CN1925217A - 无同轴电缆的四线式螺旋天线结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无同轴电缆的四线式螺旋天线结构，包括一由介电材料制成柱状体；四片辐射金属片，各个辐射金属片的一端布设在柱状体的一端表面，由其中心分别沿径向延伸，延伸至柱状体的周缘后，再于柱状体的圆周表面，依螺旋状路径，沿轴向延伸至柱状体另一端的周缘，在柱状体一端的表面上，每二个相邻辐射金属片的相面对端彼此连接，以形成两组天线结构；一电路板，固设在邻近柱状体的端面位置处，其一侧面设有一接地面，另一侧面设有一阻抗匹配电路。通过本发明不需在柱状体的中心位置嵌入一相当于同轴电缆的零件，大幅度降低了生产工艺及成本，便于对其进行阻抗匹配及调整，以制作出所需的天线。

Description

无同轴电缆的四线式螺旋天线结构

技术领域

本发明涉及天线结构，特别涉及一种无需嵌入一相当于同轴电缆的零件，可大幅降低生产成本，便于对其进行阻抗匹配及调整的四线式螺旋天线结构。

背景技术

传统上，用于接收卫星信号的天线，一般均设计成立体螺旋状结构，即其天线的辐射金属片以螺旋状路径沿着同一轴线延伸，形成三度空间的一立体天线，如英国第2,258,776号专利中所揭示，即属此类立体天线的结构，该专利将多片辐射金属片安排成围绕着同一轴线，以螺旋状路径延伸，形成多线式螺旋天线的立体状结构，由于此种立体天线对于直接来自其上方的圆极化信号(Circularly Polarized Signals)，具有较佳的接收能力，因此经常被作为全球定位系统(GPS：Global Positioning System)上的天线，用于接收从卫星群传来的坐标定位信号；此外，这种天线的立体状结构也令其适合作为一全方向天线(Omniz-Directional Antenna)，以接收垂直及水平极化信号(Vertically and Horizontally Polarized Signals)；此种立体天线的缺点在于，其结构在某些应用上不够坚实，且不易在不影响其性能的情形下，对其进行修正调校。

鉴于此种多线式螺旋天线的缺点，许多设计在恶劣天候下用于接收卫星信号的天线，采用微带天线(Patch Antenna)，如：飞机机身外所使用的天线，这种微带天线将呈薄板状的辐射金属片贴附在飞机机身的绝缘材料上，然而，这种微带天线在飞机以低角度上升的过程中，具有较低的增益值(Gain)，为克服此缺陷，在飞机机身的各个不同角度位置，设置了多个不同的微带天线，并令各所述微带天线的馈入端连接至同一接收装置，以接收上方的卫星信号。然而，由于实现此技术所需的微带天线数量较多，且将各所述微带天线接收的信号整合在一起的困难度相当高，其费用非常昂贵。

为了解决上述问题，Leisten分别申请并获准了编号为6,369,776、6424316及6,552,693等多项美国专利，其中上述专利有效缩小了传统四线式天线(Quadri-Filar Antenna)的尺寸，为一新颖的四线式天线结构，如图1所示，该天线具有一由陶瓷材料制成的柱状体12，邻近该柱状体12一端的圆周表面，沿轴向布设有四片以螺旋状路径延伸的天线组件10A、10B、10C及10D，各个天线组件10A、10B、10C及10D呈金属片体状，该柱状体12中心沿其轴向设有一贯穿孔14，该贯穿孔14内壁披覆有一金属薄层16(Metallic Lining)，并内嵌入有一绝缘体17，该绝缘体17的中央轴设有一馈入针18(axial feederconductor)，该馈入针18与金属薄层16形成了一馈入结构(Feeder Structure)，令一信号接收器(图中未示)的馈入线可通过该馈入结构与所述天线组件10A、10B、10C及10D相连接。该天线结构还包括布设在柱状体12一端表面的径向天线组件(Radial Antenna Element)10AR、10BR、10CR及10DR，各所述径向天线组件10AR、10BR、10CR及10DR也呈金属片体状，分别与对应天线组件10A、10B、10C及10D的一端相连接，令所述天线组件10A、10B、10C及10D的一端分别与馈入结构相连接，邻近柱状体12另一端的圆周表面，则布设有一共同接地导体(Common Grounding Conductor)20，该共同接地导体20呈套环般，嵌套在柱状体12另一端的圆周表面12D，其一端与所述天线组件10A、10B、10C及10D的另一端相连接；其另一端则延伸至柱状体12的另一端表面，形成Sleeve Balun(套筒式平衡-不平衡转换器)，并与金属薄层16相连接。如图1所示，在这种天线结构中，各天线组件10A、10B、10C及10D具有不同的长度及形状，其中二天线组件10B及10D以蜿蜒状路径(MeanderingCourse)沿柱状体12的圆周表面12D呈螺旋状延伸，故其长度比其它以直线路径沿柱状体12的圆周表面呈螺旋状延伸的二天线组件10A及10C长。

从Leisten所发表的文献中得知，上述四线式天线利用具有高相对介电常数(ε_r＝36)的陶瓷材料为基体，电气长度为二分之一圈且二分之一波长的四片螺旋天线组件10A、10B、10C及10D，这样，可大幅缩小传统四线式天线的整个尺寸，但其工艺较为繁杂，必需经过镀铜、曝光、刻蚀、激光修边等程序，尤其是套筒式平衡-不平衡转换器Sleeve Balun高度必须控制在数微米内，以达到消除不平衡电流的效果，进而大幅增加了制作工时、人力及成本。

为简化Leisten专利的工艺，设计了一恰可嵌入上述贯穿孔14的同轴电缆，且令其能达到所需的匹配阻抗，该同轴电缆上相当于该金属薄层16的金属遮蔽层还需依特殊规格进行加工制造，这样每支短短数公分的同轴电缆，其成本竟高达约3～4美元，针对不同规格的天线设计及需求，需重新设计制作不同的同轴电缆，因此，不易对天线进行阻抗匹配及调整，而其制作成本，也因该同轴电缆的昂贵成本，无法被有效降低。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种无同轴电缆的四线式螺旋天线结构，可有效简化工艺，减少工艺所需的时间及人力，大幅度降低其生产成本，并达到便于对其阻抗匹配进行设计及调整的目的。

本发明提供一种无同轴电缆的四线式螺旋天线结构，该四线式螺旋天线结构包括：

一柱状体，由介电材料制成；

四片辐射金属片，各个所述辐射金属片的一端布设在所述柱状体的一端表面，由所述柱状体的中心分别沿径向延伸，延伸至所述柱状体的周缘后，再于所述柱状体的圆周表面，依螺旋状路径，沿轴向延伸至所述柱状体另一端的周缘，在所述柱状体一端的表面上，每二个相邻辐射金属片的相面对端彼此连接，以形成两组天线结构；

一电路板，固设在邻近所述柱状体的端面位置处，其一侧面设有一接地面，该接地面与一组天线电连接，其另一侧面设有一阻抗匹配电路，该阻抗匹配电路的一端与另一组天线电连接，所述阻抗匹配电路的另一端作为天线的信号馈入端。

如此形成的天线，不仅不需Balun(平衡-不平衡转换器)，也不需在该柱状体的中心位置嵌入一相当于同轴电缆的零件，仅利用围绕该柱状体达约四分之一波长的奇数倍电气长度的四片辐射金属片，即可接收卫星信号，不但大幅度降低了生产成本，而且便于对阻抗匹配电路进行设计及调整，以制作出所需的天线。

还包括一连结组件，用于将所述柱状体与电路板连接在一起，使所述柱状体上的所述二组天线结构分别与所述电路板上的接地面及阻抗匹配电路电连接。

所述连结组件包括：

一绝缘材料；

二相互绝缘的第1电接点和第2电接点，设于所述绝缘材料的一端，所述第1电接点和第2电接点通过焊接方式分别与所述柱状体的一端表面布设的二组天线呈形体及电连接；

二相互绝缘的第3电接点和第4电接点，设于所述绝缘材料的另一端，所述第3电接点和第4电接点通过焊接方式分别与所述电路板上布设的接地面及阻抗匹配电路呈形体及电连接；

所述第1、第2电接点与所述第3、第4电接点之间分别通过二对应独立的路径电连接。

所述连结组件还包括：

一第一定位结构，由所述绝缘材料的一端延伸而成，用于套设固定在所述柱状体的一端；

一第二定位结构，由所述绝缘材料的另一端延伸而成，用于夹持固定在所述电路板的端缘，使得所述柱状体与电路板更稳固地连接在一起。

至少一所述辐射金属片以蜿蜒状路径从所述柱状体的一端周缘沿柱状体的圆周表面呈螺旋状延伸，当延伸至所述柱状体另一端的周缘时，恰围绕所述柱状体约四分之一波长的奇数倍的电气长度。

至少一所述辐射金属片以直线状路径从所述柱状体一端的周缘沿所述柱状体的圆周表面呈螺旋状延伸，当延伸至所述柱状体另一端的周缘时，恰围绕所述柱状体约四分之一波长奇数倍的电气长度。

所述阻抗匹配电路为一L型匹配电路、一π型匹配电路、一T型匹配电路或二级以上的各所述匹配电路。

所述介电材料为一陶瓷材料。

所述介电材料为一高分子材料。

所述介电材料的相对介电常数大于4。

通过本发明有效地简化了工艺，减少工艺所需的时间及人力，大幅度降低其生产成本，便于对其阻抗匹配进行设计及调整。

附图说明

图1为Leisten美国专利的四线式螺旋天线结构的立体示意图；

图2为本发明的一较佳实施例中四线式螺旋天线结构的立体示意图；

图3为图2的四线式螺旋天线结构的剖面示意图；

图4为本发明的另一较佳实施例中四线式螺旋天线结构的立体示意图；

图5a至图5f为本发明的阻抗匹配电路示意图；

图6为本发明对图2的四线式螺旋天线的柱状体进行实测的示意图；

图7a为设有第一种阻抗匹配电路的四线式螺旋天线的等效电路示意图；

图7b和7c为对图7a所示的四线式螺旋天线进行实测的结果示意图；

图8a为设有第二种阻抗匹配电路的四线式螺旋天线的等效电路示意图；

图8b和8c为对图8a所示的四线式螺旋天线进行实测的结果示意图。

【主要组件符号说明】

柱状体30、80        辐射金属片311、312、313、314

开孔32              电路板40

接地面41            阻抗匹配电路42

连结组件50                第1、2电接点51、52

第3、4电接点53、54        绝缘材料60

第一定位结构61            第二定位结构62

网络分析仪70

具体实施方式

本发明提供一种无同轴电缆的四线式螺旋天线结构，如图2及3所示，该四线式螺旋天线结构包括一由介电材料制成的柱状体30，该柱状体30的一端表面布设有四片辐射金属片311、312、313、314，各辐射金属片311、312、313、314由柱状体30的中心分别沿径向延伸，当延伸至其周缘后，再于该柱状体30的圆周表面，依螺旋状路径，沿轴向延伸至该柱状体30另一端周缘，在该柱状体30的一端表面上，每二相邻辐射金属片311及312、313及314的相面对端彼此连接，以形成两组天线结构。在本发明中，该柱状体30的介电材料的相对介电常数(relative delectric constant)大于4，可为一陶瓷材料或其它高分子材料，如：硅酸镁(magnesium-silicate)及锆酸锶(strontium-zirconate)的组合物，钛酸镁(magnesium-titanate)及钛酸钙(calcium-titanate)的组合物，钛酸钡(barium-titanate)、二氧化钛(titanium-dioxide)及氧化锡(tirn-oxide)的组合物，钛酸钡(barium-titanate)、钛酸钕(neodymium-titanate)及钛酸铋(bismuth-titanate)的组合物等材料，各个所述介电材料的相对介电常数分别约为8、20、40及98。各所述辐射金属片311、312、313及314的长度等于该天线在其共振频率(resonant fre-quency)时四分之一波长的奇数倍的电气长度，即等于n(λg/4)，其中n为一奇数(如：1，3，5，..)，λg为该天线在共振频率的波长。

本发明的柱状体30的另一端表面未布设任何接地金属片，如图2及图3所示，所述柱状体30的中心位置虽开设有一开孔32，但该开孔32内并未嵌设一同轴电缆或类似元件，开设所述开孔32的主要目的，是在该柱状体30表面制作辐射金属片311、312、313、314时可供治具(图中未示)夹持定位，便于以印刷方式将所述辐射金属片311、312、313、314，依螺旋状路径，披覆在柱状体30表面的预定位置上。因此，在本发明中，所述开孔32并非一必要的设计结构，若以其它方式可将所述辐射金属片311、312、313、314披覆在该柱状体30表面的预定位置上，则所述柱状体30的中心位置无需开设开孔32。

在本发明中，邻近所述柱状体30的端面位置处，连接固定有一电路板40，该电路板40的一侧面设有一接地面41，该接地面41与一组天线(由辐射金属片311及312形成的天线)电连接，该电路板40的另一侧面则设有一阻抗匹配电路42，该阻抗匹配电路42的一端与另一组天线(由辐射金属片313及314形成的天线)电连接，该阻抗匹配电路42的另一端则作为天线的信号馈入端。这样形成的天线，不仅不需Balun(平衡-不平衡转换器)，也不需在柱状体30的中心位置嵌入一同轴电缆，仅利用围绕该柱状体30达约四分之一波长的奇数倍电气长度的四片辐射金属片311、312、313、314，即可接收卫星信号，不但大幅度降低了生产成本，还便于对该阻抗匹配电路42进行设计及调整，以制作出所需的天线。

本发明中，为使所述柱状体30与电路板40稳固地连接在一起，特增设了一连结组件50，该连结组件50除可将柱状体30与电路板40连接在一起外，还可令柱状体30上的所述二组天线结构，分别与电路板40上的所述接地面41及阻抗匹配电路42电连接。在本发明的一最佳实施例中，如图2及图3所示，所述连结组件50包括一绝缘材料60，该绝缘材料60一端设有二相互绝缘的电接点，即第1电接点51、第2电接点52，该电接点51、52通过焊接方式分别与柱状体30的一端表面布设的二组天线(即由辐射金属片311及312、313及314形成的二组天线)结构呈形体及电连接；所述绝缘材料60的另一端则设有二相互绝缘的电接点，即第3电接点53、第4电接点54，该电接点53、54也通过焊接方式分别与该电路板40的二对应侧面上布设的接地面41及阻抗匹配电路42呈形体及电连接。在连结组件50中，所述第1、第2电接点51、52与第3、第4电接点53、54之间分别通过连结组件50中所设的二对应独立路径，呈电连接。

在本发明的另一最佳实施例中，如图4所示，所述连结组件50的二端还分别设有由绝缘材料60延伸形成的一第一定位结构61及一第二定位结构62，其中第一定位结构61用于套设固定在柱状体30的一端，第二定位结构62用于夹持固定在电路板40的端缘，使所述柱状体30与电路板40更稳固地连接在一起。

在上述实施例中，所述电路板40上所布设的阻抗匹配电路42，可视实际需求，选用各式阻抗匹配电路，如：图5a及5b所示的L型(L section)匹配电路、图5c及图5d所示的π型(πsection)匹配电路、图5e及图5f所示的T型(T section)匹配电路或二级以上(multisection)的上述匹配电路，其中C1、C2、L1及L2分别代表在实际需求下，进行阻抗匹配时所选用的电容及电感元件。发明人为验证本发明的可行性，特根据图2及图3所示的实施例，实作一设有四线式螺旋天线的柱状体30，并在GPS共振频率下，使用不同的阻抗匹配电路42，按照下列调校作业，达到该天线与系统间阻抗匹配的目标：

(1)首先，如图6所示，通过一网络分析仪70对柱状体80进行测量，以测量出该柱状体80在共振频率下的输入阻抗(Input Impedance)，并在正确校正所有的传输线损耗及相位差后，可得到其输入阻抗值；

(2)其次，针对所测量到的输入阻抗值，在与该柱状体80相连接的一电路板上设计一阻抗匹配电路，作为天线与系统间的阻抗匹配转换；本发明在实测过程中，特针对不同需求，设计出下列二种阻抗匹配电路：

(a)第一种阻抗匹配电路为一L型的阻抗匹配电路，其电路图如图7a所示，当将第一种阻抗匹配电路与柱状体80连接成一体，对其进行实测后，其结果将如图7b和图7c所示，在GPS的共振频率下，该匹配电路可顺利达到50欧姆(Ω)匹配的目标，如图7c所示，标点1：51.376欧姆、-6.3574欧姆、1.575819996十亿赫兹(GHz)；标点3：37.740欧姆、26.232欧姆、1.56607十亿赫兹；标点4：63.879欧姆、-35.014欧姆、1.58393十亿赫兹；如图7b中所示，标点1：-23.768分贝、1.575819996十亿赫兹(GHz)，其次，由图7b中所示，标点3：-9.9770分贝、1.56607十亿赫兹；标点4：-10.006分贝、1.58393十亿赫兹，可知，返回损失(Return Loss)在-10分贝(dB)时所得到的阻抗匹配频宽是在1.566～1.584十亿赫兹(GHz)间；

(b)第二种阻抗匹配电路为一二级L型的阻抗匹配电路，其电路图如图8a所示，以期获得较大的阻抗匹配频宽，当将第二种阻抗匹配电路与柱状体80连接成一体，对其进行实测后，其结果将如图8b和8c所示，在GPS的共振频率下，该匹配电路可顺利达到50欧姆(Ω)匹配的目标，如图8c所示，标点1：49.918欧姆、-6.1973欧姆、1.575059996十亿赫兹(GHz)；标点3：74.035欧姆、-30.059欧姆、1.56533十亿赫兹；标点4：27.104欧姆、-3.6650欧姆、1.58702十亿赫兹；如图8b中所示，标点1：-24.167分贝、1.575059996十亿赫兹(GHz)，其次，由图7b中所示，标点3：-10.357分贝、1.56533十亿赫兹；标点4：-10.443分贝、1.58702十亿赫兹，可知，返回损失(ReturnLoss)在-10分贝(dB)时所得到的阻抗匹配频宽，在1.565～1.587十亿赫兹(GHz)间，其阻抗匹配频宽显然比第一种阻抗匹配电路宽。

此外，在前述实施例中，如图2所示，所述四线式螺旋天线结构所包含的辐射金属片311、312、313、314中，至少一辐射金属片312、313以蜿蜒状路径，从柱状体30的一端周缘，沿该柱状体30的圆周表面，呈螺旋状延伸，当延伸至该柱状体30的另一端周缘时，恰围绕该柱状体30达约四分之一波长的奇数倍的电气长度；所述四线式螺旋天线结构所包含的辐射金属片311、312、313、314中，至少一辐射金属片311、314以直线状路径，从柱状体30的一端周缘，沿该柱状体30的圆周表面，呈螺旋状延伸，当延伸至该柱状体30的另一端周缘时，恰围绕该柱状体30达约四分之一波长的奇数倍的电气长度。

因此，根据本发明的四线式螺旋天线结构，可省略前述Leisten专利中所谓的Balun(平衡-不平衡转换器)结构及相当于同轴电缆的馈入结构，不仅有效地缩小了整个四线式螺旋天线结构的体积，而且其结构设计简单，各辐射金属片可直接以网板印刷方式贴附于该柱状体上，无需经过镀铜、曝光、刻蚀、激光修边等繁杂的工艺，即可制作出所需的四线式螺旋天线结构，大幅度降低了制作所需的工时、人力及成本，并达到了通过阻抗匹配电路对其阻抗匹配进行设计及调整的目标。

以上具体实施例仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

Claims (10)

1、一种无同轴电缆的四线式螺旋天线结构，其特征在于，包括：

一柱状体，由介电材料制成；

四片辐射金属片，各个所述辐射金属片的一端布设在所述柱状体的一端表面，由所述柱状体的中心分别沿径向延伸，延伸至所述柱状体的周缘后，再于所述柱状体的圆周表面，依螺旋状路径，沿轴向延伸至所述柱状体另一端的周缘，在所述柱状体一端的表面上，每二个相邻辐射金属片的相面对端彼此连接，以形成两组天线结构；

一电路板，固设在邻近所述柱状体的端面位置处，其一侧面设有一接地面，该接地面与一组天线电连接，其另一侧面设有一阻抗匹配电路，该阻抗匹配电路的一端与另一组天线电连接，所述阻抗匹配电路的另一端作为天线的信号馈入端。

2、如权利要求1所述的无同轴电缆的四线式螺旋天线结构，其特征在于，还包括一连结组件，用于将所述柱状体与电路板连接在一起，使所述柱状体上的所述二组天线结构分别与所述电路板上的接地面及阻抗匹配电路电连接。

3、如权利要求2所述的无同轴电缆的四线式螺旋天线结构，其特征在于，所述连结组件包括：

一绝缘材料；

二相互绝缘的第1电接点和第2电接点，设于所述绝缘材料的一端，所述第1电接点和第2电接点通过焊接方式分别与所述柱状体的一端表面布设的二组天线呈形体及电连接；

二相互绝缘的第3电接点和第4电接点，设于所述绝缘材料的另一端，所述第3电接点和第4电接点通过焊接方式分别与所述电路板上布设的接地面及阻抗匹配电路呈形体及电连接；

所述第1、第2电接点与所述第3、第4电接点之间分别通过二对应独立的路径电连接。

4、如权利要求3所述的无同轴电缆的四线式螺旋天线结构，其特征在于，所述连结组件还包括：

一第一定位结构，由所述绝缘材料的一端延伸而成，用于套设固定在所述柱状体的一端；

一第二定位结构，由所述绝缘材料的另一端延伸而成，用于夹持固定在所述电路板的端缘。

5、如权利要求1至4中任意一项所述的无同轴电缆的四线式螺旋天线结构，其特征在于，至少一所述辐射金属片以蜿蜒状路径从所述柱状体的一端周缘沿柱状体的圆周表面呈螺旋状延伸，当延伸至所述柱状体另一端的周缘时，恰围绕所述柱状体约四分之一波长的奇数倍的电气长度。

6、如权利要求1至4中任意一项所述的无同轴电缆的四线式螺旋天线结构，其特征在于，至少一所述辐射金属片以直线状路径从所述柱状体一端的周缘沿所述柱状体的圆周表面呈螺旋状延伸，当延伸至所述柱状体另一端的周缘时，恰围绕所述柱状体约四分之一波长奇数倍的电气长度。

7、如权利要求1至4中任意一项所述的无同轴电缆的四线式螺旋天线结构，其特征在于，所述阻抗匹配电路为一L型匹配电路、一π型匹配电路、一T型匹配电路或二级以上的各所述匹配电路。

8、如权利要求1至4中任意一项所述的无同轴电缆的四线式螺旋天线结构，其特征在于，所述介电材料为一陶瓷材料。

9、如权利要求1至4中任意一项所述的无同轴电缆的四线式螺旋天线结构，其特征在于，所述介电材料为一高分子材料。

10、如权利要求1所述的无同轴电缆的四线式螺旋天线结构，其特征在于，所述介电材料的相对介电常数大于4。

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