CN1387689A - 各种横截面的方向可控波束多馈送介电谐振器天线 - Google Patents

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CN1387689A
CN1387689A CN 00815198 CN00815198A CN1387689A CN 1387689 A CN1387689 A CN 1387689A CN 00815198 CN00815198 CN 00815198 CN 00815198 A CN00815198 A CN 00815198A CN 1387689 A CN1387689 A CN 1387689A
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西蒙·菲力浦·金斯莱
史蒂文·格雷戈里·奥基夫
皮尔格里姆·贾尔斯·威廉·比尔特
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Abstract

公开了一种能够生成或接收辐射的辐射天线,该天线使用了一组馈送和各种截面介电谐振器。在单个介电谐振器天线上使用多个馈送的目的是产生数条波束,各波束在不同方向上拥有“瞄准孔”。可同时激励数条波束以在任意方向上形成一条新波束。该新波束可步进或连续地转向,并可在整个360°圆周角里转向。本发明可与内部或外部单极天线相结合,以消除天线后瓣或解决由此类型的介电谐振器天线所带来的前/后失真。

Description

各种横截面的方向可控波束多馈送介电谐振器天线
本发明涉及具有方向可控的接收和发射波束的介电谐振器天线，尤其涉及一种具有多个分立馈针的天线，从而可同时创建并随意组合多个分立波束，该介电谐振器天线包括各种不同横截面的介电谐振器。
自从在1983年首次对介电谐振器天线(DRA)进行系统研究以来[LONG，S.A.，McALLISTER，M.W.，and SHEN，L.C.：‘谐振圆柱形介电空腔天线’，IEEE Trans.Antennas Propagat.，AP-31，1983，pp406-412]，对他们的辐射方向图的兴趣日益高涨，因为他们的辐射效率很高，与最常用的传输线很好地匹配，并且他们的物理尺寸较小[MONGLA，R.K.and BHARTIA，P.：‘介电谐振器天线——谐振频率和带宽的回顾和常规设计’，Int.J.Microwave & Millimetre Wave Computer-Aided Engineering，1994，4，(3)，pp 230-247]。多数报告的配置使用了安装在地平面上的电介质板，由地平面上的馈孔或由插入电介质材料的针来激励。少数出版物报告了使用两支针同时馈送圆形介电板里的实验。这些针沿径向互成90°角安装并反相馈送，以创建圆形偏振[MONGLA，R.K，ITTIPIBOON，A.，CUHACI，M.and ROSCOE，D.：‘圆形偏振介电谐振器天线’，Electron.Lett，1994，30，(17)，pp 1361-1362；和DROSSOS，G.，WU，Z.and DAVIS，L.E.：‘圆形偏振圆柱形介电谐振器天线’，Electron.Lett.，1996，32，(4)，pp 281-283.3，4]，还有一篇出版物包括了馈针闭合与断开的概念[DROSSOS，G.，WU，Z.and DAVIS，L.E.：‘可切换圆柱形介电谐振器天线’，Electron.Lett.，1996，32，(10)，pp 862-864]。
一种对天线方向图进行电子转向的方法是拥有数个已有波束并在他们之间切换，或把他们组合在一起以得到想要的波束方向。圆形DRA可以由单支馈针或馈孔来馈送，该馈针或馈孔位于电介质内部或其下方，并被调谐以激励特定的谐振方式。在优选的实施例里，使用基本的HEM11δ方式，但也有许多别的谐振方式，其产生的波束可同样好地使用根据本发明实施例的仪器来转向。优选的HEM11δ方式是混合电磁谐振方式，其像水平磁偶极子那样辐射，并带来垂直偏振余弦或“8”字形辐射方向图[LONG，S.A.，McALLISTER，M.W.，and SHEN，L.C.：‘谐振圆柱形介电空腔天线’，IEEE Trans.Antennas Propagat.，AP-31，1983，pp 406-412]。圆柱形DRA的本申请人以FDTD(有限差分时域)建模和实际实验表明：若把多个这样的馈针插入电介质、并驱动其中之一而别的全都断路，则可通过切换不同馈针的进出来改变波束的方向。此外，通过以不同方式组合馈送，可产生和、差方向图，其允许连续地波束转向和通过振幅比较、单脉冲或类似技术来定向。
在本发明人另行提交的共同待审查美国专利申请№.09/431,548以及KINGSLEY，S.P.和O’KEEFE，S.G.的论文“馈针介电谐振器天线的波束转向和单脉冲处理”(S.P.Kingsley和S.G.O’Keefe，IEEEproceedings-Radar Sonar and Navigation，146，3，121-125，1999)里，说明了许多这样的结果，这些公开的内容将做为参考而与本申请结合起来。
本申请人已经指出：上述参考文献所说明的结果可同等地适用于任何很宽的频段上的DRA操作，例如，对于光学DRA，适用于从1MHz到100,000MHz乃至更高。涉及的频率越高，则DRA的尺寸就越小，但是，由下文所述的馈针/馈孔几何形状所实现的常规波束方向图在给定的任何频段内总体保持恒定。使用介电常数较大的电介质材料在实质上低于1MHz的频率处进行操作也是可能的。
半球形介电谐振器天线的概念出自于[McALLISTER，M.W.&LONG，S.A.：‘谐振半球形介电天线’，Electronics Letters，1984，20，(16)，pp 657-659；MONGLA，R.K，and BHARTIA，P.：‘介电谐振器天线——谐振频率和带宽的回顾和常规设计参考’，Int.J.Microwave &Millimetre Wave Computer-Aided Engineering，1994，4，(3)，pp 230-247；和KISHK，A.A.，ZHOU，G.& GLISSON，A.W.：‘以半球形结构为重点的介电谐振器天线的分析’，IEEE Antennas Propag.Mag.，1994，36，pp20-31]。这些参考文献均未提到带有一组馈针或方向可控的接收和发射波束的半球形介电谐振器天线。
半球形介电谐振器天线的优势在于自身和自由空间之间的简单球形介面[LEUNG，K.W.，LUK，K.M.，LAI，K.Y.A.& LIN，D.：‘同轴馈针半球形介电谐振器天线的理论和实验’，IEEE Transactoins on Antennasand Propagation，AP-41，1993，pp 1390-1398]，以及能够被严格地分析，这就简化了设计步骤[LEUNG，K.W.，NG，K.W.LUK，K.M.& YUNG，E.K.N.，“用来分析中心馈送半球形介电谐振器天线的简单公式”，Electronics Letters，1997，33，(6)]。
根据本发明的第一方面，提供了一种介电谐振器天线，其包括接地衬底，置于接地衬底上的介电谐振器和用来向/从介电谐振器的不同区域传送能量的一组馈送，该馈送可被单个或整体激活，从而至少产生一条步进或连续方向可控的波束，该波束可在预定的角度里转向，其特征在于介电谐振器的横截面是沿实质上垂直于接地衬底的轴而变化的。
注意到，在接地衬底实质上不是平坦的地方，则把轴定义为实质上垂直于与接地衬底平面相切于一点的平面，在该点处引出该轴。横截面的尺寸、形状、或尺寸与形状这两者沿轴而变化。
介电谐振器天线最好包括适宜于单独或整体激活馈送的电子电路，从而至少产生一条步进或连续方向可控的波束，该波束可在预定的角度里转向。
在第一种实施例里，介电谐振器的形状为圆锥或圆台。该圆锥可以是直圆锥或斜圆锥，并被配置为其横截面的面积沿轴扩大或缩小。与包括恒定横截面的介电谐振器天线相比，此圆锥形谐振器可拥有增加的带宽，并且在斜圆锥形谐振器的情形下，可以允许产生沿轴变化的波束方向图。
在第二种实施例里，介电谐振器的形状为棱锥或棱台。该棱锥可以是直棱锥或斜棱锥，并被配置为其横截面的面积沿轴扩大或缩小。该棱锥可以是三棱锥、四棱锥、五棱锥或n棱锥，此处n是正整数。与包括恒定横截面的介电谐振器天线相比，此棱锥形谐振器可拥有增加的带宽，并且在斜棱锥形谐振器的情形下，可以允许产生沿轴变化的波束方向图。此外，还发现长方形谐振器有两个与两个不同长度的边长相关的谐振频率。因而可以预计，拥有更多不同长度的边长的谐振器必将拥有更多谐振频率。这些谐振频率可被选定为间距很近以增加带宽，或被选定为间距很远以允许在不同频段上进行操作。
在第三种实施例里，介电谐振器的形状为阶梯圆锥或棱锥或阶梯圆台或棱台。此处“阶梯”一词意在表示一种结构，其形状大体上是表面不平坦的圆锥或棱锥，就像汉诺塔的结构，外部形状对应于直径递减的一堆碟子。阶梯圆锥或棱锥可以是直阶梯圆锥或棱锥或斜阶梯圆锥或棱锥，并被配置为其横截面的面积沿轴扩大或缩小。与包括恒定横截面的介电谐振器天线相比，此阶梯圆锥或棱锥形谐振器可拥有增加的带宽，并且在斜阶梯圆锥或棱锥形谐振器的情形下，可以允许产生沿轴变化的波束方向图。
在第四种实施例里，介电谐振器的形状总体上呈球冠或呈球形或部份球形。例如，谐振器的形状可以实质上呈球形、半球形、四分之一球形、八分之一球形之类。做为替代，谐振器的形状可以是任意分之一的球形。这种形状允许从谐振器的曲面部份沿三维的波束转向。
实质上呈球形的谐振器可以由两个大体半球形谐振器元素组成，各自与接地衬底接触并使用单极馈送。半球形元素可在共用的接地衬底的两侧结合起来，成为实质上呈球形的谐振器，或在他们的底部各提供一个分立的接地衬底，并使他们相互靠近放置，从而形成一个实质上呈球形的谐振器。
这些实施例更进一步的优点是，浑圆的谐振器比(比如)圆柱形谐振器拥有更接近于空气动力学的造形，这在当把介电谐振器天线安装在(例如)飞机外表面时更有优势。
在第五种实施例里，介电谐振器的形状不定，即不规则或不确定的形状。例如，谐振器可以成为一团不定形的凝胶或别的适当的电介质材料(如塑料材料)。为了满足操作需要，这种不定形谐振器可以被塑造成诸如移动电话或别的通讯设备的外罩等结构的一部份。
在第六种实施例里，介电谐振器的形状为中空的环形(采取“Gugelhupf”牌蛋糕的方式，其拥有整体轮廓为球冠的甜甜圈结构)。这种结构实质上可以比实心的介电谐振器更轻并使用更少的电介质材料。谐振器的底座外沿可以是圆形、椭圆形或任何别的适当形状。如同在上述实施例里那样，横截面的非圆几何形状通常带来宽带操作的优势。
根据本发明的第二方面，提供了一种介电谐振器天线，其包括接地衬底，置于接地衬底上的介电谐振器，和用来向/从介电谐振器的不同区域传送能量的一组馈送，该馈送可被单个或整体激活，从而至少产生一条步进或连续方向可控的波束，该波束可在预定的角度里转向，其特征在于介电谐振器的横截面非圆。
介电谐振器天线最好包括适宜于单独或整体激活馈送的电子电路，从而至少产生一条步进或连续方向可控的波束，该波束可在预定的角度里转向。
介电谐振器的横截面可以实质上是椭圆形、不规则多边形、花瓣形、或任何别的适当的非圆形状。这些横截面通常比同等尺寸的横截面为正圆形的圆柱形谐振器更轻并使用更少的电介质材料。非圆横截面通常也提供更好的带宽，并当构成小段形式时，可在预定方向上拥有低后瓣。介电谐振器的横截面实质上沿垂直于接地衬底的轴保持恒定，或其尺寸、形状、或尺寸和形状这两者沿轴变化。
根据本发明的第三方面，提供了一种介电谐振器天线，其包括介电谐振器和至少一个用来向/从介电谐振器传送能量的偶极子馈送，该偶极子馈送拥有纵向轴并可被激活，从而至少产生一条步进或连续方向可控的波束，该波束可在预定的角度里转向，其特征在于介电谐振器的横截面是沿实质上平行于偶极子馈送轴的轴而变化的。
介电谐振器采取实质上呈实心球状的电介质材料的形式，由至少一个、最好是一个以上的偶极子馈针做为馈送，并且毋需接地衬底。由于没有地平面，这种谐振器允许在三维上覆盖整个球体。事实上，偶极子馈送毋需接地衬底即可驱动任何形状的介电谐振器。若使用了单极馈送和接地衬底，则接地衬底充当镜面，其中介电谐振器可看见自己的镜像。也可提供一种介电谐振器，其形状对应于单极馈送的实施例本身及其映在接地衬底平面里的镜像，从而制造出同等的介电谐振器天线。如上所述，在偶极子馈送的实施例里毋需接地衬底。总之，仍然优选单极馈送的实施例，这是因为，插入到置于接地衬底上的半块介电谐振器里的单极馈送、与嵌入偶极子馈针并把电缆馈送整块介电谐振器相比，前者更易于使用。
实质上呈球状的介电谐振器通常由两个半球部份拼成，这两部份被粘在一起，从而把至少一个偶极子夹在两个底座部份之间。
根据本发明的第四方面，提供了一种介电谐振器天线，其包括介电谐振器和至少一个用来向/从介电谐振器的不同区域传送能量的偶极子馈送，该偶极子馈送可被激励，从而至少产生一条步进或连续方向可控的波束，该波束可在预定的角度里转向，其特征在于介电谐振器的横截面非圆。
偶极子馈送最好是拥有纵向轴，并且介电谐振器的横截面最好被定义为实质上垂直于该轴。
注意到，通过提供与接地衬底本身及其映在接地衬底平面里的镜像同等形状的介电谐振器，可以用偶极子的实施例来实现与接地衬底的实施例相关的上述介电谐振器形状的等效物。
在所有上述实施例里，介电谐振器可以实质上是实心的，或做为替代，可以包括至少一个空腔。在某些应用里，介电谐振器可以采取想要形状的空壳的形式。
本发明的天线最好适宜于至少产生一条步进或连续方向可控的波束，该波束可在整个360°圆周角里转向。
最好是还附带地或做为替代地提供电子电路来组合馈送，以形成和、差方向图，从而允许高达360°的无线定向能力。
该电子电路可附带地或做为替代地适宜于组合馈送，以形成高达360°的振幅或相位比较的无线定向能力。
无线定向能力最好是整个360°圆周角。
馈送可采取导电馈针的形式，该馈针被包含在介电谐振器内部或紧挨着它放置，或可包括在接地衬底里所提供的馈孔(这些形式对偶极子的实施例不适宜)。馈孔是电介质材料下方接地衬底里的不连续处(通常是矩形的)，并由经过他们下方的微型裸传输线来激励。微型裸传输线常常是印制在衬底的底面上的。若采取馈针形式的馈送，则他们通常呈细长形状。可用馈针的例子包括细圆柱导线，该导线通常平行于介电谐振器的纵向轴，还可使用别的馈针形状(并已被测试过)，包括粗圆柱形、非圆横截面、细的基本垂直板乃至顶部带有导电“帽”的细的基本垂直导线(状如毒蕈)。馈针还可包括金属裸线，位于介电谐振器内部或紧挨着它。总之，任何位于介电谐振器内部或紧挨着它的导电元件，若位置、尺寸和馈送合适，皆可激励谐振。馈针的形状不同带来不同的谐振带宽，并被放在位于介电谐振器内部或紧挨着它的各种位置和方向上(若从上方俯瞰，就是沿半径距中心的距离不同，并且相对于中心的角度也不同)，以适应具体环境。
当提供的馈送不止一个时，可在不同频率处驱动不同馈送，以使天线在不同频率、不同预定方向(如方位角和高度)上同时发射或接收。
此外，还可提供位于介电谐振器内部或紧挨着它的馈针，这些馈针并不与电子电路连接，而是以被动的方式来影响动态谐振器天线的发/收特性，例如通过感应。
在本发明的一种实施例里，可以用导电墙把介电谐振器分成小段，此处导电墙的说明提供于(例如)TAM，M.T.K.和MURCH，R.D.：‘简易扇形和扇环介电谐振器天线’，IEEE Trans.Antennas Propagat.，AP-47，1999，pp 837-842。
在本发明的另一种实施例里，可附带地提供内部或外部单极天线，该天线与介电谐振器天线相组合，以消除后瓣场或解决任何前/后失真，这种失真可能出现在拥有余弦或“8”字形辐射方向图的介电谐振器天线里。单极天线可被置于介电谐振器内部中心，或可被安装在介电谐振器的上方或其下方，并由电子电路来激励。在包括环形中空的谐振器的实施例里，可把单极天线置于空腔内部的中心。也可用任何馈针或馈孔的电气或算法组合来形成“虚拟”单极，最好是用一组对称的馈针或馈孔。
本发明的介电谐振器天线和天线系统可以用一组发射器或接收器来操作，此处用这些术语来分别表示以天线形式来充当电子信号源的设备或以电磁辐射形式来接收并处理与天线通讯的电子信号的设备。发射器和/或接收器的数目可以等于或不等于馈送到介电谐振器的馈电装置数目。例如，可以把分立的发射器和/或接收器连接到各馈送(即每个馈送接一个)，也可把单个发射器和/或接收器连接到单个馈送(即单个发射器和/或接收器在馈送之间切换)。在另一个例子里，可把单个发射器和/或接收器连接到一组馈送——通过不断改变馈送之间的馈送功率，可连续地对天线的波束和/或方向灵敏度进行转向。做为替代，可把单个发射器和/或接收器连接到介电谐振器的多个不相邻的馈送，藉以获得比单个馈送有显著增加的带宽(这极为有利，因为DRA的带宽通常较窄)。在又一个例子里，可把单个发射器和/或接收器连接到介电谐振器的多个相邻或不相邻的馈送，以增加生成的或检测到的辐射方向图，或允许天线在多个方向上同时辐射或接收。
介电谐振器可以用任何适宜的电介质材料、或不同电介质材料的组合来形成，电介质材料拥有正介电常数k；在优选的实施例里，k至少是10或至少50乃至100以上。k也可能很大，比如大于1000，尽管可用的电介质材料限制了对低频的使用。电介质材料可包括液态、固态或气态、或任何过渡态的材料。电介质材料的介电常数可能低于它所嵌入的周遭材料的介电常数。
通过寻找能够生成多波束的介电谐振器天线，其中这些波束可被随意地分立选出或同时形成并按不同方式组合，本发明的实施例可提供下列优点：
I)通过选择驱动不同馈针或馈孔，可使天线在数个预定的方向(例如，方位角)之一上发射或接收。通过依次循环切换馈针或馈孔，可使波束方向图以步进的角度来旋转。该波束转向在无线通信、雷达和导航系统里有着明显的应用。
II)通过把两条或多条波束组合在一起，即同时激励两支或多支馈针或馈孔，可在任意的方位角上形成波束，藉以更精确地控制波束形成的过程。
III)通过以电子方式连续地改变两条波束之间的功率分/合，可使所得组合波束的方向连续地转向。
IV)在只收端，通过比较两条或多条波束上信号的振幅，或执行两条波束上接收的信号的单脉冲过程，可找出到来的无线信号的抵达方向。“单脉冲过程”指的是用两条波束来形成和与差方向图的过程，从而确定从远方无线源来的信号的抵达方向。
V)在典型的双向通信系统(比如移动电话系统)里，(通过手机)从点无线源(比如基站)接收信号并回传到该源。本发明的实施例可被用来使用上述步骤III)来找出源的方向，并可再使用步骤II来形成该方向上的最佳波束。能够执行此类操作的天线被称做“灵性”或“智能”天线。灵性天线提供的最大天线增益的优势在于改善了信噪比、改善了通信质量、消耗了较少发射功率(这就，比如，有助于减少对任何附近人体的有害辐射)并保持了电池寿命。
VI)可使用附加的内部或外部单极天线来消除天线的后瓣，藉以减少靠近设备的人所受的有害辐射，或解决无线定向里的前/后失真。
VII)通过在不同频率选择驱动不同馈送(馈针或馈孔)，可使天线在一个频率处的一个预定的方向(例如，方位角)上同时发射或接收，而在别的频率处的别的预定方向上同时发射或接收。
为能更好地理解本性明，并显示本发明是如何带来效果的，下面将以实例的方式来参考附图，在附图里：
图1a是现有的使用馈针的多馈送介电谐振器天线的俯瞰图；
图1b是图1a的多馈送介电谐振器天线的侧视图；
图2a是现有的使用馈孔的多馈送介电谐振器天线的俯瞰图；
图2b是图2a的多馈送介电谐振器天线的侧视图；
图3a是现有的带有附加中心单极的多馈送介电谐振器天线的俯瞰图；
图3b是图3a的多馈送介电谐振器天线的侧视图；
图4～7示出了当驱动馈针的各种组合时，图1a和图1b的天线的测量方位角辐射方向图；
图8示出了当以单极天线同时驱动时，图3a和图3b的天线的测量方位角辐射方向图；
图9a是本发明使用馈针的通用多馈送半球形介电谐振器天线的侧视图；
图9b是图9a的多馈送半球形介电谐振器天线的俯瞰图；
图10示出了图9a和图9b的天线和馈针7a或7c及7a与7c同时使用的测量方位角辐射方向图；
图11a是本发明使用馈针和中心单极天线的通用多馈送半球形介电谐振器天线的侧视图；
图11b是图11a的多馈送半球形介电谐振器天线的俯瞰图；
图12a是由四瓣组成的小段多馈送介电谐振器天线的剖视图；
图12b是由图12a实施例的单瓣所形成的介电谐振器天线的剖视图；
图13示出了图12的介电谐振器天线的单瓣的测量方位角辐射方向图；
图14～17示出了根据本发明的各种球形和半球形的介电谐振器天线；和
图18示出了可用于本发明的各种形状的介电谐振器。
图1～8主要涉及圆柱形的介电谐振器天线，在(比如)共同待审查的序列号为№.09/431,548的美国专利申请中对此进行了描述，该申请做为本申请的在先申请，要求优先权。
下面参考图1a和图1b，示出了实质上呈圆形的电介质材料板1，它位于接地衬底2上，该接地衬底拥有一组洞，以允许电缆和连接器连接到一组内部馈针3a～3h。内部馈针3a～3h沿径向位于不同的内部角度上。
图2a和图2b示出了实质上呈圆形的电介质材料板1，它位于接地衬底2上，该接地衬底拥有一组馈孔3a～3h，他们沿径向置于不同的内部角度上。该馈孔馈电装置是由微型裸传输线4来馈送的。
图3a和图3b分别示出了侧平面图和侧视图，如同对于图1a和图1b那样，只是介电板1上方带有附加的中心单极天线4(i)，用来消除后瓣或解决前/后失真，这种失真可能出现在拥有余弦或“8”字形辐射方向图的动态谐振器天线里。在图3里单极4(i)被画成介电板1上方的外部设备，但是介电板1里的中心馈针4(ii)也将充当适宜的单极参考天线，板1下方的中心馈针4(iii)同样如此。
本申请人在KINGSLEY，S.P.和O’KEEFE，S.G.的论文“馈针介电谐振器天线的波束转向和单脉冲处理”(S.P.Kingsley和S.G.O’Keefe，IEEE proceedings-Radar Sonar and Navigation，146，3，121-125，1999)里，给出了使用一组馈送的多波束介电谐振器天线的基本概念。该论文通过实际实验确认了本申请人的FDTD模拟结果，即多馈送操作是可能的，而且这些馈送之间不以妨碍同时形成多条波束的显著方式而在电气方面相互影响。
在这篇论文发表以后，已经构建并测试了如图1a和图1b所示形成的8馈针圆形介电谐振器天线。在进一步的研发里，也已经构建并测试了如图3a和图3b所示形式的带有外部单极天线的8馈针圆形介电谐振器天线。
在图4～8里，圆圈线代表5dB(分贝)的功率步长值，箭头表示主要的波束方向，即“瞄准孔”。径向线代表波束的角度，当把天线置于水平面时，该角度即是方位角。
此处给出了配备了8支位于圆周上的内部馈针3a～3h的圆柱形介电器天线的结果。当驱动了馈针3a(按发射方式或接收方式)、且其余馈针3b～3h断路或进行了连接但未与馈送连接时，即获得了图4所示的测量方位角辐射方向图。
当连接了馈针3b而非馈针3a时，测量方位角辐射方向图如图5所示。可以看出，该波束被步进地转向了，所转动的角度与该馈针的内部位置(此情形下是45°角)大致相同。
当使用功率分割器或类似的功率分配器从单个源以相同功率同时驱动馈针3a和3b、并使其余6个馈针断路时，所得的测量方位角辐射方向图如图6所示。可以看出，该波束被转向了，所转动的角度大致是该二馈针的内部位置之间的角度(此情形下是22.5°角)。可以连续地改变馈针之间的共享馈送功率，从而用本方法来使波束连续地转向。例如，若以从馈针3a到3b的转移功率步进变化的方式来操作功率分割器，则发射和接收的波束方向将与转移功率成正比地转向。当整个方位角辐射方向图随波束一起旋转时，任何旁瓣(null)的方向也按相应方式改变。在许多实际应用(如寻弹跟踪)里，使用的是旁瓣而非波束，尤其是因为可使此类型的天线拥有较大的旁瓣。
若同时驱动馈针3b和3h并使其余6个馈针断路，则应产生带有与馈针3a(馈针3b和3h以一定角度分居馈针3a和3h的两侧)同方向的瞄准孔(即，发射时最大的辐射方向，或接收时灵敏度最高的方向)的方位角辐射方向图。图7是确认这一点的实验结果。按这种方式来馈送两支馈针的好处在于可获得比使用单支馈针有显著增加的带宽。
可以看出，图4～7里有显著的后瓣，其形状实质上是余弦形(“8”字形)。在给定方向上发射时，这意味着功率损耗，在接收时这意味着灵敏度损失，而在定向时则导致前至后失真。可使用如图3a和图3b所示的附加中心内部或外部单极4来解决该失真，或是通过同时驱动单极4和一个或多个介电谐振器转向馈针3来显著减小后瓣。通过测量实验性地示出于图8，此处驱动了馈针3e和3f和单极4。通过与馈针3同相或与之反相来驱动单极，有可能选择消除或减小后瓣、或是相应的前瓣。
下面参考图9a和图9b，图中示出了截面实质上呈半球形的电介质材料板5，它位于接地衬底6上，该接地衬底拥有一组洞，以允许电缆和连接器连接到一组内部馈针7a～7f。内部馈针7a～3f沿径向位于不同的内部角度上。
在图10里，圆圈线代表5dB(分贝)的功率步长值，箭头表示主要的波束方向，即“瞄准孔”。可以看出，分立的馈针A和C的方向图相互之间大致成120°角，而同时激励馈针A和C的方向图代表了一条新波束，新波束是用大致在两支分立馈针方向图的大致中间的瞄准孔使用电方法形成的。
此处使用配备了内部馈针的半球形介电谐振器天线来给出本发明的一个实例的结果。当驱动了馈针7a(按发射方式或接收方式)、且其余馈针断路或进行了连接但未与馈送连接时，即获得了图10里标有“馈针A”的测量方位角辐射方向图。
当连接了馈针7c而非馈针7a时，可获得图10里标有“馈针C”的测量方位角辐射方向图。可以看出，该波束被步进地转向了，所转动的角度与该馈针的内部设置的位置(此情形下是120°角)大致相同。
当使用功率分割器或类似的功率分配器从单个源同时驱动馈针7a和7c、并使其余馈针断路时，所得的测量方位角辐射方向图如图10里的标记“馈针A和C”所示。可以看出，该波束被转向了，所转动的角度大致是该二馈针的角平分线的角度(此情形下是60°角)。可以连续地改变馈针之间的共享馈送功率，从而用本方法来使波束连续地转向。
可以看出，图10里的方向图有显著的后瓣，其形状实质上是余弦形(“8”字形)。在发射时这意味着在要求方向上的功率损耗和在相反方向上可能出现干扰，在接收时这意味着在要求方向上的灵敏度损失和在相反方向上可能受到干扰，而在定向时则导致前至后失真。可使用如图11a和图11b所示的附加中心内部或外部单极8来解决该失真，或是通过同时驱动单极8和一个或多个介电谐振器转向馈针7来显著减小后瓣。
图12a示出了包括横截面为四瓣的介电谐振器10的本发明实施例的横截面，这使人联想起四瓣的苜蓿。谐振器10位于接地衬底12上，并包括馈针13a，13b，13c和13d，每瓣11里有一个。该设备的辐射方向图本质上是已在图4和图5里示出的余弦方向图。
该结构可被分割成小段，并在图12b里示出了单个小段的情形，该图描绘了接地衬底12和图12a里介电谐振器10的一个波瓣11，该波瓣11由馈针13a来驱动。波瓣11被表示成被基本垂直的导电墙14所包围，该导电墙实质上互成90°角。这种单馈针四分之一“苜蓿瓣”天线的优势在于，当驱动了馈针13a时，可获得如图13所示的测量方位角辐射。在169MHz的带宽上，辐射频率是1378MHz，并可看出，在从馈针13a到介电谐振器10中心的方向上，后瓣有显著的减小。
图14示出了含有偶极子馈送16的实心球形介电谐振器15，于是就毋需接地衬底了。该谐振器15可在球体周围的所有方向上给出完整的波束形成覆盖。
图15示出了位于接地衬底17上并含有单极馈针18的实心半球形介电谐振器16。
图16示出了两个实心半球形介电谐振器16，各自配备了一个单极馈针18，并被背靠背地安装在共用接地衬底17的两侧。像图14的实施例那样，在所有方向上提供完整的波束形成覆盖。
图17示出了两个实心半球形介电谐振器16，各自配备了一个单极馈针18，并为他们各提供了一个分立的接地衬底17。再分别把对应的谐振器16背靠背地放置，从而使接地衬底彼此朝向对方但不接触，组合起来的谐振器的总体形状实质上呈球形。
最後，图18示出了本发明所使用的各种形状的介电谐振器的代表，包括：直圆锥形20；斜圆锥形21；圆台22；锥形23；阶梯锥形24；非阶梯锥形25；非圆截面26；圆锥形27；棱锥28、29；球冠30；球形31；部份球形32；不定形33；甜甜圈形34、35；实心形体36腔体37；空壳38；椭圆截面39；正多边形截面40；非正多边形截面41；花瓣形截面42；和非恒定截面43。

Claims (65)

1.一种介电谐振器天线，其包括接地衬底，置于接地衬底上的介电谐振器和用来向/从介电谐振器的不同区域传送能量的一组馈送，该馈送可被单个或整体激励，从而至少产生一条步进或连续方向可控的波束，该波束可在预定的角度里转向，其特征在于介电谐振器的横截面是沿实质上垂直于接地衬底的轴而变化的。
2.如权利要求1所述的天线，其特征在于进一步包括适宜于单独或整体激励馈送的电子电路，从而至少产生一条步进或连续方向可控的波束，该波束可在预定的角度里转向。
3.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状为圆锥。
4.如权利要求3所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状为圆台。
5.如权利要求3或4所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状为直圆锥。
6.如权利要求3或4所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状为斜圆锥。
7.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状为棱锥。
8.如权利要求7所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状为棱台。
9.如权利要求7或8所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状为直棱锥。
10.如权利要求7或8所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状为斜棱锥。
11.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状为阶梯圆锥。
12.如权利要求11所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状为阶梯圆台。
13.如权利要求11或12所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状为阶梯直圆锥。
14.如权利要求11或12所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状为阶梯斜圆锥。
15.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状为阶梯棱锥。
16.如权利要求15所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状为阶梯棱台。
17.如权利要求15或16所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状为阶梯直棱锥。
18.如权利要求16或17所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状为阶梯斜棱锥。
19.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状为球冠。
20.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状为球形。
21.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状为部份球形。
22.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状为不定形。
23.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于介电谐振器的形状实质上呈甜甜圈形。
24.如上述权利要求中任一项所述的天线，其特征在于介电谐振器实质上是实心的。
25.如权利要求1～23中任一项所述的天线，其特征在于介电谐振器至少包括一个空腔。
26.如权利要求25所述的天线，其特征在于介电谐振器是一个空壳。
27.一种介电谐振器天线，其包括接地衬底，置于接地衬底上的介电谐振器和用来向/从介电谐振器的不同区域传送能量的一组馈送，该馈送可被单个或整体激励，从而至少产生一条步进或连续方向可控的波束，该波束可在预定的角度里转向，其特征在于介电谐振器的横截面非圆。
28.如权利要求1所述的天线，其特征在于进一步包括适宜于单独或整体激励馈送的电子电路，从而至少产生一条步进或连续方向可控的波束，该波束可在预定的角度里转向。
29.如权利要求27或28所述的天线，其特征在于介电谐振器的横截面实质上呈椭圆形。
30.如权利要求27或28所述的天线，其特征在于介电谐振器的横截面实质上呈正多边形。
31.如权利要求27或28所述的天线，其特征在于介电谐振器的横截面实质上呈非正多边形。
32.如权利要求27或28所述的天线，其特征在于介电谐振器的横截面实质上呈花瓣形。
33.如权利要求27～32中任一项所述的天线，其特征在于介电谐振器的横截面实质上沿垂直于接地衬底的轴保持恒定。
34.如权利要求27～32中任一项所述的天线，其特征在于介电谐振器的横截面沿实质上垂直于接地衬底的轴而变化。
35.如权利要求27～34中任一项所述的天线，其特征在于介电谐振器实质上是实心的。
36.如权利要求27～34中任一项所述的天线，其特征在于介电谐振器至少包括一个空腔。
37.如权利要求36所述的天线，其特征在于介电谐振器是一个空壳。
38.一种介电谐振器天线，其包括介电谐振器和至少一个用来向/从介电谐振器传送能量的偶极子馈送，该偶极子馈送拥有纵向轴并可被激励，从而至少产生一条步进或连续方向可控的波束，该波束可在预定的角度里转向，其特征在于介电谐振器的横截面是沿实质上平行于偶极子馈送轴的轴而变化的。
39.一种介电谐振器天线，其包括介电谐振器和至少一个用来向/从介电谐振器的不同区域传送能量的偶极子馈送，该偶极子馈送可被激励，从而至少产生一条步进或连续方向可控的波束，该波束可在预定的角度里转向，其特征在于介电谐振器的横截面非圆。
40.如上述权利要求中任一项所述的天线，其特征在于方向可控的波束可在整个360°周角里转向。
41.如上述权利要求中任一项所述的天线，包括电子电路，从而组合馈送以形成和、差方向图，从而允许高达360°的无线定向能力。
42.如上述权利要求中任一项所述的天线，包括电子电路，从而组合馈送以形成高达360°的振幅或相位比较的无线定向能力。
43.如上述权利要求中任一项所述的天线，其特征在于馈送采取导电馈针的形式，该馈针被包含在介电谐振器内部或紧挨着它放置。
44.如权利要求1～37中任一项或从属于权利要求1～37中任一项的权利要求40～43中任一项所述的天线，其特征在于馈送采取在接地衬底里所提供的馈孔的形式。
45.如权利要求44所述的天线，其特征在于馈孔形成为电介质材料下方接地衬底里的不连续处。
46.如权利要求45所述的天线，其特征在于馈孔通常是矩形的。
47.如权利要求44～46中任一项所述的天线，其特征在于微型裸传输线位于各受到激励的馈孔下方。
48.如权利要求47所述的天线，其特征在于微型裸传输线是印制在衬底的远离介电谐振器一侧的。
49.如权利要求43所述的天线，其特征在于预定数量的馈针位于介电谐振器内部或紧挨着它，这些馈针不与电子电路连接。
50.如权利要求49所述的天线，其特征在于馈针未连接(即断路)。
51.如权利要求49所述的天线，其特征在于馈针接了任何阻抗的负载，包括短路线。
52.如上述权利要求中任一项所述的天线，其特征在于介电谐振器被设置在这里的导电墙分割成小段。
53.如上述权利要求中任一项所述的天线，其特征在于提供了内部或外部单极天线，该天线与介电谐振器天线相组合，以消除后瓣场或解决任何前/后失真，这种失真可能出现在拥有余弦或“8”字形辐射方向图的介电谐振器天线里。
54.如权利要求53所述的天线，其特征在于单极天线位于介电谐振器内部的中心。
55.如权利要求53所述的天线，其特征在于单极天线安装在介电谐振器上方。
56.如权利要求53所述的天线，其特征在于单极天线安装在介电谐振器下方。
57.如权利要求53所述的天线，其特征在于单极天线形成为馈送的电气组合。
58.如权利要求53所述的天线，其特征在于单极天线形成为馈送的算法组合。
59.如上述权利要求中任一项所述的天线，其特征在于介电谐振器由介电常数为k≥10的电介质材料所形成。
60.如上述权利要求中任一项所述的天线，其特征在于介电谐振器由介电常数为k≥50的电介质材料所形成。
61.如上述权利要求中任一项所述的天线，其特征在于介电谐振器由介电常数为k≥100的电介质材料所形成。
62.如上述权利要求中任一项所述的天线，其特征在于单个发射器或接收器与一组馈送连接。
63.如权利要求1～61中任一项所述的天线，其特征在于一组发射器或接收器分别与一组相应的馈送连接。
64.如权利要求1～61中任一项所述的天线，其特征在于单个发射器或接收器与一组不相邻的馈送连接。
65.如上述权利要求中任一项所述的天线，其特征在于至少激励一个馈送，以在不同频率处同时向/从介电谐振器的不同区域传送能量，从而在不同的预定方向上至少产生两条不同频率的波束。
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