多频带螺旋天线 【技术领域】
本发明涉及一种用于发送和接收射频信号的移动通信或无线通信终端的天线，更具体地，涉及一种能够通过调整其阻抗而在多频带中工作的多频带螺旋天线。
背景技术
近些年来，各种各样的移动通信系统，比如蜂窝服务系统、PCS系统、GMS系统和铱星服务系统(Iridium service system using asatellite)，在世界范围内是可用的。例如在韩国，可以提供商业化的蜂窝服务系统、PCS和CT-2系统。应用于移动通信系统的便携式终端已经得到发展，并在机型轻巧紧凑、功能齐全和降低能耗方面不断改进。天线在终端与基站之间起发送和接收信号的作用，并且是决定终端通信质量的关键部件。由于天线的性能可依据安装天线的终端的形状和材料的变化而改变，因此，应将天线设计成与终端的型号相匹配，以获得其最佳的性能。
通常，为了能够达到双向通信和便于持有，将一种非方向性的可伸缩式天线用作终端天线。可购得的终端地天线具有既适于待机状态又适于通信状态的组合的结构，以便轻松地发送、接收线性极化信号。天线大致上可分为两类：螺旋天线和单极天线。
螺旋天线具有从终端顶部突出的螺旋结构，并具有无论终端处于什么方向都可进行通信的优点。
单极天线在伸出状态时应用于高质量通信。它在垂直方向上的通信能力要比螺旋天线强，但是，在理论上它不能接收水平方向的信号。
这种天线的性能取决于其所安装的终端的形状，并且，在天线和终端之间设有一匹配电路，以补偿性能上的差异。
螺旋天线具有带有λ/2和λ/4的物理谐振长度并使用了连接件的螺旋结构，它还包括一接地表面和电源供应线。
特别地，传统的螺旋天线为单频带螺旋天线，其由厚度为几十或几百微米的陶瓷片制成，并在每个陶瓷片上设有一个垂直通孔和一个水平模型(pattern)。这样形成的天线在结构上表现为单频带特性，且因此不能在两个或者更多不同频带中工作。
具体来说，蜂窝服务系统和PCS系统分别使用例如824～894MHz频带和1750～1870MHz频带，并且，它们的中心频率相互间隔大约为1GHz，且中心频率与其谐波成分并不是整数倍的关系。因此，即使对其使用匹配电路，传统的天线也不能同时应用在使用不同频带的蜂窝服务系统和PCS系统。
已经做出过一些尝试，希望实现一个终端能够在使用不同频带的各种通信系统中工作，以便这种终端可以在全世界应用。这种情况下，这种用于不同通信系统的终端所使用的天线和其它部件需要符合一电学标准，并能够在两个或更多频带中工作。这种天线应当也可以应用于具有更宽频带的下一代移动通信设备上，如IMT-2000，以及在两个或更多不同移动通信服务频带上工作。
【发明内容】
因此，本发明的主要目的在于提供一种能够工作于多个频率段的多频带螺旋天线。
根据本发明的一个方面，提供了一种多频带螺旋天线，其包括：一个介质体，其包括多个以预定顺序层叠而成的介质片；设置在所述介质体中的至少一个第一金属模型区段和一第二金属模型区段，所述第一金属模型区段包括多个局部开口的第一金属环模型和多个第一连接件，所述第一连接件连接相应的相邻的局部开口的第一金属环模型，以形成第一螺旋结构，且所述第二金属模型区段包括多个局部开口的第二金属环模型和多个第二连接件，所述第二连接件连接相应的相邻的局部开口的第二金属环模型，以形成第二螺旋结构，所述第一和第二金属模型区段具有不同的总体长度。
根据本发明的另一个方面，提供了一种多频带螺旋天线，其包括：一个介质体，其包括多个具有第一厚度t1的第一介质片和多个具有不同于t1的第二厚度t2的第二介质片，所述介质片以预定顺序层叠；以及分别设置在所述第一介质片和第二介质片中的至少一个第一金属模型区段和一第二金属模型区段，所述第一金属模型区段包括多个以第一间距彼此隔开的第一局部开口的金属环模型以及多个第一连接件，所述第一连接件连接相应的相邻的第一金属环模型，以形成第一螺旋结构，且所述第二金属模型区段包括多个以不同于第一间距的第二间距彼此隔开的第二局部开口的金属环模型以及多个第二连接件，所述第二连接件连接相应的相邻的第二金属环模型，以形成第二螺旋结构。
根据本发明的又一方面，提供了一种多频带螺旋天线，其包括：一个介质体，其包括多个具有预定厚度的介质片，所述介质片以预定顺序层叠；设置在所述介质体中的至少一个第一金属模型区段和第二金属模型区段，第一金属模型区段包括多个具有第一半径r1的第一局部开口的金属环模型和多个第一连接件，所述第一连接件连接相应的相邻的第一局部开口的金属环模型，从而形成第一螺旋结构，第二金属模型区段包括多个具有不同于半径r1的第二半径r2的第二局部开口的金属环模型和多个第二连接件，所述第二连接件连接相应的相邻的第二局部开口的金属环模型，从而形成第二螺旋结构。
根据本发明的另一个方面，提供了一种多频带螺旋天线，其包括：一个介质体，其包括多个具有预定厚度的介质片，介质片以预定顺序层叠；设置在所述介质体中的至少一个第一金属模型区段和一第二金属模型区段，所述第一金属模型区段包括多个具有第一总体长度1的第一局部开口的金属环模型和多个第一连接件，所述第一连接件连接相应的相邻的第一局部开口的金属环模型，从而形成第一螺旋结构，且所述第二金属模型区段包括多个具有不同于长度1的第二总体长度2的第二局部开口的金属环模型和多个第二连接件，所述第二连接件连接相应的相邻的第二局部开口的金属环模型，从而形成第二螺旋结构。
【附图说明】
通过下面结合附图对优选实施例的描述，将能理解本发明的上述以及其它优点和特征，其中：
图1为显示根据本发明第一实施例的多频带螺旋天线的透视图；
图2为显示根据本发明第一实施例的多频带螺旋天线金属模型区段的透视图；
图3为多频带螺旋天线的层叠结构的分解剖视图；
图4A和4B分别为最上层介质片的顶视图和底视图；
图5A和5B分别为中间层或较低层介质片的顶视图和底视图；
图6为显示根据本发明的多频带螺旋天线安装在一终端顶部的状态的透视图；
图7为显示根据本发明第二优选实施例的多频带螺旋天线的透视图；
图8为显示根据本发明第二优选实施例的多频带螺旋天线的金属模型区段的透视图；
图9A和图9B分别为第一金属模型区段120和第二金属模型区段121的分解剖视图；
图10A和10B分别为最上层介质片的顶视图和底视图；
图11A和11B分别为一中间层或较低层介质片的顶视图和底视图；
图12为显示根据本发明第三优选实施例的多频带螺旋天线的透视图；
图13A和13B分别为显示根据本发明第三实施例的多频带螺旋天线的各金属模型区段的透视图；
图14为显示根据本发明第三优选实施例的多频带螺旋天线的双谐振特性的曲线图；
图15为显示根据本发明的变型，在宽频带中的谐振特性的曲线图；
图16为根据第三个实施的多频带螺旋天线的层叠结构的分解剖视图；
图17A和17B分别为根据第三实施例的最上层介质片的顶视图和底视图；
图18A和18B分别为第二层介质片的顶视图和底视图；以及
图19A和19B分别为第三层介质片的顶部和底部视图。
【具体实施方式】
下面将参照附图对本发明的优选实施例进行详细描述。
图1为显示根据本发明第一实施的一多频带螺旋天线的透视图；图2为显示根据本发明第一实施的该多频带螺旋天线的金属模型的透视图；图3为该多频带螺旋天线的一层叠结构的分解剖视图；图4A和4B分别为介质片的一最上层的顶视图和底视图；图5A和5B分别为介质片的一中间层或较低层顶视图和底视图；图6为显示根据本发明的多频带螺旋天线安装在终端顶部的状态的透视图。
参照图1和图2，本发明的多频带螺旋天线包括一个具有长方体形状的介质体10，以及金属模型区段20、21，其中金属模型区段包括多个实现螺旋天线功能的局部开口的金属环模型22和金属连接件23。
介质体10由多个具有第一厚度t1的介质片11a和多个具有第二厚度t2的介质片11b层叠而成。金属模型区段20、21的每个金属环模型22都有一个开口角，每个金属连接件23均连接相邻的金属环模型22以形成螺旋结构。
由于金属模型区段20中的连接件23的长度不同于金属模型区段21中的连接件23的长度，所以，金属模型区段20内相邻的金属环模型22之间的距离与金属模型区段21内的不同，因此，使得螺旋天线具有双频带谐振特性。
在根据本发明第一优选实施例的多频带螺旋天线中，第一金属模型区段20具有以距离t1相互分离的金属环模型22，第二金属模型区段21具有以距离t2相互分离的金属环模型22；因此，该螺旋天线具有双谐振特性。第一、第二金属模型区段20、21内的相邻金属环模型22之间的距离由介质片11a、11b的厚度t1、t2，或者第一和第二连接件23a、23b的长度t1、t2决定。
在上述实施例中，为了简化说明，分别示出了具有金属环模型22之间间距t1、t2的两个金属模型区段，但是，本发明并不局限于此。应该了解的是，通过使用三个或更多个具有不同环模间距的模型区段，螺旋天线可具有多频带谐振特性。
螺旋天线的介质体10的整体高度一般可以根据所使用的频率、金属模型的长度和连接件的长度变化；并且在被用作移动通信天线时，介质体10的厚度为大约5～15mm。
例如，当在1.8GHz频带中使用时，该螺旋天线具有2.5圈的金属模型；当在1.2GHz频带中使用时，螺旋天线具有4圈的金属模型。金属模型之间的间距范围为大约0.6～3.2mm。根据金属模型的间距变化，改变螺旋天线等效电路的电阻抗，能获得多频带谐振特性。根据本发明的螺旋天线的辐射(radiational)特性和方向(directional)特性与传统的螺旋天线相同，因此，这里不再对其作详细说明。
参照图3A至图5B，下面将对根据本发明的螺旋天线的层叠过程进行说明。
准备多个厚度为t1的第一介质层11a和厚度为t2的第二介质层11b。在第一和第二介质层11a、11b的底面上形成局部开口的金属环模型22，以分别构成第一和第二金属模型区段20、21。最上层介质片在其顶部表面具有局部开口的金属环模型22。
通过在每个介质片11a、11b上形成一个通孔，并利用与金属环模型22相同的导电金属材料填充该通孔，分别形成第一和第二连接件23a、23b。具体来说，长度为t1的第一连接件23a延伸穿过第一介质区段12中的介质片11a，长度为t2的第二连接件23b延伸穿过第二介质区段13中的介质片11b。通孔的位置应使金属环模型22的端部与充填在其中的相应连接件23a或23b相连接。
为了层叠在一起，除最上面的介质片11b之外，其它介质片11a、11b的顶部表面涂敷有粘结层30。设置在连接件23中的电接触部分的粘结层30通过例如掩膜法(masking)除去。最好在连接件23周围设置隔板31，以避免粘合材料同连接件23接触。为了隔离连接件23，隔板31最好为环状，且其高度为0.5～1.5mm。
使一个介质片11a或11b层叠在涂敷了粘结层30的另一介质片11b的顶部表面，以便使连接件23的上端与局部开口的金属环模型22的起始端相连接。最好，在连接件23和金属环模型22的一个或两个接触部分上涂敷接触材料32，以便有助于它们之间的电连接，接触材料32可采用良好的导电金属材料，如铜、银和金。
形成于最下层介质片11a底面的局部开口的金属环模型22b的起始端部分与一根对天线供电的导线42相连，并且该起始端与一匹配电路43电连接，以匹配天线(如图6所示)。
图6显示了将本发明的多频带螺旋天线安装在终端顶部的状态。用于向多频带螺旋天线供电的导线42和用于匹配天线的匹配电路43与螺旋天线电连接。
图7为显示根据本发明第二优选实施例的多频带螺旋天线的透视图，图8为显示根据本发明第二最佳实施例的多频带螺旋天线的金属模型的透视图。
参照图7，根据本发明第二实施例的多频带螺旋天线包括一个具有长方体形状的介质体110，以及一第一和第二金属模型区段120、121，第一和第二金属模型区段120、121分别包含多个第一和第二局部开口的金属环模型122a、122b和多个第一和第二金属连接件123a、123b，从而实现螺旋天线的功能。
介质体110由多个预定厚度为t的介质片111层叠构成。第一和第二局部开口的金属环模型122a和122b的半径不等，分别为r1和r2。连接件123a连接相邻的金属环模型122a，连接件123b连接相邻的金属环模型122b。通过这种方式，螺旋天线具有双频带谐振的特性。
如图8所示，在根据本发明第二优选实施例的多频带螺旋天线中，第一金属模型区段120包括半径为第一半径r1的第一金属环模型122a，第二金属模型区段121包括具有小于r1的第二半径r2的第二金属环模型122b。该第一和第二金属模型区段120相互分开，因此，该螺旋天线具有双频带谐振的特性。
在上述实施例中，为了简化说明，显示了分别具有半径为r1、r2的两个金属模型区段，但是，本发明并不局限于此。应该了解的是，通过使用具有不同金属环模型半径的三个或更多个金属模型区段，螺旋天线可以具有多频带谐振特性。
通过根据金属模型的半径变化，改变螺旋天线的等效电路中的电阻抗，能够获得多频带谐振特性。本发明第二实施例的螺旋天线的辐射特性和方向特性与传统的螺旋天线相同，故省略了对其的详细说明。
参照图9A至图11B，下面将对本发明第二优选实施例的螺旋天线的层叠过程进行说明。
图9A为第一金属模型区段120的分解剖视图，图9B为第二金属模型区段121的分解剖视图。为了便于理解，它们被分开显示。
图10A和10B分别为最上层介质片的顶视图和底视图；图11A和11B分别为一个中间层或较低层介质片的顶视图和底视图。
准备多个预定厚度t的介质片111。第一和第二局部开口的金属环模型122a、122b的半径互不相等，并形成在每个介质片111的底面上。
接着，通过在每一第一和第二金属环模型122a、122b的一端打一个穿透介质片111的通孔，并利用与金属环122a、122b相同的导电金属材料填充这些通孔，从而制成第一和第二金属连接件123a、123b。以此方式，第一金属模型区段120包括半径为r1的金属环模型122a和第一连接件123a，第二金属模型区段121包括半径为r2的金属环模型122b和第二连接件123b。连接件123a、123b分别连接相邻的金属环模型122a、122b。
最顶部的介质片111包括位于顶面和底面的第一和第二金属环模型122a、122b。另外，为了堆积在一起，除最上部的介质片111之外，其它介质片111的上表面都带有粘结层130。
涂敷在连接件123a、123b的电接触部分上的粘结层130可通过例如掩膜法除去。最好在连接件123a、123b的周围设置隔板131a、131b，以避免粘合材料同连接件123a、123b接触。隔板131最好为环状且其高度为大约0.5～1.5mm，以便隔离连接件123a、123b。
一个介质片111层叠在带有粘结层130的另一个介质片111的上表面。这时，介质片111的配置使得连接件123a、123b的上端分别与局部开口的金属环模型122a、122b相连。最好在相应的连接件123和相应的金属环模型122的一个或两个接触部分涂敷接触材料132，以便有助于它们之间的电连接。接触材料132可采用良导体金属材料，如铜、银和金。
形成于最下层介质片111底面上的局部开口的金属环模型122的起始端分别电连接至用于给天线供电的导线，以及连接至匹配电路43，以便与天线相匹配。(如图6所示)。
图12为显示根据本发明第三实施例的多频带螺旋天线的透视图，图13A和13B分别为显示根据本发明第三实施例的多频带螺旋天线的金属模型区段的透视图。
参照图12至图13B，本发明第三优选实施例的多频带螺旋天线包括一个长方体状的介质体210和金属模型区段220、221，金属模型区段220、221包括多个具有一个开口角度的局部开口的金属环模型222和金属连接件223，从而能够实现螺旋天线的功能。
介质体210通过层叠多个预定厚度t的介质片211而形成。金属模型区段220、221的局部开口的金属环模型222在垂直方向上等间距排列。第一金属模型区段220的奇数金属环模型222a、222c、222e依次通过连接件223a连接，第二金属模型区段221的偶数金属环模型222b、222d、222f依次通过连接件223b连接。特别是，第一金属模型区段220的总体长度与第二金属模型区段221的总体长度不同，以便螺旋天线在单频带范围内具有宽频带特性，或者具有双频带谐振特性。
在根据本发明第三实施例的多频带螺旋天线中，如图13A所示，第一和第二金属模型区段220、221的环数彼此不同，以便螺旋天线具有双谐振特性并可以在两种不同的频带中工作。图14为显示根据本发明第三优选实施例的多频带螺旋天线的双谐振特性曲线图。具体来说，谐振频率由第一金属模型区段220和第二金属模型区段221的谐振长度决定，从而实现螺旋天线可以在双频带中工作。
在图13B所示的第三实施例的变型中，虽然第一和第二金属模型区段220、221的环数相同，但是它们的总体长度彼此稍有不同。图15为显示根据本发明的该变型在宽频带中的谐振特性的曲线图。具体的说，谐振频率由第一金属模型区段220的谐振长度决定，且第二金属模型区段221的谐振在第一金属模型区段220的谐振频率附近产生。该螺旋天线具有两个相邻的谐振频率特性，并且表现出比一个单金属模型区段更宽的谐振频带特性。
上述实施例中，为了简化说明，显示了两种具有不同总体长度的金属模型区段，但是，本发明并不局限于此。应该了解的是，通过使用三个或者更多具有不同总体长度的金属模型区段，螺旋天线可以具有多频带谐振特性。
参照图16至图19B，下面将对根据本发明的第三实施例的螺旋天线的层叠过程进行说明。
准备多个预定厚度t的介质片211。分别在介质片211的底面形成具有预定直径的局部开口的金属环模型222。
最上面的介质片211a具有一个穿透它的通孔224a，通孔224a设置在环模型222b的开口角内，并形成在其底面上。最上面的介质片211a在其顶面上具有局部开口的金属环模型222a，金属环模型222a与充填在通孔224a内的连接件电连接。最上面的介质片211a在其底面上也具有局部开口的金属环模型222b，金属环模型222b与充填在通孔224b内的连接件电连接。每个其余介质片211b、211c、211d等的底面上具有局部开口的金属环222c、222d、222e等。
垫在最上面的介质片211a下面的介质片211b在环模型222a的起始端具有形成在其底面上的一个通孔224b，通孔224b与通孔224a对准并穿透介质片211b。在介质片211b中金属环模型222c的开口角内，同样形成了一通孔224c。
此外，垫在介质片211b下面的介质片211c在环模型222d的起始端具有形成在其底面上的一个通孔224d，通孔224d与通孔224b对准并穿透介质片211c。在介质片211c中金属环模型222d的开口角内，同样形成了一通孔224e。
这些通孔224a至224e穿透相应的介质片211，并且一与金属环模型222相同材料的导电金属材料被充填在通孔224a至224e内，从而形成第一和第二连接件223a、223b。
具体来说，形成于介质片211a顶部表面上的金属环模型222b通过充填在通孔224a、224b内的连接件，与形成于介质片211b底面上的金属环模型222c相连，以形成第一金属模型区段220。此外，形成在介质片211a底面上的金属环模型222a通过充填在通孔224c、224d内的连接件，同形成在介质片211c底面的金属环模型222d相连，以形成第二金属模型区段221。
换句话说，奇数金属环222a、222c和222e通过充填在通孔224a、224b、224e、224f和224i内的第一连接件223a依次相连，以形成第一金属模型区段220；偶数金属环222b、222d和222f通过充填在通孔224c、224d、224g和224h内的第二连接件223b依次相连，以形成第二金属模型区段221。
为了层叠在一起，除最上面的介质片211a之外，其它介质片211的上表面都涂敷有粘结层230。涂敷在连接件223的电接触部分上的粘结层230可通过例如掩膜法除去。最好在连接件223的周围设置隔板231，以避免粘合材料同连接件223接触。为隔离连接件223，隔板231最好制成环状，并且其高度为0.5～1.5mm。
将一个介质片211层叠在其上涂敷有粘结层230的另一个介质片211的顶部表面上。
最好在连接件223与金属环模型接触部分的一处或两处涂敷一层接触材料232a、232b，以便有助于它们之间的电连接。接触材料232a、232b可采用良导体金属材料，如铜、银和金。
形成于最上面的介质片211a顶部表面的局部开口的金属环222b保持开口状态，形成在最下层介质片211底面上的局部开口的金属环222的起始端与对天线供电的导线电连接，并且连接至匹配电路43，以便匹配天线。(如图6所示)。
在该实施例中，为了简化说明，显示了总体长度不同的两种金属模型区段，但是，本发明并不局限于此。应该了解的是，通过使用三个或者更多具有不同总体长度的金属模型区段，螺旋天线可以具有多频带谐振特性。
虽然结合实施例显示并说明了本发明，但本领域技术人员应理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可对本发明作出各种改进。