專利名稱：反繞螺旋線天線的制作方法
本申請要求1998年4月6日申請的、序列號為60/080，781的在先美國臨時申請的權(quán)益。
本發(fā)明涉及1995年8月14日申請的、美國專利申請序列號為08/514，609的，標(biāo)題為“反繞環(huán)形螺旋線天線”的現(xiàn)在為第5，743，353號美國專利的主題，該專利結(jié)合于此作為參考。
本發(fā)明一般涉及用于發(fā)射和接收電磁輻射的天線，更具體地講，涉及反繞螺旋線天線。
申請序列號為08/514，609的′609申請披露了一種電的小型反繞環(huán)形螺旋線天線(CTHA)，其包括一個帶有相互重疊的反繞關(guān)系的兩個長度部分的單一導(dǎo)體。在各長度部分中的電流以相反的圓周方向繞環(huán)形流動，因而繞環(huán)形的凈圓周電流實際上為零。但是，由于反繞螺旋關(guān)系，在每個環(huán)形螺旋線長度部分中的各自的電流分量產(chǎn)生的相關(guān)的圓周磁流分量增強(qiáng)，因而產(chǎn)生的輻射圖形和與螺旋線結(jié)構(gòu)的主軸重合并且同心的電偶極子的圖形相同。也就是說，產(chǎn)生的輻射圖形在平行于環(huán)形主軸的方向上是強(qiáng)線性極化的。根據(jù)該天線的構(gòu)造，特別是基礎(chǔ)螺旋線形狀的寬高比和螺旋線的匝數(shù)，也可能存在其它極化分量。
結(jié)合于此作為參考的′609申請披露了一個用于以實線或虛線代表廣義螺旋線和廣義環(huán)形螺旋線繞組的圖示符號體系，前者代表左旋螺距方向，后者代表右旋螺距方向，其中對于右旋螺距方向螺旋線結(jié)構(gòu)，相關(guān)的磁流軸向方向和相關(guān)的電流的投影軸向方向是相同的，對于左旋螺距方向螺旋線結(jié)構(gòu)，是相反的。可以使一個電磁天線的輻射圖形與該天線產(chǎn)生有效電和磁流分布相關(guān)。例如，一個不帶相關(guān)電流的磁流的均勻環(huán)相當(dāng)于一個電偶極子天線的輻射電磁場分布。此外，不帶相關(guān)磁流的電流的均勻環(huán)近似于一個“史密斯—苜蓿葉形(Smith-Cloverleaf)”天線的輻射圖形。一個特定流分布集的輻射圖形可以通過模擬或測量方法確定。
在一個示例性的操作模式中，使天線以一種頻率操作，從而使天線的圓周長度為一個電波長的一半。反繞螺旋線結(jié)構(gòu)的慢波特性使得對應(yīng)的物理長度短于根據(jù)相關(guān)速度因數(shù)的自由空間波長，相關(guān)速度因數(shù)取決于相關(guān)的基礎(chǔ)螺旋線結(jié)構(gòu)幾何形狀。
上述反繞環(huán)形螺旋線天線的一個限制是天線的帶寬是大約10％。因此，對于需要較大帶寬的寬帶應(yīng)用，需要多個反繞環(huán)形螺旋線天線，其中以適當(dāng)?shù)姆绞绞垢魈炀€的諧振頻率相互隔離，從而使得對于一個在相關(guān)頻帶內(nèi)的給定操作頻率，在相關(guān)的阻抗匹配網(wǎng)的發(fā)射線路一側(cè)的多個天線中的具有VSWR的一個天線能夠用于發(fā)射或接收給定信號。因此，如′609申請的圖76中所示，可以用一個多路復(fù)用器將一個寬帶信號發(fā)向適當(dāng)?shù)奶炀€或從適當(dāng)?shù)奶炀€提取。在另一個實施例中，可以將獨立的收發(fā)信機(jī)適配到每個天線單元。在再一個實施例中，可以把一個多路復(fù)用器用于連接發(fā)射機(jī)和多個天線單元，并且可以將獨立的接收機(jī)操作地耦合到每個天線單元，組合其輸出以便形成復(fù)合接收信號。
如上述參考圖76中所示，將各獨立天線單元繞一共同中心軸同心地同位設(shè)置。這具有為產(chǎn)生的發(fā)射波提供相對于共同軸的相位對稱的優(yōu)點。但是，這種安排的一個問題在于，不在一個或多個阻抗匹配網(wǎng)與一個共同信號端口之間插入發(fā)射線路片段，就不能使各阻抗匹配網(wǎng)的發(fā)射線路一側(cè)互連到該共同信號端口，因為天線單元之間是物理隔離的。這些發(fā)射線路片段在信號中引入了相位延遲，相位延遲是頻率的函數(shù)，其預(yù)防了各阻抗匹配網(wǎng)的發(fā)射線路一側(cè)的直接互連，以便在共用信號端口取得自然寬帶操作。
上述反繞環(huán)形螺旋線天線的另一個限制在于，天線輸入阻抗一般與典型的發(fā)射線路的特征阻抗顯著不同，因此在信號連接器中需要使用相關(guān)的阻抗匹配網(wǎng)。更具體地講，對于一個相對較寬的帶寬諧振條件，天線的輸入阻抗一般為1至3KΩ。作為對比，典型的發(fā)射線路具有50-300Ω的阻抗。
本發(fā)明通過提供了一種成形的磁偶極子天線以由每個相關(guān)的磁偶極子單元產(chǎn)生磁流的均勻定向環(huán)流，因此造成與′609申請的反繞環(huán)形螺旋線天線相同的輻射圖形，而克服了上述問題。在一個基本實施例中，磁偶極子天線是反對稱形的，例如，“S”或“Z”形的，其中各磁偶極子單元上的磁流每個相對于磁偶極子天線的中心指向同一方向。在另一個基本實施例中，磁偶極子天線是對稱形的，例如，圓形的，其中各磁偶極子單元上的磁流每個相對于磁偶極子天線的中心對準(zhǔn)相反的方向。在再一個基本實施例中，一個磁單極天線包括一個設(shè)置的單一磁偶極子單元，以便產(chǎn)生一個磁流的環(huán)流。
磁偶極子單元包括各種反繞螺旋結(jié)構(gòu)，并聯(lián)/傳輸線饋送的或串聯(lián)/環(huán)路饋送的；電開路的或電閉路的。
可以在一個磁偶極子天線系統(tǒng)中組合多個基本磁偶極子天線單元。如果把多個基本磁偶極子天線單元中的每一個調(diào)諧到同一操作頻率，并且其特征在于在操作頻率有較高的輸入阻抗，那么其組合提供了更易于匹配于發(fā)送線路的較低的復(fù)合輸入阻抗。如果把多個基本磁偶極子天線單元中的每一個調(diào)諧到不同操作頻率，并且其特征在于在操作頻率有較高的輸入阻抗，那么其組合提供了能夠容易地適配于一個單一信號端口的相對寬的帶寬的天線。
因此，本發(fā)明的一個目的是要提供一種產(chǎn)生一個磁流的環(huán)流的改進(jìn)的磁性天線。
本發(fā)明的另一個目的是要提供一種沿磁環(huán)流方向極化的相對小的低矮天線。
本發(fā)明的再一個目的是要提供一種改進(jìn)的反繞螺旋線天線，其具有接近與慣用發(fā)送線路的阻抗的相關(guān)輸入阻抗。
本發(fā)明的再一個目的是要提供一種改進(jìn)的寬帶反繞環(huán)形螺旋線天線系統(tǒng)。
在參考附圖閱讀了以下優(yōu)選實施例的詳細(xì)說明，并根據(jù)附屬權(quán)利要求的觀點，可以對本發(fā)明的這些和其它目的，特征和優(yōu)點有更充分的理解。


圖1是根據(jù)′609申請的一個反繞環(huán)形螺旋線天線的示意圖；圖2是作為一個磁環(huán)天線的圖1的實施例的示意代表；圖3是包括一個反對稱磁偶極子天線的本發(fā)明的第一基本實施例的示意代表；圖4a示出了沿一直線投影的圖3的實施例；圖4b示出了在信號相位相對于圖4a的相位反轉(zhuǎn)的時間點的圖4a的實施例；圖5a是根據(jù)圖3，4a和4b實施例的反繞螺旋線單元的示意代表；圖5b是作為兩個螺旋線偶極子單元的組合的圖5a的實施例的等價示意代表；圖6是一個根據(jù)圖3，4a和4b的實施例的另一個反繞螺旋線單元的示意代表；圖7a是在一階諧振條件下的圖5a和5b的實施例在一給定時間點的電流分布的代表；圖7b是在一階諧振條件的圖5a和5b的實施例在一給定時間點的電流分布的代表，其中極性參照一共同方向；圖7c是在一階諧振條件的圖5a和5b的實施例在一給定時間點的磁流分布的代表，其中極性參照一共同方向；圖8是圖6實施例在一給定時間點的電流分布的代表，其中相關(guān)導(dǎo)體沿一直線投影；圖9a是圖6實施例在一給定時間點的電流分布的代表；圖9b是圖6實施例在一給定時間點的電流分布的代表，其中極性參照一共同方向；圖9c是圖6實施例在一給定時間點的磁流分布的代表，其中極性參照一共同方向；圖10a是在二階諧振條件的圖5a和5b實施例在一給定時間點的電流分布的代表；圖10b是在二階諧振條件的圖5a和5b實施例在一給定時間點的電流分布的代表，其中極性參照一共同方向；圖10c是在二階諧振條件的圖5a和5b實施例在一給定時間點的磁流分布的代表，其中極性參照一共同方向；圖11是根據(jù)圖3，4a和4b中的兩個磁流單元中的一個的反繞螺旋線單元的示意代表；圖12是圖11實施例在一給定時間點的電流分布的代表，其中相關(guān)的導(dǎo)體沿一直線展開；圖13a是圖11實施例在一給定時間點的電流分布的代表；圖13b是圖11實施例在一給定時間點的電流分布的代表，其中極性參照一共同方向；圖13c是圖11實施例在一給定時間點的磁流分布的代表，其中極性參照一共同方向；圖14是根據(jù)圖3，4a和4b實施例的再一個反繞螺旋線單元的示意代表，包括組合兩個反繞螺旋線單元，每個反繞螺旋單元都根據(jù)圖11的實施例；圖15a是圖14實施例中的兩個反繞螺旋線單元中的一個在一給定時間點的電流分布的代表，其中相關(guān)導(dǎo)體沿一直線展開；
圖15b是圖14實施例中的兩個反繞螺旋線單元中的另一個在一給定時間點的電流分布的代表，其中相關(guān)導(dǎo)體沿一直線展開；圖16a是圖14實施例在一給定時間點的電流分布的代表；圖16b是圖14實施例在一給定時間點的電流分布的代表，其中極性參照一共同方向；圖16c是圖14實施例在一給定時間點的磁流分布的代表，其中極性參照一共同方向；圖17示出了本發(fā)明的另一個實施例，包括多個根據(jù)圖3的磁流單元，每個磁流單元具有相同的諧振頻率；圖18示出了本發(fā)明的再一個實施例，包括多個根據(jù)圖3的磁流單元，每個磁流單元具有不同的相關(guān)諧振頻率；圖19是本發(fā)明的第二基本實施例的示意代表，包括一個對稱的磁偶極子天線；圖20a示出了沿一直線投影的圖19的實施例；圖20b示了在信號相位相對于圖20a的相位反轉(zhuǎn)的時間點的圖20a的實施例；圖21a是根據(jù)圖19，20a和20b的實施例的一個反繞螺旋線單元的示意代表；圖21b是作為兩個螺旋線偶極子單元的組合的圖21a實施例的等效示意代表；圖22是根據(jù)圖19，20a和20b的另一個反繞螺旋線單元的示意代表；圖23是根據(jù)圖19，20a和20b中的兩個磁流單元中的一個的反繞螺旋線單元的示意代表；圖24是根據(jù)圖19，20a和20b中的兩個磁流單元中的另一個的反繞螺旋線單元的示意代表；圖25a是在一階諧振條件的圖21a和21b實施例在一給定時間點的電流分布的代表；圖25b是在一階諧振條件的圖21a和21b實施例在一給定時間點的電流分布的代表，其中極性參照一共同方向；
圖25c是在一階諧振條件的圖21a和21b實施例在一給定時間點的磁流分布的代表，其中極性參照一共同方向；圖26是圖22實施例在一給定時間點的電流分布的代表，其中相關(guān)導(dǎo)體沿一直線投影；圖27a是圖22實施例在一給定時間點的電流分布的代表；圖27b是圖22實施例在一給定時間點的電流分布的代表，其中極性參照一共同方向；圖27c是圖22實施例在一給定時間點的磁流分布的代表，其中極性參照一共同方向；圖28是圖23實施例在一給定時間點的電流分布的代表，其中相關(guān)導(dǎo)體沿一直線投影；圖29a是圖23實施例在一給定時間點的電流分布的代表；圖29b是圖23實施例在一給定時間點的電流分布的代表，其中極性參照一共同方向；圖29c是圖23實施例在一給定時間點的磁流分布的代表，其中極性參照一共同方向；圖30是根據(jù)圖19，20a和20b的再一個反繞螺旋線單元的示意代表，包括根據(jù)圖23和24的兩個反繞螺旋線單元的組合；圖31a是圖30實施例在一給定時間點的電流分布的代表；圖31b是圖30實施例在一給定時間點的電流分布的代表，其中極性參照一共同方向；圖31c是圖30實施例在一給定時間點的磁流分布的代表，其中極性參照一共同方向；圖32示出了本發(fā)明的再一個實施例，包括多個根據(jù)圖19的磁流單元，每個磁流單元具有不同的相關(guān)諧振頻率；圖33示出了本發(fā)明的再一個實施例，包括一個與圖3或19中所示實施例相同的實施例，其中相關(guān)磁偶極子單元中的一個具有比另一個小的速度因數(shù)；和圖34示出了本發(fā)明的第三基本實施例，包括一個根據(jù)圖11的信號磁流單元。
參考圖1，反繞環(huán)形螺旋線天線10包括一個具有兩個長度部分1，2的單一導(dǎo)體12，兩個長度部分具有實際上相同的長度，都包括一個廣義的反繞環(huán)形螺旋線結(jié)構(gòu)，其中每個長度部分是一種均勻螺旋線螺距方向的廣義環(huán)形螺旋線結(jié)構(gòu)的形式，并且不同的長度部分的螺旋線螺距方向是相互反向的。在圖1的示意圖中，長度部分1的虛線代表一個右旋螺旋線螺距方向螺旋導(dǎo)體，對于這個螺旋導(dǎo)體，磁流的方向與相關(guān)的廣義螺旋線結(jié)構(gòu)中的相關(guān)電流的軸向投影方向相同。此外，長度2的實線代表了一個左旋螺旋線螺距方向螺旋導(dǎo)體，對于這個螺旋導(dǎo)體，磁流方向與相關(guān)的廣義螺旋線結(jié)構(gòu)中的相關(guān)電流的軸向投影方向相反。
將來自一個通過一個接入一阻抗匹配網(wǎng)的信號連接器18經(jīng)過傳輸線16互連的信號源14的信號施加到反繞環(huán)形螺旋線天線10的信號饋入端口20，其中信號饋入端口20包括設(shè)置在單一導(dǎo)體12的第一和第二長度部分1，2的接合點的第一節(jié)點22和第二節(jié)點24。因此，由于圖1中所示的瞬時信號極性，施加的信號引起電流J在第一和第二長度部分1，2中以圖1中所示方向流動。右旋螺距方向長度部分1中的電流J產(chǎn)生了一個相同方向的磁流M。左旋螺距方向長度部分2中的電流J產(chǎn)生了相反方向的磁流M。因此，由于第一和第二長度部分1，2中的電流J的方向相反，因而有效地相互抵消，相關(guān)的磁流M是同方向的，并且相互增強(qiáng)，以便產(chǎn)生一個磁流M的環(huán)。
參考圖2，反繞環(huán)形螺旋線天線10被示意性地表示為一個包括一個磁流M的環(huán)26的磁環(huán)天線，磁流M的環(huán)26連接到一個具有一輸入端口28的信號連接器18。磁流M的環(huán)26以一個與反繞環(huán)形螺旋線天線10的相關(guān)輻射圖形有關(guān)的磁流的相關(guān)圓環(huán)30為特征。
參考圖3，在本發(fā)明的一個實施例中，磁流的圓環(huán)30是由包括連接到一個中央信號耦合器18的偶極子單元32，34的反對稱磁偶極子天線100產(chǎn)生的，其中在任何給定時間點，每個磁偶極子單元32，34中的磁流M相對于中央信號耦合器18以相同方向沿對應(yīng)的磁偶極子單元32，34傳播。適當(dāng)?shù)匦纬筛鞔排紭O子單元32，34的形狀，以便產(chǎn)生磁流的相關(guān)圓環(huán)30，從而使出自各磁偶極子單元32，34的圓環(huán)的對應(yīng)方向相同。
盡管在圖3中以半圓形示出了每個磁偶極子單元32，34，但是不應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明限于該實際形狀。更具體地講，每個單元的形狀可以是′609申請中定義的任何截面形狀的廣義環(huán)形。例如，磁偶極子單元32，34的形狀可以是圓形的、橢圓形的、螺旋形的、分段直線形的、或齒形曲線形的。此外，磁偶極子單元32，34不必在一個平面上，而是可以總體上遵循三維路徑。
圖4a示出了沿一直線投影的圖3的實施例，用作說本發(fā)明的各實施例的電和磁流的相關(guān)結(jié)構(gòu)和分布的參考。圖4a示出了在圖3所示相同時刻的相關(guān)磁偶極子單元32，34中的磁流M的方向。如′609申請中所述，磁流對應(yīng)于一個時間變化的磁場。圖4b示出了在信號相位相對于圖4a中的相位反轉(zhuǎn)時刻的相關(guān)磁偶極子單元32，34中的磁流M的方向。因此，圖4a和4b示出了執(zhí)行如圖3中所示的本發(fā)明實施例所需的磁流分布。
參考圖5a，根據(jù)圖3，4a和4b的反繞螺旋線天線100的一個實施例被示意性地圖示為一個包括一對絕緣導(dǎo)體的并行/傳輸線饋入的反繞螺旋線結(jié)構(gòu)。這在圖5b中進(jìn)一步示為一對相互反向纏繞的螺旋偶極子天線。每個相關(guān)的螺旋偶極子天線分別包括一對螺旋偶極子單元32.1，34.2和32.2和34.1，每個相互反向纏繞。從另一種觀點看，反繞螺旋線天線100包括一對磁偶極子單元32，34。磁偶極子單元之一32包括一個由右旋32.1和左旋32.2螺距方向廣義螺旋線單元組合構(gòu)成的反繞螺旋線結(jié)構(gòu)。同樣地，另一個磁偶極子單元34包括一個由右旋34.1和左旋34.2螺距方向廣義螺旋線單元組合構(gòu)成的反繞螺旋線結(jié)構(gòu)。從一個連接到包括一個信號輸入端口40的共同節(jié)點對36，38的信號源向磁偶極子單元32，34饋送信號，其中右旋螺距方向螺旋線單元32.1，34.1連接到一個節(jié)點36，而左旋螺距方向螺旋線單元32.2，34.2連接到另一個節(jié)點38。
圖7a，7b和7c是疊加在圖5b的物理圖示上的，圖5a，5b實施例在相關(guān)基本諧振頻率的電流J和磁流M分布。參考圖7a，在一給定時刻，一個正弦正電流在螺旋線偶極子單元34.1從節(jié)點36向左傳播，并且也在螺旋線偶極子單元32.1從節(jié)點36向右傳播。此外，一個正弦負(fù)電流在螺旋偶極子單元34.2從節(jié)點38向左傳播，并在螺旋線偶極子單元32.2從節(jié)點38向右傳播。參考圖7b，將圖7a的導(dǎo)體引導(dǎo)的電流變換為等價的右向電流，從而使負(fù)的左向電流成為正的右向電流，并且正的左向電流成為負(fù)的右向電流。最后，圖7c示出了對應(yīng)于圖7a和7b的電流J分布的相關(guān)磁流M分布，其中對于右旋螺距方向螺旋線偶極子單元32.1和34.2的電流J和磁流M的方向彼此相同，而對于左旋螺距方向螺旋線偶極子單元32.2和34.1的電流J和磁流M的方向彼此相反，從而使磁偶極子單元32的螺旋線偶極子單元32.1，32.2的磁流M都指向同一方向。同樣，磁偶極子單元34的螺旋線偶極子單元34.1和34.2的磁流M指向同一方向，這個方向與磁偶極子單元32中的磁流方向相反。如圖7b中所示，在每個對應(yīng)的螺旋線偶極子單元上的電流J分量相互抵消。因此，根據(jù)圖5a，5b實施例的操作在基本諧振頻率的磁偶極子天線100產(chǎn)生了與圖4a一致的相關(guān)磁流M分布，而沒有顯著的相關(guān)電流J。
圖10a，10b和10c示出了疊加在圖5b的物理圖示上的、圖5a，5b實施例在相關(guān)第一諧波諧振頻率的電流J和磁流M分布。如前面對圖7a，7b和7c所做的說明，根據(jù)圖5a和5b實施例的操作在第一諧波諧振頻率的磁偶極子天線100產(chǎn)生了與圖4a一致的相關(guān)磁流M分布，而沒有顯著的相關(guān)電流J。
參考圖6，將根據(jù)圖3，4a和4b的反繞螺旋線天線100的另一個實施例示為包括一個單一導(dǎo)體42的串聯(lián)/環(huán)形饋入反繞螺旋線結(jié)構(gòu)，單一導(dǎo)體42構(gòu)成了一對磁偶極子單元32和34。磁偶極子單元32包括一個由在右端d相互連接的一個右旋螺距方向螺旋線結(jié)構(gòu)42.3和一個左旋螺距方向螺旋線結(jié)構(gòu)42.4構(gòu)成的廣義反繞螺旋線結(jié)構(gòu)。磁偶極子單元34包括一個由在左端b相互連接的一個右旋螺距方向螺旋線結(jié)構(gòu)42.1和一個左旋螺距方向螺旋線結(jié)構(gòu)42.2構(gòu)成的廣義反繞螺旋線結(jié)構(gòu)。右旋螺距方向螺旋線結(jié)構(gòu)42.1的一端a連接到操作地耦合到一個信號終端的節(jié)點36。左旋螺距方向螺旋線結(jié)構(gòu)42.4的一端e連接到操作地耦合到另一個信號終端的節(jié)點38。左旋螺距方向螺旋線結(jié)構(gòu)42.2和右旋螺距方向螺旋線結(jié)構(gòu)42.3的剩余自由端在點c相互連接。
參考圖8，圖8示出了沿一直線投影的單一導(dǎo)體42，在施加到節(jié)點36和38的正弦波形如圖所示極化的給定時刻，單一導(dǎo)體42上的電流J分布是一個1波長的駐波。根據(jù)圖6的幾何圖形，將每個四分之一波長螺旋線單元42.1，42.2，42.3和42.4內(nèi)的電流方向表示為左L或右R。
圖9a，9b和9c示出了疊加在圖6上的圖6實施例在相關(guān)基本諧振頻率的電流J和磁流M分布。參考圖9a，在一給定時刻，正弦正電流在螺旋單元42.1上向左從節(jié)點36傳播到點b，然后在螺旋單元42.2上向右從點b傳播到正弦電流分布的一個節(jié)點c。此外，正弦負(fù)電流在螺旋單元42.4上向右從節(jié)點38傳導(dǎo)到點d，然后在螺旋單元42.3上向左從點d傳播到點c。參考圖9b，將圖9a的導(dǎo)體引導(dǎo)的電流等效變換為右向電流，從而使負(fù)左向電流成為正的右向電流，并且使正的左向電流成為負(fù)的右向電流。最后，圖9c示出了對應(yīng)于圖9a和9b的電流J分布的相關(guān)磁流M分布，其中對于右旋螺距方向螺旋線結(jié)構(gòu)單元42.2，42.3的電流J和磁流M的方向彼此相同，而對于左旋螺距方向螺旋線結(jié)構(gòu)42.1，42.4的電流J和磁流M的方向彼此相反，從而磁偶極子單元32的螺旋線結(jié)構(gòu)單元42.3，42.4的磁流M指向同一方向。同樣，磁偶極子單元34的兩個螺旋線結(jié)構(gòu)單元42.1，42.2的磁流M指向同一方向，該方向與磁偶極子單元32中的磁流方向相反。如圖9b中所示，在每個對應(yīng)的相鄰螺旋線結(jié)構(gòu)單元上的電流J分量相互抵消。因此，根據(jù)圖6實施例的操作在第一諧振頻率上的磁偶極子天線100產(chǎn)生了與圖4a一致的相關(guān)磁流M分布，而沒有顯著的相關(guān)電流J。
以第一諧振頻率操作的圖6實施例以及在以第一諧波諧振頻率操作的圖5a，5b的實施例的反繞螺旋線天線的問題在于，這些實施例天線的大小是以基本諧振頻率操作的相同天線的兩倍。此外，以第一諧波諧振頻率操作的圖6實施例和以基本諧振頻率操作的圖5a，5b實施例是以相對較低的阻抗為特征的，相對較低的阻抗固有地具有比相對較高阻抗諧振更低的帶寬。
參考圖11，一個磁偶極子單元32，34包括一個在基本諧振頻率操作的四分之一波長長度的、并且其特征在于在這種諧振頻率下的相關(guān)的較高阻抗的串聯(lián)/環(huán)形饋入反繞螺旋線結(jié)構(gòu)。圖11的磁偶極子單元32，34構(gòu)成圖3，4a和4b的兩個相應(yīng)的磁偶極子單元32，34中的一個、或可以單獨地構(gòu)成圖34中所示的一個反繞螺旋線天線105。圖11的磁偶極子單元32，34包括一個單一導(dǎo)體46，在圖12中示出導(dǎo)體46沿一直線投影，并且其上疊加了一個相關(guān)半波長駐波。
圖13a，13b和13c示出了疊加在圖11的物理圖示上的、圖11實施例在相關(guān)第一諧波諧振頻率的電流J和磁流M分布。如前面對圖7a，7b和7c所做的說明，根據(jù)圖11實施例的操作在基本諧振頻率的磁偶極子單元105產(chǎn)生一個根據(jù)圖4a的磁流M分布，而沒有顯著的相關(guān)電流J。
參考圖14，將根據(jù)圖11的一對磁偶極子單元32，34在節(jié)點36，38并聯(lián)組合，形成根據(jù)圖3，4a和4b的磁偶極子天線100，其包括一個形成為一個兩端短接在一起的反繞螺旋線結(jié)構(gòu)的單一導(dǎo)體，因而信號是在跨接在反繞螺旋線結(jié)構(gòu)兩端的信號輸入端口并聯(lián)/傳輸線饋入的。將相應(yīng)的磁偶極子單元32，34分別在圖15a和15b中畫為對應(yīng)的直線，在直線上疊加了相關(guān)半波駐波流分布，并將有關(guān)磁偶極子天線100的相關(guān)流方向表示為左L或右R。
圖16a，16b和16c示出了疊加在圖14的物理圖示上的，圖14實施例在第一諧波諧振頻率的電流J和磁流M分布。如前面對圖7a，7b和7c中的說明，根據(jù)圖14實施例的以基本諧振頻率操作的磁偶極子天線100產(chǎn)生了與圖4a一致的相關(guān)磁流M分布，而沒有顯著的相關(guān)電流J。
參考圖17，多個磁偶極子天線100，102，104和106與對應(yīng)的并聯(lián)連接的信號連接器18組合，以便形成一個單一的天線系統(tǒng)110。本實施例具有如下優(yōu)點對于在對各信號連接器18的輸出端以較高阻抗操作的每個磁偶極子天線100，102，104和106，并聯(lián)組合提供了易于與一個相關(guān)傳輸線路的對應(yīng)阻抗匹配的較低的總阻抗，如果需要這種阻抗匹配的話。盡管圖17所示的實施例是以偶數(shù)的相關(guān)磁偶極子單元100.1，100.2，102.1，102.2，104.1，104.2，106.1，106.2為特征的，但是天線系統(tǒng)110可以是完全由根據(jù)圖11的單元構(gòu)成，以便在天線系統(tǒng)110中提供任意數(shù)量的、偶數(shù)或奇數(shù)的磁偶極子單元。
參考圖18，可以把每個都具有不同諧振頻率的多個磁偶極子天線112，114，116和118與并聯(lián)連接的各自的信號連接器18組合，以便形成一個單一的寬帶天線系統(tǒng)120。
參考圖19，本發(fā)明的第二基本實施例包括一個對稱的磁偶極子天線130，與天線130相關(guān)的磁偶極子單元32，35設(shè)置在一個廣義的環(huán)形結(jié)構(gòu)上，其中使每個磁偶極子單元32，35內(nèi)的相關(guān)磁流被定向，以便使其每個具有共同的圓形30方向。盡管將磁偶極子單元32，35示為重疊的大致的閉合形式，例如一個圓形，但是作為替代，各磁偶極子單元32，35可以彼此相對形成一定的角度。例如，可以把磁偶極子單元32相對于信號連接器18順時針旋轉(zhuǎn)，而使磁偶極子單元35保持靜止，或相對于信號連接器18逆時針旋轉(zhuǎn)。作為替代，可以使磁偶極子單元32相對于信號連接器18逆時針旋轉(zhuǎn)，而使磁偶極子單元35保持靜止或相對于信號連接器18順時針旋轉(zhuǎn)。
圖20a示出了沿一直線投影的圖19的實施例，用作說明本發(fā)明的各實施例的電流和磁流的相關(guān)結(jié)構(gòu)和分布。圖20a示出了在與圖19所示的相同時刻的相關(guān)磁偶極子單元32，35中的磁流M的方向。如′609申請中所述，磁流對應(yīng)于一個隨時間變化的磁場。圖20b示出了在信號相位相對于圖20a的信號相位反轉(zhuǎn)時刻的相關(guān)磁偶極子單元32，35中的磁流M方向。因此，圖20a和20b示出了執(zhí)行圖19所示本發(fā)明實施例所需的磁流分布。
參考圖21a，根據(jù)圖19，20a和20b的一個反繞螺旋線天線130的實施例被圖示為一種包括一對絕緣導(dǎo)體的并聯(lián)/傳輸線饋入反繞螺旋線結(jié)構(gòu)。這在圖21b中進(jìn)一步圖示為一對彼此相對反向纏繞的螺旋線偶極子天線。每個相關(guān)螺旋線偶極子天線分別包括彼此相對反向纏繞的一對螺旋線偶極子單元32.1，35.2和32.2，35.1。從另一方式看，反繞螺旋線天線130包括一對磁偶極子單元32，35。其中一個磁偶極子單元32包括一個由右旋32.1和左旋32.2螺距方向廣義螺旋單元的組合構(gòu)成的反繞螺旋線結(jié)構(gòu)。同樣，另一個偶極子單元35包括一個由右旋35.2和左旋35.1螺距方向廣義螺旋線單元的組合構(gòu)成的反繞螺旋線結(jié)構(gòu)。從一個連接于包括一個信號輸入端口40的共同節(jié)點對36，38的信號源向磁偶極子單元32，38饋送信號，其中相反螺距方向的螺旋線單元32.1，35.1連接到一個節(jié)點36，而相對于螺旋線單元32.1，35.1反向纏繞的相關(guān)螺旋線單元32.2，35.2連接到另一個節(jié)點38。
圖25a，25b和25c示出了疊加在圖21b的物理圖示上的，圖21a，21b實施例在相關(guān)基本諧振頻率的電流J和磁流M分布。參考圖25a，在一給定時刻，正弦正電流在螺旋線偶極子單元35.1上從節(jié)點36向左傳播，并且也在螺旋線單元32.1上從節(jié)點36向右傳播。此外，正弦負(fù)電流在螺旋偶極子單元35.2上從節(jié)點38向左傳播，并且也在螺旋線偶極子單元32.2上從節(jié)點38向右傳播。參考圖25b，將圖25a的導(dǎo)體傳導(dǎo)的電流等效變換為右向電流，因此負(fù)的左向電流成為正的右向電流，而正的左向電流成為負(fù)的右向電流。最后，圖25c示出了對應(yīng)于圖25a和25b的電流J分布的相關(guān)磁流M分布，其中右旋螺距方向螺旋線偶極子單元32.1，35.2的電流J和磁流M的方向彼此相同，而左旋螺距方向螺旋線偶極子單元32.2，35.1的電流J和磁流M的方向彼此相反，因此磁偶極子單元32的兩個螺旋線偶極子電源32.1，32.2的磁流M指向同一方向。同樣地，磁偶極子單元35的兩個螺旋線單元35.1和35.2的磁流M指向同一方向，該方向與磁偶極子單元32中的磁流方向相同。如圖25b中所示，每個螺旋線偶極子單元上的電流J分量相互抵消。因此根據(jù)圖21a和21b實施例的以基本諧振頻率操作的磁偶極子天線130產(chǎn)生與圖20a一致的相關(guān)磁流M分布，而沒有顯著的相關(guān)電流J。
參考圖22，根據(jù)圖19，20a和20b的一個反繞螺旋線天線130的另一個實施例被圖示為包括一個構(gòu)成一對磁偶極子單元32，35的單一導(dǎo)體48的串聯(lián)/環(huán)形饋入反繞螺旋線結(jié)構(gòu)。磁偶極子單元32包括一個由在右端d彼此連接的一個右旋螺距方向螺旋線結(jié)構(gòu)48.3和一個左旋螺距方向螺旋線結(jié)構(gòu)48.4構(gòu)成的廣義反繞螺旋線結(jié)構(gòu)。磁偶極子單元35包括一個由在左端b彼此連接的一個右旋螺距方向螺旋線結(jié)構(gòu)48.2和一個左旋螺距方向螺旋線結(jié)構(gòu)48.1構(gòu)成的廣義反繞螺旋線結(jié)構(gòu)。右旋螺距方向螺旋線結(jié)構(gòu)48.1的一端a連接于操作地耦合到一個信號端點的節(jié)點36。左旋螺距方向螺旋線結(jié)構(gòu)48.4的一端e連接于操作地耦合到另一個信號端點的節(jié)點38。右旋螺距方向螺旋線結(jié)構(gòu)48.2和右旋螺距方向螺旋線結(jié)構(gòu)48.3剩余的自由端在點c相互連接。
參考圖26，其示出了沿一直線投影的單一導(dǎo)體48，在施加到節(jié)點36和38的正弦波形如圖所示極化的給定時刻，在單一導(dǎo)體48上的電流J分布是一個1波長的駐波。根據(jù)圖22的幾何形狀，每個四分之一波長螺旋線單元48.1，48.2，48.3和48.4內(nèi)的流的方向示為左L或右R。
圖27a，27b和27c示出了疊加在圖22上的圖22實施例在相關(guān)第一諧波諧振頻率的電流J和磁流M分布。參考圖27a，在一給定時刻，正弦正電流在螺旋線單元48.1上從節(jié)點36向左傳播到點b，然后在螺旋線單元48.2上從點b向右傳播到正弦電流分布的一個節(jié)點c。此外，正弦負(fù)電流在螺旋線單元48.4上從節(jié)點38向右傳播到點d，然后在螺旋線單元48.3上從點d向左傳播到點c。參考圖27b，將圖27a的導(dǎo)體傳導(dǎo)的電流等效變換為右向電流，從而使負(fù)的左向電流成為正的右向電流，并且使正的左向電流成為負(fù)的右向電流。最后，圖27c示出了對應(yīng)于圖27a和27b的電流J分布的相關(guān)磁流M分布，其中右旋螺距方向螺旋線單元48.2，48.3的電流J和磁流M的方向彼此相同，而左旋螺距方向螺旋線單元48.1，48.4的電流J和磁流M的方向彼此相反，因而磁偶極子單元32的兩個螺旋線單元48.3和48.4的磁流M指向同一方向。同樣，磁偶極子單元35的兩個螺旋線單元48.1和48.2的磁流M指向同一方向，該方向與磁偶極子單元32中的磁流方向相同。如圖27b中所示，每個相鄰螺旋線單元上的電流J分量相互抵消。因此，根據(jù)圖22實施例的以第一諧波諧振頻率操作的磁偶極子天線130產(chǎn)生了與圖20a一致的相關(guān)磁流M分布，而沒有顯著的相關(guān)電流J。
可以將根據(jù)圖23和24的磁偶極子單元結(jié)合在圖19中所示的磁偶極子天線130中。因此，圖23與圖11相同。圖23的磁偶極子單元包括一個單一導(dǎo)體46，在圖28中將其示為沿一直線展開，其上疊加了一個相關(guān)半波長駐波。
圖29a，29b和29c示出了疊加在圖23的物理圖示上的，圖23實施例在相關(guān)第一諧波諧振頻率的電流J和磁流M分布。如前面對圖25a，25b和25c的說明，根據(jù)圖23實施例的以基本諧振頻率操作的磁偶極子單元105產(chǎn)生與圖20a的磁偶極子單元32，35中的一個一致的相關(guān)磁流M分布，而沒有顯著的相關(guān)電流J。
參考圖30，將根據(jù)圖23的磁偶極子單元32與根據(jù)圖24的磁偶極子單元35并聯(lián)組合，形成一個根據(jù)圖19，20a和20b的磁偶極子天線130，其包括一個對應(yīng)端短接在一起，形成為一個反繞螺旋線結(jié)構(gòu)的單一導(dǎo)體，從而使信號是在跨越反繞螺旋線結(jié)構(gòu)的兩端的信號輸入端口并聯(lián)/傳輸線饋入的。
圖31a，31b和31c示出了疊加在圖30的物理圖示上的、圖30實施例在相關(guān)第一諧波諧振頻率的電流J和磁流M分布。如前面對圖25a，25b和25c的說明的那樣，根據(jù)圖30實施例的操作在基本諧振頻率的磁偶極子天線130產(chǎn)生了與圖20a一致的相關(guān)磁流M分布，而沒有顯著的相關(guān)電流J。
參考圖32，可以把各自具有不同諧振頻率的多個磁偶極子天線130，132和134與對應(yīng)的并聯(lián)連接的信號連接器18組合，形成一個單一寬帶天線系統(tǒng)140。本實施例的優(yōu)點在于，對于在對各信號連接器18的輸入端以相對高的阻抗操作的每個磁偶極子天線130，132和134，并聯(lián)組合將根據(jù)信號頻率起作用把電流導(dǎo)向適當(dāng)?shù)奶炀€單元。盡管圖32中所示實施例是以偶數(shù)的相關(guān)磁偶極子單元130.1，130.2，132.1，132.2，134.1和134.2為特征，但天線系統(tǒng)140可以完全以根據(jù)圖23的單元來構(gòu)造，以便在天線系統(tǒng)140中提供任何數(shù)量的、偶數(shù)的或奇數(shù)的磁偶極子單元。
參考圖33，多個磁偶極子天線150包括如圖19中的兩個磁偶極子單元32，35，其中一個磁偶極子單元35的速度因數(shù)小于另一個磁偶極子單元32的速度因數(shù)。
熟悉本領(lǐng)域的人員，憑借對產(chǎn)生類似流分布的現(xiàn)有天線構(gòu)造的熟悉，或利用模擬或測試，能夠知道與附圖中所示每種流分布相關(guān)的電磁輻射圖形性質(zhì)和特征。
本發(fā)明的各種實施例將具有優(yōu)選的輸入阻抗特性，其中第一諧振的特征是相對于下一個更高階的諧振具有高阻抗、高帶寬和最小電尺寸。每個實施例最好是在一個單一端口饋入。可能需要一個阻抗匹配網(wǎng)，以使天線的諧振阻抗適配于相關(guān)傳輸線路的諧振阻抗。
天線是由形成一個繞真實或虛擬廣義環(huán)形表面的單一導(dǎo)體形成的，以形成一個廣義的環(huán)形螺旋繞組，′609申請中指出了它的特征?！?09申請中以及這里描述的廣義環(huán)形包括圓柱形螺旋幾何形狀，和通過在球形中產(chǎn)生一個核心形成的幾何形狀，并且包括其中螺旋繞組的一部分是相對于潛在廣義環(huán)形形狀的主軸的主要徑向的結(jié)構(gòu)。這里說明的廣義環(huán)形包括主軸小于短軸的退化情況，包括表面是球形、圓柱形、或菱形的情況，以及相關(guān)的圖像平面實施例，所有這些在美國專利5，654，723中都進(jìn)行了說明。
盡管詳細(xì)說明了特定實施例，熟悉本領(lǐng)域的人員應(yīng)當(dāng)知道可以根據(jù)公開的完整說明對這些詳細(xì)說明的實施例進(jìn)行各種修改和替代。因此，公開的特定配置僅是說明性的，并不限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍僅受附屬權(quán)利要求及其任何和所有等同物的限制。
權(quán)利要求
1．一種電磁天線，包括(a)彼此具有廣義反繞螺旋線關(guān)系的第一和第二導(dǎo)體，其中所述第一和第二導(dǎo)體彼此絕緣，所述第一導(dǎo)體由第一節(jié)點分割成第一和第二部分，所述第二導(dǎo)體由第二節(jié)點分割成第一和第二部分，所述第一和第二節(jié)點位于相互靠近的位置，并且構(gòu)成第一端口，所述第一導(dǎo)體的所述第一部分與所述第二導(dǎo)體的所述第一部分是相互重疊的關(guān)系，成為廣義反繞螺旋線結(jié)構(gòu)的第一部分，所述第一導(dǎo)體的所述第二部分與所述第二導(dǎo)體的所述第二部分是相互重疊關(guān)系，成為所述廣義反繞螺旋線結(jié)構(gòu)的第二部分，所述廣義反繞螺旋線結(jié)構(gòu)具有帶有曲率的軸；和(b)包括第一和第二接線端的信號饋入端口，其中所述第一和第二接線端操作地耦合到所述第一和第二節(jié)點。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁天線，其中從所述廣義反繞螺旋線結(jié)構(gòu)的所述第一部分中的所述第一端口延伸的所述軸的曲率方向等于從所述廣義反繞螺旋線結(jié)構(gòu)的所述第二部分中的所述第一端口延伸的所述軸的曲率的方向。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁天線，其中從所述廣義反繞螺旋線結(jié)構(gòu)的所述第一部分中的所述第一端口的所述軸的曲率方向與所述廣義反繞螺旋線結(jié)構(gòu)的所述第二部分中的所述第一端口的所述軸的曲率方向相反。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁天線，其中所述第一導(dǎo)體的所述第一長度部分的螺旋線螺距方向與所述第一導(dǎo)體的所述第二長度部分的螺旋線螺距方向相同。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁天線，其中所述第一導(dǎo)體的所述第一長度部分的螺旋線螺距方向與所述第一導(dǎo)體的所述第二長度的螺旋線螺距方向相反。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁天線，其中所述第一導(dǎo)體的所述第一長度部分的末端連接于所述第二導(dǎo)體的所述第一長度部分的末端。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的電磁天線，其中所述第一導(dǎo)體的所述第二長度部分的末端連接于所述第二導(dǎo)體的所述第二長度部分的末端。
8．一種電磁天線包括(a)一個從一第一節(jié)點到一第二節(jié)點的第一廣義螺旋線傳導(dǎo)路徑；(b)從第三節(jié)點到第四節(jié)點的第二廣義螺旋線傳導(dǎo)路徑，其中所述第一廣義螺旋線傳導(dǎo)路徑的螺旋線螺距方向與所述第二廣義螺旋線傳導(dǎo)路徑的螺旋線螺距方向相反，所述第一和第二廣義螺旋線傳導(dǎo)路徑相互絕緣并且重疊設(shè)置，以便構(gòu)成第一廣義反繞螺旋線結(jié)構(gòu)，并且所述第一廣義螺旋線傳導(dǎo)路徑具有彎曲的軸；(c)從第五節(jié)點到第六節(jié)點的第三廣義螺旋線傳導(dǎo)路徑；(d)從第七節(jié)點到第八節(jié)點的第四廣義螺旋線傳導(dǎo)路徑，其中所述第三廣義螺旋線傳導(dǎo)路徑的螺旋線螺距方向與所述第四廣義螺旋線傳導(dǎo)路徑的螺旋線螺距方向相反，所述第三和第四廣義螺旋線傳導(dǎo)路徑相互絕緣并且相互重疊設(shè)置，以便構(gòu)成第二廣義反繞螺旋線結(jié)構(gòu)，并且所述第二廣義反繞螺旋線結(jié)構(gòu)具有彎曲的軸；和(e)包括第一和第二接線端的信號饋入端口，其中所述第一和第二接線端操作地耦合到所述第一和第二廣義反繞螺旋線結(jié)構(gòu)。
9．根據(jù)權(quán)利要求8所述的電磁天線，其中從所述第一和第四節(jié)點的所述第一廣義反繞螺旋線結(jié)構(gòu)的軸的曲率方向與從所述第五和第八節(jié)點的所述第二廣義反繞螺旋線結(jié)構(gòu)的曲率方向相同。
10．根據(jù)權(quán)利要求8所述的電磁天線，其中從所述第一和第四節(jié)點的所述第一廣義反繞螺旋線結(jié)構(gòu)的軸的曲率方向與從所述第五和第八節(jié)點的所述第二廣義反繞螺旋線結(jié)構(gòu)的軸的曲率方向相反。
11．根據(jù)權(quán)利要求8所述的電磁天線，其中所述第二節(jié)點連接到所述第三節(jié)點，所述第四節(jié)點連接到所述第五節(jié)點，所述第六節(jié)點連接到所述第七節(jié)點，和所述信號饋入端口操作地耦合到所述第一和第八節(jié)點。
12．根據(jù)權(quán)利要求8所述的電磁天線，其中所述第一傳導(dǎo)路徑的螺旋線螺距方向與所述第四傳導(dǎo)路徑的螺旋線螺距方向相反。
13．根據(jù)權(quán)利要求8所述的電磁天線，其中所述第一傳導(dǎo)路徑的螺旋線螺距方向與所述第四傳導(dǎo)路徑的螺旋線螺距方向相同。
14．一種發(fā)射電磁信號的方法，包括(a)將信號加載到一信號端口；(b)響應(yīng)所述信號，沿有關(guān)所述信號端口的第一彎曲路徑產(chǎn)生第一磁流；(c)響應(yīng)所述信號，沿有關(guān)所述信號端口的第二彎曲路徑產(chǎn)生第二磁流。
15．根據(jù)權(quán)利要求14所述的發(fā)射電磁信號的方法，其中有關(guān)所述信號端口的所述第一和第二路徑的曲率的方向是相同的。
16．根據(jù)權(quán)利要求14所述的發(fā)射電磁信號的方法，其中有關(guān)所述信號端口的所述第一和所述第二磁流的方向是相同的。
17．根據(jù)權(quán)利要求14所述的發(fā)射電磁信號的方法，其中有關(guān)所述信號端口的所述第一路徑的曲率的方向與有關(guān)所述信號端口的所述第二路徑的曲率方向是相反的。
18．根據(jù)權(quán)利要求14所述的發(fā)射電磁信號的方法，其中有關(guān)所述信號端口的所述第一磁流的方向與所述第二磁流的方向是相反的。
19．根據(jù)權(quán)利要求14所述的發(fā)射電磁信號的方法，其中所述第一和第二磁流是以第一諧振頻率諧振的，該方法進(jìn)一步包括(a)響應(yīng)所述信號，沿有關(guān)所述信號端口的一第三彎曲路徑產(chǎn)生第三磁流；(b)響應(yīng)所述信號，沿有關(guān)所述信號端口的一第四彎曲路徑產(chǎn)生第四磁流，其中所述第三和第四磁流是以第二諧振頻率諧振的。
全文摘要
一個反繞螺旋線天線(100,130)用多個磁偶極子單元(32,34,35)產(chǎn)生磁流(M)的一個均勻定向圓環(huán)。在一個實施例中,磁偶極子單元(32,34)具有相同的曲率,并且各磁偶極子單元(32,34)上的磁流(M)每個都指向相對于磁偶極子天線(100)的中心信號耦合器(18)的相同方向。在另一個實施例中,磁偶極子單元(32,35)具有相反的曲率,并且各磁偶極子單元(32,35)上的磁流(M)每個指向相對于磁偶極子天線(130)的中心信號耦合器(18)的相反的方向。
文檔編號H01Q11/08GK1296650SQ99804862
公開日2001年5月23日 申請日期1999年4月6日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月6日
發(fā)明者庫爾特L·范－沃里斯 申請人:庫爾特L·范－沃里斯