環形縫隙天線的製作方法
2023-10-17 13:15:04
專利名稱：環形縫隙天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種環形縫隙天線，更準確地說，涉及採用組合饋電的寬頻帶和高增益的並可適合於圓極化的定向環形縫隙天線。
在一些先有技術的專利中已公開過縫隙天線陣。例如，美國專利第2，433，924號公開了一種適合於在水平面中提供無方向性發射的天線。
美國專利第2，570，824號公開了一種薄形航空用縫隙天線，它具有百分之幾帶寬通過多個由空腔諧振器饋電的翼縫裝置的縫隙天線。
美國專利第2，589，644號也公開了一種具有多個翼縫並設計成將其結合到飛機上不構成凸出表面的寬帶航空天線。因此，象垂直安定面這樣的飛機結構構件在安定面的相對兩側配置有被介質材料覆蓋的翼縫，並由單一的T形空腔對其饋給，使得每個翼縫的發射圖案是與飛機前後方位同相的，而且以水平極化方式發射能量。
美國專利第2，628，311號公開了一種寬帶多縫隙天線系統，該系統有多個隔開相對于波長很小距離的隙縫，並由諧振腔饋給以便在天線結構外表面範圍內提供基本上均勻的電流公布。該多縫隙天線可以是平面的或筒形的縫隙天線陣。
美國專利第2，981，949號公開了一種主要旨在供航空用的天線，該種天線具有多個中央饋電、徑向擴展的波導部分以便從中央徑向向外發射能量，使得所述能量可通過環形隙縫漏洩到每個徑向擴展波導部分的壁中，從而形成沿水平方向擴張的全向或環形電子束。通過依次地供給相鄰扇形波導，可產生扇形電子束並圍繞天線的垂直軸在全水平範圍內掃描或掃掠。
美國專利第4，647，940號公開了一種平行波導微波天線，該種天線可廉價地進行製作，而且即使暴露於環境也能可靠地工作。該天線由一對間隔開的介質材料板組成，所述介質材料最好是玻璃並用空氣、惰性氣體或真空(最好是空氣)予以隔離，其中一塊板有一敷以金屬的表面以便提供一接地面，而另一塊板有確定一系列波導隙縫或孔徑的敷以金屬的表面，使其安排並成形為可提供具有所要求特性和參數的偏光束的發射電子束。放置兩板的敷金屬部分使之相互面對並確定其間的封閉氣隙，兩板在邊緣處進行密封並由中央同軸電纜對其饋給，使得從中央波導引入天線結構的能量在封閉空氣介質中以圓形向外擴展，並經由多個隙縫或孔徑發射至自由空間。
美國專利第4，633，262號公開了一種在美國專利4，647，940號中所公開的可廉價製作並可靠地在戶外使用的電視接收天線，所述TV接收天線是由敷金屬表面的第一玻璃板和鍍金屬電路圖案的第二玻璃板組成的，設計用以接收一種例如從全同步地球衛星發出的平面波。設置兩玻璃板使它們的敷金屬表面相互面對且彼此間隔開從而在電路圖案和接地面之間確定一個氣隙，並在邊緣處加以密封以保護所述敷金屬表面不受環境影響。
美國專利第4，825，221號公開了一種介質傳輸線，用來使從其一個末端部分發射的電磁波通過把介質線的一個末端成形為用以發射呈預定波陣面狀態電磁波所需要的外形而發射到周圍空間。根據該專利，該介質線末端可有多種外形，包括凸面，凹面，圓錐形末端和扁平末端;並可以使介質線的末端部分備有不同的介電常數從而使從介質末端發射的波形具有某種形狀。
儘管有了以上專利所代表的人們為先有技術發展所作的努力，但對有效的寬帶的具單向靈敏度的天線的需要依然存在，尤其需要一種具有單一供電裝置、可廉價製作並適合於從衛星脈衝轉發機接收通信的天線。
本發明提供一種廉價、有效、具有單向靈敏度的寬帶縫隙天線。在該天線中，隙縫形成裝置形成多個基本上同心並一般地是共面的環形隙縫;以及一個非諧振的天線連接裝置，即天線饋給裝置把電磁波能量傳送到多個環形隙縫和從多個隙縫把電磁波能量傳送到天線饋給裝置。該天線饋給裝置可具有「組合饋電」(「corporate feed」)形式。該天線連接裝置構成多個非諧振徑向延長的空腔，並使得這些空腔適合於基本上同相地聚合從多個同心環形隙縫處所接收到的電磁能，並在多個同心環形隙縫之間分配電磁能，以供從所述隙縫一般同相地沿著垂直於多個同心環形隙縫的中央隙縫軸發射。天線連接裝置的空腔成形裝置用一電磁能連接器互連多個環形隙縫。
本發明天線的最佳實施例中，在相鄰於至少一或兩個基本上同心的環形隙縫的隙縫成形裝置裝載有多個偏振天線元件，以便提高偏振的均勻性和天線的單向靈敏度。這些偏振器可設置於至少是一或二個同心環形隙縫相鄰之隙縫成形裝置之上若干分隔開的位置上，並使其圍繞它們的周邊分布以抑制出入天線的交叉偏振。這種天線元件可以是多個長度小於天線中心工作頻率波長二分之一左右的短而細長的導體，並使之支承在一或多個隙縫上方小於天線中必工作頻率約四分之一的距離處。為了提供隙縫電磁能一致的偏振，偏振器可以銳角橫過所述隙縫。可使天線和天線連接裝置適合於送出的接收圓極化方式的電磁輻射。
圖1是將本發明的天線分裂開以表示處於通過天線幾何中心剖面的透視圖。
圖1A是圖1天線另一實施例的剖面圖，圖2是本發明另一天線的頂面視圖。
圖3是圖2天線處於通過天線的幾何中心或旋轉軸平面的剖面圖。
圖4是圖2和3天線傳播特性的H-面線性圖案，圖5是圖2和3天線傳播特性的E-面線性圖案，圖6是本發明另一種具有多個偏振器以抑制交叉偏振並提高天線單向傳播的天線圖例，以及圖7是圖2和3的圓極化天線陣的自旋線性圖案。
圖1是例示本發明天線10的簡單實施例。如圖1所示，本發明的天線包含一個隙縫成形裝置11，該裝置確定多個(例如，兩個)同心且一般為共面的環形隙縫12、13。隙縫12、13的寬度並不是十分嚴格的，一般小於天線工作帶度中心頻率波長的四分之一。所述隙縫成形裝置包含一般是共面的部分11a、11b和11c，雖然，部分11a、11b和11c，並不一定要精確地處於相同的平面內。圖1的實施例中同心環形隙縫12和13之間的徑向距離等於構成隙縫裝置11的部分11b的寬度。最好，隙縫12和13之間的徑向距離在天線10工作頻率帶寬中心處半個波長與一個波長之間，以便抑制光柵瓣。由下式給出用於光柵瓣抑制的隙縫間的最大距離「d」d=1-12n1+Sin]]>式中n＝隙縫數;
θ＝離寬邊的射束角度;以及λ＝在所要求頻率條件下的波長。
例如，在射束轉向寬邊(即，θ＝0)情況下，對於四隙縫天線來說，d=1-181+0]]>，即，0.875波長。較大的間隔應該不致影響天線的阻抗匹配;然而，光柵瓣將會出現在靠近水平的發射圖案中。以後，在此文中凡提到波長和頻率時，應該理解為這是指本發明天線的工作帶寬中心處的頻率。應當注意本發明的天線具備一倍或更多倍頻程上的有效的帶寬。
天線10還包含一個天線連接裝置20用來傳送電磁能到多個同心環形隙縫，並傳送來自多個同心環形隙縫的電磁能。如圖1所不，連接裝置20界定多個非諧振徑向延展的空腔21和22，並使得這些空腔適合於聚合從同心環形隙縫12和13所接收到的電磁能，並將通過連接裝置23供給天線10的電磁能在同心環形隙縫12和13之間分配。正如圖文所說明了的，使天線連接裝置20適合於聚合來自隙縫12和13的電磁能，供連接裝置23一般同相接收，並分配連接裝置23所提供的電磁能，使得如圖1所表明的，能同相地傳播。如圖1(以及圖1A和3)所示的這種天線饋給裝置具有可稱之為「組合饋電」的形式。
這樣，天線連接裝置20提供了一種非諧振空腔成形裝置，使連接裝置23與隙縫12和13互連。如圖1所示，天線連接裝置20形成一個位於下部的從連接裝置23徑向延展到周邊環形開孔24的圓形空腔21。上部空腔22是環形的從周邊開口24向外徑向延展以便端接在外環形隙縫12上。如圖1所示，上部空腔22還從周邊環形開孔24徑向向內收縮並端接在最內層環形隙縫13上。環形功率分配器25可由隙縫成形裝置11(參見隙縫成形裝置11的部分11b)承載它與上部環形空腔22與下部圓形空腔21之間的周邊環形開孔24相鄰且位於上部環形空腔22之內。
圖1的實施例中，下空腔高度約為二分之一波長，而上空腔高度約為四分之一波長。然而，應該注意，內環形空腔部分22a的高度和外環形空腔部分22b的高度可以如圖1A所示是有所不同的。例如，通過使周邊環形開孔24與最內部環形隙縫13之間內環形空腔部分22a的高度小於周邊環形開孔24與外環形隙縫12之間外空腔部分22b的高度，如圖1A所示，可由天線連接裝置分配電磁能，從而在圍繞最內部隙縫13的周邊以及圍繞最外部環形隙縫12的周邊都有均勻一致的能量密度。
應該理解連接裝置23可以是採用任何已知技術的連接器，例如，連接裝置23可以是一種通到下空腔21的波導，最好如圖1所示，在天線10的中央部位同軸地通到下空腔21。連接裝置23如圖3所示可以是放置於天線連接裝置20中央的多個相控的直接電源饋路。連接裝置23可以而且最好是適合於傳送和接收圓極化方式的電磁能。天線10的天線連接裝置20還最好是以橫向磁場(TEM)模式進行工作的。
圖2和圖3表示本發明天線的另一種實施例30。圖2和圖3的天線30提供確定四個隙縫32、33、34和35的隙縫成形裝置31。在圖2和圖3的實施例中，藉助於如上述計算出的徑向距離可使隙縫32-35中的每一隙縫與相鄰隙縫分隔開。如圖2和3所示，例如，部分31a、31b和31c中每一個具有的徑向寬度等於二分之一波長左右，隙縫成形裝置31的部分31d的直徑等於二分之一波長左右。
天線30的天線連接裝置40確定多個孔腔41、42、43和44。空腔41-44的每一個徑向延展在天線連接裝置之內，並適合於在天線連接裝置之內基本上同相地聚合從多個同心環形隙縫處所接收到的電磁能，並按如下這種方式分配在多個環形隙縫之間向外發射的電磁能，即，使其沿著垂直於多個環形隙縫面的中心軸一般同相地經多個環形隙縫進行傳播。
如圖3所示，多個徑向延展的空腔包含一個從連接裝置47徑向延展並端接在與環形空腔42溝通的周邊環形開孔48的下圓形空腔41。如圖3所示，環形空腔42包含一個從周邊環形開孔48延展並端接在內環形開孔49的內環形空腔部分42a。環形空腔42還包含一個從周邊環形開孔48延展到環形外開孔50的外環形空腔部分426。如圖3所示，內環形開孔49與內環形空腔連通，而外環形開孔50則與外環形孔腔43連通。穿過居中的空腔部分，電磁能就這樣在連接裝置47與多個環形隙縫32、33、34和35之間流動。當其在多個同心環形隙縫32、33、34和35與連接裝置47之間流動時，出入隙縫32和33的電磁能穿過外環形空腔43並在外環形開孔50進行同相分流或聚合。出入同心環形隙縫34和35的電磁能穿過內環形空腔44並在內環形開孔49進行同相分流或聚合。出入環形隙縫32和33的複合能量穿過外環形空腔部分42b傳輸到周邊環形開孔48，而出入隙縫34和35的複合能量則穿過內環形空腔部分42a傳輸到周邊環形開孔48。出入隙縫32、33、34和35的電磁能在周邊環形開孔48同相進行分流或聚合併穿過空腔41到連接裝置47。空腔41-44為非諧振的。
如圖3所示，天線連接裝置可備有多個分別鄰近於周邊環形開孔48，內環形開孔49，以及外環形開孔50的環形功率分配器51、52和52;以便分別在空腔42、43和44之內在開孔48、49和50幫助電磁能的分配。
在某些實施例中，下圓形空腔41的高度約為二分之一波長。環形空腔42的高度約為四分之一波長，而外環形空腔43和內環形空腔44的高度則約為八分之一波長。如上所述，可將每一環形空腔42、43和44的內、外環形部分的高度加以調整，從而使其按如下這種方式來分配隙縫32、33、34和35之中的能量，即，使圍繞所有隙縫周邊的能量密度基本上相等。可調整相應空腔的高度使隙縫之間以及圍繞各環形隙縫獲得要求的其它形式的功率密度分配，例如，提供低旁瓣的分配。
如圖3所示，連接裝置47含有多個處在空腔41之內中心位置的同軸連接器，可按某一相位關係驅動構成連接裝置47的連接器47a和47b，以便在隙縫32、33、34和35的周邊提供一般為同相的電磁能。此外，可驅動連接裝置47以便為圓極化方式從天線發射電磁能，並可接收圓極化的電磁能。
圖2和3的天線是一種有效的，基本上單向的天線。圖4表示連接裝置47按TEM模式驅動的圖2和3的天線的典型H-面線性圖案;而圖5則表示所述天線的相應典型E-面線性圖案。正如圖4和5所顯示出的那樣，所述天線具有顯著單向特性。圖4和5的零度軸相當於通過天線中央且垂直於隙縫32、33、34和35大致所處平面的軸(即，同心環形隙縫32、33、34和35的中心軸)。
儘管圖1-3所示天線能在多個同心環形隙縫的每個周邊發射大致為同相的電磁能，並能有效地複合在天線連接裝置之內大致為同相接收的能量，但最好為天線配置多個由隙縫成形裝置所支承的相鄰於多個同心環形隙縫中一個或多個的天線元件，以校正圍繞多個環形隙縫周邊的微小微振差異，從而抑制交叉偏振能並提高天線的單向靈敏度。如圖6所示，在多個部位，例如，至少在兩個同心環形隙縫62和63上面和上方，由隙縫成形裝置61支承多個天線元件60。多個天線元件圍繞兩個同心環形隙縫的周邊分布，以校正圍繞所述隙縫周邊的能量極性方面的偏差，從而抑制交叉偏振。這種天線元件可以是長度小於二分之一波長的短而細長的導體。可將這種天線元件安裝在高出隙縫小於約四分之一波長距離處。如圖6所示，可取各種不同的銳角將這些天線元件60橫跨同心環形隙縫62、63進行定位，以實現同心環形隙縫的那些區段處電磁能偏振的校正。
可藉助於一些方法廉價地製作本發明的天線。例如，可用廉價的象介質襯底那樣的印刷電路板材料，在兩面覆以銅箔來構成隙縫成形裝置，在一個表面上使其經受光刻以形成多個同心環形隙縫，並在另外表面上定位多個天線元件以校正來自多個同心環形隙縫的能量的偏振，從而抑制交叉偏振並提高所述天線的單向靈敏度。這種襯底上的隙縫可以或可不進行衝孔。該天線連接裝置也可用微帶技術進行製作，以提供一種耐用的可廉價地製作並能有效接收來自衛星的電磁能的天線，以使之應用於那些費用必須考慮的家用及商業用途。
此外，天線和天線連接裝置可由薄金屬片衝壓成形，可鑄型，或可模塑敷以金屬，或採用其他這種廉價的製作方法來進行製作。可用這樣的製作方法製作一種具有單向靈敏度的寬帶縫隙型天線，該種天線含有確定一或多個環形隙縫的隙縫成形裝置和用來傳送出入一或多個環形隙縫的電磁能的環形組合饋電。
例如，圖1的天線可用多塊導體板材製成，該導體板材可以是廉價的比如象馬口鐵這樣的金屬片。如圖1所示，天線的這種實施例可包括一圓形金屬接地面26，該接地面有一個底座26a和一個延展部分包括隙縫成形裝置11的部分11a，一個臺階26b，以及傾斜側壁部分26c和26d。第一圓形金屬板27可平行於接地面並與接地面的26a間隔開方式進行設置，以便形成一個周邊環形開孔24作為第一圓板27的周邊與延展部分11a之間的環形饋給隙縫。第一圓板27可在它的中央設置有一升高部分以形成隙縫成形裝置11的部分11c。可以平行於第一圓板27和所述圓形接地板的臺階部分26b並以與兩者間隔開的方式設置第二環形金屬板11b。如圖1所示，第二環形板11b的內周邊邊緣和第一圓板27的升高部分11c可形成內環形隙縫13，而第二環形隙縫11b的外周邊邊緣的延展部分11a可形成外環形隙縫12。
雖然以上示出並描述了當前最佳的實施例，但對於熟悉本行技術的人應當懂得，在不違背以下權利要求書的精神和範圍的條件下是可以作出另外實施例的。
權利要求
1.一種具有單向靈敏度的寬帶縫隙型天線，其特徵在於它包含確定多個基本上同心且共面的環形隙縫的隙縫成形裝置，用來傳送出入多個同心環形隙縫的電磁能的天線連接裝置，所述天線連接裝置確定多個沿徑向延展的空腔，這些空腔適合於基本上同相地聚合從所述多個同心環形隙縫處所接收到的電磁能，並在所述同心環形隙縫之間分配電磁能以供從所述隙縫一般同相地沿著垂直於多個環形隙縫面的中央軸發射之用。
2.權利要求1的天線，其特徵在於天線連接裝置的空腔為非諧振的。
3.權利要求2的天線，其特徵在於頻率帶寬為一倍頻程或更多。
4.權利要求1的天線，其特徵在於功率分配器是安置在所述徑向延展各空腔之間的，以便協助在它們之間電磁能的聚合和分配。
5.權利要求1的天線，其特徵在於使所述天線連接裝置的多個空腔藉助於在多個空腔中的不等功率分配從而使圍繞多個基本同心的環形隙縫周邊的電磁能量密度均勻一致。
6.權利要求1的天線，其特徵在於所述徑向延展的空腔的各部分具有不同的高度。
7.權利要求1的天線，其特徵在於所述天線連接裝置以TEM模式工作。
8.權利要求1的天線，其特徵在於藉助微帶製作方法構成所述隙縫成形裝置和所述多個天線元件。
9.權利要求1的天線，其特徵在於藉助微帶製作裝置構成所述天線連接裝置。
10.權利要求1的天線，其特徵在於所述天線連接裝置適合於以圓極化方式發送和接收電磁能到所述多個同心環形隙縫。
11.權利要求1的天線，其特徵在於由如下公式確定多個環形隙縫中每一個相鄰對之間的距離d=1-12n1+Sin]]>式中n等於隙縫數;θ等於離寬邊的射束角度;以及λ等於在天線工作帶寬中心的波長。
全文摘要
一種具有單向靈敏度的、廉價、有效的寬帶縫隙型天線包括確定多個基本上同心和一般共面的環形隙縫的隙縫成型裝置，以及用來傳送出入多個環形隙縫的電磁能的非諧振天線連接裝置。該天線連接裝置構成多個非諧振徑向延展的空腔。該天線還可包含多個由隙縫成型裝置在鄰近至少一或兩個基本上同心環形隙縫支承的偏振天線元件以提高天線的單向靈敏度。可由隙縫成型裝置支持多個起偏器，使其圍繞它們的周邊指向並分布在各部位，以校正極性變化從而抑制天線的交叉偏振。
文檔編號H01Q13/18GK1049071SQ9010489
公開日1991年2月6日 申請日期1990年7月23日 優先權日1989年7月24日
發明者羅伯特·E·芒森, 米歇爾·W·施內特澤 申請人:鮑爾公司