CN1158188A

CN1158188A - 双螺旋天线系统

Info

Publication number: CN1158188A
Application number: CN96190744A
Authority: CN
Inventors: R·C·华莱士
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 1995-06-16
Filing date: 1996-06-17
Publication date: 1997-08-27
Also published as: US5708448A; DE69623415D1; AU701389B2; ATE223622T1; PT776531E; WO1997000542A1; ES2182997T3; CA2199724C; MX9701580A; EP0776531A1; DK0776531T3; HK1012780A1; DE69623415T2; AU6334696A; EP0776531B1; FI970814A0; CA2199724A1; RU2172046C2; FI970814A7

Abstract

一种双螺旋天线(10)由正交缠绕的螺旋导体构成。双螺旋天线包括沿第一方向绕双螺旋天线的纵轴V缠绕的第一螺旋导体(14)。第二螺旋导体(18)沿第二方向绕纵轴V缠绕。在特殊应用中，第一和第二螺旋导体具有分别相应于第一和第二频带的不同长度。第一和第二螺旋导体在它们相交或在水平尺寸中最少分离的那些水平面处正交。螺旋导体之间的此正交缠绕关系基本上减少了相互耦合，于是可以在近距离操作分离的螺旋天线。

Description

双螺旋天线系统

技术领域

本发明涉及螺旋天线，尤其涉及用于移动通信系统中双螺旋通信。

背景技术

在目前的便携式电话中，通常发射机和接收机同时工作，发射和接收共享一根天线。利用公知为双工器的滤波系统实现此天线的同步使用。使用双工器来保证在发射机和天线之间、以及在接收机和天线之间提供适当的滤波。它也可在发射机和接收机之间提供隔离，从而发射机不会降低接收机的灵敏度。为了使双工器提供良好的滤波特性，一般需要由许多LC(电感器和电容器)滤波节构成的共振电路。适当地调制此复杂电路对于在便携式电话中获得足够的隔离极为重要，且这一般必须由熟练工人来进行。

由于发射和接收共享单根天线，故需要双工器柱。消除对双工器需求的一个可能方法是使便携式电话配备分离的发射和接收天线。不幸的是，在这对分离的天线之间产生的相互耦合将对每一投射的天线图案产生不利影响。此外，所包括的分离天线将增加便携式电话的成本、尺寸和复杂性，尤其是必须给每根天线的收缩分配附加空间。于是，包括能以接近于最小相互耦合工作的分离天线元件的天线布局将现有技术中重大的进步。

在当前研制用于在蜂窝式频带(824MHz到892MHz)和提出的个人通信网络(PCN)频带(1.8MHz到1.96MHz)中操作的“双频带”便携式电话中，所需的天线双工电路更为复杂。此复杂性是由于为了给在每个频率范围内通信的分离无线电收发机之间提供隔离所需的附加滤波而产生的。相应地，双工电路不仅要在不同的操作频带之间，而且要在每个频带的发射和接收信道之间提供足够的隔离。如果如此实现双工电路从而在每个无线电收发机中包括分离的发射/接收双工器，则需要提供用于把分离的双工器交替连到天线的RF开关。众所周知，RF开关较昂贵，并致使装有RF开关的器件经历单点失误。

由于对电磁场在操作员身上产生效应的关注，使得对于便携式电话天线的不同设计的兴趣也日益增长。虽然已提出了从操作员身上引开大量天线辐射的天线设计，当操作员的移动导致天线方向偏离最强信号源时，此“方向性”设计的性能明显地变得折衷起来。

发明内容

总之，本发明的双螺旋天线系统可满足这些和其他目的。双螺旋天线系统包括沿环绕双螺旋天线的纵轴的第一方向缠绕的第一螺旋导体。第二螺旋导体以第二方向绕纵轴缠绕。在特殊实施例中，第一和第二螺旋导体具有不同的长度，各个长度相应于第一和第二频带。此外，第一和第二螺旋导体如此缠绕，从而第一和第二导体在它们相交或以水平尺寸最小限度分离的那些水平面内正交。螺旋导体之间的该正交缠绕关系把相互耦合减到最小，于是可在很近的实际距离内操作分离的螺旋天线。

在一个举例应用中，双螺旋天线系统可适用于便携式通信装置中的操作。这可通过由第一天线馈线把第一螺旋导体连到天线装置的发射机来实现。也提供了用于把第二螺旋导体连到天线装置的接收机的第二天线馈线。而且，第一和第二螺旋导体之间的正交缠绕关系导致最小相互耦合，从而改善了发射机和接收机之间的隔离。

附图概述

结合附图，从以下的详细描述和所附的权利要求书可使本发明附加目的和特征变得明显起来，其中：

图1示出本发明双螺旋天线的一个举例的实施例。

图2A和2B是本发明天线的顶视剖面图，此天线具有缠绕半径相同的螺旋导体。

图3A和3B是本发明天线的顶视剖面图，此天线具有缠绕半径不同的螺旋导体。

图4是在双频带通信装置内提供的本发明的双螺旋天线的集成的方框图。

图5示出用于单频带通信装置中的本发明的双螺旋天线。

图6A和6B分别提供双螺旋天线另一实施例的透视和俯视图，此天线设计成减少把操作员暴露于电磁场能量中。

本发明较佳实施方式

图1示出本发明双螺旋天线10的一个举例实施例。在图1中，双螺旋天线10包括第一螺旋导体14和第二螺旋导体18。第一和第二螺旋导体14和18看上去以相反方向绕圆柱形缠绕部件20缠绕，该缠绕部件20被固定在接地平面22上。螺旋导体14和18独立地用作分离的天线，在图1的实施例中它们分别耦合到同轴馈线26和28。馈线26和28的中央导体分别与导体14和18电气连接，而每个馈线26和28的外部导体于接地平面22接触。

可用绝缘介电材料，或导电材料来实现缠绕部件20。然而，已发现当用导电材料(诸如铜)制成缠绕部件时，可改善螺旋导体14和18构成的分离天线之间的隔离。

螺旋导体14和18以相同的倾斜度绕部件20缠绕，从而它们在每个相交点处正交。已发现即使当这些独立操作的天线绕同一纵轴V缠绕时，此缠绕技术也可导致导体14和18之间最小的能量耦合。导体14和18看上去在三个相交点P1、P2和P3的每个点处正交。为了完整，用虚线表示缠绕在缠绕部件20“后”表面上的导体14和18的部分，这些部分由于图1参考的结构而被图所遮蔽。相应地，相交点P2位于缠绕部件20的后表面，相交点P1和P3位于图1内的缠绕部件表面上。

公知具有给定倾斜度的螺旋天线的额定中央频率依据其长度。相应地，构成用于双频带操作的天线10的一个方法是使用不同长度的螺旋导体。作为一个例子，可通过使用倾斜度为45°、长度为6英寸的螺旋导体来实现蜂窝式频带(824到892MHz)中的天线操作。此外，由螺旋天线所投射的辐射方式的偏振类型(即，线性或圆形)依据缠绕半径r对辐射波长(例如，13.5英寸)的比值。为了实现线偏振而不是圆偏振，比值r/应小于大约0.1。

获得双频带操作的另一个方法是利用相同长度的螺旋导体14和18，但使用谐波相关频率来驱动每个导体。例如，假定安装螺旋导体14的第一天线的操作频率为100MHz，安装螺旋导体18的第二天线的操作频率是200MHz。如果选择第一和第二天线具有等于第二天线操作波长一半的相同实际长度，则从电气长度来讲，第二天线将变成“二分之一波长”的天线，第一天线将变成“四分之一波长”的天线。即，第一和第二天线将具有相同的实际长度，而具有不同的电气长度。也可进行各种其他安装，以在本发明范围内实现双频带操作。例如，再假定在以上频率进行操作，且假定第二天线的实际长度等于其操作波长的一半，然后实际可通过使第一天线的长度为第二天线长度的两倍来获得双频带操作。

虽然在图1的实施例中，螺旋导体14和18具有相同的缠绕半径，但在其他实施例中，也可要求缠绕半径不相同。在后者的情况下，螺旋导体14和18将被如此缠绕，从而如果导体具有相同的半径，则在导体相交的那些水平面内，导体将正交。这个概念由图2A-2B和3A-3B所示本发明双螺旋天线的顶视剖面图示意地表示。尤其是，图2A是沿水平面H₁(图1)所取的天线10的顶视剖面图。在水平面H₁中，导体14和18在缠绕半径为r的缠绕体20的表面上正交(即，在垂直尺寸上形成直角)。在图2B中，当导体14和18通过水平面H₂时，看上去导体位于纵轴V的相反一侧。

图3A和3B的顶视剖面图将示出具有不同缠绕半径正交缠绕的螺旋导体14’和18’之间的空间关系。在图3A和3B中，螺旋导体14’缠绕在缠绕半径为r₁的内部缠绕体20a上，螺旋导体18’绕在缠绕半径为r₂的外部缠绕体20b上。由于导体14’和18’以上述方式沿相反方向正交缠绕，所以导体14’和18’将在通过水平面H₁时在垂直尺寸上正交(图3A)。如图3A所示，导体14’和18’之间的分离位于平面H₁的最小水平仰角处(h_min)。相反，导体14’和18’在通过平面H₂在水平尺寸中最大地分离(图3B)。相应地，在图3A和3B所示的实施例中，导体14’和18’的特征是水平尺寸中的分离度一等于最小分离度h_min时它们就正交。在图2A中，导体14和18的相交导致最小水平分离度(h_min)为零。

现在参考图4，提供了双频带通信装置中本发明双螺旋天线的集成方框图。如上所述，可以减少加在天线双工器上的滤波需求的方式在双频带通信装置中实现本发明的双螺旋天线。在图4的实施例中，天线10的第一螺旋导体14连到高频带传输馈线82的中央导体。同样，第二螺旋导体连到低频带传输馈线84的中央导体。例如，馈线82和84可包括诸如带状传输线，其外部导体电气耦合到双频带通信装置的屏蔽86或其他接地表面。高频带双工器102进行操作，以把高频带内的信号能量分入发射和接收信道，这些能量可分别被高频带发射机108和高频带接收机110所利用。同样，低频带双工器104可在低频带发射和接收信道之间分离低频带内的信号能量，用这些能量可分别操作低频带发射机118和低频带接收机120。

在图4的实施例中，选择螺旋导体14的长度相应于天线带宽，此带宽包括被双工器102所传递的高频带。同样，选择螺旋导体18的长度，导致天线射出的图案具有以低频带双工器104的通频带为中心的带宽。由于在螺旋导体14和18之间存在最小耦合，所以把需要由双工器102和104所提供的频带外衰减减到最小。这与常规的情况相反，常规的情况双工器102和104一般耦合到单个鞭状天线或类似的天线。这将不利地需要双工器102，对每个频带表现出相当大的频带外衰减程度。

本发明的双螺旋天线即使被安装在单频带通信装置(诸如，便携式电话)中也可提供类似的优点。现在参考图5，它示出的天线10用于具有发射机152和接收机154的单频带通信装置中。作为一个例子，在目前的蜂窝式电话中，可采用的蜂窝式频带被分成824和892MHz之间的发射和接收频谱。在此情况下，螺旋导体14和18的长度将稍有不同，从而有利于分别访问蜂窝式频带中发射和接收部分。

在图5中，天线10的第一螺旋导体14连到发射机馈线162的中央导体，第二螺旋导体18连到接收机馈线164的中央导体。馈线162和164可包括诸如带状传输线，其外部导体电气耦合到单频带通信装置的屏蔽166或其他接地表面。

如图5所示，不需要在天线10和发射机152或接收机154之间插入双工器或其他滤波器电路。此外，由于在螺旋导体14和18之间不存在明显的耦合，在发射机和接收机152和154之间不需要附加的隔离或滤波电路。这与常规的情况相反，常规情况是双工器连接在单元件天线和装置的发射机/接收机之间。

参考图6A和6B，提供了双螺旋天线另一实施例的透视和俯视图，此天线用于减少操作员暴露于电磁场的能量。双螺旋天线200包括第一螺旋导体214和第二螺旋导体218。第一和第二螺旋导体214和218看上去以相反方向绕圆柱形缠绕部件220缠绕，并分别以下述方式被同轴馈线226和228所驱动。馈线226的中央导体227电气连接到导体214，而每个馈线226和228的外部导体连到电气接地端。

在图6A和6B的实施例中，缠绕部件220包括具有限定纵向空腔的内表面222的导电材料。在纵向空腔中置有细长导体224，它可用介电材料(未示出)与内表面222隔离。于是，细长导体224和内表面222形成一同轴传输线，此传输线连到靠近缠绕部件220的下端226的馈线228。尤其是，细长导体224连到馈线228的中央导体229。细长导体224也连到靠近缠绕部件220的上端230的螺旋导体218，从而把螺旋导体218耦合到天线馈线228。

如图6A所示，螺旋导体218从缠绕部件220的上端230缠绕到其第一(S1)和第三(S3)部分上。同样，螺旋导体214从缠绕部件220的下端226缠绕到第二(S2)和第三(S3)部分上。即，螺旋导体214和218的缠绕只在部分S3内交叠。在其他实施例中，螺旋导体214和218可无论如何都不交叠，因此不应把该交叠作为实现天线200有效操作的必要条件。也可看到导体214和218绕缠绕部件220正交地缠绕，其中导体214和218正交地指向部分S3内的每个相交点。在举例的安装中，缠绕部件220的下端226将靠近便携式电话的外壳(未示出)，因此上端230将离此外壳较远。

已发现螺旋导体214和218产生的电磁场强度在其馈线连接处是最大的。因为靠近缠绕部件220上端230的细长导体224可有效地提供连到螺旋导体218的馈线，所以螺旋导体218产生的电磁场在靠近上端230处也处于最大。这导致基本上减少了操作员暴露于电磁场能量中，因为在举例的安装中，缠绕部件220的上端230因其纵向长度而从操作员处移开。于是天线200可显著地减少操作员暴露于电磁场的能量，还可通过提供全方位的电磁场图案来保持接收质量与操作员的方位无关。

已提供了对较佳实施例的以上描述，以使本领域内的熟练技术人员使用或利用本发明。对这些实施例的各种改变将对本领域内的那些熟练技术人员变得明显起来，可把这里所限定的基本原理加到其他实施例而不使用创造才能。于是，本发明将不限于这里示出的实施例，而是与包含在这里揭示的原理和新特征内的最宽范围相一致。

Claims

1.一种双螺旋天线，其特征在于包括：

沿第一方向绕所述双螺旋天线的纵轴缠绕的第一螺旋导体；以及

沿第二方向绕所述纵轴缠绕的第二螺旋导体，所述第一和第二螺旋导体如此缠绕，从而在它们之间存在最小水平分离度时正交。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于所述第一螺旋导体具有第一长度，所述第二螺旋导体具有不同于所述第一长度的第二长度，所述第一和第二长度分别相应于第一和第二频带。

3.如权利要求1所述的天线，其特征在于所述第一螺旋导体具有第一缠绕半径，所述第二螺旋导体具有不同于所述第一缠绕半径的第二缠绕半径。

4.如权利要求1所述的天线，其特征在于还包括缠绕部件，绕所述缠绕部件缠绕了所述第一和第二螺旋导体。

5.如权利要求1所述的天线，其特征在于还包括传输馈线结构，所述结构具有连到所述第一螺旋导体的中央导体和连到天线接地平面的外部导体。

6.一种双螺旋天线，其特征在于包括：

沿第一方向绕所述双螺旋天线的纵轴缠绕的具有预定半径的第一螺旋导体；以及

沿第二方向绕所述纵轴缠绕的具有所述预定半径的第二螺旋导体，所述第一和第二螺旋导体如此缠绕，从而它们在每个相交点正交。

7.如权利要求6所述的天线，其特征在于还包括缠绕部件，绕所述缠绕部件缠绕了所述第一和第二螺旋导体。

8.如权利要求6所述的天线，其特征在于所述第一螺旋导体具有第一长度，所述第二螺旋导体具有不同于所述第一长度的第二长度，所述第一和第二长度分别相应于第一和第二频带。

9.一种适用于在双频带通信装置中操作的双螺旋天线系统，其特征在于包括：

沿第一方向绕所述双螺旋天线的纵轴缠绕的第一螺旋导体；

用于把所述第一螺旋导体连到第一通信无线电收发机的第一天线馈电网络；

沿第二方向绕所述纵轴缠绕的第二螺旋导体，所述第一和第二螺旋导体如此缠绕，从而在它们之间存在最小水平分离度时正交；以及

用于把所述第二螺旋导体连到第二通信无线电收发机的第二天线馈电网络。

10.一种适用于在便携式通信装置中操作的双螺旋天线系统，其特征在于包括：

沿第一方向绕所述双螺旋天线的纵轴缠绕的第一螺旋导体；

用于把所述第一螺旋导体连到所述通信设备的发射机的第一天线馈电网络；

用于把所述第二螺旋导体连到所述通信设备的接收机的第二天线馈电网络。

11.一种双螺旋天线，其特征在于包括：

一圆柱形缠绕部件；

沿第一方向绕所述圆柱形缠绕部件缠绕的第一螺旋导体；以及

沿第二方向绕所述圆柱形缠绕部件缠绕的第二螺旋导体，所述第一和第二螺旋导体如此缠绕，从而它们在相交点处正交。

12.如权利要求11所述的双螺旋天线，其特征在于所述圆柱形缠绕部件包括具有内部导体和一圆柱形外部导体的传输线。

13.如权利要求12所述的双螺旋天线，其特征在于所述第一螺旋导体从所述缠绕部件的第一端绕所述圆柱形外部导体缠绕，并电气连接到所述内部导体，所述第二螺旋导体从所述缠绕部件的第二端缠绕。

14.一种双螺旋天线，其特征在于包括：

具有第一端和第二端的圆柱形缠绕部件；

沿第一方向从所述第一端绕所述圆柱形部件的第一部分缠绕的第一螺旋导体；以及

沿第二方向从所述第二端绕所述圆柱形部件的第二部分缠绕的第二螺旋导体，所述第二螺旋导体相对于所述第一螺旋导体正交地缠绕。

15.如权利要求14所述的双螺旋天线，其特征在于所述第一和第二螺旋导体如此缠绕，从而第一和第二部分至少局部交叠，所述第一和第二螺旋导体在相交点处正交。

16.如权利要求14所述的双螺旋天线，其特征在于用导电材料实现所述缠绕部件。

17.一种双螺旋天线，其特征在于包括：

具有限定圆柱形空腔的第一端、第二端、外表面和内表面的圆柱形导体，在所述空腔中置有在所述第一和第二端延伸的细长导体；

沿第一方向从所述第一端绕所述外表面的第一部分缠绕的第一螺旋导体，所述第一螺旋导体在所述圆柱形导体的所述第一端处电气连接到所述细长导体；以及

沿第二方向从所述第二端绕所述外表面的第二部分缠绕的第二螺旋导体，所述第二螺旋导体相对于所述第一螺旋导体正交地缠绕。