CN110741510B - 包括电小偶极子或单极子天线元件的阵列的天线 - Google Patents

包括电小偶极子或单极子天线元件的阵列的天线 Download PDF

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Abstract

一种天线系统，包括：至少一个有源元件，所述至少一个有源元件具有用于连接到无线电接收器、发射器或收发器的第一端；和至少一个机电谐振器，所述至少一个机电谐振器与(i)所述至少一个有源元件的至少一部分和所述至少一个有源元件的至少另一部分或(ii)所述至少一个有源元件和所述无线电接收器、发射器或收发器串联连接。所述至少一个有源元件在预期操作频率下表现出电容电抗，并且所述至少一个机电谐振器在预期操作频率下表现出电感电抗，所述至少一个机电谐振器的电感电抗在预期操作频率下抵消或基本抵消至少一个天线元件的电容电抗。

Description

包括电小偶极子或单极子天线元件的阵列的天线
【相关申请的交叉引用】
本申请要求2017年6月29日提交的美国申请15/638,052的优先权并要求其利益，该美国申请要求了2016年6月30日提交的美国临时申请62/356,734的优先权，它们通过引用并入本文。
【技术领域】
本发明涉及电小天线(electrically small antennas)的效率的提高。
【背景技术】
用于提高电小天线的效率的技术已经存在了很多年，但是这些技术依靠几种不同的方案来抵消电短天线(electrically short antenna)所表现出的电容电抗。一种技术在很大程度上依赖于电感器的使用，例如传统的线圈电感器，来加载天线结构。另一种技术建议使用负电容。参见，例如，Stephen E.Sussman-Fort和Ronald M.Rudish，“Non-FosterImpedance Matching of Electrically Small Antennas”,IEEE Transactions onAntennas and Propagation,vol.57,No.8,Aug.2009,pp.2230-2241；以及Xu等人的名称为“Non-foster Circuit Stabilization Method”的美国专利No.9,054,798。由于损耗和尺寸/重量的限制，传统的线圈电感器在其可达到的品质因数方面受到限制。所提出的发明通过使用机电谐振器的非谐振来超越这些先前的示范，以实现更高的品质因数，从而提高电小天线的效率。
Tolgay Ungan的美国专利No.8,958,766和A.Nimo,D.
Figure GDA0003809588580000011
Tolgay Ungan和Leonhard M.Reindl的论文(请参见“A New Family of Passive Wireless RF Harvestersbased on R-C-Quartz Oscillators”，发表于Proceedings of the 43rd EuropeanMicrowave Conference)提出使用石英谐振器作为有效的高Q电感器，将50Ω天线的阻抗转换为整流电路的阻抗。但是，该专利没有提及使用这些谐振器来匹配电小天线的电抗或为了增加辐射电阻的目的而给天线的主体加载。该专利也没有提及使用寄生天线或机电谐振器的分布式负载以允许更高功率的操作。
许多位置，例如茂密的市区、森林和水下环境，对无线信号的接收和传输提出了重大挑战。低频电磁波(<30MHz)在穿透这些困难的环境方面比高频(>1GHz)更为有效，但是生成和接收这些电磁波所需的系统通常很大、很沉重且效率低下，因此对于许多小型和/或移动平台来说不切实际。对于在HF频带(3-30MHz)或以下操作的系统，这些系统的大尺寸和低效率的根本原因是天线相对于波长的尺寸。在非常低的频率下，如果不是不切实际的话，很难制造出辐射波长量级的天线。这种设计限制导致这些天线在电气上变小，并且在偶极子天线的情况下，它们具有较大的电抗和较小的辐射电阻。一种提高这些天线的辐射效率的技术是将电感器放置在电小偶极子的臂中。参见R.C.Hansen，“Efficiency and MatchingTradeoffs for Inductively Loaded Short Antennas”IEEE Transactions onCommunications,Vol.Com-23,No.4,Apr.1975。这种负载不仅消除了天线的电抗，还通过重新分布并增加了偶极子上的电流分布来增加了天线的辐射电阻。这种负载的有效性直接与电感器的品质因数或Q有关。这些电感器通常包括绕高磁导率材料(例如铁或铁氧体)缠绕的细金属线。由于欧姆损耗以及尺寸和重量的限制，紧凑型电感器的Q值通常不会超过100。替代地，机电谐振器可以在其串联谐振和并联谐振之间操作，以呈现出很高的Q(>103)的感应阻抗，然而由于发热和非线性效应，这些设备受限于它们在以前能处理多少功率，从而使它们局限于仅应用于接收系统。
一些实施例的目的是利用机电谐振器中存在的高效感应Q来给电小偶极子天线或天线阵列加载，以提高效率，超过传统的紧凑型电感器所能达到的效率，同时允许高功率处理。使用Litz线电感器可以在100kHz以下实现大电感Q(1000-2000)和高功率处理，但这些元件太大，无法装入紧凑型天线。可替代地，所提出的发明利用紧凑的机电谐振器(优选地＜1cm2)来实现大的电感Q(优选地＞103)，并且使得紧凑和有效的低频天线能够用于小型和移动平台。
在一个应用中，可以利用本发明为水下平台和传感器创建VLF和LF频率的高效收发器。这对于从自动水下航行器和传感器网络采集的数据渗漏可能很有用。还可以在较高的频率下利用本发明，以减小在HF和VHF频率下的战术双向(tactical 2-way)通信的尺寸、重量和功率。这可能是军方特别感兴趣的。所提出的发明在商业领域中也具有双重用途。例如，可以在VLF和LF频率上利用提出的天线结构来开发用于地质勘测的改进的传感器以及用于地下环境的通信系统。在较高频率下该技术也可用于减少业余无线电和CB天线的尺寸。
传统的紧凑型低频天线遭受不良的辐射效率，从而使其成为不实用的发射器。创新的世纪尚未实现对紧凑高效的低频发射器的长期需要。对于偶极子天线和单极子天线，此效率低下主要是由于与线圈电感器相关的Q值较低。US 8958766B2确实教导了使用机电谐振器来实现具有更高Q值的电感器(用于低功率整流器，而不是电小天线)。但是，常规的现成的谐振器(用于定时电路)不能用于小型发射天线，因为由于非线性和热效应，这些设备可以处理的功率太低。因此，从现有技术来看，如何使用诸如石英音叉和MEMS器件之类的机电谐振器来提高偶极子天线或偶极子天线阵列的效率，同时允许这些天线处理发射应用所需的大功率，这一点并不明显。
【发明内容】
在一个方面，本发明提供了一种天线系统，包括：至少一个有源元件，所述至少一个有源元件具有用于连接到无线电接收器、发射器或收发器的第一端；和至少一个机电谐振器，所述至少一个机电谐振器与(i)所述至少一个有源元件的至少一部分和所述至少一个有源元件的至少另一部分或(ii)所述至少一个有源元件和所述无线电接收器、发射器或收发器串联连接。
在另一方面，本发明提供了一种偶极子天线，所述偶极子天线具有两个臂，每个臂中具有至少一个开口，所述至少一个开口限定所述至少一个开口所在的臂的至少第一和第二部分，每个开口被至少一个机电谐振器占据，所述至少一个机电谐振器连接到它占据其开口的臂的至少第一和第二部分。
在又一方面，本发明提供一种包括偶极子天线元件的阵列的天线，偶极子天线元件中的每一个包括在其中具有至少一个开口的两个臂，每个所述开口被机电谐振器占据，所述阵列中的至少一个所述偶极子天线元件适于由无线电发射器电激励，所述阵列中的其余偶极子天线元件至少部分地包围所述阵列中的所述至少一个所述偶极子天线元件，所述开口中的每个机电谐振器在所述天线的预期操作频率下对所述偶极子天线元件的在所述开口的任一侧的那些部分呈现正电抗。
【附图说明】
图1a绘出了装载有机电谐振器的电短偶极子天线。
图1b绘出了装载有两个机电谐振器的电短偶极子天线。
图1c绘出了装载有机电谐振器的电短单极子天线。
图2a绘出了机电谐振器的实施例，该特定实施例是石英剪切模式微机电系统(MEMS)装置。
图2b绘出了机电谐振器的等效电路。
图3具有针对设计为在LF频带中以大约67.5kHz的频率操作的天线的两个仿真图，上图示出适当构建的机电谐振器的电感和品质因数(相对于频率)，下图比较根据上图使用机电谐振器的实施例与使用现有技术(SOA)常规现货供应(COTS)片式电感器(Q为50)的类似天线的、相对于其有源元件的长度的天线效率。
图4具有针对设计为以MF频带中大约1.006MHz操作的天线而完成的两个仿真图，上图示出适当构建的机电谐振器的电感和品质因数(相对于频率)，下图比较根据上图使用机电谐振器的实施例与使用现有技术(SOA)常规现货供应(COTS)片式电感器(Q为50)的类似天线的、相对于其有源元件的长度的天线效率。
图5具有针对设计为以VHF频带中大约31.88MHz操作的天线而完成的两个仿真图，上图示出适当构建的机电谐振器的电感和品质因数(相对于频率)，下图比较根据上图使用机电谐振器的实施例与使用现有技术(SOA)常规现货供应(COTS)片式电感器(Q为50)的类似天线的、相对于其有源元件的长度的天线效率。
图6具有针对设计为以UHF频带中大约2.005GHz操作的天线而完成的两个仿真图，上图示出适当构建的机电谐振器的电感和品质因数(相对于频率)，下图比较根据上图使用机电谐振器的实施例与使用现有技术(SOA)常规现货供应(COTS)片式电感器(Q为50)的类似天线的、相对于其有源元件的长度的天线效率。
图7示出了与MF石英拉伸模式谐振器匹配的0.05m单极子天线的电压增益的绘图。
图8a和图8b绘出了其中将机电谐振器沿着天线的有源元件而不是在天线元件的输入端放置在天线元件中的实施例。
图9是示出了中心装载有石英剪切模式谐振器的12英寸偶极子天线的效率优于基座装载有石英剪切模式谐振器的相同天线的效率的图。
图10a和图10b绘出了其中将机电谐振器沿着天线的有源元件并另外在天线元件的输入端放置在天线元件中的实施例。
图11a和图11b绘出了如下实施例，其中沿着天线的有源元件将机电谐振器的阵列，而不是如图8a和图8b的实施例中的单个机电谐振器，放置在天线元件中，并且图11c绘出了将与图11a和图11b的实施例一起使用的机电谐振器的阵列的实施例。
图12a和12b绘出了另外的实施例，其中单个偶极子天线或单个单极子天线包括连接到发射器、接收器或收发器的细金属杆或金属片。在偶极子天线实施例的情况下，两个薄的金属体在沿着其长度的多个点断裂。在单极子天线实施例的情况下，沿着单个金属体的长度在某些处设置多个断裂处。横穿断裂处放置上述机电谐振器类型之一。
图13绘出了本发明的一个实施例，其中由多个寄生偶极子或单极子天线围绕的中心偶极子或单极子天线与中心元件间隔<λ/4。
【具体实施方式】
呈现以下描述以使本领域的普通技术人员能够制造和使用本发明并将其结合到特定应用的环境中。各种修改以及在不同应用中的各种使用对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且本文中定义的一般原理可以应用于各种实施例。因此，本发明不旨在限于所呈现的实施例，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最宽范围相一致。
在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的更透彻的理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以实践本发明而不必限于这些特定细节。在其他实例中，以框图的形式而不是详细地示出了公知的结构和设备，以避免使本发明晦涩难懂。
读者的注意力集中在与本说明书同时提交的并且随本说明书向公众开放的所有论文和文献中，所有这些论文和文献的内容都通过引用并入本文。除非另有明确说明，否则本说明书中公开的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)可以由具有相同、等同或相似目的的替代特征代替。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅是一系列等同或相似特征的示例。
此外，权利要求中未明确说明执行特定功能的“手段”或执行特定功能的“步骤”的任何要素，均不应解释为如在35 U.S.C中第112(f)条指定的“手段”或“步骤”条款。特别是，此处权利要求书中“步骤”或“动作”的使用无意援引35 U.S.C.112(f)的规定。
在图1a所示的本发明的一个实施例中，本发明包括天线10。该实施例中的特定天线是电小尺寸的偶极子天线10D，但是本发明不限于偶极子天线。偶极子天线具有两个薄的金属杆或金属片(通常称为臂)12，它们在使用中连接到发射器、接收器或收发器18。本领域技术人员也公知图1a的偶极子天线10的臂12用作天线10的有源元件12。在发射器、接收器或收发器18与两个细金属杆或金属片或臂或有源元件12之一之间连接有机电谐振器16，其被调谐以提供在天线10D的预期操作频率下产生正电抗。由于天线10D的电小尺寸，因此在其预期操作频率下呈现负电抗(即，呈现电容)。理想地，天线的负电抗至少部分地被机电谐振器16的正电抗所抵消。本领域的技术人员认识到，实际应用中使用的天线通常必须在一定频率范围内工作，并且还意识到由天线发射(或被天线接收)的RF信号具有与其相关联的带宽，因此，术语“预期操作频率”实际上是指将使用天线10的频率范围或频带。在天线领域，与实际使用天线的适配性相关的一种品质是驻波比(SWR)。1的SWR是理想的。这意味着由发射器18发送给天线10D的所有功率都被天线辐射。例如3.0的SWR通常是不可接受的。与不具有机电谐振器16的单独天线10D相比，将机电谐振器16与天线串联放置将改善天线/谐振器组合的SWR。
机电谐振器16可以被实现为天线元件之一，或者可以是附加组件。当打算将天线连接到发射器或收发器时，会提供一个天线结，通常称为天线馈电点，而两个细金属杆或金属薄片通常称为驱动元件。馈电点可以被认为是在图1a的机电谐振器16的上游或下游，这取决于例如机电谐振器16是由天线10实现还是作为附加元件来提供。
发射器、接收器或收发器18可以相对于天线位于远处，在这种情况下，可以是数英尺长的传输线17将发射器、接收器或收发器18连接到天线10D。另一方面，如果发射器、接收器或收发器18被实现为手持式通信设备，则发射器、接收器或收发器18可以非常靠近天线10D。在这样的实施例中，传输线17可以非常短(因此有效地被省略)，并且可以主要体现为设置在上述手持式通信设备内的印刷电路板上的导电迹线。
图1b绘出了类似于图1a的实施例的电小偶极子天线10D2的另一个实施例，但是在该实施例中，机电谐振器16与偶极子天线的两个有源元件12中的每一个和馈线(如果存在，请参见图1a)以及发射器、接收器或收发器18串联放置。
在图1c所示的另一个替代实施例中，天线10包括单极子天线10M，该单极子天线10M具有布置在接地平面14上并且通常沿垂直于接地平面14的方向安装的单个金属杆或金属片或有源元件12。天线馈电点出现在(i)靠近但通常不接触接地平面的单极子与(ii)接地平面之间。与上述单极子天线的端子跨接的是与机电谐振器16串联连接的发射器、接收器或收发器18，该机电谐振器16被调谐为在天线10的预期操作频率下呈现正电抗。接地平面16可以为地球上的地面(即地球表面……可能由地面辐射扩张……或者可能是金属表面，例如可以在许多不同类型的设备和/或车辆上找到的表面，包括但不限于汽车，卡车，休闲车，舰船，船艇，潜艇，卫星和军事装备)。
在这些实施例中，或者通过在安装到天线10中或邻近天线10安装之前修改谐振器16的构造或几何形状，或者通过使用外部电容性调谐元件来改变其谐振频率，来实现机电谐振器16的调谐以在天线10的预期操作频率上呈现正电抗。图2a示出了机电谐振器16，其被实现为由加利福尼亚州马里布的HRL实验室LLC制造的石英剪切模式MEMS(微机电系统)装置。机电谐振器16的其他可能的实施例在下面讨论。
图1a-1c的实施方式示出了本发明在简单的天线上的使用：偶极子天线和单极子天线。然而，本发明可以与其他类型的天线一起使用，例如：缝隙天线，Vivaldi天线，Yagi-Uda天线等。当天线电短时，本发明特别有用。当天线电短时，它会表现出电容电抗(根据常规测量电抗的方式，其电抗值为负)。本领域技术人员会认识到如果天线具有电抗性，这导致天线与其连接的发射器、接收器或收发器18之间的阻抗失配。天线连接到的发射器、接收器或收发器18通常可以容忍少量的阻抗失配。但是，较大的失配(例如，导致VSWR大于2.0到4.0)可能会导致接收器工作效率大大降低，或者发射器会自身关闭，这是对阻抗不匹配的情况下天线10反射的功率进行自我保护的一种手段。
对于手持收发器，天线的尺寸可能比收发器自身中电子设备的尺寸大得多。因此，就用户便利性而言，减小天线的尺寸对于用户而言具有许多优势(如果没有其他方面)，但是减小天线的尺寸将导致天线表现出电容电抗，因此如果采取措施应对电容电抗，则会导致阻抗失配。
在下面的讨论中，将讨论理想情况，其中通过机电谐振器16“消除”或“抵消”天线的电抗。但是在现实生活中，机电谐振器16可以存在(a)不能完全抵消天线的负电抗(电容性电抗)的正电抗(电感性电抗)或存在(b)可能比抵消天线负电抗(电容性电抗)所需多一点的正电抗(电感性电抗)。但是只要收发器18可以容忍由上述情况(a)或(b)引起的阻抗不匹配，那么天线10加上机电谐振器16的总电抗就可以减小到可接受的水平，即使没有完全取消。
在数学上，更容易谈论消除电短天线的电抗的理想情况，但是应该牢记，接近于消除(以使VSWR降低到可接受的水平)是利用本发明的高度期望的结果。
表I
Figure GDA0003809588580000091
可以将机电谐振器16的电特性建模为与另一个电容器C0并联的串联电感器L1、电容器C1和电阻器R1。该等效电路19(见图2b)，也称为Butterworth-Van Dyke(BVD)模型，具有串联谐振和并联谐振。示例性的BVD参数值在上面的表I中列出，并在该表中标识的频带中使用了建议的机电谐振器类型。在串联谐振频率与并联谐振频率之间的频率处，图2b的电路的电抗为正，导致机电谐振器在较窄的频率范围(<1％带宽)上像电感器一样有效地工作。因为与该电抗相关的电阻远低于可比较的现有技术的线圈电感器，所以有效电感Q远高于可比较的现有技术的线圈电感器。当与前述偶极子天线或单极子天线10串联放置时，该高电感Q用于通过消除电短天线10的电容电抗并改善与发射器、接收器或收发器模块16的阻抗匹配来提高效率。在这些实施例中使用的机电谐振器16被选择以使其BVD参数值将上述串联和并联谐振值置于天线及其发射器、接收器或收发器18的预期操作频率的任一侧。
根据R.C.Hansen(参见R.C.Hansen,“Efficiency and Matching Tradeoffs forInductively Loaded Short Antennas”IEEE Transactions on Communications,Vol.Com-23,No.4,Apr.1975)，电小偶极子天线或单极子天线的辐射效率由下面的等式1(等式1)给出：
Figure GDA0003809588580000101
其中Rrad是单极子天线的天线辐射电阻，Rloss是天线的欧姆损耗，Rmatch是与匹配网络相关的欧姆损耗。对于单极子天线，Rrad＝10k2h2，其中k是自由空间波数，h是单极子的高度，Rloss＝Rsh/3πa，其中a是导体的直径，Rs是以欧姆每平方为单位的表面电阻率，并且Rmatch＝|Xa|/Q，其中Xa是天线电抗，Q是用于匹配天线电抗的电感器的品质因数。使用低Q(～50)的线圈电感器的传统匹配网络会导致较大的欧姆损耗，并会给电小天线带来不良的效率。此外，随着天线变得过小(从而表现出高的负电抗)，需要非常大的线圈电感器来产生有效匹配所需的电抗。本发明通过用高Q机电谐振器16代替现有技术中使用的线圈电感器来克服这些限制。
优选使用的机电谐振器16的特定类型的选择主要取决于操作的频带。在VLF频带和LF频带，优选使用音叉谐振器，而在MF和HF频带，最好使用扩展模式谐振器；在VHF和UHF频率，优选使用剪切模式谐振器；在L到C频带，优选使用体声波(Bulk Acoustic Wave，BAW)谐振器。这些谐振器16中的每一个采用压电晶体来将施加的电压耦合到机械模式。在优选的实施例中，该晶体是石英，尽管可以使用任何种类的压电晶体，包括AlN和LiNbO3。晶体的选择取决于所需的温度稳定性，谐振器Q，高驱动水平下的非线性特性以及压电有效耦合系数keff 2。
还应该认识到，在上一段中以及在表I中建议的谐振器类型只是作为建议，可以代替使用其他机电谐振器类型，特别是当如表中所示在频带边缘附近的预期操作频率时。例如，下表II中列出了32KHz拉伸模式石英谐振器(而不是建议的剪切模式谐振器)的BVD模型参数：
表II
参数 值
C<sub>0</sub> 2pF
C<sub>1</sub> 10fF
L<sub>1</sub> 2474H
R<sub>1</sub> 248Ω
天线规格将包括诸如谐振频率、带宽、给定输入AC磁场的电压输出和输出阻抗等项目。一旦确定了这些规格，就可以确定谐振器设计。对于UHF操作，如上所述，剪切模式谐振器将是最佳选择。对于HF操作，最好选择拉伸模式谐振器，以保持谐振器的厚度不会过大，从而防止使用深沟槽石英蚀刻。对于LF应用，再次由于优化设计的厚度问题，音叉设计可能是最佳选择。
现在，为了演示将电小偶极子天线10D和电小单极子天线10M与机电谐振器16匹配的有效性，在不同的频带或范围进行了各种谐振器类型的仿真。使用COMSOL仿真软件进行的多物理场仿真获得了LF频率(30kHz至300kHz)的石英音叉和VHF频率(30MHz至300MHz)的石英剪切模式谐振器的Van-Dyke参数。如表I所示，从公布的测量值中获得了MF频率(300kHz至3MHz)下的石英拉伸模式谐振器和S频带频率(2至4GHz)下的AlN BAW谐振器的Van-Dyke参数。使用这些Van-Dyke参数，计算出有效电感(Leff＝XVanDyke/ω)和电感Q(Qeff＝XVanDyke/RVanDyke)，并用于确定相应频率范围内的电小型单极子天线的预测效率。图3-6将这种效率和与传统现有技术Q＝50的片式线圈电感匹配的天线进行了比较。
图3具有针对设计为在LF频带中以约67.5kHz操作的天线的两个仿真图，使用具有在表I的第四个包含数据列(例如，最右边的列)中列出的BVD参数的谐振器。图4还具有针对设计为在MF频带中以约1.006MHz操作的天线的两个仿真图，该谐振器具有在表I的第三列包含数据中列出的BVD参数。图5还具有针对在VHF频带中以约31.88MHz操作的天线的两个仿真图，该谐振器具有在表I的第二列包含数据中列出的BVD参数。最后，图6具有针对设计为在UHF频带中以大约2.005GHz操作的天线的两个仿真图，谐振器具有在上面表I的第一列包含数据中列出的BVD参数。
对于给定的谐振器设计，当有效电感Q最大时，出现频率的最佳操作点。可以通过更改谐振器的形状和尺寸以匹配天线的电容电抗来修改在此最佳状态下生成的电感值。通常，机械谐振器的模态质量越高，等效电感越大。该技术的一个潜在局限性在于，可以实现高Q电感的带宽非常窄。
模态质量是弹簧/质量谐振器的质量，其在电气上等效于谐振器的BVD模型。因此，高L1等效于高模态质量。模态质量仅由模态限制并因此由Q来微弱地确定。通过改变电极和极板的几何形状，可以很容易地改变特定谐振器的Q。但是，为了改变模态质量，需要改变谐振器的尺寸，这通常会产生不同的优化操作频率。
尽管图3-5中每一个均示出了如果使用机电谐振器16而不是现有技术的片式电感器，则效率显著改善，考虑图5所示的天线的显著改善。该天线在31.88MHz处谐振。本领域技术人员将立即认识到，在31.99MHz谐振的全尺寸(四分之一波长)单极子天线的高度约为2.5m。当然，可以精确地计算该尺寸，但是感兴趣的是电短天线。如果要以31.88MHz的频率操作，高度仅为1m的单极子在电气上非常短。如果使用具有图5的上图的特征的机电谐振器16(如图1b所示)，那么从下图中可以看出，所得天线的效率约为95％(参见下图上标记的点“A”)。但是，如果改用现有技术的片式电感器(Q值仅为约50)，则效率会下降到约30％(请参见下图上标记的“B”点)。在图1b的单极子天线10中使用具有接近500的Q(参见上部曲线图上的点“C”)的机电谐振器16代替现有技术的片式电感器的优点无庸置疑。
看起来，机电谐振器16的Q越高，效率的提高就越大。比较图3-6。图6的BAW机电谐振器具有在50和100之间的Q，并且相对于片式电感器(假设Q为50)在效率方面显示出很小的改善。但是使用BAW机电谐振器代替片式电感器仍然可以带来好处，因为BAW机电谐振器的尺寸应更小，并且BAW机电谐振器应具有串联谐振和并联谐振(并因此表现出2极)，因此比单极片式电感器呈现出更好的匹配。
图7示出了与MF石英拉伸模式谐振器匹配的0.05m单极子天线的电压增益曲线。效率如图4所示。从该曲线可以看出，该电压传输的3dB带宽小于10Hz。
在另一个实施例中，本发明包括偶极子天线(见图8a)或单极子(见图8b)天线10，该天线包括：连接到发射器、接收器或收发器18的两个细金属杆或金属片(臂)。在偶极子天线的情况下，两个薄金属体(臂)均形成为限定两个部分121和122，这两个部分在沿其长度的某个点(最好是臂总长度距驱动端的40％的点处)彼此分开。在单极子天线的情况下，在该实施例中，沿着单个金属体的长度在某处放置单个断裂或开口。横穿所述断裂处或开口连接的是一个或多个上述机电谐振器16。再次，调谐该谐振器16以呈现正电抗，以抵消(或部分抵消)偶极子天线或单极子天线的电容电抗。除了数学上消除天线的电抗阻抗外，将谐振器放置在偶极子或单极子的主体中还可以通过在天线结构上重新分配电流来增加天线的辐射电阻。这种效果可以由R.C.Hansen提供的以下修改后的沿其主体的辐射效率等式获取：
Figure GDA0003809588580000141
其中QL是负载电感器的品质因数，β和α是Hansen定义的常数，Rr是未装载的天线的辐射电阻，Xa是未装载的天线的电抗。
为了演示将机电谐振器装载到电小偶极子天线中的效果，在COMSOL仿真软件中进行了32MHz剪切模式谐振器的仿真。从此仿真中提取的BVD模型的参数在下面的表III中给出(并且在上表I中针对VHF设备也列出这些参数)：
表III
参数 值
C<sub>o</sub> 0.8pF
C<sub>1</sub> 5fF
L<sub>1</sub> 5mH
R<sub>1</sub> 3Ω
在31.9MHz左右，该谐振器表现出31.5μH的电感以及520的高品质因数。请参见图9，图9示出中心装载有石英剪切模式谐振器的12英寸偶极子的天线的效率与基座装载有石英剪切模式谐振器的相同天线的效率。
在本发明的另外的实施例中(见图10a和10b)，偶极子天线10D或单极子天线10M包括连接到发射器、接收器或收发器18的一个或多个细金属杆或金属片或主体12。在图10a的实施例中，偶极子天线将两个薄金属体12沿其长度在某些点处分开以限定两个部分121和122，在两个部分之间具有开口。在图10b的实施例中，单极子天线10M在其细金属杆、薄金属片或主体中具有单个断裂处或开口，形成或限定了两个部分121和122，该开口沿金属主体的长度出现在某处(优选大约40％的长度)。横穿这些断裂处或开口，放置上述机电谐振器16之一(在图10a的实施例中编号为16-2和16-3)。调谐谐振器以呈现正电抗以部分抵消偶极子天线10D或单极子天线10M的电容电抗。剩余的电抗可以通过在天线10D，10M的馈电点处与天线10D，10M串联放置的附加机电谐振器16-1来抵消(或进一步抵消)。在这种配置中，机电谐振器16、16-1、16-2和16-3中的一些(但不是全部)可以用常规的电感器代替。
在本发明的其他实施例中(参见图11a和11b)，单个偶极子天线或单极子天线可使其细金属杆或薄金属片连接到发射器、接收器或收发器18。在图11a的实施例的情况下，两个薄金属体12在沿其长度的某些点处断裂。在图11b的实施例的情况下，沿着单个金属体12的长度在某处放置单个断裂处或开口。横穿在元件12中的一个或多个断裂处或开口放置优选布置为谐振器16的阵列16阵列的多个机电谐振器16。阵列16阵列中的谐振器16全部被调谐以呈现正电抗，以抵消(或部分减小)偶极子天线10D或单极子天线10M的电容电抗。这些谐振器优选地被配置成网络或阵列，具有在阵列16阵列中连接的相等数目的单独串联连接和并联连接的谐振器16，诸如图11c所示。阵列16阵列跨接在每个上述断裂处或开口处。该网络或阵列配置用于减小在每个谐振器16上看到的电压和电流，同时保持相同的电抗值，就好像使用单个谐振器代替阵列16阵列一样。
在本发明的另外的实施例中(参见图12a和12b)，单个偶极子或单极子天线包括连接到发射器、接收器或收发器18的两个薄金属臂或金属片。在偶极子天线的情况下，两个薄金属体沿其长度在多个点处断裂或分离，从而定义了每个臂12的部分121、122、123和124。在单极子天线实施例(参见图12b)的情况下，沿着单个金属体的长度的某些位置会出现多个断裂处或开口。在每个断裂处或开口处跨接的是上述类型的机电谐振器16中的一个(或多个)中的一个(或一个阵列-可以是二维阵列)。这些谐振器16全部被调谐以呈现正电抗，从而消除(或至少部分抵消)偶极子天线或单极子天线10的电容电抗。这些谐振器16中的每一个在天线的预期操作频率下需要呈现的电抗值优选由全波仿真确定并发生。与在偶极子天线或单极子天线的臂中具有单个谐振器的那些实施例相比，该实施例用于减小在每个谐振器16上看到的电压。
在本发明的最终实施例中，包括由多个寄生偶极子或单极子天线围绕的中心偶极子或单极子天线，该多个寄生偶极子或单极子天线与中心元件的间隔小于λ/4(见图13)。在偶极子阵列的情况下，中心天线元件和寄生元件均由两个细金属杆或薄金属片组成。在单极子阵列的情况下，中心天线元件和寄生元件均由放置在接地平面上的单个金属杆或金属片组成。在偶极子和单极子配置中，中心元件连接到发射器、接收器或收发器18，而周围的寄生偶极子连接到某些负载值ZL，可以使用已知方法对其进行调谐以在辐射图案的阵列中形成定向波束。每个元件沿其长度在一个或多个位置处断裂。经过调谐以呈现正电抗的机电谐振器16横穿每个断裂处放置，以消除天线的负电抗以及改变天线上的电流分布。
天线元件通常被描述为“薄(细)”。例如，如果天线元件伸缩，则薄度可以是期望的属性，从而可以伸缩的方式将其从手持通信设备中拉出。天线元件的直径也是如此。手持式通信设备的伸缩天线元件的直径通常只有大约1/4英寸。但是，从纯电气性能的角度和/或从机械适应性的角度来看，更厚和/或具有更大直径的天线元件可能是优越的。因此，在本发明的上下文中，不需要天线元件为薄壁或厚壁或小直径或大直径。实际上，天线元件优选地具有圆形横截面，但是它们可以具有任何合适的横截面。实际上，天线元件由金属制成。
这结束了本发明实施例的详细描述。为了说明和描述的目的，已经给出了这些实施例及其制造方法的前述描述。其并非旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式或方法。根据以上教导，许多修改和变化是可能的。意图是，本发明的范围不由该详细描述限制，而是由所附权利要求书限制。
这里描述的所有的元件、部件和步骤都是优选包括的。应当理解，这些元件、部件和步骤中的任何元件、部件和步骤可由其他元件、部件和步骤代替或一起删除，这对本领域技术人员来说是显而易见的。
广义上，本文公开了至少以下内容：一种天线系统，包括：至少一个有源元件，所述至少一个有源元件具有用于连接到无线电接收器、发射器或收发器的第一端；和至少一个机电谐振器，所述至少一个机电谐振器与(i)所述至少一个有源元件的至少一部分和所述至少一个有源元件的至少另一部分或(ii)所述至少一个有源元件和所述无线电接收器、发射器或收发器串联连接。所述至少一个有源元件在预期操作频率下表现出电容电抗，并且所述至少一个机电谐振器在预期操作频率下表现出电感电抗，所述至少一个机电谐振器的电感电抗在预期操作频率下抵消或基本抵消至少一个天线元件的电容电抗。
构思
本发明的各种构思如下：
构思1、一种天线系统，包括：至少一个有源元件，所述至少一个有源元件具有用于连接到无线电接收器、发射器或收发器的第一端；和至少一个机电谐振器，所述至少一个机电谐振器与(i)所述至少一个有源元件的至少一部分和所述至少一个有源元件的至少另一部分或(ii)所述至少一个有源元件和所述无线电接收器、发射器或收发器串联连接。
构思2、根据构思1所述的天线系统，其中，所述天线系统的所述至少一个有源元件在预期操作频率下表现出电容电抗，并且其中，所述至少一个机电谐振器在预期操作频率下表现出电感电抗，所述至少一个机电谐振器的电感电抗在预期操作频率下抵消或基本抵消至少一个天线元件的电容电抗。
构思3、根据构思1或2所述的天线系统，其中，所述机电谐振器表现出串联谐振和并联谐振两者，所述串联谐振和所述并联谐振具有不同的谐振频率，并且其中，所述机电谐振器不在所述天线系统的预期操作频率下谐振。
构思4、根据构思3所述的天线系统，其中，所述串联谐振和所述并联谐振中的一个处于比所述天线系统的预期工作频率高的频率，并且所述串联谐振和所述并联谐振中的另一个处于比所述天线系统的预期操作频率低的频率。
构思5、根据构思1-5中任一个所述的天线系统，其中，所述至少一个机电谐振器包括机电谐振器的二维阵列。
构思6、一种偶极子天线，具有两个臂，每个臂中具有至少一个开口，所述至少一个开口限定所述至少一个开口所在的臂的至少第一和第二部分，每个开口被至少一个机电谐振器占据，所述至少一个机电谐振器连接到它占据其开口的臂的至少第一和第二部分。
构思7、根据构思6所述的偶极子天线，其中，每个臂中的开口被所述至少一个机电谐振器电占据。
构思8、根据构思6或7所述的偶极子天线，其中，每个臂中的开口还被所述至少一个机电谐振器物理地占据。
构思9、根据构思6所述的偶极子天线，其中，每个臂中具有多个开口，所述多个开口中的每一个被至少一个机电谐振器占据，所述至少一个机电谐振器连接到其所在的臂的部分。
构思10、根据构思9所述的偶极子天线，其中，每个机电谐振器横穿其所在的臂中的开口呈现正电抗。
构思11、一种包括偶极子天线元件的阵列的天线，偶极子天线元件中的每个包括在其中具有至少一个开口的两个臂，每个所述开口被机电谐振器占据，所述阵列中的至少一个所述偶极子天线元件适于由无线电发射器电激励，所述阵列中的其余偶极子天线元件至少部分地包围所述阵列中的所述至少一个所述偶极子天线元件，所述开口中的每个机电谐振器在所述天线的预期操作频率下对所述偶极子天线元件的在所述开口的任一侧的那些部分呈现正电抗。

Claims (10)

1.一种包括电小偶极子天线元件的阵列的天线，所述偶极子天线元件中的每一个包括在其中具有至少一个开口的两个臂，每个所述开口被机电谐振器占据，所述阵列中的所述偶极子天线元件中的第一偶极子天线元件电连接至无线电发射器、接收器或收发器，所述阵列中的其余偶极子天线元件各自连接至负载值，该负载值能被调谐以在阵列的辐射图案中形成定向波束，所述阵列中的所述其余偶极子天线元件至少部分地包围所述阵列中的所述偶极子天线元件中的所述第一偶极子天线元件，所述开口中的每个机电谐振器，在所述天线的预期操作频率下，对所述偶极子天线元件的在所述开口的任一侧上的那些部分呈现正电抗。
2.根据权利要求1所述的天线，其中每个偶极子的每个臂中具有多个开口，所述多个开口中的每一个被至少一个机电谐振器占据，所述机电谐振器连接至其所在的臂的部分。
3.根据权利要求1所述的天线，其中每个机电谐振器包括机电谐振器的二维阵列。
4.根据权利要求1所述的天线，其中所述阵列中的所述其余偶极子天线元件与所述阵列中的所述偶极子天线元件中的所述第一偶极子天线元件隔开λ/4。
5.根据权利要求1所述的天线，其中所述偶极子天线元件中的每一个包括连接至所述机电谐振器的细金属杆或薄金属片。
6.一种包括单极子天线元件的阵列的天线，所述单极子天线元件中的每一个包括在其中具有至少一个开口的一个臂，每个所述开口被机电谐振器占据，所述阵列中的所述单极子天线元件中的第一单极子天线元件电连接至无线电发射器、接收器或收发器，所述阵列中的其余单极子天线元件各自连接至负载值，该负载值能被调谐以在阵列的辐射图案中形成定向波束，所述阵列中的所述其余单极子天线元件至少部分地包围所述阵列中的所述单极子天线元件中的所述第一单极子天线元件，所述开口中的每个机电谐振器，在所述天线的预期操作频率下，对所述单极子天线元件的在所述开口的任一侧上的那些部分呈现正电抗。
7.根据权利要求6所述的天线，其中每个单极子的每个臂中具有多个开口，所述多个开口中的每一个被至少一个机电谐振器占据，所述机电谐振器连接至其所在的臂的部分。
8.根据权利要求6所述的天线，其中每个机电谐振器包括机电谐振器的二维阵列。
9.根据权利要求6所述的天线，其中所述阵列中的所述其余单极子天线元件与所述阵列中的所述单极子天线元件中的所述第一单极子天线元件隔开λ/4。
10.根据权利要求6所述的天线，其中所述单极子天线元件中的每一个包括连接至所述机电谐振器的细金属杆或薄金属片。
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