[发明专利]多频带圆偏振天线

说明书

本发明提供了一种用于多频带GNSS的圆偏振CP天线设备。该天线设备包括螺旋天线和高阻抗表面HIS，该高阻抗表面包括导电层和接地平面，该导电层包括第一区域和分开的第二区域。该导电层的该第一区域设有至少一个具有第一谐振频率的谐振元件，并且该导电层的该第二区域设有至少一个具有第二谐振频率的谐振元件。

技术领域

本发明涉及一种低尺寸、重量和功耗(SWaP)的圆偏振(CP)天线。更具体地，本发明涉及一种适用于多频带通信的低SWaP圆偏振天线，用于诸如全球导航卫星系统(GNSS)等应用。

背景技术

低尺寸、重量和功耗(SWaP)天线对于许多应用而言是有益的，诸如例如在移动设备或可穿戴设备中。为了克服法拉第旋转，卫星与地面系统之间的通信需要圆偏振(CP)天线，由此信号的电场矢量在该信号传播通过电离层时旋转。

一种类型的CP天线是螺旋天线。常规的螺旋天线在图1中示出。该螺旋天线由两个螺旋臂组成，这些螺旋臂在其内部终端处以反相(180°电相位差)被激发。这些螺旋臂的几何形状可以由许多不同的数学表达式来描述，诸如阿基米德螺旋(如图1所示)、等角螺旋、弯折螺旋或其他任意螺旋形状。然而，无论几何形状如何，发射辐射的原理都保持不变。当天线的周长远小于波长时，天线的作用类似于双传输线，并且来自这两个臂的任何辐射由于其相位而抵消。当同一螺旋臂上从点A到点B的路径长度等于波导波长的一半λ_g/2时，辐射以某个频率f_r发生，这会在点B处相对于点A产生180°的额外电相位延迟。点A和A’对称地位于相对的臂上。因此，这些点处的电流是反相的，因为从臂中心到这些点的路径长度是相等的。这意味着在频率f_r处，相邻臂上的邻近点A’和B处的电流处于相等相位(并且在点A和B'处也同样如此)，并且来自这两个臂中的每个臂的辐射因此在相位上相加在一起。因此，天线从中辐射强的有源区域是圆周环λ_g或半径λ_g/2π。天线从这个有源区域发射出圆偏振辐射，因为沿着相对于环中心的每个90°的角度阶跃变化，场旋转并且相位延迟额外90°，如图2所示。图3示出了来自这种天线的辐射是如何双向发射的，从而产生前瓣和后瓣。由于其几何形状，螺旋天线可以满足这种在宽带宽上辐射的条件，其中从螺旋臂上更外处发射出更低频率下的辐射。

可穿戴且可表面安装的螺旋天线需要在其背面与安装表面之间进行电隔离。需要这种电隔离来防止诸如短路等‘接触’效应，从而天线与金属或高介电常数对象(诸如人体或头部)的紧密接近会以其他方式破坏天线的辐射图案和回波损耗特性。通常通过使用接地平面反射器或吸收器来实现电隔离。

在接地平面反射器的情况下，平坦的导电表面被放置在天线下方，其中在工作频率下气隙间隔为λ₀/4，如图4所示。由于λ₀/4的间隔，天线后瓣以90°的电相位延迟到达反射器。入射E场与导体表面相切，并且这产生了具有E场的反射信号，该反射信号具有180°的相对相位。λ₀/4的路径长度提供了额外的90°电相位延迟，产生了360°的总相位延迟，这意味着反射后瓣与前瓣同相到达。这在工作频率下增大了3dB的天线增益，但是限制了天线发射CP辐射的带宽，并且导致在较低频率下的厚设备，其中λ₀很大。应该理解，这是不合期望的，因为螺旋天线的益处之一就是其宽带宽。

在吸收器被放置在天线背面上的情况下，后瓣辐射被吸收，从而提供电隔离同时保持宽带宽。然而，这种方法具有丢失一半辐射功率的缺点。还需要最小厚度为约λ₀/14的厚设备，因为将吸收器放置得太靠近会导致螺旋臂之间的场被吸收，从而妨碍天线有效地辐射。

最近的替代方法是使用高阻抗表面(HIS)来代替接地平面反射器。存在各种HIS拓扑。在美国专利号US 6,384,797中披露了一种这样的拓扑。如图5所示，这种拓扑由导电接地平面上方的周期性串联导电谐振元件(诸如，贴片或槽)组成。这些谐振元件可以或可以不通过金属通孔连接到接地平面。另外，HIS可以或者可以不在这两个导电层之间采用介电材料。螺旋天线通常通过气隙与HIS间隔，但是天线可以采用介电材料间隙。