專利名稱：貼片偶極子陣列天線及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，尤其是相控陣天線。
現(xiàn)有的微波天線包括各種結(jié)構(gòu)具有各種用途，如衛(wèi)星接收，遠(yuǎn)程廣播，或軍用通信。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)印刷電路天線，具有低成本、輕重量，低分布和批量生產(chǎn)的理想特性，其中，統(tǒng)一厚度的介質(zhì)層將平面導(dǎo)體部件與單獨(dú)的基本連續(xù)的接地面部件隔開(kāi)。天線被設(shè)計(jì)成陣列并且被用于通信系統(tǒng)，例如友/敵(IFF)識(shí)別系統(tǒng)，個(gè)人通信服務(wù)(PCS)系統(tǒng)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)，和航天系統(tǒng)些系統(tǒng)要求例如低成本，輕重量，低分布和低旁瓣等特征。
然而，該天線的帶寬和方向性能被限制在特定的應(yīng)用，如空間應(yīng)用中。而且，盡管微波傳輸帶貼片天線在要求共形結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，如在航天系統(tǒng)中是有益的，但是安裝該天線時(shí)關(guān)于該天線被反饋的方式提出了挑戰(zhàn)，以便保持一致性和滿意的輻射覆區(qū)域和方向性被獲得以及周圍表面損失被減小。更具體而言，通過(guò)將頻率范圍分成多個(gè)頻帶，提高具有寬掃描角度的相控陣天線的帶寬是常規(guī)上可以獲得的。該方法導(dǎo)致天線的重量和尺寸有相當(dāng)大的增加，而且產(chǎn)生了無(wú)線頻率(RF)干擾問(wèn)題。而且，萬(wàn)向接頭已經(jīng)被用來(lái)機(jī)械的獲得要求的掃描角度。此外，該方法提高了天線的尺寸和重量，并且導(dǎo)致較慢的響應(yīng)時(shí)間。
因此，需要一種輕型的貼片偶極子相控陣天線，該天線具有寬的頻率帶寬和寬的掃描角度并且能被統(tǒng)一的安裝在平面上。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供輕型的貼片偶極相控陣天線，該天線具有寬的頻率帶寬和寬的掃描角度并且能被統(tǒng)一的安裝在平面上。
本發(fā)明包括雙極化天線，該天線包括基片，該基片包含接地面和與此相鄰的介質(zhì)層；至少一被該基片加載的天線單元并且包括四個(gè)相鄰的天線部件，這四個(gè)天線部件圍繞中心饋線位置，彼此空間分離地放置在與接地面相對(duì)的介質(zhì)層上，天線部件的對(duì)角線對(duì)分別定義為天線偶極子并由此提供雙極化，以及天線饋線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有四個(gè)同軸饋線，每個(gè)同軸饋線包括內(nèi)部導(dǎo)體和環(huán)繞于此的管狀外部導(dǎo)體，該外部導(dǎo)體圍繞該軸將平行相鄰端連接在一起并且該外部導(dǎo)體被連接到接地面，該外部導(dǎo)體末端呈錐形放置以便與軸鄰近的部分進(jìn)一步延伸超過(guò)接地面到介質(zhì)層中并指向天線部件，該內(nèi)部導(dǎo)體從各自外部導(dǎo)體末端延伸出，穿過(guò)介質(zhì)層并且被連接到相鄰與中心饋線位置的各自天線部件上。
方便地，一種雙極化天線包括基片，該基片具有接地面和與此相鄰的介質(zhì)層，以及至少一個(gè)被該基片加載的天線單元。該天線單元包含四個(gè)相鄰的天線部件，這四個(gè)天線部件圍繞中心饋線位置，彼此空間分離地放置在與接地面相對(duì)的介質(zhì)層上。優(yōu)選地，天線部件的對(duì)角線對(duì)分別定義為天線偶極子并因此提供雙極化。天線單元也包含天線饋線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有四個(gè)同軸饋線，每個(gè)同軸饋線包含內(nèi)部導(dǎo)體和環(huán)繞于此的管狀外部導(dǎo)體。外部導(dǎo)體圍繞軸線將平行相鄰端連接在一起而且外部導(dǎo)體還被連接到接地面。該外部導(dǎo)體末端以錐形放置以便與軸相鄰的部分進(jìn)一步延伸出接地面進(jìn)入介質(zhì)層中并指向天線部件。內(nèi)部導(dǎo)體優(yōu)選地從各自的外部導(dǎo)體末端延伸出，穿過(guò)該介質(zhì)層并且被連接到相鄰與中心饋線位置的每個(gè)天線部件上。
優(yōu)選地，外部導(dǎo)體末端呈對(duì)稱角度，并且所有的天線部件有相同的形狀。接地面可以橫向外延伸出天線單元的外圍，并且同軸饋線沿著中心饋線位置從接觸的另外一端向外分散。該天線還包含至少一個(gè)被基片加載并且連接到天線饋線結(jié)構(gòu)上的混合電路。每個(gè)天線部件通常是矩形或方形。而且，至少一個(gè)天線單元最好包括多個(gè)以陣列放置的天線元件。
該介質(zhì)層的厚度最好為天線操作波長(zhǎng)的1/2，并且至少一阻抗匹配介質(zhì)層可以提供在天線單元上。該阻抗匹配介質(zhì)層可以橫向延伸出該天線單元的外圍。而且，該基片最好是彎曲的。
本發(fā)明也包括一制造該天線的方法，該方法包括形成基片，該基片包括接地面和與此相鄰的介質(zhì)層，通過(guò)在與接地面相對(duì)的介質(zhì)層上沿著中心饋線位置彼此空間分離的放置四個(gè)相鄰的天線部件從而提供至少一天線單元在基片上；并且形成天線饋線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括四個(gè)同軸饋線，每個(gè)同軸饋線包含內(nèi)部導(dǎo)體和環(huán)繞于此的管狀外部導(dǎo)體，該外部導(dǎo)體有平行的相鄰末端，其中形成天線饋線結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括圍繞軸將平行相鄰末端連接在一起，連接該外部導(dǎo)體的平行相鄰末端到接地面，以錐形放置該外部導(dǎo)體的平行相鄰末端以便相鄰于該軸的部分進(jìn)一步延伸出接地面到介質(zhì)層中并指向天線部件，并且連接該內(nèi)部導(dǎo)體到相鄰與中心饋線位置的每個(gè)天線部件上，該內(nèi)部導(dǎo)體從各自的外部導(dǎo)體的平行相鄰末端延伸出。
制造該天線的方法包括形成基片，該基片具有接地面和與此相鄰的介質(zhì)層，并且提供至少一個(gè)天線單元在該基片上。提供的天線單元包含在與接地面相對(duì)的介質(zhì)層上沿著中心饋線位置彼此空間分離的放置四個(gè)相鄰的天線部件，并且形成天線饋線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括四個(gè)同軸饋線，每個(gè)同軸饋線包含內(nèi)部導(dǎo)體和環(huán)繞于此的管狀外部導(dǎo)體，該外部導(dǎo)體有平行的相鄰末端。形成該天線饋線結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括圍繞軸線將平行相鄰末端連接在一起，連接該外部導(dǎo)體的平行相鄰末端到接地面，呈錐形放置外部導(dǎo)體的平行相鄰末端以便與軸相鄰的部分進(jìn)一步延伸出接地面到介質(zhì)層中并指向天線部件，并且將內(nèi)部導(dǎo)體連接到相鄰與中心饋線位置的每個(gè)天線部件上，該內(nèi)部導(dǎo)體從各自的外部導(dǎo)體的平行相鄰末端延伸出。
現(xiàn)在將參照附圖，通過(guò)例子，進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描寫

圖1是根據(jù)本發(fā)明的雙極化相控陣列天線的示意性圖。
圖2是沿著圖1中的線2-2的包含饋線結(jié)構(gòu)的天線橫截面圖。
圖3是沿著圖1的線3-3的天線的接地面，介質(zhì)層，天線單元和阻抗匹配介質(zhì)層的橫截面圖。
圖4是沿著圖2的線4-4的天線的連接在一起的同軸饋線的橫截面圖。
參照?qǐng)D1-4的雙極化天線10。該天線10包含基片12，該基片具有接地面26和與此相鄰的介質(zhì)層24，以及至少一被該基片加載的天線單元13。多個(gè)天線單元13以陣列形式放置。如圖1所示，天線10包含9個(gè)天線單元13。每個(gè)天線單元13包含四個(gè)相鄰的天線貼片或部件14、16、18、20，這四個(gè)天線部件圍繞中心饋線位置，彼此空間分離地放置在與接地面相對(duì)介質(zhì)層上。優(yōu)選地，天線部件的對(duì)角線對(duì)，如，16/18和14/20，被分別定義為天線偶極子由此提供雙極化，這對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠理解。當(dāng)然，僅一對(duì)天線部件，如16/18，形成天線偶極子則可以提供為單極化實(shí)施例。
每個(gè)天線單元還包括天線饋線結(jié)構(gòu)30，該結(jié)構(gòu)包含四個(gè)同軸饋線32，34，36，38(圖4)。每個(gè)同軸饋線具有內(nèi)部導(dǎo)體42和環(huán)繞于此的管狀外部導(dǎo)體44。參照?qǐng)D2，該外部導(dǎo)體44圍繞軸線A-A將平行相鄰末端46連接在一起而且這些外部導(dǎo)體還被連接到接地面26。例如，該平行相鄰末端46通過(guò)焊料40連接在一起。該外部導(dǎo)體44的末端46呈錐形放置以便相鄰于軸線A-A的部分48進(jìn)一步延伸出接地面26進(jìn)入介質(zhì)層24中并指向天線部件14、16、18、20。該內(nèi)部導(dǎo)體42優(yōu)選地從各自的外部導(dǎo)體44的末端46延伸出，穿過(guò)介質(zhì)層24并且被連接到相鄰與中心饋線位置22的各自的天線部件14、16、18、20。
該外部導(dǎo)體端46是呈對(duì)稱角度的，并且所有的天線部件14、16、18、20有相同的形狀，如，通常為矩形或正方形。這將簡(jiǎn)化普通模式，典型的，這種模式與陣列類型相關(guān)?？梢詮膱D2中看出，接地面26可以橫向延伸出天線單元13的外圍，并且同軸饋線32、34、36、38沿著中心饋線位置從接觸的另外一端向外分散。
該天線10還包含至少一被基片12加載并且連接到天線饋線結(jié)構(gòu)30上的混合電路50。該混合電路50控制、接收和產(chǎn)生到天線單元13的各自的天線部件14、16、18、20上的信號(hào)，這對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是可以理解的。
該介質(zhì)層的厚度大約為天線10的操作波長(zhǎng)的1/2，并且至少一阻抗匹配介質(zhì)層28可以提供在天線單元13上。如圖3所示，該阻抗匹配介質(zhì)層28也可以橫向延伸出該天線單元13的外圍。該延伸的基片12和延伸的阻抗匹配介質(zhì)層28的使用導(dǎo)致了2∶1或更大的天線帶寬。該基片12是彎曲的并且能被統(tǒng)一的安裝到堅(jiān)硬的表面上，如航空器或航天器的頭錐上。
制造該天線10的方法包括形成基片12，該基片具有接地面26和與此相鄰的介質(zhì)層24，并且提供至少一天線單元13在該基片上。該天線10，如圖1所示，包含以陣列形式安排的9個(gè)天線單元13。提供該天線單元13包含在與接地面26相對(duì)的介質(zhì)層24上沿著中心饋線位置22彼此空間分離的放置四個(gè)相鄰的天線部件14、16、18、20，并且形成天線饋線結(jié)構(gòu)30，該結(jié)構(gòu)包含四個(gè)同軸饋線32、34、36、38，每個(gè)同軸饋線包含內(nèi)部導(dǎo)體42和環(huán)繞于此的管狀外部導(dǎo)體44。該外部導(dǎo)體44有平行的相鄰末端46。
形成該天線饋線結(jié)構(gòu)30進(jìn)一步包括圍繞軸線A-A將外部導(dǎo)體44的平行相鄰末端46連接在一起，連接該外部導(dǎo)體的平行相鄰末端到接地面26，呈錐形放置該外部導(dǎo)體的平行相鄰末端以便與軸相鄰的部分48進(jìn)一步延伸出接地面到介質(zhì)層24中并指向天線部件14、16、18、20，并且將內(nèi)部導(dǎo)體42連接到相鄰與中心饋線位置22的各自天線部件上。該內(nèi)部導(dǎo)體42從各自的外部導(dǎo)體44的平行相鄰末端46延伸出。而且，外部導(dǎo)體44的平行相鄰末端46優(yōu)選的通過(guò)焊料40沿著軸線A-A連接在一起。
該方法還包括提供至少一混合電路50在基片12上并且連接到天線饋線結(jié)構(gòu)30上。而且，如圖3所示，該方法進(jìn)一步包含提供至少一阻抗匹配介質(zhì)層28以便覆蓋天線單元13，而且阻抗匹配介質(zhì)層28橫向延伸出至少一天線單元的外圍。
該天線10在2-28Ghz頻率范圍有2∶1的帶寬，這可以取得±45°的掃描角度，并且有少于或等于大約10db的回波損耗。因此，可以提供輕量的貼片偶極子相控陣列天線10，該天線具有寬頻率帶寬和寬掃描角度。而且該天線10是彎曲的并且能夠統(tǒng)一的安裝在平面上。
一種雙極化天線包含基片和至少被該基片加載的天線單元，該基片具有接地面和與此相鄰的介質(zhì)層。該天線單元包含四個(gè)相鄰的天線部件，這四個(gè)天線部件圍繞中心饋線位置，彼此空間分離地放置在與接地面相對(duì)的介質(zhì)層上。優(yōu)選地，天線部件的對(duì)角線對(duì)分別定義天線偶極子并因此提供雙極化。天線單元也包含天線饋線結(jié)構(gòu)，該饋線結(jié)構(gòu)具有四個(gè)同軸饋線，每個(gè)同軸饋線包含內(nèi)部導(dǎo)體和環(huán)繞于此的管狀外部導(dǎo)體。外部導(dǎo)體圍繞軸線將平行相鄰末端連接在一起而且這些外部導(dǎo)體還被連接到接地面。該外部導(dǎo)體端呈錐形放置以便與軸相鄰的部分進(jìn)一步延伸出在接地面到介質(zhì)層中并指向天線部件。
權(quán)利要求
1.一種雙極化天線，包括基片，該基片包括接地面和與此相鄰的介質(zhì)層；至少一被該基片承載的天線單元，且該天線單元包括四個(gè)相鄰的天線部件，這四個(gè)天線部件圍繞中心饋線位置而彼此空間分離地被設(shè)置在與所述接地面相對(duì)的所述介質(zhì)層上，對(duì)角線上的天線部件對(duì)分別限定了相應(yīng)的天線偶極子從而提供了雙極化；以及，一個(gè)天線饋線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括四個(gè)同軸饋線，每個(gè)同軸饋線包含一個(gè)內(nèi)部導(dǎo)體和環(huán)繞于該內(nèi)部導(dǎo)體的一個(gè)管狀外部導(dǎo)體，該外部導(dǎo)體具有平行的相鄰的端部，這些相鄰的端部圍繞一個(gè)軸將連接在一起并被連接到所述接地面，該外部導(dǎo)體的端部呈漸細(xì)形并被適當(dāng)?shù)卦O(shè)置以便其與軸相鄰的部分進(jìn)一步延伸出接地面到介質(zhì)層中并指向所述天線部件，該內(nèi)部導(dǎo)體從各自的外部導(dǎo)體的端部延伸出，穿過(guò)介質(zhì)層并且被連接到與中心饋線位置相鄰的各自的天線部件上。
2.如權(quán)利要求1所述的雙極化天線，其中該外部導(dǎo)體端部呈對(duì)稱角度，并且所有的天線部件有相同的形狀，而且其中接地面可以橫向延伸出至少一天線單元的外圍。
3.如權(quán)利要求1所述的雙極化天線，其中同軸饋線沿著中心饋線位置從接觸的另外一端向外分散，并且至少一混合電路被基片加載并且被連接到天線饋線結(jié)構(gòu)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極化天線，其中每個(gè)天線部件有矩形或方形形狀，并且至少一天線單元包含許多以陣列放置的天線元件。
5.如權(quán)利要求1所述的雙極化天線，其中該介質(zhì)層的厚度大約為天線操作波長(zhǎng)的1/2，具有至少一阻抗匹配介質(zhì)層在至少一個(gè)天線單元上，其中該至少一阻抗匹配介質(zhì)層可以橫向延伸出該至少一個(gè)天線單元的外圍，并且該基片是彎曲的。
6.一種天線包括基片，該基片包括接地面和與此相鄰的介質(zhì)層；至少一被該基片加載的天線單元并且包括四個(gè)相鄰的天線部件，這四個(gè)天線部件圍繞中心饋線位置，彼此空間分離地放置在與接地面相對(duì)的介質(zhì)層上，和天線饋線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括四個(gè)同軸饋線，每個(gè)同軸饋線包括內(nèi)部導(dǎo)體和環(huán)繞它的管狀外部導(dǎo)體，外部導(dǎo)體圍繞軸將平行相鄰端部連接在一起并且這些外部導(dǎo)體被連接到接地面，外部導(dǎo)體端部呈錐形放置以便與軸相鄰的部分進(jìn)一步延伸出接地面到介質(zhì)層中并指向天線部件，內(nèi)部導(dǎo)體從各自的外部導(dǎo)體端部延伸出，并且被連接到相鄰與中心饋線位置的各自天線部件。
7.如權(quán)利要求6所述的雙極化天線，其中外部導(dǎo)體端呈對(duì)稱角度，并且所有天線部件具有相同的形狀，并且接地面可以橫向延伸出該至少一天線單元的外圍，其中同軸饋線沿著中心饋線位置從接觸的另外一端向外分散。
8.如權(quán)利要求6所述的雙極化天線，包含被基片加載的至少一混合電路并且被連接到天線饋線結(jié)構(gòu)上，每個(gè)天線部件具有矩形或方形形狀，并且至少一天線單元包含許多以陣列放置的天線元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙極化天線，其中該介質(zhì)層的厚度大約為天線操作波長(zhǎng)的1/2，包含至少一阻抗匹配介質(zhì)層在至少一天線單元上，并且該至少一阻抗匹配介質(zhì)層橫向延伸出該至少一個(gè)天線單元的外圍，該基片是彎曲的。
10.一種制造天線的方法，包括形成一個(gè)基片，該基片包括一個(gè)接地面和與之相鄰的一個(gè)介質(zhì)層，從而通過(guò)在與接地面相對(duì)的介質(zhì)層上沿著中心饋線位置彼此空間分離地設(shè)置四個(gè)相鄰的天線部件而在基片上提供至少一天線單元；以及，形成一個(gè)天線饋線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含四個(gè)同軸饋線，每個(gè)同軸饋線包含一個(gè)內(nèi)部導(dǎo)體和環(huán)繞于該內(nèi)部導(dǎo)體的一個(gè)管狀外部導(dǎo)體，該外部導(dǎo)體有平行的相鄰端部，其中，形成該天線饋線結(jié)構(gòu)的步驟進(jìn)一步包括將所述外部導(dǎo)體的平行相鄰的端部圍繞一個(gè)軸線連接在一起、將外部導(dǎo)體的平行相鄰端部連接到接地面、使該外部導(dǎo)體的平行相鄰端部漸細(xì)并得到適當(dāng)設(shè)置從而使其與軸相鄰的部分進(jìn)一步延伸出接地面而到介質(zhì)層中并指向天線部件、并且連接該內(nèi)部導(dǎo)體到與中心饋線位置相鄰的各自天線部件上，該內(nèi)部導(dǎo)體從各自的外部導(dǎo)體的平行相鄰端部向外延伸。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該外部導(dǎo)體端部呈對(duì)稱角度，所有的天線部件有相同的形狀，其中接地面可以橫向延伸出至少一天線單元的外圍。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中同軸饋線沿著中心饋線位置從接觸的另外一端向外分散，提供至少一混合電路在基片上并且被連接到該天線饋線結(jié)構(gòu)上，并且至少一天線單元包含許多以陣列放置的天線元件，該介質(zhì)層的厚度大約為天線操作波長(zhǎng)的1/2，并且至少一阻抗匹配介質(zhì)層在至少一個(gè)天線單元上。
全文摘要
一種雙極化天線包含基片和至少一被該基片加載的天線單元，該基片包含接地面和與其相鄰的介質(zhì)層。該天線單元包含四個(gè)相鄰的天線部件，這四個(gè)天線部件圍繞中心饋線位置，彼此空間分離地放置在與接地面相對(duì)的介質(zhì)層上。優(yōu)選地，天線部件的對(duì)角線對(duì)分別定義為天線偶極子并因此提供雙極化。天線單元也包括具有四個(gè)同軸饋線的天線饋線結(jié)構(gòu)，每個(gè)同軸饋線包含內(nèi)部導(dǎo)體和環(huán)繞于此的管狀外部導(dǎo)體。外部導(dǎo)體圍繞該軸線使得平行相鄰端連接在一起并且這些外部導(dǎo)體還被連接到接地面。該外部導(dǎo)體末端呈錐形放置以便相鄰于該軸的部分進(jìn)一步延伸超過(guò)接地面處于介質(zhì)層中并指向天線部件。
文檔編號(hào)H01Q9/04GK1494750SQ01818240
公開(kāi)日2004年5月5日 申請(qǐng)日期2001年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月31日
發(fā)明者羅伯特·泰勒, 詹姆斯·羅尼克, 羅尼克, 羅伯特 泰勒 申請(qǐng)人:哈里公司