CN101310413A - 具有直接波导接入的平面天线系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及平板天线系统(10)，其包括安置在叠置于接地平面(5)上的基板的表面上的至少一个辐射元件子网络(a1－a4)，其中每个所述子网络由多个辐射元件(3)组成，其中，所述辐射元件(3)由与所述辐射元件(3)相连的子网络电源线(b1－b4)供电，在与每个所述子网络电源线(b1－b4)相对的接地平面(5)中加工狭缝(F1－F4)，所述平面天线系统还包括能量传输线(G)，所述能量传输线(G)相对于所述接地平面定位，以便通过所述狭缝而在所述能量传输线与每个所述子网络电源线之间产生电磁耦合。所述平面天线系统的特征在于，所述能量传输线被安装为使其相对于所述子网络电源线成一角度延伸。
Description
本发明涉及一种通信天线，具体涉及用于赫兹波束的天线(HF天线)。
更准确地说，本发明涉及由波导供电的用于赫兹波束的平面天线。
碟形卫星天线通常用于赫兹波束。矩形波导通常连接到置于碟形卫星天线的后部的壳体，以产生接入天线的电磁波。图1a以图解方式示出了连接到波导G的碟形卫星天线1。
对于等效的表面面积而言，平面天线与碟形卫星天线同样有效。平面天线的特点还在于其紧凑体积和较低的风阻(特别是由于它们特别薄)，并且由此相对于碟形卫星天线更为优选。
用于平面天线的已有技术的一个优点在于其适用于同轴连接，例如3.5mm型的SMA。如图1b中以图解方式示出的那样，由此能够将配备有同轴连接器的平面天线2通过同轴-波导转接器TGC连接到波导G。
传统上以及如图2所示，平面天线2包括集成在天线的电介质基板内的辐射元件网络。
更准确地说，天线2包括一组彼此平行的线性子网络a1-a4，其中每个线性子网络a1-a4由一组辐射元件3组成。每个辐射元件通常由方形导电表面组成，该方形导电表面的一个角连接到子网络的电源线b1-b4(通常微带形式)。
图2更具体地示出了经由同轴-波导转接器TGC与波导相连的平面天线2的电源的一个实施方案。为此，经由同轴-波导转接器TGC而由波导供电的电源线L(通常为微带线)相对于线性子网络a1-a4横向安装。该电源线L由此为子网络的电源线供电，从而为全部子网络的辐射元件供电。
然而，图2的技术方案不会完全令人满意。
事实上，同轴连接比较脆弱，并且对电流截面(coupes galvaniques)敏感。此外，微带电源线L具有较大的线性损耗，其通常大于波导的损耗。
现有技术，例如美国专利US6509874，公开了在接地平面中与每个子网络电源线相对的位置增加狭缝，并且相对于接地平面安装在金属本体的表面上制作的通道形式的波导，以使得所述波导垂直于子网络延伸。由此，通过狭缝而在所述波导和每个子网络电源线之间产生电磁耦合。
然而，利用这种正交设置，以相反的相位(每180°)给子网络供电。因此需要用于补偿+/-180°相位偏差的装置。
文献US6509874示出了(尤其与图3b相比)具有相反相位的狭缝的子网络电源，以及通过将辐射元件的行沿着电源线移动+/-180°电气长度而实现的相位校正。
文献US 6313807中提出相位校正的另一种方案，其中包括经由波导的一侧或其他侧而给每个网络供电。
本发明的目的在于提供一种平板HF天线，其不存在与同轴波导转接器的使用有关的缺陷，并且允许对相同子网络中的所有辐射元件进行等相位供电。
为此，本发明提供一种平面天线系统，其包括位于基板的表面上的至少一个辐射元件子网络，所述基板叠置于接地平面上，其中每个所述子网络由多个辐射元件组成，其中，所述辐射元件能够由与所述辐射元件相连的子网络电源线供电，在与每个所述子网络电源线相对的接地平面中加工狭缝，所述平面天线系统还包括能量传输线，所述能量传输线相对于所述接地平面定位，以便通过所述狭缝而在所述能量传输线与每个所述子网络电源线之间产生电磁耦合，其中所述平面天线系统的特征在于，所述能量传输线被安装为使其相对于所述子网络电源线倾斜地延伸。
所述系统的优选而非限定的方面包括：
-所述能量传输线为矩形波导，所述矩形波导的一个面与所述接地平面接触，并且在所述波导的所述面中加工波辐射狭缝，以使得所述接地平面中的狭缝与所述波导的狭缝相叠置；
-所述能量传输线为具有U形横截面的波导，并且所述波导被安装为使得所述接地平面封闭波导空间；
-所述能量传输线为三平板线(ligne triplaque)，所述三平板线包括夹在两个三平板线接地平面之间的导线，其中在与所述接地平面相接触的三平板线接地平面中加工波辐射狭缝，以使得所述接地平面的狭缝和所述三平板线的狭缝相叠置；
-所述能量传输线为包括夹在两个三平板线接地平面之间的导线的三平板线，并且所述三平板线接地平面之一与所述接地平面合并；
-所述系统包括多个彼此平行的线性子网络，并且所述接地平面中加工的狭缝与所述电源线垂直；
-在所述能量传输线中加工的狭缝是在所述能量传输线的纵向倾斜地加工的槽；
-在所述系统中，每个所述电源线相对于对应的狭缝安置，以控制所述能量传输线和所述电源线之间的耦合率；
-每个所述子网络电源线包括对所述子网络的辐射元件的辐射幅度进行加权的装置；
-辐射元件装置包括插入所述辐射元件之间的变阻器；
-对所述子网络的辐射元件的尺寸进行加权，以便对所述辐射元件的辐射幅度进行加权；
-对具有导电表面形式的辐射元件的尺寸进行加权包括减小所述表面的一个特征尺寸；
-所述辐射元件子网络的电源线为微带线。
在阅读了随后对优选实施方式的描述之后，本发明的其他方面、目的以及优点将变得更加明显，对优选实施方式的描述是以非限定性实施例的方式、并参考以下附图给出的，之前已经描述了其中的图1a、1b和图2：
图1c以图解方式示出了具有直接波导接入的平面天线；
图3示出平面天线系统的一种可能的实施方案；
图4a和4b示出了对辐射元件的振幅进行加权的不同方法；
图5a和5b示出了根据电源线相对于狭缝中心的位置，波导和电源线之间的狭缝耦合；
图6示出了根据本发明的平面天线系统的一个有利的实施方案。
图1c以图解方式示出了具有直接波导接入G的平面天线20。图3示出了平面天线系统10的可能的实施方案。在图3中，与图2中相同的元件具有相同的附图标记。
系统10包括平面天线20和波导G。
平面天线20通常包括形成接地平面5的平板导电金属板(图3中的背景所示)、以及叠置于接地平面5上且基本与之平行的介电板形式的基板。
电路被印刷在基板的与接地平面5相对的表面上，并且该电路包括辐射元件3。
天线20包括位于基板与接地平面相对的表面上的一组彼此平行的线性子网络a1-a4，其中每个线性子网络a1-a4由一组辐射元件3组成，可通过子网络电源线b1-b4给辐射元件3供电。该电源线通常是在相同基板上或在其它层上印刷的微带。
辐射元件通常由方形导电表面组成，方形导电表面的一个顶点连接到对应的子网络电源线b1-b4，其中该方形从此顶点开始的对角线垂直于对应的电源线b1-b4。
当然，本发明不局限于辐射元件的具体形状，也不局限于与对应的电源线的具体连接。
因而，辐射元件可由具有多边形形状(例如三角形或矩形)、甚至圆形形状的导电表面形成。
还可以在所述导电表面上除了所述顶点之外的其它点处给辐射元件供电，例如沿着导电表面的一侧或者甚至在导电表面的内部。在最后一个实例中，尤其可以通过将电源线穿透导电表面、同时保持线片段的每一侧非金属化，以开通通往导电表面的“路径”。
在接地平面5中与子网络电源线b1-b4相对的位置制造狭缝F1-F4。所述狭缝优选地彼此相同。因而，每个狭缝F1-F4横切对应的电源线而定位。
当子网络是彼此平行的线性子网络时，优选地将矩形狭缝垂直于电源线安置。
系统10还包括相对于接地平面5定位的能量传输线G，以便通过所述狭缝而在所述能量传输线与每个子网络电源线之间产生电磁耦合，所述能量传输线可以是波导或者任何其它类型的传输线，特别是三平板线。
所述波导例如为具有矩形横截面的波导，也可以是具有U型横截面的波导。
在图3的实例中，电磁场在波导的矩形腔中自下而上延伸。
可在波导G的上部板11上安置终端电阻(未示出)。
当波导具有矩形横截面时，制造与接地平面中的狭缝相同的波辐射狭缝，例如在波导本体中进行加工，特别是在波导将与接地平面5接触的一个面上进行加工，以使得接地平面的狭缝和波导的狭缝重叠(基于相同的理由，使用相同的附图标记来代表全部狭缝)。电磁场由此在波导空间中延伸，经由天线的接地平面以及波导与接地平面接触的表面中的重叠的狭缝，从而激励子网络电源线。
当波导具有U形横截面时，将波导安装为使得接地平面5封闭波导的空间。电磁场接着经由天线的接地平面中的狭缝在波导空间中延伸。
当然，天线结构还包括传输线的能量供应装置(未示出)，以便向所述传输线供电，其中能量在传输线内部传递并经由狭缝F1-F4辐射。
如前所述，在波导的同一表面上制造狭缝(在使用矩形波导时)，并且在与天线的介电基板相对的一侧，将所述表面与天线20的接地平面相对地安装。这样，波导的接口附接至天线的接地平面。当然，当接地平面封锁波导的空间时，所述接口也附接至所述接地平面。
也可以以三平板线的形式提供所述能量供应线，其中所述三平板线包括夹于两个三板接地平面之间的导电线。
在第一变体中，三板接地平面中的一个与天线的接地平面(在其中制造狭缝)组合。
在另一变体中，在三板接地平面中与天线的接地平面相接触的一个三板接地平面上制造波辐射狭缝，以使得接地平面5的狭缝和三平板线重叠。
在图3(立体图)所示的本发明的非代表性的实例中，安装传输线(以波导的形式示出，但也适用于三平板线实施方案)，以使得该传输线整体上垂直于子网络电源线延伸。在此情况下，在传输线的纵向制造狭缝(例如以矩形槽的形式)，以使得狭缝垂直于电源线而定位。
由于存在此耦合，因此在能量传输线之间进行能量传递，即在波导或三平板线与每个子网络电源线之间进行能量传递。这样，每个子网络电源线由狭缝辐射的能量激励，并向连接到该线的辐射元件供电。
当图2的天线结构向辐射元件子网络的电源提供横向的电源线L时，根据本发明的天线结构提出使用所制造的多个狭缝，以便在与天线的介电基板相对的一侧建立每个子网络与能量传输线的一部分之间的电磁耦合。
应注意的是，文献FR 2646565提出在波导中产生矩形狭缝以使得能量在波导中扩散，从而使得能量经由所述狭缝直接向自由空间辐射。
与本发明相反，此文献未涉及具有印刷了辐射元件的电路的天线的电源，因而未涉及此类元件的电源。此文献也未设想到使用狭缝辐射来建立两个能量传输线之间的耦合，尤其是建立波导与辐射元件的电源线的耦合。
平面天线形成辐射元件的网络。在没有对辐射元件的振幅进行加权时，副波瓣的幅度可达到约-13dB。
下面的描述涉及对平面天线的辐射元件的振幅进行加权的两个可能实施方案，其尤其允许限制副波瓣的幅度，例如限制到约-20dB。应注意的是，这些实施方案不限制本发明通过由狭缝引起的波导和子网络电源线之间的电磁耦合而进行直接波导接入。还应注意的是，这些实施方案可独立使用或者结合使用。
在第一可能的实施方案中，如图4a所示，变阻器T置于子网络电源线bi中同一子网络的辐射元件3之间。
更具体地说，变阻器T具有与期望的分步衰减对应的变阻比。
变阻器T通常为1/4波长和1/2波长变阻器；也可使用具有分步规律(例如指数或对数规律)的变阻器。
在第二可能的实施方案中，如图4b所示，通过改变所述辐射元件3的表面面积，将加权“集成”在辐射元件3中。
尤其是，当保持相同的信号电平时，辐射元件面积的减小伴随着从辐射元件到外界的能量传递能力的减弱。
此第二实施方案是有利的，因为其允许避免使用变阻器。变阻器事实上会造成子网络电源线bi的不连续。而且，这些不连续接下来会产生寄生辐射，其中寄生辐射在某种程度上会导致在平面天线辐射图的平面H中产生高幅度的交叉分量(约-10dB)。
通过执行此类“集成的”加权，子网络电源线bi不再存在与变阻器的使用有关的不连续。
接着对子网络的各个辐射元件3进行等额加权，以便通过电源线bi对其进行完全相同地供电。
辐射元件总体上为方形导电板的形式，并且具有/2的侧边，其中表示了形成有辐射元件的印刷电路基板上的导波波长，该导波波长与天线的主辐射频率对应。
作为元件表面减小的实例，可考虑矩形导电板形式的辐射元件，其中矩形导电板的长度为/2，宽度为/n，其中n大于2。
换句话说，在此情况下只减小了方形元件的一个侧边。保持一个侧边为/2实际上允许将主频率保持为辐射频率。
总体上，这涉及减小辐射元件的特征尺寸之一(在多边形辐射元件的情况下为一个侧边，而在圆形辐射元件的情况下为直径)。
如图4b所示，优选地通过以下方式使用所述“集成的”加权：偏重位于子网络中心的辐射元件31(相对于位于线的中心的子网络电源线的激励中心P)，并且在相对于激励点P对称地、从激励点P移开时，逐渐地分步减小辐射元件32、33的尺寸。
回到对本发明的天线结构的描述，根据本发明的一个有利的实施方案，通过调整子网络电源线相对于狭缝中心的偏移量，以控制两个传输线之间的能量传递(波导或三平板线与子网络电源线之间)，即控制耦合率。
如前所述，狭缝是彼此相同的(例如在接地平面和矩形横截面的波导本体中的相同的矩形槽)，并且可以注意到控制耦合率是在本发明的范围内、在无需调整狭缝尺寸的情况下进行的(即无需提供不同的狭缝尺寸)。
控制耦合率是有利的，因为其允许通过分步增加波导/子网络电源线输入耦合率(在图3中自下而上)，以补偿波导内部的电磁场的功率降低(朝向终端末端分步降低-波导G的上侧板11-将波导空间中的能量分散)。
图5a示出了用于激励子网络电源线bi的长度为L的狭缝Fi(实际中，当使用矩形横截面的波导时，为两个叠置的狭缝，或者甚至为具有与天线的接地平面相接触的接地平面的三平板线)。现有技术公开了沿着具有半波长长度的狭缝的电流分布在中心具有最大值，并向着边缘而减小。
与相对于狭缝Fi横向布置的子网络电源线bi的耦合因而取决于其电流分布规律。因此，线bi离狭缝中心越远，则耦合越低。
图5a示出了线bi相对于狭缝Fi的三个可能的位置。点b示出了线bi在狭缝Fi中心垂直于狭缝的情况。点a和点c示出当线bi垂直于狭缝并偏离狭缝中心的情况。尤其是，点c比点b更加偏离狭缝中心。
图5b示出了根据电源线相对于狭缝的纵向位置的不同，狭缝和电源线之间的耦合率的变化。可见，当线bi在狭缝Fi中心(点b)垂直于狭缝Fi时耦合率最高。随着到狭缝中心的距离的增加，耦合率降低(比较点a和点c；点a处的耦合率高于点c处的耦合率)。
图6示出了本发明的平面天线的有利的实施方案，其中控制能量传输线和各个电源线之间的耦合率。传输线(在这种情况下为波导G)具有一系列倾斜的狭缝F1-F4，并相对于子网络电源线略微倾斜地定位，以使得波导的狭缝与接地平面的狭缝重叠，并且从而垂直于电源线，同时从一个子网络电源线到另一个子网络电源线逐步地改变波导和电源线之间的耦合率。
在此处示出的实例中，从一个输入子网络电源线到另一个子网络电源线(在图6中为自下而上)耦合率增大。在图6中，采用十字叉来表示每个电源线相对于对应的狭缝的位置。起初，对于在接入方向上从波导输入的第一狭缝而言，十字叉远离狭缝的中心。结果是耦合率较低。
跟随能量在波导中传播的方向，十字叉逐步地接近对应的狭缝的中心，并且耦合率也逐步增大。在最后一个子网络处，十字叉与对应的狭缝的中心重叠，从而耦合率达到最大值。
如图6所示，根据本发明，将波导相对于子网络电源线倾斜布置的布局还适于允许以相同的相位为同一子网络的所有辐射元件供电(等相位电源)。
两类传输线(波导和子网络电源线)具有不同的介电媒质。具有较低的天线损耗的基板中的波长约为自由空间中的波长的0.7至0.8倍。自由空间中的波长接近于波导中的波长。
总体上，为了避免天线辐射图中副瓣可能的剧烈增高，确保辐射元件间的差异不超过0.8个自由空间波长是很重要的。
在由微带线供电的线性网络的子网络中，长度为两个辐射元件之间的空间中的波长的0.8倍的微带线，其电气长度为两个辐射元件之间的电介质中的1个波长，从而允许以相同的相位为所有辐射元件供电。
因此，在本发明的范围内，由于波导中的波长非常接近真空中的波长，因此使波导相对于子网络电源线倾斜地定位将允许获得真空中的波长差，并由此获得子网络之间的等相位供电，同时保持子网络线之间的竖直距离约为0.8个波长。
此外请注意，倾斜地放置对于在波导本体中加工倾斜的狭缝也是有利的(电源线由此将与狭缝垂直，如图5a所示，这样将允许利用波导内部的电磁场传播模式，以实现狭缝中的电流的优化分布)。
根据本发明的天线系统的一种应用涉及22.1至23.1GHz频带中的传输；然而，本发明绝不局限于此具体的频率范围。
Claims (13)
1.平面天线系统(10)，包括位于基板的表面上的至少一个辐射元件子网络(a1-a4)，所述基板叠置于接地平面(5)上，其中每个所述子网络由多个辐射元件(3)组成，其中，所述辐射元件(3)能够由与所述辐射元件(3)相连的子网络电源线(b1-b4)供电，在与每个所述子网络电源线(b1-b4)相对的接地平面(5)中加工狭缝(F1-F4)，所述平面天线系统还包括能量传输线(G)，所述能量传输线(G)相对于所述接地平面定位，以便通过所述狭缝而在所述能量传输线与每个所述子网络电源线之间产生电磁耦合，其中所述平面天线系统的特征在于，所述能量传输线被安装为使其相对于所述子网络电源线倾斜地延伸。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量传输线为矩形波导(G)，所述矩形波导的一个面与所述接地平面(5)接触，并且在所述波导的所述面中加工波辐射狭缝，以使得所述接地平面中的狭缝与所述波导的狭缝相叠置。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量传输线为具有U形横截面的波导，并且所述波导被安装为使得所述接地平面(5)封闭波导空间。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量传输线为三平板线，所述三平板线包括夹在两个三平板线接地平面之间的导线，其中，在与所述接地平面相接触的三平板线接地平面中加工波辐射狭缝，以使得所述接地平面(5)的狭缝和所述三平板线的狭缝相叠置。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量传输线为三平板线，所述三平板线包括夹在两个三平板线接地平面之间的导线，并且所述三平板线接地平面之一与所述接地平面(5)合并。
6.根据上述任意一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述系统包括多个彼此平行的线性子网络，并且在所述接地平面(5)中加工的狭缝(F1-F4)与所述电源线垂直。
7.根据上述与权利要求2或4结合的权利要求所述的系统，其特征在于，在所述能量传输线中加工的狭缝是在所述能量传输线的纵向倾斜地加工的槽。
8.根据上述任意一项权利要求所述的系统，其特征在于，每个所述电源线相对于对应的狭缝安置，以控制所述能量传输线和所述电源线之间的耦合率。
9.根据上述任意一项权利要求所述的系统，其特征在于，每个所述子网络电源线(b1-b4)包括对所述子网络的辐射元件(3)的辐射幅度进行加权的装置。
10.根据前项权利要求所述的系统，其特征在于，所述加权装置包括插入所述辐射元件(3)之间的变阻器(T)。
11.根据上述任意一项权利要求所述的系统，其特征在于，对所述子网络(b1-b4)的辐射元件(3)的尺寸进行加权，以便对所述辐射元件的辐射幅度进行加权。
12.根据前项权利要求所述的系统，其特征在于，对具有导电表面形式的辐射元件的尺寸进行加权包括减小所述表面的一个特征尺寸。
13.根据上述任意一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述辐射元件子网络的电源线为微带线。
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