专利名称：隐蔽的平面天线的制作方法
技术领域：
本发明属于射频天线领域。更特定地，它涉及尺寸减小的射频天线。它还涉及隐蔽该天线的方法。
背景技术：
射频(RF)通信技术正变得不断地更加普及。例如便携无线电话和广泛地可用的卫星辅助通信等的发展正在激发着应用的主体。其结果是射频天线的大量出现。射频发射和接收的物理性质经常要求这些天线相当大到人体的尺度，经常与被发射和接收的波的波长是相当的。这些天线因此高度地可见且经常被认为是侵入性的。这提供了研究隐蔽或伪装此类天线的方法的动机。另一个隐蔽天线的动机是保护它不受肆意破坏。再一个动机是改善转换监控系统的总体安全性。
天线能从视野中被隐藏的一个方法是将其隐藏在另一个物体后面或内部。该物体自身可以具有其自己的功能或它可以简单地设计为来隐藏天线，也许同时类似于日常物体。例如授予Forbes等人的美国专利5,349,362披露了隐藏在屋顶上的通风管内部的天线。Kelly等人的专利公布WO 01/35116 A1披露了隐藏在接附于移动车辆上的标志灯壳内的天线。授予Gietema等人的美国专利6,222,503涉及了使用看似其它日常物体而隐藏的天线。如果隐藏天线的物体是实心的，或者近似是实心的，它必须由很大程度上可被由天线发射或接收的电磁波穿透的材料制造。
为进一步帮助隐蔽天线，可减小天线的尺寸。然而这不是简单的。如上所述，当缺乏特别的措施时，如果射频天线要有效地、以最小地耗损射频能量而工作，则它必须具有与它设计所应处理的波长相当的尺寸。另一个涉及到的、也由物理特性所规定且在射频技术中熟知的事实是，为了有效地运行，天线的“特征阻抗”(也简单地称为“阻抗”)必须“匹配”于天线向它发射或天线从它接收的媒介一通常为空气，或“真空(free space)”的阻抗。天线的阻抗由许多的材料和几何形状因素影响，包括它的尺寸、形状、材料和它连接到射频发生器或接收器的方式。
当天线的运行波长增加时，因此天线的必需尺寸也可能增加，这可能使隐藏天线更困难。阐述该问题的一个例子是使用安装在移动车辆上的卫星天线，例如用于运输货物的商用牵引拖车。这些天线可能被用于发射和接收用来定位和另外监测卡车和它的内容物的状态的信号。高度地希望隐蔽此类天线，用于保护其不受肆意破坏和用于维持定位和监测系统的完整性和安全性。一些此类天线在射频谱的甚高频或VHF范围运行，通常在本领域中定义为大约30MHz到大约300MHz之间的频率，其对应的波长分别为大约10米到大约1米。接附到卡车上的具有相当的尺寸的天线不易隐蔽。因此，存在对减小尺寸的天线的需求，它能被隐蔽或伪装且它还能有效地在其设计波长范围内运行。
减小射频天线尺寸的一个方法是将天线构建为带有电介质材料层的平面构造；这些天线通常被称为贴片天线或平面天线。电介质材料可以具有大于1.0的介电常数εr，其中εr为材料电容率ε与通常标为ε0的真空电容率的比值。在材料中传播的电磁波的波长从它在真空中的值减少因子 可以利用该现象，在限定了天线平面的二维方向上将平面天线的尺寸减小基本上相同的因子。然而，为维持天线效率，必须采取附加的措施以优化阻抗匹配。
以上引用的授予Nalbandian的美国专利6,677,901披露了减小尺寸的阻抗匹配的平面天线，但是为实现阻抗匹配，披露限制于相对窄的电介质材料类，即那些具有电容率与磁导率的比值在大约1∶1和大约1∶3之间的材料。以上引用的授予Forbes等的美国专利5,349,362和授予Helms等的美国专利5,757,324披露了隐蔽的天线，它基本上是一维的(即基本上是线性的而不是平面的)且基本上仅在该一维上减小了尺寸。对于一些应用，例如以较长的波长运行的移动天线，诸如线性天线，即使当在一维上减小了尺寸后仍可能不易隐蔽。以上引用的专利公布WO 01/35116 A1和美国专利6,222,503没有解决将减小天线尺寸作为隐藏方式。另外，后者参考文献主要地涉及在固定基站上的天线阵列。
因此存在对有效、隐蔽的天线类型的需求，该天线具有减小的尺寸和在一定运行波长范围与真空优化的阻抗匹配，且该天线相对容易构建，使用了相对宽的材料范围。
发明内容
本发明涉及隐蔽的射频(RF)天线，包括至少一个地平面，至少一个有源元件和至少一层电介质材料。本发明还涉及通过减小天线尺寸和将其隐蔽在物体后面或内部来隐藏天线，由天线发射或接收的一定波长范围的电磁波可穿透该物体。
天线具有总体的平面构造。与其它运行在相同波长范围的天线相比，它的总体线性尺寸明显地被减少。这部分地通过使用具有超过1.0(如上文中已解释)的介电常数εr和具有超过1∶1的电容率与磁导率比的电介质材料来实现。后者比值定义为εr/μr，其中εr在上文中已定义，μr为材料的磁导率μ与通常标为μ0的真空的磁导率的比值。
同时，通过仔细地选择如下的变量，在天线运行的波长范围优化天线与真空的阻抗匹配，变量为形状细节、同轴馈电电缆的接附位置和电缆的终端，包括电缆电连接到有源发射或接收元件点处的终端。阻抗匹配通过变化这些变量并测量电压驻波比(VSWR)来实现。
可通过将尺寸减小的天线隐藏在物体后面或内部来伪装天线，天线运行波长的电磁波可穿透该物体，或者几乎可穿透该物体。在一个实施例中，不解释为限制本发明的范围，该物体可以具有另一个类似物体的形状。类似物体的一个例子是一般被认为是移动车辆的整体部分的物体，例如气窗通风口、车头横杆、保险杠、车身面板、转角保护件、转角通风口、或标志灯等。在另一个实施例中，天线可隐藏在类似运输集装箱的部分的物体后面或内部。该天线可用于向远处位置传送例如有关集装箱的位置、内容物和安全状态的信息。
图1示出了减小尺寸的天线的一个实施例的前侧，该侧带有有源元件。
图2示出了图1中所示的相同的实施例的后侧，该侧示出了地平面。
图3示出了通过图1中显示的切割线的实施例的截面。
图4示出了可用于隐藏天线的物体的一个实施例。
图5示出了减小尺寸，被隐藏在移动车辆的适当位置的天线的一个实施例。
具体实施例方式
如下是根据本发明的隐蔽的天线的特定实施例的详细描述，且不解释为限制性的描述。
图1是减小尺寸的天线的一个实施例的前视图。单个有源元件10由导电材料层形成且具有凸多边形的形状。(多边形为凸多边形，当且仅当在多边形内侧测量时它的所有角都小于180度。)有源元件10与电介质层15制成整体。在电介质层15的相对侧为地平面20，它由另一层导电材料形成。同轴电缆25的中心导体的端连接到有源元件10且向有源元件10或从有源元件10传送射频能量。电缆导体25从下方进入小孔27且焊接在有源元件10上。电缆端25在有源元件10上的位置选择为优化天线与射频能量源、真空或二者的阻抗匹配。替代地，另外的电路元件，例如电感器或电容器可位于电缆端25和有源元件10之间，以进一步改善阻抗匹配。
电介质层15具有超过1.0的有效相对介电常数εr和超过1∶1的电容率与磁导率比εr/μr。如上文中已解释，εr的值越高，天线能减少的尺寸越大。一类有价值用于该应用的材料是所谓的铁电材料，一些铁电材料具有高达100或者更高的εr值。该类包括但不限制于二氧化钛、氧化钛、钛氧(titania)、钛酸钡和金红石。
图2示出了相同的实施例的后视图，更清晰地示出了地平面20，它的标号与图1中相同。
图3示出了与图1和图2中示出的天线的相同实施例的截面，带有与那些图中相同的标号。本图示出了用于向天线传送或从天线传送射频能量的馈电电路的一个部分的一个实施例。同轴电缆的外部导体30连接到地平面20，而相同的电缆的内部导体25连接到有源元件10。如上文中已解释，这些连接的位置以如下方式选择，即实现天线到其环境的阻抗匹配的优化。在本特定实施例中，元件之间的电磁能量不存在缝隙耦合。
图4示出了可用于隐藏天线的物体40的一个实施例。物体40具有通常用于覆盖商用拖车通风开口的格栅的形状。物体40由天线运行波长的电磁波可穿透的材料制造。一些此材料有时称为“天线罩”材料且在技术领域中已知。
图5示出了已安装的尺寸减小的隐藏天线的实施例。在此实施例中，平面天线50接附到移动车辆55且用于与远方位置通过卫星65来交换涉及车辆及其内容物的信息。天线50隐藏在具有通风盖形状的物体40的后方，该物体40是车辆的整体部分。还描绘了位于车辆55的不同部分的实际的通风盖70。因为两个物体对于不经意的观察者看似相同，且因为此通风盖通常被看到且理解为通风盖，观察者极小可能设想通风盖之一后隐藏有天线。
需要理解的是上述的描述和实施例是典型的且不认为是限制发明的范围。不偏离本发明精神和范围的替代物、修改和变化对于本领域技术人员是显见的。本发明的范围将通过如下权利要求书限定。
权利要求
1.一种隐蔽的天线，其包括具有减小的尺寸和在一定波长范围与真空优化的阻抗匹配的平面射频(RF)天线，所述的天线包括至少一个地平面；至少一个有源元件；以及至少一层具有超过1.0的介电常数和超过1∶1的电容率与磁导率比的电介质材料。
2.如权利要求1所述的隐蔽的天线，进一步包括所述的波长范围的电磁波可穿透的物体，通过将所述的天线放置在所述的物体后面或内部来隐蔽所述的平面射频天线。
3.如权利要求2所述的隐蔽的天线，其中所述的物体为移动车辆的整体部分。
4.如权利要求2所述的隐蔽的天线，其中所述的物体为运输集装箱的整体部分。
5.如权利要求2所述的隐蔽的天线，其中所述的物体具有气窗通风口、车头横杆、保险杠、车身面板、转角保护件、转角通风口或标志灯的形状。
6.如权利要求1所述的隐蔽的天线，其中所述的波长范围为VHF范围。
7.如权利要求1所述的隐蔽的天线，其中所述的电介质材料为铁电材料。
8.如权利要求1所述的隐蔽的天线，其中所述的电介质材料从包括如下材料的组中选择钛氧、氧化钛、二氧化钛、钛酸钡和金红石。
9.如权利要求1所述的隐蔽的天线，其中所述的电介质材料具有超过大约2的介电常数和超过大约2∶1的电容率与磁导率比。
10.如权利要求1所述的隐蔽的天线，进一步包括馈电电路，所述的馈电电路包括至少一个导电电缆，所述的电缆的端以实现所述的优化的阻抗匹配的方式电连接到且定位在所述的至少一个有源元件上。
11.如权利要求1所述的隐蔽的天线，其没有缝隙耦合。
12.一种隐蔽的天线，其包括具有减小的尺寸和在一定波长范围与真空优化的阻抗匹配的平面射频(RF)天线，所述的天线包括第一导电层，用作地平面，相对于所述的第一层的第二导电层，所述的第二层用作有源元件，以及位于所述的第一和所述的第二导电层之间的电介质材料层，所述的材料具有超过1.0的介电常数和超过1∶1的电容率与磁导率比。
13.如权利要求12所述的隐蔽的天线，进一步包括所述的波长范围的电磁波可穿透的物体，通过将所述的天线放置在所述的物体后面或内部来隐蔽所述的平面射频天线。
14.如权利要求13所述的隐蔽的天线，其中所述的物体为移动车辆的整体部分。
15.如权利要求13所述的隐蔽的天线，其中所述的物体为运输集装箱的整体部分。
16.如权利要求13所述的隐蔽的天线，其中所述的物体具有气窗通风口、车头横杆、保险杠、车身面板、转角保护件、转角通风口或标志灯的形状。
17.如权利要求12所述的隐蔽的天线，其中所述的波长范围为VHF范围。
18.如权利要求12所述的隐蔽的天线，其中所述的电介质材料为铁电材料。
19.如权利要求12所述的隐蔽的天线，其中所述的电介质材料从包括如下材料的组中选择钛氧、氧化钛、二氧化钛、钛酸钡和金红石。
20.如权利要求12所述的隐蔽的天线，其中所述的电介质材料具有超过大约2的介电常数和超过大约2∶1的电容率与磁导率比。
21.如权利要求12所述的隐蔽的天线，进一步包括馈电电路，所述的馈电电路包括至少一个导电电缆，所述的电缆的端以实现所述的优化的阻抗匹配的方式电连接到且定位在所述的至少一个有源元件上。
22.如权利要求12所述的隐蔽的天线，其没有缝隙耦合。
23.一种隐藏射频天线的方法，该方法包括制造具有减小的尺寸和在一定波长范围与真空优化的阻抗匹配的平面射频(RF)天线，所述的天线包括至少一个地平面；至少一个有源元件；以及至少一层具有超过1.0的介电常数和超过1∶1的电容率与磁导率比的电介质材料；以及将所述的平面天线隐藏在所述的波长范围的电磁波可穿透的物体后面或内部。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述的物体为移动车辆的整体部分。
25.如权利要求23所述的方法，其中所述的物体为运输集装箱的整体部分。
26.如权利要求23所述的方法，其中所述的物体具有气窗通风口、车头横杆、保险杠、车身面板、转角保护件、转角通风口或标志灯的形状。
27.如权利要求23所述的方法，其中所述的波长范围为VHF范围。
28.如权利要求23所述的方法，其中所述的电介质材料为铁电材料。
29.如权利要求23所述的方法，其中所述的电介质材料从包括如下材料的组中选择钛氧、氧化钛、二氧化钛、钛酸钡和金红石。
30.如权利要求23所述的方法，其中所述的电介质材料具有超过大约2的介电常数和超过大约2∶1的电容率与磁导率比。
31.如权利要求23所述的方法，所述的平面射频天线进一步包括馈电电路，所述的馈电电路包括至少一个导电电缆，所述的电缆的端以实现所述的优化的阻抗匹配的方式电连接到且定位在所述的至少一个有源元件上。
32.如权利要求23所述的方法，其中所述的平面射频天线没有缝隙耦合。
33.一种隐藏射频天线的方法，该方法包括制造具有减小的尺寸和在一定波长范围与真空优化的阻抗匹配的平面射频(RF)天线，所述的天线包括第一导电层，用作地平面，相对于所述的第一层的第二导电层，所述的第二层用作有源元件，以及位于所述的第一和所述的第二导电层之间的电介质材料层，所述的材料具有超过1.0的介电常数和超过1∶1的电容率与磁导率比；以及将所述的平面天线隐藏在所述的波长范围的电磁波可穿透的物体后面或内部。
34.如权利要求33所述的方法，其中所述的物体为移动车辆的整体部分。
35.如权利要求33所述的方法，其中所述的物体为运输集装箱的整体部分。
36.如权利要求33所述的方法，其中所述的物体具有气窗通风口、车头横杆、保险杠、车身面板、转角保护件、转角通风口或标志灯的形状。
37.如权利要求33所述的方法，其中所述的波长范围为VHF范围。
38.如权利要求33所述的方法，其中所述的电介质材料为铁电材料。
39.如权利要求33所述的方法，其中所述的电介质材料从包括如下材料的组中选择钛氧、氧化钛、二氧化钛、钛酸钡和金红石。
40.如权利要求33所述的方法，其中所述的电介质材料具有超过大约2的介电常数和超过大约2∶1的电容率与磁导率比。
41.如权利要求33所述的方法，所述的平面射频天线进一步包括馈电电路，所述的馈电电路包括至少一个导电电缆，所述的电缆的端以实现所述的优化的阻抗匹配的方式电连接到且定位在所述的至少一个有源元件上。
42.如权利要求33所述的方法，其中所述的平面射频天线没有缝隙耦合。
全文摘要
本发明涉及具有减小的尺寸和在一定波长范围与真空优化的阻抗匹配的射频(RF)天线。本发明还涉及通过减小天线尺寸且将它隐蔽在物体后面或内来隐藏天线的方法，由天线发射或接收的一定波长范围的电磁波可穿透该物体。
文档编号H01Q1/42GK1910788SQ200580002210
公开日2007年2月7日 申请日期2005年8月31日 优先权日2004年9月10日
发明者J·杰森, T·B·布林, P·D·麦肯兹, C·B·特伊雷尔, W·平托 申请人:通用电气公司