CN1218192C - 无源发射应答机中的密封天线 - Google Patents

Abstract

一种无源发射应答机包括一个天线(1，2)，该天线是金属体形式的并具有两个主表面，连接在该两个主表面间的二极管(3)，和环绕该天线的电介质体(10)。本发明的特点在于天线的阻抗借助匹配单元(14，15)适合于二极管的阻抗。传输线(8)用作匹配单元。本发明另一特点在于传输线是由可塑体制成的介质体(10)环绕着的。本发明还有一个特点在于天线是由可塑体制成的介质体环绕着的，而这将降低环境对天线近场的影响。

Description

无源发射应答机中的密封天线

技术领域

本发明一般涉及一种无源发射应答机，用于依靠在一个频率上发射RF(射频)-能量的无线电发射机和依靠接收由该发射应答机在另一频率上再发射的RF-能量的无线电接收机来确定人和目标的位置。

技术背景

US-A 4,331,957公开了一种无源发射应答机，用于营救已经因雪崩而绊住的滑雪者。发射应答机被粘结在滑雪靴上。该发射应答机包括金属薄片形状的天线，其具有两个主表面，以及一个二极管，连接在该主表面之间。一个带有与其连接的定向天线的移动无线电发射机在一个915MHz的基频上发射射频能量。与该无线发射机配置在一起的一个移动无线电接收机调谐在基频的倍频1830MHz上并连接到该定向天线。发射机的信号用可听范围的音频调制的。如果发射应答机由该发射的信号可触动，则该二极管将产生该基频的谐波。第一谐波(基频的两倍)具有高的能量并由该无线电接收机检测。营救人员听到这个音调并依靠该定向天线取向就能确定雪崩遭难者的位置。这种搜索方法的最大优点在于花费短时间能勘测雪崩区域。

US4,656,478公开了一种类似于上述一种的发射应答机。该发射应答机包括一个介质支撑，一个天线和一个覆盖层。天线具有一个切断部分，其边缘限定了一个由无源元件闭合的导电电路，由此形成一个自-感应环。该自-感应环与该无源元件的电容一起提供谐振在发射应答机接收其能量的频率上的一个电路。以一个较好的效率得到由天线将由发射应答机在基频fo上接收的能量转换到由该发射应答机在频率fo的谐波上再发射可利用的能量。因为无源元件的耦合自-感应-内部电容量将产生电压的增加，而在该电压上将产生转换。这种增加相应于谐振电路的品质因素。

US4,890,111公开了一种类似于在所说较后US专利中所陈述的那种发射应答机，该发射应答机的天线单元是由配置在环绕切断部分的平面环中的金属带状物形成的。这种配置的结果在于对于相同的尺寸，由天线单元和承载该发射应答机的人体形成的杂散电容器的电容量比现有技术发射应答机中的小得多。因此这种配置将减小所说杂散电容器对谐振频率的影响。一种在天线单元中提供的T-形槽将提供产品优点，其在于与不具有T-形槽的天线情况相比，从一个发射应答机到另一个发射应答机的增益是固定得多。

US5,223,851涉及一种小型发射应答机，其包括一个磁天线，该磁天线具有一个连接到集成电路的线圈。响应由天线接收的一个信号，集成电路产生一个返回到天线用于再发射的识别信号。一个热可收缩材料管环绕发射应答机以防止其机械冲击。由两个原因该方案基本上不同于上述两者：与一个谐波(两倍)频率系统相对比，它是基于单频系统，以及与微波频率相比，它使用低频。

US3,731,180涉及变频器电路，该变频器电路具有在临界位置与预定长度的传输线相连的二极管的接线端，从而允许以与输入信号的频率相关的所希望的频率传输输出信号。预定长度的传输线和有有源元件在输入频率和所希望的输出频率处谐振。

发明内容

人体起水表面的作用，这个表面将反射接收到的RF-能量。人们希望由发射应答机在两倍基频上发射的RF-波和由人体在该两倍基频上反射的RF-波彼此同相，使得两个反射的RF-波彼此相长放大。由此，在该两倍基频上接收的RF-波的RF-功率将为最大。为实现这种情况，应当将发射应答机放置在离人体某一给定的距离处。在给定基频情况下，这个距离是长的。这个距离如此之长使得实际上在发射应答机和人体之间具有一个空间，这当然是不适时宜的。按照美国专利4,331,957，发射应答机是粘结在可塑体制成的滑雪靴的外侧，按技术观点这意味着由可塑体制成的介质体放置在发射应答机和靴之间，由此所说给定的距离被缩小到一个实际上可使用的距离。

申请人已发现，如果发射应答机被安装在由可塑体制成的滑雪靴中将出现问题。从发射应答机在两倍基频上发射的RF-功率将被减小。申请人发现，与当发射应答机粘结在滑雪鞋外侧时相比，为了使得从发射应答机在两倍频上发射的RF-功率能够以最大信号强度检测，探测设备必须调谐到一个较低的频率上。换言之，在发射应答机远离天线的情况下以最大信号强度的检测是要求苛刻的，因为在这种情况下接收机处的信号强度低下。换言之，它千万不能如此低，以致于发射应答机的检测完全是被排除在外。

人们希望同样的一个探测设备应当能够用于检测被粘结在靴上的发射应答机，相应地能用于检测被放置在靴内的发射应答机。在实际中调谐该探测设备是不可能的。

以上陈述的前两个美国专利的发射应答机的一个缺陷在于它们对天线的环境是灵敏的。特别地它们各自的阻抗受天线环境的影响。改变天线阻抗将导致发射应答机在基频的第一谐波上再发射的RF功率的降低。

从US-A4,656,478公开的、在碰到第一频率f的射频-功率时将再发射在两倍频率2f上的射频-功率的发射应答机开始，本发明提出的要解决的问题是：在发射应答机再辐射在两倍频率2f上的最大射频-功率的同时如何使发射应答机不受其环境的影响。

这可以通过本发明提供的无源发射应答机来实现。根据本发明的一种无源发射应答机，当无源发射应答机碰到第一频率f的射频-功率时，发射应答机将再发射在两倍频率2f上的射频-功率，无源发射应答机包括：具有两个主表面(1，2)的金属薄片的天线，连接在所述主表面之间的一个二极管(3)，以及阻抗匹配装置，阻抗匹配装置使二极管的阻抗与天线阻抗在第一频率f和两倍频率2f上匹配，其特征在于，阻抗匹配装置包括：一个提供在该主表面(1，2)中的具有预定长度和宽度的槽(5)，由所述主表面部分环绕的所述槽是传输线(8)的电等效部分，其特征还在于还包括环绕天线的介质(10)。

用发明实现的优点在于天线的近场基本上不受天线的环境的影响，或者仅仅有小程度的影响。

用本发明实现的另一优点在于环绕发射应答机的介质体将RF-能量集中到传输线，因此降低了环境对发射应答机特性的影响。

在本文件中，表明的介质意味着一种介质材料，其介电常数大于1。通过改变靠近传输线周围的传输线几何尺寸和介电特性就能够在用于频率f和2f的电参量之间得到最佳的关系。用该方法有可能制造这样的发射应答机，它们对发射应答机的每个给定位置匹配，例如在滑雪靴内或外，夹克内或外，救生衣内或外等等。

附图说明

图1表示按本发明第一实施例的发射应答机的平面图，

图2表示按本发明第二实施例的发射应答机的平面图，

图3表示按图1和2的安装发射应答机的第一方法的侧视图，

图4表示按图1和2的安装发射应答机的第二方法的侧视图，

图5是按本发明的发射应答机的电等效图，

图6表示按图1的发射应答机的简化连接图，

图7表示具有M-形状槽的发射应答机，以及

图8是具有对称A-A和B-B线的部分侧视图，该侧视图示意地表示天线周围的RF-能量场的近场。

具体实施方式

图1表示具有天线单元和二极管3的发射应答机。天线单元形成一个天线，在该实施例中是用金属薄片4制作的。金属薄片具有一个T-形槽，该槽有一个水平部分5和垂直部分6。二极管放置在槽的垂直部分6上。T-形槽将金属薄片分成由辅助表面7将其彼此连结起来的两个主表面1，2。一个天线单元是主表面1，另一天线天线单元是另一主表面2的一部分。各个主表面的另一部分同辅助表面一起形成传输线8，该传输线8在本发射应答机实施例中是短路的。

传输线用单交叉影线表示，而天线单元用双交叉影线表示。天线单元和传输线之间的过渡区域不像在图中所表示的那样地突然。二极管3低温焊接在天线单元之间。天线单元是蚀刻的，粘贴的或用其他适合方法从金属薄片4制作的。金属薄片4可以是，但不是必须是放置在底座9上。

图2表示按本发明的发射应答机的第二实施例。该实施例类似于图1中所示的，而差别在于将辅助表面7分成两个辅助表面7A和7B，其形成传输线8的一部分，对直流电路开路，而对信号短路。

按照本发明，图1和2中的发射应答机用介质10封装。为实现这点，发射应答机各自按例如图3，4各自所示那样的第一，第二方法进行安装。在图3中，发射应答机被表示成铸在一种介质中，它可以是，但非必须是由两层铸造，如像由虚线11所表示的那样。在图4中，发射应答机是安装在一种介质体10中的一个腔中。安装例如借助粘结，在底座9上的粘结层或其他一些合适方法来进行。

将整个发射应答机用介质层封装的理由将在下面作更详细的描述。

图5表示按本发明的发射应答机1的电等效图。它包括一个接收机天线13，连接在接收机天线和二极管3之间的第一匹配网络14，连接在二极管3和发射机天线16之间的第二匹配网络15。接收机天线接收在基频f上的RF-功率，该功率通过第一匹配网络14馈送到二极管3。二极管3是一个非线性元件，它根据接收到的RF-功率产生大量的基频的谐波，其中，二倍基频的谐波按这种连接是最感兴趣的，其通过第二匹配网络输出到发射机天线16。为了由接收机天线13接收尽可能大的在基频上的RF-功率供给二极管3，为此目的配置着第一匹配网络14，它匹配接收机天线13的阻抗对该二极管的阻抗。

为说明本发明的技术背景，图5表示发射应答机1具有两个分开的天线13和16以及两个分开的匹配网络14，15。实际中两个天线形成一个单一天线。类似地，两个匹配网络是一个单一匹配网络。

由二极管在两倍基频2f产生的尽可能大的RF-功率将供给发射机天线16并由其发射，为此，借助于第二匹配网络15，发射机天线的阻抗与二极管的阻抗匹配。如果这两个RF-功率部分，即在f上接收的RF-功率和在2f上发射的RF-功率部分在同一时间尽可能大，则该发射应答机将认为是最佳的，并且是本发明想要实现的。例如如果发射机达到10mw/m²，则接收机天线13吸收其部分功率，例如0.01mW。则这个0.01w将形成包括损耗在内所有谐波功率之和。在频率2f上的该0.01mW部分将被形成得尽可能大。

按照本发明的一个优选实施例，传输线用作阻抗匹配网络。通过使用传输线获得设计发射应答机的一些自由度并且能够相长地利用环境对发射应答机电特性的其他的消极影响。一般地，传输线的特性是由传输线的几何形状，例如传输线的形状，长度，宽度和厚度和环境的电参量所确定的。正是环境，电参量能消极地影响传输线/天线的特性。

按照本发明，传输线是由介质环绕的，该介质将电场线集中到传输线。紧靠在一起的电场线彼此相对地保持在一个区域中，在该区域中由传输线传送更多的RF-能量。按这种匹配网络的设计基本上全部RF能量的传送在介质内侧发生。当传输线完全由介质10环绕时，介质外侧的环境将很难全部或者仅很小的程度影响RF-能量的传送。

本专业人员意识到非环境的其他因素将影响到传输线的阻抗，例如传输线导体间的距离和环绕传输线的介质的介电常数。类似地，介质和传输线间的距离将影响传输线的阻抗。通过适当地选择介质10的厚度，宽度，长度和介电常数并通过用介质10环绕传输线，则所说RF-功率部分将是最佳的，而环境对传输线阻抗的影响将减小。如果二极管发生改变，则传输线线的特性必须改变，以使其阻抗相应于二极管的阻抗和天线的阻抗。

通过如下方式之一或其组合来利用传输线使二极管的阻抗与天线的阻抗匹配：调节槽的的长度和宽度，调节二极管(3)相对于槽的位置，选择介质(10)的介电常数和调节介质(10)的厚度，调节薄片(4)的厚度。

图6表示按本发明的发射应答机的一个优选实施例的等效电连接图。具有天线单元1，2的偶极天线由传输线8馈电，该传输线8按普通方法被表示成由两根导体形成。二极管3分别连接到天线单元。一个短路片18分别连接到传输线的导体。传输线8的特性阻抗为ZO，二极管阻抗为ZL。这种连接图相应于按图1的实施例。该传输线可以同一个gamma-匹配系统相比较。通过改变该短路片沿两个导体的位置就能改变阻抗匹配状况。图6中天线单元1，2的双交叉影表面相应于图1中的双交叉影线天线单元，而图6中的传输线8相应于图1中的另一个单交叉影线金属薄片表面。例如，通过改变水平槽5(图1)的宽度和长度并通过用介质环绕传输线，则传输线的电长度并由此甚至该二极管的天线系统的阻抗匹配都将受到影响。

在图1和2中槽5表示成T形状。根据制造技术观点，T-形状是适宜的。T还是对称的，其意味着RF-能量在T-形天线上的分布是对称的。对于本发明而言，槽的形状是不重要的。在发射应答机的另一实施例中槽是C，O，M，V，W，L-形状的，或者还有其他的形状。申请人发现槽的长度对传输线阻抗的影响比其宽度的影响大得多。图7表示具有M-形状槽的发射应答机。考虑图6，如果短路片18改变使得它具有一个直流中断，则天线单元1和2将由传输线8馈电，该传输线相对直流是开路，但相对信号是短路。这样的一个实施例相应按照图2中的发射应答机，至于其它，它按与图1中的发射应答机相同方式工作。图6中天线单元1，2用图2中的双交叉影线金属薄片表面表示。而图2中其他单交叉影线金属薄片表面相应于一段开路传输线。

本发明使得将发射应答机用作天线的功能与将其用作一个匹配单元的功能分开成为可能。这样发射应答机用作天线的功能和其用作一个匹配单元的功能在该方法中以不同的方式受到环境的影响。如上所述，用介质环绕的传输线的阻抗匹配功能不受环境的影响。在所说US4,331,957中，天线的阻抗是受环境的影响的。申请人已发现在以上的问题的说明中所指的频率变化恰恰取决环境对发射应答机阻抗特性的影响，该问题是当发射应答机被安装在由可塑体制作的滑雪靴中产生的。这并不取决于在基频的两倍谐波上的反射和直射RF-波彼此异相，而这就是申请人首先所认为的。在数不清的实验和不同理论模式设计之后，申请人开发了本发明，说明了所说频率偏移的原因。

在按图1和2的实施例中，天线单元和传输线是按一种有利的方式连结在一起的，但同时作为天线和匹配功能都保持分开。

这将使制作物理上小的天线成为可能，例如小于基频f的半波长，其中天线阻抗的实部减小而其电抗分量增加。

通过配置传输线作为阻抗匹配手段，天线的阻抗可与二极管阻抗匹配，天线的电抗分量能被消除。

按本发明有可能加工用于不同外部环境的发射应答机尺寸，同时对于不同的尺寸环境对发射应答机的影响将减小。由于将天线功能和匹配功能分开，所以通过调节传输线而不是天线可以获得所说RF-功率的最佳化。

同时环绕传输线配置一种介质影响RF-功率匹配。在发射应答机被携带接近人体的场合，对于入射RF-功率，人体起发射应答机的作用。在实际上由发射应答机在两倍谐波2f上产生和发射的RF-功率是被反射的。通过选择适当的介质10的厚度，在两倍谐波上的反射RF-功率同从两倍谐波2f上直接从该发射应答机辐射的RF-功率基本上处于同相状态。这将增加发射应答机的场强，并且从美国专利4,331,957了解到。这样，结合本发明的方法：(i)用传输线影响功率匹配和(ii)减小环境对传输线中能量传送的影响，场强将增加，由此给出具有优等电特性的发射应答机。

应指出，传输线8能够，但不必须起由二极管整流的RF-电流的DC-回路作用。

在以上说明中已考虑了环绕传输线的电场。在介质只环绕传输线但不环绕天线的情况下，则在天线近场和天线周围之间将产生耦合。通常对天线而言，天线的近场与波长有关。对于频率917MHz和1834MHz，近场的范围大约分别为6-3cm的量级。所说耦合作用就是使天线的阻抗发生变化。例如可以指出如果天线靠近一个导电体，则阻抗发生变化取决于到该导电体的距离。不希望发生这种阻抗变化，因为它将抵消天线对二极管和匹配网络的匹配。改变天线阻抗将导至类似于在以上问题描述中出现的问题，即探测设备必须调谐到另一个频率才能探测由发射应答机所发射的信号。如以上已指出的那样，在实际中不可能执行这样的一种重调谐。本发明通过用一种介质环绕天线以减小环境影响天线的近场这种方法来克服这个问题。在天线近场的RF-能量损失由此可以保持低下，这意味着天线的效率良好。图8表示，当天线由一种介质环绕时电场线集中在介质里，这意味着大部分储存的RF-能量存在于介质中。介质外面电场线越加分开，这意味着在导电体之间的能量交换在天线的近场中是很小的。因此环境相应对天线近场的影响不大。在天线远场中的能量传送不受介质的影响。应当指出在图8中围绕对称轴B-B电场线是对称的，尽管在该图的顶部未画出它们。

如果再进一步设计这种介质，使得天线阻抗的电抗部分和二极管及匹配网络的阻抗的电抗部分彼此抵消，则在两倍发射机频率2f上发射的能量将为最大。发射应答机将由此而谐振。通过环境对近场的影响减小，天线的阻抗将基本是一个常数。发射应答机的效率将由此而良好。发射应答机的谐振频率并不正好调谐到二极管的，而是调谐到该二极管和介质的。当环绕天线施加一种介质时，发射应答机的谐振频率将降低，这对目前情况是不希望的，因为已存在的探测设备由此必须调谐到这个新的谐振频率，而这是不希望的，其原因在说明书的引言中给出。因此该谐振频率被调谐到二极管和介质的。在这种情况下，由发射应答机在两倍基频2f上再发射的RF-能量将为最大。

通过改变天线的尺寸或通过改变介质的厚度或通过这些作用的组合将产生二极管和匹配网络的阻抗的电抗部分与天线的电抗部分的匹配。对于一个给定的介质厚度，天线必须由此而加以改变。相反地，对于一个给定的天线尺寸，介质的厚度必须加以改变。如果介质厚度增加超过某一极限，则厚度的进一步增加将不能导至近场甚至更加与天线的物理环境无关。在本节中已陈述关于对于具有一个固定介电常数的一种介质进行匹配是实际的。匹配也可以通过选择一种具有另一介电常数的介质材料来进行。

通过改变天线的尺寸，通过改变匹配网络的阻抗或通过这些作用的组合将发生天线谐振频率对二极管和匹配网络阻抗的匹配。对于一个给定的天线尺寸，改变匹配网络的阻抗。对于一个给定的匹配网络，改变天线的尺寸。还有可能通过用一个新的具有不同电特性的二极管交换该二极管使天线阻抗的电抗部分与该二极管和匹配网络阻抗的电抗部分相适应。

一种用介质环绕的天线，该天线能够用一种介质材料环绕，形状按图1和2中所示方式。这样的一种天线也可安装在一个外壳中，该外壳由一种介质材料用图4中所示那样的方式制作。

Claims (9)

1.一种无源发射应答机，当无源发射应答机碰到第一频率f的射频-功率时，发射应答机将再发射在两倍频率2f上的射频-功率，无源发射应答机包括：具有主表面(1，2)的金属薄片形状的天线，连接在所述主表面之间的一个二极管(3)，以及阻抗匹配装置，阻抗匹配装置使二极管的阻抗与天线阻抗在第一频率f和两倍频率2f上匹配，其特征在于，阻抗匹配装置包括：一个提供在所述主表面(1，2)中的具有预定长度和宽度的槽(5)，由所述主表面部分环绕的所述槽是传输线(8)的电等效部分，其特征还在于环绕天线的介质(10)。

2.按权利要求1的一种无源发射应答机，其特征在于

一个辅助表面(7；7A；7B)将所述主平面连接在一起，从而形成具有水平部分(5)和垂直部分(6)的T形槽，形成短路传输线。

3.按权利要求2的一种无源发射应答机，其特征在于辅助表面(7)分成两个辅助表面(7A；7B)以形成开口的传输线。

4.按权利要求1的一种无源发射应答机，其特征在于槽为C、O、M、V、W或L的形式。

5.按权利要求1的一种无源发射应答机，其特征在于天线阻抗的电抗部分通常匹配于二极管的阻抗和传输线的阻抗。

6.按权利要求5的一种无源发射应答机，其特征在于将介质设计成使得天线阻抗的电抗部分抵消二极管阻抗的电抗部分和传输线的电抗部分，由此发射应答机是谐振的。

7.按权利要求6的一种无源发射应答机，其特征在于天线具有与二极管的阻抗和电介质的阻抗匹配的谐振频率。

8.按权利要求2的一种无源发射应答机，其特征在于通过调节槽的长度和宽度来提供阻抗匹配。

9.按权利要求1-8的任一无源发射应答机，其特征在于，进一步地通过如下方式之一或其组合来使提供阻抗匹配：调节二极管(3)相对于槽的位置，选择介质(10)的介电常数和调节介质(10)的厚度，调节所述薄片(4)的厚度。

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