專利名稱：隙縫耦合饋電的雙圓極化橫向電磁波型隙縫天線陣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及一種隙槽縫天線。特別涉及一種雙圓極化雙層隙縫天線陣，它能提供具有最佳效率和頻帶寬度的雙圓極化波束。
直接通信系統(tǒng)通常用天線進(jìn)行遠(yuǎn)距離位置之間的能量發(fā)送和接收。近代，天線廣泛用于增加用戶的數(shù)量，許多情況下，要求用小型的能采用極化輻射能工作的寬頻帶天線。例如，改進(jìn)的廣播系統(tǒng)(DBS)通常發(fā)展成后代的電纜電視發(fā)送。通常，北美直接廣播系統(tǒng)已發(fā)展成發(fā)射圓極化(CP)能。這些系統(tǒng)要求在遠(yuǎn)距離電視位置處的低價(jià)雙圓極化18英吋開口天線，來接吸通過衛(wèi)星發(fā)射機(jī)的圓極化信號(hào)。
過去，所用的常規(guī)反射器天線通過strout和一個(gè)相聯(lián)的安裝結(jié)構(gòu)由有效地耦連到喇叭天線(極化器)的反射器典形地構(gòu)成。這類天線包括卡塞格倫天線，其中，喇叭天線在反射器前邊上的焦點(diǎn)位置偏離反射器。而且，這類反射器天線通常占據(jù)較大的空間，并且容易受環(huán)境破壞。
較小型天線的基本原理已得到發(fā)展，包括平板形隙縫天線。一種隙縫天線包括構(gòu)成兩個(gè)傳播層的雙層結(jié)構(gòu)。在歷史上的雙層隙縫天線包括在一對(duì)平行的金屬板之間的橫向電磁波(TEM)型行波的激勵(lì)。這類隙縫天線還包括漏過上金屬板上形成的輻射槽縫的射頻(RF)能量。以形成瞄準(zhǔn)射線束。這類隙縫天線通常是有潛在的低造價(jià)的相當(dāng)簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)。然而，這種常規(guī)的隙縫天線受到限制。這些限制包括，為了激勵(lì)平行金屬板之間的單純TEM型行波，通過常要用單饋電設(shè)計(jì)或很復(fù)雜的復(fù)用饋電設(shè)計(jì)。而所推薦的許多饋電設(shè)計(jì)方法，在原有的理論中，通常限于單極化(CP或線性的)或包括高度復(fù)雜的并具有帶較窄頻帶寬度的低效率。
另一種隙縫天線包括一射線隙縫天線陣，它可以是單層結(jié)構(gòu)，或者是具有沿螺旋圖形構(gòu)成的許多耦合槽縫的雙層結(jié)構(gòu)。在已出版的美國專利5175561號(hào)中已公開了這種射線隙縫天線的一個(gè)例子。這種單層隙縫天線已在日本的直接廣播系統(tǒng)中采用，而且，通常只能用單極化能工作。也就是說，射線隙縫天線陣只能用右邊的或左邊的圓極化控制。另一層上的附加饋電可以加到單層射線隙縫天線陣上，以產(chǎn)生雙圓極化射束。然而，兩束會(huì)互相影響，而且，一束的最佳化會(huì)損壞另一束。這就是說，假若一個(gè)圓極化束是最佳，那么另一個(gè)圓極化類將會(huì)相應(yīng)地具有較差的性能。其結(jié)果是，射線隙縫天線陣通常不能有效地控制左右兩邊圓極化的組合，而達(dá)到比較滿意可接收的頻帶寬度和性能指標(biāo)。
但是，可以提供一種小型平板式雙圓極化隙縫開線陣，它克服了上述現(xiàn)有技術(shù)中存化的缺陷。還可以提供一種雙層的隙縫天線，它既可以用右邊的圓極化工作，也可以用左邊的圓極化工作，而且具有較低的造價(jià)和較小的復(fù)雜性，而保持高效率和寬的頻帶寬度，此外，還可以提供這樣一種隙縫天線，它具有兩個(gè)不相互影響的最佳化的圓極化束。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，提供一種隙縫天線，它包括相對(duì)放置的中間有一介質(zhì)層的第1和第2金屬板。在第1金屬板上構(gòu)成水平和垂直輻射元件陣列。在第2金屬板上構(gòu)成水平和垂直的耦合槽縫陣列。天線還包括一對(duì)射束形成裝置，每個(gè)射束裝置耦連到無線電波連接器。水平耦合槽縫陣列有效地耦連到一個(gè)射束形成裝置，垂直耦合槽陣列有效地耦連到另一射束形成裝置上，使RF能可以穿過其間。按照這種排列，隙縫天線可以工作，以發(fā)送和接收線性極化能。天線還可以包括一個(gè)極化器，它位于上金屬板的上面，用于在線性極化與圓極化之間轉(zhuǎn)換，以使天線可用單圓極化能工作，或用雙圓極化能工作。
本專業(yè)的普通技術(shù)人員在閱讀了以下的詳細(xì)說明并參考了附圖之后，會(huì)了解本發(fā)明的其他目的和發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是按本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圓極化隙縫天線陣的透視圖;
圖2是按本發(fā)明構(gòu)成的具有輻射元件的上金屬板的局部頂視圖;
圖3是按本發(fā)明的底金屬板視圖，板中構(gòu)成有水平和垂直的耦合槽;
圖4按本發(fā)明的構(gòu)成的帶狀聚焦網(wǎng)絡(luò)的示意圖;
圖5是本發(fā)明所用的曲折線(Meanderline)極化器板的示意圖。
現(xiàn)在參看圖1，圖中所示的隙縫天線陣10是按本發(fā)明的用以控制雙圓極化能的隙縫天線陣。下面所述的隙縫天線10最好控制在一對(duì)金屬板中傳播的橫向電磁波(TEM)能，并能發(fā)送和/或接收右邊和左邊兩個(gè)圓極化能。而且，根據(jù)這兒所提供的第2實(shí)施例，本天線10也可以用線性(即，水平和垂直)，極化能工作。
按一個(gè)實(shí)施例，隙縫天線陣10通常包括一對(duì)相對(duì)放置的金屬板12和16，這對(duì)金屬板用介質(zhì)材料14使其相互隔開。介質(zhì)層14的介電常數(shù)最好在4.0左右，對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言介常數(shù)也可以是2.2。上金屬板16通常包括許多按兩維陣列排列的垂直和水平輻射元件(槽縫)，而下金屬板12有許多在板中構(gòu)成的水平和垂直的耦聯(lián)槽縫。按這種雙層天線結(jié)構(gòu)，金屬板允許橫向電磁波(TEM)型行波在金屬板之間激勵(lì)。其結(jié)果是，具有水平和垂直分量的線性極化的射頻(RF)能可以穿透適當(dāng)?shù)妮椛湓婉盥?lián)槽縫。
特別參看圖2，部分上金屬板16是用在板中構(gòu)成的垂直輻射元件34A和34B和水平輻射元件36A和36B表示的。垂直的和水平的輻射元件34和36實(shí)質(zhì)上是很細(xì)的槽縫，這些槽縫伸過上金屬板16，并以平行對(duì)構(gòu)成。每對(duì)垂直輻射元件34A和34B在兩個(gè)輻射元件之間最好有一個(gè)垂直位差，構(gòu)成每個(gè)相應(yīng)的輻射元件對(duì)。位差的距離等于約四分之一波長(1/4λg)，其中的波長λg是在金屬板12和16之間傳播的TEM波的波長。同樣，每對(duì)水平輻射元件36A和36B最好有一水平位差，該位差等于TEM波能的四分之一波長((1/4λg)。
相鄰的垂直輻射元件36A和36B對(duì)之間最好隔開約一個(gè)工作的TEM能的波長λg的距離，同樣，相鄰的水平輻射元件36A和36B對(duì)之間彼此也隔開約一個(gè)波長λg的距離。按圖2所示的輻射元件的排列，線性極化能能夠有效地穿過輻射元件34和36。在運(yùn)行中，水平極化分量通過垂直輻射元件34A和34B穿過金屬板16，而線性極化能的垂直極化分量通過水平輻射元件36A和36B穿過。
每對(duì)輻射元件34和36最好設(shè)計(jì)成其長度與其他輻射元件對(duì)的長度不同。這是因?yàn)檩椛湓?4和36的長度設(shè)計(jì)，使能輻射或接收均勻的能量幅度，以提供最大的天線孔徑效率。垂直輻射元件34A和34B較緊地貼近下金屬板12上的相應(yīng)的垂直耦聯(lián)槽縫，接收較多的能量，并具有較短的長度而相距較遠(yuǎn)的輻射元件具有較長的長度，以補(bǔ)償相應(yīng)的低能量。水平輻射元件36A和36B同樣有相同的尺寸變化。而且，垂直輻射元件34A和34B陣列能實(shí)質(zhì)上設(shè)計(jì)成與水平輻射元件36A和36B無關(guān)并使其最佳化。
底金屬板12示于圖3中，具有垂直的NX1矩形耦聯(lián)槽縫40陣列和在板中構(gòu)成的水平NX1矩形耦聯(lián)槽縫42陣列。垂直的和水平的耦聯(lián)槽縫40和42陣列相互垂直排列。垂直和水平的耦聯(lián)槽縫40和42工作，以便分別把各自的水平和垂直極化能，激勵(lì)到帶狀聚焦網(wǎng)絡(luò)28A和28B上，或從這里接收能。帶狀線聚焦網(wǎng)絡(luò)28A和28B位于下金屬板12的下面，并由此用介質(zhì)層26A或26B隔開。每個(gè)聚焦網(wǎng)絡(luò)28A和28B在其底面有泡沫層30A和30B。在泡沫層30A和30B的底面設(shè)置導(dǎo)電接地板，由聚焦網(wǎng)絡(luò)28A和28B構(gòu)成帶狀線路。
圖4中給出了一個(gè)聚焦網(wǎng)絡(luò)28A的詳細(xì)說明。聚焦網(wǎng)絡(luò)28A由帶狀線電路圖形44構(gòu)成，電路圖形44具有跨過部分垂直耦聯(lián)槽縫40延伸的指狀圖形。在信號(hào)接收中，能量輻射跨過垂直耦聯(lián)槽縫40，并激勵(lì)電流到帶狀線電路圖形44上。電路圖形44上的電流沿著聚焦網(wǎng)絡(luò)28A饋入輸入/輸出部分48A，再依次耦合給無線電收發(fā)機(jī)46或其他電子裝置。在收送過程中，帶狀線電路圖形44上感應(yīng)出的電流其依次激勵(lì)輻射能到耦聯(lián)槽縫40上。把聚焦網(wǎng)絡(luò)28A設(shè)計(jì)成能在天線10上提供所希望的射束圖形，設(shè)計(jì)指標(biāo)可以包括適當(dāng)選擇遍及帶帶條狀線電路圖形44的阻抗，以控制跨過相應(yīng)的耦聯(lián)槽縫40所激勵(lì)的信號(hào)幅度。另一個(gè)聚焦網(wǎng)絡(luò)28B與圖4中所示的聚焦網(wǎng)絡(luò)28A相同，但除下述情況之外，即聚焦網(wǎng)絡(luò)28B與聚焦網(wǎng)絡(luò)28A的垂直，并耦聯(lián)到水平的耦聯(lián)槽縫42。對(duì)于雙極化工作，有兩個(gè)輸入/輸出部分。它包括連接到第一聚焦網(wǎng)絡(luò)28A的第一部分48A，和連接到第二聚焦網(wǎng)絡(luò)28B的第二部分(未畫出)。
而且，隙縫天線10還包括一對(duì)曲折線(Meanderline)極化器片20和24，它們位于上金屬板16的上面并由泡沫片18隔開。泡沫片22近位于上下極化器片20和24之間，使上下極化器片20和24之間隔開一定距離。每個(gè)曲折線(Meanderline)極化器片20和24是使用45度角取向的四分之一波印刷電路圖形的常規(guī)極化器，給垂直的電場線性分量提供電抗負(fù)載。而且，每個(gè)極化器片20和24在兩個(gè)正交的電場之間引起不同的電相位漂移，因此，兩個(gè)極化器20和24組全在一起，提供正交的輸入波一個(gè)90度相位差，使線性極化能與圓極化能之間轉(zhuǎn)換。因而，當(dāng)能量通過極化器片20和24時(shí)圓極化能轉(zhuǎn)換成線性極34，而線性極化能同樣轉(zhuǎn)換成圓極化。
按本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在工作中，可以用隙縫天線10發(fā)送和/或接收雙圓極化能。接收時(shí)，輻射能穿造上下曲折線(Meanderline)極化器片24和20。具有相應(yīng)的圓極化的能量轉(zhuǎn)換成具有水平極化分量或垂直極化分量的線性極化能。轉(zhuǎn)換后的線性極化能射向上金屬板16。上金屬板16中的垂直輻射元件34A和34B允許線性極化能的水平分量以第一級(jí)線性極化瞄準(zhǔn)束的形式透過。同樣，在金屬板16中的水平輻射件36A和36B工作，允許線性極化能的垂直分量以第二組線性極化的瞄準(zhǔn)束形式透過。
兩組瞄準(zhǔn)束相互無關(guān)，并主要在下金屬板12和上金屬板16之間轉(zhuǎn)播。然后瞄準(zhǔn)束的RF能量由水平和垂直耦聯(lián)槽縫40和42饋入聚焦網(wǎng)絡(luò)28A或28B中的一個(gè)。例如，跨過垂直耦聯(lián)槽縫40的RF能把電流激勵(lì)到與之耦聯(lián)的帶狀聚焦網(wǎng)絡(luò)28A上。然后，所接收到的電流饋給輸入/輸出部分48A，它依次耦合給無線電收發(fā)機(jī)46A或其它電子無線電波裝置。
隙縫天線10可以同樣工作，以發(fā)送具有相關(guān)的圓極化的輻射能，在運(yùn)行中，電流供給輸入/輸出部分48A，它依次在帶狀聚焦網(wǎng)絡(luò)28A上分成許多電流使這些電流沿著帶狀線電路44A流動(dòng)。電流依次在與之耦合的每個(gè)相關(guān)的垂直耦聯(lián)槽縫40上激勵(lì)輻射信號(hào)，所激勵(lì)出的能量在上金屬板和下金屬板16和12之間偉播并透過垂直輻射元件34A和34B。另外的電流加到其他的輸入/輸出部分(未畫出)，并同樣沿著聚焦網(wǎng)絡(luò)28B分布，并在水平耦聯(lián)槽縫42上激盛垂直極化能，然后，所激勵(lì)出的能透過水平輻射元件36A和36B。然后，垂直和水平極化能穿過一對(duì)曲折線(Medanderline)極化器片20和24，以將線性極化轉(zhuǎn)換成圓極化。然后，圓極化能在所選的視野內(nèi)從隙縫天線10輻射出去。
特別說明隙縫天線陣10在直接廣播系統(tǒng)(DBS)中的使用，這種直接廣播系統(tǒng)通常被發(fā)展成接收電纜電視廣播。按此途徑，這兒所述的隙縫天線10是一種結(jié)構(gòu)緊密的小型裝置，它的實(shí)際大小是18英吋乘18英吋乘11/2英吋。因而，隙縫天線10可以很容易地被用戶作為電纜電視接收裝置使用，而且可以容易地安裝在電視機(jī)附道的位置。
結(jié)合具有圓極化的能說明了本發(fā)明，并特別說明了具于本發(fā)明在直接廣播系統(tǒng)中的應(yīng)用。本發(fā)明遠(yuǎn)可以應(yīng)用在包括軍事和空間通信天線系統(tǒng)的各種其他領(lǐng)域中。這包括按本發(fā)明的第二實(shí)施例的用線性極化信號(hào)工作，為了進(jìn)行這些說明，可以去掉(Medanderline)曲折線極化器片20和24，以便允許直接發(fā)送和接收線性極化能。按照該另一實(shí)施例。在工作中從外部源改到的線性極化能的垂直和水平分量直接加到上金屬板16，在發(fā)送過程中，透些線性分量是從天線10發(fā)送的。
根據(jù)上述內(nèi)容，可以認(rèn)為本發(fā)明可以使用戶獲得能提供雙圓極化的隙縫天線。因此，盡管結(jié)合特例在這兒公開了本發(fā)明，但除了下面的權(quán)利要求書中所規(guī)定的范圍之外，本發(fā)明不受任何限制。這是因?yàn)楸緦I(yè)的技術(shù)人員研究了說明書和附圖之后會(huì)發(fā)現(xiàn)，還可以做出不脫離本發(fā)明精神的其它改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種隙縫天線，包括相對(duì)放置并彼此隔開的第一種第二金屬板；束形成裝置，以提供預(yù)定的視野；耦聯(lián)到束形成裝置上的無線電波連接裝置；在所述的第一金屬板中構(gòu)成的輻射元件陣列和在所述的第二金屬板中構(gòu)成的，并有效地耦聯(lián)到所述束形成裝置上的耦聯(lián)槽縫陣列。
2.按權(quán)利要求1的天線，還包括極化轉(zhuǎn)換裝置，所述裝置位于所述金屬板上面，用于在線性極化和圓極化之間轉(zhuǎn)換能量。
3.按權(quán)利要求2的天線，其中所述的極化裝置包括一對(duì)相對(duì)放置的位于所述金屬板上面的曲折線(Meanderline)極化器片。
4.按權(quán)利要求1的天線，其中所述的耦聯(lián)槽縫陣列包括第一水平耦聯(lián)槽縫陣列的和第二垂直耦聯(lián)槽縫陣列。
5.按權(quán)利要求4的天線，其中所述的束形成裝置包括有效地耦聯(lián)到和第一水平耦聯(lián)槽縫陣列上的第一聚焦網(wǎng)絡(luò)的和有效地耦聯(lián)到第二垂直耦聯(lián)槽縫陣列上的第二聚束網(wǎng)絡(luò)。
6.按權(quán)利要求5的天線，其中每個(gè)所述的第一和第二聚焦網(wǎng)絡(luò)包括帶狀線電路。
7.按權(quán)利要求4的天線，其中所述的耦聯(lián)槽縫的第一和第二陣列每個(gè)都包括一個(gè)一維的矩形槽縫陣列，這些矩形槽用介質(zhì)層與所述的束形成裝置分隔開。
8.按權(quán)利要求1的天線，還包括位于所述第一和第二金屬板之間的第一介質(zhì)層。
9.按權(quán)利要求1的天線，其中所述的輻射元件在水平和垂直陣列中形成。
10.按權(quán)利要求9的天線，其中，由許多對(duì)形成所述的輻射元件，并對(duì)其長度選擇，使其能實(shí)質(zhì)上通過這兒有最佳的能量發(fā)送。
11.一種雙圓極化隙縫開線，包括第一和第二相對(duì)放置彼此由介質(zhì)層隔開的金屬板，它允許橫向電磁能在金屬板之間傳播;構(gòu)成在所述第一金屬板中的水平和垂直輻射元件陣列;提供預(yù)定視野的束形成裝置;無線電波連接裝置，它耦聯(lián)到所述的束形成裝置上，具有波道垂直極化能的第一部分和波道水平極化能的第二部分;構(gòu)成在所述第二金屬板中的第一水平耦聯(lián)槽縫陣列，并有效地耦聯(lián)到所述束形成裝置上，并與所述水平輻射元件相配合，因此，垂直極化能可以通過所述的水平輻射元件和耦聯(lián)槽縫;構(gòu)成在所述第二金屬板中的第二垂直耦聯(lián)槽縫陣列，它有效地耦聯(lián)到所述束形成裝置上。并與所述的垂直輻射元件配合，因此，水平極化能可以通過所述的垂直輻射元件和耦聯(lián)槽縫;和位于所述金屬板上面的，用于將輻射能在線性極化和圓極化之間轉(zhuǎn)換的極化轉(zhuǎn)換裝置。
12.按權(quán)利要求11的天線，其中所述極化裝置包括一對(duì)相對(duì)設(shè)置的位于所述金屬板上面的曲折線(Meanderline)極化器片。
13.按權(quán)利要求11的天線，其中所述的構(gòu)成裝置的束包括耦聯(lián)到所述第一水平耦聯(lián)槽縫陣列上的第一聚焦網(wǎng)絡(luò);和耦聯(lián)到所述第二垂直耦聯(lián)槽縫陣列上的第二聚焦網(wǎng)絡(luò)。
14.按權(quán)利要求13的天線，其中所述的第一和第二聚焦網(wǎng)絡(luò)包括介帶狀線電路。
15.按權(quán)利要求11的天線，其中所述的第一和第二耦聯(lián)槽縫陣列，每個(gè)都包括饋送所述束形成裝置的矩形槽的一維陣列。
16.按權(quán)利要求11的天線，其中所述的輻射件構(gòu)成許多對(duì)，對(duì)其長度選擇，使其能提供通過此處的實(shí)質(zhì)上最佳的能量發(fā)送。
17.一種接收?qǐng)A極化能的方法，包括接收?qǐng)A極化輻射能;通過一對(duì)曲折線(Meanderline)極化器片發(fā)送所述的圓極化輻射能，以便將所述的圓極化轉(zhuǎn)換成線性極化。所述的線性極化輻射能穿過構(gòu)成有垂直和水平輻射元件的第一金屬板，以便允許線性極化的水平和垂直分量極化通過;在構(gòu)成有垂直和水平耦聯(lián)槽縫的所述第一金屬板和第二金屬板之間輻射所述的垂直和水平極化分量;從所述的水平耦聯(lián)槽縫在第一聚焦網(wǎng)絡(luò)上激勵(lì)電流;從所述的垂直耦聯(lián)槽縫在第二聚焦網(wǎng)絡(luò)上激勵(lì)電流的和匯集每個(gè)聚焦網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)相關(guān)電流提供水平極化的接收信號(hào)和垂直極化的接收信號(hào)。
全文摘要
隙縫天線包括相對(duì)放置的第一和第二金屬板，其間有一介質(zhì)層，第一金屬板上有水平和垂直輻射元件陣列，第二金屬板上有水平和垂直的耦聯(lián)槽縫陣列；第一和第二束形成裝置，提供束覆蓋的必需的場區(qū)。水平耦聯(lián)槽縫陣列耦聯(lián)到第一束形成裝置上，垂直耦聯(lián)槽縫陣列耦聯(lián)到第二束形成裝置上。隙縫天線發(fā)送和接收線性極化能。天線還包括設(shè)置于上金屬板上的極化器，用于在線性極化和圓極化之間轉(zhuǎn)換，允許天線用單的或雙的圓極化能工作。
文檔編號(hào)H01Q21/24GK1106954SQ94109000
公開日1995年8月16日 申請(qǐng)日期1994年6月18日 優(yōu)先權(quán)日1993年8月9日
發(fā)明者陳顯安 申請(qǐng)人:Trw公司