专利名称：耦合的多节螺旋形天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及螺旋形天线，尤其是具有耦合的多节辐射体的螺旋形天线。
背景技术：
在各种移动和便携式设备中正广泛使用现代的个人通信装置。对于传统的移动设备，想要把通信装置诸如移动电话的尺寸减到最小，从而把尺寸减到适度的水平。然而，由于便携式、手提式设备的普遍增加，使得对小之又小的装置的需求急剧增加。近来，处理器技术、电池技术和通信技术的发展使得近几年来急剧地减少便携式装置的尺寸和重量成为可能。
想要减少尺寸的一个方面是装置的天线。天线的尺寸和重量对于减少通信装置的尺寸起到重要的作用。天线的整个尺寸可影响装置主体的尺寸。天线的直径越小且长度越短，则可使装置的尺寸越小，装置主体的尺寸也越小。
在设计用于便携式设备的天线时，装置尺寸不是要考虑的唯一因素。在设计天线时要考虑的另一个因素是由正常操作期间用户的头贴近天线而引起的衰减和/或阻挡效应。还有一个因素是通信链路的特性，诸如所需的辐射模式和工作频率。
在卫星通信系统中广泛使用的天线是螺旋形天线。螺旋形天线在卫星通信系统广为采用的一个原因是由于这种天线能产生和接收此系统中所使用的圆极化辐射。此外，由于螺旋形天线能产生接近于半球形的辐射模式，所以螺旋形天线尤其适用于移动卫星通信系统和卫星导航系统中的设备。
常规的螺旋形天线是通过把天线的辐射体拧成螺旋形结构来制造的。普通的螺旋形天线是一种四股螺旋形天线，该天线是环绕一个核心等距离隔开并以90°相位差(即，这些辐射体被相位相差一个周期的四分之一或90°的信号所激发)激发的四个辐射体。辐射体的长度一般为通信装置工作频率的四分之一波长的整数倍。一般，通过改变辐射体的间距、辐射体的长度(四分之一波长的整数倍)和核心的直径来调节辐射模式。
可使用线(wire)或带线(strip)工艺来制造常规的螺旋形天线。采用带线工艺，可在薄型的柔性衬底上对天线的辐射体进行蚀刻或淀积。辐射体如此放置，从而它们相互平行，但它们与衬底的一个或更多边缘成钝角。然后使衬底形成或卷成圆柱形、圆锥形或其它适当的形状，从而使带线辐射体形成螺旋形。
然而，常规的螺旋形天线具有辐射体长度为所需谐振频率四分之一波长的整数倍的特性，导致整个天线长度长于某些便携式或移动设备所需的长度。
发明内容
本发明旨在提供一种具有一个或更多螺旋形缠绕的辐射体的螺旋形天线。这些辐射体如此缠绕，从而天线成为圆柱形、圆锥形或其它适当的形状来优化辐射模式。依据本发明，每个辐射体包括一组两个或更多辐射体节。组中的每个节虽然实际上与组中的其它节相隔离，但与它们电磁耦合。如此选择组中节的长度，从而该组(即辐射体)在特定的频率上谐振。由于一组中的节虽然本质上相互隔离但仍相互电磁耦合，所以与常规螺旋形天线的辐射体相比，可使在给定频率上谐振的辐射体长度较短。
因此，本发明的一个优点是，对于给定的工作频率，与具有相同有效谐振长度的常规螺旋形天线相比，可使耦合的多节螺旋形天线的辐射体部分以较短的辐射体总长度和/或较小的体积进行谐振。
耦合的多节螺旋形天线的另一个优点是，容易通过调节或微调辐射体节的长度把该天线调谐到给定的频率。由于辐射体不是单个相连的长度而是由一组两个或更多重叠的节所构成，所以可在天线制成后，容易通过微调辐射体改变节的长度，从而适当地调谐天线频率。此外，由于微调不改变天线辐射体部分的整体实际长度，所以调谐本质上不改变天线的总体辐射模式。
本发明的还有一个优点是可调节天线的方向特性使可沿较佳方向诸如沿天线的轴向把信号强度提高到最大。于是，对于某些应用诸如卫星通信，可优化天线的方向特性，从而可把沿离地面向上方向的信号强度提高到最大。
以下将参考附图详细描述本发明的进一步特征和优点以及本发明各种实施例的结构和操作。
附图概述从以下提出的详细描述并结合附图将使本发明的特征、目的和优点变得明显起来，在图中标号最左边的数字等同于第一次出现的标号，相同的标号字母相同，其中
图1A是示出常规的线形四股螺旋形天线的图；图1B是示出常规的带线四股螺旋形天线的图；图2A是示出终端开路的四股螺旋形天线的平面示意图；图2B是示出终端短路的四股螺旋形天线的平面示意图；图3是示出短路的四股螺旋形天线的辐射体上的电流分布图；图4是示出带线螺旋形天线的蚀刻衬底远表面的图；图5是示出带线螺旋形天线的蚀刻衬底近表面的图；图6是示出带线螺旋形天线的蚀刻衬底的透视图；图7A是示出依据本发明一个实施例的开路的耦合多节辐射体的图，该辐射体具有五个耦合的节；图7B是示出依据本发明一个实施例的一对短路的耦合多节辐射体的图；图8A是示出依据本发明一个实施例的短路的耦合多节四股螺旋形天线的平面示意图；图8B是示出依据本发明一个实施例的耦合多节四股螺旋形天线的图，该天线形成圆柱体形状；图9A是示出依据本发明一个实施例的辐射体节的重叠度δ和间隔s的图；图9B是示出在耦合的多节螺旋形天线的辐射体节上的电流分布图；图10A是示出辐射信号相位相差90°的两个点源的图；图10B是示出由于图10A所示点源的场图案的图；图11是示出一个实施例的图，其中每个节与两侧上的节等距离；图12是示出依据本发明一个实施例的耦合多节天线的示例图；图13是示出在常规四股螺旋形天线与耦合的多节四股螺旋形天线的辐射体部分之间的比较；图14A是示出在L频带内操作的耦合多节四股螺旋形天线一个示例的辐射图案；以及图14B是示出在S频带内操作的耦合多节四股螺旋形天线一个示例的辐射图案。
本发明的较佳实施方式1．本发明的概述和讨论本发明旨在一种具有耦合的多节辐射体的螺旋形天线，可缩短在给定谐振频率下的辐射体长度，从而减少整个天线长度。以下将依据几个实施例来详细描述其实现方式。
2．示例环境从广义来说，可在利用螺旋形天线技术的任何系统中实施本发明。这种环境的一个例子是一种通信系统，其中具有固定、移动和/或便携式电话的用户可通过卫星通信链路与其它人员进行通信。在此示例环境中，电话必须具有调谐到卫星通信网络频率的天线。
按照此示例环境来描述本发明。在这些方面进行描述只是为了方便。本发明不限于在此示例环境中的应用。事实上，在阅读了以下的描述后，如何在其它环境下实施本发明将对相关领域内的技术人员变得明显起来。
3．常规螺旋形天线在详细描述本发明以前，有必要描述一下某些常规螺旋形天线的辐射体部分。尤其是，文章的这个部分将描述某些常规四股螺旋形天线的辐射体部分。图1A和1B是分别以线形和带线形示出常规四股螺旋形天线的辐射体部分100。图1A和1B中所示的辐射体部分100是一种四股螺旋形天线，即它具有以90°相位差进行操作的四个辐射体104。如图1A和1B所示，辐射体缠绕在一起而形成圆极化。
图2A和2B是示出常规四股螺旋形天线辐射体部分的平面表示法。换句话说，图2A和2B示出的辐射体就象天线圆柱体在一平坦表面上“未卷起”时看到的那样。图2A是示出一四股螺旋形天线，其辐射体在远端处开路或未连接在一起的图。对于此结构，辐射体208的谐振长度1是所需谐振频率四分之一波长的奇数倍。
图2B是示出一四股螺旋形天线，其辐射体在远端处短路、互连或连接在一起。在此情况下，辐射体208的谐振长度1是所需谐振频率四分之一波长的偶数倍。注意在两种情况下，所述的谐振长度1是近似的，因为通常需要进行小的调节来补偿不理想的短路和开路终端。
图3是示出四股螺旋形天线300的辐射体的平面表示图，该天线包括长度为l=λ/2的辐射体208，这里λ是天线所需谐振频率的波长。曲线304代表谐振在频率f=υ/λ上的辐射体208上信号的电流的相对幅值，这里υ是信号在辐射体介质中的速度。
将参考图4-6更详细地描述使用印刷电路板而实现的四股螺旋形天线(带状天线)的示例。带状四股螺旋形天线包括在介电衬底406上蚀刻而成的带状辐射体104。衬底是一种可以卷成圆柱体形状的薄型柔性材料，从而辐射体104可螺旋形地缠绕在圆柱体的中心轴上。
图4-6示出用于制造四股螺旋形天线100的元件。图4和5分别表示衬底406远表面400和近表面500的图。天线100包括辐射部分404和馈电部分408。
在这里所述和所示的实施例中，通过使衬底形成圆柱体形状而近表面位于所形成的圆柱体的外表面上来制造所述天线。在另一个实施例中，衬底形成圆柱体形状，而近表面位于圆柱体的外表面上。
在一个实施例中，介电衬底100是聚四氟乙烯(PTFE)、PTFE/玻璃的混合物或其它介电材料所构成的薄型柔性层。虽然可选择其它厚度，但在一个实施例中，衬底406在0.005英寸的数量级或0.13毫米厚。用铜来提供信号跟踪线和接地跟踪线。在另一个实施例中，可根据成本、环境原因和其它因素选择其它导电材料来替代铜。
在图5所示的实施例中，在馈电部分408上蚀刻馈电网络508，以给出提供给辐射体104(104A-D)的相位正交的信号(即，0°、90°、180°和270°信号)。远表面400的馈电部分408提供了用于馈电电路508的接地平面412。在馈电部分408的近表面500上蚀刻用于馈电电路508的信号跟踪线。
为了讨论的目的，辐射体部分404具有靠近馈电部分408的第一端432和第二端434(在辐射体部分404的另一端上)。根据所实现的天线实施例，可把辐射体104蚀刻成辐射体部分404的远表面400。辐射体104从第一端432向第二端434延伸的长度近似于所需的谐振频率四分之一波长的整数倍。
在辐射体104的长度是λ/2的整数倍的实施例中，辐射体104在第二端434处相互电气连接(即短路)。可通过位于第二端434的导体来进行这种连接，在衬底形成圆柱体时，该导体形成位于天线周围的环604。图6是示出带状螺旋形天线的蚀刻衬底的透视图，该天线具有位于第二端434处的短路环604。
在Burrell等人的5,198,831号美国专利(叫做831专利)中揭示了一种常规的四股螺旋形天线，该专利在这里引用作为参考。831专利中所述的天线是一种印刷电路板天线，它具有在介电衬底上蚀刻或者淀积的天线辐射体。该衬底形成圆柱体，从而导致辐射体的螺旋形结构。
在Terret等人的5,255,005号美国专利(叫做005专利)中揭示了另一个常规的四股螺旋形天线，在这里引用该专利作为参考。005专利中所述的天线是一种四股螺旋形天线，它是由正交放置的两个双股螺旋线形成并以90°相位差激励。所揭示的天线也具有与第一螺旋线同轴并与其电磁耦合的第二个四股螺旋线，用以提高天线的通频带。
在Ow等人的5,349,365号美国专利(叫做365专利)揭示了还有一种常规的四股螺旋形天线，这里引用该专利作为参考。365专利是一种按照以上参考图1A所述的线形来设计的四股螺旋形天线。
4．耦合的多节螺旋形天线的实施例已经简要地描述了各种形式的常规螺旋形天线，现在将就几个实施例来描述依据本发明的耦合的多节螺旋形天线。为了减少天线辐射体部分100的长度，本发明利用耦合的多节辐射体，从而与具有相等谐振长度的常规螺旋形天线所需的长度相比，本发明可以较短的长度使谐振在给定的频率上。
图7A和7B是示出耦合多节螺旋形天线示例实施例的平面表示图。图7A示出依据单股实施例以开路(不是短接在一起)终端的耦合多节辐射体706。诸如此类以开路终端的天线可用于单股、双股、四股或其它x股的示例。
图7A所示的实施例包括单个辐射体706。辐射体706包括一组辐射体节。该组包括两个末端节708、710和p个中间节712，这里p=0,1,2,3…(示出p=3的情况)。中间节是任意的(即，p可等于零)。末端节708、710虽然实际上相互隔离但相互电磁耦合。中间节712位于末端节708、710之间并在末端节708、710之间提供电磁耦合。
在开路终端的实施例中，节708的长度ls1是所需谐振频率四分之一波长的奇数倍。节710的长度ls2是所需谐振频率二分之一波长的整数倍。p个中间节712中每个节的长度lp为所需谐振频率二分之一波长的整数倍。在示出的实施例中，有三个中间节712(即，p=3)。
图7B示出以短路或连接体722端接的螺旋形天线的辐射体706。此短路示例不适用于单股天线，但它也可用于双股、四个或其它x股天线。与开路终端的实施例相同，辐射体706包括一组辐射体节。该组包括两个末端节708、710和p个中间节712，这里p=0,1,2,3…(示出p=3的情况)。中间节是任意的(即，p可等于零)。末端节708、710虽然实际上相互隔离但相互电磁耦合。中间节712位于末端节708、710之间并在末端节708、710之间提供电磁耦合。
在短路实施例中，节708的长度ls1是所需谐振频率四分之一波长的奇数倍。节710的长度ls2是所需谐振频率四分之一波长的整数倍。p个中间节712中每个节的长度lp为所需谐振频率二分之一波长的整数倍。在示出的实施例种，有三个中间节712(即，p=3)。
图8A和8B示出依据本发明一个实施例的耦合多节四股螺旋形天线辐射体部分800。图8A和8B示出图7B所示天线的一个示例，这里p=零(即，没有中间节712)而节708、710的长度是四分之一波长。
图8A所示的辐射体部分800是具有四个耦合辐射体804的四股螺旋形天线的平面表示图。耦合天线中的每个耦合辐射体804实际上包括两个辐射体节708、710，这两个节相互靠近，从而辐射体节708中的能量耦合到另一个辐射体节710。
具体地说，依据一个实施例，可把辐射体部分800通过两段820、824来描述。段820包括从辐射体部分800的第一端832向辐射体部分800的第二端834延伸的多个辐射体节708。段824包括从辐射体部分800的第二端834向第一端832延伸的多个第二辐射体节710。朝向辐射体部分800的中心区域，每个节708的一部分靠近相邻的节710，从而一个节的能量耦合到靠近区域中的相邻节。在本文中这种相对靠近叫做重叠。
在一个较佳实施例种，每个节708、710的长度近似为l1=l2=λ/4。包括两个节708、710的单个辐射体的总长度定义为ltot’。一个节708与另一个节710重叠的量定义为δ=l1+l2-ltot。
对于谐振频率f=υ/λ，辐射体的总长度ltot小于半波长的长度λ/2。换句话说，包括一对耦合节708、710的辐射体的耦合结果是，即使该辐射体的总长度小于λ/2，它也可在频率f=υ/λ上谐振。因此，对于给定的频率f，半波长耦合的多节四股螺旋形天线的辐射体部分800短于常规半波长的四股螺旋形天线800的辐射体部分。
为了更清楚地示出使用耦合结构获得的尺寸缩减，把图8所示的辐射体部分800与图3所示的辐射体部分相比较。对于给定的频率f=υ/λ，常规天线辐射体部分300的长度l是λ/2，而耦合辐射体节天线辐射体部分800的长度ltot＜λ/2。
如上所述，在一个实施例中，节708、710的长度是l1=l2=λ/4。每个节的长度可以如此改变，l1不必等于l2，它们不等于λ/4。每个辐射体的实际谐振频率是辐射体节708、710长度、辐射体节708、710之间的分离距离s和节708、710相互重叠量的函数。
注意可通过相对于另一个节710而改变一个节708的长度来调节天线的带宽。例如，加长l1使之稍稍大于λ/4并缩短l2使之稍稍小于λ/4可增加天线的带宽。
图8B示出依据本发明一个实施例的耦合多节四股螺旋形天线的实际天线结构。它示出在一个实施例中每个辐射体如何包括两个节708、710。节708以螺旋形方式从辐射体部分的第一端832向辐射体部分的第二端834延伸。节710以螺旋形方式从辐射体部分的第二端834向辐射体部分的第一端832延伸。图8B还示出节708、710的一部分如此重叠，从而它们相互电磁耦合。
图9A是示出辐射体节708、710之间的间隔s和重叠度δ。如此选择间隔s，从而在辐射体节708、710之间耦合足够的能量，从而使它们起到有效电气长度近似为λ/2及其整数倍的单个辐射体的作用。
辐射体节708、710的间隔小于此最佳间隔导致节708、710之间更大的耦合。结果，对于给定的频率f，必须增加节708、710的长度，从而使得在相同频率f上谐振。这可通过节708、710实际上连接起来的极端情况来说明(即s=0)。在此极端情况下，为了使天线发生谐振，节708、710的总长度必须等于λ/2。注意在此极端情况下，依据本说明书中的用途，天线事实上不再耦合，获得的结构实际上是诸如图3所示的常规螺旋形天线。
同样，增加节708、710重叠度δ的量将增加耦合。于是，当重叠度δ增加时，节708、710的长度也增加。
为了定量地理解节708、710的最佳重叠度和间隔，我们参考图9B。图9B表示每个节708、710上电流的幅值。电流强度指示值911、928示出理想情况下每个节在λ/4处发生谐振，外部末端处的信号强度最大，内部末端处的信号强度最小。
为了优化耦合辐射体节天线的结构，本发明者利用了模拟软件从其它参数中确定正确的节长度l1、l2、重叠度δ和间隔。一个这样的软件包是天线优化器(AO)软件包。AO基于磁矩电磁模拟算法的方法。AO天线优化器版本6.35(版权1994)是加利福尼亚州圣弟亚哥市的Brian Beezley编写的。
注意通过使用以上参考图8A和8B所述的结构可获得某些优点。利用常规的天线和耦合的辐射体节天线，可把电流集中在辐射体的两端。依据阵列因素原理，这在某些应用中耦合辐射体节天线是一个优点。
为了说明，图10A是示出两个点源A、B的图，其中源A辐射幅值与源B的信号幅值相同的信号，但其相位滞后90°(假定ejωt的惯例)。这里源A和B分开λ/4的距离，沿从A到B的传播方向以同相方式信号叠加，并沿从B到A的传播方向以反相方式信号叠加。结果，沿B到A的方向发出非常少的辐射。图10B所示的典型场图案示出了这一点。
于是，当源A和B如此定向，从而从A到B的方向表明从地面向上，从B到A的方向表明朝向地面时，对大多数应用天线可得到最佳运用。这是因为很少有用户想要把信号强度指向地面的天线。此结构在卫星通信中尤其有用，其中想要使大部分信号强度从地面向上辐射。
使用常规的半波长螺旋形天线不容易实现图10中模拟的点源天线。考虑图3中所示的天线辐射体部分。在辐射体208两端处电流强度的集中大致近似于一个点源。当辐射体卷成螺旋形结构时，90°辐射体的一端所处的位置与0°辐射体的另一端在一条线上。于是，这近似于同一线上的两个点源。然而，与图10A示出所需的结构相反，这些近似的点源分开大约λ/2。
然而，注意依据本发明的耦合辐射体节天线提供了一种示例，其中近似大约隔开的距离更靠近λ/4。因此，耦合辐射体节天线使用户可利用图10A所示天线的方向性。
图8所示的辐射体节708、710示出，节708非常靠近其相关节710，而每对节708、710离相邻的节对相对较远。在另一个实施例中，每个节710与两边的节708等距离。图11中示出此实施例。
现在参考图11，每个节与每对相邻的节基本上等距离。例如，节708B与节710A、710B等距离。即S1=S2。同样，节710A与节708A、708B等距离。
此实施例的违背直觉之处在于看起来好象存在不想要的耦合。换句话说，相应于一个相位的节不仅会与相同相位的适当节耦合，也会与相位偏移的相邻节耦合。例如，90°节708B将与节710A(0°节)和节710B(90°节)耦合。这种耦合不成为问题，因为可把来自上部节810的辐射看作两种分离的模式。一种模式来自于相邻节到左边的耦合，另一种模式来自于相邻节到右边的耦合。然而，这两种模式的相位都被调整，以提供相同方向的辐射。因此，这种双耦合对耦合多节天线的存在无害。
5．示例图12是依据本发明一个实施例的耦合辐射体节天线的一个示例。现在参考图12，天线包括辐射体分1202和馈电部分1206。辐射体部分包括节708、710。图12中提供的尺寸示出节708、710的作用以及辐射体部分1202总长度的重叠量δ。
把沿平行于圆柱体轴方向的节的长度示为节708的l1sinα和节710的l2sinα，这里α是节708、710的内角。
由参考字符δ来示出以上图8A和9A所示的节的重叠度。如图12所示由δsinα给出沿平行于天线轴方向的重叠量。
节708、710分隔间隔s，间隔s可如上所述进行变化。节708、710的末端与辐射体部分1202末端之间的距离分别定义为参考字符γ1、γ2所示的间隔。间隔γ1、γ2可以相等，但不一定。此外，如上所述，节708的长度可相对节710的长度而变化。
由参考字符ω0示出从节710的一端得到另一端的偏移量。由ωs来表示相邻节710之间的隔离度，它由螺旋线的直径来确定。
馈电部分1206包括给辐射体节708提供相位正交信号的适当馈电网络。馈电网络对本领域内的中等技术人员是众所周知的，因此这里不再进行详细描述。
在图12所示的实施例中，在沿节708离馈电网络某一距离处选中馈电点对节708进行馈电，以优化阻抗匹配。在图12所示的实施例中，此距离由参考字符δ馈电示出。
注意连续线1224表示衬底远表面上接地部分的边界。与远表面上的节708相对的接地部分延伸至馈电点。节708薄的部分位于近表面上。在馈电点处，近表面上节708的厚度增加。
现在给适用于在邻近1.6GHz的L频带内进行操作的示例耦合辐射体节四股螺旋形天线提供尺寸。注意这只是一个示例，其它尺寸也可用于在L频带内进行操作。此外，其它尺寸也可用于在其它频带内进行操作。
示例L频带实施例中辐射体部分1202的总长度为2.30英寸(58.4mm)。在此实施例中，倾角α是73度。由此倾角α，此实施例中节708的长度l1sinα为1.73英寸(43.9mm)。在示出的实施例中，节710的长度等于节708的长度。
在一个示例实施例中，节710与其相邻的节对708基本上等距离。在该实施例的一个示例中，间隔s1=s2=0.86英寸。也可包括其它间隔，例如节710离相邻节708的间隔在0.070英寸(1.8mm)。
在此实施例中，辐射体节708、710的宽度τ为0.11英寸(2.8mm)。其它宽度也可以。
示例的L频带实施例以γ1=γ2=0.57英寸(14.5mm)的对称间隔为特征。这里间隔γ1对于辐射体部分1202的两个末端是对称的(即，γ1=γ2)，辐射体708、710具有1.16英寸(29.5mm)的重叠度δsinα(1.73英寸-.57英寸)。
节的偏移ω0为0.53英寸，节的隔离度ωs为0.393英寸(10.0mm)。天线的直径是4ωs/π。
在一个实施例中，如此选择从馈电点到馈电网络的距离δ馈电，从而δ馈电=1.57英寸(39.9mm)。可选中其它馈电点来优化阻抗匹配。
注意上述示例实施例设计结合包围螺旋形天线并接触辐射体部分的0.032英寸厚的聚碳酸盐天线罩一起使用。天线罩或其它结构如何影响所需频率的波长将对本领域内的熟练技术人员变得明显起来。
注意，在上述示例的实施例中，L频带天线辐射体部分的总长度比常规的半波长L频带天线有所减少。对于常规的半波长L频带天线，辐射体部分的长度近似于3.3英寸(即，λ/2(sinα))，这里α是节708、710相对于水平的内角)或(81.3mm)。对于上述示例的实施例，辐射体部分1202的总长度是2.3英寸(58.42mm)。这表示基本上节减了常规天线的尺寸。
图13是示出半波长L频带耦合多节天线辐射体部分1304和常规L频带四股螺旋形天线1308的并列比较。如图13所示，耦合的辐射体节天线辐射体部分1304有效地比常规的四股螺旋形天线1308短。
现在描述用于近似于2.49GHz的S频带的示例实施例。在此示例的S频带实施例中，辐射体部分1202的总长度为1.50英寸(38.1mm)。在此实施例中，倾角α为65度。此实施例中节708的长度l1sinα为0.95英寸(24.1mm)，节710的长度等于节708的长度。较佳实施例的间隔是即节710与其相邻的节对708等距离(s1=s2=0.086英寸)。辐射体节708、710的宽度τ为0.11英寸(2.8mm)。对于50欧姆的阻抗匹配，馈电点δ馈电为0.60英寸。
示例的S频带实施例以辐射体1202两个末端的对称间隔(即，γ1=γ2=0.55英寸)为特征。辐射体708、710具有0.40英寸(10.2mm)的重叠度δsinα(.95英寸-0.55英寸)。
节的偏移ω0为0.44英寸(11.2mm)，节的隔离度ωs为0.393英寸(10.0mm)。天线的直径是4ωs/π。
注意上述示例实施例设计结合包围螺旋形天线(并接触辐射体部分)的0.032英寸厚的聚碳酸盐天线罩。
在这些实施例中，S频带天线辐射体部分的总长度比常规的半波长S频带天线有所减少。对于常规的半波长S频带天线，辐射体部分的长度接近2.0英寸(即，λ/2(sinα))，这里α是节708、710相对于水平的内角)或(50.8mm)。在上述实施例中，辐射体部分1202的总长度是1.5英寸。
图14A是示出在L频带内操作的耦合多节四股螺旋形天线一个示例的辐射方向性图。图14B是示出在S频带内操作的耦合多节四股螺旋形天线一个示例的辐射方向性图。如这些方向性特性所示，天线在上半平面内提供了良好的全方向特性并呈现良好的圆极化。
在上述带线实施例中，描述的辐射体节708、710、712设置在衬底的同一表面上。在另一实施例中，节不必位于衬底的同一表面上。例如，在一个实施例中，即第一端的节(即，节708)位于衬底的一个表面上，第二端的节(即，节710)位于相反的表面上。这个和其它实施例不需要使所有的节708、710、712都位于同一表面上是可能的，其原因是，不必因为耦合电磁能量而使节的边缘都对准。衬底厚度量级的小偏移不会对耦合产生不利影响。可允许选择地放置节708、710、712的这些实施例可用于，在天线内部提供其它元件的同时在天线外部上提供某些元件或节，从而允许因为调谐时的某些目的而靠近这些元件，或连接到这些元件。
在某些应用中，想要一种在两个频率下操作的天线。此应用的一个例子是在一个用于发射的频率和在用于接收的第二频率下操作的通信系统。用于实现双频带性能的一个常规技术是把两个单频带的四股螺旋形天线的末端叠在一起，以形成单个长圆柱体。例如，系统设计师可把一L频带和一S频带天线叠在一起，以实现在L和S频带下操作的特性。然而，这种堆叠增加了天线的总长度。通过使用耦合辐射体节天线而获得的尺寸减少可使堆叠的双频带天线的总长度急剧减少。
有节的辐射体螺旋形天线的一个附加的优点是在天线制造后很容易对天线进行调谐。可简单地通过对节708、710进行微调来调谐天线。注意，如果需要，可以不必改变天线的总长度而进行调谐。
注意就在等于λ/2整数倍的波长上谐振的半波长天线提出了上述耦合辐射体节天线的实施例。在阅读了本文后，如何通过除去辐射体远端处的短路环而实现使用在等于λ/4奇数倍的波长上谐振的天线的本发明将对本领域内的一般技术人员变得明显起来。
3．结论已对较佳实施例进行了以上的描述，使本领域内的熟练技术人员可制造或利用本发明。这些实施例的各种修改对本领域内的熟练技术人员是非常明显的，这里所述的一般原理可应用于其它实施例而无需发明能力。于是，本发明不限于这里示出的实施例，而是依据这里所揭示的原理和新特征所给出的最宽范围。
权利要求
1．一种螺旋形天线，其特征在于包括具有一个或更多螺旋形缠绕的辐射体的辐射体部分，这些辐射体从辐射体部分的第一端向辐射体部分的第二端延伸，所述一个或更多的辐射体包括以螺旋形方式从辐射体部分的第一端向辐射体部分的第二端延伸的第一辐射体节；以及以螺旋形方式从辐射体部分的第二端向辐射体部分的第一端延伸的第二辐射体节；其中所述第一辐射体节靠近所述第二辐射体节，从而所述第一和第二辐射体节相互电磁耦合。
2．如权利要求1所述的螺旋形天线，其特征在于所述第一和第二辐射体节包括淀积在介电衬底上的带线节，所述介电衬底如此成形，从而辐射体以螺旋形方式缠绕。
3．如权利要求2所述的螺旋形天线，其特征在于所述介电衬底形成圆柱体形状或圆锥体形状。
4．如权利要求1所述的螺旋形天线，其特征在于所述第一和第二辐射体节是线形节。
5．如权利要求1所述的螺旋形天线，其特征在于所述第一辐射体节的长度等于所述第二辐射体节的长度。
6．如权利要求1所述的螺旋形天线，其特征在于所述第一和第二辐射体节的长度为λ/4，这里λ是天线谐振频率的波长。
7．如权利要求1所述的螺旋形天线，其特征在于包括四个辐射体，还包括用于给所述四个辐射体提供相位正交信号的馈电网络。
8．如权利要求1所述的螺旋形天线，其特征在于还包括用于每个所述辐射体的馈电点，所述馈电点位于沿所述第一节离所述第一端的一个距离处，选择所述距离使辐射体的阻抗与馈电网络匹配。
9．如权利要求1所述的螺旋形天线，其特征在于所述辐射体还包括一个或多个位于所述第一和第二辐射体节之间的中间辐射体节。
10．如权利要求1所述的螺旋形天线，其特征在于所述第一辐射体节的一部分靠近所述第二辐射体节的一部分。
11．如权利要求1所述的螺旋形天线，其特征在于还包括具有多个螺旋形缠绕的第二辐射体的第二辐射体部分，所述辐射体从第二辐射体部分的第一端向第二辐射体部分的第二端延伸，每个所述第二辐射体包括以螺旋形方式从辐射体部分的第一端向辐射体部分的第二端延伸的第一辐射体节；以及以螺旋形方式从辐射体部分的第二端向辐射体部分的第一端延伸的第二辐射体节；其中一部分所述第一辐射体节靠近一部分所述第二辐射体节，从而所述第一和第二辐射体节相互电磁耦合；以及所述第二辐射体部分在与所述第一辐射体部分的谐振频率不同的频率上进行操作，从而提供双频带操作。
12．如权利要求11所述的螺旋形天线，其特征在于所述第一辐射体部分与所述第二辐射体部分以同轴方式堆叠在一起。
13．如权利要求1所述的螺旋形天线，其特征在于所述辐射体在所述第一端处连接馈电网络并在所述第二端处连接在一起。
14．如权利要求1所述的螺旋形天线，其特征在于所述辐射体在所述第一端处连接馈电网络并在所述第二端处具有开路终端。
15．一种螺旋形天线，其特征在于包括具有多个螺旋形缠绕的多节辐射体的辐射体部分，这些多节辐射体从辐射体部分的第一端向辐射体部分的第二端延伸，每个所述多节辐射体至少包括第一和第二节，其中所述第一节与所述第二节实际上相互隔离，但它们电磁耦合。
16．如权利要求15所述的螺旋形天线，其特征在于所述第一和第二辐射体节包括淀积在介电衬底上的带线节。
17．如权利要求15所述的螺旋形天线，其特征在于所述第一辐射体节的长度等于所述第二辐射体节的长度。
18．如权利要求15所述的螺旋形天线，其特征在于所述第一和第二辐射体节是线形节。
19．如权利要求15所述的螺旋形天线，其特征在于所述第一和第二辐射体节的长度为λ/4，这里λ是天线谐振频率的波长。
20．如权利要求15所述的螺旋形天线，其特征在于包括四个辐射体，还包括用于给所述四个辐射体提供相位正交信号的馈电网络。
21．如权利要求15所述的螺旋形天线，其特征在于还包括用于每个所述辐射体的馈电点，所述馈电点位于沿所述第一节离所述第一端的一个距离处，选择所述距离使辐射体的阻抗与馈电网络匹配。
22．如权利要求15所述的螺旋形天线，其特征在于所述辐射体还包括位于所述第一和第二辐射体节之间的一个或多个中间辐射体节。
23．如权利要求15所述的螺旋形天线，其特征在于所述第一辐射体节的一部分靠近所述第二辐射体节的一部分。
24．如权利要求15所述的螺旋形天线，其特征在于还包括具有多个螺旋形缠绕成分节辐射体的第二辐射体部分，所述辐射体从辐射体部分的第一端向辐射体部分的第二端延伸，每个所述分节的辐射体包括第一和第二节，其中所述第一节实际上与所述第二节隔离，当它们相互电磁耦合。
25．如权利要求24所述的螺旋形天线，其特征在于所述第一辐射体部分与所述第二辐射体部分以同轴方式堆叠一起。
26．如权利要求15所述的螺旋形天线，其特征在于所述辐射体以螺旋形方式缠绕成圆柱体形状或圆锥体形状。
全文摘要
一种耦合的多节螺旋形天线,其长度比常规的半波长天线短。耦合的多节螺旋形天线包括具有单个螺旋形缠绕的辐射体(804)的辐射体部分(800),所述辐射体从附图部分的一端(832)向另一端(834)延伸。每个辐射体(804)由一组两个或更多节(708,710)构成。第一节(708)以螺旋形方式从辐射体部分(800)的第一端(832)向其第二端(834)延伸。第二节(710)以螺旋形方式从辐射体部分(800)的第二端(834)向其第一端(832)延伸,其中所述第一辐射体节(708)的一部靠近于所述第二辐射体节(710)的一部分,从而所述第一和第二辐射体节(708,710)相互电磁耦合。
文档编号H01Q1/36GK1216165SQ97190455
公开日1999年5月5日 申请日期1997年4月28日 优先权日1996年4月30日
发明者D·菲利波维奇, A·塔劳德基 申请人:夸尔柯姆股份有限公司