天线制造技术

专利名称：天线制造技术
本发明涉及一种生产天线的方法，主要涉及在高于200MHz的频率下用于圆极化辐射的调谐四线天线的方法。本发明也包括根据本方法生产的天线。
背射四线天线是公知的并且具有从或向轨道卫星发射和接收圆极化信号的特定应用。英国专利申请2292638A公开了一种小型化四线天线，其具有四个以镀在圆柱形瓷芯上的窄导电带的形式的半波长螺旋天线单元。在瓷芯末端表面上连接的辐射单元将螺旋单元与在窄通道轴向穿过瓷芯的同轴馈线连接。螺旋单元成对布置，借助于它们沿曲折路径使一对单元具有比另一对更长的电长度，所有四个单元在导电平衡非平衡套管边缘连接，该边缘形成位于与天线轴垂直的平面内的圆环。英国专利申请2310543A公开了另一种天线，其中平衡非平衡套管具有非平面的边缘，螺旋单元形成分别终结在边缘的尖峰和低谷的简单螺旋形以形成所需要的不同长度单元。
成对单元具有不同电长度的事实导致在天线工作频率上各对电流之间相位不同，并且正是这种相位不同使该天线对具有心形辐射天线图的圆极化辐射敏感，以使该天线适合于接收来自信号源的圆极化信号，该信源在该天线之上即在该天线轴上，或在与轴垂直并穿过该天线的平面上几度位置，或来自这些端点之间立体角内的任何位置。辐射天线图的特征也在于在最大增益方向相反方向上的轴向零点。
上述四线谐振的带宽相对窄，特别是在具有高介电常数芯体的小型化四线天线的情况下，产生了实现足够精密的尺寸公差以能够重复生产具有所需的心形响应和谐振频率天线的制造困难的问题。
按照本发明的第一方面，提供了一种生产在高于200MHz频率上用于圆极化辐射的四线天线的方法，该天线包括位于电介质基体上的多个基本上螺旋型导电辐射线路，其中该方法包括监控天线的至少一个电参数并且从至少一条线路上去除导电材料使受监控的参数接近预定值，由此增加线路的电感并且改善该天线的圆极化辐射天线图。以此方式，有可能在大规模生产中调谐天线而不必借助于在例如电磁场暗室中的单个测试，并且不需要另外人工干预。
该优选方法包括在一个或几个线路上通过激光刻蚀一个缝隙去除该线路上的导电材料，而保持在每个缝隙每侧上的被刻蚀线路的相对边缘完好。本方法尤其适用于基体是具有大于10的相对介电常数的大致圆柱形的陶瓷材料的天线，该线路包括在基体圆柱体表面上的部分和另外在基体基本与圆柱体轴垂直的平面端表面上的部分。在此情况下，从位于平面端表面上的线路部分上去除导电材料，该端表面在优选天线中靠近天线单元的馈电点而且在四线谐振的电压最小位置处。在另一个实施例中，一个缝隙或几个缝隙可以在其它电压最小位置上切割，例如在螺旋单元连接公共连接导线例如环绕芯体的平衡非平衡套管的地方。
监控步骤通常包括将该天线耦合到射频信号源，该信号源设置成在包括工作频率的频带上扫描，并且监控被探针拾取的信号的相对相位和振幅，探针与线路并置在预定的位置，如远离馈电点的线路的端部。优选的，探针与各个线路电容性耦合以避免对该天线单独接地的需要。
在线路上形成的缝隙最好是矩形，每个具有对线路方向横向的预定宽度，该宽度是根据监控步骤的结果自动计算出的。这是一个非线性调节过程，其中由缝隙所增加的线路电感与缝隙区是非线性关系，并尤其是对于矩形缝隙的宽度。执行缝隙尺寸的计算以便使各个线路对中的线路上的电流和/或电压的相位差接近90度，并且调节出现正交的频率以便接近所希望的工作频率。
根据第二个方面，本发明也包括用于在200MHz以上频率的圆极化辐射的四线天线，包括多个位于电介质基体上的大致螺旋形的导电线路，其中至少一个线路具有预定尺寸的切割以增加线路的电感。优选天线具有包括固体电介质材料形成的天线核心的基体，该线路设计以形成内部容积，其主要部分由核心的固体材料占据，其中基体具有弯曲的外表面部分和平面表面部分以支持导电线路，利用每个在此形成的切口，各个线路位于在平面的表面部分之一上。
现在参照附图以举例方式描述本发明，其中

图1是加装电介质的四线天线的透视立体图；图2A和2B是按照本发明的图1中的天线在调节之前和之后的的俯视图；图3是表示图1的天线圆柱体表面上的导体形状的图；图4是相位和振幅随天线不同点测得的信号频率变化的关系图；图5是表示用于根据本发明的生产方法中的测试布置的图；图6是表示图5中可见的探针之一的剖面图。
下面描述的四线天线(quadrifilar antenna)与前述英国专利申请GB2310543A所描述的相类似，该公开内容合并入说明书中作为参考。前述的有关申请GB2292638A也合并入说明书中作为参考。
参照图1，2A和2B和3，本发明应用的天线具有一天线单元结构，该天线单元结构带有在一瓷芯12的圆柱外表面上形成为窄金属导体线路部分的四个纵向延伸的天线元件10A、10B、10C、10D。该瓷芯具有一轴向通道14，容纳具有外屏蔽(outer screen)16和内导体18的同轴馈线。内导体18和外屏蔽16形成了馈线结构，用于将馈电线连接到天线单元10A-10D。该天线单元结构也包括相应的径向天线单元10AR，10BR，10CR，10DR，形成为在瓷心12的远端表面12D上的金属线路部分，将各个纵向延伸单元10A-10D的端部连接到馈线结构。天线单元10A-10D的另一端连接到围绕瓷心12的近侧端部的电镀套管形式的公共虚拟接地导体20。该套管20又通过瓷心12近侧端面12P上的镀层(plating)连接到馈线结构14的屏蔽16上。
四个纵向延伸单元10A-10D为不同长度，由于更接近瓷心12的近端延伸，两个单元10B、10D比另外两个10A、10C长。每对单元10A、10C；10B、10D在瓷心轴的相对侧彼此完全相对。
为保持螺旋单元10A-10D基本上一致的辐射电阻，每个单元顺沿一个简单的螺旋路径。套管20的顶部连接边缘20U具有变化的高度(即距近端面12P的变化的距离)以分别为长和短单元提供连接点。因此，在该实施例中，连接边缘20U顺沿围绕瓷心12的浅锯齿路径，具有两个高峰和两个波谷，分别汇接短单元10A、10C和长单元10B、10D，在图3中以a表示锯齿的幅度。
每对螺旋和对应的连接径向单元部分(例如10A、10AR)构成具有预定电长度(electrical length)的导体。具有较短长度的每个单元对10A、10AR；10C、10CR在工作波长上比每个单元对10B、10BR；10D、10DR产生约135度的更短的传输。平均传输延迟是180度，等同于工作波长的λ/2的电长度。不同长度产生了用于圆极化信号(circularly polarised signal)的四线螺旋天线所需要的相移条件，其在Kilgus的“谐振四线螺旋设计”，微波期刊1970十二月号49-54页中被说明。两个单元对10C、10CR；10D、10DR(即一个长单元对和一个短单元对)在径向单元10CR，10DR的内端连接到瓷心12远端处的馈线结构的内导体18上，而另外两个单元对10A、10AR；10B、10BR的径向单元连接到由外屏蔽16形成的馈线屏蔽上。在馈线结构的远端处，出现在内导体18和馈线屏蔽16上的信号大致平衡，使得各天线单元连接到大致平衡的源或负载，如下面将要解释的。可以理解，在通常情况下由线路部分10A-10D和10AR-10DR形成的线路可以具有平均的nλ/2的电长度，在此n是整数而每个可以绕天线轴线24缠绕n/2匝。
采用纵向延伸单元10A-10D左手方向的螺旋路径，该天线具有右旋(righthand)圆极化信号的最高增益。
如果该天线用于左旋圆极化信号，螺旋的方向相反且各径向单元的连接图形转动大约90度。在天线适用于接收左旋和右旋圆极化信号两者的情况下，各纵向延伸单元可以设置成顺沿大致与轴线平行的路径。
导电套管20覆盖了天线瓷心12的近端部分，由此围绕着馈线结构16、18，芯12的材料填充在套管20与轴向通道14的金属衬套16之间的整个空间。通过核心12近侧端面12P的镀层22使套管20形成了与衬套16连接的筒体。套管20和镀层22组合形成一平衡非平衡转换器(balun)，使得由馈线结构16、18形成的传输线中的信号在天线近侧端处的非平衡状态和通常与套管20上部连接边缘20U距近侧端相同距离处的轴向位置处的大致平衡状态之间转换。为实现该效果，在存在有相对高的相对介电常数的下部瓷心材料的情况下，平均套管长度是使得平衡非平衡转换器在该天线的工作频率下具有λ/4范围的平均电长度。由于该天线心材料具有缩短效果(foreshorteningeffect)，并且围绕内导体18的环型空间填充具有相对小的介电常数的绝缘电介质材料17，套管20的馈线结构远端(the feeder structure distally ofthe sleeve20)具有短的电长度。因此，在馈线结构16、18的远端处的信号至少大致平衡。
由套管20形成的陷波器(trap)为单元10A-10D之间的电流提供了沿连接边缘20U的环型路径，有效地形成不同电长度的两个环路，第一个带有短单元10A、10C而第二个带有长单元10B、10D。四线谐振(quadrifilar resonance)电流最大值和电压最小值存在于连接边缘20U中和单元10A-10D的端部。由于由套管20产生的近似四分之一波长(quarter wavelength)陷波器，该边缘20U与在其近侧边缘处的接地导体有效地绝缘。
该天线对于圆极化辐射具有一在1575MHz范围内的主四线谐振频率，该谐振频率由各天线单元的有效电长度确定，而较少程度地由其宽度确定。对于给定的谐振频率，各单元的长度也取决于芯材料的相对介电常数，相对于空气芯的类似结构的天线，该天线的尺寸明显减小。
心12的优选材料是钛酸锆基材料。该材料具有超过35的相对介电常数并且也以其随变化温度的尺寸和电稳定性而著称。介电损耗可以忽略。该心可以通过挤压成型或冲压生产。
各天线单元10A-10D，10AR-10DR是接合在心12的外圆柱面和端表面上的金属导体线路，每个线路的宽度在其工作长度上是其厚度的至少四倍。各线路可以通过首先以金属层镀心12的表面并然后根据用于类似用于蚀刻印刷电路板的曝光层的图案选择性地将该层刻蚀以暴露出心而形成。在所有情况下，作为尺寸稳定的心的外侧上的整体层的线路的形成导致天线具有尺寸稳定的天线单元。各螺旋形线路部分间的周向间隙大于(最好大于两倍)它们的宽度上。
为实现具有良好方向性比以及可接受的增益的天线辐射图和在所需工作频率。实现天线辐射图，图1所示的上述天线经受微调处理(trimmingprocess)，其中从导电线路上去除导电材料以形成孔，如图2B所示。孔26A、26B、26C、26D分别形成在连接线路部分10AR、10BR、10CR、10DR上，那里在工作频率上存在电压最小值。由于这些线路部分位于一平面上，可以相对简单地在所需位置上将激光束聚焦在线路上以便使用YAG激光器刻蚀掉线路的导电材料。每个孔将其相应线路10A、10AR等的内在电感增加到取决于孔面积的程度。申请者已经发现所增加的电感随孔宽度的增加(即横跨线路的孔的宽度)而以一增长率非线性地增加。所增加电感随孔长度(即线路纵向)的变化基本上是线性关系。这些关系允许进行电感的粗调和微调，如果需要的话。
参照图4的曲线可以获得对天线工作方式和孔的影响的更好的理解。图4是通过监控在与套管20的边缘20U相邻的螺旋型线路部分10A、10B、10C、10D(即螺旋型线路部分10A-10D的近侧端部)中的射频电流而获得的，同时该天线通过其馈线结构16、18被馈送包括所需要工作频率的波段上的扫掠频率信号。有四个代表电流相位的曲线和四个代表电流振幅的曲线，每个相位和振幅曲线与线路部分10A-10D之一相关。由附图标记30A、30B、30C、30D表示相位曲线以及由附图标记32A、32B、32C、32D表示振幅曲线。为了完整，第九曲线34表示在源端观察馈线结构的插入损耗(the insertion losslooking into the feeder structure at the source end)。
图4的图表表示具有两个耦合峰值的主谐振。可以看出对应短线路10A、10C的振幅曲线32A、32C在中心谐振频率的高频侧具有峰值，而振幅曲线32B、32D在低频侧具有峰值。应当理解，这四个振幅曲线的各交点可以用于确定一中心频率，其在图4中由虚线36表示。现在参照四个电流相位曲线30A-30D，可以看出对应连接到馈线外部屏蔽的线路的30A、30B的曲线在谐振区域内岔开。类似地，在对应连接到馈线内导体18的线路中的电流相位30C、30D之间也岔开。获得用于圆极化的天线辐射图的良好方向性比的主要条件是长和短线路中的相应信号之间的相位差是90度或90度(λ/4)的奇数倍。因此，参照图4，在由虚线36表示的中心频率上，由相位曲线30A、30B表示的相位值应当相差尽可能90度，类似地，由曲线30C、30D表示的相位值也应当相差90度。
当然，由虚线36表示的中心频率也应当对应天线的所需工作频率。
有可能通过调整一个或几个线路10A、10AR等的电感，来校准或微调天线来获得上述正交相位和中心频率。例如，在中心频率上的相位岔开可以通过增加短线路10A、10AR和10C、10CR的电感来减少。中心频率可以通过增加所有四个线路的电感来减少。随之可知，为完全利用通过切割各孔所提供的调节便利，该天线应当最初制造得在所需要工作频率具有电长度短于最佳长度的线路。
按照本发明，可以使用这些概念作为自动天线微调处理的基础，来减小或消除天线电参数(例如在辐射单元中的信号相位和振幅)与所需要最佳值的偏差。以此方式，有可能利用初始低公差的制造工序来相对便宜地制造天线，而不必借助于昂贵的和劳动密集的制造和微调方法。
现在参照图5和6描述执行相位和振幅测量的测试布置。为监控所需工作频率范围内的相位和振幅，该天线40被移入位于由探针42A、42B、42C、42D形成的星型结构探针阵列中心处的测试位置上，这些探针可滑动地安装在径向线路44A、44B、44C、44D上。在测试位置上，该天线40位于所需高度和转动取向上(可以通过在天线端面边缘之一上切割的一槽口(未示出)来实现)，以便探针42A到42D对准线路10A、10AR到10D、10DR的近侧端部，即与平衡非平衡变换器套管20的边缘20U相邻(见图1)。该天线40的馈线结构在近侧端连接到测试设备中的扫掠频率射频源的输出48上。
参照图6，每个探针42是具有耦合到同轴电缆52的内部导体的中心导体50的电容性探针，其屏蔽接地到测试组件。中心导体50从电缆52伸出但由塑料电介质端部53包围，该端部从中心导体端部伸出一预定距离(一般少于0.5mm)，以便每个探针42A到42D可以与该天线40的外表面接触，而中心导体50的尖端与相应螺旋型线路部分10A到10D的预定的间隔间隔开。因此每个中心导体50电容性地耦合到相关的线路，并且将线路中表示电流的信号传给其相关的电缆52，并因而传给测试设备的一相应输入54A、54B、54C、54D(见图5)。
应当指出的是，图5中显示的两个探针42A、42B处于与该天线40接触的工作位置，而显示的另外两个探针42C、42D处于当一个天线被另一个天线替换时它们被撒出所占据的位置。每个探针42A到42D被活塞式安装以便在收缩和工作位置之间自动移动。
在测试工作过程中，所有四个探针42A-42D与天线40接触，从测试设备56的输出48将扫掠射频信号施加给天线，并且监控在输入54A-54D处接收的探针信号。通过检测振幅特性的交叉点来计算中心频率(如参照图4的上面所述的)，然后读取在该频率上的各个信号的相位值以确定其与正交的偏差，并根据读取产生一数据组，根据该数据组可以计算出所需要的孔的尺寸。激光器(未示出)然后如上所述在天线的暴露的远侧端面上刻蚀各孔，随后可以产生另一个数据组以检查相位正交和中心频率落入指定范围内。
实际上，测试设备计算代表四个振幅曲线的最集中处的交岔频率(crossover frequency)，标记对应频率，读取该频率下的四个相位值以计算出相位差，并然后计算出对每个线路需要增加的电导，以便将交岔频率移到所需频率(在此情况下是GPS频率1575.5MHz)并具有正确的相位正交。这是通过计算每个线路的LC乘积(电感X电容)来进行的。
然后计算出所需孔尺寸并且控制激光器刻蚀一个孔或几个孔。
天线于是可以自动地从测试位置卸下，如图5所示送到最终过程。
为了在上述测试中探针不在材料上影响天线的特性，优选地，天线芯的相对介电常数至少为10，并优选地为35或更高。
电容性探针拾取代表非常近场的信号，并因此能够提供对应于各个线路中电流的信号。这允许按照上述相位关系推算出远场天线图。
优选由脉冲YAG激光器进行材料的去除，这种激光器允许金属消融而基本上不熔化，以便提供精确的尺寸控制。
可以在线路其它位置上形成各孔，例如在线路部分10A到10D的近端部分上，如果可供替换的探针位置被选择的话。
应当理解，尽管参照生产四线天线的方法描述了本发明，该方法也可以应用于其它的电介质加载的导线天线(即具有与它们之间的间隔相比窄的导体的天线)。
权利要求
1.一种生产用于200MHz以上频率的圆极化辐射的四线天线的方法，该天线包括多个位于一电介质基体上的基本上螺旋形的导电辐射线路，其中该方法包括监测该天线的至少一个电参数以及从至少一个线路上去除导电材料以使所监测的参数更接近一预定值，由此增加线路的电感。
2.如权利要求1所述的方法，其中通过在线路中激光刻蚀出一个孔来从线路上去除导电材料，线路的位于所述孔两侧的边缘保持完整。
3.如权利要求1或2所述的用于生产天线的方法，其中基体基本上是圆柱形，并且各线路包括在基体圆柱面和在基体平面表面例如基本上与圆柱体轴垂直的端面上的各部分，其中从位于平面表面上的一线路部分或各线路部分去除导电材料。
4.如权利要求1或2所述的用于生产天线的方法，天线具有位于一基本上圆柱形基体表面上的多个螺旋形线路部分，和位于基体的基本上平的端面上的多个相应连接线路部分以将各螺旋形线路部分连接于一轴向馈线，其中去除材料的步骤包括在至少一个连接线路部分上形成一切口。
5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中监测步骤包括将该天线耦连到一射频信号源，将各探针带到与各线路临近的预定位置，以及当射频源工作时测量至少与不同的相应线路相关联的探针拾取的信号的相对相位。
6.如权利要求5所述的方法，其中各探针与相应线路电容性耦合。
7.如权利要求5或6所述的方法，其中当射频信号源调谐到天线预期的工作频率时，各探针与相应于电压最小值位置的线路部分对准。
8.如权利要求5到7中任一项所述的方法，其中各探针位于对准螺旋形线路的端部的位置。
9.如权利要求5到8中任一项所述的用于生产天线的方法，其中每个线路具有与馈电位置相邻的第一端部和与所述馈电位置间隔开的相对的第二端部，其中材料去除步骤包括在第一端部中形成切口，而监测步骤包括定位探针使其临近第二端部。
10.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中通过在所述或每个受影响的线路上形成一矩形孔来从线路中去除材料，该孔具有一线路横向方向上的预定宽度，该宽度根据监测步骤的结果而自动算出。
11.如权利要求10所述的方法，其中孔的长度和宽度随所述监测结果而变化。
12.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中监测步骤包括向天线馈送包括天线的预期工作频率在内的一频率范围上的扫掠频率信号，监控各辐射线路中信号的相对相位和振幅，以及从至少两个线路中去除导电材料以使相位基本正交的频率靠近预期的工作频率。
13.如权利要求1到11中任一项所述的方法，其中监测步骤包括向天线馈送包括天线预期的工作频率在内的一频率范围上的扫掠频率信号，监控各辐射线路中信号的相对相位和振幅以使中心谐振频率下所监测的相位之间的差接近90度。
14.一种用于200MHz以上频率的圆极化辐射的四线天线，包括多个位于一电介质基体上的基本上螺旋形的导电线路，其中至少一个线路具有一预定尺寸的切口用来增加该线路的电感。
15.如权利要求14所述的天线，其中切口包括位于该线路相对边缘之间的一个孔。
16.如权利要求14或15所述的天线，其中基体包括由相对介电常数大于10的固体电介质材料形成的一个天线芯，各线路被布置成以便限定一内部体积，内部体积的主要部分被芯的固体材料占据，其中基体具有弯曲的外表面部分和平面表面部分支撑所述线路，并且其中所述或每个所述切口形成在位于平面表面部分上的相应线路处。
17.如权利要求14所述的天线，包括由具有大于10的介电常数的电介质材料形成的基本上圆柱形的芯，该芯限定了天线的轴线并且具有基本上圆柱形的外表面和一对端面，其中线路包括轴向共同延伸在基本圆柱形表面上的外部部分和一个端面上的将外部部分连接到该端面上的一轴向馈电点的连接部分，其中天线还包括从所述一个端面到另一个端面穿过芯的轴向馈线结构，以及一包绕所述芯并从所述另一个端面上的馈线结构延伸到一边缘的导电的平衡非平衡套管，该边缘位于各端面之间的一轴向位置处并且连接到外部线路部分，并且其中所述或每个切口位于相应线路的连接部分上或在相应线路外部部分上，位于靠近外部部分与套管边缘连接处的位置上。
18.如权利要求17所述的天线，其中外部线路部分包括两对螺旋线，一对螺旋线具有与另一对螺旋线不同的电长度，并且其中至少一对的每个线路具有一个切口。
19.如权利要求18所述的天线，其中每个切口是在相应线路的连接部分上的预定尺寸的孔。
20.一种生产四线天线的方法，该方法基本上如同参照附图的在此所描述的。
21.一种构造和布置得基本上如同附图中图2B所示和在此所描述的四线天线。
全文摘要
在生产用于200MHz频率以上的圆极化辐射的四线天线的一种方法中,天线由将其耦合到测试信号源,通过电容性耦合到单元上的探针测量该天线各个单元在预定位置上电流的相对相位和振幅,并且在单元上用激光器刻蚀缝隙(26A－26D)以增加它们的电感来调谐,根据所测量的相对相位与预定值的偏差来计算缝隙的尺寸。
文档编号H01Q21/26GK1308385SQ0013665
公开日2001年8月15日 申请日期2000年11月6日 优先权日1999年11月5日
发明者奥利弗·P·莱斯坦, 彼得·怀尔曼 申请人:萨兰特尔有限公司