CN101379658B - 环形或线形偏振天线 - Google Patents

环形或线形偏振天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种能产生绕几何轴(X)的对称辐射特性并且在与所述轴X的方向垂直的平面中具有最大辐射的天线，该天线包括一个供电线(100)，供电线沿所述轴(X)从形成天线的接地平板(300)的导体表面处的第一端(5a)延伸到为N个辐射段的组合件(200)提供能量的第二端(5b)，N是整数，其特征在于该天线还包括至少一个辐射段的接地返回杆，所述杆将所述组合件(200)的辐射段中的一个连接到接地平板(300)上。

Description

环形或线形偏振天线
技术领域
本发明涉及环形或线形偏振天线，确切地说，本发明涉及具有绕轴对称的辐射特性并且在与该轴方向垂直的平面中具有最大辐射的天线。
本发明特别但不受此限定地涉及采用镶贴(plaquee)技术的天线。
背景技术
非常普及的这种技术的应用领域很广，例如航空、航天工业、或是民用或军用通讯领域。
镶贴或印刷天线将根据下面的技术实现各天线装置重新组合：该技术包括将由接地平板上面的供电线供电的导体的图案设置在电介质基体上。
这种小尺寸的导体图案构成天线的辐射元件，该图案可以是正方形、矩形、盘形或环形等。
目前还有一些天线，它们的导体图案例如为多个辐射段组合起来的形状，这些辐射段基本位于同一个主平面内，并由同一供电线供电，该供电线与天线的辐射特性的转轴平行，每一个辐射段显示出关于与主平面垂直的轴辐射的初始部分，然后每一个辐射段沿以该轴为中心的圆弧延伸，然后重新显示出引向该轴的基本径向部分，这样也就容纳相邻辐射段的径向部分，但不碰到该径向部分。
这种印刷天线的通带仍受到限制。
此外，这些天线装置的应用领域总是要求天线具有更小的体积。
发明内容
本发明的一个目的是改进现有的这些天线。
本发明的另一个目的在于提供一种尺寸小，又能在频率等于大尺寸天线频率时保留相同性能的天线。
本发明的再一个目的在于提供一种天线，该天线具有特明显的惯用环形偏振或惯用线性偏振。
同样还希望提供一种实施简单，制造方便，成本低廉的天线。
本发明的另一个目的在于提供一种能够很简单地与其他天线且特别是与GPS型或卫星定位天线组合的天线。
通过利用下面的天线可以清楚地理解这些目的以及其他目的，所述天线产生绕几何轴(X)的对称辐射特性，并且在与所述轴X方向垂直的平面中具有最大辐射，所述天线包括供电线，所述供电线沿所述轴(X)从形成天线的接地平板的导体表面处的第一端朝向为N个辐射段的组合件供电的第二端延伸，其特征在于该天线还包括至少一个用于辐射段的接地返回杆，所述杆将所述组合件的各辐射段中的一个连接到接地平板上。
这种天线可以用镶贴技术或有线技术实现。
该结构可以提高辐射的频带，改进组合件的机械强度。
本发明方法的不受限制的一些优选方面为：
-构成辐射段的返回初始部分和/或返回分支包括至少一个弯折；
-辐射段的供电线由直的或包括至少一个弯折的硬线构成；
-另外，天线包括盘形导体的天线外支撑，该支撑的中心与供电线连接，而其周边与天线的N个辐射段的各个相连；
-天线包括盘形的适配阻抗电路，该电路以X轴为中心，位于与接地平板一起形成电容的供电线的所述第一端。
附图说明
通过阅读下面结合附图对非限定实施例的详细描述将会更清楚地理解本发明以及其他优点，其中：
图1表示根据本发明第一种变型的天线的透视图；
图2表示根据本发明第二种变型的天线的透视图；
图3表示根据本发明第三种变型的天线的透视图。
具体实施方式
1.天线的结构
图1的天线是印刷天线，这种天线产生绕几何轴X的对称辐射特性，该辐射特性的最大辐射处出现在与该轴(按照惯例，为便于描述，下面将其看作垂直轴)垂直的平面中。
天线有四个主要元件构成，即N(N为整数)个相同辐射段的组合件200，接地平板300，用于辐射段的N个接地返回杆的组合件500，以及供电线100。
标号为210，220，230，240的N个辐射段的组合件200以几何轴X为几何中心，该组合件位于与所述轴X垂直的主平面中。
主要以轴X对称的接地平板300与N个辐射段的组合件200的主平面平行设置。
另外，组合件500的辐射段的N个接地返回杆表示为510，520，530，540，各个杆分别与辐射段210，220，230，240结合，它们将这些辐射段与接地平板300连接。
这些杆与供电线100一样，与轴X平行延伸，所述供电线沿该轴从天线的接地平板300上的第一端5a向为N个辐射段的组合件200供电的第二端5b延伸。
a.接地平板
形成接地平板300的导体表面可以有多种形状。因此该表面可以是平的或是不平的，可以由连续或不连续结构形成。
该表面起到反射器的作用，该表面至少应当对称，以便天线的辐射特性也具有这种特征。
接地平板300与同轴导体3的骨架4电连接，同轴导体3还包括中心芯线5，所述同轴导体3形成天线的电源。
b.供电线
同轴导体3的中心芯线5所带的电势不同于骨架4的电势，该中心芯线5超出接地平板300向N个辐射段的组合件200延伸，从而构成供电线100。
该供电线100终止在N个辐射段的组合件200上。骨架4不延伸超出接地平板300。
因此，供电线100在端部5a处由同轴导体3激励，并且在相反端5b处由N个辐射段的组合件200加载。
此外，为了减少天线的尺寸，确切地说为了减少天线的高度，供电线100可以包括一个或多个形状和尺寸不同的弯折120，130。
另外，弯折120，130一方面可以容纳在或者不容纳在不同的平面中，另一方面可以容纳在包括或不包括对称轴X的平面中。
在图1中，供电线100包括串连的两个反向梯形弯折120，130，这两个弯折在含有该轴的相同平面中位于几何轴X的两侧。
此外，供电线100的端部5b可以连接到天线外支撑上。
该支撑为实心导体盘600的形状，其与轴X同轴，其周边与共面的N个辐射段的组合件200电连接。
该支撑在盘600的上表面上，即与接地平板300相对的表面上接收外天线。为此可以列举的是在所述支撑上设置GPS式的天线。
应注意的是，没有任何电流在两个叠置的天线之间流过，用胶带、牵条或其他所有公知的非导体的固定设备将GPS天线固定到盘600上。
此外，GPS天线的供电可以设置在供电线100内，也可以在该供电线外进行。
c.N个辐射段的组合件
对于辐射元件来讲，图1中的组合件200包括四个辐射段210，220，230，240，这些辐射段的形状与下面描述的辐射段210的形状相似。
自盘600周边起始的辐射段210首先由从盘600沿径向延伸的初始部分211构成。该部分由一个圆弧部分216延伸，而该圆弧部分绕轴X沿倒三角(顺时针)方向延伸90°。
通常，对于N个辐射段的组合件200来讲，该部分216延伸360°/N的圆弧。另外，N个辐射段中的每一个都为相同的形状，对于每一个辐射段来讲，圆弧部分216绕轴X沿相同的方向(逆时针或者顺时针方向)扭转成形。
为了减少天线的尺寸，辐射段210的初始部分211最好能够包括一个或多个弯折213，这些弯折的形状和尺寸可以改变。
作为非限定性的例子，可以列举有梯形和/或正方形和/或矩形和/或三角形和/或圆弧形和/或其他几何形状的弯折。
在图1中，初始部分211包括基本为梯形213(总体为扩口U形)的弯折。
另外，辐射段的组合件200最好离接地平板300的距离约为0.02λ-0.04λ，其中λ是该天线常用的工作波长。此外，辐射段的直径与接地平板300的外径基本相同。
d.一个或多个从辐射段返回到接地平板的杆
对于用于辐射段的接地返回杆510，520，530，540来讲，这些杆全部与下面将要描述的与辐射段210关联的辐射段510的接地返回杆相同。
该直杆510的一端512与所述辐射段的圆弧部分216的端部217电连接，而该杆的相反的一端511与接地平板300电连接。
除了它们的电功能外，每一个接地返回杆510，520，530，540还起机械作用，它们至少部分支撑天线。
另一方面，这些杆的存在可以使天线的辐射频带增大，并增加整体机械强度。
e.天线的其它元件
为了提高天线的性能，一个变型实施方案在于使用一个阻抗适配装置400。
该装置400包括以轴X为中心的盘410，该盘设置在与同轴导体3的中心芯线5接触的供电线100的端部5a处，但不与接地平板300连接。盘410和接地平板300之间的区域可以是空气或填电介质。
该盘410与接地平板一起形成一个电容。
该盘的厚度最好约为0.5mm。
此外，天线的一个变型实施例可以用具有利用平板印刷技术的电路的另一个供电电源代替同轴导体3。
应注意的是，这种技术的供电可以在天线的任何位置进行，例如，在辐射段的主平面中，在接地平板300中，也可以像图1所示的天线，在与四个辐射段210，220，230，240的组合件200相对的接地平板300的外面。
不管怎样，天线的供电只用一根线实现，而且不需要任何附加相位差电路，这样使其不论在电方面还是在机械方面均可以实现简单的结构。
2.天线的工作原理
天线的工作原理如下：
我们记得几何轴X是天线辐射特性的对称轴。
朝向水平方向(即绕X轴径向)且在辐射段的主平面方向发出最大辐射，而最小辐射在由对称轴X确定的方向中。
对于比较大的工作频带(>10％)来讲，天线根据工作频率和天线的几何形状或是产生惯用的环形偏振，或是产生惯用的线性偏振。
对于该频带来讲，天线的中心部分，特别是由同轴导体3激励并且由N个辐射段的组合件200加载的供电线100沿轴X在水平方向产生最大的垂直极化的电磁场分量。
天线的周边，确切地说N个辐射段的组合件200产生水平时同样具有最大辐射的水平极化的电磁场分量。
根据天线的几何形状(尺寸，顺时针或者逆时针缠绕)和工作频率，可以在这两个辐射元件之间得到90°或-90°的相位差以及相同的振幅。
这些不同辐射的组成由此产生被观察到的环形偏振，这种偏振具有朝向水平的最大辐射。
此外，对于某些工作频率来讲，仅用两个辐射中的一个就可以激励天线。
因此产生具有朝向水平的最大辐射的线性偏振。
这样，线性偏振可以垂直于和平行于轴X或者水平面，也可以平行于辐射段210，220，230，240的主平面。
因此得到的惯用环形或线形偏振具有朝向水平的最大辐射，辐射段的缠绕方向设定主偏振。
在图1中，顺时针缠绕方向在给定的工作频率下施加到右环形偏振。
接地平板300的尺寸也会影响天线的辐射性能，例如增益、偏振或最大辐射方向。
例如，在接地平板300的直径与由辐射段210，220，230，240形成的环形圆的直径相当的情况下，不论是环形还是线性偏振，对于0°-60°之间的仰角(相对于水平方向的最大辐射方向)来讲，用该天线得到的增益通常为1dB-2dB数量级。
此外，每一个辐射段210，220，230，240的长度小于或等于该天线在常用频率时的波长λ的一半。
为了加大工作频带，可以在N个初始辐射段的组合件上叠置附加辐射段。
这些附加辐射段可以与初始辐射段电连接或不进行电连接，可以与初始辐射段的尺寸相同，也可以不同。
也可以通过堆积多个辐射段组合件200，最好沿相互平行但直径不同的平面堆积，或是利用与四个辐射段的组合件200连接的多路转换器，或是将这两种方案结合，就能进行多频模式运行。
此处的天线由于有了弯折，所以很紧凑，尺寸很小。
这样，由辐射段210，220，230，240构成的圆的外径约为0.10λ-0.25λ，其中λ为天线常用工作波长。
和波长相比，较小的直径也使天线的体积减小。
另一方面，天线的总厚度与波长比较很小。
由辐射段的平面相对于接地平板的高度限定的这种厚度通常在0.02λ-0.04λ的数量级。
此外，通过选择合适的材料可以使该天线的质量很小。在400MHz的频率下，天线质量为150克左右。
另外，有关这种印刷天线的实施，由于该天线结构简单而使其在量产时制造简单，成本低廉。
辐射段和接地平板之间的区域可以用电解材料填充。
然而应当注意的是，本发明的天线也可以用处在空气中的金属构成。
3.天线的其它实施方式
图2表示本发明天线的变型实施例，其与图1的天线在结构上的差别在于N个辐射段的组合件200。
该组合件200包括三个辐射段710，720，730，每一个辐射段的形状与下面描述的辐射段710的形状类似。
根据与图1所示的辐射段的差别，辐射段710具有呈辅助圆弧延伸的部分717。
确切地说，第一部分713绕轴X沿120°的圆弧延伸，该第一部分延伸有直的返回分支715，而该分支沿径向朝盘600延伸，并且终止于该盘的附近，但不碰到该盘。
该返回分支715起始绕盘600按60°的圆弧717延伸的第二部分717，该第二部分不接触该盘。
呈圆弧延伸的这两部分713和717分别绕轴X沿两个相反的方向，也就是顺时针方向和逆时针方向分别卷绕。
图3为本发明天线的另一个变型实施方案，其与图1的天线在结构上的差别在于N个辐射段、所提供的天线外支撑600和供电线100。
另一方面，供电线100由以几何轴X为中心的中空对称圆柱形成，所述圆柱的外周与形状为盘600的天线外支撑接触，盘的中心钻孔。调节孔的直径，以便接收所述圆柱。
此外，根据与图1所示的辐射段的差别，辐射段810此处具有按照圆弧延伸的部分813，该圆弧部分由直的返回分支815延伸，返回分支向盘600延伸，并在距离该盘的一半处终止。
随后的这些对于结合图2所描述的辐射段710，720，730的组合件也是有效的。
在图3中，这些辐射段并列设置，都为相同的顺时针方向，与盘600连接的每一个初始部分在其远离盘的端部均以相邻辐射段的返回分支作为边，该返回分支与盘600不连接。
此外，此处的用于辐射段的接地返回杆510的第一端512电连接到交点814处，其相反的一端511电连接到接地平板300上，所述交点位于呈圆弧延伸的第一部分813和直线返回分支815之间。
图2和3所示的天线的变型实施方式针对的是初始部分和/或每一个辐射段的返回分支和/或形状和尺寸变化或不变的弯折供电线，目的是为了减小天线的尺寸。

Claims (13)

1.一种绕几何轴(X)产生对称辐射特性并且在与所述轴(X)的方向垂直的平面中具有最大辐射的天线，该天线包括：
供电线(100)，其包括至少一个弯折，所述供电线(100)沿所述轴(X)从第一端(5a)延伸到第二端(5b)，所述第一端(5a)与形成所述天线的接地平板(300)的导体表面位于同一平面，并且所述第二端(5b)为N个辐射段的组合件(200)供电，N是整数，
至少一个用于辐射段的接地返回杆，所述接地返回杆将所述组合件(200)的辐射段中的一个辐射段连接到接地平板(300)上，
其中，N个辐射段(210，220，230，240)的组合件(200)基本位于同一主平面中，并且辐射段(210，220，230，240)中的每一个先沿着从所述几何轴(X)径向延伸的初始部分(211)，然后沿以所述轴(X)为中心的圆弧部分(216)延伸，用于辐射段的所述接地返回杆(510，520，530，540)在第一端(512)与辐射段的圆弧部分(216)的端部(217)电连接，并且在与所述第一端(512)相反的第二端(511)与接地平板(300)电连接；并且
其中，每一个辐射段(210，220，230，240，710，720，730，810，820，830，840)的初始部分包括至少一个弯折(213)。
2.一种绕几何轴(X)产生对称辐射特性并且在与所述轴(X)的方向垂直的平面中具有最大辐射的天线，该天线包括：
供电线(100)，其包括至少一个弯折，所述供电线(100)沿所述轴(X)从第一端(5a)延伸到第二端(5b)，所述第一端(5a)与形成所述天线的接地平板(300)的导体表面位于同一平面，并且所述第二端(5b)为N个辐射段的组合件(200)供电，N是整数，
至少一个用于辐射段的接地返回杆，所述接地返回杆将所述组合件(200)的辐射段中的一个辐射段连接到接地平板(300)上，
其中，N个辐射段(710，720，730，810，820，830，840)的组合件(200)基本位于同一主平面中，每一个辐射段(710，720，730，810，820，830，840)先沿着从该几何轴(X)径向延伸的初始部分，然后沿以所述轴(X)为中心的圆弧部分(713，813)延伸，所述圆弧部分起始径向朝所述轴(X)延伸的返回分支，所述辐射段的所述接地返回杆(510，520，530，540)在第一端(512)电连接到所述圆弧部分(713，813)与所述返回分支的交点处，而该接地返回杆的与所述第一端(512)相反的第二端(511)与接地平板(300)电连接；并且
其中，每一个辐射段(210，220，230，240，710，720，730，810，820，830，840)的初始部分和返回分支包括至少一个弯折(213)。
3.根据权利要求1或者2所述的天线，其中，用于辐射段的供电线(100)由硬线构成。
4.根据权利要求1或者2所述的天线，其中，用于所述供电线的弯折(120，130)是梯形或正方形或矩形或三角形或圆弧形或其他几何形状。
5.根据权利要求1或者2所述的天线，其中，用于所述辐射段的弯折(216)是梯形或正方形或矩形或三角形或圆弧形或其他几何形状。
6.根据权利要求1所述的天线，其中，该天线还包括以轴(X)为中心的盘形的天线外支撑(600)，该支撑的中心与供电线(100)连接，而其周边与天线的N个辐射段(210，220，230，240)的各个相连。
7.根据权利要求1所述的天线，其中，该天线包括盘形的适配阻抗电路(400)，所述盘以所述轴(X)为中心并且位于供电线(100)的所述第一端(5a)，所述盘与接地平板(300)一起形成电容。
8.根据权利要求1或者2所述的天线，其中，该天线进行惯用环形偏振或惯用线性偏振。
9.根据权利要求1或者2所述的天线，其中，各辐射段(210，220，230，240)的组合件(200)画出的圆的直径为0.10λ-0.25λ，其中λ为天线常用工作波长。
10.根据权利要求1或者2所述的天线，其中，由接地平板(300)和N个辐射段的组合件(200)之间的高度限定的天线总厚度为0.02λ-0.04λ，其中λ为天线常用工作波长。
11.根据权利要求1或者2所述的天线，其中，每一个辐射段(210，220，230，240)的长度小于或等于该天线在常用工作频率时的波长的一半。
12.根据权利要求1或者2所述的天线，其中，该天线是印刷式。
13.根据权利要求1或者2所述的天线，其中，该天线具有多组堆积起来的辐射段的组合件(200)。
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