CN1189980C - 用于高于200MHz频率的螺旋天线 - Google Patents

Abstract

一种用于在高于200MHz频率下工作的四线天线，具有在陶瓷芯部的圆柱表面上的四个纵向延伸的螺旋天线元件构成的天线元件结构。芯部由具有相对介电常数大于5的实心材料制成，并具有容放同轴馈线结构的轴向通道。馈线结构具有外导体、内介电绝缘材料以及内导体，所述整个结构将馈线连接到天线元件上。天线元件在一端通过形成为在芯部远端面上的金属轨迹的径向天线元件连接到馈线结构上，元件另一端连接到馈线结构上。管状塑料鞘围绕馈线结构设置，鞘外径与陶瓷芯部的内径匹配，而鞘内径与外导体内径相匹配，以便芯部和馈线结构之间的空间基本与空气隔离。套筒由相对介电常数小于芯部材料的相对介电常数的一半的材料制成，减弱了与馈线结构相关的降低天线效率的共振的影响。

Description

用于高于200MHZ频率的螺旋天线

                          技术领域

本发明涉及一种在高于200MHZ的频率上工作的天线，且更具体但非专门涉及一种在实心介电芯部的表面上或附近具有螺旋元件的天线。

                          背景技术

这种天线公开在我们共同申请的英国专利申请2292638A和2310543A中。它们的完整公开物合并于本申请中，以形成作为首先提交的本申请的主题的一部分。早期申请公开了各自具有一对或两对径向相对的螺旋天线元件的天线，该天线元件镀在相对介电常数大于5的大致圆柱形的电绝缘芯部上，且芯部的材料占据由芯部外表面限定的体积的大部分。馈线结构轴向穿过芯部且导电套筒形式的陷波器环绕芯部的一部分并在芯部的一端与馈线相连。在芯部的另一端，天线元件都连接到馈线结构上。每个天线元件终结在套筒的边缘上，每个都遵循相应的纵向延伸的路径。

这种天线可用于接收环形极化信号，包括由全球定位系统(GPS)的卫星发射的信号，该系统以1575MHZ频率发射。该天线也应用于例如在UHF电话频段工作的蜂窝电话的便携电话领域，如上述公开的申请所描述的。这些申请已经指出：在所关注的特定频率处，在陶瓷芯部内的馈线结构可以呈现其自身的共振点，如果该共振点靠近天线所需的频率，会降低天线的效率。

                        发明内容

本发明提供了一种天线，其中馈线结构与实心介电芯部的材料间隔开。尤其是，馈线结构是同轴传输导线，其设置有相对介电常数远低于芯部的介电材料的外鞘。以这种方式，例如同轴馈线结构的外导体的电长度借助于与芯部的高介电常数材料分隔开而有所改变，因此，其共振频率相对天线所需的工作频率而转移，以避免与所需的共振模式耦合，从而增强天线的效率。所提供的鞘的厚度与芯部的径向厚度相比较小，即，在鞘的外表面和芯部的外表面之间，由天线和在芯部的外表面上的或附近的元件产生的所需的共振基本不受影响。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于在高于200MHZ频率下工作的天线，包括相对介电常数大于5的实心材料的电绝缘天线芯部，设置在芯部的外表面上或附近并限定内部体积的三维天线元件结构，以及连接到元件结构上并穿过芯部的馈线结构，其中，馈线结构容放在通过芯部的通道内，并与通道壁通过介电层隔开，所述介电层的相对介电常数小于芯部实心材料的相对介电常数的一半。

优选的是，在本发明的天线中，馈线结构由塑料材料制成的管与通道隔开。芯部的实心材料的体积至少为由天线元件确定外壳的内容积的50％，且天线元件位于芯部的外圆柱表面上。

优选的是，在本发明的天线中，芯部的材料是陶瓷，该材料的相对介电常数大于10。

优选的是，天线元件结构包括多个确定以天线轴为中心的外壳的天线元件，且馈线结构与所述轴重合。

优选的是，在本发明的天线中，具有实心材料的圆柱形芯部，该芯部的轴向长度至少大于其外径，且实心材料的径向长度至少为外径的50％。芯部为具有直径小于其整个直径的一半的轴向通道的管的形式。

如下面所解释的，在将天线与不同的(信号)源或负载匹配方面，这种馈线结构给天线设计者在以极大的自由度。

                           附图说明

本发明将通过示例的方式参照附图加以描述，图中：

图1是根据本发明的天线的侧视图；

图2是天线的平面图；

图3是图1和2中的天线的馈线结构的侧视图；以及

图4是作为天线的馈线结构和芯部材料之间的隔离层的塑料鞘的侧视图。

                       具体实施方式

参照附图，根据本发明的四线(quadrifilar)天线具有四个纵向延伸的天线元件10A、10B、10C和10D构成的天线元件结构，所述天线元件形成为陶瓷芯部12的圆柱形外表面上的金属导体轨迹。该芯部具有轴向通道，且该通道容纳具有外导体16、内介电绝缘材料17和内导体18的同轴馈线。在这种情况下，内和外导体16，以及绝缘材料17形成用于将馈线连接到天线元件10A-10D上的馈线结构。天线元件结构也包括相应的径向天线元件10AR、10BR、10CR、10DR，这些径向天线元件形成为芯部12的远端面12D上的金属轨迹，将相应的纵向延伸的元件10A-10D连接到馈线结构上。天线元件10A-10D的另一端连接到为环绕芯部12的近端部镀上的套筒形式的公共虚拟接地导体20上。该套筒20又以下述的方式连接到馈线结构的外导体16上。

如从图1所见，四个纵向延伸元件10A-10D长度不同，两个元件10B、10D长于另两个元件10A、10C，是由于后者较靠近芯部12的近端延伸。每对元件10A、10C；10B，10D在芯轴的相对侧彼此径向相对。

为了保持螺旋元件10A-10D的基本均匀的辐射阻尼，每个元件遵循简单的螺旋路径。由于每个元件10A-10D在芯轴处对着相同的转角，在此为180°，或半圈，长元件10B、10D的螺距比短元件10A、10C的陡。套筒20的上沿或连接边缘20U高度不同(即，与近端面12P的距离变化)以提供分别对于长和短元件的连接点。从而，在本实施例中，连接边缘20U绕芯部12遵循Z字形路径，具有两个尖峰20P及两个凹处20T，在这些地方它分别与短元件10A、10C和长元件10B、10D相交。

每对纵向延伸的元件及其相对应的径向元件(例如10A、10R)构成具有预定电长度的导体。在本实施例中，其布置成每个具有较短长度的元件对10A、10AR；10C、10CR的总长度在工作波长对应于的大约135°的传输延迟，而每个元件对10B、10BR；10D、10DR产生较长的延迟，大致为225°。从而，平均传输延迟为180°，等于工作波长处λ/2的电长度。不同的长度为用于由微波杂志1970年12月刊49-54页的Kilgus的“共振四线天线设计”所阐述的圆极化信号的四线螺旋天线产生所需的相移条件。两个元件对10C、10CR；10D、10DR(即，一个长元件对和一个短元件对)在径向元件10CR、10DR的内端连接到在芯部12远端的馈线结构的内导体18上，而另两个元件对10A、10AR；10B、10BR的径向元件连接到由导体16形成的馈线屏蔽(screen)上。在馈线结构的远端，在内和外导体16、18上存在的信号基本平衡，以便天线元件连接到大致平衡的(信号)源或负载，如下所述。

由纵向延伸元件10A-10D的螺旋路径的左手指向，天线具有对于右手圆极化信号的最高的增益。如果天线另外要用于右手圆极化信号，螺旋的方向要反转且径向元件的连接图形要旋转90°。在天线适于接收左手和右手圆极化信号的情况下，纵向延伸的元件可以布置成遵循大致平行于轴线的路径。

导电套筒20覆盖天线芯部12的近端，从而围绕馈线结果16、18，且芯部12的材料填充套筒20和馈线结构外导体16之间的大部分空间。套筒20形成平均轴线长度1B的圆柱形，如图1所示，且其通过在芯部12的近端面上的导电板22连接到外导体16上。套筒20、板22和外导体16的组合形成整体的平衡-非平衡变换器，因此，在由馈线结构16、18形成的传输线内的信号在天线近端的不平衡状态和大致在距近端相同距离的轴线位置处，如在套筒的连接边缘20U处的近似平衡状态之间转换。为了达到这个效果，平均套筒长度1B为：在存在相对高的相对介电常数的底层芯部材料的情况下，平衡-非平衡变换器在天线的工作频率处具有λ/4的平均电长度，且围绕内导体18的环形空间填充有较低介电常数的绝缘介电材料17，套筒20远端的馈线结构具有较短的电长度。于是，在馈电结构16、18内的信号在套筒边缘20U的远点平衡。(如上，半刚性电缆中绝缘层的介电常数一般远低于陶瓷芯部材料，例如，PTFE的相对介电常数约为2.2)

本申请人发现套筒20的长度从λ/4的平均电长度改变对天线的性能一般没有太大影响。由套筒20形成的陷波器为元件10A-10D间的电流提供了沿连接边缘20U的路径，有效地形成了两个环路，第一个环路具有短元件10A、10C，而第二个具有长元件10B、10D。在四线共振时，电流最大值存在于元件10A-10D的端部以及在连接边缘20U之内，而电压最大值存在于大致边缘20U和天线远端中间的位置。由于套筒20产生近似四分之一波长的陷波器，边缘20U在其近端与接地导体有效绝缘。

为了减小陶瓷芯部材料对芯部12内的馈线材料的外导体16的电长度的影响，绕馈线结构16、18防止管形塑料鞘24。这起到改变信号在馈线结构中达到平衡的点的位置的作用，和改变外导体16的共振频率的作用。于是，鞘24的厚度和/或介电常数的选择允许平衡位置最佳。鞘24的外径与陶瓷芯部12的内径匹配，而鞘24的内径与外导体16的外径相匹配，以便基本将芯部12和馈电结构16、18之间的空间隔绝空气。鞘可以是单独模制的元件，具有中央管形部分24A、以及用于与远端和近端面12D、12P叠置一小部分的上和下凸缘24B、24C。这些凸缘镀有导电材料，以允许在远端处外导体16与径向元件10AR、10BR之间以及在近端处外导体16与芯部的电镀端面22之间进行焊接或其他形式的导电连接。

套筒由如下材料制成，该材料的相对介电常数小于芯部材料介电常数的一半，并一般为2或3的数量级。该材料落在能够抵抗焊接温度的热性塑料的种类中，以及在模制时适于表面催化以接收电镀的种类中。该材料也应具有在模制时的足够低的黏度以形成壁厚在0.5mms范围内的管。这种材料中的一种是PEI(聚酰胺酯)。该材料来自Dupont，商标Ultem。另一种材料是聚碳酸酯。

鞘24的管部24A的优选的壁厚为0.45mms，而也可以用其他的壁厚，这取决于陶瓷芯部12的直径以及模制工艺的限制等因素。为了使陶瓷芯部对天线的电特性具有明显的影响，并尤其是为了制造非常小尺寸的天线，鞘24的壁厚不应超过实心芯部12其内通道和其外表面之间的厚度。实际上，鞘的壁厚应小于芯部厚度的一半，优选地小于芯部厚度的20％。在本优选实施例中，鞘的壁厚为0.5mms，而芯部的厚度约为3.5mm。

为了制造简便，鞘可以构造成具有三个部分，即，横截面不变的中央管状部分、以及毗邻中央部分的端部环管，该环管至少防止在当鞘安装在芯部12之内时露出的表面上，以起到上面提及的电连接的作用。

如上所述，通过产生围绕介电常数比芯部的小的馈线结构16、18的外导体16的区域，芯部12对外导体16的电长度的影响，以及由此的对与导体16外侧相关的任何纵向共振点的影响被减弱。上述的紧密配合的鞘24确保了调谐的一致及稳定。由于与所需的工作频率相关的共振模式特征为径向即，芯轴的横向延伸的电压偶极，由于鞘的厚度比芯部的厚度小很多，至少在优选实施例中是这样的，小介电常数的鞘24对所需的共振模式的影响较小。因此，有可能使与馈线外导体16相关的线性共振模式与所需的共振模式解耦。

天线具有500MHZ或更高的主共振频率，共振频率由天线元件的有效电长度决定，而其宽度影响较小。对于给定的共振频率，元件的长度也取决于芯部材料的相对介电常数，天线的尺寸相对空气芯的类似结构的天线显著减小。

芯部12的优选材料是锆-锡-钛基材料。这种材料具有上述的相对介电常数36，并由其随温度变化的尺寸和电稳定性而著称。介电损失可以忽略。芯部可以由挤压或冲压而制成。

天线元件10A-10D、10AR-10DR为固定到芯部外圆柱和端面上的金属导体轨迹，每条轨迹在其工作长度上的宽度至少为其厚度的四倍。该轨迹通过首先在芯部的表面上镀上金属层，然后根据施加到感光层内的图形选择性地蚀刻掉金属层以露出芯部而形成，这与蚀刻印刷电路板的过程类似。另外，金属材料可以通过选择性淀积或印刷技术而施加。在所有情况下，轨迹作为在尺寸稳定的芯部外侧上的整体层而形成导致天线具有尺寸稳定的天线元件。

由芯部材料具有比空气高得多的相对介电常数，例如εr＝36，用于在1575MHZ上接收的L频段GPS的如上所述的天线一般芯部直径为10mm，且纵向延伸的天线元件10A-10D具有大约12mm的平均纵向(即，平行与中心轴)尺寸。在1575MHZ处，套筒20的长度一般在5mm范围内。天线元件10A-10D的精确尺寸可以在设计阶段在试验和误差基础上通过进行本征值测定直到获得所需的相位差而确定。馈线结构的直径在2mm的范围内。

天线制造的方法在上面提及的申请2292638A中描述。

Claims (32)

1.一种用于在高于200MHZ频率下工作的天线，包括相对介电常数大于5的实心材料的电绝缘天线芯部，设置在芯部的外表面上或附近并限定内部体积的三维天线元件结构，以及连接到元件结构上并穿过芯部的馈线结构，所述芯部的材料占据所述内部体积的大部分，其中，馈线结构容放在通过芯部的通道内，并与通道壁通过介电层隔开，所述介电层的相对介电常数小于芯部实心材料的相对介电常数的一半。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，馈线结构由塑料材料制成的管与通道隔开。

3.如权利要求2所述的天线，其特征在于，管延伸过芯部内馈线结构的整个长度。

4.如上述权利要求中任一项所述的天线，其特征在于，所述层的厚度小于芯部的通道壁和所述外表面之间的芯部厚度。

5.如权利要求4所述的天线，其中，所述层的厚度小于所述芯部厚度的20％。

6.如权利要求2或3所述的天线，其中，管材料为高温热塑性材料。

7.如权利要求2或3所述的天线，其特征在于，管具有露出的端部，其被电镀以在馈线结构和芯部之上的导电元件之间形成电连接。

8.如权利要求6所述的天线，其特征在于，管具有露出的端部，其被电镀以在馈线结构和芯部之上的导电元件之间形成电连接。

9.如权利要求1所述的天线，其特征在于，天线元件结构包括多个确定以天线轴为中心的外壳的天线元件，且馈线结构与所述轴重合。

10.如权利要求9所述的天线，其特征在于，芯部为圆柱形，而天线元件确定了与芯部同轴的圆柱形外壳。

11.如权利要求9或10所述的天线，其特征在于，芯部是圆柱体，其除了容纳馈线结构的轴向通道外是实心的。

12.如权利要求11所述的天线，其特征在于，芯部的实心材料的体积至少为由元件确定外壳的内容积的50％，且元件位于芯部的外圆柱表面上。

13.如权利要求9或10所述的天线，其特征在于，所述元件包括固定到芯部外表面上的金属导体轨迹。

14.如权利要求11所述的天线，其特征在于，所述元件包括固定到芯部外表面上的金属导体轨迹。

15.如权利要求1-5中任一项所述的天线，其特征在于，芯部的材料是陶瓷。

16.如权利要求15所述的天线，其特征在于，所述材料的相对介电常数大于10。

17.如权利要求1所述的天线，其特征在于，具有实心材料的圆柱形芯部，其轴向长度至少大于其外径，且实心材料的径向长度至少为外径的50％。

18.如权利要求17所述的天线，其特征在于，芯部为具有直径小于其整个直径的一半的轴向通道的管的形式。

19.如权利要求17或18所述的天线，其中，天线元件结构包括多个大致螺旋形的天线元件，这些元件形成为在轴向基本共同延伸的芯部外表面上的金属轨迹。

20.如权利要求19所述的天线，其特征在于，每个螺旋元件在其一端连接到馈线结构上，而在其另一端连接到至少一个其他的螺旋形元件上。

21.如权利要求20所述的天线，其特征在于，到馈线结构上的连接由大致径向的导电元件形成，且每个螺旋形元件连接到接地或虚拟接地导体上，所述导体对于所有的螺旋形元件是公共的。

22.如权利要求1-5中任一项所述的天线，其特征在于，芯部在轴向方向具有不变的外截面，且天线元件为镀在芯部表面上的导体。

23.如权利要求1-5中任一项所述的天线，其特征在于，包括由导电套筒形成的整体的平衡-非平衡转换器，该套筒在芯部长度一部分上从与芯部的所述相对端的馈线结构的连接处延伸。

24.如权利要求23所述的天线，其特征在于，所述平衡-非平衡转换器套筒形成用于纵向延伸导体元件的公共导体，且馈线结构包括具有内导体和外屏蔽导体的同轴导线，所述平衡-非平衡转换器的导电套筒在芯部的所述相对端连接到馈线结构外屏蔽导体上。

25.如权利要求1-5中任一项所述的天线，其特征在于，所述馈线结构为具有内和外导体的同轴传输导线，且天线还包括形成为包括馈线结构外导体的一体的平衡-非平衡转换器。

26.如权利要求25所述的天线，其特征在于，平衡-非平衡转换器还包括导体，其从与馈线结构外导体连接处沿着芯部外表面的长度延伸到在中间位置处的终端导体边缘。

27.如权利要求25所述的天线，其特征在于，平衡-非平衡转换器还包括在芯部长度的一部分上从与馈线结构外导体的连接处延伸的导电套筒。

28.如权利要求22所述的天线，其特征在于，芯部为圆柱形，而天线元件包括至少四个在芯部的圆柱形外表面上的纵向延伸的元件，所述元件与在芯部的远端面上的将纵向延伸元件连接到馈线结构的导体上的径向元件对应。

29.如权利要求23所述的天线，其特征在于，芯部为圆柱形，而天线元件包括至少四个在芯部的圆柱形外表面上的纵向延伸的元件，所述元件与在芯部的远端面上的将纵向延伸元件连接到馈线结构的导体上的径向元件对应。

30.如权利要求25所述的天线，其特征在于，芯部为圆柱形，而天线元件包括至少四个在芯部的圆柱形外表面上的纵向延伸的元件，所述元件与在芯部的远端面上的将纵向延伸元件连接到馈线结构的导体上的径向元件对应。

31.如权利要求28所述的天线，其特征在于，纵向延伸元件的长度不同。

32.如权利要求31所述的天线，其特征在于，天线元件包括四个纵向延伸的元件，其中两个中的每一个的长度都长于另两个中的每一个的长度。

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