CN1107993C - 一种电磁偶极子转向天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种手持无线通迅器的天线，确切地说是一种电磁偶极子转向天线，其特征在于：该天线由一个电偶极子全向天线及与之共轭共舵的磁偶极子全向天线组成。磁偶极子天线包括四个以上具有电磁耦合臂的辐射导体子环、四个以上的阻抗变换器和一对可翻转电流方向的驱动盘。本发明使用中，当将其拿近使用者耳朵时，其辐射波束将自动指向外侧，对使用者头部的辐射降到可能的最低程度，保证了使用者的安全；同时，该天线可使手机有效半径扩大2倍以上，手机电池的供电周期延长4倍以上。该天线在体积小于0.01立方波长的所有天线中具有最高增益和最大频宽。
Description
本发明涉及一种用于手持无线通讯器(包括无绳电话、移动电话、蜂窝电话、无线电对讲影音机等)的天线。
天线在移动通讯中被用来发射和接收无线信号。所有的手持蜂窝电话都有一个或多个天线，所有的基站都是通过天线阵列来接收用户微波信号，并转接到欲通话用户的手机上。
目前几乎所有的蜂窝电话、手机都采用的是电偶极子天线。这种天线在向外界辐射微波信号的同时，也向手机使用者的头部辐射等强度的微波。使用者长期、持续地暴露在这种电偶极子天线的微波辐射有可能对其健康产生危害。同时，手机有效作用半径和手机电池的供电周期也因此缩短了。问题的根源是，电偶极子天线的辐射波束在自由空间呈无孔镯状，在一固定平面上是全向性的。当它被拿近使用者的耳朵时，电偶极子在向外界辐射全向性微波的同时，也向使用者头部辐射同样强度的微波。由于微波源与使用者头部的距离很近，大部分微波都被使用者头部吸收了。
美国专利US5784032公开了将环路天线进行组合的天线装置，该装置也具有防止对邻近人体辐射而导致发射功率损耗的作用和效果。
本发明旨在提供一种能减少射向使用者头部的辐射，而加强向外界辐射的天线；即能产生一个立体轴对称的心形波束的转向天线。当用于使用者左耳时，其辐射峰值定向地向天线左边辐射；当用于使用者右耳时，其辐射峰值点定向地向天线右边辐射。本发明还旨在提供一种电磁偶极子转向天线，其能反转其心形波束180度，始终保持其峰值点指向外界而零值点指向使用者；从而延长手机电池的供电周期和手机的有效半径。
本发明的目的是这样实现的：一种电磁偶极子转向天线，包括电偶极子天线，其特征在于：
一个与电偶极子天线(1)共轭共舵的磁偶极子天线包括四个以上具有电磁耦合臂(2)的辐射导体子环和四个以上的阻抗变换器(3)，且均匀排布设于同一平面内；四对以上电磁耦合臂(2)串联组成一个大导体环，其中部设有一对上、下驱动盘(4)，其中部设有一通孔；每个子环的一条耦合臂(2)通过阻抗变换器(3)与上驱动盘4连接，另一条耦合臂通过另一个阻抗变换器(3)与下驱动盘4连接。
一个电偶极子天线的一对辐射臂(1)对称设于相邻两个辐射导体子环的阻抗变换器(3)上方或下方，其相对端分别与单馈端对(5)连接，单馈端对(5)与终端对(6)连接，终端对(6)与通讯机的收发器连接。
在单馈端对(5)与终端对(6)之间设有由重力敏感逻辑电路控制的四个开关组成的可切换驱动连接装置(7)；开关S1、S4其一端与一馈端(5)和(6)相连，另一端分别与上驱动盘、下驱动盘相连；开关S2、S3其一端与另一馈端(5)和(6)相连，另一端分别与上驱动盘、下驱动盘相连。
每个辐射导体子环的耦合臂上并联设有能组成一个以上具有电磁耦合臂的调谐臂(8)，且调谐臂(8)上设有开关。在每对电磁耦合臂(2)之间或可设有电介质，或可设有电导体片，或可设有电介质和电导体片。在阻抗变换器(3)中间或可设有电介质，或可设有延迟线。
本发明的关键是一个强度和效率均高的近谐振磁偶极子全向天线。这个由四对以上具有电磁耦合臂(2)所串联的大导体环能够维持电流的均匀，从而保证一个高纯度的磁偶极子特性。正是这种高纯度，再加上足够的强度和效率，使近谐振磁偶极子天线在一平面上的全向辐射能够和电偶极子在另一垂直平面上的全向辐射产生共轭共舵。共轭共舵使两个全向天线产生一个共舵的定向心形波束，并在单馈端处产生一对复数共轭导纳。
本发明的另一个关键是可切换驱动连接的装置(7)。这个装置能改变全体大导体环上电流的方向，从而也能把轴对称心形波束方向翻转180度。
本发明具有四方面的优点：
1、本发明辐射出的轴对称心形波束(方向图)能达到在所有体积小于0.01立方波长的天线中可能达到的最大天线增益和最大信号频宽；从而达到最高的电池供电周期，最大的手机有效半径和最适应码分多址(CDMA)的要求。
2、当该天线被拿近使用者的耳朵，其能自动地将心形波束辐射的峰值点指向使用者外界，而辐射强度为零的切点指向使用者的头部，从而把射向使用者头部的微波量降到可能的最低的程度。
3、本发明中由于采用了可切换驱动连接装置，使用中当将其拿近使用者左耳时，心形波束峰值点能自动指向其左侧；同样，当将其拿近使用者右耳时，心形波束峰值点能自动指向其右侧；从而使电磁偶极子转向天线能翻转其轴对称心形波束180度。几乎完全避免了射向使用者头部，保证了使用者的安全。
4、该天线不仅使手机电池的供电周期延长4倍以上，并且可使手机收发器工作电压降低两倍以上；从而适应将来新一代集成电路的需要。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为图1的A-A剖示图。
图3为图1的B-B剖示图。
图4为图1的C-C剖示图。
图5为本发明具有调谐环的结构示意图。
图6为图5的D-D剖示图。
图7为图5的E-E剖示图。
图8为图6的F-F剖示图。
图9为不需切换的结构示意图。
下面结合附图，通过非限定实施例对本发明作进一步地说明。
图1是一个电磁偶极子转向天线的平面图，本图不含任何剖面，其线形和底纹仅表示不同的层次。由图1可见，该天线由四个具有电磁耦合臂(2)的辐射导体子环的磁偶极子天线和具有一对辐射臂(1)的电偶极子天线组成。四个具有电磁耦合臂(2)的辐射导体子环均匀排布在同一平面内，组成一个长方形。四个辐射段，包括四对电磁耦合臂(2)，并分别指定为R1、R2、R3和R4，每段长约为0.35个波长。驱动盘4分为上驱动盘DP1和下驱动盘DP2；两驱动盘位于四个辐射导体子环的中部；上、下驱动盘4的中部均开有通孔。每个辐射段的相对应的一条辐射耦合臂(2)通过阻抗变转换器(3)与上驱动盘DP1连接，另一条辐射耦合臂(2)通过另一个阻抗变换器(3)与下驱动盘DP2连接。阻抗变换器(3)分别指定为DT1、DT2、DT3和DT4。电偶极子天线的一对辐射臂D1与D2对称安装在阻抗变换器DT2、DT4上方，其相对端分别与单馈端对(5)连接，单馈端对(5)与终端对(6)连接，终端对(6)与收发器连接。
图2、3、4显示三个剖视图。从图3可看到，单馈端对(5)与终端对(6)之间设有可切换驱动连接装置(7)，该装置由重力敏感逻辑电路控制的四个开关S1、S2、S3、和S4组成。开关S1、S4其一端与一馈端(5)和一终端(6)相连，另一端分别与上驱动盘DP1、下驱动盘DP2相连；开关S2、S3其一端与另一馈端(5)与另一终端(6)相连，另一端分别与上驱动盘DP1、下驱动盘DP2相连。
由图3可见，单馈端对(5)可提供对电偶极子天线一对辐射臂D1与D2的固定的驱动及对上、下驱动盘DP1与DP2的可切换的驱动，后者用于改变图1中磁偶极子天线大导体环的电流方向。磁偶极子天线电流方向的改变能够使心形微波束在电磁偶极子天线的两侧翻转180度。
上、下驱动盘作为多端对可切换驱动的具体功用不随其外形的改变而改变。如图3所示，当可切换驱动连接装置(7)的开关S1和S3为“开”或通路状态，而S2和S4为“关”或断路状态，如图3中用“×”表示时，心形波束的峰值点指向电磁偶极子天线的左边。反之，若S1和S3为“关”，S2和S4为“开”时，微波束则翻转180度指向电磁偶极子天线的右边。可切换驱动连接装置(7)的开关S1-S4是由一种重力敏感逻辑电路来触发的。
使用中，四个阻抗变换器(3)，DT1-DT4分别以同相，串联地驱动四个辐射段R1-R4。这些串联辐射阻抗通过阻抗变换器DT1-DT4转变为在上、下驱动盘4的并联导纳。
发射时，手机发射器通过终端对(6)将微波电流送到单馈端对(5)。在单馈端对(5)处，发射器功率被分为两部分辐射功率：一部分送到电偶极子天线的一对辐射臂(1)，另一部分通过与驱动盘(4)连接的阻抗变换器(3)送到磁偶极子天线。两个天线的虚部功率在单馈端对(5)互相对消，因此能产生所有同体积天线中可能达到的最宽频宽。
为了增强磁偶极子的辐射强度、效率和纯度，每个辐射导体子环的辐射臂(2)可分别装有能组成一个具有电磁耦合臂的辐射调谐臂(8)，且调谐臂(8)上装有开关S，如图5、图6、图7和图8所示；图中的“×”表示开关S断路状态。由图7可见，辐射导体子环的辐射段R1和R2与辐射调谐环的调谐段T1和T2的厚度，宽度和间距可能因设计的制约而有所不同，但并不改变它们分别作为磁偶极子天线辐射臂和调谐臂的各自的具体功用。
本发明还涉及一种不需转向的电磁偶极子天线，如图9所示，将电磁偶极子天线结构中的可切换驱动连接装置(7)拿掉，并将上、下驱动盘(4)与单馈端对(5)直接连接。为了保持磁偶极子天线每个辐射段R1-R4中的电流均匀，加入两根延迟线DL1和DL2，可以保持阻抗变换器DT1和DT3与DT2和DT4的串联驱动保持同相。当不需要切换的电磁偶极子天线被拿近使用者的左耳或右耳，其轴对称心形微波束始终将其近零的微波指向使用者头部。
Claims (6)
1、一种电磁偶极子转向天线，包括电偶极子天线，其特征在于：一个与电偶极子天线(1)共轭共舵的磁偶极子天线包括四个以上具有电磁耦合臂(2)的辐射导体子环和四个以上的阻抗变换器(3)，且均匀排布设于同一平面内；四对以上电磁耦合臂(2)串联组成一个大导体环，其中部设有一对上、下驱动盘(4)，其中部设有一通孔；每个子环的一条耦合臂(2)通过阻抗变换器(3)与上驱动盘(4)连接，另一条耦合臂(2)通过另一个阻抗变换器(3)与下驱动盘(4)连接。
一个电偶极子天线的一对辐射臂(1)对称设于相邻两个辐射导体子环的阻抗变换器(3)上方或下方，其相对端分别与单馈端对(5)连接，单馈端对(5)与终端对(6)连接，终端对(6)与通讯机的收发器连接。
2、根据权利要求1所述的一种电磁偶极子转向天线，其特征在于：在单馈端对(5)与终端对(6)之间设有由重力敏感逻辑电路控制的四个开关组成的可切换驱动连接装置(7)；开关S1、S4其一端与一馈端(5)和(6)相连，另一端分别与上驱动盘、下驱动盘相连；开关S2、S3其一端与另一馈端(5)和(6)相连，另一端分别与上驱动盘、下驱动盘相连。
3、根据权利要求1所述的一种电磁偶极子转向天线，其特征在于：每个辐射导体子环的耦合臂(2)上并联，设有能组成一个以上具有电磁耦合臂的调谐臂(8)，且调谐臂(8)上设有开关。
4、根据权利要求1所述的一种电磁偶极子转向天线，其特征在于：在阻抗变换器(3)中间或可设有电介质，或可设有延迟线。
5、根据权利要求1所述的一种电磁偶极子转向天线，其特征在于：每对电磁耦合臂(2)之间或可设有电介质，或可设有电导体片，或可设有电介质和电导体片。
6、根据权利要求1所述的一种电磁偶极子转向天线，其特征在于：大导体环或为矩形，或为多边形，或为椭圆形。
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