CN1146076C - 微波天线系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一个天线系统(100)包括一个基本上是平的导电接地平面(102)，具有一个孔径(103)，一个基本上是平的信号馈送结构(104)，平行于该接地平面(102)，以及一个基本上是平的第一绝缘层(123)，处在该接地平面和馈送结构(104)之间。孔径(103)的形式是在交叉点(SIP)一第一槽(105)与一第二槽(106)垂直交叉。馈送结构(104)包括一第一馈送单元(107)，与第一槽(105)交叉与第二槽(106)不对称，以及包括两个馈送臂(110，111)的叉形的第二馈送单元(108)。馈送臂(110，111)与槽交叉点(SIP)任一边上的第一槽(105)交叉，并与第二槽(106)对称。当用作发射天线时，通过第一馈送单元(107)馈送第一信号(S1)以及通过第二馈送单元(108)馈送第二信号(S2)至各自相关的槽(105，106)。信号(S1，S2)激励孔径(103)辐射两个基本垂直线性极化信号。

Description

微波天线系统和方法
技术领域
本发明涉及能发射和接收微波辐射的微波天线系统，特别涉及孔耦合微波天线的信号馈送结构。
背景技术
在微波通信领域中，使用双极化辐射通常是有益处的。在与太空卫星的通信中使用双极化微波这是一个熟悉的应用例子。与单极化情况相反，每一个载波频率频带可用来连通两个独立的信息通道。第一信息通道能调制到一个双线性极化载波信号上，在那里该线性极化沿第一方向，第二信息通道能沿垂直于该第一方向的第二方向调制到具有线性极化的相同载波信号上。
在现有技术中，很多双极化微波通信方法的实施是人们了解的，并且在这些方法中的很多特征经受强化的技术改善。其中改进的一个主要方面在天线单元，以及为了发射和接收，需要用信号馈送给天线单元的方法。限制在于根据例如双极化电磁远场的交叉极化以及信号馈送装置连接端口间的隔离由要求的性能装上这些馈送和天线装置。
从美国专利4,903,033了解到可用于微波信号的一个双极化孔耦合天线。通过许多微带贴片和一个接地平面孔能发射和接收垂直的线性极化信号，该接地的平面孔的形状是两个在其中心点交叉的垂直槽。两个相同的叉形的信号馈送网络馈送信号到槽和从槽馈送信号。
在US4,903,033中公开的天线的缺陷在于两个馈送网络必须对称配置以将交叉极化的负面影响和网络间的互耦合减到最小。为克服这个缺陷，US4,903,033表示馈送网络使用空运线(air brige)立体交叉彼此交叉。
另外一种双极化孔耦合天线由Sanford，J.R.以及Tengs，A.在论文“A Two Substrate Duol Polarized Aperture Coupled patch”，IEEE Ap-s Intl.Symp.1996，Vol.3 pp.1544-1547中描述过。两垂直槽的一个孔由一双馈送网络馈送，该双馈送网络同该孔对称地配置。具有对称馈送而不需要交叉该两个馈送网络的难题由将该两个网络放置在一个多层结构的两则来解决，方法是该孔夹在馈送网络和两个电介质基片之间。
由于该馈送网络被设置在不同的电介质基片上，所以由Sanford和Tengs公开的天线是一个复杂的结构。同样，馈送网络之一位于该孔板之上以及由此不能屏蔽外界影响，使来自该网络的直接的漏辐射能够与来自该孔和/或贴片的幅射相干扰。
发明内容
本发明的目的在于克服如由以上列举的现有技术的缺点说明的下列问题。
根据本发明的一个方面，提供一种微波天线系统包括：
-一平面的导电接地平面，
-一孔，处在该接地平面中，
-一平面的信号馈送结构，平行于该接地平面，
-一平面的第一电介质层，配置在接地平面和馈送结构之间，所说微波天线系统的特征在于
-孔的形状是一个沿第一方向对准的第一槽，和沿垂直于第一方向的第二方向对准的第二槽，所说槽在槽交叉点彼此交叉，
-馈送结构包括第一馈送单元至少部分地平行第一方向延长，在第一交叉点与第二槽相交叉，在该点第一馈送单元平行第一方向
-馈送结构包括一个叉形第二馈送单元，相对第二方向对称，包括从第二馈送连接单元延长的第一臂和第二臂，臂的每一个至少部分地平行第二方向延长，
-所说第一臂在第二交叉点与第一槽交叉，以及所说第二臂在第三交叉点与第一槽交叉，所说交叉点是在槽交叉点的相对边，在所述交叉点处第一臂和第二臂每一个平行于第二方向。
根据本发明的另一个方面，提供一种将代表第一和第二信号的第一和第二电流馈送到彼此垂直交叉的第一槽和第二槽的孔，从而在一微波天线系统中产生一个双线性极化电磁场的方法，其特征在于步骤：
-按这样一种方式不对称地馈送所说第一电流到第二槽，即该第二槽被激励并产生具有第一线性极化的电磁场，以及
-通过将第二电流分离在第一和第二路径中并按这样一种方式，即第一槽被激励并产生具有垂直于第一线性极化场的第二线性极化的电磁场，对称地将所说第二电流馈送到第一槽。
第一个问题是如何得到其结构紧凑和简单的孔耦合的天线性极化微波天线。
本发明要解决的另一问题是如何得到具有双馈送网络的孔耦合的双线性极化微波天线，此处馈送网络间的电隔离是最佳的。
这样本发明的目的在于克服上述问题，还提供了发射和接收双线性极化微波的一种方法。按本发明方式是用一个孔耦合系统来得到这些的，该系统在一个接地平面中包括两个垂直的槽，第一馈送单元馈送相对其中点对称的第一槽，而第二馈送单元馈送相对其中点不对称的第二槽。
更精确地说，按本发明的天线系统包括一个平面的导电接地平面，具有一个孔，一个平面的平行于接地平面的信号馈送结构，以及一个在该接地平面和馈送结构之间的平面的第一电介质层。
孔的形状是一第一槽在一交叉点与第二槽垂直交叉。馈送结构包括与第一槽交叉的第一馈送单元，相对第一槽不对称，以及叉形的第二馈送单元，包括两个馈送臂。该馈送臂与槽交叉点任何一边上的第一槽交叉，相对该第二槽对称。
当用作发射天线时，第一信号通过第一馈送单元，而第二信号通过第二馈送单元馈送到各自相关的槽。该信号激励孔辐射两个垂直的线性极化信号。
本发明的一个优点在于减小了两个馈送单元之间的电耦合，即存在在第一馈送单元的信号并不传送到第二馈送单元。
本发明的另一优点在于可能在单个结构基片的一边上实施馈送网络使其成为一个装置，由此使它成为一个紧凑的装置。
还有一个优点在于本发明的装置能用简单结构制成，例如使用空运线，使本发明的实施简化。
附图简述
图1表示一个孔耦合的微波贴片天线的第一实施例的示意透视图。
图2A表示按本发明的一种馈送结构的第一实施例的示意图。
图2B表示按本发明的一种馈送结构的第二实施例的示意图。
图3表示按本发明的一种馈送结构的第三实施例的示意图。
图4表示说明孔中电磁矢量分布的示意图。
优选实施例的详细说明。
图1是说明按本发明的一个天线系统100。仅详细讨论与实施本发明相关的装置，因此附图不明确地展现外部设备的任何细节，例如无线电发射机或接收机。假定发射机和接收机，以及任何需要的机械安装设备在本技术领域中是熟悉的，当使用本发明时，本专业技术人员早已应用。为了简化性和纯粹的说明目的，使用直角坐标系统以便理解天线系统不同单元各个位置和相互方向。第一方向指定为X，而第二方向指定为Y，垂直于第一方向。第三方向Z既垂直于第一方向X，又垂直于第二方向Y，由第一和第二方向X，Y确定的直角坐标系统以下还结合本发明所有其他实施例使用。
天线系统100包括在第一电介质层123上的导电接地平面102。该接地平面102和电介质层123处在由第一和第二方向X，Y确定的一个平面内并垂直于第三方向Z。该接地平面102和第一电介质层123如由该层123的阴影边缘所示的仅表示其部分。因此它们还可以在XY-平面内延长。孔103在接地平面102内的形状是两个交叉的槽。第一槽105沿第一方向X对准，而第二槽106沿第二方向Y对准。槽105，106在槽交叉点SIP彼此交叉。在该例中槽105，106长度相等并在其各自的中点彼此交叉，这样使孔103相对两个方向X，Y对称。
与接地平面102平行并沿第三方向Z前向放置的是一第二电介质层121。相对槽交叉点SIP对准中心的导电的圆贴片101在该第二电介质层121上，该贴片101对于从该天线系统100发射的，以及由该天线系统100接收的电磁辐射而言起中间单元的作用。虽然贴片101在该例中是圆的，但也可使用其他的形状，这将在下面指出，例如在本技术领域中了解的波导和偶极子能用作中间单元的其它方法。
也与接地平面102平行但沿第三方向Z后向放置的是第三电介层124。在该第三电介质层124上配置信号馈送结构104。该馈送结构104在这个例子中是以微带导体形式出现的。馈送结构104包括一第一馈送单元107，馈送单元107包括一段109，平行于第一方向X并相对槽交叉点SIP在第三电介质层124上的投影SIP’沿第二方向Y配置。第二馈送单元108也包括在馈送结构104中。第二馈送单元108包括第一馈送臂110和第二馈送臂111。馈送臂110，111同第二方向平行并配置在槽交叉点SIP的投影SIP’的相对边。馈送连接单元112沿第二方向Y连接两馈送臂110，111。有其臂110，111以及连接单元112的第二馈送单元108相对第二方向Y是对称的。连接单元112和两个馈送臂110，111在本实施例中设计成一个简单的T-形结构。本专业技术人员了解这是一个分离器/组合器。能按幅度和相位等分一个信号，并且可具有许多不同的外观。
电介质层，例如在其上配置馈送结构104的第三电介质层124可以由本技术领域中熟悉的任一电介质材料组成，或在一些辅助层中由不同材料的组合组成，包括空气层。但是，空气层理应需要分离所包括的导电层的机械支撑。
天线系统100可用于微波发射两个垂直线性极化信号S1，S2。第一发射机113连接到第一馈送单元107，而第二发射机114连接到第二馈送单元108。第一发射机113将第一信号S1提供到第一馈送单元107，而第二发射机114对第二馈送单元108提供第二信号S2。
第一信号S1通过第一馈送单元107的段109耦合到第二槽106。之后第二槽106通过朝向第三方向Z的贴片101辐射第一信号S1。类似地，第二信号S2通过第二馈送单元108的两个臂110，111耦合到第一槽105。之后第一槽105通过朝向第三方向Z的贴片101辐射第二信号S2，该信号S2具有垂直于从第二槽106辐射的第一信号的极化的一个线性极化。
用描述的天线系统能发射具有圆极化的信号。如在该技术领域中人们了解的那样，这是可以得到的，只要将相同信号提供到两个馈送单元，并将两信号S1，S2之一相移90°即可。
具有起中间单元作用的贴片101的主要目的在于如果同仅有辐射孔103的情况相比，根据已知技术，它能够增强天线系统性能控制，例如带宽，阻抗和辐射方向图的控制。事实上，控制天线系统性能的能力甚至进一步通过重叠许多与电介质层121交错的贴片101来增强。但是应当指出，如果没有中间单元，孔103是能发射信号S1，S2的。
还应当指出天线系统100也起接收天线系统的作用，虽然是按一个发射设备来加以描述的。在接收情况下，包含至少部分线性极化辐射的外部信号将在该贴片101中感应一个信号。依次，接收信号的线性极化分量在两槽105，106中被激励，然后耦合到各个馈送单元107、108。因此，应当理解本发明既包括实现发射天线系统，也包括实现接收天线系统，以及天线系统能同时接收和发射。
图2A和2B说明相应图1中馈送结构104和孔103的馈送结构和孔的不同的实施方案。在图2A中表示孔200以及第一和第二馈送单元201，202。孔200包括沿第一方向X对准的第一槽205以及沿第二方向Y对准的第二槽206。第一槽205比第二槽206短。槽205，206彼此在第一槽交叉点SIP1交叉，第一槽交叉点SIP1配置在第一槽205的中点，使得孔200相对第二方向Y是对称的，而相对第一方向X是不对称的。
第一馈送单元201和第二馈送单元202表示成投影到孔200的平面上。要理解的是，在孔和馈送单元201，202之间存在一个电介质层，但在该图中看不见。第一馈送单元201沿第一方向X延长并在第一交叉点IP1与第二槽206交叉。第一馈送单元的延长DL超出第二槽206延长。该延长DL是阻抗匹配单元，正如人们熟悉的并在本技术领域中描述过。因此，所有目前的例子表示馈送单元，例如第一馈送单元201，超过其各自的槽延长。第二馈送单元202是叉形的并包括连接到馈送联接单元207的第一馈送臂203和第二馈送臂204，连接单元207沿第二方向Y延长并且馈送臂203，204同第二方向Y平行，使得第二馈送单元202相对第二方向Y对称。第一馈送臂203在第二交叉点IP2同第一槽205交叉，而第二馈送臂204在第三交叉点IP3同第一槽205交叉。这样，第二和第三交叉点IP2，IP3被对称配置在第一槽交叉点SIP1的相对边上。
图2B表示包括第一馈送单元251和第二馈送单元252的一个馈送结构的另一例子。如在结合图2A描述的上面的例子中那样，孔250包括两个交叉的槽，第一槽255沿第一方向X，第二槽256沿第二方向Y。第二槽256比第一槽255短。槽255，256在处各槽255，256中点上的第二槽交叉点SIP2交叉，使孔250相对第一方向X和第二方向Y均对称。如在上例中那样，第一馈送单元251和第二槽256交叉，而第二馈送单元252，用其第一馈送臂253和第二馈送臂254与第一槽255交叉。两个馈送臂253，254在连接单元257连接。
图2A和2B中的两个例子说明馈送网络和能通过槽205，206，255，256发射第一信号S1和第二信号S2的孔。第一信号S1具有典型频率F1，而第二信号具有不同于第一频率F1的典型频率F2。槽205，206，25，256的长度基本上反比于从各槽发射的信号的频率。如图2A和2B中的馈送网络和槽结构可以在例如结合图1描述的一个天线系统中实施。这样的一个天线系统能发射(和接收)两个具有不同频率F1，F2的垂直线性极化信号S1，S2。在这种情况下，其优点在于具有一个贴片(图1中的101)，或一叠矩形或椭圆形的贴片，其短边/长边比或短轴/长轴比基本上和垂直交叉槽的长度间比相同。
图4表示本发明的另一实施例，说明本发明的一个优点，关于在第一馈送单元401和第二馈送单元402之间的信号隔离。馈送单元401，402配置在由两个等长度的对称交叉槽405，406组成的一个孔处。如在前面的例子中那样，第一馈送单元401非对称地馈送第一信号S1到沿第二方向Y对准的第二槽406，以及具有馈送臂403，404的第二馈送单元402对称地馈送第二信号S2到第一槽405。
馈送单元401，402之间的隔离可以用有多少发源于第一馈送单元401的第一信号S1的功率能通过孔400发射到第二馈送单元402来表示。第一信号S1从第一馈送单元401耦合到第二槽406的。信号S1当耦合到第二槽406时产生在图中由槽中的第一电场矢量E0说明的传播电磁波。不同的矢量理解成当电磁波沿槽传播时该波的特定位置的连续的说明。第一电场E0从第二槽406耦合到第一槽405，使得由第二场矢量E1和第三场矢量E2说明的第二和第三电场出现在第一槽405中。然后彼此方向相反的第二和第三电场E1，E2耦合到第二馈送单元402的两个馈送臂403，404，分别在馈送臂403，404产生干扰信号S1’和S1”。在第二馈送单元402的连接位置407，两个干扰信号S1’，S1”彼此抵消。抵消是由于这样一种事实，即因为产生干扰信号S1’，S1”的电场E1，E2具有相反的方向，由此两个干扰信号S1’，S1”彼此有相对180度相位移。
如在本领域技术中了解的那样，由于馈送单元仅包括线性的和无源的元件，则据定义在第一馈送单元401和第二馈送单元402中的输入和响应之间存在互易性关系。这种互易性必然伴有这种情况，即在从第二馈送单元402到第一馈送单元401方向产生的干扰信号也将彼此抵消。
图3说明包括有第一馈送单元301和第二馈送单元302的馈送网络的一种紧凑的实施方案。馈送单元301，302被实施成微带路径，最好从一金属包覆电介质片按已知技术蚀刻。图3中表示的也是一个对称孔的投影，如上面例子那样包括和第二槽306交叉的第一槽305。这个槽最好在一电介质片上的接地平面金属层中蚀刻。槽305，306和馈送单元301，302可以在从金属包覆电介质片的相对边中蚀刻或在从两个不同的金属包覆电介质片中蚀刻。
第一馈送单元301如上述例子那样同第二槽306交叉，并包括弯曲延长单元309。第二馈送单元302包括两个馈送臂303，304以及一个连接单元310。如上述例子那样，两个馈送臂303，304相对第二方向Y对称配置，并与第一槽305交叉，并具有延长部分307，308，沿第一方向弯曲。
馈送单元301，302的不同部分具有宽度不同，例如，第一馈送单元301的延长单元309以及第二馈送单元的延长单元308。如在本技术领域中了解的那样，为控制单元301，302的阻抗，这是必要的。
虽然在上述例子中使用已知的微带技术实施该馈送网络是最佳的，同样如本技术领域中了解的，可能使用例如微波带状线技术。但是，使用微波带状线技术将要求引入第二接地平面。

Claims (21)

1.微波天线系统(100)包括：
-一平面的导电接地平面(102)，
-一孔(103)，处在该接地平面(102)中，
-一平面的信号馈送结构(104)，平行于该接地平面(102)，
-一平面的第一电介质层(123)，配置在接地平面(102)和馈送结构(104)之间，所说微波天线系统(100)的特征在于
-孔(103)的形状是一个沿第一方向(X)对准的第一槽(105)，和沿垂直于第一方向(X)的第二方向(Y)对准的第二槽(106)，所说槽(105，106)在槽交叉点(SIP)彼此交叉，
-馈送结构包括第一馈送单元(201)，至少部分地平行第一方向(X)延长，在第一交叉点(IP1)与第二槽(206)相交叉，在该点(IP1)第一馈送单元(201)平行第一方向(X)，
-馈送结构包括一个叉形第二馈送单元(202)，相对第二方向(Y)对称，包括从第二馈送连接单元(207)延长的第一臂(203)和第二臂(204)，臂(203，204)的每一个至少部分地平行第二方向(Y)延长，
-所说第一臂(203)在第二交叉点(IP2)与第一槽(205)交叉，以及所说第二臂(204)在第三交叉点(IP3)与第一槽(205)交叉，所说第二交叉点(IP2)和第三交叉点(IP3)是在槽交叉点(SIP1)的相对边，在所述第二交叉点(IP2)和第三交叉点(IP3)处第一臂(203)和第二臂(204)每一个平行于第二方向(Y)。
2.按权利要求1的微波天线系统(100)，其特征在于系统(100)还包括一个中间单元(101)，相邻于接地平面(102)配置，由此接地平面(102)中的孔(103)配置在中间单元和馈送结构(104)之间。
3.按权利要求2的微波天线系统(100)，其特征在于中间单元(101)包括一个平面的微带贴片(101)和一个第二平面的电介质层(121)，使得第二电介质层(121)配置在中间单元和接地平面(102)之间并平行于贴片(101)和接地平面(102)。
4.按权利要求2的微波天线系统(100)，其特征在于中间单元(101)包括许多与多个平面的电介质层(121，108)交错的平面的堆叠的微带线贴片(101，107)。
5.按权利要求2-4的任一权利要求的微波天线系统(100)，其特征在于中间单元包括至少部分偶极单元。
6.按权利要求2-4的任一权利要求的微波天线系统(100)，其特征在于中间单元(101)包括至少部分波导单元。
7.按权利要求2-4的任一权利要求的微波天线系统(100)，其特征在于中间单元(101)包括至少一个贴片(101)和至少部分波导单元的组合。
8.按权利要求2-4的任一权利要求的微波天线系统(100)，其特征在于中间单元(101)包括至少一个贴片(101)和至少部分偶极单元的组合。
9.按权利要求2-4的任一权利要求的微波天线系统(100)，其特征在于中间单元(101)包括至少部分偶极单元和至少部分波导单元的组合。
10.按权利要求1-4的任一权利要求的微波天线系统(100)，其特征在于第一馈送单元(201)和第二馈送单元(202)从在其上配置信号馈送结构的第三电介质层的相对边缘接近槽交叉点(SIP)。
11.按权利要求1-10的任一权利要求的微波天线系统(100)，其特征在于槽(105，106)长度相等。
12.按权利要求1-11的任一权利要求的微波天线系统(100)，其特征在于槽交叉点(SIP)同该槽(105，106)各自的中点重合。
13.按权利要求1-12的任一权利要求的微波天线系统(100)，其特征在于第一馈送单元(201)和第二馈送单元臂(203，204)超过其各自相关的槽(205，206)延长。
14.按权利要求13的微波天线系统(100)，其特征在于第一馈送单元(201)和馈送臂(203，204)的延长包括直的延长单元。
15.按权利要求13的微波天线系统(100)，其特征在于第一馈送单元(301)和馈送臂(303，304)的延长包括弯曲的延长单元(307，308，309)。
16.按权利要求1-15的任一权利要求的微波天线系统(100)，其特征在于馈送结构包括微带单元。
17.按权利要求1-16的任一权利要求的微波天线系统(100)，其特征在于馈送结构包括带状线单元。
18.按权利要求1-17的任一权利要求的微波天线系统(100)，其特征在于馈送结构包括具有第一宽度的第一馈送单元(301)，所说第一馈送单元(301)包括具有第二宽度的延长单元(309)，所说馈送结构包括一个叉形第二馈送单元(302)，该单元包括具有第三宽度的连接单元(310)，所说第二馈送单元(302)包括两个相同的馈送臂(303，304)，其每一个具有第四宽度和第五宽度，所说馈送臂(303，304)每个包括具有第六宽度的延长单元(307，308)。
19.按权利要求1-18的任一权利要求的微波天线系统(100)，其特征在于馈送结构包括具有第一宽度的第一馈送单元(301)，所说第一馈送单元(301)包括具有第二宽度的延长单元(309)，其中具有第一宽度的部分第一馈送单元(301)在与第一方向(X)成直角的方向上延长。
20.一种将代表第一和第二信号(S1，S2)的第一和第二电流馈送到彼此垂直交叉的第一槽和第二槽的孔，从而在一微波天线系统中产生一个双线性极化电磁场的方法，其特征在于步骤：
-按这样一种方式不对称地馈送所说第一电流到第二槽，即该第二槽被激励并产生具有第一线性极化的电磁场，以及
-通过将第二电流分离在第一和第二路径中并按这样一种方式，即第一槽被激励并产生具有垂直于第一线性极化场的第二线性极化的电磁场，对称地将所说第二电流馈送到第一槽。
21.按权利要求20的方法，其特征在于将第一信号馈送到第二槽，并馈送相移90度的该第一信号到第一槽，以产生圆极化的电磁场。
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