專利名稱：一種電介質(zhì)負(fù)載天線的制作方法
一種電介質(zhì)負(fù)載天線本發(fā)明涉及一種用于超過(guò)200MHz頻率的電介質(zhì)負(fù)載天線和一個(gè)裝備有該天線的 便攜的無(wú)線終端。這種天線在許多專利中都有公開，包括GB2^^38A，GB2309592A, GB2310543A, GB2338605A, GB2346014A GB2351850A和GB2367^9A。這些天線都有至少一對(duì)截然相反的 螺旋天線，位于圓柱形的電絕緣核上，該電絕緣核由相對(duì)電介常數(shù)大于5的材料組成。該核 心材料占有核心外表面的重要組成部分。通過(guò)核心從一個(gè)端面向另一個(gè)相反的端面延伸的 是一個(gè)具有同軸分支結(jié)構(gòu)的軸孔，該結(jié)構(gòu)由屏蔽導(dǎo)體圍繞的內(nèi)導(dǎo)體組成。在孔的一端，分支 結(jié)構(gòu)導(dǎo)體連接于對(duì)應(yīng)的天線，而天線具有與孔末端毗鄰的相關(guān)連接部分。在孔的另一端，屏 蔽導(dǎo)線與連接天線元件的導(dǎo)體連接，包圍該孔的傳導(dǎo)套管構(gòu)成一個(gè)不平衡變壓器。每個(gè)天 線元件終止于套管邊緣，從其分支結(jié)構(gòu)的連接處開始形成各自的螺旋路徑。一些上述專利公開了四臂螺旋式天線主要用于接收或傳輸圓極化的電磁波。這些 天線上都有四個(gè)位于核心的圓柱形表面的螺旋狀磁道，或四組螺旋磁道，每組螺旋磁道構(gòu) 成一個(gè)復(fù)合的天線元件，并通過(guò)狹窄的縫隙分成兩個(gè)軌道。無(wú)論是四個(gè)還是兩個(gè)螺旋天線，將天線部分與分支結(jié)構(gòu)導(dǎo)體連接的連接部分在核 心的平面末端表面上具有放射狀軌道。據(jù)了解，四臂螺旋式天線有一個(gè)抗阻的匹配網(wǎng)絡(luò)。這可能體現(xiàn)于一個(gè)小的印刷線 路板或固定于核心末端上表面的層壓板，在分支結(jié)構(gòu)和輻射狀連接部分間提供連接，例如 上述已公開的專利。天線具有一個(gè)國(guó)際專利號(hào)為W02006/136809所述的匹配網(wǎng)絡(luò)。2008年7月17日公開的國(guó)際專利W02008/084205公開的電介質(zhì)負(fù)載天線具有三 對(duì)和四對(duì)完全相反的螺旋狀天線。該申請(qǐng)和上述公開專利參考上述說(shuō)明書。本項(xiàng)發(fā)明的目的是為了提供一種能夠提高增益頻帶寬度的天線。據(jù)該項(xiàng)發(fā)明的第一個(gè)方面，電介質(zhì)負(fù)載的多線天線具有一個(gè)超過(guò)200MHz的操作 頻率固體材料的電絕緣核的相對(duì)介電常數(shù)至少為10，并占據(jù)著核心外表面圍成的內(nèi)部空 間的主要部分，一個(gè)三維的天線元件結(jié)構(gòu)位于核心外表面的上面或是鄰近，由至少兩對(duì)大 體上為螺旋狀的傳導(dǎo)天線元件組成，該天線元件被天線軸分隔開。每個(gè)天線元件對(duì)組成傳 導(dǎo)環(huán)部分，當(dāng)N為整數(shù)，至少是2時(shí)，在操作頻率的N波長(zhǎng)區(qū)域具有一個(gè)有效的電長(zhǎng)度。通 常，每個(gè)螺旋元件的電長(zhǎng)度為N/2個(gè)波長(zhǎng)，在天線軸周圍為一個(gè)整圈。天線元件最好大致呈 均勻分布于天線軸周圍，并且最好是軸向共存的。該天線具有一個(gè)圓極化輻射至少為90° 的遠(yuǎn)場(chǎng)3dB射線寬度，通常達(dá)到120°的射線寬度。該固體材料的相對(duì)介電常數(shù)至少為20， 首選材料是鈦鎂鈣，鈦鎂鈣的相對(duì)介電常數(shù)為21。通過(guò)這種方式，可以構(gòu)建出一個(gè)圓極化輻 射區(qū)域達(dá)+3dB的極高點(diǎn)。本發(fā)明的首選天線具一個(gè)天線元件結(jié)構(gòu)，有至少三對(duì)螺旋狀大幅旋轉(zhuǎn)的天線元 件。根據(jù)本發(fā)明，首選天線的核心有一個(gè)圓柱狀的外表面，一個(gè)第一端面部分和與第一端面 部分直接相對(duì)的第二端面部分。在這種情況下，每對(duì)螺旋天線單元由兩個(gè)伸長(zhǎng)的傳導(dǎo)單位 組成，后者以完全相反的配置位于或粘合于核心的圓柱形外表面上。天線有一個(gè)軸向分支 結(jié)構(gòu)，其中央分支連接于第一末端表面部分連接。軸向分支結(jié)構(gòu)穿過(guò)核心部分，故該天線構(gòu)成所謂的“反射”天線。所推薦的天線元件結(jié)構(gòu)包括徑向放射狀延伸至第一末端表面部分上面或鄰近的 位置，每個(gè)連接耦合各自的螺旋元件與中央分支界線，放射延伸連接元件到每對(duì)螺旋天線 元件的長(zhǎng)度不同，從而使在包含各自配對(duì)的導(dǎo)電回路的電力長(zhǎng)度不同。該天線在操作頻率上的圓偏振模式下是共振的，諧振模式的特點(diǎn)是具有一個(gè)旋轉(zhuǎn) 偶極子，其電壓最大值在每個(gè)延長(zhǎng)天線元件的旋轉(zhuǎn)方向連續(xù)激活。該天線最好包括一對(duì)天線元件耦合節(jié)點(diǎn)，每一對(duì)旋轉(zhuǎn)元件具有一個(gè)連接至耦合節(jié) 點(diǎn)的天線元件和另一個(gè)連接至其他耦合節(jié)點(diǎn)的天線元件。該天線也有一個(gè)共同的螺旋天線 元件互連導(dǎo)體，有利于以傳導(dǎo)環(huán)的形式與拉長(zhǎng)傳導(dǎo)元件的末端互連。該導(dǎo)體可能環(huán)繞著天 線軸，在垂直于該軸的平面延伸。該互連導(dǎo)體圍繞在核心部分的圓柱狀外表面，并確定了圍 繞著該核心部分的共振傳導(dǎo)途徑。每個(gè)螺旋狀天線元件具有一個(gè)連接于一個(gè)或其他耦合節(jié) 點(diǎn)的第一末端，及一個(gè)連接至共同互連導(dǎo)體的第二末端，第二末端的連接是平均分隔在連 接點(diǎn)上的。環(huán)形導(dǎo)電線路的電力長(zhǎng)度由圍繞著核心部分的共同互連導(dǎo)體決定，大致等于一個(gè) 整數(shù)(1，2，3，……)導(dǎo)波長(zhǎng)，相當(dāng)于天線的操作頻率。由于該共同互連導(dǎo)體在操作頻率上 具有一個(gè)環(huán)狀共振，這將增強(qiáng)天線的圓極化共振模式，促進(jìn)旋轉(zhuǎn)偶極圍繞在均一分布的螺 旋天線元件周圍。共同的互連導(dǎo)體可能是一個(gè)狹窄的環(huán)形導(dǎo)電軌，其兩側(cè)位于核心部分的外表面。 這種配置特別適于軸向輻射的多線螺旋天線。另外，該共同的互連導(dǎo)體可能由圍繞著該核 心部分的傳導(dǎo)套管組成，延伸至第二末端表面部分構(gòu)成連接，具有同軸的傳輸線分支結(jié)構(gòu) 的絕緣導(dǎo)體。該分支結(jié)構(gòu)穿過(guò)核心部分與核心部分另一端的螺旋天線元件相連。這種套管 可構(gòu)成一個(gè)如上文提及的現(xiàn)有專利所公開描述的完整的不平衡轉(zhuǎn)換器。該螺旋天線元件的末端最好均勻圍繞著中央軸，物理間距的差別與各自元件中的 電壓和電流間的差別一致。一般來(lái)說(shuō)，連續(xù)的螺旋天線元件之間的物理角度差異不超過(guò) 2 1，同時(shí)位于螺旋元件的兩端，以及兩端之間的位置。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，該螺旋天線元件的長(zhǎng)度和間距大致上是相等的。特別 是具有一個(gè)在操作頻率上環(huán)形共振的共同互連導(dǎo)體，在伸長(zhǎng)的天線元件中的電流和電壓相 位可能不完全依賴于該元件的電力長(zhǎng)度。然而，在首選的實(shí)施例中，元件相位可通過(guò)上述放 射狀延伸的連接元件在第一末端表面部分的排列來(lái)實(shí)現(xiàn)，與每對(duì)螺旋天線元件不同。例如， 在一個(gè)核心部分的圓柱形外表面上有四對(duì)螺旋天線元件的天線中，這四個(gè)第一天線元件則 相互毗鄰，構(gòu)成第二組天線元件，連接至相應(yīng)耦合節(jié)點(diǎn)的每組天線元件使天線元件與分支 結(jié)構(gòu)接合。在這種情況下，每組徑向延伸的連接元件逐漸單調(diào)變化，對(duì)于每組來(lái)說(shuō)，在導(dǎo)體 回路長(zhǎng)度中，圍繞核心部分產(chǎn)生的單調(diào)無(wú)變化進(jìn)程與產(chǎn)生相同連續(xù)感應(yīng)相同。因此，每個(gè)螺 旋元件與其相應(yīng)的連接元件共同構(gòu)成一個(gè)產(chǎn)生各自預(yù)定電力途徑長(zhǎng)度的導(dǎo)體，該電力通路 位于各自耦合節(jié)點(diǎn)和螺旋天線元件的另一端，螺旋天線元件與互連導(dǎo)體連接，后者圍繞著 毗鄰核心部分的第二末端表面。徑向延伸的連接元件構(gòu)成導(dǎo)電箔的一部分，位于核心第一末端表面上面或是毗鄰 核心第一末端表面，該導(dǎo)電箔有兩個(gè)內(nèi)部導(dǎo)電弧，分別與輻射延伸的連接元件互連，與螺旋 天線元件組聯(lián)合。首選天線包括一個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建為層壓板，具有與上述內(nèi)部導(dǎo)電弧連接的導(dǎo)電層。遠(yuǎn)離徑向延伸連接元件的螺旋天線元件末端最好是連接著的。因此，在優(yōu)選的實(shí) 施方案中，每對(duì)元件的每個(gè)螺旋天線元件具有一個(gè)與相應(yīng)的耦合節(jié)點(diǎn)配對(duì)的第一末端，以 及與另一個(gè)螺旋天線元件的第二末端連接的第二末端，從而構(gòu)成至少部分傳導(dǎo)回路，該傳 導(dǎo)回路關(guān)于軸對(duì)稱，并具有一個(gè)預(yù)訂的共振頻率。通過(guò)螺旋天線元件的這種配對(duì)形成的環(huán) 路相對(duì)于軸有角度分布，回路各自的共振頻率隨與軸的角度方向單調(diào)變化。在這種情況下， 螺旋天線元件的第二末端可通過(guò)環(huán)繞核心部分的共同互連導(dǎo)體連接，從而通過(guò)元件與互連 導(dǎo)體共同的環(huán)狀邊緣的連接確定第二末端。連接螺旋元件的該邊緣可位于與天線軸垂直的 平面上。應(yīng)該指出的是，在本發(fā)明首選實(shí)施例中，螺旋天線元件上的電流和電壓相位是通 過(guò)核心導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)的，而不是通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例是以8螺旋線螺旋天線的形式存在，該8螺旋線螺旋天線具有 四對(duì)細(xì)長(zhǎng)的螺旋天線元件，位于核心的圓柱表面部分，相鄰元件與圓柱軸的角度為45°。每 個(gè)螺旋元件繞軸轉(zhuǎn)一整圈。螺旋元件最好在核心外表面上具有導(dǎo)電軌道。這些導(dǎo)電軌道可以是純粹的螺旋， 也可是偏離純粹螺旋路徑的，例如是蜿蜒曲折的。在每個(gè)案例中，也可以通過(guò)蜿蜒的方式 改變電力長(zhǎng)度，例如，只有一個(gè)邊緣，或通過(guò)蜿蜒的方式，不同振幅上有兩個(gè)軌道邊緣。必 須指出的是8螺旋天線的效率比同等四臂螺旋式天線更高。在該天線典型的操作頻率上， 電流往往局限于導(dǎo)體的邊緣或外周。因此，增加并聯(lián)邊緣的數(shù)量可減少歐姆損耗，從而提 高了效率。通過(guò)將每對(duì)螺旋天線元件排列形成導(dǎo)電回路，且該導(dǎo)電回路的電力長(zhǎng)度是指導(dǎo) 波長(zhǎng)的兩倍甚至更高，天線體積與8螺旋天線相比有所增加，以上公開于我們的共同待決 GB0800222. 2。據(jù)發(fā)現(xiàn)，這種體積的增加將進(jìn)一步增強(qiáng)天線效率，而不會(huì)減少其波束寬度。與 通常觀察的效果相反，螺旋狀天線通常隨著轉(zhuǎn)向的增加而更加定向。本發(fā)明涉及的天線的 波束寬度很少或根本沒有減少，盡管導(dǎo)電回路較長(zhǎng)，天線在空中的輻射長(zhǎng)度，例如螺旋天線 元件的軸寬度，仍然相對(duì)于波長(zhǎng)λ較小，這可歸因于核心材料具有相對(duì)較高的相對(duì)介電常 數(shù)。輻射長(zhǎng)度最好小于λ/4。在本發(fā)明絕大多數(shù)優(yōu)先實(shí)施例中，輻射長(zhǎng)小于λ/6。當(dāng)垂直于軸測(cè)量的每對(duì)螺旋元件之間的間距大約是螺旋元件平均軸寬的一半，或 是天線輻射長(zhǎng)度的一半時(shí)，效率最大。以這種方式就有可能在極高點(diǎn)(例如，在天線軸上)實(shí)現(xiàn)環(huán)形極化輻射的等方向 性不超過(guò)+3dB。這種效率增益可用于提高接收設(shè)備的靈敏度，實(shí)現(xiàn)傳輸設(shè)備的效率，而無(wú)需 影響波束寬度。螺旋元件的曲折可作為改變?cè)鄳?yīng)電力長(zhǎng)度的方式，以幫助電流和電壓的相位 調(diào)整。還可以通過(guò)形成共同互連導(dǎo)體來(lái)改變螺旋元件的長(zhǎng)度，例如形成傳導(dǎo)套管，其具有一 個(gè)與螺旋元件連接的非二維邊緣。也可以結(jié)合這些特點(diǎn)，或采用徑向延伸連接元件長(zhǎng)度的 上述變化或兩者其一，以實(shí)現(xiàn)相對(duì)長(zhǎng)度的更大變化，此外還可以采用單一技術(shù)實(shí)現(xiàn)。這種天線的一個(gè)特殊用途是可用于衛(wèi)星無(wú)線電話，例如使用具有1616MHz到 1626. 5MHz操作頻段的銥系統(tǒng)。本發(fā)明還包括一個(gè)包括上述天線的便攜式無(wú)線通信終端。下面參照?qǐng)D紙示例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述


圖1是根據(jù)本發(fā)明繪制的天線透視圖；圖2是圖1中天線核心部分從遠(yuǎn)端和側(cè)面看的透視圖；圖3是圖1中天線分支結(jié)構(gòu)的軸向截面圖；圖4是圖1中天線遠(yuǎn)端部分的透視細(xì)節(jié)圖，顯示了分支結(jié)構(gòu)薄板上的匹配網(wǎng)絡(luò)；圖5A和5B顯示了分支結(jié)構(gòu)薄板遠(yuǎn)端和近端面?zhèn)鲗?dǎo)層的導(dǎo)體模式；圖6是顯示了天線的輻射模式。根據(jù)圖1和圖2，與本發(fā)明相比，8螺旋天線含一個(gè)天線元件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有8個(gè) 伸長(zhǎng)的天線元件，以八個(gè)軸向同延的螺旋狀傳導(dǎo)軌跡10A、10B、10C、10D、10E、10F、10G、IOH 的形式存在，此外，在圓柱核心12的圓柱狀外表面上噴涂金屬。該核心由陶瓷材料制成。在 這種情況下，鈣鎂鈦酸鹽材料在該區(qū)域的相對(duì)介電常數(shù)為21。隨著溫度的變化，該材料具有 空間和電力的穩(wěn)定性。介電損失通?？珊雎圆挥?jì)。在該實(shí)施例中，核心的直徑D為14mm。 核心的長(zhǎng)度是直徑的兩倍以上，但在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，核心長(zhǎng)度可能比這個(gè)更小。 核心是由壓制而成的，但可以在擠壓后燒制而成。這種天線是一種背射模螺旋天線，在軸向孔12B處有一個(gè)同軸傳輸線，從第一末 端表面部分開始以末梢端面12D的形式穿過(guò)核心，以核心近端面12P的形式到達(dá)第二末端 表面。兩端面12D、12P均是垂直于核心中軸線的平面。同軸傳輸線是一個(gè)剛性的同軸分支， 位于孔12B中央，其外屏蔽導(dǎo)體與孔12B壁隔開，從而可有效的在屏蔽導(dǎo)體和核心12材料 之間構(gòu)成一個(gè)介電層。參考圖3可知，同軸傳輸線分支具有一個(gè)傳導(dǎo)性管狀外屏蔽導(dǎo)體16，一個(gè)第一管 狀空氣間隔或絕緣層17，一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的內(nèi)導(dǎo)體18，內(nèi)導(dǎo)體通過(guò)絕緣層17與屏蔽導(dǎo)體隔開。屏 蔽導(dǎo)體16的表面上有突出和整合的彈簧吊16T，或是一個(gè)將屏障導(dǎo)體與孔壁12B隔開的墊 片。第二個(gè)管狀空氣間隙位于屏蔽導(dǎo)體16與孔壁12B之間。絕緣層17可以塑料套管的形 式存在，位于屏蔽導(dǎo)體16和孔壁12B之間。在下面，分支的近端，內(nèi)導(dǎo)體18通過(guò)絕緣襯套 18B位于屏蔽導(dǎo)體16的中央。屏蔽導(dǎo)體16、內(nèi)導(dǎo)體18和絕緣層17結(jié)合在一起構(gòu)成了一個(gè)傳輸線，具有預(yù)定的典 型阻抗，這里是50ohms，通過(guò)天線核12傳輸，與天線元件IOA到IOH的遠(yuǎn)端耦合，傳輸?shù)教?線所連接設(shè)備的無(wú)線電頻率(RF)。通過(guò)導(dǎo)體分支連接部分與螺旋軌道IOA至IOH的連接構(gòu) 成天線元件IOA至IOH與分支的耦合，這些連接部分以位于核心12遠(yuǎn)端末端面12D的輻射 軌道10AR、10BR、IOCR、10DR、10ER、IOFR、IOGR、IOHR的形式存在(見圖1和圖2)。每個(gè)分支 連接部分自相應(yīng)螺旋軌道末端起延伸，直至毗鄰孔12B末端的位于核心遠(yuǎn)端面12D的兩個(gè) 內(nèi)部弓形導(dǎo)體10ADU0EH中的一個(gè)。這兩個(gè)弓形導(dǎo)體IOAD和IOEH分別通過(guò)固定在核心遠(yuǎn)端表面12D的薄板19，連接 至屏蔽導(dǎo)體16和內(nèi)導(dǎo)體18，這將在下文做詳細(xì)介紹。在裝配入核心12之前，同軸傳輸線分 支與薄板19 一起組成了一個(gè)整體分支結(jié)構(gòu)，通過(guò)比較圖1、圖2和圖3，可以看到上述組件 之間的相互關(guān)系。再看圖3，傳輸線分支的內(nèi)導(dǎo)體18具有一個(gè)近端18P，它從核心12的近端面12P 發(fā)出，以針狀發(fā)出，與設(shè)備電路連接。同樣，屏蔽導(dǎo)體16近端面上的整體支耳(未顯示)突 出超過(guò)核心近端面12P。從而與設(shè)備的接地電路相連。如圖1所示，天線元件IOA至IOH的近端是由共同的虛擬接地導(dǎo)線20相互連接的。在本實(shí)施例中，共同導(dǎo)體呈環(huán)狀，以圍繞毗鄰近端面12P的核心12的近端部位圍繞的電鍍 套管形式存在。反過(guò)來(lái)，該套管20則通過(guò)核心近端面12P的電鍍導(dǎo)體蓋(未顯示)連接于 分支的屏蔽導(dǎo)體16，從而構(gòu)成四分之一波的平衡非平衡電路(Balim)。8 個(gè)螺旋天線元件 10A-10H 組成四對(duì) 10AU0E ； IOB，IOF ； IOC，IOG 和 IOD，IOH ；每對(duì) 有一個(gè)螺旋元件連接至弓狀導(dǎo)體10AD，10EH，另一個(gè)完全相反的螺旋元件連接至另一個(gè)弓 狀導(dǎo)體10EH，10AD，然后連接至傳輸線分支的內(nèi)導(dǎo)體18和屏蔽導(dǎo)體16。從而，8個(gè)螺旋天線 元件10A-10D可被4個(gè)安排為1組，一組的所有元件10A-10D連接至第一天線導(dǎo)體10AD，另 一組的所有元件10E-10H連接至第二天線導(dǎo)體10EH。因此，這兩個(gè)弓形導(dǎo)體組成第一和第 二耦合節(jié)點(diǎn)，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)將各自的螺旋天線元件相互連接在一起，為每組元件提供共導(dǎo)體， 連接至一個(gè)或另一個(gè)傳輸線分支導(dǎo)體。每對(duì)這種螺旋元件10A，IOE ；10B, IOF ；10C, IOG ；10D, IOH均與其相應(yīng)的每對(duì)分支 連接徑向元件 10AR, IOER ;10BR, IOFR ； 10CR, IOGR ； 10DR, IOHR 一起，套管 20 的邊緣 20U 在
兩個(gè)耦合節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)成傳導(dǎo)回路。在該天線中，傳導(dǎo)回路的電力長(zhǎng)度為2Xg，Xg，是天線操 作頻率上沿傳導(dǎo)回路的電流的波導(dǎo)波長(zhǎng)。每對(duì)螺旋元件每增加或減少15%，便圍繞天線軸 旋轉(zhuǎn)一個(gè)整圈，從而每對(duì)元件與徑向分支連接元件和邊緣一起，構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)回路，轉(zhuǎn)動(dòng)的總角 度約為360°。與具有Xg的回路長(zhǎng)度和旋轉(zhuǎn)半圈的螺旋元件8螺旋天線相比，該天線具有 少許或無(wú)波束寬度的衰退。然而，由于天線容積大約加倍(相對(duì)于具有λ g回路和相同核 心直徑的8螺旋天線)，可實(shí)現(xiàn)頻帶寬度增益倍數(shù)的顯著增加。至于天線相對(duì)于操作波長(zhǎng)，該實(shí)施例的輻射長(zhǎng)度Lp (見圖1)(即天線螺旋元件 10A-10H的平均軸寬度)約為0. 15λ，λ是在空中的波長(zhǎng)。在銥衛(wèi)星無(wú)線電話波段1621MHz 處，0.15 λ大約相當(dāng)于觀.5mm。對(duì)于此頻率上的天線操作，平衡不平衡轉(zhuǎn)換器套管20的軸 向長(zhǎng)度Lb大約為4. 5mm，產(chǎn)生的天線總長(zhǎng)度大約為33mm。天線輻射部分的高寬比，例如由 直徑D分開的輻射長(zhǎng)度Lp大約為2?？偟膩?lái)說(shuō)，首選的寬高比等于每對(duì)螺旋元件和相應(yīng)的 徑向分支連接元件構(gòu)成的導(dǎo)體回路的電力長(zhǎng)度所代表的波長(zhǎng)數(shù)量。據(jù)上文所述，由螺旋元件對(duì)和相應(yīng)的徑向分支連接元件構(gòu)成的傳導(dǎo)回路是波長(zhǎng)的 兩倍(例如，720°的電力長(zhǎng)度)。在實(shí)際應(yīng)用中，這是傳導(dǎo)回路的平均長(zhǎng)度，每個(gè)相應(yīng)回路 的長(zhǎng)度與其鄰近回路的長(zhǎng)度略有不同，從而獲得配對(duì)的共振頻率。因此，在操作頻率上，各 個(gè)連續(xù)的元件對(duì)之間的電流以傳統(tǒng)四臂螺旋天線產(chǎn)生環(huán)形極性波時(shí)發(fā)生的元件間90°相 位移動(dòng)的相同方式出現(xiàn)相位移動(dòng)，這些相位移動(dòng)在環(huán)形極性波方面提高了天線共振。申請(qǐng) 人發(fā)現(xiàn)當(dāng)8螺旋天線元件10A-10H的長(zhǎng)度相同或相似時(shí)的效果最好，螺旋對(duì)之間回路長(zhǎng)度 的不同通過(guò)改變徑向分支連接元件10AR，IOER ； 10BR, IOFR ； 10CR, IOGR ;10DR，IOHR的長(zhǎng)度 來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2和圖4所示。如圖2和圖4，徑向分支連接元件10AR-10HR將螺旋元件10A-10H與相應(yīng)的內(nèi)弓 形導(dǎo)體10AD，10EH以上述耦合節(jié)點(diǎn)對(duì)的形式相互連接。徑向分支連接元件于內(nèi)弓形元件 構(gòu)成一個(gè)單一的傳導(dǎo)層，直接位于核心遠(yuǎn)端面12D上。正如將要看到的，第一對(duì)180°相 對(duì)的徑向元件10AR，IOER 一般較逆時(shí)針方向上的下一對(duì)10DR，IOFR更長(zhǎng)，最短的一對(duì)元件 10BR，IOHR也是如此。更精確的說(shuō)，徑向元件10AR-10HR的邊緣長(zhǎng)度各有不同。也就是說(shuō)， 相鄰的徑向元件之間的間隔24AB，24BC, M⑶，24EF，24FG, 24GH是截?cái)嗟纳刃?，每組徑向元 件10AR，IOBR ;10CR, IODR ； 10ER, IOFR ;10GR，IOHR的截?cái)喑潭纫阅鏁r(shí)針的方向逐漸增大。如果每個(gè)連續(xù)的元件對(duì)的邊緣長(zhǎng)度相同，由于每個(gè)螺旋元件10A-10H因與邊緣20U的有角度 接合(見圖2)而導(dǎo)致其邊緣長(zhǎng)度不同，螺旋元件與徑向元件結(jié)合體10A，10AR-10H，10HR的 有效長(zhǎng)度在兩個(gè)元件組中呈單調(diào)變化。(該領(lǐng)域技術(shù)人員可充分理解，在操作頻率上，因電 流趨于集中在導(dǎo)電軌道邊緣，該有效長(zhǎng)度即為控制回路長(zhǎng)度的邊緣長(zhǎng)度。)在該發(fā)明的這個(gè)具體實(shí)施例中，8螺旋天線元件10A-10H具有相同或相似的長(zhǎng)度。 因此，套管20的邊緣20U大體上是平面的，位于一個(gè)垂直于天線軸的平面上。然而，非平面 邊緣也可用于如上所述的某些情況?？傊?，該天線的旋元件10A-10H以相同的角度間隔360° /n圍繞在核心12周圍， 其中η是元件的數(shù)量，這些元件以每組η/2個(gè)元件分為兩組，各元件具有相似的長(zhǎng)度，套管 20邊緣20U離核心12遠(yuǎn)端表面12D的距離不同，核心12的遠(yuǎn)端表面12D與核心的中央軸
垂直。每個(gè)元件圍繞核心一整圈。傳導(dǎo)套管20與核心近端表面12Ρ上的鍍層構(gòu)成一個(gè)與分支的屏蔽導(dǎo)體16在一起 的套管平衡不平衡變換器，當(dāng)天線以操作頻率工作時(shí)，提供了徑向天線元件結(jié)構(gòu)與安裝有 該天線的設(shè)備的共同分隔模式。套管內(nèi)的電流限制于套管邊緣20U。因此，在操作頻率上， 套管20的邊緣20U和每對(duì)螺旋元件10Α，10E-10D，IOH構(gòu)成了一個(gè)連接于平衡分支的相應(yīng) 的傳導(dǎo)回路，電流通過(guò)邊緣20U在每對(duì)元件之間流動(dòng)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，套筒的周長(zhǎng)等于在工作頻率上的波導(dǎo)波長(zhǎng)的整數(shù) 值。這具有增強(qiáng)諧振模的作用，該諧振模產(chǎn)生于上述導(dǎo)體回路的共振，后者由在操作頻率上 的各對(duì)螺旋元件和邊緣組成。尤其是如上述公開號(hào)為GB2346014A的英國(guó)專利中所描述的 那樣，套管20可作為一個(gè)共振結(jié)構(gòu)起作用，獨(dú)立于螺旋元件10Α-10Η。因此，套管邊緣20U 具有一個(gè)與操作波長(zhǎng)相等的電力長(zhǎng)度，以環(huán)狀的模式產(chǎn)生共振。如GB2346014A所述，由螺 旋元件對(duì)構(gòu)成的回路所引起共振模的增強(qiáng)可通過(guò)對(duì)注入每個(gè)螺旋元件與邊緣結(jié)合處的邊 緣20U所代表的環(huán)上的波成像可見，該波通過(guò)邊緣20U形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)偶極子。由于邊緣20U 的電力長(zhǎng)度，當(dāng)引入波沿邊緣20U傳導(dǎo)并回到引入點(diǎn)時(shí)，會(huì)從相應(yīng)的螺旋元件引入下一個(gè) 波，從而加強(qiáng)第一個(gè)引入波的強(qiáng)度。這一波的有利組合源于邊緣諧振長(zhǎng)度。環(huán)共振和套管20作用，以及與具有環(huán)狀極性電磁波的天線操作有關(guān)的核心近端 表面12Ρ上的鍍層的進(jìn)一步詳細(xì)描述見于上述專利GB2346014A。雖然本發(fā)明實(shí)施例的套 管和鍍層有利于發(fā)揮平衡一不平衡轉(zhuǎn)換器與環(huán)狀共振功能，環(huán)狀共振也可通過(guò)將螺旋元件 10Α-10Η與環(huán)形導(dǎo)體的連接而自由提供，該環(huán)形導(dǎo)體圍繞著核心12，在核心外表面部分具 有近端和末梢邊緣，而不是以連接至分支屏蔽導(dǎo)體16的套管的形式構(gòu)成具有開放末端的 開放腔。這種導(dǎo)體的范圍可能會(huì)比較狹窄，因?yàn)樗蓸?gòu)成一個(gè)寬度與構(gòu)成螺旋元件10Α-10Η 的傳導(dǎo)軌道寬度相似的環(huán)形軌道，其電力長(zhǎng)度相當(dāng)于在操作頻率上的波導(dǎo)波長(zhǎng)的整數(shù)倍數(shù) (1，2，3…)，產(chǎn)生一個(gè)與由螺旋元件及其相互連接提供的回路有關(guān)的增強(qiáng)的諧振模環(huán)形共 振。至于螺旋元件10Α-10Η和它們相互連接所代表的回路的共振行為，在天線操作頻 率上，以共振的模式運(yùn)轉(zhuǎn)，該天線對(duì)環(huán)形極性信號(hào)敏感。每對(duì)螺旋元件10ΑΕ，IOBF, 10CG, IODH與相關(guān)的徑向元件一起，在天線單一的操作頻率波段具有一個(gè)相關(guān)共振，隨后，所有共 同運(yùn)轉(zhuǎn)的螺旋元件對(duì)構(gòu)成一個(gè)共同的環(huán)狀極性共振。螺旋元件和徑向元件組合的不同長(zhǎng)度 導(dǎo)致在每組10A-10D，10E-10H不同元件之間的電流之間存在360° /n(45° )的相位差異。在這種諧振模式下，電流流經(jīng)通過(guò)薄板19的耦合導(dǎo)體連接至屏蔽導(dǎo)體16的每對(duì)螺旋元件 10A, 10E, 10B, 10F, 10C, 10G, 10D, IOH和邊緣20U。套管20與核心近端表面12P的鍍層一起 發(fā)揮防止電流從天線元件10A-10H流到核心近端表面12P上的屏蔽導(dǎo)體16的陷阱作用。對(duì)位于具有平衡不平衡變換器的套管多線螺旋天線上的電介質(zhì)的操作的描述詳 見于上文提到的專利號(hào)為GB2292638A和GB2310M3A的英國(guó)專利。分支傳輸線路具有多種功能，不僅僅是一個(gè)具有50ohms阻抗特性，用于傳輸信號(hào) 到天線元件結(jié)構(gòu)，或從天線元件結(jié)構(gòu)傳出信號(hào)的線路。首先，如上所述，傳導(dǎo)屏蔽層16與套 管20結(jié)合共同作用，在分支結(jié)構(gòu)與天線元件結(jié)構(gòu)結(jié)合的部位提供共同隔離。在(a)與其和 核心近端表面12P的鍍層22的連接和(b)與薄板19上的導(dǎo)體連接之間的屏蔽導(dǎo)體長(zhǎng)度， 孔12B的面積，以及填充屏蔽導(dǎo)體16和孔壁之間空隙的材料的介電常數(shù)是其外表面上屏蔽 導(dǎo)體16的電力長(zhǎng)度，至少近似為天線共振所需模式頻率的四分之一波長(zhǎng)，使傳導(dǎo)套管20、 鍍層22和屏蔽導(dǎo)體16的結(jié)合促進(jìn)分支結(jié)構(gòu)與天線元件結(jié)構(gòu)連接處的電流平衡。該天線具有一個(gè)絕緣層，圍繞著分支結(jié)構(gòu)的屏蔽導(dǎo)體16。該絕緣層一般具有比核 心12部位低的介電常數(shù)，在這種情況下，絕緣層和空氣降低了核心12對(duì)屏蔽導(dǎo)體16的電 力長(zhǎng)度的影響，進(jìn)而影響與屏蔽導(dǎo)體16外層相關(guān)的縱向共振。由于與所需操作頻率有關(guān)的 共振模式由電壓偶極延伸直徑所決定，例如圓柱形核心軸的橫斷面，由于套管厚度明顯小 于核心部分，具有低介電常數(shù)的套管對(duì)所需要的共振模式的作用相對(duì)較小，至少在優(yōu)先實(shí) 施例中是這樣。因此，這可能會(huì)引起與屏蔽導(dǎo)體16相關(guān)的共振線性模式和所需的共振模式 華禹合。分支結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步細(xì)節(jié)圖可參考圖3，圖4，圖5A和5B。分支結(jié)構(gòu)包括一個(gè)同 軸50ohm線路16，17，18和平面薄板19組合連接至線路末端。薄板19是雙面印制回路板 (PCB)，面對(duì)面緊貼著核心12的末端面12D。雙面印制回路板(PCB) 19的最大尺寸小于核 心12的直徑，因此，該雙面印制回路板(PCB)完全位于核心12末端表面12D的外緣內(nèi)部， 并足夠小而不會(huì)掩蓋最長(zhǎng)的徑向連接元件10AR，10ER，如圖1所示。在本實(shí)施例中，雙面印制回路板(PCB) 19是以位于核心末端面12D中央的圓盤的 形式。其口徑重疊于核心端面12D上的弓形跨元件耦合導(dǎo)體10AD，10EH。如圖4所示，雙面 印制回路板(PCB)具有一個(gè)接收同軸分支傳輸線路內(nèi)導(dǎo)體18的中心孔洞。三個(gè)偏心孔受 到屏蔽導(dǎo)體16的末端突出柄16G。突出柄16G呈彎曲狀，或“嵌合的”，有助于雙面印制回 路板(POT)相對(duì)于同軸分支結(jié)構(gòu)的定位。所有四個(gè)孔均為鍍通孔。此外，雙面印制回路板 (PCB) 19的外圍部分19P經(jīng)過(guò)電鍍，且電鍍層延伸至板面的近端面和遠(yuǎn)端面。雙面印制回路板(PCB) 19是雙面的，在中間絕緣層的相對(duì)面具有遠(yuǎn)端和近端導(dǎo)體 層。每個(gè)導(dǎo)體層以各自的導(dǎo)體模式蝕刻，見圖5A和圖5B所示。導(dǎo)體模式延伸至雙面印制 回路板(PCB) 19的外圍部分19P，并到達(dá)不同層面中鍍通孔的各個(gè)導(dǎo)體，各個(gè)導(dǎo)體通過(guò)各自 的邊緣薄板和孔板相互連接。正如圖5A和5B所示，末端導(dǎo)體層具有一對(duì)導(dǎo)體墊42P，連接 至內(nèi)導(dǎo)體18 (內(nèi)導(dǎo)體位于中央孔洞)。這些導(dǎo)體墊42P被一個(gè)扇形或扇形傳導(dǎo)區(qū)域42S所 圍繞，連接至分支屏蔽16 (當(dāng)接收到各自鍍通孔時(shí))。導(dǎo)體墊42P和扇形導(dǎo)體相鄰區(qū)域通過(guò) 一對(duì)薄片電容器44耦合，這對(duì)薄片電容器44被焊合在雙面印制回路板(PCB) 19的末端面， 如圖4所示。該電容器在內(nèi)導(dǎo)體18和分支的屏蔽導(dǎo)體16之間共同組成了一個(gè)分路電容。 請(qǐng)注意，鄰近的導(dǎo)體層(見圖5B)具有一個(gè)相應(yīng)的扇形傳導(dǎo)區(qū)域46S和扇形區(qū)域42S，這兩個(gè)電鍍區(qū)域在分支屏蔽導(dǎo)體16和弓形內(nèi)導(dǎo)體10AD，以及螺旋元件10A-10D之間構(gòu)成一個(gè) 分散的連接。遠(yuǎn)端和近端導(dǎo)體層上的斷電器42C和46C分別處于徑向分支連接元件10BR， IOCR之間的間隔中，并促進(jìn)電流在各組10A-10D螺旋元件之間進(jìn)行分配。遠(yuǎn)端傳導(dǎo)層的傳導(dǎo)模式具有一個(gè)第二傳導(dǎo)區(qū)域42L，延伸自內(nèi)分支導(dǎo)體18和第二 扇形或弓形導(dǎo)體區(qū)域42F的連接處，再至電鍍外圍部分19P，與弓形或偏環(huán)形導(dǎo)體IOEH重 疊。弓形區(qū)域內(nèi)的斷面42C有助于電流均勻分布于各個(gè)螺旋元件10E-10H。在近端導(dǎo)體層 沒有相應(yīng)的潛在傳導(dǎo)區(qū)域。中央孔洞32和鍍層的外圍部分19P之間的傳導(dǎo)區(qū)域42L覆蓋 在弓形軌道IOEH上，在分支內(nèi)導(dǎo)體18和另一組螺旋天線元件10E-10H之間起系列電感組 的作用。當(dāng)雙面印制回路板(PCB) 19和細(xì)長(zhǎng)分支16-18的組合安裝在核心12上，雙面印制 回路板(PCB)的近端面與核心遠(yuǎn)端面12D連接，與弓形互連元件IOAD和IOEH如上述形式 對(duì)齊，在外圍部分19P和核心遠(yuǎn)端面12D上的基本軌道之間的連接構(gòu)成一個(gè)反應(yīng)匹配電路， 并具有一個(gè)并聯(lián)電容和一個(gè)串聯(lián)電感。分支線路16-18和核心遠(yuǎn)端面12D上的傳導(dǎo)軌道是通過(guò)焊合或?qū)щ娔z粘合連接在 一起的。當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體18遠(yuǎn)端和套管接頭16G焊合于雙面印制回路板(PCB) 19上的相應(yīng)導(dǎo)通 孔時(shí)，分支16-18和雙面印制回路板(PCB) 19 —起構(gòu)成了一個(gè)單一分支結(jié)構(gòu)。分支16-18 與雙面印制回路板(PCB) 19 一起構(gòu)成了一個(gè)具有完整匹配網(wǎng)絡(luò)的單一的分支結(jié)構(gòu)。分流電容和串聯(lián)電感組成了一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，位于同軸傳輸線遠(yuǎn)端和輻射天線元件 結(jié)構(gòu)之間。分流電容和串聯(lián)電感同時(shí)與同軸傳輸線的阻抗匹配，包括屏蔽導(dǎo)體16、絕緣層 17和內(nèi)導(dǎo)體18，此時(shí)同軸傳輸線的近末端與射頻電路連接，后者具有一個(gè)50ohm終端，該同 軸傳輸線的阻抗與在操作頻率上的天線元件結(jié)構(gòu)的阻抗匹配。如上所述，在操作頻率上的天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式和環(huán)形極性輻射從本質(zhì)上講是心形 的，如圖6所示。當(dāng)仰角超過(guò)30°時(shí)，天線是全方位的，在極高點(diǎn)50 (位于天線軸)的增益 較各向同性高約3dB。該波束寬度大約為120°，波束寬度是在極高點(diǎn)增益3dB的增益，如 3dB線路52和波束寬度限M所示。在不同的方位角度也獲得了相同的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種操作頻率超過(guò)200MHz的電介質(zhì)負(fù)載多線天線，其特征在于，包含一個(gè)固體材 料制成的電絕緣核，其相對(duì)介電常數(shù)至少為10，并占據(jù)由核心外表面圍成的內(nèi)部體積的絕 大部分；一個(gè)三維天線元件結(jié)構(gòu)，位于核心外表面上或是與之鄰近，包含至少兩對(duì)螺旋傳導(dǎo) 天線元件，該天線元件圍繞天線軸隔開，其中每對(duì)天線元件構(gòu)成傳導(dǎo)回路的一部分，該傳導(dǎo) 回路在操作頻率下的N波導(dǎo)波長(zhǎng)區(qū)域具有有效的電力長(zhǎng)度，其中N是一個(gè)至少為2的整數(shù)， 該天線的環(huán)形極性輻射的3dB波束寬度至少為90°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述天線，其特征在于，固體材料的相對(duì)介電常數(shù)至少為20。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述天線，其特征在于，天線的環(huán)形極性輻射3dB波束寬度至少 為 120° 。
4.根據(jù)上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述天線，其特征在于，天線元件結(jié)構(gòu)至少具有三對(duì)所 述的螺旋天線元件。
5.根據(jù)上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述天線，其特征在于，至少每個(gè)螺旋天線元件圍繞天 線軸旋轉(zhuǎn)整圈，該天線元件圍繞天線軸被均勻地隔開，軸向共存。
6.根據(jù)上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述天線，其特征在于，該核心具有一個(gè)圓柱形的外表 面，一個(gè)第一末端表面，一個(gè)第二末端表面，后者與前者相對(duì)存在；每對(duì)所述的螺旋天線元件包含兩個(gè)伸長(zhǎng)了的傳導(dǎo)元件，位于核心圓柱形外表面，二者 相對(duì)分布；天線包含一個(gè)中央分支連接，與第一末端表面有關(guān)；天線元件結(jié)構(gòu)包含許多徑向延伸的連接元件，位于第一末端表面上或與之毗鄰，每個(gè) 連接元件將各個(gè)螺旋元件于分支連接偶聯(lián)，連接元件的長(zhǎng)度與所述螺旋天線元件不同，從 而使每個(gè)傳導(dǎo)回路的電力長(zhǎng)度不同。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述天線，其特征在于，該天線具有四對(duì)螺旋天線元件，該天線還包 含一對(duì)天線元件耦合節(jié)點(diǎn)，每對(duì)螺旋天線元件具有一個(gè)連接至一個(gè)耦合節(jié)點(diǎn)的第一天線元 件，以及一個(gè)連接至另一個(gè)耦合節(jié)點(diǎn)的第二天線元件，4個(gè)第一天線元件彼此緊鄰構(gòu)成第二 組天線元件，其中徑向延伸連接元件的長(zhǎng)度逐漸減少，以預(yù)訂的方向圍繞在第一末端表面 的外圍，每組的連續(xù)程度相同，從而在傳導(dǎo)回路的長(zhǎng)度內(nèi)單調(diào)變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述天線，其特征在于，天線的徑向延伸連接元件構(gòu)成的傳導(dǎo)薄片 部分，位于所述核心第一末端表面上，或是與之毗鄰，該薄片具有兩個(gè)內(nèi)導(dǎo)體弧，互連分支 連接元件的內(nèi)導(dǎo)體弧與相應(yīng)的螺旋天線元件組連接。
9.根據(jù)上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述天線，其特征在于，天線元件結(jié)構(gòu)包含一個(gè)共同的 互連導(dǎo)體，其中每個(gè)天線元件與之連接，并環(huán)繞該核心，這個(gè)共同的互連導(dǎo)體決定了圍繞核 心的傳導(dǎo)途徑，天線元件圍繞核心等距分布連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述天線，其特征在于，相對(duì)于所述操作頻率，傳導(dǎo)通路的電力長(zhǎng) 度為導(dǎo)波長(zhǎng)的整數(shù)倍數(shù)(1，2，3……)。
11.根據(jù)上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述天線，其特征在于，螺旋天線元件的平均軸向?qū)挾?小于λ/4，其中λ是在操作頻率上的空中電磁波的波長(zhǎng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述天線，其特征在于，螺旋元件的平均軸向?qū)挾刃∮讦?6。
13.根據(jù)上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述天線，其特征在于，垂直于軸測(cè)量，每對(duì)螺旋元件 之間的間隔大約是螺旋元件平均軸向?qū)挾鹊囊话搿?br> 14.根據(jù)上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述天線，其特征在于，天線的工作頻率在1616MHz至 1626. 5MHz 范圍內(nèi)。
15.一種便攜式無(wú)線通信終端，其特征在于，具有一個(gè)上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的天線。
全文摘要
電介質(zhì)負(fù)載多線天線具有一個(gè)電絕緣固體核心，含有一個(gè)由4對(duì)螺旋徑向元件組成的天線元件，這四對(duì)螺旋徑向元件圍繞天線中心軸分布。每對(duì)方向相反的天線元件構(gòu)成傳導(dǎo)回路部分，該傳導(dǎo)回路在操作頻率下的N波導(dǎo)波長(zhǎng)區(qū)域具有有效的電力長(zhǎng)度，其中N是一個(gè)至少為2的整數(shù)。通常，每個(gè)螺旋元件圍繞核心外表面上的軸旋轉(zhuǎn)一周。與先前典型的電介質(zhì)負(fù)載多線螺旋天線相比，該天線改善了頻帶寬度，在環(huán)形極性輻射的3dB波束寬度至少為90°。
文檔編號(hào)H01Q11/08GK102089929SQ200980127070
公開日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2009年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月13日
發(fā)明者奧利弗·保羅·雷斯特恩, 尼古拉斯·羅杰·派德菲爾德 申請(qǐng)人:薩恩特爾有限公司