CN1627563A - 用于超宽频带应用的三维全向天线设计 - Google Patents

Abstract

本发明总的涉及微波天线领域，更具体地，涉及对于工作在3.1GHz与10.6GHz之间的频率范围的、具有对称全向辐射方向图的超宽频带单极子天线(100)的辐射单元(202)的多个三维设计(300a－1)。所述天线(100)连接到用于发送和/或接收微波信号的无线通信设备的模拟前端电路，以及在天线增益、辐射方向图、极化、频带宽度、群时延和尺寸等方面满足FCC要求。用作为辐射单元(202)的具有带底面(202a’)的辐射单元(202a)的三维腔体结构，金属化接地面(204)，天线馈电电路(211)，和连接天线馈电电路(211)与辐射单元(201)的底面(202a’)的馈电线(202b)。

Description

用于超宽频带应用的三维全向天线设计

                   发明领域和背景

技术领域

本发明总的涉及微波天线领域，更具体地，涉及用于发射和/或接收微波信号的、具有对称全向辐射方向图的超宽频带(UWB)单极子天线的辐射单元的三维设计。

背景技术

UWB通常覆盖3.1GHz与10.6GHz之间的频率范围。例如，在IEEE802.15中给出FCC规定，该标准在此引用以供参考。按照IEEE 802.15无线个人局域网工作组(例如参阅http://www.ieee802.org/15/)，802.15 WPAN^TM致力于开发个人局域网或短距离无线网。这些WPAN解决便携式和移动计算设备，诸如PC、个人数字助理(PDA)、外设、蜂窝电话、寻呼机、和消费电子装置等的无线联网；允许这些设备互相通信和交互操作。

有关可使用于UWB的微波天线的设计的主要问题是：

-具有简单的平面馈电和印刷的低成本制作的能力，

-通过同时应用RF前端芯片的核心基片作为用于天线的基片而达到明显的降低成本，这意味着，通过使用用于经典的RF前端芯片电路的布线过程可以同时制作天线印刷部分，以及

-具有解决对称全向天线方向图，其增益为0到1dBi(类型1)和/或扇区增益约为6dBi(类型2)的能力。

最近，由于重点已放在减小尺寸、提供增加的功率效率和满足联邦通信委员会(FCC)对于移动手机发射的要求，天线设计的两个附加因素的重要性上升到必须与传统的设计参数一起同样被考虑：天线效率的提高和特定吸收率(SAR)的控制。

众所周知，微波天线的长度与发射频率成反比：天线尺寸越小，天线效率越低以及带宽越窄。因此，随着无线应用往频率上方移动，它们的天线在尺寸上相应地减小。然而，这个自然尺寸减小不再足以满足消费者的要求。为此，天线越来越变为定制的部件，它对于每个无线制造商的性能、尺寸和成本要求都是独特的。这种演进由新的无线电应用和业务所推进，它们要求天线能够：

-达到更高的增益，由此允许减小发射机电池功率和在“盲区”有较好的接收，

-通过把工作在1900MHz的基于PCS的应用、基于GSP的应用和/或无线数据交换应用合并到单个天线，以允许多频段运行，

-通过允许更加灵活的天线设计而支持手机发射的方向控制，该设计可用来在人体组织的附近区域控制发射方向和达到较好的信号接收性控制，以及最后

-提供更加宽的信道带宽，以便满足对高数据速率不断增加的要求。

通常，微波天线是按照包括工作频率、增益、电压驻波比(VSWR)、天线输入阻抗和带宽等一组参数被规定的。如果VSWR例如大于3，则在发射机与它的天线之间必须放置匹配网络以减小失配损耗，虽然只要天线是有效的辐射体低的VSWR不是设计必须的。所述设计是高价的并且比起应用低功率和固态调谐元件的设计它使得匹配功能的自动化慢得多。

原先开发用于地面穿透雷达(GPR)应用的超宽频带(UWB)技术，由于研究者的努力的结果，被使用于检测和定位表面放置的和浅埋的目标，例如，防步兵地雷。随着RF电子装置的开发，用于鉴别两个靠近飞行的飞机的原先的想法改变为探寻用于构建雷达目标的三维图像。用于直接减小入射脉冲持续时间的潜力被迅速耗尽，随之而来的是详细地分析目标反射信号。已弄清楚的是，目标响应的最重要的改变发生在具有一个或两个振荡的瞬变过程期间。这个事实本身导致使用这个持续时间的UWB信号的想法而不用稳态振荡传输所需的能量消耗。

由于蜂窝技术领域中无线通信的进展，迫切需要无线局域网(WLAN)和无线个人局域网(WPAN)，特别是在0.9和5GHz之间的频率范围中，具有最少的RF电子装置、高数据速率性能、低功率消耗和低检测概率(LPD)签名的、更高的频段和超宽频带无线通信系统。今天，UWB系统例如被用作为在具有比起蓝牙或IEEE 802.11高得多的数据速率的移动终端(蜂窝电话、笔记本电脑、PDA、无线照相机、或MP3单放机)之间的无线RF接口。UWB系统还可被用作为用于汽车的车上服务的集成系统，例如用于从PDA或笔记本电脑下载驾驶方向，供基于GPS的仪表盘导航系统使用，作为娱乐系统或任何基于定位的系统，例如供旅客娱乐用的音频或视频数据下载。

今天，在各种各样的应用中采用超宽频带单极子天线和修正的单极子。传统上，移动电话和无线手机配备有宽带和超宽频带单极子天线。最普通的λ/4单极子天线之一是所谓的鞭状天线，它可工作在一个频率范围中，并且能够比起其他单极子天线更好地适应大多数环境条件。然而，单极子天线也含有多个缺点。单极子天线在尺寸上相对较大，以及以难看的方式从手机套中伸出。单极子天线的阻挡性和需要空间的结构问题使得，要给手机配备几个天线以便能够多频段运行而采取的任何努力都复杂化。

正在研究的各种各样的方法解决通常的λ/4单极子天线的缺点，这些方法的许多方法是基于微带天线设计。一个这样的有希望的设计是倒F天线(IFA)，它是单极子天线的有很大差异的变型。IFA利用修正的倒L形低剖面结构，经常被使用于航空航天应用。通常的IFA包括具有全向辐射方向图的矩形辐射单元，并呈现合理的高的天线增益。IFA的带宽对于移动运行是足够宽的，以及天线对于垂直和水平极化无线电波也都是高灵敏的，由此，使得IFA理想地适合于移动应用。由于对于能够工作在多个频段的天线有越来越多的要求，今天的蜂窝电话系统工作在多个频段(例如，900MHz，1.8GHz，和2.0GHz)。

按照现有技术，已经研究了不同的方法来满足更高要求，以设计具有减小尺寸和重大改进性能的高性能宽带微波天线的低成本解决方案。这些微波天线达到更高的增益，使得多频段运行成为可能，允许对于移动手机的电磁辐射进行方向控制，这导致更高的天线效率，以及提供更宽的带宽，来满足移动应用的数据速率的不断增长的要求。由于这些要求涉及到复杂的设计问题，无线设备制造商认识到，基于传统的技术的天线解决方案不再能满足要求。

在WO 02/093690 A1中公开了用于在信号源与UWB天线之间建立信号耦合的设备，包括用于工作在2与6GHz之间的频带的第一和第二辐射单元的设备。信号源由此在包括第一辐射单元的一个边缘与第二辐射单元的一个边缘的连接位置处传递信号到天线。设备还包括第一和第二馈电结构。所述第一馈电结构把馈电距离从信号源延伸到第二辐射单元的所述边缘，并把第一辐射单元以与第一馈电结构分隔开的关系划分成两个区域，以建立在第一馈电结构与两个区域之间按楔形分开的距离。所述第二馈电结构把信号源耦合到第一辐射单元。上述的分开的距离由此建立在两个区域与第一馈电结构之间的信号传输结构。

在US 2002/0053994 A1中描述的发明涉及到具有集成电子电路的平面UWB天线。天线包括第一平衡单元，它的一端被连接到端子。第二平衡单元在另一端处被连接到另一个端子。由此，所述第二平衡单元具有与第一平衡单元的形状成镜像的形状，从而存在一个对称面，在对称面上的任何点到第一和第二平衡单元的所有的点是等距离的。每个平衡单元由本质上导电的材料制成。三角形形状的接地单元位于第一平衡单元与第二平衡单元之间，在对称面上具有对称轴且其取向为三角形的底边指向端子。因此，接地单元和每个平衡单元形成两个楔形的缝隙，当楔形从端子向外扩展时，缝隙在接地单元的顶点处展宽和会聚。在这种安排下，敏感的UWB电子装置可以放置在接地单元的周界内，由此消除传输线损耗和散射。连接在第一和第二平衡单元之间的电阻环路扩展低频响应并改进电压驻波比。还公开了线性单元阵列的连接，它提供由阵列尺寸规定的低频截止，以及把它的辐射方向图限制在一个方向，它在方位角上的辐射角为最大180度。

发明内容

根据上述说明，本发明的目的是提出用于超宽频带(在3.1和10.6GHz之间的频率范围)天线的设计，满足UWB技术规范和在天线增益、辐射方向图、极化、频带宽度、群时延和小尺寸等方面满足FCC要求。

这个目的是通过独立的权利要求的特性达到的。有利的特性在附属权利要求中规定。

本发明基本上针对着用于发射和/或接收在预定的工作带宽内的微波信号的、具有对称全向辐射方向图的单极子天线的辐射单元的多个三维设计，该天线可连接到例如无线RF收发信机的模拟前端电路。所述单极子天线可以工作在3.1与10.6GHz之间的频率范围。它包括例如：一个空腔和/或填充介质腔体结构，带有用作为辐射单元的底面和辐射体面，它提供对称的全向辐射方向图；一个金属化接地面，用作为反射器，它被印刷在介质基片上并在有限的频率范围内具有对于电磁波的相对较高的表面阻抗；一个天线馈电电路，用于以电子方式操纵对称全向辐射方向图；以及馈电线，用来连接天线馈电电路与辐射单元的底面。按照本发明，模拟前端电路的部件可任选地放置在超宽频带单极子天线的辐射单元内。

所提出的设计包括：具有截断的正圆锥形式的辐射单元；分别具有凸起或凹入形状的3维表面的旋转对称辐射单元；具有截断的方形底面的正棱锥形式的辐射单元；和具有组合的结构的辐射单元，包括圆锥的、棱锥的、凸起的或凹入的形状的第一部分以及其顶面被安排在第一部分的同形底面上的、闭合圆柱形状或立方形状的第二部分。另外的设计包括具有径向凹口的圆柱或半球形式的辐射单元以及分别包含在顶部互相堆叠的凸起形状的或圆锥的部分。单极子天线具有小于1cm³的整体尺寸，这使得它容易集成在任何无线通信设备中。

附图说明

从附属权利要求以及从如在以下的附图中描绘的、本发明的不同的实施例的说明，可得出本发明的另外的优点和可能的应用。其中，

图1显示附着在无线通信设备的模拟前端电路的、用于发射和/或接收在预定的工作带宽内的微波信号的、具有对称全向辐射方向图的超宽频带单极子天线的辐射单元的三维表面图，

图2a是显示附着在其上印刷着金属化接地面的介质基片的超宽频带单极子天线的辐射单元、它的支架、和RF连接头的示意图，

图2b是基于图2a的示意图，它显示被放置在超宽频带单极子天线内的辐射单元内的模拟前端电路的一部分的方框图，

图2c是基于图2a的示意图，它显示超宽频带单极子天线和被使用于以电子方式操纵对称全向辐射方向图的馈电电路的基带处理块，以及

图3a-1显示呈现按照本发明的12个实施例的单极子天线的不同的设计的12个三维表面图。

具体实施方式

下面，详细地描述如图所示的本发明的不同的实施例。图1到31上的标注数字所表示的符号意义可以从附录表中看到。

图2a-c显示辐射单元202，它是由铜、铝或任何金属元件制成。辐射单元202也可以由涂覆以金属印层(metallic print)的木材或塑料、它的支架202c、和超宽频带单极子天线100的RF连接头206组成。所述支架202c附着在其上印刷着金属化接地面204的介质基片205。RF连接头206用于把辐射单元202连接到基带处理块210(接收情形)，该基带处理块用于把接收的微波信号从RF频段下变频到基带，或把辐射单元202连接到天线馈电电路211(发送情形)，该天线馈电电路用于以电子方式操纵对称全向辐射方向图。有利地，连接天线馈电电路211与辐射单元202的底面202a’的馈电线202b以同轴电缆或微带线实现。因此，不需要任何专门的安装管脚。

按照本发明的另一个实施例，单极子天线100具有非平衡的RF输入端口，例如，在US 2002/0053994 A1中公开的，它在消费电子设备的实施方案方面提供更大的灵活性。而且，当把天线经由同轴电缆连接到RF模块时，非平衡输入端口是更灵活的。它还允许金属化接地面204与天线馈电电路211的地的直接连接，以及可用于测量用途，这时传统的网络分析仪就已足够，而在平衡RF输入端口的情形下，需要差分到单端转换器(对称到非对称转换器)。

如图2b和2c所示，放置在超宽频带单极子天线100的辐射单元202的空气填充的部分内的模拟前端电路的至少一个部件207包括频段选择滤波装置207a，用于衰减被包含在接收的微波信号的RF信号频谱中的寄生的带外分量，放大装置207b，用于控制无线通信设备的输入功率电平，以及带通滤波装置207c，用于抑制在接收的RF信号频谱中的带外的频率。

按照本发明的一个实施例，超宽频带单极子天线是专门设计工作在3.1与10.6GHz之间的频率范围内的、天线端的一部分。所述天线在整个频段提供具有仰角90度的、在方位角上对称的全向辐射方向图。辐射波束由此呈现线性垂直极化，线性相位变化量Δφ对频率ω，这意味着在整个频率范围内的群时延：

以及在整个频率范围上平坦的幅度响应(约3dB)。在不使用电阻性负载时，在将复数值反射系数的大小定义为入射到天线端的功率对从天线端反射的功率的比值时反射损耗

$\mathrm{RL}:=-20\·{\log }_{10}\left|\underset{\‾}{\mathrm{\ρ}}\right|\left[\mathrm{dB}\right],---\left(2a\right)$

在3.1与10.6GHz之间的频率范围内具有小于-10dB的数值，这相应于电压驻波比

$\mathrm{VSWR}=\frac{1+\left|\underset{\‾}{\mathrm{\ρ}}\right|}{1-\left|\underset{\‾}{\mathrm{\ρ}}\right|}---\left(2b\right)$

小于2。在使用电阻性负载和/或附加阻抗匹配电路的情形下，甚至可以达到优于-10dB的反射损耗。

下面，将更详细地解释如图所示的、按照本发明的12个实施例300a-1的超宽频带单极子天线100的不同的设计。

图3a显示第一个3D表面图，它显示按照本发明的第一实施例300a的超宽频带单极子天线100的第一个设计，其中辐射单元202具有圆截面和圆锥结构的旋转对称形式。

第二个3D表面图在图3b显示，它显示按照本发明的第二实施例300b的单极子天线100的辐射单元202的第二个设计，包括具有圆截面和圆锥结构的旋转对称形式的第一部分300b1，以及具有其圆形顶面与圆锥的第一部分300b1的圆形底面同形的、封闭的圆柱的形式的第二部分300b2。由此，圆柱形的第二部分300b2的圆形顶面被同轴地安排在圆锥的第一部分300b1的圆形底面上面。

图3c显示第三个3D表面图，它显示按照本发明的第三实施例300c的单极子天线100的辐射单元202的第三个设计，其中辐射单元202具有圆截面、圆锥结构和凹形3D表面的旋转对称形式。

图3d所示的第四个3D表面图，它显示按照本发明的第四实施例300d的单极子天线100的辐射单元202的第四个设计，包括具有圆截面、圆锥结构、凹形3D表面的旋转对称形式的第一部分300d1，以及具有其圆形顶面与圆锥的第一部分300d1的圆形底面同形的、封闭的正圆柱形式的第二部分300d2，其中圆柱形的第二部分300d2的圆形顶面被同轴地安排在圆锥的第一部分300d1的圆形底面上面。

图3e显示第五个3D表面图，它显示按照本发明的第五实施例300e的单极子天线100的辐射单元202的第五个设计，其中辐射单元202具有圆截面、圆锥结构和凸形3D表面的旋转对称形式。

第六个3D表面图示于图3f，它显示按照本发明的第六实施例300f的单极子天线100的辐射单元202的第六个设计，包括具有圆截面、圆锥结构、凸形3D表面的旋转对称形式的第一部分300f1，以及具有其圆形顶面与圆锥的第一部分300f1的圆形底面同形的、封闭的正圆柱的形式的第二部分300f2，其中圆柱形的第二部分300f2的圆形顶面被同轴地安排在凸形的第一部分300f1的圆形底面上面。

图3g显示第七个3D表面图，它显示按照本发明的第七实施例300g的单极子天线100的辐射单元202的第七个设计，其中辐射单元202具有方形底面、截断的正棱锥的形式。

第八个3D表面图示于图3h，它显示按照本发明的第八实施例300h的单极子天线100的辐射单元202的第八个设计，包括具有截断的正方形棱锥的形式的第一部分300h1，以及具有其方形顶面与棱锥的第一部分300h1的方形底面同形的、封闭的正矩形六面体(立方体)的形式的第二部分300h2，其中立方体的第二部分300h2的方形顶面被放置在棱锥的第一部分300h1的同形的方形底面上面。

图3i显示第九个3D表面图，它显示按照本发明的第九实施例300i的单极子天线100的辐射单元202的第九个设计，其中辐射单元202具有沿纵向的、围绕圆柱的周边在方位角方向等间隔布置的四个V形径向凹口的正圆柱体的形式，这导致具有两个互相垂直的椭圆形带条形式的截面。

类似地，图3j显示第十个3D表面图，它显示按照本发明的第十实施例300j的单板子天线100的辐射单元202的第十个设计，其中辐射单元202具有沿纵向的、围绕半球的周边在方位角方向等间隔布置的四个V形径向凹口的半球的形式，这导致具有两个互相垂直的椭圆形带条形式的截面。

第十一个3D表面图示于图3k，它显示按照本发明的第十一实施例300k的单极子天线100的辐射单元202的第十一个设计，包括至少两个相同的或不同的高度的部分，每个部分具有圆截面、圆锥结构以及凸形3D表面的旋转对称形式。图3k显示其中只使用四个部分(300k1，300k2，300k3，300k4)的例子，其中每个部分300k2，300k3，和300k4具有圆形顶面分别与部分300k1，300k2，和300k3的圆形底面同形。所述部分300k1，300k2，300k3，和300k4按它们的半径的长度的次序互相堆叠。部分300k2，300k3，和300k4的圆形顶面被分别同轴地安排在相邻的下一个较小的部分300k1，300k2，和300k3的同形的圆形底面的上部。

第十二个3D表面图示于图31，它显示按照本发明的第十二实施例300l的单极子天线100的辐射单元202的第十二个设计，包括具有截断的正圆锥形式的第一部分300l1，以及具有较小高度和较大孔径角的封闭的正圆锥形式的第二部分300l2，其中第二部分300l2的锥顶面被同轴地安排在第一部分300l1的圆形底面的中心的上面。

在辐射单元202的腔体谐振器202a内，横向电磁模式(TEM)波与在辐射单元202的底面202a’处产生的高阶模式一起存在。这些高阶模式是对于天线阻抗Z(ω)＝R(ω)+jX(ω)的电抗部分X(ω)的主要贡献。电磁波在底面202a’处的反射和由此产生的驻波导致具有电抗部分X(ω)≠0的复数值天线输入阻抗Z(ω)。可以看到，X(ω)取决于辐射单元的长度以及X(ω)＝0只对于具有无穷长的双圆锥辐射单元202才能达到。通过增加辐射单元202的孔径角度，电抗X在整个频率范围内可保持为最小值。同时，天线输入阻抗Z(ω)的电阻部分R(ω)变得对于改变角频率ω或长度的改变不太敏感。

本发明的再一个实施例涉及无线通信设备的RF收发信机，其中采用如上所述的单极子天线100。而且，与上述的相同类型的另一个单极子天线100’可以相对于现有的单极子天线100对称地附着到金属化接地面204的后面，因此，形成用于按超宽频带频率范围确定尺寸的偶极子天线。

最后，本发明涉及具有包括如上所述的RF收发信机的无线接口的电子装置。

表：显示的特性和它们的相应的标注符号

No.	系统部件，技术特性
		100	被附着到无线通信设备的模拟前端电路的、用于发送和/或接收在预定的工作带宽内的微波信号的、具有对称全向辐射方向图的超宽频带单极子Tx/Rx天线的3D表面图。(见图3h)
100’	相对于现有的单极子天线100被对称地附着到金属化接地面204的后面的、相同类型的第二Tx/Rx单极子天线(未示出)，因此形成按超宽频带频率范围确定尺寸的偶极子天线
		200a	示意图，显示被附着在其上印刷着金属化接地面204的介质基片205上的超宽频带单极子Tx/Rx天线100的辐射单元202、它的支架202c、和RF连接头206
200b	按照图2a的示意图，另外显示被放置在超宽频带单极子Tx/Rx天线100的辐射单元202内的模拟前端电路的方框图，所述部件包括频段选择滤波装置207a、放大装置207b和图像抑制滤波装置207c
		200c	按照图2c的示意图，另外显示超宽频带单极子Tx/Rx天线100的基带处理块210，它用来分别把要发送的基带信号从基带变换成RF频段，以及把接收的微波信号从RF频段变换成基带，以及超宽频带单极子Tx/Rx天线100的天线馈电电路211，它用来以电子方式操控对称全向辐射方向图的辐射波束
202	超宽频带单极子Tx/Rx天线100的辐射单元
		202a	具有导电表面的空气的和/或介质填充的腔体谐振器，它用作为辐射单元202
202a’	由导电材料制成的辐射单元202的底面，它分别连接到基带处理块210(接收情形)或天线馈电电路211(发送情形)
		202b’	由导电材料制成的辐射单元202的辐射器面

202b	以轴电缆或微带线实现的馈电线，连接天线馈电电路211与辐射单元202的底面202a’
		202c	固定地附着到介质基片205的辐射单元202的支架
204	印刷在(电介质)基片205的金属化接地面，用作为反射器，在有限的频段内对于电磁波有相对较高的表面阻抗
		204U	金属化接地面204的上层
205	其上印刷着金属化接地面204的、超宽频带单极子Tx/Rx天线100的介质基片
		205B	介质基片205的底面
206	超宽频带单极子Tx/Rx天线100的RF连接头，用于分别把辐射单元202连接到基带处理块210(接收情形)或天线馈电电路211(发送情形)
		207	放置在超宽频带单极子Tx/Rx天线100的辐射单元202内的模拟前端电路的部件，所述部件包括频段选择滤波装置207a、放大装置207b和图像抑制滤波装置207c
207a	放置在辐射单元202内的模拟前端电路的频段选择滤波器，用于衰减包含在接收的微波信号的信号频谱中寄生的带外分量
		207b	放置在辐射单元202内的模拟前端电路的低噪声放大器(LNA)，用于控制无线通信设备的输出功率电平
207c	放置在辐射单元202内的、模拟前端电路的图像抑制滤波器，用于抑制在得到的微波信号频谱中的图像频率
		207M1	第一微带线，连接底面202a’与天线馈电电路211
207M2	第二微带线，把放置在辐射单元202内的模拟前端电路的部件207连接到基带处理块210
		210	超宽频带单极子Tx/Rx天线100的基带处理块，用于分别把要被发送的基带信号从基带上变换成RF频段以及把接收的微波信号从RF频段下变换成基带
211	超宽频带单极子Tx/Rx天线100的天线馈电电路，用于以电子方式操控对称全向辐射方向图的辐射波束

300a	显示按照本发明的第一实施例的单极子天线100的第一个设计的第一个3D表面图，其中辐射单元202具有圆截面和圆锥结构的旋转对称形式(为了简化图像表示，以八边形底面202a’以及八边形辐射面202b’的截断正棱锥的形式画出)
		300b	显示按照本发明的第二实施例的单极子天线100的第二个设计的第二个3D表面图，其中辐射单元202包括具有圆截面和圆锥结构的旋转对称形式的第一部分300b1(参阅图3a)，以及具有其圆形顶面与圆锥的第一部分300b1的圆形底面同形的、封闭的圆柱的形式的第二部分300b2，其中，圆柱形的第二部分300b2的圆形顶面被同轴地安排在圆锥的第一部分300b1的圆形底面上面(近似地由3D表面图表示为具有其顶面被安排在截断的正八边形棱锥300b1的同形底面上面的正八边形棱柱300b2的截断的正八边形棱锥)
300b1	具有圆截面和圆锥结构的旋转对称形式的、第二3D表面图结构300b的第一部分(参阅图3a)
		300b2	同轴地安排在第一部分300b1的同形的底面上的、具有正圆柱形式的、第二3D表面图结构300b的第二部分
300c	显示按照本发明的第三实施例的单极子天线100的第三个设计的第三个3D表面图，其中辐射单元202具有圆截面、圆锥结构和凹形面的旋转对称形式(为了简化图像表示，以三个截断的正八边形棱锥300c1，300c2和300c3的形式画出)
		300d	显示按照本发明的第四实施例的单极子天线100的第四个设计的第四个3D表面图，其中辐射单元202包括具有圆截面、圆锥结构和凹形面的旋转对称形式的第一部分300d1(参阅，图3c)，以及具有其圆形顶面与圆锥的第一部分300d1的圆形底面同形的、封闭的正圆柱的形式的第二部分300d2，其中圆柱形的第二部分300d2的圆形顶面被同轴地安排在凹形的第一部分300d1的圆形底面上面(近似地由3D表面图表示为具有其顶面被安排在最大的棱锥300d1c的同形底面上面的正八边形棱柱300d2的、三个截断的正八边形棱锥300d1a-c)

300d1	具有圆截面、圆锥结构和凹形面的旋转对称形式的、第四个3D表面图结构300d的第一部分(参阅图3c)
		300d2	同轴地安排在第一部分300d1的同形的底面上的、具有圆柱形式的、第四个3D表面图结构300d的第二部分
300e	显示按照本发明的第五实施例的单极子天线100的第五个设计的第五个3D表面图，其中辐射单元202具有圆截面、圆锥结构和凸形面的旋转对称形式(为了简化图像表示，以三个截断的正八边形棱锥300e1，300e2和300e3的形式画出)
		300f	显示按照本发明的第六实施例的单极子天线100的第六个设计的第六个3D表面图，其中辐射单元202包括具有圆截面、圆锥结构和凸形面的旋转对称形式的第一部分300f1(参阅，图3e)，以及具有其圆形顶面与圆锥的第一部分300f1的圆形底面同形的、封闭的正圆柱的形式的第二部分300f2，其中圆柱形的第二部分300f2的圆形顶面被同轴地安排在凸形的第一部分300f1的圆形底面上面(近似地由3D表面图表示为具有其顶面被安排在最大的正棱锥300f1c的同形底面上面的正八边形棱柱300f2的、三个截断的正八边形棱锥300f1a-c)
300f1	具有圆截面、圆锥结构和凸形面的旋转对称形式的、第六个3D表面图结构300f的第一部分(参阅图3e)
		300f2	同轴地安排在第一部分300f1的同形的底面上的、具有圆柱的形式的、第六个3D表面图结构300f的第二部分
300g	显示按照本发明的第七实施例的单极子天线100的第七个设计的第七个3D表面图，其中辐射单元202具有方形底面的截断的正棱锥的形式
		300h	显示按照本发明的第八实施例的单极子天线100的第八个设计的第八个3D表面图，其中辐射单元202包括具有截断的正方形棱锥的形式的第一部分300h1(参阅图3g)，以及具有其方形顶面与棱锥的第一部分300h1的方形底面同形的、封闭的正矩形六面体(立方体)形式的第二部分300h2，其中立方体的第二部分300h2的方形顶面被放置在棱锥的第一部分300h1的同形的方形底面上面。

300h1	具有截断的正方形棱锥的形式的、第八个3D表面图结构300h的第一部分(参阅图3g)
		300h2	安排在第一部分300h1的同形的底面上的、具有方形底面202a’的正矩形六面体(立方体)形式的、第八个3D表面图结构300h的第二部分
300i	显示按照本发明的第九实施例的单极子天线100的第九个设计的第九个3D表面图，其中辐射单元202具有沿纵向的、围绕圆柱的周边在方位角方向等间隔布置的四个V形径向凹口的正圆柱体的形式，这导致具有两个互相垂直交叉的带条形式的截面。每个带条具有径向为楔形的厚度和圆形末端
		300j	显示按照本发明的第十实施例的单极子天线100的第十个设计的第十个3D表面图，其中辐射单元202具有沿纵向的、围绕半球的周边在方位角方向等间隔布置的四个V形径向凹口的半球的形式，这导致具有两个互相垂直交叉的带条的形式的截面，每个带条具有径向楔形的厚度和圆形末端
300k	显示按照本发明的第十一实施例300k的单极子天线100的第十一个设计的第十一个3D表面图，其中辐射单元202包括四个不同尺寸的部分，每个部分具有圆截面、圆锥结构以及凸形3D表面的旋转对称形式，其中每个部分300k2，300k3，和300k4具有分别与部分300k1，300k2，和300k3的圆形底面同形的圆形顶面，所述部分300k1，300k2，300k3，和300k4按它们的半径的长度的次序互相堆叠，其中部分300k2，300k3，和300k4的圆形顶面被分别同轴地安排在相邻的下一个较小的部分300k1，300k2，和300k3的同形的圆形底面的上部(近似地由3D表面图表示为按它们的底面尺寸互相堆叠的四个八边形部分300k1，300k2，300k3，和300k4，每个部分包含按它们的底面尺寸互相堆叠的、三个截断的正八边形棱锥300kna，300knb，和300knc(n∈{1，2，3，4}))
		300k1	按照本发明的第十一实施例300k的单极子天线100的第一(最小)部分，具有圆截面、圆锥结构和凸形面的旋转对称形式

300k2	按照本发明的第十一实施例300k的单极子天线100的第二部分，具有圆截面、圆锥结构和凸形面的旋转对称形式
		300k3	按照本发明的第十一实施例300k的单极子天线100的第三部分，具有圆截面、圆锥结构和凸形面的旋转对称形式
300k4	按照本发明的第十一实施例300k的单极子天线100的第四(最大)部分，具有圆截面、圆锥结构和凸形面的旋转对称形式
		300l	显示按照本发明的第十二实施例300l的单极子天线100的第十二个设计的第十二个3D表面图，其中辐射单元202包括具有截断的正圆锥形式的第一部分300l1，以及具有较小高度和较大孔径角度的封闭的正圆锥的形式的第二部分300l2，其中第二部分300l2的锥顶面被同轴地安排在第一部分300l1的圆形底面的中心的上面。(近似地由3D表面图表示为具有截断的正十二边形棱锥的形式的第一部分300l1，以及具有较小的高度和较小的棱锥倾斜角度的封闭的正十二边形棱锥的形式的第二部分300l2，其中第二部分300l2的棱锥顶面被安排在第一部分300l1的底面中心的上面)
300l1	按照本发明的第十二实施例的单极子天线100的第一部分，具有截断的正圆锥的形式
		300l2	按照本发明的第十二实施例的单极子天线100的具有正圆锥形式的第二部分，被同轴地安排在第一部分300l1的圆形底面的中心的上面

Claims (28)

1.可附在无线通信设备的模拟前端电路的微波信号单极子天线，其中所述天线(100)是按超宽频带频率范围确定尺寸的，以及包括

用作为辐射单元(202)的具有带底面(202a’)的辐射单元(202a)的三维腔体结构，

金属化接地面(204)，

天线馈电电路(211)，和

连接天线馈电电路(211)与辐射单元(201)的底面(202a’)的馈电线(202b)。

2.按照权利要求1的单极子天线，

包括

也用作为辐射单元的辐射器面(202b’)。

3.按照权利要求1或2的单极子天线，

其特征在于

模拟前端电路的至少一些部分(207)被放置在超宽频带单极子天线(100)的辐射单元(202)内。

4.按照权利要求3的单极子天线，

其特征在于

设置在辐射单元(202)内的模拟前端电路包括频段选择滤波装置(207a)、放大装置(207b)、和带通滤波装置(207c)的至少一项。

5.按照前述权利要求的任一项的单极子天线，

其特征在于

辐射单元(202)具有圆形截面和圆锥结构的旋转对称形式。

6.按照权利要求1到4的任一项的单极子天线，

其特征在于

辐射单元(202)包括具有圆截面和圆锥结构的旋转对称形式的第一部分(300b1)，以及具有其圆形项面与圆锥的第一部分300b1的圆形底面同形的、封闭的正圆柱的形式的第二部分(300b2)，其中圆柱形的第二部分(300b2)的圆形顶面被同轴地安排在圆锥的第一部分(300b1)的同形的圆形底面上面。

7.按照权利要求1到4的任一项的单极子天线，

其特征在于

辐射单元202具有圆截面、圆锥结构和凹形3D表面的旋转对称形式。

8.按照权利要求1到4的任一项的单极子天线，

其特征在于

辐射单元202包括具有圆截面、圆锥结构、凹形3D表面的旋转对称形式的第一部分(300d1)，以及具有其圆形顶面与圆锥的第一部分(300d1)的圆形底面同形的、封闭的正圆柱的形式的第二部分(300d2)，其中圆柱形的第二部分(300d2)的圆形顶面被同轴地安排在圆锥的第一部分(300d1)的同形的圆形底面上面。

9.按照权利要求1到4的任一项的单极子天线，

其特征在于

辐射单元(202)具有圆截面、圆锥结构和凸形3D表面的旋转对称形式。

10.按照权利要求1到4的任一项的单极子天线，

其特征在于

辐射单元(202)包括具有圆截面、圆锥结构、凸形3D表面的旋转对称形式的第一部分(300f1)，以及具有其圆形顶面与圆锥的第一部分(300f1)的圆形底面同形的、封闭的正圆柱形式的第二部分(300f2)，其中圆柱形的第二部分(300f2)的圆形顶面被同轴地安排在凸形的第一部分(300f1)的同形的圆形底面上面。

11.按照权利要求1到4的任一项的单极子天线，

其特征在于

辐射单元(202)具有方形底面、截断的正棱锥的形式。

12.按照权利要求1到4的任一项的单极子天线，

其特征在于

辐射单元(202)包括具有截断的正方形棱锥的形式的第一部分(300h1)，以及具有其方形顶面与棱锥的第一部分300h1的方形底面同形的、封闭的正矩形六面体形式的第二部分(300h2)，其中立方体的第二部分(300h2)的方形顶面被放置在棱锥的第一部分(300h1)的同形的方形底面上面。

13.按照权利要求1到4的任一项的单极子天线，

其特征在于

辐射单元202具有沿纵向的、围绕圆柱的周边在方位角方向等间隔布置的四个V形径向凹口的正圆柱体的形式，这导致具有两个互相垂直的椭圆形带条形式的截面。

14.按照权利要求1到4的任一项的单极子天线，

其特征在于

辐射单元202具有沿纵向的、围绕半球的周边在方位角方向等间隔布置的四个V形径向凹口的半球形式，这导致具有两个互相垂直的椭圆形带条形式的截面。

15.按照权利要求1到4的任一项的单极子天线，

其特征在于

辐射单元202包括至少两个相同的或不同的高度的部分(300k1，300k2，300k3，300k4，...，300kn)，每个部分具有圆截面、圆锥结构以及凸形3D表面的旋转对称形式，其中第一组所述部分(300k2，300k3，300k4，...，300kn)的每个部分分别具有与第二组所述部分(300k1，300k2，300k3，...，300kn)的部分的圆形底面同形的圆形顶面，所述部分(300k1，300k2，300k3，300k4，...，300kn)按它们的半径长度的次序互相堆叠，其中所述第一组(300k2，300k3，300k4，...，300kn)的部分的圆形顶面被分别同轴地安排在所述第二组(300k1，300k2，和300k3)的相邻的下一个较小的部分的同形的圆形底面的上部。

16.按照权利要求1到4的任一项的单极子天线，

其特征在于

辐射单元(202)包括具有截断的正圆锥的形式的第一部分(30011)，以及具有较小的高度和较大的孔径角度的封闭的正圆锥的形式的第二部分，其中第二部分(30012)的锥顶面被同轴地附着在第一部分(30011)的圆形底面的中心上。

17.按照权利要求1到16的任一项的单极子天线，

其特征在于

辐射波束呈现线性垂直极化。

18.按照权利要求1到17的任一项的单极子天线，

其特征在于

连接天线馈电电路(211)与辐射单元(201)的底面(202a’)的馈电线(202b)用同轴电缆来实现。

19.按照权利要求1到17的任一项的单极子天线，

其特征在于

连接天线馈电电路(211)与辐射单元(201)的底面(202a’)的馈电线(202b)用微带线来实现。

20.按照权利要求19的单极子天线，

其特征在于

辐射波束在整个频率范围内呈现约3dB的平坦幅度响应。

21.按照权利要求19或20的任一项的单极子天线，

其特征在于

在整个频率范围内提供在仰角上160度的、在方位角上对称全向辐射的方向图。

22.按照权利要求21的单极子天线，

其特征在于

对称全向辐射方向图近似呈现随频率的线性相位变化。

23.按照权利要求19到22的任一项的单极子天线，

其特征在于

在3.1与10.6GHz之间的频率范围内具有小于-10dB的反射损耗，这相应于电压驻波比小于2。

24.按照权利要求19到22的任一项的单极子天线，

其特征在于

当使用电阻性负载和/或附加的阻抗匹配电路时，在3.1与10.6GHz之间的频率范围内具有甚至优于-10dB的反射损耗。

25.按照前述权利要求的任一项的单极子天线，

其特征在于

辐射单元(202)的总体尺寸小于1cm³。

26.无线通信设备的RF收发信机，

其特征在于

按照权利要求1到25的任一项的单极子天线(100)。

27.按照权利要求26的RF收发信机，

其特征在于

按照权利要求1到25的任一项的另一个单极子天线(100’)

相对于已有的单极子天线(100)对称地附着到金属化接地面的后面，因此，形成对于超宽频带频率范围定尺寸的偶极子天线。

28.具有包括按照权利要求26或27的任一项的RF收发信机的无线接口的电子装置。

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