專利名稱：雙功能天線結(jié)構(gòu)及具有這種天線的便攜無線電設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雙功能天線結(jié)構(gòu)，具體涉及基本的(Priomary)天線單元，它類似于以第二方式操作的輔助的(Secondary)天線單元。
便攜無線電電子設(shè)備通常由于它們的體積小和攜帶方便而受到歡迎。單一的小型天線結(jié)構(gòu)諸如可伸縮偶極或單極天線通常是很普通的。然而，這種天線和其它種類的已知天線只適應(yīng)于一種工作方式。例如，這些天線不能最佳化地諧振于兩個(gè)不同的射頻率上。
此外，這些天線只適應(yīng)于一種極化類型的射頻能量。例如，目前典型的蜂窩無線電電話機(jī)的可伸縮單極天線只適應(yīng)于線性極化的射頻能量。小巧的天線結(jié)構(gòu)能夠給出已選定的線性極化和圓極化射頻能量，這在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)還不曾知道。


圖1示出雙功能天線結(jié)構(gòu)實(shí)施例的側(cè)視圖；圖2示出按照另一個(gè)實(shí)施例具有雙功能天線結(jié)構(gòu)的一個(gè)便攜無線電裝置的透視圖。
圖1示出按照本發(fā)明第一實(shí)施例的一種雙功能天線結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。基本天線單元110在第一方式操作時(shí)由第一饋線120饋電?；咎炀€單元最好是一個(gè)四線螺旋(quadrifilar helix)，用于在第一方式時(shí)圓極化輻射。第二饋線140在連接點(diǎn)130處連接到第一饋線120上。在第二方式時(shí)，金屬層160和基本天線單元110由第二饋線140賦能，在功能上它們類似于第二方式時(shí)的輔助天線單元。上扼流圈150的位置就在連接點(diǎn)130的緊接下方，用以防止第二方式時(shí)的射頻能量不致在上扼流圈150的下面?zhèn)鞑?。為此，小巧的的天線結(jié)構(gòu)能提供出雙功能。此外，基本天線單元的四線螺旋在功能上類似于線性極化天線結(jié)構(gòu)和圓極化天線結(jié)構(gòu)。
上扼流圈150具有金屬內(nèi)表面或內(nèi)壁，還具有短路端(Shortedend)155。上扼流圈150的電氣長度或諧振頻率特性約等于第二方式時(shí)要收發(fā)的射頻波長的四分之一。為此，該扼流圈近似于一個(gè)具有短路端的四分之一波長傳輸線。連接點(diǎn)130以上到基本天線單元110頂端的電氣長度應(yīng)是第二方式時(shí)要收發(fā)的射頻波長的大約四分之一波長的奇數(shù)整數(shù)倍。于是，上扼流圈150和連接點(diǎn)130的位置影響第二方式時(shí)天線結(jié)構(gòu)的電氣長度，并且可以為第二方式所需的波長度進(jìn)行調(diào)整。
一個(gè)下扼流圈170設(shè)在上扼流圈150的下方。下扼流圈170具有一個(gè)短路端175，其電氣長度也對(duì)應(yīng)于在第二方式時(shí)要收發(fā)的射頻波長大約四分之一波長的奇數(shù)倍。下扼流圈170增強(qiáng)了天線圖型特性，并減小該天線結(jié)構(gòu)在第二方式時(shí)的能量衰減；但是如果無下扼流圈而能量在第二方式時(shí)足夠的，則下扼流可以省掉。
導(dǎo)電的外表面或金屬層160可提供作為第二方式時(shí)輔助天線單元的部分輻射體。金屬層160環(huán)繞著上扼流圈150延伸，并向下環(huán)繞任選的下扼流圈170延伸。上扼流圈150最好由單一的金屬壁材料形成，以使同一金屬壁材料形成金屬層160和上扼流圈150內(nèi)表面。金屬層160向下延伸的電氣長度應(yīng)是第二方式時(shí)射頻波長大約四分之一波長的奇數(shù)倍。
上扼流圈150和下扼流圈170都填滿電介質(zhì)，在優(yōu)選實(shí)施例中介電質(zhì)的介電常數(shù)(εr＝4)為空氣介電常數(shù)(εr＝1)的四倍。然后，上扼流圈150和下扼流圈170物理長度之和與金屬層160的物理長度相同。然而，這三者中的每個(gè)的電氣長度仍然為第二方式時(shí)射頻波長的大約本分之一波長。這是因?yàn)槎罅魅?50和170的每個(gè)的電氣長度隨著電介質(zhì)介電數(shù)為空氣介電常數(shù)的四倍而加倍了。當(dāng)省掉下扼流圈170時(shí)，上扼流圈150無需填電介質(zhì)，并可延伸到與外金屬層160相同的全部長度。無下扼流圈170的天線結(jié)構(gòu)的構(gòu)成將結(jié)合圖2進(jìn)一步描述。
基本天線單元170、第一饋線120、第二饋線140、上扼流圈150、下扼流圈170和金屬層160最好裝在天線罩180內(nèi)，以形成該天線結(jié)構(gòu)。天線罩180是一個(gè)電介質(zhì)材料的封裝管，用以保護(hù)天線單元和饋線與外部環(huán)境隔離開。
第一饋線120和第二饋線140最好采用同軸線，具有一個(gè)熱中心導(dǎo)體和一個(gè)接地外導(dǎo)體。第一饋線120最好由半剛性金屬同軸材料構(gòu)成。半剛性金屬同軸材料具有金屬的外導(dǎo)體，它由電介質(zhì)使之與金屬中心導(dǎo)體隔絕?；咎炀€單元110的能量在第一饋線120的半剛性金屬同軸材料內(nèi)部的第一和第二表面上傳播。半剛性金屬同軸材料內(nèi)部的第一和第二表面分別是金屬的中心導(dǎo)體和金屬外導(dǎo)體的內(nèi)表面。半剛性同軸材料的金屬外導(dǎo)體具有一個(gè)第三表面，該第三表面是金屬外導(dǎo)體的外表面。
第一實(shí)施例的基本天線單元110的四線螺旋最好采用半剛性金屬同軸材料構(gòu)成。第一饋線120的半剛性金屬同軸材料外周上的第三表面與基本天線單元110的四線螺旋的四個(gè)臂在短路點(diǎn)115短路。
當(dāng)該天線結(jié)構(gòu)通過第二饋線140以第二方式操作時(shí)，從第二饋線140熱中心導(dǎo)體來的能量在連接點(diǎn)130處耦合到第一饋線120金屬外導(dǎo)體外表面的第三表面上和基本天線單元上。在這個(gè)實(shí)施例中，上述的同軸內(nèi)、外導(dǎo)體的連接是優(yōu)選的；但其它的結(jié)構(gòu)也是可能的。從第二饋線140的熱中心導(dǎo)體到連接點(diǎn)130的連接最好是直接的電連接，由于制作上的原因，它可以引入一個(gè)固有寄生電容或電感。在連接點(diǎn)130上可以引入一個(gè)預(yù)先準(zhǔn)備的電抗分量。連接點(diǎn)130引入一個(gè)電抗分量的優(yōu)點(diǎn)是可形成一個(gè)匹配電路。例如，一個(gè)電容性匹配電路允許上扼流圈150具有稍短些的高度。
第二饋線140最好連接到金屬層160上。第二饋線140的接地外導(dǎo)體與金屬層160的連接最好是直接電連接，由于制作上的原因，直接電連接可以具有一個(gè)固有的寄生電容或電感。第二饋線140的接地外導(dǎo)體在容許天線有較低性能的情況下，無需謹(jǐn)慎地連接到金屬層160上。當(dāng)應(yīng)用下扼流圈170時(shí)，第二饋線140可以蛇形進(jìn)入下扼流圈內(nèi)以進(jìn)一步增強(qiáng)天線圖型特性，并減小在第二方式時(shí)能量的衰減。
據(jù)此，利用第一饋線的外表面、金屬層160和基本天線單元110的四線螺旋可使輔助天線單元收發(fā)線性極化射頻能量成為可能。因基本天線單元的四線螺旋還以第一波長收發(fā)圓極化射頻能量，故實(shí)現(xiàn)了在一種方式時(shí)收發(fā)圓極化射頻能量而在另一種方式時(shí)收發(fā)線極化射頻能量的雙功能。
小巧的雙方式便攜無線電設(shè)備希望使用雙功能天線結(jié)構(gòu)。例如，地面或陸基蜂窩無線電系統(tǒng)通常采用線性極化無線電能量，而另一方面，便攜衛(wèi)星無線電設(shè)備通常需要使用圓極化天線。與線性極化天線相比，圓極化天線具有較好的增益圖型，以便向外層空間的天頂(Zenith)到源接收和發(fā)射能量。線性極化天線具有較好的增益圖型，用以向地平線上到地面基站發(fā)射和接收能量。為此本發(fā)明提供一種單一的天線結(jié)構(gòu)，能夠以線性極化方式和圓極化方式操作。于是，應(yīng)用本發(fā)明的單一天線結(jié)構(gòu)，使小巧的便攜式雙方式衛(wèi)星和地面無線電接收機(jī)成為可能。
圖2示出便攜無線電設(shè)備290，具有小巧的單一天線結(jié)構(gòu)和雙功能能力。第一饋線220將無線電電路295的第一方式輸出端連接到基本天線單元210上。上扼流圈250與第一饋線220為同軸設(shè)置。對(duì)于基本天線單元210，圖中示出無四線螺旋扭絞的一個(gè)交叉環(huán)路天線。第二饋線240使無線電電路295的第二方式輸出端在連接點(diǎn)230處連接到第一饋線220和金屬層260?？稍诘诙伨€240中提供一個(gè)電抗性元件諸如電容器235。連接點(diǎn)230可以位于基本天線單元110的短路點(diǎn)215處或之下，但在上扼流圈250頂端之上。
雖然上文的描述和在附圖中已說明和示例了本發(fā)明，但可以理解這個(gè)敘述只是舉例性的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以作出無數(shù)的變化和修改，它們不偏離本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍。例如，金屬層160或260可以分別地提供，或不在扼流圈的外表面上而在其它表面上。使用三個(gè)或更多個(gè)饋線和多個(gè)相應(yīng)的扼流圈還可以提供具有三種或更多種方式的多功能天線結(jié)構(gòu)。盡管該天線結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)小巧的便攜無線電設(shè)備，但該天線結(jié)構(gòu)能夠與移動(dòng)無線電設(shè)備或固定位置式無線電設(shè)備一起使用。
權(quán)利要求
1.一種雙功能天線結(jié)構(gòu)，用以收發(fā)不同的第一和第二信號(hào)，其特征在于，包括一個(gè)基本天線單元，能夠以第一波長進(jìn)行發(fā)射和接收；至少一個(gè)扼流圈，耦合到基本天線單元上，能夠以第二波長扼流；第一饋線，可操作地耦合到基本天線單元上，以對(duì)其饋送具有第一波長的第一信號(hào)；第二饋線，可操作地在基本天線單元與扼流圈之間的第二信號(hào)連接位置處耦合到第一饋線上，在那里饋送具有第二波第的第二信號(hào)；及一個(gè)異電的外秀面，從第二信號(hào)連接位置處起沿著與基本天線單元相反的方向延伸，其中，導(dǎo)電的外表面覆蓋扼流圈的周圍，以使至少由并電的外表面和基本天線單元組成一個(gè)輔助天線單元，用以收發(fā)第二信號(hào)。
2.按照權(quán)利要求1的雙功能天線結(jié)構(gòu)，其特征在于，第二信號(hào)一個(gè)位置點(diǎn)處連接到第一饋電線上，該位置點(diǎn)在基本天線單元頂端之下，距離等于第二信號(hào)的第二波長的大約四分之一的奇數(shù)倍電氣長度。
3.按照權(quán)利要求2的雙功能天線結(jié)構(gòu)，其特征在于，導(dǎo)電的外表面的電氣長度為第二信號(hào)的第二波長的大約四分之一的奇數(shù)倍。
4.按照權(quán)利要求1的雙功能天線結(jié)構(gòu)，其特征在于，輔助天線單元是一個(gè)線性極化天線單元，用以發(fā)射、接收線性極化的第二信號(hào)。
5.按照權(quán)利要求4的雙功能天線結(jié)構(gòu)，其特征在于，基本天線單元含有一個(gè)圓極化天線單元。
6.按照權(quán)利要求1的雙功能天線結(jié)構(gòu)，其特征在于，扼流圈含有一個(gè)傳輸線具有短路端，其電氣了長度為第二波長大約四分之一的奇數(shù)倍。
7.按照權(quán)利要求1的雙功能天線結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括另一個(gè)軛流圈，能夠以第二信號(hào)的第二波長進(jìn)行扼流。
8.按照權(quán)利要求7的雙功能天線結(jié)構(gòu)，其特征在于，該另一個(gè)扼流圈含有一個(gè)傳輸線，具有短路端，其電氣長度為第二信號(hào)的第二波長大約四分之一的奇數(shù)倍。
9.按照權(quán)利要求7的雙功能天線結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中，第二饋線包含有兩個(gè)導(dǎo)體，其中，導(dǎo)電的外表面是由扼流圈和另一個(gè)扼流圈的外表面形成的，其中，導(dǎo)電的外表面可操作地耦合來接收第二饋線中兩個(gè)導(dǎo)體的第一個(gè)導(dǎo)體上的電荷，其中，基本天線單元接收第二饋線的兩個(gè)導(dǎo)體的第二個(gè)導(dǎo)體上的電荷。
10.按照權(quán)利要求1的雙功能天線結(jié)構(gòu)，其特征在于，還含有無線電電路，能夠收發(fā)第一方式時(shí)的第一信號(hào)和第二方式時(shí)的第二信號(hào)，該無線電電路的第一方式輸出端耦合到第一饋線，而該無線電電路的第二方式輸出端耦合到第二饋線。
全文摘要
一種雙功能天線結(jié)構(gòu)在第一和第二方式時(shí)發(fā)射、接收無線電信號(hào)。第一饋線(120)向以第一方式操作的基本天線單元(110)饋電。第二饋線(140)，連接到第一饋線(120)上。上扼流圈(150)和金屬層(160)調(diào)諧在以第二方式收發(fā)收的射頻的一個(gè)波長上。由此，基本天線單元(110)和金屬層(160)實(shí)現(xiàn)了以第二方式操作的輔助天線單元。在便攜無線電設(shè)置中利用小巧結(jié)構(gòu)和利用第一和第二饋線(120，140)可實(shí)現(xiàn)雙功能操作。
文檔編號(hào)H01Q1/42GK1147160SQ96111139
公開日1997年4月9日 申請(qǐng)日期1996年8月20日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月21日
發(fā)明者威廉姆·H·達(dá)登四世, 卡文·M·休爾, 克里斯托弗·N·庫巴 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司