專利名稱：用于微波和毫米波的寬帶印制相控陣天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及相控陣天線，它包括如權(quán)利要求1的多個(gè)偶極子裝置。
從美國專利5021799中可以獲知偶極子天線。此美國專利公開了一種偶極子天線，其中微帶傳輸線裝置的第一條線和第二條線呈錐形以提供微帶-平衡線阻抗變換。此外，第一條和第二條線在介電襯層中間面的方向上分開，形成一個(gè)電場并從微帶傳輸線的未平衡的導(dǎo)線部分中向第一和第二平衡后的偶極子天線元件提供阻抗變換。因此，在US-PS 5021799中公開的天線中，從未平衡向平衡傳輸?shù)淖儞Q是在偶極子天線的微帶傳輸線裝置中進(jìn)行的。另外，由于此天線所具有的傳統(tǒng)式的偶極子微帶結(jié)構(gòu)而天生具備選擇性(而非寬帶)。此外，此已知的天線是對誤差敏感的。此天線襯層的厚度為從能導(dǎo)引60GHz的0．0125波長到0．0625，其厚度非常薄且難于制造和處理。但是，由于US-PS 5021799中公開的偶極子天線的特定結(jié)構(gòu)，該偶極子天線主要可用于窄帶的應(yīng)用方面。制造公差、介電材料損耗的增加、襯層厚度的減少、以相對于反射面同樣距離對襯層的支撐，以及可能出現(xiàn)的高次諧波都將其應(yīng)用限制在較低的微波范圍之內(nèi)(3-30GHz)。
US-PS 4737797公開了一種不帶反射面的偶極子天線。此偶極子天線包括一個(gè)在微帶傳輸線裝置中的傳輸部分，其中信號從未平衡線轉(zhuǎn)到平衡線上，以使信號可由第一和第二平衡的偶極子發(fā)射出去。在US-PS4737797中公開的偶極子天線呈現(xiàn)了高達(dá)1．7GHz(約30％)的寬帶寬。但是，此偶極子天線并未使其可用于毫米波范圍，由于平衡電路的極為臨界的公差(細(xì)跡線)以及極薄的襯層(如60GHz的0．024mm)，其結(jié)構(gòu)的物理支撐(穩(wěn)鍵性)以及達(dá)至如此薄的可能性都會成問題。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種相控陣天線，它可以很好的效果在很大的帶寬內(nèi)應(yīng)用于毫米波頻率上。
本發(fā)明的目的是通過具有權(quán)利要求1特征的相控陣天線和權(quán)利要求11特征的天線來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)本發(fā)明的天線包括介電襯層，包括前和后介電面，多個(gè)偶極子裝置，每個(gè)包括用于發(fā)和收電磁信號的第一和第二元件，所述第一元件印在所述前面上并且指向第一方面，而所述第二元件印在所述后面上并指向與所述第一方向相反的第二方向；金屬帶裝置，用于向所述偶極子裝置發(fā)和收信號，所述金屬帶裝置包括印在所述正面上并耦合到所述第一元件上的第一導(dǎo)線，以及印在所述后面上并耦合到所述第二元件上的第二導(dǎo)線；以及反射器裝置，與所述介電襯層的所述后面隔開并平行，在所述反射器裝置與所述后面之間有低損耗材料并且有小于1．2的介電常數(shù)；從而所述第一和第二導(dǎo)線分別包括多個(gè)第一和第二導(dǎo)線部分，所述第一和第二導(dǎo)線部分分別由T型接頭彼此聯(lián)接，從而使所述第一和第二導(dǎo)線部分在兩個(gè)相鄰T型接頭之間成錐形，這樣，每個(gè)導(dǎo)線部分的寬度在分別朝向所述第一和第二元件的方向增加，以在后續(xù)的T型接頭中提供阻抗變換。
根據(jù)本發(fā)明的天線具有很大的帶寬并允許用在毫米波的頻率范圍內(nèi)。由于導(dǎo)線的錐形，則可獲得從反饋網(wǎng)絡(luò)的某些特定阻抗中獲得阻抗變換，這樣就提供了具有良好效果和高增益的天線，另外，由于采用了簡單平面工藝、采用印刷工藝和／或簡單和廉價(jià)的影印石板處理，可以以非常低的成本構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明的天線。另外，由于偶極子天線的低公差敏感性，可以小尺寸和高重復(fù)生產(chǎn)率來生產(chǎn)本發(fā)明的天線。將平面RF組件簡單整體化是可能的，因?yàn)槲磥淼奈⒉ê秃撩撞üに噷⒁蕾囉谄矫娼M件而不是波導(dǎo)工藝。本發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)是可以將同一天線用于不同種類的通信系統(tǒng)，甚至是在不同的工作頻率上?？赡芟嗤拇罅渴袌霎a(chǎn)生為諸如寬波段家用網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)、個(gè)人短無線鏈路、汽車用毫米波雷達(dá)、微波收音機(jī)和電視分配系統(tǒng)(發(fā)射機(jī)和超低價(jià)接收機(jī))。工作頻帶是指5GHz，10．5GHz，17-19GHz，24GHz，26-27GHz，28GHz，40GHz，51GHz，59-64GHz，76GHz和94GHz。在同一時(shí)刻，本發(fā)明的天線滿足以下總的要求，即具有特定的發(fā)射圖形、良好的工作頻段匹配和良好的工作頻段的效率。
下面與已知天線相比較來解釋本發(fā)明的天線的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的天線與已知微帶偶極子天線相比具有大于工作范圍30％的非常大的帶寬。因此，根據(jù)本發(fā)明相同的天線可用于不同的系統(tǒng)和不同的應(yīng)用之中。另外，本發(fā)明天線的不同部件的生產(chǎn)公差遠(yuǎn)小于已知微帶偶極子天線的情況，這一點(diǎn)對于微波和毫米波來說極為重要。由于特定的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的天線與已知微帶偶極子天線相比在較高頻率的傳播中(微波和毫米波)具有較低的損耗和靈敏度。由于本發(fā)明的天線的低公差敏感度，針對于毫米波頻率范圍的制造的危險(xiǎn)性較小的。與以同樣厚度印在襯層上的平衡微帶線相比在低頻時(shí)在微帶線上的不需要的高次波較多。由于平衡的微帶饋給線結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的天線與已知的微帶偶極子天線相比饋送網(wǎng)絡(luò)對發(fā)射圖形的影響非常低。用于最佳工作方案所需的介電襯層厚度在已知微帶偶極子天線中非常小。介電襯層的厚度對于本發(fā)明的天線來說并非如此臨界。這樣，本發(fā)明的天線較易廉價(jià)地生產(chǎn)。另一非常大的優(yōu)點(diǎn)是，本發(fā)明的天線便于在最高頻率下工作，它可通過商用的低價(jià)的影印石板工藝來生產(chǎn)。其方便工作的最大工作頻率為94GHz和140GHz，其介電厚度約為50μm(商用上可行)并采用影印石板工藝。已知微帶偶極子天線的最大工作頻率為40GHz和60GHz，要用非常先進(jìn)的工藝且重復(fù)生產(chǎn)性方面尚存問題，因此，本發(fā)明的天線為低成本的寬帶天線，它不具備特別適于微波和毫米波的臨界公差。
從屬權(quán)利要求中描述了本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)。有利的是，每個(gè)導(dǎo)線部分的寬度逐漸增加，以在后續(xù)的T型接頭中提供1∶2的阻抗變換，導(dǎo)線部分可與線性的、指數(shù)的或多項(xiàng)式的函數(shù)對應(yīng)地呈錐形。低損耗材料為在所述反射器裝置與所述后面之間的支撐結(jié)構(gòu)。另外，所述第一和第二導(dǎo)線以及所述T型接頭可以為平衡的且平行的，并分別在所述前和后介電面上彼此平行。
有利的是，所述第一和第二元件的長度分別小于0．5λ，各元件平均寬度w小于0．35λ，在各元件與耦合到所述各元件的所述第一或第二導(dǎo)線之間的接觸區(qū)小于0．1λ，λ為工作頻段中心頻率的自由空間波長，各導(dǎo)線與各元件的每個(gè)相鄰邊之間的角度大于10度。所述第一和第二元件具有包括至少三個(gè)角的結(jié)構(gòu)，這樣，所述接觸區(qū)就是所述角之一。所述第一和第二元件最好為五角形。另外，反射器裝置到所述介電襯層裝置的中間的距離約為在所述低損耗材料中工作頻率的電波長的1／4。本發(fā)明的天線具有一個(gè)耦合到所述第一和第二導(dǎo)線的過渡元件以在所述第一和第二導(dǎo)線與用于將信號導(dǎo)到天線上并從天線上將信號導(dǎo)回的波導(dǎo)之間提供過渡，所述過渡元件包括耦合到所述第一導(dǎo)線的第一齒狀元件和耦合到所述第二導(dǎo)線的第二齒狀元件，所述第一齒狀元件指向第一方向而所述第二齒狀元件指向與第一方面相反的第二方向，所述第一和第二方向垂直于所述第一和第二導(dǎo)線。


圖1示出在同一面上凸出的根據(jù)本發(fā)明的相控陣天線的頂視圖；圖2為圖1所示天線的一部分的透視圖；圖3示出用于解釋根據(jù)本發(fā)明的天線的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明的天線的上部的截面圖，用以解釋平衡的金屬帶線；圖5示出具有錐形的金屬帶線的一部分；圖6示出四種不同的可能類型的偶極子；圖7示出具有優(yōu)選尺寸的多個(gè)印制偶極子的頂視圖；圖8示出從平衡微帶向具有優(yōu)選尺寸的波導(dǎo)過渡的過渡元件的頂視圖9示出在根據(jù)本發(fā)明平面陣列中組裝的多重偶極子天線的所測出的輸入反射系數(shù)圖；圖10示出根據(jù)本發(fā)明的相控陣天線在用于主水平面的60GHz時(shí)的增益的測量圖；圖11示出已知微帶插線天線的增益的測量圖；圖12示出已知單極天線的輸入反射系數(shù)的測量圖；和圖13示出已知介電透鏡天線的輸入反射系數(shù)的測量圖。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的天線的頂視圖，其上有在一個(gè)共同的面上的金屬帶裝置7的投影和介電襯層裝置1的前面2和后面3上的多個(gè)偶極子裝置4。在根據(jù)本發(fā)明的天線中，偶極子裝置4的第一元件5印在介電襯層裝置1的前面2上，而偶極子裝置4的第二元件6印在介電襯層裝置1的后面3上。第一元件5彼此之間以由正面2支撐的第一導(dǎo)線8彼此聯(lián)接，以使信號在第一元件5上到達(dá)和返回。第二元件6以由后面3支撐的第二導(dǎo)線9彼此聯(lián)接，以使信號在第二元件6上到達(dá)和返回。在圖1的例子中，建立金屬帶裝置7的第一導(dǎo)線8和第二導(dǎo)線9具有平衡的微帶結(jié)構(gòu)并連接到靠近偶極子天線邊的波導(dǎo)過渡元件12，以在平衡線8和9之間向波導(dǎo)提供過渡，以提供將由偶極子裝置4發(fā)射的信號。波導(dǎo)過渡元件12包括兩部分，將導(dǎo)線8和9的每一個(gè)都連到波導(dǎo)上。波導(dǎo)過渡元件12的兩個(gè)部分的每一個(gè)都包括分別裝在垂直于前面2和后面9上的導(dǎo)線8、9方向的齒狀元件。應(yīng)當(dāng)注意，在微波和毫米波范圍內(nèi)的未來商用通信系統(tǒng)將依賴于平面工藝，這樣，將需要其它種類的過渡元件。波導(dǎo)過渡元件12由于缺少平坦的前端而對于所示實(shí)例非常重要。
在圖1中，分別印在前面2和后面3上的第一導(dǎo)線8和第二導(dǎo)線9的每一個(gè)都由靠近于天線中部的T型接頭15分成兩個(gè)分支。從靠近于天線中部的第一T型接頭15開始，后繼的T型接頭15相應(yīng)為矩形的，將第一導(dǎo)線8和第二導(dǎo)線9分成多個(gè)第一導(dǎo)線部分13和第二導(dǎo)線部分14。每個(gè)導(dǎo)線部分13連接兩個(gè)相鄰T型接頭15，而每個(gè)第二導(dǎo)線部分14也連接兩個(gè)相鄰T型接頭15。
如圖1所示，第一和第二導(dǎo)線部分13、14和后繼的T型接頭15的結(jié)構(gòu)對于兩個(gè)分支來說是對稱的。各相鄰第一和第二導(dǎo)線部分13和14彼此是呈矩形的。在最后一個(gè)T型接頭15之后，第一導(dǎo)線8和第二導(dǎo)線9的各端部導(dǎo)入偶極子裝置4中。每個(gè)偶極子裝置4包括一個(gè)第一和一個(gè)第二元件5、6，用于發(fā)射和接收由第一導(dǎo)線8和第二導(dǎo)線9發(fā)出的電磁信號。第一元件5印在介電襯層1的前面2上，而第二元件6印在介電襯層1的后面3上。第一和第二元件5、6分別大致與它們所連接的第一或第二導(dǎo)線部分13、14垂直。另外，如圖1所示，第一元件5指向第一方向而第二元件6指向與第一方面相反的第二方向。第一和第二元件5和6的優(yōu)選形狀為五角形。如圖1所見，在相鄰T型接頭15之間的第一導(dǎo)線部分13和第二導(dǎo)線部分14之間是錐形的以向位于朝著偶極子裝置4方向的后繼T型接頭中提供阻抗變換。第一和第二導(dǎo)線部分13、14是錐形的，這樣，每個(gè)導(dǎo)線13、14的寬度在朝著第一和第二元件的方向上增加。
在圖2中，示出具有兩個(gè)偶極子的如圖1所示天線的部分的透視圖。該天線包括具有前面2和后面3的襯層1。第一元件5印在前面2上而第二元件6印在后面3上。還有，第一導(dǎo)線8印在前面2上而第二導(dǎo)線9印在后面3上。在圖2中，僅示出兩個(gè)偶極子裝置4，它們是由第一和第二導(dǎo)線8、9饋給的。在兩個(gè)所示的偶極子裝置4之間的T型接頭15是由在前面2上的第一導(dǎo)線部分13和在后面3上的第二導(dǎo)線14饋給的。第一和第二導(dǎo)線部分13、14是錐形的，其寬度在朝著偶極子裝置4的方向漸寬。該錐形提供的阻抗變換從第一和第二導(dǎo)線部分13、14的窄部分的100Ω到第一和第二導(dǎo)線部分13、14的寬部分的50Ω。在T型接頭處，第一和第二導(dǎo)線部分13、14被分離成導(dǎo)入偶極子裝置4的第一和第二導(dǎo)線部分8、9的非錐形端部。選出介電襯層1與反射裝置10之間的低損耗材料11其損耗最小，且介電常數(shù)小于1．2。在所示的例子中，低損耗材料11為一種支撐所述反射裝置10以及在其后面3上的所述介電襯層的支撐結(jié)構(gòu)。在其它實(shí)施例中，損耗材料11可以是空氣，這樣，在介電襯層1與反射裝置10之間存有自由空間，最好，低損耗材料為聚氨酯泡沫。但是，低損耗材料也可以是其介電常數(shù)小于1．2的其它材料。借助各種低損耗材料11，可以影響偶極子天線的厚度。在圖2中，以虛線示出印在介電襯層1的后面3上的第二元件6和第二導(dǎo)線9。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的天線的截面部分。第一元件5印在介電襯層1的前面2上，而第二元件6印在介電襯層1的后面3上。其上印有第二元件6和第二導(dǎo)線9的介電襯層是由建立支撐結(jié)構(gòu)的低損耗材料11支撐的。在與介電襯層1的后面3相對的低損耗材料11的面上，有一個(gè)反射裝置10。所示的該反射裝置為平行于所述后面的反射器平板。
反射裝置10的上表面與介電襯層1的中間之間的距離d約為在用作介電襯層1與反射裝置10之間的支撐結(jié)構(gòu)的低損耗材料中的中心頻率(工作波段的中央)的電波波長λ的1／4。最好，距離d為λ／(4xsqrt(∑r)±10％，其中∑r為低損耗材料的介電常數(shù)。距離d的輕微改變將對偶極子天線的發(fā)射圖產(chǎn)生特定影響，這種影響有時(shí)是需要的。另外，圖中所示的天線為平面形的，而根據(jù)本發(fā)明的其它形狀的天線也可使用。
在圖4中，示出帶有分別印在前面2和后面3上的第一導(dǎo)線8和第二導(dǎo)線9的介電襯層1的截面圖。如圖4所示，第一導(dǎo)線8和第二導(dǎo)線9是平衡的，并且彼此平行并相反地分別安置在前面和后面2，3上。第一導(dǎo)線8和第二導(dǎo)線9的寬度和形狀是相同的。應(yīng)當(dāng)注意，以金屬帶裝置7形式出現(xiàn)的整個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)是由彼此平行并相對的平衡的金屬帶線實(shí)現(xiàn)的。第一導(dǎo)線8和第二導(dǎo)線9的對稱軸是處于介電襯層1的中心面上的。T型接頭15用于將信號分配到多個(gè)偶極子裝置4上并從該裝置4上獲得信號。第一導(dǎo)線8和第二導(dǎo)線9的T型接頭15也是平衡的T型接頭并且彼此平行且分別相對地安置在所述前面和后面2，3上。此外，為了補(bǔ)償接頭斷開的影響，T型接頭可以提供一個(gè)三角形間隙，如圖2所示的T型接頭15中所示。
為了使根據(jù)本發(fā)明的天線與所需的前端成為一體，需要在根據(jù)本發(fā)明的平衡的金屬帶線之間進(jìn)行傳輸線過渡的前端的傳輸線工藝。如果在前端采用波導(dǎo)工藝，就可以使用圖1所示的波導(dǎo)過渡元件12。如果前端采用微帶工藝，就應(yīng)當(dāng)用平衡微帶過渡的微帶。如果前端采用共面波導(dǎo)工藝，就要用平衡微帶過渡的共面波導(dǎo)。如果前端采用同軸線，就要用平衡微帶過渡的同軸聯(lián)接器。
由于根據(jù)本發(fā)明的天線的超寬帶的可操作性，以及介電襯層厚度的商業(yè)上的可行性，在不需要改變本發(fā)明的天線的結(jié)構(gòu)的前提下可以獲得高達(dá)140GHz以上的整個(gè)頻率覆蓋范圍。通過簡單地放大或減少本發(fā)明的天線的尺寸比例而不需要重新計(jì)算偶極子天線的結(jié)構(gòu)就可以使其用于更高或更低的頻率范圍上。
在圖5中，示出第一導(dǎo)線部分13，以解釋兩個(gè)相鄰T型接頭15之間的導(dǎo)線部分的錐形形狀。所示導(dǎo)線部分的小端16在朝著過渡元件的方向上連到T型接頭15上，例如圖1所示波導(dǎo)過渡元件12，而長端17則在朝著偶極子裝置4的方向上連到T型接頭15上。側(cè)邊部分的寬度隨著從小端16到大端17而增加，以在與長端17相連的T型接頭上提供100Ω至2×50Ω的阻抗變換。為了提供從100Ω到50Ω的阻抗變換，導(dǎo)線部分的寬度漸增以在后繼的T型接頭15中提供1∶2的阻抗變換。平衡導(dǎo)線部分13和14的錐形實(shí)際上是很緩和的，從而使介電襯層1的前面2和后面3上的導(dǎo)線的寬度同時(shí)改變。導(dǎo)線部分的寬度的改變就使傳輸線的阻抗改變。上述陳述對第二導(dǎo)線部分14也是一樣的。
如圖5所示，導(dǎo)線部分的側(cè)邊部分18和19可以線性函數(shù)改變。在其它實(shí)施例中，側(cè)邊部分18和19可以以包括“Chebisshev Polinom”函數(shù)的指數(shù)函數(shù)或多項(xiàng)式函數(shù)改變。各錐形函數(shù)的選擇可依各工作頻率來選，并使導(dǎo)線部分的反射性最小。導(dǎo)線部分的錐形比已知的1／4波變換器優(yōu)越，這是由于1／4波變換性高頻率選擇性和高容差依賴性。另外，平衡金屬帶結(jié)構(gòu)比已知的微帶結(jié)構(gòu)優(yōu)越，因?yàn)閷ζ渌≈平Y(jié)構(gòu)在對波導(dǎo)的過渡，例如在前端，更易獲得。另外，使用具有固定厚度的介電襯層1，在已知的未平衡微帶線中于低頻時(shí)比在根據(jù)本發(fā)明的平衡金屬帶線中更易出現(xiàn)非常不希望有的高次傳播。
在圖6中，示出偶極子裝置4的第一元件5和第二元件6的四種不同類型。所有所示類型的元件由于其如此非臨界的容差而使其在中心頻率附近大于50％的頻帶內(nèi)具有良好的匹配性和發(fā)射特性，并且表現(xiàn)了良好的對微波和毫米波的可適用性。但是圖6a所示的五角形的效果最好，并且是根據(jù)本發(fā)明的天線的優(yōu)選形狀。第一和第二元件5、6最好具有包括至少三個(gè)角的結(jié)構(gòu)，且這些角之一是各導(dǎo)線部分13或14與元件5或6之間的接觸區(qū)。
在圖6b中，元件5或6具有4個(gè)角，其靠近角上的兩個(gè)長邊構(gòu)成接觸區(qū)而兩個(gè)短邊與所述兩個(gè)長邊相對。在圖6b中，元件5或6具有3個(gè)角。在圖6d中，元件5或6具有8個(gè)角，它具有兩個(gè)相反的長邊，兩上分別靠近所述長邊的中邊和兩個(gè)彼此相反的短邊，并對所述長邊呈矩形。兩個(gè)短邊之一為各導(dǎo)線部分的接觸區(qū)，如圖6d所示。
第一和第二元件5、6的長度1最好分別小于0．5λ，平均寬度w小于0．35λ，而所述各元件與耦合到所述各元件的所述第一或第二導(dǎo)線8、9之間的接觸區(qū)的寬度c小于0．1λ，其中λ為所用中心頻帶的自由空間波長。平均寬度w定義為在如圖6所示長度1的一半之處的各元件5、6的寬度。在圖6a、6b和6c中，接觸區(qū)寬度c為零，因?yàn)楦髟?、6的角之一為接觸區(qū)，而在圖6d中，接觸區(qū)寬度c為元件23的短邊之一的長度。另外，在各導(dǎo)線8、9與靠近所述接觸區(qū)的元件的邊之間的角度α最好大于10°。帶有如圖6所示形狀并且具有上述定義的特性的元件5、6為可以連續(xù)地工作在與中心頻率相關(guān)的頻帶的30％內(nèi)，通常為40-50％的元件5、6，其VSWR小于2。應(yīng)當(dāng)注意，這種元件5、6可以覆蓋VSWR小于2．5的情況，至于是多于一個(gè)八音度。
根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的并工作在中心頻率為60GHz的相控陣天線最好具有64個(gè)偶極子裝置、一個(gè)厚度為0．127mm且介電常數(shù)為2．22(特夫隆-纖維-玻璃)的介電襯層、金屬化厚度為17μm的印制導(dǎo)線和元件、作為支撐材料的介電常數(shù)為1．03的聚氨酯的低損耗材料以及用于對射頻前端波導(dǎo)(WR-15)過渡的平面。這種天線的尺寸最好如圖7和8所示。對于94GHz的頻率范圍來說，建議使用較薄的襯層。如果未用直接比例變化的話，特定于較高頻率的天線尺寸的最終裁定應(yīng)由全波電磁激勵(lì)器完成?？梢酝ㄟ^改變正面(in-face)反饋網(wǎng)絡(luò)，來達(dá)到用與本發(fā)明的天線相同結(jié)構(gòu)的天線在特定頻率下側(cè)波瓣的減少。所用偶極子元件的數(shù)目可增可減。一種方案是用4次方來減少或增加元件數(shù)目(例如4、16、64、256)。以256個(gè)元件在60GHz時(shí)可能的增益值估計(jì)約為18dB。元件的數(shù)目大將增加方向性而不會增加增益，因?yàn)樵谳^長的傳輸線上會有損耗且會使表面變大，它是不實(shí)際的。
圖7示出突入一個(gè)共同平面中的具有優(yōu)選尺寸的多個(gè)元件5、6的一些元件的頂視圖。圖7所示的優(yōu)選尺寸全部以毫米計(jì)。如上面所述及圖7所示，元件5、6的優(yōu)選形狀為具有5個(gè)角的五角形。各角之一為五角形元件5、6與第一和第二導(dǎo)線8、9之間的接觸區(qū)。第一元件5指向第一方向而第二元件6指向與所述第一方向相反的第二方向。第一和第二方向垂直于導(dǎo)線8、9的長度方向。靠近構(gòu)成接觸區(qū)的角的五角形元件5、6的內(nèi)邊長為0．6338mm，而外邊的長為0．9mm。與構(gòu)成接觸區(qū)的角相對的五角形元件5、6的端邊長為0．4595mm，而端邊與靠近所述接觸區(qū)的邊之間的兩個(gè)邊長邊0．8194mm。在T型接頭15與第一和第二元件5、6之間的第一和第二導(dǎo)線的恒定寬度為0．19mm，而從所述T型接頭15到接觸區(qū)的長度為1．884mm。T型接頭15的寬度為0．485mm。它也是朝向元件5、6在T型接頭15處第一和第二導(dǎo)線部分13、14的寬度。在接觸元件5、6的第一和第二導(dǎo)線8、9與平行第一和第二導(dǎo)線部分13、14之間的距離為1．8574mm。耦合到同一T型接頭15的相鄰元件5、6的中軸之間的距離為4．39mm。構(gòu)成接觸區(qū)的五角形元件、5、6的角的內(nèi)角小于70°，靠近構(gòu)成接觸區(qū)的角的兩個(gè)角的內(nèi)角約為120°，且與構(gòu)成接觸區(qū)的角相對的兩個(gè)角約為110°。在元件長度方向上相鄰并經(jīng)三個(gè)T型接頭15耦合的兩個(gè)第一或兩個(gè)第二元件5、6之間的距離分別為4．39mm，測量是在內(nèi)角約為120°的兩個(gè)角之間分別做出的。因此，各元件5，6是彼此等距的。
在圖8中，示出具有優(yōu)選尺寸的波導(dǎo)過渡元件12。波導(dǎo)過渡元件12在平衡金屬帶5、6之間向諸如WR-15的波導(dǎo)過渡的過程中提供過渡。波導(dǎo)過渡元件12為每個(gè)金屬帶線8、9提供多個(gè)齒狀元件20、21，齒狀元件20、21指向垂直于所述金屬帶線8、9的各方向。分配給第一金屬帶線的齒狀元件20指向第一方向，而分配給第二金屬帶線9的齒狀元件21指向與所述第一方向相反的第二方向。齒狀元件的長度為0．93mm，其寬度為0．234mm。波導(dǎo)過渡元件12的總長度從耦合到金屬帶線8、9的第一邊22和耦合到波導(dǎo)的第二邊23算起為5．18mm。應(yīng)當(dāng)注意，圖7和8中給出的所有優(yōu)選尺寸都適用于工作在中心頻率為60GHz的天線，這樣，在考慮了中心頻率為60GHz的情況下，可將其主要尺寸放大或縮小。
在圖9中，示出根據(jù)本發(fā)明的天線在從50．0到65．0GHz的頻帶上天線的輸入反射系數(shù)(S11以dB計(jì))。如圖9所示，根據(jù)本發(fā)明的天線示出了極優(yōu)值，而不管從根據(jù)本發(fā)明的天線前端到天線反饋器的平衡金屬帶線的選擇波導(dǎo)過渡情況。根據(jù)本發(fā)明的天線的輸入反射系數(shù)在測量范圍內(nèi)不超過-13dB?；蜻_(dá)到VSWR的最大值1．58。如圖9所見，在50．0和65．0GHz之間的范圍內(nèi)可見到類似值S11，即在至少30％的工作范圍內(nèi)有些情形出現(xiàn)。由于所用波導(dǎo)的頻帶的限制(WR-15．50-70GHz)，在較高波段內(nèi)不可能進(jìn)行測量。
在圖10中，示出在60GHz對根據(jù)本發(fā)明的天線的主水平面測出的天線圖。在圖10中所示的圖示出在-45°與+45°之間發(fā)射角φ上的本發(fā)明的天線增益。測量是與已知的喇叭形天線進(jìn)行比較而實(shí)施的。所示圖形的輕微非對稱特性達(dá)到非最佳測量設(shè)備的。所測的天線增益為23．5dB相對約26．5dB估計(jì)(模擬)方向性，導(dǎo)致包括因波導(dǎo)至平衡的金屬帶過渡損耗在內(nèi)的約3-3．5dB的整體損耗，這是一個(gè)非常好的值，在整個(gè)測出的50-65GHz的頻率范圍上天線圖幾乎無改變。在測出的范圍中最大增益波動不超過1dB，它表明根據(jù)本發(fā)明的偶極子天線的特性極好。
天線陣列是以相控方式饋給的，應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)相對于主波瓣-13dB的側(cè)波瓣。在所有的測量情況下(50-65GHz)，側(cè)波瓣不超過載波強(qiáng)度的-10至-11dB。如果采用“差相位”饋給，側(cè)波瓣就可直接受影響。通過以預(yù)定的數(shù)學(xué)函數(shù)從印制的插線的最外側(cè)到相位中心(無線中間)改變通往印制的偶極子的饋線的長度來實(shí)現(xiàn)的。
為了表明根據(jù)本發(fā)明的天線的優(yōu)異特性，簡單發(fā)射元件(微帶插線)的輸入反射圖與根據(jù)本發(fā)明建議的高增益方案相比較。圖11示出對61．5GHz所設(shè)計(jì)的微帶插線天線的輸入反射系數(shù)(S11以dB計(jì))。所的測出的微帶插線天線為帶有非常高的公差敏感性的低成本天線，如果以多個(gè)元件在非常高的頻率下用高增益時(shí)，前者會表現(xiàn)出對信號饋給的大問題。
在圖12中，測出對61．5GHz所設(shè)計(jì)的沒有不線罩的已知單極天線的輸入反射系數(shù)(S11以dB計(jì))。所測的單極天線表現(xiàn)了非常高的公差敏感性，它僅有很小的增益或無高增益。另外，所測量的單極天線的90°仰角中重復(fù)性和陰影性非常臨界。
在圖13中，示出在57．0-65．0GHz的頻率范圍內(nèi)介電透鏡天線的輸入反射系數(shù)(S11以dB計(jì))的一個(gè)測量的和兩個(gè)模擬的曲線。兩個(gè)平緩的曲線是模擬的曲線，而在58．7GHz有尖銳下降的第三條曲線是所測的介電透鏡天線的情況。所測介電透鏡天線此時(shí)需要波導(dǎo)饋送器，對于60GHz來說是大的(直徑8cm)，只有對低增益遠(yuǎn)地站(基站)在60GHz范圍內(nèi)多少會起相當(dāng)?shù)闹匾饔谩?br> 從上面的圖中可以看到，根據(jù)本發(fā)明的天線甚至是在非常高的頻率下仍有極好的特性。本發(fā)明的天線可用作低成本的低增益天線，也可以用作在微波和毫米波范圍內(nèi)的各種目的的高增益天線。根據(jù)本發(fā)明的天線可以成功地用于微波和毫米波的無線局域網(wǎng)和私用短數(shù)據(jù)鏈路上，以及汽車?yán)走_(dá)方面，其中就采用低成本的平面方案。此外，本天線可用于毫米波的59-64GHz的無線局域網(wǎng)的全波段內(nèi)，這兩個(gè)波段分別為用于歐洲和美國的(76GHz)和日本的(61GHz)(汽車用)防撞雷達(dá)。
權(quán)利要求
1．一種相控陣天線，包括介電襯層(1)，包括前和后介電面(2，3)，多個(gè)偶極子裝置(4)，每個(gè)包括用于發(fā)和收電磁信號的第一和第二元件(5，6)，所述第一元件(5)印在所述前面上并且指向第一方面，而所述第二元件(6)印在所述后面(3)上并指向與所述第一方向相反的第二方向；金屬帶裝置(7)，用于向所述偶極子裝置(4)發(fā)和收信號，所述金屬帶裝置(7)包括印在所述正面(2)上并耦合到所述第一元件(5)上的第一導(dǎo)線(8)，以及印在所述后面(3)上并耦合到所述第二元件(6)上的第二導(dǎo)線(9)；以及反射器裝置(10)，與所述介電襯層(1)的所述后面隔開并平行，在所述反射器裝置(10)與所述后面(3)之間有低損耗材料(11)并且有小于1．2的介電常數(shù)；從而所述第一和第二導(dǎo)線(8，9)分別包括多個(gè)第一和第二導(dǎo)線部分(13，14)，所述第一和第二導(dǎo)線部分(13，14)分別由T型接頭(15)彼此聯(lián)接，從而使所述第一和第二導(dǎo)線部分(13，14)在兩個(gè)相鄰T型接頭(15)之間成錐形，這樣，每個(gè)導(dǎo)線部分(13，14)的寬度在分別朝向所述第一和第二元件(5，6)的方向增加，以在后續(xù)的T型接頭(15)中提供阻抗變換。
2．如權(quán)利要求1的相控陣天線，其特征在于，每個(gè)導(dǎo)線部分(13，14)的寬度遞增，以在后續(xù)的T型接頭(15)中提供1∶2的阻抗變換。
3．如權(quán)利要求1或2的相控陣天線，其特征在于，所述導(dǎo)線部分(13，14)對應(yīng)于線性、指數(shù)或多項(xiàng)式函數(shù)呈錐形的。
4．如權(quán)利要求1、2或3的相控陣天線，其特征在于，所述低損耗材料(11)是一種在所述反射裝置(10)與所述后介電面(3)之間的支撐結(jié)構(gòu)。
5．如前述任一權(quán)利要求的相控陣天線，其特征在于，所述第一和第二導(dǎo)線(8，9)與所述T型接頭(15)是平衡的且平行安置的，并且分別在介電面(2，3)的所述前面和后面上是彼此平行并相反的。
6．如前述任一權(quán)利要求的相控陣天線，其特征在于，所述第一和第二元件(5，6)的長度(1)小于0．5λ，各元件的平均寬度(w)小于0．35λ，而所述各元件與耦合到所述各元件的所述第一或第二導(dǎo)線(8，9)之間的接觸區(qū)的寬度(C)小于0．1λ，λ就為所用波段的中心頻率的自由空間波長，各導(dǎo)線(8，9)與各元件(5，6)的每個(gè)相鄰邊之間的角度大于10度。
7．如權(quán)利要求6的相控陣天線，其特征在于，所述第一和第二元件(5，6)具有一個(gè)至少包括3個(gè)角的結(jié)構(gòu)，且所述接觸區(qū)為所述角之一。
8．如權(quán)利要求6或7的相控陣天線，其特征在于，所述第一和第二元件(5，6)是五角形的。
9．如前述任一權(quán)利要求的相控陣天線，其特征在于，反射裝置(10)對所述介電襯層裝置(1)的中間的距離約為在所述低損耗材料(11)中工作頻率的電波長的1／4。
10．如前述任一權(quán)利要求的相控陣天線，其特征在于，過渡元件(12)耦合到所述第一和第二導(dǎo)線(8，9)上，以在所述第一和第二導(dǎo)線(8，9)與用于將信號導(dǎo)到天線上或從天線上將信號導(dǎo)引回來的波導(dǎo)之間提供過渡，所述過渡元件(12)包括耦合到所述第一導(dǎo)線(8)的第一齒狀元件(22)和耦合到所述第二導(dǎo)線(9)上的第二齒狀元件(22)，所述第一齒狀元件指向第一方向而所述第二元件指向與所述第一方向相反的第二方向，所述第一和所述第二方向與所述第一和第二導(dǎo)線(8，9)垂直。
11．一種天線，包括介電襯層(1)，包括前和后介電面(2，3)，至少一個(gè)偶極子裝置(4)，包括用于發(fā)和收電磁信號的第一和第二元件(5，6)，所述第一元件(5)印在所述前面上，而所述第二元件(6)印在所述后面(3)；金屬帶裝置(7)，用于向所述偶極子裝置(4)發(fā)和收信號，所述金屬帶裝置(7)包括印在所述正面(2)上并耦合到所述第一元件(5)上的第一導(dǎo)線(8)，以及印在所述后面(3)上并耦合到所述第二元件(6)上的第二導(dǎo)線(9)；以及反射器裝置(10)，與所述介電襯層(1)的所述后面(3)隔開并平行，在所述反射器裝置(10)與所述后面(3)之間有低損耗材料(11)并且有小于1．2的介電常數(shù)；其特征在于所述第一和第二導(dǎo)線(8，9)是平衡且平行的，并分別在所述前和后面(2，3)上彼此相反的。
12．如權(quán)利要求11天線裝置，其特征在于所述低損耗材料(11)為在所述反射器裝置(10)與所述后介電面(3)之間的支撐結(jié)構(gòu)。
13．如權(quán)利要求11或12的天線裝置，其特征在于多個(gè)偶極子裝置(4)，每個(gè)包括分別印在所述前面和所述后介電面(2，3)上的第一和第二元件(5，6)，所述第一和第二導(dǎo)線(8，9)包括多個(gè)第一和第二導(dǎo)線部分(13，14)，所述第一和第二導(dǎo)線部分(13，14)分別由T型接頭(15)彼此連接，所述第一元件(5)指向第一方向而所述第二元件(6)指向與所述第一方向相反的第二方向。
14．如權(quán)利要求13的天線，其特征在于所述第一和第二導(dǎo)線部分(13，14)在兩個(gè)相鄰T型接頭(15)之間成錐形，這樣，每個(gè)導(dǎo)線部分(13，14)的寬度在分別朝向所述第一和第二元件(5，6)的方向增加，以在后續(xù)的T型接頭(15)中提供阻抗變換。
15．如權(quán)利要求14的相控陣天線，其特征在于，每個(gè)導(dǎo)線部分(13，14)的寬度遞增，以在后續(xù)的T型接頭(15)中提供1∶2的阻抗變換。
16．如權(quán)利要求14或15的相控陣天線，其特征在于，所述導(dǎo)線部分(13，14)對應(yīng)于線性，指數(shù)或多項(xiàng)式函數(shù)呈錐形的。
17．如權(quán)利要求11至16任一權(quán)利要求的相控陣天線，其特征在于，所述第一和第二元件(5，6)的長度(1)小于0．5λ，各元件的平均寬度(w)小于0．35λ，而所述各元件與耦合到所述各元件的所述第一或第二導(dǎo)線(8，9)之間的接觸區(qū)的寬度(C)小于0．1λ，λ就為所用波段的中心頻率的自由空間波長，各導(dǎo)線(8，9)與各元件(5，6)的每個(gè)相鄰邊之間的角度大于10度。
18．如權(quán)利要求17的天線，其特征在于，所述第一和第二元件(5，6)具有一個(gè)至少包括3個(gè)角的結(jié)構(gòu)，且所述接觸區(qū)為所述角之一。
19．如權(quán)利要求17或18的天線，其特征在于，所述第一和第二元件(5，6)是五角形的。
20．如權(quán)利要求11-19任意之一的天線，其特征在于，反射裝置(10)對所述介電襯層裝置(1)的中間的距離約為在所述低損耗材料(11)中工作頻率的電波長的1／4。
21．如權(quán)利要求11至20的任一權(quán)利要求的相控陣天線，其特征在于，過渡元件(12)耦合到所述第一和第二導(dǎo)線(8，9)上，以在所述第一和第二導(dǎo)線(8，9)與用于將信號導(dǎo)到天線上或從天線上將信號導(dǎo)引回來的波導(dǎo)之間提供過渡，所述過渡元件(12)包括耦合到所述第一導(dǎo)線(8)的第一齒狀元件(22)和耦合到所述第二導(dǎo)線(9)上的第二齒狀元件(22)，所述第一齒狀元件指向第一方向而所述第二元件指向與所述第一方向相反的第二方向，所述第一和所述第二方向與所述第一和第二導(dǎo)線(8，9)垂直。
全文摘要
一種相控陣天線,包括介電襯層,金屬帶裝置和反射器裝置,其中第一和第二導(dǎo)線分別包括多個(gè)第一和第二導(dǎo)線部分,第一和第二導(dǎo)線部分分別由T型接頭彼此聯(lián)接,從而使所述第一和第二導(dǎo)線部分在兩個(gè)相鄰T型接頭之間成錐形,這樣,每個(gè)導(dǎo)線部分的寬度在分別朝向第一和第二元件的方向增加,以在后續(xù)的T型接頭中提供阻抗變換。
文檔編號H01Q21/06GK1204874SQ9811559
公開日1999年1月13日 申請日期1998年6月30日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月30日
發(fā)明者V·布蘭科維克, A·內(nèi)斯 申請人:索尼國際(歐洲)股份有限公司