平台上的小型的可共形的宽带行波天线

摘要

本发明涉及平台上的小型的可共形的宽带行波天线。本发明是一种克服给定尺寸的天线的基础增益带宽限制的新颖的解决方案，其通过使用行波(TW)天线并将其与安装平台强耦合来扩大天线的有效尺寸。本发明的优选形式包括总体上为曲线的且与所述平台共形的传导地表面、位于所述地表面之上并与之间隔开的宽带TW表面辐射器、在表面辐射器和传导地表面之间的阻抗匹配结构，以及位于所述表面辐射器外围上的电抗阻抗匹配网络。

权利要求

1.一种能够与弯曲平台共形的电小宽带行波天线，包括：

传导地表面，其总体为曲线的并与所述平台共形；

宽带行波表面辐射器，其由缝隙阵列和一簇中间馈电部分组成，所述一簇中间馈电部分用于所述缝隙阵列与给发射机/接收机馈电的线缆之间的连接，所述表面辐射器总体是曲线的，且除了在所述表面辐射器的接近所述地表面的外围处，所述表面辐射器与所述地表面间隔多于0.01工作行波波长，所述表面辐射器的一个曲线维度在长度上至少为0.1行波波长，以便支持经由所述缝隙阵列辐射所期望的天线图案的行波；

阻抗匹配结构，其位于所述表面辐射器和所述地表面之间，且其一端靠近所述中间馈电部分，以产生具有最小反射且具有所期望的宽带辐射性质的行波的传播；以及分布式阻抗匹配网络，其位于所述表面辐射器的所述外围处，以将所述天线强耦合到所述平台，以产生在所述天线的低工作频率上具有最小反射且具有所期望的宽带辐射性质的所述行波到所述平台上的传播。

2.如权利要求1所述的宽带行波天线，其中所述平台在所述天线之下的并接近所述天线的表面有传导性，且所述地表面与所述平台电合并。

3.如权利要求1所述的宽带行波天线，其中所述表面辐射器由一平面非频变天线通过径向共形投影成与所述平台共形的轮廓而成形。

4.如权利要求1所述的宽带行波天线，其中所述表面辐射器由一平面自互补天线通过径向共形投影成与所述平台共形的轮廓而成形。

5.一种能够与弯曲平台共形的电小宽带行波天线，包括：

传导地表面，其总体为曲线的并与所述平台共形；

宽带行波表面辐射器，其由缝隙阵列和一簇中间馈电部分组成，所述一簇中间馈电部分用于所述缝隙阵列与给发射机/接收机馈电的线缆之间的连接，所述表面辐射器总体是曲线的，且除了在所述表面辐射器的接近所述地表面的外围处，所述表面辐射器与所述地表面间隔多于0.01工作行波波长，所述表面辐射器的一个曲线维度在长度上至少为0.1行波波长，以便支持经由所述缝隙阵列辐射所期望的天线图案的行波；

阻抗匹配结构，其位于所述表面辐射器和所述地表面之间，且其一端靠近所述中间馈电部分，以产生具有最小反射且具有所期望的宽带辐射性质的行波的传播；

分布式阻抗匹配网络，其位于所述表面辐射器的所述外围处，以将所述天线强耦合到所述平台，以产生在所述天线的低工作频率上具有最小反射且具有所期望的宽带辐射性质的所述行波到所述平台上的传播；以及位于所述表面辐射器和所述地表面之间的电介质层或磁电介质衬底，和共形地位于所述表面辐射器之上的电介质层或磁电介质覆盖层。

6.如权利要求5所述的宽带行波天线，其中所述平台在所述天线之下的并接近所述天线的表面有传导性，且所述地表面与所述平台电合并。

7.如权利要求5所述的宽带行波天线，其中所述表面辐射器由一平面非频变天线通过径向共形投影成与所述平台共形的轮廓而成形。

8.如权利要求5所述的宽带行波天线，其中所述表面辐射器由一平面自互补天线通过径向共形投影成与所述平台共形的轮廓而成形。

9.一种能够与弯曲平台共形的电小宽带行波天线，包括：

传导地表面，其总体为曲线的并与所述平台共形；

宽带行波表面辐射器，其由缝隙阵列和一簇中间馈电部分组成，所述一簇中间馈电部分用于所述缝隙阵列与给发射机/接收机馈电的线缆之间的连接，所述表面辐射器总体是曲线的，且除了在所述表面辐射器的接近所述地表面的外围处，所述表面辐射器与所述地表面间隔多于0.01工作行波波长，所述表面辐射器的一个曲线维度在长度上至少为0.1行波波长，以支持经由所述缝隙阵列辐射两个或更多所期望的天线图案的两个或更多模式的行波；

阻抗匹配结构，其位于所述表面辐射器和所述地表面之间，且其一端靠近所述中间馈电部分，以产生具有最小反射且具有所期望的宽带辐射性质的所述模式的行波的传播；

分布式阻抗匹配网络，其位于所述表面辐射器的所述外围处，以将所述天线强耦合到所述平台，以产生在所述天线的低工作频率上具有最小反射且具有所期望的宽带辐射性质的所述模式的行波到所述平台上的传播；以及位于所述表面辐射器和所述地表面之间的电介质层或磁电介质衬底，和共形地位于所述表面辐射器之上的电介质层或磁电介质覆盖层。

10.如权利要求9所述的宽带行波天线，其中所述平台在所述天线之下的并接近所述天线的表面有传导性，且所述地表面与所述平台电合并。

11.如权利要求9所述的宽带行波天线，其中所述表面辐射器由一平面非频变天线通过径向共形投影成与所述平台共形的轮廓而成形。

12.如权利要求9所述的宽带行波天线，其中所述表面辐射器由一平面自互补天线通过径向共形投影成与所述平台共形的轮廓而成形。

说明书

平台上的小型的可共形的宽带行波天线

[0001] 关于联邦赞助的研究或开发的声明

[0002] 本发明在没有外界资金支持的情况下由发明者构思和创造。本发明者选择将所有的权利转让给Wang光电公司。Wang光电公司选择授权给美国国防部(DoD)免专利权使用费的使用权，类似于DoD SBIR（小型企业创新研究）程序的条款和条件，根据由美国特种作战司令部MacDill AFB,FL33621赞助的DoD SBIR No.H92222-07-C-0071合同，在认可本发明的产品开发工作后，对本发明进行使用。

技术领域

[0003] 本发明总的来说涉及射频天线，且具体地，涉及弯曲平台上的小共形宽带天线。

背景技术

[0004] 能够与弯曲平台共形的的小宽带天线对军事和商业应用来说已经日益变得更加重要。无线系统的扩散和对高速度的需要推动了宽带需求。天线的小的程度可由其工作自由空间波长来衡量；通常，如果天线的最大维度小于1/2自由空间波长，则天线是电小的（electrically small），特别是，如果为宽带宽天线，则要求，例如，其最大维度小于1/2自由空间波长超过20%。可共形特征，其被定义为对于安装天线的平台的表面具有最小的突出(protrusion)和突入(intrusion)，是期望的且甚至是必须的，特别是对于机载平台（airborne platform）更是如此。

[0005] 目前，对于天线来说，宽带和小型化/可共形性的要求是本质上矛盾的。天线的带宽受到它的尺寸、形状和周围物体干扰的限制。虽然从20世纪50年代后到60年代，已经发明了非频变（FI）类天线，且充分地在文献（例如，DuHamel和Scherer，1993；Mayes，1988）中记载，但是，这些天线的设计没有涉及到其可共形性，也没有涉及它们的安装平台，而这两者都限制了天线的尺寸和形状，以及天线的辐射性质。应注意，天线必须与馈电线缆和收发机连接，而这是不能忽视的实际的平台，特别当平台（且因此天线）是电小时更是如此。

[0006] 1970年左右，一种被称作微带贴片天线的共形天线被发明出来，该共形天线具有一个地平面作为它的设计的一部分，这样，该共形天线适合安装在具有传导或非传导表面的平台上。不过，微带贴片天线是窄带天线。又用了20年的时间，才发明了宽带微带贴片天线。这种宽带微带贴片天线是螺旋模式微带（SMM）天线（Wang和Tripp，1991；Wang和Tripp，1994）。自从1990年以来，SMM天线取得了相当大的进步(Wang，2000；Wang等人，2006)；且形成了使用平面FI天线，特别是微型化慢波（SW）天线（Wang和Tillery，2000）的另外的技术。除了高达10:1或更高的倍频程带宽以外，这些天线中的辐射特征的多样性提供了诸如双极化这样的多功能的独特的能力，这在其它的天线中很少能够得到。

[0007] 从微带贴片天线到SMM天线到SW天线，这些取得专利的设计的共同特征是包含一相当平坦的地平面，该地平面被放置成非常靠近且平行于一相当平坦的表面辐射器。在这些天线中包含传导地平面使它们适合于共形地安装在诸如飞机或地面交通工具等平台的表面上。然而，对于不规则形状的，和/或具有小尺寸且小曲率半径（就工作波长而言）的平台，这些天线还远远不能满足大部分可共形性的需求。

[0008] 而且，天线的增益带宽从根本上受它的电尺寸（即，波长尺寸）的限制；因此，当天线为电小时，很难获得宽带。这个由于天线尺寸导致的天线增益带宽限制理论是60年前(1948)由Chu建立的。自从那以后，许多在电磁场理论上很杰出的学者研究且多次研究了这个问题，且所有人都持同意的观点。今天，给定尺寸天线的增益带宽限制的Chu方程式实质上并未改变。

[0009] 最近，本发明者注意到，当把Chu理论应用于真实世界的问题时的一些主要的缺点和含糊处（Wang，August2005；Wang，March2006）。Chu理论的这些严重的缺点根源于它的基础的假设，该假设过窄且与多数的实际的问题不相符。首先，天线是很少被隔离在空间的物体；当它被安装在平台上时，它的特定的尺寸变得不明确。因为天线通常连接到给收发机馈电的传输线，所以它的长度和尺寸并不明确，特别是当它是电小时更是如此。实际上，在一些电小天线的设计中，主要的辐射器是平台或者收发机，而不是天线本身。

[0010] 其次，在Chu理论中，天线问题被限制性地由公式表示为（严格的说，不适当的）具有外部匹配网络的天线，且在它们与收发机之间存在单端口连接。利用天线孔径中的匹配结构或者使用多端口将产生不服从Chu限制的问题。

[0011] 第三，因为Chu理论是基于Q（品质因数）和带宽之间的反向关系，而随着Q减少到约4以下时，上述反向关系快速地变为无效，所以Chu理论仅可用于高Q的窄带天线。因此，Chu理论对于通常为非谐振类型的宽带（低Q）天线是完全不适用的。

[0012] 第四，不切实际的零耗散损耗的假设，使Chu理论不适用于那些以耗散损耗为小代价来对增益带宽进行优化的设计方法。

[0013] 本发明者在先前提到的两篇论文中指出，共形行波(TW)天线，诸如SMM天线和SW天线，不服从过度限制性的Chu限制。对于这些共形TW天线，大于10：1的且超过所述的Chu限制的倍频程带宽（定义为工作带宽的上限和下限的比率）是切实可行的。上频限方面的实际带宽限制主要是由于天线的辐射性质（图案和极化）的缘故；且下频限的实际的带宽限制是由于其阻抗的缘故。

[0014] 然而，这些超越Chu限制的共形TW天线受限于SMM天线和SW天线，这两种天线有传导地平面和相当平坦的且恒定距离间隔开的辐射器。

发明内容

[0015] 最近，被发明者设计了本发明，本发明可能具有优于以前的技术方法的性能和/或形状因子。

[0016] 此外，本发明是一种创新，其获得了小尺寸的弯曲表面的给定平台的宽带和可共形性，还通过将行波耦合平台的表面以产生工作频率的低端的辐射，来减少天线的尺寸。

[0017] 本发明是一种克服给定尺寸的天线的基础增益带宽限制的新颖的解决方案，其通过使用行波(TW)天线并将其与安装平台强耦合来扩大天线的有效尺寸。本发明的优选形式包括总体上为曲线的且与所述平台共形的传导地表面、位于所述地表面之上并与之间隔开的宽带TW表面辐射器、在表面辐射器和传导地表面之间的阻抗匹配结构，以及位于所述表面辐射器外围上的电抗阻抗匹配网络。

[0018] 所述表面辐射器由缝隙阵列组成，且总体上是曲线的，除了在表面辐射器的靠近所述地表面的外围处，所述表面辐射器与所述地表面间隔多于0.01TW波长。所述表面辐射器的一个曲线维度在长度上至少为0.1TW波长，以便支持经由所述缝隙阵列辐射所期望的天线图案的所述行波。表面辐射器在中央区域有一簇中间馈电部分，其连接到给发射机/接收机馈电的线缆。

[0019] 位于表面辐射器和地表面之间的阻抗匹配结构产生具有所期望的宽带辐射性质的一种或多种模式的行波的传播。分布式电抗阻抗匹配网络位于表面辐射器的外围，以产生具有所期望的宽带辐射性质的所述TW到所述平台上的传播。

[0020] 表面辐射器源自一平面宽带天线，优选地为平面非频变(FI)类型，该平面宽带天线通过弯曲和伸展按照径向共形投影而将其轮廓调整为与所期望的共形表面相符，且在从截断的平面宽带或FI天线到与所述平台共形的弯曲表面过程中，保持其径向维度。平面FI天线可以为对数周期(LP)型，自互补型，正弦型，等。可以添加用于表面辐射器的一个或多个电介质层或磁电介质衬底或覆盖层，以减小天线的尺寸，或增加天线的带宽。

[0021] 本发明的新颖性在于克服了给定尺寸和形状的天线的基础增益带宽限制的明智而简单的解决方案。本发明来源于对这个领域中的完全确立的理论的缺点的深刻理解。通过使用行波天线，并将其与安装天线的平台强耦合，天线的有效尺寸被扩大，且因此天线增益带宽被增强。本发明将要克服安装在平台上的天线的频率带宽限制，特别是克服对频率的下限的限制。

[0022] 本发明是一种用于安装在弯曲平台上的电小共形宽带天线。（如下文中所使用的，“电小”在天线理论中通常是指1/2自由空间波长或更短的线性维度。因此，“电小天线”，是指最大线性维度是1/2自由空间波长的或者更短的天线。）它的低的轮廓和共形形状使其适合安装或集成在小曲率半径的弯曲平台上且有最小的突入和/或突出。天线和其安装平台作为天线/平台组件而被共同考虑和设计，从而利用天线和其安装平台之间的交互作用，以获得宽带，可共形性和小型化的特点，特别是当天线的最大维度小于例如1/2波长时更是如此。本发明的优选的形式包括通常是曲线的且与所述平台共形的传导地表面、位于所述地表面以上且有一定间隔的宽带行波(TW)表面辐射器、在表面辐射器和传导地表面间的阻抗匹配结构，以及位于所述表面辐射器的外围的电抗性阻抗匹配网络。

[0023] 所述表面辐射器包括缝隙阵列，且并通常为曲线的，且除了在所述表面辐射器靠近所述地表面的外围处，所述表面辐射器与所述地表面间隔多于0.01TW波长。（这里，TW波长是指所期望的传播的TW的波长。）表面辐射器的至少一个曲线维度在长度上至少为0.1TW波长，以支持经由缝隙阵列辐射所期望的天线图案的TW。表面辐射器在中央区域具有一簇中间馈电部分，其与给发射机/接收机馈电的线缆连接。

[0024] 位于表面辐射器和地表面之间，且位于所述中间馈电部分和表面辐射器的外围之间的阻抗匹配结构，产生具有所期望的宽带辐射性质且具有最小反射的一个或多个模式的TW的传播。分布式电抗阻抗匹配网络位于所述表面辐射器的外围处，以产生所述TW到平台上的传播，来获得整个天线/平台组件的所期望的宽带辐射特性，并具有最小反射。

[0025] 表面辐射器来源于一平面宽带天线，优选地，源于一平面非频变(FI)型宽带天线，通过弯曲和伸展，该平面宽带天线的轮廓被调整到所期望的共形表面。换句话说，表面辐射器是从一截断的平面宽带或FI天线到与所述平台共形的弯曲表面的径向共形投影，且保持其径向维度。（径向维度或径向距离被定义为，从中间馈电部分的中心沿着表面辐射器的曲线表面向外到表面辐射器上的一点所测量的长度。）平面FI天线已经很好地被记录于文献中(DuHamel和Scherer,1993;Mayes,1988)，其可以是对数周期(LP)型，自互补型，正弦型，等。

[0026] TW天线的馈电部分包括一对或更多对传输线，其可以支持不同的辐射模式和/或双正交极化的或圆极化。一个或多个电介质层或磁电介质（magneto-dielectric）衬底可被安置于地表面和表面辐射器之间，或作为覆盖层放置于表面辐射器之上，或一个或多个电介质层或磁电介质衬底被安置于地表面和表面辐射器之间且作为覆盖层放置于表面辐射器之上，以进一步减少天线尺寸，或增加天线带宽，特别是天线带宽的下限。

附图说明

[0027] 图1示出了安装于非常弯曲的平台上的天线的平面视图；

[0028] 图2A示出了安装于非常弯曲的平台上的小共形宽带TW天线的平面视图；

[0029] 图2B示出了图2A中所示的天线/平台在A-A’平面截取的横截面视图；

[0030] 图2C图解说明了在保持径向维度下，一平面结构到一弯曲表面的径向共形投影的几何构造；

[0031] 图3示出了用于通过径向共形投影而得到表面辐射器的平面宽带缝隙阵列；

[0032] 图4A示出了用于通过径向共形投影而得到表面辐射器的正方形平面对数周期缝隙阵列；

[0033] 图4B示出了用于通过径向共形投影而得到表面辐射器的细长的平面对数周期缝隙阵列；

[0034] 图5A示出了用于通过径向共形投影而得到表面辐射器的圆形平面正弦缝隙阵列；

[0035] 图5B示出了用于通过径向共形投影而得到表面辐射器的细长的正弦平面缝隙阵列；

[0036] 图5C示出了用于通过径向共形投影而得到表面辐射器的细长的锯齿形平面缝隙阵列；

[0037] 图5D示出了用于通过径向共形投影而得到表面辐射器的细长的对数周期自互补型平面缝隙阵列；

[0038] 图6在(a)S内的源和(b)S上的等效的表面电流及表面磁流之间，示出了封闭的表面S之外的场的等效图；

[0039] 图7示出了TW天线和平台的等效电路。

具体实施方式

[0040] 物理结构

[0041] 现在参考图1，该图描述了安装在平台30上的天线10，天线/平台组件共同用50表示，这是由于，且特别是天线的尺寸小于如1/2波长时，天线10及其安装平台30之间有不可分离的相互作用。

[0042] 在本发明的一个优选的形式中，以图2A的平面视图，并以图2B中的以图2A的A-A’平面截取的横截面视图，描绘了与一平台耦合的共形宽带行波(TW)天线。宽带TW天线100共形地安装在平台300上，且作为一个集成的天线/平台组件200。共形安装，通常意味着天线是低轮廓结构的，使其能以最小的突入和/或突出集成在平台上。

[0043] 宽带TW天线100由位于传导地表面150以上且与之间隔开的宽带TW表面辐射器110组成，传导地表面150和宽带TW表面辐射器110通常是曲线的并与平台300共形。表面辐射器110在它的中央区域具有一簇中间馈电部分112，并具有缝隙阵列115以支持具有需要的宽带辐射性质的TW。表面辐射器110通常是曲线表面，其位于传导地表面150之上，除了外围140处外，其与传导地表面150的间隔超过0.01TW波长（在其整个工作频率内），在外围140处，表面辐射器110可能靠近地表面150或者与之接触。

[0044] 描述表面辐射器110的线条象征性地表示了一定宽度的传导带，这些传导带未在图2A的平面视图中明确示出，且其宽度可以是恒定的也可以是变化的。缝隙阵列115源于一截断的平面天线，此截断的平面天线被弯曲以与所述平台的曲面共形。图2C在一个包含z轴的横截面内（就是说，以球面坐标表示的θ平面或θ-z平面内），示出了该弯曲的缝隙阵列115怎样由图3所示的平面宽带天线410通过径向共形投影形成。

[0045] 在这里，径向共形投影被定义为，2维(2D)平面结构410向3维(3D)表面结构115的投影，同时保持径向距离或维度。该径向距离或维度被定义为，沿着表面辐射器110的曲线表面从中间馈电部分的中央112（z轴）向外到表面辐射器110上的一点所测得的长度。该径向距离或维度能通过从z轴向外、沿着表面辐射器110的曲线表面、按着（如图2C所示的）矢量116的方向进行线积分而得，矢量116与以球面坐标表示的（由z轴和固定的矢量θ形成的）固定的θ平面以及表面辐射器的沿着该线积分路径的表面切线平行。尽管表面辐射器110的表面总的来说是曲线的，但是，设计应该将矢量116的快速变化减到最小，以获得TW的平滑传播。

[0046] 如果我们将上述过程想象为将2D平面天线410转换成3D弯曲的缝隙阵列115的弯曲过程和伸展过程，则弯曲过程发生在径向维度（或方向）上，而伸展和收缩过程发生在正交维度（或方向）上。换句话说，该表面辐射器是一径向共形投影，此径向共形投影在从截断的平面宽带或FI天线到与平台共形的弯曲的辐射器的过程中，在共形径向维度上具有最小的改变。

[0047] 在图2A中，表示表面辐射器110的线条是4臂自互补螺旋状的物体，其中，金属带的宽度和金属带间的间隔是相等的（根据“自互补”的定义），并可针对表面辐射器110的辐射性质及其对沿着表面辐射器110的需要的TW的支持来选择。如图2B所示，表面辐射器110的缝隙阵列115在这里是一4臂自互补螺旋状物体的平面壳，该螺旋状物体在x-z平面内弯曲成圆柱弧（cylindrical arc），以与圆柱形平台共形，而在y-z平面内不弯曲。

[0048] 表面辐射器110的一个曲线维度（在这种情况下，为y维度）在长度上至少为0.1TW波长，以支持经由所述表面辐射器辐射出所需的天线方向图的规定的TW。阻抗匹配结构130位于中间馈电部分112、TW表面辐射器110的外围140以及地表面150之间，以产生具有最小反射的所述的TW的传播。

[0049] 表面辐射器110的中央区域中的这簇中间馈电部分112是一微波电路，此微波电路激发表面辐射器110上的所期望的TW模式，而且，其在一侧匹配表面辐射器110和地表面150的输入阻抗并在另一侧匹配馈线160的输入阻抗。中间馈电部分112的设计大体上遵从微波理论以及多端子平面天线结构的理论（Deschamps，1959）。馈线160可以是用于单模式操作的双引线传输线，或用于双模式操作的一对双引线传输线。馈线160可包含平衡-不平衡变换器(balun)，或一复用电路，其也用作中间馈电部分112和发射机/接收机(T/R)350的输入端子的平衡/非平衡电路结构之间的阻抗变换器。

[0050] 分布式电抗阻抗匹配网络141位于表面辐射器的外围，以产生所述TW到平台300上的传播，所述传播对于整个天线/平台组件具有所需的宽带辐射性质，并具有最小反射。分布式电抗阻抗匹配网络141的一种简单设计可以是在表面辐射器110的外围140分布的、与平台300连接的一组非常短的（小于1/100波长）导线。用于宽带阻抗匹配的阻抗匹配结构13以及外围140处的分布式阻抗匹配网络141的一般理论和技术在微波电路的领域里已是完全确定的，这些理论和技术可以适用于本申请（例如，详细的著述可以在Matthaei等人1964的著作里找到，1985年再版），并且，对于更为复杂的阻抗匹配的情况或者对于更好的宽带的性能，这些理论和技术可能也是必需的。必须指出的是，如果有两个或更多的模式待被用于天线的多模式操作、多功能操作、或者图案/极化分集操作，则对于TW的每个模式，都需要满足阻抗匹配的要求。

[0051] 由于表面辐射器上的辐射来自于由多臂螺旋物形成的缝隙阵列115，因此，如图3所示的表面辐射器410可能是本发明的更通用和更典型的结构之一。这里，表面辐射器410包括缝隙阵列420、中间馈电部分430，和在外围440处的分布式阻抗匹配网络；整个天线/平台组件被表示为400。然而，注意，图2A和图2B中的螺旋形的结构对于用于TW的单模式或多模式的宽带激发的天线的中央区域中的这簇中间馈电部分112的设计提供了一种便利的结构。还要注意，每个矩形圈的四个缝隙可以连接以形成一个矩形环形缝隙，使得该天线变成一环形缝隙阵列。每个缝隙阵列单元可以被进一步细分，以形成更多单元的阵列。

[0052] 注意，图3所示的缝隙阵列形式的表面辐射器410仅是宽带平面天线的平面视图，为了获得所需的3维表面辐射器，必须使用图2C所示的径向共形投影。还要注意，在转变中，当不可能对所有的θ或θ-z平面保持径向不变（fidelity）时，则保持沿着源于中间馈电部分430中心的至少一个径向曲线坐标不变，以与平台450的表面共形。用一种更直观的方式表述，表面辐射器410的构造可以从一平面2维结构开始，之后将其弯曲和伸展成一弯曲表面，同时保持至少一个子午线（沿着源于中间馈电部分430中心的径向曲线坐标）的长度不变，且正交维度进行必要的扭曲，以便实现表面辐射器410的最终的共形曲面。

[0053] 表面辐射器的其他形式可以从文献(DuHamel和Scherer,1993;Mayes,1988)中论述的平面非频变(FI)天线中的任一个获得，这些平面非频变天线可以是对数周期(LP)型，自互补型、正弦型，等。例如，图4A所示的平面FI天线500可以通过径向共形投影而被弯曲和伸展，同时保持沿着源于中间馈电部分520中心的且沿着表面辐射器510的至少一个径向曲线坐标不变，以与平台的表面共形。

[0054] 图4B示出了一细长的平面FI天线600，该FI天线像在图4A中的FI天线一样可以被弯曲和伸展，且保持沿着源于中间馈电部分620中心的及沿着表面辐射器610的至少一个径向曲线坐标不变，以与平台的表面共形。图4B所示的结构适合于其上分配给安装天线的表面是细长的区域的形状的平台，而在图4A中，平台上分配给安装天线的表面是矩形的形状。

[0055] 保持沿着源于中间馈电部分的中心的至少一个径向曲线坐标不变的目的，是使TW能够以最小反射沿着该径向方向传播。例如，在图2A和2B中所示的表面辐射器110的圆柱弧形壳的形式的情况下，主要的径向坐标与y轴平行。

[0056] 图5A、5B、5C、5D示出了其他的平面FI TW天线单元，这些平面FI TW天线单元可被用来通过径向共形投影而形成表面辐射器710、720、730和740。

[0057] 发明的理论基础

[0058] 应该指出，用于宽带共形天线的现有技术的方法是针对安装在一平台的大的平面的表面区域上，且此平面的表面区域具有一大的曲率半径。这些天线的理论源于非变频(FI)平面天线(DuHamel和Scherer,1993;Mayes,1988)以及之后的创新，此创新明智地加了一个背向传导地平面，以使这些天线适合于共形地安装在平台上的大的平面的表面区域上(Wang和Tripp,1991;Wang和Tripp,1994;Wang和Tillery,2000)。

[0059] 不失一般性，本发明的操作理论可以通过考虑发射的情况来进行解释；根据互易性，接收的情况与发射的情况类似。参考图2A与2B，行波(TW)在共形宽带TW天线100的馈电部分112处发起，且从z轴向外向外围140径向传播。当TW沿曲线表面辐射器110径向传播时，辐射从缝隙阵列115产生，缝隙阵列115对于所期望的辐射图案处于适合的相位关系。TW通过适当设计的阻抗匹配结构130而以最小的反射从z轴向外径向传播，阻抗匹配结构130位于表面辐射器110和地表面150之间，且经由外围140处的分布式阻抗匹配网络141与平台300耦合。阻抗匹配对于天线的性能是至关重要的，且必须在从馈电部分112到外围140且之后到安装平台300的宽的带宽内得到满足。关于多级传输线和波导的一般的阻抗匹配技术可在文献中获得(例如,Matthaei等人,1964,1985再版)。

[0060] 在Walter(1965)的著作中，可以找到关于行波天线的一般性讨论。对平台上的本电小宽带共形TW天线的辐射的讨论如下（Wang，1999，pp.103-105以及165-175）。图6显示出，就外部场而言，依据等效性原理，（a）中描绘的天线/平台组件的初始问题，与(b)的问题是等价的。图6中的S是一个围住天线/平台组件的封闭表面，且被选择成无限接近天线/平台组件。

[0061] 封闭表面S外边的时谐电场和磁场，E和H，可以由以下给出的等式表示为表面S上的等效电流和等效磁流Js和Ms产生的电场和磁场:

[0062] Ms=-n×E 在S上 (1a)

[0063] Js=n×H 在S上 (1b)

[0064] 封闭表面S外的电磁场由下式给出

[0065] ，在S外面 (2)

[0066] 其中，g是由下式给出的自由空间格林函数

[0067] (3)

[0068] κ=2π/λ；其中，λ是TW的波长。η是自由空间波阻抗，等于 或120π，εο和μο分别是介电常数和磁导率。且ω=2πf，其中，f是感兴趣的频率。

[0069] 不带撇和带撇(’)的位置矢量，r和r’，分别与量值r和r’，分别对应源坐标和场坐标中的场点和源点。（所有“带撇的”符号指的是源。）符号 表示与带撇的(’)坐标系对应的表面梯度算子，且 表示场位置矢量r的方向上的单位矢量。

[0070] 对于由缝隙阵列组成的本TW天线，表面辐射器区域完全通过等效表面磁流Ms表示。至于在平台的表面内的区域，如果平台表面是导电的，则仅有等效表面电流Js。对于不导电的平台的表面区域，通常存在等效表面电流和磁流，Js和Ms。

[0071] 在区中的时谐磁场由下式给出

[0072] 远区中 (4)

[0073] 请注意，根据等式(1)到(4)，这里所涉及的源，场，和格林函数，都是复矢量。因此，辐射将仅在等式(2)中的积分实质上同相位时才是有效的；且辐射必须也产生一个有用的辐射图案。对于所需的最大辐射，好的阻抗匹配是至关重要的。基于天线理论，且特别对于等式(2)和(3)中的问题，有用的天线辐射图案直接与它的源电流有关。因此，从已知的宽带天线结构设计宽带平面阵列而不是通过随机方法进行设计，是有益的。

[0074] 图7示出了TW天线结构100中从表面辐射器110的中心区域的中间馈电部分112的阵列单元馈电端子簇到外围140处的阻抗匹配网络的等效电路。作为从中间馈电部分112看到的输入阻抗ZT，可以分为三段传输线，每段包含等效的集总阻抗。

[0075] 第一级，阻抗ZSR，其表示表面辐射器110。下一级是T连接形式的阻抗ZTW，其表示阻抗匹配结构130。第三级是表面辐射器110的外围区域140处的L网络形式的分布式阻抗匹配网络ZPE141。最后一级，平台300，表示为阻抗ZPL。输入阻抗ZT将通过阻抗匹配结构130（或者ZTW）及分布式阻抗匹配网络141（或者ZPE）与馈线160匹配。

[0076] 本发明的变化和替代形式

[0077] 虽然表面辐射器的结构是，或得自于，图2到图5中所示的使用径向共形投影的平面FI天线，但是，其它的平面天线及其它的投影方式可以作为本发明的替代的形式，只要它们能够以最小反射支持TW波并具有所需的辐射性质。