CN1027116C - 微波平面阵列天线 - Google Patents

Abstract

一种平面天线阵包括：具有许多开孔的上板、下板、以及具有许多阵列元件的印制的辐射图案并位于上板和下板之间的电路板，其中下板具有对应上板的许多孔的位置形成的凹进部分。

Description

本发明涉及用于例如接收卫星广播的平面阵列型微波天线。

在具有许多构成辐射元件部分的开孔的金属板或镀金属塑料板之间夹有基片的悬浮线馈电型平面天线中，已提出一种圆偏振波平面天线阵。在这种以前提出的天线中，在一公共平面上形成相互垂直、其数量对应于孔的数量的激励探头对，并且馈给该激励探头对的信号在悬浮线内同相混合。

因此，与现有天线相比较，上述平面天线可以减小厚度，其机械结构也可得到简化。而且，可将市场上可购得的便宜基片用在高频应用中，获得的天线增益等于或大于使用昂贵微波带状线路基片的平面天线的增益。

悬浮线路获得如下优点，它形成低损耗路线作为馈给平面天线的电路，以及它可以在便宜的薄膜成形基片上形成等等。再者，由于这种常规平面天线使用圆形或长方形波导开孔元件作为辐射元件，所以可构成在相当宽频率范围内具有小的增益偏差的天线阵。

已经提出一种所谓插接线隙缝天线阵，该天线阵有效利用悬浮线和薄型辐射元件特性以提供高效率和宽带宽。另外，这种类型天线阵可以减小厚度和重量（参见我们于1988年7月25日共同未决的美国专利申请系列号第223，781号）。

在将基片夹在一对金属或镀金属塑料板之间的悬浮线馈电型平面天线阵中，在对应于穿透金属或镀金属塑料板而形成的开孔的基片位置上形成许多谐振印制插接线辐射器。

然而，在美国专利申请系列号第223，781号中描述的平面天线阵在多个谐振型印制插接线辐射器周围形成作为其支撑部分的边缘，因 此困难的切割工序是不可避免的，这使得不可能高效的大批量生产这种天线。而且，这使天线非常昂贵。

为了解决上述问题，已提出一种悬浮线馈电型平面天线阵（参见我们共同未决的美国专利申请系列号第258，728号），其中基片夹在具有许多开孔的上板和对着上板的下板之间。特别地，在这种以前提出的悬浮线馈电型平面天线阵中，在上下板各自相应位置由冲压处理形成凸起部并且由这些突起部支撑基片。按照这种天线，不需要困难的切割加工，而仅要求简单的冲压处理，这使高效大批量生产成为可能。还可使得天线价格便宜。

图1示出多个圆偏振波辐射元件由悬浮线同相位馈电而形成天线阵的一种线路配置。在该情况下，圆偏振波辐射元件与在美国专利申请系列号第258，728中描述的一样。图2中的实线示出图1中通过线Ⅱ-Ⅱ切断的部分。图2的虚线部分示出这样一种情况，即第二金属板2覆盖图1所示配置的顶部。

在第一金属板1上导电箔8和悬浮线之间位置上形成许多凸起部11，用以支撑基片3。如所示出的，在第一金属板上沿平面天线阵的外围部分还形成有凸起部11。第一金属板1的其它部分形成空腔7。故而存在相当大的如下危险，即来自多个导电箔8的输出可能通过相同空腔7传递并因此上述输出信号会相互耦合。但是，如果适当选择相邻导电箔8之间的间隔以及空腔部分7的上下壁之间的间隔，可以达到必要的绝缘，由此消除上述相互耦合的危险。因为大部分电力线集中于每个空腔部分7的上和下壁，基本上消除沿支撑导电箔8的基片3的电场，因此降低介质损耗。结果，降低了线路的传输损耗。

在第二金属板2上也形成对应于第一金属板的凸起部和空腔部分。更准确地说，在第二金属板2上围绕穿透该板的隙缝5和位于导电箔8与悬浮线之间的馈电部分的边缘形成凸起部12以支撑基片3，而在凸 起部之间的其它部分构成空腔部分7。

由如上所述形成的凸起部11和12均匀支撑基片3，所以可以避免基片3向下弯曲。另外，因为金属板1和2的顶部和底部如上面所述类似地围绕各辐射元件、馈电部分等面对面与基片3接触，故有可能防止在特定频率发生任何谐振。

参照图1，16个辐射元件四个一组进行排列，形成4个辐射元件组G₁至G₄。每组中悬浮线的接点P距离该组中心点λg/2（λg表示在中央频率的传输线波长）的长度。每组中馈电给两个辐射元件的悬浮线的接点P₂和P₃连接，每个点与这两点之间的中心点有λg/4的位移。因此，在每组辐射元件中，右下侧辐射元件在相位上与右上侧辐射元件有90°的偏移，与左下侧辐射元件则有180°的偏移，与左上侧辐射元件有270°的偏移，这引起轴向比率的改善。换句话说，通过改变空间相位和馈线相位，轴向比率可改进为更宽。就另一方面而言，任何两个垂直或水平相邻插接线辐射器具有彼此相差90°的分离方向。

在馈电给各个组的悬浮线中每组的接点P和接点P₄至P₆由这样的方式相互连接，以使这些接点距离馈电部分9的馈电点10有相等的距离。亦即，通过改变馈电相位和功率分布率，通过改变接点P以及接点P₄至P₆的位置，可以获得各种类型的方向特性。换言之，通过改变馈电点10与接点P以及与接点P₄至P₆的距离来改变馈电相位，通过增加或减小形成悬浮线各分支的线的厚度而改变阻抗率来改变幅度，由此方向性特征可在一个宽的变化范围内加以改变。

按照如图1所示基片由许多凸起部支撑的方法，在导电箔之间金属板对上形成凸起部，淀积在基片上的插接线隙缝型谐振印制元件与隙缝以及悬浮线同轴，因此在凸起部集中到一定程度的部分不会引起问题。但是，在凸起部形成得不均的地方，基片的中间部分不能得到 均匀支撑。这样，在向上和向下方向，部分地在由上部至下部方向上发生基片的位置移动。在最坏的情况下，会使该基片松掉。此时即存在印制的辐射元件与金属板接触的危险。因此，存在天线特性变坏的严重缺点，例如发生天线增益或类似性能的下降。

而且，由于必须在板对上对应形成许多凸起部而增加了这些平板的制造工艺数并且生产率相当低。

因此，在具有许多开口的上板和对着上板的下板之间夹有一基片的悬浮线馈电型平面天线中，具有许多相应开孔的垫片或隔片分别形成在上板和基片之间以及基片和下板之间，由此支撑基片。这样，基片可以可靠支撑在上下板之间均匀间隔开的中间部分上。结果，在上和下板形成的凸起部可大大减少，这使得上板和下板的制造过程简化并能够增加产量（见日本专利申请63（1988）-199513号）。

图3示出在日本专利申请63（1988）-1995    13号中描述的平面天线阵结构的剖面图。在图3中，标号20表示后盖，21表示下板，22表示隔片或垫片，23表示其上印制有许多谐振型印制插接线辐射器（辐射元件）23′的薄膜基片。24表示隔片或垫片，25表示上板，26表示由低泡苯乙烯制成的支撑缓冲垫，27表示天线屏蔽罩。在这种情况下，后盖20厚度为3mm，上下板21、25和隔片22、24厚度分别为1mm，支撑垫26厚度为12至14mm，天线屏蔽罩27厚度为1mm。该平面天线阵的整个厚度约为20至22mm。

图3所示这种以前提出的平面天线阵不能避免下列缺陷和缺点：

（1）由于辐射元件23和用作接地板的下板21间的距离为1mm，所以因薄膜基片23的松动使得元件阻抗的变化增大和工作增益变化率增大。

（2）由于下板21和上板25之间距离2mm，馈电线损耗大。例如，当传输线在12GHz频率、宽度为1.5mm并且传输线特性阻抗Z₀选择为 76Ω时，馈电线损耗是1.6至1.8dB/m。

（3）元件增益小（约6.5dB）。

（4）元件的阻抗匹配带宽窄。

（5）由于谐振型印制插接线辐射器是馈电给一个馈电点的类型，因此圆偏振波带窄且在4元件对之间必须以不同相位进行馈电。

（6）因为缺点（4）和（5），元件的激励均衡不可能毫无困难地获得。

因此，本发明的目的是提供一种改进的微波平面天线阵，该天线阵能够基本上消除上述先有技术所遇到的不足和缺点。

更准确地说，本发明的目的是提供一种微波平面天线阵，在该天线阵中诸如元件增益、元件阻抗匹配带宽、激励均衡或类似特性可得到改善而可保持其厚度的减小。

本发明的另一目的是提供一种适合于用在例如接收诸如卫星广播的微波传输中的微波平面天线阵。

作为本发明的一个方面，平面天线阵包含有多个孔的上板、下板，以及具有许多阵列元件的绘制图案并位于上板和下板之间的电路板，其中下板在对应上板中许多孔的相应位置上形成有凹形区域。

本发明前述的和其它的目的，特征和优点在下面结合附图对例证性实施例的详细描述中会变得更加明确。

附图中：

图1是常规平面天线阵的馈电线路的平面图;

图2是图1中沿线Ⅱ-Ⅱ截取、说明该常规平面天线阵的截面图，

图3是另一常规平面天线阵的截面图;

图4是常规平面天线阵的返回损耗对频率的特性曲线图;

图5是说明本发明平面天线阵第一实施例的截面图;

图6是图5所示本发明平面天线阵的馈电电路的平面图;

图7是说明按照本发明的平面天线阵第一实施例的主要部分的简图;

图8是说明按照本发明的平面天线阵第二实施例主要部分的简图;以及

图9是本发明的平面天线阵的返回损耗对频率的特性曲线图。

现参照图5至图9对本发明进行详细的说明。

图5示出按照本发明的平面天线阵第一实施例结构的剖面图。

在图5中标号30表示金属或镀金属塑料板制作的下板，31表示由诸如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等具有低绝缘率和低损耗的绝缘高泡沫材料制成的垫片或隔片，32表示薄膜基片。在薄膜基片32上，通过印制工序形成有在图6中示出的许多谐振型印制插接线辐射器。

图6示出馈电线路的电路配置，由该配置形成天线阵的许多圆偏振辐射元件通过悬浮线同相馈接。当图1的辐射元件的直径选择为12mm时，图6实施例的辐射元件32的直径为9.6mm。而且，在该实施例中，辐射元件32′成对配置，相互以直角定向的辐射元件对的组成部分以不同的相位馈接，由此减少参数。从特性的观点来讲，对易于获得元件的激励均衡是平常有益的。

返回到图5，标号33表示类似于隔片31的垫片或隔片，34表示由金属或镀金属化塑料板形成的薄板型结构的上板，35表示由例如低泡沫苯乙烯制成的支撑缓冲垫，以及36表示天线屏蔽罩。

类似于现有技术，通过隔片31、33以及上板34与许多辐射元件32一致地形成许多开孔。

在该实施例中，与通过上板34形成的许多开孔校准在下板30上形成凹入部分30′。亦即，增加从辐射元件32′至下板30的高度以提供预定高度d并且该预定高度d选定为例如5mm。

在图2示出的现有技术的实例中，相应于预定高度d的尺寸是1mm。 在如图4所示的12GHz频带的区域中电压驻波率（即，VSWR）保持小于1.4的带宽约为300MHz。然而，当将预定高度d选定为5mm时，如同在该实施例中，电压驻波率保持小于1.4的带宽在12GHz频带的附近约为700MHz，如图9所示，这可能提供一个相当宽的增益。因此，由于分布而带来的辐射元件激励均衡的恶化或诸如此类可以减小，阻抗的变化减小，由于基片松动带来的特性变化也可减小。另外，可以增加辐射元件的增益。换言之，通过选定辐射元件32和下板30间的高度d为5mm，能够排除前面提到的现有技术的缺陷（1）至（4）和（6），如第四页至第五页所列举。

而且，按照该实施例，如图7所示，在传输线（馈电接线）32″的相对边，保持下板30和上板34间的垫片b，将该垫片选择为4mm，而在现有技术中它为2mm。

更准确地说，当现有技术的馈电线损耗在从1.6至1.8dB/m的范围内时，如果传输线32″的线宽W在12GHz选择为1.5mm，传输线的阻抗特性Zo选择约111Ω，下板30和上板34间的间隔b象在该实施例中一样选择为4mm，则馈电线损耗可以改进大约0.9至1.1dB/m。其原因在于薄膜基片的电介质损耗通过增加间隔b而得到降低。尽管耦合量增加并趋向于发生更高程度的模式，但这些缺陷可通过选择适当的参数而消除。

与现有技术比较，通过增加与馈电线32′有关的下板30和上板34之间的间隔b，可以解决前面所述如第四页至第五页所列出的现有技术的问题（5）。

此外，在该实施例中，通过适当地选择天线屏蔽罩36的厚度可以增加元件增益。根据实验结果，当将所述罩36的厚度度选择为3mm时，与现有技术比较，元件增益可以由+2.5增加到2.9dB，这可以解决如第四页至第五页所列出的前述现有技术的问题（1）。

当分别检验图5中相应部分的厚度时，下板30的厚度为5mm，垫片或隔片31和33的厚度为2mm，上板34的厚度为1mm，支撑缓冲垫35的厚度为12至14mm以及天线屏蔽罩36的厚度为3mm。整个厚度变为25至27mm，这适合于形成薄型平面天线阵，尽管与现有技术比较整个厚度略有增加。

图8示出本发明第二实施例。在图5的第一实施例中，下板30厚并且凹进区30由切割处理或诸如此类的方法在其上形成，在图8的配置中，整个下板30A是作为具有由压模处理模制的凹进部分30的薄平面板形成的。在图5的情况下，下板30厚，因此不需要后盖。然而，在图8情况下，如果需要，后盖可以附着在下板30上。

如上所述，按照本发明，由于上板是作为平的薄板形成并且在下板上与上板的许多开孔对齐形成凹进部分，诸如元件增益、元件的阻抗匹配带宽、激励均衡或诸如此类的种种特性当保持平面天线阵的厚度减小时都可以得到改进。

参照附图已描述了本发明的最佳实施例，但应当理解本发明并不局限于那些精确的实施例以及该邻域的技术人员可以对其进行变更和修改而不脱离如所附权利要求定义的本发明的新颖概念的实质和范围。

Claims (7)

1、一种平面天线阵，它包括：

具有许多开孔的上板；

下板；

具有根据预定频率定尺寸的许多阵列元件的谐振型印制辐射图案的单个薄膜基片；

具有许多开孔并位于所述上板和所述单个薄膜基片之间的第一垫片；

具有许多开孔并位于所述下板和所述单个薄膜基片之间的第二垫片；

其特征在于，所述下板在对应所述上板的所述许多开孔的位置形成有整体的凹进部分，各所述凹进部分有一平行于所述基片并与其隔开一距离的表面，该距离在所述频率的条件下小于1/4波长。

2、如权利要求1所述平面天线阵，其特征在于所述下板比所述上板厚。

3、如权利要求1所述平面天线阵，其特征在于所述凹进部分通过对所述下板冲压加工而制成。

4、如权利要求3所述平面天线阵，其特征在于所述凹进部分通过对所述下板机加工而制成。

5、如权利要求2所述平面天线阵，其特征在于所述上板的厚度几乎与所述下板的厚度相同。

6、如权利要求1所述平面天线阵，其特征在于许多阵列元件的所述辐射图案是相互连接的。

7、如权利要求6所述平面天线阵，其特征在于将所述辐射图案连接形成电磁波圆偏振的特定方向。

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