專利名稱：縫隙天線的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有矩形波導的縫隙天線，供通信、廣播等之用。
參看圖44一種普通具有圓形波導的縫隙天線的示意圖。電磁波是以圖45所示以柱面坐標表示的TEM(橫電磁波模)同軸形式在波導中傳播的。由于電磁波是同軸圍繞一個中心饋線孔傳播的，因而各輻射縫隙都同軸或成螺旋形配置。
這種圓形天線適用于圓極化波。但這種天線用以發射線性極化波時就成問題，因為與圓極化波比較，天線的旁瓣變大了，因而天線的增益下降了。
本發明的一個目的是提供一種具有矩形波導不僅能發射圓極化波而且還能高效率發射線性極化波的縫隙天線。
本發明的另一個目的是提供一種可補償波導中電場相位差的縫隙天線。
根據本發明，本發明提供的縫隙天線包括一矩形波導和一喇叭形波導。矩形波導周圍圍繞有金屬板，由此形成矩形波導空間。喇叭形波導與矩形波導相連接，從而使喇叭形波導中的一個喇叭形波導空間與矩形波導空間連通，喇叭形波導的一端有一個功率饋送輸入口，矩形波導的其中一個金屬板上具有多個電磁波發射縫隙。
調節各縫隙的排列方式即可使圓極化波和線性極化波從各縫隙中發射出來。
在本發明的一個方面，矩形波導的一個端板上有一個終端電阻器，在一個端板上有一個匹配裝置，供提高從毗鄰該端板的縫隙中發射出來的電磁波的功率。
在另一個方面，該具有縫隙的金屬板對過的金屬板具有一個波紋金屬板之類的慢波裝置供延遲所傳播的電磁波之用。
此外，本發明提供一種具有一矩形波導和一喇叭形波導的縫隙天線，矩形波導周圍圍繞有金屬板，由此形成矩形波導空間，喇叭形波導則與矩形波導相連接，從而使喇叭形波導中的一個喇叭形波導空間與矩形波導空間連通，喇叭形波導的一端有一個功率饋送輸入口，矩形波導的其中一個金屬板上有多個電磁波發射縫隙，喇叭形波導空間與矩形波導空間之間設有拋物面反射鏡，用以將電磁波反射到矩形波導上，從而使電磁波的等相面可以變平。
從下面參照附圖的詳細說明可以更清楚地了解本發明的上述和其它目的和特點。
圖1是本發明第一個實施例的縫隙天線的示意透視圖。
圖2是沿圖1的A-A線截取的縫隙天線的局部透視圖。
圖3是以直角坐標表示的說明電磁波在縫隙天線中的傳播形式的示意圖。
圖4是說明電磁波在縫隙天線的喇叭形波導中的傳播相位的示意圖。
圖5是在矩形波導一個縱向剖面上的功率密度特性曲線圖。
圖6是電場在縫隙天線矩形波導的橫剖面上分布情況的示意圖。
圖7a是本發明第二個實施例的喇叭形波導的透視圖。
圖7b是上述喇叭形波導一個修改方案的透視圖。
圖8是上述喇叭形波導另一個修改方案的透視圖。
圖9是第二個實施例的縫隙天線的平面圖。
圖10是本發明第三個實施例的縫隙天線的局部透視圖。
圖11是在第三個實施例的縫隙天線一個縱向剖面上的功率密度特性曲線圖。
圖12至15是本發明第四個實施例縫隙天線截面的一些例子的示意圖。
圖16是圖15所示的縫隙天線的局部透視圖。
圖17a是本發明第五個實施例的縫隙天線的部分透視圖。
圖17b是說明電場在圖17a的縫隙天線中的分布情況的示意圖。
圖18a是本發明第六個實施例的縫隙天線的部分剖視圖。
圖18b是圖18a的縫隙天線中所用的一個金屬板的平面圖。
圖19是本發明第七個實施例的縫隙天線的部分剖視圖。
圖20是本發明的第八個實施例的縫隙天線的部分剖視圖。
圖21是本發明的第九個實施例的縫隙天線的局部透視圖。
圖22和23是第九個實施例縫隙天線的修改方案的剖面示意圖。
圖24是第九個實施例縫隙天線的另一個修改方案的局部透視圖。
圖25至28是縫隙天線的縫隙和發射出來的電場的示意圖。
圖29是一個喇叭形波導的透視圖。
圖30是一個喇叭形波導修改方案的局部透視圖。
圖31a是本發明第十個實施例具有拋物面反射鏡的縫隙天線的透視圖。
圖31b是第十個實施例的縫隙天線的局部透視圖。
圖32是縫隙天線的喇叭形波導的平面圖。
圖33a是以直角坐標表示的縫隙天線的透視圖。
圖33b和33c是說明縫隙天線的示意圖。
圖34是部分縫隙天線的放大透視圖。
圖35是該縫隙天線的剖視圖。
圖36是第十一個實施例的縫隙天線的局部透視圖。
圖37和38是第七個實施例的修改方案的局部透視圖。
圖39是第十二個實施例的縫隙天線的局部透視圖。
圖40至43是縫隙配置方式一些實例的平面圖。
圖44是普通同軸電纜式的圓形縫隙天線的局部透視圖。
圖45是說明電磁波在普通的縫隙天線中以柱面坐標表示的傳播情況。
參看圖1和2。本發明的縫隙天線包括一個矩形波導W和一個在功率饋送輸入口2與矩形波導W連接的喇叭形波導5。矩形波導W包括相對配置的矩形金屬板3和4，以及金屬側導板1、7和8，它們形成矩形波導空間S。上波導板3具有多個電磁波發射縫隙15成排排列。各排同軸排列，且各縫隙垂直于波導W的軸線配置。在矩形波導W的側板1內側設有終端電阻器6，如圖2所示。
在矩形波導W中，電磁波以TE10的形式傳播，如圖3中以直角坐標表示的那樣。圖3中，虛線H表示磁力線，線E表示每半個波長(1/2λ0)的電力線。由于在每一個波長(λ0)產生同方向的電力線，因而要形成供電力輻射用的縫隙并不難。與這種天線相適應，不僅是圓極化波，而且線性極化波也可以高效率予以發射。
若各縫隙是在側板8上形成，則磁力線從該縫隙中發射出去。在這類天線中，各縫隙系平行于矩形波導的軸線配置。
在喇叭形波導5中，電磁波是以同軸波的形式圍繞功率饋送輸入口中的中心O傳播，如圖4所示。因此在電磁波從中心和沿軸線(B-B′)的出口孔22行進的距離L與電磁波沿邊21行進的距離之間有一個相位差δ。為了補償該相位差，縫隙15系圍繞中心O沿同軸圓線配置。這樣相位相同的電力可從縫隙輻射出來。
在端部側板1處的終端電阻器6吸收著波導W中的其余能量。
參看圖7a，這是本發明第二個實施例的示意圖。喇叭形波導5的出口有一個絕緣材料制成的透鏡天線19a。透鏡天線的俯視圖呈半圓形，因而可以補償電磁波的相位差。本實施例的工作情況和效果與第一個實施例一樣。
圖7b中所示的喇叭形波導5有一個由多個金屬板制成的透鏡天線19b，圖8的喇叭形波導5則有一個呈波紋金屬板形式的慢波器件13。有了這種裝置，通過等相位部分的一個平面變得平直。因此縫隙15可以平行配置，如圖9所示。
圖5顯示了圖1中所示第一實施例天線的功率密度分布情況。功率密度朝端部側板1方向減少，這是因為功率從縫隙15輻射出來的緣故，從而使天線的增益減小。圖10中所示的第三個實施例是想使功率發射得均勻。不帶縫隙的導板4向導板3傾斜以便使波導中空間S的寬度朝側板1的方向變小。這樣功率就大致上均勻分布，如圖11所示，從而提高了天線的增益。
參看圖6。虛線D表示電場在橫向平面中的分布情況，在該橫向平面中電力朝邊7和8減小。圖12和14中所示作為第四個實施例的各波導具有一V形導板4，圖13、15和16中所示的各波導則具有圓導板4，因而可以使電場的分布一致。
在圖17a的第五個實施例中，在波導W中毗鄰側板7和8處設有一對金屬板18。各板18系固定到板4上，在板3之間形成一個間隙，使它起堵塞波導的作用，使阻抗達到適當值。這樣可以使電場的分布一致，如圖17b所示。
圖18a中所示第六個實施例的波導有一個具有許多縫隙和孔16的中間金屬板17。調整圖18b所示的各孔的形狀和密度即可使空間S和電場中的功率密度均勻分布。
在圖19中所示的第七個實施例中，在端板1上設了一個匹配構件11，而不是象第一個實施例那樣設的是終端電阻器6。撞擊著匹配構件的電磁波經反射加到從各縫隙發射出來的電磁波，從而使功率的分布均勻。
圖20中所示第八個實施例的波導有一個由波紋板制成或絕緣材料制成的慢波器件13。通過控制電磁波的相位常數，有可能調節輻射的方向和功率密度，從而改進天線的方向性和增益。
圖21中所示作為第九個實施例的天線，其矩形波導W系疊加到喇叭形波導5上使結構變得緊湊。導板4縮短了，因而喇叭形波導5的口22與矩形波導W的口2相連接，從而形成U形接頭。圖22和23分別顯示了該U形接頭。在各接頭中，在各角上設有傾斜的引導構件12，因而使電磁波轉180度而不致反射，從而有效地將功率輻射出去。
圖24是圖21的天線的一個修改方案。天線在U形連接處有一個拋物面反射鏡23。電磁波通過拋物面反射鏡的反射，相位差得補償從而形成扁平的等相位波平面。這樣縫隙15可以平行配置。
圖25顯示各縫隙以等于波長λ0的間距配置的情況。圖26和27中所示的縫隙15系以半個波長λ0/2的間距形成的，且與波導的軸線成45度角。毗鄰行上的縫隙15彼此反向成90度角。因此方向相同的分量P都彼此相加，從而增強所發射的功率。由于縫隙的密度增加了，因而可以提高孔徑效率，從而提高天線增益。
圖25至27中所示的各縫隙是為達到線性極化而配置的。圖28中所示的縫隙則為圓極化波布局的。
圖29是喇叭形波導5的一個修改方案。該喇叭形波導有一個彎導管14。圖30中所示的喇叭形波導5有一個作為饋線的同軸電纜24。還可以采用諸如脊峰波導管和環耦合之類的其它饋線。
參看圖31a和31b，這是第十個實施例的示意圖，圖中的天線包括一對矩形波導W1、W2和一對喇叭形波導。矩形波導由相對配置的導板31、32、側板33、33a和在其相對邊上具有終端電阻器的隔板37構成，從而形成一對波導空間S1和S2。喇叭形波導包括導板32和34a，形成一對為匹配構件35所隔開的喇叭形波導空間A1和A2。這樣就對稱形成一對天線。具有波導空間A的饋線波導34連接在天線的中心部分，該中心部分通過匹配功率饋送口的對稱分隔與空間A1和A2連通。各具有間隙D的接頭C有一個截面呈半圓形或多角形的側板33a和一個拋物面反射鏡。拋物面反射鏡是通過使一個拋物面沿半圓板33a移動形成的。換句話說，拋物面反射鏡在半圓板33a的每一個橫截面上有一個拋物線。因此拋物面反射鏡與拋物面天線不同，后者是由拋物線旋轉構成的。
在喇叭形波導的空間A1(A2)的電磁波以圓形的形式圍繞O傳播，如圖32所示，具有相位差。電磁波為拋物面反射鏡所反射，因而相位差得到補償，相對于Y軸形成相等的行進距離，如圖33b所示。此外如圖33c所示，電磁波在U形反射鏡上平行反射。相對于Z軸的行進距離于是相等的，因而縫隙31a可以平行配置。
由于在U形反射鏡反射的電磁波通過與空間A1(圖33c)不同的空間S1，因而有可能避免增益因雙反射拋物面天線上產生阻塞而引起的下降。
至于縫隙31a的尺寸，縫隙長度約為半個波長(1/2λ0)，縫隙寬度小于波長。為減小天線的旁瓣(例如0.9λ0到0.5λ0)，各縫隙之間的間距h最好小于一個自由空間波長λ0。但電磁波是不可能從以這樣的間距配置的縫隙發射的。為發射電磁波，在導板32上裝了一個波紋板36作為慢波器件，如圖35所示。通過使電磁波延遲，可以從以小間距配置的各縫隙發射同相位的電磁波。盡管間距h減小了，但縫隙31a的長度約為半個波長。有可能提高縫隙31a現有面積對具有拋物面反射鏡的矩形波導的截面積的比值，從而提高孔徑效率。舉例說，若具有拋物面反射鏡的矩形波導的軸向長度為80厘米，矩形長邊長度為60厘米，間距h為0.8λ0，且電磁波的頻率12千兆赫，則在輻射平面上可設1600個平行縫隙。
參看圖36，這是第十一個實施例的示意圖。單個喇叭形波導有一個接頭C，平行于矩形波導W1和W2配置。接頭C有一個拋物面反射鏡，電磁波是從波導W1和W2之間的中心部分饋送的。因此終端電阻器37設在天線的相對的兩端。圖37和38是第十一個實施例的修改方案，其中各接頭C垂直于矩形波導配置。
圖39是圖31a和31b的第十個實施例的一個修改方案。同軸電纜38在各喇叭形波導之間的中心部分連接到天線上，用以將電磁波通過功率饋送輸入口發射到喇叭形波導空間A1和A2中。
圖40至43是縫隙31a的配置方式示意圖。圖40的天線是為發射線性極化波而提供的，圖41的天線則為發射圓極化波而提供的。在圖42所示的天線中，由一條線所環繞的四個縫隙是發射線性極化波用的一個單元，多個單元則沿行和列配置。
盡管本發明是結合一些最佳的具體實施例進行敘述的，但應該理解的是，上面的敘述僅僅是舉例說明而已，沒有限制本發明在下面的權利要求書中所規定的范圍的意思。
權利要求
1.一種縫隙天線，其特征在于，該天線包括一矩形波導，具有形成矩形波導空間的一些金屬板；一喇叭形波導，與矩形波導連接，從而使其中的一個喇叭形波導空間與矩形波導空間連通，且在其一端具有一功率饋送輸入口；所述矩形波導的其中一個金屬板上有多個電磁波發射縫隙。
2.如權利要求1所述的縫隙天線，其特征在于，所述矩形波導的一個端板上有一個終端電阻器。
3.如權利要求1所述的縫隙天線，其特征在于，所述矩形波導的一個端板上有一個匹配裝置，用以增強從毗鄰該端板的各縫隙中發射出來的電磁波的功率。
4.如權利要求1所述的縫隙天線，其特征在于，具有縫隙的金屬板對面的金屬板具有慢波裝置，用以延遲所傳播的電磁波。
5.如權利要求1所述的縫隙天線，其特征在于，所述矩形波導空間的寬度在具有縫隙的金屬板與相對的金屬板之間朝端板方向變小。
6.如權利要求1所述的縫隙天線，其特征在于，所述矩形波導具有一對金屬板毗鄰諸側板，各金屬板系固定到具有縫隙的板對過的一個板上，起阻塞矩形波導的作用，使其具有適當的阻抗，從而使電場均勻分布。
7.如權利要求1所述的縫隙天線，其特征在于，所述諸縫隙垂直于矩形波導的軸線配置。
8.如權利要求1所述的縫隙天線，其特征在于，所述矩形波導與喇叭形波導系配置得使兩波導的軸線被配置在一軸向線上。
9.如權利要求1所述的縫隙天線，其特征在于，矩形波導與喇叭形波導彼此重疊。
10.一種縫隙天線，其特征在于，該縫隙天線包括一矩形波導，為若干金屬板所包圍以形成矩形波導空間;一嗽叭形波導，與矩形波導相連接，從而使其中的一喇叭形波導空間與矩形波導空間連通，且在其一端具有一功率饋送輸入口;所述矩形波導的其中一個金屬板上具有多個電磁波發射縫隙;一拋物面反射鏡，設在喇叭形波導空間與矩形波導空間之間，用以將電磁波反射到矩形波導上，從而可使電磁波的等相位平面扁平。
11.如權利要求10所述的縫隙天線，其特征在于，所述矩形波導的端板上有一個終端電阻器。
12.如權利要求10所述的縫隙天線，其特征在于，具有縫隙的金屬板對過的金屬板具有慢波裝置，用以延遲所傳播的電磁波。
全文摘要
一種縫隙天線具有形成矩形波導空間的矩形波導和一與矩形波導相連接從而使其中的一個喇叭形波導空間與矩形波導空間連通的喇叭形波導。矩形波導的其中一個板具有多個電磁波發射縫隙。
文檔編號H01Q21/00GK1031451SQ8810616
公開日1989年3月1日 申請日期1988年8月18日 優先權日1987年8月18日
發明者有村國孝, 田章, 春日博志, 武永文夫 申請人:有村技研株式會社