专利名称：超宽带天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于发射和/或接受电磁辐射的天线。
背景技术：
许多应用需要宽带发射和接受天线。这包括在下述领域中的应用例如医疗成像、雷达、射频结晶学和无线电通信。
用在这种用途中的一种类型的天线是微带(microstrip)天线。典型的微带天线是通过在平面电路板基片上形成一成形的金属化层制造的。另一种在基片上的金属化层用作接地平面。美国专利第5,036,335号描述了一种微带天线的例子。
平衡带状线天线(balanced stripline antenna)除了有一对接地平面(有源元件每侧一个)之外，类似于微带天线。Guillanton等人发表在Microwave and Optical Technology Letter第19卷第4期(1998年11月)的文章一种用于超宽带用斜槽天线的新设计(Anew design tapered slotantenna for ultra-wideband applications)公开了一种用带状技术制造的对极Vivaldi天线(antipodal Vivaldi antenna)。
微带和带状线天线的缺点是金属化层形成在其上的电介质基片材料负面影响天线某些频率的辐射特性。
需要一种能够覆盖很宽频率范围发射、接收和/或接收及发射的天线。
发明内容
本发明提供一种用于发射和/或接收电磁辐射的天线。本发明的第一方面，提供一种对极天线(antipodal antenna)，其包括一个位于一对对称分开的(diverging)匹配的接地元件(ground element)之间的有源元件(active element)。该有源元件和接地元件可以包括导电材料片(sheet)。在一些实施例中，该有源元件和接地元件的内边缘部分在该有源元件和接地元件的远端相互分开以形成斜槽。
在本发明的各种实施例中，该有源元件和接地元件的内边缘部分采用(follow)凸面指数曲线。该有源元件可以包括支承在较薄部件的端部的宽末端部分(broad distal portion)。该接地元件每个可以包括支承在较薄部件端部的宽末端部分。在该有源元件和接地元件包括宽末端部分处，该有源元件的宽末端部分可以完全在中心线的第一侧(即，在包括该中心线的假想的横向延伸平面的第一侧)，且接地元件的宽末端部分可以完全在中心线的第二侧(即，在横向延伸平面的第二侧)。
在各个具体的实施例中，每个接地元件都采用半三次方(semi-cubical)抛物线曲线；弧线；指数曲线；直线(例如接地元件是平面的)；或椭圆曲线。在一些实施例中，接地元件包括有弹性的柔性片，并且该天线包括保持件，将每个有弹性的柔性片保持成在曲线构形。
本发明进一步的特征和本发明的具体实施例在下面描述。
附图简单说明在示出了本发明的非限制性的实施例的附图中
图1是根据本发明的一个实施例的透视图；图2是图1中天线的俯视图；图2A、2B、2C、2D和2E是根据本发明实施例的天线的俯视图，其中接地元件具有不同的曲线；图2F和2G是根据本发明的实施例的天线的俯视图，其中接地元件被保持在曲线构形中；图3是根据本发明实施例的天线的详图，其中该天线包含有同轴电缆连接器；图4是图1中该天线的有源元件的侧视图；图5是图1中该天线的接地元件的侧视图；
图6是图1中去掉一个接地元件的该天线侧视图；图7示出样机天线的回波损耗(return loss)；图8和图9示出了样机天线在9GHz时E和H平面辐射图。
具体实施例方式
为了提供对本发明的更彻底的了解，下面的描述说明本发明的具体细节。然而，本发明没有这些特定的细节也可以实施。在其他的例子中，没有示出或没有详细描述众所周知的元件以避免不必要地将本发明弄得模糊不清。因此，说明书和附图应理解为其义是说明性的而不是限制性的。
图1示出了根据本发明的天线10。天线10具有对称地位于一对接地元件14之间的有源元件12。每个元件12和14可以由导电材料片制成。该导电材料可以是金属。例如，元件12和14可以由铜片制成。有源元件12与接地元件14电绝缘。
有源元件12每侧由一空气隙15与接地元件14分开。接地元件14不平行于有源元件12，而是相互偏离。接地元件14相对于有源元件12对称。在本发明的当前优选实施例中，每个接地元件14采用半三次方抛物线曲线。半三次方抛物线曲线上的点(r，θ)满足方程式r＝atan2θsec2θ (1)在本发明的其他实施例中，接地元件14可以以不同的方式分开。例如图2A示出天线10A的俯视图，其中接地元件14是直的并以角度Φ分开。
图2B示出天线10B的俯视图，其中接地元件14采用由下面方程式给出的指数剖面y＝ef(x)(2)在图2B的例子中，f(x)＝x；图2C示出天线10C的俯视图，其中接地元件14采用弧形；图2D示出天线10D的俯视图，其中接地元件14采用由下面方程给出的椭圆剖面
x2a2-y2b2=c2---(3)]]>图2E示出天线10E的俯视图，其中接地元件14采用不规则剖面；接地元件14的曲线形状可以以各种方式形成，包括·用可以弯曲成具有所希望的曲线形状的柔性材料，例如金属片，制造元件14；·用可铸造的或可模制的材料将元件14铸造成或模制成所希望的形状；或·用具有弹性的柔性材料制造来形成元件14并将元件14保持成弯曲的构形。
图2F示出天线10F的俯视图，其中接地元件14用具有弹性的柔性材料制造来形成元件14并将元件14用不导电的细绳16保持在弯曲的构形中。在图2F的实施例中，接地元件14的曲线形状是由细绳16的长度和接地元件14的弯曲特性确定的。图2G示出天线10G的俯视图，其中接地元件14用具有弹性的柔性材料制造并用泡沫塑料(forms)17成型。泡沫塑料17可以只在少数几个点接触接地元件14以使接地元件14附近的电介质材料的数量最少。
如图3所示，天线10由通过同轴电缆19提供的信号驱动。天线10可以包含同轴电缆连接器20，其具有中心导体22。有源元件12可以直接固定在中心导电体22上。接地元件14可以连接在电缆连接器20的接地导体23上。在本发明的另外的实施例中，有源元件12和接地元件14可以连接于包括印制电路板的基座。天线10的这些元件可以由通过印制电路板的导电元件提供的信号驱动。
如图4、图5和图6所示，有源元件12包括支承在较薄部件32端部的宽末端部分30。末端部分30具有弯曲的角落。每个接地元件14也包括支承在较薄部件33端部的宽末端部分31。元件32和33在宽度上可以相互相等并且当从侧面看时沿天线10的中心线37延伸。如图2D所示，当从上面看时元件32和33沿其整个长度基本上相互平行。
接地元件14的中间端(medial end)14A是扩展的(flared)。接地元件14的边缘采用合适的曲线。例如，在区段34和36，接地元件14的边缘可以采用椭圆形或指数曲线。在一个实施例中，接地元件14的边缘的区段34采用椭圆形曲线而区段36则采用指数曲线。有源元件12的中间端优选是不扩展的。
如图6所示，有源元件12的末端部分30具有内边缘部分38，当从侧面看天线10时，它与接地元件14的内边缘部分39一起形成一斜槽40。有源元件12的内边缘部分38和接地元件14的内边缘部分39可以从中心线对称地分开。内边缘部分38可以采用指数曲线。内边缘部分39可以采用指数曲线。
有源元件12的末端部分30在其外边和端边可以具有平坦部分42和44。接地元件14的末端部分31在其外边和端边可以具有平坦部分43和45。
根据本发明的天线在接收和发射其频率为20MHz到100GHz范围内的信号可以具有特定的用途。
根据本发明的某些实施例的天线，其特征为回波损耗为小于-3dB并且在整个5GHz的波段中大约平均回波损耗的偏差小于10dB。
实例根据本发明的样机实施例的天线其尺寸为L1＝10cm；L2＝3.3cm；L4＝1.7cm；L5＝2.4cm；D1＝0.5cm；D2＝9.0cm；H1＝7.4cm；H2＝2cm；H3＝5.0cm；以及H4＝0.5cm；样机天线的有源元件和接地元件是由厚度大约为0.675mm的铜片制造的。
在样机天线中，有源元件12的边缘采用下述曲线·区段50—凹圆弧；
·区段51—凸圆弧；·区段38—凸指数曲线。
在样机天线中，接地元件14的边缘采用下述曲线·区段34—凹椭圆曲线；·区段36—凹指数曲线；·区段39—凸指数曲线；·区段52—凹圆弧；以及·区段53—凸圆弧。
采用指数曲线的样机天线的接地元件如图2B所示。
样机天线展示了2.2GHz到13.5GHz间10dB的带宽。图7示出样机天线的S11回波损耗曲线。图8和图9分别示出了样机在9GHz时的E平面和H平面的辐射图。在图8和图9中，共极化(co-polarization)由实线表示，交叉极化(cross polarization)由虚线表示。E平面的交叉极化的大小在0°低于18dB。H平面的交叉极化的大小在0°大约为-21dB。在9GHz的增益为6dB。
本领域的技术人员将会明白，在本发明的实践中可以作出许多变化和修改而不脱离其实质和范围，例如·有源元件12和接地元件14不需要整个用相同的导电材料制成。这些元件可以包括用导电材料涂覆或电镀其他材料的芯。
·围绕天线10的元件的电介质可以是空气、液体、真空或固体材料(同体材料包括混合相材料，例如泡沫)。天线10可以安装在适合的天线罩内(即一外壳)。该外壳内的气氛(atmosphere)可以变化以改变围绕天线10的材料的介电性质。
·可以增加附加的有源元件和接地元件以提高天线10的性能。
·根据本发明的天线的尺寸可根据用于不同的频率范围而缩放。
·虽然一般来说不是优选的，但可以在有源元件和接地元件之间安置一小的介电隔片以通过保持接地元件离开有有源元件来保持所希望的接地元件的形状。
因此，本发明的范围由权利要求所限定的内容解释。
权利要求
1.一种对极天线(10)，包括一个位于一对对称分开的、匹配的接地元件(14)之间的有源元件(12)。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，有源元件(12)和接地元件(14)的内边缘部分(38、39)在有源元件和接地元件的末端部分相互分开以形成斜槽(40)。
3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，斜槽(40)是关于中心线(37)对称的。
4.根据权利要求2或3所述的天线，其特征在于，有源元件(12)和接地元件(14)的内边缘(38、39)采用凸形指数曲线。
5.根据权利要求2到4中任一项所述的天线，其特征在于，有源元件(12)包括支承在较薄部件(32)的端部的宽末端部分(30)。
6.根据权利要求2到5中任一项所述的天线，其特征在于，每个接地元件(14)包括支承在较薄部件(33)的端部的宽末端部分(31)。
7.根据权利要求5或6所述的天线，其特征在于，有源元件(12)的宽末端部分(30)完全在中心线(37)的第一侧。
8.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，接地元件(14)的宽末端部分(31)完全在中心线(37)的第二侧。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的天线，其特征在于，有源元件和接地元件包括具有一定宽度和厚度的导电元件，其中每个部件的厚度显著地小于其宽度。
10.根据权利要求1到8中任一项所述的天线，其特征在于，有源元件和接地元件每个都包括一片材料。
11.根据权利要求1到10中任一项所述的天线，其特征在于，有源元件(12)基本上是平面的。
12.根据权利要求10所述的天线，其特征在于，接地元件(14)是弯曲的，并且接地元件所有的弯曲部分的轴线都平行于有源元件的平面。
13.根据权利要求1到10中任一项所述的天线，其特征在于，接地元件(14)是弯曲的。
14.根据权利要求1到13中任一项所述的天线，其特征在于，每个接地元件(14)采用半三次方抛物线曲线。
15.根据权利要求1到13中任一项所述的天线，其特征在于，每个接地元件(14)采用一段圆弧。
16.根据权利要求1到13中任一项所述的天线，其特征在于，每个接地元件(14)采用指数曲线。
17.根据权利要求1到13中任一项所述的天线，其特征在于，接地元件(14)每个都是平面的。
18.根据权利要求1到13中任一项所述的天线，其特征在于，每个接地元件(14)采用一段椭圆曲线。
19.根据权利要求1到18中任一项所述的天线，其特征在于，有源元件(12)和接地元件(14)被空气所包围。
20.根据权利要求1到18中任一项所述的天线，其特征在于，有源元件(12)和接地元件(14)被非空气的气体所包围。
21.根据权利要求1到18中任一项所述的天线，其特征在于，有源元件(12)和接地元件(14)被具有不同于空气的介电性质的液体所包围。
22.根据权利要求1到18中任一项所述的天线，其特征在于，有源元件(12)和接地元件(14)处在真空中。
23.根据权利要求1到18中任一项所述的天线，其特征在于，有源元件(12)和接地元件(14)被埋在固体电介质材料中。
24.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，接地元件(14)包括具有弹性的柔性片并且该天线包括保持部件，将每个弹性的柔性片保持成弯曲构形。
25.根据权利要求1到24中任一项所述的天线，其特征在于，每个接地元件(14)包括柔性片，该天线包括相应于接地元件(14)的弯曲的成型件(17)，并且每个接地元件(14)被保持成沿着该弯曲的成型件。
26.根据权利要求25所述的天线，其特征在于，每个弯曲的成型件(17)仅仅在不连续的间隔开的区域与相应的接地元件(14)接触。
27.根据权利要求1到26中任一项所述的天线，其特征在于，包括具有中心导体(22)和屏蔽导体(23)的同轴连接器(20)，其中有源元件(12)直接安装在中心导电体(22)上，而接地元件(14)安装在屏蔽导电体(23)上。
28.根据权利要求1到27中任一项所述的天线，其特征在于，平均回波损耗小于-3DB，并且在整个5GHz的带宽中，大约偏离平均回波损耗小于10dB。
29.根据权利要求1到28中任一项所述的天线，其特征在，接地元件(14)的中间端(14A)是扩展的。
30.如权利要求1到29中任一项所述的天线的用途是用于在20MHz到100GHz的范围内的一个或多个频率下发射电磁辐射。
全文摘要
一种对极天线具有一个设置在两个分开的接地元件之间的有源元件。该有源元件和接地元件被成型为提供一斜槽。接地元件可以是平面的或可以是向外弯曲的。在一些实施例中，接地元件采用半抛物线圆锥部分。有源元件和接地元件可以由空气分开。
文档编号H01Q1/40GK1505851SQ02808820
公开日2004年6月16日 申请日期2002年4月24日 优先权日2001年4月26日
发明者K·V·多托, M·叶德林, K V 多托, 铝 申请人:英属哥伦比亚大学