專利名稱：雙頻段8螺旋線螺旋天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及螺旋天線，尤其涉及具有兩組交錯4輻射體的雙頻段螺旋天線。本發(fā)明還涉及輻射體單元的無源激活和單信號輸入饋電結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
當(dāng)代已開發(fā)出許多通信和導(dǎo)航產(chǎn)品，借助地球軌道衛(wèi)星提供所需通信和導(dǎo)航信號。此類產(chǎn)品的例子有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星跟蹤和定位系統(tǒng)，以及依靠衛(wèi)星在地球站上之間轉(zhuǎn)發(fā)通信信號的通信系統(tǒng)。這些衛(wèi)星可組成各種已知衛(wèi)星星座的一部分，并以各種軌道高度運轉(zhuǎn)，如低地球軌道(LEO)、中地球軌道(MEO)，或者說，在地球同步軌道上運轉(zhuǎn)。
電子技術(shù)在封裝、功耗、小型化和生產(chǎn)方面的進(jìn)步，其結(jié)果一般已能以對商業(yè)用戶和個體消費者有吸引力的價格，利用便攜封裝的上述產(chǎn)品。然而，其中需要進(jìn)一步開發(fā)的領(lǐng)域是用來與衛(wèi)星通信的天線。適當(dāng)頻率范圍合用的天線一般會大于便攜設(shè)備配用的所需天線。往往采用微帶技術(shù)實現(xiàn)這些天線。然而，該類天線中，饋電網(wǎng)絡(luò)常會大于要求的尺寸，或呈現(xiàn)特性不符合要求。
此外，在不同頻率進(jìn)行收、發(fā)信的應(yīng)用場合，雙頻段天線僅在小于所需形狀時可用。可設(shè)置雙頻段天線的一種方法是端對端堆疊2組單頻段4螺旋線螺旋天線，從而形成一個同軸圓柱體。然而，這種解決辦法的缺點是該天線長于便攜或手持所要求的尺寸。
另一種提供雙頻段性能的技術(shù)是利用分別調(diào)諧在一個頻率上的2副單頻段天線。然而，對手持機(jī)來說，這2副天線必須位置相互貼近。不幸的是，手持機(jī)上相互貼近的2副天線造成該機(jī)龐大不美，不符合需要。同時，用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器傳送信號時，通信信號圓極化，或通過與大氣交互作用變成圓極化，因而需要圓極化性能良好的天線。
因此，需要的是一種工作于2個頻率，且封裝小到足以適合便攜和/或手持應(yīng)用的天線。還希望天線的饋電結(jié)構(gòu)減小成一個輸入連接多種用途。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種雙頻段8螺旋線螺旋天線。在一較佳實施例中，將天線輻射體蝕刻在微帶基片的輻射體部分，饋電網(wǎng)絡(luò)在蝕刻在該基體上。對發(fā)射操作，饋電網(wǎng)絡(luò)接納輸入信號，并進(jìn)行需要的功率分配和相位控制(或調(diào)整)，提供天線輻射體饋電所需的信號相位。對接收操作，饋電網(wǎng)絡(luò)接納并組合輻射體接收的信號。這里對饋電網(wǎng)講述的是提供具有適當(dāng)相對相位的信號，以對輻射體提供發(fā)送信號。應(yīng)理解為這些網(wǎng)絡(luò)也進(jìn)行接收。
在一較佳實施例中，此雙頻段天線具有4個諧振(匹配)于第一頻率的輻射體，該組輻射體又與第二組諧振于和第一頻率不同的第二頻率的4個輻射體交錯。對衛(wèi)星通信有效的一組頻率用例如為一頻率為另一頻率的1.5倍。輻射體組長度不同，以工作于不同頻率，而且上端附近間距可變，以配制天線輻射圓。這點尤其適用于兩組中較長的一組超越另一組的部分。即，兩組輻射體在位置相互貼近部分間距相同，而較長的一組在伸越較短的一組的部分可有不同間距。這兩組交錯的輻射體提供形式上緊湊的雙頻段操作。
一組輻射體有源驅(qū)動，另一組可無源驅(qū)動，也可有源驅(qū)動。各種4個有源輻射體直接連接饋電網(wǎng)絡(luò)提供的0°、90°、180°和270°信號。采用無源輻射體時，不直接連至饋電網(wǎng)絡(luò)，但由其鄰近有源輻射體耦合信號。
在本發(fā)明的其它方面中，兩組輻射體及其相應(yīng)饋電網(wǎng)絡(luò)同裝在一塊支承基片的一面，或一組分裝在該基片的另一面，然后形成圓柱狀。后一步驟使有些結(jié)構(gòu)中，可簡化輻射體間連接的短路件的制作。在基片上饋電網(wǎng)絡(luò)的反面適當(dāng)形成平面接地層。另外，也可將輻射體及其相關(guān)饋電網(wǎng)絡(luò)裝在分立支承基片(襯層)的表面，再將這些基片夾在饋電網(wǎng)絡(luò)所用接地層的兩面。
還揭示用于提供饋電線和天線元間接口的各種饋電網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)此處所述的饋電網(wǎng)絡(luò)，可用三元件進(jìn)行各種組合，以提供驅(qū)動天線用的0°、90°、180°、270°信號。其中一元件為分支線耦合器，另一元件為功率分配器。分支線耦合器接納一輸入信號，并將該信號分成振幅實際相同、相位相差90°的兩個輸出信號。180°功率分配器接納一輸入信號，并將該信號分成振幅實際相等、相位相差180°的兩個輸出信號。該分配器還用遞變接地面的結(jié)構(gòu)，使輸入信號從不平衡變?yōu)槠胶狻?br> 為了在分開的頻率對兩組輻射體提供饋電信號或接收信號，做成兩節(jié)的寬帶分支線耦合器，并做得使反射能量對兩個預(yù)選工作頻率等于或接似于零。
下面參照附圖進(jìn)一步詳細(xì)本發(fā)明的實施例、特征、優(yōu)點，以及各實施例的結(jié)構(gòu)的操作。
附圖概述參照附圖闡述本發(fā)明。圖中，相同標(biāo)號表示相同或功能一樣的組成部分。此外，標(biāo)號中最左一位數(shù)字表明首次出現(xiàn)該號的附圖。要注意附圖未必按比例畫，尤其在說明天線輻射部分時。


圖1示出微帶4螺旋線螺旋天線。
圖2示出無限平衡變換饋電微帶4螺旋線螺旋天線的蝕刻基片下表面。
圖3示出無限平衡變換饋電微帶4螺旋線螺旋開線的蝕刻基片上表面。
圖4示出無限平衡變換饋電微帶4螺旋線螺旋天線蝕刻基片的立體圖。
圖5(a)示出天線輻射體的接頭。
圖5(b)示出一實施例的饋線對輻射體的連接。
圖5(c)示出另一實施例的饋線對輻射體的連接。
圖6(a)示出另一實施例的微帶4螺旋線螺旋天線蝕刻基片下表面。
圖6(b)示出另一實施例的微帶4螺旋線螺旋天線蝕刻基片上表面。
圖7示出呈現(xiàn)窄帶頻響特性的單節(jié)分支線耦合器。
圖8示出圖7中單節(jié)分支線耦合器的頻響。
圖9示出呈現(xiàn)寬帶/雙頻段頻響特性的雙節(jié)分支線耦合器。
圖10示出圖9中雙節(jié)分支線耦合器的頻響。
圖11示出本發(fā)明一實施例的包含1個180°功率分配器和2個分支線耦合器的窄帶饋電網(wǎng)絡(luò)。
圖12示出本發(fā)明一實施例的包含2個180°功率分配器和1個分支線耦合器的窄帶饋電網(wǎng)絡(luò)。
圖13(a)示出具有雙頻段饋電網(wǎng)絡(luò)的微帶雙頻段8螺旋線螺旋天線的基本上表面。
圖13(b)示出圖13(a)基片的剖面圖。
圖14示出具有雙頻段饋電網(wǎng)絡(luò)和阻抗變換器的微帶雙頻段8螺旋線螺旋天線的基片上表面。
圖15示出本發(fā)明一實施例8螺旋線天線的輻射元阻抗與頻率的關(guān)系曲線。
圖16示出在一組輻射體采用可變間距的雙頻段8螺旋線天線實施例。
圖17示出圖16天線低頻輻射圖。
圖18示出圖16天線高頻輻射圖。
圖19(a)按照無限平衡變換饋電實施例，示出具有雙頻段饋電網(wǎng)絡(luò)和阻抗變換器的微帶雙頻段8螺旋線天線的基片上表面。
圖19(b)示出圖19(a)中基片的下表面。
圖20示出說明輻射體變換器部分的連接的無限平衡變換饋電實施例側(cè)視圖。
圖21示出實現(xiàn)包含2個180°功率分配器和1個單切分支線耦合器的饋電網(wǎng)絡(luò)的例子。
圖22示出采用圖21所示饋電網(wǎng)絡(luò)的4螺旋線螺旋天線的布局例。
圖23示出本發(fā)明一實施例的雙饋電雙頻段8螺旋線螺旋天線。
圖24(a)、24(b)和24(c)分別示出在一支承基片正、反面實現(xiàn)圖23中8螺旋線天線的結(jié)構(gòu)的俯視圖、剖面圖和仰視圖。
圖25(a)、25(b)和25(c)分別示出在多層支承基片實現(xiàn)圖23中8螺旋線天線的結(jié)構(gòu)的俯視圖、剖面圖和仰視圖。
本發(fā)明的實施方式1.發(fā)明綜述本發(fā)明針對一種雙頻段8螺旋線螺旋天線和雙頻段螺旋天線用的饋電網(wǎng)絡(luò)。按照此說明揭示的雙頻段天線，微帶基片包含兩部分，第一部分具有天線輻射體，第二部分具有天線饋電網(wǎng)絡(luò)。將微帶基片卷成圓柱狀，從而輻射體圍一中心軸螺旋狀卷繞。
饋電網(wǎng)絡(luò)包含新穎性獨特的結(jié)構(gòu)，以提供振幅實際相等且相對相位差為0°、90°、180°和270°的4個信號對螺旋天線進(jìn)行驅(qū)動。揭示兩種饋電網(wǎng)絡(luò)，分別用于單、雙頻段工作。為此，對單頻段工作，饋電網(wǎng)絡(luò)可包含諸如分支線耦合器和180°功率分配器等元件的組合。對雙頻段工作，可用雙頻段分支線耦合器提供與兩個工作頻率匹配的天線信號。
2. 4螺旋線螺旋天線在詳述本發(fā)明之前，介紹一例4螺旋線螺旋微帶天線會有幫助。參照圖1～6闡述該天線。圖1中畫出一種4螺旋線螺旋天線100。天線100用蝕刻在基片108上的輻射體104構(gòu)成?；且环N薄膜可彎曲材料，卷成圓柱形，使輻射體104圍圓柱軸螺旋狀卷繞。下文討論的實施例不要求此圓柱形必須有圓形截面。只要該截面呈現(xiàn)均勻分布的對稱狀，諸如圍成正方形、正六邊形，正八邊形等等，均屬本發(fā)明主旨的功能。
圖2～4示出制作4螺旋線螺旋天線的元件。圖2和3分別為基片108的下表面200和上表面300的圖。基片108包括輻射體部件204和饋電部分208。
請注意本文各處均將基片108的表面稱為“上”表面和“下”表面。采用各名稱只是為了便于講述，并不認(rèn)為該名稱的使用負(fù)有規(guī)定基片108的空間方向的功能。此外，這里所講述和示出的實施例中，天線描述成用基片卷成圓柱形，且上表面為圓柱外表面的方法進(jìn)行制作。其它實施例中，基片卷成圓柱形，而下表面為圓柱外表面。
在一較佳實施例中，微帶基片100為柔軟的聚四氟乙烯(PTFE)薄層，或為PTFE/玻璃復(fù)合物或其它電介質(zhì)材料。基片100最好厚為0.005英寸或0.13英寸左右。采用銅材料提供信號線條和接地線條。另外的實施例中，也可依據(jù)費用、環(huán)境考慮和技術(shù)上公知的其它因素，選用別的導(dǎo)電材料代替銅。
圖2～5畫出具有無限平衡變換結(jié)構(gòu)的天線實施例。其中，在饋電部分208形成饋電網(wǎng)絡(luò)308，以對輻射體104提供0°、90°、180°及270°的信號。饋電部分208的下表面200具有饋電電路308的接地平面212。在饋電部分208的上表面300蝕刻饋電電路308的信號線條。后文的節(jié)4詳述饋電電路308的具體實施例。
為了討論，輻射體部分204具有靠近饋電部分204的第一端232和在輻射體部分204另一側(cè)的第二端234。依據(jù)所實現(xiàn)的天線實施例，可將輻射體104蝕刻在輻射體部分204的下表面200。輻射體104從第一端232延伸到第二端234的長度取決于天線饋電點和其它設(shè)計上的考慮，如需要的輻射圖等。此長度一般為四分之一波長的整數(shù)倍。
本實施例中，下表面200上的輻射體104在輻射體部分204延伸從第一端232至另一端234的長度。這些輻射體畫成輻射體104A、104B、104C和104D。在無限平衡變換實施例中，由蝕刻在輻射體部分204的上表面300中的饋電線316在第二端234對輻射體104饋電。饋電線316從第一端232延伸到第二端234對輻射體104饋電。此結(jié)構(gòu)中，饋電點在第二端234。接觸基片108的輻射體104A和104D(在饋電線316的反面)的表面提供電氣地給將饋電網(wǎng)絡(luò)的天線信號送到天線饋電點的饋電線316。
圖4為于限平衡變換實施例的立體圖。該圖進(jìn)一步說明饋電線316和基片108上蝕刻的輻射體104。圖中還示出用連接404將饋電線316接到輻射體104的樣子。實際上，連接404并不真的做成圖4所示那樣。圖5包含圖5(a)、5(b)和5(c)，說明實現(xiàn)連接404的其它實施例。
圖5(a)為模式圖，示出輻射體部分204的局部視圖。按照此實施例，輻射體104在第二端234具有接頭504。天線卷成圓柱體時，使適當(dāng)?shù)妮椛潴w/饋電線對相互連接。例如，圖5(b)和5(c)畫出這種連接，其中接頭504折成朝向柱心。圖5(b)所示實施例中，通過用另設(shè)的短導(dǎo)體508焊接(或電氣連接)輻射體104C和饋電線316，實現(xiàn)連接404。圖5(b)中，饋電線316在柱體的內(nèi)表面，所以畫成虛線。
圖5(c)所示實施例中，將輻射體104A和反面的饋電線316折成朝向柱心，相互重疊，并在疊合點電氣連接，最好將適當(dāng)?shù)酿侂娋€316焊接到相關(guān)的輻射體104c。
圖6畫出比剛講述的無限平衡變換實施例闡單明了的實施例。該圖包括圖6(a)和6(b)，分別畫出下表面200和上表面300。此實施例中，輻射體104蝕刻在上表面300中，并在第一端232蝕電。這些輻射體畫成輻射體104A、104B、104C和104D。此實施例中，下表面200沒有輻射體104。
因而在第一端232上對這些輻射體饋電，不需要無限平衡變換實施例所要求的平衡變換饋電線316。這樣，本實例一般較容易實現(xiàn)，而且可免除饋電線316引入的衰耗。
請注意圖6(a)和6(b)所示實施例中，輻射體104的長度為λ/2的整數(shù)倍，此處為天線中心頻率的波長。在這種輻射體104為λ/2的整數(shù)倍的實施例中，各輻射體104在第二端234電氣相連?？捎苫沓芍w時圍繞周邊形成環(huán)狀的第二端234的跨接導(dǎo)體，實現(xiàn)此連接。圖22畫出此實施例的一種。另一種實現(xiàn)辦法中，輻射體104的長度為λ/4的奇數(shù)倍，輻射體104在第二端234處開路，使天線可在中心頻率諧振。
3.分支耦合器采用分支線耦合器為分配功率和方向耦合的簡單且價廉的手段。圖7畫出單節(jié)窄帶分支線耦合器700。該耦合器包含干線分支臂704、副分支臂708和2個旁路分支臂712。輸入信號提供給干線分支臂704(稱為干線704)，并由旁路分支臂712耦合到副分支臂708(稱為副線708)。副線708一端用匹配終端阻抗接地。旁路分支臂712最好是若干以1/4波長分隔開的長度為1/4波長的段，從而形成周長約為1波長的一個節(jié)。
在輸出端，干線704和副線708各載送一輸出信號。此兩信號相位差90°。兩個輸出端均提供約為輸入信號功率電平一半的信號。
此單節(jié)分支線耦合器的一個性能是其頻響略窄。圖8按反射能量畫出典型單節(jié)分支耦合器700的頻響800，即反射能量的大小如何隨頻率變化。
為了適應(yīng)較寬的頻率范圍，可做成雙節(jié)分支線耦合器。圖9畫出這種耦合器900。單節(jié)分支線耦合器700與此耦合器900的主要實際不同點是耦合器900增加一旁路分支臂914。
與單節(jié)分支線耦合器700相比，耦合器900的優(yōu)點在于其頻響較寬。即，反射能量低于容許電平的頻率范圍大于單節(jié)分支線耦合器700的該范圍。圖10畫出典型雙節(jié)分支線耦合器900的頻響。然而，對于真正的寬帶應(yīng)用，耦合器900由于工作頻率遭遇反射能量電平，仍非完全理想。
然而，對于要求性能優(yōu)化為2個工作頻率附近的2段窄帶寬的寬帶應(yīng)用，此頻響曲線具有2個反射能量電平為零或至少非常接近零的頻率，即圖10中的A點和B點，所以是理想的。
4.饋電網(wǎng)絡(luò)上文節(jié)2已述4螺旋線螺旋天線和后面節(jié)5所述雙頻段無線都需要饋電網(wǎng)絡(luò)，以提供驅(qū)動天線輻射體104所需的0°、90°、180°及270°信號。此節(jié)4所述為可做成執(zhí)行上述輻射體104與天線饋電線接口的若干饋電網(wǎng)絡(luò)。對這些饋電網(wǎng)絡(luò)講述的是180°功率分配器、單節(jié)(700)和雙節(jié)(900)分支線耦合器。已證明這些器件對實現(xiàn)本發(fā)明主旨是有效的。然而，精于此技術(shù)者會意識到除這里說明的以外，還能作其它公知的信號傳送結(jié)構(gòu)。此天線僅要求以實際相等的功率和適當(dāng)?shù)南辔魂P(guān)系，為各組輻射體產(chǎn)生4種信號。具體饋電網(wǎng)絡(luò)的選擇取決于精于此技術(shù)者熟知的設(shè)計因素，也可制造性、可靠性和成本等等。
用于提供所需相位的一種元件是180°功率分配器說明。上述援引的專利申請中說述一180°功率分配器范例。這種分配器接納沿傳導(dǎo)路徑輸入的信號，將其分成振幅實際相等且相位差180°的兩個信號。通過采用與傳導(dǎo)層相鄰的漸變接地層，使輸入信號在平衡信號與不平衡信號之間轉(zhuǎn)變，完成上述功能。
輸入信號沿與漸變換地層相對的傳導(dǎo)路徑運行時，從不平衡變?yōu)槠胶?。這種轉(zhuǎn)變在返回傳導(dǎo)路徑上產(chǎn)生與傳導(dǎo)路徑電流大小相等、方向相反的電流。因此，返回傳導(dǎo)路徑的信號對傳導(dǎo)路徑的信號相位偏差180°。通過在信號輸入和返回二路徑都進(jìn)行漸變，可得兩信號，一為0°信號，另一為180°信號?？捎眠m當(dāng)?shù)妮o助孔、鍍層通孔或類似技術(shù)，通過基片傳送180°信號，以耦合到適當(dāng)?shù)妮椛潴w。
為了諸如此處所述各種4螺旋線或8螺旋線螺旋天線正確運轉(zhuǎn)，必須將發(fā)射信號分成0°、90°、180°及270°信號。同樣，也要把接收的0°、90°、180°及270°信號組合成一個接收信號。為此，提供饋電電路308。本節(jié)揭示若干饋電電路308實施例。這些實施例采用180°功率分配器與本文件節(jié)3已述分支線耦合器的組合。
饋電電路308的第一實施例組合2個分支線耦合器700和1個180°功率分配器。圖11畫出該實施例。按照該例，在一連接處或輸入點C，將輸入信號提供給饋電網(wǎng)絡(luò)。然后，180°功率分配器1100將輸入信號分成相位偏差180°的兩個信號，分別稱為0°信號和180°。此兩信號各饋入一單節(jié)分支線耦合器700。具體是0°信號饋入耦合器700A，180°信號饋入耦合器700B。
耦合器700A和700B分別提供2個振幅相等、相位相差90°的輸出，并稱之為0°信號和90°信號。因為輸入耦合器700A的信號與輸入耦合器700B的信號相差180°，此兩耦合器輸出的0°信號、90°信號也分別相差180°。結(jié)果，饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端有4螺旋線天線饋所需的0°、90°、180°及270°信號。這些信號分別饋給輻射體104A。104B、104C和104D。
圖12所示饋電電路308的第二實施例采用2個180°功率分配器1100和1個單節(jié)分支線耦合器700。按照此實施例，耦合器700先將輸入信號分成2個振幅相等、相位相差90°的輸出信號。此兩0°和90°輸出信號分別饋入180°功率分配器1100A和180°功率分配器1100B。因為各180°功率分配器1100產(chǎn)生2個振幅相等、相位相差180°的輸出，兩個分配器1100的輸出為0°、90°、180°及270°信號。
然而，注意這些信號次序不對。分配器1100A提供0°和180°信號，而分配器1100B提供90°和270°信號。因此，為了按正確順序提供信號給輻射體104，90°和180傳導(dǎo)路徑必須相互變換位置。信號換位的一種方法是此兩信號之一饋至下表面200，直到該信號穿越另一信號。
在此位置，信號線條作為補(bǔ)片蝕刻在下表面200上。該補(bǔ)片周圍為無接地平面的光面。然而，此光面對接地不利。因此，希望保留連續(xù)接地平面，沒有任何拆光的面。
另一實施例中，通過利用兩條信號傳導(dǎo)路徑間的絕緣橋，使一路徑穿越另一路徑，交換信號位置。這樣可使接地面連續(xù)。再一實施例中，通過利用交叉信號與接地面之間的絕緣部分，使信號線條穿越接地面，進(jìn)行交叉。
饋電電路308的又一實施例采用一個分支線耦合器對兩個無限平衡變換天線結(jié)構(gòu)饋電，如前文中圖2和3所示。后面的圖15中進(jìn)一步說細(xì)說明。按照此實施例，分支線耦合器700先將輸入信號分成0°和90°輸出信號，饋入遠(yuǎn)離饋電網(wǎng)絡(luò)308的輻射體104的頂端。如上文討論，這種饋電方法導(dǎo)致所饋每對輻射體上建立的信號相位相差180°，因而如上面對圖2～5討論的那樣，提供所需要的0°、90°、180°及270°信號。
雖然這里就4螺旋線螺旋天線要求的0°、90°、180°及270°信號進(jìn)述了饋電電路308，但閱讀上述說明后，精于此技術(shù)者會明白其它天線結(jié)構(gòu)如何實現(xiàn)所揭示的技術(shù)。
5.雙頻段8螺旋線螺旋天線有許多應(yīng)用需要雙頻段天線。其中的一種是上、下行鏈路各用一個頻率的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。提供雙頻段天線的一種方法是端對端堆疊兩副旋轉(zhuǎn)天線，其中一副諧振于第一頻率，另一副諧振于第二頻率。然而，這種解決辦法的缺點是該堆疊天線的總長不符合許多便攜或手持應(yīng)用的需要。為了避免這種疊高的結(jié)構(gòu)，可使兩副天線中的一副位于內(nèi)部，并與另一副同軸。雖然此第二方法沒有長度不符合需要的問題，但在某些狀態(tài)下，天線輻射圖會以不合需要的方式相互干擾。
沒有上述天線中各種問題的雙頻段天線是雙頻段8螺旋線天線。圖13中用圖13(a)的俯視圖和圖13(b)的剖面，畫出制作該天線的蝕刻微帶基片。圖中，天線包含兩組輻射體104和1304。標(biāo)為104A、104B和104C和104D的第一組輻射體104諧振于第一頻(即有源諧振器104與第一頻率匹配)，標(biāo)為1304A、1304B、1304C和1304D的第二組輻射體對與第一頻率不同的第二頻率諧振(匹配)。
依據(jù)各種制造條件、功率規(guī)定、體積限制或技術(shù)上熟知的其它參數(shù)，輻射體1304可無源驅(qū)動，也可有源驅(qū)動。
如圖13所示，輻射體1304與輻射體104相互交錯。然而，輻射體1304可脫離輻射體104，形成在基片108的另一面或完全在另一基片上。圖13示出雙頻段8螺旋線天線的布局，采用無源輻射體1304和有源輻射體104。與以上所述4螺旋線天線相同，此天線也采用饋電網(wǎng)絡(luò)1308，并將輻射體1304和104蝕刻在微帶基片上后，卷成柱體。
圖13還示出雙頻段8螺旋線天線饋電用饋電網(wǎng)絡(luò)1308的一個實施例。按照實施例，饋電網(wǎng)絡(luò)1308包含2個雙節(jié)分到線耦合器900和1個180°功率分配器1100。經(jīng)實施例饋電網(wǎng)絡(luò)1308的操作與圖11所示饋電網(wǎng)絡(luò)308實施例的相同。主要區(qū)別在于采用雙節(jié)分支線耦合器900代替單節(jié)分支耦合器700。另一實施例中，實現(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)也可以是圖12所示的網(wǎng)絡(luò)，也以耦合器900代替耦合器700。
耦合器900由于其頻響特性，適合天線工作在2個頻率。具體地說，如果耦合器900做得使天線工作頻率實際接近圖10中A點和B點代表的兩個頻率，此兩頻率的反射能量就大致為零。換句話說，將耦合器900做成使A、B兩點中的一個實際與有源輻射體104的諧振頻率一致，另一個點與無源輻射體1304的諧振頻率一致。
為了優(yōu)化8螺旋線天線的性能，使輸入信號源的阻抗在存在無源輻射體1304時，與有源輻射體104的阻抗在兩個頻率都匹配。實現(xiàn)此性能的一種途徑是耦合器900與有源輻射體104之間采用變換器段。圖14說明此途徑。在本實施例中，該圖畫出饋電網(wǎng)絡(luò)1308包含一個180°功率分配器1100、2個分支線耦合器900和4個變換器1404。
在雙頻段8螺旋線天線的一個實施例中，工作頻率選為一個頻率約為另一個頻率的1.5倍。此實施例中，變換器1404做成傳輸線段，每段長度低頻為λ/2，高頻為3λ/4。存在無源輻射體1303時，耦合器900的輸出阻抗Zout在低頻與有源輻射體104的天線阻抗Zant匹配。
本實施例的饋電網(wǎng)絡(luò)按一實施例作最佳闡述。該例中，發(fā)射用1.618GHz的頻率，接收用2.492GHz的頻率。這就是上文對圖10談到的A和B點。存在無源輻射體1304時，有源(或驅(qū)動)輻射體104在兩個頻率，或此兩頻率附近的窄頻帶內(nèi)，阻抗均匹配。為了使饋電網(wǎng)絡(luò)1308與輻射體104、1304阻抗匹配，變換器1404做成1.618GHz和2.492GHz時長度l分別約為λ/2和3λ/4。此長度下，在1.618GHz頻點看，變換器阻抗不變，所以Zout與Zant依然匹配。對2.492GHz的頻率，變換器1404為3λ/4，因而起1/4波長變換器的作用，且特性阻抗Ztrans為Ztrans=Zout*Zant@2.492]]>因此，為了使天線阻抗Zant與雙節(jié)分支線耦合器900的阻抗Zout匹配，利用上述關(guān)系確定變換器1404的阻抗Ztrans。一旦Ztrans確定，即可用公知設(shè)計技術(shù)達(dá)到其值，實現(xiàn)變換器1404。通過改變用于實現(xiàn)變換器1404的線條的寬度，取得合適的Ztrans。
圖15示出包括2個所關(guān)注窄頻段的連續(xù)寬頻范圍內(nèi)，天線阻抗的變化曲線。圖中，實線代表一范例天線的阻抗實部，虛線代表其虛部。把虛部與零阻抗的交點當(dāng)作天線諧振頻率。圖15中，虛部曲線交零于1.618Ghz(發(fā)射用)和2.492GHz(接收用)的兩個所需頻率，分別標(biāo)為A’和B’。這兩個點的實阻抗值分別為15Ω(A’點)和10Ω(B’點)。
雖然圖14未畫出下表面，應(yīng)注意此具體實施例中，輻射體部分204的下表面無接地面。饋電部分208的下表面有接地面，但應(yīng)注意180°功率分配器反面的接地面會依據(jù)實現(xiàn)的實施例，按說明變化，使90°和180°信號相互交換位置。
注意圖13中輻射體1304在超過輻射體104的部分改變間距。這樣改變間距對配制天線輻射圖很有用，可使第二頻率的天線輻射圖更有效地在天線與所需信號接收者(或信息源)之間耦合能量。即，天線輻射體間距的改變使天線輻圖變化，用于調(diào)整與所期望的天線應(yīng)用和通信系統(tǒng)特性相符的輻射圖。也能用于調(diào)整第二組輻射體的輻射圖，以便與第一組輻射體的輻射圖匹配得更好。精于此技術(shù)者不難理解經(jīng)改善給定通信系統(tǒng)中天線的運作需要這樣改變間距。
圖16畫出利用這種間距差的天線范例，并附有圖17和18的該天線模擬所得輻射圖。采用半徑約0.25英寸的圓柱體，外部輻射體工作于1618GHz，長λ/2，內(nèi)部輻射體工作于2.49GHz，長λ/2。各輻射體元設(shè)計成用約100密耳寬的導(dǎo)電材料做在基片108上。圖16中，內(nèi)部螺旋輻射體1304畫得較長，超過輻射體104長度的部分間距不同。輻射體1304藏在圓柱狀基片卷的內(nèi)部，所以畫成虛線。
包含圖19(a)和19(b)中，畫出雙頻段8螺旋線天線的無限平衡變換饋電實施例。該例中，饋電線做成變換器段1908。將變換器段1908提供給饋電部分208，并從雙節(jié)分支線耦合器900延伸到輻射體部分204的第二端1932。無源輻射體(圖19未畫示)與有源輻射體1904相互交錯。變換器段1908具有兩種功能，即對有源和無源輻射體都進(jìn)行阻抗匹配，并起無限平衡變換天線的饋電線的作用。
圖20為于限平衡變換饋電實施例的側(cè)視圖，說明變換器段1908與輻射體1904的連接。注意天線卷成柱體，因而實際上以圖5所示方式進(jìn)行連接。
為了便于討論，接著以說明圖14所示實施例用的例子，講述圖19所示無限平衡變換饋電實施例。該實施例中，變換器段1908做成在1.618GHz和2.492GHz兩頻率工作時，長度l分別為λ/2和3λ/4。此長度下，從1.618GHz頻點看，變換器不改變阻抗，因而Zout在饋電點仍與Zant匹配。然而，對于2.492GHZ的頻率，變換器1404為3λ/4，因而起1/4波長變換器的作用。
雖然圖19(a)和19(b)未畫出，但實現(xiàn)有源輻射體104為工作頻率的λ/2的8螺旋線天線時，在饋電點的相對端將有源輻射體104短路連接在一起。完成此連接有若干種技術(shù)，包括采用以輔助孔在微帶基片108背面連接有源輻射體104的分路器，或采用與圖5所示相似的接頭。
應(yīng)注意這些提供的布局圖用于說明元件的功能性，未必表明最佳布局。根據(jù)本說明文中和圖中的揭示?？紤]材料、功率、空間和規(guī)模等方面的制約，可用標(biāo)準(zhǔn)布局優(yōu)化技術(shù)取得最佳布局。然而，下面對分支線耦合器700和180°功率分配器1100講述布局例子。
圖21是說明圖12所示饋電網(wǎng)絡(luò)的布局的布局圖?，F(xiàn)參閱圖21，所示分支線耦合器700在布局上面積效率高于圖7所示結(jié)構(gòu)。180°功率分配器1100畫成接口部分線條大，以加大電容，減小特性阻抗。圖21中還有90°信號和180信號交叉的交叉部分2104。無散列的實輪廓線2122畫出下表面200上的線條輪廓。散列部分表示上表面300上的線條。
圖22畫出一例采用圖21所示饋電網(wǎng)絡(luò)308的4螺旋線螺旋天線有源輻射體元的布局。注意此實施例中，在第二端234用短路環(huán)狀的導(dǎo)體2204將輻射體104短路。
圖12～21說明采用單一饋電(或電信號連接)對8螺旋線天線或天線饋電結(jié)構(gòu)耦合輸入或輸出信號。然而，即使對有些應(yīng)用效率低，采用雙饋電連接還是會有好處。這種饋電結(jié)構(gòu)肯定減少阻抗匹配問題和串話，而且簡化天線諧振。
圖23～25畫出多饋電結(jié)構(gòu)，其中8螺旋線天線的各4螺旋線部分分配饋電。盡管實現(xiàn)目前此發(fā)明點沒有要求，還是采用與圖13和16中相同的超長部分間距可變的輻射體。對于一表面形成兩組輻射體的單基片，雙饋電概會上可畫成圖23那樣，其中分別用饋電網(wǎng)絡(luò)2308和2310對輻射體2304和2306饋電。然而，可在基片下表面形成一組輻射體，以便長度為λ/2的倍數(shù)且一末端短路連接時，避免兩組輻射體間的電氣連接。即，可橫跨輻射體端部形成導(dǎo)電體，而無需復(fù)雜的絕緣層等。
可如圖24(a)、24(b)和24(c)那樣實現(xiàn)此結(jié)構(gòu)，其中在支承基片2400的正反面2402和2403分別形成兩組輻射體2402、2403，并由兩個饋電網(wǎng)絡(luò)2308相應(yīng)饋電。圖24(a)中，短輻射體2304畫成做在表面2402上，且鄰近其一端有相應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò)2308，另一端有在各輻射體間延伸的短接導(dǎo)體2404。平面導(dǎo)體(或接地面)2408位于距離輻射體2304端部不遠(yuǎn)處。此距離實際上等于長、短輻射體長度之差。
圖24(c)中，波長較長的部分或長輻射體2306形成在基片2400的反面2403，而且鄰近其一端有相應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò)2308，另一端有在各輻射體間延伸的短接導(dǎo)體2406。該導(dǎo)體是也構(gòu)成第二接地面的大平面。接地面2406位于基片2400上輻射體2304的饋電網(wǎng)絡(luò)2308的相對側(cè)。接地面2408位于基片2400上輻射體2306的饋電網(wǎng)絡(luò)2308的相對側(cè)。
圖24(b)中，所示兩個輸入信號導(dǎo)體2410位于基片2400上饋電網(wǎng)絡(luò)2308附近，并與該網(wǎng)絡(luò)連接。該網(wǎng)絡(luò)畫得較厚僅是為了說明清楚。如上所述，平面2406和2408起饋電網(wǎng)絡(luò)2308的適當(dāng)接地面的作用，并具有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。
另外，可用多層基片或多基片組件制作圖24的天線。其實現(xiàn)方法是在原位于支承基片正、反面的兩個輻射體部分的饋電網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)置一導(dǎo)電材料層。圖25(a)、25(b)和25(c)示出達(dá)到此要求的一種方法。其中，在兩塊支承基片2500和2502的外表面分別形成兩組組輻射體2500和2502，然后依次裝在接地平面的正、反面。
圖25(a)中，短輻射體2304畫成做成基片2500的表面2504上，并帶有相應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò)2308和短接導(dǎo)體2404。圖25(c)中，波長較長部分或長輻射體2306畫成做在基片2502的表面2506上，并帶有饋電網(wǎng)絡(luò)2308和短接導(dǎo)體2506。注意短接導(dǎo)體2506不再是大的接地面。
用技術(shù)上熟知的多種技術(shù)中的一種，將基片2500和2502沿內(nèi)表面2510和2512在在一起?？捎酶鞣N接合劑，或用技術(shù)上公知的材料的中間層制作基片等方法完成此接合。其結(jié)果是兩塊基片中間夾有導(dǎo)電材料2508的復(fù)合多層支承結(jié)構(gòu)。材料2508位于兩饋電網(wǎng)絡(luò)2308附近，并在其相對側(cè)，起該網(wǎng)絡(luò)的接地面的作用。
圖25(b)中，還示出2個信號導(dǎo)體2410，該導(dǎo)體位于基片2500和2502上饋電網(wǎng)絡(luò)2308附近，并與其連接。該網(wǎng)絡(luò)畫成較厚僅是為了說明清楚。
6.結(jié)語雖然上文已闡述本發(fā)明各種實施例，但應(yīng)理解為僅屬范例，并非限定。因此，本發(fā)明的外延和范圍不受上述實施例限制，而僅遵照以下各項權(quán)利要求及其等價內(nèi)容的規(guī)定。
例如，精于相關(guān)技術(shù)者會明白，盡管所揭示各種接地面按整片狀進(jìn)行說明，依據(jù)所實現(xiàn)的天線和/或饋電網(wǎng)絡(luò)，也可用其它接地結(jié)構(gòu)，例如接地網(wǎng)、穿孔接地面等等。同時，可按天線設(shè)計者的要求，采用其它饋電網(wǎng)絡(luò)器件或裝置對輻射體收、發(fā)信號。
權(quán)利要求
1.一種雙頻段8螺紋線螺旋天線，其特征在于，該天線包括對第一頻率匹配且設(shè)置在支承基片的輻射體部分的第一組4個螺旋輻射體；對第一頻率匹配且設(shè)置在所述支承基片的所述輻射體部分，并與所述第一組輻射體相互交錯的第二組4個螺旋輻射體；形成在所述支承基片的饋電網(wǎng)絡(luò)部分，提供0°、90°、180°及270°信號給所述第一和第二輻射體組中的至少一組的至少一個饋電網(wǎng)絡(luò)。
2.如權(quán)利要求1所述的雙頻段天線，其特征在于，所述支承基片為微帶基片。
3.如權(quán)利要求1所述的雙頻段天線，其特征在于，所述第一和第二輻射體包含有源和無源驅(qū)動輻射體，所述有源輻射體由至少一個所述饋電網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動。
4.如權(quán)利要求1所述的雙頻段天線，其特征在于，所述天線為雙饋電天線，所述第一和第二輻射體組均分別由至少一個饋電網(wǎng)絡(luò)有源驅(qū)動。
5.如權(quán)利要求4所述的雙頻段天線，其特征在于，所述第一和第二輻射體組位于所述支承基片的正、反面，并帶有其相關(guān)饋電網(wǎng)絡(luò)。
6.如權(quán)利要求4所述的雙頻段天線，其特征在于，所述第一組輻射體位于具有第二表面的第一支承基片層的相反面第一平行表面上，所述第二組輻射體位于具有第二表面的第二支承基片層的相反面第一平行表面上，所述第一和第二支承基片層沿各自的第二表面接合成單一支承基片結(jié)構(gòu)，且所述第一和第二組輻射體留在該結(jié)構(gòu)的外表面，并將一大小預(yù)定的接地面沿與所述第一表面平行且位于其反面的所述第二平面，設(shè)置在所述第一和第二基片層之間。
7.如權(quán)利要求1所述的雙頻段天線，其特征在于，所述第一和第二組輻射體中，有一組較長，并在其長度超越另一組的部分，螺旋狀體采用可變間距。
8.如權(quán)利要求1所述的雙頻段天線，其特征在于，各饋電網(wǎng)絡(luò)包含具有接收輸入信號的輸入臂、提供第一輸出信號的第一輸出臂和提供第二輸出信號的第二輸出臂的分支線耦合器，其中所述第一和第二輸出信號相差90°；連接所述分支線耦合器的所述第一輸出臂，以接收所述第一輸出信號，并輸出第三和第四輸出信號的第一功率分配器，其中所述第三和第四輸出信號相差180°；連接所述分支線耦合器所述第二輸出臂，以接收所述第二輸出信號，并輸出第五和第六輸出信號的第二功率分配器，其中所述第五和第六輸出信號相差180°。
9.如權(quán)利要求8所述的雙頻段天線，其特征在于，所述第一和第二功率分配器分別包含基片；設(shè)置在所述基片的第一表面的第一傳導(dǎo)路徑；設(shè)置在所述基片的第二表面，以形成接地面的接在部分，該接地面從較大的寬度漸變?yōu)槲挥谒龅诙砻妫嶋H與所述第一傳導(dǎo)路徑對齊，而且寬度實際等于所述第一傳導(dǎo)路徑的寬度的第二傳導(dǎo)路徑。
10.如權(quán)利要求8所述的雙頻段天線，其特征在于，所述分支線耦合器是單節(jié)分支線耦合器。
11.如權(quán)利要求8所述的雙頻段天線，其特征在于，所述分支線耦合器是雙節(jié)分支線耦合器。
12.如權(quán)利要求1所述的雙頻段天線，其特征在于，各饋電網(wǎng)絡(luò)分別包含從一輸入信號提供相差180°的第一和第二輸出信號的功率分配器；具有接收所述功率分配器的所述第一輸出信號的輸入臂、提供第三輸出信號的第一輸出臂和提供第四輸出信號的第二輸出臂的第一分支線耦合器，其中所述第三和第四輸出信號相差90°；具有接收所述功率分配器的所述第二輸出信號的輸入臂、提供第五輸出信號的第三輸出臂和提供第六輸出信號的第四輸出臂的第二分支線耦合器，其中所述第五和第六輸出信號相差90°。
13.如權(quán)利要求12所述的雙頻段天線，其特征在于，還包含設(shè)置在所述基片上，并將所述輻射體接至所述第一和第二分支耦合器的所述第一、第二、第三和第四輸出臂的4個變換器。
14.如權(quán)利要求13所述的雙頻段天線，其特征在于，所述第一和第二頻率中的一個約為另一個的1.5倍，所述變換器的長度約為所述一個頻率的λ/2，所述另一個頻率的3λ/4.
15.一種雙頻段8螺旋線螺旋天線，其特征在于，該天線包括對第一頻率匹配且設(shè)置在微帶基片輻射體部分的4個有源輻射體；在第二頻率匹配且設(shè)置在所述微帶基片輻射體部分，并與所述有源輻射體相互交錯的4個無源輻射體；形成在所述微帶基片的饋電部分，以提供0°、90°、180°及270°信號給所述第一和第二輻射體組中的至少一組的至少一個饋電網(wǎng)絡(luò)。
16.如權(quán)利要求15所述的雙頻段天線，其特征在于，所述饋電網(wǎng)絡(luò)包含從一輸入信號提供相差180°的第一和第二輸出信號的功率分配器；具有接收所述功率分配器的所述第一輸出信號的輸入臂、提供第三輸出信號的第一輸出臂和提供第四輸出信號的第二輸出臂的第一分支線耦合器，其中所述第三和第四輸出信號相差90°；具有接收所述功率分配器的所述第二輸出信號的輸入臂，提供第五輸出信號的第三輸出臂和提供第六輸出信號的第四輸出臂的第二分支線耦合器，其中所述第五和第六輸出信號相差90°
17.如權(quán)利要求16所述的雙頻段天線，其特征在于，各分支線耦合器為雙節(jié)分支線耦合器。
18.如權(quán)利要求16所述的雙頻段天線，其特征在于，還包含設(shè)置在所述基片上，并將所述分交線耦合器的所述第一、第二、第三和第四輸出臂接至所述有源輻射體的4個變換器。
19.如權(quán)利要求18所述的雙頻段天線，其特征在于，所述第一和第二頻率中的一個約為另一個的1.5倍，所述變換器的長度約為所述一個頻率的λ/2，所述另一個頻率的3λ/4。
20.如權(quán)利要求15所述的雙頻段天線，其特征在于，各饋電網(wǎng)絡(luò)包含具有接收輸入信號的輸入臂、提供第一輸出信號的第一輸出臂和提供第二輸出信號的第二輸出臂的分支線耦合器，其中所述第一和第二輸出信號相差90°；連接所述分支線耦合器的所述第一輸出臂，以接收所述第一輸出信號，并輸出第三和第四輸出信號的第一功分配器，其中所述第三和第四輸出信號相差180°；連接所述分支線耦合器的所述第二輸出臂，以接收所述第二輸出信號，并輸出第五和第六輸出信號的第二功率分配器，其中所述第五和第六輸出信號相差180°。
全文摘要
一種體積較小的雙頻段8螺旋線螺旋天線。在柔軟基片上設(shè)置輻射體和饋電網(wǎng)絡(luò)，并將該基片卷成柱狀后，獲得螺旋結(jié)構(gòu)。其中包括2個相互交錯的4輻射體組，分別工作于兩個不同頻率，一組為有源，另一組為有源或無源。還至少包括一饋電網(wǎng)絡(luò)，提供0°、90°、180°和270°信號給有源輻射體。兩組輻射體及其相關(guān)饋電網(wǎng)絡(luò)可位于一基片的正、反面，或多層基片中隔開的兩層。
文檔編號H01Q11/08GK1165588SQ96191099
公開日1997年11月19日 申請日期1996年9月23日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月22日
發(fā)明者穆罕默德·阿里·塔索德杰, 詹姆斯·H·湯普森, 倫道夫·E·斯坦德克 申請人:夸爾柯姆股份有限公司