專利名稱：平面雙頻陣列天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及用于無線電波通信的，尤其是移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的平面天線組件。
下面列出的文獻被認為與本發(fā)明密切相關Andrasic G.和James J.R.在1987年三月到四月英國York舉行的第五屆天線和廣播國際會議，ICAP87，第485頁至488頁，“Investigationof Superimposed Dichroic Microstrip Antennas”。
Andrasic G.和James J.R.在1988年Electronic Letters,Vol.24,No.2，第96到97頁的“Microstrip Window Array”。
Hiroyuki Inafuku等人1989年8月日本東京舉行的天線和廣播國際年會上的“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頁的“Simple Formulas forTransmission Through Periodic Metal Grids or Plates”。
美國專利第5,043,738號美國專利第5,262,791號無論什么情況，本申請中都將通過在括弧中指明作者或公司名字以及出版物的年份或者專利號來指明上述參考文獻。
在基地站和衛(wèi)星之間實現令人滿意的通信鏈路的主要要求是基地站天線指向衛(wèi)星的方向，即基地站天線射束模式的最大值將沿著基地站和衛(wèi)星之間的視距進行校準。如果基地站是移動平臺，并且/或者衛(wèi)星軌道是地球同步的、高或中地球軌道，則天線必須跟蹤衛(wèi)星以不斷指向衛(wèi)星的方向，從而維護適當的通信鏈路質量。
在后續(xù)描述和權利要求書中請參照Ku頻帶和L頻帶頻率范圍，一般接受的定義如下Ku頻帶10.70-12.75GHz；L頻帶1.49-1.71GHz。
移動和非移動通信系統(tǒng)的天線組件的不同體系結構方案眾所周知。其中最常見的是兩軸機械跟蹤系統(tǒng)。天線本身可以是微帶或者其它類型，例如分別用于Ku頻帶和L頻帶傳輸的NEC(參見例如HiroyukiInafuku等人(1989))或者KVH(KVH Industries公司，Middletown,RI，美國)系統(tǒng)。
在另一機械方案中采用了單軸機械跟蹤系統(tǒng)，典型的例子是用于Ku頻帶傳輸的Nippon Steel的單層分槽波導(slotted-waveguide)陣列系統(tǒng)(日本東京的Nippon Steel公司)。
另一方案中綜合采用了機械和電子跟蹤，例如在Ball通信系統(tǒng)中(Ball Telecommunication Products Division,Colorado，美國)。
還有一些用于移動通信系統(tǒng)的非機械天線組件。CAL(CAL,Ottawa,Ontario，加拿大)所描述的一種這樣的非機械天線在一個軸上進行相位控制，而另一軸上采用固定射束。TECOM(TECOM Industries公司，Chatsworth,CA，美國)描述了一種采用傳統(tǒng)相位控制方案的兩軸電控天線組件。
所有這些已知的移動通信系統(tǒng)天線組件有一個共同的缺陷，即必須工作在單頻帶中。因此，如果有人對工作在兩種不同頻帶的移動通信系統(tǒng)感興趣，則必須使用上述天線中的兩種，這顯然大大增加了空間要求。如果通過兩顆不同衛(wèi)星提供雙頻帶業(yè)務，則機械基架無法為兩根天線提供服務。此外，上述前三組天線都具有額外缺陷帶有機械跟蹤系統(tǒng)，這些系統(tǒng)既累贅又緩慢，受限于它們的角度覆蓋，并且不是平面的，必須從其所在表面伸出。這樣，如果這種天線需要安裝在移動平臺，例如陸上車輛的頂部，則它會改變這種平臺的空氣動力。
在本領域中已有雙頻平面天線陣列(例如美國專利5,043,738號和美國專利第5,262,791號)。但是，這種天線類型從未由兩個獨立平面陣列天線單元構建，每個獨立平面陣列天線單元具有其自己的接地平面，并能夠獨立工作于兩個頻帶，它們在空間上可能相距甚遠(例如在衛(wèi)星通信中使用)，兩個平面陣列天線單元之間基本上沒有干擾。
本發(fā)明的目的是提供一種在兩個彼此獨立的頻帶上都具有電子射束控制能力的雙頻陣列天線，它由兩個獨立天線單元構建，每個天線單元工作在不同的頻帶，具有基本的平面結構，適于安裝在靜止平臺或移動平臺的某個外表面，移動平臺可以是例如陸上車輛、海船或飛機，而不會大幅度改變該表面的輪廓和空氣動力特性。
按照本發(fā)明的平面陣列天線組件包括第一和第二陣列天線單元，以分層形式安置，用以在兩個不同頻帶接收并發(fā)射，每個天線單元具有至少一個絕緣板。在操作的接收模式下，天線組件接收外部源的電磁輻射，而在操作的發(fā)射模式下，天線組件向外部源發(fā)射電磁輻射。我們將靠近外部源/接收機的陣列天線單元稱作頂端陣列天線單元。位于天線組件分層構造的其它陣列天線單元距離外部源/接收機更遠，被稱為底端陣列天線單元。應用于陣列天線的術語“頂端”和“底端”不應誤解成固定平面陣列天線組件的實際朝向，后者實際上可以是水平、豎直或任一其它所需朝向。在第一和第二陣列天線單元中，絕緣板朝向電磁輻射外部源方向的面稱為“前表面”，而朝向相反方向的面稱為“后表面”。
本文獻中術語“補片”(patch)是指例如通過導電表面印制在絕緣層或者通過蝕刻技術完全或者部分填充了絕緣板表面的導電材料的區(qū)域(此后分別稱為印制或蝕刻在絕緣層)。
下面的描述和權利要求書中，將提到饋送(feed)、饋送線路以及饋送線路端點。饋送長度以及饋送線路端點的位置的選擇是為了便于說明，不要誤解成任何實際設計的必要指示。實際上，在大多數制造過程中，饋送(也稱為微帶線)將終止在或者靠近處理它們的絕緣板邊緣(也稱為饋送基座)。但是，由饋送組成的饋送網絡的實際大小不是本發(fā)明的一部分，因而僅示出了每個饋送的代表性的一小段。此外，本文不討論微帶天線設計中的眾所周知的問題，例如定位饋送點以調整輸入阻抗值。
按照本發(fā)明，提供了一種在兩個頻帶接收和發(fā)射電磁輻射的平面天線組件，所述平面天線組件的分層構造中包括第一和第二平面陣列天線單元，所述第一平面陣列天線單元工作在低頻帶，而所述第二平面陣列天線單元工作在高頻帶，所述第一平面陣列天線單元是頂端平面天線陣列單元，而所述第二平面陣列天線單元是底端平面天線陣列單元；所述第一平面陣列天線單元包括至少一個具有前表面和后表面的絕緣板，具有多個補片的至少一個平面補片陣列，具有多個饋送和接地平面的饋送陣列；所述饋送陣列的每個饋送分別耦合到所述至少一個平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片；所述至少一個平面補片陣列的每個補片與所述低頻帶中的頻率共振，并透明于所述高頻帶中的頻率；所述接地平面反射所述低頻帶中的頻率，并透明于所述高頻帶中的頻率；所述第二平面陣列天線單元包括至少一個具有前表面和后表面的絕緣板，一個接地平面，具有多個補片的至少一個平面補片陣列，以及具有多個饋送的饋送陣列，所述饋送陣列的每個饋送分別耦合到所述至少一個平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片。
除了工作頻率的不同之外，第一平面陣列天線單元和第二平面陣列天線單元的不同還在于，第一平面陣列天線單元的補片和接地平面是頻率可選表面，它對高頻帶中的頻率透明，因此，盡管第一平面陣列天線單元位于第二平面陣列天線單元和外部實體之間，第二平面陣列天線單元仍能夠收發(fā)電磁輻射帶。此外，第一平面陣列天線單元的接地平面反射低頻帶中的頻率，因而低頻帶中頻率的電磁輻射不會干擾第二平面陣列天線單元。
因為存在著許多結構相同的第一平面陣列天線單元實施例和第二平面陣列天線單元實施例，下面提到的“平面陣列天線單元”將作為第一平面陣列天線單元和第二平面陣列天線單元的通稱。類似地，在后續(xù)實施例的描述中，術語平面補片陣列、補片、饋送陣列、饋送以及接地平面將作為通用于第一和第二平面陣列天線單元的術語。
按照本發(fā)明的第一方面，平面陣列天線單元包括第一絕緣板和具有多個補片的第一平面補片陣列，所述第一平面補片陣列和所述饋送陣列位于所述第一絕緣板的前表面，所述饋送陣列的每個饋送分別電耦合到所述第一平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片，所述接地平面位于所述第一絕緣板的所述后表面。這定義了具有電(直接)耦合補片的第一或第二平面陣列天線單元。
如果需要，平面陣列天線單元還包括第二絕緣板和具有多個補片的第二平面補片陣列，所述第二平面補片陣列位于所述第二絕緣板的前表面，所述第二絕緣板的所述后表面面向所述第一絕緣板的前表面，所述第一平面補片陣列的每個補片基本上分別對準所述第二平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片。這定義了具有電耦合補片的雙棧(stack)第一或第二平面陣列天線單元。
按照本發(fā)明的第二方面，平面陣列天線單元包括第一和第二絕緣板和第一平面補片陣列，所述第一平面補片陣列位于所述第一絕緣板的前表面，所述饋送陣列位于所述第一絕緣板的后表面，所述饋送陣列的每個饋送分別電耦合到所述第一平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片，所述接地平面位于所述第二絕緣板的所述后表面，所述第二絕緣板的前表面面向所述第一絕緣板的后表面。這定義了具有電耦合補片的第一或第二平面陣列天線單元。
按照本發(fā)明的第三方面，平面陣列天線單元包括第一和第二絕緣板和具有多個補片的第一平面補片陣列，所述第一平面補片陣列位于所述第一絕緣板的前表面，所述接地平面位于所述第一絕緣板的后表面，所述接地平面具有多個孔，所述第二絕緣板的前表面面向所述第一絕緣板的后表面，所述饋送陣列位于所述第二絕緣板的后表面，所述饋送陣列的每個饋送分別通過所述接地平面的所述多個孔中的對應孔電磁耦合到所述第一平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片，所述孔與平面陣列天線單元的工作頻帶中的頻率共振。其中，如果平面陣列天線單元是所述第一(第二)平面陣列天線單元，則所述工作頻帶是所述低(高)頻帶。這定義了具有孔耦合補片的第一或第二平面陣列天線單元。
如果需要，按照本發(fā)明第二或第三方面的平面陣列天線單元還包括第三絕緣板和具有多個補片的第二平面補片陣列，所述第二平面補片陣列位于所述第三絕緣板的前表面，所述第三絕緣板的所述后表面面向所述第一絕緣板的前表面，所述第二平面補片陣列的每個補片基本上分別對準所述第一平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片。這定義了按照本發(fā)明第二方面的具有電耦合補片，或者按照本發(fā)明第三方面的具有孔耦合補片的雙棧第一或第二平面陣列天線單元。
按照本發(fā)明的第四方面，第一平面陣列天線單元包括第一和第二絕緣板和具有多個補片的第一平面補片陣列，所述第一平面補片陣列位于所述第一絕緣板的前表面，所述接地平面位于所述第一絕緣板的后表面，所述第一絕緣板與所述第二絕緣板在空間上分離，從而形成天線室，所述饋送陣列位于所述第二絕緣板的后表面，所述饋送陣列的每個饋送分別通過多個饋送探針電耦合到所述第一平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片，所述第二平面陣列天線單元位于所述天線室。這定義了具有探針饋送補片的第一平面陣列天線單元。
如果需要，按照本發(fā)明第四方面的第一平面陣列天線單元還包括第三絕緣板和具有多個補片的第二平面補片陣列，所述第二平面補片陣列位于所述第三絕緣板的前表面，所述第三絕緣板的所述后表面面向所述第一絕緣板的前表面，所述第二平面補片陣列的每個補片基本上分別對準所述第一平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片。這定義了具有探針(probe)饋送補片的雙棧探針平面陣列天線單元。
按照本發(fā)明，可以通過以上定義的多種第一平面陣列天線單元實施例的所有組合以及定義的第二平面陣列天線單元的所有組合來構造平面天線組件。即，平面天線組件可以由下述任一元件(1a)具有電耦合補片的第一平面陣列天線單元，(2a)具有電耦合補片的雙棧第一平面陣列天線單元，(3a)具有電磁耦合補片的第一平面陣列天線單元，(4a)具有電磁耦合補片的雙棧第一平面陣列天線單元，(5a)具有孔耦合補片的第一平面陣列天線單元，(6a)具有孔耦合補片的雙棧第一平面陣列天線單元，(7a)具有探針饋送補片的第一平面陣列天線單元，(8a)具有探針饋送補片的雙棧第一平面陣列天線單元；以及下述任一元件(1b)具有電耦合補片的第二平面陣列天線單元，(2b)具有電耦合補片的雙棧第二平面陣列天線單元，(3b)具有電磁耦合補片的第二平面陣列天線單元，(4b)具有電磁耦合補片的雙棧第二平面陣列天線單元，
(5b)具有孔耦合補片的第二平面陣列天線單元，(6b)具有孔耦合補片的雙棧第二平面陣列天線單元；構造。
第一和第二平面陣列天線單元可以設計用于收發(fā)線性或圓極電磁輻射。
當第一平面陣列天線單元被設計用于收發(fā)圓極電磁輻射時，其特征在于所述第一平面陣列天線單元的所述至少一個補片陣列被分組成2×2補片子陣列，順時針或逆時針方向每個補片子陣列的次序為第一、第二、第三和第四子陣列成員；所述第一平面陣列天線單元的所述饋送陣列的所述饋送被分組成2×2饋送子陣列，順時針或逆時針方向每個饋送子陣列的次序為第一、第二、第三和第四子陣列成員；給定饋送子陣列的每個成員與給定補片子陣列的一個成員相關聯，給定關聯子陣列中的饋送和補片相對于前一子陣列成員旋轉了90°。第一饋送陣列的每個成員鏈接到包含一個相位控制設備的適當的電子系統(tǒng)，該電子系統(tǒng)本身眾所周知。通過適當地調整相位控制設備，每個2×2饋送子陣列的單個成員中流動的電流相位可以在順時針方向上延遲0°、90°、180°以及270°(或者可以選用逆時針方向，用左側國極替換右側圓極)。
當第二平面陣列天線單元設計用于收發(fā)圓極電磁輻射時，其特征在于所述第二平面陣列天線單元的所述至少一個補片陣列被分組成2×2補片子陣列，順時針或逆時針方向每個補片子陣列的次序為第一、第二、第三和第四子陣列成員；所述第二平面陣列天線單元的所述饋送陣列的所述饋送被分組成2×2饋送子陣列，順時針或逆時針方向每個饋送子陣列的次序為第一、第二、第三和第四子陣列成員；給定饋送子陣列的每個成員與給定補片子陣列的一個成員相關聯，給定關聯子陣列中的饋送和補片相對于前一子陣列成員旋轉了90°。第二饋送陣列的每個成員鏈接到包含一個相位控制設備的適當的電子系統(tǒng)，該電子系統(tǒng)本身眾所周知。通過適當地調整相位控制設備，每個2×2饋送子陣列的單個成員中流動的電流相位可以在順時針方向上延遲0°、90°、180°以及270°(或者可以選用逆時針方向，用左側圓極替換右側圓極)。
很清楚，第一平面陣列天線單元和第二平面陣列天線單元都可以被設計成工作于圓極模式，或者一個工作于圓極模式，而另一個工作于線性極性模式。
第一平面陣列天線單元的補片可以采用任何適當的外形，例如圓形、多邊形或正方形，或者類似外形。
按照本發(fā)明，所述第一平面陣列天線單元的所述補片是頻率可選的表面，包括每個補片中孔的周期安置?？蛇x地，所述補片是頻率可選的表面，包括具有統(tǒng)一網眼的導線柵格。
此外，按照本發(fā)明，所述第一平面陣列天線單元的所述接地平面是頻率可選的表面，包括接地平面中孔的周期安置?？蛇x地，所述接地平面是頻率可選的表面，包括具有統(tǒng)一網眼的導線柵格。
第二平面陣列天線單元的補片可以采用任何適當的外形，例如圓形、多邊形或正方形，或者類似外形。第二平面陣列天線單元的補片外形不需要匹配第一平面陣列天線單元的補片外形。
如果需要，可以在所述第一平面陣列天線單元的所述接地平面中生成形狀匹配第二平面陣列天線單元的補片的孔，從而將其設計成頻率可選的表面。按照這種實施例，接地平面的每個孔位于第二平面陣列天線單元的一個補片的對面。
按照本發(fā)明的平面天線組件及其每個平面陣列天線單元被設計成工作于發(fā)射和接收模式。在發(fā)射模式期間，與發(fā)射天線單元相關聯的電子系統(tǒng)將時變電功率饋送到其饋送陣列的每個成員，從而激勵天線單元向周圍的大氣輻射出射束。在接收模式期間，來自周圍大氣的施加在平面陣列天線單元上的外部電磁輻射事件激勵了補片，從而在饋送中生成了輸出信號。每個饋送配備有一個饋線端點，饋線可以連接到該饋線端點以將饋送鏈接到包含相位控制設備的適當電子系統(tǒng)。
應當注意，第一和第二天線單元彼此完全獨立工作。因此，它們中的一個可以在另一個暫停工作時進行發(fā)射和接收。同樣，當第一天線單元發(fā)射時，第二天線單元可以正在接收，反之亦然。
在本發(fā)明的一種實施例中，第一天線單元工作于其中的所述低頻帶是L頻帶，而第二天線單元工作于其中的所述高頻帶是Ku頻帶。
按照本發(fā)明的平面天線組件最好安裝在能適應天氣變化的原料制成的適當的箱子中。所述箱子保護了平面天線組件的側面，但是沒有覆蓋其前表面。
最好在第一平面天線單元上安裝對同時位于所述第一和第二頻帶中的頻率的電磁輻射透明的天線罩，從而覆蓋其前表面。天線罩用于保護整個平面天線組件免受不利天氣和其它外部影響，例如雨、冰、熱、陽光、沙暴、鹽水等的損害。
一般而言，平面天線組件的絕緣板可以由不同電特性的多個絕緣板構成。但是，應當注意，在其兩個表面上都沒有承載任何結構(即補片、饋送或接地平面)，并且僅用于隔離本發(fā)明的平面天線組件的不同層面的絕緣板可以替換成空氣縫隙，只要在不同層面的邊緣提供某種形式的支持以維護其隔離。
為了更好地理解本發(fā)明，下面結合附圖，通過例子描述本發(fā)明，在附圖中

圖1示出了本發(fā)明平面天線組件的部件分解側視概圖以及外部電磁輻射源；圖2示出了第一平面陣列天線單元的第一實施例的一部分的側視圖；圖3示出了第二平面陣列天線單元的第一實施例的一部分的側視圖；圖4示出了本發(fā)明平面天線組件的第一實施例的一部分的側視圖；圖5示出了圖2中說明的平面陣列天線單元的平面視圖；圖6示出了圖3中說明的平面陣列天線單元的平面視圖；圖7示出了第一平面陣列天線單元的頻率可選接地平面的一種實施例的平面視圖；圖8示出了第一平面陣列天線單元的頻率可選接地平面的另一實施例的平面視圖；圖9示出了具有電(或直接)耦合補片的第一平面陣列天線單元的天線單元的側視圖10示出了具有電(或直接)耦合補片的第二平面陣列天線單元的天線單元的側視圖；圖11示出了具有雙棧電耦合補片的天線單元的側視圖；圖12示出了具有電磁耦合補片的天線單元的側視圖；圖13示出了具有雙棧電磁耦合補片的天線單元的側視圖；圖14示出了具有孔耦合補片的天線單元的側視圖，切去了部分天線單元以顯示接地平面中的孔；圖15示出了具有雙棧孔耦合補片的天線單元的側視圖，切去了部分天線單元以顯示接地平面中的孔；圖16示出了本發(fā)明平面天線組件的一部分的部件分解側視概圖，其中第一平面陣列天線單元具有探針饋送補片，切去了部分組件以顯示饋送補片端點和饋送探針的無接觸通道的洞；圖17示出了本發(fā)明平面天線組件的一部分的部件分解側視概圖，其中雙棧第一平面陣列天線單元具有探針饋送補片；圖18示出了用于平面極性操作模式的具有電(直接)耦合補片的平面陣列天線單元的2×2子陣列的平面視圖；圖19示出了用于圓極操作模式的具有電(直接)耦合補片的平面陣列天線單元的2×2子陣列的平面視圖；圖20示出了用于平面極性操作模式的具有電磁耦合補片的平面陣列天線單元的2×2子陣列的平面視圖；圖21示出了用于圓極操作模式的具有電磁耦合補片的平面陣列天線單元的2×2子陣列的平面視圖；圖22示出了用于平面極性操作模式的具有孔耦合補片的平面陣列天線單元的2×2子陣列的平面視圖；圖23示出了用于圓極操作模式的具有孔耦合補片的平面陣列天線單元的2×2子陣列的平面視圖；圖24示出了用于平面極性操作模式的具有探針饋送補片的平面陣列天線單元的2×2子陣列的平面視圖；圖25示出了用于圓極操作模式的具有探針饋送補片的平面陣列天線單元的2×2子陣列的平面視圖。
首先注意圖1，示出了本發(fā)明平面天線組件的部件分解側視概圖，它包括三個部件第一平面陣列天線單元2、絕緣板4以及第二平面陣列天線單元6。還示出了電磁輻射10的外部源8。平面天線組件的任意部件，以及平面天線組件本身的“前表面”和“后表面”是相對于外部源8定義的。因此，第一平面陣列天線單元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。這樣很明顯，來自外部源8的入射于第一平面陣列天線單元2的電磁輻射10將入射到前表面12，在通過第一平面陣列天線單元2之后，它將從其后表面13退出。類似地，絕緣板具有前表面14和后表面15，第二平面陣列天線單元6具有前表面16和后表面17。按照這種術語定義，平面天線組件1具有前表面12和后表面17。
第一平面陣列天線單元2被設計成工作于低頻帶，第二平面陣列天線單元6被設計成工作于高頻帶。這兩個平面陣列天線單元2和6被安置成分層形式，第一平面陣列天線單元2位于第二平面陣列天線單元6和外部源8之間。用于隔離第一和第二平面陣列天線單元的絕緣板4可以替換成空氣縫隙，只要提供某種形式的支持以維護平面天線組件1的構造完整。盡管第一平面陣列天線單元2位于第二平面陣列天線單元6和外部源8之間，因為第一平面陣列天線單元2被設計成對高頻帶中的頻率透明，所以第二平面陣列天線單元6對高頻帶中的頻率的電磁輻射的接收不會受阻。
盡管針對工作于接收模式的天線說明了本發(fā)明雙頻平面天線組件的基本構造和操作，但是針對工作于發(fā)射模式，用外部接收機替換了外部源8的天線可以進行同樣的說明。
下面描述兩個平面陣列天線單元2和6的不同實施例，并說明根據它們得到的本發(fā)明平面天線組件的構造。在說明這些實施例的圖中，絕緣板、接地平面、補片、饋送和孔都以夸大的尺寸示出，這僅僅是為了便于說明。補片和饋送以不同的高度示出，以使它們易于區(qū)分，但是實際上它們都打印或蝕刻在絕緣板上，高度相同。
首先參看圖2，示出了按照第一實施例的第一平面陣列天線單元20的一部分的側視圖。補片21和饋送22彼此電(或直接)耦合，位于絕緣板24的前表面。每個補片被設計成與低頻帶中的頻率共振，并對高頻帶中的頻率透明。每個補片22配備有一個饋線端點23，饋線可以連接到該端點以將饋送鏈接到包含相位控制設備的適當的電子系統(tǒng)。接地平面25位于絕緣板24的后表面，設計成是頻率可選的，反射低頻帶中的頻率，并發(fā)射高頻帶中的頻率。
圖3示出了按照第一實施例的第二平面陣列天線單元30的一部分的側視圖。補片31和饋送32彼此電耦合，位于絕緣板34的前表面。補片31被設計成與第二頻帶中的頻率共振。每個補片32配備有一個饋線端點33，饋線可以連接到該端點以將饋送鏈接到包含相位控制設備的適當的電子系統(tǒng)。接地平面35位于絕緣板34的后表面。盡管平面陣列天線單元20和30結構類似，但它們之間存在著許多基本的不同點。首先也是最重要的，補片31和接地平面35是簡單的導電表面，而補片21和接地平面25是頻率可選的。此外，補片21和31的大小一般不同。因為補片21工作于低頻帶，而補片31工作于高頻帶，所以補片31將小于補片21。因此，對給定的平面天線陣列單元增益而言，應當有比補片21更多的補片31。此外，絕緣板24的高度和特性不需要與絕緣板34的高度和特性相同。
圖4示出了按照第一實施例的本發(fā)明平面天線組件的一部分的側視圖。該實施例包括按照圖2的第一平面陣列天線單元，以及按照圖3的第二平面陣列天線單元。絕緣板38將這兩個平面陣列天線單元隔開。
現在參看圖5和6，分別示出了平面陣列天線單元20和30的平面視圖。補片21是頻率可選的表面，設計成對高頻帶中的頻率透明，其實現方式可以采用任意一種本身眾所周知的技術。在圖5所示特定說明中，補片21是導電表面，每個補片中具有周期放置的孔26。選擇補片21的大小，使得它們與低頻帶中的頻率共振。還示出了饋送22及其饋線端點23。如圖所示，饋送22是電(或直接)耦合到補片21。第二平面陣列天線單元30的補片31是理想導體，選擇其大小，使得它們與高頻帶中的頻率共振。還示出了饋送32及其饋線端點33。饋送32同樣是電耦合到補片31。
圖7示出了按照一種實施例的頻率可選接地平面25的平面視圖。接地平面25中的孔27周期設置，設計成接地平面25反射低頻帶中的頻率，并對高頻帶中的頻率透明。在圖5和7中說明的補片21和接地平面25分別具有同樣的孔26和27，孔間距離相同。但是，需要指出不一定是這種情況，并且盡管可以采用圓孔，但需要理解它們僅是任何適當形狀的孔的代表?？山邮艿目仔螤畹牡湫屠釉诒绢I域中眾所周知，是矩形槽、十字槽、耶路撒冷(Jerusalem)十字槽、碟形圈和環(huán)形圈。
圖5和6中補片的實際大小取決于給定應用所需的頻帶的選擇，因而補片21在某些應用中可以比補片31大得多。在這些應用中，頻率可選接地平面25可以采用如圖8所示的另一形式。按照該實施例，接地平面25中的孔28可以但不一定與補片31的形狀相同，每個孔28基本上對準單個補片31。
下面針對平面陣列天線單元的不同實施例描述本發(fā)明天線組件的其它許多實施例。為此，需要注意，圖2所示第一平面陣列天線單元20可由圖9所示“第一天線單元”20’確定，包括補片21、帶有端點23的饋送22、絕緣板24和接地平面25。該天線單元被稱為具有電(或直接)耦合補片的天線單元。如圖2和5所示的第一平面陣列天線單元20由第一天線單元20’構建，通過形成第一天線單元20’的平面周期布局來生成。圖3所示第二平面陣列天線單元20可以以類似方式由圖10所示“第二天線單元”30’確定。這樣，我們不再描述平面陣列天線單元的不同實施例，而是描述天線單元的不同實施例，需要理解這些天線單元是基本構造部件，通過它們可以構造相應的平面陣列天線單元。此外，通過圖9和10的比較，顯然這兩個圖之一便足夠描述兩個天線單元，其中補片和接地平面對第一天線單元是頻率可選的，而在第二天線單元的情況下是理想導體。記住這些之后，后續(xù)描述中僅說明一個通用的天線單元。
現在參看圖11，示出了具有電耦合補片40的雙棧天線單元，它由電耦合天線單元構造，包括位于絕緣板44的前表面的補片41、饋送42和饋線端點43，位于其后表面的接地平面，以及鄰近絕緣板44前表面的另一絕緣板46。絕緣板46在其前表面承載一個補片47，該補片基本對準補片41。很顯然，兩個補片41和47是電磁耦合的。補片47用于增加電耦合天線單元的帶寬。應當注意，將補片41、饋送42和饋線端點43堆放在絕緣板46的后表面，而不是絕緣板44的前表面，可以形成一種完全相等的結構。這個聲明可以作為通用聲明，應用于其中提到補片或饋送位于兩個相鄰絕緣板的前或后表面的所有實施例。即，補片或饋送也可以位于其它絕緣板的相鄰表面。
圖12示出了其中補片51和饋送52進行了電磁耦合的天線單元。補片51和饋送52及其饋線端點53位于絕緣板54的另一側。第二絕緣板56的前表面與絕緣板54的后表面相鄰，接地平面55位于絕緣板56的后表面。圖13示出了雙棧電磁耦合天線單元60，它由具有電磁耦合補片50的天線單元得到，其方式如下將絕緣板57放置于絕緣板54的前表面，絕緣板57的前表面上承載一個補片58。補片51和58基本上彼此對準。
圖14示出了具有孔耦合補片的天線單元70。該天線單元包括補片71、具有饋線端點73的饋送72、兩個絕緣板74、75以及具有孔77的接地平面76。補片71和接地平面76位于絕緣板74的另一側，饋送72位于絕緣板75的后表面。補片71和饋送72通過接地平面76中的孔77電磁耦合。圖15示出了雙棧天線單元孔耦合補片80，它由具有孔耦合補片70的天線單元得到，其方式如下將絕緣板78放置于絕緣板74的前表面，絕緣板78的前表面上承載一個補片79。補片71和79基本上彼此對準。
如上所述，平面陣列天線單元可以由上述天線單元通過形成天線單元的平面周期布局來構造。采用圖1所示模塊方案，利用這樣構造的平面陣列天線單元可以構造平面天線組件。第一平面天線單元2可以由天線單元20’、40、50、60、70和80中的任意一個構造(其中如上所述，補片和接地平面是頻率可選表面)，類似地，第二平面天線單元6可以由天線單元30’、40、50、60、70和80中的任意一個構造(其中補片和接地平面是理想導體)。
在所有上述平面天線組件中，饋送與補片位于同一平面并電耦合到補片，或者它們位于不同平面而電磁耦合到補片。圖16示出了平面天線組件90的一部分的部件分解側視概圖，其中第一平面陣列天線單元的補片91位于不同于其饋送92的平面。饋送92配備有兩個端點，饋線端點93和饋送探針端點94’，饋線可以連接到饋線端點93以將饋送鏈接到包含相位控制設備的適當的電子系統(tǒng)，而饋送探針95則連接饋送探針端點94’。饋送92和補片91之間的電子連接通過饋送探針95進行，一端連接在饋送探針端點94’，另一端連接在補片探針端點94”。第一平面陣列天線單元的補片91位于絕緣板96的前表面，第一平面陣列天線單元的接地平面97位于絕緣板96的后表面。第一平面陣列天線單元的饋送92位于絕緣板98的后表面。第一平面陣列天線單元的絕緣板96和98形成了天線室，第二平面陣列天線單元99位于該天線室內。第一平面陣列天線單元的接地平面97安裝到洞102中，用作饋送探針95的無接觸通道。為了便于說明，選擇第二平面陣列天線單元99作為圖3所示第二平面陣列天線單元，但是，它也可以是天線單元40、50、60、70和80可以形成的任意一個平面陣列天線單元。第二平面陣列天線單元99的補片和接地平面中的洞104和105分別用作通過它們的饋送探針的無接觸通道。
圖16示出的本發(fā)明的天線組件的實施例中，第一平面陣列天線單元具有探針饋送補片，通過在平面天線組件90的前表面放置一個前表面承載補片的絕緣板，可以將其擴展成具有雙棧探針饋送第一平面天線單元的天線組件。圖17示出了雙棧第一平面陣列天線單元具有探針饋送補片的平面天線組件100的一部分的部件分解側視概圖。前表面承載補片112的絕緣板110位于平面天線組件90的前表面114，它具有探針饋送第一平面陣列天線單元。平面天線組件90的補片112和91(在圖16中示出)基本彼此對準。
包括本發(fā)明平面天線組件的第一和第二平面陣列天線單元可以工作于平面或者圓極操作模式。圖5和6所示平面陣列天線單元20和30的平面視圖分別說明了平面極性操作模式。因為要求平面陣列天線單元工作于極性操作模式的幾何屬性是補片和饋送的相對朝向，所以很顯然，圖5和6可以替換成一張圖，而不需要考慮補片是否頻率可選，不需要考慮工作頻帶。此外，2×2子陣列足以演示圓極操作模式，從而也可用于演示平面極性操作模式。參看圖18，示出了用于平面極性操作模式的具有電(直接)耦合補片的平面陣列天線單元的2×2子陣列的平面視圖(這是適用于圖5和6的通用圖)。子陣列200包括電連接到饋送204的補片202，配備饋線端點206的饋送。補片202和饋送204位于絕緣板208。
參看圖19，示出了用于圓極操作模式的具有電耦合補片的平面陣列天線單元的2×2子陣列220的平面視圖。如圖所示，每個補片222及其饋送224在順時針方向上依次旋轉90°(或者可以選用逆時針方向，用左側圓極替換右側圓極)。圓極操作模式下補片和饋送的依次旋轉本身眾所周知，在文獻(參見例如J.Huang(1986)和T.Teshirogi(1985))中有詳盡描述。
在例如圖12所示的電磁耦合補片的情況下，補片和饋送位于絕緣板的相反側，但原理相同。圖20示出了用于平面極性操作模式的具有電磁耦合補片的平面陣列天線單元的2×2子陣列240的平面視圖。補片232位于絕緣板244的前表面，而饋送246(及其饋線端點)位于其后表面。饋送246用虛線畫出，以說明它們所處平面與補片242不同。
圖21示出了用于圓極操作模式的具有電磁耦合補片的平面陣列天線單元的2×2子陣列260的平面視圖。每個補片262及其饋送264依次旋轉90°。
現在參看圖22，示出了用于平面極性操作模式的具有孔耦合補片的平面陣列天線單元的2×2子陣列280的平面視圖?？遵詈涎a片的天線單元的側視圖在圖14中示出。在圖14中可以看出，涉及兩個絕緣板，補片、孔和饋送位于三個不同的平面。為了說明補片、孔和饋送彼此之間的相對位置和朝向，用實線畫出了補片282，用虛線畫出了饋送284，而用點線畫出了孔286，需要理解它們位于三個不同的平面，如圖14所示。圖23示出了用于圓極操作模式的具有孔耦合補片的平面陣列天線單元的2×2子陣列290的平面視圖。每個補片292及其饋送294依次旋轉90°。孔296不一定需要依次旋轉。
參看圖24，示出了位于圖16所示平面天線組件90的第一平面陣列天線單元的絕緣板97的補片91(a、b、c、d)的2×2子陣列300的平面視圖。還示出了位于絕緣板99的饋送92(a、b、c、d)，探針饋送補片91(a、b、c、d)的對應2×2子陣列310的平面視圖。饋送以虛線畫出，以說明它們位于絕緣板99的后表面。饋送92(a、b、c、d)通過饋送探針95(在圖16中示出)連接到補片91(a、b、c、d)，從4個饋送探針端點94’(a、b、c、d)到相應的4個補片探針端點94”(a、b、c、d)。圖24說明了用于平面極性操作模式的補片和饋送的布局。
參看圖25，示出了用于圓極操作模式的位于圖16所示平面天線組件90的第一平面陣列天線單元的絕緣板97的補片91(a、b、c、d)的2×2子陣列300的平面視圖。在子陣列300中，補片91a、91b、91c和91d彼此的不同在于每個補片都在順時針方向上圍繞垂直于其中心的軸依次旋轉。其效果是補片91a、91b、91c和91d彼此的不同在于補片的補片探針端點94”(a、b、c、d)的位置，這些補片在順時針方向上排序，使得每個端點94”a、94”b、94”c和94”d的角度相對于該次序中前一個變化了90°，圖24中通過補片相對于彼此的角度朝向反映出這一點，該角度朝向包括了該補片中每個補片探針端點的相對位置。饋送探針端點未示出，但是除了下面這一點之外，其布局類似于圖24所示它們的變化稍小，使得每個饋送探針端點基本對準其相應的角度變化饋送補片端點。為了圓極電磁輻射的發(fā)射，分別將饋送探針端點94’b、94’c和94’d中流動的電流相位相對于端點94’b延遲90°、180°和270°。
權利要求
1．一種在兩個頻帶上收發(fā)電磁輻射的平面天線組件，所述平面天線組件的分層構造中包括第一和第二平面陣列天線單元，所述第一平面陣列天線單元工作在低頻帶，而所述第二平面陣列天線單元工作在高頻帶，所述第一平面陣列天線單元是頂端平面天線陣列單元，而所述第二平面陣列天線單元是底端平面天線陣列單元；所述第一平面陣列天線單元包括至少一個具有前表面和后表面的絕緣板，具有多個補片的至少一個平面補片陣列，具有多個饋送和接地平面的饋送陣列；所述饋送陣列的每個饋送分別耦合到所述至少一個平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片；所述至少一個平面補片陣列的每個補片與所述低頻帶中的頻率共振，并透明于所述高頻帶中的頻率；所述接地平面反射所述低頻帶中的頻率，并透明于所述高頻帶中的頻率；所述第二平面陣列天線單元包括至少一個具有前表面和后表面的絕緣板，一個接地平面，具有多個補片的至少一個平面補片陣列，以及具有多個饋送的饋送陣列，所述饋送陣列的每個饋送分別耦合到所述至少一個平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片。
2．根據權利要求1的平面天線組件，其中所述第一平面陣列天線單元包括第一絕緣板和具有多個補片的第一平面補片陣列，所述第一平面補片陣列和所述饋送陣列位于所述第一絕緣板的前表面，所述饋送陣列的每個饋送分別電耦合到所述第一平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片，所述接地平面位于所述第一絕緣板的所述后表面。
3．根據權利要求2的平面天線組件，還包括第二絕緣板和具有多個補片的第二平面補片陣列，所述第二平面補片陣列位于所述第二絕緣板的前表面，所述第二絕緣板的所述后表面面向所述第一絕緣板的前表面，所述第一平面補片陣列的每個補片基本上分別對準所述第二平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片。
4．根據權利要求1的平面天線組件，其中所述第一平面陣列天線單元包括第一和第二絕緣板和第一平面補片陣列，所述第一平面補片陣列位于所述第一絕緣板的前表面，所述饋送陣列位于所述第一絕緣板的后表面，所述饋送陣列的每個饋送分別電磁耦合到所述第一平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片，所述接地平面位于所述第二絕緣板的所述后表面，所述第二絕緣板的前表面面向所述第一絕緣板的后表面。
5．根據權利要求1的平面天線組件，其中所述第一平面陣列天線單元包括第一和第二絕緣板和具有多個補片的第一平面補片陣列，所述第一平面補片陣列位于所述第一絕緣板的前表面，所述接地平面位于所述第一絕緣板的后表面，所述接地平面具有多個孔，所述第二絕緣板的前表面面向所述第一絕緣板的后表面，所述饋送陣列位于所述第二絕緣板的后表面，所述饋送陣列的每個饋送分別通過所述接地平面的所述多個孔中的對應孔電磁耦合到所述第一平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片，所述孔與所述低頻帶中的頻率共振。
6．根據權利要求4或5的平面天線組件，還包括第三絕緣板和具有多個補片的第二平面補片陣列，所述第二平面補片陣列位于所述第三絕緣板的前表面，所述第三絕緣板的所述后表面面向所述第一絕緣板的前表面，所述第二平面補片陣列的每個補片基本上分別對準所述第一平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片。
7．根據權利要求1的平面天線組件，其中所述第一平面陣列天線單元包括第一和第二絕緣板和具有多個補片的第一平面補片陣列，所述第一平面補片陣列位于所述第一絕緣板的前表面，所述接地平面位于所述第一絕緣板的后表面，所述第一絕緣板與所述第二絕緣板在空間上分離，從而形成天線室，所述饋送陣列位于所述第二絕緣板的后表面，所述饋送陣列的每個饋送分別通過多個饋送探針電耦合到所述第一平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片，所述第二平面天線單元位于所述天線室。
8．根據權利要求7的平面天線組件，還包括第三絕緣板和具有多個補片的第二平面補片陣列，所述第二平面補片陣列位于所述第三絕緣板的前表面，所述第三絕緣板的所述后表面面向所述第一絕緣板的前表面，所述第二平面補片陣列的每個補片基本上分別對準所述第一平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片。
9．根據權利要求1的平面天線組件，其中所述第二平面陣列天線單元包括第一絕緣板和具有多個補片的第一平面補片陣列，所述第一平面補片陣列和所述饋送陣列位于所述第一絕緣板的前表面，所述饋送陣列的每個饋送分別電耦合到所述第一平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片，所述接地平面位于所述第一絕緣板的所述后表面。
10．根據權利要求9的平面天線組件，還包括第二絕緣板和具有多個補片的第二平面補片陣列，所述第二平面補片陣列位于所述第二絕緣板的前表面，所述第二絕緣板的所述后表面面向所述第一絕緣板的前表面，所述第一平面補片陣列的每個補片基本上分別對準所述第二平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片。
11．根據權利要求1的平面天線組件，其中所述第二平面陣列天線單元包括第一和第二絕緣板和第一平面補片陣列，所述第一平面補片陣列位于所述第一絕緣板的前表面，所述饋送陣列位于所述第一絕緣板的后表面，所述饋送陣列的每個饋送分別電耦合到所述第一平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片，所述接地平面位于所述第二絕緣板的所述后表面，所述第二絕緣板的前表面面向所述第一絕緣板的后表面。
12．根據權利要求1的平面天線組件，其中所述第二平面陣列天線單元包括第一和第二絕緣板和具有多個補片的第一平面補片陣列，所述第一平面補片陣列位于所述第一絕緣板的前表面，所述接地平面位于所述第一絕緣板的后表面，所述接地平面具有多個孔，所述第二絕緣板的前表面面向所述第一絕緣板的后表面，所述饋送陣列位于所述第二絕緣板的后表面，所述饋送陣列的每個饋送分別通過所述接地平面的所述多個孔中的對應孔電磁耦合到所述第一平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片，所述孔與所述高頻帶中的頻率共振。
13．根據權利要求11或12的平面天線組件，還包括第三絕緣板和具有多個補片的第二平面補片陣列，所述第二平面補片陣列位于所述第三絕緣板的前表面，所述第三絕緣板的所述后表面面向所述第一絕緣板的前表面，所述第二平面補片陣列的每個補片基本上分別對準所述第一平面補片陣列的所述多個補片中的對應補片。
14．根據權利要求2到6中任意一項的平面天線組件，其中所述第二平面天線單元按照權利要求9，所述第一和第二平面天線單元由具有前表面和后表面的絕緣板隔離，所述絕緣板的所述前表面和后表面分別面向所述第一和第二平面天線單元。
15．根據權利要求2到6中任意一項的平面天線組件，其中所述第二平面天線單元按照權利要求10，所述第一和第二平面天線單元由具有前表面和后表面的絕緣板隔離，所述絕緣板的所述前表面和后表面分別面向所述第一和第二平面天線單元。
16．根據權利要求2到6中任意一項的平面天線組件，其中所述第二平面天線單元按照權利要求11，所述第一和第二平面天線單元由具有前表面和后表面的絕緣板隔離，所述絕緣板的所述前表面和后表面分別面向所述第一和第二平面天線單元。
17．根據權利要求2到6中任意一項的平面天線組件，其中所述第二平面天線單元按照權利要求12，所述第一和第二平面天線單元由具有前表面和后表面的絕緣板隔離，所述絕緣板的所述前表面和后表面分別面向所述第一和第二平面天線單元。
18．根據權利要求2到6中任意一項的平面天線組件，其中所述第二平面天線單元按照權利要求13，所述第一和第二平面天線單元由具有前表面和后表面的絕緣板隔離，所述絕緣板的所述前表面和后表面分別面向所述第一和第二平面天線單元。
19．根據權利要求7或8的平面天線組件，其中所述第二平面天線單元按照權利要求9并位于所述天線室內，其絕緣板插入在所述第二天線單元和所述第一天線單元的所述接地平面之間。
20．根據權利要求7或8的平面天線組件，其中所述第二平面天線單元按照權利要求10并位于所述天線室內，其絕緣板插入在所述第二天線單元和所述第一天線單元的所述接地平面之間。
21．根據權利要求7或8的平面天線組件，其中所述第二平面天線單元按照權利要求11并位于所述天線室內，其絕緣板插入在所述第二天線單元和所述第一天線單元的所述接地平面之間。
22．根據權利要求7或8的平面天線組件，其中所述第二平面天線單元按照權利要求12并位于所述天線室內，其絕緣板插入在所述第二天線單元和所述第一天線單元的所述接地平面之間。
23．根據權利要求7或8的平面天線組件，其中所述第二平面天線單元按照權利要求13并位于所述天線室內，其絕緣板插入在所述第二天線單元和所述第一天線單元的所述接地平面之間。
24．根據權利要求1到23中任意一項的平面天線組件，其中所述第一平面陣列天線單元被設計用于收發(fā)圓極電磁輻射，其特征在于所述第一平面陣列天線單元的所述至少一個補片陣列被分組成2×2補片子陣列，順時針或逆時針方向每個補片子陣列的次序為第一、第二、第三和第四子陣列成員；所述第一平面陣列天線單元的所述饋送陣列的所述饋送被分組成2×2饋送子陣列，順時針或逆時針方向每個饋送子陣列的次序為第一、第二、第三和第四子陣列成員；給定饋送子陣列的每個成員與給定補片子陣列的一個成員相關聯，給定關聯子陣列中的饋送和補片相對于前一子陣列成員旋轉了90°。
25．根據權利要求1到23中任意一項的平面天線組件，其中所述第二平面陣列天線單元被設計用于收發(fā)圓極電磁輻射，其特征在于所述第二平面陣列天線單元的所述至少一個補片陣列被分組成2×2補片子陣列，順時針或逆時針方向每個補片子陣列的次序為第一、第二、第三和第四子陣列成員；所述第二平面陣列天線單元的所述饋送陣列的所述饋送被分組成2×2饋送子陣列，順時針或逆時針方向每個饋送子陣列的次序為第一、第二、第三和第四子陣列成員；給定饋送子陣列的每個成員與給定補片子陣列的一個成員相關聯，給定關聯子陣列中的饋送和補片相對于前一子陣列成員旋轉了90°。
26．根據權利要求1到23中任意一項的平面天線組件，其中所述第一天線單元按照權利要求24，而所述第二天線單元按照權利要求25。
27．根據上述權利要求中任意一項的平面天線組件，其中第一天線單元工作于其上的所述低頻帶是L頻帶，而第二天線單元工作于其上的所述高頻帶是Ku頻帶。
28．根據上述權利要求中任意一項的平面天線組件，還包括一個天線罩。
全文摘要
一種實質上為平面結構的雙頻陣列天線具有在低頻帶和高頻帶中彼此獨立地控制電子射束的能力,它由工作在低頻帶的頂端平面陣列天線和工作在高頻帶的底端平面陣列天線以分層形式構造。頂端平面陣列天線對高頻帶中的頻率透明。
文檔編號H01Q1/38GK1226344SQ96180403
公開日1999年8月18日 申請日期1996年7月4日 優(yōu)先權日1996年7月4日
發(fā)明者舍姆－托福·勒維 申請人:天門國際技術公司