CN1107992C - 双波段节耦合的螺旋形天线 - Google Patents

Abstract

提供了一种工作在两个波段的双波段节耦合的螺旋形天线。此双波段节耦合的螺旋形天线(1200)包括辐射器部分(1202)，所述辐射器部分(1202)具有从该辐射器部分(1202)的一端(1234)向该辐射器部分(1202)的另一端(1232)延伸的两组一个或多个螺旋形缠绕的辐射器(1204，1212)。第一组辐射器(1204)中的辐射器包括两节：第一辐射器节(1208)以螺旋形方式从该辐射器部分(1202)的一端向该辐射器部分(1202)的另一端延伸；第二辐射器节(1210)为U形，且从该辐射器部分(1202)的第一端向该辐射器部分(1202)的第二端延伸。第二组辐射器(1212)中的辐射器包括位于所述U形节(1210)内的辐射器(1212)。第一组辐射器(1204)以第一频率谐振，第二组辐射器(1212)以第二频率谐振，从而以频带之间最小的耦合提供双波段操作。

Description

双波段节耦合的螺旋形天线

技术领域

本发明涉及螺旋形天线，更准确地说涉及具有耦合的辐射器节的双波段螺旋形天线。

背景技术

在各种移动和便携式设备中正广泛使用现代的个人通信装置。对于传统的移动设备，想要把通信装置诸如移动电话的尺寸减到最小，从而把尺寸减到适度的水平。然而，由于便携式、手提式设备的普遍增加，使得对小之又小的装置的需求急剧增加。近来，处理器技术、电池技术和通信技术的发展使得近几年来急剧地减少便携式装置的尺寸和重量成为可能。

想要减少尺寸的一个方面是装置的天线。天线的尺寸和重量对于减少通信装置的尺寸起到重要的作用。天线的整个尺寸可影响装置主体的尺寸。天线的直径越小且长度越短，则即使装置主体的尺寸越小，又使装置的整体尺寸也越小。

在设计用于便携式设备的天线时，装置尺寸不是要考虑的唯一因素。在设计天线时要考虑的另一个因素是由正常操作期间用户的头贴近天线而引起的衰减和/或阻挡效应。还有一个因素是通信链路的特性，诸如所需的辐射方向性和工作频率。

在卫星通信系统中广泛使用的天线是螺旋形天线。螺旋形天线在卫星通信系统广为采用的一个原因是由于这种天线能产生和接收此系统中所使用的圆极化辐射。此外，由于螺旋形天线能产生接近于半球形的辐射方向性，所以螺旋形天线尤其适用于移动卫星通信系统和卫星导航系统中的设备。

常规的螺旋形天线是通过把天线的辐射器拧成螺旋形结构来制造的。普通的螺旋形天线是一种四股螺旋形天线，该天线是环绕一个核心等距离隔开并以90°相位差(即，这些辐射器被相位相差一个周期的四分之一或90°的信号所激发)激发的四个辐射器。辐射器的长度一般为通信装置工作频率的四分之一波长的整数倍。一般，通过改变辐射器的间距、辐射器的长度(四分之一波长的整数倍)和核心的直径来调节辐射方向性。

可使用金属线(wire)或带线(strip)工艺来制造常规的螺旋形天线。采用带线工艺，可在薄型的柔性衬底上对天线的辐射器进行蚀刻或淀积。辐射器如此放置，从而它们相互平行，但它们与衬底的边缘成钝角。然后使衬底成形或卷成圆柱形、圆锥形或其它适当的形状，从而使带线辐射器形成螺旋形。

然而，常规的螺旋形天线还具有辐射器长度为所需谐振频率四分之一波长的整数倍的特性，导致整个天线长度长于某些便携式或移动设备所需的长度。

此外，在不同频率处发生发射和接收通信的设备中，需要双波段天线。然而，通常只能获得不如所需结构的双波段天线。例如，制造双波段天线的一个方法是把两个单波段四股螺旋形天线首尾相连地叠在一起，从而它们形成单个圆柱体。然而，这种解答的一个缺点在于，这种天线的长度比便携式或手提式设备所需的长度更长。提供双波段性能的另一种技术是利用两个分开的单波段天线。然而，对于手提式单元，这两个天线必须相互靠近。便携式或手提式单元中相互靠近的两个单波段天线会引起这两个天线之间的耦合，导致性能降低和不想要的干扰。

发明内容

本发明是一种具有两组一个或多个螺旋形缠绕的辐射器的新颖且改进的双波段螺旋形天线。这些辐射器如此缠绕，从而天线形成圆柱形、圆锥形或其它适当的形状，以优化或者获得所需的辐射图案。依据本发明，一组辐射器工作于第一频率，第二组辐射器工作于不同于第一频率的第二频率。

在第一组一个或多个辐射器，每个辐射器包括两个辐射器节。一个辐射器节以螺旋形方式从天线的一辐射器部分的一端向该辐射器部分的另一端延伸。第二辐射器节以螺旋形方式从该辐射器部分的第一端向该辐射器部分的第二端延伸。第二辐射器节最好成U形。本文中所使用的术语“U形”指U形、v形、发夹形、马蹄形或其它类似的形状。

此结构的结果时，来自第一组中一个辐射器的第一节的电磁能量被耦合到该辐射器的第二节中。这些组合的节的有效电气长度使第一组一个或多个辐射器中的辐射器以给定的频率谐振。由于这些节在物理上相互分开但在电磁上相互耦合，所以可使辐射器在给定频率下谐振的长度比常规螺旋形天线辐射器的长度短。

在第二组一个或多个辐射器中，每个辐射器如此定位，从而它被U形节所包围。这样具有把第一组中的辐射器与第一组中辐射器的第一节屏蔽或电磁隔离的效果。

本发明的一个优点在于，对于给定的工作频率，可使第一组辐射器以更短的物理长度和/或以比具有相同有效谐振长度的常规螺旋形天线辐射器更小的体积进行谐振。于是，为在第一频率下操作所需的天线尺寸小于常规天线的尺寸。

节耦合的双波段螺旋形天线的另一个优点在于，提供了工作于第二频率的第二组一个或多个辐射器而不增加天线的整个长度。这是因为第二组一个或多个辐射器与第一组中的一个或多个节耦合的辐射器交错。

耦合的多节螺旋形天线的另一个优点在于，通过调节或微调第一组辐射器中辐射器节的长度或通过调节第二组中一个或多个辐射器的长度，可把天线容易地调谐到给定频率。由于第一组中一个或多个辐射器不是单一的连接长度而是由一组两个或多个重叠的节所构成，所以可在天线做成后容易地修改节的长度以通过微调辐射器来适当调谐频率。此外，天线的整个辐射图案本质上不因微调而改变，这是因为天线的辐射器部分的整个实际长度不因微调而改变。

本发明的再一个优点在于，可调节天线的方向特性，从而使沿诸如天线轴等较佳方向的信号强度达到最大。于是，对于诸如卫星通信等某些应用，可优化天线的方向特性，从而可使沿离开地面的向上方向的信号强度达到最大。

以下将参考附图详细描述本发明的进一步特征和优点以及本发明各种实施例的结构和操作。

附图概述

从以下提出的详细描述并结合附图将使本发明的特征、目的和优点变得明显起来，相同的标号表示相应的部分，其中：

图1A是示出常规的金属线四股螺旋形天线的图。

图1B是示出常规的带线四股螺旋形天线的图。

图2A是示出开路的四股螺旋形天线的平面表示图。

图2B是示出短路的四股螺旋形天线的平面表示图。

图3是示出短路的四股螺旋形天线的辐射器上电流分布的图。

图4是示出带线螺旋形天线的蚀刻衬底远表面的图。

图5是示出带线螺旋形天线的蚀刻衬底近表面的图。

图6是示出带线螺旋形天线的蚀刻衬底的透视图。

图7A是示出开路的耦合多节辐射器的图，它具有五个耦合的节。

图7B是示出一对短路的耦合多节辐射器的图。

图8A是示出短路的耦合多节四股螺旋形天线的平面表示图。

图8B是示出形成圆柱体形状的耦合的多节四股螺旋形天线的图。

图9A是示出依据本发明一个实施例的辐射器节的重叠度δ和间隔s的图。

图9B是示出耦合的多节螺旋形天线的辐射器节上示例电流分布的图。

图10A是示出辐射信号相位相差90°的两个点源的图。

图10B是示出图10A中所示点源的场图案的图。

图11是示出一实施例的图，其中与两侧的节等距离地放置每个节。

图12A是示出一节耦合的螺旋形天线的平面表示图，其中每个辐射器的节成U形。

图12B是示出依据本发明一个实施例的节耦合的双波段螺旋形天线的平面表示图。

图13是示出节耦合的双波段螺旋形天线的一部分上示例电流分布的图。

图14A是示出依据本发明一个实施例的节耦合的双波段螺旋形天线远表面的图。

图14B是示出依据本发明一个实施例的节耦合的双波段螺旋形天线近表面的图。

图15是示出重叠的近表面和远表面的图。

图16是示出依据本发明一个实施例的节耦合的双波段螺旋形天线的示例布局(近表面和远表面)的图。

图17是示出依据本发明另一个实施例的节耦合的双波段螺旋形天线的示例布局(近表面和远表面)的图。

本发明的较佳实施方式

I.本发明的概述和讨论

本发明旨在一种具有耦合的多节辐射器的螺旋形天线以缩短给定谐振频率的辐射器的长度，从而减少天线的整个长度。以下依据几个实施例来详细描述实现的方式。

II.示例环境

从广义来说，可在利用螺旋形天线技术的任何系统中实施本发明。这种环境的一个例子是一种通信系统，其中具有固定、移动和/或便携式电话的用户可通过卫星通信链路与另一方进行通信。在此示例环境中，电话必须具有调谐到卫星通信网络频率的天线。

按照此示例环境来描述本发明。在这些方面进行描述只是为了方便。本发明不限于在此示例环境中的应用。事实上，在阅读了以下的描述后，如何在其它环境下实施本发明将对相关领域内的技术人员变得明显起来。

III.常规的螺旋形天线

在详细描述本发明以前，有必要描述一下某些常规螺旋形天线的辐射器部分。尤其是，文章的这个部分将描述某些常规四股螺旋形天线的辐射器部分。图1A和1B是分别以金属线和带线形示出常规四股螺旋形天线的辐射器部分100。图1A和1B中所示的辐射器部分100是一种四股螺旋形天线，即它具有以90°相位差进行操作的四个辐射器104。如图1A和1B所示，辐射器缠绕而形成圆极化。对于图1B的辐射器示出了可能的信号馈电点106。

图2A和2B是示出常规四股螺旋形天线辐射器部分的平面表示图。换句话说，图2A和2B示出的辐射器就象在一平坦表面上看到的天线圆柱体“未卷起”时那样。图2A是示出在远端处开路的四股螺旋形天线的图。对于此结构，辐射器208的谐振长度l是所需谐振频率的四分之一波长的奇数倍。

图2B是示出在远端处短路的四股螺旋形天线。在此情况下，辐射器208的谐振长度l是所需谐振频率的四分之一波长的偶数倍。注意在这两种情况下，所述的谐振长度l是近似的，因为通常需要进行小的调节来补偿不理想的短路和开路终端。

图3是示出四股螺旋形天线300的辐射器部分的平面表示图，该天线包括长度为l＝λ/2的辐射器208，这里λ是天线所需谐振频率的波长。曲线304代表在频率f＝v/λ上谐振的辐射器208上的信号的电流，这里v是信号在介质中的速度。

将参考图4-6更详细地描述使用印刷电路板技术而实现的四股螺旋形天线(带线天线)的示例。带线四股螺旋形天线包括在介电衬底406上蚀刻而成的带线辐射器104。衬底是一种可以卷成圆柱体形状薄型柔性材料，从而辐射器104可螺旋形地缠绕在圆柱体的中心轴上。

图4-6示出用于制造四股螺旋形天线100的元件。图4和5分别表示衬底406远表面400和近表面500的图。天线100包括辐射部分404和馈电部分408。

在这里所述和所示的实施例中，通过使衬底形成圆柱体形状而近表面位于所形成的圆柱体的外表面上来制造所述天线。在另一个实施例中，衬底形成圆柱体形状，而近表面位于圆柱体的外表面上。

在一个实施例中，介电衬底100是聚四氟乙烯(PTFE)、PTFE/玻璃的混合物或其它介电材料所构成的薄型柔性层。虽然可选择其它厚度，但在一个实施例中，衬底406在0.005英寸的数量级或0.13毫米厚。用铜来提供信号迹线和接地迹线。在另一个实施例中，可根据成本、环境原因和其它因素选择其它导电材料来替代铜。

在图5所示的实施例中，在馈电部分408上蚀刻馈电网络508，以给出提供给辐射器104(104A-D)的正交相位信号(即，0°、90°、180°和270°信号)。远表面400的馈电部分408提供了用于馈电电路508的接地平面412。在馈电部分408的近表面500上蚀刻用于馈电电路508的信号迹线。

为了讨论的目的，辐射器部分404具有靠近馈电部分408的第一端432和第二端434(在辐射器部分404的另一端上)。根据所实现的天线实施例，可把辐射器104蚀刻成辐射器部分404的远表面400。辐射器104从第一端432向第二端434延伸的长度近似于所需的谐振频率的四分之一波长的整数倍。

在辐射器104的长度是λ/2的整数倍的实施例中，辐射器104在第二端434处电气连接(即短路)。可通过跨越第二端434的导体来进行这种连接，在衬底形成圆柱体时，该导体形成绕在天线周围的环604。图6是示出带线螺旋形天线的蚀刻衬底的透视图，该天线具有位于第二端434处的短路环604。

在Burrell等人的5,198,831号美国专利(叫做′831专利)中揭示了一种常规的四股螺旋形天线，该专利在这里引用作为参考。′831专利中所述的天线是一种印刷电路板天线，它具有在介电衬底上蚀刻或者淀积的天线辐射器。该衬底形成圆柱体，从而导致辐射器的螺旋形结构。

在Terret等人的5,255,005号美国专利(叫做′005专利)中揭示了另一种常规的四股螺旋形天线，在这里引用该专利作为参考。′005专利中所述的天线是一种四股螺旋形天线，它是由正交放置的两个双股螺旋线形成的并以90°相位差激励。所揭示的天线也具有与第一螺旋线同轴并与其电磁耦合的第二个四股螺旋线，用以提高天线的通频带。

在Ow等人的5,349,365号美国专利(叫做′365专利)揭示了又一种常规的四股螺旋形天线，这里引用该专利作为参考。′365专利是一种按照以上参考图1A所述的金属线来设计的四股螺旋形天线。

IV.耦合的多节螺旋形天线

常规螺旋形天线的一个变形是现在将就几个实施例来描述的耦合的多节螺旋形天线。为了减少天线辐射器部分100的长度，这个变形利用耦合的多节辐射器，从而与具有相等谐振长度的常规螺旋形天线所需的长度相比，允许以较短的长度在给定的频率下谐振。

图7A和7B是示出耦合多节螺旋形天线示例实施例的平面表示图。图7A示出依据单股实施例以开路终结的耦合多节辐射器706。诸如此类以开路终端的天线可用于单股、双股、四股或其它x股的示例。

图7A所示的实施例包括单个辐射器706。辐射器706包括一组辐射器节。该组包括两个末端节708、710和p个中间节712，这里p＝0，1，2，3…(示出p＝3的情况)。中间节是任意的(即，p可等于零)。末端节708、710在物理上相互分开但在电磁上相互耦合。中间节712位于末端节708、710之间并在末端节708、710之间提供电磁耦合。

在开路的实施例中，节708的长度l_s1是所需谐振频率的四分之一波长的奇数倍。节710的长度l_s2是所需谐振频率的二分之一波长的整数倍。p个中间节712中每个节的长度l_p为所需谐振频率的二分之一波长的整数倍。在示出的实施例中，有三个中间节712(即，p＝3)。

图7B示出以短路722终结时的螺旋形天线的辐射器706。此短路示例不适用于单股天线，但它可用于双股、四个或其它x股天线。与开路的实施例相同，辐射器706包括一组辐射器节。该组包括两个末端节708、710和p个中间节712，这里p＝0，1，2，3…(示出p＝3的情况)。中间节是任意的(即，p可等于零)。末端节708、710虽然在物理上相互分开但在电磁上相互耦合。中间节712位于末端节708、710之间并在末端节708、710之间提供电磁耦合。

在短路的实施例中，节708的长度l_s1是所需谐振频率的四分之一波长的奇数倍。节710的长度l_s2是所需谐振频率的四分之一波长的奇数倍。p个中间节712中每个节的长度l_p为所需谐振频率的二分之一波长的整数倍。在示出的实施例中，有三个中间节712(即，p＝3)。

图8A和8B示出耦合的多节四股螺旋形天线辐射器部分800的一个实施例。图8A和8B示出图7B所示天线的一个示例，这里p＝零(即，没有中间节712)而节708、710的长度是四分之一波长。

图8A所示的辐射器部分800是具有四个耦合的辐射器804的四股螺旋形天线的平面表示图。耦合天线中的每个耦合辐射器804实际上包括两个辐射器节708、710，这两个节相互紧密靠近，从而辐射器节708中的能量被耦合到另一个辐射器节710。

具体地说，依据一个实施例，可就两段820、824来描述辐射器部分800。段820包括从辐射器部分800的第一端832向辐射器部分800的第二端834延伸的多个辐射器节708。段824包括从辐射器部分800的第二端834向第一端832延伸的多个第二辐射器节710。朝向辐射器部分800的中心区域，每个节708的一部分靠近相邻的节710，从而一个节的能量被耦合到附近区域中的相邻节。本文中的这种相对靠近叫做重叠。

在一个实施例中，每个节708、710近似为l₁＝l₂＝λ/4的长度。包括两个节708、710的单个辐射器的总长度定义为l_tot。一个节708与另一个节710重叠的量定义为δ＝l₁+l₂-l_tot。

对于谐振频率f＝v/λ，辐射器的总长度l_tot小于半波长的长度λ/2。换句话说，耦合的结果是，包括一对耦合节708、710的辐射器即使其总长度小于λ/2时，该辐射器也可在频率f＝v/λ上谐振。因此，对于给定的频率f，半波长耦合的多节四股螺旋形天线的辐射器部分800短于常规半波长的四股螺旋形天线800的辐射器部分。

为了更清楚地示出使用耦合结构获得的尺寸缩减，把图8所示的辐射器部分800与图3所示的辐射器部分相比较。对于给定的频率f＝v/λ，常规天线的辐射器部分300的长度l为λ/2，而辐射器节耦合天线的辐射器部分800的长度l_tot＜λ/2。

如上所述，在一个实施例中，节708、710的长度是l₁＝l₂＝λ/4。每个节的长度可以如此改变，从而l₁不必等于l₂，它们不等于λ/4。每个辐射器的实际谐振频率是辐射器节708、710长度、辐射器节708、710之间的分离距离s和节708、710相互重叠量的函数。

注意，可通过相对于另一个节710而改变一个节708的长度来调节天线的带宽。例如，加长l₁使之稍稍大于λ/4并缩短l₂使之稍稍小于λ/4可增加天线的带宽。图8B示出依据本发明一个实施例的耦合多节四股螺旋形天线的实际螺旋形结构。它示出在一个实施例中每个辐射器如何包括两个节708、710。节708以螺旋形方式从辐射器部分的第一端832向辐射器部分的第二端834延伸。节710以螺旋形方式从辐射器部分的第二端834向辐射器部分的第一端832延伸。图8B还示出节708、710的一部分如此重叠，从而它们相互电磁耦合。

图9A是示出辐射器节708、710之间的间隔s和重叠度δ的图。如此选择间隔s，从而在辐射器节708、710之间耦合足够的能量，从而使它们能起到有效电气长度近似为λ/2及其整数倍的单个辐射器的作用。

辐射器节708、710的间隔小于此最佳间隔导致节708、710之间更大的耦合。结果，对于给定的频率f，必须增加节708、710的长度，从而使得在相同频率f上谐振。这可通过节708、710实际上连接起来的极端情况来说明(即s＝0)。在此极端情况下，为了使天线发生谐振，节708、710的总长度必须等于λ/2。注意在此极端情况下，依据本说明书中的用途，天线事实上不再‘耦合’，获得的结构实际上是诸如图3所示的常规螺旋形天线。

同样，增加节708、710重叠度δ的量将增加耦合。于是，当重叠度δ增加时，节708、710的长度也增加。

为了定性地理解节708、710的最佳重叠度和间隔，我们参考图9B。图9B表示每个节708、710上电流的幅值。电流强度指示值911、928示出理想情况下每个节在λ/4处发生谐振，外部末端处的信号强度最大，内部末端处的信号强度最小。

为了优化耦合辐射器节天线的天线结构，本发明者利用了模拟软件从其它参数中确定正确的节长度l₁、l₂、重叠度δ和间隔s。一个这样的软件包是天线优化器(AO)软件包。AO基于磁矩电磁模拟算法的方法，AO天线优化器版本6.35(版权1994)是由加利福尼亚州圣弟亚哥市的Brian Beezley编写的。

注意通过使用以上参考图8A和8B所述的耦合结构可获得某些优点。在常规的天线和耦合的辐射器节天线两种情况下，电流集中在辐射器的两端。依据阵列因素原理，这对某些应用中的耦合辐射器节天线是一个优点。

为了说明，图10A是示出两个点源A、B的图，其中源A辐射一信号，该信号的幅值与源B的信号幅值相同的信号，但相位滞后90°(假定e^jωt的惯例)。当源A和B分开λ/4的距离，沿从A到B的传播方向以同相方式信号叠加，并沿从B到A的传播方向以反相方式信号叠加。结果，沿B到A的方向发出非常少的辐射。图10B所示的典型场图案示出了这一点。

于是，当源A和B如此定向，从而从A到B的方向表明从地面向上，从B到A的方向表明朝向地面时，可优化大多数应用的天线。这是因为很少有用户想要把信号强度指向地面的天线。此结构在卫星通信中尤其有用，其中想要使大部分信号强度从地面向上辐射。

使用常规的半波长螺旋形天线不容易实现图10中模拟的点源天线。考虑图3中所示的天线辐射器部分。在辐射器208两端处电流强度的集中大致近似于一个点源。当辐射器卷成螺旋形结构时，90°辐射器的一端所处的位置与0°辐射器的另一端在一条线上。于是，这近似于同一线上的两个点源。然而，与图10A示出所需的λ/4结构相反，这些近似的点源分开大约λ/2。

然而，注意依据本发明的耦合辐射器节天线提供了一种示例，其中近似的点源大约隔开的距离更靠近λ/4。因此，耦合辐射器节天线使用户可利用图10A所示天线的方向性。

图8所示的辐射器节708、710示出，节708非常靠近其相关节710，而每对节708、710离相邻的节对相对较远。在另一个实施例中，每个节710与两边的节708等距离。图11中示出此实施例。

现在参考图11，每个节与每对相邻的节基本上等距离。例如，节708B与节710A、710B等距离。即s₁＝s₂。同样，节710A与节708A、708B等距离。

此实施例的违背直觉之处在于看起来好象存在不想要的耦合。换句话说，相应于一个相位的节不仅会与相同相位的适当节耦合，也会与相位偏移的相邻节耦合。例如，90°节708B将与节710A(0°节)和节710B(90°节)耦合。这种耦合不成为问题，因为可把来自上部节810的辐射看作两种分离的模式。一种模式来自于相邻节与左边的耦合，另一种模式来自于相邻节与右边的耦合。然而，这两种模式的相位都被调整，以提供相同方向的辐射。因此，这种双耦合对耦合多节天线的存在无害。

这种分节的辐射器螺旋形天线的一个附加优点在于，在天线制成后非常容易对天线进行调谐。可通过微调节708、710来对天线进行简单调谐。注意，可在在需要时这样做，而不必改变天线的整个长度。

V.节耦合的双波段天线

在某些应用中，想要工作在两个频率的天线。这种应用的一个例子是在用于发射的一个频率和用于接收的第二频率下操作的通信系统。实现双波段性能的一个常规技术是把两个单波段四股螺旋形天线首尾相连地叠在一起而形成单个长的圆柱体。例如，系统设计师可把一L波段的通信和一S波段的通信叠在一起而实现在L和S波段上的操作特性。然而，这种叠加增加了天线的总长度。

为了减少双波段天线的总长度，发明人已开发了一种节耦合的双波段螺旋形天线，这种天线不需要把两个螺旋形天线叠在一起。依据本发明的节耦合的双波段天线把两个单波段天线有效地相互“重叠”。

图12A是示出四股单波段耦合的多节螺旋形天线1200的平面表示图，该天线具有成U形的节。在此实施例中，辐射器1204的辐射器部分1202中包括直的节1208和U形节1210。直的节1208从辐射器部分1202的第二端1234向第一端1232延伸，而U形节1210从辐射器部分1202的第一端1232向第二端1234延伸。U形节1210可包括大致近似于“U”或局部封闭的的各种不同形状，诸如发夹形、马蹄形或其它类似形状。

在所示的实施例中，可把U形节1210描述成具有三段：从第一端1232向第二端1234延伸的第一段1262，靠近第一段1262的第二段1264，以及连接第一和第二段1262、1264的第三端1266。直的节1208靠近U形节1210，从而节1208、1210在物理上相互分开，但在电磁上相互耦合。在所示的实施例中，U形节1210的角相对锐利。在其它实施例中，这些角可以是圆的、斜的或具有某些其它形状。

为了实现双波段操作，把第二单波段螺旋形天线装入单波段耦合的多节螺旋形天线1200的结构。在依据一个实施例图12B中示出获得的双波段节耦合的螺旋形天线1220。虽然可以单股、双股和其它x股的实施例来实现双波段天线，但图12B中示出的实施例也是一个四股的实施例。

图12B是依据本发明一个实施例的双波段节耦合的螺旋形天线1220的平面表示图。天线1220包括横过辐射器部分1202延伸的两组辐射器1204、1212。每个辐射器1204和1212在指定的工作频率下谐振，于是提供了双波段操作。辐射器1204包括以上参考图12A所述的节1208、1210。

辐射器1204在第一工作频率v/λ₁下谐振。馈电网络1272给辐射器1204提供了第一频率f₁＝v/λ₁的正交相位信号(即，0°、90°、180°、270°的信号)。

辐射器1212置于U形节1210内。辐射器1212在第二工作频率v/λ₂下谐振。馈电网络1274给辐射器1212提供了第二频率f₂＝v/λ₂的正交相位信号(即，0°、90°、180°、270°的信号)。由于U形节1210包围辐射器1212，所以U形节1210用于隔离两个频带。

现在描述双波段节耦合的螺旋形天线1220的结构和操作。图13是示出节1210和辐射器1212上电流分布的图。在所示的实施例中，辐射器1212为λ₂/4，并从第一端1232馈电。段1262、1264、1266的总长度为λ₂。辐射器1212中的电流(由分布曲线1304所示)被耦合到第一段1262中。由于段1262、1264、1266的总长度为λ₂，所以由电流分布曲线1308所示，驻波在节1210周围弯曲。由于段1262上的电流与段1264上的电流相等且相反，所以这些电流在辐射器1208上相互抵销，从而有效地隔离了频率为v/λ₁与频率为v/λ₂的辐射。

在一个实施例中，使用印刷电路板或其它类似的技术(带线天线)来实现双波段节耦合的螺旋形天线1220。将参考图14A和14B更详细地描述本实施例。双波段节耦合的螺旋形天线的这种带线实施例包括在介电衬底上蚀刻的带线辐射器1204、1212。衬底是被卷成圆柱形、圆锥形或其它适当形状的薄型柔性材料，从而辐射器螺旋形地缠绕(最好是对称地)在该形状的中心轴上。

图14A和14B示出用于制造双波段节耦合的螺旋形天线1220的元件。图14A和14B分别示出衬底的远表面1400和近表面1402的图。双波段节耦合的螺旋形天线1220包括辐射器部分1404、第一馈电部分1406和第二馈电部分1408。为便于讨论，辐射器部分1404具有靠近馈电部分1408的第一端1232和靠近馈电部分1406的第二端1434(在辐射器部分404的另一端)。

在这里所述和所示的实施例中，描述通过使衬底形成圆柱形、圆锥形或其它适当形状来形成天线，近表面位于所形成的圆柱体的外表面。在另一个实施例中，衬底形成适当的形状，远表面位于该形状的外表面。

在一个实施例中，介电衬底是由以上所述的常规螺旋形天线所提供的聚四氟乙烯(PTFE)、PTFE/玻璃的混合物或其它介电材料而构成的薄型柔性层。

在图14A和14B所示的实施例中，在远表面1400的馈电部分1406上蚀刻馈电网络1272。即，把用于馈电网络1272的信号迹线蚀刻到馈电部分1406的远表面1400上。馈电网络1272的接地平面1476位于馈电部分1406的近表面1402上。馈电部分1274被蚀刻到近表面1402上的馈电部分1408上。在远表面1400的馈电部分1408中形成用于馈电网络1274的接地平面1478。

在所示的实施例中，节1208包括两部分或段，淀积在远表面1400上的段1208B和淀积在近表面1402上的段1208C。节1208A和1208B相遇的点是辐射器1204的馈电点。馈线1208A来往于远表面1400上辐射器段1208B末端处的辐射器节1208而传递信号。

如此选择馈线1208A从接地平面1476延伸的长度l_馈电，以优化天线与馈电网络1272的阻抗匹配。选择馈线1208A的长度l_馈电稍长于辐射器段1208C。尤其是，在一个实施例中，它比1208A短0.01英寸(2.5mm)，从而被馈线1208A穿过或延伸的辐射器段1208B和1208C之间存在适当空隙。

在所示的实施例中，辐射器1212包括两部分或段，淀积在近表面1402上的段1212B和淀积在远表面1402上的段1212C。节1212B和1212C相遇的点是辐射器1212的馈电点。用馈线1212A来往于近表面1402上辐射器段1212B末端处的辐射器节1212传递信号。

馈线1208A和1212A通常置于衬底上，从而它们相对且基本上分别集中在辐射器段1208C和1212C上。虽然馈线1208A和1212A在接地平面1476和1478上的位置可分别沿着辐射器段1208C和1212C的角度，但这不是必须的，且它们可以图15所示的不同的角连到馈电网络1272和1274。

图15是有效地示出相互重叠的图14A和14B的图。图15示出段1208B、1208C的元件如何与馈线1208A重叠以及段1212B、1212C如何与馈线1212A重叠。

图16是示出依据本发明一个实施例的双波段节耦合的螺旋形天线的示例布局的图。注意，在所示的实施例中，U形节1210延伸到超过辐射器1212的长度。在本实施例中，可把U形节1210描述成具有两部分。第一部分包括淀积在衬底上并分开足以容纳辐射器1212的宽度的两个相邻段1610A、1610B。节1210的第二部分延伸到超过第一部分，第二部分也包括两个相邻段1610C、1610D。然而，在所示的实施例中，这些段1610C、1610D比段1610A、1610B靠得更近，且最好不能容纳淀积在其间的辐射器1212。

所示结构的结果是，节1208、1210相互重叠，而节1208不与辐射器1212重叠。还应注意，由于这种结构，所以节1210的较窄部分上发生节1208、1210的交错，从而减小了天线的直径。

图17示出一实施例的一个例子，其中U形节1210不对称。在本实施例中，U形节1210没有一直延伸到这两段上的馈电部分。这里，再次使用节1212A、1212B或1212C未延伸到由节1610C和1610D所包围的区域内的节1610A、1610C和1610D。在本实施例中，对每个辐射器部分1210，省略了节1610B。

图16和17所示实施例的一个优点在于，对于给定的辐射器部分宽度，可增加节1210的宽度。于是，图17所示的实施例可提供第二频率下带宽增加的操作。

已对较佳实施例进行了以上的描述，使本领域内的熟练技术人员可制造或利用本发明。这些实施例的各种修改对本领域内的熟练技术人员是非常明显的，这里所述的一般原理可应用于其它实施例而无需发明能力。于是，本发明不限于这里示出的实施例，而是依据这里所揭示的原理和新特征所给出的最宽范围。

Claims (16)

1.一种双波段螺旋形天线，具有带第一端和第二端的辐射器部分以及第一组一个或多个辐射器和第二组一个或多个辐射器，其特征在于

所述第一组辐射器中的辐射器包括：

以螺旋形方式从辐射器部分的第二端向辐射器部分的第一端延伸的第一辐射器节；以及

以螺旋形方式从辐射器部分的第一端向辐射器部分的第二端延伸的U形辐射器节；

其中所述U形辐射器节包括：

第一部分，包括从该辐射器部分的第一端向该辐射器部分的第二端延伸的两个第一段，其中所述两个第一段隔开预选的第一宽度；以及

第二部分，包括从所述两个第一段延伸的并以比所述第一段的所述宽度更窄的宽度隔开的两个第二段；

以及具有连接在其间的第三段位于朝向辐射器部分的所述第二端的端处；以及

所述第二组辐射器中的辐射器放置在所述U形节内；

从而所述第一组辐射器以第一频率谐振，所述第二组辐射器以第二频率谐振。

2.一种双波段螺旋形天线，具有带第一端和第二端的辐射器部分，其特征在于所述螺旋形天线包括：

以第一频率谐振的第一辐射器，从第一端向第二端延伸，所述第一辐射器再分成两节，包括：

以螺旋形方式从辐射器部分的所述第二端向辐射器部分的所述第一端延伸的第一辐射器节，以及

以螺旋形方式从辐射器部分的第一端向辐射器部分的第二端延伸的第二辐射器节，所述第二辐射器节基本上为U形，其封闭端朝向第二端，所述第二辐射器节与所述第一节隔开并沿所述第一节的一段长度与之重叠，

其中在重叠区域内所述第一辐射器节如此靠近所述第二辐射器节，从而所述第一和第二辐射器节相互电磁耦合，从而所述螺旋形天线以第一选中频率谐振；以及

以第二选中频率谐振的第二辐射器，从第一端向第二端延伸且至少被所述基本上为U形的第二辐射器节局部包围。

3.如权利要求2所述的螺旋形天线，其特征在于所述辐射器包括淀积在介电衬底上的导电材料带线，如此形成所述介电衬底的形状，从而辐射器以螺旋形方式缠绕。

4.如权利要求3所述的螺旋形天线，其特征在于所述介电衬底形成圆柱形或圆锥形之一。

5.如权利要求2所述的螺旋形天线，其特征在于所述第二节基本上从四面八方包围所述第二辐射器。

6.如权利要求2所述的螺旋形天线，其特征在于：

所述第二辐射器节包括：

相互串联从而偏离公共中心轴并从辐射器部分的所述第一端向所述第二辐射器节的所述U形部分延伸的第一和第二小段；以及

相互串联从而偏离公共中心轴并从所述U形部分向辐射器部分的所述第一端延伸的第三和第四小段；

所述第一和第四小段隔开第一预选宽度，从而所述第二辐射器可置于其间；以及

所述第二和第三小段隔开比所述第一预选宽度窄的第二预选宽度。

7.如权利要求6所述的螺旋形天线，其特征在于所述第一和第四小段的长度基本上相等，所述第二和第三小段的长度基本上相等。

8.如权利要求6所述的螺旋形天线，其特征在于所述第一和第四小段的长度基本上不相等。

9.如权利要求2所述的螺旋形天线，其特征在于所述第一节的长度为λ₁/4，这里λ₁为天线的第一谐振频率的波长。

10.如权利要求2所述的螺旋形天线，其特征在于所述第二节的整个长度为λ₁，这里λ₁为天线的第一谐振频率的波长。

11.如权利要求10所述的螺旋形天线，其特征在于所述第二节的段的结合长度为λ₁。

12.如权利要求2所述的螺旋形天线，其特征在于包括所述第一和第二辐射器的每一个中的四个辐射器，且还包括用于所述第一和第二辐射器中每一个的馈电网络。

13.如权利要求2所述的螺旋形天线，其特征在于还包括用于所述第一辐射器的馈电点，所述馈电点沿所述第一节与第二端离开某一距离，选择所述距离以使辐射器的阻抗与馈电网络匹配。

14.一种双波段螺旋形天线，具有带第一端和第二端的辐射器部分，其特征在于所述螺旋形天线包括：

以第一频率谐振的第一辐射器，从第一端向第二端延伸，所述第一辐射器再分成两节，包括：

以螺旋形方式从辐射器部分的所述第二端向辐射器部分的所述第一端延伸的第一辐射器节，以及

以螺旋形方式从辐射器部分的第一端向辐射器部分的第二端延伸的第二辐射器节，所述第二辐射器节基本上为J形，其封闭端朝向第二端，所述第二辐射器节具有从所述第一端向所述第二端延伸的第一分支、向所述第一端延伸的第二分支以及连接所述第一和第二分支的连接部分，所述第二辐射器节与所述第一节隔开并沿所述第一节的一段长度与之重叠，

其中在重叠区域内所述第一辐射器节如此靠近所述第二辐射器节，从而所述第一和第二辐射器节相互电磁耦合，从而所述螺旋形天线以第一选中频率谐振；以及

以第二选中频率谐振的第二辐射器从靠近所述第一分支的第一端向所述第二分支延伸。

15.如权利要求14所述的螺旋形天线，其特征在于：

所述第二辐射器节包括靠近第一端的近端部分以及沿第一和第二端之间的方向向所述第二分支延伸但与所述第二分支分开的远端部分。

16.一种双波段螺旋形天线，具有带第一端和第二端的辐射器部分，其特征在于包括：

以第一频率谐振的第一辐射器，从第一端向第二端延伸，所述第一辐射器再分成两节，包括：

以螺旋形方式从辐射器部分的第二端向辐射器部分的第一端延伸的第一辐射器节；以及

以螺旋形方式从辐射器部分的第一端向辐射器部分的第二端延伸的第二辐射器节，

所述第二辐射器节具有朝向第二端的折回部分，且与所述第一节隔开并沿所述第一节的一段长度与之重叠；

其中所述第二辐射器节包括：

从辐射器部分的第一端向第二辐射器节的所述折回部分延伸的第一段，所述第一段包括相互串联从而偏离公共中心轴并从辐射器部分的第一端向第二辐射器节的所述折回部分延伸的第一和第二小段，

靠近所述第一段并沿所述折回部分向辐射器部分的第一端延伸的第二段，所述第二段包括相互串联从而偏离公共中心轴并从所述折回部分向辐射器部分的所述第一端延伸的第三和第四小段，以及

连接在所述第一和第二段之间位于所述折回部分内的第三段；以及

以第二频率谐振的第二辐射器，从第一端向第二端延伸，所述第二辐射器至少被所述第二辐射器节局部包围；

其中所述第一和第四小段隔开第一预选宽度，从而所述第二辐射器可置于其间，以及

所述第二和第三小段隔开比所述第一预选宽度窄的第二预选宽度。

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