CN1290225C - 贴片偶极子阵列天线及其制作方法 - Google Patents

贴片偶极子阵列天线及其制作方法 Download PDF

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Abstract

一种双极化天线包含基片和至少一被该基片加载的天线单元，该基片包含接地面和与其相邻的介质层。该天线单元包含四个相邻的天线部件，这四个天线部件围绕中心馈线位置，彼此空间分离地放置在与接地面相对的介质层上。优选地，天线部件的对角线对分别定义为天线偶极子并因此提供双极化。天线单元也包括具有四个同轴馈线的天线馈线结构，每个同轴馈线包含内部导体和环绕于此的管状外部导体。外部导体围绕该轴线使得平行相邻端连接在一起并且这些外部导体还被连接到接地面。该外部导体末端呈锥形放置以便相邻于该轴的部分进一步延伸超过接地面处于介质层中并指向天线部件。

Description

贴片偶极子阵列天线及其制作方法
技术领域：
本发明涉及通信领域，尤其是相控阵天线。
背景技术：
现有的微波天线包括各种结构具有各种用途，如卫星接收，远程广播，或军用通信。一般来说，通过印刷电路天线，具有低成本、轻重量，低分布和批量生产的理想特性，其中，统一厚度的介质层将平面导体部件与单独的基本连续的接地面部件隔开。天线被设计成阵列并且被用于通信系统，例如友/敌(IFF)识别系统，个人通信服务(PCS)系统，卫星通信系统，和航天系统些系统要求例如低成本，轻重量，低分布和低旁瓣等特征。
然而，该天线的带宽和方向性能被限制在特定的应用，如空间应用中。而且，尽管微波传输带贴片天线在要求共形结构的应用中，如在航天系统中是有益的，但是安装该天线时关于该天线被反馈的方式提出了挑战，以便保持一致性和满意的辐射覆区域和方向性被获得以及周围表面损失被减小。更具体而言，通过将频率范围分成多个频带，提高具有宽扫描角度的相控阵天线的带宽是常规上可以获得的。该方法导致天线的重量和尺寸有相当大的增加，而且产生了无线频率(RF)干扰问题。而且，万向接头已经被用来机械的获得要求的扫描角度。此外，该方法提高了天线的尺寸和重量，并且导致较慢的响应时间。
发明内容：
因此，需要一种轻型的贴片偶极子相控阵天线，该天线具有宽的频率带宽和宽的扫描角度并且能被统一的安装在平面上。
根据本发明的一个方面，这里提供一种天线，其特征在于，包括：一个基片，该基片包括：一个接地面和与之相邻的一个介质层；至少一个由所述基片承载的天线单元，包括：四个相邻的天线部件，这四个天线部件围绕中心馈线位置且彼此空间分离地放置在与所述接地面相对的所述介质层上，和一个天线馈线结构，包括四个同轴馈线，每个同轴馈线包括一个内部导体和环绕它的一个管状外部导体，所述外部导体具有平行且相邻的端部，所述端部围绕一个轴并连接在一起，尔后连接到所述的接地面，所述外部导体的端部呈锥形放置，以使与所述轴相邻的部分进一步延伸出所述的接地面到所述介质层中，并指向所述天线部件，所述内部导体从各自的外部导体端部延伸出，并且被连接到与中心馈线位置相邻的各自天线部件。
根据本发明的另一方面，这里提供一种双极化天线，其中，所述的介质层其厚度在大约为天线操作波长的1/2的范围内，包括至少一个阻抗匹配介质层，在所述至少一个天线单元上，并且所述至少一个阻抗匹配介质层横向延伸出该至少一个天线单元的外围，并且所述基片是弯曲的。
优选地，外部导体末端呈对称角度，并且所有的天线部件有相同的形状。接地面可以横向外延伸出天线单元的外围，并且同轴馈线沿着中心馈线位置从接触的另外一端向外分散。该天线还包含至少一个被基片加载并且连接到天线馈线结构上的混合电路。每个天线部件通常是矩形或方形。而且，至少一个天线单元最好包括多个以阵列放置的天线元件。
该介质层的厚度最好为天线操作波长的1/2，并且至少一阻抗匹配介质层可以提供在天线单元上。该阻抗匹配介质层可以横向延伸出该天线单元的外围。而且，该基片最好是弯曲的。
本发明还包括一制造该天线的方法，该方法包括形成基片，该基片包括接地面和与此相邻的介质层，通过在与接地面相对的介质层上沿着中心馈线位置彼此空间分离的放置四个相邻的天线部件从而提供至少一天线单元在基片上；并且形成天线馈线结构，该结构包括四个同轴馈线，每个同轴馈线包含内部导体和环绕于此的管状外部导体，该外部导体有平行的相邻末端，其中形成天线馈线结构进一步包括围绕轴将平行相邻末端连接在一起，连接该外部导体的平行相邻末端到接地面，以锥形放置该外部导体的平行相邻末端以便相邻于该轴的部分进一步延伸出接地面到介质层中并指向天线部件，并且连接该内部导体到相邻与中心馈线位置的每个天线部件上，该内部导体从各自的外部导体的平行相邻末端延伸出。
制造该天线的方法包括形成基片，该基片具有接地面和与此相邻的介质层，并且提供至少一个天线单元在该基片上。提供的天线单元包含在与接地面相对的介质层上沿着中心馈线位置彼此空间分离的放置四个相邻的天线部件，并且形成天线馈线结构，该结构包括四个同轴馈线，每个同轴馈线包含内部导体和环绕于此的管状外部导体，该外部导体有平行的相邻末端。形成该天线馈线结构进一步包括围绕轴线将平行相邻末端连接在一起，连接该外部导体的平行相邻末端到接地面，呈锥形放置外部导体的平行相邻末端以便与轴相邻的部分进一步延伸出接地面到介质层中并指向天线部件，并且将内部导体连接到相邻与中心馈线位置的每个天线部件上，该内部导体从各自的外部导体的平行相邻末端延伸出。
附图说明：
图1是根据本发明的双极化相控阵列天线的示意性图。
图2是沿着图1中的线2-2的包含馈线结构的天线横截面图。
图3是沿着图1的线3-3的天线的接地面，介质层，天线单元和阻抗匹配介质层的横截面图。
图4是沿着图2的线4-4的天线的连接在一起的同轴馈线的横截面图。
具体实施方式：
参照图1-4的双极化天线10。该天线10包含基片12，该基片具有接地面26和与之相邻的介质层24，以及至少一个被该基片承载的天线单元13。多个天线单元13以阵列形式放置。如图1所示，天线10包含9个天线单元13。每个天线单元13包含四个相邻的天线贴片或部件14、16、18、20，这四个天线部件围绕中心馈线位置，彼此空间分离地放置在与接地面相对介质层上。优选地，天线部件的对角线对，如，16/18和14/20，被分别定义为天线偶极子由此提供双极化，这对本领域普通技术人员能够理解。当然，仅一对天线部件，如16/18，形成天线偶极子则可以提供为单极化实施例。
每个天线单元还包括天线馈线结构30，该结构包含四个同轴馈线32，34，36，38(图4)。每个同轴馈线具有内部导体42和环绕于此的管状外部导体44。参照图2，该外部导体44围绕轴线A-A将平行相邻末端46连接在一起而且这些外部导体还被连接到接地面26。例如，该平行相邻末端46通过焊料40连接在一起。该外部导体44的末端46呈锥形放置以便相邻于轴线A-A的部分48进一步延伸出接地面26进入介质层24中并指向天线部件14、16、18、20。该内部导体42优选地从各自的外部导体44的末端46延伸出，穿过介质层24并且被连接到相邻与中心馈线位置22的各自的天线部件14、16、18、20。
该外部导体端46是呈对称角度的，并且所有的天线部件14、16、18、20有相同的形状，如，通常为矩形或正方形。这将简化普通模式，典型的，这种模式与阵列类型相关。可以从图2中看出，接地面26可以横向延伸出天线单元13的外围，并且同轴馈线32、34、36、38沿着中心馈线位置从接触的另外一端向外分散。
该天线10还包含至少一被基片12加载并且连接到天线馈线结构30上的混合电路50。该混合电路50控制、接收和产生到天线单元13的各自的天线部件14、16、18、20上的信号，这对本领域普通技术人员是可以理解的。
该介质层的厚度大约为天线10的操作波长的1/2，并且至少一阻抗匹配介质层28可以提供在天线单元13上。如图3所示，该阻抗匹配介质层28也可以横向延伸出该天线单元13的外围。该延伸的基片12和延伸的阻抗匹配介质层28的使用导致了2∶1或更大的天线带宽。该基片12是弯曲的并且能被统一的安装到坚硬的表面上，如航空器或航天器的头锥上。
制造该天线10的方法包括形成基片12，该基片具有接地面26和与此相邻的介质层24，并且提供至少一天线单元13在该基片上。该天线10，如图1所示，包含以阵列形式安排的9个天线单元13。提供该天线单元13包含在与接地面26相对的介质层24上沿着中心馈线位置22彼此空间分离的放置四个相邻的天线部件14、16、18、20，并且形成天线馈线结构30，该结构包含四个同轴馈线32、34、36、38，每个同轴馈线包含内部导体42和环绕于此的管状外部导体44。该外部导体44有平行的相邻末端46。
形成该天线馈线结构30进一步包括围绕轴线A-A将外部导体44的平行相邻末端46连接在一起，连接该外部导体的平行相邻末端到接地面26，呈锥形放置该外部导体的平行相邻末端以便与轴相邻的部分48进一步延伸出接地面到介质层24中并指向天线部件14、16、18、20，并且将内部导体42连接到相邻与中心馈线位置22的各自天线部件上。该内部导体42从各自的外部导体44的平行相邻末端46延伸出。而且，外部导体44的平行相邻末端46优选的通过焊料40沿着轴线A-A连接在一起。
该方法还包括提供至少一混合电路50在基片12上并且连接到天线馈线结构30上。而且，如图3所示，该方法进一步包含提供至少一阻抗匹配介质层28以便覆盖天线单元13，而且阻抗匹配介质层28横向延伸出至少一天线单元的外围。
该天线10在2-28Ghz频率范围有2∶1的带宽，这可以取得±45°的扫描角度，并且有少于或等于大约10db的回波损耗。因此，可以提供轻量的贴片偶极子相控阵列天线10，该天线具有宽频率带宽和宽扫描角度。而且该天线10是弯曲的并且能够统一的安装在平面上。
一种双极化天线包含基片和至少被该基片加载的天线单元，该基片具有接地面和与此相邻的介质层。该天线单元包含四个相邻的天线部件，这四个天线部件围绕中心馈线位置，彼此空间分离地放置在与接地面相对的介质层上。优选地，天线部件的对角线对分别定义天线偶极子并因此提供双极化。天线单元也包含天线馈线结构，该馈线结构具有四个同轴馈线，每个同轴馈线包含内部导体和环绕于此的管状外部导体。外部导体围绕轴线将平行相邻末端连接在一起而且这些外部导体还被连接到接地面。该外部导体端呈锥形放置以便与轴相邻的部分进一步延伸出在接地面到介质层中并指向天线部件。

Claims (4)

1.一种天线，其特征在于，包括：
一个基片，该基片包括：一个接地面和与之相邻的一个介质层；
至少一个由所述基片承载的天线单元，包括：四个相邻的天线部件，这四个天线部件围绕中心馈线位置且彼此空间分离地放置在与所述接地面相对的所述介质层上，和
一个天线馈线结构，包括四个同轴馈线，每个同轴馈线包括一个内部导体和环绕它的一个管状外部导体，所述外部导体具有平行且相邻的端部，所述端部围绕一个轴并连接在一起，尔后连接到所述的接地面，所述外部导体的端部呈锥形放置，以使与所述轴相邻的部分进一步延伸出所述的接地面到所述介质层中，并指向所述天线部件，所述内部导体从各自的外部导体端部延伸出，并且被连接到与中心馈线位置相邻的各自天线部件。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述的外部导体的端部呈对称角度，并且所有所述天线部件具有相同的形状，所述接地面可以横向延伸出所述至少一个天线单元的外围，其中所述的同轴馈线相互向外分散。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，还包括：由所述基片承载的至少一个混合电路，与所述天线馈线结构相连接，每个天线部件具有矩形或方形的形状，并且所述至少一个天线单元包括多个排列成为一个阵列的天线元件。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述的介质层其厚度在天线操作波长的1/2的范围内，包括至少一个阻抗匹配介质层，在所述至少一个天线单元上，并且所述至少一个阻抗匹配介质层横向延伸出该至少一个天线单元的外围，并且所述基片是弯曲的。
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