具有改进工作频率范围的集成阻抗匹配网络的喇叭天线的制作方法

专利名称：具有改进工作频率范围的集成阻抗匹配网络的喇叭天线的制作方法
具有改进工作频率范围的集成阻抗匹配网络的喇叭天线
背景技术：
1. 发明领域
本发明涉及天线设计且更具体地涉及具有集成的阻抗匹配网络的宽带喇叭天线。
2. 关联技术的说明
下面的说明和示例不因为它们包含在这部分而被认为是现有技术。天线是辐射或接收电磁(EM)能量的装置。理想的传输天线从信号源(例如功放)接收功率并将所接收的功率辐射至空中。即，电磁能从天线逸出，除非被反射或散射，否则不会返回。然而，实践中的天线产生辐射和非辐射的两种EM场分量。一例非辐射EM场分量可以是返回信号源的已接收功率的一部分，
或者在阻性负载中被消耗。
天线的性能可以多种方式表征。首先，天线的辐射效率(或"天线效率")可定义为由天线辐射的功率量与由天线(从电源)接收到的功率量之比。由天线接收到的但不辐射出的功率部分可能以热形式消耗。其它天线性能特征包括辐射图案、工作频率带宽、增益和方向性。
如本文所使用，天线的"辐射图案"可定义为量的空间分布，表征天线产生的电磁场。辐射图案一般作为下列量之一的角分布(在球面坐标中，在离天线固定径向距离R处的e和v)的表征而给出功率通量密度、辐射强度、方向性、增益、相位、极化或场强(电或磁)。天线的方向性、增益和极化可通过获知天线的辐射图案而计算出。
例如，天线的"方向性"可定义为最大辅射的方向。对于多数定向天线来说，辐射图案包括一个主瓣(指向最大辐射的方向)和若干个较小的侧瓣(例如由于天线内的反射或横向极化)。侧瓣往往有损于定向天线的总体性能，因的量。
定向天线的"增益"可定义为方向性乘以天线的辐射效率。就此而言，天 线增益将小于实际天线设计的方向性，它提供100%以下的辐射效率。
电磁场是矢量场。电磁场的矢量特征的行为经常被称为天线的"极化"或
"极化状态"。用于电磁兼容性(EMC)测试的多数天线设计是线性极化的。
双脊喇叭天线或锥形双脊波导是线性极化天线的一个例子，因为喇叭在主轴和 主平面上产生的电磁场是线性极化的。当重载时，双脊喇叭天线能够提供相当
大的工作频率带宽(例如从大约lGHz至18GHz)。"工作频率带宽"典型地被 定义为提供可接受性能的频率范围。
双脊喇叭天线100的一个实施例示出于

图1和图2中。在所示实施例中， 该双脊喇叭天线包括彼此相对地设置在矩形外壳内的一对天线元110 (或称其 为"脊"或"鳍")。每个天线元110形成为具有基本凸起的内表面112和基 本平直的外表面114。天线元的外表面114牢固地附连于喇叭天线100的壁120。 当耦合在一起时，壁120形成具有比底部140明显更大的孔130的矩形圆锥结 构。在一些情形下，矩形盒体(或"空腔结构")150可耦合于类似形状的底 部140。 一般包括空腔结构150以在喇叭天线的馈电区后面提供分流电感，该 分流电感在馈电区提供高通匹配并防止能量从天线后面辐射出。
如图1所示， 一个或多个电源连接器160可耦合于底部140以经由同轴传 输线(未示出)从电源(未示出)向天线元110提供电流。包含导电馈电线170 以将电流从同轴传输线传至天线元110。从同轴传输线至导电馈电线170的过 渡段是喇叭的重要部分，它包括喇叭的馈电区部分(即将电源提供给天线元的 区域或点)。当对馈电区供电时，电磁能产生并辐射到喇叭天线的外部。天线 元10的内表面112被配置成当辐射能量从底部140通过喇叭天线的"咽喉" 运行并通过天线的"嘴"或孔130离开时引导辐射能量。
如上所述， 一些双脊喇叭天线能够工作在相当大的频率范围内。例如，用 于EMC测试系统的一些双脊喇叭天线可提供将近1-18GHz的工作频率带宽。然 而，传统双脊喇叭设计目前无法在明显大于18:1的带宽上提供可用辐射图案。 这种带宽限制在四脊喇叭设计中进一步加剧。四脊喇叭天线基本上是双脊喇叭天线的双极化形式并在理想情形下通过利用四脊波导中的两个波型的正交性发挥功能。通过保持四脊波导两个端口处的进入信号的相位和振幅之间的正确关系，可产生循环极化的远场。更一般地说，该天线与开关一起使用以提供两种正交的线性极化。
在实践情形下，两波型之间尤其在馈电区的耦合是不可避免的并因此有损于四脊喇叭天线的性能。由于制造馈电区存在的各种困难(例如空间约束)，四脊喇叭已无法提供与双脊、单极化喇叭相同的带宽。最多，传统的四脊喇叭
天线可提供大约lGHz至10GHz的工作频率范围。
因此，需要提供一种改进的双脊和四脊喇叭设计，它能够扩展可用工作频率范围以使其超过当前可得的工作频率范围。
发明概述
上面列出的问题很大一部分可通过包括彼此相对设置以在其间引导电磁波的至少一对脊的双脊或四脊喇叭天线来解决。传输线耦合于诸脊中的第一个以向喇叭天线的馈电区供电或从中接收信号。为了减少传输线和脊之间的阻抗失配，将阻抗匹配网络在馈电区内嵌于诸脊的第二个中。 一般来说，可通过在传输线和馈电区的脊之间提供串联电容而配置阻抗匹配网络以减少失配。
在一个实施例中，阻抗匹配网络可包含导电引脚，该导电引脚从传输线伸出、穿过第一脊进入形成在第二脊内的凹口。需要设置在馈电区以减少阻抗失配的串联电容由导电引脚部分提供，所述导电引脚内嵌在凹口中。导电引脚的嵌入部分或者被称为"开路传输线接线柱"或"电容性接线柱"。如本文所述那样，可增加电容性接线柱的直径和/或长度以增大由接线柱提供的电容量。
在一些情形下，导电引脚可仅为传输线中央导体的延伸，以使导电引脚的直径基本等于中央导体的直径。在其它情形下，导电引脚与传输线的中央导体截然不同，但与之附连。这使导电引脚具有比中央导体明显更大的直径。例如，导电引脚包括具有恒定、但是更大直径的连续导体。又如，导电引脚可形成为两个独立部分，这两部分稍后耦合在一起。例如，导电引脚可包括从传输线伸出通过第一脊直至凹口边界的第一部分。导电引脚也可包括直接与第一部分相连并约束在凹口中的第二部分。在一些情形下，第二部分的直径可大于第一部 分的直径。
在一些实施例中，阻抗匹配网络可包括用于将导电引脚固定在馈电区并防 止导电引脚和脊之间产生物理接触的介电材料。在一些情形下，介电材料可从 传输线伸出、透过第一脊伸入形成在第二脊中的凹口。在其它情形下，介电材 料可约束在凹口中以嵌入导电引脚的端子端。在任一情形下，可包括介电材料 以增加接线柱提供的电容量。为了提供足够量的电容，该介电材料可从相对介 电常数大于或等于约2.0的介电材料中选取。例如，该介电材料可从包括合成 含氟聚合物、交联聚苯乙烯和陶瓷材料的介电材料中选取。
本文还探讨了制造喇叭天线的方法。 一般来说，该方法可包括提供一对脊 以使这对脊的内表面定位以引导它们之间的电磁能量。在一些情形下，该方法 接下来是将导电引脚插入贯穿诸脊的第一个延伸的孔。该导电引脚可如本文所 述地配置。接着，导电引脚的一端可连接于喇叭天线的电源连接器或输入/输 出(I/O)连接器。在一些情形下，导电引脚和连接器组件可前进通过孔，直 到导电引脚的端子端位于形成在诸脊的第二个中的凹口内且连接器基本与诸 脊的第一个的外表面齐平为止。在其它情形下，可在导电引脚和连接器组件前 进并穿过孔前将介电材料或"介电塞"插入凹口。如果有的话，可配置介电塞 以将导电引脚的端子端固定在凹口中，防止导电引脚和脊之间产生物理接触并 增加内嵌在凹口中的导电引脚部分提供的串联电容。
附图简述
本发明的其它目的和优点将通过阅读下面的详细说明和参照附图而变得 清楚，在附图中-
图1是传统双脊喇叭天线的侧视图； 图2是传统双脊喇叭天线的俯视图3A是示出双脊喇叭天线的实施例的横截面图，其中导电馈电线通过直 接欧姆连接而耦合于波导；
图3B是图3A所示的双脊喇叭天线的底部的放大横截面8图4A是示出由图3A — 3B所示双脊喇叭天线提供的频率传递函数的量级的 曲线图4B是示出由图3A-3B所示双脊喇叭天线提供的频率传递函数的相位的 曲线图5A是示出双脊喇叭天线的较佳实施例的横截面图，其中导电馈电线通 过间接电容耦合而耦合于双脊波导；
图5B是图5A所示双脊喇叭天线的底部的放大横截面图，其示出用来增强
导电馈电线和双脊波导之间的电容耦合的介电材料的一个实施例；
图5C是图5A所示双脊喇叭天线的底部的放大横截面图，其示出用来增加
导电馈电线和双脊波导之间的电容耦合的介电材料的另一实施例；
图5D是图5A所示双脊喇叭天线的底部的放大横截面图，其示出导电馈电
线(或"导电引脚")的一个可行配置；
图5E是图5A所示双脊喇叭天线的底部的放大横截面图，其示出导电馈电
线(或"导电引脚")的另一可行配置；
图5F是图5A所示双脊喇叭天线的底部的放大横截面图，其示出导电馈电
线(或"导电引脚")的又一可行配置；
图5G是图5A所示双脊喇叭天线的底部的放大横截面图，其示出从连接器 延伸至凹口的锥形孔的一个实施例；
图5H是图5A所示双脊喇叭天线的底部的放大横截面图，其示出从连接器 延伸至凹口的锥形孔的另一实施例；
图51是图5A所示双脊喇叭天线的底部的放大横截面图，其示出从连接器 延伸至凹口的锥形孔和锥形导电引脚的一个实施例；
图6A是示出由图5A所示双脊喇叭天线("具有尺寸减小的空腔和在馈电 处的串联电容")提供的输入电压驻波比(VSWR)相比由图3A所示双脊喇叭 天线("具有尺寸减小的空腔和直接馈电")提供的输入电压驻波比(VSWR) 的改善的曲线图6B是示出图5A所示双脊喇叭天线("具有尺寸减小的空腔和在馈电处 的串联电容")的回波损耗相比图3A所示双脊喇叭天线("具有尺寸减小的空腔和直接馈电")提供的回波损耗的改善的曲线图6C是示出由图5A所示双脊喇叭天线(减小的空腔和串联电容)提供的 频率传递函数相比由图3A所示双脊喇叭天线("减小的空腔")提供的频率 传递函数的改善的曲线图6D是示出由图5A所示双脊喇叭天线(减小的空腔和串联电容)提供的 增益相比由图3A所示双脊喇叭天线("减小的空腔")提供的增益的改善的 曲线图7是示出用来制造图5A所示双脊喇叭天线的方法的一个实施例的流程图。
尽管本发明可以有多种变化和代替形式，但在附图中通过示例示出其特定 实施例并在本文中予以详细说明。然而要理解，附图及其详细说明不旨在将本 发明限制在具体公开的形式，相反，本发明覆盖落在本发明如所附权利要求所 定义的精神和范围内的所有变化、等效物和替代形式。
较佳实施例的详细说明
参照附图，图3和图5示出双脊喇叭天线的示例性实施例。如下文更详细 地表述的那样，本文提供的天线设计通过将阻抗匹配网络嵌入双脊或四脊喇叭 天线中的至少一个"脊"而改进了传统设计。该阻抗匹配网络通过在馈电点处 减少同轴传输线和脊之间的阻抗失配而改善了低频段的工作频率范围。在一般 实施例中，阻抗失配网络可包括从同轴传输线伸出、经过诸脊中的第一个并伸 入形成在诸脊中的第二个中的凹口的导电馈电线或导电引脚。导电引脚的长度 和直径可选，以使导电引脚不与脊形成物理接触，而是通过电容耦合间接地耦 合。在一些实施例中，可在凹口中包括介电材料以增强电容耦合并将导电引脚 固定在凹口中。
要理解，上述阻抗匹配网络可与其它宽带喇叭天线改进相结合。这些改进 可在本文中给出或在转让给本发明人的各项专利和专利申请中披露。例如，本 文所提到的改进可与共同转让的美国专利No. 7,161,550中阐述的一种或多种 改进相结合。然而，不需要包括本发明所有实施例中披露的所有改进。相反，本发明的一些实施例可包括仅一种或可能若干种前面提到的改进。本领域内技 术人员能够轻易理解本发明的各个方面如何结合以产生替代实施例，这些实施 例没有明确地示出于附图中或记载于本文中。本发明旨在覆盖所有这些可能的
么士 A 5口 口 0
图3A是具有彼此相对定位以引导从喇叭天线辐射出或由其接收的电磁 (EM)能量的至少两个"脊"或"鳍"210的喇叭天线200的横截面图。脊210 可具有被认为适合"引导"EM波通过天线的几乎任何几何形状。例如，如图 3A所示，脊可具有曲面形的内表面212和基本平直的外表面214。尽管外表面 的配置似乎较不重要(并且可以是平直的以简化设计)，然而内表面的轮廓较 佳地发挥引导或导向从喇叭天线辐射出的电磁能量的功能。也可使用未在本文 中具体说明的脊的其它几何形状。 一旦确定一种几何形状，则脊可由几乎任何 导电材料构造而成。铝是用来构造脊的材料的一个例子。也可使用在本文中没 有具体提到的其它材料。
在一个实施例中，脊可形成为各块导电板，这些导电板以所描述方式组装 在一起。在另一实施例中，可剪裁彼此相对定位的两个脊的外形或以其它方式 将其形成为导电材料的连续片材。如果如图3A所示包括两个脊，则可将这两 个脊与其它天线部件(下文描述)组合以形成双脊喇叭天线或双脊波导。尽管 在本文中没有具体示出，但可通过将两个双脊喇叭定位在一起而提供四脊喇 叭，以使相邻的脊基本错开90°地排列或形成。四脊喇叭典型地具有两个输入 /输出端口。
不管提供双脊喇叭还是四脊喇叭，可配置脊210以使它们紧密地耦合在天 线的底部220并相互弯曲离开以形成一稍大的空腔230。在一些实施例中，矩 形盒体(或"空腔结构")240可一体地形成或以其它方式耦合于相同形状的 底部220。如果有的话，空腔结构可配置成提供在喇叭天线的馈电区后面提供 分流电感。分流电感防止能量从喇叭天线的后面辐射出并对位于馈电区的阻抗 匹配网络有利。可进一步如本文所述地配置空腔结构。
如图3A所示，至少一个连接器260可耦合于天线200的底部220。总地 来说，可耦合连接器260以向脊210供电或从脊210接收信号。在发送模式下，
11可耦合连接器260以经由同轴传输线250将电流从电源(未示出)提供给脊210。 在接收模式下，可耦合连接器260以在接收到辐射信号时接收脊产生的电流。 连接器260可认为是"电源连接器"或"输入/输出连接器"。如果使用一个 连接器，则导电馈电线或"导电引脚"270可用来在馈电区280在同轴传输线 250和脊210之间传递电流。如本文所使用的那样，"馈电区"是向脊供电的 点。
在图3A和3B中，导电引脚270从连接器260伸出、经过在将第一脊和第 二脊隔开的间隙之间诸脊中的第一个对直至第二脊的内表面212。导电引脚270 的一端连接于连接器260，以将电流传递至/自同轴传输线250。导电引脚的另 一端(即"端子端")连接于第二脊的内表面212以将电流传递至/自馈电区 280。更具体地，导电引脚270的端子端被配置成与第二脊的内表面212形成 直接的物理接触。该接触可通过将导电引脚的端子端在期望的焊接点焊接至脊 的内表面212而实现。
尽管对一些实施例来说是足够的，然而图3A和3B所示实施例可能无法针
对所有应用提供最佳解决方案。例如，尽管当前实施例提供明显宽的带宽(例 如18:1)，然而工作频率范围在高频段和低频段被两个主要机制限制。这对于 一些特别的宽带应用(即超过18: l宽带的应用)来说是不理想的。
在低频段，工作频率范围受波导几何形状(即脊的几何形状)以及位于馈 电点后面的空腔240的尺寸和几何形状的限制。例如，当工作频率低于其基谐 波型的截止频率时，图3A和3B所示的双脊波导往往退化成DC短路(例如接 近零的输入阻抗)。空腔结构240也在足够低的频率下退化成DC短路。然而， 同轴传输线250向馈电区280提供非零输入阻抗(一般大约为50Q)。这造成
馈电点的明显阻抗失配，对工作频率范围的低频段形成限制。
在工作频率范围的高频段处，在馈电点后面的空腔240表现出在馈电处提
供几乎短路的输入阻抗。更具体地，随着喇叭的工作频率无限增高，空腔240 表现出多次(实际上是无限次)谐振。感兴趣的特定谐振不是作为开路谐振的 基频谐振，而是在馈电点附近表现出零电场的特定模态。该模态在喇叭的频率 响应中产生显著的凹陷(例如图4A和4B所示)，这对工作频率范围的高频段
12造成限制。由于基本上所有输入功率都被近零输入阻抗反射，该凹陷也可在喇 叭的输入回波损失中(未示出)看到。
在一些情形下，可通过减小位于馈电区后面的空腔尺寸而增高发生凹陷所 在的频率。然而，这往往会因为馈电处阻抗失配的增大而破坏下端频率响应。
即，当空腔的尺寸减小时，代表空腔穴低于其基频谐振的等效分流电感减小。
这种分流电感的减小通过使从馈电侧看来的输入阻抗在比较大尺寸的空腔有
关的较高频率下退化为短路而限制了喇叭天线的低频响应。
图4A和4B以曲线图示出由双脊喇叭天线200提供的频率响应的振幅和相 位。该曲线图示出尽管该喇叭提供明显大的带宽(将近l-18GHz)，工作带宽 的高频段和低频段仍然受到若干因素的限制，包括在馈电点后面的空腔的行为 以及在馈电点表现出低阻抗的空腔谐振(这造成反射并因此减小辐射功率)。
除了有限的带宽，图3A和3B所示的双脊喇叭在导电引脚和脊之间提供直 接的物理连接。因为两个原因，这是成问题的。首先，引脚和脊之间的物理连 接某种程度上难以制造。如上面所提到的，物理连接一般是通过将导电引脚270 的端子端焊接于第二脊的内表面212而制成的。然而，导电引脚和脊经常由不 同材料制成(例如导电引脚可以是镀金的黄铜或铜，而脊是铝)，当使用焊接 技术来连接这两个表面时，可能无法形成强(或导电性强)的接合。为了匹配， 必须在脊的表面形成接触而不是不利地形成带有其伴随电感的凹进的同轴孔。
图3A和3B中提供的直接物理连接的另一问题是连接器260上的任何纵向
力可使连接器的槽口发生位移，从而导致连接器处的阻抗失配。即使非常高质 量的连接器也无法忍受引脚上的纵向力。这严重地限制了在导电引脚270和第 二脊之间形成直接的物理接触的手段。
图5A — 5F中示出改善的双脊喇叭天线300的各实施例。 一般来说，图5A 一5F所示的双脊喇叭天线300通过将阻抗匹配网络内嵌入喇叭天线的至少一 个"脊"而改进了之前的天线设计。如下所述，阻抗匹配网络通过在馈电点处 减少(和/或消除)可能存在于同轴传输线和喇叭之间的任何阻抗失配而提高 工作频率范围的低频段。在一些情形下，减少的失配允许例如通过减小位于馈
电点后面的空腔结构的尺寸而扩展工作频率范围的高频段。阻抗匹配网络的另一优点在于，网络以消除在导电引脚和脊之间产生直接的物理连接的需要的方 式实现。这使制造大为简化并消除了例如由于连接器上的纵向力造成的机械和
电气干扰。
在一些实施例中，图5A所示的喇叭天线300可类似于图3A所示的喇叭天 线200。例如，喇叭天线300可包括彼此相对定位以引导从喇叭天线辐射出或 由喇叭天线接收的电磁(EM)能的至少两个脊310。如上面提到的，脊310基 本上可由任何材料形成并具有基本上任何被认为适于"引导"EM波通过天线的 几何形状。脊可构造成各导电板，它们以所述方式组装在一起或形成为导电材 料的连续片材。可包括合适数量的脊以形成图5A所示的双脊喇叭天线或四脊 喇叭(本文中未具体示出)。
不管提供双脊还是四脊喇叭，配置脊310以使它们紧密地耦合在天线的底 部320并相互弯曲离开以形成一稍大的空腔330。在一些实施例中，矩形盒体 (或"空腔结构")340可一体地形成或以其它方式耦合于相同形状的底部320 以在喇叭的馈电区后面提供分流电容。如上所述，并联电感在馈电区提供高通 匹配并防止能量从天线的后面辐射出。空腔结构可进一步如本文所述地配置。
如图5A所示，至少一个连接器360可耦合于底部320以向脊310供电或 从其接收信号。例如，当喇叭天线被配置成发送模式时，可耦合连接器360以 将电流经由同轴传输线350从电源(未示出)提供给脊310。如之前实施例所 述那样，提供导电馈电线或"导电引脚"370以将电流从同轴传输线350传递 至馈电区380处的脊310。导电引脚370的一端连接于连接器360以从同轴传 输线350接收电流。然而，与前面的实施例不同，导电引脚370的相反端(即 "端子端")不被配置成与第二脊的内表面312形成直接的物理连接。
相反，导电引脚370从连接器360伸出、经过诸脊中的第一个、在分离第 一和第二脊的间隙之间并伸入形成在第二脊中的凹口 390。"凹口"可以几乎 任何形式形成并具有任何被认为合适的几何配置。在一个实施例中，凹口390 可通过钻孔形成，孔通过第一脊伸入第二脊的一部分。在另一实施例中，凹口 390和/或孔可在最初的脊几何结构中预先制造(例如当脊最初被切割或模制 时)。不管形成凹口的方式如何，可配置凹口和导电引脚以使导电引脚不与脊
310的表面形成接触。不是提供图3A和3B中使用的直接物理连接，图5A—5F 中所示的导电引脚370在馈电点380在同轴传输线350和脊310之间提供电容 性连接。换句话说，引脚370嵌入凹口中的部分构成"开路传输线接线柱"或 "电容性接线柱"，这在馈电点在同轴传输线和的脊之间提供串联电容。由接 线柱提供的串联电容使当前实施例提供在低频段改善工作频率范围所需的阻 抗匹配。
在一些实施例中，可能需要相对大的电容以在工作频率范围的低频段提供 足够的、但不过大的电容性电抗。可以若干方式获得适量大的电容。首先，如 果使用凹进接线柱，则可通过使凹进接线柱的内径(cU和外径(d。)的值相 对接近而实现相对大的电容。这(通过使表面积最大)增强了电容耦合，并通 过如等式1所示减小由导电引脚370及其各个外壁形成的传输线的特征阻抗 (Z。stub)而改善馈电点处的匹配。
例如，由导电引脚370形成的传输线接线柱的特征阻抗(Z。stub)通过下式 给出<formula>formula see original document page 15</formula>
其中L,和d分别为分布电感(H/m)和分布电容(F/m)。接线柱表现出以下相 位速度
<formula>formula see original document page 15</formula>
当接线柱具有空气电介质时，相对介电常数和磁导率是1且相位速度就是光在 自由空间中的速度Co。因此，导电引脚370的分布电容(d)可表示为
<formula>formula see original document page 15</formula>
等式3示出使导电引脚370的内径(d,)和外径(d。)彼此接近会增加每单位 长度的电容并降低接线柱的特征阻抗(Z。stub)。这减少了接线柱的"驱动点"或"输入"阻抗(zstub)，如等式4所示
z遍=—7'z。遍COt= 等式4
等式4所示的输入阻抗(zstub)是电容性的并且当接线柱的长度小于四分之一
波长时等效于Cstub的电容。
在一些示例中，至电容性接线柱(即导电引脚370内嵌入第二脊的部分) 的输入阻抗(zstub)可通过增加接线柱的长度而减小，如等式5所示
z他a =-yz。c。t(戶/遍) 等式5
尽管这增大了接线柱表现出的有效电容(Cstub)(见等式4)，加长接线柱降
低了接线柱的半波谐振频率或开路传输线接线柱变为接近开路的频率。这降低 了电容性结构的频率上限，从而降低了喇叭天线的频率上限。为了确保喇叭天 线的频率上限不受影响，可较佳地选择接线柱的长度以使半波谐振高于喇叭天 线期望的频率上限。
由于接线柱的内径一外径比一般受到加工能力的限制，因此限制接线柱的 长度经常会限制接线柱提供的可实现电容。然而，在一些实施例中，可通过利 用其它形式的电容而增大电容。
在实践中，电容性接线柱370提供有效的电容性，它可包括三个迥异的分 量。首先，电容性接线柱在接线柱370的表面和凹口 390的表面之间沿接线柱 长度提供分布电容(上面已论述)。这种电容形式直接取决于接线柱的长度， 并因此随长度增加和减小。另外，有效电容包括在接线柱370端部和凹口 390 的内表面端部之间的平行板电容。可通过增加/减小接线柱和凹口的相对表面 之间的间隙而调整该平行板电容。最后，有效电容包括来自于接线柱的"角部" 附近的边缘场(称其为"边缘电容")的贡献。在一些情形下，可通过向接线 柱提供更尖/更圆的角部而增加/减小边缘电容。根据接线柱的几何形状和长 度，可使用这三种贡献中的任意一个以增大接线柱的有效电容。
在一些实施例中，可通过如图5B和5C所示地将介电材料添加至电容性结 构而进一步增加电容。例如，介电材料400可约束在形成于第二脊内的凹口 390
16中，如图5B所示。又如，介电材料400延伸通过孔和凹口，如图5C所示。换 句话说，介电材料可从连接器360伸出、穿过第一脊并伸入形成在第二脊中的 凹口 390。尽管可使用任一实施例，然而图5B所示实施例是较佳的，因为它更 强健一些并避免在间隙中使用介电材料400 (这某种程度上是有害的)。
除了将导电引脚370的端子端固定在凹口 390中并防止导电引脚和脊310 之间的物理接触，介电材料400发挥作用以通过增加电容性结构的相对介电常 数(sR)而增加电容性接线柱的可实现电容。可使用宽范围的介电材料。然而， 为了提供足够的电容，在本发明的至少一些实施例中较佳地选用相对介电常数 大于约2. 0的介电材料。介电材料400的可行选择包括合成含氟聚合物(例如 PTEE)、交联聚苯乙烯(例如Rexolite)和陶瓷材料(例如氧化铝、氧化铍或 钛酸钡)。也可使用在本文中没有具体提到的其它介电材料。
如上所述，电容性接线柱的长度(lstub)可增加以减少输入阻抗(Zstub)并 增大由接线柱提供的串联电容。然而，接线柱长度不仅能够用来优化电容的尺 寸，同时确保半波谐振保持高于喇叭天线的理想上限频率。如下文所述和如图 5D-5F所示，也可利用导电引脚370的直径。
在一些实施例中，导电引脚370可以是具有固定直径的单个导体，从导体 360伸出、经过第一脊并伸入形成在第二脊中的凹口 390。在一个实施例中(见 例如图5D)，导电引脚370的直径可基本上等于包含在同轴传输线350中的中 央导体350a的直径。在该实施例中，导电引脚370只是中央导体350a的延伸。 在另一实施例中(例如参见图5E)，导电引脚370的直径明显大于中央导体 350a的直径。尽管这一实施例可能需要导电引脚370在连接器360处电耦合于 中央导体350a，然而希望用较大直径引脚370以增大接线柱的电容。然而在选 择导电引脚370的直径和长度时要注意，由于直径和长度都会影响电容性结构 的半波谐振。
尽管由单个导体形成的引脚具有较大的机械稳定性，本发明的一些实施例 可以分块方式制造导电引脚370。例如，图5F示出导电引脚370可包括两个导 体，这些导体可单独形成后(例如通过焊接)耦合在一起。尽管这会令制造变 得复杂，然而图5F所示实施例允许端子端(即电容性接线柱部分370b)的直径大于导电引脚的剩余部分(即延伸通过第一脊和间隙的部分370a)。这增加 了电容性接线柱部分370b提供的电容，同时简化了导电引脚370a的剩余部分 和连接器360之间的连接。
要注意，部分370a的直径在图5F中示出为大于中央导体350a的直径。 然而，本领域内技术人员应当理解，可选择导体350a、 370a和370b的直径以 使制造简单并优化中央导体350a和脊310之间的阻抗匹配。
在一些实施例中，导电引脚370和/或其延伸穿过的通孔(即延伸通过第 一和第二脊的孔)可锥形化以在同轴传输线350和喇叭天线300的馈电点380 之间提供宽带阻抗变换器。例如，它(有时)有利于减小在馈电点处喇叭天线 的脊310之间存在的间隙。减小间隙利于抑制馈电区中的较高阶模并减小工作 频率范围的下频段(通过降低双脊波导中的TE10混合波型、要求的工作波型 的截止频率)。
较小的间隙在馈电点表现出较低的阻抗水平，需要宽带阻抗变换器将同轴 传输线阻抗(一般为50Q )减至较低的水平。为了获得这一阻抗变换器，可使 导电引脚370和/或延伸通过的通孔的直径在引脚/孔从连接器360向着凹口 390前进时形成锥形。该锥形体可配置成平滑或台阶式过渡。然而，锥形体的 实际机构可以各种不同方式实现。
宽带阻抗变换器的各实施例示出于图5G—51。尤其，图5G示出从连接器 360延伸至凹口 390的孔实现为相对平滑过渡的方式。图5H示出从连接器360 延伸至凹口 390的孔实现为台阶过渡的方式。图51示出孔和导电引脚370皆 为锥形的一种方式。本领域内技术人员应当知道如何通过以完全不同于本文中 明确示出的方式锥形化导电引脚370和/或孔而提供合适量的阻抗变换。在一 个实施例中，例如导电引脚370和/或孔可以指数方式锥形化。在另一实施例 中，仅锥形化一部分导电引脚370和/或孔。例如，导电引脚370延伸通过第 一脊和间隙的部分被锥形化，而引脚设置在凹口中的部分390可基本为均一形 状。存在多种其它可能性，用以实现本文描述的宽带阻抗变换器。
图6A-6D示出的曲线图示出由双脊喇叭300提供的优于那些由双脊喇叭 200提供的各种改进。用来获得图6A-6D所示曲线图的天线设计基本上相似，
18不同的是双脊喇叭300被修改为包括上述的串联电容。每个天线实现为具有尺 寸减小的空腔以在工作频率范围的高频段处提供可接受响应。尽管减小馈电区 后面的空腔尺寸必定增加回波损耗，然而尺寸减小是提供改善的高频段性能的 必要条件。
图6A和6B将喇叭天线200 ("尺寸减小的空腔和直接馈电")与喇叭天 线300("尺寸减小的空腔和在馈电点具有串联电容")提供的电压驻波比(VSWR) 和回波损耗(RL)进行比较。VSWR和RL都指示反射了多少进入到喇叭输入端 口的功率。低的VSWR和RL值表示更好的性能。如图6A和6B所示，在喇叭天 线300的馈电区处利用串联电容减小了 VSWR和RL两者。
图6C和6D将(分别)由双脊喇叭300 ("尺寸减小的空腔和串联电容") 与双脊喇叭200 ("尺寸减小的空腔")提供的频率传递函数和增益的大小进 行比较。如图6C所示，利用于喇叭天线300中的串联电容横跨范围的低频部 分提供将近1-2dB的改善。串联电容还在大部分工作频率范围内提高增益(图 6D)。尤其，图6D示出由每个天线提供的"失配增益"的量。相比之前提到
的"增益"，"失配增益"(Gef細ve)是增益(G)乘以所谓的"匹配效率"，或
该匹配效率是l减去回波损耗并表示天线接收了多少功率。如图6D所示，双 脊喇叭天线300提供比天线200多出将近1-2dB的(失配)增益。
根据本发明的制造双脊或四脊喇叭天线的示例性方法示出于图7。具体地 说，所示出的方法提供将阻抗匹配网络内嵌在双脊或四脊喇叭天线的脊中的一 种方式。然而，本领域内技术人员应当理解本文中未具体提到的其它方法如何 用来形成图5A—5F所示的双脊或四脊喇叭天线。
在一些情形下，该方法可开始于500，即提供一对脊以使这对脊的内表面 的位置能够引导位于它们之间的电磁能。如上所述，脊可构造成单独的若干导 电板，这些导电板以已描述方式组装在一起或形成为导电材料的连续片材。另 外，脊可由几乎任何材料形成并具有被认为适合"引导"EM波通过天线的几乎 任何几何形状。在一个实施例中，脊通过切割或加工一块厚度为9ram的铝板而
屮 \ 1, /
efficiency ^-v-^
(thermodynamic) matdiing efficiency
等式6构成。然而，重要的是注意可根据许多不同制造工艺(例如在一个实施例中可 使用浇铸工艺)和材料形成脊。上述加工工艺仅表示许多不同制造实施例中的 一个。
在一些情形下，该方法继续于510，即将导电引脚插入延伸通过诸脊的第 一个的孔。该孔可以几乎任何方式形成。例如，可通过加工或钻孔通过第一脊 并进入第二脊的一部分而形成孔。又如，可在脊的最初几何形状中(即当脊一 开始被切割或模制成形时)预制该孔。导电引脚可包括几乎任何其它导电材料， 它表现出高电导率(尤其是在工作频率范围的高频段)。在一个示例中，导电 引脚可由铍青铜制造而成，它被加热处理至高温回火并随后镀银。
在一些情形下，该方法可继续于520，即将导电引脚的一端连接于电源连 接器或喇叭天线的输入/输出(I/O)连接器。例如，连接步骤可包括通过焊接、 钎焊或粘合技术将导电引脚的一端牢固地连接于连接器。在一个实施例中，导 电引脚的一端可焊接至从N或APC-3. 5连接器的后面凸出的槽口 、引脚或插座。
导电引脚可通过使中央导体滑入连接器的插孔或夹头连接于同轴传输线的中 央导体。然而，须指出可使用许多其它连接器来代替上面提到的N或APC-3.5 连接器。在这些实施例中，导电引脚可略为不同地连接于同轴传输线的中央导 体。
在一些情形下，该方法可继续于540，即使导电引脚和连接器组件进给通 过孔，直到导电引脚的端子端位于形成在诸脊的第二个中的凹口内且连接器与 诸脊的第一个的外表面齐平为止。如上面提到的那样，导电引脚较佳地定位成 使端子端提供与脊的电容性而不是物理连接。可仔细选择引脚所提供的电容量 以最小化馈电区处的电阻失配并优化喇叭天线的频率响应。
在一些情形下，可通过调整导电引脚的配置而提供要求的电容量。如上面 提到的那样，导电引脚可包括单个导体(参见例如图5D-5E)或多个导体，这 些导体之后耦合在一起以形成导电引脚(参见例如图5F)。在一些情形下，可 选择导体的长度和/或直径以提供要求的电容量。在一些情形下，例如导体的 长度可增加(至不影响高频范围的程度)以减少输入阻抗并增加电容性接线柱 提供的电容。在一些情形下，可调整导体的直径(结合调整其长度或以调整长度以外的方式)以提供要求的电容量。在一些实施例中(参见例如图5D)，导 电引脚的直径可基本上等于包含在同轴传输线中的中央导体的直径。在其它实
施例中(参见例如图5E-5F)，可使导电引脚的直径明显大于中央导体的直径 以增加电容性接线柱提供的电容。在一个实施例中，可选择内、外导体直径之 间的关系以及电介质的相对介电常数，将喇叭天线的输入阻抗匹配至50欧姆 的同轴传输线。
在一些情形下，可在进给步骤前执行一个或多个步骤。在一个示例中，该 方法可包括选用步骤530，将介电材料或"介电塞"插入形成在诸脊中的第二 个中的凹口内。如上面提到的，介电材料可约束在凹口内，或从连接器伸出、 通过第一脊并伸入形成在第二脊中的凹口。在任一情形下，介电材料可配置成 将导电引脚的端子端固定在凹口中并防止导电引脚和脊之间的物理接触。
如果有的话，介电材料也可增加"电容性接线柱"(即内嵌在凹口中的导 电引脚的端子端)提供的电容。尽管可使用宽范围的介电材料，然而本发明的 多数实施例较佳地釆用相对介电常数大于约2. 0的介电材料。介电材料的可行 选择包括合成含氟聚合物(例如PTFE)、交联聚苯乙烯(例如Rexolite)和陶 瓷材料(例如氧化铝、氧化铍或钛酸钡)。也可使用在本文中未明确提到的其 它介电材料。
已描述了具有改进的频率响应的喇叭天线以及制造该喇叭天线的方法的 各个实施例。简言之，本文所描述的喇叭天线和方法通过内嵌具有至少一个 "脊"的双脊或四脊喇叭天线的阻抗匹配网络而改进了传统天线设计。在一较 佳实施例中，阻抗匹配网络被实现为"开路传输线接线柱"或"电容性接线柱"。 电容性接线柱可以多种方式配置以提供减少或消除馈电点处的阻抗失配所需 的电容量，由此改善和/或扩展喇叭天线的工作频率范围。
在一些情形下，本文所述的阻抗匹配网络可与一个或多个额外的改进结 合。如上所述，例如可减小空腔结构的尺寸以扩展上频段频率响应(例如越过 高于图6C所示的上限频率18GHz)。由于空腔尺寸影响到低频段的频率响应， 因此可增大电容性接线柱提供的电容以保持所要求的频率下限(例如图6C所 示的大约800MHz)。也可采用其它扩展高频段频率响应的手段。如上所述，在一些实施例中，可通过减小喇叭天线300的脊310之间的间
隙而扩展工作频率范围的低频段。然而，减小间隙尺寸会减低喇叭天线的总输
入阻抗，并且必定需要阻抗变换器(即减低同轴传输线的阻抗(一般为50Q) 至较低的水平)。如前所述，可使导电引脚370和/或其延伸通过的通孔的直 径锥形化(例如有平滑过渡或阶梯过渡)以提供合适的阻抗变换量。
在一些情形下，本文所述的阻抗匹配网络可与共同享有的美国专利No. 7，161，550中阐述的一种或多种改进结合。例如，阻抗匹配网络可结合(i ) 在天线的嘴部锥形化的延伸部分、(ii)磁性负载脊、(iii)形成在脊中的纵向 槽、(iv)磁性负载空腔和/或(v)使用互补的平衡馈电以将相等和相反量的电
流提供给脊。将这些改进中的一种或多种结合于当前披露的阻抗匹配网络 将导致具有优异工作带宽和辐射特征的双脊或四脊天线。在一些情形下，
阻抗匹配网络可与本文未明确提到的其它改进相结合。
在一些情形下，本文所述的阻抗匹配网络可以与本文描述方式略为不同地 实现。在一个替代性实施例中，上述电容性接线柱可用"现成的"电容器代替， 例如在馈电区插入在同轴传输线和脊之间的多层片状电容器。尽管这种替代看 上去是无关紧要的，然而与芯片的连接往往表现出很小的寄生行为，该寄生行 为将限制喇叭天线的高频段频率范围。
已通读本公开的本领域内技术人员应当理解本发明相信能够提供具有配 置成最大化工作频率范围的内嵌阻抗匹配网络的双脊和四脊喇叭天线。本发明 各方面的进一步修正和替代性实施例对本领域内技术人员而言受本说明书启 发是明显的。因此，下列权利要求书旨在解释为涵盖所有这些修正和变化并因 此说明书和附图被认为是示例性的而非限制性的。
权利要求
1.一种喇叭天线，包括一对脊，这对脊彼此相对设置以引导其间的电磁波；传输线，所述传输线耦合于诸脊中的第一个以向所述喇叭天线的馈电区供电或从那里接收信号；以及阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络在馈电区内嵌于诸脊中的第二个以减少所述传输线和脊之间的阻抗失配。
2. 如权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于，所述阻抗匹配网络在馈 电区被配置成在传输线和脊之间提供串联电容。
3. 如权利要求2所述的喇叭天线，其特征在于，所述阻抗匹配网络包括 导电引脚，所述导电引脚从传输线伸出、经过第一脊并伸入形成在第二脊中的 凹口。
4. 如权利要求3所述的喇叭天线，其特征在于，所述导电引脚的直径大 于所述传输线的中央导体的直径。
5. 如权利要求3所述的喇叭天线，其特征在于，所述导电引脚的直径在 从传输线伸出、经过第一脊并伸入形成在第二脊中的凹口时以平滑或阶梯方式 锥形化。
6. 如权利要求3所述的喇叭天线，其特征在于，所述阻抗匹配网络进一 步包括介电材料以(i)将导电引脚固定在馈电区，(ii)防止导电引脚和脊之间的物理接触以及(m)增加串联电容。
7. 如权利要求6所述的喇叭天线，其特征在于，所述介电材料从传输线 伸出、穿过第一脊并伸入形成在第二脊中的凹口。
8. 如权利要求6所述的喇叭天线，其特征在于，所述介电材料被约束在 凹口中以嵌入导电引脚的端子端。
9. 一种喇叭天线，包括一对脊，这对脊彼此相对地设置以在其间引导电磁波； 导电引脚，所述导电引脚从喇叭天线上的输入/输出(I/O)连接器伸出、 穿过诸脊中的第一个并伸入凹口 ，所述凹口在喇叭天线的馈电区处形成在诸脊中的第二个内；以及介电材料，所述介电材料配置成将导电引脚的端子端固定在凹口中并防止 导电引脚和脊之间的物理接触。
10. 如权利要求9所述的喇叭天线，其特征在于，所述介电材料从I/0连接器伸出、穿过第一脊并伸入形成在第二脊中的凹口。
11. 如权利要求9所述的喇叭天线，其特征在于，所述介电材料被约束在 凹口中。
12. 如权利要求9所述的喇叭天线，其特征在于，所述导电引脚包括耦合 于1/0连接器的同轴传输线的中央导体。
13. 如权利要求9所述的喇叭天线，其特征在于，所述导电引脚不同于但 附连于同轴传输线的中央导体，所述同轴传输线耦合于I/O连接器。
14. 如权利要求13所述的喇叭天线，其特征在于，所述导电引脚包括直 径大于中央导体直径的连续导体。
15. 如权利要求13所述的喇叭天线，其特征在于，所述导电引脚包括 第一部分，所述第一部分从I/0连接器伸出、经过第一脊并直至凹口的边界；第二部分，所述第二部分直接连接于第一部分并约束在凹口中；并且 其中第二部分的直径大于第一部分的直径。
16. 如权利要求9所述的喇叭天线，其特征在于，所述导电引脚被贯设在 一孔中，所述孔从I/0连接器伸出、经过第一脊并伸入形成在第二脊中的凹口 中。
17. 如权利要求16所述的喇叭天线，其特征在于，所述导电引脚随着从 I/O连接器伸出、经过第一脊并伸入形成在第二脊中的凹口，其直径以平滑或 阶梯方式锥形化。
18. 如权利要求16所述的喇叭天线，其特征在于，所述孔随着从I/0连接 器伸出、经过第一脊并伸入形成在第二脊中的凹口，其直径以平滑或阶梯方式 锥形化。
19. 如权利要求16所述的喇叭天线，其特征在于，所述导电引脚和所述 孔随着其从I/0连接器伸出、经过第一脊并伸入形成在第二脊中的凹口，其直径各自以平滑或阶梯方式锥形化。
20. —种制造喇叭天线的方法，所述方法包括 提供一对脊，以使这对脊的内表面定位成在其间引导电磁能； 将导电引脚插入并使其穿过孔，所述孔延伸过诸脊中的第一个； 将导电引脚的一端连接于输入/输出(I/O)连接器；以及 使导电引脚和I/0连接器组件进给通过孔，直到所述导电引脚的端子端位于形成在诸脊中的第二个中的凹口内且所述1/0连接器与诸脊中的第一个的外 表面齐平为止。
21. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述连接步骤包括通过钎 焊、焊接或粘合技术将导电引脚的一端牢固地附连于I/O连接器。
22. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述导电引脚的直径大于 耦合于I/O连接器的传输线的中央导体的直径。
23. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，在所述进给步骤前，所述 方法包括使导电引脚的直径和/或孔的直径锥形化。
24. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，在所述进给步骤前，所述 方法还包括将介电塞插入形成在诸脊中的第二个内的凹口中，其中所述介电塞 被配置成将导电引脚的端子端固定在所述凹口内并防止导电引脚和脊之间的 物理接触。
25. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述介电塞选自相对介电 常数大于或等于约2.0的一组介电材料。
26. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述介电塞选自包括合成 含氟聚合物、交联聚苯乙烯和陶瓷材料的一组介电材料。
全文摘要
这里提供一种具有内嵌阻抗匹配网络的双脊或四脊喇叭天线。根据一个实施例，喇叭天线可包括彼此相对设置以在其间引导电磁波的至少一对脊。传输线耦合于诸脊中的第一个以向喇叭天线的馈电区供电或从其接收信号。为了减小传输线和脊之间的阻抗失配，在馈电点将阻抗匹配网络内嵌到的第二脊内。阻抗匹配网络通过在馈电区的传输线和脊之间提供足够量的串联电容减少了阻抗失配并扩展了喇叭天线的工作频率范围。如本文所述，阻抗匹配网络较佳地实现为开路传输线接线柱或电容性接线柱。
文档编号H01Q13/02GK101662073SQ200910159290
公开日2010年3月3日 申请日期2009年8月6日 优先权日2008年8月7日
发明者J·S·麦克利恩 申请人:Tdk股份有限公司