节弯曲的螺旋形天线 【技术领域】
本发明涉及螺旋形天线，更准确地说涉及具有节弯曲的辐射器的螺旋形天线。
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小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地尺寸。天线的直径越小且长度越短，则即使装置主体的尺寸越小，又使装置的整体尺寸也越小。
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。还有一个因素是所需的辐射方向性和工作频率。
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方向性，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器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，这些辐射器被相位相差一个周期的四分之一或90°的信号所激发)激发的四个辐射器。辐射器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，通过改变辐射器的间距、辐射器的长度(四分之一波长的整数倍)和核心的直径来调节辐射方向性。
可使用金属线(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器进行蚀刻或淀积。辐射器如此放置，从而它们相互平行，但它们与衬底的边缘或最后的天线中心轴成钝角。然后使衬底成形或卷成圆柱形、圆锥形或其它适当的形状，从而使带线辐射器形成螺旋形。
然而，常规的螺旋形天线还具有辐射器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】
本发明是一种具有多个螺旋形缠绕的辐射器的改进的新螺旋形天线。依据本发明，以弯曲的节的结构来形成每个辐射器。结果，对于给定的工作频率，依据本发明的半波天线的辐射器部分比常规的半波天线的辐射器部分短。
更准确地说，在一个实施例中，辐射器包括多个节。第一节从位于天线的一个辐射器部分的第一端处的馈电网络向该辐射器部分的第二端延伸。第二节靠近并偏离第一节，且一般与其平行。第三节在辐射器部分的第二端连接第一和第二节。结果，辐射器大致形成U形。在本文中所使用的术语“U形”或“形成U形”指U形、V形、发夹形、马蹄形或其它类似或相同的形状。
本发明的一个优点在于，对于给定的工作频率，可把节弯曲的天线的辐射器部分做得比相应的常规螺旋形天线更小。
节弯曲天线的另一个优点在于，通过对第二节的长度进行微调来调节辐射器节的长度，可把使用感兴趣长度的奇数倍四分之一波长的实施例容易地调谐到给定的频率。在天线做成之后可容易地修正节的长度以适当地调谐天线的频率。
本发明的再一个优点在于，可调节天线的方向特性，从而使沿天线轴的方向的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，从而可把沿着离开地面且朝向卫星的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，相同的标号表示相应的部分，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是示出开路的四股螺旋形天线的平面表示图；
图2B是示出短路的四股螺旋形天线的平面表示图；
图3是示出短路的四股螺旋形天线的辐射器上电流分布的图；
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节弯曲的四分之一波长天线的平面表示图；
图7B是示出依据本发明一个实施例的节弯曲的半波长天线的平面表示图；
图8A是示出依据本发明一个实施例的节弯曲的四分之一波长天线的节弯曲的带线辐射器的平面表示图；
图8B是示出依据本发明一个实施例的节弯曲的半波长天线的节弯曲的带线辐射器的平面表示图；
图9A是示出依据本发明一个实施例的带线天线的接地平面和馈电回线(retum)的平面表示图；
图9B是示出依据本发明一个实施例的节弯曲的四分之一波长天线的带线辐射器和馈电网络的平面表示图；
图9C是示出依据本发明一个实施例的节弯曲的半波长天线的带线辐射器和馈电网络的平面表示图；
图9D是示出依据本发明一个实施例的带线天线的接地平面、指(finger)和馈电回线的平面表示图；
图10是示出依据本发明一个实施例的四分之一波长带线天线的接地平面、馈电回线、馈电网络和带线辐射器的平面表示图；
图11A是示出其中辐射器无源耦合的天线一个实施例的图；以及
图11B是示出其中辐射器无源耦合的天线另一个实施例的图。
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一个或多个节弯曲的辐射器的螺旋形天线。依据本发明，天线的一个辐射器包括三个节。第一节从馈电网络向天线的远端延伸。第二节靠近(最好，基本上平行)并与第一节分开。第三节连接第一和第二节，最好在远端。可使用被弯曲而形成三个节的金属线来制成辐射器。在另一个实施例中，可使用带线技术来制成辐射器。
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另一方进行通信。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．常规的螺旋形天线
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器部分。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器部分。图1A和1B是分别以金属线形和带线形示出常规四股螺旋形天线的辐射器部分100。图1A和1B中所示的辐射器部分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器104。如图1A和1B所示，辐射器104缠绕而形成圆极化。对于图1B的辐射器示出了可能的信号馈电点106。
图2A和2B是示出常规四股螺旋形天线辐射器部分的平面表示图。换句话说，图2A和2B示出的辐射器就象在一平坦表面上看到的天线圆柱体“未卷起”时那样。图2A是示出在远端处开路的四股螺旋形天线的图。对于此结构，辐射器208的谐振长度1是所需谐振频率的四分之一波长的奇数倍。
图2B是示出在远端处短路的四股螺旋形天线。在此情况下，辐射器208的谐振长度1是所需谐振频率的四分之一波长的偶数倍。注意在这两种情况下，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的辐射器部分的平面表示图，该天线包括长度为l=λ/2的辐射器208，这里λ是天线所需谐振频率的波长。曲线304代表在频率f=ν/λ上谐振的辐射器208上信号的电流的相对幅值，这里ν是信号在该介质中的速度。
将参考图4-6更详细地描述使用印刷电路板技术而实现的四股螺旋形天线(带线天线)的示例。带线四股螺旋形天线包括在介电衬底406上蚀刻而成的带线辐射器104。衬底是一种可以卷成圆柱体、圆锥形或其它适当形状的薄型柔性材料，从而辐射器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包括辐射器部分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，而远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。用铜来提供信号迹线和接地迹线。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，以给出提供给辐射器104(104A-D)的正交相位信号(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的信号迹线。
为了讨论的目的，辐射器部分404具有靠近馈电部分408的第一端432和第二端434(在辐射器部分404的另一端上)。根据所实现的天线实施例，可把辐射器104蚀刻成辐射器部分404的远表面400。辐射器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的四分之一波长的整数倍。
在辐射器104的长度是半波长(λ/2)的整数倍的实施例中，辐射器104在第二端434处电气连接(即短路)。可通过跨越第二端434的导体来进行这种连接，在衬底形成圆柱体时，该导体形成绕在天线周围的环604。图6是示出带线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器。该衬底形成圆柱体，从而导致辐射器的螺旋形结构。
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的并以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所述的金属线形来设计的四股螺旋形天线。
4．节弯曲的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节弯曲的螺旋形天线。为了减少天线的辐射器部分的长度，本发明利用节弯曲的辐射器，从而与具有笔直辐射器的常规螺旋形天线所需的长度相比，本发明可以较短整个长度使得在给定的频率上谐振。
图7A和7B是示出节弯曲的螺旋形天线700的示例实施例的平面表示图。节弯曲的螺旋形天线700包括辐射器部分702和馈电部分703。辐射器部分702包括一个或多个辐射器720，并具有靠近馈电部分703的第一端732和第二端734。馈电部分703包括馈电网络730。在四股的实施例中，馈电网络730提供了用于馈电辐射器720的正交相位信号。
每个辐射器720包括一组辐射器节。在所示的实施例中，该组包括三个节：从馈电网络730向辐射器部分702的第二端部分734延伸的第一节712；靠近第一节712的第二节714；以及连接第一和第二节712、714的第三节716。这些节组合而成各种不同形状的辐射器720，该辐射器大致近似于“U”或局部封闭的U形，诸如发夹形、马蹄形或其它类似形状。虽然示出第二节714平行于第一节712，但第二节714不一定平行于第一节712。虽然基本上平行是较佳的，但其它实施例也是可行的。
在图7所示的实施例中，辐射器720的角相对尖锐。在其它实施例中，这些角可以是圆的、斜角或一些其它形状。
辐射器720以角度α从馈电部分703延伸。最好所有的辐射器720都以基本上相同的的角度α延伸。结果，当把此平面结构缠绕成圆柱形、圆锥形或其它适当的形状时，辐射器720形成螺旋线。然而，本领域内的技术人员应理解，辐射器的角度或螺距可在必要时沿辐射器的长度而变化，以便形成辐射方向性图案或为了其它原因。
图7A示出依据一个实施例以开路终结的节弯曲的螺旋形天线700A。在此开路实施例中，第二节714在点‘A’以开路终结。可把这种以开路终结的天线用于单股、双股、四股或其它x股的实例中。示出了单股的实例。即，图7A所示的实施例包括单个辐射器720。诸如双股、四股等其它实施例具有附加的辐射器720。
对于诸如图7所示天线等开路的实施例，有效谐振长度lR为谐振频率的四分之一波长的奇数倍(即，lR=nλ/4，这里n=1,3,5,...)。换句话说，开路实施例是一种四分之一波长(λ/4)天线的实施例。
图7B示出以短路722终结的螺旋形天线的辐射器720。在短路实施例中，辐射器720的第二节714在点B处以短路终结。即，每个辐射器720的点B被短路而回到馈电部分702。此短路实例不适应于单股的天线，但可用于双股、四股或其它x股的天线，这里x＞1。
对于诸如图7B所示天线等短路的实施例，有效谐振长度lR为谐振频率的半波长的整数倍(即，lR=nλ/2，这里n=12,3,...)。换句话说，开路实施例是一种半波长(λ/2)天线的实施例。
对于谐振频率f=ν/λ(这里，ν是信号在介质中的速度)，辐射器720(A,B)超过馈电部分703而延伸的总长度小于相应的常规螺旋形天线的长度。例如，常规的四分之一波长螺旋形天线的辐射器长度为νλ/4。相反，对于四分之一波长的节弯曲的天线700A，最长的辐射器节是长度为l1的第一节712，使得辐射器部分702A的长度为l1cosα。注意，整个辐射器长度由l1+l2+l3≡νλ/4，因而l1＜νλ/4。还应注意，在图7B所示的实施例中，l1=l2＞＞＞l3，因而l1＜νλ/2，从而使辐射器部分702B比常规的半波长螺旋形天线短。
图8A和8B是示出依据带线实施例的节弯曲的螺旋形天线的辐射器部分702的平面表示图。更准确地说，使用带线技术来实现图8A和8B中示出的节弯曲的螺旋形天线的辐射器部分702。此外，图8A和8B中示出的辐射器部分702是具有四个螺旋形辐射器720的四股螺旋线的实施例，最好给这些辐射器720馈电相对相位为90°的正交相位信号。在阅读了本说明书后，如何在具有不同数目的辐射器和/或不同馈电结构的其它实施例中实现节弯曲的螺旋形天线700将对本领域内的技术人员变得明显起来。
在图8A和8B所示的带线实施例中，辐射器720包括淀积在基本上为平面的介电衬底406上的铜或其它导电材料。然后使衬底406形成圆柱形、圆锥形或其它适当的形状，从而辐射器720以螺旋形结构缠绕。
图9A示出使用依据本发明一个实施例的带线技术而实现的天线700的远表面。图9B和9C示出使用依据本发明一个实施例的带线技术而实现的天线700的近表面。图9B示出在开路的四分之一波长(λ/4)实施例中所实现的辐射器720。图9C示出在短路的半波长(λ/2)实施例中所实现的辐射器720。
现在参考图9A，远表面900A包括接地平面911和辐射器部分或部分912。接地平面911为近表面900B、900C上的馈电网络730提供了接地平面。将结合近表面900B、900C的描述更详细地描述接地平面911和辐射器部分912。
现在参考图9B，近表面900B具有其上淀积有一个或多个辐射器720(示出两个)的部分。如上所述，辐射器720包括多个节712、714和716。在图9A和9B所示的实施例中，每个辐射器720的第一节712由近表面900B上的第一辐射器部分914和远表面900A上的第二辐射器部分912来形成。馈线918用于来往于位于近表面900B上辐射器部分914末端处的辐射器节712而传递信号。馈线918与辐射器部分914相遇的区域称作天线700的馈电点920。
馈线918被置于衬底上，从而它与辐射器部分912相对且在其上基本上居中。虽然馈线918在接地平面911上的位置可遵循辐射器部分912的角度，但这不是必须的，且它可以如图9C所示的不同角度连接到馈电网络730。
选择馈线918的长度l馈电，以优化天线与馈电网络730的阻抗匹配。选择馈线918的长度l馈电稍长于辐射器部分912的长度(在这里示为l回线)。尤其是，在一个实施例中，l回线比l馈电短0.01英寸(2.5mm)，从而在被馈线918穿过或延伸的辐射器部分912和914的末端之间有适当的间隔。
现在参考图9C，对半波长的实施例，相对于第一节712来说，第二节714延伸的长度比四分之一波长所延伸的长度更长。为在第二节714和接地平面911之间形成电气连接而提供通孔930或其它结构。这样在节714之间提供了电气连接(短路)。在一个实施例(未示出)中，节714延伸到馈电部分703内。在图9D所示的另一个实施例中，指942从接地平面911延伸到天线的辐射器部分702内，从而指942和节714重叠足够的量而允许电气连接。此外，可利用其它结构在节714之间提供电气连接。
对于四分之一波长的实施例，第二节714未被短接到接地平面911。因此，辐射器720的末端电气开路，以使辐射器720在四分之一波长的奇数倍处谐振。在一个实施例中，第二节714的长度足够短，从而甚至不与接地平面911重叠。
图10是示出节弯曲的四股螺旋形天线800B的半波长实施例的近表面900B叠在远表面900A上的图。用虚线示出远表面900A上的微型带线导体。图10示出如何把馈线968设置成与辐射器部分或部分912相对且在其上基本上居中。
在以上示出和所述的带线实施例中，把每个节712、714和716描述成在介电衬底的同一侧。在另一个实施例中，这不是必须的。可根据制造、维修或其它实际需要来确定其上可蚀刻一个或多个节的一侧。例如，为了便于维修或调谐(通过微调)，想要如此放置某些元件(诸如馈电网络或第二节714)，从而它们在圆柱体的外部。
例如，在另一个实施例中，第二节位于衬底的远侧，而第一和第三节位于近侧。在此实施例中，使用通孔或其它结构使第二节714连到相应的第三节716，以提供电气连接。注意，在此实施例中，通过把节的长度延伸到天线的馈电部分703可容易地把节连接到远侧上的接地平面911。
以上描述了节弯曲的螺旋形天线的各种实施例。在阅读了本说明书后，本发明存在实现U形辐射器的大量不同实施例将对相关领域内的技术人员变得明显起来。例如，以上所示的某些实施例中，描述了使用天线馈电来激励节弯曲的辐射器720。在另一个实施例中，节弯曲的辐射器720可以寄生的方式进行操作，其中从另一个源或者甚至从另一个天线引入电流。
图11A和11B示出节弯曲的辐射器寄生方式操作的实施例的两个例子。现在参考图11A和11B，辐射器1120包括寄生的节弯曲或U形部分1122和有源部分1124。一组馈线1126连到馈电点C处的有源部分1124，并来往于馈电电流730而传递信号。通过馈电点C引入有源部分1124的电流被耦合到寄生的U形部分1122。图11A示出一个实施例，其中节弯曲部分1122沿着一侧并位于有源部分1124的末端。图11B示出一个实施例，其中U形部分1122连到接地平面911，这样从三面完全包围有源部分1124。
图11A和11B所示实施例的一个优点在于，对于半波长的实施例，可把U形部分1122的末端连到接地平面911而无需通孔。这可通过把整个U形部分1122淀积在远表面900A上来实现。图11所示结构的一个优点在于，对于给定的辐射器部分的宽度，有源部分1124的宽度可大于图11B所示有源部分1124的宽度。于是，与图11B所示的实施例相比，图11A所示的实施例可提供带宽增加的操作，而不需要增加天线的直径。
以上对较佳实施例提供了描述，以使本领域内的技术人员可制造或利用本发明。虽然参考本发明的较佳实施例来部分地示出和描述了本发明，但本领域内的技术人员应理解，可在其中进行各种形式和细节上的变化而不背离本发明的精神和范围。