CN1275824A

CN1275824A - 螺旋天线

Info

Publication number: CN1275824A
Application number: CN00109323A
Authority: CN
Inventors: 周光平; 罗伯特·肯农
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1999-05-27
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2000-12-06
Also published as: BR0002491A; GB0011790D0; DE10025431A1; GB2351849A

Abstract

依据本发明来实现用于多频带操作的一种螺旋天线,这是通过以适当的方式改变螺旋线圈上的螺旋角而实现的。特别是,通过使用非均匀螺旋角,并通过保持线的总体长度为常量,可将天线的第二谐振作为螺旋角的函数而调高或调低,而同时第一谐振不受影响。依据本发明的另一实施例可改变螺旋线圈的直径部分。

Description

螺旋天线

本申请涉及一种天线，尤其涉及适于在多于一种频带中工作的螺旋天线。

随着对无线通信设备的使用的增加，频谱变得日益缺乏。在许多情况下，在一个特定频带上提供服务的网络操作员不得不在分离频带上提供服务，以便容纳其用户。例如在900MHz频带中的一个GSM系统上提供服务的网络操作员就不得不依靠处于1800MHz频带上的一个DCS系统。因此，例如象蜂窝式无线电话这样的无线通信设备必须能在两个频率上进行通信，或甚至于能在象PCS 1900这样的一个第三系统上工作。这种要求工作在两个或更多个频率下的需求引发了许多问题。例如，无线通信设备必须具有适于接收多于一个频带的信号的天线。

同时，由于无线通信设备尺寸的减小，因此还存在进一步的需要，要求减小与该设备相关的天线的尺寸。另外，可伸展天线虽然提供了某些优势，这种天线还是给终端用户带来了一些问题。由于天线在伸展状态下一般会工作得更好，因此用户需要在使用无线通信设备之前就展开天线。结果，许多终端用户更喜欢使用不需要在使用时展开的固定式或“短粗”式天线。从设计者的立场来看，当设计能工作于两个或更多个频带的天线时，要与在竖起位置和在收起位置的可伸缩天线相匹敌，还是相当困难的。

一种螺旋天线可以具有几个谐振频率，这些谐振频率是连线长度、螺旋角以及圈数的函数。通常，可使用适当的技术来调节这些谐振频率，以便获得单个频带或多个频带的蜂窝操作。这些技术可包括改变螺旋线的尺寸和/或增加其它元件。具有统一螺旋角的螺旋天线可被调谐，工作于GSM频带(900MHz)。但是，第二谐振模式将不会在DCS(1800MHz)或PCS(1900MHz)频带上。连线长度、直径以及螺旋角中的任何变化都会使谐振频率升高或降低，这使得不可能工作在所需频率。

因此，需要一种适于接收多频带中的信号的小螺旋天线。

图1是依据本发明的无线通信设备如蜂窝式无线电话的一个框图；

图2是依据本发明的一个螺旋线圈天线；

图3是依据本发明的另一实施例的螺旋线圈天线；

图4是依据本发明的另一实施例的螺旋线圈天线；

图5是依据本发明的另一实施例的螺旋线圈天线；

图6是依据本发明的另一实施例的螺旋线圈天线；

图7是依据本发明的另一实施例的与一同轴传输线相连的螺旋线圈天线；

图8是依据本发明的另一实施例的与一单极子相连的螺旋线圈天线；

图9是依据本发明的图8的天线的剖面图；

图10是依据本发明的图8的密封天线的平面图；以及

图11是与图1的无线通信设备相连的依据本发明的天线的部分透视图。

依据现在公开的本申请中所陈述的方法和装置，由单螺旋线构成的固定型天线具有非均匀的螺旋角。依据本发明的一个实施例，对低频带通过调节线的总体长度和对高频带通过调节非均匀螺旋角可得到双频带操作。尤其是，依据本发明中所公开的情况，当使用非均匀螺旋角并保持线的总体长度为常数时，第二谐振可作为螺旋角的函数而被调高或调低，同时第一谐振不受影响。依据本发明的另一个实施例，可改变螺旋线圈的直径，以实现多频带特性。

首先参见图1，其中显示了结合本发明的象双频带蜂窝式无线电话这样的无线通信设备的框图。在最佳实施例中，将象可从Motorola公司得到的CMOS ASIC这样的一个帧发生器ASIC 101以及象可从Motorola公司得到的68HC11微处理器这样的一个微处理器103组合在一起，以产生用于在蜂窝系统中工作所需的通信协议。微处理器103使用包括最好是集中在一个封装111内的RAM 105、EEEPROM 107以及ROM 109的存储器104，以便执行产生协议所必需的步骤，并执行用于通信单元的其它功能，例如依据本发明方法的写入显示器113、接收来自小键盘115的信息、控制频率合成器125或执行对信号进行放大所必需的步骤。ASIC 101处理从话筒117传到扬声器121的经音频电路119转换的音频。

一个收发两用机处理音频信号。特别是，发射机123和124通过天线129利用由频率合成器125所产生的载波频率执行发射。由通信设备的天线129所接收的信息通过匹配网络和发射/接收开关130而进入接收机127和128。在图10中将更详细地显示了最佳匹配网络以及发射/接收开关。接收机127和128利用来自频率合成器125的载波频率对包含消息帧的码元进行解调。发射机和接收机合称为收发机。通信设备可以选择包括含有数字信号处理装置的一个消息接收机和存储装置131。所述信息接收机和存储器件例如可以是一个数字应答机或一个寻呼接收机。

出于尺寸和极化的考虑，螺旋天线适用于蜂窝式电话通信。一个简单的螺旋天线具有N圈，每一圈的直径为d，且每圈之间的螺距为s。则天线的总高度为h＝Ns，线的总长度为l＝Nlo。这里lo是每一圈线的长度。螺旋角被定义为s/d比率的反正切(arctan^-1s/d)。通常，当与波长相比天线尺寸非常小时，天线处于工作的一般模式下，其辐射特性与1/4波长单极天线相似，但螺旋天线的外形(高度)要比单极天线小(短)得多。

螺旋天线提供了椭圆极化，当天线相对于线性极化的固定发射机以一个角度旋转时，椭圆极化是一种非常有用的特性。一个非常好的例子就是，当用户以各种角度握住蜂窝电话时，天线依然能接收来自固定的及线性极化的基站的信号，这是因为椭圆极化可被分解为两个正交的线性极化。

一个螺旋天线可以具有几个谐振频率，这些谐振频率都是线长、螺旋角和圈数的函数。通常，可使用适当的技术来调整这些谐振频率，以获取单频带的或多频带的蜂窝操作。这些技术可包括改变螺旋线的尺寸和/或增加其它元件。可将具有均匀螺旋角的螺旋天线调谐到使其工作于GSM频带(900MHz)。但是，第二谐振模式将不在DCS(1800MHz)或PCS(1900MHz)频带上。线长、直径或螺旋角中的任何变化都会使谐振频率向上或向下移动，因而使得多频带工作成为不可能。只有在以适当的方式修改了螺旋角时，才能实现多频带操作。尤其是，依据本发明所公开的内容，当使用了非均匀螺旋角，并保持线的总体长度为常数时，所述第二谐振可被作为螺旋角的函数而调高或调低，而第一谐振则不受影响。

现在参见图2，当减小螺旋角时，螺旋天线将使其第二谐振靠近第一谐振。尤其是，螺旋天线具有与第一部分202相连的一个馈电点203，所述第一部分202从近端204伸展到远端206，其高度为p₁，并具有由s₁所表示的一个螺距。虽然螺距s₁可在整个第一部分202上是固定的，但s₁也可代表可在整个第一部分202上变化的平均螺距。在整个第一部分202上的螺旋线圈的直径用d₁来表示。螺旋天线还具有第二部分208，它从近端210伸展到远端212，其高度为p₂，并具有由s₂所表示的一个螺距。虽然螺距s₂在整个第二部分208上可以是固定的，但s₂也可代表能在整个第二部分208上变化的平均螺距，这里s₂与s₁不同。用于第二部分208的螺旋线圈的直径由d₂来表示。在图2的实施例中，d₁等于d₂。

现在参见图3，当增大螺旋角时，螺旋天线将使第二谐振远离第一谐振。尤其是，螺旋天线具有与第一部分302相连的一个馈电点301，第一部分302从近端304伸展到远端306，其高度为p₁，并具有由s₁所表示的一个螺距。虽然螺距s₁在整个第一部分302上可以是固定的，但s₁可以代表可在整个第一部分302上变化的平均螺距。在整个第一部分302上螺旋线圈的直径用d₁来表示。螺旋天线还具有一个第二部分308，它从近端310伸展到远端312，其高度为p₂，并具有用s₂所表示的一个螺距。虽然螺距s₂在整个第二部分308上可以是固定的，但s₂也可代表可在整个第二部分208上变化的平均螺距，其中s₂与s₁不同。在整个第二部分308上的螺旋线圈的直径用d₂来表示。在图3的实施例中，d₁等于d₂。

在设计过程中，可以选择线的总长度作为改变参数，从而首先定位到AMPS/GSM频带，之后再调整螺旋角，直到第二谐振被定位到DCS频带。可利用两部分线圈的圈数以及直径来选择天线的总体长度。通过使用本领域众所周知的合适的匹配电路，可进一步改善带宽以及回波损耗。所测量的非均匀螺距天线的效率在每个频带的中心频率处好于80％。

依据本发明的另一实施例，还可改变线圈的直径。如图4所示，从近端404伸展到远端406的线圈的第一部分402的直径一般较大，而从近端410伸展到远端412的线圈的第二部分408的直径一般较小。特别是，具有与第一部分402相连的馈电点401的螺旋天线具有由s₁所表示的一个螺距。用于p₁的螺旋线圈的直径用d₁来表示。螺旋天线还具有第二部分408，它具有用s₂所表示的螺距。用于p₁的螺旋线圈的直径用d₂来表示。在图4的实施例中，d₁大于d₂。

与此相反，在图5的实施例中的线圈的下部的直径一般较小，而线圈的上部的直径一般较大。特别是，螺旋天线具有与第一部分502相连的一个馈电点501，从近端504伸展到远端506的第一部分502具有由s₁所表示的螺距。在整个第一部分502上的螺旋线圈的直径用d₁来表示。螺旋线圈还具有从近端510伸展到远端512的第二部分508，并具有用s₂所表示的螺距。在整个第二部分508上的螺旋线圈的直径用d₂来表示。在图5的实施例中，d₁小于d₂。虽然在图4和5的实施例中，螺距s₁和s₂可以在整个第一和第二部分302和308上是固定的，但它也可代表在各自部分上变化的平均螺距。与此相似，虽然直径d₁和d₂最好是固定的，但依据本发明它们也可是变化的。同样，虽然在图4和5中，直径d₁和d₂可以是固定的，但它们也可以代表在整个部分402和408上的变化直径的平均值。

现在，请参见图6，本发明的另一实施例包括可变的螺距和可变的直径。特别是，螺距和直径都从天线的近端604(靠近馈电点605)到天线的远端606而减小。虽然图6只显示了变化的一种组合，但是依据本发明，可以采用改变螺距和直径的各种组合，包括固定的螺距或直径，以及改变螺距或直径的相对位置。根据本发明也可以采用二段以上的螺距和直径的变化。

现在，请参见图7，一个同轴传输线与螺旋线圈的馈电点相连。特别是，象图2所示的螺旋线圈与一个同轴传输线712相连，该同轴传输线具有外导体714以及内导体716，在馈电点203处相连。虽然这里只显示了图2中的螺旋线圈，但依据本发明，也可以使用图3-7中任意一螺旋线圈与同轴传输线相连。对可变螺距天线进行馈电的同轴传输线的优点在于，同轴传输线的长度可被用来改变PC板上的电流分布，因此可得到最优的辐射效率，特别是在电话被使用的情况下。之所以能最优，是因为同轴传输线改变了可变螺距的输入阻抗，因而也改变了PC板上的电流分布。由于PC板上的电流对远场具有重要辐射，所以电流分布的改变可以优化天线的辐射效率。当使用电话时，由于接近用户的身体而大大改变天线和PC板上的电流。使用同轴传输线进行馈电，可以补偿所改变的电流。

现在，请参见图8-10，透视图显示了与一个单极子802耦合的依据本发明的螺旋线圈天线的透视图，该单极子802具有螺纹部分804和接触部分806。虽然只显示了图2中的螺旋线圈与单极子相耦合，但也可用图3-7中的任一螺旋线圈与单极子相耦合。图9中的剖面图显示了图10中的天线的一个实施例的剖面图。特别是，在外模(overmold)902内的介电芯904最好包括一种介电材料。例如，这个芯可以是包括热塑性合成橡胶和聚丙烯的一种介电材料。例如，介电芯可以是由75％的热塑性合成橡胶和25％的聚丙烯构成的，以形成介电常数为2.0的介电材料。图10中的平面图显示了从无线通信设备中分离出来的天线129。如图11中所说明的那样，在这一申请中所说明的任何天线都可与组装在可伸缩天线中的鞭状天线部分相耦合。

现在，参见图11，一个部分剖面图显示了与图1中所示的无线通信设备相连的依据本发明的天线。天线129包括具有衬套1004的外壳或外模902。单极子802包括延伸到耦合部分806的螺纹部分804。单极子的长度通常都影响垂直极化，而较长的单极子通常都提供较大的垂直极化。下面将参照剩余的附图对单极子进行详细说明。

天线与夹片1110相啮合，该夹片在与底座部分1116相接的可弯曲臂1114的末端具有接触元件1112。底座部分1116最好与具有图1所示的电路的电路板相接，或是与其它合适的电路相接。支架1110还包括与可弯曲臂1120相连的第二触片1118，这个可弯曲臂也延伸到底座部分1116。由可弯曲臂1114和1120夹持住了耦合部分1108，并提供了电接触。可弯曲臂的尺寸最好选择为使天线的效率最优。即对可弯曲臂的长度和宽度进行选择，以对天线提供适当的电感和电容，其中臂越窄所提供的电感越大，而臂越宽所提供的电容越大。

图11还显示了图1的无线通信设备的外壳1130。该外壳包括显示了部分剖面图的接收衬套1132，它扣住用于接收天线的螺纹部分1106的螺纹螺母234。虽然天线的馈电点最好是在靠近耦合部分1105的底座的接触元件1112和1118处，但依据本发明，馈电点也可以形成在螺纹螺母1134处。虽然本说明书着力于对短粗天线的说明，但在本申请中所公开的任何一种天线都可以被用于收缩天线，例如是在1998年12月23日申请的“一种适于在多频带工作的天线(ANANTENNA ADAPTED TO OPERATE IN A PLURALITY OFFREQUENCY BAND)”，其申请序列号为No.09/219,561，也转让给本发明的受让人。另外，可以采用依据申请序列号No.09/219,561的匹配电路的装置，引入该申请仅供参考。

综上所述，可以依据本发明，通过以合适的方式修改螺旋线圈的螺旋角而实现多频带天线。特别是，通过使用非均匀螺旋角，并保持线的总长度为常数，可以将作为螺旋角的函数的第二谐振调高或调低，而第一谐振不受影响。

虽然，在上述说明和附图中已经说明了本发明，应当理解这一说明仅是通过举例来进行的，对本技术领域人员来讲，可以进行众多改变和修正而不脱离本发明的主旨和范围。虽然本发明发现了在便携式蜂窝式无线电话中的特定应用，但本发明也可被应用到任何无线通信设备中，包括寻呼机电子管理器或计算机。申请人的发明应当仅受以下权利要求书的限定。

Claims

1.一种适于在至少两个频带中工作的天线，所述天线包括：

一个从近端伸展到远端的螺旋线圈，所述螺旋线圈的螺距从所述远端至所述近端有变化。

2.如权利要求1的所述天线，其特征在于所述螺旋线圈的直径由所述近端至所述远端有变化。

3.如权利要求1的所述天线，进一步包括：

从所述第一远端向所述第一近端伸展的第一螺旋部分，所述第一螺旋部分具有第一螺距；以及

从所述第二近端向所述第二远端伸展的第二螺旋部分，所述第二近端于所述第一螺旋部分的所述第一远端相连，所述第二螺旋部分具有与所述第一螺距不同的第二螺距。

4.如权利要求3的所述天线，其特征在于所述第一螺距大于所述第二螺距。

5.如权利要求3的所述天线，其特征在于所述第一螺距实质上是固定的。

6.如权利要求3的所述天线，其特征在于所述第一螺距是变化的。

7.如权利要求3的所述天线，其特征在于所述第二螺距是变化的。

8.如权利要求3的所述天线，其特征在于所述第一螺距实质上是固定的，所述第二螺距是变化的。

9.如权利要求3的所述天线，其特征在于所述第一螺旋部分具有第一直径，所述第二螺旋部分具有小于所述第一直径的第二直径。

10.如权利要求3的所述天线，进一步包括一个单极子，其特征在于所述第一螺旋部分的第一端与所述单极子相连。