雙極化平面輻射元件以及包括該輻射元件的陣列天線的製作方法

2023-09-21 01:19:10 2

專利名稱：雙極化平面輻射元件以及包括該輻射元件的陣列天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雙極化平面輻射元件，其中將靜電放電現象最小化，本發明還涉
及一種包括這樣的輻射元件的陣列天線。本發明應用於包括至少一個雙極化平面輻射元件 的任何類型的天線，還應用於安裝到確定天線的輻射陣列以及裝載到例如衛星的飛行器上 的陣列天線，例如反射式陣列天線或相控式陣列天線。
背景技術：
陣列天線，例如反射式陣列天線或相控式陣列天線(也已知為相控陣天線)，包括 裝配為一維或二維輻射陣列的一組基本輻射元件，使得能夠增加天線的方向性和增益。在 反射式天線中，陣列的基本輻射元件通常包括尺寸有變化的片和狹槽的布置。輻射元件的 形狀，例如正方形、圓形(circular)、六邊形，通常對於陣列來說是固定的並且是唯一的。當 輻射元件被主源照射時，調整輻射元件的尺寸以便獲得選擇的輻射圖形。在相控式陣列天 線中，將信號分配到陣列的輻射元件是通過波束成形分配器完成的。 基本輻射元件可以包括安裝在金屬平面上的具有腔體和輻射狹槽的結構，或者包 括具有金屬輻射片的平面結構，金屬輻射片印製在安裝在金屬平面上的介電基板的表面 上，金屬片可能包括例如圖1中所示的一個或多個狹槽。輻射狹槽可以由介電材料或複合 材料製成，例如印刷精細(printed fine)介電基板的蜂窩的疊加，用作複合材料的表層。然 而，為了使得天線能夠支持空間環境，需要確保輻射元件之間的靜電放電現象最小化。
已知通過將飛行器所有的導電外部表面和所有的內部金屬元件連接到飛行器的 主金屬結構上來將靜電放電最小化。對於線性極化的輻射元件，可以沿著正交於極化方 向的對稱軸通過金屬線將輻射元件連接到外部金屬柵格來實現接地，而不會有任何特殊問 題。 但是，對於包括具有雙極化的平面結構的基本輻射元件的輻射陣列，需要考慮各 種輻射元件的極化。的確，例如通過金屬線的方式來將輻射元件直接連接到一起將影響這 些元件的極化和操作，並且能夠破壞共振，而且激勵其他更高模式(higher modes)。此外， 在陣列天線的情況下，可能破壞輻射元件的匹配。

發明內容
本發明的目的通過提供一種雙極化平面輻射元件來解決該問題，其中靜電放電的 現象被最小化而不幹擾輻射元件對承受的正交極化波的響應。 為此目的，本發明的主題是一種雙極化平面輻射元件，其特徵在於，其包括外部金 屬柵格、與外部金屬柵格同中心的至少一個金屬片、以及將金屬柵格與金屬隔開的腔體，所 述柵格和片具有由至少四個成對的相對邊(pairwise opposite sides)限定的多邊形形 狀，其中，雙極化平面輻射元件包括與兩個正交的電場相關聯的兩個正交的極化方向，所述 極化方向中的至少一個與所述多邊形的兩邊平行，並且其中與極化方向平行的金屬片的每 一邊電連接到所述外部柵格的區域，電場中的一個在該區域最小。
有利地，所述金屬片的多邊形形狀選自正方形、矩形、十字架形、六邊形。 有利地，所述平面輻射元件包括四個成對的正交邊，並且平行於極化方向的金屬
片的每個邊分別連接到正交於所述極化方向的外部柵格。 優選地，平行於極化方向的金屬片的每個邊包括中心，其連接到正交於所述極化 方向的外部柵格的邊的中心。 根據本發明的特定實施例，金屬片可以包括形成中心十字架的幾個正交狹槽。
根據本發明的另一個實施例，金屬片包括外部環形片、至少一個與外部環形片同 中心的內部片以及將內部片和外部片隔開的至少一個環形狹槽，所屬內部片和外部片具有 相同的多邊形形狀，其中平行於極化方向的內部金屬片的每個邊連接到正交於所述極化方 向的外部環形片的邊。 可選地，內部片可包括形成中心的十字架的幾個正交狹槽。 優選地，平行於極化方向的內部金屬片的每個邊包括中心，其連接到正交於所述 極化方向的外部環形片的邊的中心。 根據本發明的特定實施例，金屬片的多邊形形狀為十字架形，外部柵格具有正方 形形狀。 根據本發明的另一個實施例，金屬片包括外部環形片、至少一個與外部環形片同 中心的內部片，以及將內部片和外部片隔開的至少一個環形狹槽，所述內部片和外部片具 有六邊形形狀，該六邊形形狀包括平行於極化方向的兩個邊，以及相對於所述極化方向傾 斜並且通過頂點成對的連接的四個邊，其中平行於所述極化方向的外部金屬片的每個邊電 連接到內部片的頂點，平行於所述極化方向的內部片的每個邊電連接到外部金屬片的頂 點。 本發明還涉及一種陣列天線，其包括至少一個雙極化平面輻射元件，並且每個輻 射元件的外部金屬柵格連接到該陣列的金屬接地平面。


參照附圖，通過以僅示例性的而非限制性的實例方式給出的下面的說明書，本發 明的特點和優點變得更加明顯，其中
圖1 :示例性陣列天線的圖； 圖2 :通過平面技術製造的第一示例性雙極化基本輻射元件的圖； 圖3a和3b :從上觀看的通過平面技術製造的第二和第三示例性雙極化基本輻射
元件的兩個圖； 圖4、5a、5b :根據本發明的三個示例性輻射元件的從上觀看的三個示意圖；
圖6 :根據本發明的第四示例性輻射元件的從上觀看的示意圖；
圖7和8 :根據本發明的第五和第六示例性輻射元件的從上觀看的兩個示意圖；
圖9a、9b、9c :根據本發明的三個示例性輻射陣列的從上觀看的三個示意圖。
具體實施例方式
圖1示出了示例性陣列天線IO，包括形成反射表面14的反射陣列11，以及用於通 過入射波來照射反射陣列11的主源13。反射陣列包括多個布置為二維表面的基本輻射元
4件。 在圖2中圖示了具有雙極化的第一示例性基本輻射元件12，其包括印製在基板16 的上面的金屬片15，基板16在其下面(lower face)裝有金屬接地平面17，基板可以是介 電材料或具有例如蜂巢形式的間隔材料以及精細介電材料(fine dielectric material) 的複合材料。金屬片15包括製造在其中心的十字架形的兩個狹槽18。基本輻射元件12的 形狀可以是例如正方形、矩形、六邊形、圓形、十字架形或者任何其他幾何形狀。狹槽的個數 也可以不是2，並且它們可以布置為不是十字架。在圖2中，狹槽具有相同的尺寸但是它們 可以是不同尺寸。 在圖3a中，圖示了第二示例性雙極化平面輻射元件。輻射元件具有多邊形，例如 正方形，並且包括第一內部金屬片30、形成金屬環31的第二外部環形金屬片，以及將外部 金屬環31和內部金屬片30分隔開的環形狹槽32。內部片、環和狹槽是同中心的。當輻射 元件由兩個激勵波正交地極化時，對應於兩個極化方向的兩個電場Ev和Eh互相正交。電 場Ev平行於輻射元件的第一邊33，電場Eh平行於輻射元件的第二邊34，第一和第二邊33、 34相互正交。當環形狹槽32的圓周長等於建立的極化模式的周期時，環形狹槽32是諧振 的。因此，如圖3a所示，電場Ev在狹槽的確定區域35是最大的，在這裡電場Eh是最小的， 並且在電場Eh最大的另一個區域36，電場Ev消失。電場Ev、Eh中的一個分別逐漸地消失 的區域是外部環平行於相應的極化方向的區域。在電場Ev、Eh分別消失的位置，能夠在內 部片和外部環之間放置短路，因為這將不對承受根據此模式而極化的波的輻射元件的響應 造成影響。事實上，如3b所示，對於每個極化，環形狹槽32等同於具有兩個互補的半環的 形狀的兩個半狹槽(half-slots)，兩個半環相對於與相應的極化平行的邊的垂直等分線對 稱設置。因此，對於極化Ev，環形狹槽32等同於兩個半狹槽1、2，其相對於邊33的垂直等 分線5對稱設置。相似的，對於極化Eh，環形狹槽32等同於兩個半狹槽3、4，其相對於邊34 的垂直等分線6對稱設置。因此包括圖3b中所示的四個交錯的半環的四個半狹槽對於每 個極化Ev、 Eh表現為等同於圖3a中所示的環形狹槽。 圖3a和3b中所示的輻射元件的表現等同於在內部片和外部環之間的電場Ev、或 者Eh消失的位置處具有短路的輻射元件，如圖4所示。在此例子中，根據本發明，內部金屬 片30的每個邊例如通過金屬線37電連接到與其正交的外部環31的一邊。優選地，金屬線 37將內部金屬片30的邊的中部連接到與其正交的外部環31的邊的中部。遠離諧振，以何 種方式將狹槽短路不會顯著地改變輻射元件的屬性。當狹槽靠近諧振時，此電連接對輻射 元件被正交極化波激勵時只有少量影響，從而每個極化方向平行於片和外部環的邊中的一 個。事實上，對應於每個極化方向的電場在狹槽垂直於所述極化方向時的區域最大，並且在 狹槽平行於所述極化方向的區域中非常微弱或者實際上為零。 當如上所述，內部片的每個邊連接到外部環時，在內部片上出現的寄生靜電電荷 朝著外部環漏電。然後其足夠將輻射元件的外部環連接到其所安裝於的天線或輻射陣列金 屬物質上，以便去除靜電電荷。 如圖5a中所示，當把輻射元件集成為輻射陣列時，可以增加外部金屬柵格以使得 靜電電荷朝著陣列的金屬接地平面，例如輻射元件的接地平面17漏電。
圖5a中所示的輻射元件包括例如為正方形的金屬片15，其中製造有形成十字架 的兩個正交狹槽18、20。十字架一般位於金屬片的中心，並且使得每個狹槽平行於正方形的兩個相對邊。可選的，十字架可以包括額外的正交狹槽21、22、23、24，例如為稱為耶路撒 冷十字架(Jerusalem cross)的十字架，如圖5b中所示，其包括分別與每個中心狹槽的兩 端正交放置的四個額外的狹槽。輻射元件39還包括限定了柵格和金屬片之間的腔體41的 外部金屬環形柵格38。外部環形金屬柵格和金屬片是同中心的，並且具有相同的幾何形狀。 腔體41用作輻射狹槽並且參與全局輻射。圖5a和5b中所示的片的幾何形狀是正方形的， 但是本發明不限於此類型的形狀。特別地，本發明還應用於矩形的片或被至少四個成對的 相對邊限定的多邊形的片，例如六邊形或十字架形。根據本發明，金屬片的每個邊42、43、 44、45例如通過金屬線46電連接到與其正交的外部柵格38的邊47、48、49、50。優選地，金 屬線將內部金屬片的邊的中部連接到與其正交的外部柵格的邊的中部。與應用於圖4的例 子相同的推論對於用金屬柵格38代替金屬環31依然有效。 當內部片的每個邊如上所述連接到外部柵格時，出現在該片上的寄生靜電電荷朝 著外部柵格漏電。然後其足夠將輻射元件的外部柵格連接到其所安裝於的天線或輻射陣列 的金屬物質上，以便去除靜電電荷。 圖6示出了根據本發明的第三示例性輻射元件。在該實例中，輻射元件的幾何形 狀是六邊形並且包括6個成對的相對邊。該輻射元件包括兩個被環形狹槽63隔開的同中 心的環形金屬片61、62。當該輻射元件被正交極化波激勵，使得其中一個極化方向Eh平行 於六邊形的兩個相對邊64、65時，場Ev在外部片垂直於場Ev的區域中最小，也就是六邊形 的不平行於任何極化方向的邊66、67、68、69相交的頂點的區域。因此，平行於其中一個極 化方向Eh的內部片62的每個邊72、73電連接到外部片61的不平行於任何極化方向的邊 66、67和68、69相交的頂點70、71。相似的，內部片62的不平行於任何極化方向的邊56、 57、58、59相交的頂點74、75電連接到外部片61的平行於極化方向Eh的邊65、64。在前述 實例中，當將輻射元件集成到輻射陣列中時，增加未示出的外部金屬柵格來將靜電電荷朝 著陣列的金屬接地平面，例如輻射元件的接地平面17漏電。 相同的原理也應用於包括多個環形狹槽76、77和多個同中心金屬片78、79、80的 輻射元件，每個環形狹槽將兩個相鄰的片隔開，例如圖7和8所示。在此情況下，平行於極 化方向的第一內部金屬片80的每個邊電連接到環繞該金屬片的第二環形金屬片79的正交 邊，並且平行於極化方向的第二環形金屬片79的每個邊電連接到環繞該金屬片的第三金 屬片78的正交邊。對於每一個金屬片以這樣的方式繼續，即將所有被一環形金屬片環繞的 內部的金屬片的平行於極化方向的每一邊連接到環繞該環形金屬片的所述環形金屬片的 正交邊。另外，輻射元件可以包括被腔體98與外部環形片78隔開的外部環形金屬柵格94。 在此情況下，參照圖5如前所述，第三外部金屬片78的每一邊電連接到與其正交的外部柵 格94的邊。 在圖8中，輻射元件包括正方形的外部柵格82和中心的十字架，中心的十字架被 腔體88從外部柵格隔開。中心的十字架包括被十字架形環形狹槽85隔開的兩個十字架形 的環形金屬片83、84，以及位於輻射元件的中心的形成十字架的兩個正交狹槽86、87。各十 字架為每個狹槽85、86、87包括平行於第一極化方向Ev的區域以及平行於第二極化方向Eh 的區域。同樣，每個環形金屬片83、84和柵格82包括與第一極化方向Ev平行和正交的邊， 以及與第二極化方向Eh平行和正交的邊。就如同圖7所示的實例，平行於極化方向的第一 內部金屬片84的每個邊電連接到第二環形金屬片83的正交邊，或者環繞它的外部金屬柵格82的正交邊。該類型的十字架形平面輻射元件展示了比在正方形或圓形的元件中有環
形狹槽的圖形尺寸更小的優點，因為電路徑被拉長了。因此它們能夠插入到網孔更小的陣
列中，這對於帶寬方面的性能有利，因而改進陣列對突然的入射的波的響應。 圖9a、9b、9c圖示了根據本發明的三個示例性輻射陣列。圖9a的陣列包括兩個雙
極化平面輻射元件，每個輻射元件39、40包括金屬片15、19以及被腔體從該片隔開的外部
柵格。兩個輻射元件是相鄰的並且兩個外部柵格50、51包括共同的邊49。金屬片的每個邊
電連接到外部柵格的正交邊。 圖9b和9c的陣列包括四個雙極化平面輻射元件。在圖9b中，每個輻射元件90、 91、92、93包括內部金屬片80、被第一環形狹槽77從該內部片隔開的第一環形金屬片79、被 第二環形狹槽76從第一環形片79隔開的第二環形金屬片78、被腔體98從第二環形金屬片 78隔開的環形金屬柵格94、95、96、97。所述四個輻射元件是相互鄰接的並且所述四個柵格 包括成對的公共邊99、 101、 102、 103。 在圖9c中，每個輻射元件104、105、106、017包括呈十字架形的兩個中心狹槽86、 87、圍繞該中心的十字架的第一內部環形片84、在第一環形片84外並且被環形狹槽85與 其隔開的第二環形片83、以及正方形的並且被腔體88從第二環形金屬片83隔開的外部環 形金屬柵格82，如圖8所示。所述四個輻射源互相相鄰並且所述四個柵格包括成對的公共 邊。 每個金屬片包括平行於極化方向的邊，所述邊連接到圍繞它的金屬片的正交邊， 或者對於第二環形片來說，連接到外部金屬柵格的正交邊。所有的靜電電荷因而朝著外部 金屬柵格漏電，而不會干擾輻射元件對承受的正交極化波的響應。此後通過將外部柵格連 接到接地金屬平面，靜電電荷朝著陣列的金屬接地平面放電。 各種尺寸和特性的輻射陣列因而可以通過將多個輻射元件組合起來而構成所需 尺寸的一維或二維輻射表面而構成。元件可以是都相同的或者可以是不同結構的，取決於 所需的天線的類型。此後陣列被裝配為所選擇的陣列天線，例如圖1中所示的實例或任何 其他類型的陣列天線。 儘管本發明是參照特定實施例進行描述的，顯然這不應該將本發明限制於此，而 是包括所描述的裝置的所有技術上的等同物及其落入本發明框架內的結合。特別的，可以 製造所有的實心或環形片以及十字架形的正交中心狹槽的組合，十字架可以包括大於或等 於2的多個正交狹槽，例如簡單的十字架或耶路撒冷十字架。相似的，具有六邊形幾何形狀 或十字架形的平面輻射元件可以包括不同形狀的外部柵格，例如正方形。另外，六邊形的輻 射元件可以包括內部片，該內部片具有形成簡單的十字架或耶路撒冷十字架的正交的中心 狹槽。
權利要求
一種雙極化平面輻射元件，其特徵在於，該雙極化平面輻射元件包括外部金屬柵格(38、82)、與外部金屬柵格(38)同中心的至少一個金屬片(15)、以及將金屬柵格(38、82)與金屬片(15)隔開的腔體(41)，所述柵格和片具有由至少四個成對的相對邊(42、43、44、45)限定的多邊形形狀，其中，該雙極化平面輻射元件包括與兩個正交的電場Ev和Eh相關聯的兩個正交的極化方向，所述極化方向中的至少一個與所述多邊形的兩邊平行，並且其中與極化方向平行的金屬片(15)的每一邊(42、43、44、45)電連接(46)到所述外部柵格的區域(47、48、49、50)，其中電場Ev或Eh中的一個在該區域最小。
2. 根據權利要求1所述的平面輻射元件，其特徵在於，所述金屬片的多邊形形狀選自 正方形、矩形、十字架形或者六邊形。
3. 根據權利要求2所述的平面輻射元件，其特徵在於，該平面輻射元件包括四個成對 的正交邊(42、43、44、45)，並且平行於極化方向的金屬片(15)的每個邊(42、43、44、45)分 別連接到正交於所述極化方向的外部柵格(38)的邊(46， 48， 49， 50)。
4. 根據權利要求3所述的平面輻射元件，其特徵在於，平行於極化方向的金屬片(15) 的每個邊(42、43、44、45)包括中心，該中心連接到正交於所述極化方向的外部柵格(38)的 邊的中心。
5. 根據權利要求1到4中任意一項所述的平面輻射元件，其特徵在於，所述金屬片 (15)還包括形成中心十字架的至少兩個正交狹槽(18)。
6. 根據權利要求1到5中任意一項所述的平面輻射元件，其特徵在於，金屬片(15)包 括外部環形片(31、83)、至少一個與外部環形片(31)同中心的內部片(30、84)以及將內部 片(30)和外部片(31)隔開的至少一個環形狹槽(32)，所述內部片和外部片具有相同的多 邊形形狀，其中平行於極化方向的內部金屬片(30)的每個邊連接到(37)正交於所述極化 方向的外部環形片(31)的邊。
7. 根據權利要求6所述的平面輻射元件，其特徵在於，平行於極化方向的內部金屬片 (30)的每個邊包括中心，該中心連接到正交於所述極化方向的外部環形片(31)的邊的中 心。
8. 根據權利要求6或7所述的平面輻射元件，其特徵在於，內部片(84)包括形成中心 的十字架的至少兩個正交狹槽(86、87)。
9. 根據權利要求6到8中任意一項所述的平面輻射元件，其特徵在於，金屬片(83、84) 的多邊形形狀為十字架形，以及外部柵格(82)具有正方形形狀。
10. 根據權利要求2所述的平面輻射元件，其特徵在於，金屬片(15)包括外部環形 片(61)、至少一個與外部環形片(61)同中心的內部片(62)以及將內部片(62)和外部片 (61)隔開的至少一個環形狹槽(63)，所述內部片和外部片具有多邊形形狀，該多邊形形狀 包括平行於極化方向的兩個邊(72、73、64、65)，以及相對於所述極化方向傾斜並且通過頂 點(74、75、70、71)成對的連接的四個邊(56、57、58、59、66、67、68、69)，其中平行於所述極 化方向的外部金屬片的每個邊(64、65)電連接到內部片的頂點(74、75)，平行於所述極化 方向的內部片(62)的每個邊(72、73)電連接到外部金屬片(61)的頂點(71、70)。
11. 一種陣列天線，其特徵在於，該陣列天線包括至少一個根據前述權利要求中任意一 項所述的雙極化平面輻射元件，並且每個輻射元件的外部金屬柵格連接到該陣列的金屬接 地平面(17)。
全文摘要
本發明提出一種雙極化平面輻射元件以及包括該輻射元件的陣列天線。其中，一種雙極化平面輻射元件，其特徵在於，該雙極化平面輻射元件包括外部金屬柵格、與外部金屬柵格同中心的至少一個金屬片、以及將金屬柵格與金屬片隔開的腔體，所述柵格和片具有由至少四個成對的相對邊限定的多邊形形狀，其中，該雙極化平面輻射元件包括與兩個正交的電場Ev和Eh相關聯的兩個正交的極化方向，所述極化方向中的至少一個與所述多邊形的兩邊平行，並且其中與極化方向平行的金屬片的每一邊電連接到所述外部柵格的區域，其中電場Ev或Eh中的一個在該區域最小。本發明的優點在於，減少了平面輻射元件中的靜電放電現象，而沒有顯著改變輻射元件對正交極化波的響應。
文檔編號H01Q21/00GK101764283SQ200910260640
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月18日 優先權日2008年12月23日
發明者D·布雷夏尼, H·勒蓋, R·希尼亞爾 申請人:泰勒斯公司