雙模式四股螺旋天線和有關的操作方法
2023-05-26 17:53:41
專利名稱：雙模式四股螺旋天線和有關的操作方法
技術領域：
本發明領域本發明總的涉及用於無線電話的天線系統，更具體地，涉及用於無線電話的四股螺旋天線系統。
本發明背景本領域公知的無線電話一般是指能夠提供對一個或多個其它通信終端的無線通信鏈路的通信終端。這種無線電話用於各種不同應用，包括地面或衛星蜂窩電話通信系統。在典型的地面蜂窩電話系統中，來自移動用戶的無線發射被本地基站或「小區」接收，該基站通過無線鏈路或本地電話系統再發射信號用於由預定的接收終端接收。在衛星「蜂窩」電話系統中，衛星可以作為地面本地基站的等效體工作，或另一個方式，可以直接將信號再發射到預定的接收終端。
許多地面蜂窩電話系統主要或唯一地依靠視線通信。在這些系統中一般需要大量本地小區以對於大地理區域提供通信覆蓋。與提供大量小區有關的成本在人口稀少地區和/或對於蜂窩服務少量需要地區限制了地面蜂窩電話系統的使用。另外，即使在地面蜂窩服務不受經濟考慮阻礙的地區，由於本地地形和氣候條件而經常出現「阻斷」區域。
考慮到陸基蜂窩電話系統的上述限制，已經提出了組合的地面衛星通信網絡以在不適合於傳統地面蜂窩系統的區域提供蜂窩電話服務。在這些所提出的系統中，受限制的陸基蜂窩網絡由衛星通信網絡補充以為移動用戶提供大地理範圍上的通信。這樣陸基蜂窩站可以安裝在高業務地區，而衛星通信網絡可以對其餘地區提供服務。為提供蜂窩和衛星通信兩者，用於該系統的無線電話一般包括兩個收發信機，一個用於與地面網絡通信而第二個用於與衛星通信。這些組合的蜂窩/衛星通信系統能夠在廣泛地理區域上提供完全的通信覆蓋而不需要額外數量的地面小區。
所提出的這樣一種地面衛星蜂窩通信系統是「亞洲蜂窩衛星系統」。在該系統中，衛星網絡由赤道上近似22600英裡軌道上的一個或多個同步衛星實現，該衛星提供覆蓋大部分遠東地區的點波束，包括中國、日本、印度尼西亞和菲律賓。在該系統中，向衛星發射的信號落入1625.5MHz到1660.5MHz的發射頻帶內，和從衛星發射的信號落入1525MHz到1559MHz的接收頻帶內。然後地面蜂窩通信可以由標準的AMPS網絡實現，該網絡工作在824MHz到894MHz頻帶內，或由工作在890MHz到960MHz頻帶內的GSM網絡實現。
儘管將衛星與蜂窩服務集成到一個雙模式系統中可以克服與單一陸基蜂窩系統有關的許多缺點，而提供滿足消費者對尺寸、重量、成本和性能要求的雙模式無線電話是顯著的挑戰。這些消費者要求已經由用於常規地面蜂窩系統的無線電話定義，該無線電話只包括一個設計與蜂窩節點通信的收發信機，該節點一般位於距移動用戶不超過20英裡。與此相比，用於亞洲蜂窩衛星系統的手持無線電話必須包括地面蜂窩和衛星兩個收發信機。另外，與該系統的衛星通信方面有關的大的自由空間損耗可能明顯增加了功率和天線增益，這些是必須由天線提供用於無線電話上的衛星收發信機的，因為發射到或來自衛星的信號在25000多英裡中經歷了高度衰減，此25000多英裡典型地將無線電話與同步衛星隔離。
另外，網絡的衛星方面也可能在手持用戶無線電話方面施加另外的限制。例如，與通常優選用於陸基蜂窩應用的圓環型方向圖相比，在無線電話上的衛星收發信機應當提供準半球型天線方向圖(以便避免需要跟蹤所需要的衛星)。另外，當與衛星通信時，無線電話應當發射並接收圓極化波形，以便使衛星和無線電話天線失調所引起的信號損耗最小，並避免當信號穿過電離層時產生的法拉第旋轉效應。相反，當與陸基基站通信時，無線電話一般需要以線性極化工作。
考慮到上述限制，需要一種手持無線電話，更特別地，需要用於這種無線電話的天線系統，該天線系統能夠滿足組合的地面/衛星蜂窩通信網絡所要求的雙方向圖、工作頻率和極化要求。另外，假定用戶終端手持特性和消費者有對天線小巧便攜的要求，能夠滿足上述要求的天線系統將適合於安裝在小的物理體積內。
本發明概述考慮到與用於無線電話的現有天線系統有關的上述限制，本發明的目的是提供無線電話天線系統，該天線系統提供適合於地面和衛星通信系統兩者的方向圖。
本發明的另一個目的是提供無線電話天線系統，該天線系統可以工作在至少兩個分開的頻帶上，和該天線系統能夠在每個這種工作頻帶上提供良好阻抗匹配。
本發明的又一個目的是提供無線電話天線系統，該天線系統足夠小到可以用於現代、手持蜂窩電話。
在閱讀下列詳細說明及權利要求書並參照附圖的基礎上，本發明的另外目的、特徵和優點將更清楚。
本發明的這些和其它目的是通過物理小型的四股螺旋天線系統提供的，該天線系統能夠以兩個不同模式激勵輻射。在第一個這種模式(「螺旋輻射模式」)中，四股螺旋天線的輻射單元以正交相位饋電。在該模式下，該天線可以作為圓極化、諧振四股螺旋天線工作，具有適合於衛星通信應用的空中方向圖。另一個方式，四股螺旋天線的輻射單元可以用相同信號饋電，因此使該天線作為大型、線性極化單振子天線的等效體工作，具有適合於地面蜂窩電話應用的圓環型方向圖(「單振子輻射模式」)。這樣，根據本發明的教導，提供物理小型的無線電話天線系統，該天線系統能夠工作在地面和衛星蜂窩通信系統兩者中。
在本發明的優選實施例中，提供了包括具有四個輻射單元的四股螺旋天線的用於發射電信號的天線系統。第一天線饋源耦合到四股螺旋天線用於以正交相位激勵輻射單元，和第二天線饋源也耦合到四股螺旋天線用於以相同相位激勵輻射單元。當由第一天線饋源激勵時四股螺旋天線工作在螺旋輻射模式中，而當由第二天線饋源激勵時工作在單振子輻射模式。該天線系統可以進一步包括四個電抗，該電抗將每個輻射單元的起點連接到公共節點上以便當通過第一天線饋源對四股螺旋天線提供信號時在該節點上的電位為零。
本發明的另一個方面，提供了當該天線工作在螺旋輻射模式時用於將四股螺旋天線的阻抗與第一天線饋源阻抗相匹配的裝置。這種匹配裝置可以由耦合到四股螺旋天線每個輻射單元上的電抗網絡實現。在一個特定實施例中，這些匹配裝置包括與每個輻射單元串聯耦合的一個電感和與每個輻射單元並聯耦合的一個電容。同樣地，該天線系統也可以包括當天線工作在單振子輻射模式時將四股螺旋天線的阻抗與第二天線饋源的阻抗相匹配的裝置。在本發明的一個實施例中，這種裝置包括並聯耦合到第二天線饋源的第一電容和串聯耦合到第二天線饋源的第二電容。
按照本發明的四股螺旋天線系統可以進一步包括一個微電子線路基片，其上實現四股螺旋天線，第一天線饋源和第二天線饋源。另外，這些天線系統可以用具有發射機、接收機和用戶接口的無線電話組合來實現。
在本發明的另一個實施例中，提供了通過在螺旋輻射模式下激勵四股螺旋天線和在單振子輻射模式下激勵四股螺旋天線使用四股螺旋天線發射電信號的方法。這可以通過將第一天線饋源耦合到四股螺旋天線用於以正交相位激勵輻射單元和通過將第二天線饋源耦合到該天線用於以相同相位激勵輻射單元來完成。另外，這些方法可以進一步包括當工作在螺旋輻射模式時將四股螺旋天線的阻抗與第一天線饋源的阻抗相匹配的步驟，和當工作在單振子輻射模式時將四股螺旋天線的阻抗與第二天線饋源的阻抗相匹配的方法。
因此，遵照本發明的教導，提供了用於無線電話的相對小型的雙模式天線系統，適合於在地面和衛星蜂窩通信網絡兩者中使用。該雙模式工作能力是通過提供適合於在螺旋輻射模式和在單振子輻射模式兩者中激勵四股螺旋天線的饋源裝置而實現的。
附圖簡介
圖1是雙模式無線電話的方框圖，包括按照本發明的一個天線系統；圖2是四股螺旋天線的透視圖；圖3是表示用於螺旋輻射模式工作的天線饋源優選實施例的電路圖；圖4是按照本發明的四股螺旋天線的透視圖，說明了天線饋源和阻抗匹配網絡的優選實施例；圖5是按照本發明的四股螺旋天線另一個方式實施例的透視圖；和圖6是按照本發明天線系統另一個方式實施例的透視圖。
本發明詳細說明現在參照表示本發明優選實施例的附圖更完整地描述本發明。可是，本發明可以用許多不同形式實施，而不限於在此闡述的實施例；相反，提供這些實施例以便公開更徹底和完整，和對本領域技術人員更全面地表達本發明的範圍。另外，本領域技術人員應理解，本發明可以有利地應用於各種應用中，和因此本發明不受在此描述的應用示例的任何限制。相似數字表示相似元件。
在圖1的方框圖中圖示了雙模式無線電話10的實施例，包括按照本發明的一個天線系統18。如圖1所示，無線電話10一般包括一個發射機12，一個接收機14，一個用戶接口16，一個發射/接收(「T/R」)開關17和一個天線系統18。如同對本領域技術人員公知的那樣，發射機12將無線電話10發射的信息轉變為適合於無線通信的電磁信號，和接收機14解調由無線電話10所接收的電磁信號以便將該信號中所包含的信息以用戶可理解的形式提供給用戶接口16。對於本領域技術人員，適合於在手持無線電話中使用的大量各種發射機12，接收機14，用戶接口16(例如，話筒，小鍵盤，旋轉撥號盤)和T/R開關17是公知的，和這種裝置可以在無線電話10中實現。
在本發明的優選實施例中，無線電話10設計得工作在地面蜂窩通信網絡和衛星通信網絡兩者中，前者工作在第一頻帶上，後者工作在可以與第一頻帶相同或不同於第一頻帶的第二頻帶上。如同本領域技術人員可以理解的，發射機12和接收機14可以設計得在第一和第二頻帶兩者上發射和接收，或另一個方式，如圖1所示，可以提供兩個發射機12、13和兩個接收機14、15(與T/R開關19一起)，而發射機-接收機12、14專用於衛星通信和第二發射機-接收機13、15專用於地面通信。
如圖1所示，天線系統18包括一個四股螺旋天線20和第一和第二天線饋源30、50。另外，天線系統18可以進一步包括第一和/或第二阻抗匹配電路60、70，該電路使四股螺旋天線20的阻抗(其一般依據天線20如何饋電而改變)與第一和第二天線饋源30、50的阻抗分別更好地匹配。在圖1所示的實施例中，天線饋源30在衛星通信發射機-接收機12、14與四股螺旋天線20之間耦合信號(通過開關17)，而天線饋源50在地面通信發射機-接收機13、15與四股螺旋天線20之間耦合信號(通過開關19)。
在本發明的優選實施例中，天線饋源30激勵四股螺旋天線20以便其工作在螺旋輻射模式中。在該模式工作中，該天線可以作為傳統四股螺旋天線激勵，以便發射和接收圓極化信號，同時提供適合於衛星通信應用的空中方向圖。另外，提供了第二天線饋源50用於激勵天線20以便其工作在單振子輻射模式中。在該模式中，該天線被激勵以便作為具有適合於地面蜂窩電話應用的圓環型方向圖的線性極化單振子天線工作。另外，單振子輻射模式與螺旋輻射模式正交，因此在單振子輻射模式中工作的天線20不損害當工作在螺旋輻射模式時四股螺旋天線20的主要輻射特性。因此，遵照本發明的教導，提供了可以作為諧振四股螺旋天線或作為單振子天線激勵的天線20。
如圖1所示，天線20是一個四股螺旋天線。螺旋天線是指一類相對小型的天線，其包括以螺紋方式纏繞的導電元件而形成螺旋體。這些天線非常適合於包括要求圓極化波形和空中準半球波束方向圖的大量應用。四股螺旋天線是螺旋天線，包括四個正交布置的螺旋輻射單元，被正交相位激勵(即，引入或來自單個輻射單元的能量在相鄰輻射單元之間偏移90度)。
圖2說明了按照本發明實現的四股螺旋天線20的實施例。如圖2所示，天線20由四個輻射螺旋天線單元22、24、26、28組成。在優選實施例中，四股螺旋天線20的單元22、24、26、28物理上相互分隔90度，而且每個都以螺旋型沿同軸支撐管的長度纏繞，由此限定了一個固定直徑D和軸向長度H的圓柱體。可是，本發明範圍內另一個方式的實施例中包括具有輻射單元22、24、26、28的四股螺旋天線20，從它們每個圍繞軸線形成線圈或部分線圈的意義上是螺旋型，但是從一端到另一端直徑改變因此限定了一個圓錐型包羅或其它旋轉表面。另外，注意如同在此應用的，螺旋體往往並不意味著多匝。具體地，在此使用的「螺旋體」可以構成少於一整匝。
四股螺旋天線20的單元22、24、26、28一般以導電材料的線或帶實現。如圖2所示，在優選實施例中，每個單元22、24、26、28包括導電材料例如銅的連續帶子，其通過蝕刻、沉積或其它常規方法印刷在柔性、平面微波電介質基片上，例如玻璃纖維，特伏龍，聚醯亞胺等上。該柔性電介質基片然後被捲成圓柱體形，因此將線形帶子變成螺旋天線單元22、24、26、28。可是，儘管形成上述四股螺旋天線的技術被優選用於某些應用，對於本領域技術人員來說四股螺旋天線20可以用各種不同方式實現是很明顯的，甚至不需要圓柱體支撐結構。
四股螺旋天線20可以另外包括一個天線罩。在優選實施例中，該天線罩是帶有端帽的塑料管。
由四股螺旋天線20提供的方向圖主要隨螺旋體直徑(D)、傾角(隨螺旋體單位軸向長度的匝數改變)和單元長度改變。在本發明的優選實施例中，螺旋天線單元22、24、26、28每個在電長度上近似λ/4，λ/2，3λ/4或λ(或任何其它提供諧振工作的長度)，其中λ是網絡的衛星通信方面工作的相應頻帶中心頻率的波長。以此方式設計，當在相應衛星通信系統網絡的頻率上連接到四股螺旋天線饋源30時，四股螺旋天線20諧振工作。另外，如同本領域技術人員所理解的，該天線的實際物理長度不必是四分之一波長的倍數，而相反可以由天線罩或其它改變傳播速度的效應略微縮短，以便單元長度實際上短於自由空間中的長度。在較小尺寸是重要目標的地方這種效應是有利的，和因此應當理解本發明的四股螺旋天線系統也可以利用物理長度並非四分之一波長的倍數的天線單元諧振或近似諧振地工作。
另外，具有實際或電(在應用天線罩效應的地方)長度為λ/4，λ/2，3λ/4或λ的四股螺旋天線公知諧振工作，這種諧振或近似諧振工作也可以利用其它長度的單元獲得。諧振工作意味著等效電抗為零而等效導抗是實數。諧振工作是理想的，因為在諧振狀態可以進行最大功率傳輸而不需要任何電抗匹配。可是，如同本領域技術人員所理解的，通過使用另外的匹配裝置，有可能設計具有單元長度不等於四分之一波長倍數的而工作在諧振或近似諧振的四股螺旋天線，由此提供源與負載之間的良好功率傳輸。因此，應當承認本發明不限於具有物理或電長度為四分之一波長倍數的四股螺旋天線，而相反包括了具有任何長度的四股螺旋天線，該長度與任何匹配結構結合提供近似諧振的工作。
如圖2所示，構成四股螺旋天線20的四個單獨的天線單元22、24、26、28的每個具有一個初始端(其鄰近「饋源點」22a，24a，26a，28a)和一個末端。如同本領域技術人員可以理解的，天線單元22、26和24、28的末端可以連接起來形成兩個雙股環路22、26和24、28組成的閉環四股螺旋天線，另一個方式，天線單元22、24、26、28的末端可以保留開路以形成一個開環四股螺旋天線。在本發明的優選實施例中，如果天線單元22、24、26、28的電長度是λ/2或λ就使用閉環四股螺旋天線20，而開環設計用於具有電長度λ/4或3λ/4輻射單元22、24、26、28的天線20，因為這樣的設計有助於將四股螺旋天線的阻抗與天線饋源30、50的阻抗匹配。
如同公知的，四股螺旋天線可以工作在幾種模式中，包括軸向模式，正常模式或兩個模式按比例的組合，每個模式提供了不同類型的方向圖。本領域技術人員將理解，根據本發明的公開，在此描述的本發明不限於四股螺旋天線工作的任何特定模式，因為與特定饋源裝置相比工作模式主要取決於該天線的物理特性。可是，在本發明的優選實施例中，四股螺旋天線20設計得工作在正常模式或比例模式中，以便當用螺旋輻射模式激勵時天線20提供適合於移動衛星通信的圓極化、準半球方向圖。
圖2和4也圖示了連接，通過該連接饋源網絡30、50可以耦合到四股螺旋天線20。如同在圖4中清楚表示出的，四股螺旋天線20的每個單元22、24、26、28可以通過短導線21、23、25、27連接到四股螺旋天線饋源30。這些導線21、23、25、27可以用於將每個饋源點22a，24a，26a，28a通過電容62、64、66、68(或其它電抗元件)連接到公共節點29。在優選實施例中，公共節點29沿四股螺旋天線20的中心軸安放。導線21、23、25、27可以用任何導電材料例如銅形成，並成為導電的線，帶，傳輸線等。如同本領域技術人員所理解的，可以選擇實現導線21、23、25、27的方式，以便有意產生與每個輻射單元22、24、26、28串聯的電感，這有助於將天線20的阻抗與四股螺旋天線饋源30的阻抗匹配，或另一個方式，這些導線可以簡單地起連接公共節點29的作用。
在本發明的優選實施例中，天線饋源30通過短導線21、23、25、27耦合到四股螺旋天線20，如圖4所示。圖3詳細地說明了四股螺旋天線饋源結構30的實施例。如圖3所示，天線饋源30可以由一個輸入同軸傳輸線32，一個90度3dB混合耦合器40，一個50歐姆電阻34，輸出同軸傳輸線36，38和平衡非平衡轉換器37，39組成。如圖3所示，90度混合耦合器40具有四個埠，輸入埠42、44和輸出埠46、48。在圖3所示的實施例中，輸入44耦合到形成傳輸線32的導線之一和輸入42通過50歐姆電阻性端接頭34耦合到基準電壓例如接地或「0」電位板。90度混合耦合器40然後將埠44輸入信號分成埠46和48上的兩個等幅輸出信號，它們相位相互偏移90度。
如同本領域技術人員所理解的，工作在螺旋輻射模式中，輻射單元22、24、26、28上的入射信號不需要具有實際相同的幅度，在每個輻射單元之間的相位偏移也不必恰好是90度。實際上，在大多數實際實施例中在每個輻射單元22、24、26、28上入射的信號幅度可以改變多達5％，而且單元之間的相位差一般在85度到95度範圍。另外，當工作在螺旋輻射模式時主要取決於通信系統對方向圖的要求，甚至在某些應用中可以接受更大的幅度和相位改變。可是，在本發明的優選實施例中，入射到每個輻射單元22、24、26、28上的信號具有差別小於2％的幅度和具有87度和93度之間的相位偏移。
在圖3中，同軸傳輸線32，36，38被圖示為同軸電纜。可是，如同本領域技術人員所理解的，同軸傳輸線32、36、38可以是任何常規形式的傳輸線。在本發明的優選實施例中，這些傳輸線是用微帶傳輸線實現的。
如同本領域技術人員也可以理解的，90度混合耦合器40可以以各種不同方式實現。在本發明的優選實施例中，90度混合耦合器40是用集成元件的90度混合分路器/組合器實現的，其安裝在帶線或微帶電子線路基片上。因為它們小型所以選擇這種集成元件裝置。
如圖3所示，傳輸線36、38分別耦合到平衡非平衡轉換器37、39上。這些平衡非平衡轉換器將90度混合耦合器40的輸出46、48再次分路產生總共四個輸出，所有這些輸出都是相位正交的。這些平衡非平衡轉換器37、39可以用任何為此目的所經常使用的大量電路實現，包括那些列入Richard C.Johnson所著的「天線工程手冊第三版，1993」的。
如上所述，按照本發明的教導，通過使用第二或「單振子」天線饋源網絡50，也可以激勵四股螺旋天線20工作在單振子輻射模式。圖4中表示了饋源網絡優選實施例的細節。如圖4所示，天線饋源網絡50可以簡單地包括一個同軸或微帶傳輸線52，該傳輸線在公共節點29處耦合到四股螺旋天線20。以此方式，當來自傳輸線52的信號在公共節點29上激勵天線20時，等幅、同相電壓被施加到每個輻射單元22、24、26、28，而且天線20作為單一的大型單振子導體工作。
如同本領域技術人員依據本發明的公開所理解的，當工作在螺旋或單振子輻射模式時，四股螺旋天線20可以有效工作的帶寬可能受功率傳輸因素的限制。特別地，在工作中，必須在發射機-接收機對12、14和13、15與四股螺旋天線20之間傳輸電信號。可是，由於在源和負載之間的不完全匹配所產生的反射，這種功率傳輸一般不是無損耗的。如果所反射的功率足夠大，其由電壓駐波比(VSWR)表示，可能阻礙通信系統滿足其鏈路餘量。
如圖3所示，發射機-接收機對12、14和13、15與天線饋源網絡30和50之間的電連接一般包括一個同軸電纜或微帶傳輸線。因為這種傳輸線一般呈現近似50歐姆的阻抗，最好在天線20的初始端處所觀察的阻抗也是50歐姆數量級，以便天線20與發射機-接收機對12、14和13、15之間的功率傳輸最大。這種匹配一般可以通過將天線20初始端處觀察的阻抗轉換為近似50歐姆的阻抗匹配網絡來完成。
如圖1所示，在本發明的優選實施例中，提供了阻抗匹配裝置60、70用於將四股螺旋天線20的阻抗與一個或兩個天線饋源30、50的阻抗匹配。如同本領域技術人員所理解的，天線20在初始端處所觀察的阻抗根據天線激勵的模式(螺旋或單振子)改變。另外，儘管優選了源與負載之間阻抗的準確匹配，這種準確匹配在許多場合是不需要的，因為系統鏈路餘量一般不要求在天線20與天線饋源30、50之間接近無損耗的傳輸。這樣，阻抗匹配網絡60、70隻需要提供足夠的阻抗匹配，以便滿足與特定通信系統有關的帶寬和功率傳輸要求。
在圖4中說明了阻抗匹配電路60的優選實施例。如圖4所示，阻抗匹配電路60可以提供四股螺旋天線20的阻抗與天線饋源30(在圖4中未示出)的阻抗的匹配。在該實施例中，天線20的阻抗通過加入一個與每個輻射單元串聯的電感性電抗和通過加入一個與每個饋源點22a、24a、26a、28a並聯的電容性電納62、64、66、68由其本徵值被轉換為近似50歐姆。注意，如上所述，串聯電感61、63、65、67可以用集成元件裝置實現。可是，在優選實施例中，串聯電感61、63、65、67在包括導線21、23、25、27的傳輸線中或通過稍微延長輻射單元22、24、26、28的長度實現的。注意，在該實施例中，有可能只利用並聯電容62、64、66、68將天線20與四股螺旋天線饋源電路30匹配。
如上所述，電納62、64、66、68可以在饋源點22a、24a、26a、28a處通過將每個電納連接到其對應的短導線21、23、25、27與其傳輸線基準電壓(接地)之間並聯實現。如圖4所示，提供這些並聯電納的新的方法是用在螺旋體中心軸上的對應饋源點22a、24a、26a、28a與公共節點29之間的集成元件裝置實現的。該實施是可行的，因為當由天線饋源網絡30以螺旋輻射模式向天線20饋電時，在導線21、23、25、27上出現等幅並相反的電壓，因此在公共節點29處的電位和為零，而該公共節點是在單振子輻射模式中用於激勵天線20的饋源點。因此，在該實施例中，單振子饋源網絡50與四股螺旋天線饋源網絡30正交，和因此來自天線饋源30的入射信號一般不耦合到單振子天線饋源50中。
另外，當以單振子饋源50激勵天線20時在天線饋源30與50之間的正交關係是同樣有用的。特別是，當由單振子饋源50在公共節點29上施加電壓時，該信號不耦合到四股螺旋天線饋源30中，而相反激勵作為單一大型單振子導體的天線20。如圖4所示，當以此方式饋電時，並聯電納62、64、66、68相互並聯並起作用將單一大型導體串聯連接到單振子饋源點(公共節點29)。這樣天線20作為具有在饋源點處串聯電抗的單振子天線輻射。
在許多場合，天線20與單振子饋源網絡50之間的阻抗匹配也不是最佳的。當激勵輻射在螺旋輻射模式時尤其如此，因為通常選擇輻射單元22、24、26、28的長度和電抗元件61、63、65、67以及電納元件62、64、66、68的值是天線20的工作最佳。因此，也可以提供第二阻抗匹配電路70用於匹配天線20的阻抗與單振子饋源50。如圖4所示，在優選實施例中，阻抗匹配網絡70可以用串聯耦合到傳輸線52內導體第一電容72和並聯耦合到傳輸線52外導體的第二電容74實現。
儘管可以使用阻抗匹配電路60和70有利地分別匹配天線20的阻抗與天線饋源30和50的阻抗，由此有助於在天線與發射機和接收機之間的功率傳輸最大，這些阻抗匹配網絡也可以用於增加該天線在兩個工作頻帶上的帶寬。因此，遵照本發明的教導，將選擇匹配電路60、70電抗成分的實際值來優化在天線20所工作的全部頻率範圍上的功率傳輸特性。另外，儘管在各種應用中優選了圖4所示的阻抗匹配網絡60、70，本領域技術人員將理解，大量各種阻抗匹配網絡60、70可用於改善天線系統18的寬帶性能，和因此本發明不限於圖4所示的匹配網絡60、70。
如上所述，天線20可以在第一頻帶內工作在單振子輻射模式，和在第二頻帶內工作在螺旋輻射模式。另外，由於本發明的天線系統18設計得具有用於單振子和螺旋輻射模式的不同饋源點，兩個模式天然相互正交，不需要雙工器或其它用於分離信號的裝置。因此，按照本發明的教導，天線系統18可以在相同頻帶上工作在螺旋和單振子兩個輻射模式中，以便與分開的頻帶相比，上述「第一」和「第二」是相同的。
如上所述，在本發明的實施例中，並聯電納62、64、66、68用例如集成元件或傳輸線元件的非輻射結構實現。可是，在本發明的另一個方式的實施例中，這些並聯電納62、64、66、68可以用輻射結構實現。在圖5中表示了這樣的一個實施例。如圖5所示，並聯電納62、64、66、68用四個螺旋輻射單元82、84、86、88實現，它們在各自初始端由跨接元件81、83短路。入射到四股螺旋天線20的能量在輻射單元22、24、26、28與至少最近的輻射單元82、84、86、88之間耦合，形成與四股螺旋天線饋源電路30並聯的等效諧振電路。另外，當天線20用螺旋輻射模式饋電時公共節點29重新成為零電位，因此圖4所示的單振子饋源電路50可以用於以單振子輻射模式驅動圖5所示的天線。在圖5所示的改型優選實施例中，天線單元22、24、26、28比單元82、84、86、88稍微長些。
在圖6中表示了本發明的另一個實施例，在該實施例中，包括天線饋源30的電路包含了一個導電錶面，在此表示為小盒子90，其為天線饋源30提供基準電壓(接地基準)。仍如圖6所示，同軸單振子饋源52可以直接連接到導電盒子90。在此裝置中，單振子饋源50通過導電盒子90連接到輻射單元22、24、26、28。這樣在該實施例中，輻射單元22、24、26、28與螺旋體饋源30的接地基準之間的阻抗被作為串聯元件合併到單振子饋源50中(而非前面描述的實施例中的並聯元件)。
圖6所公開的饋源裝置可優選用於某些應用，那裡由於四股螺旋饋源30中元件(特別是平衡非平衡轉換器37、39)的單振子饋源50的電抗負載使天線20與單振子饋源50的匹配更困難。特別是，通過將四股螺旋饋源30作為串聯元件合併，該阻抗的在單振子饋源50上的影響大大減小。
例如，當用單振子輻射模式饋電時，實際阻抗一般相當大，例如在50-j120歐姆數量級。在圖6所示的實施例中，該阻抗可以通過將0.015歐姆的電感性電納與此阻抗並聯連接和將120歐姆的電容性電抗串聯來匹配。在900MHz，電感性電納可以用12nH電感92實現，而電容性電抗可以用1.4pF電容94實現。
另外，本領域技術人員理解，各種其它匹配網絡是有效的，上面討論的特定匹配策略在某些應用中有利，因為電感性電納可以在同軸四股螺旋天線饋源32內形成。如圖6所示，這可以通過將傳輸線52的外導體與傳輸線32的外導體連接實現。該實施可以在單振子模式工作中提供多達兩倍的可使用帶寬。
在本發明的優選實施例中，天線饋源網絡30、50和任何阻抗匹配網絡60、70都是用傳輸線或帶線或微帶印刷電路板上的表面焊接元件實現的。在印刷電路板一面上，提供四個觸點通過匹配電路60、70將四股螺旋天線20的輻射單元22、24、26、28耦合到饋源電路30、50。在印刷電路板的另一面上，提供從發射機-接收機對12、14和13、15到同軸傳輸線32、52的連接。該電路可以有利地設計得完全安放在容納四股螺旋天線20的圓柱體結構中，由此使容納天線系統18所需要的體積最小。在另一個方式的實施例中，該元件可以在實現天線單元22、24、26、28的相同平面柔性基片上實現。
在本發明的另一個方面，公開了使用四股螺旋天線20發射信號的方法。根據本發明的此方面，天線20可以在螺旋輻射模式或在單振子輻射模式激勵。特別是，提供了用正交相位工作激勵四股螺旋天線20的輻射單元22、24、26、28的第一「四股螺旋」天線，同時提供了同相工作激勵輻射單元22、24、26、28的第二「單振子」天線。以此方式，通過選擇哪個饋源激勵使天線20可以工作在螺旋輻射模式(特別是，作為諧振四股螺旋天線)或單振子輻射模式兩者中。
在本發明方法的優選實施例中，單振子饋源50連接到工作在第一頻帶上的發射機-接收機對13、15，和四股螺旋天線饋源30連接到工作在第二頻帶的發射機-接收機對上。這些頻帶可以寬隔離。另外，四股螺旋天線20的阻抗可以與天線饋源30、50之一或兩者的阻抗匹配。如上所述，這可以通過各種不同的阻抗匹配網絡60、70實現。
示例1按照本發明教導構成的天線系統18用於工作在824MHz到894MHz的AMPS頻帶上的1525MHz到1660MHz的亞洲蜂窩衛星系統頻帶上。在本發明的實施例中，四股螺旋天線20設計成3λ/4波長的天線(在此λ是對應1590MHz的波長)，其近似為0.5英寸的直徑和4.5英寸的長度。兩個窄帶平衡非平衡轉換器37、39包括在四股螺旋天線饋源電路30中。四股螺旋饋源(其具有近似12歐姆的阻抗)通過22歐姆電感性電抗61、63、65、67和通過0.036歐姆的電容性電納62、64、66、68與四股螺旋天線20匹配，前者與每個天線單元22、24、26、28串聯實現，後者與每個天線單元22、24、26、28並聯實現。在此示例中，串聯電感是通過稍微延長每個輻射單元22、24、26、28的長度實現的，而並聯電容是使用集成元件實現的。
還提供了第二阻抗匹配電路70用於將單振子天線饋源50的阻抗與天線20的阻抗匹配。該電路包括一個與單振子阻抗串聯的3.9pF集成元件電容72和一個並聯實現的6.8pF集成元件電容。此實施在30MHz範圍上提供了2∶1的VSWR，和在50MHz範圍上提供了3∶1或更好的VSWR。另外，相信通過將平衡非平衡轉換器設計得具有單振子工作波段上的更高電抗可以實現明顯更大的帶寬。
在本發明的優選實施例中，四股螺旋天線20和所有有關饋源和匹配電路都在薄的柔性微波基片材料上實現，該基片被蝕刻、電鍍，和然後彎捲成圓柱體而形成天線20。
在附圖、說明書和示例中，已經公開了本發明典型優選實施例，儘管使用了這些特定術語，這些術語只是為文字和描述目的，而非用於限定目的，本發明的範圍由下列權利要求書所闡述。因此，本領域技術人員不超出本發明範圍而可以自己設想出雙模式天線系統、無線電話和有關的工作方法的實施例而非在此實際描述的這些實施例。
權利要求
1．一種用於發射電信號的天線系統，包括一個具有四個輻射單元的四股螺旋天線一個第一天線饋源耦合到所述四股螺旋天線用於以正交相位激勵所述輻射單元；和一個第二天線饋源耦合到所述四股螺旋天線用於同相激勵所述輻射單元。
2．根據權利要求1的天線系統，其中當以所述第一天線饋源激勵時所述四股螺旋天線工作在螺旋輻射模式，而當以所述第二天線饋源激勵時工作在單振子輻射模式。
3．根據權利要求2的天線系統，進一步包括四個電抗，這些電抗將每個所述輻射單元的初始端電連接到一個公共節點。
4．根據權利要求3的天線系統，其中通過所述第一天線饋源提供給所述四股螺旋天線的信號在所述公共節點處產生的電位是零。
5．根據權利要求4的天線系統，其中通過將要發射的信號分成四個等幅信號，這些信號以正交相位施加到所述輻射單元上，來激勵所述四股螺旋天線以工作在螺旋輻射模式，和其中通過將要發射信號施加到所述公共節點上，來激勵所述四股螺旋天線以工作在單振子輻射模式上。
6．根據權利要求2的天線系統，進一步包括第一匹配裝置耦合到所述四股螺旋天線的單元上用於當工作在螺旋輻射模式時將所述四股螺旋天線的阻抗與所述第一天線饋源的阻抗匹配。
7．根據權利要求6的天線系統，其中所述第一匹配裝置包括一個電感串聯耦合到所述四股螺旋天線的每個單元和一個電容並聯耦合到所述四股螺旋天線的每個單元。
8．根據權利要求2的天線系統，進一步包括第二匹配裝置耦合到所述四股螺旋天線的單元上用於當工作在單振子輻射模式時將所述四股螺旋天線的阻抗與所述第二天線饋源的阻抗匹配。
9．根據權利要求8的天線系統，其中所述第二匹配裝置包括一個或多個電抗元件，和其中所述第一天線饋源作為這些電抗元件之一工作。
10．根據權利要求8的天線系統，其中第二匹配裝置包括一個第一電容與所述第二天線饋源並聯，和一個第二電容與所述第二天線饋源串聯。
11．根據權利要求2的天線系統，進一步包括一個微電子線路基片，和其中所述四股螺旋天線，所述第一天線饋源和所述第二天線饋源都實現在所述微電子線路基片上。
12．根據權利要求2的天線系統，其中所述四股螺旋天線在一個頻率範圍上工作在螺旋輻射模式，而在第二頻率範圍上工作在單振子輻射模式。
13．根據權利要求1的天線系統與一個無線電話的組合具有一個發射機；一個接收機；和一個用戶接口。
14．一種用於在兩個分開頻帶上發射和接收電信號的雙模式無線電話，包括一個發射機；一個接收機；一個用戶接口；一個四股螺旋天線具有四個輻射單元；一個第一天線饋源耦合到所述四股螺旋天線用於在所述第一頻帶上向並從所述輻射單元提供電信號；一個第二天線饋源耦合到所述四股螺旋天線用於在所述第二頻帶上向並從所述輻射單元提供電信號；和一個電抗網絡耦合到所述輻射單元用於將所述四股螺旋天線的阻抗與所述第一天線饋源的阻抗匹配。
15．根據權利要求14的無線電話，其中所述電抗網絡包括一個串聯耦合所述四股螺旋天線每個單元的電感，和一個並聯耦合所述四股螺旋天線的每個單元的電容。
16．根據權利要求15的無線電話，其中所述並聯電容包括四個螺旋輻射單元，這些單元在它們的初始端耦合，並鄰近所述四股螺旋天線的輻射單元安置。
17．根據權利要求15的無線電話，其中所述並聯電容包括至少一個集成元件電容與所述輻射單元的每個並聯。
18．根據權利要求14的無線電話，其中所述第一天線饋源以正交相位激勵所述四股螺旋天線的輻射單元，和其中所述第二天線饋源同相激勵所述四股螺旋天線的輻射單元。
19．根據權利要求18的無線電話，進一步包括一個或多個電抗元件耦合到所述四股螺旋天線的單元用於將所述四股螺旋天線的阻抗與所述第二天線饋源的阻抗匹配。
20．根據權利要求14的無線電話，其中所述四股螺旋天線的四個輻射單元通過四個電抗相互電耦合，四個電抗將每個所述輻射單元的初始端電連接到一個公共節點。
21．根據權利要求20的無線電話，其中通過所述第一天線饋源向所述四股螺旋天線提供的信號在公共節點處產生的電位是零。
22．一種用於在兩個分開頻帶上發射電信號的天線系統，包括一個四股螺旋天線具有四個輻射單元；一個第一天線饋源耦合到所述四股螺旋天線用於在第一頻帶上向和從所述輻射單元以正交相位提供電信號；一個第二天線饋源耦合到所述四股螺旋天線用於在第二頻帶上向和從所述輻射單元同相提供電信號；和一個電抗網絡並聯耦合到所述四股螺旋天線的單元用於將四股螺旋天線的阻抗與所述第一天線饋源的阻抗匹配。
23．根據權利要求22的天線系統，進一步包括第二匹配裝置耦合到所述四股螺旋天線的單元用於將所述四股螺旋天線的阻抗與所述第二天線饋源的阻抗匹配。
24．根據權利要求23的天線系統，其中所述第二匹配裝置包括與所述第二天線饋源串聯的一個電容，和並聯連接的一個電感。
25．根據權利要求24的天線系統，其中所述第一天線饋源包括一個同軸傳輸線以正交相位通過一個90度混合耦合器耦合到每個所述輻射單元，和其中所述串聯電感包括所述同軸傳輸線的一部分。
26．根據權利要求22的天線系統，其中與包括所述第一天線饋源的元件有關的阻抗被串聯耦合到所述第二天線饋源。
27．一種使用具有四個輻射單元的四股螺旋天線發射電信號的方法，該方法包括步驟(a)激勵四股螺旋天線以工作在螺旋輻射模式；和(b)激勵四股螺旋天線以工作在單振子輻射模式。
28．根據權利要求27的方法，其中步驟(a)包括將第一天線饋源耦合到所述四股螺旋天線的步驟，用於以正交相位激勵所述輻射單元，和其中步驟(b)包括將第二天線饋源耦合到所述四股螺旋天線的步驟，用於同相激勵所述輻射單元。
29．根據權利要求28的方法，進一步包括當工作在螺旋輻射模式時將四股螺旋天線的阻抗與第一天線饋源的阻抗匹配的步驟。
30．根據權利要求28的方法，進一步包括當工作在單振子輻射模式時將四股螺旋天線的阻抗與第二天線饋源的阻抗匹配的步驟。
全文摘要
提供用於發射電信號的天線系統,該天線系統包括一個四股螺旋天線。第一天線饋源被耦合到四股螺旋天線用於激勵相位正交的輻射單元。第二天線饋源也耦合到四股螺旋天線用於激勵同相輻射單元。這些天線系統可以工作在螺旋輻射模式或單振子輻射模式,在前者中該天線可以設計成作為諧振四股螺旋天線輻射,在後者中該天線起大型單振子天線等效體的作用。另外,該天線系統可以進一步包括用於將四股螺旋天線阻抗與任一個或兩個天線饋源阻抗相匹配的裝置。
文檔編號H01Q1/36GK1285964SQ98813101
公開日2001年2月28日 申請日期1998年10月22日 優先權日1997年11月14日
發明者G·G·桑福德 申請人:艾利森公司