專利名稱：小型化的寬頻慢波天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地說涉及射頻天線，更確切地說，是關(guān)于寬頻、小型化的慢波天線(slow-wave antenna)。
背景技術(shù)：
目前，人們希望能有具有寬頻和/或多頻發(fā)送及接收能力的小型天線用于無線電通訊或其他用途。特別是，這種天線結(jié)構(gòu)更好地是被小型化，且以薄盤或其它相似的平面形狀結(jié)構(gòu)安裝到例如蜂窩電話、微計(jì)算機(jī)、運(yùn)輸工具或其它設(shè)備上。
有一種眾所周知并被廣泛使用的天線，它至少在一定程度上滿足上述要求，并因此被很多人認(rèn)為是可能的候選方案的，是一種微帶轉(zhuǎn)接天線(microstrip patch antenna)。但是，微帶轉(zhuǎn)接天線通常具有帶寬窄和以該設(shè)備所使用的波長(zhǎng)衡量其尺寸較大的缺點(diǎn)。研究人員已經(jīng)嘗試減小微帶轉(zhuǎn)接天線的尺寸，并同時(shí)擴(kuò)展其帶寬，但是沒有成功。
另外，作為天線使用的小型電子天線通常都是被限定在以其所使用波長(zhǎng)計(jì)算的小的電學(xué)體積之內(nèi)，因此限制了他們的增益帶寬。該種天線總是顯示出低方向性或一種寬幅定向輻射的模式，例如由短偶極天線集中體現(xiàn)的全向天線。從而，該天線具有一種低增益，因?yàn)閇Antenna Gain]＝[Efficiency]×[Directivity]其中天線的效率包括由于制作該天線的介電材料及實(shí)際連接的有損特性而產(chǎn)生的散射損失效果，以及由于相對(duì)于天線的饋線的阻抗不匹配而產(chǎn)生的損耗效果。由于天線的制作材料必然是有損的，且阻抗匹配實(shí)際上總是不完善，天線效率通?？偸切∮?00％，特別是在寬頻帶寬。
值得注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中，電學(xué)上小型的天線常由于其低效率而被認(rèn)為是低增益的。當(dāng)天線被用于發(fā)送信號(hào)或被用于廣播或雙向通訊時(shí)，需要相對(duì)高的效率。作為進(jìn)一步的回顧，這些觀念已經(jīng)在很多書中得到討論，如K.Fujimoto、A.Henderson、K.Hirasawa、以及J.R.James的《小型天線》，Research Studies Press，Letchworth，Hertfordshire，England，1987，和K.Fujimoto和J.R.James編輯的《移動(dòng)天線系統(tǒng)手冊(cè)》，Artech House，Boston，1994。
用慢波(SW)技術(shù)減小天線尺寸的努力可以說非常不成功，只是非常有限地減小了天線尺寸。
由于前述的限制，發(fā)展用于寬帶和/或多帶使用的小型高效的盤形天線的研究的進(jìn)展有限。在其他電子設(shè)備的尺寸已經(jīng)發(fā)生令人注目的減小(最顯著的是集成電路等)的同時(shí)，減小天線尺寸遇到了非常難以克服的技術(shù)障礙。而且，該障礙是目前無線通訊和其他無線系統(tǒng)中較少的幾個(gè)技術(shù)障礙中的一個(gè)。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種寬頻、小型化的慢波(SW)天線，用于發(fā)送和接收從超低頻到毫米波頻率的射頻(RF)信號(hào)。該慢波天線包括一個(gè)在一個(gè)表面上安裝有行波結(jié)構(gòu)(TWS)而在相反的另一表面上安裝有一個(gè)導(dǎo)電表面部件的介電基底。該行波結(jié)構(gòu)屬于平面的“頻率獨(dú)立”天線等級(jí)，如阿基米德螺線(Archimedian spiral)。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方案，一種行波結(jié)構(gòu)以一種具有耦合到饋線的導(dǎo)電臂的阿基米德螺線的形式而得到采用，這些饋線經(jīng)過導(dǎo)電表面部件的中心和介電基底。該介電基底的厚度被預(yù)先確定為小于0.04λ1，其中λ1是慢波天線的工作頻率范圍內(nèi)的最低頻率f1的自由空間波長(zhǎng)。而且，該介電基底的介電常數(shù)和導(dǎo)電表面部件的導(dǎo)電率與介電基底的厚度一起被確定，以確保在行波結(jié)構(gòu)中發(fā)射的慢波(SW)被緊密地約束于該行波結(jié)構(gòu)，但并不致緊密到妨礙在行波結(jié)構(gòu)輻射區(qū)的輻射，同時(shí)慢波的傳播損耗被最小化。輻射區(qū)是一個(gè)可以有效地產(chǎn)生輻射的寬度很小的圓環(huán)，從而使天線可以就其遠(yuǎn)場(chǎng)輻射而言由輻射區(qū)的電流近似地表示。
慢波天線提供了一種鮮明的優(yōu)點(diǎn)，即其特點(diǎn)是較慢的相速及相應(yīng)地較小的輻射區(qū)，從而允許慢波天線的直徑被顯著地減小。否則慢波天線將需要大得多的直徑以容納具有等于真空中光的相速的相速的行波結(jié)構(gòu)。由于本發(fā)明的慢波天線可以在一個(gè)寬闊的工作頻寬上輻射并接收信號(hào)，且慢波天線具有小巧的尺寸，因此，它可以真正地被稱為小型化的寬頻天線。尺寸的減小，用由在行波結(jié)構(gòu)中傳播波的相速與真空中的光速的比值確定的慢波系數(shù)來度量，是與慢波減慢的程度成正比的。
另外，該慢波天線的基本上平的或保形(conformal)的形狀，使得它適于安裝到設(shè)備和運(yùn)輸工具的平的或不平的表面上，并與之一體化。
根據(jù)下面的圖示和詳細(xì)描述，本發(fā)明在此技術(shù)領(lǐng)域的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。所有這些額外的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)都被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
附圖簡(jiǎn)述參照下面的附圖可以更好地理解本發(fā)明。附圖中的各組成部分不一定是按比例的，而重點(diǎn)在于清楚地表明本發(fā)明的原理。而且，在幾個(gè)附圖中用同樣的參考數(shù)碼表示相應(yīng)的部分。


圖1A是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的慢波天線的俯視圖；圖1B是在圖1A所示的慢波天線中沿A-A平面截取的剖面圖；圖2A是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方案的慢波天線的剖面圖；圖2B是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方案的慢波天線的剖面圖；圖2C是根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施方案的慢波天線的剖面圖；圖3A是具有慢波系數(shù)1的現(xiàn)有技術(shù)天線的θ-偏振分量的測(cè)得的天線輻射圖；圖3B是現(xiàn)有技術(shù)天線(SWF＝1)的φ-偏振分量的測(cè)得的天線輻射圖；圖4A是圖1A與1B所述的慢波天線的θ-偏振分量的測(cè)得的天線輻射圖；圖4B是圖1A與1B所述的慢波天線的φ-偏振分量的測(cè)得的天線輻射圖；
圖5是測(cè)得的現(xiàn)有技術(shù)天線(SWF＝1)的增益與圖1A與1B所述慢波天線的增益圖形。
發(fā)明詳述物理結(jié)構(gòu)參見圖1A與1B，圖中所示為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的慢波天線100的俯視圖和剖面圖。在圖1A中，一個(gè)行波結(jié)構(gòu)(TWS)103如圖示安裝在具有預(yù)定的復(fù)介電常數(shù)的介電基底106的第一表面。圖1B的剖面圖是從圖1A中的剖面線A-A處取的。圖1B的剖面圖描述的是安裝在介電基底106的第一表面上設(shè)有慢波結(jié)構(gòu)103的慢波天線100。一個(gè)導(dǎo)電表面部件109被安裝在介電基底106上與慢波結(jié)構(gòu)103相對(duì)的第二表面上。介電基底106與導(dǎo)電表面部件109的直徑為d。預(yù)定數(shù)目的饋線113被耦合到該行波結(jié)構(gòu)，饋線113穿過導(dǎo)電表面部件109與介電基底106的中心。饋線113被饋線罩116所圍繞。饋線113被耦合到與輻射器/接收器相耦合的連接器119。
如圖1A所示的行波結(jié)構(gòu)(TWS)103是一個(gè)例如具有兩個(gè)導(dǎo)電臂123的阿基米德螺線。盡管圖示的是阿基米德螺線，但行波結(jié)構(gòu)103通常是一種可以包括其它構(gòu)型(如對(duì)數(shù)周期結(jié)構(gòu)(log-periodic structure)或正弦天線結(jié)構(gòu)等)的寬帶平面行波結(jié)構(gòu)，阿基米德螺線在這里只用來便利對(duì)本發(fā)明的不同實(shí)施方案的討論。注意對(duì)這里可使用的平面寬帶行波結(jié)構(gòu)103的不同類型的進(jìn)一步討論，可見于被稱作“頻率獨(dú)立天線”的文獻(xiàn)。對(duì)于有關(guān)替代行波結(jié)構(gòu)103的進(jìn)一步信息，可參考V.H.Rumsey的《頻率獨(dú)立天線》，Academic Press，New York，NY，1966。行波結(jié)構(gòu)103也包括導(dǎo)電材料，如金屬。
行波結(jié)構(gòu)103在其中心被耦合到饋線113，并與之阻抗匹配。在如圖所示的阿基米德螺線行波結(jié)構(gòu)103情況下，每個(gè)饋線113都在行波結(jié)構(gòu)103的中心附近被耦合到其單個(gè)導(dǎo)電臂123的近端119，而導(dǎo)電臂123的遠(yuǎn)端133處于行波結(jié)構(gòu)103的外緣上。雖然圖示中只顯示有兩個(gè)導(dǎo)電臂123和兩根饋線113，可以明白的是中可以有任意個(gè)導(dǎo)電臂123及相應(yīng)的饋線113。
饋線113由饋線罩116所圍繞，該饋線屏蔽罩最好是可以有效地傳送射頻信號(hào)的一個(gè)導(dǎo)電的圓柱管。雖然圖示的饋線罩116是圓柱形，但可以理解的是饋線罩116可以是任意形狀的金屬材料。饋線罩116可以用如鋁、銅或其它類似的合適的金屬制造。饋線113也可以用金屬以波可以被有效傳送的不同形狀制造。盡管圖示中饋線113被耦合到導(dǎo)電臂123的近端129，可以理解的是饋線113也可以耦合到遠(yuǎn)端133，或如美國(guó)專利第5,621,422號(hào)所討論的在沿行波結(jié)構(gòu)103上的其它點(diǎn)，該專利題目是《螺旋波型微帶(SMM)天線及激發(fā)、提取和多路復(fù)用不同的螺旋波型的方法》，它于1997年4月15日被頒發(fā)給Wang，在這里用作參考。
通常，介電基底106的直徑可以大于或等于行波結(jié)構(gòu)103的直徑。介電基底106具有預(yù)先確定的厚度t，這將在下面詳細(xì)討論。導(dǎo)電表面部件109也包括具有預(yù)定的有限導(dǎo)電率的材料，如后面將要討論的包括導(dǎo)體和半導(dǎo)體。
慢波天線的工作以下討論慢波天線100的一般工作。在不失去普通性的前提下，我們將重點(diǎn)集中在發(fā)射天線的情況而根據(jù)可逆性理論，這種討論也可適用于接收天線的情況。來自發(fā)射器的射頻信號(hào)通過連接器119和饋線113，在那里該信號(hào)在行波結(jié)構(gòu)103的中心作為慢波進(jìn)入具有適當(dāng)阻抗匹配的導(dǎo)電臂123。慢波開始沿著行波結(jié)構(gòu)103的導(dǎo)電臂123以槽線、多槽線或共面波導(dǎo)模式傳播。慢波天線100的一個(gè)特點(diǎn)，是慢波被緊密地約束在行波結(jié)構(gòu)上，直到它到達(dá)輻射區(qū)136。輻射區(qū)136是一個(gè)寬度小的圓環(huán)，在那里輻射可以有效地進(jìn)行，所以為了遠(yuǎn)場(chǎng)輻射的目的，慢波天線100可以由輻射區(qū)136近似地表示。慢波有利地允許減小輻射區(qū)136的直徑，從而使慢波天線100的直徑也象將要討論的那樣被有效地減小，這種尺寸上的減小與相對(duì)于光速的慢波相速的減小成正比。因此，慢波天線100由一個(gè)慢波系數(shù)(SWF)所表征，它由行波結(jié)構(gòu)103中的傳播波的相速VS與光速c之比確定，由下面關(guān)系給出SWF＝c/VS＝λ0/λS
其中c是光速，λ0是自由空間中在工作頻率f0的波長(zhǎng)，而λS是在工作頻率f0的慢波波長(zhǎng)。注意頻率f0在自由空間和在慢波天線100中是相同的。
為進(jìn)一步解釋，包括行波結(jié)構(gòu)100的任何天線的輻射電場(chǎng)，由下面的積分公式給出。E(r)=∫s[-jωμo{n,×H(r,)}g(r,r,)+{n,×E(r,)}×▿,g(r,r,)]]>＋{n’·E(r’)}]’g(r，r’)ds’.
根據(jù)上面的公式，在遠(yuǎn)區(qū)的一個(gè)場(chǎng)點(diǎn)r的電場(chǎng)強(qiáng)度E(r)是在包圍天線的表面S的源區(qū)域中的源點(diǎn)r’的場(chǎng)E(r’)和H(r’)的函數(shù)。這種數(shù)學(xué)表達(dá)等價(jià)于惠更斯(Huygens)原理，它說明在一個(gè)點(diǎn)的波前可以被認(rèn)為是一個(gè)新的輻射源。但是，為使天線有效地輻射，由于在天線上對(duì)的點(diǎn)r’的源的在r的輻射場(chǎng)應(yīng)該具有相當(dāng)一致的相位，以使它們的累加效果產(chǎn)生最大的場(chǎng)強(qiáng)而相位抵消最小。
例如，在使用一種阿基米德螺線的行波結(jié)構(gòu)103中，對(duì)于特定的傳播頻率fP這種最大的場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生在輻射區(qū)136(圖1A中的陰影區(qū)域)，該區(qū)域包括一個(gè)具有周線長(zhǎng)mλP的環(huán)形帶，其中m是天線的工作模式(一個(gè)整數(shù))，λP是傳播波長(zhǎng)。也就是說，一個(gè)在行波結(jié)構(gòu)103的中心被發(fā)射的行波沿行波結(jié)構(gòu)103傳播，直到它到達(dá)輻射區(qū)136，在那里它輻射到自由空間中。
注意在行波結(jié)構(gòu)103中，可以有不同的工作模式，而慢波天線100優(yōu)選地被設(shè)計(jì)成工作在其中的一或兩種模式。例如，在圖1A所示的阿基米德螺線的情況下，分別以單向和全向輻射的第一模式和第二模式通常被應(yīng)用于不同的應(yīng)用。因此，具有較小波長(zhǎng)的高頻波，與低頻波相比，其輻射區(qū)136更靠近行波結(jié)構(gòu)的中心。同樣，具有較大波長(zhǎng)的低頻波，其輻射區(qū)136更靠近行波結(jié)構(gòu)的外周線。換句話說，在發(fā)射期間，低頻波在被輻射到自由空間之前在行波結(jié)構(gòu)中行進(jìn)得更遠(yuǎn)。對(duì)高頻波則恰恰相反。根據(jù)可逆性原理，對(duì)輻射區(qū)136的尺寸與頻率的討論對(duì)接收的情況也同樣有效。
換個(gè)方式解釋，行波結(jié)構(gòu)103的直徑應(yīng)該足夠大，以容納輻射區(qū)136，從而允許在工作帶寬中的最低頻率f1的有效輻射。根據(jù)本發(fā)明，行波結(jié)構(gòu)103的直徑隨輻射區(qū)136的直徑的減小而減小。由于輻射區(qū)136的直徑是由行波結(jié)構(gòu)103中的慢波的相速所確定的，對(duì)特定的頻率來說，行波相速的任何減小都會(huì)相應(yīng)地導(dǎo)致輻射區(qū)136的直徑的減小。對(duì)于特定的傳播頻率，輻射區(qū)136減小量與慢波系數(shù)SWF成正比。輻射區(qū)136的減小有利地允許行波結(jié)構(gòu)103的直徑的減小。因此，行波結(jié)構(gòu)103以及慢波天線100可以被小型化，其程度為由等于其慢波系數(shù)SWF的一個(gè)系數(shù)。例如，一個(gè)慢波系數(shù)SWF為三的慢波天線100的物理尺寸將被減小到其原尺寸的三分之一。
換句話說，由于波長(zhǎng)λS小于自由空間中同樣頻率、同樣信號(hào)的波長(zhǎng)λ0，則不論從饋線加給導(dǎo)電臂123還是通過照射的電磁波而被感應(yīng)到導(dǎo)電臂123上，慢波沿導(dǎo)電臂123行進(jìn)的距離都相應(yīng)地較短。
因此，使用在此所討論的慢波概念的一種行波結(jié)構(gòu)103，如阿基米德螺線，其尺寸可以很小，成為一個(gè)小型化的天線，同時(shí)基本上保持其中相速是自由空間的光速c的對(duì)應(yīng)天線的寬帶特性，其中這兩個(gè)相應(yīng)的行波結(jié)構(gòu)在尺寸上根據(jù)慢波系數(shù)SWF是成正比的。特別地，在根據(jù)不同的實(shí)施方案的慢波天線中用于較低頻率的較小的輻射區(qū)轉(zhuǎn)化成行波結(jié)構(gòu)103的較小直徑。除所需要的尺寸減小外，慢波天線100還表現(xiàn)出另外的優(yōu)點(diǎn)，即實(shí)現(xiàn)所需要的輻射方式。例如，模式-1單向方式被用于慢波天線100的在不同的設(shè)備(如一個(gè)運(yùn)輸工具)上的保形安裝，并且當(dāng)慢波天線100用于便攜式系統(tǒng)(如手持蜂窩電話)時(shí)最大地減小對(duì)人體的任何潛在的輻射危害。
為發(fā)射并維持一個(gè)慢波通過行波結(jié)構(gòu)103的傳播，重要的是慢波被“緊密地約束”于行波結(jié)構(gòu)103。也就是說，慢波天線100的物理參數(shù)是特定的，以確保在到達(dá)輻射區(qū)之前特定頻率的慢波不會(huì)從行波結(jié)構(gòu)103輻射出去。這對(duì)由輻射區(qū)確定慢波天線100的所需最小尺寸的低頻情況尤為重要。
再參考圖1A，所討論的物理參數(shù)中的第一個(gè)是介電基底106的厚度t，它被確定為小于0.04λ1，其中λ1是慢波天線100的最低頻率f1的自由空間波長(zhǎng)。也就是說，工作頻率范圍有一個(gè)具有相應(yīng)波長(zhǎng)λ1的低頻界限f1，以及一個(gè)具有相應(yīng)波長(zhǎng)λh的高頻界限fh。
當(dāng)導(dǎo)電表面部件109被置于緊靠行波結(jié)構(gòu)103處時(shí)，其作用是通過導(dǎo)電臂123傳播的慢波被緊密地約束到行波結(jié)構(gòu)103。結(jié)果是，慢波通過導(dǎo)電臂123傳播，直到它到達(dá)其輻射區(qū)，慢波在那里從行波結(jié)構(gòu)103輻射到行波結(jié)構(gòu)103上面的空間中。
介電基底106足夠地薄，所以沒有會(huì)破壞或干擾行波結(jié)構(gòu)103的輻射方式的表面波被發(fā)射。例如，當(dāng)介電基底106厚于0.04λ1時(shí)，行波可能離開行波結(jié)構(gòu)103并以一種弱得多的約束方式輻射，而不是沿著導(dǎo)電臂123以較低的相速傳播直到到達(dá)輻射區(qū)。最合適的厚度t的選擇也需要考慮慢波天線100的效率或增益，通常其趨勢(shì)是該頻率或增益隨著厚度t的減小而降低。
另外，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，當(dāng)介電基底106的介電常數(shù)與導(dǎo)電表面部件109的有限導(dǎo)電率處于預(yù)定值時(shí)，慢波被緊密地約束到行波結(jié)構(gòu)103的導(dǎo)電臂123。特別地，在一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)介電基底106的介電常數(shù)大于或等于5而導(dǎo)電表面部件109的有限導(dǎo)電率是大于或等于1×107mho/米時(shí)，慢波被緊密地約束到導(dǎo)電臂123。在另一個(gè)實(shí)施方案中，介電基底106的介電常數(shù)小于或等于2.5而導(dǎo)電表面部件109的導(dǎo)電率是有限的，小于或等于1×107mho/米，包括半導(dǎo)體。因?yàn)槟芰吭诮殡娀?06和導(dǎo)電表面部件109之間的轉(zhuǎn)移，傳播速度降低。介電基底106與導(dǎo)電表面部件109之間的界面極化作用，增加了有效的介電常數(shù)，并因此增大了慢波系數(shù)SWF。還要注意在慢波天線100中，幾乎所有的有源功率都通過介電基底106傳輸，而不是通過導(dǎo)電表面部件109。因此，導(dǎo)電表面部件的低導(dǎo)電率并不會(huì)引起顯著的能量消耗。
上述介電基底的厚度t、導(dǎo)電表面部件109的導(dǎo)電率，以及介電基底106的介電常數(shù)的值，根據(jù)兩個(gè)基本原則來選擇(1)慢波被緊密地約束到行波結(jié)構(gòu)103，但并不緊密到妨礙在輻射區(qū)的輻射，以及(2)通過適當(dāng)選擇導(dǎo)電表面部件109的導(dǎo)電率的范圍，傳播損失被最小化。
注意介電基底106是與行波結(jié)構(gòu)103直接接觸的。行波結(jié)構(gòu)103也可以被嵌入介電基底106。而且，雖然所示的導(dǎo)電表面部件109的直徑等于行波結(jié)構(gòu)103的直徑，但導(dǎo)電表面部件109的直徑優(yōu)選地是大于行波結(jié)構(gòu)103的直徑。然而，導(dǎo)電表面部件109的直徑也可以略微小于行波結(jié)構(gòu)103的直徑。
此外，也可以用電抗性負(fù)載以改善阻抗匹配，從而進(jìn)一步減小慢波天線100的直徑，同時(shí)保持足夠高的、用作發(fā)送/接收天線所必須的發(fā)送效率。特別是，短路銷(未顯示)可被置于相鄰的導(dǎo)電臂123之間、或?qū)щ姳?23與導(dǎo)電表面部件109之間的優(yōu)化位置，以獲得任何所需要的容抗與感抗。也可以使用集中的電容性部件。
圖1A所示的慢波天線是一個(gè)平面結(jié)構(gòu)?？梢岳斫獾氖?，該慢波天線100可以被包括在非平面結(jié)構(gòu)中，以便于將天線安裝到任何光滑的曲面上。但是，在這種非平面應(yīng)用中行波結(jié)構(gòu)103與導(dǎo)電表面部件109應(yīng)該基本上相互平行，且在它們之間有均勻厚度t的非平面介電基底。注意該慢波天線100的形狀也可以不是圓形的。
由于具有減小的尺寸和寬的帶寬，慢波天線100提供了一種明顯的優(yōu)點(diǎn)。具體地，作為一個(gè)例子，具有1英寸直徑的行波結(jié)構(gòu)103的慢波天線100的特點(diǎn)，是帶寬從1.7到2.0GHz，這是18％帶寬。為達(dá)到同樣的帶寬，根據(jù)具有慢波系數(shù)SWF為1的螺線的現(xiàn)有技術(shù)，直徑至少需要2.5英寸。在進(jìn)一步的比較中，一個(gè)1平方英寸的微帶轉(zhuǎn)接天線可以達(dá)到的帶寬只有1％或更少。慢波天線100的所選擇的實(shí)際參數(shù)，包括行波結(jié)構(gòu)103的直徑、介電基底106的介電常數(shù)、以及導(dǎo)電表面部件109的導(dǎo)電率，可以最終依據(jù)慢波天線100的具體的應(yīng)用，而該應(yīng)用根據(jù)上面所討論的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。
替換變形見圖2A，所示的是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的慢波天線200的剖面圖。該慢波天線200包括如參考圖1A和1B所討論的行波結(jié)構(gòu)103和導(dǎo)電表面部件109。慢波天線200還包括在行波結(jié)構(gòu)103與導(dǎo)電表面部件109之間的一個(gè)第一介電基底203和第二介電基底206。第一介電基底203有預(yù)定的厚度t1和復(fù)介電常數(shù)ε1。第二介電基底206有預(yù)定的厚度t2和復(fù)介電常數(shù)ε2。根據(jù)第二實(shí)施方案，預(yù)定的厚度t1與復(fù)介電常數(shù)ε1分別遠(yuǎn)大于預(yù)定厚度t2和復(fù)介電常數(shù)ε2。復(fù)介電常數(shù)ε1和ε2都大于或等于自由空間的介電常數(shù)ε0。
參考下一張圖2B，所示的是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方案的慢波天線220的剖面圖。慢波天線220類似于慢波天線100或200，但在圖1或圖2A的行波結(jié)構(gòu)103的頂部加了一個(gè)介電覆層223。該介電覆層223具有預(yù)定的厚度t2和復(fù)介電常數(shù)ε2。厚度t2和介電常數(shù)ε2可分別大于或小于t1和ε1。介電覆層223進(jìn)一步增強(qiáng)了慢波天線220的性能。
參考圖2C，圖中所示是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方案的慢波天線240的剖面圖。慢波天線240包括參考圖1A與1B所討論的行波結(jié)構(gòu)103和導(dǎo)電表面部件109。在行波結(jié)構(gòu)103與導(dǎo)電表面部件109之間，慢波天線240還如圖所示地包括具有預(yù)定的厚度t1和復(fù)介電常數(shù)ε1的第一介電基底243、具有預(yù)定的厚度t2和復(fù)介電常數(shù)ε2的第二介電基底246、以及具有預(yù)定的厚度t3和復(fù)介電常數(shù)ε3的第三介電基底249。第一和第三介電基底243和249分別與行波結(jié)構(gòu)103和導(dǎo)電表面部件109相接觸。慢波天線240采用組合的介電基底243、246和249以使行波結(jié)構(gòu)103與導(dǎo)電地平面109之間的介電常數(shù)從高值降到低值逐漸變小或分步減小。注意這些多個(gè)介電基底243、246和249可被視為介電基底層。盡管圖示中只顯示有三個(gè)介電基底層，應(yīng)注意可以用與所示的三層介電基底同樣的方式使用任何數(shù)目的介電基底層。也可以配置對(duì)預(yù)定厚度t1、t2和t3以及復(fù)介電常數(shù)ε1、ε2和ε3的其它組合，以增強(qiáng)慢波天線240的特定性能特性。
試驗(yàn)結(jié)果參考圖1A和1B，為說明根據(jù)本發(fā)明的慢波天線100的效果，進(jìn)行了現(xiàn)有技術(shù)螺線天線(其SWF＝1)與根據(jù)本發(fā)明的慢波天線100的對(duì)比?，F(xiàn)有技術(shù)螺線天線(未示出)與慢波天線100都包括一個(gè)直徑為1英寸的阿基米德螺線。
首先討論了現(xiàn)有技術(shù)螺線天線的試驗(yàn)。該現(xiàn)有技術(shù)天線不包括介電基底106，因此導(dǎo)致其慢波系數(shù)SWF接近1。現(xiàn)有技術(shù)天線的厚度被確定為大約0.155英寸，使該天線適于低頻帶中的發(fā)送。關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)天線的試驗(yàn)，眾所周知，直徑1英寸的螺線天線在頻率低于3.75GHz時(shí)，由于其周線小于低于3.75GHz時(shí)的1個(gè)波長(zhǎng)，從而不能滿足輻射區(qū)的要求，天線迅速地?fù)p失其支持模式-1輻射的能力。(在3.75GHz，波長(zhǎng)＝3.15英寸。)也就是說，在頻率低于3.75GHz時(shí)，輻射區(qū)大于現(xiàn)有技術(shù)天線本身。
參考圖3A和3B，圖中所示為對(duì)具有5dB/div的現(xiàn)有技術(shù)螺線天線(SWF＝1)而言，所測(cè)得的θ偏振和φ偏振分量在頻率1.8GHz時(shí)的輻射圖300和320。在輻射圖300和320上都有一個(gè)用作性能比較的基準(zhǔn)電平的基準(zhǔn)電平標(biāo)記305。如圖中所見，θ偏振分量和φ偏振分量的輻射圖300和320遠(yuǎn)低于該基準(zhǔn)電平標(biāo)記305。圖3A與3B中的測(cè)得的輻射圖的例子顯示出對(duì)于該現(xiàn)有技術(shù)螺線天線沒有有效的模式-1輻射。任何沿視軸方向的輻射，假設(shè)一個(gè)小的模式-1輻射，可能歸因于散射輻射并從饋線纜、天線塔、消聲室等散射。
再看圖4A和4B，圖中所示為對(duì)具有5dB/div及基準(zhǔn)電平標(biāo)記305的慢波天線100(圖1A和1B)所測(cè)得的θ偏振分量和φ偏振分量在頻率1.8GHz時(shí)的輻射圖340和360。該慢波天線100包括一個(gè)厚度t為0.155英寸和10-j0.003的估計(jì)復(fù)相對(duì)介電常數(shù)的介電基底106(圖1A和1B)，該電容率對(duì)應(yīng)于0.003的損耗正切值。適當(dāng)?shù)牟劬€(slotline)激發(fā)也可以被用于滿足慢波標(biāo)準(zhǔn)。圖4A與4B所示的測(cè)得的輻射圖顯示出清楚的、顯著的在1.8GHz的模式-1輻射，如由其形狀(視軸方向的強(qiáng)輻射)和高出將近20dB的輻射強(qiáng)度所表明的。雖然圖中只顯示了1.8GHz的輻射圖，但1英寸的螺線的工作頻率的低端實(shí)際上已經(jīng)擴(kuò)展到從3.75GHz到接近1GHz范圍，實(shí)現(xiàn)了將近4的慢波系數(shù)SWF，這意味著接近15的有效介電常數(shù)，稍微高于介電基底106的大約10的介電常數(shù)。
參見圖5，圖中所示為描述現(xiàn)有技術(shù)螺線天線(SWF＝1)的增益405和慢波天線在視軸上的增益410的圖形400，這兩種增益都是通過對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)增益天線進(jìn)行校準(zhǔn)而測(cè)得的。該圖形表示在從1到2GHz的頻率范圍上增益的dBi值?？偟膩砜矗ㄌ炀€增益410平均高出現(xiàn)有技術(shù)天線增益405大約20dB。在兩種情況下的增益都由于天線的基本物理限制而隨頻率的下降而大大地降低，也就是說當(dāng)天線在電學(xué)上較小時(shí)，天線的增益必然會(huì)隨頻率的下降而降低。這是一個(gè)被廣泛認(rèn)可的不能克服的基本技術(shù)障礙。但是，在這種情況下通過在行波結(jié)構(gòu)100的周邊使用電抗匹配以及控制行波結(jié)構(gòu)100和導(dǎo)電表面部件109的導(dǎo)電率，仍然可能得到某些更進(jìn)一步的改善。
電抗載荷被使用于行波結(jié)構(gòu)100的接近邊緣的部位-在該處工作頻帶中的低頻處的能量發(fā)生輻射，以改善阻抗匹配。具有與介電基底106相同性質(zhì)的薄覆層在螺線頂部的使用，表明了可以進(jìn)一步加強(qiáng)慢波結(jié)構(gòu)的性能。
對(duì)上述本發(fā)明的實(shí)施方案可以做出許多變形和改進(jìn)，而不脫離本發(fā)明的精神與原理。所有這些改進(jìn)與改型都被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種小型化的慢波天線，包括一個(gè)具有第一表面和第二表面的介電基底；一個(gè)設(shè)置在介電基底第一表面上的行波結(jié)構(gòu)；至少一根連接到該行波結(jié)構(gòu)的饋線；一個(gè)設(shè)置在介電基底的第二表面上并具有有限的導(dǎo)電率的表面部件；且該介電基底的的厚度小于或等于0.04λ1，其中λ1是一個(gè)由λ1＝c/f1給定的慢波在自由空間中的工作波長(zhǎng)，其中c是光速，f1是慢波天線的工作頻率范圍中的最低頻率。
2.權(quán)利要求1的小型化的慢波天線，其中行波結(jié)構(gòu)具有預(yù)先確定的小于1.2λ1/SWF的周線，其中SWF被定義為慢波天線的慢波系數(shù)，該慢波系數(shù)被定義為慢波天線的相速與真空中的光速之比。
3.如權(quán)利要求1的小型化的慢波天線，其中介電基底的周線至少要與行波結(jié)構(gòu)的周線一樣長(zhǎng)。
4.如權(quán)利要求1的小型化的慢波天線，進(jìn)一步包括具有至少一個(gè)導(dǎo)電臂的所述行波結(jié)構(gòu)；以及，安裝在行波結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電臂上的多個(gè)電抗元件，這些電抗元件為阻抗匹配提供了電抗負(fù)載。
5.如權(quán)利要求1的小型化的慢波天線，其中該表面部件的導(dǎo)電率大于1×107mhos/米，且介電基底的介電常數(shù)大于5。
6.如權(quán)利要求1的小型化的慢波天線，其中該表面部件的導(dǎo)電率小于1×107mhos/米，且介電基底的介電常數(shù)小于2.5。
7.如權(quán)利要求1的小型化的慢波天線，其中行波結(jié)構(gòu)包括至少兩個(gè)螺旋臂。
8.如權(quán)利要求1的小型化的慢波天線，其中該饋線被連接到行波結(jié)構(gòu)的一個(gè)外緣。
9.如權(quán)利要求1的小型化的慢波天線，進(jìn)一步包括一個(gè)安裝在該行波結(jié)構(gòu)上的介電復(fù)蓋層。
10.如權(quán)利要求1的小型化的慢波天線，其中介電基底還包括多個(gè)介電基底層。
11.如權(quán)利要求3的小型化的慢波天線，其中該表面部件的周線不大于介電基底的周線。
12.如權(quán)利要求3的小型化的慢波天線，其中該表面部件的周線至少與介電基底的周線一樣長(zhǎng)。
13.如權(quán)利要求4的小型化的慢波天線，其中該電抗元件進(jìn)一步包括多個(gè)安裝在導(dǎo)電臂與表面部件之間的短路銷，這些短路銷為阻抗匹配提供了電抗負(fù)載。
14.如權(quán)利要求4的小型化的慢波天線，其中該電抗元件進(jìn)一步包括多個(gè)安裝在行波結(jié)構(gòu)的一個(gè)第一導(dǎo)電臂與一個(gè)第二導(dǎo)電臂之間的短路銷，這些短路銷為阻抗匹配提供了電抗負(fù)載。
全文摘要
公開了一種用于發(fā)送并接收射頻信號(hào)的寬頻、小型化的慢波天線。該慢波天線包括一個(gè)表面安有行波結(jié)構(gòu)而相對(duì)的另一表面安有導(dǎo)電表面部件的介電基底。該行波結(jié)構(gòu)是例如一種寬頻平面型(如各種螺線),并包括傳導(dǎo)臂,該傳導(dǎo)臂被耦合到穿過介電基底和導(dǎo)電表面部件連接到傳送器和接收器的饋線。介電基底的厚度是預(yù)先確定的,例如小于0.04λ
文檔編號(hào)H01Q1/38GK1326601SQ99813397
公開日2001年12月12日 申請(qǐng)日期1999年11月3日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月19日
發(fā)明者約翰遜·J·H·王, 詹姆斯·K·蒂勒利 申請(qǐng)人:王光電公司