用于圆极化信号的天线系统的制作方法

1.本公开涉及用于圆极化电磁信号的天线系统，诸如用于卫星导航系统接收器的天线系统。


背景技术：

2.在一些背景技术中，天线系统被用于卫星导航接收器以接收由围绕地球轨道运行的一个或多个卫星所发射的卫星信号。例如，如果卫星在赤道上空的地球同步轨道上，并且地球上的卫星接收器处于赤道极北或极南的较高纬度，则天线系统的典型辐射图案可能没有足够的增蔬用于卫星信号的可靠接收。这里，对于在赤道上空的发射(例如，圆极化的)卫星信号的地球同步轨道卫星，在较高的纬度处，卫星接收器将主要从比天顶更接近地平线的低角度接收卫星信号。
3.为了改善在较高纬度处的接收，存在表现良好的具有圆极化的一些天线配置，但是诸如四线螺旋和双线螺旋的此类天线配置往往比将在有限的空间中安装在车辆上的卫星导航接收器所需的天线配置更大。另外，它们的螺旋元件通常必须被顶部馈电，从而导致复杂性和增加的成本。因此，存在对用于圆极化信号的紧凑的天线系统的需求。


技术实现要素：

4.根据一个实施例，天线系统包括第一天线元件，该第一天线元件被配置为辐射或接收处于目标波长范围内的垂直极化电磁信号分量。所述第一天线元件具有基本上竖直的轴线。第二天线元件的阵列被配置为辐射或接收处于所述目标波长范围内的聚合径向极化电磁信号分量。所述阵列限定与所述第一天线元件的所述基本上竖直的轴线大致正交的基本上水平的平面。所述聚合径向极化电磁信号是从与所述第二天线元件中的对应的第二天线元件相关联的径向极化信号分量导出的。合并网络被配置为合并所接收的垂直极化电磁信号分量和所述聚合径向极化电磁信号分量，使得所述第一天线元件、所述第二天线元件的阵列和所述合并网络协作以产生或接收辐射图案，所述辐射图案在所述目标波长范围处是大致圆极化的。
附图说明
5.图1是天线系统的一个实施例的顶视透视图，示出了第二天线元件的阵列和第一天线元件。
6.图2是图1的天线系统的示意性的一个实施例的框图，进一步示出了第一合路器、第二合路器和相位延迟装置。
7.图3示出了来自天线系统的一个实施例中的第二元件的阵列和第一元件的电磁场(例如，电场)贡献。
8.图4示出了圆极化辐射的说明性图案，其中在所示的三维表面上存在用于天线的一个实施例的、具有不同的对应的均一场强的等值曲线。
9.图5示出了轴比辐射图案，其中在所示的三维表面上存在用于天线系统的一个实施例的、具有不同的对应的均一轴比的等值曲线。
具体实施方式
10.根据一个实施例，天线系统11包括第一天线元件10，第一天线元件10被配置为辐射或接收处于(例如，卫星导航系统的)目标波长范围或等效目标频率范围内的垂直极化电磁信号分量301(在图3中)。第一天线元件10具有基本上竖直的轴线13(例如，z轴)。第二天线元件24的阵列被配置为辐射或接收处于所述目标波长范围内的聚合径向极化电磁信号分量303(在图3中)。第二天线元件24的阵列限定了与第一天线元件10的基本上竖直的轴线13大致正交的基本上水平的平面19。例如，在竖直的轴线13与基本上水平的平面19之间，或者在所述竖直的轴线与深度轴线17之间存在基本上或近似正交的角度21。如图1和图3所示，所述基本上水平的平面由与横向轴线15(x轴)和深度轴线17(y轴)两者相交的平面或大致水平的表面限定，其中在实践中，所述基本上水平的平面可以与电路板22和第二天线元件24对准、或与电路板22和第二天线元件24共同地延伸、或基本上平行于电路板22和第二天线元件24(该第二天线元件24可以在电路板上方突出一高度，该高度是形成该第二天线元件24的导电迹线或带的高度)。
11.在一个实施例中，从与第二天线元件24中的对应的第二天线元件相关联的径向极化电磁信号分量303(在图3中)导出聚合径向极化电磁信号。如图3所示，径向极化电磁信号分量303可以表示对来自第二天线元件24中的仅一个第二天线元件的电场的贡献。第二天线元件24的阵列彼此不同的定向(例如，大致正交的相对定向)导致其它第二天线元件24的相应电场(未示出)的对应的不同定向。例如，如果每个第二天线元件24围绕该第二天线元件的竖直的轴线13(z轴)从任何相邻/附近的第二天线元件24旋转大约90度，如图1所示，则相应的成阵列的第二天线元件24的电场以与彼此相邻/附近的第二天线元件大致正交的相对定向对准或排列。换句话说，当共同地参考图1和图3时，每个第二天线元件24的电场围绕第二天线元件24中的每个第二天线元件的竖直的轴线13(z轴)旋转或转动大约90度。
12.在图2中，合并网络35被配置为合并所接收的垂直极化电磁信号分量301和聚合径向极化信号分量(包括多个或四个径向极化信号分量303)，使得第一天线元件10、第二天线元件24的阵列、和合并网络35协作以产生或接收辐射图案(例如，图4中的盘形的或超环面的辐射图案45)，该辐射图案在所述(例如，用于卫星导航系统的)目标波长范围处是大致圆极化的。
13.在实践中，天线系统11非常适合用于各种不同的卫星通信系统和卫星导航系统，诸如全球定位系统(gps)、全球导航卫星系统(glonass)和伽利略卫星系统，因为这些系统通常对(例如，从地球上的卫星发射器到在地球上空轨道运行的卫星接收器的)上行链路和(例如，从在地球上空轨道运行的卫星发射器到地球上的卫星接收器的)下行链路使用圆极化。与线性极化相比，天线系统11的圆极化的辐射图案(例如，图4中的盘形的或超环面的辐射图案45)对于发射天线与接收天线之间的定向具有较低的敏感性，其中在未对准或不同线性极化(例如，正交定向的线性极化)的情况下，线性极化会导致发射天线与接收天线之间的显着衰减。
14.在一个实施例中，第一天线元件10包括与介电基板20上的导电接地平面18相关联
的基本上竖直的单极天线。例如，第一天线元件10(例如，基本上竖直的单极天线)可以通过第一通孔16来被底部馈电，该第一通孔16例如是与导电接地平面18或中央接地平面电绝缘的导电通孔或导电过孔。第一天线元件10具有上端14和与该上端14相反的下端31(例如，与第一通孔16相邻或在第一通孔16之上)。可以通过介电基板20的环形介电环部分建立相对于第一天线元件10和电耦接到该第一天线元件10的第一通孔16的电绝缘或隔离，该环形介电环部分环绕对第一天线元件10馈电或耦接到第一天线元件10的第一通孔16。在一个实施例中，第一天线元件10经由在介电基板20的下侧上或集成到电路板22(例如，多层电路板)中或22内的一个或多个导电迹线而耦接到第二合路器38的输入端口(例如，第一输入端口)。
15.例如，导电接地平面18可以由金属或金属合金形成，如由铜或铜合金形成。在一个实施例中，导电的下接地平面32设置在介电基板20或电路板22的相反位置或下侧；第一天线元件10与下接地平面32电隔离。在介电基板20的下侧上，导电迹线(例如，金属迹线)形成：(a)第一天线元件10与第二合路器38的输入端口之间的连接或支撑耦接(在图2中)；(b)第二天线元件24与第一合路器34的对应输入端口之间的连接或支撑耦接(在图2中)。
16.如图1所示，天线系统11被构建在电路板22上，该电路板22例如是由聚合物、塑料、塑料复合材料、聚合物复合材料或陶瓷材料构成的矩形的电路板。在一个实施例中，第一天线元件10(例如，竖直的单极天线)安装在电路板22的中央。
17.在替代性的实施例中，竖直的单极天线可以包括安装在接地平面上方或安装在接地平面上的圆柱形鞭状天线。
18.尽管第一天线元件10或竖直的单极天线可以具有落入所附权利要求范围内的其它高度，但是在一种配置中，第一天线元件10具有为在目标波长范围处的大约四分之一波长的高度12。在另一种配置中，第一天线元件10具有大约70毫米的高度12，并且其中，所述目标波长范围是与gps卫星信号(例如，波长为0.19米至0.26米)、glonass卫星信号、伽利略卫星信号、或其它可获得的全球导航卫星信号相关联的波长。例如，gps卫星信号以以下频率范围来运转：l1(1,575.42mhz)、l2(1,227.6mhz)和l5(1,176.45mhz)，其中，可以根据以下众所周知的等式来推导出波长：其中，λ是指以米为单位的波长，c是指以米每秒为单位的光速(例如，299,792,458)，以及f是指以赫兹为单位的频率。
19.(第一天线元件10的)70毫米的天线高度12保持整个天线系统11是紧凑的。此外，天线高度12可以与整个天线系统11的聚合的天线高度相称或等效。如果第一天线元件10的高度12小于70毫米或小于用于目标波长范围的等效临界高度，则第二天线元件24(例如，倒f形元件(例如，24))与第一天线元件10(例如，单极天线)之间的耦接可能变得过大，并且干扰对处于目标波长范围处的传输线(例如，50欧姆或75欧姆)的阻抗匹配。如果第一天线元件10的高度12增加到四分之一波长，则有助于阻抗匹配，但是天线系统11将具有对于客户或消费者的便利或市场接受度而言可能太大的(例如，在保护性介电外壳或天线罩下的)高度12、尺寸或体积。
20.在一个实施例中，第二天线元件24中的每个第二天线元件包括倒f形天线元件，倒f形天线元件被定位在围绕第一天线元件10(或用于第一天线元件10)的导电接地平面18的周边30外部。此外，如图1所示，每个倒f形元件包括主条带25，其中第一分支条带26和第二
分支条带27从该主条带25以大致正交的角度51延伸。
21.例如，每个倒f形元件(例如，24)可以在中心馈电点29处被馈电，或者在第一分支条带26(例如，中心分支条带)的端部(例如，终端)处或附近被在中心处馈电。倒f形元件(例如，24)可以经由第二通孔28或借助于第二通孔28被在中心处馈电到馈电点29。例如，第二通孔28可以包括在介电基板20中的导电通孔或导电过孔。如所示出的，主条带25和第二分支条带27未被馈电，或者可以被认为是通过第一分支条带26和主条带25来被间接地馈电。可以由介电基板20的环形介电环部分来建立相对于任一第二天线元件24和与第二天线元件24电耦接的对应的第二通孔28的电绝缘或隔离，该环形介电环部分环绕对相应的第二天线元件24馈电或耦接到相应的第二天线元件24的任一第二通孔28。在一个实施例中，第二天线元件24经由在介电基板20的下侧上或集成到电路板22(例如，多层电路板)中电路板22内的一系列导电迹线而耦接到第一合路器34的输入端口。
22.如图1所示，多个倒f形元件(例如，24)或倒f形元件的阵列围绕单极天线的竖直的轴线13被定向成环或圈，其中在该环或圈中，每个倒f形元件(例如，24)相对于任何相邻的倒f形元件旋转大约九十(90)度。将(四个)倒f形元件或基本上等效的元件的阵列布置成环的效果是产生电磁场，如在径向方向上极化的电场(例如，e场)。例如，图3示出了在大致水平的平面19内或在由横向轴线15(例如，x轴)与深度轴线17(例如，y轴)交叉限定的平面内在一个或多个径向方向上极化的电场。
23.倒f形元件(例如，24)是大致平面的天线几何结构，该大致平面的天线几何结构可以与由基本上平面的介电基板20或电路板22限定的水平的平面19对准、或大致平行该水平的平面19。如图1所示，倒f形元件(例如，24)限定与横向轴线15(例如，x轴)和深度轴线17(例如，y轴)相关联的大致水平的平面19、或位于该大致水平的平面19内。
24.尽管每个倒f形元件(例如，24)一般不被表征为宽带元件或宽带辐射装置，但是通过调整倒f形元件的构成条带或段(如，下述主条带25、第一分支条带26和第二分支条带27中的一个或多个)的长度和宽度，可以使每个倒f形元件(例如，24)在(例如，足以用于多种不同的卫星导航接收器带的充足性能的)期望的频带或目标波长处匹配于目标阻抗(例如，50ω或75ω)。因为倒f形元件(例如，24)具有大致平面的几何结构，因此可以使用常规的电路板制造技术，诸如金属膜的光刻、光敏方法、化学蚀刻、化学电阻屏障、金属化、金属沉积、无电沉积、黏合或溅射等可能的方法，来制造该倒f形元件。
25.图2是天线系统11的一个实施例的框图，其示出了天线系统11的合并网络35。在一个实施例中，合并网络35包括第一合路器34、第二合路器38和相位延迟装置36。第一合路器34(混合合路器)耦接到第二天线元件24。第一合路器34被配置为合并径向极化电磁信号分量303以产生聚合径向极化电磁信号。
26.第二合路器38耦接到第一天线元件10和相位延迟装置36。第二合路器38被配置为将垂直极化电磁信号分量301与(例如，从多个径向极化信号分量303导出的)被延迟的聚合径向极化电磁信号分量合并以生成圆极化的辐射图案(例如，图4中的辐射图案45)。
27.相位延迟装置36被配置为用于延迟聚合径向极化电磁信号的相位偏移，以在垂直极化电磁信号分量301与聚合径向极化信号分量之间实现目标相位偏移。相位延迟装置36可以被配置为根据可以被单独地或累积地应用的多种不同的技术来延迟相位。在第一种技术下，目标相位延迟为大约四十(40)度。在第二种技术下，目标相位延迟被选择以在垂直极
化电磁信号分量301与被延迟的聚合径向极化电磁信号分量之间产生大约九十(90)度的目标相位延迟，被延迟的聚合径向极化电磁信号分量是从多个径向极化电磁信号分量303的组合导出的。
28.在图2中，合并网络35合并来自第一天线元件10和第二天线元件24的阵列(例如，围绕竖直的轴线13(例如，z轴)布置成环的四个第二天线元件24)的电磁信号，如所接收的卫星信号。例如，由天线元件(10、24)接收的卫星信号被电合并以产生用于输入或应用到卫星导航接收器或接收器40的单个聚合输出信号。在一个实施例中，接收器包括低噪声放大器(una)。因为接收器40是可选的并且不与天线系统11分开，因此以虚线指示该接收器40。
29.在图2中，合并网络35包括第一合路器34和第二合路器38的两级网络。在一种配置中，第一合路器34首先将第二天线元件24的阵列(诸如，四个倒f形元件(例如，24))的输出合并成聚合径向极化电磁信号。第二天线元件24耦接到第一合路器34的对应的输入端口，而第一合路器34的输出端口耦接到相位延迟装置36的输入端口。
30.相位延迟装置36将聚合径向极化电磁信号的相位移位、阻滞或延迟一目标相移，以确保径向e场和竖直e场将分开大约九十(90)度(在远场中)，以用于在真实世界环境中被卫星接收器所接收。如本文档中所使用的，“大约”、“约”或“近似”应表示正负10％或正负10度。在一种配置中，用于倒f信号的大约四十(40)度的电延迟将导致在远场图案中径向e场与竖直e场之间的大约九十(90)度的分离。例如，相位延迟装置36在该相位延迟装置36的输入端口与该相位延迟装置的输出端口之间产生处于所述目标频率范围处的目标相移。
31.第二合路器38将(来自相位延迟装置36的输出的)相位被延迟的聚合径向极化电磁信号与第一天线元件10的垂直极化电磁信号(诸如，竖直单极天线的输出)合并。例如，第二合路器38的一个输入端口接收(来自相位延迟装置36的输出的)相位被延迟的聚合径向极化电磁信号，而该第二合路器的另一输入端口接收来自第一天线元件10的垂直极化电磁信号。第二合路器38具有输出端口，该输出端口根据例如从绕地球轨道运行的一个或多个卫星所接收的卫星信号提供圆极化电磁信号。
32.图3示出了在天线系统11的一个实施例中来自第一元件10和第二元件24的阵列的电磁场(例如，电场)贡献。圆极化波可以被认为是垂直极化波和水平极化波的组合，其中该垂直极化波和水平极化波具有相同的传播方向，并且在该垂直极化波与水平极化波之间具有大约九十(90)度的相位差。这样的波可以由一对交叉的偶极子元件来产生，其中增益图案在形状方面将是圆锥形的，而不是在图4中示出的圆极化的辐射图案45的更期望的盘形的。为了产生目标的盘状辐射图案，天线系统11可以使用垂直极化波和径向极化波作为两个正交的构成波，如本文档中所描述的。
33.图3示出了两个电场分量(301、303)相对于竖直的轴线13(z轴)、横向轴线15(x轴)和深度线轴17(y轴)的相对定向的一个可能的说明性示例。如果这些构成电场(301、303)在远离天线系统11的某些点处在相位方面具有相同的幅度和大约九十(90)度的分离，则所得到的接收或发射辐射图案(例如，图4中的辐射图案45)将被圆极化。更一般地，两个场源之间的几何关系确保了无论在z＝0的平面上的任何位置都将满足以下情况：(a)竖直场和径向场在极化方面将是基本上正交的；(b)竖直场和径向场将是基本上相同的幅度(例如，正负某些容差，如正负百分之十)；(c)竖直场和径向场在相位方面将相差大约九十(90)度。如本文档所描述的，第一天线元件10和第二天线元件24的阵列的组合可以被用于产生这两个
正交波之间的所示出的关系，以生成非常适合于微波通信系统、无线电通信系统和卫星通信系统的圆极化的辐射图案。例如，第一天线元件10包括用于接收或发射大致垂直极化的信号或波的竖直的单极天线；第二天线元件24的阵列(例如，四个倒f形元件(例如，24))被配置为产生用于与垂直极化信号组合的径向极化的信号或波。
34.如图4最佳所示，天线系统11的圆极化的辐射图案45(例如，右手圆极化的辐射图案)具有盘形的或超环面的辐射图案45，当卫星接收器40被定位在更高的纬度(例如，靠近北极或南极)时，这种盘形的或超环面的辐射图案45对于地球同步卫星信号的接收是期望的。这里，每条辐射增益等值线，如弯曲的虚线或椭圆形路径(46、146、246、346)中的任何一个，表示位于辐射图案45的表面上并且在至少两个维度上是均一的不同的均一增益水平。为了使进行卫星对地传输的地基接收器具有最佳的灵敏度，该地基接收器的天线系统11需要具有高的各向同性增益。因为束宽度随着辐射图案45的增益增加而减小，因此天线系统11的辐射图案45的束形状被策略性地选择以确保发射卫星保持在接收天线的束中。近似半球形的辐射图案对于gps接收天线来说良好地工作，这是因为卫星位于头顶并且发射功率足够高，以至于低的天线增益就足够了。为了产生盘状的辐射图案45，天线系统11可以使用垂直极化波和径向极化波来合并、混合、相加两个正交、或以其它方式与两个正交构成波相互作用。
35.在图4中，大致圆极化(cp)辐射图案45与大致线性极化(lp)单极天线的增益图案是一致的。例如，在对应于增益等值线246的地平线处的cp增益优于1.5dbi(各向同性分贝，或相对于各向同性增益的分贝)，使得其非常适合于处于高纬度的用户对相对于围绕地球赤道轨道运行的地球同步卫星的卫星信号的接收。相比之下，天线系统11在该地平线处的1.5dbi的增益比典型的交叉偶极子天线或贴片天线高至少3db(分贝)。由于辐射图案45的盘形或超环面的形状，增益在较低的纬度处减小。相应地，对于某些应用，当处于赤道附近的低纬度时，可以通过旋转该超环面的辐射图案大约九十(90)度来重新定向天线系统11，以用于接收来自地球同步卫星的信号，或者该天线系统11可以与具有近似半球形的辐射图案的另一天线结合(例如，组合、选择性耦接、或可切换地耦接)使用。
36.图5示出了轴比(axial-ratio，ar)辐射图案47，其中在所示出的三维表面上存在用于天线系统11的一个实施例的轴比的不同的对应均一场强的等值曲线。这里，每个辐射ar等值线，如弯曲的虚线或椭圆形路径(48、148、248、348、448、548、648)中的任何一个，表示位于辐射图案47的表面上并且在至少两个维度上是均一的ar的不同的均一ar水平。轴比是被用于评估辐射图案45(在图4中)的圆极化的质量的参数。零db的ar指示完美的圆极化接收，而大于15db的ar比圆极化更接近线性极化。
37.图5示出了用于圆极化天线系统11的三维轴比辐射图案47或ar图。如所示出的，对于高于水平平面19的低仰角或海拔，辐射图案47的ar等值线为约5db；在高于水平平面19的较高仰角或海拔处，ar等值线下降到4db；对于高于水平平面19的非常高的仰角或海拔，ar等值线再次升高。ar辐射图案47验证并证明了天线系统11确实具有圆极化的辐射图案。
38.尽管已经在附图和前述描述中详细示出和描述了本公开，但是这样的图示和描述被认为在特性上是示例性的而不是限制性的，所理解的是，已经示出和描述了说明性的实施例，并且在本公开的精神内的所有变化和修改都希望得到保护。应当注意，本公开的替代性的实施例可以不包括所描述的特征中的所有特征，但仍受益于这些特征的优点中的至少
一些优点。本领域的普通技术人员可以容易地设计他们自己的实施方案，这些实施方案合并本公开的特征中的一个或多个特征并且落入如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内。