[发明专利]电容耦合复合环天线

说明书

相关申请的交叉引用

本申请按照35U.S.C.§119(e)要求于2011年11月4日提交的美国临时申请第61/556,145号的权益，其全部内容通过引用合并到本申请中。

技术领域

实施方式涉及复合环天线(CPL)，并且具体涉及包含电容馈给磁环和/或电容馈给电场辐射器和/或直接馈给电场辐射器的CPL天线。

背景技术

现代电信装置的不断减小的尺寸产生了对改进的天线设计的需要。诸如移动/蜂窝电话的装置中的已知天线提供了性能上的主要限制之一，并且几乎总是以一种或另一种方式妥协。

具体地，天线的效率可以对装置的性能具有重大影响。较有效率的天线将会辐射从发送器馈给到其的能量的较大比例。同样地，由于天线的固有互易性，较有效率的天线将会使所接收的信号更多地转换成电能以由接收器处理。

为了确保在收发器(既作为发送器又作为接收器进行操作的装置)与天线之间最大限度地传输能量(在发送模式和接收模式二者下)，二者的阻抗应该在幅值上彼此匹配。二者之间的任何不匹配将会导致次优性能，其中在发送情况下，能量从天线反射回发送器。当作为接收器进行操作时，天线的次优性能导致与以其它方式可能的接收功率相比更低的接收功率。

现有的简单的环天线通常为电流馈给装置，其主要产生磁(H)场。正因为如此，它们通常不适合用作发送器。这对于小的环天线(即小于一个波长或具有小于一个波长的直径的环天线)尤其如此。相比之下，电压馈给天线(例如偶极子)产生电(E)场和H场二者，并且可以在发送模式和接收模式下使用。

由环天线接收的或者从环天线发送的能量的量部分地由其面积确定。通常，每当环的面积减半，取决于应用参数(例如初始尺寸、频率等)，可被接收的/发送的能量的量减小约3dB。该物理约束常常意味着在实践中不能使用非常小的环天线。

复合天线为下述这些天线：其中激发横向磁场(TM)和横向电场(TE)模式二者以实现较高的性能益处(例如较高的带宽(较低的Q)、较大的辐射强度/功率/增益、以及较高的效率)。

在20世纪40年代末期，Wheeler和Chu最早检验电小(ELS)天线的特性。通过他们的工作，创建了若干数值公式以描述天线随着其物理大小的减小而出现的限制。Wheeler和Chu提到的ELS天线的限制中特别重要的一个限制为它们具有大的辐射品质因数Q，在这一点上，它们在平均时间上存储的能量比它们辐射的能量多。根据Wheeler和Chu，ELS天线具有高辐射Q，这导致在天线或匹配网络中最小的电阻损耗并且引起通常在1％至50％之间的非常低的辐射效率。其结果是，自20世纪40年代末期开始，科学界已经普遍接受ELS天线具有窄带宽和差的辐射效率。使用ELS天线的无线通信系统中的许多现代成就来自调制方案且关于空中协议的严格实验和优化，但是现今商业利用的ELS天线仍然反映Wheeler和Chu首次确立的窄宽带、低效率属性。

在20世纪90年代早期，Dale M.Grimes和Craig A.Grimes声称已经在数学上建立了在ELS天线中一起操作的TM和TE模式的某些组合，其超越了通过Wheeler和Chu的理论确立的低辐射Q限制。Grimes和Grimes在1995年5月出版在IEEE电磁兼容性汇刊(IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility)的标题为“Bandwidth and Q of Antennas Radiating TE and TM Modes”的期刊中描述了他们的工作。这些声明引发了许多争论，并且导致出现术语“复合场天线”，在该复合场天线中激活TM和TE模式二者，这与其中单独激活TM或TE模式的“简单场天线”相反。复合场天线的益处已经由几个备受尊敬的RF专家(包括美国海军空战中心武器分部聘用的一组专家)在数学上证明，其中他们得出如下证据：辐射Q低于Wheeler-Chu限制、提高的辐射强度、方向性(增益)、辐射功率和辐射效率(P.L.Overfelft,D.R.Bowling,D.J.White，Colocated Magnetic Loop,Electric Dipole Array Antenna(Preliminary Results),Interim rept.,1994年9月)。

归因于元件耦合的不期望的影响以及在设计低损耗无源网络来组合电辐射器和磁辐射器的相关困难，复合场天线被证明是复杂的且难以在物理上实现。