具有與頻率無關的輻射特性的改進的寬帶多偶極子天線的制作方法

專利名稱：具有與頻率無關的輻射特性的改進的寬帶多偶極子天線的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種寬帶多偶極子天線，并且特別地涉及一種天線，所述天線具有在倍頻程帶寬或更大帶寬上或在一起覆蓋倍頻程帶寬或更大帶寬的多個頻帶上的低的輸入反射系數、低的交叉極化(cross polarization)、旋轉對稱的波束和恒定束寬、和恒定相位中心位置。
背景技術：
通常，反射體天線有很多應用，諸如應用在如無線電連結點對點系統和點對多點系統、雷達和射電望遠鏡中。現代反射體天線通常由不同類型的波紋喇叭形天線饋給(feed)。它們的優勢在于與其他饋給天線相比，它們可以提供在大的頻帶上具有低交叉極化的旋轉對稱輻射模式。在恰當選擇尺寸的情況下，還可獲得不隨頻率變化的波束寬度。盡管如此，帶寬通常被限制到約一個倍頻程。波紋喇叭形天線制造也是昂貴的，特別是在低頻處它們的物理尺寸和重量變大。反射體天線大規模生產用于一些市場，特別是當它們很小并且達到約一米直徑時，諸如例如應用于衛星電視接收，或在移動通信網絡中基站之間的無線電通訊聯系。甚至在射電天文學內，也具有用于射電望遠鏡的建議，射電望遠鏡由幾個成本效益的大規模生產天線組成，諸如艾倫望遠鏡陣列(ATA)和平方公里陣列(SKA)。ATA已經在大規模生產大型反射體天線方面實現，并且存在用于SKA的類似的建議。ATA和SKA兩者對帶寬的需求是驚人的，覆蓋幾個倍頻程。在一些建議的未來移動通信和無線通信系統中，也存在用于具有大帶寬的天線的需求。這種系統通常被稱為超寬帶(UWB)系統，并且寬帶天線技術稱為UffB天線。由于上述原因，需要新類型的寬帶天線，特別是可以以有效途徑用于饋給反射器的天線。在寬帶和多波段天線技術中也有其他商業利益，例如用于衛星通信(satcom)。衛星通信系統的接地終端往往是反射體天線，并且期望將幾個衛星通信頻帶，例如兩個或兩個以上所謂的L-、S-、C-、X、Ku-和Ka波段，結合在一個天線中。為了做到這一點，寬帶或多頻帶饋給是重要的。對于衛星通信應用程序，還有關的是使用天線，以天線可以移動以準確地指向衛星的這種方式，該天線可以提供關于衛星相對于天線的指示方向的位置的信息。這被稱為跟蹤，并且這種天線具有跟蹤能力。獲得這種指向信息的一種方式是通過使用利用幾個端口的饋給，除了通信信號在其上被傳輸的共用(并且在這個連接中所謂“總和”)模式之外，幾個端口可以被結合以在水平平面和垂直平面兩者中提供所謂的跟蹤(或差分)模式。相對于通過總和模式接收的信號的幅度和相位，通過兩個跟蹤模式接收到的信號的水平和相位給出關于衛星相對于天線的指向方向的位置的信息。因此，也需要用于跟蹤目的的多端口反射器饋給。 今后建議的在具有衰減的環境中使用的通信系統中還需要多端口天線，具有衰減的環境即由于從發射到接收側的許多反射的和散射的傳播路徑之間的干擾，具有在發射天線端口和接收天線端口之間的信號的大水平變化。最小干擾中的信號水平將是如此之低，從而導致接收問題。通過使用具有許多端口的天線，即多端口天線，這些問題可以通過在發射和接收側之間設立更多通道而緩解。設計用于在不同通道之間的信息的最佳空間分布的這種通信系統通常被稱為MIMO系統(多輸入多輸出)。用于這種系統的多端口天線應該具有非耦合端口(以給出不相關通道)和高輻射效率，藉此理想地在豐富和各向同性的多路徑環境中，不需要天線增益和方向性。但是，可以期望具有額外的定向波束，因為在現實中，環境中往往可能存在視線部件。因此，需要具有有效率的非耦合端口的適應性的或可重構的多端口天線，并且額外可以提供另外的定向波束。這種天線的優勢為寬帶能夠覆蓋更多通信系統，并且緊湊以使它們在市場上便宜。因此，設計為具有用于衛星通信的跟蹤能力的多端口饋給的天線也可以被用作具有另外的定向波束的用于MIMO系統的多端口天線。最近已經開發的用于反射器的寬帶饋給比波紋喇叭形天線有更大的寬帶、更輕、更便宜地制造。已經通過以金字塔幾何形狀定位四個對數周期天線獲得它們，參見2002年的IEEE天線與傳播學會國際研討會學報,第140-143頁的Engargiola(英格雷格)的“Non-planar log-periodicantenna feed for integration with a cryogenic microwaveamplifier”。波束寬度是恒定的，并且在輸入端口的反射系數在幾個倍頻程帶寬上低。然而，對于這種對數周期天線，相位中心隨頻率移動。由于在多數頻率處散焦，這導致具有減少的方向性的問題。此外，這些天線具有相當復雜的機械解決方案。來自本發明的發明者的WO 05/015685和WO 05/015686，已知如何緩解以前已知天線的上述缺點。尤其是WO 05/015685和WO 05/015686的天線是相對小而簡單的天線，具有下列屬性的至少一個，優選地全部:在幾個倍頻程的非常大的頻帶上的恒定波束寬度和方向性、低交叉極化以及交叉極化旁瓣、低輸入反射系數和恒定相位中心位置。典型的數值是在天線端口處在8和12 dBi之間方向性，低于-12分貝交叉極化旁瓣，以及低于_8dB反射系數。同時，天線優選地是廉價地生產，并且具有輕的重量。同樣的發明人還在EP2120293中公開了與這個天線類型相關的改善。WO 05/015685和WO 05/015686的天線現在在科學文獻中被稱為“ 11天線”，參見例如 2006 年 2 月的 IEEE Transactions on Antennas and Propagation,卷 54, 2 號，第 I 部分，第 368-375 頁的 R.0lsson、P.-S.KiIdal、S.Weinreb 的 “The Eleven antenna:a compact low-profile decade bandwidth dual polarized feed for reflectorantennas”和 2011 年 6 月的 IEEE Transactions on Antennas and Propagation,卷 59,第6 號，第 1918 至 1934 頁的 J.Yang、M.Pantaleev、P.-S.Kildal、Y.Karadikar、L.Helldner、B.Klein、N.Wadefalk、C.Beaudoin 的 “Cryogenic 2_13GHz Eleven feed for reflectorantennas in future wideband radio telescopes”。“ 11 天線”名稱的原因是基本線性極化輻射元件是一組半波長分開間隔的兩個平行偶極子，即11配置。要實現大帶寬，這種平行的偶極子對數周期性地縮放(scaled)并且連接在一起。對于雙重或圓形極化，正交的對數周期縮放的偶極子的組與第一組偶極子正交定位，且對數周期縮放的偶極子的幾何中心與第一組偶極子的幾何中心重合。然而，由于在小型和大型機械部件結合時的機械公差的問題，很難在大頻率范圍上使用WO 05/015685和WO 05/015686的天線，并且尤其是由于在其中心的小的尺寸和相關的需要的機械支撐，很難設計使天線以良好的性能在高于IOGHz的高頻率處使用。此外，期望減少11天線的大小，以使其更小。在WO 05/015685和WO 05/015686中的11天線具有從中心饋給它們的四個雙線線路，每個極化兩個。如上所述，11天線已被證明對于各種應用非常有效和有益。但是，仍然需要改進天線的尺寸和性能。

發明內容
因此，本發明的目的在于提供關于上述討論的類型的天線，即所謂的11天線，的進一步改善。特別地，本發明的目的是改進11天線的尺寸和性能。這個目的由附后權利要求中限定的天線實現。如將從下面的描述中所理解，本發明包括幾個方面，其用在相同的特定背景中，并且全部與獲得相同目的(即，獲得更高的性能和減小的尺寸)相關。可一個一個地使用這些部件，也可優選地結合使用，并且最優選地同時使用全部部件。本發明的天線可以以非常有效的方式用于饋給單個、雙重或多重反射天線。然而，應用不僅限于此。當需要小的、重量輕的寬帶天線時，并且尤其是當要求波束寬度、方向性、極化或相位中心或這些測量的任何結合不應該隨頻率變化時，可以使用本發明的天線。此夕卜，本發明的天線可以設計具有多個端口，這使得除了定向波束以外還可獲得用于衛星通信終端的跟蹤波束或者在MIMO系統中使用的多個非耦合和高效波束。構成天線的所需輻射特性的基本部件是一對平行的偶極子，優選地0.5波長分開定位并且在接地平面上方約0.15波長。已知根據例如由劍橋大學出版社1985的Christiansen和IIGghom的射電望遠鏡一書給出能夠旋轉對稱定向福射模式。這種偶極子對還已知在接地平面中具有其相位中心，這里稱為它們的幾何接地平面中心，所述幾何接地平面中心的含義是兩個偶極子和它們在接地平面中的圖像(image)的幾何中心。然而，帶寬限制到單個偶極子的帶寬的10-20%。根據在WO05/015685和WO 05/015686 中的發明，寬帶性質(broadbandbehavior)通過以如下方式定位不同尺寸的幾個這種偶極子對來獲得:它們的幾何接地平面中心重合。這意味著在最低頻率處操作的偶極子對位于最外層，并且稍小較高頻率偶極子對位于最外層的內側，最高頻率對在最里面位置。此外，可以存在具有相同的幾何接地平面中心的一組類似的、但正交定向的偶極子對，以提供雙線性或圓形極化。所有這些特征可以與本發明結合。根據本發明的第一方面，提供用于發射和/或接收電磁波的天線，包括:導電體，作為接地平面；和至少一對對數周期偶極子陣列，布置在接地平面上方，所述成對對數周期偶極子陣列的偶極子形成平行的、相對定向的偶極子的偶極子對，并且以每個所述偶極子對和偶極子對在接地平面中的圖像的幾何中心重合這樣一種方式布置，其中每個偶極子是折疊偶極子，折疊偶極子包括兩個或兩個以上平行或接近平行的導電條帶，所述導電條帶在一個或多個點處連接或者在導電條帶的延伸部分上連接；其中在每個所述對數周期偶極子陣列內的更靠近所述幾何中心的多個折疊偶極子在第一平面中延伸，并且其中最遠離所述幾何中心定位的剩余的至少一個折疊偶極子被布置成在至少一個另外的平面中延伸，所述另外的平面相對所述第一平面形成角度。對數周期偶極子陣列在天線中形成兩個或兩個以上的波瓣，并且在優選的實施例中形成四片波瓣。每片波瓣包括串聯的偶極子對數周期陣列。折疊偶極子的長度、寬度和在接地平面之上的高度優選地關于針對每個偶極子的波長以對數周期的方式縮放。偶極子總是具有間隙，稱為端口，橫跨端口提供勵磁電壓。折疊偶極子通常僅在平行條帶的一個中具有端口。本發明的對數周期折疊偶極子的每個或至少幾乎每個偶極子在兩個平行條帶的中心具有端口。以全部偶極子串聯連接的這樣方式，通過利用兩線線路(兩個平行條帶)結合兩個相鄰偶極子的兩個更接近的端口，每個波瓣內的折疊偶極子被連接在一起。因此，每個對數周期偶極子陣列形成兩個相對的蛇形金屬條帶線路。11天線通常被用于高達13GHz的頻帶。可以自由地選擇頻率下限和確定天線的整體尺寸。頻率下限對于VLBI 2010應用大約是2GHz，對于平方公里陣列是1.2GHz。在11天線類型的先前已知天線中，包括在低于操作頻帶的下限的頻率處工作的較大偶極子。這些外部偶極子不輻射(或接收)，并且只要求作為對數周期陣列的輻射(或接收)部分的終端，以便輻射(或接收)偶極子適當地執行。因此，這些外部偶極子的功能是創建對數周期陣列的終端，為了在操作頻帶的低端處具有與在頻帶的其余部分相同的輻射性能，并且特別地在操作頻帶上具有良好的輸入反射系數。因此，外部偶極子，在以下還稱為終端偶極子，是非輻射的，并且因此可能重新布置它們，以實現更緊湊的幾何形狀，同時保持用于陣列的相同的性能。因此，產生在例如彎曲或曲線形狀的另外平面中布置外部終端偶極子的可能性，并且由此可以顯著地減少整個11天線的高度和寬度，尤其是高度。人們已經發現，通過重新布置外部終端偶極子，天線的高度可以減少到具有相同的操作頻帶的可比較的先前類型11天線的約50%，并且寬度減少到約85%。因此，整體體積縮小到先前類型11天線的體積的約40%。尺寸的減少是非常重要的。例如，在要求低的或極低系統噪聲溫度的天線系統中，11天線需要經常被放置在低溫室(恒溫器)中，以被冷卻到典型地20至30K的低溫。對于這樣的應用，以及許多其他類型應用，饋給天線的整個尺寸盡可能地緊湊是非常重要的。在下面的描述中使用術語條帶(strip)。這個術語不能以文取義，因為該術語還表示如在專利權利要求中所描述的任何截面形狀的傳導管或電線。優選地，偶極子被布置在接地平面之上的一定高度處，所述高度對于在每個偶極子對內的偶極子是相同的。天線進一步優選地包括進一步包括饋給系統，所述饋給系統連接到每個對數周期偶極子陣列的最小偶極子，即最接近在接地平面中的天線的所述幾何中心定位的最高頻率偶極子。即使在每個波瓣內只布置一個終端偶極子也會減少天線的尺寸，優選地，設置至少兩個終端偶極子對，并且優選地設置三個終端偶極子對以在操作的最低頻率處得到足夠好的性能。如果使用幾個終端偶極子，進一步優選地，終端偶極子包括在第一另外的平面中延伸的一個終端偶極子，和在第二另外的平面中延伸的至少兩個終端偶極子對，所述至少兩個終端偶極子對向下朝向接地平面延伸并且連接到接地平面。根據進一步優選，當從接地平面看時，第一平面和至少一個另外的平面形成銳角。這導致終端偶極子朝向接地平面折疊，其降低天線的高度。進一步優選地，設置至少兩個另外的平面，當從接地平面看時，所述至少兩個另外的平面朝向彼此形成銳角，其導致天線的外緣進一步向下折疊。所述對數周期偶極子陣列的全部偶極子可以在一個方向上定向，以發送或接收一個線性極化波。天線的這種實現將通常只具有兩個波瓣，即只有一對對數周期偶極子陣列。然而，優選地所述對數周期偶極子陣列的約一半的偶極子對在一個方向上定向，而其余偶極子對在正交方向上定向，以發送或接收雙線性極化或圓形極化波。天線的這種實現通常具有四個波瓣，即兩對對數周期偶極子陣列。優選地，在第一平面中輻射和延伸的所述對數周期偶極子陣列的每一個陣列的全部偶極子作為金屬條帶印刷在如同印刷電路板的平坦基底上。然而，也可能地，這些偶極子部分地實現為印刷電路板，并且部分地是從厚的堅硬的金屬板切割的實心條帶，后者幾乎是自支撐，僅需要到接地平面的少數電介質支撐銷或壁。具有在印刷電路板上的內部薄金屬條帶和外部厚的金屬條帶之間的金屬接觸。還可能地，在至少一個另外的平面中延伸的至少一個終端偶極子作為在至少一個另外的平坦印刷電路板中上的條帶實現，或者從至少一個扁平金屬板切出作為厚的條帶。據該項發明的第二方面，提供用于發射和/或接收電磁波的天線，該天線包括:導電體，作為接地平面；和至少一對對數周期偶極子陣列，布置在接地平面上方，所述成對對數周期偶極子陣列的偶極子形成平行且相對定位的相同尺寸的偶極子的偶極子對，并且以每個所述偶極子對和偶極子對在接地平面中的圖像的幾何中心重合這樣一種方式布置，其中每個偶極子是折疊偶極子，所述折疊偶極子包括兩個或兩個以上平行或接近平行的導電條帶，所述導電條帶在一個或多個點處連接或者在導電條帶的延伸部分上連接；其中所述的兩個或兩個以上導電條帶以關于在接地平面中的所述幾何中心凸出地彎曲的方式延伸。本發明的這個方面可以結合上述討論本發明的第一方面使用，或單獨地使用。先此已知的超寬帶(UWB)或十帶寬天線，例如用于在反射體天線中的饋給，是非旋轉地對稱的。這也適用于標準的11天線。因此，這些寬帶饋給的性能的一個重要量度是所謂的BOR1效率，BOR1效率表示輻射場功能如何旋轉對稱。本發明的發明人已經發現,通過非線性地布置偶極子的導電條帶以使導電條帶關于幾何中心凸出地彎曲，11天線BOR1效率可大大改善。特別地，已經發現將對數周期陣列的彎曲偶極子布置在平面上，例如在平坦的印刷電路板(PCB)上，是有利的。這使得能夠以類似標準11天線的方式形成和產生天線，天線具有兩個或四個波瓣，但是仍然獲得顯著改善的對稱性和BOR1效率，參見1995年12月的 IEEE 天線與傳播雜志 37 卷第 6 期第 114 頁的 P.-S.Kildal、Z.Sipus “Classificationof Rotationally Symmetric Antennas as Types BOR0 and BOR/，。模擬顯不新的、圓形地彎曲的天線具有在2-5GHz的頻率頻帶上的-0.25分貝的BORl效率，與標準11天線相比，其是0.3dB改進，并且預期在更高的頻率處的類似的改善。最接近所述對數周期偶極子陣列的所述幾何中心的多個偶極子在共同的平面中延伸。據此，可彎曲的偶極子形成彎曲的形狀，但是還是被布置在一個平面上，并且例如在印刷電路板上。優選地，所述偶極子的兩個或兩個以上導電條帶大致地形成圓形部分。進一步優選地，當投射在接地平面上時，即當從天線上面看時，在所述波瓣中的相應偶極子的傳導線路大致形成圓形。根據本發明的另一個方面，提供用于發射和/或接收電磁波的天線，該天線包括:導電體，作為接地平面；和至少一對對數周期偶極子陣列，布置在接地平面以上，所述成對對數周期偶極子陣列的偶極子形成平行和相對定位的相同尺寸的偶極子的偶極子對，并且以每個所述偶極子對和偶極子對在接地平面中的圖像的幾何中心重合這樣一種方式布置，其中每個偶極子是折疊偶極子，所述折疊偶極子包括兩個或兩個以上平行或接近平行的導電條帶，所述導電條帶在一個或多個點處連接或者在導電條帶的延伸部分上連接；和饋給系統，所述饋給系統包括具有布置在兩側上的金屬條帶的至少一個印刷電路板，其中所述傳導接地平面包括布置在所述幾何中心附近的至少一個開口，并且其中至少一個印刷電路板布置成延伸通過所述開口。本發明的這個方面可以結合上述討論本發明的第一方面和/或第二方面使用，或單獨地使用。由于在11天線所使用的高頻率處的小的物理尺寸，并且還需要例如在低溫環境中使用這樣的天線，所以能夠制造和有成本效益的饋給網絡的設計以前是真正的挑戰。然而，利用本發明的技術方案，可以實現能夠以相對簡單和成本效益的方式獲得的、可用于11天線的不同配置的不同的饋給方案。通過使用包括延伸進入在接地平面中開口的印刷電路板的饋給系統，制造公差可以最小化，以保證天線的性能，并且大大降低額外生產和組裝成本。模擬和測量結果表明，新的饋給技術方案提供比以前使用的解決方案更好的性能。根據一個實施例中，至少一個印刷電路板在基本上垂直于接地平面的方向上延伸。延伸通過所述開口的在至少一個印刷電路板的兩側上的金屬條帶優選地通過焊接連接到每個對數周期陣列波瓣的兩個饋給點。從而，饋給在一個波瓣內的對數周期偶極子的兩線條帶線路連接到由在延伸通過在接地平面中的開口的一個印刷電路板的一側的一個條帶和另一側的另一個條帶形成的兩線條帶線路。根據一個實施例，這個兩線條帶線路的金屬條帶中的一個具有在遠離在接地平面中的開口的方向上增加的寬度，從而以如下方式形成到寬接地平面的逐步轉變:在基底的另一側上的配對條帶變成具有金屬接地平面的單個微條帶線路。據此，以集成方式形成平衡-不平衡變換器(balun)，即從平衡的兩線線路到不平衡微條帶線路的轉變，并且此平衡-不平衡變換器的生產和安裝比較容易和具有成本效益，每個偶極子波瓣一個。進一步優選地，饋給系統進一步包括集成在印刷電路板中的至少一個寬帶功率合成器。相對定位的波瓣的平衡-不平衡變換器的印刷電路板和另外的功率合成器的印刷電路板可以結合在公共的印刷電路板上。對于本發明的全部不同方面，優選地偶極子由在電介質基底上的導電條帶制成。進一步優選地，在所述對數周期偶極子陣列的每個偶極子對的尺寸大致表示如下:偶極子長度約為0.5波長，偶極子在接地平面之上的高度在0.05和0.25波長之間，且偶極子間隙約0.5波長，其中波長相對于如下頻率:給定的偶極子對在所述頻率處是對輻射模式的主要貢獻者。再進一步地，天線的輻射模式優選地具有在非常寬的頻帶上的幾乎恒定的波束寬度，所述頻帶優選地包括幾個倍頻程。如前所述,天線用來照射(illuminate)單個或雙重反射體天線系統。在上述的描述中，接地平面(ground plane)被解釋似乎是平面的接地面。然而,接地平面也可以具有其他形狀。它可以具有金字塔形狀，以使在傳導支撐結構的頂部上的表面變得更加平坦。其也可以設置有溝槽或周期圖案，以提高作用接地平面的性能。本發明使用偶極子對作為基本建構部件。這并不意味兩個這樣的偶極子以如果一個移除則另一個也移除的方式一起機械地連接到一個單元，例如通過定位它們在相同薄的電介質基底上。相反地，當我們從電流源構建輻射模式時，偶極子對僅僅是基本的電磁建構部件，即我們需要在相同頻率處輻射并且分開約0.5波長的兩個相等的偶極子，以得到所需的旋轉對稱的模式。事實上，在幾何中心的一側上的偶極子通過它們的饋給線路機械地連接，從而移除一對偶極子之一將意味著我們同時移除所有對的偶極子中的一個，即一個完整的波瓣。被連接的偶極子也可以位于相同的輔助材料上，諸如電介質基底上。然而，即使我們通常可以這樣做，這也不是必要的。與本發明一起使用的偶極子不局限于這種實現。此外，在每個波瓣內的對數周期偶極子陣列可以部分地實現為用于形成印刷電路板的基底上的條帶，以及部分地實現為從金屬板切削的、與在基底部分上的最大金屬條帶偶極子傳導接觸的較厚條帶。偶極子和饋給線路可以實現為在基底上的細條帶，從金屬板切出的厚條帶，管或電線。偶極子和饋給線路也可以位于一個或多個薄的電介質層的兩側上，例如偶極子在一側上而饋給線路在另一側上，或者偶極子和饋給線路的部分在一側上并且剩余部分在另一側上。目前討論的天線是一種寬帶多偶極子天線，相比其他類型的天線具有幾個優勢，例如在幾個倍頻程帶寬以上的低輸入反射系數、低交叉極化、低交叉極化旁瓣、旋轉對稱波束和幾乎恒定的方向性、波束寬度和相位中心位置。此外，偶極子是從一個或幾個中心地定位的兩線饋給點或端口饋給。天線非常適于饋給單個、雙重或多重反射體天線。中心地定位的饋給區域可以包含T型功率合成器和平衡-不平衡變換器或180度混合器，從而提供從同軸線路到兩個相對定向的兩線線路的轉變，兩個相對定向的兩線線路饋給相對定位的相同的線性極化的對數周期偶極子陣列。平衡-不平衡變換器可是主動的，意味著其與接收器或發射器電路相結合。在雙極化天線的情況下，需要類似的結合網絡用于正交的線性極化的兩個對數偶極子陣列。如在2011年6月的IEEETransactions on Antennas and Propagation,卷 59,第 6 號，第 1918 至 1934 頁的 J.Yang、M.Pantaleev、P.-S.Kildal、Y.Karadikar、L.Helldner、B.Klein、N.Wadefalk、C.Beaudoin的“Cryogenic 2-13 GHz Eleven feed for reflector antennas in future widebandradio telescopes”中所描述，電源結合網絡也可以位于接地平面后面的印刷電路板上。對于科學應用，低噪聲接收器將在許多情況下被冷卻以提供盡可能低的接收機噪聲溫度。其還可以利于地，整個饋給降溫。因為其體積小，使用上面討論的天線是可能的。天線也可以被用來作為如前所述的多端口天線。如在2011年6月的IEEETransactions on Antennas and Propagation,卷 59,第 6 號，第 1918 至 1934 頁的 J.Yang、M.Pantaleev、P.-S.Kildal、Y.Karadikar、L Helldner、B.Klein、N.Wadefalk、C.Beaudoin的“Cryogenic 2_13GHz Eleven feed for reflector antennas in future widebandradio telescopes”中所描述，每片波瓣具有兩線饋給線路，并且這些電線的每一個都可以從單獨的端口饋給。這給每個極化4個端口，即2x4個端口天線。從而可以實現在每個極化兩個正交平面中的不同模式。參照以下描述的實施例，本發明的這些和其他方面是明顯和清楚的。不同的饋給線路必須以如下這樣的方式正確地激發:在相同的偶極子對的兩個偶極子上的輻射電流使用相同的相位和振幅激發。


為示例目的，將參照在附圖中描述的其實施例更詳細的描述本發明，其中:圖1顯示在本發明的實施例中可用的對數周期偶極子陣列。圖2顯示根據本發明實施例的具有布置在不同平面中的終端偶極子的天線的透視圖。圖3顯示根據本發明實施例的具有布置在不同平面中的終端偶極子的天線的不同的實施例的橫截面視圖。圖4和圖5顯示根據本發明的另一個實施例的具有彎曲偶極子的天線的透視圖和頂視圖。圖6和圖7顯示根據本發明實施例的印刷電路板饋給系統的透視圖。圖8-10顯示根據本發明的實施例的示意饋給系統。圖11顯示顯示根據本發明的另一個實施例的示意饋給系統。
具體實施例方式現在將參照優選實施例更詳細地描述本發明。然而，應該理解，除另有注明外，在具體實施例中的不同的特征在實施例之間能夠交換。此外，所有的實施例涉及以如下這樣一種方式定位多偶極子天線的輻射偶極子部分:輻射模式得到具有低交叉極化的旋轉對稱和在較大的帶寬上的與頻率無關的波束寬度。偶極子對是本發明的基本組成部件。偶極子對以預定間隔距離被布置在接地平面上方。圖1顯示標準的11天線的對數周期偶極子陣列的標準配置，其也用于本發明的實施例。至少兩個這樣的對數周期偶極子陣列用于形成天線，從而形成相同尺寸的相對定位的偶極子，并且偶極子以如下這樣的方式布置:所述偶極子對及其在接地平面中的圖像(image)的幾何中心至少大致重合。優選地，偶極子I具有在中心的饋給間隙2，從而如在圖1中顯示，形成兩個偶極子臂3。此外，每個偶極子包括兩個或兩個以上的導電線la、lb，導電線在一個或多個點處被連接，或在導電線的延伸部分上被連接。這種偶極子被俗稱為折疊偶極子。折疊偶極子可以由連接到在偶極子Ia的左和右臂之間的饋給間隙2的兩線線路饋給。在本發明中，如圖1所示，在每個偶極子的第二線Ib中還具有間隙，其中新的兩線線路7被連接并且繼續到下一個鄰近偶極子的饋給間隙。從而產生從兩線線路饋給點6延伸的兩個相對的蛇形(serpentine)線路,通過傳播波激發全部偶極子。在圖1中所示的兩個或四個對數周期偶極子陣列類型通過支撐結構定位在接地平面4(在圖1中沒有所示，但是例如在圖2中可見)上。設置幾個偶極子對1，以線性地實現寬帶或雙重極化輻射。如將在后面介紹，可以以許多不同方式做出偶極子的饋給。主要一點是，它們必須在如下這樣一種方式饋給:在每個偶極子對的偶極子上的電流具有相同方向、幅度和相位。本發明的偶極子優選地位于接地平面以上，并且以如下這樣一種方式:高度在遠離偶極子對的幾何中心的方向上對數周期地增加。接地平面優選地是平坦的平面，而在某些應用中，其可以稍微圓錐形、錐體、雙彎曲或偏離平面的任何其他形狀。根據本發明的天線也可用于雙直線或圓形極化。然后，無論配置，每個偶極子對存在具有相同尺寸的正交偶極子對。偶極子的饋給優選地在幾何結構的每個象限(波瓣)內相同。天線可以包括四個對數周期偶極子陣列或波瓣，但是也可僅包括一對對數周期偶極子陣列。每個陣列的最內層對數周期偶極子優選地布置在一個平面介質基底、波瓣上。兩個或四個板優選地以相對彼此傾斜的排列布置，從而天線板的功能性天線元件成對地彼此面對。具有四個波瓣的天線是雙極化天線。天線優選地包括彼此面對的兩個或四個天線板。然而，本發明不僅限于這種實現。特別地，可以設置包含全部對數周期偶極子陣列的一個平面的天線板而不是兩個或四個板。在每個對數周期陣列內的偶極子具有不同尺寸。在圖1中的示例中，具有13個不同尺寸的偶極子。然而，這個數字是任意選擇的，因為天線可以包括任意數量的具有不同尺寸的偶極子對，比這個較小、較大或大很多。此外，相鄰偶極子之間對數周期地增加的間隙是任意選擇的。其可以較小或較大地依賴于設計的優化結果。附圖顯示多偶極子天線，其中不同偶極子對的尺寸大致對數周期地變化。這意味著所有偶極子對的尺寸相對于它們每個的較靠近內部對的尺寸以相同常數因子縮放。這樣做是為了為每個偶極子對提供看起來相同的環境，而不取決于其是否具有用于在一些最低頻率處操作的大尺寸或用于在一些最高頻率處操作的小尺寸。如上所述，在圖1中圖示的偶極子陣列中，內部的、較小的偶極子將是輻射的，而外層最大的偶極子可以是非輻射的。圖2說明通過在不同于其中出現對數周期陣列的輻射偶極子的平面的平面中布置在這里被稱為終端偶極子的外部、非輻射偶極子而設置更緊湊天線的實施例。在這里，最接近在接地平面中的所述幾何中心的多個偶極子在第一平面中延伸，并且優選地以上面討論的傾斜配置。這些偶極子是全部輻射的。此外，設置至少一個終端偶極子更遠離在至少一個另外平面中延伸的幾何中心，其中另外平面相對第一平面形成角度。在圖示的示例中，提供3個終端偶極子21-23，但是使用以這樣的方式布置的一個或兩個或三個以上終端偶極子也是可行的。第一終端偶極子21優選地布置在基本上平行于接地平面的平面中，而其他終端偶極子22、23優選地布置在指向接地平面的平面中。根據一個配置，兩個最外層終端偶極子22和23可以被布置在共同的平面中，并且這個平面可以與第一終端偶極子的平面形成直角。這樣的配置圖示在圖2中。布置最外層偶極子22、23以獲得更彎曲形狀天線也是可行的。這樣的配置如圖3所示。終端偶極子優選地選定尺寸以獲得對數周期偶極子陣列的適當終端。這種終端可以以不同的方式來實現，并且終端偶極子不需要按照偶極子陣列的輻射部分的對數周期設計選定尺寸。例如，一個或幾個終端偶極子，諸如第二終端偶極子22，可以小于第一終端偶極子21，并且還可以小于對數周期偶極子陣列的最外層偶極子。對數周期偶極子陣列的偶極子優選地布置在平坦印刷電路板上，或在平坦印刷電路板和可以從金屬板切割的無基底的厚的金屬條的組合上。終端偶極子還可被布置在平坦的印刷電路板上，或者以替代的方式設置。在上述討論的實施例中，偶極子是線性配置。然而，正如上述討論，偶極子也可能被彎曲，為了如提高BOR1效率。具有這樣的彎曲偶極子的實施例在圖4和5中圖示。在這里，偶極子I’基本上如先前實施例布置，并且具有相同功能。然而，這里偶極子I’的兩個或兩個以上的傳導線路非線性延伸，以使它們關于幾何中心凸出地彎曲。優選地，偶極子仍然在共同的平面延伸，并且優選地仍布置在平坦的支撐板上。偶極子優選地形成圓形段，并且最優選地，當從天線上面看時，不同波瓣的偶極子形成圓圈。這在圖5的頂視圖中說明。優選地，饋給系統包括具有金屬條布置其上的至少一個印刷電路板。此外，傳導接地平面優選地包括布置在幾何中心附近的至少一個開口，其中至少一個印刷電路板被布置以通過這個開口延伸。優選地，支撐每個對數周期偶極子陣列的基底設置有狹槽開口以接收饋給系統的相應印刷電路板的延伸部。現在參考圖6-10討論這些實施例。圖6示意地說明實施例，其中饋給系統的印刷電路板81通過開口 80布置在接地平面中。以兩個條帶一起形成兩線線路的這樣一種方式，導電條帶82布置在印刷電路板的相對側上。這些條帶的每一個優選地通過焊接被連接到對數周期陣列的兩線線路6的條帶。優選地，提供四個印刷電路板，或布置兩個印刷電路板以相互交叉。這樣的實施例在圖7中顯示。在這里，印刷電路板延伸在接地平面以下，并且基本上垂直于接地平面。此夕卜，印刷電路板優選地布置在殼體90中。在圖示的示例中，在印刷電路板板上的四個兩線條帶，經過在接地平面上的相應開口通過接地平面，并且焊接到引導到對數周期陣列相應的兩線帶線6。在交界處的條帶線的尺寸優選地被匹配以使平滑阻抗匹配過渡發生。在印刷電路板上的兩線條帶線優選地逐漸地分離，并且每兩線條帶線路的條帶的一個的寬度隨之逐步增加，從而使接地平面它為用于在基底的另一側上的條帶的接地平面。因此，實現從兩線線路到單個的微條帶(miCTostrip)線路的轉換，即平衡-不平衡變換器(balun)。現在將討論用于適用于上面討論的印刷電路板實現饋給系統的三個替代配置。部件優選地實現為在印刷電路板上的集成部件。如圖7所示，饋給系統可以布置在圓柱形支撐元件中。圓柱支撐元件可以具有八個側面，形成一個八角形(圖7所示)，具有圓形截面(如圖11所示)，或者是其它圓柱形配置。支撐元件優選地是金屬。在使用圓形橫截面的情況下，支撐元件的圓周優選是彎曲的，允許基底具有彎曲的偶極子，如圖4所示，以圍繞支撐元件的圓周與支撐元件直接接觸。這樣的實施例在圖11中顯示。在第一實施例中，如圖8顯示，配置用于饋給具有兩個不同極化的四個對數周期偶極子陣列。在每個對數周期偶極子陣列的兩線端口 97處存在接收到的電壓波。這些兩線線路的每個的兩線也稱為差分或平衡線，然后分離成兩個獨立的單端線路，諸如微條帶線路或同軸線路96，并且低噪聲接收器(LNA) 95位于這些單端線路的每個處。然后，每個極化具有需要的4個LNA，但它們是標準的LNA，通常具有50歐姆輸入阻抗。4個LNA的輸出將然后將結合寬帶180度混合器(wideband 180 deg hybrid) 94和兩路功率組合器(two-waypower combiner) 93到一個極化的一個端口。所述兩個180度混合器和所述功率合成器可以分別地與兩個功率合成器和一個180度混合器交換。在不同的配置中，如圖9所示，在4個兩線差端口 97收到的電壓波通過寬帶有源平衡-不平衡變換器98轉化到單端線路。這是所謂的差分LNA，其不那么容易地作為單端LNA。在差分低噪聲接收器(LNA)之后，電壓使用一個極化的一個單個寬帶功率合成器93
被結合。在另外的配置中，如圖10所示，在4個兩線差端口 97上接收的電壓波通過寬帶被動式平衡-不平衡變換器99被轉化為4個單端線路，并且4個單端線路結合到兩個端口，一個端口通過寬帶功率合成器93用于每個極化。當通過增加條帶的一個的寬度以成為其他條帶的接地平面而從兩線條帶線路轉變到微條帶線路時，可以實現每個被動式平衡-不平衡變換器。根據本發明的天線的上述討論的實施例具有許多共同的特征。例如，所有或至少大部所述實施例包括以下特征:-天線包括成對布置的偶極子。-天線偶極子被布置在接地平面的一側上，并且以輸出輻射模式的主波瓣在垂直于所述接地平面的方向上被弓I導的方式布置。-接收偶極子(天線元件)的長度沿著饋給線路遠離中心地定位的饋給點增加。隨后的偶極子的長度優選地不同于以對數周期方式緊鄰定位的偶極子的長度。-偶極子之間的間隙也沿著饋給線路遠離中心地定位的饋給點增加。-天線的兩個(線性極化形式)或四個(雙極化形式)部件通過分開的饋給線路饋給，分開的饋給線路連接到優選地至少部分地位于地平面后面的饋給系統的端口接地平面。-天線元件/偶極子基本上形成為直的傳導線或條帶。-天線元件優選地通過如在本領域中已知的蝕刻技術形成在支撐介質基底(諸如印刷電路板)上。-天線可以用于不同工作頻率的廣泛范圍，并且特別地用于1-15GHZ的頻率范圍。現在已經描述本發明的具體實施例。然而，對于本領域技術人員是顯而易見的一些替代方式是可能的。例如，偶極子的不同布置設計是可能的，天線平面的不同的結合是可能的，不同的饋給布置是可行的等等。這些和其他明顯修改必須被認為是在如由附后權利要求限定的本發明的范圍內。應當指出，上述實施例說明不是限制本發明，并且本領域技術人員在沒有背離附后權利要求的范圍的情況下能夠設計出許多代替的實施例。
權利要求
1.一種天線，用于發射和/或接收電磁波，所述天線包括: 導電體，作為接地平面；和 至少一對對數周期偶極子陣列，布置在接地平面上方，所述成對對數周期偶極子陣列的偶極子形成平行和相對定位的相同尺寸的偶極子的偶極子對，并且以每個所述偶極子對和偶極子對在接地平面中的圖像的幾何中心重合這樣一種方式布置，其中每個偶極子是折疊偶極子，所述折疊偶極子包括兩個或兩個以上平行或接近平行的導電條帶，所述導電條帶在一個或多個點處連接或者在導電條帶的延伸部分上連接； 其中在每個所述對數周期偶極子陣列內的更靠近所述幾何中心的多個折疊偶極子在第一平面中延伸，并且其中最遠離所述幾何中心定位的剩余的至少一個折疊偶極子被布置成在至少一個另外的平面中延伸，所述另外的平面相對所述第一平面形成角度。
2.根據權利要求1所述的天線，其中偶極子被布置在接地平面之上的一定高度處，所述高度對于在每個偶極子對內的偶極子是相同的。
3.根據權利要求1或2所述的天線，進一步包括饋給系統，所述饋給系統連接到每個對數周期偶極子陣列中的最小偶極子，即最接近在接地平面中的天線的所述幾何中心定位的最聞頻率偶極子。
4.根據上述任何一項權利要求所述的天線，其中設置至少兩個終端偶極子對，并且優選地設置三個終端偶極子對。
5.根據上述任何一項權利要求所述的天線，其中終端偶極子包括在第一另外的平面中延伸的一個終端偶極子，和在第二另外的平面中延伸的至少一個或多個終端偶極子。
6.根據上述任何一項權利要求所述的天線，其中當從接地平面看時，第一平面和至少一個另外的平面形成銳角。
7.根據上述任何一項權利要求所述的天線，其中設置至少兩個另外的平面，當從接地平面看時，至少兩個另外的平面朝向彼此形成銳角。
8.根據上述任何一項權利要求所述的天線，其中天線包括至少兩對對數周期偶極子陣列，偶極子陣列形成從共同的中心對稱地延伸的波瓣。
9.根據上述任何一項權利要求所述的天線，其中在第一平面中延伸的所述對數周期偶極子陣列的每一個陣列的全部偶極子作為金屬條帶印刷在如同印刷電路板的平坦基底上，但是在基底上沒有接地平面。
10.根據權利要求9所述的天線，其中在至少一個另外的平面中延伸的至少一個終端偶極子布置在至少一個另外的平坦印刷電路板中。
11.根據上述任何一項權利要求所述的天線，其中每個偶極子包括兩個相對的臂，在兩個相對的臂的之間具有饋給間隙，并且每個偶極子臂包括在外端部處連接的兩個導電條帶，并且其中這兩個導電條帶的內端部使用條帶分別與相鄰內部或外部偶極子臂的較靠近條帶的內端部連接，使得一個偶極子陣列由兩個相對的蛇形條帶形成。
12.根據上述任何一項權利要求所述的天線，其中所述對數周期偶極子陣列的所述偶極子的所述臂的兩個或兩個以上導電條帶非線性延伸，以使導電條帶關于所述幾何中心凸出地彎曲。
13.根據權利要求12所述的天線，其中所述偶極子的兩個或兩個以上導電條帶形成圓形部分。
14.根據上述任何一項權利要求所述的天線，還包括饋給系統，所述饋給系統包括具有布置在兩側上的金屬條帶的至少一個印刷電路板，其中導電接地平面包括布置在幾何中心附近的至少一個開口，并且其中至少一個印刷電路板布置成通過所述開口延伸。
15.一種天線，用于發射和/或接收電磁波，所述天線包括: 導電體，作為接地平面；和 至少一對對數周期偶極子陣列，布置在接地平面上方，所述成對對數周期偶極子陣列的偶極子形成平行且相對定位的相同尺寸的偶極子的偶極子對，并且以每個所述偶極子對和偶極子對在接地平面中的圖像的幾何中心重合這樣一種方式布置，其中每個偶極子是折疊偶極子，所述折疊偶極子包括兩個或兩個以上平行或接近平行的導電條帶，所述導電條帶在一個或多個點處連接或者在導電條帶的延伸部分上連接； 其中所述偶極子的兩個或兩個以上的導電條帶以關于在接地平面中的所述幾何中心凸出地彎曲的方式延伸。
16.根據權利要求15所述的天線，其中最接近所述對數周期偶極子陣列的所述幾何中心的多個偶極子在共同的平面中延伸。
17.根據權利要求15或16所述的天線，其中所述偶極子的兩個或兩個以上的導電條帶形成圓形部分。
18.根據權利要求15-17任何一項所述的天線，其中天線包括至少兩對對數周期偶極子陣列，偶極子陣列形成從共同的中心對稱地延伸的波瓣。
19.根據權利要求18所述的天線，其中當投射在接地平面上時，即當從天線上方看時，在所述波瓣中的相應偶極子的導電線路大致形成圓形。
20.根據權利要求15-19任何一項所述的天線，其中每個對數周期偶極子陣列的偶極子被布置在至少一個平坦印刷電路板上。
21.根據權利要求15-20任何一項所述的天線，還包括饋給系統，所述饋給系統包括具有布置在兩側上的金屬條帶的至少一個印刷電路板，其中導電接地平面包括布置在所述幾何中心附近的至少一個開口，并且其中至少一個印刷電路板布置成印刷電路板的小部分通過所述開口延伸。
22.—種天線，用于發射和/或接收電磁波，所述天線包括: 導電體，作為接地平面；和 至少一對對數周期偶極子陣列，布置在接地平面上方，所述成對對數周期偶極子陣列的偶極子形成平行和相對定位的相同尺寸的偶極子的偶極子對，并且以每個所述偶極子對和偶極子對在接地平面中的圖像的幾何中心重合這樣一種方式布置，其中每個偶極子是折疊偶極子，所述折疊偶極子包括兩個或兩個以上平行或接近平行的導電條帶，所述導電條帶在一個或多個點處連接或者在導電條帶的延伸部分上連接；和 饋給系統，所述饋給系統包括具有布置在基板兩側上的金屬條帶的至少一個印刷電路板，其中所述導電接地平面包括布置在所述幾何中心附近的至少一個開口，并且其中至少一個印刷電路板布置成延伸通過所述開口。
23.根據權利要求22所述的天線，其中至少一個印刷電路板在基本上垂直于接地平面的方向上延伸。
24.根據權利要求22或23所述的天線，其中延伸通過所述開口的至少一個印刷電路板的兩側上的金屬條帶優選地通過焊接連接到每個對數周期陣列波瓣的兩個饋給點。
25.根據權利要求22-24所述的天線，其中至少一個金屬條帶具有在遠離在接地平面中的所述開口的方向上增加的寬度，從而形成從由在基底的任一側上的兩個狹長條帶實現的兩線線路到具有金屬接地平面的單個微條帶線路的逐步轉變。
26.根據權利要求22-25所述的天線，其中饋給系統進一步包括至少一個寬帶功率合成器，所述至少一個寬帶功率合成器集成在印刷電路板中并且優選地集成在延伸進入接地平面的相同印刷電路板中，或者與延伸進入接地平面中到一塊印刷電路板的兩個這樣的印刷電路板結合。
27.根據上述權利要求任何一項所述的天線，其中所述對數周期偶極子陣列的全部偶極子對在一個方向上定向，以發送或接收一種線性極化的多個波。
28.根據上述權利要求任何一項所述的天線，其中所述對數周期偶極子陣列的約一半偶極子對在一個方向上定向，并且其余偶極子對在正交的方向上定向，以發送或接收雙線性極化或圓形極化的多個波。
29.根據上述權利要求任何一項所述的天線，其中偶極子由導電條帶、電線或管制造。
30.根據上述權利要求任何一項所述的天線，其中偶極子由在電介質基底上的導電條帶制成。
31.根據上述權利要求任何一項所述的天線，其中在所述對數周期偶極子陣列的每個偶極子對的尺寸大致表示如下:偶極子長度約為0.5波長，偶極子在接地平面之上的高度在0.05和0.25波長之間，且偶極子間隙約0.5波長，其中波長相對于如下頻率:給定的偶極子對在所述頻率處是對輻射模式的主要貢獻者。
32.根據上述權 利要求任何一項所述的天線，其中輻射模式在非常寬的頻帶上具有幾乎恒定的波束寬度，所述頻帶優選地包括幾個倍頻程。
33.根據上述權利要求任何一項所述的天線，其中天線用來照射單個或雙重反射體天線系統。
全文摘要
本發明公開一種改進的11天線，包括作為接地平面的導電體；和至少一對對數周期偶極子陣列，布置在接地平面上方，所述成對對數周期偶極子陣列的偶極子形成平行的、相對定位的相同尺寸的偶極子的偶極子對，并且以每個所述偶極子對和偶極子對在接地平面中的圖像重合這樣一種方式布置，其中每個偶極子是折疊偶極子，折疊偶極子包括在一個或多個點處或者在導電條帶的延伸部分上連接的兩個或兩個以上平行或接近平行的導電條帶；而且，其中在每個所述對數周期偶極子陣列內的更靠近所述幾何中心的多個折疊偶極子在第一平面中延伸，并且其中位于最遠離所述幾何中心的剩余的至少一個折疊偶極子被布置以在至少一個另外的平面中延伸，所述另外的平面相對所述第一平面形成角度。由此，獲得更緊湊的天線。
文檔編號H01Q21/24GK103151602SQ20121016272
公開日2013年6月12日 申請日期2012年5月23日 優先權日2011年6月30日
發明者派日-西蒙·基爾代爾, 楊健 申請人:蓋普威夫斯公司