柱形开槽天线.pdf

一种用于RF通信的天线(100)包括辐射部件(102)，该辐射部件(102)基本上是管式的，以在其内确定空腔(104)。辐射部件(102)由导电材料构成，具有从辐射部件(102)的第一部分(108)延伸到第二部分(110)的非导电槽(106)。阻抗匹配装置(120)通过导体(134)电连接到辐射部件(102)，以使辐射部件(102)的阻抗与信号源的阻抗或者负载的阻抗匹配。可以利用单个导电片形成阻抗匹配装置(120)、导体(134)以及至少部分辐射部件(102)，或者作为单个导电结构模制或者压制它们。

1、  一种用于RF通信的天线，包括：
辐射部件，包括导电材料，而且具有从所述辐射部件的第一部分延伸到所述辐射部件的第二部分的槽，所述辐射部件基本上是管式的，并在其内确定空腔；
阻抗匹配装置，被电连接到所述辐射部件，所述阻抗匹配装置被设置成使所述辐射部件的阻抗与信号源的阻抗和负载的阻抗至少之一匹配；以及
导体，用于将所述辐射部件可操作地连接到所述阻抗匹配装置；
其中，由单个导电片整体形成所述阻抗匹配装置、所述导体以及至少部分所述辐射部件。

2、  根据权利要求1所述的天线，其中所述非导电槽沿所述辐射部件的长度延伸。

3、  根据权利要求1所述的天线，其中所述辐射部件和所述阻抗匹配装置具有共同的剖面轮廓。

4、  根据权利要求1所述的天线，进一步包括至少一个电容器，该电容器至少包括第一导线和第二导线，所述第一导线在所述非导电槽的第一侧附近连接到所述辐射部件，而所述第二导线在所述非导电槽的第二侧附近连接到所述辐射部件。

5、  根据权利要求4所述的天线，其中所述至少一个电容器是可变电容器。

6、  根据权利要求1所述的天线，其中所述阻抗匹配装置连接到所述辐射部件的所述第二部分。

7、  根据权利要求1所述的天线，其中所述阻抗匹配装置包括横向电磁馈送耦合器。

柱形开槽天线
背景技术
使用诸如蜂窝电话机的移动电话机在世界范围内已经变得非常普遍。在使用时，大多数现代蜂窝电话机非常靠近人体，例如，靠近用户的耳部或者系在用户的腰带上。蜂窝电话机通常通过利用偶极天线接收和发送低功率RF信号与通信网对接。然而，这种信号经常因为天线靠近人体而被中断。特别是，现有技术天线的当前状态产生近电场，该电场与人体组织内的有极水分子耦合，从而降低了信号强度。例如，人体组织可以以每英寸6dB的速率衰减传统偶极天线发射的960MHz RF信号。
此外，许多专家相信RF信号与人体组织的相互作用可能具有危险的健康风险。有些人主张RF信号可以干扰人体的自然电系统。这种反应可能随个体而不同，但是有人推测RF信号可以伤害人的免疫系统，而且刺激癌发展。此外，据称蜂窝电话机产生的RF信号可能干扰大脑的活动，引起丧失记忆、血压改变、忧虑以及精力不集中等症状。因此，需要一种可以用于移动通信系统以改善RF信号的传播而且降低RF信号与人体的相互作用的天线。此外，需要一种当其靠近水和湿地工作时以低VSWR、稳定调谐频率以及高效率工作的天线。
发明内容
本发明涉及一种用于RF通信的天线。该天线包括辐射部件，该辐射部件基本上是管式的，以在其内确定空腔。辐射部件由导电材料构成，具有从辐射部件的第一部分延伸到第二部分的非导电槽。例如，非导电槽可沿管式结构的长度延伸。
阻抗匹配装置电连接到辐射部件，以使辐射部件的阻抗与信号源的阻抗或者负载的阻抗匹配。阻抗匹配装置可以连接到辐射部件的第二部分。在一个实施例中，阻抗匹配装置可以包括横向电磁(TEM)馈送耦合器。
导体将辐射部件可操作地连接到阻抗匹配装置。可以利用单个导电片形成所述阻抗匹配装置、导体以及至少部分辐射部件，或者作为单个导电结构模制或者压制它们。此外，阻抗匹配装置和辐射部件可以具有共同的剖面轮廓。
该天线可以进一步包括至少一个电容器，该电容器至少包括第一导线和第二导线。第一导线可以在非导电槽的第一侧附近连接到辐射部件，而第二导线可以在非导电槽的第二侧附近连接到辐射部件。在一个配置中，电容器可以是可变电容器。天线的场阻抗可以小于0±2j欧姆。天线的场阻抗的绝对值还可以小于2欧姆、5欧姆、10欧姆、25欧姆或者50欧姆。
可以配置该天线，以产生心形辐射图，心形辐射图是具有一般形式(1-cos²θ)的辐射图。可以使与心形辐射图相关的空指向人体。
该天线可以进一步包括静电屏蔽部件。该静电屏蔽部件可以具有从静电屏蔽部件的第一端延伸到静电屏蔽部件的第二端的轴向槽。
附图说明
图1是有助于理解本发明的柱形开槽天线的透视图；
图2A是图1所示天线的开槽部件的俯视图；
图2B是图1所示天线的开槽部件的仰视图；
图3是图1所示天线的分解图；
图4是图1所示天线的典型天线外壳的透视图；
图5A是可以附加到柱形开槽天线的典型静电屏蔽部件的透视图；
图5B是其中对柱形开槽天线附加了静电屏蔽部件的图5A所示静电屏蔽部件的透视图。
具体实施方式
本发明涉及小型柱形开槽天线，可以配置它，以具有全向辐射图、心形辐射图或者这二者的混合。该天线的近场阻抗显著低于人体组织的阻抗。因此，该天线可以在人体附近工作，而在天线与人体之间不产生显著耦合。因此，可以将因为天线传播的射频(RF)能量对人体产生的有害副作用的风险降低到最小。
此外，与其他类型的天线相比，可以显著减少因为人体导致的辐射图空(null)。具体地说，柱形开槽天线产生的远场的E场分量的取向基本上垂直于人体。因此，柱形开槽天线产生的部分远场沿人体表面被引导，直到它们到达与入射点相对的人体侧。因此，减小了人体的盲区导致的辐射图空的深度。人体的电导率(G)和相对磁导率(μ_r)分别接近1.0姆欧/平方和50，它们引起沿人体的表面波传播。表面波传播为本技术领域内的技术人员众所周知。
参考图1，图1示出天线100的透视图。天线100可以包括辐射部件102。辐射部件102可以由导电材料例如铜、黄铜、铝、钢、导电薄片、导电镀层和/或者其他任意适当材料构成。此外，辐射部件102基本上是管式的，以提供至少部分被导电材料包围的空腔104。在此使用的术语“管式”描述一种具有任意剖面轮廓的空心结构形状。在本例子中，辐射部件102具有矩形剖面轮廓，然而，本发明并不局限于此。重要地是，辐射部件102可以具有可以在其内确定空腔104的任意形状。例如，辐射部件102可以具有圆形、方形、三角形或者其他任意适当形状的剖面轮廓。此外，辐射部件102可以是渐消型或者谐振型。
辐射部件102可以包括非导电槽(槽106)。槽106可以从辐射部件102的第一部分延伸到辐射部件102的第二部分。例如，槽106可以从辐射部件102的第一端108延伸到辐射部件102的第二端110。在槽106的相对两侧114、116之间可以设置至少一个电容器112，以提高槽106上的电容，这样可以降低辐射部件102的谐振频率。在优选配置中，电容器112可以是可调的，以便能够调谐天线100的谐振频率，如下所述。
还可以利用其他方法调谐天线的谐振频率。例如，可以在辐射部件102上钻孔。在另一个变换配置中，可以在辐射部件102的中心设置金属盘。为了调谐天线的谐振频率，可以旋转该盘的盘面，以遮蔽或者部分遮蔽空腔部件102的开口。
可以确定辐射部件102和/或者槽106的尺寸，以辐射RF信号。通过在垂直于辐射部件102的中轴的维度中最大化空腔104的截面积，可以提高辐射部件102传播的信号强度。此外，通过增加槽106的长度，可以提高槽106传播的信号的强度。因此，可以选择空腔截面的面积和槽的长度，以实现要求的辐射图。例如，可以确定槽106和辐射部件102周长的尺寸，以获得单瓣心形(D_θ＝1-cos²θ)辐射图、圆形(D_θ＝常数)全向辐射图或者这二者的混合。这些辐射图可以取向在辐射部件102的中轴附近。在一个典型配置中，通过设置其宽度a约等于1/2λ、其深度b约等于1/20λ以及其长度c约等于1/2λ的辐射部件102，可以产生心形辐射图，其中λ是在辐射部件102的工作频率的信号的波长。
特别是，(D_θ＝1-cos²θ)心形辐射图可以将RF信号的耦合降低到最小。在夹角θ接近0时，这种辐射图产生空。辐射图空可以被指向人，例如无线通信装置的操作员，以将RF信号与人体的耦合降低到最小。通过使RF信号不指向人体，心形辐射图还可以用于增强天线效率。否则，部分RF信号可能在人体组织内被耗散。
天线100还可以包括阻抗匹配装置120，设置该阻抗匹配装置120以使辐射部件102的阻抗与信号源的阻抗和/或者负载(未示出)的阻抗匹配。例如，该阻抗匹配装置可以使辐射部件102的阻抗与收发信机匹配。根据本发明的一个方面，阻抗匹配装置120可以是横向电磁(TEM)馈送耦合器。有利的是，TEM馈送耦合器可以补偿因为工作频率的变化导致的电阻变化，而且提供固定驱动点阻抗，而与工作频率无关。例如，驱动点阻抗可以保持在适当阻抗，例如50欧姆，以与收发信机的阻抗匹配。因此，仅通过改变电容器202，实现了单控制调谐效果，而且可以以低VSWR实现宽带调谐。然而，还可以利用其他适当阻抗匹配装置使辐射部件102的并联阻抗与源和/或者负载匹配，而且本发明并不局限于此。例如，感应环、γ匹配结构或者可以使辐射部件102的阻抗与收发信机匹配的其他任意装置。
如果阻抗匹配装置120是TEM馈送耦合器，则由TEM耦合器与辐射部件102之间的电(E)场和磁(H)场耦合来确定TEM耦合器的阻抗匹配性能。E场和H场耦合又是TEM耦合器和辐射部件102的各尺寸以及这两个构件之间的相对间隔的函数。
阻抗匹配装置120可以通过第一导体130可操作地连接到源和/或者负载。例如，第一导体130可以是适当电缆的导体，例如同轴电缆136的中心导体。如果阻抗匹配装置120是TEM耦合器，则第一导体130可以电连接到TEM耦合器的一侧138，该侧138离开可操作地将TEM耦合器连接到辐射部件102的第二导体134。此外，第三导体132可以可操作地将辐射部件102连接到源和/或者负载。例如，第三导体132可以是同轴电缆136的外导体。靠近辐射部件102与阻抗匹配装置120之间的间隙140，第三导体132可以电连接到辐射部件102。在一个配置中，第三导体132可以电连接到辐射部件132，如图所示。作为一种选择，导体132可以电连接到开槽部件118，该开槽部件118可以构成辐射部件102的一部分。可以选择第三导体132和第一导体130电连接到各辐射部件的位置，以对天线实现要求的负载/源阻抗。
第一导体130与第三导体132之间的电流可以产生阻抗匹配装置120与辐射部件102的H场耦合。此外，阻抗匹配装置120与辐射部件102之间的电位差可以产生E场耦合。随着阻抗匹配装置120与辐射部件102之间的间隙的增大，E场和H场耦合量降低。因此，可以调节间隙140，以实现适当水平的E场和H场耦合。可以根据实验，或者利用包含对电磁参数的有限元分析的计算机程序，确定间隙140的大小。
在优选配置中，阻抗匹配装置120、第二导体134以及至少一部分辐射部件102可以由单个导电片形成、被模制为单个导电结构或者被压制为单个导电结构。此外，阻抗匹配装置120的截面轮廓可以与辐射部件102的截面轮廓相近或者相同。例如，阻抗匹配装置120和辐射部件102可以至少有一个公共维度。在一个配置中，阻抗匹配装置120和辐射部件102可以有两个公共维度，例如，宽度a和深度b。这种配置的成本效益非常好，因为可以将制造天线100所需的制造步骤数减少到最少。
可以布置同轴电缆136，以通过辐射部件102的空腔104馈送。因此，辐射部件102可以用作该同轴电缆的套管平衡转换器，使同轴电缆136不受位移电流的影响以及降低同轴电缆136上的共模电流。此外，该同轴电缆可以进入该空腔104靠近辐射部件102的第一端108，而阻抗匹配装置120可以布置在辐射部件102的第二端110附近。这种配置可以将第三导体132与阻抗匹配装置120之间的杂散电容降低到最小，从而进一步降低同轴电缆上的共模电流。因此，可以避免为了控制射频干扰而使用附加平衡转换器。
在变换配置中，代替阻抗匹配装置120，可以利用通过跨过在辐射部件102内的附加槽(未示出)设置馈线(未示出)而形成的阻抗匹配装置直接激励辐射部件102。例如，附加槽可以位于辐射部件102上对着槽106的第二侧152上。可以跨过该附加槽连接该馈线，以形成断续馈线。请注意，一个或者多个电容器可以与该断续馈线可操作地并联，以形成匹配网。因此，可以选择各电容器的值，以对天线100实现要求的驱动点阻抗。例如，可以选择各电容器，它们与断续馈线一起提供50欧姆的驱动点阻抗。
开槽部件118可以包括槽106，如图2A和2B所示。图2A是开槽部件118的俯视图。请注意，电容器112可以是可变电容器，以提供槽106上的可变电容。因此，可以对电容器112设置调节螺丝200。
参考图2B，图2B示出开槽部件118的仰视图。电容器112可以包括第一和第二导线202、204，以将电容器112连接到开槽部件118的相对两个导电面上。例如，可以将导线202、204焊接到相应两侧114、116。还可以设置具有导线212、214的附加电容器210，以进一步提高槽106上的电容。此外，也可以将导线212、214焊接到两侧114、116上。
例如在制造、压制或者铸造过程中，可以制造开槽部件118作为辐射部件102的集成部分。然而，为了简化天线的制造，可以将开槽部件118设置为单独天线部分，在连接了电容器112、210后，将该部分固定到辐射部件102的其余部分上。因此，在组装天线100期间，可以轻而易举地组装电容器112、210。一旦安装了电容器112、210，就可以将开槽部件118固定到辐射部件上。可以利用大量技术之任一安装开槽部件118。例如，开槽部件118可以被焊接到适当位置，利用螺丝固定到适当位置，或者利用诸如导电环氧树脂的导电胶粘合到适当位置。
为了进一步降低制造成本，开槽部件118可以包括在其上具有导电金属化层的介质衬底220。例如，参考图2A和2B，可以金属化开槽部件的顶面222和底面224。此外，还可以金属化边缘226、228，以在顶面222与底面224之间提供电通路。槽106可以是顶面222和底面224上剩余未金属化的介质衬底220的一部分，或者在金属化处理之后，蚀刻槽106。
图3示出天线组件的分解图300。除了辐射部件102、阻抗匹配装置120、导体134、电缆136以及开槽部件118，天线组件还可以包括天线外壳302和盖304。在优选配置中，可以利用介质材料制造天线外壳302和盖304。此外，天线外壳302可以包括安装接头306和通过其可以布置电缆136的开口308。请注意，为了保证适当的天线传播特性，在设计天线时，应该考虑到天线外壳302和盖304的相对电容率和相对磁导率。图4示出天线组装在外壳302内的封装天线400。
参考图5A，天线400还可以包括静电屏蔽部件502。可以利用导电材料例如铜、黄铜、铝、钢、导电薄片、导电镀层和/或者其他任意适当材料，形成静电屏蔽部件502。此外，静电屏蔽部件502可以基本上是管式的，以提供至少部分被导电材料包围的空腔504。在另一个配置中，通过在天线外壳302上设置导电涂层、导电镀层或者导电薄片，可以实现静电屏蔽部件502。静电屏蔽部件502可以包括从静电屏蔽部件502的第一端508延伸到该静电屏蔽部件的第二端510的轴向槽506。槽506可以防止静电屏蔽部件502在天线400的周围形成周边连续电路。这种周边连续电路可能降低天线400的性能。在优选配置中，槽506布置在设置在辐射部件的槽内的槽附近。
可以任选采用静电屏蔽部件502，以通过防止可以改变天线的谐振频率的寄生电容加载该槽，进一步增强天线400的调谐稳定性。天线400靠近金属或者电导率高的其他材料可能产生寄生电容。在优选配置中，如图5B所示，设置屏蔽部件502的槽506，以使槽506布置在天线400上与布置了辐射部件516的槽514的一侧相对的一侧510上。
天线工作
参考图1、2A和2B，现在说明天线100的工作。在天线100谐振的频率，获得最佳天线性能。谐振频率是槽106的加感和加容的函数。空腔104可以是渐消型的，而且可以对槽106加感，同时利用相对两侧114、116之间的电容对槽106加容。可以利用辐射部件102的尺寸计算槽106上的感性负载L的值。例如，如果辐射部件102具有矩形截面，则可以利用公式L＝0.02339[(s₁+s₂)log₁₀(2s₁s₂/b+c)-s₁log₁₀(s₁+g)-s₂log₁₀(s₂+g)]+0.01010[2g-(s₁+s₂)/2+0.447(b+c)]确定感性负载，其中L以微亨为单位，s₁是辐射部件102的第一侧150的宽度，s₂是辐射部件102的第二侧152的宽度，c是从辐射部件102的第一端108到辐射部件102的第二端110测量的辐射部件102的长度，b是辐射部件102的壁厚，g是空腔104的剖面的对角长度。作为一种选择，可以利用采用周期矩法进行电磁场和波分析的计算机程序来确定感性负载L，或者根据实验确定感性负载L。例如，已知电容C_k可以跨接在槽106上，可以测量天线100的谐振频率。然后，利用公式 L = 1 4 π 2 f 2 C k , ]]>可以计算感性负载L。
利用公式 f = 1 2 π LC , ]]>可以计算天线100的谐振频率(f)，其中L是空腔103提供的感性负载，而C是槽106上的电容。注意，可以设置电容器112和/或者210，以增加槽106上的电容，从而实现要求的谐振频率。例如，可以增加该电容，以降低谐振频率，或者降低该电容，以提高谐振频率。在优选配置中，可以充分调节电容器112，以在多个倍频程上改变天线100的谐振频率。
特别是，电容器112和/或者电容器210使天线100能在显著低于在槽106上没有这种电容器的天线的频率的频率有效工作。例如，如果没有电容器，则天线要求大的1/4或者1/2波自谐振空腔。在某些应用中，这种空腔可能干扰天线的传播图，而且在某些传播方向导致空。然而，电容器112和/或者电容器210可以使空腔104能显著小于1/4或者1/2波自谐振空腔。因此，与RF信号的波长相比，空腔104的尺寸小，因此，在任意传播方向均不导致显著空。此外，可以将天线100制造得足够小，以便被优化用于便携式通信装置，例如蜂窝电话机、寻呼机、个人数字助理，或者需要特别是物理尺寸小的天线的任意其他装置。
通过在空腔104内包含铁磁材料、顺磁材料或者介质材料，可以减小辐射部件102的尺寸。特别是，电磁信号的传播速度与成反比，其中μ是磁导率，而ε是信号通过其传播的媒体的电容率。因此，随着磁导率或电容率的升高，信号的传播速度降低，这样就减小了任意给定频率的信号的波长。因此，提高空腔104内的磁导率和/或者电容率增大了空腔的电尺寸，因此，降低了空腔的谐振频率。
可以用于提高由空腔106确定的区域内的磁导率和/或者电容率的材料有许多在市售。例如，铁氧体、铁粉或者任意其他铁类材料可以布置在该空腔内，以提高空腔内的磁导率。此外，在空腔106内还可以布置聚丙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、矾土、陶瓷、介质流体或者其介电常数大于1的任意介质材料，以提高电容率。
在某些例子中，可能希望在空腔106内实现要求的特性阻抗。利用公式可以确定媒体的特性阻抗。因此，如果利用一种或者多种材料填充该介质空腔，则可以选择提供适当磁导率和/或者电容率的材料以实现要求的特性阻抗。在一个配置中，可以将各种材料混合，以实现要求的磁导率和电容率。例如，铁磁颗粒可以与介质颗粒混合。这种材料的一个例子是等阻抗材料，其相对电容率等于其相对磁导率。
在优选配置中，槽106的相对两侧114、116之间的阻抗低。例如，两侧114、116之间的阻抗可以低于30毫欧姆，这可以通过提供导电的辐射部件102实现。在这种情况下，即使跨过槽106设置电容器，两侧114、116之间的大部分电流通过辐射部件102的导电结构传播。
在对天线100施加信号时，槽106的两侧114、116之间的低阻抗可能导致槽106上的低电压，这样相应地产生被传播信号的小E场分量。两侧114、116之间的低阻抗还导致在辐射部件102的结构内的显著量的电流，从而产生显著H场分量。因此，天线的近场阻抗(Z_NF)低，利用公式Z_NF＝E/H求得天线的近场阻抗。例如，该近场阻抗可以小于约0±2j欧姆，因此，显著小于人体组织的阻抗，人体组织具有接近50的相对电容率和稍许小于1的相对磁导率。该近场阻抗还可以具有小于2欧姆、5欧姆、10欧姆、25欧姆或者50欧姆的绝对值。
由于人体组织的相对电容率显著大于相对磁导率，所以与包含在H场内的能量相比，人体组织更容易受到包含在E场内的能量的影响得多。因此，与同样能量的高阻抗RF信号(E场分量大，而H场分量小)相比，其近场阻抗低的RF信号(E场分量小，而H场分量大)与人体的相互作用将小得多。因此，在与传统偶极天线相比显著降低了天线100与人体的耦合的情况下，天线100可以在人体附近工作。因此，可以将因为天线传播的射频(RF)能量对人体产生的有害副作用的风险降低到最小。此外，显著减少人体导致的RF传播图中的空。
除了个人通信应用，本发明的柱形开槽天线还可以用于广泛应用中，例如，从甚低频(VLF)频带直到超高频(SHF)频带工作的应用。当然，为了在要求的频率适当工作，应该选择天线的尺寸。特别是，在从VLF频带直到高频(HF)频带的频率使用的天线趋于物理尺寸较大而且难以升高。因此，这种天线通常靠近湿地或者水体安装和工作。因为本发明的柱形开槽天线在低近场阻抗情况下工作，所以该天线能以高辐射效率和高调谐稳定性靠近湿地或者水工作，而无需接地系统或者金属地网。
低近场阻抗设计的另一个优点是，在结冰时可以使天线的电压驻波比(VSWR)稳定得多。具体地说，冰是具有较高电容率和低磁导率的介质。例如，冰的相对电容率可以高于3，而冰的磁导率可以接近1。这样，冰存储大量E场能量，但是不显著与H场相互作用。因此，尽管冰可能严重降低具有高近场阻抗的天线的性能，但是冰不显著影响天线100的性能，因为可以将天线100调节到具有低近场阻抗。在寒冷气候下使用它时该特征非常有益，特别是在用作电视发射天线时，此时低VSWR性能是必要的。特别是，在采用本发明时不需要为了补偿天线100附近形成冰而设置除冰天线罩。