专利名称：天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种天线，特别是涉及一种能改善天线增益与频宽，并调制天线辐射方向的天线。
天线应用在通讯方面，主要是当作一接收与发射信号用的系统，从日常生活中的电视机、收音机的接收信号，传呼机、行动电话的信号传送，乃至卫星通讯系统的应用，随着个人通讯(personal communication)时代的来临，诸如八木天线或一般的鞭形、碟形天线，在电子科技一日千哩，无线电通讯系统无远弗届的强大功能，不仅能促进社会经济发展，更能清楚展现一个国家国力强弱的指标，因此，各国无不在这一方面投入相当大的人力与财力，期能取得这领域技术的领导地位。
目前，在市面上天线的应用种类繁多，且各具有不同特色，如
图1所示是以往的八木天线1，该八木天线1包含有一激励元件12，一设置於该激励元件12前的导射元件14，以及一设置在该激励元件12后的反射元件16等构件；其中，通过由电感作用及馈自发射源输出的激励元件12的藕合作用，而使射频能指向空间作单向辐射，该八木天线1的指向场性，虽然通过调解导射元件14及反射元件16长度，及与激励元件12间的间隔调整而获至较佳指向性及高增益，然而，八木天线1的体积太过庞大，在科技急剧进展、电子通讯元件普遍缩小化的今天，实已不符需求。
对行动式(mobile)通讯系统的要求，一般而言，包含了重量轻、体积小、收讯清晰、模块化的设计；用以增加天线的机动性与对整个通讯系统的设计、制作与维修提高其方便性。微带(或槽孔)天线是少数几种天线中能满足上述需求的一种良好设计。
微带(或槽孔)天线因其结构简单，可附着在任何物体表面而不影响外观。同时，可以直接和其他电路元件制作在同一单晶微波集成电路(MMIC)上，迎接个人行动通讯时代来临，微带(或槽孔)天线的研究有其价值性与必要性。以下兹就微带天线说明。微带天线2的结构如图2所示，包含有一基底21，一设置在该基底21上的微带片22，以及一连接在微带片22与基底21底部间的信号传输线24等构件；其中，信号满足电磁场的共振条件时，经由微带片22发射(或接收)电磁波，达到交互通讯的目的；此类天线2虽具有非常多的优点但频宽太窄仅约1-2％，加上低增益的缺点，使其在实际应用上受到严重的限制，因而促使天线设计人员朝向阵列微带天线的方向努力以期能有所改善。
另外，目前世界各国使用的KA以下的频段做为卫星通讯的频段已日渐饱和，急需开发新的使用频段。KA频段为微波中较高的频段，频率范围由18GHz至40GHz。“中华卫星一号”计画中的“通讯实验酬载”所采用的频段亦为KA频段。KA频段微带阵列天线除了应用于卫星通讯外，亦可应用都会区中大楼与大楼之间的数据传输，可免去铺设一些不必要的光纤或电缆；且由于采用KA频段的通讯频率，可避免与现有的微波通讯系统互相干扰。
由上所述可知，现有各类天线，一般而言，具有下列缺点一.高增益天线体积太大。
二.微带天线频宽太窄增益较低。
三.天线一旦架定，辐射方向无法调制。
四.很难作模块化的设计，尤其操作频段，就单一天线而言无法作大幅改变。
本发明的主要目的在于提供一种改进的天线，它能有效地改善天线增益与频宽，并能调制天线的方向。
本发明的目的是这样实现的一种天线，其主要包含有一基底，一设置在基底上的微带片，以及两端点分别连接该微带片与基底的信号传输线；其中，该基底是一均匀介电材料；其特点是在所述的该基底上形成一周期性结构的光栅，信号经由信号传输线在基底的光栅与微带片间满足共振条件时，经由该微带片发射(或接收)电磁波；电磁波经光栅的调制作用，形成一特定阶的绕射现象。
在上述的天线中，其中，所述的该基底上形成复数个光栅向量，以调制形成多束不同能量密度与特定方向的电磁波。
在上述的天线中，其中，所述的该基底上放置的微带片是在基底上形成的一槽孔。
本发明由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比具有以下的优点和积极效果
一.高增益或宽频的微带天线光栅可运用在各种天线系统，因其周期性结构在满足布拉格条件下，能使所有电磁波能量汇聚，减少旁侧辐射因而产生高增益的效用；而当使用复光栅时可得到宽频的微带天线。
二.高频的操作频段调整光栅的介电系数振辐或周期将使天线的共振频率大为提高，若并用陶瓷材料作为微带天线的基底，操作频率将可超过100GHz以上，并可大幅缩小微带天线的尺寸。
三.避免电磁干扰由于光栅本身即具有滤波(filter)的作用，控制光栅向量与光栅周期可有效的避免通讯系统与系统间以及各元件间或外界的电磁干扰。
四.可减少天线方向受限因素复光栅向量，形成多束不同能量密度与特定方向的电磁波，可以接收及发射多角度的信号，而减少天线受到方向的限制。
五.弹性与模块化的运用调制光栅无论是通过由蚀刻、植入、直接利用晶体或使用压电材料经由声波来构成，都可以单独视为一个元件；在基底与微带片的间可直接抽换以适应各种不同的运用，并形成不同的共振条件，操作于不同的频段，有利于天线弹性与模块化的运用。
通过以下对本发明天线的若干实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为图1是现有技术八木天线的结构示意图。
图2是现有技术微带天线的结构示意图。
图3是依据本发明提出的天线的一实施例的结构示意图。
图4是依据本发明提出的天线的一实施例在满足布拉格(BRAGG)条件下，一电磁波以入射角θ通过光栅的结构示意图。
图5是依据本发明提出的天线的一实施例的基底上构成双光栅结构示意图。
图6是依据本发明提出的天线的另一实施例的结构示意图。
首先，请参见图3，这是本发明的一较佳实施例示意图，如图所示，本实施例的天线3主要包括有一基底31，一设置在基底31上的微带片32，以及两端点分别连接在微带片32与基底31的信号传输线34等构件；其中，该基底31是一均匀介电材料，如食盐氯化钠晶体、矽晶体等具有周期性的晶格结构材质；另，该基底31上形成一具有周期性结构的光栅35，该光栅35可蚀刻在该基底31上，或可以全相的方法录制在该基底3l上，或以声波配合压电材料，亦或利用该基底31材料本身的晶格结构特性皆可形成光栅35的调制功能，该基底31上形成的光栅35的调制作用，且在满足布拉格(Bragg)条件下，如图4所示，当一电磁波(图中以箭头甲表示)以入射角θ射入时，该电磁波则经由光栅35的调制作用，使得只有+1阶的绕射波存在，而得到一特定方向绕射的电磁波；当天线在共振情形下，经微带片32表面电流构成电场与磁场的交互效应而发射出电磁波，且通过由图4中调制光栅35向量的倾斜角度与光栅35的排列周期变化，用以调制电磁波，俾达到改善天线的目的。
又，若使用复数个光栅35＇向量时，请参见图5，本发明一较佳实施例的基底上构成双光栅示意图，该基底31＇上的双光栅35＇可分别把天线3＇的主光束分裂为多束具不同能量密度与特定角度的电磁波(图中未显示出)，可以达到不同角度与强度信号的接收与发射。
当然，本实施例的光栅35(或35＇)作用所达到的结果，已说明如上，是经由下列式子推导出而实际应用在图3中。
天线操作频率的决定在天线的设计与制造上非常重要，为了方便说明其理论的推导；在此，空间区可分为自由空间III、调制区间II，以及为保留给气隙或其他的均匀介质的区域I，本发明的操作频率选定在共振频率上其推导如下在共振情形下，由微带片表面电流
与
构成的横向电场可以表示成E→x=x^14π2∫-∞∞∫-∞∞(QxxFx+QxyFy)exp(jkxx+jkyy)dkxdky----(1)]]>E→y=y^14π2∫-∞∞∫-∞∞(QyxFx+QyyFy)exp(jkxx+jkyy)dkxdky----(2)]]>此处FX与FY为
与
的傅氏转换，Qxx，Qxy，Qyx，与Qyy为在z＝d系统的格林函数(Green function)。而自由空间(region III)z方向的电场与磁场可以表示成Uyi(z)=Σmcmw4,imexp(λmz),----(3)]]>H3z(x,y,z)=ΣiDizexp[-jk→3i·(r→-d→)],----(4)]]>式中Ciz，Diz为待定的系数，而k→3i=k3ximx^+k3yiny^+k3ziz^,----(5)]]>k3i的x与y方向分量则由佛罗贵得(Floquet theorem)决定。m与n为模态指数(mode index)，i是调制指数(modulated index)，其间的关系为k3i=k=2πλ,k3xim=k3xim|i=0-iKz,----(6)]]>K3yin＝K3yin|i＝0，
i为正整数。在满足布拉格条件(Bragg condition)情况下，K3xim|i＝0，K3yim|i＝0有
(1亦为整数)的关系。电磁场的切分量则可以从马克斯威尔方程式(Maxwell equations)获得▿×E→3=-jωμ0H→3,----(8)]]>▿×H→3=-jωϵ0E→3,----(9)]]>其中ε0，μ0为真空中的介电常数与介磁常数。若此，第i个模态电磁波的切分量可以表示成(-jωμ0)Hx3+1jωϵ0∂2Hx3∂z2=∂Ez3∂y+1jωϵ0∂2Hz3∂x∂z,----(10-1)]]>(-jωμ0)Hy3+1jωϵ0∂2Hy3∂z2=-∂Ez3∂x+1jωϵ0∂2Hz3∂y∂z,----(10-2)]]>jωϵ0Ex3+1(-jωμ0)∂2Ex3∂z2=∂Hz3∂y+1(-jωμ0)∂2Hz3∂x∂z,----(10-2)]]>jωϵ0Ey3+1(jωμ0)∂2Ey3∂z2=-∂Hz3∂x+1(jωμ0)∂2Ez3∂y∂z,----(10-4)]]>在调制区间的介电常数为ϵ(x,z)=ϵ2+ϵ^cos[K(xsinφ+zcosφ)]),----(11)]]>(11)式可以作傅氏展开为
此时若进行推导波动方程将得到一非线性的结果，一般而言并无形式解。但在佛罗贵得(Floquet)定理的规范下，电磁场可以藉空间谐和场量作傅氏展开，成为E-2(x,y,z)=Σi[Sxi(z)x^+Syi(z)y^+Szi(z)z^]exp[-jσ‾i·r‾],----(13)]]>H→2(x,y,z)=(ϵ0μ0)12Σi[Uxi(z)x^+Uyi(z)y^+Uzi(z)z^]exp[-jσ‾i·r‾],----(14)]]>其中σ→i=kxix^+kyy^-iKzz^.----(15)]]>(13)，(14)两式经由旋度(cure)算符▿×E→2=-jωμ0H→2,----(16)]]>▿×H→2=jωϵ0ϵ(x,z)E→2,----(17)]]>可以导出四个一次耦波方程式dSxi(z)dz=-j{iKzSxi(z)+(kxik)Σpai-p[kyUxp(z)-kxpUyp(z)]+kUyi(z)},----(18-1)]]>dSyi(z)dz=-j{iKzSyi(z)-kUxi(z)+(kyk)Σpai-p[kyUxp(z)-kxpUyp(z)]},----(18-2)]]>dUxi(z)dz=-j{(kxik)[kySxi(z)-kxiSyi(z)]+kΣpϵ^i-pSyp(z)-iKzUxi(z)},----(18-3)]]>dUyi(z)dz=-j{kΣpϵ^i-pSxp(z)-(kyk)[kySxi(z)-kxiSyi(z)]+iKzUyi(z)},----(18-4)]]>其中p＝i-h，ah为ε-1(x，z)第h个。傅氏展开的系数ϵ-1(x,z)=Σhahexp[jhK→·r→],----(19)]]>ah={[(ϵ2ϵ^)2-1]12-(ϵ2ϵ^)}|h|(ϵ22-ϵ^2)12----(20)]]>耦波方程式的解表可用状态方程式表为Sxi(z)=Σmcmw1.imexp(λmz),----(21-1)]]>Syi(z)=Σmcmw2.iimexp(λmz),----(21-2)]]>Uxi(z)=Σmcmw3.imexp(λmz),----(21-3)]]>Uyi(z)=Σmcmw4.imexp(λmz),----(21-4)]]>其中Cm为待定系数，Wn，im(n＝1，2，3，4)及λm分别为特征矩阵A(表波动方程的状态变数)的本徵函数(eigenfunction)与本徵值(eigenvalue)。若定义傅氏转换对如下E‾(kxi,ky,z)=∫-∞∞∫-∞∞E(x,y,z)exp(-jkxix-jkyy)dxdy,----(22)]]>E(x,y,z)=∫-∞∞∫-∞∞E‾(kxi,ky,z)exp(-jkxix-jkyy)dkxidky,----(23)]]>则在傅氏转换定义域中第i个模态的横向场量(region 3)通过Ez3与Hz3可表为E‾3x(z)=-ωμ0kykxi2+ky2H‾3z(z)-kxik3zikxi2+ky2E‾3z(z)----(24-1)]]>E‾3y(z)=-ωμ0kxikxi2+ky2H‾3z(z)-kyk3zikxi2+ky2E‾3z(z)----(24-2)]]>H‾3x(z)=-ωϵ0kykxi2+ky2E‾3z(z)-kxik3zikxi2+ky2H‾3z(z)----(24-3)]]>H‾3y(z)=-ωϵ0kxikxi2+ky2E‾3z(z)-kyk3zikxi2+ky2H‾3z(z)----(24-4)]]>在区间II对横向电磁场取傅氏转换可得E‾x2(z)=ΣiΣmcmw1.imexp(λmz)exp[j(iKzz)]----(25-1)]]>E‾y2(z)=ΣiΣmcmw2.imexp(λmz)exp[j(iKzz)]----(25-2)]]>H‾x2(z)=(ϵ0μ0)12ΣiΣmcmw3.imexp(λmz)exp[j(iKzz)]----(25-3)]]>H‾y2(z)=(ϵ0μ0)12ΣiΣmcmw4.imexp(λmz)exp[j(iKzz)]----(25-4)]]>在z＝0与z＝d处通过电磁场切分量连续条件与不连续条件以及Ex2(z＝0)＝0，Ey2(z＝0)＝0，可得到E‾x2(z)=ΣiΣmcmw1.imexp(σm′z)sin[(σm′′+iKz)z]----(26-1)]]>E‾y2(z)=ΣiΣmcmw2.imexp(σm′z)sin[(σm′′+iKz)z]----(26-2)]]>H‾x2(z)=(ϵ0μ0)12ΣiΣmcmw3.imexp(σm′z)cos[(σm′′+iKz)z]----(26-3)]]>H‾y2(z)=(ϵ0μ0)12ΣiΣmcmw4.imexp(σm′z)cos[(σm′′+iKz)z]----(26-4)]]>若此，第i个模态的待定系数可表为Ciz=Σmcmam[-kyk3ziw2,im-kxik3ziw1,im],----(27-1)]]>Diz=Σmcmam[kxiωμ0w2,im-kyωμ0w1,im],----(27-2)]]>式中am=exp(σm′d)sin[(σm′′+iKz)d],----(27-3)]]>bm=exp(σm′d)cos[(σm′′+iKz)d],----(27-4)]]>σm′=Re(λm),----(27-5)]]>σm′′=Im-(λm),---(27-6)]]>表面电流则为Jxi=Σmcmamkxi2+ky2(ωϵ0kxikyk3zi-kxikyk3ziωμ0)w2,im+amkxi2+ky2(ky2k3ziωμ0+ωϵ0kxi2k3xi)w1,im-(ϵ0μ0)12bmw4,m,----(28-1)]]>Jyi=Σmcm(ϵ0μ0)12w3,imbm+amkxi2+ky2(ωϵ0ky2k3zi+kxi2k3ziωμ0)w2,im+amkxi2+ky2(ωϵ0kxikyk3zi-kxikyk3xiωμ0)w1,im,----(28-2)]]>另因ExiEyim×l=[X]m×m[cm]m×l,----(29-1)]]>JxiJyim×l=[Y]m×m[cm]m×l,----(29-2)]]>[cm]m×l=[Y]m×m-1JxiIyim×l,----(29-3)]]>ExiEyim×l=[X]m×m[Y]m×m-1JxiJyim×l----(29-4)]]>故系统的格林(Green′s function)可表为[Q]m×m=[X]m×m[Y]m×m-1----(30)]]>对维度为a与b的长方形微带，其表面电流分布通过空腔模式磁墙的本征模态(eigenmodes)作为基底表为J→ym(x,y)=sin[sπb(y+b2)]cos[rπa(x+a2)].----(31-1)]]>J→xm(x,y)=sin[pπa(x+b2)]cos[qπb(y+a2)]----(31-2)]]>(31)的傅氏转换为F→(kx,ky)=∫b2b2∫a2a2J→(x,y)exp(-jkxx)exp(-jkyy)dxdy,----(32)]]>Fyn=jr+s4sπkrjbsin(rπ2-kxa2)kx2-(rπa)2sin(sπ2-kyb2)ky2-(sπb)2,----(32-1)]]>Fxn=jp+q4pπkyjasin(pπ2-kxa2)kx2-(pπa)2sin(qπ2-kyb2)ky2-(qπb)2,----(32-2)]]>处理无外接源的共振问题方程式(1)，(2)乃成为处理积分方程式∫-∞∞∫-∞∞(QxxFx+QxyFy)exp(jkxx+jkyy)dkxdky=0,----(33-1)]]>∫-∞∞∫-∞∞(QyxFx+QyyFy)exp(jkxx+jkyy)dkxdky=0,----(33-2)]]>式中Fy=Σn=1NInyFyn(kx,ky),----(33-3)]]>Fx=Σm=1MImxFxm(kx,ky),----(33-4)]]>表示成矩阵的形式为(Zknxx)N*N(Zkmxy)N*M(Zlnyx)M*N(Zlmyy)M*M(Ixn)N*1(Iym)M*1=00,----(34)]]>其中Zknxx=∫-∞∞∫-∞∞Fxk(-kx,-ky)QxxFxn(kx,ky)dkxdky,----(34-1)]]>Zkmxy=∫-∞∞∫-∞∞Fxk(-kx,-ky)QxyFym(kx,ky)dkxdky,----(34-2)]]>Zlnyx=∫-∞∞∫-∞∞Fyl(-kx,-ky)QyxFxn(kx,ky)dkxdky,----(34-3)]]>Zlmyy=∫-∞∞∫-∞∞Fyl(-kx,-ky)QyyFym(kx,ky)dkxdky,----(34-4)]]>k，n＝1，2，...N，l，m＝1，2，...M.欲使第(34)式中待定振辐[I]有非零解则必需det[Z]==0----(35)]]>(35)式给出一个复数频率f＝f′+jf″其中f′即为系统的共振频率。
接着，请参见图6所示，这是本发明的另一较佳实施例，其中，标号4表示槽孔天线，它包含有一基底41，在该基底41上形成一槽孔42，以及两端点分别连接该槽孔42与基底41的信号传输线44等构件；其中，该光栅45所产生的作用与功能均与前述任一实施例相同，故不再详述。
综上所述，本发明天线设置一具有空间周期性结构的光栅，调制电磁波的辐射，由此可产生高增益且得到宽频的效果，可大幅缩小微带天线的尺寸，且可有效避免通讯系统与系统间以及各元件间或外界的电磁干扰，并且减少天线受到方向的限制，且有利于天线弹性与模块化的运用。由此而达到改善天线功能的目的。
权利要求
1.一种天线，其主要包含有一基底，一设置在基底上的微带片，以及两端点分别连接该微带片与基底的信号传输线；其中，该基底是一均匀介电材料；其特征在于在所述的该基底上形成一周期性结构的光栅，信号经由信号传输线在基底的光栅与微带片间满足共振条件时，经由该微带片发射(或接收)电磁波；电磁波经光栅的调制作用，形成一特定阶的绕射现象。
2.依据权利要求1所述的天线，其特征在于所述的该基底上形成复数个光栅向量，以调制形成多束不同能量密度与特定方向的电磁波。
3.依据权利要求1所述的天线，其特征在于所述的该基底上放置的微带片是在基底上形成的一槽孔。
全文摘要
一种天线,其主要包含有一基底,一设置在该基底上的微带片(或槽孔),以及两端点分别连接该微带片(或槽孔)与基底的信号传输线等构件,其中,该基底为一均匀介电材料,其特点是:该天线上设置一由空间周期性结构形成的光栅;信号经由信号传输线在基底、光栅与微带片(或槽孔)间满足共振条件时,经由该微带片(或槽孔)发射(或接收)电磁波;电磁波经光栅的调制作用形成一特定阶的绕射现象,使天线能达成较佳效能。
文档编号H01Q13/08GK1252631SQ9812349
公开日2000年5月10日 申请日期1998年10月26日 优先权日1998年10月26日
发明者程远东, 苏志安 申请人:程远东, 苏志安