[发明专利]小型化的宽频慢波天线

说明书

技术领域

本发明一般地说涉及射频天线，更确切地说，是关于宽频、小型化的慢波天线(slow-wave antenna)。

发明背景

目前，人们希望能有具有宽频和/或多频发送及接收能力的小型天线用于无线电通讯或其他用途。特别是，这种天线结构更好地是被小型化，且以薄盘或其它相似的平面形状结构安装到例如蜂窝电话、微计算机、运输工具或其它设备上。

有一种众所周知并被广泛使用的天线，它至少在一定程度上满足上述要求，并因此被很多人认为是可能的候选方案的，是一种微带转接天线(microstrip patch antenna)。但是，微带转接天线通常具有带宽窄和以该设备所使用的波长衡量其尺寸较大的缺点。研究人员已经尝试减小微带转接天线的尺寸，并同时扩展其带宽，但是没有成功。

另外，作为天线使用的小型电子天线通常都是被限定在以其所使用波长计算的小的电学体积之内，因此限制了他们的增益带宽。该种天线总是显示出低方向性或一种宽幅定向辐射的模式，例如由短偶极天线集中体现的全向天线。从而，该天线具有一种低增益，因为

[Antenna Gain]＝[Efficiency]×[Directivity]

其中天线的效率包括由于制作该天线的介电材料及实际连接的有损特性而产生的散射损失效果，以及由于相对于天线的馈线的阻抗不匹配而产生的损耗效果。由于天线的制作材料必然是有损的，且阻抗匹配实际上总是不完善，天线效率通常总是小于100％，特别是在宽频带宽。

值得注意的是，在实际应用中，电学上小型的天线常由于其低效率而被认为是低增益的。当天线被用于发送信号或被用于广播或双向通讯时，需要相对高的效率。作为进一步的回顾，这些观念已经在很多书中得到讨论，如K.Fujimoto、A.Henderson、K.Hirasawa、以及J.R.James的《小型天线》，Research Studies Press，Letchworth，Hertfordshire，England，1987，和K.Fujimoto和J.R.James编辑的《移动天线系统手册》，Artech House，Boston，1994。

用慢波(SW)技术减小天线尺寸的努力可以说非常不成功，只是非常有限地减小了天线尺寸。

由于前述的限制，发展用于宽带和/或多带使用的小型高效的盘形天线的研究的进展有限。在其他电子设备的尺寸已经发生令人注目的减小(最显著的是集成电路等)的同时，减小天线尺寸遇到了非常难以克服的技术障碍。而且，该障碍是目前无线通讯和其他无线系统中较少的几个技术障碍中的一个。

发明概述

本发明提供一种宽频、小型化的慢波(SW)天线，用于发送和接收从超低频到毫米波频率的射频(RF)信号。该慢波天线包括一个在一个表面上安装有行波结构(TWS)而在相反的另一表面上安装有一个导电表面部件的介电基底。该行波结构属于平面的“频率独立”天线等级，如阿基米德螺线(Archimedian spiral)。

根据优选实施方案，一种行波结构以一种具有耦合到馈线的导电臂的阿基米德螺线的形式而得到采用，这些馈线经过导电表面部件的中心和介电基底。该介电基底的厚度被预先确定为小于0.04λ₁，其中λ₁是慢波天线的工作频率范围内的最低频率f₁的自由空间波长。而且，该介电基底的介电常数和导电表面部件的导电率与介电基底的厚度一起被确定，以确保在行波结构中发射的慢波(SW)被紧密地约束于该行波结构，但并不致紧密到妨碍在行波结构辐射区的辐射，同时慢波的传播损耗被最小化。辐射区是一个可以有效地产生辐射的宽度很小的圆环，从而使天线可以就其远场辐射而言由辐射区的电流近似地表示。

慢波天线提供了一种鲜明的优点，即其特点是较慢的相速及相应地较小的辐射区，从而允许慢波天线的直径被显著地减小。否则慢波天线将需要大得多的直径以容纳具有等于真空中光的相速的相速的行波结构。由于本发明的慢波天线可以在一个宽阔的工作频宽上辐射并接收信号，且慢波天线具有小巧的尺寸，因此，它可以真正地被称为小型化的宽频天线。尺寸的减小，用由在行波结构中传播波的相速与真空中的光速的比值确定的慢波系数来度量，是与慢波减慢的程度成正比的。

另外，该慢波天线的基本上平的或保形(conformal)的形状，使得它适于安装到设备和运输工具的平的或不平的表面上，并与之一体化。