CN108028471B - 多模复合材料天线 - Google Patents

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Abstract

一种多模复合材料天线包括：两个交叉的偶极元件，每个偶极元件包括具有两个领结形天线段的领结形天线；以及传导管，该传导管容纳连接至每个领结形天线段的信号传输线。传导扩张部分围绕传导管并且形成单极元件。领结形天线段成形为缝隙在每个相邻的领结形天线之间延伸，每个缝隙形成具有彼此偏离的一对非线性弯曲边缘的渐进式缝隙天线。

Description

多模复合材料天线
技术领域
本发明涉及一种天线，并且更具体地，涉及多模复合材料天线。
背景技术
在许多无线天线应用中，希望的是，从各种可能的角度接收或发送信号。然而，天线元件的辐射型绝不是完全全方位辐射，因为总是存在天线接收比最佳方向更少功率的方向。
已经对结合单极天线和偶极天线进行各种尝试，以便创建可以从更多方向甚至利用更平稳功率分布发送或接收的复合材料天线。通常理想的是为地平面上方的天线创建半球形辐射型。然而，单个单极和偶极的结合不产生完全半球形的辐射型，因为存在多个局部最小值。此外，单极和偶极的配置通常是个难题并且结合单极和偶极的许多先前尝试是次佳的，因为它们没有准确地配置。
通过引证将其全部内容结合于本文中的申请人自己的PCT公开编号WO2015107473公开了复合材料天线的两个实施方式。公开的两个复合材料天线实施方式结合单极和偶极天线形成可以从更多方向甚至利用更平稳功率分布发送或接收的复合材料天线。
WO2015107473中公开的具有扇形偶极臂和圆锥伸展的传导管的第二天线实施方式存在两个缺点。这个天线的第一难题在于在所考虑的频率范围中在激励模式中的一个(即，模式TEM4)的天线与信号传输线之间存在阻抗失配。激励模式TEM4是导致相邻偶极臂之间的异相激励的模式，致使功率在相邻偶极片段之间辐射。用于这个激励模式的天线的阻抗在所考虑的频率范围中与其他三个激励模式(TEM1、TEM2和TEM3)相比是不良匹配。不良阻抗匹配导致功率被反射，当天线用作发送器时沿着信号传输线向后反射，或者当天线用作接收器时反射远离天线。
所公开的天线的另一难题在于圆锥伸展的内表面之间诱导场，致使不必要的干扰。
本发明旨在至少在一定程度上解决这些和其他缺点。
对本发明背景的前述讨论仅旨在便于理解本发明。应当理解，该讨论不是确认或承认所提及的任何材料是在本申请优先权日时本领域中公知常识的一部分。
发明内容
根据本发明，提供了一种多模复合材料天线，包括：
在共面中延伸的至少两个交叉的偶极元件，每个偶极元件包括具有两个领结形天线段的领结形天线，
多个信号传输线，每个信号传输线连接至领结形天线段中的一个，
传导管，信号传输线在该传导管中延伸并且该传导管形成用于信号传输线的护罩，以及
传导扩张部分，围绕传导管并且从传导管向外扩张，该传导扩张部分具有垂直于共面延伸的轴线，
其中，领结形天线段成形为缝隙在每个相邻的领结形天线之间延伸，每个缝隙形成具有彼此偏离的一对非线性弯曲边缘的渐进式缝隙天线(tapered antenna)。
为每个渐进式缝隙天线提供的进一步特征有.：在其中偶极元件彼此交叉的中心区域处的最小缝隙宽度、从中心区域延伸至缝隙的相对的宽端部的缝隙长度、限定一对非线性弯曲边缘彼此偏离的速率的扩张率、以及作为缝隙在其宽端部处的最大宽度的扩张宽度，其中，选择最小缝隙宽度、缝隙长度、扩张率和扩张宽度以便在复合材料天线的选择操作频带内减少复合材料天线与信号传输线之间的阻抗失配。
为缝隙长度和扩张宽度提供的进一步特征为都近似等于所选择操作频带中的最低频率的波长的三分之一。
为一对非线性弯曲边缘提供的进一步特征为沿着其长度的至少一部分的指数曲线。
传导管优选地是直圆柱形传导管并且连接至地平面或者构造成连接至地平面。
为传导扩张部分提供的进一步特征是锥形的。在一个实施方式中，锥形部分由已经在其本身折叠的传导管的伸展部形成并且从传导管向外扩张。锥形部分可具有自由边或者该边可以连接至地平面或者构造成连接至地平面。在不同的实施方式中，锥形部分与传导管是整体的，以致管和锥形部分一起包括具有实体锥，该实心锥带有穿过其中的镗孔。
为每个偶极元件的两个领结形天线段提供的进一步特征为通常是同线的并且沿着共面在反方向上延伸。
为复合材料天线提供的进一步特征为包括提供沿着共面彼此垂直延伸的总共四个领结形天线段的两个交叉偶极元件，其中四个渐进式缝隙天线设置在每对相邻的领结形天线段之间的缝隙中，从而两个偶极元件和传导扩张部分形成在三个互相垂直方向上延伸的三个辐射元件。
在一个实施方式中，领结形天线段是平面的并且由板材制成。领结形天线段可以制成为实体传导板或者可以承载在支撑非传导基板上。
为此提供的进一步特征在于四个信号传输线，每个信号传输线连接至领结形天线段中的一个，并且信号传输线连接至数字波束形成器。
本发明延伸至一种天线阵，包括以预定场结构布置的多个如先前描述的多模复合材料天线。
本发明延伸至使用如本文中描述的多模复合材料天线的方法，包括：
将至少一个差模激励应用于信号传输线，以激励偶极元件并且实现偶极辐射型，并且
将至少一个共模激励应用于信号传输线，以激励偶极元件并且在偶极元件与传导扩张部分之间实现单极辐射型，
复合材料天线从而通过差模激励和共模激励的应用能够结合的单极辐射型和偶极辐射型。
为差模激励和共模激励提供的进一步特征为通过利用四个正交横向电磁波激励模式同时地激励偶极元件的数字波束形成器来应用。
为波束成形权重提供的进一步特征为应用于四个正交激励模式以便使复合材料天线的视场电子成形，而在不需要复合材料天线能够移动。
为波束成形权重提供的进一步特征为应用于四个正交横向激励模式，使得复合材料天线的视场覆盖范围近似半球形视场。
附图说明
现在将参考附图仅通过实例的方式来描述本发明，在附图中：
图1A是根据本发明的多模复合材料天线的第一实施方式的三维视图；
图1B是图1A的天线的俯视平面图；
图1C是图1A的天线沿着图1B中的x轴的平面的截面侧视图；
图2是根据本发明的多模复合材料天线的第二实施方式的截面侧视图；
图3A至图3D是用于四个正交横向电磁波(TEM)激励模式TEM1至TEM4的激励磁场分布；
图4A至图4D是对应图3A至图3D的激励磁场分布的辐射近场分布；
图5A至图5D是对应于图3A至图3D的激励磁场分布的远场辐射型；
图6A和图6B是设计为用于1GHz与1.45GHz之间的工作频率的多模复合材料天线的俯视平面图和截面侧视图；
图7是示出了图6A和图6B的天线在从0.5GHz至1.5GHz的频率范围上的四个激励模式的输入反射系数的幅度的曲线图；
图8A和图8B是示出了图6A和图6B的天线在频率范围上的最大增益以及沿着两个不同平面的扫描角的曲线图；
图9是根据本发明的天线阵的示例性场构造布置；以及
图10的示图示出了当波束成形时的图9的天线阵在半球形视场上的增益以便保证半球形视场上的近轴对称增益。
具体实施方式
图1A至图1C示出了根据本发明的第一实施方式的复合材料多模天线(10)。天线(10)包括第一和第二交叉的偶极元件(12、14)。第一偶极元件(12)包括具有两个领结形天线段(12A、12B)的领结形天线，并且第二偶极元件(14)也包括具有两个领结形天线段(14A、14B)的领结形天线。每个偶极元件的两个领结形天线段通常是同线的并且沿着共面在反方向上延伸。偶极元件彼此交叉垂直，其中第一偶极元件(12)的领结形天线段(12A、12B)垂直于第二偶极元件(14)的领结形天线段(14A、14B)延伸。如图1A至图1C所示，领结形天线段是传导板材(诸如，金属)的平面部件并且可以制成为实心传导板，或者可以通过承载在支撑非传导基板(诸如用于印刷电路板的玻璃加强环氧薄片)上的薄膜层形成。
如图1B中最清晰示出的，四个领结形天线段安装有在相邻的领结形天线段之间延伸的缝隙(16A、16B、16C、16D)，每个缝隙形成具有彼此偏离的一对非线性弯曲边缘(18A、18B、18C、18D)的渐进式缝隙天线(16A、16B、16C、16D)。在这个实施方式中，四个领结形天线段成形为边缘(18A、18B、18C、18D)沿着它们的长度是指数曲线以便形成指数渐进式缝隙天线，但是诸如对数、指数或椭圆曲线的其他非线性曲线也属于本公开内容的范围。
每一个领结形天线段(12A、12B、14A、14B)连接至单独的信号传输线(22A、22B、23A、23B)。四个信号传输线在形成用于信号传输线的护罩并被构造成连接至地平面(未示出)的直圆柱形传导管(24)内延伸。信号传输线连接至能够在如将在本文中进一步讨论的数字域中应用不同的激励模式的数字波束形成器(未示出)。为了便于理解，圆柱形传导管(24)在图1C中以放大比例示出。
传导扩张部分(26)围绕传导管(24)并且从其中向外扩张。传导扩张部分(26)具有垂直于其中四个领结形天线段延伸的共面的轴线(27)，两个偶极元件和传导扩张部分从而形成在三个互相垂直方向上延伸的三个辐射元件。
在图1A至图1C的实施方式中，传导扩张部分(26)是锥形形状并且由已经在其本身上折叠的传导管(24)的伸展部形成并且从该管向外扩张。在示出的实施方式中，锥形部分(26)具有自由边沿(28)。
每个领结形天线段(12A、12B、14A、14B)的长度(L1)近似等于如垂直于领结形天线段测量的锥形部分(26)的高度(L2)，以便从而保证偶极辐射型和单极辐射型以相同频率发生。然而，将理解的是，可以造成与这些尺寸的匹配的偏移，以便保证所有模式在操作频带内最佳地辐射。
图2是多模复合材料天线(100)沿着图1B中的x轴的平面的第二实施方式的截面侧视图。天线(100)与图1A至图1C的天线(10)相似并且相同标号指代相同部件，其中唯一的差别在于锥形扩张部分是实体锥(102)。延伸通过实体锥(102)的镗孔(104)形成用于信号传输线的通道。在这个实施方式中，镗孔(104)的内表面(106)形成保护传输线(22)的柱形管。交叉的领结形天线偶极元件(12、14)与图1C的实施方式相同。
图2中示出的实体锥(102)在使用中连接至地平面(未示出)。实体锥的优势在于该锥体通常比图1C的实施方式的传导管的折叠伸长更易于制造，因为其可需要移去的更少材料的机械加工。实体锥还可以其他方式制造，诸如，通过利用非传导材料的三维打印机印刷然后利用传导材料电镀。
实体锥(102)导致可以在图1C的空心锥内诱导的电场消除并且可以引起寄生干扰(spurious interference，杂散干扰)。实体传导锥(102)防止诱导任何这种磁场，因为锥体接地因此电荷不容易积聚在锥体的表面上。将理解的是，减少这种磁场的另一个手段将简单地使图1的锥形部分(26)的自由边缘(28)接地，并且这种实施方式也在本发明的范围内。
四个信号传输线(22A、22B、23A和23B)连接至能够激励该传输线的数字波束形成器(未示出)。数字波束形成器可以同时应用四个正交横向电磁波(TEM)激励模式。图3A至图3D示出了用于四个正交横向电磁波激励模式的激励磁场分布。在图3A中，四个信号传输线(22A、22B、23A和23B)示出有由用于可用的信号传输线的数字之后的括号中示出的每个传输线激励的对应的领结形天线段(12A、12B、14A、14B)。
第一模式TEM1在图3A中示出，并且包括利用差模激励使用其一对信号传输线(22A、22B)激励第一偶极元件(12)，并且也利用差模激励使用其一对信号传输线(23A、23B)激励第二偶极元件(14)。图4A中示出了合成的辐射近场分布并且图5A中示出了远场辐射型。可以看出，图5A中的远场辐射型是具有包含在y-z平面中的电场矢量的地面上的偶极辐射型(dipole-over-ground)。
第二模式TEM2在图3B中示出，并且包括利用与TEM1正交的差模激励来激励第一和第二偶极元件(12、14)。图4B中示出了合成的辐射近场分布并且图5B中示出了远场辐射型。这个远场辐射型是具有包含在x-z平面中的电场矢量的地面上的偶极辐射型(dipole-over-ground)。
第三模式TEM3在图3C中示出，并且包括利用差模激励使用其一对信号传输线(22A、22B)激励第一偶极元件(12)，并且也利用同相共模激励使用其一对信号传输线(23A、23B)激励第二偶极元件(14)。图4C中示出了合成的辐射近场分布并且图5C中示出了远场辐射型。远场辐射型是具有沿着z轴的空值的单极辐射型。
最后的第四模式TEM4在图3D中示出，并且包括利用共模激励来激励第一偶极元件(12)并且利用异相共模激励来激励第二偶极元件(14)以致相邻的偶极段(例如，12A、14B)被异相激励。图4D中示出了合成的辐射近场分布并且图5D中示出了远场辐射型。通过这个模式TEM4激励的磁场沿着领结形天线段的平面在渐进式缝隙天线(18A、18B、18C、18D)内传播。因为渐进式缝隙天线的设计，通过渐进式缝隙天线辐射的磁场的幅度与在单极激励模式TEM3期间诱导的磁场的幅度相似，允许具有两个正交磁场组件的信号通过复合材料天线辐射和识别。
通过结合全部四个正交激励模式TEM1至TEM4，可以获得接近半球形视场覆盖范围。然后通过将复杂的波束成形权重应用于每一个正交激励模式(TEM1至TEM4)，如以下将进一步讨论的，可以成形复合材料天线的视场。
实验结果
图6A和图6B示出了为特定工作频率范围设计的复合材料多模天线的尺寸。每个渐进式缝隙天线(16A、16B、16C、16D)具有：在偶极元件彼此交叉的中心区域(40)的最小缝隙宽度(w1)、从中心区域(40)延伸至每个缝隙(42A、42B、42C、42D)的相对的宽端部的缝隙长度(L1)、限定每对非线性弯曲边缘彼此偏离的速率的扩张率(R)、以及作为缝隙(16A、16B、16C、16D)在宽端部(42A、42B、42C、42D)处的最大宽度的扩张宽度(w2)。在每个缝隙的端部的宽端部处，缝隙具有逐渐缩减边缘宽度(w3)的小而平的逐渐缩减边缘。如图6B中所示，天线具有高度(L2)、锥体顶部直径(D1)和锥体底部直径(D2)。传导管具有传导管直径(D3)并且每个传输线在传输线连接至领结形天线段的点处具有传输线馈入引脚直径(D4)。在这个实施方式中，领结形天线段形成在具有基体厚度(w4)的基体上并且存在创建领结形天线至锥体间隙(w5)的 隔离物(50)。隔离物具有突出到锥体中的深度(w6)并且将传输线保持在位。
这些尺寸被选择为在所感兴趣的操作频带上减少模式TEM4的复合材料天线与信号传输线之间的阻抗失配，以便改善复合材料天线的极化分集。
四个主要因素确定模式TEM4的阻抗匹配条件和工作频率带宽。这些是最小缝隙宽度(w1)、扩张速率(R)、缝隙长度(L1)、扩张宽度(w2)和通过平面的领结形天线段的厚度(即，基体上的镀金属的厚度)限定缝隙厚度。为了减少最小工作频率，可以增加缝隙长度(L1)以及扩张宽度(w2)，并且为了增加最小工作频率，可以减少缝隙长度(L1)和扩张宽度(w2)。在一个实施方式中，选择的缝隙长度和扩张宽度近似等于所选操作频带中的最低频率的波长的三分之一。所感兴趣的给定频率范围的精确参数的确定是包括模拟各种设计的迭代设计优化过程。
图6A和图6B的多模复合材料天线被设计为用于为了射电天文目的的致密孔径排列中使用的1GHz与1.45GHz之间的工作频率。在以下表1中给出这种示例性复合材料天线的尺寸。
尺寸 值 单位 描述
w<sub>1</sub> 6 mm 最小缝隙宽度
L<sub>1</sub> 93 mm 缝隙长度
R 0.0964 mm<sup>-1</sup> 扩张率
w<sub>2</sub> 96 mm 扩张宽度
w<sub>3</sub> 10 mm 逐渐缩减的边缘宽度
L<sub>2</sub> 82 mm 复合材料天线高度
w<sub>4</sub> 1.6 mm 基体厚度
w<sub>5</sub> 5 mm 领结形天线至锥体间隙
D<sub>1</sub> 25 mm 锥体顶部直径
D<sub>2</sub> 185 mm 锥体底部直径
D<sub>3</sub> 21.5 mm 传导管直径
D<sub>4</sub> 3.18 mm 传输线馈入引脚直径
w<sub>6</sub> 2 mm 特氟纶隔离物深度
表1：具有1GHz至1.45GHz的工作频率的多模复合材料天线的示例性尺寸
将理解的是，可以简单地缩放这个设计以便更高或更低地移动天线的工作频率。然而，改变相对带宽或阻抗匹配需要改变设计参数，并且许多不同设计可以根据所希望的工作频率和要求的带宽是可适用的。
扩张率(R)是能够将逐渐缩减轮廓通过以下公式限定为y轴相对于x轴上的点的值：y＝c1+c2*eRx其中，c1和c2是具有mm尺寸的常数，求解它们是为了保证用于给定长度L1的所希望的宽度w1和w2，并且eRx是R与沿着x轴的值乘积的自然指数函数。
使用(CST Microwave Studio)，在无限的地平面上模拟用于四个正交激励模式TEM1-TEM4的天线的响应。图7示出了在从0.5GHz至1.5GHz的频率范围上的四个激励模式的输入反射系数的幅度。可以看出，所有四个激励模式的输入反射系数在从1GHz至1.5GHz的频率范围上是低于-10dB。通常考虑阻抗匹配低于-10dB的输入反射系数，因此所有四个模式的阻抗在这个频率范围上匹配。虽然实际上这些模式保持匹配1.5GHz的频率，但是由于在较高频率发生的辐射远场型的变形导致工作频率范围保持局限于1.45GHz。假设四个激励模式的正交性质，模式之间的模拟耦合在1GHz至1.45GHz的频率范围上小于-40dB。
模式TEM4与其他两个偶极辐射模式TEM1和TEM2之间观察的频率响应中的差异是因为最佳辐射缝隙长度的渐进式缝隙元件比最低工作频率的四分之一波长更长。在模式TEM1和TEM2的较低工作频率800MHz下，偶极都接近于一半波长的长度并且渐进式缝隙天线全部接近于四分之一波长的长度。这种相对于工作波长的短缝隙长度导致大的输入阻抗并且接下来导致模式TEM4的大的阻抗失配。在较高频率下，相对缝隙长度增加并且缝隙天线的输入阻抗减少，导致模式TEM4的改善的阻抗匹配。因为领结形天线元件和渐进式缝隙天线互联，因此缝隙长度将总是接近于在模式TEM1和TEM2的较低工作频率下的四分之一波长。至于这个实施方式，模式TEM4的较低工作频率因此将总是高于模式TEM1和TEM2的工作频率。因此选择的缝隙长度和扩张宽度近似等于所选操作频带中的最低频率的波长的三分之一。1GHz信号具有接近于300mm的波长，因此选择的缝隙长度和扩张宽度接近100mm。当然，将理解的是，本发明不限于缝隙长度和扩张宽度在所选的操作频带中近似等于最低频率的波长的三分之一。
由于四个横向激励模式的正交性质，可以通过使每个激励模式波束成形使用天线作为单个元件扫描天线。在有地平面的情况下，可以通过将复杂的波束成形权重应用于在每个扫描角导致最大增益的每个激励模式，来获得接近半球形视场覆盖范围。
图8A示出了在图6A中示出的Φ＝0°的平面中的θ＝0°至θ＝90°之间的扫描角处通过用于频率0.8GHz、1GHz、1.2GHz和1.4GHz的复合材料天线实现的最大增益。图8B示出了图6A中示出的Φ＝45°的平面中的相似曲线图。
图8A示出了在0.8GHz下的半球形视场覆盖范围上的增益从θ＝0°的近似9dB改变为接近θ＝+-60°的5dB的增益，在半球形扫描范围上存在4dB的增益变化。在图8B中的1.4GHz下，最大增益在θ＝+-60°时近似为10.5dB并且最小增益在接近θ＝0°时是3dB，因此在半球形扫描范围上存在7.5dB的增益变化。模式TEM4在接近θ＝20°与θ＝60°之间的扫描角辐射最大。利用这个失配的模式，如在0.8GHz下看出的，用于这些扫描角的增益以及偶极辐射型的增益减少。当0.8GHz下的增益与1GHz至1.4GHz下的增益比较时，与20至60度(θ-扫描)著称的更高增益仅由于通过模式TEM4辐射的功率。应注意，在接近θ＝0°的较高频率下指出的较低增益不取决于模式TEM4；这是通过与频率一起减少(接近θ＝0°)的偶极(模式TEM1和TEM2)辐射的功率。至于1GHz以上的频率，由于改善的模式TEM4的匹配导致的增加的增益因此可以在在图8A中从顶点20°与60°之间的扫描角(θ)处清晰指出。看出通过模式TEM1和TEM2激励的辐射远场型的变形导致在1.4GHz下接近顶点(θ＝0°)的增益减少。然而，尽管在频带的较高端下接近定点的增益较低，但是复合材料天线依然能够检测两个正交磁场组件。
复合材料天线的极化性能根据已知技术通过确定天线的固有交叉极化比(IXR)并且使用其作为品质因数进行了评估。在2011年6月的IEEE Trans.Antennas Popag.的59卷6号2058-2064页的T.Carozzi和G.Woan的“A fundamental figure of merit for radiopolarimeters(辐射偏振器的品质因数的基础数)”中给出了IXR的说明。天线的IXR在半球形视场覆盖范围上的每个扫描角处解决。利用在1GHz下抑制的模式TEM4，获得的IXR值在从顶点大于65°的扫描角减少为零。比较地，当包括模式TEM4时的改善的阻抗匹配导致在沿着Φ＝0°的平面高达80°的扫描角处的IXR值大于10dB。在1.2GHz下观察到相似结果，其中，看出激励模式TEM4的可用性导致在沿着Φ＝0°的平面高达80°的扫描角处的IXR值大于10dB。在50°与70°之间的扫描角处的Φ＝45°的对角平面中获得稍微低于10dB的IXR值。这个IXR减少归因于通过模式TEM1、TEM2和TEM3在这些扫描角处辐射的功率差异较大。
本发明集成并共置具有两个正交领结形偶极天线和形成单极元件的锥形扩张部分的渐进式缝隙天线。每一个相邻领结形天线段之间的渐进式缝隙天线单元的集成导致用于激励模式TEM4的改善的阻抗匹配。这个激励模式的改善的输入匹配允许额外的波束成形自由度以便使半球形视场覆盖范围上的天线的增益、敏感性以及极化性能最大化。集成的渐进式缝隙天线在较大扫描角处改善复合材料多模天线的极化性能。使用IXR作为品质因数，复合材料多模天线能够在从顶点高达80°的扫描角处达到10dB以上的IXR值。这意味着复合材料多模天线被认为能够面对从顶点高达80°的扫描角辨别入射电磁波的极化态。因为渐进式缝隙天线元件垂直于锥形部分定位，因此甚至在小的俯仰角处改善极化鉴别性能。
实体锥形的实施方式简化制造并且为复合材料多模天线提供改善的稳定性。实现连接至地平面的实体锥还抑制在其他实施方式的空心锥形部分中观察的寄生振荡的激励。
复合材料天线可以在视线和富各向同性多径(RIMP)环境中集成在用于无线通信网络的微小收发基站(BTS)中，或者作为4端口多输入多输出(MIMO)天线。天线可以安装在墙壁上同时依然能够从各个方向和可能由于多径效应导致的极化截获信号，以便保持高数据吞吐率。通过多个正交激励模式实现的天线分集允许在多路径MIMO应用中使用单个多模天线。
描述的多模复合材料天线可以制成不同大小用于不同应用。以下表2示出了用于多模复合材料天线的两个示例性应用，以及每个天线的说明性宽度(即，偶极元件的两个领结形天线段的结合长度)、垂直于偶极元件所测量的天线的高度、以及天线的近似带宽。众所周知，标题“应用”以下的缩略词是无线远电信的领域中的那些应用。GSM代表全球移动通信***并且是移动电话技术。UMTS是通用移动电信***，WCDMA是宽带码分多址并且LTE是长期演进。当然，存在许多其他应用并且本发明不限于这些应用中的任一个。
表2：各个应用的多模复合材料天线的近似尺寸。
尽管描述的多模复合材料天线可以用作单个天线，但是还可以布置在包括以预定场结构布置的多个天线的天线阵中。图9示出了用于多模复合材料天线阵的示例性场结构。示出的场结构基于96元件阵列并且以不规则的结构布置。结构基于称为LOFAR(低频阵列)的现有演示器相位天线阵射电望远镜并且所选结构能够将本发明的天线阵与纯差分(即，基于偶极的)的现有天线进行比较。图9的场结构被设计成在VHF(特高频率)频带下观察。在这个示图中，天线的大小被定为达到55MHz的谐振频率，这要求近似1.3m的天线高度和大约2.6m的宽度(即，两个天线臂的长度)。通过如前所述将复杂的波束成形权重应用于四个正交激励模式(TEM1至TEM4)，可以在每个扫描角处使天线阵的增益最大化。图10的示图是示出了当波束成形时的图9的多模复合材料天线阵在半球形视场上的增益以便保证半球形视场上的近轴对称增益。
天线阵可以在射电天文应用中找到具体应用。在这种应用中，天线阵用作射电望远镜，其中可以在不需要能够物理移动和追踪目标的情况下使复合材料天线的视场电子成形来完成在特定方向上一直降至天边的扫描。
本发明不限于所描述的实施方式并且在本发明的范围内包括许多修改。例如，复合材料天线不必仅具有两个偶极元件而是可以包括三个、四个或任何更多数量的偶极元件。许多选择存在于用于激励偶极元件的结构材料和方式。
在整个说明书和权利要求书中，除非另外内容要求，否则单词“包括”或变形诸如“包括(comprises)”或“包含(comprising)”将被理解为意指包含所述整数或整数组，但不排除任何其他整数或整数组。

Claims (13)

1.一种多模复合材料天线，包括：
在共面中延伸的至少两个交叉的偶极元件，每个所述偶极元件包括具有两个领结形天线段的领结形天线，
多个信号传输线，每个所述信号传输线均连接至所述领结形天线段中的一个，
传导管，所述信号传输线在所述传导管中延伸并且所述传导管形成用于所述信号传输线的护罩，以及
传导扩张部分，围绕所述传导管并且从所述传导管向外扩张，所述传导扩张部分具有垂直于所述共面延伸的轴线，
其中，所述领结形天线段成形为使得缝隙在每对相邻的领结形天线之间延伸，每个缝隙形成具有彼此偏离的一对非线性弯曲边缘的渐进式缝隙天线，并且
进一步其中，每个所述渐进式缝隙天线具有：在所述偶极元件彼此交叉的中心区域处的最小缝隙宽度、从所述中心区域延伸至缝隙的相对的宽端部的缝隙长度、限定所述一对非线性弯曲边缘彼此偏离的速率的扩张率、以及作为所述缝隙在其宽端部处的最大宽度的扩张宽度，其中，所述最小缝隙宽度、所述缝隙长度、所述扩张率和所述扩张宽度选择为用于减少在所述多模复合材料天线的选择操作频带内的所述多模复合材料天线与所述信号传输线之间的阻抗失配。
2.根据权利要求1所述的多模复合材料天线，其中，所述缝隙长度和所述扩张宽度都约等于所述选择操作频带内的最低频率的波长的三分之一。
3.根据权利要求1所述的多模复合材料天线，其中，所述一对非线性弯曲边缘是沿着其长度的至少一部分的指数曲线。
4.根据权利要求1所述的多模复合材料天线，其中，所述传导管是直柱形传导管并且连接至地平面、或者构造成连接至地平面。
5.根据权利要求1所述的多模复合材料天线，其中，所述传导扩张部分是锥形的，并且锥形的部分由所述传导管的伸展部形成，该伸展部折叠该传导管自身上并且从所述传导管向外扩张。
6.根据权利要求1所述的多模复合材料天线，其中，所述传导扩张部分是锥形的，并且锥形的部分与所述传导管是整体的，使得所述传导管和所述锥形的部分一起包括具有实体锥，该实体锥穿过其中的镗孔。
7.根据权利要求1所述的多模复合材料天线，其中，所述多模复合材料天线包括提供沿着共面彼此垂直延伸的总共四个领结形天线段的交叉的两个偶极元件，其中，四个渐进式缝隙天线设置在每对相邻的领结形天线段之间的缝隙中，从而该两个偶极元件和所述传导扩张部分形成在三个互相垂直方向上延伸的三个辐射元件。
8.根据权利要求1所述的多模复合材料天线，其中，所述领结形天线段制成为平面的并且由承载在支撑非传导基板上的板材制成。
9.根据权利要求1所述的多模复合材料天线，其中，存在四个信号传输线，每个信号传输线连接至所述领结形天线段中的一个，并且所述信号传输线连接至数字波束形成器。
10.一种天线阵，包括以预定场结构布置的多个根据权利要求1所述的多模复合材料天线。
11.一种使用根据权利要求1所述的多模复合材料天线的方法，包括：
将至少一个差模激励应用于所述信号传输线，以激励所述偶极元件并且实现偶极辐射型，并且
将至少一个共模激励应用于所述信号传输线，以激励所述偶极元件并且在所述偶极元件与所述传导扩张部分之间实现单极辐射型，
所述多模复合材料天线从而通过所述差模激励和所述共模激励的应用能够结合单极辐射型和偶极辐射型。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，通过用四个正交横向电磁波激励模式同时地激励所述偶极元件的数字波束形成器来应用所述差模激励和所述共模激励。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，波束成形权重被应用于所述四个正交横向激励模式，以便电子成形所述多模复合材料天线的视场，而不需要所述多模复合材料天线能够移动。
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