CN1107995C

CN1107995C - 一种电磁偶极子择向天线

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Publication number: CN1107995C
Application number: CN 99114199
Authority: CN
Inventors: 余俊尚
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-05-14
Filing date: 1999-05-14
Publication date: 2003-05-07
Anticipated expiration: 2019-05-14
Also published as: CN1239840A

Abstract

本发明涉及一种用于手持无线通讯器的天线。该天线运用共轭共舵的一种磁偶极子天线和一种有效的、择向的电偶极子天线，其特征在于：辐射一个立体、轴对称的心形波束，自动将辐射峰值点指向使用者的外空，并在“掉线”多发场合，如距离较远或受建筑物屏蔽时，旋转该心形波束360度，有“智能”地搜索而锁住一个增益最高的“窗口”。该天线不仅能降低手机微波对人体的危害，能延长手机电池使用周期，能在360度范围内最优化地保持微波信号的连续，又有在同等体积下产生最大的频宽，从而最适用于码分多址(CDMA)无线通讯机。

Description

一种电磁偶极子择向天线

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、无线电对讲对视机等)的天线。

目前几乎所有的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，也向手机使用者头部辐射等强度的微波。由于手机与使用者头部相距很近，该电偶极子天线所辐射的高达70％的微波被使用者头部吸收掉。为了改善这种电偶极子天线可能危害使用者健康的情况，改善辐射效率过低的状况，本发明的必要前提已设制了一种近谐振的磁偶极子天线和一种电磁偶极子转向天线。上述两种天线当遇到如距离较远或受建筑物屏蔽时仍存在“掉线”或断线的问题。

美国专利US4570176、US4193077、US4418351中分别公开了具有方向性的多个偶极子天线组合形成有天线装置，这些装置也具有方向选择和防止对邻近人体辐射而导致发射功率损耗，使天线装置可以针对任何入射波方向进行发射、接收，其结构与本发明不同。

本发明旨在提供一种既能降低手机微波对使用者健康有危害的可能性，能延长手机电池使用周期，能扩大手机信号带宽和有效半径，又能在“掉线”多发场合，如距离较远或受建筑物屏蔽时，最优化地保持信号连续的、有“智能”的电磁偶极子择向天线。

实现上述目的的技术解决方案是这样的。

一种电磁偶极子择向天线，由互相共轭共舵的一个近谐振磁偶极子天线和一个择向的有效电偶极子天线组成，其特征在于：磁偶极子天线的设于天线中部的上、下驱动盘(1a、1b)与四个以上的并联驱动端对(2)连接；四个以上阻抗变换器(3)均布于同一平面内；每个阻抗变换器(3)的一个电导体带(4a)与上驱动盘(1a)连接，另一个导体带(4b)与下驱动盘(1b)连接；四个以上的串联驱动端对(5)均布于一个大导体环上，大导体环由四对以上辐射耦合臂(6a、6b)组成；每对辐射耦合臂的外侧耦合臂(6a)经过阻抗变换器(3)与上驱动盘(1a)连接，其内侧耦合臂(6b)径过阻抗变换器(3)与下驱动盘(1b)连接；上、下驱动盘(1a、1b)与手机的收发器端对连接。

所述一种择向的有效电偶极子天线，由8个以上的电偶极子辐射臂(8a、8b、8c、8d、)，(10a、10b、10c、10d)两两相对均布于相邻两个阻抗变换器(3)之间；每个辐射臂上均设有开关(7a、7c)，(7b、7d)，(9a、9c)等，其电流通断状态由相应的开关或接通或切断来控制；排布于一固定方向的两对电偶极子辐射臂不许同时接通，如果辐射臂(8a、8b)接通时，所驱动的电偶极子电流是一个正方向的，如果辐射臂(8c、8d)接通时，所驱动的电偶极子电流是一个反方向的；有效电偶极子电流可恰与每对辐射臂(8a、8c)，(8b、8d)，(10a、10c)，(10b、10d)等的电流方向相合，也可与由两对以上的辐射臂电流矢量形成的有效方向相同。

设于同一平面内、由四对以上辐射耦合臂(6a、6b)所组成的大导体环或为多边形，或为圆形，或为椭圆形；每对耦合臂(6a、6b)之间或可设有电介质，或可插设电导体片。

所述四个以上阻抗变换器(3)设制有同等的有效长度和特性阻抗值；如外显长度或特性阻抗值不同等时，在阻抗变换器(3)中间或可设有电介质，或可插设导体片，或可插设延迟线。

所述4对以上的电偶极子辐射臂，每2对(8a、8c、8b、8d)，(10a、10c、10b、10d)等，排置于一个固定方向；每一固定方向的前一对(8a、8c)，(10a、10c)等，可经开关(7a、7c)，(9a、9c)等，与上、下驱动盘(1a、1b)连接，以驱动一个正方向的电偶极子电流；每一固定方向的后一对(8b、8d)，(10b、10d)等，可经开关(7b、7d)、(9b、9d)与上、下驱动盘(1b、1a)连接，以驱动一个反方向的电偶极子电流；每2对之间，如(8a、8c)与(8b、8d)之间，或可设有电介质，或可插设导体片，或可改变辐射臂的形状、长度、宽度或厚度。

每对磁偶极子辐射耦合臂上可设置一对以上的调谐耦合臂；每对电偶极子辐射臂上可设置一对以上的调谐辐射臂。

四个以上阻抗变换器(3)将四个以上磁偶极子的串联阻抗(5)转变为驱动盘(1a、1b)的四个以上的并联导纳，该四个以上并联导纳合并起来与电偶极子天线的导纳形成复数共轭。这就是本发明要求达到的共轭的过程。

该两个天线在辐射“空间”上，四个以上磁偶极子的辐射耦合臂(6a、6b)产生在一个平面上一个全向性的磁偶极子波束，4对以上电偶极子辐射臂(8a、8b)，(10b、10d)等单独地或矢量合成地，产生在另一个垂直平面上一个全向性的电偶极子波束。该两互相垂直的全向波束并合起来形成一个轴对称的心形波束。这就是本发明要求该两天线在“空间”上达到共舵的过程。在同等体积下，本发明的电磁偶极子是所有天线中在辐射时间上和辐射“空间”上达到了最高的优化。

本发明具有四方面的优点：

一、本发明体积小，该天线厚度不大于0.125个波长，体积不大于0.02立方波长，适用于各样手持无线通讯器的天线。

二、该天线在驱动盘间形成一对复数共轭导纳，从而达到最高可能的信号频宽与天线体积比。

三、能辐射轴对称的心形波束，从而达到最高可能的天线增益与体积比。

四、能把辐射峰值点指向外空、把辐射零值点指向使用者，从而保护使用者的健康，提高电池使用效率。

五、可在天线平面的360度范围内进行波束引导和最佳方向锁定，即能“智能”地为波束搜索一个最佳方向以最大程度地避免远距离或封闭场所下的“掉线”。

图1为本发明为六边形结构示意图。

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为本发明为四边形结构示意图。

图6为本发明为八边形结构示意图。

下面结合附图，通过非限定实施例对本发明作进一步地描述。

由图1可见，该种电磁偶极子择向天线包括6对环绕的磁偶极子辐射臂(6a、6b)，和径向的电偶极子辐射臂(8a、8d、10a、10d等)。该磁偶极子天线由六对辐射耦合臂(6a、6b)在同一平面内组成一个12边形的大导体环，其环长约为1.5个波长。每个辐射耦合臂(6a)与一个阻抗变换器(3)的导体带(4a)连接；另一耦合臂(6b)与阻抗变换器(3)的导体带(4b)连接。一对上、下驱动盘(1a、1b)对应设于12边形的中部；每个辐射耦合臂(6a)通过阻抗变换器(3)与上驱动盘(1a)连接，另一个辐射耦合臂(6b)通过阻抗变换器(3)与下驱动盘(1b)连接。

电偶极子天线的六对辐射臂(8a、8c、8d等)均布于同一平面内。每两对电偶极子辐射臂两两上、下相对设于驱动盘(1a、1b)两边，如图4所示。图4显示辐射臂(8a、8c)经开关(7a、7c)连接，受驱动盘(1a、1b)驱动一个正方向的电偶极子电流。相反地，如果(7a、7c)断路，而(7b、7d)通路，辐射臂(8b、8d)可受驱动一个反方向的电偶极子电流。每一个正方向的电偶极子电流能形成一个特定正方向的心形波束，该反方向的电流能使该心形波束发生180度翻转。6对辐射臂可以形成6个波束方向。该6对辐射臂的电流又可以形成6个以上有效的新电流方向，每个有效电流可由实体电流的矢量合成，从而造成6个以上新的有效波束方向。

因为旋转的心形波束的宽度在90度以上，所以只需要有4个以上可用方向，就能实现波束在整个360度区域内的近似平滑而连续的旋转。所谓“智能”波束引导天线就是运用了波束的360度旋转能力，使处于几乎封闭空间内的用户不断地搜索一个最容易穿透的“窗口”并且锁住一个最灵敏的基站。

当作为辐射天线时，本发明的具体工作过程是这样的。整个磁偶极子天线是近谐振的，其六个串联端对(5)经过阻抗变换器(3)在上、下驱动盘(1a、1b)接口形成的六个并联端对(2)。驱动接口处的六个并联导纳合并起来与电偶极子天线的导纳形成复数共轭。这就是本发明要求达到的共轭共舵中的共轭过程。具体的共轭过程式是通过调节磁偶极子辐射臂(6a、6b)和电偶极子辐射臂(8a、8b等)来实现的。结果是，一个手机的收发器端对所连接的驱动盘(1a、1b)在最大的频宽内只有实部的辐射阻抗，而虚部的反馈阻抗皆近于零。

在图2中，阻抗变换器(3)的两导体带(4a、4b)的一边与辐射耦合臂(6a、6b)连接，其另一边与上、下驱动盘(1a、1b)连接。

如图3中所示，辐射臂(6a、6b)的高度和间距是可调的，实际上是调节辐射段在串联端对(5)的阻抗，以使磁偶极子天线与一个有效的或实体的电偶极子天线，如图4中的辐射臂(8a、8c)达到更好地共轭共舵。

在图4中，显示了开关(7a、7c)是如何用来驱动一对实体电偶极子辐射臂(8a、8c)的。如果切断开关(7a、7c)，同时接通(7b、7d)，那么另一个实体电偶极子电流就会发生反向，由原来从辐射臂(8a)流向(8c)变为从(8d)流向(8b)，于是心形波束就从一个方向翻转180度而指向相反的方向。

在图5中，所示的四边形波束倾斜天线是在正六边形择向天线的一个应用变形。环长仍保持1.5个波长，仍采用六个串联端对(5)来维持大导体环上电流均匀和理想的偶极子特性。特别的是两个相对较短的阻抗变换器(3)，其中填入了介质，从而保持同等的有效长度和特性阻抗值。辐射臂(8a、8c)(8b、8d被遮住，图上显示不出)仍然能够控制波束在天线左右两侧翻转。显然，每一束倾斜的波束都能通过改变电流的方向来翻转180度。

图6中，磁偶极子天线由四对辐射耦合臂(6a、6b)组成，且与四对电偶极子天线的辐射臂组合安装，作用与图5相似。

Claims

1、一种电磁偶极子择向天线，由互相共轭共舵的一个近谐振磁偶极子天线和一个择向的有效电偶极子天线组成，其特征在于：磁偶极子天线中部的上、下驱动盘(1a、1b)与四个以上的并联驱动端对(2)连接；四个以上阻抗变换器(3)均布于同一平面内；每个阻抗变换器(3)的一个电导体带(4a)与上驱动盘(1a)连接，另一个导体带(4b)与下驱动盘(1b)连接；四个以上的串联驱动端对(5)均布于一个大导体环上，大导体环由四对以上辐射耦合臂(6a、6b)组成；每对辐射耦合臂的外侧耦合臂(6a)经过阻抗变换器(3)与上驱动盘(1a)连接，其内侧耦合臂(6b)经过阻抗变换器(3)与下驱动盘(1b)连接；上、下驱动盘(1a、1b)与手机的收发器端对连接。

所述一种择向的有效电偶极子天线，由8个以上的电偶极子辐射臂(8a、8b，8c、8d)，(10a、10b，10c、10d)等两两相对均布于相邻两个阻抗变换器(3)之间；每个辐射臂上均设有开关(7a、7c)，(7b、7d)，(9a、9c)等其电流通断状态由相应的开关或接通或切断来控制；排布于一固定方向的两对电偶极子辐射臂不许同时接通，如果辐射臂(8a、8c)接通时，所驱动的电偶极子电流是一个正方向的，如果辐射臂(8b、8d)接通时，所驱动的电偶极子电流是一个反方向的；有效电偶极子电流可恰与每对辐射臂(8a、8c)，(8b、8d)，(10a、10c)，或等(10b、10d)，的电流方向相合，也可与由两对以上的辐射臂电流矢量形成的有效方向相合。

2、根据权利要求1所述的一种电磁偶极子择向天线，其特征在于：设于同一平面内、由四对以上辐射耦合臂(6a、6b)所组成的大导体环或为多边形，或为圆形、或为椭圆形；每对耦合臂(6a、6b)之间或可设有电介质，或可插设电导体片。

3、根据权利要求1所述的一种电磁偶极子择向天线，其特征在于：所述四个以上阻抗变换器(3)设制有同等的有效长度和特性阻抗值；如外显长度或特性阻抗不同等时，在阻抗变换器(3)中间或可设有电介质，或可插设导体片，或可插设延迟线。

4、根据权利要求1所述的一种电磁偶极子择向天线，其特征在于：所述4对以上的电偶极子辐射臂，每2对(8a、8c，8b、8d)，(10a、10c，10b、10d)等，排置于一个固定方向；每一固定方向的前一对(8a、8c、)、(10a、10c)等，可经开关(7a、7c)，(9a、9c)等，与上、下驱动盘(1a、1b)连接，以驱动一个正方向的电偶极子电流；每一固定方向的后一对(8b、8d)，(10b、10d)等，可经开关(7b、7d)，(9b、9d)与下、上驱动盘(1b、1a)连接，以驱动一个反方向的电偶极子电流；每2对之间，如(8a、8c)与(8b、8d)之间，或可设有电介质，或可插设导体片，或可改变辐射臂的形状、长度、宽度或厚度。

5、根据权利要求1所述的一种电磁偶极子择向天线，其特征在于：每对磁偶极子辐射耦合臂(6a、6b)上可设置一对以上的调谐耦合臂；每对电偶极子辐射臂上可设置一对以上的调谐辐射臂。