专利名称：平衡的小口面复合天线的制作方法
技术领域：
本发明叙述用于小型轻便通信接收机的天线并且详细叙述了具有平衡的磁场和电场响应特性的小口面复合天线。
用于小型轻便通信接收机(例如pager)的天线一般是用仅仅对入射电磁波的磁场(H)分量有最佳响应的磁环天线。这种以前技术的磁环天线是用园的或平的导体制造的以形成单环或者多环天线，在磁环天线中，有的用像铁氧体芯子这样的磁性材料，而有的则不用。设计时选择用还是不用这种芯子主要由工作频率和在接收机的罩内容纳天线所需的空间来决定的。由于这些小型轻便通信接收机一般总是随身携带的，例如放在衬衫的口袋中，或者夹在皮带上，通常调谐这环形天线以便与电磁场中围绕人体的磁场耦合，因而增强了接收机的灵敏度。虽然这种轻便通信接收机从“人体增强”效应得到好处，但是当接收机从人体上取下来时，或者当这种轻便通信接收机放在桌子上时工作在自由场模式中，这种好处是以降低灵敏度为代价的。
在具有相当大的环形天线截面积的轻便通信接收机中，虽然以前技术的天线设计已经提供了足够的性能，但是在设计具有非常小的口面，例如薄片状的(如信用卡式的Pager)的轻便通信接收机时接收机罩内所遇到的，这些设计已经证明是不足的。因此需要一种在那样的小口面轻便通信接收机中能够简单制造并提供极好的性能的天线。
本发明的一个目的是提供一个具有良好灵敏度的小口面天线。
本发明的另一个目的是提供一个可工作在宽的频率范围上的小口面天线。
本发明的另一个目的是提供一个不论是装在身上还是离开人体都具有良好的灵敏度的小口面天线。
本发明还有一个目的是提供一个磁场和电场都具有最佳响应特性的小口面天线。
本小口面的轻便通信接收机的天线就其实现以上这些以及其它目的以后将会更清楚。该天线包括做成单圈环形天线的导体，单圈环形天线具有面对面相互平行的第一组边和面对面相互平行的第二组边，第一组边显著地长于第二组边。环形天线终于在对称于第一组边中点的连接接片上，为的是与接收机联结。一个介质芯子插入环形天线中，充分地填满环形天线。在环形天线中具有芯子后，该环形天线起半波电偶极子的作用，因而提供了一个对磁场波的磁场和电场都敏感的小口面天线。
被认为是新型的本发明的特征在以下附加的权利要求中详细地提出。发明的本身以及它的诸目的的和优点通过参照下面的叙述连同附加可以更好的了解，在不同的图中同样的参考数字表示相同的元件，在这些图中
图1是本发明的所推荐的具体实现的等大的图。
图2a是展示本发明推荐的具体实现的另一图解。
图2B是沿图2A的A-A线所取的剖面图。
图2C是沿图2A的B-B线所取的剖面图。
图3是展示本发明推荐的具体实现与接收机的电连接的示意图。
图4是本发明推荐的具体实现与其他常规天线形状的性能比较表。
图5是本发明推荐的具体实现用和不用介质芯的性能比较表。所推荐的具体实现的描述关于这些图，图1～5说明了本发明具体实现的结构和特性，小口面复合天线提供了一个对电磁波的磁场分量和电场分量平衡响应的特性。参照图1，该图展示了本发明推荐的具体实现的一个等大的视图，一个小口面天线10可以高效地工作在从150MHZ到1000MHZ的宽频带上。如所示的，天线10包括一个芯子16和一个导体14。导体14做成一个单圈环形天线，该天线具有大体上面对面水平平行的边15和17A-B以及大体上面对面垂直平行的边19和21。边17A-B终止在整体的连接接片18上，它对称地配置在边17的中点左右，因而提供了一个中央馈电的天线结构。这种单圈环形天线作为磁偶极子工作在常规的方式中。然而，如所示的，此环形天线的形状是非常规的，它具有非常小的口面，这在薄片状接收机中是需要的，并且与天线的连接是在环形天线的中点，而不是像以前典型的做法那样是环形天线的末端。中央馈电的外形的选择不是任意的，而是根据当环形天线的各边长的纵横比也就是水平放置的边15和17显著长于垂直放置的边19和21时天线灵敏度得到相当大的改进超过末端馈电的结构这个事实，这些将会参照图5给于讨论的。
更加详细的考虑图1，导体14、合成连接接片18，能够用一个合适的方法形成，例如通过从一片平的薄导电材料或者一张金属例如铜或铍铜上冲压出来。能够使用园形的导体。然而，正如具有一般技艺的人了解的那样，平板导体允许一个更薄截面的天线而保持最低的阻抗。导体14可以适当地被电镀，例如用铜，镍和锡以提供一个耐用的表面，该表面很容易地焊到相连的导体20上，导体20提供了与接收机的连接，为了直观起见导体20被画在印刷电路板12上。应该注意到连接接片18的外形对天线10的性能并不是起决定性的，连接的其它形式例如焊接或者熔接单独的导线或者导体到天线10上也一样可以工作。
芯子16，基本上具有矩形截面垂直于由导体14构成的环形天线的平面，芯子16插在导体14的边15和17以及边19和21之间。芯子16也可以具有开过槽的或者切成园角的边缘以适当架设或者其它实际的需要而并不影响天线10的性能。芯子16由介质材料做成，这种材料提供了一些关于天线10的性能的作用。由芯子16提供的第一个作用是使失谐减至最小，也就是当接收机靠近人体的时候，天线10调谐的中心频率的失谐减至最小。天线的失谐被减至最小后不论放在人体上还是离开人体天线都能调到最佳性能上。这样由于接收机不是在天线被最佳调谐的条件下工作，所引起的灵敏度的损失不会反过来影响天线灵敏度。由芯子16形成的第二个作用是提供一种天线10的阻抗最佳化的方法。这种最佳化使得天线与接收机的匹配比常规的环形天线更加容易。芯子16的第三个和最重要的作用是天线的电场响应最佳化，因而提高了全部天线性能。通过具有对连接接片18对称的臂23和25的半波长电偶极子的形成达到了这个作用。通过适当地选择偶极子的臂23和25的长度和适当选择芯子16的相对介电常数，对于在150MHZ到1000MHZ的工作频带内的任何频率都能使电偶极子的响应最佳化。这些作用将在说明书中更加详细的叙述。
一层薄的粘附膜可以加到导体14上以便可靠地安置芯子16在导体14中，而在图1中并没有表示出来。
现在参考图2该图是图1的顶视图，详细说明了本发明推荐的具体实现的结构。如图2A所示，芯子16装在导体14的里面，组成天线10。天线10再装入印刷电路板12的切口13内。印刷电路板12与天线10一起装入外壳11内。外壳11可以用易弯的材料组成，例如用塑料、聚碳酸脂或者聚碳酸脂纤维做。切口13使得外壳11的厚度减至最薄如图2B所示，并且进一步减少天线10与接收机的相互影响。组成连接接片18以便让天线10装入切口13中而且使它与印刷电路的导体20相连，如图2C所示。具有一般技艺的人会了解到天线10可以水平地旋转180°，因而使连接接片18从顶上到印刷电路板12不会影响天线性能。
如图2B所示，导体14在适当地电镀以后有一个0.118英寸的宽度27与一个0.010英寸的厚度29。由导体14构成的环的内部尺寸是0.143英寸(边19或21)乘2.6英寸(边15)，环的边的之纵横比大约是180与环的尺寸近似相同的介质芯子16装入环内。介质芯子16具有0.118英寸乘0.245英寸的截面，因此，延长到导体14的边缘以外。介质芯子16是高介电常数材料，例如通用电气公司制造的铝硅镁合金192、它的相对介电常数ε大约是100。所选的环形天线的长度以及芯子的介电常数提供了一个工作在280MHZ工作频率的半波电偶极子，并且使天线阻抗为10欧姆。具有一般技艺的人会了解当工作频率增加时，由于具有一个不变的相对介电常数的芯子，本发明所考虑制造的矩形环形天线的尺寸应该减小。而且，可利用具有相对介电常数在3到250之间的各种介质材料来控制天线的大小。当使用比较低的相对介电常数芯子时为了保持相等的天线灵敏度工作在固定工作频率上的天线尺寸就要增加。而且，当使用具有相对介电常数ε大于3的芯子时，芯子的宽度不需要延长到导体14的宽度之外。为了防止边缘现象，芯子16的宽度最低限度必需是导电14的宽度。用适当的介质芯子，正如在平行的窄条线中所发生的，相对电场基本上被限制在环形天线的各边之间，这时大大降低了通常关心的如以前讲过的当接收机靠近人体时的相互影响。
为了说明起见，一个工作在280MHZ频率上的天线将用来叙述图3的电路，以及图4和图5所示的性能特性。然而，指出天线10工作在200MHZ到1000MHZ频率内具有几乎相同的特性这一点是很重要的。图3显示关于电路调谐和天线10对接收机的匹配的电的简图。天线10的工作频率是由跨接在天线10的输出端(或者连接接片18的两端)的可变电容22和连接天线10的第一输出端与地的电容器24决定的。可变电容22用来调谐精确的中心工作频率。对于280MHZ的工作频率可变电容22的容量是2Pf至10Pf。电容24的容量会从1Pf到3Pf，这取决于随芯子16的相对介电常数而变化的实际天线阻抗。连接在天线10的第二个输出端与地之间的电容26和连接在天线10的第二个输出端与射频放大器30的输入端之间的电容28用来对天线10的输出阻抗和射频放大器30的输入阻抗进行匹配，这对一个具有通常技艺的人来说是熟知的。
如前所述，中心馈电矩形环形天线结构要比末端馈电矩形环形天线结构好。图4显示了对于没有介质芯子的环形天线31～33的这种比较。一个同样面积的园形环形天线31用作比较的参考天线。所有要比较的天线具有同样大小的截面积并且在电磁场中作三种取向使电场响应和磁场响应最大、使单一磁场或者磁场为主的响应以及使单一电场或者电场为主的响应。如图4所示，园形的环形天线31的响应具有好的磁场为主的灵敏度和差的电场为主灵敏度。是予期的，电场加磁场联合的灵敏度仅仅反应磁场为主的灵敏度也是予期的。可以发现末端馈电矩形环形天线的电场加磁场灵敏度比园形环形天线差3.5dB，而电场的结果是相似的。虽然磁场为主的灵敏度没有测量，电场加磁场的联合灵敏度的测量结果就表明磁场为主灵敏度是比较差的。这个结果应该是所予期的，因为，与相同面积的环形天线相比，矩形环路天线因导体的长度而具有较高的阻抗。通过比较，中央馈电矩形环形天线14提供了磁场加电场灵敏度比园形环形天线好0.5dB的结果，部分的原因是至没有介质芯子的情况下显著地增加了电场灵敏度。当与末端馈电矩形环形天线的结果相比，磁场为主的灵敏度的降低同样也是很小的，注意到这一点也是很重要的。
当介质芯子16放入导体14中时，如前所述，电偶极子效应能够最佳化。通过适当选择介质材料，中央馈电矩形环形天线的臂能够做成在280MHZ的二分之一波长工作的电偶极子，这个频率是本发明推荐的具体实现的工作频率。图5A到5C用表来表示由最佳电偶极子响应得到的总的灵敏度。为了测量电场加磁场的灵敏度和电场为主的灵敏度以及磁场为主的灵敏度，中央馈电矩形环形天线允许独立测量每个灵敏度的取向也示于图5。通过将天线10垂直地放入垂直极化电磁场中，磁偶极子和电偶极子都被定向以截取入射的电磁波。如图5A所示，展示了被测量的磁场加电场灵敏度，当芯子插入天线中时，有1dB的改进。如图5B所示，将天线10旋转90°即平行于磁场放置天线在电场为主的位置，结果是电场为主灵敏度大致有2.5dB的改近。将天线旋转到水平位置垂直于磁场，如图5C所示，测量磁场为主的灵敏度，如图中表示的，磁场为主的灵敏度在磁场灵敏度上仅仅只有0.5dB的减小。由于电偶极小效应的最佳化，电场和磁场灵敏度已经平衡了，并且总的电场加磁场灵敏度比相同面积的园形环形天线好1.5dB。
虽然本发明的具体实现叙述了一个具有边的纵横比为18∶1的天线，但是对于纵横比为10∶1成者更大也能得到相同的性能特性。然而，应该知道，纵横比越小，天线的断面就越厚。
虽然本发明的一个具体实现已经展示并描述过了，但是对于精于技艺的人们，进一步的修改和改进将会产生。凡是保留在这所披露和要求的基本原理中的所有修改都在本发明的范围和精神之中。
权利要求
1.用于薄的轻便通信接收机的一个天线包括一个做成单圈矩形环形天线的导体，单圈矩形环形天线具有第一组两个面对面互相平行的边，其中所说的第一组边显著地长于第二组边，所说的环形天线终止在连接接片，对称地位于所说的第一组边的中点左右，作为与接收机的连接；和一个插入所说的环形天线中并且充分地填满所说的环形天线的介质芯子。
2.按照权利要求1的天线其中所说的导体是平板金属。
3.按照权利要求2的天线其中所说的金属板是铍铜。
4.按照权利要求1的天线其中所说的介质芯子具有矩形截面垂直于所说的环形天线的平面。
5.按照权利要求4的天线其中所说的介质芯子的宽度至少是所说的导体宽度。
6.按照权利要求1的天线其中所说的介质芯子具有3到250的相对介电常数。
7.按照权利要求1的天线其中接收机工作在预定的工作频率上，其中所说的具有介质芯子的环形天线作为谐振在所说的予定的工作频率上的半波电偶极子工作的，所说的电偶极子对于所说的连接接片是对称的。
8.按照权利要求7的天线其中所说的予定的工作频率大于150MHZ。
9.按照权利要求1的天线其中所说的天线当它在入射的电磁波中工作时它具有一个主要的磁场响应垂直于要接收的入射电磁波。
10.按照权利要求1的天线其中所说的天线当它在入射的电磁波中工作时它具有一个主要的电场响应平行于要接收的入射电磁波。
11.按照权利要求1的天线其中所说的水平位置的边和所说的垂直放置的边之间的所说的纵横比至少是10∶1。
12.按照权利要求1的天线其中所说的天线调谐在中心频率在人体出现的时候是稳定的。
全文摘要
本文叙述了一个用于小的断面的轻便通信接收机的天线。该天线包括一个构成单圈环形天线的导体，此单圈环形天线具有第一组面对面互相平行的边和第二组面对面互相平行的边，第一组边显著地长于第二组边。环形天线终止于对第一组边的连接接片上，作为(3)与接收机的连接。一个介质芯子插入环形天线中，充分地填满环形天线。在环形天线中具有芯子后此环形天线作为半波电偶极子工作，因而提供了对电磁波的磁场和电场都敏感的天线。
文档编号H01Q1/24GK1037054SQ8910207
公开日1989年11月8日 申请日期1989年4月5日 优先权日1988年4月11日
发明者土安·K·恩古伊恩, 奎里诺·巴尔扎诺 申请人:莫托罗拉公司