專利名稱：微波平面陣列天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于例如接收衛(wèi)星廣播的平面陣列型微波天線。
在具有許多構(gòu)成輻射元件部分的開孔的金屬板或鍍金屬塑料板之間夾有基片的懸浮線饋電型平面天線中，已提出一種圓偏振波平面天線陣。在這種以前提出的天線中，在一公共平面上形成相互垂直、其數(shù)量對(duì)應(yīng)于孔的數(shù)量的激勵(lì)探頭對(duì)，并且饋給該激勵(lì)探頭對(duì)的信號(hào)在懸浮線內(nèi)同相混合。
因此，與現(xiàn)有天線相比較，上述平面天線可以減小厚度，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可得到簡化。而且，可將市場上可購得的便宜基片用在高頻應(yīng)用中，獲得的天線增益等于或大于使用昂貴微波帶狀線路基片的平面天線的增益。
懸浮線路獲得如下優(yōu)點(diǎn)，它形成低損耗路線作為饋給平面天線的電路，以及它可以在便宜的薄膜成形基片上形成等等。再者，由于這種常規(guī)平面天線使用圓形或長方形波導(dǎo)開孔元件作為輻射元件，所以可構(gòu)成在相當(dāng)寬頻率范圍內(nèi)具有小的增益偏差的天線陣。
已經(jīng)提出一種所謂插接線隙縫天線陣，該天線陣有效利用懸浮線和薄型輻射元件特性以提供高效率和寬帶寬。另外，這種類型天線陣可以減小厚度和重量(參見我們于1988年7月25日共同未決的美國專利申請(qǐng)系列號(hào)第223，781號(hào))。
在將基片夾在一對(duì)金屬或鍍金屬塑料板之間的懸浮線饋電型平面天線陣中，在對(duì)應(yīng)于穿透金屬或鍍金屬塑料板而形成的開孔的基片位置上形成許多諧振印制插接線輻射器。
然而，在美國專利申請(qǐng)系列號(hào)第223，781號(hào)中描述的平面天線陣在多個(gè)諧振型印制插接線輻射器周圍形成作為其支撐部分的邊緣，因此困難的切割工序是不可避免的，這使得不可能高效的大批量生產(chǎn)這種天線。而且，這使天線非常昂貴。
為了解決上述問題，已提出一種懸浮線饋電型平面天線陣(參見我們共同未決的美國專利申請(qǐng)系列號(hào)第258，728號(hào))，其中基片夾在具有許多開孔的上板和對(duì)著上板的下板之間。特別地，在這種以前提出的懸浮線饋電型平面天線陣中，在上下板各自相應(yīng)位置由沖壓處理形成凸起部并且由這些突起部支撐基片。按照這種天線，不需要困難的切割加工，而僅要求簡單的沖壓處理，這使高效大批量生產(chǎn)成為可能。還可使得天線價(jià)格便宜。


圖1示出多個(gè)圓偏振波輻射元件由懸浮線同相位饋電而形成天線陣的一種線路配置。在該情況下，圓偏振波輻射元件與在美國專利申請(qǐng)系列號(hào)第258，728中描述的一樣。圖2中的實(shí)線示出圖1中通過線Ⅱ-Ⅱ切斷的部分。圖2的虛線部分示出這樣一種情況，即第二金屬板2覆蓋圖1所示配置的頂部。
在第一金屬板1上導(dǎo)電箔8和懸浮線之間位置上形成許多凸起部11，用以支撐基片3。如所示出的，在第一金屬板上沿平面天線陣的外圍部分還形成有凸起部11。第一金屬板1的其它部分形成空腔7。故而存在相當(dāng)大的如下危險(xiǎn)，即來自多個(gè)導(dǎo)電箔8的輸出可能通過相同空腔7傳遞并因此上述輸出信號(hào)會(huì)相互耦合。但是，如果適當(dāng)選擇相鄰導(dǎo)電箔8之間的間隔以及空腔部分7的上下壁之間的間隔，可以達(dá)到必要的絕緣，由此消除上述相互耦合的危險(xiǎn)。因?yàn)榇蟛糠蛛娏€集中于每個(gè)空腔部分7的上和下壁，基本上消除沿支撐導(dǎo)電箔8的基片3的電場，因此降低介質(zhì)損耗。結(jié)果，降低了線路的傳輸損耗。
在第二金屬板2上也形成對(duì)應(yīng)于第一金屬板的凸起部和空腔部分。更準(zhǔn)確地說，在第二金屬板2上圍繞穿透該板的隙縫5和位于導(dǎo)電箔8與懸浮線之間的饋電部分的邊緣形成凸起部12以支撐基片3，而在凸起部之間的其它部分構(gòu)成空腔部分7。
由如上所述形成的凸起部11和12均勻支撐基片3，所以可以避免基片3向下彎曲。另外，因?yàn)榻饘侔?和2的頂部和底部如上面所述類似地圍繞各輻射元件、饋電部分等面對(duì)面與基片3接觸，故有可能防止在特定頻率發(fā)生任何諧振。
參照?qǐng)D1，16個(gè)輻射元件四個(gè)一組進(jìn)行排列，形成4個(gè)輻射元件組G1至G4。每組中懸浮線的接點(diǎn)P距離該組中心點(diǎn)λg/2(λg表示在中央頻率的傳輸線波長)的長度。每組中饋電給兩個(gè)輻射元件的懸浮線的接點(diǎn)P2和P3連接，每個(gè)點(diǎn)與這兩點(diǎn)之間的中心點(diǎn)有λg/4的位移。因此，在每組輻射元件中，右下側(cè)輻射元件在相位上與右上側(cè)輻射元件有90°的偏移，與左下側(cè)輻射元件則有180°的偏移，與左上側(cè)輻射元件有270°的偏移，這引起軸向比率的改善。換句話說，通過改變空間相位和饋線相位，軸向比率可改進(jìn)為更寬。就另一方面而言，任何兩個(gè)垂直或水平相鄰插接線輻射器具有彼此相差90°的分離方向。
在饋電給各個(gè)組的懸浮線中每組的接點(diǎn)P和接點(diǎn)P4至P6由這樣的方式相互連接，以使這些接點(diǎn)距離饋電部分9的饋電點(diǎn)10有相等的距離。亦即，通過改變饋電相位和功率分布率，通過改變接點(diǎn)P以及接點(diǎn)P4至P6的位置，可以獲得各種類型的方向特性。換言之，通過改變饋電點(diǎn)10與接點(diǎn)P以及與接點(diǎn)P4至P6的距離來改變饋電相位，通過增加或減小形成懸浮線各分支的線的厚度而改變阻抗率來改變幅度，由此方向性特征可在一個(gè)寬的變化范圍內(nèi)加以改變。
按照如圖1所示基片由許多凸起部支撐的方法，在導(dǎo)電箔之間金屬板對(duì)上形成凸起部，淀積在基片上的插接線隙縫型諧振印制元件與隙縫以及懸浮線同軸，因此在凸起部集中到一定程度的部分不會(huì)引起問題。但是，在凸起部形成得不均的地方，基片的中間部分不能得到均勻支撐。這樣，在向上和向下方向，部分地在由上部至下部方向上發(fā)生基片的位置移動(dòng)。在最壞的情況下，會(huì)使該基片松掉。此時(shí)即存在印制的輻射元件與金屬板接觸的危險(xiǎn)。因此，存在天線特性變壞的嚴(yán)重缺點(diǎn)，例如發(fā)生天線增益或類似性能的下降。
而且，由于必須在板對(duì)上對(duì)應(yīng)形成許多凸起部而增加了這些平板的制造工藝數(shù)并且生產(chǎn)率相當(dāng)?shù)汀?br> 因此，在具有許多開口的上板和對(duì)著上板的下板之間夾有一基片的懸浮線饋電型平面天線中，具有許多相應(yīng)開孔的墊片或隔片分別形成在上板和基片之間以及基片和下板之間，由此支撐基片。這樣，基片可以可靠支撐在上下板之間均勻間隔開的中間部分上。結(jié)果，在上和下板形成的凸起部可大大減少，這使得上板和下板的制造過程簡化并能夠增加產(chǎn)量(見日本專利申請(qǐng)63(1988)-199513號(hào))。
圖3示出在日本專利申請(qǐng)63(1988)-1995 13號(hào)中描述的平面天線陣結(jié)構(gòu)的剖面圖。在圖3中，標(biāo)號(hào)20表示后蓋，21表示下板，22表示隔片或墊片，23表示其上印制有許多諧振型印制插接線輻射器(輻射元件)23′的薄膜基片。24表示隔片或墊片，25表示上板，26表示由低泡苯乙烯制成的支撐緩沖墊，27表示天線屏蔽罩。在這種情況下，后蓋20厚度為3mm，上下板21、25和隔片22、24厚度分別為1mm，支撐墊26厚度為12至14mm，天線屏蔽罩27厚度為1mm。該平面天線陣的整個(gè)厚度約為20至22mm。
圖3所示這種以前提出的平面天線陣不能避免下列缺陷和缺點(diǎn)(1)由于輻射元件23和用作接地板的下板21間的距離為1mm，所以因薄膜基片23的松動(dòng)使得元件阻抗的變化增大和工作增益變化率增大。
(2)由于下板21和上板25之間距離2mm，饋電線損耗大。例如，當(dāng)傳輸線在12GHz頻率、寬度為1.5mm并且傳輸線特性阻抗Zo選擇為76Ω時(shí)，饋電線損耗是1.6至1.8dB/m。
(3)元件增益小(約6.5dB)。
(4)元件的阻抗匹配帶寬窄。
(5)由于諧振型印制插接線輻射器是饋電給一個(gè)饋電點(diǎn)的類型，因此圓偏振波帶窄且在4元件對(duì)之間必須以不同相位進(jìn)行饋電。
(6)因?yàn)槿秉c(diǎn)(4)和(5)，元件的激勵(lì)均衡不可能毫無困難地獲得。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的微波平面天線陣，該天線陣能夠基本上消除上述先有技術(shù)所遇到的不足和缺點(diǎn)。
更準(zhǔn)確地說，本發(fā)明的目的是提供一種微波平面天線陣，在該天線陣中諸如元件增益、元件阻抗匹配帶寬、激勵(lì)均衡或類似特性可得到改善而可保持其厚度的減小。
本發(fā)明的另一目的是提供一種適合于用在例如接收諸如衛(wèi)星廣播的微波傳輸中的微波平面天線陣。
作為本發(fā)明的一個(gè)方面，平面天線陣包含有多個(gè)孔的上板、下板，以及具有許多陣列元件的繪制圖案并位于上板和下板之間的電路板，其中下板在對(duì)應(yīng)上板中許多孔的相應(yīng)位置上形成有凹形區(qū)域。
本發(fā)明前述的和其它的目的，特征和優(yōu)點(diǎn)在正面結(jié)合附圖對(duì)例證性實(shí)施例的詳細(xì)描述中會(huì)變得更加明確。
附圖中圖1是常規(guī)平面天線陣的饋電線路的平面圖;
圖2是圖1中沿線Ⅱ-Ⅱ截取、說明該常規(guī)平面天線陣的截面圖，圖3是另一常規(guī)平面天線陣的截面圖;
圖4是常規(guī)平面天線陣的返回?fù)p耗對(duì)頻率的特性曲線圖;
圖5是說明本發(fā)明平面天線陣第一實(shí)施例的截面圖;
圖6是圖5所示本發(fā)明平面天線陣的饋電電路的平面圖;
圖7是說明按照本發(fā)明的平面天線陣第一實(shí)施例的主要部分的簡圖;
圖8是說明按照本發(fā)明的平面天線陣第二實(shí)施例主要部分的簡圖;以及圖9是本發(fā)明的平面天線陣的返回?fù)p耗對(duì)頻率的特性曲線圖。
現(xiàn)參照?qǐng)D5至圖9對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。
圖5示出按照本發(fā)明的平面天線陣第一實(shí)施例結(jié)構(gòu)的剖面圖。
在圖5中標(biāo)號(hào)30表示金屬或鍍金屬塑料板制作的下板，31表示由諸如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等具有低絕緣率和低損耗的絕緣高泡沫材料制成的墊片或隔片，32表示薄膜基片。在薄膜基片32上，通過印制工序形成有在圖6中示出的許多諧振型印制插接線輻射器。
圖6示出饋電線路的電路配置，由該配置形成天線陣的許多圓偏振輻射元件通過懸浮線同相饋接。當(dāng)圖1的輻射元件的直徑選擇為12mm時(shí)，圖6實(shí)施例的輻射元件32的直徑為9.6mm。而且，在該實(shí)施例中，輻射元件32′成對(duì)配置，相互以直角定向的輻射元件對(duì)的組成部分以不同的相位饋接，由此減少參數(shù)。從特性的觀點(diǎn)來講，對(duì)易于獲得元件的激勵(lì)均衡是平常有益的。
返回到圖5，標(biāo)號(hào)33表示類似于隔片31的墊片或隔片，34表示由金屬或鍍金屬化塑料板形成的薄板型結(jié)構(gòu)的上板，35表示由例如低泡沫苯乙烯制成的支撐緩沖墊，以及36表示天線屏蔽罩。
類似于現(xiàn)有技術(shù)，通過隔片31、33以及上板34與許多輻射元件32一致地形成許多開孔。
在該實(shí)施例中，與通過上板34形成的許多開孔校準(zhǔn)在下板30上形成凹入部分30′。亦即，增加從輻射元件32′至下板30的高度以提供預(yù)定高度d并且該預(yù)定高度d選定為例如5mm。
在圖2示出的現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)例中，相應(yīng)于預(yù)定高度d的尺寸是1mm。在如圖4所示的12GHz頻帶的區(qū)域中電壓駐波率(即，VSWR)保持小于1.4的帶寬約為300MHz。然而，當(dāng)將預(yù)定高度d選定為5mm時(shí)，如同在該實(shí)施例中，電壓駐波率保持小于1.4的帶寬在12GHz頻帶的附近約為700MHz，如圖9所示，這可能提供一個(gè)相當(dāng)寬的增益。因此，由于分布而帶來的輻射元件激勵(lì)均衡的惡化或諸如此類可以減小，阻抗的變化減小，由于基片松動(dòng)帶來的特性變化也可減小。另外，可以增加輻射元件的增益。換言之，通過選定輻射元件32和下板30間的高度d為5mm，能夠排除前面提到的現(xiàn)有技術(shù)的缺陷(1)至(4)和(6)，如第四頁至第五頁所列舉。
而且，按照該實(shí)施例，如圖7所示，在傳輸線(饋電接線)32″的相對(duì)邊，保持下板30和上板34間的墊片b，將該墊片選擇為4mm，而在現(xiàn)有技術(shù)中它為2mm。
更準(zhǔn)確地說，當(dāng)現(xiàn)有技術(shù)的饋電線損耗在從1.6至1.8dB/m的范圍內(nèi)時(shí)，如果傳輸線32″的線寬W在12GHz選擇為1.5mm，傳輸線的阻抗特性Zo選擇約111Ω，下板30和上板34間的間隔b象在該實(shí)施例中一樣選擇為4mm，則饋電線損耗可以改進(jìn)大約0.9至1.1dB/m。其原因在于薄膜基片的電介質(zhì)損耗通過增加間隔b而得到降低。盡管耦合量增加并趨向于發(fā)生更高程度的模式，但這些缺陷可通過選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)而消除。
與現(xiàn)有技術(shù)比較，通過增加與饋電線32′有關(guān)的下板30和上板34之間的間隔b，可以解決前面所述如第四頁至第五頁所列出的現(xiàn)有技術(shù)的問題(5)。
此外，在該實(shí)施例中，通過適當(dāng)?shù)剡x擇天線屏蔽罩36的厚度可以增加元件增益。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)將所述罩36的厚度度選擇為3mm時(shí)，與現(xiàn)有技術(shù)比較，元件增益可以由+2.5增加到2.9dB，這可以解決如第四頁至第五頁所列出的前述現(xiàn)有技術(shù)的問題(1)。
當(dāng)分別檢驗(yàn)圖5中相應(yīng)部分的厚度時(shí)，下板30的厚度為5mm，墊片或隔片31和33的厚度為2mm，上板34的厚度為1mm，支撐緩沖墊35的厚度為12至14mm以及天線屏蔽罩36的厚度為3mm。整個(gè)厚度變?yōu)?5至27mm，這適合于形成薄型平面天線陣，盡管與現(xiàn)有技術(shù)比較整個(gè)厚度略有增加。
圖8示出本發(fā)明第二實(shí)施例。在圖5的第一實(shí)施例中，下板30厚并且凹進(jìn)區(qū)30由切割處理或諸如此類的方法在其上形成，在圖8的配置中，整個(gè)下板30A是作為具有由壓模處理模制的凹進(jìn)部分30的薄平面板形成的。在圖5的情況下，下板30厚，因此不需要后蓋。然而，在圖8情況下，如果需要，后蓋可以附著在下板30上。
如上所述，按照本發(fā)明，由于上板是作為平的薄板形成并且在下板上與上板的許多開孔對(duì)齊形成凹進(jìn)部分，諸如元件增益、元件的阻抗匹配帶寬、激勵(lì)均衡或諸如此類的種種特性當(dāng)保持平面天線陣的厚度減小時(shí)都可以得到改進(jìn)。
參照附圖已描述了本發(fā)明的最佳實(shí)施例，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不局限于那些精確的實(shí)施例以及該領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)其進(jìn)行變更和修改而不脫離如所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的新穎概念的實(shí)質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.一種平面天線陣，它包括(a)具有許多開孔的上板，(b)下板，以及(c)具有許多陣列元件的印制輻射圖案并位于所述上板和所述下板之間的電路板，其中所述下板在對(duì)應(yīng)所述上板的所述許多孔的位置形成有凹進(jìn)部分。
2.如權(quán)利要求1所述平面天線陣，其特征在于所述下板比所述上板厚。
3.如權(quán)利要求1所述平面天線陣，其特征在于所述凹進(jìn)部分通過對(duì)所述下板沖壓加工而制成。
4.如權(quán)利要求3所述平面天線陣，其特征在于所述凹進(jìn)部分通過對(duì)所述下板機(jī)加工而制成。
5.如權(quán)利要求2所述平面天線陣，其特征在于所述上板的厚度幾乎與所述下板的厚度相同。
6.如權(quán)利要求1所述平面天線陣，其特征在于許多陣列元件的所述輻射圖案是相互連接的。
7.如權(quán)利要求6所述平面天線陣，其特征在于將所述輻射圖案連接形成電磁波圓偏振的特定方向。
全文摘要
一種平面天線陣包括具有許多開孔的上板、下板、以及具有許多陣列元件的印制的輻射圖案并位于上板和下板之間的電路板，其中下板具有對(duì)應(yīng)上板的許多孔的位置形成的凹進(jìn)部分。
文檔編號(hào)H01Q13/08GK1051828SQ9010907
公開日1991年5月29日 申請(qǐng)日期1990年11月8日 優(yōu)先權(quán)日1989年11月8日
發(fā)明者伊藤文寬, 福澤惠司, 鶴丸忍 申請(qǐng)人:索尼公司