CN1011008B

CN1011008B - 微波天线

Info

Publication number: CN1011008B
Application number: CN86105126A
Authority: CN
Inventors: 福沢惠司; 伊藤文宽; 鹤丸忍
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1985-07-23
Filing date: 1986-07-23
Publication date: 1990-12-26
Also published as: EP0215240A2; EP0215240A3; KR870001683A; CA1266325A; EP0215240B1; US4792810A; AU6033586A; CN86105126A; KR940001607B1; DE3689397T2; AU603338B2; DE3689397D1

Abstract

一个圆极化微波平面天线装有一个夹在具有用多元孔排列成矩形阵列的导电层之间的衬底，和一对支承在衬底上与每个窗孔一致的垂直激励探头及一个以预定相位关系互相连接激励探头的馈送电路。为了提供改进的阻抗匹配，两个附加导电元件可支承在与激励探头一致的衬底上。馈送电路可包括一对连接到激励探头的四分之一波长馈线，和一个按在馈线之间的电阻元件。天线馈点可设置在靠近阵列的中心，占据一般由激励探头时之一占据的位置。

Description

本发明涉及微波天线，特别是涉及圆极化波的平面天线。

对高频平面天线已介绍了许多种设计，特别是关于传送在12GH₂波段上接收卫星的天线。一种先前提出的微带线馈送阵列天线，其优点是它能用腐蚀衬底的办法来形成的。但是，当使用像聚四氟乙烯或类似的低损耗衬底时，这种类型的天线有相当大的介质损耗和辐射损耗，因此它不可能实现高效率。而当使用低损耗特性的衬底时，其成本相当昂贵。

另一种所提出的天线设计是一种辐射线隙缝阵列天线和一种波导隙缝阵列天线。这些天线与微带馈送阵列天线相比较，能减小介质损耗和辐射损耗。然而，这种天线的结构相当复杂，以致这种天线的生产变成一个制造难题。此外，由于其中每一个设计都用一个谐振结构构成的，因此要在宽通频带，如300～500MHz内使它获得增益是很困难的。此外，这些复杂的设计是以牺牲隙缝之间的耦合为代价的，从而使它获得高效率特征是十分困难的。

另一种提出的天线是悬浮线馈送孔阵列。这种设计具有一个克服上述某些缺陷的结构，使用一种便宜的衬底，并还能提供一个宽带特性。在欧洲专利申请号：108463-A和123350-A中所说明的悬浮馈线天线，和在1984年3月出版的MSN（微波系统新闻），第110～120页。

在上述第一个申请中所揭示的天线，引入的铜铂必须与用作衬底的介质层的两个表面垂直。由于这种结构形成在衬底的两个表面上，使互相连接的方法变得复杂化，同时天线的尺寸必须相当大。

上述引用的另一个申请中所揭示的天线，需要将铜箔形成在两个分离的介质层上。从而难以得到这些铜箔的确切位置，并且使结构变得相当复杂，价格昂贵。在MSN刊物中揭示的天线，用一个激励探头形成在多元孔的每一孔中构成线性极化波天线。因为这种天线增益太低，所以不能有效地用于接收圆极化波，同时，必须使用二个分离衬底，使结构复杂而且昂贵。

本发明一个主要目的是提供一个圆极化波平面阵列天线，其中有一对激励探头设置在单个衬底的同一平面上，用来发送或接收一个圆极化波，从而达到结构简单、成本低和工作性能极好。根据本发明的一个实施例，一个夹在具有多元窗孔的导电层之间的衬底，具有一对与每个窗孔位置相一致的垂直激励探头，使来自激励探头的信号以预定的相位关系互相组合。

本发明的一个改进，提供了两个与激励探头相一致的附加传导元件，以改善传导层中窗孔的阻抗匹配。

本发明的更进一步改进，一个与每对激励探头相连接的连接网络，包括一对四分之一波长的馈线和互相连接在馈线之间的一个电阻元件。

本发明的另一个改进，天线阵列馈送点配置在中心位置附近，并占据由一对激励探头正常占据的位置。

现在参阅附图，其中：

图1是根据本发明一个实施例的圆极化波辐射元件结构的顶视图;

图2是图1装置取Ⅰ-Ⅰ线的剖面图;

图3是图1和图2装置有悬浮线段之一，取图2Ⅱ-Ⅱ线的剖面图;

图4是本发明一个实施例的天线辐射元件的一个顶视图，表示馈送到激励探头的悬浮线;

图5是说明许多辐射元件相互连接的一个平面图;

图6是本发明实施例的频率特性;

图7是说明许多副阵列的连接方式的一个工作原理方框图;

图8是表示本发明一个实施例的辐射图;

图9是辐射元件一个改进形式的顶视图，说明一个馈送激励探头的网络;

图10是图9装置一部分的平面图;

图11是说明图9和图10中装置的一个等效电路图。

图12是本发明实施例的辐射元件的频率特性;

图13和图14是用于许多辐射单元中心馈送的二个改进型互连图的平面图。

参照图1和图2，一个绝缘衬底3夹在金属层1和2之间（它可由铝或金属化塑料的金属层构成）。在层1和层2中形成许多窗孔4和5，在层1中以下降的凹面或凹孔构成窗孔4，在层2中以一个孔构成窗孔5。图1为该结构的一个平面图。

一对互相垂直定位的激励探头8和9，形成在衬底3的同一平面上，如图1所示的那样，与窗孔4和5相一致。激励探头8和9，每一个与设置在空腔6中的悬浮线导体7相接，构成一个用于传导在激励探头8和9以及一个遥控点之间能量的同轴线。衬底3以一块软薄片的形式夹在第一和第二金属或金属化薄层1和2之间。更好的是，窗孔4和5为直径相同的圆，而窗孔5的上面是由图2所示的圆锥形构成。

悬浮导线7包括一个在空腔部分6中心且固定在衬底3上的导电金属箔，构成一个悬浮的同轴馈线。在图3中示出了这种悬浮线的剖面。金属箔7构成中心导体，薄层1和2的导电表面构成同轴外导体。

图4说明金属导电箔7构成互相垂直排列的细长馈线，它们按到激励探头8和9，并通过公共引线连接在一起。金属箔连接到点11的馈线，如图4所表示的，点11的馈线是以公共臂的中心分支，以使激励探头9用参考数字10表示的一根长线馈送，此线比馈送到激励探头8的馈线长四分之一波长。在此涉及的波长（和在本申请的别的地方）是在波导或悬浮线7内辐射能量的波长，用λ/g表示，波长可根据能量的频率和波导的几何图形来确定。借助于本装置，（考虑天线是发射天线）产生一个圆极化波，其结果是从激励探头8和9发射的线性极化波都超过π/2相位或一个四分之一波长。

更好的是，金属箔7是由腐蚀衬底3上导电表面的一个印制电路构成的，除了保留要求的导电部分，如金属箔7和激励探头8和9之外，其余导电表面部分都要去掉。更好的是，导电金属箔具有如25到100微米的厚度。由于薄的衬底3仅用作金属箔7的支承构件，尽管它不是由低损耗材料制成的，但在同轴线中的传输损耗是小的。例如采用聚四氟乙烯-玻璃衬底的开路微带线的典型传输损耗，在12MHz时，为4到6dB/m。而本发明用25微米厚度的衬底，其悬浮线具有的传输损耗仅在2.5到3dB/m。因为柔性衬底膜片3是便宜的，与聚四氟乙烯-玻璃衬底相比，本发明的装置更为经济。

如图4中所说明的，加到激励探头8上信号的相位（作为发送天线）与加到激励探头9的信号相比，超前四分之一波长（相对于发送频带的中心频率）。当本装置用作接收天线时，将允许接收顺时针方向的圆极化波，因为激励探头8用四分之一周期旋转的波矢量E和H来调准，以后激励探头9也是这样调准。因为与激励探头9连接的金属箔线的增加长度10，使探头8和9提供的分量几乎与在T或接点11的合成信号同相。

如果附加长度10插入与激励探头8连接的金属箔线7中，然而这装置将接收一个反时针方向的圆极化波。这将意味着，只要将激励探头8和9以及支承馈线7的薄层3翻转，就可有效地完成。因此，当装置稍加改进时，本发明的结构就能接收两种类型的圆极化波。

图5说明一种电路装置，其中许多辐射单元，在图1～图4所示的每一个单元是通过印制在薄片3上的金属箔线互相连接，每一个辐射单元提供的信号与其它辐射单元提供的信号同相，它们在点12上互相连接在一起。这将意味着，根据图4的验证，从点12到任一单个激励探头8和9的金属箔的长度构成相等的距离，因此，从每个辐射单元到达点12的接收信号与别的辐射单元到达的信号同相。图5的阵列表示在衬底3表面上的印制表面和薄层2中窗孔5的调准位置。衬底3夹在导电薄层1和具有窗孔4和5的薄层2之间（图2）用每一个辐射元件调准，因此它们全部的功能用图1到图4的方法进行描述。使用图5所示的一般的装置，通过改变线的特性，可得到不同辐射图样。例如，从公共馈送点12到某些辐射单元的激励探头8和9的距离改变时，由这些辐射单元供给能量的相位也将改变。更进一步说，如果辐射阻抗比随着分支地方的悬浮线厚度的增加或减小而变化，（如图5所示的），则从许多分支供到这分支的公共线的信号幅度是可以改变的。由于天线辐射图样变化的结果，这将使每一个接收单元供给的信号的相对功率和相位受到影响。

虽然，天线在公共平面上是不对称的，在12GHz频率上探头之间有大于20dB的隔离，反射损耗低到30dB。在12GHz附近轴损耗大约为1dB。

图7说明了一个采用图5中说明的许多阵列子群大型圆极化阵列结构。16个阵列群13a到13p，以等长度连接线的方式互相连接在公共点14上。在这种情况下，天线由256个圆极化波辐射单元，以等间隔矩形阵列排列构成，而每一个单元与馈送点14等距离。

图8表示一个在图7中说明装置特性的辐射图样。在这情况下，在辐射单元之间的距离选择为0.95（在12GHz频率点），对于所有的辐射单元都选择相等的幅度和相位。由于在辐射单元之间的相互耦合很小，因此其特性如图所示，是高定向性的。

因为根据本发明天线的结构，使天线能做得很薄，并且具有简单的机械结构。甚至当使用便宜的衬底时，从天线得到的增益是等于或大于使用相当昂贵的微带线衬底技术的天线增益。

当辐射单元的间隔选的自由空间（范围从22.5到23.6mm）12GHz信号波的0.9～0.95波长，悬浮线空腔部分的宽度选择为1.75毫米，而在薄层1和2中的窗孔4和5的直径选择为16.35毫米。然而，对于最有效的接收卫星广播频带（11.7到12.7GHz），线宽度的最理想的选择是宽于2毫米，并减小辐射单元的直径。例如，为了最有效的接收，直径必须从16.35毫米降低到大约15.6毫米。

然而，如果辐射单元的直径选择为少至15.6毫米，具有该直径的圆波导（振荡）主模（TE₁₁型）的截止频率变成大约为11.263GHz。其结果，在由窗孔4和5构成的空腔部分与激励探头之间要达到的阻抗匹配变得困难，并使天线的带宽变得相当窄。于是，反射损耗特性发生变化，这是在图6中用虚线表示。结果，靠近工作频率（11.7到12.7GHz）的反射损耗变坏。“反射损耗”指的是由阻抗不匹配的反射引起的损耗。对于这种应用，良好的阻抗匹配是必要的。在图1到图5装置中，这种匹配是通过使用在每个辐射单元内，用激励探头8和9调准的导电段20和21提供的。如图1和图2所表示的这些单元是端对端调准，并与激励探头8和9彼此间隔相一致，如图1和图4所示。导电段20和21是细长的矩形，由附着在衬底3表面上的印制电路或其它形式构成。延长导电段超过窗孔5的周边与层2电接触。使用导电段20和21，可制作低截止频率的辐射单元，并改进在图6中用实线b所表示的反射损耗。当任选导电段20和21不使用时，激励探头8和9对窗孔4和5来说，是处在同一位置。那么，反射损耗特性最小约为-30dB，对于窄通带特性，即从最小值陡峭下降。在耦合探头8和9之间的隔离大于20dB，如图6所示。因此，辐射单元以上面叙述的相同方法有效地接收圆极化辐射。当辐射单元相隔23.6毫米时，如图5所示，那么，256个辐射单元阵列，按图7方式排列成一个40×40厘米的正方形。

这意味着，因为天线的互易原理，本发明天线辐射单元的作用与发送辐射单元和接收辐射单元有同等的效果。因此，本发明的天线阵列能有效地起发送或接收天线阵列的作用。

因为导电段20和21降低了截止频率，以致能建立匹配，使反射损耗从图6的虚线a变成图6的实线b。当辐射单元窗孔4和5的直径选择为15.6毫米时，那么可使用小直径的波导，并改善了图象抑制。

要改进在二个来自激励单元的金箔7互相连接到公共馈线的T截面11处的驻波比（VSWR）是可能的。用T分支装置，由激励探头之一接收的一部分波，通过T送向另外一个激励探头，其结果使圆极化波的轴比变坏。轴比是指主直径和表示极化的椭圆短轴之间的比（对于椭圆极化波）。对于圆极化波，则轴比为1。

在图4的装置中，当被合成的两个信号的相位和幅度都不等时，那末在二臂中的信号不平衡，而且产生组合损耗。当连接在组合终端之间的阻抗不匹配时，也产生组合损耗，使圆极化波的轴比降低。

图9表示一个用改进T组合器的辐射单元，用虚线a围绕着。图10表示在虚线范围内的放大图。在图10中的公共馈线表示为臂A，用臂B和臂C引到激励探头8和9。一个印制电阻器42设置在互连的臂B和C的衬底上。在印制电阻器42和公共臂A之间，金属箔线7分成一对四分之一波长线40和41，使公共臂A分别与臂C和B相互连接。例如，电阻器42是通过印制在衬底上的碳构成的。由这种电路构成的可称为威金森（Wilkinson）型功率组合器或一个3dB、 (π)/2 混合环型组合器。在三臂A、B和C的阻抗相互都匹配的情况下，则从臂C提供的功率，四分之一的流过印制电阻器42，而四分之三的功率流过线40。送到线40的功率，其三分之二供给臂A，而其余（即原来供给功率的四分之一）通过线41。由于流过电阻器42和通过线41的二个分量相等，而相位相反，它们基本上相互抵消掉，其结果使臂C的功率不到达臂B去。因此，在臂B和C之间的隔离变为大约-25dB，从而改进了轴比。

图11中所示的是图9和图10组合器的等效电路，这等效电路是根据威金林（Wilkinson）型功率分配器的理论，如“一个N路混合功率分配器”发表在IEEE学报中，微波理论技术，MTT-8，1，P116（1960.1），由E·J·Wilkinson所著。这里Z₀表示馈线的特性阻抗，而在臂B和C中的特性阻抗Z₀与辐射单元的阻抗相匹配。当三个臂的阻抗都匹配时，臂A的输入按某种比率进行分配，并出现在输入和输出端B和C。在B端输入的情况下，这输入的一部分出现在A端，而其余部分被电阻器2Z₀吸收掉，以致在C端不会产生相应的功率。y型功率组合器能使端之间达到隔离，从而允许被组合在A端的B端和C端接收功率。

图12表示圆极化波辐射单元的特性，其中实线表示没有组合器，即图9和图10的天线轴比的测量结果一例，而实线B表示使用一个单T组合器时轴比的测量结果。例如，在大约12GHz频率时，允许的轴比大约为1dB，意思是，当用作发送天线时，按 (π)/2 时间间隔的发送功率的变化不大于1dB。如图12的线b所示，这图是在宽频带上获得的。线a表示没有使用图9到图10组合器的特性。

用图5和图7表示密集的辐射单元，要为阵列中心提供一个馈点是困难的，因此馈送点必须引到阵列的外边缘，如图所示。这便导致一个相当长的馈送通道，使信号衰减。把阵列耦合到一个如WR-75或WRJ-120型的标准短形波导是所希望的。

参照图13所表示的一个阵列，其中中心馈线从馈送点12全部同相地送到许多圆极化波辐射单元。所有的辐射单元，通过把中心馈点12接到每一个辐射单元2的探头8和9的金属箔7，设置在离馈点12等距离的地方。在图13的装置中，把最靠近阵列中心的一个辐射单元去掉，而一个在短形虚线盒30中示出轮廓的矩形波导接到这点的阵列。从矩形波导到同轴线的过渡（在图3用剖面表示）是用普通的方法制成的，因而这里不需要详细说明。电阻器31提供到终端的线，一般接到具有馈线特性阻抗的被去掉的辐射单元，以避免由这辐射单元的去掉而引起的任何反射影响。通过使用图13的装置，馈线长度变得比图5所示的长度短。对于如图7那样的大阵列，图7阵列的每个次阵列是由例如图5那样的阵列制成的。最接近阵列中心的四个次阵列之一有一个省去的辐射单元（在最靠近中心的角上），而那辐射单元由引到阵列中心分支馈线接头和终端电阻器31代替。

这种阵列的转换损耗是相当低的，同时阵列可连接到一般的矩形波导。当阵列结构具有更多的辐射单元时，这个优点是很重要的。去除一个辐射单元，使辐射图案在小范围内引起混乱的事实，实际上并不表示严重的影响。特别是当有大量等相位和等幅度激励辐射单元时，去除一个辐射单元的影响是很小的。此外，中心馈送装置允许更方便的结构，其中波导30设置在中心。

图14表示一种可采用的馈送电路，其中中心部分馈线的部分布线的变化，以便为由虚线方框32表示轮廓的矩形波导提供间隔，而没有去掉辐射单元。波导32的宽度用图14的a表示，它的高度用b表示。通常可取b＝ (α)/2 。因为辐射单元的间隔，使高度b必须比一般高度低。结果，在波导内的特性阻抗变得较低，波导32的长度必须保持短的，并且，要在宽频带内获得匹配是困难的。要降低图14中所示装置的插入损耗也是困难的。所有这些缺点用图13的设计都能克服。

根据上述，将意味着本发明可构造一个简单而经济的微波天线的形式。在本发明的装置中可作各种各样的补充和改进是显而易见的，而没有离开根本的新颖性特征，用附加权利要求来规定定义和保证。

Claims

1、一种圆极化波悬浮线馈送型平面天线，包括：一个夹在一对导电表面之间的衬底，所述一对表面的一个表面具有限定各辐射单元的间隔窗孔的矩形阵，振子的对应矩形阵被形成在所述衬底上，与所述的各窗孔分别对准；顶板和底板，所述的导电表面安置在它们的上面；馈送点，用来馈送给所述的各振子；

其特征在于所述多个窗孔(4、5)具有在所述衬底(3)上的一个公共平面内互相垂直、与窗孔相一致的一对激励探头(8、9)，并设置有将所述一对激励探头上接收的信号连接至互相同的悬浮线的装置(7、10、11)。

2、根据权利要求1的装置，其特征在于其中激励探头（8、9）是用衬底（3）上的印制电路单元构成的。

3、根据权利要求1或2的装置，其特征在于包括一个与所有激励探头（8、9）互相连接的悬浮线段（7），悬浮线段（7）是用衬底（3）上的印制电路构成的，并且在两个导电表面（1、2）之间间隔开的。

4、根据权利要求1-3中之一的装置，其特征在于其中用于连接的装置包括：相互垂直的、并且连至所述激励探头（8、9）的第一和第二悬浮线段（10）;和将所述第一与第二悬浮线段（10）和悬浮线段（7）互相连接的装置（11）。

5、根据权利要求4的装置，其特征在于其中用于互相连接的装置包括互连第一和第二悬浮线段的公共悬浮线段（7），和一个把该公共悬浮线段接到悬浮线段（7）和T接头（11、40、41、42）。

6、根据权利要求5的装置，其特征在于其中T接头（11）是以公共悬浮线段（7、10）的中心分支。

7、根据权利要求1-6之一的装置，其特征在于其中悬浮线包括一个由支承在衬底（3）上的内导体（7）和通过一对导电表面（1、2）构成的外导体组成的同轴线。

8、根据权利要求1-7之一的装置，其特征在于包括多个与窗孔（4、5）对齐并与激励探头（8、9）间隔开的导线段（20、21）。

9、根据权利要求8的装置，其特征在于其中所述导电段（20、21）是细长形的，并导电地连接到所述导电表面（1、2）。

10、根据权利要求8或9的装置，其特征在于其中导电段（20、21）与激励探头（8、9）端对端地彼此相隔。

11、根据权利要求8-10之一的装置，其特征在于其中导电段（20、21）用衬底（3）上的印制电路构成。

12、根据权利要求1-11之一的装置，其特征在于所述用于连接的装置包括：一对1/4波长线（40、41），它们中的每一条的一端接到激励探头（8、9）之一，另一端共同接到悬浮线（7）;和一个与1/4波长线（40、41）一端相互连接的电阻器（42）。

13、根据权利要求12的装置，其特征在于其中电阻器（42）用衬底（3）上的印制电路构成。

14、根据权利要求12或13的装置，其特征在于其中电阻器（42）的阻值为悬浮线（7）特性阻抗的两倍。

15、根据权利要求1-14之一的装置，其特征在于包括一个辐射单元（13j）的矩形阵列，并且用于连接的装置包括把多个激励探头接到中心配置的馈送点（12、14）的悬浮线连接装置。

16、根据权利要求15的装置，其特征在于其中馈送点（12、14）配置在偏离阵列中心的位置，并占据最靠近阵列中心的一个辐射单元的位置。

17、根据权利要求15或16的装置，其特征在于包括一个终接悬浮线并具有线特性阻抗的电阻器（31），该电阻器（31）是用衬底（3）上的印制电路构成的，并安装在馈送点的邻近。

18、根据权利要求15-17之一的装置，其特征在于包括一个与馈送点（12）的悬浮线（7）相接的矩形波导（30、32）。

19、根据权利要求18的装置，其特征在于其中矩形波导（32）的宽（a）高（b）比为2∶1。