專利名稱：微帶天線陣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
，通常用拋物面天線來接收廣播衛(wèi)星傳輸?shù)碾姶挪?。拋物面天線架設(shè)在屋頂或陽臺(tái)上，以便瞄準(zhǔn)衛(wèi)星。拋物面天線包括一個(gè)反射器，一個(gè)輻射元和一個(gè)轉(zhuǎn)換器，后二者安裝在反射器的焦點(diǎn)位置。因此，此種類型的天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大且笨重。遇到大風(fēng)，如臺(tái)風(fēng)，此種拋物面天線極易損壞。在多雪地區(qū)，當(dāng)過多的雪積壓在天線上后，電磁波將被吸收掉。另外，安裝拋物面天線也有損于建筑物的外觀。
除了上述拋物面天線外，也使用一種平面型微帶天線陣來接收廣播衛(wèi)星有效頻帶(例如約12GHz帶寬)內(nèi)的電磁波。由于此種平面型天線能夠沿墻或與此類似地架設(shè)，所以大風(fēng)對(duì)其影響比較小，并且對(duì)建筑物的外觀影響也較小。
然而這種類型的普通平面型微帶天線陣輻射出的波束的方向與該天線平面方向是垂直的。如

圖1所示，如果要將其對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，平面型天線就得傾斜。這樣一來，天線1也變得易受大風(fēng)的影響，雪也可以積壓其上對(duì)廣播衛(wèi)星傳輸?shù)碾姶挪óa(chǎn)生衰減。另外，如果平面型天線以此種方式傾斜架設(shè)，它也同樣會(huì)破壞建筑物的外觀。
為了避免這種不利的情況，最好平面天線具有一個(gè)波束傾斜功能或特性，即，使從該天線輻射出來的波束偏離與天線平面垂直的方向。在日本的典型緯度區(qū)，通過給定天線一個(gè)波束向上的例如23°的傾斜量，就能夠使平面天線1大致地沿建筑物2豎直架設(shè)，如圖2所示。用這種方法安裝天線1，能夠減小大風(fēng)的影響，避免天線上積雪，對(duì)建筑物2外觀的影響也可減小。
上邊提到的波束傾斜功能，可通過給定構(gòu)成天線陣的多個(gè)輻射元的相位差而獲得。圖3和4是用于圓形極化波的先有技術(shù)的平面型微帶天線陣的一部分，其結(jié)構(gòu)如下。圖3是該天線的部分平面圖，圖4是沿圖3中4-4線剖開的剖視圖。這種天線是通過在接地基板5上重疊放置第一和第二塊印制板7和8，并在其間填以電介質(zhì)層6而形成的。帶有預(yù)定圖案的饋電線9在第一塊印制板7上形成，而在第二塊印制板8上形成導(dǎo)電薄膜。去掉一部分導(dǎo)電薄膜而形成多個(gè)輻射槽10，每一個(gè)輻射槽在其中心留有部分導(dǎo)電薄膜，于是形成了饋電塊11。槽10和塊11構(gòu)成多個(gè)輻射元13a～13d。饋電線9與輻射元的饋電塊11以電磁方式耦合。相移部分12在饋電線的中部形成，在每?jī)蓚€(gè)相鄰的輻射元之間產(chǎn)生相位延遲。此種相位延遲可調(diào)節(jié)到，例如傳輸電磁波的四分之一波長(zhǎng)λg。在此種設(shè)置中，可向天線提供大約23°的波束傾斜量。
為獲得以此種方式制造的平面型微帶天線陣的最大效率，每?jī)蓚€(gè)相鄰輻射元之間的距離必須設(shè)定在自由空間中電磁波波長(zhǎng)λo的80%到90%之間。另外，在具有前述的波束傾斜功能的天線陣中，實(shí)際的電磁輻射成柵狀波瓣不可避免地出現(xiàn)在并不需要的方向上。要避免這些柵狀波瓣，每一對(duì)用來給出相差的輻射元之間的距離d就必須設(shè)定在例如0.64λo或更小一些。如果要將天線陣設(shè)計(jì)成最適合于廣播衛(wèi)星的12GHZ帶寬，考慮到這個(gè)要求，每一輻射元的輻射槽10的外徑大約為14mm，距離d大約為16mm。相應(yīng)地，每一對(duì)用來給出相差的輻射元的輻射槽的圓型外沿之間的間隙分別大約為2mm，這個(gè)間隙并不很大。另外，因?yàn)橄嘁撇糠?2形成在饋電線9端部的中間，所以饋電線的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。正象圖3中符號(hào)A、B、C所指的這些部分，饋電線距輻射元如此接近以致于在其間產(chǎn)生不需要的電磁耦合，使天線的增益降低。如果將饋電線的寬度減小以增大饋線與輻射元之間的距離，從而避免這些不需要的電磁耦合，那么在饋電線上將會(huì)產(chǎn)生很大的損耗，因此天線增益也同樣被降低。
如上所述，帶有波束傾斜功能的通用平面型天線陣降低增益，而且如果饋電線的結(jié)構(gòu)如此復(fù)雜，那么在分叉和彎曲部分相位是不對(duì)稱的。因此，阻抗匹配困難，并且增益較低。
本發(fā)明旨在提供一種波束傾斜式微帶天線陣，并且不降低天線的增益和性能。
為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，根據(jù)本發(fā)明，每一對(duì)圓形極化波的輻射元按預(yù)定的相互旋轉(zhuǎn)角在平面型天線的平面內(nèi)安放。饋電線的端頭以分別配對(duì)地與輻射元對(duì)應(yīng)的方式制成，因此，如從其分叉部分測(cè)量，它們的電長(zhǎng)度是相等的。這種設(shè)置在配對(duì)的輻射元之間產(chǎn)生相移，可產(chǎn)生一種理想的波束傾斜。根據(jù)本發(fā)明，相移部分不必要在與輻射元對(duì)應(yīng)的饋電線端中部形成，因此饋電線的總結(jié)構(gòu)是簡(jiǎn)單的。并且，饋電線和輻射元之間的間隙能夠做得足夠?qū)捯员苊庠陴侂娋€與輻射元之間產(chǎn)生不需要的電磁耦合，因而保證了對(duì)天線增益和性能的改善。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，對(duì)每一靠近饋電線的輻射元的外部結(jié)構(gòu)作了部分地調(diào)整，所以加寬了輻射元和饋電線之間的間隙。在此種結(jié)構(gòu)中，雖然輻射元自身性能有所降低，但在輻射元和饋電線之間的無用電磁耦合減少了，因此，從整體上講，天線的增益和性能還是得到了改善。
下邊結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明及其實(shí)施例。附圖中圖1是一個(gè)不帶波束傾斜功能的平面型天線架設(shè)在建筑物上的情形的示意圖;
圖2是一個(gè)帶有波束傾斜功能的平面型天線架設(shè)在建筑物上的情形的示意圖;
圖3是先有技術(shù)中帶有波束傾斜功能的微帶天線陣的部分設(shè)計(jì)圖;
圖4是圖3中沿4-4線剖開的部分剖視圖;
圖5是表示本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例的平面型微帶天線陣外輪廓的透視圖;
圖6是圖5所示天線的分解透視圖;
圖7是一個(gè)饋電線印制板的部分設(shè)計(jì)圖;
圖8是一個(gè)輻射元印制板的部分設(shè)計(jì)圖;
圖9是重疊的輻射元和饋電線之間的位置關(guān)系圖;
圖10是沿圖9中線10-10剖開的剖視圖;
圖11是根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例天線的部分設(shè)計(jì)圖;
圖12是第一個(gè)實(shí)施例的天線的特性曲線圖;
圖13是第二個(gè)實(shí)施例的天線的特性曲線圖;
圖14是根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例中輻射元和饋電線之間的位置關(guān)系圖;
圖5至圖10表示本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例。該實(shí)施例中的30是一個(gè)用于圓極化波的平面型微帶天線陣。圖5表示天線30的外型，圖6是該天線的分解透視圖。天線30包括一個(gè)淺托盤形金屬底板31，兼作接地基板。第一電介質(zhì)層32、饋電線印制板33、第二電介質(zhì)層34、輻射元印制板35、保護(hù)板36和蓋子37一層一層地順序重疊在底板31之前。蓋子37和底板31的對(duì)應(yīng)邊沿部分由框架38、39和40連接固定起來，這樣就將上述各分離部分裝配在一起。第一和第二電介質(zhì)層32和34用電介質(zhì)材料如發(fā)泡聚乙烯制成。蓋子37用合成樹脂或纖維加強(qiáng)型塑料材料制成。最好在蓋子37的表面涂一層薄膜，如象氟化物樹脂或“TEDLER”薄膜(商標(biāo);由美國(guó)DuPontdeNemours&Co.生產(chǎn))，這種材料很少受天氣影響，抗水、經(jīng)臟，不會(huì)輕意被雪、冰或塵土等物弄臟。保護(hù)板36用較厚的高度絕熱材料，如象發(fā)泡聚苯乙烯制成。板36用來保護(hù)輻射元印制板35等免受陽光照射引起的溫度升高，并保護(hù)它們免受硬物撞擊蓋37時(shí)可能引起的機(jī)械損壞。
變頻器45安裝在底板31的后面。它與饋電線印制板33用波導(dǎo)46以電磁耦合方式相連接。波導(dǎo)46被彎成90°角，以便使變頻器45平行安裝于底板31的后面。采用此種結(jié)構(gòu)，整個(gè)天線結(jié)構(gòu)的總厚度可以減少。
圖7和圖8分別表示饋電線印制板33和輻射元印制板35的排列情況。在饋電線板33中，饋電線51是由具有圖7所示的圖案的導(dǎo)電薄膜組成，它在電介質(zhì)薄膜基片50上生成。另一方面，如圖8所示，多對(duì)圓極化波輻射元62a～65a和62b～65b都做在輻射板35上。這些輻射元中的每一個(gè)都由圓形輻射槽66和圓型饋電塊67組傘２ 6由在電介質(zhì)薄膜60上挖去部分導(dǎo)體薄膜而形成，并在其中心部分留下部分導(dǎo)體薄膜形成饋電塊67。在塊67的圓周上形成一對(duì)凹口68，相互徑向?qū)?yīng)。進(jìn)一步地，多個(gè)饋電端頭對(duì)52a～55a和52b～55b在饋電線板33的饋電線51上生成，分別與輻射元相對(duì)應(yīng)。如圖9和圖10所示，印制板33和35中間夾上第二塊電介質(zhì)片34后重疊起來。饋電線與其對(duì)應(yīng)的輻射元以電磁方式耦合，即分別與下邊的輻射元中的各饋電塊一致。更具體地說，第一個(gè)饋電對(duì)52的饋電端52a和52b與第一個(gè)輻射元對(duì)62中的饋電塊62a和62b分別耦合;第二饋電對(duì)53的端頭53a和53b與第二輻射元對(duì)63中的饋電塊63a和63b耦合;第三對(duì)54的端頭54a和54b與第三輻射對(duì)64的饋電塊64a和64b耦合;第四對(duì)55的55a和55b與第四對(duì)輻射元65的65a和65b耦合。每對(duì)饋電端頭都由第一分叉口56連接起來，每?jī)蓚€(gè)相鄰的饋電對(duì)由它們對(duì)應(yīng)的第二分叉口57連接起來。第一、第二饋電對(duì)52和53和第三、第四饋電對(duì)54和55通過它們相應(yīng)的分叉口58連接起來。在天線平面內(nèi)，每對(duì)輻射元都以相互旋轉(zhuǎn)90°的角度設(shè)置。即第一、第二、第三和第四對(duì)62、63、64、65中的輻射元62b、63b、64b和65b分別與輻射元62a、63a、64a和65a成90°角。而饋電線端頭部分則與輻射元的位置關(guān)系相一致。即第一、第二、第三和第四饋電對(duì)52、53、54和55中的52b、53b、54b和55b端分別與52a、53a、54a和55a端成90°角。每個(gè)輻射元的凹形口68與每個(gè)饋電線端的延長(zhǎng)線的夾角被設(shè)置成45°。右旋圓極化波的電磁波束從這些輻射元中輻射。
在每對(duì)輻射元之間制成90°相移，即在輻射元62a和62b之間，63a和63b之間，64a和64b之間，及65a和65b之間形成90°相移。該饋電線的各饋電端具有相同的電長(zhǎng)度，并且第一和第二分叉口56和57之間的電距離是相同的。相移端59分別在第二對(duì)53中的第二和第三叉口57和58之間和第四對(duì)55中的第二和第三叉口57和58之間形成。每個(gè)相移端59產(chǎn)生一個(gè)180°的相位延遲。因此輻射元62b、63a和63b被分別延遲90°、180°和270°，滯后于每個(gè)對(duì)應(yīng)的輻射元62a。同樣，64b，65a和65b分別延遲90°、180°和270°，滯后于每個(gè)對(duì)應(yīng)的輻射元64a。輻射元62a和64a相位相同，即前者比后者相位滯后360°。由于輻射元63b比輻射元62a相位滯后270°，所以在輻射元63b和64a之間產(chǎn)生一個(gè)90°的相位延遲。因而，在每?jī)蓚€(gè)相鄰的輻射元之間都有一個(gè)90°的相位延遲。波束傾斜就是通過這些相鄰輻射元之間的相移而產(chǎn)生的。設(shè)在自由空間電磁波的波長(zhǎng)、兩相鄰輻射元的旋轉(zhuǎn)角和兩相鄰輻射元之間的距離分別為λo、α°和d，則波束傾斜角由下式給出θ＝Sin-1(αλo/2πd)在上邊介紹的實(shí)施例中，α＝90°，d＝0.65λo，在此情況下，波束傾角θ大約為23°。
圖7和圖8僅為饋電線印制板33和輻射元印制板35部分示意圖。對(duì)于沒有畫出的部分。饋電線和輻射元的構(gòu)成與上述圖案相同。
另外，在此例中，具有相移的兩相鄰輻射元之間(如62a和62b之間，或者62b和63a之間)的距離被設(shè)置成0.64λo，在具有相同相位的兩相鄰輻射元之間(如62a和62a之間，或者65b和65b之間)的距離被置成0.8λo。通過以這種方式設(shè)置距離，天線可發(fā)揮最大效率，而不需要的柵狀波瓣的產(chǎn)生最小。進(jìn)一步地，在此實(shí)施例中，饋電線51的阻抗選為100歐姆。饋電線51的寬度變化各點(diǎn)不一，借以將每個(gè)輻射元的阻抗與該線的阻抗相匹配。
圖12表示根據(jù)上述實(shí)施例的天線和先有技術(shù)天線的特性曲線的對(duì)比情況。在圖12中，曲線P表示圖3所示的普通16-元平面型微帶天線陣的特性，該天線帶寬為12GHZ。曲線E表示根據(jù)圖7到10所示的本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的16-元微帶天線陣的特性曲線。象圖12中所看到的那樣，普通天線的效率η為46%，而本發(fā)明天線的效率η為70%。由此可見，本發(fā)明天線的效率比普通天線的高。
圖11表示本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例。第二實(shí)施例的天線具有與圖5～10所示的第一個(gè)實(shí)施例的天線大致相同的結(jié)構(gòu)。第二個(gè)實(shí)施例與第一個(gè)實(shí)施例不同之處在于，對(duì)在輻射元72中間靠近饋電線71的輻射元72a的外部結(jié)構(gòu)作了部分處理。具體地說，每一個(gè)輻射元72a在其一邊73上有一段直線邊73，這個(gè)直線邊是通過切掉靠近71一邊的輻射元的圓形外沿部分而形成的。邊沿73的作用在于在輻射元72a和饋電線71之間保持一個(gè)較寬的間隙。在此實(shí)施例中，每?jī)上噜忀椛湓?2a的對(duì)應(yīng)邊沿之間的距離被設(shè)置成，例如6mm。雖然以此種方式構(gòu)成的輻射元72a輻射效率降低了，但是，在輻射元72a和饋電線71之間的無用電磁耦合也減少了。因而整體上天線的效率得到了提高。圖13是與第一種實(shí)施例比較的第二種實(shí)施例的天線效率改善狀況的特性曲線示意圖。如圖13所示，在天線的工作帶寬內(nèi)，增益得到了提高。
圖14為本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例，在這種設(shè)計(jì)中，饋電線151和圓極化波輻射元163a及163b(每個(gè)輻射元由一個(gè)輻射塊組成)都在同一塊印制板上制成。輻射元163a和163b各帶有一個(gè)對(duì)凹型缺口168。饋電線151的端頭153a和153b分別直接與輻射元163a和163b耦合。兩相鄰的饋電端被設(shè)置為相互成90°夾角。除此之外，第三個(gè)實(shí)施例與第一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)相同。
在上述實(shí)施例中，在每?jī)蓚€(gè)相鄰的圓極化波輻射元之間給出90°的相移。對(duì)于接收衛(wèi)星廣播的天線來說，這個(gè)相移角度是最合適的。因此，使用90°的相差，通過調(diào)整饋電線可分別地包含在兩個(gè)相鄰對(duì)中的四個(gè)輻射元的相位角設(shè)置成0°、90°、180°和270°，所以在相鄰對(duì)之間給出180°的相差。因此，這種情況只要將饋電線設(shè)計(jì)成便于在兩個(gè)相鄰對(duì)之間給出180°的相移即可。這樣一來，饋線的結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化。90°的相移實(shí)現(xiàn)了約23°的波束傾斜。在一般的情況下，通過給定平面型天線一個(gè)23°的波束傾角，在實(shí)際應(yīng)用中可使天線與鉛垂方向的安裝角度做得足夠小。例如，在札幌(約北緯44°)，接收來自地球同步軌道的廣播衛(wèi)星電磁波的接收角(波角)為31.2°，因此，平面天線能夠以與鉛直方向夾角為8.2°角安裝。在東京(約為北緯36°)，接收來自廣播衛(wèi)星的電磁波的接收角(波角)是38.0°，因此平面型天線能夠以與鉛垂方向夾角為15°角安裝。在一般情況下，平面天線可靠近大致沿建筑物墻壁或類似位置架設(shè)。因此，天線受大風(fēng)影響的可能性較小，雪等不會(huì)在天線上積累，并且天線的架設(shè)對(duì)建筑物的外觀影響較小。很明顯，可行的做法是，對(duì)于高緯度地區(qū)，天線的波束傾斜角可以做得小些，而低緯度地區(qū)的天線，可以做得大些。可在30°～150°的范圍內(nèi)任意選擇相差，以便設(shè)置波束傾斜角。
應(yīng)該理解到，本發(fā)明并不局限于上述幾個(gè)實(shí)施例，并且在不脫離本發(fā)明的構(gòu)想和精神的情況下，本領(lǐng)域的專業(yè)人員可能會(huì)在其中做出各種改變或調(diào)整。
權(quán)利要求
1.一種有波束傾斜功能的平面型微帶天線陣天線，它包括一個(gè)由多個(gè)圓極化波輻射元和一條與這些輻射元以電磁方式耦合的饋電線組成的天線陣，其特征在于所述的圓極化波輻射元被組成多個(gè)對(duì)，每一所述的對(duì)中的一個(gè)輻射元在平面型天線的平面內(nèi)被以與另一個(gè)輻射元成一個(gè)旋轉(zhuǎn)角α°的方式排放；所述的饋電線由分別與圓極化波輻射元對(duì)相對(duì)應(yīng)的多個(gè)饋電線端頭對(duì)提供，所述的饋電線端頭對(duì)均在分叉口部位分叉，且電長(zhǎng)度相等；和所述的角度α的設(shè)置須滿足下式θ=sin-1(αλo/2πd)其中，θ°是希望的波束傾角，d為每對(duì)中兩個(gè)圓極化波輻射元之間的距離。λo為自由空間電磁波的波長(zhǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的天線，其特征在于所述圓極化波輻射元對(duì)中的各個(gè)輻射元的方向角之間的差角α為90°，用于在相鄰對(duì)之間產(chǎn)生180°相差的相移部分在所述的饋電線的中部形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的天線，其特征在于所述饋電線在一塊饋電印制板上形成，和所述的輻射元在一塊輻射元印制板上形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的天線，其特征在于所述多個(gè)圓極化波輻射元中處于靠近饋電線的那些輻射元，其外部輪廓被部分地削切，從而使得所述圓極化波輻射元和饋電線之間間隙加大。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的天線，其特征進(jìn)一步包括一個(gè)用電導(dǎo)體材料制成的淺托盤形底板;一個(gè)由合成樹脂泡沫材料制成、置于該底板前面的第一電介質(zhì)層，所述饋電線印制板重疊在此第一電介質(zhì)層前面;一個(gè)由合成樹脂泡沫材料制成、置于饋電線印制板前面的第二電介質(zhì)層，所述的輻射元印制板重疊于此第二電介質(zhì)層前面;一個(gè)由合成樹脂泡沫材料制成，重疊于輻射元印制板前的保護(hù)板;和一個(gè)重疊于保護(hù)板前面，其邊沿線部分分別與所述底板對(duì)應(yīng)連接在一起的蓋子。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的天線，其特征在于所述饋電線和所述圓極化波輻射元在同一塊印制板上形成，彼此直接耦合。
全文摘要
一種具有波束傾斜功能的微帶天線陣，包括多個(gè)圓極化波輻射元對(duì)(63a、63b)，通過在該天線平面內(nèi)預(yù)置角度使每對(duì)中的兩個(gè)輻射元之間方向角不同，產(chǎn)生相差，從而產(chǎn)生波束傾斜；一個(gè)向輻射元供電的饋電線51，它包括多對(duì)分別向輻射元對(duì)對(duì)應(yīng)分開的兩個(gè)端頭組成的饋電端(53a、53b)；配對(duì)的饋電端電長(zhǎng)度相等；因?yàn)橛糜诋a(chǎn)生相差的無相移部分形成于配對(duì)的饋電端(53a、53b)之間，饋電線的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)H01H50/02GK1037993SQ8910334
公開日1989年12月13日 申請(qǐng)日期1989年5月18日 優(yōu)先權(quán)日1988年5月20日
發(fā)明者皆瀨淳, 広原直也, 笠原浩, 若生伊市, 金子洋一 申請(qǐng)人:八木天線株式會(huì)社