專利名稱：嵌套的回轉(zhuǎn)式天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及圓極化(CP)射頻天線，更具體地，涉及包括至少兩對交叉的振子天線。
背景技術(shù)：
具有交叉振子或回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)的CP射頻天線在技術(shù)上是熟知的。示例性傳統(tǒng)的CP射頻天線包括由平衡四相傳輸線饋電的、以及被放置在反射屏上面的交叉振子天線。交叉振子天線的振子出腳朝反射屏方向向下傾斜，以便增加在相對于反射屏平面的較低的仰角上的CP輻射。這種類型的天線可以通過使用簡單的線、棒或印刷的導(dǎo)體用于振子出腳來構(gòu)建。在McGraw-Hil1出版的“Antenna EngineeringHandbook(天線工程師手冊)”第三版的圖28-7上顯示了具有以上討論的特性的CP射頻天線，該書的相關(guān)部分在此引用，以供參考。
在美國專利No.5,519,407中，描述了CP雙頻率天線。這種CP天線包括四個相同的天線單元，每個單元包括沿著每個天線單元的長度方向放置的電感-電容陷波器。這種結(jié)構(gòu)允許所披露的CP天線運行在兩個不同的頻段。
再者，在美國專利No.5,526,009中，描述了線極化(LP)雙頻率天線。這種LP天線包括一個天線組件，它包括四個天線單元。每個天線單元包括一個線圈和一個伸長的臂。成對的細長臂形成具有不同長度的振子，這樣，每對天線單元在不同的頻率上諧振。
發(fā)明概要本發(fā)明提供能夠在一個以上的頻段上發(fā)射和/或接收CP電磁波的嵌套的回轉(zhuǎn)式天線結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的天線也具有在每個頻段內(nèi)達到想要的仰角輻射方向圖的能力。
本發(fā)明優(yōu)選地被使用來接收來自全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星的CP信號，以及發(fā)射和接收L波段通信衛(wèi)星CP信號(例如，在國際海事衛(wèi)星系統(tǒng)(INMARSAT)業(yè)務(wù)中使用的信號)，但本發(fā)明并不限于使用于上述的系統(tǒng)。例如，本發(fā)明也可被使用于使用CP信號的多頻率通信，對于這種通信需要全向的、仰角定制的輻射方向圖。
在本發(fā)明中，兩個或多個回轉(zhuǎn)式天線結(jié)構(gòu)共享公共的對稱軸和公共的反射器。交叉振子對的輻射單元的各種設(shè)計特性(例如，長度，沿著它的對稱軸的位置，對于反射器的傾斜角等等)被優(yōu)選地選擇，以便達到上述的輻射特性。
具體地，本發(fā)明提供圓極化多頻率天線。天線包括具有第一側(cè)和第二側(cè)的反射器，具有第一諧振頻率的第一交叉振子對和具有第二諧振頻率的第二交叉振子對。第一和第二振子對被對稱地放置在反射器的第一側(cè)上。
附圖簡述在附圖上披露了本發(fā)明的優(yōu)選的特性，其中在幾個圖上的相同的標號表示相同的元件，以及其中

圖1是按照本發(fā)明的一個實施例的天線的頂視圖；圖2是顯示兩組交叉振子之一的、圖1的天線的正視圖；圖3是顯示在圖1的布置中的振子單元之間的相對相位的示意圖；以及圖4是圖1的天線的透視圖。
發(fā)明詳細描述參照圖1-3，本發(fā)明的天線優(yōu)選地包括反射器10，其支撐一對電路板40a和40b。反射器10優(yōu)選地是平面。應(yīng)當指出，反射器10不要求是平面。所以，在替換的實施例中，反射器10可以具有彎曲的或腔體的表面或本領(lǐng)域已知的其他形狀的表面。天線被包圍在天線罩內(nèi)(未示出)，用于天氣防護。
反射器10優(yōu)選地具有如圖1所示的圓的形狀。圓形反射器的直徑約為8英寸。也可以選擇，反射器10具有任何四分的對稱形狀，諸如方形或八角形。與反射器10正交的垂直軸穿過反射器的中心。垂直軸也是天線的對稱軸。天線的發(fā)射和接收特性主要關(guān)心的是在包含反射器10的平面以上的“半個空間”。反射器10也建立了在天線下面的地平面，用于把在反射器10的下面的電路與其他結(jié)構(gòu)和天線進行電磁隔離。
電路板40a和40b包括一對相對的縫隙(未示出)，穿過兩個電路板的中心至少切割一半的長度，允許兩個電路板滑動地連在一起，導(dǎo)致互鎖的結(jié)構(gòu)。每個電路板優(yōu)選地由高頻電路材料制成，厚度是0.031英寸，兩側(cè)電沉積有銅(例如，Rogers公司，Chandler，AZ提供的型號RO4003)。也可以使用其他的電路板材料，取決于在想要的工作頻率上材料的電特性。使用標準印刷電路技術(shù)，電路板40a和40b被蝕刻，去除電沉積的銅。留下在電路板40a和40b的相對的側(cè)上的銅線，它形成輻射單元20a-d，30a-d和饋線22a-d，32a-d。銅線的寬度約等于0.1英寸。為了保持在電路板的相對的側(cè)上的導(dǎo)體之間相等的電場電位，優(yōu)選地，沿著銅線的中心每0.2英制做鍍金屬的通孔50，如圖2上用黑點所顯示的。隨后，電路板40a和40b的銅線被鍍上錫鉛，用于防腐蝕。上述給出的電路板厚度，導(dǎo)線寬度和鍍金屬的通孔的間距的數(shù)值是為了方便而這樣選擇的，雖然它們優(yōu)選地應(yīng)當不大于對于天線最高工作頻率的波長的5％。
電路板40a和40b的銅線(即，導(dǎo)體)形成運行在第一頻段的第一回轉(zhuǎn)式天線(即，第一對交叉振子天線)，和運行在第二頻段的第二回轉(zhuǎn)式天線(即，第二對交叉振子天線)。第一天線包括輻射單元20a-d，被連接到饋線22a-d。第二天線包括輻射單元30a-d，被連接到饋線32a-d。在反射器10上，用于第一回轉(zhuǎn)式天線的孔24a-d和用于第二回轉(zhuǎn)式天線的孔34a-d允許把相應(yīng)的饋線連接到位于反射器10下面的電路(未示出)。
第一回轉(zhuǎn)式天線的輻射單元20a-d和相應(yīng)的饋線22a-d，以及第二回轉(zhuǎn)式天線的輻射單元30a-d和相應(yīng)的饋線32a-d，被放置成關(guān)于反射器10的垂直軸間隔90°。這允許每個第一和第二回轉(zhuǎn)式天線，與反射器相組合，呈現(xiàn)關(guān)于垂直軸的四分的對稱性。結(jié)果，當在圖4所示的0°，90°，180°，和270°的相對相位旋轉(zhuǎn)下，等幅的信號在組合的饋線22a-d上或在組合的饋線32a-d上傳播時，相應(yīng)的第一或第二回轉(zhuǎn)式天線沿著垂直軸發(fā)射或接收CP電磁波。
有許多熟知的分路/移相電路，它們可把信號劃分成四個具有0°，90°，180°，和270°的相對相位的、相等幅度的信號。適當?shù)姆致?移相電路的例子包括，但并不限于，饋送到兩個90°混合耦合器的180°混合耦合器，或饋送到兩個180°混合耦合器的90°混合耦合器；以及饋送四條傳輸線的四路同相分路器，每條在長度上逐條增加90°。
回過來討論電路板40a和40b，第一天線饋線22a-d和第二天線饋線32a-d的中心離以上結(jié)合反射器10討論的垂直軸的間隔約等于0.1英寸和0.3英寸。第一和第二天線饋線22a-d，32a-d的長度約等于3.762和3.562英寸，以及第一和第二天線輻射單元20a-d，30a-d的長度約等于2.593和2.360英寸。第一(低的頻段)回轉(zhuǎn)式天線的輻射單元20a-d優(yōu)選地以水平面向下傾斜約等于12.5°的角度，以及第二(高的頻段)回轉(zhuǎn)式天線的輻射單元30a-d優(yōu)選地以水平面向下傾斜約等于60°的角度。
應(yīng)當指出，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會看到，可能的尺寸可以有很寬的變化范圍，取決于工作頻率和想要的性能，這將提供有用的多頻率CP天線。得到的天線阻抗可能需要附加的阻抗匹配結(jié)構(gòu)。輻射單元的長度標稱值是相應(yīng)的工作頻率下的0.25λ，但可以更長或更短，相差很大的量，取決于其他尺寸以及是否包括阻抗匹配電路。例如，它可以是在0.20λ-0.35λ的范圍內(nèi)。同樣地，饋線的長度標稱值是0.5λ，但也可以很大地變化。例如，它可以是在0.35λ-0.55λ的范圍內(nèi)。輻射單元的傾斜角和饋線離垂直軸的間隔也將影響性能，以及其尺寸具有很大的范圍。
雖然以上討論的、本發(fā)明的交叉振子使用的是直線振子單元，但也可以使用以各種組合的其他類型的單元，諸如，但并不限于，分段的直線的、弓形的、折疊的振子單元，以及具有更一般的二維形狀的單元。另外，本發(fā)明并不限于優(yōu)選實施例的幾何形狀，其中交叉振子天線被旋轉(zhuǎn)地對準。例如，交叉振子天線可被放置成彼此關(guān)于共同的對稱軸(即，以上結(jié)合反射器10討論的垂直軸)處于45°的旋轉(zhuǎn)角度。而且，這里描述的、具有四分的對稱性和包括四個導(dǎo)體的傳輸線饋線可以額外地包括包圍所有的饋線導(dǎo)體的、接地到反射器的單個屏蔽面，或多個這樣的接地的屏蔽面，其中每個包圍饋線導(dǎo)體，這樣，每個導(dǎo)體屏蔽面對構(gòu)成同軸傳輸線。
應(yīng)當指出，在本發(fā)明的實施例中可以包括附加的回轉(zhuǎn)式天線，因此提供在相應(yīng)的附加頻率上的運行能力。而且，交叉振子對和傳輸線饋線可以以各種組合被連接，當與特定的系統(tǒng)部件，包括發(fā)射器，接收器，復(fù)接器，和相位網(wǎng)絡(luò)相組合地被使用時，這可能是更有利的。例如，一組饋線可被連接到兩組輻射單元。
本發(fā)明的天線優(yōu)選地被利用于這樣的系統(tǒng)，它從地面車輛工作，天線被安裝在汽車頂部，這樣，當汽車是水平時，反射器10平行于地面。因為汽車可以取任意方向，所以，希望天線輻射方向圖基本上是全向的(即，在方位角上具有很小的變化)，以及有從天頂向下到低的仰角的、適當?shù)姆较蛐愿采w，用于從赤道(equator)到較高的緯度的運行。
本發(fā)明的天線的優(yōu)選的工作頻率是信號 頻率GPS L2 1227.6MHzL波段接收 1520-1560MHzGPS L1 1575.42MHzL波段發(fā)送 1620-1660MHz應(yīng)當指出，滿意的性能可以通過使得天線工作在兩個頻段，用于GPS L2信號的低頻段和包括L波段接收、GPS L1和L波段發(fā)送信號的高頻段。第一回轉(zhuǎn)式天線，包括輻射單元20a-d，優(yōu)選地運行在低頻段，以及第二回轉(zhuǎn)式天線，包括輻射單元30a-d，優(yōu)選地運行在高頻段。
在高頻段的運行導(dǎo)致強的信號從第二回轉(zhuǎn)式天線耦合到第一回轉(zhuǎn)式天線，這可引起嚴重的去耦或通過高的頻段信號耦合到位于反射器10下面的低頻段的電路而造成的信號強度的損耗。這些影響可以通過使用一組開路傳輸線短截線而被緩和。一個短截線被并聯(lián)到在反射器10下面的低頻段電路，接近于每個孔24a-d，相應(yīng)的低頻段饋線22a-d通過這些孔被連接。每個短截線在高頻段時呈現(xiàn)非常低的并聯(lián)阻抗，因此與相應(yīng)的低頻段電路去耦合。在低頻段的運行導(dǎo)致從第一回轉(zhuǎn)式天線耦合到第二回轉(zhuǎn)式天線的可忽略的信號耦合，所以，不需要相應(yīng)的低頻段的去耦合短截線。
雖然本發(fā)明是結(jié)合被認為是本發(fā)明的最佳模式的優(yōu)選實施例描述的，但本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可以知道，可以作出許多改變和由此得出的許多明顯不同的實施例，而不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)知道，本發(fā)明的范圍不應(yīng)當限于任何上述的實施例，而是只由以下的權(quán)利要求書來解釋。
權(quán)利要求
1.一種圓極化多頻率天線，包括第一交叉振子對，其具有第一諧振頻率；和第二交叉振子對，其具有第二諧振頻率并且與第一振子對對稱地布置，其中第一和第二振子對被構(gòu)型成被饋送以具有0°，90°，180°，和360°的相對相位旋轉(zhuǎn)的相等的功率。
2.如權(quán)利要求1所述的天線，還包括反射器，其中第一和第二振子天線被設(shè)置在反射器的一側(cè)上。
3.如權(quán)利要求1所述的天線，其中反射器具有平面的圓形，以及平面的圓形反射器的直徑大致等于在第一和第二諧振頻率之間的平均波長。
4.如權(quán)利要求1所述的天線，其中第一諧振頻率大致等于1227.6MHz，以及第二諧振頻率大致等于1575.42MHz。
5.如權(quán)利要求1所述的天線，其中第二交叉振子對還被構(gòu)型成接收具有1520-1560MHz頻段的信號，以及發(fā)送具有1620-1660MHz頻段的信號。
6.如權(quán)利要求1所述的天線，還包括一對電路板，其具有形成在其上的導(dǎo)線，其中第一和第二交叉振子對由這些導(dǎo)線形成。
7.如權(quán)利要求6所述的天線，其中導(dǎo)線是由電沉積的銅蝕刻出的。
8.如權(quán)利要求6所述的天線，其中導(dǎo)線包括多條饋線和多條輻射線，每條輻射線被耦合到多條饋線之一。
9.如權(quán)利要求8所述的天線，其中第一交叉振子天線的每條饋線具有一長度，該長度大致等于0.46乘以第一和第二交叉振子天線的工作頻率范圍的平均波長。
10.如權(quán)利要求9所述的天線，其中第一和第二交叉振子天線的工作頻率是在1227.6MHz和1660MHz之間。
11.如權(quán)利要求8所述的天線，其中第一交叉振子天線的每條輻射線相對于平反射器的平面傾斜約12.5°。
12.如權(quán)利要求8所述的天線，其中第二交叉振子天線的每條輻射線相對于平反射器的平面傾斜約60°。
全文摘要
這里公開了一種圓極化多頻率天線，包括具有第一側(cè)和第二側(cè)的反射器(10)，具有第一諧振頻率的第一交叉振子對(20a－d)和具有第二諧振頻率的第二交叉振子對(30a－d)。第一和第二振子對被對稱地設(shè)置在反射器的第一側(cè)上，并被構(gòu)型成饋送以具有0°、90°、180°和270°的相對相位旋轉(zhuǎn)的相等的功率。
文檔編號H01Q21/26GK1432206SQ01810553
公開日2003年7月23日 申請日期2001年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月31日
發(fā)明者H·C·貝爾 申請人:納夫科姆技術(shù)公司