CN102771011B - 用于接收和/或发射电磁波的装置，包括该装置的系统以及该装置的使用方法 - Google Patents

用于接收和/或发射电磁波的装置，包括该装置的系统以及该装置的使用方法 Download PDF

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Abstract

一种适用于接收和/或发射自由空间波长λ0在1mm至10cm之间的电磁波的装置，包括：固体电介质材料的媒质(11)且使得自由空间波长λ0对应于在媒质内的波长λ，多个导体元件(12)组合在媒质内并且相互间隔的距离小于λ/10，以及一个天线元件(13)。导体元件不是环路元件。在导体元件中的调整导体元件具有距离所述天线元件的距离小于λ/10的第一端面且其具有长度Hwire，以适用于在调整导体元件内产生对应于波长λ的电磁谐振。

Description

用于接收和/或发射电磁波的装置,包括该装置的系统以及该装置的使用方法
技术领域
本发明涉及适用于接收和/或发射电磁波的装置，包括该装置的系统以及该装置的使用方法。
背景技术
从申请人拥有的专利WO 2008/007024得知，装置具有由多个金属辐射器围绕着的反射型天线元件。采用这种设置，电磁波以亚波长距离聚焦靠近天线元件的点i上。
这个装置是有效的，但是仍然需要改进。
发明内容
本发明的一个目的在于提供适用于接收和/或发射电磁波的改进装置。
为此目的，本发明提供一种适用于接收和/或发射自由空间波长λ0在1mm至1m之间的电磁波的装置，包括：
-固体电介质材料的媒质，其至少具有基本平面的第一表面，自由空间波长λ0对应所述媒质(11)内的波长λ；
-多个导体元件组合在所述媒质内，各个导体元件是具有预定长度的电缆且沿着所述第一表面相交的方向在接近于所述第一表面的第一端面和远离第一表面的第二端面之间延伸，并且两个相邻的导体元件相互间隔的距离小于λ/10，
其中第二端面与第一端面之间的距离大于λ/10，以及
其中导体元件包括第一点和第二点且两者之间沿着导体元件的曲线距离大于λ/4，所述第一和第二点之间的直线距离大于λ/10，
-至少一个天线元件，用于连接着电子装置(14)，以接收或发射表示所述电磁波的电信号(S)，
其中，在导体元件内的至少一个调整导体元件具有距离所述天线元件的距离小于λ/10的第一端面，所述调整导体元件具有适用于沿着所述调整导体元件产生对应于所述波长λ的电磁谐振。
由于这些特征，所述装置包括调整导体元件且其具有与组合所述导体元件的媒质(线缆媒质)的横电磁模(TEM)相一致的电磁谐振。因此，装置能够有效地接收或发射电磁波，并且该装置的尺寸非常紧凑。在沿着垂直于方向D的横向或侧向X、Y方向上的尺寸很紧凑。
在装置的各种实施例中，可以选择性组合以下一项或多项特征：
-在所述媒质内的多种横电磁模具有沿着所述第一表面的电场矢量和磁场矢量以及具有沿着所述方向的传播矢量，并且所述多种横电磁模具有对应于波长λ的媒质谐振频率；
-天线元件定位于媒质的横电磁模的至少一个波腹附近；
-装置还包括其它天线元件，用于连接适用于接收和发射其它电信号的电子装置，所述其它天线元件不同于所述天线元件，以及其它电信号不同于所述电信号，调整导体元件具有距离所述其它天线元件的距离小于λ/10处的第一端面；
-天线元件定位于媒质的横电磁模的至少一个波腹附近，以及其它天线元件定位于媒质的横电磁模的至少其它一个波腹附近，波腹和其它波腹属于不同的横电磁模；
-天线元件为导体元件中的一个元件；
-天线元件为充分接近于所述第一表面的电路板的导体；
-长度Hwire在0.7.N.λ/2和N.λ/2之间，其中N为自然整数；
-长度Hwire大约等于N.λ/2，其中N为自然整数；
-装置还包括在导体元件中的其它调整导体元件，其它调整导体元件不同于所述调整元件，其它调整导体元件具有距离所述天线元件的距离小于λ/10的第一端面，并且所述其它调整导体元件具有其它长度Hwire *，其适用于沿着所述其它调整导体元件来产生对应于其它波长λ*的电磁谐振，其它波长λ*不同于波长λ，使得所述天线元件能够同时接收和/或发射所述波长λ和其它波长λ*的电磁波；
-方向是直线，使得有源导体元件是沿着该方向的线性线缆；
-媒质包括第二表面(S2)，所述第二表面基本为平面且与所述方向交叉，并且不与所述第一表面相平行，使得所述媒质具有斜面的形状，组合在所述媒质内的导体元件具有适用于波长范围的多个长度；
-方向为在所述第一表面和所述第二表面之间的弧形方向且包括弧线的中心，使得靠近所述弧线中心的导体元件具有小于其它导体元件的长度；
-装置还包括在导体元件中的其它调整导体元件，所述其它调整导体元件不同于所述调整导体元件，并且其它调整导体元件具有距离所述天线元件的距离小于λ/10的第一端面，其它调整导体元件包括覆盖在所述其它调整导体元件的电介质层，以适用于沿着所述其它调整元件来产生对应于其它波长λ*的电磁谐振，所述其它波长λ*不同于所述波长λ，使得天线元件能够同时接收和/或发射所述波长λ和所述其它波长λ*的电磁波；
-媒质包括适用于校正媒质折射率的孔洞。
-导体元件的第一端面在所述第一表面内有规则的分隔开，在所述第一表面上形成周期性的图形；
-媒质还包括在所述媒质周边从第一表面以及大致沿着方向延伸的侧边表面，并且所述侧边表面由导体材料覆盖；
-导体元件的各个第一端面连接着选自电质量、恒定电势、无源阻抗，电阻阻抗，容抗和感抗的列表中的电荷；
-曲线距离大于λ/2。
本发明的另一目的在于提供包括适用于接收和/或发射电磁波的装置的系统，其中，天线元件连接着适用于接收和/或发射表示所述电磁波的电信号的电装置。
本发明另一目的在于提供所述装置的使用方法，该装置适用于接收和/或发射电磁波且其自由空间波长λ0在1mm至1m之间，优选为的在10cm至40cm之间。
本发明的其它特征和优点将通过参考附图的下文6个非限制性实施例的阐述而变得明晰。
附图包括：
-图1示出了根据本发明适用于接收或发射电磁波的装置的透视图；
-图2a、2b和2c示出了图1所示装置中的三种横电磁模的三个示图；
-图3示出了本发明的第二个实施例，包括具有斜面形状的媒质；
-图4示出了本发明的第三个实施例，包括具有弧形形状的媒质；
-图5示出了本发明的第四个实施例，包括围绕着装置的一些导体元件周围的电介质层；
-图6示出了本发明的第五个实施例，包括在装置媒质内的孔洞；
-图7示出了本发明的第六个实施例，包括不平行的导体元件；
-图8示出了属于上述任一实施例的装置的导体元件的细节示图。
具体实施方式
在不同的附图中，相同的标记表示相同或相似的元件。方向Z为垂直方向。方向X或Y为水平方向。
图1表示装置10的第一实施例，该装置用于接收或发射在空间中的电磁波W，并且电磁波所具有的自由空间波长λ0在1mm至1m之间，优选为在10cm至40cm之间。
所述装置包括：
-固体电介质材料的媒质11
-多个导体元件12，为组合在所述媒质11中的电缆，以及，
-天线元件13，用于连接着适用于接收或发射所述表示电磁波W的电信号S的电子装置14。
媒质具有折射率nd。
空间可以为空气并可认为其折射率等于1。
自由空间波长λ0对应于在所述媒质11内的波长λ并具有下列关系：nd.λ＝λ0。
媒质11具有平行的形状，包括第一表面S1和沿着垂直方向Z相对于第一表面的第二表面S2。所述第一和第二表面S1、S2是基本平行的表面。方向D大致是垂直于所述平面和平行于垂直方向Z的直线。第一和第二表面S1、S2是高度数值H的距离。
媒质具有电导率εd。
导体元件12为具有一定直径并且沿着所述方向D延伸的圆形电缆。这些导体元件12具有在所述第一表面S1上的第一端面12a和在所述第二表面S2上的第二端面12b。各个导体元件12具有相同数值H的长度。在第一个实施例中，导体元件12在第一表面S1上或垂直于所述垂直方向Z的任何平面XY上形成有规则分隔开的矩形网格。导体元件12沿着垂直方向D相互平行并沿着方向X或Y相互分隔开且其距离小于λ/10。该亚波长距离d为所述网格的步长。因此，导体元件12构成线缆的有规则网格。
一个或多个天线元件13安装在所述第一表面S1或所述第二表面S2或同时安装在两个表面上。天线元件13以单一电信号S的馈送方式来发射或接收单一电磁波W，或以多个电信号的馈送方式来同时发射或接收多个电磁波。
在这类包括嵌入在媒质11内的线缆导体元件12的线缆媒质中，磁场矢量B和电场矢量E都垂直于所述方向D，并且传播波矢量K与所述方向D在同一直线上的传播矢量。电磁波W为在所述媒质11内沿着方向D传播的平面波。
磁场矢量B和电场矢量E具有在所述媒质11内的横电磁模TEM且具有波节和波腹。这些TEM模具有沿着方向X和Y的亚波长变化。图2a，2b和2c表示了根据三种不同模在媒质11内的电场矢量E的幅度变化，其中媒质11组合了7×7的导体元件12。各种模在媒质11中具有不同的图形并且垂直于其它模。由于该物理特性的多样性，在媒质11边界上的多个天线元件13的电信号都是相互非相关的。这些天线元件13可以相互单独使用或者用于多输入多输出(MIMO)的结构。此外，多个天线或天线阵列是在尺寸上非常紧凑。
线缆媒质是非色散媒质并且其色散关系式为：
ω＝kz.c/nd，
其中：
kz为传播波矢量K的Z分量数值，
C为在真空中的电磁波速度，
nd为媒质材料的折射系数。
例如，空气的折射系数为1，而环氧树脂的折射系数为2。
因此，媒质11是各向异性的媒质。各个TEM模具有相同的传播速度和具有相同的谐振频率f，f＝ω/(2.π)。
媒质11的所有或部分导体元件12都可调整至所述谐振频率f。导体元件12可以具有在0.7.N.λ/2和N.λ/2之间的特定长度Hwire，其中：
-N为自然整数，以及，
-λ为在媒质中的波长。
更具体的说，导体元件12可以具有特定的长度Hwire：
Hwire＝N.λ/2
调整导体元件12因此具有与TEM模的谐振频率相一致的谐振频率。
由于这些调整，TEM模可以激励或通过组合在所述媒质11部内的大多数导体元件12进行激励。
优选的，天线元件13可以定位于媒质11的横电磁模的至少一个波腹附近。这样能够改善接收和/或发射电磁波长的灵敏度。
多个天线元件13可设置在所述装置内。多个天线元件13各自可定位于横电磁模TEM的不同波腹附近。因此，各个天线元件13可采用单一电信号S的馈送方式。随后，激励属于TEM的多种模，并由更多的导体元件12用于接收和/或发射电磁波W。籍助于这样的方法来影响装置的辐射图。
多个天线元件13可设置在装置内。多个天线元件13各自可以定位于横电磁模TEM的不同波腹附近。因此，各个天线元件13可采用不同电信号S的馈送方式。籍助于这样的方法，使得装置可同时接收和/或发射不同的且独立的电磁波W。
在第一个变化实施例中，天线元件13可以简单为连接着电子装置14的线缆媒质中的一个导体元件12。
在第二个变化实施例中，天线元件13为电路板上的导体缝隙或引线，所述电路板接近于媒质11的第一表面S1和/或第二表面S2。
在各种变化实施例中，有可能在所述媒质内产生不同谐振频率的TEM模。
在图3所示的第二个实施例中，上述的电缆媒质沿着平面且不平行于所述第一表面S1进行切割，以形成斜面的形状。组合在所述媒质内的导体元件12具有在Hwire，min和Hwire，max之间的多个长度。Hwire，min对应于媒质最低部分的高度，Hwire，max对应于媒质最高部分的高度。装置适用于对应高度范围的预定波长范围。
在图4所示的第三个实施例中，方向D为在所述第一表面S1和第二表面S2之间的弧形方向。例如，媒质由柔性片制成的且柔性片表面上具有导体带，这些带呈弧形并层叠在一起。导体带(导体元件)12接近弧形中心或具有比较大半径的导体带状物较短的短半径。
在图5所示的第四个实施例中，一些导体元件12具有覆盖所述导体元件的电介质层15。电介质层15具有不同于媒质11的电导率εd的电导率εlayer。由所述电介质层15覆盖的导体元件2的谐振频率不同于不具有所述层15的导体元件12的谐振频率。
在图6所示的第五个实施例中，所述媒质11进行钻孔，以形成孔洞16。所述孔洞用于校正在预定元件12附近的媒质11的折射系数nd。
在图7所示的第六个实施例中，导体元件12不是相互平行的。导体元件12的长度在媒质内变化。
此外，与上述实施例相比较，导体元件12不沿着第一表面S1形成周期性的图形。
由于上述5个不同的实施例，媒质11包括多个谐振频率，以及适用于接收或发射电磁波的装置具有扩展的带宽。
补充和相应的更多变化实施例：
—媒质的侧面表面LS可采用导体材料覆盖；
—第一表面可具有接地面；
—导体元件12可构成环路或曲线形状；
—天线元件13可以是单极的或双极的；
—天线元件13可以短于波长或者长于波长的线缆；
—天线元件13可以或者沿着第一表面S1或者沿着第一和第二表面S1、S2组合在媒质11内。
本发明的装置10可以采用众所周知的方法来制造。例如，可以使用在环氧材料上腐蚀的多层铜，各层铜都包括在层平面内的多个导体元件。
在本发明的所有实施例中，如图1至图7所示，导体元件12不能形成环路。
环路导体元件是电感性的。
这类环路导体元件可以与电容性元件组合在一起，使之具有电性能LC谐振器的行为，用于接收或发射磁场。
在这样的情况下，距离属于导体元件12的第一和第二端面之间的端面距离小于λ/10。
这样构成环路的导体元件12通常称之为开环元件或者容性负载环路或者模拟磁导体。
适用于使用这类电环路来接收和/或发射电磁波的装置通常是平坦的，并且通常在横向或侧向方向X、Y具有较大的尺寸。
本发明申请中的导体元件12不具有这类完整的电性能。导体元件12主要是可以弯曲的线性电缆。他们具有沿着其长度的电磁谐振，以用于接收或发射电磁波。
导体元件12不构成适用于产生以波长λ振荡的电磁场的环路。
如图8所示，属于各个导体元件12的第一端面12a和第二端面12b相互之间的端面距离大于亚波长λ/10。该波长λ是在媒质11的电介质材料内的波长。
第一和第二端面具有一定的间距距离。与环路导体相比，导体元件12不产生显著的电容效应。
导体元件12所具有的形状使得如果属于所述导体元件12的第一和第二点P1、P2相互之间沿着导体元件12的曲线距离大于λ/2或λ/4，那么在第一和第二点之间的直线距离大于λ/10。
在第一和第二点P1、P2之间的部分导体元件12不构成环路。与环路导体相比，导体元件12不产生显著的电感效应。
导体元件12不能呈现出具有对应于电磁波的波长λ的谐振频率的电性能LC谐振器的行为。
由于导体元件12的形式，基本为线性或弧形的线缆，则适用于接收和/或发射电磁波的装置在垂直于方向D的横向或侧向方向X、Y上的尺寸十分紧凑。
导体元件12在侧向方向X、Y上相互接近，两个相邻的导体元件相互间隔距离小于λ/2。各个导体元件12的电磁场和谐振与相邻导体元件的电磁场和谐振相耦合，从而提供复杂的TEM模。

Claims (21)

1.一种适用于接收和/或发射自由空间波长λ0在1mm至1m之间的电磁波的装置，包括：
-固体电介质材料的媒质(11)，其至少具有基本平面的第一表面(S1)，自由空间波长λ0对应于所述媒质(11)内的波长λ，
-多个导体元件(12)组合在所述媒质内，各个导体元件为具有预定长度的电缆且其沿着与所述第一表面(S1)相交叉的方向(D)在接近于所述第一表面的第一端面(12a)和远离所述第一表面的第二端面(12b)之间延伸，并且两个相邻的导体元件(12)相互间隔距离小于λ/10，
其中，第二端面距离第一端面的端面距离大于λ/10，
其中，导体元件包括第一点和第二点，两者相互之间沿着导体元件的曲线距离大于λ/4，所述第一点和第二点相互之间的直线距离大于λ/10，
-至少一个第一天线元件(13)，用于连接着适用于接收或发射第一电信号(S)的电子装置(14)，
其中：在导体元件中的至少一个第一调整导体元件具有距离所述第一天线元件(13)的距离小于λ/10的第一端面，并且所述第一调整导体元件的长度为Hwire，用于沿着所述第一调整导体元件来产生对应于波长λ的电磁谐振。
2.根据权利要求1所述的装置，具有在所述媒质内的多种横电磁模(TEM)且其具有沿着所述第一表面(S1)的电场矢量和磁场矢量以及沿着所述方向(D)的传播矢量，其中所述多个横电磁模具有对应于波长λ的媒质谐振频率。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一天线元件(13)定位于所述媒质(11)的横电磁模(TEM)的至少一个第一波腹附近。
4.根据权利要求1所述的装置，还包括其它天线元件(13)，用于连接着适用于接收和发射其他电信号的电装置，所述其它天线元件不同于所述第一天线元件，以及其它电信号不同于所述第一电信号，其中所述第一调整导体元件具有距离所述其它天线元件的距离小于λ/10的第一端面(12a)。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，具有在所述媒质内的多种横电磁模(TEM)且其具有沿着所述第一表面(S1)的电场矢量和磁场矢量以及沿着所述方向(D)的传播矢量，其中所述多个横电磁模具有对应于波长λ的媒质谐振频率；并且还包括其它天线元件(13)，用于连接着适用于接收和发射其他电信号的电装置，所述其它天线元件不同于所述第一天线元件，以及其它电信号不同于所述第一电信号，其中所述第一调整导体元件具有距离所述其它天线元件的距离小于λ/10的第一端面(12a)；其中所述第一天线元件(13)定位于所述媒质的横电磁模(TEM)的至少一个第一波腹附近，并且所述其它天线元件定位于所述媒质(11)的横电磁模(TEM)的至少其它一个波腹附近，所述第一波腹和其它波腹属于不同的横电磁模(TEM)。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一天线元件(13)为导体元件(12)中的一个元件。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一天线元件(13)为接近于所述第一表面的电路板的导体。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述长度Hwire在0.7.N.λ/2和N.λ/2之间，其中N为自然整数。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述长度Hwire等于N.λ/2，其中N为自然整数。
10.根据权利要求1所述的装置，还包括在导体元件中的其它调整导体元件，所述其它调整导体元件不同于所述第一调整元件，其中所述其它调整导体元件具有距离所述第一天线元件的距离小于λ/10的第一端面，并且其它调整导体元件具有另一个长度Hwire *，其适用于沿着其它调整导体元件来产生对应于其它波长λ*的电磁谐振，其他波长λ*与波长λ，使得所述第一天线元件能够同时接收和/或发射所述波长λ和其它波长λ*的电磁波。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述方向是直线的，使得有源导体元件是沿着所述方向(D)的线性线缆。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述媒质包括第二表面(S2)，所述第二表面为基本平面且与所述方向交叉和不平行于所述第一表面，使得所述媒质具有斜面的形状，组合在所述媒质内的导体元件具有适用于波长范围的多个长度。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述方向为在所述第一表面和所述第二表面之间的弧形方向，并且包括弧形的中心，使得接近于所述弧形中心的导体元件具有小于其它导体元件的长度。
14.根据权利要求1所述的装置，还包括在导体元件中的其它调整导体元件，所述其它调整导体元件不同于所述第一调整导体元件，并且所述其它调整导体元件具有距离所述第一天线元件的距离小于λ/10的第一端面，其它调整导体元件包括覆盖在所述其它调整导体元件的电介质层，以便于沿着所述其它调整元件来产生对应于其它波长λ*的电磁谐振，所述其它波长λ*不同于所述波长λ，使得第一天线元件能够同时接收和/或发射所述波长λ和所述其它波长λ*的电磁波。
15.根据权利要求1中所述的装置，其特征在于，所述媒质包括用于校正媒质折射率的孔洞。
16.根据权利要求1中所述的装置，其特征在于，所述导体元件的第一端面在所述第一表面内有规则的分隔开，以便在所述第一表面(S1)内形成周期性图形。
17.根据权利要求1中所述的装置，其特征在于，所述媒质还包括围绕着所述媒质从第一表面和基本沿第一表面方向延伸的侧边表面，其中所述侧边表面由导体材料覆盖。
18.根据权利要求1中所述的装置，其特征在于，所述导体元件的各个第一端面连接着选自地电位、恒定电势、无源阻抗、电阻阻抗、电容阻抗和电感阻抗列表中的电荷。
19.根据权利要求1中所述的装置，其特征在于，所述曲线距离大于λ/2。
20.包括根据权利要求1至19中任一项所述的适用于接收和/或发射电磁波的装置的系统，其特征在于，所述第一天线元件(13)连接着适用于接收和/或发射表示所述电磁波的第一电信号的电子装置。
21.根据权利要求1至13中任一项所述的装置的使用方法，适用于接收和/或发射自由空间波长λ0在1mm至1m之间。
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