專利名稱：平衡的小口面復(fù)合天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明敘述用于小型輕便通信接收機(jī)的天線并且詳細(xì)敘述了具有平衡的磁場(chǎng)和電場(chǎng)響應(yīng)特性的小口面復(fù)合天線。
用于小型輕便通信接收機(jī)(例如pager)的天線一般是用僅僅對(duì)入射電磁波的磁場(chǎng)(H)分量有最佳響應(yīng)的磁環(huán)天線。這種以前技術(shù)的磁環(huán)天線是用園的或平的導(dǎo)體制造的以形成單環(huán)或者多環(huán)天線，在磁環(huán)天線中，有的用像鐵氧體芯子這樣的磁性材料，而有的則不用。設(shè)計(jì)時(shí)選擇用還是不用這種芯子主要由工作頻率和在接收機(jī)的罩內(nèi)容納天線所需的空間來決定的。由于這些小型輕便通信接收機(jī)一般總是隨身攜帶的，例如放在襯衫的口袋中，或者夾在皮帶上，通常調(diào)諧這環(huán)形天線以便與電磁場(chǎng)中圍繞人體的磁場(chǎng)耦合，因而增強(qiáng)了接收機(jī)的靈敏度。雖然這種輕便通信接收機(jī)從“人體增強(qiáng)”效應(yīng)得到好處，但是當(dāng)接收機(jī)從人體上取下來時(shí)，或者當(dāng)這種輕便通信接收機(jī)放在桌子上時(shí)工作在自由場(chǎng)模式中，這種好處是以降低靈敏度為代價(jià)的。
在具有相當(dāng)大的環(huán)形天線截面積的輕便通信接收機(jī)中，雖然以前技術(shù)的天線設(shè)計(jì)已經(jīng)提供了足夠的性能，但是在設(shè)計(jì)具有非常小的口面，例如薄片狀的(如信用卡式的Pager)的輕便通信接收機(jī)時(shí)接收機(jī)罩內(nèi)所遇到的，這些設(shè)計(jì)已經(jīng)證明是不足的。因此需要一種在那樣的小口面輕便通信接收機(jī)中能夠簡(jiǎn)單制造并提供極好的性能的天線。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一個(gè)具有良好靈敏度的小口面天線。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)可工作在寬的頻率范圍上的小口面天線。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)不論是裝在身上還是離開人體都具有良好的靈敏度的小口面天線。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一個(gè)磁場(chǎng)和電場(chǎng)都具有最佳響應(yīng)特性的小口面天線。
本小口面的輕便通信接收機(jī)的天線就其實(shí)現(xiàn)以上這些以及其它目的以后將會(huì)更清楚。該天線包括做成單圈環(huán)形天線的導(dǎo)體，單圈環(huán)形天線具有面對(duì)面相互平行的第一組邊和面對(duì)面相互平行的第二組邊，第一組邊顯著地長(zhǎng)于第二組邊。環(huán)形天線終于在對(duì)稱于第一組邊中點(diǎn)的連接接片上，為的是與接收機(jī)聯(lián)結(jié)。一個(gè)介質(zhì)芯子插入環(huán)形天線中，充分地填滿環(huán)形天線。在環(huán)形天線中具有芯子后，該環(huán)形天線起半波電偶極子的作用，因而提供了一個(gè)對(duì)磁場(chǎng)波的磁場(chǎng)和電場(chǎng)都敏感的小口面天線。
被認(rèn)為是新型的本發(fā)明的特征在以下附加的權(quán)利要求中詳細(xì)地提出。發(fā)明的本身以及它的諸目的的和優(yōu)點(diǎn)通過參照下面的敘述連同附加可以更好的了解，在不同的圖中同樣的參考數(shù)字表示相同的元件，在這些圖中

圖1是本發(fā)明的所推薦的具體實(shí)現(xiàn)的等大的圖。
圖2a是展示本發(fā)明推薦的具體實(shí)現(xiàn)的另一圖解。
圖2B是沿圖2A的A-A線所取的剖面圖。
圖2C是沿圖2A的B-B線所取的剖面圖。
圖3是展示本發(fā)明推薦的具體實(shí)現(xiàn)與接收機(jī)的電連接的示意圖。
圖4是本發(fā)明推薦的具體實(shí)現(xiàn)與其他常規(guī)天線形狀的性能比較表。
圖5是本發(fā)明推薦的具體實(shí)現(xiàn)用和不用介質(zhì)芯的性能比較表。所推薦的具體實(shí)現(xiàn)的描述關(guān)于這些圖，圖1～5說明了本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)和特性，小口面復(fù)合天線提供了一個(gè)對(duì)電磁波的磁場(chǎng)分量和電場(chǎng)分量平衡響應(yīng)的特性。參照?qǐng)D1，該圖展示了本發(fā)明推薦的具體實(shí)現(xiàn)的一個(gè)等大的視圖，一個(gè)小口面天線10可以高效地工作在從150MHZ到1000MHZ的寬頻帶上。如所示的，天線10包括一個(gè)芯子16和一個(gè)導(dǎo)體14。導(dǎo)體14做成一個(gè)單圈環(huán)形天線，該天線具有大體上面對(duì)面水平平行的邊15和17A-B以及大體上面對(duì)面垂直平行的邊19和21。邊17A-B終止在整體的連接接片18上，它對(duì)稱地配置在邊17的中點(diǎn)左右，因而提供了一個(gè)中央饋電的天線結(jié)構(gòu)。這種單圈環(huán)形天線作為磁偶極子工作在常規(guī)的方式中。然而，如所示的，此環(huán)形天線的形狀是非常規(guī)的，它具有非常小的口面，這在薄片狀接收機(jī)中是需要的，并且與天線的連接是在環(huán)形天線的中點(diǎn)，而不是像以前典型的做法那樣是環(huán)形天線的末端。中央饋電的外形的選擇不是任意的，而是根據(jù)當(dāng)環(huán)形天線的各邊長(zhǎng)的縱橫比也就是水平放置的邊15和17顯著長(zhǎng)于垂直放置的邊19和21時(shí)天線靈敏度得到相當(dāng)大的改進(jìn)超過末端饋電的結(jié)構(gòu)這個(gè)事實(shí)，這些將會(huì)參照?qǐng)D5給于討論的。
更加詳細(xì)的考慮圖1，導(dǎo)體14、合成連接接片18，能夠用一個(gè)合適的方法形成，例如通過從一片平的薄導(dǎo)電材料或者一張金屬例如銅或鈹銅上沖壓出來。能夠使用園形的導(dǎo)體。然而，正如具有一般技藝的人了解的那樣，平板導(dǎo)體允許一個(gè)更薄截面的天線而保持最低的阻抗。導(dǎo)體14可以適當(dāng)?shù)乇浑婂?，例如用銅，鎳和錫以提供一個(gè)耐用的表面，該表面很容易地焊到相連的導(dǎo)體20上，導(dǎo)體20提供了與接收機(jī)的連接，為了直觀起見導(dǎo)體20被畫在印刷電路板12上。應(yīng)該注意到連接接片18的外形對(duì)天線10的性能并不是起決定性的，連接的其它形式例如焊接或者熔接單獨(dú)的導(dǎo)線或者導(dǎo)體到天線10上也一樣可以工作。
芯子16，基本上具有矩形截面垂直于由導(dǎo)體14構(gòu)成的環(huán)形天線的平面，芯子16插在導(dǎo)體14的邊15和17以及邊19和21之間。芯子16也可以具有開過槽的或者切成園角的邊緣以適當(dāng)架設(shè)或者其它實(shí)際的需要而并不影響天線10的性能。芯子16由介質(zhì)材料做成，這種材料提供了一些關(guān)于天線10的性能的作用。由芯子16提供的第一個(gè)作用是使失諧減至最小，也就是當(dāng)接收機(jī)靠近人體的時(shí)候，天線10調(diào)諧的中心頻率的失諧減至最小。天線的失諧被減至最小后不論放在人體上還是離開人體天線都能調(diào)到最佳性能上。這樣由于接收機(jī)不是在天線被最佳調(diào)諧的條件下工作，所引起的靈敏度的損失不會(huì)反過來影響天線靈敏度。由芯子16形成的第二個(gè)作用是提供一種天線10的阻抗最佳化的方法。這種最佳化使得天線與接收機(jī)的匹配比常規(guī)的環(huán)形天線更加容易。芯子16的第三個(gè)和最重要的作用是天線的電場(chǎng)響應(yīng)最佳化，因而提高了全部天線性能。通過具有對(duì)連接接片18對(duì)稱的臂23和25的半波長(zhǎng)電偶極子的形成達(dá)到了這個(gè)作用。通過適當(dāng)?shù)剡x擇偶極子的臂23和25的長(zhǎng)度和適當(dāng)選擇芯子16的相對(duì)介電常數(shù)，對(duì)于在150MHZ到1000MHZ的工作頻帶內(nèi)的任何頻率都能使電偶極子的響應(yīng)最佳化。這些作用將在說明書中更加詳細(xì)的敘述。
一層薄的粘附膜可以加到導(dǎo)體14上以便可靠地安置芯子16在導(dǎo)體14中，而在圖1中并沒有表示出來。
現(xiàn)在參考圖2該圖是圖1的頂視圖，詳細(xì)說明了本發(fā)明推薦的具體實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。如圖2A所示，芯子16裝在導(dǎo)體14的里面，組成天線10。天線10再裝入印刷電路板12的切口13內(nèi)。印刷電路板12與天線10一起裝入外殼11內(nèi)。外殼11可以用易彎的材料組成，例如用塑料、聚碳酸脂或者聚碳酸脂纖維做。切口13使得外殼11的厚度減至最薄如圖2B所示，并且進(jìn)一步減少天線10與接收機(jī)的相互影響。組成連接接片18以便讓天線10裝入切口13中而且使它與印刷電路的導(dǎo)體20相連，如圖2C所示。具有一般技藝的人會(huì)了解到天線10可以水平地旋轉(zhuǎn)180°，因而使連接接片18從頂上到印刷電路板12不會(huì)影響天線性能。
如圖2B所示，導(dǎo)體14在適當(dāng)?shù)仉婂円院笥幸粋€(gè)0.118英寸的寬度27與一個(gè)0.010英寸的厚度29。由導(dǎo)體14構(gòu)成的環(huán)的內(nèi)部尺寸是0.143英寸(邊19或21)乘2.6英寸(邊15)，環(huán)的邊的之縱橫比大約是180與環(huán)的尺寸近似相同的介質(zhì)芯子16裝入環(huán)內(nèi)。介質(zhì)芯子16具有0.118英寸乘0.245英寸的截面，因此，延長(zhǎng)到導(dǎo)體14的邊緣以外。介質(zhì)芯子16是高介電常數(shù)材料，例如通用電氣公司制造的鋁硅鎂合金192、它的相對(duì)介電常數(shù)ε大約是100。所選的環(huán)形天線的長(zhǎng)度以及芯子的介電常數(shù)提供了一個(gè)工作在280MHZ工作頻率的半波電偶極子，并且使天線阻抗為10歐姆。具有一般技藝的人會(huì)了解當(dāng)工作頻率增加時(shí)，由于具有一個(gè)不變的相對(duì)介電常數(shù)的芯子，本發(fā)明所考慮制造的矩形環(huán)形天線的尺寸應(yīng)該減小。而且，可利用具有相對(duì)介電常數(shù)在3到250之間的各種介質(zhì)材料來控制天線的大小。當(dāng)使用比較低的相對(duì)介電常數(shù)芯子時(shí)為了保持相等的天線靈敏度工作在固定工作頻率上的天線尺寸就要增加。而且，當(dāng)使用具有相對(duì)介電常數(shù)ε大于3的芯子時(shí)，芯子的寬度不需要延長(zhǎng)到導(dǎo)體14的寬度之外。為了防止邊緣現(xiàn)象，芯子16的寬度最低限度必需是導(dǎo)電14的寬度。用適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)芯子，正如在平行的窄條線中所發(fā)生的，相對(duì)電場(chǎng)基本上被限制在環(huán)形天線的各邊之間，這時(shí)大大降低了通常關(guān)心的如以前講過的當(dāng)接收機(jī)靠近人體時(shí)的相互影響。
為了說明起見，一個(gè)工作在280MHZ頻率上的天線將用來敘述圖3的電路，以及圖4和圖5所示的性能特性。然而，指出天線10工作在200MHZ到1000MHZ頻率內(nèi)具有幾乎相同的特性這一點(diǎn)是很重要的。圖3顯示關(guān)于電路調(diào)諧和天線10對(duì)接收機(jī)的匹配的電的簡(jiǎn)圖。天線10的工作頻率是由跨接在天線10的輸出端(或者連接接片18的兩端)的可變電容22和連接天線10的第一輸出端與地的電容器24決定的。可變電容22用來調(diào)諧精確的中心工作頻率。對(duì)于280MHZ的工作頻率可變電容22的容量是2Pf至10Pf。電容24的容量會(huì)從1Pf到3Pf，這取決于隨芯子16的相對(duì)介電常數(shù)而變化的實(shí)際天線阻抗。連接在天線10的第二個(gè)輸出端與地之間的電容26和連接在天線10的第二個(gè)輸出端與射頻放大器30的輸入端之間的電容28用來對(duì)天線10的輸出阻抗和射頻放大器30的輸入阻抗進(jìn)行匹配，這對(duì)一個(gè)具有通常技藝的人來說是熟知的。
如前所述，中心饋電矩形環(huán)形天線結(jié)構(gòu)要比末端饋電矩形環(huán)形天線結(jié)構(gòu)好。圖4顯示了對(duì)于沒有介質(zhì)芯子的環(huán)形天線31～33的這種比較。一個(gè)同樣面積的園形環(huán)形天線31用作比較的參考天線。所有要比較的天線具有同樣大小的截面積并且在電磁場(chǎng)中作三種取向使電場(chǎng)響應(yīng)和磁場(chǎng)響應(yīng)最大、使單一磁場(chǎng)或者磁場(chǎng)為主的響應(yīng)以及使單一電場(chǎng)或者電場(chǎng)為主的響應(yīng)。如圖4所示，園形的環(huán)形天線31的響應(yīng)具有好的磁場(chǎng)為主的靈敏度和差的電場(chǎng)為主靈敏度。是予期的，電場(chǎng)加磁場(chǎng)聯(lián)合的靈敏度僅僅反應(yīng)磁場(chǎng)為主的靈敏度也是予期的。可以發(fā)現(xiàn)末端饋電矩形環(huán)形天線的電場(chǎng)加磁場(chǎng)靈敏度比園形環(huán)形天線差3.5dB，而電場(chǎng)的結(jié)果是相似的。雖然磁場(chǎng)為主的靈敏度沒有測(cè)量，電場(chǎng)加磁場(chǎng)的聯(lián)合靈敏度的測(cè)量結(jié)果就表明磁場(chǎng)為主靈敏度是比較差的。這個(gè)結(jié)果應(yīng)該是所予期的，因?yàn)?，與相同面積的環(huán)形天線相比，矩形環(huán)路天線因?qū)w的長(zhǎng)度而具有較高的阻抗。通過比較，中央饋電矩形環(huán)形天線14提供了磁場(chǎng)加電場(chǎng)靈敏度比園形環(huán)形天線好0.5dB的結(jié)果，部分的原因是至沒有介質(zhì)芯子的情況下顯著地增加了電場(chǎng)靈敏度。當(dāng)與末端饋電矩形環(huán)形天線的結(jié)果相比，磁場(chǎng)為主的靈敏度的降低同樣也是很小的，注意到這一點(diǎn)也是很重要的。
當(dāng)介質(zhì)芯子16放入導(dǎo)體14中時(shí)，如前所述，電偶極子效應(yīng)能夠最佳化。通過適當(dāng)選擇介質(zhì)材料，中央饋電矩形環(huán)形天線的臂能夠做成在280MHZ的二分之一波長(zhǎng)工作的電偶極子，這個(gè)頻率是本發(fā)明推薦的具體實(shí)現(xiàn)的工作頻率。圖5A到5C用表來表示由最佳電偶極子響應(yīng)得到的總的靈敏度。為了測(cè)量電場(chǎng)加磁場(chǎng)的靈敏度和電場(chǎng)為主的靈敏度以及磁場(chǎng)為主的靈敏度，中央饋電矩形環(huán)形天線允許獨(dú)立測(cè)量每個(gè)靈敏度的取向也示于圖5。通過將天線10垂直地放入垂直極化電磁場(chǎng)中，磁偶極子和電偶極子都被定向以截取入射的電磁波。如圖5A所示，展示了被測(cè)量的磁場(chǎng)加電場(chǎng)靈敏度，當(dāng)芯子插入天線中時(shí)，有1dB的改進(jìn)。如圖5B所示，將天線10旋轉(zhuǎn)90°即平行于磁場(chǎng)放置天線在電場(chǎng)為主的位置，結(jié)果是電場(chǎng)為主靈敏度大致有2.5dB的改近。將天線旋轉(zhuǎn)到水平位置垂直于磁場(chǎng)，如圖5C所示，測(cè)量磁場(chǎng)為主的靈敏度，如圖中表示的，磁場(chǎng)為主的靈敏度在磁場(chǎng)靈敏度上僅僅只有0.5dB的減小。由于電偶極小效應(yīng)的最佳化，電場(chǎng)和磁場(chǎng)靈敏度已經(jīng)平衡了，并且總的電場(chǎng)加磁場(chǎng)靈敏度比相同面積的園形環(huán)形天線好1.5dB。
雖然本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)敘述了一個(gè)具有邊的縱橫比為18∶1的天線，但是對(duì)于縱橫比為10∶1成者更大也能得到相同的性能特性。然而，應(yīng)該知道，縱橫比越小，天線的斷面就越厚。
雖然本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)已經(jīng)展示并描述過了，但是對(duì)于精于技藝的人們，進(jìn)一步的修改和改進(jìn)將會(huì)產(chǎn)生。凡是保留在這所披露和要求的基本原理中的所有修改都在本發(fā)明的范圍和精神之中。
權(quán)利要求
1.用于薄的輕便通信接收機(jī)的一個(gè)天線包括一個(gè)做成單圈矩形環(huán)形天線的導(dǎo)體，單圈矩形環(huán)形天線具有第一組兩個(gè)面對(duì)面互相平行的邊，其中所說的第一組邊顯著地長(zhǎng)于第二組邊，所說的環(huán)形天線終止在連接接片，對(duì)稱地位于所說的第一組邊的中點(diǎn)左右，作為與接收機(jī)的連接；和一個(gè)插入所說的環(huán)形天線中并且充分地填滿所說的環(huán)形天線的介質(zhì)芯子。
2.按照權(quán)利要求1的天線其中所說的導(dǎo)體是平板金屬。
3.按照權(quán)利要求2的天線其中所說的金屬板是鈹銅。
4.按照權(quán)利要求1的天線其中所說的介質(zhì)芯子具有矩形截面垂直于所說的環(huán)形天線的平面。
5.按照權(quán)利要求4的天線其中所說的介質(zhì)芯子的寬度至少是所說的導(dǎo)體寬度。
6.按照權(quán)利要求1的天線其中所說的介質(zhì)芯子具有3到250的相對(duì)介電常數(shù)。
7.按照權(quán)利要求1的天線其中接收機(jī)工作在預(yù)定的工作頻率上，其中所說的具有介質(zhì)芯子的環(huán)形天線作為諧振在所說的予定的工作頻率上的半波電偶極子工作的，所說的電偶極子對(duì)于所說的連接接片是對(duì)稱的。
8.按照權(quán)利要求7的天線其中所說的予定的工作頻率大于150MHZ。
9.按照權(quán)利要求1的天線其中所說的天線當(dāng)它在入射的電磁波中工作時(shí)它具有一個(gè)主要的磁場(chǎng)響應(yīng)垂直于要接收的入射電磁波。
10.按照權(quán)利要求1的天線其中所說的天線當(dāng)它在入射的電磁波中工作時(shí)它具有一個(gè)主要的電場(chǎng)響應(yīng)平行于要接收的入射電磁波。
11.按照權(quán)利要求1的天線其中所說的水平位置的邊和所說的垂直放置的邊之間的所說的縱橫比至少是10∶1。
12.按照權(quán)利要求1的天線其中所說的天線調(diào)諧在中心頻率在人體出現(xiàn)的時(shí)候是穩(wěn)定的。
全文摘要
本文敘述了一個(gè)用于小的斷面的輕便通信接收機(jī)的天線。該天線包括一個(gè)構(gòu)成單圈環(huán)形天線的導(dǎo)體，此單圈環(huán)形天線具有第一組面對(duì)面互相平行的邊和第二組面對(duì)面互相平行的邊，第一組邊顯著地長(zhǎng)于第二組邊。環(huán)形天線終止于對(duì)第一組邊的連接接片上，作為(3)與接收機(jī)的連接。一個(gè)介質(zhì)芯子插入環(huán)形天線中，充分地填滿環(huán)形天線。在環(huán)形天線中具有芯子后此環(huán)形天線作為半波電偶極子工作，因而提供了對(duì)電磁波的磁場(chǎng)和電場(chǎng)都敏感的天線。
文檔編號(hào)H01Q1/24GK1037054SQ8910207
公開日1989年11月8日 申請(qǐng)日期1989年4月5日 優(yōu)先權(quán)日1988年4月11日
發(fā)明者土安·K·恩古伊恩, 奎里諾·巴爾扎諾 申請(qǐng)人:莫托羅拉公司