CN1937317A - 多模及多频段的复合天线 - Google Patents

Abstract

本发明是一种多模及多频段的复合天线，设有一导电座，该导电座上设有非均匀绕线的一螺旋天线，又该导电座在该螺旋天线内设有一极子天线，该天线将可由该螺旋天线调谐到两个或两个以上的谐振频段，而由该极子天线调谐到不同于该螺旋天线的谐振频段，令该复合天线可调谐到三个或三个以上的谐振频段。

Description

多模及多频段的复合天线

技术领域

本发明有关于复合天线，尤指一种结合螺旋天线及极子天线在一导电座上，形成一多模及多频段的天线，令该天线可调谐到三个或三个以上的频段。

背景技术

近年来，由于电子产业的蓬勃发展，连带的使得各种携带式无线通讯产品(如：移动电话、个人数字助理器或无线网络电话...等)不断地推陈出新，并在这些携带式无线通讯产品上增加各种不同的功能，而这些携带式无线通讯产品为能使用各种不同的功能及无线通讯***，分别采用不同的频率，以目前而言，主要制式无线通讯***为全球移动通讯标准***(或称：泛欧数字移动电话***，英译：GlobalStandard for Mobile Communications，简称：GSM)和码分多址接入通讯***(CodeDivision Multiple Access，简称：CDMA)两大类，其中全球移动通讯标准***的频段主要分为850百万赫兹(MHz)、900MHz、1800MHz、1900MHz。而码分多址接入通讯***的频段采用的是的CDMA 800MHz、1900MHz。

此外，由于世界各国所采用的无线通讯***不同，因此若前往不同的国家，需要的手机也不同，例如：美国采用全球移动通讯标准***，其使用频段为850MHz/1900MHz，欧洲地区采用全球移动通讯标准***，其使用频段为900MHz/1800MHz，韩国采用码分多址接入通讯***，其使用频段为800MHz/1900MHz，澳洲采用全球移动通讯标准***，其使用频段为900MHz/1800MHz，东南亚地区采用全球移动通讯标准***，其使用频段为900MHz/1800MHz。

由上述可知，以往的单频手机已不敷使用，因此，有若干携带式无线通讯产品的制造商(如：摩托罗拉、诺基亚、索尼爱立信...等)，即已针对此一问题，开发出双频或三频的多模携带式无线通讯产品(如：三频手机)，以三频多模手机而言，就是手机支持900、1800、1900MHz及2.4GHz等频段，又可在全球移动通讯标准***、码分多址接入通讯***及无线网络中使用，或为能进一步使用在个人手机***(Personal Handy-phone System，简称：PHS)、蓝牙(BLUETOOTH)及全球定位***(GPS)...等无线通讯网络上，以免使用者在不同区域/国家间要不断地更换不同手机或其它携带式无线通讯严品。

而在双频或三频的多模携带式无线通讯产品中，为能接收到不同900、1800、1900MHz及2.4GHz等频段，其中最重要的部份，即是在双频或三频的多模携带式无线通讯产品的天线，例如美国“多频带非均匀螺旋天线”发明专利(美国专利第6112102号)，请参阅图1所示，是一螺旋天线1具有一第一部份10及一第二部份12，其中该第一部份10与第二部份12分别具有不同的倾斜角、线圈直径、长度、螺旋圈数及圈距，使得该第一部份10及第二部份12分别形成可接收两个或多个频段的螺旋天线1，而若将此种螺旋天线1运用在双频或三频的多模携带式无线通讯产品，藉由改变该螺旋天线1的倾斜角、线圈直径、长度、螺旋圈数及圈距等参数，即可轻易地完成谐振频率的调谐，用以接收来自各种不同的频段的无线讯号。

又，在名称为“通讯设备多频螺旋天线结构”之中国台湾发明专利(台湾公告第549621号)，认为美国“多频带非均匀螺旋天线”发明专利，其螺旋天线在加工过程中，将会影响原以设定完成的参数(如：倾斜角及圈距)，而会发生收发讯号不稳定的状况，或者是螺旋天线不易达到多频需求，因此，此一台湾专利案在螺旋天线的内部设有一定位件2，藉由该定位件2固定该螺旋天线1，并作为接收第三频段的天线(如图2所示)。

但，中国台湾的“通讯设备多频螺旋天线结构”的发明专利，利用该定位件作2为接收第三频段的天线的方式，是在该定位件2表面设有能与螺旋线圈进行匹配的金属微带线20，换言之，该定位件2为完成谐振频率的调谐，仍是取决于该螺旋天线1的各种参数，使得该金属微带线20设置的位置及其形状，将会受限于该螺旋天线1，使得该第三频段的设置，依然存在着加工上缺点，例如：该定位件2必须设置与线圈相配合的凹槽22，若该定位件2所设的凹槽22位置错误，将会造成该螺旋天线1及定位件2无法调谐到正确的接收及发射频段，又，凹槽22之大小必须配合螺旋天线1的线径，若凹槽22太大螺旋天线1无法固定在该凹槽22内，而若凹槽22太小则该螺旋天线1无法嵌入该凹槽22内。

发明内容

有鉴于前述的诸多缺点，发明人经过长久努力研究与实验，终于开发设计出本发明的一种多模及多频段的复合天线，以期藉由本发明的提出，能够对社会大众有所贡献。

本发明的一个目的在于，提供一种多模及多频段的复合天线，是在一导电座上设有非均匀绕线的一螺旋天线，及该导电座在该螺旋天线内设有一极子天线，而该螺旋天线及极子天线可藉由调整其物理性参数，该螺旋天线及极子天线分别可调谐到不同的谐振频段，令该复合天线共可调谐到三个或三个以上的谐振频段。

在本发明的另一个目的在于，该螺旋天线具有第一线圈部份及第二线圈部份，其中该第一线圈部份与第二线圈部份各具有不相同的物理性参数，使得该第一线圈部份及该第二线圈部份分别可调谐到不同的谐振频段，且该第一线圈部份及该第二线圈部份的谐振频段，不同于该极子天线的谐振频段。

在本发明的又一个目的在于，该极子天线可藉由调整其物理性参数，使其调谐到不同于该螺旋天线的谐振频段。

为便于对本发明的目的、技术特征及其功效，做更进一步的认识与了解，兹举实施例配合附图，详细说明如下：

附图说明

图1是已习知非均匀绕线的螺旋天线的示意图；

图2是已知非均匀绕线的螺旋天线与定位件的示意图；

图3是本发明的外观示意图；

图4是本发明的分解及等效电路示意图；

图5是本发明的一实施例的测试结果示意图。

具体实施方式

本发明是一种多模及多频段的复合天线，请参阅图3所示，设有一导电座3，该导电座3上设有非均匀绕线的一螺旋天线4，该螺旋天线4具有第一线圈部份40及第二线圈部份42，其中该第一线圈部份40与第二线圈部份42各具有不相同的物理性参数(如：天线的倾斜角、线圈直径、长度、螺旋圈数及圈距等)，使得该第一线圈部份40及该第二线圈部份42分别可调谐到不同的谐振频段，又，该导电座3在该螺旋天线4内侧设有一极子天线5，该极子天线5可藉由调整其物理性参数(如：天线的长度或线径等)，使得该极子天线5可调谐到不同于该螺旋天线4的谐振频段，如此，该复合天线6将可由该螺旋天线4调谐到两个或两个以上的谐振频段，而由该板子天线5调谐到不同于该螺旋天线4的谐振频段，令该复合天线6可调谐到三个或三个以上的谐振频段。

由上述可知，该复合天线6并未利用任何与习知定位件相同的组件，用来固定该螺旋天线4，其主因是如先前技术的说明，已知定位件在制作凹槽上所造成的限制，将造成已知定位件在加工及组装上的困扰，而若将已知定位件改为该极子天线5，则具有下列几项优点：

1、安装迅速方便，与螺旋天线4间不需任何的组配；

2、申请人经反复的实验后发现，螺旋天线4原以设定完成的参数(如：倾斜角及圈距)，以目前的加工技术而言，在加工过程中，并不会对螺旋天线4有太大的影响，除非是人工或意外碰撞，而导致螺旋天线4变形，然此种意外状况或恶意的损坏，并非专利申请时所仍预见的，换言之，已知定位件完全是一种非必要性的改良，而本发明利用极子天线5即可轻易的达到调谐到不同于螺旋天线4的谐振频段的目的；

3、已知定位件需设置微带天线，而需经过复杂的微带天线的制作程序，反观，极子天线5可藉由变更长度或线径，即可轻易的调谐到各种频段，将可节省制造时间及制作成本。

在本发明的另一较佳实施例中，请参阅图3所示，该螺旋天线4该第一线圈部份40的倾斜角θ1，小于该第二线圈部份42的倾斜角θ2，使得该第一线圈部份40的圈距S1，亦比该第二线圈部份42的圈距S2小，且该螺旋天线4的第一线圈部份40及一第二线圈部份42，分别可以近似地被视为N个平面圆环串接而成，即可看成是用环状天线组成的天线阵，而依前述第一线圈部份40及第二线圈部份42的形状，该螺旋天线4各螺旋线圈之间距成上密下疏状，也就是说有两种布阵方式，形成分别工作在两个频段的分布式电感性加载天线，其最基本特性决定于螺旋直径D与波长λ的比值(即D/λ)，两个波段的D/λ＜1.8，因此，亦可称为一种法向模态螺旋天线(Normal Mode Helix)，E面如图4所示，设D为螺旋的平均直径，S为螺距，h为轴向长度，l为每圈的平均长度，θ为螺旋角，N为圈数，A为小环面积(将每个螺旋圈看成一小环)，E面电场及方向系数如下：

$\left.\begin{array}{c}{l}^2=S^2+{\left(\mathrm{\πD}\right)}^2={\left(\frac{S}{\mathrm{Sin\θ}}\right)}^2\\ h=\mathrm{NS}\end{array}\right\}$

$E_{\mathrm{\θ}}=j\frac{60\mathrm{\πI}}{r}\frac{S}{\mathrm{\λ}}\mathrm{Sin\θ}$

又，该螺旋天线4可视为是由第一线圈部份40的4个螺旋圈(L1(第一线圈部份的每圈的平均长度)×N1；N1＝4)及第二线圈部份42的5个螺旋圈(L2(第二线圈部份的每圈的平均长度)×N2；N2＝5)组成一具有9个螺旋圈的第一合成单元C1，而第一线圈部份40与第二线圈部份42的总螺距的高度h(即S1×N1+S2×N2)，则组成具有4个螺旋圈的第二合成单元C2，该螺旋天线4利用该第一合成单元C1及第二合成单元C2被谐调到双频段，如此，这些螺旋线圈就有两种等效长度的天线，一是整个螺旋天线的螺旋线总长度(L1×N1+L2×N2)，另一个则是这些效导线的长度h(S1×N1+S2×N2))，每一种等效长度对应着一个工作频段，在本发明中，该螺旋天线4部分存在850-950MHz与1800-1900MHz两个谐振频段，四个谐振频点，如图5所示。每一个单元由又一个螺旋圈和一电基本振子构成。由于螺旋圈的直径很小，各合成单元上的电流可以认为是等幅同相的，又由理论和实验证明，沿螺旋圈的轴线方向的电流分布仍接近正弦分布，它是一种慢波结构，电磁波沿轴线传播的。

而在该实施例中，该极子天线5工作于工业科学医疗频段(Industrial，Scientific，Medical，ISM)24亿赫兹(2.4GHz)频段，如同立于一电路板(PCB)之上的1/4波长(λ)的单极子天线，其与电路板(PCB)形成半波振子，该极子天线5的E面电场、方向系数如下：

$E_{\mathrm{\θ}}=\underset{-1}{\overset{l}{\∫}}d{E}_{\mathrm{\θ}}=j\frac{60I_m}{r}\frac{\cos \left(\mathrm{kl}\cos \mathrm{\θ}\right)-\cos \mathrm{kl}}{\sin \mathrm{\θ}}{e}^{-\mathrm{jkr}}$

$\left|E_{\text{\θ}}\right|=\frac{\left|f\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}{\left|f_{\max }\right|}=\frac{1}{\left|f_{\max }\right|}\left|\frac{\cos (\mathrm{kl}\cos \mathrm{\θ}-\cos \mathrm{kl})}{\sin \mathrm{\θ}}\right|$

$\left|F\left(\mathrm{\θ}\right)\right|=\left|\frac{\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\cos \mathrm{\θ}\right)}{\sin \mathrm{\θ}}\right|$

其中Im为等效电流波腹处的电流，k为传播系数(Propagation Constant)，l为单极子的等效长度。此外，该极子天线5末端与一馈入端7相连接，该馈入端7与该极子天线5系形成一等效长度H(如：13.5mm)，而该馈入端7与该极子天线5将在这些效长度H，可被调谐到不同于该螺旋天线4的谐振频段。

此外，有关于本发明的非均匀绕线的一螺旋天线4，其可利用不同形状的第一线圈部份40的5个螺旋圈及第二线圈部份42被调谐各不相同的二个以上频段之技术特征(如：形状)，是在美国“多频带非均匀螺旋天线”发明专利(美国专利第6112102号)中有详尽的描述，故不另赘述，另，该复合天线6确可由该螺旋天线4与该极子天线5，而被调谐各不相同的三个以上频段，且可改进已知定位件所造成的缺点。

以上所述，仅为本发明最佳的一具体实施例，本发明的构造特征并不局限于此，任何熟悉本技术领域者在本发明领域内，可轻易思及的变化或修饰，皆可涵盖在以下本案的专利范围。

Claims (9)

1、一种多模及多频段的复合天线，包括：

一导电座；

非均匀绕线的一螺旋天线，设在该导电座上，该螺旋天线具有第一线圈部份及第二线圈部份，且该第一线圈部份与第二线圈部份各具有不相同的物理性参数，使得该第一线圈部份及该第二线圈部份分别可调谐到不同的谐振频段；

一极子天线，设在该导电座于该螺旋天线内的位置，该极子天线可藉由调整其物理性参数，使得该极子天线可调谐到不同于螺旋天线的谐振频段。

2、如权利要求1所述的复合天线，其特征在于，该螺旋天线的物理性参数，可为螺旋天线的螺旋圈的倾斜角、线圈直径、长度、螺旋圈数或圈距其中之一。

3、如权利要求1所述的复合天线，其特征在于，该极子天线的物理性参数，可为天线的长度或线径其中之一。

4、如权利要求1所述的复合天线，其特征在于，该螺旋天线该第一线圈部份的倾斜角，小于该第二线圈部份的倾斜角，使得该第一线圈部份的圈距，亦比该第二线圈部份的圈距小，且该螺旋天线的第一线圈部份及第二线圈部份，令该螺旋天线各螺旋线圈之间距成上密下疏状。

5、如权利要求4所述的复合天线，其特征在于，该螺旋天线最基本特性决定于螺旋直径D与波长λ的比值，两个波段的D/λ＜1.8，设D为螺旋的平均直径，S为螺距，h为轴向长度，l为每圈的平均长度，θ为螺旋角，N为圈数，则该螺旋天线的一电场及方向系数如下：

$\left.\begin{array}{c}{l}^2=S^2+{\left(\mathrm{\πD}\right)}^2={\left(\frac{S}{\mathrm{Sin\θ}}\right)}^2\\ h=\mathrm{NS}\end{array}\right\}$

$E_{\mathrm{\θ}}=j\frac{60\mathrm{\πI}}{r}\frac{S}{\mathrm{\λ}}\mathrm{Sin\θ}$

6、如权利要求4所述的复合天线，其特征在于，该螺旋天线由第一线圈部份的各螺旋圈及第二线圈部份的各螺旋圈组成第一合成单元，而第一线圈部份及第二线圈部份的各螺旋圈的圈距则组成第二合成单元，该螺旋天线系利用该第一合成单元及第二合成单元被谐调到二个不同的频段。

7、如权利要求6所述的复合天线，其特征在于，该螺旋天线由第一线圈部份具有5个螺旋圈，而该第二线圈部份具有4个螺旋圈。

8、如权利要求1所述的复合天线，其特征在于，该极子天线如同立于一电路板之上的1/4波长(λ)的单极子天线，其与电路板形成半波振子，该极子天线的一电场、方向系数为如下所示：

$E_{\mathrm{\θ}}=\underset{-\mathrm{l}}{\overset{\mathrm{l}}{\∫}}d{E}_{\mathrm{\θ}}=j\frac{{60I}_m}{r}\frac{\cos \left(\mathrm{kl}\cos \mathrm{\θ}\right)-\cos \mathrm{kl}}{\sin \mathrm{\θ}}{e}^{-\mathrm{jkr}}$

$\left|E_{\mathrm{\θ}}\right|=\frac{\left|f\right|\left(\mathrm{\θ}\right)}{\left|f_{\max }\right|}=\frac{1}{\left|f_{\max }\right|}\left|\frac{\cos (\mathrm{kl}\cos \mathrm{\θ}-\mathrm{coskl})}{\sin \mathrm{\θ}}\right|$

$\left|F\right(\mathrm{\θ}\left)\right|=\left|\frac{\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\cos \mathrm{\θ}\right)}{\sin \mathrm{\θ}}\right|$

其中Im为等效电流波腹处的电流，k为传播系数，l为单极子的等效长度。

9、如权利要求1所述的复合天线，其特征在于，该极子天线末端系与一馈入端相连接，该馈入端与该极子天线形成一等效长度，该馈入端与该极子天线将在这些效长度，可被调谐到不同于该螺旋天线的谐振频段。

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