專利名稱：圓形極化振子天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有圓形極化的天線，特別是涉及具有圍繞著一根軸線旋轉(zhuǎn)的輻射圖，并且在與此軸線相垂直的平面上具有最大輻射的天線。
本發(fā)明更特殊地涉及用于平板(patch)技術(shù)的天線。
印刷天線(或平板天線或微帶天線)的概念是Deschamps[1]在1953年提出的，由Howell和Nunson在70年代最初實(shí)現(xiàn)[2]。
平板天線即印刷天線對按照將一根金屬導(dǎo)線放置在本體平面上面的技術(shù)制造的整個(gè)天線進(jìn)行了重新組合。此金屬導(dǎo)線構(gòu)成了天線的輻射元件，具有比較小的尺寸，可以有任意的形狀。實(shí)際上，它經(jīng)常具有簡單的幾何形狀，比如正方形、矩形、圓盤形或環(huán)形。
此類天線具有微帶線的優(yōu)點(diǎn)重量輕而且體積小、可以設(shè)定的平面結(jié)構(gòu)，能夠以比較低的成本成批量地制造。
因此，此項(xiàng)技術(shù)在航空、航天、公共通訊(移動(dòng)電話天線)等取得廣泛地應(yīng)用。
平板天線技術(shù)經(jīng)過國際的參考著作[5]、[6]和[7]得到廣泛的傳播。
本發(fā)明的目的在于改進(jìn)現(xiàn)有的天線，提供一種制造簡單、尺寸很小，同時(shí)提供特別清晰的自然圓形極化的天線。
由于用平板技術(shù)制造的天線，按照本發(fā)明達(dá)到了此目的，此項(xiàng)技術(shù)包括實(shí)質(zhì)上位于同一個(gè)主平面上的發(fā)射線(strand)，每一根發(fā)射線都接受同一根金屬線的輸入，其特征在于，這些發(fā)射線中的每一根的開始段相對于與主平面相垂直的幾何軸線都是徑向的，然后每一根發(fā)射線沿著以此幾何軸線為中心的圓弧延伸，然后重新轉(zhuǎn)折指向幾何軸線，形成實(shí)質(zhì)上的徑向段，此段靠近發(fā)射線的徑向段延伸但不與其接觸。
參照以軸側(cè)投影表示的附圖
并詳細(xì)閱讀后面的敘述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將更為明確。為了更為清晰，此圖呈立體表現(xiàn)的形式，是按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的天線。
在此圖上，此天線由三個(gè)主要原件構(gòu)成，即剛性的直金屬線100、4根發(fā)射線組合200和一個(gè)本體平面300。4個(gè)發(fā)射線標(biāo)為210、220、230和240位于與金屬線100的軸線相垂直的平面中，本體平面300與發(fā)射線的主平面平行地放置。由發(fā)射線和本體平面300所界定的一般形狀在幾何形狀上使兩者都以輸入金屬線100為中心。
因此，在這里金屬線100確定了天線的主對稱軸X。
每一根發(fā)射線210、220、230和240都與金屬線100在電氣上相連接。從輸入金屬線100開始，每一根發(fā)射線都具有與發(fā)射線210相類似的形狀，下面將要對其進(jìn)行敘述。首先敘述發(fā)射線210的開始段212，在此它嚴(yán)格是徑向的，在從X軸到拐角213處的距離是其終點(diǎn)，而拐角213是談到的發(fā)射線100(這里似乎應(yīng)該是210一譯注)圓弧部分214的起點(diǎn)。
在這里，此部分即圓弧部分214繞軸轉(zhuǎn)了90°角，重新以一個(gè)直角的拐角215結(jié)束。此第二個(gè)拐角215是發(fā)射線的最終段216的開始端，它直對著對稱軸X，在軸線100附近終止，但不與其接觸。
每根發(fā)射線都具有同樣的形狀結(jié)構(gòu)，對于每根發(fā)射線，其圓弧部分在軸線周圍以同樣的方向旋轉(zhuǎn)(沿三角方向或反三角方向)。在這里每一根發(fā)射線相對于X軸都是沿著反三角的方向旋轉(zhuǎn)的。
整個(gè)的發(fā)射線由其輪廓確定了分開為4根90°圓弧構(gòu)成的圓形。每根發(fā)射線由其互相垂直的兩段及其圓弧段，構(gòu)成了形成圓盤1/4的一角的輪廓。
這4個(gè)角直接彼此相對，發(fā)射線都具有同樣的反三角方向，每一根與中心金屬線相連的徑向段，其末端都是不與輸入金屬線100相連的徑向段。
如此，這4根發(fā)射線210~240的整體不僅確定了圍繞著此幾何軸線X的圓形的一般形狀，而且每根這樣的發(fā)射線還形成了兩段彼此成90°實(shí)質(zhì)上的徑向段，而且每一段都沿著屬于鄰近發(fā)射線的相鄰的一段伸展。如此，發(fā)射線210、220、230和240的整體就形成了4對平行的徑向段，所述對的每一根段屬于不同的發(fā)射線。這些對平行段在天線對稱軸周圍都具有90°的角。
在此的輸入金屬線100是終止于發(fā)射線的一根直線，超過發(fā)射線的平面就不再延長。
此輸入金屬線100由同軸電纜的中心導(dǎo)線構(gòu)成。同軸電纜的外層鎧裝(outer armature)150剛好終止于同軸電纜內(nèi)導(dǎo)線之前。
同軸的外層鎧裝150與本體平面300的電氣上是相連的，此本體平面形成了導(dǎo)體盤，其直徑與發(fā)射線圓的直徑相等，而且與之平行。此平面的盤與發(fā)射線的距離大約相當(dāng)于這些發(fā)射線形成的圓的直徑。
同軸電纜的外層鎧裝連接在與輸入發(fā)射線不同的電位上。
比如將同軸電纜的兩根導(dǎo)線100和150連接在這里沒有顯示的輸入源的接線柱上，它們在與發(fā)射線相對比本體平面300更遠(yuǎn)的地方。因此，本體平面300位于此輸入源和發(fā)射線平面之間。
沒有顯示的輸入源可以借助于比如平面技術(shù)的印刷電路制造，按照此技術(shù)的輸入源可以放置在天線的各個(gè)部位，比如在發(fā)射線平面上或者在本體平面300上。
由輸入金屬線100構(gòu)成的機(jī)械軸也是輻射圖的對稱軸。最大的輻射是在水平方向發(fā)射出的，這就是說，是在金屬線100軸線的周圍，在發(fā)射線平面的方向上，而最小輻射存在于由對稱軸所確定的方向上。
在相當(dāng)寬的相對頻帶上(大于10％)，此天線產(chǎn)生自然的圓形極化。實(shí)際上，在此頻帶上，天線的中心部分，特別是天線的垂直輸入金屬線100產(chǎn)生垂直極化的電磁場分量，它在水平方向上具有最大值。
天線呈圓形的周邊部分則產(chǎn)生水平極化的電磁場分量，它也在水平方向上具有最大值。
對于0~60°的仰角，用這種天線獲得的增益一般是2dB。
此天線的幾何形狀還使得能夠在這兩個(gè)輻射的分量之間得到90°的相位差，對于它們中的每一個(gè)得到同樣的振幅。
因此，能夠得到在水平方向上具有最大值的圓形極化。發(fā)射線的卷繞方向使主極化固定。因此，在這里介紹的反三角卷繞方向意味著正圓極化。
每一根發(fā)射線的長度大約為工作頻率的半波長，即大約為此天線固有頻率的半波長。
為了加寬操作頻帶，可以在4根原始發(fā)射線上補(bǔ)加附加發(fā)射線。此附加的發(fā)射線在電氣上可以與原始發(fā)射線相連或者不相連，可以與原始發(fā)射線的尺寸相同或不相同。
以多頻率的模式操作也是可以的，這可以借助于疊加如在這里敘述的多組發(fā)射線，優(yōu)選是沿著不同直徑的平行和疊加的平面，也可以借助于與極化發(fā)射線組相連的多路復(fù)用器。
建議天線的總厚度小于波長(典型是大約0.04λ)這使其很緊湊。
在此介紹的天線是很緊湊的，因?yàn)槠浒l(fā)射線是折起來的。
由4個(gè)輻射發(fā)射線組成的圓，其直徑為大約0.25λ，在此λ是此天線固有工作頻率的波長。
同樣小的直徑使得天線與波長相比體積很小。
此天線的各個(gè)元件都可以用金屬制造。
通過選擇適當(dāng)?shù)慕饘伲梢园岩呀?jīng)很小的此天線的規(guī)模制造得更小。
天線的輸入是通過單一的金屬線進(jìn)行的，對于其操作無需任何附加的移相電路，其實(shí)無論在電氣還是在機(jī)械上其結(jié)構(gòu)都是很簡單的。
此天線，特別是發(fā)射線組件是很容易用平板技術(shù)制造的。這就是說，比如通過在一個(gè)膜狀基底上以印刷電路的形式制造發(fā)射線組來制造。
更一般地說，按照本發(fā)明的天線很容易批量生產(chǎn)。G.A.DESCHHAMPS《微帶微波天線》(“Microstrip microwave antennas”)第3屆USAF天線研討會-1953；[2]J.Q.HOWWELL《微帶天線》(“Microstrip Antennas”)IEEE Transaction on Antennas and Propagation-vol.AP-22，p.90~93，1975年1月；Howell J.Q.
《微帶天線》(“Microstrip Antennas”)IEEE AP-S國際研討會文摘，1972，p.177~180；[4]Munson R.E.
《共形微帶天線和微帶相控陣》(“Conformal MicrostripAntennas and Microstrip Phased Arrays”)IEEE Transaction on Antennas and Propagation-vol.AP-22，1974，p.74~78；[5]JR James & PS Hall《微帶天線手冊》(“Handbook of MICROSTRIP ANTENNAS”)1989；[6]IJ Bahl & P.Bhartia《微帶天線》(“Microstrip Antennas”)1980[7]J.R.JAMES-P.S.HALL-C.WOOD《微帶天線理論和設(shè)計(jì)》(Microstrip antenna theoryanddesign)。
權(quán)利要求
1.用平板技術(shù)制造的天線，其包括實(shí)質(zhì)上位于同一個(gè)主平面上的一系列發(fā)射線(210、220、230和240)，每一根發(fā)射線都由同一根金屬導(dǎo)線(100)提供輸入，其特征在于，這些發(fā)射線中的每一根(210、220、230和240)都具有相對于與主平面相垂直的幾何軸線(X)呈徑向的開始段(312)，然后這些發(fā)射線的每一根都沿著以此幾何軸線(X)為中心的圓弧(214)延伸，然后重新形成其方向向著幾何軸線(X)，與鄰近發(fā)射線的徑向段(212)靠近但不接觸的實(shí)質(zhì)上徑向的段(216)。
2.如權(quán)利要求1所述的天線，其特征在于，發(fā)射線(210、220、230和240)的輸入金屬線(100)是由與幾何軸線合為一體的剛性金屬直線(100)構(gòu)成的。
3.如權(quán)利要求1或2中任何一項(xiàng)所述的天線，其特征在于，每一根發(fā)射線(210、220、230和240)形成一段沿著同樣方向在軸線(X)周圍旋轉(zhuǎn)的圓弧(214)，使得對于每一根所述的發(fā)射線(210、220、230和240)，它們末端的徑向段(216)緊靠著相鄰發(fā)射線的開始段(222)。
4.如前述各項(xiàng)權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的天線，其特征在于，發(fā)射線(210、220、230和240)整體具有圓形的輪廓，其直徑實(shí)質(zhì)上等于λ/4，此處λ是此天線固有工作波的波長。
5.如前述各項(xiàng)權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的天線，其特征在于，該天線還包括一個(gè)與包括了發(fā)射線(210、220、230和240)的幾何主平面相平行的導(dǎo)體平面(300)，如此形成天線的本體平面。
6.如前面一項(xiàng)權(quán)利要求所述的天線，其特征在于，輸入金屬線(100)由同軸導(dǎo)線的中心導(dǎo)線(100)構(gòu)成，其特征還在于，由此同軸導(dǎo)線的外層鎧裝(15)向本體平面(300)提供輸入。
7.如前面各項(xiàng)權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的天線，其特征在于，該同軸電纜的中心導(dǎo)線(100)，其末端與發(fā)射線(210、220、230和240)相接觸，該同軸電纜的外層鎧裝(150)的末端與本體平面(300)相接觸。
8.如權(quán)利要求5~7中任何一項(xiàng)所述的天線，其特征在于，該本體平面(300)形成其直徑實(shí)質(zhì)上與發(fā)射線(210、220、230和240)整體形成的形狀的直徑相等的平面盤。
9.如前面各項(xiàng)權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的天線，其特征在于，發(fā)射線有4根，由每一根的圓形部分形成大約90°角的圓弧(214)。
10.如前面各項(xiàng)權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的天線，其特征在于，該天線具有多個(gè)系列的發(fā)射線(210、220、230和240)，每一個(gè)系列都由在特定的主平面上共面的發(fā)射線形成，這些發(fā)射線(210、220、230和240)系列中的每一個(gè)形成盤狀的一般形狀，這些盤重疊起來彼此覆蓋住而且具有不同的直徑。
11.如前面各項(xiàng)權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的天線，其特征在于，直徑實(shí)質(zhì)上相同或不同的多個(gè)系列的發(fā)射線(210、220、230和240)重疊起來，這些發(fā)射線彼此接觸或不接觸，以得到多頻率模式的操作。
全文摘要
本發(fā)明涉及微帶天線，該天線包括一系列實(shí)質(zhì)上位于主平面上的發(fā)射線(210、220、230和240)，每一根發(fā)射線都由同一根金屬導(dǎo)線(100)提供輸入，其特征在于，這些發(fā)射線中的每一根(210、220、230和240)都具有相對于與主平面相垂直的幾何軸線(X)呈徑向的開始段(312)，然后這些發(fā)射線的每一根都沿著以此幾何軸線(X)為中心的圓弧(214)延伸，然后重新形成其方向向著幾何軸線(X)，與鄰近發(fā)射線的徑向段(212)靠近但不接觸的實(shí)質(zhì)上徑向的段(216)。
文檔編號H01Q9/36GK1666383SQ03814495
公開日2005年9月7日 申請日期2003年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月20日
發(fā)明者M·勒戈夫, L·迪歇納, J-M·巴拉科, P·迪蒙 申請人:國家空間研究中心, 微波圖像應(yīng)用技術(shù)公司