CN1195341C - 发射/接收电磁波的由微带技术制作的阵列馈电的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发射和/或接收电磁波的装置，包括具有至少一个发射和/或接收给定极化电磁波的辐射单元(P”1、P”2、P”3、P”4)的天线，用微带技术制作的馈电阵列(L1、L2、L3、L4、L’2、L’3)由给出寄生辐射的线构成，在这种情况中，设计馈电阵列(L1、L2、3、4)的尺寸，使得寄生辐射与天线的辐射具有相同方向和相同极化，并与所述的天线辐射同相组合。本发明特别适用于印刷天线。

Description

发射/接收电磁波的由微带技术制作的阵列馈电的装置

技术领域

本发明涉及发射和/或接收电磁波的装置，特别涉及由微带技术制作的阵列馈电的“印刷天线”。

背景技术

下面，“印刷电线”(或“微带天线”)指的是用所谓的“微带”技术制作的天线，其包括基本上是“贴片”、隙缝、偶极子等的辐射单元，或这些单元的阵列，单元的数量取决于所要求的增益。使用这种类型的天线作为透镜或抛物面焦点的主源或作为平面阵列天线。

在印刷电路中，单一或形成阵列组的辐射单元由微带线形成的馈电阵列馈电。一般说来，在或大或小的范围内，这个馈电阵列辐射了干扰天线主辐射的不要求的辐射或寄生辐射。导致寄生辐射的主要影响是增加了印刷天线的交叉极化。其它不希望的或大或小的重要影响也可能来自寄生辐射，即：

-天线的辐射图损坏，即，旁瓣变大和/或主瓣畸变；

-天线效率损坏，即，辐射损耗。

当前的解决方案试图限制或最小化寄生辐射：

-通过介质基片参数的明智选择，如厚度、介电常数等；

-最佳化线宽度；

-或最小化寄生辐射的中断。

然而，所有建议的解决方案需要限制效率的折衷。例如，具有高介电常数的细长基片最小化了馈线的辐射，但是，也减小了辐射单元的辐射效率和天线的效率。同样，使用窄线减少寄生辐射，但是，线宽越窄，欧姆损耗越大。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种解决方案，不减小寄生辐射的有害影响，使用寄生辐射贡献于天线的主辐射。

按照本发明的一方面，一种发射和/或接收电磁波的装置，包括具有至少一个发射和/或接收给定极化电磁波的辐射单元的天线，用微带技术制作的馈电阵列由线构成，所属线包括给出寄生辐射的肘弯，其中，在线极化天线的情况中，在肘弯的每一端上的线长度Li(i＝1，2)由下列方程给出：

L1＝λ1/2+K1λ1          K1＝0、1、2……

L2＝K2λ2                K2＝0、1、2……

其中，λi(i＝1，2)表示长度Li的馈点阵列的线中传导的波长，其中：

$\mathrm{\λi}=30/\left(f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{reff}}}\right)$

f：工作频率

εr eff：线长度Li部分的材料的有效介电常数。

按照本发明的另一方面，一种发射和/或接收电磁波的装置，包括具有至少一个发射和/或接收给定极化电磁波的辐射单元的天线，用微带技术制作的馈电阵列由线构成，所属线包括给出寄生辐射的肘弯，其中，在圆极化天线的情况中，包括至少两个辐射单元，具有两个肘弯的形成T型电路的馈电阵列的线长度Li(i＝1，2)和L’i(i＝1，2)由下式给出：

L’2＝L2+K1λ2/4            K1＝1、2、3……

其中，L’2和L2是T型电路的两个分支，

L’3＝L3+K2λ3/4            K2＝1、2、3……

其中，L’3和L3是连接到辐射单元的线，

其中，λi(i＝1，2)表示长度Li的馈点阵列的线中传导的波长，其中：

$\mathrm{\λi}=30/\left(f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{reff}}}\right)$

f：工作频率

εr eff：线长度Li、L’i部分的材料的有效介电常数。

附图说明

本发明的其它特点和优点在阅读各个实施例的描述后将变得很明显，描述参考了附图，其中：

图1是微带线各种不连续情况的平面图；

图2是具有E电场方向的馈电阵列的平面图；

图3是印刷天线和显示寄生辐射的天线馈电阵列的平面图；

图4是本发明线极化的馈电阵列的平面图；

图5是本发明圆极化的馈电阵列的平面图。

图6a和6b是具有四个贴片的馈电阵列的平面图，其分别与主辐射具有相同极化的寄生辐射或与主辐射具有相反极化的寄生辐射。

图7表示图6a和6b的阵列的椭圆率。

具体实施方式

为简化描述，图中相同的元件使用相同的标号。

本发明将参考由贴片构成辐射单元的印刷天线进行描述。但是，本领域的技术人员清楚，本发明适用辐射单元连接到用微带技术制作的馈电阵列的任何类型的印刷天线。图1表示各种类型的不连续部分，不连续部分可以产生在微带技术形成的线的馈电阵列中。标1表示肘弯的线。标2表示横向线阶差，标号3表示T。

如“微带天线手册”(伦敦Peter Peregrinus公司出版，编辑J.R.James和P.S Hall)所述，特别是14章的介绍，标题是“微带天线馈电”，815页到817页，众所周知，图1所示的馈线的不连续部分产生了寄生辐射。特别是根据1999年在实验室完成的M.EL.Haj Sleimen的论文“毫米波印刷天线阵列的研究”，可以估算不连续部分的主辐射方位，例如，肘弯1、横向线阶差2、T3。其电场参看图1中的E。

图2是显示常规结构由微带线构成的馈电阵列。具体地说，这个馈电阵列包括有各自长度L1和L2的两个分支11和12延长的T10。每个分支由肘弯13和14延长。肘弯13由长度L3的线段15延长，而肘弯14由长度L4的线段16延长，两条线段终止于肘弯17和18。此外，T10显示本例中等于λ5(？)/4的长度L5的线宽的增加。如图2所示，各种不连续部分显示了寄生辐射，肘弯13是电场E1，肘弯14是电场E2，肘弯17是电场E3，肘弯18是电场E4，T是电场E5，线宽是电场E6。根据图2所示的馈电阵列的六个不连续部分E1到E6，可以计算馈电阵列产生的总电场E。因此，采用正交坐标系统I、J，电场E1到E5的单位矢量是：

在这种情况中，对于总电场E的计算，将考虑下面的参数，即：

-每个不连续部分的辐射效率；

-线的衰减；

-在每个不连续部分的电平上馈电传送的功率。

通过考虑这些单元，常规技术是计算总电场。计算完总电场之后，就可以按照已知的方法确定寄生辐射的椭圆率，本发明将不描述这种方法。事实上，根据已知方程，可以看出，馈电阵列的寄生辐射源的相对相位由长度L1、L2、L3、L4、L5确定，它们的相对幅度取决于不连续部分的性质，并与不连续部分线传输的相对功率成比例。这些辐射源可以视为辐射阵列，通过知道源的位置、它们相对的相位、相对的幅度，阵列理论可以计算这个阵列的辐射图，并特别可以确定辐射电场的极化。因此，按照本发明，为产生与主辐射相同方向的寄生辐射、与主辐射相同极化的寄生辐射、并同相地与主辐射组合的寄生辐射，等效于馈电阵列的源的相位中心必须与阵列的相位中心一致，最大辐射必须发生在主电场的最大方向，并于后者具有相同的极化。

因此，如涉及到线极化的印刷天线的图3所示，肘弯1、2给出的寄生辐射具有平行于主辐射的合成结果。具体地说，图3的印刷电路由四个贴片P1、P2、P3、P4的N个阵列构成，具体是八个四贴片阵列。如图3所示，第一阵列的四个贴片P1、P2、P3、P4由给出寄生辐射的包括肘弯1、2和给出寄生辐射3、4的T型电路的馈电阵列对称地连接。如图3的右部所示，四贴片的四个阵列对称地由给出如箭头5、6、7、8所示的寄生辐射的T型微带线连接在一起。在这种情况中，与寄生辐射一起的主辐射可由图3下部的符号表示。箭头F表示加到主辐射的肘弯1、2的辐射，肘弯1、2的辐射给出了与主辐射相同方向的辐射F’，但指向相反，T型电路3和4的辐射相互抵消，5和6相互抵消，7和8相互抵消，以这种方式获得了平行于主辐射F的合成辐射，但幅度较低。因此，在图3中对称连接的四贴片的八个阵列的印刷天线的情况中，如果满足有关寄生辐射的方向和寄生辐射极化的条件，则没有满足有关相位的条件。因此，如果没有同相地控制辐射，它可能部分或全部抵消天线的主辐射，降低了天线的效率。如图4所示，为确保天线的最大效率，按照本发明，必须确保寄生辐射同相地与主辐射组合。

如图4所示，给出主辐射Φ1的四个贴片P’1、P’2、P’3、P’4由包括肘弯和T型电路的馈电阵列连接。具体地说，贴片P’1、P’2由包括肘弯延长的两个相同长度分支L₃的T型馈电电路并通过相同长度的线L₄连接到贴片P’1、P’2而连接在一起。贴片P’3、P’4以相同的方式连接，由另一个T型馈电电路连接在一起的两个T型馈电电路包括肘弯延长的两个相同分支长度L₁并由相同长度线单元L₂连接到T型单元的点C。

如图4所示，在线极化的情况下，为获得寄生辐射同相地与主辐射组合，上面给出的线长度Li(i＝1，2)必须遵守下面的规则：

L1＝λ₁/2+k₁λ₁    k₁＝0、1、2…

L2＝k₂λ₂          k₂＝0、1、2…

L3＝λ₃/2+k₃λ₃    k₃＝0、1、2…

L4＝k₄λ₄      k₄＝0、1、2…

其中，λ_i(i＝1，2)表示长度L_i的馈电阵列部分中传导的波长，即， ${\mathrm{\λ}}_{i}30/f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{reff}}}$ (厘米)，其中，f＝工作频率(GHz)(ε_reff)＝长度L_i的线部分的材料的有效介电常数。

把第一个T的结合点上的波的相位作为相位参考，如果长度L1是L1＝λ₁/2+k₁λ₁ k₁＝0、1、2…，则在第一个肘弯上的波的相位φ是180°(φ＝2πL1/λ₁＝π+2k₁π)肘弯辐射的电场(图中虚线所示)将示图中所示的方向。因此，通过把第一个T的任意侧上两个肘弯的不连续部分相加，从这两个不连续部分发射的总电场与T不连续部分辐射的电场相加(如图中实线所示)。如果L1等于k₁λ₁，则肘弯辐射的电场将与图中所示的电场方向相反，它们的合成将直接与T辐射的电场相反，以至减小了天线的增益。

下面参考图5描述圆极化情况的本发明实施例。在这种情况中，印刷天线由连接到用微带技术制作的馈电阵列的四个贴片P”1、P”2、P”3、P”4的阵列构成，馈电阵列由连接在一起的两个T型电路构成。具体地说，第一个T型电路包括由肘弯C1、C2延长的两个长度L2和L’2的分支，肘弯C1由长度线L3连接到贴片P”1，肘弯C2由长度线L’3连接到贴片P”2。同样，贴片P”3、P”4以相同的方式连接。此外，T型电路的两个输入由长度线L1和L’1在共用点A连接在一起。如图5的下部所示，贴片P”1、P”2、P”3、P”4的集合给出了圆极化的主辐射，基于肘弯C1、C2和T型电路3、4，圆极化的主辐射加到同样是圆极化的寄生辐射，并具有与主辐射的极化方向相同的方向。因此，获得了把寄生辐射加到主发射的总辐射。为了满足相位关系，各个长度必须满足：

L₁＝L’₁

L’₂＝L₂+k₁λ₂/4         k₁＝1、2、3…

L₃＝L’₃+k₂λ₂/4         k₃2＝1、2、3…

如前面所定义的一样，λ_i表示长度L_i的馈电阵列部分中传导的波长。

图6a和6b是使用顺序旋转原理由连接到馈点电路的四个贴片10、11、12、13的阵列构成的印刷天线。这个天线可以作为抛物面天线或卢纳堡透镜天线的照明。这四个贴片10、11、12、13分别由图6a中的线长度11、12、13、14构成的馈电阵列馈电，线11和12形成T型电路的两个分支，线L1由肘弯连接到线L3，线L2由肘弯连接到线L4，线L3由另一个肘弯连接到两个贴片10和11，线L4也由另一个肘弯连接到两个贴片12和13。T型电路和四个肘弯给出了具有圆极化的寄生辐射，寄生辐射的方向与主辐射的极化方向相同。

在图6b中，已经修改了馈电阵列，T型电路的两个分支是长度L’1和L’2，为给出箭头E指向的寄生辐射，通过增加肘弯的寄生辐射，给出具有圆极化的寄生辐射，但与主辐射的方向相反。如图7所示，在这种情况中，两个阵列获得的作为频率函数的椭圆率(TE)显示了本发明的优点之一，对于图6b的电路，TE在630MHz频带小于1.74db。对于图6a，TE在两个频带小于1.74，一个频带是330MHz，其中心频率是12.1MHz，另一个频带是150MHZ，其中心频率是12,7GHz。可以在图表中看出，在等效的TE电平(3db)上，表示了对本发明的电路增加了40％的TE带宽。

根据本发明，获得了下面的优点：

-改善了天线的效率；

-在基片和天线的设计中没有矛盾因素的选择；

-特别是在圆极化的情况中，交叉极化的电平很低。

Claims (4)

1.一种发射和/或接收电磁波的装置，包括具有至少一个发射和/或接收给定极化电磁波的辐射单元的天线，用微带技术制作的馈电阵列由线构成，所述线包括给出寄生辐射的肘弯，其中，在线极化天线的情况中，在肘弯的每一端上的线长度Li(i＝1，2)由下列方程给出：

L1＝λ1/2+K1λ1           K1＝0、1、2.....

L2＝K2λ2                 K2＝0、1、2.....

其中，λi(i＝1，2)表示长度Li的馈点阵列的线中传导的波长，其中：

$\mathrm{\λi}=30/\left(f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{reff}}}\right)$

f：工作频率

εr eff：线长度Li部分的材料的有效介电常数。

2.按权利要求1所述的装置，其特征在于所述馈电阵列是对称阵列。

3.一种发射和/或接收电磁波的装置，包括具有至少一个发射和/或接收给定极化电磁波的辐射单元的天线，用微带技术制作的馈电阵列由线构成，所述线包括给出寄生辐射的肘弯，其中，在圆极化天线的情况中，包括至少两个辐射单元，具有两个肘弯的形成T型电路的馈电阵列的线长度Li(i＝1，2)和L’i(i＝1，2)由下式给出：

L’2＝L2+K1λ2/4                 K1＝1、2、3.....

其中，L’2和L2是T型电路的两个分支，

L’3＝L3+K2λ3/4                 K2＝1、2、3.....

其中，L’3和L3是连接到辐射单元的线，

其中，λi(i＝1，2)表示长度Li的馈点阵列的线中传导的波长，其中：

$\mathrm{\λi}=30/\left(f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{reff}}}\right)$

f：工作频率

εr eff：线长度Li、L’i部分的材料的有效介电常数。

4.按权利要求3所述的装置，其特征在于馈电阵列是对称阵列。

Images