专利名称：横向电场型电磁波用的扁平缝隙天线阵的制作方法
技术领域：
本发明涉及横向电场型电磁波(TEmodewave)用的扁平缝隙天线阵，供通信、广播等之用。
参看
图19，雷达系统普通缝隙天线阵的缝隙b是在波导a的侧板上形成。馈送波导上的电磁波从各缝隙辐射出去。波导宽度x和高度y的比值x∶y约为2∶1。
在横向电场型电磁波用的要求大增益的波导中，多个波导是平行设置的。
但在这类缝隙天线阵中，波导的结构变得复杂。由于各波导的内表面面积增加了，因而传播损耗增加了，波导的重量也增加了。
本发明的目的是提供一种横向电场型电磁波用的波导的结构简单、天线增益提高了的扁平缝隙天线阵。
本发明提供的横向电场型电磁波用的扁平缝隙天线阵包括一对彼此间隔一段距离对置着的金属板，形成具有一功率馈送口的波导空间，各金属板大致上呈长方形，其中一个金属板具有多个排列成多个纵行和横行的功率辐射缝隙，各行形成宽边阵列的馈电装置，以便在功率馈送口形成扁平的等相波平面，这样的功率馈送装置所提供的功率就以横向电场的形式在波导空间中传播，并从各缝隙辐射出去。
在本发明的一个方面中，波导在各金属板之间还设有隔板。
波导空间中可以设置一个隔板使其占据整个波导空间。
另一方面，天线的波导空间中还配置有一慢波装置。
金属板的宽度可以在横向电场型电磁波波长的10倍和80倍之间的范围，金属板的长度可以在波长的10倍和60倍之间的范围。
在本发明的天线中，横向电场型电磁波是由一对金属板构成的波导空间中馈送的。横向电场型电磁波系以不变的型式朝前传播，同时激励着垂直于电场的各金属板，并从各缝隙中辐射出去。
从下面参照附图所作的详细说明中可以更清楚地了解本发明的上述和其它目的和特点。
图1是本发明横向电场型电磁波用的扁平缝隙天线阵的透射图。
图2a和2c举例说明了电磁波在普通缝隙天线阵和在本发明的缝隙天线阵中传播的型式。
图3是本发明第二实施例的横向电场型电磁波的扁平天线的部件分解透视图。
图4是第二实施例装配好的扁平天线的透射图。
图5是图4天线经修改后的剖视图。
图6是第三实施例的部分透视图。
图7是第三实施例中配合部分的剖视图。
图8和9是第四实施例不同类型供电装置的正视图。
图10是功率馈送装置的透视图。
图11是设有图8或9的功率馈送装置的天线作为第四实施例第一修改方案的透视图。
图12是作为第四实施例的第二修改方案的天线的透视图。
图13举例说明了电磁波在天线中的传播型式。
图14a和14b举例说明了天线的方向性。
图15是第五实施例的透视图。
图16是第六实施例的透视图。
图17和18示出了天线功率辐射缝隙的排列情况。
图19是普通缝隙天线阵的透视图。
参看图1，这是本发明的第一实施例，图1中，本发明的横向电场型电磁波用的扁平缝隙天线阵包括一矩形波导构件G和一H平面角形体4，波导构件G的一个入口侧开有一个功率馈送口4a，H平面角形体4则在功率馈送口4a处与波导构件G连接。角形体在H平面内呈角形。波导构件G包括对置着的矩形金属板1和2，彼此间隔一段距离配置，形成波导空间S。应固定到各板1(2)的三侧的侧板在本发明中被取消了。在功率馈送口4a处设有绝缘体制成的透镜天线5。透镜天线内侧有一个配合部分8，呈台阶状，长度约λg/4，如图7所示。
H平面中的金属板1具有多个功率辐射缝隙，配置成多个纵行和横行。各纵行中的缝隙1a彼此间隔λg/2，且与波导轴线成45度角。这样，各行形成一宽边阵列。毗邻行的各缝隙彼此反向，从而彼此成90度角。
波导构件的宽度x大于在自由空间中的λ/2。在本实施例中，宽度x大于10λ，长度Z也大于10λ。横向电场型用的宽度X和长度Z其范围分别约在λ/2与300λ之间和λ与300λ之间。对于家用接收卫星广播电磁波和广播台商用的天线来说，宽度X最好在10λ与80λ之间，长度Z最好在10λ与60λ之间。
在本发明的第一实施例中，H平面角形体4中出现的相差由透镜天线5加以补偿，以便在功率馈送口4a处形成扁平的等相波平面，这与平面波一样，且产生坡印廷(Poynting)功率P。这样，电磁波就在波导构件G中馈送，并在波导空间S中传播，保持其波形。
下面谈谈电磁波的传播。参看图2b，从图中可以看到一个普通波导具有一对侧板7形成围绕着波导空间S的壁，TE10型电磁波借电磁波的惯性以不变的型式朝前传播。本发明在图2c所示的天线中，取消了侧壁，TE10型电磁波以普通波导同样的方式型式不变地朝前传播，同时激励着两个垂直于电场的上金属板1和下金属板2。也就是说，迄今被认为是波导型波的电磁波可以在两个金属板之间传播。因此没有发生如图2a所示在平行板波导在TEM(横向电磁场)型波中所经历的那种有用的电磁波从波导空间s各边漏泄掉的现象。
各图中，E本身电力线，M表示磁力线。
图2a、2b和2c只是原理示意图，用以说明电磁波的各种形式，各实际波导的结构极薄，宽度x与高度y的比例约为100∶1。
TE10型电磁波传播时，表面电流1b在图1所示的传播方向上流动，从而使电磁波从沿与表面电流1b相交的方向上排列的缝隙1a辐射出去。由于本实施例中天线的宽度x大，因而波导空间s中的波长λg大致上等于自由空间中的波长λ。此外，缝隙1a系以λg/2的间距排列的，因此可以抑制栅格波瓣(gratinglobe)。为辐射出等相的功率，将缝隙1a按λg/2的间距排列。于是主射束大致上垂直于辐射平面。但射束的倾斜可以通过改变缝隙1a之间的间距任意控制。
在本实施例，鉴于板1(2)的宽度比长度z足够长，因而使板1和2可与H平面角形体4构成一个整体而无需在各板之间使用任何隔板。这一下就可以大大减轻天线的重量。
但如图1所示的那样，可以在适当的位置设置用点划线表示的适当数量的绝缘柱16。
参看图3和4，第二实施例的波导构件G的绝缘体是用泡沫聚乙烯制造的，它还起隔板的作用，插设在金属板1和2之间。长度为λ/2的各个缝隙以波长λg为间距进行配置。在波导构件G处于H平面角形体4对面的端部设有端部寄存器6。相差由透镜天线5补偿，从而形成平面波。表面电流1b在金属板1中流动，以便将电磁波从缝隙1a辐射出去。
本实施例的缝隙1a系按间距λg配置，以便辐射等相的电磁波。为减少栅格波瓣，在空间s中设了绝缘体3，从而使波长λg小于0.95λ(λg≤0.95λ)，实际上在0.6λ与0.95λ之间。因此主射束变得垂直于辐射平面。为控制射束的倾斜，改变缝隙1a的间距。波导构件G中的其余功率在端部寄存器6中被吸收，从而避免了反射功率的影响。其它结构和操作过程与第一实施例相同。
若缝隙1a如第二实施例那样横向排列的波导构件G中不设绝缘体3，则确定各缝隙之间间距的波长λg大致上等于在自由空间的λ。为减少栅格波瓣，将下金属板2制成波纹状，使其形成如图5所示的慢波器。不然也可以在金属板1的自由空间侧设一绝缘罩，作为慢波器。
如所有的功率是从各缝隙辐射出去的，则可以取消端部寄存器6，从而提高天线的效率。
如图4所示的那样，若将透镜天线5的绝缘体与插设在金属板1和2之间的绝缘体3构成一个整体，或使H平面角形体4的上下板分别与金属板1和2构成一个整体，则可以降低制造成本。
在图6所示作为第三实施例的天线中，波导构件G系叠加在H平面角形体4上，从而使结构紧凑起来。金属板2缩短了，因而使角形体4的开口4b连接到波导构件G的开口4a，从而形成U形连接。天线在U形连接处有一抛物线反射器C，在绝缘体3的功率馈送侧设有台阶状配合部分8，如图7所示。配合部分的长度约为λg/4。
抛物线反射器C将电磁波反射，就可以无需透镜天线而可将相差补偿掉，形成扁平的等相波平面。这样缝隙1a就可以平行配置。
配合部分8的特性阻抗Z3系调节得使其满足下式的要求Z3=Z1 · Z2]]>其中Z1和Z2分别为角形体4和波导空间s的特性阻抗。这样各阻抗就匹配起来，从而在波导构件G的入口处就免除反射。本实施例的操作和效果与第二实施例一样。
图8和9示出了本发明第四实施例的功率馈送装置。各功率馈送装置是一个微带线，包括绝缘体衬底9b、与衬底9b的一面紧密接触的分支带9和设在衬底另一侧的接地板10(图10)。带9有一馈送端9a。如图10所示，接地板10具有多个辐射缝隙10a，每个与带9的馈送端9c相对。反射板11在接地板10的对面设有通过空间的隔板(图中未示出)。反射板11与接地板10之间的距离h约为λ/4，这样功率就可在预定方向上从缝隙10a辐射出去。
图11和12示出了设有图8或9所示的功率馈送装置的天线。功率馈送装置系附到天线上，使得缝隙10a连通到波导构件G的功率馈送口4a。图12的天线包括一对毗邻的波导构件G。因而由一对微带线组成的功率馈送装置固定到波导的中间部分。波导构件G的结构与第二实施例的相同。
因此，在本发明的第四实施例中，功率在横向上的分布可以如图13所示的那样统一起来，从而提高了效率。
在这种方式下，电磁波在远处变成面波。鉴于主瓣的零点所处的位置是相位变化且侧瓣以同样的形式产生的位置，因而主功率(mainpower)至少在零点的宽度范围内传播。举例说，当头一个零位角是3°时，功率是以3°的幅度辐射。若半功率射束宽度为±1.5°，则可设置一个侧边以1.5°的角度朝向端部越来越宽的金属板1(2)。但由于传播距离短，功率馈送装置口4a和波导的宽度无需使其变化得太多。
另一方面，为防止电磁波从功率馈送口4a漏泄并为使射束具一定的形状，在毗邻功率馈送口4a的波导构件G中设置一对波导板12。这样，从各缝隙漏出的电磁波就线性传播，从而减少了从波导构件G各边的漏泄。
图14a和14b示出了图12所示的第四实施例的第二修改方案的波导的方向性。从功率馈送装置馈送来的功率被分配到波导构件G的左右。经分配的功率在右和左的方向上对称传播。因此若辐射功率的波长发生变化，左主瓣P1和右主瓣P2如图14b所示的那样对称倾斜。于是合成主瓣P的方向变得垂直于天线表面，这一点是有利的。其它结构与第二实施例相同。
图15示出了本发明具有微带线功率馈送装置的第五实施例。分支带9连接到多个在横向上相对于波导构件G配置的激励极13上。本实施例的操作和效果与第四实施例同。
图16所示的第六实施例具有一横向配置、两边具有多个孔口14的矩形波导15。孔口14的分布和大小系设计得使等相功率以同样的幅度漏泄出来。本实施例的其它结构、操作和效果与第五实施例同。
图17和18示出了缝隙1a的其它排列方式。图17的各缝隙以λg/4的间距排列。缝隙的方向垂直于毗邻缝隙的方向。从一对缝隙辐射出的合成电场逆时针旋转，变成圆形极化波。为使等相波在各行中传播，成对的各缝隙以λg的间距排列。
图18所示的另一种缝隙天线阵辐射出线性的极化波。产生彼此反相的左右极化波，从而使合成波呈线性极化。
从上面所述可知本发明提供这样的一种横向电场型电磁波用的扁平天线，该天线有一个包括一上金属板和一下金属板的波导构件，其中上下板之间被认为是必不可少的侧板被取消了。其中一个具有多个辐射功率用的缝隙的金属板，与其它金属板之间用轻质材料制成的构件使它们保持一定距离，因而使功率以横向电场型电磁波的形式有效地传播开去，从而提高了天线的增益。由于天线的结构简化了，因而实质上降低了其制造成本，减轻了其重量。
尽管本发明是结合其具体的最佳实施例说明的，但应该理解的是，这个说明仅仅是举例说明而已，并不因此而限定本发明的范围，本发明的范围系由下列的权利要求书确定。
权利要求
1.横向电场型电磁波用的一种扁平缝隙天线阵，其特征在于，它包括一对对置的金属板，按一定间距配置，形成具有一功率馈送口的波导空间，各金属板实质上呈长方形；其中一个金属板具有多个成多个纵行和横行排列的功率辐射缝隙，各行形成宽边阵列；功率馈送装置，用以在功率馈送口处形成扁平等相波平面，从而使功率馈送装置所馈送的功率以横向电场的型式在波导空间中传播，并从各缝隙辐射出去。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，它还包括若干隔板，设置在各金属板之间。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，它还包括一隔板，设置在各金属板之间，占据整个波导空间。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的天线，其特征在于，它还包括一慢波装置，配置在波导空间中。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的天线，其特征在于，金属板的宽度在横向电场型电磁波波长的10倍和80倍之间的范围，金属板的长度在波长的10倍和60倍之间的范围。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述装置包括一透镜天线。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述装置包括一抛物线反射器。
全文摘要
将一对对置的金属板按一定间距配置，由此形成一个不带侧板的波导空间。其中一个金属板上形成有多个功率辐射间隙。配备了一个透镜天线以便在波导空间的功率馈送口处形成扁平的等相波平面，从而使功率以横向电场型电磁波的形式在波导空间中传播，并从各缝隙辐射出去。
文档编号H01Q21/06GK1046998SQ9010257
公开日1990年11月14日 申请日期1990年4月28日 优先权日1989年4月28日
发明者有村国孝, 田章, 武永文央, 春日博志 申请人:有村技研株式会社