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CN1226344A - 平面双频阵列天线 - Google Patents

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CN1226344A
CN1226344A CN96180403A CN96180403A CN1226344A CN 1226344 A CN1226344 A CN 1226344A CN 96180403 A CN96180403 A CN 96180403A CN 96180403 A CN96180403 A CN 96180403A CN 1226344 A CN1226344 A CN 1226344A
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CN
China
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sticking patch
insulation board
array
planar
plane
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CN96180403A
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English (en)
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舍姆－托福·勒维
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Skygate International Technology NV
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Skygate International Technology NV
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Abstract

一种实质上为平面结构的双频阵列天线具有在低频带和高频带中彼此独立地控制电子射束的能力,它由工作在低频带的顶端平面阵列天线和工作在高频带的底端平面阵列天线以分层形式构造。顶端平面阵列天线对高频带中的频率透明。

Description

平面双频阵列天线
本发明一般涉及用于无线电波通信的，尤其是移动卫星通信系统的平面天线组件。
下面列出的文献被认为与本发明密切相关：
Andrasic G.和James J.R.在1987年三月到四月英国York举行的第五届天线和广播国际会议，ICAP87，第485页至488页，“Investigationof Superimposed Dichroic Microstrip Antennas”。
Andrasic G.和James J.R.在1988年Electronic Letters,Vol.24,No.2，第96到97页的“Microstrip Window Array”。
Hiroyuki Inafuku等人1989年8月日本东京举行的天线和广播国际年会上的“Mobile Receiving Antenna System of Direct BroadcastSystems for Train Applications”。
Lee S.W.等人1982年IEEE Transactions and Antennas andPropagation,Vol.AP-30，第904到909页的“Simple Formulas forTransmission Through Periodic Metal Grids or Plates”。
美国专利第5,043,738号
美国专利第5,262,791号
无论什么情况，本申请中都将通过在括弧中指明作者或公司名字以及出版物的年份或者专利号来指明上述参考文献。
在基地站和卫星之间实现令人满意的通信链路的主要要求是基地站天线指向卫星的方向，即基地站天线射束模式的最大值将沿着基地站和卫星之间的视距进行校准。如果基地站是移动平台，并且/或者卫星轨道是地球同步的、高或中地球轨道，则天线必须跟踪卫星以不断指向卫星的方向，从而维护适当的通信链路质量。
在后续描述和权利要求书中请参照Ku频带和L频带频率范围，一般接受的定义如下：
Ku频带：10.70-12.75GHz；L频带：1.49-1.71GHz。
移动和非移动通信系统的天线组件的不同体系结构方案众所周知。其中最常见的是两轴机械跟踪系统。天线本身可以是微带或者其它类型，例如分别用于Ku频带和L频带传输的NEC(参见例如HiroyukiInafuku等人(1989))或者KVH(KVH Industries公司，Middletown,RI，美国)系统。
在另一机械方案中采用了单轴机械跟踪系统，典型的例子是用于Ku频带传输的Nippon Steel的单层分槽波导(slotted-waveguide)阵列系统(日本东京的Nippon Steel公司)。
另一方案中综合采用了机械和电子跟踪，例如在Ball通信系统中(Ball Telecommunication Products Division,Colorado，美国)。
还有一些用于移动通信系统的非机械天线组件。CAL(CAL,Ottawa,Ontario，加拿大)所描述的一种这样的非机械天线在一个轴上进行相位控制，而另一轴上采用固定射束。TECOM(TECOM Industries公司，Chatsworth,CA，美国)描述了一种采用传统相位控制方案的两轴电控天线组件。
所有这些已知的移动通信系统天线组件有一个共同的缺陷，即必须工作在单频带中。因此，如果有人对工作在两种不同频带的移动通信系统感兴趣，则必须使用上述天线中的两种，这显然大大增加了空间要求。如果通过两颗不同卫星提供双频带业务，则机械基架无法为两根天线提供服务。此外，上述前三组天线都具有额外缺陷：带有机械跟踪系统，这些系统既累赘又缓慢，受限于它们的角度覆盖，并且不是平面的，必须从其所在表面伸出。这样，如果这种天线需要安装在移动平台，例如陆上车辆的顶部，则它会改变这种平台的空气动力。
在本领域中已有双频平面天线阵列(例如美国专利5,043,738号和美国专利第5,262,791号)。但是，这种天线类型从未由两个独立平面阵列天线单元构建，每个独立平面阵列天线单元具有其自己的接地平面，并能够独立工作于两个频带，它们在空间上可能相距甚远(例如在卫星通信中使用)，两个平面阵列天线单元之间基本上没有干扰。
本发明的目的是提供一种在两个彼此独立的频带上都具有电子射束控制能力的双频阵列天线，它由两个独立天线单元构建，每个天线单元工作在不同的频带，具有基本的平面结构，适于安装在静止平台或移动平台的某个外表面，移动平台可以是例如陆上车辆、海船或飞机，而不会大幅度改变该表面的轮廓和空气动力特性。
按照本发明的平面阵列天线组件包括第一和第二阵列天线单元，以分层形式安置，用以在两个不同频带接收并发射，每个天线单元具有至少一个绝缘板。在操作的接收模式下，天线组件接收外部源的电磁辐射，而在操作的发射模式下，天线组件向外部源发射电磁辐射。我们将靠近外部源/接收机的阵列天线单元称作顶端阵列天线单元。位于天线组件分层构造的其它阵列天线单元距离外部源/接收机更远，被称为底端阵列天线单元。应用于阵列天线的术语“顶端”和“底端”不应误解成固定平面阵列天线组件的实际朝向，后者实际上可以是水平、竖直或任一其它所需朝向。在第一和第二阵列天线单元中，绝缘板朝向电磁辐射外部源方向的面称为“前表面”，而朝向相反方向的面称为“后表面”。
本文献中术语“补片”(patch)是指例如通过导电表面印制在绝缘层或者通过蚀刻技术完全或者部分填充了绝缘板表面的导电材料的区域(此后分别称为印制或蚀刻在绝缘层)。
下面的描述和权利要求书中，将提到馈送(feed)、馈送线路以及馈送线路端点。馈送长度以及馈送线路端点的位置的选择是为了便于说明，不要误解成任何实际设计的必要指示。实际上，在大多数制造过程中，馈送(也称为微带线)将终止在或者靠近处理它们的绝缘板边缘(也称为馈送基座)。但是，由馈送组成的馈送网络的实际大小不是本发明的一部分，因而仅示出了每个馈送的代表性的一小段。此外，本文不讨论微带天线设计中的众所周知的问题，例如定位馈送点以调整输入阻抗值。
按照本发明，提供了一种在两个频带接收和发射电磁辐射的平面天线组件，所述平面天线组件的分层构造中包括第一和第二平面阵列天线单元，所述第一平面阵列天线单元工作在低频带，而所述第二平面阵列天线单元工作在高频带，所述第一平面阵列天线单元是顶端平面天线阵列单元，而所述第二平面阵列天线单元是底端平面天线阵列单元；
所述第一平面阵列天线单元包括至少一个具有前表面和后表面的绝缘板，具有多个补片的至少一个平面补片阵列，具有多个馈送和接地平面的馈送阵列；
所述馈送阵列的每个馈送分别耦合到所述至少一个平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片；
所述至少一个平面补片阵列的每个补片与所述低频带中的频率共振，并透明于所述高频带中的频率；
所述接地平面反射所述低频带中的频率，并透明于所述高频带中的频率；
所述第二平面阵列天线单元包括至少一个具有前表面和后表面的绝缘板，一个接地平面，具有多个补片的至少一个平面补片阵列，以及具有多个馈送的馈送阵列，所述馈送阵列的每个馈送分别耦合到所述至少一个平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片。
除了工作频率的不同之外，第一平面阵列天线单元和第二平面阵列天线单元的不同还在于，第一平面阵列天线单元的补片和接地平面是频率可选表面，它对高频带中的频率透明，因此，尽管第一平面阵列天线单元位于第二平面阵列天线单元和外部实体之间，第二平面阵列天线单元仍能够收发电磁辐射带。此外，第一平面阵列天线单元的接地平面反射低频带中的频率，因而低频带中频率的电磁辐射不会干扰第二平面阵列天线单元。
因为存在着许多结构相同的第一平面阵列天线单元实施例和第二平面阵列天线单元实施例，下面提到的“平面阵列天线单元”将作为第一平面阵列天线单元和第二平面阵列天线单元的通称。类似地，在后续实施例的描述中，术语平面补片阵列、补片、馈送阵列、馈送以及接地平面将作为通用于第一和第二平面阵列天线单元的术语。
按照本发明的第一方面，平面阵列天线单元包括第一绝缘板和具有多个补片的第一平面补片阵列，所述第一平面补片阵列和所述馈送阵列位于所述第一绝缘板的前表面，所述馈送阵列的每个馈送分别电耦合到所述第一平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片，所述接地平面位于所述第一绝缘板的所述后表面。这定义了具有电(直接)耦合补片的第一或第二平面阵列天线单元。
如果需要，平面阵列天线单元还包括第二绝缘板和具有多个补片的第二平面补片阵列，所述第二平面补片阵列位于所述第二绝缘板的前表面，所述第二绝缘板的所述后表面面向所述第一绝缘板的前表面，所述第一平面补片阵列的每个补片基本上分别对准所述第二平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片。这定义了具有电耦合补片的双栈(stack)第一或第二平面阵列天线单元。
按照本发明的第二方面，平面阵列天线单元包括第一和第二绝缘板和第一平面补片阵列，所述第一平面补片阵列位于所述第一绝缘板的前表面，所述馈送阵列位于所述第一绝缘板的后表面，所述馈送阵列的每个馈送分别电耦合到所述第一平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片，所述接地平面位于所述第二绝缘板的所述后表面，所述第二绝缘板的前表面面向所述第一绝缘板的后表面。这定义了具有电耦合补片的第一或第二平面阵列天线单元。
按照本发明的第三方面，平面阵列天线单元包括第一和第二绝缘板和具有多个补片的第一平面补片阵列，所述第一平面补片阵列位于所述第一绝缘板的前表面，所述接地平面位于所述第一绝缘板的后表面，所述接地平面具有多个孔，所述第二绝缘板的前表面面向所述第一绝缘板的后表面，所述馈送阵列位于所述第二绝缘板的后表面，所述馈送阵列的每个馈送分别通过所述接地平面的所述多个孔中的对应孔电磁耦合到所述第一平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片，所述孔与平面阵列天线单元的工作频带中的频率共振。其中，如果平面阵列天线单元是所述第一(第二)平面阵列天线单元，则所述工作频带是所述低(高)频带。这定义了具有孔耦合补片的第一或第二平面阵列天线单元。
如果需要，按照本发明第二或第三方面的平面阵列天线单元还包括第三绝缘板和具有多个补片的第二平面补片阵列，所述第二平面补片阵列位于所述第三绝缘板的前表面，所述第三绝缘板的所述后表面面向所述第一绝缘板的前表面，所述第二平面补片阵列的每个补片基本上分别对准所述第一平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片。这定义了按照本发明第二方面的具有电耦合补片，或者按照本发明第三方面的具有孔耦合补片的双栈第一或第二平面阵列天线单元。
按照本发明的第四方面，第一平面阵列天线单元包括第一和第二绝缘板和具有多个补片的第一平面补片阵列，所述第一平面补片阵列位于所述第一绝缘板的前表面，所述接地平面位于所述第一绝缘板的后表面，所述第一绝缘板与所述第二绝缘板在空间上分离，从而形成天线室，所述馈送阵列位于所述第二绝缘板的后表面，所述馈送阵列的每个馈送分别通过多个馈送探针电耦合到所述第一平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片，所述第二平面阵列天线单元位于所述天线室。这定义了具有探针馈送补片的第一平面阵列天线单元。
如果需要，按照本发明第四方面的第一平面阵列天线单元还包括第三绝缘板和具有多个补片的第二平面补片阵列，所述第二平面补片阵列位于所述第三绝缘板的前表面，所述第三绝缘板的所述后表面面向所述第一绝缘板的前表面，所述第二平面补片阵列的每个补片基本上分别对准所述第一平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片。这定义了具有探针(probe)馈送补片的双栈探针平面阵列天线单元。
按照本发明，可以通过以上定义的多种第一平面阵列天线单元实施例的所有组合以及定义的第二平面阵列天线单元的所有组合来构造平面天线组件。即，平面天线组件可以由下述任一元件：
(1a)具有电耦合补片的第一平面阵列天线单元，
(2a)具有电耦合补片的双栈第一平面阵列天线单元，
(3a)具有电磁耦合补片的第一平面阵列天线单元，
(4a)具有电磁耦合补片的双栈第一平面阵列天线单元，
(5a)具有孔耦合补片的第一平面阵列天线单元，
(6a)具有孔耦合补片的双栈第一平面阵列天线单元，
(7a)具有探针馈送补片的第一平面阵列天线单元，
(8a)具有探针馈送补片的双栈第一平面阵列天线单元；
以及下述任一元件：
(1b)具有电耦合补片的第二平面阵列天线单元，
(2b)具有电耦合补片的双栈第二平面阵列天线单元，
(3b)具有电磁耦合补片的第二平面阵列天线单元，
(4b)具有电磁耦合补片的双栈第二平面阵列天线单元，
(5b)具有孔耦合补片的第二平面阵列天线单元，
(6b)具有孔耦合补片的双栈第二平面阵列天线单元；
构造。
第一和第二平面阵列天线单元可以设计用于收发线性或圆极电磁辐射。
当第一平面阵列天线单元被设计用于收发圆极电磁辐射时，其特征在于：
所述第一平面阵列天线单元的所述至少一个补片阵列被分组成2×2补片子阵列，顺时针或逆时针方向每个补片子阵列的次序为第一、第二、第三和第四子阵列成员；所述第一平面阵列天线单元的所述馈送阵列的所述馈送被分组成2×2馈送子阵列，顺时针或逆时针方向每个馈送子阵列的次序为第一、第二、第三和第四子阵列成员；给定馈送子阵列的每个成员与给定补片子阵列的一个成员相关联，给定关联子阵列中的馈送和补片相对于前一子阵列成员旋转了90°。第一馈送阵列的每个成员链接到包含一个相位控制设备的适当的电子系统，该电子系统本身众所周知。通过适当地调整相位控制设备，每个2×2馈送子阵列的单个成员中流动的电流相位可以在顺时针方向上延迟0°、90°、180°以及270°(或者可以选用逆时针方向，用左侧国极替换右侧圆极)。
当第二平面阵列天线单元设计用于收发圆极电磁辐射时，其特征在于：
所述第二平面阵列天线单元的所述至少一个补片阵列被分组成2×2补片子阵列，顺时针或逆时针方向每个补片子阵列的次序为第一、第二、第三和第四子阵列成员；所述第二平面阵列天线单元的所述馈送阵列的所述馈送被分组成2×2馈送子阵列，顺时针或逆时针方向每个馈送子阵列的次序为第一、第二、第三和第四子阵列成员；给定馈送子阵列的每个成员与给定补片子阵列的一个成员相关联，给定关联子阵列中的馈送和补片相对于前一子阵列成员旋转了90°。第二馈送阵列的每个成员链接到包含一个相位控制设备的适当的电子系统，该电子系统本身众所周知。通过适当地调整相位控制设备，每个2×2馈送子阵列的单个成员中流动的电流相位可以在顺时针方向上延迟0°、90°、180°以及270°(或者可以选用逆时针方向，用左侧圆极替换右侧圆极)。
很清楚，第一平面阵列天线单元和第二平面阵列天线单元都可以被设计成工作于圆极模式，或者一个工作于圆极模式，而另一个工作于线性极性模式。
第一平面阵列天线单元的补片可以采用任何适当的外形，例如圆形、多边形或正方形，或者类似外形。
按照本发明，所述第一平面阵列天线单元的所述补片是频率可选的表面，包括每个补片中孔的周期安置。可选地，所述补片是频率可选的表面，包括具有统一网眼的导线栅格。
此外，按照本发明，所述第一平面阵列天线单元的所述接地平面是频率可选的表面，包括接地平面中孔的周期安置。可选地，所述接地平面是频率可选的表面，包括具有统一网眼的导线栅格。
第二平面阵列天线单元的补片可以采用任何适当的外形，例如圆形、多边形或正方形，或者类似外形。第二平面阵列天线单元的补片外形不需要匹配第一平面阵列天线单元的补片外形。
如果需要，可以在所述第一平面阵列天线单元的所述接地平面中生成形状匹配第二平面阵列天线单元的补片的孔，从而将其设计成频率可选的表面。按照这种实施例，接地平面的每个孔位于第二平面阵列天线单元的一个补片的对面。
按照本发明的平面天线组件及其每个平面阵列天线单元被设计成工作于发射和接收模式。在发射模式期间，与发射天线单元相关联的电子系统将时变电功率馈送到其馈送阵列的每个成员，从而激励天线单元向周围的大气辐射出射束。在接收模式期间，来自周围大气的施加在平面阵列天线单元上的外部电磁辐射事件激励了补片，从而在馈送中生成了输出信号。每个馈送配备有一个馈线端点，馈线可以连接到该馈线端点以将馈送链接到包含相位控制设备的适当电子系统。
应当注意，第一和第二天线单元彼此完全独立工作。因此，它们中的一个可以在另一个暂停工作时进行发射和接收。同样，当第一天线单元发射时，第二天线单元可以正在接收，反之亦然。
在本发明的一种实施例中，第一天线单元工作于其中的所述低频带是L频带，而第二天线单元工作于其中的所述高频带是Ku频带。
按照本发明的平面天线组件最好安装在能适应天气变化的原料制成的适当的箱子中。所述箱子保护了平面天线组件的侧面，但是没有覆盖其前表面。
最好在第一平面天线单元上安装对同时位于所述第一和第二频带中的频率的电磁辐射透明的天线罩，从而覆盖其前表面。天线罩用于保护整个平面天线组件免受不利天气和其它外部影响，例如雨、冰、热、阳光、沙暴、盐水等的损害。
一般而言，平面天线组件的绝缘板可以由不同电特性的多个绝缘板构成。但是，应当注意，在其两个表面上都没有承载任何结构(即补片、馈送或接地平面)，并且仅用于隔离本发明的平面天线组件的不同层面的绝缘板可以替换成空气缝隙，只要在不同层面的边缘提供某种形式的支持以维护其隔离。
为了更好地理解本发明，下面结合附图，通过例子描述本发明，在附图中：
图1示出了本发明平面天线组件的部件分解侧视概图以及外部电磁辐射源；
图2示出了第一平面阵列天线单元的第一实施例的一部分的侧视图；
图3示出了第二平面阵列天线单元的第一实施例的一部分的侧视图；
图4示出了本发明平面天线组件的第一实施例的一部分的侧视图；
图5示出了图2中说明的平面阵列天线单元的平面视图；
图6示出了图3中说明的平面阵列天线单元的平面视图；
图7示出了第一平面阵列天线单元的频率可选接地平面的一种实施例的平面视图；
图8示出了第一平面阵列天线单元的频率可选接地平面的另一实施例的平面视图；
图9示出了具有电(或直接)耦合补片的第一平面阵列天线单元的天线单元的侧视图；
图10示出了具有电(或直接)耦合补片的第二平面阵列天线单元的天线单元的侧视图；
图11示出了具有双栈电耦合补片的天线单元的侧视图；
图12示出了具有电磁耦合补片的天线单元的侧视图；
图13示出了具有双栈电磁耦合补片的天线单元的侧视图；
图14示出了具有孔耦合补片的天线单元的侧视图，切去了部分天线单元以显示接地平面中的孔；
图15示出了具有双栈孔耦合补片的天线单元的侧视图，切去了部分天线单元以显示接地平面中的孔；
图16示出了本发明平面天线组件的一部分的部件分解侧视概图，其中第一平面阵列天线单元具有探针馈送补片，切去了部分组件以显示馈送补片端点和馈送探针的无接触通道的洞；
图17示出了本发明平面天线组件的一部分的部件分解侧视概图，其中双栈第一平面阵列天线单元具有探针馈送补片；
图18示出了用于平面极性操作模式的具有电(直接)耦合补片的平面阵列天线单元的2×2子阵列的平面视图；
图19示出了用于圆极操作模式的具有电(直接)耦合补片的平面阵列天线单元的2×2子阵列的平面视图；
图20示出了用于平面极性操作模式的具有电磁耦合补片的平面阵列天线单元的2×2子阵列的平面视图；
图21示出了用于圆极操作模式的具有电磁耦合补片的平面阵列天线单元的2×2子阵列的平面视图；
图22示出了用于平面极性操作模式的具有孔耦合补片的平面阵列天线单元的2×2子阵列的平面视图；
图23示出了用于圆极操作模式的具有孔耦合补片的平面阵列天线单元的2×2子阵列的平面视图；
图24示出了用于平面极性操作模式的具有探针馈送补片的平面阵列天线单元的2×2子阵列的平面视图；
图25示出了用于圆极操作模式的具有探针馈送补片的平面阵列天线单元的2×2子阵列的平面视图。
首先注意图1，示出了本发明平面天线组件的部件分解侧视概图，它包括三个部件：第一平面阵列天线单元2、绝缘板4以及第二平面阵列天线单元6。还示出了电磁辐射10的外部源8。平面天线组件的任意部件，以及平面天线组件本身的“前表面”和“后表面”是相对于外部源8定义的。因此，第一平面阵列天线单元2的前表面12是朝向外部源8方向的表面，而其后表面朝向相反方向。这样很明显，来自外部源8的入射于第一平面阵列天线单元2的电磁辐射10将入射到前表面12，在通过第一平面阵列天线单元2之后，它将从其后表面13退出。类似地，绝缘板具有前表面14和后表面15，第二平面阵列天线单元6具有前表面16和后表面17。按照这种术语定义，平面天线组件1具有前表面12和后表面17。
第一平面阵列天线单元2被设计成工作于低频带，第二平面阵列天线单元6被设计成工作于高频带。这两个平面阵列天线单元2和6被安置成分层形式，第一平面阵列天线单元2位于第二平面阵列天线单元6和外部源8之间。用于隔离第一和第二平面阵列天线单元的绝缘板4可以替换成空气缝隙，只要提供某种形式的支持以维护平面天线组件1的构造完整。尽管第一平面阵列天线单元2位于第二平面阵列天线单元6和外部源8之间，因为第一平面阵列天线单元2被设计成对高频带中的频率透明，所以第二平面阵列天线单元6对高频带中的频率的电磁辐射的接收不会受阻。
尽管针对工作于接收模式的天线说明了本发明双频平面天线组件的基本构造和操作，但是针对工作于发射模式，用外部接收机替换了外部源8的天线可以进行同样的说明。
下面描述两个平面阵列天线单元2和6的不同实施例，并说明根据它们得到的本发明平面天线组件的构造。在说明这些实施例的图中，绝缘板、接地平面、补片、馈送和孔都以夸大的尺寸示出，这仅仅是为了便于说明。补片和馈送以不同的高度示出，以使它们易于区分，但是实际上它们都打印或蚀刻在绝缘板上，高度相同。
首先参看图2，示出了按照第一实施例的第一平面阵列天线单元20的一部分的侧视图。补片21和馈送22彼此电(或直接)耦合，位于绝缘板24的前表面。每个补片被设计成与低频带中的频率共振，并对高频带中的频率透明。每个补片22配备有一个馈线端点23，馈线可以连接到该端点以将馈送链接到包含相位控制设备的适当的电子系统。接地平面25位于绝缘板24的后表面，设计成是频率可选的，反射低频带中的频率，并发射高频带中的频率。
图3示出了按照第一实施例的第二平面阵列天线单元30的一部分的侧视图。补片31和馈送32彼此电耦合，位于绝缘板34的前表面。补片31被设计成与第二频带中的频率共振。每个补片32配备有一个馈线端点33，馈线可以连接到该端点以将馈送链接到包含相位控制设备的适当的电子系统。接地平面35位于绝缘板34的后表面。尽管平面阵列天线单元20和30结构类似，但它们之间存在着许多基本的不同点。首先也是最重要的，补片31和接地平面35是简单的导电表面，而补片21和接地平面25是频率可选的。此外，补片21和31的大小一般不同。因为补片21工作于低频带，而补片31工作于高频带，所以补片31将小于补片21。因此，对给定的平面天线阵列单元增益而言，应当有比补片21更多的补片31。此外，绝缘板24的高度和特性不需要与绝缘板34的高度和特性相同。
图4示出了按照第一实施例的本发明平面天线组件的一部分的侧视图。该实施例包括按照图2的第一平面阵列天线单元，以及按照图3的第二平面阵列天线单元。绝缘板38将这两个平面阵列天线单元隔开。
现在参看图5和6，分别示出了平面阵列天线单元20和30的平面视图。补片21是频率可选的表面，设计成对高频带中的频率透明，其实现方式可以采用任意一种本身众所周知的技术。在图5所示特定说明中，补片21是导电表面，每个补片中具有周期放置的孔26。选择补片21的大小，使得它们与低频带中的频率共振。还示出了馈送22及其馈线端点23。如图所示，馈送22是电(或直接)耦合到补片21。第二平面阵列天线单元30的补片31是理想导体，选择其大小，使得它们与高频带中的频率共振。还示出了馈送32及其馈线端点33。馈送32同样是电耦合到补片31。
图7示出了按照一种实施例的频率可选接地平面25的平面视图。接地平面25中的孔27周期设置，设计成接地平面25反射低频带中的频率，并对高频带中的频率透明。在图5和7中说明的补片21和接地平面25分别具有同样的孔26和27，孔间距离相同。但是，需要指出不一定是这种情况，并且尽管可以采用圆孔，但需要理解它们仅是任何适当形状的孔的代表。可接受的孔形状的典型例子在本领域中众所周知，是：矩形槽、十字槽、耶路撒冷(Jerusalem)十字槽、碟形圈和环形圈。
图5和6中补片的实际大小取决于给定应用所需的频带的选择，因而补片21在某些应用中可以比补片31大得多。在这些应用中，频率可选接地平面25可以采用如图8所示的另一形式。按照该实施例，接地平面25中的孔28可以但不一定与补片31的形状相同，每个孔28基本上对准单个补片31。
下面针对平面阵列天线单元的不同实施例描述本发明天线组件的其它许多实施例。为此，需要注意，图2所示第一平面阵列天线单元20可由图9所示“第一天线单元”20’确定，包括补片21、带有端点23的馈送22、绝缘板24和接地平面25。该天线单元被称为具有电(或直接)耦合补片的天线单元。如图2和5所示的第一平面阵列天线单元20由第一天线单元20’构建，通过形成第一天线单元20’的平面周期布局来生成。图3所示第二平面阵列天线单元20可以以类似方式由图10所示“第二天线单元”30’确定。这样，我们不再描述平面阵列天线单元的不同实施例，而是描述天线单元的不同实施例，需要理解这些天线单元是基本构造部件，通过它们可以构造相应的平面阵列天线单元。此外，通过图9和10的比较，显然这两个图之一便足够描述两个天线单元，其中补片和接地平面对第一天线单元是频率可选的，而在第二天线单元的情况下是理想导体。记住这些之后，后续描述中仅说明一个通用的天线单元。
现在参看图11，示出了具有电耦合补片40的双栈天线单元，它由电耦合天线单元构造，包括位于绝缘板44的前表面的补片41、馈送42和馈线端点43，位于其后表面的接地平面，以及邻近绝缘板44前表面的另一绝缘板46。绝缘板46在其前表面承载一个补片47，该补片基本对准补片41。很显然，两个补片41和47是电磁耦合的。补片47用于增加电耦合天线单元的带宽。应当注意，将补片41、馈送42和馈线端点43堆放在绝缘板46的后表面，而不是绝缘板44的前表面，可以形成一种完全相等的结构。这个声明可以作为通用声明，应用于其中提到补片或馈送位于两个相邻绝缘板的前或后表面的所有实施例。即，补片或馈送也可以位于其它绝缘板的相邻表面。
图12示出了其中补片51和馈送52进行了电磁耦合的天线单元。补片51和馈送52及其馈线端点53位于绝缘板54的另一侧。第二绝缘板56的前表面与绝缘板54的后表面相邻，接地平面55位于绝缘板56的后表面。图13示出了双栈电磁耦合天线单元60，它由具有电磁耦合补片50的天线单元得到，其方式如下：将绝缘板57放置于绝缘板54的前表面，绝缘板57的前表面上承载一个补片58。补片51和58基本上彼此对准。
图14示出了具有孔耦合补片的天线单元70。该天线单元包括补片71、具有馈线端点73的馈送72、两个绝缘板74、75以及具有孔77的接地平面76。补片71和接地平面76位于绝缘板74的另一侧，馈送72位于绝缘板75的后表面。补片71和馈送72通过接地平面76中的孔77电磁耦合。图15示出了双栈天线单元孔耦合补片80，它由具有孔耦合补片70的天线单元得到，其方式如下：将绝缘板78放置于绝缘板74的前表面，绝缘板78的前表面上承载一个补片79。补片71和79基本上彼此对准。
如上所述，平面阵列天线单元可以由上述天线单元通过形成天线单元的平面周期布局来构造。采用图1所示模块方案，利用这样构造的平面阵列天线单元可以构造平面天线组件。第一平面天线单元2可以由天线单元20’、40、50、60、70和80中的任意一个构造(其中如上所述，补片和接地平面是频率可选表面)，类似地，第二平面天线单元6可以由天线单元30’、40、50、60、70和80中的任意一个构造(其中补片和接地平面是理想导体)。
在所有上述平面天线组件中，馈送与补片位于同一平面并电耦合到补片，或者它们位于不同平面而电磁耦合到补片。图16示出了平面天线组件90的一部分的部件分解侧视概图，其中第一平面阵列天线单元的补片91位于不同于其馈送92的平面。馈送92配备有两个端点，馈线端点93和馈送探针端点94’，馈线可以连接到馈线端点93以将馈送链接到包含相位控制设备的适当的电子系统，而馈送探针95则连接馈送探针端点94’。馈送92和补片91之间的电子连接通过馈送探针95进行，一端连接在馈送探针端点94’，另一端连接在补片探针端点94”。第一平面阵列天线单元的补片91位于绝缘板96的前表面，第一平面阵列天线单元的接地平面97位于绝缘板96的后表面。第一平面阵列天线单元的馈送92位于绝缘板98的后表面。第一平面阵列天线单元的绝缘板96和98形成了天线室，第二平面阵列天线单元99位于该天线室内。第一平面阵列天线单元的接地平面97安装到洞102中，用作馈送探针95的无接触通道。为了便于说明，选择第二平面阵列天线单元99作为图3所示第二平面阵列天线单元，但是，它也可以是天线单元40、50、60、70和80可以形成的任意一个平面阵列天线单元。第二平面阵列天线单元99的补片和接地平面中的洞104和105分别用作通过它们的馈送探针的无接触通道。
图16示出的本发明的天线组件的实施例中，第一平面阵列天线单元具有探针馈送补片，通过在平面天线组件90的前表面放置一个前表面承载补片的绝缘板，可以将其扩展成具有双栈探针馈送第一平面天线单元的天线组件。图17示出了双栈第一平面阵列天线单元具有探针馈送补片的平面天线组件100的一部分的部件分解侧视概图。前表面承载补片112的绝缘板110位于平面天线组件90的前表面114，它具有探针馈送第一平面阵列天线单元。平面天线组件90的补片112和91(在图16中示出)基本彼此对准。
包括本发明平面天线组件的第一和第二平面阵列天线单元可以工作于平面或者圆极操作模式。图5和6所示平面阵列天线单元20和30的平面视图分别说明了平面极性操作模式。因为要求平面阵列天线单元工作于极性操作模式的几何属性是补片和馈送的相对朝向，所以很显然，图5和6可以替换成一张图，而不需要考虑补片是否频率可选，不需要考虑工作频带。此外，2×2子阵列足以演示圆极操作模式，从而也可用于演示平面极性操作模式。参看图18，示出了用于平面极性操作模式的具有电(直接)耦合补片的平面阵列天线单元的2×2子阵列的平面视图(这是适用于图5和6的通用图)。子阵列200包括电连接到馈送204的补片202，配备馈线端点206的馈送。补片202和馈送204位于绝缘板208。
参看图19，示出了用于圆极操作模式的具有电耦合补片的平面阵列天线单元的2×2子阵列220的平面视图。如图所示，每个补片222及其馈送224在顺时针方向上依次旋转90°(或者可以选用逆时针方向，用左侧圆极替换右侧圆极)。圆极操作模式下补片和馈送的依次旋转本身众所周知，在文献(参见例如J.Huang(1986)和T.Teshirogi(1985))中有详尽描述。
在例如图12所示的电磁耦合补片的情况下，补片和馈送位于绝缘板的相反侧，但原理相同。图20示出了用于平面极性操作模式的具有电磁耦合补片的平面阵列天线单元的2×2子阵列240的平面视图。补片232位于绝缘板244的前表面，而馈送246(及其馈线端点)位于其后表面。馈送246用虚线画出，以说明它们所处平面与补片242不同。
图21示出了用于圆极操作模式的具有电磁耦合补片的平面阵列天线单元的2×2子阵列260的平面视图。每个补片262及其馈送264依次旋转90°。
现在参看图22，示出了用于平面极性操作模式的具有孔耦合补片的平面阵列天线单元的2×2子阵列280的平面视图。孔耦合补片的天线单元的侧视图在图14中示出。在图14中可以看出，涉及两个绝缘板，补片、孔和馈送位于三个不同的平面。为了说明补片、孔和馈送彼此之间的相对位置和朝向，用实线画出了补片282，用虚线画出了馈送284，而用点线画出了孔286，需要理解它们位于三个不同的平面，如图14所示。图23示出了用于圆极操作模式的具有孔耦合补片的平面阵列天线单元的2×2子阵列290的平面视图。每个补片292及其馈送294依次旋转90°。孔296不一定需要依次旋转。
参看图24，示出了位于图16所示平面天线组件90的第一平面阵列天线单元的绝缘板97的补片91(a、b、c、d)的2×2子阵列300的平面视图。还示出了位于绝缘板99的馈送92(a、b、c、d)，探针馈送补片91(a、b、c、d)的对应2×2子阵列310的平面视图。馈送以虚线画出，以说明它们位于绝缘板99的后表面。馈送92(a、b、c、d)通过馈送探针95(在图16中示出)连接到补片91(a、b、c、d)，从4个馈送探针端点94’(a、b、c、d)到相应的4个补片探针端点94”(a、b、c、d)。图24说明了用于平面极性操作模式的补片和馈送的布局。
参看图25，示出了用于圆极操作模式的位于图16所示平面天线组件90的第一平面阵列天线单元的绝缘板97的补片91(a、b、c、d)的2×2子阵列300的平面视图。在子阵列300中，补片91a、91b、91c和91d彼此的不同在于每个补片都在顺时针方向上围绕垂直于其中心的轴依次旋转。其效果是补片91a、91b、91c和91d彼此的不同在于补片的补片探针端点94”(a、b、c、d)的位置，这些补片在顺时针方向上排序，使得每个端点94”a、94”b、94”c和94”d的角度相对于该次序中前一个变化了90°，图24中通过补片相对于彼此的角度朝向反映出这一点，该角度朝向包括了该补片中每个补片探针端点的相对位置。馈送探针端点未示出，但是除了下面这一点之外，其布局类似于图24所示：它们的变化稍小，使得每个馈送探针端点基本对准其相应的角度变化馈送补片端点。为了圆极电磁辐射的发射，分别将馈送探针端点94’b、94’c和94’d中流动的电流相位相对于端点94’b延迟90°、180°和270°。

Claims (28)

1．一种在两个频带上收发电磁辐射的平面天线组件，所述平面天线组件的分层构造中包括第一和第二平面阵列天线单元，所述第一平面阵列天线单元工作在低频带，而所述第二平面阵列天线单元工作在高频带，所述第一平面阵列天线单元是顶端平面天线阵列单元，而所述第二平面阵列天线单元是底端平面天线阵列单元；
所述第一平面阵列天线单元包括至少一个具有前表面和后表面的绝缘板，具有多个补片的至少一个平面补片阵列，具有多个馈送和接地平面的馈送阵列；
所述馈送阵列的每个馈送分别耦合到所述至少一个平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片；
所述至少一个平面补片阵列的每个补片与所述低频带中的频率共振，并透明于所述高频带中的频率；
所述接地平面反射所述低频带中的频率，并透明于所述高频带中的频率；
所述第二平面阵列天线单元包括至少一个具有前表面和后表面的绝缘板，一个接地平面，具有多个补片的至少一个平面补片阵列，以及具有多个馈送的馈送阵列，所述馈送阵列的每个馈送分别耦合到所述至少一个平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片。
2．根据权利要求1的平面天线组件，其中所述第一平面阵列天线单元包括第一绝缘板和具有多个补片的第一平面补片阵列，所述第一平面补片阵列和所述馈送阵列位于所述第一绝缘板的前表面，所述馈送阵列的每个馈送分别电耦合到所述第一平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片，所述接地平面位于所述第一绝缘板的所述后表面。
3．根据权利要求2的平面天线组件，还包括第二绝缘板和具有多个补片的第二平面补片阵列，所述第二平面补片阵列位于所述第二绝缘板的前表面，所述第二绝缘板的所述后表面面向所述第一绝缘板的前表面，所述第一平面补片阵列的每个补片基本上分别对准所述第二平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片。
4．根据权利要求1的平面天线组件，其中所述第一平面阵列天线单元包括第一和第二绝缘板和第一平面补片阵列，所述第一平面补片阵列位于所述第一绝缘板的前表面，所述馈送阵列位于所述第一绝缘板的后表面，所述馈送阵列的每个馈送分别电磁耦合到所述第一平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片，所述接地平面位于所述第二绝缘板的所述后表面，所述第二绝缘板的前表面面向所述第一绝缘板的后表面。
5．根据权利要求1的平面天线组件，其中所述第一平面阵列天线单元包括第一和第二绝缘板和具有多个补片的第一平面补片阵列，所述第一平面补片阵列位于所述第一绝缘板的前表面，所述接地平面位于所述第一绝缘板的后表面，所述接地平面具有多个孔，所述第二绝缘板的前表面面向所述第一绝缘板的后表面，所述馈送阵列位于所述第二绝缘板的后表面，所述馈送阵列的每个馈送分别通过所述接地平面的所述多个孔中的对应孔电磁耦合到所述第一平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片，所述孔与所述低频带中的频率共振。
6．根据权利要求4或5的平面天线组件，还包括第三绝缘板和具有多个补片的第二平面补片阵列，所述第二平面补片阵列位于所述第三绝缘板的前表面，所述第三绝缘板的所述后表面面向所述第一绝缘板的前表面，所述第二平面补片阵列的每个补片基本上分别对准所述第一平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片。
7．根据权利要求1的平面天线组件，其中所述第一平面阵列天线单元包括第一和第二绝缘板和具有多个补片的第一平面补片阵列，所述第一平面补片阵列位于所述第一绝缘板的前表面，所述接地平面位于所述第一绝缘板的后表面，所述第一绝缘板与所述第二绝缘板在空间上分离，从而形成天线室，所述馈送阵列位于所述第二绝缘板的后表面，所述馈送阵列的每个馈送分别通过多个馈送探针电耦合到所述第一平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片，所述第二平面天线单元位于所述天线室。
8．根据权利要求7的平面天线组件，还包括第三绝缘板和具有多个补片的第二平面补片阵列，所述第二平面补片阵列位于所述第三绝缘板的前表面，所述第三绝缘板的所述后表面面向所述第一绝缘板的前表面，所述第二平面补片阵列的每个补片基本上分别对准所述第一平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片。
9．根据权利要求1的平面天线组件，其中所述第二平面阵列天线单元包括第一绝缘板和具有多个补片的第一平面补片阵列，所述第一平面补片阵列和所述馈送阵列位于所述第一绝缘板的前表面，所述馈送阵列的每个馈送分别电耦合到所述第一平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片，所述接地平面位于所述第一绝缘板的所述后表面。
10．根据权利要求9的平面天线组件，还包括第二绝缘板和具有多个补片的第二平面补片阵列，所述第二平面补片阵列位于所述第二绝缘板的前表面，所述第二绝缘板的所述后表面面向所述第一绝缘板的前表面，所述第一平面补片阵列的每个补片基本上分别对准所述第二平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片。
11．根据权利要求1的平面天线组件，其中所述第二平面阵列天线单元包括第一和第二绝缘板和第一平面补片阵列，所述第一平面补片阵列位于所述第一绝缘板的前表面，所述馈送阵列位于所述第一绝缘板的后表面，所述馈送阵列的每个馈送分别电耦合到所述第一平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片，所述接地平面位于所述第二绝缘板的所述后表面，所述第二绝缘板的前表面面向所述第一绝缘板的后表面。
12．根据权利要求1的平面天线组件，其中所述第二平面阵列天线单元包括第一和第二绝缘板和具有多个补片的第一平面补片阵列，所述第一平面补片阵列位于所述第一绝缘板的前表面，所述接地平面位于所述第一绝缘板的后表面，所述接地平面具有多个孔，所述第二绝缘板的前表面面向所述第一绝缘板的后表面，所述馈送阵列位于所述第二绝缘板的后表面，所述馈送阵列的每个馈送分别通过所述接地平面的所述多个孔中的对应孔电磁耦合到所述第一平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片，所述孔与所述高频带中的频率共振。
13．根据权利要求11或12的平面天线组件，还包括第三绝缘板和具有多个补片的第二平面补片阵列，所述第二平面补片阵列位于所述第三绝缘板的前表面，所述第三绝缘板的所述后表面面向所述第一绝缘板的前表面，所述第二平面补片阵列的每个补片基本上分别对准所述第一平面补片阵列的所述多个补片中的对应补片。
14．根据权利要求2到6中任意一项的平面天线组件，其中所述第二平面天线单元按照权利要求9，所述第一和第二平面天线单元由具有前表面和后表面的绝缘板隔离，所述绝缘板的所述前表面和后表面分别面向所述第一和第二平面天线单元。
15．根据权利要求2到6中任意一项的平面天线组件，其中所述第二平面天线单元按照权利要求10，所述第一和第二平面天线单元由具有前表面和后表面的绝缘板隔离，所述绝缘板的所述前表面和后表面分别面向所述第一和第二平面天线单元。
16．根据权利要求2到6中任意一项的平面天线组件，其中所述第二平面天线单元按照权利要求11，所述第一和第二平面天线单元由具有前表面和后表面的绝缘板隔离，所述绝缘板的所述前表面和后表面分别面向所述第一和第二平面天线单元。
17．根据权利要求2到6中任意一项的平面天线组件，其中所述第二平面天线单元按照权利要求12，所述第一和第二平面天线单元由具有前表面和后表面的绝缘板隔离，所述绝缘板的所述前表面和后表面分别面向所述第一和第二平面天线单元。
18．根据权利要求2到6中任意一项的平面天线组件，其中所述第二平面天线单元按照权利要求13，所述第一和第二平面天线单元由具有前表面和后表面的绝缘板隔离，所述绝缘板的所述前表面和后表面分别面向所述第一和第二平面天线单元。
19．根据权利要求7或8的平面天线组件，其中所述第二平面天线单元按照权利要求9并位于所述天线室内，其绝缘板插入在所述第二天线单元和所述第一天线单元的所述接地平面之间。
20．根据权利要求7或8的平面天线组件，其中所述第二平面天线单元按照权利要求10并位于所述天线室内，其绝缘板插入在所述第二天线单元和所述第一天线单元的所述接地平面之间。
21．根据权利要求7或8的平面天线组件，其中所述第二平面天线单元按照权利要求11并位于所述天线室内，其绝缘板插入在所述第二天线单元和所述第一天线单元的所述接地平面之间。
22．根据权利要求7或8的平面天线组件，其中所述第二平面天线单元按照权利要求12并位于所述天线室内，其绝缘板插入在所述第二天线单元和所述第一天线单元的所述接地平面之间。
23．根据权利要求7或8的平面天线组件，其中所述第二平面天线单元按照权利要求13并位于所述天线室内，其绝缘板插入在所述第二天线单元和所述第一天线单元的所述接地平面之间。
24．根据权利要求1到23中任意一项的平面天线组件，其中所述第一平面阵列天线单元被设计用于收发圆极电磁辐射，其特征在于：
所述第一平面阵列天线单元的所述至少一个补片阵列被分组成2×2补片子阵列，顺时针或逆时针方向每个补片子阵列的次序为第一、第二、第三和第四子阵列成员；所述第一平面阵列天线单元的所述馈送阵列的所述馈送被分组成2×2馈送子阵列，顺时针或逆时针方向每个馈送子阵列的次序为第一、第二、第三和第四子阵列成员；给定馈送子阵列的每个成员与给定补片子阵列的一个成员相关联，给定关联子阵列中的馈送和补片相对于前一子阵列成员旋转了90°。
25．根据权利要求1到23中任意一项的平面天线组件，其中所述第二平面阵列天线单元被设计用于收发圆极电磁辐射，其特征在于：
所述第二平面阵列天线单元的所述至少一个补片阵列被分组成2×2补片子阵列，顺时针或逆时针方向每个补片子阵列的次序为第一、第二、第三和第四子阵列成员；所述第二平面阵列天线单元的所述馈送阵列的所述馈送被分组成2×2馈送子阵列，顺时针或逆时针方向每个馈送子阵列的次序为第一、第二、第三和第四子阵列成员；给定馈送子阵列的每个成员与给定补片子阵列的一个成员相关联，给定关联子阵列中的馈送和补片相对于前一子阵列成员旋转了90°。
26．根据权利要求1到23中任意一项的平面天线组件，其中所述第一天线单元按照权利要求24，而所述第二天线单元按照权利要求25。
27．根据上述权利要求中任意一项的平面天线组件，其中第一天线单元工作于其上的所述低频带是L频带，而第二天线单元工作于其上的所述高频带是Ku频带。
28．根据上述权利要求中任意一项的平面天线组件，还包括一个天线罩。
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