螺旋形天线用180°功率分配器 相关申请
本申请涉及递交于同一日并且代理号为QCPA207的题为“四元螺旋形天线和馈送网络”的共同申请，该申请的完整内容作为参考文献包含在这里。
【发明领域】
本发明一般涉及功率分配器，特别是涉及适于为天线馈送网络使用的180°功率分配器。
背景技术
封装、功率消耗、小型化和制造诸方面电子技术的发展通常会以令面业用户和个人消费者感兴趣的价位提供便携式包装的通信产品。但是，用来实现这种通信的天线和馈送网络仍然是需要进一步提高的方面。在一般情况下，适合用于相应频率范围内的天线，其体积超过了便携式设备的使用要求。这时经常采用微带技术来制造天线。但是在这种天线中，馈送网络的体积通常超出了要求或者表现出并不需要的特性。这部分归因于馈送网络中所用元件数量和类型的限制。
【发明内容】
本发明的内容与用于天线反馈网络(例如用于四元螺旋形天线的反馈网络)的180°功率分配器直接有关。典型的四元螺旋形天线由四个螺旋缠绕辐射器组成。对于发射操作，馈送网络接受输入的发射信号并完成必要的功率分配和相位调整以提供馈送天线辐射器所需的相位。对于接收操作，馈送网络接受来自辐射器的信号并将它们组合起来。具体而言，对于发射操作，馈送网络提供了四个信号，各信号分别具有0°、90°、180°和270°的相关相位。对于接收操作，馈送网络接受相对相位为0°、90°、180°和270°的四个信号并将它们组合成一个单一的信号。
这里提出的馈送网络以及元件被描述成对输入信号进行分配以向辐射器提供发射信号。本领域内地普通技术人员将会理解这些网络如何同样地将接收操作用的接收信号组合起来的。
可以利用各种馈送网络在馈线与天线元件之间提供接口。按照这里所述的馈送网络，可以在各种组合中采用三种元件来提供驱动天线所需的0°、90°、180°和270°信号。其中的这样一种元件是支路耦合器而另一种为180°功率分配器。支路耦合器接受输入信号并将该输入信号分裂为两个输出信号。这两个输出信号振幅相等而相位相差90°。
180°功率分配器接受输入信号并将其分裂为两个输出信号。这两个输出信号振幅相等而相位相差180°。180°功率分配器完成该操作的方式如下：输入信号沿着微带衬底电路表面上的引线传输。在微带的相对表面是电学无限接地面。在该区域输入信号为未平衡信号。
在第二区域内，除了直接面对信号引线的区域以外，接地面是断续的。在该区域，接地面从电学无限接地面逐渐减小至基本上等于信号引线的宽度。因此，面对信号引线的是宽度基本上相同的第二引线，称为返回信号引线。在该区域，信号为平衡信号，并且电流强度等于信号引线中的电流而方向与相对表面上的返回信号引线相反。
在第三区域，返回信号引线被引至微带衬底的电路表面并且在相对的表面上提供有第二电学无限接地面。该第二接地面与第一接地面的相对位置并不固定。在第三区域中，电路表面上有两路信号引线，每路载带一个相位相差180°的信号。
通过以下结合附图对本发明的描述可以进一步理解本发明的实施例、特点和优点。
附图的简要说明
现结合附图对本发明进行描述。在附图中相同或功能相似的部件采用相同的标号。另外，标号最左边的数字代表标号第一次出现的附图。应该指出的是附图并非按比例绘制，特别是示意性质的天线辐射部分。
图1示出微带四元螺旋形天线。
图2示出了具有无限平衡-不平衡变换器馈送的微带四元螺旋形天线刻蚀衬底的底部表面。
图3示出了具有无限平衡-不平衡变换器馈送的微带四元螺旋形天线刻蚀衬底的顶部表面。
图4示出了具有无限平衡-不平衡变换器馈送的微带四元螺旋形天线刻蚀衬底的透视图。
图5(a)示出了天线辐射器上的接头片。
图5(b)示出了馈线与辐射器的连接。
图5(c)示出了馈线与辐射器的另一种连接。
图6(a)示出微带四元螺旋形天线刻蚀衬底的底部表面。
图6(b)示出微带四元螺旋形天线刻蚀衬底的顶部表面。
图7示出了具有窄带频率响应特性的单区域支路耦合器。
图8示出了图7的单区域支路耦合器的频率响应。
图9示出了具有宽带频率响应特性的双区域支路耦合器。
图10示出了图9的双区域支路耦合器的频率响应。
图11，包括图11(a)，11(b)和11(c)示出了按照本发明一个实施例的180°功率分配器。
图12，包括图12(a)和12(b)示出了未平衡微带和平衡平行板信号路径以及它们的电场模式。
图13示出了与图11所述180°功率分配器等价的电路。
图14示出了按照本发明实施例具有一个180°功率分配器和两个支路耦合器的窄带馈送网络。
图15示出了按照本发明实施例具有两个180°功率分配器和一个支路耦合器的窄带馈送网络。
图16示出了包括两个180°功率分配器和一个单区域支路耦合器的馈送网络实施例。
图17(a)示出了图16所示馈送网络跨接区实施例的放大示意图。
图17(b)示出了图17(a)所示跨接区的剖面示意图。
图18示出了180°功率分配器微带衬底顶面的布局实例。
图19示出了180°功率分配器微带衬底底面部分区域布局的实例。
图20示出了采用图16所示馈送网络的四元螺旋形天线布局实例。
实施发明的较佳方式
1.对本发明的综述和讨论
本发明的内容与用于提供两个相位差为180°的信号的180°功率分配器直接有关。180°规律分配器接受一个输入信号并将其分裂为两个输出信号。两个输出信号的振幅相等而相位差为180°。180°功率分配器通过将非平衡信号转换为平衡信号实现该操作并随后提供0°和180°信号作为输出信号和返回信号。以下描述实现的方式。
2.四元螺旋形天线
在详细描述本发明之前，对一个实际运行的环境进行描述是有益的。然后借助该实际运行环境来描述本发明。本说明书选取的实施运行环境是一个四元螺旋形天线。这种天线将借助图1-6来描述。图1示出了四元螺旋形微带天线100。天线100由刻蚀在衬底108上辐射器104构成。衬底为可以卷成圆柱形的薄膜柔性材料从而将辐射器104围绕圆柱体中心轴螺旋缠绕。
图2-4示出了用于装配四元螺旋形天线100的元件。图2和3分别示出了衬底108底面200和顶面300的示意图。衬底108包括辐射器部分204和馈送部分208。
在整个申请文件中，我们把衬底108的二个表面称为“顶”面和“底”面。采用这样的术语仅仅是为了叙述的方便，所以不能将这样的术语直接解释为衬底108具有特别的空间取向。而且，在这里阐述的实施例中，天线被描述成由圆柱状衬底构成，其顶面为所形成圆柱体的外表面。在另外的实施例中，衬底也为圆柱状，但其底面为圆柱体的外表面。
在较佳实施例中，微带衬底100为聚四氟乙烯(PTFE)、PTFE/玻璃成份或者其它介电材料组成的薄柔性层。比较好的是衬底厚度为0.005英寸或者0.13毫米。信号引线和接地引线采用铜。在另一个实施例中，可以根据成本、使用环境和其它因素选用其它导电材料来代替铜。
馈送网络308刻蚀在馈送部分208上以向辐射器104提供0°、90°、 180°和270°信号。位于底面200的馈送部分208向馈送电路提供一接地面212。馈送电路308的信号引线刻蚀在馈送部分208的顶面300。在第4节中将详述馈送电路308的具体实施例。
为讨论方便，辐射器部分204包括靠近馈送部分208的第一端部232和第二端部234(位于辐射器部分204相对的一端)。根据天线实施例实现方式的不同，辐射器104可以刻蚀在辐射器部分204的底面200。辐射器104从第一端部232延伸至第二端部234的长度由天线馈送点决定，并考虑所需的辐射图案等其它设计因素。该长度一般为四分之一波长的整数倍。
图2-5示出了具有无限平衡-不平衡变换器结构的天线实施例。在该实施例中，底面200上的辐射器104的辐射器204长度从第一端部232延伸至相对端234。这些辐射器用辐射器104A，104B，104C和104D表示。在这个无限平衡-不平衡变换器实施例中，辐射器104经刻蚀在辐射器部分204顶面300上的馈线316在第二端234馈入。馈线316从第一端232延伸至第二端234以向辐射器104馈送信号。在该结构中，馈送点位于第二端234。与衬底108接触的辐射器104A，104D的表面(与馈线316相对)向馈线316提供接地，而馈线316提供了从馈送网络到天线馈送点的天线信号。
图4为无限平衡-不平衡变换器实施例的透视图。该示意图进一步示出了刻蚀在衬底108上的馈线316和辐射器104。示意图还示出了馈线316利用连接404与辐射器104连接的方式。连接404的实际情形并不是如图4所示。图5(包括示出了制造连接404的另一实施例图5(a)，5(b)和5(c))是表示辐射器部分204局部情形的示意图。按照该实施例，辐射器104在第二端部234处提供了接头504。当天线卷成圆柱状时，合适的辐射器/馈线对被连接在一起。这种连接的实例适于图5(b)和5(c)，在那里接头504向圆柱体的中心折叠。
在图5(b)所示的实施例中，连接404是通过利用短导体508将辐射器104C和馈线316焊接(或者电学连接)在一起实现的。在图5(b)中，馈线316位于圆柱体的内表面并用虚线表示。
在图5(c)所示的实施例中，辐射器104A和位于相对表面的馈线316向圆柱体的中心折叠，并在交叠处实现电学连接，比较好的是将合适的馈线316与有关的辐射器(这里是104C)焊接在一起。
图6(包括图6(a)，6(b)和6(c))示出了比刚才描述的无限平衡-不平衡转换器实施例更直截了当的实施例。图6(a)示出了底面200；图6(b)示出了顶面300。在该实施例中，辐射器104刻蚀在顶面300并在第一端232馈送信号。这些辐射器用辐射器104A，104B，104C和104D表示。在该实施例中，底面200上没有提供辐射器104。
由于在第一端232对这些辐射器馈送信号，所以没有必要采用在无限平衡-不平衡转换器馈送实施例中必需的平衡-不平衡转换器馈线316。因此本实施例一般更容易实施并且能够避免馈线316带来的损耗。
注意在图69a)和6(b)所示实施例中，辐射器104的长度是λ/2整数倍，这里λ是天线中心频率的波长。在这样一个辐射器104是λ/2整数倍的实施例中，辐射器104在第二端234电学连接在一起。利用跨越第二端234并围绕天线圆周(此时衬底呈圆柱状)形成环状物的导体可以实现这种连接。图20示出了本实施例的一个例子。在辐射器长度为λ/4奇数倍的另一个实施例中，辐射器104在第二端234处于电学开路状态以使天线在中心频率处共振。
借助这样一个举例的四元螺旋形天线环境描述了本发明。采用这些术语的描述仅仅是为了方便。本发明并不局限于该举例环境下的应用。实际上，对于本领域内的技术人员来说，通过阅读以下的说明书后是很容易在其它环境下实现本发明的。
3.支路耦合器
支路耦合器作为一种简单、便宜的装置已经被用于功率分配和定向耦合中。图7示出了单区域、窄带支路耦合器700。耦合器700包括主线支臂704、第二支臂708和两个旁路支臂712。输入信号提供于主线支臂704(称为主线704)上并通过旁路支臂712耦合至第二支臂704(称为第二线708)。第二线708的一端接地，比较好的使终端阻抗匹配。比较好的旁路支臂712是由一个四分之一波长隔开而长度为四分之一波长的区域，从而形成一个周长接近一个波长的区域。
在输出端，主线704和第二线708每个带一个输出信号。这些信号的相位相差90°。两个输出提供了功率水平大约为输入信号一半的信号。
这种单区域支路耦合器700其中一个性质是频率响应在一定程度上较窄。图8示出了典型的单区域支路耦合器700借助反射能量804的频率响应808。
为了容纳更宽范围内的频率，可以采用双区域支路耦合器。图9示出了这种双区域支路耦合器900。单区域支路耦合器700与双区域支路耦合器900之间的主要物理差别是双区域支路耦合器900包括一个附加的旁路支臂914。
双区域支路耦合器900比起单区域支路耦合器700的优点是双区域支路耦合器900提供了范围更宽的频率响应。即，反射能量低于可接收水平的频率范围比单区域支路耦合器700的大。图10示出了典型的双区域支路耦合器900的频率响应。但是，对于实际的宽带应用，由于运行频率范围内反射能量804水平的缘故，双区域支路耦合器900仍然不是完美无缺的。
4.180°功率分配器和馈送网络
上面第2节中描述的四元螺旋形天线以及其它类型天线都需要馈送网络来提供驱动天线辐射器104所需的0°、90°、180°和270°信号。在第4节中描述了180°功率分配器和几种馈送网络的较佳实施例，其中分配器利用馈送网络实现了辐射器104与通向天线的馈线之间的接口。借助几种元件描述了馈送网络：180°功率分配器、单区域支路耦合器700和双区域支路耦合器900。
现借助图11和12描述按照本发明的180°功率分配器。图11包括图11(a)，11(b)和11(c)。图12包括图12(a)和12(b)。180°功率分配器的概念是通过改变导电信号路径的接地位置使信号从平衡信号过渡到非平衡信号。图11(a)示出了180°功率分配器1100的实施例。图11示出了采用微带技术实现的180°功率分配器的两个表面，这里衬底108好象是透明的。为便于讨论，分三个区域来描述180°功率分配器1100：输入区域1132、过渡区域1134和输出区域1136。
按照所示的实施例，在天线馈送部分208的顶面300提供了导电路径1108。导电路径1108接受了将要被分裂为两个振幅基本相等而相位相差180°的信号的输入信号。在输入区域1134，在顶面300上提供了导电路径1108而在底面200上提供了有效的无限接地面1104。只要导电路径1108具有相对的接地面1104，导电路径载带的输入信号就是不平衡信号。图12(a)表示了这个概念，图中示出了宽度有限的导电路径和与导电路径1108相对的接地面1104。电场线示出了导电路径1108与接地面1104之间的电场图案。
在过渡区域1134，导电路径1108继续不变，而接地面1104呈圆锥状，其宽度缩小至基本与导电路径1108的宽度相等。图11(a)和11(b)示出了圆锥状部分1146和返回导电路径1109。底面200上的返回导电路径1109基本上与顶面300上的导电路径1108对齐。换句话说，导电路径1108和返回导电路径1109沿着同一纵轴放置。
由于输入信号沿着与圆锥状接地部分1146相对的区域内的导电路径1108行进，所以该信号从不平衡信号过渡为平衡信号。在接地部分与导电路径1108宽度基本相同的地方(即导电路径1108基本上与返回导电路径1109对齐的地方)，信号为平衡信号。图12(b)示出了跨越返回导电路径1109的导电路径1108的横截面。电场线示出了导电路径1108与接地面1104之间(现在为平衡信号路径的一部分)的电场图案。平衡信号路径由导电路径1108和返回导电路径1109组成。
由于信号现在是平衡的，所以流经导电路径1109上的电流等于流经导电路径1108上的反方向电流。这样在输出区域内，返回导电路径1109上的信号与导电路径1108上的信号的相位差为180°。因此在输出区域1136内存在两个信号，导电路径1108上的信号(称为0°信号)和在导电路径1109上产生的180°信号。
为了向天线辐射器104或者馈送网络308中其它电路提供180°信号，可以利用通路1116(或者板上穿通孔等连接装置)将180°信号引入顶面300并使信号在顶面300内的导电路径1110上继续不变。在浮动接地面1112的相对表面(底面200)上提供有供导电路径1110上信号用的有效无限接地。接地面1112相对接地面1104是变化的。
为了清楚起见，图11(b)示出了底面200的实施例。图中示出了接地面1104、锥形部分1146和返回导电路径1109。图11(b)还示出了接头1142，它是返回导电路径1109沿着它与导电路径1108放置的纵轴的延伸。接头1142提供了一个区域，在那里返回导电路径1109与通路1116连接起来从而将180°返回信号引入顶面300。虽然这里描述的接地面1104、锥形部分1146、接头1142和返回导电路径1109都是分立的元件，但是它们也可以利用连续的导电材料整个提供在衬底上。
虽然这里示出的导电路径1108和1110具有均匀的宽度，但是这些导电路径1108和1110的宽度也可以是变化的。使导电路径1108、1110宽度变化的原因是出于调节电路阻抗的需要。实际上，在图11(c)所示的实施例中，导电路径1108、1110的宽度在靠近交叉点增大，从而使得该区域的电容增大并降低了特征阻抗Z0。
图13示出了与180°功率分配器等价的电路图。现借助图11、12和13描述该等价电路。如上所述，输入信号提供于导电路径1108上。在图13中，示出了输入线1308。输入信号与接地面1104之间的相互作用是导电路径1108与接地面1104之间的等效旁路电容。如电容器1312所示的电容由图11(c)中低Z0微带产生。
在输出区域，在导电路径1108与接地面1112之间为一个等效的旁路电容(由该区域的导电路径1108的宽度形成)，用电容器1322表示。同样，导电路径1110的宽度在导电路径1110与接地面1112之间产生了一个等效旁路电容，用电容器1324表示。
在导电路径1108、1110分开之后但是跨越浮动的接地1112之前，传输的信号在这里遇到等效的串联电感。这由电感1314和1316表示。电感量正比于该区域内导电路径1108、1110的长度。由于该串联电感是不需要的，所以长度越短越好。而且，比较好的是在信号路径1108、1110的两端增加附加电容以调节电感的大小。通过加宽过渡区域处的信号路径1108、1109和1110增加了这个附加电容。图11(c)示出了其中一个这样的实例。
位于输出处的的接地1332(即接地面1112)相对输入接地(接地面1104)是不固定的。
为了使上述四元螺旋形天线运行良好，发射的信号必须划分为0°、90°、180°和270°信号。同样接收的0°、90°、180°和270°信号必须组合为单个接收信号。为此提供了馈送电路308。在本节中揭示了几个馈送电路308的实施例。这些实施例采用本文第3节所述的180°功率分配器1100和支路耦合器的组合。
馈送电路308的第一实施例将两个单区域支路耦合器700和一个180°功率分配器1100组合起来。图14示出了该实施例。按照该实施例，在点C处向馈送网络提供了输入信号。180°功率分配器1100将输入信号分裂为两个相位差为180°的信号。它们称为0°和180°信号。每个这样的信号都馈送入单区域支路耦合器700中。具体而言，0°信号馈送入支路耦合器700A，而180°信号馈送入支路耦合器700B。
支路耦合器700A，700B的每一个都提供了振幅相等而相位差为90°的两个输出。它们被称为0°和90°信号。由于支路耦合器700A的输入与支路耦合器700B的输入相差180°，所以支路耦合器700A的0°和90°输出信号与支路耦合器700B的0°和90°输出信号相差180°。因此，在馈送网络输出端是需要馈送至四元天线的0°、90°、180°和270°信号。每个这样的0°，90°，180°和270°信号分别馈送至辐射器104A，104B，104C和104D。
图15示出的另一个馈送电路308的实施例采用两个180°功率分配器1100和一个单区域支路耦合器700。按照该实施例，单区域支路耦合器700首先将输入信号分裂为以形成两个振幅相等而相位差为90°的输出信号。这些0°和90°输出信号分别馈送入180°功率分配器1100A和180°功率分配器1100B。由于每个180°功率分配器1100都产生两个振幅相等而相位差为180°的输出，所以这两个180°功率分配器的输出为0°、90°、180°和270°信号。
但是这些信号的次序不正确。180°功率分配器1100A提供了0°和180°信号而180°功率分配器1100B提供了90°和270°信号。因此，为了以正确的次序向辐射器104提供信号，必须改变90°和180°导电路径的相对位置。
改变信号相对位置的一种方法是将这两个信号中的一个馈送至底面200直到跨越其它信号为止。在该位置，信号引线被刻蚀成底面200上的接插线。该接插周围是没有接地面的无线区。但是这种无线区对接地有不利的影响。因此，需要使接地成为连续的平面。
在另一个实施例中，通过用介于两个导电路径之间的绝缘桥使导电路径跨越其它的导电路径交换了信号位置。这使得接地平面是连续的。在另外还有一个实施例中，通过利用介于穿越信号与接地面之间绝缘区域使信号引线跨越接地面实现穿越过程。在该实施例中，这种中断只是为了使信号能够通过底面200上接地面的通路。
虽然这里借助需要0°、90°、180°和270°信号的四元螺旋形天线描述了馈送电路308，但是在阅读了上面的说明书之后，本领域内的技术人员将很容易将所揭示的技术应用于其它需要0°、90°、180°和270°信号的天线结构中。而且，本领域内的技术人员将很容易将180°功率分配器1100用于两个信号相位差为180°的其它环境下。
应该指出的是这里提供的布局示意图只是用来阐述方便，而非最佳布局。根据这里提供的揭示(包括图例)，利用标准的布局优化技术，考虑到材料、功率、空间和尺寸等因素，可以获得优化的布局。但是以下描述支路耦合器700和180°功率分配器1100的布局实例。
图16为表示图15所示馈送网络布局的布局示意图。现在参见图16，与图7所示结构相比，这里的支路耦合器700在布局上空间利用率更高。示出的180°功率分配器1100在接口处具有较宽的引线以增加电容和减少阻抗特性。图16还示出了交叉区1604，这里90°、180°信号交叉。没有阴影的实线轮廓1622示出了底面200上引线的轮廓。阴影区域表示顶面300上的引线。
图17(a)为交叉区1604放大的示意图。在图17(a)中未画出连接路径A1和A2的导电桥。如图16和17(a)所示，导电信号路径交换了相对位置。导电路径A1上的信号跨越导电路径B1桥接至导电路径A2。图17(b)示出了用来将导电路径A1电学连接(桥接)至导电路径A2的导电桥A3。在图17(b)所示的实施例中，导电桥A3的实现方式是按装在绝缘材料1742上的导体1740。在所示实施例中，采用导电带1744或者其它的导电装置(例如焊接或导线，但并不局限于此)将导体1740电学连接至导电路径A1，A2。在另外的一个实施例中，导体A3比绝缘材料1742长并且直接连接至路径A1，A2。
图18和19示出了微带衬底顶面和底面上的引线。图18示出了导电路径1108和1110的布局实例。它还示出了区域1804，在那里有与接头1142相连的通路1116。图19示出了接地面1112、返回导电路径和接头1142。
图20示出了采用图16所示馈送网络308的四元螺旋形天线的布局实例。在该实施例中，信号引线2004使辐射器104在第二端234处缩短。
5.结论
对于本领域内的技术人员来说，通过阅读本文可以很容易对本发明作出各种修改。所以本发明由后面所附权利要求限定。