一种电介质负载天线的制作方法

专利名称：一种电介质负载天线的制作方法
一种电介质负载天线本发明涉及一种用于超过200MHz频率的电介质负载天线和一个装备有该天线的 便携的无线终端。这种天线在许多专利中都有公开，包括GB2^^38A，GB2309592A, GB2310543A, GB2338605A, GB2346014A GB2351850A和GB2367^9A。这些天线都有至少一对截然相反的 螺旋天线，位于圆柱形的电绝缘核上，该电绝缘核由相对电介常数大于5的材料组成。该核 心材料占有核心外表面的重要组成部分。通过核心从一个端面向另一个相反的端面延伸的 是一个具有同轴分支结构的轴孔，该结构由屏蔽导体围绕的内导体组成。在孔的一端，分支 结构导体连接于对应的天线，而天线具有与孔末端毗邻的相关连接部分。在孔的另一端，屏 蔽导线与连接天线元件的导体连接，包围该孔的传导套管构成一个不平衡变压器。每个天 线元件终止于套管边缘，从其分支结构的连接处开始形成各自的螺旋路径。一些上述专利公开了四臂螺旋式天线主要用于接收或传输圆极化的电磁波。这些 天线上都有四个位于核心的圆柱形表面的螺旋状磁道，或四组螺旋磁道，每组螺旋磁道构 成一个复合的天线元件，并通过狭窄的缝隙分成两个轨道。无论是四个还是两个螺旋天线，将天线部分与分支结构导体连接的连接部分在核 心的平面末端表面上具有放射状轨道。据了解，四臂螺旋式天线有一个抗阻的匹配网络。这可能体现于一个小的印刷线 路板或固定于核心末端上表面的层压板，在分支结构和辐射状连接部分间提供连接，例如 上述已公开的专利。天线具有一个国际专利号为W02006/136809所述的匹配网络。2008年7月17日公开的国际专利W02008/084205公开的电介质负载天线具有三 对和四对完全相反的螺旋状天线。该申请和上述公开专利参考上述说明书。本项发明的目的是为了提供一种能够提高增益频带宽度的天线。据该项发明的第一个方面，电介质负载的多线天线具有一个超过200MHz的操作 频率固体材料的电绝缘核的相对介电常数至少为10，并占据着核心外表面围成的内部空 间的主要部分，一个三维的天线元件结构位于核心外表面的上面或是邻近，由至少两对大 体上为螺旋状的传导天线元件组成，该天线元件被天线轴分隔开。每个天线元件对组成传 导环部分，当N为整数，至少是2时，在操作频率的N波长区域具有一个有效的电长度。通 常，每个螺旋元件的电长度为N/2个波长，在天线轴周围为一个整圈。天线元件最好大致呈 均勻分布于天线轴周围，并且最好是轴向共存的。该天线具有一个圆极化辐射至少为90° 的远场3dB射线宽度，通常达到120°的射线宽度。该固体材料的相对介电常数至少为20， 首选材料是钛镁钙，钛镁钙的相对介电常数为21。通过这种方式，可以构建出一个圆极化辐 射区域达+3dB的极高点。本发明的首选天线具一个天线元件结构，有至少三对螺旋状大幅旋转的天线元 件。根据本发明，首选天线的核心有一个圆柱状的外表面，一个第一端面部分和与第一端面 部分直接相对的第二端面部分。在这种情况下，每对螺旋天线单元由两个伸长的传导单位 组成，后者以完全相反的配置位于或粘合于核心的圆柱形外表面上。天线有一个轴向分支 结构，其中央分支连接于第一末端表面部分连接。轴向分支结构穿过核心部分，故该天线构成所谓的“反射”天线。所推荐的天线元件结构包括径向放射状延伸至第一末端表面部分上面或邻近的 位置，每个连接耦合各自的螺旋元件与中央分支界线，放射延伸连接元件到每对螺旋天线 元件的长度不同，从而使在包含各自配对的导电回路的电力长度不同。该天线在操作频率上的圆偏振模式下是共振的，谐振模式的特点是具有一个旋转 偶极子，其电压最大值在每个延长天线元件的旋转方向连续激活。该天线最好包括一对天线元件耦合节点，每一对旋转元件具有一个连接至耦合节 点的天线元件和另一个连接至其他耦合节点的天线元件。该天线也有一个共同的螺旋天线 元件互连导体，有利于以传导环的形式与拉长传导元件的末端互连。该导体可能环绕着天 线轴，在垂直于该轴的平面延伸。该互连导体围绕在核心部分的圆柱状外表面，并确定了围 绕着该核心部分的共振传导途径。每个螺旋状天线元件具有一个连接于一个或其他耦合节 点的第一末端，及一个连接至共同互连导体的第二末端，第二末端的连接是平均分隔在连 接点上的。环形导电线路的电力长度由围绕着核心部分的共同互连导体决定，大致等于一个 整数(1，2，3，……)导波长，相当于天线的操作频率。由于该共同互连导体在操作频率上 具有一个环状共振，这将增强天线的圆极化共振模式，促进旋转偶极围绕在均一分布的螺 旋天线元件周围。共同的互连导体可能是一个狭窄的环形导电轨，其两侧位于核心部分的外表面。 这种配置特别适于轴向辐射的多线螺旋天线。另外，该共同的互连导体可能由围绕着该核 心部分的传导套管组成，延伸至第二末端表面部分构成连接，具有同轴的传输线分支结构 的绝缘导体。该分支结构穿过核心部分与核心部分另一端的螺旋天线元件相连。这种套管 可构成一个如上文提及的现有专利所公开描述的完整的不平衡转换器。该螺旋天线元件的末端最好均勻围绕着中央轴，物理间距的差别与各自元件中的 电压和电流间的差别一致。一般来说，连续的螺旋天线元件之间的物理角度差异不超过 2 1，同时位于螺旋元件的两端，以及两端之间的位置。在本发明的优选实施例中，该螺旋天线元件的长度和间距大致上是相等的。特别 是具有一个在操作频率上环形共振的共同互连导体，在伸长的天线元件中的电流和电压相 位可能不完全依赖于该元件的电力长度。然而，在首选的实施例中，元件相位可通过上述放 射状延伸的连接元件在第一末端表面部分的排列来实现，与每对螺旋天线元件不同。例如， 在一个核心部分的圆柱形外表面上有四对螺旋天线元件的天线中，这四个第一天线元件则 相互毗邻，构成第二组天线元件，连接至相应耦合节点的每组天线元件使天线元件与分支 结构接合。在这种情况下，每组径向延伸的连接元件逐渐单调变化，对于每组来说，在导体 回路长度中，围绕核心部分产生的单调无变化进程与产生相同连续感应相同。因此，每个螺 旋元件与其相应的连接元件共同构成一个产生各自预定电力途径长度的导体，该电力通路 位于各自耦合节点和螺旋天线元件的另一端，螺旋天线元件与互连导体连接，后者围绕着 毗邻核心部分的第二末端表面。径向延伸的连接元件构成导电箔的一部分，位于核心第一末端表面上面或是毗邻 核心第一末端表面，该导电箔有两个内部导电弧，分别与辐射延伸的连接元件互连，与螺旋 天线元件组联合。首选天线包括一个阻抗匹配网络，构建为层压板，具有与上述内部导电弧连接的导电层。远离径向延伸连接元件的螺旋天线元件末端最好是连接着的。因此，在优选的实 施方案中，每对元件的每个螺旋天线元件具有一个与相应的耦合节点配对的第一末端，以 及与另一个螺旋天线元件的第二末端连接的第二末端，从而构成至少部分传导回路，该传 导回路关于轴对称，并具有一个预订的共振频率。通过螺旋天线元件的这种配对形成的环 路相对于轴有角度分布，回路各自的共振频率随与轴的角度方向单调变化。在这种情况下， 螺旋天线元件的第二末端可通过环绕核心部分的共同互连导体连接，从而通过元件与互连 导体共同的环状边缘的连接确定第二末端。连接螺旋元件的该边缘可位于与天线轴垂直的 平面上。应该指出的是，在本发明首选实施例中，螺旋天线元件上的电流和电压相位是通 过核心导体实现的，而不是通过外部网络。本发明优选实施例是以8螺旋线螺旋天线的形式存在，该8螺旋线螺旋天线具有 四对细长的螺旋天线元件，位于核心的圆柱表面部分，相邻元件与圆柱轴的角度为45°。每 个螺旋元件绕轴转一整圈。螺旋元件最好在核心外表面上具有导电轨道。这些导电轨道可以是纯粹的螺旋， 也可是偏离纯粹螺旋路径的，例如是蜿蜒曲折的。在每个案例中，也可以通过蜿蜒的方式 改变电力长度，例如，只有一个边缘，或通过蜿蜒的方式，不同振幅上有两个轨道边缘。必 须指出的是8螺旋天线的效率比同等四臂螺旋式天线更高。在该天线典型的操作频率上， 电流往往局限于导体的边缘或外周。因此，增加并联边缘的数量可减少欧姆损耗，从而提 高了效率。通过将每对螺旋天线元件排列形成导电回路，且该导电回路的电力长度是指导 波长的两倍甚至更高，天线体积与8螺旋天线相比有所增加，以上公开于我们的共同待决 GB0800222. 2。据发现，这种体积的增加将进一步增强天线效率，而不会减少其波束宽度。与 通常观察的效果相反，螺旋状天线通常随着转向的增加而更加定向。本发明涉及的天线的 波束宽度很少或根本没有减少，尽管导电回路较长，天线在空中的辐射长度，例如螺旋天线 元件的轴宽度，仍然相对于波长λ较小，这可归因于核心材料具有相对较高的相对介电常 数。辐射长度最好小于λ/4。在本发明绝大多数优先实施例中，辐射长小于λ/6。当垂直于轴测量的每对螺旋元件之间的间距大约是螺旋元件平均轴宽的一半，或 是天线辐射长度的一半时，效率最大。以这种方式就有可能在极高点(例如，在天线轴上)实现环形极化辐射的等方向 性不超过+3dB。这种效率增益可用于提高接收设备的灵敏度，实现传输设备的效率，而无需 影响波束宽度。螺旋元件的曲折可作为改变元件相应电力长度的方式，以帮助电流和电压的相位 调整。还可以通过形成共同互连导体来改变螺旋元件的长度，例如形成传导套管，其具有一 个与螺旋元件连接的非二维边缘。也可以结合这些特点，或采用径向延伸连接元件长度的 上述变化或两者其一，以实现相对长度的更大变化，此外还可以采用单一技术实现。这种天线的一个特殊用途是可用于卫星无线电话，例如使用具有1616MHz到 1626. 5MHz操作频段的铱系统。本发明还包括一个包括上述天线的便携式无线通信终端。下面参照图纸示例对本发明进行描述


图1是根据本发明绘制的天线透视图；图2是图1中天线核心部分从远端和侧面看的透视图；图3是图1中天线分支结构的轴向截面图；图4是图1中天线远端部分的透视细节图，显示了分支结构薄板上的匹配网络；图5A和5B显示了分支结构薄板远端和近端面传导层的导体模式；图6是显示了天线的辐射模式。根据图1和图2，与本发明相比，8螺旋天线含一个天线元件结构，该结构具有8个 伸长的天线元件，以八个轴向同延的螺旋状传导轨迹10A、10B、10C、10D、10E、10F、10G、IOH 的形式存在，此外，在圆柱核心12的圆柱状外表面上喷涂金属。该核心由陶瓷材料制成。在 这种情况下，钙镁钛酸盐材料在该区域的相对介电常数为21。随着温度的变化，该材料具有 空间和电力的稳定性。介电损失通常可忽略不计。在该实施例中，核心的直径D为14mm。 核心的长度是直径的两倍以上，但在本发明的另一个实施例中，核心长度可能比这个更小。 核心是由压制而成的，但可以在挤压后烧制而成。这种天线是一种背射模螺旋天线，在轴向孔12B处有一个同轴传输线，从第一末 端表面部分开始以末梢端面12D的形式穿过核心，以核心近端面12P的形式到达第二末端 表面。两端面12D、12P均是垂直于核心中轴线的平面。同轴传输线是一个刚性的同轴分支， 位于孔12B中央，其外屏蔽导体与孔12B壁隔开，从而可有效的在屏蔽导体和核心12材料 之间构成一个介电层。参考图3可知，同轴传输线分支具有一个传导性管状外屏蔽导体16，一个第一管 状空气间隔或绝缘层17，一个细长的内导体18，内导体通过绝缘层17与屏蔽导体隔开。屏 蔽导体16的表面上有突出和整合的弹簧吊16T，或是一个将屏障导体与孔壁12B隔开的垫 片。第二个管状空气间隙位于屏蔽导体16与孔壁12B之间。绝缘层17可以塑料套管的形 式存在，位于屏蔽导体16和孔壁12B之间。在下面，分支的近端，内导体18通过绝缘衬套 18B位于屏蔽导体16的中央。屏蔽导体16、内导体18和绝缘层17结合在一起构成了一个传输线，具有预定的典 型阻抗，这里是50ohms，通过天线核12传输，与天线元件IOA到IOH的远端耦合，传输到天 线所连接设备的无线电频率(RF)。通过导体分支连接部分与螺旋轨道IOA至IOH的连接构 成天线元件IOA至IOH与分支的耦合，这些连接部分以位于核心12远端末端面12D的辐射 轨道10AR、10BR、IOCR、10DR、10ER、IOFR、IOGR、IOHR的形式存在(见图1和图2)。每个分支 连接部分自相应螺旋轨道末端起延伸，直至毗邻孔12B末端的位于核心远端面12D的两个 内部弓形导体10ADU0EH中的一个。这两个弓形导体IOAD和IOEH分别通过固定在核心远端表面12D的薄板19，连接 至屏蔽导体16和内导体18，这将在下文做详细介绍。在装配入核心12之前，同轴传输线分 支与薄板19 一起组成了一个整体分支结构，通过比较图1、图2和图3，可以看到上述组件 之间的相互关系。再看图3，传输线分支的内导体18具有一个近端18P，它从核心12的近端面12P 发出，以针状发出，与设备电路连接。同样，屏蔽导体16近端面上的整体支耳(未显示)突 出超过核心近端面12P。从而与设备的接地电路相连。如图1所示，天线元件IOA至IOH的近端是由共同的虚拟接地导线20相互连接的。在本实施例中，共同导体呈环状，以围绕毗邻近端面12P的核心12的近端部位围绕的电镀 套管形式存在。反过来，该套管20则通过核心近端面12P的电镀导体盖(未显示)连接于 分支的屏蔽导体16，从而构成四分之一波的平衡非平衡电路(Balim)。8 个螺旋天线元件 10A-10H 组成四对 10AU0E ； IOB，IOF ； IOC，IOG 和 IOD，IOH ；每对 有一个螺旋元件连接至弓状导体10AD，10EH，另一个完全相反的螺旋元件连接至另一个弓 状导体10EH，10AD，然后连接至传输线分支的内导体18和屏蔽导体16。从而，8个螺旋天线 元件10A-10D可被4个安排为1组，一组的所有元件10A-10D连接至第一天线导体10AD，另 一组的所有元件10E-10H连接至第二天线导体10EH。因此，这两个弓形导体组成第一和第 二耦合节点，这两个节点将各自的螺旋天线元件相互连接在一起，为每组元件提供共导体， 连接至一个或另一个传输线分支导体。每对这种螺旋元件10A，IOE ；10B, IOF ；10C, IOG ；10D, IOH均与其相应的每对分支 连接径向元件 10AR, IOER ;10BR, IOFR ； 10CR, IOGR ； 10DR, IOHR 一起，套管 20 的边缘 20U 在
两个耦合节点之间构成传导回路。在该天线中，传导回路的电力长度为2Xg，Xg，是天线操 作频率上沿传导回路的电流的波导波长。每对螺旋元件每增加或减少15%，便围绕天线轴 旋转一个整圈，从而每对元件与径向分支连接元件和边缘一起，构成转动回路，转动的总角 度约为360°。与具有Xg的回路长度和旋转半圈的螺旋元件8螺旋天线相比，该天线具有 少许或无波束宽度的衰退。然而，由于天线容积大约加倍(相对于具有λ g回路和相同核 心直径的8螺旋天线)，可实现频带宽度增益倍数的显著增加。至于天线相对于操作波长，该实施例的辐射长度Lp (见图1)(即天线螺旋元件 10A-10H的平均轴宽度)约为0. 15λ，λ是在空中的波长。在铱卫星无线电话波段1621MHz 处，0.15 λ大约相当于观.5mm。对于此频率上的天线操作，平衡不平衡转换器套管20的轴 向长度Lb大约为4. 5mm，产生的天线总长度大约为33mm。天线辐射部分的高宽比，例如由 直径D分开的辐射长度Lp大约为2。总的来说，首选的宽高比等于每对螺旋元件和相应的 径向分支连接元件构成的导体回路的电力长度所代表的波长数量。据上文所述，由螺旋元件对和相应的径向分支连接元件构成的传导回路是波长的 两倍(例如，720°的电力长度)。在实际应用中，这是传导回路的平均长度，每个相应回路 的长度与其邻近回路的长度略有不同，从而获得配对的共振频率。因此，在操作频率上，各 个连续的元件对之间的电流以传统四臂螺旋天线产生环形极性波时发生的元件间90°相 位移动的相同方式出现相位移动，这些相位移动在环形极性波方面提高了天线共振。申请 人发现当8螺旋天线元件10A-10H的长度相同或相似时的效果最好，螺旋对之间回路长度 的不同通过改变径向分支连接元件10AR，IOER ； 10BR, IOFR ； 10CR, IOGR ;10DR，IOHR的长度 来实现，如图2和图4所示。如图2和图4，径向分支连接元件10AR-10HR将螺旋元件10A-10H与相应的内弓 形导体10AD，10EH以上述耦合节点对的形式相互连接。径向分支连接元件于内弓形元件 构成一个单一的传导层，直接位于核心远端面12D上。正如将要看到的，第一对180°相 对的径向元件10AR，IOER 一般较逆时针方向上的下一对10DR，IOFR更长，最短的一对元件 10BR，IOHR也是如此。更精确的说，径向元件10AR-10HR的边缘长度各有不同。也就是说， 相邻的径向元件之间的间隔24AB，24BC, M⑶，24EF，24FG, 24GH是截断的扇形，每组径向元 件10AR，IOBR ;10CR, IODR ； 10ER, IOFR ;10GR，IOHR的截断程度以逆时针的方向逐渐增大。如果每个连续的元件对的边缘长度相同，由于每个螺旋元件10A-10H因与边缘20U的有角度 接合(见图2)而导致其边缘长度不同，螺旋元件与径向元件结合体10A，10AR-10H，10HR的 有效长度在两个元件组中呈单调变化。(该领域技术人员可充分理解，在操作频率上，因电 流趋于集中在导电轨道边缘，该有效长度即为控制回路长度的边缘长度。)在该发明的这个具体实施例中，8螺旋天线元件10A-10H具有相同或相似的长度。 因此，套管20的边缘20U大体上是平面的，位于一个垂直于天线轴的平面上。然而，非平面 边缘也可用于如上所述的某些情况。总之，该天线的旋元件10A-10H以相同的角度间隔360° /n围绕在核心12周围， 其中η是元件的数量，这些元件以每组η/2个元件分为两组，各元件具有相似的长度，套管 20边缘20U离核心12远端表面12D的距离不同，核心12的远端表面12D与核心的中央轴
垂直。每个元件围绕核心一整圈。传导套管20与核心近端表面12Ρ上的镀层构成一个与分支的屏蔽导体16在一起 的套管平衡不平衡变换器，当天线以操作频率工作时，提供了径向天线元件结构与安装有 该天线的设备的共同分隔模式。套管内的电流限制于套管边缘20U。因此，在操作频率上， 套管20的边缘20U和每对螺旋元件10Α，10E-10D，IOH构成了一个连接于平衡分支的相应 的传导回路，电流通过边缘20U在每对元件之间流动。在本发明的优选实施方案中，套筒的周长等于在工作频率上的波导波长的整数 值。这具有增强谐振模的作用，该谐振模产生于上述导体回路的共振，后者由在操作频率上 的各对螺旋元件和边缘组成。尤其是如上述公开号为GB2346014A的英国专利中所描述的 那样，套管20可作为一个共振结构起作用，独立于螺旋元件10Α-10Η。因此，套管边缘20U 具有一个与操作波长相等的电力长度，以环状的模式产生共振。如GB2346014A所述，由螺 旋元件对构成的回路所引起共振模的增强可通过对注入每个螺旋元件与边缘结合处的边 缘20U所代表的环上的波成像可见，该波通过边缘20U形成一个旋转偶极子。由于边缘20U 的电力长度，当引入波沿边缘20U传导并回到引入点时，会从相应的螺旋元件引入下一个 波，从而加强第一个引入波的强度。这一波的有利组合源于边缘谐振长度。环共振和套管20作用，以及与具有环状极性电磁波的天线操作有关的核心近端 表面12Ρ上的镀层的进一步详细描述见于上述专利GB2346014A。虽然本发明实施例的套 管和镀层有利于发挥平衡一不平衡转换器与环状共振功能，环状共振也可通过将螺旋元件 10Α-10Η与环形导体的连接而自由提供，该环形导体围绕着核心12，在核心外表面部分具 有近端和末梢边缘，而不是以连接至分支屏蔽导体16的套管的形式构成具有开放末端的 开放腔。这种导体的范围可能会比较狭窄，因为它可构成一个宽度与构成螺旋元件10Α-10Η 的传导轨道宽度相似的环形轨道，其电力长度相当于在操作频率上的波导波长的整数倍数 (1，2，3…)，产生一个与由螺旋元件及其相互连接提供的回路有关的增强的谐振模环形共 振。至于螺旋元件10Α-10Η和它们相互连接所代表的回路的共振行为，在天线操作频 率上，以共振的模式运转，该天线对环形极性信号敏感。每对螺旋元件10ΑΕ，IOBF, 10CG, IODH与相关的径向元件一起，在天线单一的操作频率波段具有一个相关共振，随后，所有共 同运转的螺旋元件对构成一个共同的环状极性共振。螺旋元件和径向元件组合的不同长度 导致在每组10A-10D，10E-10H不同元件之间的电流之间存在360° /n(45° )的相位差异。在这种谐振模式下，电流流经通过薄板19的耦合导体连接至屏蔽导体16的每对螺旋元件 10A, 10E, 10B, 10F, 10C, 10G, 10D, IOH和边缘20U。套管20与核心近端表面12P的镀层一起 发挥防止电流从天线元件10A-10H流到核心近端表面12P上的屏蔽导体16的陷阱作用。对位于具有平衡不平衡变换器的套管多线螺旋天线上的电介质的操作的描述详 见于上文提到的专利号为GB2292638A和GB2310M3A的英国专利。分支传输线路具有多种功能，不仅仅是一个具有50ohms阻抗特性，用于传输信号 到天线元件结构，或从天线元件结构传出信号的线路。首先，如上所述，传导屏蔽层16与套 管20结合共同作用，在分支结构与天线元件结构结合的部位提供共同隔离。在(a)与其和 核心近端表面12P的镀层22的连接和(b)与薄板19上的导体连接之间的屏蔽导体长度， 孔12B的面积，以及填充屏蔽导体16和孔壁之间空隙的材料的介电常数是其外表面上屏蔽 导体16的电力长度，至少近似为天线共振所需模式频率的四分之一波长，使传导套管20、 镀层22和屏蔽导体16的结合促进分支结构与天线元件结构连接处的电流平衡。该天线具有一个绝缘层，围绕着分支结构的屏蔽导体16。该绝缘层一般具有比核 心12部位低的介电常数，在这种情况下，绝缘层和空气降低了核心12对屏蔽导体16的电 力长度的影响，进而影响与屏蔽导体16外层相关的纵向共振。由于与所需操作频率有关的 共振模式由电压偶极延伸直径所决定，例如圆柱形核心轴的横断面，由于套管厚度明显小 于核心部分，具有低介电常数的套管对所需要的共振模式的作用相对较小，至少在优先实 施例中是这样。因此，这可能会引起与屏蔽导体16相关的共振线性模式和所需的共振模式 華禹合。分支结构的进一步细节图可参考图3，图4，图5A和5B。分支结构包括一个同 轴50ohm线路16，17，18和平面薄板19组合连接至线路末端。薄板19是双面印制回路板 (PCB)，面对面紧贴着核心12的末端面12D。双面印制回路板(PCB) 19的最大尺寸小于核 心12的直径，因此，该双面印制回路板(PCB)完全位于核心12末端表面12D的外缘内部， 并足够小而不会掩盖最长的径向连接元件10AR，10ER，如图1所示。在本实施例中，双面印制回路板(PCB) 19是以位于核心末端面12D中央的圆盘的 形式。其口径重叠于核心端面12D上的弓形跨元件耦合导体10AD，10EH。如图4所示，双面 印制回路板(PCB)具有一个接收同轴分支传输线路内导体18的中心孔洞。三个偏心孔受 到屏蔽导体16的末端突出柄16G。突出柄16G呈弯曲状，或“嵌合的”，有助于双面印制回 路板(POT)相对于同轴分支结构的定位。所有四个孔均为镀通孔。此外，双面印制回路板 (PCB) 19的外围部分19P经过电镀，且电镀层延伸至板面的近端面和远端面。双面印制回路板(PCB) 19是双面的，在中间绝缘层的相对面具有远端和近端导体 层。每个导体层以各自的导体模式蚀刻，见图5A和图5B所示。导体模式延伸至双面印制 回路板(PCB) 19的外围部分19P，并到达不同层面中镀通孔的各个导体，各个导体通过各自 的边缘薄板和孔板相互连接。正如图5A和5B所示，末端导体层具有一对导体垫42P，连接 至内导体18 (内导体位于中央孔洞)。这些导体垫42P被一个扇形或扇形传导区域42S所 围绕，连接至分支屏蔽16 (当接收到各自镀通孔时)。导体垫42P和扇形导体相邻区域通过 一对薄片电容器44耦合，这对薄片电容器44被焊合在双面印制回路板(PCB) 19的末端面， 如图4所示。该电容器在内导体18和分支的屏蔽导体16之间共同组成了一个分路电容。 请注意，邻近的导体层(见图5B)具有一个相应的扇形传导区域46S和扇形区域42S，这两个电镀区域在分支屏蔽导体16和弓形内导体10AD，以及螺旋元件10A-10D之间构成一个 分散的连接。远端和近端导体层上的断电器42C和46C分别处于径向分支连接元件10BR， IOCR之间的间隔中，并促进电流在各组10A-10D螺旋元件之间进行分配。远端传导层的传导模式具有一个第二传导区域42L，延伸自内分支导体18和第二 扇形或弓形导体区域42F的连接处，再至电镀外围部分19P，与弓形或偏环形导体IOEH重 叠。弓形区域内的断面42C有助于电流均勻分布于各个螺旋元件10E-10H。在近端导体层 没有相应的潜在传导区域。中央孔洞32和镀层的外围部分19P之间的传导区域42L覆盖 在弓形轨道IOEH上，在分支内导体18和另一组螺旋天线元件10E-10H之间起系列电感组 的作用。当双面印制回路板(PCB) 19和细长分支16-18的组合安装在核心12上，双面印制 回路板(PCB)的近端面与核心远端面12D连接，与弓形互连元件IOAD和IOEH如上述形式 对齐，在外围部分19P和核心远端面12D上的基本轨道之间的连接构成一个反应匹配电路， 并具有一个并联电容和一个串联电感。分支线路16-18和核心远端面12D上的传导轨道是通过焊合或导电胶粘合连接在 一起的。当内导体18远端和套管接头16G焊合于双面印制回路板(PCB) 19上的相应导通 孔时，分支16-18和双面印制回路板(PCB) 19 —起构成了一个单一分支结构。分支16-18 与双面印制回路板(PCB) 19 一起构成了一个具有完整匹配网络的单一的分支结构。分流电容和串联电感组成了一个匹配网络，位于同轴传输线远端和辐射天线元件 结构之间。分流电容和串联电感同时与同轴传输线的阻抗匹配，包括屏蔽导体16、绝缘层 17和内导体18，此时同轴传输线的近末端与射频电路连接，后者具有一个50ohm终端，该同 轴传输线的阻抗与在操作频率上的天线元件结构的阻抗匹配。如上所述，在操作频率上的天线远场辐射模式和环形极性辐射从本质上讲是心形 的，如图6所示。当仰角超过30°时，天线是全方位的，在极高点50 (位于天线轴)的增益 较各向同性高约3dB。该波束宽度大约为120°，波束宽度是在极高点增益3dB的增益，如 3dB线路52和波束宽度限M所示。在不同的方位角度也获得了相同的结果。
权利要求
1.一种操作频率超过200MHz的电介质负载多线天线，其特征在于，包含一个固体材 料制成的电绝缘核，其相对介电常数至少为10，并占据由核心外表面围成的内部体积的绝 大部分；一个三维天线元件结构，位于核心外表面上或是与之邻近，包含至少两对螺旋传导 天线元件，该天线元件围绕天线轴隔开，其中每对天线元件构成传导回路的一部分，该传导 回路在操作频率下的N波导波长区域具有有效的电力长度，其中N是一个至少为2的整数， 该天线的环形极性辐射的3dB波束宽度至少为90°。
2.根据权利要求1所述天线，其特征在于，固体材料的相对介电常数至少为20。
3.根据权利要求1或2所述天线，其特征在于，天线的环形极性辐射3dB波束宽度至少 为 120° 。
4.根据上述任意一项权利要求所述天线，其特征在于，天线元件结构至少具有三对所 述的螺旋天线元件。
5.根据上述任意一项权利要求所述天线，其特征在于，至少每个螺旋天线元件围绕天 线轴旋转整圈，该天线元件围绕天线轴被均勻地隔开，轴向共存。
6.根据上述任意一项权利要求所述天线，其特征在于，该核心具有一个圆柱形的外表 面，一个第一末端表面，一个第二末端表面，后者与前者相对存在；每对所述的螺旋天线元件包含两个伸长了的传导元件，位于核心圆柱形外表面，二者 相对分布；天线包含一个中央分支连接，与第一末端表面有关；天线元件结构包含许多径向延伸的连接元件，位于第一末端表面上或与之毗邻，每个 连接元件将各个螺旋元件于分支连接偶联，连接元件的长度与所述螺旋天线元件不同，从 而使每个传导回路的电力长度不同。
7.根据权利要求6所述天线，其特征在于，该天线具有四对螺旋天线元件，该天线还包 含一对天线元件耦合节点，每对螺旋天线元件具有一个连接至一个耦合节点的第一天线元 件，以及一个连接至另一个耦合节点的第二天线元件，4个第一天线元件彼此紧邻构成第二 组天线元件，其中径向延伸连接元件的长度逐渐减少，以预订的方向围绕在第一末端表面 的外围，每组的连续程度相同，从而在传导回路的长度内单调变化。
8.根据权利要求7所述天线，其特征在于，天线的径向延伸连接元件构成的传导薄片 部分，位于所述核心第一末端表面上，或是与之毗邻，该薄片具有两个内导体弧，互连分支 连接元件的内导体弧与相应的螺旋天线元件组连接。
9.根据上述任意一项权利要求所述天线，其特征在于，天线元件结构包含一个共同的 互连导体，其中每个天线元件与之连接，并环绕该核心，这个共同的互连导体决定了围绕核 心的传导途径，天线元件围绕核心等距分布连接。
10.根据权利要求9所述天线，其特征在于，相对于所述操作频率，传导通路的电力长 度为导波长的整数倍数(1，2，3……)。
11.根据上述任意一项权利要求所述天线，其特征在于，螺旋天线元件的平均轴向宽度 小于λ/4，其中λ是在操作频率上的空中电磁波的波长。
12.根据权利要求11所述天线，其特征在于，螺旋元件的平均轴向宽度小于λ/6。
13.根据上述任意一项权利要求所述天线，其特征在于，垂直于轴测量，每对螺旋元件 之间的间隔大约是螺旋元件平均轴向宽度的一半。
14.根据上述任意一项权利要求所述天线，其特征在于，天线的工作频率在1616MHz至 1626. 5MHz 范围内。
15.一种便携式无线通信终端，其特征在于，具有一个上述任意一项权利要求所述的天线。
全文摘要
电介质负载多线天线具有一个电绝缘固体核心，含有一个由4对螺旋径向元件组成的天线元件，这四对螺旋径向元件围绕天线中心轴分布。每对方向相反的天线元件构成传导回路部分，该传导回路在操作频率下的N波导波长区域具有有效的电力长度，其中N是一个至少为2的整数。通常，每个螺旋元件围绕核心外表面上的轴旋转一周。与先前典型的电介质负载多线螺旋天线相比，该天线改善了频带宽度，在环形极性辐射的3dB波束宽度至少为90°。
文档编号H01Q11/08GK102089929SQ200980127070
公开日2011年6月8日 申请日期2009年5月12日 优先权日2008年5月13日
发明者奥利弗·保罗·雷斯特恩, 尼古拉斯·罗杰·派德菲尔德 申请人:萨恩特尔有限公司