CN1233067C - 天线 - Google Patents

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Abstract

本发明的装置具有借助于导体形成的螺线天线，该导体布置在相同平面上，并以双螺旋形式实施。两个间隔的阵列布置在相同平面上，并以相对的方式连接到双螺旋的两侧螺环的导体上，双螺旋实施为矩形，矩形螺环的传输线形式。每个间隔的阵列实施为等腰梯形的形式，并连接到其较短底边的顶点上。等腰梯形的底边平行于双螺旋的传输线。

Description

天线
技术领域
本发明涉及无线电工程，并可应用于天线馈电装置，主要涉及紧凑的超宽频带天线。
背景技术
传统螺线天线由布置在单一平面内并形成为双矩形螺旋的导体制成，且螺旋的各圈彼此相对地指向(1)。
螺线天线与其他类型的天线，如偶极天线、折叠天线、Y天线、菱形天线等相比呈现出相对改善的宽频带。
然而，为了进一步改善宽频带，双螺旋必须非常大，尤其在它要在低频范围内进行工作的情况下。
另一种传统天线包括布置在单一平面内并彼此相对耦合的天线元件(2)。
在这个现有技术中，天线元件为等腰三角形形状且顶点相对指向的板，三角形的相对边彼此平行。这种天线的优点在于它基于自补偿原理构造，由此，金属部分的形状和尺寸与平面内互补金属部分的狭缝部分的形状和尺寸对应并相等。这种非限定性结构呈现出纯粹的有源的、频率无关的输入电阻，这就改善了其在宽的频率范围内的匹配。
然而，这种天线由于其几何形状的有限性造成的输入电阻而遭遇宽频带降低。
最接近本发明的是如下的天线，其包括螺线天线，该螺线天线由布置在单一平面内并形成为双螺旋的导体制成，该螺旋的各圈彼此相对指向，两个天线元件设置在相同平面内，并分别在双螺旋的两个螺旋路径的外圈处相对地耦合到导体上(3)。
在这个系统中，天线元件形成半波偶极(或单极)天线，且支臂由两个销钉制成。上述天线系统在一定程度上克服了传统天线的问题。螺旋天线在高频范围内工作，而低频范围的边界取决于天线的直径，并为0.5λ的数量级，其中λ是工作波长。自这些频率开始，半波偶极天线参与工作。半波偶极天线可以在外端点或内端点耦合到螺旋天线上。
根据最接近的现有技术的天线系统存在如下缺陷：
由于螺旋的尺寸必须不小于0.5λ，而偶极天线的尺寸必须为0.5λmax，因此其具有相当大的尺寸；
由于半波偶极天线是窄带装置，因此其宽频带并不充分，且偶极支臂的连接点处的输入电阻作为频率的函数而变化，这显著影响了系统的宽频带；
两个具有不同电阻的天线系统电耦合损害了匹配质量。
发明内容
本发明的目的是改善性能，并扩展所采用的技术装置的潜力(stock)。
本发明提供了一种天线，该天线呈现出增强的宽频带以及改善的驻波比(SWR)，该天线构造简单，同时保持了较小尺寸。
本发明的目的可以在传统天线中得以实现，该传统天线包括设置在单一平面内并形成为双螺旋的导体制成的螺线天线，双螺旋的各圈彼此相对地指向，两个天线元件布置在相同平面内，并且在双螺旋外圈相对彼此分别耦合到导体的端点处，其中，根据本发明，双螺旋为线段构成的带有直角转弯的矩形螺旋，每个天线元件形成等腰梯形，并在等腰梯形较短底边的端点处耦合到导体的端点上，等腰梯形的底边平行于双螺旋的线段。
在根据本发明的天线的另一实施例中，它可以提供：
双螺旋的线段是直的；
导体形成为正方形双螺旋；
天线元件的等腰梯形的较长底边相对顶点之间的距离彼此相等，并与较长底边所有相邻顶点之间的距离相等；
双螺旋的导体之间的间隔大小等于导体的厚度；
等腰梯形较短底边的长度L为L＝1+2δ，其中，1是双螺旋圈的直线段长度，其引向等腰梯形的底边，而δ是双螺旋各圈之间的尺寸；
天线元件为实心板；
天线元件为Z字形线，其具有与等腰梯形形状相一致的弯曲角度，从而Z字形线的Z字形部分与等腰梯形的侧边重合，并且Z字形线的连接Z字形部分平行于等腰梯形的底边；
双螺旋导体之间的间隔的尺寸等于Z字形线中平行于等腰梯形底边的各部分之间的间隔的尺寸；
天线元件的Z字形线沿其纵轴形成曲折；
天线元件的Z字形线沿着其纵轴形成恒定间距结构，在恒定间距之内，该恒定间距结构由具有相同的各数字平均出现频率的数字0和1的伪随机序列限定。
每个导体沿着其纵轴形成曲折；
双螺旋的每个导体沿着其纵轴形成恒定间距结构，在恒定间距之内，该结构由具有相同的各数字平均出现频率的数字0和1的伪随机序列限定；
导体和天线元件具有较高灵敏度。
本发明上述目的借助于将天线形成为双矩形螺旋并且利用等腰梯形形状的天线元件而得以实现。通常，天线系统(AS)基于自补偿原理构造；其包括双矩形阿基米德螺旋；双螺旋的延长部分为平板，该平板的宽度随着距螺旋中心的距离而线性增大，或者该延长部分为导电的Z字形线，其填充平板的区域。AS的宽频带可以通过使得所有导体为曲折形状并为高电阻率材料而得以增强。
附图说明
图1示出根据本发明的天线的实施例，该天线元件由等腰梯形形状的板制成；
图2示出根据本发明的天线的实施例，其由双矩形阿基米德螺旋形成，而后者由Z字形线延伸，该Z字形线的宽度随着距螺旋中心的距离线性增大；
图3示出根据本发明的天线的实施例，其中，天线元件的所有导体和Z字形线形成曲折；
图4示出根据本发明的天线的实施例，其中，天线元件的所有导体和Z字形线形成非周期性(non-periodic)的恒定间距曲折结构，且结构内的周期(period)由具有相同的各数字平均出现频率的数字0和1的伪随机序列限定；
图5是调节为75Ohm特性阻抗的驻波比(SWR)的曲线。
具体实施方式
参照图1，紧凑的超宽频带天线包括导体形成的螺旋天线1，该导体设置在单一平面内并形成为双螺旋，双螺旋的各圈彼此相对地指向。螺旋天线1的导体形成直角转弯的线段。
两个天线元件2布置在与双螺旋相同的平面内。天线元件2在双螺旋的外圈相对地分别耦合到两个螺旋路径的每个导体上。每个天线元件2形成等腰梯形，并在等腰梯形的较短底边的顶点处耦合到导体的端点上。等腰梯形的底边平行于螺旋天线1的双螺旋的线段。在一个实施例中，双螺旋的线段可以是直的。较小尺寸的更简单结构可以设置在平面器具中，其中，所有单独部件布置在单一平面内。这种实施例可以利用微带技术容易构造并制造。增强的宽频带和改善的驻波比可以通过使得AS集成化而实现，其中所有部件在单一平面内，并满足自补偿原理。
为了完全满足自补偿标准，螺旋天线1(图1)的导体可以形成为双正方形螺旋，且每圈的直角顶点以相同距离沿着假想正方形的对角线和侧边设置在正方形的顶点处，将导体之间间隔引起的差异考虑在内，从而将它们按照阿基米德螺旋布置。
在这个实施例中，天线元件2等腰梯形较长底边的相对顶点之间的距离可以相等，并且较长底边所有相邻顶点之间的距离也相等。为了基于自补偿原理构造整个天线系统(AS)，在这个实施例中，天线元件2(图1)的等腰梯形的较长底边的顶点处于与假想正方形顶点相对应的各点处。
在该实施例中，导体之间的间隔尺寸等于形成螺线天线的双螺旋的导体的厚度。
天线元件2所形成的等腰梯形较短底边的长度L为L＝1+2δ，其中1是双螺旋圈的直线段，其引向等腰梯形的底边，δ是双螺旋各圈之间间隔的尺寸。
在该实施例中，等腰梯形的顶点精确位于假想正方形的对角线上。
天线元件2(图1)可以直接由导电板制成，与最接近现有技术的系统相比，这使得宽频带增强，驻波比(SWR)改善，并且天线系统尺寸较小。螺线天线1通过以直角转弯而制成，而天线元件2与螺线天线成为一体，而不是例如在(2)中公开的单独的元件，但是它们与螺线天线1相结合应满足自补偿原理。
然而，宽频带可以通过使得天线元件2(图2)形成导电Z字形线3而进一步增强。Z字形线3的弯曲角度对应于等腰梯形的形状。Z字形线的Z字形部分与假想等腰梯形的侧边重合，而Z字形线的连接Z字形部分平行于假想等腰梯形的底边。在这种情况下，Z字形线3(图2)看起来象是填充板的整个区域(图1)。
为了满足自补偿原理，双螺旋(图2)的各导体之间的间隔尺寸等于平行于等腰梯形底边的Z字形线部分之间的间隔尺寸。
系统作为整体的宽频带可以通过使得天线元件2的Z字形线3沿着其纵轴成为曲折形状(图3)来进一步增强。为此相同目的，螺线天线1的每个导体沿着其纵轴为曲折形状。在图3中，附图标记4示出螺线天线1的导体形状的放大图。
为了消除会导致行波比(TWR)增大的局部谐振，并进一步增强系统作为整体的宽频带，优选地是使天线元件2的Z字形线3沿着其纵轴成为曲折形状的非周期性恒定间距结构，且结构中恒定间距之间的周期由具有相同的各数字平均出现频率的数字0和1的伪随机序列限定(图4)。同样，螺线天线1的每个导体形成曲折形状的非周期性恒定间距结构，且结构中恒定间距之间的周期由具有相同的各数字平均出现频率的数字0和1的伪随机序列限定。图4中附图标记5示出螺线天线1的导体的形状，在一段非周期性曲折结构上其带有伪随机序列相应部分的下标。
螺线天线1和天线元件2的导体，(为平板或Z字形线(图1-4)，可以具有较高电阻率。作为示例，天线元件2可以为带有喷涂的电阻层的平板，其电阻朝向等腰梯形的长边平稳增大。螺线天线1和Z字形线3的导体可以由电阻丝制成，其电阻从天线系统(AS)的中心向其边缘平稳变化。
根据本发明的紧凑超宽频带天线(图1-4)如下工作：
在低频范围内，螺线天线1(正方形双阿基米德螺旋)作用为双导体传输线，其逐渐变化为辐射结构，等腰梯形形状的天线元件2。天线元件2可以为导电板(图1)或Z字形线3(图3)，其中导电板随着距螺旋中心的距离线性增大，而Z字形线3填充等腰梯形的区域。
具有曲折形状(如4所示)的螺线天线1和Z字形线3的导体的实施例(图3)沿着平顺结构提供了大约等于0.4～0.5电流波速度的行进电流波速度。为此原因，尽管天线系统的几何尺寸较小，λmax/10，其中λmax为最大波长，该系统仍呈现出较大的相对电长度。
在低频和中频范围内，天线图案与SWR＜4的宽带偶极相同(图5)。在较高频率范围内，其中正方形阿基米德螺旋的尺寸成为与λ/7相等，其中λ是工作波长，双螺旋作用为主辐射结构。在高频范围内，天线系统的宽带特性由实现激励条件的精度限制，且天线图案有所改变。驻波比(SWR)在从1.5到3的频率范围内变化(图6)。
根据本发明的系统基于自补偿原理，即，金属部分和狭缝部分具有绝对相同的形状和尺寸，这确保了在宽阔的有限带宽内的恒定输入电阻R≈100Ohm。使用正方形阿基米德螺旋与圆形螺旋相比几何尺寸小4/π倍。使用慢波结构并且在各部件之间没有电耦合确保了较小几何尺寸的系统与馈线之间的匹配得以改善。天线可以由同轴线平衡变换器激励，后者代表在同轴线和双线线路之间的平稳过渡。
根据本发明的天线可以最有效地用于无线电工程中，以构造具有改善性能的天线馈电装置。

Claims (14)

1.一种天线，包括：
由设置在单一平面内并形成为双螺旋的导体制成的螺线天线，双螺旋的各对应圈的延伸方向彼此相反；
两个天线元件，它们设置在所述单一平面内，并在双螺旋外圈处彼此相对地分别耦合到导体端点上，
其中，所述双螺旋为由线段构成的带有直角转弯的矩形螺旋，每个天线元件形成等腰梯形，并在等腰梯形较短底边的顶点处耦合到导体端点上，等腰梯形的底边平行于双螺旋的线段。
2.如权利要求1所述的天线，其中，所述双螺旋的线段是直的。
3.如权利要求1所述的天线，其中，所述导体形成为正方形形状的双螺旋。
4.如权利要求3所述的天线，其中，天线元件所形成的等腰梯形的较长底边的相对顶点之间的距离彼此相等，并且较长底边所有的相邻顶点之间的距离也相等。
5.如权利要求1所述的天线，其中，双螺旋的导体之间的间隔尺寸等于导体的厚度。
6.如权利要求5所述的天线，其中，等腰梯形的较短底边的长度L为L＝l+2δ，其中l是双螺旋圈的直线段的长度，所述直线段引向等腰梯形的底边，而δ是双螺旋各圈之间的间隔的尺寸。
7.如权利要求1所述的天线，其中，所述天线元件是实心板。
8.如权利要求1所述的天线，其中，所述天线元件是Z字形线，其具有与等腰梯形形状相一致的弯曲角度，从而Z字形线的Z字形部分与等腰梯形的侧边重合，而Z字形线的连接Z字形部分平行于等腰梯形的底边。
9.如权利要求8所述的天线，其中，双螺旋的各导体之间的间隔尺寸等于Z字形线中平行于等腰梯形底边的部分之间的间隔尺寸。
10.如权利要求8所述的天线，其中，所述天线元件的Z字形线沿着其纵轴形成曲折。
11.如权利要求9所述的天线，其中，天线元件的所述Z字形线沿着其纵轴形成恒定间距结构，在恒定间距之间，该结构由具有相同的各数字平均出现频率的数字0和1的伪随机序列限定。
12.如权利要求1所述的天线，其中，每个所述导体沿着其纵轴形成曲折。
13.如权利要求12所述的天线，其中，双螺旋的每个所述导体沿着其纵轴形成恒定间距结构，在恒定间距之间，该结构由具有相同的各数字平均出现频率的数字0和1的伪随机序列限定。
14.如权利要求1所述的天线，其中，所述导体和所述天线元件具有高电阻率。
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