双极化平面辐射元件以及包括该辐射元件的阵列天线.pdf

本发明提出一种双极化平面辐射元件以及包括该辐射元件的阵列天线。其中，一种双极化平面辐射元件，其特征在于，该双极化平面辐射元件包括外部金属栅格、与外部金属栅格同中心的至少一个金属片、以及将金属栅格与金属片隔开的腔体，所述栅格和片具有由至少四个成对的相对边限定的多边形形状，其中，该双极化平面辐射元件包括与两个正交的电场Ev和Eh相关联的两个正交的极化方向，所述极化方向中的至少一个与所述多边形的两边平行，并且其中与极化方向平行的金属片的每一边电连接到所述外部栅格的区域，其中电场Ev或Eh中的一个在该区域最小。本发明的优点在于，减少了平面辐射元件中的静电放电现象，而没有显著改变辐射元件对正交极化波的响应。

1.  一种双极化平面辐射元件，其特征在于，该双极化平面辐射元件包括外部金属栅格(38、82)、与外部金属栅格(38)同中心的至少一个金属片(15)、以及将金属栅格(38、82)与金属片(15)隔开的腔体(41)，所述栅格和片具有由至少四个成对的相对边(42、43、44、45)限定的多边形形状，其中，该双极化平面辐射元件包括与两个正交的电场Ev和Eh相关联的两个正交的极化方向，所述极化方向中的至少一个与所述多边形的两边平行，并且其中与极化方向平行的金属片(15)的每一边(42、43、44、45)电连接(46)到所述外部栅格的区域(47、48、49、50)，其中电场Ev或Eh中的一个在该区域最小。

2.  根据权利要求1所述的平面辐射元件，其特征在于，所述金属片的多边形形状选自正方形、矩形、十字架形或者六边形。

3.  根据权利要求2所述的平面辐射元件，其特征在于，该平面辐射元件包括四个成对的正交边(42、43、44、45)，并且平行于极化方向的金属片(15)的每个边(42、43、44、45)分别连接到正交于所述极化方向的外部栅格(38)的边(46，48，49，50)。

4.  根据权利要求3所述的平面辐射元件，其特征在于，平行于极化方向的金属片(15)的每个边(42、43、44、45)包括中心，该中心连接到正交于所述极化方向的外部栅格(38)的边的中心。

5.  根据权利要求1到4中任意一项所述的平面辐射元件，其特征在于，所述金属片(15)还包括形成中心十字架的至少两个正交狭槽(18)。

6.  根据权利要求1到5中任意一项所述的平面辐射元件，其特征在于，金属片(15)包括外部环形片(31、83)、至少一个与外部环形片(31)同中心的内部片(30、84)以及将内部片(30)和外部片(31)隔开的至少一个环形狭槽(32)，所述内部片和外部片具有相同的多边形形状，其中平行于极化方向的内部金属片(30)的每个边连接到(37)正交于所述极化方向的外部环形片(31)的边。

7.  根据权利要求6所述的平面辐射元件，其特征在于，平行于极化方向的内部金属片(30)的每个边包括中心，该中心连接到正交于所述极化方向的外部环形片(31)的边的中心。

8.  根据权利要求6或7所述的平面辐射元件，其特征在于，内部片(84)包括形成中心的十字架的至少两个正交狭槽(86、87)。

9.  根据权利要求6到8中任意一项所述的平面辐射元件，其特征在于，金属片(83、84)的多边形形状为十字架形，以及外部栅格(82)具有正方形形状。

10.  根据权利要求2所述的平面辐射元件，其特征在于，金属片(15)包括外部环形片(61)、至少一个与外部环形片(61)同中心的内部片(62)以及将内部片(62)和外部片(61)隔开的至少一个环形狭槽(63)，所述内部片和外部片具有多边形形状，该多边形形状包括平行于极化方向的两个边(72、73、64、65)，以及相对于所述极化方向倾斜并且通过顶点(74、75、70、71)成对的连接的四个边(56、57、58、59、66、67、68、69)，其中平行于所述极化方向的外部金属片的每个边(64、65)电连接到内部片的顶点(74、75)，平行于所述极化方向的内部片(62)的每个边(72、73)电连接到外部金属片(61)的顶点(71、70)。

11.  一种阵列天线，其特征在于，该阵列天线包括至少一个根据前述权利要求中任意一项所述的双极化平面辐射元件，并且每个辐射元件的外部金属栅格连接到该阵列的金属接地平面(17)。

双极化平面辐射元件以及包括该辐射元件的阵列天线
技术领域
本发明涉及一种双极化平面辐射元件，其中将静电放电现象最小化，本发明还涉及一种包括这样的辐射元件的阵列天线。本发明应用于包括至少一个双极化平面辐射元件的任何类型的天线，还应用于安装到确定天线的辐射阵列以及装载到例如卫星的飞行器上的阵列天线，例如反射式阵列天线或相控式阵列天线。
背景技术
阵列天线，例如反射式阵列天线或相控式阵列天线(也已知为相控阵天线)，包括装配为一维或二维辐射阵列的一组基本辐射元件，使得能够增加天线的方向性和增益。在反射式天线中，阵列的基本辐射元件通常包括尺寸有变化的片和狭槽的布置。辐射元件的形状，例如正方形、圆形(circular)、六边形，通常对于阵列来说是固定的并且是唯一的。当辐射元件被主源照射时，调整辐射元件的尺寸以便获得选择的辐射图形。在相控式阵列天线中，将信号分配到阵列的辐射元件是通过波束成形分配器完成的。
基本辐射元件可以包括安装在金属平面上的具有腔体和辐射狭槽的结构，或者包括具有金属辐射片的平面结构，金属辐射片印制在安装在金属平面上的介电基板的表面上，金属片可能包括例如图1中所示的一个或多个狭槽。辐射狭槽可以由介电材料或复合材料制成，例如印刷精细(printed fine)介电基板的蜂窝的叠加，用作复合材料的表层。然而，为了使得天线能够支持空间环境，需要确保辐射元件之间的静电放电现象最小化。
已知通过将飞行器所有的导电外部表面和所有的内部金属元件连接到飞行器的主金属结构上来将静电放电最小化。对于线性极化的辐射元件，可以沿着正交于极化方向的对称轴通过金属线将辐射元件连接到外部金属栅格来实现接地，而不会有任何特殊问题。
但是，对于包括具有双极化的平面结构的基本辐射元件的辐射阵列，需要考虑各种辐射元件的极化。的确，例如通过金属线的方式来将辐射元件直接连接到一起将影响这些元件的极化和操作，并且能够破坏共振，而且激励其他更高模式(higher modes)。此外，在阵列天线的情况下，可能破坏辐射元件的匹配。
发明内容
本发明的目的通过提供一种双极化平面辐射元件来解决该问题，其中静电放电的现象被最小化而不干扰辐射元件对承受的正交极化波的响应。
为此目的，本发明的主题是一种双极化平面辐射元件，其特征在于，其包括外部金属栅格、与外部金属栅格同中心的至少一个金属片、以及将金属栅格与金属隔开的腔体，所述栅格和片具有由至少四个成对的相对边(pairwise opposite sides)限定的多边形形状，其中，双极化平面辐射元件包括与两个正交的电场相关联的两个正交的极化方向，所述极化方向中的至少一个与所述多边形的两边平行，并且其中与极化方向平行的金属片的每一边电连接到所述外部栅格的区域，电场中的一个在该区域最小。
有利地，所述金属片的多边形形状选自正方形、矩形、十字架形、六边形。
有利地，所述平面辐射元件包括四个成对的正交边，并且平行于极化方向的金属片的每个边分别连接到正交于所述极化方向的外部栅格。
优选地，平行于极化方向的金属片的每个边包括中心，其连接到正交于所述极化方向的外部栅格的边的中心。
根据本发明的特定实施例，金属片可以包括形成中心十字架的几个正交狭槽。
根据本发明的另一个实施例，金属片包括外部环形片、至少一个与外部环形片同中心的内部片以及将内部片和外部片隔开的至少一个环形狭槽，所属内部片和外部片具有相同的多边形形状，其中平行于极化方向的内部金属片的每个边连接到正交于所述极化方向的外部环形片的边。
可选地，内部片可包括形成中心的十字架的几个正交狭槽。
优选地，平行于极化方向的内部金属片的每个边包括中心，其连接到正交于所述极化方向的外部环形片的边的中心。
根据本发明的特定实施例，金属片的多边形形状为十字架形，外部栅格具有正方形形状。
根据本发明的另一个实施例，金属片包括外部环形片、至少一个与外部环形片同中心的内部片，以及将内部片和外部片隔开的至少一个环形狭槽，所述内部片和外部片具有六边形形状，该六边形形状包括平行于极化方向的两个边，以及相对于所述极化方向倾斜并且通过顶点成对的连接的四个边，其中平行于所述极化方向的外部金属片的每个边电连接到内部片的顶点，平行于所述极化方向的内部片的每个边电连接到外部金属片的顶点。
本发明还涉及一种阵列天线，其包括至少一个双极化平面辐射元件，并且每个辐射元件的外部金属栅格连接到该阵列的金属接地平面。
附图说明
参照附图，通过以仅示例性的而非限制性的实例方式给出的下面的说明书，本发明的特点和优点变得更加明显，其中：
图1：示例性阵列天线的图；
图2：通过平面技术制造的第一示例性双极化基本辐射元件的图；
图3a和3b：从上观看的通过平面技术制造的第二和第三示例性双极化基本辐射元件的两个图；
图4、5a、5b：根据本发明的三个示例性辐射元件的从上观看的三个示意图；
图6：根据本发明的第四示例性辐射元件的从上观看的示意图；
图7和8：根据本发明的第五和第六示例性辐射元件的从上观看的两个示意图；
图9a、9b、9c：根据本发明的三个示例性辐射阵列的从上观看的三个示意图。
具体实施方式
图1示出了示例性阵列天线10，包括形成反射表面14的反射阵列11，以及用于通过入射波来照射反射阵列11的主源13。反射阵列包括多个布置为二维表面的基本辐射元件。
在图2中图示了具有双极化的第一示例性基本辐射元件12，其包括印制在基板16的上面的金属片15，基板16在其下面(lower face)装有金属接地平面17，基板可以是介电材料或具有例如蜂巢形式的间隔材料以及精细介电材料(fine dielectric material)的复合材料。金属片15包括制造在其中心的十字架形的两个狭槽18。基本辐射元件12的形状可以是例如正方形、矩形、六边形、圆形、十字架形或者任何其他几何形状。狭槽的个数也可以不是2，并且它们可以布置为不是十字架。在图2中，狭槽具有相同的尺寸但是它们可以是不同尺寸。
在图3a中，图示了第二示例性双极化平面辐射元件。辐射元件具有多边形，例如正方形，并且包括第一内部金属片30、形成金属环31的第二外部环形金属片，以及将外部金属环31和内部金属片30分隔开的环形狭槽32。内部片、环和狭槽是同中心的。当辐射元件由两个激励波正交地极化时，对应于两个极化方向的两个电场Ev和Eh互相正交。电场Ev平行于辐射元件的第一边33，电场Eh平行于辐射元件的第二边34，第一和第二边33、34相互正交。当环形狭槽32的圆周长等于建立的极化模式的周期时，环形狭槽32是谐振的。因此，如图3a所示，电场Ev在狭槽的确定区域35是最大的，在这里电场Eh是最小的，并且在电场Eh最大的另一个区域36，电场Ev消失。电场Ev、Eh中的一个分别逐渐地消失的区域是外部环平行于相应的极化方向的区域。在电场Ev、Eh分别消失的位置，能够在内部片和外部环之间放置短路，因为这将不对承受根据此模式而极化的波的辐射元件的响应造成影响。事实上，如3b所示，对于每个极化，环形狭槽32等同于具有两个互补的半环的形状的两个半狭槽(half-slots)，两个半环相对于与相应的极化平行的边的垂直等分线对称设置。因此，对于极化Ev，环形狭槽32等同于两个半狭槽1、2，其相对于边33的垂直等分线5对称设置。相似的，对于极化Eh，环形狭槽32等同于两个半狭槽3、4，其相对于边34的垂直等分线6对称设置。因此包括图3b中所示的四个交错的半环的四个半狭槽对于每个极化Ev、Eh表现为等同于图3a中所示的环形狭槽。
图3a和3b中所示的辐射元件的表现等同于在内部片和外部环之间的电场Ev、或者Eh消失的位置处具有短路的辐射元件，如图4所示。在此例子中，根据本发明，内部金属片30的每个边例如通过金属线37电连接到与其正交的外部环31的一边。优选地，金属线37将内部金属片30的边的中部连接到与其正交的外部环31的边的中部。远离谐振，以何种方式将狭槽短路不会显著地改变辐射元件的属性。当狭槽靠近谐振时，此电连接对辐射元件被正交极化波激励时只有少量影响，从而每个极化方向平行于片和外部环的边中的一个。事实上，对应于每个极化方向的电场在狭槽垂直于所述极化方向时的区域最大，并且在狭槽平行于所述极化方向的区域中非常微弱或者实际上为零。
当如上所述，内部片的每个边连接到外部环时，在内部片上出现的寄生静电电荷朝着外部环漏电。然后其足够将辐射元件的外部环连接到其所安装于的天线或辐射阵列金属物质上，以便去除静电电荷。
如图5a中所示，当把辐射元件集成为辐射阵列时，可以增加外部金属栅格以使得静电电荷朝着阵列的金属接地平面，例如辐射元件的接地平面17漏电。
图5a中所示的辐射元件包括例如为正方形的金属片15，其中制造有形成十字架的两个正交狭槽18、20。十字架一般位于金属片的中心，并且使得每个狭槽平行于正方形的两个相对边。可选的，十字架可以包括额外的正交狭槽21、22、23、24，例如为称为耶路撒冷十字架(Jerusalem cross)的十字架，如图5b中所示，其包括分别与每个中心狭槽的两端正交放置的四个额外的狭槽。辐射元件39还包括限定了栅格和金属片之间的腔体41的外部金属环形栅格38。外部环形金属栅格和金属片是同中心的，并且具有相同的几何形状。腔体41用作辐射狭槽并且参与全局辐射。图5a和5b中所示的片的几何形状是正方形的，但是本发明不限于此类型的形状。特别地，本发明还应用于矩形的片或被至少四个成对的相对边限定的多边形的片，例如六边形或十字架形。根据本发明，金属片的每个边42、43、44、45例如通过金属线46电连接到与其正交的外部栅格38的边47、48、49、50。优选地，金属线将内部金属片的边的中部连接到与其正交的外部栅格的边的中部。与应用于图4的例子相同的推论对于用金属栅格38代替金属环31依然有效。
当内部片的每个边如上所述连接到外部栅格时，出现在该片上的寄生静电电荷朝着外部栅格漏电。然后其足够将辐射元件的外部栅格连接到其所安装于的天线或辐射阵列的金属物质上，以便去除静电电荷。
图6示出了根据本发明的第三示例性辐射元件。在该实例中，辐射元件的几何形状是六边形并且包括6个成对的相对边。该辐射元件包括两个被环形狭槽63隔开的同中心的环形金属片61、62。当该辐射元件被正交极化波激励，使得其中一个极化方向Eh平行于六边形的两个相对边64、65时，场Ev在外部片垂直于场Ev的区域中最小，也就是六边形的不平行于任何极化方向的边66、67、68、69相交的顶点的区域。因此，平行于其中一个极化方向Eh的内部片62的每个边72、73电连接到外部片61的不平行于任何极化方向的边66、67和68、69相交的顶点70、71。相似的，内部片62的不平行于任何极化方向的边56、57、58、59相交的顶点74、75电连接到外部片61的平行于极化方向Eh的边65、64。在前述实例中，当将辐射元件集成到辐射阵列中时，增加未示出的外部金属栅格来将静电电荷朝着阵列的金属接地平面，例如辐射元件的接地平面17漏电。
相同的原理也应用于包括多个环形狭槽76、77和多个同中心金属片78、79、80的辐射元件，每个环形狭槽将两个相邻的片隔开，例如图7和8所示。在此情况下，平行于极化方向的第一内部金属片80的每个边电连接到环绕该金属片的第二环形金属片79的正交边，并且平行于极化方向的第二环形金属片79的每个边电连接到环绕该金属片的第三金属片78的正交边。对于每一个金属片以这样的方式继续，即将所有被一环形金属片环绕的内部的金属片的平行于极化方向的每一边连接到环绕该环形金属片的所述环形金属片的正交边。另外，辐射元件可以包括被腔体98与外部环形片78隔开的外部环形金属栅格94。在此情况下，参照图5如前所述，第三外部金属片78的每一边电连接到与其正交的外部栅格94的边。
在图8中，辐射元件包括正方形的外部栅格82和中心的十字架，中心的十字架被腔体88从外部栅格隔开。中心的十字架包括被十字架形环形狭槽85隔开的两个十字架形的环形金属片83、84，以及位于辐射元件的中心的形成十字架的两个正交狭槽86、87。各十字架为每个狭槽85、86、87包括平行于第一极化方向Ev的区域以及平行于第二极化方向Eh的区域。同样，每个环形金属片83、84和栅格82包括与第一极化方向Ev平行和正交的边，以及与第二极化方向Eh平行和正交的边。就如同图7所示的实例，平行于极化方向的第一内部金属片84的每个边电连接到第二环形金属片83的正交边，或者环绕它的外部金属栅格82的正交边。该类型的十字架形平面辐射元件展示了比在正方形或圆形的元件中有环形狭槽的图形尺寸更小的优点，因为电路径被拉长了。因此它们能够插入到网孔更小的阵列中，这对于带宽方面的性能有利，因而改进阵列对突然的入射的波的响应。
图9a、9b、9c图示了根据本发明的三个示例性辐射阵列。图9a的阵列包括两个双极化平面辐射元件，每个辐射元件39、40包括金属片15、19以及被腔体从该片隔开的外部栅格。两个辐射元件是相邻的并且两个外部栅格50、51包括共同的边49。金属片的每个边电连接到外部栅格的正交边。
图9b和9c的阵列包括四个双极化平面辐射元件。在图9b中，每个辐射元件90、91、92、93包括内部金属片80、被第一环形狭槽77从该内部片隔开的第一环形金属片79、被第二环形狭槽76从第一环形片79隔开的第二环形金属片78、被腔体98从第二环形金属片78隔开的环形金属栅格94、95、96、97。所述四个辐射元件是相互邻接的并且所述四个栅格包括成对的公共边99、101、102、103。
在图9c中，每个辐射元件104、105、106、017包括呈十字架形的两个中心狭槽86、87、围绕该中心的十字架的第一内部环形片84、在第一环形片84外并且被环形狭槽85与其隔开的第二环形片83、以及正方形的并且被腔体88从第二环形金属片83隔开的外部环形金属栅格82，如图8所示。所述四个辐射源互相相邻并且所述四个栅格包括成对的公共边。
每个金属片包括平行于极化方向的边，所述边连接到围绕它的金属片的正交边，或者对于第二环形片来说，连接到外部金属栅格的正交边。所有的静电电荷因而朝着外部金属栅格漏电，而不会干扰辐射元件对承受的正交极化波的响应。此后通过将外部栅格连接到接地金属平面，静电电荷朝着阵列的金属接地平面放电。
各种尺寸和特性的辐射阵列因而可以通过将多个辐射元件组合起来而构成所需尺寸的一维或二维辐射表面而构成。元件可以是都相同的或者可以是不同结构的，取决于所需的天线的类型。此后阵列被装配为所选择的阵列天线，例如图1中所示的实例或任何其他类型的阵列天线。
尽管本发明是参照特定实施例进行描述的，显然这不应该将本发明限制于此，而是包括所描述的装置的所有技术上的等同物及其落入本发明框架内的结合。特别的，可以制造所有的实心或环形片以及十字架形的正交中心狭槽的组合，十字架可以包括大于或等于2的多个正交狭槽，例如简单的十字架或耶路撒冷十字架。相似的，具有六边形几何形状或十字架形的平面辐射元件可以包括不同形状的外部栅格，例如正方形。另外，六边形的辐射元件可以包括内部片，该内部片具有形成简单的十字架或耶路撒冷十字架的正交的中心狭槽。