CN1191042A - 对绕天线 - Google Patents

Abstract

披露一种天线,这种天线在环形面各段上有对绕的绕组,在选定的各段上绕组中有相反方向的电流。披露一种天线,这种天线有一个或多个绝缘导线电路,这些电路的绕组是对绕的,围绕并覆盖一个表面诸如球面,大体球面,多连通面,环形面,或半球面。绝缘导线电路可以构成一个或多个围绕并覆盖此表面的环行导电路径。绕组可以是螺旋图形,大体螺旋图形,部分螺旋图形,周边极向图形,或可以由环形面上带缝隙的导体构成。披露的极性回路绕组是在环形面上有一毂,此环形面有两个导电板,给回路提供电容式馈电,这些回路有选择地连接到一块导电板上。

Description

对绕天线

这是1992年12月15日申请的申请系列号№07/992，970的部分继续申请。

本发明涉及发射天线和接收天线，尤其是，本发明涉及螺旋形绕制的天线。

激发频率下的天线效率与有效电长度直接有关，有效电长度与信号传播速度的关系是通过以下众所周知的公式表示，C为自由空间中的光速，波长λ和频率f：

λ＝C/f

大家知道，天线的电长度应该是带接地面的一个波长，二分之一波长(偶极子)，或四分之一波长，使有效电阻抗减至最小。当这些特征不能符合时，天线阻抗改变了天线和天线馈入线(传输线)上产生的各种驻波，从而增大所有产生能量损耗的驻波比，减少辐射能量。

典型的直鞭状天线(单极子)具有全向竖直极化图形，这种天线在高频，如UHF下尺寸可以做得较小。然而，在低频下尺寸问题就产生了，用于LF和MF波段的天线很长以及天线塔很高。长距离传输质量在较低频段下是有利的，但是，天线，尤其是方向阵列太大，不可能制成小型的手提发射机。即使在高频下，与普通单极天线或偶极天线有相同效率和性能的较小尺寸天线也是很有用的。

多年以来一直在尝试用不同的方法制造带方向特性的小型天线，尤其是有竖直极化的小型天线，我们发现，竖直极化比水平极化有更高的效率(在较长范围)，其理由是，水平极化天线遭受更多的地波损耗。

从方向特性上来讲，一般认为，采用某些天线结构可以消去天线中建立的一个特定极化方向的磁场，同时增强垂直于该磁场方向的电场。此与类似，可以消去电场，同时增强磁场。

等效性原理是电磁学领域内熟知的概念，该原理的内容是，在一给定区域内产生相同场的两个源是等效的，等效性可以在电流源与相应的磁流源之间得到证明。1961年参考书R.F。Harrington“时间谐波电磁场”第3-5节中对此给以说明。在载有线性电流的直线偶极天线单元情况中，等效磁源是一个圆形的磁流方位环。载有电流的螺线管是建立直线磁流一个显而易见的方法。放置在环形面上的电流螺线管是建立所需圆形磁流方位环的一个方法。

环形螺旋形天线是由围绕成环状螺旋形导线构成，其辐射电磁能的特性场图类似于电偶极天线的特性场图，电偶极天线的轴垂直于环状平面并与环状中心同心。相对于自由空间传播速度而言，螺旋形导线的有效传输线阻抗延迟了螺旋状结构周围来自导线馈入点各个波的传播。减低的速度以及该结构中的环流就可能制造这样一种螺旋线天线，其尺寸与相应的共振偶极子(直线天线)大致相同或更小，环状结构设计有低的纵横比，因为环状螺旋形设计的尺寸小于简单的共振偶极子结构，但具有类似的电辐射特性。简单的单相馈电结构的辐射场图与二分之一波长偶极子辐射场图类似，但是其体积要小得多。

就此而论，美国专利4,622,558和4,751,515讨论了环形天线的某些方面，用自共振结构取代普通的直线天线作为制造小型天线的方法，该自共振结构产生的竖直极化辐射在沿地面传播时损耗较少。在低频下，如前所述，自共振竖直线形天线是不切实际的，以上这些专利中所解释的自共振结构避开了体积庞大以及低频下竖直元件电效率低的问题。

上述专利最早提出单丝环形螺旋线作为更复杂方向天线的构造单元。这些天线可以包括信号馈入的多个导电路径，各个信号之间相对相位，或用外部无源导电路径控制，或由于特定的自共振特性而受到控制。在一般意义上，这些专利讨论了利用所谓的环状对绕绕组产生竖直极化。这些专利中讨论的环状对绕绕组是只有两个端口的非寻常设计，如在参考文献，Birdsall，C.K.和Everhart，T.E.“用于高功率行波管的改型对绕螺旋形导电路径”，IRE Tranoactions on Electron Devices，1956年10月p.190，中所描述的。这些专利指出磁场/磁流与电场/电流之间的区别，并推断，在环形体上互相对绕的两个单丝导电路径重叠，利用两个端口的信号输入可以制成竖直极化的天线。该设计的基础是线形螺旋线，线形螺旋线的设计公式最先是由Kandoian和Sichak在1953年导出的(美国专利4,622,558提到过)。

诸如上述专利的现有技术，说的是由基本的环形元件作为构造元件形成更复杂的结构，两个某种取向的结构模拟对绕结构。例如，上述专利讨论一个环形面(复杂的或简单的)，该环形面设计成环形面副轴所确定的圆周长为导向波波长的整数倍。

单丝设计的简单环状天线对入射(接收)信号或输出(发射)信号的电场分量和磁场分量都有响应。另一方面，多丝(多绕组)在分开的环形体上分开绕组中可以有相同的螺距方向或不同的螺距方向，允许提供天线方向性和极化控制。一种螺旋形式是环和桥设计形式，它具有某些，但不是全部的，基本对绕绕组结构的特性。

大家知道，直线形螺线管线圈产生沿着其中心轴的直线磁场。磁场U方向是按照“右手螺旋法则”，其内容是，若右手手指朝向手掌向内卷曲，且指向螺线管中环形电流的方向，则磁场的方向是与姆指所指的方向相同，该姆指是沿着手指卷曲的轴平行伸展开的。(见图47，以下)当此法则应用于绕成右旋方向的螺线管线圈时，如同右旋螺纹一样，电流和形成的磁场指向上述相同的方向，但是，左旋方向的线圈，其电流和形成的磁场指向与上述不同的方向。由螺线管线圈生成的磁场有时也称之为磁流。把同一轴上右旋线圈与左旋线圈组合在一起形成对绕线圈，并在各个线圈中馈入相反流向的电流，则净电流实际上下降为零，而净磁场是单个线圈单独存在时的两倍。

大家也知道，一个有正弦交流电流馈电输入和以负载阻抗为终端的平衡输电线从电源到负载传送电流波。电流波在负载处反射，传送回电源，人们发现，传输线上净电流分布是入射波分量与反射波分量之和，其特征可以表示为传输线上的驻波。(见图13，以下)在一平衡的传输线上，沿着传输线每一导线上任何给定点处的两个电流分量大小相等而极性相反，这一情况等效于沿着分开的导线同时传播极性相反幅度相同的两个波。沿着一根给定导线，正电流在一个方向上的传播等效于负电流在相反方向上的传播。入射波与反射波的相对位相取决于负载单元的阻抗。在I₀＝入射电流信号，I₁＝反射电流信号情况，参照以下图13，则反射系数ρ_i定义为： ${\mathrm{\ρ}}_i=\frac{I_1}{I_0}=\frac{-{I_1}^{\′}}{I_0}=\frac{\frac{Z_L}{Z_0}-1}{\frac{Z_L}{Z_0}+1}$ 因为入射电流与反射电流沿相反方向行进，等效反射电流，I’₁＝-I₁给出相对于入射电流I₀方向的反射电流的大小。

本发明的一个目的是，提供一个小型竖直极化的天线，特别适用于长距离低频波传送，但也可用于任何频率下，其中需要低矮型或小尺寸的天线装置。

本发明的另一个目的是，提供一个适用于机动车或船的定向天线。

本发明的第三个目的是，提供一个在所有方向上大体全向辐射的天线。

本发明的第四个目的是，提供一个在垂直于极化方向上有最大辐射增益和在极化方向上有最小辐射增益的天线。

本发明的第五个目的是，提供一个简化馈电配置的天线，这种天线容易与射频(RF)功率源匹配。

本发明的第六个目的是，提供一个强化径向辐射能量的天线。

本发明的第七个目的是，提供一个强化竖直辐射能量的天线。

按照本发明，环状天线有一个环形面以及绝缘导线装置构成的第一绕组和第二绕组，每一绕组作为单个闭合电路围绕环形面以分段螺旋状图形延伸。环状体有偶数个段，例如四段，但一般大于或等于两段。给定段内一根连续导线的每一部分相对于邻近段内同一根连续导线的那个部分是反绕的。同一根导线相邻两段在节点(绕组反转点)处相接。两根连续导线在环状体的每一段内是互相反绕的。一对节点(一个端口)位于相邻两个段的交界处。两个相邻段之间，来自单极信号源的电流极性在电源通过端口连接处时相对于端口节点相连的导线是反转的。按照本发明，在每隔一个端口的节点处的两根导线是分离的，该分离的末端是以相匹配的纯无功阻抗作为终端，给各个反射电流信号提供90°相移。这就可以在此结构内同时消除净电流和产生准均匀的方位磁流，建立竖直极化的电磁辐射。

按照本发明，一串导电回路是“极向地”放置在回转面上，且等间隔围绕此回转面，使得每一回路的主轴与回转面的副轴相切。相对于回转面的主轴，所有回路的中心端连接到一个终端，所有回路的其余端连接到第二终端。单极信号源加到两个终端上，因为各个回路在导电路径上是并联的，所有回路产生的磁场是同相的，因而产生准均匀的方位磁场，造成竖直极化全向辐射。

按照本发明，随着回路数目的增多，导电单元变成导电回转面，此回转面可以是连续的，也可以是径向有间隙的。在复合天线终端引入串联电感或并联电容，就使工作频率下降。

按照本发明，随着添加一对平行导电极就可以使电容加进去，这对平行导电板作为导电回转面的一个毂。该回转面在与平行板接合处有缝隙，一块导电板与缝隙的一侧导电路径相连，第二块导电板连接到缝隙的另一侧。导电回转面在径向还可以有缝隙，仿效一串基本的回路天线。如果回转面的半径和形状随相应的回转角而变化，则能够增大这种结构的带宽。

按照本发明，电磁天线包括：一个多连通面；第一绝缘导线装置装置，它沿着第一大体螺旋形导电路径延伸，围绕且至少部分覆盖多连通面，至少有第一螺距方向(helical pitch sense)；第二绝缘导线装置，它沿着第二大体螺旋形导电路径延伸，围绕且至少部分覆盖多连通面，至少有第二螺距方向，第二螺距方向与第一螺距方向相反，目的是使第一绝缘导线装置与第二绝缘导线装置互相反绕，且至少部分覆盖多连通面；与第一和第二绝缘导线装置分别有电连接的第一信号端子和第二信号端子；以及反射器装置，将天线信号引向多连通面以接收或发射天线信号。

按照本发明，电磁天线包括：有主轴的多连通面；第一绝缘导线装置，它沿着第一部分螺旋形导电路径延伸，围绕并至少部分覆盖多连通面，至少有第一螺距方向；第二绝缘导线装置，它沿着第二部分螺旋形导电路径延伸，围绕并至少部分覆盖多连通面，至少有第二螺距方向，第二螺距方向与第一螺距方向相反，目的是使第一绝缘导线装置与第二绝缘导线装置互相反绕，且至少部分覆盖多连通面，第一和第二部分螺旋形导电路径中大致垂直于多连通面主轴的部分导电路径，大致在多连通面主轴的径向，其余部分导电路径大致按螺旋形取向；以及与第一绝缘导线装置和第二绝缘导线装置电连接的第一信号端子和第二信号端子。

按照本发明，电磁天线包括：有一导管的大体球面，此导管沿着大体球面的主轴方向；第一绝缘导线装置，它沿着第一部分螺旋形导电路径延伸，围绕并至少部分覆盖大体球面，至少有第一螺距方向；第二绝缘导线装置，它沿着第二部分螺旋形导电路径延伸，围绕且部分覆盖大体球面，至少有第二螺距方向，第二螺距方向与第一螺距方向相反，目的是使第一绝缘导线装置与第二绝缘导线装置互相反绕，且至少部分覆盖大体球面，第一和第二部分螺旋形导电路径穿过大体球面的导管，在此导管内部第一和第二部分螺旋形导电路径大体上平行于大体球面的主轴，其余部分大体上按螺旋形取向；以及与第一和第二绝缘导线装置分别电连接的第一和第二信号端子。

按照本发明，电磁天线包括：有主半径和副半径的多连通面，主半径大于零，副半径大于主半径；第一绝缘导线装置，它沿着第一大体螺旋形导电路径延伸，围绕且至少部分覆盖多连通面，至少有第一螺距方向；第二绝缘导线装置，它沿着第二大体螺旋形导电路径延伸，围绕且部分覆盖多连通面，至少有第二螺距方向，第二螺距方向与第一螺距方向相反，目的是使第一绝缘导线装置与第二绝缘导线装置互相反绕，且至少部分覆盖多连通面；以及与第一和第二绝缘导线装置分别电连接的第一和第二信号端子。

按照本发明，电磁天线包括：一个球面；第一绝缘导线装置，它沿着第一导电路径延伸，围绕且至少部分覆盖此球面，至少有第一绕组方向；第二绝缘导线装置，它沿着第二导电路径延伸，围绕且至少部分覆盖此球面，至少有第二绕组方向，第二绕组方向与第一绕组方向相反，目的是使第一绝缘导线装置与第二绝缘导线装置互相反绕，且至少部分覆盖此球面；以及与第一和第二绝缘导线装置分别电连接的第一和第二信号端子。

按照本发明，电磁天线包括：一个半球面；第一绝缘导线装置，它沿着第一导电路径延伸，围绕且至少部分覆盖此半球面，至少有第一绕组方向；第二绝缘导线装置，它沿着第二导电路径延伸，围绕且至少部分覆盖此半球面，至少有第二绕组方向，第二绕组方向与第一绕组方向相反，目的是使第一绝缘导线装置与第二绝缘导线装置互相反绕，且至少部分覆盖此半球面；以及与第一和第二绝缘导线装置分别电连接的第一和第二信号端子。

与桥和环结构的天线比较，本发明提供的小型竖直极化天线在较宽的频谱范围内有更大的增益。本发明的其他目的，优点和特征对于本专业人员来说是显而易见的。

图1是按照本发明的四段螺旋形天线简图。

图2是图1中绕组的放大图。

图3是本发明另一个实施例中绕组的放大图。

图4是按照本发明的两段(两部分)螺旋形天线简图。

图5是按照本发明另一个实施例在绕组反转点有可变阻抗的两端口螺旋形天线，其中可变阻抗用于天线调谐。

图6是图1所示天线的场分布图。

图7，图8和图9是图1所示天线相对于节点之间环形面位置上的电流图和磁场图。

图10，图11和图12是图4所示天线相对于节点之间环形面位置上的电流图和磁场图。

图13是有载传输线的等效导电路径。

图14是按照本发明环状天线上极向绕组的放大图，该天线具有调谐能力，改进的电场相消和简化结构。

图15是按照本发明带阻抗和相位匹配元件的四段结构天线的简化框图。

图16是按照本发明带连接两个绕组的初级和次级阻抗匹配线圈的天线绕组放大图。

图17是按照本发明的天线等效导电路径，说明调谐方法。

图18和图19是部分环状天线的简图，其中利用围绕环状天线的闭合金属箔元件实现图17所示调谐。

图20是按照本发明的天线简图，其中利用相对节点之间调谐电容器。

图21是按照本发明四段结构天线的另一种调谐方法等效导电路径图。

图22是按照本发明环状天线上有导电箔缠绕的天线，实现图21所示调谐。

图23是沿图24中直线23-23的剖面图。

图24是按照本发明有金属箔覆盖的天线透视图。

图25是按照本发明另一个实施例，画出具有“旋转对称性”的天线。

图26是利用天线上调制器控制的参量调谐器件的一个FM发射机功能框图。

图27是无定向的极化回路天线。

图28是图27所示天线中一个回路的侧视图。

图29是回路天线的等效导电路径。

图30方形回路天线的侧视图。

图31是按照本发明柱形回路天线的部分剖面图。

图32是沿图31中直线32-32的剖面图，其中包括绕组内的电流流向图。

图33是按照本发明带缝隙的环状天线的部分视图，该缝隙用于调谐和模拟极向回路结构。

图34画出带环状柱心调谐导电路径的环状天线。

图35是图34所示天线的等效导电路径图。

图36是按照本发明带中央电容调谐装置的环状天线剖面图。

图37是图36所示另一个实施例带极向绕组的天线剖面图。

图38是带可变电容调谐的另一个实施例。

图39是按照本发明方形环状天线的平面图，该天线增大了带宽，其中缝隙用于调谐或模拟极向回路结构。

图40是沿图39中直线40-40的剖面图。

图41是图39所示另一个实施例天线的平面图，该天线有带缝隙的六个侧面，用于调谐或模拟极向回路结构。

图42是沿图41直线42-42的剖面图。

图43是普通的线性螺旋线，

图44是大体的线性螺旋线。

图45是图45所示结构的等效组成，假定磁场在螺旋线的整个长度上均匀或准均匀。

图46画出有外部回路以及相移和比例控制导电路径的对绕环状螺旋形天线。

图47画出右旋方向和左旋方向的等效导电路径及其相关的电场和磁场。

图48是串锁天线的简图。

图49是另一种串馈天线的简图。

图50是带一个或两个馈电端口的另一种天线简图。

图51是图48至图51中环状天线实施例的典型垂直辐射图。

图52是带抛物面反射器的环状天线透视图。

图53是图52所示环状天线的竖直剖面图。

图54是带另一种抛物面反射器的环状天线透视图。

图55是图54所示环状天线的竖直剖面图。

图56是柱状天线的等比例图，该天线有部分螺旋形导电路径和部分径向导电路径的对绕导线。

图57是有螺旋形导电路径的环状天线典型的垂直辐射图。

图58是图56所示天线典型的垂直辐射图。

图59是大体球形环状天线的透视图，此环状天线有一大体圆形剖面和一中央导管。

图60是带螺旋形导电路径的环状天线典型的垂直辐射图。

图61是图59所示天线典型的垂直辐射图。

图62是一种环状天线的竖直剖面图，此环状天线的副半径大于主半径。

图63是图62中带螺旋形导电路径的环状天线的导线平面图。

图64是图63所示导线的透视图。

图65是图62所示带螺旋形导电路径的环状天线的对绕导线透视图。

图66是球状天线中单根球形导线的透视图。

图67是球状天线中球形对绕导线的透视图。

图68是半球状天线中半球形对绕导线的透视图。

图69是球状天线中另一种单根球形导线的透视图。

图70是球状天线中另一种球形对绕导线的透视图。

图71是带串联或并联馈电点的球状天线中球形对绕导线的透视图。

图72是图62所示球状的四段螺旋形天线的简图。

参照图1，天线10包括两个电绝缘闭路导线(绕组)W₁和W₂，此两个绝缘闭路导线围绕环形体TF延伸，贯穿四个(n＝4)等角线圈段12。射频(RF)电信号从两个接线柱S1和S2提供给两个绕组。在每一线圈段内，绕组是“对绕”的，就是说，绕组W₁的源可能是右旋(RH)，如实线所示，绕组W₂的源可能是左旋(LH)，如虚线所示。假定每根导线环绕环形体TF的螺旋形圈数是相同的，螺旋形圈数的多少由下述公式确定。每一绕组在节点14处反转方向(如每个绕组的剖面图所示)。信号端子S1和S2连接到两个节点，每一对这样的节点称之为一个“端口”。在本文讨论中，四个端口处的各对节点用a1和a2，b1和b2，c1和c2，d1和d2表示。例如，图1中有四个端口a，b，c，d。相对于TF的副轴而言，给定端口处的两个节点之间可以有任意的夹角，两个节点与环形面可以有任意的角度，若每一段上线圈圈数是一整数，则整个结构上全部端口有上述相同的角度关系。例如，图2画出直径方向相对的两个节点，而图3画出两个重叠的节点。虽然两个节点互相覆盖，但是从一个端口到下一个端口，相应两个节点与端子或接线柱S1和S2的连接是反转的，如图所示，形成的结构是，直径方向相对的两个线圈段有相同的平行连接，其中每一绕组有相同的方向。其结果是，每一段内两个绕组中的电流是相反的，但电流方向与绕组方向一起随一个线圈段到下一个线圈段而反转。只要线圈段数目为偶数，可以增加或减少段的数目，但是，应该明白，节点与环状天线的有效传输线长度之间有关系(考虑到因螺旋形绕组和工作频率造成的传播速度变化)。通过改变节点的位置，尤其是依靠图5所示外部阻抗，可以控制天线的极化和方向性。已发现，此处所示四段结构产生垂直极化无定向电场图，此电场图有一个与天线轴为θ的倾斜角，以及从天线射出的多个电磁波E1，E2，如图6所示。

虽然图1说明有四段的实施例，图4说明有两段的实施例，但是，应当认识到，本发明可以适用于任意偶数段，例如六段。增多段数的优点是，增大辐射功率和减小天线馈入口的复合阻抗，从而使信号端子阻抗与天线上信号端口复合阻抗的匹配工作简化。减少段数的优点是，减小天线的整体尺寸。

虽然主要的设计目标是，产生图6所示的垂直极化全向辐射图，但是在此之前由电磁系统等效性原理以及对基本偶极天线的了解已认识到，上述目标可以通过建立磁流或磁通方位圆环而达到。所以，对天线的讨论是涉及天线产生这种磁流分布的能力。参照图1，平衡信号被加到信号端子S1和S2。于是，该信号传送到环状螺旋形馈入端口a经平衡传输线到端口d。由平衡传输线理论知道，在沿传输线的任意给定点处，两个导线中的电流相位相差180°。在到达与传输线连接的节点处，电流信号继续传播，成为离开节点沿两个方向传播的行波。四段天线和两段天线中的电流分布及其方向分别画在图7至图9和图10至图12中，这些图中以端口或节点作为参照点，其中J代表电流，M代表磁流。此分析假定，信号频率调谐到与天线结构一致，使得天线结构的电周长为一个波长，且天线结构上的电流分布大体为正弦形幅度。对绕天线的环状螺旋形绕组结构当作一根传输线考虑，然而，这种绕组由于功率辐率形成一根漏电传输线。图7和图10的曲线代表电流分布，其极性是以离开节点的传播方向作为参照，信号从这些节点射出。图8和图11的曲线代表以共同的逆时针方向作为参照的电流分布，已认识到，电流的极性随参照的方向而变化。图9和图11则画出相应的磁流分布，利用了图1中所述原理。图8和图11说明，环状螺旋形结构上的净电流分布抵消了。但是，如图9和图12所示，净磁流分布增强了，因此，那些正交信号之和形成准均匀的方位电流分布。

实现本发明必须满足以下五个关键条件：1)天线必须调谐到信号频率，即在信号频率下，环状螺旋形天线结构中每一段的电周长应该是四分之一波长，2)每一节点处的信号幅度应该相等，3)每一端口处的信号相位应该同相，4)加在端子S1和S2上的信号应该平衡，以及5)信号端子S1和S2连接到环状螺旋形结构上信号端口的传输线各段阻抗应该与传输线每一终端相应负载匹配，为的是消去信号反射。

在计算天线的尺寸时，用到以下公式中各种参数。

a＝环形体主轴

b＝环形体副轴

D＝2×b＝环形体副直径

N＝绕在环形体上螺旋形导线的圈数

n＝单位长度上的圈数

Vg＝天线的速度因子

b(归一化)＝b/λ＝b

L_w＝归一化导线长度

λg＝基于速度因子的波长，λ为自由空间波长

m＝天线的段数

环状螺旋形天线处在由以下四个物理变量所确定的“谐振”频率上：

a＝环状体主半径

b＝环状体副半径

N＝绕在环状体上螺旋形导线的圈数

V＝导向波速度

已发现，通过将以上变量相对于自由空间波长λ进行归一化，独立变量的数目还可以减少到两个，V_g和N，重新组合后构成函数a(V_g)和b(V_g，N)。就是说，这个实际结构在自由空间波长下有相应的谐振频率。对于一个四段天线而言，谐振频率是指环状体主轴的周长为一个波长下的频率。通常，谐振工作频率是指天线结构上产生驻波的频率，其中每一段天线为四分之一导向波波长(即，图1中每一段12是1/4导向波波长)。此分析中假定，该结构的主周长为一个波长，且馈电线和绕组是相应地配置的。

天线的速度因子由下式给定的： $\mathrm{Vg}=\frac{V}{c}=\frac{2\mathrm{\πa}}{\mathrm{\λ}}=\frac{4L}{\mathrm{m\λ}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_g}{\mathrm{\λ}}----\left(1\right)$ 环状体的实际尺寸可以相对于自由空间波长按照如下式子归一化： $\tilde{a}=\frac{a}{\mathrm{\λ}}--\tilde{b}=\frac{b}{\mathrm{\λ}}----\left(2\right)$

1953年I.R.E，会议记录，第二部分：天线与通讯，pp.42-47A.G.Kandoicn和W.Siclak“宽频范围调谐的天线和导电路径”一文中提出一个公式，预言单丝直线形螺线管状内导线共轴线的速度因子。通过几何变量替换，该公式转换成适用于环状螺线形的速度因子，美国专利4,622,558和4,751,515中给出此公式： $V_g=\frac{1}{\sqrt{1+20{\left(\frac{2\mathrm{bN}}{L}\right)}^{2.5}{\left(\frac{2b}{\mathrm{\λ}}\right)}^{.5}}}----\left(3\right)$

虽然此公式是根据与此处所述本发明不同的实施例，但是，稍作经验上的修正可以作为本发明的大体描述，用于给定谐振频率的设计。

将(1)式和(2)式代入(3)式，简化后得到： $V_g=\frac{1}{\sqrt{1+20{\left(\frac{2\tilde{b}N}{.25m{V}_g}\right)}^{2.5}{\left(2\tilde{b}\right)}^{.5}}}=\frac{1}{\sqrt{1+160{\left(\frac{N}{.25m{V}_g}\right)}^{{2.56}^3}}}----\left(4\right)$

由公式(1)和(2)可以看出，速度因子与归一化主半径成正比关系： $V_g=2\mathrm{\π}\tilde{a}-----\left(5\right)$

因此，将(4)式和(5)式重新整理，求出归一化主半径和副半径用Vg和N来表示： $\tilde{a}=\frac{\mathrm{mVg}}{8\mathrm{\π}}----\left(6\right)$ $\tilde{b}={\left(\frac{(1-V_g^2)\sqrt{V_g}}{160{\left(\frac{4}{m}N\right)}^{2.5}}\right)}^{\frac{1}{3}}--------\left(7\right)$ 遵从环状体的如下基本性质： $\frac{\tilde{b}}{\tilde{a}}=\frac{b}{a}\≤1-----\left(8\right)$

公式(2)，(6)，(7)，(8)给出与频率无关的基本设计关系。这些公式可用于在给定工作频率，速度因子和线圈圈数的条件下求出天线的实际尺寸，或解决其逆问题，即，在给定螺旋形线圈圈数的天线具体尺寸条件下确定工作频率。

另一个基于Kandoian和Sichak参考文献的约束条件可以用如下的归一化变量表示： $\frac{n{D}^2}{\mathrm{\λ}}=\frac{4N{b}^2}{\mathrm{L\λ}}=\frac{4N{b}^{-2}}{.25m{V}_g}\≤\frac{1}{5}------\left(9\right)$

重新整理以上公式求出b，代入(7)式得到： $\tilde{b}={\left(\frac{(1-V_g^2)\sqrt{V_g}}{160{\left(\frac{4}{m}N\right)}^{2.5}}\right)}^{\frac{1}{3}}\≤{\left(\frac{m{V}_g}{80N}\right)}^{\frac{1}{2}}------\left(10\right)$

重新整理(10)式，分离变量得到： $\frac{{1-\mathrm{Vg}}^2}{\mathrm{Vg}}\≤\frac{16N}{\sqrt{5}m}=\mathrm{\α}------\left(11\right)$

可以求解以上二次方程，得出： $\mathrm{Vg}\≥\frac{-\mathrm{\α}+\sqrt{{\mathrm{\α}}^2+4}}{2}--------\left(12\right)$

另外，从公式(6)和(8)得到： $\mathrm{Vg}\≥\frac{8\mathrm{\π}\tilde{b}}{m}-------\left(13\right)$ 从约束条件(8)导出的约束条件(13)似乎比约束条件(12)更严格。

于是，得出螺旋形导线的归一化长度： ${\tilde{L}}_W=2\mathrm{\π}\sqrt{{\left(\mathrm{Nb}\right)}^2+{\tilde{a}}^2}=2\mathrm{\π}\tilde{b}\sqrt{N^2+{\left(\frac{\tilde{a}}{b}\right)}^2}--------\left(14\right)$

若a＝b，且线圈圈数最少，则导线长度最短。若a＝b，从(6)式得到 $\tilde{b}=\frac{\mathrm{mVg}}{8\mathrm{\&pi;}}------\left(15\right)$ 因此， ${\tilde{L}}_W=\frac{\mathrm{mVg}}{4}\sqrt{N^2+1}>\frac{\mathrm{mVgN}}{4}------\left(16\right)$ 对于一个四段天线，m＝4并且 ${\tilde{L}}_W>V_{g}N-------\left(17\right)$ 将(15)式代入(10)式得到： $V_{g}N={\left(\frac{{\mathrm{\&pi;}}^3}{10\sqrt{m}}(1-V_g^2)\right)}^{0.4}---------\left(18\right)$ 对于一个四段天线，m＝最小值＝4，最短的导线长度为 $V_{g}N=1.151<{\tilde{L}}_W------\left(19\right)$ 一般，若速度因子小，导线长度也短，所以(18)式可以大体为 $V_{g}N={\left(\frac{{\mathrm{\&pi;}}^2}{10\sqrt{m}}\right)}^{0.4}------\left(20\right)$ 将上式代入(16)式得出 ${\tilde{L}}_W>m^{.8}{\left(\frac{{\mathrm{\&pi;}}^3}{320}\right)}^{0.4}=0.393m^{.8}-----\left(21\right)$ 因此，对于所有两段天线，Kandoian和Sichak预言，每根导线的长度大于自由空间波长。

根据以上这些方程，我们可以制造一个环状天线，它实际上具有半波长直线天线的传输特性。几个按照本发明对绕环状螺旋形天线的经验表明，给定结构下的谐振频率不同于公式(2)，(6)和(7)预期的频率，尤其是，若在计算中用到的圈数N大于两根导线中一根导线实际圈数的一至二倍，则实际的谐振频率似乎与公式(2)，(6)和(7)预期的相同，在某些情况中，实际的工作频率似乎与导线长度关系密切。对于一个给定长度的环状螺旋形导线L_W(a，b，N)，此长度等于频率为下式的电磁波自由空间波长： $f_w(a,b,N)=\frac{c}{L_W(a,b,N)}-------\left(22\right)$ 在某些情况中，测得的谐振频率与0.75^*f_w(a，b，N)或f_w(a，b，2N)最符合。例如，在106MHz频率下，假定速度因子为1.0，则半波长直线天线的长度为1.415m(55.7英寸)，而按照本发明的环状设计有以下的尺寸：

a＝6.955cm(2.738英寸)

b＝1.430cm(0.563英寸)

N＝16圈，#16导线

m＝4段

对于这个环状设计实施例，公式(2)，(6)和(7)预期的结果是，若N＝16，则谐振频率为311.5MHz，V_g＝0.454，若N＝32，谐振频率为166.7MHz，在测得的频率下，V_g＝0.154且公式(4)成立，则N的有效值为51圈，此有效值为每根导线实际值的3.2倍。在此情况中，f_w(a，b，2N)＝103.2MHz。

在图5所示本发明的改型天线中，两个端口a和c与输入信号的连接是断开的，如同对应节点处的导线是断开的一样。余下的四个断开的端口a11-a21，a12-a22，c11-c21和c21-c22则以电抗Z作为负载，其阻抗与传输线各段的本征阻抗匹配，这些段上的阻抗是由对绕环状螺旋形导线对构成的。来自这些终端的信号反射(见图13)作用是反射与入射信号相位差90°的信号，使得环状螺旋形导线上的电流分布类似于图1实施例的电流分布，因此提供了相同的辐射图，但是信号端子与信号端口之间的馈电连接较少，从而简化该天线结构的调整和调谐。

环状对绕导线可以安排成不同于螺旋形的式样，但仍符合本发明的精神。图14画出另一种的布置(“周边极向的绕组图形”)，其中两个绝缘导线装置W1，W2形成的螺旋线分解成一串互连的极向回路14.1。这种互连形成了相对于主轴的圆弧。两根分开的导线处处平行，使得这种布置可以更精确地抵消环形电流分量，更精确地引导由极向回路产生的磁流分量。此实施例的特征是，具有更大的线间电容，起到降低该结构谐振率的作用，这一点已被实验证实，通过调整两根平行导线W1与W2之间间距，以及通过调整两根对绕导线互相之间夹角和相对于环状体主轴或副轴的夹角，就可以调节此实施例的谐振频率。

信号端口S1，S2中每一端口处的信号应当在幅度和相位上互相平衡(即，幅度相等，相位差180°)，为的是在最佳方式下实现本发明。信号馈入传输线段也应该在两端匹配，即，在信号端子共同的节点和在对绕环状螺旋形结构的每个单独的信号端口两端。对绕绕组中的缺陷，如绕组绕成的形状或其他因素可能会造成信号端口处阻抗的改变。这种改变可能要求如图15中所示形式的补偿，使得进入天线结构中的电流有平衡的幅度和相位，为的是使以下描述的环状电流分量抵消最完全。最简单的形式是，若信号端子处的阻抗为Z₀，通常为50Ω，信号端口处的信号阻抗为Z₁-m^*Z₀，则相同长度的m条馈电线中每一条线的阻抗为Z₁，这些在信号端子处阻抗的平行组合为Z₀值，就可以实现本发明。若信号端子处的阻抗为不同于上述的Z₁值，则本发明可以在四分之一波长变换器馈电线下实现，每条馈电线的长度为四分之一波长，其本征阻抗为Z_f＝Z₀Z₁。通常，任何阻抗可以与传输线单元构成的双短线调谐器匹配。来自信号端子的馈电线可以用电感耦合到图16所示的信号端口。除了能使信号端口的阻抗与馈电线匹配以外，该方法还能作为一个平衡-不平衡转换器，将馈电端的不平衡信号转换成环状对绕螺旋形结构上信号端口的平衡信号。藉助这种电感耦合方法，可以调节信号馈线与天线结构之间耦合系数，使该天线结构能自由谐振。对于本专业人员熟悉的阻抗，相位，幅度匹配和平衡的其他方法在不偏离本发明的精神条件下也是可能的。

可以用各种方法调谐天线结构，最好的方式是，调谐装置应该均匀地分布在天线结构的周围，以保持一个均匀的方位磁环流。图17说明围绕两根绝缘导线装置的极向箔片结构18.1，19.1(见图18和图19)的用途，这种箔片结构起到改变两根螺旋形导线之间电容耦合的作用。极向调谐单元可以是断开的或闭合的回路，闭合回路还有附加的电感耦合成分。图20说明通过电容耦合两个不同的节点，尤其是相同导线上直径方向相对的两个节点，用以平衡天线结构上的信号。利用圆形导电箔或导电网，可以是连续的或分段的，这个箔或网本身也是环状的平行于环状表面，这种使用可变电容器C1的电容耦合在方位角方向是连续的。图23和图25实施例是由图17至图21实施例的演变而产生的，其中整个环状螺旋形结构HS被处处为同心的屏22.1所围住。理想的情况是，环状螺旋形结构HS产生严格的环状磁场，该磁场平行于这一屏，使得在一个足够薄有一定导电性箔和工作频率下，电磁边界条件得到满足，能使电磁场在此结构以外传播，可以加上缝隙(极向的)25.1用于此处所述的调谐。

环状对绕螺旋形结构是一个很高Q值的谐振腔，它起到调谐元件和FM发射机的组合作用，如图26.2所示，其中有一个接收来自天线10电压的振荡放大器26.2。通过调制器26.4控制的参量调谐元件26.3可以完成调制。传输频率F1的控制是由天线结构上的电容或电感调谐元件的电子调节实现的，或者直接改变电抗，或者接入一串固定的电抗元件(以前讨论过)，以控制耦合到天线结构的电抗，因而就调节了环状对绕螺旋形结构的自然频率。

在图27所示本发明的另一种改型中，以前各实施例中环状螺旋形导线被一串N个极向回路27.1所替代，这些回路围绕一个环状体放置成等方位角。相对于环状体主半径的每一回路最中央部分在信号端子S1处连接在一起，而每一回路的最外边部分在信号端子S2处连接在一起。尽管各个回路都是相同的，但可以具有任意形状，图28画出的是圆形，图30画出的是矩形。这种结构的等效导电路径表示在图29中。各个回路段中的每一个是一个普通的回路天线。在此复合结构中，各个回路是平行地馈电，使得在每一回路中产生的磁场分量相位相同，方位角指向环状体，形成方位角上均匀的磁流环。比较起来，在对绕环状螺旋形天线中，对绕螺旋形导线环向分量的场是抵消的，似乎这些分量并不存在，只留下来自导线极向分量的贡献。因此，图27实施例从实际结构上消除了环状分量，而不是依赖产生相应的电磁场加以抵消。增多图27实施例中极向回路的数目分别构成图31方形回路实施例和图33圆形回路实施例。单独的回路变成连续的导电面，这个表面可以有或没有经向平面缝隙，为的是仿效多回路的实施例。这种结构建立方位角磁流环，这些磁流处处平行于环形导电面，其相应的电场处处垂直于环形导电面，于是，只要连续导电面足够薄，由此结构建立的电磁波就能够穿过导电面传播。这种装置具有电偶极子环的效果，电荷在该结构的预侧与底侧之间运动，即，平行于环状体的主轴方向。

图27和图31的实施例都有尺寸较大的缺点，因为回路的周长在谐振工作时必须为半波长的量级，然而，在图27和图31的结构中加入串联电感或并联电抗就可以减小回路尺寸。图34画出加入串联电感，将图31实施例的中央导线换成螺线形导线35.1。图36画出在图31实施例中加入并联电容36.1。平行板电容器呈环状结构TS的中央毂36.2，此毂也给环状体和中央电连接器36.3提供了机械支承，端子S1和S2上的信号藉助连接器馈入天线结构。平行板电容器和起支承作用的毂是由两块导电板P1和P2构成的，导电板是用铜，铝，或其他某种非铁导体做成，导电板之间介质为，诸如空气，特氟隆，或其他低损耗材料36.4。带有端子S1和S2的连接器36.3分别与平行板P1和P2中心部分有导电路径连接，这两块平行板又与环状导电面TS内侧环形缝隙各一侧有导电路径连接。信号流沿着径向从连接器36.3向外流过导电板P1和P2并围绕环形导电面TS。由导电板P1和P2提供附加的电容能使环形面TS的极向周长远远小于工作在相同频率下回路天线类似谐振态时所需的长度。

图36电容调谐元件可以与图37电感回路结合构成图37实施例，这种设计可以用图38所示等效导电路径加以说明，其中假定所有电容是由平行板电容器提供，所有电感是由导线回路提供。平行板电容器的电容量公式和导线电感的公式是1986年E.C.Jordan编辑的第7版参考书中P.6-13 Howard W.Sams“无线电工程师用参考数据”给出： $C=0.225{\mathrm{\&epsiv;}}_r\left[(N-1)\frac{A}{t}\right]------\left(23\right)$ 和 $L_{\mathrm{wire}}=\frac{a}{100}[7.353\mathrm{Lo}{g}_{10}\left(16\frac{a}{d}\right)-6.386]-----\left(24\right)$ 其中：C＝电容量pfd

  L_wire＝电感量μH

  A＝平板面积，英寸²

  t＝平板间隔，英寸

  N＝平板数目

  a＝导线回路的平均半径，英寸

  d＝导线直径，英寸

  ∈_r＝相对介电常数

假定导线回路总数为N，则等效并联导电路径的谐振频率由下式给出： $\mathrm{\&omega;}=\frac{1}{\sqrt{L_{\mathrm{total}}C}}=\frac{1}{\sqrt{\frac{L_{\mathrm{wire}}}{N}C}}-----\left(25\right)$ $f=\frac{\mathrm{\&omega;}}{2\mathrm{\&pi;}}------\left(26\right)$

对于一个环状天线，副轴直径＝7.00cm(2.755英寸)，主轴内直径(电容器平板直径)为10.28cm(4.046英寸)，#16导线(d＝0.16cm(0.063英寸))回路圈数N＝24，平行板间隔t＝0.358cm(0.141英寸)计算出的谐振频率为156.5Mhz。

在图38实施例中，单圈环形回路的电感大体为： $L=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_0{b}^2}{2a}-----\left(27\right)$

其中μ0是自由空间磁导率＝400πnH/m，a和b分别是环状体的主半径和副半径。形成环状体毂的平行板电容器的电容由下式给出： $C={\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{\&epsiv;}}_r\frac{A}{t}={\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{\&epsiv;}}_r\frac{\mathrm{\&pi;}{(a-b)}^2}{t}-----\left(28\right)$ 其中∈₀是自由空间电容率＝8.854pfd/m。

将公式(27)和(28)代入公式(25)和(26)得到： $f=\frac{38.07}{\sqrt{\frac{b^2{(a-b)}^2{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{\mathrm{at}}}}\mathrm{MHz}------\left(29\right)$ 公式(29)表示，若平行板间隔增大到1.01cm(0.397英寸)，除了连续的导电面以外，上述环状结构具有相同的谐振频率156.5MHz。

通过调节整个平行板间隔，或调节图38所示板上环形窄缝隙的宽度，可以调谐图36，图37，图38实施例工作频率，其中微调装置是方位角对称的，为的是保持从结构中心向外沿径向传播的信号对称性。

图39和图41说明增大这种天线结构带宽的方法。由于信号是沿着径向向外传播，在不同的径向提供不同的微分谐振导电路径就可以增大带宽。几何形状的变化做成方位角对称的，为的是尽量减少对方位角磁场分布的影响。图39和图41画出的形状是由管形器材商品构成的，而图25(或图24)画出半径呈正弦形变化的形状，这种形状会减少对磁场分布的影响。

现有技术螺旋形天线应用于地质特征遥感和导航。在这些应用中，采用相对低的频率，需要庞大的结构以获得良好的性能。图43中画出直线螺旋形天线。这种天线可以用图44所示天线大体表示，其中严格的螺旋线分解成一串直线互联有间隔的单圈回路。若磁场在此结构的长度方向均匀或准均匀，则各回路单元可以与复合直线单元分开以构成图45形状，这个结构在尺寸上还可以进一步压缩，用此处所述环状螺旋形天线或环状极向天线替代直线单元，如图46所示。这种结构的主要优点是，整体结构比相应的直线螺旋形更加紧凑，有利于做成手提式放在飞机，车辆或船只上，或放在隐蔽之处。这种结构以及图45结构的第二个优点是，磁场信号分量和电场信号分量是分开的，能用一种不同于直线螺旋形结构固有方式加以处理和组合，它能够提供附加的信息。

参照图48，这是一种电磁天线48示意图。天线48包括表面49，如图1的环形面TF；绝缘导线电路50；和两个信号端子52，54，虽然本发明可应用于各种形状表面，如多连通面，大体球面(如图59所示)，球面(如图6b所示)，或半球面(如图68所示)。

此处用到的术语“多连通面”明确地包括这样一些面，但并不局限于这样一些面：(a)任何环形面，如图1所示环形面TF，其主半径大于或等于副半径；(b)由旋转一个圆，或一个平面闭合曲线，或多边形，形成的那些面，多边形围绕一根轴在其面上有多个不同的半径，这些面的主半径大于零，这些面的副半径小于，等于，或大于主半径；以及(c)其他的一些面，诸如由大致平面材料构成的垫圈或六角螺母形成的面，这些面的内周长大于零，外周长大于内周长，内周长和外周长是一个平面闭合曲线和/或多边形所确定的。

举例性的绝缘导线电路50从节点60(+)到另一个节点62(-)沿着一条导电路径56延伸，围绕并覆盖表面49。绝缘导线电路50还从节点62(-)到节点60(+)沿着另一条导电路径58延伸，围绕并覆盖表面49，从而形成单个围绕并覆盖表面49的环形导电路径。

如在结合图1所讨论的，两条导电路径56，58可以是有相同圈数的对绕螺旋形导电路径，导电路径56是右旋(RH)螺距方向，如图中实线所示，导电路径58是左旋(LH)螺距方向，此螺距方向与RH螺距方向相反，如图中虚线所示。

导电路径56，58可以排列成不同于螺旋形的型式，诸如大体螺旋型式，部分螺旋型式，周边极向形状，或盘旋型式，这些型式仍符合本发明的精神，导电路径56，58可以排列成有相反绕组方向的对绕“周边极向绕组型式”，如在以上结合图14所讨论的，其中两根绝缘导线装置W1，W2中每一根导线形成的螺旋线可以分解成一连串互连的极向回路14.1。

仍参照图48，两条导电路径56，58在节点60，62处反转方向。两个信号端子52，54分别与两个节点60，62有导电路径连接。信号端子52，54或给边缘导线导电路径50提供输出(发射的)RF电信号64，或从绝缘导线电路50接收输入(接收的)RF电信号64。例如，在发射信号情况中，单个环行的绝缘导线电路50与两个信号端子52，54串联馈电。

熟悉本专业的人们知道，两条导电路径56，58可以由单根绝缘导线装置构成，例如，一根导线或印刷导电路径导线构成单个环形导电路径，它包括从节点60到节点62的导电路径56和从节点62返回到节点60的导电路径58。熟悉本专业的人们还知道，两条导电路径56，58可以由多根绝缘导线装置构成，例如，一根绝缘导线装置构成从节点60到节点62的导电路径56，另一根绝缘导线装置构成从节点62返回到节点60的导电路径58。

信号64的标称工作频率调谐到与天线48结构一致，为的是使其电周长为半个波长，天线结构上的电流分布为大体正弦形幅度。两条对绕导电路径56，58中每一条导电路径长度约为标称工作频率的二分之一导向波长，这两条导电路径可以看成是有平衡馈电的非均匀传输线单元。两条导电路径56，58构成一条闭合回路，例如，在图1所示环状体TF的环形面情况中，这两条导电路径被拧成一个“数字8”，再被折叠返回形成两个同心绕组。

参照图49，这是另一种电磁天线48’的示意图。天线48’包括如图48所示表面49这样的一个表面，绝缘导线电路50’，和两个信号端子52’，54’。除了以下要讨论的以外，电磁天线48’，绝缘导线电路50’，两个信号端子52’，54’与相应的电磁天线48，绝缘导线电路50，两个信号端子52，54大致相同。

举例性的绝缘导线电路50’从节点60’(t)到中间节点A，再从中间节点A到另一个节点62’(-)沿着导电路径56’延伸，围绕并覆盖表面49。绝缘导线电路50’从节点62’(-)到另一个中间点B，再从中间点B到节点60’(+)沿着另一条导电路径58’延伸，围绕并覆盖表面49，从而形成围绕并覆曾表面49的单个环形导电路径。

如在以上结合图14和图48所讨论的，两条导电路径56’，58’可以是有相同圈数的对绕螺旋形导电路径，或排列成不同于严格螺旋形的型式，诸如大体螺旋型式，部分螺旋型式，盘旋型式，或有相反绕组方向的“周边极向绕组型式”。

两个信号端子52’，54’或给绝缘导线电路50’提供输出(发射的)RF电信号64，或从绝缘导线电路50’接收输入(接收的)RF电信号64。两条导电路径56’，58’中每一条长度为信号64标称工作频率的约二分之一导向波长，这两条导电路径在节点60’，62’处反转方向。两个信号端子52’，54’分别与中间节点A，B有导电路径连接。最好是，节点60’，62’设置在与中间节点A，B相对的直径方向上，为的是使两个节点60’，62’到相应中间节点A，B的导电路径56’，58’长度分别与从两个中间节点A，B到相应节点62’，60’的导电路径56’，58’长度相等。

熟悉本专业的人们知道，两条导电路径56’，58’可以由单根绝缘导线装置构成，这根绝缘导线装置形成的单个环形导电路径包括从节点60’到中间节点A再到节点62’的导电路径56’和从节点62’到中间节点B再到节点60’的导电路径58’。熟悉本专业的人们还知道，两条导电路径56’，58’中每一条可以由一根或多根绝缘导线装置构成，例如，一根绝缘导线装置是从节点60’到中间节点A，再从中间节点A到节点62’；或者，一根绝缘导线装置是从节点60’到中间节点A，另一根绝缘导线装置是从中间节点A到节点62’。

参照图50，这是另一种电磁天线66的示意图。天线66包括如图48所示表面49的这样一个表面，第一绝缘导线电路68，第二绝缘导线电路70’，和两个信号端子72，74。

绝缘导线电路68包括一对螺旋形导电路径76，78，绝缘导线电路70包括类似地一对螺旋形导电路径80，82。绝缘导线电路68从节点84到节点86沿着导电路径76延伸，围绕并部分覆盖表面49，还从节点86到节点84沿着导电路径78延伸，围绕并部分覆盖表面49，目的是使两条导电路径76，78构成一条环形导电路径，围绕并覆盖表面49。绝缘导线电路70从节点88到节点90沿着导电路径80延伸，围绕并部分覆盖表面49，还从节点90到88沿着导电路径82延伸，围绕并部分覆盖表面49，目的是使两条导电路径80，82构成另一条环形导电路径，围绕并覆盖表面49。

如在以上结合图14和图48所讨论的，导电路径76，78和导电路径80，82可以是有相同圈数的对绕螺旋形导电路径，或者排列成不同于严格螺旋形的型式，诸如大体螺旋型式，部分螺旋型式，盘旋型式，或有相反绕组方向的“周边极向绕组图形”。例如，导电路径76的螺距方向可以是右旋(RH)，如图中实线所示，导电路径78的螺距方向是左旋(LH)，此螺距方向与RH螺距方向相反，如图中虚线所示，两条导电路径80和82的螺距方向分别是LH和RH。导电路径76，78在节点84和86处反转方向。导电路径80，82在节点88和90处反转方向。

两个信号端子72，74或给绝缘导线电路68，70提供输出(发射的)RF电信号92，或从绝缘导线电路68，70接收输入(接收的)RF电信号92。例如，在发射信号的情况中，那对环行的绝缘导线电路68，70与信号端子72，74串联馈电，虽然本发明适用于在节点84，88和节点90，86都是并联馈电。导电路径76，78，80，82中每一条导电路径长度为信号92标称工作频率的约四分之一导向波长。如图50所示，信号端子72与节点84有导电路径连接，信号端子74与节点88有导电路径连接。

熟悉本专业的人们知道，绝缘导线电路68，70可以由一根或多根绝缘导线装置构成。例如，绝缘导线电路68可以是用于两条导电路径76，78的单根导线；或单根导线各用于导电路径76，78中一条导电路径；或两条导电路径76，78中每一条是由多根导电路径连接的导线构成。

参照图51，这是图48，49，50中分别为电磁天线48，48’，66的典型垂直辐射图。这些天线是直线(例如，垂直方向)极化的，沿着极化方向具有低矮型尺寸，图48，49，50中表面49的副轴直径相当于这个尺寸。另外，这种天线在垂直于极化方向上大致是无定向辐射的，最大辐射增益在垂直于极化方向，最小辐射增益在极化方向。对绕导电路径，如图48的这种导电路径56，58，给出抵消合电场的相消干涉，并给出加强合磁场的相长干涉。

参照图52和图53，电磁天线94包括环状天线96，如对应于图1，图48，图49，图50中的天线10，48，48’，66；和抛物面反射器98，和卫星碟形反射器，该反射器将天线信号100，102引向天线96的环形面103，用于接收或发射天线信号100，102，虽然本发明更广泛地适用于多连通面和各种类型反射器。抛物面反射器98有一个带顶点104的大体抛物面形状，一个开孔106，以及顶点104与开孔106之间的中心轴108。抛物面反射器还包括一个中心轴108上的焦点110。

环形面103大致位于顶点104与抛物面反射器开孔106之间。最好是，环形面103的主轴位于沿着抛物面反射器98的中心轴108方向，环形面103的中心位于抛物面反射器98的焦点110。

电磁天线94提供了典型环状天线96的方向性。抛物面反射器98将有用电磁信号100，102引向天线96场分布112的高增益区111。其他无用信号114，116或分别遇上天线96场分布112的低增益区118，119，或被抛物面反射器98反射，如在点120处被反射。

参照图54和图55，电磁天线94’包括图52-53的环状天线96和一抛物面反射器98’，该反射器按照上述图53类似方式引导信号100，102。抛物面反射器98’有一开孔122和大体抛物面形状124(以点划线画出)，该形状确定的顶点104在开孔122中心附近。抛物面反射器98’的另一个开孔106大于开孔122。环形面103大致位于抛物面反射器98’的两个开孔106与122之间。除了开孔122以外，抛物面反射器98’大体上类似于图52-53的抛物面反射器98。

总的说来，典型的抛物面反射器98’，尤其是其开孔122利用了天线96的场分布112。天线96底部(参看图55)的低增益区119对发射或接收天线信号100，102作用不大。因此，抛物面反射器98’开孔122处缺了一块表面不会对发射或接收天线信号100，102有太大影响。朝向开孔122的无用信号126(来自图55中底部)仅仅遇上天线96的低增益区119。缺了抛物面反射器98’开孔122处的一块表面大大增强了在强风中安装电磁天线94’的空气动力特性，诸如在机动车辆上或在船只上安装时减小了空气阻力，以及降低了抵御强风所需的抛物面反射器98’重量和结构强度。

参照图56，电磁天线128包括一个表面，如带中心孔132的大体柱形表面130，上表面134和下表面136，虽然本发明适用于其他的多连通面，如带有大体平整的上表面134和/或下表面136的大体环形面。天线128包括第一绝缘导线电路138，此导电路径沿着部分螺旋形导电路径延伸，围绕并至少部分覆盖表面130，至少有第一螺距方向(例如，右旋(RH))。天线128还包括第二绝缘导线电路140，此电路沿着另一条部分螺旋形导电路径延伸，围绕并至少部分覆盖表面130，至少有第二螺距方向(例如，左旋(LH))，目的是使两条绝缘导线电路138，140互相反绕，围绕并至少部分覆盖表面130。

电磁天线128的主轴142大体上垂直于上表面134和下表面136。两条绝缘导线电路138，140相对于图示主轴大致是径向的，其径向部分导电路径144，146在上表面134上。两条绝缘导线电路138，140相对于图示主轴142大致是径向的，其径向部分导电路径148，150(图中虚线所示)在下表面136上。其他部分是这样的，两条绝缘导线电路138，140是大体螺旋形取向的，大体螺旋形部分导电路径152，154在大体柱形面130的外表面156上，大体螺旋形部分导电路径156，158在大体柱形面130的中心空132内。熟悉本专业的人们知道，典型的大体柱形表面130以及带径向部分导电路径144，146，148，150和大体螺旋形部分导电路径152，154，156，158可以与图1，48，49，50中相应的天线10，48，48’，66结合起来使用。

图57画出图1，48，49，50中相应天线10，48，48’，66的典型垂直辐射图，这些天线采用带螺旋形导电路径的环形面，再参照图58，图56的典型电磁天线128在径向发射或接收较多的能量，因此在竖直方向发射或接收的能量较少。所以，与具有螺旋形导电路径的天线进行比较，在此实施例中，天线128顶部和底部的辐射分布进一步减少，因而径向辐射分布增多。此外，采用一些直线形导线部分144，146，148，150的典型绝缘导线电路138，140减小了天线128主半径的相对尺寸。

参照图59，电磁天线160包括大体球状环形表面162，它有大体圆形的横断面164(如多条纬线所示)，以及沿着表面162主轴168的一根导管166(如图中虚线所示)。天线160包括第一绝缘导线电路170，它沿着第一部分螺旋形导电路径172延伸，围绕并至少部分覆盖大体球面162，至少有第一螺距方向(如，RH)。天线160还包括第二绝缘导线电路174，它沿着第二部分螺旋形导电路径176延伸，围绕并至少部分覆盖大体球面162，至少有第二螺距方向(如，LH)，为的是使第一与第二绝缘导线电路172，174互相反绕，围绕并至少部分覆盖大体球面162。部分螺旋形导电路径172，176穿过导管166，且导电路径172，174中各自大体直线形的部分导电路径178，180大体上平行于导管166内主轴。其余部分是这样的，导电路径172，176有各自大体螺旋形部分182，184。熟悉本专业的人们知道，典型的大体球面162以及带有大体直线部分178，180和大体螺旋形部分182，184的绝缘导线电路170，174可以与图1，48，49，50中相应的天线10，48，48’，66结合在一起使用。

图60画出图1，48，49，50中相应天线10，48，48’，66的典型垂直辐射图。再参照图61，图59中典型的电磁天线160在竖直方向发射或接收较多能量。所以，与具有螺旋形导电路径的天线进行比较，在此实施例中，天线160顶部和底部上辐射分布增强了。按照这一方式，此实施例产生更加对称的辐射分布。

图62画出环状体186垂直剖面透视图，其中副半径大于其主半径，尽管本发明适用于任何多连通面，此多通面的主半径大于零，副半径大于主半径。再参照图63和图64，相应的平面图和透视图画出有190，192，194，196四圈的绝缘导线电路188线路，尽管本发明适用于有任意圈数的绝缘导线电路。与典型的环状体186一起使用的是，绝缘导线电路188沿着大体螺旋形导电路径延伸，围绕并至少部分覆盖典型环状体186的表面197，围绕的方式以下描述，至少有第一螺距方向(如，RH)。再参照图65，有200，202，204，206四圈的另一条绝缘导线电路198也与典型的环状体186一起使用。第二绝缘导线电路198沿着大体螺旋形导电路径延伸，围绕并至少部分覆盖环状体187的表面197，至少有第二螺距方向(如，LH)，目的是使两条绝缘导线电路188与198互相反绕，围绕并至少部分覆盖环状体186的表面197。

环状体186的表面197可以是这样实现的，例如，用一个带多个开孔208的网眼面，这些开孔用于绝缘导线电路188，198从中穿过。在这个典型的方式下，环状体186的中央部分210可以让导电路径188，198的部分线路211(图63中画出)通过，尽管其他的实施方案也是可能的，例如，用多个切片组合成环状体186，形成的中央部分210给导电路径188，198提供通道；或在实心的环状体上钻几个适当的引导孔。

熟悉本专业的人们知道，典型的环状体186和典型的绝缘导线电路188，198可以与图1，48，49，50中相应的天线10，48，48’，66结合在一起使用。两条导电路径188，198穿过环状体186中导电路径188，198相应部分216，218(图65所示)处的共同点212，214。

如图72的示意图所示，类似于图1中天线10的天线219包括节点a1，b2，c1，d2和节点a2，b1，c2，d1，前四个节点聚合于(较小主半径)端子220，后四个节点类似地聚合于端子222，便于说明其中画出了节点a1，b2，c1，d2与节点a2，b1，c2，d1之间直线。在这一方式下，天线219在端子220，222处有单个端口，或者可以在每一段12上独立地馈电。端子220和222又在导电路径上连接到相应的节点a1，b2，c1，d2和节点a2，b1，c2，d1，这些节点沿着环状体186的主轴224聚合于(较小主半径)基本共同点212，214。点212，214与导电路径188，198的相应部分216，218(图65所示)有联系。

如图1所示环状体TF的三维环形面可以用下列式子表示：

x＝acos(θ)+bcos(φ)cos(θ)    (30)

y＝asin(θ)+bcos()sin(θ)    (31)

z＝bsin(φ)                    (32)其中：

a：主半径

b：副半径

φ：极向角(0至2π)

θ：方位角(0至2π)

图1所示环状体TF上的螺旋线由下式设定：

φ＝Nθ                        (33)其中：

N：螺旋线圈数

N＞0：右旋(RH)绕组

N＜0：左旋(LH)绕组确定螺旋线的方程为：

x＝acos(θ)+bcos(Nθ)cos(θ)    (34)

y＝asin(θ)+bcos(Nθ)sin(θ)    (35)

z＝bsin(Nθ)                    (36)

N的取值可正可负，方程(34)至(36)正确地描述两个反绕绕组。

参照图66和图67，说明具有球形面232的球状天线230上对绕球形导线226，228。尽管球形面是最合适的，本发明适用于大体球面。导线226沿着第一导电路径延伸，它围绕并至少部分覆盖球面232，至少有第一绕组方向(例如，RH)。导线228沿着第二导电路径延伸，它围绕并至少部分覆盖球面232，至少有第二绕组方向(例如，LH)，目的是使两根导线226与228相互反绕，且至少部分覆盖球面232。

在球状天线实施例中，设定主半径a等于零导出描述对绕导线的方程，如以下方程所示：

x＝bcos(Nθ)cos(θ)                     (37)

y＝bcos(Nθ)sin(θ)    (38)

z＝bsin(Nθ)           (39)球状天线的优点是，辐射分布是球形对称的，尽管本发明适用于大体球状天线实施例，其中主半径大于零。这种辐射分布接近于理想的各向同性辐射器或点源的辐射分布，朝各个方向射出相同的能量。采用对绕绕组226，228，电场互相抵消，留下半径约为零的磁流回路。熟悉本专业的人们知道，典型的球形面232和典型的对绕绕组226，228可以与图1，48，49，50中相应的天线10，48，48’，66结合在一起使用，例如，其中图67所示极向节点233A，233B使两个绕组方向(例如LH和RH)之间的变化容易，这两个对绕绕组226，228的线路大致在相同的地方重复相交。

参照图68，说明半球状天线238上的对绕半球形导线234，236，此半球状天线在平面242上有一半球面240。在半球状天线实施例中，描述对绕绕组的方程是从以上方程(37)至(39)导出的，其中z大于或等于零。导线234沿第一导电路径延伸，它围绕并至少部分覆盖半球面240，至少有第一绕组方向(例如，RH)，导线236沿第二导电路径延伸，它围绕并至少部分覆盖半球面240，至少有第二绕组方向(例如，LH)，目的是使两根导线234与236互相反绕，围绕并至少部分覆盖半球面240。

为了清楚地描述对绕导线及其连接，平面242包括左半部分244和右半部分246。在平面242的中心附近有一对端子A，B，便于说明其中端子A偏离中心。多根馈线248连接到端子A，多根馈线250连接到端子。馈线248和250最好是屏蔽线，具有相同的电阻抗。

最好是，平面242是一接地面，此接地面电反射每一绕组，产生绕组的的镜像。在这种方式下，若半球状天线238放在飞机的底部或放在汽车的顶部，则在离开天线一段距离上，其辐射分布大体于球状天线的辐射分布。

在平面242的右半部分246，馈线248，250分别连接到导线236，234。在平面242的左半部分244，馈线248，250分别连接到导线234，236。典型的半球状天线238可用在激发或检测大地电流，如用于地球物理探测，在图68所示平面242之上朝各个方向均匀地发射或接收能量。

参照图69和图70，说明图67所示球形面232另一种对绕球形导线226’，228’。在此球状天线实施例中，球形导线226’，228’并不在结合图67讨论中的极点处重复交叉。例如，天线230’的制作是这样的，在导线226’，228’准备好时旋转球形面232。

数学方法是，将变换矩阵作用在方程(37)至(39)所确定的位置矢量(x，y，z)上。将相同的变换算符作用在两个反绕导线226’和228’上，此变换保留了原先在环状天线实施例方程(34)至(36)中所含的反绕对称性。

方程(40)说明变换方程的通用形式。一般情况下，变换矩阵是和θ两个变量的函数。

其中：

(Z，Y，Z)：是变换后的座标

(x，y，z)：是未变换的座标

τ_ij：是θ和的通用函数方程(40：)的变换矩阵定义为保留绕组反绕对称性的任何矩阵。例如，反绕导线226’，228’的形状可以通过伸屈或旋转而变形，尽管本发明适用于任何绕组，这种绕组提供相消干涉以抵消合电场和提供相长干涉以加强合磁场。为了说明这种变换，举一个例子。

例： $\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\right)& 0& \sin \left(\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\right)\\ 0& 1& 0\\ -\sin \left(\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\right)& 0& \cos \left(\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]-----\left(41\right)$

在此例中，球形面232在XZ平面内旋转，成为θ的函数，尽管本发明适用于各种曲面的变换，如环形面，多连通面，大体球面和球面。

参照图71，说明具有一个或两个馈电端口的天线254。绝缘导线电路256从节点260(+)到节点262(-)沿着导电路径258延伸，围绕并部分覆盖表面232。在节点262(-)改变绕组方向之后，绝缘导线电路256从节点262(-)到节点260(+)沿着导电路径274延伸，围绕并部分覆盖表面232，目的是使导电路径258，274构成一条环形导电路径，围绕并覆盖表面232。绝缘导线电路266(图中虚线所示)从节点270(-)到节点272(+)沿着导电路径268延伸，围绕并部分覆盖表面232。在节点272(+)改变绕组方向之后，绝缘导线电路266从节点272(+)到节点270(-)沿着导电路径264延伸，围绕并部分覆盖表面232，目的是使两条导电路径268，264构成另一条环形导电路径，围绕并覆盖表面232。

典型的天线254提供了天线信号的发射和接收。例如，在发射信号的情况中，绝缘导线电路256，266构成的一对环形导电路径与节点272，262带联馈电，尽管本发明适用于在节点272，262和节点260，270两处并联馈电。

除了前面讨论和建议的改型和变动以外，熟悉本专业的人们能够在不偏离本发明范围和精神的条件下做其他的改型和变动。

Claims (41)

1.一种用于天线信号的电磁天线，所述电磁天线包括：

多连通面；

第一绝缘导线装置，它沿着第一大体螺旋形导电路径延伸，围绕并至少部分覆盖所述多连通面，至少有第一螺距方向；

第二绝缘导线装置，它沿着第二大体螺旋形导电路径延伸，围绕并至少部分覆盖所述多连通面，至少有第二螺距方向，此螺距方向与第一螺距方向相反，目的是使第一绝缘导线装置与第二绝缘导线装置互相反绕，围绕并至少部分覆盖所述多连通面；

分别与第一绝缘导线装置和第二绝缘导线装置有电连接的第一信号端子和第二信号端子；以及

反射器装置，它将所述天线信号引向所述多连通面，用于接收或发射天线信号。

2.按照权利要求1的电磁天线，其中所述反射器装置包括抛物面反射器。

3.按照权利要求2的电磁天线，其中抛物面反射器有一带顶点和开孔的大体抛物面形状；且其中所述多连通面大致位于顶点与抛物面反射器开孔之间。

4.按照权利要求3的电磁天线，其中抛物面反射器在顶点与开孔之间还有一根轴；且其中所述多连通面有一主轴，大致沿着抛物面反射器轴的方向。

5.按照权利要求4的电磁天线，其中抛物面反射器在其轴上还有一个焦点；且其中所述多连通面是一个环形面，带有主轴，主轴上有一中心，环形面的中心大致位于抛物面反射器的焦点处。

6.按照权利要求2的电磁天线，其中抛物面反射器有第一开孔，大体抛物面形状，它约在第一开孔处定义了顶点，和第二开孔，它大于第一开孔；且其中所述多连通面大致位于抛物面反射器第一开孔与第二开孔之间。

7.按照权利要求6的电磁天线，其中抛物面反射器在第一开孔与第二开孔之间有一中心轴；且其中所述多连通面有一主轴，此主轴大致沿着抛物面反射器中心轴的方向。

8.按照权利要求7的电磁天线，其中抛物面反射器在其中心轴上有一焦点；且其中所述多连通面是一个具有主轴和中心的环形面，中心在主轴上，环形面的中心大致位于抛物面反射器的焦点处。

9.按照权利要求2的电磁天线，其中所述多连通面是一环形面；且其中抛物面反射器有带顶点和开孔的大体抛物面形状；并且其中环形面大致位于顶点与抛物面反射器开孔之间。

10.按照权利要求2的电磁天线，其中所述多连通面是一环形面，其中抛物面反射器有第一开孔，大体抛物面形状，它约在第一开孔处定义了顶点，和第二开孔，第二开孔大于第一开孔；且其中所述多连通面大致位于抛物面反射器第一开孔与第二开孔之间。

11.按照权利要求1的电磁天线，其中所述第一绝缘导线装置从第一节点到第二节点沿着第一大体螺旋形导电路径延伸，围绕并覆盖所述多连通面，有第一螺距方向；其中所述第二绝缘导线装置从第二节点到第一节点沿着第二大体螺旋形导电路径延伸，围绕并覆盖所述多连通面，有第二螺距方向，目的是使第一与第二大体螺旋形导电路径互相反绕，构成单个环形导电路径，围绕并覆盖所述多连通面；且其中所述第一信号端子和第二信号端子分别与第一节点和第二节点电连接。

12.按照权利要求1的电磁天线，其中所述第一绝缘导线装置从第一节点到第二节点以及从第二节点到第三节点沿着第一大体螺旋形导电路径延伸，围绕并覆盖所述多连通面，有第一螺距方向；其中所述第二绝缘导线装置从第三节点到第四节点以及从第四节点到第一节点沿着第二大体螺旋形导电路径延伸，围绕并覆盖所述多连通面，有第二螺距方向，目的是使第一与第二大体螺旋形导电路径互相反绕，构成单个环形导电路径，围绕并覆盖所述多连通面；其中所述第一信号端子和第二信号端子分别与第二节点和第四节点电连接。

13.按照权利要求1的电磁天线，其中所述第一绝缘导线装置从第一节点到第二节点沿着第一大体螺旋形导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述多连通面，有第一螺距方向，还从第二节点到第一节点沿着第三大体螺旋形导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述多连通面，有第二螺距方向，目的是使第一和第三大体螺旋形导电路径构成第一环形导电路径，围绕并覆盖所述多连通面；且其中第二绝缘导线装置从第三节点到第四节点沿着第二大体螺旋形导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述多连通面，有第二螺距方向，还从第四节点到第三节点沿着第四大体螺旋形导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述多连通面，目的是使第三和第四大体螺旋形导电路径构成第二环形导电路径，围绕并部分覆盖所述多连通面，第一和第三大体螺旋形导电路径分别与第二和第四大体螺旋形导电路径是互相反绕的；其中所述第一信号端子电连接到第一节点；其中所述第二信号端子电路上连接到第二节点。

14.一种用于天线信号的电磁天线，所述电磁天线包括：

有主轴的多连通面；

第一绝缘导线装置，它沿着第一部分螺旋形导电路径延伸，围绕并至少部分覆盖所述多连通面，至少有第一螺距方向；

第二绝缘导线装置，它沿着第二部分螺旋形导电路径延伸，围绕并至少部分覆盖所述多连通面，至少有第二螺距方向，第二螺距方向与第一螺距方向相反，目的是使所述第一绝缘导线装置与第二绝缘导线装置互相反绕，围绕并至少部分覆盖所述多连通面，在第一和第二部分螺旋形导电路径大致垂直于所述多连通面主轴的部分，它们相对于所述多连通面的主轴大致是径向的，其余部分大致是螺旋形取向的；以及

第一和第二信号端子，分别与第一和第二绝缘导线装置电连接。

15.按照权利要求14的电磁天线，其中所述多连通面是一大体柱面。

16.按照权利要求14的电磁天线，其中所述多连通面是一大体环形面。

17.按照权利要求14的电磁天线，其中所述第一绝缘导线装置从第一节点到第二节点沿着第一部分螺旋形导电路径延伸，围绕并覆盖所述多连通面，有第一螺距方向；其中所述第二绝缘导线装置从第二节点到第一节点沿着第二部分螺旋形导电路径延伸，围绕并覆盖所述多连通面，有第二螺距方向，目的是使第一与第二部分螺旋形导电路径互相反绕，构成单个环形导电路径，围绕并覆盖所述多连通面；其中所述第一信号端子和第二信号端子分别与第一节点和第二节点电连接。

18.按照权利要求14的电磁天线，其中所述第一绝缘导线装置从第一节点到第二节点以及从第二节点到第三节点沿着第一部分螺旋形导电路径延伸，围绕并覆盖所述多连通面，有第一螺距方向；其中所述第二绝缘导线装置从第三节点到第四节点以及从第四节点到第一节点沿着第二部分螺旋形导电路径延伸，围绕并覆盖所述多连通面，有第二螺距方向，目的是使第一与第二部分螺旋形导电路径互相反绕，构成单个环形导电路径，围绕并覆盖所述多连通面；其中所述第一信号端子和第二信号端子分别电连接到第二节点和第四节点。

19.按照权利要求14的电磁天线，其中所述第一绝缘导线装置从第一节点到第二节点沿着第一部分螺旋形导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述多连通面，有第一螺距方向，还从第二节点到第一节点沿着第三部分螺旋形导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述多连通面，有第二螺距方向，目的是使第一和第三部分螺旋形导电路径构成第一环形导电路径，围绕并覆盖所述多连通面；其中所述第二绝缘导线装置从第三节点到第四节点沿着第二部分螺旋形导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述多连通面，有第二螺距方向，还从第四节点到第三节点沿着第四部分螺旋形导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述多连通面，有第一螺距方向，目的是使第三和第四部分螺旋形导电路径构成第二环形导电路径，围绕并覆盖所述多连通面，第一和第三部分螺旋形导电路径分别与第二和第四部分螺旋形导电路径互相反绕；其中所述第一信号端子电连接到第一节点；所述第二信号端子装置电连接到第二节点。

20.一种用于天线信号的电磁天线，所述电磁天线包括：

一个大体球面，它在沿着其主轴有一导管；

第一绝缘导线装置，它沿着第一部分螺旋形导电路径延伸，围绕并至少部分覆盖所述大体球面，至少有第一螺距方向；

第二绝缘导线装置，它沿着第二部分螺旋形导电路径延伸，围绕并至少部分覆盖所述大体球面，至少有第二螺距方向，此螺距方向与第一螺距方向相反，目的是使所述第一绝缘导线装置与第二绝缘导线装置互相反绕，围绕并至少部分覆盖所述大体球面，第一和第二部分螺旋形导电路径穿过所述大体球面的导管，在导管内部这两个路径大致与大体球面主轴平行，其余部分路径大致按螺旋形取向；以及

与所述第一绝缘导线装置和第二绝缘导线装置分别电连接的第一信号端子和第二信号端子。

21.按照权利要求20的电磁天线，其中所述第一绝缘导线装置从第一节点到第二节点沿着第一部分螺旋形导电路径延伸，围绕并覆盖所述大体球面，有第一螺距方向；所述第二绝缘导线装置从第二节点到第一节点沿着第二部分螺旋形导电路径延伸，围绕并覆盖所述大体球面，有第二螺距方向，目的是使第一与第二部分螺旋形导电路径互相反绕，构成单个环形导电路径，围绕并覆盖所述大体球面；其中第一信号端子和第二信号端子分别电连接到第一节点和第二节点。

22.按照权利要求20的电磁天线，其中所述第一绝缘导线装置从第一节点到第二节点以及从第二节点到第三节点沿着第一部分螺旋形导电路径延伸，围绕并覆盖所述大体球面，有第一螺距方向；所述第二绝缘导线装置从第三节点到第四节点以及从第四节点到第一节点沿着第二部分螺旋形导电路径延伸，围绕并覆盖所述大体球面，有第二螺距方向，目的是使第一与第二部分螺旋形导电路径互相反绕，构成单个环形导电路径，围绕并覆盖所述大体球面；其中所述第一信号端子和第二信号端子分别电连接到第二节点和第四节点。

23.按照权利要求20的电磁天线，其中所述第一绝缘导线装置从第一节点到第二节点沿着第一部分螺旋形导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述大体球面，有第一螺距方向，还从第二节点到第一节点沿着第三部分螺旋形导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述大体球面，有第二螺距方向，目的是使第一和第三部分螺旋形导电路径构成第一环形导电路径，围绕并覆盖所述大体球面；所述第二绝缘导线装置从第三节点到第四节点沿着第二部分螺旋形导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述大体球面，有第二螺距方向，还从第四节点到第三节点沿着第四部分螺旋形导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述大体球面，有第一螺距方向，目的是使第三和第四部分螺旋形导电路径构成第二环形导电路径，围绕并覆盖所述大体球面，第一和第三部分螺旋形导电路径分别与第二和第四部分螺旋形导电路径互相反绕；其中所述第一信号端子电连接到第一节点；所述第二信号端子装置电连接到第二节点。

24.一种用于天线信号的电磁天线，所述电磁天线包括：

有主轴半径和副轴半径的多连通面，主轴半径大于零，副轴半径大于主轴半径；

第一绝缘导线装置，它沿着第一大体螺旋形导电路径延伸，围绕并至少部分覆盖所述多连通面，至少有第一螺距方向；

第二绝缘导线装置，它沿着第二大体螺旋形导电路径延伸，围绕并至少部分覆盖所述多连通面，至少有第二螺距方向，此螺距方向与第一螺距方向相反，目的是使第一绝缘导线装置与第二绝缘导线装置互相反绕，围绕并至少部分覆盖所述多连通面；以及

与所述第一绝缘导线装置和第二绝缘导线装置在电路上分别连接的第一信号端子和第二信号端子。

25.按照权利要求24的电磁天线，其中所述第一绝缘导线装置从第一节点到第二节点沿着第一大体螺旋形导电路径延伸，围绕并覆盖所述多连通面，有第一螺距方向；所述第二绝缘导线装置从第二节点到第一节点沿着第二大体螺旋形导电路径延伸，围绕并覆盖所述多连通面，有第二螺距方向，目的是使第一与第二大体螺旋形导电路径互相反绕，构成单个环形导电路径，围绕并覆盖所述多连通面；其中所述第一信号端子和第二信号端子在电路上分别连接到第一节点和第二节点。

26.按照权利要求24的电磁天线，其中所述第一绝缘导线装置从第一节点到第二节点以及从第二节点到第三节点沿着第一大体螺旋形导电路径延伸，围绕并覆盖所述多连通面，有第一螺距方向；所述第二绝缘导线装置从第三节点到第四节点以及从第四节点到第一节点沿着第二大体螺旋形导电路径延伸，围绕并覆盖所述多连通面，有第二螺距方向，目的是使第一与第二大体螺旋形导电路径互相反绕，构成单个环形导电路径，围绕并覆盖所述多连通面；其中所述第一信号端子和第二信号端子在电路上分别连接到第二节点和第四节点。

27.按照权利要求24的电磁天线，其中所述第一绝缘导线装置从第一节点到第二节点沿着第一大体螺旋形导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述多连通面，有第一螺距方向，还从第二节点到第一节点沿着第三大体螺旋形导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述多连通面，有第二螺距方向，目的是使第一和第三大体螺旋形导电路径构成第一环形导电路径，围绕并覆盖所述多连通面；并且其中所述第二绝缘导线装置从第三节点到第四节点沿着第二大体螺旋形导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述多连通面，有第二螺距方向，还从第四节点到第三节点沿着第四大体螺旋形导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述多连通面，有第一螺距方向，目的是使第三和第四大体螺旋形导电路径构成第二环形导电路径，围绕并覆盖所述多连通面，第一和第三大体螺旋形导电路径分别与第二和第四大体螺旋形导电路径互相反绕；其中所述第一信号端子电连接到第一节点；所述第二信号端子电连接到第二节点。

28.按照权利要求24的电磁天线，其中所述第一绝缘导线装置沿着第一大体螺旋形导电路径延伸，围绕并覆盖所述多连通面，构成围绕并覆盖所述多连通面的第一环形导电路径。第一大体螺旋形导电路径有第一螺距方向和第二螺距方向，第二螺距方向与第一螺距方向相反；所述第二绝缘导线装置沿着第二大体螺旋形导电路径延伸，围绕并覆盖所述多连通面，构成围绕并覆盖所述多连通面的第二环形导电路径，第二大体螺旋形导电路径有第一螺距方向和第二螺距方向；其中在多连通面多个相邻段的每一段中所述第一绝缘导线装置与第二绝缘导线装置互相反绕，这些相邻段围绕所述多连通面延伸，每一段是由第一节点和第二节点所限定，在第一节点处第一和第二绝缘导线装置中的一个从第一螺距方向改变到第二螺距方向，在第二节点处第一和第二绝缘导线装置中的另一个从第二螺距方向改变到第一螺距方向；其中所述第一信号端子电连接到第一基本共同点处的第一节点；所述第二信号端子电连接到第二基本共同点处的第二节点。

29.按照权利要求28的电磁天线，其中所述多连通面是一个有主轴的环状体；其中第一基本共同点和第二在本共同点大致都在沿着环状体的主轴上。

30.一种用于天线信号的电磁天线，所述电磁天线包括：

球形面；

第一绝缘导线装置，它沿着第一导电路径延伸，围绕并至少部分覆盖所述球形面，至少有第一绕组方向；

第二绝缘导线装置，它沿着第二导电路径延伸，围绕并至少部分覆盖所述球形面，至少有第二绕组方向，此绕组方向与第一绕组方向相反，目的是使所述第一绝缘导线装置与第二绝缘导线装置互相反绕，围绕并至少覆盖所述球形面；以及

与第一绝缘导线装置和第二绝缘导线装置在电路上分别连接的第一信号端子和第二信号端子。

31.按照权利要求30的电磁天线，其中所述第一绝缘导线装置从第一节点到第二节点沿着第一导电路径延伸，围绕并覆盖所述球形面，有第一绕组方向；所述第二绝缘导线装置从第二节点到第一节点沿着第二导电路径延伸，围绕并覆盖所述球形面，有第二绕组方向，目的是使第一与第二导电路径互相反绕，构成单个环形导电路径，围绕并覆盖所述球形面；所述第一信号端子和第二信号端子在电路上分别连接到第一节点和第二节点。

32.按照权利要求30的电磁天线，其中所述第一绝缘导线装置从第一节点到第二节点以及从第二节点到第三节点沿着第一导电路径延伸，围绕并覆盖所述球形面，有第一绕组方向；其中所述第二绝缘导线装置从第三节点到第四节点以及从第四节点到第一节点沿着第二导电路径延伸，围绕并覆盖所述球形面，有第二绕组方向，目的是使第一与第二导电路径互相反绕，构成单个环形导电路径，围绕并覆盖所述球形面；并且其中所述第一信号端子和第二信号端子在电路上分别连接到第二节点和第四节点。

33.按照权利要求30的电磁天线，其中所述第一绝缘导线装置从第一节点到第二节点沿着第一导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述球形面，有第一绕组方向，还从第二节点到第一节点沿着第三导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述球形面，有第二绕组方向，目的是使第一导电路径和第三导电路径构成第一环形导电路径，围绕并覆盖所述球形面；并且其中所述第二绝缘导线装置从第三节点到第四节点沿着第二导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述球形面，有第二绕组方向，还从第四节点到第三节点沿着第四导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述球形面，有第一绕组方向，目的是使第三和第四导电路径构成第二环形导电路径，围绕并覆盖所述球形面，第一和第三导电路径与第二和第四导电路径分别互相反绕；所述第一信号端子在电路上连接到第一节点；所述第二信号端子在电路上连接到第二节点。

34.按照权利要求30的电磁天线，其中所述球形面有一对极点；并且其中第一与第二导电路径一般相交在每个极点处。

35.按照权利要求30的电磁天线，其中所述球形面有一对极点；并且其中第一与第二导电路径一般相交在偏离每个极点处。

36.一种用于天线信号的电磁天线，所述电磁天线包括：

半球面；

第一绝缘导线装置，它沿着第一导电路径延伸，围绕并至少部分覆盖所述半球面，至少有第一绕组方向；

第二绝缘导线装置，它沿着第二导电路径延伸，围绕并至少部分覆盖所述半球面，至少有第二绕组方向，此绕组方向与第一绕组方向相反，目的是使所述第一绝缘导线装置与第二绝缘导线装置互相反绕，围绕并至少部分覆盖所述半球面；以及

与所述第一绝缘导线装置和第二绝缘导线装置在电路上分别连接的第一信号端子和第二信号端子。

37.按照权利要求36的电磁天线，其中所述第一绝缘导线装置从第一节点到第二节点沿着第一导电路径延伸，围绕并覆盖所述半球面，有第一绕组方向；并且其中所述第二绝缘导线装置从第二节点到第一节点沿着第二导电路径延伸，围绕并覆盖所述半球面，有第二绕组方向，目的是使第一与第二导电路径互相反绕，构成单个环形导电路径，围绕并覆盖所述半球面；并且其中所述第一信号端子和第二信号端子在电路上分别连接到第一节点和第二节点。

38.按照权利要求36的电磁天线，其中所述第一绝缘导线装置从第一节点到第二节点以及从第二节点到第三节点沿着第一导电路径延伸，围绕并覆盖所述半球面，有第一绕组方向；并且其中所述第二绝缘导线装置从第三节点到第四节点以及从第四节点到第一节点沿着第二导电路径延伸，围绕并覆盖所述半球面，有第二绕组方向，目的是使第一与第二导电路径互相反绕，构成单个环形导电路径，围绕并覆盖所述半球面；其中所述第一信号端子和第二信号端子在电路上分别连接到第二节点和第四节点。

39.按照权利要求36的电磁天线，其中所述第一绝缘导线装置从第一节点到第二节点沿着第一导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述半球面，有第一绕组方向，还从第二节点到第一节点沿着第三导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述半球面，有第二绕组方向，目的是使第一和第三导电路径构成第一环形导电路径，围绕并覆盖所述半球面；并且其中所述第二绝缘导线装置从第三节点到第四节点沿着第二导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述半球面，有第二绕组方向，还从第四节点到第三节点沿着第四导电路径延伸，围绕并部分覆盖所述半球面，有第一绕组方向，目的是使第三和第四导电路径构成第二环形导电路径，围绕并覆盖所述半球面，第一和第三导电路径分别与第二和第四导电路径互相反绕；其中所述第一信号端子在电路上连接到第一节点；所述第二信号端子在电路上连接到第二节点。

40.按照权利要求36的电磁天线，其中所述半球面包括带所述第一和第二信号端子装置的平面。

41.按照权利要求40的电磁天线，其中该平面是一接地面。

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