[发明专利]通过多模式三维（3-D）行波（TW）的超宽带微型化全向天线

说明书

技术领域

本发明大致涉及射频天线，且更具体地涉及微型化低剖面超宽带全向天线。

背景

全向天线，例如常见的偶极子天线和鞭状天线，是最广泛使用的天线。理想情况下的全向天线在天线的中心轴周围具有统一的辐射强度，其在与中心轴垂直的平面中达到峰值。例如，垂直偶极子是全向天线，在其垂直轴周围(即，在方位角方向图中)在任意给定的仰角处具有统一的(不变的)辐射强度，其在水平平面处达到峰值。

在一些现代的实际应用中，这类全向天线被加宽以包括那些在仰角跨度内(通常在地面应用的背景中接近地平线)具有实质上关于垂直轴对称的宽空间覆盖的天线。然而，在某些应用中，尤其在数字无线世界中，某个方向性或甚至零方向性可以是可接受的或甚至是优选的。不过，在本公开中的技术提供了在给定的仰角跨度内的实质上统一的方位角方向图。在仰角方向图中，一些波束倾斜通常是不可避免的，并且在某些应用中可能是优选的。

无线应用的激增对全向天线的更宽的带宽、更低的剖面、更小的尺寸和重量以及更低的成本设定了越来越苛求的目标。为了实现这些物理的和性能目标，天线工程师必须克服Chu限制(Chu，L.J.，“Physical Limitations of Omnidirectional Antennas”，J.Appl.Phys.，Vol.19，Dec.1948，其通过引用被并入本文)，Chu限制陈述了天线的增益带宽由天线的电气尺寸(即，以波长为单位的尺寸)限制。

具体地，在Chu限制下，如果天线应具有良好的效率和相当大的带宽，其尺寸中的至少一个需要为大约λ_L/4或更大，其中λ_L表示最低工作频率处的波长。在UHF和更低的频率(低于1GHz)处，波长长于30cm，其中天线的尺寸随着频率的降低(因此波长更长)变成越来越严重的问题。例如，为了覆盖高频带，比如3-30MHz，宽带有效的天线可能必须为高15m和直径30m那么大。

为了避开Chu限制，一种方法是减小天线高度，并用与安装有天线的平台的表面平行的较大的尺寸换取它，产生低剖面天线。例如，当天线安装在诸如手机或地面的平台上时，平台变成天线辐射体的一部分，导致满足Chu限制所需要的天线的更大尺寸。在许多应用中，低剖面和宽带宽例如“超宽带”已经成为共同的天线要求。

“超宽带”天线通常意指具有大于2∶1的倍频程增益带宽，也就是说，f_H/f_L≥2，其中f_H和f_L是最高的工作频率和最低的工作频率。注意，“超宽带”有时在实践中意指具有两个或多个宽频带(多频带)，且每个频带具有足够宽的带宽。“低剖面”天线通常意指具有λ_L/10或更小的高度，其中λ_L是在f_L处的自由空间波长。

在追求更宽的带宽和更低的剖面时，发现TW沿着平台的表面传播的行波(TW)天线不仅具有固有地更低的剖面，而且具有潜在地更宽的带宽。(TW天线是产生天线辐射方向图的场和电流可以由一个或多个TW表示的天线，TW是以某一相速度传播的电磁波，如在书“Traveling Wave Antennas”(Walter，C.H.，Traveling Wave Antennas，McGraw-Hill，NY，1965，其通过引用被并入本文)中所讨论的，在书中讨论了多个低剖面TW天线。)

TW沿着或垂直于平台的表面传播的某些行波(TW)天线可不仅具有固有地低的剖面而且具有潜在地宽的带宽。另外，某些TW天线的场和电流可产生可以由一个或多个TW表示的天线辐射方向图。