專利名稱：帶有改進的天線方向圖特性的雙突脊和四突脊喇叭形天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天線的設(shè)計，具體來說，涉及雙突脊的和四突脊的寬帶喇叭形天線。
背景技術(shù)：
以下的描述和實例借助于本節(jié)內(nèi)的內(nèi)容不能認(rèn)為是現(xiàn)有的技術(shù)。
天線是可輻射或接受電磁(EM)能的裝置。一理想的發(fā)射天線從一源中(例如，功率放大器)接受功率并將接受的功率輻射到空間中。即，電磁能從天線擴散，如果不被反射或驅(qū)散，則電磁能不會返回。然而，一實際的天線產(chǎn)生輻射的和不輻射的EM場分量。不輻射EM場分量的實例可以是返回到源內(nèi)的被接受的功率的部分，或者在一阻抗的載荷中耗散。
天線的特性可以用各種方法來表征。首先，一天線的輻射效率(或“天線效率”)可定義為被天線輻射的功率量對天線(從一功率源)接受的功率量之比。被天線接受的功率部分(但未輻射)可以熱的形式耗散。其它天線性能的特征包括操作頻率的帶寬、增益、方向性和天線傳輸圖形。
如本文中所使用的，術(shù)語“天線輻射圖形”一般地可定義為一量的空間分布，它表征由天線產(chǎn)生的電磁場。天線圖形通常給定為以下量之一的角度分布(在球坐標(biāo)中，θ和φ，以及離天線的一固定點R)的圖形功率通量密度、輻射密度、方向性、增益、相位、極化和場強(電場或磁場)。例如，一天線的“輻射圖形”可表示為遠(yuǎn)場(即，角度場分布基本上獨立于離天線區(qū)域內(nèi)的一特定點的距離的天線場的區(qū)域)內(nèi)的輻射的功率通量密度的角度分布。對于正弦穩(wěn)態(tài)場，輻射圖形可通過繪出坡印廷(Poynting)矢量的徑向分量的實部而形成 [方程1]
其中，E和H是分別表示電場和磁場的相位復(fù)矢量。換句話說，輻射圖形可描述為一天線輻射電磁能(包括電場和磁場分量)的趨勢，其是遠(yuǎn)場區(qū)域內(nèi)的方向的函數(shù)。
盡管天線的輻射圖形可表示為一對于所有球形角的3-D的圖，但在檢查量方面的信息時，通常有利地提供輻射圖形的2-D“剪輯”。這些“剪輯”通常沿遠(yuǎn)場區(qū)域內(nèi)的EM場的所謂的E平面和H平面進行。對于線性極化的天線，E平面是包含電場矢量(E)和最大輻射方向的平面。H平面情況類似，但正交于E平面。下面將詳細(xì)描述一特定類型的天線的示范的輻射圖形。
天線的方向性、增益和極化可用天線輻射圖形的知識進行計算。天線的“方向性”一般可以定義為最大輻射的方向。例如，大部分方向性天線的輻射圖形可包括一主瓣(指向最大輻射的方向)，但也可包括若干個較小的旁瓣(例如，由于在天線內(nèi)的反射或交叉極化)。通過減小沿要求方向輻射的EM能量，這些旁瓣通常從天線的全部特性中轉(zhuǎn)移。因此，天線增益將小于天線設(shè)計的方向性，其提供小于100％的輻射效率(即，真正天線)。
如上所述，電磁場以矢量從天線輻射。電磁場的矢量特性的行為通常稱之為天線的“極化”或“極化狀態(tài)”。用于電磁相容性(EMC)試驗的大部分天線設(shè)計是線性極化的，這意味著電場(或磁場)分量限制在一個平面。另一方面，某些天線設(shè)計可顯示一橢圓形的極化，或輻射的極化主要地在一個帶有稍微的交叉極化分量的平面內(nèi)，它是帶有主分量的平面外。在橢圓形極化中，電場矢量的末端可追溯一橢圓形圖形，其在與傳播方向相交和正交的任何固定的平面內(nèi)。一橢圓形極化波可分解為兩個相位正交的線性極化波，以使它們的極化平面彼此垂直。
一雙突脊喇叭形天線或四突脊波導(dǎo)是線性極化天線的一個實例。當(dāng)重加載時，雙突脊波導(dǎo)可提供一顯著寬的帶寬(例如，從約1GHz至約18GHz)。如

圖1和2所示，一雙突脊喇叭形100可包括一對天線元件110(通常稱之為“突脊”或“翅片”)，它們彼此相對地布置在一矩形的喇叭形天線內(nèi)。各個天線元件110可具有一大致凸出的內(nèi)表面112和一大致直的外表面114。在大多數(shù)情形中，各個外表面114可固定地附連到形成喇叭形天線100的諸側(cè)壁120之一。當(dāng)偶聯(lián)在一起時，側(cè)壁120可形成一矩形錐結(jié)構(gòu)，其具有一基本上大于底部140的孔130。在某些情形中，一矩形盒(或“空腔結(jié)構(gòu)”)150可偶聯(lián)到類似形狀的底部140。空腔結(jié)構(gòu)可包括一功率連接器160，以便通過一同軸傳輸線(未示出)從功率源(未示出)對成對的天線元件供應(yīng)電流。也可設(shè)置一導(dǎo)電的饋送線170將電流從同軸傳輸線傳輸?shù)嚼刃翁炀€的成對的天線元件110。從傳輸線到導(dǎo)電饋送線170的過渡是喇叭形的一重要的部分，重要性在于它包括喇叭形饋送區(qū)域(即，功率供應(yīng)到天線元件的區(qū)域)的部分。當(dāng)供應(yīng)功率時，天線元件的內(nèi)表面112起作錐形的波導(dǎo)，以便隨著能量從底部140通過喇叭形天線的“喉部”前進而導(dǎo)向該輻射能，并通過天線的“嘴”或孔130輻射出去。
用于EMC試驗系統(tǒng)內(nèi)的傳統(tǒng)的寬帶喇叭形天線通常顯示的操作頻率范圍在1GHz至18GHz。然而，高頻率范圍通常受輻射圖形內(nèi)不規(guī)則性的困擾。隨著頻率的增加，這些所謂的不規(guī)則性出現(xiàn)為旁瓣(180，圖3)的增加、背瓣(185)的增加，或甚至分裂或修改主瓣(190)。在頻率范圍的最高端處，輻射圖形主要地喇叭形的受饋送區(qū)域特性所控制。例如，隨著頻率增加，電磁能趨于逐步地拉離天線元件的內(nèi)表面112。這樣的拉離開始在天線的“嘴”處，并逐漸地增加直到能量以成功的較短的距離開始拉離饋送區(qū)域。這趨于增加天線元件的內(nèi)表面上的橫向電流量，以及在饋送區(qū)域內(nèi)形成的較高階的模量。在某些情形中，通過將一相當(dāng)?shù)哪芰恐匦乱龑?dǎo)到旁瓣和/或背瓣，較高階模量可從要求的輻射圖形中轉(zhuǎn)移。
至少一個喇叭形天線設(shè)計已被提出，其中，一用來抑制饋送區(qū)域內(nèi)的較高階模量的裝置已經(jīng)包括在該設(shè)計內(nèi)。該裝置基本上安裝在一放置在喇叭形天線的兩個突脊(即，天線元件110)之間的帶形導(dǎo)體上。該裝置在抑制較高階模量上稍許有效，并代表對不能解決總共的模量抑制的早期設(shè)計的一種改進。然而，由于公差的限制，帶形導(dǎo)體不能對輻射圖形的不規(guī)則性始終提供一可行的解決方案。例如，帶形導(dǎo)體必須對稱地布置在帶有異常緊的公差的突脊之間。這不僅在雙突脊天線設(shè)計中難于實現(xiàn)，而且在四突脊天線元件設(shè)計中變得尤其困難，因為在饋送區(qū)域內(nèi)賦予甚至更加緊的空間限制。
一四突脊喇叭形天線基本上是一雙極化型的雙突脊喇叭形天線，并在理想的情形中通過使用在四突脊波導(dǎo)中的兩個模量的正交性發(fā)揮其功能。換句話說，四突脊喇叭形天線組合兩個線性極化的波，以產(chǎn)生一橢圓形極化的波導(dǎo)。如上所述，一橢圓形極化波是主要在一平面內(nèi)極化的，該平面帶有的一稍許的交叉極化分量與主分量不同相。盡管細(xì)心的設(shè)計可將交叉極化分量減到最小，但不能完全地消除它。在實際的情形中，兩個模量之間的偶聯(lián)，尤其是在饋送區(qū)域內(nèi)，是不可避免的并減損喇叭形天線的特性。因為在實施饋送區(qū)域(例如，空間約束)中的各種困難，所以四突脊喇叭形不能提供如雙突脊、單一極化喇叭形的那樣的帶寬。最好的是，傳統(tǒng)的四突脊喇叭形天線可提供一約1GHz至約10GHz的操作頻率范圍。
除了減小的操作頻率范圍，傳統(tǒng)的雙突脊和四突脊喇叭形天線通常受低頻范圍內(nèi)的不規(guī)則性困擾。在操作頻率范圍的低端處，“嘴”的特性趨于控制雙突脊和四突脊喇叭形天線的輻射圖形。此外，從“嘴”的反射可造成“喉部”阻抗的大的波動和大的脈沖畸變。在頻率范圍的最低端處，電流可圍繞“嘴”的邊緣流動以增加輻射圖形中的旁瓣和背瓣的數(shù)量。這最終可毀壞喇叭形的單向特性。
因此，需要改進雙突脊和四突脊喇叭形天線的設(shè)計，它們在一最大的操作頻率范圍上提供對要求的輻射圖形的提高的控制。

發(fā)明內(nèi)容
上述問題在很大部分上可用一雙或四突脊寬帶喇叭形天線來解決，它包括至少一對彼此相對布置的導(dǎo)電的天線元件，以便導(dǎo)向電磁波通過喇叭形天線。在某些情形中，成對的導(dǎo)電天線元件可以形成為包括基本上凸出的內(nèi)表面和基本上直的外表面，但如果要求的話，可使用變化的形狀和結(jié)構(gòu)。在某些情形中，凸出的內(nèi)表面可幫助引導(dǎo)或?qū)蜉椛涞碾姶拍芡ㄟ^天線元件，而基本上不偏移所要求的輻射圖形。寬帶喇叭形天線可以包括或不包括通常偶聯(lián)到天線元件的外表面的側(cè)壁結(jié)構(gòu)。
在某些實施例中，寬帶喇叭形天線包括一對錐形的延伸元件，各在其一端部處偶聯(lián)到成對的導(dǎo)電天線元件的不同的元件的外表面。在某些情形中，成對的錐形延伸元件可從相對方向的天線元件的各自外表面沿著一軸線延伸，該軸線垂直于分離天線元件的縱向軸線。因此，錐形延伸元件可包括在寬帶喇叭形天線設(shè)計內(nèi)，以便抑制沿著天線元件的外表面的電流。
在某些實施例中，寬帶喇叭形天線可包括一布置在成對的導(dǎo)電天線元件的至少一部分上的磁性材料。磁性材料可這樣選擇和布置，以使表面電流約束在僅沿著天線元件的內(nèi)表面內(nèi)流動。換言之，磁性材料可幫助保持表面電流主要地沿縱向而不是沿橫向流動。在某些情形中，磁性材料可包括相對導(dǎo)磁率大于1.0的基本上任何的磁性材料。在一特殊的實施例中，磁性材料可包括一通過將高阻抗磁性顆粒嵌入在彈性體內(nèi)而形成的一磁性鍍層。這里也可構(gòu)思用于磁性材料的其它的可能性。
在某些實施例中，寬帶喇叭形天線可包括形成在成對導(dǎo)電天線元件的內(nèi)表面內(nèi)的縱向槽。例如，縱向槽可從成對的導(dǎo)電天線元件的底部向上延伸，并可起作抑制沿成對的導(dǎo)電天線元件沿著橫向方向流動。在某些情形中，縱向槽可沿內(nèi)表面的僅一部分延伸，并隨著縱向槽背離導(dǎo)電天線元件的底部延伸而逐漸地減小深度。然而，在其它的情形中，縱向槽可沿著內(nèi)表面的全部長度延伸。在某些情形中，多個縱向槽可形成在各個天線元件的內(nèi)表面內(nèi)。多個縱向槽可均勻地間隔并基本上彼此平行。這里也可構(gòu)思其它變化的間隔。
在某些實施例中，寬帶喇叭形天線可包括一體的空腔結(jié)構(gòu)，其集成在或其它方式偶聯(lián)在成對導(dǎo)電天線元件的一底部。這樣一空腔結(jié)構(gòu)可包括至少一個輸入連接器，以便供應(yīng)電流到成對的導(dǎo)電的天線元件。在某些情形中，一平衡的輸入可偶聯(lián)到至少一個輸入連接器，以便供應(yīng)相等和相對的電流水平到成對的導(dǎo)電天線元件。通過改進幾何性和成對導(dǎo)電天線元件之間的阻抗匹配，平衡的輸入可提高輻射特性。此外，一層磁性材料可形成在空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)，以便抑制空腔的共振和輻射圖形的擾動。
附圖的簡要說明閱讀以下詳細(xì)描述并參照附圖，本發(fā)明的其它的目的和優(yōu)點將會變得明白，在諸附圖中圖1是傳統(tǒng)的雙突脊喇叭形天線的側(cè)視圖；圖2是傳統(tǒng)的雙突脊喇叭形天線的俯視圖；圖3是傳統(tǒng)的雙突脊喇叭形天線繪出的兩維的徑向圖形；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一實施例的雙突脊或四突脊喇叭形天線的截面圖；圖5是圖4的喇叭形天線的截面圖，其中，磁性材料布置在天線的至少一部分上；圖6是根據(jù)本發(fā)明的一實施例的四突脊喇叭形天線的轉(zhuǎn)動的三維側(cè)視圖；圖7是圖6所示的四突脊喇叭形天線的另一轉(zhuǎn)動的三維側(cè)視圖；圖8是圖6所示的四突脊喇叭形天線的正視圖；圖9是圖4的喇叭形天線的截面圖，其中，縱向槽沿著天線的至少一部分的長度走向；圖10是根據(jù)本發(fā)明的一實施例形成在一雙突脊喇叭形天線內(nèi)的縱向槽的俯視圖；以及圖11是根據(jù)本發(fā)明的一實施例形成在一四突脊喇叭形天線內(nèi)的縱向槽的俯視圖。
具體實施例方式
盡管本發(fā)明易于作出各種修改和變化的形式，但其特殊的實施例在附圖中顯示作為舉例，并在這里將作詳細(xì)的描述。然而，應(yīng)該理解到，附圖和對其的詳細(xì)描述無意將本發(fā)明局限于所揭示的特殊的形式，相反，本發(fā)明涵蓋落入由附后的權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)的所有的修改、等價物和變化。
轉(zhuǎn)向諸附圖，雙突脊和四突脊的喇叭形天線的示范的實施例示于圖4-11中。如在下文中將詳細(xì)地描述的，這里所提供的天線設(shè)計在傳統(tǒng)的設(shè)計上有如下的改進(i)修改天線元件的輪廓在天線的嘴部處包括錐形的延伸元件，(ii)在天線元件上使用相對高阻抗的磁性材料，以便沿促進從喇叭形天線輻射的方向控制、導(dǎo)向、槽路傳輸或其它方式導(dǎo)向表面流，(iii)使用形成在天線元件內(nèi)的縱向槽以在饋送區(qū)域內(nèi)抑制高階的模量，(iv)使用高阻抗和/或致?lián)p耗的磁性材料來抑制饋送區(qū)域內(nèi)的高階模量，以及(v)使用一互補的、平衡的饋送，以對天線元件供應(yīng)相等和相對的流量，因此，減小帶有或不帶有導(dǎo)電的側(cè)壁的雙或四突脊喇叭形內(nèi)的橫向極化(通過提高幾何性)。
應(yīng)該理解到，在本發(fā)明的所有實施例中也可不必包括所有上述的改進。相反，本發(fā)明的某些實施例可包括上述改進中的僅一個，或可能的幾個。盡管示范的實施例示于圖4-11中，但本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員會容易地理解到，本發(fā)明的各種方面如何進行組合來形成變化的實施例，它們沒有明確地顯示在附圖中或在此進行描述。本發(fā)明旨在涵蓋所有這樣的可能的組合。
圖4是一雙突脊喇叭形天線200的截面圖，其包括一對彼此相對布置的導(dǎo)電的天線元件210，以便導(dǎo)向從喇叭形天線輻射的電磁能。如本文中所采用的，天線元件210可另外地稱之為喇叭形天線的“突脊”或“翅片”，并可由基本上任何導(dǎo)電材料構(gòu)造。如圖6-8所示，四突脊喇叭形可通過添加另一對的天線元件交替地設(shè)置，這樣，相鄰的天線元件基本上分開90°布置。
不管是提供一雙突脊還是四突脊喇叭形，天線元件210可在天線底部240處緊密地偶聯(lián)，并可彼此分開地呈弧形，以形成一稍微較大的孔230。一矩形的箱子(或“空腔結(jié)構(gòu)”)250可一體地形成，或以其它方式偶聯(lián)到相似形狀的底部240。空腔結(jié)構(gòu)可包括至少一個電源連接器260，以便從一電源(未示出)通過一同軸傳輸線(未示出)供應(yīng)電流到成對的天線元件210。也可設(shè)置一對導(dǎo)電的輸送線270a、b從同軸傳輸線傳輸電流到饋送區(qū)域處的成對的天線元件210。因此，與圖1-2所示的傳統(tǒng)喇叭形天線100不同，喇叭形天線200可供應(yīng)一平衡的饋送，以提高喇叭形天線的對稱性。
在一實施例中，一相對高阻抗的磁性材料255可形成在空腔結(jié)構(gòu)250內(nèi)，以抑制饋送區(qū)域內(nèi)的高階模量。換句話說，空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)的磁性材料的存在會抑制空腔的共振和輻射圖形的擾動。為了在下面較詳細(xì)地描述，選擇用于空腔的磁性材料可包括相對導(dǎo)磁率大于1.0的基本上任何的磁性材料。
類似于傳統(tǒng)的設(shè)計，天線210可包括大致凸出的內(nèi)表面212和大致直的外表面214。盡管外表面的結(jié)構(gòu)稍微不太重要(其可以是直的以簡化設(shè)計)，但內(nèi)表面的輪廓較佳地起作導(dǎo)向或引導(dǎo)從喇叭形天線輻射的電磁能。在一理想的情形中，基本上所有發(fā)生的能量(即，供應(yīng)到饋送區(qū)域的能量)將從喇叭形天線發(fā)射/輻射出去。為了改進輻射圖形，通過將突脊延伸到一垂直于喇叭形的縱向軸線290的線280，可以更好地控制喇叭形天線上的電流分布。這在喇叭形天線的操作頻率范圍的低端處可以是特別有用，在該低端處，天線的孔230或“嘴”趨于對輻射圖形有更大的影響。
如圖4所示，一對錐形延伸元件300可一體地形成到或以其它方式偶聯(lián)到天線元件210。在一特殊的實施例中，各個延伸元件300可在其一端處偶聯(lián)到成對的天線元件210的不同的一個的外表面214上。成對的錐形延伸元件可從沿大致相對方向的天線元件的對應(yīng)的外表面延伸。如圖4所示，延伸的方向是沿垂直于分離成對的天線元件210的縱向軸線290的線280。通過添加成對的錐形延伸元件300，突脊輪廓可延伸而提供一唯一的取決于頻率的等價的孔235。通過幫助保持一更高控制的帶有最小旁瓣和背瓣的輻射圖形，這樣一孔可大大地提高喇叭形天線200在低頻范圍內(nèi)的性能。換言之，錐形延伸元件300可阻止電流流到天線元件的外表面214上；由于增加重新引入旁瓣和/或背瓣內(nèi)的能量，它的發(fā)生將減小沿要求方向輻射的能量。
在某些實施例中，錐形延伸元件300可以分開地形成并固定地附連到成對天線元件210的外表面214上。為了簡化起見，通常較佳地是，天線元件和延伸元件由相同的材料形成?？梢钥紤]采用基本上任何的機械方法來將延伸元件附連到天線元件的外表面。在一實例中，錐形延伸元件300可以借助于一個或多個螺釘附連到外表面214；但也可使用其它變化的機械附連方法(例如，釬焊、粘結(jié)劑等)。在某些情形中，在天線元件的接觸表面和附連的延伸元件之間可存在有物理的不連續(xù)。這些物理的不連續(xù)可導(dǎo)致(微小)電氣的不連續(xù)，這可干擾接觸表面處的電流流動。為此原因，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，錐形延伸元件300可與天線元件210的外表面214一體地形成。例如，天線元件可加工成(例如，從一片導(dǎo)電材料中進行蝕刻或切割)包括錐形延伸元件。
在某些情形中，錐形延伸元件的形狀可以根據(jù)圖4-9所示的形狀修改。例如，延伸元件的錐度或長度可變化以便沿天線元件的外表面進一步阻止電流的流動。此外，尖銳的邊緣可從變化的設(shè)計中去除，以減小或消除趨于在這樣邊緣處發(fā)生的電氣不連續(xù)(因此，衍射)。除了變化的形狀之外，還可變化錐形延伸元件的材料成分和/或厚度以形成一理想的結(jié)果。
在某些情形中，天線元件的厚度(因此，延伸元件的厚度)可以減小以提高在一特定操作頻率范圍內(nèi)的輻射特性。例如，當(dāng)要求的操作頻率范圍落入約1GHz至20GHz之間時，天線元件可以由一近似為3/8英寸厚的導(dǎo)電片形成。然而，減小天線元件的厚度(例如，減小到約1/4英寸厚)可實際地提高輻射特性(尤其在較高操作頻率范圍內(nèi))，因其增加了饋送區(qū)域內(nèi)的阻抗。
當(dāng)功率供應(yīng)到喇叭形時，隨著輻射能從底部240前進到喇叭形天線的“嘴”或孔230，天線元件的內(nèi)表面212導(dǎo)向輻射能。為了改進在較高頻率處的輻射圖形，喇叭形天線200的天線元件可以電阻地和/或磁性地加載，以提供一單調(diào)遞增的表面阻抗，當(dāng)電磁波沿天線元件210的長度前進時其減小再導(dǎo)向的能量。通過加載具有磁性材料的天線元件，本文所述的天線設(shè)計大大地提高在一相對小的包內(nèi)的脈沖的再生(即，不增加喇叭形天線的尺寸)。
如圖5所示，例如，通過將相對高阻抗的磁性材料220包括到天線元件210的至少一部分上，可控制突脊上的表面電流的流動。一般來說，可以包括磁性材料來約束主要沿天線元件的內(nèi)表面212流動的表面電流。這樣，磁性材料220可從外表面214延伸，就在不到內(nèi)表面212處停止。通過局部地增加大部分天線元件的表面電阻，電流被“扼流”并被迫走最小電阻的路徑，即，不被磁性材料220覆蓋的突脊部分。這樣，磁性材料可阻抗或約束要求方向(縱向)之外的方向的表面電流的流動，以及引入沿橫向方向的損失。兩種機構(gòu)起到減小遠(yuǎn)離內(nèi)部突脊的突脊的那部分上的表面電流，在內(nèi)部突脊處要求電流流動。其結(jié)果，包括入磁性材料220還可有助于保持一更高控制的輻射圖形。
選擇用于突脊210和/或空腔結(jié)構(gòu)250的磁性材料可以是這樣所選擇的材料的固有阻抗顯著地大于自由空間的阻抗。為了使其成為現(xiàn)實，材料的相對導(dǎo)磁率應(yīng)大于1.0，并也應(yīng)大于相對電容率(即，介電常數(shù))，這樣，當(dāng)材料是“電氣上薄的”時，材料起作一感應(yīng)鍍層。在微波范圍內(nèi)，具有約1.5-20的相對導(dǎo)磁率的磁性材料可用來磁性地加載突脊。這能使磁性材料在遠(yuǎn)離內(nèi)表面的區(qū)域內(nèi)顯示出喪失磁性，同時提供能力來引導(dǎo)或?qū)虮砻骐娏餮赝患箖?nèi)表面流動。由于固有阻抗的大小被認(rèn)為是至關(guān)重要的。所以，材料的導(dǎo)磁率可以是復(fù)雜的(即，一致?lián)p耗的材料)。
在某些情形中，用于突脊210和/或空腔結(jié)構(gòu)250的磁性材料可以選擇具有大于1.0的相對導(dǎo)磁率的基本上任何的磁性材料。然而，磁性材料不需是各向同性或均勻的，以便沿突脊的內(nèi)表面導(dǎo)向或引導(dǎo)電流。事實上，在本發(fā)明的某些實施例中有利的是，使用一非均勻?qū)拥拇判圆牧稀＠纾判圆牧蠈嶋H上可包括一柔性的磁性涂層或磁性材料片，它們可通過將相對高阻抗的磁性顆粒(例如，六喇叭形鐵素體)嵌入在一彈性體(例如，硅)內(nèi)而形成。這些所謂的各向異性的磁性材料可用來提供在較高操作頻率下超級的特性(相對于諸如立方的鐵素體之類的各向同性材料的特性)。
圖9-11示出一可形成在天線元件的內(nèi)表面212內(nèi)的縱向槽結(jié)構(gòu)310的實施例。一般來說，槽結(jié)構(gòu)310可從成對的天線元件210的底部向上延伸，因此，可起作抑制橫向的表面電流，其趨于在較高頻率范圍內(nèi)形成。在某些實施例中，縱向槽310可沿內(nèi)表面212的僅一部分延伸(如圖9所示)。例如，槽可靠近天線元件的底部(即，靠近饋送區(qū)域)形成，以防止較高階模量在其中形成。隨著槽背離天線元件的底部延伸，槽可(或不可)逐漸地增加深度。在其它的情形中(未示出)，縱向槽310可沿內(nèi)表面212的全部長度延伸。盡管其只在靠近饋送區(qū)域抑制橫向電流(例如，防止較高階模量形成)，但沿全部的長度延伸槽可以(至少)簡化制造過程。如果槽沿全部長度延伸，則它們可形成有均勻的深度，或如果要求的話，形成有一逐漸減小的深度。
圖10和11示出可分別包括在雙突脊和四突脊喇叭形天線設(shè)計內(nèi)的示范的縱向槽310。例如，圖10示出一可形成在雙突脊喇叭形的內(nèi)表面212內(nèi)的示范的縱向槽310的俯視圖(例如，向下看到虛線盒320內(nèi))。在某些情形中，槽310可形成到一深度(d)，它近似等于一特定操作頻率的波長的四分之一。例如，如下文中較詳細(xì)地所述，槽的深度可基本上等于操作頻率的波長的四分之一，在此橫向表面電流趨于最大。盡管圖中顯示為具有直的側(cè)壁和角，但縱向槽310可變化地構(gòu)造成包括一相對倒圓的輪廓而沒有棱角，以簡化制造過程。在某些情形中，例如，如圖9所示，槽的深度可逐漸地減小。然而，在本發(fā)明的其它實施例中(未示出)，槽的深度可稍許地一致。
圖11不同于圖10，示出可形成在四突脊喇叭形的內(nèi)表面212內(nèi)的示范的縱向槽310。圖11的縱向槽可形成為類似的或不類似的深度(d)，視設(shè)計說明書而定，并可沿內(nèi)表面的全長延伸，或僅沿一部分。與圖10不同，示于圖11中的天線元件210的內(nèi)表面可以是錐形，以便將所有四個天線元件容納在由饋送趨于限定的緊的空間內(nèi)。在某些情形中，雙突脊的喇叭形實施例(圖10)的相對鈍的內(nèi)表面也可成錐形，以減小饋送區(qū)域的尺寸(例如，通過減小天線元件之間的空間)，這可提高操作頻率。
一般來說，縱向槽310可包括到雙突脊或四突脊喇叭形設(shè)計中，以排斥趨于沿天線元件的表面形成的橫向電流。例如，在低頻操作過程中，表面電流可以主要地集中在突脊或翅片的內(nèi)表面上。表面電流沿著突脊被縱向地導(dǎo)向，并從底部移動通過“喉部”從喇叭形天線的“嘴”向外輻射。然而，由于饋送區(qū)域(即，靠近電流供應(yīng)到天線元件的底部的區(qū)域)的復(fù)雜性，一定量的電流可以沿一橫向于縱向方向(即，最大輻射的方向)的方向被激勵。該現(xiàn)象通常在低頻操作頻率下無關(guān)緊要。然而，在較高的頻率下，橫向的表面電流可激勵一導(dǎo)向波，其可沿喇叭形的長度向下傳播。該導(dǎo)向波最后可毀壞輻射圖形，其由以下兩點造成(1)引入一與主分量不同相的交叉極化分量，和/或(2)造成顯著量的能量重新引導(dǎo)到旁瓣和/或背瓣內(nèi)。在某些情形中，縱向槽可以單獨使用，或與翅片上的磁性鍍層組合，以抑制橫向電流和最大程度地減小旁瓣和背瓣的形成。
縱向槽可以在橫向電流趨于最強的那些頻率處最有效。例如，當(dāng)喇叭形操作頻率范圍在約1-18GHz之間時，橫向電流可在約15-16GHz處為峰值。在一極端情形中，橫向電流可導(dǎo)致增加的旁瓣、增加的背瓣，或甚至分裂主瓣。然而，通過形成翅片內(nèi)的縱向槽可顯著地減小或消除橫向電流。在一優(yōu)選的實施例中，縱向槽的深度可以近似地等于橫向電流峰值發(fā)生的波長的四分之一；但在本發(fā)明的其它的實施例中，也可是其它變化的深度。在一更一般的實施例中，縱向槽的深度可以近似地等于天線元件厚度的1/2。
如圖4-9所示，本文所提供的天線設(shè)計可移去通常包括在傳統(tǒng)的喇叭形天線(圖1-2)內(nèi)的側(cè)壁(120)。因為表面電流主要集中在突脊(即，天線元件)的邊緣上，側(cè)壁的作用是最小的。在某些情形中，通過引入從要求的極化中轉(zhuǎn)移的交叉極化分量，導(dǎo)電側(cè)壁的存在實際上可從一雙突脊或四突脊喇叭形的要求的輻射圖形中轉(zhuǎn)移。例如，側(cè)壁可從喇叭形的橫截面內(nèi)產(chǎn)生的基本模式的真正橫向電磁(TEM)特性中轉(zhuǎn)移。因此，在某些情形中，可要求構(gòu)造僅帶有突脊而沒有側(cè)壁的喇叭形天線(如圖4-9所示)。事實上，這樣一喇叭形可以是真正TEM結(jié)構(gòu)(即，E場和H場橫向于傳播方向的結(jié)構(gòu))。然而，設(shè)置在其中的天線設(shè)計可以變化地形成為包括側(cè)壁(如果這樣要求的話)。
具有本發(fā)明益處的本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將會認(rèn)識到，可以認(rèn)為本發(fā)明提供了這樣的雙突脊和四突脊喇叭形天線，其在一最大操作頻率范圍上具有提高的輻射圖形的控制。本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員根據(jù)本文描述可明白本發(fā)明的各方面的變化的實施例。例如，可變化產(chǎn)生不同結(jié)果的喇叭形天線的各部件(例如，空腔、饋送區(qū)域、突脊、錐形延伸元件等)內(nèi)，存在有許多的變化。因此，以下的權(quán)利要求書可被認(rèn)為包括所有這樣的修改和變化，因此，說明書和附圖被認(rèn)為是說明性的而不具有限制的含義。
權(quán)利要求
1.一寬帶喇叭形天線，它包括第一對彼此相對布置的導(dǎo)電的天線元件，其中，成對的導(dǎo)電天線元件各包括一用來導(dǎo)向電磁波的內(nèi)表面，以及與內(nèi)表面相對布置的外表面；以及第一對錐形的延伸元件，各在其一端部處偶聯(lián)到成對的導(dǎo)電天線元件的不同的元件的外表面，其中，成對的錐形延伸元件從相對方向的各自外表面沿著一軸線延伸，該軸線垂直于分離成對的導(dǎo)電天線元件的縱向軸線。
2.如權(quán)利要求1所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，第一對錐形的延伸元件固定地附連到第一對導(dǎo)電的天線元件的外表面。
3.如權(quán)利要求1所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，第一對錐形的延伸元件與第一對導(dǎo)電的天線元件的外表面一體地形成。
4.如權(quán)利要求1所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，除了錐形的延伸元件之外沒有附加的結(jié)構(gòu)偶聯(lián)到第一對導(dǎo)電的天線元件的外表面。
5.如權(quán)利要求1所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，第一對導(dǎo)電的天線元件的內(nèi)表面基本上呈凸出的形狀，其中，外表面基本上是直的。
6.如權(quán)利要求5所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，還包括一布置在成對的導(dǎo)電天線元件的至少一部分上的磁性材料，以便約束表面電流僅沿第一對導(dǎo)電的天線元件的內(nèi)表面流動。
7.如權(quán)利要求5所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，還包括形成在第一對導(dǎo)電的天線元件的內(nèi)表面內(nèi)的縱向槽，其中，縱向槽從第一對導(dǎo)電的天線元件的底部向上延伸，并起作阻止表面電流沿著第一對導(dǎo)電的天線元件沿橫向方向流動。
8.如權(quán)利要求5所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，還包括一空腔結(jié)構(gòu)，它一體地形成或以其它方式偶聯(lián)到第一對導(dǎo)電的天線元件的底部，其中，空腔結(jié)構(gòu)包括至少一個輸入連接器，以便對第一對導(dǎo)電的天線元件供應(yīng)電流。
9.如權(quán)利要求8所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，還包括一形成在空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)的磁性材料，以抑制空腔共振和輻射圖形的擾動。
10.如權(quán)利要求8所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，還包括一偶聯(lián)到至少一個輸入連接器的平衡的輸入饋送，并構(gòu)造成對成對的導(dǎo)電天線元件供應(yīng)相等的和相對的電流水平。
11.如權(quán)利要求10所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，還包括一第二對導(dǎo)電的天線元件，其類似于第一對并彼此相對地布置，并包括凸出的內(nèi)表面和基本上直的外表面，其中，第二對導(dǎo)電的天線元件包括一類似于第一對的第二對錐形元件，其中，第一和第二對導(dǎo)電天線元件布置成提供一雙極化的電磁波。
12.一寬帶喇叭形天線，它包括成對的彼此相對布置的導(dǎo)電天線元件，其中，成對的導(dǎo)電天線元件包括用來導(dǎo)向電磁波的內(nèi)表面和與內(nèi)表面相對布置的外表面；以及一磁性材料，其布置在成對的導(dǎo)電天線元件的至少一部分上，以約束表面電流僅沿內(nèi)表面流動。
13.如權(quán)利要求12所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，磁性材料包括一大于1.0的相對導(dǎo)磁率。
14.如權(quán)利要求13所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，磁性材料包括一磁性鍍層，其通過將高阻抗磁性顆粒嵌入在一彈性體內(nèi)而形成。
15.如權(quán)利要求13所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，還包括一對錐形的延伸元件，各在其一端部處偶聯(lián)到成對的導(dǎo)電天線元件的不同的元件的外表面，其中，成對的錐形延伸元件從相對方向沿著一軸線延伸，該軸線垂直于分離成對的導(dǎo)電天線元件的縱向軸線，其中，成對的錐形延伸元件起作抑制電流沿外表面流動。
16.如權(quán)利要求15所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，除了錐形的延伸元件之外沒有附加的結(jié)構(gòu)偶聯(lián)到第一對導(dǎo)電的天線元件的外表面。
17.一寬帶喇叭形天線，它包括成對的彼此相對布置的導(dǎo)電天線元件，其中，成對的導(dǎo)電天線元件包括凸出的內(nèi)表面，其用來沿一縱向方向?qū)螂姶挪◤牡撞康教炀€元件的一孔；以及至少一個縱向槽，其形成在成對的導(dǎo)電的天線元件的各內(nèi)表面內(nèi)，其中，縱向槽從天線元件的底部向上延伸，并起作阻止表面電流沿著導(dǎo)電的天線元件沿橫向于縱向方向的一方向流動。
18.如權(quán)利要求17所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，至少一個縱向槽沿著內(nèi)表面的全長延伸。
19.如權(quán)利要求17所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，至少一個縱向槽沿各內(nèi)表面的僅一部分延伸，并隨著縱向槽背離天線元件的底部延伸而逐漸地減小深度。
20.如權(quán)利要求17所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，至少一個縱向槽的深度近似地等于相關(guān)操作頻率的波長的四分之一，在此頻率上最大電流量沿橫向方向流動。
21.如權(quán)利要求20所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，縱向槽的深度近似地等于內(nèi)表面厚度的二分之一。
22.如權(quán)利要求17所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，還包括多個形成在成對的導(dǎo)電天線元件的各內(nèi)表面內(nèi)的縱向槽，其中，多個槽形成為彼此平行和有類似的深度。
23.如權(quán)利要求17所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，還包括一對錐形的延伸元件，各在其一端部處偶聯(lián)到成對的導(dǎo)電天線元件的不同的元件的外表面，其中，成對的錐形延伸元件從相對方向沿著一軸線延伸，該軸線垂直于分離成對的導(dǎo)電天線元件的縱向軸線，其中，成對的錐形延伸元件起作抑制電流沿著外表面流動。
24.如權(quán)利要求23所述的寬帶喇叭形天線，其特征在于，除了錐形的延伸元件之外沒有附加的結(jié)構(gòu)偶聯(lián)到成對的導(dǎo)電的天線元件的外表面。
全文摘要
如本文中所提供的，一雙突脊或四突脊的寬帶喇叭形天線可包括一對彼此相對布置的導(dǎo)電的天線元件，以便沿縱向方向?qū)螂姶挪ㄍㄟ^喇叭形天線。在某些情形中，成對的導(dǎo)電天線元件可以包括基本上凸出的內(nèi)表面和合適成形的外表面。凸出的內(nèi)表面通常起作引導(dǎo)或?qū)蜉椛涞碾姶拍?，而不擾動所要求的輻射圖形。為了保持要求的輻射圖形，寬帶喇叭形天線還可包括一對錐形的延伸元件，各在其一端部處偶聯(lián)到天線元件的不同的元件的外表面。在某些情形中，磁性材料可布置在天線元件的至少一部分上，以約束表面電流僅沿內(nèi)表面流動。在某些情形中，縱向槽可形成在內(nèi)表面內(nèi)，以約束表面電流沿橫向于縱向方向的方向流動。
文檔編號H01Q13/00GK1691414SQ200510066839
公開日2005年11月2日 申請日期2005年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月20日
發(fā)明者J·S·邁克利恩, R·A·薩頓 申請人:Tdk股份有限公司