專利名稱：一個小型具有非方向輻射模式的螺旋天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種用于無線通訊的螺旋天線，尤其是涉及到一種小型用于移動衛(wèi)星通訊或地面移動通訊等移動設(shè)備中具有寬扇形輻射模式的螺旋天線。
一種常規(guī)的螺旋天線被公開在日本未審查專利申請No.8-78945(78945/1996)中。圖7顯示此螺旋天線100的透視圖。
根據(jù)已有技術(shù)該螺旋天線100包括一個絕緣圓柱體104和一個易彎曲印刷線路板107，它纏繞在該絕緣圓柱體104上，并裝配有兩個螺旋平衡導(dǎo)體101和101′。
在一同軸電纜105中的不平衡RF信號(無線電射頻信號)由一個平衡一不平衡變換器轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€平衡RF信號。
以后，該平衡RF信號傳送到兩個螺旋平衡導(dǎo)體101和101′中的每一個。
圖8顯示一個圖7所示螺旋天線100的組裝過程。如圖8所示，兩個平衡螺旋導(dǎo)體101和101′被用一種壓力膠粘雙面膠帶103粘到易彎曲印刷線路板107上。
圖9顯示一個圖7所示螺旋天線100的一金屬導(dǎo)體106的投影視圖。在螺旋導(dǎo)體101和101′的未端部分由一直的金屬導(dǎo)體106短路相接。該金屬導(dǎo)體106固定住螺旋導(dǎo)體101和101′以增加它們的機械強度并且獲得螺旋天線100的阻抗匹配。


圖10顯示另一種形狀的金屬導(dǎo)體106的投影視圖。這就是，圖10中所示的金屬導(dǎo)體106的形狀是彎的并且適合于獲得阻抗匹配。在這種情況下，金屬導(dǎo)體106的阻抗匹配能夠通過改變或調(diào)整其彎曲部分的形狀比較容易地做到。
在上面的描述中，圖9和10所示提及的兩種類型的金屬導(dǎo)體106主要是為了易于阻抗匹配和增加機械強度。
然而，已有技術(shù)的這種螺旋天線是不一定能給所有的螺旋天線提供饋電阻抗匹配。
這就是，已有技術(shù)的螺旋天線100對于一種具有一個較長的兩圈或多圈的螺旋導(dǎo)體非常有效。然而，在用于移動設(shè)備等具有寬扇形輻射模式的螺旋天線的情況下，通常，該螺旋導(dǎo)體101和101′每個僅有1.5λ(λ是工作頻率波長)的長度且它們的圈數(shù)是兩圈或更少。在這種情況下，具有通過金屬導(dǎo)體調(diào)整阻抗匹配能力的螺旋導(dǎo)體101和101′的饋電頻率頻帶是非常窄的。結(jié)果，不可能在一寬頻帶內(nèi)獲得這種螺旋天線的饋電阻抗匹配。
因此，本發(fā)明的一個目的是獲得易于電阻抗匹配，改進電壓駐波比(VSWR)和增加輻射效率及一種具有較短螺旋導(dǎo)體和相對少圈數(shù)的螺旋天線的天線增益。
本發(fā)明的螺旋天線包括一組安裝在一絕緣圓柱體的外壁上的多個輻射導(dǎo)體；一組在絕緣圓柱體的內(nèi)壁上以相位差方式通過靜電耦合提供多個高頻信號給每個輻射導(dǎo)體的各自第一端的多個饋電導(dǎo)體；以及一個與它們的相對的第二端靜電耦合的匹配導(dǎo)體。
在一替代實施例中，設(shè)匹配導(dǎo)體可以省略。
在另一實施例中，本發(fā)明的螺旋天線包括一組安裝在絕緣圓柱體外壁上的多個輻射導(dǎo)體，在所述絕緣圓柱體的內(nèi)壁以不同的相位方式直接提供高頻信號給每個輻射導(dǎo)體的饋電裝置，和一個靜電耦合到它們相對端的匹配導(dǎo)體。
綜上所述，本發(fā)明通過一種或兩種下述技術(shù)取得電阻抗匹配(1)安裝于絕緣圓柱體內(nèi)壁上的匹配導(dǎo)體與其圓柱體表面上的一組輻射導(dǎo)體一起形成該螺旋天線。
(2)在數(shù)量上與多個輻射導(dǎo)體相同，安裝于絕緣圓柱體內(nèi)壁并彼此相互緊靠用于傳送高頻信號到位于柱狀導(dǎo)體內(nèi)壁上的螺旋天線的饋電導(dǎo)體與多個輻射導(dǎo)體一起形成該螺旋天線。
本發(fā)明將參照附圖作進一步詳細(xì)描述，其中圖1是依據(jù)本發(fā)明的第一實施例的一個螺旋天線10的投影視圖；圖2A是依據(jù)本發(fā)明該螺旋天線10的絕緣圓柱體1的上面部分的投影視圖，以平面形式顯示該圓柱體的表面；
圖2B是類似于圖2A或者根據(jù)本發(fā)明的螺旋天線10的絕緣柱體1的上面部分的另一實施例的示意圖；圖3是與圖2A相類似的根據(jù)本發(fā)明的螺旋天線10的絕緣柱體1的下部的示意圖；圖4A是依據(jù)本發(fā)明螺旋天線10的饋電導(dǎo)體4的第一種形狀視圖；圖4B是依據(jù)本發(fā)明螺旋天線10的饋電導(dǎo)體4的第二種形狀視圖；圖4C是依據(jù)本發(fā)明螺旋天線10的饋電導(dǎo)體4的第三種形狀視圖；圖4D是依據(jù)本發(fā)明螺旋天線10的饋電導(dǎo)體4的第四種形狀視圖；圖5是依據(jù)本發(fā)明的第二實施例的一螺旋天線20的透視圖；圖6是依據(jù)本發(fā)明的第三實施例的一個螺旋天線30的透視圖；圖7是依據(jù)已有技術(shù)的一個螺旋天線100的透視圖；圖8是依據(jù)已有技術(shù)的一個螺旋天線100的組裝過程的透視圖；圖9是依據(jù)已有技術(shù)的一個螺旋天線100的一個金屬導(dǎo)體106的透視圖；和圖10是依據(jù)已有技術(shù)的一個螺旋天線100的另一種金屬導(dǎo)體106的側(cè)視圖。
下面將參照相應(yīng)附圖對本發(fā)明的幾個實施例進行描述。
參看圖1，本發(fā)明的一個最佳實施例是由一個絕緣的圓柱體1；四個安裝在該絕緣圓柱體外表面的輻射導(dǎo)體2a，2b，2c，2d；一個安裝在絕緣圓柱體內(nèi)表面的匹配導(dǎo)體3；四個面對輻射導(dǎo)體2a-2d安裝的饋電導(dǎo)體4a，4b，4c，4d；以及一個用于提供給饋電導(dǎo)體4a，4b，4c，4d四個彼此具有90度相位差的高頻信號的饋電電路5組成。
下面參照附圖對本發(fā)明的天線的操作進行描述。
在圖1中，在匹配導(dǎo)體3和輻射導(dǎo)體2a-2d之間的絕緣圓柱體1的厚度上存在一個靜電電容。因此，匹配導(dǎo)體3和輻射導(dǎo)體2a-2d兩者在一定高頻范圍內(nèi)彼此是相互耦合的。這就是說，輻射導(dǎo)體2a不僅有效地與匹配導(dǎo)體3相耦合，而且在高頻范圍內(nèi)還與輻射導(dǎo)體2b-2d相耦合。因此，雖然輻射導(dǎo)體2a單獨的饋線阻抗是高的，但是這樣高的輻射導(dǎo)體2a的阻抗也能通過調(diào)整匹配導(dǎo)體3的寬度和位置以及調(diào)整它們之間的高頻耦合角度而減小。結(jié)果，一個足夠的電阻抗匹配就可以獲得。
饋電導(dǎo)體4a-4d和輻射導(dǎo)體2a-2d被緊密地安裝在絕緣圓柱體1的相對兩面，以致該饋電導(dǎo)體4a-4d和該輻射導(dǎo)體2a-2d在高頻范圍中彼此之間通過其間的靜電電容相耦合。在常規(guī)的如圖7所示的螺旋天線100中，加到同軸電纜的信號直接地連接到和直接傳送到螺旋導(dǎo)體。然而，依據(jù)本發(fā)明的螺旋天線10是通過高頻來耦合的，所以它能夠通過修改饋電導(dǎo)體4a-4d的形狀去調(diào)整相對于輻射導(dǎo)體2a-2d的匹配狀況。
特別是，如果輻射導(dǎo)體2a-2d具有電感性阻抗，能夠通過消除饋線阻抗而獲得有效的阻抗匹配。
圖1中所示的饋電電路5的工作描述如下。一個加到饋電電路5的一個端子8上的高頻(常規(guī)微波或準(zhǔn)微波帶)信號被分配器6，7和9分成具有彼此相位相移90度和同等幅度的四個信號S1-S4。這分開的高頻信號S1-S4分別傳送到饋電導(dǎo)體4a-4d。這些高頻信號是通過饋電導(dǎo)體4a-4d與輻射導(dǎo)體2a-2d之間的靜電耦合加到輻射導(dǎo)體2a-2d。加到輻射導(dǎo)體2a-2d的該高頻信號S1-S4從輻射導(dǎo)體2a-2d幅射出去。
下面參照圖1到圖4對根據(jù)本發(fā)明的螺旋天線10進行詳細(xì)描述。
在圖1中，絕緣圓柱體1可以采用常規(guī)用的如聚碳酸樹脂或聚炳稀樹脂的塑料制造。
該絕緣圓柱體1可以有一個通常0.1λ(λ是工作頻率的波長)的外徑。要求絕緣圓柱體1的厚度約0.01λ或更小。此外，絕緣圓柱體1的長度應(yīng)該選擇為使它比1.5λ波長短，因為這個長度對于具有少于2圈的螺旋天線的匹配是有效的。
輻射導(dǎo)體2被安裝在絕緣圓柱體1的外表面上并且壓力膠粘合雙面膠帶粘在絕緣圓柱體1上。要求輻射導(dǎo)體的長度約是2λ或更短。如果輻射導(dǎo)體2的長度同λ一樣或更短，除了螺旋形導(dǎo)體外，也可用一種直棒形導(dǎo)體或一種是直棒但在幾個點上可折疊的導(dǎo)體替代。
匹配導(dǎo)體3被安裝在絕緣圓柱體1的內(nèi)側(cè)表面。
圖2顯示了輻射導(dǎo)體2，絕緣圓柱體1和匹配導(dǎo)體3的位置關(guān)系。
如圖2A所示，螺旋天線10的阻抗匹配通過調(diào)整匹配導(dǎo)體3的寬度W獲得。一般來講，W約是0.01λ-0.1λ。如圖2B所示，如果需要的話，匹配導(dǎo)體3可被安置于偏離絕緣圓柱體1的頂端L1的距離處。也可以安裝多個匹配導(dǎo)體。L1和L2通常是0.2λ或更短。
饋電導(dǎo)體4安裝在靠近絕緣圓柱體1的內(nèi)表面上的輻射導(dǎo)體2的位置處。
圖3顯示了輻射導(dǎo)體2，絕緣圓柱體1和饋電導(dǎo)體4的位置關(guān)系。類似于匹配導(dǎo)體3，饋電導(dǎo)體4和輻射導(dǎo)體2安裝在具有0.01λ厚度的絕緣圓柱體1上。
饋電導(dǎo)體4可以根據(jù)輻射導(dǎo)體的形狀取各種各樣的如圖4A-4D所示的形狀。這就是，如圖4A所示，饋電導(dǎo)體4可以取一個矩形形狀。饋電導(dǎo)體4可以安裝成斜交并與輻射導(dǎo)體2面對面的形式。它們也可以安裝成如圖4B所示與輻射導(dǎo)體2平行的位置，它們也可以被彎成如圖4C所示的一個直角。它們可以取細(xì)長的矩形，如圖4D所示。
如上所述，這能夠通過改變饋電導(dǎo)體4的形狀來改變靜電電容以及調(diào)整相對于輻射導(dǎo)體2的匹配情況。
這些饋電導(dǎo)體4a-4d被饋給來自饋電電路5的彼此之間有90度相位差的信號。
如圖1中所示，饋電電路5能很容易地由具有彼此之間相位差180度的分配器6和9以及一個與所述兩個分配器有90度相位差的分配器7組成。
現(xiàn)在將描述根據(jù)本發(fā)明的該天線元件的操作。
在圖1中，來自于饋電線路8接線端的高頻信號被分配器7，6和9分為幅度相同相互之間相位相差90度的信號S1-S4。這些被分的信號S1-S4分別提供給饋電導(dǎo)體4a-4d。這些信號還通過饋電導(dǎo)體4和輻射導(dǎo)體2之間的靜電耦合提供給輻射導(dǎo)體2a-2d。
傳送到輻射導(dǎo)體2a-2d的高頻信號S1-S2是一些平衡的信號并且分別從輻射導(dǎo)體2a-2d輻射出。在這種情況下，要從輻射導(dǎo)體2有效地輻射這個高頻信號，饋電電路5的四個端子的輸出阻抗必須是各自等于當(dāng)從饋電導(dǎo)體4來看輻射導(dǎo)體2時的螺旋天線的輸入阻抗。
然而，在具有少于2圈的螺旋天線10的這種情況，輸入阻抗根據(jù)輻射導(dǎo)體2的長度變化很大。有時，輸入阻抗絕對值變化范圍在30-2000歐姆之間。
相反，在饋電電路5上輸出阻抗通常約是30-300歐姆，所以必須要這些阻抗相互匹配。在根據(jù)本發(fā)明的天線的情況下，這種匹配是利用匹配導(dǎo)體3和饋電導(dǎo)體4來獲得。匹配導(dǎo)體3和輻射導(dǎo)體2之間的耦合能通過修改匹配導(dǎo)體3的數(shù)量和位置來調(diào)整。同時，可以調(diào)整輻射導(dǎo)體的輸入阻抗的絕對值，即螺旋天線本身的阻抗。
匹配導(dǎo)體3是靜電地與輻射導(dǎo)體2a-2d耦合。例如，當(dāng)從輻射導(dǎo)體2a來看時，輻射導(dǎo)體2b-2d都是通過匹配導(dǎo)體3彼此之間有效地耦合連接。因此，盡管單個輻射導(dǎo)體2a有窄的或者高饋線阻抗，但是這輻射導(dǎo)體2a的饋電阻抗可以通過匹配導(dǎo)體3的加入制作得寬一些或低一些，原因是輸入端元件是通過是用匹配導(dǎo)體3以并聯(lián)的方式等同地連接的。
饋電導(dǎo)體4是靜電地與輻射導(dǎo)體2耦合連接。如果對于輻射導(dǎo)體2是感性的情況下的輸入阻抗，阻抗匹配能夠通過調(diào)整電容耦合的角度消除電抗元件來獲得。
在上面描述的實施例中，饋電導(dǎo)體4a-4d是安裝在絕緣圓柱體1的下部內(nèi)壁上，而匹配導(dǎo)體是安裝在其上部的內(nèi)壁上。第二實施例如圖5中所示螺旋天線20的投影視圖，在本發(fā)明的第二實施例中，如果電匹配條件能夠滿足，一種不包括匹配導(dǎo)體3(即沒有圖1中匹配導(dǎo)體3的結(jié)構(gòu))可以被采用。這種如圖5所示的結(jié)構(gòu)包含兩個輻射導(dǎo)體2a和2b。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是絕緣圓柱體1的結(jié)構(gòu)可以簡化。第三實施例在第三實施例中，如圖6中的螺旋天線30的投影視圖所示，饋電導(dǎo)體4a-4d不是與輻射導(dǎo)體2a-2d靜電耦合。它們被直接連接并利用匹配導(dǎo)體3獲得電匹配。
圖1中所示的結(jié)構(gòu)包括四個饋導(dǎo)電導(dǎo)體4和四個輻射導(dǎo)體2，并且饋電導(dǎo)體4被加載相互之間相位差是360/4＝90度的信號。
然而，本發(fā)明不限制到這樣的結(jié)構(gòu)。一般來說，如果任何結(jié)構(gòu)包含n(大于2的自然數(shù))個饋電導(dǎo)體4和輻射導(dǎo)體2，電能量能通過將饋電導(dǎo)體4的每一相位位移(360/n)度來獲得。
綜上所述，在本發(fā)明的螺旋天線情況中，
(1)安裝于絕緣圓柱體內(nèi)壁上的匹配導(dǎo)體與其圓柱體表面上的一組輻射導(dǎo)體一起形成螺旋天線，具有降低輻射導(dǎo)體的饋電阻抗的優(yōu)點。
(2)安裝于絕緣圓柱體內(nèi)壁上的饋電導(dǎo)體與其圓柱體表面上的多個輻射導(dǎo)體共同形成的螺旋天線具有消除輻射導(dǎo)體饋電阻抗的感性電抗元件和降低饋電阻抗的優(yōu)點。
因此，對于移動衛(wèi)星通訊等用于一種便攜式的設(shè)備中的一種小型包含一個短的輻射導(dǎo)體需要寬扇形輻射的螺旋天線的情況下，由于上述優(yōu)點，這種螺旋導(dǎo)體的很高的阻抗能夠減小，使阻抗匹配容易，VSWR得到改進，并且傳輸效率和天線增益得到加強。
雖然對本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合了各種實施例進行了描述，我們必須明確這些實施例并非起限定作用。相反地，等效的結(jié)構(gòu)和技術(shù)上的大量修改和替代在讀了本發(fā)明后，對那些技術(shù)上熟練的人們是十分明顯的。所有這些修改和替代都被認(rèn)為是屬于本附加權(quán)利要求的合法范疇和精神。
權(quán)利要求
1.一個具有寬和扇形輻射模式的螺旋天線，其特征在于包括多個基于第一靜電耦合用分別以不同相位傳送多個平衡高頻信號到多個輻射導(dǎo)體的饋電導(dǎo)體；所述多個輻射導(dǎo)體分別以不同的相位輻射所述的平衡高頻信號；和一個具有所述多個安裝于其外壁的輻射導(dǎo)體和所述多個安裝于其內(nèi)壁的饋電導(dǎo)體的絕緣圓柱體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其特征在于所述多個饋電導(dǎo)體包括基于所述多個饋電導(dǎo)體和所述多個輻射導(dǎo)體之間的一靜電電容，用于靜電地與所述多個輻射導(dǎo)體耦合的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天線，其特征在于所述多個饋電導(dǎo)體進一步包括用于通過改變所述饋電導(dǎo)體的形狀調(diào)整所述靜電耦合的調(diào)整裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其特征在于所述多個輻射導(dǎo)體具有較短的長度和較少的圈數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其特征在于所述多個輻射導(dǎo)體用壓力膠粘合雙面膠帶粘到所述絕緣圓柱體上。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的天線，其特征在于所述長度是1.5λ(λ是一工作頻率的波長)和所述圈數(shù)是少于兩圈。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其特征在于所述絕緣圓柱體包括一個具有直徑小于0.1λ，一個長度小于1.5λ和厚度小于0.01λ的圓柱體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其特征在于進一步包括用第二靜電耦合連接到所述多個輻射導(dǎo)體的匹配裝置，用于調(diào)整所述螺旋天線的阻抗匹配。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的天線，其特征在于第二靜電耦合是通過修改所述匹配裝置的數(shù)量和位置來調(diào)整的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的天線，其特征在于所述匹配裝置包括至少一個安裝在所述絕緣圓柱體的內(nèi)表面上的導(dǎo)體。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其特征在于進一步包括一個用于經(jīng)過多個分配器以相移方式傳送多個信號到所述多個輻射導(dǎo)體的饋電電路。
12.一個具有寬扇形輻射模式的螺旋天線，其特征在于包括用于以各自的相移形式直接傳送多個平衡高頻信號到多個輻射導(dǎo)體的饋電裝置；所述多個輻射導(dǎo)體以不同的相位輻射所述平衡高頻信號；和一個具有安裝在其外壁上所述多個輻射導(dǎo)體的絕緣圓柱體。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的天線，其特征在于所述多個饋電導(dǎo)體包括基于所述多個饋電導(dǎo)體和所述多個輻射導(dǎo)體之間的一靜電電容，用于靜電地與所述多個輻射導(dǎo)體耦合的裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的天線，其特征在于所述多個饋電導(dǎo)體進一步包括用于通過改變所述饋電導(dǎo)體的形狀調(diào)整所述靜電耦合的調(diào)整裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的天線，其特征在于所述多個輻射導(dǎo)體具有較短的長度和較少的圈數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的天線，其特征在于所述的多個輻射導(dǎo)體用壓力膠粘合雙面膠帶粘到所述絕緣圓柱體上。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的天線，其特征在于所述長度是1.5λ(λ是一工作頻率的波長)和所述圈數(shù)是少于兩圈。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的天線，其特征在于所述絕緣圓柱體包括一個具有直徑小于0.1λ，一個長度小于1.5λ和厚度小于0.01λ的圓柱體。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的天線，其特征在于進一步包括用靜電耦合連接到所述多個輻射導(dǎo)體的匹配裝置，用于調(diào)整所述螺旋天線的阻抗匹配。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的天線，其特征在于所述靜電耦合通過修改所述匹配裝置的數(shù)量和位置來調(diào)整。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的天線，其特征在于所述匹配裝置包括至少一個安裝在所述絕緣圓柱體的內(nèi)表面上的導(dǎo)體。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的天線，其特征在于進一步包括一個用于經(jīng)過多個分配器以相移方式傳送多個信號到所述多個輻射導(dǎo)體的饋電電路。
23.一個具有非方向模式的螺旋天線，其特征在于包括基于第一靜電耦合，用于以各自2π/N[rad]的相移傳送多個平衡高頻信號到多個輻射導(dǎo)體的N個饋電導(dǎo)體(在這兒N是正整數(shù))；用于以各自所述相位輻射所述平衡高頻信號的所述多個輻射導(dǎo)體；和一個具有安裝于其外壁上的所述多個輻射導(dǎo)體和安裝于內(nèi)壁上的所述N個饋電導(dǎo)體的絕緣圓柱體。
全文摘要
一個具有寬扇形輻射模式的小型螺旋天線,其提供容易阻抗匹配和高輻射效率。它包括一個絕緣圓柱體;一個安裝在該絕緣圓柱體外表面的多個輻射導(dǎo)體;一個安裝于絕緣圓柱體上部內(nèi)表面為了消除感性電抗的匹配導(dǎo)體,和一個安裝于絕緣圓柱體下部內(nèi)表面靠近輻射導(dǎo)體并且降低該螺旋天線的阻抗的多個饋電導(dǎo)體。
文檔編號H01Q1/38GK1193826SQ9810101
公開日1998年9月23日 申請日期1998年3月16日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月14日
發(fā)明者倉本晶夫 申請人:日本電氣株式會社