CN1382314A - 用于发射和接收信号的装置 - Google Patents

Abstract

用于发射与/或接收电磁波的装置,至少包括一个用来在给定方向上辐射圆形极化和线性极化的辐射元件,其特征在于它至少包括相对辐射元件选定尺寸和定位的装置,该装置是在辐射元件的频率上以与辐射元件相反的方向辐射圆形或线性极化,并且它的相位被调整成以便于补偿辐射元件102₁,102₂,102₃,102₄的交叉分量。本发明尤其是适用于工作在圆形极化情况下的印刷天线。

Description

用于发射和接收信号的装置

本发明涉及到一种用于发射与/或接收电磁波的装置，尤其是涉及到一种通常认为是“印刷天线”的天线。

在下面的各个方面上，术语“印刷天线”(或“微带天线”)将涉及利用称作“微带”技术制造的一种天线，包括辐射元件，通常为“贴片”，狭槽等，或者这种元件的阵列，元件的数量取决于想获得的增益。这类天线尤其是作为在镜头或者抛物线反射器的焦点处的主源使用。

依靠它们的亮度，它们的平坦，他们提供设计的灵活性，它们与电子设备的多数项目结合的容易程度，它们的产品具有对大多数产量印刷电路技术检验的兼容性以及他们最后的低成本价格，印刷天线变得逐渐地使用在多数的无线通讯系统中(本地无线网络，不论它们是陆地的还是卫星的接入网络)。

今天，在多数的应用中，对于发射/接收天线最好和/或必需使用圆形极化。

然而，印刷天线较好地适合于发射/接收线性极化波。

因此，已经实现了几种技术用于通过印刷天线发射/接收圆形极化波。例如，这些技术描述在由JR.詹姆斯和PS.霍尔编辑，英国-ISBN0863411509，伦敦，彼得.Peregrinus有限公司出版的“微带天线手册”。尤其是，第4章第219-274页，圆形极化和带宽。

这些技术实质上在于同时激励两个相位差90度的线性极化波。因此，能够通过天线辐射或接收波的椭圆率圆轴比(或者“轴的比例”)来量化的圆极化的品质只能在窄带上获得。

用于加宽频带的解决办法，比如使用与辐射元件相关的混合耦合器或者就阵列连续旋转技术的使用来讲(参看“连续输送到宽带宽的应用，圆形极化的微带贴片阵列”，P.S.霍尔，IEE会议论文集，136卷，1989年10月)，使其能够展宽频带。

然而，并不总是能够实现这些解决办法。此外：

-对于某些特定的应用，利用这些技术获得的带宽保持不完全，

-在使用连续旋转的情况下，圆形极化的品质在一旦其偏离波束的主要方向时就会相当迅速地恶化。这就是用于抛物线或者镜头的照射的有源天线形成的一个问题。

本发明的目的是提供一种用于接收与/或发射信号的装置，其包括一个在加宽频带和宽角度扇形上圆形或者线性极化的高品质印刷天线。

因此，本发明的主题是一种用于发射与/或接收电磁波的装置，它至少包括一个用于辐射给定方向的圆形或者线性极化的辐射元件，其特征在于它至少包括相对辐射元件选定尺寸和定位的装置，该装置是在辐射元件的频率上以与辐射元件相反的方向辐射圆形或线性极化，并且它的相位被调整成以便于补偿辐射元件的交叉分量(cross component)。

根据优选的实施例，相对辐射元件选定尺寸和定位的装置，该装置是在辐射元件的频率上以与辐射元件相反方向的圆形或线性极化辐射，并且它的相位被调整成以便于补偿辐射元件的交叉分量，该装置由行波类型的辐射元件比如与偏振器相关的介质杆或螺旋线圈组成。

再者，本发明的特点和优点在阅读各种实施例的描述时将变得更明显，这个描述是参考附图给出，其中：

图1a和图1b分别是根据已有技术和根据本发明实施例由“贴片”阵列组成的印刷天线阵列透视概略图；

图2粗略地显示印刷天线和螺旋线圈辐射产生的总辐射场，这个总辐射场在基于左右方圆形极化组成的垂直方向上分解的；

图3a到3e是本发明各种实施例的粗略透视图；

图4是一个本发明优选实施例的示意透视视图；

图5是在根据本发明的单独印刷阵列或者配有该装置的阵列情况下，给出作为频率函数的椭圆率圆轴比的曲线；

图6a和6b分别描述根据本发明的分别就单独阵列和配有该装置的情况下的辐射元件的辐射模式；和

图7是本发明另一个实施例的概略截面视图。

在这些图中，为了简化描述，相同的元件具有相同的编号。此外，本发明同时将参考包括辐射元件如“贴片”或者“贴片”阵列的天线进行描述。然而，对于技术上熟知的人很明显，本发明能够应用到所有类型的印刷天线，即在天线中辐射元件还可以由狭槽，狭槽阵列，双极或者对称振子阵列等来构成。此外，在该描述中，图1到6涉及到适合用于发射/接收右圆形极化或者左圆形极化的印刷天线，同时图7的实施例涉及到辐射元件能够接收圆形极化或者线性极化的印刷天线。

图1a中正确表示的是根据本发明的能够接收的印刷天线实施例。更具体地说，在给定介电常数的基片1的下面形成地平面的金属层2覆盖着，已经排成n个“贴片”的阵列，具体说阵列包括四个按三个“贴片”3₁，3′₁，3″₁，3₂，3′₂，3″₂，3₃，3′₃，3″₃，3₄，3′₄，3″₄以串联安装的并行分支阵列，是利用微带技术制造，装配是连接到编号4的馈送阵列。

以已知的方式来设计和增补这些“贴片”以致于辐射与/或接收圆形的极化波。然而，在这种情况下制造的印刷天线，辐射有缺欠的给定方向的圆形极化，将参考图2解释说明。还有，根据本发明以及如图1b中所示，为了改进圆形极化，在此提供靠近“贴片”的阵列，以这样的方法选定尺寸和相对“贴片”阵列定位的装置，以便在“贴片”阵列的频率上辐射与“贴片”阵列相反方向的圆形极化，如此以致于补偿辐射元件的交叉分量。这些装置在下面被称为补偿装置。因此，如图1b中所示，在此提供行波类型的辐射元件，尤其是安置的4₁，4₂，4₃，5₁，4′₁，5₂，4′₂，5₃，4″₁，4″₂，4″₃螺旋线圈，如在基片1中的截面AA所式的，而且没有连接到激励阵列。

技术上熟知的人知道正确地选定螺旋线圈尺寸以轴向方式工作并且自然地接收或发射圆形极化。这个圆形极化(左边或者右边)的方向取决于螺旋线圈卷绕的方向。

在本发明的结构之内，重要的是螺旋线圈或者其它给定圆形极化行波类型辐射元件的装配，以便展现实际与“贴片”阵列辐射模式等效的辐射模式。因此，各种处理可以用来计算作为补偿装置使用的螺旋线圈阵列的辐射模式。因此，最简单的处理在于连接具有与“贴片”阵列辐射的反相的圆形极化的螺旋线圈的阵列到激励电路并且以这种方式适合螺旋线圈的特点，以便获得与“贴片”阵列要补偿辐射模式相同的辐射模式。其后，为了使螺旋线圈的辐射相反于由“贴片”阵列辐射的交叉分量，其必须通过围绕轴转动螺旋线圈来调整它的相位。通过利用螺旋线圈获得的补偿描绘在图2中。在这个图中，“Rprinted”表示由“贴片”阵列单独组成的印刷天线辐射的场。这个辐射场展示出一个不希望的交叉分量。由印刷天线辐射的这个交叉分量激励接着辐射场Rhelix的螺旋线圈阵列，Rhelix场的相位是通过以完全地或者部分地与印刷天线的交叉分量相反的这种方式，相对于它的轴转动螺旋天线来调整的，从而改进由印刷天线辐射的圆形极化的纯度。的确，在螺旋线圈面前的辐射场是这样，以致Rtotal＝Rprinted+Rhelix，如图2中所描绘。

现在将参考图3a到3e描述根据本发明装置的各个实施例。如图3a所示，印刷天线的辐射元件由已经制造在基片10上的“贴片”11组成。根据本发明，就补偿装置来讲，它由安置在基片上的四个螺旋线圈12₁，12₂，12₃，12₄的阵列组成。如上所述，螺旋线圈12₁，12₂，12₃，12₄的辐射模式已经通过刚好连接螺旋线圈到激励阵列来模仿的，而且这些螺旋线圈已经按已知的方式设计，如此以致它们的辐射模式等效于该“贴片”的辐射模式而且它们的极化与贴片阵列的极化相反。随后，螺旋线圈12₁，12₂，12₃，12₄以相对它们的轴这样的方法被旋转，它们的辐射与由“贴片”辐射的交叉分量相反。此外，在已知的方式中，“贴片”11是通过微带技术制造的线13连接到已知类型的馈送电路。

图3b中表示的是印刷天线的另一个实施例，即四个“贴片”20₁，20₂，20₃，20₄的阵列连接到一个已知类型的馈送电路。因此，“贴片”20₁由微带线连接到“贴片”20₄，而“贴片”20₂由另一个微带线连接到“贴片”20₃，两条线连接在一起并且连接到馈送电路30的输出。在这种情况下，根据本发明，该补偿装置包括位于四“贴片”阵列中心的螺旋线圈21。这个螺旋线圈利用上述相同的原理选定尺寸和绕着它的轴旋转。

图3d中表示的是本发明的另一个实施例。在这种情况下，印刷天线由图3b中描述类型的四个四“贴片”阵列组成。在图3d的实施例中，每个“贴片”的交叉分量是通过位于该“贴片”四角的螺旋线圈来补偿。尤其是如图3d中所示，“贴片”11是由螺旋线圈12₁，12₂，12₃，12₄围绕着的。同样地，“贴片”11′是由螺旋线圈12₂，12₅，12₃，12₆围绕而“贴片”11″是由螺旋线圈12₄，12₃，12₇，12₈围绕，这些螺旋线圈如上所述位于每个“贴片”的四角，对于相邻的“贴片”具有共同的螺旋线圈。还有在这种情况下，由“贴片”阵列的辐射模式和螺旋线圈的辐射模式构成的补偿装置实质上必须相等而且是如上所述计算的。

图3c描绘另一个实施例，在该实施例中使用图3b中所示四“贴片”的四个阵列类型。在这种情况下，补偿装置由位于图3b情况下的螺旋线圈21组成。此外，附加的螺旋线圈22是放置在4×4“贴片”阵列的中心点C。

根据本发明装置的附加实施例描绘在图3e中。在这种情况下，图3b中描绘的四个四“贴片”的阵列类型已经制造在一个基片10上。在图3e的实施例中，补偿装置由一个螺旋线圈阵列组成。然而，螺旋线圈位于每个“贴片”侧边的中间。因此，具体地说，“贴片”40由分开放置在四个侧边中间的四个螺旋线圈41₁，41₂，41₃，41₄围绕，“贴片”40′还由四个螺旋线圈41₂，41₅，41₆，41₇等围绕而且对于其它“贴片”一样。“贴片”和螺旋线圈的辐射模式是如上所述的获得的。

更通俗地说，在上面描述的电路中，利用补偿装置对辐射场的相位和幅度的调整，可以通过调整一个或者多个下面的元件来获得：

-螺旋线圈相对印刷天线的耦合等级

-后者(印刷天线)的方向性

-支撑杆与/或螺旋线圈顶部负载的长度

-螺旋线圈的位置

-螺旋线圈相对于它们轴的角旋转

用于发射与/或接收电磁波装置的一特定实施例包括补偿元件，即一种相对辐射元件选定尺寸和定位的装置，其是以这样一种方式选定尺寸和定位的，即以辐射元件的频率辐射与该辐射元件的交叉分量的极化方向相反的源性极化，以便补偿辐射元件的交叉分量。现在根据本发明将参考图4，5和6来进行描述。图4中表示的是一个工作在12GHz的印刷天线。这个印刷天线由制造在基片100上的四个“贴片”102₁，102₂，102₃，102₄的阵列组成，基片下面提供一个形成接地平面的金属层101。如图4中所示，“贴片”102₁，和“贴片”102₂是一起连接到用微带技术制造的馈送电路。尤其是，“贴片”102₁通过一个长度L1连接到C点同时“贴片”102₂通过长度L2连接到C点。以完全相同的方式，“贴片”102₄通过长度L4连接到C′点而“贴片”102₃通过长度L3连接到C′点。C点和C′点分别通过长度L5和长度L6连接到馈送电路的输入端A。四个“贴片”102₁，102₂，102₃，102₄形成一个连续的阵列，对于技术熟知的人来讲长度L1，L2，L3，L4同时还有L5和L6具有大家熟知的尺寸规格，以致于在各个“贴片”上获得必要的相位位移。给定这些长度的公式在下面将不再给出。

根据本发明，补偿装置由行波类型辐射元件组成，尤其是安置在基片内阵列中心的螺旋线圈103，即相对于四个”贴片”102₁，102₂，102₃，102₄对称。图5中所示的是作为图4印刷天线频率的函数的椭圆率圆轴比。因此，在这种情况下，对于固定最大的2dB椭圆率圆轴比，印刷天线的频带从430MHz，如果没有螺旋线圈，在前面正确地选定尺寸的螺旋线圈达到628MHz。在这个特定实施例的情况下，附加的螺旋线圈对于该阵列的频率带宽提供46％的增加。此外，图6a和6b显示作为相对于波束的主要方向观察角度的函数，在圆形极化质量上的改进。这是通过附加螺旋线圈情况下的印刷阵列的辐射模式给出，即图6b以及如果没有附加螺旋线圈给出的模式，参见图6a。这些辐射模式显示出在宽扇面角度中圆形极化质量的明显改进。

图7中表示的是补偿工具的另一个实施例。在这种情况下，印刷天线以已知的“贴片”阵列112₁，112₂的方式制造在具有接地平面111的基片110上。这个“贴片”阵列能够辐射线性极化(例如水平线性)或者圆形极化(例如右圆形)。在“贴片”112₁，112₂阵列的中间已经安置一个行波类型的辐射元件构成一个介质杆114也称为介质棒，安装在插槽113内。该介质棒被选定尺寸以致于辐射一个垂直于贴片阵列极化(在此情况下，就线性极化来讲是垂直线性，或者就圆形极化来讲是左边圆形)的极化。利用这种类型装置实现的仿真已经显示出通过“贴片”阵列辐射的不期望交叉分量激励介质棒，该介质棒依次辐射一个场，该场的相位能够以完全地或者部分与印刷天线的交叉分量相反的方式来调整，从而改进通过天线辐射的圆形极化的纯度。

因此，本发明使其能够获得在宽频带范围上辐射圆形或者线性极化波的天线。

此外，就圆形极化来讲，其与连续旋转技术的使用进一步允许频带的加宽，以及使其能够为波束主方向的不同的角度改进圆形极化的质量。

这是非常容易实现的。它提供了很大的调整灵活性。

Claims (8)

1.用于发射与/或接收电磁波的装置，至少包括一个用来在给定方向上辐射圆形极化和线性极化的辐射元件(3，11，20，40，102，112)，其特征在于它至少包括相对辐射元件选定尺寸和定位的装置(4，5，12，21，22，41，103，114)，该装置是在辐射元件的频率上以与辐射元件相反的方向辐射圆形或线性极化，并且它的相位被调整成以便于补偿辐射元件的交叉分量。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述辐射元件是一种称为“印刷”天线的辐射元件。

3.根据权利要求1和2中的任何一个所述的装置，其特征在于所述辐射元件由“贴片”，“狭槽”，“对称振子”或者n个“贴片”的阵列构成，该元件是以为获得给定方向的圆形或者线性极化的方式被激励的。

4.根据权利要求1到3中的任何一个所述的装置，其特征在于所述相对辐射元件选定尺寸和定位的装置由行波类型的辐射元件构成，该装置是在辐射元件的频率上以与辐射元件相反的方向辐射圆形或线性极化，并且它的相位被调整成以便于补偿辐射元件的交叉分量。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述行波类型辐射元件是从与偏振器有关的介质杆和螺旋线圈中选择的。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于所述行波类型辐射元件是以相对于天线辐射元件对称地定位的。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于所述行波类型辐射元件定位在发射/接收装置的辐射元件的四个角。

8.根据权利要求6和7所述的装置，其特征在于当发射/接收装置由n个辐射元件的阵列构成时，行波类型辐射元件定位在所述阵列的中心。

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