專利名稱：雙橢圓螺旋天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及螺旋天線，尤其是涉及雙橢圓螺旋天線。本發(fā)明適用于手持 移動(dòng)通信設(shè)備。
背景技術(shù)：
軸向模螺旋天線，如圖]所示，是Kraus在1946年發(fā)明的一種圓極化 天線，其在接收包含各種可能的極化形式的回波信號(hào)方面具有非常獨(dú)特的優(yōu) 勢，可以大大地提高信號(hào)的接收強(qiáng)度，而且軸向模螺旋天線的相對(duì)頻帶寬度 寬達(dá)30%左右，同時(shí)其對(duì)多徑傳播效應(yīng)的敏感度較低，另外，螺旋天線的結(jié) 構(gòu)簡單，加工方便，特別適合于移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)，并且已經(jīng)在衛(wèi)星 通訊基站等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，具體的應(yīng)用國內(nèi)外已有大量文獻(xiàn)資料可 供參考，如"Wave Propagation on Helical Antennas" ， IEEE Trans, on Antennas Propagat.， Vol.20， No.5， September 1972, pp556-560; "Broadband Quasi-Taper Helical Antennas" ， IEEE Trans, on Antennas Propagat.， Vol.27， No.l ， January 1979， pp72-78; "Axial Mode Helical Antennas" ， IEEE Trans, on Antennas Propagat.， Vol.34 ， No.9 ， September 1986， ppl 143-1148; "Design and Realization of an L-band Helical Antenna", Proceedings of MTT-S， USA， 2003， ppl43-145。在提高螺旋天線的定向性方面，研究表明螺旋天線的增益取決于 螺旋的圈數(shù)，通過增加螺旋天線的圈數(shù)可以提高增益，同時(shí)也可以通過在--個(gè)螺旋天線上同時(shí)采用兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)螺旋線圈來提高增益。但是，現(xiàn)有的螺旋天線也存在多種缺陷第-一，雖然螺旋天線的增益可以通過增加螺旋圈數(shù)提高，但是螺旋天線 的體積會(huì)隨圈數(shù)增多而增大，當(dāng)前手持移動(dòng)通信設(shè)備正在向體積小巧高度集 成的趨勢發(fā)展，圈數(shù)過多將影響天線在手持移動(dòng)通信設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用；第二，如圖2及圖3所示，在一個(gè)螺旋天線上采用多個(gè)螺旋線圈來提高 增益的方法雖然可以提高增益，但是其饋電結(jié)構(gòu)卻相當(dāng)復(fù)雜；第三，由于常規(guī)的螺旋線圈通常為圓形，因此也會(huì)導(dǎo)致天線所占體積相 對(duì)較大，特別是應(yīng)用于手持設(shè)備時(shí)，圓形天線難以與大部分手持移動(dòng)通信設(shè) 備的扁平結(jié)構(gòu)相吻合。發(fā)明內(nèi)容有鑒于上述缺陷，本發(fā)明目的在于提出一種雙橢圓螺旋天線，該天線在 增益性能上較現(xiàn)有技術(shù)的螺旋天線有較大的改善，而且具有簡單的單饋電結(jié) 構(gòu)，同時(shí)較之圓形螺旋天線體積大幅度縮小，因此可望在手持移動(dòng)通信設(shè)備 上獲得廣泛應(yīng)用。針對(duì)本發(fā)明的發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種雙橢圓螺旋天線，包括主橢圓螺旋線圈、介質(zhì)基板、匹配電路和同軸SMA接頭，其中，該雙橢圓螺旋天 線進(jìn)一步包括寄生橢圓螺旋線圈，其中，該寄生橢圓螺旋線圈耦合連接在該 主橢圓螺旋線圈上。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選技術(shù)構(gòu)思的雙橢圓螺旋天線，其中，該匹配電路 包括與該同軸SMA接頭相接的50歐姆微帶線，與該主橢圓螺旋線圈的下端 相接的雙橢圓螺旋天線輸入端口，以及50歐姆微帶線和雙橢圓螺旋天線輸 入端口之間的中間匹配段。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選技術(shù)構(gòu)思的雙橢圓螺旋天線，其中主橢圓螺旋線 圈和寄生橢圓螺旋線圈的長短軸比為1.3。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選技術(shù)構(gòu)思的雙橢圓螺旋天線，其中寄生橢圓螺旋 線圈的上端與主橢圓螺旋線圈的上端平齊。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選技術(shù)構(gòu)思的雙橢圓螺旋天線，其中寄生橢圓螺旋 線圈的下端耦合連接于主橢圓螺旋線圈的行波電流最小值處。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選技術(shù)構(gòu)思的雙橢圓螺旋天線，其中主橢圓螺旋線 圈和寄生橢圓螺旋線圈長軸和短軸的軸線分別重合。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選技術(shù)構(gòu)思的雙橢圓螺旋天線，其中信號(hào)源通過同 軸SMA接頭和匹配電路向橢圓螺旋線圈進(jìn)行單饋電。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選技術(shù)構(gòu)思的雙橢圓螺旋天線，其中當(dāng)線圈中心頻 率為2.5GHz時(shí)，寄生橢圓螺旋線圈的下端耦合連接于主橢圓螺旋線圈自下
端向上數(shù)的2至4圈。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選技術(shù)構(gòu)思的雙橢圓螺旋天線，其中當(dāng)線圈中心頻率為2.5GHz時(shí)，寄生橢圓螺旋線圈耦合連接于主橢圓螺旋線圈自下端向上 數(shù)的2.5圈。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，該雙橢圓螺旋天線具有較高的增益，而且饋電結(jié)構(gòu) 簡單，同時(shí)體積小巧，適合應(yīng)用于手持移動(dòng)通信設(shè)備。


圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的雖線圈螺旋天線的結(jié)構(gòu)示意圖， 圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的雙線圈螺旋天線的結(jié)構(gòu)示意圖， 圖3是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的四線圈螺旋天線的結(jié)構(gòu)示意圖， 圖4是根據(jù)本發(fā)明的單饋電雙橢圓螺旋圓極化天線的結(jié)構(gòu)示意圖， 圖5是根據(jù)本發(fā)明的單饋電雙橢圓螺旋圓極化天線的結(jié)構(gòu)俯視圖， 圖6是根據(jù)本發(fā)明的單饋電雙橢圓螺旋圓極化天線的匹配電路的結(jié)構(gòu)示 意圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明的單饋電雙橢圓螺旋圓極化天線的10dB輸入阻抗帶寬圖，圖8是根據(jù)本發(fā)明的單饋電雙橢圓螺旋圓極化天線的3dB軸比帶寬圖， 圖9是根據(jù)本發(fā)明的單饋電雙橢圓螺旋圓極化天線在工作頻率為:2.5GHz時(shí)的增益圖，圖10是根據(jù)本發(fā)明的單饋電雙橢圓螺旋圓極化天線在工作頻率為2.4GHz時(shí)的輻射方向圖。
具體實(shí)施方式
根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明目的，本發(fā)明利用兩個(gè)不同圈數(shù)的橢圓螺旋線圈來構(gòu) 成一個(gè)可以輻射圓極化波的天線，并且采用簡單的單饋電結(jié)構(gòu)。針對(duì)該發(fā)明目的，本發(fā)明通過理論分析選擇螺旋線圈的幾何結(jié)構(gòu)以及主 螺旋線圈與寄生螺旋線圈的相對(duì)位置，使圓極化3dB軸比帶寬接近40。/。，另 外，由于通過理論分析可以確定螺旋結(jié)構(gòu)的輸入阻抗，因而用簡單的匹配結(jié) 構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)從50歐姆的同軸接頭到天線輸入端口的阻抗變換，10dB輸入阻 抗帶寬可達(dá)30%左右，以下詳細(xì)介紹本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路(1 )根據(jù)工作頻率選定螺旋半徑及相鄰螺旋線圈之間的間距；(2)為了與未來第四代移動(dòng)通信手機(jī)共形，以便得到更好的實(shí)際應(yīng)用，根據(jù)理論分析，改變螺旋線圈的長短軸之比，由1變?yōu)?.3左右，即采 用橢圓形線圈替代圓形螺旋線圈；(3 )為了提高螺旋線圈的輻射增益，采用兩個(gè)形狀完全相同但圈數(shù)不 同的橢圓形螺旋線圈，并保i正二者的長短軸均重合；(4)根據(jù)理論分析，將第二個(gè)橢圓螺旋線圈(寄生螺旋線圈)耦合 連接在第一個(gè)螺旋線圈(主螺旋線圈)的行波電流最小值處，并在寄生螺旋 線圈中激勵(lì)出新的電流分布，因此，這兩個(gè)線圈上的電流之和大于單個(gè)線圈， 并且螺旋天線的增益得以提高。同時(shí)，由于選擇的寄生螺旋線圈的位置保證 了兩個(gè)線圈上的電流在表面波區(qū)域是同相的，因此輻射出的電磁波在遠(yuǎn)區(qū)疊 加形成圓極化電磁波；(5 )利用理論分析得到雙橢圓螺旋線圈結(jié)構(gòu)的輸入阻抗；(6)采用簡單的阻抗變換，可實(shí)現(xiàn)50歐姆的同軸接頭到雙橢圓螺旋 線圈結(jié)構(gòu)的阻抗變換；(7 )本發(fā)明采用的阻抗變換設(shè)計(jì)在介質(zhì)基板表面，可以把主橢圓螺旋 線圈直接焊接上去，簡化了工程制造的要求。同時(shí)，基板的背面(即接地面) 也用作橢圓螺旋天線的輻射面。本發(fā)明是為未來第四代移動(dòng)通信而提出的，橢圓形結(jié)構(gòu)與手機(jī)的扁平形 狀十分吻合。同時(shí)，可以利用中間的空心結(jié)構(gòu)把手機(jī)機(jī)芯放入其中，因而無 需額外的介質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)，可大大簡化設(shè)計(jì)及縮減生產(chǎn)成本。根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，可得到本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的具體實(shí)施例，下面參照 附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的該具體實(shí)施例。該具體實(shí)施例為一個(gè)雙橢圓螺旋天線，如圖4和圖5所示，其主體結(jié)構(gòu) 包括主橢圓螺旋線圈l、寄生橢圓螺旋線圈2、介質(zhì)基板3、匹配電路4和同 軸SMA接頭5，其中匹配電路4位于介質(zhì)基板3上，同軸SMA接頭5穿過 介質(zhì)基板3與匹配電路4的一端相接，主橢圓螺旋線圈1的下端與匹配電路 4的另一端連接，寄生橢圓螺旋線圈2耦合連接在主橢圓螺旋線圈1上。匹配電路4的具體結(jié)構(gòu)如圖6所示，該匹配電路4包括與同軸SMA接 頭5相接的50歐姆微帶線6，與主橢圓螺旋線圈1相接的雙橢圓螺旋天線輸入端口 8，以及50歐姆微帶線6和雙橢圓螺旋天線輸入端口 8之間的中間匹 配段7。線圈部分的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示，寄生橢圓螺旋2的上端與主橢圓螺旋 線圈1的上端平齊，寄生橢圓螺旋線圈2的下端耦合連接于主橢圓螺旋線圈 1自下端向上數(shù)的2至4圈處。該雙橢圓螺旋天線的俯視結(jié)構(gòu)如圖5所示， 主橢圓螺旋線圈1和寄生橢圓螺旋線圈2的長軸和短軸的軸線分別重合。當(dāng)線圈中心工作頻率為:!.5GHz時(shí)，將寄生橢圓螺旋線圈2耦合連接在 主橢圓螺旋線圈1自下端向上數(shù)的2.5圈處，該設(shè)置可使天線增益達(dá)到最高。介質(zhì)基板3的下面即阻抗匹配結(jié)構(gòu)的接地面也同時(shí)作為橢圓螺旋天線的 輻射面。下面結(jié)合圖4詳細(xì)說明依據(jù)本發(fā)明提出的具體裝置的細(xì)節(jié)及工作情況。 主橢圓形螺旋線圈1的線半徑^=()'5^"，線圈半長軸為6 = 19 ^，半短 軸為"-lS卿，則長短軸比約為1.3，圈數(shù)為5圈，每圈間距為23麵；寄生 橢圓螺旋線圈2的線半徑。=()'5^"，線圈半長軸為6"^w，半短軸為 。=1^"7，寄生螺旋線圈與主螺旋線圈完全重合，所以其長短軸比也與主螺 旋線圈相同，圈數(shù)為2.5圈，從主線圈的從下至上2.5圈處開始繞制，每圈 間距也為23"""。介質(zhì)基板3的厚度為l.S附m，介電常數(shù)~=2'65。如圖6所示，匹配電路4設(shè)計(jì)在基板的上面，為簡單的四分之一波長匹 配結(jié)構(gòu)。50歐姆的同軸SMA接頭5的外導(dǎo)體與基板的背面(即接地板)連 接，內(nèi)導(dǎo)體與設(shè)計(jì)在基板表面的匹配電路的輸入端相連接。圖3所示匹配電 路上的50歐姆輸入端口 6對(duì)應(yīng)的寬度為4.102"" ;中間變換段7的寬度為 1.34扁，長度為".SS臓；天線輸入端口 8的微帶寬度為0.1ie躍。螺旋天線的接頭直接焊接在匹配電路的輸出端上。當(dāng)寄生線圈下端耦合連接在主線圈2圈的位置時(shí)，天線的各項(xiàng)性能參數(shù) 如下3dB軸比帶寬30X， 2.5GHz處增益IO德;當(dāng)寄生線圈下端耦合連 接在主線圈4圈的位置時(shí)，天線的參數(shù)如下3dB軸比帶寬45%， 2.5GHz 處增益10.0dB。因此，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)寄生線圈下端耦合連接在 主線圈第2圈到第4圈的范圍內(nèi)時(shí)可以得到理想的增益。針對(duì)本具體實(shí)施例檢測天線的各項(xiàng)參數(shù)，首先借助矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測得
天線的輸入匹配特性，10dB輸入阻抗帶寬約為30。/。左右，如圖7示。然后，利用自動(dòng)遠(yuǎn)場測試設(shè)備，可以測得天線的各項(xiàng)性能指標(biāo)，包括天線的軸比， 輻射方向圖，交叉極化，增益等。結(jié)果表明，該雙橢圓螺旋天線的3dB軸比帶寬接近40y。，如圖8所示； 當(dāng)該雙橢圓螺旋天線在設(shè)計(jì)頻率(2.5GHz)上工作時(shí)，其增益可以達(dá)到lldB， 如圖9所示，較之無寄生螺旋線圈的情況，其增益得到明顯的提高；如圖IO 所示，當(dāng)該雙橢圓螺旋天線在設(shè)計(jì)頻率(2.4GHz)上工作時(shí)，其3dB波束寬 度約為60度，因此該雙橢圓螺旋天線可以在較寬范圍內(nèi)輻射信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種雙橢圓螺旋天線，包括主橢圓螺旋線圈、介質(zhì)基板、匹配電路和同軸SMA接頭，其特征在于，該雙橢圓螺旋天線進(jìn)一步包括寄生橢圓螺旋線圈，其中，該寄生橢圓螺旋線圈耦合連接在該主橢圓螺旋線圈上。
2. 如權(quán)利要求1所述的雙橢圓螺旋天線，其特征在于主橢圓螺旋線圈和 寄生橢圓螺旋線圈的長短軸比為1.3。
3. 如權(quán)利要求1所述的雙橢圓螺旋天線，其特征在于寄生橢圓螺旋線 圈的上端與主橢圓螺旋線圈的上端平齊。
4. 如權(quán)利要求1所述的雙橢圓螺旋天線，其特征在于寄生橢圓螺旋線 圈的下端耦合連接于主橢圓螺旋線圈的行波電流最小值處。
5. 如權(quán)利要求]所述的雙橢圓螺旋天線，其特征在于主橢圓螺旋線圈 和寄生橢圓螺旋線圈長軸和短軸的軸線分別重合。
6. 如權(quán)利要求1所述的雙橢圓螺旋天線，其特征在于信號(hào)源通過同軸 SMA接頭和匹配電路向橢圓螺旋線圈進(jìn)行單饋電。
7. 如權(quán)利要求1所述的雙橢圓螺旋天線，其特征在于當(dāng)線圈中心頻率 為2.5GHz時(shí)，寄生橢圓螺旋線圈的下端耦合連接于主橢圓螺旋線圈自下端 向上數(shù)的2至4圈。
8. 如權(quán)利要求1所述的雙橢圓螺旋天線，其特征在于當(dāng)線圈中心頻率 為2.5GHz時(shí)，寄生橢圓螺旋線圈耦合連接于主橢圓螺旋線圈自下端向上數(shù) 的2.5圈。
全文摘要
本發(fā)明提出一種雙橢圓螺旋天線，該雙橢圓螺旋天線包括主橢圓螺旋線圈、介質(zhì)基板、匹配電路和同軸SMA接頭，其中，該雙橢圓螺旋天線進(jìn)一步包括寄生橢圓螺旋線圈，其中，該寄生橢圓螺旋線圈耦合連接在該主橢圓螺旋線圈上。該雙橢圓螺旋天線具有較高的增益，而且饋電結(jié)構(gòu)簡單，同時(shí)體積小巧，適合應(yīng)用于手持移動(dòng)通信設(shè)備。
文檔編號(hào)H01Q1/36GK101154762SQ200610141448
公開日2008年4月2日 申請日期2006年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日
發(fā)明者劉沛兒, 吳澤海, 容啟寧, 兵 符, 車文荃, 陳錦源 申請人:香港城市大學(xué)