CN101278442A - 天线和天线馈电结构 - Google Patents

Abstract

一种介质负载的螺旋形天线，该天线具有圆柱形的陶瓷核，用于支撑镀金属的螺旋形天线元件，该天线元件耦合到轴向穿过核的同轴馈电器结构。为层叠板形式的阻抗匹配部分固定到核的端面。匹配部分利用分流电容和串联电感。

Description

天线和天线馈电结构

技术领域

本发明大体涉及一种介质负载的天线，还涉及一种用于这种天线的馈电结构，以及一种制造这种介质负载的天线的方法。

背景技术

英国专利申请No.2292638A和No.2310543A公开了在超过200MHz的频率操作的介质负载的天线。每个天线具有两对径向相对的螺旋状的天线元件，该螺旋状的天线元件被镀在由具有大于5的相对介电常数的材料制成的大体圆柱形的电绝缘核上。核的材料占据了由核的外表面所限定的容积的主要部分。包含共轴馈电结构的轴向孔从一个端面延伸通过核到相对的端面，其中该共轴馈电结构包括被屏蔽导体包围的内部导体。在核的一端，馈电结构导体被连接到各个天线元件，这些天线元件靠近孔的端部具有相关联的连接部。在孔的另一端，屏蔽导体连接到与天线元件连接的导体，并且在这些示例中是导电套的形式，这些导电套包围核的部分从而形成不平衡变压器(balun)。每个天线元件终止于套的边沿，并且从其连接到馈电结构形成各自的螺旋形的通道。

英国专利申请No.2367429A公开了一种天线，其中，屏蔽导体与孔的壁间隔开，优选是通过具有小于核的实心材料的相对介电常数一半的相对介电常数的塑料材料管来隔开。

具有相似的馈电结构和不平衡变压器布置的介质负载的环形天线在GB2309592A，GB2338605A，GB2351850A和GB2346014A中公开。这些天线中的每个的共同特性在于具有镀金属的导体元件，该元件围绕核设置并且从穿过该核的馈电结构顶部馈电。导体元件限定了由核所占据的内部容积，并且核的所有表面具有镀金属的导体元件。不平衡变压器提供了天线元件与连接到馈电结构的装置的共模绝缘，使得天线特别适合小的手持装置。

至今，形成在天线中的馈电结构形成如下。首先，凸缘的连接衬套(其外表面电镀)通过放置在孔的端部而与核相配合，其中在该孔的端部处进行馈电连接。然后，细长的管状垫圈从另一端(底端)插入进孔中。接着，预定的特性阻抗的同轴线剪切成一定长度，内导体的裸露部在一端弯曲成U形。同轴电缆的形成部分插入到孔内，并且来自上面和整个顶部连接的细长的管状垫圈在两个连接步骤中焊接：(a)将内导体的弯曲部分焊接到在核的顶表面上的天线元件的连接部分，以及(b)将凸缘衬套焊接到屏蔽导体且进一步焊接到在核的顶表面上的天线元件的连接部。然后，将核反转，第二电镀的衬套装配在电缆的外屏蔽导体上，在这里它在核的相对端从内导体的弯曲部分暴露，从而邻接核的电镀的底端面。最后，将该第二衬套焊接到外部屏蔽导体，并且焊接到核的电镀的底端面。

在现有应用中所公开的天线设计的一个目标是尽可能贴近地为天线元件实现平衡源或者负载。尽管不平衡变压器套一般用于实现这种平衡，但是由于同轴馈电器结构的特性阻抗和其长度的限制，会发生一些电抗性的不平衡。其他的有用的因素在于馈电结构的内导体和外导体在长度上的差异(例如由于内导体的弯曲部分的作用)以及同轴馈电所固有的非对称性。在需要时，为短抽头(shorted stub)形式的补偿电抗匹配网络被连接到靠近核的底端面的内导体，或者是作为天线所连接到的装置的一部分，或者是作为连接到核的底端面的小屏蔽印刷电路板组件。

发明内容

本发明的目的是减少组装如在现有应用中所公开的那些天线的成本。

根据一个方面，本发明为工作频率超过200Mhz的天线提供了一种新型馈电结构。该天线是三维的，具有多个导电天线元件的天线元件结构设置在介质核的外表面上或者靠近该外表面设置。核的相对介电常数大于5。一般地，天线元件结构包括围绕核设置的镀金属的元件并且限定了内部容积，该容积的至少大部分被核的固体介质材料占据，由此核介质负载天线元件结构。

天线元件在馈电结构的一端从馈电连接延伸，该馈电结构纵向地通过处于天线轴线上的核。天线元件的其它端部可以通过共同导体(例如套)连接在一起，该共同导体起到不平衡变压器的作用并且在与核隔开的位置处连接到馈电结构。例如，套可以与馈电结构的屏蔽导体结合起作用，从而为馈电连接处的天线元件提供平衡源或者负载，天线整体为要连接的设备呈现单端50欧姆的终端。在这样的结构中，核的所有表面具有镀金属的导体元件。

天线到设备的匹配可以通过在穿过孔的通道的一端的核内或者位于核的外部的部件来实现。这种部件可以体现为至少部分地位于印刷电路板中。该板可以定位在同轴传输线的一端，从而形成天线元件之间的连接，以将天线元件连接到同轴线，该同轴传输线被容纳在穿过核的通道中。该板可以从同轴线的轴线侧向地延伸，并且具有侧向延伸的连接件，该连接件在该板组装到核(例如组装到在核的远端面的导体)时连接到天线元件。通过将板设置成位于垂直于天线轴线的平面内，它可以靠在核的远端面、与印刷在核上的轨道面对面接触的在板的下侧的导电层部分。在板的外端面的导电层部分可以为形成匹配网络部分的一个或多个分立部件(例如，电容器和/或者电感器)提供连接区域，或者该导电层部分可以通过自身或者与处于板的下侧的绝缘层相结合来构成匹配网络的部件。

因此，馈电结构包括一定长度的同轴传输线和沿着由同轴线所限定的轴线横向延伸的层叠板的结合。线的内导体可以定位在板内的通孔中，用于连接到在板的一个面上的轨道，同时，屏蔽物连接到板的下侧或者直接连接到核的远面的上面上的导体。传输线的特性阻抗典型为50欧姆。

根据同轴线的长度和特性阻抗，匹配网络可以通过包括电抗性阻抗变换来包括电抗补偿。特别地，匹配网络可以包括电容和/或电感，该电容和/或电感可以实施成在板上的导电轨道或者实施成连接到板上的轨道的分立部件。

在公开的天线中，匹配网络包括分流电容，实施成导电层部分，并且在板的相对侧互相形成一排。还公开了一种天线，其中电容器包括在板的一个表面上的相互绝缘且相邻的导电层部分，例如交叉指型或者交叉指的电容器。特别地，利用一个或多个通孔或者形成在板边沿的电镀的边沿连接，电容器可以耦合在从同轴线的内导体开始的信号线到与屏蔽导体相关的轨道之间。

例如，电感可以结合成板上的在到同轴线的内导体的连接和核的远面的上面之上的导体之间的一定长度的导电轨道的形式的串联元件。通过这种方式，匹配网络可以实现从由天线所代表的源阻抗或者负载阻抗(这典型的小于5欧姆，并可以低至2欧姆)到当天线连接到所使用的射频设备时同轴线的远端所呈现的源阻抗或者负载阻抗(典型地具有50欧姆的终端)的变换。

层叠板和同轴线的结合可以构成整体的馈电结构，该馈电结构在天线的制造过程中作为一个单元可滑动地穿过天线核插入通道，并且馈电结构从核的远面插入。板和核的远面的邻接可以用于在轴向方向定位馈电结构。焊料浆被丝网印制，用于在板和核之间形成连接，并且围绕在核的近面暴露的同轴线，使用焊料作业，以允许将馈电结构元件一次回流焊接到在核的所有表面上的镀金属的导体元件。

在层叠板和同轴线之间的机械连接可以通过在同轴线的屏蔽导体上的一个或多个纵向延伸的接线端来实现，同轴线位于在将接线端可以焊接到板上的导电层部分的板内的相应形成的凹槽或者孔内。接线端可以干涉配合在孔内或者凹槽内，或者它们可以弯曲从而将板锁定到屏蔽物。可选地，屏蔽物的远端可以是向外陷型的，从而靠着邻近通道的远端的核上的远表面定位，并且提供用于将电连接邻接到板的远表面上的导电层部分。

根据本发明的特别的方面，提供了一种在超过200MHz的频率操作的介质负载的天线，包括：具有相对介电常数大于5的固体材料的电绝缘核，该电绝缘核具有横向延伸的端表面和在端表面之间纵向延伸的侧表面；三维天线元件结构，该结构包括至少一对细长的导电天线元件，该天线元件设置在核的侧表面上或者邻近核的侧表面，并且从一个端表面延伸向另一个端表面；馈电连接，该馈电连接包括第一和第二馈电连接导体，分别耦合到所述成对的天线元件中一个和另一个；以及匹配部分，该匹配部分包括耦合在成对的天线元件两端的分流电容器。

在优选的天线中，核是圆柱形的并且所述成对的天线元件包括导电螺旋形轨道，每个轨道从所述一个端面开始在圆柱形的侧表面上延伸，天线元件结构包括包围核且互连所述天线元件的端部的连接导体，所述天线元件的端部处于与核的上述的一个端表面间隔开的位置。馈电连接和匹配部分可以包括馈电器结构的部分，该馈电器结构的部分还包括终止在馈电连接内的传输线部分。同时，优选的天线具有50欧姆的传输线部分的特性阻抗，大体而言，特性阻抗根据天线所用于的设备来选择。

根据本发明的另一方面，提供了一种在超过200MHz的频率操作的逆弧绝缘加载的天线，包括：具有介电常数大于5的实体材料的圆柱形的电绝缘核，该绝缘核具有轴向指向的近表面和远表面以及圆柱形侧表面；三维天线元件结构，该三维天线元件结构包括至少一对细长的导电天线元件，该导电天线元件设置在核的侧表面上或者邻近核的侧表面，每个在近表面方向从核的远表面延伸；以及馈电结构，该馈电结构包括传输线部分和匹配网络部分的结合，该传输线部分在其一端具有耦合到所述成对的天线元件中的一个的第一导体和耦合到所述成对的天线元件中的另一个的第二导体，该匹配网络部分与传输线部分的所述端相关联并且是包括至少一个电抗性匹配元件的层叠板的形式。

在层叠板包括至少一个电抗性匹配元件的情况下，该元件可以通过至少一个板的导电层来形成。可选地，该元件可以形成为安装在板的导电区上的集总的电抗性匹配部件。

电抗性元件可以是跨接在上面所述的成对的天线元件的两端的分流电容器。另外，匹配部分还可以包括第二电抗性元件，该第二电抗性元件包括串联在分流电抗和天线元件中的一个或传输线部分的相应导体之间的电抗。

优选的天线是四叶片螺旋形天线，该天线具有四个纵向共同延伸的半匝的螺旋形天线元件，该天线元件在核的远端具有围绕核的顶面的外围隔开的远端。在优选的实施例中，四个相应的径向轨道被电镀在核的远面上，这些轨道成对地连接在一起。有利地，将传输线导体互连到径向轨道的层叠板的导电层(无论是通过板的电镀边沿或者是通过穿过板的通孔)限定了与径向轨道的连接，该径向轨道与核轴线形成至少45°的角度。典型地，所成的角度在90°的区域内。为了实现电流的平滑传输，导电层优选是扇形(在最优选的实施例中是扇形的)。

应该理解的是，在组装天线的优选方法中，馈电结构对于核表现为一个单元，并且插入进核中的通道内，插入使得相对于同轴线的轴线侧向延伸的板上的连接构件接合到核上的导电部分，然后，侧向延伸的连接构件导电地结合到核上的所述或者每个接合导电部分。优选地，导电连接作为单次焊接操作来实现。该方法包括另一步骤：将屏蔽导体导电地连接到接地导体例如形成核的近面处的不平衡套的一部分，优选地是作为单次焊接操作中的部分。可选地，同轴线首先插入进核中到预定的位置，接着印刷电路板放置在核的远端和同轴线的远端之上。然后，在同轴线和核和/或同轴线和板之间的导电连接，以及在板和核之间的导电连接可以在单次操作中实现。

馈电结构可以包括用于将屏蔽导体的外壁和通道的壁间隔开的装置。

内导体和屏蔽导体可以通过它们长度的主要部分上存在的气隙而互相绝缘。

根据本发明的另一方面，提供了一种整体馈电结构，用于滑动安装在介质负载的天线的绝缘核的通道内，其中馈电结构包括下面部件的整体组合：管状外屏蔽导体；延伸通过屏蔽导体且与屏蔽导体绝缘的细长的内导体；以及从屏蔽导体的远端向外侧向延伸的层叠板，该层叠板包括：近表面，该近表面具有第一和第二近侧指向的导电部分，用于连接到在靠近通道一端的天线核上的各个第一和第二导体，第一近侧指向的导电部分和电连接的外屏蔽导体；非近侧表面或者层，其具有邻近内导体并且与该内导体电连接的第一非近侧导电部分；以及连接导体，该连接导体电连接第一非近侧导电部分和第二近侧指向的导电部分。

根据本发明的另一方面，用于在介质负载的天线的绝缘核内的通道内滑动安装的整体馈电结构，包括用于插入进核的通道内的一定长度的传输线以及从传输线的远端向外延伸的层叠板的整体结合，该层叠板包括：近表面，该近表面具有近侧指向的导电部分，用于连接到在邻近通道的一端的天线核上的导体，近侧指向的导电表面电耦合到传输线的导体。

本发明还包括一种用于介质负载天线的馈电结构，包括一定长度的传输线和从传输线的远端向外延伸的层叠板的结合，该层叠板包括近表面，该近表面具有近侧指向的导电表面部分，用于连接到在邻近用于接纳传输线的通道的一端的天线的绝缘核上的导体，近侧指向的导电表面部分电耦合到传输线的导体。层叠板优选地包括与近侧指向的导电部分电连接的非近侧指向的导电部分，近侧和非近侧指向的导电部分通过邻近板的边沿的连接导体连接。连接导体可以形成近侧指向的导电部分的至少一部分。另外，连接导体可以叠置在层叠板的边沿。

典型地，层叠板至少在两个方向从传输线向外延伸，并且具有第二近侧指向的导电部分，用于连接到在靠近通道的一端的天线核上的第二导体，近侧指向的导电表面部分与传输线的第二导体电连通。

层叠板具有电抗元件，用于将传输线匹配到天线的辐射结构，电抗元件优选是形成在其间具有介电层的板的两个导电层之间的电容器。电抗元件也可以是形成在板的一层上的电感器。

层叠板可以包括在层叠板的远表面和近表面之间延伸的连接导体，并且可以叠置板的边沿。优选地，连接导体具有比传输线的内导体直径更大的宽度，在该处连接到层叠板，并且相关联的导电部分从内导体向外扇出到连接导体。

附图说明

下面参考附图通过例子的方式对本发明进行说明，其中：

图1是从上部和侧部看到的根据本发明的第一四片螺旋形天线的透视图；

图2是从下部和侧部看到的第一天线的透视图；

图3是图1和图2中的天线的电镀的天线核和同轴馈电器的分解透视图；

图4是电镀的天线核的透视图，示出了在上(远)表面的导体；

图5是馈电器结构的横截面，包括同轴馈电器和垂直于馈电器的轴线的层叠板(laminate board)，并且使用了匹配网络；

图6是图5的细节图，示出了层叠板的多层结构；

图7A至7C是示出了在图5和图6中所示出的层叠板的不同导体层的导体图案的图；

图8是等效电路图；

图9是根据本发明的第二四片螺旋形天线的透视图；

图10是通过图9中的天线的轴向横截面图，并且省略了匹配部分；

图11A和11B分别是第二天线的匹配部分的平面图，显示处于天线核的上表面上的合适位置，以及第二天线的匹配部分的下侧视图；

图12A和12B与图11A和11B相似，分别为可选匹配部分的顶部和下侧平面图，包括交叉指型的电容器；以及

图13A和13B是第二天线的另一可选匹配部分的顶部和下侧平面图，具有连接到层叠板表面的块状电容器。

具体实施方式

根据本发明的第一天线具有天线元件结构，所述天线元件结构具有在圆柱形陶瓷核12的圆柱形外表面上电镀的或者镀金属的四个轴向共同延伸的螺旋形轨道10A、10B、10C、10D。

该核具有为从远端面12D到近端面12P延伸穿过核12的孔12B的形式的轴向通道。这两个面是垂直于核的中心轴线的平面。在本实施例中，由于一个指向远处，而另一个指向近处，因此它们方向相对。容纳在孔12B内的是同轴传输线，该传输线具有导电性管状外屏蔽物16、第一管状气隙或者绝缘层17、以及通过气隙17与所述屏蔽物隔开的细长的内导体18。屏蔽物16具有向外突起并且整体形成的弹簧凸起部16T或者衬片，用于将屏蔽物和孔12B的壁隔离开。第二管状气隙存在于屏蔽物16和孔壁之间。

在馈电器的下、近端，内导体18通过绝缘衬套18B居中地定位在屏蔽物16内。

屏蔽物16、内导体18和绝缘层17的结合构成了预定的特性阻抗(这里是50欧姆)的馈电器，通过天线核12，用于将天线元件10A至10D的远端连接到天线要连接的设备的射频(RF)电路。天线元件10A至10D和馈电器之间的连接是通过与螺旋形轨道10A至10D相关联的导电连接部来实现的，这些连接部形成为电镀在核12的远端面12D上的径向轨道10AR、10BR、10CR、10DR。每个连接部从各个螺旋形轨道的远端延伸到靠近孔12B的端部的位置。内导体18具有近部18P，该近部18P作为销从核12的近端面12P突出，用于连接到设备电路。类似地，在屏蔽物16的近端上形成为一体的接线端16F伸出核的近端面12P，用于与设备电路地端连接。

天线元件10A至10D的近端连接到共同的虚地导体20，该虚地导体20是包围核12的近端部的电镀套的形式。该套20反过来以下面所述的方式连接到馈电结构的屏蔽物16。

四个螺旋形的天线元件10A至10D具有不同的长度，由于套20的边20U与核的近端面12P的距离变化，因此元件中的两个10B、10D比其他两个10A、10C长。在天线元件10A和10C连接到套20的地方，边20U距离近端12P比在天线元件10B和10D连接到套20的地方稍微远一点。

核的近端面12P被电镀，导体22形成为在近端面12P连接到屏蔽导体16的裸露部分16E，如下所述。导电套20、电镀部分22和馈电结构的外屏蔽物16一起形成了四分之一波不平衡变压器，该不平衡变压器提供了天线元件结构与安装时天线所连接到的设备的共模绝缘。通过核上的天线元件和其他镀金属层形成的镀金属的导体元件限定了被核所占据的内部容积。

当天线以天线对于循环极化信号敏感的谐振模式工作时，天线元件10A到10D的不同的长度分别使得在长元件10B、10D内的电流和在短元件10A、10C内的电流之间产生相位差。在这种模式中，电流一方面围绕边20U在连接到内馈电导体18的元件10C和10D之间流动，另一方面在连接到屏蔽物16、套20和电镀部分22的元件10A、10B之间流动，屏蔽物16、套20和电镀部分22起到限制的作用，防止电流在核的近端面12P处从天线元件10A至10D流动到屏蔽物16。应该注意的是，螺旋形轨道10A-10D通过在各个径向轨道10AR、10BR和10CR、10DR的内端部之间的局部环形轨道10AB和10CD成对的互连，从而使得每对螺旋形轨道具有一个长的轨道10B、10D和一个短的轨道10A、10C。具有不平衡变压器套的四叶片介质负载天线的操作在英国专利申请No.2292638A和2310543A中更详细地说明，其中的全部内容合并在本申请中，形成了所提交的本申请的主题的一部分。

馈电结构执行除了简单地传递信号到天线元件结构或者从天线元件结构传递信号之外的功能。首先，如上所述，屏蔽导体16结合套20起到用于在馈电结构到天线元件结构的连接点处提供共模绝缘的作用。在核的近端面12P上的电镀部分22的屏蔽导体的连接(a)和到天线元件连接部分10AR、10BR的屏蔽导体的连接(b)之间的屏蔽导体的长度，以及孔12B的尺寸和填充屏蔽物16和孔壁之间的空间的材料的介电常数是这样的，使得外表面上的屏蔽物16的电长度至少大约是在天线谐振模式所需的频率时的波长的四分之一，从而使导电套20、电镀部分22和屏蔽物16的结合促进在馈电结构到天线元件结构的连接处的平衡电流。

在馈电结构的屏蔽物16的周围存在着气隙。介电常数比核12的介电常数更小的这个空气套减小了核12作用在屏蔽物16的电长度上的影响，由此减小了与屏蔽物16的外部相关联的任何纵向谐振。由于与所需的操作频率相关的谐振模式的特征在于径向(即，垂直于圆柱形核轴线)延伸的电压偶极子，因此，由于套的厚度(至少在优选的实施例中)比核的厚度明显得小，所以低介电常数套对所需的谐振模式的影响相对较小。因此，能够使得与屏蔽物16相关的线性谐振模式与所期望的谐振模式去耦。

天线具有500MHz或者更大的主谐振频率，谐振频率由天线元件的有效电长度确定，较小程度上由它们的宽度确定。对于给定的谐振频率，元件的长度也依赖于核材料的相对介电常数，天线的尺寸相对于空心四叶片天线基本上被减小。

天线核12的一种优选材料是基于锆-锡-钛酸盐的材料。这种材料具有为36的上面提到的相对介电常数，并且还注意到，它具有不同温度的尺寸和电稳定性。介电损失可以忽略不考虑。核可以通过压延或者挤压、烧结来生产。

天线特别适合于频率为1575MHz的L波段的GPS接收。在这种情况下，核12的直径大约是10mm，并且纵向延伸的天线元件10A-10D的平均纵向量(即，平行于中心轴线)为大约12mm。在1575MHz时，导电套20的长度典型地在5mm的区域内。通过采用特征值延迟测量法，直到获得所需的相位差，在实验和误差的基础上在设计阶段可以确定天线元件10A到10D的精确尺寸。在孔12B内的馈电结构的直径处于2mm的区域内。

现在将说明馈电结构的进一步细节。馈电结构包括同轴50欧姆线16、17、18和连接到线远端的平面层叠板30的组合。层叠板或者印刷电路板(PCB)30平靠到核12的远端面，且面对面地接触。PCB 30的最大尺寸比核12的直径小，从而使PCB 30完全地位于核12的远端面12D的外围。

在该实施例中，PCB 30是盘的形式，居中地位于核的远端面12D上。它的直径是这样的，使它位于径向轨道10AR、10BR、10CR和10DR以及它们各自的局部环形互连部分10AB、10CD之上。PCB具有大体的中心孔32，用于接收同轴馈电结构的内导体18。三个偏心孔34接收屏蔽物16的远接线端16G。接线端16G是弯曲的或者是连通结合的，从而有助于相对于同轴馈电结构定位PCB 30。所有的四个孔32被镀穿。另外，PCB30的外围部分30P被电镀，电镀部分延伸到板的近面和远面上。

PCB 30是多层叠压板，具有多个绝缘层和多个导体层。在本实施例中，板具有两个绝缘层，包括远层36和近层38。存在着如下三个导体层：远层40，中间层42，和近层44。中间导体层42位于远绝缘层36和近绝缘层38之间，如图6所示。每个导体层蚀刻有各自的导体图案，如图7A至7C所示。在导体图案延伸到PCB 30的外围部分30P及延伸到电镀的通孔32、34(后面称为“通孔”)的地方，在不同层内的各个导体分别通过边沿电镀和通孔电镀互连。从显示导体层40、42和44的导体图案的图中可以看出，中间层42具有第一导体区42C，该导体区42C是在径向天线元件连接部分10AR、10BR的方向上径向地从连接部分延伸到内导体18(当位于通孔32内时)的风扇或者扇形的形状。紧位于该导体区42C的下面，近导体层44具有大体为扇形形状的区域44C，从与馈电器的屏蔽物16的连接处(当容纳在电镀通孔34内时)延伸到设置在互连径向连接元件10AR、10BR的局部环形轨道10AB之上的板外围30P。用这种方式，在内馈电器导体18和馈电器屏蔽物16之间形成分流电容器，近绝缘层38的材料起到电容器介质的作用。该材料典型的具有大于5的介电常数。

中间导电层42的导体图案是这样的图案，它具有第二导体区42L，该第二导体区42L从与内馈电器导体18的连接处延伸到第二电镀的外围30P，从而位于局部环形轨道10CD以及径向连接元件10CR和10DR的内端之上。在导体层44内没有对应的下导电区。在中间孔32和电镀的外围部分30P之间位于径向连接轨道10CR和10DR之上的导电区42L用作在馈电器的内导体18和成对的螺旋状天线元件10C、10D中的一个之间的串联电感。

当PCB 30和细长的馈电器16-18被安装到孔12，且使PCB 30的近面与孔的远面12D接触时，在如上所述的相互连接元件10AB和10CD上对齐，在外围部分30P和在孔远面上的下轨道之间建立连接，从而形成如图中所示意性示出的匹配电路。

在该示意图中，馈电器标记为同轴线50，天线元件标记为导电环52，分流电容器和串联电感器分别标记为电容器C和电感器L。

PCB 30的近绝缘层由陶瓷负载的塑料材料形成，从而在10的区域内为层38产生相对介电常数。远绝缘层36可以由相同的材料制成或者是由具有更小的介电常数的材料(例如FR-4环氧树脂板)制成。近层38的厚度远小于远层36的厚度。当然，远层36可以用作近层38的支撑件。

通过焊接或者导电胶结合来形成在馈电器16-18、PCB 30和核的近面12P上的导电轨道之间的连接。当内导体18的远端焊接在PCB 30的通孔32内以及屏蔽接线端16G位于各个偏心通孔34内时，馈电器16-18和PCB30一起形成了整体的馈电器结构。馈电器16-18和PCB 30一起形成了具有集成匹配网络的整体馈电结构。

分流电容C和串联电感L形成了在同轴线50(在馈电器16-18的远端)和天线的辐射天线元件结构之间的匹配网络。当在远端连接到具有50欧姆的终端(即由屏蔽物16、气隙17和内导体18所形成的线的远端)的射频电路时，分流电容和串联电感一起匹配由同轴线(物理地体现为屏蔽物16、气隙17和内导体18)所产生的阻抗，该同轴线阻抗与天线元件结构的阻抗在它的操作频率相匹配。

如上所述，馈电结构在被插入天线孔12、层叠板30被紧固到同轴线16-18之前作为一个单元被组装。将馈电结构形成为包括板30作为一体部分的单个元件，基本上减小了天线的组装成本，这是由于馈电结构的引入可以在两个运动中实现：(i)将整体馈电结构滑动进孔12B中，(ii)将导电性套圈或者垫圈21装配在屏蔽物16的裸露的近端部周围。套圈可以是压配合在屏蔽元件16上或者被卷曲到屏蔽物上。在馈电结构插入孔之前，焊料浆优选地涂敷在孔12的远端面12D上的天线元件结构的连接部分以及紧靠着孔12B的各个端部的电镀部分22上。因此，在完成上面的步骤(i)和(ii)之后，组件可以通过焊接回流炉或者可以进行可选的焊接处理，例如激光焊接、感应焊接或者热空气焊接，作为单个焊接步骤。

上面提到的用于安装到屏蔽物16的裸露的近端部的垫圈21可以采用多种形式，这根据天线要连接的结构来确定。特别地，垫圈的形状和尺寸可以改变，从而与要连接到天线的设备的接地导体相配合，无论该种导体包括标准的同轴连接器套件部分、印刷电路层，还是导电面等。

馈电器屏蔽物上的凸起部16T还有助于在装配的过程中将馈电器和层叠板30相对于孔12对中。在(a)外围的导体和板30的近表面与(b)在孔的远面12D上的镀金属的导体之间形成的焊接桥，以及导体本身的形状被构造为当板被正确地定位在孔上时在回流焊接过程中提供平衡的旋转弯月力(meniscus force)。

现在参考图9和图10，根据本发明的第二介质负载天线具有天线元件结构，该天线元件结构具有四个轴向共同延伸的螺旋形轨道10A、10B、10C、10D，其镀在圆柱形的陶瓷核12的圆柱形外表面上。

核具有孔12B的形式的轴向通道，通过孔12从远端面12D延伸到近端面12P。这两个面都是垂直于孔的中心轴线的平面。同轴传输线容纳在孔12B内，该传输线具有导电的管状的外屏蔽物16、绝缘层17和通过绝缘层17与屏蔽物绝缘的细长的内导体18。屏蔽物16具有两个端部，这两个端部具有比位于其间的屏蔽物的部分更大的直径。在具有较小直径的屏蔽物16的部分和孔壁之间存在着气隙19。

屏蔽物16、内导体18和绝缘层17的结合构成了通过天线孔12具有预定的特性阻抗(这里是50欧姆)的馈电器，所述天线孔12用于将天线元件10A至10D的远端连接到天线要连接的设备的射频(RF)电路。天线元件10A至10D和馈电器之间的连接通过与螺旋形轨道10A至10D相关联的导电连接部分来实现，这些连接部分形成为镀在孔12的远端面12D上的径向轨道10AR、10BR、10CR、10DR，每个从各个螺旋形轨道的远端延伸到靠近孔12B的端部的位置。

天线元件10A至10D的另一端连接到共同的虚地导体20，该虚地导体20是包围孔12的近端部分的电镀套的形式。该套20再以下面所述的方式连接到馈电结构的屏蔽物16。

四个螺旋形的天线元件10A至10D具有不同的长度，由于套20的边20U与核的近端面12P的距离变化，因此元件中的两个10B、10D比其他的两个10A、10C长。在天线元件10A和10C连接到套20的地方，边20U距离近端12P比天线元件10B和10D连接到套20的地方稍微远一点。

核的近端面12P被电镀，导体22形成为在近端面12P连接到屏蔽导体16的裸露部分16E，如下所述。导电套20、电镀部分22和馈电结构的外屏蔽物一起形成不平衡变压器，该不平衡变压器提供了天线元件结构与安装时天线所连接到的设备的共模绝缘。

当天线在天线对于循环极化信号敏感的谐振模式中操作时，天线元件10A到10D的不同的长度分别在长元件10B、10D内的电流和短元件10A、10C内的电流之间产生相位差。在这种模式下，电流一方面在连接到内馈电导体18的元件10C和10D之间围绕边20U流动，另一方面在连接到屏蔽物16、套20和电镀部分22的元件10A、10B之间移动，屏蔽物16、套20和电镀部分22起到限制的作用，防止电流在核的近端面12P处从天线元件10A至10D流动到屏蔽物16。

馈电结构执行不同于简单地将信号传递到天线元件结构或者从天线元件结构传递信号的功能。首先，如上所述，屏蔽导体16结合套20用于在馈电结构到天线元件结构的连接点处提供共模绝缘。在屏蔽导体到在核的近端面12P上的电镀部分22的连接和它到天线元件连接部分10AR、10BR的连接之间的屏蔽导体的长度，以及孔12B的尺寸和填充屏蔽物16和孔壁之间的空间的材料的介电常数是这样的，使得屏蔽物16的电长度至少大约是在天线的谐振模式所需的频率时的波长的四分之一，从而使导电套20、电镀部分22和屏蔽物16的结合促进在馈电结构到天线元件结构的连接的平衡电流。

典型地，在本实施例中，绝缘层17是相对介电常数为2到5之间的塑料管。一种适合的材料，如PTFE的相对介电常数为2.2。

在馈电结构的屏蔽物16的周围存在着气隙19。介电常数比核12的介电常数更小的这个套减小了核12对屏蔽物16的电长度的影响，由此减小了对与屏蔽物16的外部相关联的任何纵向谐振的影响。由于与所需的操作频率相关的谐振模式的特征在于径向(即，垂直于圆柱形核轴线)延伸的电压偶极子，因此，由于套的厚度(至少在优选的实施例中)显著小于核的厚度，所以绝缘套19对所需的谐振模式的影响较小。因此，能够使得与屏蔽物16相关的线性谐振模式与所期望的谐振模式去耦。

天线具有500MHz或者更大的主谐振频率，谐振频率由天线元件的有效电长度确定，较小程度上是由它们的宽度确定。对于给定的谐振频率，元件的长度也依赖于核材料的相对介电常数，天线的尺寸相对于空心四叶片天线基本上被减小。

天线核12的一种优选的材料是基于锆-锡-钛酸盐的材料。这种材料具有为36的上面提到的相对介电常数，并且被注意到还因为它的不同温度的尺寸和电稳定性。介电损失可以忽略不考虑。核可以通过压延或者挤压来生产。

如同在上面提到的第一天线中的情况，该天线特别适合于在频率为1575MHz的L波段的GPS接收。核12的直径大约是10mm，并且纵向延伸的天线元件10A-10D的平均纵向量(即，平行于中心轴线)为大约12mm。在1575MHz时，导电套20的长度典型地在5mm的区域内。通过采用特征值延迟测量法，直到获得所需的相位差，在实验和误差的基础上在设计阶段可以确定天线元件10A至10D的精确尺寸。馈电结构的直径处于2mm的区域内。

下面将说明馈电结构的进一步细节。参考图9、10、11A和11B，馈电结构包括同轴的50欧姆线16、17、18和连接到线远端的平面层叠板30的组合。层叠板或者印刷电路板(PCB)30平靠在核12的远端面，且面对面地接触。PCB 30的最大尺寸比核12的直径小，从而使PCB 30完全地处于核12的远端面12D的外围内。

PCB 30是交叉形的，并且具有两对相对侧向延伸的臂30A、30B、30C和30D。臂30A和30B比臂30C和30D短。特别是参考图11A，PCB 30的臂30A位于核12的径向轨道10AR和10BR之上。PCB 30的臂30B位于径向轨道10CR和10DR之上。PCB具有中心孔32，用于接收同轴馈电结构的内导体18。

形成电感的铜轨道52TR从孔32延伸进入臂30B中。轨道32TR焊接到同轴馈电结构的内部部件18。轨道52TR分开，形成延伸到臂30B的边沿的两个垂直轨道，在这里他们连接到电镀的通孔30V，其中该电镀的通孔30V向下延伸到PCB 30的下侧。参考图11B，通孔30V连接到PCB 30下侧的铜焊块30BP。焊块30BP靠着径向轨道30CR和30DR，并且焊接到径向轨道30CR和30DR上。第二轨道52CR进一步延伸进臂30A中，在该处形成了圆形焊块52C。

PCB 30具有两个附加孔34，每个孔34分别位于臂30C和30D方向的中心孔32的一侧。孔设置用于容纳两个接线端16L，该接线端16L构成同轴线的屏蔽物16的一部分并且从屏蔽物延伸。孔34在PCB 30的上面和下面上被环形铜焊块34P包围。接线端16L焊接在焊块34P上。在PCB 30的下面的焊块34P被连接到覆盖PCB 30的臂30A的下侧的铜地平面59。铜地平面59焊接到径向轨道10AR和10BR。

在PCB处的铜地平面59和圆形垫52C形成分流焊块电容器。在内导体18与径向轨道10AR和10BR之间的轨道50TR作为串联电感。分流电容和串联电感形成在同轴线16至18和天线的辐射天线元件结构之间的匹配网络。分流电容和串联电感一起将同轴线16、17、18在其远端所呈现的阻抗(当连接到从其连接处到天线具有50欧姆终端的射频电路时)与天线元件结构在其操作频率的阻抗相匹配。

现在参考图12A和12B，在第二天线的变形中，匹配网络的分流电容是为在PCB 30的顶表面上相互交叉镀金属轨道的交叉指型的电容器的形式。两个通孔61从PCB 30的下侧上的铜地平面59延伸到PCB 30的顶表面。通孔与限定在臂30A的长度方向延伸的5个指头或手指的铜涂层63连接。相互连接内导体18和天线元件10C、10D的轨道被分离成两个平行的窄轨道60TR和62TR，窄轨道60TR和62TR从到中心导体18的连接部分延伸到与在核上的径向轨道10CR和10DR的连接部分。相反指向的轨道60CR、62CR将内导体18连接到由轨道60CR、62CR的延伸部分66和交叉指型的铜涂层63形成的两个分离的交叉指型的电容器。每个相应轨道60TR和62TR具有激光蚀刻的导电性调整区64，并且具有用于与指头涂层63电容交互作用的两个指头66。调整区64通过与板的下侧上的地面导体电容交互作用而形成可调节的电容器。

馈电器结构在插入进天线孔12之前作为一个单元被组装，层叠板30被紧固到同轴线16-18。将馈电结构形成为包括作为集成部分的板30的单个部件基本上减小了天线的组装成本，因为，馈电结构的引入可以在两个运动中实现：(i)将整体馈电结构滑动进孔12B中，以及(ii)将导电性套圈或者垫圈21装配在屏蔽物16的裸露的近端部周围。套圈可以压配合在屏蔽元件16上或者卷曲到屏蔽物上。在馈电结构插入孔之前，焊料浆优选地涂敷在孔12的远端面12D上的天线元件结构的连接部分以及紧靠着孔12B的各个端部的电镀部分22上。因此，在完成上面的步骤(i)和(ii)之后，组件可以通过焊接回流炉或者可以进行可选的焊接处理，例如激光焊接、感应焊接或者热空气焊接，作为单个焊接步骤。

上面提到的用于安装到屏蔽物16的裸露的近端部的垫圈21可以采用多种形式，这根据天线要连接的结构来确定。特别地，垫圈的形状和尺寸可以改变，从而与要连接到天线的设备的接地导体相配合，无论该种导体包括标准的同轴连接器套件部分、印刷电路板层，还是导电面等。

如上所述，形成在板30的边沿的导体和在核的远面12D上的镀金属的导体之间的焊接桥被构造成当板被正确地定位在孔上时，在回流焊接过程中提供平衡弯月力。

在可选的实施例中(未显示)，同轴线的屏蔽物16没有连接用的接线端，但是取而代之的是具有张开的或者陷型的(swaged)远端，该远端邻近在板30的下侧的导体层部分。导电层具有焊接涂层，该焊接涂层在加热时提供了与陷型端的焊接连接。陷型端位于孔12B的远端的斜切的外围，由此轴向地将同轴线16至18定位在孔12内。

在图13A和13B中显示了本发明的另一实施例。PCB 30的整体形状与第一实施例中PCB 30相似，但是铜布线图被改进，并且分流电容器通过分立芯片电容器70提供，而不是通过印刷电路焊块电容器或者交叉指型的电容器来提供。另外，从通孔32延伸到在天线孔12上的径向轨道10CR和10DR以形成电感器的轨道52TR更宽，并且沿着它的径向延伸部分限定了四个开口72。轨道52TR的垂直延伸部分向外延伸，从而与臂30B的外三侧会合。在轨道52TR的这个部分中存在着两个开口74。开口72、74可以是激光蚀刻的或者放大以与匹配网络对齐。三个电镀的通孔30V将轨道52TR连接到在核2的远端面12D上的径向轨道10CR和10DR。

轨道52CR终止于分立电容器70，该分立电容器70再连接到臂30A的铜层33L。铜层33L这里通过通孔30V连接到臂30A的下侧。

臂30A的下侧涂敷铜层，该铜层连接到焊块34P，该焊块34P形成到屏蔽物16的接地连接。导电环34L从在臂30A的下侧上的导电区连接在中心孔32的相对侧上的两个焊块34P。

臂30B的下侧也涂敷有铜层，以形成焊接到径向轨道10CR和10DR的焊块。本实施例中的层图案促进了从馈电导体18流出的电流或者流向馈电导体18的电流的分布。通过这种方式，天线性能对在孔12上的PCB30的方位的变化并不敏感。

Claims (36)

1.一种介质负载的天线，用于在超过200MHz的频率操作，该天线包括：具有相对介电常数大于5的固体材料的电绝缘核，该核具有横向延伸的端表面和在所述端表面之间纵向延伸的侧表面；三维天线元件结构，该结构包括至少一对细长的导电天线元件，该细长的导电天线元件设置在核的侧表面上或者邻近核的侧表面设置，并且从一个端表面朝向另一个端表面延伸；馈电连接，该馈电连接包括分别耦合到所述成对的天线元件中的一个和另一个的第一和第二馈电连接导体；以及匹配部分，该匹配部分包括耦合在成对的天线元件的两端的分流电容。

2.如权利要求1所述的天线，其中，所述匹配部分进一步包括串联电感，该电感耦合在所述电容和所述成对的天线元件中的一个之间。

3.如权利要求1或2所述的天线元件，其中，所述核是圆柱形的并且所述成对的天线元件包括导电螺旋形轨道，每个轨道在圆柱形的侧表面上从所述一个端表面开始延伸，并且所述天线元件结构包括围绕所述核并且互连所述天线元件的端部的连接导体，其中所述天线元件的端部处于与核的所述一个端表面间隔开的位置。

4.如权利要求3所述的天线，包括馈电器结构，该馈电器结构包括所述馈电连接，所述匹配部分，和终止于所述馈电连接内的轴向传输线部分。

5.如权利要求4所述的天线，其中，所述传输线部分具有比由所述天线元件结构所表示的源阻抗更高的特性阻抗。

6.如权利要求5所述的天线，其中，所述传输线部分具有50欧姆的特性阻抗。

7.如权利要求4至6中的任一项所述的天线，其中，所述传输线部分容纳在通道内，该通道从一个端表面到另一个端表面穿过所述核。

8.如前述权利要求中的任一项所述的天线，其中，所述匹配部分包括固定到所述核的所述一个端表面的层叠板。

9.如权利要求8所述的天线，其中，所述层叠板横向地延伸。

10.如权利要求9所述的天线，包括固定到层叠板并且垂直地延伸到所述层叠板的传输线馈电器。

11.如权利要求8至10中的任一项所述的天线，其中，所述层叠板包括绝缘层和并置在所述绝缘层的相对面上的第一和第二导电层，通过所述的并置层形成电容。

12.如权利要求11所述的天线，其中，所述绝缘层包括陶瓷材料。

13.如权利要求12所述的天线，其中，所述绝缘层的相对介电常数大于5。

14.如权利要求11至13中的任一项所述的天线，其中，所述层叠板包括比其上具有第一和第二导电层的绝缘层更厚的第二绝缘层，由此第一导电层被夹置在这两个绝缘层之间。

15.一种逆弧介质负载的天线，用于在超过200MHz的频率操作，包括：具有介电常数大于5的固体材料的圆柱形电绝缘核，该核具有轴向指向的近表面和远表面以及圆柱形的侧表面；三维天线元件结构，该结构包括至少一对细长的导电天线元件，该细长的导电天线元件设置在核的侧表面上或者邻近核的侧表面设置，并且每个在近表面的方向上从核的远表面延伸；以及馈电结构，该馈电结构包括传输线部分和匹配部分的组合，该传输线部分在其一端具有耦合到所述成对的天线元件中的一个的第一导体和耦合到所述成对的天线元件中的另一个的第二导体，所述匹配部分与所述传输线部分的所述一端相关联并且是包括至少一个电抗性匹配元件的层叠板的形式。

16.如权利要求15所述的天线，其中，所述层叠板垂直于所述核的轴线。

17.如权利要求15或16所述的天线，其中，所述层叠板包括至少一个由所述板的至少一个导电层形成的至少一个电抗性匹配元件。

18.如权利要求15或16所述的天线，其中，所述层叠板包括至少一个集总的电抗性匹配元件。

19.如权利要求18所述的天线，其中，所述集总的电抗性元件是安装在所述板上的导电焊块上的电容器。

20.如权利要求17至19中的任一项所述的天线，其中，所述电抗性元件是跨接在所述成对的天线元件之间的分流电抗。

21.如权利要求20所述的天线，其中，所述匹配部分包括第二电抗性元件，该第二电抗性元件包括串联在所述分流电抗和所述成对的天线元件中的一个之间或者串联在所述分流电抗和所述传输线部分的导体中的一个之间的电抗。

22.如权利要求15至21中的任一项所述的天线，其中，所述传输线部分是同轴馈电线。

23.如权利要求22所述的天线，其中，所述馈电线位于核内的通道中，并且包括外屏蔽导体，该外屏蔽导体具有垫圈，该垫圈从其外表面突出，从而使馈电线在所述通道内居中，且围绕屏蔽导体形成气隙。

24.如权利要求23所述的天线，其中，所述垫圈是整体形成在所述屏蔽导体上的凸起部。

25.如权利要求22所述的天线，其中，所述馈电线包括外屏蔽物，该外屏蔽物在所述传输线部分的所述端部具有至少一个接线端，该接线端被容纳在所述层叠板内的通孔中，所述接线端弯曲，从而有助于相对于所述馈电线定位所述层叠板。

26.如权利要求25所述的天线，其中，所述接线端整体形成在所述屏蔽物上。

27.如权利要求15至26中的任一项所述的天线，其中，所述天线元件结构包括至少两对细长的导电天线元件，该细长的导电天线元件设置在核的侧表面上或者邻近核的侧表面设置，并且在近表面的方向上从核的远表面延伸，其中，第一传输线导体耦合到所述两对中的每对的一个天线元件，并且第二传输线导体耦合到所述两对中的每对的另一个天线元件。

28.如权利要求27所述的天线，其中，所述电抗性匹配元件作为分流元件耦合在所述两对中的每对的天线元件之间。

29.如权利要求27或28所述的天线，其中，所述层叠板包括导电层，该导电层将所述传输线部分的第一导体与所述两对中的每对的第一天线元件互连，所述导电层被成形为允许在多个位置在所述板和所述第一天线元件之间建立连接。

30.如权利要求29所述的天线，其中，所述连接位置一起在核轴线处形成至少45度角。

31.如权利要求29或30所述的天线，其中，所述板包括导电层，该导电层扇出，用于成角度地分布连接到所述第一天线元件。

32.如权利要求29至31中的任一项所述的天线，包括导电层部分，该导电层部分被成形以限定在传输线部分的第二导体和所述两对中的第二天线元件之间的成角度的分布连接。

33.如权利要求32所述的天线，其中，所述成角度的分布连接在核轴线处形成至少45度的角度。

34.如权利要求19至33中的任一项所述的天线，其中，在所述匹配部分和所述天线元件之间的连接包括所述板的电镀的边沿部分。

35.一种整体天线馈电结构，用于滑动安装在介质负载天线的绝缘孔内的通道中，其中，所述馈电结构包括下面部件的整体组合：

管状外屏蔽导体；

延伸通过屏蔽导体并且与所述屏蔽导体绝缘的细长的内导体；以及

从所述屏蔽导体的远端侧向向外延伸的层叠板，

该层叠板包括：

近表面，该近表面具有第一和第二近向指向的导电部分，用于连接到邻近通道的一端的天线核上的相应的第一和第二导体，所述第一近向指向的导电部分和所述外屏蔽导体电连接；

非近侧表面或者非近侧层，其具有靠近所述内导体并且电连接到所述内导体的第一非近侧导电部分；和

连接导体，其将所述第一非近侧导电部分和所述第二近侧指向的导电部分电连接。

36.一种整体天线馈电结构，用于滑动安装在介质负载天线的绝缘孔内的通道中，其中，所述馈电结构包括下面部件的整体组合：

一定长度的传输线，用于插入进核的通道中；以及

层叠板，其从所述传输线的远端向外延伸，

该层叠板包括：

近表面，该近表面具有近侧指向的导电部分，用于连接到邻近通道的一端的天线核上的导体，该近侧指向的导电表面与所述传输线的导体电连通。

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