[发明专利]平台上的小型的可共形的宽带行波天线

说明书

关于联邦赞助的研究或开发的声明

本发明在没有外界资金支持的情况下由发明者构思和创造。本发明者 选择将所有的权利转让给Wang光电公司。Wang光电公司选择授权给美国 国防部(DoD)免专利权使用费的使用权，类似于DoD SBIR（小型企业创 新研究）程序的条款和条件，根据由美国特种作战司令部MacDill AFB,FL 33621赞助的DoD SBIR No.H92222-07-C-0071合同，在认可本发明的产品 开发工作后，对本发明进行使用。

技术领域

本发明总的来说涉及射频天线，且具体地，涉及弯曲平台上的小共形 宽带天线。

背景技术

能够与弯曲平台共形的的小宽带天线对军事和商业应用来说已经日 益变得更加重要。无线系统的扩散和对高速度的需要推动了宽带需求。天 线的小的程度可由其工作自由空间波长来衡量；通常，如果天线的最大维 度小于1/2自由空间波长，则天线是电小的（electrically small），特别是， 如果为宽带宽天线，则要求，例如，其最大维度小于1/2自由空间波长超 过20%。可共形特征，其被定义为对于安装天线的平台的表面具有最小的 突出(protrusion)和突入(intrusion)，是期望的且甚至是必须的，特别是对于 机载平台（airborne platform）更是如此。

目前，对于天线来说，宽带和小型化/可共形性的要求是本质上矛盾的。 天线的带宽受到它的尺寸、形状和周围物体干扰的限制。虽然从20世纪 50年代后到60年代，已经发明了非频变（FI）类天线，且充分地在文献 （例如，DuHamel和Scherer，1993；Mayes，1988）中记载，但是，这些 天线的设计没有涉及到其可共形性，也没有涉及它们的安装平台，而这两 者都限制了天线的尺寸和形状，以及天线的辐射性质。应注意，天线必须 与馈电线缆和收发机连接，而这是不能忽视的实际的平台，特别当平台（且 因此天线）是电小时更是如此。

1970年左右，一种被称作微带贴片天线的共形天线被发明出来，该共 形天线具有一个地平面作为它的设计的一部分，这样，该共形天线适合安 装在具有传导或非传导表面的平台上。不过，微带贴片天线是窄带天线。 又用了20年的时间，才发明了宽带微带贴片天线。这种宽带微带贴片天 线是螺旋模式微带（SMM）天线（Wang和Tripp，1991；Wang和Tripp， 1994）。自从1990年以来，SMM天线取得了相当大的进步(Wang，2000； Wang等人，2006)；且形成了使用平面FI天线，特别是微型化慢波（SW） 天线（Wang和Tillery，2000）的另外的技术。除了高达10:1或更高的倍 频程带宽以外，这些天线中的辐射特征的多样性提供了诸如双极化这样的 多功能的独特的能力，这在其它的天线中很少能够得到。

从微带贴片天线到SMM天线到SW天线，这些取得专利的设计的共 同特征是包含一相当平坦的地平面，该地平面被放置成非常靠近且平行于 一相当平坦的表面辐射器。在这些天线中包含传导地平面使它们适合于共 形地安装在诸如飞机或地面交通工具等平台的表面上。然而，对于不规则 形状的，和/或具有小尺寸且小曲率半径（就工作波长而言）的平台，这些 天线还远远不能满足大部分可共形性的需求。

而且，天线的增益带宽从根本上受它的电尺寸（即，波长尺寸）的限 制；因此，当天线为电小时，很难获得宽带。这个由于天线尺寸导致的天 线增益带宽限制理论是60年前(1948)由Chu建立的。自从那以后，许多在 电磁场理论上很杰出的学者研究且多次研究了这个问题，且所有人都持同 意的观点。今天，给定尺寸天线的增益带宽限制的Chu方程式实质上并未 改变。

最近，本发明者注意到，当把Chu理论应用于真实世界的问题时的一 些主要的缺点和含糊处（Wang，August2005；Wang，March2006）。Chu 理论的这些严重的缺点根源于它的基础的假设，该假设过窄且与多数的实 际的问题不相符。首先，天线是很少被隔离在空间的物体；当它被安装在 平台上时，它的特定的尺寸变得不明确。因为天线通常连接到给收发机馈 电的传输线，所以它的长度和尺寸并不明确，特别是当它是电小时更是如 此。实际上，在一些电小天线的设计中，主要的辐射器是平台或者收发机， 而不是天线本身。