提高手持移动卫星通信终端天线效率的方法和装置 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地大。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。
继续描述图1的框图，接收单元24a-24d的正交输出通过180°混合网络26a和26b连到带通滤波器28。带通滤波器28的输出被送到第一低噪声放大器(LNA)30a和第二LNA 30b。LNA 30a和30b也最好包括在MMIC中。LNA 30a和30b的输出通过90°混合网络32连到RF输出节点34。
在本发明的最佳实施例中，图1的天线系统10构成图4所示手持用户终端9a的一部分。因此可以看到施加到输入节点12的RF输入信号至少部分来自用户的语音输入信号。以类似的方式，来自节点34的RF输出信号加到混频器和解调器，以便为用户提取信号信息和取得音频信号。实现这些功能的手持用户终端9a中的各种电路与理解本发明并无密切关系，因此不作进一步的说明。应认识到手持用户终端9a只是本发明的天线10的一种适合的应用场合，它不对本发明的天线10的应用构成限制。
如图3所示，天线单元基本沿其整个长度方向进行宽度调整。对这些区域而言，宽度最宽阻抗最低，而反过来宽度最窄阻抗最高。对天线单元进行宽度调整，以便周期性地改变其阻抗。当单元的阻抗较高(较窄)时，电压较高，而当单元较宽时，阻抗较低，并且电压也较低。通过将发射振子22a-22d的宽的单元宽度对准相邻的接收振子24a-24d的窄的单元宽度，可以最大限度地减小耦合。
此外，在本发明的最佳实施例中，振子对作为导电层形成在构成图2B的介质圆柱体或管36的柔性印刷电路板的相反侧上。这样做进一步减小了耦合，同时便于如图所示的互连。交替的振子由180°混合网络20a、20b、26a和26b连接，这些混合网络最好与形成正交的滤波器18和28的盘形谐振器相连，由此提供所需的圆形极化。
应强调的是，如图2A和3清楚地表示的那样，发射和接收天线振子或单元22a-22d和24a-24d分别交错并偏移，因此发射单元的高阻抗部分靠近接收单元的低阻抗部分，反之亦然。
根据本发明的第一方面交错构成发射和接收天线，并使振子线的形状能够最大限度地减小由于互相耦合引起的损耗，同时还缩短了进行有效接收所需的长度。
在本发明的最佳实施例中，发射频率在L波段，接收频率在S波段，单元进行宽度调整，以便提供大约10欧姆的最小阻抗和在大约200欧姆至大约300欧姆的范围之内的最大阻抗。宽度调整的周期数至少是一，而最佳数是长度(例如八至十英寸)的函数。最希望的周期的大小是波长的一半，因此在建立的标准波中，阻抗最低处得到电流的最大值，而阻抗最高处得到电压的最大值。然而在一般情况下，发射和接收的频率是不同的，因此具有不同的波长。可以看到为了调整作为发射和接收波长之间的差的函数的天线调整周期，可能需要一些折衷方案。
根据图2B所示的本发明的第二方面，发射天线和接收天线是从天线杆的相反端送入的，因此发射HPA 16a和16b以及接收LNA 30a和30b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HPA 16a和16b可以产生相当大的热量，因此图2B所示的结构技术能够将LNA 30a和30b与HPA 16a和16b热隔离。
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。在滤波器18和28中也存在阻抗匹配。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。
例如，功率FET(发射机HPA 16a和16b的一部分)具有低输出阻抗的特性。结果，与HPA 16a和16b的输出相连的线最好要宽(例如10欧姆或以下)。相反，LNA 30a和30b具有输入阻抗高的特性。结果，与LNA 30a和30b的输入相连的线在输入连接点较宽(例如最大200欧姆)。
从图2A和2B可以清楚地看到，通过将宽度调整线绕在低损耗介质管36上形成两组四臂螺旋线。管36最好由柔性印刷电路板衬底构成，上面放置天线单元导体，还安装了某些其它的部件，如混合网络20a、20b、26a和26b。管36的壁适合的厚度是0.0625″，适合的直径是0.6″。在此处描述的实例中，发射频率(L波段)低于接收频率(S波段)，因此发射单元22a-22d的实际尺寸大于接收单元24a-24d。
HPA 16a和16b位于管36的底部，靠近手持用户终端9a的机身(图4)。这种结构形成了需要散去由HPA 16a和16b产生的热的热集中和辐射表面。
LNA 30a和30b位于管36的顶部，于是与HPA 16a和16b热隔离。HPA和LNA二者最好都包括在MMIC中，结果具有非常小的尺寸，从而便于将它们包括在天线杆本身中。
还应注意的是，天线系统10的HPA、LNA、滤波器和混合网络最好都位于常规的旋转连接件38的上面，旋转连接件38将天线杆与用户终端9a相连。结果，既不需要通过旋转连接件38馈送经HPA放大的RF信号，也不需要通过连接件馈送接收的但未经放大的信号。将天线系统10的所有主要部件放在旋转连接件38的上面，位于天线杆本身之中，这样改善了用户终端的整体操作，并显著地降低了损耗。
两个LNA 30a、30b以及两个HPA 16a、16b用来耦合并提供与天线阻抗的低损耗有源匹配。最好选择180°混合网络18的阻抗，使之与HPA 16a和16b的输出阻抗和天线振子的阻抗匹配。
电缆40用来将LNA 30a、30b的输出送入接收机的电子电路，并向LNA提供偏置电势。电缆40还将发射机信号送入HPA，进行最后的放大，并将接收的信号送入接下来的接收机级。电缆穿过构成滤波器18和28的盘形谐振器中心的孔36a和36b。盘形谐振器的中心没有场，结果，电缆40贴近不会显著地影响它们的微波特性。
在详细地描述了本发明的最佳实施例以后，现在参照图4说明采用了本发明的天线10的卫星通信系统的框图。在该卫星通信系统中，低地球轨道卫星1a的分布使得用户能够在世界的任何地方打电话。
更具体地说，图4表示构成全双工通信的卫星转发器1b。通信有效负载包括一个或多个这样的具有接收来自地球表面的信号的多个天线2的转发器，低噪声放大器3、由本机振荡器和混频器组成的移频器或变频器4，接下来是放大器5、大功率放大器6和发射天线7。还包括滤波器8，用来使所需的频带内的信号通过，并滤除不需要的频带外的噪声信号。一个转发器接收来自用户终端9a的天线10的信号，对接收的用户信号进行移频，并向与公共交换电话网(PSTN)相连的地面站如入口9b发送经移频的信号。第二转发器接收来自一个或多个入口9b的信号，对接收的信号进行移频，并向用户终端9a的天线10发送经移频的信号。以这种方式可以在用户终端9a和与PSTN相连的终端之间建立全双工通信路径(语音和/或数据)。
在本发明的最佳实施例中，用户终端9a(固定或移动的)能够以全双工方式进行操作，并且分别经例如L波段RF线路(上行线路)和S波段RF线路(下行线路)通过返回和正向卫星转发器进行通信。上行L波段RF线路可以工作在1.61GHz至1.626GHz的频率范围内，带宽是16.5MHz，并且最好根据扩展频谱技术对语音信号和/或数字信号进行调制。下行S波段RF线路可以工作在2.4835GHz至2.5GHz的频率范围内，带宽是16.5MHz。入口9b可以经接收天线2b和发射天线7a通过例如可以工作在中心为5GHz的频率范围内的全双工C波段RF线路与卫星1a进行通信。C波段RF线路是双向传输通信馈送线路，并且还传输卫星命令(正向线路)和接收遥测信息(返回线路)。L波段和S波段卫星天线2a和7b分别是多波束(最好是16波束)天线，它提供在相关的服务区内的地球覆盖范围。通过利用扩展频谱技术，两个或多个卫星1a的每个可以在给定的用户终端9a和入口9b中的一个之间传输相同的通信。这种操作方式提供各个接收机的各种组合，提高对衰减的抵抗能力，并便于实现软松手(soft handoff)过程。
需要指出的是，上述所有的频率、带宽等只是一个具体系统中的代表性说明。在不改变所讨论的原理的基础上，可以采用其它频率和频带。此外，上述各种与天线有关的尺寸、部件数、耦合器、滤波器和放大器、振子阻抗等都是说明性的，不对实施本发明构成限制。
虽然以上结合最佳实施例对本发明作了具体描述，但是本领域的一般技术人员应理解，在不脱离本发明的范围和精神的前提下可对形式和细节做出改变。