CN101443955A - 天线系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于在超过200MHz频率下工作的天线系统，包括：天线，传输线和接收器级，且所述传输线将所述天线电连接到所述接收器级的输入，并且所述天线具有：相对介电常数大于5的固体绝缘材料的天线芯，且所述芯材料占据由所述芯外表面限定的体积的主要部分；和三维天线元件结构，所述三维天线元件设置在所述芯的所述外表面上，或者邻近所述芯的所述外表面设置；其中所述天线在所述介电芯的近端处由所述传输线馈送；所述接收器级包括放大器和电磁辐射屏蔽物，且所述放大器位于所述屏蔽物内；而所述传输线包括电流扼流圈，所述电流扼流圈被布置成在所述天线的馈送连接处提供基本平衡条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在超过200MHz的频率下工作的天线系统，并且本发明具体但不专门涉及一种包括在用于接收圆偏振信号的介电芯的表面上或邻近介电芯的表面具有螺旋形元件的天线的天线系统。
背景技术
美国专利No.7002530公开了一种圆柱形装载介电的天线，该圆柱形装载介电的天线具有布置在介电芯的外圆柱形表面上的多个螺旋形元件。螺旋件通过绕线芯远端的圆周布置的连结导体在介电芯的远端处相互连接。在所述芯的近端处，螺旋形天线元件连接到一对导体，这对导体位于安装到所述芯的近端的电路板上。电路板包括产生单端输出的分相电路。天线元件在天线的近端处被馈送，此天线是“端射式”天线。
在许多移动电信应用中，由于高功率干涉源，共模式传导噪声干涉是一个显著的问题。例如，在移动电话应用中，平面倒F天线(PIFA)在接地平面上激发大电流。设计者通常想使板辐射并且将接地平面经常放在电路板的顶层上的事实恶化了这种问题。因此，如果从作为放大器的输入的单端输出提供接收信号，则放大器将放大天线安装在其内的器件的接地平面上出现的共模噪声信号。因此共模噪声将使被放大的信号失真。
英国专利No.2292638，以申请人的名义公开了装载介电的螺旋形天线的又一示例。该天线具有布置在介电芯的圆柱形表面上的多个螺旋形天线元件。通过沿介电芯的轴线布置的馈电线(feeder)结构在介电芯的远端处馈送螺旋形天线元件。因而，天线是“背射式”天线。该天线还具有导电套筒，该导电套筒形成于介电芯的近端部上，并执行平衡-不平衡变换阻波器(balun trap)的功能。该平衡-不平衡变换器将天线近端处的不平衡信号转换成天线远端处的平衡信号。这种天线的主要优点是与其所安装的结构具有良好的绝缘性，并改善了辐射图案。所述介电的芯的近端上的平衡-不平衡转换阻波器使天线元件与传输线隔离，这防止共模噪声信号与放大电路干涉。天线连接到诸如同轴电缆的短长度的被屏蔽的传输线。沿同轴电缆的外套筒传导的共模噪声电流被平衡-不平衡转换阻波器节流，从而防止它们在与天线近端的连接处进入同轴电缆。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有共模噪声抑制能力的可选天线系统。
根据本发明的第一方面，用于在超过200MHz的频率下工作的天线系统，包括天线、传输线和接收器级，且传输线将天线电连接到接收器级的输入，并且天线具有：相对介电常数大于5的固体绝缘材料的天线芯，且芯材料占据由所述芯外表面限定的体积的主要部分，和三维天线元件结构，所述三维天线元件设置在所述芯的外表面上，或者邻近所述芯的外表面设置；其中天线在介电芯的近端处由传输线馈送，接收器级包括放大器和电磁辐射屏蔽物，且放大器位于屏蔽物内，而传输线包括电流扼流圈，且电流扼流圈被布置成在天线的馈送连接处提供基本平衡条件。
通常，天线元件结构包括位于所述芯的外表面上的多个天线元件，所述天线元件优选地为圆柱形。具体地，天线元件可以包括粘接到芯外表面的例如通过沉积或通过蚀刻预先施加的金属涂层的金属导体轨迹。圆柱形芯通常由具有轴向范围至少与圆柱形芯的外径一样大的固体材料制成。
出于物理和电稳定性的原因，所述芯的材料可以是陶瓷，例如，诸如基于钛酸锆材料的微波陶瓷材料、钛酸镁钙、钛酸钡锆和钛酸钡钕，或者它们的组合。优选的相对介电常数超过10，或者实际上是20，而使用基于钛酸锆材料可得到的相对介电常数为36。在相比所述芯损耗，天线的Q更多取决于天线元件的电阻的这方面来说，这种材料的介电损耗可忽略。
在本发明具体优选的实施例中，天线元件大致上为螺旋形，并且在轴向方向上基本上同延(co-extensive)。每一个螺旋形元件经由位于芯的近端表面上的多个径向元件在一个端部处连接到芯的近端处的馈送结构。螺旋形元件的其它端部连接到朝向芯的远端的介电芯的外圆柱形表面上的连结导体。径向元件电连接到传输线的导体。用这种方式，螺旋形元件和连结导体形成至少一个环路。优选地，天线包括四个螺旋形元件，且每一个天线元件连接到相应的径向元件。径向元件被布置成形成两对，且每一对中的径向元件相互电连接。每一对连接到传输线的导体。
纵向延伸螺旋形天线元件可以具有不同的电气长度。具体地，在优选的天线具有四个螺旋形元件的情况下，元件中的两个由于沿芯的外表面上的曲折(meandering)通路而使其电气长度大于另外两个元件的电气长度，或者元件中的两个比另外两个元件更厚。在用于圆偏振信号的天线的情况下，所有四个元件沿大致上螺旋形通路而行，且布置在芯的相对侧上的两个螺旋形元件沿曲折通路而行。
螺旋形元件形成辐射元件结构的一部分。术语“辐射元件结构”在本领域的技术人员所理解的范围内使用，即，表示当将其连接到发射机时，当它们将辐射能量时而不必辐射能量的元件，并因而表示收集或者辐射电磁辐射能量的元件。因此，为本说明书的主题的天线系统可以在只接收信号的设备内使用，也可以在发射和接收信号的设备内使用。
在优选的实施例中，传输线的第一导体连接在(a)天线元件结构的第一对径向元件与(b)接收电路之间，该接收电路位于电磁屏蔽物内。第一导体与屏蔽物和接地平面电绝缘，并且只电连接到接收电路和第一对径向元件。传输线的第二导体连接在第二对径向元件与屏蔽物之间。在天线与接收器级之间没有中间物将第二导体连接到地面。
有利地，传输线由多层电路板的导电轨迹形成。传输线的第一导体形成为电路板的中间层，而第二导体布置为板的上导电层。在天线具有圆柱形芯的情况下，这些导体纵向同延，并且优选地从天线轴向延伸。第二导体优选地比第一导体宽，并且具体地至少宽两倍。多层电路板的绝缘材料作为传输线的介电芯。优选地，第三导体布置为多层电路板的下导电层，并与第二导体同延，且第一导体被在其上方和下方的第二导体和第三导体所屏蔽。传输线连接到接收电路并终止于电磁屏蔽物内。当传输线穿过电磁屏蔽物时，第二导体和第三导体(当存在时)优选地连接到屏蔽物。第一导体通过多层板的绝缘材料与屏蔽物绝缘，并连接到接收电路。诸如电镀孔(“通孔”)的相互连接优选地沿第二和第二传输线的纵向边缘设置，以使它们在第一导体的任意一侧上相互连接，从而为后者提供更好的屏蔽。
在优选地实施例中，电流扼流圈布置在电磁屏蔽物与天线之间的传输线的区域内。电流扼流圈优选地为套筒式平衡-不平衡转换器，该套筒式平衡-不平衡转换器延伸过传输线的长度的一部分。套筒式平衡-不平衡转换器通常包括至少一个导电板，该导电板与传输线的导体平行布置，并通过介电材料层与第二导体间隔开，该介电材料的厚度可以与分离第一和第二导体的材料的厚度基本相同。导电板的宽度与第二和第三导体的宽度基本相同，而导电板的长度与在导电板和传输线导体之间的绝缘层结合，其电气长度为天线系统的工作频率下的四分之一波长，或者是四分之一波长的奇数倍。在电磁屏蔽物附近的传输线的端部处，第一板电连接到第二导体。
在最靠近天线的第一板的端部处，第一板没有电连接到第二导体。第二导电板可以以相同的方式布置在多层电路板的相对表面上。优选地，板和将板与第二和第三导体分离的介电材料形成为多层电路板的外层。到第二和第三导电体的连接的每一个可以通过沿最靠近接收器级的相应的平衡-不平衡板的边缘的一行通孔完成。可以使用可选的装载介电的四分之一波长开路结构。
电流扼流圈使天线与传输线隔离，并防止共模噪声信号进入与天线的馈送连接处的传输线。电流扼流圈还防止沿屏蔽物的外表面传播的共模噪声信号沿第二和第三导体传播并到天线上。这样，大大地避免了共模噪声对天线信号的干涉
本说明书中涉及的“辐射”或元件“辐射”基于以下解释：在只用于接收信号的天线中，这些术语涉及在其内入射电磁铁辐射在这些元件中被转换成电流的相互作用。如果接收天线连接到发射机，就会产生辐射，并且所涉及的元件就是辐射元件。
平衡-不平衡转换器防止传输线用作辐射元件。
附图说明
以下通过示例并参照附图说明本发明，其中：
图1是根据本发明的天线系统的天线形成部分的透视图；
图2是没有示出天线的天线系统的图解性视图；
图3是在图2和图7中的线AB上的图解横截面图；
图4是在图2中的线CD上的图解横截面图，该图还示出了天线的近端；
图5是没有示出天线的图2的天线系统的图解侧视图；
图6是沿图2中的线EF的图解横截面侧视图；以及
图7是图2的天线系统的传输线形成部的图解剖视图。
具体实施方式
参照图1，四股天线(quadrifilar antenna)101具有天线元件结构，所述天线元件结构具有四个纵向延伸的螺旋形天线元件102A、102B、102C和102D，这些螺旋形天线元件102A、102B、102C和102D形成为陶瓷芯103的圆柱形外表面上的电镀金属导体轨迹。位于所述芯外表面上的环形连结导体104连接邻近天线远端的天线元件。在天线的近端处，形成为金属轨迹的四个径向元件105A、105B、105C和105D电镀在所述芯的端部表面上。每一个径向元件均电连接到相应的天线元件。径向元件连接到如以下参照图2和图4更加详细说明的传输线馈送结构。在本发明的本实施例中，天线是用于接收圆偏振辐射的“端射式”天线，且螺旋形元件在近端处连接到馈送结构。
天线的主共振频率为500MHz或更大，且其共振频率由天线元件的有效电气长度决定。对于给定的共振频率，元件的电气长度取决于它们的物理长度，并且还取决与它们的宽度和所述芯材料的相对介电常数，且天线的尺寸相对于空气芯类似结构的天线被大致上减小。
用于芯103的优选的材料为基于钛酸锆的材料。这种材料的相对介电常数为36，并且还被注意到的是这种材料的尺寸稳定性和电稳定性随温度变化。介电损耗忽略不计，可以通过挤压或压制制造所述芯。
天线元件102A-102D和径向元件105A-105D是粘接到芯103的外圆柱形表面和端部表面的金属导体轨迹。在整个工作长度上，天线元件102A-102D的宽度至少是它们厚度的四倍。可以通过利用金属层初始电镀芯103的表面，然后根据类似于用于蚀刻印刷电路板的、施加在感光层内的图案选择性地蚀刻掉该层以暴露芯，从而形成轨迹。可选地，可以通过选择性的沉积或通过印刷技术施加金属材料。在所有情况中，作为在尺寸稳定芯的外侧上的整体层的轨迹的形成产生具有尺寸稳定的天线元件的天线。
参照图2，安装到天线近端的是印刷电路板107，例如，多层印刷电路板(PCB)。多层电路板通常使用许多层绝缘材料。不同的材料可以用于不同的绝缘层。导电轨迹形成于板的层之间，和板的外层的表面上。如图3和图4中可以更清楚地示出，该板具有由虚线表示的内导体108，和外屏蔽导体109A和109B。图4是示出了天线的近端图，示出了所述天线安装到PCB107上且PCB在图2中出现的线AB上被切割。天线的近端具有每一个均连接到相应的天线元件102A、102B、102C和102D的四个径向元件105A、105B、105C和105D。径向元件通过连接元件106A和106B相互连接以形成两对弓形件。板107横越天线近端的直径而被定位。天线芯在其近端内具有凹槽103R，板的接头(tab)110(见图2)延伸到该凹槽103R内，从而将天线保持在适当的位置。凹槽103R可以是如图所示的具有对应于接头110的长度的深度的封闭凹槽(blind recess)，或者其可以延伸通过芯103。在板与天线的接合处，内导体电连接到连接元件106A。外导体109A和109B在板与天线直接的接合处都连接到连接元件106B。因此，板的内外导体形成用于环形天线101的传输线馈电线。
如图2中所示，板107是具有基本上与天线同样宽度的矩形多层电路板。内导体108包括布置于板的横向的细长轨迹，并且除了在内导体的各个端部处、适当地用于将传输线连接到天线和接收电路的延伸部之外，内导体108基本上为矩形。内导体108比电路板107窄，并且PCB的绝缘层因此在内导体的任意一侧上比内导体延伸得更远。外导体109A和109B布置成基本上覆盖天线与接收电路之间的所有矩形电路板。因此，外导体在内导体的任意一侧上也比内导体延伸得更远。电路板可以形成更大电路板的一部分，该更大的电路板形成在其内放置天线系统的器件的一部分。
参照图7，多个通孔111形成于外导体之间。外导体已经布置在绝缘电路板的至少两层之间。通孔是形成于在其内表面上具有导电涂层的电路板内的孔。因此通孔电连接电路板的相对表面上的导体。在图7中可以看到的是：通孔沿电路板的纵向边缘形成，外导体沿该电路板的纵向边缘延伸到内导体之外。用这种方式，使外导体相互电连接，从而形成用于内导体的屏蔽，该内导体与外导体保持电隔离。这种布置防止传输线用作辐射元件。只用电镀在天线芯上的导体辐射。
参照图3，其为通过AB(图2)的横截面，示出了作为夹在多层电路板107的绝缘层之间的导电轨迹的内导体108和外导体109A和109B。还示出了使外导体109A和109B相互电连接的通孔111。
再重新参照图2，内外导体连接到接收电路112，该接收电路112包括布置在屏蔽物或法拉第笼114内的至少一个放大器113。屏蔽物114出现在图5中的侧视图中。外导体电连接法拉第笼，该法拉第笼又电连接到放大器的接地端子。内导体终止于法拉第笼内，并连接到放大器。因此，只有天线到地面的连接经由传输线外导体109A、109B和它们在接收电路输入处的接地连接。在天线与放大器之间没有其它到地面的连接。
内导体108通过通孔118电连接到接收电路112，而如图6中所示，外电路109A和109B通过通孔119电连接到接收电路的接地平面。如图2中所示，在天线附近的印刷电路板的端部处，内导体通过通孔120电连接到板107的外表面上的导电垫板(pad)122，而外导体通过通孔121电连接到外表面的另一个导电垫板123。垫板122、123允许到天线近端面上的导电轨迹的连接。
电流扼流圈(current choke)放在接收电路和天线之间，以减小共模噪声在天线信号上的叠加，并防止传输线外部导体用作从周围接收电磁辐射的结构的一部分。如图2中所示，电流扼流圈以套筒式平衡-不平衡转换器(sleeve balun)115的形式形成。图6是在板107上的适当位置的套筒式平衡-不平衡转换器115的横截面侧视图。套筒式平衡-不平衡转换器包括一对导电板116A、116B，每一个导电板均覆盖传输线的外导电层的相应的一层，并且在边缘处，优选地在与天线最远的边缘处连接到相应的外导电层109A、109B。如图2和图6中所示，使用多个通孔117将平衡-不平衡板116A、116B优选地与外导体109A、109B电连接。每一个套筒式平衡-不平衡板116A和116B与在下面的传输线的外导电层之间是介电层。在优选的实施例中，这层形成PCB的一部分，并且通常由相对介电常数εr大约为4的装载陶瓷塑料材料制成。FR-4是这种材料的示例。其相对介电常数为4.7。根据从其连接到在下面的导电层的边缘和相对边缘的板的范围，每一个套筒式平衡-不平衡板的电气长度为在天线工作频率下的四分之一波长。在1575MHz的天线工作频率下，使用FR-4板，套筒式平衡-不平衡转换器的长度大约为2cm。此平衡-不平衡转换器以本领域技术人员所熟悉的方式工作。在套筒式平衡-不平衡转换器与天线之间露出的传输线的任何一部分将辐射。因此，如图2中所示，平衡-不平衡转换器被定位成尽可能地靠近天线而定位。
这种布置有多个优点。首先，平衡-不平衡转换器节流外导体上的电流，从而防止任何共模噪声信号(共模噪声信号例如由在其内安装天线的设备内的其它电路生成)流出法拉第笼并进入传输线。这样，平衡-不平衡转换器使传输线与共模噪声信号屏蔽。平衡-不平衡转换器为天线提供了平衡载荷。此外，平衡-不平衡转换器使天线隔离，以便只有天线辐射。此外，仅由天线确定系统的共振频率，而不是由天线和暴露在天线与接收电路之间连结的导体一起确定系统的共振频率。这意味着辐射和共振导体长度匹配，从而提高了效率。
作为可选方案，电流扼流圈可以由半个平衡-不平衡转换器套筒形成。在这种布置中，仅仅使用一个导体，例如116A。这具有与全平衡-不平衡转换器套筒基本上相同的效果。又一可选方案是使用铁酸盐电流扼流圈。用类似于套筒式平衡-不平衡转换器的方法将铁酸盐板放在传输线的任意一侧上。这种布置的优点是没必要使板的长度为四分之一波长，从而允许更紧凑的设计。扼流圈也可以具体化为与传输线相关联的同轴TEM共振器，且传输线优选地以同轴电缆的形式形成。这种共振器通常具体化为四分之一波长的末端开口装载介电的空腔。
Claims (25)
1.一种用于在超过200MHz频率下工作的天线系统，包括：天线，传输线和接收器级，且所述传输线将所述天线电连接到所述接收器级的输入，并且所述天线具有：
相对介电常数大于5的固体绝缘材料的天线芯，且所述芯材料占据由所述芯的外表面限定的体积的主要部分，和
三维天线元件结构，所述三维天线元件结构设置在所述芯的所述外表面上或者邻近所述芯的所述外表面；
其中所述天线在介电芯的近端处由所述传输线馈送，所述接收器级包括放大器和电磁辐射屏蔽物，且所述放大器位于所述屏蔽物内，而所述传输线包括电流扼流圈，所述电流扼流圈被设置成在所述天线的馈送连接处提供基本上被平衡的条件。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述芯具有近端面和远端面，所述天线元件结构包括在所述近端面上具有端部的多个细长导电元件，而所述传输线包括电连接到所述端部中的一个的第一导体，和电连接到所述端部中的另一个的第二导体，且所述第一导体终止于所述屏蔽物内。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一导体在所述屏蔽物内电连接到所述放大器的输入，而所述第二导体电连接到与所述放大器共用的接地导体。
4.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中所述电流扼流圈是套筒式平衡-不平衡转换器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述套筒式平衡-不平衡转换器包括至少一个导电构件，所述至少一个导电构件与所述第二导体并排，并且具有连接到所述第二导体的一个端部和为开路的相对端部，且所述导电构件的电气长度近似为工作频率下的四分之一波长。
6.根据权利要求1-3所述的系统，其中所述电流扼流圈包括至少一层铁酸盐层。
7.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中所述传输线由平面构件形成，且所述第一导体嵌入所述平面构件内，而所述第二导体形成于所述平面构件的所述外表面上。
8.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中所述扼流圈包括与所述传输线相关联的谐振元件，且所述谐振元件介电地装有介电元件，所述介电元件由相对介电常数小于形成所述天线芯的材料的介电常数的材料制成。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述介电元件的所述相对介电常数比所述天线芯材料的相对介电常数至少小5倍。
10.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中所述扼流圈包括具有至少一个平面的谐振元件。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述天线具有中心轴线，并且所述谐振元件的所述平面平行于所述轴线。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述扼流圈包括在层压板上以导电膜形式形成的平面谐振元件。
13.根据权利要求8-12任一项所述的系统，其中所述扼流圈与所述天线芯间隔开，且传输线包括第一和第二导电元件，所述第一和第二导电元件延伸到所述扼流圈之外，以形成与天线元件结构的连接。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述第一和第二导电元件在具有比所述芯的相对介电常数低至少5倍的相对介电常数的环境的区域内延伸到所述扼流圈之外。
15.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中包括至少一对细长天线元件，且每一对中的所述元件设置在相对的结构中，其中所述天线元件具有相互连接的第一端部和具有构成所述馈送连接的第二端部。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述芯是圆柱形，并且每一个天线元件在所述芯的所述外表面上的轴向间隔开的位置之间延伸，并且每一对元件的各个间隔部大致直径相对。
17.根据权利要求16所述的系统，其中通过大致为圆形的连接元件提供相互连接，所述连接元件形成于所述芯的外表面上或者邻近所述芯的外表面形成。
18.根据权利要求1-7中任一项所述的系统，其中所述天线元件结构包括具有开路远端的至少一对天线元件。
19.根据权利要求15-19中任一项所述的系统，其中所述天线元件长度相等，并且为螺旋形，且每一个在所述间隔部之间绕所述芯做成半匝。
20.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中所述天线包括形成双股螺旋形天线的单对天线元件。
21.根据权利要求1-19中任一项所述的系统，其中所述天线包括形成四股螺旋形天线的两对天线元件。
22.一种用于在超过200MHz频率下工作的天线系统，包括：天线、放大器级和使所述天线和所述放大器级相互连接的传输线三者的组合，其中所述天线包括：三维天线元件结构，所述三维天线元件结构设置在天线芯的外表面上或者邻近天线芯的外表面设置，且所述芯由相对介电常数大于5的固体绝缘材料制成，所述芯材料占据由所述芯外表面限定的体积的主要部分，其中所述放大器级包括在导电屏蔽物内的放大器电路，其中所述传输线具有在所述天线元件结构的馈送连接处大致平衡馈送连接的电流。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述传输线包括第一导体和第二导体，所述第一导体在一个端部处连接到所述天线元件结构，而在另一个端部处连接到所述放大器的输入，且到所述放大器的输入的连接在所述屏蔽物内，所述第二导体提供从所述天线元件结构到地面的导电通路，其中导电通路在所述第二导体的一个端部处从所述天线元件结构直接延伸到邻近所述放大器输入的接地连接，且所述接地连接在所述第二导体的另一端部处，其中所述扼流圈位于所述第二导体的外侧上。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述传输线的所述第二导体是用于所述第一导体的屏蔽，并且所述扼流圈包括第三导体，所述第三导体的电气长度基本上是所述系统的工作频率下的四分之一波长或四分之一波长的奇数倍，且所述第三导体与所述第二导体并排地从与所述第二导体的连接延伸到所述天线附近的开路端部。
25.一种基本上如本文所述并在附图中所示而构造和布置的天线系统。
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