适用于高功率宽带应用的PxM天线制造技术

本文提出了一种包括电和磁两种偶极辐射器的宽带天线。该宽带天线可以称之为“ＰｘＭ天线”，可包括一对磁环元件，各个磁环元件具有多个对称分布在磁环元件周围的馈电点。宽带天线还包括一个分布在磁环对中间的电偶极元件。一般来说，电偶极元件和磁环元件通过传输线网络耦合在一起，这与将两者合并成一个单独的辐射元件相反。

【技术实现步骤摘要】
适用于高功率宽带应用的PxM天线                         优先权申请本申请享有2005年7月13日申请的、临时申请号No.60/587,318，题为“适用于高功率宽带应用的PxM天线”的优先权。(1)
本专利技术涉及天线，更尤其涉及一种组合了电磁辐射组件的低损耗、宽带天线的实施方法。(2)现有技术下面的描述和举例并不因为现有技术包含这部分实质而看作是现有技术。电气意义上小的天线元件经常使用在低频(如移动通信)和高频(如EMC测试)的应用中。例如，电气意义上小的天线可以用在低频应用中以调节距离、持久性或其它考虑的因素，或者用于高频应用中以获得特定的频率电平，而频率电平是EMC测试目的中所需要的。正如本文使用，术语“电气意义上小的”指的是一种天线或天线元件，它具有与其辐射电磁场的波长相比相对较小的几何尺寸。定量地来说，电气意义上小的天线一般定义为一种天线，它的内部符合一种所谓的辐射球，或者一种半径r＝λ/2π的球体，这里λ是辐射的电磁能量的波长。不幸的是，电气意义上小的天线趋向于具有相对较大的辐射质量因素，Q，意味着它们趋向于所储存(在平均时间上)的能量比它们辐射出去的能量多得多。这导致输入电阻主要呈电抗性，从而使在宽带宽条件下一个电气意义上小的天线与输入馈电的电阻匹配变得困难，如果不是不可能的话。另外，由于大的辐射质量因素，即使存在小的电阻损耗也将导致电气意义上小的天线很低的辐射效率(如1-50％的效率左右)。根据已知的电气意义上小的天线的辐射Q的定量预算，线性极化的全方向天线，从内部符合一种半径为a的球体体积，其最小可达到的辐射Q可以由下式得到：-->Q=1ka+1k3a3]]>   (方程1)式中k＝1/λ，波数与电磁辐射有关。于是，电气意义上小的天线的辐射Q大致与它的电气体积(a)的倒数成正比例，或者与天线带宽成反比。为了使单元件的、给定尺寸的、电气意义上小的天线得到相对宽的带宽和高效率，就必需利用尽可能多的(天线占用的)体积。在某种情况下，这可以通过在保持电气意义上小的状态条件下增加天线元件的尺寸得到。为了得到方程1中所给出的辐射Q的基本极限值，一个天线就必须只能激发在封闭的球体表面外部的横向磁模式(TM01)或者横向电模式(TE11)，而在球体表面内部不能存储任何电或磁的能量。所以当一个短的线性(电的)偶极激发在球体外的TM01模式，它不能满足在球体内不储存任何能量的标准，这样，就产生了比方程1所预言的更高的辐射Q(和更窄的带宽)。一般来说，所有的辐射偶极场的天线，如电与磁的偶极，都受到方程1所给出的约束的限制。虽然一些宽带偶极设计已经成功地实现并接近了方程1所给出的限制，但要构造一个线性极化、全向的天线，且得到小于方程1所预言的辐射Q，在目前还是不可能的。然而，虽然方程1代表了对线性极化、全向天线辐射Q的基本限制，它也不是辐射Q的全局下限。例如，一种辐射基本等于输入的TM01和TE11模式功率的复合天线，就可以(在原理上)或得一个近似的辐射Q：Q=12[2ka+1k3a3]]]>   (方程2)或者大致为独立的电或磁偶极的一半，这只能单独以TM01或TE11模式辐射。换句话说，复合天线的阻抗带宽可以近似为独立的电或磁偶极天线的两倍。理想的复合天线具有一对电气意义上小的电和磁偶极，它们可相互定位和定向以提供正交的偶极矩，理想的复合天线已经从理论和数字上得到验证并且找到所提供的有用特性。这种天线由于它们的电(p)和磁(m)偶极矢量的正交组合，通常称之为“PxM天线”。PxM天线的理想特性包括，但不限于，一-->种有效的辐射模式(如一种低增益单向的辐射模式)和一个对给定的电气尺寸来说相对宽的阻抗带宽。如上所述，电气意义上小的PxM天线的辐射Q近似于独立的电或磁偶极天线的一半。虽然Q的减小会改进宽带阻抗匹配(至少是在原理上)，但是实用PxM天线的实施方式还是带有疑问的，也并没有彻底地研究过。为了提供宽带PxM的操作，电和磁辐射器的偶极矩必须在空间定向中正交，幅度上基本相等，并且在所需的工作频率范围内相位正交。从数字或分析模型来确定两个独立的辐射器的幅度和相位之间的关系并不困难。然而，在实际中，这类天线通常由单独的射频(RF)源所驱动，所以它的有限输出阻抗必须与组合的电和磁辐射器相匹配。由于组合的电和磁偶极辐射器的谐振特性使之成为了一个特别困难的问题。在有些情况下，低损耗、无源馈电或匹配网络可以用来组合电和磁辐射器。然而，这种匹配网络通常很难实现，因为两个辐射器的输入阻抗会发生与频率有关的变化。例如，输入阻抗的变化会使之难以保持供给电和磁辐射器的馈电电流的适当的幅度和相位。另外，即使用匹配网络来组合辐射器，残留阻抗的失谐也仍然限制了天线/匹配网络的效率和功率传输，而这，也就限制了系统的整体效率。虽然也已经提出了可能的匹配网络，但目前已知的设计中没有一个可以使组合辐射器在宽频域下高效率的工作。因此，这种设计的使用经常否定可由PxM辐射器的较低的辐射Q所提供的带宽上的任何改进。从原理看，利用电和磁偶极对输入阻抗的完善来提供所需的宽带操作是有可能的。一个得到验证的方法是单极-槽组合。这种结构，在理想的情况下，是一个真正的PxM辐射器。例如，单极-槽天线可以看作是一个双端T型网络，在两个串联臂路上由槽型天线的辐射阻抗构成，而在并联臂路上由单极天线的辐射阻抗构成。这种双端T型网络一般是以一个阻性负载为终端，其数值等于T型网络的镜像阻抗。然而，阻性负载的使用导致天线的有损耗和低通特性。由于这个原因，单极-槽组合一般只能承受受相对的低效率，即使输入阻抗或多或少地恒定和匹配。虽然单极-槽天线被公认为一种有效的模式，但它的设计更进一步地增加地面天线需求的负担。-->于是，必须克服两个问题才能成功地实现一个实用的PxM天线。首先，必须找到或设计出实用的电和磁辐射器，其次，必须实现一个低损耗的无源网络来组合两个辐射器，在这种方式下PxM的操作可以维持在某个合理的带宽上。如果阻性损耗能够保持在最小值，则匹配网络内的反应功率的循环也会最小化。如本文所使用，维持“PxM操作”，则电和磁辐射器的偶极矩在空间取向中基本正交，在幅度上完全相等，并且在所需的工作频率范围内相位正交。换句话说，辐射器组件必须各自表现正常，如同电和磁偶极，这样各个辐射器所产生的远场分量的幅度和相位处于适当的幅度和相位，以适用于两个辐射器的重叠，从而获得所需性能。这使电和磁辐射器的远场分量可在相位上叠加。对一个独立的电气意思上小的电或磁偶极来说，可降低上述要求来提供一个匹配网络，该网络存储能量的形式与天线存储的能量形式相反。换句话说，如果要求效率最大化，且容性和感性元件都可以适用于相同的辐射Q，则一个短的电偶极应该能与一个全感性匹配网络相匹配。不幸的是，这种情况下的PxM天线更为复杂，因为它们既存储电能量也存储磁能量。此外，如果个别元件它们本身不是电气意义上小的，则每一个元件就不会主要存储一种形式的能量。例如，一个适当电气尺寸的线性的或锥形的偶极是不会主要存储电能，而是根据谐振得到的能量均分，既存储电能量也存储磁能量。这样，就需要一种组合了电和磁偶极辐射器的实用天线设计，从而提供适合于高功率应用的低损耗、宽带本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种天线，包括一对分布在两个分隔的平行平面间的磁环，该对磁环沿着轴对准，该轴的延长线穿过各个磁环的中心点，其特征在于，所述的磁环各包括多个轴对称设置的馈电点。

【技术特征摘要】
US 2004-7-13 60/587,3181.一种天线，包括一对分布在两个分隔的平行平面间的磁环，该对磁环沿着轴对准，该轴的延长线穿过各个磁环的中心点，其特征在于，所述的磁环各包括多个轴对称设置的馈电点。2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，进一步包括一个分布在磁环对之间的另一个平行平面内的电偶极，而磁环的轴的延长线穿过该电偶极的中心点。3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述的电偶极是从一组包括线性偶极、终端负载偶极和锥形偶极的天线中选择的。4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述的电偶极是一种双锥形天线。5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，所述的双锥形天线具有60度的锥形角。6.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，所述的双锥形天线的长度范围在约1/3波长至4/3波长之间。7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，所述的各个磁环在工作频率范围内，其直径范围在约1/4波长至1个波长之间。8.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述的各个磁环包括多个馈电点，馈电点的数量范围在约2个至16个之间选择。9.根据权利要求8所述的天线，其特征在于，所述的各个磁环包括四个(4)对称分布在环的外围的馈电点。10.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，进一步包括多个电容器，它们分别连接着磁环，并且对称分布在环的外围。11.根据权利要求10所述的天线，其特征在于，所述的各个磁环包括多个电容器，电容器的数量范围在约2个至16个之间选择。12.根据权利要求11所述的天线，其特征在于，所述的各个磁环包括四个(4)对称分布在环的外围的电容器，其分布位置不同于馈电点的位置。13.一种同时包括电和磁偶极辐射器的宽带天线包括：一对磁环元件，各自包括多个对称分布在磁环元件外围的馈电点；-->一种电偶极元件，分布在一对磁环元件之间，所述的电偶极元件和磁环元件通过传输线网络耦合在一起。14.根据权利要求13所述的宽带天线，其特征在于，所述的一对磁环元件分布在两个相隔的平行平面内，所述的电偶极元件分布在两个相隔的平行平面之间的第三个平行平面内，所述的一对磁环元件和电偶极分别沿一个公共轴相互对准，该轴与所有三个平行平面垂直并且其延长线穿过该磁环对和电偶极的中点。15.根据权利要求14所述的宽带天线，其特征在于，所述的一个给定磁环元件上的多个馈电点是通过等长的传输线耦合该磁环中心点处的公共结点。16.根据权利要求15所述的宽带天线，其特征在于，所述的一对磁环元件的公共结点通过等长的...

【专利技术属性】
技术研发人员：JS麦利恩，
申请(专利权)人：TDK股份有限公司，
类型：发明
国别省市：JP[日本]