CN102437433A - 双极化波导槽阵列和天线 - Google Patents

双极化波导槽阵列和天线 Download PDF

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CN102437433A CN2011102399722A CN201110239972A CN102437433A CN 102437433 A CN102437433 A CN 102437433A CN 2011102399722 A CN2011102399722 A CN 2011102399722A CN 201110239972 A CN201110239972 A CN 201110239972A CN 102437433 A CN102437433 A CN 102437433A
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Abstract

一种双极化波导槽阵列包含第一波导和第二波导。第一波导包含长横截面轴和短横截面轴并沿共用纵向轴线延伸。第一波导进一步包含设置在其上面的多个槽，这些槽用以发射或接收第一极化的信号。第二波导耦合至第一波导，沿共用纵向轴线延伸并具有长横截面轴和短横截面轴。第二波导的长横截面轴实质正交于第一波导的横截面轴进行取向，且第二波导包含设置在其上面的多个槽，这些槽用以发射或接收第二极化的信号，第二极化实质正交于第一极化。

Description

双极化波导槽阵列和天线
相关申请案交叉参考
本申请案主张基于2010年8月10日提出申请且名称为“双极化波导槽阵列(DualPolarized Waveguide Slot Array)”的美国临时申请案61/372,214的优先权，该美国临时申请案的全部内容以引用方式并入本文中用于任何目的。
技术领域
本发明涉及波导天线，且更具体而言，涉及双极化波导槽阵列天线。
背景技术
波导槽阵列天线在业内众所周知，且通常用以在例如基站发射天线阵列等应用中提供高功率能力。
图7A显示业内已知的传统垂直极化波导槽阵列700。阵列700包含波导槽本体710，波导槽本体710可用以支持信号沿波导槽本体710的纵向轴线712(z-轴)传播。横切于纵向轴线712，波导槽本体710界定具有长尺寸713(沿x-轴)和短尺寸714(沿y-轴)的波导孔。长尺寸713界定阵列700的最低工作频率，且其尺寸通常为0.5λ。波导槽本体710进一步包含边缘槽722和724，边缘槽722和724各自相对于短尺寸714的轴线分别以正角度取向和负角度取向成α角。端盖730位于阵列700的顶部。
图7B显示图7A中所示垂直极化波导槽阵列700的典型辐射图案750。图案750包含方位角辐射图案752和仰角图案754。方位角辐射图案752表现出8dB的波动，如图所示。
图8A显示业内已知的具有水平极化的传统水平极化波导槽阵列。阵列800包括波导槽本体810，波导槽本体810可用以支持信号沿波导槽本体810的纵向轴线812(z-轴)传播。横切于纵向轴线812，波导槽本体810界定具有长尺寸813(沿x-轴)和短尺寸814(沿y-轴)的波导孔。长尺寸813界定阵列800的最低工作频率，且其尺寸通常为0.5λ。波导槽本体810进一步包含多个纵向槽820，每一纵向槽820均自界定波导本体810的长轴812的中心线偏置一预定距离，其中相邻的槽以相反的方向自中心线偏置。端盖830位于阵列800的顶部。
图8B显示图8A中所示水平极化波导槽阵列800的典型辐射图案850。图案850包含方位角辐射图案852和仰角图案854。方位角辐射图案852表现出4dB的波动，如图所示。
可以看到，传统垂直极化波导槽阵列和水平极化波导槽阵列中每一者的方位角辐射图案均在覆盖区域内大幅变化，这意味着在这些覆盖区域中的信号电平随用户位置的改变而显著地变化。结果，需要使用高功率发送机或高增益天线来确保无论用户身处何处均可向所有用户提供最低信号电平。因此，尽管槽阵列适合高功率发送和接收应用，但却不能完全部署在需要覆盖率更加均匀的应用中。
因此，业内需要一种可提供更均匀的辐射图案的波导槽阵列。
发明内容
本发明提供一种改进的双极化波导槽阵列，其包含第一波导和第二波导。第一波导包含长横截面轴和短横截面轴，并沿共用纵向轴线延伸。第一波导进一步包含设置在其上面的多个槽，这些槽用以发射或接收第一极化的信号。第二波导耦合至第一波导，沿共用纵向轴线延伸并具有长横截面轴和短横截面轴。第二波导的长横截面轴实质正交于第一波导的横截面轴进行取向，且第二波导包含设置在其上面的多个槽，这些槽用以发射或接收第二极化的信号，第二极化实质正交于第一极化。
通过以下附图和具体实施方式，可更好地理解本发明的这些和其他特征。
附图说明
图1A至图1D显示根据本发明的双极化波导槽阵列的透视图和横截面图；
图2A和图2B显示根据本发明的图1A至图lD所示双极化波导槽阵列的同轴馈线(coaxial feeds)；
图3A显示根据本发明的图1A至图1D所示双极化波导槽阵列以垂直极化模式运行；
图3B和图3C显示根据本发明的图3A所示双极化波导槽阵列的各别仰角辐射图案和方位角辐射图案；
图4A显示根据本发明的图1A至图1D所示双极化波导槽阵列以水平极化模式运行；
图4B和图4C显示根据本发明的图4A所示双极化波导槽阵列的各别仰角辐射图案和方位角辐射图案；
图5A至图5C显示根据本发明的图1A至图1D所示双极化波导槽阵列的回波损耗和隔离度参数；
图6A显示根据本发明一实施例的实例性双线性极化天线；
图6B显示根据本发明一实施例的实例性双圆形极化天线；
图6C显示根据本发明一实施例的实例性反射天线；
图6D和图6E显示根据本发明的实例性脊形波导-方形波导变换器的视图；
图6F和图6G显示根据本发明的方形波导-同轴输入适配器的视图；
图6H和图6I显示根据本发明的隔板式极化器(septum polarizer)的视图；
图7A显示业内已知的传统垂直极化波导槽阵列；
图7B显示图7A所示垂直极化波导槽阵列的典型仰角和方位角辐射图案；
图8A显示业内已知的传统水平极化波导槽阵列；以及
图8B显示图8A所示水平极化波导槽阵列的典型仰角和方位角辐射图案。
为简便起见，前面所述特征在后面的附图中保留其参考编号。
具体实施方式
图1A至图1D显示根据本发明的双极化波导槽阵列的透视图和横截面图。为清楚起见，图1A和图1B中所示的每一透视图均显示集成双极化波导槽阵列的一个单独部分。图1C中所示横截面图和图1D中所示透视图显示根据本发明的集成阵列。
阵列100包含第一波导120，第一波导120具有长横截面轴122和短横截面轴123，并沿共用纵向轴线140延伸。第一波导120进一步包含多个槽121，在这里称为边缘槽，这些边缘槽121设置在第一波导120上，用以发射或接收第一极化的信号。如图所示，第一波导120和第二波导160是一体成型，以形成界定阵列100的周边的单个壁。
阵列100进一步包含第二波导160，第二波导160耦合至第一波导120，如图所示。第二波导部160沿共用纵向轴线140延伸并包含长横截面轴162和短横截面轴163。举例而言，第二波导160的长横截面轴162实质正交于第一波导120的横截面轴122进行取向。第二波导160包含多个槽161，在这里称为“纵向槽”，这些槽161设置在第二波导部160上，用以发射或接收第二极化的信号，第二极化实质正交于第一极化。在一个实例性实施例中，信号极化是线性的，且因此第一极化信号和第二极化信号分别为垂直极化信号和水平极化信号。在另一实施例中，信号极化是圆形的，且因此第一极化信号和第二极化信号分别为右旋圆极化信号和左旋圆极化信号。进一步举例而言，第一极化的信号和第二极化的信号实质上在相同的射频(例如介于0.5至30GHz之间)下工作，例如在L、X、Ku、Ka频带中的任一频带内工作。在另一实施例中，第一波导和第二波导的尺寸被设计为可支持在不同频率下工作的信号的传播。
第一波导部120可用以支持具有第一极化的第一信号(例如，垂直极化射频信号)的传播，且例如包含两个沿长横截面轴122横向相对的外波导部124、126、以及耦合在两个外波导部124与126之间的内波导部125。
进一步举例而言，在两个外波导部124、126中的每一者中均设置一或多个边缘槽121(如图1D中灰色阴影所示)。如图所示，在一个实施例中，自两个外波导部124、126至内波导部125的过渡部分(transition)为线性锥形(linear taper)，但在其他实施例中可使用其他过渡几何结构，例如一个或多个阶梯(step)或为非线性锥形。进一步举例说明第一波导部120，边缘槽121中的每一者均围绕两个外波导部124、126的周边的大部分延伸(显示为围绕每一波导部124、126的3个侧边延伸)。更具体而言，每一外波导部124、126均包含相邻的边缘槽121a、121b，由此使相邻的边缘槽相对于第一波导部的短横截面轴成余角±β度。举例而言，角度β为介于10与35度之间的角，例如23度。
第二波导部160可用以支持具有第二极化的第二信号(例如，水平极化射频信号)的传播，且举例而言包含两个沿长横截面轴162横向相对的外波导部164、166、以及耦合在两个外波导部164与166之间的内波导部165。进一步举例而言，沿内波导部165的纵向轴线设置有多个纵向槽161。如图所示，在一个实施例中，自两个外波导部164、166至内波导部165的过渡部分为线性锥形，但在其他实施例中可使用其他过渡几何结构，例如一个或多个阶梯或为非线性锥形。进一步举例而言，内波导部125与165组合形成如图1C和图1D中所示的四向交叉(four-way cross)，且第一波导和第二波导以这种方式结合在一起。
进一步举例说明第二波导部160，多个槽161包含位置相邻的槽161a和161b，槽161a和161b自长横截面轴162的中心线167相反地偏置预定距离±Δ。举例而言，所述距离在λg/20至λg/5之间，例如为λg/10，其中λg表示在第二波导160内工作的信号的导波长。进一步举例而言，相邻槽161a和161b纵向地偏置预定距离，例如隔开λg/2。
进一步举例而言，边缘槽121中的每一者均围绕两个外波导部124、126的周边的大部分延伸。更具体而言，每一外波导部124、126均包含相邻的边缘槽121a、121b，由此使相邻的边缘槽相对于第一波导部的短横截面轴成预定余角β。举例而言，角β为介于10与35度之间的角，例如23度。
进一步举例说明第二波导160，纵向槽161相对于第二波导160的短横截面轴163以预定余角±α设置在内波导部165中。举例而言，角α介于10至80度，例如为45度。如图所示，纵向槽161设置在(例如，在位置和尺寸上互成镜像)内波导部165的两个宽边上。
阵列100在一端处(在图1A至图1C中显示为阵列100的顶部或最上部)被封盖，并沿相对的纵向端延伸至另外的波导结构/组件，举例而言，延伸至脊形波导-方形波导变换器及/或方形波导-同轴输入适配器，如在下述图6A至图6C中所示。
举例而言，阵列100由铜、黄铜、铝、铁镍钴合金(Kovar)或波导领域中使用的其他材料制成。进一步举例而言，波导的尺寸设计成支持所需信号的传播，例如，第一波导120和第二波导160的长横截面尺寸和短横截面尺寸被选择成使得这些波导在其截止频率(cut-off frequency)以上工作。可使用各种制造技术来制成阵列100，例如数控机床加工、铸造、或其他波导制造技术。
图2A和图2B显示根据本发明的双极化波导槽阵列的同轴馈线。图2A显示第一波导部120的同轴馈线的布置，而图2B显示第二波导部160的同轴馈线的布置。举例而言，对于图2A和图2B中所示的两个实施例，均可使用功率分配器(power divider)向每一馈线提供同相功率(in-phase power)。或者，可将阵列100耦合至变压器，且馈线可位于此一馈线上，其实例性布置显示于以下图6A至图6C及图6F至图6I中。
图3A显示根据本发明的双极化波导槽阵列100以第一极化模式(例如垂直极化模式)工作。如图所示，传播的信号的电场在第一(垂直)波导120的内波导部125的宽边之间垂直地延伸。
图3B和图3C显示当双极化波导槽阵列100以第一/垂直极化模式在1.88至1.920GHz的频率范围中工作时双极化波导槽阵列100的各别仰角(
Figure BSA00000560308600051
度)和方位角(θ＝90度)辐射图案。
图4A显示根据本发明的双极化波导槽阵列100以第二极化模式(例如水平极化模式)工作。如图所示，传播的信号的电场在第二(水平)波导160的内波导部165的宽边之间水平地延伸。
图4B和图4C显示当双极化波导槽阵列100以第二/水平极化模式在1.88至1.920GHz的频率范围中工作时双极化波导槽阵列100的各别仰角(度)和方位角(θ＝90度)辐射图案。
图5A至图5C显示双极化波导槽阵列100的回波损耗和隔离度参数。图5A显示在1.88至1.920GHz的频率范围内进入第一波导120的输入的回波损耗(相对于50ohms而言)，其中最大S11小于-15dB。图5B显示在1.88至1.920GHz的频率范围内第二波导160的输出的输出回波损耗(相对于50ohms而言)，其中最大S33小于-15dB。图5C显示在1.88至1.920GHz的频率范围内第一波导120与第二波导160之间的交叉极化隔离度，其中最大S13小于-55dB。自这些性能曲线可看出，双极化波导槽阵列提供接近全向的覆盖、良好的输入和输出匹配以及极小的交叉极化泄漏。
图6A显示根据本发明一实施例的包含上述阵列100的双线性极化天线620。双线性极化阵列620包含阵列100、脊形波导-方形波导变换器622、以及方形波导-同轴输入适配器624。变换器622耦合至第一波导和第二波导中的每一者，例如阵列100的底部的横截面耦合至变换器622而形成至变换器622的过渡部分。适配器624包含用以接收或输出水平极化信号的水平信号端口624a、及用于接收或输出垂直极化信号的垂直信号端口624b。变换器622和适配器624为常规组件或可通过例如放电加工(ElectricalDischarge Machining；EDM)或拉模铸造(die casting)等常规技术制造。脊形波导-方形波导变换器622的实例性实施例显示在图6D和图6E中。方形波导-同轴输入适配器624的实例性实施例显示在图6F和图6G中。
图6B显示根据本发明一实施例的包含上述阵列100的实例性双圆形极化天线640。双圆形极化天线640包含阵列100、脊形波导-方形波导变换器642和隔板式极化器644。隔板式极化器644包含用以接收或输出右旋圆极化信号的RHCP端口644a、以及用于接收或输出左旋圆极化信号的LHCP信号端口(对向地位于隔板式极化器644上)644b。脊形波导-方形波导变换器622的实例性实施例显示在图6D和图6E中。隔板式极化器644的实例性实施例显示在图6H和图6I中。
图6C显示根据本发明一实施例的包含上述阵列100的实例性反射天线660。反射天线660包含图6B中所示的双圆形极化天线640，双圆形极化天线640用于照明反射盘(reflector dish)662或自反射碟662接收信号。各个右旋圆极化信号和左旋圆极化信号通过端口664a和664b输入/输出至天线660。反射盘662可为常规组件，或可使用例如铝等信号反射材料制造。
图6D和图6E分别显示根据本发明的实例性脊形波导-方形波导变换器622和642的视图。图6F和图6G显示根据本发明的方形波导-同轴输入适配器624的视图。图6H和图6I显示根据本发明的隔板式极化器644的视图。适配器624和极化器644代表图2A和图2B中所示馈线结构的替代实施例，且在难以将图2A和图2B所示同轴探针制造成具有实质相等的长度(例如，在彼此的+/-5％以内)时可具有优势。
双极化波导槽阵列100以及包含双极化波导槽阵列100的天线620、640和660可用于若干应用中。举例而言，其各自均可用作分集天线，其中阵列100的第一波导部120和第二波导部160在相同的频率或不同的频率下工作。在具体实施例中，阵列100及其相应的天线620、640和660可实作于1.8GHz GSM系统、2.2GHz WiFi系统、或3.5GHzWiMax系统中，为各系统提供每一天线的极化分集。
所属领域的技术人员容易理解，所描述的过程和操作可视情况采用硬件、软件、固件或这些实作形式的组合来实作。另外，某些或全部所述过程和操作可被实作为驻存在计算机可读媒体上的计算机可读指令码，所述指令码可用以控制计算机或其他此类可编程装置来执行预期的功能。由于驻存指令码的计算机可读媒体可呈各种形式，例如可抽换式磁盘、易失性存储器或非易失性存储器等。
术语“一(a或an)”用于指一个或一个以上由此所述的特征。此外，术语“耦合(coupled)”或“连接(connected)”是指相互之间(视情况以电气方式、机械方式、热方式)直接地或通过一或多个中间结构或物质进行连通。方法流程图中所提及的操作和动作的顺序为实例性的，且这些操作和动作可用不同的顺序进行，并且这些操作和动作中的两个或多个操作和动作可同时进行。权利要求书中所包含的参考编号(若有)用于指所主张的特征的一个实例性实施例，且所主张的特征并不限于所述参考编号所指的具体实施例。所主张的特征的范围应由权利要求的措词界定，如同其中的所述参考编号不存在一样。本文中所提及的所有出版物、专利和其他文件的全文以引用方式并入本文中。对于任何此类并入的文件与本文件之间的任何不一致的用法，应以本文件中的用法为准。
上文已足够详细地对本发明的以上实例性实施例进行了说明以使所属领域的技术人员能够实践本发明，且应理解，这些实施例可以加以组合。选择所述实施例是为了最佳地阐述本发明的原理及其实际应用，从而使所属领域的其他技术人员能够最佳地将本发明用于各种实施例中并做出适合于所预期的具体应用的各种修改。本发明的范围意欲仅由随附权利要求书界定。

Claims (28)

1.一种双极化波导槽阵列，包括：
第一波导，具有长横截面轴和短横截面轴并沿共用纵向轴线延伸，所述第一波导包括设置在其上面的多个槽，所述多个槽用以发射或接收第一极化的信号；以及
第二波导，耦合至所述第一波导，所述第二波导沿所述共用纵向轴线延伸并具有长横截面轴和短横截面轴，所述第二波导的所述长横截面轴实质正交于所述第一波导的所述横截面轴进行取向，所述第二波导包括设置在其上面的多个槽，所述多个槽用以发射或接收第二极化的信号，所述第二极化实质正交于所述第一极化。
2.如权利要求1所述的双极化波导槽阵列，其特征在于，所述第一波导包括：
沿所述长横截面轴横向相对的两个外波导部；以及
耦合在所述两个外波导部之间的内波导部，
其中在所述两个外波导部中的每一者中设置边缘槽。
3.如权利要求2所述的双极化波导槽阵列，其特征在于，设置在所述两个外波导部中的每一者上的所述边缘槽围绕所述两个外波导部中的每一者的周边的大部分延伸。
4.如权利要求3所述的双极化波导槽阵列，其特征在于，
其中在所述两个外波导部中的每一者中设置多个边缘槽，以及
其中相邻边缘槽相对于所述第一波导的所述短横截面轴的轴线互成余角。
5.如权利要求1所述的双极化波导槽阵列，其特征在于，所述第二波导包括：
沿所述长横截面轴横向相对的两个外波导部；以及
耦合在所述两个外波导部之间的内波导部，
其中在所述内波导部中设置多个槽。
6.如权利要求5所述的双极化波导槽阵列，其特征在于，所述多个槽中的每一者均沿所述共用轴线纵向地延伸。
7.如权利要求6所述的双极化波导槽阵列，其特征在于，所述多个槽包括自所述长横截面轴的中心线对向地偏置预定距离的相邻槽。
8.如权利要求7所述的双极化波导槽阵列，其特征在于，相邻纵向槽相对于所述第二波导的所述短横截面轴以预定余角设置在所述内波导部中。
9.如权利要求1所述的双极化波导槽阵列，其特征在于，设置在所述第一波导上的所述多个槽可用以发射或接收水平极化的信号，且设置在所述第二波导上的所述多个槽可用以发射或接收垂直极化的信号。
10.如权利要求1所述的双极化波导槽阵列，其特征在于，设置在所述第一波导上的所述多个槽可用以发射或接收右旋圆极化信号，且设置在所述第二波导上的所述多个槽可用以发射或接收左旋圆极化信号。
11.一种双极化天线，包括：
双极化波导槽阵列，包括：
第一波导，具有长横截面轴和短横截面轴并沿共用纵向轴线延伸，所述第一波导包括设置在其上面的多个槽，所述多个槽用以发射或接收水平极化的信号；以及
第二波导，耦合至所述第一波导，所述第二波导沿所述共用纵向轴线延伸并具有长横截面轴和短横截面轴，所述第二波导的所述长横截面轴实质正交于所述第一波导的所述横截面轴进行取向，所述第二波导包括设置在其上面的多个槽，所述多个槽用以发射或接收垂直极化的信号，
脊形波导-方形波导变换器，耦合至所述第一波导与所述第二波导中的每一者；以及
方形波导-同轴输入适配器，耦合至所述脊形波导，所述方形波导包含用以接收或输出水平极化的信号的第一端口、及用以接收或输出垂直极化的信号的第二端口。
12.如权利要求11所述的双极化天线，其特征在于，所述第一波导包括：
沿所述长横截面轴横向相对的两个外波导部；以及
耦合在所述两个外波导部之间的内波导部，
其中在所述两个外波导部中的每一者中设置边缘槽。
13.如权利要求12所述的双极化天线，其特征在于，设置在所述两个外波导部中的每一者上的所述边缘槽围绕所述两个外波导部中的每一者的周边的大部分延伸。
14.如权利要求13所述的双极化天线，其特征在于，
在所述两个外波导部中的每一者中设置多个边缘槽，以及
相邻边缘槽相对于所述第一波导的所述短横截面轴的轴线互成余角。
15.如权利要求11所述的双极化天线，其特征在于，所述第二波导包括：
沿所述长横截面轴横向相对的两个外波导部；以及
耦合在所述两个外波导部之间的内波导部，
其中在所述内波导部中设置多个槽。
16.如权利要求15所述的双极化天线，其特征在于，所述多个槽中的每一者均沿所述共用轴纵向地延伸。
17.如权利要求16所述的双极化天线，其特征在于，所述多个槽包括自所述长横截面轴的中心线对向地偏置预定距离的相邻槽。
18.如权利要求17所述的双极化天线，其特征在于，相邻纵向槽相对于所述第二波导的所述短横截面轴以预定余角设置在所述内波导部中。
19.如权利要求11所述的双极化天线，其特征在于，设置在所述第一波导上的所述多个槽可用以发射或接收水平极化的信号，且设置在所述第二波导上的所述多个槽可用以发射或接收垂直极化的信号。
20.如权利要求11所述的双极化天线，其特征在于，设置在所述第一波导上的所述多个槽可用以发射或接收右旋圆极化信号，且设置在所述第二波导上的所述多个槽可用以发射或接收左旋圆极化信号。
21.一种反射天线，包括：
反射盘，以及
双极化波导槽阵列，被耦合成自所述反射盘接收信号或向所述反射盘发送信号，所述双极化波导槽阵列包括：
第一波导，具有长横截面轴和短横截面轴并沿共用纵向轴线延伸，所述第一波导包括设置在其上面的多个槽，所述多个槽用以发射或接收右旋圆极化的信号；以及
第二波导，耦合至所述第一波导，所述第二波导沿所述共用纵向轴线延伸并具有长横截面轴和短横截面轴，所述第二波导的所述长横截面轴实质正交于所述第一波导的所述横截面轴进行取向，所述第二波导包括设置在其上面的多个槽，所述多个槽用以发射或接收左旋圆极化的信号。
22.如权利要求21所述的反射天线，其特征在于，所述第一波导包括：
沿所述长横截面轴横向相对的两个外波导部；以及
耦合在所述两个外波导部之间的内波导部，
其中在所述两个外波导部中的每一者中设置边缘槽。
23.如权利要求22所述的反射天线，其特征在于，设置在所述两个外波导部中的每一者上的所述边缘槽围绕所述两个外波导部中的每一者的周边的大部分延伸。
24.如权利要求23所述的反射天线，其特征在于，
在所述两个外波导部中的每一者中设置多个边缘槽，以及
相邻边缘槽相对于所述第一波导的所述短横截面轴的轴线互成余角。
25.如权利要求21所述的反射天线，其特征在于，所述第二波导包括：
沿所述长横截面轴横向相对的两个外波导部；以及
耦合在所述两个外波导部之间的内波导部，
其中在所述内波导部中设置多个槽。
26.如权利要求25所述的反射天线，其特征在于，所述多个槽中的每一者均沿所述共用轴纵向地延伸。
27.如权利要求26所述的反射天线，其特征在于，所述多个槽包括自所述长横截面轴的中心线对向地偏置预定距离的相邻槽。
28.如权利要求27所述的反射天线，其特征在于，相邻纵向槽相对于所述第二波导的所述短横截面轴以预定余角设置在所述内波导部中。
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