CN1213868A - 拉杆天线组件 - Google Patents

Abstract

一种拉杆天线组件,它在一个细长电介质管(260)上提供臂对(210、220、230、和240)。激励器组的带电导体(273)和接地导体(275)在臂和馈线(250)之间耦合能量。带电和接地导体(273)和(275)在管(260)内部的伸出位置和缩回位置之间滑动,同时维持和臂的有效电磁耦合。

Description

拉杆天线组件

本发明涉及天线，具体来说，涉及拉杆天线。

很早就有拉杆天线，有单极天线和偶极天线，其中形成一个鞭状体的细长导体通过滑动能够伸缩。鞭状体可缩回到一个收缩位置并可伸出到一个工作位置。这些鞭状天线虽然能够紧凑地缩回，但在接收某些类型无线电信号时(例如卫星的信号)仍不理想。

本发明解决了这些和其它问题，这里结合以下附图描述本发明：

图1表示处在伸出位置的一个天线组件的透视图；

图2表示处在缩回位置的一个天线组件的透视图；

图3表示一个天线组件的分解透视图；

图4和7分别表示按第一种结构的天线组件的一个子组件的卷起的和未卷起的视图；

图5和8分别表示按第二种可替换结构的天线组件的一个子组件的卷起的和未卷起的视图；

图6和9分别表示按第三种可替换结构的天线组件的一个子组件的卷起的和未卷起的视图；

图10表示实现图5和8的第二种结构的一个轴承的典型结构。

图1和2表示按照一个优选实施例的拉杆天线组件分别在伸出位置和缩回位置的剖开透视图。两对臂210、220、230和240能够经过一个滑动耦合件向一馈线250发送和接收电磁辐射。该滑动耦合件提供一组激励器273和275，以便耦合到臂上。该激励器组最好是耦合到不平衡同轴馈线250的中央导线的一个带电导体273和耦合到不平衡同轴馈线250的地线的一个接地导体275。带电导体273和接地导体275在伸出位置和缩回位置之间滑动以使天线伸缩。这使带电导体273和接地导体275相对于臂210、220、230和240移动，从而在它们之间实现电磁耦合。

图3表示按一优选实施例的拉杆天线组件的分解视图。两对臂210、220、230和240能够经过一组耦合到馈线250的可滑动的激励器发送和接收电磁辐射。这些臂从天线元件的下端伸到天线元件的上端。两对臂形成两个交叉的环。在该优选实施例中，这些环是扭曲的交叉环，可提供能够处理圆极化的无线电频率能量的四线(quadrifilar)螺旋天线装置。在卫星通信系统中用的就是圆极化的无线电频率能量。

臂210、220、230和240是导电材料，最好是铜或金金属，导电材料是电镀、粘结、或蚀刻到一个细长的电介质管260的外表面263上的。激励器组的带电导体273耦合到不平衡同轴馈线250的中心导线，激励器组的接地导体275耦合到不平衡同轴馈线250的地线。带电导体273和接地导体275可在按可滑动方式设置的轴承283、287、300上相对于臂210、220、230和240滑动。最好，通过带电和接地电容板273和275来提供激励器组的带电和接地导体273和275，以便向这些臂提供主要是电容性的耦合。虽然电刷或电感线圈可代替电容板，但电容板在机械可靠性方面比电刷更优越，电容板在改进封装方面比电感线圈更优越。把带电和接地电容板273和275装配在一个内轴承的对应两半部分283和287之间，以便可在细长电介质管260的内部轴向滑动。这种在伸出和缩回位置之间的滑动相对于这两个臂对210、220、230和240而移动了带电和接地电容板273和275，从而在它们之间实现了电磁耦合。于是，在一个紧凑的结构中，实现了可接收卫星中的那种类型的无线电信号的一个可伸缩的、多臂式天线结构。

带电和接地电容板273和275在沿臂的电气长度的某些位置可最有效的耦合到臂210、220、230和240。在图3的优选实施例中，每个臂对的下端例如在标号235处是短路的。从电的角度来说，沿每个臂在1/4电波长处有一开路，沿臂的电气长度在另一1/4处有另一处短路。在该优选实施例中，在这些电短路位置发生电流最大及电压最小的情况。因此，通过在标号235处使臂产生实际短路，即使不存在任何实际的电短路，也要在臂的直线长度上的1/2波长处发生视在电短路。为了在臂和电容板之间得到最佳的能量耦合，在滑动时，电容板应在短路处附近停止。因此，电容板的最佳伸出和缩回位置沿臂的电长度方向要隔开约1/2波长的距离。但在这两个最佳位置之间，会发生来自于臂的能量耦合和辐射，但这却不是最佳的。因为可接受的无线电性能可能会发生在距另一位置不严格是1/2波长的位置，这是由于阻抗、耦合、和电流分布特性，以及采用拉杆天线的无线电系统在效率方法的要求，故这些位置都是近似的位置。根据天线操作的感兴趣的频率来确定一个波长的电长度，并且，在优选实施例中，感兴趣的频率在1.621GHz附近。一个天线元件的臂的电长度与在一种结构中，例如优选实施例的四线螺旋天线元件中的天线的电长度完全相同。

按照臂的长度，可实现多于一个的1/2波长位置。但是，在优选实施例中，臂的长度为3/4波长，因此最佳耦合位置在下端短路处235和臂上的1/2波长处，但距臂的端部为1/4波长。在图3的优选实施例中，电容板273和275没有全行程地从臂的一端到另一端移动，而是移动了全行程的2/3左右。优选实施例的变化是使用不同的行程比。例如，为了便于实现一个接近全行程的天线，可以使用不同的终端(termination)和电流相位处理方法。一个具有全波长的臂长度的天线可能具有从一端到另一端的几乎全行程，并且还有，最佳耦合位置在两个臂端之间的1/2波长位置。

在单导体结构270的优选实施例中形成带电和接地电容板273和275，结构270在沿其部分轴向长度方向有一裂缝277。导体结构270最好是镀铜或金的塑料件。该裂缝277提供一种裂缝-外壳(split-sheath)式平衡-不平衡变换器或平衡-不平衡网络。为了形成这种裂缝-外壳式平衡-不平衡变换器，把不平衡同轴馈线250的外部接地导线接到导体结构270的裂缝277之下。不平衡同轴馈线250的中央导线和裂缝277绝缘并被引导通过裂缝277，并且被电焊接或连接到带电电容板273。同轴馈线250的外导线和导体结构270可用同种材料整体式构成，并且可在一种可替换的结构中在馈线的外部导线中形成裂缝277。

内轴承的两个半部283和287具有对应的带电和接地电介质板284和286，用于保护电容板273和275，使之不要靠在细长的电介质管260的内部表面265上滑动。馈线250通过指状件288夹持在两个半部283和287之间。在一个可替换的结构中，可省去带电和接地电介质板284和286，带电和接地板273和275直接靠在细长电介质管260的内表面265上滑动，或者离开内表面265一定距离滑动，其间有一空气间隙。在另一个可替换的结构中，带电和接地电容板可以是在带电和接地电介质板284和286的内表面上经过电镀的金属化部分，从而省去了导体结构270。

内轴承的两个半部283和287总共有4个直槽291、292、293、294，它们分别与在外轴承300的内表面上4个对应的凹槽301、302、303、304配对。当带电和接地电容板273和275在伸缩移动期间在细长电介质管260内部轴向滑动时，直槽291、292、293、294和凹槽301、302、303、304引导该电容板273和275。该优选实施例采用了第一种处理方法，其中的电容板273和275在滑动时不旋转，因为它们被直槽291、292、293、294以及直凹槽301、302、303、304夹持。当天线缩回到接近1/2波长的最佳位置时，臂210、220、230和240需要相对于电容板273和275定位以便耦合，这样，臂围绕电介质管260的扭曲量就变为关键的了。因而臂的结构或扭曲是很重要的，对此下面参照图4-9按照第一、第二、和第三可替换的处理方法进行讨论。

在第一和第三处理方法中，电容板轴向地滑动但不旋转，这是因为槽291、292、293、294和凹槽301、302、303、304都是直的缘故。在图5和8的第二处理方法中，电容板273和275在一个内轴承上的扭曲槽作用下轴向滑动时还要旋转，下面参照图10的扭曲槽讨论这种情况。

细长电介质管260和臂210、220、230、240最好安放在由两个半罩313和315组成的一个保护罩内。半罩313弯曲的弧度比半罩315更大。轴承300有一个下罩端340，以便安装在半罩313和315之间的狭槽317中。上罩端320包含环形凸缘330，凸缘330具有一个导向凹槽333和一个略大些的导向凹槽335，以便分别与在细长电介质管260内部上的销267和略大一些的销268配合。销267和268与环形凸缘330配合以防止臂210、220、230和240在罩内部旋转，因此可在臂和电容板之间提供一种固定的相互关系。

提供略大一些的凹槽335和销268是为了避免组装期间的插入差错。最好沿细长电介质管260内表面的整个长度提供销267和268，因为已经发现，挤压成形技术是制造细长电介质管260的最精密技术。臂相对于电容板的位置精度对于实现天线在多于一个位置的有效操作是至关重要的。当电容板相对于臂滑动时，二者之间的距离对于在每个位置保持准确的电容值以减小电误差和失效是非常关键的。虽然电容板的轴向滑动是最明显的位置变化，但由于容差的变化，在不同的伸缩位置，经向偏离量(例如，电介质的均匀性)和臂的位置(例如，扭曲量)都可能发生变化。已经发现，经向偏离量和扭曲容差都是至关重要的，并且最好通过这里表示的实例和结构予以处理。

图4表示按第一处理方法的细长电介质管260，它在下部的伸出位置450和上部的缩回位置460带有电容板，其中的臂以恒定角度扭曲，电容板被固定，且在滑动时不旋转。

图5表示按第二种处理方法的细长电介质管260，它在下部的伸出位置550和上部的缩回位置560具有电容板，其中当滑动时板旋转。

图6表示按第三种处理方法的细长电介质管260，它在下部的伸出位置650和上部的缩回位置660配有电容板，其中当滑动时板不旋转，但臂相对于在缩回位置660的电容板结构发生扭曲，扭曲的速率不是恒定的。

图7、8和9分别表示分别按图4-6的相应第一、第二、和第三处理方法的细长电介质管和臂的未曾缠绕卷起的外表面。按照第一种处理方法，在图7中，臂410、420、430、和440沿细长电介质管260的长度方向以一个均匀地角度θ1扭曲。图8表示在细长电介质管260外表面上的臂510、520、530、和540，具有一个恒定的角度θ2。角度θ1的倾斜大于角θ2。对于卫星通信，期望比第一种处理方法中的臂的倾斜度更小些，以提高低仰角的辐射图(pattern)特性。因为在滑动时电容板发生了转动，所以较小的倾斜度可由第二种处理方法利用。θ1角的优选值约为60.93度，θ2角的优选值约为67.8度。

在图9中，臂610、620、630、和640是弯曲的臂，在多个拐弯处之间有多个区段。这些区段相对于水平线以所示的角度θ3、θ4、θ5延伸。最好，θ3约为45.00度，θ4为84.60度，θ5约为68.00度。臂在拐弯处的弯曲量应使电容板在伸缩行程的上、下位置靠近电流最大位置。电流最大处在沿如上所述的臂的电长度的约1/2波长的位置。已经发现，图6和9中的这种弯曲臂结构能够提供比图4和7的结构更大的伸缩设计灵活性和辐射图整形的设计灵活性，这是因为避免了使用倾斜度更大的不变的角度θ1。在这个第三种处理方法中，拐弯的数目可以接近无限大，因此角度可沿一个臂逐渐改变。

图10表示实施图5和8的第二种处理方法的一个内部轴承的典型结构。图为槽791、792、793、794不是直槽，或者说是扭曲的槽，所以相对于外部轴承轴向移动内部轴承780可使电容板旋转。已经发现，和不动的非旋转处理方法相比，旋转电容板的机械结构从结构方面看更加困难和昂贵。但在某些电的约束条件下，旋转处理方式可提供更大的设计灵活性。虽然借助于实例说明了在内部轴承上的扭曲的槽，但在其它的机械结构也是可能的。

虽然在以上的描述和附图中描述说明了本发明，但应理解这种描述仅是举例说明，并且，在不偏离本发明的真正构思和范围的条件下，本领域的普通技术人员还可以作出许多改变和改进。本发明可应用到模拟的和数字的话音、数据或寻呼卫星系统。本发明还可以应用到要求小型天线和均匀辐射图的便携式无线电设备的地面天线。虽然本发明对于便携式无线电设备具有尺寸方面的优点，但本发明对于固定式的和移动式的无线电设备也有其优点。

Claims (12)

1．一种拉杆天线组件，包括一个圆极化的天线元件，天线元件被设置为通过相对于激励器组的滑动而伸缩，其中当该天线元件相对于激励器组滑动时，所说圆极化天线元件的实际位置发生变化，并且其中的激励器组至少具有上、下操作位置，这些操作位置沿圆极化天线元件的电长度分开约1/2波长的整数倍距离。

2．根据权利要求1的拉杆天线组件，其中：圆极化天线元件包括多个臂。

3．根据权利要求2的拉杆天线组，其中：上和下操作部分中至少有一个操作部分位于臂的一个电端。

4．根据权利要求3的拉杆天线组件，其中：上和下操作部分中的另一个操作部分在臂的一个相对的电端。

5．根据权利要求4的拉杆天线组件，其中：激励器组按可滑动的方式设置在圆极化天线元件的内部。

6．根据权利要求2的拉杆天线组件，其中：臂包括弯曲的臂。

7．根据权利要求6的拉杆天线组件，其中：弯曲的臂至少包括两个位于相应区段之间的拐弯处。

8．根据权利要求2的拉杆天线组件，进一步包括一个按可滑动方式设置的轴承，以引导臂和激器组的彼些相对的旋转移动。

9．根据权利要求8的的拉杆天线组件，其中：按可滑动的方式设置的轴承具有直槽，以防止滑动时的旋转。

10．根据权利要求8的拉杆天线组件，其中：按可滑动方式设置的轴承具有非平直的槽，以使滑动时产生转动。

11．根据权利要求1的拉杆天线组件，其中：圆极化天线元件包括四线螺旋天线组件。

12．根据权利要求1的拉杆天线组件，其中：激励器组包括电容板，用于与臂进行可滑动的电容耦合。

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