CN107078384A - 多线螺旋天线 - Google Patents
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Abstract
一种多线螺旋天线包括沿着纵向轴线延伸的螺旋的辐射元件，该螺旋的辐射元件包括长形的本体和尾部构件，该长形的本体具有自由的第一端部和与第一端部相反并联接至馈送端口的第二端部，该尾部构件在所述第二端部处延伸远离本体。尾部构件的几何形状被选定成用于实现下述各者中的至少一者：改变辐射元件的阻抗；以及加宽天线的谐振带宽。辐射元件可以包括定位构件，该定位构件沿着大致平行于所述轴线的方向延伸远离第二端部。定位构件的端部部分紧固至导电表面以与馈送端口连接。第二端部定位在导电表面上方的给定距离处，并且辐射元件通过馈送端口在导电表面上方的该给定距离处被进行馈送。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2015年8月28日提交的题目为“MULTI-FILAR HELICAL ANTENNA(多线螺旋天线)”的美国专利申请No.14839192的优先权，该美国专利申请通过参引以整体复制的方式并入本文中。
技术领域
本文描述的实施方式总体上涉及螺旋天线领域，并且更具体地涉及多线螺旋天线。
背景技术
多线螺旋天线通常用来实现天线分集，并且多线螺旋天线已经应用于诸如陆地移动卫星(LMS)通信和其他卫星通信及导航系统之类的应用。与传统天线比如单极天线相比，多线螺旋天线的优点包括增大的容量、天线元件之间的低相关性以及减小的尺寸和空间。多线螺旋天线通常利用位于设置在天线元件的螺旋件下方的水平印刷电路板上的馈送网络来进行调谐。这通常需要额外的空间并且通常增大了总体天线设计的成本和复杂性。
因此，需要一种改进的多线螺旋天线。
发明内容
根据一个方面，提供了一种多线螺旋天线，该多线螺旋天线包括沿着纵向轴线延伸的螺旋的辐射元件。辐射元件包括：长形的本体，该长形的本体具有自由的第一端部和与第一端部相反的第二端部，第二端部构造成联接至馈送端口；以及尾部构件，该尾部构件在第二端部处延伸远离本体。尾部构件的几何形状被选定成用于实现下述各者中的至少一者：改变辐射元件的阻抗；以及加宽天线的谐振带宽。
在一些示例性实施方式中，尾部构件可以沿着本体的螺旋路径延伸。
在一些示例性实施方式中，尾部构件可以沿着大致垂直于纵向轴线的方向延伸。
在一些示例性实施方式中，尾部构件可以包括第一臂和与第一臂间隔开的至少一个第二臂。
在一些示例性实施方式中，第一臂可以大致平行于所述至少一个第二臂。
在一些示例性实施方式中，所述至少一个第二臂和第一臂中的至少一者可以包括第一部段和第二部段，第一部段相对于第二部段成角度。
在一些示例性实施方式中，第一臂可以包括第一部段和第二部段，第一部段大致平行于所述至少一个第二臂，第二部段大致垂直于所述至少一个第二臂。
在一些示例性实施方式中，尾部构件的几何形状可以通过调节下述各者中的至少一者来选定：尾部构件的大小、尾部构件的长度、尾部构件的宽度、尾部构件的高度、尾部构件的曲率、尾部构件相对于纵向轴线的角度、尾部构件与其中设置馈送端口的导电表面之间的距离、尾部构件的臂的数目、尾部构件的臂之间的间隔、尾部构件的每个臂的角度、尾部构件的每个臂的厚度、尾部构件的每个臂的宽度以及尾部构件的每个臂的高度。
在一些示例性实施方式中，辐射元件还可以包括定位构件，该定位构件沿着大致平行于纵向轴线的方向延伸远离第二端部，定位构件的端部部分构造成紧固至导电表面以与设置在该导电表面中的馈送端口连接，第二端部定位在导电表面上方的给定距离处，并且辐射元件经由馈送端口在导电表面上方的该给定距离处被进行馈送。
在一些示例性实施方式中，天线还可以包括馈送件，该馈送件包括印刷电路板构件，该印刷电路板构件构造成紧固至导电表面以与设置在该导电表面中的馈送端口连接，印刷电路板构件在其外表面上设置有电传输线，该电传输线沿着大致平行于纵向轴线的方向延伸远离印刷电路板构件，传输线构造成在导电表面上方的给定距离处接触第二端部，以在导电表面上方的该给定距离处对辐射元件进行馈送。
在一些示例性实施方式中，天线可以包括第一组多个辐射元件。
在一些示例性实施方式中，天线还可以包括第二组多个辐射元件，所述第一组多个辐射元件中的各辐射元件彼此间隔开第一角距离，并且所述第二组多个辐射元件中的各辐射元件彼此间隔开与第一角距离相等的第二角距离。
在一些示例性实施方式中，辐射元件可以围绕纵向轴线沿右旋方向和左旋方向中的一者缠绕。
在一些示例性实施方式中，所述第一组多个辐射元件可以定位在距纵向轴线的第一径向距离处，并且所述第二组多个辐射元件可以定位在距纵向轴线的第二径向距离处，第二径向距离小于第一径向距离。
在一些示例性实施方式中，所述第一组多个辐射元件可以定位在距纵向轴线的第一径向距离处，并且所述第二组多个辐射元件可以定位在距纵向轴线的第二径向距离处，第二径向距离等于第一径向距离，并且所述第一组多个辐射元件和所述第二组多个辐射元件围绕纵向轴线交替地缠绕。
在一些示例性实施方式中，辐射元件可以依循选自多面体、柱形形状、球形形状和锥形形状中的形状。
在一些示例性实施方式中，辐射元件可以印刷在柔性印刷电路板基板上。
在一些示例性实施方式中，尾部构件可以形成本体的一体部件。
根据另一方面，提供了一种多线螺旋天线，该多线螺旋天线包括沿着纵向轴线延伸的螺旋的辐射元件。辐射元件包括：长形的本体，该长形的本体具有自由的第一端部和与第一端部相反的第二端部；以及定位构件，该定位构件沿着大致平行于纵向轴线的方向延伸远离第二端部。定位构件的端部部分构造成紧固至导电表面以与设置在该导电表面中的馈送端口连接，其中，第二端部定位在导电表面上方的给定距离处。
在一些示例性实施方式中，可以对定位构件的高度和宽度中的至少一者进行调节以调谐天线的谐振带宽。
在一些示例性实施方式中，辐射元件还可以包括尾部构件，该尾部构件在第二端部处延伸远离本体，尾部构件的几何形状被选定成用于实现下述各者中的至少一者：改变辐射元件的阻抗；以及加宽天线的谐振带宽。
在一些示例性实施方式中，定位构件可以包括馈送件，该馈送件包括印刷电路板构件，该印刷电路板构件构造成紧固至导电表面以与馈送端口连接，印刷电路板构件在其外表面上设置有电传输线，该电传输线沿着大致平行于纵向轴线的方向延伸远离印刷电路板构件，传输线构造成在导电表面上方的给定距离处接触第二端部以在导电表面上方的该给定距离处对辐射元件中的一个辐射元件进行馈送。
在一些示例性实施方式中，天线可以包括第一组多个辐射元件。
在一些示例性实施方式中，天线还可以包括第二组多个辐射元件，所述第一组多个辐射元件中的各辐射元件彼此间隔开第一角距离，并且所述第二组多个辐射元件中的各辐射元件彼此间隔开与第一角距离相等的第二角距离。
在一些示例性实施方式中，辐射元件可以围绕纵向轴线沿右旋方向和左旋方向中的一者缠绕。
在一些示例性实施方式中，所述第一组多个辐射元件可以定位在距纵向轴线的第一径向距离处，并且所述第二组多个辐射元件可以定位在距纵向轴线的第二径向距离处，第二径向距离小于第一径向距离。
在一些示例性实施方式中，所述第一组多个辐射元件可以定位在距纵向轴线的第一径向距离处，并且所述第二组多个辐射元件可以定位在距纵向轴线的第二径向距离处，第二径向距离等于第一径向距离，并且所述第一组多个辐射元件和所述第二组多个辐射元件围绕纵向轴线交替地缠绕。
在一些示例性实施方式中，辐射元件可以依循选自多面体、柱形形状、球形和锥形形状中的形状。
在一些示例性实施方式中，辐射元件可以印刷在柔性印刷电路板基板上。
在一些示例性实施方式中，定位构件可以形成本体的一体部件。
关于本改进方案的许多其他特征及其组合对于本领域技术人员在阅读本公开之后将是明显的。
附图说明
在附图中，
图1是根据一个实施方式的四端口多线螺旋天线的示意图；
图2是示出了根据一个实施方式图1的螺旋天线在较大的多输入多输出(MIMO)阵列中的使用的示意图；
图3是八端口多线螺旋天线的示意图；
图4是八端口多线螺旋天线的另一示意图，该示意图示出了如何能够实现十六端口多线螺旋天线；
图5A、图5B、图5C和图5D示出了根据一个实施方式图3和图4的天线元件的可能的缠绕构型的示意图；
图6是根据一个实施方式的N端口多线螺旋天线的天线元件的示意图；
图7A、图7B、图7C和图7D示出了根据另一实施方式图6的天线元件的尾部构件的可能的构型的示意图；
图8A示出了根据一个实施方式的包括具有定位构件但不具有尾部构件的天线元件的天线(在图8B中示出)的S参数S11随频率变化的曲线图；
图9A示出了根据一个实施方式的包括具有尾部构件但不具有定位构件的天线元件的天线(在图9B中示出)的S参数S11随频率变化的曲线图；
图10示出了根据一个实施方式的具有尾部构件和定位构件的天线元件的S参数S11随频率变化的第一曲线图，以及具有定位构件但不具有尾部构件的天线元件的S参数随频率变化的第二曲线图；
图11示出了根据一个实施方式的具有尾部构件和定位构件的两个不同的天线元件的S参数S11随频率变化的曲线图；
图12示出了回波损耗随频率变化的曲线图，该曲线图示出了根据一个实施方式的具有尾部构件和定位构件的天线能够实现的两个单独的窄带(E-UTRA 39和E-UTRA 40)和一个宽带(组合的E-UTRA 42和E-UTRA 43)；
图13是根据一个实施方式的与接地平面间隔开的螺旋天线的示意图；
图14是图13的螺旋天线的S参数随频率变化的曲线图；
图15是根据一个实施方式的安装至接地平面的螺旋天线的示意图；
图16是图15的螺旋天线的S参数的随频率变化的曲线图；以及
图17A和图17B是根据一个实施方式的用于螺旋天线元件的印刷电路板(PCB)馈送件的示意图。
将指出的是，在所有附图中，相同的特征由相同的附图标记表示。
具体实施方式
参照图1，现在将描述根据说明性实施方式的多线螺旋天线100。天线100包括多个相同的长形螺旋天线元件。尽管图1的天线100被示出为包括四(4)个天线元件1021、1022、1023、1024，但应当理解的是，天线100可以包括任何其他数目的天线元件。在一个实施方式中，天线元件的数目(N)大于或等于三(3)。在一些实施方式中，天线元件的数目(N)是二(2)的幂次方。
每个天线元件1021、1022、1023或1024绕着具有纵向轴线A的支撑表面(例如未示出的中空电介质体)缠绕，并且每个天线元件1021、1022、1023或1024均具有两个相反的端部，其中，一个端部为开路端部，另一端部1041、1042、1043或1044连接至端口1061、1062、1063或1064(例如经由未示出的探针或连接器引脚)，每个天线元件1021、1022、1023或1024通过端口1061、1062、1063或1064独立地馈送。这形成了其中如以1061、1062、1063、1064示出的独立的馈送端口的数目等于如以1021、1022、1023、1024示出的天线元件的数目的多端口辐射天线100，天线元件1021、1022、1023、1024共同位于天线100的基部处并用作一个元件。因此，可以通过改变如以1021、1022、1023、1024示出的天线元件的数目来改变如以1061、1062、1063、1064示出的天线端口的数目。应当理解的是，尽管天线元件在本文被描述为支撑在支撑表面上，但天线元件也可以是自支撑的。
在一个实施方式中，天线元件1021、1022、1023、1024以相同的螺旋线间隔(即，每一整圈的高度)绕着支撑表面缠绕。应当理解的是，在其他实施方式中，天线元件1021、1022、1023、1024可以以不同的螺旋线间隔绕着支撑表面缠绕。另外，天线元件1021、1022、1023、1024沿相同的方向缠绕，即沿左旋方向缠绕(以实现左圆极化)或沿右旋方向缠绕(以实现右圆极化)。在一个实施方式中，每个天线元件1021、1022、1023或1024的长度小于期望的传输频率下的一个波长(例如大致等于四分之一波长的倍数或更小)，其中，波长与天线的工作频率成反比例，并且天线元件1021、1022、1023、1024在其整个长度上具有恒定的宽度W。但应当理解的是，在其他实施方式中，天线元件1021、1022、1023、1024可以具有可变的宽度，例如，宽度可以是逐渐变小的。应当理解的是，天线元件1021、1022、1023、1024的尺寸可以根据应用而变化，并且因此，所产生的天线100的尺寸可以根据应用而变化。在一个示例中，天线100可以具有40mm的总直径和62mm的高度。在另一示例中，每个天线元件1021、1022、1023或1024可以是长150mm且宽10mm。每个天线元件1021、1022、1023或1024还可以分成两个宽度恒定(例如宽4mm)或宽度不相等的迹线。可以依据设计要求采用其他尺寸和构型。
天线元件1021、1022、1023、1024可以形成为厚度在一百微米量级(例如0.127mm)的柔性印刷电路板(PCB)基板(未示出)上的迹线。替代性地，天线元件1021、1022、1023、1024可以由导电材料比如铜、镀铜钢、导电聚合物、镀塑料的复合材料等的线或带制成。例如，天线元件1021、1022、1023、1024可以由DuPontTM柔性镀铜基板制成。可以使用其他合适的材料。
天线元件1021、1022、1023、1024在物理上彼此间隔开2π/N(或360/N度)的角距离θ，以增大端口1061、1062、1063、1064之间的隔离。例如，在图1的其中N＝4的情况下，第二天线元件1022缠绕成使得其端部1042与第一天线元件1021的端部1041间隔开90度的角距离(并且相应地，端口1062与端口1061间隔开90度)。类似地，第三天线元件1023缠绕成使得其端部1043与第二天线元件1022的端部1042间隔开90度并且与第一天线元件1021的端部1041间隔开180度(并且相应地，端口1063与端口1062间隔开90度并与端口1061间隔开180度)。最后，第四天线元件1024缠绕成使得其端部1044与第三天线元件1023的端部1043间隔开90度、与第二天线元件1022的端部1042间隔开180度、并且与第一天线元件1021的端部1041间隔开270度(并且相应地，端口1064与端口1063间隔开90度、与端口1062间隔开180度、并且与端口1061间隔开270度)。
每个天线100可以用作发射天线或用作接收天线，并且每个天线100可以单独使用或作为多输入多输出(MIMO)天线阵列的部分使用。在天线100用在MIMO阵列中的实施方式(在图2中示出)中，天线100被接纳在接地平面202上，其中，天线元件1021、1022、1023、1024的每个端部(图1中的附图标记1041、1042、1043、1044)连接至设置于形成在接地平面202中的孔口204中的对应端口(未示出)。接地平面202是用作无线电波的反射表面的传导表面。接地平面202用于将来自馈送网络(未示出)的电流(经由端口206)引导通过天线元件1021、1022、1023、1024以通过每个天线100进行辐射。接地平面202可以起导电反射器的作用。
图3示出了可以用作图1的缠绕构型的替代方案的可能的缠绕构型。图3的天线300包括第一组多个相同的如以3021示出的长形螺旋天线元件和第二组多个相同的如以3022示出的长形螺旋天线元件。天线元件3021和3022可以在其整个长度上具有恒定的宽度(如所示出的)或可变的宽度。此外，第一组天线元件3021的宽度(以及长度和形状)可以不同于第二组天线元件3022的宽度(以及长度和形状)。还应当理解的是，同一组的天线元件3021或3022内的天线元件的宽度、长度和/或形状可以变化。天线元件3021和3022以相同的螺旋线间隔交替地绕着具有纵向轴线B的支撑表面303缠绕。第一组天线元件3021和第二组天线元件3022可以沿左旋方向或沿右旋方向缠绕。在一些实施方式中，第一组天线元件3021沿与第二组天线元件3022相同的方向缠绕。在其他实施方式中，第一组天线元件3021与第二组天线元件3022沿不同的方向缠绕以增大相邻的天线端口之间的隔离。例如，左旋缠绕的天线元件可以缠绕在支撑表面303的内侧部上，而右旋缠绕的天线元件可以缠绕支撑表面303的外侧部上。
与图1的天线100类似，天线元件3021在物理上彼此间隔开360°/N1(其中N1是天线元件3021的数目)的第一角距离θ1，而天线元件3022在物理上彼此间隔开360°/N2(其中N2是天线元件3022的数目)的第二角距离θ2。在一个实施方式(在图3中示出)中，N1等于N2，并且所有天线元件3021、3022间隔开相同的角距离。然而，应当理解的是，N1可以不同于N2。例如，天线100可以包括三(3)个天线元件3021和四(4)个天线元件3022。此外，第一组每个天线元件3021与相邻的第二组天线元件3022间隔开第三角距离θ3，其中，θ3>0°。在一个实施方式中，θ3＝360°/N1＝360°/N2。以这种方式，连续的天线元件3021、3022彼此间隔开相同的角距离。例如，在图3的其中N1＝N2＝4的示例中，第一组天线元件3021绕轴线B缠绕成使得第一组天线元件3021的相邻的端部3041间隔开θ1＝90度(并且相应地，相邻的端口3061间隔开θ1＝90度)。类似地，第二组天线元件3022绕轴线B缠绕成使得第二组天线元件3022的相邻的端部3042间隔开θ2＝90度(并且相应地，相邻的端口3062间隔开θ2＝90度)。此外，每个第一端部3041与相邻的第二端部3042间隔开θ3＝45度(并且相应地，每个第一端口3061与相邻的第二端口3062间隔开θ3＝45度)。应当理解的是，可以采用其他实施方式。例如，θ3可以不等于360°/N1或360°/N2。
图4示出了可以用作图1的缠绕构型的替代方案的另一可能的缠绕构型。图4的天线400包括第一组多个相同的如以4021示出的长形螺旋天线元件和第二组多个相同的如以4022示出的长形螺旋天线元件。第一组天线元件4021以第一螺旋线间隔绕着具有纵向轴线C的第一支撑表面4031缠绕，而第二组天线元件4022以第二螺旋线间隔绕着第二支撑表面4032缠绕。在一个实施方式中，第一支撑表面4031与第二支撑表面4032同轴，其中，第一支撑表面4031具有第一曲率半径(或距轴线C的径向距离)，第二支撑表面4032具有比第一曲率半径小的第二曲率半径。因此，第一组天线元件4021形成天线400的外螺旋件，第二组天线元件4022形成内螺旋件，外螺旋件与内螺旋件关于轴线C同轴。应当理解的是，尽管天线元件4021、4022在图4中被示出为绕着两(2)个支撑表面4031、4032缠绕，但可以使用同轴安装的多于两(2)个的支撑表面。
在一个实施方式中，为了确保天线元件4022的内螺旋件和天线元件4021的外螺旋件两者能够同时以相同的频率工作，内螺旋件的高度被设置得比外螺旋件的高度高。应当理解的是，内螺旋件和外螺旋件可以以不同的频率工作。天线元件4021、4022可以在其整个长度上具有恒定的宽度(如所示出的)或可变的宽度。此外，第一组天线元件4021的宽度(以及长度和形状)可以不同于第二组天线元件4022的宽度(以及长度和形状)。第一组天线元件4021和第二组天线元件4022可以沿左旋方向或沿右旋方向缠绕。在一些实施方式中，第一组天线元件4021沿与第二组天线元件4022相同的方向缠绕。在其他实施方式中，第一组天线元件4021和第二组天线元件4022沿不同的方向缠绕以增大相邻的天线端口之间的隔离。也可以选择内支撑表面和外支撑表面的半径来提高天线端口之间的隔离。
第一组和第二组天线元件4021在物理上彼此间隔开2π/N3(或360/N3度，其中N3是天线元件4021的数目)的角距离θ4，而第二组天线元件4022在物理上彼此间隔开2π/N4(或360/N4度，其中N4是天线元件4022的数目)的第二角距离θ5。在一个实施方式(在图4中示出)中，N3等于N4，使得天线元件4021、4022间隔开相同的角距离。此外，第一组天线元件4021的每个端部4041沿着横向于轴线C的方向D与第二组天线元件4022的对应端部4042对准(并且相应地，每个端口4061沿着横向于轴线C的方向D与端口4062对准)。在其他实施方式中，第一组每个天线元件4021可以相对于相邻的第二组每个天线元件4022偏移，即相邻的天线元件4021、4022可以隔开角距离θ6，其中，θ6>0°且等于或不等于360/N3或360/N4。可以通过改变第一组天线元件3021、4021的数目和/或第二组天线元件3022、4022的数目来改变每个天线300或400的端口的数目。在图3和图4的实施方式中，实现了八端口天线300、400。也可以通过添加更多的天线元件3021、4021、3022、4022来实现十六端口天线。
如以上所论述的，每个螺旋天线(图1、图3和图4中的附图标记100、300和400)的天线元件(图1、图3和图4中的附图标记1021、1022、1023、1024；3021、3022和4021、4022)绕着一个或更多个支撑表面缠绕，每个支撑表面具有给定的曲率半径，这些曲率半径可以是沿着表面的长度恒定的或可变的。在一些实施方式中，天线元件的内螺旋件和外螺旋件两者均具有恒定的半径或可变的半径。在其他实施方式中，天线元件的内螺旋件和外螺旋件中的一者可以具有恒定的半径，而天线元件的内螺旋件和外螺旋件中的另一者具有可变的半径。具有恒定半径的支撑表面的示例包括但不限于柱形表面(如图1、图3和图4中所示)和多面的多面体(如图5A中所示，示出了十二面的多面体)。具有可变半径的支撑表面的示例包括但不限于锥形表面(如图5B和图5D中所示，其中，图5B示出了单个锥形表面，图5D示出了组合的内锥形表面和外锥形表面)和球形表面(如图5C中所示，图5C的顶部处示出了单个球形表面，图5C的底部处示出了组合的球形表面)。也可以采用截锥形表面和半球形表面。应当理解的是，天线元件的缠绕构型形成的形状可以取决于期望的方向图形状、天线端口之间的隔离和要实现的带宽。例如，与将天线元件绕着柱形或锥形表面缠绕相比，将天线元件绕着球形表面缠绕可以允许辐射方向图控制和更宽的带宽。因此，可以采用除了图5A、5B、5C和5D中示出的实施方式之外的实施方式，并且可以将通过使弯曲的部段或成角度的部段围绕天线的纵向轴线旋转产生的任何表面用作支撑表面。
图6示出了根据一个实施方式的单个螺旋天线元件500的构型。天线元件500包括长形本体502，长形本体502具有第一(或冠状)端部部段504和与第一端部部段504相反的第二端部部段506。第一端部部段504是自由的开路端部，而在一些实施方式中，第二端部部段506构造成接纳在形成于接地平面510中的孔口508中，从而将天线元件500紧固至接地平面510。在其他实施方式中，第二端部部段506处设置有定位构件(或定位器)512，定位器512构造成接纳在孔口508中以将天线元件500紧固至接地平面510。天线元件500可以通过设置在孔口508处的端口(例如未示出的同轴的端口)连接至馈送网络(未示出)。端口可以经由连接器引脚或探针513连接至天线元件500，连接器引脚或探针513附接(例如焊接等)至定位构件512或者(在没有设置定位构件512时)附接至端部部段506。如将在下面进一步论述的，在一些实施方式中，第二端部部段506还可以包括延伸远离本体502的尾部构件514。
现在除了参照图6以外还参照图7A、图7B、图7C和图7D，可以将各种几何形状用于每个如以500示出的天线元件的第二端部部段(图6中的附图标记506)。如以上所论述的，在一些实施方式中，第二端部部段506包括在本文中也称为定位器的第一(或定位)构件512，第一(或定位)构件512沿着大致平行于支撑表面602的纵向轴线E的方向延伸远离天线元件的本体502。第一构件512构造成朝向接地平面510延伸，以将天线元件500紧固至接地平面510。如以上所论述的，这可以通过将第一构件512插入到形成在接地平面510中的孔口508中来实现。第二端部部段506还可以包括第二(或尾部)构件(如在图7A中以514示出)，第二(或尾部)构件连接至第一构件512并延伸远离本体502以定位在接地平面510上方给定距离(未示出)处。应当理解的是，如以500示出的天线元件可以根据应用设置有第一(或定位)构件512和第二(或尾部)构件514中的至少一者，其中，两个构件512、514形成天线本体502的一体部分(如在图6中可以看出的)。因此，构件512、514可以印刷在柔性PCB基板上并与本体502形成单件。在一些实施方式中，尾部构件514可以与定位构件512成一体(例如以形成粘合构件)，并且可以针对宽带对两个构件512、514的几何形状进行优化。
第一(或定位)构件512沿着与支撑表面或支撑结构602的纵向轴线E大致平行的方向延伸远离天线元件500的本体502。以这种方式，如以500示出的天线元件的螺旋件能够以相对于接地平面的期望的角度(例如使得螺旋件沿着大致垂直于接地平面的方向延伸)和期望的距离定位。特别地，天线元件500可以被提升在接地平面510上方并且以距接地平面510给定的距离定位，该给定的距离取决于定位构件512的尺寸(例如高度)和轮廓。这进而允许天线元件500在接地平面上方的给定距离处进行馈送，并且允许直接在馈送点区域处调谐每个单独地馈送的天线元件500。此外，可以调节定位构件512的高度和宽度以调谐天线的谐振带宽，使得定位构件512被用作固有地内置在天线元件500中(即形成天线元件500的一体部分)的调谐部段。因此，定位器512的使用减小了提供附加的调谐水平板的需求，从而实现了紧凑的天线设计。在本文示出的实施方式中，定位构件512被示出为具有梯形形状(例如参见图6的水平阴影线形状)。然而，应当理解的是，可以采用其他构型。
第二(或尾部)构件514可以具有依循支撑表面602的曲率的弯曲轮廓。第二构件514的几何形状(例如宽度、高度、长度)可以根据应用来选择。特别地，第二构件514被用作固有地内置在天线元件500中(即形成天线元件500的一体部分)的频带加宽部段。在图7A中示出的实施方式中，第二构件514沿着方向604延伸，方向604沿循天线元件500的螺旋路径606并与纵向轴线E成角度φ。在图7B中示出的实施方式中，天线500包括第二构件514’，第二构件514’沿着方向604’延伸远离天线元件的本体502，方向604’相对于天线元件500的螺旋路径606成角度。特别地，第二构件514’定位成使得方向604’与轴线E成大致90度的角度φ。
尽管第二(或尾部)构件514、514’在图7A和图7B中被示出为包括单个元件(或臂)，但应当理解的是，可以采用其他构型。例如，第二构件514或514’可以包括两(2)个或更多个臂。图7C示出了根据一个实施方式的第二构件514”，第二构件514”包括第一长形臂6081和第二臂6082，第一长形臂6081沿着大致垂直于轴线E的第一方向6101延伸，第二臂6082沿着大致平行于第一方向6101的第二方向6102延伸。图7D示出了根据另一实施方式的第二构件514”’，第二构件514”’包括第一成角度臂608’1和第二长形臂608’2。第一臂608’1包括第一部段6121和相对于第一部段6121成角度的第二部段6122。在示出的示例中，第一部段6121沿着大致垂直于轴线E的方向610’1延伸，第二部段6122沿着大致平行于轴线E的方向(未示出)延伸，使得第一部段6121与第二部段6122之间的角度(未示出)大致等于90度。第二臂608’2沿着大致垂直于轴线E的方向610’2延伸。应当理解的是，可以采用其他实施方式。例如，第一臂608’1的第一部段6121与第二部段6122之间的角度可以具有除90度之外的值(例如45度)。在一个实施方式中，第一臂608’1的第一部段6121与第二部段6122之间的角度在0度与90度之间。第一臂608’1还可以包括多于如以6121、6122示出的两(2)个部段。此外，尽管第一臂608’1被示出为具有急转的边缘，但也可以采用弯曲的边缘。在一些实施方式中，第二臂608’2也可以是成角度的。
应当理解的是，可以通过改变如以514示出的第二(或尾部)构件的至少一个参数来实现如以514示出的尾部构件的各种可能的构型，这种改变包括但不限于改变尾部构件相对于天线元件的螺旋路径的角度、尾部构件的大小、尾部构件的长度、尾部构件的宽度、尾部构件距接地平面510的距离、尾部构件的曲率、尾部构件的臂数目、臂之间的间隔、每个臂的厚度、每个臂的宽度、每个臂的高度以及每个臂的角度。随后可以实施不同的尾部构件几何形状以对谐振进行定位并加宽天线带宽。实际上，对如以514示出的尾部构件的几何形状(具体是大小和形状)进行改变将改变天线的阻抗分布以加宽天线的谐振带宽。此外，如以514示出的尾部构件相对于如以512示出的定位构件的定位影响天线元件500的频率响应(或谐振)。因此，对尾部构件参数的选择会影响总天线性能。特别地，图7C和图7D中示出的实施方式实现的带宽比图7A和图7B的实施方式实现的带宽更宽，其中，使用图7D中示出的构型实现的天线带宽最宽。例如，图12(下面进一步论述)示出了图7A的实施方式的回波损耗随频率的变化，并且图14(下面进一步论述)表明可以通过图7D的实施方式实现27％的宽带频率响应。
图8A示出了图8B的天线704的S参数S11随频率变化的曲线图702，天线704包括仅设置有定位构件708(即没有尾部构件)的如以706示出的天线元件。曲线702示出了当定位构件708的长度从4mm向10mm变化时的结果。当定位构件708的长度为10mm时，实现了3.45GHz(大约在-10dB处)的谐振频率。当定位构件708的长度为8mm时，实现了3.50GHz(大约在-11dB处)的谐振频率。当定位构件708的长度为6mm时，实现了3.55GHz(大约在-12dB处)的谐振频率。当定位构件708的长度为4mm时，实现了3.65GHz(大约在-13dB处)的谐振频率。因此，图8表明设置定位构件708将允许对天线阻抗匹配的调谐进行改进，如以上所论述的。实际上，可以通过将天线元件的螺旋件定位在距接地平面的给定距离处(而不是将天线元件的螺旋件定位成与接地平面直接接触)来实现改进的调谐，该给定距离取决于定位构件的长度，如以上所论述的。将天线元件提升在接地平面上方进而调节了天线谐振频率的位置(如在曲线图702中可以看出的)，从而提供改进的阻抗匹配。
现在参照图9A，图9A示出了图9B的天线804的S参数S11随频率变化的曲线图802，天线804包括仅设置有尾部构件808(即没有定位构件)的如以806示出的天线元件，可以看出，尾部构件808的设置允许实现较宽的天线带宽。实际上，图9B的实施方式能够实现定位在3.9GHz(在-11dB处)的谐振频率和100MHz、10dB的回波损耗带宽。
从图10和图11还可以看出，为各个天线元件设置尾部构件和定位构件两者加宽了天线的带宽并允许实现匹配良好的阻抗。图10示出了在如以904示出的各个天线元件未设置有这种尾部构件的情况下天线的S参数S11随频率变化的曲线图902。图10还示出了在如以908示出的各个天线元件设置有具有图7B中示出的构型的尾部构件910的情况下天线的S参数S11随频率变化的曲线图906。可以看出，在天线元件904不包括尾部构件(但包括定位构件912)的情况下天线能够实现的带宽(参见曲线图902)比在天线元件908设置有尾部构件910(还设置有定位构件912)情况下天线能够实现的带宽(参见S11曲线图906)窄。
从图11还可以看出，通过为各个天线元件设置尾部构件和定位构件两者并对尾部构件和/或定位构件的几何形状进行选择性地调节，除了可以加宽天线的带宽外，还能够实现匹配良好的阻抗。因此，能够改善总天线性能。特别地，图11示出了在如以1004示出的各个天线元件设置有如以1006示出的定位器和具有与图7D中示出的构型类似的构型的尾部构件1008的情况下天线的S参数S11随频率变化的曲线图1002。图11还示出了在如以1012示出的各个天线元件设置有如以1014示出的定位器和尾部构件1016两者的情况下天线的S参数S11随频率变化的曲线图1010。尾部构件1016与尾部构件1008类似地具有图7D中示出的构型。然而，尾部构件1016的臂1018具有与尾部构件1008的臂1020不同的尺寸(例如，竖向长度短了约2mm)。
此外，定位器1014具有与定位器1006不同的尺寸(例如高度更短)。因此，使定位器1014使用所示出的几何形状，天线元件1012可以比天线元件1004更靠近接地平面1022(并且相应地，尾部构件1014可以比尾部构件1006更靠近接地平面1022)。这除了允许改进阻抗匹配之外又允许加宽天线的带宽，如在曲线图1002和1010中可以看出的。实际上，曲线图1002表明包括如以1004示出的天线元件的天线获得了失配的阻抗，而曲线1010表明包括如以1012示出的天线元件的天线的阻抗匹配良好。曲线图1002还表明包括如以1004示出的天线元件的天线实现了3.25GHz(在-20dB处)的谐振频率，而包括如以1012示出的天线元件的天线能够实现分别在3.45GHz(在-24.5dB处)和大约在4.2GHz(在-30dB处)的两个谐振，从而加宽了带宽。
此外，从图12可以看出，所提出的天线构型可以用于各种应用。图12示出了包括除了具有定位构件之外还具有如图7A中示出的几何形状的尾部构件的天线元件的多线天线的回波损耗曲线图1100。可以看出，回波损耗包括若干个工作频带，即两个单独的窄带(演进的通用移动通信系统(UMTS)陆地无线电接入(E-UTRA)39和E-UTRA 40)和一个宽带(组合的E-UTRA 42和E-UTRA 43)。因此，所提出的天线可以用于双频带应用(频率范围在1880MHz至1920MHz的E-UTRA 39)、较低频率的应用(频率范围在2300MHz至2400MHz的E-UTRA 40)或欧洲频带(频率范围在3400MHz至3600MHz的E-UTRA42或频率范围在3600MHz至3800MHz的E-UTRA 43)。应当理解的是，可以根据天线元件的尾部构件的构型而应用其他应用。
现在参照图13、图14、图15和图16，可以看出，天线元件的螺旋件与接地平面之间的间隔也会影响总天线性能。图13示出了说明性天线1200，天线1200包括四(4)个天线元件1202，每个天线元件1202在其第二端部部段1204处设置有定位器1206。所示出的各个端部部段1204除了包括定位器1206之外还包括具有如图7D中示出的几何形状的尾部构件1208。每个定位器1206沿与支撑结构(或表面)1210的纵向轴线F大致平行的方向延伸远离第二端部部段1204，其中，天线元件1202绕着支撑结构(或表面)1210缠绕。定位器1206附接(例如焊接等)至连接器引脚(或探针)1212，连接器引脚(或探针)1212构造成接纳在孔口1214中，孔口1214形成在定位于接地平面1218上方给定距离d处的圆盘1216中。每个天线元件1202随后可以独立地馈送并产生多个谐振。在图13的实施方式中，连接器引脚1212构造成使得当连接器引脚1212接纳在孔口1214中时支撑结构1210的底面(未示出)搁置在圆盘1216上。圆盘1216与接地平面1218之间的距离d的值可以根据应用而变化。在一个实施方式中，对于高度等于62mm、直径D等于40mm的天线1200，距离d等于25mm。可以采用其他实施方式。例如，距离d可以等于零，则圆盘1216可以搁置在接地平面1218上。
图14示出了图13的天线1200的S参数随频率变化的曲线图1300。图14示出了天线1200的27％(在-15dB处)的宽带频率响应。特别地，从图14可以看出，能够实现3.355GHz与4.38GHz之间的带宽。
图15示出了包括四(4)个天线元件1402的多线螺旋天线1400的替代性实施方式。在该实施方式中，圆盘(图13中的附图标记1216)没有与接地平面1404间隔开，这与图13的天线1200的情形类似，只是圆盘与接地平面1404直接接触，使得距离d(参见图13)大致等于零。从图16可以看出，这进而影响天线的调谐，其中，图16示出了图15的天线1400的S参数随频率变化的曲线图1500。从图16可以看出，图15的实施方式能够实现2.3GHz与2.7GHz之间的带宽(与图14的3.4GHz和3.8GHz之间的带宽相比)。图16还表明在图15的实施方式中实现了低于-15dB的回波损耗和低于-10dB的内部元件耦合(即给定的天线端口对天线的每个其他端口的干扰)。
现在参照图17A和图17B，现在将对根据说明性实施方式的用于多线螺旋天线的印刷电路板(PCB)馈送件1600进行描述。所示出的馈送件1600连接至多线天线的给定天线元件1602。馈送件1600包括第一构件1604，第一构件1604定形状成长方体状并且在其外表面上设置有电传输线，例如微带线1606，微带线1606沿着与第一构件1604的纵向轴线G大致平行的方向延伸。第一构件1604由导电材料比如铜制成并且与微带线1606形成竖向电介质，从而为天线元件1602提供竖向传输线。在一个实施方式中，能够实现50欧姆的馈送传输线。微带线1606突出远离第一构件1604并且具有构造成接触天线元件1602的端部1610的自由端部1608。对于具有尾部构件(未示出)和定位器(未示出)的天线元件而言，微带线1606可以构造成接触定位器并与定位器结合，从而形成定位器的延伸部。
在一个实施方式中，设置了多个相同的如以1600示出的馈送件，其中，每个馈送件1600连接至多线天线的如以1602示出的相应的天线元件。通过使用馈送件1600，由天线元件1602形成的螺旋件可以被提升在接地平面1612上方高度h处(并且因此，在高度h处进行馈送)，其中，高度h至少等于第一构件1604的高度h1。在利用馈送件1600进行馈送时，天线产生圆极化辐射。在一些实施方式中，微带线1606构造成突出远离第一构件1604，使得天线元件1602与第一构件1604间隔开。在这种情况下，天线元件1602的螺旋件在接地平面1612上方被提升了等于高度h1与第一构件1604的上表面(未示出)和天线元件1602的下表面(未示出)之间的距离h2之和的高度。在一个实施方式中，馈送件1600用于将天线元件1602提升在接地平面1612上方约24mm处。可以采用其他实施方式。因此，馈送件1600可以用作每个天线元件1602设置定位器(图6中的附图标记512)的替代方案。
以上描述仅是示例性的，并且相关领域的技术人员将认识到在不脱离所公开的本发明的范围的情况下可以对所描述的实施方式进行改变。因此，所示出的结构是为了本实施方式的教示作用而提供的。在不脱离权利要求的主题的情况下，本公开可以以其他具体形式实施。
本公开还意在覆盖并包含对技术的所有合适的改变。落入本发明的范围内的改型对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且根据本公开内容，这些改型意在落入所附权利要求内。
Claims (29)
1.一种多线螺旋天线，包括：
螺旋的辐射元件，所述螺旋的辐射元件沿着纵向轴线延伸，所述螺旋的辐射元件包括：
长形的本体，所述长形的本体具有自由的第一端部和与所述第一端部相反的第二端部，所述第二端部构造成联接至馈送端口，以及
尾部构件，所述尾部构件在所述第二端部处延伸远离所述本体，所述尾部构件的几何形状被选定成用于实现下述各者中的至少一者：
改变所述辐射元件的阻抗，以及
加宽所述天线的谐振带宽。
2.根据权利要求1所述的天线，其中，所述尾部构件沿着所述本体的螺旋路径延伸。
3.根据权利要求1所述的天线，其中，所述尾部构件沿着大致垂直于所述纵向轴线的方向延伸。
4.根据权利要求1所述的天线，其中，所述尾部构件包括第一臂和与所述第一臂间隔开的至少一个第二臂。
5.根据权利要求4所述的天线，其中，所述第一臂大致平行于所述至少一个第二臂。
6.根据权利要求4所述的天线，其中，所述至少一个第二臂和所述第一臂中的至少一者包括第一部段和第二部段，所述第一部段相对于所述第二部段成角度。
7.根据权利要求4所述的天线，其中，所述第一臂包括第一部段和第二部段，所述第一部段大致平行于所述至少一个第二臂，所述第二部段大致垂直于所述至少一个第二臂。
8.根据权利要求1所述的天线，其中，所述尾部构件的几何形状通过调节下述各者中的至少一者来选定：所述尾部构件的大小、所述尾部构件的长度、所述尾部构件的宽度、所述尾部构件的高度、所述尾部构件的曲率、所述尾部构件相对于所述纵向轴线的角度、所述尾部构件与其中设置所述馈送端口的导电表面之间的距离、所述尾部构件的臂的数目、所述尾部构件的臂之间的间隔、所述尾部构件的每个臂的角度、所述尾部构件的每个臂的厚度、所述尾部构件的每个臂的宽度以及所述尾部构件的每个臂的高度。
9.根据权利要求1所述的天线，其中，所述辐射元件还包括定位构件，所述定位构件沿着大致平行于所述纵向轴线的方向延伸远离所述第二端部，所述定位构件的端部部分构造成紧固至导电表面以与设置在所述导电表面中的所述馈送端口连接，所述第二端部定位在所述导电表面上方的给定距离处，并且所述辐射元件经由所述馈送端口在所述导电表面上方的所述给定距离处被进行馈送。
10.根据权利要求1所述的天线，还包括馈送件，所述馈送件包括印刷电路板构件，所述印刷电路板构件构造成紧固至导电表面以与设置在所述导电表面中的所述馈送端口连接，所述印刷电路板构件在其外表面上设置有电传输线，所述电传输线沿着大致平行于所述纵向轴线的方向延伸远离所述印刷电路板构件，所述传输线构造成在所述导电表面上方的给定距离处接触所述第二端部，以在所述导电表面上方的所述给定距离处对所述辐射元件进行馈送。
11.根据权利要求1所述的天线，包括第一组多个所述辐射元件。
12.根据权利要求11所述的天线，还包括第二组多个所述辐射元件，所述第一组多个所述辐射元件中的各辐射元件彼此间隔开第一角距离，并且所述第二组多个所述辐射元件中的各辐射元件彼此间隔开与所述第一角距离相等的第二角距离。
13.根据权利要求1所述的天线，其中，所述辐射元件围绕所述纵向轴线沿右旋方向和左旋方向中的一者缠绕。
14.根据权利要求12所述的天线，其中，所述第一组多个所述辐射元件定位在距所述纵向轴线的第一径向距离处，并且所述第二组多个所述辐射元件定位在距所述纵向轴线的第二径向距离处，所述第二径向距离小于所述第一径向距离。
15.根据权利要求12所述的天线，其中，所述第一组多个所述辐射元件定位在距所述纵向轴线的第一径向距离处，并且所述第二组多个所述辐射元件定位在距所述纵向轴线的第二径向距离处，所述第二径向距离等于所述第一径向距离，并且所述第一组多个所述辐射元件和所述第二组多个所述辐射元件围绕所述纵向轴线交替地缠绕。
16.根据权利要求1所述的天线，其中，所述辐射元件依循选自多面体、柱形形状、球形形状和锥形形状中的形状。
17.根据权利要求1所述的天线，其中，所述辐射元件被印刷在柔性印刷电路板基板上。
18.根据权利要求1所述的天线，其中，所述尾部构件形成所述本体的一体部件。
19.一种多线螺旋天线，包括：
螺旋的辐射元件，所述螺旋的辐射元件沿着纵向轴线延伸，所述螺旋的辐射元件包括：
长形的本体，所述长形的本体具有自由的第一端部和与所述第一端部相反的第二端部，以及
定位构件，所述定位构件沿着大致平行于所述纵向轴线的方向延伸远离所述第二端部，所述定位构件的端部部分构造成紧固至导电表面以与设置在所述导电表面中的馈送端口连接，其中，所述第二端部定位在所述导电表面上方的给定距离处。
20.根据权利要求19所述的天线，其中，对所述定位构件的高度和宽度中的至少一者进行调节以调谐所述天线的谐振带宽。
21.根据权利要求19所述的天线，其中，所述辐射元件还包括尾部构件，所述尾部构件在所述第二端部处延伸远离所述本体，所述尾部构件的几何形状被选定成用于实现下述各者中的至少一者：改变所述辐射元件的阻抗；以及加宽所述天线的谐振带宽。
22.根据权利要求19所述的天线，其中，所述定位构件包括馈送件，所述馈送件包括印刷电路板构件，所述印刷电路板构件构造成紧固至所述导电表面以与所述馈送端口连接，所述印刷电路构件在其外表面上设置有电传输线，所述电传输线沿着大致平行于所述纵向轴线的方向延伸远离所述印刷电路板构件，所述传输线构造成在所述导电表面上方的所述给定距离处接触所述第二端部以在所述导电表面上方的所述给定距离处对所述辐射元件进行馈送。
23.根据权利要求19所述的天线，包括第一组多个所述辐射元件。
24.根据权利要求23所述的天线，还包括第二组多个所述辐射元件，所述第一组多个所述辐射元件中的各辐射元件彼此间隔开第一角距离，并且所述第二组多个所述辐射元件中的各辐射元件彼此间隔开与所述第一角距离相等的第二角距离。
25.根据权利要求19所述的天线，其中，所述辐射元件围绕所述纵向轴线沿右旋方向和左旋方向中的一者缠绕。
26.根据权利要求24所述的天线，其中，所述第一组多个所述辐射元件定位在距所述纵向轴线的第一径向距离处，并且所述第二组多个所述辐射元件定位在距所述纵向轴线的第二径向距离处，所述第二径向距离小于所述第一径向距离。
27.根据权利要求24所述的天线，其中，所述第一组多个所述辐射元件定位在距所述纵向轴线的第一径向距离处，并且所述第二组多个所述辐射元件定位在距所述纵向轴线的第二径向距离处，所述第二径向距离等于所述第一径向距离，并且所述第一组多个所述辐射元件和所述第二组多个所述辐射元件围绕所述纵向轴线交替地缠绕。
根据权利要求19所述的天线，其中，所述辐射元件依循选自多面体、柱形形状、球形形状和锥形形状中的形状。
28.根据权利要求19所述的天线，其中，所述辐射元件被印刷在柔性印刷电路板基板上。
29.根据权利要求19所述的天线，其中，所述定位构件形成所述本体的一体部件。
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