸以及馈入插头1a的位置等参数设计得合适，它便具有所要求的频率。
然而，应当以谐振频率和馈入插头1a为基础仔细调节的阻抗匹配，因为它取决于平面辐射元件的形状与放置位置以及取决于电气连接装置。在基于馈入插头1a位置的阻抗匹配方面，需要偏离绝缘基片1c的中心以便满足馈线6的特征阻抗(通常为50Ω)的要求。这种偏移会导致高频涡流，因而造成辐射模式失真。
图1示出了本发明的实施例。其中，微带平面天线(MSA)1的工作频率大约为1.6GHz。圆形补钉状辐射元件1b被粘贴在圆形绝缘基片1c上。微带平面天线(MSA)1的接地导板1d靠绝缘筒4支持，绝缘筒4的直径与接地导板1d的直径基本相同。弯曲度与绝缘筒4的圆周弯曲度一致的四个相同的平面辐射元件以等距或正常距离粘贴在绝缘筒4的整个圆周面上。
平面辐射元件3不一定要求弯曲，它们在没有被弄弯的情况下也可以进行安装。平面辐射元件3的数量最好为4个或4个以上。
此外，最好使绝缘基片1c的厚度与平面辐射元件3的纵向尺寸基本相同。为了获得全向辐射模式，应将平面辐射元件分布与放置在直径与微带平面天线(MSA)1的直径基本相同的圆周面上，这一点很重要。接地导板1d通过导线(电气耦合装置2)与平面辐射元件3电气耦合。接地导板1d是微带平面天线(MSA)1与平面辐射元件3的公共接地导体。
绝缘基片1c的相对介电常数大约为20，直径大约为30mm，厚度大约为10mm。绝缘筒4的相对介电常数大约为4，直径大约为30mm，高度大约为20mm。绝缘基片1c的厚度与平面辐射元件3的纵向尺寸基本相同。
在这个实施例的天线方面，微带平面天线(MSA)1在低射角情况下的水平极化分量灵敏度通过以平面辐射元件3的相反方向流过的高频电流的作用得到了提高，而垂直极化分量灵敏度则通过以元件3的纵轴方向流过的高频电流的作用得到了提高。
与以上天线相比，在按照图12所示传统技术的结构中，尽管垂直极化分量灵敏度得到了提高，但由于高频电流很难水平流动，因而在低射角情况下轴向比很大。
在按照本发明的图1所示的实施例中，四个平面辐射元件被做成矩形并被放置在绝缘筒4的同一个侧圆周面上。然而，本发明并不局限于这一实施例，例如，可以按照所要求的卫星通信系统的卫星运行轨道，卫星运行高度等因素将图2A到2D、图3A到3K等各种平面辐射元件很好地组合起来。
图2A到2D示出了平面辐射元件的典型基本形状。这些基本形状包括图2A所示长度的矩形、图2B所示的矩形、图2C所示的正方形和图2D所示的三角形。
图3A到3K示出了平面辐射元件的典型改进形状。这些形状包括图3A到3E所示的不规则形状，图3F所示的斜面形状，图3G和3H所示的齿口形状，图3I和3J所示的空心形状(框架状形状)和图3K所示的凹口形状。
此外，按照本发明，图4A到4C、图5A到5C和图6A到6E所示的各种电气耦合装置的结构可以很好地与图2A到2D和图3A到3K所示的各种平面辐射元件相组合。
图4A到4C示出了导板1d与平面辐射元件3之间用电气耦合装置2耦合的耦合位置结构示例。
图5A到5C是表示电气耦合装置2(电气耦合部分)的耦合系统的各个示意图。图5A表示导板1d与平面辐射元件3之间通过由导线构成的电气耦合装置2进行DC耦合。图5B表示上述两者之间通过由电容元件构成的电气耦合装置2进行容性耦合。图5C表示上述两者之间通过由电感元件构成的电气耦合装置2进行感性耦合。
图6A到6E示出了宽度和长度互不相同的电气耦合装置2的结构示例。其中，图6A到6C示出了长度各不相同的电气耦合装置2的结构示例，图6D和6E示出了宽度各不相同的电气耦合装置2的结构示例。
可以有选择地将图2A到2D、图3A到3K、图4A到4C、图5A到5C及图6A到6E所示的各种平面辐射元件与各种电气耦合装置很好地组合起来作为定位元件以便获得所要求的天线辐射模式。由于有如上所述的许多种组合，因此用于获取所要求的天线辐射模式的设计自由度非常大。
另外，图7A和7B示出了装有辐射模式失真校正装置的例子，它能对因馈线影响而产生的辐射模式失真进行校正。
图7A是广角圆形极化天线的侧面剖视图，图7B是从底部观察的广角筒形极化天线图，它示出了绝缘筒4的内部情况。椭圆形导体7(见图7B)用作为校正装置，馈线穿过导体7。图7A和7B中没有画出粘贴在绝缘筒4的弯曲面上的平面辐射元件3和电气耦合装置2。
图7C是另一个辐射模式失真校正装置的剖视图。在这种结构中，馈线6被绝缘体8所包围。
当广角圆形极化天线与移动无线电设备外壳分开安装时，图7C所示的结构与移动无线电设备一起可以作为移动无线电设备外壳上与设备相隔预定距离的广角圆形极化天线的固定支撑装置。
图8A和8B示出了一种结构，其中，广角圆形极化天线可以紧靠移动无线电设备外壳或远离移动无线电设备外壳。
也就是说，图8A和8B是表示按照本发明的广角圆形极化天线与移动无线电设备连接的主要连接部件的示意性剖视图。
如图8A和8B中的每个图所示，设置了装有内置馈线的绝缘体以便该绝缘体能被很好地推入到移动无线电设备外壳9内或被拉出到移动无线电设备外壳9外。
在图8A和8B中，参考数字10代表移动无线电设备电路。结构与按照本发明图7c所示的天线相同的广角圆形极化天线被装在绝缘体8的顶部。
在图8A和8B所示的这个实施例中，弹性物体被装在绝缘体8外圆周上。也就是说，绝缘体8被放置在作为弹性物体的弹簧11的里面。
当广角圆形极化天线被拉到设备外壳9的外面(见图8A)时，弹簧11便产生弹性力(用于推动和打开广角圆形极化天线和设备外壳的力)以便绝缘体8将广角环形极化天线固定支撑在远离设备外壳9的预定位置上。
另一方面，当绝缘体8被推入到设备外壳9内时(见图8B)，广角圆形极化天线被克服了弹簧11的排斥力的合适的联锁装置(没有画出)固定在移动无线电设备外壳9的附近。
图9A、9B、10和11示出了按照本发明实施例中的广角圆形极化天线的史密斯曲线、VSWR、辐射模式等测量例子。
图13示出了按照本发明广角圆形极化天线的另一个实施例。
图13中与图1部件用相同的参考数字表示，此处省略了对以上这些部件的说明。
在图13所示这个实施例中的天线组成部件中，直线辐射元件12和斯皮尔拓夫结构13是图1所示的天线所没有的。
斯皮尔拓夫结构13由放置在同轴线6上的导体柱13a构成，同轴线6和导体柱13a在位于微带平面天线(MSA)的一侧断开，同轴线6的外部导体连接到导体柱13a以便MSA对侧的端部13b短路。
这种结构的斯皮尔拓夫结构13的电气长度大约选为1/4波长或1/2波长。
四个直线辐射元件12的电气长度大约为1/4波长，它们与四个平面辐射元件3交替放置在绝缘筒4的侧面。每个直线辐射元件12的一端与接地导板1d电气连接，而元件12的另一端则连接到导体柱13a的表面。
用图13实施例中的这种方式，提供了复合辐射元件结构，其中，除了平面辐射元件3之外，还有直线辐射元件12。
在图13的实施例中，绝缘基片1c的相对介电常数为29，直径为28mm，厚度为10mm。绝缘筒4是用中介常数约为6.5、直径为28mm、高度为20mm、厚度为2mm的陶瓷材料(镁橄榄石)制成的。直线辐射元件12是直径为0.6mm的导线。斯皮尔拓夫结构13上的导体柱13a的外径为6mm。
用外径为2.2mm的半刚性电缆作为同轴线6。同轴线6中的中心导体的一端连接到馈入插头1a上，另一端连接到导体15上。每个平面辐射元件13的长为10mm，宽为15mm。每个电气耦合装置2的长为5mm，宽为2mm。斯皮尔拓夫结构13放置在平面辐射元件3的下方。
在图13中的广角圆形极化天线方面，微带平面天线(MSA)1在低射角情况下的水平极化分量灵敏度通过以平面辐射元件3的相反方向流过的高频电流的作用得到了提高，而微带平面天线(MSA)1在低射角情况下的垂直极化分量灵敏度则通过以元件3的纵轴方向流过的高频电流和沿直线辐射元件12流过的高频电流的作用得到了提高。
如上所述，在本发明的这个实施例中，四个矩形平面辐射元件被放置在绝缘筒4的同一个侧的圆周面上。然而，本发明并不局限于此，例如，可以按照所要求的卫星通信系统的卫星运行轨道、卫星运行高度等因素将各种形状的平面辐射元件3很好地组合起来。此外，至于直线辐射元件13和斯皮尔拓夫结构13，可以通过调节直线辐射元件与斯皮尔拓夫结构的长度或调节它们的耦合位置来控制轴向比或增益。
图14A和14B是图13中的天线在低射角情况下的辐射特性图，图14A说明垂直极化分量，图14B说明水平极化分量。
图15是用于说明本发明另一个实施例的广角圆形极化天线的透视图。图15中与其它附图相同的部件也相应地用相同的参考数字来表示。
在图15所示的实施例中，无线电波吸收材料14被填充到图1所示天线上的绝缘筒4的内部，它作为辐射模式失真校正装置。
在四个平面辐射元件3的内部，无线电波吸收材料14消除了馈线6与平面辐射元件3之间的干扰。因此，水平极化分量辐射模式和垂直极化分量辐射模式基本一致。
图16A和16B是图13所示天线(其中，无线电波吸收材料被填充到绝缘筒4的内部与平面辐射元件相对应的位置上)的辐射特性图，图16A表示垂直极化分量的测量结果，图16B表示水平极化分量的测量结果。
如果将图16A和16B的特性与图14A和14B的特性进行比较，便可清楚看出图16A和16B所示的填充了无线电波吸收材料的实施例的效果要优于图14A和14B所示的没有填充无线电波吸收材料的实施例的效果。
工业应用
如上所述，按照本发明能够提供一个在低射角情况下能获得圆形极化中的水平极化分量灵敏度并且在实际使用时即使垂直极化分量被树木等物体吸收也能维持通信灵敏度的广角圆形极化天线。

Claims (9)

1、一种广角圆形极化天线，包括；
圆形极化方式的微带平面天线，它具有起公共接地导体作用的导板和通过绝缘层放置在所述导板上以便与所述导板平行的补钉状辐射元件；和
多个放置在所述导板下方的所述平面辐射元件；
所述导板与所述各个平面辐射元件通过电气耦合装置耦合。
2、根据权利要求1所述的广角圆形极化天线，其中，所述多个平面辐射元件被放置在所述导板下方的圆周面上，所述圆周面具有与所述微带平面天线基本相同的直径。
3、根据权利要求1所述的广角圆形极化天线，其中，多个直线辐射元件装在所述导板的下方，所述多个直线辐射元件与所述导板电气耦合，它们被放置在具有大致与所述微带平面天线相同直径的圆周面上以便与所述多个平面辐射元件交替。
4、根据权利要求1所述的广角圆形极化天线，其中，在所述微带平面天线的馈线中设置了斯皮尔拓夫结构。
5、根据权利要求1所述的广角圆形极化天线，其中，所述多个平面辐射元件被放置在所述导板下方的圆周面上，所述圆周面具有与所述微带平面天线基本相同的直径，所述天线还包括辐射模式失真校正装置，该装置中包含导体、绝缘体或无线电波吸收材料，它被装在所述导板的下方以便被所述多个辐射元件包围。
6、一种广角圆形极化天线，包括：
圆形极化方式的微带平面天线，它具有起公共接地导体作用的导板和通过绝缘层放置在所述导板上以便与所述导板平行的补钉状辐射元件；
放置在所述导板下方的多个平面辐射元件和多个直线辐射元件；
用于将所述导板与所述各个平面辐射元件和所述各个直线辐射元件的一端耦合的电气耦合装置；
装在所述微带平面天线的馈线上的斯皮尔拓夫结构。
7、根据权利要求6所述的广角圆形极化天线，其中，所述多个平面辐射元件和所述多个直线辐射元件被放置在所述导板下方的圆周面上，所述圆周面的直径与所述微带平面天线的直径基本相同。
8、根据权利要求6所述的广角圆形极化天线，其中，所述直线辐射元件的另一端与所述斯皮尔拓夫结构电气耦合。
9、根据权利要求6所述的广角圆形极化天线，其中，所述多个平面辐射元件和所述多个直线辐射元件被放置在所述导板下方的圆周面上，所述圆周的直径与所述微带平面天线的直径基本相同，所述天线还包括辐射模式失真校正装置，该装置包含导体、绝缘体或无线电波吸收材料，它被装在所述导板的下方以便被所述多个辐射元件包围。
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