專利名稱：接收衛(wèi)星廣播的平面陣天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用以接收衛(wèi)星廣播節(jié)目的平面陣天線，它是裝載在汽車之類的交通工具上來使用的。
近年來，隨著衛(wèi)星廣播的普及，業(yè)已對接收衛(wèi)星廣播的車載天線作出了許多研究。對于這種類型的車載天線，如何降低裝配天線高度是重要的技術(shù)問題之一，因?yàn)樘炀€通常裝配在汽車頂上，而汽車在路上行駛時對高度有一定的限制。又因接收衛(wèi)星廣播的天線裝配在汽車頂上有限的空間內(nèi)，故如何減小天線安裝面積也是重要的技術(shù)問題之一。為了降低接收衛(wèi)星廣播的天線安裝高度，人們認(rèn)為在汽車頂上水平安裝具有傾角的平面陣天線的這種結(jié)構(gòu)頗為有利。自這種型式的平面陣天線輻射出來的主波束是在偏離開該平面陣天線的法線方向一個傾角的方向上輻射的。
對于車載天線而言，需要一個自動跟蹤機(jī)構(gòu)來控制天線方位角和仰角，以使該天線隨著汽車的行駛每一瞬間都能始終跟蹤廣播衛(wèi)星。自動跟蹤機(jī)構(gòu)不僅占去整個接收系統(tǒng)制造費(fèi)用的相當(dāng)大的部分，而且增加了所裝配天線的高度和面積，因此如何簡化自動跟蹤系統(tǒng)已是重要的技術(shù)問題之一。隨著汽車的行駛，方位角會在360°范圍內(nèi)變化，據(jù)此可以認(rèn)為，利用機(jī)械的轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對方位角方向的跟蹤是可行的。與這一趨勢相對比，隨著汽車行駛時經(jīng)緯度改變或因道路有約±5°的斜率而與水平面傾斜，使得天線仰角發(fā)生變動，但仰角變動范圍是相當(dāng)有限的。據(jù)此，人們認(rèn)為，為了有利于降低整個接收系統(tǒng)的成本，可采用仰角方向非跟蹤式系統(tǒng)，不對仰角實(shí)施機(jī)械跟蹤，或者采用單軸跟蹤系統(tǒng)而只跟蹤方位角方向，并將天線仰角方向上的方向性預(yù)先調(diào)定得寬一些。
一種用以接收衛(wèi)星廣播的平面陣天線在設(shè)計上實(shí)現(xiàn)上述單軸跟蹤系統(tǒng)，已在題為“接收衛(wèi)星廣播的單層結(jié)構(gòu)式漏泄波導(dǎo)隙縫車載天線”一文中說明了，這是Hirokawa等人于1993年5月在電子、信息和通信工程師學(xué)會(日本)舉行的技術(shù)研究報告會上發(fā)表的。該文敘述一種漏泄波導(dǎo)隙縫陣天線，其中，電功率在轉(zhuǎn)動中心內(nèi)提供(下文把這種類型稱作“中心供電型”)，其結(jié)構(gòu)示于圖5的透視圖中。隙縫陣天線的主體是由12個相互相鄰且平行排列的波導(dǎo)11A至11L和用以向每一輻射波導(dǎo)提供輻射功率的T形供電波導(dǎo)12組成的。T形供電波導(dǎo)12之中的每一個波導(dǎo)是由第一部分12A和第二部分12B構(gòu)成。第一部分12A在其排列方向(或橫行方向)上延伸，在每個輻射波導(dǎo)的一端形成一個組合窗。第二部分12B從供電針13延伸，供電針13在天線主體方位角方向上在轉(zhuǎn)動中心位置上形成，第一部分12A和第二部分12B形成一個T分支。輻射波導(dǎo)11A至11L的每一個由一個漏泄波導(dǎo)構(gòu)成，每個漏泄波導(dǎo)在其軸向上形成適當(dāng)數(shù)目(例如13至17個)的十字隙縫14，它們具有相同的偏置體積(offset volume)，以達(dá)到在52°傾角方向周圍有大約±5°的波束寬度。
該文的優(yōu)點(diǎn)，即按照圖5所示中心供電類型的結(jié)構(gòu)，當(dāng)設(shè)置在轉(zhuǎn)動中心的供電針13提供的供電部分是以轉(zhuǎn)動式連接或類似結(jié)構(gòu)構(gòu)成時，天線作單軸跟蹤時僅能在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，使得在天線主體下側(cè)與這個供電部分相連接的變換器保持固定不動。
Hirokawa等人的上述文章展示一種天線結(jié)構(gòu)，它利用中心供電型天線結(jié)構(gòu)和具有轉(zhuǎn)動式連接結(jié)構(gòu)的供電部分，僅使天線主體轉(zhuǎn)動。然而，仍需進(jìn)一步的充分調(diào)整研究，以實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)構(gòu)。在中心供電型天線中，因中心部分對供電系統(tǒng)和供旋轉(zhuǎn)用的機(jī)械系統(tǒng)很重要，它們均集中在天線的中心部分，因此使該結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。對電路系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)所做的避免其復(fù)雜性的一切努力又導(dǎo)致電路特性和機(jī)械特性不夠好。如果轉(zhuǎn)動連接結(jié)構(gòu)的供電部分和變換器都連接到一條柔軟的同軸電纜上，例如有可能使變換器脫離中心部分，這樣就可將旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)集中在中心部分。然而，由于信號頻率高達(dá)12GHz，故存在的問題是較長的同軸電纜會增加傳輸損耗和降低信雜比。再者，變換器固定在天線主體的中心部分還帶來一個問題，即變換器成為一個障礙物，使得不能夠采用將電動機(jī)旋轉(zhuǎn)軸與天線主體轉(zhuǎn)動中心組合起來的那種通常的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。
據(jù)此，本發(fā)明的目的是提供一種中心供電型平面陣天線，其結(jié)構(gòu)可使中心供電型天線結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)動式連接結(jié)構(gòu)的電流供電部分和轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)制作成一個最佳組合的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的接收衛(wèi)星廣播的平面陣天線的主體包括一個中心供電型結(jié)構(gòu)體，具有一個在轉(zhuǎn)動中心形成的供電部分。一個變換器包括一個介質(zhì)襯底和一個殼體，該襯底上形成一個微帶(microstrip)通道，該殼體容納該介質(zhì)襯底。變換器固定在平面陣天線主體的下側(cè)，可旋轉(zhuǎn)地支持平面陣天線的主體。一個供電部分包括一個供電針，該供電針具一個有絕緣罩，供電針的上端部與天線主體形成一個空間，該上端部分插入該空間，供電針的中部穿過變換器的殼體，供電氣針的下端部與變換器的介質(zhì)襯底上形成的微帶通道相結(jié)合。跟蹤方位角方向的轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)包括一個圓柱體，它在變換器外側(cè)從天線主體底部向下伸出;一個驅(qū)動機(jī)構(gòu)，向該圓柱體提供轉(zhuǎn)動功率。
由漏泄波導(dǎo)隙縫陣天線或類似物形成的平面陣天線的主體是由圖5所示的中心供電型結(jié)構(gòu)形成時，只使平面陣天線的主體旋轉(zhuǎn)而保持變換器固定不動的條件就能得到。更具體地說，供電針的上端部插入天線主體的轉(zhuǎn)動中心位置，供電針的下端部與變換器的介質(zhì)襯底上面形成的微帶通道相結(jié)合，這樣，天線主體和變換器能依靠最簡單同軸結(jié)構(gòu)的傳輸通道以最短的距離相連接。這樣就可得到具有最小插入損耗的、一種簡單設(shè)計的供電機(jī)構(gòu)。當(dāng)天線主體由穿過供電針的變換器殼體可旋轉(zhuǎn)動地支持時，并當(dāng)驅(qū)動機(jī)構(gòu)卸脫到固定在天線主體中心上的變換器外側(cè)時，供電系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)原來在天線中心部分會發(fā)生的錯綜復(fù)雜性可以有效地得以避免，并得到具有優(yōu)良的電氣特性和機(jī)械特性的最佳結(jié)構(gòu)。


圖1示出本發(fā)明的一個實(shí)施例中平面陣天線供電部分的周圍結(jié)構(gòu)的部分剖面圖。
圖2示出的圖1所示的供電部分周圍結(jié)構(gòu)的一個放大部分的剖面圖。
圖3示出上述實(shí)施例的整體的平面圖。
圖4示出圖1所示的供電部分的另一種周圍結(jié)構(gòu)的一個例子的部分剖面圖。
圖5示出作為中心供電型平面陣天線一個代表性例子的漏泄波導(dǎo)十字隙縫陣列天線的結(jié)構(gòu)的透視圖。
圖1是一個部分剖面圖，示出按照本發(fā)明的一個實(shí)施例的接收衛(wèi)星廣播用的漏泄波導(dǎo)隙縫陣天線供電部分的周圍結(jié)構(gòu)，圖2示出圖1所示供電部分周圍結(jié)構(gòu)的部分放大圖，圖3示出整個系統(tǒng)的平面圖。圖中標(biāo)號10表示平面陣天線的主體。在圖示的實(shí)施例中，平面陣天線的主體與圖5所示中心供電型的漏泄波導(dǎo)隙縫陣列天線的主體的結(jié)構(gòu)的相同。標(biāo)號20表示一個變換器，它包括其上面形成有一個微帶通道的介質(zhì)襯底21，和一個用以容納介質(zhì)襯底21的金屬殼體22。變換器20固定在天線罩40的底面41上。標(biāo)號13表示構(gòu)成供電部分的一個供電針，該供電針由圓柱中心腳13a和套住中心腳13的圓柱絕緣罩13b構(gòu)成。
參看圖2的部分放大圖，供電針13插入供電波導(dǎo)的第二部分12B，在供電針13上端部與平面陣天線主體10之間形成一個小空間。供電針13的中央部分穿過變換器殼體22，供電針13的下端部以直立狀態(tài)靠焊接和熔合連接在微帶通道21a上，該微帶通道21a形成在變換器20的介質(zhì)襯底21上。變換器20的殼體22為了能讓供電針13穿過它，包括有圓柱部分22a、凸緣部分22b和絕緣片22c，圓柱部分22a用來夾持供電針13，并將供電針13壓入至軸芯方向，凸緣22b形成在圓柱部分22a的前端部，用以通過絕緣片22c可旋轉(zhuǎn)地支持平面陣天線主體10。凸緣部分22b的半徑設(shè)定值幾乎等于接收信號的1/4波長。
參看圖1和圖3，轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)由圓柱體31構(gòu)成，圓柱體31從平面陣天線主體10的底部向下延伸到天線罩40底面41上固定的變換器20的外面，并有一個驅(qū)動機(jī)構(gòu)向該圓柱體提供轉(zhuǎn)動功率。圓柱體31在其圓周方向的外周上以預(yù)定距離形成有一些峰和谷，旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動是依靠在圓柱體外周上接合裝配一條定時皮帶來達(dá)到的。參看圖3的平面圖，驅(qū)動機(jī)構(gòu)由一條與圓柱體31外周搭緊的定時皮帶34來構(gòu)成的，有一個皮帶輪33在圓柱體31外側(cè)與定時皮帶34搭緊，有一個電動機(jī)32用來使皮帶輪33轉(zhuǎn)動。圖3中，標(biāo)號41表示由天線罩40的側(cè)壁41環(huán)繞的底面。殼體固定在此底面上用以使天線罩40內(nèi)部保持防風(fēng)、防潮和防塵狀態(tài)。
由圖5所示的輻射波導(dǎo)11A到11L接收、并通過供電波導(dǎo)12傳輸?shù)碾姴ǖ竭_(dá)圖2所示的供電針13，與供電針上端部相結(jié)合。供電針13的中部形成一個同軸通道，它以中心腳13a作為內(nèi)導(dǎo)體，以殼體22的圓柱部分22a作為外導(dǎo)體。鑒此，供電針13的上端部起一種波導(dǎo)-同軸模式變換器的作用，將供電針13中部上以同軸模式傳播的波變換成為以微帶模式傳播的波，并將已變換得的波傳輸?shù)轿ǖ郎?。然后，接收到的、已變換成微帶模式的波由設(shè)置在介質(zhì)襯底上的一個下變頻器電路(圖中未示出)變頻成中頻信號，并如圖1中所示通過同軸電纜連接器23和同軸電纜24供給到廣播衛(wèi)星調(diào)諧器去。
參看圖2，薄的(例如厚度約0.2mm-0.5mm)絕緣片22c夾層在平面陣天線主體10的金屬底面與金屬凸緣部分22b之間。此絕緣片22c防止因金屬面之間的摩擦造成的磨損。據(jù)此，適合用作絕緣片22c的原材料是動摩擦系數(shù)小的四氟乙烯(TFE，例如產(chǎn)品名稱是“TEFLON”)之類。還有，從低損耗的電特性觀點(diǎn)看，四氟乙烯之類也適于用作供電針13的外罩13b的原材料。在存在絕緣片22c的位置處，形成一條徑向線，用以徑向地傳播表面外部的波，在該表面處天線主體的底面與凸緣部分相互面對。通過該徑向線會發(fā)生波的泄漏，自天線主體到變頻器發(fā)生傳播損耗，從而導(dǎo)致頻率特性劣化。為了避免這個問題，徑向線的長度設(shè)定為大致等于接收電波之波長的1/4。于是，徑向線的外端部分是一個開路端，可使因波的泄漏造成的上述問題限制到最小程度。
供電針13還起轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)中心軸的作用，該轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)是與變換器20外側(cè)上形成的驅(qū)動機(jī)構(gòu)相結(jié)合而組成的。天線通常安裝在天線罩的內(nèi)部，所以，不會發(fā)生因風(fēng)的壓力而有強(qiáng)的外力作用到供電針13側(cè)面方向上的危險。此外，由于單軸跟蹤系統(tǒng)在仰角方向并不跟蹤廣播衛(wèi)星，天線主體10和殼體22差不多保持在水平方向，因而不致有大的側(cè)向外力作用于供電針13上的危險。然而，會有多種形式的側(cè)向外力作用到供電針13上，諸如由定時皮帶34對電機(jī)32側(cè)面所加的拉伸力，隨著汽車運(yùn)行產(chǎn)生的振蕩和震動，等等。當(dāng)有所述那樣一種側(cè)向外力傳遞到供電針13的端子部分與微帶通道21a之間的結(jié)合處時，結(jié)合處因受到剪切力存在導(dǎo)致破壞的危險。
為了避免上述問題，用鐵釘?shù)葘んw22的圓柱體部分22a牢靠地壓緊至中心方向，因而傳遞到供電針13的側(cè)向外力的較大部分將通過圓柱體部分22a傳遞到殼體22上。為了防止在供電針13與微帶通道之間的固結(jié)部分上發(fā)生破壞，可以采取一種結(jié)構(gòu)，其中，供電針13的中心腳13a的下端部通過設(shè)置在連接點(diǎn)上的柔軟金屬薄片連接至微帶通道21a上。
也可以采用圖4中所示的結(jié)構(gòu)，其中，一個在其表面上被覆有TFE之類材料的圓盤形金屬接合部件22d放置在平面陣天線主體10的底面與凸緣部分22b之間，在它們兩者之間形成一個小空間，由凸緣部分22b可旋轉(zhuǎn)地支持天線主體10，與此同時，在殼體22的圓柱體部分22a與供電針13之間形成一個較大的空間。換言之，作用到天線主體10上的側(cè)向外力只是通過接合部件22d直接傳遞到凸緣部分22b。作用到天線主體10上的豎向外力就象天線主體10的重量一樣地只傳遞到凸緣部分22上。根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)，作用到平面陣列天線主體10上的外力能通過接合部件22d和凸緣部分22a直接傳遞到殼體22上，完全不會有外力傳遞到供電針13上。
在圖4所示的結(jié)構(gòu)中有這樣一種危險，由于制造條件或在應(yīng)用此系統(tǒng)期間因側(cè)向負(fù)載造成的圓柱體部分22a的形變，使供電針13與圓柱體部分22a之間的內(nèi)周距離發(fā)生起伏，導(dǎo)致電特性波動。為了避免這一危險，在供電針13的中部處絕緣罩13b的外周上形成一層金屬膜13c，使供電針13本身作成同軸電纜結(jié)構(gòu)。該同軸電纜式結(jié)構(gòu)也能適用于圖1的場合。
在平面陣天線主體是由漏泄波導(dǎo)十字隙縫陣列天線構(gòu)成的情況下，上面的敘述已經(jīng)表明了本發(fā)明。然而，顯然地，本發(fā)明也適用于其它合適形式的中心供電型平面陣天線，諸如在徑向線與螺旋天線器件之間結(jié)合的一種天線和在徑向線與微帶天線器件之間結(jié)合的一種天線，等等。
上面的實(shí)施例已示明一個例子，應(yīng)用定時皮帶、滑輪和電動機(jī)的結(jié)構(gòu)來作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)。然而容易明白，驅(qū)動機(jī)構(gòu)也能應(yīng)用一個小齒輪和一個齒條來實(shí)現(xiàn)，該小齒輪是向下伸出于天線主體的一個圓柱體，該齒條與此小齒輪嚙合，由電動機(jī)使之前進(jìn)或后退。
此外，上面的實(shí)施例有這樣的結(jié)構(gòu)，其中的圓柱體部分22a和凸緣22b與變換器20的殼體22整體地形成，而圓柱體部分22a上有供電針13穿過它，并可旋轉(zhuǎn)地支持天線主體10。然而顯然可見，圓柱體部分22a和凸緣部分22b也可以與殼體22分別地構(gòu)成，然后將它們固定到殼體22上。
上面，從靜電屏蔽的角度上示明了對變換器應(yīng)用金屬罩的情況。然而，也可以采用這樣一種結(jié)構(gòu)，其中，殼體由樹脂形成以避免腐蝕，并對殼體的內(nèi)側(cè)應(yīng)用一片金屬薄板用于靜電屏蔽。此外，如圖3的結(jié)構(gòu)，可采用這樣一種結(jié)構(gòu)來取代圖2中的絕緣片22c，其中，將TFE之類的樹脂覆蓋或涂敷到凸緣部分22b上或天線主體10上與凸緣部分接觸的底面。
如上所詳細(xì)描述的，按照本發(fā)明的接收衛(wèi)星廣播用的平面陣天線的結(jié)構(gòu)中，將供電針與變換器介質(zhì)襯底上形成的微帶通道相結(jié)合，以做得能依靠一種最簡單結(jié)構(gòu)的傳輸通道使天線主體與變換器由最短的距離連接起來。結(jié)果，能在簡單的設(shè)計中達(dá)到供電系統(tǒng)有最小的插入損耗。
此外，按照本發(fā)明的接收衛(wèi)星廣播用的平面陣天線的結(jié)構(gòu)中，天線主體可旋轉(zhuǎn)地由變換器殼體支持，殼體上有供電針穿過，又驅(qū)動機(jī)構(gòu)卸脫到變換器的外面，它固定于天線主體的中心部分上，因而可以有效地避免供電系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)集中在天線的中心部分的復(fù)雜性。如此，實(shí)現(xiàn)了具有優(yōu)良的電氣特性和機(jī)械特性的一種最佳的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種接收衛(wèi)星廣播的平面陣天線，其特征在于，它具有一個平面陣天線主體、一個通過一電流供給部分與所述平面陣天線主體相組合的變換器、以及一個幾乎在一水平平面表面內(nèi)使所述平面陣天線旋轉(zhuǎn)而用以跟蹤方位角方向的轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)；所述平面陣天線主體包括一個中心供電型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在所述轉(zhuǎn)動中心上形成一個供電部分；所述變換器包括一個介質(zhì)襯底和一個殼體，在所述介質(zhì)襯底上形成一個微帶通道，所述殼體用以容納所述介質(zhì)襯底，并固定于所述平面陣天線主體的下面而可旋轉(zhuǎn)地支持所述平面陣天線主體；所述供電部分包括一個具有絕緣罩的供電針，在其前端部與所述平面陣天線主體處形成一個空間，所述前端部插入所述空間內(nèi)部，該供電針有一個中部能穿過所述變換器的所述殼體，還具有一個下端部可與所述變換器的所述介質(zhì)襯底上形成的微帶通道相結(jié)合；所述轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)包括一個圓柱體和一個驅(qū)動機(jī)構(gòu)，該圓柱體向下伸出于所述平面陣天線主體之外，處在所述變換器的外側(cè)，該驅(qū)動機(jī)構(gòu)用以向所述圓柱體提供一個旋轉(zhuǎn)力。
2.按照權(quán)利要求1的一種平面陣天線，其特征在于所述轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的所述圓柱體在其外周上的圓周方向內(nèi)按預(yù)定距離形成有溝槽;所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括一個定時皮帶、一個滑輪和一個電動機(jī)，定時皮帶與所述圓柱體外周上的所述溝槽相搭緊，滑輪與所述圓柱體外側(cè)上的所述定時皮帶相搭緊，電動機(jī)用以旋轉(zhuǎn)所述滑輪。
3.按照權(quán)利要求1或2的平面陣天線，其特征在于所述變換器的所述殼體上有所述供電針的所述中部穿過，該殼體包括一個圓柱體部分和一個凸緣部分，該圓柱體部分同軸地圍繞于所述供電針上，該凸緣部分形成于所述圓柱體部分的前端部處，用以可旋轉(zhuǎn)地支持所述平面陣天線主體。
4.按照權(quán)利要求3的平面陣天線，其特征在于所述凸緣部分的半徑設(shè)定得大致等于所述接收信號的1/4波長。
5.按照權(quán)利要求3或4的平面陣天線，其特征在于所述平面陣天主體由所述凸緣部分通過一個圓盤形接合部件給以可旋轉(zhuǎn)性支持，該圓盤形接合部件阻止所述變換器的所述殼體在水平方向上對所述凸緣部分發(fā)生相對位移，并用以與所述凸緣部分形成一個空間。
6.按照權(quán)利要求1至5的平面陣天線，其特征在于所述供電針有一層金屬膜，它至少形成在供電針中部處所述絕緣罩的外周上。
7.按照權(quán)利要求1至6的平面陣天線，其特征在于所述平面陣天線主體是一個漏泄波導(dǎo)隙縫天線。
全文摘要
接收衛(wèi)星廣播的平面陣天線具有有傾角的天線主體，通過供電部分與天線主體組合的變換器及在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)天線主體以跟蹤方位角的旋轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)三者實(shí)現(xiàn)最佳組合。天線主體為中心供電型結(jié)構(gòu)，供電部分在轉(zhuǎn)動中心上。變換器包括其上面形成微帶通道的介質(zhì)襯底和殼體。供電部分包括帶絕緣罩的供電針。轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)包括伸出于天線主體底面之下、位于變換器外側(cè)的圓柱體及向該圓柱體提供旋轉(zhuǎn)功率的驅(qū)動機(jī)構(gòu)兩者。本發(fā)明的天線適合在汽車上使用。
文檔編號H01Q1/32GK1106576SQ9411684
公開日1995年8月9日 申請日期1994年10月7日 優(yōu)先權(quán)日1993年10月8日
發(fā)明者植松正博, 尾島孝, 高橋伸治, 皆瀨淳 申請人:新日本制鐵株式會社