通过多模式三维(3-d)行波(tw)的超宽带微型化全向天线的制作方法
【专利说明】通过多模式H维（3-D)行波（TW)的超宽带微型化全向天线
[0001] 本申请是申请日为2012年4月1日，申请号为201210096319. X，发明名称为"通 过多模式H维（3-D)行波（TW)的超宽带微型化全向天线"的申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明大致涉及射频天线，且更具体地涉及微型化低剖面超宽带全向天线。
[000引 背景
[0004] 全向天线，例如常见的偶极子天线和鞭状天线，是最广泛使用的天线。理想情况下 的全向天线在天线的中也轴周围具有统一的福射强度，其在与中也轴垂直的平面中达到峰 值。例如，垂直偶极子是全向天线，在其垂直轴周围（即，在方位角方向图中）在任意给定 的仰角处具有统一的（不变的）福射强度，其在水平平面处达到峰值。
[0005] 在一些现代的实际应用中，该类全向天线被加宽W包括那些在仰角跨度内（通常 在地面应用的背景中接近地平线）具有实质上关于垂直轴对称的宽空间覆盖的天线。然 而，在某些应用中，尤其在数字无线世界中，某个方向性或甚至零方向性可W是可接受的或 甚至是优选的。不过，在本公开中的技术提供了在给定的仰角跨度内的实质上统一的方位 角方向图。在仰角方向图中，一些波束倾斜通常是不可避免的，并且在某些应用中可能是优 选的。
[0006] 无线应用的激增对全向天线的更宽的带宽、更低的剖面、更小的尺寸和重量W及 更低的成本设定了越来越苛求的目标。为了实现该些物理的和性能目标，天线工程师必 须克月良 Chu 限制（Chu, L. J.，"Physical Limitations of Omnidirectional Antennas，，， J. Appl. Phys. , Vol. 19, Dec. 1948,其通过引用被并入本文），Chu限制陈述了天线的增益带 宽由天线的电气尺寸（目P，W波长为单位的尺寸）限制。
[0007] 具体地，在化U限制下，如果天线应具有良好的效率和相当大的带宽，其尺寸中的 至少一个需要为大约A ^4或更大，其中A,表示最低工作频率处的波长。在UHF和更低的 频率（低于IGHz)处，波长长于30cm，其中天线的尺寸随着频率的降低（因此波长更长）变 成越来越严重的问题。例如，为了覆盖高频带，比如3-30MHZ，宽带有效的天线可能必须为高 15m和直径30m那么大。
[0008] 为了避开化U限制，一种方法是减小天线高度，并用与安装有天线的平台的表面 平行的较大的尺寸换取它，产生低剖面天线。例如，当天线安装在诸如手机或地面的平台上 时，平台变成天线福射体的一部分，导致满足化U限制所需要的天线的更大尺寸。在许多应 用中，低剖面和宽带宽例如"超宽带"已经成为共同的天线要求。
[0009] "超宽带"天线通常意指具有大于2:1的倍频程增益带宽，也就是说，fV片> 2,其 中fs和是最高的工作频率和最低的工作频率。注意，"超宽带"有时在实践中意指具有 两个或多个宽频带（多频带），且每个频带具有足够宽的带宽。"低剖面"天线通常意指具 有入八0或更小的高度，其中At是在ft处的自由空间波长。
[0010] 在追求更宽的带宽和更低的剖面时，发现TW沿着平台的表面传播的行波（TW)天 线不仅具有固有地更低的剖面，而且具有潜在地更宽的带宽。（TW天线是产生天线福射方 向图的场和电流可W由一个或多个TW表示的天线，TW是W某一相速度传播的电磁波，如在 书"Traveling Wave Antennas" (Walter，。比，Traveling Wave Antennas, McGraw-Hill, NY, 1965,其通过引用被并入本文）中所讨论的，在书中讨论了多个低剖面TW天线。）
[0011] TW沿着或垂直于平台的表面传播的某些行波（TW)天线可不仅具有固有地低的剖 面而且具有潜在地宽的带宽。另外，某些TW天线的场和电流可产生可W由一个或多个TW 表示的天线福射方向图。
[0012] 图1示出了现有技术中的全向TW(行波）天线朝更宽的带宽、微型化和平台共 形性的进展。第一阶段从（a)到化）示出了天线剖面的减小的早期实例。在该里，安装 在平台上的高剖面鞭状天线被减小成低剖面传输线天线化ing，R.W.P.，C.W. Harrison, Jr.和D. H. Denton, Jr./'Transmission-line missile antennas'，，IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 8, No. 1, pp. 88-90. Jan. 1960,其通过引用被并入本文）。 注意，鞭状天线可W被视为TW天线，且具体地可被视为1维（1-D)法向模式TW天线。实际 上，在该里，该技术是使用低剖面1-D传输线天线替换高剖面法向模式TW结构或源场，低剖 面1-D传输线天线是提供类似的全向方向图覆盖和像垂直的鞭状天线一样的垂直极化的 1-D表面模式TW。
[0013] 虽然传输线天线中的1-D表面模式TW在与地平面平行（换句话说，与Z轴垂直） 的路径中传播，但其福射电流主要在其平行于Z轴的一个或多个垂直柱上，从相关的远场 角度看，等效电流在相位上彼此接近。注意，该1-D表面模式TW和其支撑结构不必沿着围 绕Z轴的笔直的径向线。例如，1-D表面TW结构可W在x-y平面中是弯曲和成曲线状的，只 要它的1-D传输线模式TW的一般特征保持实质上完整和不受干扰。
[0014] 然而，1-D传输线天线固有地是窄带天线。通常，只实现带宽的百分之几。此 夕F，较低的天线剖面导致较小的带宽。后来开发了呈现越来越宽的带宽的一些2-D低剖 面TW天线，例如盘荷单极天线、叶片天线等，如在图1的化）到（C)中所描绘的。其中， 药丸盒形 Goubau 天线（Goubau, G.，"Multi-Element Monopole Antennas", Proc. Army ECOM-ARO, Workshop on Electrically Small Antennas, Ft. Monmouth, NJ, pp. 63-67, May 1976,其通过引用被并入本文）具有2:1的带宽和高度（厚度）为0.065 A j勺低剖面， 与化U限制最接近。螺旋模式微带（SMM)天线一一类2-D TW天线一代表在扩展带 宽和降低TW天线的剖面方面中的重要改进，如在出版物（Wang, J. J.H.和V.K.Tripp， "Design of Multioctave Spiral-Mode Microstrip Antennas", IEEE Trans.Ant. Prop, March 1991 ;Wang, J. J. H.，"The Spiral as a Traveling Wave Structure for Broadband Antenna Applications", Electromagnetics, pp. 20-40, July-August 2000 ； Wang,J.J.H,D.J.Triplett 和 C. J. Stevens, "Broadband/Multiband Conformal Circular Beam-Steering Array", IEEE Trans. Antennas and Prop.Vol. 54, Nol. 11, pp. 3338-3346, November, 2006)和美国专利（在1994年发布的5, 313, 216 ;在1995年发布的5, 453, 752 ; 在 1996 年发布 5, 589, 842 ;在 1997 年发布的 5, 621，422 ;在 2009 年发布的 7, 545, 335B1) 中所示，它们都通过引用被并入本文。全向模式-0SMM天线已实现了大约10:1的实际倍频 程带宽，且具有大约0.09 A,的天线高度和小于A ,/2的直径。在上面的实施例中，化U限 制设置了具有给定电气尺寸的有效天线的工作频率的下限，而不是它的增益带宽。
[0015] 减小2-D表面TW天线的尺寸的技术是减小传播TW的相速度，从而减小传播TW 的波长。该导致微型化的慢波（SW)天线（Wang和Tillery,在2000年发布的美国专利号 6, 137, 453,其通过引用被并入本文），其允许W性能的一些牺牲来换取天线的直径和高度 的减小。
[0016] SW天线是TW天线的子类，其中TW是慢波，其具有的相速度的因而产生的减小由 慢波因子（SW巧表征。SWF被定义为TW的相速度V,与光速C的比率，其通过W下关系式给 出：
[0017] SWF = c/V曰=A oAs (1)
[001引其中，C是光速，A。是自由空间中的波长，W及A S是在工作频率f。处的慢波的波 长。注意，工作频率f。在自由空间中和在慢波天线中都保持相同。SWF指示TW天线在相关 的线性尺寸上减小了多少。例如，SWF为2的SW天线意味着其在SW传播的平面中的线性 尺寸被减小到常规的TW天线的尺寸的1/2。注意，对于尺寸的减小，减小直径而不是高度 将有效得多，因为天线的尺寸与天线直径的平方成比例，但只与天线高度成线性比例。还注 意，在本公开中，每当提到TW时，通常包括SW的情况。
[0019] 随着无线系统的激增，天线需要具有越来越宽的带宽、越来越小的尺寸/重量/覆 盖区和平台共形性，尤其是对于UHF和更低的频率（即，低于IGHz)。此外，对于具有有限空 间和承载容量的平台上的应用，大大优于现有技术状态的体积、重量和通常相应而生的制 造成