CN1011168B - 微带天线阵 - Google Patents

Abstract

一种具有波束倾斜功能的微带天线阵，包括多个圆极化波辐射元对(63a、63b)，通过在该天线平面内预置角度使每对中的两个辐射元之间方向角不同，产生相差，从而产生波束倾斜；一个向辐射元供电的馈电线51，它包括多对分别向辐射元对对应分开的两个端头组成的馈电端(53a、53b)；配对的馈电端电长度相等；因为用于产生相差的无相移部分形成于配对的馈电端(53a、53b)之间，馈电线的结构简单。

Description

本发明涉及一种平面型微带天线阵天线，具体地，涉及一种家用接收广播卫星电磁波的微带天线阵。

在这一技术领域，通常用抛物面天线来接收广播卫星传输的电磁波。抛物面天线架设在屋顶或阳台上，以便瞄准卫星。抛物面天线包括一个反射器，一个辐射元和一个转换器，后二者安装在反射器的焦点位置。因此，此种类型的天线结构复杂，大且笨重。遇到大风，如台风，此种抛物面天线极易损坏。在多雪地区，当过多的雪积压在天线上后，电磁波将被吸收掉。另外，安装抛物面天线也有损于建筑物的外观。

除了上述抛物面天线外，也使用一种平面型微带天线阵来接收广播卫星有效频带（例如约12GHz带宽）内的电磁波。由于此种平面型天线能够沿墙或与此类似地架设，所以大风对其影响比较小，并且对建筑物的外观影响也较小。

然而这种类型的普通平面型微带天线阵辐射出的波束的方向与该天线平面方向是垂直的。如图1所示，如果要将其对准卫星，平面型天线就得倾斜。这样一来，天线1也变得易受大风的影响，雪也可以积压其上对广播卫星传输的电磁波产生衰减。另外，如果平面型天线以此种方式倾斜架设，它也同样会破坏建筑物的外观。

为了避免这种不利的情况，最好平面天线具有一个波束倾斜功能或特性，即使从该天线辐射出来的波束偏离与天线平面垂直的方向。在日本的典型纬度区，通过给定天线一个波束向上的例如23°的倾斜量，就能够使平面天线1大致地沿建筑物2竖直架设，如图2所示。用这种方法安装天线1，能够减小大风的影响，避免天线上积雪，对建筑物2外观的影响也可减小。

上边提到的波束倾斜功能，可通过给定构成天线阵的多个辐射元的相位差而获得。图3和4是用于圆形极化波的先有技术的平面型微带天线阵的一 部分，其结构如下。图3是该天线的部分平面图，图4是沿图3中4-4线剖开的剖视图。这种天线是通过在接地基板5上重叠放置第一和第二块印制板7和8，并在其间填以电介质层6而形成的。带有预定图案的馈电线9在第一块印制板7上形成，而在第二块印制板8上形成导电薄膜。去掉一部分导电薄膜而形成多个辐射槽10，每一个辐射槽在其中心留有部分导电薄膜，于是形成了馈电块11。槽10和块11构成多个辐射元13a～13d。馈电线9与辐射元的馈电块11以电磁方式耦合。相移部分12在馈电线的中部形成，在每两个相邻的辐射元之间产生相位延迟。此种相位延迟可调节到，例如传输电磁波的四分之一波长λg。在此种设置中，可向天线提供大约23°的波束倾斜量。

为获得以此种方式制造的平面型微带天线阵的最大效率，每两个相邻辐射元之间的距离必须设定在自由空间中电磁波波长λ₀的80%到90%之间。另外，在具有前述的波束倾斜功能的天线阵中，实际的电磁辐射成栅状波瓣不可避免地出现在并不需要的方向上。要避免这些栅状波瓣，每一对用来给出相差的辐射元之间的距离d就必须设定在例如0.64λ₀或更小一些。如果要将天线阵设计成最适合于广播卫星的12GHz带宽，考虑到这个要求，每一辐射元的辐射槽10的外径大约为14mm，距离d大约为16mm。相应地，每一对用来给出相差的辐射元的辐射槽的圆型外沿之间的间隙分别大约为2mm，这个间隙并不很大。另外，因为相移部分12形成在馈电线9端部的中间，所以馈电线的结构较为复杂。正象图3中符号A、B、C所指的这些部分，馈电线距辐射元如此接近以致于在其间产生不需要的电磁耦合，使天线的增益降低。如果将馈电线的宽度减小以增大馈线与辐射元之间的距离，从而避免这些不需要的电磁耦合，那么在馈电线上将会产生很大的损耗，因此天线增益也同样被降低。

如上所述，带有波束倾斜功能的通用平面型天线阵降低增益，而且如果馈电线的结构如此复杂，那么在分叉和弯曲部分相位是不对称的。因此，阻抗匹配困难，并且增益较低。

本发明旨在提供一种波束倾斜式微带天线阵，并且不降低天线的增益和性能。

为了实现上述目标，根据本发明，每一对圆形极化波的辐射元按预定的相互旋转角在平面型天线的平面内安放。馈电线的端头以分别配对地与辐射元对应的方式制成，因此，如从其分叉部分测量，它们的电长度是相等的。这种设置在配对的辐射元之间产生相移，可产生一种理想的波束倾斜。根据本发明，相移部分不必要在与辐射元对应的馈电线端中部形成，因此馈电线的总结构是简单的。并且，馈电线和辐射元之间的间隙能够做得足够宽以避免在馈电线与辐射元之间产生不需要的电磁耦合，因而保证了对天线增益和性能的改善。

根据本发明的一方面，对每一靠近馈电线的辐射元的外部结构作了部分地调整，所以加宽了辐射元和馈电线之间的间隙。在此种结构中，虽然辐射元自身性能有所降低，但在辐射元和馈电线之间的无用电磁耦合减少了，因此，从整体上讲，天线的增益和性能还是得到了改善。

下边结合附图，详细介绍本发明及其实施例。附图中：

图1是一个不带波束倾斜功能的平面型天线架设在建筑物上的情形的示意图;

图2是一个带有波束倾斜功能的平面型天线架设在建筑物上的情形的示意图;

图3是先有技术中带有波束倾斜功能的微带天线阵的部分设计图;

图4是图3中沿4-4线剖开的部分剖视图;

图5是表示本发明的第一个实施例的平面型微带天线阵外轮廓的透视图;

图6是图5所示天线的分解透视图;

图7是一个馈电线印制板的部分设计图;

图8是一个辐射元印制板的部分设计图;

图9是重叠的辐射元和馈电线之间的位置关系图;

图10是沿图9中线10-10剖开的剖视图;

图11是根据本发明的第二个实施例天线的部分设计图;

图12是第一个实施例的天线的特性曲线图;

图13是第二个实施例的天线的特性曲线图;

图14是根据本发明的第三个实施例中辐射元和馈电线之间的位置关系图;

图5至图10表示本发明的第一个实施例。该实施例中的30是一个用于圆极化波的平面型微带天线阵。图5表示天线30的外型，图6是该天线的分解透视图。天线30包括一个浅托盘形金属底板31，兼 作接地基板。第一电介质层32、馈电线印制板33、第二电介质层34、辐射元印制板35、保护板36和盖子37一层一层地顺序重叠在底板31之前。盖子37和底板31的对应边沿部分由框架38、39和40连接固定起来，这样就将上述各分离部分装配在一起。第一和第二电介质层32和34用电介质材料如发泡聚乙烯制成。盖子37用合成树脂或纤维加强型塑料材料制成。最好在盖子37的表面涂一层薄膜，如象氟化物树脂或“TEDLER”薄膜（商标：由美国Du    Pont    de    Nemours    &    Co.生产），这种材料很少受天气影响，抗水、经脏，不会轻意被雪、冰或尘土等物弄脏。保护板36用较厚的高度绝热材料，如象发泡聚苯乙烯制成。板36用来保护辐射元印制板35等免受阳光照射引起的温度升高，并保护它们免受硬物撞击盖37时可能引起的机械损坏。

变频器45安装在底板31的后面。它与馈电线印制板33用波导46以电磁耦合方式相连接。波导46被弯成90°角，以便使变频器45平行安装于底板31的后面。采用此种结构，整个天线结构的总厚度可以减少。

图7和图8分别表示馈电线印制板33和辐射元印制板35的排列情况。在馈电线板33中，馈电线51是由具有图7所示的图案的导电薄膜组成，它在电介质薄膜基片50上生成。另一方面，如图8所示，多对圆极化波辐射元62a～65a和62b～65b都做在辐射板35上。这些辐射元中的第一个都由圆形辐射槽66和圆型馈电块67组成。槽66由在电介质薄膜60上挖去部分导体薄膜而形成，并在其中心部分留下部分导体薄膜形成馈电块67。在块67的圆周上形成一对凹口68，相互径向对应。进一步地，多个馈电端头对52a～55a和52b～55b在馈电线板33的馈电线51上生成，分别与辐射元相对应。如图9和图10所示，印制板33和35中间夹上第二块电介质片34后重叠起来。馈电线与其对应的辐射元以电磁方式耦合，即分别与下边的辐射元件中的各馈电块一致。更具体地，第一个馈电对52的馈电端52a和52b与第一个辐射元对62中的馈电块62a和62b分别耦合;第二馈电对53的端头53a和53b与第二辐射元对63中的馈电块63a和63b耦合;第三对54的端头54a和54b与第三辐射对64的馈电块64a和64b耦合;第四对55的55a和55b与第四对辐射元65的65a和65b耦合。每对馈电端头都由第一分叉口56连接起来，每两个相邻的馈电对由它们对应的第二分叉口57连接起来。第一、第二馈电对52和53和第三、第四馈电对54和55通过它们相应的分叉口58连接起来。在天线平面内，每对辐射元都以相互旋转90°的角度设置。即第一、第二、第三和第四对62、63、64、65中的辐射元62b、63b、64b和65b分别与辐射元62a、63a、64a和65a成90°角。而馈电线端头部分则与辐射元的位置关系相一致。即第一、第二、第三和第四馈电对52、53、54和55中的52b、53b、54b和55b端分别与52a、53a、54a和55a端成90°角。每个辐射元的凹形口68与每个馈电线端的延长线的夹角被设置成45°。右旋圆极化波的电磁波束从这些辐射元中辐射。

在每对辐射元之间制成90°相移，即在辐射元62a和62b之间，63a和63b之间，64a和64b之间，及65a和65b之间形成90°相移。该馈电线的各馈电端具有相同的电长度，并且第一和第二分叉口56和57之间的电距离是相同的。相移端59分别在第二对53中的第二和第三叉口57和58之间和第四对55中的第二和第三叉口57和58之间形成。每个相移端59产生一个180°的相位延迟。因此辐射元62b、63a和63b被分别延迟90°、180°和270°，滞后于每个对应的辐射元62a。同样，64b、65a和65b分别延迟90°、180°和270°，滞后于每个对应的辐射元64a。辐射元62a和64a相位相同，即前者比后者相位滞后360°。由于辐射元63b比辐射元62a相位滞后270°，所以在辐射元63b和64a之间产生一个90°的相位延迟。因而，在每两个相邻的辐射元之间都有一个90°的相位延迟。波束倾斜就是通过这些相邻辐射元之间的相移而产生的。设在自由空间电磁波的波长、两相邻辐射元的旋转角和两相邻辐射元之间的距离分别为λ₀、α°和d，则波束倾斜角由下式给出：

θ＝Sin^-1（αλ₀/2πd）

在上边介绍的实施例中，α＝90°，d＝0.64λ₀，在此情况下，波束倾角θ大约为23°。

图7和图8仅为馈电线印制板33和辐射元印制板35部分示意图。对于没有画出的部分，馈电线和辐射元的构成与上述图案相同。

另外，在此例中，具有相移的两相邻辐射元之间（如62a和62b之间，或者62b和63a之间）的距离被设置成0.64λ₀，在具有相同相位的两相邻辐射元之间（如62a和62a之间，或者65b和65b之间）的距离被置成0.8λ₀。通过以这种方式设置距离，天线可 发挥最大效率，而不需要的栅状波瓣的产生最小。进一步地，在此实施例中，馈电线51的阻抗选为100欧姆。馈电线51的宽度变化各点不一，借以将每个辐射元的阻抗与该线的阻抗相匹配。

图12表示根据上述实施例的天线和先有技术天线的特性曲线的对比情况。在图12中，曲线P表示图3所示的普通16-元平面型微带天线阵的特性，该天线带宽为12GHz。曲线E表示根据图7到10所示的本发明第一个实施例的16-元微带天线阵的特性曲线。象图12中所看到的那样，普通天线的效率η为46%，而本发明天线的效率η为70%。由此可见，本发明天线的效率比普通天线的高。

图11表示本发明的第二个实施例。第二实施例的天线具有与图5～10所示的第一个实施例的天线大致相同的结构。第二个实施例与第一个实施例不同之处在于，对在辐射元72中间靠近馈电线71的辐射元72a的外部结构作了部分处理。具体地说，每一个辐射元72a在其一边73上有一段直线边73，这个直线边是通过切掉靠近71一边的辐射元的圆形外沿部分而形成的。边沿73的作用在于在辐射元72a和馈电线71之间保持一个较宽的间隙。在此实施例中，每两相邻辐射元72a的对应边沿之间的距离被设置成，例如6mm。虽然以此种方式构成的辐射元72a辐射效率降低了，但是，在辐射元72a和馈电线71之间的无用电磁耦合也减少了。因而整体上天线的效率得到了提高。图13是与第一种实施例比较的第二种实施例的天线效率改善状况的特性曲线示意图。如图13所示，在天线的工作带宽内，增益得到了提高。

图14为本发明的第三个实施例。在这种设计中，馈电线151和圆极化波辐射元163a及163b（每个辐射元由一个辐射块组成）都在同一块印制板上制成。辐射元163a和163b各带有一对凹型缺口168。馈电线151的端头153a和153b分别直接与辐射元163a和163b耦合。两相邻的馈电端被设置为相互成90°夹角。除此之外，第三个实施例与第一个实施例的结构相同。

在上述实施例中，在每两个相邻的圆极化波辐射元之间给出90°的相移。对于接收卫星广播的天线来说，这个相移角度是最合适的。因此，使用90°的相差，通过调整馈电线可分别地包含在两个相邻对中的四个辐射元的相位角设置成0°、90°、180°和270°，所以在相邻对之间给出180°的相差。因此，这种情况只要将馈电线设计成便于在两个相邻对之间给出180°的相移即可。这样一来，馈线的结构得以简化。90°的相移实现了约23°的波束倾斜。在一般的情况下，通过给定平面型天线一个23°的波束倾角，在实际应用中可使天线与铅垂方向的安装角度做得足够小。例如，在札幌（约北纬44°），接收来自地球同步轨道的广播卫星电磁波的接收角（波角）为31.2°，因此，平面天线能够以与铅直方向夹角为8.2°角安装。在东京（约为北纬36°），接收来自广播卫星的电磁波的接收角（波角）是38.0°，因此平面型天线能够以与铅垂方向夹角为15°角安装。在一般情况下，平面天线可靠近大致沿建筑物墙壁或类似位置架设。因此，天线受大风影响的可能性较小，雪等不会在天线上积累，并且天线的架设对建筑物的外观影响较小。很明显，可行的做法是，对于高纬度地区，天线的波束倾斜角可以做得小些，而低纬度地区的天线，可以做得大些。可在30°～150°的范围内任意选择相差，以便设置波束倾斜角。

应该理解到，本发明并不局限于上述几个实施例，并且在不脱离本发明的构想和精神的情况下，本领域的专业人员可能会在其中做出各种改变或调整。

Claims (5)

1、一种有波束倾斜功能的平面型微带天线阵天线，包括：

一个用导电材料制成的天线体；

一个由在辐射元印制板上生成的多对圆极化波辐射元形成的天线阵；

一条在馈电线印制板上生成并且具有分别与所述辐射元对相对应的多对馈电端的馈电线；

一个位于所述天线体正面的盖子；和一个与所述馈电线印制板电耦合的转换器；

其特征在于：

在平面型天线的平面内，每一所述辐射元对中的一个辐射元相对于另一个辐射元旋转α度角。

所述成对的馈电端分别在分叉口部位分叉并且其电长度相等；

所述角度α的设置须满足下列公式：

θ≈Sin^-1(αλ_o/2πd)

其中α是一个希望的波束倾斜角，d是每对中圆极化波辐射元之间的距离，而λ是自由空间内电磁波的波长；

还在于

所述天线体为浅托盘形底板；

一个由合成树脂泡沫材料制成、置于该底扳前面的第一电介质层，所述馈电线印制板重叠在此第一电介质层前面；

一个由合成树脂泡沫材料制成、置于馈电线印制板前面的第二电介质层，所述的辐射元印制板重叠于此第二电介质层前面；

一个由合成树脂泡沫材料制成、重叠于辐射元印制板前的保护板；和

一个重叠于保护板前面，其边沿线部分分别与所述底板对应连接在一起的盖子。

2、根据权利要求1的天线，其特征在于所述圆极化波辐射元对中的合个辐射元的方向角之间的差角α为90°，用于在相邻对之间产生180°相差的相移部分在所述的馈电线的中部形成。

3、根据权利要求1的天线，其特征在于所述馈电线在一块馈电线印制板上形成，和所述的辐射元在一块辐射元印制板上形成。

4、根据权利要求1的天线，其特征在于所述多个圆极化波辐射元中处于靠近馈电线的那些辐射元，其外部轮廓被该部分地削切，从而使得所述圆极化波辐射元和馈电线之间间隙加大。

5、根据权利要求1的天线，其特征在于所述馈电线和所述圆极化波辐射元在同一块印制板上形成，彼此直接耦合。

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