CN102800927B - 通过多模行波(tw)的微型化超宽带多功能天线 - Google Patents

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Abstract

一种通过多模行波(TW)的微型化超宽带多功能天线，包括在底部的传导接地面、多条同心馈电电缆、一个或多个全向一维(1-D)标准模式和二维(2-D)表面模式行波(TW)辐射体、频率选择式内部和外部耦合器、以及在顶部的单向辐射体，一个在另一个顶上地堆叠且级联。该多功能天线被配置为单一结构，其单向辐射体和多个全向TW辐射体可以分别覆盖在各种平台上所需要的具有单向和全向的辐射方向图的大多数卫星通信和地面通信。这种新型多功能天线是超宽带、微型化和低成本的，因此对于在汽车和其他小型平台上的应用具有吸引力。作为多功能天线，可为地面通信实现上至1000:1或更大比率的连续带宽，以及可为卫星通信实现10:1或更大比率的连续带宽。

Description

通过多模行波(TW)的微型化超宽带多功能天线
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年5月26日提交的、标题为“MiniaturizedUltra-WidebandMultifunctionAntennaViaMulti-ModeTraveling-Waves(TW)(通过多模行波(TW)的微型化超宽带多功能天线)”、具有序列号61/490,240的待审美国临时申请的优先权，本文通过引用将其整体并入。
技术领域
本发明一般涉及射频天线，并且更具体地涉及覆盖地面和卫星通信两者并且共形的多功能天线，该多功能天线用于安装到如汽车、个人计算机、手机、飞机等的平台上。
背景
天线是任何无线系统的核心部分。随着无线系统的普及，天线变得日益繁多并且因此很难容纳在任何有限表面的平台上。一种明显的解决方案是采用可以处理多个功能的天线以使较少天线被使用在平台上。例如，一家举足轻重的汽车制造商已经公开宣布其目标是将一些高端轿车上的二十四条天线减少到单一的多功能天线。对于从汽车到手机的平台而言，这样一种多功能天线还必须具有足够小的大小和覆盖区(footprint)、低生产成本、坚固性和审美诉求。对于机载仪器平台而言，多功能天线还必须具有足够小的大小和覆盖区以及具有低剖面的空气动力学形状。
图1示出了概述可实现在汽车上的普通无线系统的表格，这些普通无线系统中的许多还可用于移动电话、个人计算机和在地面上或在空中的其他小型或大型平台。由于越来越多的无线系统涌现，如各种移动卫星通信系统、UWB(超宽带)系统等，该表格绝不是完整无遗的，该表格也不是符合所有惯例的，其中一些随着时间改变或随着地理位置变化。另外，无线服务仍然在扩展，因此需要多功能天线。
这些多功能天线已经被论述在出版物(J.J.H.Wang,V.K.Tripp,J.K.Tillery和C.B.Chambers,“Conformalmultifunctionantennaforautomobileapplication(用于汽车应用的共形多功能天线),”1994URSIRadioScienceMeeting(无线电科学会议),Seattle,Washington,p.224,1994年6月19-24日；J.J.H.Wang,“ConformalMultifunctionAntennaforAutomobiles(用于汽车的共形多功能天线),”2007InternationalSymposiumonAntennasandPropagation(2007年天线和传播国际研讨会)(ISAP2007),Niigata,Japan,2007年8月；J.J.H.Wang,“MultifunctionAutomobileAntennas-Conformal,Thin,withDiversity,andSmart(多功能汽车天线-共形的、薄的、具有多样性和智能),”2010InternationalSymposiumonAntennasandPropagation(2010年天线和传播国际研讨会)(ISAP2010),Macao,China,2010年11月23-26日,)和美国专利(第5,508,710号,授权于1996年；第5,621,422号,授权于1997年；第6,348,897号,授权于2002年；第6,664,932号,授权于2003年；第6,906,669B2号,授权于2005年；第7,034,758B2号,授权于2006年；第7,545,335B1号,授权于2009年；第7,839,344B2号,授权于2010年)中，本文通过引用将其并入。
由于多功能天线必须覆盖一般工作在不同的频率处的两个或多个无线系统，已经通过前所未有更广泛的宽带覆盖范围标记了其改进。由于在任何平台上，尤其是理想或适合于天线安装的平台上的表面面积是有限的，多功能天线的配置的基本要点是关于共享孔径、尺寸微型化，并且与安装多功能天线的平台的一致性。由于多功能天线减少所采用的天线的数量，使得多功能天线具有固有成本优势；如果多功能天线被配置成依照行业中的低成本生产技术，那么该优势可以进一步提高。关于这一点，两个近期的美国专利申请所揭露的要求保护的技术具有这些优点(于2011年3月30日提交，申请号61/469,409；于2011年4月11日提交，申请号13/082,744)，本文通过引用将其并入。这两个申请基于依照平面生产技术的超宽带低剖面行波(TW)结构的配置。
需要指出的是，在这两个专利申请中提到的两种类型的多功能天线具有不同的空间辐射方向图。在申请号61/469,409中的天线辐射出单向半球形的方向图，而在申请号13/082,744中的天线辐射出全向方向图。该申请公开了一类多功能天线，其通过利用多个不同的TW结构辐射出一些或所有卫星和地面服务(如在图1中所概述的)各自需要的单向方向图和全向方向图。
在现有技术中，一种减小2-D表面TW天线的大小的技术是减小相速度，从而减小传播的TW的波长。这导致微型化的慢波(SW)天线(Wang和Tillery，于2000年授权的美国专利第6,137,453号，本文通过引用将其并入)，其允许以牺牲一些性能为代价来换取天线的直径和高度的减小。SW技术一般适用于那些具有全向和单向的辐射方向图的所有TW天线。
SW天线是TW天线的子类，其中TW是一种慢波，其具有以慢波因数(SWF)为特征的有效相速度减小。SWF被定义为TW的相速度Vs与光速c的比率，其由以下关系式给出
SWF＝c/Vs＝λo/λs(1)
其中c是光速，λo是在自由空间中的波长，以及λs是在工作频率fo上的慢波的波长。需要指出的是，工作频率fo在自由空间中和在慢波天线中保持相同。SWF指示TW天线在相关线性维数上减小多少。例如，具有为2的SWF的SW天线意味着其在SW传播的平面中的线性维数被减小到常规TW天线的线性维数的1/2。需要指出的是，对于大小减小而言，由于天线大小与天线直径的平方成比例，但与天线高度仅成线性比例，因此减小直径而不是高度将更加有效。还需要指出的是，在本公开内容中，无论何时提及TW，一般都要包括SW的情况。
随着无线系统的普及，要求天线具有越来越宽的带宽、较小的大小/重量/覆盖区以及平台一致性，这尤其是对于频率UHF和在更低的频率(即，低于1GHz)而言是很难设计的。另外，对于在具有有限空间和承载容量的平台上的应用而言，非常需要减小体积和重量，以及减小一般由减小体积和重量所造成的大大超过目前技术水平的制造成本，甚至在一些应用中明确要求了这种减小。本发明的类别的多功能天线公开了解决所有这些问题的技术。
发明内容
一种通过多模行波(TW)的微型化超宽带多功能天线，包括在底部的传导接地面、多条同心馈电电缆、一个或多个全向一维(1-D)标准模式和二维(2-D)表面模式行波(TW)辐射体、频率选择式内部和外部耦合器、以及在顶部的单向辐射体，一个在另一个顶上地堆叠且级联。该多功能天线被配置为单一结构，其单向辐射体和多个全向TW辐射体可以分别覆盖在各种平台上所需要的具有单向和全向的辐射方向图的大多数卫星通信和地面通信。这种新型多功能天线是超宽带、微型化和低成本的，因此对于在汽车和其他小型平台上的应用具有吸引力。作为多功能天线，可为地面通信实现上至1000:1或更大比率的连续带宽，以及可为卫星通信实现10:1或更大比率的连续带宽。
附图说明
图1是概述可用于汽车的无线服务的表格。
图2示出了安装到一般弯曲的平台表面上的多功能天线的一个实施方式。
图3示出了与TW天线中的四个基本模式相对应的四个垂直辐射方向图。
图4示出了基于多模3-DTW的超宽带微型化多功能天线的一个实施方式。
图5A示出了用于分别给图4中的全向辐射体和单向辐射体馈电的超宽带双模馈电网络的A-A截面视图。
图5B示出了用于分别给图4中的全向辐射体和单向辐射体馈电的超宽带双模馈电网络的透视图。
图5C示出了用于分别给图4中的全向辐射体和单向辐射体馈电的超宽带双模馈电网络的底视图。
图6示出了作为另一模式-0全向TW辐射体的平面宽带开槽阵列的一个实施方式。
图7A示出了作为另一全向TW辐射体的正方平面对数周期开槽阵列的一个实施方式。
图7B示出了作为另一全向TW辐射体的伸长平面对数周期结构的一个实施方式。
图8A示出了作为另一全向TW辐射体的圆形平面蜿蜒结构的一个实施方式。
图8B示出了作为另一全向TW辐射体的锯齿形平面结构的一个实施方式。
图8C示出了作为另一全向TW辐射体的伸长平面对数周期结构的一个实施方式。
图8D示出了作为另一全向TW辐射体的平面对数周期自互补结构的一个实施方式。
图9A示出了具有单向辐射体和双全向辐射体的多功能天线的一个实施方式的侧视图。
图9B示出了具有单向辐射体和双全向辐射体的图9A的多功能天线的顶视图。
图9C示出了具有单向辐射体和双全向辐射体的图9A的多功能天线的A-A截面视图。
图10A示出了在1.0-8.0GHz上从模式-1卫星服务终端所测量的、图9A-9C中的天线的VSWR。
图10B示出了在1.1-4.0GHz上从模式-1卫星服务终端代表性地测量的、图9A-9C中的天线的辐射方向图。
具体实施方式
本发明公开了使用多模3-D(三维)TW(行波)结构、波耦合器和去耦器、双模馈电网络和阻抗匹配结构来实现的一类超宽带微型化多功能天线，其具有的已经被极大地减小了的大小、重量、高度和覆盖区在很大程度上超越了平台安装式多功能天线的现有技术水平。
现在参考图2，其描述的是安装到平台30的一般弯曲的表面上的多功能低剖面3-D多模TW天线10；在识别天线10和其安装平台30之间的相互作用，尤其在天线的尺寸以波长来计算较小时，将天线/平台组件共同标示为50。天线被共形地安装到平台的表面上，所述表面一般是曲线状的，如通过在直角坐标系和其在点p处的各自的切向量所描绘的。作为一个实际问题，天线通常位于平台上的相对平坦的区域上，由于TW天线具有其自身的传导接地面，因此其不必完美地与平台表面共形。传导接地面一般被选择为标准形状(canonicalshape)，如平面、圆柱形、球形或圆锥形形状的一部分，其中所述标准形状制造容易且成本低廉。
在平台的表面上的任意点p，正交曲线坐标uS1和uS2平行于该表面，并且un垂直于该表面。多功能多模TW天线10优选是有扁圆柱(pillbox)堆栈的形状，所述扁圆柱的中心轴的定向平行于un或z轴(天顶(zenith))。对于天线的辐射方向图的描述，垂直于z轴并且穿过天线的相位中心的平面被称为方位面，而包含z轴并且穿过天线的相位中心的平面被称为高程面(elevationplane)。对于场点，它关于z轴的角被称为方位角，而其高程面上的角被称为仰角。更确切地说，球面坐标系通常被使用在天线方向图中。在平行于该表面，即垂直于un的方向上传播的TW，被称为表面模式TW。如果表面模式TW的路径是沿着窄路径的，无须是线性或笔直的，那么TW是1-D(一维)的。否则表面模式TW的路径将是2-D(二维)的、径向传播并且优选地从馈电处向外沿着平台表面均匀传播。
根据所涉及的激励和TW结构，2-D表面模式TW天线可以辐射出如图3所示的四个垂直辐射模式中的一个或多个，如在美国专利第5,508,710号中所讨论的。在垂直于天顶轴z的方位面中，在接地面上的任何仰角处的辐射方向图都是一致的(圆形)。本文讨论的理想TW天线具有无限的接地面，因此在传导接地面以下没有场。在现实世界中，就面积而言，接地面是有限的，因此将有侧面和后面的波瓣(lobe)。最普遍采用的TW模式是模式-0(全向)、模式-1(单向)和模式-2(斜全向)。
这些TW模式对2-DTW辐射体是必要的，如以下所解释的。不失一般性地，并且鉴于互易定理，仅考虑发射情况。在馈电点处发射模式-nTW，在该点处的匹配结构确保了阻抗匹配地发射所需TW。由TW结构支持所需的TW，并且当所需的TW向外传播时辐射开来。
可以依据波函数来表达辐射出的电磁场，所述波函数是标量波方程的解，其通过以下方程式给出
Ψn＝exp(jnφ)∫0 ∞g(kρ)Jn(kρρ)exp(jkzz)kρdkρ(2)
在方程式(2)中，采用标准圆柱坐标系(ρ、φ、z)并且标量波被扩展成exp(jnφ)和贝塞尔函数Jn和在k-空间中的任意函数g(kρ)。模式-n波相应于在方程式(2)中n＝0、1、2…的情况。TW天线的基本模式和有用模式的辐射方向图是如图3所示的模式0、1、2和3。本申请利用了这种TW天线的特有多模特征以便在单一孔径上实现多功能性能。
需要指出的是，全向模式-0TW辐射具有水平极化(其垂直于un和连接了场点和TW天线的相位中心的矢量，并且其依赖于方位角)或垂直极化(其正交于水平极化和连接了场和源的矢量，并且其依赖于仰角)。单向模式-1和斜全向模式-2两者均具有圆极化(CP)。极化的方向，即，右旋CP(RHCP)或左旋CP(LHCP)，都是通过激励和TW结构来确定的。
虽然在本公开中的讨论是在发射或者是在接收的情况下进行的，但是由于本文讨论的TW天线由线性无源(passive)材料和部件制成，所以基于互易定理，本文的结果和结论对于这两种情况均有效。
如图4所示，在侧视图和顶视图中，多功能3-D多模TW天线100的一个实施方式包括传导接地面110、由两个单独的馈电网络180和190组成的双模馈电网络、模式-0(全向)2-D表面模式TW结构120、频率选择式外部耦合器140、1-D标准模式(全向)TW结构160、频率选择式外部去耦器150、和具有模式-1(或模式-2或两者兼有的)辐射体171的模式-1(或模式-2或两者兼有的)TW结构170，这些组件被一个在另一个的顶上地堆叠并级联，并且在结构上整合，如图5A-5C所示。模式-1(或模式-2或两者兼有的)TW结构170以单向半球辐射方向图(模式-1)、斜全向辐射方向图(模式-2)、或模式-1和模式-2两者组合来处理卫星通信。模式-0TW结构120和160以全向辐射方向图共同处理地面通信。
通过馈电网络180给具有模式-1(或模式-2或两者兼有的)辐射体171的模式-1(或模式-2或两者兼有的)TW结构170馈电，所述馈电网络180具有外部连接器181并且穿过模式-0(全向)2-D表面模式TW结构120、外部耦合器140、1-D标准模式(全向)TW结构160和外部去耦器150的中心区域。在中心区域中，由具有外部连接器191的馈电网络190给模式-0TW结构120馈电。由模式-0TW结构120通过频率选择式外部耦合器140激励1-D标准模式TW结构160。
为了实现全向和单向半球辐射方向图，在图4中的每一部件均被配置成具有圆形或多边形周边并且在结构上关于纵坐标un或z对称的扁圆柱的形状，以便产生关于un轴对称的辐射方向图，即使3-D多模TW天线100的每一部件仅被描绘为在图4中示出的顶视图中的同心圆形形式也是如此。所有的扁圆柱形的部件均平行于传导接地面110，所述传导接地面可以是标准形状的，比如平面、圆柱状、球状或圆锥状的表面的一部分。同样地，每一TW结构的厚度在电学上较小，一般小于0.1λL，其中λL表示在最低工作频率处的波长。另外，虽然优选的2-DTW结构120关于天线的中心轴对称，模式-02-D表面模式TW结构中的每一个都可以被重新配置成具有伸长的形状以便与特定平台共形。
传导接地面110是内在且固有的部件，并且具有至少与超宽带低剖面2-D表面模式TW结构120的底部一样大的尺寸。在一个实施方式中，传导接地面110具有一表面积，该表面积至少覆盖在-un的方向上从3-DTW天线100(排除或移除其传导接地面110)到平台上的投影。如果需要的话，由于许多平台的顶表面由传导金属制成，使得它们可以直接作为传导接地面110。为了使天线的尺寸最小，2-D表面模式TW结构120一般被设计成在直径上小于λL/2，其中λL是在2-D表面模式TW结构120的单独工作频带的最低频率处的波长。2-D表面模式TW结构120的单独工作频带本身可以通过使用，例如，模式-0SMM(螺旋模式微带)天线来实现10:1的或更多的倍频带宽。1-D标准模式TW结构160支持沿着纵坐标un传播的TW；其作用是扩展2-D表面模式TW结构120的单独工作频率的下界。在一个实施方式中，TW结构160是具有优化的直径和高度的小型传导圆柱状物。
2-D表面模式TW辐射体125，作为2-D表面模式TW结构120的一部分，可以是以模式-0(其中，在离纵坐标un任何特定的径向距离处的等效电流源实质上振幅和相位相等并具有在与具有同样作为z轴的un的直角坐标系(x、y、z)相对应的球面坐标系(r、θ、φ)中的φ极化)受激的平面多臂自互补阿基米德螺旋体，其专门适应于应用。在其他的实施方式中，2-D表面模式TW辐射体125被配置成不同的平面结构，优选为自互补的平面结构，如稍后将更加详细地描述的，并且以模式-0受激。值得一提的是，TW辐射体125优选地在2-D表面模式TW结构120的外缘处打开，用来作为有助于全向辐射的额外的环形开槽。
频率选择式外部耦合器140是薄的平面传导结构，其位于2-D表面模式TW结构120和1-D标准模式TW结构160之间的接触面处，并且被优化成促进和调整这些相邻的TW结构之间的耦合。在2-D表面模式TW结构120的单独工作频带上(一般在10:1比率或更大比率的带宽上)，频率选择式外部耦合器140抑制1-D标准模式TW结构160与2-D表面模式TW结构120的干扰。另一方面，在3-D多模TW天线100的工作频带的较低端上，频率选择式外部耦合器140促进了在2-D表面模式TW结构120和1-D标准模式TW结构160之间的功率耦合。在一个实施方式中，外部耦合器140由传导材料制成并且具有足够大的尺寸以覆盖1-D标准模式TW结构160的基底(底部)。同时地，外部耦合器140可以被优化，使得在2-D表面模式TW结构120的单独工作频带上，该外部耦合器140和1-D标准模式TW结构160对2-D表面模式TW结构120的性能上的影响最小。在一个实施方式中，外部耦合器140是一圆形传导金属板，该圆形传导金属板具有的尺寸在上述的限制下被优化并且被优化用于特定的性能要求。
对2-D表面模式TW结构120和频率选择式外部耦合器140的优化是对于特定应用的实际考虑的所需电性能和物理参数及成本参数之间的折中。特别地，虽然对于天线而言，超宽的带宽和低剖面可能是期望的特征，在许多应用中，2-DTW天线的直径和与其直径的平方成比例的2-DTW天线的大小，不可接受地变大，尤其在频率UHF和在其之下的频率(即，低于1GHz)上变大。例如，在低于1GHz的频率处，波长超过30cm，并且λL/3的天线直径可超过10cm；一般来说用户对大直径的天线抱持负面的看法。因此，对于在具有有限空间和承载容量的平台上的应用而言，微型化和重量减少是合乎需要的。在一个实施方式中，从天线微型化的观点来看，可以通过减小2-D表面模式TW结构120的直径同时通过使用1-D标准模式TW结构160来保持天线在较低频率处的覆盖范围，以便实现按3至5的因数来减小天线的尺寸。从宽频的观点来看，简单2-DTW天线在当添加1-D标准模式TW结构160而小幅增加体积和重量的情况下将10:1倍频带宽加宽至14:1或更多，使其成为3-DTW设计。可选择地，与具有相应的低频率限制的2-DTW天线比较时，可以实现按3至6的因数来减小尺寸和成本。这种成本的节约是尺寸减小的结果，因为尺寸减小导致了在材料和制造成本上的节约。在频率UHF和其之下的频率处，其中天线将是体积庞大的，这时成本和尺寸是特别重要的考虑因素。
模式-1(或模式-2或两者兼有的)2-DTW结构170位于1-D标准模式TW结构160的顶部，并且与1-D标准模式TW结构160去耦合，并且优选是如在美国专利申请号61/469,409中所描述的模式-1TW结构。模式-12-DTW结构170在直径上至少是λL/π，其中λL是在其工作频带的最低频率处的波长。2-DTW结构170还可以是模式-2TW结构，这对于在偏离天顶方向，即偏离坐标轴un或z多于20度角的轨道上运行的某些卫星服务而言可能是更加合乎需要的。然而，模式-22-DTW辐射体要求大于2λL/π的直径，其为模式-1TW辐射体的直径的两倍。去耦器150可以简单地为模式-12-DTW结构170的传导接地面。
天线的馈电网络180和190分别具有其各自的输出连接器181和191，并且分别在图5A、图5B和图5C中以截面视图、透视图和底视图描述了将它们集成到天线100中。如可以看出的，图5A、图5B和图5C简洁地示出了在双电缆馈电网络180和190和天线100内的中间结构之间的复杂且交织的结构关系。给模式-1辐射体馈电的是具有内导体182和外导体183的内电缆(双电缆的内电缆)。给模式-0辐射体馈电的是具有内导体196和外导体199的外电缆(双电缆的外电缆)。内电缆和外电缆共享在183和196的一部分上的共同的圆形圆柱体导体壳。内电缆182/183与封闭式传导扁圆柱186中的混合电路185连接。混合电路185可以简单地为适合于多臂辐射体171的模式-1、模式-2、或模式-1加模式-2激励的平衡-不平衡变换器(balun)，所述多臂辐射体171通过传导线188与平衡-不平衡变换器或混合电路185连接。
馈电网络180和190还共享在两个传导接地面110和193之间的共同的扁圆柱的空间，该空间为包含封闭式微带电路194的区域，该微带电路194通到输出连接器191，用于与提供通常需要全向的辐射方向的地面服务的收发器连接。封闭式微带电路194包括微带线192、传导接地面193，并且该封闭式微带电路位于由传导接地面110和193和平行于轴un或z的垂直传导壁所封闭的传导扁圆柱的内部。这些未被明确显示的传导壁不必是实心的，并且可以是传导销阵列或被电镀的通路孔，其可以更便宜地制造出来。
馈电网络180和190以有点类似于美国专利申请13/082,744中的双频带双馈电电缆组件的方式进行相互调节。例如，模式-1/模式-2馈电网络180的、朝向同轴连接器181延伸超过其与微带线192的接合点的外导体183是电抗，而不是到接地面110的电位短路，这是由于从模式-0微带线馈电190的观点来看，模式-0微带线馈电的接地面是193，并且传导面110与微带线间隔分开。以传导壁和传导短销和通路孔的形式的更高阶模式抑制器可被放置以抑制不合乎需要的共振和渗漏。另外，由低损耗电介质材料制成的薄的圆柱体壳197可以被放置在传导圆柱体壳183/196和传导接地面110的延伸套筒之间以便在它们之间形成电容式屏蔽，所述传导圆柱体壳是馈电网络190的模式-0同轴电缆部分的内导体。薄的圆柱体电介质壳197消除在通路孔处模式-0馈电电缆的内导体196与传导接地面110之间的直接电接触，并且还足够薄和小以抑制在较低模式-0天线的工作频率处的任何剩余功率渗漏。圆柱体电介质壳197的较小长度，以及在通路孔处的传导接地面110的套筒，进一步提高了在该封闭且共享的区域中的模式-0馈电网络190的电屏蔽的质量。如果需要的话，整个模式-0微带馈电可以被包装到实心传导壁中以提高馈电线190的微带部分的完整性。最后，如果需要的话，扼流器(choke)还可以被放置在197以下以便减少在通路孔处的任何剩余渗漏。通过在传导壳196周围的平面匹配结构195，在微带电路194与同心传导壳196和199间同轴电缆之间的过渡进行阻抗匹配。
通过使用组合器或多路复用器可以将这两个单独的馈电连接器组合成单个连接器。该组合可以例如通过首先将同轴连接器181和微带连接器191变换成印刷电路板(PCB)中的电路，如带状线或微带电路来实现。位于天线馈电和发射机/接收机之间的组合器/多路复用器可以被封闭在传导壁内以抑制和限制组合器/多路复用器内部的更高阶模式。
在图5A中，以多功能TW天线100的A-A截面视图中示出了将馈电网络180和190集成到多功能TW天线100中，其详细说明了分别与层171、150、125、193和110连接、定位、或面接的馈电电缆组件上的位置。馈电网络190通过在表面模式辐射体125中激励所需的模式-0TW来给模式-02-D表面模式TW结构120馈电。另外，天线馈电网络190一方面使用外传导壳199外部的阻抗匹配结构198来匹配TW结构120的阻抗，而另一方面则匹配往外部连接器191看去的阻抗，该阻抗本身通常是50欧姆。
为了在微波电路领域中很好地建立宽频阻抗匹配，阻抗匹配结构的理论和技术可以适用于本申请。必须指出的是，阻抗匹配的要求必须满足TW的每一模式。例如，如果存在两种或更多由天线所采用的多模、多功能、或方向图/极化多样性操作的模式，则阻抗匹配必须满足每一模式。
虽然在如论述的一个实施方式中，模式-02-DTW辐射体125采用平面多臂自互补阿基米德螺旋体的形式，但其通常是产生全向辐射方向图的开槽阵列，在超宽宽带上具有实质上恒定的电阻和最小的电抗，所述超宽带宽通常是上至10:1或更大比率的倍频宽带。(平面多臂自互补螺旋体(阿基米德螺旋体或等角螺旋体)，是同轴环形开槽阵列的一个实施方式)。在模式-0TW中的、模式-0TW辐射体125处的辐射来自同轴开槽阵列，这些同轴开槽阵列等价于同轴环形开槽阵列、磁环或垂直电单极。辐射发生在模式-02-DTW辐射体125中心的法向轴un周围的圆形辐射区处，以及发生在辐射体125的边缘处。
图6示出了平面模式-02-DTW辐射体225的另一实施方式，该平面模式-02-DTW辐射体225在某些应用中优于平面多臂自互补螺旋体而可以优选地作为TW辐射体125。其包括开槽阵列221，所述开槽阵列是同轴的开槽子阵列的阵列；每四个开槽的子阵列等价于环形开槽。开口区域(hatchedregion)222是支持开槽的传导表面。图7A-7B和图8A-8D示出了2-DTW辐射体125的其他实施方式。图7A示出了具有开槽阵列321以及作为开口区域的传导表面332的2-DTW辐射体325。另外，图7B示出了具有开槽阵列421以及作为开口区域的传导表面422的2-DTW辐射体425。另外，图8A-8D分别示出了2-DTW辐射体525、625、725和825的其他实施方式。虽然大多数的2-DTW辐射体125关于天线的中心轴对称，并且因此使得TW结构120关于天线的中心轴对称，但它们可以被重新配置成具有伸长的形状以便与某些平台共形。这些配置给2-D表面模式TW辐射体125提供额外的多样性，其在某些应用中能够具有所需的超宽带宽和其他的独有特征。
除了在馈电区中之外，2-DTW辐射体171在结构上类似于那些模式-02-DTW辐射体125、225、325和525等，在所述馈电区中多个臂或开槽被适当馈电用于模式-1或模式-2或两者兼有，如以上所论述的。具有适当的调整相位和振幅的模式-1和模式-2的组合可以实现斜单向半球方向图，由此可以通过用两个或多个馈电线、匹配混合电路185和多条线188替代中心导体182来实现专门的波束或主动的波束引导，以便给TW辐射体171馈电。
多功能天线100的可供选择的实施方式是利用具有与模式-1(或模式-2或两者兼有的)TW天线类似的单向方向图的任何其他设计的辐射体170，如贴片天线、螺旋形天线或四臂螺旋式天线等。这些其他类型的辐射体170不具有TW辐射体的宽的带宽，但是可以适用于某些卫星通信，只要它们具有足够小的覆盖区或基底直径以安装到地面辐射体160的顶部上，并且在适当的外部去耦器150的帮助下与地面通信系统电磁兼容。
具有双2-D模式-0TW辐射体的超宽带多功能TW天线
图9A和图9B以侧视图和顶视图分别示出了用于地面通信的多功能天线200的另一实施方式，该多功能天线200具有的、通过具有2-D模式-0TW辐射体所实现的带宽明显宽于天线100的带宽。基本的方法是在天线100中、在TW结构120以下插入2-D表面模式TW结构130以覆盖一频率范围，该频率范围具有的中频低于TW结构120的中频；因此TW结构130实际上在直径上大于TW结构120。图9C示出了馈电网络组件180、190和290的分解截面视图。如可以看出的，包含了封闭式微带电路294和用于与提供地面服务的收发器连接的输出连接器291的额外馈电网络290也被添加至馈电TW结构130。
因此多功能天线200具有两个2-D表面模式TW结构120和130，分别具有包含微带电路194和294的支持馈电网络190和290。如图9C所示，使用不同颜色(或在黑白示图中的不同阴影度)的点划线和虚线分别为TW结构120和130描绘了穿过馈电网络190和290的两个地面通信信道中的电磁波流，即在发射情况下的箭头方向，而不失基于互易理论的普遍性。
换句话说，多功能天线200为地面通信实现了超宽带宽，这通过具有两个级联的2-D表面模式TW结构120和130实现，其中由具有相应外部连接器191和291的两个馈电网络190和290分别给2-D表面模式TW结构120和130馈电。三个馈电网络180、190和290的电缆部分以一种方式作为同心传导圆柱体壳的组件在结构上相互适应，所述方式有些类似于以如之前关于本申请中的多功能天线100所讨论的馈电网络180和190之间的方式以及在美国专利申请13/082,744中讨论的双频带双馈电电缆组件的方式。在辐射体一侧，三个同轴电缆被顺序地一个接一个剥离，以给在顶部处的卫星服务(单向)辐射体171和在下方的两个2-D地面通信(全向)辐射体125和辐射体135馈电。最内电缆，其是馈电网络180的同轴电缆部分，具有内导体182和外传导壳183。中间电缆，其是馈电网络190的同轴电缆部分，具有内导体196(其在结构上也是馈电网络180的183)和外传导壳199。外电缆，其是馈电网络290的同轴电缆部分，具有内导体296(其在结构上也是馈电网络190的199)和外传导壳299。
在收发器一侧，外部连接器181通过具有内导体182和外传导体183的同轴电缆与卫星服务辐射体171直接连接，同时外部连接器191和291分别通过馈电网络190和290与地面通信(全向)辐射体125和135连接。馈电网络190和290开始于外部连接器191和291，分别与具有微带192和292和相应传导接地面210和293的微带电路194和294直接连接或通过电缆连接。两个微带电路通过与Z轴平行和垂直的传导壁来封闭。
类似于天线100，馈电网络180的、朝向同轴连接器181延伸超过其与微带线190的接合点的外导体183是电抗，而不是到接地面110的电位短路，因此从微带电路194的观点来看，微带电路的接地面是210，并且传导面110与微带线间隔分开。对更高阶模式和其渗漏及共振的抑制可以通过之前关于馈电网络190所描述的技术来实现。另外，由低损耗电介质材料制成的薄的圆柱体壳197可以被放置在传导圆柱体壳183/196和传导接地面110的延伸套筒之间以便在它们之间形成电容式屏蔽，所述传导圆柱体壳是馈电网络190的同轴电缆部分的内导体。薄的圆柱体电介质壳197消除在通路孔处馈电网络190的馈电电缆的内导体196与传导接地面110之间的直接电接触，并且还足够薄和小以抑制在馈电网络190的频率处的任何功率渗漏。圆柱体电介质壳197的较小长度，以及在通路孔处的传导接地面110的套筒，进一步提高了在该封闭且共享的区域中的馈电网络190的电屏蔽的质量。整个微带馈电优选地被包装在实心传导壁中以提高馈电线190的微带部分的完整性。最后，如果需要的话，扼流器还可以被放置在197以下以便减少在通路孔处的任何渗漏。
类似地，模式-0馈电网络290的、朝向同轴连接器181延伸超过其与微带线292的接合点的外电缆296是电抗，而不是到接地面210的电位短路，因此从模式-0微带线馈电290的观点来看，模式-0微带线馈电的接地面是293，并且传导面210与微带线间隔分开。然而，由低损耗电介质材料制成的薄的圆柱体壳297可以被放置在传导圆柱体壳296和传导接地面210的延伸套筒之间以便在它们之间形成电容式屏蔽，所述传导圆柱体壳是馈电网络290的模式-0同轴电缆部分的内导体。薄的圆柱体电介质壳297消除在通路孔处在馈电网络290的馈电电缆部分的内导体296与传导接地面210之间的直接电接触，并且还足够薄和小以抑制在馈电网络290的频率处的任何功率渗漏。圆柱体电介质壳297的较小长度，以及在通路孔处的传导接地面210的套筒，进一步提高了在该封闭且共享的区域中的馈电网络290的电屏蔽的质量。整个微带馈电优选地被包装到实心传导壁中以提高294和完整性和馈电网络290的微带部分的完整性。最后，如果需要的话，扼流器还可以被放置在297以下以便减少在通路孔处的任何渗漏。
通过在传导壳196周围的平面匹配结构195，对在微带电路194与同轴传导壳196和199间同轴电缆之间的过渡进行阻抗匹配。通过在传导壳296周围的平面匹配结构295，对在微带电路294与同轴传导壳296和299间同轴电缆之间的过渡进行阻抗匹配。
如果需要的话，通过使用组合器或多路复用器可以将这些单独的馈电连接器组合成单个连接器。该组合可以例如通过首先将外部连接器181、191和291中的两个或多个变换成印刷电路板(PCB)中的电路，如微带线电路或带状线电路来实现。位于天线馈电和发射机/接收机之间的组合器/多路复用器可以被封闭在传导壁、以及短路销和传导通路孔内以抑制和限制组合器/多路复用器内部的更高阶模式。
在图9C中，还以多功能TW天线200的A-A截面视图示出了将馈电网络180、190和290集成到多功能TW天线200中，其详细说明了分别与层171、150、125、135、293、210和110连接、定位、或面接的馈电电缆组件上的位置。馈电网络190通过在表面模式辐射体125中激励所需的模式-0TW来给模式-02-D表面模式TW结构120馈电。另外，天线馈电网络190一方面使用外传导壳199外部的阻抗匹配结构198来匹配TW结构120的阻抗，而另一方面则匹配往外部连接器191看去的阻抗，该阻抗本身通常是50欧姆。类似地，在一侧上，天线馈电网络290使用外传导壳299外部的阻抗匹配结构298来匹配TW结构130的阻抗并且，在另一侧上，匹配往外部连接器291看去的阻抗，其通常是50欧姆。
具有多个多模TW辐射体的超宽带多功能TW天线
多功能天线的一个实施方式是通过用一条或多条传输线(如多个同轴电缆和/或双芯引线传输线)替代中心导体182来扩展在图9A、9B和9C中的馈电网络180，其中所有部件在结构上是集成的，这应该允许更复杂的辐射特性，包括复杂的辐射方向图(从模式-1加模式-2零引导TW天线甚至到波束引导相控阵)以及用于TW结构170的辐射体171的多种信号处理功能。实际上，辐射体171可以是具有这种馈电网络180的任何发射或接收孔径(或两者兼有)。
多功能天线的另一实施方式是以类似于在图9A、9B和9C中添加130和其支持馈电网络290的方式来添加多个2-D表面模式模式-0全向TW结构，因此进一步以十倍计的加宽模式-0全向覆盖范围的带宽。因此，可以期望通过级联添加再多一个2-D表面模式模式-0全向TW结构将模式-0全向覆盖范围的带宽加宽至1000:1，以及通过添加另一个2-D表面模式模式-0全向TW结构将所述带宽加宽至10000:1。
具有非同心电缆组件的至少一部分的超宽带多功能TW天线
多功能天线可以使其电缆组件的至少一部分不为在本发明中所描述的同心类型，一般在位于顶部的单向天线以下。电缆馈电线的非同心部分可以被布置成仅引起在一狭窄的方位角区域处对全向模式有较小扰动，这将在多路径地面传播环境中仅引起分集增益(diversitygain)的较小降级。例如，在图4的多功能天线中，馈电电缆181可以是用于全向辐射体125的馈电电缆，并且用于在顶部处的单向天线170的馈电电缆可以直接穿过1-D标准模式TW结构160并且随后径向地向外沿着全向辐射体125并且到达其边缘，在该边缘处电缆向下到达接地面用于与收发器连接。
可以对本发明的以上描述的实施方式做出多种变形和修改而在实质上不偏离本发明的精神和原理。此处，所有的这些修改和变形均意在包含在本发明的范围内。
实验验证
已经使用模型板令人满意地实现了对本发明的基本原理中的每一个的实验验证。对于全向辐射体而言，已经证明了在0.2-20.0GHz上的100:1的连续倍频带宽，如已经于2011年4月11日提交的USPTO申请号13/082,744中记载的。在模型板中的单向TW结构和它的辐射体是5cm直径的模式-1慢波天线，其具有相对常规的2-D表面模式TW天线的40％的尺寸减小。图10A示出了在1-8GHz的卫星服务频率上所测量的天线的VSWR。作为早期模型，性能是清楚的；通过优化阻抗匹配，有很大可能进一步改进。
图10B示出了在1-4GHz上，用于汽车的大多数卫星服务的所感兴趣的频率上代表性地测量的PHCP的垂直辐射方向图。如可以看出，这些辐射方向图是以卫星通信所需的、非常期望的单向半球型，所述卫星通信包括GPS、GLONASS、伽利略卫星系统和指南针卫星系统，其被统称为GNSS(全球导航卫星系统)，和卫星无线电系统等。在1-4GHz和更高频率处的方向图和增益的附加数据是有希望的，尤其鉴于馈电网络布置的多样性，通过为馈电网络180的182实现更多复杂的传输线使得所述馈电网络布置可用。
观察所测量的数据(在此未显示)指示出带宽更加宽也是可行的。(尽管间接地)这些数据还指示出两个表面模式TW辐射体和标准模式TW辐射体的组合可以导致140:1或更大比率的连续倍频带宽。对所测量的数据的分析指示出通过级联更多的全向TW结构可以为地面通信实现上至1000:1或更大比率的连续带宽，并且指示出使用卫星通信所需的半球状单向模式，10:1或更大比率的连续带宽是可行的。

Claims (25)

1.一种多功能天线，其包括：
一个单向辐射体、
一个多个行波(TW)结构，包括堆叠的超宽带低剖面二维(2-D)表面模式行波结构，其中所述超宽带低剖面二维表面模式行波结构以模式-0受激并且包括一个全向辐射的二维表面模式行波辐射体、
一个多模馈电网络，所述多模馈电网络包括至少两个单独的馈电网络、以及
一个传导接地面；
其中所述多个行波结构和所述至少两个单独的馈电网络被级联成堆叠，在相邻的辐射体之间具有适合的频率选择式耦合器或去耦器；
其中所述超宽带低剖面二维表面模式行波结构还被配置成具有小于λL/2的直径和小于λL/10的厚度，其中λL是在所述超宽带低剖面二维表面模式行波结构的最低工作频率处的自由空间波长；
其中所述多模馈电网络包括至少两个单独的馈电网络，一个馈电网络用于所述单向辐射体，而所述至少两个单独的馈电网络中的另一个馈电网络则用于每个模式-0二维行波结构；并且
其中所述传导接地面是标准形状的，所述传导接地面还被定位在所述天线的底面，并且具有至少覆盖所述天线的投影的表面面积。
2.如权利要求1所述的多功能天线，其中所述单向辐射体是超宽带低剖面二维行波结构。
3.如权利要求2所述的多功能天线，其中所述单向辐射体是超宽带低剖面模式-1二维行波结构。
4.如权利要求2所述的多功能天线，其中所述单向辐射体是超宽带低剖面模式-2二维行波结构。
5.如权利要求2所述的多功能天线，其中所述单向辐射体是具有模式-1和模式-2两者的超宽带低剖面二维行波结构。
6.如权利要求1所述的多功能天线，其中所述多个行波结构中的至少一个是慢波(SW)类型的并且具有小于λL/(2×SWF)的直径，其中SWF是慢波类型的二维表面模式行波结构的慢波因数。
7.如权利要求1所述的多功能天线，其中所述多个行波结构包括位于所述传导接地面以上的超宽带低剖面二维表面模式行波结构和被堆叠在所述超宽带低剖面二维表面模式行波结构上的标准模式行波结构；所述标准模式行波结构通过外部耦合器与所述超宽带低剖面二维表面模式行波结构电磁耦合。
8.如权利要求1所述的多功能天线，其中所述多个行波结构包括位于所述传导接地面以上的低频超宽带低剖面二维表面模式行波结构、位于所述低频超宽带低剖面二维表面模式行波结构以上的高频超宽带低剖面二维表面模式行波结构，并且其中所述多模馈电网络包括给所述单向辐射体馈电的多模同轴电缆和给所述低频超宽带低剖面二维表面模式行波结构和所述高频超宽带低剖面二维表面模式行波结构馈电的双连接器双频带同轴电缆套件。
9.如权利要求8所述的多功能天线，还包括位于所述高频二维表面模式行波结构以上并且在所述单向辐射体以下的标准模式行波结构，并且其中频率选择式外部耦合器位于所述标准模式行波结构和所述高频表面模式行波结构之间以促进电磁耦合。
10.如权利要求1所述的多功能天线，其中所述多个行波结构还包括：
低频超宽带低剖面二维表面模式行波结构，其位于所述传导接地面以上；
标准模式行波结构，其被堆叠在所述低频超宽带低剖面二维表面模式行波结构以上；
高频超宽带低剖面二维表面模式行波结构，其被堆叠在所述标准模式行波结构以上；以及
其中，频率选择式外部耦合器位于所述标准模式行波结构与两个二维表面模式行波结构中的每一个之间，并且其中，所述多模馈电网络包括给所述两个二维表面模式行波结构中的每一个馈电并且穿过所述标准模式行波结构的中心部分的双连接器双频带同轴电缆套件。
11.如权利要求1和2中任一项所述的多功能天线，其中所述二维表面模式行波辐射体中的至少一个是平面的多臂阿基米德螺旋体。
12.如权利要求1和2中任一项所述的多功能天线，其中所述二维表面模式行波辐射体中的至少一个是平面的多臂等角螺旋体。
13.如权利要求1和2中任一项所述的多功能天线，其中所述二维表面模式行波辐射体中的至少一个是平面的锯齿形结构。
14.如权利要求1和2中任一项所述的多功能天线，其中所述二维表面模式行波辐射体中的至少一个是平面的开槽阵列。
15.如权利要求1和2中任一项所述的多功能天线，其中所述二维表面模式行波辐射体中的至少一个是平面的自互补结构。
16.如权利要求1所述的多功能天线，其中所述多模馈电网络包括多频带多模电缆组件，所述多频带多模电缆组件包括：
同心电缆组件，其包括内电缆和多条外电缆，所述内电缆由在中心处的至少一条传输线和封闭的圆柱形导体壳组成，每条外电缆是与相邻电缆共享共同的同心圆柱形导体壳的同轴电缆；
其中每条外电缆具有第一端和第二端，所述第一端具有用于连接到平面的径向波导的过渡结构，所述第二端具有用于连接到平面的印刷电路板的过渡结构；
其中与所述外电缆的第一端连接的所述平面的径向波导被一个在另一个之上地堆叠，并且与所述外电缆的第二端连接的所述平面的印刷电路板被一个在另一个之上地堆叠。
17.如权利要求16所述的多功能天线，其中由电介质材料制成的圆柱形壳位于每条电缆的外部传导圆柱形壳和相邻的平面的印刷电路板的传导接地面之间，以便在所述外部传导圆柱形壳和所述传导接地面之间形成电容式屏蔽。
18.如权利要求16所述的多功能天线，其中在所述内电缆中的传输线是导线。
19.如权利要求16所述的多功能天线，其中在所述内电缆中的传输线具有至少一条同轴电缆。
20.如权利要求16所述的多功能天线，其中所述内电缆的多条传输线传递多个电信号或将电信号转换成多个信号。
21.如权利要求16、17、18、19或20所述的多功能天线，其中所述多频带多模电缆组件被配置成以级联且在结构上集成的方式同时给一个单向天线和多个二维表面模式行波结构馈电。
22.如权利要求1所述的多功能天线，其中所述多模馈电网络包括多频带多模电缆组件，所述多频带多模电缆组件在所述单向天线的底部以下的至少一部分不是同心类型，而是集成到所述多个行波结构中的一维标准模式行波结构和所述二维表面模式行波辐射体中的分离的电缆。
23.一种多功能天线，其包括：
传导接地面、至少一个二维(2-D)行波(TW)结构、至少一个频率选择式外部耦合器、至少一个一维(1-D)标准模式行波结构、位于所述多功能天线的顶部处的至少一个单向辐射体、至少一个频率选择式外部去耦器、多个馈电网络，所述多个馈电网络包括了被堆叠、级联且在结构上集成的多频带多模电缆组件；
其中所述二维行波结构还被配置成具有小于λL/2的直径和小于λL/10的厚度，其中λL是在二维表面模式行波结构的最低工作频率处的自由空间波长；以及
其中所述传导接地面在所述多功能天线的底部。
24.如权利要求23所述的多功能天线，其中所述二维行波结构中的至少一个是慢波(SW)类型的并且具有小于λL/(2×SWF)的直径，其中SWF是慢波类型的二维表面模式行波结构的慢波因数。
25.如权利要求23所述的多功能天线，其中通过使用权利要求16、17、18、19或20所述的多频带多模电缆组件，添加有额外的二维表面模式行波结构，所述多频带多模电缆组件被配置成同时给一个单向天线和多个二维表面模式行波结构馈电。
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