CN1669185A

CN1669185A - 螺旋天线

Info

Publication number: CN1669185A
Application number: CN03816839.1A
Authority: CN
Inventors: 约翰·S·克拉格斯; 克里斯多夫·B·梅尔曼
Original assignee: MARINE WATCH Ltd
Current assignee: MARINE WATCH Ltd
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2023-06-03
Also published as: EP1514329A4; EP1514329B1; CA2488911A1; NZ537323A; WO2003107483A1; US20060001591A1; TWI277239B; CN100499265C; EP1514329A1; TW200404385A; US7292203B2

Abstract

公开了一种天线元件，其具有：一个接地面(106)；一个设置在该接地面(106)之上的螺旋(104)，该螺旋(104)在位于该接地面(106)附近的螺旋端(214)处可与一个通信设备连接；以及，一个大致以该螺旋(104)的轴(100)为中心的螺线(102)，该螺线(102)具有与另一个螺旋端连接的外端，从而所述螺线(102)终止该天线。

Description

螺旋天线

技术领域

本发明总体上涉及天线，尤其涉及螺旋天线。

背景技术

在移动卫星系统(MSS)网络中，移动终端上的天线性能对于确定整个系统的性能是关键性的。全球已经进行了大量与适用于这种网络里的终端的天线设计的性能和实现有关的开发工作。

由于它们的低物理姿势(low physical profile)以及理论上大于7分贝的峰值增益，最初考虑贴片(patch)天线。但是，在具体实现上，只达到低得多的峰值增益。另外，这些天线频率带宽性能窄，并且外瞄准角(off-boresight angle)上轴比性能差，从而覆盖区典型地限于25度仰角。

通过采用涉及利用相控驱动网络驱动多个天线元件的相控阵技术解决上面提到的低天线增益的问题。这能在容许各个天线元件增益较低的情况下达到较高的总天线增益。采用人工或自动天线定向的贴片天线的高增益相控阵列天线结构典型地可提供9分贝和18分贝之间的天线增益。但是，相控阵驱动网络在天线结构中引入不希望的损耗，并且在宽范围操作频率设计上是复杂的。

在MSS网络中已经采用使用多个螺旋天线或贴片天线元件的低增益无源天线，其天线增益典型地达到6分贝。

发明内容

本文公开的天线概念提供一种简单的中等增益天线，其基于用螺线终止的低姿势螺旋。这种天线提供明显比贴片天线结构高的天线增益。

依据本发明的第一方面，提供一种天线元件，包括；

一个接地面；

一个设置在该接地面之上的螺旋，该螺旋在位于该接地面附近的螺旋端处可与一个通信设备连接；以及

一个大致以该螺旋的轴为中心的螺线，该螺线具有一个与另一个螺旋端连接的外端，从而所述螺线终止该天线。

依据本发明的另一个方面，提供一种天线，包括：

一个相控阵馈送网络，其具有一条用于与通信设备连接的设备馈线以及多条用于与多个类似的天线元件连接的元件馈线，所述相控阵馈送网络适用于把所述多个天线元件共同地连接到该通信设备上；以及

所述多个螺旋天线元件按多米诺图案排列，每个所述螺旋天线元件包括一个接地面和一个设置在该接地面之上的螺旋，该螺旋在位于该接地面附近的螺旋端处可与一个通信设备连接，每个所述螺旋天线元件在各自位于该接地面附近的螺旋端可分别与该相控阵馈送网络的对应元件馈线连接，从而与该通信设备连接。

依据本发明的另一方向，提供一种天线，包括；

一个接地面；

多个设置在该接地面之上的螺旋元件，每个所述螺旋可在该接地面附近的螺旋端通过关联相控阵馈送网络的一条对应的馈线与一个通信设备连接；以及

多条类似的螺线，每条螺线大致以该多个螺旋元件中的一个对应螺旋元件的轴为中心，所述每条螺线具有一个与该多个螺旋元件中的一个对应螺旋元件的另一个螺旋端连接的外端，所述螺线从而终止对应的螺旋元件。

依据本发明的另一个方面，提供一种天线，包括；

一个接地面；

多个设置在该接地面之上的螺旋元件，每个所述螺旋元件可在该接地面附近的螺旋端通过关联切换元件馈送网络的一条对应馈线与一个通信设备连接；以及

依据本发明的另一个方面，提供一种天线，包括

所述多个螺旋天线元件设置在所述接地面之上并按矩形网格图案排列，所述矩形网格图案具有其各行间的第一间距以及其各列间的第二间距，每个所述螺旋天线元件在各自位于该接地面附近的螺旋端处可分别与该相控阵馈送网络的对应元件馈线连接，从而和该通信设备连接。

依据本发明的另一方面，提供一种阻抗匹配天线元件的方法，其中该天线元件包括：一个接地面；一个设置在该接地面之上的螺旋，该螺旋在位于该接地面附近的螺旋端处可与一个通信设备连接；以及一个大致以该螺旋的轴为中心的螺线，该螺线具有一个与另一个螺旋端连接的外端，从而所述螺线终止该天线，所述方法包括步骤：

调整从该接地面到位于该接地面附近的该螺旋端的距离，从而调整在该接地面和该螺旋的第一四分之一匝之间形成的锥形传输线的阻抗。

本说明书还公开了本发明的其它方面。

附图说明

现参照附图说明本发明的一个或更多的实施例，附图中；

图1示出所公开的螺旋天线；

图2示出该天线的侧视图和平面图；

图3示出该天线的典型方位角辐射图；

图4A示出采用该天线的切换天线结构；

图4B示出图4A中的结构的切换方位角天线增益图；

图5示出该天线的仰角图；

图6示出用于采用螺旋天线元件的相控阵列天线的馈送网络；

图7示出图6的阵列天线的元件间距离；

图8是图6的天线的等角图；

图9示出图8的阵列天线的天线辐射图；

图10描述采用螺旋元件的阵列天线，每个螺旋天线具有20个螺旋匝；

图11示出图10的阵列天线的天线辐射图；

图12示出设置在一个公共接地面上的二个天线阵；

图13示出图12的发射/接收阵的等角图；以及

图14示出另一种采用螺旋天线元件的阵列天线。

具体实施方式

当在一张或多张附图中参照具有相同参照数字的步骤和/或特征时，除非出现相反的意图，这些步骤和/或特征用于描述相同功能或操作。

图1示出所公开的螺旋天线。该天线包括一个导电接地面106，在其上设置螺旋线圈104(在本说明书中交替地称为“螺旋”、“螺旋线圈”等等)该螺旋线圈通过螺线102在该螺旋线圈上端电气地终止。该螺旋天线描绘成具有垂直轴100。

在一优选实施例中，螺旋线圈104的匝数在1.5和3.5之间。但是，可采用其它匝数。另外，在周长上螺旋104约为1波长加减10％波长。另外，螺线102在垂直于轴100的扁平布局中匝数在2和4之间。

尽管在图1中把接地面106描绘成圆形，实际上接地面106的范围不是关键性的，只要面积上它具有比三分之二波长大的直径即可。

图2示出螺旋104和螺线102的侧视图224以及它们的平面图232。转到侧视图224，螺旋104具有一个设置在接地面106上方距离216处的第一端214。螺旋104的第一端214具有绕轴100的径向位置，如在平面图232中用参照数字214’描述的那样。

当按顺时针方向缠绕时螺旋104产生右旋圆极化，而当按逆时针方向缠绕时产生左旋圆极化。螺旋的匝数典型地在1.5和3.5间变化，不过匝数可超出这个限制变化。

图2中的螺旋104描述一种螺旋例子，其从第一端214开始沿逆时针方向缠绕并且包括三又四分之一匝。该三又四分之一匝包括第一匝212-210，第二匝208-206，第三匝204-202，以及最后四分之一匝200。螺旋104的最后四分之一匝200从用箭头214’表示的径向位置延伸到用箭头238表示的、为螺旋104的上端的径向位置。在径向位置238处，螺旋的上端和螺线102的外端连接。

从第一端214延伸到点246的螺旋104的第一四分之一匝描述相对于虚线222的一个角244。螺旋104的其余部分以水平参照线222为基准按螺旋角220均匀缠绕，该角可在3到7度之间变化。可以调整角244以在螺旋104的输入端达到期望的阻扰。尽管该角被描绘成大于螺旋角220，这仅是示意性的，并且可以根据期望的阻抗采用其它角度。另外，尽管在图2的点246处出现角244和220之间的急剧改变，实际中可采取平稳的角过渡。

角244和螺旋第一端214离接地面106的距离216一起建立一个位于离螺旋第一端214的四分之一匝处的距离228。在平面图232中用参照数字238描述该距离228的径向位置。螺旋104在214和238之间的四分之一匝段和接地面106形成锥形传输线。如指出那样，可以有利地调整距离216，例如，通过调整角244，以便按需要匹配螺旋104的输入阻抗。

螺旋104具有第二端242，在本结构中该端离螺旋104的第一端214为三又四分之一匝。在用参照数字238表示的径向位置处，螺线102通过其外端与螺旋104的第二端242连接。螺线102具有均匀的匝间螺距236，并且从上述的与螺旋的第二端242相连接的外端向内盘旋到螺线102的内端234。也可以采用其它类型的螺线。

在一优选结构中，螺线102位于相对于轴100水平的平面中。但是，在其它结构中可把螺线102形成为指向上或指向下的锥形。

代替利用在214、238和接地面106之间的螺旋104的四分之一匝段形成锥形传输线，可以采用其它阻扰匹配技术，例如四分之一波长传输线匹配段，把螺旋104的第一端214连接到预期的通信设备从而实现期望的阻扰匹配。

螺旋可以用缠绕在支持该螺旋和螺线的低损耗、低介电常数框架上的导线制成。替代地，可以在薄的低损耗介质膜上蚀刻铜并接着滚成柱体来形成螺旋。这二种方法都对可靠操作提供必需的机械支持并且对辐射波的干扰最小。

在1GHz和8GHz之间的频带下使用该天线元件是有益的，不过也可以在该频带之外使用它。另外，发现增加终止螺旋104的螺线102可提供改进的射束成形并且显著减小天线轴比。该天线理想地适用于经卫星到车辆、船只或飞机的双向通信。该天线是紧凑、表示圆极化的低姿势辐射器，从而使它理想地适用于尺寸和性能至关重要的场合，例如海上、航空和陆地运输服务。

图3示出图1的天线的典型辐射图，可看出和其它类似尺寸的天线类型相比它具有高辐射功率增益。

图1的天线具有低姿势和紧凑的结构，从而使它在单独使用时成为理想的辐射器。它还可以在天线阵中充当辐射元件。另一个优点是，由于该天线例如比贴片天线元件提供更高的单个天线增益，为了根据所需方向选择各个天线元件，可以用简单的低损耗天线切换网络代替为了驱动相控阵中的多个天线元件所需要的复杂的移相网络。

图4A示出切换元件结构400的部分结构。普通全向天线结构使用包括依据图1结构的小天线的一系列6到8个切换元件，去除切换网络损失后，每个天线具有至少8分贝的峰值增益。为便于描述，图4A仅描述虚线404和422之间的单个90°象限。在天线机座418上设置三个天线元件406、402和420。天线元件406、402和420排列成使它们的射束角指向各自的用虚箭头404、424和422分别表示的方向。通过各自的馈线410、416和414，天线元件406、402和422连接到切换结构408，然后通过连接412与通信设备连接。该设备可以是发射器、接收器或者是和这二者连接以便同时发射/接收的双工器。

很清楚，还可以通过引入一个代替图4A中示出的切换馈送网络的相控阵馈送网络来把依据图1结构的天线包含到相控阵中，从而形成一个相控阵列天线。将按照图6-14对此作出更详细的说明。

图4B描述和各个天线元件406、402和420关联的天线射束426、430和434，这些射束沿着用分别对应于图4A中的方向404、424和422的虚箭头404’、424’和422’表示的方向来定向。

从可操作观点来看，例如，可通过利用切换结构408把线412切换到馈线410来选择射束426。类似地，可以通过利用切换结构408把连接412切换到馈线414来选择射束434，依此类推。

图5示出图1所示天线的仰角图。最大天线增益超过9分贝并且仰角上的宽覆盖为20到70度。

如果需要，可以通过包含一个指向天顶的额外天线元件来改善天顶上的覆盖。

对于非移动应用，仅仅近似地人工定位天线的单个螺旋也是有吸引力的。

图6示出用于一个采用五个前面所描述的螺旋天线元件的相控阵列天线的馈送网络600，这些天线元件排列在一个多米诺配置中。可以按多种不同的方式实现图6中所描述的馈送网络，例如包括微带和带状线。当图6中的阵列天线用作发射阵时，信号602在603处输入并且流过分配器网络(divider network)604。能量流到另一个分配器605并且沿着馈线613和614分别分配到螺旋天线元件601和608。为了不模糊馈送网络600的细节，以虚线形式示出上述的螺旋天线元件。

还通过分配器604把输入信号602分配到另一个分配器606，后者沿着馈线616向螺旋天线元件615提供能量。分配器606还对另一个分配器607提供信号功率，该分配器607沿着馈臂610和611分别对螺旋天线元件609和612提供信号。

在图6中是按发射阵中的组成部分来描述馈送网络600的，但是很明显，同样的天线阵可充当接收天线阵，在此种情况下箭头应按相反方向取向。

在结构600中，从输入603到每个辐射元件601、608、615、609和612使用长度相同的馈线。此外，对每个辐射元件传送的能量是相同的，从而在该示出的例子中采用“均匀振幅加权”。但是明显地，可以在馈线长度和/或振幅加权上采取各种变型以实现特定的阵列天线特性。天线元件601、608、615、609和612设置在公共接地面例如图13中的1211上。

图7示出不带有馈送网络600的螺旋天线元件601、608、609和612的平面图。中心螺旋天线元件615位于离天线元件601径向元件间距离702处。径向元件间距离702可在天线阵操作频率上的0.5λ到2.5λ之间变化。径向元件间距离705、706和703等于径向元件间距离702。螺旋天线元件601和608之间的元件间距离701可对应地在该天线阵操作频率上的0.7λ到3.5λ之间变化。元件间距离704、708和707在长度上和元件间距离701相等。相对图7描述的元件间间距还可应用到相对图8、10、12、13和14描述的其它阵列天线结构中。

图8是五个螺旋天线元件801-805的等角图800，每个元件具有五个螺旋匝，这些元件按图7中示出的元件间间距设置在一个公共接地面上。每个螺旋天线元件801-805示成定位在接地面段806上，但是如已指出那样，所有天线元件801-805安装在一个公共的接地面上，例如如图13中示出那样。

图9示出图8的阵列天线的天线辐射图900。该阵列天线的增益是在垂直轴901以分贝为单位表示功率增益以及水平轴902以度为单位表示角偏移的情况下绘出的。水平轴902的角偏差是相对图8所描述的阵的“瞄准线”轴测量的。对于图8的阵，该瞄准线是螺旋803的轴，其相当于图1中的轴100。图9中示出三条用参照数字903-905表示的天线增益图，它们描述对图8的阵列天线，为阵列天线800在0度，45度和90度的相对横向定位下测得的阵列天线增益。

图10描述与图8的阵列天线相似的阵列天线1000，但其采用各具有20个螺旋匝的螺旋元件。已经发现，随着螺旋元件中的匝数的增加，天线元件的轴比减小，从而减小用螺线终止元件的要求。用于例如图2中所示的低姿势螺旋元件、可参照水平基准线222在3到7度之间变化的螺旋螺旋角220(见图2)随着螺旋元件中的匝数的增加而增加，该螺旋角增加到10-14度范围内的一个值。阵1000包括五个螺旋天线元件1001-1005，它们按和图8相似的方式设置。螺旋元件1001-1005设置在用1006表示的公共接地面上。

图11描述图10的阵列天线1000的阵增益辐射图1100。该辐射图是在垂直轴1101以分贝为单位表示功率增益以及水平轴1102以度为单位表示对阵列天线1000的膛线轴的角偏移的情况下绘出的。图11中绘出三条增益图1103-1105，分别表示阵列天线1000在0度，45度和90度的相对横向转动下的阵列天线增益。

图12示出如何把二个例如在图8和10中描述的天线阵设置在一个公共接地面上，以便分别充当发射阵和接收阵。在图12中，一个阵用大的散列圆圈1201-1205描述，而第二个阵用较小的散列圆圈1026-1210描述。由辐射元件1206-1210构成的阵相对于由辐射元件1201-1205构成的阵横向转动，以使二个阵的元件间的元件间间距为最大。每个不同阵内的元件间间距和相对图7说明的元件间间距是一致的。在图12中，二个所描述的阵的相对元件间间距是不同的，因为它们按不同的频率工作，一个频率对发射功能分配，以及另一个频率对接收功能分配。

图13是图12的发射/接收阵的等角视图1300。用于一个阵的各个辐射元件1201-1205以及用于第二个阵的元件1206-1210示成安装在公共接地面1211上。中央辐射元件1208位于中央辐射元件1203内。

图14示出另一种采用相对图8、10和13说明的螺旋天线元件的结构1400。在图14中，螺旋辐射元件1401-1416排列在一个矩形网格结构中，其中水平元件间间距用箭头1418表示并且垂直元件间间距用箭头1417表示。

根据上面的描述，很清楚所说明的方案可应用于移动通信业。

上面只是说明本发明的一些实施例，从而在不背离本发明的范围和精神下可做出各种修改和改变，各实施例是示意性的并且不是限制性的。

Claims

1.一种天线元件，包括；

一个接地面；

一个大致以该螺旋的轴为中心的螺线，该螺线具有与另一个螺旋端连接的外端，从而所述螺线终止该天线。

2.依据权利要求1的天线元件，其中该螺旋的轴大致垂直于该接地面。

3.依据权利要求1的天线元件，其中该螺线位于一个大致和该螺旋的轴垂直的平面中。

4.依据权利要求1的天线元件，还包括连接在该通信设备和该螺旋位于接地面附近的端之间的锥形传输线。

5.依据权利要求1的天线元件，其中：

该螺旋具有：(a)1.5到3.5之间的匝数，(b)3到7度之间的螺旋角，以及(c)0.9到1.15波长之间的周长；以及

该螺线具有1到4之间的匝数。

6.依据权利要求1的天线元件，其中：

该螺旋具有：(a)3.5到40之间的匝数，(b)10到14度之间的螺旋角，以及(c)0.9到1.15波长之间的周长；以及

该螺线具有1到4之间的匝数。

7.一种天线，包括：

一个切换元件馈送网络，其具有一条用于与通信设备连接的设备馈线以及多条用于与多个类似天线元件连接的元件馈线，所述切换元件馈送网络适用于把选定的一个天线元件连接到该通信设备；以及

依据权利要求1的所述多个螺旋天线元件，所述螺旋天线元件设置在所述接地面之上，每个所述螺旋天线元件在各自位于该接地面附近的螺旋端处可分别与该切换元件馈送网络的对应元件馈线连接，从而和该通信设备连接。

8.一种天线，包括：

依据权利要求1的所述多个螺旋天线元件，所述螺旋天线元件设置在所述接地面之上，每个所述螺旋天线元件在各自位于该接地面附近的螺旋端处可分别与该相控阵馈送网络的对应元件馈线连接，从而和该通信设备连接。

9.依据权利要求8的天线，其中该多个螺旋天线元件排列成多米诺图案。

10.一种天线，包括：

所述多个螺旋天线元件按多米诺图案排列，每个所述螺旋天线元件包括一个接地面和一个设置在该接地面之上的螺旋，该螺旋在位于该接地面附近的螺旋端处可与一个通信设备连接，每个所述螺旋天线元件在各自位于该接地面附近的螺旋端处可分别与该相控阵馈送网络的对应元件馈线连接，从而和该通信设备连接。

11.依据权利要求9或10的天线，其中：

在所述多米诺图案中，中央天线元件和各角落上的天线元件之间的径向元件间间距为在天线操作频率上的0.5λ到2.5λ之间。

12.依据权利要求9或10的天线，其中：

所述二个天线中的第一天线的中央螺旋天线元件与所述二个天线中第二天线的中央螺旋天线元件位于同一地点；以及

所述二个天线的第一天线相对于所述二个天线的第二天线横向转动，所述横向转动围绕位于同一地点的中央螺旋天线元件的共用轴，从而改变所述二个天线的天线元件之间的元件间间距。

13.一种天线，包括：

一个接地面；

多个设置在该接地面之上的螺旋元件，每个所述螺旋可在该接地面附近的螺旋端通过关联相控阵馈送网络的一条对应馈线与一个通信设备连接；以及

多条类似的螺线，每条螺线大致以该多个螺旋元件中的一个对应螺旋元件的轴为中心，所述每条螺线具有与该多个螺旋元件中的一个对应螺旋元件的另一个螺旋端连接的外端，从而所述螺线终止对应的螺旋元件。

14.一种天线，包括：

一个接地面；

多个设置在该接地面之上的螺旋元件，每个所述螺旋可在该接地面附近的螺旋端通过关联切换元件馈送网络的一条对应馈线与一个通信设备连接；以及

15.一种天线，包括：

一个相控阵馈送网络，其具有一条用于与通信设备连接的设备馈线以及多条用于和多个类似的天线元件连接的元件馈线，所述相控阵馈送网络适用于把所述多个天线元件共同地连接到该通信设备上；以及

依据权利要求1的所述多个螺旋天线元件，所述螺旋天线元件设置在所述接地面之上并且按矩形网格图案排列，所述矩形网格图案具有该矩形网格图案各行间的第一间距以及其各列间的第二间距，每个所述螺旋天线元件在各自位于该接地面附近的螺旋端处可分别与该相控阵馈送网络的对应元件馈线连接，从而和该通信设备连接。

16.一种天线，包括：

所述多个螺旋天线元件设置在所述接地面之上并且按矩形网格图案排列，所述矩形网格图案具有该矩形网格图案各行间的第一间距以及其各列间的第二间距，每个所述螺旋天线元件在各自位于该接地面附近的螺旋端处可分别与该相控阵馈送网络的对应元件馈线连接，从而与该通信设备连接。

17.一种用于对天线元件进行阻抗匹配的方法，其中该天线元件包括：一个接地面；一个设置在该接地面之上的螺旋，该螺旋在位于该接地面附近的螺旋端处可与一个通信设备连接；以及一个大致以该螺旋的轴为中心的螺线，该螺线具有一个与另一个螺旋端连接的外端，从而所述螺线终止该天线，所述方法包括步骤：

调整从该接地面到位于该接地面附近的该螺旋端的距离，从而调整在该接地面与该螺旋的第一个四分之一匝之间形成的锥形传输线的阻抗。