隙縫陣天線的製作方法
2023-05-12 13:05:46 4
專利名稱：隙縫陣天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種由多個單元天線構成並包括一個具有多個隙縫的開縫板的隙縫陣天線。
背景技術：
陣列天線是一種以預定樣式布置多個單元天線並具有單個天線難以得到的特性的天線。對構成陣列天線的每個單元天線的相位進行控制能夠控制整個陣列天線的方向性。因此，完全可以將陣列天線當作波束掃描天線使用，而不用機械的觸發陣列天線本體。
在無線通信技術得到了顯著的發展的情況下，近年來為各種通信裝置所分配的頻段已經出現了不夠用的趨勢。為了對此進行彌補，頻率的有效使用和變換到較高頻率所需的技術的開發已經是勢在必行了。例如，以前實際上僅用於基礎研究的毫米波現在已經用在智能傳輸系統(ITS)中了。如同日本、美國和歐洲，與毫米波相關的通信裝置已經被預計用在汽車協會中，並且在不久的將來將象家庭用品一樣得到蓬勃發展。
在這一毫米波通信領域中，毫米波的使用對於各種部件和裝置變得不可或缺是經過考慮的。支持毫米波通信的一種最有價值的裝置是天線。天線是發射和接收毫米波信號所必須的並且是毫米波通信所不可或缺的。全世界參與了毫米波通信的研究與開發的研究機構和製造商現在都在彼此競爭地開發高性能毫米波天線。以前所開發的毫米波天線在結構方面存在著很大的不同。其中，隙縫陣天線被公認為性能非常優異的毫米波天線。
顧名思義，隙縫陣天線是一種在其中以預定樣式布置作為單元天線的隙縫天線的陣列天線。通過確定各個隙縫天線元件的尺寸和布局，可以在預定區域內得到所要求的電場分布。例如，多個隙縫天線以二維方式布置在正方形區域內，以致可以得到涉及方向、相位和振幅的均勻電場分布。這樣的天線在理論上幾乎與具有均勻電場分布的孔徑天線具有相同的輻射特性，但在其結構的自由程度和電場分布的均勻性方面優於該孔徑天線。
平行地布置隙縫陣天線可以得到一個廣布且二維的隙縫陣天線。這樣的二維隙縫陣天線(下文中簡稱為「隙縫陣天線」)在個別的地方已經進行了研究和開發。如下面的文獻中所介紹的，這已經通過試驗和在原理上證實為一個高增益天線。
《具有76.5GHz低旁瓣層結構的波導隙縫陣的典型特徵(PrototypeCharacteristics of Waveguide Slot Array Having 76.5GHz Low SidelobeLayer Structure)》(電子學會協會會議(Society Conference of theInstitute of Electronics)，信息和通信工程師(Information andCommunication Engineers)，2000年3月，B-1-130)。
在想要設計一個隙縫陣天線時，我們都知道通常允許中心頻率具有預定的帶寬。就是說，如果實際使用的頻率落在預定的範圍內，即使它偏離了所設置的中心頻率，那麼天線的輻射方向、阻抗特性和反射特性等也不會惡化。如果頻率落在關於中心頻率的預定範圍內，那麼就可以使用該頻率。這個頻率範圍(寬度)被稱為「帶寬」。通常，這一頻率的帶寬擴展得越寬，天線的價值就越大。然而，不可能輕易地擴展帶寬。
另一方面，通過允許隙縫陣天線的輻射方向圖主波束具有預定的角度，可以將帶寬擴展到某種程度。隙縫陣天線的具有輻射方向性的主波束變得基本上垂直於隙縫陣天線的開縫板。然而，如果天線被設計得使具有輻射方向性的主波束相對於開縫板的法線方向在隙縫的縱向上傾斜少許角度(該角度被稱為「傾斜角」)，那麼帶寬可以被擴展到一預定的程度。
然而，當具有輻射方向性的主波束具有該傾斜角時，這將在隙縫陣天線被用於傳送或接收時造成一些不便。就是說，當具有輻射方向性的主波束被指向一個目標以進行電磁波的傳送和接收時，開縫板不會處在與它的傳送/接收方向成直角的方向內。因此，當該天線被安裝到收發機上時，產生了相當大的不必要的空間。如果天線的主波束的方向沒有被校準，那麼取代這一調整的將是大量的麻煩。
發明內容
本申請的發明目的是提供這樣一種類型的隙縫陣天線輻射方向圖的主波束被明確地設置為垂直於天線的輻射表面，同時擁有這裡的隙縫陣天線所需的頻率的帶寬。
為了解決上面所介紹的問題，本發明的隙縫陣天線由隙縫陣天線主體和介質蓋構成。
隙縫陣天線主體具有開縫板。對於隙縫陣天線主體，設置了在從開縫板平面的垂直方向僅傾斜一個傾斜角θ的方向上延伸的輻射方向圖的主波束。介質蓋具有一個與開縫板平面實質上平行地配置的外平面。該介質蓋還具有一個與外平面間形成傾角α的內平面，並且該介質蓋由折射率為n的介質材料構成。將介質蓋的內平面配置得面對著隙縫陣天線主體的開縫板。因此，電磁波穿過介質蓋發射並被介質蓋折射，從而修正了傾斜角θ，以允許主波束在垂直於介質蓋的外平面的方向上延伸。
當說明書以詳細地指出並清楚地要求了關於本發明的主題的權利要求書時，相信從隨後的結合附圖所給出的說明中，可以很好地對本發明、本發明的目的和特點以及本發明此外的目的、特點和優點進行理解，其中圖1是用於說明本發明的第一實施例的示意圖；圖2是隙縫陣天線的透視圖；圖3是開縫板的俯視圖；圖4是波導板的平面圖；圖5是用於理解隙縫陣天線所特有的的極化方向的透視圖；圖6是用於說明隙縫陣天線的輻射方向圖的主波束(其傾斜角0°)的示意圖；圖7是用於說明隙縫陣天線的具有輻射方向性的主波束(其傾斜角向饋入埠一側傾斜)的示意圖；圖8是用於說明隙縫陣天線的具有輻射方向性的主波束(其傾斜角向饋入埠的相反一側傾斜)的示意圖；圖9是表示介質蓋被安裝在其主波束具有傾斜角的隙縫陣天線的開縫板一側的情況的示意圖；圖10是表示按照本發明的第一實施例的隙縫陣天線和其中所採用的介質蓋的剖面圖，該圖還包括有輻射波導的剖面；圖11是表示本發明的第二實施例的隙縫陣天線和其中所採用的介質蓋的剖面圖；圖12是表示介質蓋安裝在按照本發明的第二實施例的隙縫陣天線的開縫板一側的情況的示意圖；圖13是表示第二實施例的隙縫陣天線和其中所採用的介質蓋的剖面圖，該圖還包括有輻射波導的剖面；圖14是說明隙縫陣天線的主波束的傾斜角和介質蓋的外平面與其內平面間形成的角度之間的關係的曲線圖；圖15是表示在介質蓋的內外平面上發射電磁波的傳播路徑(其中隙縫陣天線的輻射方向圖的主波束向輻射波導的饋入埠一側傾斜)的示意圖；圖16是表示在介質蓋的內外平面上發射電磁波的傳播路徑(其中隙縫陣天線的輻射方向圖的主波束向輻射波導的饋入埠的相反一側傾斜)的示意圖；圖17是表示在介質蓋的內外平面上發射電磁波的傳播路徑(其中隙縫陣天線的輻射方向圖的主波束從介質蓋的外平面傾斜地發射出來)的示意圖；圖18是表示隙縫陣天線的主波束的傾斜角和由其中所採用的介質蓋的內外平面所形成的角度之間的關係的曲線圖；圖19是表示本發明的第三實施例的示意圖；和圖20是表示按照本發明的第三實施例的隙縫陣天線和其中所採用的介質蓋的剖面圖，該圖還包括有輻射波導的剖面。
具體實施例方式
在說明本發明的隙縫陣天線的時候，將首先對天線主體的結構進行說明。
圖2是表示隙縫陣天線的主體的透視圖。隙縫陣天線主體是由開縫板201和作為波導使用的波導板202構成的。圖2表示開縫板201和波導板202處於分離狀態下的情況。開縫板201通常是由薄的導體板構成的。導體板上設置有多個隙縫(切口)203。波導板202上設置有矩形的槽205，以便可以將得自一個限定在相當厚的導體板上的饋入埠204的輸入電磁波提供給設置在開縫板201上的所有的隙縫203。當開縫板201和波導板202被結合在一起以致相互重疊時，可以在處於與開縫板201成一條直線的波導壁上形成一行隙縫203，以致該整體形成一個隙縫陣天線200。
隨著開縫板201和波導板202中的每一個所使用的導體或導體板的電導率的升高，歐姆損耗降低了。這將有助於降低天線的損耗。此外，開縫板201和波導板202的加工或製作的精度以及這兩者彼此結合的精度將對天線的輻射特性造成巨大的影響。
圖3是開縫板201的俯視圖。當每個隙縫203的形狀基本上呈矩形時，為了便於加工，每個隙縫203的兩端可以是圓弧形的。隙縫203的長度大約是輸入到波導中的輻射電磁波的波長λ的一半，而其寬度大約是它的二十分之一。位於同一行的相鄰隙縫間的中心間隔近似地與波導波長λg相等。
圖4是波導板202的平面圖。配置一個槽使得其從饋入埠204向波導板202延伸。這個槽被導引到由圓形虛線圍繞的分支結構432。在開縫板201和波導板202彼此結合在一起的狀態下，該分支結構432起到微波電路器件中所說的H面T形接頭的作用。從饋入埠204輸入的電磁波在H面T形接頭432處從一端到另一端在功率上被分為同相的兩路相等的電磁波。這裡，在H面T形接頭處，從饋入埠204看，在電磁波撞擊的位置處配置有一個凸起433。該凸起433承擔H面T形接頭的匹配棒的職能。在開縫板201和波導板202彼此結合在一起的情況下，連接到H面T形接頭的左端和右端的每個槽434起到波導的作用。這一波導現在將被稱為「饋入波導」。由於饋入波導434關於饋入埠204的軸線對稱，因此對波導板202的結構的說明將僅根據其一側給出。
饋入波導434對每個輻射波導437起到饋入端的作用，其截面尺寸近似與每個饋入波導434的截面尺寸相等。在對應於輻射波導437的饋入端的每個部分438相對一側的壁表面上配置有每個凸起433。凸起435以與凸起433相似的方式承擔著匹配棒的職能。從饋入波導434的前端439到相應於最後的饋入端的部分438的長度被設置為大約1/4波導波長λg以抑制反射波。從相應於各個饋入端的每個部分438輸入的電磁波由其相應的中央壁436分成兩個相等的部分，然後被提供給兩個輻射波導437。在開縫板201和波導板202彼此結合在一起的情況下，多個隙縫被布置在它們相應的波導壁上面，這些波導壁與各個輻射波導437對應，由此得到了一個陣列天線。因為這樣的結構，導致構成隙縫陣天線的輻射波導437的數量必然是四的倍數。由於如果確定了所期望的輻射特性和可用的頻率就同時可以決定出輻射波導的數量以及位於各個輻射波導壁上面的隙縫的數量，所以整個天線的尺寸也就差不多確定了。
圖5是表示隙縫陣天線200在開縫板20 1和波導板202彼此結合在一起之後的透視圖。由於在每一個輻射波導中的電磁波的模給定為TE10模，導致隙縫陣天線200的磁場方向51是每個隙縫的縱向方向，而導致其電場方向52是每個隙縫的橫向方向。由於所有的隙縫203以相同的方向布置，所以導致隙縫陣天線200表面的鄰域內的電場方向與電場方向52實質上相同，除了隙縫陣天線200的邊緣。因此，可以說隙縫陣天線200的電場方向52還決定了其極化方向。
通常，由於互易原理可以適用於所有類型的天線，所以天線的發射特性和接收特性是彼此相同的。雖然前述的說明集中在發射上，但是所示出和說明的過程只是與接收的情況相反而已。因此，對於接收的說明與發射相似，所以將其省略。
下面將對隙縫陣天線的輻射方向圖的主波束進行說明。
圖6是用於說明具有隙縫陣天線的輻射方向性的主波束的示意圖。雖然這裡只是使用一個輻射波導60的一部分進行演示，但該輻射方向實際上對應於整個天線的輻射方向。圖6示出沒有傾斜角的輻射方向，即，傾斜角為「零」。這裡，相鄰的隙縫601之間的中心間隔等於相應於輻射波導的波導波長λg的二分之一的波長。在圖6所示的隙縫陣天線中，輻射方向62是沿著開縫板的垂直延伸的軸61形成的。就是說，由於具有輻射方向性的主波束的傾斜角為「零」，所以輻射方向62是垂直於開縫板的。順便說一下，由於輻射波導60的饋入端63是與開縫板平行地配置的，所以輸入電磁波64也是與開縫板相平行地輸入的。
圖7是用於說明隙縫陣天線的輻射方向圖的主波束的示意圖，並且表示出主波束以傾斜角θ1向著輻射波導的饋入端傾斜的情況。在圖7所示的輻射波導70中，相鄰的隙縫701間的中心間隔L1小於相應於二分之一波導波長λg的0.5λg。順便說一下，雖然在該圖中沒有示出，但是用於輸入電磁波等的條件與圖6相似。由於通過這種方式將隙縫701之間的中心間隔L1設置為小於0.5λg，輻射方向72相對於垂直於開縫板的方向61以θ1向著饋入端73一側傾斜。
圖8是用於說明隙縫陣天線的輻射方向圖的主波束的示意圖，並且表示主波束以傾斜角θ2向著輻射波導的饋入端相反的一側傾斜的情況。在圖8所示的輻射波導80中，各個相鄰隙縫801之間的中心距離L2大於相應於二分之一波導波長λg的0.5λg。順便說一下，雖然在該圖中沒有表示，但是用於輸入電磁波等的條件與圖6相似。由於通過這種方式將隙縫801之間的中心間隔L2設置得大於0.5λg，輻射方向82相對於開縫板的垂直方向61以θ2向著饋入端83的相反一側傾斜。
在上面的說明中，對相鄰的隙縫之間的間隔進行了調整以抑制由於傾斜角的出現而在每個輻射波導中產生的阻抗失配。由於傾斜角是按照預定的方程式計算出來的，所以可以根據傾斜角的值計算相鄰隙縫之間的中心間隔。
下面將以前述的說明為前提對本發明的優選實施例進行說明。
圖1是用於說明本發明的第一實施例的示意圖。順便說一下，圖1表示介質蓋還沒有安裝的狀態以便於說明。圖9和10分別是用於說明按照第一實施例的在介質蓋已經安裝了的狀態下的隙縫陣天線的示意圖。為了便於說明，將利用相應於沿著輻射波導的軸向的剖面圖的圖9和相應於包含著輻射波導的剖面的剖面圖的圖10對本實施例進行說明。
在圖1中所示的按照本發明的第一實施例的隙縫陣天線中，具有輻射方向性的主波束115向著輻射波導的饋入端112一側傾斜。在圖1中示出了其中主波束115具有相對於隙縫陣天線111的開縫板113的垂直方向114的傾斜角θ1的隙縫陣天線111和一個用於修正主波束115的傾斜角θ1的介質蓋(下文中將簡稱為「介質蓋」)116。
第一實施例中所採用的介質蓋116由在隙縫陣天線111的頻段內損耗較低並且電磁波可以穿過而幾乎不會被吸收的介質材料構成。換句話說，它是一種實質上不會影響電磁波的材料。但是由於該介質材料具有介電常數ε，當電磁波在其上入射時，它會反射和折射電磁波。因此，介質材料和電磁波的關係類似於光線和透明玻璃之間的關係。因此可知，許多處理光學問題的定理可以同等地應用於電磁波和介質材料。如果介質蓋的介電常數被表示為ε且例如，給定相對介電常數為εr，那麼折射係數n實質上等於εr的平方根這就是說(1)--n=r]]>另一方面，本發明的重點是，由介質材料造成的電磁波的折射現象被用於校正具有輻射方向性的主波束的傾斜角。在第一實施例中採用的介質蓋116主要由具有外平面P3和內平面P4的板狀介質構成，其中外平面P3平行於隙縫陣天線的開縫板113的表面，即天線的發射/接收平面P1，而內平面P4不平行於平面P1。介質蓋116的內平面P4具有相對於外平面P3的傾角α1。傾角α1由下面的方程式導出(2)α1＝arctan{sinθ1/(n-cosθ1)}圖9表示介質蓋116被安裝到主波束具有傾斜角θ1的隙縫陣天線111的開縫板一側的情況。經介質蓋的內表面或平面P4折射並從中穿過後，隙縫陣天線111的輻射方向117在垂直於隙縫陣天線111的開縫板的方向114上延伸。就是說，主波束117指向了垂直於介質蓋116的外平面P3的方向。因此，隙縫陣天線111的主波束的傾斜角顯然達到了大約0°，所以可以視為主波束的傾斜角好像已經被消除或抑制了。
圖10是表示按照第一實施例的隙縫陣天線111以及所採用的介質蓋116的剖面圖，該圖包含有輻射波導的剖面。通過每個輻射波導的橫截面118饋入的電磁波從未示出的配置在開縫板113上的各個隙縫輻射出去。而在圖10中，介質蓋116的外平面P3和內平面P4看上去是平行的，但實際上如圖9所示，內平面P4相對於外平面P3沿著每個輻射波導的軸向形成傾斜角α1。
上面所介紹的第一實施例展示了一個具有輻射方向性的主波束向著輻射波導的饋入端一側傾斜的實施例並說明了對圖7中所示的情況的改良對策。
圖11是表示按照本發明的第二實施例的隙縫陣天線121以及其中所採用的介質蓋126的剖面圖。在圖11所示的按照第二實施例的隙縫陣天線121中，具有輻射方向性的主波束125向著輻射波導的饋入端122的相反一側傾斜。在圖11中示出了在其中主波束125具有相對於隙縫陣天線121的開縫板123的垂直方向114的傾斜角θ2的隙縫陣天線121和用於修正主波束125的傾斜角θ2的介質蓋126。
在原理上，第二實施例也類似於第一實施例。就是說，在可用的頻段內，當由εr表示介質材料的相對介電常數時，同樣在第二實施例中，如方程式(1)所給出的，折射係數n實質上等於εr的平方根另一方面，第二實施例中所採用的介質蓋126也有一個外平面P5和一個內平面P6。平面P6相對於平面P5具有一個傾角α2，並且α2由下面的方程式導出(3)α2＝arctan{sinθ2/(n-cosθ2)}圖12表示介質蓋126安裝到主波束具有傾斜角θ2的隙縫陣天線121的開縫板123一側的情況。由介質蓋126的內平面P6折射並已經從中穿過的隙縫陣天線121的輻射方向127朝向了與介質蓋126的外平面P5垂直的方向124。就是說，主波束127指向了垂直於隙縫陣天線121的開縫板123的方向。因此，隙縫陣天線121的主波束的傾斜角顯然達到了大約0°，所以主波束的傾斜角可以被視為好像已經被消除或抑制了。
圖13是表示按照第二實施例的隙縫陣天線121以及其中所採用的介質蓋126的剖面圖，該圖包括有輻射波導的剖面。圖13的表現方式與圖10相似。即使在與圖10的方式相似的情況下，介質蓋126的內平面P6實際上如圖12所示，相對於外平面P5沿著每個輻射波導的軸向形成傾角α2。
第二實施例是具有輻射方向性的主波束向著輻射波導的饋入端的相反一側傾斜的實施例，並示出了對圖8中所示的情況的改良對策。
由於上述的方程式(2)和(3)分別具有相似的形式，所以可以將它們概括成下面的方程式(4)(4)α＝arctan{sinθ/(n-cosθ)}其中θ表示隙縫陣天線的主波束的傾斜角，而α表示由介質蓋的外平面和內平面形成的角度。在第一和第二實施例中，隙縫陣天線的主波束的傾斜角θ(＝θ1＝θ2)是2.8°，而特氟綸(商標名稱)用作介質蓋的材料。相對介電常數εr給定為2.7。按照方程式(1)，由於折射係數n等於相對介電常數εr的平方根，因此n＝1.64。因此，當使用方程式(4)進行角度計算時，由介質蓋的外平面和內平面形成的角度α的結果是4.36°。
圖14是表示隙縫陣天線的主波束的傾斜角θ和由介質蓋的外平面和內平面形成的角度α之間的關係的曲線圖。圖14中給出了折射係數的特在值n＝1.4、n＝1.6、n＝1.64、n＝1.8、n＝2.0。順便說一下，n＝1.64的點131是代表第一和第二實施例中所採用的θ和α之間的關係的位置。從圖14中可以明顯地看出，隨著折射係數n的值的增加，傾角α的輕微變化會對傾斜角造成很大的影響。因此，在製作或加工介質蓋時，介質材料的相對介電常數εr或對電磁波的折射係數n越大，就要求傾角α的加工精度越高。最好折射係數n的值在實踐上小於或等於大約2。
在按照第一和第二實施例的隙縫陣天線中，從常規的或普通的隙縫陣天線的開縫板中輻射出來的電磁波經介質蓋進行折射。通過用於對這一操作過程進行詳細說明的圖，當前的操作過程被分為隙縫陣天線主體的操作過程和經介質蓋的電磁波折射過程，並且將對按照第一和第二實施例的隙縫陣天線的操作過程進行說明。
首先將利用圖5對隙縫陣天線主體的操作過程進行說明。
如圖5所示，描繪了隙縫陣天線主體200的外觀。當電磁波從隙縫陣天線主體200的饋入埠204饋入時，電磁波通過饋入波導以致流入到它們的相應的輻射波導。此外，流入每個輻射波導的電磁波從開縫板的每個隙縫元件203輻射出去。在使得電磁波通過饋入波導和位於隙縫陣天線主體200內部的輻射波導的過程中，對流入各個隙縫元件的電磁波的能量進行調整以便實現預定的分布狀態(即，泰勒(Taylor)分布、平均分布)。因此，輻射能量集中在輻射方向的主波束上，從而得到高的輻射效率。輻射效率越高，電磁波輻射得越遠。
下面將對由介質蓋實現的對所輻射的電磁波進行折射的過程進行說明。
圖15是表示輻射的電磁波在介質蓋的內外平面上的傳播路徑的示意圖。圖15表示隙縫陣天線的輻射方向圖的主波束向著輻射波導的饋入端一側(該圖中的左側)傾斜的情況。圖15可以被認為是圖1的局部放大圖。因此，與圖1中相同的部分以相同的附圖標記進行標示並且因此省略了對它們的說明。
在圖15中，點A是開縫板113的表面上的一個點。認為輻射方向圖的主波束從點A輻射出去，並且其方向在該圖中示出。由於如果從足夠遠的距離處觀察天線，該天線通常可以被看做一個點，所以認為具有輻射方向性的主波束的起始點是點A，而主波束150a和150b可以因此被認為是一條光波束。由於主波束150a的傾斜角是θ1，所以使得主波束150a和開縫板113的平面P1的法線之間的夾角是θ1。主波束150a與介質蓋116的內平面在點B處相交，由於用於介質蓋116的介質材料具有相對介電常數εr，因此它還具有由方程式(1)表示的折射係數n。以類似於光線的方式，依據斯涅耳(Snell)定律，主波束150a在點B被折射並改變了方向。由於折射後的主波束150b被認為類似於光波束，所以它與介質蓋116的外平面P3在點C處以直角相交。
由於主波束150b沿著介質蓋116的外平面P3的法線方向(即，垂直於開縫板113的平面P1的方向)延伸，因此，即使它穿過介質蓋116並從中穿出，它也以主波束150b的方向沒有改變一樣地向遠處傳播。在這一條件下，確定了介質蓋116的內平面P4相對於外平面P3的傾角α1。如圖15所示，介質蓋116的內平面P4的法線以與主波束150a形成的夾角θ1+α1和與折射後的主波束150b形成的夾角α1來表示。根據斯涅耳定律，建立了下述的方程式(5)sin(θ1+α1)＝nsinα1求解該方程式(5)推導出方程式(2)。
因此，由於通過介質蓋116的內平面P4對主波束的折射作用，主波束150b的方向垂直於介質蓋116的外平面P3和開縫板113的平面P1。因此，如果天線被製作成帶有安裝在其上的介質蓋116的隙縫陣天線，那麼傾斜角θ1實質上達到了零。然而，在隙縫陣天線主體中存在主波束的傾斜角θ1的情況下，可以維持寬的帶寬而不必改變天線的頻帶。
圖16是表示輻射電磁波在介質蓋的內平面和外平面上的傳播路徑的示意圖。圖16表示隙縫陣天線的輻射方向圖的主波束向著輻射波導的饋入端的相反一側(該圖中的右側)傾斜的情況。圖16可以被看做是圖11的局部放大圖。因此，與圖1中的相同的部分由相同的附圖標記進行標示並將因此省略對它們的說明。
在圖16中，點D是開縫板123的表面上的一個點。輻射方向圖的主波束被看做從點D發射出去，並且其方向在該圖中示出。以類似於圖15的方式，主波束160a和160b可以被看做一條光波束。由於主波束160a的傾斜角是θ2，因此導致主波束160a和開縫板123的平面P1的法線之間的夾角是θ2。主波束160a與介質蓋126的內平面P6在點E處相交。由於用於介質蓋126的介質材料具有相對介電常數εr，所以它還具有由方程式(1)所表示的折射係數n。以類似於圖15的方式，主波束160a根據斯涅耳定律在點E處被折射並改變了方向。折射後的主波束160b與介質蓋126的外平面P5在點F處以直角相交。
由於主波束160b以介質蓋126的外平面P5的法線方向(即，垂直於開縫板123的平面P1的方向)延伸，所以即使它穿過價質蓋126並從中穿出，主波束160b的方向也保持不變。在這一條件下，確定了介質蓋126的內平面P6相對於外平面P5的傾角α2。
為了如上面所述地將隙縫陣天線的主波束校正到天線的正前方(平面P1的法線方向)，需要將按照本發明的介質蓋的外平面和內平面之間形成的夾角α的製作精度設置為0.1°或更小。然而，在批量生產隙縫陣天線時，很難保持如此高的精度。即使可以達到製作的高精度，也不能實現成本的降低。然而，如果即使由於介質蓋的製作精度的惡化造成了角度α的變化，已經穿過了本發明中所採用的介質蓋的隙縫陣天線的主波束的角度變化可以被限制在一個從天線的正前方觀察到的允許的角度範圍之內，因此它落在隙縫陣天線的允許的範圍內，並且能夠低成本地批量生產隙縫陣天線。因此，需要弄清楚由於介質蓋的製作精度所造成的角度α的變化與隙縫陣天線的主波束的傾斜角θ之間的關係。
圖17是表示輻射電磁波的傳播路徑的示意圖，其中介質蓋的內平面和外平面之間形成的夾角是α3。圖17表示隙縫陣天線的輻射方向圖的主波束向著輻射波導的饋入端一側(該圖中的左側)傾斜的情況。該圖可以被視為由於介質蓋的製作精度的變化導致了圖15中所示的角度α1變成了角度α3的示意圖。在圖17中，與圖15中相同的部分由相同的附圖標記進行標示，並且將因此省略對它們的說明。
如上面所述的，在圖17中，介質蓋136的內平面P7相對於外平面P8的傾角被給定為α3。如果傾角α3等於如前述的方程式(2)所表示的α1，那麼如圖15所示，就使穿過了介質蓋116的隙縫陣天線的主波束150b垂直於介質蓋116的外平面P3，以致隙縫陣天線的主波束150b看起來是從隙縫陣天線的正前方輻射出來的。然而，由於圖17中的介質蓋136的傾角是α3而不是α1，因此從介質蓋136的外平面P8輻射出來的主波束具有傾斜角θ3，它不是平面P8的法線而是由其垂直方向得來的。
以類似於圖15的方式從垂直方向觀察，具有輻射方向性的主波束170a以傾斜角θ1從隙縫陣天線111的開縫板113上的點A輻射出來。具有輻射方向性的主波束170a進入介質蓋136的內平面P7上的點G。示出了平面P7上的點G處的法線，從而給出法線與輻射方向的主波束170a形成的夾角θ1+α3，並且給出法線與折射後的主波束170b形成的夾角α4。根據斯涅耳定律，建立這些角度θ1、α3和α4之間的關係如下(6)sin(θ1+α3)＝nsinα4折射後的主波束170b通過介質蓋136的內平面P7上的點G處到達介質蓋136的外平面P8上的點H。垂直於外平面P8的一條直線(垂線)與折射後的主波束170b形成角度(傾角)α5。這個夾角α5等於α4-α3。
(7)α5＝α4-α3此外，折射後的主波束170b與介質蓋136的外平面P8在點H處相交。導致主波束170b與介質蓋136的外平面P8的法線形成角度為α5。而且，當折射後的主波束170b經折射後穿過點H，並且它從介質蓋136中穿出來時，由主波束170b得到了主波束170c。在主波束170c和點H處的垂線之間形成的角度(傾斜角)是θ3。根據斯涅耳定律，建立下面的方程式(8)sinθ3＝nsinα5利用方程式(6)、(7)和(8)導出傾斜角θ3，並產生了下述方程式(9)。
(9)--03=arcsin{sin(1+3)cos3-sin3n2-sin2(1+3)}]]>圖18是以圖表形式表示方程式(9)的特性曲線圖。介質蓋136的折射係數n以類似圖14的方式作為一個參量。當傾斜角θ3變為0時，主波束170c變得垂直於介質蓋136的外平面P8，並因此主波束170c從天線的正前方發射出去。另一方面，當傾角α3是0時，θ3＝θ1，並因此天線的主波束的傾斜角沒有被修正。
當傾角α3達到4.36°時，且此時的折射係數n是1.64，例如，在圖18中，傾斜角θ3等於0。點201的坐標表示上述情況的位置。如果對應於點201的X坐標的傾角α3在大約20％的範圍內變化，那麼對應於Y坐標的傾斜角θ3的值在大約0.5°的範圍內變化。如果傾斜角θ3依照折射係數n的變化稍有不同但落在一個例如依照實際折射係數n的值為2或更小的範圍內，那麼如從傾斜角θ3的零值點所看到的，當傾角α3在大約20％的範圍內變化時，傾斜角θ3在大約0.5°的範圍內變化。正如根據實際傾斜角θ1的值計算出來的，傾斜角θ3的變化範圍是大約20％，並且等價於與天線裝配中產生的誤差相同的角度。因此，當正常地安裝天線時，傾斜角θ3的變化範圍落在一個允許的範圍內。
圖19中說明了主波束的折射過程及其變化，此時隙縫陣天線的主波束向著饋入端一側(如該圖中所見到的左側)傾斜。然而，即使當主波束向著與饋入端相反的一側傾斜時，主波束的折射過程及其變化也與上述情況相似。由於如果使用對圖16的說明，可以對它們進行相似的說明，所以將省略對它們的說明。如果加工介質蓋136的內平面P7和外平面P8之間的傾斜角α3的精度在任何一種情況下都落在20％的範圍內，那麼已經穿過了介質蓋136的隙縫陣天線的主波束170c在天線的正前方向的大約0.5°的範圍內變化。為了使主波束落在這一範圍內，需要將實際傾斜角的值的變化範圍限制在大約20％的範圍之內。
因此，當在考慮了主波束的傾斜角θ3的變化範圍的前提下批量生產介質蓋136時，加工內平面P7和外平面P8之間的傾斜角α3的精度可以被設置在20％的範圍之內。就是說，傾斜角α3的變化範圍可以處在其值的0.8倍和該值的1.2倍之間，以由方程式(4)計算得到的值作為中心。
圖19是表示本發明的第三實施例的示意圖。圖19示出了介質蓋146安裝在隙縫陣天線111的開縫板一側的情況。介質蓋146具有配置在其內側形成的拐角處的圓柱形或壁形的柱151。由於柱151被製作得當介質蓋146安裝到隙縫陣天線111上時，直接與相應的隙縫陣天線111的開縫板113接觸，所以介質蓋146的內平面P10與介質蓋146的外平面P9之間的傾角的值能夠始終被穩定。
圖20是表示按照本發明的第三實施例的隙縫陣天線111和介質蓋156的剖面圖，該圖包括有輻射波導的剖面。雖然在圖20中介質蓋156的外平面P11和內平面P12看起來是平行的，但是實際上，如圖19所示，內平面P12具有沿著每個輻射波導的軸向傾斜於外平面P11的預定角度。順便說一下，確定傾斜角的方法類似於第一和第二實施例，並且因此將省略有關它的說明。
如上面所述的，第一到第三實施例的每一個具有這樣一個傾角以致可以通過介質蓋抑制具有輻射方向性的主波束的傾斜角。然而，也應考慮到介質蓋是預先被製作成具有在0°到20°範圍內以0.5°為增量變化的傾角的形式的，或者是在未根據隙縫陣天線的輻射方向性的主波束的傾斜角、用於介質蓋的材料的折射係數等計算其傾角的情況下製成的。通過這樣做，具有輻射方向性的主波束的角度也可以在隙縫陣天線主體安裝完成後通過選取介質蓋來進行調整。
本發明的隙縫陣天線適用於毫米波通信並被用作ETC和ITS的天線。如果增加隙縫陣天線的隙縫元件的數量，那麼輻射增益將變高而主波束的寬度將變得尖銳。因此，該隙縫陣天線甚至可以被應用在一個需要象拋物線天線這樣的高增益天線的系統中。作為應用，可以被提到的，例如，用於電話通信基站的中繼天線、用於電視基站的中繼天線、衛星通信天線、射電天文天線等等。
平面天線，諸如補片陣天線、徑向直線隙縫天線等，或者孔徑面天線，諸如拋物線天線、喇叭天線等，與其它天線相比具有較高的輻射增益，並且適用於範圍從幾百MHz的頻段到幾十GHz的頻段的頻帶。由於這些天線每個都具有帶有尖銳的輻射方向性的主波束，因此，當它們在實際中被用作發射/接收天線時，難於將各個主波束的方向與所需的方向匹配起來。如果主波束精確地垂直於各個天線的輻射區域或輻射表面或者垂直於其開口表面或平面，那麼天線的發射和接收方向的匹配可以稍微簡單一些。然而，為了便於設計和安裝及裝配天線，沒有必要使主波束垂直於天線的輻射表面或其開口面。就是說，按照上述便利原則，可能存在著主波束的傾斜角與生俱來的情況。
雖然已經對本發明中所採用的用來修正隙縫陣天線的主波束的傾斜角的介質蓋進行了說明，但是無需指出介質蓋也可以同樣應用於其主波束具有傾斜角的平面天線和孔徑天線，並能夠帶來相似的效果。
如上面所述的，本發明的隙縫陣天線在其開縫板上配置有一個介質蓋，用於修正輻射方向圖的主波束的傾斜角。為了擴展頻率帶寬，隙縫陣天線的具有輻射方向性的主波束必須被調整以具有一個傾斜角。然而，按照本發明，雖然在隙縫陣天線的具有輻射方向性的主波束上設置了傾斜角，可以對天線的發射/接收方向進行修正，以使該方向變得垂直於開縫板。因此，當本發明的隙縫陣天線安裝到發射接收機中時，它不僅消除了不必要的空間，而且也消除了調整天線的主波束的方向的必要，並且能夠對減小通信裝置的尺寸和成本做出巨大的貢獻。
如果一種低損耗且化學穩定的材料，比如特氟綸(商標名稱)，被用作介質蓋的材料，那麼就可以保護天線的開縫板以防灰塵、防汙損、防震以及防止化學物質的汙染。因此，由於裝配天線罩來保護天線的開縫板變得沒有必要了，因此可以實現成本的進一步降低。
雖然已經參照所例舉的實施例對本發明進行了說明，但是這一說明並不意味著局限於這樣的理解。在參考這一說明的基礎上，對所例舉的實施例和本發明的其它實施例的各種變型對於本領域的技術人員來說是顯而易見的。因此所附的權利要求將企圖覆蓋任何屬於本發明的真正範圍內的變型或實施例。
權利要求
1.一種隙縫陣天線，包括隙縫陣天線主體，將其設置為輻射方向圖的主波束在從開縫板平面的垂直方向僅傾斜一個傾斜角θ的方向上延伸；和介質蓋，包括具有折射係數n的介質材料，所述介質蓋具有一個實質上與開縫板的平面平行布置的外平面，和一個與外平面形成了傾角α的內平面；其中，所述介質蓋的內平面與所述隙縫陣天線主體的開縫板相對地配置，以便具有輻射方向性的主波束穿過所述介質蓋發射並由所述介質蓋折射，由此修正了傾斜角θ，以使主波束在垂直於所述介質蓋的外平面的方向上延伸。
2.按照權利要求1的隙縫陣天線，其中傾角α近似等於由下列方程式(i)計算出的值(i)α＝arctan{sinθ/(n-cosθ)}
3.按照權利要求1的隙縫陣天線，其中傾角α近似等於在0.8×arctan{sinθ/(n-cosθ)}到1.2×arctan{sinθ/(n-cosθ)}的範圍內求得的值。
4.按照權利要求1的隙縫陣天線，其中所述介質蓋具有一個與開縫板接觸並穩定地固定所述介質蓋的凸起。
5.按照權利要求1的隙縫陣天線，其中所述隙縫陣天線主體具有一個用於在垂直於開縫板的平面內輸入/輸出電磁波的饋入埠，並且具有輻射方向性的主波束以傾斜角θ向該饋入埠一側傾斜。
6.按照權利要求1的隙縫陣天線，其中所述隙縫陣天線主體具有一個用於在垂直於開縫板的平面內輸入/輸出電磁波的饋入埠，並且具有輻射方向性的主波束以傾斜角θ向與該饋入埠相反的一側傾斜。
7.按照權利要求1的隙縫陣天線，其中所述隙縫陣天線主體具有輻射波導，從饋入埠輸入的電磁波被引入到該輻射波導中，並且所述介質蓋的內平面沿所述各個輻射波導的縱向傾斜。
8.一種調整隙縫陣天線的輻射方向圖的主波束的方向的方法，由下列步驟組成製備一個隙縫陣天線主體，將其設置為輻射方向圖的主波束在從開縫板平面的垂直方向僅傾斜一個傾斜角θ的方向上延伸；製備多個介質蓋，每一個都由具有折射係數n的介質材料構成，並且其中每個外平面實質上與開縫板平面平行布置，並且將外平面和內平面所形成的傾角製作成以預定的角度各不相同；固定並安裝隙縫陣天線主體；和將從所述多個介質蓋中選取的一個的內表面安置得與隙縫陣天線主體的開縫板相對，從而發射具有輻射方向性的主波束穿過介質蓋並因此對其進行折射，因此修正傾斜角θ，以在相對於所述介質蓋的外平面的任意方向上調整主波束。
9.按照權利要求8的方法，其中當給定傾角為α時，該傾角近似等於由下列方程式(ii)計算出的值(ii)α＝arctan{sinθ/(n-cosθ)}
10.按照權利要求8的方法，其中當傾角表示為α時，該傾角α近似等於在0.8×arctan{sinθ/(n-cosθ)}到1.2×arctan{sinθ/(n-cosθ)}的範圍內求得的值。
11.按照權利要求8的方法，其中所述介質蓋具有一個與開縫板接觸並穩定地固定所述介質蓋的凸起。
12.按照權利要求8的方法，其中所述隙縫陣天線主體具有一個用於在垂直於開縫板的平面內輸入/輸出電磁波的饋入埠，並且具有輻射方向性的主波束以傾斜角θ向該饋入埠一側傾斜。
13.按照權利要求8的方法，其中所述隙縫陣天線主體具有一個用於在垂直於開縫板的平面內輸入/輸出電磁波的饋入埠，並且具有輻射方向性的主波束以傾斜角θ向與該饋入埠相反的一側傾斜。
14.按照權利要求12或13的方法，其中所述隙縫陣天線主體具有輻射波導，從饋入埠輸入的電磁波被引入到該輻射波導中，並且所述介質蓋的內平面沿著所述各個輻射波導的縱向傾斜。
15.一種平面天線，包括平面天線主體，將其設置為輻射方向圖的主波束在從天線平面的垂直方向僅傾斜一個傾斜角θ的方向上延伸；和介質蓋，包括具有折射係數n的介質材料，所述介質蓋具有一個實質上與天線平面平行布置的外平面，和一個與外平面形成了傾角α的內平面；其中，所述介質蓋的內平面與所述平面天線的天線平面相對地配置，以致具有輻射方向性的主波束穿過所述介質蓋發射並由所述介質蓋折射，由此修正了傾斜角θ，以允許主波束在垂直於所述介質蓋的外平面的方向上延伸。
16.按照權利要求15的平面天線，其中傾角α近似等於由下列方程式(iii)計算出的值(iii)α＝arctan{sinθ/(n-cosθ)}
17.按照權利要求15的平面天線，其中傾角α近似等於在0.8×arctan{sinθ/(n-cosθ)}到1.2×arctan{sinθ/(n-cosθ)}的範圍內求得的值。
18.按照權利要求15的平面天線，其中所述介質蓋具有一個與天線平面接觸並穩定地固定所述介質蓋的凸起。
19.一種孔徑天線，包括孔徑天線主體，具有一個孔徑平面或一個與孔徑平面相當的表面，將其設置為輻射方向圖的主波束在從孔徑平面或表面的垂直方向僅傾斜一個傾斜角θ的方向上延伸；和介質蓋，包括具有折射係數n的介質材料，所述介質蓋具有一個實質上與孔徑平面或表面平行布置的外平面，和一個與外平面形成傾角α的內平面；其中，所述介質蓋的內平面與孔徑天線主體的孔徑平面或表面相對地配置，以致具有輻射方向性的主波束穿過所述介質蓋發射並由所述介質蓋折射，由此修正了傾斜角θ，以允許主波束在垂直於所述介質蓋的外平面的方向上延伸。
20.按照權利要求19的孔徑天線，其中傾角α近似等於由下列方程式(iv)計算出的值(iv)α＝arctan{sinθ/(n-cosθ)}
21.按照權利要求19的孔徑天線，其中傾角α近似等於在0.8×arctan{sinθ/(n-cosθ)}到1.2×arctan{sinθ/(n-cosθ)}的範圍內求得的值。
全文摘要
一種隙縫陣天線，由隙縫陣天線主體(111)和介質蓋(116)構成。隙縫陣天線主體(111)具有一個開縫板(113)。將隙縫陣天線主體(111)設置為具有輻射方向性的主波束(115)在從開縫板(113)的平面P1的垂直方向僅傾斜一個傾斜角θ的方向上延伸。介質蓋(116)具有由外平面P3和內平面P4形成的傾角α，並且該介質蓋由具有折射係數n的介質材料構成。介質蓋(116)的內平面P4被配置得與隙縫陣天線主體(111)的開縫板(113)相對。因此，具有輻射方向性的主波束(115)穿過介質蓋(116)發射並由介質蓋(116)進行折射，從而修正了傾斜角θ，以使主波束在垂直於介質蓋(116)的外平面P3的方向上延伸。
文檔編號H01Q21/06GK1523708SQ0312748
公開日2004年8月25日 申請日期2003年6月6日 優先權日2002年6月6日
發明者巫·H·霍爾, 巫 H 霍爾 申請人:衝電氣工業株式會社