专利名称：天线装置及其制造方法和设计方法
技术领域：
本发明涉及天线装置，例如，能够用于卫星通信、卫星广播等等的地面接收站的天线装置，并且还涉及这种天线装置的制造方法和设计方法。
日本专利公开公开号和2-252304公开一种示于图23和24的结构，其中，把介质层12和14、薄膜16、介质层18和金属屏蔽板20顺序地叠合在导电平板10上面。介质层14、18和金属屏蔽板20分别备有孔22、24和26。布置在孔22中的是在介质层12上形成的并且经由馈线32馈电的辐射元件28，而布置在孔24中的是在薄膜16上形成的并且与辐射元件28电磁耦合的辐射元件30。辐射元件30有助于在相对地宽的频带范围内实现阻抗匹配。
在上述结构中，显然，导电平板10、馈线32和金属屏蔽板20构成三平板传输线(triplate line)。尤其是在图23中用标号34标明的区域，所述三平板传输线连接到微波带状线，可能产生与馈电相联系的、与传输模式有关的不连续性。结果，一旦向辐射元件28馈电，与平行板模式有关的信号传输损耗将会增加，因而馈电损耗将会增加。此外，把辐射元件30和金属屏蔽板20设置在分开的层上，这将需要附加的构成元件，因此提高了其造价。预计通过去除金属屏蔽板20能够解决上述问题。仅仅除去金属屏蔽板20将遇到麻烦，即，使得从馈线32辐射出不必要的信号。
因此，本发明的第一个目的是实现一种降低了馈电损耗的天线装置、以及实现一种包含较少数目的构成元件并且能够以较低的成本制造的天线装置。通过去除金属屏蔽板来达到这一目的。本发明的第二个目的是提供一种尽管除去所述金属屏蔽板但仍然没有来自馈线的不必要的辐射天线装置。通过适当地设定各介质层的厚度来达到这一目的。本发明的第三个目的是实现一种确保在相对地宽的频带范围内正常工作的天线装置。这个目的是通过改进导电层或者通过设置附加的介质层来实现的。本发明的第四个目的是改进层状结构的承受强力的能力及其制造工艺的生产精度，从而使得有可能制造具有更稳定的性能的装置。这个目的是通过改进天线罩来实现的。
根据本发明的第一方面，提供一种天线装置，它包括具有正面和背面的导电层；具有正面和背面并且被安排成其背面对着所述导电层的正面的第一介质层，该第一介质层的厚度小于待辐射的信号的波长；具有正面和背面并且被安排成其背面对着所述第一介质层的正面的第二介质层；分别以这样的方式设置在第一和第二介质层的正面的上面的第一和第二辐射元件，即，所述第一和第二辐射元件的各自的中心在垂直方向上经由所述第二介质层彼此重合；以及设置在第一介质层的正面上面、用于与所述第一辐射元件关联的馈电的馈线。
关于上述方面，所述第一介质层的厚度小于待发射的信号的波长。因此，即使在馈线上诸如拐角结构或者转换结构的区域已经存在传输模式不均匀性，所述馈线也将仅仅产生一种小到可以忽略的程度的辐射和馈电损耗。这导致减小馈电损耗和不必使用用于避免来自馈线的不必要的辐射的金属屏蔽板。换言之，上述方面将提供一种和通常的天线装置相比保证获得更低电平的馈电损耗并且具有更少数目的构成部件和更低的制造成本的天线装置。
本发明的第二方面是这样一种天线装置，其中，在第一方面中的所述导电层包含以这样的方式定位和形成在其正面的凹槽，即，在垂直方向上从下面看时、所述凹槽经由所述第一介质层叠加在所述第一辐射元件上面。本发明的第三方面是这样一种天线装置，其中，在第二方面中的所述凹槽大于所述第一辐射元件，所述凹槽是以这样的方式定位和形成的，即，当在垂直方向上从上面看时，所述第一辐射元件全部被包含在该凹槽中。本发明的第四方面是这样一种天线装置，它进一步包括设置在所述第二或第三方面的所述凹槽内部的介质零件。本发明的第五方面是这样一种天线装置，其中，所述第四方面中的介质零件是用泡沫电介质构成的。
在所述第二方面中形成的所述凹槽有助于增大所述第一辐射元件和所述导电层的正面之间的距离。相应地，当所述第一辐射元件和所述导电层的正面之间的距离增大时，通常，具有小的电压驻波比(下文称为VSWR)或反射损耗的频带宽度就增大。因此，上述凹槽的形成将增大阻抗能够匹配的频带的宽度。这时，没有必要增加所述第一介质层的厚度，并且，在这种情况下也将获得在所述第一方面中获得的效果。此外，通常还使从所述第一辐射元件的边缘部分发出的电力线能够扩展到比所述第一辐射元件的尺寸更宽的范围。采纳所述第三方面还将使从所述第一辐射元件的边缘部分发出的电力线能够充满所述凹槽的内部，从而进一步增强所述第二方面的效果。在所述第四方面中引进所述凹槽的内部的所述介质零件有助于加固该凹槽区域的结构。如果象在第五方面中那样其材料是泡沫电介质，那么，所述介质零件的引进引起损耗增加的可能性较小。
本发明的第六方面是这样一种天线装置，它进一步包括设置在所述第一至第五方面中的所述第二介质层的正面上的第三介质层。本发明的第七方面是这样一种天线装置，其中，所述第六方面中的第三介质层的介电常数大于第一和第二介质层的介电常数。本发明的第八方面是这样一种天线装置，其中，所述第六或第七方面中的第三介质层用作至少对所述第一和第二辐射元件进行环境保护的天线罩。本发明的第九方面是这样一种天线装置，它进一步包括用于把所述第六至第八方面中的所述第三介质层牢固地固定在所述导电层上的固定件。本发明的第十方面是这样一种天线装置，它进一步包括和所述第九方面中的所述第三介质层构成一个整体、并且穿过第一和第二介质层延伸到所述导电层中的柱状构件，所述柱状构件的端部借助于所述固定件牢固地固定在所述导电层上。
在所述第六方面中形成的第三介质层具有把从所述第一辐射元件发出的电力线引向所述第二辐射元件的功能。这种引导将增强所述第一辐射元件和所述第二辐射元件之间的电磁耦合。第一辐射元件和所述第二辐射元件之间的这种增强的电磁耦合将加大具有较小的VSWR或反射损耗的频带的宽度。因此，上述第三介质层的形成将导致增大使阻抗能够匹配的频带宽度。这时不必增加第一介质层的厚度也能获得在第一方面中获得的效果。此外，由于不必形成象第二方面中那样的凹槽，因此，将使所述导电层比第二方面中的薄，从而导致所述装置小型化。此外，如果把第三介质层的介电常数设定在高于第七方面中的介电常数的值，那么，将进一步增强在第六方面中获得的增强所述电磁耦合的效果，从而能够在甚至更宽的频带范围内使阻抗匹配。在第八方面中，所述第三介质层也可以作为天线罩，以便减小所述装置的尺寸。此外，在第九方面中，可以形成用于把所述第三介质层牢固地固定到所述导电层上的固定构件，以便保证获得一种各独立的介质层和导电层的稳定有力的和一体化的固位。在所述第十方面中，还可以形成穿过第一和第二介质层而延伸的柱状件，同时，借助于所述固定件把该柱状件的末端固定在所述导电层上。这将使各独立的介质层和导电层能够被牢固地和整体地夹持住，甚至在所述装置的中心部分也是这样。这样增加的夹持强度将导致改善制造过程的生产精度，并且将导致制造出具有更稳定的性能的装置。
本发明的第十一方面是这样一种天线装置，其中，在第一至第十方面中的第一介质层的厚度等于或小于待发射的波长的1％。本发明的第十二方面是这样一种天线装置，其中，在第一至第十一方面中的第一介质层具有包括第一介质薄膜和第一介质基片的覆层结构，所述第一介质薄膜的表面上形成有第一辐射元件和馈线，所述第一介质基片具有足以维持所述导电层和所述第一辐射元件之间的距离厚度。本发明的第十三方面是这样一种天线装置，其中，在第一至第十二方面中的第二介质层具有包括第二介质薄膜和第二介质基片的覆层结构，所述第二介质薄膜的表面上形成有第二辐射元件，所述第二介质基片具有足以维持所述导电层和所述第一辐射元件和第二辐射元件之间的距离的厚度。本发明的第十四方面是这样一种天线装置，其中，在第十二或第十三方面中的第一和第二介质基片包括由泡沫电介质构成的基片。
在把第一至第十方面用于实现适合于发射和接收具有相对地长的波长的微波的情况下，根据所述第十一方面来设定所述厚度是可行的。在采用以下构造的情况下，即，一方面，在所述薄膜上形成所述辐射元件，另一方面，由所述介质基片来保持所述元件在厚度方向上的距离，正如第十二或第十三方面那样，则可以把所述元件的几何形状以及尺寸的设计和所述各个元件在厚度方向上的间隔以及介电常数的设计分开来进行，这有助于改善天线设计的自由度。第十四方面中泡沫电介质的使用将会实现降低馈电损耗以及改善辐射效率的目的，这是由于所述泡沫电介质具有低的介电常数和低的介质损耗角正切值的缘故。
根据本发明的第十五方面，提供一种制造备有被馈电的第一辐射元件和不被馈电的第二辐射元件的天线装置的方法，该方法包括以下步骤制备导电板、具有均匀的小于待发射的波长的厚度的第一介质基片、其厚度小于第一介质基片的厚度的第一介质薄膜、具有均匀厚度的第二介质基片、以及其厚度小于第二介质基片的厚度的第二介质薄膜；在所述第一介质薄膜的表面上形成第一辐射元件和用于向该第一辐射元件馈电的馈线；在所述第二介质薄膜的表面上形成第二辐射元件；以及在完成这些步骤之后，按照上述次序，以这样的方式把第一介质基片、第一介质薄膜、第二介质基片和第二介质薄膜层叠在所述导电板上，即，由第一介质基片保持所述导电板和第一辐射元件之间的距离，而由第二介质基片保持第一辐射元件和第二辐射元件之间的距离，并且第一和第二辐射元件的各自的中心在垂直方向上经由第二介质基片彼此重叠。按照上述方面，可以方便地制造根据所述第一方面的天线装置。
根据本发明的第十六方面，提供一种设计根据所述第一方面的天线装置的方法，该方法包括以下步骤确定第一和第二辐射元件的尺寸和间隔、使得在待发射的频带内的诸如电压驻波比或反射损耗的频率特性在斯密斯圆图上描绘一条环路、并且该环路环绕斯密斯圆图的中心；以及确定所述第一和第二介质层的厚度、以便确保在待发射的频带内的电压驻波比或反射损耗落在所述环路上。在这种情况下，使阻抗能够匹配的频带(即，具有较小的VSWR或反射损耗的频带)及其宽度一般将根据所述导电层和第一辐射元件之间的距离以及根据第一辐射元件和第二辐射元件之间的距离而变化。因此，上述方面确保获得根据第一方面的天线装置的所需要的设计。
根据本发明的第十七方面，提供一种设计根据所述第二方面的天线装置的方法，该方法包括以下步骤确定第一和第二辐射元件的尺寸和间隔、使得在待发射的频带内的诸如电压驻波比或反射损耗的频率特性在斯密斯圆图上描绘一条环路、并且该环路环绕斯密斯圆图的中心；以及确定所述第一介质层的厚度以及所述凹槽的尺寸、以便确保在待发射的频带内的电压驻波比或反射损耗落在所述环路上。在这种情况下，使阻抗能够匹配的频带及其宽度将根据所述导电层和第一辐射元件之间的距离而变化。所述导电层和第一辐射元件之间的所述距离随所述凹槽的尺寸(例如，深度)而变化。因此，上述方面确保获得根据第二方面的天线装置的所需要的设计。
根据本发明的第十八方面，提供一种设计根据所述第六方面的天线装置的方法，该方法包括以下步骤确定第一和第二辐射元件的尺寸和间隔、使得在待发射的频带内的诸如电压驻波比或反射损耗的频率特性在斯密斯圆图上描绘一条环路、并且该环路环绕斯密斯圆图的中心；以及确定所述第三介质层的介电常数、以便确保在待发射的频带内的电压驻波比或反射损耗落在所述环路上。在这种情况下，使阻抗能够匹配的频带及其宽度将根据加在所述第一辐射元件和所述第二辐射元件之间的电磁耦合的强度而变化。所述第一和第二辐射元件之间的电磁耦合的强度随所述第三介质层的介电常数而变化。因此，上述方面确保获得根据第六方面的天线装置的所需要的设计。
图1是说明根据本发明的第一实施例的天线装置的结构的分解的透视图；图2是根据本发明的第一实施例的天线装置的、沿图1的A-A’线截取的侧视图；图3是显示微带馈线的例子的剖面图；图4是显示直线微带的顶视平面图；图5是显示曲折线微带的顶视平面图；图6是图4的微带在从0.05GHz至10.05GHz范围内的传输损耗的测量结果的图解说明；图7是图5的微带在从0.05GHz至10.05GHz范围内的传输损耗的测量结果的图解说明；图8是用于说明根据本发明的天线装置的输入阻抗特性的设计过程的斯密斯圆图；图9是用于说明根据本发明的天线装置的输入阻抗特性的设计过程的斯密斯圆图；图10是用于说明根据本发明的天线装置的输入阻抗特性的设计过程的斯密斯圆图；图11是说明根据本发明的第二实施例的天线装置的结构的分解的透视图；图12是根据本发明的第二实施例的天线装置的、沿图11的B-B’线截取的侧视图；图13是说明在第二实施例中省去所述各介质层的情况下的电力线分布的侧视图；图14说明根据本发明的第三实施例的天线装置的结构的分解的透视图；图15是根据本发明的第三实施例的天线装置的、沿图14的C-C’线截取的侧视图；图16是说明根据本发明的第四实施例的天线装置的结构的分解的透视图；图17是根据本发明的第四实施例的天线装置的、沿图16的D-D’线截取的侧视图；图18是说明根据本发明的第五实施例的天线装置的结构的分解的透视图；图19是根据本发明的第五实施例的天线装置的、沿图18的E-E’线截取的侧视图；图20是说明根据本发明的第六实施例的天线装置的结构的、沿着穿过介质杆但不穿过馈线的线截取的剖面侧视图；图21是说明根据本发明的第七实施例的天线装置的结构的分解的透视图；图22是根据本发明的第七实施例的天线装置的、沿图21的F-F’线截取的侧视图；图23是说明通常的天线装置的结构的顶视图；图24是说明通常的天线装置的结构的、沿图23的G-G’线截取的剖面侧视图。
下面将参考附图、通过其非限制性的实施例来描述本发明。应该注意，各个实施例公用的构件是用相同的标号表示的，并且将不重复解释。
a)实施例1首先参考描绘根据本发明的第一实施例的天线装置的结构的图1和2。如图中所示，本实施例的天线装置包括平导电板36，介质层38、介质薄膜40、介质层42、以及介质薄膜44按照所述次序层叠在所述平导电板36上。在介质薄膜40的上表面上形成辐射元件46和用于向辐射元件46馈电的馈线48。在介质薄膜44的上表面上形成另一个辐射元件50。辐射元件46、50以及馈线48是由诸如铜箔制成的，并且是用蚀刻或某种其它方法在介质薄膜40或44上形成的。介质层38和42是以通常具有小的介电常数和低的介质损耗角正切值的泡沫电介质38和42的形式形成的。这种泡沫电介质的应用不仅将确保降低当向辐射元件46馈电时可能产生的馈电损耗，而且将确保增强辐射元件46和50的辐射强度。介质层38和42还起隔层的作用，它们分别以适当的间隔把平导电板36和辐射元件46以及辐射元件46和辐射元件50隔开。虽然未示出，但是，当然，借助于诸如螺钉的固定件把平导电板36、介质层38、介质薄膜40、介质层42、以及介质薄膜44紧紧地固定在一起，或者，用粘合剂等等以粘结的方式把它们结合在一起。
当用本实施例的天线装置发射无线电信号时，经由馈线48把无线电频率的信号馈送到辐射元件46。当用无线电频率的信号激励辐射元件46时，辐射元件46以电磁无线电波的形式、按预定的方向发射无线电频率的信号。另一方面，辐射元件50与辐射元件46以电磁的方式耦合。因此，如下面将说明的那样，通过适当地设计构成所述天线装置的部件，有可能在比没有辐射元件50的情况相对地宽的频带范围使输入阻抗匹配。来自辐射元件46的辐射，以及通过上述电磁耦合激励的、来自辐射元件50的辐射被以电磁波的形式发射出去。这里将省略对接收时的操作的描述，因为，从发射时的操作的描述可以明白接收时的操作。
本实施例的主要特征在于取消金属屏蔽板、以便避免来自馈线48的不必要的辐射。在本实施例中，取消金属屏蔽板将导致不存在所述馈线48构成三平板传输线的区域。更具体地说，馈线48沿着其整个长度构成微波带状线，其中，介质层38被夹在馈线48和平导电板36之间，结果，从所述三平板传输线到所述微波带状线的传输模式不发生变化，反之亦然。这将避免由不希望的模式产生的任何损耗。这种取消所述金属屏蔽板的能力主要归因于介质层38具有与辐射波长相比非常小的厚度。换言之，由于平导电板36和馈线48之间的距离非常小，因此，几乎不可能从包括这些电极的微波带状线上的不均匀性、例如拐角或转换部分产生辐射，结果，可以忽略辐射损耗。
因此，本实施例使得有可能获得一种具有比通常的天线装置低的馈电损耗的天线装置。此外，不需要金属屏蔽板这一事实将有助于减少构成部件的数目，从而实现降低造价的目的。
还可以预计，当介质层38变薄时，相应地，辐射损耗减小但导体损耗增加，而当介质层38变厚时，相应地，辐射损耗增加但导体损耗减小。辐射和导体损耗两者都将导致天线效率的降低。因此，最好调整介质层38的厚度、以便把辐射损耗和导体损耗的总和减至最小。即，介质层38的厚度相对于与辐射关联的无线电波的波长将足够地小，例如，大约为所述波长的1％或更小。在以下的情况下，即，当把根据本实施例的天线装置用于使用微波的卫星通信并且所用的电磁波位于诸如L波段或S波段的相对低的频段时，考虑到与这些频段关联的波长是大约100至300毫米，因此，预计设定所述厚度是所述波长的1％或更小将会是非常实际的。
以下事实支持了1％这个数值。现在考虑图3中所示的包括基片200的结构，泡沫电介质层202、介质薄膜204以及泡沫电介质层206按照所述次序层叠在所述基片200上，介质薄膜204上有微带208。令基片200和微带208之间的距离为1毫米，这等于3GHz电磁波的自由空间波长的大约1％。测量了把微带208做成直线形(图4)和做成曲折线形(图5)的情况下的传输损耗，测量结果以图解的方式分别示于图6和7中。从图6中描绘的直线形微带的传输损耗与图7中描绘的曲折线形微带的传输损耗的比较可以看到，在3GHz附近，后者的传输损耗明显地增加。由图5中所描绘的曲柄210的设置所产生的损耗一般是辐射损耗，因此，可以预计，在图3描绘的结构中，至少在大约3Ghz之前，曲柄210产生很小的辐射损耗或基本上不产生辐射损耗。此外，用于阵天线的馈线通常使用很多曲柄。从以上的描述可以看出，通过调整基片200和微带208之间的距离、使泡沫电介质202的厚度等于所使用的频率的波长的1％(在3GHz处为1mm)，从而抑制了由曲柄210产生的辐射损耗。显然，此处所指的电介质202的厚度对应于以上实施例中介质层38的厚度。
现在参考图8至10，图中描绘了表示当辐射元件46和50的电磁耦合强度逐渐增强时特性的变化的斯密斯圆图。在这些图中，实线100表示图1和2中所示的装置的输入阻抗，而处在中心位置的用虚线描绘的圆102表示其上VSWR反射系数或反射损耗是常数的圆。由于在虚线圆102内得到的VSWR小于虚线圆102上的VSWR，所以，可以预计，在位于虚线圆102内、由表示特性的实线围成的范围内，能够很好地使输入阻抗达到匹配要求。
在经由馈线48直接馈电的辐射元件46和不与馈线48连接的辐射元件50如图1和2中所示那样在垂直方向上排列的结构中，输入阻抗特性线100的一部分在斯密斯图上描绘一个环路104，如图8至10中所示。可以通过调整辐射元件46和50的直径、或者调整辐射元件46和50之间的距离以及辐射元件46和50与导电板36之间的距离来把环路104定位在斯密斯圆图的中心，即，定位在用虚线圆表示的VSWR圆102的附近。更具体地说，最好适当地调整环路104的尺寸、并且使整个环路104能够位于VSWR的内部，同时，使环路104足够地大，从而能够在和图8中所示的小环路104的情况相比的、或者和图10中所示的环路104位于VSWR圆102外面的情况相比的相对地宽的频带范围内使输入阻抗匹配。如果加大辐射元件46、50与平导电板36之间的距离，那么，在环路104的尺寸不变的情况下、图8上迄今由标记a和b限定的频带将被移到由标记a’和b’限定的区域，从而能够在相对地宽的频率范围内使所述阻抗匹配。如果减小辐射元件46和辐射元50之间的距离，那么，环路104将随着两个辐射元件之间的电磁耦合的增强而加大，从而也能够在相对地宽的频率范围内使所述阻抗匹配。应当指出，辐射元件46和50之间的距离太小会导致VSWR值超过所述图中由虚线圆102描述的所需要的VSWR值，从而不能得到任何阻抗匹配。因此，为了在最宽的频率范围内得到阻抗匹配，这样设计辐射元件46和辐射元件50之间的距离，使得环路104的尺寸变成稍微小于虚线圆102的尺寸。
B)实施例2现在参考描绘根据本发明的第二实施例的天线装置的结构的图11至13。本实施例与第一实施例的不同点在于在平导电板36的上表面形成凹槽52。凹槽52是这样定位的，即，凹槽52的中心与辐射元件46和50的中心基本上重合。如图13中所示，凹槽52的尺寸最好等于或者大于辐射元件46和50的尺寸，使得从辐射元件46和50的边缘部分发出的电力线能够到达凹槽52的内部。显然，使凹槽52的尺寸等于辐射元件46和50将会需要非常精确的生产精度，从而产生生产工艺方面的问题，而当凹槽52的尺寸大到触及馈线48时，将会产生阻抗不均匀性，使得难于使此处的阻抗匹配。因此，最好这样确定凹槽52的尺寸，使得既不妨碍阻抗匹配、又不会产生任何生产工艺方面的问题。
形成凹槽52的目的是在不增加介质层38的厚度的情况下加宽能够得到好的阻抗匹配的频带。例如，假定第一实施例的天线装置在设定介质层38为一定厚度的情况下给出如图8中所示的特性。还假定，根据图8所示的特性，由标记a和b限定的所述区域对应于设计要求中必须保证获得阻抗匹配的频带。在这种情况下，必须把对应于标记a的频率移到标记a’的点，并且把对应于标记b的频率移到标记b’的点。在第一实施例中可能的替代方法首先是增加介质层38的厚度以便加大辐射元件46、50与平导电板36之间的距离，其次是减小介质层42的厚度以便减小辐射元件46和辐射元件50之间的距离、从而增强这两个元件之间的电磁耦合的强度。
但是，在第一种方法中产生几个问题，即，增加介质层38的厚度的方法加宽了阻抗通带。例如，不允许把辐射元件46、50与平导电板36之间的距离加大到在这些元件中间会出现高次模式传输的程度。此外，为了抑制从由馈线48与平导电板36构成的微波带状线发出的不希望有的辐射，不可能把馈线48与平导电板36之间的距离、以及因此辐射元件46、50与平导电板36之间的距离加大到超过一定的值。象在本实施例中那样在平导电板36中形成凹槽52使得有可能加宽辐射元件46、50与平导电板36之间的距离而不改变馈线48与平导电板36之间的距离。这样，本实施例确保在相对宽的频带范围内获得阻抗匹配而不增加从由馈线48与平导电板36构成的微波带状线发出的不希望有的辐射。
此外，使凹槽52的尺寸大于辐射元件46、50的尺寸将使从辐射元件46和50的边缘部分发出的电力线能够被接纳在凹槽52的内部，如图13中所示，从而，使辐射元件46和50能够工作在正常模式而与凹槽52的形成无关。
c)实施例3现在参考描绘根据本发明的第三实施例的天线装置的结构的图14和15。在本实施例中，在第二实施例的凹槽52的内部设置介质零件54。这种介质零件的使用将增强凹槽52的区域的结构上的承载强度。利用泡沫电介质来形成介质零件54还将避免电性能的退化、或者把电性能退化的可能性减至最小。
d)实施例4现在参考描绘根据本发明的第四实施例的天线装置的结构的图16和17。除了第一实施例的结构之外，本实施例还包括介质层56。介质层56由具有比构成介质层38和42的介质材料(泡沫电介质)高的介电常数的材料制成。因此，从辐射元件46发出的电力线被导向辐射元件50。同第一实施例比较，这将保证得到辐射元件46和50之间的增强的电磁耦合强度。这样，可以在不减小介质层42的厚度的情况下增强辐射元件46和50之间的电磁耦合强度，在更宽的频率范围内实现阻抗匹配。
显然，通过在辐射元件50和介质层56之间插入另一层、例如空气层或泡沫电介质层，也能够得到基本上相同的效果。但是，如果这种层太厚，那么，它可能阻挡从辐射元件46发出的电力线被导向辐射元件50，这可能使所述效果有所下降。
e)实施例5现在参考描绘根据本发明的第五实施例的天线装置的图18和19。本实施例是第二实施例和第四实施例的组合。结果，能够既获得第二实施例的效果又获得第四实施例的效果。此外，第二实施例和第四实施例的组合将在甚至更宽的频率范围内使阻抗得到匹配。自然，本实施例可以利用介质零件54。
f)实施例6现在参考描绘根据本发明的第七实施例的天线装置的图20。在本实施例中，多根介质杆58从第四实施例的介质层56向下延伸。多根介质杆58穿过介质薄膜44、介质层42、介质薄膜40以及介质层38延伸到平导电板36中。通过螺钉60把每个介质杆58的端部牢固地固定到平导电板36。
这不仅将保证得到和第四实施例中的基本上相同的效果，而且将保证得到比第四实施例的更强的固定强度。
就是说，由于用泡沫电介质制成的介质薄膜40、44和介质层38、42通常是软性构件，所以，仅仅通过把它们层叠在一起而要稳固地保持其平面度或厚度会是困难的。因此，象第四实施例中那样，把介质层56重叠的所述叠层结构上，以便改善所述平面度或厚度的均匀性。为了进一步改善介质层38、42和介质薄膜40、44的平面度或厚度的均匀性，如本实施例中那样，用多根介质杆58和螺钉60把介质层38与平导电板36牢固地连接在一起。可以把介质杆58设置在所述天线装置的中心附近，以便保证得到所述天线装置的中心部分的平面度或厚度的均匀性。此外，与具有沿着天线装置的周边设置的、用于把介质层56与平导电层36牢固地连接在一起的垫圈的结构相比，由于未使用所述垫圈的缘故、本实施例需要较少数目的构成部件，结果降低了生产成本。自然，本实施例可以备有凹槽52或介质零件54。
g)实施例7现在参考描绘根据本发明的第七实施例的天线装置的结构的图21和22。在本实施例中未利用介质薄膜40和44。辐射元件46和馈线48设置在介质层38的上表面上面，而辐射元件50设置在介质层42的上表面上面。这样的结构也将保证得到和第一实施例中的基本上相同的效果。根据上述第二至第六实施例来修改本实施例也是可能的。
h)补充虽然在上面的描述中辐射元件46和50是做成圆形的，但是，本发明将不限于所述圆形的辐射元件。为了实施本发明，可以利用具有诸如方形的其它形状的辐射元件46和50。本发明不限于平面天线、而是可以用于具有曲面部分的天线。虽然在实施例4至6中仅仅描述了介质层56的用于增强辐射元件46和辐射元件50之间的电磁耦合的强度的功能，但是，显然，介质层56还起天线罩的作用。换句话说，介质层56具有保护所述天线装置的包括辐射元件46和50的内部结构免受外界环境、例如雨、风、温度、湿度、灰尘等等的影响的功能。以这样的方式利用介质层56作为天线罩将有助于所述天线装置结构的小型化。
权利要求
1.一种天线装置，其特征在于包括具有正面和背面的导电层，具有正面和背面并且被安排成其背面对着所述导电层的正面的第一介质层，该第一介质层的厚度小于待发射的信号的波长，具有正面和背面并且被安排成其背面对着所述第一介质层的正面的第二介质层，分别以这样的方式设置在所述第一和第二介质层的所述正面的上面的第一和第二辐射元件，即，所述第一和第二辐射元件的各自的中心在垂直方向上经由所述第二介质层彼此重合，以及设置在所述第一介质层的所述正面上面、用于与所述第一辐射元件关联的馈电的馈线。
2.根据权利要求1的天线装置，其特征在于所述导电层包含以这样的方式定位和形成在其所述正面的凹槽，即，在垂直方向上从下面看时、所述凹槽经由所述第一介质层叠加在所述第一辐射元件上面。
3.根据权利要求2的天线装置，其特征在于所述凹槽大于所述第一辐射元件，所述凹槽是以这样的方式定位和形成的，即，当在垂直方向上从上面看时，所述第一辐射元件全部被包含在该凹槽中。
4.根据权利要求2的天线装置，其特征在于还包括设置在所述凹槽内部的介质零件。
5.根据权利要求4的天线装置，其特征在于所述介质零件是用泡沫电介质构成的。
6.根据权利要求1的天线装置，其特征在于进一步包括设置在所述第二介质层的所述正面上的第三介质层。
7.根据权利要求6的天线装置，其特征在于所述第三介质层的介电常数大于所述第一和第二介质层的介电常数。
8.根据权利要求6的天线装置，其特征在于所述第三介质层用作至少对所述第一和第二辐射元件进行环境保护的天线罩。
9.根据权利要求6的天线装置，其特征在于进一步包括用于把所述第三介质层牢固地固定在所述导电层上的固定件。
10.根据权利要求9的天线装置，其特征在于进一步包括和所述第三介质层构成一个整体、并且穿过所述第一和第二介质层延伸到所述导电层中的柱状构件，所述柱状构件的端部借助于所述固定件牢固地固定在所述导电层上。
11.根据权利要求1的天线装置，其特征在于所述第一介质层的厚度等于或小于待发射的波长的1％。
12.根据权利要求1的天线装置，其特征在于所述第一介质层具有包括第一介质薄膜和第一介质基片的覆层结构，所述第一介质薄膜的表面上形成有所述第一辐射元件和所述馈线，所述第一介质基片具有足以保持所述导电层和所述第一辐射元件之间的距离厚度。
13.根据权利要求12的天线装置，其特征在于所述第一介质基片包括由泡沫电介质构成的基片。
14.根据权利要求1的天线装置，其特征在于所述第二介质层具有包括第二介质薄膜和第二介质基片的覆层结构，所述第二介质薄膜的表面上形成有所述第二辐射元件，所述第二介质基片具有足以保持所述第一辐射元件和第二辐射元件之间的距离的厚度。
15.根据权利要求14的天线装置，其特征在于所述第二介质基片包括由泡沫电介质构成的基片。
16.一种制造天线装置的方法，其特征在于包括以下步骤制备导电板、具有均匀的小于待发射的波长的厚度的第一介质基片、其厚度小于第一介质基片的厚度的第一介质薄膜、具有均匀厚度的第二介质基片、以及其厚度小于第二介质基片的厚度的第二介质薄膜，在所述第一介质薄膜的表面上形成第一辐射元件和用于向该第一辐射元件馈电的馈线，在所述第二介质薄膜的表面上形成第二辐射元件，以及在完成这些步骤之后，按照上述次序，以这样的方式把所述第一介质基片、所述第一介质薄膜、所述第二介质基片和所述第二介质薄膜层叠在所述导电板上，即，由所述第一介质基片保持所述导电板和所述第一辐射元件之间的距离，而由所述第二介质基片保持所述第一辐射元件和所述第二辐射元件之间的距离，并且所述第一和第二辐射元件的各自的中心在垂直方向上经由所述第二介质基片彼此重叠，从而制造备有被馈电的所述第一辐射元件和不被馈电的所述第二辐射元件的天线装置。
17.一种设计天线装置的方法，所述待设计的天线装置包括具有正面和背面的导电层，具有正面和背面并且被安排成其背面对着所述导电层的正面的第一介质层，该第一介质层的厚度小于待辐射的信号的波长，具有正面和背面并且被安排成其背面对着所述第一介质层的正面的第二介质层，分别以这样的方式设置在所述第一和第二介质层的所述正面的上面的第一和第二辐射元件，即，所述第一和第二辐射元件的各自的中心在垂直方向上经由所述第二介质层彼此重合，以及设置在所述第一介质层的所述正面上面、用于与所述第一辐射元件关联的馈电的馈线，其特征在于所述方法包括以下步骤确定所述第一和第二辐射元件的尺寸和/或间隔、使得电压驻波比和/或反射损耗的频率特性在斯密斯圆图上描绘一条环路，并且该环路环绕所述斯密斯圆图的中心，以及确定所述第一和第二介质层的厚度、以便确保在待发射的频带内的电压驻波比或反射损耗落在所述环路上。
18.一种设计天线装置的方法，所述待设计的天线装置包括具有正面和背面的导电层，具有正面和背面并且被安排成其背面对着所述导电层的正面的第一介质层，该第一介质层的厚度小于待发射的信号的波长，具有正面和背面并且被安排成其背面对着所述第一介质层的正面的第二介质层，分别以这样的方式设置在所述第一和第二介质层的所述正面的上面的第一和第二辐射元件，即，所述第一和第二辐射元件的各自的中心在垂直方向上经由所述第二介质层彼此重合，以及设置在所述第一介质层的所述正面上面、用于与所述第一辐射元件关联的馈电的馈线，以这样的方式定位和形成在所述导电层的所述正面的凹槽，使得当沿垂直方向从下面看时、所述凹槽经由所述第一介质层叠加在所述第一辐射元件上面，其特征在于所述方法包括以下步骤确定所述第一和第二辐射元件的尺寸和/或间隔、使得电压驻波比和/或反射损耗的频率特性在斯密斯圆图上描绘一条环路，并且该环路环绕所述斯密斯圆图的中心，以及确定所述第一介质层的厚度和所述凹槽的尺寸、以便确保在待发射的频带内的电压驻波比或反射损耗落在所述环路上。
19.一种设计天线装置的方法，所述待设计的天线装置包括具有正面和背面的导电层，具有正面和背面并且被安排成其背面对着所述导电层的正面的第一介质层，该第一介质层的厚度小于待发射的信号的波长，具有正面和背面并且被安排成其背面对着所述第一介质层的正面的第二介质层，分别以这样的方式设置在所述第一和第二介质层的所述正面的上面的第一和第二辐射元件，即，所述第一和第二辐射元件的各自的中心在垂直方向上经由所述第二介质层彼此重合，以及设置在所述第一介质层的所述正面上面、用于与所述第一辐射元件关联的馈电的馈线，以及设置在所述第二介质层的所述正面上面的第三介质层，其特征在于所述方法包括以下步骤确定所述第一和第二辐射元件的尺寸和/或间隔、使得电压驻波比和/或反射损耗的频率特性在斯密斯圆图上描绘一条环路，并且该环路环绕所述斯密斯圆图的中心，以及确定所述第三介质层的介电常数、以便确保在待发射的频带内的电压驻波比或反射损耗落在所述环路上。
全文摘要
提供一种天线装置及其制造方法和设计方法。按以下次序把第一介质层、第一介质薄膜、第二介质层和第二介质薄膜层叠在平金属板上。把由馈线馈电的辐射元件排列在另一个不被馈电的辐射元件的下面。该馈线沿其整个长度形成具有夹在该馈线与平导电板之间的介质层的微波带状线，因此从该微波带状线到三平板传输线不产生模式变换，反之亦然，从而降低馈电损耗。使介质层的厚度与使用的波长相比足够小以便抑制来自所述微波带状线的不连续性的辐射。
文档编号H01Q13/18GK1154579SQ9612284
公开日1997年7月16日 申请日期1996年10月7日 优先权日1995年10月6日
发明者大塚昌孝, 礒田阳次, 松永诚, 小西善彦, 中原新太郎 申请人:三菱电机株式会社