CN1757137A - 微波连接器、天线及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种适于在互相垂直的45°范围内的两个平面之间传递微波能量的连接器，包括：第一构件(12)，所述第一构件包括通过第一电介质(20)与第一导电接地平面(24)隔开的第一导体(22)，所述第一电介质(20)具有在其中形成的狭槽(32)；和第二构件(14)，所述第二构件包括通过第二电介质(40)与第二接地平面(46)隔开的第二导体(41)，所述第二导体(41)在所述第二构件(14)的第一端处设有与所述第二接地平面(46)相连的电连接装置(48)；其中所述第二构件(14)的所述第一端延伸穿过所述第一构件(12)中的所述狭槽(32)，以使得所述电连接装置被设置在所述第一接地平面(24)和所述第一导体(22)之间。所述连接器可以是微波天线，在所述实例中所述第一导体(22)形成微带贴片天线。还披露了一种生产这种连接器和这种天线的阵列的方法。

Description

微波连接器、天线及其制造方法
本发明涉及微波频谱中通常使用的微波连接器和天线。本发明还涉及所述微波连接器和天线以及这种天线的阵列的制造方法。
微带贴片天线由于其低成本、紧凑和内在互耦合较低等原因，因此对于相控阵列的辐射元件而言是具有吸引力的候选件。这些天线包括在介电基层上的矩形或圆形金属贴片，所述介电基层的背面具有连续的金属接地平面。通常通过探测器馈电，其中共轴连接器或电缆从接地平面后面给贴片馈电；通过微带馈线，其中微带传输线被直接连接到贴片平面中的贴片上；或通过孔耦合馈电装置，其中平行于在与贴片相对的接地平面侧面上的贴片平面的微带线通过邻近贴片的接地平面中的狭槽使贴片受到激发，而为它们馈送微波能量。
然而，所有这些方法具有内在的缺点。当微带贴片天线被用作相控阵列中的辐射元件时，垂直馈电，即垂直于贴片延伸的馈电可能是所希望的。这为有源部件例如放大器或移相器安放在单个垂直电路板上的天线接地平面后面留出了空间。因此，优选不使用上述微带馈线孔耦合馈电。就已经提出的探针馈电法或其它垂直馈电法而言，这些方法证明对于大型阵列是不实用的，这是因为它们需要进入阵列面后面用以焊接或紧固电连接装置。在前的垂直馈电还将不希望的不对称性引入到天线辐射图内。
根据本发明的第一个方面，本发明提供一种适于在互相垂直的45°范围内的两个平面之间传递微波能量的连接器，包括：
第一构件，所述第一构件包括通过第一电介质与第一导电接地平面分开的第一导体，所述第一导电接地平面具有在其中形成的狭槽；知
第二构件，所述第二构件包括通过第二电介质与第二导电接地平面分开的第二导体，所述第二导体在所述第二构件的第一端处设有与所述第二导电接地平面相连的电连接装置；
其中所述第二构件的所述第一端延伸穿过所述第一导电接地平面中的所述狭槽，以使得所述电连接装置被设置在所述第一导电接地平面和所述第一导体之间，且所述第一和第二导体在垂直的45°范围内。
这样提供了一种可能对称的连接器，所述连接器允许微波能量在两个平面之间进行传递，由此减少了辐射不均匀的问题，同时易于进行制造且不需要焊接接头或类似物。在优选实施例中，所述两个平面和所述第一和第二导体互相垂直。
所述第一和第二构件中的一个或多个可大体上是平面的。在优选实施例中，第一和第二构件大体上都是平面的，或至少延伸穿过所述第一导电接地平面中的所述狭槽的所述第二构件的那部分是平面的。
在优选实施例中，所述连接器形成了天线，其中所述第一导体是微带贴片天线。这有利地提供了具有减少的辐射不均匀性且易于进行组装的垂直馈电天线。
所述第一构件可设有通过第三电介质与所述第一接地平面隔开的另一第三导电接地平面。该第三导电接地平面已经显示出改进了所述连接器的性能。可以相似方式设置所述另一个导电接地平面。
所述电介质的一种或多种可包括介电泡沫体、固体电介质或空气隙。在优选实施例中，所述电介质的一种或多种包括介电泡沫层和固体介电层。这允许所述导体和导电接地平面直接沉积在所述固体电介质上。在另一个可选实施例中，所述电介质的一种或多种可包括通过空气隙与相邻导体或导电接地平面分开的固体电介质板。可通过隔件的使用保持所述导体和导电接地平面的分离。
支承电介质可被设置在与所述第一电介质相对的所述第一导体的侧面上。所述支承电介质可以是固体电介质。当所述第一导体由所述第一电介质进行支承不切实际时，例如如果邻近所述第一导体的所述第一电介质的表面是泡沫电介质时，这允许所述第一导体被直接沉积在所述支承电介质上。
所述第二导体可包括平面元件，所述平面元件可渐细，以使得当其延伸远离所述第二电介质的所述第一端时，其宽度减小。所述渐细可以是连续的或可由一个或多个不连续梯级形成。
在优选实施例中，所述第二导体包括多个梯级以便使所述天线与具有50Ω阻抗的微带线匹配。
在优选实施例中，所述电连接装置包括至少一条电通路，所述电通路通过所述第二电介质连接所述第二导体和第二导电接地平面。可能存在三条电通路。另一种可选方式是，所述第二导体和第二导电平面可在所述第二介电接地板的所述第一端周围延伸以互相接触。
所述连接器可适于在通常介于2GHz和18GHz之间的微波频谱条件下工作。在优选实施例中，其适于在约10GHz条件下工作。在优选实施例中，所述电连接装置可被设置在距离所述第一，或如果存在的话，第三导电接地平面约四分之一的在所述第二电介质中且所述连接器要使用所处于或大约处于的波长的位置处。
根据本发明的第二个方面，设置了一种天线，包括：
包括通过第一电介质隔开的微带贴片天线和第一导电接地平面的天线结构；
包括通过第二电介质隔开的馈电导体和第二导电接地平面的馈电结构；所述馈电导体和所述第二导电接地平面在所述馈电结构的第一端处设有在其间的电连接装置；
其中所述馈电结构延伸穿过所述第一导电接地平面中的狭槽，所述狭槽在与所述天线结构垂直的45°范围内，以使得所述电连接装置位于所述第一导电接地平面和所述天线贴片之间。
这样提供了一种便利的可能垂直馈电的天线，所述天线比现有技术天线受到更少的不均匀辐射，且易于进行组装，这是由于其不必如现有技术那样在所述天线面后面直接形成连接。在优选实施例中，所述馈电结构垂直于所述天线结构进行延伸。
所述天线通常适于进行传输和接收。在进行接收时，所述天线贴片上附带的微波能量激发了在所述第一导电接地平面中的所述狭槽中的电磁场。这样在所述馈电导体和所述第二导电接地平面之间感应出电磁场，且因此将微波能量传递至所述馈电导体，在所述馈电导体处所述微波能量可被传递至常规检测设备。
相似地，对于进行传输而言，微波能量被传递至所述馈电导体，这导致在所述馈电导体和所述第二导电接地平面之间形成变化的电磁场。这进而在所述第一导电接地平面中的所述狭槽中感应出电磁场且激发了所述贴片天线，所述贴片天线以通常的方式辐射微波能量。
所述天线结构可设有通过第三电介质与所述第一接地平面隔开的另一第三导电接地平面。该第三导电接地平面已经显示出改进了所述天线的性能。可以相似方式设置所述另一个导电接地平面。
所述电介质的一种或多种可包括介电泡沫体、固体电介质或空气隙。在优选实施例中，所述电介质的一种或多种包括介电泡沫层和固体介电层。这允许所述导体和导电接地平面直接沉积在所述固体电介质上。在另一个可选实施例中，所述电介质的一种或多种可包括通过空气隙与相邻导体或导电接地平面隔开的固体电介质板。
可通过隔件的使用保持所述导体和导电接地平面的分离。
支承电介质可被设置在与所述第一电介质相对的所述天线贴片的侧面上。所述支承电介质可以是固体电介质。当所述天线贴片由所述第一电介质支承不切实际时，例如如果邻近所述天线贴片的所述第一电介质的表面是泡沫电介质时，这允许所述天线贴片被直接沉积在所述支承电介质上。
所述馈电导体可渐细，以使得当其延伸远离所述第二电介质的所述第一端时，其宽度减小。所述渐细可以是连续的或可由一个或多个不连续梯级形成。
在优选实施例中，所述第二导体包括多个梯级以便使所述天线与具有50Ω阻抗的微带线匹配。
在优选实施例中，所述电连接装置包括至少一条电通路，所述电通路通过所述第二电介质连接所述馈电导体和第二导电接地平面。可能存在三条电通路。另一种可选方式是，所述馈电导体和第二导电接地平面可在所述第二电介质的所述第一端周围延伸以彼此接触。
所述天线可适于在通常介于2GHz和18GHz之间的微波频谱条件下工作。在优选实施例中，其适于在约10GHz条件下工作。所述电连接装置可被设置在距离所述第一，或如果存在的话，第三导电接地平面约四分之一的在所述第二电介质中且所述天线要使用所处于或大约处于的波长的位置处。
根据本发明的第三个方面，提供了一种制造适于在两个平面之间传递微波能量的连接器的方法，包括：
a)形成包括通过第一介电层隔开的第一导体和第一导电接地平面的第一层压结构；
b)形成包括通过第二介电层隔开的第二导体和第二导电接地平面的第二层压结构；
c)使至少一条电通路在所述第二层压结构的第一端处穿过所述第二层压结构以连接第二导体和第二导电接地平面；
d)在所述第一层压结构中形成穿过所述第一导电接地平面和所述第一电介质的狭槽；以及
e)将所述第二层压结构固定在所述狭槽中以使得所述一条或多条电通路位于所述第一导电接地平面和所述第一导体之间。
该方法是对现有技术的大大简化，这是由于不必要在连接器面后面所存在的小空间中制造焊接接头或进行电缆连接。通常情况下，所述连接器用作天线且所述第一导体是天线贴片。
在优选实施例中，所述形成所述第一或第二层压结构的步骤包括使固体电介质板的一侧或两侧形成一个或多个导电层、遮掩一个或每个导电层的至少一个区域、蚀刻任何未遮掩的区域以形成所述第一或第二导体或所述第一或第二导电接地平面、以及随后将所述固体电介质固定到泡沫介电层上的步骤。
所述第一层压结构可包括通过第三介电层与所述第一接地平面隔开的另一第三导电接地平面。在这种情况下，所述在所述第一层压构件中形成狭槽的步骤包括形成穿过所述第三接地平面和第三介电层的狭槽。
所述将所述第二层压结构固定在所述狭槽中的步骤可包括将一条或多条所述电通路设置在与所述第一，或如果存在的话，第三导电接地平面相距四分之一的在所述第二介电层中且所述连接器要使用所处于的波长的距离处的步骤。
所述第二层压结构可垂直固定到所述第一层压结构上。
根据本发明的第四个方面，提供了一种将微波能量从一个平面传递至另一个平面的方法，包括传输所述能量通过平行板波导的长度，所述平行板波导具有在其一端处的短路，其中所述短路被设置在所述能量要传递至的平面中的导体和平行于该导体的导电接地平面之间的间隙中，或使所述微波能量通过上述路线的相反路线。所述平行板波导和所述导体可互相垂直。
在优选实施例中，所述短路位于所述能量要传递至的所述平面中的导体和两个平行导电接地平面之间的间隙中。
所述导体可以是适于传输和接收要进行传递的所述微波能量的天线贴片。
根据本发明的第五个方面，提供了根据本发明的所述第一或第二个方面的天线阵列。在优选实施例中，它们形成了相控阵列。
接下来，通过实例并结合附图对本发明的实施例进行描述，其中：
图1示出了根据本发明的天线，图中示出了所述天线的内部结构；和
图2示出了沿图1中线II的分解横截面图。
附图中所示的天线10包括两个构件，即第一构件或天线结构12和第二构件或馈电结构14。每个所述结构包括下面所述的多个层。
天线结构12包括两个介电层20、26，每个所述介电层具有在其底面上的导电接地平面24、28。第一介电层20被安装在第二介电层26的顶面上。介电层分别包括上部介电泡沫层20a、26a，所述上部介电泡沫层具有附接到底面上的一层固体电介质20b、26b。在第一介电层的顶面上安装有天线支承电介质30。该支承电介质包括一薄层的固体电介质，在其底面上已形成圆形天线贴片22。
馈电结构14包括单层固体电介质40。在介电层后侧上设置了导电接地平面46。在介电层40的前面上设有导体41，所述导体被成形以便与接地平面一起限定出在介电层第一端处的平行板波导42区域和在介电层第二端处的微带馈电52区域。导体41还通过使宽度从平行板波导区域42中天线要使用的近一半的波长改变至微带馈电区域52中的典型微带尺寸(几毫米的数量级)而限定出两个区域42、52之间的过渡区域50。过渡区域50包括导体宽度的多个不连续变化。
馈电结构14的导电接地平面46和导体41通过多个，在本实例中为三条导电通路48在介电层的第一端处进行电连接，所述导电通路穿过介电层40以连接两个导体41、46。
天线结构进一步设有自天线贴片22垂直延伸出但不穿过天线贴片22且延伸穿过第一和第二介电层20、26和接地平面24、28的狭槽32。
馈电结构14的第一端被固定在狭槽32内部，以使得馈电结构14处于垂直于天线结构12的位置。狭槽被设置成一定尺寸以便将馈电结构14固定在该位置。馈电结构被安放以使得从导电通路48到天线结构12的第二外部接地平面28的距离大约为天线旨在使用所处波长的四分之一。
在作为传输天线10使用的情况下，要传输的信号被馈送至导体41的微带区域52。所有接地平面被保持处于地电位。导电通路48因此在馈电结构和接地面之间提供短路。由于馈电结构14在平行板波导区域40中关于平行于导体41和馈电接地平面46且在它们之间中心处的平面是对称的，因此在狭槽32的区域中产生了对称的电磁场。这样在狭槽32中感应出电磁场，所述电磁场进而使天线贴片22受到激发，所述天线贴片随后以通常的方式进行传输。
天线10以相似的方式进行接收。入射到天线贴片22上的辐射线在狭槽32中激发出电磁场。这样感应出平行板波导区域42中馈电导体41和馈电接地平面46之间的电磁场。所述电磁场通过过渡区域50到达微带区域52，在所述微带区域处所述电磁场可由标准设备检测到。
用于制造天线10的材料和技术在本领域中都是众所周知的。固体电介质30、20b、26b通常为聚四氟乙烯基质材料中的无规微纤维玻璃，所述无规微纤维玻璃具有2.2的介电常数。固体电介质40通常为聚四氟乙烯基质材料中的陶瓷，所述陶瓷具有10.2的介电常数。泡沫电介质通常是基于聚甲基丙烯酰亚胺的刚性泡沫塑料且在10GHz条件下具有1.05的介电常数。在10GHz条件下使用的典型泡沫体的厚度为1.5mm。泡沫体和固体电介质的组合使用允许导电材料，通常为铜的平板被镀到固体电介质上。该固体电介质随后可进行蚀刻以将导电区域限定成所需形状。
为了形成在此所述的天线，成形出对应于天线结构12和馈电结构14的层压结构。这包括在三块固体介电板的一侧上涂覆金属层，通常为铜层，且在第四块介电板在两侧上涂覆相似的金属层。这些板的区域被遮掩且随后进行蚀刻以限定出天线支承电介质30上的天线贴片22、固体电介质20b和26b上的第一接地平面24和第二接地平面28以及馈电结构14的导体41和接地平面46。所述掩模如上所述限定出导电区域的形状。
天线支承电介质30和固体电介质20b和26b随后被放置，使得泡沫介电层20a和26a位于天线支承电介质30和第一固体电介质20b之间以及位于第一固体介电层20b和第二固体介电层26b之间。该完整的天线结构12随后使用粘结剂被固定在一起。狭槽32随后被铣出以便使其穿过第一和第二接地平面24、28以及第一和第二介电层20和26。
电通路48被钻出穿过馈电结构14的第一端且被镀到电连接导体41和导电接地平面46上。馈电结构14随后被固定在狭槽32中，以使得电通路距离第二接地平面28约四分之一的所述天线(馈电结构14的电介质40中)要使用所处于的波长。

Claims (31)

1、一种适于在互相垂直的45°范围内的两个平面之间传递微波能量的连接器，包括：
第一构件，所述第一构件包括通过第一电介质与第一导电接地平面分开的第一导体，所述第一导电接地平面具有在其中形成的狭槽；和
第二构件，所述第二构件包括通过第二电介质与第二导电接地平面分开的第二导体，所述第二导体在所述第二构件的第一端处设有与所述第二导电接地平面相连的电连接装置；
其中所述第二构件的所述第一端延伸穿过所述第一导电接地平面中的所述狭槽，以使得所述电连接装置被设置在所述第一导电接地平面和所述第一导体之间，且所述第一和第二导体在垂直的45°范围内。
2、根据权利要求1所述的连接器，其中所述第一和第二构件中的一个或多个大体上是平面的。
3、根据权利要求2所述的连接器，其中所述第一和第二导体互相垂直。
4、根据权利要求1至3中任一项所述的连接器，其中所述连接器形成了天线，其中所述第一导体是微带天线。
5、根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其中所述电连接装置被设置在距离所述第一导电接地平面约四分之一的在所述第二电介质中且所述连接器要使用所处于或大约处于的波长的位置处。
6、根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其中所述第一构件设有通过第三电介质与所述第一接地平面隔开的另一第三导电接地平面。
7、根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其中所述电介质的一种或多种包括介电泡沫体、固体电介质或空气隙。
8、根据权利要求7所述的连接器，其中所述电介质的一种或多种包括介电泡沫层和固体介电层。
9、根据权利要求7所述的连接器，其中所述电介质的一种或多种包括通过空气隙与相邻导体或导电接地平面隔开的固体电介质板。
10、根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其中支承电介质被设置在与所述第一电介质相对的所述第一导体的侧面上。
11、根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其中所述第二导体包括平面元件，所述平面元件渐细以使得当其延伸远离所述第二电介质的所述第一端时，其宽度减小。
12、根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其中所述电连接装置包括至少一条电通路，所述电通路通过所述第二电介质连接所述第二导体和第二导电接地平面。
13、一种天线，包括：
包括通过第一电介质隔开的天线贴片和第一导电接地平面的天线结构；
包括通过第二电介质隔开的馈电导体和第二导电接地平面的馈电结构；所述馈电导体和所述第二导电接地平面在所述馈电结构的第一端处设有在其间的电连接装置；
其中所述馈电结构延伸穿过所述第一导电接地平面中的狭槽，所述狭槽在与所述天线结构垂直的45°范围内，以使得所述电连接装置位于所述第一导电接地平面和所述天线贴片之间。
14、根据权利要求13所述的天线贴片，其中所述馈电结构与所述天线结构互相垂直。
15、根据权利要求13或权利要求14所述的天线，其中所述电连接装置被设置在距离所述第一导电接地平面约四分之一的在所述第二电介质中且所述天线要使用所处于或大约处于的波长的位置处。
16、根据权利要求13至15中任一项所述的天线，其中所述天线结构设有通过第三电介质与所述第一接地平面隔开的另一第三导电接地平面。
17、根据权利要求13至16中任一项所述的天线，其中所述馈电导体渐细以使得当其延伸远离所述第二电介质的所述第一端时，其宽度减小。
18、根据权利要求13至17中任一项所述的天线，其中所述天线适于在介于2GHz和18GHz之间的微波频谱条件下工作。
19、一种制造适于在两个平面之间传递微波能量的连接器的方法，包括：
a)形成包括通过第一介电层隔开的第一导体和第一导电接地平面的第一层压结构；
b)形成包括通过第二介电层隔开的第二导体和第二导电接地平面的第二层压结构；
c)使至少一条电通路在所述第二层压结构的第一端处穿过所述第二层压结构以连接第二导体和第二导电接地平面；
d)在所述第一层压结构中形成穿过所述第一导电接地平面和所述第一电介质的狭槽；以及
e)将所述第二层压结构固定在所述狭槽中以使得所述一条或多条电通路位于所述第一导电接地平面和所述第一导体之间。
20、根据权利要求19所述的方法，其中所述连接器用作天线且所述第一导体是微带天线。
21、根据权利要求19或权利要求20所述的方法，其中所述形成所述第一或第二层压结构的步骤包括形成具有一个或多个导电层的固体电介质板的一侧或两侧、遮掩一个或每个导电层的至少一个区域、蚀刻任何未遮掩的区域以形成所述第一或第二导体或所述第一或第二导电接地平面、以及随后将所述固体电介质固定到泡沫介电层上的步骤。
22、根据权利要求19至21中任一项所述的方法，其中所述将第二层压结构固定在所述狭槽中的步骤包括将一条或多条所述电通路放置在与所述第一导电接地平面相距四分之一的在所述第二介电层中且所述连接器要使用所处于的波长的距离处的步骤。
23、根据权利要求19至22中任一项所述的方法，其中所述第一层压结构包括通过第三介电层与所述第一接地平面隔开的另一第三导电接地平面且所述在所述第一层压构件中形成狭槽的步骤包括形成穿过所述第三接地平面和第三介电层的狭槽。
24、根据权利要求19至23中任一项所述的方法，其中所述第二层压结构被垂直固定到所述第一层压结构上。
25、一种将微波能量从一个平面传递至另一个平面的方法，包括传输所述能量通过平行板波导的长度，所述平行板波导具有在其一端处的短路，其中所述短路被设置在所述能量要传递至的平面中的导体和平行于该导体的导电接地平面之间的间隙中，或使所述微波能量通过上述路线的相反路线。
26、根据权利要求25所述的方法，其中所述平行板波导与所述导体互相垂直。
27、根据权利要求25或权利要求26所述的方法，其中所述短路位于所述能量要传递至的所述平面中的导体和两个平行导电接地平面之间的间隙中。
28、根据权利要求25至27中任一项所述的方法，其中所述导体是适于传输和接收要进行传递的所述微波能量的天线贴片。
29、一种根据权利要求4或当从属于权利要求4时的权利要求5至12中任一项或权利要求13至18中任一项所述的天线的阵列。
30、根据权利要求29所述的阵列，其中所述天线形成了相控阵列。
31、一种结合附图大体上如在此所描述的天线。
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