CN1271469A - 平面微波天线 - Google Patents

Abstract

提出一种例如用于接收广播和电视卫星的微波天线,其中,主射束方向可与天线主平面位置无关地自由调节。本发明提出,该天线可绕其竖轴、即一个垂直于主平面的轴旋转,而主射束方向可在一垂直于主平面伸展的平面内通过相应地调节基本呈U形的抽出线路形式的、移相地对单个信号产生作用的元件而被调节。尤其有利的是天线的双壳层结构,其中,双壳层的各单个－天线－元件定向于不同的、彼此正交的主方向。通过使用相对于主天线－平面可旋转地安置在输出耦合元件、如圆形空心导体(42),可调节任意的线性偏振方向。

Description

平面微波天线

本发明涉及一种微波天线，它具有由确定长度的导线彼此相连的单个-天线-元件，它们设置在一个底壳面之上。

本发明尤其涉及一种所述种类的平面微波天线，其中，与单个-天线-元件所在平面相邻设有一个可移动平面(调节平面)，它带有移相地对由线路传输的单个信号产生作用的装置，该所述种类的天线既可以是发射天线，也可以是接收天线。

所述种类的平面微波天线在已有技术中已公开过，如Blaupunkt商标的扁平天线A60-F。这样种类的微波天线首先考虑的是，要取代近几年很普及的但其外观受到批评的所谓“卫星浅锅”，因为它们的外观在审美方面与建筑物和环境不协调。所公开的扁平天线和已提到的抛物线天线一样其两个自由度必须对准每个所要接收的卫星，以提供天线信号的可接收的信号噪音比。该两个自由度通常被称为“仰角”和“方位角”，其中，仰角相当于天线主平面与主射束方向之间的角υ，而方位角φ表示整个装置绕竖轴的旋转。根据所述坐标系的位置也可选择其它的角度标记。

所有到目前为止所提供的平面型天线(平面天线)都只能从垂直于基面的入射方向接收。因此，同样要求机械定向。

由EP O 456 579 A1公开了一种平面微波天线，其中，主射束方向可在不偏转主平面情况下被调节。在作为本发明出发点的该现有技术中，设有至少一个调节平面，它上面设有楔形装置，以便用来对来自单个-天线-元件的相应线路产生一确定的相位延迟。通过这种方式可以达到，主射束方向和平面天线基准面之间形成的角υ可偏转90°。

对于已有的仅仅一个可向一个方向移动的调节平面而言，在这种天线中仅仅具有这样的可能性，即主射束方向可在一个平面内偏转，其中，在典型的扁平天线中主射束方向与天线基面之间为90°的角可变成锐角或钝角，不过主射束方向始终位于这样的平面内，该平面由竖轴和单个信号的上升或下降的相位偏移方向确定。

为使天线主射束方向在跨越天线基面的半球空间中任意定向，在EP 0 456 579 A1的从属权利要求5中提出，设置两个彼此正交设置的调节平面，因此使单个信号在两个彼此垂直的方向上的相位移动成为可能。

利用一种这样的天线可从理论上达到这样的目的，即提供一种平面型天线，它可不引人注意地平行于墙壁或其它平面例如被安装在住宅或类似物上面，其中，借助可调节的天线方向特性确保，在天线基面的任意位置或空间方位能够进行接收。

由该欧洲出版物公开的具有可调节的方向特性的平面型天线具有若干缺点，即它的实际可应用性很有限。一方面，应移相地对单个线路产生作用的装置垂直于线路伸展，其中，该出版物公开的起移相作用的元件的楔形结构要求调节平面有一定的厚度并因此造成制造方面的问题。

此外，两个彼此垂直设置的调节平面的结构使天线耗费且昂贵。

因此本发明的主要目的在于，以EP 0 456 579 A1为出发点，对该专门种类的天线这样改进，更简单地在调节平面上制造起移相作用的元件并不易受机械干扰。

为达到上述目的，所述种类的平面微波天线的特征为，这些线路分别是断开的，为每个断开位分别配有一个设在可移动平面上的、基本呈U形的导体段，它的有效长度可通过调节平面的移动来改变。

通过所设置的线路断开，为每个间断部位配置的、基本呈U形的导体段与可改变的抽出线路(Ausziehleitung)起一样的作用，由此可影响信号的时延并因此影响它的相位。本发明设在调节平面上的移相器/时延元件能够以不同的制造技术或导体技术设置在调节平面上。在此，有微带线，三极线(Triplate-Leitung)或带状线，悬挂基底线(Suspended-Substrate-Leitung)，带状传输线，共面线(Koplanarleitung)，共面带状线。

调节平面最好设在底壳面与单个-天线-元件平面的之间。U形导体段可电流耦合或电感/电容复合耦合。

在此，可通过移动调节平面调节主射束方向与天线主平面之间的夹角，其中，调节平面最好设置成薄片形式，在它的边沿作用有牵拉机构。这些牵拉机构可以是例如彼此相对安置的螺杆，薄片式调节面借助它们可分别沿一个方向移动。

本发明优选设置，仅仅有一个调节平面，以便简化天线的机械结构。为在主射束方向与天线平面之间夹角υ给定情况下可使主射束方向在空间中定向，本发明平面微波天线的一种改进形式的特征是，天线平面可旋转地安置，因此可调节绕竖轴的角度φ。

与所述EP 0 456 579 A1的已有技术相比，因此获得一种更简单的结构，它还由于起移相作用的元件的专门结构而可价格合理地制造和抗干扰。

EP 0 456 579 A1中所述平面天线的另一缺点是，根据该现有技术，该平面天线仅适用于左圆(LHCP)和右圆(RHCP)偏振类型。

因此本发明的另一目的在于，提供一种适合于任何偏振类型的平面微波天线。

为达到上述目的，带有通过确定长度的线路彼此相连的、设在底壳面之上的单个-天线-元件的微波天线的特征为一双壳层结构，其中，每壳层具有至少一个包含单个-天线-元件的平面，且第一壳层的单个-天线-元件的优先偏振方向垂直于第二壳层的单个-天线-元件的优先偏振方向。

在此，为简单选择偏振方向，优先设定，第一壳层和第二壳层的各自采集的信号被输送到彼此错位π/2角度设在圆形开口内的两个输出耦合触点中的一个，一个可旋转地设置在该圆形开口内的，具有圆形截面的空心导体具有两个一致的、彼此错位π/2设置的输出耦合触点。

本发明目的可尤其具有优点地采用本发明提出的具有可调节方向特性的微波天线达到，其中，在一可旋转的主平面上作为移相元件设有仅仅一个可移动的带有基本呈U形导体段的平面，因此，主射束方向可耗费很小地被调节。通过两种措施组合，实现这样一种天线，既它适合卫星接收及卫星通信等应用场合，在此，天线可不引人注意地平行于任意平面，如房屋壁，山墙壁等被安装并在任意偏振形式下具有良好的天线信号的信号噪声比。

本发明其他具有优点的实施形式在从属权利要求中描述。

下面将参照图中所示实施例对本发明进一步解释。图中示出：

图1.在本发明扁平天线中主射束方向调节可能性的示意图，

图2.本发明扁平天线的层结构的透视示意图，

图3.图2中层结构的分解图，

图4.具有彼此移位π/2设置的天线元件的双壳层结构的透视示意图，

图5.图4中构件的俯视图，其中，示出第一位置上的中央空心导体的输出耦合触点，

图6.图5中输出耦合位置移位以便可接收另一偏振面的视面，

图7.带有单个-天线-元件和移相元件的二元树状结构的可能形式的示意图，其中，天线边缘为圆形，

图8.不同单个-天线-元件的二次幂数量中移相元件的二元树状结构和排列的例子。

图1以示意图形式示出了本发明平面天线10的主射束方向的定位自由度。本发明平面天线10具有例如10×10个单个-天线-元件，它们在图1中仅仅分别以圆12表示。天线平面的周边可以如图1所示，例如构造为矩形的，即由10×10个单个-天线-元件的矩阵所形成，或绕竖轴、即绕Z轴旋转而具有圆形周边。

如在后面的图中所进一步示出的那样，本发明提出，沿X轴方向可以使所有相同坐标的单个-天线-元件获得一确定的相移，如由三角形14所表示的那样。通过这种方式可达到，尽管入射角与垂直轴偏差一角度υ，单个-天线-元件的所有单个信号在加法点(Summationspunkt)处相位相同。

按照本发明，仅仅设有一个带有起相移作用的元件的调节平面。为使主射束方向不仅可以在由Z-轴和X’-轴确定的平面内偏转一角度υ，兹提出，整个天线装置可绕一竖轴，即Z-轴摆动。因此，X’-轴可被摆动一个角度φ到X-轴。在天线平面相应定位时，角度φ例如可以是一个方位角。

本发明提出的很简单的概念使得廉价天线成为可能，它可在建筑物墙壁的任何位置，尤其平行于建筑物墙壁安装，其中，主射束方向仍然可自由定位。

图2示出了本发明提出一个平面型天线结构；图3以分解图形式示出了图2中示出的各层。

本发明提出了一种双壳层结构，以便处理两个彼此正交的偏振分量并因此可调节任意的偏振形式。在图2中，属于上壳层20er的各层用20几的参考标号表示，而属于下壳层(30er)的各层用30几的参考标号表示。

在图2中，从上向下首先看到一金属层20，它被置于一基材22上，该基材在后面被称为上基底22。图3示出，金属层20带有2×2个圆形开口21。每个圆形开口是单个-天线-元件的部分。选择示出2×2单个-天线-元件矩阵是为了易于理解，在本发明天线的实际实施形式中，单个-天线-元件矩阵应被选择得多许多，以便尤其对于卫星接收而言要获得足够强的总信号。

在上基底22下面设有一薄片24，它可沿图3中尖头方向移动。在该薄片24上设有基本呈U形的导体段25a和25b，它的作用在观察下面的层、即基底26时可知。基底26带有一个具有多个全部彼此平行沿一方向定向的单个-天线-元件27的网状结构。从与金属层20中相应圆形开口21共同起作用的单个-天线-元件27伸出的线路在两个位置28a和28b断开。这些断开位由U形导体段25a和25b搭接，其中，该U形“抽出线路”25a和25b的有效长度可通过薄片24的位置改变。如将图3中所示薄片24例如向上部的图边缘移动，则旁路线路25a的有效长度变大，而线路25b的有效长度变小。相应形成一相位差角，因为来源于图3左侧的单个-天线-元件的信号比来自同一图右侧单个-天线-元件的信号走过更长的传输行程。

在下面的各层中重复同样的结构，其中，金属层30另外还带有一个中心孔33，以使设在基底26上的输出耦合触点29的存取成为可能。

与带有多个单个-天线-元件27的，设在基底26上的网状结构相反，分别与金属层30上的开口31配合作用的单个-天线-元件37定向于与所述单个-天线-元件27正交的伸展方向。

同样，输出耦合触点39与输出耦合触点29成π/2角度伸展。

作为最底层，可以看到底面40的一个圆形空心导体42，它可相对于底面40转动，并且与两壳层的彼此错位π/2设置的输出耦合触点29和39配合作用。

图4以透视图形式彼此重叠地分别示出了上壳层及下壳层的各四个单个-天线-元件。可以看出，彼此相配的单个-天线-元件27和37被设置得偏振方向彼此垂直。还可看出，上壳层及下壳层的输出耦合触点29和39的投影彼此错位π/2角度；此外还可看出，可旋转设置的圆形空心导体42，借助它被采集的总信号被输出耦合。

图5示出了根据图4的投影图，其中，投影方向平行于竖轴、即Z轴。第一壳层和第二壳层的在空间中彼此间距的平面在图5的俯视图之中彼此重合。图5还示出了两个设在圆形空心导体42上的输出耦合触点49，它们就像第一壳层和第二壳层的输出耦合触点29，39一样彼此隔开π/2。在图5所示的位置，在竖直示出的输出耦合触点处，(相对于视图)垂直的偏振波分量信号被输出耦合。在另一输出耦合触点49上与此相应地则提供水平偏振微波分量的信号。

在图6中，圆形空心导体42被相对于天线平面转动，因此，在输出耦合触点49上提供相对于视图倾斜的入射平面的水平和垂直偏振波分量信号。

据此，对于线性偏振而言，可通过圆形空心导体42的旋转调整任意的偏振平面。

如果由两壳层提供的信号在中间接入一个90°-移相器的情况下彼此连接，则用本发明的平面型天线也可处理一个圆偏振信号，因为圆偏振波可由任意两个正交的线性波分量组成。当输出耦合触点被这样接在圆形空心导体接线柱上，即产生圆偏振时，相对于天线主平面的旋转或者说角度不很大。

本发明可廉价地实现下面的可能性，即提供一种尤其适合卫星接收的通用天线，它能够以符合美学的形式安置在任意的位置，对准要接收的卫星定向并且可以借助简单装置转换成不同的偏振形式。

图7和8中示出了移相“抽出线路”的二元树状结构及配置的例子，图7示出了一种配置，其中，单个-天线-元件用圆圈12表示，而第一壳层和第二壳层的移相元件25，35由相应的U形件代表。图7还示出了天线平面的绕图7中垂直于绘图平面的竖轴旋转形成的圆形边界。

图8以相似符号图形示出可考虑的2×2-，4×4-，8×8-，16×16-天线-元件的矩阵或二元树状结构。天线-元件的矩阵大小可任意选择，其中，优选二次幂配置。

Claims (21)

1.平面微波天线(10)，具有通过确定长度的线路相互连接的、设置在底壳面(40)之上的单个-天线-元件(12)，其中，与平面(26，36)相邻设置了一个可移动的平面(调节平面)(24，34)，它带有移相地对由线路传输的单个信号产生作用的装置，在平面(26，36)上安置了单个-天线-元件，其特征是，

这些线路各自是间断的(28a，b；38a，b)，

为每个间断部位(28a，b；38a，b)分别配有一个安置在可移动平面(24，34)上的、基本呈U形的导体段(25a，b；35a，b)，它的有效长度可通过调节平面的移动来改变。

2.按照权利要求1所述的微波天线，其特征是，调节平面设在底壳面和单个-天线-元件的平面之间。

3.按照权利要求1或2所述的微波天线，其特征是，每个间断部位(28a，b；38a，b)的端部与调节平面上相应配置的U形导体段(25a，b；35a，b)电流耦合。

4.按照权利要求1或2所述的微波天线，其特征是，每个间断部位(28a，b；38a，b)的端部与调节平面上相应配置的U形导体段(25a，b；35a，b)电感/电容耦合。

5.按照上述权利要求之一所述的微波天线，其特征是，主射束方向与天线平面(10)之间的角υ可通过调节平面(24，34)的移动来调节。

6.按照权利要求5所述的微波天线，其特征是，调节平面(24，34)被构造为薄片的形式，它可通过铰接在边缘上的牵引机构调节。

7.按照权利要求5所述的微波天线，其特征是，该天线具有机械装置，以便在主射束方向与天线平面之间的角(υ)给定情况下用来使主射束方向在空间中定向(φ)。

8.按照权利要求7所述的微波天线，其特征是，天线平面被可旋转地安置。

9.按照上述权利要求之一所述的微波天线，其特征为一圆形周边。

10.按照上述权利要求之一所述的微波天线，其特征为，具有一双壳层结构(20er，30er)，其中，每一壳层具有至少一个带有单个-天线-元件的平面(26，36)和一个调节平面(24，34)，并且第一壳层的单个-天线-元件(27)的从优偏振方向与第二壳层的单个-天线-元件(37)的从优偏振方向垂直伸展。

11.按照权利要求10所述的微波天线，其特征是，第一壳层(20er)和第二壳层(30er)各自采集的信号被分别传送到彼此错位π/2角度设在一个圆形开口(33)内的两个输出耦合触点(29，39)中的一个，一个可旋转地安置在该圆形开口内的、具有圆形截面的空心导体(42)具有两个一致的、彼此错位π/2安置的输出耦合触点(49)。

12.具有彼此通过确定长度的线路连接在一起的单个-天线-元件的微波天线，这些单个-天线-元件设在底壳面(40)之上，其特征为一双壳层结构(20er，30er)，其中，每一壳层具有至少一个包含单个-天线-元件的平面(27，37)，且第一壳层(20er)的单个-天线-元件(27)的偏振方向与第二壳层(30er)的单个-天线-元件(37)的优先偏振方向正交伸展。

13.按照权利要求12所述的微波天线，其特征是，第一壳层和第二壳层各自采集的信号被分别传送到彼此错位π/2角度设在圆形开口(33)内的两个输出耦合触点(29、39)中的一个，而可旋转地安置在该圆形开口内的、具有圆形截面的空心导体(42)具有两个一致的、彼此错位π/2设置的输出耦合触点(49)。

14.按照权利要求13所述的微波天线，其特征是，与单个-天线-元件所在平面相邻分别设有一个可移动的平面(调节平面)(24，34)，它带有用来移相地对由线路传输的单个信号产生作用的装置，这些线路分别是断开的，并且每个间断部位(28a，b；38a，b)分别配有一个设置在可移动平面上的、基本呈U形的导体段(25a，b；35a，b)，它的有效长度可通过调节平面的移动来改变。

15.按照权利要求14所述的微波天线，其特征是，调节平面设置在底壳面和单个-天线-元件的平面之间。

16.按照权利要求13或14所述的微波天线，其特征是，每个间断部位(28a，b；38a，b)的端部与调节平面(24，34)上相应配置的U形导体段(25a，b；35a，b)电流耦合。

17.按照权利要求13或14所述的微波天线，其特征是，每个间断部位(28a，b；38a，b)的端部与调节平面(24，34)上相应配置的U形导体段(25a，b；35a，b)电感/电容耦合。

18.按照上述权利要求之一所述的微波天线，其特征是，主射束方向与天线平面之间的角υ可通过调节平面(24，34)的移动来调节。

19.按照权利要求18所述的微波天线，其特征是，调节平面(24，34)被构造成薄片的形式，它可通过铰接在边缘上的牵拉机构调节。

20.按照权利要求18所述的微波天线，其特征是，该天线具有机械装置，以便在主射束方向与天线平面之间的角(υ)给定情况下用来使主射束方向在空间中定向(φ)。

21.按照权利要求19所述的微波天线，其特征是，天线平面(10)被可旋转地安置。

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