專利名稱：具有平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)及調(diào)諧元件的便攜天線電天線裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天線裝置，更詳細地、涉及到尺寸與性能優(yōu)化的饋電網(wǎng)絡(luò)的天線裝置。
無線電收發(fā)信機電路常常與相關(guān)的天線具有不同的阻抗特性。當天線可能具有10歐姆的電阻時，無線電收發(fā)信機電路常常有與之不同的電阻，如50歐姆。天線與無線電收發(fā)信機電路常常是一個平衡而另一個不平衡的。天線間饋線也可具有不同的平衡或不平衡電阻特性或以歐姆表示的不同的電阻。例如同軸電纜是典型的不平衡饋線，而雙股線是典型的平衡饋線。
平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，或在本技術(shù)中簡稱為“baluns”，提供阻抗特性的匹配，不僅匹配電阻，而且轉(zhuǎn)換平衡與不平衡的輸入與輸出。
當在饋線與天線元件之間接入平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)來匹配相互間的阻抗特性時，天線裝置的尺寸、重量及制造復(fù)雜度常常會增加。當天線設(shè)計者取得進展使天線元件本身的尺寸或直徑得以減小時，平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)成為阻礙進一步減小尺寸的限制。
調(diào)諧元件位于天線臂激勵饋電端以便使用較小尺寸及不同結(jié)構(gòu)的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)(baluns)。平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)連接不平衡的饋線和平衡的激勵饋電端。調(diào)諧元件在激勵饋電端增加了天線臂。通過在該點加調(diào)諧元件，平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的尺寸等特性得到改善。平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)(balun)的尺寸因而不再是天線裝置尺寸的限制因素。由于平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)尺寸可以減小，平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)不再是天線裝置的最大部件。迄今為止由于需要的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的尺寸大于天線本身的直徑，如果沒有按照本發(fā)明安置的調(diào)諧元件，減小天線的直徑是不可能的。本發(fā)明解決了限制天線裝置減小的問題。
調(diào)諧元件也給出了天線方向圖改進的方向圖特性。獲得了更完美的對稱半球形天線方向圖。人們發(fā)現(xiàn)通過按照本發(fā)明安裝于天線裝置中的調(diào)諧元件，可以很容易得到天線的輸入阻抗與頻率關(guān)系的峰值。該峰值使天線方向圖更接近半球形。衛(wèi)星與地面上位于不同的從地平線到天頂點的仰角的便攜無線電通信。本發(fā)明中在這些從地平線到天頂點的仰角上，便攜衛(wèi)星無線電獲得更一致的性能。
附圖簡要說明
圖1示出天線裝置的右視平面圖；圖2示出如圖1所示的天線裝置的俯視圖；圖3示出天線裝置的左視平面圖；圖4示出如圖3所示的天線裝置的俯視圖；圖5示出如圖1-4所示的天線裝置沿5-5線的截面圖；圖6示出如圖1-4所示的天線裝置沿6-6線的截面圖；圖7示出根據(jù)本發(fā)明的便攜無線電。
圖1示出由一不平衡饋線110饋電的天線裝置。不平衡饋線110向安裝在電介質(zhì)管210內(nèi)的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)(未畫出)饋電。在電介質(zhì)管210上鍍了四個臂310、320、330和340。四個臂310、320、330和340中的每一個都在電介質(zhì)管210的頂部的激勵饋電端連接平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)。一個調(diào)諧元件410與四個臂中的一臂330電連接，但與相鄰的另一薄金屬臂320分開一段距離Z。調(diào)諧元件410也與在電介質(zhì)管210頂部的激勵饋電端分開一段距離Y。臂310、320、330和340及調(diào)諧元件410優(yōu)選鍍在電介質(zhì)管210上。
圖2示出如圖1所示的天線裝置的右視俯視圖，激勵饋電端由兩個接點610和620提供。薄金屬臂310、320、330和340通過激勵饋電端的兩個接點610和620連接到平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的頂邊510。調(diào)諧元件410和420也在圖2中示出。
圖3示出如圖1和圖2的天線裝置的左視平面圖，圖4示出如圖3所示的天線裝置的左視俯視圖。調(diào)諧元件420優(yōu)選一個鍍在電介質(zhì)管210上的薄金屬調(diào)諧片。調(diào)諧元件410和420在優(yōu)選實施方案中有約0.6477厘米(0.255英寸)的同樣的高度和約0.2677厘米(0.105英寸)的同樣的寬度。在優(yōu)選實施方案中的電介質(zhì)管210沿縱軸方向伸展，其內(nèi)徑約是0.635厘米(0.250英寸)，其外徑約是0.8128厘米(0.320英寸)。第二調(diào)諧元件420與其中一臂310電連接但與相鄰臂340分開一段距離Z’。第二調(diào)諧元件420也與在電介質(zhì)管210的頂部的激勵饋電端分開一段距離Y’。距離Y’對于第二調(diào)諧元件420不同于在下面例子中參照圖5和圖6的截面圖將進一步討論的為平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選的對于第一調(diào)諧元件410的距離Y。
選擇圖1、圖3、圖5和圖6中X、Y和Z的大小以提供從激勵饋電端看所期望的天線臂輸入端的阻抗特性，Z的大小形成一個大于零的縫隙。優(yōu)選實施方案中的縫隙大小Z約是0.508毫米(0.020英寸)。Y可以大于或等于零。優(yōu)選實施方案中Y約是0.381毫米(0.015英寸)。X優(yōu)選為電介質(zhì)管210的內(nèi)徑以減小調(diào)諧元件410的尺寸，但仍可更小些。優(yōu)選實施方案中X約是0.635厘米(0.250英寸)。
除圓形管外，卵形，橢圓形，八邊形，正方形，矩形或其它類似形狀也可作為環(huán)繞縱軸的伸展的電介質(zhì)表面?？芍圃煨灾兄匾氖潜塾幸粋€支撐面，該面沿三個相互正交軸共存，以使天線能夠發(fā)射和接收圓極化無線電場。代替安置于電介質(zhì)基底上的多個薄金屬臂和一薄金屬調(diào)諧元件，可以用可自由固定的線(free standing wire arrangements)來實現(xiàn)本發(fā)明的天線裝置。
優(yōu)選實施方案中的薄金屬臂310，320，330和340中的每個寬約0.3175厘米(0.125英寸)，較短的兩個薄金屬臂320和340沿管測量到管底長約8.0264厘米(3.16英寸)，較長的兩個薄金屬臂310和330沿管測量到折疊315和335的端部長約8.5344厘米(3.36英寸)。雖然薄金屬臂310，320，330和340及薄金屬調(diào)諧元件410和420優(yōu)選鍍在電介質(zhì)管210上，也可以選擇將薄金屬臂及薄金屬調(diào)諧元件410和420粘在電介質(zhì)管210上。
優(yōu)選實施方案的例子中的天線使用四線(quadrifilar)螺線天線元件。四線螺線天線元件在四個臂310，320，330和340中有兩對臂--共產(chǎn)生四個臂，一對臂310和330較另一對臂320和340長。較長的長度由電介質(zhì)管210底部的折疊延伸端315和335容納，如圖1和圖3所示。這使較長的一對臂是感性的，即50+j50歐姆，而較短的一對臂是容性的，即50-j50歐姆。固當臂對并聯(lián)饋電時，引起的輸入阻抗是純阻性的，且天線臂之間的電流關(guān)系是正交的。該現(xiàn)象的結(jié)果是天線具有圓極化場。四線天線元件(螺旋(twisted)交叉環(huán)形天線元件)和交叉環(huán)形天線元件都有兩對臂。每對臂構(gòu)成一個環(huán)。交叉環(huán)形天線元件中的環(huán)是相互正交的交叉關(guān)系。在螺旋交叉環(huán)形天線元件中，交叉環(huán)還螺旋地形成四線螺線天線元件。
本發(fā)明的便攜衛(wèi)星無線電在從地平線到天頂點的各個仰角上取得更一致的天線方向圖。人們發(fā)現(xiàn)通過按照本發(fā)明安裝在天線裝置上的調(diào)諧元件，可很容易產(chǎn)生天線輸入阻抗與頻率關(guān)系的峰值。當輸入阻抗成為峰值時，如上例所述的自相位天線，天線元件臂間將產(chǎn)生正交電流關(guān)系——產(chǎn)生更完美的圓極化天線方向圖。
圖5和圖6示出如圖1-圖4所示的天線裝置分別沿5-5線和沿5-6線的截面圖。圖5和圖6分別示出位于饋線110和平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的頂邊510的激勵饋電端之間的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的前表面和后表面。圖5和圖6示出的例子中，示出錐形平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)。如圖5和圖6所示該錐形平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)由優(yōu)選鍍在電介質(zhì)板730上的錐形微帶710和720構(gòu)成。饋線110的同軸電纜內(nèi)芯在窄端743連接錐形微帶尖端(tip)，且饋線110的外芯在錐頂747連接到另一塊錐形微帶720的錐頂。微帶傳輸線由一個主動線和相反的地線層構(gòu)成。地線層必須比主動線寬。錐形平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的微帶720在錐頂747較寬以保證微帶710和720的合成傳輸線(resulting transmission line)的真正地線層的起點。錐形微帶710由點743以上的錐形部分和點743以下的線形部分713組成，參見圖5。
本發(fā)明優(yōu)選實施方案的錐形平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)具有一寬約0.635厘米(0.250英寸)，長約2.159厘米(0.850英寸)和厚約0.0635厘米(0.025英寸)的電介質(zhì)板。本優(yōu)選實施方案的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)中微帶710較矮的錐形部分高1.651厘米(0.650英寸)。較高的錐形微帶與電介質(zhì)板730一樣高。
除例示的椎形平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)外，還有其它類型的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)可用，如火箭筒形平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)、劈銷狀平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)和魚鉤狀平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)?；鸺残纹胶?不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)和劈銷狀平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)需要匹配電容才能工作，否則不能達到期望的回波損耗特性且仍保持實用的尺寸。用魚鉤狀平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)則更難達到實用的尺寸。在某些尺寸的情況下，魚鉤狀平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的寬度將是不可實現(xiàn)的，因為它將大于被支撐的天線元件以匹配饋線的阻抗。
圖7示出一種裝有連接到樞軸的天線裝置920的便攜無線電話發(fā)射機910。在保持天線裝置具有較小的尺寸的同時，本發(fā)明使便攜衛(wèi)星無線電在衛(wèi)星的從地平線到天頂點的各個仰角上取得更一致的性能。
雖然上文及附圖描述與示出本發(fā)明，應(yīng)該知道該描述僅用作例子，本領(lǐng)域的技術(shù)人員不脫離本發(fā)明的范圍和精神可作出多種變化和改進。本發(fā)明可以用于模擬以及數(shù)字聲音、數(shù)據(jù)或?qū)ず粜l(wèi)星系統(tǒng)。本發(fā)明還可以用于需要小天線和一致方向圖的便攜無線電的地面天線中。鑒于本發(fā)明對便攜無線電具有尺寸的優(yōu)點，本發(fā)明對固定和汽車無線電同樣具有優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一天線裝置，所述的天線裝置包括一平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，有效連接于一不平衡的天線饋電和一平衡的激勵饋電端之間；一第一和第二對臂，具有相互交叉關(guān)系，并在激勵饋電端處與所述平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)有效連接；一調(diào)諧元件，位于相應(yīng)對臂的激勵饋電端處，并有效連接到所述平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)和一對薄金屬臂，在所述調(diào)諧元件和另一對臂之間有一足以保持匹配轉(zhuǎn)換的縫隙。
2.如權(quán)利要求1所述的天線裝置，其中所述天線裝置進一步包括環(huán)繞縱軸的伸展的電介質(zhì)表面；及所述第一和第二對臂分別包括第一和第二對薄金屬臂，所述第一和第二對薄金屬臂相互交叉地形成在伸展的電介質(zhì)表面上，并分別在第一和第二激勵饋電端有效連接到所述平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)。
3.如權(quán)利要求2所述的天線裝置，其中所述調(diào)諧元件包括在所述伸展的電介質(zhì)表面上形成的薄金屬調(diào)諧片。
4.如權(quán)利要求3所述的天線裝置，其中所述平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)由具有第一和第二窄端及第一和第二寬端的相對的第一和第二微帶組成，所述第一和第二窄端有效連接到不平衡的天線饋電，所述第一和第二寬端分別有效連接到平衡的第一和第二激勵饋電端，其中縫隙的大小應(yīng)足以減小平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的寬度并保持匹配的轉(zhuǎn)換。
5.如權(quán)利要求3所述的天線裝置，其中所述平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)安置在相對于平衡激勵饋電端的伸展的電介質(zhì)表面后面。
6.如權(quán)利要求2所述的天線裝置，其中所述平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)安置在伸展的電介質(zhì)表面內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1所述的天線裝置，其中每一對臂形成一個環(huán)。
8.如權(quán)利要求1所述的天線裝置，其中每一對臂形成一個螺旋(twisted)環(huán)。
9.如權(quán)利要求8所述的天線裝置，其中兩個螺旋環(huán)相互交叉安置以形成四線螺線天線元件。
10.如權(quán)利要求1所述的天線裝置，其中至少兩對臂由兩個交叉環(huán)組成以形成一個交叉環(huán)天線元件。
全文摘要
一天線元件的多個臂在激勵饋電端連接到一平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)以提供一個天線裝置。通過提供靠近至激勵饋電端的接點的調(diào)諧元件使天線裝置的尺寸等特性得到改善。調(diào)諧元件電連接于一臂但與一相鄰的臂間有一縫隙?？p隙也可提供在調(diào)諧元件與一激勵饋電端之間。在本發(fā)明優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，臂和調(diào)諧元件優(yōu)選形成于伸展的電介質(zhì)管上的薄金屬臂。根據(jù)本優(yōu)選結(jié)構(gòu)，平衡-不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)也可安置在伸展的電介質(zhì)管內(nèi)。
文檔編號H01Q1/38GK1165413SQ9710218
公開日1997年11月19日 申請日期1997年1月31日 優(yōu)先權(quán)日1996年2月1日
發(fā)明者凱文·M·西伊 申請人:摩托羅拉公司