CN112771723A - 螺旋段天线 - Google Patents

Abstract

一种发射来自沿着引导路径传播的至少一个电磁行波的辐射的天线(100)设计成减少很可能在所述引导路径末端处发生的所述行波的反射。为此目的，所述引导路径具有呈螺旋段(11、12)形式的至少一个部分，所述至少一个部分连接到所述引导路径的呈环圈(13)形式的另一部分。可以此方式获得所述天线的反射系数增益，所述增益在所述天线的传输频带的下限频率限值附近尤其有效。

Description

螺旋段天线

本发明涉及一种具有用于发射辐射的一个或多个螺旋段的天线，所述辐射具体地说是频率在300MHz(兆赫)与30GHz(千兆赫)之间的射频(RF)辐射。本发明可尤其涉及一种“超宽带”类型或UWB的天线。在已知方式中，UWB天线主要从此天线的限制区发射确定频率的辐射，所述限制区被称作所考虑的频率的辐射区。此辐射区会变化，这取决于发射的辐射的频率且因此取决于天线馈电信号的每个频谱分量的频率。

更精确地说，在此描述中考虑的天线包括用于来自电馈送输入的电磁行波的至少一个引导路径，馈送信号施加于所述电馈送输入。与发射的辐射的频率的不同值相关联的辐射区沿着行波的引导路径分布，这取决于此路径的形状。在下文中，“辐射”将用于指代由天线发射且在天线外部的自由空间中传播以用于在长距离上传输信号的电磁辐射。相比之下，术语“行波”将表示沿着天线的引导路径传播的被限制于此路径的电磁波。我们接着将把此行波的“有效波长”称作其沿着引导路径的空间周期，这考虑了天线的构造、其构成材料的电气参数和介电参数，以及可能存在的旨在限制具有2π球面度立体角的天线到半空间发射场的反射金属板。在已知方式中，对于其引导路径呈螺旋(从位于此螺旋中心处的馈送信号输入开始)形式的天线，对应于频率值f的辐射区大致叠加在与所述螺旋同心的圆形上，所述圆形的周长是行波的有效波长的整倍数。

然而，当行波到达螺旋引导路径的外端时，其至少部分地被反射，并且返回的行波同样发射辐射。这种延迟的额外发射则会部分干扰从馈送输入朝向引导路径末端传播的行波同时发射的主辐射。为了避免此干扰，已提出在螺旋引导路径的外端处提供吸收材料，以吸收行波且由此降低其反射的幅度。然而，这会导致天线的传输效率降低，尤其影响其辐射区位于螺旋外周处的频率值。这些频率值处于天线的传输频带的开始处，趋于所述传输频带的下限频率限值。

另外，J.Massiot等人的标题为“具有单向图案的自匹配螺旋印刷天线(SelfMatched Spiral Printed Antenna with Unidirectional Pattern)”的文章(第7届欧洲天线与传播会议(7th European Conference on Antennas and Propagation，EuCAP)，2013年，IEEE，第1237-1240页)提出通过提供电阻器以连接螺旋形引导路径的每个部分的最后两匝来减少所述螺旋路径的此部分的外端上的行波反射。此电阻器放置在离螺旋路径部分外端的一定距离处，对于天线传输频带内的某一频率值，所述距离等于行波的有效波长值的四分之一。然而，这种解决方案不是最优的，并且对于需要天线的良好传输效率扩展到其传输频带开端的某些应用来说，换句话说，在频率方面来讲，对于接近天线传输频带下限值的频率值来说，不合人意。

基于此情形，本发明的一个目标在于改进刚描述的类型的螺旋天线，以便增大其在传输频带开始处的传输效率。

为了实现此目标或其它目标，本发明提供一种用于发射来自至少一个电磁行波的辐射的新颖天线，所述至少一个电磁行波沿着由所述天线的结构确定的引导路径传播，此引导路径形成专用于所述行波的传输线并且具有呈螺旋段形式的延伸到此螺旋段的终止端的至少一个路径部分。换句话说，本发明的天线可以是超宽带类型。

根据本发明，所述引导路径还包括包围每个螺旋段的连续环圈，并且每个螺旋段的终止端在此螺旋段的连接点处连接到所述环圈。因此，传输到天线的馈送输入的电信号会产生沿着每个螺旋段传播、然后在此螺旋段的连接点处被传输到环圈的行波。然后，在每个连接点处传输到环圈的行波部分参与辐射的产生。换句话说，环圈构成天线的辐射区的至少一部分。另外，在频率方面来讲，此辐射区对应于接近天线传输频带下限值的频率值。因此，天线在传输频带开始处的性能得以改善。

根据本发明的额外特征，旨在进一步减少在每个连接点处反射的行波部分：

-对于每个螺旋段，所述天线还包括桥接结构，为了传输行波并且除所述连接点之外，还将所述桥接结构布置成相对于所述行波沿着所述螺旋段的传播方向在所述连接点的上游将此螺旋段连接到环圈；以及

-对于因此具备桥接结构的每个螺旋段，所述桥接结构与所述连接点之间在其分别沿着所述螺旋段和沿着所述环圈进行测量的情况下所述引导路径的两个长度各自等于所述行波同一有效波长值的四分之一，处于+/-20％内，所述有效波长值对应于所述天线的传输频带内的频率值。

优选的是，可实施以下额外特征：

/1/每个螺旋段可在此螺旋段的连接点处切向地连接到环圈，或大致切向地连接到环圈。因此，可改善从螺旋段到环圈的行波传输；

/2/充当所述桥接结构与所述连接点之间的引导路径的两个长度的参考的行波的有效波长可介于所述环圈的长度的0.75/n倍与1.25/n倍之间，n为正整数；

/3/所述桥接结构可具有介于所述螺旋段和所述环圈在所述螺旋段和所述环圈的相应中间部分之外共同的特性阻抗值的1倍与3倍之间、优选1.75倍与2.25倍之间的阻抗值，所述相应中间部分处于所述桥接结构与所述连接点之间，这些阻抗值对于所述行波有效；以及

/4/所述螺旋段以及所述环圈的中间部分可具有相应特性阻抗值，所述相应特性阻抗值介于所述螺旋段和所述环圈在所述中间部分之外共同的特性阻抗值的0.5×2^1/2倍与1.5×2^1/2倍之间，优选的是0.75×2^1/2倍与1.25×2^1/2倍之间。

当这些额外特征/2/到/4/全都实施时，螺旋段到环圈的连接形成威尔金森分配器(Wilkinson divider)，其被布置成使由此螺旋臂传输的行波沿着波接合方向在其上行进。

当充当中间部分的两个长度的参考的行波有效波长在环圈长度的0.75与1.25倍之间时，在频率方面来讲，每个螺旋段到环圈的连接大小设定成增大天线在其传输频带下限值附近的传输效率。

有可能将天线结构化以限定相同且各自呈螺旋段形式的若干引导路径部分。每个螺旋段延伸到其与其它螺旋段分开地连接到环圈的终止端。接着，所述天线可被配置成使得呈螺旋段形式的所有引导路径部分同时传输相应行波到环圈。

此外，对于具有同时对环圈馈送行波的若干螺旋段的此类配置，每个螺旋段可在对应连接点处切向地连接到环圈。此外，所述螺旋段还可与每一其它螺旋段分开地通过相应桥接结构连接到环圈，并且有利地，具有对应的桥接结构的每个螺旋段可独立于每个其它螺旋段再现上文已指示的特征。

在本发明的各种实施例中，还可单独地或其中若干组合地实施以下其它额外特征：

-所述环圈可为圆形；

-每个路径部分可将天线的馈送输入连接到环圈，同时具有从天线的馈送输入到环圈的螺旋段形状；

-每个路径部分可呈阿基米德(Archimedean)螺旋段的形式，包含从天线的馈送输入到环圈呈连续方式；以及

-天线可具有线天线配置，但优选的是，其具有形成于第一金属表面中的缝隙天线配置。在后一种情况下，其还可包括第二金属表面，所述第二金属表面平行于第一金属表面、与后者电绝缘并且布置在其附近，使得辐射由天线通过从第二金属表面朝向第一金属表面取向的发射方向限制性地发射。

根据下文参考附图给出的一些非限制性实施例的描述，将明白本发明的其它特征和优势，附图中：

-图1是根据本发明的天线的透视图；以及

-图2是用在图1的天线中的连接的等效电路图。

为清楚起见，图1所示的元件的尺寸既不对应于实际尺寸也不对应于实际尺寸的比率。另外，两个图指示的相同参考标号指定相同元件或具有相同功能的元件。

根据图1，本发明的天线100在第一金属表面中形成，例如在金属板10中形成。其由相对于彼此布置以形成超宽带类型的天线的缝隙段构成。天线100可包括若干相同螺旋段，其各自从馈送输入E延伸以向天线供应电信号。例如，天线100包括两个螺旋段11和12，预期所述两个螺旋段在输入E处被供应有相反或相同电流，这取决于所要辐射模式。因此，馈送输入E位于每个螺旋段11、12的起点处，并且所述两个螺旋段11和12交替地与源于馈送输入E的位置的离心径向方向相交。

根据本发明，天线100包括呈包围螺旋段的环圈形式的额外缝隙段13。为了清楚起见，在整个本说明书的其余部分中将额外缝隙段13直接称为环圈，并将每个螺旋形缝隙段称为螺旋段。优选的是，环圈13为圆形。螺旋段11在连接点PR1处连接到环圈13，并且螺旋段12在连接点PR2处连接到环圈13。

在本说明书的其余部分中，将假设天线100仅具有两个螺旋段，但应理解，所述天线可具有其任何数目个螺旋段：一个、三个、四个等。根据以下描述，所属领域的技术人员将理解，当若干螺旋段在沿着此环圈13分布的连接点处连接到环圈13时，这些螺旋段必须在馈送输入E处供应有相应的电流，所述电流以与环圈13上的连接点的分布一致的方式彼此异相。在图1所示的天线的情况下，馈送输入E的配置确保两个螺旋段11和12供应有相反的相应电流，并且两个连接点PR1和PR2在环圈13上直径相对。

随后，每个缝隙段11-13构成用于电磁行波的引导路径部分，此波包括出现在缝隙的边缘上的可变电流。此类天线100使缝隙段11-13中引导的电磁行波与天线100外部的电磁辐射之间产生耦合。此耦合在天线100某些区域中最大，所述区域取决于缝隙段中引导的行波共同的并且等于所发射的辐射的频率值的频率值。这些区域被称作辐射区。对应于频率值f的区叠加在将馈送输入E的中点作为其中心的圆形上，所述圆形具有基本上等于具有频率值f的每个行波的有效波长的整倍数的周长。参考标号ZR标示此类辐射区，其在图1中通过虚线指示。

可根据天线100在其传输频谱带内所要的效率分布来选择螺旋段的形状。例如，每个缝隙段可具有阿基米德螺旋形状，由此径向距离随极坐标的角度以线性方式增加。

环圈13由两个螺旋段11和12在连接点PR1和PR2处供应行波，使得当在馈送输入端E处将电信号注入到两个螺旋段11和12中时，所得行波沿着环圈13传播。接着，环圈13构成针对发射的辐射的接近天线100的传输频带下限值的频率值的辐射区，因为所述环圈包围螺旋段11和12。

为了减少在对应连接点PR1或PR2处可能影响由每个螺旋段11、12引导的行波的反射，有利的是，每个螺旋段11、12相对于环圈13切向地或基本上切向地连接到所述环圈。

为了进一步减少在对应连接点PR1或PR2处可能影响由每个螺旋段11、12引导的行波的反射，还有利的是，此螺旋段11、12通过威尔金森分配器结构或通过其结构和电气特征接近威尔金森分配器的结构和电气特征的连接结构连接到环圈13。此类威尔金森分配器对于所属领域的技术人员来说众所周知，因此无需在此再次展示其抑制反射的效率。如图2中指示来实施每个威尔金森分配器结构，以将螺旋段11或12引导的行波和环圈13引导的行波汇在一起。现针对螺旋段11描述此类连接结构，应了解，另一单独但相同的连接结构用于天线100的每个其它螺旋段。

添加桥接结构SP1，以相对于由螺旋段11引导并且源自馈送输入E的行波的传播方向在连接点PR1的上游将螺旋段11连接到环圈13。由桥接结构SP1在螺旋段11与环圈13之间形成的连接对于在它们之间传输由螺旋段11或环圈13引导的一部分行波是有效的。为此目的，并且如图1中可见，桥接结构SP1可由额外缝隙段构成，所述额外缝隙段将螺旋段11的最后一匝连接到环圈13。此额外缝隙段可径向取向，并且与其传输的行波部分的有效波长相比可较短。

因此，桥接结构SP1和连接点PR1划分两个中间引导路径部分：沿着螺旋段11的中间部分11i，以及沿着环圈13的中间部分13i。优选的是，中间部分11i和13i各自具有基本上等于确定的有效波长值的四分之一的长度，所述确定的有效波长值与在天线100中引导的行波有关。此有效波长值可对应于主要由作为辐射区的环圈13发射的辐射。因此，两个中间区11i和13i的长度的共同值可基本上等于环圈13的周长的四分之一。更一般化地，其可等于L₁₃/(4·n)，其中L₁₃是环圈13的周长，并且n是正整数。

此外，为了进一步减少在螺旋段11的末端上的行波反射，桥接结构SP1可设计成产生针对其传输的行波部分的确定阻抗值。为实现这一点，螺旋段11和环圈13各自在中间部分11i和13i之外具有相同的特性阻抗值Z₀。例如，构成螺旋段11和环圈13的相应缝隙段具有相同的几何、电气和介电参数。根据这些参数，所属领域的技术人员知道如何针对缝隙段传输的行波确定所述缝隙段的特性阻抗值。关于这个主题，可具体参考在互联网地址http://hdl.handle.net/10945/34829处可获取的由Yong Seok Seo所著的标题为“缝隙线特性比较(Comparison of slotline characteristics)”的论文(海军研究生院机构档案：Cahloun，加利福尼亚蒙特雷(Institutional Archive of the Naval PostgraduateSchool:Cahloun,Monterey,California)，1990年6月)。当变化的唯一缝隙天线参数是缝隙宽度时，缝隙段的特性阻抗为所述缝隙宽度的增函数。接着，可有利地将桥接结构SP1的阻抗值选择为等于约2×Z₀。桥接结构SP1因此所要的阻抗值可通过在此桥接结构SP1的额外缝隙段的相对边缘之间布置合适的电阻R1而产生。电阻R1可相同或基本上等于2×Z₀。所述电阻可由离散组件组成，所述离散组件例如通过焊接其两个端子而附接到天线100，每个端子连到桥接结构SP1的额外缝隙段的两个边缘中的一者。或者，电阻R1还可由市售类型的一段电阻膜组成，其局部附接在缝隙的两个边缘之间。

再次，为了进一步减少在螺旋段11的末端上的行波反射，可调整中间部分11i和13i的对由其中的每一者引导的行波有效的特性阻抗值。因此，当螺旋段11和环圈13各自在中间部分11i和13i之外又具有共同特性阻抗值Z₀时，这些中间部分可优选各自具有基本上等于2^1/2×Z₀的特性阻抗值。与螺旋段11和环圈13在中间部分11i和13i之外共同的缝隙宽度值相比，可具体通过增加中间部分11i和13i中的缝隙宽度来执行对特性阻抗值的此类调整。

针对与用于调整两个中间部分11i和13i的长度的有效波长值相同的有效波长值，执行刚针对桥接结构SP1的阻抗以及中间部分11i和13i的特性阻抗描述的调整。在这些条件下，天线100在螺旋段11与环圈13之间具有威尔金森分配器结构。此结构使得有可能将螺旋段11引导的行波2(参看图1和2)注入环圈13中，以便将所述行波与桥接结构SP1上游由环圈13引导的行波3汇在一起。这会在连接点PR1的下游产生由环圈13引导的行波1。行波2随后在螺旋段11中通过相消干涉效应微弱地反射或不反射，所述相消干涉效应发生在分别在桥接结构SP1处和连接点PR1处反射的行波部分之间。对于其有效波长值已用以调整中间部分11i和13i的长度和特性阻抗值以及调整桥接结构SP1的阻抗值的行波，这种反射减少或抑制最为有效。

对于代替螺旋段11的螺旋段12，参考标号PR2、SP2、12i和R2分别对应于参考标号PR1、SP1、11i和R1。

第二金属表面，例如图1中所示的另一金属板20，是任选的。其平行于板10布置，并且位于离后者较短距离处，同时与后者电绝缘。板20的功能是限制天线100在板10的与板20的侧相对的一侧发射辐射。通常，在频率方面来讲，板10与20之间的距离可等于对应于天线的传输频带的最低限值的辐射波长的约二十分之一，并且两个板之间的空间可填充有辐射可穿透的电绝缘材料。当使用时，在确定天线100中引导的行波的有效波长值以及确定用于行波的引导路径部分的特性阻抗值时考虑板20。

通过使用本发明，本发明人已获得天线100的电反射系数(通常由S₁₁标示且在馈送输入E处测量)的至少7dB(分贝)或甚至超过12dB的增益。此增益在天线100的传输频带的下限频率限值附近有效。

应理解，本发明可在相对于上文详述实施例修改其次要方面时再现。具体地说，可改变天线的以下特征：

-可存在连接到环圈任何数目的螺旋段；

-每个螺旋段中可存在任何数目的匝；

-可针对任何传输频带设计天线，同时属于或不属于UWB类型；

-螺旋段和环圈可具有任何形状、具有连续曲率或基于直线段，例如以形成螺旋和八边形环圈；

-可针对发射频率优化天线，使得环圈的长度等于整数，所述整数大于对应于此频率的行波的有效波长的一倍；以及

-天线可为线类型。

Claims (9)

1.一种用于发射来自至少一个电磁行波的辐射的天线(100)，所述至少一个电磁行波沿着由所述天线的结构确定的引导路径传播，所述引导路径形成专用于所述行波的传输线并且具有呈螺旋段(11、12)形式的延伸到所述螺旋段的终止端的至少一个路径部分，

所述引导路径另外包括包围每个螺旋段(11、12)的连续环圈(13)，并且每个螺旋段的终止端在所述螺旋段的连接点(PR1、PR2)处连接到所述环圈，使得传输到所述天线(100)的馈送输入(E)的电信号产生沿着每个螺旋段传播的行波，所述行波接着在所述螺旋段的所述连接点处被传输到所述环圈，

其特征在于，对于每个螺旋段(11、12)，所述天线(100)还包括桥接结构(SP1、SP2)，为了传输所述行波并且除所述连接点(PR1、PR2)之外，还将所述桥接结构布置成相对于所述行波沿着所述螺旋段的传播方向在所述连接点的上游将所述螺旋段连接到所述环圈(13)，

并且其中，对于所述螺旋段(11、12)，所述桥接结构(SP1、SP2)与所述连接点(PR1、PR2)之间分别沿着所述螺旋段和沿着所述环圈(13)测得的所述引导路径的两个长度各自等于所述行波同一有效波长值的四分之一，处于+/-20％内，所述有效波长值对应于属于所述天线(100)的传输频带的频率值。

2.根据权利要求1所述的天线(100)，其特征在于，每个螺旋段(11、12)在所述螺旋段的所述连接点(PR1、PR2)处切向地连接到所述环圈(13)。

3.根据权利要求1或2所述的天线(100)，其特征在于，充当所述桥接结构(SP1、SP2)与所述连接点(PR1、PR2)之间分别沿着所述螺旋段和沿着所述环圈(13)测得的引导路径的长度的参考的所述行波的所述有效波长介于所述环圈的长度的0.75/n倍与1.25/n倍之间，n为正整数。

4.根据前述权利要求中任一项所述的天线(100)，其特征在于，所述桥接结构(SP1、SP2)具有介于所述螺旋段(11、12)和所述环圈(13)在所述螺旋段和所述环圈的相应中间部分(11i、12i、13i)之外共同的特性阻抗值的1倍与3倍之间的阻抗值，所述相应中间部分处于所述桥接结构(SP1、SP2)与所述连接点(PR1、PR2)之间，所述桥接结构的所述阻抗值和所述特性阻抗值对于所述行波有效。

5.根据权利要求4所述的天线(100)，其特征在于，所述螺旋段(11、12)以及所述环圈(13)的所述中间部分(11i、12i、13i)具有相应特性阻抗值，所述相应特性阻抗值各自介于所述螺旋段和所述环圈在所述中间部分之外共同的所述特性阻抗值的0.5×2^1/2倍与1.5×2^1/2倍之间。

6.根据前述权利要求中任一项所述的天线(100)，其被结构化以限定各自呈螺旋段(11、12)形式且延伸到终止端的若干相同引导路径部分，其中所述螺旋段与其它螺旋段分开地连接到所述环圈(13)，

并且所述天线(100)被配置成使得呈螺旋段(11、12)形式的所有引导路径部分同时传输相应行波到所述环圈(13)。

7.根据权利要求6所述的天线(100)，其特征在于，每个螺旋段(11、12)与每一其它螺旋段分开地通过相应桥接结构(SP1、SP2)连接到所述环圈(13)，并且具有对应的桥接结构的每个螺旋段独立于每个其它螺旋段再现权利要求1至5中任一项所述的特征。

8.根据前述权利要求中任一项所述的天线(100)，其具有形成于第一金属表面(10)中的缝隙天线配置。

9.根据权利要求8所述的天线(100)，其另外包括第二金属表面(20)，所述第二金属表面平行于所述第一金属表面(10)、与所述第一金属表面电绝缘并且布置在所述第一金属表面附近，使得所述辐射由所述天线通过从所述第二金属表面朝向所述第一金属表面取向的发射方向限制性地发射。

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