CN1860647A - 宽带缝隙阵列天线 - Google Patents

Abstract

一种宽带缝隙阵列天线采用紧密排列的缝隙天线阵列以最小化天线的尺寸。天线阵列包括：公共输入端(416)；导体板(400)，其具有公共缝隙(408)并且多个半缝隙(406，407)，该公共缝隙形成在预定区域中，所述半缝隙单独形成并且经由多个以预定距离间隔的缝隙颈(401，402)分别连接该公共缝隙(408)；多条馈线(418，419)，用于在交叉耦合点将电力提供给该导体板(400)，每条馈线具有一个与公共输入端(416)连接的末端；以及电介质层(420)，其设置在导体板(400)与多条馈线(418，419)之间。

Description

宽带缝隙阵列天线

技术领域

本发明涉及一种宽带缝隙阵列天线，其中一个公共缝隙与多个半缝隙相连以最小化天线阵列单元之间的距离同时增加天线的增益并实现特定的辐射图形。

背景技术

一般的无线电波天线主要是同时或交替地执行两种功能，并且在无线电收发系统中，这两种功能可以由同一天线或不同的天线来完成。也就是，作为发射天线，天线将电路产生的电信号辐射到大气中来产生无线电波，而作为接收天线，天线接收来自大气中的这种无线电波并将其转换成电信号以输出至接收电路。例如，用来接收电视广播的天线将广播无线电波转换成电流信号，然后将电流信号输入到电视接收机。

假设诸如方向特性和工作频率的天线特性适于无线电波的发射(辐射)，则同一天线的这种无线电波的接收也具有相同的特性。因此，为了便于解释天线的工作原理和全部的天线理论，常常将发射机天线假定为接收机天线，从而一般基于发射操作来阐述诸如辐射单元和馈线之类的天线组件。也就是，从发射机电路输出的电信号提供给馈线，馈线又将该信号提供给辐射单元，这样辐射单元就可以辐射无线电波信号。接着，由同一天线按照上述步骤的相反顺序接收无线电波，因而辐射单元接收来自大气的无线电波以产生电信号，该电信号通过馈线输出并输入到接收电路。

好的天线具有高效率的能量传输特性并且被调谐，从而为规定的无线电波产生(达到)很大的电流信号。虽然这个标准既适用于模拟广播也适用于数字广播，但是它们的无线电波信号的接收特性不同。也就是，在模拟电视接收机中，随着接收信号强度的减弱，接收质量连续下降，因而出现重影并且视频显示越来越多的雪花，然而同样的接收情况下，数字电视接收机保持高质量的输出直到接收信号强度下降到预定的电平，此时接收质量严重下降以至声音丢失和视频中断。在上述任一系统中，通过保证适当电平的接收信号强度和信噪比并且通过克服多路径问题就能够进行正常的广播接收。

宽带缝隙天线适用于电视和AM/FM无线广播的发射和接收，由于电视和AM/FM无线广播使用相对较低的频率，即较长的波长，因而它们需要相对较大的天线。同时，不用考虑成本和尺寸而可以随意确定广播台所使用的天线特性，但在设计用于接收广播信号的天线时，必须尽量降低成本并且减小尺寸，同时保持所需的性能水平。

由于缝隙天线的面状结构和易于进行宽带通信的特点，所以已经实际应用缝隙天线很长时间。由成百或上千个缝隙的阵列构成的缝隙阵列天线应用在短波雷达和卫星广播中。这种天线的阵列提高了增益但是增加了整个天线的尺寸，这妨碍了缝隙阵列天线在VHF到低UHF频段广播的应用。

缝隙天线主要由一个或多个缝隙构成，所述缝隙的长度为二分之一波长(λ/2)。使用与缝隙垂直相交的微带(馈电线)将电力馈送给缝隙，交叉点通常出现在缝隙的中心，并且在馈电线的交叉耦合点处经由导电连接(即短路)或电容耦合(即开路)实现高效率的电流传输(交叉耦合)。为了增加缝隙天线的带宽，从缝隙中心到缝隙两端对称地增加缝隙宽度，以提供多种缝隙结构，包括蝴蝶结状、狗骨头状和船桨-蝴蝶结状结构。由于这些缝隙中的任何一个缝隙的端部宽度比一般缝隙的端部宽度要大很多，所以由此得到的天线的尺寸也相应增大。也就是，当两个这样的天线平行(即并排)排列时，天线之间的间隔(空间余量)尤其在宽度方面与普通缝隙天线阵列的间隔相比变大了。因而，在排列多个这种天线时，累积的间隔大大增加了天线的尺寸。此外，如果空间余量过窄，则天线的电特性就会受损。

缝隙天线技术的一般术语包括“辐射”、“导体”、“电介质”、“辐射单元”、“导体板”、“蝴蝶结状/狗骨头状缝隙”、“电介质衬底”、“微带天线”、“阵列天线”、“馈线”和“共面波导”，在此优先定义如下。

辐射是一种现象，通过辐射无线电波从天线单元传播到空间即大气中。

导体是一种能够承载电流的物质，并且电流往往在由分子密集型材料特别是诸如银、铜、金和铝的金属制成的导体中很好地流动。天线的辐射单元实质上是导体，并且在考虑天线成本和其他因素时，辐射单元主要由铜和/或铝制成。数量有限的银和金也可用作辐射单元的材料。

电介质是一种促进电磁的物质，但是其阻止电流直接流过，因此也称之为绝缘体。由于这些特性，电介质一般用于在天线的辐射单元的导体之间产生空间隔离，同时为导体提供机械支撑。空气可以被认为是一种电介质。

辐射单元是天线的一个构件并且主要由导体构成，由此形成的辐射单元将无线电波辐射到大气中。微带天线的辐射单元可以是辐射片或辐射孔。辐射片使用诸如圆形、椭圆形、三角形、四角形或五角形等规则形状的导体板形成辐射单元，而辐射孔使用打有这种形状的孔的导体板形成辐射单元。当孔的形状是缝隙时，辐射孔可以称为辐射缝隙。

导体板是由导体构成的既薄又平的板，并且可以做成各种形状的导体板来构成天线。导体板的一部分(即，辐射片)可以用作辐射单元，而导体板的另一部分(即，馈电片)可以用作馈电单元。辐射单元可以是诸如蝴蝶结状缝隙或狗骨头状缝隙的辐射缝隙，通过除去导体板的一部分来形成这种辐射缝隙。通过除去大部分导体板而只留下一条导体材料来形成馈线。通过除去导体板的预定部分可以同时形成辐射片和馈线。导体板也可用作接地导体平面和/或反射板。

蝴蝶结状或狗骨头状缝隙扩展了缝隙天线的工作带宽。也就是说，当导体板具有多个相同的缝隙同时缝隙天线的工作带宽相对较窄时，形成蝴蝶结状或狗骨头状的缝隙将扩展天线的工作带宽。通过朝向缝隙端部缝隙宽度对称渐增的辐射缝隙来实现蝴蝶结状缝隙的构造，并且通过与缝隙端部相连的圆形辐射孔来实现狗骨头状缝隙的构造。缝隙天线可以具有两种类型即蝴蝶结状缝隙和狗骨头状缝隙的特性。

电介质衬底是由电介质(绝缘体)制成的既薄又平的板。在构造天线时，电介质衬底用于隔离一对导体板，从而使导体板以相同的距离被隔离。导体板具有对应于电介质衬底区域的表面区域，如在印刷电路板(PCB)技术中，导体板可以紧靠在电介质衬底的一面或两面，并且与PCB技术相似，当导体板紧靠电介质衬底的一面时电介质衬底被称为单面电介质衬底，而当导体板紧靠电介质衬底的两面时电介质衬底被称双面电介质衬底。因此，宽带缝隙阵列天线可以使用单面电介质衬底、双面电介质衬底和/或单独的电介质衬底(即，没有任何导体板)来构成堆叠结构(即，没有粘着)，在这种堆叠结构中电介质衬底与导体板交替堆叠或者导体板与导体板交替堆叠。这样，除了单面电介质衬底之外，还可以提供三层(夹层的)结构，由此一个电介质衬底设置在一对导体板之间。

微带天线主要是平板型(平面)天线，其通过使用一个或多个各种电介质衬底在导体板上形成辐射单元或馈线而制造。因而，微带天线具有导体板和电介质衬底交替堆叠的结构。例如，一般的微带天线具有堆叠接地导体层(第一层)、电介质层(第二层)、馈线导体层(第三层)、电介质层(第四层)和辐射单元导体层(第五层)的五层结构。可以通过以下方法制造这种结构：将电介质层插入在具有预定形状的第一、第三和第五层之间，或者同时在一个双面电介质衬底上处理(成形)第一、第二和第三层，同时在一个单面电介质衬底上处理第四和第五层，然后堆叠所述两个电介质衬底。可以与制造印刷电路板的方式非常相似的方式，由附着在单面或双面电介质衬底上的导体板材料来制造馈线或辐射单元，因此这种天线叫PCB天线，借此利用光刻限定导体板材料的需要部分，并且通过蚀刻化学除去剩余部分。然而，无论使用哪种制造方法，微带天线一般均称为PCB天线。

阵列天线包括至少两个排列为平行阵列的辐射单元。然而一般地，辐射单元的数目是几十到几百个，甚至也可以上万个。辐射单元可以是辐射片或辐射缝隙。

馈线是向辐射单元提供电信号的线(导体)，其可以通过导电连接或电容耦合来实现。馈线主要使用微带，但也可以使用同轴线、共面波导、缝隙线等。馈电线采用馈电单元。

共面波导是一种平面传输线，通过在导体板中形成(例如蚀刻)一对相应的平行缝隙并且留下所述缝隙之间的一条导体板材料来构造该平面传输线。优选地，这些缝隙具有相同的宽度。

图1A-1K示出一般缝隙天线的构造，其中缝隙形成在几个导体板100a-100k中的一个导体板，并且一对馈线112分别横跨连接缝隙的中心。

在图1A中，基本缝隙101具有在导体板100a中形成的简单狭缝，并且呈现出狭窄的工作带宽，可以通过修改这个基本结构来增加带宽。例如，蝴蝶结状缝隙102或103是基本缝隙天线的修改缝隙，在这种蝴蝶结状缝隙中，通过朝向缝隙端部对称地增大缝隙宽度来获得宽带特性，由此如图1B中由笔直的缝隙侧边形成缝隙，或如图1C中由按照指数函数轨迹弯曲的缝隙侧边形成缝隙。如图1D所示，在每一对称的半个蝴蝶结状缝隙的长度上较宽的缝隙宽度可以保持不变，这样形成船桨-蝴蝶结状缝隙104的船桨状。

也可以通过形成与基本缝隙101每个端部相连的孔来提供狗骨头状缝隙105(图1E)、T形缝隙106(图1F)或Y形缝隙107(图1G)，从而实现宽带特性。此外，天线结构包括通过形成与基本缝隙101相连的长方形、三角形、扇形或半圆形孔而构成的天线缝隙108(图1H)、109(图1I)、110(图1J)和111(图1K)。

参照图2，示出根据公知技术的宽带船桨-蝴蝶结状缝隙天线的结构，其中一对宽缝隙206分别与蝴蝶结状缝隙205的每个侧边相连，从而形成具有船桨状的船桨-蝴蝶结状缝隙231。通过经与导体板200相对的微带218馈电给缝隙来驱动天线，该导体板200实质上是一个接地表面。这样微带218是从输入端216延伸到接触端210的馈线，接触端210横越缝隙颈201以与导体板200连接(接地)。该馈线可以由改进的微带、同轴线、共面波导或缝隙线构成。

为了增加工作带宽，排列多个缝隙以形成宽带缝隙阵列天线。作为这种阵列的代表，图3示出根据公知技术的船桨-蝴蝶结状缝隙阵列天线，其中宽带船桨-蝴蝶结状天线306和307一起平行排列在导体板300上。为了减少两个天线之间产生的相互干扰，应该保持最小天线单元间的距离d，其中d至少等于λ/2。这个最小距离阻碍宽带船桨-蝴蝶结状缝隙阵列天线的进一步微型化，其限制这种阵列天线的应用。

发明内容

因此，本发明旨在提供一种宽带缝隙阵列天线，其充分消除由于公知技术的限制和缺点而造成的一个或多个问题。

本发明的一个目的是提供一种宽带缝隙阵列天线，其将多个缝隙紧密排列在一起，通过修改每个缝隙的结构来提供平行缝隙天线的紧密排列阵列。

本发明的另一目的是提供一种宽带缝隙阵列天线，其减小整个天线尺寸。

本发明的另一目的是提供一种宽带缝隙阵列天线，其易于应用在VHF到低UHF频段广播。

本发明的另一目的是提供一种宽带缝隙阵列天线，其保持缝隙阵列天线的特性，同时减小天线单元间的距离。

本发明的另一个目的是提供一种宽带缝隙阵列天线，其将天线单元间的距离减小到小于λ/2。

本发明的另外的优点、目的和特点一部分将在以下的说明中阐明，并且一部分对于本领域普通技术人员在研究下文时变得显而易见，或者可以从本发明的实践中了解。本发明的目的和其它优点可以通过书面说明书和其权利要求以及附图中特别指出的结构实现和获得。

为了实现与本发明的意图一致的这些目的和其他优点，如在此具体实施和广泛描述的，本发明提供一种宽带缝隙阵列天线，其包括：公共输入端；导体板，其具有公共缝隙和多个半缝隙，该公共缝隙形成在预定区域中，所述半缝隙单独形成并且经由多个以预定距离间隔的缝隙颈分别连接该公共缝隙；多条馈线，用于在交叉耦合点将电力提供给该导体板，每条馈线具有一个与该公共输入端连接的末端；以及电介质层，其设置在该导体板与所述多条馈线之间。

应该理解的是，本发明的上述概括说明和以下具体说明是示范性和解释性的，并且用于提供所要求的本发明的进一步的解释。

附图说明

本发明包括的附图用于提供对本发明的进一步理解，结合在本申请中并且构成本申请一部分的附图示出本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1A-1K分别是一般缝隙天线结构的示意图；

图2是根据公知技术的宽带船桨-蝴蝶结状缝隙天线的平面图；

图3是根据公知技术的宽带船桨-蝴蝶结状缝隙阵列天线的平面图；

图4A是根据本发明实施例的宽带缝隙阵列天线的平面图；

图4B是沿着图4A中的线IV-IV’切割的宽带缝隙阵列天线的剖面图；

图5A是根据本发明另一实施例的宽带缝隙阵列天线的平面图；

图5B是沿着图5A中的线V-V’切割的宽带缝隙阵列天线的剖面图；

图6是根据图4A中示出的天线结构的辐射图形的极坐标图；以及

图7是在如图4A所示的宽带缝隙阵列天线的输入端呈现的回波损耗特性曲线图。

具体实施方式

现在将详细说明本发明的优选实施例，本发明的实例在附图中示出。在任何可能的情况下，相同的附图标记将在整个附图中用来表示相同或类似的部件。

本发明的基本原理在于，当两个或更多缝隙天线平行排列时，通过将缝隙天线排列成彼此靠近以使得天线单元间的距离小于λ/2，能够保持天线的特性并且不会相互干扰，由此相邻的缝隙属于彼此连接的多个蝴蝶结状、狗骨头状或-蝴蝶结状缝隙天线。通过本发明的这种排列，实现一种新的船桨-蝴蝶结状缝隙天线。

图4A示出根据本发明一个实施例的宽带缝隙阵列天线，其中一对典型的缝隙天线代表一个阵列，这里，通过将空间余量减小到超过其预先假定的最小距离来排列相邻的天线，而非如公知技术中保持天线单元间的距离大于λ/2。也就是说，本发明的新船桨-蝴蝶结状缝隙天线的多个缝隙天线非常靠近，以至于相邻的缝隙沿着相应的多个半缝隙的相对侧边合并在一起。通过这样的布置，两个相邻的缝隙产生的电磁场的各自相位相互一致。

本发明是一种新的缝隙阵列天线结构，其实质上是合并已知结构的缝隙以形成具有多个位置上非常靠近的缝隙(优选为船桨-蝴蝶结状缝隙)的新型天线。这种靠近布置的明显结果是将一对船桨-蝴蝶结状缝隙简单地设置成彼此靠近。换言之，将已知结构的多个天线缝隙靠近地设置在一起。对于这种缝隙非常靠近布置的预期结果是由于对正常天线特性的根本改变(包括互相干扰问题)而导致天线工作的完全失效，即使原来的缝隙布置(即，正常缝隙结构)表现出很好的特性。然而根据本发明的缝隙结构，两个天线单元之间的相互干扰产生全新的且意想不到的特性，并且通过考虑由阵列结构所产生的电磁场的相位，可以在特定的频率范围内获得期望的特性。

具体地，如果将图3中公知技术的船桨-蝴蝶结状缝隙306和307简单地形成为彼此靠近，则相互干扰产生完全不同的天线特性或导致天线工作失效。然而在本发明中，使相邻的一对船桨-蝴蝶结状缝隙中出现的电磁场的相位相互一致。

如图4A所示，根据本发明将电力馈送给宽带缝隙阵列天线，并将该电力提供给在导体板中形成的一对船桨-蝴蝶结状缝隙中的每个缝隙，将该导体板确立为具有不确定周长的接地平面400。具体地，使用交叉耦合经由确立为多个微带418和419的馈电线来馈送电力，并且在缝隙颈401和缝隙颈402处提供电力，半缝隙406和407在缝隙颈401和缝隙颈402处与公共缝隙408相连以形成一对船桨-蝴蝶结状缝隙。使用微带418和微带419实现交叉耦合，微带418和微带419分别横越缝隙颈401和402以在对应于每个缝隙颈的预定交叉耦合点与接地平面400电耦合。确定交叉耦合点以在缝隙406、407和408中最大程度地感应电磁场，并且使微带418和419的长度相等，即λ/4，微带418和419分别从公共输入端416延伸到多个微带末端410和411的其中之一。实质上，每个微带418和419是长度基于宽带缝隙阵列天线的调谐频率(波长＝λ)的波导。

电磁场分别感应(耦合)在半缝隙406和407中，并且一个场的相位与另一个场的相位一致。每个天线单元(缝隙)由一个半缝隙(406或407)和公共缝隙408的相应部分形成，并且每个天线单元的形成包括缝隙间顶点409和锥形边缘404和405，它们在考虑该缝隙阵列的各个单元产生电磁场时形成。每个半缝隙406和407的长度对应于公共缝隙408的长度，并且宽度与普通的船桨-蝴蝶结状缝隙天线的宽度一致，而公共缝隙的整个宽度一般地对应于缝隙阵列自身的宽度。在本发明的结构中，半缝隙406和407隔离形成并且与公共缝隙408相对排列，公共缝隙408占据的面积等于两个半缝隙的面积加上空间余量的面积。

在本发明的优选实施例中，当经由与每个缝隙颈401和402垂直相交的微带418和419馈送电力时，通过导电连接，即，与接地平面400的短路，在微带末端410和411各自的连接处产生有效的交叉耦合。这种导电连接可在图4B中看到。

在本发明的另一优选实施例中，如图5A和图5B所示，其示出经由与每个缝隙颈401和402垂直相交的微带418和419馈送电力的情况。在本实施例中，经由电容耦合，即，横跨电介质层420的开路，在多个微带末端410′和411′中的每个微带末端处产生交叉耦合，微带末端410′和411′在预定的交叉耦合点与接地平面400相对。因此，微带418和微带419有效地延伸四分之一波长(λ/4)。在本实施例中，确定微带末端410′和411′的优选尺寸和形状以使缝隙406、407以及408中感应的电磁场最大，同时微带末端的横向尺寸保持最小以避免抵消天线阵列微型化的效果。

根据本发明的宽带缝隙阵列天线，优化天线特性，即，调谐到特定的频率范围。在修改参数来改变电磁场的相位之后，可以进行各种场测试来实现调谐。这些参数包括微带418和419的长度、横跨缝隙颈401和402的微带的横越方向、锥形边缘404和405的角度和长度、公共缝隙408和半缝隙406和407的长、宽尺寸以及缝隙间顶点409的形状。在考虑各个天线单元的阻抗匹配时，应当确定微带的尺寸，以使它们的电磁场能够有效的耦合。馈线(微带)也可由改进的微带、同轴线、共面波导或缝隙线形成，该改进的微带具有圆形横截面的上导体。

电介质层420设置于接地平面400与微带418和微带419之间。可将横越缝隙颈403的微带418和419(馈线)构造成使得每个微带朝向相同的馈送方向，即，都向左或都向右，或者朝向相反的馈送方向，即，分别向左和向右或分别向右和向左。馈送方向的反向导致各个缝隙感应的电场的相位改变180度。

图6示出用于比较而彼此叠加的船桨-蝴蝶结状缝隙结构的辐射图形。这里，两条单缝隙曲线叠加在同时采用船桨-蝴蝶结状缝隙406和407的双-缝隙图形上，其中一条单缝隙只采用图4中的两个船桨-蝴蝶结状缝隙(406或407)之一而另一条单缝隙只采用另一船桨-蝴蝶结状缝隙，图中表明双-缝隙图形的天线增益增加3db。同时，可以看到当只采用任一个船桨-蝴蝶结状缝隙时，得到的天线增益和辐射图形非常相似。

图7示出与实际(实验)数据相关联的根据本发明船桨-蝴蝶结状缝隙阵列天线的回波损耗特性的计算机仿真图。回波损耗特性表示为在450MHz到800MHz频率范围内在馈线输入端测量的电压驻波比(VSWR)。

因此，本发明在构造一种宽带缝隙阵列天线以增加天线增益或获得特定辐射图形时，能够使缝隙间的距离最小化，同时不降低天线阵列单元的特性。

本领域技术人员将会明白可以对本发明作出各种修改和改变。因而，本发明旨在覆盖落入所附权利要求书及其等效范围内的本发明的修改和变化。

Claims (13)

1.一种宽带缝隙阵列天线，包括：

公共输入端；

导体板，其具有公共缝隙和多个半缝隙，该公共缝隙形成在预定区域中，所述半缝隙单独形成并且分别经由多个以预定距离间隔的缝隙颈连接该公共缝隙；

多条馈线，用于在交叉耦合点将电力提供给该导体板，每条馈线具有一个与该公共输入端连接的末端；以及

电介质层，其设置在该导体板与所述多条馈线之间。

2.如权利要求1所述的宽带缝隙阵列天线，其特征在于，当将电力提供给该导体板时，所述半缝隙分别产生具有一致相位的多个电磁场。

3.如权利要求1所述的宽带缝隙阵列天线，其特征在于，该预定距离小于λ/2。

4.如权利要求1所述的宽带缝隙阵列天线，其特征在于，所述多条馈线均具有从该公共输入端到该交叉耦合点的预定长度。

5.如权利要求4所述的宽带缝隙阵列天线，其特征在于，该预定长度是λ/4。

6.如权利要求5所述的宽带缝隙阵列天线，其特征在于，通过所述馈线与该导体板之间的导电连接实现该交叉耦合。

7.如权利要求5所述的宽带缝隙阵列天线，其特征在于，通过所述馈线与该导体板之间的电容耦合实现该交叉耦合。

8.如权利要求1所述的宽带缝隙阵列天线，其特征在于，每条馈线横越所述多个半缝隙中的一个半缝隙。

9.如权利要求8所述的宽带缝隙阵列天线，其特征在于，所述馈线均从一个方向横越所述缝隙颈。

10.如权利要求8所述的宽带缝隙阵列天线，其特征在于，所述馈线从相反方向横越所述缝隙颈。

11.如权利要求1所述的宽带缝隙阵列天线，其特征在于，该导体板接地。

12.如权利要求1所述的宽带缝隙阵列天线，其特征在于，该公共缝隙和所述多个半缝隙呈现蝴蝶结状结构、狗骨头状结构以及船桨-蝴蝶结状结构中的一种结构。

13.如权利要求1所述的宽带缝隙阵列天线，其特征在于，每条馈线是从微带、同轴线、共面波导以及缝隙线构成的一组馈线中所选择的一种。

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