CN101065883A - 四臂螺旋式天线 - Google Patents

Abstract

一种四臂螺旋式天线，包括具有不等长度并且相位正交信号在其上传播的两对丝状体。导电的H型阻抗匹配元件将源阻抗匹配到天线阻抗。阻抗匹配元件在其中心具有馈送端子，电流从该馈送端子提供到两个丝状体，每个丝状体对设置在阻抗匹配元件的边缘周围并且相对于阻抗匹配元件的中心对称。阻抗匹配元件还包括电抗元件，以匹配天线和源阻抗。

Description

四臂螺旋式天线

技术领域

本发明涉及在卫星通信链路中使用的天线，具体而言涉及在卫星通信链路中使用的四臂螺旋式天线(quadrifilar helical antenna，QHA)。

背景技术

螺旋天线包括以螺纹形式缠绕的一个或多个伸长的导电元件，以形成螺旋。该几何螺旋结构包括围绕直径为D的柱体以螺旋角P安排的长度为L的导电元件。螺旋角被定义为由与螺旋导体相切的线和垂直于螺旋轴的平面锁形成的角度。天线操作特性由螺旋几何属性、导电元件和馈送配置之间的数量和互连来确定。当在端部发射(endfire)或者向前辐射轴向模式下操作时，辐射图案包括单个大的图案旁瓣。辐射角确定旁瓣内最大强度的位置。低螺旋角的螺旋天线趋向于沿轴向具有最大的强度区域；对于较高螺旋角，最大强度区域是离轴的。

四臂螺旋式天线(QHA)用于以UHF、L和S频带操作的通信和导航接收器。具有有限带宽的谐振QHA也用于接收GPS信号。QHA具有相对小的尺寸、完美的圆形极化覆盖范围以及在大多数上半球视场上低的轴比。因为QHA是谐振天线，所以通常选择它的尺寸，以提供针对窄频带的最佳性能。C.C.Kilgus首先在“Resonant QuadrifilarHelix”，IEEE Transactions On Antennas and Propagation，卷AP-17，1969年五月，第349-351页描述了QHA。

一种现有技术的四臂螺旋式天线包括四个相等长度的丝状体(filar)，它们安装在直径大约为30mm的螺旋上，用于在大约1575MHz处操作。因为这些几何特征，该天线表现出大约50欧姆的驱动点阻抗，这适合于匹配到公共50欧姆特性阻抗的同轴电缆。以相位正交方式，即相邻丝状体之间90度的相位关系，对QHA的四个丝状体进行馈送。存在至少两个已知的现有技术用于四个相等长度的QHA丝状体的正交馈送。一个这种正交匹配结构采用集总或分布式分支线混合耦合器(BLHC)以及终止负载，以及两个集总或者分布式平衡-不平衡变换器。提供稍微较宽带宽的另一个技术使用三个分支线混合耦合器(接收输入信号并且向两个并联的BLHC提供输出信号的第一输入BLHC)，每个可利用终止负载来操作。四分之一波移相器提供第一BLHC和并联的BLHC中的一个之间的90度相移。

已知这些正交匹配技术(例如混合耦合器和平衡-不平衡变换器)不利地增加了安装天线的印刷电路板的尺寸。耦合器和平衡-不平衡变换器也增加了天线成本，并且与天线一起操作的每个附加部件强加了损耗和带宽限制。

现有技术中还已知构造包括具有不等长度的第一和第二丝状体(即长和短丝状体)的QHA。每个丝状体还包括第一和第二导电元件。第一丝状体包括具有连接到QHA的底部处的天线馈送端子的中心导体以及连接到天线接地端子的护罩(shield)的同轴电缆。第二丝状体包括导线。在QHA的顶端，同轴电缆护罩连接到第二丝状体的第一元件并且中心导体连接到第二丝状体的第二元件。在底端，同轴电缆中心导体(包括第一丝状体)连接到护罩并且第二丝状体的第一和第二元件连接在一起。

通常，QHA是不用接地层或地网的自足辐射结构。但是，当QHA安装为靠近无线电收发机手持设备时，该手持设备结构可以引入影响QHA辐射图案和阻抗的电磁波反射，很像接地层。例如，如果QHA发射右手圆形极化信号，当从导电表面反射时，信号被变换为左手圆形极化信号。显然，这种效果不利地影响了天线性能，并且如果通信系统采用双信号极化时可能会特别麻烦。

发明内容

在一个实施例中，本发明包括一种四臂螺旋式天线，进一步包括：第一串联的螺旋丝状体对，具有第一长度和第一和第二端；以及第二串联的螺旋丝状体对，具有不同于所述第一长度的第二长度，并且具有第三和第四端。所述天线还包括阻抗匹配元件，可导电地连接到所述第一、第二、第三和第四端，用于将天线负载阻抗匹配到源阻抗。

本发明还包括一种用于设计柱体形状的四臂螺旋式天线的方法，所述柱体至少具有预定高度和直径之一，该方法包括：确定第一丝状体环的长度，以提供具有实部分量和电感分量的阻抗；确定第二丝状体环的长度，以提供具有基本上等于所述第一丝状体环的实部分量的实部分量以及具有电容分量的阻抗，其中所述电感分量的大小基本上等于所述电容分量的大小；并且确定连接到所述第一和第二丝状体环的阻抗匹配元件，用于将天线阻抗匹配到源阻抗。

附图说明

通过如附图所示的本发明的以下更详细的描述，本发明的上述和其它特征将显而易见，其中，在全部附图中，相同的参考符号表示相同的部分。附图未按比例绘出，而是重点在于描述本发明的原理。

图1和2示出了根据本发明教导的QHA的不同视图。

图3示出了根据本发明教导的阻抗匹配元件，用于图1和2的QHA。

图4示出了根据本发明教导的阻抗匹配元件的另一个实施例。

图5示出了根据本发明的包括天线罩的QHA。

图6示出了根据本发明的QHA的另一个实施例。

图7示出了用于制造根据本发明的QHA的衬底。

图8示出了用于与图5的QHA一起使用的阻抗匹配元件的某些特征。

图9示出了本发明的QHA的一个实施例的上部区域。

图10示出了用于与QHA一起使用的衬底的另一个实施例。

图11示出了用于连接阻抗匹配元件和QHA的结构。

图12示出了用于本发明的QHA的另一个衬底实施例。

图13和14示出了用于形成图1的QHA天线的导电桥的衬底结构。

图15示出了与手持通信设备一起操作的QHA。

具体实施方式

在详细描述根据本发明的特定天线设备和用于制作该天线的方法之前，应当注意到，本发明在于硬件元件和处理步骤的新颖的和非显而易见的组合。因而，已经通过附图和说明书中的传统元件表示出了这些元件，其中不太详细描述本领域公知的传统的元件和方法步骤，但是详细地描述了与理解本发明有关的元件和步骤。

本发明涉及响应于向四个丝状体的每一个提供正交相关电流的信号源的天线，所述四个丝状体包括短的丝状体对和长的丝状体对。天线还采用简单、低成本、低损耗的匹配元件，该匹配元件利用由天线丝状体提供的圆形极化的增益。在一个实施例中，天线以相对小的物理封装提供有利的增益，与其它已知的天线比，在增益和尺寸方面接近最佳。在一个应用中，天线在用于与卫星进行通信的地基通信手持设备中提供期望的性能特征。

在一个实施例中，本发明的QHA操作在从2630到2655MHz的频带(即，大约1％的带宽)上。辐射图案支持右手圆形极化(RHCP)。在与顶点成大约45度的立体角内，增益大约是2.5dBrhcpi，即，相对于右手圆形极化各向同性天线高于2.5分贝。在顶点处的增益接近4.0dBrhcpi。在2630到2655MHz的频率范围上，驻波比(SWR)大约为1.5∶1。本发明的QHA或其派生实施例可以满足与地基通信设备一起使用的要求，所述地基通信设备用于向卫星发送信号或者从卫星接收信号，所述卫星例如为GPS卫星、韩国的卫星DMB系统和由XM无线电和Sirius操作的卫星商业无线电系统。

图1和2示出了根据本发明教导的QHA 10，包括从QHA 10的底部区域20延伸到顶部区域22的丝状绕线12、14、16和18，其中QHA 10通常为柱状。图1示出了QHA，其中由导电桥23电连接相对设置的丝状体12和16，以及由导电桥24电连接丝状体14和18。在丝状体12/16上传播的信号与在丝状体14/18上传播的信号相位正交，以产生期望的圆形信号极化。在优选实施例中，丝状体12、14、16和18每个包括导电元件，例如具有圆形或者矩形横截面的配线、或者导电线或者绝缘衬底上的迹线。

正如本领域已知的，在QHS的丝状体长度具有等于偶数个操作频率处的四分之一波长时，采用导电桥，而当丝状体长度包括奇数个四分之一波长时，通常不使用导电桥。在一个实施例中，每个导电桥23和24(也称作纵横开关)包括导电带条。

在图1和2的实施例中，四个丝状导体12、14、16和18以基本上均匀的螺旋图案从假想的柱体的底部区域20延伸到顶部区域22。在没有示出的另一个实施例中，一个或者多个丝状体以从底部区域20到顶部区域22的Z字图案或者蜿蜒图案围绕柱体设置。

在实现图1和2的结构并且用于2630到2655MHz频带的实施例中，柱体直径的范围为大约8mm到大约10mm。根据本发明构造的天线提供超过大约3.5dBrhcpi的峰值增益。在顶点处发生最大增益时，丝状体螺旋角大约为45度。可以通过使用大约60度的螺旋角来实现距顶点为45度立体角内的增加的增益。在另一个实施例中，螺旋角大约为75度，但是已经观察到：对于期望的应用，60度螺旋角在45度立体角内提供充足的增益。通常，降低螺旋角会增加顶点处的增益。利用60度螺旋角构造的天线呈现出比利用75度螺旋角构造的天线更短的轴向高度，这对于某些应用来说也是有利的。较高的螺旋角倾向于在较低的仰角处产生波束峰值，同时保持对所有方位角的峰值。另外，使用较高的螺旋角倾向于加宽带宽并且降低SWR。利用45度螺旋角构造的天线比利用60度螺旋角的QHA具有较窄的带宽和较高的SWR。用以实现满意的圆形极化的平衡和本质上谐振条件通常建议窄带天线。

对于在大约2642.5MHz下操作的接近四分之一波长天线结构，每个丝状体12、14、16和18的标称长度大约为25mm。对于二分之一波长QHA，标称丝状体长度大约为46mm。根据这些丝状体长度和大约60度的螺旋角，对于四分之一波长QHA，天线轴向高度大约为18mm，而对于二分之一波长QHA，天线轴向高度大约为39mm。在一个四分之一波长QHA的实施例中，天线包括大约16mm的直径。在一个二分之一波长的实施例中，丝状体结构直径大约为8.5mm。当射频连接器、天线罩外壳以及天线和连接器之间布置的短电缆完全组合时，总体尺寸是68mm的高度和12mm的直径。

与四分之波长QHA相比，二分之一波长QHA辐射图案呈现出更高的前向增益和辐射图案中较小的后瓣。在其它实施例中，根据本发明的教导，可以利用四分之三、四分之五波长QHA等。已经知道，较高分数的四分之一波长实施例提供波束峰值处的更高的增益，即，较窄的辐射图案、扩展的带宽和较高的前半球与后半球比。

在本发明的优选实施例中，修改QHA丝状体的长度以不同于标称长度。即，丝状体12、14、16和18包括第一长丝状体对或者环(例如丝状体12和16)和第二短丝状体对或者环(例如14和18)，其中相对于与天线的谐振频率有关的标称长度来度量长和短，即，对于在大约2642.5MHz下操作的四分之一波长天线，标称长度大约为25mm，包括导电桥23/24以及用于将天线阻抗匹配到馈送结构阻抗的馈送结构段的长度(其将在下面描述)，使得总长度限定了导电环的范围。两个丝状体对之间的长度差保持了在所述四个丝状体上传播的信号的相位正交关系。

在二分之一波长实施例中，长丝状体每个具有大约46mm的长度，以及短丝状体每个具有大约44.5mm的长度，其中，如下所述的，两个长度包括每个丝状体对的导电桥和馈送结构的导电段(用于将天线阻抗匹配到馈送结构阻抗，其将在下面描述)的长度，使得总长度限定了导电环的范围。

正如可以从图1中看出的，导电桥23和24的每一个连接相对设置的丝状体，其中由于丝状体的长度差而在其间存在空气间隙28。这样，空气间隙距离控制丝状体长度差。在另一个实施例中，通过形成具有不等长度的丝状体，例如通过对于两个丝状体对采用不同的螺旋角，来建立长度差。

在用于在大约2642.5MHz下操作的本发明的四分之一波长实施例中，长和短丝状体长度分别为大约23.325mm和大约21.075mm。

对于这类天线的新兴的应用，例如，诸如以下所述的手持设备的消费电子设备的消费营销考虑要求天线形成器的尺寸尽可能的最小。本发明的某些QHA实施例的尺寸由客户需要驱动，并且建议这些尺寸尽可能地接近能够提供期望辐射图案和带宽性能的最小尺寸。已经观察到，在较小尺寸时，天线元件趋向于自吸收辐射。

通信手持设备是QHA 10的一种应用。参考图1和2，射频连接器32提供到手持设备的接收和/发射元件的电连接。在发射模式下，将射频信号经由连接器32从手持设备内的发射元件提供到QHA 10。在接收模式下，将由QHA 10接收的射频信号经由连接器32提供给手持设备接收元件。正如以下进一步描述和示出的，QHA 10还包括天线罩，包括图1和2中所示的天线罩底座33。

本发明的天线可以被构造为具有在顶部区域22或底部区域20设置的天线信号馈送(例如以下描述的信号馈送)的天线。取决于天线是顶部馈送还是底部馈送，QHA 10呈现出不同的操作特性(包括辐射图案)。但是在任意一种情况下，在顶点的方向上辐射大部分能量。

如果天线信号馈送设置在底部区域20，则QHA操作在向前发射轴向模式，其中信号馈送直接连接到信号导体，例如50欧姆同轴电缆。

如果天线信号馈送设置为靠近顶部区域22，则QHA操作在向后发射轴向模式。在向后发射轴向模式QHA的一个实施例中，传输线连接到顶部区域22内的信号馈送结构中，并且延伸到底部区域20(以及在一个实施例中，延伸到底部区域20之下)，其中传输线连接到50欧姆同轴电缆。传输线可以操作为四分之一波长传输线变换器，以将在信号馈送处呈现的天线阻抗(也称为驱动点阻抗)匹配到同轴电缆的50欧姆特性阻抗。在某些应用中，底部馈送结构是优选的，因为它消除了对在顶部区域22和底部区域20之间延伸的传输线(或者传输线变换器)的需要。

像所有天线一样，本发明的QHA提供出了到馈送天线的传输线的驱动点阻抗(在它的信号馈送端子)。为了最佳功率传送，期望将天线驱动点阻抗匹配到传输线的特性阻抗，也称为源或者负载阻抗。当天线的电阻或者实部分量等于源阻抗并且电抗或者虚部分量大小相等而符号相反时，发生阻抗匹配。因为通常使用的传输线具有50欧姆的阻抗，所以期望将本发明的QHA构造为具有50欧姆阻抗或者可以方便地变换为50欧姆的阻抗，用于连接到50欧姆传输线。

如上所述，为了特定应用而使用的QHA驱动天线的操作和物理特性。为了实现这些特性，QHA提供相对窄直径的柱体，并且相对窄直径的柱体产生了低于50欧姆的驱动点阻抗，包括电感分量。已经发现，对于某些实施例，阻抗在大约3到15欧姆范围。对于所有四分之一波长的倍数，例如，，，，5/4、7/4等等，呈现相似的电感值。与通常考虑为对于与通信手持设备一起使用可接受的柱体直径相比，实现50欧姆天线驱动点阻抗需要更大的柱体直径。

根据本发明的教导，阻抗匹配元件48(见图3)将天线驱动点阻抗匹配到源阻抗。匹配元件48包括设置在绝缘衬底52上的“H形”的导电元件50，例如，导电元件50和绝缘衬底52包括其上具有导电图案的印刷电路板。阻抗匹配元件48还包括信号馈送端子54(靠近衬底52的中心，相对于衬底中心对称地朝向QHA的各个元件)。中心馈送阻抗匹配元件48克服了现有技术平衡-不平衡变换器的缺点，提供了匹配结构，该匹配结构可以与天线辐射元件物理地集成，以提供集成的辐射和阻抗匹配结构，用于结合到例如手持设备的通信设备中。

在所示的实施例中，从同轴电缆55来馈送QHA 10，同轴电缆55包括连接到电容器57的端子57A的中心导体56，并且还包括护罩58。电感器59连接在中心导体56和护罩58之间。在优选实施例中，电容器57具有大约1.8pF的值，电感器59具有大约2.2nH的值。当与还影响阻抗匹配的馈送和天线元件的结构特征相结合操作时，选择电容器和电感器的值，以提供期望的阻抗匹配。所示设置的电容器57和电感器59形成了(同轴电缆55)的源阻抗和QHA 10之间的两元件阻抗匹配。这样，通过电容器和电感器将天线的自然驱动点阻抗变换为大约50欧姆。

正如本领域技术人员所知道的，中心导体56的长度应当保持很短。本领域技术人员也知道，平衡-不平衡变换器连接在信号馈送端子54附近，以防止离群的射频场在护罩58中产生电流。

电容器57的端子57B经由导体70连接到阻抗匹配元件48的导电元件60。导电元件60可与导电盘61和62导电地连续。同轴电缆55的护罩58经由导电元件78连接到导电盘72和74。在一个实施例中，焊片可导电地将护罩58连接到导电元件78。丝状体12(长)、14(短)、16(长)和18(短)分别设置在开口72A、74A、60A和62A，正如定义在各个导电盘中并且从阻抗匹配元件48的平面垂直地延伸。电桥连接导电盘及其各个丝状体的焊片(solder filet，见图11)形成其间的导电连接。

为了形成阻抗匹配元件48，在一个实施例中，导电层设置在绝缘衬底53上，并且通过导电层的选择性去除蚀刻，形成导电盘61、62、72和74以及导电元件78。

注意，丝状体12和16(都是长的)相对于衬底52的中心相对地设置在螺旋上。类似地，丝状体14和18(都是短的)相对于衬底中心相对地设置。这样，阻抗匹配结构48的导电元件60连接长丝状体18和短丝状体16。类似地，导电元件78连接长丝状体12和短丝状体14。如上所述，导电桥23和24在丝状体的上端连接丝状体。

如上所示，阻抗匹配元件48可以设置在QHA 10的近端，或者QHA 10的远端。当放置在远端时，匹配元件48的物理特征(包括电容器和电感器的值)可以与上述不同。

由箭头100指示从护罩58通过导电元件78到导电盘72的示例性电流在阻抗匹配元件48中流动。电流流动继续通过长丝状体12、导电桥23以及长丝状体16(见图1)而到达导电盘61。箭头102示出了从导电盘61通过导电元件60和电容器57而到达中心导体56的电流流动。

类似地，由箭头58示出了从护罩58通过导电元件78到导电盘74的电流流动。电流流动继续通过短丝状体14、导电桥24和短丝状体18(见图1)而到达导电盘62。箭头106示出了从导电盘62经由导电元件60和电容器57而到达中心导体56的电流流动。

本领域技术人员都知道，可以使用各种射频连接器来代替图3中的同轴电缆55。例如，如图1、2和5的实施例所示的，连接器32连接到天线馈送端子。连接器32的端子与在图3中没有示出的信号电缆配对，所述信号电缆包括信号导体32和接地导体。信号导体可以用来代替同轴电缆55的中心导体56，以及接地导体代替护罩58。两者以类似于如上所述的同轴电缆55的连接方式连接到阻抗匹配元件48。

正如Kilgus讨论的，可以将QHA比作两个双臂螺旋天线。两个双丝状体的每一个被看作传输线，在一端几乎为短路(例如通过图1的导电桥23和24)，而在开端几乎为开路(例如在丝状体和馈送结构的连接处)。通过谨慎地调整每个双丝状体对的长度，使得在每对中的丝状体具有相对小的长度差，其中一对丝状体长于另一对丝状体，可以维持对于在丝状体上传播的信号的正交关系以产生期望的圆形极化的信号。较长的丝状体对趋向于是电感性的，而较短的对趋向于是电容性的。在一个实施例中，感抗大约相等并且相反于容抗，而在较短和较长丝状体对的每一个中的电阻大约等于丝状体对的各自的电感或电容。当从信号馈送端子54观察时，这些复共轭阻抗满足正交关系，并且产生期望的圆形极化信号。

考虑第一丝状体对(例如长丝状体12和16)，其相对地设置在阻抗匹配元件48上，并且可导电地连接到导电盘72和61。包括导电馈送结构和在螺旋顶部处的导电桥的丝状体对的标称长度接近操作频带的中心处的电性半波长(对于二分之一波长QHA)。根据已知的传输线理论，稍微长于二分之一波长的传输线具有感抗以及等效的串联电阻。稍微短于二分之一波长的传输线(例如包括丝状体14和18)具有容抗以及串联的等效电阻。

正如可以从已知的传输线以及相关电气工程原理确定的，当以正交方式(幅度正交和相位正交)向丝状体馈送时，发生优选的增益和圆形极化。

通过大约将丝状体延长高于标称长度，即高于操作频率的谐振长度，几个百分数来调整在没有第二丝状体对(即没有短丝状体14和18)情况下在信号馈送端子54处测量的针对第一或长双丝状体对的阻抗，以提供大约Zlong＝R+jX＝12.5+j12.5欧姆的阻抗。正如现有技术中已知的，还可以使用其它阻抗值来代替12.5欧姆，在此12.5欧姆仅仅用于示例性目的。第二丝状体对短于第一丝状体对，并且从而是电容性的，以及可以被缩短，以在没有第一丝状体对时在信号馈送端子54处提供大约(12.5-j12.5)的阻抗。呈现根据该关系(即相等的实部以及符号相反大小相等的虚部)的阻抗的丝状体提供了期望的圆形极化信号。

这样，根据本发明的教导，用于在足够的驻波比处获得足够增益的方法建议调整长丝状体对和短丝状体对的长度，注意，增益峰值和驻波比下降处，同时在第一和第二丝状体对之间建立复共轭关系。已经知道，基于现代计算机的天线仿真技术允许利用仿真的共轭匹配。在计算机仿真建议共轭匹配的属性之后，可以在测试天线中使用这些值，以验证期望的动作。

意识到第一和第二丝状体对是电平行结构，根据已知的叠加原理，在信号馈送端子54处的复阻抗被期望为大约12.5欧姆。但是，已经确定，对于具有大约8-10mm的螺旋半径的QHA，当两个丝状体对的复阻抗是具有电感分量的电阻性时，实现改进的操作特性(例如，前后比、驻波比、天线增益和辐射图案)。由阻抗匹配元件48的各个导电元件引起电感。电感的量与QHA的直径以及匹配元件48的导电元件的净等效直径成比例。

对于直径大约8.5mm螺旋角大约为60度的示例性QHA结构，净电抗在2642.5MHz处大约是1.6nH(j26)；对于大约12+j26欧姆的阻抗(Zdp)，电阻大约为12欧姆。注意，电抗分量大约是串联等效电阻的两倍。虽然实际的驱动点阻抗取决于天线直径和丝状体螺旋角，但是朝向大约两倍于电阻分量值的电感阻抗的趋势可以提供足够的天线增益和SWR，同时对丝状体之间的正交关系提供可接受的方案，使得辐射圆形极化信号。

已经发现，在比观察到最低SWR的频率稍微低的频率下，趋于发生峰值QHA增益。这样，根据一个实施例，QHA牺牲了一些增益，而实现了满意的SWR。但是，可以执行基于计算机的设计叠代，以调整丝状体尺寸，例如丝状体长度(短丝状体和长丝状体，或者两者任意一个)、丝状体横截面、柱体半径、丝状体螺旋角以及匹配分量值(即电容器57和电感器59)，以实现更大的峰值增益并具有更高的SWR。一旦确定了这些丝状体尺寸以及匹配分量值，基于此构造的天线呈现出合理的处理容差，以实现期望的性能。根据本发明的QHA的设计考虑了各种天线物理参数和期望的操作特性之间的关系。根据上述的一个实施例，优化天线物理参数，以呈现具有小于50欧姆的实部和正的电抗部分的天线驱动点阻抗(即串联等效阻抗)。在本发明的各个实施例中，由于阻抗匹配元件48的导电结构的电感引起的其余电抗分量与那些结构的长度成比例。通常，电抗分量大约为电阻分量的两倍，或者在20到40欧姆电抗范围。根据由发明人进行的调查显示，当提供实和电抗阻抗分量之间的该关系时，QHA呈现出期望的增益、带宽等参数。

根据一个应用，期望QHA具有相对小的柱体直径，用以与手持设备通信设备一起使用。天线特性阻抗与天线直径直接相关，即，直径越小，特性阻抗越低。减少直径还降低了谐振频率并减少了带宽。当与具有不等长度丝状体对的实施例相比，具有相同长度的第一和第二丝状体对的小直径QHA趋向于提供稍微较宽的带宽，以及稍微较高的峰值增益。但是，要求精细的正交馈送网络，例如在背景部分的上述分支线混合对，以驱动具有相同长度丝状体的QHA。与之相比较，根据本发明，通过使用与用于阻抗匹配的正交馈送网络一起操作的不同长度丝状体，可以实现足够的带宽和增益，阻抗匹配例如为阻抗匹配元件48(结合图3描述的)以及110(结合图4描述的)。

根据本发明的QHA的设计如下。天线直径通常由客户通过客户通信设备中的可用天线空间来规定，或者由其它商业考虑(例如用于从通信手持设备突出的期望尺寸)来规定。但是，应当意识到，存在直径和天线带宽之间的折中。例如，通过使用相同长度丝状体天线的通用分析，可以找到丝状体螺旋角。这样，确定螺旋角以实现期望的天线性能特性，特别是实现期望的辐射图案。

为了确定丝状体长度(而其又将确定用于阻抗匹配元件(即电容器57和电感器59)的值)，重复调整第一(例如长)和第二(例如短)丝状体对的长度以获得最佳增益，同时允许驱动点阻抗浮动。然后使用负载阻抗来计算电容器和电感器值，用于将天线负载阻抗变换到传输线的特性阻抗，例如对于图3的同轴电缆55的50欧姆。

根据另一个设计处理，使用长双丝状体环的标称尺寸设计测试天线，并且测量它的驱动点阻抗。例如，调整长度以将阻抗调谐到Zlong＝12.5+j12.5。另外，使用短双丝状体环的标称尺寸设计测试天线，并且测量它的驱动点阻抗。例如，调整长度以将阻抗调谐到Zshort＝12.5j12.5。叠加原理直接应用到长和短丝状体阻抗产生了12.5欧姆的Zdp(驱动点阻抗)。但是，如上所述，例如，阻抗匹配元件48的电抗元件向天线的驱动点阻抗贡献电抗分量。这样，不管丝状体的对称结构，当长和短丝状体围绕公共轴以及连接到其上的阻抗匹配元件缠绕时，天线驱动点阻抗是电感的，并且串联电阻稍微大于12.5欧姆。为了实现足够的辐射图案，调整丝状体长度以实现期望的增益，然后针对期望的带宽上的足够SWR来匹配Zdp。在其它实施例中，通过调整长和短丝状体环的长度的差值，即长度差，可以调整丝状体长度以实现在窄的带宽上较高的增益，或者在较宽的带宽上较低的增益。

虽然通过调整长和短丝状体对的长度实现了电阻与感抗之间的该比例是根据本发明的实施例的设计目标，但是，本发明的QHA并不局限于提供大约为电阻两倍的感抗的天线。在其它实施例中，例如，对于不同柱体直径和/或不同丝状体螺旋角的天线，可以观察到电阻分量和电感分量之间的不同关系。另外，在另一实施例中，复或者驱动点阻抗可以包括电容分量(即负的电抗值)，代替电感分量。

选择图3的阻抗匹配结构48的电容器57和电感器59以提供QHA的驱动点阻抗(例如15+30j)和连接到天线信号馈送端子54的同轴电缆55的50欧姆特性阻抗之间的阻抗匹配。正如现有技术中所公知的，在另一个实施例中，可以由用于执行阻抗匹配功能的分布式部件代替集总的电感器和电容器，例如由在衬底52上的交叉指型导电迹线形成的电容器或者由一个或者多个导电环或者线性导电段形式的导电迹线所形成的电感器。在另一个实施例中，源特性阻抗不是50欧姆，这样，选择电容器和电感器以匹配到该阻抗。

根据另一个实施例，可以使用从现有技术中已知的各种类型的平衡传输线中选择一个平衡传输线来代替同轴电缆55。平衡传输线的每个导体附着到导电盘，导电盘设置在印刷电路板的相对表面，例如图3的衬底52。使用传统的连接技术将每个盘进一步连接到图3的信号馈送端子54。

正如本领域技术人员意识到的，在另一个实施例中，可以对QHA10的部件使用不同的尺寸(例如，不同的直径、不同的丝状体长度或者不同的丝状体螺旋角)。这些参数可以改变第一和第二丝状体对和/或天线负载阻抗之间不同的长度，而这又改变电感器和/或电容器的值以将天线阻抗匹配到源阻抗。在一个实施例中，阻抗匹配可以要求仅仅一个分量(电感器或者电容器)。但是，如上述讨论的，为了优化天线操作特性，优选地，驱动点阻抗包括电抗分量。

为了实现最佳带宽、增益和正交信号分布(圆形极化信号所要求的)，期望长和短丝状体对具有大致相等的直径(或者对于具有正交横截面(即长度和宽度)的丝状体具有相等的横截面，例如包括绝缘衬底上的导电迹线的丝状体)。但是，可以提供稍微不同的直径，而不会很大地影响天线性能。相同直径导体的使用也简化了物理丝状体结构并且维持了天线对称。

在一个实施例中，QHA直径大约为8.5mm，这样天线周长大约为25mm。期望使用如实际的一样宽的导体以降低导体电阻(例如减少欧姆损耗)，这相应地趋向于(到一点)加宽天线带宽。还认识到，必须将丝状体分隔开足够距离以减少丝状体与丝状体的耦合和绝缘负载。在一个实施例中，通过将天线周长除以8并四舍五入到一个接近的整数值来确定丝状体的直径。这样，25mm周长产生大约3mm的丝状体直径。根据一个实施例，其中丝状体包括平板导体、半个导体，使用半绝缘关系来建立导体宽度。根据本发明的天线的若干实施例支持上述导体对绝缘体之比，虽然已经认识到其它实施例可以支持其它比率。正如本领域技术人员已知的，在执行这种QHA分析时，通过圆导体表示平板导体，其中圆导体的直径是平板导体宽度的二分之一。

在上面提出的一个实施例中，通过阻抗匹配元件48(具体地为电容器57和电感器59)将驱动点阻抗15+30j变换为50欧姆以匹配同轴电缆55的特性阻抗。根据另一个实施例，例如根据本发明的教导构造的天线的四分之一波版本，电容器和/或电感器将驱动点阻抗3+6j变换到大约12.5欧姆，以及四分之一波长变换器将12.5欧姆阻抗变换到50欧姆。根据以下等式，具有25欧姆特性阻抗(Z0)的四分之一波长传输线将12.5欧姆阻抗变换到50欧姆：Z0＝sqrt[(驱动点阻抗)×(源阻抗)]。

图4示出了阻抗匹配元件110的实施例，阻抗匹配元件110包括在信号馈送端子54处连接的四分之一波长传输线变换器112，用以将12.5欧姆阻抗匹配到50欧姆。传输线变换器112包括连接到导电元件50的臂120的导体118和连接到臂128的导体124。

正如本领域技术人员可以理解的，在一个实施例中，其中天线的物理参数建立大约12.5欧姆的纯阻性驱动点阻抗，阻抗匹配元件110足以将驱动点阻抗变换到50欧姆。不需要阻抗匹配元件48。

对于在天线连接的通信设备的用户处理期间避免天线破坏而言，天线罩是有利的。选择天线罩材料以针对天线的操作频率范围呈现出相对低的损耗。在设计QHA中，可以考虑天线罩的绝缘负载作用，以实现在期望谐振频率和期望带宽下的操作。图5示出了用于QHA10的合适的天线罩130。正如可以看到的，天线罩130与天线罩底座部件33A和33B配对，天线罩底座部件33A和33B围住QHA 10的下部区域20。

根据本发明的教导的另一个实施例由图6的QHA 140示出，包括导体142(通常具有50欧姆的特性阻抗)，导体142延伸在QHA 140的底部区域20内的导体32和阻抗匹配元件48之间。在其中导体32和QHA 140之间物理分离有利的应用中，这个实施例允许该分离。

为了保持尺寸控制，以及这样对于本发明的QHA的期望性能参数，建议稳定构造技术。图7示出了绝缘衬底160(在一个实施例中包括例如弹性膜的弹性材料)，衬底160具有在其上设置的四个导电元件162，每个导电元件具有长度11、12、13和14。在优选实施例中，11＝13，12＝14，以在长丝状体12和16(长度11＝13)和短丝状体14和18(长度12＝14)之间建立长度差。间隙距离“g”设置长度差。如果距离“g”太小，从每个丝状体对(即包括长丝状体12和16的第一对以及包括短丝状体14和18的第二对)产生的场部分地取消，并且由此减少了天线增益。如果距离“g”过大，则有害地影响圆形信号极化。

衬底160形成为柱状，使得导电元件162包括QHA的螺旋丝状体，并且使用粘合带条保持在柱状中，所述粘合带条桥接衬底160的相邻边缘。替代地或者附加到其上，通过形成在衬底中的槽163来捕获形成在衬底上的小片(tab)162，以保持柱状尺寸控制。

为了进一步维持尺寸控制，当衬底160形成为柱体时，形成在衬底160内的槽164与阻抗匹配元件169(如图8所示)上的相应小片168配对。如果槽164以不同于到边缘160A的直角的角度形成在衬底160中，并且相应的小片168形成在同一角度，则中空柱状衬底160可以定位在匹配元件169上方，并且旋转到“固定(seated)”位置上，使得槽164被小片168所接收。

图9示出了当形成为柱状时衬底160的上部区域，示出了由间隙距离“g”所建立的堞形上边缘160。

在图10的另一实施例中，衬底170包括小片171(代替衬底160中的槽164)，小片171由图4所示出的开口72A、74A、60A和62A所接收。图11示出了焊片172，焊片172导电地将每个丝状体连接到其相应的安装盘72、74、60和62中，以相对于阻抗匹配元件48或110提供实际的并且准确的衬底170的位置。在衬底170包括阻抗匹配元件48的实施例中，电容器57和电感器59设置在表面173上。

在图12所示的实施例中，绝缘衬底175(在一个实施例中包括诸如弹性膜的弹性材料)包括设置在其上的四个导电元件176A、176B、176C和176D，每个导电元件具有长度11、12、13和14，其中11＞13＞12＞14。这样，每个丝状体包括不同长度，以增加天线带宽，因为使得从每个丝状体辐射的场的消除最小化了。但是，由该实施例提供的辐射图案可能不是完全对称的。当QHA的尺寸有限并且从而带宽可能比所期望的(例如对于四分之一波长QHA)窄时，可以使用该实施例。

在另一个实施例中，由硬质柱体结构代替弹性膜，例如通过在柱体件的外表面印刷导电材料，或者通过采用去除蚀刻工艺从形成在外表面的导电层移去某些区域，使得剩余导电区域形成螺旋迹线，来在所述硬质柱体结构上设置形成螺旋迹线的导电条。

为了确保QHA的适当尺寸，在一个组装工艺中，衬底160围绕一个心轴缠绕，并且通过心轴保持为柱状。选择心轴的材料，以在天线的操作频率处呈现出低损耗，同时对于衬底160提供安装完整性和稳定性。心轴绝缘地装载天线，这趋向于降低天线的谐振频率。这样，当确定天线尺寸时，绝缘装载应当被考虑。在另一个实施例中，仅仅在组装工艺期间使用心轴，而在QHA制造完成后移去它。

在另一个实施例中，除了使用绝缘心轴形成螺旋结构以外，在由丝状体限定的柱体内部区域设置绝缘负载。在某些实施例中，这种负载对螺旋丝状体提供了附加的物理支持，并且调谐天线的谐振频率。可以减少QHA的一个或者多个物理尺寸，采用绝缘负载来在较小天线体积内实现期望的谐振频率。

在另一个实施例中，通过向QHA柱体的外表面增加一个或者多个绝缘条(见图6的绝缘条178)来调谐QHA的谐振频率。在制造之后的调谐可有利于克服最终天线结构中的尺寸变化。例如，可以将具有粘合表面的绝缘衬底(即，绝缘胶带)附着到QHA的外表面，以改变丝状体之间的电容并降低谐振频率。选择胶带材料宽度和/或长度，以提供期望的谐振频率偏移。已经发现，增加胶带并没有明显地增加天线性能损失。在一个实施例中，绝缘衬底包括聚酯材料。

在另一个实施例中，较长的双丝状体环呈现出大约50+50j欧姆的阻抗，而较短的双丝状体环呈现出大约50 50j欧姆的阻抗。发明人已经观察到，为了实现这些阻抗值，较长环的直径趋向于稍微小于较短环的直径。例如，如果丝状体具有相等的直径，则长丝状体提供大约53+j50的阻抗，而短丝状体提供大约50 j50的阻抗。减少长丝状体的直径将长丝状体阻抗降低到大约50+j50。但是本发明的教导明显地消除了对于这些直径复杂性的需要，因为根据本发明的教导，可以控制丝状体长度，以实现期望的阻抗值，以使用阻抗匹配元件匹配到驱动点阻抗。

在另一个实施例中，导电桥23和24被通常的圆形衬底180取代，圆形衬底180具有厚度d(见图13)，并具有设置在其相对表面180A和180B上的导电条182和184。导电条182和184的每一端电连接到丝状体12、14、16和18中的一个，在丝状体之间提供与导电桥23和24所提供的电连接相同的电连接。通过根据衬底180的尺寸而控制在天线上端处的丝状体之间的距离，衬底180的使用向QHA提供了附加的尺寸稳定性。在天线上端的尺寸变化导致了频率失调和/或增益降低。正如以上讨论的，距离d与长和短丝状体之间的长度差有关。

图14所示的实施例通常包括圆形衬底190和192，其间形成空气间隙194。分别设置在衬底190的上表面和衬底192的下表面的导电条182和184如上所述地电连接丝状体12、14、16和18。改变空气间隙194的高度来控制丝状体长度差。

图15示出了根据本发明的教导构造的QHA 219的两个应用。通信手持设备或者蜂窝电话220与QHA 219一起操作，用于发送和接收射频信号。图15B的实施例包括从安装有电话的连接器224延伸到QHA 219的导体222。已经发现，图15A的构造由于丝状体226和电话220(例如电话220中的印刷电路板)之间的干扰而降低了天线增益，其中图15A的构造中没有导体222并且QHA 219的丝状体226横向靠近电话220。图15B实施例的导体222通过延伸丝状体226超过电话220的上表面220A而避免该干扰。

虽然参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不偏离本发明的范围的情况下可以做出各种变化，并且等效的元件可以代替其中的元件。本发明的范围还包括在此阐述的各种实施例的元件的组合。另外，在不偏离本发明的基本范围的情况下，可以进行多种修改，以使特定情况适应于本发明的教导。因此，意图在于本发明并不局限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

工业应用性

根据上面所描述的本发明，可以提供与手持设备通信设备一起的四臂螺旋式天线(QHA)，以用于卫星通信链路。

Claims (60)

1、一种四臂螺旋式天线，包括：

第一串联的螺旋丝状体对，具有第一长度和第一和第二端；

第二串联的螺旋丝状体对，具有不同于所述第一长度的第二长度，并且具有第三和第四端；以及

阻抗匹配元件，可导电地连接到所述第一、第二、第三和第四端，用于将天线负载阻抗匹配到源阻抗。

2、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述天线负载阻抗包括电阻分量以及串联的正电抗分量。

3、根据权利要求2所述的四臂螺旋式天线，其中，所述电抗分量包括大小大约为所述电阻分量两倍的电抗分量。

4、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述源阻抗是50欧姆，并且所述天线阻抗的串联电阻分量小于所述源阻抗。

5、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一丝状体长度长于谐振频率下的谐振长度，而所述第二丝状体长度短于所述谐振频率下的所述谐振长度。

6、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述天线负载阻抗包括电阻分量和电感分量，并且其中，所述电阻分量和所述电感分量的大小对应于柱体的直径，所述第一和第二丝状体对设置在所述柱体上，并且其中，所述天线负载阻抗随着所述直径的减少而下降。

7、根据权利要求6所述的四臂螺旋式天线，其中，选择所述直径，以提供能够通过所述阻抗匹配元件转换为50欧姆的天线负载阻抗。

8、根据权利要求6所述的四臂螺旋式天线，其中，直径的范围包括大于大约5mm的直径。

9、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述阻抗匹配元件包括选自集总电容器和分布式电容器的电容器。

10、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述阻抗匹配元件包括选自集总电感器和分布式电感器的电感器。

11、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述阻抗匹配元件包括选自集总电容器和分布式电容器的电容器，以及选自集总电感器和分布式电感器的电感器。

12、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述阻抗匹配元件包括衬底，并且其中，相对于所述衬底的中心对称地设置所述第一丝状体对和第二丝状体对。

13、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述阻抗匹配元件包括平坦衬底，所述平坦衬底具有靠近其边缘设置的并且相对于所述衬底的中心对称的四个槽，并且其中，所述第一、第二、第三和第四端分别设置在所述四个槽中的一个中。

14、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一丝状体对包括由第一导电桥连接的第一和第二丝状体，所述第二丝状体对包括由第二导电桥连接的第三和第四丝状体，其中，所述第一和第二导电桥彼此绝缘，以及其中，所述第一、第二、第三和第四端连接到所述阻抗匹配元件。

15、根据权利要求14所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一导电桥和所述第二导电桥设置在绝缘衬底的相对表面。

16、根据权利要求15所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一和第二丝状体对设置在柱状的弹性衬底上，并且其中，所述绝缘衬底设置在所述柱体的第一端。

17、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述天线负载阻抗包括小于50欧姆的电阻分量和电抗分量。

18、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，信号导体提供信号给所述四臂螺旋式天线，并且其中，所述阻抗匹配元件包括与所述信号导体串联的电容器和与所述信号源并联的电感器。

19、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述阻抗匹配元件包括导电图案以及连接到其上的电抗部件，并且其中所述导电图案向所述天线负载阻抗提供电感分量。

20、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述阻抗匹配元件包括基本上为圆形的绝缘衬底，所述衬底具有导电迹线和设置在其上的一个或者多个电抗部件，并且其中，所述阻抗匹配元件设置在柱体的下端，所述第一和第二丝状体对围绕所述柱体设置。

21、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一丝状体对和第二丝状体对设置在围绕柱形衬底的螺旋间距图案中，并且相对于所述四臂螺旋式天线的轴对称。

22、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，对应于所述第一长度和所述第二长度呈现出预定的操作参数。

23、根据权利要求22所述的四臂螺旋式天线，其中，一个或者多个天线操作参数包括一个或者多个立体角和带宽上的增益。

24、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一丝状体对包括第一和第二导体，所述第一和第二导体分别具有设置在天线底座处并且螺旋地设置在天线顶端方向上的第一端，所述天线还包括连接靠近所述天线顶端的所述第一和第二导体的第一导电桥，并且其中，所述第二丝状体对包括第三和第四导体，所述第三和第四导体分别具有设置在天线底座处并且螺旋地设置在天线顶端方向上的第一端，所述天线还包括连接靠近所述天线顶端的所述第三和第四导体的第二导电桥。

25、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一、第二、第三和第四导体的螺旋角大约是60度。

26、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一、第二、第三和第四导体的螺旋角在大约60度和大约75度之间。

27、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，与所述第一长度不同的所述第二长度建立针对在所述第一和第二丝状体对上传播的信号的正交相位关系，以当所述天线操作在发射模式下时产生圆极化信号。

28、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一丝状体对呈现出第一电阻和感抗，所述第二丝状体对呈现出第二电阻和容抗，并且其中所述第一电阻基本上等于所述感抗的大小，所述第二电阻基本上等于所述容抗的大小，并且所述感抗的大小基本上等于所述容抗的大小。

29、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一丝状体对的长度长于天线谐振频率处的四分之一波长，所述第二丝状体对的长度短于所述谐振频率处的四分之一波长。

30、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一丝状体对的长度长于天线谐振频率处的二分之一波长，所述第二丝状体对的长度短于所述谐振频率处的二分之一波长。

31、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一丝状体对的长度长于天线谐振频率处的四分之一波长的整数倍，所述第二丝状体对的长度短于所述谐振频率处的四分之一波长的整数倍。

32、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一和第二丝状体对被螺旋地设置为柱体形状，并且其中所述第一和第二丝状体对与所述柱体的轴等距离。

33、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一丝状体对包括被螺旋地设置为柱形的第一和第二丝状体，并且其中，所述第二丝状体对包括被螺旋地设置为柱形的第三和第四丝状体，并且其中，所述第一、第二、第三和第四丝状体的每一个包括在所述柱形的上边缘处的开端，所述天线还包括电连接所述第一和第二丝状体的开端的第一导电条以及电连接所述第三和第四丝状体的开端的第二导电条，并且其中，所述第一和第二导电条之间的绝缘间隙与所述第一和第二丝状体对之间的长度差有关。

34、根据权利要求33所述的四臂螺旋式天线，其中，所述上边缘包括堞形边缘。

35、根据权利要求33所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一导电条形成在第一绝缘衬底上，所述第二导电条形成在与所述第一绝缘衬底隔开的第二绝缘衬底上，以在其间形成绝缘间隙，并且其中所述间隙的长度与所述长度差有关。

36、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一丝状体对包括第一和第二丝状体，并且其中所述第二丝状体对包括第三和第四丝状体，并且其中所述第一、第二、第三和第四丝状体的每一个具有不同的长度。

37、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一丝状体对包括第一和第二丝状体，并且其中所述第二丝状体对包括第三和第四丝状体，并且其中所述第一和第二丝状体的每一个具有第一长度，其中所述第三和第四丝状体的每一个具有不同于所述第一长度的第二长度。

38、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一和第二丝状体对被螺旋地设置在柱体表面上，所述天线还包括设置在所述柱形的表面上的一定长度的绝缘胶带，用于改变所述天线的谐振频率。

39、根据权利要求1所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一和第二丝状体对分别提供第一和第二阻抗，并且其中所述第一和第二阻抗是共轭对。

40、一种通信手持设备，包括外壳和四臂螺旋式天线，所述四臂螺旋式天线包括设置在柱体表面的多个丝状体，其中，所述天线安装在所述外壳的外部，并且其中所述丝状体的整个长度延伸超出所述外壳。

41、一种四臂螺旋式天线，包括：

第一丝状体对，具有第一长度；

第二丝状体对，具有不同于所述第一长度的第二长度；以及

H形阻抗匹配元件，其将电流从电流馈送点提供到所述第一和第二丝状体对的每一个的第一端，所述电流馈送点相对于所述H形阻抗匹配元件的近似中心对称地设置，其中所述H形阻抗匹配元件还包括电抗元件，用于将天线阻抗匹配到原阻抗。

42、根据权利要求41所述的四臂螺旋式天线，其中，所述H形阻抗匹配元件包括四个脚，并且其中，电流馈送点设置在每个脚的自由端，并且其中所述电抗元件包括电容元件和电感元件中的至少一个。

43、根据权利要求41所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一丝状体对的每一个包括由第一导电桥元件连接的第二端，并且其中所述第二丝状体对的每一个包括由第二导电桥连接的第二端。

44、根据权利要求41所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一和第二丝状体对设置在柱形的弹性衬底上。

45、根据权利要求41所述的四臂螺旋式天线，其中，所述H形阻抗匹配元件还包括其上设置有H形导电图案的衬底，并且其中，信号馈送端子设置在所述H形导电图案的近似中心处。

46、根据权利要求45所述的四臂螺旋式天线，其中，将电流从所述信号馈送端子提供到所述电流馈送点，并且其中，所述电抗元件包括与所述信号源串联的电容器和与所述信号源并联的电感器中的至少一个。

47、根据权利要求41所述的四臂螺旋式天线，其中，提供到所述第一和第二丝状体对的每一个的电流大致相等。

48、根据权利要求41所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一丝状体对中的电流与所述第二丝状体对中的电流为大致正交关系。

49、根据权利要求41所述的四臂螺旋式天线，其中，天线带宽和天线增益中的至少一个对应于所述第一和第二长度之间的差值。

50、根据权利要求41所述的四臂螺旋式天线，其中，所述第一丝状体对包括第一和第二导体，所述第一和第二导体的每一个螺旋定向在天线底座和天线顶端之间，并且其中，所述第二丝状体对包括第三和第四导体，所述第三和第四导体的每一个螺旋定向在所述天线底座和所述天线顶端之间，并且其中所述第一、第二、第三和第四导体以一螺旋角设置。

51、根据权利要求50所述的四臂螺旋式天线，其中，所述螺旋角包括大约60度的螺旋角。

52、一种四臂螺旋式天线，用于连接到具有第一和第二导电元件的馈送导体，所述天线包括：

第一丝状体对，具有第一长度，并且包括第一和第二丝状体，所述第一和第二丝状体的每一个螺旋定向在天线底座和天线顶端之间；

第二丝状体对，具有不同于所述第一长度的第二长度，并且包括第三和第四丝状体，所述第三和第四丝状体的每一个螺旋定向在所述天线底座和所述天线顶端之间；

支持导电的H形图案的衬底，用于在所述H形导电图案的每个脚的自由端容置所述第一、第二、第三和第四丝状体的每一个的第一端，其中，所述导电图案的第一元件连接所述第一和第三丝状体，所述导电图案的第二元件连接所述第二和第四丝状体；

第一电抗元件，用于在所述导电的H形图案的第一内部端子和所述第一导电元件之间进行连接；

其中，所述导电的H形图案还包括第二内部端子，用于连接到所述第二导电元件；

第二电抗元件，用于在所述第一和第二导电元件之间进行连接；

第一导电桥，用于连接靠近所述天线顶端的所述第一和第二丝状体的第二端；

第二导电桥，用于连接靠近所述天线顶端的所述第三和第四丝状体的第二端，其中，所述第一和第二导电桥隔开一定距离d，使得所述第一和第二丝状体对的长度差对应于所述距离d。

53、一种用于设计柱体形状的四臂螺旋式天线的方法，所述柱体至少具有预定高度和直径之一，该方法包括：

确定第一丝状体环的长度，以提供具有实部分量和电感分量的阻抗；

确定第二丝状体环的长度，以提供具有基本上等于所述第一丝状体环的实部分量的实部分量以及具有电容分量的阻抗，其中所述电感分量的大小基本上等于所述电容分量的大小；并且

确定连接到所述第一和第二丝状体环的阻抗匹配元件，用于将天线阻抗匹配到源阻抗。

54、根据权利要求53所述的方法，其中，确定所述阻抗匹配元件的步骤还包括确定电感和电容中的至少一个，用于将所述天线阻抗匹配到所述源阻抗。

55、根据权利要求54所述的方法，其中，所述源阻抗包括标称50欧姆阻抗。

56、根据权利要求53所述的方法，还包括确定所述第一和第二丝状体环的螺旋角。

57、根据权利要求53所述的方法，还包括调整所述第一丝状体环和所述第二丝状体环的长度，以实现期望的天线增益和带宽操作参数，其中所述增益和所述带宽反向相关。

58、根据权利要求53所述的方法，其中，确定所述阻抗匹配元件的步骤还包括确定所述阻抗匹配元件的电感器和电容器中的至少一个的值。

59、根据权利要求53所述的方法，其中，确定所述第一丝状体环的长度的步骤包括确定基本上等于所述电感分量的大小的所述第一丝状体环阻抗的实部分量。

60、根据权利要求53所述的方法，其中，确定所述第二丝状体环的长度的步骤包括确定基本上等于所述电容分量的大小的所述第二丝状体环阻抗的实部分量。

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