專利名稱：用于無線通信的小型全向雙錐形天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于無線通信的天線，特別涉及適用于移動通信的小型全向雙錐形天線。
背景技術：
與常規(guī)的窄頻帶無線通信不同，使用脈沖的的無線通信(以下叫做脈沖通信)使用極寬的頻帶。脈沖通信作為能以極小的功率進行高速數據傳送的通信方法是已知的。以前脈沖通信已經用于雷達領域。為了提高雷達的性能，除了研究天線輻射圖外，對獲得寬頻帶操作和高增益進行了重點研究。
但是，隨著移動通信技術的快速發(fā)展，對脈沖通信的優(yōu)點應用到移動通信中進行了大量有效的研究。盡管脈沖通信具有許多優(yōu)越的技術上的優(yōu)點，但是，在用戶使用具體的設備具有不便或設備攜帶有困難時，脈沖通信也不能用于移動通信。因此，在脈沖通信用于移動通信之前首先要保證小型化天線以用于收發(fā)脈沖(以下叫做脈沖天線)。
隨著相關研究的開發(fā)，已經提出了各種類型的脈沖天線。圖1到3顯示出脈沖天線的例子。
圖1是顯示現有的具有寬頻帶特征的常規(guī)雙錐形天線的透視圖。
脈沖天線10包括具有相同饋電點13的上導電體11和下導電體12。上導電體11和下導電體12均為錐形?？紤]使用中脈沖的最小波長來設計脈沖天線10的尺寸。脈沖天線10的長度，即，饋電點13與脈沖天線10的邊緣之間的長度設計成是脈沖的最小頻率的波長的1/4。但是，由于上導電體11與下導電體12之間存在空氣，所以，上導電體11的長度R1和下導電體12的長度R2大于包括在饋電信號中的最小頻率在空氣中的波長的1/4。圖1中，θ1表示通過脈沖天線10的中心的Z軸(未示出)與上導電體11之間的夾角，θ2表示Z軸與下導電體12之間的夾角。
圖2是用TEM喇叭形天線的脈沖天線的剖視圖。圖2所示的脈沖天線用于饋送雷達脈沖，它是為了輸出大的功率而特別設計的，其界面30相對于水平軸(未示出)有一個角度，以使電波能按布儒斯特角(Brewster angle)入射到界面30上。
但是，從附圖左邊輸入界面30的TEM波接近球形波，而不是平面波。因此，在整個界面30中，TEM波在界面30上的入射角與布儒斯特角不匹配。結果，在界面30不能進行理想的阻抗匹配。隨著TEM喇叭形天線的高度H2的增大根據在界面30處的阻抗不匹配的阻抗反射增大。
圖2中，參考數字1表示電磁波發(fā)生器；2表示火花間隙；3表示脈沖發(fā)生器；6和14表示接地板；8表示平行上板；10和17表示電介質；12和18表示TEM喇叭；和16表示上板。而且，H1表示在TEM喇叭18中接地板6與上板16之間的間隙、H2表示在TEM喇叭12中上板16與接地板14之間的間隙、和H3表示電磁波發(fā)生器1中上板8與接地板6之間的間隙。Ψ1表示界面30與從接地板14的TEM喇叭12延伸到TEM喇叭18的部分之間的夾角、和Ψ2表示界面30與上板16的延伸部分之間的夾角。
圖3是顯示常規(guī)雙錐形天線20的剖視圖，其中，介質33用在上導電體26與下導電體24之間。在戶外用雙錐形天線20時，介質33防止雨水沿著饋電線下流，并支承上導電體26和下導電體24。
圖3中，21表示同軸饋線，23表示下支承結構，24表示下錐；R1表示上導電體26的長度和R2表示下導電體24的長度，L’表示介質33上部分的長度，L”表示介質33下部分的的長度，L0表示介質33中部分的長度。
常規(guī)脈沖天線的情況下，天線的長度可以設計成至少是可用脈沖的最小頻率的波長的1/4。然而，考慮到波長是在空氣中的波長，因此，常規(guī)脈沖天線的尺寸要遠大于移動通信終端用的天線的尺寸。而且，在常規(guī)脈沖天線中，由于TEM波不能按布儒斯特角入射到界面上，在界面上產生阻抗不匹配，因此，在界面上產生脈沖反射，通信質量迅速變壞。

發(fā)明內容
為了解決上述的問題和其他的問題，本發(fā)明提供一種小型全向雙錐形天線，它能減小要用到移動通信終端的天線尺寸，并使在界面的阻抗不匹配減小到最小。
按本發(fā)明的一個技術方案，用于無線通信的雙錐形天線包括共享頂尖的錐形上導電體和下導電體，所述頂尖并用作饋電點，其中，錐形上導電體與下導電體之間的間隙填充介質，使沿著介質表面連接錐形下導電體和上導電體的最短距離是曲線，在此，從頂尖通過介質在介質表面上的入射波的入射角在整個介質表面上是布儒斯特角。
曲線是對數螺旋(log-spiral)曲線。
介質的介電常數是4-50，優(yōu)選10。
錐形上導電體比錐形下導電體短，以及錐形下導電體比錐形上導電體短。
錐形上導電體的長度至少是λ0/4波長，其中λ0是當可用脈沖是最小頻率時的波長。
錐形上導電體展開到介質表面以外。
錐形下導電體的長度至少是λ0/4波長，其中λ0是當可用脈沖是最小頻率時的波長。
錐形下導電體展開到介質表面以外。


通過參見附圖對本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細描述，本發(fā)明的上述的和其他的特征和優(yōu)點將變得更清楚，其中圖1是顯示雙錐形天線的基本形狀的透視圖；圖2和3是顯示常規(guī)雙錐形天線的剖視圖；圖4按本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于移動通信的小型全向雙錐形天線的剖視圖；圖5是顯示圖4所示的雙錐形天線的波輻射的剖視圖；圖6是顯示圖4所示的雙錐形天線的內和外天線顛倒的情況的剖視圖；圖7是顯示圖4所示的雙錐形天線的內天線的長度展開狀態(tài)的局部剖視圖；和圖8是顯示圖6所示的雙錐形天線的內天線的長度展開狀態(tài)的局部剖視圖。
具體實施例方式
以下參見附圖描述按本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于移動通信的小型全向雙錐形天線。附圖中，為了便于清楚地描述本發(fā)明，將層或區(qū)域的厚度放大。
本發(fā)明的天線是脈沖收發(fā)天線，它能用于使用超寬帶(UWB)的電磁脈沖的通信，其基本形狀是雙錐形天線。在形成雙錐形天線的基本結構的兩個錐形導電體之間插入介質，以減小整個天線的物理尺寸。注入介質，使沿著導電體與外部空間之間的界面，也就是說，導電體的表面的連接兩個錐形導電體的最短距離是對數螺旋曲線。因此，從兩個錐形導電體中的每個導電體的頂尖展開的脈沖電場始終按布儒斯特角入射到界面上。因此，從界面獲得脈沖電場的完全發(fā)送，因而在天線與天線波之間獲得完全阻抗匹配。
參見圖4，按本發(fā)明優(yōu)選實施例的雙錐形天線包括同軸電纜C，用于饋送功率，它包括芯線44，和設置在芯導線44周圍并與芯線44絕緣的外導線50；錐形下導電體40；錐形上導電電體42；和完全填充錐形下導電體40與錐形上導電體42之間的間隙的介質46。錐形下導電體40和錐形上導電體42有相同的頂尖，即，相同的頂點。同軸電纜C通過頂點連接到錐形下導電體40和錐形上導電體42，其中，同軸電纜C的芯導線44連接到錐形上導電體42，而外導線50連接到錐形下導電體40。將雙錐形天線設計成具有相對Z軸的旋轉對稱結構，Z軸穿過頂尖和錐形下導電體40和錐形上導電體42的中心。
更詳細地說，錐形下導電體40具有相對Z軸的旋轉對稱結構，具有第二長度L2。用球形坐標系統(tǒng)時，錐形下導電體40的位置設置成θ＝θ1。這里“θ”是從Z軸測量的。錐形上導電體42具有相對Z軸的旋轉對稱結構，具有第一長度L1。用球形坐標系統(tǒng)時，錐形上導電體42的位置設置成θ＝θ2。從頂尖測量的第一長度L1最好小于從頂尖測量的第二長度L2，反之亦然，這在以后將說明。第一長度L1最好是可用脈沖頻率的最小頻率的波長(λ0)的至少1/4，即λ0/4，或更長。
完全填充錐形下導電體40和錐形上導電體42之間的間隔的介質46最好設置成從填充錐形下導電體40和錐形上導電體42的頂尖緊密接觸錐形下導電體40和錐形上導電體42。介質46具有的介電常數ε1是4-50，優(yōu)選是10，介質46例如是高密度玻璃、介電陶瓷。或工程塑料。
由于天線通常是安裝在大氣中，所以認為介質46外邊的外部物質的介電常數與空氣的介電常數ε0相同。天線安裝在不是空氣的其他物質中時，按本發(fā)明優(yōu)選實施例的雙錐形天線的特征不會有太大的變化。
接觸例如空氣的外部物質的介質46的表面形狀(以下稱為界面)是按本發(fā)明的優(yōu)選實施例的雙錐形天線的最重要的部分。介質46的界面最好形成為使入射到界面上進入介質46的入射波的入射角在整個界面上是布儒斯特角。換句話說，沿Z軸切割錐形下導電體40和錐形上導電體42時，如圖4所示，第一邊界線48在存在介質46和周圍物質處分割成多個部分。第一邊界線48最好是曲線，例如是對數螺旋曲線，使圖5所示的、從第一邊界線48的里邊入射到第一邊界線48的入射波的入射角θb在整個第一邊界線48是布儒斯特角，即，在圖5中，入射波的入射角θb和在第一邊界線48的反射角θt之和(θb+θt)是90°。在包括Z軸和介質46的相交點的平面處，第一邊界線48從錐形下導電體40和錐形上導電體42的頂點看時最好是對數螺旋曲線。
參見圖5，電波入射到介質46中的介電常數為ε0的介質(空氣)上時，電波完全發(fā)送的布儒斯特角θb，滿足式1。
sinθb=11+ϵ1ϵ0]]>(式1)而且，發(fā)送角θt，即，折射角滿足式2。
Sinθt=ϵ1ϵ0(sinθb)]]>(式2)通過介質46傳播的電波被認為是從錐形下導電體40和上導電體42的頂尖輻射的電波。因此，入射到介質46與天線層之間的界面上的電波具有定向矢量，即具有以頂尖為原點的球坐標系統(tǒng)的定向矢量r。因此，第一邊界線48定義為，使垂直于第一邊界線48的定向矢量與來自頂尖的定向矢量之間的夾角(入射角)，即，球坐標系統(tǒng)的定向矢量r使在界面48的任何位置處的入射角，是布儒斯特角。
滿足上述特征，即具有對數螺旋曲線的第一邊界線48由式3給出。
R＝exp(±tanθb)θ+a (式3)這里，a是常數，θ的范圍規(guī)定為θ1≤θ≤θ2。隨著θ的增大，在離頂尖的距離增大時，指數的正切(tan)符號變成“+”。在離頂尖的距離減小時，指數的正切(tan)符號變成“-”。如圖4和5所示的第一邊界線48的情況下，“+”選自式3。
參見式3，可以看出指數函數的值由布儒斯特角確定。而且，介質46的介電常數確定時，在介質46與空氣之間的界面確定布儒斯特角，按照式3確定第一邊界線48的形狀。由于通過第一邊界線48相對Z軸旋轉獲得界面，所以，介質46的介電常數確定時，也能確定界面的形狀。在式3中，常數a確定對數螺旋曲線離開原點的總體距離有多遠。
由于對數螺旋曲線的特征使連接頂尖和第一邊界線48的直線按預定的角與第一邊界線48交叉。由于交叉角應是布儒斯特角，在設計按本發(fā)明的優(yōu)選實施例的雙錐形天線時，最好將對數螺旋曲線的參數選擇成使交叉角是布儒斯特角。上述的事實直接應用到以下將描述的第一長度L1大于第二長度L2的情況。
同時，可以說，按本發(fā)明的具有錐形下導電體40和錐形上導電體42的雙錐形天線是支持TEM模式的球形波導管的一部分。這里球形波導管的特征阻抗K用式4表示。
K=Z2πln(tan12θ2cot12θ1)]]>(式4)這里θ1和θ2分別指示球形坐標中錐形下導電體40和錐形上導電體42的位置，Z是存在于錐形下導電體40和錐形上導電體42之間的介質46的固有阻抗。介質46是空氣時，介質46的固有阻抗Z是120π(Ω)。
為了消除在饋電點的反射波，饋送功率的同軸電纜C的特征阻抗最好設計成與球形波導管的阻抗K相同。通過適當選擇θ2和θ1可以分別確定錐形下導電體40和錐形上導電體42的位置。
現在參見圖5描述按照本發(fā)明優(yōu)選實施例的雙錐形天線的操作。
脈沖通過同軸電纜C加到天線上時，從錐形下導電體40和錐形上導電體42的頂尖產生輻射電磁波。由于天線設計成使同軸電纜C和球形波導管的特征阻抗K相同，因此，在理論上說不會在饋電點存在脈沖反射。從頂尖輻射的電磁波穿過填充錐形下導電體40和錐形上導電體42之間的間隔的介質46里邊并入射到第一邊界線48上。在第一邊界線48上的所有點的電磁波的入射角均是布儒斯特角。因此，入射到第一邊界線48上的電磁波，即，脈沖的反射都是零(0)。這就是說，所有從頂尖輻射并入射到第一邊界線48上的脈沖穿過第一邊界線48。由于介質46的介電常數ε1大于空氣的介電常數ε0，像從較密的媒體進入較稀的媒體的電磁波一樣，穿過第一邊界線48并從介質46進入空氣的電磁波按大于入射角θb的角度θt，即布儒斯特角，在第一邊界線48折射。同樣，如圖5所示，由于介質46相對于Z軸傾斜角度θ1，而且錐形上導電體42的長度短于錐形下導電體40的長度，所以，入射到第一邊界線48上的電磁波輸入到垂直于第一邊界線48的法線52的左邊，并折射到法線52的右邊。因此，穿過第一邊界線48的電磁波按相對于Z軸的全方向在空氣中輻射。也就是說，穿過第一邊界線48的電磁波在垂直于Z軸的X-Y平面上是全向的。
在按本發(fā)明優(yōu)選實施例的雙錐形天線中，如圖6所示，錐形下導電體40和錐形上導電體42的長度可以顛倒。
參見圖6，錐形上導電體42和錐形下導電體40分別具有第三長度L3和第四長度L4，而且L3比L4長。最好第四長度L4與第一長度L1相同，第三長度L3與第二長度L2相同。而且第四長度L4最好至少是λ0/4。標號48a指填充錐形上導電體42和錐形下導電體40之間的間隔的介質46的接觸空氣的第二邊界線。第二邊界線48a最好是曲線，像圖4或圖5所示的第一邊界線48一樣，在第二邊界線48a的任何點上的電磁波入射角都是布儒斯特角。例如，第二邊界線48a是對數螺旋曲線。但是，在第二邊界線48a的情況下，如射到第二邊界線48a上的電磁波E1入射到垂直于第二邊界線48a的法線54的右邊，穿過第二邊界線48a后折射到的法線54的左邊。由于折射角遠大于入射角，與穿過第一邊界線48后折射的情況不同，穿過第二邊界線48a后折射的電磁波E2朝Z軸繼續(xù)傳播。這就是說，當錐形上導電體42的長度大于錐形下導電體40的長度時，按本發(fā)明的雙錐形天線的輻射圖指向Z軸。
某些情況下，錐形下導電體40或錐形上導電體42可以比附圖所示的進一步擴展。
例如，如圖4或5所示，當錐形上導電體42的長度小于錐形下導電體40的長度時(以下叫做第一情況)，電磁波按相對于Z軸的所有方向輻射。而且，錐形上導電體42的長度至少是λ0/4，錐形上導電體42的長度不影響電磁波的傳播方向。在第一情況，如圖7所示，錐形上導電體42的長度延伸到比第一和第二長度L1和L2長的第五長度L5。
但是，如圖6所示，當錐形上導電體42的長度大于錐形下導電體40的長度時(以下叫做第二情況)，在空氣中輻射的電磁波E2指向Z軸。因此，錐形下導電體40的長度至少是λ0/4時，錐形下導電體40的長度不影響電磁波E2的傳播方向。因此在第二情況，如圖8所示，錐形下導電體40的長度延伸到比第三和第四長度L3和L4長的第五長度L5。
如上所述，在按本發(fā)明的雙錐形天線中，錐形下導電體40和錐形上導電體42之間的間隔完全填充介質，使得當沿著天線的中心切開時，介質與外部物質例如空氣的接觸表面，即介質與外部物質的邊界線形成曲線，例如為對數曲線，使對入射波的反射為0。
結果，按本發(fā)明的雙錐形天線有以下優(yōu)點。
首先，可以大大減小雙錐形天線的尺寸，使雙錐形天線能用于移動通信的終端。詳細地說，參見圖4，假設從錐形下導電體40和錐形上導電體42的頂尖通過介質46在空氣中輻射的脈沖波長是λ1，在介質46中的脈沖波長是λ2，λ2與λ1除以 所獲得的結果相同。這里由于ϵ1ϵ0>1,]]>所以λ2＜λ1。而且介質46中的脈沖寬度按相同的比例縮短。
在第一情況的錐形上導電體42的長度和在第二情況的錐形下導電體40的長度至少是λ0/4。因此λ2是λ0時，按本發(fā)明的雙錐形天線的尺寸減小到常規(guī)雙錐形天線一樣大，其中，錐形下導電體40和錐形上導電體42之間的間隔除以 例如，當介電常數之比 是9的介電物質用作介質46時，與常規(guī)的雙錐形天線比較，按本發(fā)明的雙錐形天線要減小1/3。
第二，用按本發(fā)明的雙錐形天線時，如圖4所示，可以獲得具有在水平面(X-Y平面)上有全向性的雙錐形天線輻射圖。這個輻射圖是用于移動通信終端的天線必需的，在收發(fā)過程中，輻射圖可以保障收發(fā)質量，而與終端的方向無關。
第三，用按本發(fā)明的雙錐形天線，能獲得適合超寬頻帶脈沖通信的移動通信終端。詳細地說，雙錐形天線具有超寬頻帶。由于相位中心不是頻率的函數，在發(fā)送和接收脈沖時由頻率變化引起的時間延遲現象消失，所以脈沖的形狀不發(fā)生畸變。因此，按本發(fā)明的雙錐形天線適合作超高速無線電通信用的天線。
已經參見本發(fā)明的實施例實際顯示和描述了本發(fā)明，但是，本行業(yè)的技術人員應了解，在不脫離所附權利要求書界定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下，本發(fā)明在形式上和細節(jié)上還會有各種變化。例如本行業(yè)的技術人員可以采用不同的饋電方法，而錐形上導電體和下導電體和介質保持不變。而且可以注入介質，使介質在錐形上導電體和下導電體的長度保持為相同長度時切割出現的邊界線是對數螺旋曲線。
權利要求
1.用于無線通信的雙錐形天線，包括共享一個頂尖的錐形上導電體和下導電體，所述頂尖用作饋電點，其中，錐形上導電體和下導電體之間填充介質，以使沿著介質表面連接錐形上導電體和下導電體之間的最短距離是曲線，在此曲線，從頂尖通過介質入射到介質表面上的入射波的入射角在介質的整個表面是布儒斯特角。
2.按權利要求1的雙錐形天線，其中，曲線是對數螺旋曲線。
3.按權利要求1的雙錐形天線，其中，介質的介電常數是4-50。
4.按權利要求1的雙錐形天線，其中，錐形上導電體比錐形下導電體短。
5.按權利要求4的雙錐形天線，其中，錐形上導電體的長度至少是λ0/4，λ0是適用的脈沖是最小頻率時的波長。
6.按權利要求4的雙錐形天線，其中，錐形上導電體是延伸到介質表面以外。
7.按權利要求1的雙錐形天線，其中，錐形下導電體比錐形上導電體短。
8.按權利要求7的雙錐形天線，其中，錐形下導電體的長度至少是λ0/4，λ0是適用的脈沖是最小頻率時的波長。
9.按權利要求8的雙錐形天線，其中，錐形下導電體是延伸到介質表面以外。
全文摘要
用于無線通信的雙錐形天線，包括共享一個頂尖的錐形上導電體和下導電體，所述頂尖用作饋電點，其中，錐形上導電體和下導電體之間填充介質，以使沿著介質表面連接錐形上導電體和下導電體之間的最短距離是曲線，在此曲線，從頂尖通過介質入射到介質表面上的入射波的入射角在介質的整個表面是布儒斯特角。
文檔編號H01Q19/00GK1496172SQ0315149
公開日2004年5月12日 申請日期2003年9月2日 優(yōu)先權日2002年9月2日
發(fā)明者權度熏 申請人:三星電子株式會社