CN1685562A - 宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及宽带天线，其中具体公开了一种单锥天线，包括：在电介质主体中形成的基本为圆锥形的空腔；在空腔表面上形成的辐射电极；形成得靠近电介质主体另一相对端并与之基本平行的接地导体。电信号作用到辐射电极的近顶点部分和一部分接地导体之间。基本为圆锥形的空腔的半锥角(α)根据与相对介电常数(∈r)相应的某个规则而确定。通过此构造，单锥天线借助电阻性负载而小型化，同时充分保持它固有的宽带特性。

Description

宽带天线
技术领域
本发明涉及一种用于无线电通信，包括无线LAN，的天线。更具体地，本发明涉及一种宽带天线，该天线包括在形成于电介质一个端面中的基本为圆锥形的空腔中设置的辐射电极、以及在电介质另一个端面上设置的接地导体。
再具体点，本发明涉及一种宽带天线，其宽带特性的固有性质得以充分保持，并借助电介质负载而进一步实现尺寸减小。特别是，本发明涉及一种宽带天线，其中，型面和宽度减小的实现与电介质的选择无关。
进一步地，本发明涉及一种其频带用辐射导体上的电阻性负载拓宽的宽带天线，并且涉及一种宽带天线，该天线包括容易批量生产且由电阻性负载构成的辐射导体。
背景技术
近年来，随着无线LAN系统速度提高和价格下降，对它们的需要显著增长。尤其是现在，已经广泛考虑引入个人局域网(PAN)，以便在信息通信室周围的多个共用电子设备之间建立小规模无线网络。例如，已经用频带，如2.4-GHz频带和5-GHz频带，定义不同的无线电通信系统，这些频带不需从主管当局获得许可。
在包括无线LAN的无线电通信中，信息通过天线传输。例如，单锥天线包括：在电介质中的基本为圆锥形的空腔内形成的辐射电极；以及在电介质底面上形成的接地电极。因而，可通过位于辐射电极和接地电极之间的电介质的波长缩短效应而构成具有相对较宽频带特性的小型天线。
具有宽带特性的天线可用于UWB(超宽带)通信，其中，例如，数据以3GHz至10GHz的超宽频带进行传送和接收。小型天线用于减小无线电设备的尺寸和重量。
例如，未经审查的日本专利出版物Hei 8(1996)-139515公开一种用于无线LAN的小型电介质垂直偏振天线。此电介质垂直偏振天线按如下构成：圆柱形电介质的一个基底(base)被圆锥形挖空，并且在此形成辐射电极，而且在相对侧的基底上形成接地电极。辐射电极通过通孔中的导体而引出到接地电极。(参见未经审查的专利出版物中的图1)。
未经审查的专利出版物中的图5说明此电介质垂直偏振天线的天线特性。根据此图，它的工作频带大约是100MHz。(中心频率大约是2.5GHz；从而，相对带宽是大约4％。)单锥天线固有地具有不小于一个倍频程的工作频带；从而，不能说以上天线充分地传递期望的宽带特性。
例如，天线的小型化意味着其型面或宽度的减小。例如，未经审查的日本专利出版物Hei 9(1997)-153727提出一个与单锥天线宽度减小有关的建议。然而，该建议是辐射导体应该简单地以半椭圆回转体形状形成，并且不知道它是否可应用于侧面被电介质覆盖而没有任何变更的天线结构。
图31示意性地说明具有单个圆锥辐射电极的单锥天线的构成。在该图中示出的单锥天线包括：以基本为圆锥的形状形成的辐射导体；以及接地导体，接地导体形成得在它与辐射导体之间设置间隙。电信号提供给该间隙。
图32说明单锥天线的VSWR(电压驻波比)特性的实例。在从4GHz到9GHz的较宽范围上得到不大于2的VSWR，并且这表示该天线具有相对较宽的带宽。
一种用于进一步拓宽此单锥天线的频带的已知方法是在辐射导体上的加载电阻。图33和图34说明单锥天线的构成实例，该天线的辐射导体由包含电阻元件的低导电率部件形成，以取代高导电率金属。对于此结构，减小馈给部分上的反射功率，并且这导致扩展的匹配频带。具体地，由于匹配频带的下限频率被扩展(向下)，因此，以上结构还作为用于减小天线尺寸的手段。如图33所示，辐射电极可由具有恒定低导电率的材料形成。然而，如果导电率如图34中所示地分布(在上基底侧，导电率更低)，该效果就表现得更好。
在单锥天线的辐射导体上加载电阻的各种方法是已知的。具体实例包括：把以片状形成的低导电率部件粘附到锥形绝缘体上的方法；以及应用低导电率部件的方法，该部件作为涂敷材料。(例如参见James G.Maloney等写的“用于脉冲辐射的锥形天线的优化：使用电阻性负载的有效设计”(与天线和传播有关的IEEE处理，1993年7月，第41卷、第7，第940-947页))
然而，如果考虑批量生产，粘附片的方法的生产率确实较低，并且不是理想的。对于应用涂敷的方法，难以使涂层的厚度均匀而不能控制导电率，并且此方法也不是理想的。
发明内容
本发明的目的是提供一种优秀的单锥天线，包括：在形成于电介质一个端面中的基本为圆锥形的空腔内设置的辐射电极；以及设置在电介质另一端面上的接地导体。
本发明的另一目的是提供一种优秀的单锥天线，其中，其宽带特性的固有性质得到充分保持，并进一步地，通过电介质负载而实现尺寸减小。
本发明的又一目的是提供一种优秀的单锥天线，其中，型面和宽度减小的实现与电介质的选择无关。
本发明的再一目的是提供一种优秀的单锥天线，该天线具有适于批量生产的馈送部分结构。
本发明的还一目的是提供一种优秀的锥形天线，其中，在它的辐射导体上加载电阻，以便拓宽频带。
本发明的另一目的是提供一种包括辐射导体的优秀天线，该天线容易批量生产并且由电阻性负载构成。
本发明已经考虑以上问题。本发明的第一方面是一种单锥天线，包括：在电介质一个端面中形成的基本为圆锥形的空腔；设置在空腔表面上的辐射电极；以及设置得靠近电介质另一端面并与之基本平行的接地导体，其中，另一端面与所述一个端面相对。单锥天线构造为：电信号馈送到辐射电极的近顶点区域与接地导体区域之间。
单锥天线的特征在于：
通过根据相对介电常数εr的预定规则而确定基本为圆锥形的空腔的半锥角α，所述空腔在电介质的一个端面中形成。
然而，在此提到的“空腔的半锥角”定义为在圆锥的中心轴与其侧面之间形成的角度。
根据本发明，单锥天线所固有的宽带特性的质量得以充分保持，并进一步地通过电介质负载而实现尺寸减小。
形成于电介质一个端面中的基本为圆锥形的空腔的半锥角α通过以下描述半锥角α与相对介电常数εr关系的表达式而确定：
α＝0.8·tan-1(1.7/εr)+13(角单位：度)
本发明从几个模拟的结果发现：使在电介质一个端面中形成的圆锥的匹配最优的半锥角值取决于所覆盖电介质的相对介电常数εr。通过适当地表述近似表达式并调整其系数而获得以上近似表达式。
基本为圆锥形的空腔的半锥角α按以下情形分别定义：在圆锥的情形中，该角在圆锥的中心轴和其侧面之间形成。在椭圆锥或棱锥的情形中，该角是中心轴与侧面之间形成的最小角和最大角的平均值。
辐射电极形成得用来填充基本为圆锥形的空腔。
本发明的第二方面是一种单锥天线，包括：在电介质一个端面中形成的基本为圆锥形的空腔；设置在空腔表面上的辐射电极、或设置得用来填充空腔的辐射电极；以及设置得靠近电介质另一端面并与之基本平行的接地导体，其中，所述另一端面与所述一个端面相对。该单锥天线构造为：电信号馈送到辐射电极的近顶点区域与接地导体区域之间的部分。
单锥天线的特性在于：
空腔的高度h与空腔基底的有效半径r的比值通过根据电介质相对介电常数εr的预定规则而确定。
然而，在此提及的“空腔高度”定义为从空腔顶点画到空腔基底的垂线段的长度。“空腔基底的有效半径”定义为基底的中点与外包络线之间的距离，其中，对于中点，采用空腔基底与垂线的交点。“空腔的半锥角”定义为在空腔侧面的切线与重线之间形成的角度。
本发明人发现单锥天线的半锥角的设定对阻抗匹配频带有很大影响。接着，本发明人得出：通过用以下描述半锥角α与相对介电常数εr关系的表达式而确定在电介质一个端面中形成的圆锥形空腔的半锥角α(在圆锥的中心轴与侧面之间形成的角度)，从而可使阻抗匹配频带最大化，所述表达式为：
α＝0.8·tan-1(1.7/εr)+13(角单位：度)
也就是说，圆锥的最佳半锥角取决于电介质的相对介电常数。在基于以上表达式构成的单锥天线中，它的侧面用电介质覆盖；从而，不可避免地获得小型化的效果。(这是由在辐射电极和接地导体之间产生的电磁场的波长缩短而导致的。)从而，在封装时，适当地选择相对介电常数，即电介质，以满足小型化的要求，接着，确定圆锥的半锥角。
如果单锥天线仅基于此构成方法而形成，那么，通过提高电介质的相对介电常数εr就可实现天线尺寸的减小。然而，与此同时，半锥角α也减小(即，天线变得长度比宽度更长)。从而，天线的高度不显著降低。如果希望极其细长地形成天线，就可根据以上表达式而增加相对介电常数εr。然而，事实上，不是无限地存在各种相对介电常数的电介质。
简而言之，其型面或宽度减小的圆锥的半锥角偏离导致有利阻抗匹配的最佳值。为解决此问题，本发明构造为：通过对半锥角分级而进行补偿。
以采用低型面构造的情形为例。在此情形中，空腔的半锥角逐步变化，从而，根据以下表达式，从基底部分到顶点部分，半锥角减小。此表达式描述空腔高度h和空腔基底的有效半径r的比值与相对介电常数εr之间的关系。
tan-1(r/h)＞0.8·tan-1(1.7/εr)+13(角单位：度)
以采用细长构造的情形作为另一实例。在此情形中，空腔的半锥角逐步变化，从而，根据以下表达式，从基底部分到顶点部分，半锥角增加。此表达式描述空腔高度h和空腔基底的有效半径r的比值与相对介电常数εr之间的关系。
tan-1(r/h)＜0.8·tan-1(1.7/εr)+13(角单位：度)
在低型面构造和细长构造的任一情形中，两级半锥角基本上就足够。不必多说，分级的数量可增加到三或更多，或者，可存在半锥角连续变化的部分。
然而，在辐射电极顶点部分上的半锥角必须小于90°。进一步地，在接近辐射电极顶点部分时，优选半锥角的变化缓和。由此可见，在接近顶点部分时，应该努力保持等角圆锥，即，馈送部分遵循Rumsey的等角理论。(对于Rumsey的等角理论，参阅V.Rumsey著作的“定阻抗天线”(Academic Press，1966))。必须注意别偏离以上原理。否则单锥天线中固有的超宽频带特性会损失。
在这，可采用以下构造：在上述另一端面上形成用于馈送的电极，并且穿透电介质。因而，辐射电极与馈送电极的一端在近顶点区域电连接在一起。进一步地，馈送电极的另一端形成为到达所述电介质的侧面。在此情况下，电信号馈送到馈送电极的另一端与接地导体之间。从而，获得适于批量生产的馈送部分结构。
本发明的第三方面是一种单锥天线，包括：基本为圆锥形的辐射电极；以及设置得接近所述辐射电极的接地导体。该单锥天线构造为：电信号馈送到辐射电极的近顶点区域与接地导体区域之间。
单锥天线的特征在于：
连接基本为圆锥形的辐射电极的顶点与圆锥基底中心的直线不与圆锥的基底正交。然而，在此提及的“圆锥基底”包括圆锥基底朝上的情形。
根据本发明第二方面的单锥天线构造为：当天线的型面或宽度基于半锥角最佳值而减小时，半锥角与最佳值的偏差通过对半锥角分级而进行补偿。在此情况下，产生问题。在型面降低时获得的半锥角偏离导致有利阻抗匹配的最佳值。
为解决此问题，根据本发明第三方面的单锥天线构造为：通过设定圆锥的顶点偏离中心而补偿阻抗匹配。
本发明的第四方面是一种锥形天线，包括：
绝缘体；
在绝缘体一个端面中形成的基本为圆锥形的空腔；
在空腔的内表面上形成的辐射电极；
通过在圆周上剥离辐射电极的一部分而得到的剥离部分；
在空腔内填充到至少埋没剥离部分的水平的低导电率部件；以及
设置得靠近绝缘体另一端面并与之基本平行的、或直接在绝缘体另一端面上形成的接地导体。
根据本发明第四方面的锥形天线基本上用作单锥天线。顺便提一下，在上基底上不存在导体；然而，这不成为防碍单锥天线正确操作的原因。另外，由于在两个分开的辐射电极之间存在低导电率部件，因此，获得与电阻性负载等效的电效应。
通过电镀等在空腔的内表面上形成辐射电极。
低导电率部件可用包含导体的橡胶或弹性体构成。
电信号馈送到辐射电极和接地导体之间的间隙。可替换地，通过在接地导体中制作孔，并且辐射电极的顶点区域拉伸到背面，而馈送电信号。
如上所述，在由剥离部分分开的辐射电极之间的低导电率部件的存在，产生与电阻性负载等效的电效应。为此，如果需要，可提供两个或更多个圆周剥离部分。
如果提供两个或更多个在圆周上剥离辐射电极一部分的剥离部分，填充在空腔内的低导电率部件可设置为多层结构。所述多层结构为：在空腔内，导电率不同的部件逐层地填充到埋没每一个剥离部分的水平。此时，低导电率部件分布为：在空腔的基底一侧上，导电率更低。因而，增加使馈送部分上反射功率减小的效果，并且，这导致扩展的匹配频带。
本发明的第五方面是一种锥形天线，包括：
绝缘体；
设置在绝缘体一个端面中的基本为圆锥形的第一空腔；
在第一空腔的内表面上形成的第一辐射电极；
通过在圆周上剥离第一辐射电极的一部分而得到的第一剥离部分；
在空腔内填充到至少埋没第一剥离部分的水平的第一低导电率部件；
在绝缘体的另一端面中设置的基本为圆锥形的第二空腔；
在第二空腔的内表面上形成的第二辐射电极；
通过在圆周上剥离第二辐射电极的一部分而得到的第二剥离部分；以及
在空腔内填充到至少埋没第二剥离部分的水平的第二低导电率部件。
在根据本发明第五方面的锥形天线中，省略在绝缘体另一端面上形成接地导体。锥形天线作为双锥天线，其中，在对称形成于两个端面上的每个基本为圆锥形的空腔的内表面上布置辐射电极。
在根据本发明第五方面的双锥天线中，电信号馈送到第一和第二辐射电极之间的间隙。为此，可使用各种方法。例如，平行线可从绝缘体侧表面延伸并连接到两个辐射电极的顶点区域。
如上所述，在由剥离部分分开的辐射电极之间的低导电率部件的存在，产生与电阻性负载等效的电效应。为此，如果需要，可在第一和第二辐射电极中提供两个或更多个圆周剥离部分。
在此情况下，填充在第一和第二空腔中的第一和第二低导电率部件分别是多层结构。所述多层结构为：在第一和第二空腔内，导电率不同的部件逐层地填充到埋没每一个剥离部分的水平。此时，低导电率部件分布为：在每一个空腔的基底一侧上，导电率更低。因而，增加使馈送部分上反射功率减小的效果，并且，这导致扩展的匹配频带。
本发明的第六方面是一种锥形天线，包括：
基本为圆锥形的绝缘体；
在基本为圆锥形的绝缘体的表面上形成的辐射电极；
在圆周上分割一部分辐射电极与其下面绝缘体的圆周切口部分；
填充在圆周切口部分内的低导电率部件；以及
设置得靠近辐射电极的近顶点区域的接地导体。
在根据本发明第六方面的单锥天线中，在两个分开的辐射电极之间存在低导电率部件。从而，产生与电阻性负载等效的电效应。
如上所述，在由切口部分分开的辐射电极之间存在低导电率部件，产生与电阻性负载等效的电效应。为此，如果需要，可设置两个或更多个圆周切口部分。
在此情况下，在各个圆周切口部分中填充导电率不同的低导电率部件。此时，低导电率部件分布为：在绝缘体的基底一侧上，导电率更低。因而，增加使馈送部分上反射功率减小的效果，并且，这导致扩展的匹配频带。
本发明的第七方面是一种锥形天线，包括：
基本为圆锥形的第一绝缘体；
在基本为圆锥形的绝缘体的表面上形成的第一辐射电极；
在圆周上分割一部分第一辐射电极与其下绝缘体的第一圆周切口部分；
填充在第一圆周切口部分内的第一低导电率部件；
基本为圆锥形的第二绝缘体，其顶点与第一绝缘体顶点相对并且其基底与第一绝缘体的基底对称；
在基本为圆锥形的绝缘体的表面上形成的第二辐射电极；
在圆周上分割一部分第二辐射电极与其下绝缘体的第二圆周切口部分；以及
填充在第二圆周切口部分内的第二低导电率部件。
在根据本发明第七方面的锥形天线中，省略在绝缘体另一端面上形成接地导体。锥形天线用作双锥天线，其中，在每一个布置得彼此相对的每个基本为圆锥形的绝缘体的表面上布置辐射电极，从而它们的端面互相对称。
如上所述，在由圆周切口部分分开的辐射电极之间存在低导电率部件产生与电阻性负载等效的电效应。为此，如果需要，可提供两个或更多个圆周切口部分。
在此情况下，导电率不同的低导电率部件填充到分割第一和第二辐射电极的各个圆周切口部分中。此时，低导电率部件分布为：在绝缘体的基底一侧上，导电率更低。因而，增加使馈送部分上反射功率减小的效果，并且，这导致扩展的匹配频带。
本发明的第八方面是一种锥形天线，包括：
绝缘体；
设置在绝缘体一个端面中的基本为圆锥形的空腔；
在空腔的近顶点区域的表面上形成的馈送电极；
填充在空腔内的低导电率部件；以及
设置得靠近绝缘体另一端面并与之基本平行的、或直接在绝缘体另一端面上形成的接地导体。
根据本发明第八方面的锥形天线基本上用作单锥天线，并且低导电率部件作为辐射导体。
通过电镀等在空腔内的近顶点区域的表面上形成馈送电极。低导电率部件可用包含导体的橡胶或弹性体构成。
电信号馈送到馈送电极和接地导体之间的间隙。例如，通过在接地导体中制作孔，并且馈送电极延伸到背面侧，而馈送电信号。
填充在空腔内的低导电率部件可设置为多层结构，其中，在空腔内分别填充导电率不同的部件。此时，低导电率部件分布为：在空腔的基底一侧上，导电率更低。因而，增加使馈送部分上反射功率减小的效果，并且，这导致扩展的匹配频带。
本发明的第九方面是一种锥形天线，包括：
绝缘体；
在绝缘体一个端面中设置的基本为圆锥形的第一空腔；
在第一空腔内的近顶点区域表面上形成的第一馈送电极；
在第一空腔内填充的第一低导电率部件；
在绝缘体的另一端面中设置的基本为圆锥形的第二空腔；
在第二空腔内的近顶点区域表面上形成的第二馈送电极；以及
在第二空腔内填充的第二低导电率部件。
在根据本发明第九方面的锥形天线中，省略在绝缘体的另一端面上形成接地导体。锥形天线用作双锥天线，其中，在每一个对称形成于两个端面中的基本为圆锥形的空腔的内表面上布置馈送电极。
在根据本发明第九方面的锥形天线中，电信号馈送到第一和第二馈送电极之间的间隙。为此，可使用各种方法。例如，平行线可从绝缘体侧表面延伸并连接到两个馈送电极的顶点区域。
通过电镀等在第一和第二空腔的内表面上形成第一和第二馈送电极。第一和第二低导电率部件可由包含导体的橡胶或弹性体构成。
填充在第一和第二空腔内的第一和第二低导电率部件可设置为多层结构，其中，分别填充导电率不同的部件。此时，低导电率部件分布为：在空腔的基底一侧上，导电率更低。因而，增加使馈送部分上反射功率减小的效果，并且，这导致扩展的匹配频带。
从本发明的以下实施例以及结合附图的详细描述中，本发明的其它目的、特征和优点是显而易见的。
附图说明
图1示出根据本发明第一实施例的单锥天线1的外观和构造。
图2示出基于根据本发明第一实施例的构造的单锥天线的频率特性的计算(电磁场模拟结果)的实例。
图3示出基于根据本发明第一实施例的构造的单锥天线的频率特性的计算(电磁场模拟结果)的另一实例。
图4为包括示出半锥角-频率特性的图表和图形(右)以及由根据本发明的用于设定半锥角的表达式所描绘的图形(左)的视图。该图示出当电介质10的相对介电常数εr为1时它们之间的关系。
图5为包括示出半锥角-频率特性的图表和图形(右)以及由根据本发明的用于设定半锥角的表达式所描绘的图形(左)的另一视图。该图示出当电介质10的相对介电常数εr为3时它们之间的关系。
图6为包括示出半锥角-频率特性的图表和图形(右)以及由根据本发明的用于设定半锥角的表达式所描绘的图形(左)的又一视图。该图示出当电介质10的相对介电常数εr为5时它们之间的关系。
图7为包括示出半锥角-频率特性的图表和图形(右)以及由根据本发明的用于设定半锥角的表达式所描绘的图形(左)的还一视图。该图示出当电介质10的相对介电常数εr为8时它们之间的关系。
图8示出单锥天线的构造，从而，在电介质一个端面中形成的基本为圆锥形的空腔的半锥角α遵循与相对介电常数εr相应的预定规则。
图9示出单锥天线的天线特性，该单锥天线对于相对介电常数εr分别为2和4时具有最佳半锥角。
图10示出与最佳半锥角构造相比其型面降低的单锥天线的实例。
图11示出具有图10所示构造的单锥天线的VSWR特性。
图12示出与本发明最佳半锥角构造相比其宽度减小的单锥天线的实例。
图13示出具有图12所示构造的单锥天线的VSWR特性。
图14示出根据本发明的单锥天线的构造实例，其中，该天线设置有适于批量生产的馈送部分结构。
图15示出具有图14所示构造的单锥天线如何安装在电路板上。
图16示出使用低型面构造的单锥天线的横截面结构。
图17为图16所示低型面单锥天线的阻抗特性图和VSWR特性图。
图18示出低型面单锥天线的横截面结构，其中，圆锥形辐射电极的顶点与中心的距离为半径的25％。
图19为图18所示低型面单锥天线的阻抗特性图和VSWR特性图。
图20示出根据本发明第三实施例的单锥天线的构造。
图21示出用于论证根据本发明第三实施例的单锥天线的电效应的计算实例。
图22示出天线的构造，其中，在形成于绝缘体内的空腔的深度方向上形成两个电极剥离部分。
图23示出在绝缘体另一端面上形成接地导体的实例。在这些实例中，根据本发明的电阻性负载作用到双锥天线上，该天线通过在对称形成于两个端面中的基本为圆锥形的空腔的内表面上布置辐射电极而构成。
图24示出根据本发明另一实施例的天线的横截面结构。
图25示出锥形天线的构造，其中，在形成于绝缘体上的基本为圆锥形的辐射电极的深度方向上形成两个剥离和切口部分。
图26示出用锥形天线构造的双锥天线的构造实例，其中，通过在形成于圆锥形绝缘体表面上的辐射电极中设置环形剥离和切口部分而形成锥形天线。
图27示出根据本发明又一实施例的锥形天线的横截面结构。
图28示出图27所示锥形天线的修改例的横截面结构。
图29示出用锥形天线构造的双锥天线的构造，其中，通过在形成于绝缘体内圆锥形空腔表面上的馈送电极中填充低导电率部件而形成锥形天线。
图30示出图29所示锥形天线的修改例的横截面结构。
图31示出具有单一圆锥辐射电极的单锥天线的构造(常规实例)。
图32示出单锥天线的VSWR(电压驻波比)特性的实例(常规实例)。
图33示出单锥天线的构造(常规实例)，其中，辐射导体由包含电阻元件的低导电率部件构成，以取代高导电率金属。
图34示出单锥天线的构造(常规实例)，其中，辐射导体由非均匀的包含电阻元件的低导电率部件构成，以取代高导电率金属。
具体实施方式
以下参照附图详细描述本发明的实施例。
第一实施例：
图1示出根据本发明第一实施例的单锥天线1的外观和构造。
如图所示，单锥天线1包括：在电介质圆柱体10的一个端面中形成的基本为圆锥形的空腔11；设置在空腔表面上的辐射电极12；以及设置得靠近电介质10另一端面并与之基本平行的接地导体13，其中，所述另一端面与所述一个端面相对。单锥天线1构造为：电信号馈送到辐射电极12的近顶点区域14与接地导体13的区域之间。
对于在电介质10一个端面中形成的基本为圆锥形的空腔11的半锥角α(圆锥的中心轴与侧面之间的角度)，根据本实施例的单锥天线1按如下构造：通过根据相对介电常数εr的预定规则而确定半锥角α。该规则例如在下面示出：
(1)如果单锥天线1用相对介电常数εr＝2的电介质覆盖，单锥天线1就构造为半锥角大约45°。
(2)如果单锥天线1用相对介电常数εr＝3的电介质覆盖，单锥天线1就构造为半锥角大约37°。
(3)如果单锥天线1用相对介电常数εr＝5的电介质覆盖，单锥天线1就构造为半锥角大约28°。
(4)如果单锥天线1用相对介电常数εr＝8的电介质覆盖，单锥天线1就构造为半锥角大约23°。
以上单锥天线1构造所基于的规则是下面的表达式(1)。表达式(1)描述在电介质10一个端面中形成的圆锥形空腔11的半锥角α与相对介电常数εr之间的关系。
α＝0.8·tan-1(1.7/εr)+13(角单位：度)...(1)
半锥角设定的有效范围在表达式(1)所得到的值的正负几度之间。在此范围内的任何值在实际应用中都不会引起问题。
借助单锥天线的上述构造，天线的带宽显著增加。
图2和图3示出根据此实施例的单锥天线的频率特性的计算实例(电磁场模拟的结果)。图2示出史密斯圆图(中心：50Ω)和VSWR特性图形式的频率特性，其中，频率特性是在相对介电常数εr为3且半锥角为40°时测量的。图3示出在相对介电常数εr为8且半锥角为22°时测量的频率特性。
在任一构造实例中，天线具有接近史密斯圆图中心的螺旋特性，并且获得有利的频率特性。可以说，天线在VSWR不大于2的频域中具有有利的天线特性。在任一构造实例中，VSWR≤2的相对带宽占将近100％。很明显，与在未经审查的日本专利出版物Hei 8(1996)-139515中提出的特性实例相比，带宽显著增大。
对于构造根据本实施例的单锥天线的方法，在电介质10的一个端中形成的空腔11的形状不局限于圆锥。即使它以椭圆锥或棱锥的形状形成，也同样获得本发明的效果。如果使用棱锥形空腔，其半锥角α的定义如下：在中心轴与侧面之间形成的角度中的最小角和最大角的平均值。
对电介质圆柱体10的外形同样没有特别限制。基本上，包括圆柱体和棱柱的任何形状都是可接受的，只要辐射电极用它覆盖就行。辐射电极可通过填充在圆锥形空腔11中而形成，以取代在空腔11的表面上形成。
电介质10的相对介电常数εr的有效范围为最大10左右。
本发明人执行电磁场模拟，并近似地得到以上表达式(1)，在电介质一个端面中形成的圆锥的半锥角α的设定基于此表达式(1)。从几个模拟的结果中，本发明人发现以下情况：如图4-图7所示，导致形成于电介质一个端面中的圆锥的最佳匹配的半锥角值取决于所覆盖电介质的相对介电常数εr。通过近似地表述近似表达式并调整它的系数，获得从设计观点考虑的有意义的近似曲线。对于图4-图7，以下给出补充描述。
图4包括用于说明半锥角-频率特性的图表和图形(右)以及描绘基于本发明表达式而设定的半锥角的图形(左)。(右边图表和图形从上到下说明三种情形：半锥角为58°的情形；半锥角为40°的情形；以及半锥角为24°的情形。)本图说明当电介质10的相对介电常数εr为1时它们之间的关系。频率特性图包括史密斯圆图和VSWR特性图。
从图中右边的频率特性图看到，以下是显然的：当半锥角大约为58°时，史密斯圆图具有接近中心的螺旋，并且VSWR≤2的相对带宽最大。也就是说，以下是显然的：导致最佳匹配的半锥角为58°，进而，半锥角值非常接近用于设定本发明半锥角的表达式所描绘的直线。
图5包括用于说明半锥角-频率特性的图表和图形(右)以及描绘基于本发明表达式而设定的半锥角的图形(左)。(右边图表和图形从上到下说明三种情形：半锥角为58°的情形；半锥角为40°的情形；以及半锥角为24°的情形。)本图说明当电介质10的相对介电常数εr为3时它们之间的关系。频率特性图包括史密斯圆图和VSWR特性图。
从图中右边的频率特性图看到，以下是显然的：当半锥角大约为40°时，史密斯圆图具有接近中心的螺旋，并且VSWR≤2的相对带宽最大。也就是说，以下是显然的：导致最佳匹配的半锥角为40°，进而，半锥角值非常接近用于设定本实施例半锥角的表达式所描绘的直线。
图6包括用于说明半锥角-频率特性的图表和图形(右)以及描绘基于本发明表达式而设定的半锥角的图形(左)。(右边图表和图形从上到下说明三种情形：半锥角为40°的情形；半锥角为26°的情形；以及半锥角为15°的情形。)本图说明当电介质10的相对介电常数εr为5时它们之间的关系。频率特性图包括史密斯圆图和VSWR特性图。
从图中右边的频率特性图看到，以下是显然的：当半锥角大约为26°时，史密斯圆图具有接近中心的螺旋，并且VSWR≤2的相对带宽最大。也就是说，以下是显然的：导致最佳匹配的半锥角为26°，进而，半锥角值非常接近用于设定本实施例半锥角的表达式所描绘的直线。
图7包括用于说明半锥角-频率特性的图表和图形(右)以及描绘基于本发明表达式而设定的半锥角的图形(左)。(右边图表和图形从上到下说明三种情形：半锥角为36°的情形；半锥角为22°的情形；以及半锥角为10°的情形。)本图说明当电介质10的相对介电常数εr为8时它们之间的关系。频率特性图包括史密斯圆图和VSWR特性图。
从图中右边的频率特性图看到，以下是显然的：当半锥角大约为22°时，史密斯圆图具有接近中心的螺旋，并且VSWR≤2的相对带宽最大。也就是说，以下是显然的：导致最佳匹配的半锥角为22°，进而，半锥角值非常接近用于设定本实施例半锥角的表达式所描绘的直线。
第二实施例：
单锥天线包括：在电介质圆柱体的一个端面中形成的基本为圆锥形的空腔；设置在空腔表面上的辐射电极(或设置得用该电极覆盖空腔)；以及设置得靠近电介质另一端面并与之基本平行的接地导体，其中，所述另一端面与所述一个端面相对。单锥天线构造为：电信号馈送到辐射电极的近顶点区域与接地导体区域之间。由于位于辐射电极和接地电极之间的电介质的波长缩短效应，单锥天线可构造为具有相对宽带特性的小型天线。
本发明人发现：单锥天线的半锥角的设定对阻抗匹配频带有很大的影响。接着，本发明人得到以下：通过用以下描述半锥角α与相对介电常数εr之间关系的表达式来确定在电介质一个端面中形成的圆锥形空腔的半锥角α(在圆锥的中心轴与侧面之间形成的角度)，从而使阻抗匹配频带最大，该表达式为：
α＝0.8·tan-1(1.7/εr)+13(角单位：度)...(2)
即，圆锥的最佳半锥角取决于电介质的相对介电常数。如图8所示，例如，当相对介电常数εr为2时，最佳半锥角为48°，并且，当相对介电常数εr为4时，最佳半锥角为31°。图9示出单锥天线的天线特性，该单锥天线对于相对介电常数εr分别为2和4时具有最佳半锥角。然而，该图用VSWR特性来表现天线特性。从图9中看出以下是显然的：通过基于以上表达式(2)设计单锥天线，可在超宽频带上获得有利的阻抗匹配，其中，表达式(2)描述相对介电常数εr与空腔的最佳半锥角α之间的关系。
在基于以上表达式(2)而构造的单锥天线中，它的侧面用电介质覆盖；从而，不可避免地获得小型化的效果。(这是由在辐射电极和接地电极之间产生的电磁场的波长缩短而引起的。)从而，在封装时，适当地选择相对介电常数，即电介质，以满足小型化要求，并接着确定圆锥的半锥角。
对于基于以上表达式(2)的单锥天线的构造，通过增加电介质的相对介电常数可实现天线尺寸的减小。然而，与此同时，半锥角α也减小(即，天线变得长度比宽度更大)。从而，天线的高度不显著降低。事实上，经常要求低型面。
相反，有时希望极其细长的构造。如果单锥天线根据以上表达式(2)构造，它就通过增加相对介电常数εr而实现。然而，事实上，不是无限地存在各种相对介电常数的电介质。进一步地，可用电介质自然就受到电极形成和切割中的可加工性以及热阻方面的限制。从而，所希望的细长构造很有可能难以实现。
其型面或宽度减小的圆锥的半锥角偏离导致有利阻抗匹配的最佳值。为解决此问题，此实施例构造为：通过使半锥角成阶梯状而进行补偿。
以下给出更具体的描述。如果采用低型面构造，半锥角逐步变化，从而，从基底部分到顶点部分，半锥角减小。然而，空腔高度h与空腔基底有效半径r的比值根据以下描述其与相对介电常数εr的表达式而设定。
tan-1(r/h)＞0.8·tan-1(1.7/εr)+13(角单位：度)...(3)
如果采用细长构造，半锥角就按如下变化：从基底部分到顶点部分，半锥角增加。然而，空腔高度h与空腔基底有效半径r的比值根据以下描述其与相对介电常数εr的表达式而设定。
tan-1(r/h)＜0.8·tan-1(1.7/εr)+13(角单位：度)...(4)
在低型面构造和细长构造的任一情况下，两级半锥角基本上就足够。不必多说，分级的数量可增加到三或更多，或者可存在半锥角连续变化的部分。然而，在辐射电极顶点部分上的半锥角必须小于90°。进一步地，在接近辐射电极顶点部分时，优选半锥角的变化应该缓和。由此可见，在接近顶点部分时，应该努力保持等角圆锥，即，馈送部分遵循Rumsey的等角理论。(对于Rumsey的等角理论，参阅V.Rumsey著作的“定阻抗天线”(Academic Press，1966))。必须注意别脱离以上原理。否则单锥天线中固有的超宽频带特性会损失。
图10示出与根据本发明的最佳半锥角构造相比，其型面减小的单锥天线的实例。在图示实例中，型面低于最佳半锥角构造中的。在此实例中，选择相对介电常数εr为4的电介质；圆锥高度h设定为6mm；并且，圆锥基底的半径r设定为12.6mm。因而，自然可保持由以上表达式(3)表述的关系。
进一步地，如图所示，采用两级构造。对于此构造，半锥角在中点分级，并且在基底一侧上的半锥角值α0设定为70°，并且在顶点一侧上的半锥角值α1设定为45°。因而，顶点一侧上的半锥角值设定得比基底一侧上的更小。
图11示出对具有图10所示构造的单锥天线的VSWR特性进行的模拟结果。如图所示，一般获得有利的阻抗匹配，并且，避免出现阻抗匹配损失较大且因而宽带特性损失的状态。如果更精细地调整半锥角值的组合，就获得更有利的特性。
图12示出与本发明最佳半锥角构造相比其宽度减小的单锥天线的实例。在图示实例中，宽度比最佳半锥角构造中的更小。在此实例中，选择相对介电常数εr为2的电介质；圆锥高度h设定为17.4mm；并且，圆锥基底的半径r设定为9mm。因而，自然可保持由以上表达式(4)表述的关系。
进一步地，如图所示，采用两级构造。对于此构造，半锥角在中点分级，并且在基底一侧上的半锥角值α0设定为11°，并且在顶点一侧上的半锥角值α1设定为41°。因而，顶点一侧上的半锥角值设定得比基底一侧上的更大。
图13示出对具有图12所示构造的单锥天线的VSWR特性进行的模拟结果。如图所示，一般获得有利的阻抗匹配。
图14示出设置有适于批量生产的馈送部分结构的单锥天线的构造实例。
在图中所示实例中，在电介质的基底上设置轨道形馈送电极，并且，馈送电极和辐射电极通过在电介质底部中心设置的孔而互相电连接。如图所示，此馈送电极形成得它的一端到达电介质侧面。
还在电介质基底上形成接地导体。如图所示，接地导体形成得避开并包围馈送电极。进一步地，接地导体还形成得延伸到电介质一侧表面。
例如，容易通过电镀在电介质表面上形成图14所示馈送电极和接地导体。从而，当在批量生产中在电路板上安装天线时，使用如图所示的此种单锥天线有可能实现所谓的表面安装技术，因而简化制造工艺。
如图15所示，仅通过把电介质侧面上的电极焊接到电路板表面一侧的电极上，单锥天线的主体就可固定到电路板上并与之电连接。
接地导体不一定非得在电介质基底上形成，可替换地，接地导体可在其上将安装天线主体的电路板上形成。在此情况下，例如，使用粘附剂来固定天线主体。
如图10和12所示的根据本实施例的单锥天线构造为：当基于以上表达式(3)和(4)所获得的半锥角的最佳值而减小天线的型面或宽度时，其半锥角与最佳值之间的偏差被补偿。通过使半锥角分级而执行此补偿，并且这导致有利的阻抗匹配。
如果天线的型面减小，就产生问题。圆锥的半锥角与导致有利阻抗匹配的最佳值有偏差。为解决此问题，单锥天线的圆锥顶点设置得偏离中心，由此补偿阻抗匹配。这是对本发明的修改。在此情况下，连接基本为圆锥形的辐射电极的顶点与圆锥基底中心的直线不与圆锥的基底正交。
举例如下。图16示出使用低型面构造的单锥天线的横截面结构。在图中所示实例中，圆锥的半锥角为64.5°，它与εr＝4时的最佳值31°不同。对于填充到辐射电极与接地导体之间区域内的电介质，使用相对介电常数εr为4的材料。图17包括在图16中所示低型面单锥天线的阻抗特性图和VSWR特性图。从图中明显看出，阻抗与50Ω大大不同，并且VSWR特性，尤其是高频域中的VSWR特性被削弱。
同时，图18示出低型面单锥天线的横截面结构，其中，圆锥形辐射电极的顶点设置得偏离中心为半径的25％。在此情况下，如图所示，连接基本为圆锥形的辐射电极的顶点与圆锥基底的直线不与圆锥的基底正交。
图19包括图18中所示低型面单锥天线的阻抗特性图和VSWR特性图。从图中明显看出，阻抗特性接近50Ω，并且VSWR特性也得到提高。尤其重要的是匹配频带的下限频率降低。
如上所述，很明显，如果在单锥天线中因型面降低等而导致阻抗不能匹配，设定圆锥的顶点偏离中心就是用于提高其特性的一种有效手段。
当相对介电常数εr＝1时，也可应用如图18所示的低型面结构，即，该结构可应用于其中不存在电介质材料的单锥天线。进一步地，低型面结构不仅广泛应用于被电介质覆盖的单锥天线而且广泛应用于普通锥形天线(设置有基本为圆锥形的辐射电极和接地导体的天线)。
对于构成根据此实施例的单锥天线的方法，在电介质一个端面中形成的空腔的形状不局限于圆锥形。即使它以椭圆锥或棱锥的形状形成，也同样可获得本发明的效果。
如果使用棱锥空腔，其半锥角α的定义如下：在中心轴与侧面之间形成的角度中的最小角和最大角的平均值。
对电介质圆柱体的外形同样没有特别的限制。基本上，包括圆柱体和棱柱的任何形状都是可接受的，只要辐射电极用它覆盖就行。辐射电极可通过填充在圆锥形空腔11中而形成，以取代在空腔的表面上形成。
第三实施例：
图20示出根据本发明第三实施例的单锥天线的构造。单锥天线包括：绝缘体；设置在绝缘体一个端面中的基本为圆锥形的空腔；在空腔的内表面上形成的辐射电极；通过在圆周上剥离一部分辐射电极而得到的剥离部分；在空腔内填充到至少埋没剥离部分的水平的低导电率部件；以及设置得靠近绝缘体另一端面并与之基本平行的接地导体。
首先，在绝缘体的一个端面中设置基本为圆锥形的空腔。通过电镀等在空腔的内表面上形成辐射电极。随后，通过切割等在圆周上剥离一部分辐射电极。接着，低导电率部件填充到埋没剥离部分的水平。对于低导电率部件，包含导体的橡胶或弹性体是合适的。通过调节导体含量，可相对容易地获得所希望的导电率。进一步地，接地导体设置得靠近电介质的另一端面并与之基本平行。不必多说，可在绝缘体的另一端面上直接形成作为接地导体的电极。
与在常规单锥天线中一样，电信号馈送到辐射电极和接地导体之间的间隙。如果从接地导体的背面侧馈送电信号，就可采用与常规天线相同的构造。即，在接地导体中形成孔，并且辐射电极的顶点区域延伸到背面侧。
图20所示天线基本上用作单锥天线。顺便提一下，在空腔的上基底上不存在导体；然而，这不成为防碍单锥天线正确操作的原因。另外，由于在两个分开的辐射电极之间存在低导电率部件，因此，获得与电阻性负载等效的电效应。(图20描绘为在绝缘体的上侧形成空腔。然而，由于锥形天线的结构，没有顶部和底部的概念。在本说明书中，为便于描述，设置有空腔的端面指定为上基底。然而，这不限制本发明的范围。(下同。))
图21示出用于论证根据本实施例的单锥天线的电效应的计算实例。图中左边是在未形成电极剥离部分时得到的VSWR特性图，右边是在形成剥离部分时得到的VSWR特性图.(其它条件完全相同。)以下简单描述用于计算的条件。从图中明显看出，电极剥离部分的形成带来以下优点：其中VSWR不大于2的带宽扩展到低频带；匹配特性提高；并且实现锥形天线的频带拓宽。
(1)辐射电极部分：假设使用导电率1×107S/m的金属。
上基底直径：12.6mm，高度：12.6mm
(2)低导电率部件：假设使用导电率2S/m的材料。
(3)绝缘体：假设使用相对介电常数为4的电介质。
在图20所示的锥形天线的构造实例中，在形成于绝缘体内的空腔内表面上的辐射电极中形成一个圆周剥离部分。本发明的主旨不限制圆周剥离部分的数量为1。以下给出更具体的描述。如上所述，在由剥离部分分割的辐射电极之间存在低导电率部件产生与电阻性负载等效的电效应。为此，如果需要，可设置两个或更多个圆周剥离部分。
图22示出锥形天线的构造，其中，在形成于绝缘体内的空腔的深度方向上形成两个电极剥离部分。在此情况下，空腔内的低导电率部件可设置为多层结构，如图中右侧所示。多层结构是：导电率不同的低导电率部件逐层填充到埋没每个电极剥离部分的水平。此时，低导电率部件分布为：在上基底一侧上，导电率更低。因而，增加使馈送部分上反射功率减小的效果，并且，这导致扩展的匹配频带。
本发明的范围不局限于单锥天线，并且本发明作为用于双锥天线的电阻性负载方法。图23示出在绝缘体另一端面上形成接地导体的实例。在这些实例中，根据本发明的电阻性负载作用到双锥天线上，该天线通过在对称形成于两个端面中的基本为圆锥形的空腔的内表面上布置辐射电极而构成。
图中所示每一个双锥天线都包括：绝缘体；在绝缘体一个端面中形成的基本为圆锥形的第一空腔；在第一空腔内表面上形成的第一辐射电极；通过在圆周上剥离一部分第一辐射电极而得到的第一剥离部分；在所述空腔内填充到至少埋没第一剥离部分的水平的第一低导电率部件；在绝缘体另一端面中形成的基本为圆锥形的第二空腔；在第二空腔内表面上形成的第二辐射电极；通过在圆周上剥离一部分第二辐射电极而得到的第二剥离部分；以及在所述空腔内填充到至少埋没第二剥离部分的水平的第二低导电率部件。
在图23所示实例中，电信号馈送到辐射电极之间的间隙。为此，可使用各种方法。例如，平行线可从绝缘体侧表面延伸并连接到两个辐射电极的顶点区域。(此方法未在图中示出)
如结合图22所述，在由剥离部分分割的辐射电极之间存在低导电率部件产生与电阻性负载等效的电效应。如果根据本发明的电阻性负载作用到双锥天线上，就可相似地采用此构造。也就是说，为了上述目的，如果需要，在上和下辐射电极中的每一个中设置两个或更多个圆周剥离部分。(参照图23的中间。)
如图23右边所示，所述空腔内的低导电率部件可设置有多层结构。多层结构为：导电率不同的低导电率部件分别填充到埋没每一个电极剥离部分的水平。此时，低导电率部件分布为：在基底一侧上，导电率更低。因而，增强使馈送部分上反射功率减小的效应，并且这导致扩展的匹配频带。
图24示出作为本发明第三实施例的修改例的单锥天线的横截面结构。图中所示单锥天线包括：基本为圆锥形的绝缘体；在基本为圆锥形的绝缘体的表面上形成的辐射电极；在圆周上分割一部分辐射电极及其下面绝缘体的圆周切口部分；填充在圆周切口部分内的低导电率部件；以及设置得靠近辐射电极的近顶点区域的接地导体。
在图24所示实例中，首先在形成为圆锥形的绝缘体表面上形成辐射电极。辐射电极可通过电镀等形成。其次，通过切割等，在圆周上剥离并切割一部分辐射电极与其下的绝缘体。因此获得的剥离和切割部分填充低导电率部件。对于低导电率部件，包含导体的橡胶或弹性体是合适的。通过调整导体含量而相对容易地获得所希望的导电率。进一步地，接地导体设置得靠近辐射电极的顶点区域。
通过图24所示单锥天线的构造，在两个分割的辐射电极之间存在低导电率部件产生与电阻性负载等效的电效应。(这与前面相同。)
不必多说，另外还需要用于固定接地导体和绝缘体布置的支撑，尽管它在图24中未示出。
在图24所示锥形天线的构造实例中，在绝缘体表面上形成的辐射电极仅设置有一个圆周剥离和切口部分。本发明的主旨不把圆周剥离和切口部分的数量限制为一。以下给出更具体的描述。如上所述，在由剥离部分分割的辐射电极之间存在低导电率部件产生与电阻性负载等效的电效应。为此，如果需要，可设置两个或更多个圆周剥离和切口部分。
图25示出锥形天线的构造，其中，在形成于绝缘体上的基本为圆锥形的辐射电极的深度方向上形成两个剥离和切口部分。在此情况下，导电率不同的低导电率部件可填充在各个剥离和切口部分。此时，低导电率部件分布为：在绝缘体的基底一侧上，导电率更低。因而，增强使馈送部分上反射功率减小的效应，并且这导致扩展的匹配频带。
图24所示的本发明实施例的范围不局限于单锥天线，并且，该实施例作为用于双锥天线的电阻性负载方法。图26示出使用锥形天线的双锥天线的构造实例，所述锥形天线通过在形成于圆锥形绝缘体表面上的辐射电极中设置圆周剥离和切口部分而形成。
在图26左边示出的双锥天线包括：基本为圆锥形的第一绝缘体；在基本为圆锥形的绝缘体的表面上形成的第一辐射电极；在圆周上分割一部分第一辐射电极与其下绝缘体的第一圆周切口部分；填充在第一圆周切口部分内的第一低导电率部件；基本为圆锥形的第二绝缘体，其顶点与第一绝缘体的顶点相对并且其基底与第一绝缘体的基底对称；在基本为圆锥形的绝缘体的表面上形成的第二辐射电极；在圆周上分割一部分第二辐射电极与其下绝缘体的第二圆周切口部分；以及填充在第二圆周切口部分内的第二低导电率部件。
如图26所示，省略在每一个靠近辐射电极近顶点区域的另一端面上形成接地导体。圆锥形绝缘体布置为：它们的各个顶点彼此相对，它们的各个基底互相对称，并且，在每个圆锥形绝缘体的表面上形成辐射电极。每个辐射电极的一部分在圆周上与其下的绝缘体一起被剥离和切割，并且，用低导电率部件填充这些剥离和切口部分。不必多说，需要用于固定两个锥形天线布置的支撑，尽管它在图中未示出。
在图26所示实例中，电信号馈送到两个辐射电极之间的间隙。为此，可使用各种方法。例如，平行线可从绝缘体侧表面延伸并连接到两个辐射电极的顶点区域。(此方法未在图中示出)
如上所述，在由剥离和切口部分分割的辐射电极之间存在低导电率部件产生与电阻性负载等效的电效应。如果根据图24所示本发明实施例的电阻性负载作用到双锥天线上，就可相似地采用此构造。为此，如结合图25所述的，如果需要，可在上和下辐射电极中的每一个中设置两个或更多个圆周剥离和切口部分。
如图26右边所示，导电率不同的低导电率部件可填充到在形成于上和下绝缘体每一个上的基本为圆锥形的辐射电极的深度方向上形成的两个剥离和切口部分中。此时，低导电率部件分布为：在上基底一侧上，导电率更低。因而，增强使馈送部分上反射功率减小的效应，并且这导致扩展的匹配频带。
图27示出作为本发明第三实施例的另一修改例的单锥天线的横截面结构。图中所示单锥天线包括：绝缘体；设置在绝缘体一个端面中的基本为圆锥形的空腔；在空腔的近顶点区域的表面上形成的馈送电极；填充在空腔内的低导电率部件；以及设置得靠近绝缘体另一端面并与之基本平行的、或直接在绝缘体另一端面上形成的接地导体。
在图中所示实例中，首先在绝缘体的表面中形成圆锥形空腔，接着，在空腔的靠近其顶点的内表面上形成馈送电极。通过电镀等而形成馈送电极。随后，在空腔内填充低导电率部件。对于低导电率部件，包含导体的橡胶或弹性体是合适的。通过调节导体含量，相对容易地获得所希望的导电率。接着，接地导体设置得靠近绝缘体的另一端面并与之基本平行。可替换地，可直接在绝缘体的另一端面上形成接地导体。
通过图27中所示单锥天线的构造，低导电率部件用作辐射导体，并且进一步地，获得与电阻性负载等效的电效应。如图所示，显著减小电极的面积，并且成本相应地降低。与上述实施例不同，省略电极剥离工艺，并且可相应地降低成本。
电信号馈送到馈送电极和接地导体之间的间隙。如果从接地导体的背面侧馈送电信号，可采用以下结构：在接地导体中制作孔，并且空腔的顶点区域延伸到背面侧。
图28示出对图27所示单锥天线的修改例。如图28所示，填充在空腔内的低导电率部件可设置为多层结构，其中，导电率不同的部件分别填充到各个预定水平。此时，低导电率部件分布为：在上基底一侧上，导电率更低。因而，增强使馈送部分上反射功率减小的效应，并且这导致扩展的匹配频带。
在图27示出的本发明实施例的范围不局限于单锥天线，并且该实施作为用于双锥天线的电阻性负载方法。图29示出使用锥形天线构成的双锥天线的横截面结构，通过在形成于绝缘体内的圆锥形空腔表面上的馈送电极中填充低导电率部件而形成锥形天线。
在图29所示双锥天线中，省略在绝缘体的两个端面上形成接地导体。双锥天线包括：在两个端面中对称形成的第一圆锥形空腔和第二圆锥形空腔；在第一空腔内的近顶点区域表面上形成的第一馈送电极；在第一空腔内填充的第一低导电率部件；在第二空腔内的近顶点区域表面上形成的第二馈送电极；以及，在第二空腔内填充的第二低导电率部件。
通过图29中所示双锥天线的构造，低导电率部件用作辐射导体，并且进一步地，获得与电阻性负载等效的电效应。如图所示，显著减小电极的面积，并且成本相应地降低。与上述实施例不同，省略电极剥离工艺，并且可相应地降低成本。
在图29所示实例中，电信号馈送到第一和第二馈送电极之间的间隙。为此可使用各种方法。例如，平行线可从绝缘体侧表面延伸并连接到两个辐射电极的顶点区域。(此方法未在图中示出)
图30示出对图29所示双锥天线的修改例。如图30所示，在每个空腔内填充的低导电率部件可设置为多层结构，其中，导电率不同的部件分别填充到各个预定水平。此时，低导电率部件分布为：在上基底一侧上，导电率更低。因而，增强使馈送部分上反射功率减小的效应，并且这导致扩展的匹配频带。
在以上参照附图所描述的实施例中，以圆锥形状形成锥形天线的辐射电极。本发明的主旨不局限于此，即使辐射电极的形状是椭圆锥或棱锥，也同样获得本发明的效果。对绝缘圆柱体的外形没有特别限制，基本上，采用容易处理的任何形状，包括圆柱体和棱柱。进一步地，绝缘体不局限于电介质，并且，即使是磁性材料对本发明的实质效果也没有影响。
到目前为止，已经参照特定实施例详细描述本发明。然而，本领域中技术人员应该进一步理解，只要不偏离本发明的精神和范围，可在所述实施例中作出各种变化和变更。也就是说，本发明以示例形式公布，并且在此包含的所有内容都不应解释为是限制意义的。从而，本发明的范围仅通过后附权利要求来确定。
工业应用性
根据本发明，可提供优秀的单锥天线，其中，充分保持其宽带特性的固有性质，并且进一步地，通过电介质负载而实现尺寸减小。
进一步地，根据本发明，电介质负载单锥天线的应用范围显著扩展，因而，所述天线可投入实用，例如，作为用于超宽频带通信系统的小型天线。
进一步地，根据本发明，可提供优秀的单锥天线，其中，型面和宽度减小的实现与电介质的选择无关。
进一步地，根据本发明，可提供具有适于批量生产的馈送部分结构的优秀单锥天线。
如果当借助电介质负载而减小单锥天线尺寸时，使用根据本发明的构造方法，就可充分保持单锥天线中固有的宽带特性的质量。同时，可采用低型面或细长结构。例如，因此获得的天线作为用于超宽频带通信系统的小型低型面天线或小型细长天线。
进一步地，根据本发明，可获得优秀的锥形天线，其中，电阻加载到天线的辐射导体上，用于频带拓宽。
进一步地，根据本发明，可提供包括辐射导体的优秀锥形天线，其中，该天线易于批量生产并借助电阻性负载而构成。
如果当借助电阻性负载而对单锥天线或双锥天线拓宽频带或减小尺寸时，使用根据本发明的构造方法，那么，该天线就容易批量生产。接着，电阻性负载锥形天线的应用范围可扩展到消费者产品。例如，所述天线可投入实用，作为用于消费者超宽频带通信系统的小型天线。

Claims (58)

1.一种单锥天线，包括：在电介质一个端面中形成的基本为圆锥形的空腔；设置在所述空腔表面上的辐射电极；以及设置得靠近所述电介质另一端面并与之基本平行的接地导体，其中，所述另一端面与所述一个端面相对，并且，该天线构造为：电信号馈送到所述辐射电极的近顶点区域与所述接地导体区域之间，
其中，通过根据相对介电常数εr的预定规则而确定基本为圆锥形的空腔的半锥角α(圆锥的中心轴与侧面之间的角度)，所述空腔在所述电介质的一个端面中形成。
2.如权利要求1所述的单锥天线，
其中，形成于所述电介质一个端面中的基本为圆锥形的空腔的半锥角α通过以下描述半锥角α与相对介电常数εr关系的表达式而确定：
α＝0.8·tan-1(1.7/εr)+13(角单位：度)。
3.如权利要求1所述的单锥天线，
其中，所述基本为圆锥形的空腔的半锥角α定义为在圆锥的中心轴与侧面之间的角度，并定义为在椭圆锥或棱锥的中心轴与侧面之间角度中的最小角和最大角的平均值。
4.如权利要求1所述的单锥天线，
其中，辐射电极形成得用来填充所述基本为圆锥形的空腔。
5.一种单锥天线，包括：在电介质一个端面中形成的基本为圆锥形的空腔；设置在所述空腔表面上的辐射电极、或设置得用来填充所述空腔的辐射电极；以及设置得靠近所述电介质另一端面并与之基本平行的接地导体，其中，所述另一端面与所述一个端面相对，并且，该天线构造为：电信号馈送到所述辐射电极的近顶点区域与所述接地导体区域之间，
其中，所述空腔的高度h与所述空腔基底的有效半径r的比值通过根据所述电介质的相对介电常数εr的预定规则而确定。
6.如权利要求5所述的单锥天线，
其中，所述空腔的高度h与所述空腔基底的有效半径r的比值通过以下描述其与相对介电常数εr关系的表达式而确定：
tan-1(r/h)＞0.8·tan-1(1.7/εr)+13(角单位：度)。
7.如权利要求6所述的单锥天线，
其中，所述空腔的半锥角逐步地或连续地变化，从而，随着从基底部分到顶点部分，半锥角减小。
8.如权利要求5所述的单锥天线，
其中，所述空腔的高度h与所述空腔基底的有效半径r的比值通过以下描述其与相对介电常数εr关系的表达式而确定：
tan-1(r/h)＜0.8·tan-1(1.7/εr)+13(角单位：度)。
9.如权利要求8所述的单锥天线，
其中，所述空腔的半锥角逐步地或连续地变化，从而，随着从基底部分到顶点部分，半锥角增加。
10.如权利要求8所述的单锥天线，
所述顶点部分的半锥角小于90°。
11.如权利要求1-10任一项所述的单锥天线，
其中，在所述另一端面上形成用于馈送的电极，
其中，馈送电极的一端穿透所述电介质，并且在近顶点区域上与所述辐射电极电连接，以及
其中，馈送电极的另一端形成为：它到达所述电介质的侧面，并且电信号馈送到馈送电极的另一端与所述接地导体之间。
12.一种单锥天线，包括：基本为圆锥形的辐射电极；以及设置得接近所述辐射电极的接地导体，并且，该天线构造为：电信号馈送到所述辐射电极的近顶点区域与所述接地导体区域之间，
其中，连接所述基本为圆锥形的辐射电极的顶点与圆锥基底中心的直线不与圆锥的基底正交。
13.如权利要求12所述的单锥天线，
其中，电介质填充在所述辐射电极和所述接地导体之间。
14.一种锥形天线，包括：
绝缘体；
设置在所述绝缘体一个端面中的基本为圆锥形的空腔；
在所述空腔的内表面上形成的辐射电极；
通过在圆周上剥离所述辐射电极的一部分而得到的剥离部分；
在所述空腔内填充到至少埋没所述剥离部分的水平的低导电率部件；以及
设置得靠近所述绝缘体的另一端面并与之基本平行的、或直接在所述绝缘体另一端面上形成的接地导体。
15.如权利要求14所述的锥形天线，
其中，通过电镀等在所述空腔的内表面上形成所述辐射电极。
16.如权利要求14所述的锥形天线，
其中，所述低导电率部件由包含导体的橡胶或弹性体形成。
17.如权利要求14所述的锥形天线，
其中，电信号馈送到所述辐射电极和所述接地导体之间的间隙。
18.如权利要求14所述的锥形天线，
其中，在接地导体中形成孔，并且辐射电极的顶点区域延伸到背面侧，以便馈送电信号。
19.如权利要求14所述的锥形天线，
提供通过在圆周上剥离所述辐射电极的一部分而得到的两个或更多个剥离部分。
20.如权利要求19所述的锥形天线，
其中，填充在所述空腔内的所述低导电率部件是多层结构，其中，在所述空腔内，导电率不同的部件逐层地填充到埋没每一个所述剥离部分的水平。
21.如权利要求20所述的锥形天线，
其中，低导电率部件分布为：在所述空腔的基底一侧上，导电率更低。
22.一种锥形天线，包括：
绝缘体；
设置在所述绝缘体一个端面中的基本为圆锥形的第一空腔；
在所述第一空腔的内表面上形成的第一辐射电极；
通过在圆周上剥离所述第一辐射电极的一部分而得到的第一剥离部分；
在所述空腔内填充到至少埋没所述第一剥离部分的水平的第一低导电率部件；
在所述绝缘体的另一端面中设置的基本为圆锥形的第二空腔；
在所述第二空腔的内表面上形成的第二辐射电极；
通过在圆周上剥离所述第二辐射电极的一部分而得到的第二剥离部分；以及
在所述空腔内填充到至少埋没所述第二剥离部分的水平的第二低导电率部件。
23.如权利要求22所述的锥形天线，
其中，电信号馈送到所述第一和第二辐射电极之间的间隙。
24.如权利要求22所述的锥形天线，
其中，通过电镀等在所述空腔的内表面上形成所述第一和第二辐射电极。
25.如权利要求22所述的锥形天线，
其中，所述第一和第二低导电率部件由包含导体的橡胶或弹性体形成。
26.如权利要求22所述的锥形天线，
其中，通过在圆周上剥离所述第一和第二辐射电极的一部分而获得两个或更多个剥离部分。
27.如权利要求26所述的锥形天线，
其中，填充在所述第一和第二空腔内的所述第一和第二低导电率部件是多层结构，其中，在所述第一和第二空腔内，导电率不同的部件逐层地填充到埋没每一个所述剥离部分的水平。
28.如权利要求27所述的锥形天线，
其中，低导电率部件分布为：在每一个所述空腔的基底一侧上，导电率更低。
29.一种锥形天线，包括：
基本为圆锥形的绝缘体；
在所述基本为圆锥形的绝缘体的表面上形成的辐射电极；
在圆周上分割一部分所述辐射电极与其下面的所述绝缘体的圆周切口部分；
填充在所述圆周切口部分内的低导电率部件；以及
设置得靠近所述辐射电极的近顶点区域的接地导体。
30.如权利要求29所述的锥形天线，
其中，通过电镀等在所述绝缘体的表面上形成所述辐射电极。
31.如权利要求29所述的锥形天线，
其中，所述低导电率部件由包含导体的橡胶或弹性体形成。
32.如权利要求29所述的锥形天线，
其中，提供两个或更多个圆周切口部分，所述圆周切口部分在圆周上分割所述辐射电极与其下面的绝缘体。
33.如权利要求29所述的锥形天线，
其中，导电率不同的低导电率部件分别填充到每一个所述圆周切口部分中。
34.如权利要求33所述的锥形天线，
其中，低导电率部件分布在圆周切口部分中，从而，在所述空腔的基底一侧上，导电率更低。
35.一种锥形天线，包括：
基本为圆锥形的第一绝缘体；
在所述基本为圆锥形的绝缘体的表面上形成的第一辐射电极；
在圆周上分割一部分所述第一辐射电极与其下面的绝缘体的第一圆周切口部分；
填充在所述第一圆周切口部分内的第一低导电率部件；
基本为圆锥形的第二绝缘体，其顶点与所述第一绝缘体的顶点相对并且其基底与所述第一绝缘体的基底对称；
在所述基本为圆锥形的绝缘体的表面上形成的第二辐射电极；
在圆周上分割一部分所述第二辐射电极与其下绝缘体的第二圆周切口部分；以及
填充在所述第二圆周切口部分内的第二低导电率部件。
36.如权利要求35所述的锥形天线，
其中，通过电镀等在所述第一和第二绝缘体的表面上形成所述第一和第二辐射电极。
37.如权利要求35所述的锥形天线，
其中，所述第一和第二低导电率部件由包含导体的橡胶或弹性体形成。
38.如权利要求35所述的锥形天线，
其中，相应提供两个或更多个圆周切口部分，所述圆周切口部分在圆周上分割所述第一和第二辐射电极与其下面的绝缘体。
39.如权利要求38所述的锥形天线，
其中，导电率不同的低导电率部件分别填充到分割所述第一和第二辐射电极的每一个圆周切口部分中。
40.如权利要求39所述的锥形天线，
其中，低导电率部件分布在各个圆周切口部分中，从而，在每一个所述绝缘体的基底一侧上，导电率更低。
41.一种锥形天线制造方法，包括以下步骤：
在绝缘体的一个端面中形成基本为圆锥形的空腔；
在所述空腔的内表面上形成辐射电极；
在圆周上分离所述辐射电极的一部分而形成剥离部分；以及
在所述空腔内填充低导电率部件，直到至少埋没所述剥离部分的水平。
42.如权利要求41所述的锥形天线制造方法，进一步包括以下步骤：
靠近所述绝缘体另一端面并与之平行的、或直接在所述绝缘体另一端面上提供接地导体。
43.一种锥形天线制造方法，包括以下步骤：
在基本为圆锥形的绝缘体的表面上形成辐射电极；
在圆周上剥离并切割一部分所述辐射电极与其下面的所述绝缘体，以形成剥离和切割部分；以及
在所述剥离和切割部分中填充低导电率部件。
44.如权利要求43所述的锥形天线制造方法，进一步包括以下步骤：
提供靠近所述辐射电极的顶点区域的接地导体。
45.一种锥形天线，包括：
绝缘体；
设置在所述绝缘体一个端面中的基本为圆锥形的空腔；
在所述空腔的近顶点区域的表面上形成的馈送电极；
填充在所述空腔内的低导电率部件；以及
设置得靠近所述绝缘体另一端面并与之基本平行的、或直接在所述绝缘体另一端面上形成的接地导体。
46.如权利要求45所述的锥形天线，
其中，通过电镀等在所述空腔内的近顶点区域的表面上形成所述馈送电极。
47.如权利要求45所述的锥形天线，
其中，所述低导电率部件由包含导体的橡胶或弹性体形成。
48.如权利要求45所述的锥形天线，
其中，电信号馈送到所述馈送电极和所述接地导体之间的间隙。
49.如权利要求45所述的锥形天线，
其中，在接地导体中制作孔，并且所述馈送电极延伸到背面侧，以便馈送电信号。
50.如权利要求45所述的锥形天线，
其中，填充在所述空腔内的所述低导电率部件是多层结构，其中，在所述空腔内，分别填充导电率不同的部件。
51.如权利要求50所述的锥形天线，
其中，低导电率部件分布为：在所述空腔的基底一侧上，导电率更低。
52.一种锥形天线，包括：
绝缘体；
在所述绝缘体一个端面中设置的基本为圆锥形的第一空腔；
在所述第一空腔内的近顶点区域表面上形成的第一馈送电极；
在所述第一空腔内填充的第一低导电率部件；
在所述绝缘体的另一端面中设置的基本为圆锥形的第二空腔；
在所述第二空腔内的近顶点区域表面上形成的第二馈送电极；以及
在所述第二空腔内填充的第二低导电率部件。
53.如权利要求52所述的锥形天线，
其中，电信号馈送到所述第一和第二馈送电极之间的间隙。
54.如权利要求52所述的锥形天线，
其中，通过电镀等在所述第一和第二空腔的内表面上形成所述第一和第二馈送电极。
55.如权利要求52所述的锥形天线，
其中，所述第一和第二低导电率部件由包含导体的橡胶或弹性体形成。
56.如权利要求52所述的锥形天线，
其中，填充在所述第一和第二空腔内的所述第一和第二低导电率部件是多层结构，其中，分别填充导电率不同的部件。
57.如权利要求56所述的锥形天线，
其中，低导电率部件分布为：在每一个所述空腔的基底一侧上，导电率更低。
58.一种锥形天线制造方法，包括以下步骤：
在绝缘体的一个端面中形成基本为圆锥形的空腔；
在所述空腔内的近顶点区域表面上形成馈送电极；以及
在所述空腔内填充低导电率部件。
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