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在超过200MHz的频率上工作的电介质负载天线，主要但不仅仅是一种用于圆形的偏振电磁辐射的多线螺旋形天线。专利号为2^^38A，2310M3A和2367^9A的英国专利，以及专利号为 W02006/136809的国际专利都公开了电介质负载四臂螺旋天线。这种天线主要是为了接收来自全球导航卫星系统(GNSS)的圆形偏振信号，例如来自全球定位系统(GPQ卫星群的信号，用于定位导航。Ll波段的全球定位系统和相应的伽利略服务是窄频带服务。其他基于卫星的服务需要比先有天线频带更窄的接受或传播设备。专利号为MM521A的英国专利申请中公开的一种提供增强频带宽度的天线。专利号为M45478A的英国专利申请公开了同类天线。这个申请公开了螺旋线和螺旋线天线，它们具有更大的频带宽度和/或比类似的螺旋线天线具有更大的优势。本发明的目的是为了提供一个具有更大频率覆盖范围的天线。根据本发明的第一个方面，在第一和第二频率在200MHz以上运转的具有圆偏振振幅的电介质负载旋转天线包含，一个由实心固体材料制备的电绝缘电介质核，其相对的电介常数大于5，并占据着核心外表面包围的大部分内部体积，一对供电连接节点，以及一个天线元件结构，包含一个多元性延长传导天线元件和一个共同的互连导体，其形式为延长导线分布在其核心上或相邻的外表面上，其中该天线元件包含有至少4个从一个供电连接节点延伸到共同导体的共空间延伸天线元件中的第一组天线元件，以及有至少4个从另一个供电连接节点延伸到共同导体的共空间延伸天线元件中的第二组天线元件，该组包含一个在第一频率圆偏振辐射的电短天线元件和一个在第二频率圆偏振辐射的电长天线元件，其中每组包含成对的邻近天线元件，每对包含一个电短天线元件和一个电长天线元件， 元件是这样安排的，每组里在特定的核心缠绕方向上电短天线元件的数目和电长天线元件的数目一样多，在上述方向上，电长天线元件在电短天线元件前面。“电长天线元件”和“电短天线元件”可以简单地从相对意义上解释，而不是在绝对意义上的解释，在这样的一组天线元件中包含不同导电长度的元件，那些被称为“电长”的导电长度比那些被称为“电短”的导电长度长。通常至少包含三对，其中每对中的一个元件也是另一对的一个元件。使用有此结构的天线，可提供第一和第二共振模式，与圆偏振辐射相关，第一种模式围绕第一、较低的频率和电长元件，第二种模式围绕第二、较高频率和电短元件。通常情况下，第一和第二频率之间的间隔不大于两个频率平均值的12%。每个共振模式的特点由一个旋转的偶极子，和每个天线单元的旋转方向连续激发电压最大值。本天线可以作为一个双频段天线，覆盖第一和第二工作频率包含第一和第二共振频率。根据共振频率的间距， 波段可分离或合并成一个单一的复合圆偏振波段。天线特别使用手持的和移动的无线收发器来接受卫星电话服务邻近的上行和下行频率波段。目前的或预计的服务包含TerreStar (注册商标)S波段使用2000-2010MHz 和2190-2200MHz波段。该卫星电话服务包含配套的地面部分。使用这些系统的移动设施通常连接卫星和地面站，根据通讯条件移动设备在一个或其他之间自动转换。其他服务波段在2000MHz至2200MHz之间，包含ICO全球通讯S-波段服务和SkyTerra服务。本发明还是用于双服务系统，例如，与两个GNSS系统通讯等，一方面，1575. 42MHz 的 GPS 或 Galileo，另一方面，1598. 0625MHz 至 1605. 9375MHz 波段的 Glonass。其他可用的组合是参照本发明使用一个单一的天线，包含成对的1575. 42MHz的GNSS和波段为 1616. OMHz至1626. 5MHz的Iridium卫星电话系统，成对的扩展波段在2320MHz至2345MHz 的两个卫星通讯服务。通常，与上文述提到的优先公开专利的天线一样，在本发明涉及的天线中，核心外表面具有以相反方向横向延伸的末端表面部分和在末端表面部分之间延伸的一个侧表面部分(通常是一种圆柱形的表面部分)。供电连接节点最好位于一个末端表面部分或靠近一个末端表面部分(例如，在毗邻末端表面部分的侧表面部分)。共同的互连导体可以是一个环绕侧面部分上面或旁边的核心的套管，以另一末端表面部分的方向，从供电连接节点隔开的位置延伸到另一末端表面部分。或者，它可以是一个围绕核心的狭窄的传导环，例如作为一个毗邻另一末端表面部分的侧表面上的环状轨道。天线元件最好以均勻隔开的连接点连接到共同的导体上。同样，它们最好围绕着与供电节点连接的核心末端表面的外部边缘均勻分隔开。一般来说，连续的天线元件远端的物理间隔就它们围绕着核心来说的变化不超过 2 1。连续的天线元件近端间隔与连续元件在其末端处的间隔也是如此。环状导体或套管的边缘与相互依存的天线元件连接，通常位于垂直于延伸到天线中轴的平面。其优势是在天线的操作频率或其附近，且最好是在高于上述频率上，具有一个360°的导电长度(或 λ g是导体或套管边缘上的电流的波导波长)。这意味着互连导体在相应的频率上具有一个环形共振，例如，在上述的本发明具体实施例中提到的更高的频率上。此外，与上述优先公开的天线一样，相互依存的天线元件最好是螺旋形的，构成核心外表面上的传导轨道。在本发明的优先实施例中，每个螺旋元件围绕天线中轴转半圈。例如，它也可能使用全旋的螺旋元件。各个相互依存的天线元件之间导电长度的差异可方便地通过电短元件简单地沿纯螺旋状路径排布，以及电长元件沿偏离纯螺旋的螺旋状的路径排布而产生，例如以曲折的方式。或者，所有相互依存的天线元件可以在各个纯螺旋路径附加曲折排布，但具有不同的曲折振幅。如另一种选择，导电长度的差异可通过将天线元件形成不同宽度传导轨道的天线元件产生。此外，天线元件连接的共同互联导体边缘可以上述专利GB2310M3A和 GBM45478A所述的方式非平面连接。螺旋元件之间导电长度的差异在第一和第二供电节点之间产生不同导电长度的传导路径，在不同频率上提供各自的共振。该申请创立了相互依存天线元件的有利排布，相互依存的天线元件包含上述具有 5个相互依存天线元件的天线元件组，其中至少有两个天线元件是曲折排布的，否则即采用较改组其他天线元件更长的导电长度。这种天线可视作一种混合体(i)在第二、较低的第一频率上具有圆偏振辐射模式的四螺旋线天线和(ii)在第二频率上具有一个圆偏振辐射模式的六螺旋线天线，这两个频率之间的间距通常在两个共振频率的平均值0. 5%和12% 之间。无论该天线具有4对、5对，还是5对以上相互依存的天线元件，天线元件最好均勻分布在核心侧表面部分。在优先10-元件天线实施例中，尽管这意味着四螺旋线部分元件或六螺旋线部分都不代表它们是彼此均勻地分布，它们是充分靠近的均勻分布，在每个所需的频率上产生一种适当的辐射模式。本发明涉及的优先实施天线是一种背射天线，鉴于它在或毗邻核心远端表面部分具有供电连接节点，以及一个由远端表面部分和相对的近端表面部分之间穿过核心的供电结构。或者，共同的互连导体与位于近端表面部分或毗邻近端表面部分的供电结构配对，为了与供电结构结合形成一种四分之一波长的平衡不平衡变换器，以在供电结构的远端产生一个平衡的源头，如上述优先公开的申请所述。优先的天线具有在供电连接节点和供电结构之间连接的阻抗匹配网络，该网络包含至少一个反应匹配元件，由一个导体或薄板上的导体附加到核心一端表面部分构成，或以一个或多个反应元件的方式，由位于各自末端表面部分上的导体形成，或由不连续聚合的反应组件或位于末端表面部分的组件构成。作为背射天线的替代者，该天线可构建成一个端射式天线，供电节点位于或毗邻核心的近端表面部分。根据本发明的第二方面，电介质负载螺旋天线在邻近的频率波段中具有一对圆偏振辐射模式，该天线包含两组至少有4个具有共同半径的同轴和轴向相互依存的传导性螺旋天线元件，1对供电连接节点和一个环状连接导体，一组内的天线元件从一个供电连接节点延伸到共同导体，另一组中的天线元件从另一个供电连接节点延伸到共同导体，其特征是，在每一组中，天线元件至少构成在第一和第二不同的导电长度上的各自的传导路径部分，其中一对共振模式与第一导电长度的路径有关，另一对共振模式与第二导电长度的路径有关，其中路径形成的模式是每组内不同导电长度的排序与另一组关于中线呈镜像对应。在优先实施例中，每个螺旋天线元件在核心的另一侧具有一个相应的完全对立的伸长元件。每对元件中的每个元件都有一个与一个供电节点连接的第一末端，和与一对中的另一个延长天线元件的第二末端连接的第二末端，至少形成各自传导环部分，它通常关于轴对称，并具有一个预先决定的共振频率。该环形线路由伸长天线元件对组成，有角度地分布在天线中轴的周围，环形线路各自的共振频率随相对于轴的角度方向而变化。伸长天线元件的第二末端由围绕核心的天线连接导体连接，从而使他们的第二末端由元件与互连导体共同的环状边缘连接限定，就其轴向位置而言，该边缘的高度在这两组延长天线元件中有所不同。 为了实现小尺寸和在所需频带宽度上效率的适当折中，负载天线的电介质核心的相对介电常数大于10，且最好大于20。根据本发明的第三方面，上述天线中的每组天线元件在第一导电长度上至少有两个天线元件，在不同的第二导电长度上至少有两个天线元件，集中在第一和第二各自频率上的共振模式之间的频率间隔在第一和第二频率平均值的2%和12%之间。在详细的描述中，“放射物”和“辐射”可广义地解释为当用于描述天线的特点或元件时，它们包含这种与能量辐射相关的天线的特征或结构，或者当天线作为一个接受元件吸收周围能量相关的天线交互特征。将参考附图中的示例对本发明进行描述
图1是依照本发明的一种天线的透视图；图2是图1所示天线的轴向截面图3表示图1所示天线的圆柱形外表面部分的导体模式，转化为一个平面；图4是图2所示供电结构的详细结构，表示一个从供电传输线的末梢部分分开的薄板；图5A、5B和5C显示了供电结构的三个薄板传导层的导体模式；图6A是一个等价的电路图；图7图解说明了图1所示天线插入损失(S11)的频率响应；图8是一种可选的供电结构的详细结构；图9A和9B显示了图8中供电结构的2个薄板的传导层的导体模式；图10是另一个等价的电路图。参照图1、图2和图3，本发明的一种双波段多臂螺旋天线有一个含10个伸长天线元件的天线元件结构，这10个伸长天线元件以10个轴向相互依存的螺旋传导轨道10A， 10B，10C, 10D, 10E, 10F, 10G, 10H, 101，IOJ经电镀，或在圆柱形核心12的圆柱形外表面上喷涂有金属。为了清楚起见，图2中忽略了这个核心。核心由陶瓷材料制成。在这种情况下， 钙镁钛酸盐材料的相对介电常数为21。这种材料以其在不同温度下的尺寸和电稳定性及较低的介电损失而著称。在该实施例中，为了在2100MHz和2170MHz进行操作，该核心的直径为10mm。核心的长度为17. 75mm，大于其直径，但在其他实施例中则可能会小于其直径。核心是由压制而成的，但可以压铸工艺生产，然后用火烧铸。在其他实施例中，也可以使用玻璃-陶瓷材料制造该核心。这个首选天线是一种背射螺旋天线，在轴向孔内具有一条同轴传输线从核心远端表面12D穿过核心到核心近端表面12P。两个端面12D，12P都是垂直于核心中轴的平面。 在本发明的这个实施例中，它们彼此相对，一个指向远端，另一个指向近端。同轴传输线是一种不易弯曲的同轴供电线，位于孔的中心，外部防护罩导体与孔壁隔开，从而在防护罩导体与核心12材料之间具有一介电层(在该实例中是一个空气套管)。根据图2可见，同轴传输线供电线具有一个传导性的管状外部防护罩16，一个第一管状空气间隔或绝缘层17 以及一个伸长的内部导体18，经绝缘层17与防护罩绝缘。防护罩16具有向外伸出的整体成形的弹簧柄脚16T或将防护罩与孔壁隔开的间隔装置。第二管状空气间隔位于防护罩16 与孔壁之间。绝缘层17可以是一个塑料套管，可以是防护罩16与孔壁之间的分层。在下面的供电线近端，内部导体18由绝缘衬套(未显示)固定在防护套16内部中心，如上述专利号为W02006/136809的专利中所述。防护套16、内部导体18和绝缘层17结合组成了预定特有阻抗的传输线，这里的电阻有50ohms，穿过天线核心12将天线元件远端10A-10J连接到天线连接设备的无线电频率 (RF)电路。天线元件10A-10J与供电线之间的连接联轴节通过有传导性的连接部分与螺旋状的轨道10A-10J结合，这些连接部分构成辐射状轨道10AR，10BR, 10CR, 10DR, 10ER, 10FR, 10GR，10HR, 10IR, 10JR，位于核心12远端面12D上。每个连接部分从各自螺旋轨道的远端延伸到位于核心远端面12D上的两个弓形轨道或导体10AE，IOFJ中的一个，核心远端面12D 毗邻孔12B的末端，形成供电连接节点。两个弓形的导体10AE，IOFJ由印刷电路板(PCB)配件19上的导体分别连接到防护罩和内部导体16，18，固定在核心远端面12D，这将在下文进行描述。同轴的传输供电线和印刷电路板(PCB)配件19在装配到核心12之前共同组成一个整体的供电结构，比较图1和图2可见它们的相互关系。参照图2，传输供电线的内部导体18具有一个邻近部分18P，它像插头一样从核心 12的邻近面12P连接到设备电路。同样，防护套16近端的整体支耳(未显示)伸出核心近端面12P，与设备电路地线连接。天线元件10A-10J的近端由共同的实质地线导体20相互连接。在这个实施例中， 共同导体是环状的，以围绕着核心12近端部分的电镀套管的形式存在。套管20反过来由核心12近端面12P的电镀导体盖子22连接到从核心邻近地伸出的供电线防护罩导体16。10 个螺旋天线元件 10A-10J 构成 5 对 10A, IOF ；10B, IOG ；10C, IOH ； 101 ；10E, 10J, 每对中的一个螺旋元件与一个弓形导体IOAE配对，另一个元件与另一个弓形导体IOFJ配对，从而分别与内导体18和传输线输电线的防护套16配对。因此，这10个螺旋天线元件 10A-10J可以5个一组10A-10E，10F-10J分两组排列。一组里的所有元件10A-10E与第一弓形导体IOAE成对，另一组里的所有元件10F-10J与第二弓形导体IOFJ成对。因此，这2 个弓形导体构成第一和第二供电连接节点，连接各个螺旋天线元件，并通过在薄板19上形成的配对网络为每组中的元件提供与一个或另一个传输线输电线共同的连接点。10个螺旋天线元件10A-10J的长度不同，这将进行描述。如图3结合图1所示，在每组天线元件中10A-10E ； 10F-10J，有一些由纯螺旋传导轨道组成的天线，另一些天线由普通螺旋即以螺旋的方式曲折的路径组成，因而比纯螺旋轨道更长。在下文中，曲折轨道和纯螺旋轨道分别称为“长”和“短”轨道。在本发明的这个实施例中，有4个长轨道10B, 10D, 10G, 101和6个短轨道10A, 10C, 10E, 10F, 10H, IOJ0轨道组10A-10E ；10F-10J内的每个轨道在另一组中都对应一个相同长度的轨道。因此，轨道 IOA对应一个相同长度的轨道10F，例如，轨道IOB具有一个相应的轨道10G。以这种方式， 每个螺旋轨道在另一组中都具有一个相对的对应物，在垂直于天线轴的任何假定的平面上彼此对立。每对相对设置的轨道构成一个各自的传导环，其有效导电长度约360°，每个导电环从一个供电连接节点首先通过一个螺旋轨道，经套管和其他轨道的边缘，延伸到另一个供电连接节点。每个环路根据它的导电长度具有一个相应的共振频率。因此，由长轨道形成导电环的共振频率低于由短轨道形成的导电环。该实施例有6个短轨道和4个长轨道，所以该天线可视作一个由在第一频率上具有一个圆偏振波模式的四臂螺旋天线和在较第一频率高的第二频率上具有一个圆偏振波模式的六臂螺旋天线组成的混合体。在该实施了中，4个长轨道因曲折的不同振幅而具有略微不同的长度。特别是轨道 IOB和IOG具有一个350 μ m的曲折振幅，而另两个长轨道10D，101则具有较小的曲折振幅， 即300 μ m。具有两个完全相对的轨道10B，IOG略长于另外4个长轨道中的另外两个轨道， 与四臂螺旋天线中常用的长度一致，以获得一个沿天线轴指向上方的圆偏振波模式。短元件10A, 10C, 10E, 10F, 10H, IOJ的长度也略有不同，核心圆柱形外表面上的外轨道10A, 10E， IOF和IOJ较每组中的中央轨道略长。长度的差异是由于相对于垂直面套管边缘20U的高度不同而变化，通常是200 μ m(内外轨道之间)。这种变化部分用于补偿与外螺旋轨道10A， 10E, 10F，IOJ有关的远端面12D上导体有效的更长的路径长度(见图1)。螺旋轨道10A-10J间的时相受套管20边缘IOU的导电长度360°或操作频率区域内的单个波导波长加强，在该实施例中，是在更高的共振频率上，在边缘20U上激发的环形共振。
环形共振的激发部分取决于从每组元件10A-10E ； 10F-10J产生的激发电流增量围绕边缘所需方向上的激发净电流。如图3所示，通常在操作频率波段内，在“长” “短”螺旋元件之间产生激发电流。因此，对螺旋元件组10A-10E来说，由于长轨道IOB内的导电长度较长，在短轨道IOA和长轨道IOB之间产生激发电流‘。短元件IOC和长元件IOB之间存在逆向的激发电流IBC。同样，向前的和逆向的激发电流产生于下一对轨道10C，IOD和随后一对轨道10D，IOE之间的边缘20U，如图3所示。由于围绕边缘20U的在第一个方向上的电流组分数目与在第二个相反方向上的电流组分数目相同，激发电流IAB，IBC，Im，Ide相互抵消。另一组的轨道10F-10J接触的边缘20U上具有相同模式的激发电流。由于存在如上所述的不同长度，围绕着边缘20U在单一的方向上具有一个净激发电流(未显示)。然而，如上所述，相邻的长短元件对之间的激发电流影响着环形共振的整体激发是非常重要的。在每组天线元件10A-10E ； 10F-10J中，在围绕边缘20U的特定方向上，先于长轨道的短轨道相邻元件对的数目与先于短轨道的长轨道对数相同。如图3所述的实例中，第一组螺旋元件10A-10E具有两对相邻元件10A，IOB ；10C, 10D,沿边缘20U从左向右排列，短轨道IOA ； IOC先于长轨道IOB ； 10D,长轨道IOB ； IOD内的两对相邻元件10B，IOC ； 10D, IOE先于短轨道IOC ；10E。换句话说，在该实施了中，有两对不同长度的相邻轨道从左至右激发电流组分，还有两对不同长度的相邻轨道从右至左激发电流组分，如图所示。同样，在另一组元件10F-10J中，每类各有两对。从另一种方式来看，在每组元件10A-10E ； 10F-10J中，长螺旋轨道与短螺旋轨道关于该组中各自的中线CLl ；CL2对称。该天线中的螺旋天线元件10A-10J模式的另一个优点是有角度地间隔分布在天线轴，首先，相互联系的长螺旋轨道10B，10D，10G，10I和相互联系的短轨道10A，10C，10E， 10F, 10H, IOJ分别与四臂天线和六臂天线的天线元件的统一排布类似。通常，四臂螺旋天线的螺旋元件在垂直于轴的平面上彼此呈90°的间隔对着轴排布。在该天线中，长轨道具有 72°和108°的间隔角度，例如18°以上和90°以下。六臂螺旋天线螺旋元件的最佳角度间隔为60°。在现有天线中，每组中短轨道之间有72°的角度间隔，而两组最外层短元件之间则是36°的间隔，例如分别是60°以上12°，60°以下。可以注意到上面所述的两个优点，例如，一方面因长短轨道毗邻部分引起的激发电流的消除，另一方面，元件不同模式的不同角度可实现轴附近长元件和短元件的统一间隔。另一特征也是相关的，例如天线的总体尺寸、轨道宽度等。这里描述和显示的Decafilar 天线是目前已知在1. 5GHz到2GHz区域内的两个相邻频率波段上的最好折中应用。该天线内每个螺旋轨道10A-10J围绕核心转半圈，然而可选的元件可使用具有其他半圈的整体复合0，3，4，…)元件。传导套管20、位于核心近端表面12P上的镀层和供电器外部防护套16共同构成一个四分之一波长平衡不平衡变换器，使辐射天线元件结构的共同模式与天线安装时和在操作频率上操作时连接的设备隔离。因此，套管内的电流被限制在套管边缘20U。因此，在操作频率上，套管20的边缘20U和每对螺旋元件10A，10F-10E，IOJ构成分别连接到平衡供电器的传导环，电流通过边缘20U在每对元件之间传输。如上所述，在本发明的优先实施例中，套管的周长等于天线操作频率上的波导波长。加强来自上述由操作频率上的螺旋元件对和边缘形成传导环共振的共振模式的作用在英国专利申请GB2346014A中有更为详细的描述。套管20本身作为共振结构起作用，不依赖螺旋元件10A-10J。因此，导电长度等于操作波长的套管边缘20U以环状模式共振。由成对的螺旋元件和边缘20U组成的环路对共振模式的增强可通过波成像可见，该波注入每个螺旋元件和边缘结合处的边缘20U代表的环，然后通过边缘20U形成一个旋转偶极子，如专利GB2346014A所述。由于边缘20U的导电长度，当注入波在边缘20U周围传播并返回注入点时，下一个波从相应的螺旋元件注入，从而加强第一个。这种波的结构组合由边缘共振长度产生。有关环状共振的进一步细节、套管20的作用和核心近端表面12P上的镀层对圆偏振电磁波有关天线操作的作用在上述专利GB2346014A中有详细的说明。当本发明具体实施例中的套管和镀层有助于提供平衡不平衡变换器的功能和一种环形共振，环形共振还可以通过将螺旋元件10A-10H连接到包围核心12的天线导体连接而独自提供，在核心外侧表面部分具有近端和远端边缘，而不是以一种套管的形式连接到供电器防护套导体16，从而形成一个开口的腔，如该实施例所示。这种导体可以是相对狭窄的，它可以构成一个天线轨道，其宽度与传导轨道的宽度类似，形成螺旋元件10A-10J，并具有一个与天线操作频率上的波导波长一致的导电长度，仍产生一种环形共振，增强由螺旋元件及其相互联络提供的环路相关共振模式。就螺旋元件10A-10J及其相互联络提供的回路共振作用来说，这些在天线操作频率上的结合使之以共振的模式运作，其中天线对圆偏振信号是敏感的。每对螺旋元件10AF， 10BG, 10CH, IODI，IOEJ具有一种在天线单一操作频率波段内的相关共振，这些元件对共同作用，形成一种共同的圆偏振波，如下。天线元件10A-10J的不同长度导致每组10A-10E， 10F-10J中不同元件电流的相位差异。在这种共振模式中，电流围绕边缘20U流动，一方面， 每对元件10A, IOF ； 10B,10G ；IOCjIOH ；IODjIOI ；IOEjIOJ的螺旋元件连接到内部供电导体 18，另一方面，通过印制电路板(PCB)配件19连接至防护套16(见图2)，这将在下文描述。 套管20和核心近端面12P上的镀层共同组成一个陷阱，防止来自天线元件10A-10J的电流流向核心近端面12P上的防护套导体16。具有一个平衡不平衡变换器套管的电介质负载多线螺旋天线的操作在上述英国专利和GB2310M3A中有更为详细的描述。从天线元件结构传输信号的供电线具有50欧姆的典型阻抗。首先，如上所述，防护罩16与套管20共同作用，在供电结构与天线元件结构的连接点具有共同方式的隔离。在核心近端面12P上与镀层22的连接(a)和与印制电路板(PCB)配件19上的导体连接(b) 与轴孔(固定供电传送线路)的尺寸它的连接成防护罩导体的长度、填充防护套16与孔壁之间间隙材料的介电常数是其外表面上的防护罩16的导电长度是2种所需的天线共振模式频率上的四分之一波长，因此传导套管20、镀层22和防护套16的组合在供电结构和天线元件结构的连接处产生平稳的电流。在优先天线实施例中，有一层绝缘层围绕着供电结构的防护套16.这层绝缘层的介电常数低于核心12的介电常数，是优先天线实施例中的一层空气层，降低核心12对防护套16导电长度和防护罩16外部有关纵向共振的作用。由于与所需操作频率有关的共振模式由电压双极的完全延伸所决定，例如圆柱形核心轴的横切直径，与套管厚度有关的低介电常数套管对所需公正模式的作用相对较小，至少在优先实施例中是小于对核心的作用。因此，可能会引起与套管16相关的共振线性模式，与想要的共振模式不同。天线的主要共振频率大于500MHz，这些共振频率由上文所述的螺旋天线导体 10A-10J的有效导电长度决定。对于特定的共振频率来说，这些元件的导电长度也取决于核心材料相对的介电常数，天线的尺寸大体上因空气核心的4螺旋线天线而减小。本发明有关的天线尤其适用于2GHz以上的双波段卫星通讯。在这种情况下，核心 12的直径约IOmm天线元件10A-10D的平均纵向范围(例如，与中心轴平行)约为12mm。传导套管20的长度通常为5. 45mm。直到获得所需的相位差，通过了解经验的最优化，在尝试与错误的基础上确定天线元件10A-10J的精确尺寸。在核心轴向孔内的同轴传输线的直径大概为2mm。下文将描述供电结构的其他特征。如图2所示，供电结构包含同轴的50欧姆供电线16，17，18的联合，印刷线路板(PCB)配件19连接到导线的末端。在这个实施案例中，构成印刷电路板(PCB)配件19的层压板是一个平面多层印刷电路板，面对面地对着核心12 末端面12D。印刷电路板(PCB)配件19的最大尺寸小于核心直径，使得印刷电路板(PCB) 配件19完全位于核心12末端面12D的外围内，如图1所示。在这个实施例中，印刷电路板(PCB)配件19以圆盘的形式位于核心端面12D的中心。其直径与位于核心端面部分12D上的弓形元件结合导体10AE，IOFJ相等。如图4所示，该配件19具有一个中心孔洞32，用于接收同轴供电传输线的内部导体18。3个偏心的孔洞34收到保护套16的末梢拖拉16G。拖拉16G是弯曲或“拼合”的，有助于定位印刷电路板(PCB)配件和同轴的供电结构。所有的4个孔32，34经镀金。此外，配件19的边缘部分19P经镀金，镀层延伸到薄板近端面和远端面上。印制电路板(PCB)配件19具有一个多层的薄板，其中含多层的绝缘层和多个传导层。在该实施例中，该薄板有两个绝缘层，即一个远端层36和一个近端层38。它有三层传导层如一个远端层40、一个中层42和一个近端层44。位于中间的传导层42夹在远端和近端绝缘层36，38之间，如图4所示。每个传导层被蚀刻成相应的传导图案，如图5A至图5C所示。当传导图案延伸到印制电路板(PCB)配件19的外部和具镀层的孔32，34，不同层内的各自导体由边缘镀层和孔镀层分别连接。从显示传导层40，42和44导体图案的附图中可见，中间层42具有一个扇形的第一导体区域42C，或以放射状天线元件连接部分 10AR-10JR的方向从连接处辐射延伸到内导体18 (当固定在孔32中)。在该传导区域42C 的正下方，近端传导层44具有一个扇形区域44C，从供电器(当在镀层通孔34内接收时) 防护套16的连接处延伸到薄板外围19P，叠加在弓形或部分环形轨道IOAE互连的放射状连接元件10AR-10ER。以这种方式，在内部供电导体19和供电防护套16之间形成了一个分流电容器，该近端绝缘层38的材料具有电容器绝缘体的作用。该材料的介电常数大于5。中间传导层42的导体图案具有一个第二传导区域42L，从与内部供电导体18的连接处延伸到第二镀层外围19P，从而覆盖弓形或部分环状轨道10FJ。传导层44内没有相应的潜在传导区域。中心孔32和镀层外围部分19P之间的传导区域42L叠加在弓形轨道 IOFJ上，作为供电器内部导体18和螺旋天线元件组10F-10J之间的连续电感器。当印制电路板(PCB)配件19和伸长供电器16-18的结合体被安装在核心12时， 印制电路板(PCB)配件19的近端面与核心远端面12D连接，均勻排布在上述弓形相互连络元件IOAE和IOFJ上，在外围部分19P和核心远端面12D上的潜在轨道之间的连接构成一个反应匹配回路，具有分流电容和连续的电感。印制电路板(PCB)配件19的近端绝缘层是由陶瓷负载的塑料材料制成，分层38 的相对介电常数在10范围内。远端绝缘层36可由相同的材料或介电常数较低的材料制成， 例如FR-4环氧树脂板，其相对介电常数约为4.5。近端层38的厚度远远小于远端层36。事实上，远端层36为近端层38提供支撑。输电线16-18之间的连接、印制电路板(PCB)配件19和核心远端面12D上的传导轨道是由焊接或导电胶水粘合。当内部导体18的远端面焊接供在印制电路板(PCB)配件 19的通孔32内，供电线路16-18和印制电路板(PCB)配件19共同构成了一个整体供电结构，防护罩柄16G被焊接在相应的不对称通孔34内。供电线路16-18和印制电路板(PCB) 配件19共同构成一个具有完整匹配网络的整体供电结构。如图6所示，该电路图中由C和L所示的分流电容和串联电感构成了一个匹配网络，位于其末端的同轴传输线48和辐射状天线元件结构之间，在电路图中显示为两个子电路50，51，分别代表具有短螺旋轨道10A，10C，10E，10F，10H，IOJ的天线元件和长螺旋轨道 10B, 10D, 10G, 101 (见图1)。分流电容和串联电感共同与同轴线的阻抗配对，实际上体现为防护套16、绝缘层17和内导体18，当将它的近端与50欧姆终端的射频电路连接，这一同轴线路阻抗在其操作频率上与天线元件结构阻抗匹配。Li，L2组成的网络和分流器电容Cl， C2组成一个匹配网络，位于天线的放射天线元件结构与传输线近端的50欧姆终端之间，当连接到无线频率电流时，该50欧姆负载抗阻匹配到操作频率上的天线元件结构阻抗。匹配网络代表的分流器阻抗为单极天线元件11A-11D提供了更宽的忍耐力和改进的各自的放射模式。如上所述，在嵌入天线核心12前，供电结构以一个单位的形式装配，印制电路板 (PCB)配件19的薄板固定在同轴线16-18上。形成一个单一组件的供电结构，包含作为一个整体部分的配件19，大大降低了天线的组装成本，引入的供电结构可有两种运动(i)整体的供电结构滑入核心12的轴孔内，(ii)将传导套圈或垫圈安装在防护套16的外部近端部分。该套圈可以是一个位于防护套组件16上的推合座，或是卷曲在防护套上。在将供电结构插入到核心之前，核心12远端面12D上的天线元件结构和轴孔两端直接毗连镀层22 的连接部分最好使用焊膏。因此，完成上述步骤(i)和步骤(ii)后，该配件可穿过焊接回流炉，或其它可选的焊接处理，例如激光焊接、感应软钎焊或热空气钎焊的单一焊接步骤。当薄板直接面向核心时，(a)印制电路板(PCB)配件19的薄板外围和近端面上的导体和(b)核心远端面12D上的喷涂导体之间的焊接桥与导体本身的形状可用于在回流焊接期间提供平衡回路的弯液面。使用上述结构，有可能产生一个双波段圆形极化频率反应，如图7插入损失频率图表所示。天线具有一个集中于较低共振频率的第一波段和一个集中于较高共振频率f2 的第二波段。通常，两个中心频率的频率间隔4-1大约在平均频率l/2(f\+f2)的0.5%和 5%之间。在上述描述和展示的天线中，它在左旋圆偏振波具有一种主要向上指向的辐射模式。当共振不配对节点的配对位点不能充分聚集在阻抗史密斯圆图上时，最好使用两电极匹配网络。参照图8，9A，9B和10，另一种供电结构具有一个以双面印制电路板形式的印制电路板(PCB)配件19，如先前实施例中的一样，面对面地平躺在核心远端面12D的对面。如前所述，印制电路板具有一个中心孔洞32，其中有同轴供电传输线的内部导体，以及三个偏心孔洞34，其中有防护套16末端柄16G。如前所述，这四个孔洞32，34经电镀，并且薄板外围的外围部分19PA，19PB也经过电镀，电镀层延伸到该薄板的近端和远端面。这种可选的印制电路板(PCB)配件19具有一个双面薄板，其中有一个单绝缘层和两个有图案的传导层。其他绝缘层和传导层可用于本发明的其他实施例。如图8所述， 在该实施了中，两个传导层具有一个远端层56和一个近端层58，它们由绝缘层60分隔开。 这种绝缘层60是由FR-4玻璃强化环氧树脂板制成。远端和近端导体层蚀刻有各自的传导图案，分别如图9A和图9B所示。传导图案延伸到薄板的外围部分19PA，19PB和电镀孔洞 32，34，不同层上的各个导体分别由边缘镀层孔洞镀层连接。从显示传导层56，58的导体图案的附图可见，当它位于薄板中心孔洞32中时，远端传导层56具有一个伸长的传导轨道 56L1，56L2，将内部供电线导体18连接到薄板的第一外围镀层边缘部分19PA。这种伸长的轨道位于两部分56L1，56L2，由于它们相对狭窄的伸长形状构成在天线操作频率上的电感。 由于边缘部分19PA通过一个弓形轨道IOFJ连接到核心末端表面12D上一半的放射导体 10FR-10JR(图1)，这些电感成串地位于(i)内部供电线导体18和(ii)具有短轨道的3个天线元件10F，10H, IOJ和具有长轨道的2个螺旋元件10G，101之间。如果薄板上的可用空间不足以容纳具有足够长度的单一轨道部分56L1，56L2产生所需的电感，轨道部分56L1， 56L2可分为两个平行的轨道部分，例如，用一个位于它们之间的裂缝，在每单位长度产生一个更大的感应系数。当位于薄板孔洞34中时，供电线防护套16由扇形导体56F直接连接到薄板对面的外围镀层边缘部分19PB，由于它具有相对较大的区域而有低感应系数。因此，防护套直接连接到另一个天线元件，通过另一个弓形轨道IOAF和各自的放射导体10AR-10ER，它具有短轨道10A, 10C, IOE和长轨道10B, IOD (图1)。扇形导体56F沿感应的伸长轨道56L1，56L2向第一外围镀层边缘部分19PA延伸， 为不连续的分流器电容提供垫板。因此，在该实施例中，扇形导体56F具有两个延长部分 56FA，56FB，在相对的两侧平行伸向感应轨道56L1，56L2。每个延长部分56FA，56FB构成一个轨道，与中央感应轨道相比，该轨道更宽，感应系数可忽略不计。其中一个延长部分56FA 向第一薄片电容器62-1提供垫板，连接到与中心孔32相关的镀层，以及一个第二薄片电容器62-2，连接到两个感应轨道部分56L1，56L2的连接点。另一个延长部分56FB向第三薄片电容器62-2B提供一个垫板，连接到感应轨道部分56L1，56L2之间的连接点。在本发明的实施例中，电容器62-1，62-2Α，62-2Β是0201规格的薄片电容(例如，Murata GJM)。上述结合体包含一个图10中所示的2-极反应匹配网络。该网络提供了一个双波段匹配，位于(a)子电路64，65，分别代表具有短螺旋轨道10A, 10C, 10E, 10F, 10H, IOJ及其联合部分的天线元件组成的源极和具有长螺旋轨道及其联合部分组成的源极10B，10D, 10G，10I，和(b) 50欧姆负载52之间。在该示例中，供电线16-18(图8)是一个50欧姆的同轴线路部分66。电感Ll和L2由轨道部分56L1，56L2构成，如上文所示。分流器电容Cl在图8和图9A中标示为电容器62-1。另一个分流器电容C2由两个薄片电容器62-2A，62-2B 并联结合构成，如图9A所示。使用第二电容C2的两个电容器可获得相对较高的电容值，降低电阻损失。由串联电感Li，L2组成的网络和分流器电容Cl，C2组成一个匹配网络，位于天线的放射天线元件结构与传输线近端的50欧姆终端之间，当连接到无线频率电流时，该50欧姆负载抗阻匹配到操作频率上的天线元件结构阻抗。 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种在200MHz以上的第一和第二频率操作，具有圆偏振波的电介质负载螺旋天线， 其特征在于，该天线包含一个由一种相对介电常数大于5的实心材料制成的电绝缘电介质核，其占据核心外表面限定的大部分内部体积，一对供电连接节点，以及一个天线元件结构，该结构包含多个伸长的传导天线元件和一个共同的连接导体，该天线元件以伸长导体的形式围绕着核心周围分布或毗邻核心的外表面分布，天线元件包含至少四个从供电连接节点延伸到共同导体的相互依存的第一组天线元件，以及至少四个从另一个供电连接节点延伸到共同导体的相互依存的第二组天线元件， 该两组天线元件包含一个在第一频率圆偏振辐射的电短天线元件和一个在第二频率圆偏振辐射的电长天线元件，其中每组包含成对的邻近天线元件，每对包含一个电短天线元件和一个电长天线元件，元件是这样安排的，每组里在特定的核心缠绕方向上电短天线元件的数目和电长天线元件的数目一样多，在所述的方向上，电长天线元件在电短天线元件前面。
2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述的第二频率和第一频率的差距不超过第一频率和第二频率平均值的12%。
3.如权利要求1或权利要求2所述的天线，其特征在于，所述的核心的外表面上包含有以相反方向横向延伸的末端表面部分和在该末端表面部分之间延伸的一个侧表面部分，其中供电连接节点设置在一个末端表面部分上或靠近一个末端表面部分设置，共同的互连导体是一个环绕所述核心设置的环状导体或套管，其以另一个末端表面部分的方向，设置在与供电连接节点相间隔的位置，所述核心设置在侧表面部分上或侧表面部分的旁边。
4.如权利要求1所述的天线，其特征在于，该天线包含第一和第二共振模式，每个模式与圆偏振辐射相关，第一种模式集中在第一频率并与电长元件相关，第二种模式集中在第二频率并与电短元件相关，该第二频率与第一频率间隔，第一和第二频率之间的频率差不大于第一和第二频率平均值的12%，其中核心外表面包含以相反方向横向延伸的末端表面部分和在末端表面部分之间延伸的一个侧表面部分，供电连接节点位于一个末端表面部分或靠近一个末端表面部分，共同的互连导体是一个环绕所述核心设置的环状导体或套管， 其以另一个末端表面部分的方向，设置在与供电连接节点相间隔的位置，所述核心设置在侧表面部分上或侧表面部分的旁边，共同互连导体的电长度是η λ g，λ g是在第二频率上导体上的电流的波导波长。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的天线，其特征在于，该天线元件大体上呈螺旋状，在核心的外表面形成导电轨道。
6.如权利要求5所述的天线，其特征在于，电长天线元件各自呈纯螺旋状弯折。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的天线，其特征在于，每组天线元件都包含有至少 5个相互依存的天线元件。
8.如权利要求1至7中任意一项所述的天线，其特征在于，其中核心是圆柱形的，所述的天线元件是螺旋的，且基本上均勻分布在核心圆柱形的外表面上。
9.如权利要求1至8中任意一项所述的天线，其特征在于，该天线构成一个背射天线。
10.如权利要求9所述的天线，其特征在于，供电节点位于或毗邻核心的远端表面部分，共同互连导体套管围绕着核心，并连接核心的近端表面部分到供电结构，该供电结构由远端和近端表面部分之间穿过核心。
11.如权利要求1至8中任意一项所述的天线，其特征在于，该天线构成一个端射式天线。
12.—种具有一对邻近的圆偏振辐射模式的电介质负载螺旋天线，该天线包含两组至少有四个具有共同半径的轴向相互依存的传导性螺旋天线元件，一对供电连接节点和一个环状连接导体，从一个供电连接节点延伸到共同导体的一组中的天线元件，从另一个供电连接节点延伸到共同导体的其他组中的天线元件，其特征在于，在每一组中，天线元件至少构成在第一和第二不同的导电长度上的各自的传导路径的一部分，其中一对共振模式与第一导电长度的路径有关，另一对共振模式与第二导电长度的路径有关，其中路径形成的模式是这样的，每组中不同导电长度的排序是以与那组有联系的中线为准呈镜像对应排列。
13.如权利要求12所述的天线，其特征在于，每组至少有两个第一电长度的天线元件和至少三个第二电长度的天线元件。
14.一种具有一对邻近的圆偏振辐射模式的电介质负载螺旋天线，该天线包含两组至少有四个具有共同半径的轴向相互依存的传导性螺旋天线元件，一对供电连接节点和一个环状连接导体，从一个供电连接节点延伸到共同导体的一组中的天线元件，从另一个供电连接节点延伸到共同导体的其他组中的天线元件，其特征在于，每组天线元件至少包含有两个在第一导电长度上的天线元件和至少两个在不同的第二导电长度上的天线元件，集中在第一和第二各自频率上的共振模式，该第一和第二频率之间的频率间隔在第一和第二频率平均值的2%和12%之间。
15.如权利要求14所述的天线，其特征在于，该天线至少包含有十个螺旋天线元件。
全文摘要
一个用于圆偏振信号的双波段电介质负载螺旋天线具有两组螺旋天线元件。每组至少有四个元件，它们的末端连接到各自的供电连接节点，近端连接到共同的连接导体。每组元件包含这种天线元件的邻近对，每对元件具有一个电短元件和一个电长元件，这些元件设置为每组中在围绕核心的特定方向上短元件先于长元件的元件对数等于相同方向上长元件先于短元件的元件对数。
文档编号H01Q11/08GK102349195SQ201080011759
公开日2012年2月8日 申请日期2010年3月9日 优先权日2009年3月12日
发明者奥利弗·保罗·雷斯特恩 申请人:萨恩特尔有限公司