[发明专利]对数周期偶极阵(LPDA)天线及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及宽带天线设计，尤其涉及在宽频范围内具有改进性能的对数周期偶极阵(LPDA)天线。

背景技术

以下描述和示例仅作为背景给出。

对于许多应用而言，对数周期偶极阵(LPDA)天线是通用宽带天线。通常，LPDA天线包括线性或锥形偶极子的集合，这些偶极子按比例缩放并排列成对数周期阵列。阵列内的各个偶极子包括两个振子(element)或半振子，这些振子在长度上不同并从一对传输线结构(即“馈电导体”)向外延伸。偶极子从最短排列到最长，使得偶极振子之间的长度和间距沿天线成对数变化。此外，偶极子的长度和间距与天线被配置成在其上操作的频率范围相关。例如，最长偶极子的长度与最低操作频率成比例，而最短偶极子的长度与LPDA天线的最高操作频率成比例。为了提供相对较宽的频率范围，通常需要在最长与最短振子的长度之间具有极大差异的相对较大的LPDA天线。

在许多情形中，用具有圆筒形横截面的铝条原料来构造偶极子。然而，其它导电材料(诸如铜及其合金)以及横截面(诸如矩形)也可用来制作偶极振子。在大多数情形中，使用螺钉或其它机械紧固件将偶极振子附加到馈电导体。作为一个替代方案，偶极振子可单独软焊(soldering)或熔焊(welding)到馈电导体。然而，软焊和熔焊很少使用，因为这些工艺所需的局部剧烈加热往往使天线结构变形。

在使用期间，LPDA被定向成具有最短振子的端部(即前端)指向所需的发射或接收方向。在大多数情形中，天线在前端馈电以避免图案失真。例如，馈电导体通常等距隔开并且排列在与偶极振子垂直的平面中。在某些情形中，天线可通过沿着连接偶极振子的馈电导体之一的内部延伸的同轴馈电线来馈电。这种配置通常称为“上/下(over/under)馈电机构”。

使馈电信号进入天线的前端用于两个目的。第一，它使得在天线的后端(即具有最长振子的端部)实现到信号源或接收器的连接器，这提供了显著的机械优点。第二，在前端向天线馈电减小了图案失真并提供了本征平衡网络。例如，同轴馈电线可完全包含在上/下馈电机构的两个馈电导体之一中。在天线前端(即“馈电区”)，同轴馈电线的内导体从一导体伸出并连接到其它导体。如果馈电区在电气上较小，则将保持电流连续性，而且沿两个导体流动的电流得到平衡。

以上的馈电安排常常称为“无限平衡-不平衡变压器”。尽管在技术上并非平衡-不平衡变压器，但是馈电安排为天线提供了本征电流平衡，由此不需要附加平衡变压器。通过在前端(即在较小的高频振子处)向天线馈电，不发生堵塞，并且天线提供了保持在宽频范围内的单向图案。

为了即使在天线“向后”馈电时，引导天线辐射“向前”，连续偶极振子必须通过信号相位差为180°的信号来馈电。这通过将每个馈电导体电连接到连续偶极子的交替半振子来实现。例如，馈电导体可电连接到一偶极子对的“左“振子，接着连接到下一偶极子对的“右”振子等。

目前可用的最佳LPDA设计将上述的“无限平衡-不平衡变压器”技术与上/下馈电机构组合在一起。然而，结合了这些技术的传统LPDA设计仍存在许多缺点。例如，使用螺钉(或其它机械紧固件)来将偶极振子附加到馈电导体的常规LPDA天线常常在振子的底部(即在偶极振子与馈电导体之间的连接点处)遭受间歇的电接触。换言之，偶极振子的热膨胀随时间流逝会导致紧固件松弛，从而使湿气和氧气进入振子与馈电导体的底部之间。这在振子的底部导致了不可避免的氧化和间歇电接触。在某些情形中，电接触问题可通过将偶极振子直接软焊或熔焊到馈电导体来解决，如上所述。然而，软焊和熔焊需要局部剧烈加热，这往往使天线结构变形。出于此原因，基本上主要使用机械紧固件(诸如螺钉)来将偶极振子附加到馈电导体。

此外，使用机械紧固件附加偶极振子的LPDA设计在高操作频率(例如在约微波频率及以上)下变得不切实际。如上所述，随着操作频率范围的高频极限的增大，偶极振子的长度愈发变短。在大多数情形中，不管振子大小如何，与各个偶极振子相关联的成本是类似的，因为在各个振子的制作中涉及相同的加工工艺。因此，将传统LPDA天线的高频极限扩展到微波频率范围变得非常昂贵。此外，上/下馈电机构必然交错排列各个偶极子的两个半振子以便适应较高的频率极限。然而，交错排列引入交叉极化辐射场，该辐射场只能通过减小馈电几何形状的大小来最小化。这常常导致功率处理问题并增加了组装的难度。