技术领域本发明涉及用于通信、广播和其他用途的隙缝天线阵。
隙缝天线阵包括在矩形波导的一个波导壁形成的许多隙缝。图21a展示矩形波导中电磁场的分布，图21b展示电流图线。作为在矩形波导中一种电磁波传播模式，在正交座标中衰减最小的(TE10或TE01波)是常用的。假如截止频率是fc，光速是C，波导宽边的长度是a，该波导在fc＝c/2a与fc(20)＝C/a的频率范围间应用;在后一情形下出现另一种较高阶的衰减模式。因此，该宽边的长度a处于a＝λ/1.06与a′＝λ/1.56之间，此处，λ是自由空间波长，而窄边的长度b约为a/2。
通用隙缝天线阵的隙缝是在上述波导的一个波导壁中形成的。如图22所示，每二分之一波长λg/z(λg是波导中的波长)电流的方向反向一次。隙缝的倾斜方向与相应邻接的一个隙缝的倾斜方向相反。这样，从各隙缝辐射的所有的波的合成电场的Z分量都按一个方向取向。而Y分量相位相反，相互抵销。结果，从缝隙中辐射线极化波。x-y面中波束的宽度在16°与20°之间，而在x-z面中波束的宽度则在1°与2°之间，后者和隙缝的数量成比例，因此可做得很窄。
因为水平面中的波束宽度窄而垂直面中波束宽度宽，所以，上述隙缝天线阵的增益是小的。因此，所述天线虽在雷达系统中很有用，但不适宜用作通信、广播和类似用途的天线。
本发明的目的是提供一种具有通信和广播天线用途、结构简单而重量轻的隙缝天线阵。
按照本发明提供一种隙缝天线，它具有包含矩形截面空间和由金属板构成的功率馈送口的一段矩形波导，在所述功率馈送口处连接到矩形波导的功率馈送装置，在该矩形波导的构成所述矩形截面空间的宽边的金属板之一中加工有许多电磁波辐射隙缝。
矩形波导的宽度是所述空间中波长的四倍或更大，矩形波导的高度是所述波长的二分之一或更大，并且，该功率馈送装置具有以平面波形式为所述空间馈送功率的装置。
根据本发明的一个方面，该矩形波导具有在一个端板处的终端电阻，以及慢波装置。所述空间朝着该端板的方向减小。该矩形波导还包括若干相互连接的矩形波导，并且，为把来自功率馈送装置的功率引导到该矩形波导而设置了匹配构件。
本发明的这些和其他目的与特征，通过参照附图和以下详细的说明将会更加明确。
附图说明图1是展示按照本发明的隙缝天线阵的透视图，图2a至2d展示天线电功率辐射隙缝的各种布置图，图3是展示所述天线的空间中功率密度分布的曲线图，图4a和4b是展示天线的辐射方向的图例，图5是展示图1天线的第一种变型的透视图，图6是展示该第一种变型的功率密度分布的曲线图，
图7是展示第二种变型的透视图，图8是展示第三种变型的透视图，图9a和9b是展示天线喇叭波导的透视图，图10是展示本发明的第二实施例的透视图，图11是展示第三实施例的透视图，图12是展示第四实施例的透视图，图13是展示第五实施例的平面图，图14a是展示第六实施例的平面图，图14b是展示第七实施例的平面图，图14c是展示第八实施例的平面图，图15a是展示第一实施例第四种变型的功率馈送装置的前视图，图15b是展示用于第五种变型的功率馈送装置的前视图，图16a是功率馈送装置的透视图，图16b是展示装备图15a的馈电装置的天线的透视图，图16c是展示备有图15b的功率馈送装置的天线的透视图，图17是展示本发明第九实施例的透视图，图18a和18b是展示所述第九实施例天线的方向性的具体说明图例，图19是展示第十实施例的透视图，图20是展示第十一实施例的透视图，图21a是展示天线中电磁场分布的具体说明图例，图21b是展示电流图线的具体说明图例，以及图22是展示通用隙缝天阵的透视图。
参照图1，图上展示本发明的第一实施例，本发明的隙缝天线阵包括矩形波导G，后者具有在其入口侧形成的功率馈送口4和在功率馈送口4连接到矩形波导G的喇叭波导5。矩形波导G包括相对立的矩形金属板1和2，以及紧固到每块板1(2)三个边上的金属侧板3，以构成具有矩形截面的矩形波导空间S。该矩形波导的宽度W是所述空间S中波长λg的四倍(4λg)或更大，长度le是4λg或更大。高度d是波长λg的二分之一(λg/z)或更大。宽度W与高度d之比是5∶1或更大。在E平面中的金属板1上开有许多排列成矩阵的电功率辐射隙缝1a。在矩形波导G的端侧板3的内面设置终端电阻7。喇叭波导5在E平面中具有喇叭形状并在其中有一透镜天线6。该透镜天线6可由电介质或金属单板、或波纹金属板制成。喇叭波导5中，在中心位置轴向地配置隔板5a，用于防止相位扰乱。
在喇叭波导中传播的电功率具有与假想原点共轴的相位波前。在通过透镜天线6时，所述功率转换成平面波。这样，功率是以平面波形式馈送到波导G的，其电场为横向取向的。从缝隙1a辐射同相的功率。矩形波导中剩余的功率被端电阻7所吸收，由此防止反射功率的影响。如果所述波导G是如此设计的，以致于隙缝1a的辐射耗尽了喇叭波导5馈送的功率的话，则不再需要终端电阻7。
可在垂直于电场方向的H平面(即图21a中的x-Z面)中加工隙缝。因为H平面的电流是正弦分布的，所以，隙缝也是正弦分布的。这种分布使电流和功率辐射不规则化，因而天线效率下降。
在本发明的隙缝天线中，在平行于波导G中电场方向的E面上加工隙缝所述电流均匀地流过该平面。因此，均匀地配置隙缝，使得天线、效率得到提高。
图2a至2d展示隙缝1a的各种布置形式。图2a的隙缝按λg/4的距离P1和λg的距离P2排列。一隙缝的方向垂直于一相邻隙缝的方向。从一对隙缝所辐射的电磁波的合成电场形成一种圆极化波。
图2b至2d中示出的其他隙缝天线阵是辐射线极化波的。几十个隙缝排列在各行各列上，所以，增益得以提高并使方向性变锐。例如，倘若宽度W是50cm，长度le是50cm，以及高度d是2cm，则在12GHz时增益大约是35.5dBi。
在上述隙缝布置中，在垂直于金属板1的方向上辐射波束。如果隙缝1a间的距离偏离λg，则如下文参照图4a和4b所描述的，会使波束的方向倾斜。
图3展示第一实施例中波导G的空间S中功率密度的分布曲线。因为隙缝1a向外辐射功率，所以，功率密度朝着终端电阻7的方向减小。从而，所述功率分布是不均匀的，以致天线增益降低。
图5中示出的第一种变型是为均匀地辐射功率的。H平面的高度d按直线或曲线方式向着端电阻7的方向减小。因此，如图6所示，功率基本上是均匀分布的，从而提高了天线的增益。
然而，在这种天线中，高度d必须满足d＞λg/2，以便不会使某一频率截止。此外，在所述空间中的波长λg也要随着高度d而变化(λg＝λ/(1-(λ/2d)2，其中，λ是自由空间中的波长)。因此，需要根据波长λg的变化来设计隙缝间的距离。除以上说明之外，其他的效果与优点与第一实施例相同。
图7展示本发明的第二种变型。E平面的宽度按直线或曲线方式向端头减小，因此，提供基本上均匀分布的辐射功率。由于高度d是常数，波长λg不会变化。这样，就不需要改变隙缝距离，因而便于天线的设计。
因为不允许高度d增加太大，因此，在所述空间S中的波长λg与自由空间中波长相比也变大，从而隙缝距离也变大。除以上说明之外，其他效果和优点与第一实施例相同。
图8中示出的作为第三种变型的天线是为减小隙缝距离的。在空间S中，安装诸如电介质或波纹金属板的慢波装置8。图8中，用泡聚乙烯作为电介质填满空间S。在矩形波导G的空间S中传播的功率的相位常数可由慢波装置8控制，以减小空间S中的波长λg。这样，就可用增大隙缝密度来提高天线的效率。如果波长λg基本上等于波长λ，则光栅瓣就会变大而降低天线的效率。因此，需要把相位常数设计成使波长λg与波长λ不相等。除以上说明之外，其他的效果和优点与第一实施例相同。
图9a展示用作上述天线的功率馈送装置的喇叭波导5。喇叭波导的开口角θ小于30°，以便提供主模波。假如缩短长度L，开口角θ就增大。在开口角θ超过40°时，产生如图9b所示的高阶模式，导致相位扰乱。
图10中示出的第二实施例有防止相位扰乱的喇叭波导。该喇叭波导包括一对并行波导5′和一分支T形馈送波导5c。天线的其他部分在结构方面与第一实施例相同。借助于这样的结构，减小了开口角，使得喇叭波导5′中馈送的功率成为一种实际上的平面波。这样，就可省去透镜天线6，并且，可以防止高阶模式。假如在喇叭波导5′中使用透镜天线6以便使相位波前变平，那么，喇叭波导5′的长度进一步缩短。可将第一至第三种变型用作第二实施例的喇叭波导，以便获得由相应变型产生的效果和优点。
在另一个位置，例如，在馈线波导5c的底面、或顶面、或由点划线示出的内面可安装用于T形馈线波导5c的功率馈送端波导5b。应当指出的是，当从波导5c的顶面或底面馈送功率时，在馈线波导5c中的相位反转。
参照图11，图上展示本发明的第三实施例，在其金属板9上具有功率馈送口9a的波导10作为功率馈送装置装到矩形波导G上。其余结构与第一实施例相同。功率以平面波形式从所述馈送口9a传播到空间S。
开口9a的形状可以是圆形或矩形的。通过改变圆形开口的直径，或改变矩形开口宽边和窄边的长度，或者改变矩形开口的倾角和位置，可以调整矩形波导空间S中的电场和磁场方向。另外，还可以使辐射功率的分布均匀化。除以上说明以外，其余的效果和优点与第一实施例相同。图5、7和8中示出的第一至第三种变型也可以与带有馈送口的波导的功率馈送装置相连接，因此，可获得由相应的变型产生的效果和优点。
图12展示本发明的第四实施例。分支馈线波导5c包括多级波导，后者形成多级发散波导。其余结构与第一实施例相同。也可以将在图5、7和8中示出的第一至第三种变型用于本实施例的天线上。
参照图13至14c，图上展示本发明的第五至第八实施例，第五实施例的天线有倾斜反射器12，第六和第七实施例分别具有卡塞格伦反射器13和格雷戈伦反射器14，而第八实施例的天线则具有抛物面反射器15。每个反射器上装有功率馈送波导装置。这些实施例基本上具有与第一实施例相同的效果和优点。也可以将图5、7和8中示出的第一至第三种变型用于第五至第八实施例上，以便能够获得由相应的变型所产生的效果和优点。
图15a和15b分别展示第一实施例的第四种变型的功率馈送装置和第五种变型的功率馈送装置。各功率馈送装置是微带传输线，它包括电介质基片16b，与基片16b的一边直接接触的分支带16，以及安装在所述基片另一侧的接地板17(图16a)。微带16具有馈电端16a。如图16a所示，接地板17有许多辐射隙缝17a，各自与微带16的馈线端16c相对。反射板18通过隔离物(未示出)装在接地板17的对面，相互间具有一定间隔。反射板18与接地板17间的距离h大约为λ/4，使得来自隙缝17a的功率按预定方向辐射。各馈线端16c之间的距离L为λ/2，并且，相邻的隙缝向彼此相反的方向倾斜。这样，从隙缝辐射的功率的合成电场方向为图16a中箭头所示的方向。
图16b和16c展示备有图15a或15b所示功率馈送装置的天线。把功率馈送装置装到天线上，以便使缝隙17a与矩形波导G的功率馈送口4相通。图16c的天线包括一对邻接的矩形波导G。由一对微带传输线构成的功率馈送装置被装到天线的中心部位上。也可以将在图5、7和8中示出的第一至第三种变型用于本实施例的天线上。虽然在以上实施例中用缝隙17a作为辐射元件，但也可以使用其他的元件。
参照图17，图上展示本发明的第九实施例。该天线包括一对邻接的矩形波导G。每个矩形波导G包括对立的矩形金属板1和2以及紧固到每块板的三个边上的金属侧板3，以构成矩形波导空间S。在E平面中的金属板1上开有许多电功率辐射隙缝1a，并且在所述空间S的入口侧加工有功率馈送口4。两个波导彼此相连，在其间形成一个空间。喇叭波导5垂直地连接到该天线的底面上，以便与功率馈送口4之间的所述空间相通。该波导的电场平面相对于空间S中的波长显著地增大。用作反射镜构件的匹配构件11安装在馈送口4之间的空间中。喇叭波导5在E-面为喇叭形，并且，其中有透镜天线6。透镜天线6可由电介质或金属平板，或波纹金属板制成。在喇叭波导5中，中间隔板5a是轴向安装的。
参照图4a，图上展示出第一实施例中的辐射方向，如果馈给矩形波导空间S的功率的波长λ1短于设定的波长λ0(缝隙1a间矩离)，从缝隙1a-1辐射的功率的相位按照λ0与λ1之差(λ0-λ1)超前于从隙缝1a-2辐射的功率的相位。因此，如图4b所示，主波瓣P向着γ方向倾斜。当波长λ1比波长λ0长时，则主波瓣向着l方向倾斜。
图18a和18b展示图17中示出的第九实施例的天线的方向性。从功率馈送装置5馈给的功率由匹配构件11分给矩形波导G的右边和左边空间S。该分开的功率在右边和左边空间S对称地传播。因此，如果所述功率的波长改变，则如图18b中所示，左主波瓣P1和右主波瓣P2对称地倾斜。从而，合成的主波瓣P的方向变成有利地垂直于天线的表面。其余部件的结构与第一实施例相同。可以将图5、7和8的变型的矩形波导以及其他功率馈送装置有选择地用于本实施例的天线。
参照图19，图上展示本发明的第十实施例，该矩形波导G包括一对邻接的矩形波导和一对安装在矩形波导G的底面的喇叭波导5。该矩形波导G在其两端都有功率馈送口4，并在其中心部位有终端电阻7。该喇叭波导5并行且对称地装在矩形波导G上，以便与功率馈送口4相通。在矩形波导G的两端，安装匹配构件11作为反射装置，用于把馈送的功率反射到空间S。在每个喇叭波导5中配置介质透镜天线6。这样，可获得和第一及第九实施例基本相同的效果和优点。可以将图5、7和8中的变型的矩形波导以及其他功率馈送装置有选择地用于本实施例的天线。
参照图20，图上展示本发明的第十一实施例。该天线包括一对平行的矩形波导G。由于可以减小每个喇叭波导5的开口角，所以，波导中所传播的功率基本上是平面波，从而，可防止高阶模式。其余部分的结构与第一实施例相同。可将图5、7和8中的变型的矩形波导以及其他功率馈送装置有选择地用于本发明的天线。
综上所述，显然本发明的天线具有如下的优点。
(1)由于缝隙是在与所述波导G中电场方向平行的E平面上构成的，所以，电流均匀地流过。据此，可均匀配置各隙缝，从而提高天线的效率。
(2)可借助慢波装置控制矩形波导中所传播功率的相位常数，以缩短该空间中的波长。于是，就有可能通过增加隙缝密度来提高天线的效率。
(3)因为H平面间的距离向着终端电阻方向递减，所以，功率基本上是均匀分布的。
尽管已结合各特定的最佳实施例对本发明进行了描述，但可以理解到本说明书意在用图例作说明，而并不能以此限制本发明的范畴，本发明的范围由以下权利要求书所限定。
权利要求1.一种隙缝天线阵，它包括带矩形截面空间和由金属板构成的功率馈送口的矩形波导，在所述馈送口上连接矩形波导的功率馈送装置，该矩形波导在形成所述矩形截面空间的宽边的金属板之一中加工有许多电磁波辐射隙缝，其特征在于所述矩形波导的宽度是所述空间中波长的四倍或更大，所述矩形波导的高度是所述波长的二分之一或更大，所述功率馈送装置具有以平面波形式把功率馈给所述空间的装置。
2.按照权利要求1的隙缝天线阵，其特征在于该矩形波导在与所述功率馈送口相对的端板处有终端电阻。
3.按照权利要求1或2的隙缝天线阵，其特征在于该矩形波导有慢波装置。
4.按照权利要求1、2或3的隙缝天线阵，其特征在于该空间朝端板方向减小。
5.按照权利要求1、2、3或4的隙缝天线阵，其特征在于所述矩形波导包括若干彼此连接的矩形波导。
6.按照权利要求5的隙缝天线阵，其特征在于还包括用于把从所述功率馈送装置馈送的功率导向所述矩形波导的匹配构件。
全文摘要一种隙缝天线阵由具有矩形截面空间的矩形波导和在功率馈送口连接到矩形波导的功率馈送装置组成。在构成矩形截面空间宽边的金属板之一中加工有许多电磁波辐射隙缝。矩形波导的宽度大于空间中波长的四倍，矩形波导的高度大于所述波长的二分之一。
文档编号H01Q21/06GK1040288SQ8910563
公开日1990年3月7日 申请日期1989年8月8日 优先权日1988年8月8日
发明者有村国孝, 武永文央, 田章, 春日博志 申请人:有村技研株式会社
