CN1218582A - 具有内置宽带电源的螺旋线天线及相应的制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开一种谐振螺旋线天线,包括至少一个螺旋线,该螺旋线至少由两根印制在一基片上的辐射导线(111－114)组成,印制在所说基片上的小型宽带辐射导线供电结构,以及至少一个由半集总元件组成的混合耦合器,为的是减小其尺寸。在分成四份的情况下,螺旋线由四根辐射导线组成,供电结构包括三个混合耦合器,例如第一180°混合耦合器(12),将所说天线的功率输入端和/或输出端(17)连接到两个相移180°的中间输出端和/或输入端(18,19),以及两个90°混合耦合器(13,14),每一个将所说第一混合耦合器的所说中间输出端和/或输入端之一连接到两个所说辐射导线的一端。还公开了相应的制造方法。

Description

具有内置宽带电源的螺旋线天线 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通带天线。更具体地，本发明涉及谐振螺旋天线，以及特别是涉及对所说天线的供电。
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,GLOBALSTAR，和其他系统)。这些天线不使用同步卫星的个人通信系统(PCS)的使用中也是有价值的。
对于所有这些提供与同步卫星链接的系统，由于在收发信号之间入射角存在很大差异，要求该天线应具有半球状复盖的辐射图。此外，在有用频段椭圆度率大于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-8914952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带限于5％的频带内具有非常接近设计标准的特性，使用双层RQP天线可能在更宽的频带上工作。这些天线是由两个电磁耦合的同轴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“Ana1ysis of quadrifilar resonant helical antenna formobile communication”一文中详细描述了一个示例性的实施例，该论文发表在PIEEEH,Vol.140,NO.4,August1993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的基片上，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，而另一端用位于该支撑圆柱的下部的基底上的导电线段在电气上连接。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 communication”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 nullsadjacent 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同轴对称化子的“折叠的平衡-不平衡变换器”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”(Microware Journal,December1970)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。
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)，它具有例如大于10％的很宽的工作频带。
本发明的另一目的在于提供这样一种类型的天线，其成本价格低，容易按工业规模制造。特别地，本发明的目的在于提供这样一种类型的天线，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类型天线。
本发明的再一目的在于提供占据空间小的这种类型的天线(以及特别是这种天线的供电系统)，如果同已知的天线相比较的话。
本发明的再一目的在于提供这样一种天线，它实现四根据导线束的等幅度激励以及准确的90°相移的关系，由此在两个付带中实现高质量的圆极化。
按借助一种谐振螺旋线天线的本发明能实现这些将是明显的目的以及其他的目的，该天线包括至少一个由印制在基片上的至少两个辐射状导线束形成的螺旋线，包括一个小型的结构，用于所说辐射状导线束的宽带供电，印制在所说基片上并包括至少一个由半集总元件(非均匀配置的)形成的混合耦合器，以缩减其尺寸。
按印刷元件方式制作天线导线束和供电结构使天线，其供电结构和双工器仅用一种作业制做。因此无需任何专门的连接装置并可按特别小的格式制作。
使用由半集总元件制成的混合耦合器能用来得到所有要求的特征，特别是小的空间要求，如果同基于使用普通传输线的系统相比的话。
本发明可应用到所有型式的螺旋线天线。按一优选实施例，所说螺旋线是一个四线螺旋线，由四根辐射状导线束构成，由包括三个混合耦合器的供电结构供电。
有利地，在最后提到的情况中，所说供电结构包括第一180°混合耦合器，它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/或输入端相连结起来，以及两个90°混合耦合器，每个将所说混合耦合器的所说的中间输出端和/或输入端之一个同两个所说辐射状导线束的一端连结起来。
按本发明的一个有利的实施例，所说天线安装在一个支撑上，该支撑具有不相同的第一部分和第二部分，它们具有不同的介电常数，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少天线占据的安装空间。
上述类型的天线可以使用单个的天线或形成一个天线阵。
本发明还涉及所说天线的制造。如果与现有技术相比，制造这种天线特别简单。
制造一种谐振螺旋线天线的第一个方法中，其设计步骤如下：
-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制成的一个混合耦合器，以减小其尺寸；
-围绕一个圆柱支撑缠绕所说基片。
在第二个制造谐振螺旋线天线的方法中其实施甚至更为简单，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一螺旋线以及对所说辐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。
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示例性说明本发明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圆柱缠绕的螺旋线，以形成工作的螺旋线。
-图3给出图1和图2的详细的供电结构，
-图4说明图1和图2天线的具体实施例的电压驻波比(SWR)；
-图5和图6表示分别在频率1.98GHz和2.2GHz，同一实施例按右圆极化和左圆极化测量的辐射图形；
-图7表示按该同一天线最大辐射方向测量的增益和频率的函数关系；
-图8A到8C表示按本发明一个-3dB,90°耦合器的设计；
-图8A表示具有分布元件的一个标准的耦合器；
-图8B表示使用PI元件的相应图；
-图8C表示相应微带线的耦合器；
-图9A和9B说明一个-BdB180°耦合器的设计；
-图9A表示一个180°的混合环形器；
-图9B表示一个相应的微带线耦合器。
因此本发明涉及按简单低成本制造技术制造的具有宽带供电系统的一种天线。
如上所示，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，该天线的四个导线束和供电结构是印制在一个相同的基片上。图1说明该螺旋线平面配置时印制的元件。
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RF-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(ε1=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。
导线束另一端161-164连接到供电电路的馈线。
在扩展天线情况下，供电系统在同一基片上形成。它是由三个设计成由半集总元件作成的混合耦合器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)，然后连接到导线束末端161-162(以及分别163和164)。
这样在很宽的频段上四根导线束按准确的90°相移供电。
这样得到的装置之后被缠绕在一个圆柱支撑上，由此得到在图2中按前视图表示的外置的螺旋线。
该圆柱支撑无线电波可穿透，即它的介电常数接近于1。
必须指出，通过使用介电常数大于1的支撑，并用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，相对其实际尺寸被放大三倍。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由四根细线321-324两个成对地连接。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8A和8C说明3dB90°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 potentiellementintegrahlesa900MHz”(Study of phase-shifter structures thatcan be potentially integrated at900MHz))(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8A是由分布元件构成的3dB90°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/。
如图8B中所示，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π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8C中所示，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9A中所示的-3dB180°混合环形器的标准结构转换成具有如图9B中说明的半集总元件的耦合器。
该类型的天线特别具有以下优点：
-该天线具有开路导线束，因此每个导线束的阻抗容易对用于具有所要求特性的天线的50Ω进行匹配(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的宽带结构：
-等幅度(对每个导线束相同)；以及
-同相(0°；490°；±180°；±270°)；
-供电装置的尺寸小于已知系统(可达50％的收益)。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的尺寸(通常尺度是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，以下为用一具体的用于同短距通信和设备进行通信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：24mm
-高度：11Omm
-重量：70g
测量的射电电气特性为：
-发射：2.17-2.2GHz；
-接收：1.98-2.0GHz；
-极化：右向圆极化；
-椭圆度：＜5dB对于θ＜90°
＜2dB对于θ＜75°
-全方向性亏损：4±0.6dB(在水平方向)。
图4表示在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5和图6分别关于频率在1.98GHz(图5)和2.2GHz(图6)按右向圆极化(a)和按左向圆极化(b)测量的辐射图。
可看到所得到的以下方面：
-在-3dB的平均孔径是半球的并大于180°；
-在整个复盖范围反向极化的抑制大于-15dB。
图7表示在最大辐射方向测量的增益随频率的变化。可以看到该天线能使用在很宽频带(大于12％)具有良好的性能特性(增益，反向极化抑制，全方向性等)。
这种供电方式有时可能通过对于混合耦合器的隔离使该天线工作在一个宽的频带。
本发明的天线能用不同的方法制作。
这样，按第一实施例，它可以像图1那样印制成平面式的。之后它被缠绕在一个支撑上以形成天线(图2)。
按照另一实施例，可以直接在其限定的圆柱模型中形成接受印制元件所设计的基片。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。
还有可能按在同一天由本申请人申请的专利申请中详细描述的技术同轴地和同心地安装此类型的两个天线，其发明名称为“具有集成双工器的螺旋线天线和相应的制造方法”。

Claims (7)

1．一种谐振螺旋线天线包括由至少两个印制在一个基片上的辐射状导线束形成的至少一个螺旋线，特征在于所说天线包括一个小型化结构，用于宽带供电于所说辐射状导线束，该辐射状导线束印制在所说基片上，还包括由半集总元件制成的至少一个混合耦合器，以减少其尺度。
2．按权利要求1的天线，特征在于所说螺旋线是四线螺旋线，由四根辐射状导线束构成并包括三个混合耦合器的供电结构进行供电。
3．按权利要求2的天线，特征在于所说供电结构包括一第一180a混合耦合器，该耦合器使所说天线的一个供电输入端和/或输出端与相移180°的两个中间输出端和/或输入端相联接，以及两个90°混合耦合器，该耦合器的每一个使所说混合耦合器的所说中间输出端和/或输入端之一与两个所说辐射状导线束的一端相联结。
4．按权利要求1-3任一权利要求的天线被安装在一支撑上，该支撑具有介电常数不相同的第一和第二部分，所说第一部分支承所说辐射状导电束，而所说第二部分支承所说供电结构。
5．按权利要求4的天线，特征在于支撑天线导电束的所说第一部分的介电常数大于1。
6．用于制造一种具有小型化供电结构的谐振螺旋线天线的一种方法，其特征在于所说方法包括下列步骤：
-在一平面基片上印制至少两个为形成一个螺旋线而设计的辐射状天线以及用于对所说辐射状导线束宽带供电的单独的小型结构，其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；
-沿一个圆柱支撑缠绕所说基片。
7．用于制造具有小型供电结构的谐振螺旋线天线的方法，其特征在于所说方法包括以下步骤：
-得到支承基片的圆柱支撑；
-在所说的基片上印制至少两个为形成一个螺旋线而设计的辐射状天线以及用于对所说辐射状导线束宽带供电的单独的小型结构，其至少包括一个由半集总元件制成的混合耦合器，以减小其尺度。
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