CN103151602A - 具有与频率无关的辐射特性的改进的宽带多偶极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种改进的11天线，包括：作为接地平面的导电体；和至少一对对数周期偶极子阵列，布置在接地平面上方，所述成对对数周期偶极子阵列的偶极子形成平行的、相对定位的相同尺寸的偶极子的偶极子对，并且以每个所述偶极子对和偶极子对在接地平面中的图像重合这样一种方式布置，其中每个偶极子是折叠偶极子，折叠偶极子包括在一个或多个点处或者在导电条带的延伸部分上连接的两个或两个以上平行或接近平行的导电条带；而且，其中在每个所述对数周期偶极子阵列内的更靠近所述几何中心的多个折叠偶极子在第一平面中延伸，并且其中位于最远离所述几何中心的剩余的至少一个折叠偶极子被布置以在至少一个另外的平面中延伸，所述另外的平面相对所述第一平面形成角度。由此，获得更紧凑的天线。

Description

具有与频率无关的辐射特性的改进的宽带多偶极子天线
技术领域
本发明涉及一种宽带多偶极子天线，并且特别地涉及一种天线，所述天线具有在倍频程带宽或更大带宽上或在一起覆盖倍频程带宽或更大带宽的多个频带上的低的输入反射系数、低的交叉极化(crosspolarization)、旋转对称的波束和恒定束宽、和恒定相位中心位置。
背景技术
通常，反射体天线有很多应用，诸如应用在如无线电连结点对点系统和点对多点系统、雷达和射电望远镜中。现代反射体天线通常由不同类型的波纹喇叭形天线馈给(feed)。它们的优势在于与其他馈给天线相比，它们可以提供在大的频带上具有低交叉极化的旋转对称辐射模式。在恰当选择尺寸的情况下，还可获得不随频率变化的波束宽度。尽管如此，带宽通常被限制到约一个倍频程。波纹喇叭形天线制造也是昂贵的，特别是在低频处它们的物理尺寸和重量变大。
反射体天线大规模生产用于一些市场，特别是当它们很小并且达到约一米直径时，诸如例如应用于卫星电视接收，或在移动通信网络中基站之间的无线电通讯联系。甚至在射电天文学内，也具有用于射电望远镜的建议，射电望远镜由几个成本效益的大规模生产天线组成，诸如艾伦望远镜阵列(ATA)和平方公里阵列(SKA)。ATA已经在大规模生产大型反射体天线方面实现，并且存在用于SKA的类似的建议。ATA和SKA两者对带宽的需求是惊人的，覆盖几个倍频程。在一些建议的未来移动通信和无线通信系统中，也存在用于具有大带宽的天线的需求。这种系统通常被称为超宽带(UWB)系统，并且宽带天线技术称为UWB天线。由于上述原因，需要新类型的宽带天线，特别是可以以有效途径用于馈给反射器的天线。
在宽带和多波段天线技术中也有其他商业利益，例如用于卫星通信(satcom)。卫星通信系统的接地终端往往是反射体天线，并且期望将几个卫星通信频带，例如两个或两个以上所谓的L-、S-、C-、X、Ku-和Ka波段，结合在一个天线中。为了做到这一点，宽带或多频带馈给是重要的。
对于卫星通信应用程序，还有关的是使用天线，以天线可以移动以准确地指向卫星的这种方式，该天线可以提供关于卫星相对于天线的指示方向的位置的信息。这被称为跟踪，并且这种天线具有跟踪能力。获得这种指向信息的一种方式是通过使用利用几个端口的馈给，除了通信信号在其上被传输的共用(并且在这个连接中所谓“总和”)模式之外，几个端口可以被结合以在水平平面和垂直平面两者中提供所谓的跟踪(或差分)模式。相对于通过总和模式接收的信号的幅度和相位，通过两个跟踪模式接收到的信号的水平和相位给出关于卫星相对于天线的指向方向的位置的信息。因此，也需要用于跟踪目的的多端口反射器馈给。
今后建议的在具有衰减的环境中使用的通信系统中还需要多端口天线，具有衰减的环境即由于从发射到接收侧的许多反射的和散射的传播路径之间的干扰，具有在发射天线端口和接收天线端口之间的信号的大水平变化。最小干扰中的信号水平将是如此之低，从而导致接收问题。通过使用具有许多端口的天线，即多端口天线，这些问题可以通过在发射和接收侧之间设立更多通道而缓解。设计用于在不同通道之间的信息的最佳空间分布的这种通信系统通常被称为MIMO系统(多输入多输出)。用于这种系统的多端口天线应该具有非耦合端口(以给出不相关通道)和高辐射效率，藉此理想地在丰富和各向同性的多路径环境中，不需要天线增益和方向性。但是，可以期望具有额外的定向波束，因为在现实中，环境中往往可能存在视线部件。因此，需要具有有效率的非耦合端口的适应性的或可重构的多端口天线，并且额外可以提供另外的定向波束。这种天线的优势为宽带能够覆盖更多通信系统，并且紧凑以使它们在市场上便宜。因此，设计为具有用于卫星通信的跟踪能力的多端口馈给的天线也可以被用作具有另外的定向波束的用于MIMO系统的多端口天线。
最近已经开发的用于反射器的宽带馈给比波纹喇叭形天线有更大的宽带、更轻、更便宜地制造。已经通过以金字塔几何形状定位四个对数周期天线获得它们，参见2002年的IEEE天线与传播学会国际研讨会学报，第140-143页的Engargiola(英格雷格)的“Non-planar log-periodicantenna feed for integration with a cryogenic microwave amplifier”。波束宽度是恒定的，并且在输入端口的反射系数在几个倍频程带宽上低。然而，对于这种对数周期天线，相位中心随频率移动。由于在多数频率处散焦，这导致具有减少的方向性的问题。此外，这些天线具有相当复杂的机械解决方案。
来自本发明的发明者的WO 05/015685和WO 05/015686，已知如何缓解以前已知天线的上述缺点。尤其是WO 05/015685和WO 05/015686的天线是相对小而简单的天线，具有下列属性的至少一个，优选地全部：在几个倍频程的非常大的频带上的恒定波束宽度和方向性、低交叉极化以及交叉极化旁瓣、低输入反射系数和恒定相位中心位置。典型的数值是在天线端口处在8和12 dBi之间方向性，低于-12分贝交叉极化旁瓣，以及低于-8dB反射系数。同时，天线优选地是廉价地生产，并且具有轻的重量。同样的发明人还在EP 2120293中公开了与这个天线类型相关的改善。
WO 05/015685和WO 05/015686的天线现在在科学文献中被称为“11天线”，参见例如2006年2月的IEEE Transactions on Antennas andPropagation，卷54，2号，第1部分，第368-375页的R.Olsson、P.-S.Kildal、S.Weinreb的“The Eleven antenna：a compact low-profile decadebandwidth dual polarized feed for reflector antennas”和2011年6月的IEEE Transactions on Antennas and Propagation，卷59，第6号，第1918至1934页的J.Yang、M.Pantaleev、P.-S.Kildal、Y.Karadikar、L.Helldner、B.Klein、N.Wadefalk、C.Beaudoin的“Cryogenic 2-13GHz Eleven feed for reflector antennas in future wideband radiotelescopes”。“11天线”名称的原因是基本线性极化辐射元件是一组半波长分开间隔的两个平行偶极子，即11配置。要实现大带宽，这种平行的偶极子对数周期性地缩放(scaled)并且连接在一起。对于双重或圆形极化，正交的对数周期缩放的偶极子的组与第一组偶极子正交定位，且对数周期缩放的偶极子的几何中心与第一组偶极子的几何中心重合。
然而，由于在小型和大型机械部件结合时的机械公差的问题，很难在大频率范围上使用WO 05/015685和WO 05/015686的天线，并且尤其是由于在其中心的小的尺寸和相关的需要的机械支撑，很难设计使天线以良好的性能在高于10GHz的高频率处使用。此外，期望减少11天线的大小，以使其更小。
在WO 05/015685和WO 05/015686中的11天线具有从中心馈给它们的四个双线线路，每个极化两个。
如上所述，11天线已被证明对于各种应用非常有效和有益。但是，仍然需要改进天线的尺寸和性能。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供关于上述讨论的类型的天线，即所谓的11天线，的进一步改善。特别地，本发明的目的是改进11天线的尺寸和性能。
这个目的由附后权利要求中限定的天线实现。
如将从下面的描述中所理解，本发明包括几个方面，其用在相同的特定背景中，并且全部与获得相同目的(即，获得更高的性能和减小的尺寸)相关。可一个一个地使用这些部件，也可优选地结合使用，并且最优选地同时使用全部部件。
本发明的天线可以以非常有效的方式用于馈给单个、双重或多重反射天线。然而，应用不仅限于此。当需要小的、重量轻的宽带天线时，并且尤其是当要求波束宽度、方向性、极化或相位中心或这些测量的任何结合不应该随频率变化时，可以使用本发明的天线。此外，本发明的天线可以设计具有多个端口，这使得除了定向波束以外还可获得用于卫星通信终端的跟踪波束或者在MIMO系统中使用的多个非耦合和高效波束。
构成天线的所需辐射特性的基本部件是一对平行的偶极子，优选地0.5波长分开定位并且在接地平面上方约0.15波长。已知根据例如由剑桥大学出版社1985的Christiansen和
Figure BDA00001673424400041
的射电望远镜一书给出能够旋转对称定向辐射模式。这种偶极子对还已知在接地平面中具有其相位中心，这里称为它们的几何接地平面中心，所述几何接地平面中心的含义是两个偶极子和它们在接地平面中的图像(image)的几何中心。然而，带宽限制到单个偶极子的带宽的10-20％。
根据在WO 05/015685和WO 05/015686中的发明，宽带性质(broadbandbehavior)通过以如下方式定位不同尺寸的几个这种偶极子对来获得：它们的几何接地平面中心重合。这意味着在最低频率处操作的偶极子对位于最外层，并且稍小较高频率偶极子对位于最外层的内侧，最高频率对在最里面位置。此外，可以存在具有相同的几何接地平面中心的一组类似的、但正交定向的偶极子对，以提供双线性或圆形极化。所有这些特征可以与本发明结合。
根据本发明的第一方面，提供用于发射和/或接收电磁波的天线，包括：
导电体，作为接地平面；和
至少一对对数周期偶极子阵列，布置在接地平面上方，所述成对对数周期偶极子阵列的偶极子形成平行的、相对定向的偶极子的偶极子对，并且以每个所述偶极子对和偶极子对在接地平面中的图像的几何中心重合这样一种方式布置，其中每个偶极子是折叠偶极子，折叠偶极子包括两个或两个以上平行或接近平行的导电条带，所述导电条带在一个或多个点处连接或者在导电条带的延伸部分上连接；
其中在每个所述对数周期偶极子阵列内的更靠近所述几何中心的多个折叠偶极子在第一平面中延伸，并且其中最远离所述几何中心定位的剩余的至少一个折叠偶极子被布置成在至少一个另外的平面中延伸，所述另外的平面相对所述第一平面形成角度。
对数周期偶极子阵列在天线中形成两个或两个以上的波瓣，并且在优选的实施例中形成四片波瓣。每片波瓣包括串联的偶极子对数周期阵列。折叠偶极子的长度、宽度和在接地平面之上的高度优选地关于针对每个偶极子的波长以对数周期的方式缩放。
偶极子总是具有间隙，称为端口，横跨端口提供励磁电压。折叠偶极子通常仅在平行条带的一个中具有端口。本发明的对数周期折叠偶极子的每个或至少几乎每个偶极子在两个平行条带的中心具有端口。以全部偶极子串联连接的这样方式，通过利用两线线路(两个平行条带)结合两个相邻偶极子的两个更接近的端口，每个波瓣内的折叠偶极子被连接在一起。因此，每个对数周期偶极子阵列形成两个相对的蛇形金属条带线路。
11天线通常被用于高达13GHz的频带。可以自由地选择频率下限和确定天线的整体尺寸。频率下限对于VLBI 2010应用大约是2GHz，对于平方公里阵列是1.2GHz。在11天线类型的先前已知天线中，包括在低于操作频带的下限的频率处工作的较大偶极子。这些外部偶极子不辐射(或接收)，并且只要求作为对数周期阵列的辐射(或接收)部分的终端，以便辐射(或接收)偶极子适当地执行。因此，这些外部偶极子的功能是创建对数周期阵列的终端，为了在操作频带的低端处具有与在频带的其余部分相同的辐射性能，并且特别地在操作频带上具有良好的输入反射系数。因此，外部偶极子，在以下还称为终端偶极子，是非辐射的，并且因此可能重新布置它们，以实现更紧凑的几何形状，同时保持用于阵列的相同的性能。
因此，产生在例如弯曲或曲线形状的另外平面中布置外部终端偶极子的可能性，并且由此可以显著地减少整个11天线的高度和宽度，尤其是高度。
人们已经发现，通过重新布置外部终端偶极子，天线的高度可以减少到具有相同的操作频带的可比较的先前类型11天线的约50％，并且宽度减少到约85％。因此，整体体积缩小到先前类型11天线的体积的约40％。
尺寸的减少是非常重要的。例如，在要求低的或极低系统噪声温度的天线系统中，11天线需要经常被放置在低温室(恒温器)中，以被冷却到典型地20至30K的低温。对于这样的应用，以及许多其他类型应用，馈给天线的整个尺寸尽可能地紧凑是非常重要的。
在下面的描述中使用术语条带(strip)。这个术语不能以文取义，因为该术语还表示如在专利权利要求中所描述的任何截面形状的传导管或电线。
优选地，偶极子被布置在接地平面之上的一定高度处，所述高度对于在每个偶极子对内的偶极子是相同的。
天线进一步优选地包括进一步包括馈给系统，所述馈给系统连接到每个对数周期偶极子阵列的最小偶极子，即最接近在接地平面中的天线的所述几何中心定位的最高频率偶极子。
即使在每个波瓣内只布置一个终端偶极子也会减少天线的尺寸，优选地，设置至少两个终端偶极子对，并且优选地设置三个终端偶极子对以在操作的最低频率处得到足够好的性能。如果使用几个终端偶极子，进一步优选地，终端偶极子包括在第一另外的平面中延伸的一个终端偶极子，和在第二另外的平面中延伸的至少两个终端偶极子对，所述至少两个终端偶极子对向下朝向接地平面延伸并且连接到接地平面。
根据进一步优选，当从接地平面看时，第一平面和至少一个另外的平面形成锐角。这导致终端偶极子朝向接地平面折叠，其降低天线的高度。进一步优选地，设置至少两个另外的平面，当从接地平面看时，所述至少两个另外的平面朝向彼此形成锐角，其导致天线的外缘进一步向下折叠。
所述对数周期偶极子阵列的全部偶极子可以在一个方向上定向，以发送或接收一个线性极化波。天线的这种实现将通常只具有两个波瓣，即只有一对对数周期偶极子阵列。然而，优选地所述对数周期偶极子阵列的约一半的偶极子对在一个方向上定向，而其余偶极子对在正交方向上定向，以发送或接收双线性极化或圆形极化波。天线的这种实现通常具有四个波瓣，即两对对数周期偶极子阵列。
优选地，在第一平面中辐射和延伸的所述对数周期偶极子阵列的每一个阵列的全部偶极子作为金属条带印刷在如同印刷电路板的平坦基底上。然而，也可能地，这些偶极子部分地实现为印刷电路板，并且部分地是从厚的坚硬的金属板切割的实心条带，后者几乎是自支撑，仅需要到接地平面的少数电介质支撑销或壁。具有在印刷电路板上的内部薄金属条带和外部厚的金属条带之间的金属接触。还可能地，在至少一个另外的平面中延伸的至少一个终端偶极子作为在至少一个另外的平坦印刷电路板中上的条带实现，或者从至少一个扁平金属板切出作为厚的条带。
据该项发明的第二方面，提供用于发射和/或接收电磁波的天线，该天线包括：
导电体，作为接地平面；和
至少一对对数周期偶极子阵列，布置在接地平面上方，所述成对对数周期偶极子阵列的偶极子形成平行且相对定位的相同尺寸的偶极子的偶极子对，并且以每个所述偶极子对和偶极子对在接地平面中的图像的几何中心重合这样一种方式布置，其中每个偶极子是折叠偶极子，所述折叠偶极子包括两个或两个以上平行或接近平行的导电条带，所述导电条带在一个或多个点处连接或者在导电条带的延伸部分上连接；
其中所述的两个或两个以上导电条带以关于在接地平面中的所述几何中心凸出地弯曲的方式延伸。
本发明的这个方面可以结合上述讨论本发明的第一方面使用，或单独地使用。
先此已知的超宽带(UWB)或十带宽天线，例如用于在反射体天线中的馈给，是非旋转地对称的。这也适用于标准的11天线。因此，这些宽带馈给的性能的一个重要量度是所谓的BOR1效率，BOR1效率表示辐射场功能如何旋转对称。本发明的发明人已经发现，通过非线性地布置偶极子的导电条带以使导电条带关于几何中心凸出地弯曲，11天线BOR1效率可大大改善。
特别地，已经发现将对数周期阵列的弯曲偶极子布置在平面上，例如在平坦的印刷电路板(PCB)上，是有利的。这使得能够以类似标准11天线的方式形成和产生天线，天线具有两个或四个波瓣，但是仍然获得显著改善的对称性和BOR1效率，参见1995年12月的IEEE天线与传播杂志37卷第6期第114页的P.-S.Kildal、Z.Sipus“Classification of RotationallySymmetric Antennas as Types BOR0 and BOR1”。模拟显示新的、圆形地弯曲的天线具有在2-5GHz的频率频带上的-0.25分贝的BOR1效率，与标准11天线相比，其是0.3dB改进，并且预期在更高的频率处的类似的改善。
最接近所述对数周期偶极子阵列的所述几何中心的多个偶极子在共同的平面中延伸。据此，可弯曲的偶极子形成弯曲的形状，但是还是被布置在一个平面上，并且例如在印刷电路板上。优选地，所述偶极子的两个或两个以上导电条带大致地形成圆形部分。
进一步优选地，当投射在接地平面上时，即当从天线上面看时，在所述波瓣中的相应偶极子的传导线路大致形成圆形。
根据本发明的另一个方面，提供用于发射和/或接收电磁波的天线，该天线包括：
导电体，作为接地平面；和
至少一对对数周期偶极子阵列，布置在接地平面以上，所述成对对数周期偶极子阵列的偶极子形成平行和相对定位的相同尺寸的偶极子的偶极子对，并且以每个所述偶极子对和偶极子对在接地平面中的图像的几何中心重合这样一种方式布置，其中每个偶极子是折叠偶极子，所述折叠偶极子包括两个或两个以上平行或接近平行的导电条带，所述导电条带在一个或多个点处连接或者在导电条带的延伸部分上连接；和
馈给系统，所述馈给系统包括具有布置在两侧上的金属条带的至少一个印刷电路板，其中所述传导接地平面包括布置在所述几何中心附近的至少一个开口，并且其中至少一个印刷电路板布置成延伸通过所述开口。
本发明的这个方面可以结合上述讨论本发明的第一方面和/或第二方面使用，或单独地使用。
由于在11天线所使用的高频率处的小的物理尺寸，并且还需要例如在低温环境中使用这样的天线，所以能够制造和有成本效益的馈给网络的设计以前是真正的挑战。然而，利用本发明的技术方案，可以实现能够以相对简单和成本效益的方式获得的、可用于11天线的不同配置的不同的馈给方案。通过使用包括延伸进入在接地平面中开口的印刷电路板的馈给系统，制造公差可以最小化，以保证天线的性能，并且大大降低额外生产和组装成本。模拟和测量结果表明，新的馈给技术方案提供比以前使用的解决方案更好的性能。
根据一个实施例中，至少一个印刷电路板在基本上垂直于接地平面的方向上延伸。
延伸通过所述开口的在至少一个印刷电路板的两侧上的金属条带优选地通过焊接连接到每个对数周期阵列波瓣的两个馈给点。从而，馈给在一个波瓣内的对数周期偶极子的两线条带线路连接到由在延伸通过在接地平面中的开口的一个印刷电路板的一侧的一个条带和另一侧的另一个条带形成的两线条带线路。根据一个实施例，这个两线条带线路的金属条带中的一个具有在远离在接地平面中的开口的方向上增加的宽度，从而以如下方式形成到宽接地平面的逐步转变：在基底的另一侧上的配对条带变成具有金属接地平面的单个微条带线路。据此，以集成方式形成平衡-不平衡变换器(balun)，即从平衡的两线线路到不平衡微条带线路的转变，并且此平衡-不平衡变换器的生产和安装比较容易和具有成本效益，每个偶极子波瓣一个。
进一步优选地，馈给系统进一步包括集成在印刷电路板中的至少一个宽带功率合成器。相对定位的波瓣的平衡-不平衡变换器的印刷电路板和另外的功率合成器的印刷电路板可以结合在公共的印刷电路板上。
对于本发明的全部不同方面，优选地偶极子由在电介质基底上的导电条带制成。
进一步优选地，在所述对数周期偶极子阵列的每个偶极子对的尺寸大致表示如下：偶极子长度约为0.5波长，偶极子在接地平面之上的高度在0.05和0.25波长之间，且偶极子间隙约0.5波长，其中波长相对于如下频率：给定的偶极子对在所述频率处是对辐射模式的主要贡献者。
再进一步地，天线的辐射模式优选地具有在非常宽的频带上的几乎恒定的波束宽度，所述频带优选地包括几个倍频程。
如前所述，天线用来照射(illuminate)单个或双重反射体天线系统。
在上述的描述中，接地平面(ground plane)被解释似乎是平面的接地面。然而，接地平面也可以具有其他形状。它可以具有金字塔形状，以使在传导支撑结构的顶部上的表面变得更加平坦。其也可以设置有沟槽或周期图案，以提高作用接地平面的性能。本发明使用偶极子对作为基本建构部件。这并不意味两个这样的偶极子以如果一个移除则另一个也移除的方式一起机械地连接到一个单元，例如通过定位它们在相同薄的电介质基底上。相反地，当我们从电流源构建辐射模式时，偶极子对仅仅是基本的电磁建构部件，即我们需要在相同频率处辐射并且分开约0.5波长的两个相等的偶极子，以得到所需的旋转对称的模式。事实上，在几何中心的一侧上的偶极子通过它们的馈给线路机械地连接，从而移除一对偶极子之一将意味着我们同时移除所有对的偶极子中的一个，即一个完整的波瓣。被连接的偶极子也可以位于相同的辅助材料上，诸如电介质基底上。然而，即使我们通常可以这样做，这也不是必要的。与本发明一起使用的偶极子不局限于这种实现。此外，在每个波瓣内的对数周期偶极子阵列可以部分地实现为用于形成印刷电路板的基底上的条带，以及部分地实现为从金属板切削的、与在基底部分上的最大金属条带偶极子传导接触的较厚条带。
偶极子和馈给线路可以实现为在基底上的细条带，从金属板切出的厚条带，管或电线。偶极子和馈给线路也可以位于一个或多个薄的电介质层的两侧上，例如偶极子在一侧上而馈给线路在另一侧上，或者偶极子和馈给线路的部分在一侧上并且剩余部分在另一侧上。
目前讨论的天线是一种宽带多偶极子天线，相比其他类型的天线具有几个优势，例如在几个倍频程带宽以上的低输入反射系数、低交叉极化、低交叉极化旁瓣、旋转对称波束和几乎恒定的方向性、波束宽度和相位中心位置。此外，偶极子是从一个或几个中心地定位的两线馈给点或端口馈给。
天线非常适于馈给单个、双重或多重反射体天线。
中心地定位的馈给区域可以包含T型功率合成器和平衡-不平衡变换器或180度混合器，从而提供从同轴线路到两个相对定向的两线线路的转变，两个相对定向的两线线路馈给相对定位的相同的线性极化的对数周期偶极子阵列。平衡-不平衡变换器可是主动的，意味着其与接收器或发射器电路相结合。在双极化天线的情况下，需要类似的结合网络用于正交的线性极化的两个对数偶极子阵列。如在2011年6月的IEEE Transactions onAntennas and Propagation，卷59，第6号，第1918至1934页的J.Yang、M.Pantaleev、P.-S.Kildal、Y.Karadikar、L.Helldner、B.Klein、N.Wadefalk、C.Beaudoin的“Cryogenic 2-13 GHz Eleven feed forreflector antennas in future wideband radio telescopes”中所描述，电源结合网络也可以位于接地平面后面的印刷电路板上。
对于科学应用，低噪声接收器将在许多情况下被冷却以提供尽可能低的接收机噪声温度。其还可以利于地，整个馈给降温。因为其体积小，使用上面讨论的天线是可能的。
天线也可以被用来作为如前所述的多端口天线。如在2011年6月的IEEE Transactions on Antennas and Propagation，卷59，第6号，第1918至1934页的J.Yang、M.Pantaleev、P.-S.Kildal、Y.Karadikar、L.Helldner、B.Klein、N.Wadefalk、C.Beaudoin的“Cryogenic 2-13GHzEleven feed for reflector antennas in future wideband radiotelescopes”中所描述，每片波瓣具有两线馈给线路，并且这些电线的每一个都可以从单独的端口馈给。这给每个极化4个端口，即2x4个端口天线。从而可以实现在每个极化两个正交平面中的不同模式。
参照以下描述的实施例，本发明的这些和其他方面是明显和清楚的。
不同的馈给线路必须以如下这样的方式正确地激发：在相同的偶极子对的两个偶极子上的辐射电流使用相同的相位和振幅激发。
附图说明
为示例目的，将参照在附图中描述的其实施例更详细的描述本发明，其中：
图1显示在本发明的实施例中可用的对数周期偶极子阵列。
图2显示根据本发明实施例的具有布置在不同平面中的终端偶极子的天线的透视图。
图3显示根据本发明实施例的具有布置在不同平面中的终端偶极子的天线的不同的实施例的横截面视图。
图4和图5显示根据本发明的另一个实施例的具有弯曲偶极子的天线的透视图和顶视图。
图6和图7显示根据本发明实施例的印刷电路板馈给系统的透视图。
图8-10显示根据本发明的实施例的示意馈给系统。
图11显示显示根据本发明的另一个实施例的示意馈给系统。
具体实施方式
现在将参照优选实施例更详细地描述本发明。然而，应该理解，除另有注明外，在具体实施例中的不同的特征在实施例之间能够交换。此外，所有的实施例涉及以如下这样一种方式定位多偶极子天线的辐射偶极子部分：辐射模式得到具有低交叉极化的旋转对称和在较大的带宽上的与频率无关的波束宽度。
偶极子对是本发明的基本组成部件。偶极子对以预定间隔距离被布置在接地平面上方。
图1显示标准的11天线的对数周期偶极子阵列的标准配置，其也用于本发明的实施例。至少两个这样的对数周期偶极子阵列用于形成天线，从而形成相同尺寸的相对定位的偶极子，并且偶极子以如下这样的方式布置：所述偶极子对及其在接地平面中的图像(image)的几何中心至少大致重合。
优选地，偶极子1具有在中心的馈给间隙2，从而如在图1中显示，形成两个偶极子臂3。
此外，每个偶极子包括两个或两个以上的导电线1a、1b，导电线在一个或多个点处被连接，或在导电线的延伸部分上被连接。这种偶极子被俗称为折叠偶极子。折叠偶极子可以由连接到在偶极子1a的左和右臂之间的馈给间隙2的两线线路馈给。在本发明中，如图1所示，在每个偶极子的第二线1b中还具有间隙，其中新的两线线路7被连接并且继续到下一个邻近偶极子的馈给间隙。从而产生从两线线路馈给点6延伸的两个相对的蛇形(serpentine)线路，通过传播波激发全部偶极子。
在图1中所示的两个或四个对数周期偶极子阵列类型通过支撑结构定位在接地平面4(在图1中没有所示，但是例如在图2中可见)上。
设置几个偶极子对1，以线性地实现宽带或双重极化辐射。如将在后面介绍，可以以许多不同方式做出偶极子的馈给。主要一点是，它们必须在如下这样一种方式馈给：在每个偶极子对的偶极子上的电流具有相同方向、幅度和相位。
本发明的偶极子优选地位于接地平面以上，并且以如下这样一种方式：高度在远离偶极子对的几何中心的方向上对数周期地增加。接地平面优选地是平坦的平面，而在某些应用中，其可以稍微圆锥形、锥体、双弯曲或偏离平面的任何其他形状。
根据本发明的天线也可用于双直线或圆形极化。然后，无论配置，每个偶极子对存在具有相同尺寸的正交偶极子对。偶极子的馈给优选地在几何结构的每个象限(波瓣)内相同。
天线可以包括四个对数周期偶极子阵列或波瓣，但是也可仅包括一对对数周期偶极子阵列。每个阵列的最内层对数周期偶极子优选地布置在一个平面介质基底、波瓣上。两个或四个板优选地以相对彼此倾斜的排列布置，从而天线板的功能性天线元件成对地彼此面对。具有四个波瓣的天线是双极化天线。
天线优选地包括彼此面对的两个或四个天线板。然而，本发明不仅限于这种实现。特别地，可以设置包含全部对数周期偶极子阵列的一个平面的天线板而不是两个或四个板。
在每个对数周期阵列内的偶极子具有不同尺寸。在图1中的示例中，具有13个不同尺寸的偶极子。然而，这个数字是任意选择的，因为天线可以包括任意数量的具有不同尺寸的偶极子对，比这个较小、较大或大很多。此外，相邻偶极子之间对数周期地增加的间隙是任意选择的。其可以较小或较大地依赖于设计的优化结果。
附图显示多偶极子天线，其中不同偶极子对的尺寸大致对数周期地变化。这意味着所有偶极子对的尺寸相对于它们每个的较靠近内部对的尺寸以相同常数因子缩放。这样做是为了为每个偶极子对提供看起来相同的环境，而不取决于其是否具有用于在一些最低频率处操作的大尺寸或用于在一些最高频率处操作的小尺寸。
如上所述，在图1中图示的偶极子阵列中，内部的、较小的偶极子将是辐射的，而外层最大的偶极子可以是非辐射的。
图2说明通过在不同于其中出现对数周期阵列的辐射偶极子的平面的平面中布置在这里被称为终端偶极子的外部、非辐射偶极子而设置更紧凑天线的实施例。在这里，最接近在接地平面中的所述几何中心的多个偶极子在第一平面中延伸，并且优选地以上面讨论的倾斜配置。这些偶极子是全部辐射的。此外，设置至少一个终端偶极子更远离在至少一个另外平面中延伸的几何中心，其中另外平面相对第一平面形成角度。在图示的示例中，提供3个终端偶极子21-23，但是使用以这样的方式布置的一个或两个或三个以上终端偶极子也是可行的。
第一终端偶极子21优选地布置在基本上平行于接地平面的平面中，而其他终端偶极子22、23优选地布置在指向接地平面的平面中。根据一个配置，两个最外层终端偶极子22和23可以被布置在共同的平面中，并且这个平面可以与第一终端偶极子的平面形成直角。这样的配置图示在图2中。布置最外层偶极子22、23以获得更弯曲形状天线也是可行的。这样的配置如图3所示。
终端偶极子优选地选定尺寸以获得对数周期偶极子阵列的适当终端。这种终端可以以不同的方式来实现，并且终端偶极子不需要按照偶极子阵列的辐射部分的对数周期设计选定尺寸。例如，一个或几个终端偶极子，诸如第二终端偶极子22，可以小于第一终端偶极子21，并且还可以小于对数周期偶极子阵列的最外层偶极子。
对数周期偶极子阵列的偶极子优选地布置在平坦印刷电路板上，或在平坦印刷电路板和可以从金属板切割的无基底的厚的金属条的组合上。终端偶极子还可被布置在平坦的印刷电路板上，或者以替代的方式设置。
在上述讨论的实施例中，偶极子是线性配置。然而，正如上述讨论，偶极子也可能被弯曲，为了如提高BOR1效率。具有这样的弯曲偶极子的实施例在图4和5中图示。
在这里，偶极子1’基本上如先前实施例布置，并且具有相同功能。然而，这里偶极子1’的两个或两个以上的传导线路非线性延伸，以使它们关于几何中心凸出地弯曲。优选地，偶极子仍然在共同的平面延伸，并且优选地仍布置在平坦的支撑板上。
偶极子优选地形成圆形段，并且最优选地，当从天线上面看时，不同波瓣的偶极子形成圆圈。这在图5的顶视图中说明。
优选地，馈给系统包括具有金属条布置其上的至少一个印刷电路板。此外，传导接地平面优选地包括布置在几何中心附近的至少一个开口，其中至少一个印刷电路板被布置以通过这个开口延伸。优选地，支撑每个对数周期偶极子阵列的基底设置有狭槽开口以接收馈给系统的相应印刷电路板的延伸部。现在参考图6-10讨论这些实施例。
图6示意地说明实施例，其中馈给系统的印刷电路板81通过开口80布置在接地平面中。以两个条带一起形成两线线路的这样一种方式，导电条带82布置在印刷电路板的相对侧上。这些条带的每一个优选地通过焊接被连接到对数周期阵列的两线线路6的条带。
优选地，提供四个印刷电路板，或布置两个印刷电路板以相互交叉。这样的实施例在图7中显示。在这里，印刷电路板延伸在接地平面以下，并且基本上垂直于接地平面。此外，印刷电路板优选地布置在壳体90中。
在图示的示例中，在印刷电路板板上的四个两线条带，经过在接地平面上的相应开口通过接地平面，并且焊接到引导到对数周期阵列相应的两线带线6。在交界处的条带线的尺寸优选地被匹配以使平滑阻抗匹配过渡发生。
在印刷电路板上的两线条带线优选地逐渐地分离，并且每两线条带线路的条带的一个的宽度随之逐步增加，从而使接地平面它为用于在基底的另一侧上的条带的接地平面。因此，实现从两线线路到单个的微条带(microstrip)线路的转换，即平衡-不平衡变换器(balun)。
现在将讨论用于适用于上面讨论的印刷电路板实现馈给系统的三个替代配置。部件优选地实现为在印刷电路板上的集成部件。
如图7所示，馈给系统可以布置在圆柱形支撑元件中。圆柱支撑元件可以具有八个侧面，形成一个八角形(图7所示)，具有圆形截面(如图11所示)，或者是其它圆柱形配置。支撑元件优选地是金属。在使用圆形横截面的情况下，支撑元件的圆周优选是弯曲的，允许基底具有弯曲的偶极子，如图4所示，以围绕支撑元件的圆周与支撑元件直接接触。这样的实施例在图11中显示。
在第一实施例中，如图8显示，配置用于馈给具有两个不同极化的四个对数周期偶极子阵列。在每个对数周期偶极子阵列的两线端口97处存在接收到的电压波。这些两线线路的每个的两线也称为差分或平衡线，然后分离成两个独立的单端线路，诸如微条带线路或同轴线路96，并且低噪声接收器(LNA)95位于这些单端线路的每个处。然后，每个极化具有需要的4个LNA，但它们是标准的LNA，通常具有50欧姆输入阻抗。4个LNA的输出将然后将结合宽带180度混合器(wideband 180 deg hybrid)94和两路功率组合器(two-way power combiner)93到一个极化的一个端口。所述两个180度混合器和所述功率合成器可以分别地与两个功率合成器和一个180度混合器交换。
在不同的配置中，如图9所示，在4个两线差端口97收到的电压波通过宽带有源平衡-不平衡变换器98转化到单端线路。这是所谓的差分LNA，其不那么容易地作为单端LNA。在差分低噪声接收器(LNA)之后，电压使用一个极化的一个单个宽带功率合成器93被结合。
在另外的配置中，如图10所示，在4个两线差端口97上接收的电压波通过宽带被动式平衡-不平衡变换器99被转化为4个单端线路，并且4个单端线路结合到两个端口，一个端口通过宽带功率合成器93用于每个极化。当通过增加条带的一个的宽度以成为其他条带的接地平面而从两线条带线路转变到微条带线路时，可以实现每个被动式平衡-不平衡变换器。
根据本发明的天线的上述讨论的实施例具有许多共同的特征。例如，所有或至少大部所述实施例包括以下特征：
-天线包括成对布置的偶极子。
-天线偶极子被布置在接地平面的一侧上，并且以输出辐射模式的主波瓣在垂直于所述接地平面的方向上被引导的方式布置。
-接收偶极子(天线元件)的长度沿着馈给线路远离中心地定位的馈给点增加。随后的偶极子的长度优选地不同于以对数周期方式紧邻定位的偶极子的长度。
-偶极子之间的间隙也沿着馈给线路远离中心地定位的馈给点增加。
-天线的两个(线性极化形式)或四个(双极化形式)部件通过分开的馈给线路馈给，分开的馈给线路连接到优选地至少部分地位于地平面后面的馈给系统的端口接地平面。
-天线元件/偶极子基本上形成为直的传导线或条带。
-天线元件优选地通过如在本领域中已知的蚀刻技术形成在支撑介质基底(诸如印刷电路板)上。
-天线可以用于不同工作频率的广泛范围，并且特别地用于1-15GHz的频率范围。
现在已经描述本发明的具体实施例。然而，对于本领域技术人员是显而易见的一些替代方式是可能的。例如，偶极子的不同布置设计是可能的，天线平面的不同的结合是可能的，不同的馈给布置是可行的等等。这些和其他明显修改必须被认为是在如由附后权利要求限定的本发明的范围内。应当指出，上述实施例说明不是限制本发明，并且本领域技术人员在没有背离附后权利要求的范围的情况下能够设计出许多代替的实施例。

Claims (33)

1.一种天线，用于发射和/或接收电磁波，所述天线包括：
导电体，作为接地平面；和
至少一对对数周期偶极子阵列，布置在接地平面上方，所述成对对数周期偶极子阵列的偶极子形成平行和相对定位的相同尺寸的偶极子的偶极子对，并且以每个所述偶极子对和偶极子对在接地平面中的图像的几何中心重合这样一种方式布置，其中每个偶极子是折叠偶极子，所述折叠偶极子包括两个或两个以上平行或接近平行的导电条带，所述导电条带在一个或多个点处连接或者在导电条带的延伸部分上连接；
其中在每个所述对数周期偶极子阵列内的更靠近所述几何中心的多个折叠偶极子在第一平面中延伸，并且其中最远离所述几何中心定位的剩余的至少一个折叠偶极子被布置成在至少一个另外的平面中延伸，所述另外的平面相对所述第一平面形成角度。
2.根据权利要求1所述的天线，其中偶极子被布置在接地平面之上的一定高度处，所述高度对于在每个偶极子对内的偶极子是相同的。
3.根据权利要求1或2所述的天线，进一步包括馈给系统，所述馈给系统连接到每个对数周期偶极子阵列中的最小偶极子，即最接近在接地平面中的天线的所述几何中心定位的最高频率偶极子。
4.根据上述任何一项权利要求所述的天线，其中设置至少两个终端偶极子对，并且优选地设置三个终端偶极子对。
5.根据上述任何一项权利要求所述的天线，其中终端偶极子包括在第一另外的平面中延伸的一个终端偶极子，和在第二另外的平面中延伸的至少一个或多个终端偶极子。
6.根据上述任何一项权利要求所述的天线，其中当从接地平面看时，第一平面和至少一个另外的平面形成锐角。
7.根据上述任何一项权利要求所述的天线，其中设置至少两个另外的平面，当从接地平面看时，至少两个另外的平面朝向彼此形成锐角。
8.根据上述任何一项权利要求所述的天线，其中天线包括至少两对对数周期偶极子阵列，偶极子阵列形成从共同的中心对称地延伸的波瓣。
9.根据上述任何一项权利要求所述的天线，其中在第一平面中延伸的所述对数周期偶极子阵列的每一个阵列的全部偶极子作为金属条带印刷在如同印刷电路板的平坦基底上，但是在基底上没有接地平面。
10.根据权利要求9所述的天线，其中在至少一个另外的平面中延伸的至少一个终端偶极子布置在至少一个另外的平坦印刷电路板中。
11.根据上述任何一项权利要求所述的天线，其中每个偶极子包括两个相对的臂，在两个相对的臂的之间具有馈给间隙，并且每个偶极子臂包括在外端部处连接的两个导电条带，并且其中这两个导电条带的内端部使用条带分别与相邻内部或外部偶极子臂的较靠近条带的内端部连接，使得一个偶极子阵列由两个相对的蛇形条带形成。
12.根据上述任何一项权利要求所述的天线，其中所述对数周期偶极子阵列的所述偶极子的所述臂的两个或两个以上导电条带非线性延伸，以使导电条带关于所述几何中心凸出地弯曲。
13.根据权利要求12所述的天线，其中所述偶极子的两个或两个以上导电条带形成圆形部分。
14.根据上述任何一项权利要求所述的天线，还包括馈给系统，所述馈给系统包括具有布置在两侧上的金属条带的至少一个印刷电路板，其中导电接地平面包括布置在几何中心附近的至少一个开口，并且其中至少一个印刷电路板布置成通过所述开口延伸。
15.一种天线，用于发射和/或接收电磁波，所述天线包括：
导电体，作为接地平面；和
至少一对对数周期偶极子阵列，布置在接地平面上方，所述成对对数周期偶极子阵列的偶极子形成平行且相对定位的相同尺寸的偶极子的偶极子对，并且以每个所述偶极子对和偶极子对在接地平面中的图像的几何中心重合这样一种方式布置，其中每个偶极子是折叠偶极子，所述折叠偶极子包括两个或两个以上平行或接近平行的导电条带，所述导电条带在一个或多个点处连接或者在导电条带的延伸部分上连接；
其中所述偶极子的两个或两个以上的导电条带以关于在接地平面中的所述几何中心凸出地弯曲的方式延伸。
16.根据权利要求15所述的天线，其中最接近所述对数周期偶极子阵列的所述几何中心的多个偶极子在共同的平面中延伸。
17.根据权利要求15或16所述的天线，其中所述偶极子的两个或两个以上的导电条带形成圆形部分。
18.根据权利要求15-17任何一项所述的天线，其中天线包括至少两对对数周期偶极子阵列，偶极子阵列形成从共同的中心对称地延伸的波瓣。
19.根据权利要求18所述的天线，其中当投射在接地平面上时，即当从天线上方看时，在所述波瓣中的相应偶极子的导电线路大致形成圆形。
20.根据权利要求15-19任何一项所述的天线，其中每个对数周期偶极子阵列的偶极子被布置在至少一个平坦印刷电路板上。
21.根据权利要求15-20任何一项所述的天线，还包括馈给系统，所述馈给系统包括具有布置在两侧上的金属条带的至少一个印刷电路板，其中导电接地平面包括布置在所述几何中心附近的至少一个开口，并且其中至少一个印刷电路板布置成印刷电路板的小部分通过所述开口延伸。
22.一种天线，用于发射和/或接收电磁波，所述天线包括：
导电体，作为接地平面；和
至少一对对数周期偶极子阵列，布置在接地平面上方，所述成对对数周期偶极子阵列的偶极子形成平行和相对定位的相同尺寸的偶极子的偶极子对，并且以每个所述偶极子对和偶极子对在接地平面中的图像的几何中心重合这样一种方式布置，其中每个偶极子是折叠偶极子，所述折叠偶极子包括两个或两个以上平行或接近平行的导电条带，所述导电条带在一个或多个点处连接或者在导电条带的延伸部分上连接；和
馈给系统，所述馈给系统包括具有布置在基板两侧上的金属条带的至少一个印刷电路板，其中所述导电接地平面包括布置在所述几何中心附近的至少一个开口，并且其中至少一个印刷电路板布置成延伸通过所述开口。
23.根据权利要求22所述的天线，其中至少一个印刷电路板在基本上垂直于接地平面的方向上延伸。
24.根据权利要求22或23所述的天线，其中延伸通过所述开口的至少一个印刷电路板的两侧上的金属条带优选地通过焊接连接到每个对数周期阵列波瓣的两个馈给点。
25.根据权利要求22-24所述的天线，其中至少一个金属条带具有在远离在接地平面中的所述开口的方向上增加的宽度，从而形成从由在基底的任一侧上的两个狭长条带实现的两线线路到具有金属接地平面的单个微条带线路的逐步转变。
26.根据权利要求22-25所述的天线，其中馈给系统进一步包括至少一个宽带功率合成器，所述至少一个宽带功率合成器集成在印刷电路板中并且优选地集成在延伸进入接地平面的相同印刷电路板中，或者与延伸进入接地平面中到一块印刷电路板的两个这样的印刷电路板结合。
27.根据上述权利要求任何一项所述的天线，其中所述对数周期偶极子阵列的全部偶极子对在一个方向上定向，以发送或接收一种线性极化的多个波。
28.根据上述权利要求任何一项所述的天线，其中所述对数周期偶极子阵列的约一半偶极子对在一个方向上定向，并且其余偶极子对在正交的方向上定向，以发送或接收双线性极化或圆形极化的多个波。
29.根据上述权利要求任何一项所述的天线，其中偶极子由导电条带、电线或管制造。
30.根据上述权利要求任何一项所述的天线，其中偶极子由在电介质基底上的导电条带制成。
31.根据上述权利要求任何一项所述的天线，其中在所述对数周期偶极子阵列的每个偶极子对的尺寸大致表示如下：偶极子长度约为0.5波长，偶极子在接地平面之上的高度在0.05和0.25波长之间，且偶极子间隙约0.5波长，其中波长相对于如下频率：给定的偶极子对在所述频率处是对辐射模式的主要贡献者。
32.根据上述权利要求任何一项所述的天线，其中辐射模式在非常宽的频带上具有几乎恒定的波束宽度，所述频带优选地包括几个倍频程。
33.根据上述权利要求任何一项所述的天线，其中天线用来照射单个或双重反射体天线系统。
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