专利名称：具有电介质的自定相天线单元及有关的方法
技术领域：
本发明涉及天线单元，具体涉及利用电介质的自定相的(SelfPhased)天线单元。
许多天线都具有由臂对组成的天线单元。在交叉环或四线(quadrifilar)螺旋天线单元中，一对臂形成一个环，且两个环成90度交叉。已知的四线螺旋天线通常具有两个不同长度的交叉环。将两个环扭转，形成四分之一波长螺旋形，半波长螺旋形、四分之三波长螺旋形或全波长螺旋形。产生圆极化辐射场型的它臂式结构也包括在本领域内。
当天线为自定相时，四线螺旋天线的两个环以圆极波辐射。在本领域中，当两个环的一个环相对于所需要的谐振频率是较大时，四线螺旋天线或交叉环天线是自定相的。较大的环呈容性，并具有一个正的虚数分量；而较小环呈感性，并具有一个负的虚数分量。在理想条件下，当天线为自定相时，容性和感性两分量(虚数分量)相抵消，而天线呈纯阻性。为此，这种自定相天线可以在两个环中得到正交的或有90度相位差的电流，从而其内产生自定相和圆极化的电流关系。
四线螺旋天线单元和交叉环天线单元存在的一个问题是，两个正交环被设计得可使天线单元在一个方向上要比在另一个方向上宽些。天线单元在一个方向上比另一个方向上宽些的原因是因为一个环比另一个环大些。最好的情况是，天线单元的形状尽量窄，尽量细。通常较大环使得天线宽度在一个方向上比另一方向约大百分之十五。这样一个较大的环使得交叉环天线或四线螺旋天线的截面成为椭圆截面，而不是较小和更美观的圆截面。本发明通过提供了一个理想圆形的较小截面，使天线尺寸减小了。
在本技术领域内，通过使整个天线尺寸变窄或缩短，已使天线尺寸减小了。一种情况是，可以尝试减小四线螺旋天线两个环各自的尺寸，以使两个环具有相同的尺寸。然而，在天线内改变各臂的尺寸会使其增益图型变差。通过减小天线的尺寸来产生一种较小的天线还会使天线增益降低几分贝或更多分贝。在诸如低功率的用于与非同步卫星相通信的便携式卫星收发信机之类的通信装置中，均匀的低损耗天线的增益图型是重要的。尺寸小，尤其直径小，对改善便携性和用户满意性也是希望的。本发明在减小天线尺寸的同时保持希望的天线增益图形，而不使已知的交叉环或四线螺旋天线成为椭圆形截面，这在以前是不可能的。
具有多臂的天线难以制造得很准确。在制造过程中，当将各臂焊接起来形成天线单元时，需要特殊的固定夹具。各臂须有准确的尺寸，以提供理想的天线增益图型，并具有最小的损耗。还需要有提高多臂天线准确度的技术。在多臂天线装配过程中，还需要减小或消除特殊的固定夹具的技术。
图1示出本发明的具有电介质的四线螺旋天线单元的透视图；图2示出本发明的具有电介质的四线螺旋天线单元的侧视图；
图3示出根据本发明图2的具有电介质的四线螺旋天线单元的截面图；图4示出根据本发明用以将具有电介质的天线单元罩住的一个罩子；图5-7示出根据本发明的用以将天线罩住的另一实施例；及图8示出根据本发明的具有电介质的交叉环天线的透视图；图1示出根据本发明的具有电介质的四线螺旋天线单元的透视图。四线螺旋天线单元具有四个臂110、120、130和140。第一对臂110和120形成第一环；第二对臂130和140形成第二环；在邻近四线螺旋天线的两个环之一的二臂处设有电介质150和160。电介质150和160最好成形为轴瓦形状(collar)的部件以封装该环的一个臂。该轴瓦状部件可以完全封装一个臂，并形成一个袖筒，最好是部分地封装该臂，当电介质轴瓦状部件部分地封装该臂时，最好使电介质材料面对环的内侧，如图所示。当电介质材料面对该环的内侧时，可以进一步减小天线外部尺寸，同时提供天线单元的较小截面尺寸。
电介质的尺寸诸如长度、厚度、宽度和包绕量会影响相应的环或臂中的电流定相。此外，电介质材料的类型最好是通常用于注模工艺过程的电介质材料。电介质材料的类型也会影响相应的环或臂中的电流定相。电介质部件的数量同样会影响相应的环或臂中的电流定相。如果不采用注模工艺过程来形成电介质部件，则公知的其它材料也能够产生合适的电介质特性。
在制造或装配天线单元过程中，图1轴瓦状件的电介质只能沿臂滑上和滑下，稍微地调整相应臂中的电流定相。尽管不是优选的。但在制选过程中可以缩短选下的电介质材料的长度来调整电流定相。本发明除减小天线的尺寸和截面直径外，还提供了一种简单的用于调谐天线的机构。
尽管只用一个邻近一个天线臂的电介质部件便能使天线单元能够自定相，并减小天线尺寸，但最好是将两个电介质轴瓦状件150和160分别地安置在两个臂上。采用两个电介质轴瓦状件安置在两个臂上，支撑(truss)件170可用以在轴瓦状件150和160之间支持臂130和140。通过支撑件170的支撑来吸收两臂之间的压缩力。两臂间的支撑也可以采用多个支撑件170或连续的电介质件。借助使用两臂间的支撑件170，该支撑件在焊接过程中支撑两上臂，因而在装配过程中可以不使用保持两臂位置的特殊固定件。
根据本发明的四线螺旋天线单元或交叉环天线单元具有两个相同尺寸的交叉环。当两个相同尺寸的环中的一个具有电介质材料时，它对另一环而言呈感性。因此，在没有电介质的条件下，两个环均呈容性，增加了电介质的一个环变为感性。当沿适当的位置增加适当类型和数量的电介质后，容性和感性分量便会抵消，天线单元呈现纯阻性，借此，天线单元在谐振频率上实现了自定相。
图2示出根据本发明的四线螺旋天线的侧视图。馈线280最好是半刚性的同轴传输线，其内导体由外导体铜管所屏蔽。馈线280通过天线的一个臂延伸到四线螺旋天线顶部290的激励馈电点。在激励馈电点上，馈电电流会从同轴电缆或同轴管发出，并进入各臂的外导电表面。激励馈电点也可以变为底部295。耦合接头297用来连接馈线280。可以选择不同的耦合方式和不同长度的馈线280而不影响天线单元的辐射特性或增益图型。四线螺旋或交叉环天线的总结构是本领域技术人员公知的。
图3示出图2的四线螺旋天线的截面图。在图3中，示出了扭转臂310、320、330和340的俯视图。部分地包绕的电介质轴瓦状件350和360由支撑件370支撑。还表示出了耦合接头397。
图4示出根据本发明的将具有电介质的天线单元罩住的罩子410，罩子410遮盖天线的外表面，在物理上安放精巧的天线臂结构。为减小天线的截面尺寸，罩子410具有尽可能小的直径。罩子最好采用特性硬而轻的一类材料制作。
图5-7示出根据本发明的将具有电介质的天线单元罩住的一个替代性实施例图。替之以各臂的有支撑电介质部件的是罩子自身也支撑着电介质部件。电介质部件520、530、540和550最好注模在罩子的两个侧面513和515上。在一个实施例中，罩子具有两个侧面513和515。使罩子分为两个侧面513和515便于将天线单元组装在罩子内在电介质部件520、530、540和550之间。为了由罩子支撑电介质部件，电介质部件最好注模在与罩子材料相同的材料中。电介质部件520、530、540和550除了图示的正方形以外，可以具有不同的形状，以便于实际生产制造。
电介质轴瓦状件150和160或电介质部件520、530、540和550最好与各臂接触，以在机械上支撑天线单元。然而，电介质轴瓦状件150和160或电介质部件520、530、540和550也可以是邻近天线单元而不接触各臂。电介质邻近各臂而不接触仍然会使天线单元自定相，但避免了机械上支撑的优点。
图8示出根据本发明的具有电介质的交叉环天线单元的透视图。交叉环天线除了两个环不扭转以外，结构上与四线螺旋天线类似。交叉环天线单元具有四个臂610、620、630和640。第一对臂610和620形成第一环；第二对臂630和640形成第二环。电介质650和660提供邻近两环中一个环的两臂。
尽管上文描述和
了本发明，但十分清楚，这种描述只是举例，对于那些本领域的技术人员可在不背离本发明的实质和范围的前提下进行大量的变更和修改。尽管上述附图表示的一个天线单元，但也可在一个天线中实施一个天线阵。本发明不限于诸如无线电话机和寻呼机之类的便携无线电电子装置，而且还可以用于诸如陆地电台、固定卫星电话小站及航空和航海电台之类的其它装置。此外，本发明的原理适用于卫星及地面通信系统。
权利要求
1.一种自定相天线单元，其特征在于，用于收发具有谐振频率的信号，所说的天线包括有至少两对天线臂，可操作激励馈电点相连接，并以相互交叉的关系安置；及至少一个电介质部件，其位置邻近至少一个个天线臂，所说的电介质部件具有选定的特性，以使所说的臂对在谐振频率上得到相互自定相的关系。
2.根据权利要求1的天线单元，其特征在于，当各臂电流的相位为相互等间隔时，所述的自定相关系发生。
3.根据权利要求1的天线单元，其特征在于，所说的电介质部件为具有特性的一种材料类型和尺寸，该特性可在谐振频率上具有自定相的关系。
4.根据权利要求1的天线单元，其特征在于，所说的电介质部件包括一个轴瓦状件。
5.根据权利要求1的天线单元，其特征在于，所说的臂对形成一个环，其中所说的电介质部件由至少一个部分封装的轴瓦状件形成的，它面向环的内侧。
6.根据权利要求1的天线单元，其特征在于，所说的臂对形成一个环，及所说的电介质部件包括有第一部分封装的轴瓦状件，它邻近该环的第一臂对，面向该环的内侧；及第二部分封装的轴瓦状件，它邻近该环的第二臂对，面向该环的内侧；及一个支撑件，它安置在所说的第一轴瓦状件和所说的第二轴瓦状件之间，提供支撑作用。
7.根据权利要求1的天线单元，其特征在于，所说的天线单元还包括一个罩子，它安置在所说的至少两个臂对的外周上，及其中所说的电介质部件位于所说的罩子的内表面上。
8.根据权利要求7的天线单元，其特征在于，所说的电介质部件在罩子内在其内表面整体地成型。
9.一种用以制作自定相天线单元的方法，该天线单元具有至少两个臂对，可操作地在激励馈电点相连接，两臂对相互交叉的关系安置，收发具有谐振频率的信号，其特征在于，所说的方法包括以下步骤(a)将至少一个电介质部件安置在邻近天线单元的至少一个臂的位置上；及(b)调整至少一个电介质部件相对于有关的臂整的位置，使天线单元的两臂对在谐振频率上得到相互自定相的关系。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，所说的步骤(b)的调整还包括分步骤(b1)，即沿至少一个臂的长度滑动电介质部件，以调整位置，并产生自定相关系。
全文摘要
具有两个交叉关系的臂对(110、120、130、140)的自定相天线收发谐振频率的信号。电介质(150、160)邻近臂(130、140)安置以在臂(110、120、130、140)中在谐振频率得到自定相关系。各臂可以形成交叉环或诸如四线螺旋天线单元之类的扭转交叉环。电介质轴瓦状件在同一环的两臂上使臂电流相互成等间隔的。当在某个臂上用了电介质时可减小天线尺寸，并使天线单元的横截面呈现圆形而不使天线增益图形变差。
文档编号H01Q9/27GK1134611SQ9610297
公开日1996年10月30日 申请日期1996年3月28日 优先权日1995年3月31日
发明者凯文·米切尔·瑟尔, 德威特·戴维德·沃尔瑟 申请人:摩托罗拉公司