專(zhuān)利名稱(chēng)：通過(guò)多模式三維(3-d)行波(tw)的超寬帶微型化全向天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大致涉及射頻天線，且更具體地涉及微型化低剖面超寬帶全向天線。背景全向天線，例如常見(jiàn)的偶極子天線和鞭狀天線，是最廣泛使用的天線。理想情況下的全向天線在天線的中心軸周?chē)哂薪y(tǒng)一的輻射強(qiáng)度，其在與中心軸垂直的平面中達(dá)到峰值。例如，垂直偶極子是全向天線，在其垂直軸周?chē)?即，在方位角方向圖中)在任意給定的仰角處具有統(tǒng)一的(不變的)輻射強(qiáng)度，其在水平平面處達(dá)到峰值。在一些現(xiàn)代的實(shí)際應(yīng)用中，這類(lèi)全向天線被加寬以包括那些在仰角跨度內(nèi)(通常 在地面應(yīng)用的背景中接近地平線)具有實(shí)質(zhì)上關(guān)于垂直軸對(duì)稱(chēng)的寬空間覆蓋的天線。然而，在某些應(yīng)用中，尤其在數(shù)字無(wú)線世界中，某個(gè)方向性或甚至零方向性可以是可接受的或甚至是優(yōu)選的。不過(guò)，在本公開(kāi)中的技術(shù)提供了在給定的仰角跨度內(nèi)的實(shí)質(zhì)上統(tǒng)一的方位角方向圖。在仰角方向圖中，一些波束傾斜通常是不可避免的，并且在某些應(yīng)用中可能是優(yōu)選的。無(wú)線應(yīng)用的激增對(duì)全向天線的更寬的帶寬、更低的剖面、更小的尺寸和重量以及更低的成本設(shè)定了越來(lái)越苛求的目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這些物理的和性能目標(biāo)，天線工程師必須克月艮 Chu 限制(Chu，L. J.，“Physical Limitations of Omnidirectional Antennas，，，J. Appl.Phys. , Vol. 19, Dec. 1948,其通過(guò)引用被并入本文)，Chu限制陳述了天線的增益帶寬由天線的電氣尺寸(即，以波長(zhǎng)為單位的尺寸)限制。具體地，在Chu限制下，如果天線應(yīng)具有良好的效率和相當(dāng)大的帶寬，其尺寸中的至少一個(gè)需要為大約X 74或更大，其中X ^表示最低工作頻率處的波長(zhǎng)。在UHF和更低的頻率(低于IGHz)處，波長(zhǎng)長(zhǎng)于30cm，其中天線的尺寸隨著頻率的降低(因此波長(zhǎng)更長(zhǎng))變成越來(lái)越嚴(yán)重的問(wèn)題。例如，為了覆蓋高頻帶，比如3-30MHZ，寬帶有效的天線可能必須為高15m和直徑30m那么大。為了避開(kāi)Chu限制，一種方法是減小天線高度，并用與安裝有天線的平臺(tái)的表面平行的較大的尺寸換取它，產(chǎn)生低剖面天線。例如，當(dāng)天線安裝在諸如手機(jī)或地面的平臺(tái)上時(shí)，平臺(tái)變成天線輻射體的一部分，導(dǎo)致滿(mǎn)足Chu限制所需要的天線的更大尺寸。在許多應(yīng)用中，低剖面和寬帶寬例如“超寬帶”已經(jīng)成為共同的天線要求?！俺瑢拵А碧炀€通常意指具有大于2 I的倍頻程增益帶寬，也就是說(shuō)，fH/fV彡2，其中fH和4是最高的工作頻率和最低的工作頻率。注意，“超寬帶”有時(shí)在實(shí)踐中意指具有兩個(gè)或多個(gè)寬頻帶(多頻帶)，且每個(gè)頻帶具有足夠?qū)挼膸?。“低剖面”天線通常意指具有入夕10或更小的高度，其中入[是在4處的自由空間波長(zhǎng)。在追求更寬的帶寬和更低的剖面時(shí)，發(fā)現(xiàn)TW沿著平臺(tái)的表面?zhèn)鞑サ男胁?TW)天線不僅具有固有地更低的剖面，而且具有潛在地更寬的帶寬。(TW天線是產(chǎn)生天線輻射方向圖的場(chǎng)和電流可以由一個(gè)或多個(gè)TW表示的天線，TW是以某一相速度傳播的電磁波，如在書(shū)“Traveling Wave Antennas，，(Walter, C. H. , Traveling Wave Antennas, McGraw-Hill,NY，1965，其通過(guò)引用被并入本文)中所討論的，在書(shū)中討論了多個(gè)低剖面TW天線。)
TW沿著或垂直于平臺(tái)的表面?zhèn)鞑サ哪承┬胁?TW)天線可不僅具有固有地低的剖面而且具有潛在地寬的帶寬。另外，某些TW天線的場(chǎng)和電流可產(chǎn)生可以由一個(gè)或多個(gè)TW表示的天線輻射方向圖。圖I示出了現(xiàn)有技術(shù)中的全向TW(行波)天線朝更寬的帶寬、微型化和平臺(tái)共形性的進(jìn)展。第一階段從(a)到(b)示出了天線剖面的減小的早期實(shí)例。在這里，安裝在平臺(tái)上的高剖面鞭狀天線被減小成低剖面?zhèn)鬏斁€天線(King, R. ff. P. , C. W. Harrison,Jr 和D. H. Denton, Jr. ,“Transmission-line missile antennas，，，IEEE Transactions onAntennas and Propagation, vol. 8, No. I, pp. 88-90. Jan. 1960,其通過(guò)引用被并入本文)。注意，鞭狀天線可以被視為T(mén)W天線，且具體地可被視為I維(I-D)法向模式TW天線。實(shí)際上，在這里，該技術(shù)是使用低剖面I-D傳輸線天線替換高剖面法向模式TW結(jié)構(gòu)或源場(chǎng)，低剖面I-D傳輸線天線是提供類(lèi)似的全向方向圖覆蓋和像垂直的鞭狀天線一樣的垂直極化的I-D表面模式TW。雖然傳輸線天線中的I-D表面模式TW在與地平面平行(換句話說(shuō)，與z軸垂直)、的路徑中傳播，但其輻射電流主要在其平行于z軸的一個(gè)或多個(gè)垂直柱上，從相關(guān)的遠(yuǎn)場(chǎng)角度看，等效電流在相位上彼此接近。注意，該I-D表面模式TW和其支撐結(jié)構(gòu)不必沿著圍繞z軸的筆直的徑向線。例如，I-D表面TW結(jié)構(gòu)可以在x-y平面中是彎曲和成曲線狀的，只要它的I-D傳輸線模式TW的一般特征保持實(shí)質(zhì)上完整和不受干擾。然而，I-D傳輸線天線固有地是窄帶天線。通常，只實(shí)現(xiàn)帶寬的百分之幾。此外，較低的天線剖面導(dǎo)致較小的帶寬。后來(lái)開(kāi)發(fā)了呈現(xiàn)越來(lái)越寬的帶寬的一些2-D低剖面TW天線，例如盤(pán)荷單極天線、葉片天線等，如在圖I的(b)到(C)中所描繪的。其中，藥丸盒形 Goubau 天線(Goubau,G. ,“Multi-Element Monopole Antennas，，，Proc. Army EC0M-AR0,Workshop on Electrically Small Antennas, Ft. Monmouth, NJ, pp. 63-67, May 1976,其通過(guò)引用被并入本文)具有2 I的帶寬和高度(厚度)為0.065 X ^的低剖面，與Chu限制最接近。螺旋模式微帶(SMM)天線——一類(lèi)2-D TW天線——代表在擴(kuò)展帶寬和降低TW天線的剖面方面中的重要改進(jìn)，如在出版物(Wang, J. J. H.和V. K. Tripp,“Design of MultioctaveSpiral-Mode Microstrip Antennas，，，IEEE Trans. Ant. Prop, March 1991 ；ffang, J. J. H.,“The Spiral as a Traveling Wave Structure for Broadband Antenna Applications，，，Electromagnetics, pp.20-40，July-August 2000 ；ffang, J. J. H, D. J. Triplett 和C. J. Stevens, “Broadband/Multiband Conformal Circular Beam-Steering Array，，，IEEETrans. Antennas and Prop. Vol. 54, Nol. 11, pp. 3338-3346, November, 2006)和美國(guó)專(zhuān)利(在1994年發(fā)布的5，313，216 ;在1995年發(fā)布的5，453，752 ;在1996年發(fā)布5，589，842 ;在1997年發(fā)布的5，621，422 ;在2009年發(fā)布的7，545，335B1)中所示，它們都通過(guò)引用被并入本文。全向模式-OSMM天線已實(shí)現(xiàn)了大約10 I的實(shí)際倍頻程帶寬，且具有大約0.09入L的天線高度和小于入^/2的直徑。在上面的實(shí)施例中，Chu限制設(shè)置了具有給定電氣尺寸的有效天線的工作頻率的下限，而不是它的增益帶寬。減小2-D表面TW天線的尺寸的技術(shù)是減小傳播TW的相速度，從而減小傳播TW的波長(zhǎng)。這導(dǎo)致微型化的慢波(SW)天線(Wang和Tillery，在2000年發(fā)布的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6，137，453，其通過(guò)引用被并入本文)，其允許以性能的一些犧牲來(lái)?yè)Q取天線的直徑和高度的減小。
SW天線是TW天線的子類(lèi)，其中TW是慢波，其具有的相速度的因而產(chǎn)生的減小由慢波因子(SWF)表征。SWF被定義為T(mén)W的相速度Vs與光速c的比率，其通過(guò)以下關(guān)系式給出SffF = c/Vs =入 0/ 入 s(I)其中，c是光速，\是自由空間中的波長(zhǎng)，以及As是在工作頻率&處的慢波的波長(zhǎng)。注意，工作頻率fo在自由空間中和在慢波天線中都保持相同。SWF指示TW天線在相關(guān)的線性尺寸上減小了多少。例如，SWF為2的SW天線意味著其在SW傳播的平面中的線性尺寸被減小到常規(guī)的TW天線的尺寸的1/2。注意，對(duì)于尺寸的減小，減小直徑而不是高度將有效得多，因?yàn)樘炀€的尺寸與天線直徑的平方成比例，但只與天線高度成線性比例。還注意，在本公開(kāi)中，每當(dāng)提到TW時(shí)，通常包括SW的情況。
隨著無(wú)線系統(tǒng)的激增，天線需要具有越來(lái)越寬的帶寬、越來(lái)越小的尺寸/重量/覆蓋區(qū)和平臺(tái)共形性，尤其是對(duì)于UHF和更低的頻率(即，低于IGHz)。此外，對(duì)于具有有限空 間和承載容量的平臺(tái)上的應(yīng)用，大大優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)的體積、重量和通常相應(yīng)而生的制造成本的減少是非常合乎需要的，甚至在一些應(yīng)用中明令要求了這種體積、重量和制造成本的減少。附圖的簡(jiǎn)要描述圖I示出了全向天線朝寬帶寬、低剖面和微型化的發(fā)展的現(xiàn)有技術(shù)。圖2示出了安裝在平臺(tái)的一般彎曲的表面上的超寬帶低剖面微型化3-D TW天線的一種實(shí)施方式。圖3示出了包括2-D表面模式結(jié)構(gòu)和I-D法向模式結(jié)構(gòu)的超寬帶低剖面微型化3-D TW天線的一種實(shí)施方式。圖4示出了作為另一模式-OTW輻射體的平面寬帶縫隙陣列的一種實(shí)施方式。圖5A示出了作為另一模式-OTW輻射體的正方形平面對(duì)數(shù)周期縫隙陣列的一種實(shí)施方式。圖5B示出了作為另一模式-OTW輻射體的細(xì)長(zhǎng)平面對(duì)數(shù)周期結(jié)構(gòu)的一種實(shí)施方式。圖6A不出了作為另一模式-OTW福射體的圓形平面正弦結(jié)構(gòu)的一種實(shí)施方式。圖6B示出了作為另一模式-OTW輻射體的鋸齒形平面結(jié)構(gòu)的一種實(shí)施方式。圖6C示出了作為另一模式-OTW輻射體的細(xì)長(zhǎng)平面對(duì)數(shù)周期結(jié)構(gòu)的一種實(shí)施方式。圖6D示出了作為另一模式-OTW輻射體的平面對(duì)數(shù)周期自補(bǔ)結(jié)構(gòu)的一種實(shí)施方式。圖7示出了由兩個(gè)2-D表面模式輻射體組成的超寬帶低剖面微型化3-D Tff天線的一種實(shí)施方式。圖8A示出了用于給圖7的兩個(gè)2-D表面模式輻射體饋電的超寬帶雙頻帶饋電電纜的A-A橫截面視圖。圖8B示出了用于給圖7的兩個(gè)2-D表面模式輻射體饋電的超寬帶雙頻帶饋電電纜的透視圖。圖8C示出了用于給圖7的兩個(gè)2-D表面模式輻射體饋電的超寬帶雙頻帶饋電電纜的底視圖。圖9描繪了超寬帶3-D三模式TW全向天線的一種實(shí)施方式。

圖10描繪了可選的超寬帶3-D三模式TW全向天線的一種實(shí)施方式。圖11描繪了覆蓋超寬帶和分開(kāi)的遠(yuǎn)隔的低頻率的多模式3-D TW天線的一種實(shí)施方式。圖12示出了 3-D多模式TW天線的饋電網(wǎng)絡(luò)的等效傳輸線電路的一種實(shí)施方式。圖13示出了從兩個(gè)輸入端子所測(cè)量的圖7中的天線的VSWR，該天線覆蓋在0. 2-20. OGHz內(nèi)的100 I的倍頻程帶寬。圖14示出了圖7中的天線的典型的所測(cè)量的輻射方向圖，該天線覆蓋在0. 2-20. OGHz內(nèi)的100 I的倍頻程帶寬。本公開(kāi)的詳細(xì)描述本公開(kāi)示出了使用多模式3-D (三維)TW(行波)的技術(shù)以及波耦合與饋電技術(shù)，以使帶寬變寬和減小可與平臺(tái)共形的全向天線的尺寸/重量/覆蓋區(qū)，導(dǎo)致大幅度超越現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)的物理優(yōu)勢(shì)和電性能?，F(xiàn)在參考圖2，描繪了安裝在平臺(tái)30的一般彎曲的表面上的3-D (三維)多模式TW(行波)天線10，在識(shí)別天線10和它的安裝平臺(tái)30之間的相互作用時(shí)，尤其是當(dāng)天線的尺寸以波長(zhǎng)計(jì)較小時(shí)，天線/平臺(tái)組件被共同地表示為50。天線被共形地安裝在平臺(tái)的表面上，平臺(tái)的表面通常是曲線狀的，如在點(diǎn)P由正交坐標(biāo)以及它們各自的切線向量所描繪的。作為實(shí)際問(wèn)題，天線經(jīng)常被放置在平臺(tái)的相對(duì)平坦的區(qū)域上，且不必完美地與表面共形，因?yàn)門(mén)W天線具有它自己的導(dǎo)電地表面。因此，通常選擇導(dǎo)電地表面為規(guī)范形狀例如平面、圓柱形、球形或圓錐形形狀的一部分，規(guī)范形狀制造起來(lái)容易且成本低。在平臺(tái)的表面上的任意點(diǎn)P，正交曲線坐標(biāo)Usl和Us2與表面平行，而Un與表面垂直。在與表面平行(即，與Un垂直)的方向上傳播的TW被稱(chēng)為表面模式TW。如果表面模式TW的路徑是沿著窄路徑(不一定是線性的或筆直的)，則TW是I-D(—維)的。否則，表面模式TW的路徑將是2-D (2維)的，徑向地且優(yōu)選地均勻地從饋電器傳播且沿著平臺(tái)表面向外輻射，導(dǎo)致具有垂直極化(與Un平行)的全向輻射方向圖。雖然本公開(kāi)中的討論在發(fā)射情況或者接收情況下實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于以互易理論為基礎(chǔ)的這兩種情況，結(jié)果和結(jié)論都有效，因?yàn)檫@里所討論的TW天線是由線性無(wú)源材料和部件制成的。如在圖3中所描繪的，在側(cè)視圖和頂視圖中，該3-D多模式TW天線100的一種實(shí)施方式包括順序地一個(gè)堆疊在另一個(gè)的頂部上的導(dǎo)電地平面110、2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)120、頻率選擇外部耦合器140和I-D法向模式TW結(jié)構(gòu)160。天線在底部的中心處由饋電網(wǎng)絡(luò)180饋電，饋電網(wǎng)絡(luò)180伸入2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)120中。因?yàn)檫@是一種全向天線，在圖3中的每個(gè)元件被配置成具有圓形或多邊形周界的藥丸盒形狀。另外，即使3-D多模式TW天線100的每個(gè)元件只被描繪為在圖3中示出的頂視圖中的同心圓形式，每個(gè)元件在結(jié)構(gòu)上也關(guān)于垂直坐標(biāo)1對(duì)稱(chēng)，以便產(chǎn)生關(guān)于Un對(duì)稱(chēng)的輻射方向圖。所有的藥丸盒形元件都與導(dǎo)電地平面110平行，導(dǎo)電地平面110可以是規(guī)范形狀例如平面、圓柱形、球形或圓錐形的表面的一部分。而且，每個(gè)TW結(jié)構(gòu)的厚度在電學(xué)上是較小的，一般小于0. 1入 其中X,表示最低工作頻率處的波長(zhǎng)。此外，雖然優(yōu)選的2-D TW結(jié)構(gòu)120關(guān)于天線的中心軸對(duì)稱(chēng)，但它可以被重新配置成具有細(xì)長(zhǎng)的形狀以便與某些平臺(tái)共形。導(dǎo)電地平面110是固有的和內(nèi)在的元件，且具有至少與超寬帶低剖面2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)120的底部的尺寸一樣大的尺寸。在一種實(shí)施方式中，導(dǎo)電地平面110具有至少覆蓋來(lái)自3-D TW天線100的在-Un方向上的平臺(tái)上的投影的表面區(qū)域，3-D TW天線100的導(dǎo)電地平面110被排除或移除。因?yàn)樵S多平臺(tái)的頂表面是由導(dǎo)電金屬制成的，如果需要的話，它們可以直接作為導(dǎo)電地平面110。2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)120在直徑上小于入夕2，其中入[是2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)120獨(dú)自的單獨(dú)的工作頻帶的最低頻率處的波長(zhǎng)。僅僅2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)120的單獨(dú)的工作頻帶可以通過(guò)使用例如模式-OSMM (螺旋模式微帶)天線來(lái)實(shí)現(xiàn)10 I或更大的倍頻程帶寬。I-D法向模式TW結(jié)構(gòu)160支持沿著垂直坐標(biāo)Un的Tff傳播。I-D法向模式TW結(jié)構(gòu)160的功能是擴(kuò)展2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)120的單獨(dú)的工作頻率的下限。在一種實(shí)施方式中，Tff結(jié)構(gòu)160是具有優(yōu)化的直徑和高度的小導(dǎo)電圓柱體。作為2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)120的一部分的2_D表面模式TW輻射體125可以是在模式0中被激發(fā)的平面多臂自補(bǔ)阿基米德螺旋(其中在離垂直坐標(biāo)Un的任何徑向距離處的等效電流源實(shí)質(zhì)上在振幅和相位上相等并具有在Un作為z軸的球坐標(biāo)系中的Cp極化)，其 專(zhuān)門(mén)適合于該應(yīng)用。在其他的實(shí)施方式中，2-D表面模式TW輻射體125被配置成不同的平面結(jié)構(gòu)，優(yōu)選地是自補(bǔ)的，如在以后將更詳細(xì)地討論的，且在模式0中被激發(fā)。值得注意的是，TW輻射體125優(yōu)選地在2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)120的外緣處是開(kāi)放的，作為有助于全向輻射的附加的環(huán)形槽。頻率選擇外部耦合器140是薄的平面導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，其被放置在2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)120和I-D法向模式TW結(jié)構(gòu)160之間的界面處，且被優(yōu)化成便于并調(diào)整在這些相鄰的TW結(jié)構(gòu)之間的耦合。在2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)120的整個(gè)單獨(dú)的頻帶內(nèi)(通常超過(guò)10 I比率或更大的帶寬且在3-D多模式TW天線100的工作頻率范圍的高端處)，頻率選擇外部耦合器140抑制I-D法向模式TW結(jié)構(gòu)160對(duì)2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)120的干擾。另一方面，頻率選擇外部耦合器140便于在3-D多模式TW天線100的工作頻帶的低端處的在2-D表面 模式TW結(jié)構(gòu)120和I-D法向模式TW結(jié)構(gòu)160之間的功率耦合。在一種實(shí)施方式中，外部耦合器140由導(dǎo)電材料制成，且具有足夠大的尺寸以覆蓋I-D法向模式TW結(jié)構(gòu)160的基部(底部)。同時(shí)，外部耦合器140可以被優(yōu)化成在2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)120的整個(gè)單獨(dú)的工作頻帶內(nèi)最小化該外部耦合器對(duì)2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)120的性能的影響以及I-D法向模式TW結(jié)構(gòu)160對(duì)2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)120的性能的影響。在一種實(shí)施方式中，外部耦合器140是圓形導(dǎo)電板，其直徑在上面描述的限制下且對(duì)于具體的性能要求來(lái)優(yōu)化。2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)120和頻率選擇外部耦合器140的優(yōu)化對(duì)于特定應(yīng)用的實(shí)用性是在期望電性能參數(shù)與物理參數(shù)以及成本參數(shù)之間的折衷。特別是，雖然超寬帶寬和低剖面對(duì)于天線可能是合乎需要的特征，但在許多應(yīng)用中，2-D TW天線的直徑及其與其直徑的平方成比例的尺寸變得不可采用，尤其是在UHF和低于UHF(即，低于IGHz)的頻率處。例如，在低于UHF的頻率處，波長(zhǎng)超過(guò)30cm，且直徑為\ L/3的天線可能超過(guò)IOcm ;任何直徑更大的天線將被用戶(hù)否定地看待。因此，對(duì)于具有有限空間和承載容量的平臺(tái)上的應(yīng)用，微型化和減小重量是合乎需要的。在一種實(shí)施方式中，從天線微型化的角度來(lái)看，尺寸減小3到5倍可以通過(guò)減小2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)120的直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)通過(guò)使用1_D法向模式TW結(jié)構(gòu)160保持其在較低頻率處的覆蓋。從擴(kuò)展頻帶的角度來(lái)看，當(dāng)添加I-D法向模式TW結(jié)構(gòu)160時(shí)，簡(jiǎn)單的2-D TW天線的10 I倍頻程帶寬在體積和重量有較小增加的情況下被擴(kuò)展到14 I或更大。此外，作為節(jié)約材料的結(jié)果，尤其是在UHF和低于UHF的頻率下，成本也跟著減小3-6倍。天線的饋電網(wǎng)絡(luò)180由連接器和包括在2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)120中的阻抗匹配結(jié)構(gòu)組成，并且阻抗匹配結(jié)構(gòu)是激發(fā)表面模式輻射體125中的期望模式-OTW的微波電路。此外，天線饋電網(wǎng)絡(luò)180還將一側(cè)上的TW結(jié)構(gòu)120的阻抗與另一側(cè)上的通常為50歐姆的外部連接器的阻抗匹配。待激發(fā)的模式優(yōu)選地是模式0，但也可以是模式2或更高的模式。用于寬帶阻抗匹配的阻抗匹配結(jié)構(gòu)的理論和技術(shù)在可適合于本申請(qǐng)的微波電路的領(lǐng)域中已被很好地建立了。必須指出的是，對(duì)于TW的每種模式，阻抗匹配的要求必須被滿(mǎn)足。例如，如果有兩種或多種模式將用于多模式、多功能或方向圖/極化分集操作，對(duì)于每一種模式必須滿(mǎn)足阻抗匹配。雖然在如所討論的一種實(shí)施方式中，2-D表面模式TW輻射體125采取平面多臂自 補(bǔ)阿基米德螺旋的形式，但一般產(chǎn)生全向輻射方向圖的縫隙陣列在通常高達(dá)10 I或更大的倍頻程帶寬的超寬帶寬內(nèi)具有實(shí)質(zhì)上恒定的電阻和最小電抗。(平面多臂自補(bǔ)螺旋、阿基米德或等角是同心環(huán)形縫隙陣列的一種實(shí)施方式。)在TW表面模式輻射體125處的在模式-OTW中的輻射來(lái)自同心的縫隙陣列，同心的縫隙陣列等效于同心的環(huán)形縫隙陣列、磁環(huán)陣列或垂直的電單極子陣列。輻射發(fā)生在2-D表面模式TW輻射體125的中心處的法向軸Un周?chē)膱A形輻射區(qū)處以及輻射體125的邊緣處。圖4示出了平面2-D TW輻射體225的另一種實(shí)施方式，這種實(shí)施方式可能在某些應(yīng)用中是優(yōu)選的，優(yōu)于作為T(mén)W輻射體125的平面多臂自補(bǔ)螺旋。它由縫隙陣列221組成，縫隙陣列221是同心的縫隙子陣列的陣列；由四個(gè)縫隙構(gòu)成的各個(gè)子陣列等效于環(huán)形縫隙。陰影區(qū)222是維持縫隙的導(dǎo)電表面。圖5A-5B和圖6A-6D示出2_D Tff輻射體225的另外的實(shí)施方式。圖5A示出具有縫隙陣列321和作為陰影區(qū)的導(dǎo)電表面332的2-D TW輻射體325。此外，圖5B示出具有縫隙陣列421和作為陰影區(qū)的導(dǎo)電表面422的2-D TW輻射體425。此外，圖6A-6D分別示出2_D Tff輻射體525、625、725和825的另外的實(shí)施方式。雖然2-D TW輻射體125的大部分以及因此TW結(jié)構(gòu)120關(guān)于天線的中心軸對(duì)稱(chēng)，但它們可以被重新配置成具有細(xì)長(zhǎng)的形狀，以便與某些平臺(tái)共形。這些配置向具有超寬帶寬能力的2-D表面模式TW輻射體125提供額外的分集和在某些應(yīng)用中期望的其他獨(dú)特特征。具有雙2-D表面樽式TW結(jié)構(gòu)、內(nèi)部耦合器和雙頻帶饋電網(wǎng)絡(luò)的3-DTW天線圖7示出了3-D TW全向天線的另一種實(shí)施方式，在這種實(shí)施方式中，3-D TW天線1000具有雙2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)和頻率選擇內(nèi)部耦合器，導(dǎo)致具有100 1(例如，0. 5-50. OGHz)或更大的可能的倍頻程帶寬的低剖面、與平臺(tái)可共形的天線。它由兩個(gè)2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)1200和1600組成，它們都基本上與圖3中描述的2-D TW天線120類(lèi)似。這兩個(gè)2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)1200和1600被同心地定位，前者(1200)在后者(1600)下方，薄的平面頻率選擇內(nèi)部耦合器1400在它們之間，且導(dǎo)電地平面1110位于2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)1200的下方。在底部處的較大的2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)1200覆蓋低頻帶，例如0. 5-5. 0GHz，且較小的(直徑與1200的相比大約為1/10) 2_D TW結(jié)構(gòu)1600覆蓋高頻帶，例如5. 0-50. OGHz或IO-IOOGHz。這兩個(gè)2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)1200和1600都同時(shí)由分別以橫截面視圖、透視圖和底視圖在圖8A、8B和8C中示出的雙頻帶饋電網(wǎng)絡(luò)1800饋電，雙頻帶饋電網(wǎng)絡(luò)1800的大部分在導(dǎo)電地平面1110的下方和平臺(tái)上的導(dǎo)電地平面1100的上方。在可能重疊、連續(xù)、之間有大的間隙的這兩個(gè)頻帶之間的過(guò)渡可能需要通過(guò)位于這兩個(gè)2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)1200和1600之間的界面處的薄的平面頻率選擇內(nèi)部耦合器1400進(jìn)行一些調(diào)諧和優(yōu)化。頻率選擇內(nèi)部耦合器1400可以是可適應(yīng)2-D Tff結(jié)構(gòu)1600的底部地平面和2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)1200的2-D表面模式TW輻射體1220的薄的平面導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。直接給3-D多模式TW全向天線1000饋電的超寬帶雙頻帶饋電網(wǎng)絡(luò)1800可以是雙頻帶雙饋電電纜組件，其實(shí)施方式在圖8A、8B和8C中示出。該超寬帶3-D多模式TW全向天線1000能夠?qū)崿F(xiàn)100 I或更大的連續(xù)的倍頻程帶寬，如下面說(shuō)明的。然而，在這里注意，在該實(shí)施方式中的頻率覆蓋范圍不必是連續(xù)的。例如，正被討論的當(dāng)前的0. 5-50. OGHz3-D TW天線可容易被修改成覆蓋兩個(gè)單獨(dú)的頻帶，例如，0. 5-5. OGHz和IO-IOOGHz，200 l(100GHz/0. 5GHz)或更寬的頻率范圍。首先，如在圖8A、8B和8C中示出的超寬帶雙頻帶雙饋電電纜網(wǎng)絡(luò)組件1800的結(jié)構(gòu)和功能如下。給高頻帶例如5. 0-50. OGHz饋電的是具有外部導(dǎo)體1814和內(nèi)部導(dǎo)體1816的內(nèi)部電纜。給低頻帶例如0. 5-5. OGHz饋電的是具有外部導(dǎo)體1811和內(nèi)部導(dǎo)體1814的 外部電纜。內(nèi)部電纜和外部電纜共享公共圓形圓柱體導(dǎo)電殼1814。內(nèi)部電纜的中心導(dǎo)體1816 一直穿透到高頻帶2-D表面模式結(jié)構(gòu)1600的2-D輻射體1620，而外部電纜的中心導(dǎo)體1814只穿透到低頻帶2-D表面模式結(jié)構(gòu)1200的2-D輻射體1220。如在圖8A、8B和8C中所示的,雙頻帶雙饋電電纜組件的較高頻帶通過(guò)同軸連接器1817饋電，以及較低頻帶通過(guò)地平面1110上的具有不顯眼的連接器的微帶線1818饋電。這兩個(gè)單獨(dú)的饋電連接器可以通過(guò)使用組合器或多路復(fù)用器組合成單個(gè)連接器。例如可以通過(guò)首先將同軸連接器1817和微帶連接器1818轉(zhuǎn)換成印刷電路板(PCB)中的電路如帶狀線或微帶線電路來(lái)執(zhí)行該組合。放置在天線饋電線和發(fā)射機(jī)/接收機(jī)之間的組合器/多路復(fù)用器可以被封在導(dǎo)電壁內(nèi)以抑制和約束組合器/多路復(fù)用器內(nèi)部的高階模式。在圖8A的A-A橫截面視圖中示出了饋電網(wǎng)絡(luò)1800到3_D多模式TW全向天線1000中的集成，該圖指定了分別連接于、定位于或面接于層1620、1400、1220、1110和1100的饋電電纜組件上的位置。值得評(píng)論的是，對(duì)于低頻帶微帶線饋電線，朝著同軸連接器1817延伸超出與微帶線的接合點(diǎn)的高頻帶電纜是電抗，而不是到地平面1100的可能的短路，因?yàn)檠刂?822、1821和1818的低頻帶微帶線饋電線的地平面是1110，并且導(dǎo)電平面1100與微帶線間隔開(kāi)。然而，由低損耗介電材料制成的薄的圓柱形殼1825可以放置在導(dǎo)電圓柱形殼1814(其是低頻帶電纜的內(nèi)部導(dǎo)體)和導(dǎo)電地平面1100之間以在它們之間形成電容屏蔽。薄的圓柱形介電殼1825移除了低頻帶電纜的內(nèi)部導(dǎo)體1814和導(dǎo)電地平面1100之間的在通孔處的直接電接觸，并且也足夠薄和足夠小以抑制在低頻帶頻率處的任何功率泄漏。圓柱形介電殼1825的小長(zhǎng)度以及導(dǎo)電地平面1100的在通孔處的套管進(jìn)一步提高了對(duì)低頻帶微帶饋電線1818的電屏蔽的質(zhì)量。如果需要，整個(gè)低頻帶微帶饋電線可以包在導(dǎo)電壁中以提高微帶饋電線1818的完整性。最后，如果需要，四分之一波扼流圈也可以放置在1825下方以減少在通孔處的任何共振泄漏。具有內(nèi)部/外部耦合器和雙頻帶饋電網(wǎng)絡(luò)的三樽式3-D TW天線圖9示出具有可能的140 I的倍頻程帶寬(例如，0.35-50. OGHz)的3-D三模式TW全向天線2000。該天線通過(guò)在其頂部上添加法向模式TW結(jié)構(gòu)2700以及在它們之間添加頻率選擇外部耦合器來(lái)延伸剛剛在圖7中描述的具有雙2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)的3-D Tff全向天線1000的工作頻率的下限。具體地，3-D三模式TW全向天線2000是由兩個(gè)2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)2200和2600以及在頂部上的法向模式TW結(jié)構(gòu)2700組成的。這兩個(gè)2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)2200和2600都基本上與圖3中的2_D Tff天線120以及3_D Tff天線1000中的那些類(lèi)似。這兩個(gè)2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)2200和2600同心地且彼此相鄰地被定位，前者(2200)在后者(2600)的下方，薄的平面頻率選擇內(nèi)部耦合器2410在兩個(gè)相鄰的TW結(jié)構(gòu)之間的界面處。導(dǎo)電地平面2100放置在TW結(jié)構(gòu)2200的底部。在底部的較大的2-D表面模式TW全向結(jié)構(gòu)2200覆蓋低頻帶，例如0. 5-5. OGHz，且較小的(直徑大約為1/10) 2-D Tff結(jié)構(gòu)2600覆蓋高頻帶，例如5. 0-50. OGHz0在頂部上的法向模式TW結(jié)構(gòu)2700經(jīng)由薄的平面頻率選擇外部耦合器2420而被激發(fā)，薄的平面頻率選擇外部耦合器2420放置在兩個(gè)相鄰的TW結(jié)構(gòu)之間的界面處，以耦合和擴(kuò)展在低于兩個(gè)2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)2200和2600本身的頻率(例如，分別為0. 5-5. 0和5. 0-50. OGHz)的頻率
比如0. 35-0. 50GHz處的輻射。因此天線2000具有可能的140 I (例如，0. 35-50. OGHz)或更大的倍頻程帶寬。饋電網(wǎng)絡(luò)2800與在3-D TW天線1000中采用的雙頻帶饋電網(wǎng)絡(luò)1800類(lèi)似。因此，在饋電網(wǎng)絡(luò)2800中也采用與在圖8A、8B和8C中示出的1800類(lèi)似的雙2-D表面模式饋電電纜。給高頻帶例如5. 0-50. OGHz饋電的是具有外部導(dǎo)體1814和內(nèi)部導(dǎo)體1816的電纜。給兩個(gè)低頻帶例如0. 35-0. 5和0. 5-5. OGHz饋電的是具有外部導(dǎo)體1811和內(nèi)部導(dǎo)體1814的電纜。如可看到的，內(nèi)部電纜和外部電纜共享公共圓形圓柱體導(dǎo)電殼1814。注意，內(nèi)部電纜的中心導(dǎo)體1816 —直穿透到高頻帶2-D表面模式結(jié)構(gòu)2600的2-D輻射體2620，而外部電纜的中心導(dǎo)體1814只穿透到低頻帶2-D表面模式結(jié)構(gòu)2200的2-D輻射體2220。類(lèi)似地，如果需要，在饋電網(wǎng)絡(luò)2800中多路復(fù)用和組合高頻帶信號(hào)和低頻帶信號(hào)可以用與對(duì)于饋電網(wǎng)絡(luò)1800相同的方式經(jīng)由印刷電路板(PCB)中的電路例如帶狀線或微帶線電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。該三模式TW天線2000具有大約140 : I (例如，0. 35-50. OGHz)或更大的可能的連續(xù)倍頻程帶寬。三模式TW天線2000還可以被配置成覆蓋單獨(dú)的頻帶，例如，0. 35-5. OGHz和IO-IOOGHz,因而在286 I (100GHz/0. 35GHz)或更寬的頻率范圍內(nèi)?？稍柕木哂袃?nèi)部/外部耦合器和雙頻帶饋電網(wǎng)絡(luò)的三樽式3-D TW天線圖10示出了也具有140 I (例如，0.35-50. OGHz)或更寬的可能的連續(xù)倍頻程帶寬的3-D三模式TW全向天線3000的另一種實(shí)施方式。該天線與在圖9中描述的3-D三模式TW全向天線2000類(lèi)似，但頂部的兩個(gè)TW結(jié)構(gòu)顛倒。作為結(jié)果，3-D三模式TW全向天線3000具有可能在某些應(yīng)用中更有吸引力的不同的物理特征和性能特征。具體地，可選的3-D三模式TW全向天線3000由分別用于低頻帶和高頻帶的兩個(gè)2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)3200和3700以及在它們之間的法向模式TW結(jié)構(gòu)3600組成。這兩個(gè)2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)3200和3700都基本上與圖3中的2-D TW天線120類(lèi)似，且尤其是與3_D TW天線1000和2000類(lèi)似，它們被同心地定位，前者(3200)在后者(3700)的下方。法向模式TW結(jié)構(gòu)3600定位在這兩個(gè)2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)3200和3700之間。在一種實(shí)施方式中，頻率選擇外部耦合器3410和3420定位在2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)3200和3700以及法向模式TW結(jié)構(gòu)3600之間的界面處，如在圖10中所示。導(dǎo)電地表面3100放置在TW結(jié)構(gòu)3200下方。
饋電網(wǎng)絡(luò)3800與在3-D TW天線1000中采用的雙模式饋電網(wǎng)絡(luò)1800以及在3_DTff天線2000中采用的2800類(lèi)似。采用與在圖8A、8B和8C中示出的1810類(lèi)似的雙2-D表面模式饋電電纜；給高頻帶例如5. 0-50. OGHz饋電的是具有外部導(dǎo)體1814和內(nèi)部導(dǎo)體1816的電纜。給低頻帶例如0. 5-5. OGHz饋電的是具有外部導(dǎo)體1811的電纜。如在圖8A、8B和8C中所示的，內(nèi)部電纜和外部電纜共享公共圓形圓柱體導(dǎo)電殼1814。注意，內(nèi)部電纜穿透法向模式TW結(jié)構(gòu)3600，且內(nèi)部電纜的中心導(dǎo)體1816 —直穿透到高頻帶2-D表面模式結(jié)構(gòu)3700的2-D輻射體3720。還注意，外部電纜的中心導(dǎo)體1814只穿透到低頻帶2-D表面模式結(jié)構(gòu)3200的2-D輻射體3220。較小的2-D TW結(jié)構(gòu)3700覆蓋高頻帶，例如，5. 0-50. OGHz。法向模式TW結(jié)構(gòu)3600首先由低頻帶2-D Tff結(jié)構(gòu)3200通過(guò)外部耦合器3410激發(fā)，然后TW通過(guò)外部耦合器3420耦合到高頻2-D TW結(jié)構(gòu)，從而獲得低于0.5GHz和降至0.35GHz或更低的頻率。作為結(jié)果，該三模式TW天線具有140 I (在這個(gè)實(shí)施例中為0.35-50. OGHz)或更大的可能的倍頻程帶寬。與三模式TW天線2000類(lèi)似，如果需要，三模式TW天線3000還可以被配置成具有更寬的多頻帶能力，以覆蓋單獨(dú)的頻帶，例如，0. 35-5. OGHz和10-100GHZ，因而在、286 I (100GHz/0. 35GHz)或更寬的頻率范圍內(nèi)。類(lèi)似地，如果需要，在饋電網(wǎng)絡(luò)3800中的高頻帶信號(hào)和低頻帶信號(hào)的多路復(fù)用和組合可以用與對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)1800相同的方式經(jīng)由印刷電路板(PCB)中的電路例如帶狀線或微帶線電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。覆蓋超寬帶和單獨(dú)的遠(yuǎn)隔的低頻率的多樽式3-D TW天線在一些應(yīng)用中，除了在較高的公共頻率處的超寬帶覆蓋外，覆蓋一些單獨(dú)的遠(yuǎn)隔的低頻率比如低于IOOMHz也是合乎需要的。例如，在IOOMHz或低于IOOMHz處，在波長(zhǎng)是3m或更長(zhǎng)的場(chǎng)合，任何寬帶天線對(duì)于所考慮的平臺(tái)或從用戶(hù)的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)都可能太大；然而在這些低頻率處的一些窄帶覆蓋可能是期望的且甚至是足夠的。在這些情況下，在圖11中描繪了使用多模式3-D TW全向天線方法例如天線集合件4000的解決方案。在這個(gè)實(shí)施方式中，天線被安裝在平臺(tái)上的大致平坦的導(dǎo)電表面4100上；如果平臺(tái)的表面是非金屬的，導(dǎo)電特性可以通過(guò)經(jīng)由機(jī)械工藝或化學(xué)工藝添加薄的導(dǎo)電材料片來(lái)提供。導(dǎo)電地表面4100覆蓋平臺(tái)上的表面區(qū)域，其具有至少與平臺(tái)的表面上的3-D TW天線的投影一樣大的尺寸。天線集合件4000主要由兩部分組成互相連接的3-D多模式TW全向天線4200和傳輸線天線4500。3-D多模式TW全向天線4200可以是在本發(fā)明中早些時(shí)候以多種形式提出的任何形式或組合，但優(yōu)選地具有通常定位在頂部的法向模式TW結(jié)構(gòu)4230。法向模式TW結(jié)構(gòu)4230經(jīng)由頻率選擇低通耦合器4240耦合到I-DTW傳輸線天線4500，頻率選擇低通耦合器4240是低通濾波器，其使在單獨(dú)的遠(yuǎn)隔的低頻率比如40MHz和60MHz處的期望的單獨(dú)的信號(hào)通過(guò)。低通耦合器4240可以是對(duì)TW結(jié)構(gòu)4200和4500之間的界面優(yōu)化的簡(jiǎn)單的電感線圈。傳輸線天線4500是I-D TW天線，其具有一個(gè)或多個(gè)調(diào)諧的輻射體4510，每個(gè)輻射體具有將輻射體帶入共振狀態(tài)的電抗和與天線集合件4000的其余部分匹配的阻抗。4500的傳輸線部分不必是直線。例如，它可以被彎曲以最小化其安裝所需要的表面區(qū)域。傳輸線天線4500的帶寬和效率可以通過(guò)使用傳輸線部分4520和垂直輻射體4510 二者的更寬或更厚的結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)。傳輸線天線4500可在地表面4100上方或下方具有電抗調(diào)諧器，以在遠(yuǎn)隔的低頻帶處的一個(gè)或多個(gè)期望頻率處獲得共振。這個(gè)三模式TW天線組件4000可實(shí)現(xiàn)140 I或更大的連續(xù)倍頻程帶寬，類(lèi)似于通過(guò)TW天線100、2000和3000可實(shí)現(xiàn)的那些連續(xù)倍頻程帶寬。如果需要，它還可以被配置成具有更寬的多頻帶能力，以覆蓋在低得多的頻率例如在0. 05GHz處的一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的頻帶，因而在2000 l(100GHz/0. 05GHz)或更寬的頻率范圍內(nèi)?？梢詫?duì)本發(fā)明的上述實(shí)施方式進(jìn)行許多變化和修改而實(shí)質(zhì)上不偏離本發(fā)明的精神和原理。所有這樣的修改和變化被規(guī)定為在這里被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本發(fā)明的理論基礎(chǔ)在本發(fā)明中的可與平臺(tái)共形的3-D TW全向天線可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)140 I或更大的連續(xù)倍頻程帶寬。如果需要，它還可以實(shí)現(xiàn)多頻帶能力，以覆蓋在低得多的頻率例如在0.05GHz處的一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的頻帶，在2000 I (lOOGHz/O. 05GHz)或更寬的頻率范圍內(nèi)。 天線可以實(shí)現(xiàn)大約50歐姆的相當(dāng)恒定的輻射電阻，或者如果需要，可以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)其工作頻率上的任何另一公共同軸電纜的特性阻抗。此外，該天線還可以在整個(gè)其工作頻率上實(shí)現(xiàn)相對(duì)于其輻射電阻較小的電抗。對(duì)于這樣的超寬帶輻射TW孔徑的理論基礎(chǔ)如下所述，以一些需要的數(shù)學(xué)公式開(kāi)始。在不失一般性的情況下，對(duì)本發(fā)明的操作的理論可以通過(guò)考慮發(fā)送的情況來(lái)被說(shuō)明；接收的情況在互易的基礎(chǔ)上是類(lèi)似的。由于由S表示的輻射體的表面上的源而產(chǎn)生的時(shí)諧電場(chǎng)和磁場(chǎng)E和H可以被表示為由于在表面S上的等效的電流和磁流Js和Ms而產(chǎn)生的時(shí)諧電場(chǎng)和磁場(chǎng)，Js和Ms通過(guò)下式給出Ms = -n X E 在 S 上(2a)Js = nXH 在 S 上(2b)在閉合表面S外部的電磁場(chǎng)通過(guò)下式給出H{r)=++S 外部⑶其中，
g是通過(guò)下式給出的自由空間格林函數(shù)
-jk\r - r'\g = gW)=泛詩(shī)—叫(4)其中，k = 2Ji/入且\是TW的波長(zhǎng)。e。和U。分別是自由空間介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。并且w = 2 Jif，其中f是所關(guān)注的頻率。具有幅值!■和r'的無(wú)撇和帶撇(')的位置向量r和r'分別指源坐標(biāo)和場(chǎng)坐標(biāo)中的場(chǎng)點(diǎn)和源點(diǎn)。(所有的“帶撇”符號(hào)指源)。符號(hào)Vs1表示相對(duì)于帶撇(')的坐標(biāo)系的表面梯度算子。對(duì)于由縫隙陣列組成的表面模式TW輻射體，表面輻射體的區(qū)域完全由等效的磁表面電流屺表示。至于在平臺(tái)的表面上的區(qū)域，如果平臺(tái)表面是導(dǎo)電的，則只有等效的電表面電流Js。對(duì)于非導(dǎo)電的平臺(tái)上的表面區(qū)域，電等效表面電流Js和磁等效表面電流Ms通常都存在。對(duì)于法向模式TW輻射體，等效的電表面電流Js存在，而磁等效表面電流Ms消失。在遠(yuǎn)區(qū)中的時(shí)諧場(chǎng)由等式(3)給出。在對(duì)天線特性有意義的遠(yuǎn)區(qū)中，場(chǎng)是平面波，且在電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間具有以下關(guān)系
E(r) = - Tj f xH(r)在遠(yuǎn)區(qū)中(5)其中，n是自由空間波阻抗，等于如JS0或120 。在這里注意，根據(jù)等式⑵至IJ等式(5)，這里涉及的源、場(chǎng)以及格林函數(shù)都是復(fù)向量的量。因此，如果等式(3)中的被積分函數(shù)實(shí)質(zhì)上在遠(yuǎn)區(qū)中的期望方向上同相，則輻射將是有效的；并且輻射也一定會(huì)產(chǎn)生在目前的情況下為全向的有用輻射方向圖。為了有效的輻射，良好的阻抗匹配也是必不可少的。基于天線理論以及專(zhuān)門(mén)針對(duì)等式⑶和⑷中的目前的問(wèn)題，有用的天線輻射方向圖直接與其源電流有關(guān)。因此，從已知的寬帶TW配置設(shè)計(jì)TW輻射體是有利的。參考圖2和圖3，表面模式TW從共形低剖面TW天線100的饋電網(wǎng)絡(luò)180發(fā)起，并從仏軸徑向向外傳播。當(dāng)TW沿著TW結(jié)構(gòu)120徑向傳播時(shí)，輻射發(fā)生在圓形輻射區(qū)中的表面模式TW輻射體125例如圖4中的縫隙陣列221上。對(duì)于在天線的工作范圍中的任何頻率，圓形輻射區(qū)在半徑上類(lèi)似于有效的環(huán)形縫隙的半徑。Tff以最小的反射從Un軸徑向地向外傳播，因?yàn)門(mén)W結(jié)構(gòu)120具有放置在表面模式輻射體125和地表面110之間的適當(dāng)設(shè)計(jì)的在超寬帶寬(例如，倍頻程帶寬為10 I)內(nèi)的阻抗匹配結(jié)構(gòu)。對(duì)于包含兩個(gè)表面模式TW結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的實(shí)施方式，根據(jù)等式(3)且通過(guò)在它們之間使用頻率選擇內(nèi)部耦合器來(lái)抑 制帶外耦合，來(lái)自一個(gè)表面模式TW結(jié)構(gòu)的單獨(dú)的工作頻帶中的輻射不被另一個(gè)表面模式Tff結(jié)構(gòu)不利地影響。在低于該超寬帶寬的頻率處，Tff功率不能經(jīng)由表面模式輻射體125有效地輻射。在這種情況下，TW功率經(jīng)由頻率選擇外部耦合器140外耦合到法向模式TW結(jié)構(gòu)160和地平面110。值得指出的是，TW天線的堆疊在適當(dāng)設(shè)計(jì)的頻率選擇外部和內(nèi)部耦合器的慎重使用的情況下將擴(kuò)展帶寬而不干擾彼此的帶內(nèi)性能。使用外部耦合器，TW結(jié)構(gòu)120可以在其工作帶(單獨(dú)的頻帶)例如I-IOGHz內(nèi)不被干擾地起作用。在其緊接著低的帶外頻率(在本實(shí)施例中低于IGHz)處，TW功率不能從TW結(jié)構(gòu)120輻射，而是經(jīng)由外部耦合器140外耦合到法向模式TW結(jié)構(gòu)160。作為結(jié)果，Tff功率于是在低于表面模式TW輻射體125本身的頻率范圍的頻率范圍內(nèi)的中間帶寬(例如1.3 I)上輻射。在這里注意，RF功率也從TW輻射體耦合到地平面110，并且如果平臺(tái)表面也是導(dǎo)電的，則耦合到平臺(tái)表面，因而有益地?cái)U(kuò)大天線的有效尺寸并因此避開(kāi)由TW結(jié)構(gòu)本身限定的Chu限制。在TW結(jié)構(gòu)120中，TW從饋電網(wǎng)絡(luò)180到自由空間的傳播由圖12中的等效的傳輸線電路表示。在這里Zin(Z15a)是在饋電網(wǎng)絡(luò)180的連接器處的輸入阻抗，通常為50歐姆。Zfeed(Zs4)是被用來(lái)匹配饋電網(wǎng)絡(luò)180的輸入阻抗與所有更遠(yuǎn)地在下面的其他結(jié)構(gòu)的輸入阻抗的分布式阻抗匹配結(jié)構(gòu)，所述其他結(jié)構(gòu)如由傳輸線電路所表示，傳輸線電路還包括TW結(jié)構(gòu)120的ZTW、頻率選擇外部耦合器140的阻抗的和包括地平面110、法向模式TW結(jié)構(gòu)160、平臺(tái)30和自由空間的外部區(qū)域的阻抗的Zext(Z#部)。阻抗匹配必須在所有的工作帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)。注意，圖12描繪了主要模式的等效傳輸線電路，導(dǎo)波不連續(xù)性由集總元件表示。用于多級(jí)傳輸線和波導(dǎo)的一般阻抗匹配技術(shù)在本領(lǐng)中是已知的。對(duì)于涉及兩個(gè)內(nèi)部耦合的2-D雙表面模式TW輻射體例如圖7中描繪的天線1000的情況，使能元件是薄的平面頻率選擇內(nèi)部耦合器1400和在圖8A、8B和8C中的雙頻帶饋電網(wǎng)絡(luò)1800以及它們的組合。特別是，超寬帶雙頻帶雙饋電電纜網(wǎng)絡(luò)1800實(shí)現(xiàn)兩個(gè)2-D雙表面模式TW輻射體在100 I (例如，0.5-50. OGHz)或更大的連續(xù)倍頻程帶寬內(nèi)的組合，如早些時(shí)候更詳細(xì)地說(shuō)明的。連續(xù)的倍頻程帶寬到140 I或更大的擴(kuò)展從這兩種基本實(shí)施方式產(chǎn)生，在天線100和天線1000中以協(xié)調(diào)的方式使用外部耦合器和內(nèi)部耦合器并使用法向模式TW輻射結(jié)構(gòu)和表面模式TW輻射結(jié)構(gòu)來(lái)采用這兩種基本實(shí)施方式。依賴(lài)于這些基本的實(shí)施方式，如果需要，3-DTW天線還可以實(shí)現(xiàn)多頻帶能力以覆蓋在低得多的頻率例如在0.05GHz處的一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的頻帶，在2000 I (lOOGHz/O. 05GHz)或更寬的頻率范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的基本原理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證已經(jīng)令人滿(mǎn)意地被執(zhí)行。對(duì)于使用外部耦合器的法向模式TW福射體和表面模式TW福射體的組合,如在圖3中所描繪的,一些試驗(yàn)電路板模型被設(shè)計(jì)、制造并測(cè)試了其VSWR、輻射方向圖和增益。所測(cè)量的數(shù)據(jù)顯示，與具有10 I增益 帶寬的標(biāo)準(zhǔn)SMM天線相比，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)14 I的帶寬且體積、重量、成本減小了大約3到6倍。對(duì)于兩個(gè)表面模式TW輻射體的組合，如在圖7和圖8A、8B和8C中所描繪的，成功地設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試了試驗(yàn)電路板模型以展示在0.2-20. OGHz內(nèi)的100 I的連續(xù)倍頻程帶寬。在這個(gè)模型中，有兩個(gè)輸出端子，一個(gè)用于2-20GHZ的高頻帶，另一個(gè)用于0. 2-2. OGHz的低頻帶，如果需要，這兩個(gè)輸出端子可以通過(guò)使用寬帶組合器/分路器或雙工器組成一單個(gè)端子。圖13示出所測(cè)量的來(lái)自?xún)蓚€(gè)端子的VSWR，其覆蓋大約0. 2-23. OGHz,一般低于2 I ;結(jié)果是相當(dāng)令人滿(mǎn)意的，因?yàn)檫@是還未優(yōu)化的粗制的試驗(yàn)電路板模型。圖14示出在0. 2-20. OGHz天線上在地平面或平臺(tái)的表面之上大約15°的固定仰角處的所測(cè)量的方位角輻射方向圖。所述數(shù)據(jù)共同地展示了 100 I的連續(xù)倍頻程帶寬。然而，在這里注意，在該實(shí)施方式中的頻率覆蓋不必是連續(xù)的。例如，基于電磁學(xué)中的頻率變標(biāo)定理，3-D TW天線可以被容易地修改以覆蓋例如0. 5-5. OGHz和10-100GHz。對(duì)這里未示出的所測(cè)量的數(shù)據(jù)的觀察指示比100 I高得多的帶寬也是可行的。雖然間接地，這些數(shù)據(jù)還指示兩個(gè)表面模式TW輻射體和法向模式TW輻射體的組合可以導(dǎo)致140 I或更大的連續(xù)倍頻程帶寬，如在圖9和圖10中所描繪的。
權(quán)利要求
1.ー種全向天線，包括 多個(gè)行波(TW)結(jié)構(gòu)，其包括至少ー個(gè)超寬帶低剖面ニ維(2-D)表面模式TW結(jié)構(gòu)，所述多個(gè)TW結(jié)構(gòu)彼此相鄰，并且其中所述表面模式TW結(jié)構(gòu)在模式O中被激發(fā)且包括用于全向輻射的2-D表面模式TW輻射體，所述2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)還被配置成具有小于\ Jl的直徑和小于入ノ 10的厚度，其中入し是所述2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)的最低工作頻率處的自由空間波長(zhǎng)； 頻率選擇耦合器，其放置在相鄰的TW結(jié)構(gòu)之間； 饋電網(wǎng)絡(luò)，其中所述饋電網(wǎng)絡(luò)在模式0中激發(fā)所述多個(gè)TW結(jié)構(gòu)；以及 導(dǎo)電地表面，其中所述導(dǎo)電地表面具有規(guī)范形狀，所述導(dǎo)電地表面還被定位在所述天線的底側(cè)處，并且具有至少覆蓋所述天線的投影的表面區(qū)域。
2.如權(quán)利要求I所述的全向天線，其中所述天線是超寬帶微型化低剖面全向多模式三維(3-D) TW天線。
3.如權(quán)利要求I所述的全向天線，其中所述多個(gè)TW結(jié)構(gòu)中的每ー個(gè)覆蓋單獨(dú)的頻率范圍，以便覆蓋所述天線的超寬帶頻率范圍。
4.如權(quán)利要求I所述的全向天線，其中所述多個(gè)TW結(jié)構(gòu)中的至少兩個(gè)為ー個(gè)堆疊在另一個(gè)的頂部上，并且實(shí)質(zhì)上關(guān)于中心軸對(duì)稱(chēng)。
5.如權(quán)利要求I所述的全向天線，其中所述多個(gè)TW結(jié)構(gòu)的所述2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)中的至少ー個(gè)是慢波(SW)類(lèi)型，且具有小于X ノ(2XSWF)的直徑，其中SWF是SW類(lèi)型的所述2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)的慢波因子。
6.如權(quán)利要求I所述的全向天線，其中所述多個(gè)TW結(jié)構(gòu)包括放置在所述導(dǎo)電地表面上方的超寬帶低剖面2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)以及堆疊在所述超寬帶低剖面2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)上方的法向模式TW結(jié)構(gòu)，所述法向模式TW結(jié)構(gòu)通過(guò)外部耦合器與所述表面模式TW結(jié)構(gòu)電磁地耦合。
7.如權(quán)利要求I所述的全向天線，其中所述多個(gè)TW結(jié)構(gòu)包括定位在所述導(dǎo)電地表面上方的低頻超寬帶低剖面2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)、定位在所述低頻超寬帶低剖面2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)上方的高頻超寬帶低剖面2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)，并且其中所述饋電網(wǎng)絡(luò)包括雙連接器雙頻帶同軸電纜集合件，所述雙連接器雙頻帶同軸電纜集合件為所述低頻超寬帶低剖面2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)和所述高頻超寬帶低剖面2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)饋電。
8.如權(quán)利要求7所述的全向天線，還包括被定位在所述高頻2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)上方的法向模式TW結(jié)構(gòu)，并且其中頻率選擇外部耦合器被放置在所述法向模式TW結(jié)構(gòu)和所述高頻表面模式TW結(jié)構(gòu)之間以便于電磁耦合。
9.如權(quán)利要求I所述的全向天線，其中所述多個(gè)TW結(jié)構(gòu)還包括 低頻超寬帶低剖面2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)，其被定位在所述導(dǎo)電地表面的上方； 法向模式TW結(jié)構(gòu)，其被堆疊在所述低頻超寬帶低剖面2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)的上方； 高頻超寬帶低剖面2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)，其被堆疊在所述法向模式TW結(jié)構(gòu)的上方；以及 其中頻率選擇外部耦合器被放置在所述法向模式TW結(jié)構(gòu)和所述兩個(gè)2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)中的每ー個(gè)之間，并且其中所述饋電網(wǎng)絡(luò)包括雙連接器雙頻帶同軸電纜集合件，所述雙連接器雙頻帶同軸電纜集合件為所述兩個(gè)2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)中的每ー個(gè)饋電并穿過(guò)所述法向模式TW結(jié)構(gòu)的中心部分。
10.如權(quán)利要求I所述的全向天線，其中所述2-D表面模式TW輻射體是以模式0激發(fā)的平面多臂阿基米德螺旋體。
11.如權(quán)利要求I所述的全向天線，其中所述2-D表面模式TW輻射體是以模式0激發(fā)的平面多臂等角螺旋體。
12.如權(quán)利要求I所述的全向天線，其中所述2-D表面模式TW輻射體是以模式0激發(fā)的平面鋸齒形結(jié)構(gòu)。
13.如權(quán)利要求I所述的全向天線，其中所述2-D表面模式TW輻射體是以模式0激發(fā)的平面縫隙陣列。
14.如權(quán)利要求I所述的全向天線，其中所述2-D表面模式TW輻射體是以模式0激發(fā)的平面自補(bǔ)結(jié)構(gòu)。
15.一種多模式三維(3-D)低剖面行波(TW)全向天線，其覆蓋高頻率處的一個(gè)或多個(gè)超寬帶寬以及單獨(dú)的遠(yuǎn)隔的低頻帶，并與平臺(tái)的表面共形，所述3-D TW天線包括 導(dǎo)電地表面，其是以規(guī)范形狀的形式，其中所述導(dǎo)電地表面與平臺(tái)的所述表面的一部分共形，所述導(dǎo)電地表面被放置在所述3-D Tff天線的下方并具有至少與所述3-D天線在所述平臺(tái)的所述表面上投影的表面區(qū)域的尺寸一樣大的一組尺寸； 多個(gè)TW結(jié)構(gòu)，其在所述導(dǎo)電地表面的頂部上，其中所述TW結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)覆蓋單獨(dú)的頻帶，以便使所述全向天線能夠總體上跨越在超寬頻率范圍內(nèi)的多個(gè)頻帶，其中所述TW結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)超寬帶低剖面2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)，并且其中所述超寬帶低剖面2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)具有小于入l/2的直徑，其中入L是所述2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)的最低工作頻率處的自由空間波長(zhǎng)，所述TW結(jié)構(gòu)彼此相鄰并被堆疊在所述導(dǎo)電地表面的上方； 頻率選擇耦合器，其被放置在相鄰的TW結(jié)構(gòu)之間； 至少一個(gè)一維(1_D)傳輸線天線，其被定位成與所述多個(gè)TW結(jié)構(gòu)相鄰，其中所述I-D傳輸線天線經(jīng)由低通耦合器耦合到所述多個(gè)TW結(jié)構(gòu)的頂側(cè)以覆蓋多個(gè)單獨(dú)的遠(yuǎn)隔的低頻率；以及 饋電網(wǎng)絡(luò)，其將所述TW結(jié)構(gòu)和所述I-D傳輸線天線的阻抗與外部連接器的阻抗進(jìn)行匹配。
16.如權(quán)利要求15所述的3-DTW天線，其中所述2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)中的一個(gè)是慢波型，并具有小于直徑為入夕(2XSWF)的圓形表面的表面面積，其中入[是最低工作頻率處的自由空間波長(zhǎng)，以及SWF是該2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)的慢波因子。
17.一種超寬帶雙頻帶雙饋電電纜，包括 兩個(gè)同心電纜的組件，所述組件包括內(nèi)部電纜和外部電纜，所述內(nèi)部電纜和所述外部電纜共享公共同心圓柱形導(dǎo)體殼，其中所述公共同心圓柱形導(dǎo)體殼作為所述外部電纜的內(nèi)部導(dǎo)體并同時(shí)作為所述內(nèi)部電纜的外部導(dǎo)體； 其中，所述外部電纜覆蓋較低的中頻的頻帶以及所述內(nèi)部電纜覆蓋較高的中頻的頻帶; 其中，每個(gè)電纜具有兩個(gè)端，一端連接到設(shè)備，另一端連接到輸出端子，所述輸出端子用于連接到公共輸出設(shè)備；以及 其中，所述內(nèi)部電纜在一端連接到第一電氣設(shè)備且在另一端連接到同軸輸出端子，以將高頻輸出傳送到所述公共輸出設(shè)備，以及所述外部電纜在一端連接到第二電氣設(shè)備且在另一端連接到所述公共輸出設(shè)備，以通過(guò)印刷電路板將低頻輸出傳送到所述公共輸出設(shè)備。
18.如權(quán)利要求17所述的超寬帶雙頻帶雙饋電電纜，其中所述同心的內(nèi)部電纜和外部電纜的兩個(gè)輸出端子經(jīng)由印刷電路板使用組合器組合成單個(gè)連接器。
19.如權(quán)利要求17所述的超寬帶雙頻帶雙饋電電纜，其中所述同心的內(nèi)部電纜和外部電纜的兩個(gè)輸出端子經(jīng)由印刷電路板使用多路復(fù)用器組合成單個(gè)連接器。
20.如權(quán)利要求17所述的超寬帶雙頻帶雙饋電電纜，其中所述電纜被配置成同時(shí)為所述行波結(jié)構(gòu)中的每ー個(gè)的中心區(qū)域中的兩個(gè)ニ維表面模式行波結(jié)構(gòu)饋電，所述行波結(jié)構(gòu)被垂直地同心堆疊。
21.ー種全向天線,包括 導(dǎo)電地表面，其被定位在所述天線的底側(cè)處， 多個(gè)行波(TW)結(jié)構(gòu)，其在所述導(dǎo)電地表面的頂部上且覆蓋工作頻率的范圍，其中每個(gè)TW結(jié)構(gòu)覆蓋單獨(dú)的頻帶； 頻率選擇耦合器，其被放置在相鄰的TW結(jié)構(gòu)之間；以及 饋電網(wǎng)絡(luò)，其將所述TW結(jié)構(gòu)的阻抗與外部連接器的阻抗進(jìn)行匹配。
22.如權(quán)利要求21所述的全向天線，其中所述天線是覆蓋連續(xù)的頻率跨度的超寬帶微型化低剖面全向多模式三維TW天線。
23.如權(quán)利要求21所述的全向天線，其中所述TW結(jié)構(gòu)中的至少ー個(gè)是直徑小于\Jl的超寬帶低剖面ニ維(2-D)表面模式TW結(jié)構(gòu)，其中入^是所述天線的最低工作頻率處的自由空間波長(zhǎng)。
24.如權(quán)利要求21所述的全向天線，其中所述TW結(jié)構(gòu)被垂直地堆疊，其中所述TW結(jié)構(gòu)中的每ー個(gè)關(guān)于所述天線的中心軸對(duì)稱(chēng)。
25.如權(quán)利要求21所述的全向天線，其中所述TW結(jié)構(gòu)關(guān)于垂直于所述地表面的軸對(duì)稱(chēng)地堆疊。
26.如權(quán)利要求21所述的全向天線，其中所述多個(gè)TW結(jié)構(gòu)包括超寬帶低剖面2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)和超寬帶低剖面法向模式TW結(jié)構(gòu)。
27.如權(quán)利要求21所述的全向天線，其中所述多個(gè)超寬帶低剖面2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)中的至少ー個(gè)與所述導(dǎo)電地表面平行且共形，并且其中所述導(dǎo)電地表面具有規(guī)范形狀。
28.如權(quán)利要求21所述的全向天線，其中所述多個(gè)超寬帶低剖面2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)中的至少ー個(gè)具有細(xì)長(zhǎng)的表面。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了通過(guò)多模式三維(3-D)行波(TW)的超寬帶微型化全向天線。一類(lèi)超寬帶微型化三維(3-D)行波(TW)天線包括在底部處的導(dǎo)電地表面、具有至少一個(gè)超寬帶低剖面二維(2-D)表面模式TW結(jié)構(gòu)的多個(gè)TW結(jié)構(gòu)、放置在相鄰的TW結(jié)構(gòu)之間的頻率選擇耦合器、以及饋電網(wǎng)絡(luò)。在一種實(shí)施方式中，2-D表面模式TW結(jié)構(gòu)定位在導(dǎo)電地表面的上方，法向模式TW結(jié)構(gòu)放置在頂部上，外部的頻率選擇耦合器放置在它們之間；14∶1的連續(xù)倍頻程帶寬和尺寸減小3到5倍是可實(shí)現(xiàn)的。在使用至少兩個(gè)2-D TW結(jié)構(gòu)和雙頻帶饋電網(wǎng)絡(luò)的其他實(shí)施方式中，超過(guò)100∶1且高達(dá)140∶1或更大的連續(xù)帶寬是可達(dá)到的。在又一實(shí)施方式中，超過(guò)高達(dá)2000∶1或更大的倍頻程工作帶寬的超寬帶多頻帶性能是可行的。
文檔編號(hào)H01B7/00GK102738564SQ201210096319
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月8日
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