用于无线电波的发射和接收的小型超宽带天线制造技术

一种堆叠圆盘加载天线(80)，其使用双重双调谐阻抗匹配网络，以将辐射电阻宽带地匹配至50Ω端口。使用呈堆叠结构的两个天线元件(31，64)导致天线有效地组合两个天线元件的带宽范围并且不需要会使天线结构重量增加的外部调谐。可在在HF和UHF频带内操作的通信系统内使用堆叠天线系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种天线设备，尤其涉及一种小型天线，并且更特别地涉及一种适于在宽带应用中使用的小型天线。
技术介绍
近些年来，对于能够在宽带宽上操作或以多个频率操作的小型但有效的天线的开发已经有了明显的兴趣。特别地，需要一种具有以下电特性和物理特性的天线：小型、重量轻、坚固、低成本和宽带频率响应。特别期望的是扩展频率响应以进一步提供超宽带响应的能力。超宽带(UWB)是一种允许用户在非常宽范围的频率上发射大量数据的无线无线电技术。超宽带系统用在许多领域中，例如，高速短程无线通信；雷达和地理定位系统；成像；以及医疗系统。覆盖至少20MHz到6GHz的频率范围的带宽将允许覆盖传统的HF和UHF频带，同时将操作扩展至更高频率的无线局域网(WLAN)和未来的3G/4G(3-5GHz)频谱。然而，实现具有相当有效的辐射且在宽带宽上操作的电气小天线是具有挑战性的，并且已经提出了主张使特性的不同组合进行优化的各种解决方案。可通过聚集许多不同的天线来实现宽带宽，例如，线型天线、盘锥天线和蝶形天线的组合，然而，这需要昂贵且体积大的馈电网络。替代地，已经使用了在地面上方具有不同高度的几个单极，但是，此解决方案不能提供瞬时功率(instantaneoud capability)，相反，当发射和接收数据时，单极以阶梯式的时序工作。特定的应用(例如，检测和测量系统)要求额外的需求，例如，减小的回波损耗和全向辐射模式。特别地，对于这些应用，必须集中于单极和偶极天线，并且，本发明是单极天线的发展。众所周知，可通过“顶加载”来改进传统的单极天线的性能。这指的是在天线元件的自由端增加电容，并通常通过增加圆盘或“顶帽”来实现。所增加的电容的效果是：增加垂直电流矩并由此增加天线的辐射效率；减小使馈电点电压减小的馈电点电抗，并减小导致带宽容量增加的Q因子。一种这样的顶加载天线是已经主要用于宽带应用的郭柏天线(美国专利3,967,276)。郭柏天线是具有两个从动元件和两个非从动元件的低剖面(≈0.15λ)顶加载多元件单极，所述元件表现出接近倍频程带宽。通过将单极帽或台面分成区段，郭柏将更多的电容和串联电感回路引入天线电路拓扑中，导致双调谐“谐振槽”电路。这样做，郭柏能够在保持或增强天线辐射电阻的同时减小天线的物理高度。郭柏天线使用单馈电或平衡馈电，在2∶1的带宽(450MHz至850MHz)上提供VSWR≤1.5∶1的性能。Foltz(用于折叠盘式加载单极IEEE 2002的闭合形式的集总元件模型)通过使用宽带菱形馈电而对郭柏天线提供阻抗带宽增强。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种天线设备，该天线设备提供了对小型宽带天线元件的阻抗带宽的显著改进。因此，本专利技术提供一种包括地面、同轴馈电线和第一天线元件的天线设备，其中，第一天线元件包括顶加载结构、细长的横向电磁波(TEM)传输线，该传输线的至少一部分定位在离地面预定距离的位置，以及从同轴馈电线延伸并与TEM传输线电连接的导电芯。在传输线的一部分在离地面预定距离处的情况下，对TEM传输线连接采用同轴允许匹配带宽增加，因为该连接本质上是宽带到宽带的并且距离可调节以帮助阻抗匹配。术语“同轴的”用来表示屏蔽电缆利用精确的导体尺寸和间隔来构造，以有效地用作射频传输线。同轴能够传播TEM波，允许RF带宽原则上达到18GHz，以沿着电缆传播。TEM传输线旨在包括同轴的、平衡传输线或其他诸如本领域中已知的TEM或准TEM传播装置。相关尺寸的任何突然变化会导致反射增加，降低所传输的功率的质量。由于此原因，优选实施方式使用同轴到同轴的电连接。为了在保持长度的同时减小TEM传输线所占据的面积，至少传输线的端部可通过诸如迂曲或螺旋运动的各种方式延伸，而不增加天线所占据的物理面积。可将传输线的端部或由本领域技术人员所选择的另外的点与电阻性负载连接。在同轴线和地面上连接电阻性负载。可改变电阻装置的值，以允许与同轴馈电线的阻抗匹配。对天线元件进行顶加载增加了天线的电容效应，从而可以减小物理结构的高度。可改变顶加载结构的形状和构造，并且其可由任何金属材料制成。优选实施方式使用大“顶帽”圆盘结构。还可以将圆盘细分成许多不连续的区段，如同在每个区段之间具有间隔的郭柏顶加载天线，以进一步提高天线设备的电容并由此进一步减小天线的物理高度。与第一天线元件成堆叠关系地布置的第二天线元件的引入，提供了两个天线元件的组合益处。可将第二天线元件堆叠在第一天线设备的内部或外部。在堆叠结构中使用两个天线元件，导致天线有效地组合两个天线元件的带宽范围，并不需要会使天线结构重量增加的外部调谐。第二天线元件可包括导电芯的延伸部，该延伸部从同轴馈电线延伸并超过其与TEM传输线的连接部。然而，通过将UWB天线元件用作第二天线元件，可提供UWB匹配的频率响应。在此实施方式中，传输线用来有效地激励低频发射天线(顶加载结构)，而第二天线元件用来有效地激励其自己的顶加载结构的高频频谱。以这样的方式激励天线，可实现几十例如70∶1(100MHz至7GHz)的带宽，其具有3.5∶1的阻抗匹配VSWR(大约5dB)。适当的第二天线的一个实例使用从同轴馈电线延伸通过TEM传输线(同轴的)的导电芯作为孔连接天线元件的芯体。可使用包围导电芯的圆柱形导电壳体和包围被构造为短路同轴部分的导电芯的顶加载圆盘，以增加第二天线元件的电容性能。此外，使用定位于圆柱形导电壳体和第一天线元件之间的第一介电材料以及定位于圆柱形导电壳体内的第二介电材料，可进一步增加电容效果并提高导致带宽容量增加的第二天线元件的Q因子。在最简单的天线结构形式中，所使用的第一和第二介电材料可以是空气。材料的介电值取决于其介电常数。所使用的材料的选择与其更高或更低的电容效应相关。增加第二介电材料的介电常数可增强第二天线元件的性能并由此增强天线设备的性能。第二天线元件的一个特定实施方式使用空气作为第一介电材料，并使用聚四氟乙烯(PTFE)作为第二介电材料。本领域的技术人员将理解，可使用介电材料的其他组合。确保圆柱形导电壳体和TEM传输线之间具有间隙并使用空气作为第一介电材料，允许增加第二天线元件的电容效应并由此增加带宽容量。而且，通过调节顶加载结构和导电芯端部之间的间隙以及圆柱形导电壳体和TEM传输线之间的间隙，可允许微调第二天线元件，以确保获得理想的阻抗匹配带宽。在共同未决的英国专利申请GB.......中更充分地描述了第二天线元件，该专利的内容通过引用合并于此(代理方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.06.09 GB 0909878.1;2009.10.09 GB 0917690.01.一种天线设备，该天线设备包括地面、同轴馈电线和第一天线元件，其中所
述第一天线元件包括顶加载结构、细长的TEM传输线以及导电芯，所述TEM传输
线的至少一部分定位在离所述地面预定距离的位置处，所述导电芯从所述同轴馈电线
延伸并且电连接到所述TEM传输线。
2.根据权利要求1所述的天线设备，其中，所述TEM传输线包括同轴电缆。
3.根据权利要求1所述的天线设备，其中，所述TEM传输线包括平衡传输线。
4.根据上述权利要求中任一项所述的天线设备，其中，所述TEM传输线的至少
端部是迂曲的。
5.根据上述权利要求中任一项所述的天线设备，其中，所述TEM传输线经由电
阻性负载连接到所述地面。
6.根据上述权利要求中任一项所述的天线设备，其中，所述顶加载结构是板。
7.根据权利要求6所述的天线设备，其中，所述顶加载板被细分成多个不连续
的区段。
8.根据上述权利要求中任一项所述的天线设备，其中，所述设备进一步包括被
布置为与所述第一天线元件成堆叠关系的第二天线元件。
9.根据权利要求8所述的天线设备，其中，所述第二天线元件能够进行超宽带
响应。
10.根据权利要求9所述的天线设备，其中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·克劳，I·L·莫罗，
申请(专利权)人：英国国防部，
类型：发明
国别省市：