CN1241308A

CN1241308A - L波段四线螺旋天线

Info

Publication number: CN1241308A
Application number: CN97180828A
Authority: CN
Inventors: 小G·A·奥内尔
Original assignee: Ericsson Inc
Current assignee: Ericsson Inc
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1997-12-15
Publication date: 2000-01-12
Anticipated expiration: 2017-12-15
Also published as: EP0944931A1; DE69721811D1; CN1127172C; AU5699798A; US5920292A; WO1998028815A1; EP0944931B1; ID23406A

Abstract

能够在L波段的相对宽带频率范围提供正增益、准半球天线图的小型四线螺旋天线。根据本发明的天线系统一般包括一个四线螺旋天线和至少一个天线馈电网络,并可进一步包括用于改善天线宽带频率性能的匹配装置。在优选实施例中,形成每个双线螺旋的四线螺旋天线单元在末端短路,和通过电连接到四线螺旋天线的双线环路的接收发送90°混合耦合器向天线馈送和从天线感应能量。天线系统还可包括第一和第二电路支路用来将天线的谐振频率改变为对应于分离的发射和接收频带的第一和第二谐振频率,和在天线正接收信号时用于将第一电路支路与天线电绝缘和在发射期间将第二电路支路与天线电绝缘的切换或其他断开装置。

Description

L波段四线螺旋天线

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限制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“关闭”区。

因此，提出了一种组合的蜂窝式/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地面的网孔。

在所提出的该系统中，如同所知的亚洲蜂窝式卫星系统，卫星网络将由一个或多个在赤道上方大约22600哩处轨道运行的同步卫星实现。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许多与单一陆基蜂窝式系统有关的缺点，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。消费者对于手持移动电话机物理特性和通信性能的期望已由用于常规蜂窝式系统的电话机说明了，该常规电话机仅包括与通常位于移动用户终端20哩内的网孔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增加额外的限制。例如，装备用户终端手机的卫星收发信机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。

除了上述限制外，该手机卫星收发信机最好也能够在与卫星网络相关的发射和接收频带的全范围工作。可是，亚洲蜂窝式卫星系统的工作频带与用于各种现有技术的L波段卫星通信系统的用户终端天线系统相关的任何通信带宽一样大。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。因此用户手机上的卫星收发信机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、相对宽频带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。这样一个天线系统最好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、切换和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进行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，其它完全相同的情况下，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。这些带宽可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。

除了上述有关四线螺旋天线的带宽限制外，天线可有效工作的带宽也受功率传输考虑的限制。特别地，在工作中，必须在发射机/接收机和四线螺旋天线之间传输电信号。可是，由于在馈源与负载之间的非完全阻抗匹配引起产生反射，这样的功率传输一般不是无损耗的。如足够大，可用电压驻波比(“VSWR”)表示的反射功率损耗可能妨碍通信系统满足其链路预算(budgets)。作为举例，对于亚洲蜂窝式卫星系统，系统链路预算需要在手机发射机/接收机输出端测量的电压驻波比小于1.5。

尽管经常可能将四线螺旋天线的输入阻抗与来自发射机/接收机的内联传输线阻抗相匹配，由于四线螺旋天线的输入阻抗随频率明显改变，这种匹配仅产生在小频率范围上。因此，甚至不需要完全匹配(即VSWR＝1.0)，一般也仍可在某个极小带宽上获得可接受的匹配。此带宽小于正在形成的蜂窝式和卫星电话用途所要求的工作带宽。因而，阻抗失配也可适用于对四线螺旋天线系统有效带宽的限制。

四线天线以前使用在大量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，它应能够在宽间隔的、相对宽带的发射和接收子频率上提供具有正增益的准半球天线图。

本发明概述

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地提供用于L波段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L波段四线螺旋天线系统，其能够在所有超过45°的仰角上提供方向性超过3dBi的辐射图。

本发明的第三个目的是提供L波段四线螺旋天线系统，其能够在工作频率宽带上提供良好的阻抗匹配。

本发明的这些和其他目的是由用于手持用户收发信机的小型L波段四线螺旋天线系统实际提供的，该收发信机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。这些改善的性能特性是通过使用小直径闭环天线设计和增加天线工作带宽的阻抗匹配网络来提供的。

在本发明的一个实施例中，提供用于发射和接收无线信号的手持收发信机，其包括一个发射机、一个接收机、一个用户接口、一个四线螺旋天线和耦合装置，该装置将天线电连接到用户终端收发信机上。在此实施例中，构成四线螺旋天线的单元的轴向长度最好在7至9厘米范围和由这些单元限定的圆柱体直径最好在6至13毫米之间。在另一个实施例中，此收发信机在1626.5MHz到1660.5MHz频段发射信号和在1525MHz至1559MHz频段接收信号。四线螺旋天线可包含两个正交排列和相位正交激励的双线螺旋天线，和该天线可提供作为与手持用户收发信机分离的独立装置。

在本发明的另一个实施例中，四线螺旋天线包含四个天线单元，每个单元具有一个源端和一个末端。在这个实施例中，第一和第三天线单元的源端耦合到收发信机上，和第二和第四天线单元的源端耦合到第一参考电压。第一和第二天线单元和第三与第四天线单元在它们的末端电连接。每个这样的线螺旋可能包含一个具有大约55至85度螺距角的螺旋体。

在本发明的又一个实施例中，每个天线单元的长度大约为四线螺旋天线工作波长(λ)的0.5倍，和天线单元限定了一个具有小于天线工作波长(λ)的10％的固定直径的圆柱体。四线螺旋天线可进一步配置成发射和接收圆极化信号。

在本发明的另一个方面，将匹配装置耦合到四线螺旋天线的单元上以增加四线螺旋天线的工作带宽。这些匹配装置对于在L波段频段中的至少25MHz的连续带宽上最好将在收发信机输出端测量的电压驻波比减小到小于1.5。这些匹配装置可包含耦合到四线螺旋天线单元上的电抗元件。该天线系统也可包括一个或多个可弯曲的微电子基片，在其上可实现四线螺旋天线和作为集中元件装置的匹配装置。

在本发明的另一个实施例中，提供一种四线螺旋天线系统，其中四线螺旋天线每个单元的轴向长度在对应天线设计的发射和接收信号频率范围波长的0.37至0.48倍，和由天线限定的圆柱体直径在0.03至0.07波长之间。本发明四线螺旋天线系统的这些和其他实施例提供了在实体封装中的用于正出现的移动卫星通信应用所必须的增益、带宽、极化和辐射图特性，其小巧并符合消费者对于携带方便的期望。

附图简要说明

图1为根据本发明的四线螺旋天线系统的一个方框图；

图2为根据本发明的四线螺旋天线系统的一个透视图；

图3为说明本发明天线、耦合网络和阻抗匹配网络的特定实施例的示意图；

图4为说明本发明一种改型实施例的示意图。

最佳实施例的详细说明

现在将参照附图更全面地描述本发明，如下所示为本发明的优选实施例。可是，本发明可用许多不同的形式来体现，而且不得解释为限制在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使公开更彻底和完整，并向本领域技术人员全面传达本发明的范围。另外，尽管本发明的天线系统特别有利于用在某些卫星通信应用中，本领域技术人员将理解这些天线系统也可有利地用于多种应用中，包括蜂窝式、陆基通信系统，因而本发明不能以任何方式解释为对使用在卫星通信终端手机中的天线系统的限制。相同数字表示通篇相同的元件。

在图1的方框图中描述了一个根据本发明的手持无线通信终端10的实施例。终端10一般包含一个天线系统18、由发射机12接收机14和用户接口16组成的一个收发信机11。对于本领域技术人员来说用户接口16适用于手持无线通信终端是公知的，如送话器、袖珍键盘、旋转拨号盘和类似物。同样地，各种适用于在手持无线通信终端上使用的发射机12和接收机14对本领域技术人员来说也是公知的。

如图1中所描述，根据本发明的天线系统18使用了一个四线螺旋天线20。该天线20可电连接到阻抗匹配网络29上，该网络用于改善天线系统18与收发信机11之间的宽带阻抗匹配。阻抗匹配网络29被耦合到天线馈电网络27上。为在发射期间使四线螺旋天线20的每个单元产生辐射，天线馈电网络27将来自发射机12的信号分开并使其相位旋转，和当通信终端10工作在接收方式时天线馈电网络27将天线20所接收的辐射能量合并和传送到接收机14。

如图2所示，四线螺旋天线20由四个辐射螺旋天线单元22、24、26、28或“线”组成。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。因此，天线20包含一对双线螺旋体22、26和24、28。四线螺旋天线20的单元22、24、26、28最好实际相互隔开90°并以正交相位激励。另外，在以导电材料带形成单元的场合，最好使用较宽的带(即对于设计工作在1500-1660MHz频率范围的天线在3-5毫米宽数量级)以减少损耗和使单元的电感最小，从而促进天线20阻抗与发射机12和接收机14阻抗的匹配。

在本发明范围内的另一种实施例包括具有辐射单元22、24、26、28的四线螺旋天线20，这些单元在每个形成围绕一个轴的线圈或部分线圈的意义上是螺旋形的，但从一端到另一端的直径也变化。这样，尽管天线20的优选实施例具有限定一个圆柱体封套的螺旋单元，也可能使这些单元限定另外的一个圆锥形封套或其它旋转表面来形成天线20。另外，应注意在此使用的词汇“螺旋体”并不打算暗示多个匝。具体地，一个在此使用的“螺旋体”可以构成少于一个整匝。

如图2中所示，可由(i)四个辐射单元的轴向长度(H)(ii)由这些单元和与源端和末端连接相关的交叉臂限定的圆柱体的直径(D)和(iii)每个辐射单元的实际长度(L)来限定一个四线螺旋天线。在本发明的优选实施例中，由L波段四线螺旋天线20的单元限定的圆柱体直径D是6和13毫米之间，以提供满足消费者对小型、易携带蜂窝式电话机所期望的一个小巧天线结构。另一种形式，由天线20的单元限定的圆柱体直径D最好在对应天线接收和发射信号频段中心频率波长(λ)的近似0.03和0.07倍之间。

同样地，天线单元22、24、26、28最好是轴向长度(即由天线单元限定的圆柱体的高度)在7和9厘米之间以便为便携蜂窝式/卫星电话机提供小巧的天线。另一种方式，天线单元22、24、26、28的轴向长度最好在对应天线接收和发射信号频段中心频率波长(λ)的0.37和0.48倍之间。另一种方式，每个天线单元的长度最好是便于天线在感性趣的频段上以谐振方式工作的这样一个长度。本领域技术人员将会明白四线螺旋天线可设计成有λ/4、λ/2、3λ/4或λ的单元长度而工作在谐振态，其中λ对应天线接收和发射信号频段的中心频率波长。可是，如同本领域技术人员可以理解的，由于天线罩的效果天线单元的实际物理长度可以更短，因为天线罩往往改变传播速度使得长度短于在自由空间中的长度。这种效果在小尺寸成为重要目标的场合是有利的，由此应理解本发明的四线螺旋天线系统也可是具有物理长度并非四分之一波长倍数的天线单元而工作在谐振态或接近谐振态。

另外，尽管具有λ/4、λ/2、3λ/4和λ实际或电(应用天线罩效果的场合)长度单元的四线螺旋天线公知为工作在谐振态，这种谐振态或接近谐振态工作也可由其它长度的单元获得。谐振工作意味着等效电抗为零，同时等效导纳为一个实数。希望工作在谐振态，因为在谐振状态可不需要任何另外的电抗匹配而实现最大功率传输。可是，如同本领域技术人员可理解的，通过使用额外的匹配装置可设计出具有非四分之一波长倍数单元长度而工作在谐振状态或接近谐振状态的四线螺旋天线，由此在馈源与负载之间提供良好的功率传输。因而，应确认本发明不仅限于具有四分之一波长倍数单元长度的四线螺旋天线，而是包含具有任何单元长度结合任何匹配结构提供接近谐振工作的四线螺旋天线。

由四线螺旋天线20提供的辐射图主要随螺旋体直径、倾角(随螺旋体每单位轴向长度匝数变化)和单元长度而变化。在本发明的优选实施例中，螺旋天线单元22、24、26、28的电长度近似为λ/2。在此实施例中，天线20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波长数量级上较高倾角值将使辐射图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。

在上述本发明的λ/2单元长度实施例中，四线螺旋天线20工作在接近谐振方式，和在对应波长λ的谐振频率上的较窄带宽内提供一个准半球辐射图。如上面讨论的，由此种四线螺旋天线提供的方向性随倾角变化。因此，例如，单元轴向长度在7至9厘米数量级和直径在6至13毫米数量级具有65度范围的一个倾角的四线螺旋天线能在L波段频段上提供在正上方大于6dBi的方向性和在其它所有超过45°的仰角上大于4dBi的方向性的辐射图，通过调整倾角也同样可以获得其它准半球辐射图，用较高倾角一般提供较宽的覆盖而峰值增益较低。如同本领域技术人员可以理解的，上述天线辐射图方向性数值是指由天线获得的实际增益，和不考虑由天线馈电网络27或阻抗匹配网络29引起的任何损耗。通常，这些损耗在2dB数量级，因此上面描述的具有65°倾角的天线的“净增益”为在正上方近似4dBi和在所有超过45°的仰角上近似2dBi。

如图2所示，构成四线螺旋天线20的四个单独天线单元22、24、26、28的每一个具有接近天线馈电网络27的源端22a、24a、26a、28a，和末端22b、24b、26b、28b。如图2所示，四线螺旋天线单元22和26的末端22b、26b最好由线或带151电连接以形成一个双线回路，和单元24和28的末端24b、28b同样由线或带153电连接以形成第二个双线回路。在此实施例中，单元22和24的源端22a、24a被耦合到天线馈电网络27上和单元26和28的源端26a、28a被耦合接地。四线螺旋天线20的此实施例称之为一个闭环实施例，因为天线20的单元在末端被电连接。这些与包含四个螺旋单元且每个都在末端开路的开环四线螺旋天线相区别。

在天线20的一个优选实施例中，双线环路22、26；24、28是对称的。因此，电连接151、153最好由排列以便提供短路的相同形状导电线或带实现，这些短路形成双线回路22、26和24、28而双线回路22、26与双线回路24、28电绝缘。这种电连接151、153的对称排列使相邻单元之间的相位离开理想90°相位偏置的改变最小。

四线螺旋天线20的闭环实施例有利于解决在移动电话应用中使用开环四线螺旋天线时引起的问题。尤其是在需要小天线直径的应用中，底部馈电的开环1/2波长四线螺旋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，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匹配，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欧姆同轴电缆与收发信机11连接。在优选实施例中，当天线20工作在接收方式时闭环底P馈电λ/2长度单元的四线螺旋天线的谐振电阻为4-8欧姆范围，而当天线20工作在发射方式时为8-12欧姆范围。这样可以通过各种阻抗转换技术，如射频转换器或通过阻抗匹配网络27，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，以便转换到50欧姆数量级。

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，四线螺旋天线已知能够辐射左旋或右旋园极化信号。可是，顶部馈电型式在圆柱体中心需要套管平衡非平衡转换器，可能很难制作。在用于卫星或蜂窝式电话系统中的微波频率上尤其如此，因为这些电话机需要小直径的螺旋天线结构。同样，中心馈电的四线螺旋天线也难以制作。在优选实施例中，本发明通过对激励两个闭环双线回路的四线螺旋天线使用源端馈电网络来解决这些制作问题。

单个螺旋22、24、26、28的缠绕可以是右旋的或左旋的，在此每个构成天线20的单元22、24、26、28具有相同的缠绕方向。在上述优选实施例中天线20为在端射方式下的源端馈电，根据IEEE和行业惯例，左旋缠绕用于接收和发射右旋园极化波形，反之右旋缠绕用于接收和发射左旋园极化波形。

四线螺旋天线20可以包括一个天线罩，该罩一般由带端盖的塑料管来实现。四线螺旋天线20的单元22、24、26、28最好由导电材料例如铜的连续的带构成。在优选实施例中，这些辐射单元22、24、26、28被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，和辐射单元22、24、26、28通过蚀刻、喷镀或其它常规方法布置在电介质基片上。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。可是，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，四线螺旋天线20被耦合到阻抗匹配网络29上。这种阻抗匹配网络29是优选的，因为系统链路预算(budget)在用户终端上可能需要高效率天线系统，在此情况下天线20必须对手机接收机14呈现一个良好的源端阻抗和对手机发射机12呈现一个良好的负载。阻抗匹配网络29一般通过一个或多个电抗器件的带通网络来实现，电抗器件工作以保证在天线20与收发信机11之间测量的电压驻波比(“VSWR”)维持低于天线20工作频段上的某个特定标准。这些阻抗匹配网络29的一个或多个带通网络因此增加了天线20能有效工作的带宽。这种阻抗匹配是可能的，因为在多数移动蜂窝式和卫星电话应用中关于天线20的辐射图一般不需要激励点阻抗为谐振的，而仅需要在天线系统18与发射机12或接收机14之间提供合理的共轭匹配。这样，根据R.M.Fano在“任意阻抗宽带匹配的理论极限”J.Franklin Inst.二月号1950第139-154页中所提出的公知为“法诺定律”(Fano’s Law)的原理，可以使用阻抗匹配电路来增加带宽，在此带宽上按照将VSWR保持在低于一个特定标准的思路天线系统18的阻抗与发射机12或接收机14的阻抗相匹配。

为了举例，亚洲蜂窝式卫星系统所要求尺寸的四线螺旋天线在发射和接收频带中心具有一个接近谐振电阻，但在每个34MHz频带的低端和高端具有非常高的串联等效电阻。这样，这种天线的工作带宽(指定为在收发信机11的输出端VSWR小于1.5的带宽)为载波频率的1％或更小，因此在亚洲蜂窝式卫星系统中在发射和接收频段两者中均为15MHz数量级或更小。因此，如果与系统一起使用这种四线螺旋天线可能需要匹配结构。

如同本领域技术人员可以理解的，可使用各种不同的匹配网络来提供改善的宽带阻抗匹配。通常，使用计算机辅助设计技术来推导出用于阻抗匹配网络的最佳结构和确定器件值，如同William Sabin在“用于ARRL无线电设计员的宽带高频天线匹配”，QST MAGAZINE八月号1995第33-36页中所讨论的那样。

在图1中也说明了天线馈电网络27，提供用来在发射模式对辐射能量分相和在接收模式合并接收到的辐射能量。此馈电网络27能够用向四线螺旋天线馈电的已知网络任何形式来实现，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。

图3说明了一个本发明的四线螺旋天线系统18的优选实施例。在此实施例中，馈电网络27用一个90°3dB的分路/合成耦合器51来实现。如图3所示，90°混合耦合器51最好通过阻抗匹配带通网络102、104耦合到形成四线螺旋天线的双线环路上。

如图3中所示，90°混合耦合器51具有输入端52、54和输出端56、58。输入端52通过同轴电缆53耦合到收发信机11上和输入端54通过电抗终端负载59耦合接地。在发射期间，90°混合耦合器51将来自收发信机11的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°。通过输出口56馈送的信号被耦合到天线20的双线环路22、26上，和通过输出口58馈送的信号馈给第二个双线环路24、28。

尽管90°混合耦合器51提供了用于分路通过两个双线环路22、26和24、28发射的馈源信号的一个有用装置，耦合器51也利于减小由发射机12和接收机14一侧查看的有效VSWR，由此改善了链路余量(margin)和增加天线可以使用的工作带宽。这些的产生是因为90°混合耦合器51将0°和90°接口入射的能量以这样方式合并使得耦合器51输入口52处呈现所需的信号同时在电抗终端负载59中吸收反射信号。因此，在发射机12和接收机14处测量出的VSWR只是在接近天线20的90°混合耦合器51端口56、58处测量出的VSWR的非常小部分。

如同本领域技术人员能容易理解的，90°混合耦合器51能以各种不同方式实现，如通过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，混合耦合器51是以安装在带状线或微带电子基片上的集中元件90°混合分路器/合成器实现的。可以优选这种装置因为其能够在各个输出接口之间保持几乎刚好90°的相位差。另一方面，分布式四分之一波长分支线耦合器或使用传输线的其它配置只在接近谐振的频率上在输出口之间保持90°相位差。这样，例如，在L波段范围内给定34MHz的发射或接收频带，分布式分支线耦合器在中心信号对34MHz频带的上和下端信号之间可产生多达4°的相位偏移。

图3也说明了将四线螺旋天线20电耦合到天线馈电网络27上的优选方法。如上面所讨论的，四线螺旋天线可用一对长为波长(λ)、电连接的双线环路来实现。如图3所示，天线20通过将λ长的环路22、26耦合到90°混合耦合器51的0°输出口56上和将第二双线环路24、28耦合到90°输出口58上来馈电的。每个双线环路的相反端26a、28a电耦合接地。以此方式，每个四线螺旋天线20的单元22、24、26、28被正交相位的等幅信号激励，因为入射在λ长的双线环路22、26和24、28的两个源端22a、24a的信号在横越环路长度到达各自的终端26a、28a期间经历了180°的相位改变。

在图3中也说明了阻抗匹配网络29的优选实施例，其包含带通电路102、104。如图3所示，电路102、104可用带通梯形网络实现，该网络在每个并联支路中使用串联电感和电容。因为优化天线20宽带性能的电路102、104中所包含电感的量值可以足够小以至不能使用可在所需范围保证电感值的低成本现成的器件，优选了这种设计。可是，由于包括串联电感和电容的网络支路的阻抗是电感正电抗与电容负电抗之和，在此优选实施例中的带通网络102、104允许使用低成本现成的较大值的电感，该电感被串联电容有效地减弱了。举例说明，如果在1.6GHz需要+J10的电抗，需要一个1毫微亨的线圈，但对于某些应用一个1毫微亨的线圈可能贵得受不了。可是，通过使用具有+J30欧姆电抗的便宜现成的3毫微亨线圈与具有-J20欧姆电抗的一个电容(大约5微微法)串联能够达到同样的效果。

如早先所讨论的，对于用λ/2长度天线单元VSWR小于1.5的小直径(直径小于10毫米)谐振四线螺旋天线的频率范围接近载波频率的1％。这样，在1500MHz，这种四线螺旋天线的本征带宽为15MHz或更小。可是，通过使用阻抗匹配网络102、104，VSWR小于1.5的带宽可容易增加到25MHz(载波频率的1.7％)，且使用优化的阻抗匹配网络可达到35MHz(载波频率的2.3％)或更多。这样，阻抗匹配装置29能容易地使频率范围翻倍，小直径四线螺旋天线可在L波段的该频率范围上工作。

尽管图3说明的梯形网络实现被选作各种应用，本领域技术人员会明白多种多样的阻抗匹配网络可用来改善天线系统18的宽带性能，这样本发明不仅限于图3所示的梯形网络，其它实现方法也可用来提供阻抗匹配电路102、104。

在图4中说明本发明的一个改型实施例，其设计得有利于天线20在分开的发射和接收子频段上工作。如图4所示，此改型实施例包括第一和第二电路支路32、34和42、44，和分开的发射和接收天线馈电网络51、61，发射和接收电路断开装置74、76和84、86，和上面图3中描述的器件之外的阻抗转换装置92、96。这些额外器件提供了四线螺旋天线20的如下双频带工作。

第一和第二电路支路32、34和42、44用于调节四线螺旋天线的谐振频率以允许天线20在两个分开频率的最小一个上谐振。具体地，第一电路支路32、34可用于改变天线20的谐振频率以近似地对应发射子频带的中心频率，同时第二电路支路42、44同样地用于改变天线20的谐振频率以近似地对应接收子频带的中心频率。在本发明的优选实施例中，四线螺旋天线20设计得谐振在发射和接收子频带之间的某个频率上。然后第一和第二电路支路32、34和42、44用于调谐天线到分开的发射和接收子频带的中心频率上。这样，通过提供有效改变四线螺旋天线20谐振频率的分开的发射和接收电路支路32、34和42、44，甚至一个窄带四线螺旋天线20能被制作得在分开的发射和接收子频带上工作。

如图4所示，第一和第二电路支路32、34和42、44可以用耦合到四线螺旋天线20单元22，24，26，28上的电抗元件实现，由此改变这些天线单元的有效电长度。作为背景技术，四线螺旋天线中的闭环单元对的等效电路可由串联电阻、电感和电容及跨接在串联电阻、电感和电容上的并联容抗形成。因此，每个单元的谐振频率是与等效串联电阻-电感-电容网络有关的谐振频率，此处并联容抗使得等效串联电抗在较低频段上低些和在较高频段上高些。这样，通过放置在耦合到这些天线单元之一的电路支路中串联一个额外电抗性器件(即另一个电容或电感)，单元的谐振频率可有效地改变到不同频率上。

在图4所示的本发明优选实施例中，第一电路支路是以电容32、34实现的，两电容分别被电连接到发射90°混合耦合器51的输出端56与双线环路22、26之间和输出端58与双线环路24、28之间。这些电容32、34有效缩短了双线环路22、26和24、28的电长度，这样就将天线20调谐到一个较高的谐振频率上。同样地，第二电路支路是以电感42、44实现的，两电感分别被电连接到双线环路22、26和24、28与接收90°混合耦合器61的输入端62、64之间。这些电感42、44有效加长了天线单元22、24、26、28的电长度，这样就将天线20调谐到一个较低的谐振频率上。

可是，如同本领域技术人员可以理解的，第一和第二电路支路不必用成对电容32、34或电感42、44实现，而可用任何有效改变天线单元22、24、26、28电长度的电抗元件组合来实现。因此，可使用各种电耦合到发射和接收天线馈电网络51、61与四线螺旋天线20的单元之间的电容和电感组合来实现第一和第二电路支路32、34和42、44。

如图4所示，第一和第二电路支路32、34和42、44连带发射和接收电路断开装置74、76和84、86一起工作。具体地，当手机10工作在接收方式时发射电路断开装置74、76工作以将发射网络32、34、51、12与天线20电绝缘，同时在发射期间接收电路断开装置84、86同样工作以将接收网络42、44、61、14与天线20电绝缘。优选使用开关74、76和84、86是因为电抗元件32、34和42、44不能在一些蜂窝式和卫星电话应用中在发射和接收电路支路之间提供足够绝缘，在这些应用中系统链路预算在用户终端天线系统18与收发信机11之间考虑非常小的耦合损耗。

发射和接收电路断开装置74、76和84、86通过在天线20与“关”电路支路之间提供开路有助于防止由电绝缘“关”电路支路产生的不需要的耦合(注意“关”电路支路指用户终端工作在接收方式时的发射电路支路，和指用户终端工作在发射方式时的接收电路支路)。当提供这种开路时，“开”电路支路基本上象“关”电路支路不存在一样而工作。如图4所示，这些断开装置可以用耦合到四线螺旋天线20的双线环路22、26和24、28上的开关装置来实现。当用户终端10为接收方式时开关74、76由偏置信号72打开以在双线环路的源端22a、26a处提供开路，当通讯终端10为发射方式时开关84、86由偏置信号82打开以在双线环路的源端22a、26a处提供开路。

如同本领域技术人员可以理解的，为了将天线与不使用的“关”网络有效绝缘，这种开关装置不必实际提供一个真实的开路；而是只需要提供足够的阻抗以使得只有极小的能量被耦合入“关”网络。尽管本领域技术人员将确认各种电气、机电或机械开关可用来提供这样的开路，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。这些电气开关可由带状线或微带印刷电路板上的小表面固定装置来实现，该印刷电路板容纳了发射和接收天线馈电网络51、61。在本发明的实施例中，开关装置74、76和84、86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，在此它们表现为并联在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二极管起开路作用。在本发明的实施例中，开关74、76和84、86由固定在带状线或微带印刷电路板上的分立PIN二极管实现的，它们被耦合到形成四线螺旋天线20双线环路的源端22a、26a。

在此实施例中，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而在四线螺旋天线20单元22、26的源端产生开路。同时，在接收电路支路中PIN二极管上施加一个正向控制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，由此将天线20耦合到接收机14上。如同本领域技术人员容易理解的，当用户终端10工作在发射方式时，在接收电路支路的PIN二极管上施加一个反向偏置控制电压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20与接收电路支路42、44、61、14之间产生开路。

如图4所示，在优选实施例中，另外可使用砷化镓场效应晶体管(GaAs FETs)实现开关74、76和84、86。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，因此避免了PIN二极管所固有的漏电功率，它是对正向偏置工作需要的偏置电流。另外，如图4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。另外，在图4的实施例中，一对射频GaAs FET开关用在发射和接收方式两者中，因为电路设计得使两个开关耦合到双线环路22、26和24、28的每一个上。因此，每个开关74、76、84、86所处理的功率仅是用于隔离每个分开的电路支路单独的开关所需功率的一半。这是明显的，因为现有的GaAs FET具有一个功率电平，高过此电平会发生不希望的信号压缩，而图4的实施例通过仅需要一半的功率通过每个GaAs FET开关74、76、84、86来减少发生此事的可能性。在此实施例中，GaAs FET开关74、76、84、86是由带状线印刷电路板上的表面固定元件实现的，该印刷电路板包含发射和接收90°混合耦合器51、61。

如图4所示，通常发射信号馈源12通过一个同轴电缆53耦合到发射90°混合耦合器51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的阻抗与天线20的阻抗相匹配。在通过50欧姆同轴电缆将发射馈源12耦合到天线20的情况下，该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59。由于在本发明优选实施例中实现的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四线螺旋天线20的阻抗与发射90°混合耦合器51输入端的阻抗相匹配。

如图4所示，可通过包括四比一转换器的射频平衡非平衡转换器92、96来提供这样的阻抗转换。如同本领域技术人员可以理解的，这样的平衡非平衡转换器可由带4∶1阻抗转换器的λ/4同轴平衡非平衡转换器或各种其它平衡非平衡转换器设备来实现。以同轴4∶1平衡非平衡转换器实现阻抗转换装置92，96，可能将每个天线单元22、24、26、28的阻抗转换为近似50欧姆以匹配发射机12和接收机14的阻抗。可是，尽管同轴4∶1平衡非平衡转换器是实现装置92、96的一种可能的方法，本领域技术人员会意识到能用各种技术来实现阻抗转换，如使用各种小型表面固定射频转换器或瓷芯转换器，或通过调整阻抗匹配带通网络102、104、106、108。

如同本领域技术人员可以理解的，射频转换器92、96，尽管不需要，也有助于解决器件的实现问题，因为通过将天线单元22、24、26、28的谐振电阻从4-12欧姆增加到近似50欧姆，电感值被有效增加了四倍，进一步有助于解决潜在的器件实现问题，因为小电感值和大电容值在大批量制造情况下很难控制。

最后，在图4的实施例中提供了两个分开的天线馈电网络51、61，其工作而将四线螺旋天线分别耦合到发射机12和接收机14上。这些馈电网络用与图3中早先描述的馈电网络51相同的方式工作。同样地，也提供两个额外的阻抗匹配网络106、108，它们通常向早先描述的匹配网络102、104那样工作。

图4中描述的天线系统工作如下。当通信手机10为接收方式时，偏置信号72激活发射电路断开开关74、76以使发射网络32、34、51、12与四线螺旋天线20之间的电连接开路，以便将发射电路支路32、34、51、12与天线20电绝缘。同样地，当用户手机10为发射方式时，偏置信号82激活接收电路断开开关80，以便将接收网络42、44、61、14与天线20电绝缘。在发射期间，耦合装置51从发射机12向四线螺旋天线20馈送一个源信号，反之在接收方式，耦合装置61工作以合并由四线螺旋天线20所接收的信号并将此合并的信号馈送到接收机14。

在本发明的优选实施例中，90°混合耦合器51、61，50欧姆电阻59、68，GaAs FET开关74、76、84、86，阻抗匹配电路102、104、106、108，第一和第二电路支路32、34、42、44和平衡非平衡转换器92、96都是由带状线或微带印刷电路板上的表面固定器件来实现的。最好使用在顶层与底层之间包括接地电路的多层板，和发射和接收支路的0°支线器件固定在板的一面上，而发射和接收支路的90°支线器件固定在印刷电路板的相反一面上。在印刷电路的一端，可提供四个触点以将四线螺旋天线20的单元耦合到天线馈电电路上。在印刷电路的另一端，可安排用于从发射机12和接收机14上连接同轴传输线的设备。

在优选实施例中，使用可弯曲的微电子基片，将该基片弯折以使其完全符合用来容纳四线螺旋天线20的圆柱体结构。如上所述，四线螺旋天线20也可在可弯曲的平面基片上实现，将该基片同样地卷起来以形成螺旋天线单元22、24、26、28。在此实施例中形成天线20的平面基片可以是基片132或与基片电连接的一个分开的基片。

另外，通过在一个或多个完全包含在天线外壳内的微电子基片上实现天线系统18，有可能极度靠近四线螺旋天线20来安放天线馈电和匹配网络，由此使由匹配/馈电网络与天线20之间电连接所增加的寄生电感量最小。最好所有馈电电路、匹配电路和天线系统18的其它非天线器件的元件都安置在距天线20源端小于5厘米内。更好地，这些器件都安置在距天线20源端小于3厘米内。

使用弯折的可弯曲微电子基片可明显减少四线螺旋天线系统18所需要的体积。为了举例，图4的实施例，当以10毫米直径实现时，设计工作在近似1600MHz上的λ/2单元的四线螺旋天线可以装配在13厘米长和10毫米直径的圆柱体内。这样，在L波段，根据本发明的四线螺旋天线可容易地设计出来以装配在2立方厘米体积内，其明显小于许多提供劣于本发明天线的带宽和/或增益性能特性的现有技术四线螺旋天线。

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，这些术语的使用只是出于一般和说明性考虑而非为限制的目的，在下列的权利要求书中阐述本发明的范围。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

1.用在L波段频段上发射和接收射频信号的手持收发信机上的天线系统包括：

(a)具有四个天线单元的一个四线螺旋天线，其中每个单元的轴向长度在7和9厘米之间和由所述天线限定的圆柱体直径在6和13毫米之间；

(b)用于在所述四线螺旋天线和所述收发信机之间耦合信号的装置。

2.权利要求1的天线系统，其中所述收发信机在1626.5MHz到1660.5MHz频带中发射信号和在1525MHz到1559MHz频带中接收信号。

3.权利要求1的天线系统，其中所述天线单元的每一个具有一个源端和一个末端，和其中所述第一和第三天线单元的源端被耦合到所述收发信机上，和所述第二和第四天线单元的源端被耦合到一个第一基准电压上，和其中所述第一和第二天线单元在它们的末端被电连接和所述第三和第四天线单元在它们的末端被电连接。

4.权利要求1的天线系统，其中所述天线单元的长度是为了在所述手持收发信机工作频带中的一个频率上谐振工作而提供的。

5.权利要求1的天线系统，其中每个天线单元的长度近似于所述四线螺旋天线工作波长(λ)的0.5倍。

6.权利要求1的天线系统，其中所述天线单元的每个包含带有大于大约55度和小于大约85度倾角的一个线螺旋。

7.权利要求1的天线系统，其中所述天线单元按正交排列并以正交相位激励。

8.权利要求1的天线系统，其中所述四线螺旋天线配置成发射和接收圆极化信号。

9.权利要求1的天线系统，其中所述四线螺旋天线的单元限定了一个带有小于所述四线螺旋天线工作波长(λ)10％的固定直径的圆柱体。

10.权利要求1的天线系统，进一步包含耦合到所述四线螺旋天线单元上的匹配装置用于增加所述四线螺旋天线的工作带宽。

11.权利要求10的天线系统，其中对于至少为天线设计工作频率1.7％的一个连续带宽，在所述收发信机输出端测量的电压驻波比小于1.5。

12.权利要求10的天线系统，其中对于在L波段频带中至少为25MHz的一个连续带宽，在所述收发信机输出端测量的电压驻波比小于1.5。

13.权利要求10的天线系统，其中所述匹配装置包括耦合到所述四线螺旋天线单元上的电抗元件。

14.权利要求10的天线系统，其中所述四线螺旋天线和所述匹配装置所需要的体积小于2立方厘米。

15.权利要求10的天线系统，进一步包括至少一个可弯曲的微电子基片，和其中在所述至少一个可弯曲的微电子基片实现所述四线螺旋天线。

16.权利要求15的天线系统，其中在所述至少一个可弯曲的微电子基片以集中元件实现所述匹配装置。

17.对用于接收射频信号的手持用户收发信机的天线系统包括：

(a)具有四个天线单元的一个四线螺旋天线用于在1525MHz到1559MHz频带内接收射频信号带有对所有超过45°的仰角超过3dBi的方向性，其中每个单元的轴向长度在7和9厘米之间和由所述天线限定的圆柱体直径在6和13毫米之间；

18.权利要求17的天线系统，其中所述天线单元的每一个具有一个源端和一个末端，和其中所述第一和第三天线单元的源端被耦合到所述收发信机上，和所述第二和第四天线单元的源端被耦合到一个第一基准电压上，和其中所述第一和第二天线单元在它们的末端被电连接和所述第三和第四天线单元在它们的末端被电连接，和其中所述天线单元按正交排列并以正交相位激励。

19.权利要求17的天线系统，其中所述天线单元的每个包含带有大于大约55度和小于大约85度倾角的一个线螺旋。

20.权利要求17的天线系统，进一步包括耦合到所述四线螺旋天线单元上的匹配装置用于增加所述四线螺旋天线的工作带宽。

21.权利要求20的天线系统，其中在整个1525MHz至1559MHz的频带上在所述收发信机输出端测量的电压驻波比小于1.5。

22.权利要求20的天线系统，其中所述四线螺旋天线和所述匹配装置所需要的体积小于2立方厘米。

23.权利要求20的天线系统，进一步包括至少一个可弯曲的微电子基片，和其中在所述至少一个可弯曲的微电子基片实现所述四线螺旋天线和所述匹配装置。

24.用于发射射频信号的手持用户收发信机的天线系统包括：

(a)具有四个天线单元的一个四线螺旋天线用于在1626.5MHz到1660.5MHz频带内发射射频信号带有对所有超过45°的仰角超过3dBi的方向性，其中每个单元的轴向长度在7和9厘米之间和由所述天线限定的圆柱体直径在6和13毫米之间；

25.权利要求24的天线系统，其中所述天线单元的每一个具有一个源端和一个末端，和其中所述第一和第三天线单元的源端被耦合到所述收发信机上，和所述第二和第四天线单元的源端被耦合到一个第一基准电压上，和其中所述第一和第二天线单元在它们的末端被电连接和所述第三和第四天线单元在它们的末端被电连接，和其中所述天线单元按正交排列并以正交相位激励。

26.权利要求24的天线系统，其中所述天线单元的每个包含带有大于大约55度和小于大约85度倾角的一个线螺旋。

27.权利要求24的天线系统，进一步包括耦合到所述四线螺旋天线单元上的匹配装置用于增加所述四线螺旋天线的工作带宽。

28.权利要求27的天线系统，其中在整个1626.5MHz至1660.5MHz的频带上在所述收发信机输出端测量的电压驻波比小于1.5。

29.权利要求27的天线系统，其中所述四线螺旋天线和所述匹配装置所需要的体积小于2立方厘米。

30.权利要求27的天线系统，进一步包括至少一个可弯曲的微电子基片，和其中在所述至少一个可弯曲的微电子基片实现所述四线螺旋天线和所述匹配装置。

31.用于发射和接收射频信号的手持收发信机的天线系统包括：

(a)具有四个天线单元的一个四线螺旋天线，其中每个单元的轴向长度在0.37和0.48工作波长之间和由所述天线限定的圆柱体直径在0.03和0.07工作波长之间；

32.权利要求31的天线系统，其中所述收发信机在1626.5MHz到1660.5MHz频带中发射信号和在1525MHz到1559MHz频带中接收信号。

33.权利要求31的天线系统，其中所述天线单元的每一个具有一个源端和一个末端，和其中所述第一和第三天线单元的源端被耦合到所述收发信机上，和所述第二和第四天线单元的源端被耦合到一个第一基准电压上，和其中所述第一和第二天线单元在它们的末端被电连接和所述第三和第四天线单元在它们的末端被电连接。

34.权利要求31的天线系统，其中所述天线单元的长度是为了在所述手持收发信机工作频带中的一个频率上谐振工作而提供的。

35.权利要求31的天线系统，其中所述天线单元的每个包含带有大于大约55度和小于大约85度倾角的一个线螺旋。

36.权利要求31的天线系统，进一步包含耦合到所述四线螺旋天线单元上的匹配装置用于增加所述四线螺旋天线的工作带宽。

37.权利要求36的天线系统，其中所述匹配装置包括耦合到所述四线螺旋天线单元上的电抗元件。

38.用于在L波段中发射和接收射频信号的一个手持收发信机包括：

(a)一个发射机；

(b)一个接收机；

(c)一个用户接口；

(d)具有四个天线单元的一个四线螺旋天线，其中每个单元的轴向长度在7和9厘米之间和由所述天线限定的圆柱体直径在6和13毫米之间；

(e)用于在所述四线螺旋天线和所述收发信机之间耦合信号的装置。

39.权利要求38的收发信机，其中所述天线单元的每一个具有一个源端和一个末端，和其中所述第一和第三天线单元的源端被耦合到所述收发信机上，和所述第二和第四天线单元的源端被耦合到一个第一基准电压上，和其中所述第一和第二天线单元在它们的末端被电连接和所述第三和第四天线单元在它们的末端被电连接。

40.权利要求38的收发信机，其中所述天线单元的长度是为了在所述手持收发信机工作频带中的一个频率上谐振工作而提供的。

41.权利要求38的收发信机，其中每个所述天线单元的长度近似为所述四线螺旋天线工作波长(λ)的0.5倍。

42.权利要求38的收发信机，其中所述天线单元的每个包含带有大于大约55度和小于大约85度倾角的一个线螺旋。

43.权利要求38的收发信机，其中所述天线单元按正交排列并以正交相位激励。

44.权利要求38的收发信机，其中所述四线螺旋天线配置成发射和接收圆极化信号。

45.权利要求38的收发信机，进一步包含耦合到所述四线螺旋天线单元上的匹配装置用于增加所述四线螺旋天线的工作带宽。

46.权利要求45的收发信机，其中对于在L波段频带中至少为25MHz的一个连续带宽，在所述收发信机输出端测量的电压驻波比小于1.5。

47.权利要求45的收发信机，其中所述匹配装置包括耦合到所述四线螺旋天线单元上的电抗元件。