CN1949594A - 在宽频带范围上具有改善的辐射特性的PxM天线 - Google Patents

Abstract

这里提供一种包含电和磁偶极辐射器的低损耗、高效率的宽带天线。该宽带天线可被称为“PxM天线”，并一般包括：接地平面；形成在接地平面内的磁辐射器；设置在平行于接地平面的第一平面内的导电馈电；以及设置在垂直于接地平面的第二平面内并且一端耦合于导电馈电的电辐射器。根据本发明的一个特别方面，电辐射器和磁辐射器基本彼此互补并被耦合以在宽工作频率范围上产生PxM辐射图。这里描述的PxM天线的一个优点是互补的天线元不用有损耗的、阻性的匹配网络而被组合，由此增加产生PxM辐射图的效率。

Description

在宽频带范围上具有改善的辐射特性的PxM天线

技术领域

本发明涉及天线，尤其涉及一种包含电磁辐射部件的低损耗、高效率、宽带天线的实际实现。

背景技术

下面的说明和例子不因它们包含在这个章节内而被认为是现有技术。

如今很宽的工作频率范围被用于通信目的，尤其是超宽带(UWB)通信和电磁兼容性(EMC)测试。例如，许多商用和基于军事的通信装置工作在3MHz-30MHz的“高频”(HF)带、30MHz-300MHz的“甚高频”(VHF)带，并且在一些情形下在300MHz-3GHz的“超高频”(UHF)带的较低频部分内工作。这些相对低的频带的优点包括对诸如墙和植物等障碍物的衍射和穿透的改善，以及路径损耗和空中衰减的减少，这导致在给定功率级下更长的传输长度。由于尺寸和工作频率之间的反比关系，所以经常要用相对大尺寸的天线元在相对低的频带(诸如HF和VHF频带)中通信。然而在许多情形下，

由于便利性、持久性、空间限制和/或美观的原因，天线元尽可能地小是合乎需要的。

电小天线元被用于许多低频(例如移动通信)和高频(例如EMC测试)应用。例如，可将电小天线可用于低频应用以适应空间、持久性或其它因素，或用于高频应用以实现EMC测试目的所需的特定的频率级。如在本文中使用的术语“电小”是指与其所辐射的电磁场的波长相比而言具有相对小的几何尺寸的天线或天线元。从数量上说，电小天线一般被定义成容纳在具有半径a＝λ/2π的球体内的天线，其中λ是从天线辐射出的电磁能的波长。

不幸的是，电小天线往往具有相当大的辐射质量因数(Q)，这意味着它们倾向于存储(时间平均意义上)比它们辐射的要多得多的能量。这导致电抗性为主的输入阻抗，这将导致即使不是不可能，至少也难以使电小天线在很大的带宽范围上与输入馈电阻抗匹配。此外，由于该大辐射质量因数，即使存在很小的阻性损耗也会导致电小天线非常低的辐射效率(例如效率在1-50％左右)。

根据已知的定量预测，对容纳在半径a的球形体积内的任何线偏振的、电小天线的最小可达辐射Q可通过下式得出：

$Q=\frac{1}{\mathrm{ka}}$ $+\frac{1}{k^3{a}^3}$ (式1)

其中k＝1/λ，它表示与电磁辐射相关联的波数。因此，电小天线的辐射Q大致与其电体积(a)的倒数成正比，或与天线带宽成反比。为了用单个元的给定尺寸的电小天线来实现相对宽的带宽和高的效率，利用尽可能多的(天线所占据的)体积是合乎需要的。在某些情形下，这可通过在保持电小状态的同时，增大天线元的尺寸来实现。

为了实现对辐射Q的基本限制，如式1所体现的那样，天线必须在封闭球面外仅激励横磁(TM₀₁)模或横电(TE₀₁)模，并且在球面内不存储任何电能或磁能。因此，尽管短的线性(电)偶极子在球形外激励TM₀₁模，但是它不满足在球形内不存储任何能量的准则，并因此表现出比由式1预测的要更高的辐射Q(和更窄的带宽)。

总的来说，所有辐射偶极子场的天线(诸如电偶极子和磁偶极子等)都受到式1中给出的约束条件的限制。尽管已成功地实现某些宽带偶极子设计，并且这些设计逼近式1中给出的限制，然而目前仍不能构造一种表现出小于式1预测的辐射Q的线偏振的全向天线。然而，尽管式1表示对线偏振的全向天线的辐射Q的基本限制，但它不是辐射Q的全局下限。而辐射基本相等功率至TM₀₁模和TE₀₁模中的复合天线可(在原则上)实现近似如下的辐射Q：

$Q=\frac{1}{2}$ $[\frac{2}{\mathrm{ka}}+\frac{1}{k^3{a}^3}]$ (式2)

或近似于单独辐射TM₀₁模或TE₀₁模的孤立电或磁偶极子的辐射的一半。换句话说，复合天线的阻抗带宽可近似为孤立的电或磁偶极子的阻抗带宽的两倍。

已在理论上和数值上研究了具有协同定位和定向以提供正交偶极矩的一对无穷小的电和磁偶极子的理想复合天线，并发现其能提供有用的特征。由于其电(p)和磁(m)偶极矢量的正交组合，这些天线经常被称为“PxM天线”。PxM天线的合需特性可包括(但不局限于)有用的辐射图(例如低增益、单向辐射图)以及对给定电尺寸的相对宽的阻抗带宽等。如上所述，电小PxM天线的辐射Q约为孤立的电或磁偶极子的辐射的一半。尽管减小Q应可提高宽带阻抗匹配(至少在原则上)，但是PxM天线的实际实现是存在问题的并且尚未被彻底研究。

发明内容

上面列出的问题大部分可由与常规PxM天线设计相比表现出较低损耗、以及较高效率和工作频率带宽的改进的PxM天线设计所解决。本文中描述的PxM天线设计通过消除内部阻性负载来提高辐射效率。本文中描述的PxM天线设计不是像前述设计中那样采用内部负载，而是改为通过设置具有锥形的、折叠的和/或终端加负载的结构的辐射器来提高PxM天线的电和磁辐射器之间的宽带阻抗匹配。如有需要，还可通过使用电抗性为主的匹配网络来进一步提高宽带阻抗匹配。在本文中还构想了用于构造改进的PxM天线的各种方法。

根据一般实施例，这里提供一种宽带PxM天线，它具有：接地平面；形成在该接地平面内的磁辐射器(例如隙缝天线)、以及设置在平行于接地平面的第一平面内的导电馈电。为了产生PxM辐射图，可将电辐射器(例如单极天线)设置在垂直于接地平面和其中所形成的磁辐射器的第二平面内。电辐射器一端可耦合于导电馈电，该导电馈电进而耦合于接地平面。以此方式，电辐射器和磁辐射器可被一般地耦合，以产生很宽工作频率范围上的PxM辐射图。然而，与常规设计不同，由本发明产生的PxM辐射图在很宽范围的工作频率范围上被维持，而无需在导电馈电和接地平面之间包含损耗为主的元件。

如本文中所使用的“损耗为主的”元件可解释为通过阻性方式、介电方式或磁方式引入大量“损耗”的任何负载。在许多现有技术的设计中，在导电馈电和接地平面之间包括阻性负载以减少由不匹配的磁和电辐射器造成的反射。由于阻性负载容易引入大量的损耗，因此现有技术的设计为很低效率的工作所苦。另一方面，电抗性负载基本上不引起损耗，并因此可被用来减小磁辐射器和电辐射器的输入阻抗之间的差而不会降低PxM天线的辐射效率。

在某些情况下，导电馈电的一端可用设置为形成电抗性匹配网络的一个或多个电抗性为主的元件来终接。由于电抗性负载相对无损耗，所以本发明通过避免由有损耗的、阻性的负载造成的效率降低来对现有技术设计作出改进。在一个示例中，本文中描述的电抗性匹配网络可包括一个或多个集总元件(即电容器和电感器)，它们可用各种长度的统一传输线互连。对旨在低频工作的设计可实现包含集总元件的电抗性匹配网络。在较高频率范围内，则可改用由各种长度的统一传输线互连的多个开路和短路截线来实现电抗性匹配网络。然而，不是所有情形下都需要电抗性匹配网络，因此在本发明的一个或多个通过操纵控制磁和电辐射器的形状来提供固有的宽带阻抗匹配的实施例中可将其省去。

在一些实施例中，可给电和磁辐射器提供锥形结构以改善输入阻抗匹配，从而扩大能在其上维持所需的PxM辐射图的工作频率的范围。例如，隙缝天线的形状可类似于蝴蝶结，而单极天线的形状可类似于圆锥形或三角形。还为单极和隙缝天线构想了可供替换选择的形状。不管确切的形状为何，可从位于接地平面上方一定距离的传输线形成导电馈电。为了改善锥形辐射器之间的阻抗匹配，传输线可在喇叭形(flared)部分终止，该喇叭形部分可经由一个或多个电抗性为主的元件耦合于接地平面。电抗性匹配网络可与或可不与锥形的单极-隙缝结构一起使用。

在一些实施例中，可给电和磁辐射器提供一种折叠结构，以通过增大与电辐射器相关联的输入阻抗和减小与磁辐射器相关联的输入阻抗来改善输入阻抗匹配。折叠还提供固有的串并联补偿，在其中它抵消在一定频率范围上的天线电抗和电纳。在一个实施例中，电和磁辐射器可以是“单折叠的”。例如，可将单极天线折叠以提供向上的阻抗变换(大约为4)，而可将隙缝天线折叠以提供向下的阻抗变换(大约为1/4)。在一些情形下，可通过在接地平面上蚀刻或切割出一T形开口来“折叠”隙缝天线。另一方面，可将折叠的单极天线形成为包括由两个等长的腿部支承的顶部。单极天线的顶部可设置成与接地平面平行；两个等长的腿部可设置成彼此平行并与接地平面垂直。可通过弯曲一条导电材料或将多条导电材料组装成所需的折叠结构来形成折叠的单极天线。

在一些实施例中，可给单折叠的电和磁辐射器提供终端加负载的结构以进一步改善输入阻抗匹配并减少与宽带PxM天线相关联的辐射量Q和物理高度。例如，可将单极天线的顶部形成为使顶部的相对端伸出单极天线两等长腿部的外表面之外。类似地，可在形成隙缝天线的T形开口的顶部的相对端处在接地平面内形成一对附加开口。这对附加开口可基本彼此平行并基本垂直于“T”的顶部。在折叠和/或终端加负载的结构中，导电馈电可包括设置在T形开口内或略高于T形开口的传输线，该传输线延伸通过接地平面以形成隙缝天线。

附图说明

通过阅读下面的详细说明和参照附图，本发明的其它目的和优点将变得更为明显，在附图中：

图1是示例性心形辐射图的极坐标图；

图2A是根据本发明一个实施例的包含锥形单极-隙缝结构的PxM天线的三维视图；

图2B是图2A的PxM天线的顶侧二维视图；

图3A是根据本发明一个实施例的包含折叠单极-隙缝结构的PxM天线的三维视图；

图3B是图3A的PxM天线的顶侧二维视图；

图4A是根据本发明一个实施例的包含终端加负载的和折叠的单极-隙缝结构的PxM天线的三维视图；

图4B是图4A的PxM天线的顶侧二维视图；以及

图5是背对背单极-隙缝PxM天线设计的侧视图。

尽管本发明容许各种修正和替换形式，然而其特定实施例由图中的例子示出并在这里详细地说明。但是，应当理解附图及其详细说明并不试图将本发明限定于所公开的特定形式，而是相反，本发明旨在覆盖落在由所附权利要求定义的本发明精神和范围内的所有修改、等效和代换方案。

具体实施方式

因其来源于电和磁辐射器的正交组合而如此称呼的PxM天线具有若干合需的特性，包括(但不局限于)有用的辐射图、和对给定电尺寸而言相对宽的阻抗带宽。一种形式的PxM天线表现出假想的惠更斯(Huygens)源的辐射图。也被称为路德维格(Ludwig)-3图的该辐射图是一包括围绕最大辐射强度轴旋转的心形线的线偏振单向图，并落在所谓最大方向性图的类别内。如本文中所用的“心形线”被描述为由完全围绕另一固定半径(r)的圆滚动的圆的周线上的点扫描出的曲线，并在极坐标中具有通式：

ρ＝r*(1+cosθ)                          (式3)

心形辐射图100的极坐标图如图1所示。在前面的讨论中，或可将心形辐射图称为“PxM辐射图”。

已从理论上和数值上对具有一对无穷小的、协同定位的并被定向成提供正交偶极矩的电和磁偶极子的理想的PxM天线进行了研究。例如已建立如下理论：可将无穷小的磁偶极子环以正交关系与无穷小的电(导线)偶极子结合以形成理想的PxM天线。在远场区中，协同定位的偶极子对的电场近似等于：

$E_{\mathrm{\θ}}=[\frac{A}{\mathrm{\η}}\sin \mathrm{\θ}+B\sin \mathrm{\φ}]\frac{e^{-\mathrm{jkr}}}{r}$ 以及(式4)

$E_{\mathrm{\φ}}=B\left[\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\right]\frac{e^{-\mathrm{jkr}}}{r}$ (式5)

其中A和B分别为TM₀₁和TE₁₁模的加权系数，而r、θ和φ构成标准的右手球坐标***。如果A＝ηB，则天线的方向性增益可由下式给出：

$G(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})$ $=\frac{3[{(\sin \mathrm{\θ}+\sin \mathrm{\φ})}^2+{\cos }^2\mathrm{\θ}{\cos }^2\mathrm{\φ}]}{4}$ (式6)

当上式以极坐标绘制时，心形辐射图在θ＝90和φ＝90的平面内产生心形辐射图，在那些平面内还产生大约3.0dB(或4.77dBi)的最大增益。3.0dB的最大增益高于由孤立的电或磁偶极子所提供的最大增益。因此，看来可将无穷小的电和磁偶极子组合以(至少在理论上)产生辐射Q大致为孤立的偶极子所产生的辐射的一半、并且增益比由孤立的偶极子产生的增益高3dB的辐射器。

然而，尽管显示出协同定位的一对无穷小的电和磁偶极子具有许多有价值的属性(例如低增益、单向辐射图)，但它不是实用的辐射器。首先，当使用有限尺寸的元件时，真正的协同定位一般是不可能的。其次，天线要实现明显宽的频带(例如多个倍频程)，就要求天线在其工作频率范围的低端为电小尺寸的，但仅仅是略为如此。电小天线在本文中被描述为具有近似λ/2π的半径的电体积。这明显大于λ/100数量级的或更小的“无穷小”辐射器的半径。因此，除非单个辐射器在保持电小尺寸的同时具有某些可观的电尺寸，否则用理论化的辐射器是完全不可能实现宽带工作的。

为了提供宽带工作，电和磁辐射器的偶极矩在空间取向上必须基本正交，并在工作频率范围上的大小和相位基本相等。在数值或分析模型中要规定两个孤立的电和磁辐射器的大小和相位之间的关系是不难的。然而，在实践中，这种天线一般是从单个射频(RF)源激励的，该射频源的有限输出阻抗必须与组合的电和磁辐射器的输入阻抗相匹配。由于组合的电和磁辐射器的谐振性质，这往往是特别困难的。

在一些情形下，可用低损耗、无源的馈电或匹配网络来组合电和磁辐射器。然而，由于两种辐射器的输入阻抗中的频率相关的变化，这些匹配网络经常难以实现。例如，输入阻抗的变化会造成难以维持提供给电和磁辐射器的馈电电流的正确的大小和相位。此外，即使当使用匹配网络来组合辐射器时，残留阻抗失配仍然会限制天线/匹配网络的效率和功率传递，并因此限制***的总效率。尽管已提出可行的匹配网络，当前已知的设计中没有一个允许组合的辐射器在宽频率范围上有效地工作。因此，这类设计的使用经常与由PxM辐射器的较低辐射Q提供的带宽的任何扩展背道而驰。

原则上，通过组合具有互补的输入阻抗的电和磁辐射器，宽带PxM工作应当是可行的。例如，隙缝天线可以是与该隙缝天线具有相似尺寸的电单极(或偶极)天线的“互补”。根据Babinet原理，隙缝天线在无限大的导电层中的辐射图与互补的单极(或偶极)天线的辐射图相同，唯一的区别是电场和磁场互换。此外，隙缝天线及其互补单极的输入阻抗由Booker公式关联：

$Z_{\mathrm{slot}}{Z}_{\mathrm{monopole}}=\frac{{\mathrm{\η}}^2}{4}$ (式7)

其中Z_slot和Z_monopole分别为隙缝天线和单极天线的输入阻抗，而η为周围介质的固有阻抗(例如在自由空间中η＝120π)。换句话说，互补的天线元的输入阻抗大致彼此成反比。因此，当互补的天线元被组合以形成单个辐射结构时，可抵消或减小互补的输入阻抗以在宽频率范围上实现相对匹配的输入阻抗。

尽管已提出可将互补的电和磁辐射器组合以形成单个辐射结构，然而本发明的发明人不知道任何先前已知的可在宽频率范围内(例如高至1∶5频率变换)高效率地(例如大约85-100％)维持PxM辐射图(即低增益、单向、心形图)的天线设计。改进的PxM天线设计的示例性实施例在下文中描述并在图2-4中示出。

图2示出根据本发明一个实施例的包含电和磁辐射器的示例性天线200。如下文中更详细说明的那样，PxM天线200表现出可实现实用的、低损耗(即高效率)宽带PxM天线设计的一种方式。其它实现和/或变化是可行的并落在本发明范围内。在后面的说明中将对示例性宽带电和磁辐射器进行探讨，之后是用来组合这两种辐射元以在宽频范围上维持PxM工作的示例性方式的探讨。

如图2A所示，PxM天线200一般包括：在导电接地平面220内切割或形成的隙缝210；设置在接地平面220上方并与之平行的导电馈电240；以及在其下端电连接于导电馈电240的电单极250。为实现PxM工作，隙缝210和单极250被设在相互垂直的平面中以产生正交的磁和电偶极矩。在一些实施例中，具有导电的侧壁和下表面的凹腔结构230被设置在包围隙缝210的接地平面220的下方。可用任何合适的手段将凹腔结构230接合到接地平面220的下表面，以使接地平面中包围隙缝的部分形成凹腔230的上表面。然而，可不在本发明的所有实施例中都包含凹腔结构230。例如，可通过将磁性材料(例如各向异性的六角晶系铁氧体)直接置于接地平面上来替换地实现隙缝辐射器。这将能够消除对物理隙缝和凹腔衬背的需要。

可将接地平面220形成为包含相对大(相比辐射能量的波长而言)、相对平坦的导电表面。在一些情况下，可通过实用多种半导体制造技术(例如CVD、PVD、电镀等)之一将一金属层沉积在半导体衬底上，从而形成接地平面220。由此，接地平面220可形成固定地接合在电子设备内的印刷电路板的一部分(或全部)、或是配置成可***到电子设备(例如任何便携式的或非便携式的消费者设备，诸如膝上型或台式计算机、手机、DVD播放器等)内的可移动卡。然而，在其它情形下，可从金属层切割或形成接地平面220，该金属层可构成或可不构成一较大结构(例如车辆或航空器)的部件。可用来形成接地平面220的可能的材料包括基本上任何“良好的”导电体，它包括(但不局限于)铜、铝和金或其任何合金。在某些情形下，诸如包铜的PTFE、FR-4或LTCC等的多层金属-介电结构可被用来形成接地平面220。由于由叠层结构和版印技术提供的机械优势，这种多层结构可能是合乎需要的。可用来制作接地平面220的其它方法和材料是可行的，并且它们被包含在本发明的范围内。

不管制造方法为何，接地平面220被有限边界所约束。这种边界的形状基本为矩形，如图2A和图2B所示。然而，接地平面220不局限于所示形状，而是应当认为它包括可在其内形成隙缝辐射器的任何形状(例如圆形、椭圆形、多边形等)。在一些实施例中，可通过选择基本不包括锐角的接地平面形状来减少沿接地平面220的边缘的辐射性衍射。例如，接地平面220可形成为具有圆角或轮廓平滑的边缘以减少典型出现在锐角和边缘处的电不连续性(以及随之而来的辐射性衍射)。

在理想实施例中，接地平面220将是无限大的，以使边缘效应不会干扰由隙缝210产生的辐射图。然而在现实中，接地平面220有限的大小导致其所在平面内的辐射零位。如果减少或消除来自接地平面220边缘的衍射，则可使此零位变窄。除了圆角和/或轮廓平滑的边缘之外，还可通过“处理”接地平面的边缘来减少接地平面的衍射。例如，可用有损耗的磁性材料225处理接地平面的边缘以减少边缘衍射。换句话说，可通过用减少沿边缘流动的电流的材料处理边缘来减少或消除衍射。适合的材料包括基于铁氧体的材料；然而，基本上可使用任何其它的有损耗的、磁性的材料。在其它的情形下，可将接地平面形成为包括锥形的电阻率，换句话说就是在接地平面边缘附近增大的电阻率。例如，接地平面可经受一种表面处理，包括例如用离子轰击接地平面边缘以减小或破坏接地平面在这些边缘处的导电性。也可使用其它技术(例如通过在接地平面中蚀刻或切割出“凹痕”)去除这些边缘处的接地平面材料，从而增加接地平面边缘处的电阻率。

在图2A的实施例中，凹腔结构230被图示为形状基本为矩形。也可采纳图中未示出的其它形状。一般来说，可选择凹腔结构230的尺寸以充分“包围”隙缝210。例如，凹腔230的长度(L)和宽度(W)可基本大于或等于隙缝210的长度(l)和宽度(w)。另一方面，可将凹腔230的深度配置成隔断来自天线200背侧表面的辐射，由此增强了前向上的辐射。例如，凹腔结构的深度(D)可近似等于从天线200辐射出的电磁能的波长的四分之一；然而在认为合适时，可使用更小或更大的凹腔深度。在某些情形下，可用磁性材料涂覆、装衬或甚至于部分填充凹腔结构230，以改善天线元的辐射图并将它们与附近的其它电子元件隔离开来。在一个实施例中，可用基于铁氧体的材料涂覆凹腔结构230。在一个更具体的实施例中，凹腔结构230可至少部分地用各向异性的六角晶系铁氧体填充以改善较高频率范围处的辐射特性。经涂覆的凹腔结构330/335的一个例子如图3A所示。

导电馈电240可被悬挂或支承在接地平面210上方一定的间隔距离(h)并与之平行。在多数情形下，距离“h”可以相对小(相比辐射能量的波长而言)，尽管仍足以将导电馈电240与接地平面电隔离。如图2A和图2B所示，导电馈电240可在隙缝210上方相对居中，并沿基本垂直于隙缝210的长(l)的方向延伸。如下面更详细说明地那样，产生对称PxM辐射图一般需要这种结构。

在所示实施例中，导电馈电240包括微带线；然而，在本发明其它实施例中也可使用替换的传输介质。微条线可由相当细的、矩形一条的导电材料构成，其一端用电抗性为主的负载260终接。在图2A和图2B中，电抗性负载被图示为微带线的喇叭口部分(或者连接于导电馈电240或与之形成一体)，该喇叭口部分通过电抗性匹配网络(未图示)电耦合于接地平面220。在下文中将结合实现电抗性负载或电抗性负载网络的其它方式来对电抗性负载260的重要性进行更详细地说明。在某些情况下，可将输入接头270耦合于导电馈电240的另一端以建立与外部传输线(例如同轴电缆)的电连接并将电流提供给导电馈电。然而在本发明的其它实施例中，可通过将外部传输线直接连接于导电馈电来省去输入接头270。

电单极250的下端被连接于导电馈电240，并可被一般地定位在分别沿导电馈电240和隙缝210的轴向长度延伸的中心线280和290附近。在图2A和图2B的实施例中，电单极250是用相对薄的导电材料片形成的锥形单极。基本上包含金属层(例如铜、银、铝等)或金属-介电叠层(例如包铜的PTFE)在内的任何导电材料都可被用来形成电单极250。一般来说，单极250的锥形结构可通过增大所需辐射图在其上能得以维持的频率范围来改善电辐射器的宽带性能。锥形渐变还可通过减少天线辐射Q以及区别对待高阶谐振来改善阻抗匹配。在本发明的替换实施例中也可用其它锥形结构来实现单极250。例如可从导电材料片或金属丝网形成基本实心的或中空锥形的单极。

一般来说，锥形单极250应与尽可能接近互补的磁辐射器组合。因此，即使隙缝天线210可形成为若干不同形状中的一种，隙缝天线210也可锥形渐变(例如以双三角形或“蝴蝶结”形状)以向图2A和图2B中使用的锥形单极提供互补的辐射器。当存在接地平面220时，锥形的隙缝可类似于锥形单极那样地作用(例如每个辐射器可提供近似阻抗带宽的2个倍频程)。然而，当任一组成天线(电或磁辐射器)的辐射图偏离其理想特性(形状、偏振等)，组合的PxM天线辐射图也偏离理想特性。因此，一般要求组成天线尽可能单独表现为电和磁辐射器的行为。

为了在宽频率范围上维持PxM辐射图，电和磁辐射器的偶极矩必须在空间朝向上基本正交，并在该宽频率范围上大小和相位基本相等。当组件辐射器自身行为表现正确时——就象电和磁偶极子那样——则每个辐射器的大小和相位将被正确地定向以在远场中提供所需的性能。换句话说，元电偶极子图单独表现出明确的相位中心；也就是说，在给定频率处的辐射图的相位对方向基本保持不变。对元磁偶极子也是如此。然而，只有当天线元的远场图的相位也被组合时，由这两个图组成的辐射图才会表现出恒定的相位图。

本发明具有若干改进，它们允许在宽频范围内高效率地维持PxM辐射图。首先，并如上所述，导电馈电240可用电抗性负载260终接，而不是在其它现有技术设计中通常使用的损耗为主的负载。如本文所述，“损耗为主的”负载可以是通过阻性、介电或磁方式引入“损耗”的任何负载。过去，许多现有技术设计在馈电和接地平面之间包含阻性负载以减少由不匹配的组成辐射器引起的反射。由于阻性负载引起大量的损耗，所以现有技术设计受很低效率的工作之苦。另一方面，电抗性负载基本不引入任何损耗。因此，本发明通过使用电抗性终接来使电和磁偶极矩维持在正确的大小和相位关系而不受由有损耗的、阻性的负载引起的效率降低之苦，从而改善现有技术的设计。

然而，值得注意的是，现有技术设计的阻性负载无法在不潜在地破坏所寻求的PxM辐射图的情况下简单地代之以电抗性负载。为了维持所需的辐射图，必须彼此相关地仔细地设计本文中所描述的组成辐射器和(可选)电抗性匹配网络。例如，各组成辐射器均可形成锥形的、折叠的和/或终端加负载的结构，每种结构都可实现对组成辐射器的输入阻抗的固有宽带阻抗变换。如下面详细说明地那样，可利用上面提到的一种或多种结构(具有或不具有附加的电抗性匹配网络)来使电和磁辐射器的输入阻抗彼此紧密地匹配，并与导电馈电的输入阻抗匹配。

在图2A和图2B的实施例中，电抗性负载260包括微带线的喇叭口或锥形部分，其中电抗性网络在远端耦合于微带线和接地平面220之间。电抗性网络可包含基本上任何数量的电抗性元件；在下文中将对其具体实施例进行更详细地说明。尽管在本发明某些实施例中，电抗性网络可提供足够的匹配，然而微带线的喇叭口或锥形部分可用来提供用来设置负载260的电抗性行为的附加参数。例如在一些情形下可调整喇叭口张开或锥形渐变的程度以改变负载260的电抗性行为。

尽管为简明起见未在附图中示出，但是根据所需的天线工作频率范围和电尺寸，电抗性负载260可包括多种不同的电抗性匹配网络。例如在诸如音频和低射频等相对低频率处可用集总元件(即电容器和/或电感器)容易地实现电抗性匹配网络。由此，当天线具有可观的电尺寸时，可使用集总元件。然而，不将器件做得非常小并因此非常具损耗性地来制造UHF和微波范围内的“良好”电容器和电感器变得困难得多。因此，可将所谓的分布式匹配网络用于基本较小电尺寸的天线设计以避免较高频率范围内的小集总器件的高功率耗散。

在一个实施例中，分布式匹配网络可包括开路和短路截线，它们经由各种长度的统一传输线互连。就象电容器和电感器那样，开路和短路截线为“电抗性元件”或者是能够以电(即电容性)或磁(即电感性)能的形式存储能量的组件。“截线”在业内公知为传输线的一部分。以匹配为目的，截线在一端经常为开路或短路以产生单端口电抗性电路元件。理想化的短路截线的输入阻抗在小于波长四分之一长的频率范围上是纯虚的(即电抗性的)和正的。理想化的开路截线是短路截线的互补，并因此在小于四分之一波长的频率范围上表现为纯虚的和负的输入阻抗。当经由各种长度的统一传输线连接时，开路截线和短路截线被用来实现几乎任何滤波器或阻抗匹配网络拓扑。在一些实施例中，传输线的喇叭口或锥形部分可与锥形截线组合以进一步改进分布式匹配网络。

其它技术可用来帮助在宽频范围上维持所需的PxM辐射图。例如，单极天线和隙缝天线可包括折叠结构以改善输入阻抗匹配并简化电抗性匹配网络。折叠的单极-隙缝结构300的一个实施例如图3A和3B所示。除折叠外，可将单极和隙缝天线终端加负载以改善输入阻抗匹配并增大可维持PxM图的范围。因此，根据本发明另一实施例的一种折叠的、终端加负载的单极-隙缝结构300’如图4A和4B所示。除了折叠和终端加负载所提供的优点，前面的说明还提供可构建PxM天线300和300’的示例性方式；然而，本文中未公开的其它构造方法也是可行的。

为利于宽带阻抗匹配，在工作频率范围上，单极和隙缝天线的输入阻抗必须相对良好地彼此匹配，并且与向其提供电流的传输介质相对良好地匹配。大多数传输介质具有落在相对小的值范围(典型为大约1-200Ω)内的特征阻抗。例如，同轴传输线具有大约50Ω的特征阻抗。另外，具有非常高特征阻抗和非常低特征阻抗的传输线常难以实现，并且不是具损耗性就是无法很好地引导能量。因此，天线表现出落在上述相对小范围值内的输入阻抗是有用的，由此它可匹配于为天线供电的传输介质。现存在多种方式来转换阻抗级。然而，在宽带宽范围上实现阻抗匹配往往是困难的。

尤其是，隙缝天线相对难以与标准同轴传输线阻抗匹配。例如，Booker公式(式.7)示出单极天线和隙缝天线的输入阻抗大致彼此成反比关系。因此，如果谐振点的理想偶极阻抗约为75Ω，则理想的隙缝阻抗将近似为473Ω。当***阻抗接近50Ω时，这尤其难以匹配。然而，可用折叠来为其中一个或多个天线元提供固有宽带阻抗变换。对单极天线而言，折叠提供向上变换，而隙缝的折叠提供向下变换。在一个实施例中，单折叠隙缝可被用来提供近似理想隙缝阻抗的1/4——或大约120Ω的输入阻抗。另一方面，单折叠单极的输入阻抗接近四分之一波单极的输入阻抗(大约为37.5Ω)的4倍——大约为150Ω。因此，与单折叠隙缝并联的单折叠单极的组合输入阻抗(接近67Ω)提供与50Ω的极好匹配。

图3和图4示出可将单折叠单极与单折叠隙缝结合以形成宽带PxM天线300的各种实施例。与图2的PxM天线设计相似，PxM天线300一般可包括：在导电接地平面320内切割出或者形成的隙缝310；平行于接地平面320设置的导电馈电340；以及一端可电连接于导电馈电340的电单极350。在一些实施例中，可将凹腔结构330设置在包围隙缝310的接地平面320下。如果包括凹腔结构330，则类似于图2A和图2B的凹腔结构230那样配置凹腔结构330。然而如上面提到的那样，不必在本发明所有实施例中都包括凹腔结构330。

可类似于接地平面220那样配置接地平面320，并因此接地平面320可包括相对大的(相比辐射能的波长而言)、相对平的导电平面。可使用多种技术来形成接地平面320，包括(但不局限于)CVD、PVD、电镀、模塑、切割等。另外，可根据各种性状(例如矩形、圆形、椭圆形、多边形等)形成接地平面320的有限边界。为了减少沿该边界的辐射性衍射，接地平面320可形成为圆角或轮廓平滑的边缘。在某些情形下，也可对接地平面320的边缘进行处理(例如用有损耗的磁性材料或锥形电阻率)以进一步减少辐射性衍射。

然而，与天线200不同，隙缝310和单极350可分别形成以折叠结构，这种结构使电和磁辐射器的输入阻抗彼此更紧密地匹配并更紧密地匹配于***阻抗(典型地在50Ω左右)。在所示实施例中，隙缝310和单极350被认为是“单折叠”的，即使在设计中表现出有多次弯曲或折叠。如上所述，单折叠的隙缝提供向下阻抗变换(近似1/4)，而单折叠的单极提供向上阻抗变换(近似4)。尽管在本发明其它实施例中可采用更多或更少的“折叠”，然而发现当将单极天线与隙缝天线并联时，图3和图4的单折叠单极-隙缝结构能相对较好地匹配于标准***阻抗。

在图3A和图3B的实施例中，单折叠隙缝310包括形成在接地平面320内的基本为“T形”开口。在大多数情形下，T形开口顶部的长度基本等于T的底部的长度。在一些情形下，可通过在接地平面内蚀刻或切割出开口以使T的底部以接近90°的角度等分T的顶部，从而形成基本呈T形的开口。然而，不必在本发明所有实施例中都要形成具有相互垂直的腿部和顶部的T形开口。例如，可将开口形成为稍微倾斜的T形，以使腿部和顶部之间的角度基本小于或大于90°。在某些情形下，在本发明的替换实施例中可使用其它对称为主的形状来形成隙缝310。

可将导电馈电340设置在平行于接地平面320的平面中的隙缝310内，或悬挂在略高于该平面中的隙缝310的地方。尽管馈电图3A和图3B示出导电馈电340具有与隙缝310基本相同的形状，然而本发明的替换实施例可包括与用来形成隙缝310的形状基本不同的形状的导电馈电。在所示实施例中，导电馈电340是用一层相对薄的导电材料(例如金属或金属-介电层)形成的共面波导。另外，共面波导被设置于隙缝310内以使波导的顶表面基本与接地平面320的顶表面共面。为了防止将馈电短接到接地平面馈电，可用比隙缝310稍小的尺寸构造共面波导340以使波导不与接地平面接触。尽管未图示，共面波导340可由直接地(例如通过焊接)或间接地(例如经由输入接头)连接于波导的外部传输介质供能。在本发明其它实施例中，波导340可悬挂在略高于隙缝310的地方，由此消除使波导340稍小于隙缝310的必要。

在图3A和图3B的实施例中，单折叠单极350包括顶部352，它平行于接地平面320地设置并由两条等长的腿部354和356支承。等长的腿部基本彼此平行并垂直于接地平面地设置。如图3B所示，腿部354可于由等分线380、390形成的中心点上方耦合于导电馈电340。尽管在本发明的其它实施例中腿部354可偏离于该中心点，然而一般以使天线元在形状和结构上尽可能地对称为佳。换句话说，与对称天线设计的实际偏差会不利地对所要的PxM辐射图产生负面影响。

在一些情形下，单极350的顶部和腿部可单独由条形导电材料制作并通过各种手段(例如焊接、粘合等)组装在一起。然而，在其它情形下，可将一条导电材料折叠两个基本90°的弯角，从而形成顶部和等长的腿部。然而，由于“折叠”天线的主要特征是其导体的平行结构，所以诸弯角的确切的几何形状可基本大于或小于90°。除了提供固有宽带阻抗变换外，折叠动作还提供至少某些电抗性补偿。

如上所述，当将天线元彼此平行或并联地放置时，单折叠的单极-隙缝结构能相对较好地匹配于标准***阻抗。例如，并如图3A所示，等长腿部之一(354)可被电耦合于共面波导(340)的中央导体，而等长腿部之另一(356)被电耦合于接地平面(320)。以这种方式，折叠的天线元自身可提供电抗性匹配。例如，折叠固有地使天线元存储能量，并因此可被用来提供足够的电抗补偿，从而不再需要附加的电抗性匹配网络。在单有折叠不够的情况下，可将集总或分布式匹配网络耦合在单极350和接地平面320之间以提供额外的电抗匹配。

图4A和图4B示出根据本发明另一实施例的终端加负载的、单折叠的单极-隙缝结构300’。在所示实施例中，隙缝310和单极350均被终端加负载，以改善宽带辐射特性。尽管在本发明的其它实施例中可仅对一个辐射器进行终端加负载，但一般以使隙缝和单极天线尽可能地接近互补为佳。如下文所述那样，可使用终端加负载来增加可在其上维持PxM辐射图的频率范围，以及提高单极和隙缝天线之间的阻抗匹配。另外，终端加负载的动作可减少单极350的物理高度，由此使其较容易被包含在狭小的空间中(例如可在许多便携式通信装置中见到)。

在某些情形下，可通过将顶部356的相对端延伸超过腿部352和354的外表面来对单极天线350进行终端加负载。另外，可通过在接地平面320内切割或形成一对附加开口312和314来对隙缝天线310进行终端加负载。如图4A和图4B所示，可在接地平面内在T形隙缝的相对端处形成该对附加开口。在某些情形下，这对附加开口可以是基本彼此平行并垂直于T的顶部的矩形开口。可采用替换形状来形成这对附加开口，然而，一般以选择保持对称天线设计的形状为佳。

低损耗、宽带PxM天线的实际实现已在本文中展开。上述PxM天线设计提供大约2个倍频程的工作带宽，在该带宽上天线效率近似为90％或更高。文本中描述的PxM天线设计的一个优点是互补的天线元不使用有损耗的(例如阻性)匹配网络来组合。作为代替，可用具有(或不具有)附加电抗性匹配的锥形、折叠和终端加负载结构的各种组合在宽频率范围上维持所需的PxM辐射图。与现有技术的设计不同，在频率上除了维持所需的PxM辐射图形状(即心形)和电平(即约4.77dBi增益)外，还可维持天线效率。

如上所述，接地平面的有限大小必然在PxM辐射图中引入辐射零位。根据本发明另一实施例，可通过构建背靠背放置并彼此异相地驱动的两个凹腔衬背的单极-隙缝设计来消除该辐射零位。该实施例在图5中描述。当由诸如180°混合网络等平衡源来驱动这两个单极-隙缝结构时，所得到的天线设计应当非常接近各向同性(即应当基本在任何方向上均能发送和接收)。上述任何一种单极-隙缝结构均可用于该目的。

受益于本发明的本领域技术人员将能理解，本发明能够提供一种低损耗的、宽带的PxM天线的实际实现。通过此说明书的启发，本领域技术人员将能够明了本发明的各方面的其它修改和替换实施例。所附权利要求旨在被解释为涵盖所有这些修改和变化，并且因此本说明书和附图被认为是例示性的，而不是限定性的。

Claims (39)

1.一种宽带天线，包括：

接地平面；

形成在所述接地平面内的磁辐射器；

设置在平行于所述接地平面的第一平面内的导电馈电；

设置在垂直于所述接地平面的第二平面内、并且一端耦合于所述导电馈电的电辐射器；

其中，所述电辐射器和磁辐射器被耦合，以在工作频率的范围上产生PxM辐射图，并且其中，没有任何损耗为主的元件被耦合在所述导电馈电和所述接地平面之间。

2.如权利要求1所述的宽带天线，其特征在于，当由所述导电馈电激励时，所述电和磁辐射器分别产生电和磁偶极矩，并且其中，所述电和磁辐射器被配置成使所述电和磁偶极矩在空间取向上保持基本正交，并在整个所述工作频率范围上保持大小和相位基本相等，以产生所述PxM辐射图。

3.如权利要求2所述的宽带天线，其特征在于，所述频率范围包括大约1∶n的带宽比，并且其中n是从2-5的值范围中选择的。

4.如权利要求2所述的宽带天线，其特征在于，所述频率范围包括约3GHz至约11GHz。

5.如权利要求2所述的宽带天线，其特征在于，所述磁辐射器包括隙缝天线，而所述电辐射器包括单极天线。

6.如权利要求5所述的宽带天线，其特征在于，所述导电馈电的一端端接有一个或多个电抗性为主的元件。

7.如权利要求6所述的宽带天线，其特征在于，所述一个或多个电抗性为主的元件包括由各种长度的统一传输线互连的多个开路和短路的截线。

8.如权利要求6所述的宽带天线，其特征在于，所述一个或多个电抗性为主的元件包括由各种长度的统一传输线互连的一个或多个电容器和电感器。

9.如权利要求5所述的宽带天线，其特征在于，所述导电馈电包括在所述接地平面上方隔开的传输线，并且其中，所述传输线的一端包括耦合于所述接地平面的喇叭口部分。

10.如权利要求9所述的宽带天线，其特征在于，所述隙缝天线的形状是从包含矩形和蝴蝶结形的组中选取的。

11.如权利要求9所述的宽带天线，其特征在于，所述单极天线的形状是从包含圆柱形、圆锥形和三角形的组中选取的。

12.如权利要求9所述的宽带天线，其特征在于，所述电和磁辐射器中的至少一个包括锥形结构，所述锥形结构用来增大可在其范围上维持所述PxM辐射图的工作频率范围，并用来改善所述电辐射器和磁辐射器之间的输入阻抗匹配。

13.如权利要求5所述的宽带天线，其特征在于，所述导电馈电包括设置在延伸通过所述接地平面以形成所述隙缝天线的一个或多个开口内或稍高于所述一个或多个开口处的传输线。

14.如权利要求13所述的宽带天线，其特征在于，所述隙缝天线包括“T”形。

15.如权利要求13所述的宽带天线，其特征在于，所述单极天线包括平行于所述接地平面设置、并由设置成彼此平行并垂直于所述接地平面的两条等长的腿部支承的顶部。

16.如权利要求15所述的宽带天线，其特征在于，所述等长腿部中的第一条的一端被电耦合于所述传输线，而所述等长腿部中的第二条的一端被电耦合于所述接地平面。

17.如权利要求16所述的宽带天线，其特征在于，所述电辐射器和磁辐射器各自包括折叠结构，用于增大与所述电辐射器相关联的输入阻抗以及减小与所述磁辐射器相关联的输入阻抗。

18.如权利要求17所述的宽带天线，其特征在于，所述电辐射器和磁辐射器中的至少一个包括终端加负载结构，用于减小与所述宽带天线相关联的辐射Q和物理高度，以及减小与所述电辐射器和磁辐射器相关联的输入阻抗之间的差。

19.一种配置成在宽频率范围上产生PxM辐射图的宽带天线，所述宽带天线包括：

接地平面；

包含形成在所述接地平面内的T形开孔的隙缝天线；

单极天线，所述单极天线包括平行于所述接地平面并由垂直于所述接地平面的两条基本平行的腿部支承的顶部；以及

其中，所述单极天线和隙缝天线被间接耦合，以在所述宽频率范围上产生所述PxM辐射图。

20.如权利要求19所述的宽带天线，其特征在于，还包括设置在所述T形开孔内或设置在稍高于所述T形开孔处、以使其不与所述T形开孔的表面电接触的导电馈电。

21.如权利要求20所述的宽带天线，其特征在于，所述单极天线的基本平行的腿部中的一条一端被电耦合于所述导电馈电，而所述基本平行的腿部中的另一条一端被电耦合于所述接地平面。

22.如权利要求21所述的宽带天线，其特征在于，与所述单极天线相关联的输入阻抗接近于与所述隙缝天线相关联的输入阻抗。

23.如权利要求22所述的宽带天线，其特征在于，还包括被耦合以形成电抗性匹配网络并设置在所述导电馈电和所述接地平面之间的一个或多个电抗性为主的元件。

24.如权利要求22所述的宽带天线，其特征在于，所述单极天线的顶部包括一对相对端，所述相对端中的每一个延伸超过所述单极天线的所述基本平行的腿部中不同的一条的外表面。

25.如权利要求24所述的宽带天线，其特征在于，所述隙缝天线的T形凹腔包括在接地平面内在所述T的顶部的相对端处形成的一对附加开口，其中所述一对附加开口基本彼此平行并基本垂直于所述T的顶部。

26.如权利要求22所述的宽带天线，其特征在于，所述接地平面包括形成在介电层上的金属层，并且所述T形开孔延伸穿透所述金属层和介电层的整个厚度。

27.如权利要求26所述的宽带天线，其特征在于，所述接地平面包括固定地接合于电子设备内的印刷电路板，或配置成可***到所述电子设备中的可移动卡。

28.如权利要求27所述的宽带天线，其特征在于，所述接地平面包括有限边界，用有损耗的、磁性的材料处理所述有限边界，以减少沿所述有限边界的电流流动和辐射性衍射。

29.如权利要求27所述的宽带天线，其特征在于，所述接地平面包括有限边界，用锥形电阻率处理所述有限边界，以减少沿所述有限边界的电流流动和辐射性衍射。

30.如权利要求26所述的宽带天线，其特征在于，还包括耦合于所述介电层的下表面以在所述接地平面一侧上包围所述T形开孔的凹腔结构。

31.如权利要求30所述的宽带天线，其特征在于，所述凹腔结构的一个或多个内表面覆盖有损耗的、磁性的材料，以减少来自所述接地平面的所述一侧的辐射性发射。

32.如权利要求30所述的宽带天线，其特征在于，还包括：

第二接地平面；

包含形成在所述第二接地面内的T形开孔的第二隙缝天线；

还包含顶部的第二单极天线，所述顶部平行于所述第二接地平面，并由垂直于所述第二接地平面的两条基本平行的腿部支承；以及

耦合于所述第二接地平面的下表面的第二凹腔结构，其中所述第二凹腔结构的背侧表面被耦合于所述第一凹腔结构的背侧表面，从而形成在所述接地平面附近不表现出辐射零位的背对背的宽带天线。

33.一种构造PxM天线的方法，所述方法包括：

在接地平面内形成至少一个开孔；

将导电馈电设置在所述至少一个孔穴内或悬挂在稍高于所述至少一个开孔处；

在与所述接地平面正交的一个平面内形成单极天线，并将所述单极天线的一端连接于所述导电馈电；

将所述单极天线间接耦合于所述至少一个开孔，以便在由所述导电馈电供能时，由所述单极天线产生的磁偶极矩与由所述至少一个开孔产生的电偶极矩相互作用以产生PxM辐射图；以及

其中形成所述单极天线和所述至少一个开孔的步骤使得能在宽频率范围上维持所述PxM辐射图，而不必在所述导电馈电和所述接地平面之间耦合任何损耗为主的元件。

34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述形成步骤包括形成所述单极天线和所述至少一个开孔，以使所述单极天线和所述至少一个开孔中各包括至少一个90°的角。

35.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述形成至少一个开孔的步骤包括在所述接地平面内蚀刻或切割一基本呈T形的开口，以使所述T的底部以接近90°的角等分所述T的顶部。

36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述形成至少一个开孔的步骤还包括在所述接地平面内在所述T的顶部的相对端处蚀刻或切割一对附加开口，其中所述一对附加开口基本彼此平行并基本垂直于所述T的顶部。

37.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述形成单极天线的步骤包括弯折一条导电材料至少两次，由此形成由两条等长腿部支承的顶部，其中所述顶部平行于所述接地平面，并且所述两条等长腿部彼此平行并以接近90°角连接于所述顶部。

38.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述形成单极天线的步骤包括将多个导电材料条组装在一起，由此形成由两条等长腿部支承的顶部，其中所述顶部平行于所述接地平面，并且其中，所述两条等长腿部彼此平行并以接近90°角连接于所述顶部。

39.如权利要求38所述的方法，其特征在于，所述形成单极天线的步骤还包括将所述多个导电材料条连接在一起，以使所述顶部的相对端延伸超过所述等长腿部中不同的一条的外表面。

Images