在低頻範圍內性能改善的偶極天線的製作方法

2023-10-11 05:23:54 8

專利名稱：在低頻範圍內性能改善的偶極天線的製作方法
在低頻範圍內性能改善的偶極天線
背景技術：
1. 發明領域
本發明涉及天線，更具體地涉及用於大錐形偶極天線的高通匹配網絡。
2. 相關技術描述
以下描述和示例僅作為背景給出。
大錐形偶極天線(有時稱為雙錐形天線)已經用於產生強電磁場，尤其是在約20-300 MHz頻率範圍中的電磁場。雖然該天線所輻射的電磁場有用，但天線設計者已經發現，可利用近場——尤其是近電場(E場)來產生比純輻射場獲得的強度更高的強度。
在某些情況下，近場可包括兩個子場區，稱為無功近場和輻射近場。輻射近場也稱為菲涅耳區，它是天線場位於無功近場與遠場區之間的部分，其中輻射場佔主導，而象角分布取決於離天線的距離。然而，如果天線的最大尺寸與所輻射的電磁能量的波長相比小，則此區域可能不存在。
在多數情況下，近場不會從偶極天線擴展太遠。對於電小偶極天線，近場幾乎全部由無功近場組成，該無功近場僅擴展至約= X/2;r的輻射距離，其中X是所輻射的電磁能量的波長。當該天線不是電小天線時，近場由無功和輻射近場區組成。 一般而言，輻射近場區可將近場延伸至輻射距離，該輻射距離約為偶極的物理長度的一半。因此清楚的是，可通過增大天線的物理長度來擴大輻射近場區。擴大輻射近場區在EMS測試的場產生中尤其有用，因為如果不利用近場分量，則通常難以獲得必需的場強。
在某些情況下，可通過使天線長度在物理上儘可能長(即在機械幹擾阻止更長長度之前)且在電學上儘可能長(即在天線長度使其輻射圖劣化至不可接收的程度之前)來使偶極天線的近場強度最大化。然而，使天線在物理上儘可能長不能防止天線在其工作頻率範圍的低端成為電小天線。 即使在物理上大，在其工作頻率範圍的低端為電小天線的天線將在此範圍 內呈現出性能降低。在某些情況下，該天線可能不能在其低頻範圍內產生 可接收的場強。
存在對改善低頻下的天線性能而不會降低高頻下的天線性能的裝置的 需求。這樣的裝置將能使天線在其整個工作頻率範圍內保持足夠的性能。
發明概述
偶極天線的多個實施例的以下描述不應以任何方式被解釋為限制所附 權利要求的主題。
根據一個實施例，在本文中提供了一種天線，該天線在其工作頻率範 圍的較低端具有改善的性能。 一般而言，該天線可包括經由匹配網絡耦合 至阻抗變換器的多個天線單元。該匹配網絡可包括高通匹配網絡，該高通 匹配網絡被特別配置成改善天線在其工作頻率範圍的較低端的性能，而不 影響天線在其工作頻率範圍的較高端的性能。在一個實施例中，該匹配網 絡的第一級(即最接近天線單元的級)可包括至少兩個電容器，其分別串 聯耦合在阻抗變換器與不同的天線單元之間。第一級中包括的電容器可以 或可以不具有相同的電容值。匹配網絡的第二級(即離天線單元最遠的級)
可包括並接在至少兩個電容器之間的電感器。
本文中所述的匹配網絡通過將至少兩個電容器定位在網絡級(即第一 級)中的至少一個電感器之前，改善了天線在其工作頻率範圍的較低端的
天線性能，所述電感器被安排成離天線單元更近。電壓駐波比(VSWR) 是跟蹤天線性能的一個量度。在一個實施例中，使用本文中所描述的匹配 網絡可使天線能在低頻範圍中呈現小於約3:1的VSWR。然而，本文中所 描述的天線和匹配網絡不限於具體的性能值，而且可被配置成在本發明的 其它實施例中提供顯著更好的低頻性能。
一般而言，該天線可從包括偶極天線、錐形偶極天線以及在某些情況 下的單極天線(雖然單極天線將不能獲得平衡的天線設計)的組中選擇。 在一個實施例中，該天線可包括錐形偶極天線，或稱為雙錐形天線。這樣的天線在EMS測試應用中尤其有用。
在一個實施例中，該天線可包括一對錐體和一對耳狀體。錐體可被配 置以便將兩個天線單元保持於期望角度。雖然實質上可使用任何錐角，但
在一個示例中可選擇60。的錐角，以為該天線提供最大工作帶寬(例如約2 倍頻程的帶寬)。耳狀體一般被配置用於在天線單元與耦合至天線的阻抗 變換器之間提供電和機械連接。在一個實施例中，可將電感器並接耦合在 上述一對耳狀體上。然而，在本發明的其它實施例中，可在某種程度上不 同地耦合該電感器。
在一個實施例中，可將這些電容器放置在阻抗變換器的外殼中。然而， 這樣的布置在本發明的所有實施例中可能不都是最優的。在優選實施例中， 電容器被集成自或嵌入該對錐體中。例如，每個錐體可被描述為包括前部 和後部。前部被配置用於將兩個天線單元保持成期望角度(諸如60°錐角)。 後部耦合至前部，其被配置用於將錐體連接至耳狀體中的一個。每個前部 其中嵌入有一個電容器。為了將電容器與阻抗變換器電隔離，在將各部分 連接到一起之前，在前部和後部之間設置介電材料。
可使用各種方法將前部和後部物理地連接到一起。在一個實施例中， 可使用多個螺絲來連接前部和後部。在多數情況下，可在介電材料中鏜孔， 並用絕緣材料填充以將錐體的前部和後部電隔離。在另一實施例中，可將 前部、後部以及介電材料分別形成為具有有螺紋的凸起部，該有螺紋的凸起 部使後部能被旋入介電材料，而介電材料能被旋入前部。還可使用本文中 未具體構想的其它裝置。
除上述天線和高通匹配網絡之外，本文中提供了一種用於改善天線在 其工作頻率範圍的較低端的性能的方法。可構想該方法可由天線製造商、 終端用戶或被委派安裝新天線或升級現有天線設計的技術人員來執行。然 而，該方法不限於任何特定的人員，而可由本領域的任何技術人員來執行。
總之，該方法可用來安裝或更新具有多個天線單元的天線。在一個實 施例中，該天線可以是包括四個天線單元的錐形偶極天線。如上所述，這 些天線單元可經由包括至少兩個串聯電容器和一個並接電感器的高通匹配 網絡耦合至阻抗變換器。然而，應當理解的是，本文中所描述的方法可適用於安裝或升級可能具有不同的天線單元和匹配網絡組件數量和/或構造的 其它類型的天線。雖然以下陳述的方法步驟被描述為好像以特定的順序執 行，但本領域技術人員將能理解在不背離本發明的範圍的情況下如何以顯 著不同的順序執行這些步驟。
在一個實施例中，該方法可通過提供一對錐體結構開始，每個錐體結 構被配置成將兩個天線單元保持為期望角度。如上所述，每一個錐體結構 中可嵌入有電容器。該電容器可串聯耦合在阻抗變換器與兩個天線單元之 間，用於提供第一級電容。嵌入該對錐體結構中的電容器可以或可以不具 有相同的電容值。
接著，該方法可包括將各個錐體結構的後端連接至耳狀結構，該耳狀 結構提供天線單元與阻抗變換器之間的電和機械連接。接著，可將電感器 跨接耦合在耳狀結構上，以在嵌入在錐體結構中的電容器之間提供並接電 感。如上所述，嵌入的電容器和並接電感器可工作以改善偶極天線在其工 作頻率範圍的較低端的性能。
在某些情況下，在將天線中原來包括的天線單元連接至錐體結構的前 端之後，該方法可結束。在其它情況下，可能期望將這些天線單元調換成 新的天線單元。在一個實施例中，該方法可包括提供第二組天線單元，該 第二組天線單元在物理上和電學上長於該天線中原始包括的多個天線單 元。該第二組天線單元可代替原始天線單元耦合至錐體結構的前端，以增 大天線在其工作期間產生的近場強度。
附圖簡述
一旦閱讀了以下詳細說明並參考附圖，本發明的其它目的和優點就將 變得顯而易見，在附圖中


圖1是雙錐形天線的示意圖2是示出圖1中所示的雙錐形天線在約10-100 MHz的工作頻率範圍 內的電壓駐波比(VSWR)的曲線圖3是示出圖1中所示的雙錐形天線在上述工作頻率範圍內的輸入阻 抗的曲線圖；圖4是示出根據本發明的一個實施例的包括高通匹配網絡和阻抗變換 器的雙錐形天線的示意圖5A是示出圖4中所示的雙錐形天線在約10-100 MHz的工作頻率範 圍內的電壓駐波比(VSWR)的曲線圖5B是示出圖4中所示的雙錐形天線在約10-40 MHz的工作頻率範 圍內產生的電壓駐波比(VSWR)的曲線圖6是示出圖4中所示的雙錐形天線在約10-100 MHz的工作頻率範圍 內的基流比(base current ratio)的曲線圖7是示出圖4的雙錐形天線在20 MHz以及10 kW的正向功率下所 產生的電場強度的曲線圖8是示出圖4的雙錐形天線在20 MHz以及10 kW的正向功率下在 天線前方約2.5m處所產生的電場強度的曲線圖9A-9B是示出根據本發明的一個實施例的示例性雙錐形天線的截面
圖10A是示出根據本發明的另一實施例的示例性雙錐形天線的截面
圖10B是示出其中集成有串聯電容器的經修改的錐體結構的一個實施 例的截面圖10C是示出可組裝(例如使用機械緊固件)經修改的錐體結構的一 種方式的截面圖；以及
圖11是示出根據本發明的方法的一個實施例的流程圖。 雖然本發明容許多種修改和替代形式，但其具體實施例將通過附圖中
的示例示出且將在本文中詳細描述。然而，應當理解的是，本發明的附圖 和詳細說明不旨在將本發明限制為所公開的特定形式，反之，其意圖是覆 蓋落在如所附權利要求所限定的本發明的精神和範圍內的所有修改、等價 物以及替代物。
優選實施例的詳細描述
一般而言，"天線"是一種換能器，其被配置成將電磁波轉換成電信號，
10反之亦然。"傳輸線"或"饋電線"通常用來將信號能量從信號源傳送至天線。所有天線在無場空間中全方向地輻射某些能量。然而，精細的構造通常導致大量能量沿優選方向傳輸，而可忽略的能量沿其它方向輻射。在多數情況下，可通過添加附加的傳導杆或線圈(稱為"單元")和/或通過改變天線單元的長度、間距或取向來建立具有特定特性的天線。通常使用的天線構造的示例包括但不限於單極天線和偶極天線。
在某些情況下，可能期望增大將天線配置成工作的"帶寬"或頻率範圍。可通過若干種技術來提高天線的帶寬，包括使用更厚的導體、以保持架代替導體以模擬更厚的導體、使導體錐化以及沿導體的長度每隔一定距離添加負載電路。負載電路可包括無源電路元件的選擇組合，這些無源電路元件包括電阻器、電感器和/或電容器。
用於提高天線帶寬的另一個量度是在天線的底部包括匹配網絡，該匹配網絡在天線底部處被驅動至接地平面。理想地，匹配網絡可被配置成使天線的特徵阻抗與傳輸線或連接天線的其它介質的特徵阻抗匹配或平衡。阻抗變換器通常用於此目的。本領域已知許多種不同類型的阻抗變換器。
通常使用的阻抗變換器的示例包括但不限於等延遲、瓜內拉(Guanella)、自舉、盧瑟福(Ruthroff)以及法拉第變換器。在某些情況下，可能需要無源電路元件(諸如電阻器、電容器和/或電感器)來提供期望的匹配度。為澄清目的，本文中使用術語"匹配網絡"或"匹配網絡組件"來描述無源電路元件；阻抗變換器被認為是獨立和不同的實體。
如下所述，本發明提供一種匹配網絡，其被具體配置成改善低頻範圍內的天線性能而不影響高頻範圍中的天線性能。具體而言，本發明提供高通匹配網絡，其使天線能提供顯著更大的基流，從而在低頻範圍中提供更高的近場強度。與僅注重於提高工作帶寬的常規匹配網絡不同，本文中所描述的高通匹配網絡確保整個工作頻率範圍內的足夠性能。
現轉到附圖，應當注意的是附圖未按比例繪製。具體而言，附圖的某些元件的比例被顯著放大，以突出顯示這些元件的特性。還應注意的是，這些附圖未按同一比例繪製。已經使用相同附圖標記指示了在一個以上附圖中示出的可相似配置的元件。錐形偶極或雙錐形天線是提供較大阻抗帶寬的天線的一個示例。例如，某些可買到的雙錐形天線提供約2倍頻程的工作帶寬，在該帶寬內天線合理地良好匹配，而且它們的輻射輻射圖表現得相當好。這使錐形偶極天線
在電磁系統(EMS)測試應用中尤其有用，這些測試應用需要在通常在約20 MHz與約300 MHz之間擴展的大頻率範圍內可接受的性能。然而，錐形偶極天線不限於EMS測試，而且可用於許多其它應用，包括但不限於產生和接受超寬帶(UWB)無線電信號。
圖1示出錐形偶極或雙錐形天線10的一個實施例，其能夠在約20-300MHz的大工作頻率範圍內產生電磁(EM)場。在一個實施例中，雙錐形天線10可被構造為60。的錐角，而且可提供約4:1帶寬(即2倍頻程)。雙錐形天線10還可與200歐姆的源較好地匹配，而且可在大部分工作頻率範圍內提供可用的輻射圖，從而致使天線適用於諸如抗擾測試之類的許多EMC測試應用。然而，雙錐形天線IO不限於任何特定的錐角、工作帶寬、頻率範圍或應用。代替地，該雙錐形天線可修改成滿足特定應用的需要。
某些應用可能需要所產生的電磁場的強度在天線的附近(即近場)被增大。在某些情況下，可延長雙錐形天線的長度以增大其產生的電場(E場)的強度。具體而言，可通過使天線長度在物理上儘可能長(即在機械幹擾阻止更長長度之前)且在電學上儘可能長(即在天線長度使其輻射圖劣化至不可接收的程度之前)來使近場強度最大化。
在一個實施例中，可使用長度約4米的雙錐形天線10在高達約100MHz的高頻上限提供足夠的性能。然而，由於阻抗不匹配，天線性能會在工作頻率範圍的較低端(例如約20MHz附近)變糟。換言之，工作帶寬的上端主要受輻射圖劣化的限制。不過，天線性能在此範圍中通常有餘，因此不會受天線長度增加的影響。工作帶寬的較下端主要受阻抗不匹配限制。如下所述，阻抗不匹配降低了天線性能，在某些情況下，致使天線在其工作頻率範圍的較下端處不可用。
阻抗匹配的一個量度是電壓駐波比(VSWR)，或反射波與入射波的振幅比。VSWR提供因為負載阻抗與天線的特徵阻抗之間的不匹配而反射的功率量的指示。如果天線的阻抗與負載阻抗良好匹配，則負載將吸收入射波，從而在負載處將不會產生反射波。這減小了 VSWR，並提高了天線 組件之間的功率傳遞。另一方面，天線與負載之間的阻抗不匹配導致在負
載處產生反射波，從而增大了 VSWR且降低了功率傳遞。
為比較目的，良好匹配的系統可能具有15 dB或更高的回程損耗(即 反射功率與入射功率的比例)，這對應於約1.43:1或更低的VSWR。雖然 設計者爭取相對低的VSWR值(例如1:1的VSWR對應於完美匹配的系統)， 但設備在呈現出3 dB的回程損耗或約5.8:l的VSWR時就可足夠地起作用。 為了實用目的，設計者通常爭取提供不超過2:1到3:1的VSWR的阻抗匹 配。對於關鍵應用，可能期望獲得約1.5:1 VSWR或更好的阻抗匹配。
圖2示出圖1中所示的雙錐形天線所提供的VSWR。具體而言，該曲 線圖示出了從工作於約2 0-100 M H z的工作頻率範圍內的大雙錐形天線(例 如長度為4米)獲得的VSWR。如圖2所示，該VSWR在工作頻率範圍的 較低端(例如在25MHz處約為7:l)不可接受地高。這使圖1中所示的雙 錐形天線(10)在工作頻率範圍的較低端不可能產生高強度的場。
在某些情況下，可通過向天線提供高通匹配網絡20和阻抗變換器30 來改善阻抗不匹配，如圖4所示。高通匹配網絡適用於雙錐形天線，因為 天線本身是高通結構。高通匹配有效地增大了系統傳遞函數的低頻滾降， 從而(類似任何良好設計的匹配網絡)為使帶內性能更好而犧牲了帶外性 能。
圖4示出了高通匹配網絡20的一個實施例，其可用來改善大雙錐形天 線IO在工作頻率範圍的較低端的性能。具體而言，所示實施例包括兩級高 通匹配網絡。該匹配網絡的第一級(即最接近天線的那一級)由兩個串聯 的電容器Cl和C2 (即兩個電容器用於差分網絡)組成。匹配網絡的第二 級(即離天線最遠的那一級)由單個並接電感L1組成。然而，應當理解的 是，圖4中所示的該高通匹配網絡20可以多種方式來實現。下文將參考圖 9-10討論合適的高通匹配網絡的多個實施例。
圖4中所示的高通匹配網絡20有點不正統，因為第一個元件是電容器。 初看起來，這看起來可能觸犯了匹配網絡設計的傳統規則，在該傳統規則 中電小天線的效率極為重要。然而，在此情況下，優選把雙錐形天線的長度儘可能延長。雖然輸入電阻仍遠小於200歐姆，但長偶極天線的輸入電
抗在工作頻率範圍的較低端主要是電感性的(例如參見圖3，其示出了長偶
極天線的輸入阻抗與頻率的關係)。當天線工作在水平極化的接地平面附
近時這尤其正確。通過將串聯電容安排在並接電感之前，圖4中所示的高 通匹配網絡20允許天線10在其輸入阻抗變成電感性的頻率範圍中(例如 在低頻範圍內)工作得更加高效。
圖5A和5B示出圖4中所示的雙錐形天線IO和高通匹配網絡20所提 供的VSWR。如以前一樣，VSWR從工作於約20-100 MHz的工作頻率範 圍內的大雙錐形天線(例如長度為4米)獲得。然而，圖5A和5B中繪製 出的VSWR示出了低頻範圍中的重大改善(例如25MHz下的約2.5:l)。 此改善使雙錐形天線IO在低頻範圍內更加高效地工作，從而在此範圍內提 供更高的近場強度。
例如，在圖6-8中示出了由雙錐形天線10和高通匹配網絡20提供的 近場強度的顯著增大。在任何給定頻率，天線產生的場與基流或天線的輸 入端子處的電流成比例。圖6中繪出了在約10-100 MHz之間擴展的工作頻 率範圍內利用高通匹配元件20產生的基流與沒有匹配元件的情況下產生的 基流的比例。如圖6所示，高通匹配網絡20在20MHz下向天線提供約三 分之一強的基流。因為基流與場強成比例，所以增大的基流允許在低頻範 圍中產生顯著更高的場強。
高通匹配網絡20還允許使用較大的天線，從而對給定的放大器功率提 供總體上顯著更好的EM場。在一個實施例中，雙錐形天線10在被配置用 於工作至高達約100MHz的高頻極限時可具有約4米的總長度。這樣的長 度極大地提高了近場區(例如從天線的底部延伸至天線前方約2.5-3.0米的 區域)的電場強度。
在圖7中提供了曲線圖以示出由天線IO和高通匹配網絡20在被供給 約10kW的正向功率時在天線前方約0-ll米距離處所產生的示例性電場強 度(以V/m為單位)。示出了天線在最糟糕的情況下(例如在20MHz時) 所產生的電場強度。通過10KW的放大器，圖7示出天線在軸上(例如當 天線離地2.5m時，在天線前方2.5m且離地2.5m)產生約100 V/m的最小電場強度。
顯然，天線所產生的電場將因為地平面所反射的像在較低高度下衰減
得更快。圖8通過繪製雙錐形天線10和高通匹配網絡20在某一高度範圍 內產生的電場強度(V/m)示出這樣的觀念。如以前一樣，示出最壞情況下
(例如20MHz下)在天線前方2.5m處的電場強度。如圖8所示，電場強 度一定會隨著天線向地平面降低而降低。在任何情況下，圖6-8證明，通 過增大天線長度和利用適當的高通匹配網絡來補償天線的主要為電感性的 輸入電抗可獲得更好的電性能。
如上所述，本文中所公開的高通匹配網絡20可結合阻抗變換器30工 作。本領域公知許多不同類型的阻抗變換器包括但不限於等延遲、瓜內拉
(Guanella)、自舉、盧瑟福(Ruthroff)以及法拉第變換器。平衡一不平 衡變換器是專門設計用於在平衡和不平衡電路之間連接的變換器。在某些 舊r， hj仁口 口 t快j 。、Ti夭j又:i:^:^frSLi且戸j旭i^iSLrii-甘厶u， l次目G直勺 許多雙錐形天線設計一起使用。在一個實施例中，可使用4:1的等延遲阻抗 變換平衡一不平衡變換器來提供寬帶4:1阻抗變換以及平衡。然而應當理解 的是，可在本發明的替代實施例中使用其它阻抗變換器配置。
圖9A和9B示出實際可實現根據本發明的雙錐形天線10'的一種方式。 如圖9A和9B所示，雙錐形天線10' —般可包括多個天線單元40和阻抗 變換平衡一不平衡變換器50。平衡一不平衡變換器50可包括如上所述的 4:1等延遲阻抗變換平衡一不平衡變換器。然而，平衡一不平衡變換器50 不限於任何特定阻抗變換器設計，而且可在本發明的其它實施例中替代地 實現。
如圖9A和9B所示，雙錐形天線10'的四個天線單元40通過多個稱 為"錐體"的錐形結構60以適當的角度耦合到一起。在一個實施例中，可 使用60°的錐角來向天線提供約4:1的帶寬(即2倍頻程)。然而，錐體 60不限於6(T錐角，而且在本發明的其它實施例中可利用替代的錐角來實 現。在某些情況下，可使用一對耳狀體70將錐體60耦合至平衡一不平衡 變換器50，如圖9B所示。耳狀體用於提供天線單元40與平衡一不平衡變 換器50之間的機械和電連接。
15如上所述，圖4中所示的高通匹配網絡20可以多種方式來實現。在圖
9A和9B的實施例中，匹配網絡中包括的串聯電容器被包括在平衡一不平 衡變換器50的外殼中，而並接電感80跨接耦合在耳狀體70上。串聯電容 器(未在圖9A和9B中示出)可以多種不同的電容器設計來實現，其某些 示例包括真空電容器、高壓RF陶瓷電容器以及簡單的塑料膜電容器(例如 通過將導體插入高質量的聚合物膜之間製成)。在一個實施例中，串聯電 容器可被構造為開路傳輸線短截線。不論是何種類型，用於在20-100 MHz 範圍內工作的對稱天線設計的典型電容值可以是約100 pF。然而，應當理 解的是，可在本發明的替代實施例中使用其它類型的電容器(可能具有其 它電容值)。
如上所述，在本發明的至少一個實施例中，可將並接電感80跨接耦合 在耳狀體70上。並接電感器可以多種方式實現，其中某些包括電線線圈(例
An t曰-^厶六人厶A厶門厶払、-n力r^々g , / /Al An t+ U 乂+丄必、士 、H々+ 、田陽tVi cb
乂n卞ihj^^乂 口 t義/M^^A仁;ic 乂叫、i"i t注-兀江mpLi、 、 i"j 乂h仏平vi+w々刀刁、iAm 乂 /口j ra 口'j w 線線圈。雖然並接電感器80在圖9B中以電線(例如銅線)線圈實現，但 在本發明的至少一個實施例中優選將該電感器構造為短路傳輸線短截線。 本文中未具體提到的其它類型的電感器也可在本發明的替代實施例中使 用。此外，在本發明的替代實施例中可在某種程度上不同地耦合該電感器。 圖9A和9B中所示實施例的一個可能缺點是，必須重新設計現有的平 衡—不平衡變換器來容納其中包括的串聯電容器。擁有雙錐形天線IO'的用
戶可能需要購買新的平衡一不平衡變換器來利用圖9A和9B中所示的高通 匹配網絡所提供的性能增強。
為防止這樣的重新設計，在本發明的至少一個優選實施例中，圖4中 所示的串聯電容器可被集成在錐體60中而不是平衡一不平衡變換器50中。 雖然集成的電容器會增大與錐體相關聯的質量和力矩，但該集成設計可提 供許多期望的優點。例如，集成設計可允許在現場容易和快速地調換高通 調諧元件，從而使顧客能升級它們現有的平衡一不平衡變換器設計。這將 避免顧客不得不購買新的平衡一不平衡變換器，從而提供實質的成本好處。 此外，從平衡一不平衡變換器中去除電容器可防止當電容器中出現災難性 擊穿時該平衡一不平衡變換器受到損傷。如果電容器包括在平衡一不平衡變換器自身中，則不是這樣。
圖IOA、 10B以及10C示出可根據本發明實現雙錐形天線IO"的另一 方式。類似於前一實施例，雙錐形天線10〃包括經由一對錐體65和一對耳 狀體70耦合至阻抗變換平衡一不平衡變換器90的多個天線單元40。如上 所述，平衡一不平衡變換器90可以或可以不包括如上所述的4:1等延時阻 抗變換平衡一不平衡變換器。為簡潔起見，在此處不再描述用相同附圖標 記標註的相同組件。
如以前一樣，包括了高通匹配網絡，該高通匹配網絡在其第一級中具 有一對串聯的電容器100，在其第二級中具有並接電感80。與之前的實施 例不同，圖10A-10C中所示的高通匹配網絡將串聯電容器100包括在錐體 65中而不是平衡一不平衡變換器卯中。在一個實施例中，可利用位於經修 改的錐體65的內部的開路傳輸線短截線實現串聯電容器100。在某些情況
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lOOpF的電容。通過從平衡一不平衡變換器卯中去除電容器，當前的實施
例使高通調諧元件能在現場被調換，且避免了對平衡一不平衡變換器的可
能損傷(可能的損傷可能例如在平衡一不平衡變換器50中包括的電容器經
歷災難性擊穿時出現)。
圖IOB和10C中示出了根據本發明的一個實施例的集成電容器的詳細 構造。在這些附圖中，每個電容器100串聯耦合在平衡一不平衡變換器90 和兩個天線單元40之間。在一個實施例中，"門鈕形(doorknob)"陶瓷或 真空電容器100可跨接耦合在圖10B和10C中所示的修改錐體結構65的 兩側110/120上。然而，本領域技術人員應當理解如何在本發明的替代實施 例中使用其它類型的電容器(可能具有其它電容值)。
在--個實施例中，介電材料140可被插在經修改的錐體65的前半部 130和後半部150之間，以將電容器100與平衡一不平衡變換器90電隔離。 介電材料被安排在平衡一不平衡變換器側，換言之被安排在匹配網絡的第 二級，以提供必要的隔離。在一個實施例中，介電材料可包括諸如FR-4盤
之類的盤式絕緣體或其它合適的介電材料。然而，本領域技術人員應當理 解如何在本發明的替代實施例中使用其它類型的介電材料。在某些情況下，修改錐體65的前部130和後部150可通過機械緊固件 在物理上耦合到一起。例如，修改錐體65的前半部和後半部可通過螺絲耦 合到一起，如圖10C所示。這些螺絲是在介電材料140中鏜孔的，而且被 絕緣材料填充，以破壞修改錐體的前半部和後半部之間的電連接。在另一 示例(未示出)中，可將前部130、後部150以及介電材料140分別形成為具 有有螺紋的"凸起部"，該有螺紋的"凸起部"使後部能被旋入介電材料， 而介電材料能被旋入前部。還可使用本文中未具體提到的替代方法來連接 修改錐體結構65的前部和後部。認為本文中所陳述的描述覆蓋了所有這些 實施例。
現在已經描述了在其工作頻率範圍的較低端具有改善性能的天線的多 個實施例。如上所述，通過延長天線單元的長度和包括高通匹配網絡可改 善天線性能，該高通匹配網絡在其第一級(即最接近天線單元的那一級) 中包括串聯電容器，在其第二級(即離天線單元最遠的那一級)中包括一 個或多個並接電感器。圖9-10中所示的各個實施例改善了低頻範圍內的天 線性能，而不會影響高頻範圍內的性能。不過，圖10中所示的實施例為容 易和迅速地升級現有天線設計提供了一種方式，以使現有的天線設計具有 本文中所描述的性能增強，從而使升級成本和時間減至最小。
圖11示出了可用於改善天線在其工作頻率範圍的較低端處的性能的 方法的一個實施例。可構想該方法可由天線製造商、終端用戶或被委派安 裝新天線或利用圖10A-10C中所示的組件升級現有天線設計的技術人員來 執行。然而，該方法不限於任何特定的人員，而可由本領域的任何技術人 員來執行。此外，該方法不嚴格受限於圖10A-10C中所示的實施例。在某 些情況下，可改變或修改以下陳述的方法步驟以適應具有第一級串聯電容 器和第二級並接電感器的其它高通匹配網絡配置。
在一個實施例中，在該方法中描述的該天線可以是包括四個天線單元 的錐形偶極天線。如上所述，這些天線單元可經由包括至少兩個串聯電容 器和至少一個並接電感器的高通匹配網絡耦合至阻抗變換器。然而，本文 中所描述的方法可適用於安裝或升級可能具有不同的天線單元和匹配網絡 組件數量和/或構造的其它類型的天線。雖然以下陳述的方法步驟被描述為
18好像以特定的順序執行，但本領域技術人員將能理解在不背離本發明的範 圍的情況下如何以顯著不同的順序執行這些步驟。
在一個實施例中，該方法可通過提供一對錐體結構開始(200)，每個 錐體結構被配置成將兩個天線單元保持為期望角度。各個錐體結構中可嵌 入有電容器。該電容器可串聯耦合在阻抗變換器與兩個天線單元之間，用 於提供第一級電容。嵌入該對錐體結構中的電容器可以或可以不具有相同 的電容值。
接著，該方法可包括將各個錐體結構的後端連接至耳狀結構(210)， 該耳狀結構提供天線單元與阻抗變換器之間的電和機械連接。如上所述，
可將電感器跨接耦合在耳狀結構上(220)，以在嵌入在錐體結構中的電容
器之間提供並接電感。嵌入的電容器和並接電感器可工作以改善偶極天線 在其工作頻率範圍的較低端的性能。
在某些情況下，可在將錐體結構的後端連接至耳狀結構之前將電感器 跨接耦合在耳狀結構上。在其它情況下，可在將錐體連接至耳狀體之後再 將電感器耦合至耳狀體。在某些情況下，可使用形成在耳狀體中的現有孔 將電感器連接至耳狀體。然而，因為不是所有單元均具有這樣的孔，所以 也可使用通常用於將耳狀體連接至平衡一不平衡變換器的安裝螺絲將電感 器連接至耳狀體。
在某些情況下，可能期望將原始天線單元調換成新的天線單元。如果
要利用較長的天線單元升級現有的天線設計(230)，則該方法可包括提供 第二組天線單元(250)，該第二組天線單元在物理上和電學上均長於天線 中原來包括的天線單元。較長的天線單元可代替原始天線單元耦合至錐體 結構的前端(260)，以增大天線在其工作期間產生的近場強度。如果不想 升級，則在將天線中原來包括的天線單元連接至錐體結構的前端之後，該 方法可結束(240)。在升級實施例中，可能必須在提供錐體結構之前將現 有的天線單元從天線中去除(在步驟200中)。
受益於此公開內容的本領域技術人員應當理解的是，本發明確信可提 供一種在低頻範圍內具有改善性能的偶極天線。更具體而言，本發明提供 了獨一無二的高通匹配網絡，其允許偶極天線可在其中其輸入阻抗變為電感性的頻率範圍內(例如在低頻範圍中)更高效地工作。根據此描述，本 發明的各個方面的進一步修改和替代實施例對本領域技術人員將變得顯而 易見。因此，所附權利要求旨在被解釋為包括所有這些修改和變化，而且 因此說明書和附圖被認為是說明性的而非限制意義。
權利要求
1.一種天線，其包括經由匹配網絡耦合至阻抗變換器的多個天線單元，所述匹配網絡包括至少兩個電容器，各個所述電容器串聯耦合在所述阻抗變換器與不同的一個所述天線單元之間；至少一個電感器，其並接耦合在所述至少兩個電容器之間；以及其中所述匹配網絡通過將所述至少兩個電容器定位在被安排成更接近所述天線單元的網絡級中的至少一個電感器之前，改善了所述天線在其工作頻率範圍的較低端的天線性能。
2. 如權利要求1所述的天線，其特徵在於，在工作期間，所述天線在其工 作頻率範圍的較低端呈現出小於約3:1的電壓駐波比(VSWR)。
3. 如權利要求l所述的天線，其特徵在於，所述天線包括偶極天線。
4. 如權利要求1所述的天線，其特徵在於，所述天線還包括一對錐體和一 對耳狀體。
5.如權利要求4所述的天線，其特徵在於，所述至少一個電感器跨接耦合 在所述一對耳狀體上。
6. 如權利要求4所述的天線，其特徵在於，所述至少兩個電容器集成在所 述一對錐體中。
7. 如權利要求4所述的天線，其特徵在於，各個錐體包括前部，其被配置成用於將兩個所述天線單元保持成期望角度，其中所述前部包括所述電容器中的一個；後部，其耦合至所述前部，其被配置成用於將所述錐體連接至所述耳狀體 中的一個；介電材料，其被安排在所述前部與所述後部之間，以將所述電容器與所述 阻抗變換器電隔離；以及用於將所述前部在物理上連接至所述後部的裝置。
8. 如權利要求7所述的天線，其特徵在於，所述裝置包括多個螺絲，所述 多個螺絲在所述介電材料內被鏜孔，並被絕緣材料填充，以將所述錐體的所述前部與後部電隔離。
9. 如權利要求7所述的天線，其特徵在於，所述裝置包括將所述前部、所 述後部以及所述介電材料形成為具有有螺紋的凸起部，所述有螺紋的凸起部使 所述後部能被旋入所述介電材料，而所述介電材料能被旋入所述前部。
10. —種天線，包括多個天線單元，其中所述天線單元的最大尺寸約為4米；安裝結構，其被配置成用於將所述多個天線單元耦合至阻抗變換器，其中所述安裝結構包括一對錐體結構，分別被配置用於將兩個所述天線單元保持成期望角 度；以及一對耳狀體結構，分別被配置成用於將所述錐體結構之一連接至所 述阻抗變換器，從而提供所述天線單元與所述阻抗變換器之間的電和機械 連接；以及高通匹配網絡，其包括至少兩個電容器，分別被嵌入所述錐體結構之一，以便串聯耦合在 所述兩個天線單元與所述阻抗變換器之間；以及至少一個電感器，其跨接在所述一對耳狀結構上，且與所述至少兩 個電容器並接。
11. 一種匹配網絡，包括至少兩個電容器和至少一個電感器，其中所述 匹配網絡被配置成通過以下步驟改善天線在其工作頻率範圍的較低端的性能(i)將各個電容器串聯耦合在所述天線的不同輻射元件與耦合至所述天線的阻 抗變換器之間，(ii)將所述至少一個電感器並接耦合在所述至少兩個電容器 之間，以及(iii)在被安排成更接近所述天線的輻射元件的網絡級中將所述至 少兩個電容器定位在所述至少一個電感器之前。
12. 如權利要求11所述的匹配網絡，其特徵在於，所述匹配網絡包括 高通匹配網絡，其被配置成用於改善所述天線在其工作頻率範圍的較低端的性 能，而不影響所述天線的工作頻率範圍的較高端的性能。
13. 如權利要求11所述的匹配網絡，其特徵在於，在工作期間，所述 匹配網絡使所述天線在其工作頻率範圍的較低端呈現出小於約3:1的電壓駐波比(VSWR)。
14. 如權利要求11所述的匹配網絡，其特徵在於，所述電容器集成在 一對錐體結構中，所述錐體結構中的每一個被配置成用於將所述天線的兩個輻 射單元耦合至所述阻抗變換器。
15. 如權利要求14所述的匹配網絡，其特徵在於，各個錐體結構包括: 前部，其被配置成用於將所述兩個輻射單元保持成期望角度，其中所述前部包括所述一對電容器中的一個；以及後部，其耦合至所述前部，且被配置成用於將所述錐體結構經由稱為"耳 狀體"的附加結構連接至所述阻抗變換器。
16. 如權利要求15所述的匹配網絡，其特徵在於，各個錐體結構還包括介電材料，其被安排在所述前部與所述後部之間，以將所述電容器與所述 阻抗變換器電隔離；以及用於將所述前部在物理上連接至所述後部的裝置。
17. 如權利要求16所述的匹配網絡，其特徵在於，所述裝置包括多個 螺絲，所述多個螺絲在所述介電材料內被鏜孔，並被絕緣材料填充，以將所述 錐體結構的所述前部與後部電隔離。
18. 如權利要求16所述的匹配網絡，其特徵在於，所述裝置包括將所 述前部、所述後部以及所述介電材料形成為具有有螺紋的凸起部，所述有螺紋 的凸起部使所述後部能被旋入所述介電材料，而所述介電材料能被旋入所述前 部。
19. 一種用於改善天線在其工作頻率範圍的較低端的性能的方法，所述 天線包括耦合至阻抗變換器的多個天線單元，其中所述方法包括提供一對錐體結構，各個所述錐體結構被配置成用於將所述兩個天線單元 保持成期望角度，其中各個錐體結構包括嵌入其中的電容器；將各個錐體結構的後端連接至耳狀結構，所述耳狀結構被配置成用於提供 所述天線單元與所述阻抗變換器之間的電和機械連接；將電感器跨接耦合在所述耳狀結構上以在所述錐體結構中嵌入的電容器 之間提供並接電感，其中所述嵌入的電容器和所述並接電感器起作用以改善所述偶極天線在其工作頻率範圍的較低端的性能。
20. 如權利要求19所述的方法，其特徵在於，還包括 提供第二組天線單元，所述第二組天線單元在物理上和電學上長於所述天線中原來包括的所述多個天線單元；以及將所述第二組天線單元耦合至所述錐體結構的前端，以增大所述天線在其工作期間所產生的近場強度。
全文摘要
本文提供了一種偶極天線，該天線在其工作頻率範圍的較低端具有改善的性能。根據一個實施例，該偶極天線可包括經由一對錐體和一對耳狀體耦合至阻抗變換器的多個天線單元。該偶極天線還可包括高通匹配網絡，該高通匹配網絡被專門配置成改善天線在其工作頻率範圍的較低端的性能。例如，匹配網絡的第一級(即最接近天線單元的那一級)可包括兩個串聯的電容器，而匹配網絡的第二級(即離天線單元最遠的那一級)包括並接耦合在兩個電容器之間的電感器。
文檔編號H03H7/38GK101682116SQ200880011442
公開日2010年3月24日 申請日期2008年4月2日 優先權日2007年4月3日
發明者J·S·麥克利恩 申請人:Tdk股份有限公司