[发明专利]双频段叠层介质加载螺旋天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种天线，特别涉及一种能工作于双频段，并且能有效缩小天线体积、适用于手持终端的叠层介质加载螺旋天线结构。 

背景技术

本世纪初，随着GPS(全球定位系统)向民用领域免费开放，GPS已发展成为一个高速成长的产业。目前GPS的民用领域已经包括了陆地运输、海洋运输、民用航空、通信、测绘、建筑、采矿、农业、电力系统、医疗应用、科研、家电、娱乐等多个领域。2007年，我国GPS已经进入了一个全面爆发期。GPS产业的迅猛发展影响了其他并行产业链的发展，并使其交叠融汇，使得大量带有GPS功能的PDA、MP4、相机、手机等手持终端设备成为现今市场上的一大主流。特别值得一提的是，GPS手机已经成为手机业界的一大热门。手机发展到现在，对于功能的开发已经接近极限，提供更多的应用和服务是传统手机厂商正在摸索的新方向。GPS手机可以催生很多与位置有关的应用，从而延伸出全新的商业模式。因此，GPS有望继拍照、音乐之后成为手机功能的又一亮点。 

同时，随着GPS应用的普及，一些特殊的应用，如高精度一体化检测或差分基准系统，对GPS系统提出了新的要求。GPS系统必须能同时工作在L1/L2(L1：1575MHZ，L2：1227MHZ)两个频率上。 

天线作为GPS接收机的“耳目”，接收从卫星上发射的空间电磁波，并将其转换为射频电流信号。由于微电子技术发展，接收机芯片已可以高度集成化，尺寸相对小。但天线的小型化却要受几个因素的制约。从理论上讲，天线尺寸与信号的波长成正比，通过选用高介电常数的材料，可以减少材料中信号的波长，进而减小天线的尺寸，但尺寸过小，天线又会面临增益和带宽下降的问题。由于天线的结构特点，难以大规模流水线生产，所以成本相对较高。总之，天线已成为制约手持GPS设备尺寸的瓶颈，同时是制约手持GPS设备接收效果和成本的重要因素。因此，迫切需要一种体积小、成本低、 接收效果好，并且能同时工作在GPS L1、L2双频段的GPS手持终端天线。 

由于GPS信号是圆极化波，所有的GPS接收天线都是圆极化工作方式。限于GPS天线尺寸、方向性以及极化性能等各种条件的限制，目前市场上的GPS天线的结构类型主要有平板式天线和四臂螺旋天线两种结构。 

平板式天线一般具备较佳的方向特性，当卫星位于天线正上方时，具有最大接收增益。适合用于主要朝向上方的GPS导航的终端产品中。平板式天线最大的优点就是制作相对较容易，但由于天线孔径的大小是由辐射组件的尺寸及下方辐射经过的接地面尺寸共同决定的，因此天线的接收灵敏度容易受到影响。 

四臂螺旋天线最早是由C.C.kilgus在1968年提出的。该结构由四根金属螺旋线条组成，通过适当地选择金属螺旋线的物理尺寸，并对四根螺旋线分别馈以具有90度相位差的等幅信号，便能产生心脏形的圆极化方向图，具有不需要接地反射板的优点。特别是在低仰角时，其圆极化性能也能满足GPS系统的要求，因此非常适用于在各个方向都要求能自由使用的行动手持式导航产品。然而，由于四臂螺旋天线是谐振型天线，频带太窄，不能适应GPS系统的双频工作的要求。 

Lamensdorf提出了一种基于四臂螺旋结构的双频GPS天线，通过引入集总元件，使该天线工作于GPS L1(1575MHZ)和L2(1227MHZ)两个频段，并且在两个频段都表现出良好的圆极化性能。该天线由四根单圈金属螺旋线组成，每根的长度为一个波长，对应低频L2频段。在螺旋的顶端馈电，每根螺旋分别以相位为0，90，180，270度的信号馈电。螺旋的底端开路。为了实现双频特性，在螺旋线的特定位置开有一个缝隙，把金属螺旋线切断为上下两部分，用一个集总元件构成的LC并联谐振回路使金属螺旋线的上下两部分在电气上重新相连。LC并联谐振回路相当于一个开关，选择合适的L和C值使它的谐振频率为高频段L1，因此在高频段L1处，它的电阻为无穷大，相当于开路。在低频段L2处，它的电阻很小，可通过微调金属螺旋线的长度来做适当的补偿，使金属螺旋线的上下部分短路相连。因此，整根金属螺旋线(包括上、下两部分和LC回路)在低频L2处谐振，金属螺旋线的上面部分在高频段L1处谐振，这样就达到了双频工作的目的。