4螺旋线螺旋天线和馈电网络 本申请涉及同日提出的代理人文件号QCPA206申请，其题名分别为“螺旋天线的180°功率分配器”，同属本案申请人。将其揭示内容援引于此，供以下各处参考。
【技术领域】
本发明一般涉及螺旋天线，尤其涉及4螺旋线螺旋天线和馈电网络。
背景技术
当代已开发出许多通信和导航产品，借助地球轨道卫星提供所需通信和导航信号。此类产品的例子有卫星导航系统、卫星跟踪和定位系统，以及依靠卫星在地球站上之间转发通信信号的通信系统。这些和其它一些通信系统常常利用要求能提供多路不同相位信号的馈电网络的天线。
电子技术在封装、功耗、小型化和生产方面的进步，其结果一般已能以对商业用户和个体消费者有吸引力的价格，利用便携封装的上述产品。然而，其中需要进一步开发的领域是用来与卫星通信的天线。适当频率范围合用的天线一般会大于便携设备配用的所需天线。往往采用微带技术实现这些天线。然而，该类天线中，馈电网络常会大于要求的尺寸，或呈现特性不符合要求。
【发明内容】
本发明涉及一种4螺旋线螺旋天线和馈电网络。4螺旋线螺旋天线由四个天线辐射体组成，在一较佳实施例中，将天线辐射体蚀刻在薄基片的辐射体部分上。基片形成圆柱形，以把辐射体螺旋卷绕。还在微带基片上蚀刻馈电网络。对于发射作业，馈电网络接收和组合输入发射信号，并进行必要的功率分配和移相，以提供向天线辐射体馈电所必需的相位。对于接收作业，馈电网络接收和组合从辐射体接收到的信号。这里出现的馈电网络是按照相移输入信号，为辐射体提供发射信号来描述的。但应当理解，这些网络还可以工作成接收电路。
这里还揭示了各种用来提供馈电线和天线单元之间地接口的馈电网络。根据这里描述的馈电网络，可用三元件进行各种组合，以提供驱动天线所需要的0°、90°、180°、270°信号。其中一元件为分支线耦合器，另一元件为180°功率分配器。分支线耦合器接纳一输入信号，并将该信号分成振幅实际相同、相位相差90°的两个输出信号。
180°功率分配器接纳输入信号，并把输入信号分成两个输出信号。该两输出信号的幅度相等，相位相差180°。180°功率分配器实现这种作用的方式如下：输入信号沿微带基片电路表面上的线条行进。微带反面为电无穷大的接地面。在该区域内，输入信号为不平衡信号。
在第二区域内，除了与信号线条正相反的区域，接地面是不连续的。在该区域内，接地面从电无穷大的接地面逐渐变细到基本上等于信号线条宽度的宽度。因此，与信号线条相反的为基本上同宽的第二线条，称为信号返回线条。在该区域内，信号是平衡的，对于在该信号线条内流动的电流，与相反侧的信号返回线条上流动的电流相等，但方向相反。该信号返回线条引到微带基片电路表面，在反面接地面重新再次开始。
下面参照附图进一步详细本发明的实施例、特征、优点，以及各实施例的结构和操作。
附图概述
现在参照附图阐述本发明。图中，相同标号表示相同或功能一样的元件。此外，标号中最左一位数字表明首次出现该号的附图。应当注意附图未必按比例画，尤其在说明天线辐射部分时。
图1示出微带4螺旋线螺旋天线。
图2示出根据本发明的无限平衡变换馈电实施例的微带4螺旋线螺旋天线的蚀刻基片底面。
图3示出根据本发明的无限平衡变换馈电实施例的微带4螺旋线螺旋天线的蚀刻基片顶面。
图4示出根据本发明的无限平衡变换馈电实施例的微带4螺旋线螺旋天线蚀刻基片的立体图。
图5(a)示出天线辐射体的接头。
图5(b)示出根据一实施例的馈电线对辐射体的连接。
图5(c)示出根据另一实施例的馈电线对辐射体的连接。
图6(a)示出根据本发明另一实施例的微带4螺旋线螺旋天线蚀刻基片的底面。
图6(b)示出根据本发明另一实施例的微带4螺旋线螺旋天线蚀刻基片的顶面。
图7示出呈现窄带频响特性的单节分支线耦合器。
图8示出图7中单节分支线耦合器的频响。
图9示出呈现宽带频响特性的双节分支线耦合器。
图10示出图7中双节分支线耦合器的频响。
图11包含图11(a)、11(b)和11(c)，示出180°功率分配器。
图12包含图12(a)和12(b)，示出不平衡微带和平衡平行板信号路径以及它们的电场图形。
图13示出等效于图11所示的180°功率分配器的电路。
图14示出根据本发明一实施例的具有1个180°功率分配器和2个分支线耦合器的窄带馈电网络。
图15示出根据本发明一实施例的具有2个180°功率分配器和1个分支线耦合器的窄带馈电网络。
图16示出实现具有2个180°功率分配器和1个单节分支线耦合器的馈电网络的例子。
图17(a)示出诸如图16所示的馈电网络的相交部分的一个实施例的放大图。
图17(b)示出图17(a)所示的相交部分的断面图。
图18示出180°功率分配器的微带基片的上表面的布局图例子。
图19示出180°功率分配器的微带基片的下表面的布局图例子。
图20示出采用图16所示馈电网络的4螺旋线螺旋天线的布局图例子。
本发明的实施方式
1.发明综述
本发明针对一种4螺旋线螺旋天线和馈电网络。按照此处揭示的4螺旋天线，微带基片包含两部分：第一部分具有天线辐射体，第二部分具有天线馈电网络。将微带基片卷成圆柱状，从而辐射体围一中心轴螺旋状卷绕。
馈电网络包含新颖性独特的结构，以提供相对相位差为0°、90°、180°和270°的4个信号对螺旋天线进行驱动。馈电网络可以包括诸如分支线耦合器和180°功率分配器等的元件的组合。
2. 4螺旋线螺旋天线
现在参照图1-6描述4螺旋线螺旋天线。图1示出了4螺旋线螺旋微带天线100。天线100由辐射体104蚀刻在基片108上组成。基片为一薄膜柔性材料，卷成圆柱状，使辐射体104绕圆柱轴螺旋卷绕。
图2～4示出用于制作4螺旋线螺旋天线100的元件。图2和3分别为基片108的下表面200和上表面300的视图。基片108包括辐射体部分204和馈电部分208。
请注意本文各处均将基片108的两表面称为“顶”面和“底”面。采用该名称只是为了便于讲述，并不认为该名称的使用规定基片108的空间定向的功能。此外，这里所讲述和示出的实施例中，天线描述成用基片卷成圆柱形，且顶面为圆柱外表面的方法进行制作。其它实施例中，基片卷成圆柱形，而底面为圆柱外表面。
在一较佳实施例中，微带基片100为柔软的聚四氟乙烯(PTFE)薄层，或为PTFE/玻璃复合物或其它电介质材料。基片100最好厚为0.005英寸或0.13毫米左右。用铜提供信号线条和接地线条。另外的实施例中，也可依据费用、环境考虑和其它因素，选用别的导电材料代替铜。
在馈电部分208蚀刻出馈电网络308，以对辐射体104提供0°、90°、180°及270°的信号。底面200馈电部分208的提供馈电电路308的接地平面212。在馈电部分208的顶面300上蚀刻馈电电路308的信号线条。后文的节4详述馈电电路308的具体实施例。
为了讨论，辐射体部分204具有靠近馈电部分208的第一端232和在辐射体部分204另一侧的第二端234。依据所实现的天线实施例，可将辐射体104蚀刻在辐射体部分204的底面200。辐射体104从第一端232延伸到第二端234的长度取决于天线馈电点和其它设计上的考虑，如需要的辐射图形等。此长度一般为四分之一波长的整数倍。
在图2-5中图示了具有无限平衡变换结构的天线实施例。在该实施例中，底面200上的辐射体104将辐射体部分204的长度从第一端232延伸至另一端234。这些辐射体画成辐射体104A、104B、104C和104D。在无限平衡变换实施例中，由蚀刻在辐射体部分204的顶面300上的馈电线316在第二端234对辐射体104馈电。馈电线316从第一端232延伸到第二端234对辐射体104馈电。此结构中，馈电点在第二端234。辐射体104A和104D接触基片108(在馈电线316的反面)的表面提供将馈电网络的天线信号送到天线馈电点的馈电线316的接地。
图4为无限平衡变换实施例的立体图。该图进一步说明馈电线316和基片108上蚀刻的辐射体104。图中还示出用连接404将馈电线316接到辐射体104的样子。实际上，连接404并不真的做成图4所示那样。图5包含图5(a)、5(b)和5(c)，说明实现连接404的其它实施例。图5(a)的图示出辐射体部分204的局部视图。按照此实施例，辐射体104在第二端234具有接头504。天线卷成圆柱体时，使适当的辐射体/馈电线对相互连接。例如，图5(b)和5(c)画出这种连接，其中接头504折成朝向柱心。
图5(b)所示实施例中，通过用短导体508焊接(或电气连接)辐射体104C和馈电线316，实现连接404。图5(b)中，馈电线316在圆柱体的内表面，所以画成虚线。
图5(c)所示实施例中，将辐射体104A和反面的馈电线316折成朝向柱心，相互重叠，并在叠合点电气连接，最好将适当的馈电线316焊接到这里的相关的辐射体104c。
图6画出比刚讲述的无限平衡变换实施例更直接的实施例。该图包括图6(a)和6(b)，分别画出底面200和顶面300。此实施例中，辐射体104蚀刻在顶面300上，并在第一端232馈电。这些辐射体画成辐射体104A、104B、104C和104D。此实施例中，底面200上没有辐射体104。
因为在第一端232上对这些辐射体馈电，所以不需要无限平衡变换实施例所要求的平衡变换馈电线316。这样，本实例一般较容易实现，而且可免除馈电线316引入的衰耗。
请注意图6(a)和6(b)所示实施例中，辐射体104的长度为λ/2的整数倍，此处λ为天线中心频率的波长。在这种辐射体104为λ/2的整数倍的实施例中，辐射体104在第二端234电气相连。可由基片卷成柱体时围绕周边形成环状的第二端234的跨接导体，实现此连接。图16画出此实施例的一个例子。另一种实现办法中，辐射体104的长度为λ/4的奇数倍，辐射体104在第二端234处电学上开路，使天线可在中心频率谐振。
3.分支线耦合器
采用分支线耦合器为分配功率和定向耦合的简单且价廉的手段。图7画出单节窄带分支线耦合器700。该耦合器700包含干线分支臂704、副分支臂708和2个旁路分支臂712。输入信号提供给干线分支臂704(称为干线704)，并由旁路分支臂712耦合到副分支臂708(称为副线708)。副线708一端用匹配终端阻抗接地。旁路分支臂712最好是若干以1/4波长分隔开的长度为1/4波长的段，从而形成周长约为1波长的一个节。
在输出端，干线704和副线708各载送一输出信号。此两信号相位差90°。两个输出端均提供约为输入信号功率电平一半的信号。
此单节分支线耦合器700的一个性能是其频响略窄。图8按反射能量804画出典型单节分支耦合器700的频响808。
为了适应较宽的频率范围，可做成双节分支线耦合器。图9画出这种耦合器900。单节分支线耦合器700与此双节分支线耦合器900的主要实际不同点是耦合器900增加一旁路分支臂914。
与单节分支线耦合器700相比，耦合器900的优点在于其频响较宽。即，反射能量低于容许电平的频率范围大于单节分支线耦合器700的该范围。图10画出典型双节分支线耦合器的频响。然而，对于真正的宽带应用，双节分支线耦合器900由于在工作频率范围内遭遇反射能量804的电平，仍非完全理想。
4.馈电网络
上文节2描述的4螺旋线螺旋天线和某些其它天线都需要馈电网络，以提供驱动天线辐射体104所需的0°、90°、180°及270°信号。此节4所述的是可做成执行上述辐射体104与天线馈电线接口的若干馈电网络。通过几个元件来描述这些馈电网络：即，180°功率分配器、单节(700)和双节(900)分支线耦合器。
用于提供所需相位的一种元件是180°功率分配器。现在参照较11和12描述该180°功率分配器。图11包含图11(a)、11(b)和11(c)。图12包含图12(a)和图12(b)。该180°功率分配器的原理是通过改变传导信号路径的接地部分，把信号从平衡信号转成非平衡信号。图11(a)示出了180°功率分配器1100的实施例。图11示出了用微带技术实现的180°功率分配器1100的两表面，图中把基片108画成透明的。为了便于描述，把180°功率分配器1100描述成具有三个区域：输入区域1132、转换区域1134和输出区域1136。
根据所示的实施例，把传导路径1108设置在天线馈电部分208的顶面300上。传导路径1108接纳输入信号，把它分成两路幅度相等但相位相差180°的信号。在输入区域1132上，在顶面300的传导路径1108上设置了底面上的实际无限接地平面1104。只要传导路径1108具有与它相反的接地平面1104，传导路径1108载送的输入信号就是非平衡信号。图12(a)图示了该原理，图12(a)示出了宽度有限的传导路径1108和与传导路径1108相对的接地平面1104。电力线示出了传导路径1108与接地平面1104之间的电力线图。
在转换区域1134上，传导路径1108继续，但接地平面1104逐渐变小到基本等于传导路径1108的宽度。图11(a)和11(b)示出了这种情况，把该部分图示成渐变部分1146和返回传导路径1109。请注意，底面200上的返回传导路径1109与顶面300上的传导路径1108基本上对准。换句话说，传导路径1108和返回传导路径1109沿同一纵轴设置。
当输入信号沿与渐变接地部分1146相反的区域内的传导路径1108行进时，信号从非平衡变为平衡信号。当接地部分和传导路径1108基本上同宽度时(即，传导路径1108基本上与返回传导路径1109对准)，则信号为平衡信号。图12(b)图示了相邻于传导路径1109的传导路径1108的横截面。电力线示出了传导路径1108与接地平面1104(现在的平衡信号路径的一部分)之间的电力图。平衡信号路径由传导路径1108和返回传导路径1109组成。
因为现在信号为平衡信号，所以在返回传导路径1109上流动的电流等于传导路径1108上流动的电流，但方向相反。因而，返回传导路径1109上信号的相位与输出区域1136内的传导路径1108上的信号反相180°。因此，在输出区域1136内，出现两个信号，传导路径1108上的信号(称为0°信号)和在传导路径1109上产生的180°信号。
为了向天线辐射体104或者馈电网络308内的其它电路提供180°信号，可以利用通孔1116(或者板通孔或者其它类似的连接器件)把180°信号引入到顶面300上，使信号在顶面300上的传导路径1110上继续。在相反表面(底面200)上，浮动接地平面1112为传导路径1110上的信号提供了等效的无限接地。请注意，该接地平面1112相对于接地平面1104是浮动的。
为了清楚起见，在图11(b)用其本身示出了底面200的一个实施例。该图示出了接地平面1104、渐变部分1146和返回传导路径1109。在图11(b)中还示出了接头1142，它是返回传导路径1109的延伸，该延伸离开了传导路径1108和返回传导路径1109沿其设置的纵轴。接头1142提供了返回传导路径1109连接到通孔1116的区域，以把180°返回信号引入到顶面300。请注意，虽然接地平面1104渐变部分1146、接头1142和返回传导路径1109都描述成分立的元件，这些元件都可以用连续的导电材料设置在基片上。
请注意，虽然把传导路径1108和1110图示成具有一致的宽度，但这些传导路径1108和1110的宽度是可以变化的。可以要求传导路径1108和1110的宽度变化的一个原因是调节电路的阻抗。事实上，在图11(c)所示的实施例中，传导路径1108、1110的宽度增加到接近该相交点，使该区域内的容量增加，降低了特性阻抗Z0。
图13示出了等效于180°功率分配器的电路。现在根据图11、12和13描述该等效电路。如上所述，把输入信号提供到传导路径1108上。在图13中，把这图示成输入线1308。输入信号与接地平面1104之间的相互作用是传导路径1108与接地平面1104之间等效的旁路电容。把该电容图示成电容器1312，它由图11(c)所示的低Z0的微带产生。
在输出区域，在传导路径1108与接地平面1112之间有等效的旁路电容，它由该区域内的传导路径1108的宽度产生，图示成电容器1322。同样传导路径1110的宽度产生传导路径1110与接地平面1112之间等效的旁路电容，图示成电容器1324。
当传导路径1108与1110分开时的转换之后，但在它们到达浮动接地1112上之前，在其上行进的信号遇到一等效的串联电感。该电感用电感器1314和1316图示。电感量与该区域内的传导路径1108和1110的长度成比例。因为该串联电感是不希望有的，所以应尽可能使该长度较短。而且，最好在信号路径1108和1110两端上增加一辅助电容，以抵消该电感。该辅助电容是通过在转换区域内和附近增加信号路径1108、1109和1110的宽度来实现的。在图11(c)中图示了一个例子。
请注意，在输出端上的接地1332(即接地平面1112)相对于输入接地1334(接地平面1104)是浮动的。
为了使诸如图1所示的4螺旋线螺旋天线能正确地运转，必须把发射的信号分成0°、90°、180°和270°信号。同样，也必须把接收到的0°、90°、180°和270°信号结合成一个接收信号。为此，设置了馈电电路308。在本节内，描述几个馈电电路308的实施例。这些实施例利用了180°功率分配器1100和在本文第三节中描述的分支线耦合器的组合。
馈电电路308的第一实施例组合2个单节线耦合器700和1个180°功率分配器1100。该实施例图示在图14上。根据该实施例，在点C，将输入信号提供给馈电网络。然后，180°功率分配器1100将输入信号分成相位差180°的两个信号，分别称为0°信号和180°信号。此两信号各馈入一单节分支线耦合器700。具体是0°信号馈入耦合器700A，180°信号馈入耦合器700B。
分支线耦合器700A和700B分别提供2个振幅相等、相位相差90°的输出，该两信号称为0°信号和90°信号。因为输入到分支线耦合器700A的信号与输入到分支线耦合器700B的信号相差180°，此两耦合器输出的0°信号、90°信号也分别相差180°。结果，馈电网络输出端有4螺旋线天线馈所需的0°、90°、180°及270°信号。这些信号分别馈给辐射体104A。104B、104C和104D。
图15所示馈电电路308的第二实施例采用2个180°功率分配器1100和1个单节分支线耦合器700。按照此实施例，单节分支线耦合器700先将输入信号分成2个振幅相等、相位相差90°的输出信号。此两0°和90°输出信号分别馈入180°功率分配器1100A和180°功率分配器1100B。因为各180°功率分配器1100产生2个振幅相等、相位相差180°的输出，两个180°功率分配器1100的输出为0°、90°、180°及270°信号。
然而，注意这些信号次序不对。180°分配器1100A提供0°和180°信号，而分配器1100B提供90°和270°信号。因此，为了按正确顺序提供信号给辐射体104，90°和180°传导路径必须相互变换位置。
信号换位的一种方法是此两信号之一馈至底面200，直到该信号穿越另一信号。在此位置，信号线条作为补片蚀刻在底面200上。该补片周围为无接地平面的光面。然而，此光面对接地负面效果。因此，希望保留连续接地平面，没有任何拆光的面。
另一实施例中，通过利用两条传导路径间的绝缘桥，使一路径穿越另一路径，交换信号位置。这样可使接地面连续。再一实施例中，通过利用交叉信号与接地面之间的绝缘部分，使信号线条穿越接地面，进行交叉。这该实施例中，通孔只有一个断点，使信号通过底面200上的接地面。
虽然这里就4螺旋线螺旋天线要求的0°、90°、180°及270°信号讲述了馈电电路308，但阅读上述说明后，精于此技术者会明白用其它的需要0°、90°、180°和270°信号的天线结构如何实现所揭示的技术。而且，对于精于此技术者也将明白，在其它需要两个相位相差为180°的信号的环境中如何使用180°功率分配器1100。
应注意这些提供的布局图用于说明元件的功能性，未必表明最佳布局。根据本说明文中和图中的揭示、考虑材料、功率、空间和规模等方面的制约，可用标准布局优化技术取得最佳布局。然而，下面对分支线耦合器700和180°功率分配器1100讲述布局例子。
图16是说明图15所示馈电网络的布局的布局图。现参阅图16，所示分支线耦合器700在布局上面积效率高于图7所示结构。180°功率分配器1100画成接口部分线条大，以加大电容，减小特性阻抗。图16中还有90°信号和180°信号交叉的交叉部分1604。无阴影线的实轮廓线1622画出底面200上的线条轮廓。阴影线部分表示顶面300上的线条。
图17(a)是相交部分1604的放大图。请注意，在图17(a)中没有示出把路径A1连接到路径A2的传导桥。如图16和图17(a)所示，传导信号路径交换相对位置。在传导路径A1上的信号跨过传导路径B1到传导路径A2。图17(b)示出了用于把传导路径A1连接(桥接)到传导路A2上的传导桥A3。在图17(b)所示的实施例中，把传导桥A3实现成安装在绝缘材料1742上的导体1740。在所示的实施例中，把传导带1744或其它传导装置用于把导体1740电连接到传导路径A1、A2上，例如焊接剂或导线等，但这并不限于这些。在另一个实施例中，导体A3比绝缘材料1742长，并电连接到路径A2、A2上。
图18和19示出了微带基片的顶、底面的线条。图18示出了传导路径1108和1110的典型的布局图。还示出了设置有通路1116以连接到接头1142上的区域1804。图19示出了接地平面1112、返回传导路径1109和接头1142。
图20画出一例采用图16所示馈电网络308的4螺旋线螺旋天线的典型布局。注意此实施例中，在第二端234用信号线条2204将辐射体104短路。
请注意，虽然在本文中，把各种接地平面图示成固体接地平面，但相关技术领域的熟练人员在阅读了本文后，可以根据所实现的馈电网络和/或天线，利用其它的接地结构。其它的接地构造可以包括例如接地网、穿孔接地平面等。
5.结语
上面提供的对较佳实施例的描述能使本技术领域的熟练者制作或使用本发明。对于这些熟练者来说对这些实施例的各种变化是明显的，可以把这里定义的一般原理应用于其它实施例而无需创造性才能。因此，本发明并不限于这里所示的实施例，而是应与这里揭示的原理和新颖的特征一致的最大范围相一致。