TW201301654A

TW201301654A - 介電負載天線

Info

Publication number: TW201301654A
Application number: TW101118034A
Authority: TW
Inventors: Oliver Paul Leisten
Original assignee: Sarantel Ltd
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2013-01-01
Also published as: GB2491240A; GB201208683D0; BR112013030091A2; GB2491240B; GB201109000D0; US20120299798A1; WO2012160353A1

Abstract

本發明是有關於一種以高於200 MHz之一第一頻率及一第二頻率運作，且具圓形極化輻射的介電負載天線。該天線包含：一以相對介電常數大於五的固態材質構成之電氣絕緣介電核心，及一連結至一對饋電耦合節點之三維天線元件結構。該天線元件結構可分為一遠段、及一近段，分別包含一位於或鄰近核心側面部之一遠端部分的第一組長導體、及一位於或鄰近核心側面部之近端部分的第二組長導體，且其中該第一組導體是在該第一運作頻率共振，而該第二組導體是在該第二運作頻率共振。

Description

介電負載天線

本發明是有關於一種用以在超過200MHz頻率運作的介電負載天線，且主要是指供以圓形極化電磁輻射來運作的多臂(線)螺旋天線，但不限於此。

英國專利申請案第2292638A、2310543A、與2367429A號、以及國際申請案第WO2006/136809號等案揭露了一種介電負載的四臂螺旋天線。這類天線主要是用於接收來自全球導航衛星系統(GNSS)的圓形極化信號，例如來自全球定位系統(GPS)衛星族系之衛星的圓形極化信號，以供定位與導航之用。在L1波段及對應的伽利略服務中的GPS是窄頻帶服務。其他基於衛星的服務需要比以往天線可得者有更大部分頻寬(fractional bandwidth)的接收或發射設備。英國專利申請案第2424521A號一案揭露了一種能提供增加頻寬的天線。

英國專利申請案第2445478A號一案揭露了一種相關的天線。該案揭露了六臂與八臂的天線，相對於一種相當的四臂天線能提供較大頻寬及/或更高增益。英國專利申請案第2468582號一案揭露了一種具有十個共延螺旋元件的雙頻天線。部分的元件較其他的元件為長，以定義出兩個圓極化共振，用於例如涵蓋TerreStar(註冊商標)S頻段衛星電話服務之上傳與下傳頻段。

本發明之目的在於提供一種具有複數圓形極化共振的多功能天線。

依據本發明，提供一種介電負載天線，其以高於200 MHz之一第一頻率及一第二頻率運作且具圓形極化輻射；其中，該天線包含：一電氣絕緣介電核心，為固態材質且具有大於5的相對介電常數，該核心具有一個外表面，該外表面具有側面部、近端面部及遠端面部，該核心的材質填滿由該核心之外表面所定義的內部空間的主要部分；一對饋電耦合節點；及一個三維天線元件結構，連結至該等饋電耦合節點，並包括數個位於或鄰近於該側面部繞該核心分佈的長導電天線元件；其中，該天線元件結構分為一遠段、及一近段，分別包含一位於或鄰近於該核心的側面部之遠端部分的第一組長導體、及一位於或鄰近於該核心的側面部之近端部分的第二組長導體，且其中，該第一組導體是在該第一運作頻率共振，而該第二組導體是在該第二運作頻率共振。較佳地，該天線元件結構還包含一個包圍該核心的導電中介環。該環可位於該第一及第二組長導體之間，其中一組導體連結該等饋電耦合節點及該中介環，另外一組是於該等饋電耦合節點的相反面從該中介環延伸至開路或閉路端。

更佳地，在該等饋電耦合節點與該組長導體之間設置一個單極或雙極匹配網路。通常，每一組長導體中的個別導體是各自連接於該中介環。

較好的天線為背射天線，且該等饋電耦合節點位於該核心之遠端面部。作為首選的，為自該導電中介環朝遠離該等饋電耦合節點延伸的該組長導體，是止於與和該等饋電耦合節點相關聯者相對地居於該核心的端面部上之一個導電第二環之環形邊緣上。

就具有一個含有一延伸穿過該核心之傳輸線的饋電結構之一背射天線而言，該導電第二環是由一個導電套形成，該導電套在該核心的近端面部連接於傳輸線段，從而形成一個能將該近端面部的不平衡電流轉換為該遠端面部的平衡電流之巴倫套(sleeve balun)。

更好地，該導電中介環定義出一個環形導電路徑，其電氣長度為連接於該等饋電耦合節點的該組長導體之共振頻率的一個波長長度。相似地，該導電第二環也定義出一個導電路徑，其電氣長度為另一組長導體之共振頻率的一個波長長度。

如此，該天線定義出至少兩個與圓形極化相關聯之共振模式。電流流經該第一組導體且由流經該中介環的相關聯邊緣之電流予以相位化時，即會引發第一共振模式。第二共振模式是由該第二組長導體中激發的電流所定義，其電流之相位化是由流經該導電第二環之環形邊緣的電流所驅動。該等共振模式分別出現於不同頻率，分別由個別的導體組中的元件長度，及個別的環形導電路徑的電氣長度所定義。通常，該中介環所提供的環形導電路徑的電氣長度，是小於該導電第二環所提供的環形導電路徑的電氣長度，以致連結該等饋電耦合節點及該中介環之元件所產生的共振頻率，會高於位在該中介環及該導電第二環間的元件所關聯的共振頻率。

較佳的天線中，該核心在近端部及遠端部間具有大致恆定的橫截面，最好是圓柱形，而該第一組及第二組長導體呈螺旋形，例如以印刷軌跡成形於該核心的圓柱形側面部上。

當運作頻率的頻率間隔大於運作頻率平均值的百分之三時，本發明所述天線的效能較英國專利第GB 2468582A號所揭示者還好。該頻率間隔小於該第一及第二運作頻率之平均值的百分之五十也是首選。所述天線於所需頻率間隔大於平均值的百分之五或小於百分之十五時，更是有用。

雖然在較佳實施例中，該導電中介環及該導電第二環是連續導體，但在本發明之範圍內，兩者之一或兩者皆有可能由導電元件及電容之組合所形成，且該等電容是在一個於適切運作頻率可提供一個完整導電迴路的值。

圖式簡單說明

本發明現在將以舉例方式參考圖式作描述，其中：第1圖是一依據本發明之天線的透視圖；第2圖是第1圖之天線的一個饋電結構之一軸向橫截面；第3A圖及第3B圖是第1圖之天線的側視圖，第3A圖為實際的側面視圖，第3B圖為修正的側面視圖，其天線核心材質被移除以使軸向饋電線及位於天線後表面之螺旋天線元件可見，因該軸向饋電線及該等螺旋天線元件二者從側面視之時本會被核心材質所遮蔽；第4圖是第2圖所示之饋電結構的細部圖，顯示它的一個自一饋電傳輸線之遠端部拆離的層壓板；第5A圖、第5B圖及第5C圖分別是顯示饋電結構之層壓板的三個導電層的導體圖案的圖面；第6圖是一等效電路圖；第7圖是繪示第1圖之天線的介入損失(S₁₁)頻率響應的示意圖；第8圖是一替代饋電結構的細節圖；第9A圖及第9B圖分別是顯示第8圖所示替代饋電結構之層壓板的二個導電層的導體圖案之圖面；及第10圖是另一等效電路圖。

參閱第1、2、3A、及3B圖，依據本發明的一個雙頻多臂螺旋天線具有一個天線元件結構，其具有一第一組之十個長天線元件10A、10B、10C、10D、10E、10F、10G、10H、10I、10J，是成十個軸向共延伸的螺旋導電軌跡10A-10J分別鍍於或金屬化於一個圓柱核心12的圓柱外側面部之遠端部上的形式。這些天線元件10A~10J各自是長度大致相同的半圈螺旋元件，並共同延伸於該核心的軸向。在該核心12的圓柱外側面部之近端部上，該天線元件結構具有一第二組十個長天線元件，參閱第1、3A及3B圖，這些元件14A、14B、14C、14D、14E、14F、14G、14H、14I、14J也是成十個軸向共延伸的螺旋導電軌跡14A-14J之形式，且同樣分別鍍於或金屬化於該核心的側面部上。

該核心12是以陶瓷材質製成。在此例中，是相對介電常數約26左右的鈦酸鈣鎂材質。這種材質是以其在溫度變化時之尺寸及電氣的穩定性著稱，且具有低介電損耗。本實施例旨在能於約1550MHz及1650MHz運作，該核心12的直徑為14mm。該核心12的長度為33mm，雖遠大於直徑，但在本發明其他實施例中可予縮短。該核心12是壓製而成，但也可以擠壓程序製作，然後受烘烤。

本較佳天線是背射螺旋天線，其具有一個同軸傳輸線段，是容設在自該核心12的一遠端面12D至一近端面12P貫穿該核心12的軸向孔內。該遠端面12D及近端面12P是平面狀且垂直於該核心12之中央軸，本實施例中其為相反兩面，其中一面朝向遠端而另一面朝向近端。該同軸傳輸線是容設於該孔中央的剛性同軸饋線，其外屏蔽導體與該孔壁相間隔，以有效地於該屏蔽導體及核心12材質間容存一介電層(此例中為空氣套筒)。參閱第2圖，該同軸傳輸饋線具有一個導電的管狀外屏蔽體16、一個第一管狀氣隙或絕緣層17、及一個被該絕緣層17隔絕於該屏蔽體的長條內導體18。屏蔽體16具有向外突出且一體形成的多個彈性柄16T或墊片，能使該屏蔽體16與孔壁相間隔。該屏蔽體16和該孔壁間有一個第二管狀氣隙。絕緣層17也可形成為塑膠套，例如可為位於該屏蔽體16及該孔壁間的層體。在該饋線底部的近端，如先前提到的第WO2006/136809號專利案所述，內導體18是以一個絕緣襯套(圖未示出)設於屏蔽體16的中央。

屏蔽體16、內導體18及絕緣層17的組合，構成一個有預定特性阻抗的傳輸線，此處阻抗為50歐姆，該傳輸線貫穿該天線核心12，以耦合該第一組的天線元件10A~10J之遠端到該天線所要連接的設備之射頻電路。該等天線元件10A~10J及該饋線間的耦合，是透過與螺旋軌跡10A~10J關聯之導電連接部達成，該等連接部是形成為鍍於該核心12的遠端面12D上之徑向軌跡10AR、10BR、10CR、10DR、10ER、10FR、10GR、10HR、10IR、10JR。每一連接部各自從個別螺旋軌跡的遠端，延伸至兩個弓形軌跡或弓形導體10AE、10FJ之一，其中弓形軌跡或弓形導體10AE、10FJ是鍍於鄰近該孔之末端的核心遠面12D上及形成饋電耦合節點。

該二弓形導體10AE、10FJ分別透過一個印刷電路板件19上之導體而與該屏蔽體16、內導體18耦合，該印刷電路板件19包含一個固設於該核心遠面12D上的層壓板，以下會再敘述其細節。該同軸傳輸饋線及印刷電路板件19在組裝入該核心12以前共同組成一個單一饋電結構，其相互關係可比較第1、2圖看出。

再次參考第2圖，該傳輸饋線的內導體18具有一個近端部18P，該近端部18P猶如一針腳自該核心12的近面12P突出，供連接至設備電路。相似地，在屏蔽體16之近端上的一體式凸耳(圖未示出)，突出超越核心近面12P，以連接設備電路接地端。

該第一組天線元件10A~10J的近端以窄環軌跡形狀的導電環互連，該導電環是設在核心12的圓柱側面部上之中間軸向位置處，並介於該第一組的元件10A~10J及該第二組的元件14A~14J間。該第一組的螺旋天線元件10A~10J是均勻間隔繞著核心12，且對核心軸線大致等角度地散佈在垂直於該核心12之軸心的任何給定平面。每一元件獨自地在一個別位置連接到導電中介環20的遠端緣20D。

相同地，該第二組的十個螺旋天線元件14A~14J也均勻地散佈於該核心12周圍；其具有和第一組元件相同的螺旋形，並各別連接於導電中介環20的近端緣20P。該第二組的每一螺旋元件14A~14J環繞該核心半圈，並個別連接於一個共同虛擬接地導體21，本實施例中該接地導體21是環形且成圍繞核心12的一近端部之一鍍設環套的形式。此環套21透過核心12之近端面12P的一個鍍設導電覆層22，而跟著連接於該饋線之屏蔽導體16。

該第一組的十個螺旋天線元件10A~10J構成五對：10A及10F、10B及10G、10C及10H、10D及10I、10E及10J，每一對的其中一個元件耦合到弓形導體中之一弓形導體10AE，每一對的另一個元件耦合到弓形導體中之另一弓形導體10FJ，因此分別耦合至傳輸饋線的內導體18及屏蔽體16。實際上，因此該等十個螺旋天線元件10A~10J可視為配置成10A~10E及10F~10J兩個五元件群組，其中10A~10E群組的所有元件與第一弓形導體10AE耦合，而10F~10J群組的所有元件與第二弓形導體10FJ耦合。因此，該二弓形導體構成把個別螺旋天線元件互連的第一及第二饋電耦合節點，並且透過形成於層壓板19上的匹配網路，提供使每一群組之元件通到傳輸饋線的導體之一或另一者的共同連接。

因為如第3A、3B圖所示，導電中介環20的遠端緣20D並非平面，所以第一組的該等十個螺旋天線元件10A~10J彼此長度不同，以協助產生元件間的電流相位級數，從而在共振時促發圓形極化。

該10A~10E群組元件的每一軌跡，具有對應位於徑向對面的另一10F~10J群組元件的軌跡。每一對徑向相對的軌跡形成具有約360°的有效電氣長度之一個別導電環圈的部分，每個導電環圈自其中一個饋電耦合節點，先經過一螺旋軌跡，再經由導電中介環20的遠端緣20D及另一軌跡，繼而延伸到另一個饋電耦合節點。每個環圈依照其電氣長度而具有各自的共振頻率。因此，長軌跡形成之環圈的共振頻率，會低於短軌跡形成之環圈的共振頻率。該第一組的螺旋天線元件10A~10J之軌跡間的電氣相位級數，會由呈360°的該環20之遠端緣20D所增強，或由天線之二運作頻率中之第一個下的單一導引波長所增強。在本實施例中，此第一個共振頻率為該二共振頻率中的較高者，且在此第一個共振頻率下會使環狀共振激發於該遠端緣20D上。因為由該第一組的螺旋天線元件10A~10J構成之相對成對軌跡所形成的每個導電環圈，搭配核心的遠面12D上之相關聯徑向導體10AR~10JR，且一起搭配該導電環20，其所具電氣長度大約為該第一運作頻率下之全波長，所以在該第一運作頻率時會以針對如上述先前專利案說明書提到的其他多臂天線已知之方式般地產生圓極化共振。

該第一組的螺旋元件10A~10J與該導電中介環20相配合，有效地為該第二組的螺旋元件14A~14J形成部分饋電流。就如前文就第一組螺旋元件所述的相同方式般，該第二組的螺旋元件14A~14J也可視為五對螺旋軌跡，每個軌跡於任何給定軸向位置處在該核心12的外表面徑向相對之處有一對應的軌跡。每個軌跡14A~14J連接於環套21的邊緣21U，因此每一對徑向相對的軌跡形成一個導電環圈，使該導電環圈的電氣長度約為360°，或為該天線較低之第二運作頻率下的全波長，該等螺旋元件14A~14J的長度對應地調整。該邊緣21U的電氣長度為該第二運作頻率下的全波長。於是，由於流經導電中介環20的電流所致激發作用，即會於第二運作頻率下產生出一個圓形極化共振，而個別螺旋元件14A~14J內之電流的相位化則由該邊緣21U的對應環狀共振予以加強。

如上所述，雖然其他天線可以採用半圈的整數倍(如2、3、4……)的元件，但本天線的每個螺旋元件10A~10J、14A~14J大致是採用該核心的半圈來實施。該導電環套21、核心之該近端面12P上的鍍層22、及饋線的外屏蔽體16一起相配合形成一個四分之一波巴倫，其使該天線在其運作頻率下運作時，提供了將輻射天線元件結構自該天線安裝時所連接的設備隔離的共模隔離作用。因此，該環套內的電流會侷限於該環套邊緣21U。於是在該運作頻率時，該環套21之邊緣21U及由該等螺旋元件所構成的該天線元件結構，形成一個連接於一個平衡饋電結構的網路。

如上所述，在本發明的較佳實施例中，該導電環20的邊緣20D及該環套21的邊緣21U之周長，與該天線在第一及第二運作頻率的個別導引波長相等。英國專利申請案第GB2346014A號中，詳細地敘述了增強由該等螺旋元件對的共振引發前述共振模式的前述效應。該環20及該環套21分別獨立於該等螺旋元件各自作用為一個共振結構。因此，具有等同於運作波長之電氣長度的個別環形導電路徑會以一環形模式共振。由該等螺旋元件對以及環形路徑20U所引起之共振模式的增強，可藉以下方式來體會：想像將一個波在各該螺旋元件及對應的邊緣的交界處注入到一個環體上，該波即會沿著環形邊緣傳播以形成一旋轉偶極，如GB2346014A一案中所述。由於該環形邊緣之電氣長度的緣故，當所注入之波沿著該環形路徑傳播並回到注入點時，下一個波從個別螺旋元件注入，因而增強了第一個波。此種建設性的波動結合是導因於該環形路徑的共振長度。

雖本發明此實施例的環套與鍍層因為它們同時提供了巴倫功能及環狀共振而致有利，但環狀共振也可藉由將該第二組的螺旋元件14A~14J連接於一個環形導體的方式來獨立達成，該環形導體是圍繞該核心12且於核心的外側面部上具有近邊緣與遠邊緣二者，而非如本實施例中採用將一個環套連接於饋電屏蔽導體16來形成開端式腔體的形式。如同導電中介環20的狀況，這樣的導體可能比較窄，只要它可構成寬度與形成螺旋元件14A~14J之導電軌跡的寬度相類似的環狀軌跡即可，且假如其具有與天線第二運作頻率下之導引波長相對應的電氣長度，仍可產生環狀共振來增強與由螺旋元件14A~14J及它們的交互連接所提供之環圈相關聯的共振模式。

位於核心的近端面12P上之環套2J與鍍層22，相配合扮演了防止由天線元件14A~14J到核心之近端面12P處的屏蔽導體16間電流流動的陷捕結構。

具有巴倫環套之介電負載多臂螺旋天線的操作，在前述英國專利申請案第GB2292638A及GB2310543A號中有更詳細的描述。

該饋電傳輸線除了單純作為具有50歐姆特徵阻抗的線以傳遞信號往來於該天線元件結構之外，還執行多個功能。首先如前所述，屏蔽體16結合該環套21，以在饋電結構與天線元件結構的連結點提供共模隔離。屏蔽導體介於(a)其連接於核心的近端面12P上的鍍層22處與(b)其連接於印刷電路板件19上之導體處間的長度，連同該軸向孔(即該饋電傳輸線穿設處)的尺寸，與填充屏蔽體16及孔壁間之空間的材質的介電常數，會讓在外表面之該屏蔽體16的電氣長度，至少約為該天線兩個所需共振模式頻率中之各頻率下的四分之一波長，使導電環套20、鍍層22及屏蔽體16的組合提升該饋電結構連結至天線元件結構處的平衡電流。

在此較佳天線中，有一絕緣層環繞該饋電結構的屏蔽體16。該絕緣層的介電常數小於核心12的介電常數，且為該較佳天線內的空氣層，能減少核心12對於屏蔽體16的電氣長度之影響，以及對於與屏蔽體16外側相關聯的任何縱向共振之影響。因為與所需運作頻率相關聯的該等共振模式，是以沿直徑地(即橫切過圓柱核心軸線地)延伸之電壓偶極為表徵，所以低介電常數環套對所需共振模式之效應，會因環套厚度至少在較佳實施例中遠小於核心的厚度，而相對較小。因此，這有可能使與屏蔽體16相關聯的線性共振模式，與想要的共振模式去耦合。

該天線具有大於500MHz之主要共振頻率，該等共振頻率是如前述由螺旋天線元件10A~10J、14A~14J的有效電氣長度所決定。對一給定共振頻率而言，該等元件的長度也和核心材質的相對介電常數有關，而本天線的尺寸實質上會相對於一個空氣心四臂天線而更為縮小。

本天線特別適合用於頻率介於1 GHz至3 GHz間的雙頻衛星通訊。此情況下，核心12的直徑約為14mm，而該等兩組螺旋元件10A~10J及14A~14J之組合的平均軸向長度(亦即平行於中心軸)約為29mm。導電環套20的長度通常在4mm範圍左右。該等螺旋元件10A~10J及14A~14的精確尺寸，可在設計階段依嘗試錯誤法，經由進行實驗優化直到獲得所需相位差而決定。它們的寬度通常約為1mm，如同導電中介環20。位於核心軸孔內的同軸傳輸線的直徑為2mm左右。

以下將更詳細描述饋電結構。如第2圖所示，該饋電結構包含：一個50歐姆同軸線16、17、18、以及連接於此線的遠端的印刷電路板件19之組合。在此例中，構成印刷電路板件19的層壓板，是一個平面多層的印刷電路板，其面對面接觸地平放抵住核心12的遠端面12D。如第1圖所示，印刷電路板件19的最大尺寸，是小於核心12的直徑，因此印刷電路板件19可完全擺入核心12的遠端面12D之周緣裡。

在此實施例中，印刷電路板件19是採圓盤的形式，其置中地安放在核心的遠面12D上。印刷電路板件19的直徑，使其能覆蓋核心遠面12D上所鍍之元件間弓形耦合導體10AE、10FJ。如第4圖所示，印刷電路板件19具有一個大致在中心的洞32，該洞32可供同軸饋電傳輸線的內導體18插設。三個偏離中心的洞34分別收納屏蔽體16的遠端凸耳16G。凸耳16G被彎折或偏轉以有助於相對於同軸饋電結構來安置印刷電路板件19。該等四個洞32、34皆被鍍通。此外，印刷電路板件19的外緣部19P也被鍍敷，鍍層延伸到板體的近面與遠面上。

印刷電路板件19包含：一個具有多個絕緣層及多個導電層的多層板。在此實施例中，該板具有兩個絕緣層：一個遠層36、及一個近層38。該板具有三個導電層：一個遠層40、一個中介層42、及一個近層44。如第4圖所示，中介導體層42是夾疊於該絕緣的遠層36及近層38間。如第5A-5C圖所示，每一導體層被蝕刻出個別的導體圖案。導體圖案延伸至印刷電路板件19的外緣部19P及被鍍通的洞32、34，即位於不同層之個別導體是分別藉由邊緣及洞的鍍層而互相連接。如顯示導體層40、42、44的導體圖案之圖面所示，中介層42具有一個呈扇形的第一導體區42C，該第一導體區 42C是從連至該內導體18(位於該洞32內)之一連接點處，徑向地朝天線元件10AR~10JR之徑向連接部方向延伸。直接位於該第一導體區42C下方之導電的該近層44，具有一個大致扇形區44C，從連接該饋電之屏蔽體16(收納於鍍通之該洞34內)處，往該板的外緣部19P延伸，而覆蓋於互相連接該等天線元件10AR~10ER徑向連接元件之局部環狀或弓形軌跡10AE上。以此方式，在饋電內導體18及饋電屏蔽體16間會形成一個並聯電容器，由絕緣的該近層38之材質作為電容器介電質。這種材料通常具有大於五的介電常數。

導電的中介層42的導體圖案具有一個第二導體區42L，是從饋電內導體18連接處往第二電鍍的外緣部19P延伸，而覆蓋於局部環狀或弓形軌跡10FJ上。於下方的該導體層44中並不具有對應的導電區域。中央的洞32與覆蓋於弓形軌跡10FJ上之電鍍的該外緣部19P之間的導體區42L，成為一個介於該饋電的內導體18與該等螺旋天線元件10F~10J群組其中之一之間的串聯電感。

當該印刷電路板件19及長饋電導體16~18的組合安裝於核心12上，讓印刷電路板件19的近面接觸核心12的遠面12D，並如前述對齊排列於該等弓形軌跡10AE和10FJ互連元件上時，在外緣部19P及位於下方之核心遠面12D上的軌跡之間即會產生連接，以形成一個具有並聯電容與串聯電感的電抗匹配電路。

印刷電路板件19之絕緣的近層，是由一種陶瓷承載塑膠材質所形成，以對於近層38產生10左右的一相對介電常數。絕緣的遠層36可由相同材質，或介電常數較低的材質例如FR-4環氧板所形成，其相對介電常數約為4.5。近層38的厚度遠小於遠層36的厚度。的確，遠層36可作為近層38的支撐體。

饋電線之導體16~18、印刷電路板件19及核心之遠端面12D上的導電軌跡間的連接，是透過焊接或黏上導電膠來達成。當內導體18的遠端被焊接於印刷電路板件19的該鍍通之洞32內，而屏蔽體的該等凸耳16G被焊接在個別的偏離中心之該等洞34內時，該等饋電之導體16~18與該印刷電路板件19相配合一起形成一個整體饋電結構。饋電之導體16~18及印刷電路板件19相配合形成一個具有一體匹配網路的整體饋電結構。

參閱第6圖，在此電路圖中以C及L來表示之並聯電容及串聯電感，形成一個位於同軸傳輸線48的遠端及在本電路圖中以一個次電路50顯示的輻射天線元件結構間的匹配網路。該並聯電容及該串聯電感一起相配合地匹配實體地具體實施為屏蔽體16、絕緣層17及內導體18的該同軸線，在以其近端連接於具有50歐姆之端點的無線電頻率(射頻)電路時所呈現的阻抗，此同軸線阻抗會匹配於該天線元件結構在其運作頻率時的阻抗。

如上所述，該饋電結構在被插入天線核心12以前組裝成一個單元，而印刷電路板件19的層壓板則被固接於同軸線之導體16~18。將該饋電結構成形為單一組件，把印刷電路板件19包括作為一整體部分，能實質地降低天線的組裝成本，這樣該饋電結構的引入可經由兩個動作來執行：(i)將該整體饋電結構滑入核心12的軸孔、及(ii)繞著屏蔽體16露出的近端部套上一個導電套或墊圈。該導電套可為屏蔽體16構件上的推壓套合組件，或是被皺縮於屏蔽體上。在將該饋電結構插入核心以前，最好在天線元件結構位於核心12的遠端面12D上、及緊鄰該軸孔個別端緣的鍍層22上之連接處施敷以焊接糊料。因此，在完成上述(i)和(ii)兩動作後，此組件就可通過迴焊箱，或送往其它焊接流程，例如雷射焊接、感應焊接或熱氣焊接等單一焊接步驟。

形成於(a)印刷電路板件19的層壓板之端緣和近面上之導體、與(b)核心的遠面12D上之金屬化導體之間的一些焊橋，以及該等導體本身之形狀，是組配成在該板正確定向於該核心上時接受迴焊期間，用於提供平衡的轉動彎月面力。

利用上述結構，就可能製造出雙頻圓形極化頻率響應，如第7圖的介入損失圖所示。該天線具有一個在較高共振頻率f₁的第一圓極共振，及一個在較低共振頻率f₂的第二圓極共振。在此實施例中，還有一個在中介頻率f₃的共振，但其為非輻射共振。本發明的此實施例中，f₁大約是1651MHz而f₂大約是1539MHz，皆為Inmarsat(註冊商標)衛星電話服務之雙頻帶的中央頻率。於此狀況中，這兩個中央頻率之頻率間隔f₂-f₁，大約是平均頻率的百分之七。於如上所描述及顯示的天線中，該天線具有一個相對於右旋圓極化波的主要上射型式。

在其他實施例中，該等螺旋元件的長度、與導電中介環以及巴倫套的圓周長，會隨著適用於不同衛星通訊或導航服務而改變。其他的變化包括：導電環及巴倫套邊緣偏離一個平面輪廓的程度。也可改變核心材質的相對介電常數，以及核心本身的尺寸。

一般而言，此發明適用在介於百分之三至二十的頻率間隔(相對於個別運作頻率之平均值而言)，且在大於百分之五時有獨特功效。其超越本案申請人的英國專利申請案第2468582A號中所示結構的主要優點是：螺旋元件分為兩組而於各自結構狀況中以個別的環形導電路徑互連螺旋元件10A~10J與14A~14J，而能提供不同頻率的環狀共振(分別對應於導電中介環20與環套21的環狀共振頻率)。一般說來，因與導電中介環20內的循環電流相關聯的電場侷限於核心之介電材質內的程度較小，導電中介環的環狀共振乃大於環套21邊緣所產生的共振。因此，相較於第二組螺旋元件14A~14J的共振頻率，較佳的天線顯現較高之與第一組螺旋元件10A~10J相關聯的共振頻率。

當未匹配之共振節點的匹配軌跡位點在阻抗史密斯圖(Smith chart)上不夠靠近時，一個雙極匹配網路為較佳。參考第8、9A、9B、和10圖，一種替代的饋電結構具有一個採雙面印刷電路板形式的印刷電路板件19，如前一個實施例般，面對面接觸地平放抵住核心的遠端面12D。如前述，該印刷電路板具有一個大致在中心且收容同軸饋電傳輸線之內導體的洞32，及三個偏離中心且收納屏蔽體16的遠端凸耳16G的洞34。如前述，該等四個洞32、34皆被鍍通，且該板邊緣的邊緣部19PA、19PB亦被電鍍，鍍層延伸至該板的近面及遠面二者上。

此種替代型印刷電路板件19具有雙面層壓板，該雙面層壓板有單一個絕緣層，及兩個圖案化導電層。本發明一些替代實施例中也可有額外的絕緣層和導電層。如第8圖所示，本實施例中，該二導電層包括：被絕緣層60隔開的一個遠層56及一個近層58。該絕緣層60是由FR-4玻璃強化環氧樹脂板製成。分別如第9A、9B圖所示，該遠層及該近層的導體層各被蝕刻出各自的導體圖案。在該導體圖案延伸至該層壓板的邊緣部19A、19B與該等鍍通之洞32、34之處，不同層中的個別導體是分別由邊緣的鍍層及該洞的鍍層予以相連。從顯示出導體層56、58的導體圖案之圖面中可看到，遠層的導電層56具有一個長導體軌跡56L1、56L2，該長導體軌跡56L1、56L1在內饋線內導體18容置於層壓板之中央洞32內時把該內導體18，連接到該板之第一個電鍍邊緣部19PA。該長導體軌跡分為兩部分：56L1及56L2，並因其相當狹長的形狀，而在該天線運作頻率下會構成電感。因為邊緣部19PA透過該等弓形軌跡之一軌跡10FJ，連接到核心遠端面12D上的一半該等徑向導體10FR~10JR(見第1圖)，所以該等電感是串聯在(i)內饋線內導體18與(ii)該第一組的五個螺旋元件10F~10J之間。在該層壓板上可得的空間，假如無法容納足夠長度之單一個軌跡56L1、56L以產生所需電感，該軌跡56L1、56L2可劃分為兩個平行軌跡部，也就是設一條縫於該等軌跡部56L1、56L2之間以產生更大的單位長度電感。

容置在層壓板的洞34內時，饋線屏蔽體16由扇形導體56F直接連接到該板之對面的周緣電鍍邊緣部19PB，該導體56F因面積相當大所以電感較小。因此，該屏蔽體是透過另一個弓形軌跡10AE及個別的徑向導體10AR~10ER(第1圖)，直接連接於該第一組之其他的天線元件10A~10E。

扇形導體56F是朝第一個周緣電鍍邊緣部19PA且沿著電感性長軌跡56L1、56L2延伸，以提供焊墊給分立的並聯電容。於是，在此實施例中，扇形導體56F具有兩個平行於電感軌跡56L1、56L2且分別位於相反兩側的延伸部56FA、56FB。每一延伸部56FA、56FB是由寬度遠大於中央的電感軌跡，且因此可相對地忽略其電感的軌跡所形成。該等延伸部的其中一個延伸部56FA提供了焊墊，分別供一個連接在與中央的洞32相關聯的鍍層之第一晶片電容器62-1、及一個連接於兩個電感軌跡56L1、56L2間的接合點的第二晶片電容器62-2A之用。該等延伸部中的另外一個延伸部56FB提供了焊墊，供一個也是連接於電感軌跡56L1、56L2間的接合點的第三晶片電容器62-2B之用。在本發明的此實施例中，該等電容器62-1、62-2A、62-2B皆為0201尺寸的晶片電容器(例如Murata GJM)。

上述的組合構成了第10圖所概示的雙極電抗匹配網路。該網路在(a)輻射元件結構及相關元件分別的遠部與近部、及(b)50ohm的負載52之間提供了雙頻匹配。在此例中，饋線之導體16-18(見第8圖)為50ohm的同軸線段66。電感器L1、L2是由前述該等軌跡56L1、56L2所形成。並聯電容C1為第8、9A圖所示的電容器62-1。另一個並聯電容C2是由上文參照第9A圖所述並聯組合的兩個晶片電容器62-2A、62-2B所形成。使用兩個電容器形成該第二個電容C2，能讓低斷面輪廓的晶片電容器產生相對高的電容值，並減少電阻損耗。

由串聯電感器L1、L2及並聯電容C1、C2構成的該網路在連接至無線電頻率電路時，於該天線的輻射天線元件結構、及在傳輸線段的近端之50歐姆端點之間形成一個匹配網路，該50歐姆負載阻抗會匹配於天線元件結構在其運作頻率下之阻抗。

前述的天線中，第二組螺旋元件的螺旋態樣也跟第一組螺旋元件一樣。本發明的一替代實施例中，第一組與第二組的螺旋元件可有相反的螺旋態樣。因此，舉例來說，第一組為右旋的螺旋元件，而第二組為左旋的螺旋元件；或反之。這樣的實施例可應用於相反極化的傳輸。

10A~10J、14A~14J‧‧‧長天線元件/導電軌跡/螺旋軌跡/螺旋元件

10AR~10JR‧‧‧徑向軌跡/徑向導體/徑向元件/連接部

10AE、10FJ‧‧‧弓形軌跡/弓形導體

12‧‧‧核心

12D‧‧‧遠端面/遠面

12P‧‧‧近端面/近面

16‧‧‧屏蔽體/屏蔽導體

16T‧‧‧彈性柄

16G‧‧‧遠端凸耳

17、60‧‧‧絕緣層

18‧‧‧內導體

18P‧‧‧中央部

19‧‧‧印刷電路板件

19P‧‧‧外緣部

19PA、19PB‧‧‧邊緣部

20‧‧‧導電中介環/導電環

20D‧‧‧遠端緣/邊緣

20P‧‧‧近端緣

21‧‧‧環套、接地導體

21U‧‧‧邊緣

22‧‧‧覆層/鍍層

32、34‧‧‧洞

36、40‧‧‧遠層

38、44‧‧‧近層

42‧‧‧中介導體層/中介層

42C‧‧‧第一導體區

42L‧‧‧第二導體區

44C‧‧‧扇形區

48‧‧‧同軸傳輸線

50‧‧‧次電路

52‧‧‧負載

56‧‧‧遠層/導體層/導電層

58‧‧‧近層/導體層

56F‧‧‧扇形導體

56FA、56FB‧‧‧延伸部

56L1、56L2‧‧‧軌跡

62-1‧‧‧第一晶片電容器

62-2A‧‧‧第二晶片電容器

62-2B‧‧‧第三晶片電容器

66‧‧‧同軸線段

L1、L2‧‧‧電感器

C1、C2‧‧‧電容

第1圖是一依據本發明之天線的透視圖；第2圖是第1圖之天線的一個饋電結構之一軸向橫截面；第3A圖及第3B圖是第1圖之天線的側視圖，第3A圖為實際的側面視圖，第3B圖為修正的側面視圖，其天線核心材質被移除以使軸向饋電線及位於天線後表面之螺旋天線元件可見，因該軸向饋電線及該等螺旋天線元件二者從側面視之時本會被核心材質所遮蔽；第4圖是第2圖所示之饋電結構的細部圖，顯示它的一個自一饋電傳輸線之遠端部拆離的層壓板；第5A圖、第5B圖及第5C圖分別是顯示饋電結構之層壓板的三個導電層的導體圖案的圖面；第6圖是一等效電路圖；第7圖是繪示第1圖之天線的介入損失(S₁₁)頻率響應的示意圖；第8圖是一替代饋電結構的細節圖；第9A圖及第9B圖分別是顯示第8圖所示替代饋電結構之層壓板的二個導電層的導體圖案之圖面；及第10圖是另一等效電路圖。

10A~10J‧‧‧長天線元件

10AR~10JR‧‧‧徑向軌跡/徑向導體/徑向元件/連接部

14A~14J‧‧‧長天線元件

12‧‧‧核心

12D‧‧‧遠端面

12P‧‧‧近端面

16G‧‧‧遠端接頭

18‧‧‧內導體

19‧‧‧印刷電路板件

20‧‧‧導電的中介環

20D‧‧‧遠端緣

20P‧‧‧近端緣

21‧‧‧環套、接地導體

21U‧‧‧邊緣

Claims

一種介電負載天線，用於以高於200 MHz的一個第一頻率及一個第二頻率且以圓形極化輻射運作，其中該天線包含：一電氣絕緣介電核心，以相對介電常數大於五的固態材質構成，該核心具有一個外表面，該外表面具有側面部、近端面部及遠端面部，該核心的材質填滿由該核心之外表面所定義的內部空間的主要部分；一對饋電耦合節點；及一個三維天線元件結構，連結至該等饋電耦合節點，並包括數個位於或鄰近該核心的該側面部繞該核心分佈的長導電天線元件；其中，該天線元件結構可分為一遠段、及一近段，分別包含位於或鄰近該核心的側面部之遠端部分的一第一組長導體、及位於或鄰近該核心的側面部之近端部分的一第二組長導體，且其中，該第一組導體是在該第一運作頻率共振，而該第二組導體是在該第二運作頻率共振。
如申請專利範圍第1項之天線，其中，該天線元件結構更包含：一個包圍該核心的導電中介環，該中介環位於該第一組長導體與該第二組長導體之間，其中一組長導體連結該等饋電耦合節點及該中介環。
如申請專利範圍第2項之天線，還包含：一個匹配網路，其介於該等饋電耦合節點與該一組長導體之間。
如申請專利範圍第2或3項之天線，其中，另外一組長導體是單獨地連接於該中介環。
申請專利範圍第2或4項之天線，其中，該等饋電耦合節點是位於該核心的二個端面部之一上，且其中該介電負載天線還包含一個導電第二環，該第二環位於該核心的該等端面部之另外一個端面部的範圍內，另外一組長導體自該中介環延伸至該第二環。
如申請專利範圍第5項之天線，其中該導電第二環是成巴倫套的形式。
如申請專利範圍第5或6項之天線，其中，該導電第二環定義了一個環形導電路徑，其電氣長度為該另外一組長導體的共振頻率之一個波長長度。
如申請專利範圍第2、3、4、5、6或7項之天線，其中，該導電中介環界定了一個環形導電路徑，其電氣長度為該一組長導體的共振頻率之一個波長長度。
如申請專利範圍第1、2、3、4、5、6、7或8項之天線，其中，該核心於該近端面部及該遠端面部間具有一個大致恆定的橫截面。
如申請專利範圍第9項之天線，其中，該核心呈圓柱形，而該第一組長導體及該第二組長導體呈螺旋狀。
如申請專利範圍第1、2、3、4、5、6、7、8、9或10項之天線，其是採背射天線的形式，並具有一個含有一個傳輸線段的饋電結構，該傳輸線段自位於該遠端面部的饋電耦合節點穿過該核心延伸至該近端面部的區域內之終端。
如申請專利範圍第2、3、4、5、6、7或8項之天線，其中，該一組長導體的共振頻率，高於另一組長導體的共振頻率。
如申請專利範圍第1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11或12項之天線，其中，該第一及第二運作頻率的頻率間隔，在該第一及第二運作頻率之平均值的百分之三至百分之五十的範圍內。
如申請專利範圍第1項之天線，其中，該核心呈圓柱形，且饋電耦合節點與該等端面部的其中之一相關聯；該天線元件結構包括一個在該等端面部間之一位置處圍繞該核心之導電中介環、及一個相對於該等饋電耦合節點設在該中介環相反側的導電第二環；該第一組長導體包含：一第一組螺旋輻射元件，其形成一個導電結構的一部分，該導電結構連結該等饋電耦合節點到該中介環的一邊緣，該邊緣於該等運作頻率中之一頻率下具有一個環狀共振；該第二組長導體包含：一第二組螺旋輻射元件，其形成部分的或構成一個導電結構，該導電結構連結該中介環的外邊緣到該導電第二環的一邊緣，該邊緣於該等運作頻率中之另外一個運作頻率下具有一個環狀共振。
如申請專利範圍第14項之天線，其中，該等饋電耦合節點是與該核心的遠端面部相關聯，且該天線更包含：一個軸向傳輸線段，自該近端面部穿過該核心而延伸至該等饋電耦合節點，其中，該導電第二環形成一個巴倫導體的一部分，該巴倫導體越過該核心之近端面部而延伸至與該傳輸線段的一連接處。