CN1630961B

CN1630961B - 多频段天线及其制造方法

Info

Publication number: CN1630961B
Application number: CN02829206.5A
Authority: CN
Inventors: 柳秉勲; 成元模
Original assignee: EMW Antenna Co Ltd
Current assignee: Kespion Co Ltd
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2022-06-25
Also published as: JP2005536088A; AU2002315830A1; US20050243012A1; WO2004001896A1; DE60235327D1; EP1516387B1; US7132998B2; ATE457533T1; EP1516387A1; EP1516387A4; JP4067049B2; CN1630961A

Abstract

本发明涉及一种多频段天线及其制造方法。在本发明中，一个通过切割圆柱形金属杆形成的连接器和一个螺旋天线通过一个连接元件成为一体。在该连接元件上形成一个构成阻抗变换器的切口，用于基于串联电感效应拓展频带区域。在环绕该第一螺旋天线和该连接元件的内部和外部的一个绝缘体的中心上，另外安装一个螺旋天线和一个鞭状天线，用于通过克服在传统技术中遇到的不平衡问题来增强天线的效率。

Description

多频段天线及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种多频段天线及其制造方法，尤其涉及一种多频段天线及其制造方法，其中，使用一个通过切割圆柱形金属杆获取的连接元件使得一个螺旋天线和一个连接器成为一体，并以在该连接元件中形成一个特定的切口的方式形成一个阻抗变换器。

背景技术

在无线通信中使用的传统小尺寸天线的馈电结构中，同轴线直接接触天线以进行馈电。对于单极天线，同轴线的“+”部分接触天线以进行馈电。对于偶极天线，同轴线的“+”部分和“-”部分都接触天线以进行馈电。

由于这些方法导致天线的馈电线之间的不平衡状态，所以阻抗匹配变得很困难。此外，由于天线和馈电线之间的触点经常变化，所以天线特性并不稳定，从而降低了天线的效率。

如图1所示，美国专利4772895公布了一种能扩展频率响应的天线500。天线500包括：一个馈电端口550，具有信号反馈部分和接地部分；第一螺旋天线单元520，具有相反的末端，表现出第一螺距和第一电长度，第一螺旋天线520的一端耦合到馈电端口的信号反馈部分；第二螺旋天线540，具有相反的末端，表现出第二螺距和第二电长度。

第二螺旋天线单元540同轴地环绕在第一螺旋天线单元520的一个部分，第二螺旋天线单元540的一端耦合到馈电端口550的接地部分，第二螺距约为第一螺距的1/2，第二电长度约为第一电长度的1/3。

天线500有一圆柱形衬套装置530，同轴地位于第一螺旋天线单元520和第二螺旋天线单元540之间，以电隔离第一螺旋天线单元520和第二螺旋天线单元540。衬套装置530足够薄，使第一螺旋天线单元520紧紧耦合到第二螺旋天线单元540，从而扩展第一螺旋天线单元520表现出的频率响应。

在传统的天线中，衬套装置位于第一和第二螺旋天线单元之间，用于使天线单元接地。传统天线的问题在于：它无法克服传统天线中的不平衡问题，进而导致低效率，因此很难实现小型化。

关于不平衡状态，螺旋天线主要分为法向模态天线和轴向模态天线。螺旋天线的圆形圆周明显小于工作频率所对应的波长的情形属于法向模态。通常，无线通信设备中使用的螺旋天线具有法向模态。

法向模态螺旋天线的特征在于：特征阻抗非常大，实际辐射功率对应的辐射电阻值较小。相应地，总的输入阻抗值很大，与输出阻抗50Ω明显不同，从而增加了反射损耗。这就是传统螺旋天线用作通用无线通信接收天线时的固有不平衡状态。

如图2所示，美国专利5661495公开了一种天线设备200，包括：电路230，用于传输和/或接收无线信号；底盘250；馈电点，用于将该天线设备电耦合到通信设备；还包括固定在底盘250外部上的中空螺旋天线210和穿过螺旋天线210可滑动的天线杆220，该螺旋天线经由馈电点稳定地耦合到电路230。

此时，螺旋天线210的带宽得到了增加，调谐的地表面靠近馈电点，不会形成直接的加尔瓦尼电接触，并且，地表面耦合到通信设备的保护地，能够捕获镜像电流。

在传统的天线设备中，当天线杆伸出外壳时，天线杆和螺旋天线并联耦合到电路230。当天线杆220缩回底盘250中时，只有螺旋天线耦合到电路230。

此时，与将螺旋天线安装到通常的圆柱形结构的情形等效的电路主要包括馈电部分以及L和C的并联谐振部分。这种传统的螺旋天线减少了传统单极天线的长度，但却具有和传统单极天线相同的谐振频率。在这种情况下，由于L和C的并联谐振，Ω值增加，所以频带变窄。

相应地，根据图4a和4b分别示出的用VSWR(电压驻波比)表示的传统螺旋天线的电特性图和阻抗测量数据的史密斯图，当VSWR值增加，阻抗值远离史密斯图的中心时，天线的反射损耗增加，天线的带宽变窄。

具有如图1和2所示结构的传统天线的带宽被分别定义为VSWR值等于或小于2的频带。相应地，各传统天线的VSWR值处于5到18之间，史密斯图的阻抗值明显远离史密斯图中心的50Ω值，所以可以这样理解：天线的反射损耗值增加，因此，各传统天线的频带较窄。

此外，传统天线的问题还在于：由于未能克服传统天线中存在的不平衡问题，故会恶化传统天线的效率。

发明内容

因此，本发明旨在解决背景技术中出现的上述问题。本发明的目的之一是提供一种多频段天线及其制造方法，其可以通过克服传统天线中存在的不平衡问题，提高天线的效率，并且因为该天线能适应各种频率，故能迅速处理各种服务导致的频率变化。

为实现上述目的，本发明提供了一种多频段天线，包括：一个连接器，在其外表面具有螺纹；一个圆盘，形成在该连接器的上表面；一个连接元件，形成在该圆盘的上表面并具有一个形成阻抗变换器的切口；一个第一螺旋天线，形成在该连接元件的一端，其中，所述第一螺旋天线基于一个圆柱形金属杆的切割过程整体地形成；一个具有中心的绝缘体，穿过第一螺旋天线的内部和连接元件的外部；一个覆盖单元，镶嵌模塑(insert-molding)在第一螺旋天线的外表面。

此外，本发明还提供了一种制造多频段天线的方法，包括：第一制造步骤，通过在具有特定长度和特定直径的圆柱形金属杆的圆周表面刻上螺纹，形成一个连接器，以及在该连接器之上形成一个机械加工成中空的处理部分；第二制造步骤，在该连接器和该处理部分相接的地方形成一个具有一个切口的连接元件；第三制造步骤，通过从与该连接元件的该切口相距一定距离的位置开始形成螺旋形状，从而形成第一螺旋天线单元；第四制造步骤，将绝缘体单元置入第三制造步骤中形成的第一螺旋天线单元内，形成为中空，并从具有该切口的该连接元件和该第一螺旋天线中露出，以环绕该连接元件；第五制造步骤，将一个覆盖元件镶嵌模塑在该第一螺旋天线单元的外面。

附图说明

图1和图2是传统天线结构的截面图；

图3是与螺旋天线单元装配在圆柱形结构的装置等效的电路；

图4a是将螺旋天线单元装配于圆柱形固定装置时以VSWR测量的电特性的示意图，图4b是将螺旋天线单元装配于圆柱形固定装置时的阻抗测量数据的史密斯图；

图5a是根据本发明的多频段天线的制造方法的示意图，图5b是该多频段天线的另一种制造方法的示意图；

图6是本发明的天线的结构的立体图；

图7是显示连接元件的结构和作为本天线重要单元的绝缘体的横截面图；

图8是图7中连接元件与第一螺旋天线单元相结合的结构的等效电路；

图9a是图7中连接元件与第一螺旋天线单元相结合的结构的电特性的示意图，其中，该特性基于VSWR进行测量；

图9b是显示连接元件与第一螺旋天线单元相结合的结构的阻抗测量数据的史密斯图；

图10a至10d是根据本发明其他实施例的天线的截面图；

图11a是一个第二螺旋天线单元装配在一个集成了连接元件和第一螺旋天线单元的结构中的结构的曲线图，其中，该特性基于VSWR进行测量；

图11b是一个第二螺旋天线单元装配在一个集成了连接元件和第一螺旋天线单元的结构中后阻抗测量数据的史密斯图；

图12a是第三螺旋天线装配在安装有第二螺旋天线单元的结构中后基于VSWR测量的电特性的曲线图；

图12b是第三螺旋天线装配在安装有第二螺旋天线单元的结构中后阻抗测量数据的史密斯图。

优选实施方式

下面，结合附图详细描述本发明的实施例。

图5a是采用本发明的技术制造多频带天线的方法示意图。参考该图，在第一制造步骤S1中，通过在具有特定长度和特定直径的圆柱形金属杆的圆周外表面刻上螺纹，形成连接器10，以及将连接器10上方的加工件进行处理，使之具有中空的处理部分12。在第二制造步骤S2中，在第一制造步骤S1中形成的中空处理部分12和连接器10相邻接的位置处，形成一个具有切口13的连接元件14。

同时，在第三制造步骤S3中，从与连接元件14的切口13相距一定距离的位置开始形成具有螺旋形状的第一螺旋天线单元15。通过置入第三制造步骤S3中形成的第一螺旋天线单元内形成中空，并从具有切口13的连接元件14和第一螺旋天线单元15露出，以环绕连接元件14，形成一个绝缘体单元20。

形成绝缘体单元20之后，在第五制造步骤中，将覆盖单元30镶嵌模塑(insert-molding)在第一螺旋天线单元15的外面，完成该天线的制造。

如图5b所示，在本发明的另一种方法中，在第一制造步骤S1中，通过在具有特定长度和特定直径的圆柱形金属杆的圆周外表面刻上螺纹，形成连接器10，以及将连接器10上方的加工件进行处理，使之具有中空的处理部分12。在第三制造步骤S3中，将处理部分12制造成螺旋形状，从而形成第一螺旋天线单元15。然后，在与圆盘17结合的第一螺旋天线单元15的一端的附近位置处形成具有切口13的连接元件14。

通过置入第三制造步骤S3中形成的第一螺旋天线单元并形成中空，以及从具有切口13的连接元件14和第一螺旋天线单元15露出，以环绕连接元件14，形成一个绝缘体单元20。

绝缘体单元20形成之后，在第五制造步骤中，将覆盖单元30镶嵌模塑在第一螺旋天线单元15外，从而完成该天线的制造。

此时，对于本发明的其他实施例，如图10a所示，可以采用一种制造多频段天线的方法，在镶嵌模塑覆盖单元30之前，将第二螺旋天线单元40置入第三制造步骤形成的绝缘体单元20内，以及如图10b所示，采用一种多频段天线的制造方法，在镶嵌模塑覆盖单元30之后，置入鞭状天线50。

对于本发明的其他实施例，可以采用一种将绝缘体单元涂在安置在第一螺旋天线单元15内的第二螺旋天线单元40的外表面的方法，以及，采用一种如图10c所示装配第二螺旋天线单元40和在镶嵌模塑覆盖单元30之后装配鞭状天线50，或者，如图10d所示在鞭状天线50的一端插入第三螺旋天线单元60的方法。

此外，通过将镶嵌模塑制造的覆盖单元30改为一个帽形结构，可以改进天线制造的便利性和减少天线的组装时间。

用上述方法制造的天线克服了传统天线中存在的不平衡问题，可以提高天线效率，而且由于该天线能适应各种频率，故可迅速处理各种服务导致的频率变化。

同时，在本发明的另一种方法中，前一种方法中在第二制造步骤S2之后执行第三制造步骤S3的顺序可以改为在第三制造步骤S3之后执行第二制造步骤S2的顺序。这样做的原因在于，制造的顺序可以根据制造的便利性来确定。

下面描述由本发明的制造方法制造的多频段天线的结构。

图6是采用本发明的技术的天线结构的立体图。参考该图，在采用本发明的技术的多频段天线1中，圆盘17与外刻螺纹的连接器10成为一体，具有切口13的连接元件14形成在圆盘17的上表面，第一螺旋天线单元15从连接元件14的上端形成一体，绝缘体单元20被插入第一螺旋天线单元15中，形成中空。

如图5-7所示，绝缘体单元20插入第一螺旋天线单元15中，形成中空，并从连接元件14和第一螺旋天线单元15的底部之间露出，以环绕连接元件14，在第一螺旋天线单元15的外面镶嵌模塑覆盖单元30。

这里，之所以将绝缘体单元20形成为在连接元件14和第一螺旋天线单元15开始处露出并环绕连接元件14，是为了防止覆盖单元30的材料进入并填充构成阻抗变换器的切口13。

在根据本发明的、具有如图5a和5b中所示的单频段的天线的作用和效果中，外表面具有螺纹的连接器10固定到一个外壳，并且安装圆盘17以防止发生偏斜。

此外，在第一螺旋天线单元15和圆盘17之间以切割连接元件14一部分的方式形成的一个特定切口13充当一个阻抗变换器。

阻抗根据第一螺旋天线单元15的长度而变化，带宽通常由结构决定，所以，螺旋天线单元的电容分量在阻抗匹配的早期阶段通过馈电部分的变形，具备了宽带特性。

实际上，串联电感效应的增加就意味着在阻抗变换器和螺旋天线之间发生的串联电容效应的降低，后者通常发生于螺旋天线中。

因此，可以理解为：谐振产生于切口。下面描述根据上述结构的结果。

当天线的谐振电路产生并联谐振时，Ω值(具有损耗的电抗元件或谐振电路的品质因子)会显著增加，从而其带宽显著降低。

但是，在本发明中，如果将该结构变为分布常数电路并且使从馈电点观察到的输入阻抗产生串联谐振，则能够在较宽的频带中获得所希望的带宽。

这里，之所以通过使用阻抗变换器将通用特性的并联谐振转换为串联谐振，原因在于：通过补偿使用这种结构的螺旋天线的固有电容值，使该天线具有纯电阻值。

这种情况下，并联谐振部分和阻抗变换器的C和螺旋天线单元的L的并联谐振通过插入阻抗变换器表现出来，等效于一个在馈电部分和并联谐振部分之间的小R和大C的并联结构，如图8所示，所以，邻近双调谐中心频率的一个频率就成为串联谐振的频率。

相应地，由于相邻频率的谐振，所以频率和增益都得到了改善。这意味着：通过使用串联谐振补偿L-C并联谐振导致的Ω值的增加，带宽得到了拓展。

这里，由于等效电路中的阻抗变换器的C值可根据切口13的尺寸进行调整，所以，可以灵活地调整与中心频率相邻的串联谐振频率。可以不考虑匹配电路而根据需要的带宽调整工作带宽，并且可以通过加宽第一螺旋天线的面积来调整工作带宽。

同时，在具有如图5所示结构的天线中，可以通过将鞭状天线50穿过其中部插入第一螺旋天线13，在该结构的下部形成一个触点，改变谐振特性，从而获得所希望的频率和增益。

通过向固定结构中插入鞭状天线50并与在此所插入的第一螺旋天线15形成切口来改变谐振特性的原因在于：因为鞭状天线50和螺旋天线同时得到馈电，所以导致鞭状天线50和螺旋天线之间的耦合效应，所以，通过影响阻抗变换器的串联谐振特性和螺旋单元的并联谐振特性，从而导致Ω值的减小。

根据与螺旋天线电连接的鞭状天线的位置，增益的比较如下所示：

1、当鞭状天线从螺旋天线伸出时根据频率的增益比较

2、当鞭状天线缩回螺旋天线时根据频率的增益比较

因此，可以通过只改变固定结构而不改变天线，并且通过使用串联谐振补偿单极天线和偶极天线的通用特性的并联谐振，扩展天线的频带。

实际上，串联电感效应的增加意味着在固定结构和螺旋天线之间产生的串联电容效应的降低。

在通常的天线中，当其工作频带被扩展时，其增益降低，而当其工作频带变窄时，其增益提高。相比之下，本发明的天线在效果上明显不同于传统的天线，当其频带变宽时，其增益增加，当其频带变窄时，其增益降低。

同时，图10a是根据本发明的多频带天线的另一种结构的截面图，其通过将第二螺旋天线单元40置于绝缘体单元20中而形成，该第二螺旋天线单元一端接到圆盘17，另一端悬空。防止覆盖单元进入并填充内部空间的绝缘体单元20的下部向外凸出，其原因在于：第一螺旋天线单元15和第二螺旋天线单元40位于其中，要防止它们相互接触。

同时，可以在位于第一螺旋天线单元15内的第二螺旋天线单元30的周围形成用绝缘体单元制成的附加涂层。这种情况下，该涂层能够可靠地防止第一螺旋天线单元15和第二螺旋天线单元30相互接触。

根据本发明的实施例，如图10b所示通过将第二螺旋天线单元40置入第一螺旋天线单元15内来形成双频带的天线的作用和效果是，当VSWR小于等于2时，如图11a和11b所示，天线在800-900MHz频带中有230MHz的带宽，在1800-1900MHz中有250MHz的带宽。

此时，如图10c所示，在第二螺旋天线单元40置于第一螺旋天线单元15内、而鞭状天线50穿过第二螺旋天线单元40的结构中，根据与螺旋天线电连接的鞭状天线的位置，增益比较如下：

1、当鞭状天线从螺旋天线伸出时根据频率的增益比较

2、当鞭状天线缩回螺旋天线时根据频率的增益比较

因此，可以这样理解：相比只有第一螺旋天线单元的情况，具有根据本发明实施例的结构的天线，其带宽得到了改善。可以通过只改变固定结构而不改变天线并且用串联谐振补偿单极天线和偶极天线的通用特征的并联谐振，扩展天线的频带。

根据本发明实施例，如图10d所示将鞭状天线单元50穿过镶嵌模塑的覆盖单元30的中部、并将第三螺旋天线单元60置入鞭状天线的上部来形成三频带的天线的作用和效果是，当VSWR小于等于2时，天线在800-900MHz频带中有140MHz的带宽，在1800-1900MHz频带和1885-2200MHz频带中有700MHz的带宽。

此时，根据与螺旋天线电连接的鞭状天线的位置，增益的比较如下所示：

1、当鞭状天线从螺旋天线伸出时根据频率的增益比较

2、当鞭状天线缩回螺旋天线时根据频率的增益比较

因此，可以这样理解：相比通常形成三频带的天线，如上述的形成单频带和双频带的天线，具有根据本发明另一实施例的结构的天线的带宽得到了改善。可以通过只改变固定结构而不改变天线并且用串联谐振补偿单极天线和偶极天线的通用特征的并联谐振，扩展天线的频带。

同时，也可以使用产生三频带的天线，通过调整切口的大小和形状，产生单频带和双频带。由于本发明通过改变结构的切口，将并联谐振转换为串联谐振，所以，通常在中心频率并联谐振的特定天线获取的工作频率范围是现有天线的两至三倍，并且，其增益也得到了提高。

根据本发明的多频段天线及其制造方法，在螺旋天线单元和连接器之间整体地形成一个具有一个形成阻抗变压器的特定切口的连接元件14。安装一个环绕螺旋天线和连接元件的内部和外部的绝缘体，在绝缘体中另外安装螺旋天线和鞭状天线。在本发明中改善了传统天线结构的不平衡问题，并满足不同频率。加强了天线的效率。可以快速处理由于天线服务环境的改变而导致的中心频率的移动。

Claims

1.一种制造多频段天线的方法，包括：

第一步骤，其中，通过在具有特定长度和特定直径的圆柱形金属杆的外表面刻上螺纹，形成一个连接器，并且，在所述金属杆的上部中形成一个中空的处理部分；

第二步骤，其中，在所述中空的处理部分和所述连接器之间形成一个连接元件，以使所述连接元件将所述中空的处理部分和所述连接器连接在一起，并且，所述连接元件有一个切口充当阻抗变换器；

第三步骤，其中，从该连接元件的一端、与在该连接元件中形成的该切口相距一定间隔处开始，形成第一螺旋天线，其中，所述第一螺旋天线是在所述连接元件连接所述中空的处理部分一侧对所述中空的处理部分进行加工而形成的；

第四步骤，其中，提供第一绝缘体，所述第一绝缘体被置入所述第一螺旋天线内，形成为中空，并从具有切口的所述连接元件和所述第一螺旋天线露出，以环绕所述连接元件；

将第二螺旋天线安装到所述第一螺旋天线的内侧，第二螺旋天线与第一螺旋天线是不相接触的，第一螺旋天线同轴地包绕着第二螺旋天线；以及

第五步骤，其中，将覆盖单元镶嵌模塑在所述第一螺旋天线的外表面上。

2.一种制造多频段天线的方法，包括：

第二步骤，其中，通过加工所述中空的处理部分而形成第一螺旋天线；

第三步骤，其中，在所述第一螺旋天线和所述连接器之间形成一个连接元件，以使所述连接元件将所述第一螺旋天线和所述连接器连接在一起，并且，所述连接元件有一个切口充当阻抗变换器；其中，第一螺旋天线是从该连接元件的一端、与在该连接元件中形成的该切口相距一定间隔处开始形成的；

3.如权利要求1或2所述的方法，还包括一个步骤，其中，在所述第五步骤之后，安装一个穿过所述第二螺旋天线的中心的鞭状天线。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中，安装在所述第一螺旋天线内侧的所述第二螺旋天线的外表面上涂有第二绝缘体。

5.如权利要求1或2所述的方法，还包括一个步骤，其中，在所述第五步骤之后，安装一个鞭状天线，使其穿过所述第一螺旋天线的中心。

6.如权利要求5所述的方法，其中，在所述鞭状天线的一端上安装第三螺旋天线。

7.如权利要求1或2所述的方法，其中，通过所述镶嵌模塑方法形成的所述覆盖单元被制造成帽子形状。

8.如权利要求1或2所述的方法，其中，通过调整切口的大小来调整可用频率范围。

9.一种多频段天线，包括：

一个连接器，在其外表面上具有螺纹；

一个圆盘，形成在该连接器的上表面上；

一个连接元件，其一端连接到该圆盘的上表面并具有一个形成阻抗变换器的切口；

第一螺旋天线，形成在该连接元件的另一端上，其中，基于圆柱形金属杆的切割过程整体地形成所述第一螺旋天线；

一个绝缘体，所述绝缘体被置入所述第一螺旋天线内，形成为中空，并从具有切口的所述连接元件和所述第一螺旋天线露出，以环绕所述连接元件；以及

一个覆盖单元，镶嵌模塑在所述第一螺旋天线的外表面上，

其中，所述连接元件在所述第一螺旋天线和所述圆盘之间形成一个切口，同时将所述第一螺旋天线和所述圆盘电连接在一起；

还包括第二螺旋天线，其一端接到所述圆盘，其另一端是自由端，并且其安装在所述第一螺旋天线的内侧，第二螺旋天线与第一螺旋天线是不相接触的，第一螺旋天线同轴地包绕着第二螺旋天线。

10.如权利要求9所述的多频段天线，还包括穿过所述第二螺旋天线的中心的一个鞭状天线。

11.如权利要求9所述的多频段天线，还包括穿过所述第一螺旋天线的中心的一个鞭状天线。

12.如权利要求10所述的多频段天线，还包括形成在所述鞭状天线一端的第三螺旋天线。

13.如权利要求9所述的多频段天线，其中，用绝缘体制成的涂层形成在所述第二螺旋天线的外表面上。

14.如权利要求9所述的多频段天线，其中，所述第一螺旋天线具有圆环形的横截面。