CN1225818C - 一个小型具有非方向辐射模式的螺旋天线 - Google Patents

Abstract

一个具有宽扇形辐射模式的螺旋天线，包括多个基于第一静电耦合用分别以不同相位传送多个平衡高频信号到多个辐射导体的馈电导体；所述多个辐射导体分别以不同的相位辐射所述的平衡高频信号；和一个具有所述多个辐射导体安装于其外壁和所述多个馈电导体安装于其内壁的绝缘圆柱体；其还包括：设置在所述绝缘圆柱体的内表面上并通过第二静电耦合与所述多个辐射导体相连的匹配导体，用于调整所述螺旋天线的阻抗匹配；及所述多个辐射导体通过所述匹配导体被彼此有效的耦合。

Description

一个小型具有非方向辐射模式的螺旋天线

技术领域

本发明涉及到一种用于无线通讯的螺旋天线，尤其是涉及到一种小型用于移动卫星通讯或地面移动通讯等移动设备中具有宽扇形辐射模式的螺旋天线。

背景技术

一种常规的螺旋天线被公开在日本未审查专利申请No.8-78945(78945/1996)中。图7显示此螺旋天线100的透视图。

根据已有技术该螺旋天线100包括一个绝缘圆柱体104和一个易弯曲印刷线路板107，它缠绕在该绝缘圆柱体104上，并装配有两个螺旋平衡导体101和101′。

在一同轴电缆105中的不平衡RF信号(无线电射频信号)由一个平衡一不平衡变换器转变为一个平衡RF信号。

以后，该平衡R F信号传送到两个螺旋平衡导体101和101′中的每一个。

图8显示一个图7所示螺旋天线100的组装过程。如图8所示，两个平衡螺旋导体101和101′被用一种压力胶粘双面胶带103粘到易弯曲印刷线路板107上。

图9显示一个图7所示螺旋天线100的一金属导体106的投影视图。在螺旋导体101和101′的未端部分由一直的金属导体106短路相接。该金属导体106固定住螺旋导体101和101′以增加它们的机械强度并且获得螺旋天线100的阻抗匹配。

图10显示另一种形状的金属导体106的投影视图。这就是，图10中所示的金属导体106的形状是弯的并且适合于获得阻抗匹配。在这种情况下，金属导体106的阻抗匹配能够通过改变或调整其弯曲部分的形状比较容易地做到。

在上面的描述中，图9和10所示提及的两种类型的金属导体106主要是为了易于阻抗匹配和增加机械强度。

然而，已有技术的这种螺旋天线是不一定能给所有的螺旋天线提供馈电阻抗匹配。

这就是，已有技术的螺旋天线100对于一种具有一个较长的两圈或多圈的螺旋导体非常有效。然而，在用于移动设备等具有宽扇形辐射模式的螺旋天线的情况下，通常，该螺旋导体101和101′每个仅有1.5λ(λ是工作频率波长)的长度且它们的圈数是两圈或更少。在这种情况下，具有通过金属导体调整阻抗匹配能力的螺旋导体101和101′的馈电频率频带是非常窄的。结果，不可能在一宽频带内获得这种螺旋天线的馈电阻抗匹配。

发明内容

因此，本发明的一个目的是获得易于电阻抗匹配，改进电压驻波比(VSWR)和增加辐射效率及一种具有较短螺旋导体和相对少圈数的螺旋天线的天线增益。

根据本发明的一个方面，提供一个具有宽扇形辐射模式的螺旋天线，包括多个基于第一静电耦合用分别以不同相位传送多个平衡高频信号到多个辐射导体的馈电导体；所述多个辐射导体分别以不同的相位辐射所述的平衡高频信号；和一个具有所述多个辐射导体安装于其外壁和所述多个馈电导体安装于其内壁的绝缘圆柱体；其还包含设置在所述绝缘圆柱体的内表面上并通过第二静电耦合与所述多个辐射导体相连的匹配导体，用于调整所述螺旋天线的阻抗匹配；及所述多个辐射导体通过所述匹配导体被彼此有效的耦合。

根据本发明的另外一个方面，提供一个具有宽扇形辐射模式的螺旋天线，包括用于以各自的相移形式直接传送多个平衡高频信号到多个辐射导体的馈电导体；所述多个辐射导体以不同的相位辐射所述平衡高频信号；一个具有所述多个辐射导体安装在其外壁上的绝缘圆柱体；其特征在于还包括：设置在所述绝缘圆柱体的内表面上并通过静电耦合与所述多个辐射导体相连的匹配导体，用于调整所述螺旋天线的阻抗匹配；及所述多个辐射导体通过所述匹配导体被彼此有效的耦合。

在一替代实施例中，设匹配导体可以省略。

在另一实施例中，本发明的螺旋天线包括一组安装在绝缘圆柱体外壁上的多个辐射导体，在所述绝缘圆柱体的内壁以不同的相位方式直接提供高频信号给每个辐射导体的馈电装置，和一个静电耦合到它们相对端的匹配导体。

综上所述，本发明通过一种或两种下述技术取得电阻抗匹配：

(1)安装于绝缘圆柱体内壁上的匹配导体与其圆柱体表面上的一组辐射导体一起形成该螺旋天线。

(2)在数量上与多个辐射导体相同，安装于绝缘圆柱体内壁并彼此相互紧靠用于传送高频信号到位于柱状导体内壁上的螺旋天线的馈电导体与多个辐射导体一起形成该螺旋天线。

附图说明

本发明将参照附图作进一步详细描述，其中：

图1是依据本发明的第一实施例的一个螺旋天线10的投影视图；

图2A是依据本发明该螺旋天线10的绝缘圆柱体1的上面部分的投影视图，以平面形式显示该圆柱体的表面；

图2B是类似于图2A或者根据本发明的螺旋天线10的绝缘柱体1的上面部分的另一实施例的示意图；

图3是与图2A相类似的根据本发明的螺旋天线10的绝缘柱体1的下部的示意图；

图4A是依据本发明螺旋天线10的馈电导体4的第一种形状视图；

图4B是依据本发明螺旋天线10的馈电导体4的第二种形状视图；

图4C是依据本发明螺旋天线10的馈电导体4的第三种形状视图；

图4D是依据本发明螺旋天线10的馈电导体4的第四种形状视图；

图5是依据本发明的第二实施例的一螺旋天线20的透视图；

图6是依据本发明的第三实施例的一个螺旋天线30的透视图；

图7是依据已有技术的一个螺旋天线100的透视图；

图8是依据已有技术的一个螺旋天线100的组装过程的透视图；

图9是依据已有技术的一个螺旋天线100的一个金属导体106的透视图；和

图10是依据已有技术的一个螺旋天线100的另一种金属导体106的侧视图。

具体实施方式

下面将参照相应附图对本发明的几个实施例进行描述。

参看图1，本发明的一个最佳实施例是由一个绝缘的圆柱体1；四个安装在该绝缘圆柱体外表面的辐射导体2a，2b，2c，2d；一个安装在绝缘圆柱体内表面的匹配导体3；四个面对辐射导体2a-2d安装的馈电导体4a，4b，4c，4d；以及一个用于提供给馈电导体4a，4b，4c，4d四个彼此具有90度相位差的高频信号的馈电电路5组成。

下面参照附图对本发明的天线的操作进行描述。

在图1中，在匹配导体3和辐射导体2a-2d之间的绝缘圆柱体1的厚度上存在一个静电电容。因此，匹配导体3和辐射导体2a-2d两者在一定高频范围内彼此是相互耦合的。这就是说，辐射导体2a不仅有效地与匹配导体3相耦合，而且在高频范围内还与辐射导体2b-2d相耦合。因此，虽然辐射导体2a单独的馈线阻抗是高的，但是这样高的辐射导体2a的阻抗也能通过调整匹配导体3的宽度和位置以及调整它们之间的高频耦合角度而减小。结果，一个足够的电阻抗匹配就可以获得。

馈电导体4a-4d和辐射导体2a-2d被紧密地安装在绝缘圆柱体1的相对两面，以致该馈电导体4a-4d和该辐射导体2a-2d在高频范围中彼此之间通过其间的静电电容相耦合。在常规的如图7所示的螺旋天线100中，加到同轴电缆的信号直接地连接到和直接传送到螺旋导体。然而，依据本发明的螺旋天线10是通过高频来耦合的，所以它能够通过修改馈电导体4a-4d的形状去调整相对于辐射导体2a-2d的匹配状况。

特别是，如果辐射导体2a-2d具有电感性阻抗，能够通过消除馈线阻抗而获得有效的阻抗匹配。

图1中所示的馈电电路5的工作描述如下。一个加到馈电电路5的一个端子8上的高频(常规微波或准微波带)信号被分配器6，7和9分成具有彼此相位相移90度和同等幅度的四个信号S₁-S₄。这分开的高频信号S₁-S₄分别传送到馈电导体4a-4d。这些高频信号是通过馈电导体4a-4d与辐射导体2a-2d之间的静电耦合加到辐射导体2a-2d。加到辐射导体2a-2d的该高频信号S₁-S₄从辐射导体2a-2d幅射出去。

下面参照图1到图4对根据本发明的螺旋天线10进行详细描述。

在图1中，绝缘圆柱体1可以采用常规用的如聚碳酸树脂或聚炳稀树脂的塑料制造。

该绝缘圆柱体1可以有一个通常0.1λ(λ是工作频率的波长)的外径。要求绝缘圆柱体1的厚度约0.01λ或更小。此外，绝缘圆柱体1的长度应该选择为使它比1.5λ波长短，因为这个长度对于具有少于2圈的螺旋天线的匹配是有效的。

辐射导体2被安装在绝缘圆柱体1的外表面上并且压力胶粘合双面胶带粘在绝缘圆柱体1上。要求辐射导体的长度约是2λ或更短。如果辐射导体2的长度同λ一样或更短，除了螺旋形导体外，也可用一种直棒形导体或一种是直棒但在几个点上可折叠的导体替代。

匹配导体3被安装在绝缘圆柱体1的内侧表面。

图2显示了辐射导体2，绝缘圆柱体1和匹配导体3的位置关系。

如图2A所示，螺旋天线10的阻抗匹配通过调整匹配导体3的宽度W获得。一般来讲，W约是0.01λ-0.1λ。如图2B所示，如果需要的话，匹配导体3可被安置于偏离绝缘圆柱体1的顶端L₁的距离处。也可以安装多个匹配导体。L₁和L₂通常是0.2λ或更短。

馈电导体4安装在靠近绝缘圆柱体1的内表面上的辐射导体2的位置处。

图3显示了辐射导体2，绝缘圆柱体1和馈电导体4的位置关系。类似于匹配导体3，馈电导体4和辐射导体2安装在具有0.01λ厚度的绝缘圆柱体1上。

馈电导体4可以根据辐射导体的形状取各种各样的如图4A-4D所示的形状。这就是，如图4A所示，馈电导体4可以取一个矩形形状。馈电导体4可以安装成斜交并与辐射导体2面对面的形式。它们也可以安装成如图4B所示与辐射导体2平行的位置，它们也可以被弯成如图4C所示的一个直角。它们可以取细长的矩形，如图4D所示。

如上所述，这能够通过改变馈电导体4的形状来改变静电电容以及调整相对于辐射导体2的匹配情况。

这些馈电导体4a-4d被馈给来自馈电电路5的彼此之间有90度相位差的信号。

如图1中所示，馈电电路5能很容易地由具有彼此之间相位差180度的分配器6和9以及一个与所述两个分配器有90度相位差的分配器7组成。

现在将描述根据本发明的该天线元件的操作。

在图1中，来自于馈电线路8接线端的高频信号被分配器7，6和9分为幅度相同相互之间相位相差90度的信号S₁-S₄。这些被分的信号S₁-S₄分别提供给馈电导体4a-4d。这些信号还通过馈电导体4和辐射导体2之间的静电耦合提供给辐射导体2a-2d。

传送到辐射导体2a-2d的高频信号S₁-S₂是一些平衡的信号并且分别从辐射导体2a-2d辐射出。在这种情况下，要从辐射导体2有效地辐射这个高频信号，馈电电路5的四个端子的输出阻抗必须是各自等于当从馈电导体4来看辐射导体2时的螺旋天线的输入阻抗。

然而，在具有少于2圈的螺旋天线10的这种情况，输入阻抗根据辐射导体2的长度变化很大。有时，输入阻抗绝对值变化范围在30-2000欧姆之间。

相反，在馈电电路5上输出阻抗通常约是30-300欧姆，所以必须要这些阻抗相互匹配。在根据本发明的天线的情况下，这种匹配是利用匹配导体3和馈电导体4来获得。匹配导体3和辐射导体2之间的耦合能通过修改匹配导体3的数量和位置来调整。同时，可以调整辐射导体的输入阻抗的绝对值，即螺旋天线本身的阻抗。

匹配导体3是静电地与辐射导体2a-2d耦合。例如，当从辐射导体2a来看时，辐射导体2b-2d都是通过匹配导体3彼此之间有效地耦合连接。因此，尽管单个辐射导体2a有窄的或者高馈线阻抗，但是这辐射导体2a的馈电阻抗可以通过匹配导体3的加入制作得宽一些或低一些，原因是输入端元件是通过是用匹配导体3以并联的方式等同地连接的。

馈电导体4是静电地与辐射导体2耦合连接。如果对于辐射导体2是感性的情况下的输入阻抗，阻抗匹配能够通过调整电容耦合的角度消除电抗元件来获得。

在上面描述的实施例中，馈电导体4a-4d是安装在绝缘圆柱体1的下部内壁上，而匹配导体是安装在其上部的内壁上。

第二实施例

如图5中所示螺旋天线20的投影视图，在本发明的第二实施例中，如果电匹配条件能够满足，一种不包括匹配导体3(即没有图1中匹配导体3的结构)可以被采用。这种如图5所示的结构包含两个辐射导体2a和2b。这种结构的优点是绝缘圆柱体1的结构可以简化。

第三实施例

在第三实施例中，如图6中的螺旋天线30的投影视图所示，馈电导体4a-4d不是与辐射导体2a-2d静电耦合。它们被直接连接并利用匹配导体3获得电匹配。

图1中所示的结构包括四个馈导电导体4和四个辐射导体2，并且馈电导体4被加载相互之间相位差是360/4＝90度的信号。

然而，本发明不限制到这样的结构。一般来说，如果任何结构包含n(大于2的自然数)个馈电导体4和辐射导体2，电能量能通过将馈电导体4的每一相位位移(360/n)度来获得。

综上所述，在本发明的螺旋天线情况中，

(1)安装于绝缘圆柱体内壁上的匹配导体与其圆柱体表面上的一组辐射导体一起形成螺旋天线，具有降低辐射导体的馈电阻抗的优点。

(2)安装于绝缘圆柱体内壁上的馈电导体与其圆柱体表面上的多个辐射导体共同形成的螺旋天线具有消除辐射导体馈电阻抗的感性电抗元件和降低馈电阻抗的优点。

因此，对于移动卫星通讯等用于一种便携式的设备中的一种小型包含一个短的辐射导体需要宽扇形辐射的螺旋天线的情况下，由于上述优点，这种螺旋导体的很高的阻抗能够减小，使阻抗匹配容易，VSWR得到改进，并且传输效率和天线增益得到加强。

虽然对本发明已经结合了各种实施例进行了描述，我们必须明确这些实施例并非起限定作用。相反地，等效的结构和技术上的大量修改和替代在读了本发明后，对那些技术上熟练的人们是十分明显的。所有这些修改和替代都被认为是属于本附加权利要求的合法范畴和精神。

Claims (16)

1.一个具有宽扇形辐射模式的螺旋天线，包括：

多个基于第一静电耦合用分别以不同相位传送多个平衡高频信号到多个辐射导体的馈电导体；

所述多个辐射导体分别以不同的相位辐射所述的平衡高频信号；和

一个具有所述多个辐射导体安装于其外壁和所述多个馈电导体安装于其内壁的绝缘圆柱体；其特征在于其还包括：

设置在所述绝缘圆柱体的内表面上并通过第二静电耦合与所述多个辐射导体相连的匹配导体，用于调整所述螺旋天线的阻抗匹配；及

所述多个辐射导体通过所述匹配导体被彼此有效的耦合。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于所述多个馈电导体包括：

基于所述多个馈电导体和所述多个辐射导体之间的静电电容，用于静电地与所述多个辐射导体耦合的装置。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于所述多个馈电导体进一步包括：

用于通过改变所述馈电导体的形状调整所述第一静电耦合的调整装置。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于所述多个辐射导体用压力胶粘合双面胶带粘到所述绝缘圆柱体上。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于所述多个辐射导体的长度是1.5λ，λ是一工作频率的波长，圈数是少于两圈。

6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于所述绝缘圆柱体是一个具有直径小于0.1λ，一个长度小于1.5λ和厚度小于0.01λ的圆柱体，其中λ是一工作频率的波长。

7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于第二静电耦合是通过修改所述匹配导体的数量和位置来调整的。

8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于进一步包括：

一个用于经过多个分配器以相移方式传送多个信号到所述多个辐射导体的馈电电路。

9.根据权利要求1所述的天线，其特征在于所述匹配导体为环-形。

10.根据权利要求1所述的天线，其特征在于其中所述不同的相位是2π/N，其中N是正整数。

11.一个具有宽扇形辐射模式的螺旋天线，包括：

用于以各自的相移形式直接传送多个平衡高频信号到多个辐射导体的馈电导体；

所述多个辐射导体以不同的相位辐射所述平衡高频信号；

一个具有所述多个辐射导体安装在其外壁上的绝缘圆柱体；其特征在于还包括：

设置在所述绝缘圆柱体的内表面上并通过静电耦合与所述多个辐射导体相连的匹配导体，用于调整所述螺旋天线的阻抗匹配；及

所述多个辐射导体通过所述匹配导体被彼此有效的耦合。

12.根据权利要求11所述的天线，其特征在于所述多个辐射导体具有1.5λ的长度和少于两圈的圈数，其中λ是一工作频率的波长。

13.根据权利要求11所述的天线，其特征在于所述绝缘圆柱体是一个具有直径小于0.1λ，一个长度小于1.5λ和厚度小于0.01λ的圆柱体，其中λ是一工作频率的波长。

14.根据权利要求11所述的天线，其特征在于所述静电耦合通过修改所述匹配导体的数量和位置来调整。

15.根据权利要求11所述的天线，其特征在于进一步包括：

一个用于经过多个分配器以相移方式传送多个信号到所述多个辐射导体的馈电电路。

16.根据权利要求11所述的天线，其特征在于所述匹配导体为环-形。

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