CN1174632A - 多片天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多片天线,包括安装在绝缘板(1)上面的辐射片(2),这些片(2)是用探针(7)电容性地馈电,这些探针(7)伸至靠近这些片(2)的地方。通过把这些探针(7)安装在靠近辐射片的(2)的选定的边缘,就能实现辐射场的选定的极化方向。利用把若干探针(7)安装在靠近一块辐射片(2)的地方,就可以获得一个极化方向可调整的辐射场或者一个交叉极化极低的辐射场。

Description

多片天线

本发明涉及一种多片天线，它包括安装在一张绝缘板的一侧的至少实际上相同的辐射片阵列，安装在绝缘板的另一侧的导电接地板和供激励这些片的馈电装置。

本发明还涉及相控阵天线，它包括一个K×L相控阵元的阵列和一个用于和K×L相控阵元连接的K×L辐射器阵列。

多片天线在技术上是众所周知的，它们在生产上比较简单，并且由于它们的扁平形状，所占的空间小。在它的最基本的实施例中，多片天线包括一绝缘板，在板的一侧是一个辐射片阵列和用微带网络实现的馈电装置，在板的另一侧是导电的接地板，例如如图1所示的那样。这个实施例可能有无数的变化，主要的目的在于降低介质损耗，增加天线的频带宽度，使所产生的辐射图形具有预定的或可调整的极化特性，或者，譬如说是为了减少交叉极化。

本发明的目的在于实现容易建造和具有大的频带宽度的多片天线。它的特征在于馈电装置和辐射片之间采用了电容耦合装置。在图1中所表示出的不太复杂的多片天线的情况下，微带网络被安装在绝缘板的装有辐射片的一侧。这不是最好的解决办法，例如微带网络的印刷线条的宽度必须选择得相当细，使它能与辐射片相适应。为了避免这一缺点，根据本发明的天线的进一步的特征在于馈电装置安装在靠近接地板背离绝缘板的一侧。接地板在辐射片的位置有孔，使电容性耦合装置能够穿过。

本发明的一个特别优选的实施例的特征在于，电容性耦合装置包括了导电的探针，它们的定位至少基本上与绝缘板垂直。每个探针的一端与馈电装置连接；而另一端通过孔伸至绝缘板中靠近辐射片的地方。

除了天线容易建造和有一个大的频带宽度之外，这些结果还导致天线能够选择辐射图形的极化方向。根据第一实施例，该天线的特征在于探针末端靠近辐射片的选定的边缘，使得能产生具有选定的极化方向的辐射图形。馈电装置通常是用传输线网络来实现的，例如一个安装在第二绝缘板上的微带网络；而第二绝缘板又是安装在导电接地板上面，微带网络安装在背离导电接地板的那一侧。

根据第二个实施例，天线的特征在于每块辐射片有两个探针，这两个探针的末端靠近辐射片的两个相对的边缘。

通过传输线网络用相反的相位激励这两个探针，使辐射图形具有选定的极化方向和非常低的交叉极化。

根据辐射片不太复杂的构造和可预见的特性，本发明的多片天线可方便地被用作为共形(conformal)阵列，例如全为飞机外壳的一部份，在这种应用中，辐射片安装在弯曲的绝缘板上，成为与飞机外壳构成一个整体的一部分，馈电装置则安装在飞机内部，正如技术上众所周知的那样，馈电装置应当调整成适应天线面的弯曲度产生的相位差。并且如此获得的天线的极化特性，由于辐射片的可预知的特性，是能够设计得十分良好的。

根据第三个实施例，馈电装置包括了一个第二独立馈电传输线网络。在这个实施例的第一个应用中，多片天线的特征在于对于每一块辐射片，用第一探针产生一个具有第一极化方向的辐射图形；而用第二探针来产生具有第二极化方向的辐射图形，这个第二极化方向至少基本上垂直于第一极化方向。通过把第一个探针与第一个传输网络连接和把第二个探针与第二个传输线网络连接，然后以适当方法向这两个网络馈电，就可获得具有可调整的极化方向的天线。

在这个实施例的第二个应用中，天线的特征在于对于每块辐射片，第一对探针用于产生具有第一极化方向的辐射图形；而第二对探针用于产生具有第二极化方向的辐射图形。第二极化方向至少基本上垂直于第一极化方向。第一个传输线网络用相反的相位向第一对探针馈电；而第二个传输线网络用相反的相位向第二对探针馈电。这样，就可获得一个具有非常低的交叉极化的可调整的极化方向的天线。

本发明还进一步提供一个辐射器阵列，它是容易建造的，而且具有很宽的频带，可以连接到K×L相控阵元或与它综合起来一起构成一个技术上众所周知的相控阵天线系统。为此目的，本发明的特征在于辐射器阵列包含了安装在绝缘板的一侧的至少基本上相同的K×L个辐射片的阵列，绝缘板的另一侧安装有导电的接地板，而相控阵元安装在靠近导电接地板的背离绝缘板的一侧。

一个优先的实施例包括了向辐射器馈电的电容性耦合装置，安装在相控阵元和辐射片之间，导电接地板的辐射片的位置有孔，使电容性耦合装置能穿过去。

本发明的一个特别好的实施例的特征在于电容性耦合装置包含了K×L个导电的探针，它们至少基本上与绝缘板相垂直地安装，每个探针的一端与一个相控阵元连接，另一端在绝缘板中伸至靠近被馈电的辐射片的地方。

根据本发明的相控阵天线的第一个特殊的实施例，探针伸至靠近辐射片的被选定的边缘以产生具有选定极性方向的辐射图。

根据本发明的相控阵天线的第二个特殊的实施例，电容性耦合装置包括2×K×L个探针，每对的一端与一个相控阵元连接，另一端伸至绝缘板内靠近被馈电的辐射片附近。

这个特殊的实施例的第一个优选应用的特征在于相控阵元是被布置成用相反的相位激励一对探针，该探针伸至靠近被馈电的片的相对的边缘，这样就产生了一个交叉极化极低的极化辐射图形。

这个特别的实施例的第二个优先应用的特征在于每一对探针的第一个探针用于产生具有第一极化方向的辐射图形；而第二个探针用于产生具有第二极化方向的辐射图形，而第二极化方向至少基本上垂直于第一极化方向。通过相控阵元用适当的方法控制这两个探针，就可得到一个极化方向可以控制的天线。

根据本发明的相控阵天线的第三个特别的实施例，耦合装置包含了4×K×L个导电的探针，每一组4个地一端与一个相控阵元连接，而另一端在绝缘板中伸至靠近被馈电的辐射片的地方。

这个特别的实施例的一个优先应用的特征在于每组4个探针，第一对用于产生具有第一极化方向的辐射图形，而第二对用于产生具有第二极化方向的辐射图形，这个第二极化方向至少基本上垂直于第一极化方向。通过用相反的相位向每一对馈电，可以获得一个极化方向可以控制而且交叉极化降低了的天线。

现在参考下面的图来对本发明作更详细的说明：

图1 示意地表示出一个已有的多片天线和一个微带线网络的正面

图。图2 示意地表示出一个根据本发明的多片天线的实施例以及微带

线网络的侧面图。图3 示意地表示出为了获得具有水平极化方向的辐射图形的探针

位置。图4 示意地表示出为了获得具有垂直极化方向的辐射图形的探针

位置。图5 示间地表示出为了获得具有水平极化方向和降低了的交叉极

化的辐射图形的探针位置。图6 示意地表示出为了获得具有垂直极化方向和降低了的交叉极

化的辐射图形的探针的位置。图7 示意地表示出一个根据本发明的多片天线的实施例以及两个

微带线网络的侧视图。图8 示意地表示出用于获得具有可调整极化方向的辐射图形的探

针位置。图9 示意地表示出用于获得具有可调整极化方向和极度降低了的

交叉极化的辐射图形的探针位置。图10示意地表示出与一个相控阵元的阵列相连接的多片天线的侧

视图。图11示意地表示出一个通过连接器与一个相控阵元的阵列连接的

多片天线的侧视图。

图1表示出一个现有的多片天线的正面图，它包括绝缘板1和按规则的图形安装在绝缘板1上的辐射片2(i、j)。传输线网络3把每块辐射片2(i、j)连接到输入端子4，该输入端子4再通过图中没有画出来的如同轴线连接器与发射机或接收机连接起来。特别是传输线网络3是用非常简化的方法表示出来的，因为需要用现今在技术上各种众所周知的方法来防止反射和保证所有的辐射片2(i、j)的同相驱动(in-phase drive)。绝缘板1通常是安装在图上没有示出的一张金属板上，该金属板是用介质损耗很低的材料做成的。虽然图1表示出一种按行和列排列的辐射片结构，但是也可能存在其它的结构形式，例如让奇数行相对于偶数行错开半列的一种结构。这种结构可以防止格栅波瓣(grating lobes)的出现。

图2表示出根据本发明的多片天线的一个实施例的侧视图，绝缘板1的一侧带有规则排列的辐射片2(i、j)，而另一侧配有一张金属板5。用微带线网络实现的并带有一个输入端子4的传输线网络3在这里是安装在也安装在金属板5上面的第二绝缘板6上。这个传输线网络3可以与图1中所示的一样，虽然由于多余的空间，它的实现根据技术上众所周知的设计标准在细节方面也可能不同。根据本发明，传输线网络3与辐射片2(i、j)连接，是依靠探针7(i、j)，该探针7(i、j)的一端与传输线网络3相连接且另一端在绝缘板1中伸到靠近辐射片2(i、j)的地方。因此，传输线网络3和辐射片2(i、j)是电容性耦合的，为了让探针7(i、j)能通过，金属板5在需要的地方有孔8，孔8的直径的选择与探针7(i、j)的直径有关，以使微波辐射的反射最少。

在本实施例中，探针7(i、j)的直径是0.8mm且孔的直径是1.8mm。绝缘板6也有孔，它的直径与探针7(i、j)的直径是对应的。这些孔可以部分金属化来保证连接可靠或获得更佳的微波特性。另外，这些孔通常被短路的引线环绕，使在导电的探针7(i、j)中的微波能量的耦合起应有的作用。绝缘板1的孔是不通的，它的直径与探针7(i、j)的直径相对应。在本实施例中，天线工作在10GHz的频率范围。绝缘板1的厚度是4.2mm，探针7(i、j)伸至与辐射片2(i、j)相距0.17mm的地方。绝缘板1可以用技术上众所周知的相对介电常数是2.5的杜罗艾德铬合金钢(Duroid)作材料来制作。如果按这样要求，绝缘板1可用两张板来构成一张夹层板，第一张板被钻通，使探针7(i、j)能够穿过去，而第二张板不钻孔，以便得到探针7(i、j)和辐射片2(i、j)之间规定的距离。

在另一个实施例中，探针7(i、j)的直径是1.27mm而孔的直径是4.2mm，绝缘板1的厚度是6.61mm，而探针7(i、j)伸至与辐射片2(i、j)相距0.25mm的地方。辐射片是方形的，边是11.5mm，探针正好伸至在片的边缘下，距离拐角处1.15mm。这个实施例的中心频率是7GHz，-10dB带宽为3.3GHz。

代替绝缘板上的微带网络，传输线网络3还可以用两张绝缘板组成的夹层板，夹紧在两张金属板之间，而实际传输线则位于绝缘板之间。这种结构，在技术上是众所周知的，比较复杂，但网络的辐射较低。

在某些应用中，最好用一层外加的绝缘薄膜盖住辐射片。它除了提供防止机械的和化学的影响之外，在优选地选择这层介质薄膜的厚度和介电常数的情况下，能进一步增加天线的频带宽度。

图3图解地表示出如果需要具有水平极化方向的天线时探针7(i、j)相对于关联的辐射片2(i、j)的位置。把导电的探针置于接近垂直边沿的中心位置，使辐射片受激励，让能量至少基本上在所需要的极化方向上辐射。也可以采用圆形的辐射片，然后相应地安装好导电的探针。一般的规律是方形的辐射片更有利于水平或垂直的极化。

类似地，图4图解地表示出如果需要具有垂直极化方向的天线时探针7(i、j)相对于关联的辐射片2(i、j)的位置。把导电的探针置于接近水平边沿的中心位置，使辐射片受激励，让能量至少基本上在所需的的极化方向上辐射。

图5图解地表示出如果需要一个具有水平极化方向和极度降低了的交叉极化的天线时探针7(i、j)和7’(i、j)相对于对应的辐射片的位置。辐射片2(i、j)的两个垂直边沿是通过传输线网络3、探针7(i、j)和探针7’(i、j)受到相反相位的激励。

图6图解地表示出能类似地得到极度降低了的交叉极化的垂直极化方向时探针7(i、j)和7’(i、j)的位置。

图7表示出多片天线的一个实施例的侧视图，它具有带一个输入端子4’的第二传输线网络9，它是用安装在第二绝缘板10上的一个微带网络来实现的，该绝缘板安装在金属板11上面。传输线网络9配置有探针14(i、j)，该探针14(i、j)经过带有圆孔13(i、j)的金属板5和绝缘板6，伸至接近辐射片2(i、j)的地方。这就使每块辐射片2(i、j)配备了由传输线网络3激励的两个探针7(i、j)和由传输线网络9激励的两个探针14(i、j)。传输线网络9可以用夹在两块绝缘板和两块金属板之间的带来实现，或者用类似的带状线路工艺来实现。

图8图解地表示出如果需要一个具有可调整极化方向的天线时，探针7(i、j)和14(i、j)相对于相应的辐射片2(i、j)的位置。通过传输线网络3和探针7(i、j)向辐射片2(i、j)馈电，可以得到一个水平的极化方向，而通过传输线网络9和探针14(i、j)则可以得到一个垂直的极化方向。正如技术上众所周知的，通过控制供给这些传输线网络的微波能量的相位和幅度，就可以得到任何所需要的极化方向。

图9图解地表示出为获得一个具有可调整的极化方向和极度降低了的交叉极化的辐射图形的第一对探针7(i、j)与7’(i、j)和第二对探针14(i、j)与14’(i、j)的位置。探针7(i、j)和7’(i、j)是通过传输线网络3以相反的相位馈电的，而探针14(j、j)和探针14’(i、j)是通过传输线网络9以相反的相位馈电的。在这种情况下，通过控制供给传输线网络的微波能量的相位和幅度，实现任何所需的极化方向都是可能的，而且还有附带的优点，即可通过控制两对探针的平衡调节来限制交叉极化。

根据本发明的多片天线还特别适合于用在相控阵天线中。图10表示出一块带有辐射片2(i、j)的绝缘板1，一块带有孔8(i、j)的金属板5和探针7(i、j)的剖面图。在这个应用中，探针7(i、j)不是通过传输线网络馈电，而是从相控阵元15(i、j)那里馈电，而相控阵元15(i、j)用技术上众所周知的方法馈电，以获得具有可调整的波束参量的辐射图形。并且探针7(i、j)与包含在相控阵元中的电路相连接在技术上也是众所周知的。本实施例非常适合于建造子阵，例如，一种与8×8个辐射片相连接的8×8个相控阵元的子阵，每一个子阵成为相控阵天线系统的一个模块。除了它的结构非常简单之外，本实施例的优点还有具有大的频带宽度。另外它还可以为每一个相控阵元配两个探针。用可调整的相位和幅度来对这些探针馈电，就可按照图8的说明那样获得可调整的极化方向。用相反的相位向这些探针馈电，就可按照图5和图6的说明那样获得具有很低的交叉极化的极化方向。

如图9中所描述的那样，利用适合于两对探针的平衡馈电的相控阵元15(i、j)，类似地去实现具有可调整的极化方向和很低的交叉极化的相控阵天线是可能的。

相控阵元15(i、j)通常是安装在底板16上，控制信号、电源、收-发信号和冷却等都通过底板16加到相控阵元上。在这种情况下，从相控阵天线系统的前面安装多片天线，是组装工序的最后一道。图11表示出根据本发明的适合于从前面组装的一个多片天线。在这个图中，金属板5上面有连接器17(i、j)，连接器17(i、j)的每一个对应于每一个探针7(i、j)，后者直接连接到相应的连接头17(i、j)。给相应的相控阵元15(i、j)与连接器17(i、j)配套的座18(i、j)，使多片天线的安装成为组装工序的最后一道是可能的。在这方面，最好采用能自动定位(self-centring)的连接器17(i、j)和18(i、j)，并把多片天线分解成子阵，使多片天线在组装或拆卸的时候的作用力减小。

Claims (27)

1.一种多片天线，包括安装在一张绝缘板上的一侧的至少基本相同的辐射片阵列和安装在该绝缘板的另一侧的导电接地板，还有用于激励辐射片的馈电装置。特征在于在馈电装置和辐射片之间具有电容性耦合装置。

2.如权利要求1所述的多片天线，特征在于馈电装置位于接地板附近并且背离绝缘板。

3.如权利要求2所述的多片天线，特征在于接地板在辐射片的位置之处有孔，允许电容性耦合装置穿过去。

4.如权利要求3所述的多片天线，特征在于电容性耦合装置包括了导电的探针，这些导电探针至少基本上与绝缘板垂直。每个探针的一端与馈电装置连接，而另一端通过孔，终止在绝缘板中靠近辐射片的地方。

5.如权利要求4所述的多片天线，特征在于为了产生一个被选定的极化方向的辐射图形，探针终止在靠近辐射片被选定的边缘。

6.如权利要求5所述的多片天线，特征在于馈电装置包括安装在背离绝缘板的一侧的接地板上的一个第一传输线网络。

7.如权利要求6所述的多片天线，特征在于第一传输线网络包括一个安装在第二绝缘板上的微带网络。

8.如权利要求6或7所述的多片天线，特征在于为每一块辐射片提供了两个探针，这两个探针都伸至该辐射片的相对的边的附近。

9.如权利要求8所述的多片天线，特征在于传输线网络是被安排成以相反的相位向这两个探针馈电的。

10.如以上的权利要求之一所述的多片天线，特征在于天线在弯曲的接地板上构成一个共形的阵列(a conformal array)。

11.如权利要求6所述的多片天线，特征在于馈电装置包括了一个第二独立馈电的传输线网络。

12.如权利要求11所述的多片天线，特征在于对每块辐射片，第一探针产生具有第一极化方向的辐射图形；而第二探针用于产生至少基本上垂直于第一极化方向的第二极化方向。

13.如权利要求12所述的多片天线，特征在于第一探针与第一传输线网络连接；而第二探针与第二传输线网络连接。

14.如权利要求11所述的多片天线，特征在于对每一辐射片，第一对探针是供产生一个带有第一极化方向的辐射图形的；而第二对探针是供产生第二极化方向的辐射图形的，第二极化方向至少基本上垂直于第一极化方向。

15.如权利要求14所述的多片天线，特征在于第一传输线网络适合于用相互相反的相位向第一对探针馈电；而第二传输线网络适合于用相互反相的相位向第二对导电探针馈电。

16.一种相控阵天线，包括一个K×L个相控阵元的阵列和一个连接到K×L个相控阵元的K×L个辐射器的阵列。特征在于该辐射器阵列包括一个安装在绝缘板的一侧的由至少基本上相同的辐射片组成K×L阵列和安装在绝缘板另一侧的一块导电接地板。

17.如权利要求16所述的相控阵天线，特征在于相控阵元是安装在接近接地板上的背离该绝缘板的一侧。

18.如权利要求17所述的相控阵天线，特征在于电容性耦合装置是在相控阵元和辐射片之间形成的，用于激励辐射器。

19.如权利要求18所述的相控阵天线，特征在于接地板在辐射片的位置之处有孔，使电容性耦合装置能通过。

20.如权利要求19所述的相控阵天线，特征在于电容性耦合装置包括了K×L个导电的探针，这些探针安装成至少是基本上垂直于绝缘板，每根探针的一端与相控阵元连接，而另一端在绝缘板中，终止在靠近被馈电的辐射片的地方。

21.如权利要求20所述的相控阵天线，特征在于探针的末端靠近辐射片的选定的边缘，为的是产生一个具有选定极化方向的辐射图形。

22.如权利要求19所述的相控阵天线，特征在于电容性耦合装置包含了2×K×L个探针，每一对的一端与相控阵元相连接，而另一端在绝缘板中伸至靠近被馈电的辐射片的地方。

23.如权利要求22所述的相控阵天线，特征在于每一对探针的末端伸至被馈电的辐射片的相对的边缘附近。

24.如权利要求23所述的相控阵天线，特征在于相控阵元被安排成用相反的相位向一对探针馈电。

25.如权利要求22所述的相控阵天线，特征在于每一对探针的第一个探针是用于产生具有第一极化方向的辐射图形的；而第二个探针用于产生具有第二极化方向的辐射图形，该第二极化方向至少基本上垂直于第一极化方向。

26.如权利要求19所述的相控阵天线，特征在于电容性耦合装置包括4×K×L个导电的探针，每组4个探针，一端与一个相控阵元连接，而另一端在绝缘板中伸至靠近被激励的辐射片的地方。

27.如权利要求26所述的相控阵天线，特征在于每4个导电的探针为一组，第一对用于产生具有第一极化方向的辐射图形；而第二对用于产生具有第二极化方向的辐射图形，该第二极化方向至少基本上垂直于第一极化方向。

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