CN1123947C - 反绕螺旋线天线 - Google Patents
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Abstract
一个反绕螺旋线天线(100，130)用多个磁偶极子单元(32，34，35)产生磁流(M)的一个均匀定向圆环。在一个实施例中，磁偶极子单元(32，34)具有相同的曲率，并且各磁偶极子单元(32，34)上的磁流(M)每个都指向相对于磁偶极子天线(100)的中心信号耦合器(18)的相同方向。在另一个实施例中，磁偶极子单元(32，35)具有相反的曲率，并且各磁偶极子单元(32，35)上的磁流(M)每个指向相对于磁偶极子天线(130)的中心信号耦合器(18)的相反的方向。
Description
本申请要求1998年4月6日申请的、序列号为60/080,781的在先美国临时申请的权益。
本发明涉及1995年8月14日申请的、美国专利申请序列号为08/514,609的，标题为“反绕环形螺旋线天线”的现在为第5,743,353号美国专利的主题，该专利结合于此作为参考。
本发明一般涉及用于发射和接收电磁辐射的天线，更具体地讲，涉及反绕螺旋线天线。
申请序列号为08/514,609的′609申请披露了一种电的小型反绕环形螺旋线天线(CTHA)，其包括一个带有相互重叠的反绕关系的两个长度部分的单一导体。在各长度部分中的电流以相反的圆周方向绕环形流动，因而绕环形的净圆周电流实际上为零。但是，由于反绕螺旋关系，在每个环形螺旋线长度部分中的各自的电流分量产生的相关的圆周磁流分量增强，因而产生的辐射图形和与螺旋线结构的主轴重合并且同心的电偶极子的图形相同。也就是说，产生的辐射图形在平行于环形主轴的方向上是强线性极化的。根据该天线的构造，特别是基础螺旋线形状的宽高比和螺旋线的匝数，也可能存在其它极化分量。
结合于此作为参考的′609申请披露了一个用于以实线或虚线代表广义螺旋线和广义环形螺旋线绕组的图示符号体系，前者代表左旋螺距方向，后者代表右旋螺距方向，其中对于右旋螺距方向螺旋线结构，相关的磁流轴向方向和相关的电流的投影轴向方向是相同的，对于左旋螺距方向螺旋线结构，是相反的。可以使一个电磁天线的辐射图形与该天线产生有效电和磁流分布相关。例如，一个不带相关电流的磁流的均匀环相当于一个电偶极子天线的辐射电磁场分布。此外，不带相关磁流的电流的均匀环近似于一个“史密斯-苜蓿叶形(Smith-Cloverleaf)”天线的辐射图形。一个特定流分布集的辐射图形可以通过模拟或测量方法确定。
在一个示例性的操作模式中，使天线以一种频率操作，从而使天线的圆周长度为一个电波长的一半。反绕螺旋线结构的慢波特性使得对应的物理长度短于根据相关速度因数的自由空间波长，相关速度因数取决于相关的基础螺旋线结构几何形状。
上述反绕环形螺旋线天线的一个限制是天线的带宽是大约10％。因此，对于需要较大带宽的宽带应用，需要多个反绕环形螺旋线天线，其中以适当的方式使各天线的谐振频率相互隔离，从而使得对于一个在相关频带内的给定操作频率，在相关的阻抗匹配网的发射线路一侧的多个天线中的具有最低VSWR的一个天线能够用于发射或接收给定信号。因此，如′609申请的图76中所示，可以用一个多路复用器将一个宽带信号发向适当的天线或从适当的天线提取。在另一个实施例中，可以将独立的收发信机适配到每个天线单元。在再一个实施例中，可以把一个多路复用器用于连接发射机和多个天线单元，并且可以将独立的接收机操作地耦合到每个天线单元，组合其输出以便形成复合接收信号。
如上述参考图76中所示，将各独立天线单元绕一共同中心轴同心地同位设置。这具有为产生的发射波提供相对于共同轴的相位对称的优点。但是，这种安排的一个问题在于，不在一个或多个阻抗匹配网与一个共同信号端口之间插入发射线路片段，就不能使各阻抗匹配网的发射线路一侧互连到该共同信号端口，因为天线单元之间是物理隔离的。这些发射线路片段在信号中引入了相位延迟，相位延迟是频率的函数，其预防了各阻抗匹配网的发射线路一侧的直接互连，以便在共用信号端口取得自然宽带操作。
上述反绕环形螺旋线天线的另一个限制在于，天线输入阻抗一般与典型的发射线路的特征阻抗显著不同，因此在信号连接器中需要使用相关的阻抗匹配网。更具体地讲，对于一个相对较宽的带宽谐振条件，天线的输入阻抗一般为1至3KΩ。作为对比，典型的发射线路具有50-300Ω的阻抗。
本发明通过提供了一种成形的磁偶极子天线以由每个相关的磁偶极子单元产生磁流的均匀定向环流，因此造成与′609申请的反绕环形螺旋线天线相同的辐射图形，而克服了上述问题。在一个基本实施例中，磁偶极子天线是反对称形的，例如，“S”或“Z”形的，其中各磁偶极子单元上的磁流每个相对于磁偶极子天线的中心指向同一方向。在另一个基本实施例中，磁偶极子天线是对称形的，例如，圆形的，其中各磁偶极子单元上的磁流每个相对于磁偶极子天线的中心对准相反的方向。在再一个基本实施例中，一个磁单极天线包括一个设置的单一磁偶极子单元，以便产生一个磁流的环流。
磁偶极子单元包括各种反绕螺旋结构，并联/传输线馈送的或串联/环路馈送的；电开路的或电闭路的。
可以在一个磁偶极子天线系统中组合多个基本磁偶极子天线单元。如果把多个基本磁偶极子天线单元中的每一个调谐到同一操作频率，并且其特征在于在操作频率有较高的输入阻抗，那么其组合提供了更易于匹配于发送线路的较低的复合输入阻抗。如果把多个基本磁偶极子天线单元中的每一个调谐到不同操作频率，并且其特征在于在操作频率有较高的输入阻抗，那么其组合提供了能够容易地适配于一个单一信号端口的相对宽的带宽的天线。
因此，本发明的一个目的是要提供一种产生一个磁流的环流的改进的磁性天线。
本发明的另一个目的是要提供一种沿磁环流方向极化的相对小的低矮天线。
本发明的再一个目的是要提供一种改进的反绕螺旋线天线，其具有接近与惯用发送线路的阻抗的相关输入阻抗。
本发明的再一个目的是要提供一种改进的宽带反绕环形螺旋线天线系统。
根据本发明的第一个方面，提供了一种电磁天线，包括：
(a)彼此具有广义反绕螺旋线关系的第一和第二导体，其中所述第一和第二导体彼此绝缘，所述第一导体由第一节点分成第一和第二部分，所述第二导体由第二节点分成第一和第二部分，所述第一和第二节点位于相互靠近的位置，并且构成第一端口，所述第一导体的所述第一部分与所述第二导体的所述第一部分是相互重叠的关系，成为广义反绕螺旋线结构的第一部分，所述第一导体的所述第二部分与所述第二导体的所述第二部分是相互重叠关系，成为所述广义反绕螺旋线结构的第二部分，所述广义反绕螺旋线结构具有带有曲率的轴；和
(b)包括第一和第二接线端的信号馈送端口，其中所述第一和第二接线端操作地耦连到所述第一和第二节点，并且所述信号馈送端口与所述第一端口靠近。
根据本发明的第二个方面，提供了一种电磁天线，包括：
(a)一个从一第一节点到一第二节点的第一广义螺旋线传导路径；
(b)从第三节点到第四节点的第二广义螺旋线传导路径，其中所述第一广义螺旋线传导路径的螺旋线螺距方向与所述第二广义螺旋线传导路径的螺旋线螺距方向相反，所述第一和第二广义螺旋线传导路径相互绝缘并且重叠设置，以便构成第一广义反绕螺旋线结构，并且所述第一广义螺旋线传导路径具有弯曲的轴；
(c)从第五节点到第六节点的第三广义螺旋线传导路径；
(d)从第七节点到第八节点的第四广义螺旋线传导路径，其中所述第三广义螺旋线传导路径的螺旋线螺距方向与所述第四广义螺旋线传导路径的螺旋线螺距方向相反，所述第三和第四广义螺旋线传导路径相互绝缘并且相互重叠设置，以便构成第二广义反绕螺旋线结构，并且所述第二广义反绕螺旋线结构具有弯曲的轴；和
(e)包括第一和第二接线端的信号馈送端口，其中所述第一和第二接线端操作地耦合到所述第一和第二广义反绕螺旋线结构。
根据本发明的第三个方面，提供了一种电磁天线，包括：
(a)彼此具有广义反绕螺旋线关系的第一和第二导体，其中所述第一和第二导体彼此绝缘，所述第一导体由第一节点分成第一和第二部分，所述第二导体由第二节点分成第一和第二部分，所述第一和第二节点位于相互靠近的位置，并且构成第一端口，所述第一导体的所述第一部分与所述第二导体的所述第一部分是相互重叠的关系，成为广义反绕螺旋线结构的第一部分，所述第一导体的所述第二部分与所述第二导体的所述第二部分是相互重叠关系，成为所述广义反绕螺旋线结构的第二部分，所述广义反绕螺旋线具有一轴，所述轴是弯曲的，并且所述轴从所述广义反绕螺旋线的所述第一部分内的所述第一端口起的曲率方向与所述轴从所述广义反绕螺旋线的所述第二部分内的所述第一端口起的曲率方向相同；和
(b)包括第一和第二接线端的信号馈送端口，其中所述第一和第二接线端操作地耦连到所述第一和第二节点。
根据本发明的第四个方面，提供了一种电磁天线，包括：
(a)彼此具有广义反绕螺旋线关系的第一和第二导体，其中所述第一和第二导体彼此绝缘，所述第一导体由第一节点分成第一和第二部分，所述第二导体由第二节点分成第一和第二部分，所述第一和第二节点位于相互靠近的位置，并且构成第一端口，所述第一导体的所述第一部分与所述第二导体的所述第一部分是相互重叠的关系，成为第一广义反绕螺旋线结构的第一部分，所述第一导体的所述第二部分与所述第二导体的所述第二部分是相互重叠关系，成为所述第一广义反绕螺旋线结构的第二部分，所述第一广义反绕螺旋线具有第一轴，所述第一轴是弯曲的，并且所述第一轴从所述第一广义反绕螺旋线的所述第一部分内的所述第一端口起的曲率方向与所述第一轴从所述第一广义反绕螺旋线的所述第二部分内的所述第一端口起的曲率方向相反；
(b)彼此具有广义反绕螺旋线关系的第三和第四导体，其中所述第三和第四导体彼此绝缘，所述第三导体由第三节点分成第三和第四部分，所述第四导体由第四节点分成第一和第二部分，所述第三和第四节点位于相互靠近的位置，并且构成第二端口，所述第三导体的所述第一部分与所述第四导体的所述第一部分是相互重叠的关系，成为第二广义反绕螺旋线结构的第一部分，所述第三导体的所述第二部分与所述第四导体的所述第二部分是相互重叠关系，成为所述第二广义反绕螺旋线结构的第二部分，所述第二广义反绕螺旋线具有第二轴，所述第二轴是弯曲的，并且所述第二轴从所述第二广义反绕螺旋线的所述第一部分内的所述第二端口起的曲率方向与所述第二轴从所述第二广义反绕螺旋线的所述第二部分内的所述第二端口起的曲率方向相反；和
(c)包括第一和第二接线端的信号馈送端口，其中所述第一和第二接线端操作地耦连到所述第一和第二节点与所述第三和第四节点。
在参考附图阅读了以下优选实施例的详细说明，并根据附属权利要求的观点，可以对本发明的这些和其它目的，特征和优点有更充分的理解。
图1是根据′609申请的一个反绕环形螺旋线天线的示意图；
图2是作为一个磁环天线的图1的实施例的示意代表；
图3是包括一个反对称磁偶极子天线的本发明的第一基本实施例的示意代表；
图4a示出了沿一直线投影的图3的实施例；
图4b示出了在信号相位相对于图4a的相位反转的时间点的图4a的实施例；
图5a是根据图3，4a和4b实施例的反绕螺旋线单元的示意代表；
图5b是作为两个螺旋线偶极子单元的组合的图5a的实施例的等价示意代表；
图6是一个根据图3，4a和4b的实施例的另一个反绕螺旋线单元的示意代表；
图7a是在一阶谐振条件下的图5a和5b的实施例在一给定时间点的电流分布的代表；
图7b是在一阶谐振条件的图5a和5b的实施例在一给定时间点的电流分布的代表，其中极性参照一共同方向；
图7c是在一阶谐振条件的图5a和5b的实施例在一给定时间点的磁流分布的代表，其中极性参照一共同方向；
图8是图6实施例在一给定时间点的电流分布的代表，其中相关导体沿一直线投影；
图9a是图6实施例在一给定时间点的电流分布的代表；
图9b是图6实施例在一给定时间点的电流分布的代表，其中极性参照一共同方向；
图9c是图6实施例在一给定时间点的磁流分布的代表，其中极性参照一共同方向；
图10a是在二阶谐振条件的图5a和5b实施例在一给定时间点的电流分布的代表；
图10b是在二阶谐振条件的图5a和5b实施例在一给定时间点的电流分布的代表，其中极性参照一共同方向；
图10c是在二阶谐振条件的图5a和5b实施例在一给定时间点的磁流分布的代表，其中极性参照一共同方向；
图11是根据图3，4a和4b中的两个磁流单元中的一个的反绕螺旋线单元的示意代表；
图12是图11实施例在一给定时间点的电流分布的代表，其中相关的导体沿一直线展开；
图13a是图11实施例在一给定时间点的电流分布的代表；
图13b是图11实施例在一给定时间点的电流分布的代表，其中极性参照一共同方向；
图13c是图11实施例在一给定时间点的磁流分布的代表，其中极性参照一共同方向；
图14是根据图3，4a和4b实施例的再一个反绕螺旋线单元的示意代表，包括组合两个反绕螺旋线单元，每个反绕螺旋单元都根据图11的实施例；
图15a是图14实施例中的两个反绕螺旋线单元中的一个在一给定时间点的电流分布的代表，其中相关导体沿一直线展开；
图15b是图14实施例中的两个反绕螺旋线单元中的另一个在一给定时间点的电流分布的代表，其中相关导体沿一直线展开；
图16a是图14实施例在一给定时间点的电流分布的代表；
图16b是图14实施例在一给定时间点的电流分布的代表，其中极性参照一共同方向；
图16c是图14实施例在一给定时间点的磁流分布的代表，其中极性参照一共同方向；
图17示出了本发明的另一个实施例，包括多个根据图3的磁流单元，每个磁流单元具有相同的谐振频率；
图18示出了本发明的再一个实施例，包括多个根据图3的磁流单元，每个磁流单元具有不同的相关谐振频率；
图19是本发明的第二基本实施例的示意代表，包括一个对称的磁偶极子天线；
图20a示出了沿一直线投影的图19的实施例；
图20b示了在信号相位相对于图20a的相位反转的时间点的图20a的实施例；
图21a是根据图19，20a和20b的实施例的一个反绕螺旋线单元的示意代表；
图21b是作为两个螺旋线偶极子单元的组合的图21a实施例的等效示意代表；
图22是根据图19，20a和20b的另一个反绕螺旋线单元的示意代表；
图23是根据图19，20a和20b中的两个磁流单元中的一个的反绕螺旋线单元的示意代表；
图24是根据图19，20a和20b中的两个磁流单元中的另一个的反绕螺旋线单元的示意代表；
图25a是在一阶谐振条件的图21a和21b实施例在一给定时间点的电流分布的代表；
图25b是在一阶谐振条件的图21a和21b实施例在一给定时间点的电流分布的代表，其中极性参照一共同方向；
图25c是在一阶谐振条件的图21a和21b实施例在一给定时间点的磁流分布的代表，其中极性参照一共同方向；
图26是图22实施例在一给定时间点的电流分布的代表，其中相关导体沿一直线投影；
图27a是图22实施例在一给定时间点的电流分布的代表；
图27b是图22实施例在一给定时间点的电流分布的代表，其中极性参照一共同方向；
图27c是图22实施例在一给定时间点的磁流分布的代表，其中极性参照一共同方向；
图28是图23实施例在一给定时间点的电流分布的代表，其中相关导体沿一直线投影；
图29a是图23实施例在一给定时间点的电流分布的代表；
图29b是图23实施例在一给定时间点的电流分布的代表，其中极性参照一共同方向；
图29c是图23实施例在一给定时间点的磁流分布的代表，其中极性参照一共同方向；
图30是根据图19，20a和20b的再一个反绕螺旋线单元的示意代表，包括根据图23和24的两个反绕螺旋线单元的组合；
图31a是图30实施例在一给定时间点的电流分布的代表；
图31b是图30实施例在一给定时间点的电流分布的代表，其中极性参照一共同方向；
图31c是图30实施例在一给定时间点的磁流分布的代表，其中极性参照一共同方向；
图32示出了本发明的再一个实施例，包括多个根据图19的磁流单元，每个磁流单元具有不同的相关谐振频率；
图33示出了本发明的再一个实施例，包括一个与图3或19中所示实施例相同的实施例，其中相关磁偶极子单元中的一个具有比另一个小的速度因数；和
图34示出了本发明的第三基本实施例，包括一个根据图11的信号磁流单元。
参考图1，反绕环形螺旋线天线10包括一个具有两个长度部分1，2的单一导体12，两个长度部分具有实际上相同的长度，都包括一个广义的反绕环形螺旋线结构，其中每个长度部分形成了一种均匀螺旋线螺距方向的广义环形螺旋线结构，并且不同的长度部分的螺旋线螺距方向是相互反向的。在图1的示意图中，长度部分1的虚线代表一个右旋螺旋线螺距方向螺旋导体，对于这个螺旋导体，磁流的方向与相关的广义螺旋线结构中的相关电流的轴向投影方向相同。此外，长度2的实线代表了一个左旋螺旋线螺距方向螺旋导体，对于这个螺旋导体，磁流方向与相关的广义螺旋线结构中的相关电流的轴向投影方向相反。
将来自一个通过一个接入一阻抗匹配网的信号连接器18经过传输线16互连的信号源14的信号施加到反绕环形螺旋线天线10的信号馈入端口20，其中信号馈入端口20包括设置在单一导体12的第一和第二长度部分1，2的接合点的第一节点22和第二节点24。因此，由于图1中所示的瞬时信号极性，施加的信号引起电流J在第一和第二长度部分1，2中以图1中所示方向流动。右旋螺距方向长度部分1中的电流J产生了一个相同方向的磁流M。左旋螺距方向长度部分2中的电流J产生了相反方向的磁流M。因此，由于第一和第二长度部分1，2中的电流J的方向相反，因而有效地相互抵消，相关的磁流M是同方向的，并且相互增强，以便产生一个磁流M的环。
参考图2，反绕环形螺旋线天线10被示意性地表示为一个包括一个磁流M的环26的磁环天线，磁流M的环26连接到一个具有一输入端口28的信号连接器18。磁流M的环26以一个与反绕环形螺旋线天线10的相关辐射图形有关的磁流的相关圆环30为特征。
参考图3，在本发明的一个实施例中，磁流的圆环30是由包括连接到一个中央信号耦合器18的偶极子单元32，34的反对称磁偶极子天线100产生的，其中在任何给定时间点，每个磁偶极子单元32，34中的磁流M相对于中央信号耦合器18以相同方向沿对应的磁偶极子单元32，34传播。适当地形成各磁偶极子单元32，34的形状，以便产生磁流的相关圆环30，从而使出自各磁偶极子单元32，34的圆环的对应方向相同。
尽管在图3中以半圆形示出了每个磁偶极子单元32，34，但是不应认为本发明限于该实际形状。更具体地讲，每个单元的形状可以是′609申请中定义的任何截面形状的广义环形。例如，磁偶极子单元32，34的形状可以是圆形的、椭圆形的、螺旋形的、分段直线形的、或齿形曲线形的。此外，磁偶极子单元32，34不必在一个平面上，而是可以总体上遵循三维路径。
图4a示出了沿一直线投影的图3的实施例，用作说本发明的各实施例的电和磁流的相关结构和分布的参考。图4a示出了在图3所示相同时刻的相关磁偶极子单元32，34中的磁流M的方向。如′609申请中所述，磁流对应于一个时间变化的磁场。图4b示出了在信号相位相对于图4a中的相位反转时刻的相关磁偶极子单元32，34中的磁流M的方向。因此，图4a和4b示出了执行如图3中所示的本发明实施例所需的磁流分布。
参考图5a，根据图3，4a和4b的反绕螺旋线天线100的一个实施例被示意性地图示为一个包括一对绝缘导体的并行/传输线馈入的反绕螺旋线结构。这在图5b中进一步示为一对相互反向缠绕的螺旋偶极子天线。每个相关的螺旋偶极子天线分别包括一对螺旋偶极子单元32.1，34.1和32.2和34.2，每个相互反向缠绕。从另一种观点看，反绕螺旋线天线100包括一对磁偶极子单元32，34。磁偶极子单元之一32包括一个由右旋32.1和左旋32.2螺距方向广义螺旋线单元组合构成的反绕螺旋线结构。同样地，另一个磁偶极子单元34包括一个由右旋34.1和左旋34.2螺距方向广义螺旋线单元组合构成的反绕螺旋线结构。从一个连接到包括一个信号输入端口40的共同节点对36，38的信号源向磁偶极子单元32，34馈送信号，其中右旋螺距方向螺旋线单元32.1，34.1连接到一个节点36，而左旋螺距方向螺旋线单元32.2，34.2连接到另一个节点38。
图7a，7b和7c是叠加在图5b的物理图示上的、图5a，5b实施例在相关基本谐振频率的电流J和磁流M分布。参考图7a，在一给定时刻，一个正弦正电流在螺旋线偶极子单元34.1从节点36向左传播，并且也在螺旋线偶极子单元32.1从节点36向右传播。此外，一个正弦负电流在螺旋偶极子单元34.2从节点38向左传播，并在螺旋线偶极子单元32.2从节点38向右传播。参考图7b，将图7a的导体引导的电流变换为等价的右向电流，从而使负的左向电流成为正的右向电流，并且正的左向电流成为负的右向电流。最后，图7c示出了对应于图7a和7b的电流J分布的相关磁流M分布，其中对于右旋螺距方向螺旋线偶极子单元32.1和34.1的电流J和磁流M的方向彼此相同，而对于左旋螺距方向螺旋线偶极子单元32.2和34.2的电流J和磁流M的方向彼此相反，从而使磁偶极子单元32的螺旋线偶极子单元32.1，32.2的磁流M都指向同一方向。同样，磁偶极子单元34的螺旋线偶极子单元34.1和34.2的磁流M指向同一方向，这个方向与磁偶极子单元32中的磁流方向相反。如图7b中所示，在每个对应的螺旋线偶极子单元上的电流J分量相互抵消。因此，根据图5a，5b实施例的操作在基本谐振频率的磁偶极子天线100产生了与图4a一致的相关磁流M分布，而没有显著的相关电流J。
图10a，10b和10c示出了叠加在图5b的物理图示上的、图5a，5b实施例在相关第一谐波谐振频率的电流J和磁流M分布。如前面对图7a，7b和7c所做的说明，根据图5a和5b实施例的操作在第一谐波谐振频率的磁偶极子天线100产生了与图4a一致的相关磁流M分布，而没有显著的相关电流J。
参考图6，将根据图3，4a和4b的反绕螺旋线天线100的另一个实施例示为包括一个单一导体42的串联/环形馈入反绕螺旋线结构，单一导体42构成了一对磁偶极子单元32和34。磁偶极子单元32包括一个由在右端d相互连接的一个右旋螺距方向螺旋线结构42.3和一个左旋螺距方向螺旋线结构42.4构成的广义反绕螺旋线结构。磁偶极子单元34包括一个由在左端b相互连接的一个右旋螺距方向螺旋线结构42.1和一个左旋螺距方向螺旋线结构42.2构成的广义反绕螺旋线结构。右旋螺距方向螺旋线结构42.1的一端a连接到操作地耦合到一个信号终端的节点36。左旋螺距方向螺旋线结构42.4的一端e连接到操作地耦合到另一个信号终端的节点38。左旋螺距方向螺旋线结构42.2和右旋螺距方向螺旋线结构42.3的剩余自由端在点c相互连接。
参考图8，图8示出了沿一直线投影的单一导体42，在施加到节点36和38的正弦波形如图所示极化的给定时刻，单一导体42上的电流J分布是一个1波长的驻波。根据图6的几何图形，将每个四分之一波长螺旋线单元42.1，42.2，42.3和42.4内的电流方向表示为左L或右R。
图9a，9b和9c示出了叠加在图6上的图6实施例在相关基本谐振频率的电流J和磁流M分布。参考图9a，在一给定时刻，正弦正电流在螺旋单元42.1上向左从节点36传播到点b，然后在螺旋单元42.2上向右从点b传播到正弦电流分布的一个节点c。此外，正弦负电流在螺旋单元42.4上向右从节点38传导到点d，然后在螺旋单元42.3上向左从点d传播到点c。参考图9b，将图9a的导体引导的电流等效变换为右向电流，从而使负左向电流成为正的右向电流，并且使正的左向电流成为负的右向电流。最后，图9c示出了对应于图9a和9b的电流J分布的相关磁流M分布，其中对于右旋螺距方向螺旋线结构单元42.2，42.3的电流J和磁流M的方向彼此相同，而对于左旋螺距方向螺旋线结构42.1，42.4的电流J和磁流M的方向彼此相反，从而磁偶极子单元32的螺旋线结构单元42.3，42.4的磁流M指向同一方向。同样，磁偶极子单元34的两个螺旋线结构单元42.1，42.2的磁流M指向同一方向，该方向与磁偶极子单元32中的磁流方向相反。如图9b中所示，在每个对应的相邻螺旋线结构单元上的电流J分量相互抵消。因此，根据图6实施例的操作在第一谐振频率上的磁偶极子天线100产生了与图4a一致的相关磁流M分布，而没有显著的相关电流J。
以第一谐振频率操作的图6实施例以及在以第一谐波谐振频率操作的图5a，5b的实施例的反绕螺旋线天线的问题在于，这些实施例天线的大小是以基本谐振频率操作的相同天线的两倍。此外，以第一谐波谐振频率操作的图6实施例和以基本谐振频率操作的图5a，5b实施例是以相对较低的阻抗为特征的，相对较低的阻抗固有地具有比相对较高阻抗谐振更低的带宽。
参考图11，一个磁偶极子单元32，34包括一个在基本谐振频率操作的四分之一波长长度的、并且其特征在于在这种谐振频率下的相关的较高阻抗的串联/环形馈入反绕螺旋线结构。图11的磁偶极子单元32，34构成图3，4a和4b的两个相应的磁偶极子单元32，34中的一个、或可以单独地构成图34中所示的一个反绕螺旋线天线105。图11的磁偶极子单元32，34包括一个单一导体46，在图12中示出导体46沿一直线投影，并且其上叠加了一个相关半波长驻波。
图13a，13b和13c示出了叠加在图11的物理图示上的、图11实施例在相关第一谐波谐振频率的电流J和磁流M分布。如前面对图7a，7b和7c所做的说明，根据图11实施例的操作在基本谐振频率的磁偶极子单元105产生一个与图4a的磁偶极子单元32，34中一个一致的相关磁流M分布，而没有显著的相关电流J。
参考图14，将根据图11的一对磁偶极子单元32，34在节点36，38并联组合，形成根据图3，4a和4b的磁偶极子天线100，其包括一个形成为一个两端短接在一起的反绕螺旋线结构的单一导体，因而信号是在跨接在反绕螺旋线结构两端的信号输入端口并联/传输线馈入的。将相应的磁偶极子单元32，34分别在图15a和15b中画为对应的直线，在直线上叠加了相关半波驻波流分布，并将有关磁偶极子天线100的相关流方向表示为左L或右R。
图16a，16b和16c示出了叠加在图14的物理图示上的、图14实施例在相关基本谐振频率的电流J和磁流M分布。如前面对图7a，7b和7c中的说明，根据图14实施例的以基本谐振频率操作的磁偶极子天线100产生了与图4a一致的相关磁流M分布，而没有显著的相关电流J。
参考图17，多个磁偶极子天线100，102，104和106与对应的并联连接的信号连接器18组合，以便形成一个单一的天线系统110。本实施例具有如下优点：对于在对各信号连接器18的输出端以较高阻抗操作的每个磁偶极子天线100，102，104和106，并联组合提供了易于与一个相关传输线路的对应阻抗匹配的较低的总阻抗，如果需要这种阻抗匹配的话。尽管图17所示的实施例是以偶数的相关磁偶极子单元100.1，100.2，102.1，102.2，104.1，104.2，106.1，106.2为特征的，但是天线系统110可以是完全由根据图11的单元构成，以便在天线系统110中提供任意数量的、偶数或奇数的磁偶极子单元。
参考图18，可以把每个都具有不同谐振频率的多个磁偶极子天线112，114，116和118与并联连接的各自的信号连接器18组合，以便形成一个单一的宽带天线系统120。
参考图19，本发明的第二基本实施例包括一个对称的磁偶极子天线130，与天线130相关的磁偶极子单元32，35设置在一个广义的环形结构上，其中使每个磁偶极子单元32，35内的相关磁流被定向，以便使其每个具有共同的圆形30方向。尽管将磁偶极子单元32，35示为重叠的大致的闭合形式，例如一个圆形，但是作为替代，各磁偶极子单元32，35可以彼此相对形成一定的角度。例如，可以把磁偶极子单元32相对于信号连接器18顺时针旋转，而使磁偶极子单元35保持静止，或相对于信号连接器18逆时针旋转。作为替代，可以使磁偶极子单元32相对于信号连接器18逆时针旋转，而使磁偶极子单元35保持静止或相对于信号连接器18顺时针旋转。
图20a示出了沿一直线投影的图19的实施例，用作说明本发明的各实施例的电流和磁流的相关结构和分布。图20a示出了在与图19所示的相同时刻的相关磁偶极子单元32，35中的磁流M的方向。如′609申请中所述，磁流对应于一个随时间变化的磁场。图20b示出了在信号相位相对于图20a的信号相位反转时刻的相关磁偶极子单元32，35中的磁流M方向。因此，图20a和20b示出了执行图19所示本发明实施例所需的磁流分布。
参考图21a，根据图19，20a和20b的一个反绕螺旋线天线130的实施例被图示为一种包括一对绝缘导体的并联/传输线馈入反绕螺旋线结构。这在图21b中进一步图示为一对彼此相对反向缠绕的螺旋线偶极子天线。每个相关螺旋线偶极子天线分别包括彼此相对反向缠绕的一对螺旋线偶极子单元32.1，35.2和32.2，35.1。从另一方式看，反绕螺旋线天线130包括一对磁偶极子单元32，35。其中一个磁偶极子单元32包括一个由右旋32.1和左旋32.2螺距方向广义螺旋单元的组合构成的反绕螺旋线结构。同样，另一个偶极子单元35包括一个由右旋35.2和左旋35.1螺距方向广义螺旋线单元的组合构成的反绕螺旋线结构。从一个连接于包括一个信号输入端口40的共同节点对36，38的信号源向磁偶极子单元32，38馈送信号，其中相反螺距方向的螺旋线单元32.1，35.1连接到一个节点36，而相对于螺旋线单元32.1，35.1反向缠绕的相关螺旋线单元32.2，35.2连接到另一个节点38。
图25a，25b和25c示出了叠加在图21b的物理图示上的，图21a，21b实施例在相关基本谐振频率的电流J和磁流M分布。参考图25a，在一给定时刻，正弦正电流在螺旋线偶极子单元35.1上从节点36向左传播，并且也在螺旋线单元32.1上从节点36向右传播。此外，正弦负电流在螺旋偶极子单元35.2上从节点38向左传播，并且也在螺旋线偶极子单元32.2上从节点38向右传播。参考图25b，将图25a的导体传导的电流等效变换为右向电流，因此负的左向电流成为正的右向电流，而正的左向电流成为负的右向电流。最后，图25c示出了对应于图25a和25b的电流J分布的相关磁流M分布，其中右旋螺距方向螺旋线偶极子单元32.1，35.2的电流J和磁流M的方向彼此相同，而左旋螺距方向螺旋线偶极子单元32.2，35.1的电流J和磁流M的方向彼此相反，因此磁偶极子单元32的两个螺旋线偶极子电源32.1，32.2的磁流M指向同一方向。同样地，磁偶极子单元35的两个螺旋线单元35.1和35.2的磁流M指向同一方向，该方向与磁偶极子单元32中的磁流方向相同。如图25b中所示，每个螺旋线偶极子单元上的电流J分量相互抵消。因此根据图21a和21b实施例的以基本谐振频率操作的磁偶极子天线130产生与图20a一致的相关磁流M分布，而没有显著的相关电流J。
参考图22，根据图19，20a和20b的一个反绕螺旋线天线130的另一个实施例被图示为包括一个构成一对磁偶极子单元32，35的单一导体48的串联/环形馈入反绕螺旋线结构。磁偶极子单元32包括一个由在右端d彼此连接的一个右旋螺距方向螺旋线结构48.3和一个左旋螺距方向螺旋线结构48.4构成的广义反绕螺旋线结构。磁偶极子单元35包括一个由在左端b彼此连接的一个右旋螺距方向螺旋线结构48.2和一个左旋螺距方向螺旋线结构48.1构成的广义反绕螺旋线结构。右旋螺距方向螺旋线结构48.1的一端a连接于操作地耦合到一个信号端点的节点36。左旋螺距方向螺旋线结构48.4的一端e连接于操作地耦合到另一个信号端点的节点38。右旋螺距方向螺旋线结构48.2和右旋螺距方向螺旋线结构48.3剩余的自由端在点c相互连接。
参考图26，其示出了沿一直线投影的单一导体48，在施加到节点36和38的正弦波形如图所示极化的给定时刻，在单一导体48上的电流J分布是一个1波长的驻波。根据图22的几何形状，每个四分之一波长螺旋线单元48.1，48.2，48.3和48.4内的流的方向示为左L或右R。
图27a，27b和27c示出了叠加在图22上的图22实施例在相关第一谐波谐振频率的电流J和磁流M分布。参考图27a，在一给定时刻，正弦正电流在螺旋线单元48.1上从节点36向左传播到点b，然后在螺旋线单元48.2上从点b向右传播到正弦电流分布的一个节点c。此外，正弦负电流在螺旋线单元48.4上从节点38向右传播到点d，然后在螺旋线单元48.3上从点d向左传播到点c。参考图27b，将图27a的导体传导的电流等效变换为右向电流，从而使负的左向电流成为正的右向电流，并且使正的左向电流成为负的右向电流。最后，图27c示出了对应于图27a和27b的电流J分布的相关磁流M分布，其中右旋螺距方向螺旋线单元48.2，48.3的电流J和磁流M的方向彼此相同，而左旋螺距方向螺旋线单元48.1，48.4的电流J和磁流M的方向彼此相反，因而磁偶极子单元32的两个螺旋线单元48.3和48.4的磁流M指向同一方向。同样，磁偶极子单元35的两个螺旋线单元48.1和48.2的磁流M指向同一方向，该方向与磁偶极子单元32中的磁流方向相同。如图27b中所示，每个相邻螺旋线单元上的电流J分量相互抵消。因此，根据图22实施例的以第一谐波谐振频率操作的磁偶极子天线130产生了与图20a一致的相关磁流M分布，而没有显著的相关电流J。
可以将根据图23和24的磁偶极子单元结合在图19中所示的磁偶极子天线130中。因此，图23与图11相同。图23的磁偶极子单元包括一个单一导体46，在图28中将其示为沿一直线展开，其上叠加了一个相关半波长驻波。
图29a，29b和29c示出了叠加在图23的物理图示上的，图23实施例在相关第一谐波谐振频率的电流J和磁流M分布。如前面对图25a，25b和25c的说明，根据图23实施例的以基本谐振频率操作的磁偶极子单元105产生与图20a的磁偶极子单元32，35中的一个一致的相关磁流M分布，而没有显著的相关电流J。
参考图30，将根据图23的磁偶极子单元32与根据图24的磁偶极子单元35并联组合，形成一个根据图19，20a和20b的磁偶极子天线130，其包括一个对应端短接在一起，形成为一个反绕螺旋线结构的单一导体，从而使信号是在跨越反绕螺旋线结构的两端的信号输入端口并联/传输线馈入的。
图31a，31b和31c示出了叠加在图30的物理图示上的、图30实施例在相关第一谐波谐振频率的电流J和磁流M分布。如前面对图25a，25b和25c的说明的那样，根据图30实施例的操作在基本谐振频率的磁偶极子天线130产生了与图20a一致的相关磁流M分布，而没有显著的相关电流J。
参考图32，可以把各自具有不同谐振频率的多个磁偶极子天线130，132和134与对应的并联连接的信号连接器18组合，形成一个单一宽带天线系统140。本实施例的优点在于，对于在对各信号连接器18的输入端以相对高的阻抗操作的每个磁偶极子天线130，132和134，并联组合将根据信号频率起作用把电流导向适当的天线单元。尽管图32中所示实施例是以偶数的相关磁偶极子单元130.1，130.2，132.1，132.2，134.1和134.2为特征，但天线系统140可以完全以根据图23的单元来构造，以便在天线系统140中提供任何数量的、偶数的或奇数的磁偶极子单元。
参考图33，多个磁偶极子天线150包括如图19中的两个磁偶极子单元32，35，其中一个磁偶极子单元35的速度因数小于另一个磁偶极子单元32的速度因数。
熟悉本领域的人员，凭借对产生类似流分布的现有天线构造的熟悉，或利用模拟或测试，能够知道与附图中所示每种流分布相关的电磁辐射图形性质和特征。
本发明的各种实施例将具有优选的输入阻抗特性，其中第一谐振的特征是相对于下一个更高阶的谐振具有高阻抗、高带宽和最小电尺寸。每个实施例最好是在一个单一端口馈入。可能需要一个阻抗匹配网，以使天线的谐振阻抗适配于相关传输线路的谐振阻抗。
天线是由形成一个绕真实或虚拟广义环形表面的单一导体形成的，以形成一个广义的环形螺旋绕组，′609申请中指出了它的特征。′609申请中以及这里描述的广义环形包括圆柱形螺旋几何形状，和通过在球形中产生一个核心形成的几何形状，并且包括其中螺旋绕组的一部分是相对于潜在广义环形形状的主轴的主要径向的结构。这里说明的广义环形包括主轴小于短轴的退化情况，包括表面是球形、圆柱形、或菱形的情况，以及相关的图像平面实施例，所有这些在美国专利5,654,723中都进行了说明。
尽管详细说明了特定实施例，熟悉本领域的人员应当知道可以根据公开的完整说明对这些详细说明的实施例进行各种修改和替代。因此，公开的特定配置仅是说明性的，并不限制本发明的范围，本发明的范围仅受附属权利要求及其任何和所有等同物的限制。
Claims (18)
1.一种电磁天线，包括：
(a)彼此具有广义反绕螺旋线关系的第一和第二导体，其中所述第一和第二导体彼此绝缘，所述第一导体由第一节点分成第一和第二部分，所述第二导体由第二节点分成第一和第二部分，所述第一和第二节点位于相互靠近的位置，并且构成第一端口，所述第一导体的所述第一部分与所述第二导体的所述第一部分是相互重叠的关系，成为广义反绕螺旋线结构的第一部分，所述第一导体的所述第二部分与所述第二导体的所述第二部分是相互重叠关系，成为所述广义反绕螺旋线结构的第二部分，所述广义反绕螺旋线结构具有带有曲率的轴；和
(b)包括第一和第二接线端的信号馈送端口，其中所述第一和第二接线端操作地耦连到所述第一和第二节点，并且所述信号馈送端口与所述第一端口靠近。
2.根据权利要求1所述的电磁天线，其中从所述广义反绕螺旋线结构的所述第一部分中的所述第一端口延伸的所述轴的曲率方向等于从所述广义反绕螺旋线结构的所述第二部分中的所述第一端口延伸的所述轴的曲率的方向。
3.根据权利要求1所述的电磁天线，其中从所述广义反绕螺旋线结构的所述第一部分中的所述第一端口的所述轴的曲率方向与所述广义反绕螺旋线结构的所述第二部分中的所述第一端口的所述轴的曲率方向相反。
4.根据权利要求1所述的电磁天线，其中所述第一导体的所述第一长度部分的螺旋线螺距方向与所述第一导体的所述第二长度部分的螺旋线螺距方向相同。
5.根据权利要求1所述的电磁天线，其中所述第一导体的所述第一长度部分的螺旋线螺距方向与所述第一导体的所述第二长度的螺旋线螺距方向相反。
6.根据权利要求1所述的电磁天线，其中所述第一导体的所述第一长度部分的末端连接于所述第二导体的所述第一长度部分的末端。
7.根据权利要求6所述的电磁天线，其中所述第一导体的所述第二长度部分的末端连接于所述第二导体的所述第二长度部分的末端。
8.一种电磁天线包括：
(a)一个从一第一节点到一第二节点的第一广义螺旋线传导路径；
(b)从第三节点到第四节点的第二广义螺旋线传导路径，其中所述第一广义螺旋线传导路径的螺旋线螺距方向与所述第二广义螺旋线传导路径的螺旋线螺距方向相反，所述第一和第二广义螺旋线传导路径相互绝缘并且重叠设置，以便构成第一广义反绕螺旋线结构，并且所述第一广义螺旋线传导路径具有弯曲的轴；
(c)从第五节点到第六节点的第三广义螺旋线传导路径；
(d)从第七节点到第八节点的第四广义螺旋线传导路径，其中所述第三广义螺旋线传导路径的螺旋线螺距方向与所述第四广义螺旋线传导路径的螺旋线螺距方向相反，所述第三和第四广义螺旋线传导路径相互绝缘并且相互重叠设置，以便构成第二广义反绕螺旋线结构，并且所述第二广义反绕螺旋线结构具有弯曲的轴；和
(e)包括第一和第二接线端的信号馈送端口，其中所述第一和第二接线端操作地耦合到所述第一和第二广义反绕螺旋线结构。
9.根据权利要求8所述的电磁天线，其中从所述第一和第四节点的所述第一广义反绕螺旋线结构的轴的曲率方向与从所述第五和第八节点的所述第二广义反绕螺旋线结构的曲率方向相同。
10.根据权利要求8所述的电磁天线，其中从所述第一和第四节点的所述第一广义反绕螺旋线结构的轴的曲率方向与从所述第五和第八节点的所述第二广义反绕螺旋线结构的轴的曲率方向相反。
11.根据权利要求8所述的电磁天线，其中所述第二节点连接到所述第三节点，所述第四节点连接到所述第五节点，所述第六节点连接到所述第七节点，和所述信号馈送端口操作地耦合到所述第一和第八节点。
12.根据权利要求8所述的电磁天线，其中所述第一传导路径的螺旋线螺距方向与所述第四传导路径的螺旋线螺距方向相反。
13.根据权利要求8所述的电磁天线，其中所述第一传导路径的螺旋线螺距方向与所述第四传导路径的螺旋线螺距方向相同。
14.一种电磁天线，包括：
(a)彼此具有广义反绕螺旋线关系的第一和第二导体，其中所述第一和第二导体彼此绝缘，所述第一导体由第一节点分成第一和第二部分，所述第二导体由第二节点分成第一和第二部分，所述第一和第二节点位于相互靠近的位置，并且构成第一端口，所述第一导体的所述第一部分与所述第二导体的所述第一部分是相互重叠的关系，成为广义反绕螺旋线结构的第一部分，所述第一导体的所述第二部分与所述第二导体的所述第二部分是相互重叠关系，成为所述广义反绕螺旋线结构的第二部分，所述广义反绕螺旋线具有一轴，所述轴是弯曲的，并且所述轴从所述广义反绕螺旋线的所述第一部分内的所述第一端口起的曲率方向与所述轴从所述广义反绕螺旋线的所述第二部分内的所述第一端口起的曲率方向相同；和
(b)包括第一和第二接线端的信号馈送端口，其中所述第一和第二接线端操作地耦连到所述第一和第二节点。
15.根据权利要求14所述的电磁天线，其中所述第一导体的所述第一长度部分的螺距方向与所述第一导体的所述第二长度部分的螺距方向相同。
16.一种电磁天线，包括：
(a)彼此具有广义反绕螺旋线关系的第一和第二导体，其中所述第一和第二导体彼此绝缘，所述第一导体由第一节点分成第一和第二部分，所述第二导体由第二节点分成第一和第二部分，所述第一和第二节点位于相互靠近的位置，并且构成第一端口，所述第一导体的所述第一部分与所述第二导体的所述第一部分是相互重叠的关系，成为第一广义反绕螺旋线结构的第一部分，所述第一导体的所述第二部分与所述第二导体的所述第二部分是相互重叠关系，成为所述第一广义反绕螺旋线结构的第二部分，所述第一广义反绕螺旋线具有第一轴，所述第一轴是弯曲的，并且所述第一轴从所述第一广义反绕螺旋线的所述第一部分内的所述第一端口起的曲率方向与所述第一轴从所述第一广义反绕螺旋线的所述第二部分内的所述第一端口起的曲率方向相反；
(b)彼此具有广义反绕螺旋线关系的第三和第四导体，其中所述第三和第四导体彼此绝缘，所述第三导体由第三节点分成第三和第四部分，所述第四导体由第四节点分成第一和第二部分，所述第三和第四节点位于相互靠近的位置，并且构成第二端口，所述第三导体的所述第一部分与所述第四导体的所述第一部分是相互重叠的关系，成为第二广义反绕螺旋线结构的第一部分，所述第三导体的所述第二部分与所述第四导体的所述第二部分是相互重叠关系，成为所述第二广义反绕螺旋线结构的第二部分，所述第二广义反绕螺旋线具有第二轴，所述第二轴是弯曲的，并且所述第二轴从所述第二广义反绕螺旋线的所述第一部分内的所述第二端口起的曲率方向与所述第二轴从所述第二广义反绕螺旋线的所述第二部分内的所述第二端口起的曲率方向相反；和
(c)包括第一和第二接线端的信号馈送端口，其中所述第一和第二接线端操作地耦连到所述第一和第二节点与所述第三和第四节点。
17.根据权利要求16所述的电磁天线，其中所述第一导体的所述第一长度部分的螺距方向与所述第一导体的所述第二长度部分的螺距方向相反，而所述第三导体的所述第一长度部分的螺距方向与所述第三导体的所述第二长度部分的螺距方向相反。
18.根据权利要求16所述的电磁天线，其中加到所述信号馈送端口的信号在所述第一广义反绕螺旋线的所述第一部分产生第一磁流，加到所述信号馈送端口的信号在所述第一广义反绕螺旋线的所述第二部分产生第二磁流，加到所述信号馈送端口的信号在所述第二广义反绕螺旋线的所述第一部分产生第三磁流，加到所述信号馈送端口的信号在所述第二广义反绕螺旋线的所述第二部分产生第四磁流，所述第一和第二广义反绕螺旋线相适配，以便所述第一，第二，第三和第四磁流都具有共同的环绕方向。
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