根据基本元件的库构建符合规范的多频带天线布置

摘要

本发明公开了一种天线布置，该天线布置被设计为基于成本函数匹配或接近规范，该规范包括多个预定义的频率的列表，并且可能包括处于匹配级别的预定义的带宽的列表。使用多个预定义的元件来设计天线布置，这些预定义的元件包括被定义为主要干线的主要导电元件以及从干线、分支或叶子选择的次要导电元件的组合。主要导电元件和次要导电元件由设计参数定义，该设计参数包括电纳，其是几何形状、外形规格、主要维度、次要导电元件相对于主要导电元件的定向以及次要导电元件在主要导电元件上的位置的函数。还可以定义天线布置以匹配预定义的外形规格。

说明书

技术领域

本发明涉及在VHF、UHF、S、C、X或更高频带中具有多个频率模式的天线布置。更精确地，可以根据本发明设计具有紧凑外形规格的天线布置以匹配规范，并根据基本元件的库(例如，次要干线(trunk)、分支和叶子的主要部分)进行构建。由于本发明，可以为这种天线布置的设计者提供工具和库，这些工具和库大大改进他/她在天线开发中的效率。

背景技术

在飞机、轮船、火车、卡车、汽车上的或由行人携带的终端或智能电话需要在移动的同时进行连接。在车辆上或位于制造工厂、办公室、仓库、存储设施、零售场所、医院、运动场馆或家中的各种物体均连接到物联网(IoT)：用于定位并标识库存中的物体或使人员进入或离开受限制区域的标签；用于监视其用户的身体活动或健康参数的设备；用于捕获环境参数(污染物浓度、测湿法、风速等)的传感器；用于远程控制和命令各种装置的致动器，或更一般地，可以是命令、控制、通信和智能系统的一部分的任何类型的电子设备，该系统例如被编程以进行以下操作：捕获/处理信号/数据；将信号/数据发送到另一电子设备或服务器；使用实现人工智能或基于知识的推理的处理逻辑来处理数据；以及返回信息或激活要由致动器实现的命令。

在连接这些类型的物体或平台的方面，RF通信比固定线路通信更加通用。因此，射频T/R模块在专业应用和消费者应用中将越来越普遍。可以在同一设备上实现多个T/R模块。通过示例的方式，智能电话典型地包括蜂窝通信T/R模块、Wi-Fi/蓝牙T/R模块、(来自全球导航卫星系统或GNSS的)卫星定位信号的接收器。Wi-Fi

针对IoT连接的一个很好的折中似乎在VHF频带(30MHz至300MHz)或UHF频带(300MHz至3GHz)中，以获得足够的可用带宽和范围、对多径反射的良好弹性以及低功率预算。

针对在这些频带处的T/R模块的设计要解决的问题是具有足够紧凑以适合连接的物体的外形规格的天线。适用于VHF频带的传统的单极类型的全向天线的长度在25cm至2.5m(λ/4)之间。该问题的解决方案尤其由公开号为WO2015007746的PCT申请提供，该PCT申请与本申请具有相同的发明人并共同转让给本申请的申请人。该申请公开了一种塞子类型(bung type)的天线布置，其中组合了多个天线元件，使得布置的最大维度与波长之间的比率可以比波长的十分之一低得多，甚至低于波长的二十分之一，或者在一些实施例中低于波长的五十分之一。为了获得这样的结果，控制天线的基本模式的天线元件以3D外形规格(例如，螺旋形)被卷绕，使得其外部维度相对于其长度减小。

但是，还需要连接的设备与使用Wi-Fi或蓝牙频带和协议进行通信的终端兼容。在该用例中，T/R模块的一些阶段必须与VHF频带和S频带兼容。如果添加了GNSS接收器，则还需要L频带中的T/R容量。这意味着这种设备的天线布置应该能够在不同的频带中同时或相继通信。就外形规格、功率预算和材料而言，添加与频带一样多的天线是昂贵的。这给天线设计带来了另一挑战性的问题。通过公开号为WO2001/22528和WO2003/34544的PCT申请公开了用于基站天线的一些解决方案。但是这些解决方案不在VHF频带中操作，并且不提供在这些频带中足够紧凑的布置。

本申请的申请人已经提交了公开号为EP3285333的欧洲专利申请，该欧洲专利申请与本申请具有相同的发明人。本申请公开了一种“盆景式(bonsai)”天线布置，即，包括以下各项的天线布置：第一导电元件，其被配置为在定义的电磁辐射频率以上辐射；一个或多个附加(或次要)导电元件，其位于根据电磁辐射的谐波的电流的节点的位置(即，零电流位置或开路(OC)位置)定义的一个或多个位置处或其附近。

所述专利申请公开的盆景式天线布置提供了一定的灵活性来调整“干线”天线的较高阶模式附近的天线的辐射频率，这要归功于由天线布置的设计者放置在干线的所选点处的“叶子”。但是这种灵活性受到某些限制的约束。值得注意的是，在实践中，应该将可以在同一干线上调整的频率的数量限制为四个(基本模式加上三个第一较高阶模式)，以避免在添加到干线上的叶子之间发生电磁耦合。而且，叶子的长度应保持为干线的长度的一部分，以避免干扰其他模式，从而将频率偏移限制为每种模式的辐射频率的值的一部分。因此，不可能在由该第一专利申请公开的类型的天线布置上实现任何种类的所选频率。

通过向主要干线提供附加的次要干线和/或分支以增加天线布置的共振频率的数量并扩大其使用频域，在某种程度上已经克服了该现有技术的一些限制性，如公开号为EP2017/306929.5的欧洲专利申请所公开的，该欧洲专利申请与本申请具有相同的发明人和相同的申请人。

而且，该第一申请没有公开如何控制在共振频率附近的带宽。通过向在受控位置处的主要干线提供附加的其他共振元件以形成比主要干线的电磁辐射的所选谐波中的一个的频率处的结构更高阶的共振结构，在某种程度上已经克服了该缺点，如公开号为EP2016/306768.9的欧洲专利申请所公开的，该欧洲专利申请与本申请具有相同的发明人和相同的申请人。

这三个专利申请公开了与它们公开的天线布置相关联的设计方法。但是仍然需要一种盆景类型的天线布置，其可以被简单且快速地设计以匹配典型规范，然后使用天线设计的普通技术人员可用的设计工具根据基本组件的库构建该设计。

本专利申请在很大程度上克服了这些限制。

发明内容

本发明通过提供一种由主要元件和次要元件构建的天线布置来满足该需求，该主要元件和次要元件可以从干线、分支和/或叶子的库中得到，干线、分支和/或叶子是可配置的并且可以基于多个设计参数(例如，其在共振频率、带宽和外形规格方面与期望的规范匹配的电磁电纳)根据一组设计规则进行组装。

更具体地，本发明公开了一种天线布置，包括：具有定义的几何参数的主要导电元件，该主要导电元件具有近端和远端，近端被连接在馈线(210)处，远端是开路位置，主要导电元件定义第一多个共振频率；一个或多个次要导电元件，每个次要导电元件具有定义的几何参数、近端和远端，近端被连接在主要导电元件上的馈送连接处，远端是开路位置并且定义相对于主要导电元件的定向，一个或多个次要导电元件生成第二多个共振频率；其中，在第二多个共振频率中的频率各自满足馈线处的共振条件，该共振条件由主要导电元件的片段的输入电纳和一个或多个次要导电元件中的一个次要导电元件的输入电纳的组合的序列确定，每个组合是在主要导电元件上在一个或多个次要导电元件中的所述一个次要导电元件的馈送连接处生成的，主要导电元件的片段将其远端或一个或多个次要导电元件中的另一次要导电元件的馈送连接中的一个连接到一个或多个次要元件中的一个次要元件，序列从主要导电元件的远端开始并且在其近端结束。

有利地，通过以下操作中的一个或多个，根据第一多个共振频率来推导第二多个共振频率：使一个或多个频率值偏移；放大多个共振频率中的一个或多个频率的带宽；或者添加一个或多个新的共振频率。

有利地，主要导电元件的片段的输入电纳由所述主要导电元件的定义的几何参数确定。

有利地，一个或多个次要导电元件中的每个次要导电元件的输入电纳取决于一个或多个次要导电元件中的所述每个次要导电元件的定义的几何参数，并且取决于所述每个次要导电元件相对于主要导电元件的定向。

有利地，主要导电元件的定义的几何参数以及一个或多个次要元件中的每个次要元件的定义的几何参数包括几何形状、外形规格和主要维度。

有利地，一个或多个次要导电元件中的一个次要导电元件的主要维度低于与天线布置的第二多个共振频率中的最高值相对应的波长的四分之一，添加一个或多个次要导电元件具有使天线布置的第一多个共振频率中的一个或多个共振频率偏移的效果。

有利地，一个或多个次要导电元件中的一个次要导电元件的主要维度高于与天线布置的第二多个共振频率中的最高值相对应的波长的四分之一，并且低于与天线布置的第二多个共振频率中的最低值相对应的波长的四分之一。

有利地，添加一个或多个次要导电元件具有将一个或多个潜在的新的共振频率添加到天线布置的第一多个共振频率的效果，新的共振频率的值在对应于波长的值与第二多个共振频率中的最高值之间，该波长等于一个或多个次要导电元件中的所述一个次要导电元件的主要维度的四分之一。

有利地，如果潜在的新的共振频率中的一个或多个共振频率与第一多个共振频率中的所有频率值充分分离，则该一个或多个共振频率是新的共振频率。

有利地，当一个或多个次要导电元件中的一个次要导电元件具有不位于馈线处的馈送连接时，添加一个或多个次要导电元件中的一个次要导电元件具有使天线布置的第一多个共振频率中的其值在第二多个共振频率中的最低值与对应于波长的频率值之间的一个或多个共振频率偏移的效果，该波长等于一个或多个次要导电元件中的所述一个次要导电元件的主要维度的四分之一。

有利地，一个或多个次要导电元件中的一个次要导电元件的输入电纳等于等效单极天线的特性导纳乘以系数的正切乘以一个或多个次要导电元件中的一个次要导电元件的等效长度，该系数等于2πf/c，其中f是多个共振频率中的一个，并且c是光速。

有利地，一个或多个次要导电元件中的一个次要导电元件在主要导电元件的远端的距离

有利地，一个或多个次要导电元件中的一个次要导电元件在主要导电元件的远端的距离

有利地，本发明的天线布置还包括一个或多个第三导电元件，每个第三导电元件具有定义的几何参数、近端和远端，近端被连接在一个或多个次要导电元件中的一个次要导电元件上的馈送连接处，远端是开路位置并且定义相对于一个或多个次要导电元件中的一个次要导电元件的定向。

有利地，本发明的天线布置还包括一个或多个第四导电元件，每个第四导电元件具有定义的几何参数、近端和远端，近端被连接在一个或多个第三导电元件中的一个第三导电元件上的馈送连接处，远端是开路位置并且定义相对于一个或多个第三导电元件中的一个第三导电元件的定向。

有利地，本发明的天线装置被调谐为在两个或更多个频带中进行辐射，该两个或更多个频带包括ISM频带、Wi-Fi频带、蓝牙频带、3G频带、LTE频带和5G频带中的一个或多个。

本发明还公开了一种设计天线布置的方法，包括：定义具有确定的几何参数的主要导电元件，该主要导电元件具有近端和远端，近端被连接在馈线处，远端是开路位置，主要导电元件定义第一多个共振频率；定义一个或多个次要导电元件，每个次要导电元件具有确定的几何参数、近端和远端，近端被连接在主要导电元件上的馈送连接处，远端是开路位置并且定义相对于主要导电元件的定向，一个或多个次要导电元件生成第二多个共振频率；其中，主要导电元件和一个或多个次要导电元件的几何参数以这样的方式确定：在第二多个共振频率中的频率各自满足馈线处的共振条件，该共振条件由主要导电元件的片段的输入电纳和一个或多个次要导电元件中的一个次要导电元件的输入电纳的组合的序列确定，每个组合是在主要导电元件上在一个或多个次要导电元件中的所述一个次要导电元件的馈送连接处生成的，主要导电元件的片段将其远端或一个或多个次要导电元件中的另一次要导电元件的馈送连接中的一个连接到一个或多个次要元件中的一个次要元件，序列从主要导电元件的远端开始并且在其近端结束。

有利地，将一个或多个次要导电元件在定义的位置处迭代地添加到主要导电元件，以便与包括第二多个预定义的频率的天线布置的规范匹配。

有利地，被添加以与天线布置的规范匹配的一个或多个次要导电元件还被定义为：针对第二多个预定义的频率中的至少一个或多个频率，与指定带宽匹配。

有利地，被添加以与规范匹配的一个或多个次要导电元件还被定义为：与天线布置的外形规格匹配。

有利地，一个或多个次要元件是从预定义的元件的数据库中得到的。

有利地，已经通过使用基于Smith圆图的图形计算、分析计算、仿真工具或模型中的一个或多个来生成预定义的元件。

有利地，通过使用基于Smith圆图的图形计算、分析计算、仿真工具或模型中的一个或多个来执行与规范的匹配。

有利地，还通过优化成本函数来执行与规范的匹配。

本发明的天线布置提供了这样的优点：在非常宽的频域上提供具有受控值和受控带宽的多个共振频率。

本发明的天线布置可以是紧凑的，从而允许其集成在小体积或减小的表面中。

本发明的天线布置有利地简单设计，尤其是在将至少两个(但可能更多个)辐射频率调谐到期望值时，从而考虑天线布置的环境的影响，尤其是接地平面的影响，第一和第二主要导电元件以及次要导电元件(或“叶子”)的相对位置会对其电气性能产生电磁影响。

本发明的天线布置易于制造，并且因此具有非常低的成本。

而且，本发明的天线布置非常容易以正交配置或共面配置连接到RF印刷电路板(PCB)。

在一些可选实施例中，考虑到目标匹配级别，可以控制基本辐射频率或较高阶模式的带宽，以便保证在这些受控频率下发送视频或需要高吞吐量的其他内容的最低服务质量。

根据本发明，提供了多个设计工具，其允许以图形、分析或数字方式(或使用三种方式的组合)找到与规范匹配的可能的设计参数。

附图说明

通过阅读以下仅通过非限制性示例的方式给出的对特定实施例的详细描述，将更好地理解本发明及其优点，该描述是参考附图进行的，其中：

-图1a和图1b示意性地示出了当前使用的天线的规范；

-图2示出了根据本发明的一些实施例的由多个天线元件构建的天线布置；

-图3a、图3b、图3c、图3d和图3e示出了根据本发明的一些实施例及其用例中的一些的不同类型的天线元件；

-图4a、图4b、图4c、图4d、图4e、图4f和图4g示出了根据本发明的一些实施例的不同形状的天线元件的示例；

-图5a、图5b、图5c和图5d示出了根据本发明的一些实施例的不同外形规格的叶子天线元件的示例；

-图5e、图5f、图5g和图5h示出了根据本发明的一些实施例的不同外形规格的干线/分支天线元件的示例；

-图6a、图6b、图6c、图6d、图6e、图6f和图6g示出了根据本发明的一些实施例的天线元件的组装件的示例；

-图7a、图7b、图7c、图7d、图7e和图7f示出了根据本发明的一些实施例的不同形状的天线元件的组装件的示例；

-图8是示出根据本发明的一些实施例的天线布置的设计方法的流程图；

-图9是示出根据本发明的一些实施例的天线布置的设计方法的另一流程图；

-图10a、图10c、图10e和图10g示出了根据本发明的一些实施例的天线元件的组装件的示例，并且图10b、图10d、图10f和图10h示出了这些组装件的响应的频率响应；

-图11a、图11c和图11e示出了单极天线的基本共振模式、第一较高共振模式和第二较高共振模式的电流和电压的分布，并且图11b、图11d和图11f分别示出了在Smith圆图上对天线布置在这些谐波的每个谐波处的输入导纳的计算；

-图12a、图12b和图12c示出了对叶子的等效物理长度的计算，并且图12d、图12e和图12f示出了位于干线上的叶子分别对干线的基本共振模式、第一较高共振模式和第二较高共振模式的影响；

-图13a示出了位于干线上的两个叶子；图13b和图13c、图13d和图13e、图13f和图13g分别示出了图13a的天线布置的配置以及使用Smith圆图对其输入导纳的计算。

具体实施方式

图1a和图1b示意性地示出了天线的规范。

要由天线布置的设计者解决的问题是定义允许匹配技术规范的性能标准的天线布置的各种元件。通常，性能标准将包括：

-中心频率在定义的范围[f

-这些中心频率的值f

-这些中心频率附近的指定带宽的值，{Δf

图1a和图1b示出了要在指定的匹配级别上设计的天线布置的频率响应。

图1a示出了具有三个不同信道的示例，这些信道具有三个中心频率f

图1b示出了具有四个不同信道的另一示例，这些信道具有大约覆盖相同的频率范围的四个中心频率f

通常将存在满足指定要求的多种解决方案，使得可以添加其他约束。

例如，天线的规范可以由在指定的匹配级别上具有定义的带宽的辐射频率和在这些频率处的辐射图来定义。辐射图定义了天线在空间的每个方向上应该实现的增益，以及使用该天线的无线电链路的对应的信噪比(SNR)。

还可以关于天线布置中的元件的数量、关于维度和/或重量来定义一些约束。

由于本发明，可以向天线的设计者提供布置工具，该布置工具允许通过组装具有预定义的共振模式并且在组装时已知其行为的预定义的元件来设计布置。

因此，根据本发明，定义了一组规则以高效地组装元件来匹配规范。

图2示出了根据本发明的一些实施例的由多个天线元件构建的天线布置。

天线布置200具有主要干线MT 211，其被连接在该布置的馈线210处。还可以设置多个次要干线{ST

MT或ST可以承载多个分支{B

然后，可以将叶子{L

因此，天线设计领域的普通技术人员将能够使用根据本发明定义的各种元件。本发明还为该普通技术人员提供了一组规则，以选择适当的元件并将其放置在要被设计的天线布置的结构中。

图3a、图3b、图3c、图3d和图3e示出了根据本发明的一些实施例及其用例中的一些的不同类型的天线元件。

根据本发明的天线布置包括在图3a、图3b、图3c或图3d中的一个上例示的类型的天线元件。

图3a示意性地示出了主要干线MT。主要干线利用在该点处与天线布置的接地平面正交或不正交的连接直接连接到天线布置的馈线。主要干线是单极天线，其长度l等于λ/4，其中λ是该天线元件的基本模式的波长，其中λ＝c/f，其中f是基本模式下的辐射频率，并且c是真空中的光速。

主要干线MT是天线布置的基本辐射元件。该主要干线MT在频率范围[f

图3b示意性地示出了次要干线ST。次要干线利用在该点处与天线布置的接地平面不正交的连接直接连接到天线布置的馈线。在其中MT与接地平面不正交的一些实施例中，ST本身可以与接地平面正交地定位。次要干线的长度l’定义天线布置的另一共振频率f’，其中l’＝λ’/4并且λ’＝c/f’。如下面更详细解释的，次要干线在频率范围[f

因此，次要干线有利地用于向天线布置添加新的发送/接收通信信道。

图3c示意性地示出了分支B。分支添加新的辐射频率并修改预先存在的天线布置的辐射模式中的一些辐射模式(分支的连接点不是冷点(cold spot)的辐射模式(如果有的话))。使用分支比使用干线或叶子更为复杂，但是可以提供添加一些更多的选项以达到天线布置的规范的优点，特别是在需要大量频率且天线需要非常紧凑的情况下。

图3d示意性地示出叶子L。叶子将典型地具有小于λ

叶子是非共振元件，其主要用于控制叶子所附接的主要干线、次要干线或分支的辐射模式的频率。

如上定义的天线元件MT、ST、B和L中的每一个还由固有参数和非固有参数定义。

固有参数包括：

-其几何形状G，即，无论其是一维(1D)元件、二维(2D)元件还是三维(3D)元件；

-其外形规格F，要针对每个几何形状对其进行定义；

-其维度D，特性维度的数量取决于几何形状和外形规格。

非固有参数包括：

-其相对于所附接的天线布置的元件的定向/位置O；例如，分支可以与主要干线或次要干线垂直地定位，以便使两个天线元件之间的耦合效应最小化；分支也可以以不同于90°的角度定位；

-其在所附接的天线布置的元件上的位置P；例如，热点(hot spot)被定义在辐射元件上电流的节点(或开路位置，例如，MT、ST或B的开路端)处；位于主要干线或次要干线上的热点处的叶子具有以下效果：使干线的基本模式或较高阶模式的最大频率偏移，所有其他参数(O、G、F、D)是恒定的。

图3e示出了根据本发明的天线元件的多个用例。根据本发明，在图3b、图3c或图3d中的一个中描绘并与其相关地描述的类型的天线元件可以用于取决于其维度D而生成不同类型的效果。如果规范定义被包括在区间[f

如果天线元件的维度D低于λ

如果天线元件的维度D大于λ

图4a、图4b、图4c、图4d、图4e、图4f和图4g示出了根据本发明的一些实施例的不同形状的天线元件的示例。

附图示出了与主要干线或次要干线的固有参数相关的本发明的可能的实施例中的一些实施例。

图4a、图4b和图4c示出了本发明的实施例，其中主要干线和/或次要干线是线型的，呈1D、2D或3D几何形状。

在图4a上，示出了具有1D几何形状的干线。该干线的外形规格F是直线的。其维度D可以适合于生成天线布置的规范的发送/接收通信信道所需的频率。

在图4b上，示出了具有2D几何形状的干线。该干线的外形规格F是正弦曲线的。其维度D是天线元件的全长度，并且还适合于生成天线布置的规范的发送/接收通信信道。对于相同的维度D，这种元件比图4a的天线元件更紧凑。

在图4c上，示出了具有3D几何形状的干线。该干线的外形规格F是螺旋状的。其维度D是天线元件的全长度，并且还适合于生成天线布置的规范的发送/接收通信信道。对于相同的维度D，这种元件比图4a和图4b的天线元件更紧凑。

在图4d上，示出了具有接近1D几何形状的几何形状的干线。该干线是薄带型的，并且其外形规格F是直线的。其维度D可以适合于生成天线布置的规范的发送/接收通信信道所需的频率。

在图4e上，示出了具有2D几何形状的干线。该干线的外形规格F接近在其底部具有锥形形状的矩形表面，该锥形形状的底部实现对天线的匹配级别的改进的控制。其较大的维度D适合于生成天线布置的规范的发送/接收通信信道。垂直于较大维度D的较小维度的值适合于调整在干线的有用共振模式的中心频率附近的带宽：增加该维度将增加带宽。这是由于这样的事实：与具有线性外形规格的天线(例如，电线)相比，天线元件的阻抗(或导纳)在中心频率附近变化更慢。

在图4f上，示出了具有3D几何形状的干线。该干线的外形规格F是在其底部具有锥形形状的半圆柱体表面。其较大的维度D适合于生成天线布置的规范的发送/接收通信信道。这种元件具有较小的维度，该维度适合于调整在干线的有用模式的中心频率附近的带宽，但是对于相同的维度D，这种元件比图4e的天线元件更紧凑。

在图4g上，示出了具有3D几何形状的干线。该干线的外形规格F是在其底部具有锥形形状的圆柱体。该干线可以定义与图4f的半圆柱体干线相同的频率和带宽。由该圆柱体元件确定的辐射图将比由图4f的半圆柱体干线确定的辐射图更均匀且具有更少的空间分集。

在图4a、图4b、图4c、图4d、图4e、图4f和图4g上描绘的天线元件仅仅是根据本发明的天线元件的示例性实施例。本领域普通技术人员可以在不进行创造性活动且不脱离本发明的范围的情况下根据这些推导出不同外形规格的变型。

相同的几何形状和外形规格也可以应用于分支或叶子的变型。

图5a、图5b、图5c和图5d示出了根据本发明的一些实施例的不同外形规格的叶子天线元件的示例。

在图5a上描绘了具有直线外形规格的1D叶子的示例。在该示例中，叶子的宽度为1mm。长度D为5mm。该叶子与干线或分支垂直地定位(O＝90°)。

根据本发明，计算在该天线元件的输入处看到的电纳B的值(以Siemens(S)为单位)，以用于进一步计算该天线元件对并入该天线元件的共振元件的频率和带宽的影响。

该计算使用以下标准定义：

R是在天线元件的输入处看到的电阻(以Ohm(Ω)为单位)；

X是在天线元件的输入处看到的电抗(以Ohm(Ω)为单位)；

Z是在天线元件的输入处看到的阻抗(以Ohm(Ω)为单位)；

G是在天线元件的输入处看到的电导(以Siemens(S)为单位)；

Y是在天线元件的输入处看到的导纳(以Siemens(S)为单位)。

然后，用于计算电纳的方程式如下：

Z＝R+jX (方程式1)

Y＝G+jB (方程式2)

然后，针对图5a的天线元件的参数的值对上述公式求解以找到B，这允许生成B的值。

可替代地，可以根据实验或通过仿真针对频率f的范围获得下表：

在图5b上描绘了具有直线外形规格的1D叶子的示例。在该示例中，叶子的宽度为1mm。长度D为7.5mm。该叶子与干线或分支垂直地定位(O＝90°)。

下表显示了针对各种频率对上述参数的测量；可替代地，可以使用方程式1至4通过直接计算获得这些参数：

在图5c上描绘了具有“水滴”外形规格的2D叶子的示例。在该示例中，叶子的宽度和长度等于5mm。该叶子与干线或分支垂直地定位(O＝90°)。

下表显示了针对各种频率对上述参数的测量；可替代地，可以使用方程式1至4通过直接计算获得这些参数：

在图5d上描绘了具有“水滴”外形规格的2D叶子的示例。在该示例中，叶子的宽度和长度等于7.5mm。该叶子与干线或分支垂直地定位(O＝90°)。

下表显示了针对各种频率对上述参数的测量；可替代地，可以使用方程式1至4通过直接计算获得这些参数：

要注意的是，在较高的频率(5.5/6GHz)处，D不能被认为远小于λ/4，因为在6GHz处，λ

对于相同的外形规格，使用方程式1至4的公式，可以针对其他维度简单地计算上表。这些表可以与被生成以实现本发明的天线元件库中的天线元件相关联。而且，电磁仿真工具可以与该库相关联，以针对任何几何形状、外形规格、维度和频率的值“实时”计算库中的天线元件的输入电纳。可替代地，可以将表与插值算法组合使用，以针对各种外形规格以及未列表化的维度和频率计算输入电纳的值。

图5e、图5f、图5g和图5h示出了根据本发明的一些实施例的不同外形规格的干线/分支天线元件的示例。

图5e示出了具有1D几何形状和直线外形规格的ST元件或B元件。与图5a的天线元件(即，叶子)的区别在于，其主要维度D是根据上面关于图3e所指示的规则定义的，即，天线元件的主要维度D高于λ

图5g示出了具有2D几何形状和液滴外形规格的ST元件或B元件，类似于图5c和图5d的实施例。

图5h示出了具有2D几何形状和具有锥形底部的矩形的外形规格的ST元件或B元件。在图5a至图5d中描述的叶子类型没有等效项。

具有液滴或矩形外形规格的2D外形规格允许更好地控制目标共振频率值附近的带宽。

本领域普通技术人员将能够生成与关于图5a、图5b、图5c和图5d说明的表类似的表。这些表可以是测量值。可以使用模型来计算这些表。可以使用Smith圆图来计算这些表，如在下面的描述中进一步指示的。这些表可以与存储在天线元件的数据库中的天线元件的描述符相关联。

图6a、图6b、图6c、图6d、图6e、图6f和图6g示出了根据本发明的一些实施例的天线元件的组装件的示例。

ST类型、B类型或L类型的天线元件通过直接连接(例如，通过焊接)组装在MT类型、ST类型或B类型的天线元件上。

下面列出根据本发明的天线元件的组合：

-MT上的ST；

-MT、ST或B上的B；

-MT、ST或B上的L。

MT被指定为天线布置的主要导电元件。ST是次要导电元件。当B直接连接到MT时，B可以是次要导电元件。当B连接到ST或本身直接连接到MT的另一B时，B也可以是第三导电元件。当B连接到本身连接到B(该B连接到MT)的B等等时，B也可以是第四导电元件。类似地，对于L，当L直接连接到MT时，L将被指定为次要导电元件；当L连接到直接连接到MT的B时，L为第三导电元件；或当L连接到本身连接到B(该B直接连接到MT)的B时，L为第四导电元件。可以通过添加新级别的天线元件(B或L)来迭代地扩展盆景树，以更好地匹配规范。

这些元件可以存储在离散的简单天线元件(干线、分支或叶子)的数据库中。该数据库还可以包括这些离散天线元件ST的组装件，该ST具有与其直接连接的B和/或L；B上连接有其他B，每个B包括或不包括L，或者包括这些离散元件的任何种类的组装件，无论其在组装件定义的树盆景树的架构中具有多少级别。元件和组装件的电纳连同其几何参数也可以一起存储在数据库中。

图6a示出了天线布置的简单配置，其中，次要干线ST被连接在主要干线MT的馈线处。ST相对于MT的定向大约为45°，使得ST与MT以及天线布置的接地平面相距足够远。ST被连接在馈线处，该馈线是针对MT的所有共振模式的冷点(即，短路，与电流的峰值相关联)，ST的共振模式不干扰MT的预先存在的共振模式，并且因此将新的发送/接收通信信道添加到MT的那些信道上。

图6b示出了其中分支B附接到主要干线MT的天线布置的配置。分支的维度为D，确定该维度D以生成在[f

然后，我们将得到：

-{f

-{f

-{f'

-{f′

当新的频率与初始频率相距足够远时，可以定义新的发送/接收通信信道。相反，当新的频率中的一个或多个与预先存在的共振模式的频率足够接近时，在该频率附近的带宽会被放大，然而，这个的前提是指定值的匹配级别超过了预定义的阈值。

在其他实施例中，分支B可以在如图6c中示出的天线布置中位于ST上，或者分支B’可以如图6d中示出的位于分支B上。在这两种情况下，都将新的共振频率添加到在添加新元件之前预先存在的共振频率上，从而创建新的信道或放大预先存在的信道的带宽。

图6e、图6f和图6g示出了不同的实施例，其中叶子L被添加到主要干线MT、次要干线ST或分支B。

当叶子L的主要维度D低于或等于λ

叶子的固有参数(几何形状、外形规格、维度)将定义叶子对叶子所附接的天线元件的共振模式的频率的影响的第一幅度。该影响将取决于共振模式的频率而变化，该影响的幅度由叶子的输入电纳定义。上面已经关于图5a至图5d讨论了这种影响的示例。

而且，叶子相对于其附接的天线元件的非固有参数(定向、位置)将修改叶子对该天线元件的共振模式的频率的影响。

在所有其他条件相同的情况下，当叶子位于天线元件的热点(即，天线元件的电流的节点或开路)时，由叶子给其附接的天线元件的共振模式带来的频率偏移将最大。相反，当叶子位于天线元件的冷点(即，天线元件的最大电流或短路)时，频率偏移将最小。可以容易地定义中间区域，这些中间区域可以被定义为“温”点(tepid spot)。

当天线元件的主要电磁参数(例如，输入电纳、输入导纳)已经被定义为固有参数(G、F、D)和非固有参数(定向)的函数时，可以通过以图形、分析方式求解方程式或通过对方程式进行仿真或建模来定义对天线布置的共振频率的影响，这些方程式定义了复合天线元件的组合的导纳/电纳的方式。相反，找到将定义符合规范的天线布置的天线元件组合的(非固有和固有)参数等效于解决反问题。这也可以以图形、分析方式或通过仿真或建模来完成，如将在下面的描述中进一步解释的。

图7a、图7b、图7c、图7d、图7e和图7f示出了根据本发明的一些实施例的不同形状的天线元件的组装件的示例。

这些图示出了包括MT类型的第一天线元件和ST或B类型的第二天线元件的组装件的各种示例。然而，第二天线元件也可以是L类型的，其差异在于相对于第一天线元件的最高频率有用模式的频率的维度D，有用意味着它们允许根据天线的规范定义作为目标的频率。

图7a和图7b示出了与图6a和图6b的天线布置类似的天线布置，除了图7a和图7b的天线布置还可以包括叶子L作为图6a的ST类型的元件和图6b的B类型的元件的替代。MT类型的第一天线元件具有1D几何形状。

图7c和图7d示出了B类型或L类型的天线元件，其为附接到具有1D几何形状的MT类型的元件的2D元件。

图7e示出了ST类型或L类型的天线元件，其为附接到具有1D几何形状的MT类型的元件的3D元件。

图7f示出了附接到MT类型的2D天线元件的B类型或L类型的2D天线元件。

许多其他组合是可能的，从而允许匹配天线布置的规范。

图8是示出根据本发明的一些实施例的天线布置的设计方法的流程图。

天线布置的规范包括以下各项中的一个或多个：

-天线布置共振的频率值列表{f

-在定义的匹配级别上与这些频率相关联的带宽{BW

-天线布置应适合的外形规格和几何形状。

可以至少部分地取决于天线布置(例如，辐射波束的形状)，或者主要取决于T/R处理链的其他元件(例如，功率水平或SNR)，来添加某种其他规范。但是本文不处理这些规范，本发明适用于包括这种要求的任何种类的天线布置的规范。

为了基于单极满足规范的主要天线元件来设计天线布置，本发明尤其提供一种方法，该方法包括选择主要干线作为天线布置的第一元件，该主要干线具有长度l和外形规格ff和几何形状g(步骤810)。

在一阶中，主要干线的长度应为例如

干线的外形规格和几何形状可以被定义为紧凑度的函数，对于定义的目标频率，必须达到该紧凑度。如果将天线元件的最大维度设置为小于生成特定共振频率所必需的长度若干倍的值，则使用通常具有3D几何形状(例如，螺旋类型的)的特定外形规格是必要的。

在步骤820处，对天线布置的电气响应进行建模以确定共振模式的频率的值。步骤820是在上面描述的针对单个天线元件(即，主要干线，N设置为1)的第一步骤810之后被实现的，或者作为要被执行直到获得规范的所有目标频率和带宽的迭代步骤(N＝N+1)的一部分(步骤845)。在那里，已经从天线元件的库中拾取了多个天线元件(次要干线、分支和/或叶子)，并将其添加到天线布置。可以通过使用天线布置的电气模型的分析计算来确定与天线布置的共振模式相关联的所有频率的值。模型可用于简单结构，通常不用于复杂结构。代替分析模型，可以使用图形表示(例如，Smith圆图)来确定共振模式的频率的值。可以使用电磁仿真工具来更迅速地找到合适的解决方案。分析模型、图形表示和仿真工具的示例在本发明的各种实施例的以下描述中进一步讨论。

在步骤830处，将天线布置的共振频率、匹配级别和带宽的值与规范进行比较。

如果天线元件的相同结构的参数的简单调整允许收敛到规范的值，则可以多次重复进行步骤820和步骤830。

如果规范的所有值(频率、匹配级别、带宽)都被测试(步骤840)并被确认满足，则过程结束(步骤845)。否则，映射当前在天线布置中的天线元件的可以添加新的天线元件点的电气状态(步骤850)。值得注意的是，应该针对每种共振模式标记热点和冷点。在第一类别的点处，可以添加叶子，该叶子将在天线布置的共振模式的频率上带来最大偏移(所有其他条件相同)。在第二类别的点处，可以添加次要干线或分支，如果未完全满足规范，则该次要干线或分支将在天线布置的共振模式的共振频率上带来最小偏移，并向天线布置添加多个新的共振频率。

然后，在步骤860处，在天线元件库中选择新的天线元件，以将其添加到天线布置中相关的预先存在的天线元件的相关点处。在下面的描述中进一步提供了基于要对天线布置的目标规范进行的调整的类型来选择天线元件的类型的指导。在将天线元件添加到天线布置的适当位置之前，应对该天线元件进行配置，即，应定义其可调整的参数((多个)维度、外形规格等)，以获得将在必须调整的频率值和带宽上导致要求的效果的足够的电纳。

然后，迭代循环，直到完全满足规范为止。

图9是示出根据本发明的一些实施例的天线布置的设计方法的另一流程图。

在本发明的这种实施例中，可以将规范重新表述为：

{f

{Δf

可以利用单个干线满足所有规范。在步骤910处，定义可以用于生成规范中列出的频率的主要干线的共振模式的数量n

回到步骤940，如果一些频率值不同于指定的频率值，则可以将与主要干线的每个共振模式相对应的频率值偏移预先确定的量(步骤950)。偏移量将取决于叶子的参数(其几何形状(1D、2D、3D)、其外形规格、其特性维度)以及叶子在干线上的位置和定向。然后，针对新配置中的规范来测试频率值(步骤955)。如果频率值通过测试，则该方法继续测试带宽(步骤960和99D)。如果带宽通过测试，则声明满足规范(步骤99I)。如果带宽没有通过测试，则该方法分支到步骤99E处。在测试955的输出处，如果频率值中的一个没有通过测试，则生成、测试新的信道，然后测试共振频率值和带宽(步骤970、步骤975、步骤980)。

回到步骤920，如果在主要干线上生成的频率数量低于规范要求的数量，则可以通过添加次要干线(ST)和/或分支(B)来生成丢失的信道(步骤99A)。然后，利用具有步骤99A的循环来测试信道的数量(步骤99B)。然后，建立共振频率的列表(步骤99C)，并且该方法分支到步骤940。

如上面所解释的，天线元件(MT、ST、B、L)的可以被调谐以满足规范的固有参数是其几何形状(1D、2D、3D)、其外形规格和其特性维度。而且，天线元件对整个天线布置的共振频率的影响将取决于天线元件的组成(单个元件或连接子元件(分支或叶子)的元件)以及天线元件相对于所附接的MT、ST或B的热点和冷点的位置。

可以通过以分析、图形方式或通过仿真来执行针对天线布置的合成的确切匹配级别、天线元件的每一个的参数组及其位置对共振频率和对应带宽的计算。同样地，也可以通过这些方法中的一个来获得反问题的解决方案(找到天线元件组、天线元件的固有参数以及天线元件的生成具有针对匹配级别的定义的带宽的共振频率组的位置)。而且，一些人工智能或基于知识的工具(例如，神经网络)可以与工具一起使用，以根据参数对解决方案进行仿真或建模，从而更迅速地探索反问题的解空间。天线设计领域的普通技术人员已知的仿真工具例如是CST

根据本发明，对于必须根据规范设计天线布置的设计者，不同类型的天线元件(主要干线、次要干线、分支、叶子)具有以下用途，并且可以被组合以满足规范的参数(针对定义的匹配级别的共振频率和带宽)：

-主要干线用于生成与该主要干线的适当共振模式相对应的一组共振频率；

-连接到主要干线的馈线的次要干线用于生成与该次要干线的适当共振模式相对应的一组新的共振频率；

-连接到主要干线(MT)、次要干线(ST)或另一分支(B)的分支用于生成包括MT、ST和预先存在的B的天线布置的新的共振频率；这些共振频率可以与MT、ST和预先存在的B的适当模式的共振频率分离，或者在预先存在的适当模式附近以定义的匹配级别生成带宽，或者两者的组合；

-叶子，其主要维度D是根据上面关于图3e说明的规则定义的，并且该叶子连接到主要干线(MT)、次要干线(ST)或分支(B)，用于使与其相连的天线组装件的适当模式的频率偏移。

基于这些设计规则并且使用该规范中描述的迭代算法、计算和工具，可以构建允许匹配各种规范的天线元件的数据库。

图10a、图10c、图10e和图10g示出了根据本发明的一些实施例的天线元件的组装件的示例，并且图10b、图10d、图10f和图10h示出了这些组装件的响应的频率响应。

在图10a上，天线布置1000a是在方位平面中具有全向辐射图的简单单极天线。选择该布置的维度，使得天线适合在ISM(工业、科学、医学)频带、VHF频带或UHF频带中操作。可以将其视为仅包括干线1010的树。该树种在接地平面1030上。

主要干线1010由导电材料、金属线或金属带形成，其展开的物理长度为l，该长度l根据如上面已经解释的基本模式的期望辐射频率被定义。在该频率处，l＝λ/4。干线可以被内切在平面中。在一些实施例中，例如，当使用微带技术制造天线布置时，内切有干线的平面可以平行于接地平面，或者在天线和接地平面被设计为共平面布置的解决方案中，干线可以内切在接地平面中。在这样的布置中，天线可以被刻在基板的表面上，并且接地平面可以被刻在基板的底板上。在其他实施例中，内切有干线的平面垂直于接地平面。干线可以可替代地内切在非平面表面或体积结构中。这样的外形规格有利于增加给定物理长度l的天线布置的紧凑度。

接地平面1030是PCB结构的金属底板，其包括激励电路，该激励电路在其机械和电连接点1040处将RF信号馈送到干线。

在该步骤处，引入辐射元件的“电气长度”的概念是有用的。物理长度为l的元件在波长λ处的电气长度l

可以以度或弧度表示电气长度。例如，对于l

不同的辐射模式基本上由辐射极元件的电气长度定义：

-基本模式由等于1/4(λ)(一次谐波)的辐射元件的电气长度l

-第一较高阶模式由等于3/4(λ

-第二较高阶模式由等于5/4(λ2)(五次谐波)的辐射元件的电气长度

-第三较高阶模式由等于7/4(λ

基本模式的共振频率f以及第一较高阶模式的共振频率f

图10c的天线布置1000c包括位于主要干线1010上的点1025处的叶子(L)1020。叶子也是金属的并且机械地且电气地连接到主要干线，其位置1025通常被选择为使其对主要干线的共振模式中的一个共振模式的频率的偏移的影响最大化。频率的偏移还将取决于叶子1020的几何形状、外形规格、维度和定向。

这些依赖性在公开号为EP2016/306059.3的欧洲专利申请中公开，该天线布置类似于紧凑的树结构，该树结构在某些方面类似于盆景的结构。

还可以定义等效的电气长度l

可能存在多个叶子。叶子可以被视为使天线的长度在定义的方向上延伸定义的量的结构。叶子可以一起在相同的平面或不同的表面中内切或不内切。叶子可以与干线共面或不共面。

图10d示出了由叶子1020给主要干线1010的共振频率带来的偏移：

-f变成f’(图10d上的标记1010d)；

-f

-并且f

可以看出，对于第一较高阶模式，频率的偏移最大：位置1011b与1011d之间的差大于位置1010b与1010d之间的差以及位置1012b与1012d之间的差。这是通过叶子在主要干线上的位置确定的。还可以看出，由于增加了天线布置的总电气长度，因此共振频率被偏移到较低的值。

图10e的天线布置1000e包括次要干线(ST)1050，该ST 1050位于主要干线1010的机械和电气连接的点1040(也称为馈线点)处。ST也是金属的，并机械地且电气地连接到主要干线。

如已经讨论的，ST 1050可以具有不同的几何形状、外形规格、维度和定向。

由于ST 1050连接到针对主要干线1010的所有共振模式的作为冷点的唯一点，因此对这些共振模式的频率没有影响，这些频率保持不变，如图10f所示，其中f、f

如果规范要求，则通过添加ST 1050来创建以下新的辐射频率：

-f

-f

图10g的天线布置1000g包括分支(B)1060，该B 1060位于主要干线1010的点1065处。分支也是金属的，并且机械地且电气地连接到主要干线，其位置1065通常被选择为使其对主要干线的共振模式的辐射频率的影响最小化。针对主要干线的辐射模式中的一个或多个辐射模式的冷点是优选的。

如图10h中示出的，在频率f

图11a、图11c和图11e示出了单极天线的基本模式、第一较高阶模式和第二较高阶模式的电流和电压的分布，并且图11b、图11d和图11f分别示出了在Smith圆图上对天线布置在这些模式中的每个模式处的输入导纳的计算。

图11a示出了到馈线1140(或短路点)的连接与开路点1130(其是单极天线的顶端)之间的长度为l的单级天线的基本模式(或一次谐波)的电流的分布(曲线1110a)或者电压的分布(曲线1120a)。基本模式的共振频率f

天线在基本模式处的电气长度

天线的归一化的输入导纳被定义为：

在基本模式处，

同样地，图11c示出了到馈线1140(或短路点)的连接与开路点1130(其是单极天线的自由端)之间的长度为l的单级天线的第一较高阶模式(或三次谐波)的电流的分布(曲线1110c)或者电压的分布(曲线1120c)。第一较高阶模式的共振频率f

还可以得到f

天线在第一较高阶模式处的电气长度

在第一较高阶模式处，天线的归一化的输入导纳

同样地，图11e示出了到馈线1140(或短路点)的连接与开路点1130(其是单极天线的自由端)之间的长度为l的单级天线的第二较高阶模式(或五次谐波)的电流的分布(曲线1110e)或者电压的分布(曲线1120e)。第一较高阶模式的共振频率f

还可以得到f

天线在第二较高阶模式处的电气长度

在第二较高阶模式处，天线的归一化的输入导纳

对于较高阶模式，当然可以使图11a至图11f的表示和计算一般化。

使用Smith圆图允许组合各种天线元件在其连接点处的导纳/电纳，如下面所解释的。

图12a、图12b和图12c示出了对叶子的等效物理长度的计算，并且图12d、图12e和图12f示出了位于干线上的叶子分别对干线的基本模式、第一较高阶模式和第二较高阶模式的影响。

图12a示出了天线布置1200，该天线布置1200具有在点P处连接到主要干线1210上的叶子1220，该叶子定义了两个片段：长度为

图12b示出了对叶子1220的等效物理长度和导纳的计算。

将叶子的在频率f处的等效物理长度定义为具有与叶子相同的输入导纳Y

Y

如果等效直线天线元件在与主要干线1210的连接P 12201处具有输入导纳Y

当传播介质是环境空气时，可以有β＝2π/λ或β＝2π×f/c。然后，可以以图形或分析方式求解方程式5。

图形分辨率在图12c的Smith圆图上示出。

如果将l

方程式5的分析解决方案利用了事实Y

假设叶1220无损，则可以假设Y

其中

其被转换为：

其中

方程式7和方程式8定义了叶子1220的馈点12201处的电纳与该叶子在频率f处的等效长度之间的关系。

在实施例中，图12d示出了添加叶子1220对主要干线1210的基本模式的频率的影响。

在该实施例中，仅作为示例：

叶子1220的参数(几何形状、外形规格、维度)使得

在图12d的Smith圆图上，从圆图的左手侧的OC点1210d开始，该OC点定义了导纳的圆图原点，然后通过添加等效电气长度为

在频率f

在天线布置的基本模式的频率f

然后，得到在点P处的总的归一化的输入导纳

因此，叶子在f

然后，添加主要干线1210的电气长度为

其中Rot

在图12d所示的示例中，可以有

因此，可以有等效长度为

图12e示出了在实施例中添加叶子1220对主要干线1210的第一较高阶模式的频率的影响。

可以有

叶子1220的参数(几何形状、外形规格、维度)使得

在图12e的Smith圆图上，从圆图左手侧的OC点开始，该OC点定义了导纳的圆图的原点，然后通过添加等效电气长度的天线片段来从远端为OC的一个片段开始顺时针移动。

在频率f

在天线布置的第一较高阶模式的频率f

从归一化的输入导纳为

方程式10适用于用f

因此，可以有等效长度为

图12f示出了在实施例中添加叶子1220对主要干线1210的第二较高阶模式的频率的影响。

可以有

叶子1220的参数(几何形状、外形规格、维度)使得Y

在图12f的Smith圆图上，从圆图左手侧的OC点开始，该OC点定义了导纳的圆图的原点，然后通过添加等效电气长度的天线片段来从远端为OC的一个片段开始顺时针移动。

在频率f

在天线布置的第二较高阶模式的频率f

从归一化的输入导纳为

方程式10适用于用f

因此，可以有等效长度为

在这些实施例中，其中被添加到主要干线1210的叶子1220的主要维度相对于主要干线的辐射模式的波长的四分之一较小，叶子1220加长了主要干线，这进而有利地使得天线布置的适当模式的共振频率的值的减小。

当叶子位于与给定模式的开路(或热点)等效的点P处时，该叶子对于该模式是完全活动的(即，在Smith圆图上生成最大的附加旋转)，因此带来针对该模式最大的共振频率的偏移。

相反，当叶子位于与该模式的短路(或冷点)等效的点P处时，叶子是“透明的”(即，在Smith圆图上不生成附加的旋转)，因此不带来针对该模式的共振频率的偏移。

当叶子位于热点与冷点之间的点P处时，当叶子靠近热点移动时，叶子带来的频率偏移增加，并且当叶子靠近冷点移动时，叶子带来的频率偏移减小。

对于给定模式，连接叶子的点P的位置定义了其电气状态参数，该电气状态参数是用于控制叶子带来的频率偏移的幅度的关键参数。

主要干线1210的顶端是针对所有模式的热点，而其底端是针对所有模式的冷点。

在一些实例中，在知道天线布置的设计参数的情况下对共振频率的计算(直接问题的解决方案)和用于获得一组定义的共振频率对设计参数的计算(反问题的解决方案)也可以使用下面呈现的关系以分析方式执行。

可以使用上面的定义。而且，给出了共振频率f。主要干线1210的一些特性是固定的：几何形状为1D并且外形规格为直线。单极天线的维度(长度)可以变化。叶子1220是2D的。叶子的外形规格和维度可能会变化，并允许计算其在频率f处的等效长度

从在主要干线1210上的叶子1220的位置的点P处看到的来自片段1211和叶子1220的输入导纳的组成的标准方程式开始，并根据电纳与导纳之间的关系(电纳是导纳的虚部)，可以写成：

将P中看见的导纳与片段1212复合，可以写成：

天线布置1200将在频率f

值得注意的是，当

为了解决直接问题，首先设置所有设计参数，并且天线布置1200的共振频率是解决方程式13的频率f

对于所有频率f

在具有直线主要干线和单个叶子的该实施例中，设计者可以调整以满足频率方面的规范的设计参数是：

-主要干线1210的长度l；

-叶子1220在主要干线上的位置

-叶子1220的几何形状、外形规格和维度及其相对于主要干线的定向，这些参数定义了在点P处的输入电纳函数B

根据本发明，在位于作为叶子连接的1D直线单极天线(无论该天线元件是主要干线、次要干线还是分支)的天线元件上的点P处的输入电纳函数可以根据方程式13推导出。

因此，当已知叶子B

B

根据本发明，可以根据不同的实施例获取和使用关于电纳函数的信息：

-对于G

-还可以使用电磁仿真或模型来计算电纳函数的值；然后可以将执行计算的算法本身存储在被开发以计算天线布置的共振频率(直接问题)或其设计参数(反问题)的程序中，或者可以将仿真结果本身存储在数据库或查找表中，与先前的实施例相同；

-在一些实施例中，在叶子的几何形状G、外形规格F和定向O简单的情况下，可以以简单的方式计算B

在本发明的一些实施例中，可以组合以上不同的方法。例如，实验测量可以用于规范领域的一些部分(几何形状、外形规格、维度、定向)，而仿真或模型可以用于规范领域的其他部分。而且，实验测量可以用于校准仿真或模型。仿真或模型还可以用于在已经根据实验获得的值之间或之外插入或外推电纳函数的值。

人工智能算法还可以应用于以上定义的数据库/查找表/仿真/模型以解决反问题，即，找到满足包括多个频率的天线布置的规范的一组或多组设计参数。例如，可以使用各种神经网络以比纯蛮力探索迅速得多地探索解空间。

图13a示出了位于干线上的两个叶子；图13b和图13c、图13d和图13e、图13f和图13g分别示出了图13a的天线布置的配置以及使用Smith圆图对其输入导纳的计算。

图13a示出了具有第一叶子132的天线布置1300，该第一叶子132在点P处连接到主要干线1310上，点P定义了长度为

图13b和13c示出了迭代设计过程的起点，在该过程中，只有长度为

图13d和13e示出了在实施例中添加第一叶子1321对主要干线1310的基本模式的频率的影响。

在该实施例中，片段1311、1312、1313的长度(参见图13d)可以被定义为基本模式的波长的一部分。

叶子1320的参数(几何形状、外形规格、维度)的定义允许计算叶子的输入导纳Y

在图13e的Smith圆图上，从圆图的左手侧的OC点开始，该OC点定义了导纳的圆图的原点，然后通过添加等效电气长度的天线片段来从远端为OC的一个片段开始顺时针移动。

执行的过程和结果类似于在上面的描述中说明的图12d所示的过程。

图13f和图13g示出了在实施例中添加第二叶子1322对主要干线1310的基本模式的频率的影响。

方程式10可以被一般化并且添加第二叶子1322和第三片段1313对复合的导纳的影响。

在确定总旋转Rot

Rot

如上文关于方程式10所例示地计算Rot

与只有一个叶子相比，具有两个叶子的天线的等效电气长度的增加更高。因此，基本模式的频率降低更高。对于基本模式，新的共振频率f

相同的过程和结论适用于较高阶模式。

定义图13a的类型的天线布置的共振模式的频率组的直接问题也可以使用上面解释的天线元件在其连接点处的导纳/电纳的组合的相同规则以分析方式解决。

为此，用满足以下方程式16的方式定义的等效长度为

当在点Q处添加第二叶子1322时，通过以下替换来使用方程式13：

-用

-用

-用叶子Q替换叶子。

然后，问题的解决方案必须满足上面的方程式16和下面的方程式17：

反问题的解决方案从由天线的规范定义的频率的列表开始，f

在具有直线主要干线和两个叶子的该实施例中，设计者可以调整以满足频率方面的规范的设计参数是：

-主要干线1310的长度

-叶子1321和1322在主要干线上的位置P和

-叶子1321、1322的几何形状、外形规格和维度及其相对于主要干线的定向，这些参数定义了在点P和点Q处的输入电纳函数B

上面做出的关于B

在具有主要干线和两个叶子的该实施例中，因此可以定义11个独立的设计参数，四个长度参数

-G

-F

-

-O

在上面已经说明过的图5a和图5b上示出了“线(wire)”几何形状/外形规格。在图5c和5d上示出了“液滴(drop)”几何形状/外形规格。“三角形(triangle)”几何形状是三角形的2D叶子。

特性维度D必须低于

定向可以由叶子的特性轴与主要干线之间的角度定义。

如上面所讨论的，反问题的解决方案在于找到针对规范的所有频率都满足上面的方程式16和17的设计参数组。可能没有针对所有频率的精确解决方案。然后，可以将成本函数定义为针对规范的每个频率的每个实际电纳与每个目标电纳之间的差的平方和。可能会对差的平方进行加权，以有助于规范中的频率中的一个或多个。然后可以将成本函数表述为：

当然，在许多实施例中，加权可以被选择为全部等于一。

可以与神经网络算法组合使用各种算法(例如，梯度下降学习算法)来求解该成本函数。

根据本发明，可以将应用于上面描述的具有两个叶子的实施例中的直接问题的解决方案一般化到具有三个或更多个叶子的实施例。在应用上面描述的解决过程后找到的解决方案与最佳解决方案相差太多时，可以进行此操作。可以定义阈值以自动停止该过程，或者可以在设计者决定这样做时停止该过程，因为与添加新天线元件的成本(在非经常性支出和材料清单两者方面)相比匹配规范的增益较小。

作为根据本发明的天线的设计过程的一部分，使用电磁仿真工具可能是有益的，该电磁仿真工具使用组合矩量法的特性模式理论。参见例如：R.J.Garbacz和R.H.Turpin的“A generalized expansion for radiated and scattered fields”(IEEETrans.Antennas Propagation，vol.Ap-19，第3号，第348-358页，1971年5月)；R.F.Harrington和J.R.Mautz的“Theory of characteristic modes for conductingbodies”(IEEE Trans.Antennas Propagation，vol.AP-19，第5号，第622-628页，1971年9月)；R.F.Harrington和J.R.Mautz的“Computation of characteristic modes forconducting bodies”(IEEE Trans.Antennas Propagation，vol.AP-19，第5号，第629-639页，1971年9月)；R.F.Harrington和J.R.Mautz的“Characteristic modes for dielectricand magnetic bodies”(IEEE Trans.Antennas Propagation，vol.AP-20，第2号，第194-198页，1972年3月)。

这种工具可在COTS(商用现货)中获得，例如，实现矩量法(MoM)的FEKO

因此，使用这种工具，可以构建具有根据本发明定义的特性参数的天线元件的库，然后计算每个元件的电纳，并在一些实例中以精确的方式或在已知的次优成本的情况下以近似的方式求解从上面的方程式16、17和18一般化的公式。

本发明也可以应用于偶极天线。偶极天线是两极天线，其中两极由差分生成器激励。偶极天线的两极各自以具有相同行为的固定状态操作。两极天线各自包括具有干线、一个或多个分支以及一个或多个叶子的结构。在本发明的一些实施例中，两个结构是对称的。

因此，在本说明书中公开的示例仅是对本发明的一些实施例的说明。这些示例不以任何方式限制由所附权利要求书限定的所述发明的范围。