CN1106954A - 隙缝耦合馈电的双圆极化横向电磁波型隙缝天线阵 - Google Patents

Abstract

隙缝天线包括相对放置的第一和第二金属板，其 间有一介质层，第一金属板上有水平和垂直辐射元件 阵列，第二金属板上有水平和垂直的耦联槽缝阵列； 第一和第二束形成装置，提供束覆盖的必需的场区。 水平耦联槽缝阵列耦联到第一束形成装置上，垂直耦 联槽缝阵列耦联到第二束形成装置上。隙缝天线发 送和接收线性极化能。天线还包括设置于上金属板 上的极化器，用于在线性极化和圆极化之间转换，允 许天线用单的或双的圆极化能工作。

Description

本发明总的涉及一种隙槽缝天线。特别涉及一种双圆极化双层隙缝天线阵，它能提供具有最佳效率和频带宽度的双圆极化波束。

直接通信***通常用天线进行远距离位置之间的能量发送和接收。近代，天线广泛用于增加用户的数量，许多情况下，要求用小型的能采用极化辐射能工作的宽频带天线。例如，改进的广播***（DBS）通常发展成后代的电缆电视发送。通常，北美直接广播***已发展成发射圆极化（CP）能。这些***要求在远距离电视位置处的低价双圆极化18英吋开口天线，来接吸通过卫星发射机的圆极化信号。

过去，所用的常规反射器天线通过strout和一个相联的安装结构由有效地耦连到喇叭天线（极化器）的反射器典形地构成。这类天线包括卡塞格伦天线，其中，喇叭天线在反射器前边上的焦点位置偏离反射器。而且，这类反射器天线通常占据较大的空间，并且容易受环境破坏。

较小型天线的基本原理已得到发展，包括平板形隙缝天线。一种隙缝天线包括构成两个传播层的双层结构。在历史上的双层隙缝天线包括在一对平行的金属板之间的横向电磁波（TEM）型行波的激励。这类隙缝天线还包括漏过上金属板上形成的辐射槽缝的射频（RF）能量。以形成瞄准射线束。这类隙缝天线通常是有潜在的低造价的相当简单的机械结构。然而，这种常规的隙缝天线受到限制。这些限制包括，为了激励平行金属板之间的单纯TEM型行波，通过常要用单馈电设计或很复杂的复用馈电设计。而所推荐的许多馈电设计方法，在原有的理论中，通常限于单极化（CP或线性的）或包括高度复杂的并具有带较窄频带宽度的低效率。

另一种隙缝天线包括一射线隙缝天线阵，它可以是单层结构，或者是具有沿螺旋图形构成的许多耦合槽缝的双层结构。在已出版的美国专利5175561号中已公开了这种射线隙缝天线的一个例子。这种单层隙缝天线已在日本的直接广播***中采用，而且，通常只能用单极化能工作。也就是说，射线隙缝天线阵只能用右边的或左边的圆极化控制。另一层上的附加馈电可以加到单层射线隙缝天线阵上，以产生双圆极化射束。然而，两束会互相影响，而且，一束的最佳化会损坏另一束。这就是说，假若一个圆极化束是最佳，那么另一个圆极化类将会相应地具有较差的性能。其结果是，射线隙缝天线阵通常不能有效地控制左右两边圆极化的组合，而达到比较满意可接收的频带宽度和性能指标。

但是，可以提供一种小型平板式双圆极化隙缝开线阵，它克服了上述现有技术中存化的缺陷。还可以提供一种双层的隙缝天线，它既可以用右边的圆极化工作，也可以用左边的圆极化工作，而且具有较低的造价和较小的复杂性，而保持高效率和宽的频带宽度，此外，还可以提供这样一种隙缝天线，它具有两个不相互影响的最佳化的圆极化束。

根据本发明的教导，提供一种隙缝天线，它包括相对放置的中间有一介质层的第1和第2金属板。在第1金属板上构成水平和垂直辐射元件阵列。在第2金属板上构成水平和垂直的耦合槽缝阵列。天线还包括一对射束形成装置，每个射束装置耦连到无线电波连接器。水平耦合槽缝阵列有效地耦连到一个射束形成装置，垂直耦合槽阵列有效地耦连到另一射束形成装置上，使RF能可以穿过其间。按照这种排列，隙缝天线可以工作，以发送和接收线性极化能。天线还可以包括一个极化器，它位于上金属板的上面，用于在线性极化与圆极化之间转换，以使天线可用单圆极化能工作，或用双圆极化能工作。

本专业的普通技术人员在阅读了以下的详细说明并参考了附图之后，会了解本发明的其他目的和发明的优点。

图1是按本发明的一个实施例的圆极化隙缝天线阵的透视图;

图2是按本发明构成的具有辐射元件的上金属板的局部顶视图;

图3是按本发明的底金属板视图，板中构成有水平和垂直的耦合槽;

图4按本发明的构成的带状聚焦网络的示意图;

图5是本发明所用的曲折线（Meanderline）极化器板的示意图。

现在参看图1，图中所示的隙缝天线阵10是按本发明的用以控制双圆极化能的隙缝天线阵。下面所述的隙缝天线10最好控制在一对金属板中传播的横向电磁波（TEM）能，并能发送和/或接收右边和左边两个圆极化能。而且，根据这儿所提供的第2实施例，本天线10也可以用线性（即，水平和垂直），极化能工作。

按一个实施例，隙缝天线阵10通常包括一对相对放置的金属板12和16，这对金属板用介质材料14使其相互隔开。介质层14的介电常数最好在4.0左右，对大多数应用而言介常数也可以是2.2。上金属板16通常包括许多按两维阵列排列的垂直和水平辐射元件（槽缝），而下金属板12有许多在板中构成的水平和垂直的耦联槽缝。按这种双层天线结构，金属板允许横向电磁波（TEM）型行波在金属板之间激励。其结果是，具有水平和垂直分量的线性极化的射频（RF）能可以穿透适当的辐射元件和耦联槽缝。

特别参看图2，部分上金属板16是用在板中构成的垂直辐射元件34A和34B和水平辐射元件36A和36B表示的。垂直的和水平的辐射元件34和36实质上是很细的槽缝，这些槽缝伸过上金属板16，并以平行对构成。每对垂直辐射元件34A和34B在两个辐射元件之间最好有一个垂直位差，构成每个相应的辐射元件对。位差的距离等于约四分之一波长（1/4λg），其中的波长λg是在金属板12和16之间传播的TEM波的波长。同样，每对水平辐射元件36A和36B最好有一水平位差，该位差等于TEM波能的四分之一波长（（1/4λg）。

相邻的垂直辐射元件36A和36B对之间最好隔开约一个工作的TEM能的波长λg的距离，同样，相邻的水平辐射元件36A和36B对之间彼此也隔开约一个波长λg的距离。按图2所示的辐射元件的排列，线性极化能能够有效地穿过辐射元件34和36。在运行中，水平极化分量通过垂直辐射元件34A和34B穿过金属板16，而线性极化能的垂直极化分量通过水平辐射元件36A和36B穿过。

每对辐射元件34和36最好设计成其长度与其他辐射元件对的长度不同。这是因为辐射元件34和36的长度设计，使能辐射或接收均匀的能量幅度，以提供最大的天线孔径效率。垂直辐射元件34A和34B较紧地贴近下金属板12上的相应的垂直耦联槽缝，接收较多的能量，并具有较短的长度而相距较远的辐射元件具有较长的长度，以补偿相应的低能量。水平辐射元件36A和36B同样有相同的尺寸变化。而且，垂直辐射元件34A和34B阵列能实质上设计成与水平辐射元件36A和36B无关并使其最佳化。

底金属板12示于图3中，具有垂直的NX1矩形耦联槽缝40阵列和在板中构成的水平NX1矩形耦联槽缝42阵列。垂直的和水平的耦联槽缝40和42阵列相互垂直排列。垂直和水平的耦联槽缝40和42工作，以便分别把各自的水平和垂直极化能，激励到带状聚焦网络28A和28B上，或从这里接收能。带状线聚焦网络28A和28B位于下金属板12的下面，并由此用介质层26A或26B隔开。每个聚焦网络28A和28B在其底面有泡沫层30A和30B。在泡沫层30A和30B的底面设置导电接地板，由聚焦网络28A和28B构成带状线路。

图4中给出了一个聚焦网络28A的详细说明。聚焦网络28A由带状线电路图形44构成，电路图形44具有跨过部分垂直耦联槽缝40延伸的指状图形。在信号接收中，能量辐射跨过垂直耦联槽缝40，并激励电流到带状线电路图形44上。电路图形44上的电流沿着聚焦网络28A馈入输入/输出部分48A，再依次耦合给无线电收发机46或其他电子装置。在收送过程中，带状线电路图形44上感应出的电流其依次激励辐射能到耦联槽缝40上。把聚焦网络28A设计成能在天线10上提供所希望的射束图形，设计指标可以包括适当选择遍及带带条状线电路图形44的阻抗，以控制跨过相应的耦联槽缝40所激励的信号幅度。另一个聚焦网络28B与图4中所示的聚焦网络28A相同，但除下述情况之外，即聚焦网络28B与聚焦网络28A的垂直，并耦联到水平的耦联槽缝42。对于双极化工作，有两个输入/输出部分。它包括连接到第一聚焦网络28A的第一部分48A，和连接到第二聚焦网络28B的第二部分（未画出）。

而且，隙缝天线10还包括一对曲折线（Meanderline）极化器片20和24，它们位于上金属板16的上面并由泡沫片18隔开。泡沫片22近位于上下极化器片20和24之间，使上下极化器片20和24之间隔开一定距离。每个曲折线（Meanderline）极化器片20和24是使用45度角取向的四分之一波印刷电路图形的常规极化器，给垂直的电场线性分量提供电抗负载。而且，每个极化器片20和24在两个正交的电场之间引起不同的电相位漂移，因此，两个极化器20和24组全在一起，提供正交的输入波一个90度相位差，使线性极化能与圆极化能之间转换。因而，当能量通过极化器片20和24时圆极化能转换成线性极34，而线性极化能同样转换成圆极化。

按本发明的一个实施例，在工作中，可以用隙缝天线10发送和/或接收双圆极化能。接收时，辐射能穿造上下曲折线（Meanderline）极化器片24和20。具有相应的圆极化的能量转换成具有水平极化分量或垂直极化分量的线性极化能。转换后的线性极化能射向上金属板16。上金属板16中的垂直辐射元件34A和34B允许线性极化能的水平分量以第一级线性极化瞄准束的形式透过。同样，在金属板16中的水平辐射件36A和36B工作，允许线性极化能的垂直分量以第二组线性极化的瞄准束形式透过。

两组瞄准束相互无关，并主要在下金属板12和上金属板16之间转播。然后瞄准束的RF能量由水平和垂直耦联槽缝40和42馈入聚焦网络28A或28B中的一个。例如，跨过垂直耦联槽缝40的RF能把电流激励到与之耦联的带状聚焦网络28A上。然后，所接收到的电流馈给输入/输出部分48A，它依次耦合给无线电收发机46A或其它电子无线电波装置。

隙缝天线10可以同样工作，以发送具有相关的圆极化的辐射能，在运行中，电流供给输入/输出部分48A，它依次在带状聚焦网络28A上分成许多电流使这些电流沿着带状线电路44A流动。电流依次在与之耦合的每个相关的垂直耦联槽缝40上激励辐射信号，所激励出的能量在上金属板和下金属板16和12之间伟播并透过垂直辐射元件34A和34B。另外的电流加到其他的输入/输出部分（未画出），并同样沿着聚焦网络28B分布，并在水平耦联槽缝42上激盛垂直极化能，然后，所激励出的能透过水平辐射元件36A和36B。然后，垂直和水平极化能穿过一对曲折线（Medanderline）极化器片20和24，以将线性极化转换成圆极化。然后，圆极化能在所选的视野内从隙缝天线10辐射出去。

特别说明隙缝天线阵10在直接广播***（DBS）中的使用，这种直接广播***通常被发展成接收电缆电视广播。按此途径，这儿所述的隙缝天线10是一种结构紧密的小型装置，它的实际大小是18英吋乘18英吋乘11/2英吋。因而，隙缝天线10可以很容易地被用户作为电缆电视接收装置使用，而且可以容易地安装在电视机附道的位置。

结合具有圆极化的能说明了本发明，并特别说明了具于本发明在直接广播***中的应用。本发明远可以应用在包括军事和空间通信天线***的各种其他领域中。这包括按本发明的第二实施例的用线性极化信号工作，为了进行这些说明，可以去掉（Medanderline）曲折线极化器片20和24，以便允许直接发送和接收线性极化能。按照该另一实施例。在工作中从外部源改到的线性极化能的垂直和水平分量直接加到上金属板16，在发送过程中，透些线性分量是从天线10发送的。

根据上述内容，可以认为本发明可以使用户获得能提供双圆极化的隙缝天线。因此，尽管结合特例在这儿公开了本发明，但除了下面的权利要求书中所规定的范围之外，本发明不受任何限制。这是因为本专业的技术人员研究了说明书和附图之后会发现，还可以做出不脱离本发明精神的其它改进。

Claims (17)

1、一种隙缝天线，包括：

相对放置并彼此隔开的第一种第二金属板；

束形成装置，以提供预定的视野；

耦联到束形成装置上的无线电波连接装置；

在所述的第一金属板中构成的辐射元件阵列和

在所述的第二金属板中构成的，并有效地耦联到所述束形成装置上的耦联槽缝阵列。

2、按权利要求1的天线，还包括极化转换装置，所述装置位于所述金属板上面，用于在线性极化和圆极化之间转换能量。

3、按权利要求2的天线，其中所述的极化装置包括一对相对放置的位于所述金属板上面的曲折线（Meanderline）极化器片。

4、按权利要求1的天线，其中所述的耦联槽缝阵列包括：

第一水平耦联槽缝阵列的和

第二垂直耦联槽缝阵列。

5、按权利要求4的天线，其中所述的束形成装置包括：

有效地耦联到和第一水平耦联槽缝阵列上的第一聚焦网络的和

有效地耦联到第二垂直耦联槽缝阵列上的第二聚束网络。

6、按权利要求5的天线，其中每个所述的第一和第二聚焦网络包括带状线电路。

7、按权利要求4的天线，其中所述的耦联槽缝的第一和第二阵列每个都包括一个一维的矩形槽缝阵列，这些矩形槽用介质层与所述的束形成装置分隔开。

8、按权利要求1的天线，还包括位于所述第一和第二金属板之间的第一介质层。

9、按权利要求1的天线，其中所述的辐射元件在水平和垂直阵列中形成。

10、按权利要求9的天线，其中，由许多对形成所述的辐射元件，并对其长度选择，使其能实质上通过这儿有最佳的能量发送。

11、一种双圆极化隙缝开线，包括：

第一和第二相对放置彼此由介质层隔开的金属板，它允许横向电磁能在金属板之间传播;

构成在所述第一金属板中的水平和垂直辐射元件阵列;

提供预定视野的束形成装置;

无线电波连接装置，它耦联到所述的束形成装置上，具有波道垂直极化能的第一部分和波道水平极化能的第二部分;

构成在所述第二金属板中的第一水平耦联槽缝阵列，并有效地耦联到所述束形成装置上，并与所述水平辐射元件相配合，因此，垂直极化能可以通过所述的水平辐射元件和耦联槽缝;

构成在所述第二金属板中的第二垂直耦联槽缝阵列，它有效地耦联到所述束形成装置上。并与所述的垂直辐射元件配合，因此，水平极化能可以通过所述的垂直辐射元件和耦联槽缝;和

位于所述金属板上面的，用于将辐射能在线性极化和圆极化之间转换的极化转换装置。

12、按权利要求11的天线，其中所述极化装置包括一对相对设置的位于所述金属板上面的曲折线（Meanderline）极化器片。

13、按权利要求11的天线，其中所述的构成装置的束包括：

耦联到所述第一水平耦联槽缝阵列上的第一聚焦网络;和

耦联到所述第二垂直耦联槽缝阵列上的第二聚焦网络。

14、按权利要求13的天线，其中所述的第一和第二聚焦网络包括介带状线电路。

15、按权利要求11的天线，其中所述的第一和第二耦联槽缝阵列，每个都包括馈送所述束形成装置的矩形槽的一维阵列。

16、按权利要求11的天线，其中所述的辐射件构成许多对，对其长度选择，使其能提供通过此处的实质上最佳的能量发送。

17、一种接收圆极化能的方法，包括：

接收圆极化辐射能;

通过一对曲折线（Meanderline）极化器片发送所述的圆极化辐射能，以便将所述的圆极化转换成线性极化。

所述的线性极化辐射能穿过构成有垂直和水平辐射元件的第一金属板，以便允许线性极化的水平和垂直分量极化通过;

在构成有垂直和水平耦联槽缝的所述第一金属板和第二金属板之间辐射所述的垂直和水平极化分量;

从所述的水平耦联槽缝在第一聚焦网络上激励电流;

从所述的垂直耦联槽缝在第二聚焦网络上激励电流的和

汇集每个聚焦网络上的每个相关电流提供水平极化的接收信号和垂直极化的接收信号。

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