CN1249073A - 装在介电物质上的天线 - Google Patents

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Abstract

一种用来在200MHz以上的频率工作的装在介电物质上的环状天线有相对介电常数大于5的一个细长圆柱形芯,一对共同伸展的螺旋形天线件,穿过该芯由一个近端伸展到一个远端的共轴的馈电结构,在该远端此馈电结构连接到天线件上,该环状天线还有在芯的圆柱表面上形成的并在芯的近端上连接到馈电结构上的一个平衡－不平衡转换器。在中间部分使每个螺旋形天线件分叉,从而它在近端形成两个大致平行的分支,每个分支耦合到各自的连接路径上,围绕着芯,与另一细长件的相应分支汇合,因此在馈电结构的两个导体之间形成一个导电环。两个导电环有不同的电长度,这是由于例如分支有不同的长度。在一个优选实施例中,围绕芯的连接路径由构成该平衡一不平衡转换器的一个分裂开的导电套筒的边缘形成。一对在纵向上伸展的在直径上相对的四分之一波长狭缝把套筒分成两部分,每个狭缝由各自的螺旋形天线件的分支之间的空间伸展到邻近芯的近端的一个短电路端。

Description

装在介电物质上的天线
本发明涉及用在高于200兆赫的频率下使用的装在介电物质上的天线，它在一个细长的介电物质芯的表面上或靠近该芯的表面处有三维天线件结构，该芯由相对介电常数大于5的实心材料制成。
由已经公开的英国专利申请No.GB2292638A已经知道这样的天线，该申请公开了一种四股线的天线，它有带四个螺旋形天线件的天线件结构，把这四个天线件做成在一个圆柱形陶瓷芯的圆柱形外表面上的导电金属轨迹。该芯有带有金属的内衬里的一个轴向通道，该通道装设一个轴向的馈电导体，此内部的导电体和衬里形成一个共轴的馈电结构，用来把一根馈线通过径向的导体连接到螺旋形天线件上，这些径向的导体是在芯与馈线相对的那端上形成的。天线件的另一端连接到一个共同的虚拟接地导体上，它的形式为围绕着芯的近端部的一个平板套筒，并且，把它连接到由轴向通道的衬里形成的共轴馈电装置的外部导体上。与馈电结构连接的套筒形成一个阱，把螺旋形件与地绝缘起来，围绕着它与螺旋形件连接的边缘提供导电路径。此天线主要用做全方位天线，用来由可能位于正在该天线上方的源即在它的轴线上或在垂直于该轴线的一个平面之上低至几度的较小的仰角接收圆偏振信号。结果，这样的天线特别适用于接收来自全球定位系统(GPS)卫星的信号。因为该天线也能够接收竖直的或水平的偏振信号，它可以在其它的通信设备比如手持无绳或移动电话中使用。
特别适用于手持电话的装在介电物质上的天线是双股线螺旋形环状天线，在此天线中两个在直径上相对的半圈螺旋件与上面描述的导电套筒连接起来形成一个扭合的环，产生的辐射图样是全方位的，只是有两个相对的零点，其中心在与由两个螺旋件的四端形成的平面垂直的一个轴线上。在我们的共同未决的英国专利申请No.2309592A中公布了这样的天线，该申请的内容作为参考形成本申请的内容的一部分。当此环状天线适当地装在移动电话手机中时，零点的存在降低了在信号传送过程中方向为进入使用者的头部的辐射的强度。尽管该天线的增益比许多先前的移动电话手机天线高，但是，它明显地低于在中心共振频率以上或以下的最大值。本发明的一个目的正是提供一种带宽相对较宽的天线，或者能够在两个频带工作的天线。
按照本发明的一第一方面，提供用来在200MHz以上的频率工作的一种装在介电物质上的天线，它包括由相对介电常数大于5的实心材料制成的一个细长介电物质芯，以及在该芯的表面上或邻近芯表面处的一个三维天线件结构，该结构包括至少一对在横向上相对的细长天线件，这些件在芯上的纵向上分离开的位置之间伸展，该结构还包括围绕着该芯伸展的连接导体，把所述那对件彼此连接起来，细长件有连接到馈电连接装置上的各自的第一端部和连接到连接导体上的第二端部，其中，所述细长件和连接导体一起形成至少两个环状的导电路径，每个路径由馈电连接装置伸展到在芯的长度方向上离开馈电连接装置的一个位置，随后围绕着芯，并回到馈电连接装置，在该天线的工作频率，两个路径中之一的电长度比另一路径的电长度长。因为环状导电路径有不同的电长度，它们的共振频率不同，并可以把它们选择成例如与一个移动电话系统的发射和接收频带的中心频率重合。
连接导体可以由在芯的外表面上邻近与馈电连接装置相对的端部的一个四分之一波长平衡-不平衡转换器构成，该馈电连接装置由穿过芯在纵向上伸展的一个馈电结构提供。在一个优选实施例中，连接导体由一个平衡-不平衡转换器套筒的相互绝缘的部分形成，使得两个环状导电路径中的每一个包括各自套筒部分的边缘。在形成套筒的导电材料中在纵向上伸展的狭缝使套筒部分彼此绝缘，每个狭缝由各自的短路端到有关的套筒边缘的电长度至少大约等于工作频率下波长的四分之一，从而在它们与细长的天线件连接部位提供两个套筒部分之间的绝缘。
另外，每个连接导体可以由围绕芯的各自侧面由一个细长天线件伸展到另一个天线件的一个导电窄条形成。在另一种替代方式中，一个连接导体可以由这样的方式形成，而另一个可以由四分之一波长平衡-不平衡转换器套筒的边缘形成，在该套筒上可以有也可以没有上述狭缝。有一个平衡-不平衡转换器套筒的好处在于天线可以在一种平衡的模式下工作，该模式由连接到馈电结构的一个单端馈线形成。
最好，天线件结构有单一的一对在横向上相对的细长天线件，两对件中的每一个分叉，从而有一个被分开的部分，它们由件的第一和第二端部之间的一个位置伸展到各自的连接导体。在两个环状导电路径之间电长度的差别可以通过把被分开的部分之一或两个做成有不同电长度的分支实现。可以把每个分支连接到围绕芯的相对的侧面伸展的各自的连接导体上，这些连接导体至少在细长件的区域彼此绝缘。将会认识到，路径长度的差别不仅可以通过使分支有不同的长度实现，而且可以通过在芯的相对的侧面上不同地形成连接导体来实现。
通过把每个分支的电长度设置成在它各自的导电路径的共振频率下大约等于90度(或(2n+1)λ/4，其中n＝0，1，2...)可以获得特别满意的使用，其中λ是相应的波长。连接导体表示在使用频率下低阻抗的一个位置，每个90度长度用做电流到电压的转换器，从而在每个分叉件的分叉部分的阻抗相对较高。因此，在导电路径之一的共振频率下，在该路径中出现激发，同时出现与其它一个或多个路径的绝缘。接着，由于每个分支对另一分支的导电路径所加的负载只有当另一分支处于共振时才最小，所以可以在不同的频率实现两个或多个不同的共振。实际上，两个或多个相互绝缘的低阻抗路径绕芯形成。
在按照本发明的优选天线中，通过形式为圆柱形分裂开的导电套筒的环形连接导体提供对于天线件在它们的与连接导体的连接部位的有利的低阻抗连接点，该套筒与在纵向上穿过芯伸展的一个馈电结构结合形成一个绝缘阱，此绝缘阱使围绕环状导电路径循环的电流限制到套筒的边缘。通过把套筒的近端连接到该馈电结构上，并把套筒的纵向电长度设置成至少在天线的工作频带内大约等于n×90度(其中n为一个奇数的整数)，该套筒对于细长的天线件提供了一个虚拟的接地。该套筒在以下意义上是分裂开的，形成了纵向上伸展的狭缝，做为在套筒的导电材料上的裂缝。因此，在每个细长的天线件有如上所述的分支的情况下，这些分支连接到套筒的边缘上，有两个狭缝，每个狭缝由各自细长的天线件的分支之间的空间伸展到各自的短路端，从而形成两个部分圆柱形的套筒部分。因为每个狭缝的电长度大约为在工作频带的波长的四分之一(λ/4)，短路端的零阻抗被转换成在套筒部分之间在它们与细长的天线件的连接部位处的高阻抗。
为了适应对于每个狭缝优选的λ/4的电长度，每个狭缝可以为L形的，其一第一部分在纵向上伸展，一第二部分邻近短路端，垂直于纵向部分伸展。通过把第二端部分之一设置成其方向为围绕芯的一个方向，并使另一个第二部分的方向为围绕芯的相反的方向，可以使套筒部分之一的电长度相对于另一个增加(通过使该纵向的导电路径挤压变形)。当一个套筒部分的边缘在与另一个套筒部分的边缘不同的纵向位置时，这样作的重要性更明显，这在于如果该挤压变形设在套筒部分中较短的一个中，可以把它的电长度增加，从而使平衡-不平衡转换器作用最有效地出现的频率接近两个环状导电路径中较长的那个的共振频率。因此，在细长的天线件的端部大致位于一个共同的平面中的条件下，在围绕天线的一侧的连接处于芯上与围绕相对的一侧的连接的一个不同的纵向位置的情况下，整个套筒的边缘等效于带有阶梯。这意谓着如果每个分叉的天线件有两个分支，一个比另一个短，可以把较短的一个连接到套筒边缘靠近芯的远端的那部分上，而较长的分支连接到边缘的离远端更远的那部分上，从而在不同的长度上产生导电环，并有不同的共振频率。每个件的分支部分有利地彼此平行并彼此靠近地伸展，在边缘的各自阶梯的底部和顶部在套筒边缘上终止，即在狭缝的高阻抗端终止。
在圆柱形杆形状的芯的情况下，通过把每个细长的天线件做成一个半圈的螺旋，可以实现天线带宽的加宽和物理长度的减小。最好，在杆的端部与连接导体之间的大约中间的一个位置使该螺旋分叉。
按照本发明的另一方面，用来在500MHz以上的频率工作的一种装在介电物质上的环状天线包括由相对介电常数大于5的一个细长的圆柱形芯，以及在该芯的外表面上的一个天线件结构，该结构包括一对在直径上相对的细长的天线件，以及环形设置的连接导体。该细长件由在芯的一端的一个馈电连接装置伸展到连接导体，在由把细长件的端部连接到芯轴线的半径形成的线之间的角度差不大于20度的情况下，该细长件的端部最好基本上位于包括芯的轴线的一个共同平面中。为了在分离开的频率实现共振，使每个细长件分叉形成有不同的电长度的两个环状导电路径，每个连接到馈电结构上。
按照又一方面，本发明也包括一种手持无线通信单元，它有一个无线收发机，一个用来使来自该单元内表面的声能定向的为一体的耳机，当使用时该单元的位置对着使用者的耳朵，和如上所述天线。把天线安装成共同平面大致位于平行于该单元的内表面，从而使在天线的辐射图样中的一个零点在使用者的头部的方向上。
按照本发明的第四方面，用来在200Mhz以上的频率工作的一种装在介电物质上的环状天线，它包括由相对介电常数大于5的实心材料制成的一个细长介电物质芯，以及在该芯的表面上或邻近芯表面处的一个三维天线件结构，该结构包括至少一对在横向上相对的细长天线件，这些件在芯上的纵向上分离开的位置之间伸展，该结构还包括围绕着该芯伸展的至少一个连接导体，把所述那对件彼此连接起来，细长件有连接到馈电连接装置上的各自的第一端部和连接到至少一个所述连接导体上的第二端部，其中，所述细长件和一个或多个连接导体一起形成至少两个环状的导电路径，每个路径由馈电连接装置伸展到在芯的长度方向上离开馈电连接装置的一个位置，随后围绕着芯，并回到馈电连接装置，两个路径中之一的电长度比另一路径的电长度长，并且，围绕着芯在它的与另一路径相对的侧面上伸展，其中，连接导体包括包围着芯的一个导电套筒，把所述那对细长件的各自的第二端部连接到套筒的边缘上，形成在细长件之间围绕芯的各自相对的侧面的第一和第二导电连接路径，其中，使边缘有阶梯，使得第一连接路径基本上在第一纵向位置围绕芯的一个侧面伸展，而第二连接路径基本上在不同的第二纵向位置围绕芯的另一侧面伸展。
现在将参考着附图以示例的方式描述本发明，在附图中：
图1为按照本发明的天线的透视图；
图2为图1所示天线的一部分的等效电路图；
图3A、3B和3C为示出作为频率的函数的被反射功率的图；
图4为示出图1所示天线的辐射图样的图；
图5为与按照本发明的天线结合的一个电话手机的透视图；
图6为按照本发明的一第一另外天线的透视图；
图7为按照本发明的一第二另外天线的透视图；
图8为按照本发明的一第三另外天线的透视图；
图9为按照本发明的一第四另外天线的透视图。
参见图1，按照本发明的一种优选天线10的天线件结构，其带有在一个陶瓷芯12的圆柱形外表面上的两个在纵向上伸展的金属天线件10A、10B。该芯12有带一个金属内衬里16的一个轴向的通道14，并且，该通道装着被介电的绝缘鞘套19围绕的一个轴向的内部馈电导体18。该内部导体18和衬里16在这种情况下形成一个馈电结构，用来把一根馈线在芯的远端表面12D上的一个馈送位置连接到天线件10A、10B上。此天线件结构也包括相应的径向天线件10AR、10BR，把它们形成在远端表面12D上的金属导体，在直径方向上把各自在纵向上伸展的件10A、10B的相对的端部10AE、10BE连接到馈电结构上。
在此实施例中，在纵向上伸展的件10A、10B有相等的长度，每一个的形式为绕着芯12的轴线12A绕半国的一个螺旋，每个螺旋在横向上与另一个相对着，并在纵向上共同伸展。对于每个螺旋也可以绕过多于半圈，例如一整圈或
Figure A9718156700111
圈。
它们各自的径向件10AR、10BR分别把天线件10A、10B连接到馈电结构的内导体18和外衬里16上。
每个在纵向上伸展的件10A、10B的一个近端被分开的部分由各自的基本上平行的四分之一波分支对10AA、10AB和10BA、10BB形成。这些分支在与每个件10A、10B的未分开的部分10AU、10BU大致相同的方向上伸展，未分开的部分与分开的部分之间的连接处在此实施例中大约在件10A、10B的远端与近端之间的中间。为了形成完整的导电环，把每个天线件分支10AA、10AB、10BA、10BB连接到形式为围绕着芯12的近端部的一个导电套筒的一个共同的虚拟接地导体20的边缘(20RA、20RB)上。在芯12的近端表面12P上的镀层22进而把此套筒20连接到轴向通道14的衬里16上。因此，一个馈电结构在芯的远端向由螺旋件10A、10B(包括其各自的分支)形成的每个导电的环，径向件10AR、10BR和套筒20的各自部分20RA、20RB的边缘馈电，该馈电结构穿过芯由该近端伸展，并位于天线件10A、10B之间。结果，该天线有一个端部馈电的双股线螺旋结构。
至少在它的上部或远端部，套筒20被分成两个相对的部分20A、20B，每个部分对着在芯的轴线12A上接近180度的一个角度，并被一个纵向狭缝20S彼此分开，这些狭缝是套筒20的导电材料中的断开，由天线件分支的近端10AAE、10ABE、10BAE、10BBE之间的空间伸展到短路端部20SE。
在此实施例中，每个狭缝20S有一个平行于芯的轴线的纵向部分和一个绕着芯伸展的尾部，两部分形成一个″L″形。下面的尾部的方向为朝向彼此的相对的方向，从而使两个套筒部分20A、20B中的较短的(20A)的宽度挤压变形。
在穿过天线10的任何给定的横向截面，天线件10A、10B基本上在直径上相对着，天线件分支的近端10AAE、10ABE、10BAE、10BBE在它们与套筒20的边缘相交的部位也基本上在直径上相对着，像狭缝20S那样。
将会注意到，天线件10A、10B的所有端部10AE、10BE、10AAE、10ABE、10BAE、10BBE都基本上位于包含芯12的轴线12A的一个共同平面中。这样的效果将在下面解释。在图1中此共同平面用点划线24表示。到天线件结构和馈电结构的馈线连接也位于此共同平面24中。
在此如图1中所示的优选的天线中，导电套筒20包着天线芯12的近端部，从而围绕着馈电结构16、18，芯12的材料充满套筒20与轴向通道14的金属衬里16之间的整个空间。套筒20形成一个裂开的圆柱，芯12的近端表面12P的镀层22把它连接到衬里16上，套筒20与镀层22的结合形成一个平衡-不平衡转换器，使得由馈电结构16，18形成的传输线中的信号在天线的近端的不平衡状态与大约在套筒20的上边缘20RA、20RB的平面中的一个轴向位置的平衡状态之间转换。为了达到这一效果，套筒部分20A、20B的轴向长度使得当下面的芯材料的介电常数相对较高的条件下，平衡-不平衡转换器在天线的使用频带有大约四分之一波长或90度的电长度。因为天线的芯的材料有按透视法缩小的效果，并且围绕内导体18的环形空间用有相对较小介电常数的绝缘的介电材料19充满，所以套筒20的馈电远端结构有短的电长度。结果，在馈电结构16、18的远端的信号至少是近似平衡的。
套筒20的进一步的效果在于，对于在天线的使用频率区域的信号，套筒20的边缘部分20RA、20RB与由馈电结构的外导体16代表的地线有效地隔离起来。这意谓着在天线件10A、10B之间循环的电流被基本上限制在边缘部分。因此，套筒20用作一个绝缘阱，减小在天线中不平衡电流使相位失真的影响。
对于天线的芯12的优选材料是锆钛酸盐为基础的材料。此材料的相对介电常数为36，并也注意到随着改变的温度它有尺寸和电性能的稳定性。介电损失是可以忽略的。芯可以通过挤压或加压来生产。
天线件10A、10B、10AR、10BR是在芯12的外圆柱和远端表面上或邻近此表面形成的金属导体轨迹，每个轨迹的宽度在它的运行长度上至少像它的厚度那样大。可以通过开始用一个金属层镀到芯12的表面上随后按照所要求的图样选择性地把该层除去把芯暴露出来形成这些轨迹。另外，可以通过选择性的沉积或通过印刷技术施加金属材料。在所有的情况下，作为在一个尺寸稳定的芯的外表面上的一个整体件形成这些轨迹使天线有尺寸稳定的天线件。
由上面的描述将会理解到，在纵向上伸展的天线件10A、10B与套筒部分20A、20B的边缘部分20RA、20RB一起构成了在该天线的工作频率范围内的两个成环的导体通路，每个环状的导体通路与地是绝缘的。因此，第一环状导体通路在芯的远端表面12D上的馈电连接处开始，延伸通过径向的导体10AR、件10A的上部、件10A的下部的分支之一10AA、围绕在芯12的一侧伸展的套筒20的边缘的第一半圆部分20RA、件10B的分支之一10BA、件10B的远端部分，最后，通过径向的导体10BR回到馈电体。另一个导体通路也形成由馈电体开始的一个环。在这种情况下，该通路跟着件10AR、件10A的远端部分、件10A的另一个分支10AB、套筒20的边缘的另一部分20RB、这次它围绕着芯12的与边缘部分20RA相对的侧面伸展，随后通过天线件10B的另一分支10BB、件10B的远端部分、最后通过径向的件10BR回到馈电体。
这两条导体通路有不同的物理长度和电长度，这是由于第一导电通路的分支10AA、10BA比第二导电通路的分支10AB、10BB的长，并靠由在芯的远端12D上的馈电连接处出发的边缘部分20RA而不是另一个边缘部分20RB。在两个边缘部分20RA、20RB之间的高度的这一差别使该边缘有一个阶梯的形状，使每个件10A、10B的天线件分支在边缘阶梯的相对的侧面上连接到套筒20上，如在图1中所示出的那样。由于环状导体通路的长度不同，它们有不同的共振频率。
在图2中示出了表示图1的天线的天线件结构的等效电路图。每个天线件10A、10B的未分开的远端部分与各自的径向的连接10AR、10BR一起可以用一电长度的传输线段表示，它的长度至少大约等于λ/4，或者，更一般地说，(2n+1)λ/4，其中λ为天线工作频带的中心波长，n＝0，1，2，3，…分支10AA、10AB、10BA、10BB用类似的传输线段表示，即作为两对平行连接的段，都在天线件10A、10B的远端部分与由套筒20的边缘部分20RA、20RB表示的虚拟接地之间串联地连接。这些分支段有电长度λ1/4或λ2/4，如图所示，取决于它们是较长的还是较短的环状导体通路的一部分，较长的有与波长λ1对应的共振频率，较短的有与波长λ2对应的共振频率。
因为当天线在一个环状模式中共振时，套筒20的绝缘效应主要限制了到边缘部分20RA、20RB的电流，所以它们代表电流最大的位置，对于波长在λ1和λ2范围内的信号，四分之一波长分支10AA-10BB用做电流到电压的转换器，从而在每个天线件分裂开的部位有电压的最大值，并且，进入每个分支的阻抗趋向于无穷大，如在图2中所示出的那样。结果，当一个导体环处于共振状态时，进入另一环的分支的阻抗很高(只要λ1和λ2为同一数量级)。这意谓着一个环的共振不会明显地受另一环的导体的影响。因此，在两个不同的通路中实施的两个共振模式之间有一定程度的绝缘。
每个单个的天线件10A、10B分成两个平行的导体，由平衡-不平衡转换器的连接点(即套筒边缘)伸展到沿着件的中间位置的电压最大点，把两个共振通路(导体环)彼此绝缘。可以把如图2中所示的这种设置看作一个传输线系统，或看作一个耦合线系统。
带阶梯的套筒边缘20RA、20RB不仅产生两个不同的环通路长度，它们围绕着芯的相对的侧面，使得两个共振频率是可能的，而且，它把由套筒20代表的扼流平衡-不平衡转换器分成两个平行的共振长度。
应该注意到，在套筒20中把每个纵向的狭缝20S设置成其电长度在所要求的运行频率范围的中心频率的四分之一波长的范围内，并且，由于这一原因，它们在图1的实施例中为L形的。将会认识到，可以由其它的构形例如通过使狭缝有一个曲折的路径或通过使它们围绕着天线的近端边缘伸展进芯12的近端表面12P上的镀层22中得到足够的长度。这些四分之一波长狭缝20S的效果是使两个套筒部分20A、20B的上部区域彼此绝缘，从而限制两个导体环中较长的一个环中到边缘部分20RA的电流和在较短的环中到边缘部分20RB的电流。绝缘是通过把短电路端20SE的零阻抗转换成在套筒部分20A、20B之间在两个边缘部分20RA、20RB的高度的高阻抗实现的。
把狭缝20S的尾部设置成如图1中所示的彼此朝向的方向的效果是在两个套筒部分20A、20B中较短的(20A)的边缘部分20RA与在芯的近端套筒到馈电结构16的连接部位之间的电流路径中引进一个限制。这一限制增加了套筒部分20A的纵向阻抗，实际上通过增加电感，从而使由于该套筒部分20A使平衡-不平衡转换效果最强的那个频率降低。确实，可以使这一频率与包括这一套筒部分20A的边缘的环状导电路径的共振频率相等，在这种情况下为环状导电路径中较长的那个。
狭缝的长度对天线有效地在分离开的频率下工作的能力有影响。参见图3A、3B和3C，如果狭缝太短以至不能在两个套筒部分20A、20B的上部区域之间实现有效的绝缘，在两个共振频率中较高的频率形成一个相对较弱的次级峰，如在图3A中所示出的那样。在最佳的狭缝长度，得到强的绝缘，并出现由于两个导电环的两个共振的结构性结合，如在图3B中所示出的那样，由此图将会看到，在两个分离开的频率出现强的共振，然而，这两个频率比在图3A中示出的两个共振频率更紧地靠在一起。如果进一步增加狭缝的长度，绝缘将不太有效，并且，天线在一个较高的频率有一个主共振峰，并在一个较低频率有一个较弱的次级共振峰；与图3A的情况相反。取决于制作天线的公差，可以通过初始形成有相对较短的总长度的狭缝，并按照试验结果在狭缝端部20SE除去套筒20的导电材料，实现每个天线的个别调节。这可以例如通过研磨，或通过激光烧蚀实现。
把天线件10A、10B的端部10AE、10BE、10AAE、10ABE、10BAE和10BBE都基本上设置在共同的平面24中(图1)，对于把天线件结构的构形做成使得由垂直于平面24的一个方向28入射到天线上的波在此结构的基本段中产生的和具有平面波前的电流的积分在馈电位置即馈电结构16，18连接到天线件结构上的位置总和为零是优选的结构。实际上，把两个件10A、10B相等地设置在平面24的每一侧，并使它们有相等的权重，给出关于该平面的向量对称性。
有半圈螺旋件10A、10B的天线件结构的工作方式与简单的平面环类似，在它的辐射图样中在横截着轴线12A并垂直于平面24的方向上有一个零点。因此，辐射图样在横截着轴线12A的竖直和水平平面中都形成一个8字的形状，如在图4中所示出的那样。通过在图1和4中示出的包括轴线x、y、z的轴线系统表示辐射图样相对于图1的透视图的取向。辐射图样有两个零点或缺口，在天线的每一侧有一个，并且，每个的中心在图1中所示的线28的中心。
在方向y上的缺口比在相反方向上的缺口要浅一些，如在图4中所示出的那样，这是由于当由图1的右手侧看天线时，携带电流的套筒边缘部分20RA被较长的套筒部分20B遮挡。
此天线在200MHz与5GHz之间的频率有特殊的应用。辐射图样使得天线特别适用于手机通信单元，比如蜂窝电话手机或无绳电话手机，如在图5中所示出的那样。为了使辐射图样的零点之一的取向为在使用者的头部的方向上，把该天线安装成使得它的中心轴线12A(见图5)和平面24(见图1)平行于手机30的内表面30I，具体地是平行于在耳机32的区域的内表面30I。轴线12A也在耳机30的纵向上伸展，如图所示。套筒20的较多的近端边缘部分20RB(图1)在天线芯的与手机的内表面30I相同的那一侧。再一次，天线通过与轴线系统x、y、z作比较可以看清楚它的辐射图样和手机30的相对取向，如在图5中用在图1和2中的轴线系统的表示所示出的那样。
在芯材料的相对介电常数明显地比空气的介电常数高例如εr＝36的条件下，如上面所述的用于在1880MHz到1900MHz范围内的DECT频带的天线典型地有芯直径为大约5毫米，纵向伸展件10A、10B的平均纵向长度(即平行于中心轴线12A)大约为16.25毫米。件10A、10B的宽度和它们的分支大约为0.3毫米。在1890MHz平衡-不平衡转换器套筒20的长度典型地为5.6毫米范围或更小。用在空气中的运行波长λ表示，这些尺寸至少近似地为：对于件10A、10B的纵向(轴向)长度：0.102λ；对于芯直径：0.0315λ；对于平衡-不平衡转换器套筒：0.035λ或更少；对于轨迹宽度：0.00189λ。天线件10A、10B的严格尺寸可以在设计阶段通过进行本征值延迟测量并在试验中反复地校正误差及误差基准。
在制作天线的过程中导电件的尺寸的调节可以以在我们的上面提到的英国专利申请No.2292638A中参考着它的图3到6所描述的方式进行。此先前的申请的整个内容结合在本申请中作为参考。
天线的尺寸小适宜于它在手持的私人通信装置比如移动电话手机中应用。导电的平衡-不平衡转换器套筒20和/或在芯12的近端表面12P上的导电层22使得天线可以以一种特别安全的方式直接安装在印刷线路板或其它接地结构上。典型地，如果把天线在端部安装，可以把近端表面12P焊接到在印刷线路板的上表面的一个接地平面上，使内部的馈电导体18直接穿过在板中的一个电镀的孔，用来焊接到在下表面上的一个导体轨迹上。另外，可以把套筒20夹在或焊接到平行于轴线12A伸展的印刷线路板接地平面上，使支承着天线件10A、10B的天线的远端部越过接地平面的一个边缘伸展。可以把天线10或者整个地安装在手机单元内，或者部分地伸出，如在图5中所示出的那样。
在图6到9中示出了按照本发明的另外的天线。
首先参见图6，一种相对较简单的天线省去了图1所示的平衡-不平衡转换器套筒，由图1中的套筒的边缘部分形成的连接导体被部分为环形的细长窄条件32A、32B替代，这些件之一连接到较长的天线件分支10AA、10BB的近端10AAE、10BBE上，另一个连接到较短的分支10AB、10BA的近端10ABE、10BAE上，形成不同长度的导体环。如在图1的实施例中那样，天线件的端部处于一个共同的平面中，给出一个大致圆环面的辐射图样，带有垂直于该平面的零点。此天线没有平衡-不平衡转换器，当耦合到平衡的源或平衡的负载上时运行得最好。
如在图7中所示的第二种另外的天线有与图6的天线相同的天线件结构，包括在不同的纵向位置围绕着芯12伸展的半圆形细长连接导体32A、32B，但是如在图1中的天线那样，添加了包围着芯12的近端部并连接到馈电结构的外部导体上的一个平衡-不平衡转换器套筒20。这使得可以进行平衡线与单端线之间的转换，但是使在连接的导体32A、32B之间的绝缘仅只由它们彼此分开和与套筒20分开提供。
参见图8，把第三另外的天线的结构做成类似于在图7中所示的第二种另外的天线，区别在于，通过使每个细长的螺旋形天线件10A、10B的被分开的部分有三个分支10AA、10AB、10AC、10BA、10BB和10BC，提供一个附加的导体环。如前面那样，每一对分支在近端被围绕着芯12伸展的各自的连接导体连接在一起，但是因为有三对分支，现在有三个各自连接的导体32A、32B、32C。这些导体位于不同的纵向位置，所以被天线件形成的三个导体环和连接导体每个有不同的电长度，从而形成三个共振频率。如在图7中的实施例那样，导电的平衡-不平衡转换器套筒20是一个连续的圆柱，它的近端连接到馈电结构的外导体上。
图8的实施例示出取决于芯的面积和天线件的宽度，可以设置两个或更多的导体环来实现所要求的天线带宽。天线件的端部依然大致处于一个共同的平面中。
参见图9，在第四种另外的结构中，连续的导电的平衡-不平衡转换器套筒20被用做对于双导体环天线的两个分支中之一的连接导体。因此，那对较长的天线件分支10AA、10BB大约在直径上相对着的位置连接到套筒20的环状边缘20R上。那对较短的分支10AB、10BB有一个细长的连接导体32B，如在图6到8的实施例中那样，与套筒20绝缘。这结合了连接导体之间的绝缘，存在一个平衡-不平衡转换器以及整个长度比上面参考着图7描述的第二种另外的实施例短的优点。

Claims (27)

1.一种用来在200MHz以上的频率工作的装在介电物质上的天线，它包括由相对介电常数大于5的实心材料制成的一个细长的介电物质芯，以及在该芯的表面上或邻近芯表面处的一个三维天线件结构，该结构包括至少一对在横向上相对的细长的天线件，这些件在芯上的在纵向上分离开的位置之间伸展，该结构还包括围绕着该芯伸展的连接导体，把所述那对件彼此连接起来，细长件有连接到馈电连接装置上的各自的第一端部和连接到连接导体上的第二端部，其中，所述细长件和连接导体一起形成至少两个环状的导电路径，每个路径由馈电连接装置伸展到在芯的长度方向上离开馈电连接装置的一个位置，随后围绕着芯，并回到馈电连接装置，在该天线的工作频率，两个路径中之一的电长度比另一路径的电长度长。
2.按照权利要求1中所述的天线，其有单一的一对在横向上相对的细长天线件，使两对件中的每一个分叉，从而有一个被分开的部分，它们由所述第一和第二端部之间的一个位置伸展到第二端部。
3.按照权利要求2中所述的天线，其特征在于，天线件中至少一个的被分开的部分包括不同电长度的分支。
4.按照权利要求3中所述的天线，其特征在于，每个分支的电长度在各自的环状导电路径的共振频率的90度的范围内。
5.按照权利要求2到4中任何一个所述的天线，其特征在于，对于在它的各自的共振频率下的每个环状导电路径来说，由被分开的部分和各自的连接导体形成的总的电长度在180度的范围内。
6.按照权利要求2到5中任何一个所述的天线，其特征在于，所述那对件中的每个在相应于在天线的工作频率的电压最大值的一个位置分叉。
7.按照任何上述权利要求所述的天线，其有多个部分环形连接导体，围绕着芯伸展，每个所述细长天线件在馈电连接装置与连接导体之间伸展。
8.按照权利要求7中所述的天线，其特征在于，细长天线件的第一和第二端部通常位于一个共同的平面中，并且，其中，连接导体确定基本上在一第一纵向位置处围绕着芯的一个侧面伸展的第一连接路径和基本上在不同的纵向位置处围绕着芯的另一侧面伸展的一第二连接路径。
9.按照任何上述权利要求所述的天线，其包括一个导电套筒和一个馈电结构，此结构在纵向上穿过芯，由芯的远端伸展到它的一个近端，该馈电结构提供了在芯的远端的馈电连接装置，并在芯的近端连接到导电套筒上，形成对于套筒的接地连接。
10.按照权利要求9中所述的天线，其特征在于，在天线的工作频率，套筒的电长度至少大约等于n×90度，其中n为一个为奇数的整数。
11.按照权利要求9或10中所述的天线，其特征在于，细长天线件连接到套筒的远端边缘上，该边缘构成连接导体中的至少一个。
12.按照权利要求11和权利要求2到7中任何一个所述的天线，其特征在于，天线件的每个被分开的部分有分支，这些分支之一连接到套筒的一第一部分的远端边缘上，形成围绕芯的一侧的一个连接路径，这些分支中的另一个连接到套筒的一第二部分的远端边缘上，形成围绕芯的另一侧的一个连接路径，套筒的第一和第二部分至少在它们的纵向长度的一部分上被在套筒的导电材料中的一对在纵向上伸展的狭缝彼此分开。
13.按照权利要求12中所述的天线，其特征在于，每个狭缝有一个短电路端部，从而它的电长度至少近似地等于在所述工作频率的波长的四分之一。
14.按照权利要求13中所述的天线，其特征在于，每个狭缝大致为L形。
15.按照权利要求14中所述的天线，其特征在于，狭缝的短电路端部的方向为围绕芯的相对的方向。
16.按照权利要求12到15中任何一个所述的天线，其特征在于，套筒的第一部分的远端边缘围绕着芯在一个纵向的位置伸展，套筒的第二部分的远端边缘围绕着芯的另一侧在一个不同的纵向位置伸展。
17.按照权利要求15和16中所述的天线，其特征在于，狭缝的短电路端部的方向朝向彼此，使得被所述套筒部分形成的纵向导电路径变窄，该套筒部分的远端边缘接近芯的近端。
18.按照权利要求2到17中任何一个所述的天线，其特征在于，芯基本上是圆柱形的，每个所述细长天线件是螺旋形的，围绕芯绕p个半圈，其中p为一个整数，并且，每个天线件分叉，使得各被分开的部分有两个平行的螺旋分支，与该件的未分开的部分有基本上相同的螺旋路径。
19.按照权利要求18中所述的天线，其还包括一个共轴的馈电结构，它在芯的中心轴向穿过芯，由近端伸展到芯的远端，其特征在于，在芯的近端连接到该馈电结构的外部导体上的并有连接到细长天线件的分支上的远端边缘的在纵向上分开的导电套筒形成连接导体，该馈电结构在芯的远端提供所述馈电连接装置，在芯的远端，细长天线件分别连接到内和外馈电结构导体上。
20.按照权利要求19中所述的天线，其特征在于，套筒的平均轴向电长度在工作频率范围的中心至少大约等于90度。
21.一种用来在200MHz以上的频率工作的装在介电物质上的环状天线，它包括由相对介电常数大于5的实心材料制成的一个细长的圆柱形芯，以及一个在该芯的外表面上的天线件结构，该结构包括一对在直径上相对的细长天线件，以及环形设置的连接导体，该细长件由在芯的一端的一个馈电连接装置伸展到连接导体，其特征在于，该细长件的每个分叉，与连接导体相结合形成耦合到馈电连接装置上并有不同的电共振频率的不同长度的两个环状导电路径。
22.按照权利要求21中所述的天线，其特征在于，把连接导体设置成对于细长件的分叉部分提供一个绝缘的虚拟接地，并使每个细长件的分叉的位置使得分叉部分的电长度在环的各自共振频率产生电压到电流的转换。
23.按照权利要求21或22中所述的天线，其特征在于，细长件的端部基本上位于包含芯轴线的一个共同的平面中。
24.一种手持无线通信单元，它有一个无线收发机，一个用来使来自该单元的内表面的声能定向的为一体的耳机，当使用时该单元的位置对着使用者的耳朵，它还有如上述任何权利要求所述的天线，其特征在于，细长天线件的第一和第二端部通常位于一个共同平面中，并且，把天线装在该单元中，使得此共同平面大致位于平行于该单元的内表面，从而使在辐射图样中的一个零点在使用者的头部的方向上。
25.一种用来在200MHz以上的频率工作的装在介电物质上的天线，它包括由相对介电常数大于5的实心材料制成的一个细长介电物质芯，以及在该芯的表面上或邻近芯表面处的一个三维天线件结构，该结构包括至少一对在横向上相对的细长的天线件，这些件在芯上的纵向上分离开的位置之间伸展，该结构还包括围绕着该芯伸展的至少一个连接导体，把所述那对件彼此连接起来，细长件有连接到馈电连接装置上的各自的第一端部和连接到至少一个所述连接导体上的第二端部，其特征在于，所述细长件和一个或多个连接导体一起形成至少两个环状的导电路径，每个路径由馈电连接装置伸展到在芯的长度方向上离开馈电连接装置的一个位置，随后围绕着芯，并回到馈电连接装置，两个路径中之一的电长度比另一路径的电长度长，并且，围绕着芯在它的与另一路径相对的侧面上伸展，其特征在于，连接导体包括包围着芯的一个导电套筒，把所述那对细长件的各自的第二端部连接到套筒的边缘上，形成在细长件之间围绕芯的各自相对的侧面的第一和第二导电连接路径，其特征还在于，使边缘有阶梯，使得第一连接路径基本上在一第一纵向位置围绕芯的一个侧面伸展，而第二连接路径基本上在不同的第二纵向位置围绕芯的另一侧面伸展。
26.按照权利要求25中所述的天线，其特征在于，细长件的第一和第二端部通常位于一个共同的平面中。
27.按照权利要求26所述的天线，其包括一个馈电结构，此结构在纵向上穿过芯，由芯的远端伸展到它的一个近端，该馈电结构提供了在芯的远端的馈电连接装置，并在芯的近端连接到导电套筒上，形成对于套筒的接地连接，其特征在于，在天线的工作频率，套筒的电长度至少大约等于n×90度，其中n为一个为奇数的整数。
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