CN1065079C - 双功能天线结构和带有这种天线结构的便携无线电设备 - Google Patents

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Abstract

一种双功能天线结构在第一和第二方式时进行收发。第一馈线(120)馈送基本天线单元(110)，以在第一方式时操作。第二馈线(140)通过耦合单元(130)耦合到第一馈线(120)的一部分或基本天线单元(110)上，以构成一个辅助天线单元。据此，在一个便携无线电设备中利用小巧结构和利用第一及第二馈线(120，140)，可以双功能操作方式工作。

Description

双功能天线结构和带有这种天线结构 的便携无线电设备
本发明涉及双功能天线结构，具体涉及一种基本(primary)天线单元，它类似于以一种第二方式操作的辅助(secondary)天线单元。
便携无线电电子设备通常由于它们的体积小和携带方便而受到欢迎。一种单一的小型天线结构诸如可伸缩偶极或单极天线通常是很普通的。然而，这种天线和其它已知的天线只适合于一种工作方式；例如，这些天线不能最佳化地谐振在两个不同的射频上。
此外，这些天线只适应于一种极化类型的射频能量。例如，目前典型的蜂窝无线电话机的可伸缩单极天线只适应于线性极化的射频能量。能够提供已选定的线性极化和圆极化的射频能量两种功能的小巧的天线结构在本技术领域内还是不曾为人所知的。
本发明的目的是提供一种双功能天线结构，它可以最佳化地调谐在两个不同的射频上。
本发明提供了一种双功能天线结构，用以收发具有不同频率的第一和第二信号，包括：一个基本天线结构，含有基本天线单元，能够以第一方式收发第一信号，和第一馈线，耦合到基本天线单元，将以第一方式由第一天线单元收发的第一信号馈送给基本天线单元；一个第二馈线，馈送以第二方式由第一天线结构收发的第二信号；一个耦合单元，连接在基本天线结构与第二馈线之间，该第二馈线被配置成在基本天线结构与该第二馈线之间有电磁性地耦合，其所具有的特性足以使基本天线结构形成一个辅助天线单元，以第二方式由基本天线结构以与以第一方式的第一信号不同的频率收发第二信号。
图1示出双功能天线结构实施例的侧视图；
图2示出按照另一个实施例的具有双功能天线结构的便携无线电装置的透视图。
图1示出按照本发明第一实施例的一种双功能天线结构的侧视图。一个基本天线结构是由基本天线单元110和第一馈线120构成的。该基本天线单元110最好用一个四线螺旋(quadrifilar helix)天线单元构成。该基本天线单元110谐振在第一馈线120的一个频率上，因而由第一馈线120馈电。利用两臂螺旋作为第一馈线120与第二馈线140之间的耦合单元130，向辅助天线单元馈电。辅助天线单元是由基本天线单元110和第一馈线120的一部分组成的，并且谐振在第二馈线140的一个频率上。为此，小巧的天线结构能够提供双功能。此外，基本天线单元的四线螺旋在功能上类似于线性极化天线结构和圆极化天线结构。
当希望以较高效率操作时，可应用一个扼流圈150来防止从第二馈线140来的能量不致在耦合单元130的下面向下传播，以改善天线的图型特性。扼流圈150的位置也可调整扼流圈150上方的第一馈线120部分的电气长度或频率特性。扼流圈150上方的第一馈线120部分和基本天线单元110的电气长度或频率特性大约是在第二方式时射频波长的半波长。为此，如果第二方式的电气长度需要调整，则扼流圈150的位置可以被选择以修正或调整第二方式时辅助天线单元的电气长度。
扼流圈150最好是一个约为四分之一波长的扼流圈，并且具有短路端(shortod end)155和金属化内表面，其电气长度可以是在第二方式时射频能量的大约四分之一波长的奇数倍。据此，该扼流圈近似于一个具有短路端的四分之一波长的传输线。
基本天线单元110、第一馈线120、第二馈线140和耦合单元130最好装在天线罩160内，以形成该天线结构。天线罩160是一个电介质材料的封闭管，用以保护天线单元和馈线与外界环境隔离开。
第一实施例的基本天线单元110的四线螺旋最好应用半刚性金属的同轴材料构成。这个半刚性金属同轴材料具有一个金属外导体，由一种电介质使之与金属的中心导体相绝缘。第一馈线120最好也由这种半刚性金属同轴材料构成。基本天线单元110的能量在第一馈线120的半刚性同轴材料内部沿第一表面和第二表面传播。半刚性金属同轴材料的第一和第二表面分别是金属中心导体和金属外导体内表面。半刚性同轴材料的金属外导体具有第三表面，该第三表面是金属外导体的外表面。
第一馈线120半刚性同轴材料外侧上的第三表面和基本天线单元110的四线螺旋的四个臂短路在短路点115处。耦合单元130将第二馈线140来的能量耦合到第一馈线120的金属外导体的外表面的第三表面上。
当该天线结构通过第二馈线140以第二方式操作时，耦合单元130使第一馈线120外导体上的能量耦合到基本天线单元110。在这个实施例中，这些同轴的内、外导体连接是优选的；然而，其它结构也是可能的，这将参照基它实施例作进一步说明。借助于第一馈线120的外表面和基本天线单元110的四线螺旋可以使辅助天线单元能接发收线性极化射频能量。基本天线单元110的四线螺旋可以收发圆极化射频能量。据此，图1的第一实施例在一种方式时执行收发圆极化射频能量和在另一种方式时执行收发线性极化射频能量，因而实现了双功能。
双功能天线结构是小巧的双方式便携无线电设备希望采用的。例如，地面或陆基蜂窝无线电系统通常采用线性极化无线电能量，而另一方面，便携卫星无线电设备通常需要使用圆极化天线。与线性极化天线相比，圆极化天线具有较好的增益图型，以便从外层空间向天顶到源收发能量。线性极化天线具有较好的增图型，用以向地平线到地面基站发射和接收能量。本发明提供了一种单一天线结构，能够工作于线性极化方式和圆极化方式。据此，应用本发明的这种单一天线结构可以使小巧的便携式双方式卫星和地面无线电接收机成为可能。
耦合单元130最好由两臂耦合螺旋构成。两臂耦合螺旋具有一个热臂线圈和一个接地臂线圈，它们具有不同尺寸或长度，将第二馈线140的能量耦合到第一馈线120。耦合单元130的两臂耦合螺旋允许第二馈线140可以有一个匹配的输入阻抗。由于消除两个线圈下方的无线电设备机壳上感应的电流流动，因而两臂耦合螺旋改善了天线图型特性。为此，一种较高增益的天线在第二方式时实现了在便携无线电设备的电池的电流泄漏减小的同时得到了较好的通信。
两臂耦合螺旋的两个线圈应当不接触地缠绕在第一馈线120上，其间最好放入诸如一个电介质圆柱体或卡板圆柱体之类的电介质绝缘体。两个线圈最好使用大约0．05mm(2×10-3英寸)厚和大约1．778mm(0．070英寸)宽的扁平铜微带导体制做。另一种可替代的方案是，这两个线圈也可以在空间上是独立式的，或是封装在一个塑料模件内。圆柱体的直径最好按实际可能尽量地小，以便于实现小巧化，其直径最好小于所收发的信号波长的1／10。另外，这两个线圈可以紧随第一馈线120放置，而不是缠绕在它上面。
作为例子，在地面蜂窝无线电电话系统中，在第二方式时希望使用920MHz频率的信号。耦合单元130的接地臂最好长于热臂，其比值为2．5／2．0。采用约为8．128mm(0．32英寸)直径的圆柱体，热臂线圈的绕线轴长约为20．955mm(0．825英寸)，接地臂线圈的绕线轴长约为30．099mm(1．185英寸)，线圈节距的螺旋角大致15°。因两个线圈节距有螺旋角，而允许它们围绕圆柱体扭绞，故圆柱体的周长略小于一匝线圈的周长。为此，热臂线圈大约3．5匝。接地臂线圈大约5．5匝。这两个线圈最好互相交织，但它们最好能够偏置，以使较短的线圈不完全或根本不与较长的线圈相交织。
图2示出一种便携无线电设备260，它具有一个小巧的单一天线结构和双功能能力。第一馈线220在第一节点225处将无线电电路270连接到基本天线单元210上。第二馈线240在第二节点245处将无线电电路270连接到耦合单元230上。在图2的这另一个实施例中，第二馈线240通过耦合单元230连接到基本天线单元210上而不是第一馈线220上。在许多场合中，选择第二馈线连接到第一馈线和／或基本天线单元上是无关紧要的。选择是将第二馈线通过耦合单元连接到第一馈电线还是另外连接到基本天线单元上，部分地取决于天线单元的类型应用基本天线单元和／或第一馈线部分来实现基本天线单元和辅助天线单元时各自所需的电气长度。
在图2的这另一个实施例中，与图1的第一实施例的四线螺旋天线单元不同，将一个单极天线单元用于基本天线单元210。为此，图2的这另一个实施例提供了一种双功能天线单元，在第一和第二方式时都是线性极化的。
在图2的这另一个实施例中示出无扼流圈的情况。图2的双功能天线结构在无扼流圈时能充分地工作。在因无线电设备上感应电流导致的能量损耗被容许时，便携无线电设备260在无扼流圈的情况下能充分地工作。另外，在无扼流圈的情况下，第一馈线会将天线上的一些能量直接引入无线电电路270中。
虽然在上文的描述和在附图中已说明和示出了本发明，但可以理解，这个叙述只是示例性的，本领域的技术人员可以作出无数的变化和修改而不偏离本发明的真实精神和范围。例如，可以使用不同类型的基本天线单元，诸如不带四线螺旋扭绞的双极式或交叉环形式基本天线单元；耦合单元在结构上可以采用不是两臂式耦合螺旋的结构方式例如是从一端馈电的单螺旋耦合单元；使用三个或更多个的馈线和多个有关的耦合单元；还可以提供具有三种或更多种方式的多功能天线结构。尽管该天线结构能使小巧的便携无线电设备得以实现，但该天线结构亦能与移动无线电设备或固定位置或无线电设备一起使用。

Claims (10)

1．一种双功能天线结构，用以收发具有不同频率的第一和第二信号，包括：
一个基本天线结构，含有
基本天线单元，能够以第一方式收发第一信号，和
第一馈线，耦合到基本天线单元，将以第一方式由第一天线单元收发的第一信号馈送给基本天线单元；
一个第二馈线，馈送以第二方式由第一天线结构收发的第二信号；
一个耦合单元，连接在基本天线结构与第二馈线之间，该第二馈线被配置成在基本天线结构与该第二馈线之间有电磁性的耦合，其所具有的特性足以使基本天线结构形成一个辅助天线单元，以第二方式由基本天线结构以与以第一方式的第一信号不同的频率收发第二信号。
2．按照权利要求1的双功能天线结构，其特征在于，该辅助天线单元是线性极化天线单元，用以收发线性极化的第二信号。
3．按照权利要求2的双功能天线结构，其特征在于，该基本天线单元包含一个圆极化天线单元。
4．按照权利要求3的双功能天线结构，其特征在于，该基本天线单元包含一个线性极化天线单元。
5．按照权利要求1的双功能天线结构，其特征在于，该耦合单元含有至少一个螺旋线圈，用以将第二信号间接地耦合到基本天线结构。
6．按照权利要求5的双功能天线结构，其特征在于，该耦合单元含有一个两臂结构，用以将第二信号间接地耦合到基本天线结构。
7．按照权利要求5的双功能天线结构，其特征在于，第二馈线至少有一个热导体和一个接地导体，馈送在第二方式时收发的第二信号，
其中，该耦合单元含有：
一个热臂线圈，配置在一部分基本天线结构邻近，用以将热导体耦合到该部分基本天线单元上，
一个接地臂线圈，配置在该部分基本天线结构邻近，用以将接地导体耦合到该部分基本天线结构上。
8．按照权利要求7的双功能天线结构，其特征在于，该热臂线圈和接地臂线圈相互交织，各自具有不同的长度。
9．按照权利要求1的双功能天线结构，其特征在于，所述的第一馈线包含一个扼流圈，以第二信号的波长进行扼流，其中，借助于处在基本天线单元与该扼流圈之间的耦合单元使第二馈线耦合到基本天线结构的第一馈线上。
10．使用按照权利要求1的双功能天线结构的便携式无线电装置，其特征在于，该便携式无线电装置包括：无线电电路，该无线电电路能够以第一方式和第二方式操作，该无线电电路的一个第一方式输出端耦合到第一馈线，该无线电电路的一个第二方式输出端耦合到第二馈线。
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