專利名稱：同軸雙波段天線的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于電磁信號的天線，更具體地涉及具有同軸元件的天線。
隨著許多同時運行在不同頻率范圍的無線通信系統的出現，例如先進的移動電話服務(AMPS)系統使用800MHZ頻率的載波信號，和個人通信服務(PCS)系統使用1900MHZ頻率的載波信號，急需能在兩個系統中運行的收發器。
對這個問題一個解決方法是提供具有兩個分開的天線的收發器。每個對頻段之一的信號響應最佳。這樣一種兩-天線解決方法產生出的收發器體積上難以接受，在美學上也不能使人喜歡。因此，希望緊湊的單天線的收發器，該收發器可以運行在兩個頻段。
構造雙波段天線的一個方法是將一個電長度λ1/2的附加元件放到很接近于電長度為λ0/2的一個線狀天線。
圖1說明這種雙波段天線10。附加元件12并非在物理上連接到收發器(未示)，在頻率f1=c/λ1諧振，而線狀天線14是以一個偶極子作為說明的，在物理上連接到該收發器，在頻率f0=c/λ0諧振，這里C為光速。
在它們各自諧振的條件下，附加元件12和線狀天線14有效地耦合進出周圍媒介例如進出自由空間的能量。附加元件，由于它不在頻率f0諧振，基本上穿透到線狀天線的有效范圍，而線狀天線由于它不在頻率f1諧振，基本穿透到附加元件的有效范圍。由于附加元件諧振在較高的頻率f1并恰當地在很接近于線狀天線的范圍以內，因此f1的能量有效地耦合到/自該線狀天線和周圍媒介。由此獲得一個雙波段響應，即在f0和f1的同時最佳能量耦合。
天線的能量耦合效率能用電壓駐波比(VSWR)與頻率的關系圖說明。圖2描述例如圖1中所示的雙波段天線的典型的響應，兩個低VSWR區域相應在頻率f0,f1的諧振條件。
圖1所示雙波段天線類型的問題之一在于難以制造。在實際上，線狀天線和附加元件間的間隔通常必須維持在25μm量級的精度，或千分之一英寸的精度。達到這樣的精度是困難的，其成本是高的。因此希望容易制造的且其成本低的雙波段天線。
概要本發明解決了現有裝置的問題并提供了一種不僅緊湊而且容易制造的電磁天線。在本發明的一個方面，由具有一外導體，一種介電材料，以及配置在該介電材料中的內導體的同軸電纜制作電磁天線的一種方法包括步驟從該同軸電纜的一部分剝離該外導體，由此暴露該介電材料；在暴露的介電材料上螺旋狀繞制一附加導體；以及將該附加導體部分放置在與電接地平面有電磁協同的關系之中。該部分具有第一預定的電長度，而附加導體具有第二預定電長度。
在本發明的另一方面，所說方法還包括用粘合劑使附加導體固定到該介電材料的步驟。同時第一預定長度基本上可以是第一預定波長的1/4，而第二預定長度基本上可以是第二預定波長的1/2。特別是，第一預定長度可以是9.4cm，而第二預定長度可以是7.9cm。此外，該部分以及附加導體被配置成基本上垂直于電接地平面，以及該方法還包括通過改變繞組的螺距角有選擇地控制附加導體的繞組間的耦合量的步驟，由此產生一種附加導體，它具有可選擇的電磁場強度和功率密度的空間方向圖。
在本發明的另一方面，一個電磁天線包括同軸電纜部分，具有一第一預定電長度，該同軸電纜具有一外導體，一種介電材料，以及配置在該介電材料內的內導體。外導體從該部分切除，以便形成一電磁單極。天線還包括一附加元件、它由螺旋狀圍繞該部分的介電材料的一導體組成，該附加元件具有一第二預定電長度。該天線還包括一個配置在與該部分以及附加元件有電磁協同的關系之中的電接地平面。
在本發明的另一方面，該附加元件可用一種粘合劑粘到該部分的介電材料上，第一預定長度基本上是第一預定波長的1/4，而第二預定長度基本上是第二預定波長的1/2。特別是，第一預定長度可以是9.4cm，而第二預定長度可以是7.9cm。并且，電接地平面配置成基本垂直于該部分和附加元件，而附加元件的繞組的螺距角能變化，以便產生可選擇的電磁場強度和功率密度的空間方向圖。
附圖的簡要說明通過參照附圖閱讀說明書來理解申請人的發明，其中
圖1說明一種普通的雙波段天線；圖2是對于圖1中所繪的雙波段天線的電壓駐波比與頻率的關系曲線圖；圖3A說明按申請人的發明的一種同軸單極天線圖3B說明按申請人的發明的一種雙波段天線；圖4是對于圖3B中所繪的雙波段天線的電壓駐波比與頻率的關系曲線圖；圖5說明一種雙波段天線，具有附加元件，該元件包括許多小螺距角的分段，這些小螺距角的分段由大螺距角分段間隔。
詳細說明本申請人的發明利用市場上批量生產精度的同軸傳輸線解決前面雙波段天線制造的問題，例如RG-59,RG-62,RG-116等同軸電纜的尺寸具有適宜的精度。如下面將更詳細說明的，同軸線的內導體構成的線性輻射結構具有的電磁長度使其諧振在第一頻率f0。
圖3A,3B描繪本發明的一個優選實施例，一單極天線20在接地平面22之上。參照圖3A，去掉了同軸電纜24的絕緣套和外導體的暴露電纜的園柱形的介電芯26，在其中配置直的內導體28。同軸線24的外導體可以電連接到接地平面22，該接地平面22可以是例如手持無線電話那樣的無線電收發器的導電外殼。但是可以理解的是該接地平面也可以是與收發器的外殼電絕緣的，這就如像在以下兩篇在此作為參考的專利申請中所描述的那樣美國專利申請號08/274,450,1994年7月13日由Cassel申請，以及由Cassel申請的歐洲專利公開號EP0528775,1993年2月24日公開。
如圖3A所示，暴露的介電材料26和夾在其間的內導體28被修整，使得在接地平面22上產生要求的長度。將理解到圖3A中所描繪的裝置是一個同軸單極天線。選擇突出在接地平面22上的物理長度使得其電磁長度典型地為所要求頻率f0的1/4波長λ0/4的整數。當電磁場長度為一個1/4波長時，由于在該接地平面22中形成的突出長度的電像，該單極像一個半波天線。例如，假定接地平面和突出長度被放置得基本上彼此垂直，則對于頻率f0=800MHZ，突出在接地平面22上的電磁長度近似為9.4cm。
按本申請人的發明的進一步的特征，如圖3B中所說明的，一個附加元件30例如一個導體螺旋狀地纏繞在介電園柱體的周圍。附加元件可以是一根緊緊纏繞的導線，足夠以摩擦力將其保持在介電材料上的位置內，雖然另外該附加元件30可通過將其纏繞在介電園柱體表面中的螺槽來保持，或者應用一種合適的粘合材料將其保持在介電材料上。該附加元件也可以是纏繞在介電園柱體周圍的導電帶或甚至是按要求圖案印制在介電園柱體上的導電印色，而不用導線。僅需要該附加元件30是諧振在要求頻率上的一個導電元件。
根據螺距角Ψ和螺旋狀纏繞的附加元件30的物理長度，制作附加元件電磁長度使其諧振在頻率f1，該頻率不同于內導體28的諧振頻率f0。這樣圖3B中說明的天線具有雙波段響應(在f0和f1)，并具有期待的VSWR，如圖4所示那樣。
與內導體28大為不同的是，附加元件30的電長度在其諧振頻率f1典型地被選擇為半波長λ1/2的整數。該電磁長度可能典型地小于物理長度，以便補償當與周圍媒質例如自由空間相比時通過該介電材料26降低的電磁場傳播速度。例如附加元件30的電磁長度對于頻率f1=1900MHZ可能接近7.9cm而不補償降低的傳播速度。附加元件30的電磁長度取決其物理長度以及介電園柱體26的介電常數。
人們理解附加元件30準確長度，以及內導體28的長度可以根據天線理論原理來確定，雖然需要某些小調整以使天線響應最佳化。通常，這些原理應當備有邊界條件，即在附加元件30兩端(以及至少在內導體28的末端)的電流值為零。例如人們理解接地平面和附加元件突出電纜部分之間的角度起電磁場強度和功率密度的空間分配作用。由于同軸線的介電芯子26的尺寸在加工時被很好地特征化并保持精確的容差，因此申請人的雙波段天線能制作得均勻并且價格便宜。
影響螺旋狀纏繞的附加元件的電磁長度的一個因素是該螺旋繞組間的電磁耦合量。該耦合量由螺距角Ψ有效地確定。該螺距角確定了繞組間的距離。目前希望在某些情況下要求將這種耦合降低到最小，由此可能使用大的螺距角；可以確信對于1900MHZ頻率，使用至少45°的螺距角將可能沒有大的耦合。
在另一方面，目前也期待在某些情況下要求耦合。當螺旋狀繞組緊靠在一起時，對高頻而言增加了的主要呈容性的耦合傾向于增加該附加元件的電磁長度。此外，通過選擇控制參數，例如螺距角和園柱體26的介電常數有選擇地控制耦合量允許在頻率f1選擇沿該附加元件的電流分布以及該天線的方向圖。通過改變突出在接地平面上的長度的螺距角，應當有可能生產具有場強度和功率密度的空間方向圖的附加元件。該方向圖比單極的更為復雜。對于如圖5中所描繪的例子，可改變螺距離，使附加元件包括許多具有高耦合(小螺距角Ψ2)的段，它們由具有小的或無耦合(大螺距角Ψ1)的段分開，由此產生與線狀天線陣元相稱的天線方向圖。
將可以理解的是申請人的發明還包括一種雙波段天線，其中螺旋線元件30是受激的，而線性元件28是附加的，雖然應相信，由于相對更復雜的阻抗匹配以及由同軸電纜制作的難度，這樣的一種裝置在目前不是優選的。在這種天線中，螺旋元件30將起像一個繞制的偶極子作用，而內導體28的長度可能需要仔細調整。
本專業技術人員將理解，本發明可按其他方式實施而不脫離其基本性質。因此，以上所描述的實施例在所有方面將理解為作為說明而非限制。本發明的范圍由以下權利要求所限定。
權利要求
1．一種由具有一外導體，一種介電材料，以及一內導體的同軸電纜制造電磁天線的方法，內導體放置在該介電材料中，包括步驟從同軸電纜部分剝去導體，由此暴露出介電材料；在暴露的介電材料上螺旋狀纏繞附加導體；以及將該部分以及附加導體放置在與電接地平面有電磁協同的關系之中；其中該部分具有第一預定電長度，以及該附加導體具有第二預定電長度。
2．權利要求1的方法，還包括用一種粘合劑將該附加導體固定到介電材料的步驟。
3．權利要求1的方法，其中第一預定長度基本上為第一預定波長的1/4，而第二預定長度基本上為第二預定波長的1/2。
4．權利要求3的方法，其中第一預定長度為9.4cm，而第二預定長度為7.9cm。
5．權利要求1的方法，其中該部分和附加導體基本上被配置為垂直于該電接地平面。
6．權利要求1的方法，還包括通過改變繞組的螺距角有選擇地控制附加導體繞組間的耦合量，由此產生的附加元件具有選擇的電磁場強度和功率密度的空間方向圖的步驟。
7．一種電磁天線，包括具有第一預定電長度的同軸電纜部分，該同軸電纜具有一外導體，一介電材料，以及放置在介電材料中的內導體，其中，外導體從該部分除去，因此該部分是一個電磁單極；一附加元件包括螺旋狀纏繞在該部分介電材料周圍的導體，其中該附加元件具有第二預定電長度；以及一電接地平面配置在與該部分和附加元件有電磁協同的關系之中。
8．權利要求7的天線，其中附加元件用一種粘合劑固定到該部分的介電材料上。
9．權利要求7的天線，其中第一預定長度基本上為第一預定波長的1/4，而第二預定長度基本上為第二預定波長的1/2。
10．權利要求9的天線，其中第一預定長度為9.4cm，而第二預定長度為7.9cm。
11．權利要求7的天線，其中電接地平面被配置為基本垂直于該部分和附加元件。
12．權利要求7的天線，其中附加元件的繞組的螺距角改變，以便產生選擇的電磁場強度和功率密度的空間方向圖。
13．權利要求7的天線，其中附加元件由一電信號激勵。
全文摘要
緊湊且易制作一種電磁天線(20,30)包括同軸電纜(24)的一部分,該同軸電纜具有第一預定的電長度,同軸電纜的外導體(22)從該部分除去以形成一電磁單極(28),一附加元件(30)包括螺旋狀圍繞該部分介電材料(26)的導體,該附加元件具有第二預定電長度,以及一電接地平面(22)配置在對該部分以及該附加元件有電磁協同的關系之中。附加元件可以用一種粘合劑固定到該分部的介電材料上,第一預定長度基本上為第一預定波長的1/4,而第二預定長度基本上為第二預定波長的1/2。特別是。第一預定長度可以為9.4cm,而第二預定長度可以為7.9cm。此外,電接地平面可基本配置成垂直于該部分和附加元件,而該附加元件繞組的螺距角可以改變,以產生選擇的電磁場強度和功率密度的空間方向圖。還公開了由同軸電纜形成電磁天線的方法。
文檔編號H01Q5/00GK1235704SQ97199388
公開日1999年11月17日 申請日期1997年8月12日 優先權日1996年9月5日
發明者G·J·哈耶斯, R·W·拉姆佩 申請人:艾利森公司