CN102177615A

CN102177615A - 螺旋式表面天线

Info

Publication number: CN102177615A
Application number: CN2009801405604A
Authority: CN
Inventors: R·宏达; R·J·康利
Original assignee: LHC2 Inc
Current assignee: LHC2 Inc
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2011-09-07
Also published as: US8570239B2; EP2335317A4; WO2010042846A3; WO2010042846A2; US20100090924A1; EP2335317A2

Abstract

描述了可以水平极化全向方式收发信号的天线。在一个示例性实施例中，天线包括：具有螺旋形横截面的螺旋式表面，该表面形成内腔；到外表面的内部通道；以及空腔和通道共用的内壁。而且，一个示例性实施例包括允许传输馈线进入空腔和通道的纵向开口。替代实施例包括各种横截面配置，也可以包括至少部分环绕天线的螺旋式表面和支撑结构的天线罩。

Description

螺旋式表面天线

背景技术

无线通信已经成为个人及专业领域中现代生活的一个主要部分。它用于语音、数据和其它类型的通信。无线通信还用在军事和紧急响应应用中。以无线方式进行的通信要依赖电磁波谱作为载波介质。遗憾的是，电磁波谱是一种有限的资源。

尽管电磁波谱跨越很宽的频率范围，但由于其物理性质和/或由于政府的限制，只有一些频段可用于某些用途。而且，使用电磁波谱进行无线通信是如此普遍，以至于许多(如果不是大多数)频段已经十分拥挤。这种拥挤状况可能造成不同无线通信系统之间的干扰。

这种干扰危胁到对于现代社会的许多不同方面非常重要的无线通信的成功传输和接收。无线通信干扰可能使得必须重新传输，造成要使用总是更大的功率支出，或者甚至完全阻止了一些无线通信。因此，需要以降低的可能阻碍信息的成功通信的电磁干扰来进行无线通信。水平极化的使用通过降低来自重叠和相邻频段中主要是垂直极化信号的干扰，可以提高通信可靠性。

发明内容

描述了可以水平极化全向方式收发信号的天线的示例性实施例。在一个示例性实施例中，天线包括以具有螺旋形横截面的形式成形的表面，该表面形成内腔；到外表面的内部通道；以及由空腔和通道共用的内壁。此外，一个示例性实施例包括可以使射频(RF)能量进出空腔和通道的纵向开口。替代实施例包括各种横截面配置，且也可以包括至少部分包围天线的天线罩。

尽管是分别描述的，但前述实施例不是互相排它的，许多实施例可以共存于一个特定的实施方式中。而且，其它天线、系统、设备、方法、装置、排列、机构、途径等在本文都有描述。

附图说明

参照附图给出详细的说明。在附图中，附图标记最左边的一个或几个数字标识第一次出现该附图标记的那幅图。在不同附图中使用相同的附图标记来表示相似或相同的物体。

图1A图解说明用于构造水平极化全向天线的示例性螺旋式表面的透视图，包括用于插入一个或者更多个传输馈线的孔径(aperture)。

图1B图解说明用于构造图1A中所示的水平极化全向天线的示例性螺旋式表面的端视图。

图2A、2B和2C图解说明示例性螺旋式表面天线(surface antenna)内部和周围的电场的产生和扩展。

图3A和图3B图解说明对于不同尺寸的螺旋式表面天线，在水平面内的远场辐射图案。

图4A和图4B分别图解说明螺旋式表面天线的替代实旋例的透视图和端视图，传输馈线沿孔径通道的边缘定位。

图5A、5B和5C分别图解说明螺旋式表面天线的替代实旋例的侧视图、顶视图和端视图，传输馈线在螺旋式表面的一端定位，电缆外导体耦连到外壁并且电缆内导体耦连到中间壁。

图6A图解说明一面印刷有微带线和天线馈电的一个示例性印刷电路板(PCB)，其可以定位于螺旋式表面内，也可以用作螺旋式表面天线组件的中间壁。

图6B图解说明图6A的示例性PCB的背面，显示用于微带的地平面，地平面的一部分被蚀刻掉，露出介质衬底。

图7A图解说明用于接收印刷电路板(PCB)作为螺旋式表面天线组件的中间壁的部分螺旋式表面组件的示例。

图7B图解说明图7A的部分螺旋式表面组件，其具有被定位为螺旋式表面天线组件的中间壁的印刷电路板(PCB)。

图8A、8B和8C图解说明包括多个传输线馈电输入和沿螺旋式表面的外壁外侧定位的传输馈线的螺旋式表面天线的一个替代实施例的几个视图。

图9A和图9B分别图解说明对于中心具有单个馈电以及具有多个馈电激励的螺旋式表面天线，在垂直平面内的示例性远场辐射图案。

图10A和图10B分别图解说明对于具有馈电位置改变的螺旋式表面天线，显示仰角图案和方位角图案的示例性远场辐射图案。

图11A和图11B分别图解说明可以在其上选择到螺旋式表面天线的无限数目的馈电点和通过开关装置可以在其上选择有限组馈电点的机械滑动装置。

图12A和图12B图解说明通过耦连两个螺旋式表面组件部分来构造示例性螺旋式表面天线的两个节段。

图13A和图13B图解说明通过以螺旋式配置耦连几个PCB组件部分来构造示例性螺旋式表面天线。

图14A和图14B图解说明通过用一个PCB作为中间壁耦连两个螺旋式表面组件部分来构造示例性螺旋式表面天线的两个视图。

图15A和图15B图解说明通过用一个PCB作为中间壁耦连两个螺旋式表面组件部分来构造的完整的图14A和图14B的螺旋式表面天线的两个视图。

图16A和图16B图解说明配置为至少部分地围住天线的天线罩的一个示例。图16A是外形图，图16B是天线罩的横截面图。

具体实施方式

介绍

以从天线发出的电场平行于由地球表面限定的平面的方式工作的天线被认为是水平极化的。注意，水平极化的天线可以以使天线的物理垂直轴基本垂直于由地球表面限定的平面的方式安装或工作，并且仍能发出与地球表面平行的电场。

紧凑型水平极化天线还没有扩散到市场上。已经开发出来并上市的水平极化天线相对较大，或者从审美角度讲很刺眼。直到最近，市面上都没有出售与垂直偶极子物理相似的小巧型水平极化天线。2007年10月1日提交的发明人为Royden M.Honda和Raymond R.Johnson且题目为“Horizontal Polarized Omni-Directional Antenna”的美国专利申请11/865,673号描述了一种全向水平极化天线，其通过引用被全部并入本文。本申请公开了随后开发的全向天线的几个实施例，其辐射特征在某些方面类似于提到的专利申请的缝隙天线，并且包括下文讨论的许多附加特征。

设计考虑因素

螺旋形设计已经用在机械、结构和电气工程中。螺旋形在用于天线设计时具有独特的特征。大多数之前的螺旋形天线设计在包铜层压板上蚀刻的不是对数就是阿基米德线圈。这些二维设计都具有沿螺旋轴并正交于它所在平面发出的辐射。这些二维天线设计的辐射图案是双方向的，通常为8字形的形状。

如本文讨论的螺旋式表面天线是一种三维天线设计，并具有全向辐射图案。相比其它天线设计，螺旋式表面天线设计具有许多优点。例如，螺旋式表面天线可以被制成更小尺寸，并且在传输和接收性能、全向能力、远场辐射图案、增益和其它特征方面，可以获得与不同设计的较大天线相当的性能。例如，与大多数其它类型的天线不同，螺旋式表面天线可以通过在一个天线内简单地重新定位天线馈电点，来实现电的向上倾斜或向下倾斜。

另外，螺旋式表面天线设计通常可以比同等性能的天线制造起来更简单，调节也可以更简单。制造螺旋式表面天线不需要任何机加工，除非希望如此。构造螺旋式表面通常包括弯曲或形成导电片。而且，调节螺旋式表面天线包括仅谨慎地将电介质设置在由螺旋式表面形成的空腔内的预定位置。

以在面向中心的位置的单个馈电馈送的螺旋式表面天线可以获得相似长度的许多多馈电天线的性能。与其它设计相比，螺旋式表面天线可以被构造为几个波长的长度，并保持清洁、完整的辐射图案。

应理解，对本申请来说，提到波长(λ)时暗示在某介质中的波长，该介质具有1.0(自由空间)或更大的介电常数。该介质的介电常数造成电磁波形相对于自由空间的传播速度的改变。这样产生一个在非自由空间介质中更短的波长。在某一介质中波长的公式如下：

λ＝λ_o/(ε_r)^1/2

其中：λ＝在介质中的波长

λ₀＝自由空间波长

ε_r＝介质的介电常数

由天线发出的辐射被称为是源自于相位中心。天线的相位中心是一个假想出来的点，认为该点是产生辐射的源头。由天线发出的辐射的相位中心有时也是天线的物理中心，但在许多情况下并非如此。在许多情况下，相位中心可以不在天线上，而是在与天线相距一定距离的空间中。使用螺旋式表面设计的天线的相位中心可以在天线内部或者位于在孔径或靠近孔径的一个预定位置。

相位中心的位置可以与激励的螺旋式表面天线内的辐射能量的物理起源不同。辐射能量的物理起源通常位于由螺旋式表面形成的空腔内的耦合间隙处。由于产生的电场从物理源点起行进通过天线室，并辐射到螺旋式表面天线的孔径之外，使用螺旋式表面设计的天线一般具有渐增的从天线的耦合间隙到表面壁的半径。

示例性实施例

公开了一种使用螺旋式表面100构造的紧凑型天线。图1A和图1B图解说明配置为用来构造水平极化全向天线的示例性螺旋式表面100。通过将一个或更多个信号传输馈线耦连到螺旋式表面100，可以由螺旋式表面100构造天线。在接下来的部分将讨论使用螺旋式表面100或类似的螺旋形设计的天线的各种配置和实施例。

如图1A的透视图所示，螺旋式表面100可包括一个或更多个用于插入一个或更多个传输馈线的间隙孔120。螺旋式表面100的横截面示于图1B中。可以使用成形为螺旋形的导电材料片或具有导电表面的材料来构造螺旋式表面100。构造的另外的细节和方法将在后面部分讨论。

仅作为示例，图1A和图1B显示具有90°拐角的螺旋式表面100的横截面。但是，这并不排除使用其它几何形状的拐角。可以使用其它几何形状的拐角来构造使用螺旋式表面100构造的天线的替代实施例，这些形状包括平滑弧形或替代的多边形形状。而且，螺旋式表面100本身可被构造为具有基本为圆形的横截面形状、基本为椭圆形的横截面形状、基本为多边形的横截面形状等等。螺旋式表面100还可以使用上述形状的结合来构造。在一个实施例中，螺旋式表面100的横截面形状在螺旋式表面100的长度上是连续的。在一个替代实施例中，螺旋式表面100的横截面形状在螺旋式表面100的长度上是不连续的。

如图2A、2B和2C所示，配置为被构造成螺旋式表面天线200的螺旋式表面100可以由成形为具有螺旋形横截面的导电表面100组成，并形成如下的：外表面(外壁)210、内腔222、外表面210内部的内部通道(孔径通道)224以及内腔222和孔径通道224共用的内壁(中间壁)220。中间壁220可以具有配置成允许射频(RF)能量进入通道224的纵向开口(或间隙)202。例如，中间壁220可以具有可透过RF能量的纵向开口202，使得RF能量可以从通道224传递到空腔222或者从空腔222传递到通道224。而且，纵向开口202可以电耦连到信号馈电230，使得沿纵向开口202来感应电场250。

图2A、2B和2C图解说明由螺旋式表面100构造的天线200的横截面视图。如上所述，可以通过将信号传输馈线230耦连到螺旋式表面100来构造天线200。图2A、2B和2C中的示例性螺旋式表面天线200的横截面视图显示开放的外部几何形状，这是由于螺旋式表面100本身并没有卷绕并闭合。但是，在一个替代实施例中，螺旋式表面天线200的横截面可以具有闭合的外部几何形状。在该替代实施例中，螺旋式表面天线200的内部几何形状可以保持螺旋式横截面，但螺旋式表面的最外面一层可以最终卷绕接触，使横截面的外部几何形状闭合。

在任一实施例(开放或者闭合的外部几何形状)中都可提供孔径226，以从天线200的整个几何结构发射RF辐射。另外，如将要讨论的，孔径226的长度可影响天线200的性能。孔径226不应与天线的“有效孔径”混淆，后者可能要比由孔径226和天线200的周围表面100形成的组合区域要大。天线的有效孔径有时称作俘获面。接收天线就是从该区域提取来自冲击电磁平面波的能量。随着天线200的有效孔径的增大，天线200的增益也在增大。例如，使天线200的有效孔径增大一倍，可以将天线200的增益增大3dB。

螺旋式表面天线200的一个替代实施例包括被配置成增大天线200的物理孔径226的长度的长度延长部分(如图4A所示)，其提供来自天线200的更大量的可用波长。物理孔径226的长度的增加会造成天线200的有效孔径和其伴随的天线增益的增加。因此，为了增大天线增益，天线200的长度延长部分可与通过将许多共线对齐的天线堆叠成一列来增大天线增益的方法相当。

在一个实施例中，天线200的物理长度延长部分和产生的天线有效孔径和增益的增大可以通过延长螺旋式表面100的长度(如图4A所示)来完成。例如，可以使用更长的螺旋式表面100来构造天线200。在一个替代实施例中，可以使用其它手段来提供长度延长部分，如给天线200增加一个扩展螺旋式表面100。

而且，可以通过将许多个共线对齐的螺旋式表面子天线(constituent antenna)(每个子天线就是一个完整的天线200)堆叠从而形成一列来构造天线阵列。每个子天线200都可以具有与子天线200关联的一个传输馈线230。与每个天线馈线230关联的馈电点可以沿该列的长度方向间隔开来，使得在该列中的各个子天线200的每一个之间建立期望的相位关系。形成一列的天线200可以借助加入的每个天线200来增大该列的有效孔径。而且，随着天线的有效孔径的增大，天线的增益也在增大。例如，使阵列中天线200的数目增大一倍，可以将增益增大3dB。

替代地，包含若干列一个或更多个螺旋式表面天线200的若干行可形成一个阵列。以此方式配置的阵列可以是平面阵列，或者可以是圆形、椭圆形、多边形或者轮廓适合结构面的形状的一个阵列。考虑有意应用天线阵列，对于在这类阵列中的每个子天线200的期望相位关系可以由设计决定。例如，这类阵列可以被配置成在低功率电度表方向产生高的天线增益，同时在如蜂窝电话网络或者因特网服务提供商的干扰源方向产生低天线增益。

在图2A、2B和2C所示的示例性实施例中，天线200的端部是开放的。这并不排除在天线200的一个替代实施例中使用端盖。在天线200的一个替代实施例中，可以在天线200的端部设置导电或者不导电端盖，而不显著降低天线200的性能。在又一个实施例中，天线200的一端可以加盖，另一端可以是开放的，这不会显著降低天线200的性能。

如本文所述，可以针对各种具体应用配置天线200。在螺旋式表面天线200的一个实施例中，天线200可包括在使用中支撑天线的支撑结构(未显示)。取决于目标用途和可能的安装需求，支持结构可以由刚性或柔性、不导电和/或导电材料制成。天线200的一个替代实施例包括由刚性和柔性不导电和/或导电材料组合成的支撑结构。

天线200可被设计成相对“细小”，即它可以在物理上与偶极子相似，但是是水平极化全向天线。在又一实施例中，天线200还可以包括部分或者完全围住螺旋式表面100的天线罩1600(图16A和图16B中显示)。在一个替代实施例中，天线罩1600还可以部分或者完全围住天线200包括的任何支撑结构。加入天线罩1600以保护天线200使其不受破坏，或者在天线200和传播介质之间提供阻抗匹配。

如果天线罩1600旨在防范室外应用中的破坏，则它可以是“结构”天线罩1600。例如，天线罩1600可以被构造成经受得住大风条件下遇到的机械载荷，或者可以由抵抗腐蚀性大气的材料制成。室内环境可能只要求天线200上有简单的非结构涂层，以抵御障碍物，并提供赏心悦目的艺术外形。在一个示例中，天线200上的涂层或者类似覆盖物可以是“非结构”天线罩1600。在一个实施例中，天线罩1600适于直接连接到升降构件或者用于附连目的的安装结构。

在一个示例性实施例中，天线罩1600可以具有配置成围住天线200(还可以被配置成围住支撑结构)的横截面形状(如图16B所示)。天线罩1600的横截面形状可以是基本为圆形形状或者基本为椭圆形状或者基本为矩形形状。天线罩1600的横截面形状还可以使用上述形状的组合来构造。注意，多边形形状可以由基本为圆形形状或者基本为椭圆形状或者基本为矩形形状中的一种或者组合来近似。而且，由于天线200是细长的，所以定义的结构天线罩1600的横截面形状的最小尺寸(即圆的直径，或者椭圆的最小轴，或者矩形的最短尺寸)可以小于0.194λ，或者天线200的中心频率的波长的0.194倍。而且，由于天线200是细长的，所以定义的非结构性天线罩1600的横截面形状的最小尺寸(即圆的直径，或者椭圆的最小轴，或者矩形的最短尺寸)可以小于0.099λ，或者天线200的中心频率的波长的0.099倍。

例如，为中心频率设计在915MHz附近的天线200配置的结构天线罩1600可以具有圆形横截面，其直径小于2.5英寸，为同一天线200配置的非结构天线罩的直径可以小于1.28英寸。举另一个例子，为中心频率设计为在2437MHz附近的天线200配置的结构天线罩1600可以具有八边形横截面，最大尺寸(从一个顶点到直接相对顶点的对角线)小于1英寸，为同一天线200配置的非结构天线罩1600的最大尺寸可以小于0.48英寸。

在一个替代实施例中，天线罩1600在应用于替代性的细长水平极化全向天线，如美国专利申请11/865,673号中描述的天线，时可具有上述讨论的尺寸，该申请在上文讨论过，并通过引用被并入本文。

在一个实施例中，螺旋式表面天线200可以部分或者完全用介电材料包裹。该过程称作介电加载，可包括用介电材料填充螺旋式表面天线200的内腔。介电加载可以使天线200的所有尺寸作为电介质中工作波长的函数来降低。这表示当介电加载应用于天线200时，设计成在特定中心频率下工作的天线200的每个物理尺寸在尺寸上可以降低相等比率。例如，如果天线200是使用介电常数为3.5的电介质来介电加载的，天线200的所有的物理尺寸可以减小0.53倍。但是，介电加载可以基于所使用的电介质的耗散因数影响天线200的效率。

介电加载还可以基于电介质的介电常数将之前讨论过的天线罩1600的细长横截面降低相应的倍数。如上所述，设计为在2437MHz频率附近的具有空气电介质的天线200可包括最大尺寸小于1英寸的结构天线罩1600。设计为在相同频率附近但使用介电常数为3.5的材料介电加载的天线200可以产生最大尺寸小于0.53英寸的结构天线罩1600。

虽然已经描述了各个分立的实施例，但各个实施例的单个特征可以组合形成没有具体描述的其它实施例。通过将所描述实施例的特征进行组合形成的实施例也认为是螺旋式表面天线200。

示例性天线激励

可以以几种方式激励螺旋式表面天线200。图2A、2B和2C图解说明激励方法的一个示例。同轴电缆外导体240端接于并附连到螺旋式表面天线200的外壁210。如图所示，电缆的中心导体242继续通过外壁210中的间隙孔120，端接于并附连到螺旋式表面天线200的中间壁220。中间壁220是内腔222和内部通道224共用的内壁。同轴电缆外导体240和内导体242可以通过导电连接、电感耦连、电容耦连等等电耦连到天线200的各部分。

天线200的初次激励示于图2A中。当RF信号流过馈线230时，在线中流动的电流在电缆的外导体240的边界处遇到突然变化。在中间壁220和外壁210之间的耦合间隙202产生电压势能，沿天线200的整个长度方向在耦合间隙202两端感应电场(E场)250。感应的E场250行进到空腔222和孔径通道224中。空腔222中的E场250被螺旋式表面100的壁反射，回到间隙202并进入孔径通道224中，在此与孔径通道224中的场250结合。

激励过程进一步在图2B中示出。E场250沿孔径通道224的壁行进直到到达壁的终点-孔径226。E场250通过孔径226出来，继续沿螺旋式表面100的外部表面向外行进。

天线的继续激励和RF信号的关联辐射示于图2C中。E场250继续沿导电螺旋式表面100向外行进，直到E场250矢量的末端遇到同一矢量的首端。在此阶段，矢量的两端结合形成连续矢量，离开螺旋式表面100的导电边界，向外移动进入自由空间中，最终类似于从螺旋式表面100向外发出的圆形波前。当螺旋式表面天线200的轴垂直定位时，方位角(水平面)辐射图案是全向的，E场250的极化是水平的。

性能考虑因素

螺旋式表面天线200的横截面几何形状对其全向辐射图案的影响有限。图3A和图3B是图解说明可能会偏离完美的全向辐射图案的远场辐射图案曲线。图3A和图3B图解说明水平面辐射图案，并且特别是对于0.1λ方形横截面(图3A)和0.078λ横截面(图3B)的螺旋式表面天线200在全向辐射图案中的不同的最大-最小(maximum to minimum)增益。

如果限定螺旋式表面天线200的横截面的圆的直径或矩形的对角线相对较大，比如说大于0.1λ，则全方向的最大-最小增益变化的幅度可能是4dB或者更大。例如，如图3A所示，0.1λ的方形横截面将产生大约3dB的增益增量(最小-最大)。该增量值有时被表示为对于平均增益值的±1.5dB。如图3A所示，最大增益由“m1”表示，最小增益由“m2”表示。

如图3B所示，0.078λ的方形横截面产生大约1.5dB(±0.75dB)的增量。重申一次，最大增益由“m1”表示，最小增益由“m2”表示。在两种情况下全向图案的不同可能是由于相位中心相对于天线200的轴的位置和E场250在转换成电磁波(包括E场250)之前必须越过的表面轮廓造成的。如上所述，任一天线的相位中心都是一个假想点，认为该点是产生辐射的源头。在天线200的情况下，相位中心的位置或者在孔径226，或者非常靠近孔径226，并且如果已知电场方程，则可以测量或计算出来。

在空腔222和通道224之间存在比例关系，这可能对于天线200达到满意性能是很重要的。再次参照图1，通道224(h₁)和空腔222(η)的高度是通道壁220的高度(h₂)减去上下壁厚(w)。空腔222的宽度(k)通常可以是通道224宽度(γ)的两倍。例如，在具有相等壁厚的0.1λ方形横截面的示例性螺旋式表面天线200的情况下，空腔高度(η)和空腔宽度(k)通过以下关系式获得：

η＝0.1λ-2w

κ＝2γ

3γ＝.1λ-3w

γ = \frac{. 1 λ - 3 w}{3}

其中w＝壁厚

且λ＝波长

其中γ＝通道宽度

改变用来构造天线200的螺旋式表面100的长度可以获得下列结果：对于谐振操作，天线200的最小长度应该是λ/2，得到的性能类似于λ/2的偶极子天线的性能。在一个示例中，设计成在900MHz下发射和/或接收的λ/2天线的长度可以大约是16cm。不过，螺旋式表面100的长度可以更短，例如为λ/4，仍具有谐振性能，但更像是谐振器，而不像是谐振独立天线。谐振器是一种简略的天线，其使用安装天线的主机作为天线结构的一部分。谐振器天线用于手持装置及空间十分宝贵的其它装置。

在替代实施例中，螺旋式表面100可以制成更长，例如几个波长那么长，伴随天线增益的增大(如上述讨论)。在又一实施例中，许多个λ/2螺旋式表面天线200可以以垂直阵列方式被堆叠以获得与相同长度的连续的螺旋式表面100大致相同的性能(同样如上所述)。

激励技术和替代实施例

如之前所述，可以几种方式激励螺旋式表面天线200。在一个实施例中，如图2A所示及上文所述，RF连接器可被附连到天线表面100的外壁210。在另一实施例中，同轴电缆444沿孔径通道224的长度方向定位，并被附连到中间壁220，正如图4A和图4B所示。

电缆444在馈电位置弯曲，外屏蔽240端接于并被附连到正好在耦合间隙202上方的中间壁220。电缆444的中心导体242延伸到外屏蔽240之外，端接并被附连到与中间壁220垂直的外壁210。在此实施例的一个变形中，电缆444在图4A和图4B所示配置的镜像中沿中间壁220被定位于空腔222中。

在一些情况下，将电缆444附连于中间壁220可能是有挑战性的。因此，其它实施例可包括沿外壁210的外侧或沿孔径壁246的外侧设置同轴电缆444(参见图2)。在这些实施例中的任一个中，可以提供间隙孔(未显示)，使得中心导体242可通过壁到达天线200内部的馈电位置。

在另一实施例中，如图5A、5B和5C所示，同轴电缆444被定位于螺旋式表面天线200的一端。在一种配置中，电缆444的外屏蔽240被耦连到外壁210的内表面，中心导体242被耦连到中间壁220。在一个示例中，外壁210成形为使外壁210的一部分平行于螺旋式表面天线200来延伸，并伸到螺旋式表面100的长度之外，形成延长部分450。如图5A和图5B所示，同轴电缆444的外屏蔽240可以被耦连到延长部分450。

在一个替代实施例中，印刷电路板(PCB)620可用在螺旋式表面100的内部，以激励天线200。图6A显示PCB 620，在PCB 620的一面印刷微带线662和天线馈电664。PCB 620被配置成设置于螺旋式表面100内，这里PCB 620还用作螺旋式表面天线200组件的中间壁220。

图6B图解说明用于微带线662的地平面670，其可位于PCB 620的背面。图6B中地平面670的一部分已经被蚀刻掉，露出包括PCB 620的电介质衬底672。在一个示例性天线200中，蚀刻掉的区域674用作空腔222和孔径通道224之间的耦合间隙202。

在这个示例中显示的微带线662、天线馈电664和地平面670的布局并不排除这些元件在PCB 620上的其它布局。在替代实施例中，微带线662、天线馈电664和地平面670可被定位在PCB 670的相同一面上，或者在多层PCB 670的多个层内。

图7A图解说明具有修改过的没有中间壁220的螺旋式表面100的天线200的一个实施例。同样在这个示例中，上孔径壁246和侧孔径壁776中的一些可以不存在，以适应将PCB 620(如图6A和图6B所示，如上所述)放置在螺旋式表面100中。位于PCB 620上的馈电664可被附连到螺旋式表面100的内部。如图7B中所示，位于PCB 620上的地平面670可使用导电粘合剂等等结合到上空腔壁778。

图8A、8B和8C图解说明使用多馈电形式的PCB 620的天线200的一个替代实施例，其中PCB 620位于螺旋式表面100的外壁210上。对于此设计，PCB 620可以包括或者可以不包括用于地平面670的导电层，以与微带线662组成一对。在一个实施例中，PCB 620包括位于PCB 620一面或者两面上，或者在PCB 620的一层中的导电层地平面670。

在另一实施例中，PCB 620可以不包括导电层地平面670，螺旋式表面100的导电外壁210可用作用于微带线662的地平面670。在此实施例中，必须小心确保PCB 620相对外壁210是持续平坦的，以维持微带662和串联馈线664的一致阻抗。在此实施例的一个替代形式中，PCB 620可位于完全在螺旋式表面100内的位置。

远场辐射

上文讨论了螺旋式表面天线200的物理横截面和相位中心之间的关系和所产生的全向辐射图案。所讨论的原理与包括单一或多馈电系统的各种可能的馈电技术相关。如之前指出的，图3A和图3B图解说明分别对于0.1λ方形横截面和0.078λ横截面的在水平面中全向图案的不同最大-最小值。

然而，垂直平面(仰角图案)内天线的远场辐射图案可能由于E场250分布穿过孔径226而受到影响。图9A和图9B分别图解说明中心有单个馈电(图9A)以及有多个馈电激励(图9B)的螺旋式表面天线200在垂直平面中的示例性远场辐射图案。

如图9A中所示，位于螺旋式表面100中心或者靠近该中心的单个馈电可感应穿过耦合间隙202的锥形场。锥形场的峰值可位于天线200中心或者靠近该中心，当场接近天线200的端部时，强度可遵循余弦曲线减小。这种类型的辐射场图案可发生于开放端或闭合端的螺旋式表面天线200。从图9A可见，孔径226处的照射递减产生非常低的旁瓣水平。

使单个馈电位置(馈电耦连到天线200的天线200上的那个点)从螺旋式表面天线200的中心移开可改变由天线200发射的RF能量波束的方向。馈电位置离开天线200的中心的变化可使波束方向从表示水平轴(与地球表面平行)的视轴方向倾斜。假设一个垂直安装的天线200，如果馈电点在天线200的中心下方移动，产生的波束向上倾斜，或者如图10A所示在水平轴上方。相反，如果馈电点在天线200的中心上方移动，则产生的波束向下倾斜，或者在水平轴之下。

如图9B所示，对于多馈电天线200的系统，孔径226的照射近似于一致分布，在产生的辐射图案中可出现旁瓣。真正一致的幅度分布相对于波束峰值可具有大约-12dB的旁瓣幅度。对于多馈电天线200，与单馈电的情形相比，增益可能稍微较高，波束宽度可能较窄。可以调节各个馈电的幅度，产生期望的旁瓣水平。

为了用多馈电配置实现波束倾斜，馈线230到每个馈电点的长度可以调节，以产生适当相位波前的发出波。将馈线230的长度调节到预定长度可改变馈线230的各相位，因此在馈线230上携带的信号之间产生期望的相位关系。在一个替代实施例中，采用其它方法来获得在多个馈线230上发射的信号中的相位变化。

与示例性多馈电配置相关的辐射图案，包括波束倾斜和波束仰角，可表现在远场天线仰角辐射图案上，如图10A中所示的那个图案。在图10A中所示的示例性远场辐射图案中，图示代表仰角已经倾斜到水平面上6°的图案。图10B所示的图案表示图10A所示的倾斜波束图案的方位角图案。在一个替代实施例中，可以使用多个子天线200来代替单个天线200的多个馈电，来实现类似结果。

包括多个如上所述的子天线200的实施例可使用一个或者更多个开关装置来控制。通常，在多单元天线中单独的子天线200已经被配置成“倾斜”不同角度，以适应安装场所一年里的环境变化。开关装置可用来控制子天线200的幅度和相位，从而控制整体倾斜、波束仰角和图案。开关装置可包括一个或者更多个单刀双掷开关，或者用于耦连和解耦连子天线200的其它任何装置，包括机械或电的开关装置等等。在一个实施例中，每个单独的子天线200具有跟与子天线200关联的传输馈线230相配的附加的单个开关装置。激活与该特定子天线200关联的开关装置会激活子天线200，并基于被激活的子天线200的各个波束改变多单元天线的整个辐射图案。

在一个实施例中，开关装置可包括一个或者更多个调幅和相移装置，以实现辐射图案的改变。每个子天线200的幅度和相位可被改变以产生期望提高发射和接收性能的独特图案。例如，子天线200的幅度可被调节到更大或更小值，使天线200在特定仰角的范围产生变化。另外，子天线200的相角可被调节到更大或更小相角，使辐射图案的仰角形状产生变化。因此，通过对一个或更多个子天线200进行幅度和/或相位调节，可按需要更改多单元天线组的整个辐射图案。例如，使用上文讨论的开关装置可以产生的期望辐射图案可包括在目标客户方向具有高增益且在干扰源方向和/或在非目标接收方方向上具有低增益的图案。

在一个示例中，如图11A所示，开关装置和幅度调节装置包括单个机械滑动装置1102，可在其上单独选择无限数目的馈电点。滑动装置1102可机械耦连到一个或者更多个馈线230和天线200的表面。在图11A图解说明的示例中，单个馈线230耦连到滑动装置1102。馈线230示于三个替代位置，其中无限数目的位置是可行的。在另一实施例中，多个馈线230可耦连到滑动装置1102。

在一个示例中，机械滑动装置1102可包括沿天线200的长度方向使馈线滑动的导轨，从而以类似于电位器的方式选择调节位置。通过在沿天线200的长度方向的各个位置耦连到天线200的表面，选择的调节位置决定单个天线200或者多个子天线200的天线图案。在替代实施例中，机械滑动装置1102可以是另一种类型的模拟开关装置，如电子-机械式装置、电力装置、电子组件等等。在又一实施例中，机械滑动装置1102可由电子或数字装置等等来实现。

在另一示例中，开关装置和幅度调节装置可使用通过一个或者更多个开关装置1122耦连到主天线馈电1120的许多个馈电230来实现。该思想示于图11B中。多个馈电点可位于沿天线表面100的长度方向的各分离位置。每个馈电点在被开关装置1122选择时，可通过将馈电点耦连到主天线馈电1120而被激励。多个馈电点可使用多触点开关装置1122或者多个开关装置1122而被同时激励。使用开关装置1122选择用于激励的馈电点会根据所选择的馈电点来调节单个天线200或者多个子天线200的幅度和/或相位。在替代实施例中，开关装置1122可通过机械装置、电力/电子装置、数字装置、光学装置、软件装置等等来实现。

孔径通道

可以降低螺旋式表面天线200的孔径通道224的高度以简化天线200的制造和/或组装。当通道224的高度缩短时，天线200的性能可改变。在关于螺旋式表面100的横截面的上文中已做描述，同样适用于此。

如通过图7B图解说明的实施例所示的，可去掉螺旋式表面100的上孔径壁246，而性能没有明显变化。通过缩短侧孔径壁776的高度使通道224进一步减小会降低辐射能量的增益。将壁776的高度减小大约20％会使增益减小大约1dB。壁776减小40％的高度会使增益减小大约2.5dB。

电介质块(未显示)可被定位在传输馈电点，作为调谐天线200以达到低回波损耗的简便方法。用于此目的的块的大小可以为0.21λ-0.62λ长，并且通常可以以传输馈电点为中心。电介质块的大小可以与包括用于馈电探针销间隙的孔径通道224一样宽，且大小可以与孔径壁246一样高。聚苯乙烯和其它材料可具有适用于此用途的期望RF性质。

机械考虑因素

用来构造螺旋式表面天线200的螺旋式表面100可以由例如金属片、导电涂层塑料、柔性包铜的聚脂薄膜片、包铜层压板或者可以制成支撑刚性形式且足够强壮能经得起操作的任何导电材料制成。螺旋式表面100可以通过围绕一结构卷动表面100，通过挤压，通过机加工或者产生期望的螺旋形状的其它方法，来成形。

包括管材、管道和角料的商用材料可以用来构造螺旋式表面100的外形因素。在一个实施例中，螺旋式表面100可以通过耦连如图12A和图12B所示的至少两个成形部分(1210和1220)来构造。此示例图解说明一种将可用的管材、管道和/或角料配置成螺旋式表面100的方法。所示的两个管道已经成形为适当尺寸，使得图12A中所示的1210部分可被适配到图12B所示的1220部分中。装配简单，原因是1210部分的拐角A与1220部分的拐角B匹配，使得空腔壁1212和空腔配合壁1222是齐平的。然后1210部分和1220部分被彼此附连以形成稳固的螺旋式表面100。1210部分和1220部分可以由包括机加工、挤压、模制、弯曲等等的任何适当方法形成。

金属片还可以用来构造螺旋式表面100。根据设计中存在的弯曲数，金属片可以使用制动、冲压、顺序冲模或卷动成形为螺旋形表面100。

挤压金属可能是一种制造螺旋式表面100的非常成本有效的方式。该方法的一些优点包括所述部分可以被挤压成螺旋式表面设计100的所有的必须尺寸。经挤压的金属可以形成很长的长度，使得不管设计需要多少长度都能轻易地从原材料上切割下来。

螺旋式表面100还可以由蚀刻的包铜衬底(印刷电路板)制造。该方法的一个优点是可以由蚀刻过程得到紧密度容限。蚀刻的包铜板可以具有制造成如图13A和图13B所示的调整片(tab)和凹槽，这样在组装过程中每个板可准确地保持在适当位置。包铜的使用只是一个示例，为此目的在衬底上还可以使用其它的导电包覆(诸如金、银、铝等等)。

在一个实施例中，如图13A和图13B所示，包括顶壁1302、腔壁1304、中间壁1306、孔径侧壁1308和底壁1310的蚀刻板可耦连在一起形成螺旋式表面100。在替代实施例中，可省掉一个或更多个壁，以形成螺旋式表面100。在另外的替代实施例中，可增加一个或更多个附加壁以形成螺旋式表面100。

在图13A和图13B所示的示例性实施例中，底壁1310包括微带线1312和一个或更多个天线馈电。在替代实施例中，微带线1312可包含于一个或者更多个蚀刻板上，所述一个或者更多个蚀刻板包括螺旋式表面100。由蚀刻板和微带线/馈电组成的螺旋式表面100的组合可包括一个示例性螺旋式表面天线200。

塑料可以被模制或者挤压成螺旋式表面100的形状。但是，塑料螺旋式表面100的壁必须用导电材料选择性覆涂，以用作天线200。

例如，柔性包铜的聚脂薄膜对于嵌入介电材料中是理想的。可以在聚脂薄膜片上蚀刻馈线664和螺旋式表面100的结构。然后可以围绕一个结构卷绕该片，整个组件可以用介电材料超模压，成为形式为螺旋式表面100的稳固结构。

在螺旋式表面天线200的另一实施例中，PCB 620可如图14A、14B、15A和15B所示部分或完全地装入导电外壳1440中。外壳1440可以由薄的金属片经化学蚀刻以及折叠或冲压而成，且可以利用在其周界的调整片来安装到PCB 620。在一个实施例中，RF外壳1440由空腔外皮1442和孔径外皮1444组成。孔径外皮1444可包括使RF能量通过外壳1440进入的物理孔径226。空腔外皮1442和孔径外皮1444可被耦连到PCB 620和/或彼此耦连，以形成螺旋式表面天线200。

结论

尽管已经用结构特征和/或方法行为特定的语言描述了本发明，但应理解在所附权利要求书中限定的本发明并不必然局限于所描述的特定特征或行为。而且，特定特征和行为是作为实现所要求保护的本发明的示例形式公开的。

另外，虽然全文已经描述了各个分立的实施例，但各实施例的个别特征可组合形成没有被特别描述的其它实施例。通过组合所描述实施例的特征形成的实施例也是螺旋式表面天线。

Claims

1.一种用于无线电磁通信的天线，包括：

导电表面，其成形为具有螺旋式横截面，所述表面形成内腔，所述表面形成到外表面的内部通道，所述表面形成内腔和内部通道共用的内壁，该内壁具有配置成允许射频(RF)能量进入通道的纵向开口；和

导电馈电，该馈电和所述纵向开口电耦连以沿所述纵向开口感应电场。

2.根据权利要求1所述的天线，其中所述馈电和所述纵向开口通过导电接触、电感耦连或电容耦连中的至少一个彼此电耦连。

3.根据权利要求1所述的天线，其中所述表面具有从一组横截面形状中选择的横截面形状，该组横截面形状由基本为圆形的形状，基本为椭圆的形状和基本为多边形的形状组成。

4.根据权利要求3所述的天线，其中所述表面的横截面形状沿所述表面的长度是不连续的。

5.根据权利要求1所述的天线，其中所述天线的长度响应于所述天线收发的无线信号的波长而被设置，

所述天线进一步包括至少部分围住所述天线的天线罩，该天线罩具有横截面形状，该横截面形状是基本为圆形的形状，或者基本为椭圆的形状，或者基本为矩形的形状，

其中所述天线罩是结构天线罩或非结构天线罩，并且其中所述结构天线罩的横截面形状的最小尺寸小于0.194倍的所述天线收发的无线信号的波长，并且其中所述非结构天线罩的横截面形状的最小尺寸小于0.099倍的所述天线收发的无线信号的波长。

6.根据权利要求1所述的天线，其中所述天线的长度是响应于期望增益而设置的。

7.根据权利要求1所述的天线，其中所述天线被配置成收发水平极化的全向无线信号。

8.一种用于无线电磁通信的天线，包括：

成形为具有螺旋式横截面的表面，该表面形成内腔，所述表面形成到外表面的内部通道，所述表面形成空腔和通道共用的内壁，该内壁具有配置成允许射频(RF)能量进入通道的纵向开口，所述表面具有横截面形状，该横截面形状是基本为圆形的形状、基本为椭圆的形状或者基本为多边形的形状，

其中所述天线的长度响应于所述天线收发的无线信号的波长而被设置；

导电馈线，该馈线具有馈电，该馈电和所述纵向开口电耦连以沿所述纵向开口感应电场，所述馈电和所述纵向开口通过导电接触、电感耦连或电容耦连中的至少一个彼此电耦连。

9.根据权利要求8所述的天线，其中所述天线可在多个波长上使用，并且其中所述天线的长度是变化的，以确定所述天线的增益。

10.根据权利要求8所述的天线，其中所述天线可在多个波长上使用，所述天线进一步包括多个馈电，该多个馈电和所述纵向开口电耦连以沿所述纵向开口感应多个电场，其中所述多个电场的相位关系至少部分基于所述多个馈电的位置，

并且其中所述天线的长度是变化的，以确定所述天线的增益。

11.一种包括多个如权利要求9的天线的天线阵列，其中所述多个天线中的每一个具有一个或者更多个馈电，该一个或者更多个馈电在所述多个天线的每个之间产生期望的相位关系。

12.根据权利要求8所述的天线，其中所述天线被配置成具有基本与地球表面限定的平面垂直的天线的垂直轴，所述天线进一步被配置成在被加电时，发出水平极化的电场。

13.一种用于无线电磁通信的基本为全向的水平极化天线，包括：

具有螺旋式横截面的导电表面，该表面形成内腔，所述表面形成到外表面的内部通道，所述表面形成内腔和内部通道共用的内壁，该内壁具有配置成允许射频(RF)能量进入通道的纵向开口，所述表面具有横截面形状，该横截面形状是基本为圆形的形状、基本为椭圆的形状或者基本为多边形的形状，

所述天线的长度响应于所述天线收发的无线信号的波长；所述天线的长度响应于期望增益而设置，且所述天线被配置成收发水平极化的全向无线信号；

导电馈线，该馈线具有馈电，该馈电和所述纵向开口电耦连以在所述天线被加电时，沿所述纵向开口感应电场；

所述馈电和所述纵向开口通过导电接触、电感耦连或电容耦连中的至少一个彼此电耦连；和

天线罩，其至少部分围住所述天线。

14.根据权利要求13所述的天线，其中所述馈电位于所述天线顶部和所述天线中间点之间的天线上的一选定点，该选定点使所述天线发射的RF能量波束向下倾斜。

15.根据权利要求13所述的天线，其中所述馈电位于所述天线中间点和所述天线底部之间的天线上的一选定点，该选定点使所述天线发射的RF能量波束向上倾斜。

16.根据权利要求13所述的天线，进一步包括一个或者更多个馈电，其中该一个或者更多个馈电被配置成可调节的，以调节感应电场的幅度和/或相位。

17.根据权利要求16所述的天线，进一步包括滑动装置，其中该滑动装置耦连到所述一个或者更多个馈电，且所述滑动装置沿所述表面导向，所述滑动装置被配置成调节所述一个或者更多个馈电的位置。

18.根据权利要求16所述的天线，其中所述馈线包括一个或者更多个开关装置，该一个或者更多个开关装置耦连到一个或者更多个馈电，该一个或者更多个馈电位于所述天线上的选定位置，使得所述天线产生期望的辐射图案。

19.根据权利要求16所述的天线，其中所述馈线包括一个或者更多个开关装置，该一个或者更多个开关装置耦连到一个或者更多个馈电，使得所述天线至少部分地通过激活所述一个或更多个开关装置来产生期望的辐射图案。

20.一种用于无线电磁通信的基本为全向的水平极化天线，包括：

导电表面，该表面形成内腔，所述表面形成被配置成允许射频(RF)能量进入所述内腔的开口，

其中所述天线的长度响应于所述天线收发的无线信号的波长；且所述天线被配置成收发水平极化的全向无线信号；

导电馈电，该馈电和所述开口电耦连；和

天线罩，其至少部分围住所述天线，所述天线罩具有横截面形状，该横截面形状是基本为圆形的形状、基本为椭圆的形状或者基本为矩形的形状中的一种或组合，