CN1039174C - 接收卫星广播的平面阵天线 - Google Patents

Abstract

接收卫星广播的平面阵天线具有有倾角的天线主体，通过供电部分与天线主体组合的变换器及在水平面内旋转天线主体以跟踪方位角的旋转动机构三者实现最佳组合。天线主体为中心供电型结构，供电部分在转动中心上。变换器包括其上面形成微带通道的介质衬底和壳体。供电部分包括带绝缘罩的供电针。转动机构包括伸出于天线主体底面之下、位于变换器外侧的圆柱体及向该圆柱体提供旋转功率的驱动机构两者。本发明的天线适合在汽车上使用。

Description

接收卫星广播的平面阵天线

本发明涉及用以接收卫星广播节目的平面阵天线，它是装载在汽车之类的交通工具上来使用的。

近年来，随着卫星广播的普及，业已对接收卫星广播的车载天线作出了许多研究。对于这种类型的车载天线，如何降低装配天线高度是重要的技术问题之一，因为天线通常装配在汽车顶上，而汽车在路上行驶时对高度有一定的限制。又因接收卫星广播的天线装配在汽车顶上有限的空间内，故如何减小天线安装面积也是重要的技术问题之一。为了降低接收卫星广播的天线安装高度，人们认为在汽车顶上水平安装具有倾角的平面阵天线的这种结构颇为有利，自这种型式的平面阵天线辐射出来的主波束是在偏离开该平面阵天线的法线方向一个倾角的方向上辐射的。

对于车载天线而言，需要一个自动跟踪机构来控制天线方位角和仰角，以使该天线随着汽车的行驶每一瞬间都能始终跟踪广播卫星。自动跟踪机构不仅占去整个接收系统制造费用的相当大的部分，而且增加了所装配天线的高度和面积，因此如何简化自动跟踪系统已是重要的技术问题之一。随着汽车的行驶，方位角会在360°范围内变化，据此可以认为，利用机械的转动机构来实现对方位角方向的跟踪是可行的。与这一趋势相对比，随着汽车行驶时经纬度改变或因道路有约±5°的斜率而与水平面倾斜，使得天线仰角发生变动，但仰角变动范围是相当有限的。据此，人们认为，为了有利于降低整个接收系统的成本，可采用仰角方向非跟踪式系统，不对仰角实施机械跟踪，或者采用单轴跟踪系统而只跟踪方位角方向，并将天线仰角方向上的方向性预先调定得宽一些。

一种用以接收卫星广播的平面阵天线在设计上实现上述单轴跟踪系统，已在题为“接收卫星广播的单层结构式漏泄波导隙缝车载天线“一文中说明了，这是Hirokawa等人于1993年5月在电子、信息和通信工程师学会(日本)举行的技术研究报告会上发表的。该文叙述一种漏泄波导隙缝阵天线，其中，电功率在转动中心内提供(下文把这种类型称作“中心供电型”)，其结构示于图5的透视图中。隙缝阵天线的主体是由12个相互相邻且平行排列的波导11A至11L和用以向每一辐射波导提供辐射功率的T形供电波导12组成的。T形供电波导12之中的每一个波导是由第一部分12A和第二部分12B构成。第一部分12A在其排列方向(或横行方向)上延伸，在每个辐射波导的一端形成一个组合窗。第二部分12B从供电针13延伸，供电针13在天线主体方位角方向上在转动中心位置上形成，第一部分12A和第二部分12B形成一个T分支。辐射波导11A至11L的每一个由一个漏泄波导构成，每个漏泄波导在其轴向上形成适当数目(例如13至17个)的十字隙缝14，它们具有相同的偏置体积(offset volume)，以达到在52°倾角方向周围有大约±5°的波束宽度。

该文的优点，即按照图5所示中心供电类型的结构，当设置在转动中心的供电针13提供的供电部分是以转动式连接或类似结构构成时，天线作单轴跟踪时仅能在水平面内转动，使得在天线主体下侧与这个供电部分相连接的变换器保持固定不动。

Hirokawa等人的上述文章展示一种天线结构，它利用中心供电型天线结构和具有转动式连接结构的供电部分，仅使天线主体转动。然而，仍需进一步的充分调整研究，以实现最佳结构。在中心供电型天线中，因中心部分对供电系统和供旋转用的机械系统很重要，它们均集中在天线的中心部分，因此使该结构很复杂。对电路系统和机械系统所做的避免其复杂性的一切努力又导致电路特性和机械特性不够好。如果转动连接结构的供电部分和变换器都连接到一条柔软的同轴电缆上，例如有可能使变换器脱离中心部分，这样就可将旋转机械系统集中在中心部分。然而，由于信号频率高达12GHz，故存在的问题是较长的同轴电缆会增加传输损耗和降低信杂比。再者，变换器固定在天线主体的中心部分还带来一个问题，即变换器成为一个障碍物，使得不能够采用将电动机旋转轴与天线主体转动中心组合起来的那种通常的旋转机构。

据此，本发明的目的是提供一种中心供电型平面阵天线，其结构可使中心供电型天线结构、转动式连接结构的电流供电部分和转动机构制作成一个最佳组合的结构。

本发明的接收卫星广播的平面阵天线的主体包括一个中心供电型结构体，具有一个在转动中心形成的供电部分，一个变换器包括一个介质衬底和一个壳体，该衬底上形成一个微带(microstrip)通道，该壳体容纳该介质衬底。变换器固定在平面阵天线主体的下侧，可旋转地支持平面阵天线的主体。一个供电部分包括一个供电针，该供电针具一个有绝缘罩，供电针的上端部与天线主体形成一个空间，该上端部分插入该空间，供电针的中部穿过变换器的壳体，供电气针的下端部与变换器的介质衬底上形成的微带通道相结合。跟踪方位角方向的转动机构包括：一个圆柱体，它在变换器外侧从天线主体底部向下伸出；一个驱动机构，向该圆柱体提供转动功率。

由漏泄波导隙缝阵天线或类似物形成的平面阵天线的主体是由图5所示的中心供电型结构形成时，只使平面阵天线的主体旋转而保持变换器固定不动的条件就能得到。更具体地说，供电针的上端部插入天线主体的转动中心位置，供电针的下端部与变换器的介质衬底上面形成的微带通道相结合，这样，天线主体和变换器能依靠最简单同轴结构的传输通道以最短的距离相连接。这样就可得到具有最小插入损耗的、一种简单设计的供电机构。当天线主体由穿过供电针的变换器壳体可旋转动地支持时，并当驱动机构卸脱到固定在天线主体中心上的变换器外侧时，供电系统和机械系统原来在天线中心部分会发生的错综复杂性可以有效地得以避免，井得到具有优良的电气特性和机械特性的最佳结构。

图1示出本发明的一个实施例中平面阵天线供电部分的周围结构的部分剖面图。

图2示出的图1所示的供电部分周围结构的一个放大部分的剖面图。

图3示出上述实施例的整体的平面图。

图4示出图1所示的供电部分的另一种周围结构的一个例子的部分剖面图。

图5示出作为中心供电型平面阵天线一个代表性例子的漏泄波导十字隙缝阵列天线的结构的透视图。

图1是一个部分剖面图，示出按照本发明的一个实施例的接收卫星广播用的漏泄波导隙缝阵天线供电部分的周围结构，图2示出图1所示供电部分周围结构的部分放大图，图3示出整个系统的平面图。图中标号10表示平面阵天线的主体。在图示的实施例中，平面阵天线的主体与图5所示中心供电型的漏泄波导隙缝阵列天线的主体的结构的相同。标号20表示一个变换器，它包括其上面形成有一个微带通道的介质衬底21，和一个用以容纳介质衬底21的金属壳体22。变换器20固定在天线罩40的底面41上。标号13表示构成供电部分的一个供电针，该供电针由圆柱中心脚13a和套住中心脚13的圆柱绝缘罩13b构成。

参看图2的部分放大图，供电针13插入供电波导的第二部分12B，在供电针13上端部与平面阵天线主体10之间形成一个小空间。供电针13的中央部分穿过变换器壳体22，供电针13的下端部以直立状态靠焊接和熔合连接在微带通道21a上，该微带通道21a形成在变换器20的介质衬底21上。变换器20的壳体22为了能让供电针13穿过它，包括有圆柱部分22a、凸缘部分22b和绝缘片22c，圆柱部分22a用来夹持供电针13，并将供电针13压入至轴芯方向，凸缘22b形成在圆柱部分22a的前端部，用以通过绝缘片22c可旋转地支持平面阵天线主体10。凸缘部分22b的半径设定值几乎等于接收信号的1/4波长。

参看图1和图3，转动机构由圆柱体31构成，圆柱体31从平面阵天线主体10的底部向下延伸到天线罩40底面41上固定的变换器20的外面，并有一个驱动机构向该圆柱体提供转动功率。圆柱体31在其圆周方向的外周上以预定距离形成有一些峰和谷，旋转的驱动是依靠在圆柱体外周上接合装配一条定时皮带来达到的。参看图3的平面图，驱动机构由一条与圆柱体31外周搭紧的定时皮带34来构成的，有一个皮带轮33在圆柱体31外侧与定时皮带34搭紧，有一个电动机32用来使皮带轮33转动。图3中，标号41表示由天线罩40的侧壁41环绕的底面。壳体固定在此底面上用以使天线罩40内部保持防风、防潮和防尘状态。

由图5所示的辐射波导11A到11L接收、并通过供电波导12传输的电波到达图2所示的供电针13，与供电针上端部相结合。供电针13的中部形成一个同轴通道，它以中心脚13a作为内导体，以壳体22的圆柱部分22a作为外导体。鉴此，供电针13的上端部起一种波导一同轴模式变换器的作用，将供电针13中部上以同轴模式传播的波变换成为以微带模式传播的波，并将已变换得的波传输到微带通道上。然后，接收到的、已变换成微带模式的波由设置在介质衬底上的一个下变频器电路(图中未示出)变频成中频信号，并如图1中所示通过同轴电缆连接器23和同轴电缆24供给到广播卫星调谐器去。

参看图2，薄的(例如厚度约0.2mm-0.5mm)绝缘片22c夹层在平面阵天线主体10的金属底面与金属凸缘部分22b之间。此绝缘片22c防止因金属面之间的摩擦造成的磨损。据此，适合用作绝缘片22c的原材料是动摩擦系数小的四氟乙烯(TFE，例如产品名称是“TEFLON”)之类。还有，从低损耗的电特性观点看，四氟乙烯之类也适于用作供电针13的外罩13b的原材料。在存在绝缘片22c的位置处，形成一条径向线，用以径向地传播表面外部的波，在该表面处天线主体的底面与凸缘部分相互面对。通过该径向线会发生波的泄漏，自天线主体到变频器发生传播损耗，从而导致频率特性劣化。为了避免这个问题，径向线的长度设定为大致等于接收电波之波长的1/4。于是，径向线的外端部分是一个开路端，可使因波的泄漏造成的上述问题限制到最小程度。

供电针13还起转动几构中心轴的作用，该转动机构是与变换器20外测上形成的驱动机构相结合而组成的。天线通常安装在天线罩的内部，所以，不会发生因风的压力而有强的外力作用到供电针13侧面方向上的危险。此外，由于单轴跟踪系统在仰角方向并不跟踪广播卫星，天线主体10和壳体22差不多保持在水平方向，因而不致有大的侧向外力作用于供电针13上的危险。然而，会有多种形式的侧向外力作用到供电针13上，诸如由定时皮带34对电机32侧面所加的拉伸力，随着汽车运行产生的振荡和震动，等等。当有所述那样一种侧向外力传递到供电针13的端子部分与微带通道21a之间的结合处时，结合处因受到剪切力存在导致破坏的危险。

为了避免上述问题，用铁钉等将壳体22的圆柱体部分22a牢靠地压紧至中心方向，因而传递到供电针13的侧向外力的较大部分将通过圆柱体部分22a传递到壳体22上。为了防止在供电针13与微带通道之间的固结部分上发生破坏，可以采取一种结构，其中，供电针13的中心脚13a的下端部通过设置在连接点上的柔软金属薄片连接至微带通道21a上。

也可以采用图4中所示的结构，其中，一个在其表面上被覆有TFE之类材料的圆盘彤金属接合部件22d放置在平面阵天线主体10的底面与凸缘部分22b之间，在它们两者之间形成一个小空间，由凸缘部分22b可旋转地支持天线主体10，与此同时，在壳体22的圆柱体部分22a与供电针13之间形成一个较大的空间。换言之，作用到天线主体10上的侧向外力只是通过接合部件22d直接传递到凸缘部分22b。作用到天线主体10上的竖向外力就象天线主体10的重量一样地只传递到凸缘部分22上。根据上述的结构，作用到平面阵列天线主体10上的外力能通过接合部件22d和凸缘部分22a直接传递到壳体22上，完全不会有外力传递到供电针13上。

在图4所示的结构中有这样一种危险，由于制造条件或在应用此系统期间因侧向负载造成的圆柱体部分22a的形变，使供电针13与圆柱体部分22a之间的内周距离发生起伏，导致电特性波动。为了避免这一危险，在供电针13的中部处绝缘罩13b的外周上形成一层金属膜13c，使供电针13本身作成同轴电缆结构。该同轴电缆式结构也能适用于图1的场合。

在平面阵天线主体是由漏泄波导十字隙缝阵列天线构成的情况下，上面的叙述已经表明了本发明。然而，显然地，本发明也适用于其它合适形式的中心供电型平面阵天线，诸如在径向线与螺旋天线器件之间结合的一种天线和在径向线与微带天线器件之间结合的一种天线，等等。

上面的实施例已示明一个例子，应用定时皮带、滑轮和电动机的结构来作为驱动机构。然而容易明白，驱动机构也能应用一个小齿轮和一个齿条来实现，该小齿轮是向下伸出于天线主体的一个圆柱体，该齿条与此小齿轮啮合，由电动机使之前进或后退。

此外，上面的实施例有这样的结询，其中的圆柱体部分22a和凸缘22b与变换器20的壳体22整体地形成，而圆柱体部分22a上有供电针13穿过它，并可旋转地支持天线主体10。然而显然可见，圆柱体部分22a和凸缘部分22b也可以与壳体22分别地构成，然后将它们固定到壳体22上。

上面，从静电屏蔽的角度上示明了对变换器应用金属罩的情况。然而，也可以采用这样一种结构，其中，壳体由树脂形成以避免腐蚀，并对壳体的内侧应用一片金属薄板用于静电屏蔽。此外，如图3的结构，可采用这样一种结构来取代图2中的绝缘片22c，其中，将TFE之类的树脂覆盖或涂敷到凸缘部分22b上或天线主体10上与凸缘部分接触的底面。

如上所详细描述的，按照本发明的接收卫星广播用的平面阵天线的结构中，将供电针与变换器介质衬底上形成的微带通道相结合，以做得能依靠一种最简单结构的传输通道使天线主体与变换器由最短的距离连接起来。结果，能在简单的设计中达到供电系统有最小的插入损耗。

此外，按照本发明的接收卫星广播用的平面阵天线的结构中，天线主体可旋转地由变换器壳体支持，壳体上有供电针穿过，又驱动机构卸脱到变换器的外面，它固定于天线主体的中心部分上，因而可以有效地避免供电系统和机械系统集中在天线的中心部分的复杂性。如此，实现了具有优良的电气特性和机械特性的一种最佳的结构。

Claims (7)

1.一种接收卫星广播的平面阵天线，它具有一个平面阵天线主体；一个供电针，与上述的平面阵天线主体电磁耦合，含有一个绝缘罩；一个变换器，用以变换由该平面阵天线主体接收的无线电信号的频率，该变换器含有一个介质衬底和一个壳体，在所述的介质衬底上形成一个微带通道，该壳体用以容纳该介质衬底；其特征在于：

所述的供电针延伸通过该变换器的壳体，以使该供电针的上部插入该平面阵天线主体，并在其间留有一个空隙，该供电针的下部与该变换器的介质衬底上形成的微带通道电连接；

所述的变换器固定在该平面阵天线的基础上，含有一个旋转支持部件，形成在该变换器的壳体上，用以利用该供电针作为中心轴、可旋转地支持该平面阵天线主体；及

所述的平阵天线还具有一个转动机构，用以使该平面阵天线主体在一个基本上水平的平面内旋转，以跟踪所述的卫星广播发射的方向，该转动机构含有一个圆柱体和一个驱动机构，该圆柱体向下伸出该平面阵天线主体的底部表面，处在该变换器的外侧，该驱动机构用以转动该圆柱体。

2.根据权利要求1的平面阵天线，其特征在于：

所述的转动机构沿所述圆柱体外周的圆周按预定的间距形成沟槽；

所述的驱动机构含有一个定时皮带、一个滑轮和一个电动机，定时皮带与所述圆柱体外周上的所述沟槽相啮合，滑轮与所述圆柱体外侧上的所述定时皮带相啮合，电动机用以旋转所述滑轮。

3.根据权利要求1或2的平面阵天线，其特征在于：

所述的旋转支持部件具有一个圆柱体部分和一个凸缘部分，该圆柱体部分同轴地围绕在所述供电针上，该凸缘部分形成在所述圆柱体部分的上部，用以可旋转地支持所述平面阵天线。

4.根据权利要求3的平面阵天线，其特征在于：

所述凸缘部分的半径设定得大致等于所述接收信号的1/4波长。

5.根据权利要求3或4的平面阵天线，其特征在于：

所述平面阵天线主体由所述凸缘部分通过一个圆盘形啮合部件给以可旋转性支持，该圆盘形啮合部件阻止在所述平面阵天线主体与该凸缘部分之间在水平方向上相对位移，并在该平面阵天线主体与所述凸缘部分之间形成一个空隙。

6.根据权利要求1至5中任何一个权利要求的平面阵天线，其特征在于：

所述的供电针有一层金属膜，它形成在供电针至少是中部处、在该绝缘罩的外周上。

7.根据权利要求1至6中任何一个权利要求的平面阵天线，其特征在于：

所述平面阵天线主体含有平行设置的辐射波导，和一个馈电波导，用以使该辐射波导与该供电针电磁耦合。

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