專利名稱：純電介質(zhì)天線及相關(guān)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及尤其適用于RF應(yīng)用的新穎天線，其中，細(xì)長(zhǎng)的基本為純的電介質(zhì)組件支持新穎的諧振模式。
背景技術(shù)：
本申請(qǐng)人已經(jīng)開發(fā)了一種新的天線技術(shù)，其基于基本為純的電介質(zhì)材料，并被認(rèn)為不同于電介質(zhì)諧振器天線(DRA)和電傳導(dǎo)天線。如果傳導(dǎo)率足夠優(yōu)良，則諸如偶極子的電傳導(dǎo)天線可幾乎無限薄，而本發(fā)明實(shí)施方案的基本為純的電介質(zhì)天線需要有限的截面來進(jìn)行有效輻射。DRA是像空腔一樣輻射的體器件(volume device)。如果DRA被制造得足夠長(zhǎng)和薄從而使橫向諧振模式不再可能(在感興趣的頻率處)時(shí)，并不清楚DRA是否將變成純的電介質(zhì)天線，這是因?yàn)樵撜n題還從未進(jìn)行研究。
雖然在純的電介質(zhì)天線中金屬導(dǎo)體似乎并非理論上必需，但實(shí)際上，金屬導(dǎo)體是需要的，用于將饋電網(wǎng)絡(luò)(feed network)焊接至天線以用于測(cè)試。仿真與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量之間的一致性是良好的，從而表示該技術(shù)是真實(shí)的而并非某些仿真或測(cè)量的人工產(chǎn)物。
直至最近，天線總是由諸如銅的傳導(dǎo)材料制成。試圖設(shè)計(jì)一種由電介質(zhì)(絕緣)材料制成的天線似乎是不可能的，但是實(shí)際上，這些材料在無線電頻率將支持輻射位移電流。斯坦福大學(xué)的R.D.Richtmyer早在1939年便在論文中顯示出這一點(diǎn)[RICHTMYER R.D.″Dielectric resonators″，J.Applied Physics，10，391-398，1939([RICHTMYER R.D.“電介質(zhì)諧振器”，應(yīng)用物理學(xué)雜志，10，391-398，1939)]。J.C.Maxwell將位移電流項(xiàng)添加到等式中，該等式以其名字命名。顯然，位移電流不可能是自由電荷的流動(dòng)，其實(shí)際上是由電子在晶格結(jié)構(gòu)中的平均位置周圍的位移所造成的。這與其他的電介質(zhì)器件(電容器)不能傳導(dǎo)直流(DC)但能通過無線電頻率的方式相似。
電介質(zhì)天線是在選定的發(fā)射和接收頻率處輻射或接收無線電波的天線器件，例如像在移動(dòng)遠(yuǎn)程通信中使用的那樣。電介質(zhì)天線的電介質(zhì)材料可由幾種候選材料制成，包括陶瓷電介質(zhì)，尤其是低損耗陶瓷電介質(zhì)材料。
本申請(qǐng)人已經(jīng)在電介質(zhì)天線領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的研究，下面將給出本申請(qǐng)中所使用的術(shù)語。本發(fā)明實(shí)施方案的純的電介質(zhì)天線應(yīng)該被理解為是向公知類型的電介質(zhì)天線技術(shù)或基于電介質(zhì)的天線技術(shù)增添了新的種類。在本發(fā)明之前使用的現(xiàn)有的術(shù)語是高介電天線(HDA)利用高介電組件作為諧振器或者便于調(diào)整傳導(dǎo)輻射器的響應(yīng)的任何天線。
HDA的種類劃分如下a)介電負(fù)載的天線(DLA)其為這樣一種天線，其中傳統(tǒng)的傳導(dǎo)輻射元件被裝入能調(diào)整傳導(dǎo)輻射元件的諧振特性的電介質(zhì)材料(通常為固體電介質(zhì)材料)中或置于電介質(zhì)材料附近。一般而言，將傳導(dǎo)輻射元件裝入固體電介質(zhì)材料中使得能夠在任何給定的工作特性集合中使用較短或較小的輻射元件，但是其代價(jià)是帶寬和輻射電阻，參見關(guān)于天線原理的許多教材[例如，RUDGE A.W.，MILNE K.，OLVERA.D.and KNIGHT P.″The handbook of antenna design″，PeterPeregrinus Press，1986，page 1534(RUDGE A.W.、MILNE K.、OLVERA.D.和KNIGHT P.在1986年，于Peter Peregrinus出版社的出版的“天線設(shè)計(jì)手冊(cè)”的第1534頁發(fā)表)]。在DLA中，在電介質(zhì)材料中僅生成少量的位移電流，而傳導(dǎo)元件起到輻射器作用，并非電介質(zhì)材料。DLA通常具有良好定義的和窄帶的頻率響應(yīng)。
b)電介質(zhì)諧振器天線(DRA)其為這樣一種天線，其中電介質(zhì)材料(通常為固體，但可為液體或在某些情況下為氣體)設(shè)置在傳導(dǎo)接地面的頂部上，能量通過探針饋電、孔饋電或直接饋電(例如微帶饋線)的方式饋電到天線上。自從在1983年對(duì)DRA的最初的系統(tǒng)研究[LONG，S.A.，McALLISTER，M.W.，and SHEN，L.C.″The ResonantCylindrical Dielectric Cavity Antenna″，IEEE Transactions on Antennasand Propagation，AP-31，1983，pp 406-412(LONG S.A.、McALLISTERM.W.和SHEN L.C.“諧振圓柱式介電諧振腔天線”，IEEE天線和傳播學(xué)報(bào)，AP-31，1983，第406-412頁)]，因?yàn)樗鼈儼l(fā)射效率高，與最常使用的傳輸線具有良好的匹配，并且具有小的物理尺寸，所以人們對(duì)它們的輻射圖的興趣逐漸增加[MONGIA，R.K.and BHARTIA，P.“Dielectric Resonator Antennas-A Review and General Design Relationsfor Resonant Frequency and Bandwidth″-International Journal ofMicrowave and Millimetre-Wave Computer-Aided Engineering，1994，4，(3)，pp 230-247，(MONGIA，R.K.和BHARTIA，P.的“電介質(zhì)諧振器天線-諧振頻率和帶寬的回顧和一般設(shè)計(jì)關(guān)系”，微波和毫微波計(jì)算機(jī)輔助工程國(guó)際雜志，1994，4，(3)，第230-247頁)]。在PETOSA，A.，ITTIPIBOON，A.，ANTAR，Y.M.M.，ROSCOE，D.，and CUHACI，M.“Recent advances in Dielectric-Resonator Antenna Technology”-IEEEAntennas and Propagation Magazine，1998，40，(3)，pp 35-48(PETOSA，A.，ITTIPIBOON，A.，ANTAR，Y.M.M.，ROSCOE，D.和CUHACI，M.的“電介質(zhì)諧振器天線技術(shù)的最新進(jìn)展”，IEEE天線和傳播雜志，1998，40，(3)，第35-48頁)中有關(guān)于一些更新進(jìn)展的摘要。DRA的特征在于較深的(deep)、良好定義的諧振頻率，雖然它們傾向于比DLA具有較寬的帶寬?？赏ㄟ^在電介質(zhì)諧振器材料與傳導(dǎo)接地面之間提供空氣間隙來稍稍拓寬頻率響應(yīng)。在DRA中，電介質(zhì)材料起到了主輻射器的作用，這是由于通過饋電在電介質(zhì)中生成了較大的位移電流。
c)寬帶介電天線(BDA)與DRA相似，但具有很少或不具有傳導(dǎo)接地面。BDA的頻率響應(yīng)比DRA較差，并因此特別適于寬帶應(yīng)用，這是由于它們?cè)谳^寬頻率范圍工作。在BDA中，輻射可出現(xiàn)于電介質(zhì)材料、介電負(fù)載的饋電機(jī)構(gòu)(其在不具有傳導(dǎo)接地面的區(qū)域中變成印刷天線)以及傳導(dǎo)接地面的最近邊緣。在某些情況下，該天線并非比介電負(fù)載的印刷單極子復(fù)雜很多，但是帶寬比傳統(tǒng)的DLA要大得多，因此我們創(chuàng)建單獨(dú)的BDA術(shù)語。一般而言，BDA中的電介質(zhì)材料可具有各種形狀，這些形狀對(duì)于DRA并不構(gòu)成限制。實(shí)際上，可使用任何電介質(zhì)形狀來在BDA中進(jìn)行輻射，這可能在試圖設(shè)計(jì)與其外殼相符合的天線時(shí)是有用的。
d)介電激勵(lì)的天線(DEA)一種由本申請(qǐng)人開發(fā)的新型天線，其中DRA、BDA或DLA被用來激勵(lì)電傳導(dǎo)輻射器。DEA非常適用于多波段工作，這是因?yàn)镈RA、BDA或DLA可在一個(gè)波段起到天線作用，而傳導(dǎo)輻射器可在不同的波段工作。DEA與DLA的相似之處在于其主輻射器是傳導(dǎo)組件(例如銅偶極子或接線(patch))，但與DLA的不同之處在于DEA不具有直接連接的饋電機(jī)構(gòu)。DEA是寄生傳導(dǎo)天線，由具有自身饋電機(jī)構(gòu)的附近DRA、BDA或DLA來激勵(lì)。在2003年6月16日申請(qǐng)的第0313890.6號(hào)英國(guó)專利申請(qǐng)中概述了這一結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。
為了避免疑惑，表述“電傳導(dǎo)天線組件”定義了傳統(tǒng)的天線組件，例如接線天線、隙縫天線、單極子天線、偶極子天線、平面倒L天線(PILA)、平面倒F天線(PIFA)或任何其他非HAD的天線組件(雖然在某些情況下，DLA可被視為電傳導(dǎo)天線組件)。
對(duì)普通的諧振天線和諸如介質(zhì)天線的行波(traveling wave)結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)分也是重要的，對(duì)行波結(jié)構(gòu)和本發(fā)明實(shí)施方案進(jìn)行區(qū)分同樣是重要的。
在文獻(xiàn)W L Stutzman & G A Thiele，″Antenna theory and design″，John Wiley & Sons，inc.，1998(W L Stutzman和G A Thiele，“天線原理和設(shè)計(jì)”，John Wiley & Sons股份有限公司，1998)對(duì)行波天線進(jìn)行了如下描述“我們迄今所討論的導(dǎo)線天線是諧振結(jié)構(gòu)。從饋電點(diǎn)向外行進(jìn)到導(dǎo)線的波被反射，從而建立駐波類型的電流分布。(此處給出等式來解釋該點(diǎn)。)如果被反射的波并未強(qiáng)有力地出現(xiàn)于天線上，則這被稱作行波天線。行波天線起到用于行波的引導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而諧振天線則支持駐波”，W L Stutzman & G A Thiele，″Antenna theory anddesign″，John Wiley & Sons，inc.，1998.(W L Stutzman & G A Thiele，“天線原理和設(shè)計(jì)”，John Wiley & Sons股份有限公司，1998)。
關(guān)于介質(zhì)天線(polyrods)，J.D.Kraus & R.J.Marhefka，″Antennasfor all applications″，Third Edition，McGraw-Hill，2002，pp 629-630(J.D.Kraus和R.J.Marhefka的“用于所有應(yīng)用的天線”，第三版，McGraw-Hill，2002，第629-630頁)提到“介質(zhì)桿或?qū)Ь€可起到電磁波的引導(dǎo)作用。但是，該引導(dǎo)動(dòng)作是有缺陷的，因?yàn)橄喈?dāng)大的能量可通過桿壁而泄漏從而被輻射。由于介質(zhì)桿通常由聚苯乙烯制成，因此上述輻射的趨勢(shì)在所謂的介質(zhì)天線中變成是有益的”。該書也引用了G.Wilkes″Wavelength lens″，Proc.IRE，206-212，1948(G.Wilkes的“波長(zhǎng)透鏡”，IRE會(huì)刊，206-212，1948)，其指出介質(zhì)天線起到了順射天線陣的作用，可被看作是透鏡天線的退化或基本形式。J DKraus在其著作書籍″Electromagnetics″，F(xiàn)ourth Edition，McGraw-Hill，1992，pp 771-772(“電磁學(xué)”，第四版，McGraw-Hill，1992，第771-772頁)中也提出了相同的論點(diǎn)。一種典型的介質(zhì)天線在GB 575,534中公開。
文獻(xiàn)″The handbook of antenna design″，Ed.A.W.Rudge，K.Milne，A.D.Olver & P.Knight，volumes 1 and 2，IEE electromagnetic waveseries，Peter Peregrinus，1996，pp 53(“天線設(shè)計(jì)手冊(cè)”，Ed.A.W.Rudge、K.Milne、A.D.Olver和P.Knight，第1、2卷，IEE電磁波系列，Peter Peregrinus，1996，第53頁)討論了來自行波源的輻射。其提到了這樣的論點(diǎn)“在許多情況下，波僅在一個(gè)方向上行進(jìn)……這種類型的天線的例子是長(zhǎng)線天線、菱形天線、介質(zhì)桿天線……”。因此很清楚，介質(zhì)天線是行波天線。
純電介質(zhì)天線不是行波天線或介質(zhì)天線。被制造得無限長(zhǎng)的任何天線將停止自諧振并變成漏泄波類型的行波天線。這是因?yàn)椴〞?huì)在天線下方出發(fā)，而不會(huì)從端部反射(由于天線無限長(zhǎng))。具有任何其他類型的純電介質(zhì)天線都是如此。但是，本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的典型的純電介質(zhì)天線(即，具有靈敏縱橫比的天線)將具有自諧振機(jī)構(gòu)，與普通的電傳導(dǎo)金屬天線以相同的方式輻射。作為示例，圖5示出了純電介質(zhì)偶極子上所表現(xiàn)出的E場(chǎng)(E-field)，可以看出，其以偶極子模式工作而并不會(huì)作為行波結(jié)構(gòu)(其應(yīng)該具有朝向端部穩(wěn)定降低的場(chǎng))。

發(fā)明內(nèi)容
當(dāng)前，有五種不同方式可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施方案
1)純電介質(zhì)偶極子天線和其他平衡的天線。它們不需要接地面或基底，以“漂浮在空中(floating in space)”的方式工作。
2)純電介質(zhì)單極子，其相對(duì)于傳導(dǎo)接地面而被驅(qū)動(dòng)。
3)純電介質(zhì)元件，其設(shè)置在部分覆蓋有傳導(dǎo)接地面的基底上。在這里，當(dāng)接地面在天線的性能中發(fā)揮重要作用且作為輻射機(jī)構(gòu)的一部分時(shí)，輻射機(jī)構(gòu)被認(rèn)為是更復(fù)雜的。但是，被驅(qū)動(dòng)的元件仍然是純電介質(zhì)器件。
4)混合器件，其中天線的一部分(通常在低阻抗饋線端處)是純電介質(zhì)輻射器，而其通常在高阻抗開放端處的一部分是傳導(dǎo)的天線組件。
5)混合器件，其中，天線的一部分是上述的純電介質(zhì)器件的任意一種，并且第二寄生器件被用來在相同或不同的頻率波段進(jìn)行輻射。寄生元件可為傳導(dǎo)天線組件或一類寄生天線。
Richtmyer于1939年發(fā)表的著作顯示了由電介質(zhì)材料制成的具有適當(dāng)形狀的物體可起到用于高頻振蕩的電諧振器的作用。Richtmyer提供了證據(jù)，即，這種器件必須基于電介質(zhì)和周圍介質(zhì)(空氣)之間的界面處的邊界條件而輻射。在早期已經(jīng)有人提到，諧振器內(nèi)部的振蕩場(chǎng)必定創(chuàng)建出射波，因而會(huì)輻射能量[HANSEN W.W.andBERKERLY J.G.，Proc.I.R.E.，24，p1594，1936(HANSEN W.W.和BERKERLY J.G.，I.R.E.會(huì)刊，24，第1594頁，1936)]。作為示例，Richtmyer給出了電介質(zhì)球和圓形電介質(zhì)環(huán)諧振器的諧振模式。在該工作的基礎(chǔ)上，在20世紀(jì)80年代開發(fā)出如上所述的電介質(zhì)諧振器天線(DRA)。
本申請(qǐng)?zhí)峁┝伺cRichtmyer的工作不同的解釋。本申請(qǐng)人意外地發(fā)現(xiàn)，可在適當(dāng)伸長(zhǎng)的電介質(zhì)材料中發(fā)生另一種形式的諧振。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，一對(duì)細(xì)長(zhǎng)的電介質(zhì)工件能以類似于偶極子的方式諧振。這一點(diǎn)還未在本申請(qǐng)人所知道的任何工作中得以揭示，包括關(guān)于天線、電介質(zhì)諧振器或DRA的標(biāo)準(zhǔn)文本。類似于Richtmyer描述的DRA諧振模式，這些偶極子模式的諧振電介質(zhì)也被迫進(jìn)行輻射，或者它們?cè)趹?yīng)用于電介質(zhì)-空氣界面時(shí)將同樣違背Maxwell等式。本申請(qǐng)人為該新技術(shù)提出了“純電介質(zhì)天線(PDA)”的新術(shù)語。
在這些純電介質(zhì)偶極子的計(jì)算機(jī)仿真中，并不必需電傳導(dǎo)組件，這是因?yàn)榧傞g隙源(lump-gap source)或其他間隙饋電器件可設(shè)置在純電介質(zhì)天線的兩個(gè)臂之間的間隙之間。在某些計(jì)算機(jī)仿真中，集總間隙源與傳導(dǎo)元件具有相同的電氣性質(zhì)，但是該集總間隙源通常在電氣方面非常微小，從而不會(huì)在感興趣的頻率處輻射。實(shí)際上，需要電傳導(dǎo)饋電組件來在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試天線。但是，涉及到電傳導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)的純電介質(zhì)仿真與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量之間的一致性是良好的，因而本申請(qǐng)人確信，該技術(shù)是真實(shí)的，而并非某些仿真或測(cè)量的人工產(chǎn)物。
對(duì)于PDA，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量的顯著優(yōu)點(diǎn)i)它們本質(zhì)上具有非常寬的帶寬。
ii)它們與傳統(tǒng)的天線相比，對(duì)于失諧具有較強(qiáng)抵抗性。
iii)由于實(shí)際上沒有損耗機(jī)構(gòu)，因此它們具有非常高的輻射效率。
iv)它們不需要匹配組件或僅需要非常少的匹配組件(最多兩個(gè))。
缺點(diǎn)在于，它們?cè)谖锢砩媳裙ぷ髟谙嗤l率的純傳導(dǎo)天線長(zhǎng)。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種天線器件，包括具有縱軸線的細(xì)長(zhǎng)的電介質(zhì)輻射元件，和用于在所述電介質(zhì)輻射元件中生成位移電流的饋電機(jī)構(gòu)，所述輻射元件配置成支持與所述縱軸線平行的位移電流諧振模式，以及抑制與所述縱軸線橫交的位移電流諧振模式。
很明顯，位移電流諧振模式需要生成駐波類型的位移電流分布，而不是行波類型的電流分布。因此，介質(zhì)天線(polyrod)、電介質(zhì)波引導(dǎo)和其他行波天線結(jié)構(gòu)被明確地排除在本發(fā)明的范圍之外。
在一些實(shí)施方案中，所述電介質(zhì)輻射元件可設(shè)置有傳導(dǎo)接地基底，該傳導(dǎo)接地基底可具有基本與所述電介質(zhì)輻射元件的縱軸線垂直的平面。
本發(fā)明的實(shí)施方案可進(jìn)一步提供一種偶極子天線或其他平衡天線器件，其包括至少一對(duì)本發(fā)明第一方面的天線，各對(duì)天線端對(duì)端地設(shè)置。
所述電介質(zhì)輻射元件可設(shè)置有部分覆蓋有傳導(dǎo)接地面的電介質(zhì)基底。
所述天線器件可進(jìn)一步包括附接到所述電介質(zhì)輻射元件的傳導(dǎo)輻射元件。
所述饋電機(jī)構(gòu)可為激勵(lì)所述電介質(zhì)輻射元件的第二天線。
可選地或附加地，可設(shè)置有第二輻射元件，所述第二輻射元件由所述電介質(zhì)輻射元件寄生地驅(qū)動(dòng)，并且在相同或不同的頻率波段中輻射。所述寄生元件可以是電介質(zhì)天線類型和/或HDA類型的傳導(dǎo)天線組件。
此外，本發(fā)明的實(shí)施方案可提供一種混合天線器件，其中，該天線的第一部分(通常在較低阻抗饋線端處)是純電介質(zhì)輻射器，而第二部分(通常在較高阻抗開放端處)是傳導(dǎo)輻射器。
當(dāng)前金屬化電介質(zhì)材料(通常是陶瓷)的方法通常涉及某些形式的傳導(dǎo)漆。這種漆通常與玻璃粒子和溶劑結(jié)合。對(duì)于陶瓷，該結(jié)合物在爐中以約9000℃加熱，在該過程中，玻璃材料朝向陶瓷分散并與之浸漬，同時(shí)傳導(dǎo)材料(通常是銀)則朝向表面擴(kuò)散。在冷卻之后，陶瓷具有與其堅(jiān)固結(jié)合的傳導(dǎo)表面。為電介質(zhì)材料制造電連接的其他方法包括，機(jī)械附接傳導(dǎo)材料和通過粘合劑結(jié)合傳導(dǎo)材料。
本發(fā)明的實(shí)施方案可采用一種新方法，通過插層(intercalation)的方式將導(dǎo)體附接到電介質(zhì)。插層是在化學(xué)中使用的術(shù)語，用于在兩個(gè)其他的宿主離子或分子(或群)之間包含寄生離子(guest ion)或分子(或群)。宿主材料通常具有某種形式的晶格或其他周期網(wǎng)絡(luò)。如果傳導(dǎo)離子或分子(或群)插入到宿主結(jié)構(gòu)中，則宿主電介質(zhì)隨后將在該點(diǎn)變?yōu)閭鲗?dǎo)的，從而可形成電連接。這一新技術(shù)可應(yīng)用于任何材料，但在用于盡可能地使電介質(zhì)材料純時(shí)(特別是用于純電介質(zhì)天線時(shí))尤其有用。
在本申請(qǐng)的整個(gè)說明書和權(quán)利要求書中，詞語“包括(comprise)”和“包含(contain)”及其變型，例如“包括(comprising)”和“包括(comprises)”意味著“包括但不限于”，而并非用于排除其他部分、附加物、組件、整體或步驟。
在本申請(qǐng)的整個(gè)說明書和權(quán)利要求書中，除非上下文有相反要求，則單數(shù)形式涵蓋了復(fù)數(shù)的含義。尤其是在使用不定冠詞時(shí)，除非上下文有相反要求，則本申請(qǐng)應(yīng)被理解為包括復(fù)數(shù)和單數(shù)。
除非矛盾，否則結(jié)合本發(fā)明的特定方面、實(shí)施方案或?qū)嵤├枋龅奶卣?、整體、特性、混合物、化學(xué)部分或群應(yīng)被理解為可應(yīng)用于本文所描述的其他方面、實(shí)施方案或?qū)嵤├?br>

為了更好地理解本發(fā)明并說明它是如何被實(shí)施的，下面將參照附圖通過舉例的方式進(jìn)行說明，在附圖中圖1示出了本發(fā)明實(shí)施方案的陶瓷偶極子在自由空間中的仿真模型；圖2示出了圖1的偶極子的實(shí)際實(shí)施方案，其安裝在電介質(zhì)基底上并設(shè)置有微帶平衡-不平衡變換器(balun)；圖3示出了對(duì)于圖1和2的實(shí)施方案的計(jì)算的(實(shí)線)和測(cè)量的(虛線)的不匹配的回波損耗；圖4示出了對(duì)于圖1和2的實(shí)施方案的計(jì)算的(實(shí)線)和測(cè)量的(虛線)的匹配的回波損耗的曲線圖；圖5示出了在如圖1或2中所示類型的純電介質(zhì)偶極子天線上表現(xiàn)出的E場(chǎng)；圖6示出了本發(fā)明實(shí)施方案的雙錐純電介質(zhì)偶極子天線的仿真模型；圖7示出了對(duì)于圖6的實(shí)施方案(實(shí)線)和一種可選的實(shí)施方案(虛線，其中偶極子具有恒定半徑和同樣的體積)的匹配的回波損耗；圖8示出了單極子的純電介質(zhì)天線，其安裝在有效無限的接地面上；圖9示出了對(duì)于圖8的實(shí)施方案的不匹配的回波損耗(實(shí)線)和匹配的回波損耗(虛線)；圖10示出了適于WLAN應(yīng)用的本發(fā)明的實(shí)施方案；圖11示出了適于寬帶GSM無線電應(yīng)用的本發(fā)明的實(shí)施方案；圖12示出了圖10的實(shí)施方案的第一和第二端口的回波損耗；圖13示出了圖11的實(shí)施方案的回波損耗；
圖14示出了包括一對(duì)混合元件的偶極子，每個(gè)混合元件由純電介質(zhì)部分和電傳導(dǎo)部分形成；圖15示出了本發(fā)明的、在其中偶極子PDA驅(qū)動(dòng)寄生的或次級(jí)的PDA的實(shí)施方案；以及圖16示出了圖15的實(shí)施方案的回波損耗，其中虛線表示具有寄生PDA時(shí)的回波損耗，實(shí)線表示不具有寄生PDA時(shí)的回波損耗。
具體實(shí)施例方式
1)純電介質(zhì)偶極子天線和其他的平衡天線下面將使用本發(fā)明實(shí)施方案的第一變形的純電介質(zhì)偶極子天線作為實(shí)施例來進(jìn)行基本技術(shù)的描述。
圖1示出了自由空間中的仿真陶瓷偶極子1，該偶極子具有一對(duì)共線的輻射臂2。
圖2示出了圖1所示的概念的實(shí)際實(shí)現(xiàn)，其具有偶極子1的形式，并包括沿著Duroid基底3(εr≈2.2)上的線安裝的一對(duì)長(zhǎng)方形的電介質(zhì)陶瓷元件2，基底3具有微帶平衡-不平衡變換器4。
圖3示出了分別對(duì)于圖1和2的實(shí)施方案的計(jì)算的(實(shí)線)和測(cè)量的(虛線)的匹配的回波損耗，而圖4示出了不匹配的回波損耗。
對(duì)于該天線，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)增加尺寸將使得諧振頻率正好以相反比例降低。因此，具有介電常數(shù)(εr)為135以及測(cè)量值為1×1×20mm的臂2的天線在4320MHz諧振，而臂的測(cè)量值為5×5×100mm的天線被發(fā)現(xiàn)在900MHz諧振，這種變化幾乎恰好是成比例的。這一特性與頻率和尺寸應(yīng)該為反比的偶極子天線或任何其他輻射器件一致。
天線在恒定長(zhǎng)度時(shí)截面增加使得體積增加，但其諧振頻率并不顯著降低。例如，具有εr＝135而臂2的測(cè)量值為1×1×20mm的天線在4320MHz諧振，而臂的測(cè)量值為5×5×20mm的天線在2750MHz諧振。因此，雖然體積增加了25倍，但頻率僅降低至4320MHz的約64％。這與諧振頻率根據(jù)體積(在一般檢查的縱橫比范圍上)線性變化且更加一致的DRA完全相反。
εr的增加使得諧振頻率幾乎但卻并非確切地與介電常數(shù)的平方根成比例降低。因此，臂2的測(cè)量值為2×2×20mm且εr為40的天線在4320MHz諧振，而具有相同尺寸但εr為200的天線在2090MHz諧振。
帶寬在檢查的范圍上并不是εr的強(qiáng)函數(shù)。但是，對(duì)于固定的長(zhǎng)度，帶寬幾乎隨著臂2的截面線性增加。例如，臂2的測(cè)量值為1×1×40mm的天線具有15.3％的帶寬，而臂2的測(cè)量值為5×5×40mm的天線具有39％的帶寬。帶寬是εr的函數(shù)，但并非強(qiáng)函數(shù)。例如，臂2的測(cè)量值為4×4×20且εr為37的天線具有38.5％的帶寬，而當(dāng)εr增加至200時(shí)，帶寬僅下降至24.4％，其因數(shù)為0.63。這比任何公知的DRA諧振模式低得多，參見[MONGIA，R.K.and BHARTIA，P.″DielectricResonator Antennas-A Review and General Design Relations forResonant Frequency and Bandwidth″，International Journal of Microwaveand Millimetre-Wave Computer-Aided Engineering，1994，4，(3)，pp230-247(MONGIA，R.K.和BHARTIA，P.“電介質(zhì)諧振器天線-諧振頻率與帶寬的回顧和一般設(shè)計(jì)關(guān)系”，微波與毫米波計(jì)算機(jī)輔助工程國(guó)際期刊，1994，4，(3)，第230-247頁)]。帶寬對(duì)εr的這一微弱依賴是PDA與DRA之間的另一關(guān)鍵區(qū)別。
當(dāng)檢查PDA中的諧振結(jié)構(gòu)時(shí)，很明顯，除了場(chǎng)可存在于電介質(zhì)內(nèi)部也可存在于表面上之外，天線的特性與電傳導(dǎo)偶極子天線類似。這導(dǎo)致了縱向諧振模式，而與具有類似空腔的諧振模式的DRA不同。這支持本申請(qǐng)人關(guān)于本發(fā)明的PDA與現(xiàn)有技術(shù)的DRA從根本上是不同的斷言。
圖5示出了圖2的實(shí)施方案上測(cè)量的E場(chǎng)，從圖5可以看出，偶極子天線工作在偶極子模式而非行波模式(在這種情況下，E場(chǎng)將朝向偶極子的端部穩(wěn)定減小)。
圖6示出了與圖1類似的實(shí)施方案，不同之處在于在圖6中，臂2被配置為其較寬底部朝向彼此的錐形或截頭錐形。
在雙錐PDA(εr＝93)的仿真模式中，各個(gè)臂2具有4mm的初始半徑和2mm的端半徑(即，半徑比為2∶1)。
圖7示出了對(duì)于圖6的實(shí)施方案(實(shí)線)和一種可選的實(shí)施方案(虛線，其中偶極子天線具有恒定半徑和同樣的體積)的匹配的回波損耗。
在計(jì)算機(jī)仿真中，圖6的雙錐PDA的帶寬改進(jìn)為9.6％，其大于等價(jià)的恒定半徑的偶極子(參見圖7)。其在諧振的中心頻率同樣具有微小降低。
2)純電介質(zhì)單極子和其他的不平衡天線圖8示出了單極子電介質(zhì)陶瓷元件5，其一般安裝為與有效無限的接地面6垂直。
在本申請(qǐng)人研究的該特定的實(shí)施例中，單極子元件5在有效無限的接地面上具有4×4×40mm的尺寸。
在基本相同的頻率處，單極子PDA表現(xiàn)出比其平衡的對(duì)應(yīng)天線具有大的多的帶寬。例如，如果給定適當(dāng)?shù)钠ヅ?，則中心頻率為1800MHz、匹配帶寬約為440MHz的PDA偶極子的一個(gè)臂可被用作頻率約為2100MHz、帶寬＞1300MHz的單極子。
圖9示出了對(duì)于圖8的實(shí)施方案的不匹配的回波損耗(實(shí)線)和匹配的回波損耗(虛線)。
3)位于部分覆蓋有傳導(dǎo)接地面的基底上的純電介質(zhì)元件圖10示出了包括第一天線6和第二天線6’的實(shí)施方案，第一天線6具有第一和第二純電介質(zhì)臂7，臂7由微帶平衡-不平衡變換器8饋電，第二天線6’具有第一和第二純電介質(zhì)臂7’，臂7’由微帶平衡-不平衡變換器8’饋電。在該實(shí)施方案中，臂7設(shè)置為相互平行的結(jié)構(gòu)，平衡-不平衡變換器8的每一側(cè)具有一個(gè)臂7，臂7’與平衡-不平衡變換器8’的關(guān)系也同樣如此。天線6和6’安裝在電介質(zhì)基底9上，傳導(dǎo)接地面10形成在除了臂7、7’所在的區(qū)域11之外的其余上表面上。接地面10在微帶饋線8、8’下方和各個(gè)臂7、7’之間延伸。
圖10的實(shí)施方案已被設(shè)計(jì)為在膝上計(jì)算機(jī)中使用的寬帶或多帶WLAN天線，天線6工作在一個(gè)波段，而天線6’工作在不同的相鄰波段(對(duì)于寬帶而言)或非重疊波段(對(duì)于多帶而言)。
圖12示出了分別對(duì)于圖10的實(shí)施方案的天線6、6’的回波損耗，并示出了可如何獲得多帶操作。
圖11示出了另一個(gè)實(shí)施方案，其中純電介質(zhì)單極子輻射元件12安裝在電介質(zhì)基底9上，傳導(dǎo)接地面10形成在除了元件12所處的區(qū)域之外的其余上表面上。該實(shí)施方案被設(shè)計(jì)用于寬帶GSM無線電應(yīng)用。接地面10的寬度可改變，從而從寬帶變?yōu)殡p波段諧振或相反。
圖13示出了圖11的實(shí)施方案的回波損耗。
4)混合器件，其中，天線的一部分(通常在低阻抗饋線端處)是純電介質(zhì)輻射器，另一部分(通常在高阻抗開放端處)是電傳導(dǎo)的天線組件。
圖14以示意的方式示出了圖1、2或6的實(shí)施方案的變型，其中，電介質(zhì)臂(此處示為13)在臂13的、未設(shè)置有饋線(未示出)的端部處設(shè)置有傳導(dǎo)延伸部14(例如銅線等)。該想法是，包括電介質(zhì)臂13的偶極子被配置為在高頻波段以較寬的帶寬諧振，增加傳導(dǎo)延伸部14以便在較低波段中諧振(通常具有較小帶寬)。傳導(dǎo)延伸部14可以是直的，或者可以具有所示的曲折結(jié)構(gòu)。順序可以顛倒，從而使得純電介質(zhì)元件13是具有傳導(dǎo)臂14的傳統(tǒng)傳導(dǎo)偶極子的延伸部。
5)混合器件，其中，天線的一部分是上述的純電介質(zhì)器件的任意一種，第二寄生器件被用來在相同或不同的頻率波段進(jìn)行輻射。
圖15示出了純電介質(zhì)偶極子1(與圖1類似)，其具有一對(duì)電介質(zhì)輻射臂2。與偶極子1平行且接近于偶極子1處進(jìn)一步設(shè)置有純電介質(zhì)陶瓷寄生元件15。
圖16示出了圖15的實(shí)施方案的回波損耗，其中虛線表示具有寄生元件15時(shí)的回波損耗，實(shí)線表示去除了寄生元件15時(shí)的回波損耗?？梢钥闯?，寄生元件15的存在使得帶寬較大。
由于具有明顯充分的耦合，因此可設(shè)置傳導(dǎo)寄生天線元件，而不是使用寄生PDA 15。
此外，傳導(dǎo)偶極子可通過類似方式設(shè)置寄生PDA。
權(quán)利要求
1.一種天線器件，包括具有縱軸線的細(xì)長(zhǎng)的電介質(zhì)輻射元件，和用于在所述電介質(zhì)輻射元件中生成位移電流的饋電機(jī)構(gòu)，所述輻射元件配置成支持與所述縱軸線平行的位移電流諧振模式，以及抑制與所述縱軸線橫交的位移電流諧振模式。
2.如權(quán)利要求1所述的天線，其配置成支持由駐波類型的位移電流分布生成的諧振模式。
3.如權(quán)利要求1或2所述的天線，其中，所述電介質(zhì)輻射元件設(shè)置有傳導(dǎo)接地基底。
4.如權(quán)利要求3所述的天線，其中，所述傳導(dǎo)接地基底具有基本與所述電介質(zhì)輻射元件的縱軸線垂直的平面。
5.如權(quán)利要求3所述的天線，其中，所述傳導(dǎo)接地基底具有基本與所述電介質(zhì)輻射元件的縱軸線平行的平面。
6.一種偶極子天線或其他平衡天線器件，其包括至少一對(duì)如權(quán)利要求1、2、3和5中任一項(xiàng)所述的天線，各對(duì)天線端對(duì)端地設(shè)置。
7.一種單極子天線或其他不平衡天線器件，其包括如權(quán)利要求4所述的天線。
8.如權(quán)利要求1或2所述的天線，其中，所述電介質(zhì)輻射元件設(shè)置有部分覆蓋有傳導(dǎo)接地面的電介質(zhì)基底。
9.如權(quán)利要求8所述的天線，其中，所述電介質(zhì)輻射元件設(shè)置在所述電介質(zhì)基底的、未被所述傳導(dǎo)接地面覆蓋的部分上。
10.如權(quán)利要求8或9所述的天線，其包括至少一對(duì)電介質(zhì)輻射元件。
11.如權(quán)利要求10所述的天線，其中，所述至少一對(duì)電介質(zhì)輻射元件以基本平行的結(jié)構(gòu)設(shè)置。
12.如權(quán)利要求10所述的天線，其中，所述至少一對(duì)電介質(zhì)輻射元件以基本共線的結(jié)構(gòu)設(shè)置。
13.如權(quán)利要求10、11或12所述的天線，其中，所述至少一對(duì)電介質(zhì)輻射元件由平衡-不平衡變換器饋線饋電。
14.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的天線器件，進(jìn)一步包括附接到所述電介質(zhì)輻射元件的電傳導(dǎo)輻射元件。
15.如權(quán)利要求14所述的天線，其中，所述電傳導(dǎo)輻射元件在與所述電介質(zhì)輻射元件的縱軸線的相同方向上延伸。
16.如權(quán)利要求14或15所述的天線，其中，所述電傳導(dǎo)輻射元件附接于所述電介質(zhì)元件的、遠(yuǎn)離所述饋電機(jī)構(gòu)的端部。
17.如權(quán)利要求14或15所述的天線，其中，所述電傳導(dǎo)輻射元件附接于所述電介質(zhì)元件的、鄰近所述饋電機(jī)構(gòu)的端部。
18.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的天線，其中，所述電介質(zhì)輻射元件具有細(xì)長(zhǎng)的長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)。
19.如權(quán)利要求1至17中任意一項(xiàng)所述的天線，其中，所述電介質(zhì)輻射元件具有細(xì)長(zhǎng)的柱狀結(jié)構(gòu)。
20.如權(quán)利要求1至17中任意一項(xiàng)所述的天線，其中，所述電介質(zhì)輻射元件具有細(xì)長(zhǎng)的錐形或截頭錐形結(jié)構(gòu)。
21.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的天線器件，其中，所述饋電機(jī)構(gòu)是激勵(lì)所述電介質(zhì)輻射元件的第二天線。
22.如權(quán)利要求1至20中任意一項(xiàng)所述的天線器件，設(shè)置有第二輻射元件，所述第二輻射元件由所述電介質(zhì)輻射元件寄生地驅(qū)動(dòng)。
23.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的天線器件，其中，所述電介質(zhì)輻射元件由電介質(zhì)陶瓷材料制成。
24.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的天線器件，其中，所述饋電機(jī)構(gòu)通過插層的方式附接至所述電介質(zhì)諧振器。
25.一種天線器件，其實(shí)質(zhì)上如上文中參照附圖所做的描述或者如附圖所示。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種天線器件，包括具有縱軸線的細(xì)長(zhǎng)的電介質(zhì)輻射元件，和用于在所述電介質(zhì)輻射元件中生成位移電流的饋電機(jī)構(gòu)，所述輻射元件配置成支持與所述縱軸線平行的位移電流諧振模式，以及抑制與所述縱軸線橫交的位移電流諧振模式。
文檔編號(hào)H01Q9/36GK101080847SQ200680001374
公開日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2006年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月17日
發(fā)明者喬納森·埃德, 西蒙·菲利普·金斯利, 史蒂文·格雷戈里·奧基夫, 塞普·薩里奧 申請(qǐng)人:安蒂諾瓦有限公司