專利名稱：使用半圓形輻射器的寬頻帶天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及頻帶寬度例如為0.5～13GHz且尺寸小的天線，特別涉及使用半圓形輻射器或半圓形的帶狀輻射器的天線。
在IEEE AP-S International Symposium，1994，P1294上R.M.Taylor的“ A Broadband Omnidirectional Antenna”中，披露了如

圖1所示使用半圓形圓盤導體的常規(guī)寬頻帶天線。這種常規(guī)天線有兩個部件。其中一個部件由兩個半圓形圓盤導體121a和122a組成，這兩個半圓形圓盤導體具有穿過其半圓弧形頂點的公共中心線Ox，并交叉成直角。另一個部件也同樣由兩個部件121b和122b組成，它們同樣具有穿過其半圓弧形頂點的公共中心線Ox，也相交成直角。將兩個部件的圓弧形頂點相互對置進行組裝。在兩個部件的圓弧頂點之間配置饋電區(qū)域；沿兩個部件中之一的中心設置饋電用同軸電纜31，該電纜的外導體與部件接觸。
圖2示出示于圖1中天線的簡化形式，其中半圓形圓盤導體12a和12b的半圓弧頂點相互對置。饋電區(qū)域配置在兩圓盤導體12a和12b的頂點之間，用裝配在圓盤導體12b中的同軸電纜31給它們饋電。
圖3示出示于圖2中的天線的VSWR特性。由圖3可知，簡化的天線也具有寬頻帶特性，在選取各半圓形圓盤導體12a和12b的半徑r為6cm時就能得到寬頻帶特性。VSWR＜2.0的頻帶寬度下限為600MHz。這種情況下，由于下限頻率波長λ約為50cm，因而顯然要使半徑r等于約1/8λ。示于圖1的天線的輻射特性在垂直于中心線Ox的平面中是非定向的，而圖2中天線的輻射特性在從頻率下限至高于它約兩倍的頻率處的頻率范圍內是無方向性的，在垂直于中心線Ox的平面中沿與輻射器12a的相同方向是富有方向性的。
因此，圖1中的常規(guī)天線包括上下成對天線部件，各部件由兩個相互交叉的分段輻射器組成。所以占據大量空間。并且在圖2的簡化型天線中，分段半圓形輻射器也占空間。也就是從尺寸大小的觀點來看，常規(guī)天線要求半圓形圓盤導體的半徑至少為最低諧波波長的1/8左右；甚至簡化型天線也需要2r乘2r或1/4λ乘1/4λ的天線面積。因此，常規(guī)天線的缺陷就在于它們顯得笨重并占空間，當頻率下限降低時，它們與該下限值成反比，變得更笨重。
所以，本發(fā)明的目的在于提供一種天線，它具有與現(xiàn)有技術中的天線相同的電特性，但并不笨重，或者說提供一種比以往尺寸更小、最低諧振頻率更低的天線。
按照本發(fā)明第一方案的天線的特征在于，半圓弧形輻射器具有在其內限定的幾乎為半圓形的空間或區(qū)域(下文中稱為缺口)。在垂直于輻射器的平面上，設置平面導體接地板，使接地板位于圓弧頂點的對面，并將圓弧頂點設置為饋電點?；蛘撸O置與上述輻射器構形幾乎相同的另一個輻射器，使它們的圓弧頂點相互對置并將它們的圓弧頂點用作饋電點。
也可在半圓弧形輻射器的半圓形缺口中設置形狀不同于半圓弧形輻射器的至少一個輻射部件，將其接在饋電點附近。
按照本發(fā)明第二方案的天線，其特征在于將用作輻射器的半圓形圓盤導體彎成圓柱形式。
按照本發(fā)明第二方案的天線，也可使用這種構形，即在垂直于輻射器的平面上設置平面導體接地板，使其位于相對圓柱形輻射器的圓弧頂點并將圓弧頂點用作饋電點，或者使用另一種構形，即將具有與圓柱形輻射器圓弧頂點相對的圓弧頂點的另一個半圓形輻射器與此平行地設置，并將它們的圓弧頂點用作饋電點。
本發(fā)明第二方案的天線中，當圓柱形半園輻射器是具有在其內限定的幾乎為半圓形缺口的半圓弧形輻射器時，在缺口中設置形狀不同的至少一個輻射部件，并將其接在饋電點附近。
用本發(fā)明第一和第二方案的天線可以縮小天線部件所占空間，同時保持與現(xiàn)有技術相同的寬頻帶特性，這是通過在半圓形輻射器中限定半圓形缺口來形成弧形輻射器和/或將半圓形或半圓弧形輻射器彎成圓柱形式來實現(xiàn)的。并且，在半圓形輻射器缺口中包含另一個輻射部件，可以得到多諧振天線而勿需增大天線部件，并且將半圓形輻射器彎成圓柱形式，可相對于現(xiàn)有技術改善VSWR特性。
通過以下結合附圖對優(yōu)選實施例的詳細描述，本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點會更清楚。附圖中圖1是常規(guī)天線的透視圖2是表示圖1中天線的簡化型的透視圖；圖3是表示示于圖2中的天線的VSWR特性的曲線圖；圖4是按照本發(fā)明的天線結構透視圖；圖5A是表示在圖4中的天線結構的輻射器上電流密度分布圖；圖5B是表示用圖4所示結構中不同形狀的輻射器得到的VSWR特性的曲線；圖6是展示本發(fā)明第一實施例的透視圖；圖7是表示圖6中一種饋電模式的圖；圖8是表示圖6中另一種饋電模式的圖；圖9是表示圖6中再一種饋電模式的圖；圖10A是進行試驗的圖6天線結構的正視圖；圖10B是圖10A的側視圖；圖10C是圖10A的平面圖；圖11是表示測得的VSWR特性的圖；圖12是展示本發(fā)明第二實施例的透視圖；圖13是展示本發(fā)明第三實施例的透視圖；圖14是展示示于圖13的天線的VSWR特性的圖；圖15是表示本發(fā)明第四實施例的透視圖；圖16是展示本發(fā)明第五實施例的透視圖；圖17是展示本發(fā)明第六實施例的透視圖；圖18是表示示于圖17的天線的VSWR特性的曲線圖；圖19是表示圖18中放大的低頻部分的曲線圖；圖20是展示圖16實施例的改進形式的圖；圖21是展示圖16實施例的另一改進形式的圖；圖22是展示圖16實施例的又一改進形式的圖；圖23是展示實施本發(fā)明第六實施例的一個模式的透視圖；圖24是展示實施本發(fā)明第六實施例的另一個模式的透視圖；圖25是展示用于本發(fā)明中饋電的結構例的透視圖；圖26是展示用于饋電的另一種結構例的透視圖；圖27是展示用于饋電的又一種結構例的透視圖；圖28是本發(fā)明第七實施例的透視圖29A是用于本發(fā)明第七實施例的試驗的天線之正視圖；圖29B是圖29A所示天線平面圖；圖29C是圖29A所示天線右側圖；圖29D是輻射器13的展開圖；圖30是表示測得的圖29A～29D中天線的VSWR特性的曲線圖；圖31是表示對圖28中的橢圓柱輻射器不同軸向長度所測得的VSWR特性的曲線圖；圖32是將半圓形輻射器彎折為圓柱形式時兩相對端之間距離的說明圖；圖33是表示對由于改變圓柱形式直徑而在圓柱形輻射器兩相對端之間具有的不同距離所測的VSWR特性的曲線圖；圖34是表示分別在半圓形輻射器兩相對端電氣連接和絕緣時所測得的VSWR特性的曲線圖；圖35是展示本發(fā)明第八實施例的透視圖；圖36A是用于本發(fā)明第八實施例試驗的天線的正視圖；圖36B是圖36A所示天線的平面圖；圖36C是圖36A所示天線的右視圖；圖36D是輻射器14的展開圖；圖37A是表示圖36A～36D天線的VSWR特性的曲線圖；圖37B是通過實例表示缺口與輻射器面積比與工作區(qū)域中最差的VSWR特性之間關系的曲線圖；圖38是展示本發(fā)明第九實施例的透視圖；圖39A是用于本發(fā)明第九實施例的試驗的天線的正視圖；圖39B是圖39A所示天線的平面圖；圖39C是圖39A所示天線的右視圖；圖40是表示測得的圖39A～39D的VSWR特性的曲線圖；圖41是放大地表示圖40中低頻區(qū)域的曲線圖；圖42是展示第十實施例的改進形式的圖；圖43是展示第十實施例的另一改進形式的圖；和圖44是展示第十實施例的又一改進形式的圖。
為便于更好地理解本發(fā)明，首先描述單極天線，它包括半圓形圓盤輻射器和用作鏡像平面的平面導體接地板，工作中等效于圖1中天線，所述半圓形圓盤輻射器為示于圖1中的偶極天線的輻射部件之一。如圖4所示，在平面導體接地板50上與其垂直設置半導體輻射器12，使輻射器12的圓弧頂點與接地板50相鄰但又彼此隔開的，同軸饋電電纜的中心導體和外導體分別接在半導體輻射器12的圓弧頂點和接地板50上，從而形成單極天線。并且，正如下文將述，以示于圖4中的單極天線作基礎進行分析。由于導體接地板50形成輻射器12的鏡像，該單極天線的工作等效于示于圖2中天線的工作。
(a)用有限元方法分析輻射器12上5GHz高頻電流的分布，由此可知，高電流密度區(qū)域如圖5A中影線區(qū)域所示為沿半圓形輻射器12的圓周不連續(xù)地分布，而流過中心區(qū)域的電流小得可以忽略-這表明半圓形圓盤的弧形邊緣區(qū)域對輻射貢獻大。
(b)一般認為圖4中半圓形輻射器12的形狀為包括圓的橢圓，并在下列三種條件下測量輻射器12兩垂直相交的第一和第二半徑L1、L2之間尺寸關系對VSWR特性的影響。
(l)L1＝L2＝75mm(即半圓情況下)(2)L1＝75mm、L2＝50mm(即當L1＞L2時)(3)L1＝40mm、L2＝75mm(即當L1＜L2時)圖5B中示出在上述三種條件下所測的VSWR特性，分別用實線、虛線和粗虛線5a、5b和5c表示。從圖4中可見，半徑L2的變化引起頻帶頻率下限改變(半徑L2的減小增加下限頻率)，但即使將輻射器的半圓形式變成橢圓，也未引起VSWR特性的明顯變化-這表明輻射器12的形狀并不一定要求為標準的半圓形。
依據分析(a)的結果，切掉半圓形圓盤輻射器在其弧形邊緣區(qū)域內的半圓形區(qū)域，限定了一個半圓形缺口，用于容納另一個天線部件或電路的電氣部分。
按照分析(b)的結果，無論輻射器是半圓形或半橢圓形都基本保持VSWR特性不變。這適于用于下文所述本發(fā)明實施例的弧形帶狀輻射導體。第一實施例圖6是展示本發(fā)明第一實施例的天線結構的透視圖，它包括一對大體為半圓弧形的輻射器11a和11b(例如，由銅或鋁制得)。各弧形輻射器11的內外邊緣邊可為半圓形或半橢圓形。設置兩個輻射器11a和11b，使它們的圓弧頂點21a和21b相互對置，饋電區(qū)域30配置在頂點21a和21b之間。兩個半圓弧形輻射器11a和11b具有在其內部與其有共同中心的大體為半圓形的缺口41a和41b。在輻射器11a和11b為半圓形和缺口41a和41b為例如在水平方向具有長軸的半橢圓形時，輻射器11a和11b的寬度W沿它們的兩端逐漸減小或增大。當缺口具有沿垂直方向的長軸時，輻射器11a和11b的寬度W沿其兩端逐漸增加。這種天線結構允許在缺口41a和41b中設置其它部件，因而與使用完整的半圓形圓盤導體的常規(guī)天線相比，它增加了空間利用率。
圖7～9用實例示出了用于圖4所示實施例的天線的不同饋電設計方案。圖7中沿輻射器11b的中心線Ox設置同軸電纜31，而在圖8中，沿輻射器11b的半圓形外圓周設置同軸電纜31。圖9中，使用平行二線式饋線33?？傊?，在兩輻射器11a和11b的頂點21a和21b之間設置饋電。
用一個實驗來證明或確定本實施例的天線性能。圖10示出其正視、右視和平面圖，圖11示出在實驗中測得的VSWR特性。實驗中，輻射器11a和11 b的各外形為半徑a＝75mm的半圓，缺口41a和41b的各形狀為與各輻射器外形同心的半圓形，其半徑為b＝55mm。因此，輻射器11a和11b的寬度W為20mm。沿輻射器11b中心軸設置的同軸電纜31用于饋電，同軸電纜31的中心導體接在輻射器11a的頂點21a上，其外導體接在另一輻射器11b上。將這樣獲得的VSWR特性與示于圖3中的現(xiàn)有技術例的VSWR特性進行比較，在高于600MHz的頻率區(qū)域上VSWR限制在約為2或以下的值，并且無論輻射器是否有缺口，頻帶特性與現(xiàn)有技術例的該特性相同。設置缺口提高了空間利用率，因為在各輻射器的缺口上可設置電路裝置、另一個輻射部件等。第二實施例圖12展示了本發(fā)明第二實施例的天線結構的透視圖。該實施例中的天線配置有兩組天線部件，其中之一組例如由參照圖1中的現(xiàn)有技術所述的這種基本上為半圓形圓盤的一對導體121b和122b構成。圓盤導體121b和122b垂直相交，使它們的圓弧頂點處于同一位置，并且其中心線相互重合。另一組天線部件由一對半圓弧形輻射器111a和112a組成，每一半圓弧形輻射器都大體為半圓形，并在其內限定參照圖6所述的缺口。輻射器111a和112a也垂直相交，它們的圓弧頂點也保持在由21a所示的同一位置上，它們的中心線Ox也相互重合。兩組天線部件相結合，輻射器111a、112a和121b、122b的頂點21a和21b相互對置，頂點21a和21b用作饋電點。本例中同軸電纜31用于饋電，其中心導體接在頂點21a上，其外導體接在頂點21b上?？捎闷叫卸€式饋線等來代替同軸電纜31。
本實施例的天線結構也提供與采用圖1的現(xiàn)有技術例可獲得寬頻帶特性同樣的寬頻帶特性。因此，本實施例由于具有第一實施例的特征而在空間利用率上是優(yōu)良的，并且使用多個輻射器來形成輻射部件，因而在水平平面上的方向可具有全向性。第三實施例圖13展示出本發(fā)明第三實施例的透視結構，它為相當示于圖6和7的偶極天線的單極天線。本實施例中的天線有在其中心限定的大體為半圓形缺口41的基本上為半圓弧形的輻射器11和平面導體接地板50組成。輻射器11設置成其圓弧頂點與平面導體接地板50相鄰但又彼此隔開。輻射器11的頂點21用作饋電點，用于饋電的同軸電纜31通過設置于平面導體接地板50上的通孔，將其中心導體接在輻射器11的頂點21上，其外導體接在接地板50上。
對本實施例的天線結構進行試驗，其中在半圓弧形輻射器11的中心部位限定的缺口41為半橢圓形。具體地說，對于輻射器11端部的寬度W1和饋電點21處的寬度W2的不同大小進行試驗，即在W1＝W2，W1＞W2和W1＜W2的情況下進行試驗。圖14示出試驗中所用的參數(shù)和對其測得的VSWR特性。雖然用具有半橢圓形缺口的弧形輻射器得到的VSWR(用虛線表示)在1.5GHz附近低于為半圓形缺口時的VSWR大小，但作為整體來看，VSWR特性沒有發(fā)生特別的變化，由此可見，不必特別限制缺口41為半圓形式。在1.5GHz附近VSWR的大小差異是由于缺口面積不同所致。第四實施例圖15立體透視地展示出本發(fā)明的第四實施例，它使用一對與圖13實施例的輻射體形狀完全相同的半圓弧形輻射體111和112。輻射體111和112以各自圓弧的頂點垂直相交于同一點，它們的中心線相互重合。也就是說，半圓弧形輻射器111和112各自具有限定在其內的缺口41，將它們組合為一天線部件，其外形的頂點21保持在同一點，它們的穿過此點的中心線相互重合，因而設置由成直角相交的輻射器形成的該天線部件，使其頂點21與平面導體接地板50相鄰但又彼此隔開。天線部件的頂點21用作饋電點，通過設置于平面導體接地板50上的通孔將同軸電纜31接于此。
在示于圖13和15的第三和第四實施例的每一例中，在平面導體接地板50的背面形成輻射器11的電鏡像或輻射器111和112的電鏡像。因此，輻射部件的大小(輻射器11或輻射器111、112的大小)僅為第一和第二實施例中該尺寸大小的一半，從而可以將天線高度減小一半，并能同時獲得正如第一和第二實施例的天線結構所能獲得的寬頻帶。所以，通過降低天線高度和使用具有限定在其內的缺口41的半圓弧形輻射器能夠獲得具有良好空間利用率的天線。第五實施例圖16立體透視地示出本發(fā)明的第五實施例，在該例中，在由圖13實施例的半圓弧形輻射器所限定的缺口41中配置不同于弧形形狀的另一輻射部件。也就是說，本實施例的天線包括具有由其半圓形構形的與之同心地限定的幾乎為半圓形缺口41的半圓弧形輻射器11；平面導體接地板50，輻射器11的半圓弧頂點與其相鄰但又彼此隔開；通過設置于平面導體接地板50上的通孔連接在位于輻射器11的頂點與接地板50之間的饋電點21上的同軸電纜31；和置于輻射器11的缺口41中，其一端接在最接近饋電點21的弧形輻射器11的中心的單極曲折板61。同軸電纜31通過平面導體接地板50的通孔，將其中心導體接在輻射器11的頂點上，將其外導體接在接地板50上。單極曲折板61與弧形輻射器11形成一體結構，通過輻射器11將功率饋送給單極曲折板61。
本實施例中，在半圓弧形天線11中加有其諧振頻率低于弧形天線11的最低諧振頻率的單極曲折板天線61。由于單極曲折板天線61的電流路徑長于半圓弧形天線11的半圓周，因而單極曲折板61可在低于上述各實施例中天線的最低諧振頻率的頻率上產生諧振。具有附加的單極曲折板天線61的天線結構因而可在上述各實施例中天線的頻帶之外產生諧振；由此可實現(xiàn)多諧振。特別是通過設置單極曲折板天線61的諧振頻率低于半圓弧形輻射器11的諧振頻率，可使天線的最低諧振頻率更低而勿需改變天線尺寸大小。第六實施例圖17立體透視地示出本發(fā)明的第六實施例，圖18和19示出其測得的VSWR特性。
本實施例的天線不同于圖16中實施例的天線，采用如圖2現(xiàn)有技術例的半圓形輻射器11b作雙極天線來代替平面導體接地板50。也就是說，該天線配有幾乎為半圓弧形的輻射器11a和半圓形輻射器11b，它們的圓弧頂點21a和21b作為饋電點相互對置。同軸電纜31接在這些饋電點上。單極曲折板天線61置于輻射器11a的缺口41中，其下端接在輻射器11a的內緣邊的中心上。同軸電纜31具有接在弧形輻射器11a的頂點21a上的中心導體和接在半圓形輻射器11b上的外導體。饋給單極曲折板天線61的功率通過輻射器11a實現(xiàn)。
測量該天線的VSWR特性。半圓弧形輻射器11a的外形半徑r為75mm，半圓形缺口41與輻射器11a的外形同中心，其半徑b＝55mm，輻射器11a的寬度W為20mm。調整單極曲折板天線61的諧振頻率至280MHz。圖18示出在整個頻帶上測得的VSWR特性，圖19放大地示出在從零至2GHz的頻帶上的特性。這些曲線圖在橫軸上的頻率刻度不同，但表示同一天線的測試數(shù)據。
由圖18可知，本實施例的天線具有與常規(guī)天線相同的頻帶和VSWR特性。由圖19可知，單極曲折板61使本實施例天線也在280MHz處諧振。測量結果表明，本實施例的天線結構實現(xiàn)了多諧振，而勿需改變天線尺寸大小，并使最低諧振頻率降低。
圖20～22示出圖16實施例的改進形式，分別具有設置在由半圓弧形輻射器11限定的半圓形缺口41中的兩個單極曲折板611和612，兩螺旋型天線611和612，和一個單極電阻性負載。缺口41中所設置的輻射部件并不特別限于上述那些形狀，只要能夠容納在半圓形缺口41中，其它形式的輻射部件也可使用。雖然圖20和21中示出將兩個輻射部件配置在缺口41上，但可以使用預定數(shù)量的輻射部件。通過輻射器11將功率供給具體的輻射部件上。
在如圖20或21所示由弧形輻射器11限定的缺口41上附加多個輻射部件的情況下，可以使輻射部件的諧振頻率不同來增加諧振頻率數(shù)量。使用如示于圖22中的單極電阻性負載63之類的寬頻帶天線和設置低于由輻射器11形成的半圓弧形單極導體的諧振頻率的諧振頻率，可以降低最低諧振頻率而勿需增大天線結構尺寸，并且還增加了頻帶寬度。第七實施例在上述各實施例中，至少一個半圓弧形輻射器具有與此同中心地確定的較小的半圓形缺口41，以此形成在其中容納另外的天線部件或電路元件的空間。在將要描述的實施例中，至少將一個幾乎為半圓形的輻射器卷一圈成圓柱形，從而減小天線的橫向長度。
圖23是展示本發(fā)明第七實施例的天線結構的透視圖，它配置有輻射器13a和由半圓形圓盤導體形成的輻射器12b，輻射器13a由一個幾乎為半圓形圓盤的導體卷一圈形成圓柱形來形成，從而使它的直邊大致上形成為圓。輻射器13a和12b設置成使其中心線Ox公用，其圓弧頂點21a和21b相互對置。頂點21a和21b用作饋電點，饋電區(qū)域30就設置于它們之間。
圖24是圖13實施例的改進形式的透視圖，它配置有輻射器13a和13b，各輻射器由將半圓形圓盤導體繞公共圓柱一圈而形成，圓柱的母線是穿過各半圓形圓盤導體頂點的中心線(半圓半徑)Ox。設置輻射器13a和13b設置成使其圓弧頂點21a和21b相互對置。即兩半圓形輻射器的各直邊形成圓而分別成圓柱形。
如上所述，形成天線的兩輻射器之一可為如圖23所示的這種圓柱形輻射器13a，或者兩個輻射器都為如圖24所示的這種圓柱形輻射器。在每種情況下，正如下文所述，VSWR特性基本上保持不變，不論彎折的輻射器13a(圖23)或輻射器13a和13b(圖24)的相對端在其圓周方向上是否保持相互接觸。
在圖23和24的實施例中，圓柱形輻射器13a(還有圖24中的13b)的相對端在其圓周方向上相距較小間隙10。最好使連接圓柱形輻射器13a中心線Ox和間隙10中心的直線d與中心線Ox近似為直角。圖24中，最好使連接輻射器13a和13b的公共中心線Ox與各間隙10中心的直線d相互之間大體上平行。輻射器13a和13b最好在其前期的半圓形時尺寸相同。輻射器13a或13b的形狀可以是橢圓柱形以及圓柱形，即輻射器只須大體上為圓柱形即可。
由于應用這種圓柱形輻射器，由至少一個輻射部件所占據的橫向寬度被減至在使用平坦輻射器的現(xiàn)有技術例中所需寬度的1/3左右，從而增大了占空系數(shù)(space factor)。
圖25～27通過實例示出用于圖24的天線的饋電設計方案。圖25中，沿中心線Ox，穿過輻射器13b的頂點設置同軸電纜31，而在圖26中，沿輻射器13b的半圓弧設置同軸電纜31。圖27中，平行二線式饋線33設置于輻射器13a和13b之間?？傊?，將兩個輻射器13a和12b(或13a和13b)的頂點21和21b同作其饋電點。第八實施例圖28是展示本發(fā)明第八實施例的透視圖，它用如圖13所示實施例的平面導體接地板50代替在圖23、24和25所示的實施例中所用的輻射器12b或13b來構成單極天線。也就是說，本實施例的天線包括輻射器13和平面導體接地板50，輻射器13由將大體為半圓形圓盤導體彎折為圓柱形而形成，其穿過半圓弧頂點的中心線Ox平行于圓柱形的中心軸。平面導體接地板50置于輻射器13的圓弧頂點附近，與穿過頂點21的中心線Ox基本上為直角。輻射器13的頂點21用作饋電點，通過從設置于平面導體接地板50上的通孔51穿出的同軸電纜31饋送功率；即同軸電纜31將其中心導體接在輻射器13的頂點21上，將其外導體接在平面導體接地板50上。
本實施例中，由平面導體接地板50在其背面上形成輻射部件13的電鏡像。因此，本實施例僅需要一個輻射部件，在第七實施例中所用的天線構件數(shù)的一半(圖23～27)，因而由于使用一半構件數(shù)而降低了天線高度，同時還獲得了正如用第七實施例所得到的相同寬頻帶特性。因而本實施例的天線具有優(yōu)異的占空系數(shù)及較低的天線高度。
為確定本實施例天線的性能而進行試驗。圖29A、29B和29C是用于該試驗的天線的正視、平面和右視圖，圖29D是所用輻射器13的展開圖。如圖29D所示半徑r＝75mm的半圓形圓盤導體纏繞一圈成為由穿過半圓弧的中心線Ox限定其母線的、直徑為50mm的圓柱，從而形成輻射器13。所用的平面導體接地板50為厚0.21mm、面積300mm×300mm的銅板。通過從設置于平面導體接地板中心的通孔51穿出的同軸電纜31饋送功率。同軸電纜31的中心導體接在輻射器13的頂點上(圖29C)，其外導體接在平面導體接地板50上。
圖30示出了試驗中所測的VSWR特性。將其與示于圖3中的現(xiàn)有技術例的VSWR特性進行比較，本實施例的天線具有與現(xiàn)有技術例相同的寬頻帶特性，并且其VSWR水平在整個頻帶上低于現(xiàn)有技術的VSWR。也就是說，與現(xiàn)有技術的VSWR特性相比，該天線的VSWR特性得到改善。由于使用圓柱形輻射器和平面導體接地板的這種組合，天線的高度被降低一半，輻射器所占天線寬度為現(xiàn)有技術的三分之一，因而該實施例天線的占空系數(shù)極佳，此外，與現(xiàn)有技術例相比，還提高了VSWR特性。
盡管將圖23～28的實施例中的輻射器13表示為正規(guī)的圓柱形，但它還可以為橢圓柱形。如圖28所示，橢圓柱形輻射器13的兩個軸用與中心線Ox相交成直角的軸L2和與L2成直角的軸L1表示。在下列三種條件下測量VSWR特性。
(1)L1＝L2＝50(圓柱形)(2)L1＝33mm、L2＝60mm(L1＞L2的橢圓柱形)(3)L1＝60mm，L2＝33mm(L1＜L2的橢圓柱形)圖31中示出在上述條件下測得的VSWR特性，分別用實線、粗虛線和虛線31A、31B和31C表示。由圖31顯見，VSWR特性并沒發(fā)生任何明顯的改變，即使輻射器13為橢圓柱形；因而輻射器13并不總是圓柱形，也可為兩軸之比L1/L2的范圍大約為0.5～1.5的橢圓柱形。這適于下面將描述的所有實施例和輻射器13a和13b。
雖然圖23～28所示的實施例中的圓柱形輻射器13示出其相對端相互之間基本保持接觸，但該相對端也可以如圖32所示相隔間隙d。圖33示出圓柱形輻射器13的直徑D為48mm(間隙d為1mm)和37mm(間隙d為6mm)時測得的VSWR特性，分別用實線33A和虛線33B表示測得的特性。當圓柱形輻射器13的相對端相互保持接觸時，也得到了天線的寬頻帶特性。隨著間隙d增大，VSWR特性變差，盡管如此，它仍比現(xiàn)有技術的VSWR特性好得多。
圖34中分別用虛線34A和實線34B表示輻射器13的兩相對端相互焊在一起(d＝0)和保持小間隙(約1mm)時所測得的VSWR特性。由圖34可見，VSWR特性基本上保持不變，而不管圓柱形輻射器13的相對端是否相互接觸。因此，該相對端不必總保持接觸。這適用于本發(fā)明所有實施例。第九實施例圖35是展示本發(fā)明第九實施例的天線結構的透視圖。本實施例的天線使用在其中心部分限定有幾乎為半圓形缺口41的半圓弧形輻射器14，該輻射器14是將半圓弧形導體(參見圖36D)繞圓柱一圈而獲得，圓柱的母線由穿過半圓弧形導體的半圓弧的頂點的中心線確定。也就是說，由圖29D所示的輻射器13的半圓弧形邊緣部分構成輻射器14。正如圖28中的情形，平面導體接地板50設置成相鄰于輻射器14圓弧的頂點。
輻射器14的頂點21用作饋電點，從穿過設置于平面導體接地板50的通孔51的同軸電纜31饋入功率給饋電點。同軸電纜31的中心導體接在輻射器14的饋電點上，其外導體接在平面導體接地板50上。由于提供了由半圓弧形輻射器14所限定的缺口41，因而能夠比用僅將半圓形圓盤導體繞成沒有缺口的圓柱形而形成的輻射器的第七或第八實施例的空間利用效率提高更多。參照上文涉及圖5A的部分，半圓形輻射部件上的天線電流大部分沿其半圓弧的下部邊緣邊分布，沿上部的直線邊和其中心部分沒有天線電流流過；也就是說，僅僅下部的半圓弧邊緣部分對輻射天線電波有作用，因而缺口41并不影響天線工作。缺口41并不全是半圓形(已表示出的輻射器狀態(tài))，也可以為如半橢圓形。
為確定該天線的性能而進行了試驗。圖36A、36B和36C分別是天線的正視圖、平面圖和右側視圖，圖36D是輻射器14的展開圖。圖37A示出試驗中所測得的VSWR特性。為制得輻射器14，將半徑r1＝75mm的半圓弧形導體板繞直徑為50mm的圓柱一圈，該半圓弧形導體板具有在圓弧形導體板外形的中心部分所限定的半徑r2＝55mm的半圓形缺口41，該圓柱的母線由穿過半圓弧形導體頂點21的中心線Ox所確定。所用的平面導體接地板50為300mm×300mm、厚0.2mm的銅板。通過從設置于平面導體接地板50的中心上的通孔穿出的饋電電纜31饋送功率。同軸電纜31的中心導體接在輻射器14的頂點21上，外導體接在平面導體接地板50上。
將試驗中測得的VSWR特性(圖37A)與沒有缺口41的圖29天線的VSWR特性(圖30)相比較可知，即使輻射器有缺口41，其寬頻帶特性仍同現(xiàn)有技術的該特性相同。這種情況下，低于5GHz頻帶上的VSWR降低，但與示于圖3的現(xiàn)有技術的該特性相比，它并沒降低低頻區(qū)域上的VSWR特性，并且還相當顯著地改善了高頻頻帶上的該特性。由于提供了由輻射器14所限定的缺口41，可將另一個天線部件置于缺口41中，因此，該實施例天線的占空系數(shù)極佳。
圖37B是表示半圓形缺口41與半圓弧形輻射器14之面積比和工作頻帶上最差的VSWR特性之間關系的曲線圖。由圖37B可知，當使VSWR低于2時，缺口41的上述面積比可增至50％。這時半徑比r2/r1接近0.7，這表明缺口41可被明顯地放大。第十實施例圖38是展示本發(fā)明第十實施例的天線結構的透視圖，它使用與圖35的第九實施例中所用的半圓弧形輻射器相同的輻射器14，不同之處在于由輻射器14所限定的缺口41內放置了輻射部件。平面導體接地板50設置在相鄰于輻射器14的半圓弧頂點21處。放置于由半圓弧形輻射器14所限定的缺口41中的是螺旋形天線62，它位于頂點21之上，其軸基本保持與平面導體接地板50垂直。同軸電纜31穿過平面導體接地板50的通孔51，將其中心導體接在輻射器14的頂點21上，外導體接在平面導體接地板50上。通過輻射體14將功率加給螺旋形天線62。
本實施例中，包括在圖35天線結構中作第二天線的螺旋形天線。第二天線的頻帶是隨意的，通過選擇其工作頻帶低于對應的最低諧振頻率可實現(xiàn)多諧振。并且，由于選擇可容納于缺口41中的尺寸的第二天線，因而可降低最低諧振頻率而勿需增加整個天線結構的尺寸大小。
為確定該實施例天線的性能而進行試驗。圖39A、39B和39C是天線的正視圖、平面圖和右側視圖，圖39D是輻射器14的展開圖。圖40和41中示出測得的VSWR特性。圖41是表示在具有放大的橫坐標上在0～1GHz的整個頻帶上的VSWR特性。輻射器14是半徑r1＝75mm的半圓弧形導體板，在其中心部分具有由圓弧形導體板外形所限定的半徑r2＝55mm的半圓形缺口41，將該半圓弧形導體板繞直徑為50mm，其母線由穿過半圓弧形導體頂點21的中心線Ox所確定的圓柱一圈即制得輻射器14。在缺口41上放置螺旋形天線62，其一端接在輻射器14缺口41的半圓弧頂點21上，該螺旋形天線62作為第二天線調整在280MHz下工作。平面導體接地板50是300mm×300mm、厚0.2mm的銅板。通過從設置于平面導體接地板50的中心上的通孔穿出的饋電電纜31饋送功率。同軸電纜31的中心導體接在輻射器14的頂點21上，外導體接在平面導體接地板50上。將示于圖40的試驗結果與圖37A中第九實施例的特性進行比較，可知即使缺口41中設置了螺旋形天線，也可獲得相同的寬頻帶特性。圖41表明使用輻射器14和螺旋形天線62的組合，使諧振也在280MHz下產生。因此，可以實現(xiàn)多諧振和降低最低諧振頻率而勿需改變天線結構的尺寸。
圖42、43和44示出第十實施例的改進形式，分別在由半圓弧形輻射器14所限定的缺口41中設置兩個螺旋形天線621和622、兩個單極曲折板611和612和一個單極電阻性負載63。任何其它型式的輻射部件只要可容納于缺口41中就可使用。盡管圖42和43示出設置兩個輻射部件在缺口41上，但并不特別限制輻射部件的數(shù)量。通過輻射器14將功率供給與其相連的輻射部件。
通過選擇設置于由半圓弧型輻射器14所限定的缺口41中的各輻射部件的不同諧振頻率，可進一步增加天線的諧振頻率數(shù)。在圖44的情形，設置單極電阻負載63的諧振頻率低于由輻射器14所形成的半圓形導體單極天線的諧振頻率，可降低最低諧振頻率而勿需增大天線結構尺寸，因而可使頻帶變寬。改變缺口41中所置輻射部件或元件和輻射器14的諧振頻率和阻抗至這樣的范圍，使這些天線的工作相互不受影響。
如上所述，按照本發(fā)明第一方案，提供由半圓弧形輻射器所限定的缺口來增加占空系數(shù)同時保持寬頻帶特性。在缺口中設置一個或多個輻射部件，可以得到與常規(guī)天線尺寸相同、在多個頻率下諧振、并加寬了頻帶寬度或降低了最低諧振頻率的天線。
按照本發(fā)明的第二方案，將半圓形輻射體彎成所占空間少于現(xiàn)有技術例的圓柱形，由圓柱的半圓弧形輻射體所限定的缺口增加了占空系數(shù)。將與半圓弧形輻射器不同形狀和工作頻帶的天線部件置于缺口中，可以得到與現(xiàn)有技術相比尺寸較小、但頻帶更寬和更多諧振或降低了最低諧振頻率的天線。
應當理解，在不偏離本發(fā)明的實質和范圍的情況下，可以作出許多修改和變形。
權利要求
1.一種天線，包括由基本上為半圓形圓盤的導體所形成的第一輻射器，所述第一輻射器與之同心地限定了幾乎為半圓形的缺口；相對于所述第一輻射器的半圓弧為直角地設置的平面導體接地板；和接在所述第一輻射器半圓弧頂點上和所述平面導體接地板上給它們提供功率的饋線。
2.根據權利要求1所述的天線，還包括與所述第一輻射器形狀大體相同的另一輻射器，所述另一個輻射器和所述第一輻射器具有公用的、與每一個輻射器相交的中心軸。
3.一種天線，包括由基本上為半圓弧形導體所形成的，與之同心地限定了半圓形缺口的第一輻射器；由基本上為半圓形圓盤導體所形成的第二輻射器，將該第二輻射器的半圓弧頂點相對于所述第一輻射器的半圓弧頂點設置；和接在所述第一和第二輻射器頂點上提供給它們功率的饋線。
4.根據權利要求3所述的天線，還包括與所述第一輻射器形狀大體相同的第三輻射器，所述第三輻射器與所述第一輻射器相交，保持它們的半圓弧頂點在相同點并使它們具有公共的中心軸；和與所述第二輻射器形狀大體相同的第四輻射器，所述第四輻射器與所述第二輻射器相交，將它們的半圓弧頂點保持在相同點并使它們具有公共的中心軸。
5.根據權利要求3所述的天線，其中，所述第二輻射器具有與其半圓弧同心地限定的缺口。
6.根據權利要求1或3所述的天線，還包括至少一個形狀不同于置于所述缺口中的第一輻射器的輻射部件，它接在所述第一輻射器的所述饋電點附近。
7.根據權利要求6所述的天線，其中，所述至少一個輻射部件是單極曲折板、單極電阻負載和螺旋形天線中的任一種。
8.一種天線，包括至少一個由將基本上為半圓形圓盤的導體彎成圓柱形的輻射器。
9.根據權利要求8所述的天線，還包括設置于所述輻射器半圓形頂點對面、與所述圓柱形母線基本上成直角的平面導體接地板；和接在所述輻射器所述半圓弧頂點和所述平面導體接地板上提供給它們功率的饋線。
10.根據權利要求8所述的天線，其中，還包括具有與所述半圓形圓盤導體的中心線相重合和具有相對于所述輻射器半圓弧的弧形邊緣邊的另一個輻射器；和接在所述輻射器圓弧頂點和所述另一輻射器圓弧頂點上提供給它們功率的饋線。
11.根據權利要求10所述的天線，其中，所述另一個輻射器由另一個半圓形圓盤導體形成。
12.根據權利要求10所述的天線，其中，所述另一個輻射器是將另一個半圓形圓盤導體繞成幾乎為圓柱形而形成的圓柱形輻射器。
13.根據權利要求9或10所述的天線，其中，所述輻射器具有與所述圓盤導體的半圓形狀大體同心地限定的幾乎為半圓形的缺口。
14.根據權利要求13所述的天線，其中，在所述缺口中放置至少一個形狀不同于所述半圓形輻射部件的輻射部件并且將其連接至所述彎成圓柱形的輻射部件。
15.根據權利要求14所述的天線，其中，所述至少一個輻射部件是單極曲折板、單極電阻負載和螺旋形天線中的任一種。
全文摘要
使用半圓形圓盤導體的寬頻帶天線中，在半圓形輻射器同心地形成半圓形缺口，或者將具有同心地限定的半圓形缺口的半圓弧形輻射導體彎成圓柱形來形成輻射器。
文檔編號H01Q9/46GK1151621SQ9612110
公開日1997年6月11日 申請日期1996年9月27日 優(yōu)先權日1995年9月27日
發(fā)明者井原泰介, 木島誠, 常川光一 申請人:Ntt移動通信網株式會社