CN1047473C - 折叠偶极天线及应用该天线的寻呼接收机 - Google Patents

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Abstract

一种折叠偶极天线及应用该天线的寻呼机，该天线包括：绝缘基底，设有第一、二表面；位于第二表面上的折叠偶极元件，含有一个连续的偶极臂和与之平行的第一、第二偶极臂分段，两个分段由一激励间隙隔开；位于第一表面上的馈电元件，激励间隙共线且与两个偶极臂分段之一保持电性连接；接地平面；其中偶极元件位于馈电元件与接地平面之间；介电隔离层内插于接地平面和基底之间，使基底第二表面与接地平面之间形成电绝缘，将基底支撑在与接地平面隔开的位置上。

Description

折叠偶极天线及应用该天线的寻呼接收机
本发明涉及天线领域，尤其涉及折叠偶极天线但并不仅局限于此类天线。本发明还涉及应用该无线的寻呼接收机。
在便携式无线电设备、尤其是个人寻呼装置的设计中，体积是非常重要的考虑因素。许多现有的寻呼装置使用比较大的接收天线，从而使装置的总体尺寸显著增大。使用这种尺度的天线通常是由于采用了较低的射频寻呼频率，同时也是寻呼信号的正常接收。特别是，高的天线增益不仅是需要的，而且事实上在某些特定场合中对于全波段接收能力的实现来说也是必需的。然而，体积限制使得传统的高增益天线结构无法用于小型化设计的寻呼接收机中。
许多现有的接收机体积较大，需要放到身体的某一侧随身携带，通常系在腰带上或装在衣袋里。然而，近期的需求趋势表明，寻呼装置的设计更加小型化，如可以带在手腕上。腕式寻呼接收机的一个优点在于它可以被用户置于面前，便于观看和调节。
已有的腕式寻呼接收机往往含有与RF信号的磁场分量相应的简单的环形天线：此类天线的环形元件一般放在腕带内。尽管这种型式的天线系统只具有边限性能，但它可以使环形天线封闭在腕带罩内部。然而，这种配置只有在连接机构由腕带或其它环形结构组成时才具有优越性。因此，希望提供这样一种天线系统：它能够放在小型化的寻呼接收机内，并且不以特定型式的连接机构为前提条件。
如上所述，用于普通的地面寻呼装置的接收天线往往比较大，其部分原因在于所采用的寻呼频率较低(例如，小于1GHz)。然而，现有卫星通讯系统具有1.5GHz(接收)/1.6GHz(发送)或2.5GHz的工作频率，这就为寻呼接收天线尺寸的减小提供了机会。工作在这些频率的天线需要有足够低的增益以产生较宽的辐射方向图，这样便可接受来自较宽角度范围的寻呼信号。提出上述性能要求是必要的，因为卫星信号的地面接收不仅基于视距传送方式，而且基于建筑物、道路等物体的散射及反射传送方式。因此，有必要提供能从通信卫星接收寻呼信号的小型天线。
本技术领域的技术人员会知道：对于给定的天线来说，传输增益与接收灵敏特性的程式是等同的。因此，术语“辐射方向图”在此同时表示天线的传输增益及接收灵敏特性。
美国专利US-A-381 3674介绍了一种带谐振腔的偶极缝隙天线，该天线用于传输来自飞行器外壳的圆极化信号。这种天线含有在其基底的一某一侧面上形成的折叠偶极子以及基底另一侧面上的带状馈线。在上述第一个基体侧面上，折叠偶极元件被导体围绕，该导体与一个开有谐振腔的箱体保持电性和机械连接。
本发明着眼于使所设计的折叠偶极天线能缓解至少一部分上述的问题。
本发明的目的就是提供一种折叠偶极天线及应用该天的寻呼接收机。
本发明一种折叠偶极天线包括绝缘基底，它具有基本相互平行的第一和第二表面；位于上述第二表面上的折叠偶极元件，该折叠偶极元件含有一个连续的偶极臂和与之平行的第一、第二偶极臂分段，且两个分段由一激励间隙隔开；安装在上述第一表面上的馈电元件，该元件与上述激励间隙共线，并与两个分段之一保持电性连接；一个接地平面，其特征在于偶极元件介于馈电元件与接地平面之间；接地平面的特征还在于它和上述基底之间插有介电隔离层，该隔离层的作用是使上述基底第二表面与接地平面之间形成电绝缘，同时也将基底支撑在与接地平面隔开的位置上。
本发明还介绍了一种寻呼接收机，该寻呼机含有如前所述的折叠偶极天线和用来容纳接收线路的外壳，其中，折叠偶极天线附着在外壳的第一外表面上，而辅助天线则安装在外壳的第二外表面上。
所附权利要求对以上本发明基本的和推演的特点给予了详细的界定，此外，通过以下参考附图对一个典型实施例的详细描述也将使本发明的优点得到更清晰地说明。
例图简介中：
图1是配有折叠偶极天线的个人寻呼接收机。
图2描述了图1所示折叠偶极天线中的微带结构；
图3详细描述了折叠偶极天线的装配结构，为清楚起见，该剖面图未将外壳绘出；
图4是本发明折叠偶极天线的局部俯视图；
图5a按比例表示了折叠偶极微带电路元件；
图5b按比例表示了馈线微带电路元件；且
图6用曲线表示了一个水平1/2波长天线中心的驱动点阻抗，该阻抗是天线相对于一接地平面高度的函数。
图例详介
图1表示一台个人寻呼接收机，其中配有本发明所述的折叠偶极天线系统。寻呼接收机一般如图中的10所示，包括显示器20和以本领域技术人员熟知的方式操作寻呼接收机的输入开关30。接收机10装在外壳40内，外壳的一个侧表面用来安装辅助微带插接天线50。此外，外壳40上还有一个第一端面被定为折叠偶极天线的安装面。按设计方案，如图1所示，辅助插接天线50用来产生具有电场方向为E1的辐射方向图，该方向与偶极子天线100的电场方向E2垂直。这种天线的组合有利于改善分集极化的寻呼信号的接收和入射角度。在一个典型的装配结构中(下文详述)，折叠偶极天线100设计成可以接收通过卫星以1542MHZ的频率播出的寻呼信号。
如图1、图2所示，本发明的折叠偶极天线100采用了微带结构，该微带结构由天线接地平面110、微带绝缘基底120以及插入二者之间的介电隔离层130所组成。天线100通常将附着在外壳40上，这是通过将接地平面110用胶粘剂(例如热熔性塑性胶粘剂)粘接在外壳40上来实现的。接地平面110可由厚度为0.5至2.0mm的金属片制成，它有一个与外壳40侧面相连的外部部分110a。介电隔离层130可以选用如聚苯乙烯泡沫制成，该材料的绝缘常数约为1.2。介电隔离层130的厚度是根据天线100对同轴电缆140呈现的所希望的阻抗确定的。一般为50欧姆(图2)。
在图2中，电缆140从接收器电子线路(图中未示)中引出，通过接地平面110上的槽口而进入介电隔离层130。如下所述，借助于普通的同轴电缆至微带转接方法，将电缆140的内外导体分别与绝缘基底120第一、第二表面142、144上的印刷微带电路元件连接起来。微带绝缘基底可由硬铝片构成，也可由其它类似的以聚四氟乙烯为基板的微波印刷电路板层构成，其中的硬铝片厚度一般为1到2mm，由亚利桑拿的Rogers Corporation ofChandler生产。其它层状材料(如铝)也可用来作为微带基底。
图3所示剖面图详细描述了折叠偶极天线100，为表示清楚起见，该图略去了外壳40。图3中，含有微带电路元件的馈线150被印制在微带绝缘基底120的第一表面142上。此外，折叠微带偶极元件154被印制在绝缘基底120的第二表面144上。在一个典型实施例中，同轴电缆140的芯线通过绝缘基底120引出，并与馈线150实现电接触。相应地，同轴电缆140的外导体通过同轴电缆-微带转换导管158的外环与折叠偶极子154实现电性接触。
图4是折叠偶极天线100的局部俯视图。在图4中，折叠偶极微带元件大致如图中虚线轮廓部分154所示，它含有一个连续偶极臂162，以及第一和第二偶极臂分段166和170。第一和第二偶极臂分段166和170之间形成了一个激励间隙G，馈线150在该间隙上部跨过。在使用时，折叠偶极子154对跨过激励间隙G的馈线150实行激励，所形成的激励信号通过同轴电缆140的内导线178传给寻呼接收机的接收线路(线路未示出)。在此，折叠偶极子154为馈线150提供了接地平面，而且，借助于一条穿过微带绝缘基底120的导线180，折叠偶极子与馈线之间保持了直接的电性接触。
作为一个天线反射器，接地平面110(图3所示)可以改变折叠偶极子154的辐射方向图。尤其是，接地平面110使辐射方向图变为指向沿背离接收机外壳40的方向。尽管在图1的实施例中希望使背离接收机外壳40方向上的方向图最强，但在其它一些应用场合中，也可希望使折叠偶极天线能在垂直与折叠偶极子154的两个方向上形成波瓣方向图，因此可以想见，在这些场合中可以不为偶极天线配置接地平面元件。
作为一个实例，折叠偶极子154和馈线150的微带电路元件可以用具有两个镀铜表面的绝缘基底来获得。每个表面经蚀刻做出相应折叠偶极子和馈线元件的铜制仿形。另外，这些元件的获得方法还可以是直接把材料如金或铜镀敷在绝缘基底的两个面上，以便形成适当的微带电路样式。
图5a和5b按比例分别描述了折叠偶极子154和馈线150的微带电路元件。在示图5a和5b中，对馈线和偶极子尺寸的选择是基于工作频率为1542MHz以及绝缘基底绝缘常数约为2.3的假设。
图5所示微带元件的长度(L)，宽度(W)和直径(D)参数所对应的尺寸值如下表所示
表1参数                         尺寸(毫米)L1                        60L2                        30W1                        10W2                        14W3                        10D1                        01D2                        04D3                        01WG1                       02L3                        25L4                        27.5L5                        18W4                        4.7W4                        4.7
表中参数D3表示绝缘基底120上开出的圆孔的直径，同轴电缆140的中心导线穿过该圆孔。同样，参数D2表示连续偶极臂162上一圆形区域的直径，该区域内靠近D3所示圆孔附近的铜镀层被去除。去除铜镀层是为了防止在同轴电缆芯线与折叠偶极子154之间形成短路。有利的做法是：在穿过绝缘基底120和偶极子臂162之后，同轴电缆芯线的端部应焊在微带馈线150上。
通过选择适当的绝缘材料，可以改变偶极天线的总体积以适应寻呼接收机外壳的尺寸要求。例如，表1所给出的微带电路尺寸是以配置硬铝绝缘基底(绝缘常数约为2.3)为前提条件的。如果改变绝缘基底的结构(例如采用薄的铝制基底)，那么将可获得较小的折叠偶极天线。
由前述图3还可看出：折叠偶极子154与接地平面110间的间距由介电隔离层130的厚度T决定。介电隔离层130的厚度T和绝缘常数的选择应基于折叠偶极天线呈现的所希望的阻抗条件(例如折叠偶极天线)的阻抗应与同轴电缆140的50欧姆阻抗相匹配。如下所述，有一种确定介电隔离层合适厚度T的方法，该方法着眼于估计折叠偶极天线的驱动点阻抗。这种估计方法的实现可以采用天线阻抗的图解形式，如图6所示。
图6表示了在一个反射面上部水平放置的普通1/2波长偶极天线的阻抗，其中反射极与偶极天线的距离是以自由空间的波长来表示的。如图6所示，大相隔距离时的阻抗约为73欧姆，而且如果偶极子与反射面之间相互平行且距离较近(例如间距小于0.2个波长)，则阻抗会小于73欧姆。在距反射面同样距离的条件下，折叠式1/2波长偶极子所表现出的阻抗大约为普通1/2波长偶极子阻抗的四倍。因此，用折叠式偶极子形成50欧姆阻抗所需的间距与普通1/2波长偶极子达到12.5欧姆阻抗所需的间距相同。为采用图6估计折叠偶极子的阻抗(该偶极子与反射面之间由介质隔离层隔开)，自由空间间距必须按因数
Figure C9419363800111
进一步减小，其中，ε代表隔离层的绝缘常数。
因此，按照图6，对于折叠式1/2波长偶极子要实现500hm的阻抗用绝缘常数约为1.2的介质隔离所需的间距将大致为
Figure C9419363800112
个波长，即0.07个波长。这样，可用的绝缘隔离层就比较薄。
本技术领域普通技术人员应该会认识到：尽管对本天线的介绍以接收机为使用背景、但它同样适合于用作发射天线，因为对于发送和接收来说，辐射方向图及其它特征是一样的。
尽管对本发明的描述所基于的是几个特定的实施例，但这些描述只是针对本发明的特例，而不能被理解为本发明的界限。本发明的涉及范围由所附权利要求来确定。

Claims (5)

1．一种折叠偶极天线，包括：
绝缘基底(120)，其上设有基本相互平行的第一表面(142)和第二表面(144)；
位于上述第二表面(144)上的折叠偶极元件(154)，该元件含有一个连续的偶极臂(162)和与之平行的第一、第二偶极臂分段(166,170)，两个分段由一激励间隙(G)隔开；
位于上述第一表面(142)上的馈电元件(150)，该元件与上述激励间隙位置共线且与两个偶极臂分段之一保持电性连接，和
接地平面(110)；
其特征在于：偶极元件位于馈电元件与接地平面之间；介电隔离层(130)内插于上述接地平面(110)和基底(120)之间，其作用在于使上述基底第二表面与接地平面之间形成电绝缘，并将基底支撑在与接地平面隔开的位置上。
2．根据权利要求1的天线，其特征在于上述馈电元件包含微带馈线(150)。
3．根据权利要求1或2的天线，其特征在于：还包含穿过上述介电隔离层(130)的同轴电缆(140)，该电缆的芯线(178)与上述馈电元件(150)保持电性连接，其外导体与上述偶极元件(154)保持电性连接。
4．根据权利要求3的天线，其特征在于：上述绝缘基底(120)厚度值被选择成使上述天线对上述同轴电缆呈现的阻抗大约为50欧姆。
5．一种应用权利要求1所述的折叠偶极天线的寻呼接收机，其特征在于：包括用来容纳接收机电路的外壳(40)，折叠偶极天线附着在外壳的第一外表面上，而辅助天线(50)则安装在外壳第二外表面上。
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