[发明专利]提高手持移动卫星通信终端天线效率的方法和装置

说明书

本发明总的来说涉及天线，更具体地说涉及四臂螺旋天线。

已知的一种常规天线是四臂螺旋天线，其中发射和接收天线单元可以相互交错。这种类型的天线通常提供半球形覆盖区。结果，如果这种类型的天线用作卫星通信系统中用户终端的天线，特别是用作非对地同步轨道的卫星通信系统中用户终端的天线，那么低仰角卫星的增益大于直接在头顶上的卫星的增益，因此对接近地平线的卫星的较大的路径损失进行一定程度的补偿。

然而，常规的四臂螺旋天线的一个缺点是其实际尺寸大于通常的手持用户终端，如蜂窝电话。第二个缺点是工作部件和天线之间的损失比所要求的大。再一个缺点是交错的发射和接收天线单元之间的相互耦合可以引起不希望的损耗。

本发明的第一个目的是提供一种改进的天线结构，它克服了以上的和其它的缺点。

本发明的第二个目的是提供一种四臂螺旋天线结构，它相对于常规的天线结构尺寸和损耗都减小了。

本发明的第三个目的是提供一种交错螺旋天线结构，其中发射和接收天线单元或振子被进行宽度调整进而阻抗调整，并且其中发射振子的线宽与相邻的接收振子的线宽对齐，以便最大限度地减小它们之间的耦合。

本发明的再一个目的是提供一种螺旋天线结构，它为振子、放大器、滤波器和混合耦合器提供最佳的安放位置，最大限度地实现大功率的发射放大器和较低功率的接收放大器之间的热和电隔离，并进一步将所有这些部件放在旋转天线连接件的上面，从而减小损耗。

通过这样一种天线结构解决了以上和其它问题，并实现了本发明的目的，该天线结构包括相互平行放置的多个发射线性单元和相互平行放置的多个接收线性单元。多个发射线性单元的每个相互隔开，并且它们之间具有多个接收线性单元中的一个。根据本发明，多个发射线性单元和多个接收线性单元的每一个的宽度沿线性单元的长度方向周期性地改变，从而也对每个单元进行周期性的阻抗调整。此外，发射线性单元最窄的部分靠近相邻放置的接收线性单元最宽的部分，反之亦然，由此最大限度地减小单元之间的耦合。

根据本发明的第二方面，发射放大器和相关的部件以及接收放大器和相关的部件位于天线杆的相反端，因此发射放大器和接收放大器与各自的天线单元紧密相连，从而进一步减小了损耗。此外，由于放大器可以产生相当大的热量，因此本发明的结构技术能够将较小功率的接收放大器与较大功率的发射放大器热隔离。此外，发射放大器最好位于靠近用户的无线电收发机的天线杆的端部，从而改善散热。

本发明的再一方面是利用天线单元和它们各自的放大器之间的有源阻抗匹配来最大限度地将发射单元的能量与它们相关的放大器耦合。在带通滤波器中也存在阻抗匹配，带通滤波器最好是多个盘形谐振器。此外，选择发射线宽度，以便最大限度地减小在放大器和自由空间之间进行阻抗变换的需要。

通过结合附图对本发明所作的详细描述，本发明的上述和其它特征会看得更清楚，附图中：

图1是根据本发明的天线系统的框图；

图2A是图1的天线系统的示意图；

图2B是根据本发明的用户终端天线结构的简化的示意图；

图3表示图2A和2B的交错的发射和接收天线单元的一个放大部分，并表示根据本发明的一个方面的宽度调整进而阻抗调整；以及

图4是其中采用了本发明的天线系统的卫星通信系统的框图。

下面参照图1、2A、2B和3描述本发明的最佳实施例。

在图1中，RF输入信号加到天线系统10的输入节点12上。输入节点12与90°混合网络14相连，90°混合网络14向第一大功率放大器(HPA)16a提供第一输入，并向第二HPA 16b提供正交输入。HPA 16a和16b是适合于将RF输入信号放大到足以驱动发射天线的程度的功率放大器。在本发明的最佳实施例中，HPA 16a和16b包括在小尺寸的单片微波集成电路(MMIC)中。HPA 16a和16b的输出(相互偏移90°)施加到带通滤波器18，然后到180°混合网络20a和206。混合网络20a和20b的输出(相互偏移180°)与发射天线的四臂或振子(此处也称为单元22a-22d)的每个相连。由于混合网络14、20a和20b，每个臂中的RF信号相互偏移90°(即正交)。

天线10的接收部分包括具有与发射单元22a-22d交错的单元24a-24d的四臂接收天线，图2A中非常清楚地画出来了。交错的发射和接收单元螺旋地绕在构成天线10的本体的介质圆柱体或管36上(图2B)。发射和接收单元也如图3所示进行宽度调整，以便减小由于相互耦合引起的损耗。下面将进一步详细描述本发明的这一方面。