專利名稱：嵌套的回轉式天線的制作方法
技術領域：
本發明總的涉及圓極化(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：
具有交叉振子或回轉式結構的傳統的CP射頻天線在技術上是熟知的。示例性傳統的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、棒或印刷的導體用于振子出腳來構建。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。這種結構允許所披露的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。
發明概要本發明提供能夠在一個以上的頻段上發射和/或接收CP電磁波的嵌套的回轉式天線結構。本發明的天線也具有在每個頻段內達到想要的仰角輻射方向圖的能力。
本發明優選地被使用來接收來自全球定位系統(GPS)衛星的CP信號，以及發射和接收L波段通信衛星CP信號(例如，在國際海事衛星系統(INMARSAT)業務中使用的信號)，但本發明并不限于使用于上述的系統。例如，本發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。
在本發明中，兩個或多個回轉式天線結構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)被優選地選擇，以便達到上述的輻射特性。
具體地，本發明提供圓極化多頻率天線。天線包括具有第一側和第二側的反射器，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上。
附圖簡述在附圖上披露了本發明的優選的特性，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。
發明詳細描述參照圖1-3，本發明的天線優選地包括反射器10，其支撐一對電路板40a和40b。反射器10優選地是平面。應當指出，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域已知的其他形狀的表面。天線被包圍在天線罩內(未示出)，用于天氣防護。
反射器10優選地具有如圖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。天線的發射和接收特性主要關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構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，導致互鎖的結構。每個電路板優選地由高頻電路材料制成，厚度是0.031英寸，兩側電沉積有銅(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，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上的導體之間相等的電場電位，優選地，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，導線寬度和鍍金屬的通孔的間距的數值是為了方便而這樣選擇的，雖然它們優選地應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，導體)形成運行在第一頻段的第一回轉式天線(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，用于第一回轉式天線的孔24a-d和用于第二回轉式天線的孔34a-d允許把相應的饋線連接到位于反射器10下面的電路(未示出)。
第一回轉式天線的輻射單元20a-d和相應的饋線22a-d，以及第二回轉式天線的輻射單元30a-d和相應的饋線32a-d，被放置成關于反射器10的垂直軸間隔90°。這允許每個第一和第二回轉式天線，與反射器相組合，呈現關于垂直軸的四分的對稱性。結果，當在圖4所示的0°，90°，180°，和270°的相對相位旋轉下，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，相應的第一或第二回轉式天線沿著垂直軸發射或接收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。適當的分路/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)回轉式天線的輻射單元20a-d優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)回轉式天線的輻射單元30a-d優選地以水平面向下傾斜約等于60°的角度。
應當指出，本領域技術人員將會看到，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構。輻射單元的長度標稱值是相應的工作頻率下的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。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。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，本發明并不限于優選實施例的幾何形狀，其中交叉振子天線被旋轉地對準。例如，交叉振子天線可被放置成彼此關于共同的對稱軸(即，以上結合反射器10討論的垂直軸)處于45°的旋轉角度。而且，這里描述的、具有四分的對稱性和包括四個導體的傳輸線饋線可以額外地包括包圍所有的饋線導體的、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體，這樣，每個導體屏蔽面對構成同軸傳輸線。
應當指出，在本發明的實施例中可以包括附加的回轉式天線，因此提供在相應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，當與特定的系統部件，包括發射器，接收器，復接器，和相位網絡相組合地被使用時，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。
本發明的天線優選地被利用于這樣的系統，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、適當的方向性覆蓋，用于從赤道(equator)到較高的緯度的運行。
本發明的天線的優選的工作頻率是信號 頻率GPS L2 1227.6MHzL波段接收 1520-1560MHzGPS L1 1575.42MHzL波段發送 1620-1660MHz應當指出，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波段發送信號的高頻段。第一回轉式天線，包括輻射單元20a-d，優選地運行在低頻段，以及第二回轉式天線，包括輻射單元30a-d，優選地運行在高頻段。
在高頻段的運行導致強的信號從第二回轉式天線耦合到第一回轉式天線，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。一個短截線被并聯到在反射器10下面的低頻段電路，接近于每個孔24a-d，相應的低頻段饋線22a-d通過這些孔被連接。每個短截線在高頻段時呈現非常低的并聯阻抗，因此與相應的低頻段電路去耦合。在低頻段的運行導致從第一回轉式天線耦合到第二回轉式天線的可忽略的信號耦合，所以，不需要相應的低頻段的去耦合短截線。
雖然本發明是結合被認為是本發明的最佳模式的優選實施例描述的，但本領域技術人員顯然可以知道，可以作出許多改變和由此得出的許多明顯不同的實施例，而不脫離本發明的構思和范圍。因此，本領域技術人員應知道，本發明的范圍不應當限于任何上述的實施例，而是只由以下的權利要求書來解釋。
權利要求
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型成被饋送以具有0°，90°，180°，和360°的相對相位旋轉的相等的功率。
2.如權利要求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置在反射器的一側上。
3.如權利要求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.如權利要求1所述的天線，其中第二交叉振子對還被構型成接收具有1520-1560MHz頻段的信號，以及發送具有1620-1660MHz頻段的信號。
6.如權利要求1所述的天線，還包括一對電路板，其具有形成在其上的導線，其中第一和第二交叉振子對由這些導線形成。
7.如權利要求6所述的天線，其中導線是由電沉積的銅蝕刻出的。
8.如權利要求6所述的天線，其中導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，包括具有第一側和第二側的反射器(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置在反射器的第一側上，并被構型成饋送以具有0°、90°、180°和270°的相對相位旋轉的相等的功率。
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 優先權日2000年3月31日
發明者H·C·貝爾 申請人:納夫科姆技術公司