[发明专利]一种功分相移馈电网络的介质加载四臂螺旋天线

说明书

技术领域

本发明涉及介质加载螺旋天线，特别涉及一种采用新型功分相移网络馈电、能工作于宽频段、小体积、适用于手持终端的介质加载四臂螺旋天线。 

背景技术

近年来，卫星通信网络的服务愈来愈受到重视。随着GPS和北斗应用日益普及，迫切需要一种能随时随地与卫星通信的便携式移动终端。天线作为接收机的“耳目”，其性能直接影响接收机信号的质量。 

圆极化四臂螺旋天线最早由C.C.Kilgus在1968年提出。该结构由四根金属螺旋线条构成，通过同轴线对四根金属线馈电，并且在馈电端引入相移，使四根线条有90°电长度差，从而使相邻的两根金属线具有90°相位差的等幅信号，便能产生心脏形的圆极化方向图。这种结构具有不需要接地反射板的优点，在低仰角时的圆极化性能也能满足卫星通信的要求，特别是加载高介电常数的介质后天线的整体尺寸很小，因而被应用到便携式卫星通信终端。专利US5859621，US6369776B1，US64243161B以及US6886237B2都属此种结构。但是，由于该结构是通过四根金属线的不同长度来产生90°相位差，随着加载介质介电常数的提高，90°相位差带宽非常窄，不但加工精度要求太高，并且不易修正调校。此外，由于采用同轴内外导体对螺旋线馈电，因而存在不平衡馈电的问题，需要巴仑电路(Balun)设计。 

2001年，英国Sarantel天线公司的Oliver Leisten提出了一种新型的四臂螺旋天线——介质加载四臂螺旋天线(DQHA)。其辐射主体由四根金属螺旋线组成，每根螺旋臂的长度约为λ/2，缠绕在高介电常数(ε_r＝36)的介质柱上。螺旋线的底部与一个套筒balun相连接。该天线由一根穿过介质柱轴心的同轴线在顶部馈电。该四臂螺旋天线可以看作是由两个正交的双臂螺旋组成，电流从同轴线内导体沿着螺旋线往下流，经过balun的边缘和直径正对的那根螺旋线，回到同轴线外导体。为了实现90度相位差馈电，微调两个双臂螺旋的长度，使一个双臂螺旋稍长于谐振长度，产生一个相角为+45度的输入阻抗；使另外一个双臂 螺旋稍短于谐振长度，产生一个-45度的相交。Balun的底部与同轴线的外导体相连，高度为λ/4(λ是波导波长)，等效于在Balun的顶部边缘产生了一个开路，使电流只沿着巴伦的顶部边缘流，将天线与不平衡的馈电系统隔离开来，减小了人体手持对天线性能的影响。 

通过介质加载的方法，不但实现了小尺寸，而且将大部分近场能量耦合到介质里面，在介质外面的近场能量非常小，用在GPS手持机上，人体组织对其产生的影响非常小。同时该结构的天线还包括了完整的巴伦电路(Balun)设计，此设计将天线与不平衡的馈电系统隔离开来，不但进一步减小了人体手持对它的影响，而且能隔离天线周边的讯号，因此能容许各种功能的天线并存于极小的空间中而不会互相干扰。对于整合功能日趋多元化，而且强调轻薄短小的手持式电子产品而言，此特性的重要性不可言喻。基于上述完美的性能，该天线堪称是一项革命性的发明，被业界公认为最适合移动手持终端的GPS天线。 

另外，Oliver Leisten在美国专利申请号US5859621，US6369776B1，US6424316B1以及US6886237B2等专利中对介质加载四臂螺旋天线提出了多种不同的设计和加工方法，如图5，图6，图7，图8所示。而专利号为US6914580B2的专利，介质加载天线，该专利通过合理设计螺旋线之间的间隙从而使电流有多个耦合路径来产生宽带特性，如图9所示。 

介质加载圆极化四臂螺旋天线因其具有尺寸小、不需要接反射板、能产生心脏形的圆极化方向图和在低仰角时的圆极化性能也能满足卫星通信的要求等优点而广泛应用于便携式卫星通信移动终端。目前的介质加载四臂螺旋天线结构大多是采用自相移来产生90°相位差，即在设计四线螺旋时，使相邻的两根螺旋线之一的长度略大于谐振波长以产生+45°相位，另一螺旋线长度略小于谐振波长以产生-45°相位，而相对的两根螺旋长度相等，但使用同轴内外导体反相馈电。这样四根螺旋线上电流相位分别为+45°、-45°、(180+45)°和(180-45)°，因而可实现圆极化辐射。由于同轴内外导体对四根螺旋馈电存在不平衡馈电问题，所以需要在四根螺旋线的末端设计长度为四分之一介质波长的巴仑来抑制同轴外导体上的电流辐射。 

但是，目前的介质加载圆极化四臂螺旋天线存在加工精度要求高、天线性能不易调节和带宽太窄等问题。 

发明内容