專利名稱：用于高于200MHz頻率的螺旋天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在高于200MHz的頻率上工作的天線，且更具體但非專門地涉及一種在實(shí)心介電芯部的表面上或附近具有螺旋元件的天線。
背景技術(shù)：
這種天線公開在我們共同申請的待審英國專利申請2292638A和2310543A中。它們公開的全文結(jié)合于本申請中，以形成作為首次提交的本申請的主題的一部分。先前的申請公開了各自具有一對或兩對徑向相對的螺旋天線元件的天線，該天線元件鍍在材料相對介電常數(shù)大于5的大致圓柱形電絕緣芯部上，且芯部的材料占據(jù)由芯部外表面限定的體積的大部分。饋線結(jié)構(gòu)軸向穿過芯部且導(dǎo)電套筒形式的陷波器環(huán)繞芯部的一部分并在芯部的一端與饋線相連。在芯部的另一端，天線元件都連接到饋線結(jié)構(gòu)上。每個天線元件終結(jié)在套筒的邊緣上，每個都遵循相應(yīng)的縱向延伸的路徑。
這種天線可用于接收環(huán)形極化信號，包括由全球定位系統(tǒng)(GPS)的衛(wèi)星發(fā)射的信號，該系統(tǒng)以1575MHz頻率發(fā)射。該天線也應(yīng)用于例如在UHF電話頻段工作的蜂窩電話的便攜電話領(lǐng)域，如上述公開的申請所描述的。這些申請已經(jīng)指出在所關(guān)注的特定頻率處，在陶瓷芯部內(nèi)的饋線結(jié)構(gòu)可以呈現(xiàn)其自身的共振點(diǎn)，如果該共振點(diǎn)靠近天線所需的頻率，會降低天線的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種天線，其中饋線結(jié)構(gòu)與實(shí)心介電芯部的材料間隔開。尤其是，饋線結(jié)構(gòu)是同軸傳輸導(dǎo)線，其設(shè)置有相對介電常數(shù)遠(yuǎn)低于芯部的介電材料的外鞘。以這種方式，例如同軸饋線結(jié)構(gòu)的外導(dǎo)體的電長度借助于與芯部的高介電常數(shù)材料分隔開而有所改變，因此，其共振頻率相對天線所需的工作頻率而偏移，以避免與所需的共振模式耦合，從而增強(qiáng)天線的效率。鞘的厚度(在鞘的外表面和芯部的外表面之間)與芯部的徑向厚度相比較小，由天線和在芯部的外表面上或附近的元件產(chǎn)生的所需的共振基本不受影響。
如下面所解釋的，在將天線與不同的(信號)源或負(fù)載匹配方面，這種饋線結(jié)構(gòu)給天線設(shè)計(jì)者以極大的自由度。


本發(fā)明將通過示例的方式參照附圖加以描述，圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的天線的側(cè)視圖；圖2是天線的平面圖；圖3是圖1和2中的天線的饋線結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；以及圖4是作為天線的饋線結(jié)構(gòu)和芯部材料之間的隔離層的塑料鞘的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
參照附圖，根據(jù)本發(fā)明的四線(quadrifilar)天線具有四個縱向延伸的天線元件10A、10B、10C和10D構(gòu)成的天線元件結(jié)構(gòu)，所述天線元件形成為陶瓷芯部12的圓柱形外表面上的金屬導(dǎo)體軌跡。該芯部具有軸向通道，且該通道容納具有外導(dǎo)體16、內(nèi)介電絕緣材料17和內(nèi)導(dǎo)體18的同軸饋線。在這種情況下，內(nèi)和外導(dǎo)體16以及內(nèi)介電絕緣材料17形成用于將饋線連接到天線元件10A-10D上的饋線結(jié)構(gòu)。天線元件結(jié)構(gòu)也包括相應(yīng)的徑向天線元件10AR、10BR、10CR、10DR，這些徑向天線元件形成為芯部12的遠(yuǎn)端面12D上的金屬軌跡，將相應(yīng)的縱向延伸元件10A-10D的端部連接到饋線結(jié)構(gòu)上。天線元件10A-10D的另外端部連接到為環(huán)繞芯部12的近端部外覆的套筒形式的公共虛擬接地導(dǎo)體20上。該套筒20又以下述的方式連接到饋線結(jié)構(gòu)的外導(dǎo)體16上。
如從圖1所見，四個縱向延伸元件10A-10D長度不同，兩個元件10B、10D長于另兩個元件10A、10C，是由于后者較靠近芯部12的近端延伸。每對元件10A、10C；10B，10D在芯軸的相對側(cè)彼此徑向相對。
為了保持螺旋元件10A-10D的基本均勻的輻射阻尼，每個元件遵循簡單的螺旋路徑。由于每個元件10A-10D在芯軸處對著相同的轉(zhuǎn)角，在此為180°或半圈，長元件10B、10D的螺距比短元件10A、10C的陡。套筒20的上沿或連接邊緣20U高度不同(即，與近端面12P的距離變化)以提供分別為長和短元件提供連接點(diǎn)。從而，在本實(shí)施例中，連接邊緣20U繞芯部12遵循z字形路徑，具有兩個尖峰20P及兩個凹處20T，在這些地方它分別與短元件10A、10C和長元件10B、10D相交。
每對縱向延伸的元件及其相對應(yīng)的徑向元件(例如10A、10AR)構(gòu)成具有預(yù)定電長度的導(dǎo)體。在本實(shí)施例中，其布置成每個具有較短長度的元件對10A、10AR；10C、10CR的總長度在工作波長對應(yīng)于的大約135°的傳輸延遲，而每個元件對10B、10BR；10D、10DR產(chǎn)生較長的延遲，大致為225°。從而，平均傳輸延遲為180°，等于在工作波長λ/2的電長度。不同的長度為用于由微波雜志1970年12月刊49-54頁的Kilgus的“共振四線天線設(shè)計(jì)”所闡述的圓極化信號的四線螺旋天線產(chǎn)生所需的相移條件。兩個元件對10C、10CR；10D、10DR(即，一個長元件對和一個短元件對)在徑向元件10CR、10DR的內(nèi)端連接到在芯部12遠(yuǎn)端的饋線結(jié)構(gòu)的內(nèi)導(dǎo)體18上，而另兩個元件對10A、10AR；10B、10BR的徑向元件連接到由導(dǎo)體16形成的饋線屏蔽(screen)上。在饋線結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)端，在內(nèi)和外導(dǎo)體16、18上存在的信號基本平衡，以便天線元件連接到大致平衡的(信號)源或負(fù)載，如下所述。
由縱向延伸元件10A-10D的螺旋路徑的左手指向，天線具有對于右手圓極化信號的最高的增益。如果天線用于右手圓極化信號，螺旋的方向要反轉(zhuǎn)且徑向元件的連接圖形要旋轉(zhuǎn)90°。在天線適于接收左手和右手圓極化信號的情況下，縱向延伸的元件可以布置成遵循大致平行于軸線的路徑。
導(dǎo)電套筒20覆蓋天線芯部12的近端部分，從而圍繞饋線結(jié)構(gòu)16、18，且芯部12的材料填充套筒20和饋線結(jié)構(gòu)外導(dǎo)體16之間的大部分空間。套筒20形成平均軸線長度lB的圓柱形，如圖1所示，且其通過在芯部12的近端面上的鍍層(plating)22連接到外導(dǎo)體16上。套筒20、鍍層22和外導(dǎo)體16的組合形成整體的平衡—非平衡變換器，因此，在由饋線結(jié)構(gòu)16、18形成的傳輸線內(nèi)的信號在天線近端的不平衡狀態(tài)和大致在距近端相同距離的軸線位置處(在套筒的上連接邊緣20U處)的近似平衡狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。為了達(dá)到這個效果，平均套筒長度lB為在存在相對高的相對介電常數(shù)的底層芯部材料的情況下，平衡-非平衡變換器在天線的工作頻率處具有λ/4的平均電長度，且圍繞內(nèi)導(dǎo)體18的環(huán)形空間填充有較低介電常數(shù)的絕緣介電材料17，套筒20遠(yuǎn)端的饋線結(jié)構(gòu)具有較短的電長度。于是，在饋電結(jié)構(gòu)16、18內(nèi)的信號在套筒邊緣20U的遠(yuǎn)點(diǎn)平衡。(如上，半剛性電纜中絕緣層的介電常數(shù)一般遠(yuǎn)低于陶瓷芯部材料，例如，PTFE的相對介電常數(shù)約為2.2)本申請人發(fā)現(xiàn)套筒20的長度從λ/4的平均電長度改變對天線的性能一般沒有太大影響。由套筒20形成的陷波器為元件10A-10D間的電流提供了沿連接邊緣20U的環(huán)形路徑，有效地形成了兩個環(huán)路，第一個環(huán)路具有短元件10A、10C，而第二個具有長元件10B、10D。在四線共振時，電流最大值存在于元件10A-10D的端部以及在連接邊緣20U內(nèi)，而電壓最大值存在于大致邊緣20U和天線遠(yuǎn)端中間的位置。由于套筒20產(chǎn)生近似四分之一波長的陷波器，邊緣20U在其近端邊緣與接地導(dǎo)體有效絕緣。
為了減小陶瓷芯部材料對芯部12內(nèi)的饋線結(jié)構(gòu)的外導(dǎo)體16的電長度的影響，繞饋線結(jié)構(gòu)16、18放置管形塑料鞘24。這起到改變信號在饋線結(jié)構(gòu)中達(dá)到平衡的點(diǎn)的位置的作用，和改變外導(dǎo)體16的共振頻率的作用。于是，細(xì)則鞘24的厚度和/或介電常數(shù)可以使平衡位置最佳。鞘24的外徑與陶瓷芯部12的內(nèi)徑匹配，而鞘24的內(nèi)徑與外導(dǎo)體16的外徑相匹配，以便基本將芯部12和饋電結(jié)構(gòu)16、18之間的空間隔絕空氣。鞘可以是單一模制元件，具有中央管形部分24A、以及用于與遠(yuǎn)端和近端面12D、12P疊置一小部分的上凸緣24B和下凸緣24C。這些凸緣鍍有導(dǎo)電材料，以允許在遠(yuǎn)端處外導(dǎo)體16與徑向元件10AR、10BR之間以及在近端處外導(dǎo)體16與芯部的電鍍端面22之間進(jìn)行焊接或其他形式的導(dǎo)電連接。
套筒由如下材料制成，該材料的相對介電常數(shù)小于芯部材料介電常數(shù)的一半，并一般為2或3的數(shù)量級。該材料屬于能夠抵抗焊接溫度以及在模制時適于表面催化以接收電鍍的一類熱塑性塑料。該材料也應(yīng)具有在模制時的足夠低的粘度以形成壁厚在0.5mms范圍內(nèi)的管。這種材料中的一種是PEI(聚酰胺酯)。該材料來自Dupont，商標(biāo)Ultem。另一種材料是聚碳酸酯。
鞘24的管部24A的優(yōu)選壁厚為0.45mms，也可以采用其他的壁厚，這取決于陶瓷芯部12的直徑以及模制工藝的限制等因素。為了使陶瓷芯部對天線的電特性具有明顯的影響，并尤其是為了制造非常小尺寸的天線，鞘24的壁厚不應(yīng)超過實(shí)心芯部12在其內(nèi)通道和其外表面之間的厚度。實(shí)際上，鞘的壁厚應(yīng)小于芯部厚度的一半，優(yōu)選地小于芯部厚度的20％。在本優(yōu)選實(shí)施例中，鞘的壁厚為0.5mms，而芯部的厚度約為3.5mm。
為了制造簡便，鞘可以構(gòu)造成具有三個部分，即，橫截面不變的中央管狀部分、以及毗鄰中央部分端部的端部環(huán)管，該環(huán)管至少設(shè)置在當(dāng)鞘安裝在芯部12之內(nèi)時露出的表面上，以起到上面提及的電連接的作用。
如上所述，通過產(chǎn)生圍繞介電常數(shù)比芯部的小的饋線結(jié)構(gòu)16、18的外導(dǎo)體16的區(qū)域，芯部12對外導(dǎo)體16的電長度的影響，以及由此對與導(dǎo)體16外側(cè)相關(guān)的任何縱向共振的影響大大減弱。上述的緊密配合的鞘24確保了調(diào)諧的一致性及穩(wěn)定性。因?yàn)榕c所需的工作頻率相關(guān)的共振模式特征為徑向(即芯軸的橫向)延伸的電壓偶極，由于鞘的厚度比芯部的厚度小很多，至少在優(yōu)選實(shí)施例中是這樣的，小介電常數(shù)的鞘24對所需的共振模式的影響較小。因此，有可能使與饋線外導(dǎo)體16相關(guān)的線性共振模式與所需的共振模式解耦。
天線具有500MHz或更高的主共振頻率，共振頻率由天線元件的有效電長度決定，而其寬度影響較小。對于給定的共振頻率，元件的長度也取決于芯部材料的相對介電常數(shù)，天線的尺寸相對空氣芯的類似結(jié)構(gòu)的天線顯著減小。
芯部12的優(yōu)選材料是鋯-錫-鈦基材料。這種材料具有上述的相對介電常數(shù)36，并由其隨溫度變化的尺寸和電穩(wěn)定性而著稱。介電損失可以忽略。芯部可以由擠壓或沖壓而制成。
天線元件10A-10D、10AR-10DR為固定到芯部12外圓柱和端面上的金屬導(dǎo)體軌跡，每條軌跡在其工作長度上的寬度至少為其厚度的四倍。該軌跡通過首先在芯部的表面上鍍上金屬層，然后根據(jù)施加到感光層內(nèi)的圖形選擇性地蝕刻掉金屬層以露出芯部而形成，這與蝕刻印刷電路板的過程類似。另外，金屬材料可以通過選擇性淀積或印刷技術(shù)而施加。在所有情況下，軌跡作為在尺寸穩(wěn)定的芯部外側(cè)上的整體層而形成導(dǎo)致天線具有尺寸穩(wěn)定的天線元件。
由芯部材料具有比空氣高得多的相對介電常數(shù)，例如εr＝36，用于在1575MHz上接收的L頻段GPS的如上所述的天線一般芯部直徑為10mm，且縱向延伸的天線元件10A-10D具有大約12mm的平均縱向(即，平行于中心軸)尺寸。在1575MHz處，套筒20的長度一般在5mm范圍內(nèi)。天線元件10A-10D的精確尺寸可以在設(shè)計(jì)階段在試驗(yàn)和誤差基礎(chǔ)上通過進(jìn)行本征值測定直到獲得所需的相位差而確定。饋線結(jié)構(gòu)的直徑在2mm的范圍內(nèi)。
天線制造的方法在上面提及的申請2292638A中描述。
權(quán)利要求
1.一種用于在高于200MHz頻率下工作的天線，包括相對介電常數(shù)大于5的實(shí)心材料的電絕緣天線芯部，設(shè)置在芯部的外表面上或附近并限定內(nèi)部體積的三維天線元件結(jié)構(gòu)，以及連接到元件結(jié)構(gòu)上并穿過芯部的饋線結(jié)構(gòu)，其中，饋線結(jié)構(gòu)容放在通過芯部的通道內(nèi)，并與通道壁通過介電層隔開，所述介電層的相對介電常數(shù)小于芯部實(shí)心材料的相對介電常數(shù)的一半。
2.如權(quán)利要求1所述的天線，其特征在于，饋線結(jié)構(gòu)由塑料材料制成的管與通道壁隔開。
3.如權(quán)利要求2所述的天線，其特征在于，管延伸通過芯部內(nèi)饋線結(jié)構(gòu)的整個長度。
4.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的天線，其特征在于，所述層的厚度小于通道壁和所述外表面之間的芯部厚度。
5.如權(quán)利要求4所述的天線，其中，所述層的厚度小于所述芯部厚度的20％。
6.如權(quán)利要求2或3所述的天線，其中，管材料為高溫?zé)崴苄圆牧稀?br> 7.如權(quán)利要求2、3和6中任一項(xiàng)所述的天線，其特征在于，管具有露出的端部，其被電鍍以在饋線結(jié)構(gòu)和芯部之上的導(dǎo)電元件之間形成電連接。
8.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的天線，其特征在于，天線元件結(jié)構(gòu)包括多個確定以天線中軸為中心的外殼的天線元件，且饋線結(jié)構(gòu)與所述軸重合。
9.如權(quán)利要求8所述的天線，其特征在于，芯部為圓柱形，而天線元件確定了與芯部同軸的圓柱形外殼。
10.如權(quán)利要求8或9所述的天線，其特征在于，芯部是圓柱體，除了容納饋線結(jié)構(gòu)的軸向通道外其是實(shí)心的。
11.如權(quán)利要求10所述的天線，其特征在于，芯部的實(shí)心材料的體積至少為由元件確定外殼的內(nèi)部容積的50％，且元件位于芯部的外圓柱表面上。
12.如權(quán)利要求8到11中任一項(xiàng)所述的天線，其特征在于，所述元件包括固定到芯部外表面上的金屬導(dǎo)體軌跡。
13.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的天線，其特征在于，芯部的材料是陶瓷。
14.如權(quán)利要求13所述的天線，其特征在于，所述材料的相對介電常數(shù)大于10。
15.如權(quán)利要求1所述的天線，其特征在于，具有實(shí)心材料的圓柱形芯部，其軸向長度至少大于其外徑，且實(shí)心材料的徑向長度至少為外徑的50％。
16.如權(quán)利要求15所述的天線，其特征在于，芯部為具有直徑小于其整個直徑的一半的軸向通道的管的形式。
17.如權(quán)利要求15或16所述的天線，其特征在于，天線元件結(jié)構(gòu)包括多個大致螺旋形的天線元件，這些元件形成為在軸向基本共同延伸的芯部外表面上的金屬軌跡。
18.如權(quán)利要求17所述的天線，其特征在于，每個螺旋元件在其一端連接到饋線結(jié)構(gòu)上，而在其另一端連接到至少一個其他的螺旋形元件上。
19.如權(quán)利要求18所述的天線，其特征在于，與饋線結(jié)構(gòu)的連接由大致徑向的導(dǎo)電元件形成，且每個螺旋形元件連接到接地或虛擬接地導(dǎo)體上，所述導(dǎo)體對于所有的螺旋形元件是公共的。
20.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的天線，其特征在于，芯部在軸向方向具有不變的外截面，且天線元件為鍍在芯部表面上的導(dǎo)體。
21.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的天線，其特征在于，包括由導(dǎo)電套筒形成的整體的平衡-非平衡轉(zhuǎn)換器，該套筒從與芯部的所述相對端的饋線結(jié)構(gòu)的連接處在芯部長度一部分上延伸。
22.如權(quán)利要求21所述的天線，其特征在于，所述平衡-非平衡轉(zhuǎn)換器套筒形成用于縱向延伸導(dǎo)體元件的公共導(dǎo)體，且饋線結(jié)構(gòu)包括具有內(nèi)導(dǎo)體和外屏蔽導(dǎo)體的同軸導(dǎo)線，所述平衡-非平衡轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)電套筒在芯部的所述相對端連接到饋線結(jié)構(gòu)外屏蔽導(dǎo)體上。
23.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的天線，其特征在于，所述饋線結(jié)構(gòu)為具有內(nèi)和外導(dǎo)體的同軸傳輸導(dǎo)線，且天線還包括形成為包括饋線結(jié)構(gòu)外導(dǎo)體的一體的平衡-非平衡轉(zhuǎn)換器。
24.如權(quán)利要求23所述的天線，其特征在于，平衡-非平衡轉(zhuǎn)換器還包括導(dǎo)體，其從與饋線結(jié)構(gòu)外導(dǎo)體的連接處延伸到位于芯部外表面的長度的一部分處的終端導(dǎo)體邊緣。
25.如權(quán)利要求23所述的天線，其特征在于，平衡-非平衡轉(zhuǎn)換器還包括在芯部長度的一部分上從與饋線結(jié)構(gòu)外導(dǎo)體的連接處延伸的導(dǎo)電套筒。
26.如權(quán)利要求20-25中任一項(xiàng)所述的天線，其特征在于，芯部為圓柱形，而天線元件包括至少四個在芯部的圓柱形外表面上的縱向延伸元件，以及在芯部的遠(yuǎn)端面上將縱向延伸元件分別連接到饋線結(jié)構(gòu)導(dǎo)體上的對應(yīng)徑向元件。
27.如權(quán)利要求26所述的天線，其特征在于，縱向延伸元件的長度不同。
28.如權(quán)利要求27所述的天線，其特征在于，天線元件包括四個縱向延伸的元件，其中兩個的長度長于另兩個。
29.一種大致如在此描述和附圖所示的結(jié)構(gòu)和布置的天線。
全文摘要
一種用于在高于200MHz頻率下工作的四線天線,具有在陶瓷芯部的圓柱表面上的四個縱向延伸的螺旋天線元件構(gòu)成的天線元件結(jié)構(gòu)。芯部由具有相對介電常數(shù)大于5的實(shí)心材料制成,并具有容放同軸饋線結(jié)構(gòu)的軸向通道。饋線結(jié)構(gòu)具有外導(dǎo)體、內(nèi)介電絕緣材料以及內(nèi)導(dǎo)體,所述整個結(jié)構(gòu)將饋線連接到天線元件上。天線元件在一端通過形成為在芯部遠(yuǎn)端面上的金屬軌跡的徑向天線元件連接到饋線結(jié)構(gòu)上,元件另一端連接到饋線結(jié)構(gòu)上。管狀塑料鞘圍繞饋線結(jié)構(gòu)設(shè)置,鞘外徑與陶瓷芯部的內(nèi)徑匹配,而鞘內(nèi)徑與外導(dǎo)體內(nèi)徑相匹配,以便芯部和饋線結(jié)構(gòu)之間的空間基本與空氣隔離。套筒由相對介電常數(shù)小于芯部材料的相對介電常數(shù)的一半的材料制成,減弱了與饋線結(jié)構(gòu)相關(guān)的降低天線效率的共振的影響。
文檔編號H01Q1/38GK1340225SQ0080356
公開日2002年3月13日 申請日期2000年2月3日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月8日
發(fā)明者奧利弗·P·萊斯坦, 約翰·C·瓦達(dá)索格洛 申請人:薩蘭特爾有限公司