环形缝隙天线的制作方法

专利名称：环形缝隙天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种环形缝隙天线，更准确地说，涉及采用组合馈电的宽频带和高增益的并可适合于圆极化的定向环形缝隙天线。
在一些先有技术的专利中已公开过缝隙天线阵。例如，美国专利第2，433，924号公开了一种适合于在水平面中提供无方向性发射的天线。
美国专利第2，570，824号公开了一种薄形航空用缝隙天线，它具有百分之几带宽通过多个由空腔谐振器馈电的翼缝装置的缝隙天线。
美国专利第2，589，644号也公开了一种具有多个翼缝并设计成将其结合到飞机上不构成凸出表面的宽带航空天线。因此，象垂直安定面这样的飞机结构构件在安定面的相对两侧配置有被介质材料覆盖的翼缝，并由单一的T形空腔对其馈给，使得每个翼缝的发射图案是与飞机前后方位同相的，而且以水平极化方式发射能量。
美国专利第2，628，311号公开了一种宽带多缝隙天线系统，该系统有多个隔开相对于波长很小距离的隙缝，并由谐振腔馈给以便在天线结构外表面范围内提供基本上均匀的电流公布。该多缝隙天线可以是平面的或筒形的缝隙天线阵。
美国专利第2，981，949号公开了一种主要旨在供航空用的天线，该种天线具有多个中央馈电、径向扩展的波导部分以便从中央径向向外发射能量，使得所述能量可通过环形隙缝漏泄到每个径向扩展波导部分的壁中，从而形成沿水平方向扩张的全向或环形电子束。通过依次地供给相邻扇形波导，可产生扇形电子束并围绕天线的垂直轴在全水平范围内扫描或扫掠。
美国专利第4，647，940号公开了一种平行波导微波天线，该种天线可廉价地进行制作，而且即使暴露于环境也能可靠地工作。该天线由一对间隔开的介质材料板组成，所述介质材料最好是玻璃并用空气、惰性气体或真空(最好是空气)予以隔离，其中一块板有一敷以金属的表面以便提供一接地面，而另一块板有确定一系列波导隙缝或孔径的敷以金属的表面，使其安排并成形为可提供具有所要求特性和参数的偏光束的发射电子束。放置两板的敷金属部分使之相互面对并确定其间的封闭气隙，两板在边缘处进行密封并由中央同轴电缆对其馈给，使得从中央波导引入天线结构的能量在封闭空气介质中以圆形向外扩展，并经由多个隙缝或孔径发射至自由空间。
美国专利第4，633，262号公开了一种在美国专利4，647，940号中所公开的可廉价制作并可靠地在户外使用的电视接收天线，所述TV接收天线是由敷金属表面的第一玻璃板和镀金属电路图案的第二玻璃板组成的，设计用以接收一种例如从全同步地球卫星发出的平面波。设置两玻璃板使它们的敷金属表面相互面对且彼此间隔开从而在电路图案和接地面之间确定一个气隙，并在边缘处加以密封以保护所述敷金属表面不受环境影响。
美国专利第4，825，221号公开了一种介质传输线，用来使从其一个末端部分发射的电磁波通过把介质线的一个末端成形为用以发射呈预定波阵面状态电磁波所需要的外形而发射到周围空间。根据该专利，该介质线末端可有多种外形，包括凸面，凹面，圆锥形末端和扁平末端;并可以使介质线的末端部分备有不同的介电常数从而使从介质末端发射的波形具有某种形状。
尽管有了以上专利所代表的人们为先有技术发展所作的努力，但对有效的宽带的具单向灵敏度的天线的需要依然存在，尤其需要一种具有单一供电装置、可廉价制作并适合于从卫星脉冲转发机接收通信的天线。
本发明提供一种廉价、有效、具有单向灵敏度的宽带缝隙天线。在该天线中，隙缝形成装置形成多个基本上同心并一般地是共面的环形隙缝;以及一个非谐振的天线连接装置，即天线馈给装置把电磁波能量传送到多个环形隙缝和从多个隙缝把电磁波能量传送到天线馈给装置。该天线馈给装置可具有“组合馈电”(“corporate feed”)形式。该天线连接装置构成多个非谐振径向延长的空腔，并使得这些空腔适合于基本上同相地聚合从多个同心环形隙缝处所接收到的电磁能，并在多个同心环形隙缝之间分配电磁能，以供从所述隙缝一般同相地沿着垂直于多个同心环形隙缝的中央隙缝轴发射。天线连接装置的空腔成形装置用一电磁能连接器互连多个环形隙缝。
本发明天线的最佳实施例中，在相邻于至少一或两个基本上同心的环形隙缝的隙缝成形装置装载有多个偏振天线元件，以便提高偏振的均匀性和天线的单向灵敏度。这些偏振器可设置于至少是一或二个同心环形隙缝相邻之隙缝成形装置之上若干分隔开的位置上，并使其围绕它们的周边分布以抑制出入天线的交叉偏振。这种天线元件可以是多个长度小于天线中心工作频率波长二分之一左右的短而细长的导体，并使之支承在一或多个隙缝上方小于天线中必工作频率约四分之一的距离处。为了提供隙缝电磁能一致的偏振，偏振器可以锐角横过所述隙缝。可使天线和天线连接装置适合于送出的接收圆极化方式的电磁辐射。


图1是将本发明的天线分裂开以表示处于通过天线几何中心剖面的透视图。
图1A是图1天线另一实施例的剖面图，图2是本发明另一天线的顶面视图。
图3是图2天线处于通过天线的几何中心或旋转轴平面的剖面图。
图4是图2和3天线传播特性的H-面线性图案，图5是图2和3天线传播特性的E-面线性图案，图6是本发明另一种具有多个偏振器以抑制交叉偏振并提高天线单向传播的天线图例，以及图7是图2和3的圆极化天线阵的自旋线性图案。
图1是例示本发明天线10的简单实施例。如图1所示，本发明的天线包含一个隙缝成形装置11，该装置确定多个(例如，两个)同心且一般为共面的环形隙缝12、13。隙缝12、13的宽度并不是十分严格的，一般小于天线工作带度中心频率波长的四分之一。所述隙缝成形装置包含一般是共面的部分11a、11b和11c，虽然，部分11a、11b和11c，并不一定要精确地处于相同的平面内。图1的实施例中同心环形隙缝12和13之间的径向距离等于构成隙缝装置11的部分11b的宽度。最好，隙缝12和13之间的径向距离在天线10工作频率带宽中心处半个波长与一个波长之间，以便抑制光栅瓣。由下式给出用于光栅瓣抑制的隙缝间的最大距离“d”d=1-12n1+Sinθ·λ]]>式中n＝隙缝数;
θ＝离宽边的射束角度;以及λ＝在所要求频率条件下的波长。
例如，在射束转向宽边(即，θ＝0)情况下，对于四隙缝天线来说，d=1-181+0λ]]>，即，0.875波长。较大的间隔应该不致影响天线的阻抗匹配;然而，光栅瓣将会出现在靠近水平的发射图案中。以后，在此文中凡提到波长和频率时，应该理解为这是指本发明天线的工作带宽中心处的频率。应当注意本发明的天线具备一倍或更多倍频程上的有效的带宽。
天线10还包含一个天线连接装置20用来传送电磁能到多个同心环形隙缝，并传送来自多个同心环形隙缝的电磁能。如图1所不，连接装置20界定多个非谐振径向延展的空腔21和22，并使得这些空腔适合于聚合从同心环形隙缝12和13所接收到的电磁能，并将通过连接装置23供给天线10的电磁能在同心环形隙缝12和13之间分配。正如图文所说明了的，使天线连接装置20适合于聚合来自隙缝12和13的电磁能，供连接装置23一般同相接收，并分配连接装置23所提供的电磁能，使得如图1所表明的，能同相地传播。如图1(以及图1A和3)所示的这种天线馈给装置具有可称之为“组合馈电”的形式。
这样，天线连接装置20提供了一种非谐振空腔成形装置，使连接装置23与隙缝12和13互连。如图1所示，天线连接装置20形成一个位于下部的从连接装置23径向延展到周边环形开孔24的圆形空腔21。上部空腔22是环形的从周边开口24向外径向延展以便端接在外环形隙缝12上。如图1所示，上部空腔22还从周边环形开孔24径向向内收缩并端接在最内层环形隙缝13上。环形功率分配器25可由隙缝成形装置11(参见隙缝成形装置11的部分11b)承载它与上部环形空腔22与下部圆形空腔21之间的周边环形开孔24相邻且位于上部环形空腔22之内。
图1的实施例中，下空腔高度约为二分之一波长，而上空腔高度约为四分之一波长。然而，应该注意，内环形空腔部分22a的高度和外环形空腔部分22b的高度可以如图1A所示是有所不同的。例如，通过使周边环形开孔24与最内部环形隙缝13之间内环形空腔部分22a的高度小于周边环形开孔24与外环形隙缝12之间外空腔部分22b的高度，如图1A所示，可由天线连接装置分配电磁能，从而在围绕最内部隙缝13的周边以及围绕最外部环形隙缝12的周边都有均匀一致的能量密度。
应该理解连接装置23可以是采用任何已知技术的连接器，例如，连接装置23可以是一种通到下空腔21的波导，最好如图1所示，在天线10的中央部位同轴地通到下空腔21。连接装置23如图3所示可以是放置于天线连接装置20中央的多个相控的直接电源馈路。连接装置23可以而且最好是适合于传送和接收圆极化方式的电磁能。天线10的天线连接装置20还最好是以横向磁场(TEM)模式进行工作的。
图2和图3表示本发明天线的另一种实施例30。图2和图3的天线30提供确定四个隙缝32、33、34和35的隙缝成形装置31。在图2和图3的实施例中，借助于如上述计算出的径向距离可使隙缝32-35中的每一隙缝与相邻隙缝分隔开。如图2和3所示，例如，部分31a、31b和31c中每一个具有的径向宽度等于二分之一波长左右，隙缝成形装置31的部分31d的直径等于二分之一波长左右。
天线30的天线连接装置40确定多个孔腔41、42、43和44。空腔41-44的每一个径向延展在天线连接装置之内，并适合于在天线连接装置之内基本上同相地聚合从多个同心环形隙缝处所接收到的电磁能，并按如下这种方式分配在多个环形隙缝之间向外发射的电磁能，即，使其沿着垂直于多个环形隙缝面的中心轴一般同相地经多个环形隙缝进行传播。
如图3所示，多个径向延展的空腔包含一个从连接装置47径向延展并端接在与环形空腔42沟通的周边环形开孔48的下圆形空腔41。如图3所示，环形空腔42包含一个从周边环形开孔48延展并端接在内环形开孔49的内环形空腔部分42a。环形空腔42还包含一个从周边环形开孔48延展到环形外开孔50的外环形空腔部分426。如图3所示，内环形开孔49与内环形空腔连通，而外环形开孔50则与外环形孔腔43连通。穿过居中的空腔部分，电磁能就这样在连接装置47与多个环形隙缝32、33、34和35之间流动。当其在多个同心环形隙缝32、33、34和35与连接装置47之间流动时，出入隙缝32和33的电磁能穿过外环形空腔43并在外环形开孔50进行同相分流或聚合。出入同心环形隙缝34和35的电磁能穿过内环形空腔44并在内环形开孔49进行同相分流或聚合。出入环形隙缝32和33的复合能量穿过外环形空腔部分42b传输到周边环形开孔48，而出入隙缝34和35的复合能量则穿过内环形空腔部分42a传输到周边环形开孔48。出入隙缝32、33、34和35的电磁能在周边环形开孔48同相进行分流或聚合并穿过空腔41到连接装置47。空腔41-44为非谐振的。
如图3所示，天线连接装置可备有多个分别邻近于周边环形开孔48，内环形开孔49，以及外环形开孔50的环形功率分配器51、52和52;以便分别在空腔42、43和44之内在开孔48、49和50帮助电磁能的分配。
在某些实施例中，下圆形空腔41的高度约为二分之一波长。环形空腔42的高度约为四分之一波长，而外环形空腔43和内环形空腔44的高度则约为八分之一波长。如上所述，可将每一环形空腔42、43和44的内、外环形部分的高度加以调整，从而使其按如下这种方式来分配隙缝32、33、34和35之中的能量，即，使围绕所有隙缝周边的能量密度基本上相等。可调整相应空腔的高度使隙缝之间以及围绕各环形隙缝获得要求的其它形式的功率密度分配，例如，提供低旁瓣的分配。
如图3所示，连接装置47含有多个处在空腔41之内中心位置的同轴连接器，可按某一相位关系驱动构成连接装置47的连接器47a和47b，以便在隙缝32、33、34和35的周边提供一般为同相的电磁能。此外，可驱动连接装置47以便为圆极化方式从天线发射电磁能，并可接收圆极化的电磁能。
图2和3的天线是一种有效的，基本上单向的天线。图4表示连接装置47按TEM模式驱动的图2和3的天线的典型H-面线性图案;而图5则表示所述天线的相应典型E-面线性图案。正如图4和5所显示出的那样，所述天线具有显著单向特性。图4和5的零度轴相当于通过天线中央且垂直于隙缝32、33、34和35大致所处平面的轴(即，同心环形隙缝32、33、34和35的中心轴)。
尽管图1-3所示天线能在多个同心环形隙缝的每个周边发射大致为同相的电磁能，并能有效地复合在天线连接装置之内大致为同相接收的能量，但最好为天线配置多个由隙缝成形装置所支承的相邻于多个同心环形隙缝中一个或多个的天线元件，以校正围绕多个环形隙缝周边的微小微振差异，从而抑制交叉偏振能并提高天线的单向灵敏度。如图6所示，在多个部位，例如，至少在两个同心环形隙缝62和63上面和上方，由隙缝成形装置61支承多个天线元件60。多个天线元件围绕两个同心环形隙缝的周边分布，以校正围绕所述隙缝周边的能量极性方面的偏差，从而抑制交叉偏振。这种天线元件可以是长度小于二分之一波长的短而细长的导体。可将这种天线元件安装在高出隙缝小于约四分之一波长距离处。如图6所示，可取各种不同的锐角将这些天线元件60横跨同心环形隙缝62、63进行定位，以实现同心环形隙缝的那些区段处电磁能偏振的校正。
可借助于一些方法廉价地制作本发明的天线。例如，可用廉价的象介质衬底那样的印刷电路板材料，在两面覆以铜箔来构成隙缝成形装置，在一个表面上使其经受光刻以形成多个同心环形隙缝，并在另外表面上定位多个天线元件以校正来自多个同心环形隙缝的能量的偏振，从而抑制交叉偏振并提高所述天线的单向灵敏度。这种衬底上的隙缝可以或可不进行冲孔。该天线连接装置也可用微带技术进行制作，以提供一种耐用的可廉价地制作并能有效接收来自卫星的电磁能的天线，以使之应用于那些费用必须考虑的家用及商业用途。
此外，天线和天线连接装置可由薄金属片冲压成形，可铸型，或可模塑敷以金属，或采用其他这种廉价的制作方法来进行制作。可用这样的制作方法制作一种具有单向灵敏度的宽带缝隙型天线，该种天线含有确定一或多个环形隙缝的隙缝成形装置和用来传送出入一或多个环形隙缝的电磁能的环形组合馈电。
例如，图1的天线可用多块导体板材制成，该导体板材可以是廉价的比如象马口铁这样的金属片。如图1所示，天线的这种实施例可包括一圆形金属接地面26，该接地面有一个底座26a和一个延展部分包括隙缝成形装置11的部分11a，一个台阶26b，以及倾斜侧壁部分26c和26d。第一圆形金属板27可平行于接地面并与接地面的26a间隔开方式进行设置，以便形成一个周边环形开孔24作为第一圆板27的周边与延展部分11a之间的环形馈给隙缝。第一圆板27可在它的中央设置有一升高部分以形成隙缝成形装置11的部分11c。可以平行于第一圆板27和所述圆形接地板的台阶部分26b并以与两者间隔开的方式设置第二环形金属板11b。如图1所示，第二环形板11b的内周边边缘和第一圆板27的升高部分11c可形成内环形隙缝13，而第二环形隙缝11b的外周边边缘的延展部分11a可形成外环形隙缝12。
虽然以上示出并描述了当前最佳的实施例，但对于熟悉本行技术的人应当懂得，在不违背以下权利要求书的精神和范围的条件下是可以作出另外实施例的。
权利要求
1.一种具有单向灵敏度的宽带缝隙型天线，其特征在于它包含确定多个基本上同心且共面的环形隙缝的隙缝成形装置，用来传送出入多个同心环形隙缝的电磁能的天线连接装置，所述天线连接装置确定多个沿径向延展的空腔，这些空腔适合于基本上同相地聚合从所述多个同心环形隙缝处所接收到的电磁能，并在所述同心环形隙缝之间分配电磁能以供从所述隙缝一般同相地沿着垂直于多个环形隙缝面的中央轴发射之用。
2.权利要求1的天线，其特征在于天线连接装置的空腔为非谐振的。
3.权利要求2的天线，其特征在于频率带宽为一倍频程或更多。
4.权利要求1的天线，其特征在于功率分配器是安置在所述径向延展各空腔之间的，以便协助在它们之间电磁能的聚合和分配。
5.权利要求1的天线，其特征在于使所述天线连接装置的多个空腔借助于在多个空腔中的不等功率分配从而使围绕多个基本同心的环形隙缝周边的电磁能量密度均匀一致。
6.权利要求1的天线，其特征在于所述径向延展的空腔的各部分具有不同的高度。
7.权利要求1的天线，其特征在于所述天线连接装置以TEM模式工作。
8.权利要求1的天线，其特征在于借助微带制作方法构成所述隙缝成形装置和所述多个天线元件。
9.权利要求1的天线，其特征在于借助微带制作装置构成所述天线连接装置。
10.权利要求1的天线，其特征在于所述天线连接装置适合于以圆极化方式发送和接收电磁能到所述多个同心环形隙缝。
11.权利要求1的天线，其特征在于由如下公式确定多个环形隙缝中每一个相邻对之间的距离d=1-12n1+Sinθ·λ]]>式中n等于隙缝数;θ等于离宽边的射束角度;以及λ等于在天线工作带宽中心的波长。
全文摘要
一种具有单向灵敏度的、廉价、有效的宽带缝隙型天线包括确定多个基本上同心和一般共面的环形隙缝的隙缝成型装置，以及用来传送出入多个环形隙缝的电磁能的非谐振天线连接装置。该天线连接装置构成多个非谐振径向延展的空腔。该天线还可包含多个由隙缝成型装置在邻近至少一或两个基本上同心环形隙缝支承的偏振天线元件以提高天线的单向灵敏度。可由隙缝成型装置支持多个起偏器，使其围绕它们的周边指向并分布在各部位，以校正极性变化从而抑制天线的交叉偏振。
文档编号H01Q13/18GK1049071SQ9010489
公开日1991年2月6日 申请日期1990年7月23日 优先权日1989年7月24日
发明者罗伯特·E·芒森, 米歇尔·W·施内特泽 申请人:鲍尔公司