CN1241307A - 双频段四线螺旋天线系统和方法 - Google Patents

Abstract

能够在宽隔离发射和接收频段上提供正增益、准半球天线图的四线螺旋天线。此新的天线系统包括同心排列的、但电绝缘的发射和接收四线螺旋天线,该天线的每一个包含两个正交排列和相位正交激励的双线螺旋体。在优选实施例中,形成每个双线螺旋体的天线单元在其末端被短路,且通过分别电连接到接收和发射天线双线环路上的接收和发射90°混合耦合器从接收天线感应能量和向发射天线耦合能量。也提供开关或其它断开装置,用来在天线接收信号期间将发射天线电绝缘和在天线发射期间将接收天线电绝缘。在优选实施例中,这些断开装置用PIN二极管或射频砷化镓场效应晶体管开关来实现。

Description

双频段四线螺旋天线系统和方法

发明领域

本发明一般涉及用于用户终端手机的天线系统。更具体地，本发明涉及用于移动电话用户手机的四线螺旋天线系统。

发明背景

在本领域中蜂窝式或卫星通信系统用于提供移动电话用户与固定用户或其他移动用户之间的通信链路是公知的。这些通信链路可承载多种不同形式的信息，包括话音、数据、视频和传真传输。在典型的蜂窝式系统中，来自移动用户的无线发射由本地、陆基、发射机/接收机站接收。然后，为了由所需的接收终端接收，这些本地基站或“网孔”通过本地电话系统或蜂窝式系统重发移动用户的信号。

许多蜂窝式系统主要或只依赖于视距通信。在这些系统中，每个本地发射机/接收机有一个有限的范围，因而需要大量本地网孔以提供一个大范围地区的通信覆盖。与提供这样大量网孔有关的成本可能防止了蜂窝式系统在人烟稀少地区和/或有限蜂窝式服务需求地区的使用。此外，甚至在未因经济上的考虑而排除蜂窝式服务的地区，由于本地地形和气象条件的原因在陆基蜂窝式系统中经常出现“阻断”区。

因此，提出了提供一种组合的半双工的蜂窝式/卫星通信网络，该网络将一个有限的陆基蜂窝式网络与一个卫星通信网络结合以在不能提供蜂窝式服务的大范围地区为移动用户提供通信。在所提出的系统中，陆基蜂窝站安放在高业务量地区，同时一个L波段卫星通信网络向剩余地区提供服务。为提供蜂窝式和卫星两种通信，用于此系统的用户终端手机应包括卫星和蜂窝收发信机两者。这种组合系统在广域地区提供全通信覆盖而不需额外数量的陆基网孔。

在所提出的该系统中，如同所知的亚洲蜂窝式卫星系统，卫星网络将以一个或多个在赤道上方大约22600哩处轨道运行的同步卫星形式实现。这些卫星将对大部分远东地区包括中国、日本、印度尼西亚和菲律宾提供点波束覆盖。在这些系统中，向卫星发射的信号将落入1626.5MHz至1660.5MHz的发射频带内，和由卫星发射的信号将落入1525MHz至1559MHz的接收频带内。

尽管将卫星和蜂窝式服务集成在一个双模式系统中可克服与单一陆基蜂窝式系统有关的许多缺点，而提供在尺寸、重量、成本、易使用和通信清晰度方面满足用户期望的双模式用户终端手机是一个重大的挑战。用于常规蜂窝式系统的电话机已说明了消费者对于手持移动电话机物理特性和通信性能的期望，该常规电话机仅包括一个与通常位于移动用户终端20哩内的蜂窝节点通信的单一收发信机。通过对比，即将用于亚洲蜂窝式卫星系统的手持用户终端必须包括一个蜂窝式和一个卫星收发信机两者。此外，因为向卫星发射的或来自卫星的信号在一般将用户手机与同步卫星隔开的25000或更多哩的传播中经历大幅度的衰减，与系统的卫星通信方面有关的大的自由空间损耗可明显增加必须由天线提供的用于用户终端手机上卫星收发信机的功率和天线增益。

另外，网络的卫星方面也可在用户终端手机上强加额外的限制。例如，装备用户终端手机的卫星收发信机最好应提供一个准半球天线辐射图，为了避免需要跟踪所希望的卫星。另外，提供该准半球天线辐射图的天线应发射和接收圆极化波形，以便既使用户终端上针对卫星的卫星天线任意方向引起的信号损失最小又避免当信号穿过电离层时可能引起的法拉第旋转效应。另外，手持收发信机上的卫星天线也应在小仰角上具有低方向性比和低增益以便提供低辐射图噪声温度。另外，如上面讨论的，卫星网络在一个频带(发射子频带)上发射信号并在另一个频带(接收子频带)上接收信号以便使发射和接收信号之间的干扰最小。因此手持卫星收发信机上的天线最好提供在发射和接收子频带两者上的可接受的辐射图。

鉴于上述限制，存在对手持卫星收发信机的需求，尤其是，用于该收发信机的天线系统能够发射和接收圆极化波形，该天线系统在分离的发射和接收子频带上提供一个相对高增益的准半球辐射图，以便能够对处于半球任何位置的卫星发射和接收信号。另外，设定的用户终端手持特性和消费者对小而容易携带天线的期望，使能够满足上述需要的卫星天线系统应装配在极小的物理体积内。这些用户强加的尺寸限制也为天线馈电结构和任何匹配、切换或用于天线正常工作的其他网络所需的物理体积设置了限制。因此，例如，在亚洲蜂窝式卫星系统中，卫星网络链路预算(budgets)需要手持电话机上的卫星天线系统能够在超过45°的所有仰角上提供至少2dBi的静增益，这里静增益定义为由天线任意负匹配(minus any matching)、天线馈电结构中产生的吸收或其他损耗提供的实际增益或“方向性”。此外，天线也必须具有小于3dB的轴向比同时在整个接收子频带上提供良好的方向性比。这些性能特性必须由与任何相关阻抗匹配的电路或其他器件一起安装在长13厘米、直径13毫米的圆柱体内的一个天线提供。

螺旋天线和尤其多线螺旋天线是相对小型的天线，非常适合于需圆极化波形和准半球波瓣图的各种应用。螺旋天线是以螺纹形式绕制的导线以形成一个螺旋。这种螺旋天线一般由连接到螺旋底部的同轴电缆传输线馈电。多线螺旋天线是一个包括多于一个辐射单元的螺旋天线。这种多线螺旋天线的每个单元一般馈有在相位上分离360°/N的等幅信号，其中N为辐射天线单元的数量。由于相邻单元之间的相位间隔按360°/N改变，由多线螺旋天线提供的天线图往往明显地衰减。因此，耦合多线螺旋天线单元与发射机/接收机之间信号的馈电结构最好引入最小的相位失真或没有相位失真以便天线辐射图的这种衰减最小或防止衰减。

多线螺旋天线的一种常用形式为四线螺旋。四线螺旋天线为圆极化天线，其包括以螺旋状排列的四个正交辐射单元(其可是分节的线匝)，以正交相位激励(即感应或来自各个辐射单元的辐射能量在相邻辐射单元之间偏移90°)。

四线螺旋天线能工作在几种模式下，包括轴向模式、正常模式或两种模式的比例组合。为获得轴向工作模式，每个天线单元的轴向长度一般几倍于对应天线工作频带中心频率的波长。工作在这种模式，四线螺旋天线可提供相对高增益辐射图。可是，这样的辐射图是高方向性的(即它不是准半球形)和因此轴向工作模式一般不适用于不包括跟踪卫星装置的卫星通信终端。

工作在正常模式下，四线螺旋天线的每个螺旋一般在顶部是平衡非平衡转换馈电，和螺旋臂一般为谐振长度(即长度为四分之一λ、二分之一λ、四分之三λ或λ，在此λ为对应天线工作频带中心频率的波长)。这些单元以大倾斜角绕在小直径上。以此方式，天线一般提供用于移动卫星通信所需的准半球辐射图，但不幸的是，天线仅在位于谐振频率上的相对较窄带宽上提供增益。另外，天线的本征带宽正比于由四线螺旋天线限定的圆柱体直径，由此，其它完全相等的情况下，天线越小则工作带宽越窄。如上面讨论的，某些正在形成的蜂窝式和卫星电话用途具有相对大的发射和接收工作带宽。这些带宽接近或甚至超过了工作在正常模式的四线螺旋天线所提供的带宽，和在明显需要限制天线最大直径的其它系统中尤其如此。

四线天线以前大量使用在L波段移动卫星通信应用中，包括国际海事卫星INMARSAT、导航卫星NAVSTAR，和全球定位系统GPS。可是，几乎所有这些现有技术天线实际太大而不能满足正出现的卫星电话应用对尺寸的要求。另外，尽管也能提供这些正出现的应用所需要的增益、轴向比、噪声温度、方向性比和宽带性能，现有技术天线一般也不能满足这些正出现的应用强加对尺寸的限制。因此，需要一种新的、明显更小的卫星电话天线系统，它应能够在分离的发射和接收子频率上提供具有正增益的准半球天线图。

发明概述

鉴于关于现有天线系统的上述限制，本发明的一个目的是实际上提供用于卫星和蜂窝式电话网络的小型的四线螺旋天线系统。

本发明的另一个目的是提供一种四线螺旋天线系统，该天线系统能够提供在分开的发射和接收子频带上带有正增益、准半球辐射图的辐射图。

本发明的又一个目的是为卫星和蜂窝式电话机提供一种四线螺旋天线系统，该天线系统具有简化的馈电结构并使馈电网络中引入的相位失真最小。

本发明的这些和其他目的是由天线系统提供的，该天线系统使用切换的同心发射和接收四线螺旋天线以提供在分开的发射和接收频带上的半双工通信。通过使用同心排列的、非耦合的发射和接收天线，这些天线系统利用可由四线螺旋天线得到的尺寸、增益、极化和辐射图特性，而避免此种天线的带宽限制。

在本发明的优选实施例中，提供了同心排列的发射和接收四线螺旋天线，每个天线包括两个正交排列和相位正交激励的双线螺旋体。这些天线每个与耦合装置相连，该耦合装置将发射和接收天线分别电连接到发射机和接收机。也提供了一对断开装置，当用户终端为接收方式时第一断开装置将发射四线螺旋天线与接收机电绝缘，和在发射期间第二断开装置同样地将接收四线螺旋天线与发射机电绝缘。这些天线断开装置可包括沿每个电连接插入到每个四线螺旋天线和发射机/接收机之间的多个开关装置。这些开关可包括PIN二极管、砷化镓场效应晶体管、或本领域技术人员所知的其它电气、机电、或机械开关结构。

在本发明的另一个实施例中，此天线耦合装置包括90°混合耦合器。在此实施例中，发射和接收四线螺旋天线的每一个可包括在源端耦合到天线的个自的90°混合耦合器的输出口之一的一个第一线，在源端耦合到90°混合耦合器的另一个输出口的一个第二线，和在源端耦合到一个基准电压的第三和第四线，而其中第一和第三线及第二和第四线在它们的末端被电连接。在此实施例中，对这些90°混合耦合器的正交输入一般也通过一个50欧姆电阻电连接到基准电压上。

在本发明的另一个实施例中，发射四线螺旋天线基本上被安置在由接收四线螺旋天线辐射单元所限定的圆柱体内。在此实施例中，形成发射四线螺旋天线的双线螺旋体可径向对准形成接收四线螺旋天线的双线螺旋体。在本发明的另一个方面，发射和接收四线螺旋天线两者都配置成发射/接收右旋圆极化信号。另外，这些双线螺旋体的每一个可包括带有55到85度倾斜角的一个螺旋体。

这样，本发明的天线系统包括开关的、同心排列的发射和接收四线螺旋天线，该天线在分开的发射和接收频带上提供半双工通信。这些天线系统为正出现的移动卫星通信应用提供所需的在小巧和满足消费者对携带方便所期望的一个物理封装中的增益、带宽、极化和辐射图特性。

附图简要说明

图1是根据本发明的能够工作在两个频带上的一个四线螺旋天线系统的方框图；

图2是根据本发明的一对同心发射和接收四线螺旋天线的透视图；和

图3是说明本发明的天线、耦合网络和断开机构的特定实施例的示意图。

优选实施例的详细说明

现在参照附图将对本发明作更全面地描述，并展示本发明的优选实施例。虽然，本发明可用许多不同形式来实施而且不得解释为限制于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了本发明的公开更加彻底和完全，和向本领域技术人员全面传达发明的范围。另外，尽管本发明的天线系统特别有利于使用在某些卫星通信应用中，本领域技术人员将明白这些天线系统可以有利于使用在各种应用中，包括蜂窝式、陆基通信系统，和由此不能以任何方式将本发明解释为限制用于卫星通信终端手机的天线系统。相同的数字通篇表示相同的元件。

图1表示一个根据本发明的手持无线通信终端10的实施例。终端10通常包括一个天线系统18、一个发射机12、一个接收机14和一个用尸接口16。如图1所示，手持终端10的天线系统18使用双四线螺旋天线20、40以提供双频段、半双工无线通信。在优选实施例中，天线系统100组成同心的、基本重叠的四线螺旋天线20、40，每个天线由一个单独的90°混合耦合器81、91馈电(图1中未示出)以实际上提供能够满足严格的增益、带宽、辐射图和正出现的蜂窝式/卫星电话机应用的其它要求的小巧、成本可行的天线系统。

如图1所示，本发明的双频带四线螺旋天线系统100使用两个分开的四线螺旋发射天线20和接收天线40。每个天线20、40都被耦合到天线馈电网络80、90上。发射馈电网络80将来自发射机12的一个源信号馈送给发射四线螺旋天线20的各个单元，反之接收馈电网络90将接收四线螺旋天线40的各个单元所接收的信号合并和将所合并的信号馈送给接收机14。另外，在接收馈电网络90与接收天线40之间提供一个天线断开装置70。这些断开装置70用于在发射期间将接收天线40与发射网络20、60、80、12电绝缘。同样地，在发射馈电网络80与发射天线20之间也提供了开关装置60，当手机10工作在接收方式时该开关装置将发射天线20电绝缘。

图1中所描述的天线系统工作如下。当用户手机10为接收方式时，启动偏置信号62以激励在发射天线20馈电路径中的断开装置60，由此将发射天线20的单元开路以便将发射天线20与接收天线40电绝缘。同样地，当用户手机10工作在发射方式时，启动偏置信号72以激励在接收天线40馈电路径中的断开装置70，以便将接收天线40与发射天线20电绝缘。如同本领域技术人员可以理解的，为了有效地电绝缘不使用的天线发射和接收断开装置60、70不必实际提供真实的开路；它们只需要提供足够的阻抗以使极少量的能量耦合入“关”的天线中。提供这种开路的各种装置对于本领域技术人员都是公知的，如反向偏置PIN二极管、砷化镓场效应晶体管，和各种其它电气、机电和机械开关机构。

如图2所示，每个发射和接收四线螺旋天线20、40都包括四个辐射螺旋天线单元22、24、26、28和42、44、46、48或“线”。  一个线通常由如同22的一条线或带沿同轴支撑管的长度缠绕成螺旋状而形成，由此限定一个固定直径和高度等于形成每个天线的天线单元的轴向长度的圆柱体。这样每个天线20、40包含一对双线螺旋体。在优选实施例中，每个四线螺旋天线20、40的单元22、24、26、28和42、44、46、48以正交相位激励并实际相互隔开90°。注意，如同在此所使用的，词汇“螺旋体”并不意味着多个线匝，这是我们期待的。尤其是，在此使用的一个“螺旋体”可构成少于一完整匝。

本发明范围内的另一个实施例包括具有辐射单元22、24、26、28和42、44、46、48的发射和/或接收四线螺旋天线20、40，它们在每一个围绕一轴形成一个线圈或部分线圈的意义上是螺旋形的，但由一端到另一端的直径也可改变。这样，尽管发射和接收天线20、40的优选实施例具有限定圆柱体封套的螺旋单元，这些天线的一个或两者都可能由具有限定一个圆锥体封套或另外的旋转表面的单元来实现。

单个螺旋22、24、26、28和42、44、46、48的缠绕可以是右旋的或左旋的，在此每个构成具体天线20、40的单元22、24、26、28和42、44、46、48具有相同的缠绕方向。在此天线20、40是在端射方式的源端馈电，根据IEEE和行业惯例，左旋缠绕一般用于接收和发射右旋圆极化波形，反之右旋缠绕一般用于接收和发射左旋圆极化波形。在本发明的优选实施例中，发射和接收四线螺旋天线20、40两者都配置成发射和接收相同的极化波形。

由图2中描述的四线螺旋天线20、40提供的辐射图主要随螺旋体直径、倾角(倾角是随螺旋体每单位轴向长度匝数变化)和构成天线的单元实际长度而变化。在本发明的优选实施例中，两个发射和接收天线20、40的螺旋天线单元的电长度近似为λ/2，在此λ为对应发射(用于发射天线20)或接收(用于接收天线40)频带的中心频率波长。在此实施例中，天线20、40最好具有大约55至85度的倾角。在此优选范围，较低倾角提供更多半球覆盖，而对于单元长度在1/2波长数量级上的单元较高的倾角值将使辐射图(因此提供更大的方向性)集中在小于半球覆盖的立体角上。给定使用天线的系统的特定要求，选择适当倾角可提供覆盖与方向性之间的最佳折中方案。这些四线螺旋天线20、40工作在驻波方式，在谐振频率附近的相对窄带上提供有一个准半球辐射图(或许稍有点方向性的辐射图)。可是，通过提供分开的发射和接收四线螺旋天线20、40，可能在带有宽分离的发射和接收子频带的移动卫星通信应用中使用本发明的四线螺旋天线系统。

组成发射和接收四线螺旋天线20、40的四个单独的天线单元22、24、26、28和42、44、46、48的每一个具有接近馈电网络的源端，和末端。最好如图3所示，发射四线螺旋天线单元22和26的末端22b、26b通过线或带151电连接以形成双线环路，和单元22的源端22a连接到发射馈电网络80(在图3中是以90°混合耦合器81实现的)和单元26的源端26a耦合接地。同样地，单元24和28的末端24b、28b通过线或带153电连接以形成第二个双线环路，而单元24的源端24a连接到发射馈电网络的第二输出端和单元28的源端28a耦合接地。四线螺旋天线20的实施例是指一个闭环实施例，因为天线单元在它们的末端被电连接。这些区别于开环的四线螺旋天线，开环的四线螺旋天线包括每个在末端开路的四个螺旋单元。

在发射天线20的优选实施例中，双线环路22、26和24、28是对称的。因此，电连接151、153最好由相同形状排列成提供形成双线环路22、26和24、28的导电线或带来实现，同时双线环路22、26与双线环路24、28电绝缘。电连接151、153的这种对称设计使得在相邻单元之间离开理想90°相位偏置的相位改变为最小。

同样地，在接收四线螺旋天线40上，单元42和46的末端42b、46b通过线或带155电连接以形成第一双线环路，和单元44和48的末端44b、48b通过线或带157电连接以形成第二双线环路。单元42和44的源端42a、44a耦合到接收馈电网络90(在图3中是以90°混合耦合器91实现的)，和单元46和48的源端46a、48a接地。发射和接收天线20、40两者另外包括一个天线罩。在优选实施例中，该天线罩是一个带有端盖的塑料管。

本发明四线螺旋天线的闭环实施例解决了开环四线螺旋天线用在移动电话应用中可能产生的问题。特别地，在需要小天线直径的应用中，底部馈电的开环1/2波长的天线在谐振频率上具有近似开路的阻抗(1000欧姆或更大)。这样的阻抗太大以至不能转换为所需的阻抗，所需阻抗通常为50欧姆数量级因为天线一般通过一条或多条50欧姆同轴电缆连接到发射机12和接收机14，这样不能获得最大功率传输，因为天线阻抗与馈源传输线阻抗不能匹配。另一方面，闭环底部馈电λ/2长度单元的四线螺旋天线的谐振电阻为4-12欧姆范围。这样可以通过已知的阻抗转换技术，如射频转换器，转换到50欧姆数量级以匹配传输源点的阻抗。可是，对于某个非1/2波长的单元长度，如3/4波长单元，开路阻抗会低的多从而可转换到50欧姆数量级。

如图2所示，在本发明的优选实施例中，发射和接收四线螺旋天线20、40是重叠关系的同心排列。这使得天线系统18的物理体积最小。通常，接收频带包含低于发射频带的频率。这样，在优选实施例中，形成发射四线螺旋天线20的天线单元22、24、26、28短于接收四线螺旋天线40上的单元42、44、46、48，和以较小的天线直径也能获得相同的天线辐射图。这样，在此情况下，发射天线20一般安放在由接收四线螺旋天线40所限定的圆柱体内。如图2所示，在优选实施例中，发射和接收四线螺旋天线20、40的单元22、24、26、28和42、44、46、48是径向对准的。这种径向对准适合使“开”和“关”天线之间的耦合最小。

发射和接收四线螺旋天线20、40的单元22、24、26、28和42、44、46、48最好由连续的导电材料如铜带构成。这些辐射单元22、24、26、28和42、44、46、48可以通过蚀刻、喷镀或其它常规方法印刷在可弯曲的平板电介质基片上，如玻璃纤维、特氟隆(聚四氟乙烯)、聚酰亚胺或类似物。然后这些可弯曲的电介质基片被卷成圆柱体形状，由此将直线带转变成螺旋天线单元22、24、26、28和42、44、46、48。然而尽管上面描述的形成四线螺旋天线的技术是优选方法，对本领域技术人员来说可用各种不同方式实现发射和接收四线螺旋天线20是显而易见的，甚至不需要一个圆柱形的支撑结构。

如图1所示，发射和接收馈电网络80、90提供用来在发射模式对辐射能量分相和在接收模式合并所接收的辐射能量。这些馈电网络80、90能够用任何向四线螺旋天线馈电的各种已知网络来实现，如Terret等人的美国专利第5255005号中所公开的一个混合耦合器和两个对称器模块的组合。

当以背射方式从顶部馈电，通过可选择的向上或向下方式在中部馈电，或以前射反向缠绕方式在底部馈电时，如天线20、40的四线螺旋天线已知能够辐射左旋或右旋圆极化信号。可是，顶部馈电型式在圆柱体结构中心往往需要套管平衡非平衡转换器，可能很难制作。在由微波卫星电话用户终端所要求的频率上尤其如此，因为这些电话机需要小直径的螺旋天线结构。同样地，中心馈电的四线螺旋天线也可能很难制作。在优选实施例中，本发明通过对激励每个四线螺旋天线20、40上两个闭环双线波长环路使用源端馈电网络来解决这些制作问题。

图3描述了这样一个馈电网络80、90的优选实施例。如图3所示，每个馈电网络80、90用一个90°混合耦合器81、91来实现，该90°混合耦合器耦合到形成发射和接收天线20、40的双线环路上。如图3所示，发射馈电网络80包括一个单独的具有输入端82、84和输出端86、88的90°混合耦合器81。输入端82耦合到发射信号源12上和输入端84通过一个电阻性终端89耦合接地。

通常，发射信号馈源12通过一个同轴电缆83耦合到发射90°混合耦合器81上。同轴电缆通常具有近似50欧姆的阻抗。为使从发射信号馈源12到发射四线螺旋天线20的能量传输最大，最好将发射馈源12的阻抗与发射天线20的阻抗相匹配。这种匹配可通过使用已知技术将天线单元22、24的阻抗提高到近似50欧姆来实现，和用一个50欧姆电阻来实现电阻89。由于在本发明实施例中实现的λ/2长度的天线单元22、24、26、28具有在谐振状态近似4-12欧姆的电阻，需要一个近似四倍的阻抗转换以使发射四线螺旋天线20的阻抗与发射90°混合耦合器81输入端的阻抗相匹配。本领域技术人员会意识到能用各种技术来实现阻抗转换，如使用带有四比一阻抗转换的射频平衡非平衡转换器或各种小型表面固定射频转换器。

最好如图3所示，发射90°混合耦合器81将输入馈源信号分成两路等幅输出信号，它们在相位上相互偏离90°。输出86被耦合到包含发射四线螺旋天线20的两个λ长双线环路22、26的第一个上，和输出88被馈送到第二个λ长双线环路24、28上。

也如图3所示，接收馈电网络91最好是以与发射馈电网络81完全相同的方式实现的，除了接收馈电网络91用来将感应功率合并和传送到接收机14上而与向辐射天线传送信号相反。因此，具有输入端96、98和输出端92、94的一个接收90°混合耦合器91用于将由接收四线螺旋天线40所接收的能量合并和将这种感应功率传送到接收机14。接收90°混合耦合器91的输入端96被耦合到接收四线螺旋天线40的第一双线环路42、46上，和输入口98被耦合到第二双线环路44、48上。接收90°混合耦合器91的输出端92通过同轴电缆93被耦合到接收机14，和输出端94通过电阻99被耦合接地。

如同本领域技术人员能容易理解的，90°混合耦合器81和91能以各种不同方式实现，如分布式四分之一波长传输线或集中元件装置。在优选实施例中，使用了集中元件90°混合分路器/合成器，因为其一般比相应的分布分支线耦合器小并在它们的两个输出接口之间也保持几乎刚好90°的相位差。

图3也说明了将发射和接收四线螺旋天线20、40电耦合到它们各自的馈电网络80、90上的优选方法。如上面所讨论的，在优选实施例中两个发射和接收天线20、40可用一对长为波长(λ)、电连接的双线环路来实现。如图3所示，发射和接收天线20、40通过将λ长的环路22、26和42、46连接到它们各自90°混合耦合器81、91的0°输入/输出口上和将另一个双线环路24、28和44、48耦合到各自90°混合耦合器的另一个输入/输出口上来馈送。发射四线螺旋天线20的单元26、28的源端，和接收四线螺旋天线40的单元46、48的源端被耦合接地。以此方式，在发射期间发射和接收四线螺旋天线20、40的每一个单元被相位正交的等幅信号激励。

如图2所示，在优选实施例中，发射和接收四线螺旋天线20、40是用同心、基本重叠设计实现的。尽管此设计使天线系统的物理尺寸最小，发射天线单元22、24、26、28与接收天线单元42、44、46、48靠近提供了将接收能量耦合到发射天线20或将感应到发射天线20的能量耦合到接收天线40的可能性。这种耦合是不需要的，因为它将减少为发射传送到发射天线20的功率或从接收天线40所接收到的功率。另外，此耦合也不利地影响了天线的辐射图。

根据本发明，已经发现发射和接收四线螺旋天线20、40能通过“关”天线的开路单元被有效地电绝缘。当提供这种开路时，“开”天线基本上象“关”天线不存在一样而工作。在本发明的优选实施例中，“关”天线通过开关装置112、114、116、118和122、124、126、128被开路，这些开关装置在源端被耦合到发射和接收四线螺旋天线20、40的每个单元上。当用户终端10为接收方式时这些开关由偏置信号启动以在发射天线20的每个单元22、24、26、28的源端提供开路，和当用户终端10为发射方式时在接收天线40的每个单元42、44、46、48的源端提供开路。

如同本领域技术人员可以理解的，能够通过各种电气、机电或机械开关来提供这样开关装置112、114、116、118和122、124、126、128。可是，由于电气开关的可靠性、低成本、实体体积小和能作正出现的数字通信工作方式所需的高速开和关，仍优选了电气开关。这些电气开关可容易地由如带状线或微带印刷电路板的微电子基片上的小表面固定装置来实现。最好，一个单独的微电子基片包含形成发射和接收馈电网络的这些开关和器件两者。在本发明的实施例中，开关装置112、114、116、118和122、124、126、128是由PIN二极管实现的。

PIN二极管是在从高频频段到微波频段的宽频率范围上作为可变电阻工作的半导体装置。当处于正向偏置条件时，这些二极管具有非常低的小于1欧姆的电阻。另外，这些二极管可以被零或反向偏置，它们表现为并联在10000欧姆大电阻上的近似1微微法的小电容。这样，在正向偏置方式，PIN二极管起短路作用，而在反向偏置方式PIN二极管有效地起开路作用。在此实施例中，PIN二极管是由耦合到发射和接收四线螺旋天线20、40的每个单元源端的分立器件来实现的。

在PIN二极管实施例中，当通信手机10为接收方式时，在发射电路支路中的每个PIN二极管上施加一个直流偏置电流，在此反向偏置这些二极管由此在四线螺旋天线20的每个单元22、24、26、28的源端产生开路。同时，在接收电路支路中的PIN二极管上施加一个正向偏置电流产生连接接收电路支路的一个低电阻。随后，接收电路支路的PIN二极管工作在正向偏置方式，由此将接收四线螺旋天线40的单元42、44、46、48耦合到接收机14上。如同本领域技术人员容易理解的，当通信终端10工作在发射方式时，在接收电路支路的PIN二极管上施加一个零或反向偏置信号并在发射电路支路的PIN二极管上施加一个正向偏置，由此将天线20耦合到发射机12并在四线螺旋天线40的源端产生开路。

在如图3所示的另一个实施例中，使用砷化镓场效应晶体管(GaAsFETs)代替PIN二极管来实现开关112、114、116、118和122、124、126、128。优先于PIN二极管选择这些装置是因为当缺少偏置信号时它们工作在反向偏置方式，由此避免了为正向偏置工作需要偏置电流的PIN二极管所固有的漏电功率。另外，如图3所示，每个GaAs FET使用一个防谐振电感并因而在“关”方式使开关绝缘。此操作明显增加了“关”电路的电绝缘。在“开”方式，电感表现为所希望的无效，因为其由与GaAs FET相关的“开”电阻短路了。另外，GaAs FET开关的源极和漏极工作在直流接地电位和电阻上。这些属性致使这些GaAs FET免除了通常在天线电路附近使用GaAs FET所担心的普通静电放电。在此实施例中，GaAs FET开关112、114、116、118和122、124、126、128是由带状线印刷电路板上的表面固定器件实现的，该印刷电路板包含发射和接收90°混合耦合器81、91。

在一个优选实施例中，90°混合耦合器81、50欧姆电阻89、和发射支路的GaAs FET开关112、114、116、118是由带状线或微带印刷电路板上的表面固定器件实现的。最好使用在顶层与底层之间包括接地电路的多层板。在印刷电路的一端，可提供四个触点以将馈电网络耦合到发射四线螺旋天线20的单元上。在印刷电路的另一端，可安排用于从发射机12上连接同轴传输线。在此情况下，接收支路的相同表面固定器件最好固定在印刷电路板的相反一面上。

在附图、说明和例子中，已经公开了本发明的典型优选实施例，尽管使用了特定的术语，这些术语的使用是出于泛泛的和说明性考虑而非为限制的目的，本发明的范围在下列权利要求书中进行阐述。因此，本领域技术人员自身能够想象出不同于此处描述的不超出本发明的范围的天线系统的实施例。

Claims (28)

1.用于向接收机提供电信号和用于发射来自发射机的电信号的一个半双工天线系统，包括：

包含两个正交排列和正交相位激励双线螺旋体的一个接收四线螺旋天线；

包含两个正交排列和正交相位激励双线螺旋体的一个发射四线螺旋天线，与所述接收四线螺旋天线同心定位；

用于将来自所述接收四线螺旋天线的信号耦合到所述接收机和用于将所述发射四线螺旋天线的双线螺旋体与所述接收机电绝缘的一个第一耦合/断开装置；

用于将来自所述发射机的信号耦合到所述发射四线螺旋天线和用于将所述接收四线螺旋天线的双线螺旋体与所述发射机电绝缘的一个第二耦合/断开装置。

2.权利要求1的天线系统，

其中所述第一耦合/断开装置包括用于将来自所述接收四线螺旋天线的信号耦合到所述接收机的第一耦合装置和用于将所述发射四线螺旋天线的双线螺旋体与所述接收机电绝缘的第一断开装置；和

其中所述第二耦合/断开装置包括用于将来自所述接发射机的信号耦合到所述发射四线螺旋天线第二耦合装置和用于将所述接收四线螺旋天线的双线螺旋体与所述发射机电绝缘的第二断开装置。

3.权利要求2的天线系统，其中所述第一断开装置包括多个沿所述发射机与所述发射四线螺旋天线之间的电连接插入的开关装置，和其中所述第二断开装置包括沿所述接收机与所述接收四线螺旋天线之间的电连接插入的多个开关装置。

4.权利要求3的天线系统，其中所述开关装置包括PIN二极管。

5.权利要求3的天线系统，其中所述开关装置包括砷化镓场效应晶体管。

6.权利要求2的天线系统，其中所述第一耦合装置包括具有第一和第二输入口和第一和第二输出口的一个第一90°混合耦合器，和所述第二耦合装置包括具有第一和第二输入口和第一和第二输出口的一个第二90°混合耦合器。

7.权利要求6的天线系统，

其中所述发射四线螺旋天线包括在源端耦合到所述第一90°混合耦合器上的第一输出口的一个第一线，在源端耦合到所述第一90°混合耦合器上的第二输出口的一个第二线，和在源端耦合到一个第一基准电压的第三和第四线，和其中所述第一和第三线在其末端电连接和所述第二和第四线在末端电连接；和

其中所述接收四线螺旋天线包括在源端耦合到所述第二90°混合耦合器上的第一输出口的一个第一线，在源端耦合到所述第二90°混合耦合器上的第二输出口的一个第二线，和在源端耦合到所述第一基准电压的第三和第四线，和其中所述第一和第三线在末端电连接和所述第二和第四线在末端电连接。

8.权利要求6的天线系统，其中所述第一和第二90°混合耦合器包括集中元件的90°混合耦合器。

9.权利要求1的天线系统，其中所述发射四线螺旋天线为安放在由所述接收四线螺旋天线所限定的圆柱体内。

10.权利要求1的天线系统，其中所述接收四线螺旋天线为安放在由所述发射四线螺旋天线所限定的圆柱体内。

11.权利要求9或10的天线系统，其中形成所述发射四线螺旋天线的双线螺旋体径向对准形成所述接收四线螺旋天线的双线螺旋体。

12.权利要求1的天线系统，其中所述发射天线配置成发射右旋圆极化信号和其中所述接收天线配置成接收右旋圆极化信号。

13.权利要求1的天线系统，其中所述双线螺旋体的每一个包括一个倾角大于约55度和小于约85度的螺旋体。

14.权利要求1的天线系统，进一步包括至少一个微电子基片，和其中所述发射四线螺旋天线、所述接收四线螺旋天线和所述第一和第二耦合/断开装置都实现在所述至少一个微电子基片上。

15.用于向接收机提供电信号和用于发射来自发射机的电信号的一个半双工天线系统，包括：

由所述发射机馈电的具有两个输出口的一个发射90°混合耦合器；

馈电给所述接收机的具有两个输入口的一个接收90°混合耦合器；

同心发射和接收四线螺旋天线，每个包括正交排列和正交相位激励的两个双线螺旋体，

其中包含所述发射四线螺旋天线的双线螺旋体的每一个包括在源端耦合到所述发射90°混合耦合器的输出口之一上的一个第一线和在源端耦合接地的一个第二线，和其中所述第一和第二线螺旋体在其末端电连接，和

其中包含所述接收四线螺旋天线的双线螺旋体的每一个包括在源端耦合到所述接收90°混合耦合器的输入口之一上的一个第一线和在源端耦合接地的一个第二线，和其中所述第一和第二线螺旋体在其末端电连接；

用于将所述发射四线螺旋天线的双线螺旋体与所述接收机电绝缘的第一断开装置；和

用于将所述接收四线螺旋天线的双线螺旋体与所述发射机电绝缘的第二断开装置。

16.权利要求15的天线系统，其中所述第一天线断开装置包括沿所述发射机与所述发射四线螺旋天线之间的每个电连接插入的多个开关装置，和其中所述第二天线断开装置包括沿所述接收机与所述接收四线螺旋天线之间的每个电连接插入的多个开关装置。

17.权利要求16的天线系统，其中所述开关装置包括PIN二极管。

18.权利要求16的天线系统，其中所述开关装置包括砷化镓场效应晶体管。

19.权利要求15的天线系统，其中所述第一和第二90°混合耦合器包括集中元件的90°混合耦合器。

20.权利要求15的天线系统，其中所述接收四线螺旋天线限定一个具有第一半径的圆柱体，和其中所述发射四线螺旋天线限定一个具有第二半径的圆柱体，其中所述发射四线螺旋天线为安放在由所述接收四线螺旋天线所限定的圆柱体内，和其中形成所述发射四线螺旋天线的双线螺旋体径向对准形成所述接收四线螺旋天线的双线螺旋体。

21.权利要求15的天线系统，其中所述发射天线配置成发射右旋圆极化信号和其中所述接收天线配置成接收右旋圆极化信号。

22.一个半双工天线系统包括：

用于在1525MHz到1559MHz频带内接收射频信号带有在所有超过45°的仰角上超过3dBi的方向性，具有少于10厘米长度的四个螺旋线，所述线正交排列和正交相位激励的一个接收四线螺旋天线；

用于在1626.5MHz到1660.5MHz频带内发射电信号带有在所有超过45°的仰角上超过3dBi的方向性，包含少于10厘米长度的四个螺旋线，所述线正交排列和正交相位激励的一个发射四线螺旋天线；

用于将来自所述接收四线螺旋天线的信号电连接到所述接收机的第一耦合装置；

用于将来自所述发射机的信号电连接到所述发射四线螺旋天线的第二耦合装置；

用于将所述发射四线螺旋天线的双线螺旋体与所述接收机电绝缘的第一断开装置；

用于将所述接收四线螺旋天线的双线螺旋体与所述发射机电绝缘的第二断开装置。

23.权利要求22的天线系统，其中所述发射天线配置成发射右旋圆极化信号和其中所述接收天线配置成接收右旋圆极化信号。

24.权利要求22的天线系统，其中所述发射四线螺旋天线为安放在由所述接收四线螺旋天线所限定的圆柱体内。

25.权利要求22的天线系统，其中所述接收四线螺旋天线为安放在由所述发射四线螺旋天线所限定的圆柱体内。

26.权利要求22的天线系统，其中所述线螺旋体的每一个包括一个倾角大于约55度和小于约85度的螺旋体。

27.使用包括一个接收四线螺旋天线和一个发射四线螺旋天线的一个半双工天线系统发射来自一个发射机的电信号和接收来自一个接收机的电信号的一种方法，该方法包括步骤：

将来自所述接收四线螺旋天线的信号耦合到所述接收机同时将所述发射四线螺旋天线与所述接收机电绝缘；和

将来自所述发射机的信号耦合到所述发射四线螺旋天线同时将所述接收四线螺旋天线与所述发射机电绝缘。

28.根据权利要求27的方法，其中所述半双工天线系统进一步包括沿所述接收机与所述接收四线螺旋天线之间的每个电连接插入的多个开关装置和沿所述发射机与所述发射四线螺旋天线之间的每个电连接插入的多个开关装置，和其中所述耦合步骤包括当打开其余开关时关上沿电绝缘天线插入的开关关闭。

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