TWI469439B - 介電負載天線 - Google Patents

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Description

介電負載天線
本發明是關於一種以超過200MHz之頻率運作的介電負載天線以及一種包含此一天線的可攜式無線終端機。
此等天線揭露在本申請人之一些專利公開案中,包括GB2292638A、GB2309592A、GB2310543A、GB2338605A、GB2346014A、GB2351850A及GB2367429A。該等天線中的每個具有電鍍在一實質上呈圓柱狀電絕緣核心上的至少一對在直徑上相對的螺旋天線元件,該核心由具有一大於5的相對介電常數之材料製造。該核心之材料佔據該核心外表面定義的體積之大部分。一包含一同軸饋電結構的軸向孔自一端面經過該核心延伸至另一相反的端面,該同軸饋電結構包含一被一遮罩導體包圍的一內導體。在該孔之一端,該等饋電結構導體連接到具有與該孔之末端相鄰的相關連接部分之各自的天線元件。在該孔之另一端,該遮罩導體連接到鏈接該等天線元件的一導體,且在該等例子中的每個內,以環繞該核心之一部分的一傳導套筒之形式以形成一貝楞電路。每個天線元件終止於該套筒之一邊緣且各自沿著自其至該饋電結構之連接的一各自的螺旋路徑。
以上習知的專利公開案中的一些揭露了主要用於接收或發送圓極化電磁波的四線螺旋天線。該等天線中的每個具有四個電鍍在該核心之圓柱表面上的螺旋軌跡或者四組螺旋軌跡,每組形成一複合天線元件且包含由一窄縫分開 的兩個軌跡。
無論該天線具有四個螺旋天線元件還是兩個螺旋天線元件,將該等天線元件連接到該饋電結構導體的該等連接部分是電鍍在該核心之一平的端面上的徑向軌跡。
已知提供一具有阻抗匹配網路之一四線螺旋天線。這可被實施為固定到該核心之頂端面的一小型印刷電路或層板,在其上提供該饋電結構與徑向連接部分之間的耦接,例如以上提到的習知專利公開案中所揭露的。具有此一匹配網路的天線在我們共同申請中的序號為11/472,587的美國專利申請案中被揭露。此申請案之揭露及以上提到的每個習知專利公開案以參照方式被特別併入在本說明書中。
本發明之一目的是提供一種改良式介電負載天線。
依據本發明之一第一層面,一種具有超過200MHz之操作頻率的介電負載天線包含:具有一固體材料的一電絕緣核心,該固體材料具有一大於5的相對介電常數且佔據由該核心外表面定義的內體積之大部分;以及一三維天線元件結構,位於該核心外表面上或鄰近且包含至少六個延長導電天線元件。該等天線元件典型地的是實質上軸向共同延伸且實質上繞著該天線之一軸等距隔開,該等元件成對配置,每對並置以位於該軸之在直徑上相反的面上。該天線在操作頻率上以一圓極化共振模式共振,該共振模式之特徵在於一旋轉偶極,且在旋轉方向內最大電壓在每個延長天線元件上被連續地激發出。
較佳天線包括一對天線元件耦接節點,該對元件中的每個元件具有連接到該等耦接節點中的一者之一天線元件以及連接到另一耦接節點的另一天線元件。該較佳天線也具有該等延長天線元件之一共同互連導體,有利地是以該等延長導電元件之一導電環互連端之形式。該導體可環繞該軸且一般位於沿著與該軸垂直的方向延伸的平面內。較佳地,此互連導體在後者之外側表面部分上環繞該核心且以該核心為中心定義一導電路徑。每個延長天線元件具有連接到該等耦接節點中的一者或另一者的一第一端以及連接到該共同互連導體的一第二端,該等第二端之連接位於相等隔開的連接點上。
有利地,該共同互連導體形成的導電路徑之電氣長度實質上等於對應該天線之操作頻率的一整數(1、2、3…‥)的導波長。這增強了該天線之圓極化共振模式,因為該共同互連導體在該操作頻率上具有一環共振,因而促進了旋轉偶極繞著等距隔開的延長天線元件漸進。
該共同互連導體可以是一窄環形導電軌跡,其兩個邊緣都位於該核心之外側表面部分上。此一組配特別適用於一端射多線螺旋天線。可選擇的方式是,該共同互連導體可由圍繞該核心且沿著一端表面部分延伸的一導電套筒構成以連接一同軸傳輸線饋電器之遮罩導體。該饋電器經過該核心以在該核心之一相反的端表面部分連接該等延長天線元件。此一套筒可形成一整體貝楞電路,如本申請案之以上參照的習知專利公開案中所描述的。
該等延長天線元件之末端較佳地繞著該中心軸等角度地隔開;實體間隔等於各個元件上的電壓及電流之間的相位差值。一般而言,連續的延長天線元件之間的實體角間隔在該等螺旋之末端及其等末端之間的位置上不會改變大於2:1。
在本發明之一實施例中,該等延長天線元件是具有實質上相等長度的螺旋。特別地利用在該操作頻率上表現一環共振的一共同互連導體,該等延長天線元件內的電流及電壓之定相不完全取決於此等元件之電氣長度。然而在其他實施例中,該等元件之定相可藉由配置該共同互連導體沿著一非平面路徑而獲得,因此每組元件的該等天線元件之以上提到的第二端(其等第一端連接到該等耦接節點之一各自的耦接節點)與該等第一端具有不同的距離,在關於該天線之一中心軸的一給定旋轉方向內,此等距離之變化之本質取決於該等元件之第一端與各自的耦接節點之間的連接之配置。特別地,已發現該等連接之配置內的邊緣影響趨向於有助於元件長度之一非單調漸進,因此(例如)構成其等各自元件組的內元件之元件比外元件更長。然而,也可能每組元件之該等天線元件之第二端在關於該天線之一中心軸的一給定旋轉方向內漸進地較接近該等第一端。特別地,該共同互連導體提供的導電路徑在每組元件中的每個天線元件之間的一第一方向內傾斜或者逐漸步進(其等第一端連接到一各自的耦接節點)以及在該等元件組之間的相反方向內傾斜或步進。因此,在此例中,該導電路徑 可被認為具有兩個波峰及波谷,該等波峰及波谷交替發生且該等波峰與波谷之間的斜面使得在該第一方向內的兩個斜面比相反方向內的兩個斜面較不陡峭得多。
在一較佳實施例中,每個延長天線元件具有耦接到其各自的耦接節點的其第一端以及與該第一端隔開的其第二端,該元件被確定尺寸以產生各自的耦接節點與該第二端之間的一預定電氣路徑長度。耦接到每個節點的該等延長天線元件形成一組相鄰元件,該等相鄰元件被配置以關於該軸呈角度地隔開且使得它們各自的電氣路徑長度不同,從而形成一單調漸進,該漸進之意義對於每一組都是相同的。
該等天線元件之第二端被較佳地被鏈接。因此,在較佳實施例中,每對此等元件之每個延長天線元件具有耦接到一各自的耦接節點的一第一端以及鏈接到該對元件之另一延長天線元件之第二端的第二端以形成一導電回路之至少一部分,該導電回路一般關於該軸對稱且具有一預定共振頻率。此等延長天線元件對形成的回路關於該軸呈角度地分佈,該等回路之各自的共振頻率隨著關於該軸之角方向單調地變化。在此一情況下,該等延長天線元件之第二端可由環繞該核心的共同互連導體鏈接,使得它們的第二端由該等元件至該互連導體之一共同環形邊緣之連接定義,就其軸向位置而言,該邊緣之高度隨著每一組延長天線元件非單調地變化。
將注意到的是,在本發明之較佳實施例中,該等螺旋 天線元件上的電流及電壓之定相透過該核心上的導體獲得而不是使用一外部網路。
本發明之較佳實施例各自採用一八線螺旋天線之形式,該八線螺旋天線在該核心之一圓柱表面部分上具有四對延長螺旋天線元件,相鄰的此等元件之角間隔在該圓柱軸上是45∘。較佳地,每個螺旋元件繞該軸半圈,雖然四分之一圈元件可被使用。一般而言,該等元件可繞M/4圈,其中M是一整數(1、2、3……)。
該等螺旋元件在該核心外側表面部分上較佳地包含導電軌跡。它們可以是純螺旋或者它們可自與一純螺旋路徑的偏差產生,例如,呈蜿蜒狀。也可能改變它們的電氣長度,在每種情況下,例如,藉由只該等邊緣中的一者呈蜿蜒狀或者使該軌跡之兩個邊緣呈蜿蜒狀至不同的幅值。需注意到的是,該天線之效率大於與一等效四線天線相關的效率,因為該輻射結構之導電軌跡邊緣之數目更大。在此等天線之典型的操作頻率上,電流趨向於限於導體之邊緣或周邊。增加平行連接的邊緣之數目減少了歐姆損失,從而增加了效率。此效率之增益可被用以產生接收設備之改良敏感度以及發送設備之較大的有效發射功率。可選擇的方式是,其可被用以提供比一給定效率的習知天線小得多的天線。因此,例如,在10mm直徑之介電負載天線已被用於一預定目的之情況下,如本說明書中描述的天線可得到7.5mm之直徑,而其效率不會有顯著的損失。在此一情況下,該核心材料之相對介電常數典型地是在從50至100的範 圍內。
在本發明之一實施例中,連接到以上提到的耦接節點的該等延長天線元件包含一組相對於彼此橫向隔開的天線元件且該等天線元件具有兩個外元件及該組元件之外元件之間的至少一內元件,該內元件或每個內元件具有比外元件更大的電氣長度。此一組配特別可應用於以下一天線:其中該核心之一端面上的徑向連接部分被用以將該等耦接節點連接到各自的延長天線元件。
在該天線元件結構包含奇數對延長天線元件之情況下,耦接到一各自的耦接節點之每組元件具有一中間天線元件及外元件。該中間天線元件在一頻率具有一相關共振,其在分別與該中間元件之每一各自側面上的該組天線元件相關的共振頻率中間。已發現就頻寬而言,奇數對延長導電天線元件具有優點,特別是在一天線具有六個螺旋天線元件之情況下。
在本發明之較佳實施例中,該核心材料之相對介電常數大於10且較佳地是大於20。
依據本發明之一第二層面,該可攜式無線通訊終端機包括以上所描述的一天線以及一具有一導電層的一般為平面的電路板,其中此層具有與該天線之天線元件結構相鄰的一邊緣且相對於該天線軸自該天線之核心一般徑向地向外延伸。該導電層可位於一般與該軸平行的一平面內或者包含該軸的一平面內。就該天線上的電路板之導電層之失調效應而言,此一配置是有利的,至少三對延長導電天線 元件之存在比具有較少元件的一多線螺旋天線較不易於失調,以致於該導電層可在該等元件之軸向長度典型地相對延伸接近該天線表面,例如,典型地比3mm更接近,且在依據本發明的較佳通訊終端機內,接近至該天線元件結構之1mm內。
圖式簡單說明
本發明參照該等圖式透過舉例被描述,其中:第1圖是依據本發明的一第一天線之一透視圖;第2圖是第1圖之天線之一電鍍天線核心之一透視圖,自一遠端及一側觀看;第3圖是第1圖之天線的一饋電結構之一軸向截面圖;第4圖是第1圖之天線之外圓柱表面上的導體圖形被轉換為一平面之一表示;第5圖是一可選擇的導體圖形之一類似表示;第6圖是第4圖中顯示的饋電結構之細節,顯示了自一饋電器傳輸線之一遠端部分分離的其一層板;第7A、7B及7C圖是顯示了該饋電器結構之層板之三個導電層之導體圖形;第8圖是依據本發明的一第二天線之一透視圖;第9圖是第8圖之該天線之一導體圖形之一透明表示;第10圖是第8圖之天線之外圓柱表面上的導體圖形被轉換到一平面的一表示;第11圖是包含依據本發明的一第三天線及提供一貝楞電路及前端接收器電路的一印刷電路板的一組件之一透視 圖;第12圖是第11圖之組件的印刷電路板之一軸向截面圖以及其固定的天線之一部分;第13圖是依據本發明的一可攜式無線終端機之一概略透視圖;第14圖是依據本發明的一第二天線之一透視圖;第15圖是描述第14圖之天線的一貝楞電路邊緣輪廓的一圖形;以及第16圖是描述第14圖天線的導體軌跡之個別的頻率響應之一圖表。
較佳實施例之詳細說明
參照第1及2圖,依據本發明的一八線螺旋天線具有一天線元件結構,該天線元件結構具有在一圓柱核心12之圓柱外表面上被電鍍或者進行其他金屬化的8個軸向共同延伸的螺旋傳導軌跡10A、10B、10C、10D、10E、10F、10G、10H之形式的8個延長天線元件。該核心由一陶瓷材料製造。在此情況下,其是具有在36之範圍內的一相對介電常數之鈦酸鋇材料。該材料以其隨著變化的溫度之尺寸及電氣穩定性而出名。介電損失一般可忽略。在此實施例中,該核心具有一10mm之直徑。該核心之長度大於直徑,但是在本發明之其他實施例中,其可以更小。該核心藉由壓製產生,但是可在一擠製製程中產生,接著該核心被燒製。
較佳的天線是一逆火式螺旋天線,因為其具有設於一 軸孔12B內且自一遠端面12D經過該核心至該核心之一近端面12P的一同軸傳輸線。兩端面12D、12P是平面的且與該核心之中心軸垂直。它們的方向相反,因為在本發明之此實施例中,一面指向遠端以及另一面指向近端。該同軸傳輸線是一堅硬同軸饋電器,該饋電器設於該孔12B內中心,其外遮罩導體與該孔12B之圍壁隔開,因此在該遮罩導體與該核心12之材料之間有效地具有一介電層。參照第3圖,該同軸傳輸線饋電器具有一導電管狀外遮罩16、一第一管狀氣隙或者絕緣層17以及透過該絕緣層17與該遮罩絕緣的一延長內導體18。該遮罩16具有將該遮罩與該孔12B之圍壁隔開的向外突出且整體形成的彈簧腳16T或間隔物。一第二管狀氣隙存在該遮罩16與該孔12B之圍壁之間。與遮罩16與該孔12B之圍壁之間的層一樣,該絕緣層17可以形成為一塑膠套筒。在該饋電器之下方近端,該內導體18藉由一絕緣襯套(圖未示)設於該遮罩16中心,如我們共同申請中的序號為11/472,587之美國專利申請案中所描述。
該遮罩16、內導體18及絕緣層17之組合構成預定特性阻抗(此處為50歐姆)之一傳輸線,經過該天線核心12以將該等天線元件10A至10H之遠端耦接到該天線需連接的設備之射頻(RF)電路。該等天線元件10A至10H與饋電器之間可透過與該等螺旋軌跡10A至10H相連接的導電連接部分進行耦接,該等連接部分形成為電鍍在該核心12之遠端面12D上的徑向軌跡10AR、10BR、10CR、10DR、10ER、10FR、10GR、10HR。每個連接部分自各自的螺旋軌跡之一遠端延 伸至電鍍在與該孔12B之末端相鄰的核心遠端面12D上的兩個弓形導體10AD、10EH中的一者。
兩個弓形導體10AD、10EH透過固定到該核心遠端面12D的一層板19上的導體,分別連接到該遮罩及內導體16、18,如之後所描述的。該同軸傳輸線饋電器及該層板19在被組裝到該核心12之前一起包含一單一饋電結構,且它們的關係可藉由比較第1、2及3圖看出。
參看第3圖,該傳輸線饋電器之內導體18具有一近端部分18P,該近端部分18P以一腳自該核心12之近端面12P凸出以連接到設備電路。類似地,該遮罩16之近端上的整體突耳(圖未示)凸出到該核心近端面12P之外以連接設備電路地端。
該等天線元件10A-10H之近端連接到一共同實質接地導體20。在此實施例中,該共同導體是環狀的且為包圍該核心12之一近端部分的一電鍍套筒之形式。接著該套筒20透過該核心12之近端面12P之一電鍍導電蓋(圖未示)連接到該饋電器之遮罩導體16。
8個螺旋天線元件10A-10H構成4對此等元件10A、10E;10B、10F;10C、10G;10D、10H,每對具有耦接到該等弓形導體10AD、10EH之一者的一螺旋元件及耦接到該弓等形導體10EH、10AD之另一者的另一元件,從而分別連接到該傳輸線饋電器之內導體18及遮罩16。因此實際上,8個螺旋天線元件10A-10D可被認為以兩組4個10A-10D、10E-10H被配置,一組之所有元件10A-10D耦接到第一弓形 導體10AD及另一組之所有元件10E-10H耦接到第二弓形導體10EH。因此,兩個弓形導體構成互連各個螺旋天線元件的第一及第二耦接節點,且提供每一組之該等元件與該傳輸線饋電器之導體中的一者或另一者之共同連接。
在本發明之此較佳實施例中,8個螺旋天線元件10A-10H具有不同的長度。較特別地,每對橫向相對的元件10A、10E;10B、10F;10C、10G;10D、10H具有相同長度的兩個元件,一第一對10A、10E之兩個元件具有一第一長度,一第二對10B、10F之兩個元件具有一第二長度,一第三對10C、10G之兩個元件具有一第三長度以及剩餘的第四對10D、10H之兩個元件具有一第四長度。已發現為了獲得個別共振頻率之一漸進,每一組之最外的元件之一(在此情況下是元件10A及10E)應比其他元件更短。較佳地,其他元件10B、10F;10C、10G;10D、10H之實體長度實質上是相等的而不是漸進變大以補償該核心12之遠端面12D上的導電連接部分之不同路徑長度,即徑向軌跡10AR-10HR及弓形導體10AD、10EH(在第2圖中可被最佳地看出)及該天線之操作頻率上的相關邊緣效應。長度之差異藉由配置該套筒20之邊緣20U為非平面而達成,因為其與該核心之遠端面20D之距離依據圍繞該核心之中心軸的角位置而變化。這可在第4圖之圖式中最清楚地看出,第4圖是該核心12之圓柱外表面上的導體圖形之一表示,被顯示好像該圓柱表面已被轉換為一平表面。在此被轉換的表示中,每個螺旋元件10A-10H看似為一直導體軌跡。將看到的是,該套 筒20具有一邊緣20U,該邊緣20U具有4個傾斜部分及兩個平面部分。該等部分包含以一第一方向傾斜的一第一部分20UAB、一般與該遠端12D(第2圖)之邊緣平行且加入該第一部分的一第二平面部分20UBD、以一第二方向傾斜且加入該第二部分的一第三部分20UDE、再次以該第一方向傾斜且加入該第三部分的一第四部分20UEF、與該遠端12D平行的一第五部分20UFH,以及為了繞著該核心完成環面,以該第二方向傾斜且加入該第五及第一部分的一第六部分20UHA。藉由將第一組之該等元件10A-10D之近端以相等的間隔連接到該邊緣(如第4圖所示),它們的長度如以上所描述地變化。第二組之該等元件10E-10H之近端與該邊緣之相同並置產生相同的長度變化。將瞭解的是,不是沿著一傾斜的斜面,而是每個傾斜的邊緣部分可步進以獲得該等螺旋元件10A-10H之相同的長度差值。
在依據本發明的一可選擇的八線天線中,每一組之該等天線元件之長度可能隨著繞著該核心12之旋轉而單調地變化。此一配置在第5圖中被顯示。在此情況下,該邊緣20U具有4個傾斜的部分,包含以一第一方向傾斜的一第一部分20UAD、以一第二方向傾斜且加入該第一部分的一第二部分20UDE、以該第一方向傾斜且加入該第二部分的一第三部分20UEH,以及未了完成以該核心為中心的環面,以該第二方向傾斜且加入該第三及第一部分的一第四部分20UHA。這樣,第一組之該等元件10A-10D之長度依序地漸進變大。類似地,第二組之該等元件10E-10H之近端元件 與第三邊緣部分之相同並置也產生一漸進增加的元件長度。將明顯的是,在此情況下,由於該等螺旋元件10A-10H繞著該核心12均勻間隔,第二及第四邊緣部分20UDE、20UHA之斜面比該第一及第三部分20UAD、20UEH之斜面更陡。
因此,總而言之,此較佳天線之該等螺旋元件10A-10H以360∘/N之間隔繞著該核心12等角度地隔開,其中N是元件之數目,且它們被配置為兩組,每一組具有由於該套筒20之邊緣與該核心之遠端面12D之變化的距離而產生的不同長度的N/2個元件,該遠端面12D與該核心之中心軸垂直。在此實施例中,每個元件實質上繞該核心半圈,雖然可選擇的實施例可使用具有其他整數倍(1、2、3)半圈之元件或者實際上可以是四分之一圈螺旋或者其整數。
該導電套筒20、該核心之近端面12P上的電鍍以及該饋電器之外遮罩16一起形成一四分之一波貝楞電路,當該天線以其操作頻率運作時,該貝楞電路提供該輻射天線元件結構與該天線被安裝時連接的設備之共同模式隔離。因此該套筒內的電流被限於該套筒邊緣20U。因此,在操作頻率上,該套筒20之邊緣20U與每對10A、10E-10D、10H之螺旋元件形成一個別導電回路,該回路連接至一平衡饋電,電流經由該邊緣20U在每一對的元件間流動。
在本發明之此較佳實施例中,該套筒之圓周等於在操作頻率上的一整數數目的導波長。這具有增強共振模式之效果,由該等螺旋元件對與邊緣在操作頻率上形成的以上 提到的導電回路之共振引起。特別地,如以上提到的英國專利公開案GB2346014A中所描述的,該套筒20本身作為一共振結構,獨立於該等螺旋元件10A-10H。因此,該套筒之邊緣20U(具有等於操作波長的一電氣長度)以一環模式共振。由於該等螺旋元件對與該邊緣20U形成的回路產生的共振模式之增強可藉由假想在每個螺旋元件與該邊緣之接面處一波被射到由該邊緣20U表示的環上而想像出,接著該波繞著該邊緣20U傳播以形成一旋轉偶極,如GB2346014A中所描述的。由於該邊緣20U之電氣長度,當入射波已繞著該邊緣20U傳播且在入射點到達返回,下一波自各個螺旋元件被射入,從而增強第一波。此波之構造組合由於該邊緣之共振長度產生。
貢獻於該天線關於圓極化電磁波之操作的環共振以及該套筒20之動作以及該核心之近端表面12P上的電鍍之進一步的細節被包含在以上提到的GB2346014A內。當本發明之實施例的套筒及電鍍是有利的,因為它們提供一貝楞電路功能及一環共振,一環共振也可藉由將該等螺旋元件10A-10H連接到環繞該核心12的一環形導體而被獨立提供,且在該核心之外側表面部分具有近及遠邊緣,而不是以連接到該饋電器遮罩導體16的一套筒以形成一末端開口的空腔之形式,如本發明中。此導體可以是相對狹窄,只要其可構成一環形軌跡,該環形軌跡之寬度類似於形成該等螺旋元件10A-10H的導電軌跡之寬度,且若該導體在該操作頻率上具有對應整數倍(1、2、3…)導波長的一電氣長度, 則其仍產生增強與該等螺旋元件及其等互連提供的回路相關的共振模式的一環共振。具有此描述之一環形軌跡的天線在之後被描述。
關於該等螺旋元件10A-10H與其等互連表示的回路之共振行為,此等結合使得在該天線之操作頻率上,其以該天線對圓極化信號敏感的一共振模式操作。該等螺旋元件之每對10AE、10BF、10CG、10DH在該天線之單一操作頻帶內具有一相關共振,且該等螺旋元件對都共同合作以形成一共同圓極化共振,如以下。該等天線元件10A-10H之不同長度導致每一組10A-10D、10E-10H之不同元件內的電流之間的360∘/N(45∘)相位差值。在此共振模式中,電流繞著該邊緣20U在一方面耦接到該內饋電導體18且另一方面透過該層板19之耦接導體連接到該遮罩16的每對螺旋元件10AE、10BF、10CG、10DH之間流動,如以下所描述的。該套筒20與該核心之近端面12P上的電鍍一起作為一閘,在該核心之近端面12P上該閘阻止電流自該等天線元件10A-10H流到該遮罩導體16。
具有一貝楞電路套筒的介電負載多線螺旋天線之操作在以上提到的英國專利申請案GB2292638A及GB2310543A中被較詳細地描述。
該饋電傳輸線執行除了僅僅作為具有一50歐姆特性阻抗的線之外的功能以載送信號給該天線元件結構或者自該天線元件載送信號。首先,如以上所描述的,該遮罩16與該套筒20一起用以在該饋電結構與該天線元件結構之連接 點上提供共同模式隔離。該遮罩導體在(a)其與該核心之近端面12P上的電鍍22之連接及(b)其與該層板19上的導體之連接之間的長度,加上該孔12B之尺寸及填充該遮罩16與該孔之圍壁之間的空間的材料之介電常數,使得其外表面上的遮罩16之電氣長度至少大約是該天線所需的共振模式之頻率的四分之一波長,因此該傳導套筒20、該電鍍22及該遮罩16之組合促進該遮罩結構與該天線元件之連接處的平衡電流。
在此較佳天線中,具有包圍該饋電結構之遮罩16的一絕緣層。此層(具有比該核心12之介電常數更低的介電常數)減少了該核心12對該遮罩16之電器長度之影響,從而減少對與該遮罩16之外部相關的任何縱向共振之影響。因為與所需的操作頻率相關的共振模式之特徵在於徑向(即,該橫越圓柱核心軸)延伸的電壓偶極,低介電常數套筒對所需的共振模式之影響由於該套筒厚度(至少在該較佳實施例中)大大地小於該核心之厚度而相對較小。因此,可能使與該遮罩16相關的線性共振模式從想要的共振模式去耦。
該天線具有一500MHz或更大的主共振頻率,該共振頻率由該等螺旋天線元件10A-10H之有效電氣長度決定及少部分是由它們的寬度決定。對於一給定的共振頻率,該等元件之長度也與該核心材料之相對介電常數有關,關於一空氣核心四線天線,該天線之尺寸實質上被減少。
該天線特別適用於在從1613.8至1626.5MHz之銥頻帶內的衛星電話及發訊。在此情況下,該核心12具有一大約 10mm之直徑且該等縱向延伸的天線元件10A-10D具有一大約12mm的平均縱向範圍(即,與中心軸平行)。該導電套筒20之長度典型是在5.5mm之範圍內。該等天線元件10A至10D之精確尺寸可在設計階段基於一實驗及誤差基準被決定,藉由進行特徵值延遲測量直到獲得所需的相位差值。該孔12B內的同軸傳輸線之直徑在2mm之範圍內。
具有以上參照第1至4圖描述的特徵的一可選擇的天線以1575MHz(L頻帶GPS服務之頻率)共振。在此情況下,該核心之直徑是7.5mm,該等天線元件具有一大約7mm之平均縱向範圍且該貝楞電路套筒長度大約是2mm。該核心材料之相對介電常數在此情況下較高,一般為76。
現在描述該饋電結構之進一步的細節。該饋電結構包含一同軸50歐姆線16、17、18及連接到該線之一遠端的平面層板19之組合。該層板19是一多層印刷電路板(PCB),以面到面接觸的方式平躺地設於該核心12之遠端面12D上。該PCB 19之最大尺寸小於該核心12之直徑,因此該PCB 19完全在該核心12之遠端面12D之周邊內,如第1圖所示。
在此實施例中,該PCB 19為設於該核心之遠面12D中心上的圓盤之形式。其直徑是使得其覆蓋在電鍍在該核心遠端面12D上的弓形元件間耦接導體10AD、10EH上。如第6圖所示,該PCB具有一實質上的中心孔32,該中心孔32接收該同軸饋電器傳輸線之內導體18。三個偏心孔34接收該遮罩16之遠端突耳16G。突耳16G被彎曲或者“凹入”以幫助相對於該同軸饋電器結構固定該PCB 19。所有四個孔32被 電鍍穿過。除此之外,該PCB 19之周邊的部分19P被電鍍,該電鍍延伸到該板之近端面及遠端面。
該PCB 19是一多層板,因為其具有多個絕緣層及多個導電層。在此實施例中,該板具有兩個絕緣層,包含一遠端層36及一近端層38。具有三個導體層,如下:一遠端層40、一中間層42及一近端層44。中間導體層42被夾在該遠端及近端絕緣層36、38之間,如第6圖所示。每個導體層被蝕刻一個別的導體圖形,如第7A至7C圖所示。在導體圖形延伸至該PCB 19之周邊部分19P以及電鍍穿過孔32、34之情況下,不同層內的個別導體分別藉由邊緣電鍍及孔電鍍互連。從顯示該等導體層40、42及44之導體圖形之圖中將看出,該中間層42具有一為扇形的第一導體區域42C,其以該等徑向天線元件連接部分10AR-10DR之方向自該內導體18(當設於孔32內)之一連接處徑向地延伸。在該導電區域42C直接下方,該近極導體層44具有一般為扇形的區域44C,該區域44C自與該饋電器之遮罩16之連接處延伸(當在電鍍介層孔34內被接收時)到覆蓋互連該等徑向連接元件10AR-10DR的弓形或部分環形軌跡10AD的板周邊19P。這樣,一旁路電容器在該內饋電器導體18與該饋電器遮罩16之間形成,該近端絕緣層38之材料作為電容器電介質。該材料一般具有一大於5的介電常數。
該中間傳導層42之導體圖形是使得其具有一第二導體區域42L,該第二導體區域42L自與該內饋電器導體18之連接處延伸到該第二電鍍外周邊19P,以設於該弓形或部分環 形軌跡10EH上。在該導體層44內沒有任何對應的底層導電區域。中心孔32與弓形軌跡10EH上的電鍍周邊部分19P之間的導電區域42L作為該饋電器之內導體18與該等螺旋天線元件10E-10H組中的一者間之一串聯電感。
當該PCB 19與該延長饋電器16-18之組合被固定到該核心12(該PCB 19之近端面與該核心之遠端面12D接觸)時,如以上所描述的對齊弓形互連元件10AD及10EH,而產生該等周邊部分19P與該核心遠端面12D上的底層軌跡之間的連接,以形成具有一旁路電容及一串聯電感的一反應匹配電路。
該PCB 19之近端絕緣層以一陶瓷負載塑膠材料形成,以產生在10之範圍內的該層38之一相對介電常數。該遠端絕緣層36可由相同的材料製造或者具有一較低的介電常數,例如FR-4環氧板。該近端層38之厚度比該遠端層36之厚度小得多。實際上,該遠端層36可作為該近端層38之支撐。
該饋電線16-18、該PCB 19與該核心之遠端面12D上的導電軌跡之間藉由焊接或者以導電膠黏合而完成連接。當該內導體18之遠端焊接到該PCB 19之介層孔32內以及該等遮罩突耳16G焊接到各個偏心介層孔34內時,該饋電器16-18與該PCB 19一起形成一單一饋電結構。該饋電器16-18與該PCB 19一起形成具有一整體匹配網路的單一饋電結構。
該旁路電容及該串聯電感在其遠端的同軸傳輸線與該 天線之輻射天線元件結構之間形成一匹配網路。該旁路電容及該串聯電感一起匹配該同軸線呈現的阻抗(實體上被實施為遮罩16、絕緣層17及內導體18),當其近端連接到具有一50歐姆終端的射頻電路時,此同軸線阻抗在其操作頻率或多個操作頻率上匹配該天線元件結構之阻抗。
如以上所陳述的,該饋電結構在被插入該天線核心12之前被組合為一單元,該層板19固定到該同軸線16-18。將該饋電結構形成為一個單一元件(將該板19包括為一整體部分)實質上降低了天線之組合成本,因為饋電結構之引入可以兩個動作被執行:(i)將該單一饋電結構滑入該孔12B以及(ii)將一導電套箍或墊圈安裝到該遮罩16之暴露的近端部分。該金屬環可被推入配合在該遮罩元件16上或者被壓接到該遮罩上。在將該饋電結構插入該核心之前,焊料膏較佳地被施加於該核心12之遠端面12D上的天線元件結構之連接部分及與該孔12B之各個端緊密相鄰的電鍍層22上。因此,在完成以上的步驟(i)及(ii)之後,該組件可經過一焊料回填爐或者可能受到一可選擇的焊接處理,例如,作為單一焊接步驟的雷射焊接、電感焊接或者熱氣焊接。
在(a)該板19之周邊及近端面上的導體以及(b)該核心之遠端面12D上的金屬化導體之間形成的焊料橋以及該等導體本身之形狀被組配以當該板被正確地定位於該核心上時在回填焊接期間提供平衡旋轉彎月形力。
以上所描述的天線具有是繞著一圓柱核心均勻間隔的不同實體長度之平面螺旋的天線元件。在本發明之範圍內 的變化是可能的。此等變化包括以下一天線:其中該等螺旋元件之實體長度相等且回路長度之差值藉由配置電鍍在該核心之遠端面12D上的導電連接部分10AR-10HR為不同的有效長度而獲得。可選擇的方式是,該等螺旋元件10A-10H之寬度可被改變以產生不同的電氣長度。以下也是可能的:該等螺旋元件之實體長度及由橫向相對的螺旋元件對與其等互連表示的回路之電氣長度也是相等的,所需的圓極化電磁波之響應及相關的輻射圖形僅僅由於存在以該核心為中心分佈的多個軸向共同延伸的螺旋元件而獲得,特別是此等元件由具有等於操作頻率之導波長(或者其一非一的整數倍)的一環形電氣長度的一環形導體(例如,套筒20)互連。一種用以產生每組螺旋元件10A-10D、10E-10H之連續構件之間的電氣長度之變化的方法是將需要具有一較大電氣長度的元件蜿蜒地配置。實際上,所有該等元件10E-10H可以是蜿蜒的但是為不同角度。一些元件之一邊緣或兩邊緣也可以是蜿蜒的。此一天線在第8及9圖中被描述。該天線之外圓柱表面部分之各自的“展開”的導電圖形在第10圖中被顯示。
參看第8至10圖,依據本發明的第二天線(類似以上參照第1至7圖所描述的第一天線)具有8個為電鍍在該核心12之外圓柱表面部分上的導電軌跡之形式的螺旋天線元件。如之前,該等螺旋元件配置為兩組10A-10D、10E-10H,每一組之該等元件連接到各自的徑向軌跡10AR-10DR、10ER-10HR及各自的弓形互連軌跡10AD、10EH(所有都被 電鍍在該核心12之遠端面12D上),如該第一實施例。然而,在此實施例中,每一組之該等螺旋元件具有蜿蜒的邊緣。從第10圖可最好地看出,每一組之外元件10A、10D;10E、10H各自具有一蜿蜒的邊緣以及為一平面螺旋的另一邊緣,然而,每一組之內元件10B、10C;10F、10G各自具有兩個蜿蜒的邊緣。此蜿蜒之影響是內元件10B、10C;10F、10G具有比外元件10A、10B;10E、10H更大的電氣長度。此配置被選擇是因為在此實施例中,該等徑向連接軌跡10AR-10HR之組配及其等互連弓形導體10AD、10EH是使得該饋電結構16-19與每一組之外螺旋元件10A、10D;10E、10H之遠端之間的導電路徑之電氣長度比至該等內螺旋元件10B、10C;10F、10G之上端的對應連接之電氣長度更大。因此,該蜿蜒補償了該遠端面12D上的導體之電氣長度之差值。雖然在此例中該蜿蜒沒有被用以影響該等螺旋元件10A-10H之間的長度之差值以產生相位差值,但是如以上所陳述的可能將蜿蜒用於此目的。在此例中,是非平面的套筒邊緣20U被用以影響螺旋元件長度之漸進,如以上參照第1至7圖所描述的第一實施例。
到目前為此描述的實施例是所謂的“逆火式”天線,因為它們產生了自該天線之端面向外的一輻射圖形,該等輻射元件(該等螺旋軌跡及該端面上的各自的連接導體)在該天線之端面耦接到該饋電器,該饋電器包含經過該核心軸上的核心之一傳輸線。本發明也可應用於一“端射”天線,其饋電連接點在近端,即與該天線在圓極化波之輻射圖形 發展一最大值的端相反的端。現在參照第11及12圖描述在本發明之範圍內的此一天線。
參照第11圖,依據本發明的一第三天線具有包含8個縱向延伸的螺旋天線元件10A-10H的一天線元件結構,其等形成為一圓柱陶瓷核心12之圓柱外表面部分上的電鍍金屬導體軌跡。設置在該核心之外圓柱表面上的一環形鏈接導體20C互連與該天線之一遠端12D相鄰的天線元件。在該近端12P,以金屬軌跡形成的8個徑向連接元件10AR-10HR電鍍在該核心之近端表面上。每個徑向元件10AR-10HR電氣性地連接到一個別的螺旋天線元件10A-10H,且如以上所描述的逆火式天線,透過設於該核心之軸與用於電鍍其等的終端表面的邊緣之間的一弓形互連導體軌跡10AD、10EH連接到與相同組10A-10D;10E-10H之天線元件連接的其他徑向元件。
該環形鏈接導體20C作為該等螺旋元件10A-10H在其等遠端的一共同互連導體。該鏈接導體20C之近端邊緣20CP可以是非平面的以使該等螺旋元件10A-10H之長度以與以上所描述的第一及第二天線之套筒邊緣20U為非平面之方式相同的方式變化。如之前,每一組內的螺旋元件10A-10D;10E-10H之長度依據它們在核心軸的角位置漸進地變化,該等元件10A、10E在每一組10A-10D;10E-10H內是最長的且元件10D、10H是最短的。該環鏈接導體20C之電氣長度在該天線之操作頻率上等於導波長,因此該鏈接導體具有如以上參照該第一及第二天線之套筒邊緣20U 所描述的一環共振(參看第1至4圖及8至9圖)。與以上所描述的逆火式天線之情況相同,可根據需要採取其他步驟改變該等螺旋元件10A-10H之長度及其等互連導體。
第11圖中所示的天線之核心12沒有中心通道,僅在該近端面12P內具有一圓形凹部12R,以該核心軸為中心。該凹部12R接收自固定在該天線核心12之近端面12P的一多層印刷電路板(PCB)50之遠端邊緣凸出的一中心舌片50T,在第12圖中被最清楚地顯示。參看第12圖,該PCB 50具有多個導電層及多個與該導電等層隔開的絕緣層,該等層之導電圖形被組配以形成連接到由該天線核心12之近端面12P上的弓形導體軌跡10AD、10EH形成的天線之耦接節點的一貝楞電路52。該PCB載有一接收器前端電路,該接收器前端電路包含設於該PCB 50之一主面50A上的一螢幕56內的一前端放大器54。
該貝楞電路52與該天線之耦接節點10AD、10EH之間的連接透過4個導電支架58達到,兩個位於該PCB 50之每個主面50A、50B上,與該PCB 50之遠端邊緣50D相鄰。實際上,該PCB 50透過一塑膠圈固定到該天線核心12,在該等圖式中未顯示。
在此實施例中,該PCB 50被設置在中心,其主面50A、50B與軸平行。該PCB 50之對稱中心面,與該等主面50A、50B平行且在其等之間,在與經過兩組徑向元件10AR-10DR;10ER-10HR與它們的互連弓形導體10AD、10EH之間的端面12P上的一線垂直的一直徑上,將該天線 核心之近端面12P平分,因此該PCB 50之遠端邊緣50D與弓形互連導體10AD、10EH重疊。該等支架58設於個別的互連導體10AD、10EH處。因此,該天線之每個耦接節點透過兩個個別的連接支架58連接到該貝楞電路52,每個支架在該PCB 50之每個側面上。每對此等連接支架58透過貫穿該PCB 50的一個別的電鍍穿過孔(介層孔)60被連接(參看第12圖)。
該PCB 50具有由4個絕緣層67、68、69、70隔開的5個導電層62、63、64、65、66。中間或第三導電層64形成為一窄導電軌跡,該窄傳導軌跡自互連該等傳導支架58的該等介層孔60中的一者沿著該天線之軸延伸,該等傳導支架58導電性地連接到該弓形互連導體10EH,此延長傳導軌跡作為一被遮罩的傳輸線之內導體,其遮罩由兩個中間導電層63、65形成,該等兩個中間傳導層63、65以與該中間層64形成的軌跡平行的方向延伸且具有沿著它們的縱向邊緣之介層孔(圖未示)以沿著與該內導體64之邊緣平行但是與其隔開的線互連該等邊緣。形成該傳輸線遮罩的中間導電層63、65連接到設於該天線近端面12P上的弓形互連導體10AD上的傳導支架58,從而將該傳輸線連接為該天線之輻射天線元件結構之一饋電器。
從第12圖可看出,由層63、64、65形成的傳輸線導體之近端延伸至該接收器電路且特別具有至該放大器54之一輸入端74的一介層孔連接72,該遮罩導體63、65透過另一介層孔76連接到該放大器地端及該螢幕56。
該PCB 50之外傳導層62、66形成為實質上延伸該PCB之全寬度的導電板,從而與該等中間層63、65形成的遮罩導體重疊。由外層62、66形成的板之遠端邊緣(即,最接近該天線的邊緣)是開路邊緣。相反,近端邊緣透過沿著該PCB之橫向延伸的一介層孔78線被互連,此等介層孔也將該等板之近端邊緣連接到該等中間層63、65形成的遮罩導體。該等板62、66與該等遮罩導體63、65之間的該等絕緣層67、70之相對介電常數以及該等板62、66之軸向長度使得該等板62、66之電氣長度在軸向方向各自為該天線之操作頻率的四分之一導波長。藉此該PCB 50在由該等弓形互連導體10AD、10EH提供的耦接節點處提供匹配該接收器電路之單端型輸入與該天線之平衡饋電連接的一貝楞電路。
此配置具有幾個優勢。首先,該貝楞電路52阻塞由該等中間層63、65形成的遮罩導體上的電流,從而阻止共同模式雜訊信號(例如,由該天線所在的設備內的其他電路產生)流出該螢幕外殼及進入由該內層及中間層63-65形成的傳輸線。以此方式,該貝楞電路對該傳輸線遮蔽了共同模式雜訊信號。該貝楞電路提供一平衡負載給該天線。此外,該貝楞隔離該天線使得只有該天線輻射。除此之外,該系統之共振頻率只由天線決定,而不是由該天線及該天線與該接收電路之間的連接之暴露導體一起決定。這表示輻射及共振導體長度是一致的。作為一可選擇的方式,該電流阻塞可由半個貝楞電路套筒形成。在此一配置中,只有一個貝楞電路板被使用。這實質上與由兩個板形成的一全貝 楞電路套筒之作用相同(第12圖中的層62、66)。
以上所描述的八線天線之一優點是它們可被設置較靠近導電結構而沒有顯著的失調。參照第13圖,依據本發明之一層面的一可攜式無線終端機具有設於該終端機外殼(圖未示)內且與一平面印刷電路板102之一邊緣102E相鄰設置的一天線100,該平面印刷電路板102具有一導電接地平面層102G。該板102之邊緣102E及該接地平面層102G之邊緣與該天線核心之外圓柱表面12C平行,該等螺旋元件10A-10H(參看第1圖)被電鍍在該天線核心之外圓柱表面12C上,且該板102之邊緣102E與外圓柱表面12C相隔一距離s ,在此實施例中,s 在1mm之範圍內。該接地平面層與該圓柱表面12C隔開s ,實質上跨越由該等螺旋元件形成的該天線結構之整個縱向或軸向範圍。將注意到的是,該接地平面層102G設於包含該天線之軸100A的一平面或者至少在非常接近該軸100A且與該軸100A平行的一平面內。
缺少失調被認為是由於受到以下事實影響:在該等螺旋天線元件10A-10H(第1圖)之大部分敏感部分,八個之中只有一個元件受到接近該接地平面導電層102G的影響。這表示螺旋天線元件之一小比率的補足,例如與一四線螺旋天線之一受影響的螺旋元件相比下。
依據本發明的又一天線具有三對螺旋天線元件,如第14圖所示。參看第14圖,在此六線天線中,該等螺旋元件與以上描述的八線天線之情況相同,被配置為兩組,每一組之元件連接到一各自的耦接節點。因此,被電鍍或者金 屬化在該圓柱形核心12之圓柱外表面上的三個共同延伸的螺旋傳導軌跡10A、10B、10C透過徑向軌跡10AR、10BR、10CR耦接到該饋電器之一側,且另三個螺旋軌跡10E、10F、10G透過各自的徑向軌跡10ER、10FR、10GR耦接到該饋電器之另一側。如之前,被電鍍在與該板12B之末端相鄰的該核心遠極面12D上的兩個弓形導體10AC、10EG互連各自的徑向軌跡以使耦接該饋電器遮罩及內導體可透過以上描述的層板19獲得。
該等螺旋軌跡10A-10C、10E-10G以120∘間隔以該軸為中心等角度地隔開,藉由改變由成對的元件10A、10E;10B、10F;10C、10G形成的回路之各自的電氣長度,一組合圓極化共振以結合八線天線所描述的方式類似的方式獲得。已發現該等螺旋元件10A-10C、10E-10G之實體長度有利地是在該兩組螺旋元件之外元件10A、10C、10E、10G之情況下,比中間或內部導體軌跡10B、10F更短。該貝楞電路邊緣20U之一適合的輪廓在第5圖中概略顯示。將瞭解的,在此圖中,為了清楚地說明本原理,該邊緣20U之高度變化之大小被大大地放大。
如以上參照第14及15圖所描述的一六線天線之一特別特徵是其頻寬比可比較的四線及八線天線之頻寬更大。這是因為內螺旋軌跡對可被認為是一雙線回路,該六線天線構成一四線天線及一雙線天線之組合。因為一四線配置之共振(對於圓極化)取決於只存在一窄頻帶上的一特定相位關係,一雙線回路之共振頻寬大於一四線配置內的兩個回 路之組合的共振頻寬。
該雙線共振與外軌跡之共振耦合以擴大被合併的圓極化共振。這在第16圖之圖表中被顯示,第16圖是該等螺旋導體軌跡10A-10C、10E-10G上各自電壓幅值相對於頻率的圖表。此等圖表透過設置在各自的軌跡與該貝楞電路邊緣20U之接面附近的電容探針以與我們的序號為6,886,237的美國專利中所描述的方式類似的方式獲得。將注意到的是,內軌跡10B、10F表現一寬共振且特別地,在該外元件10A、10C、10E、10G之響應的交叉區域R 內展現一凹陷或“鞍狀”,如第16圖所示。這是共用能量之證據,即,在天線之操作頻率上該等元件之間的耦合。
利用被描述且被顯示的天線,預期可有至少1%的3dB小頻寬,為1.2%。
10A~10H‧‧‧天線元件
10AR~10HR‧‧‧徑向軌跡
10AD‧‧‧弓形互連導體
10EH‧‧‧弓形互連導體
12‧‧‧天線核心
12B‧‧‧孔
12C‧‧‧外圓柱表面
12D‧‧‧遠端面
12P‧‧‧近端面
12R‧‧‧圓形凹部
16‧‧‧遮罩
16G‧‧‧遠端突耳
16T‧‧‧彈簧腳
17‧‧‧絕緣層
18‧‧‧內導體
18P‧‧‧近端部分
19‧‧‧層板
19P‧‧‧電鍍周邊部分
20‧‧‧共同實質接地導體
20C‧‧‧環形鏈接導體
20CP‧‧‧近端邊緣
20U‧‧‧套筒邊緣
32‧‧‧中心孔
34‧‧‧偏心孔
36‧‧‧遠端層
38‧‧‧近端層
40‧‧‧遠端層
42‧‧‧中間層
42C‧‧‧傳導區域
42L‧‧‧傳導區域
44‧‧‧近端層
44C‧‧‧傳導區域
50‧‧‧PCB
50A‧‧‧主面
50B‧‧‧主面
50D‧‧‧遠端邊緣
50T‧‧‧中心舌片
52‧‧‧貝楞電路
54‧‧‧前端放大器
56‧‧‧螢幕
58‧‧‧導電支架
60‧‧‧介層孔
62~66‧‧‧導電層
67~70‧‧‧絕緣層
72‧‧‧介層孔連接
74‧‧‧輸入端
76‧‧‧介層孔
100‧‧‧天線
100A‧‧‧軸
102‧‧‧平面印刷電路板
102E‧‧‧邊緣
102G‧‧‧導電接地平面層
第1圖是依據本發明的一第一天線之一透視圖;第2圖是第1圖之天線之一電鍍天線核心之一透視圖,自一遠端及一側觀看;第3圖是第1圖之天線的一饋電結構之一軸向截面圖;第4圖是第1圖之天線之外圓柱表面上的導體圖形被轉換為一平面之一表示;第5圖是一可選擇的導體圖形之一類似表示;第6圖是第4圖中顯示的饋電結構之細節,顯示了自一饋電器傳輸線之一遠端部分分離的其一層板;第7A、7B及7C圖是顯示了該饋電器結構之層板之三個 導電層之導體圖形;第8圖是依據本發明的一第二天線之一透視圖;第9圖是第8圖之該天線之一導體圖形之一透明表示;第10圖是第8圖之天線之外圓柱表面上的導體圖形被轉換到一平面的一表示;第11圖是包含依據本發明的一第三天線及提供一貝楞電路及前端接收器電路的一印刷電路板的一組件之一透視圖;第12圖是第11圖之組件的印刷電路板之一軸向截面圖以及其固定的天線之一部分;第13圖是依據本發明的一可攜式無線終端機之一概略透視圖;第14圖是依據本發明的一第二天線之一透視圖;第15圖是描述第14圖之天線的一貝楞電路邊緣輪廓的一圖形;以及第16圖是描述第14圖天線的導體軌跡之個別的頻率響應之一圖表。
10A~10H‧‧‧天線元件
10AR~10HR‧‧‧徑向軌跡
12‧‧‧天線核心
12D‧‧‧遠端面
12P‧‧‧近端面
16G‧‧‧遠端突耳
18‧‧‧內導體
19‧‧‧層板
20‧‧‧共同實質接地導體
20U‧‧‧套筒邊緣

Claims (28)

  1. 一種具有超過200MHz之一操作頻率的介電負載天線,其包含:一具有一固體材料的電絕緣核心,該固體材料具有一大於5的相對介電常數且佔據由該核心外表面定義的內體積之大部分;以及一三維天線元件結構,其位於或鄰近於該核心外表面上且包含至少三對延長導電天線元件,該等天線元件實質上軸向地共同延伸且繞著該天線之一軸實質上等距地隔開,以及配置以於該操作頻率來合作地形成一共同圓極化共振。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之天線,其進一步包含一對天線元件耦接節點,每個該對天線元件具有連接到該等耦接節點中的一者之一天線元件以及連接到另一耦接節點的另一天線元件。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之天線,其中該等延長導電天線元件具有實質上相等的長度。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之天線,其中該天線元件結構包括一共同互連導體,該共同互連導在該核心之外側表面部分上環繞該核心,每個該延長天線元件具有連接到該等耦接節點之一各自的節點的一第一端,以及連接到該共同互連導體的一第二端,其中在該核心之外側表面部分上的該等延長天線元件之長度實質上是相等的,以及其中由該共同互連導體定義的一環形導電路徑之電氣長度實質上等於對應該操作頻率之導 波長的一整數(1、2、3.....)。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之天線,其中該等延長元件中的每個在該核心外側表面部分上包含一導電軌跡,每個此軌跡包含一純螺旋。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之天線,其中該天線元件結構包括一共同互連導體,該共同互連導體連接到該等天線元件中的每個且在該核心外側表面部分上環繞該核心,該共同互連導體定義了繞著該核心的一導電路徑,該等天線元件在實質上相等間隔的連接點上被連接到該核心。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之天線,其中該導電路徑之電氣長度實質上等於對應該操作頻率之導波長的一整數(1、2、3.....)。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之天線,其中該共同互連導體是一環形導電軌跡,其兩個邊緣都在該核心之外側表面部分上。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之天線,其中該核心具有一中心軸及相對於該軸橫向延伸的近端及遠端外表面部分,該外側表面部分在該近端及遠端外表面部分之間延伸,其中該天線進一步包含一饋電器結構,該饋電器結構包括以經過該核心之該近端及遠端表面部分之間的該核心的一軸向方向延伸,且透過該核心之遠端表面部分上或鄰近的耦接導體耦接到該等延長天線元件之第一端的一饋電傳輸線,以及其中該共同互連導 體是一導電套筒,該導電套筒具有一遠端邊緣,該等天線元件在其等第二端連接到該遠端邊緣,該套筒透過該近表面部分上的一導電層在該核心之該近端表面部分或鄰近連接到該饋電傳輸線。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之天線,其中連接到每個該耦接節點的該等天線元件包含一組相對於彼此橫向隔開的一組天線元件且該組天線元件具有兩個外元件以及該等外元件之間的至少一內元件,該內元件或者每個內元件具有比該等外元件更大的一長度。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之天線,其中該等內元件具有蜿蜒的邊緣。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之天線,其中該等內元件具有與該等外元件不同的寬度,較佳地比該等外元件更窄。
  13. 如申請專利範圍第2、6、10或11項所述之天線,其中該核心是圓柱形的且具有沿著與該圓柱軸垂直的方向延伸且方向相反的第一及第二端面部分,其中該等耦接節點中的每個在一內徑上包含在該第一端面部分上或鄰近的一導電層,以及其中每個天線元件透過該第一端面部分上或鄰近的一各自的徑向延伸的耦接導體連接到該等導電層部分中的一者或另一者。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之天線,其中每個該導電層部分具有一恒定半徑的弓形外邊緣且以該軸展開至少105°之一角度。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之天線,其中每個該延長天線元件對在該天線之一單一操作頻帶內具有一相關共振。
  16. 一種具有超過200MHz之一操作頻率的介電負載天線,其包含:一具有一固體材料的電絕緣核心,該固體材料具有一大於5的相對介電常數且佔據由該核心外表面定義的內體積之大部分;以及一三維天線元件結構,其位於或鄰近於該核心外表面上且包含至少三對延長導電天線元件,該等天線元件實質上軸向地共同延伸且繞著該天線之一軸實質上等距地隔開,以及一對天線元件耦接節點,每個該對天線元件具有連接到該等耦接節點中的一者之一天線元件以及連接到另一耦接節點的另一天線元件,其中每個延長天線元件具有耦接到各自的耦接節點的一第一端以及與該第一端隔開的一第二端,該元件被定尺寸以產生各自的耦接節點與該第二端之間的一預定電氣路徑,以及其中耦接到每個節點的該等延長天線元件形成一組相鄰的元件,該等相鄰元件被配置使得以相對於該軸呈角度地隔開且使得其等各自的該電氣路徑長度不同,從而形成一單調漸進,該漸進之意義對於每一組而言是相同的。
  17. 一種具有超過200MHz之一操作頻率的介電負載天線,其包含:一具有一固體材料的電絕緣核心,該固體材料具有一大於5的相對介電常數且佔據由該核心 外表面定義的內體積之大部分;以及一三維天線元件結構,其位於或鄰近於該核心外表面上且包含至少三對延長導電天線元件,該等天線元件實質上軸向地共同延伸且繞著該天線之一軸實質上等距地隔開,以及一對天線元件耦接節點,每個該對天線元件具有連接到該等耦接節點中的一者之一天線元件以及連接到另一耦接節點的另一天線元件,其中每個該延長天線元件對之每個延長天線元件具有耦接到該等耦接節點之各自的耦接節點的一第一端以及連接到該對延長天線元件對之另一延長天線元件之第二端,以形成一般關於該軸對稱且具有一預定共振頻率的一導電回路之至少一部分,以及其中該等對延長天線元件對形成的回路相對於於該軸呈角度地分佈,該等回路之各自的共振頻率隨著角方向單調地變化。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之天線,其中該等延長天線元件之該等第二端由環繞該核心的一共同互連導體鏈接,使得其等第二端由該等元件至該互連導體之一共同角邊緣之連接定義,就其軸向位置而言,該共同角邊緣之高度隨著每個該延長天線元件組非單調地變化。
  19. 如申請專利範圍第1至9和15至18項中任一項所述之天線,其中該等延長天線元件中的每個包含關於一共同中心軸繞半圈的一螺旋導電軌跡。
  20. 一種具有超過200MHz之一操作頻率的介電負載天 線,其包含:一具有一固體材料的電絕緣核心,該固體材料具有一大於5的相對介電常數且佔據由該核心外表面定義的內體積之大部分;以及一三維天線元件結構,其位於或鄰近於該核心外表面上且包含至少三對延長導電天線元件,該等天線元件實質上軸向地共同延伸且繞著該天線之一軸實質上等距地隔開,以及一對天線元件耦接節點,每個該對天線元件具有連接到該等耦接節點中的一者之一天線元件以及連接到另一耦接節點的另一天線元件,其中該天線元件結構包括在該核心之外側表面部分上圍繞該核心的一共同互連導體,每個該延長天線元件具有連接到該等耦接節點之一各自的耦接節點的一第一端,以及連接到該共同互連導體之一邊緣的一第二端,其中該天線具有一中心軸,該等延長天線元件之該等第一端位於與該軸垂直的一第一平面內,以及該共同互連導體之該邊緣沿著一非平面路徑,該非平面路徑沿著與該第一平面平行且與其隔開的一第二平面之兩側延伸,該路徑是非平面的因為其在每一組天線元件之每個天線元件在其等第一端連接到該等耦接節點中的一各自的節點之間的一第一方向內傾斜或者漸進步進,且在該等組之間的相反方向內傾斜或步進,從而每一組之該等天線元件在繞著該軸的一旋轉方向內具有漸進增加的長度。
  21. 如申請專利範圍第1至12、15至18和20項中任一項所述 之天線,其中該天線元件結構包含一奇數對的延長導電天線元件。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之天線,其中每對延長導電天線元件之該等延長傳導天線元件相對於它們之間的天線之軸彼此橫向地相對,以形成兩組橫向相對的天線元件,每一組具有一對應的奇數的天線元件,以及其中每一組之一中間天線元件在一頻率具有一相關共振,其在分別與該中間元件之每一個別側面上的該組天線元件之該等天線元件相關的共振頻率中間。
  23. 如申請專利範圍第21項所述之天線,其中該天線元件結構具有3個該對延長導電天線元件。
  24. 如申請專利範圍第1至12、15至18和20項中任一項所述之天線,其中該天線元件結構具有4個該對延長導電天線元件。
  25. 一種可攜式無線通訊終端機,其包括一種具有超過200MHz之一操作頻率的介電負載天線,其包含:一具有一固體材料的電絕緣核心,該固體材料具有一大於5的相對介電常數且佔據由該核心外表面定義的內體積之大部分;以及一三維天線元件結構,其位於或鄰近於該核心外表面上且包含至少三對延長導電天線元件,該等天線元件實質上軸向地共同延伸且繞著該天線之一軸實質上等距地隔開,以及一具有一導電層的一般為平面的電路板,其中該層具有與該天線元件結構相鄰的一邊緣且一般相對於該軸自該核心向外徑向 地延伸。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之可攜式終端機,其中該導電層位於一般與該天線軸平行的一平面內。
  27. 如申請專利範圍第25項所述之可攜式終端機,其中該導電層位於包含該天線軸的一平面內。
  28. 如申請專利範圍第25至27項中任一項所述之可攜式終端機,其中該導電層是延伸至該天線元件結構之3mm內的一接地平面導體。
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