专利名称：同轴双波段天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于电磁信号的天线，更具体地涉及具有同轴元件的天线。
随着许多同时运行在不同频率范围的无线通信系统的出现，例如先进的移动电话服务(AMPS)系统使用800MHZ频率的载波信号，和个人通信服务(PCS)系统使用1900MHZ频率的载波信号，急需能在两个系统中运行的收发器。
对这个问题一个解决方法是提供具有两个分开的天线的收发器。每个对频段之一的信号响应最佳。这样一种两-天线解决方法产生出的收发器体积上难以接受，在美学上也不能使人喜欢。因此，希望紧凑的单天线的收发器，该收发器可以运行在两个频段。
构造双波段天线的一个方法是将一个电长度λ1/2的附加元件放到很接近于电长度为λ0/2的一个线状天线。
图1说明这种双波段天线10。附加元件12并非在物理上连接到收发器(未示)，在频率f1=c/λ1谐振，而线状天线14是以一个偶极子作为说明的，在物理上连接到该收发器，在频率f0=c/λ0谐振，这里C为光速。
在它们各自谐振的条件下，附加元件12和线状天线14有效地耦合进出周围媒介例如进出自由空间的能量。附加元件，由于它不在频率f0谐振，基本上穿透到线状天线的有效范围，而线状天线由于它不在频率f1谐振，基本穿透到附加元件的有效范围。由于附加元件谐振在较高的频率f1并恰当地在很接近于线状天线的范围以内，因此f1的能量有效地耦合到/自该线状天线和周围媒介。由此获得一个双波段响应，即在f0和f1的同时最佳能量耦合。
天线的能量耦合效率能用电压驻波比(VSWR)与频率的关系图说明。图2描述例如图1中所示的双波段天线的典型的响应，两个低VSWR区域相应在频率f0,f1的谐振条件。
图1所示双波段天线类型的问题之一在于难以制造。在实际上，线状天线和附加元件间的间隔通常必须维持在25μm量级的精度，或千分之一英寸的精度。达到这样的精度是困难的，其成本是高的。因此希望容易制造的且其成本低的双波段天线。
概要本发明解决了现有装置的问题并提供了一种不仅紧凑而且容易制造的电磁天线。在本发明的一个方面，由具有一外导体，一种介电材料，以及配置在该介电材料中的内导体的同轴电缆制作电磁天线的一种方法包括步骤从该同轴电缆的一部分剥离该外导体，由此暴露该介电材料；在暴露的介电材料上螺旋状绕制一附加导体；以及将该附加导体部分放置在与电接地平面有电磁协同的关系之中。该部分具有第一预定的电长度，而附加导体具有第二预定电长度。
在本发明的另一方面，所说方法还包括用粘合剂使附加导体固定到该介电材料的步骤。同时第一预定长度基本上可以是第一预定波长的1/4，而第二预定长度基本上可以是第二预定波长的1/2。特别是，第一预定长度可以是9.4cm，而第二预定长度可以是7.9cm。此外，该部分以及附加导体被配置成基本上垂直于电接地平面，以及该方法还包括通过改变绕组的螺距角有选择地控制附加导体的绕组间的耦合量的步骤，由此产生一种附加导体，它具有可选择的电磁场强度和功率密度的空间方向图。
在本发明的另一方面，一个电磁天线包括同轴电缆部分，具有一第一预定电长度，该同轴电缆具有一外导体，一种介电材料，以及配置在该介电材料内的内导体。外导体从该部分切除，以便形成一电磁单极。天线还包括一附加元件、它由螺旋状围绕该部分的介电材料的一导体组成，该附加元件具有一第二预定电长度。该天线还包括一个配置在与该部分以及附加元件有电磁协同的关系之中的电接地平面。
在本发明的另一方面，该附加元件可用一种粘合剂粘到该部分的介电材料上，第一预定长度基本上是第一预定波长的1/4，而第二预定长度基本上是第二预定波长的1/2。特别是，第一预定长度可以是9.4cm，而第二预定长度可以是7.9cm。并且，电接地平面配置成基本垂直于该部分和附加元件，而附加元件的绕组的螺距角能变化，以便产生可选择的电磁场强度和功率密度的空间方向图。
附图的简要说明通过参照附图阅读说明书来理解申请人的发明，其中
图1说明一种普通的双波段天线；图2是对于图1中所绘的双波段天线的电压驻波比与频率的关系曲线图；图3A说明按申请人的发明的一种同轴单极天线图3B说明按申请人的发明的一种双波段天线；图4是对于图3B中所绘的双波段天线的电压驻波比与频率的关系曲线图；图5说明一种双波段天线，具有附加元件，该元件包括许多小螺距角的分段，这些小螺距角的分段由大螺距角分段间隔。
详细说明本申请人的发明利用市场上批量生产精度的同轴传输线解决前面双波段天线制造的问题，例如RG-59,RG-62,RG-116等同轴电缆的尺寸具有适宜的精度。如下面将更详细说明的，同轴线的内导体构成的线性辐射结构具有的电磁长度使其谐振在第一频率f0。
图3A,3B描绘本发明的一个优选实施例，一单极天线20在接地平面22之上。参照图3A，去掉了同轴电缆24的绝缘套和外导体的暴露电缆的园柱形的介电芯26，在其中配置直的内导体28。同轴线24的外导体可以电连接到接地平面22，该接地平面22可以是例如手持无线电话那样的无线电收发器的导电外壳。但是可以理解的是该接地平面也可以是与收发器的外壳电绝缘的，这就如像在以下两篇在此作为参考的专利申请中所描述的那样美国专利申请号08/274,450,1994年7月13日由Cassel申请，以及由Cassel申请的欧洲专利公开号EP0528775,1993年2月24日公开。
如图3A所示，暴露的介电材料26和夹在其间的内导体28被修整，使得在接地平面22上产生要求的长度。将理解到图3A中所描绘的装置是一个同轴单极天线。选择突出在接地平面22上的物理长度使得其电磁长度典型地为所要求频率f0的1/4波长λ0/4的整数。当电磁场长度为一个1/4波长时，由于在该接地平面22中形成的突出长度的电像，该单极像一个半波天线。例如，假定接地平面和突出长度被放置得基本上彼此垂直，则对于频率f0=800MHZ，突出在接地平面22上的电磁长度近似为9.4cm。
按本申请人的发明的进一步的特征，如图3B中所说明的，一个附加元件30例如一个导体螺旋状地缠绕在介电园柱体的周围。附加元件可以是一根紧紧缠绕的导线，足够以摩擦力将其保持在介电材料上的位置内，虽然另外该附加元件30可通过将其缠绕在介电园柱体表面中的螺槽来保持，或者应用一种合适的粘合材料将其保持在介电材料上。该附加元件也可以是缠绕在介电园柱体周围的导电带或甚至是按要求图案印制在介电园柱体上的导电印色，而不用导线。仅需要该附加元件30是谐振在要求频率上的一个导电元件。
根据螺距角Ψ和螺旋状缠绕的附加元件30的物理长度，制作附加元件电磁长度使其谐振在频率f1，该频率不同于内导体28的谐振频率f0。这样图3B中说明的天线具有双波段响应(在f0和f1)，并具有期待的VSWR，如图4所示那样。
与内导体28大为不同的是，附加元件30的电长度在其谐振频率f1典型地被选择为半波长λ1/2的整数。该电磁长度可能典型地小于物理长度，以便补偿当与周围媒质例如自由空间相比时通过该介电材料26降低的电磁场传播速度。例如附加元件30的电磁长度对于频率f1=1900MHZ可能接近7.9cm而不补偿降低的传播速度。附加元件30的电磁长度取决其物理长度以及介电园柱体26的介电常数。
人们理解附加元件30准确长度，以及内导体28的长度可以根据天线理论原理来确定，虽然需要某些小调整以使天线响应最佳化。通常，这些原理应当备有边界条件，即在附加元件30两端(以及至少在内导体28的末端)的电流值为零。例如人们理解接地平面和附加元件突出电缆部分之间的角度起电磁场强度和功率密度的空间分配作用。由于同轴线的介电芯子26的尺寸在加工时被很好地特征化并保持精确的容差，因此申请人的双波段天线能制作得均匀并且价格便宜。
影响螺旋状缠绕的附加元件的电磁长度的一个因素是该螺旋绕组间的电磁耦合量。该耦合量由螺距角Ψ有效地确定。该螺距角确定了绕组间的距离。目前希望在某些情况下要求将这种耦合降低到最小，由此可能使用大的螺距角；可以确信对于1900MHZ频率，使用至少45°的螺距角将可能没有大的耦合。
在另一方面，目前也期待在某些情况下要求耦合。当螺旋状绕组紧靠在一起时，对高频而言增加了的主要呈容性的耦合倾向于增加该附加元件的电磁长度。此外，通过选择控制参数，例如螺距角和园柱体26的介电常数有选择地控制耦合量允许在频率f1选择沿该附加元件的电流分布以及该天线的方向图。通过改变突出在接地平面上的长度的螺距角，应当有可能生产具有场强度和功率密度的空间方向图的附加元件。该方向图比单极的更为复杂。对于如图5中所描绘的例子，可改变螺距离，使附加元件包括许多具有高耦合(小螺距角Ψ2)的段，它们由具有小的或无耦合(大螺距角Ψ1)的段分开，由此产生与线状天线阵元相称的天线方向图。
将可以理解的是申请人的发明还包括一种双波段天线，其中螺旋线元件30是受激的，而线性元件28是附加的，虽然应相信，由于相对更复杂的阻抗匹配以及由同轴电缆制作的难度，这样的一种装置在目前不是优选的。在这种天线中，螺旋元件30将起像一个绕制的偶极子作用，而内导体28的长度可能需要仔细调整。
本专业技术人员将理解，本发明可按其他方式实施而不脱离其基本性质。因此，以上所描述的实施例在所有方面将理解为作为说明而非限制。本发明的范围由以下权利要求所限定。
权利要求
1．一种由具有一外导体，一种介电材料，以及一内导体的同轴电缆制造电磁天线的方法，内导体放置在该介电材料中，包括步骤从同轴电缆部分剥去导体，由此暴露出介电材料；在暴露的介电材料上螺旋状缠绕附加导体；以及将该部分以及附加导体放置在与电接地平面有电磁协同的关系之中；其中该部分具有第一预定电长度，以及该附加导体具有第二预定电长度。
2．权利要求1的方法，还包括用一种粘合剂将该附加导体固定到介电材料的步骤。
3．权利要求1的方法，其中第一预定长度基本上为第一预定波长的1/4，而第二预定长度基本上为第二预定波长的1/2。
4．权利要求3的方法，其中第一预定长度为9.4cm，而第二预定长度为7.9cm。
5．权利要求1的方法，其中该部分和附加导体基本上被配置为垂直于该电接地平面。
6．权利要求1的方法，还包括通过改变绕组的螺距角有选择地控制附加导体绕组间的耦合量，由此产生的附加元件具有选择的电磁场强度和功率密度的空间方向图的步骤。
7．一种电磁天线，包括具有第一预定电长度的同轴电缆部分，该同轴电缆具有一外导体，一介电材料，以及放置在介电材料中的内导体，其中，外导体从该部分除去，因此该部分是一个电磁单极；一附加元件包括螺旋状缠绕在该部分介电材料周围的导体，其中该附加元件具有第二预定电长度；以及一电接地平面配置在与该部分和附加元件有电磁协同的关系之中。
8．权利要求7的天线，其中附加元件用一种粘合剂固定到该部分的介电材料上。
9．权利要求7的天线，其中第一预定长度基本上为第一预定波长的1/4，而第二预定长度基本上为第二预定波长的1/2。
10．权利要求9的天线，其中第一预定长度为9.4cm，而第二预定长度为7.9cm。
11．权利要求7的天线，其中电接地平面被配置为基本垂直于该部分和附加元件。
12．权利要求7的天线，其中附加元件的绕组的螺距角改变，以便产生选择的电磁场强度和功率密度的空间方向图。
13．权利要求7的天线，其中附加元件由一电信号激励。
全文摘要
紧凑且易制作一种电磁天线(20,30)包括同轴电缆(24)的一部分,该同轴电缆具有第一预定的电长度,同轴电缆的外导体(22)从该部分除去以形成一电磁单极(28),一附加元件(30)包括螺旋状围绕该部分介电材料(26)的导体,该附加元件具有第二预定电长度,以及一电接地平面(22)配置在对该部分以及该附加元件有电磁协同的关系之中。附加元件可以用一种粘合剂固定到该分部的介电材料上,第一预定长度基本上为第一预定波长的1/4,而第二预定长度基本上为第二预定波长的1/2。特别是。第一预定长度可以为9.4cm,而第二预定长度可以为7.9cm。此外,电接地平面可基本配置成垂直于该部分和附加元件,而该附加元件绕组的螺距角可以改变,以产生选择的电磁场强度和功率密度的空间方向图。还公开了由同轴电缆形成电磁天线的方法。
文档编号H01Q5/00GK1235704SQ97199388
公开日1999年11月17日 申请日期1997年8月12日 优先权日1996年9月5日
发明者G·J·哈耶斯, R·W·拉姆佩 申请人:艾利森公司