專利名稱：螺旋天線的制作方法
本申請涉及一種天線，尤其涉及適于在多于一種頻帶中工作的螺旋天線。
隨著對無線通信設(shè)備的使用的增加，頻譜變得日益缺乏。在許多情況下，在一個特定頻帶上提供服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)操作員不得不在分離頻帶上提供服務(wù)，以便容納其用戶。例如在900MHz頻帶中的一個GSM系統(tǒng)上提供服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)操作員就不得不依靠處于1800MHz頻帶上的一個DCS系統(tǒng)。因此，例如象蜂窩式無線電話這樣的無線通信設(shè)備必須能在兩個頻率上進行通信，或甚至于能在象PCS 1900這樣的一個第三系統(tǒng)上工作。這種要求工作在兩個或更多個頻率下的需求引發(fā)了許多問題。例如，無線通信設(shè)備必須具有適于接收多于一個頻帶的信號的天線。
同時，由于無線通信設(shè)備尺寸的減小，因此還存在進一步的需要，要求減小與該設(shè)備相關(guān)的天線的尺寸。另外，可伸展天線雖然提供了某些優(yōu)勢，這種天線還是給終端用戶帶來了一些問題。由于天線在伸展狀態(tài)下一般會工作得更好，因此用戶需要在使用無線通信設(shè)備之前就展開天線。結(jié)果，許多終端用戶更喜歡使用不需要在使用時展開的固定式或“短粗”式天線。從設(shè)計者的立場來看，當設(shè)計能工作于兩個或更多個頻帶的天線時，要與在豎起位置和在收起位置的可伸縮天線相匹敵，還是相當困難的。
一種螺旋天線可以具有幾個諧振頻率，這些諧振頻率是連線長度、螺旋角以及圈數(shù)的函數(shù)。通常，可使用適當?shù)募夹g(shù)來調(diào)節(jié)這些諧振頻率，以便獲得單個頻帶或多個頻帶的蜂窩操作。這些技術(shù)可包括改變螺旋線的尺寸和/或增加其它元件。具有統(tǒng)一螺旋角的螺旋天線可被調(diào)諧，工作于GSM頻帶(900MHz)。但是，第二諧振模式將不會在DCS(1800MHz)或PCS(1900MHz)頻帶上。連線長度、直徑以及螺旋角中的任何變化都會使諧振頻率升高或降低，這使得不可能工作在所需頻率。
因此，需要一種適于接收多頻帶中的信號的小螺旋天線。


圖1是依據(jù)本發(fā)明的無線通信設(shè)備如蜂窩式無線電話的一個框圖；圖2是依據(jù)本發(fā)明的一個螺旋線圈天線；圖3是依據(jù)本發(fā)明的另一實施例的螺旋線圈天線；圖4是依據(jù)本發(fā)明的另一實施例的螺旋線圈天線；圖5是依據(jù)本發(fā)明的另一實施例的螺旋線圈天線；圖6是依據(jù)本發(fā)明的另一實施例的螺旋線圈天線；圖7是依據(jù)本發(fā)明的另一實施例的與一同軸傳輸線相連的螺旋線圈天線；圖8是依據(jù)本發(fā)明的另一實施例的與一單極子相連的螺旋線圈天線；圖9是依據(jù)本發(fā)明的圖8的天線的剖面圖；圖10是依據(jù)本發(fā)明的圖8的密封天線的平面圖；以及圖11是與圖1的無線通信設(shè)備相連的依據(jù)本發(fā)明的天線的部分透視圖。
依據(jù)現(xiàn)在公開的本申請中所陳述的方法和裝置，由單螺旋線構(gòu)成的固定型天線具有非均勻的螺旋角。依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，對低頻帶通過調(diào)節(jié)線的總體長度和對高頻帶通過調(diào)節(jié)非均勻螺旋角可得到雙頻帶操作。尤其是，依據(jù)本發(fā)明中所公開的情況，當使用非均勻螺旋角并保持線的總體長度為常數(shù)時，第二諧振可作為螺旋角的函數(shù)而被調(diào)高或調(diào)低，同時第一諧振不受影響。依據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，可改變螺旋線圈的直徑，以實現(xiàn)多頻帶特性。
首先參見圖1，其中顯示了結(jié)合本發(fā)明的象雙頻帶蜂窩式無線電話這樣的無線通信設(shè)備的框圖。在最佳實施例中，將象可從Motorola公司得到的CMOS ASIC這樣的一個幀發(fā)生器ASIC 101以及象可從Motorola公司得到的68HC11微處理器這樣的一個微處理器103組合在一起，以產(chǎn)生用于在蜂窩系統(tǒng)中工作所需的通信協(xié)議。微處理器103使用包括最好是集中在一個封裝111內(nèi)的RAM 105、EEEPROM 107以及ROM 109的存儲器104，以便執(zhí)行產(chǎn)生協(xié)議所必需的步驟，并執(zhí)行用于通信單元的其它功能，例如依據(jù)本發(fā)明方法的寫入顯示器113、接收來自小鍵盤115的信息、控制頻率合成器125或執(zhí)行對信號進行放大所必需的步驟。ASIC 101處理從話筒117傳到揚聲器121的經(jīng)音頻電路119轉(zhuǎn)換的音頻。
一個收發(fā)兩用機處理音頻信號。特別是，發(fā)射機123和124通過天線129利用由頻率合成器125所產(chǎn)生的載波頻率執(zhí)行發(fā)射。由通信設(shè)備的天線129所接收的信息通過匹配網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射/接收開關(guān)130而進入接收機127和128。在圖10中將更詳細地顯示了最佳匹配網(wǎng)絡(luò)以及發(fā)射/接收開關(guān)。接收機127和128利用來自頻率合成器125的載波頻率對包含消息幀的碼元進行解調(diào)。發(fā)射機和接收機合稱為收發(fā)機。通信設(shè)備可以選擇包括含有數(shù)字信號處理裝置的一個消息接收機和存儲裝置131。所述信息接收機和存儲器件例如可以是一個數(shù)字應(yīng)答機或一個尋呼接收機。
出于尺寸和極化的考慮，螺旋天線適用于蜂窩式電話通信。一個簡單的螺旋天線具有N圈，每一圈的直徑為d，且每圈之間的螺距為s。則天線的總高度為h＝Ns，線的總長度為l＝Nlo。這里lo是每一圈線的長度。螺旋角被定義為s/d比率的反正切(arctan-1s/d)。通常，當與波長相比天線尺寸非常小時，天線處于工作的一般模式下，其輻射特性與1/4波長單極天線相似，但螺旋天線的外形(高度)要比單極天線小(短)得多。
螺旋天線提供了橢圓極化，當天線相對于線性極化的固定發(fā)射機以一個角度旋轉(zhuǎn)時，橢圓極化是一種非常有用的特性。一個非常好的例子就是，當用戶以各種角度握住蜂窩電話時，天線依然能接收來自固定的及線性極化的基站的信號，這是因為橢圓極化可被分解為兩個正交的線性極化。
一個螺旋天線可以具有幾個諧振頻率，這些諧振頻率都是線長、螺旋角和圈數(shù)的函數(shù)。通常，可使用適當?shù)募夹g(shù)來調(diào)整這些諧振頻率，以獲取單頻帶的或多頻帶的蜂窩操作。這些技術(shù)可包括改變螺旋線的尺寸和/或增加其它元件。可將具有均勻螺旋角的螺旋天線調(diào)諧到使其工作于GSM頻帶(900MHz)。但是，第二諧振模式將不在DCS(1800MHz)或PCS(1900MHz)頻帶上。線長、直徑或螺旋角中的任何變化都會使諧振頻率向上或向下移動，因而使得多頻帶工作成為不可能。只有在以適當?shù)姆绞叫薷牧寺菪菚r，才能實現(xiàn)多頻帶操作。尤其是，依據(jù)本發(fā)明所公開的內(nèi)容，當使用了非均勻螺旋角，并保持線的總體長度為常數(shù)時，所述第二諧振可被作為螺旋角的函數(shù)而調(diào)高或調(diào)低，而第一諧振則不受影響。
現(xiàn)在參見圖2，當減小螺旋角時，螺旋天線將使其第二諧振靠近第一諧振。尤其是，螺旋天線具有與第一部分202相連的一個饋電點203，所述第一部分202從近端204伸展到遠端206，其高度為p1，并具有由s1所表示的一個螺距。雖然螺距s1可在整個第一部分202上是固定的，但s1也可代表可在整個第一部分202上變化的平均螺距。在整個第一部分202上的螺旋線圈的直徑用d1來表示。螺旋天線還具有第二部分208，它從近端210伸展到遠端212，其高度為p2，并具有由s2所表示的一個螺距。雖然螺距s2在整個第二部分208上可以是固定的，但s2也可代表能在整個第二部分208上變化的平均螺距，這里s2與s1不同。用于第二部分208的螺旋線圈的直徑由d2來表示。在圖2的實施例中，d1等于d2。
現(xiàn)在參見圖3，當增大螺旋角時，螺旋天線將使第二諧振遠離第一諧振。尤其是，螺旋天線具有與第一部分302相連的一個饋電點301，第一部分302從近端304伸展到遠端306，其高度為p1，并具有由s1所表示的一個螺距。雖然螺距s1在整個第一部分302上可以是固定的，但s1可以代表可在整個第一部分302上變化的平均螺距。在整個第一部分302上螺旋線圈的直徑用d1來表示。螺旋天線還具有一個第二部分308，它從近端310伸展到遠端312，其高度為p2，并具有用s2所表示的一個螺距。雖然螺距s2在整個第二部分308上可以是固定的，但s2也可代表可在整個第二部分208上變化的平均螺距，其中s2與s1不同。在整個第二部分308上的螺旋線圈的直徑用d2來表示。在圖3的實施例中，d1等于d2。
在設(shè)計過程中，可以選擇線的總長度作為改變參數(shù)，從而首先定位到AMPS/GSM頻帶，之后再調(diào)整螺旋角，直到第二諧振被定位到DCS頻帶?？衫脙刹糠志€圈的圈數(shù)以及直徑來選擇天線的總體長度。通過使用本領(lǐng)域眾所周知的合適的匹配電路，可進一步改善帶寬以及回波損耗。所測量的非均勻螺距天線的效率在每個頻帶的中心頻率處好于80％。
依據(jù)本發(fā)明的另一實施例，還可改變線圈的直徑。如圖4所示，從近端404伸展到遠端406的線圈的第一部分402的直徑一般較大，而從近端410伸展到遠端412的線圈的第二部分408的直徑一般較小。特別是，具有與第一部分402相連的饋電點401的螺旋天線具有由s1所表示的一個螺距。用于p1的螺旋線圈的直徑用d1來表示。螺旋天線還具有第二部分408，它具有用s2所表示的螺距。用于p1的螺旋線圈的直徑用d2來表示。在圖4的實施例中，d1大于d2。
與此相反，在圖5的實施例中的線圈的下部的直徑一般較小，而線圈的上部的直徑一般較大。特別是，螺旋天線具有與第一部分502相連的一個饋電點501，從近端504伸展到遠端506的第一部分502具有由s1所表示的螺距。在整個第一部分502上的螺旋線圈的直徑用d1來表示。螺旋線圈還具有從近端510伸展到遠端512的第二部分508，并具有用s2所表示的螺距。在整個第二部分508上的螺旋線圈的直徑用d2來表示。在圖5的實施例中，d1小于d2。雖然在圖4和5的實施例中，螺距s1和s2可以在整個第一和第二部分302和308上是固定的，但它也可代表在各自部分上變化的平均螺距。與此相似，雖然直徑d1和d2最好是固定的，但依據(jù)本發(fā)明它們也可是變化的。同樣，雖然在圖4和5中，直徑d1和d2可以是固定的，但它們也可以代表在整個部分402和408上的變化直徑的平均值。
現(xiàn)在，請參見圖6，本發(fā)明的另一實施例包括可變的螺距和可變的直徑。特別是，螺距和直徑都從天線的近端604(靠近饋電點605)到天線的遠端606而減小。雖然圖6只顯示了變化的一種組合，但是依據(jù)本發(fā)明，可以采用改變螺距和直徑的各種組合，包括固定的螺距或直徑，以及改變螺距或直徑的相對位置。根據(jù)本發(fā)明也可以采用二段以上的螺距和直徑的變化。
現(xiàn)在，請參見圖7，一個同軸傳輸線與螺旋線圈的饋電點相連。特別是，象圖2所示的螺旋線圈與一個同軸傳輸線712相連，該同軸傳輸線具有外導(dǎo)體714以及內(nèi)導(dǎo)體716，在饋電點203處相連。雖然這里只顯示了圖2中的螺旋線圈，但依據(jù)本發(fā)明，也可以使用圖3-7中任意一螺旋線圈與同軸傳輸線相連。對可變螺距天線進行饋電的同軸傳輸線的優(yōu)點在于，同軸傳輸線的長度可被用來改變PC板上的電流分布，因此可得到最優(yōu)的輻射效率，特別是在電話被使用的情況下。之所以能最優(yōu)，是因為同軸傳輸線改變了可變螺距的輸入阻抗，因而也改變了PC板上的電流分布。由于PC板上的電流對遠場具有重要輻射，所以電流分布的改變可以優(yōu)化天線的輻射效率。當使用電話時，由于接近用戶的身體而大大改變天線和PC板上的電流。使用同軸傳輸線進行饋電，可以補償所改變的電流。
現(xiàn)在，請參見圖8-10，透視圖顯示了與一個單極子802耦合的依據(jù)本發(fā)明的螺旋線圈天線的透視圖，該單極子802具有螺紋部分804和接觸部分806。雖然只顯示了圖2中的螺旋線圈與單極子相耦合，但也可用圖3-7中的任一螺旋線圈與單極子相耦合。圖9中的剖面圖顯示了圖10中的天線的一個實施例的剖面圖。特別是，在外模(overmold)902內(nèi)的介電芯904最好包括一種介電材料。例如，這個芯可以是包括熱塑性合成橡膠和聚丙烯的一種介電材料。例如，介電芯可以是由75％的熱塑性合成橡膠和25％的聚丙烯構(gòu)成的，以形成介電常數(shù)為2.0的介電材料。圖10中的平面圖顯示了從無線通信設(shè)備中分離出來的天線129。如圖11中所說明的那樣，在這一申請中所說明的任何天線都可與組裝在可伸縮天線中的鞭狀天線部分相耦合。
現(xiàn)在，參見圖11，一個部分剖面圖顯示了與圖1中所示的無線通信設(shè)備相連的依據(jù)本發(fā)明的天線。天線129包括具有襯套1004的外殼或外模902。單極子802包括延伸到耦合部分806的螺紋部分804。單極子的長度通常都影響垂直極化，而較長的單極子通常都提供較大的垂直極化。下面將參照剩余的附圖對單極子進行詳細說明。
天線與夾片1110相嚙合，該夾片在與底座部分1116相接的可彎曲臂1114的末端具有接觸元件1112。底座部分1116最好與具有圖1所示的電路的電路板相接，或是與其它合適的電路相接。支架1110還包括與可彎曲臂1120相連的第二觸片1118，這個可彎曲臂也延伸到底座部分1116。由可彎曲臂1114和1120夾持住了耦合部分1108，并提供了電接觸?？蓮澢鄣某叽缱詈眠x擇為使天線的效率最優(yōu)。即對可彎曲臂的長度和寬度進行選擇，以對天線提供適當?shù)碾姼泻碗娙?，其中臂越窄所提供的電感越大，而臂越寬所提供的電容越大?br> 圖11還顯示了圖1的無線通信設(shè)備的外殼1130。該外殼包括顯示了部分剖面圖的接收襯套1132，它扣住用于接收天線的螺紋部分1106的螺紋螺母234。雖然天線的饋電點最好是在靠近耦合部分1105的底座的接觸元件1112和1118處，但依據(jù)本發(fā)明，饋電點也可以形成在螺紋螺母1134處。雖然本說明書著力于對短粗天線的說明，但在本申請中所公開的任何一種天線都可以被用于收縮天線，例如是在1998年12月23日申請的“一種適于在多頻帶工作的天線(ANANTENNA ADAPTED TO OPERATE IN A PLURALITY OFFREQUENCY BAND)”，其申請序列號為No.09/219,561，也轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。另外，可以采用依據(jù)申請序列號No.09/219,561的匹配電路的裝置，引入該申請僅供參考。
綜上所述，可以依據(jù)本發(fā)明，通過以合適的方式修改螺旋線圈的螺旋角而實現(xiàn)多頻帶天線。特別是，通過使用非均勻螺旋角，并保持線的總長度為常數(shù)，可以將作為螺旋角的函數(shù)的第二諧振調(diào)高或調(diào)低，而第一諧振不受影響。
雖然，在上述說明和附圖中已經(jīng)說明了本發(fā)明，應(yīng)當理解這一說明僅是通過舉例來進行的，對本技術(shù)領(lǐng)域人員來講，可以進行眾多改變和修正而不脫離本發(fā)明的主旨和范圍。雖然本發(fā)明發(fā)現(xiàn)了在便攜式蜂窩式無線電話中的特定應(yīng)用，但本發(fā)明也可被應(yīng)用到任何無線通信設(shè)備中，包括尋呼機電子管理器或計算機。申請人的發(fā)明應(yīng)當僅受以下權(quán)利要求書的限定。
權(quán)利要求
1.一種適于在至少兩個頻帶中工作的天線，所述天線包括一個從近端伸展到遠端的螺旋線圈，所述螺旋線圈的螺距從所述遠端至所述近端有變化。
2.如權(quán)利要求1的所述天線，其特征在于所述螺旋線圈的直徑由所述近端至所述遠端有變化。
3.如權(quán)利要求1的所述天線，進一步包括從所述第一遠端向所述第一近端伸展的第一螺旋部分，所述第一螺旋部分具有第一螺距；以及從所述第二近端向所述第二遠端伸展的第二螺旋部分，所述第二近端于所述第一螺旋部分的所述第一遠端相連，所述第二螺旋部分具有與所述第一螺距不同的第二螺距。
4.如權(quán)利要求3的所述天線，其特征在于所述第一螺距大于所述第二螺距。
5.如權(quán)利要求3的所述天線，其特征在于所述第一螺距實質(zhì)上是固定的。
6.如權(quán)利要求3的所述天線，其特征在于所述第一螺距是變化的。
7.如權(quán)利要求3的所述天線，其特征在于所述第二螺距是變化的。
8.如權(quán)利要求3的所述天線，其特征在于所述第一螺距實質(zhì)上是固定的，所述第二螺距是變化的。
9.如權(quán)利要求3的所述天線，其特征在于所述第一螺旋部分具有第一直徑，所述第二螺旋部分具有小于所述第一直徑的第二直徑。
10.如權(quán)利要求3的所述天線，進一步包括一個單極子，其特征在于所述第一螺旋部分的第一端與所述單極子相連。
全文摘要
依據(jù)本發(fā)明來實現(xiàn)用于多頻帶操作的一種螺旋天線,這是通過以適當?shù)姆绞礁淖兟菪€圈上的螺旋角而實現(xiàn)的。特別是,通過使用非均勻螺旋角,并通過保持線的總體長度為常量,可將天線的第二諧振作為螺旋角的函數(shù)而調(diào)高或調(diào)低,而同時第一諧振不受影響。依據(jù)本發(fā)明的另一實施例可改變螺旋線圈的直徑部分。
文檔編號H01Q9/32GK1275824SQ0010932
公開日2000年12月6日 申請日期2000年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月27日
發(fā)明者周光平, 羅伯特·肯農(nóng) 申請人:摩托羅拉公司