柱形開槽天線的製作方法
2023-06-17 03:59:31
專利名稱：柱形開槽天線的製作方法
背景技術：
使用諸如蜂窩電話機的行動電話機在世界範圍內已經變得非常普遍。在使用時，大多數現代蜂窩電話機非常靠近人體，例如，靠近用戶的耳部或者系在用戶的腰帶上。蜂窩電話機通常通過利用偶極天線接收和發送低功率RF信號與通信網對接。然而，這種信號經常因為天線靠近人體而被中斷。特別是，現有技術天線的當前狀態產生近電場，該電場與人體組織內的有極水分子耦合，從而降低了信號強度。例如，人體組織可以以每英寸6dB的速率衰減傳統偶極天線發射的960MHz RF信號。
此外，許多專家相信RF信號與人體組織的相互作用可能具有危險的健康風險。有些人主張RF信號可以幹擾人體的自然電系統。這種反應可能隨個體而不同，但是有人推測RF信號可以傷害人的免疫系統，而且刺激癌發展。此外，據稱蜂窩電話機產生的RF信號可能干擾大腦的活動，引起喪失記憶、血壓改變、憂慮以及精力不集中等症狀。因此，需要一種可以用於移動通信系統以改善RF信號的傳播而且降低RF信號與人體的相互作用的天線。此外，需要一種當其靠近水和溼地工作時以低VSWR、穩定調諧頻率以及高效率工作的天線。
發明內容
本發明涉及一種用於RF通信的天線。該天線包括輻射部件，該輻射部件基本上是管式的，以在其內確定空腔。輻射部件由導電材料構成，具有從輻射部件的第一部分延伸到第二部分的非導電槽。例如，非導電槽可沿管式結構的長度延伸。
阻抗匹配裝置電連接到輻射部件，以使輻射部件的阻抗與信號源的阻抗或者負載的阻抗匹配。阻抗匹配裝置可以連接到輻射部件的第二部分。在一個實施例中，阻抗匹配裝置可以包括橫向電磁(TEM)饋送耦合器。
導體將輻射部件可操作地連接到阻抗匹配裝置。可以利用單個導電片形成所述阻抗匹配裝置、導體以及至少部分輻射部件，或者作為單個導電結構模製或者壓制它們。此外，阻抗匹配裝置和輻射部件可以具有共同的剖面輪廓。
該天線可以進一步包括至少一個電容器，該電容器至少包括第一導線和第二導線。第一導線可以在非導電槽的第一側附近連接到輻射部件，而第二導線可以在非導電槽的第二側附近連接到輻射部件。在一個配置中，電容器可以是可變電容器。天線的場阻抗可以小於0±2j歐姆。天線的場阻抗的絕對值還可以小於2歐姆、5歐姆、10歐姆、25歐姆或者50歐姆。
可以配置該天線，以產生心形輻射圖，心形輻射圖是具有一般形式(1-cos2θ)的輻射圖。可以使與心形輻射圖相關的空指向人體。
該天線可以進一步包括靜電屏蔽部件。該靜電屏蔽部件可以具有從靜電屏蔽部件的第一端延伸到靜電屏蔽部件的第二端的軸向槽。
圖1是有助於理解本發明的柱形開槽天線的透視圖；圖2A是圖1所示天線的開槽部件的俯視圖；圖2B是圖1所示天線的開槽部件的仰視圖；圖3是圖1所示天線的分解圖；圖4是圖1所示天線的典型天線外殼的透視圖；圖5A是可以附加到柱形開槽天線的典型靜電屏蔽部件的透視圖；圖5B是其中對柱形開槽天線附加了靜電屏蔽部件的圖5A所示靜電屏蔽部件的透視圖。
具體實施例方式
本發明涉及小型柱形開槽天線，可以配置它，以具有全向輻射圖、心形輻射圖或者這二者的混合。該天線的近場阻抗顯著低於人體組織的阻抗。因此，該天線可以在人體附近工作，而在天線與人體之間不產生顯著耦合。因此，可以將因為天線傳播的射頻(RF)能量對人體產生的有害副作用的風險降低到最小。
此外，與其他類型的天線相比，可以顯著減少因為人體導致的輻射圖空(null)。具體地說，柱形開槽天線產生的遠場的E場分量的取向基本上垂直於人體。因此，柱形開槽天線產生的部分遠場沿人體表面被引導，直到它們到達與入射點相對的人體側。因此，減小了人體的盲區導致的輻射圖空的深度。人體的電導率(G)和相對磁導率(μr)分別接近1.0姆歐/平方和50，它們引起沿人體的表面波傳播。表面波傳播為本技術領域內的技術人員眾所周知。
參考圖1，圖1示出天線100的透視圖。天線100可以包括輻射部件102。輻射部件102可以由導電材料例如銅、黃銅、鋁、鋼、導電薄片、導電鍍層和/或者其他任意適當材料構成。此外，輻射部件102基本上是管式的，以提供至少部分被導電材料包圍的空腔104。在此使用的術語「管式」描述一種具有任意剖面輪廓的空心結構形狀。在本例子中，輻射部件102具有矩形剖面輪廓，然而，本發明並不局限於此。重要的是，輻射部件102可以具有可以在其內確定空腔104的任意形狀。例如，輻射部件102可以具有圓形、方形、三角形或者其他任意適當形狀的剖面輪廓。此外，輻射部件102可以是漸消型或者諧振型。
輻射部件102可以包括非導電槽(槽106)。槽106可以從輻射部件102的第一部分延伸到輻射部件102的第二部分。例如，槽106可以從輻射部件102的第一端108延伸到輻射部件102的第二端110。在槽106的相對兩側114、116之間可以設置至少一個電容器112，以提高槽106上的電容，這樣可以降低輻射部件102的諧振頻率。在優選配置中，電容器112可以是可調的，以便能夠調諧天線100的諧振頻率，如下所述。
還可以利用其他方法調諧天線的諧振頻率。例如，可以在輻射部件102上鑽孔。在另一個變換配置中，可以在輻射部件102的中心設置金屬盤。為了調諧天線的諧振頻率，可以旋轉該盤的盤面，以遮蔽或者部分遮蔽空腔部件102的開口。
可以確定輻射部件102和/或者槽106的尺寸，以輻射RF信號。通過在垂直於輻射部件102的中軸的維度中最大化空腔104的截面積，可以提高輻射部件102傳播的信號強度。此外，通過增加槽106的長度，可以提高槽106傳播的信號的強度。因此，可以選擇空腔截面的面積和槽的長度，以實現要求的輻射圖。例如，可以確定槽106和輻射部件102周長的尺寸，以獲得單瓣心形(Dθ＝1-cos2θ)輻射圖、圓形(Dθ＝常數)全向輻射圖或者這二者的混合。這些輻射圖可以取向在輻射部件102的中軸附近。在一個典型配置中，通過設置其寬度a約等於1/2λ、其深度b約等於1/20λ以及其長度c約等於1/2λ的輻射部件102，可以產生心形輻射圖，其中λ是在輻射部件102的工作頻率的信號的波長。
特別是，(Dθ＝1-cos2θ)心形輻射圖可以將RF信號的耦合降低到最小。在夾角θ接近0時，這種輻射圖產生空。輻射圖空可以被指向人，例如無線通信裝置的操作員，以將RF信號與人體的耦合降低到最小。通過使RF信號不指向人體，心形輻射圖還可以用於增強天線效率。否則，部分RF信號可能在人體組織內被耗散。
天線100還可以包括阻抗匹配裝置120，設置該阻抗匹配裝置120以使輻射部件102的阻抗與信號源的阻抗和/或者負載(未示出)的阻抗匹配。例如，該阻抗匹配裝置可以使輻射部件102的阻抗與收發信機匹配。根據本發明的一個方面，阻抗匹配裝置120可以是橫向電磁(TEM)饋送耦合器。有利的是，TEM饋送耦合器可以補償因為工作頻率的變化導致的電阻變化，而且提供固定驅動點阻抗，而與工作頻率無關。例如，驅動點阻抗可以保持在適當阻抗，例如50歐姆，以與收發信機的阻抗匹配。因此，僅通過改變電容器202，實現了單控制調諧效果，而且可以以低VSWR實現寬帶調諧。然而，還可以利用其他適當阻抗匹配裝置使輻射部件102的並聯阻抗與源和/或者負載匹配，而且本發明並不局限於此。例如，感應環、γ匹配結構或者可以使輻射部件102的阻抗與收發信機匹配的其他任意裝置。
如果阻抗匹配裝置120是TEM饋送耦合器，則由TEM耦合器與輻射部件102之間的電(E)場和磁(H)場耦合來確定TEM耦合器的阻抗匹配性能。E場和H場耦合又是TEM耦合器和輻射部件102的各尺寸以及這兩個構件之間的相對間隔的函數。
阻抗匹配裝置120可以通過第一導體130可操作地連接到源和/或者負載。例如，第一導體130可以是適當電纜的導體，例如同軸電纜136的中心導體。如果阻抗匹配裝置120是TEM耦合器，則第一導體130可以電連接到TEM耦合器的一側138，該側138離開可操作地將TEM耦合器連接到輻射部件102的第二導體134。此外，第三導體132可以可操作地將輻射部件102連接到源和/或者負載。例如，第三導體132可以是同軸電纜136的外導體。靠近輻射部件102與阻抗匹配裝置120之間的間隙140，第三導體132可以電連接到輻射部件102。在一個配置中，第三導體132可以電連接到輻射部件132，如圖所示。作為一種選擇，導體132可以電連接到開槽部件118，該開槽部件118可以構成輻射部件102的一部分。可以選擇第三導體132和第一導體130電連接到各輻射部件的位置，以對天線實現要求的負載/源阻抗。
第一導體130與第三導體132之間的電流可以產生阻抗匹配裝置120與輻射部件102的H場耦合。此外，阻抗匹配裝置120與輻射部件102之間的電位差可以產生E場耦合。隨著阻抗匹配裝置120與輻射部件102之間的間隙的增大，E場和H場耦合量降低。因此，可以調節間隙140，以實現適當水平的E場和H場耦合。可以根據實驗，或者利用包含對電磁參數的有限元分析的電腦程式，確定間隙140的大小。
在優選配置中，阻抗匹配裝置120、第二導體134以及至少一部分輻射部件102可以由單個導電片形成、被模製為單個導電結構或者被壓制為單個導電結構。此外，阻抗匹配裝置120的截面輪廓可以與輻射部件102的截面輪廓相近或者相同。例如，阻抗匹配裝置120和輻射部件102可以至少有一個公共維度。在一個配置中，阻抗匹配裝置120和輻射部件102可以有兩個公共維度，例如，寬度a和深度b。這種配置的成本效益非常好，因為可以將製造天線100所需的製造步驟數減少到最少。
可以布置同軸電纜136，以通過輻射部件102的空腔104饋送。因此，輻射部件102可以用作該同軸電纜的套管平衡轉換器，使同軸電纜136不受位移電流的影響以及降低同軸電纜136上的共模電流。此外，該同軸電纜可以進入該空腔104靠近輻射部件102的第一端108，而阻抗匹配裝置120可以布置在輻射部件102的第二端110附近。這種配置可以將第三導體132與阻抗匹配裝置120之間的雜散電容降低到最小，從而進一步降低同軸電纜上的共模電流。因此，可以避免為了控制射頻幹擾而使用附加平衡轉換器。
在變換配置中，代替阻抗匹配裝置120，可以利用通過跨過在輻射部件102內的附加槽(未示出)設置饋線(未示出)而形成的阻抗匹配裝置直接激勵輻射部件102。例如，附加槽可以位於輻射部件102上對著槽106的第二側152上。可以跨過該附加槽連接該饋線，以形成斷續饋線。請注意，一個或者多個電容器可以與該斷續饋線可操作地並聯，以形成匹配網。因此，可以選擇各電容器的值，以對天線100實現要求的驅動點阻抗。例如，可以選擇各電容器，它們與斷續饋線一起提供50歐姆的驅動點阻抗。
開槽部件118可以包括槽106，如圖2A和2B所示。圖2A是開槽部件118的俯視圖。請注意，電容器112可以是可變電容器，以提供槽106上的可變電容。因此，可以對電容器112設置調節螺絲200。
參考圖2B，圖2B示出開槽部件118的仰視圖。電容器112可以包括第一和第二導線202、204，以將電容器112連接到開槽部件118的相對兩個導電面上。例如，可以將導線202、204焊接到相應兩側114、116。還可以設置具有導線212、214的附加電容器210，以進一步提高槽106上的電容。此外，也可以將導線212、214焊接到兩側114、116上。
例如在製造、壓制或者鑄造過程中，可以製造開槽部件118作為輻射部件102的集成部分。然而，為了簡化天線的製造，可以將開槽部件118設置為單獨天線部分，在連接了電容器112、210後，將該部分固定到輻射部件102的其餘部分上。因此，在組裝天線100期間，可以輕而易舉地組裝電容器112、210。一旦安裝了電容器112、210，就可以將開槽部件118固定到輻射部件上。可以利用大量技術之任一安裝開槽部件118。例如，開槽部件118可以被焊接到適當位置，利用螺絲固定到適當位置，或者利用諸如導電環氧樹脂的導電膠粘合到適當位置。
為了進一步降低製造成本，開槽部件118可以包括在其上具有導電金屬化層的介質襯底220。例如，參考圖2A和2B，可以金屬化開槽部件的頂面222和底面224。此外，還可以金屬化邊緣226、228，以在頂面222與底面224之間提供電通路。槽106可以是頂面222和底面224上剩餘未金屬化的介質襯底220的一部分，或者在金屬化處理之後，蝕刻槽106。
圖3示出天線組件的分解圖300。除了輻射部件102、阻抗匹配裝置120、導體134、電纜136以及開槽部件118，天線組件還可以包括天線外殼302和蓋304。在優選配置中，可以利用介質材料製造天線外殼302和蓋304。此外，天線外殼302可以包括安裝接頭306和通過其可以布置電纜136的開口308。請注意，為了保證適當的天線傳播特性，在設計天線時，應該考慮到天線外殼302和蓋304的相對電容率和相對磁導率。圖4示出天線組裝在外殼302內的封裝天線400。
參考圖5A，天線400還可以包括靜電屏蔽部件502。可以利用導電材料例如銅、黃銅、鋁、鋼、導電薄片、導電鍍層和/或者其他任意適當材料，形成靜電屏蔽部件502。此外，靜電屏蔽部件502可以基本上是管式的，以提供至少部分被導電材料包圍的空腔504。在另一個配置中，通過在天線外殼302上設置導電塗層、導電鍍層或者導電薄片，可以實現靜電屏蔽部件502。靜電屏蔽部件502可以包括從靜電屏蔽部件502的第一端508延伸到該靜電屏蔽部件的第二端510的軸向槽506。槽506可以防止靜電屏蔽部件502在天線400的周圍形成周邊連續電路。這種周邊連續電路可能降低天線400的性能。在優選配置中，槽506布置在設置在輻射部件的槽內的槽附近。
可以任選採用靜電屏蔽部件502，以通過防止可以改變天線的諧振頻率的寄生電容加載該槽，進一步增強天線400的調諧穩定性。天線400靠近金屬或者電導率高的其他材料可能產生寄生電容。在優選配置中，如圖5B所示，設置屏蔽部件502的槽506，以使槽506布置在天線400上與布置了輻射部件516的槽514的一側相對的一側510上。
天線工作參考圖1、2A和2B，現在說明天線100的工作。在天線100諧振的頻率，獲得最佳天線性能。諧振頻率是槽106的加感和加容的函數。空腔104可以是漸消型的，而且可以對槽106加感，同時利用相對兩側114、116之間的電容對槽106加容。可以利用輻射部件102的尺寸計算槽106上的感性負載L的值。例如，如果輻射部件102具有矩形截面，則可以利用公式L＝0.02339[(s1+s2)log10(2s1s2/b+c)-s1log10(s1+g)-s2log10(s2+g)]+0.01010[2g-(s1+s2)/2+0.447(b+c)]確定感性負載，其中L以微亨為單位，s1是輻射部件102的第一側150的寬度，s2是輻射部件102的第二側152的寬度，c是從輻射部件102的第一端108到輻射部件102的第二端110測量的輻射部件102的長度，b是輻射部件102的壁厚，g是空腔104的剖面的對角長度。作為一種選擇，可以利用採用周期矩法進行電磁場和波分析的電腦程式來確定感性負載L，或者根據實驗確定感性負載L。例如，已知電容Ck可以跨接在槽106上，可以測量天線100的諧振頻率。然後，利用公式L=142f2Ck,]]>可以計算感性負載L。
利用公式f=12LC,]]>可以計算天線100的諧振頻率(f)，其中L是空腔103提供的感性負載，而C是槽106上的電容。注意，可以設置電容器112和/或者210，以增加槽106上的電容，從而實現要求的諧振頻率。例如，可以增加該電容，以降低諧振頻率，或者降低該電容，以提高諧振頻率。在優選配置中，可以充分調節電容器112，以在多個倍頻程上改變天線100的諧振頻率。
特別是，電容器112和/或者電容器210使天線100能在顯著低於在槽106上沒有這種電容器的天線的頻率的頻率有效工作。例如，如果沒有電容器，則天線要求大的1/4或者1/2波自諧振空腔。在某些應用中，這種空腔可能干擾天線的傳播圖，而且在某些傳播方向導致空。然而，電容器112和/或者電容器210可以使空腔104能顯著小於1/4或者1/2波自諧振空腔。因此，與RF信號的波長相比，空腔104的尺寸小，因此，在任意傳播方向均不導致顯著空。此外，可以將天線100製造得足夠小，以便被優化用於可攜式通信裝置，例如蜂窩電話機、尋呼機、個人數字助理，或者需要特別是物理尺寸小的天線的任意其他裝置。
通過在空腔104內包含鐵磁材料、順磁材料或者介質材料，可以減小輻射部件102的尺寸。特別是，電磁信號的傳播速度與 成反比，其中μ是磁導率，而ε是信號通過其傳播的媒體的電容率。因此，隨著磁導率或電容率的升高，信號的傳播速度降低，這樣就減小了任意給定頻率的信號的波長。因此，提高空腔104內的磁導率和/或者電容率增大了空腔的電尺寸，因此，降低了空腔的諧振頻率。
可以用於提高由空腔106確定的區域內的磁導率和/或者電容率的材料有許多在市售。例如，鐵氧體、鐵粉或者任意其他鐵類材料可以布置在該空腔內，以提高空腔內的磁導率。此外，在空腔106內還可以布置聚丙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、礬土、陶瓷、介質流體或者其介電常數大於1的任意介質材料，以提高電容率。
在某些例子中，可能希望在空腔106內實現要求的特性阻抗。利用公式 可以確定媒體的特性阻抗。因此，如果利用一種或者多種材料填充該介質空腔，則可以選擇提供適當磁導率和/或者電容率的材料以實現要求的特性阻抗。在一個配置中，可以將各種材料混合，以實現要求的磁導率和電容率。例如，鐵磁顆粒可以與介質顆粒混合。這種材料的一個例子是等阻抗材料，其相對電容率等於其相對磁導率。
在優選配置中，槽106的相對兩側114、116之間的阻抗低。例如，兩側114、116之間的阻抗可以低於30毫歐姆，這可以通過提供導電的輻射部件102實現。在這種情況下，即使跨過槽106設置電容器，兩側114、116之間的大部分電流通過輻射部件102的導電結構傳播。
在對天線100施加信號時，槽106的兩側114、116之間的低阻抗可能導致槽106上的低電壓，這樣相應地產生被傳播信號的小E場分量。兩側114、116之間的低阻抗還導致在輻射部件102的結構內的顯著量的電流，從而產生顯著H場分量。因此，天線的近場阻抗(ZNF)低，利用公式ZNF＝E/H求得天線的近場阻抗。例如，該近場阻抗可以小於約0±2j歐姆，因此，顯著小於人體組織的阻抗，人體組織具有接近50的相對電容率和稍許小於1的相對磁導率。該近場阻抗還可以具有小於2歐姆、5歐姆、10歐姆、25歐姆或者50歐姆的絕對值。
由於人體組織的相對電容率顯著大於相對磁導率，所以與包含在H場內的能量相比，人體組織更容易受到包含在E場內的能量的影響得多。因此，與同樣能量的高阻抗RF信號(E場分量大，而H場分量小)相比，其近場阻抗低的RF信號(E場分量小，而H場分量大)與人體的相互作用將小得多。因此，在與傳統偶極天線相比顯著降低了天線100與人體的耦合的情況下，天線100可以在人體附近工作。因此，可以將因為天線傳播的射頻(RF)能量對人體產生的有害副作用的風險降低到最小。此外，顯著減少人體導致的RF傳播圖中的空。
除了個人通信應用，本發明的柱形開槽天線還可以用於廣泛應用中，例如，從甚低頻(VLF)頻帶直到超高頻(SHF)頻帶工作的應用。當然，為了在要求的頻率適當工作，應該選擇天線的尺寸。特別是，在從VLF頻帶直到高頻(HF)頻帶的頻率使用的天線趨於物理尺寸較大而且難以升高。因此，這種天線通常靠近溼地或者水體安裝和工作。因為本發明的柱形開槽天線在低近場阻抗情況下工作，所以該天線能以高輻射效率和高調諧穩定性靠近溼地或者水工作，而無需接地系統或者金屬地網。
低近場阻抗設計的另一個優點是，在結冰時可以使天線的電壓駐波比(VSWR)穩定得多。具體地說，冰是具有較高電容率和低磁導率的介質。例如，冰的相對電容率可以高於3，而冰的磁導率可以接近1。這樣，冰存儲大量E場能量，但是不顯著與H場相互作用。因此，儘管冰可能嚴重降低具有高近場阻抗的天線的性能，但是冰不顯著影響天線100的性能，因為可以將天線100調節到具有低近場阻抗。在寒冷氣候下使用它時該特徵非常有益，特別是在用作電視發射天線時，此時低VSWR性能是必要的。特別是，在採用本發明時不需要為了補償天線100附近形成冰而設置除冰天線罩。
權利要求
1.一種用於RF通信的天線，包括輻射部件，包括導電材料，而且具有從所述輻射部件的第一部分延伸到所述輻射部件的第二部分的槽，所述輻射部件基本上是管式的，並在其內確定空腔；阻抗匹配裝置，被電連接到所述輻射部件，所述阻抗匹配裝置被設置成使所述輻射部件的阻抗與信號源的阻抗和負載的阻抗至少之一匹配；以及導體，用於將所述輻射部件可操作地連接到所述阻抗匹配裝置；其中，由單個導電片整體形成所述阻抗匹配裝置、所述導體以及至少部分所述輻射部件。
2.根據權利要求1所述的天線，其中所述非導電槽沿所述輻射部件的長度延伸。
3.根據權利要求1所述的天線，其中所述輻射部件和所述阻抗匹配裝置具有共同的剖面輪廓。
4.根據權利要求1所述的天線，進一步包括至少一個電容器，該電容器至少包括第一導線和第二導線，所述第一導線在所述非導電槽的第一側附近連接到所述輻射部件，而所述第二導線在所述非導電槽的第二側附近連接到所述輻射部件。
5.根據權利要求4所述的天線，其中所述至少一個電容器是可變電容器。
6.根據權利要求1所述的天線，其中所述阻抗匹配裝置連接到所述輻射部件的所述第二部分。
7.根據權利要求1所述的天線，其中所述阻抗匹配裝置包括橫向電磁饋送耦合器。
全文摘要
一種用於RF通信的天線(100)包括輻射部件(102)，該輻射部件(102)基本上是管式的，以在其內確定空腔(104)。輻射部件(102)由導電材料構成，具有從輻射部件(102)的第一部分(108)延伸到第二部分(110)的非導電槽(106)。阻抗匹配裝置(120)通過導體(134)電連接到輻射部件(102)，以使輻射部件(102)的阻抗與信號源的阻抗或者負載的阻抗匹配。可以利用單個導電片形成阻抗匹配裝置(120)、導體(134)以及至少部分輻射部件(102)，或者作為單個導電結構模製或者壓制它們。
文檔編號H01Q13/12GK1823447SQ200480020042
公開日2006年8月23日 申請日期2004年6月28日 優先權日2003年7月14日
發明者弗蘭西斯·E·帕斯徹, 布賴恩·J·哈曼 申請人:哈裡公司