專利名稱：帶寬增強型雙層電流板天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及陣列天線領域，并且更具體地涉及帶寬特別寬的陣列天線。
背景技術：
技術上周知相控陣天線。這種天線通常由多個可獨立地在相對相位和振幅上進行控制的發(fā)射元件組成。通過各個元件的幾何形狀以及這些元件之間的選定相位/振幅關系選擇性地確定陣列的天線方向圖。這些天線系統(tǒng)的典型發(fā)射元件可以包括偶極子、槽縫或者任何其它合適結構。
近年來已經(jīng)開發(fā)了各種適用于天線陣應用的新的平面型天線元件。這種元件的一個例子在Munk等的標題為“寬帶相控陣天線以及相關方法(Wideband Phased Array Antenna and Associated Methods)”的美國09/703,247號專利申請中公開(以下稱為“Munk”)。Munk公開了一種具有不尋常寬度特性的平面型天線發(fā)射元件。為了獲得特別寬的帶寬，Munk在相鄰偶極子天線元件的二個相對端之間采用電容耦合。利用Munk等設計的天線元件可以達到9比1數(shù)量級的帶寬。分析表明，在附加調(diào)諧情況下可能達到10比1。但是，這看來是這種特定設計能達到的極限。盡管Munk等的天線對于相控陣天線具有非常寬的帶寬，仍然不斷需要并期望甚至要比10比1更寬的帶寬的相控陣天線。
過去的為增加相對窄頻帶的相控陣天線的帶寬的努力中采用了各種技術，包括把頻率范圍分成幾個頻帶。例如，授予Wong等的美國5,485,167號專利涉及一種利用多層偶極子陣列的多頻率相控陣天線。在Wong等的專利中，設置多層的偶極子對天線陣列，其中每個陣列調(diào)諧到不同的頻率。沿著發(fā)射/接收方向這些層彼此相對堆疊，其中最高頻率陣列在下一個最低頻率陣列的前面，并且以此類推，在Wong等的專利中，于高頻帶偶極天線陣和低頻帶偶極天線陣之間設置一個由平行導線構成、配置在網(wǎng)格中的高頻帶地網(wǎng)。
Wong的多層方法具有一個缺點。如Wong等所說明的常規(guī)偶極天線陣帶寬相對窄，從而這種配置的凈結果仍不會提供足夠?qū)拵У年嚵?。從而，仍然需要繼續(xù)改進帶寬超過10比1的寬帶陣列天線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種發(fā)射元件陣列，包括按陣列配置的第一組天線元件，其被配置成在第一頻帶上工作，以及按陣列配置的第二組天線元件，其被配置成在第二頻帶上工作。這些天線元件可以是具有延長的主體部分和與延長的主體部分的一端相連接的寬度擴大端部的平面元件。相鄰天線元件的寬度擴大端部可以具有和相鄰偶極子元件的對應端部容性耦合的交叉指型部分。
第一組天線元件排列在各行各列隔開的第一平面網(wǎng)格圖案中，而第二組天線元件排列在各行各列隔開的第二平面網(wǎng)格圖案中，第二網(wǎng)格圖案相對于第一網(wǎng)格圖案可轉(zhuǎn)動一個角度，例如45度。
第一組天線元件位于第二組天線元件的下面，并且第一組充當?shù)诙M的有效接地層。通過使第一頻帶鄰近第二頻帶可把該陣列配置成寬帶工作。該陣列可以包括設置在第一多個天線元件和第二多個天線元件之間的介質(zhì)材料。
該陣列還可以包括對第一組天線元件傳送RF信號的一組第一饋送組織器(feed organizer)，以及對第二組天線元件傳送RF信號的一組第二饋送組織器。第一和第二饋送組織器排列在一個公共網(wǎng)格圖案中并且向上延伸到各天線元件。第二饋送組織器的一組RF饋送器形成一個設置在該公共網(wǎng)格圖案上的第二饋送組織器網(wǎng)格圖案。這些第二饋送組織器的RF饋送器穿過一個大致由第一多個天線元件限定的平面以把RF傳送到第二多個天線元件。接地層可以位于第一組天線元件的下面，并且可以在該接地層和第一多個天線元件之間設置一個介質(zhì)層。


參照各附圖會更容易理解本發(fā)明的各種特征和優(yōu)點，附圖中相同的參考數(shù)字代表相同的結構成分。
圖1是一個具有多個位于第一層上的高頻天線元件以及多個位于第二層上的低頻天線元件的雙頻帶、雙層天線陣列的頂視圖。
圖2是沿著圖1的雙頻帶、雙層天線陣列的線2-2取的剖面圖。
圖3是本發(fā)明中包含的多個饋送組織器的頂視圖。
圖4是圖3的饋送組織器的布置的放大詳細圖。
圖5是圖3的饋送組織器的放大剖面圖。
圖6示出一種供圖1的陣列使用的寬帶天線元件。
具體實施例方式
圖1和2示出雙頻帶、雙層天線陣列100。圖1是該陣列的頂視圖。圖2是沿圖1的線2-2取的剖面圖。陣列100包括多個設置在天線上表面204上的低頻天線元件104以及多個設置在天線下表面202上的高頻天線元件102。天線下表面202位于天線上表面204的下方(為了清楚起見，高頻元件102在圖1的頂視圖中未出)?？梢栽谒鼈兏髯缘谋砻?02和204上按平面陣列分別設置天線元件102和104，但是由于可以采用其它天線元件配置，本發(fā)明不受此限制。
陣列100可以包括多個高頻饋送組織器208和多個低頻饋送組織器210。高頻饋送組織器208在高頻饋送點106和高頻天線元件102接觸。低頻饋送組織器210在低頻饋送點108和低頻天線元件104接觸。饋送組織器208和210可固定在表面212上。供選地，一個接地層可以位于多個高頻天線元件102的下方并且可在它們之間置入一個介質(zhì)層。
本陣列配置的一個優(yōu)點是高頻元件102可以充當?shù)皖l元件104下方的有效接地層，從而在不必采用常規(guī)接地層的情況下提高低頻天線陣列的增益。通過高頻元件102形成的接地層的工作頻率范圍至少部分地由各個高頻元件102之間的間距110確定。當間距110減小時，該有效接地層的頻率范圍的上端增大。這些元件102可以提供一個頻率范圍從DC一直到波長約為間距110的十倍的頻率的有效接地層。
操作上，通過該有效接地層形成這些低頻元件104的映象(image)，從而該有效接地層可以充當一個增加向上指向的場強的反射器。該場強部分地是該有效接地層和低頻元件104的平面之間的距離214的函數(shù)。通過各種因素，包括低頻元件104的工作頻率范圍、陣列100的期望阻抗以及在由天線下表面202和天線上表面204之間限定的體積的介質(zhì)常數(shù)，來確定所選取的具體距離214。但是，應注意，本領域技術人員周知的那樣，一些距離可能造成破壞性的干擾并且在向上方向上減小場強。
在一實施例中，距離214可以等于低頻元件104進行操作的最高工作頻率的波長的四分之一?？梢栽谔炀€上表面202和天線下表面204之間限定的容積中設置介質(zhì)材料206。當設置介質(zhì)材料206時，由于要通過介質(zhì)材料206傳播，可使得用于四分之一波長計算的波長等于最高工作頻率的波長。在替代的實施例中，可以利用計算機模型確定距離214并對其進行調(diào)整以實現(xiàn)特定發(fā)射或接收特性。
本發(fā)明中使用的具體介質(zhì)材料206不是關鍵性的，各種經(jīng)常使用的介質(zhì)材料中的任一種都可用于此用途，盡管低損耗介質(zhì)是優(yōu)選的。此外，該介質(zhì)可以是氣體、液體或固體。介質(zhì)常數(shù)大于1的介質(zhì)通過縮短穿過該介質(zhì)材料206傳播的RF波長來減小有效接地層和低頻元件104之間的推薦距離。這能使陣列100更加緊湊。
例如，可以用作為介質(zhì)材料206的一類適用的材料是聚四氟乙烯(PTFE)基復合物，諸如RT/duroid6002(介質(zhì)常數(shù)為2.94，損耗角正切為0.009)以及RT/duroid5880(介質(zhì)常數(shù)為2.2，損耗角正切為0.0007)。這些產(chǎn)品都可以從Rogers Microwave Products公司的高級電路材料部(100 S.Roosevelt Ave，Chandler，AZ 85226)買到。但是，本發(fā)明不受此的限制。
圖1和2中示出的陣列配置的另一個優(yōu)點是，具有二個不同頻帶的兩個天線陣列被集成以形成一個單個的雙頻帶陣列。高頻天線元件102的頻率范圍可以靠近低頻天線元件104的頻率范圍，從而高頻元件102的低頻率范圍在接近低頻天線元件104的響應截止處開始。這提供一種其帶寬要比由單種類型的天線天件構成的陣列明顯寬的天線陣列系統(tǒng)。盡管存在上述方案的優(yōu)點，但是在這種陣列中使用常規(guī)窄帶天線元件仍會造成總帶寬受到某種限制的結果。具體地，各個陣列中使用的高頻和低頻天線元件各自的有限的頻率范圍會限制該陣列的最終組合帶寬。
通過正確地選擇天線元件可以克服上述限制并且可以進一步得到寬帶性能上的優(yōu)點。Munk等的標題為“寬帶相控陣天線以及相關方法”的美國09/703,247號專利申請(以下稱為“Munk等”，收錄作為本文的參考文獻)公開了一種這樣的偶極子天線元件。出于方便，在圖6中示出這些充當高頻偶極子對的一種實施例。例如，這些偶極子對可以具有延長的主體部分602以及和該延長的主體部分的一端連接的寬度擴大的端部604。相鄰天線元件的寬度擴大端部構成交叉指型部分606。從而，每個偶極子元件的一個端部可以和相鄰偶極子元件的對應端部容性耦合。該陣列中使用的低頻元件最好類似于圖6中示出的幾何形狀和配置，但具有適當尺寸以便適應較低頻帶下的工作。
當在陣列中使用時，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Munk等公開的偶板子元件提供突出的寬帶性能?？梢岳眠@些天線元件的寬帶性能以使本發(fā)明得益。具體地，可以在如本文的圖1和2中相關說明的陣列中設置Munk等中說明的高、低頻帶元件。但是，應注意，本發(fā)明不受此的限制。在本發(fā)明中可以采用各種類型的天線元件。例如，也可以采用不包含交叉指型部分的天線元件。
依據(jù)一優(yōu)選實施例，第一和第二組偶極子天線元件可以彼此垂直以提供雙極化，如本領域技術人員將會理解的那樣。參照圖1，多個高頻偶極子對112可以按各行各列隔開的第一網(wǎng)格圖案排列在天線下表面202上。還如圖1中所示，多個低頻偶極子對114可以按各行各列隔開的第二網(wǎng)絡圖案排列在天線上表面204上。通過使由低頻偶極子對114組成的第二網(wǎng)格圖案相對于由高頻偶極子對112組成的第一網(wǎng)格圖案轉(zhuǎn)動大約45度角，可以使二個天線陣列之間的干擾為最小。但是，本發(fā)明不受45度角的限制，因為可以按其它取向設置這些網(wǎng)格。
參照圖3，圖中示出在一個公共網(wǎng)格圖案300中組織的多個高頻饋送組織器208和多個低頻饋送組織器210。高頻饋送組織器208向高頻天線元件102提供高頻RF信號，而低頻饋送組織器210向低頻天線元件104提供低頻RF信號。圖1中所示的高頻天線元件102的網(wǎng)格圖案和圖3中示出的饋送組織器公共網(wǎng)格圖案關聯(lián)。另外，由設置在該饋送組織器公共網(wǎng)格圖案上的低頻天線元件104形成的第二網(wǎng)格圖案和由低頻饋送組織器210形成的第二饋送組織器網(wǎng)格圖案關聯(lián)(出于清晰目的，圖1中示出的天線元件的尺寸略大于圖3中示出的饋送組織器網(wǎng)格圖案的尺寸)。
參照圖5，每個高頻饋送組織器包括一個高頻饋送組織器基502、高頻RF饋送器504以及一個高頻饋送組織器觸點506。每個低頻饋送組織器包括一個低頻饋送組織器基512、低頻RF饋送器514以及低頻饋送組織器觸點516。
如可從圖1中看出那樣，低頻天線元件104物理尺寸上大于高頻元件102。從而，各個低頻RF饋送組織器210間的間距大于各個高頻饋送組織器208間的間距。盡管如此，低頻饋送組織器基512可以具有和高頻饋送組織器基502相同的安裝尺寸，從而能把各個低頻饋送組織器210散布在高頻饋送組織器208之中?？稍诘皖l饋送組織器210所位于的位置上省略掉高頻饋送組織器208和高頻天線元件102。這種省略對天線陣列100的性能造成很小的負面影響，因為和低頻元件104相比，高頻天線元件102明顯更多。這樣，可以在很小地改變天線陣列性能的情況下從公共網(wǎng)格圖案中去掉少量的高頻元件102。
在高頻饋送點106處高饋RF饋送器504和高頻天線元件102連接。在低頻饋送點108處低饋RF饋送器514和低頻天線元件104連接。高頻饋送組織器觸點506和低頻饋送組織器觸點516保證各自的連接。
圖4是饋送組織器208和210的布置的放大細節(jié)圖400。低頻RF饋送器514可以相對于高頻RF饋送器504按45度設置，以便適應由低頻偶極子對114組成的第二網(wǎng)格圖案相對于由高頻偶極子對112組成的第一網(wǎng)格圖案按45度定向。
參照圖1和2，高頻RF饋送器504和設置在天線下表面202上的高頻天線元件102連接。低頻RF饋送器514可以通過大致由天線下表面202限定的表面延伸并穿過介質(zhì)層206以便和設置在天線上表面204上的低頻天線元件104連接。
在說明了本發(fā)明的優(yōu)選實施例后，應理解，本發(fā)明不受此限制，并且可以在不背離本發(fā)明的精神或基本屬性情況下以其它形式實現(xiàn)。因此，對于本發(fā)明的范圍，應參照下面的權利要求而不是上面的說明。
權利要求
1.一種發(fā)射元件陣列，包括按陣列配置的第一多個天線元件，所述第一多個天線元件被配置成在第一頻帶上工作；以及按陣列配置的第二多個天線元件，所述第二多個天線元件被配置成在第二頻帶上工作；其中，所述第一多個天線元件位于所述第二多個天線元件下方，所述第一多個天線元件充當所述第二多個天線元件的有效接地層。
2.依據(jù)權利要求1的陣列，還包括設置在所述第一多個天線元件和所述第二多個天線元件之間的介質(zhì)材料。
3.依據(jù)權利要求1的陣列，其中，所述陣列被配置成通過使所述第一頻帶和所述第二頻帶相鄰而進行寬帶工作。
4.依據(jù)權利要求1的陣列，其中，所述第一多個天線元件按各行各列隔開的第一平面網(wǎng)格圖案排列，而所述第二多個天線元件按各行各列隔開的第二平面網(wǎng)格圖案排列，所述第二網(wǎng)格圖案相對于所述第一網(wǎng)格圖案轉(zhuǎn)動一個角度。
5.依據(jù)權利要求4的陣列，其中，所述角度約為45度。
6.依據(jù)權利要求4的陣列，還包括一組用于向所述第一多個天線元件傳送RF信號的第一饋送組織器，以及一組用于向所述第二多個天線元件傳送RF信號的第二饋送組織器，所述第一和第二饋送組織器被排列在一個公共網(wǎng)格圖案中并且向上延伸到所述第一和第二多個天線元件，以及其中，所述第二饋送組織器的多個RF饋送器形成一個設置在所述公共網(wǎng)格圖案上的第二饋送組織器網(wǎng)格圖案。
7.依據(jù)權利要求6的陣列，其中，所述第二饋送組織器的所述RF饋送器穿過一個大致由所述第一多個天線元件限定的平面延伸，以便把RF傳送到所述第二多個天線元件。
8.依據(jù)權利要求1的陣列，還包括一個位于所述第一多個天線元件下方的接地層，以及一個設置在所述接地層和所述第一多個天線元件之間的介質(zhì)層。
9.依據(jù)權利要求1的陣列，其中，所述第一和第二多個天線元件是平面天線元件。
10.依據(jù)權利要求9的陣列，其中，所述第一和第二多個天線元件中的至少一個包括一個延長的主體部分；以及一個和該延長的主體部分的一端連接的寬度擴大的端部。
11.依據(jù)權利要求10的陣列，其中，相鄰的所述天線元件的所述寬度擴大的端部構成交叉指型部分。
12.依據(jù)權利要求1的陣列，其中，所述第一和第二多個天線元件中的至少一個包括相鄰的偶極子天線元件，其中，每個偶極子元件的至少一個端部和一個相鄰偶極子元件的對應端部容性耦合。
13.一種發(fā)射元件陣列，包括按各行各列隔開的第一網(wǎng)格圖案排列的第一多個天線元件，所述第一多個天線元件被配置成在第一頻帶上工作；位于所述第一多個天線元件上方的、按各行各列隔開的第二網(wǎng)格圖案排列的第二多個天線元件，所述第二多個天線元件被配置成在第二頻帶上工作，并且所述第二網(wǎng)格圖案相對于所述第一網(wǎng)格圖案轉(zhuǎn)動一個角度；所述第一多個天線元件充當用于所述第二多個天線元件的一個有效接地層；以及用于向所述第一多個天線元件傳送RF信號的一組第一饋送組織器，以及用于向所述第二多個天線元件傳送RF信號的一組第二饋送組織器，所述第一和第二饋送組織器排列在一個公共網(wǎng)格圖案中并且向上延伸到所述第一和第二多個天線元件，以及其中，所述第二饋送組織器的多個RF饋送器形成一個設置在所述公共網(wǎng)格圖案上的第二饋送組織器網(wǎng)格圖案。
14.依據(jù)權利要求13的陣列，還包括設置在所述第一多個天線元件和所述第二多個天線元件之間的介質(zhì)材料。
15.依據(jù)權利要求13的陣列，其中，所述第一和第二多個天線元件是平面天線元件。
16.依據(jù)權利要求15的陣列，其中，所述第一和第二多個天線元件中的至少一個包括一個延長的主體部分；以及一個和該延長的主體部分的一端連接的寬度擴大的端部。
17.依據(jù)權利要求16的陣列，其中，相鄰的所述天線元件的所述寬度擴大的端部構成交叉指型部分。
18.依據(jù)權利要求13的陣列，其中，所述角度約為45度。
19.一種發(fā)射元件陣列，包括包含著延長的第一主體部分以及和所述第一主體部分的關聯(lián)端連接的寬度擴大的第一端部的第一多個平面天線元件，所述第一多個天線元件按陣列配置設置以用于在第一頻帶上工作，并且相鄰的第一天線元件的第一端部構成交叉指型部分；包含著延長的第二主體部分以及和所述第二主體部分的關聯(lián)端連接的寬度擴大的第二端部的第二多個平面天線元件，所述第二多個天線元件按陣列配置設置以用于在第二頻帶上工作，并且相鄰的第二天線元件的第二端部構成交叉指型部分；以及所述第一多個天線元件位于所述第二多個天線元件的下方，所述第一多個天線元件充當用于所述第二多個天線元件的一個有效接地層。
20.依據(jù)權利要求19的陣列，還包括設置在所述第一多個天線元件和所述第二多個天線元件之間的介質(zhì)材料。
21.依據(jù)權利要求19的陣列，其中，所述第一多個天線元件按各行各列隔開的第一網(wǎng)格圖案排列而所述第二多個天線元件按各行各列隔開的第二網(wǎng)格圖案排列，所述第二網(wǎng)格圖案相對于所述第一網(wǎng)格圖案轉(zhuǎn)動一個角度。
22.依據(jù)權利要求21的陣列，其中，所述角度約為45度。
23.依據(jù)權利要求21的陣列，還包括用于向所述第一多個天線元件傳送RF信號的一組第一饋送組織器，以及用于向所述第二多個天線元件傳送RF信號的一組第二饋送組織器，所述第一和第二饋送組織器被排列在一個公共網(wǎng)格圖案中并且向上延伸到所述第一和第二多個天線元件，以及其中，所述第二饋送組織器的多個RF饋送器形成一個設置在所述公共網(wǎng)格圖案上的第二饋送組織器網(wǎng)格圖案。
全文摘要
一種發(fā)射元件陣列(100)，包括按陣列配置的第一組天線元件(102)以及按陣列配置的第二組天線元件(104)。第一組天線元件(102)位于第二組天線元件(104)的下方并且該第一組充當一個用于該第二組的有效接地層。該第一組天線元件(102)按各行各列隔開的第一平面網(wǎng)格圖案(202)排列，而該第二組天線元件(104)按相對于該第一網(wǎng)格圖案(202)轉(zhuǎn)動45度角度的第二類似的網(wǎng)格圖案(204)排列。通過使第一頻帶和第二頻帶相鄰，可把陣列(100)配置成用于寬帶操作。陣列(100)可以包括設置在第一多個天線元件(102)和第二多個天線元件(104)之間的介質(zhì)材料(100)。
文檔編號H01Q21/26GK1714470SQ03802386
公開日2005年12月28日 申請日期2003年1月14日 優(yōu)先權日2002年1月17日
發(fā)明者詹姆斯·卓塞弗·勞尼克, 蒂莫西·E·德拉姆, 查爾斯·W·庫里山, 威廉姆·F·克羅斯韋爾 申請人:哈里公司