專利名稱：相控陣天線吸收器及相關(guān)方法
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的微波天線包括各式各樣的配置，用于各種不同的應(yīng)用，諸如衛(wèi)星接收、遠(yuǎn)程廣播或軍事通信。通常，印制電路天線可以提供成本低、重量輕、外形小和可大批生產(chǎn)等所希望的特點(diǎn)。印制電路天線的最簡(jiǎn)單的形式是微帶天線，其中各扁平的諸如單極或偶極天線元之類的導(dǎo)電元與單個(gè)基本上連續(xù)的接地面由一個(gè)厚度均勻的介質(zhì)片隔開(kāi)。在授予Olyphant的美國(guó)專利No.3,995,277中揭示了微帶天線的一個(gè)例子。
該天線設(shè)計(jì)成一個(gè)陣列，可以用于諸如敵友識(shí)別(IFF)系統(tǒng)、個(gè)人通信業(yè)務(wù)(PCS)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和航天系統(tǒng)之類的通信系統(tǒng)，這些通信系統(tǒng)要求諸如成本低、重量輕、外形小和旁瓣小之類的特性。然而，這種天線的帶寬和方向性能力可能限制著在某些應(yīng)用中使用。
使用電磁耦合的偶極天線元可以增大帶寬。并且，使用由偶極天線元組成的陣列可以通過(guò)提供一個(gè)預(yù)定的最大掃描角來(lái)改善方向性。
然而，使用由偶極天線元組成的陣列存在一個(gè)兩難的困境。如果這些偶極天線元離得較近，最大無(wú)柵瓣的掃描角可以增大，但是離得較近會(huì)增大各元之間的有害耦合，從而使性能降低。這種有害耦合隨著頻率的改變迅速改變，使得難以保持寬的帶寬。
在授予Durham、轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的當(dāng)前受讓方的美國(guó)專利No.6,417,813中揭示了一種補(bǔ)償偶極天線元之間的有害耦合的方法，該專利在這里整體列為參考予以引用。Durham的專利揭示了一種包括偶極天線元陣列的寬帶相控陣天線，每個(gè)偶極天線元包括一個(gè)中央饋電部和一對(duì)從其向外伸出的分支。
具體地說(shuō)，相鄰偶極天線元的相鄰分支包括相互隔開(kāi)的具有使相鄰偶極天線元之間的電容耦合增大的預(yù)定形狀和相對(duì)位置的各自端部。增大的電容耦合抵消了小間距的偶極天線元的固有電感由于頻率改變的影響，以便可以保持寬的帶寬。
每個(gè)相控陣天線具有一個(gè)所希望的頻率范圍，接地面通常離偶極天線元陣列不到所希望的最高頻率的半個(gè)波長(zhǎng)左右。在頻率在GHz范圍內(nèi)時(shí)，偶極天線元陣列與接地面之間的間距例如在30GHz時(shí)小于0.20英寸。然而，如果相控陣天線的工作頻率在MHz范圍內(nèi)，偶極天線元陣列與接地面之間的間距例如在300MHz時(shí)增大到19英寸左右。
將接地面與偶極天線元陣列之間的間距比較大的相控陣天線投入現(xiàn)場(chǎng)使用頗為麻煩，因?yàn)樗荦嫶?。有時(shí)使用可充氣或可折疊的天線，因?yàn)樗鼈冎亓枯p、容易攜帶，從而容易部署。例如，授予Rupp等人的美國(guó)專利No.5,132,699揭示了一種在一個(gè)或多個(gè)一般為平面的豎向傾斜的底板上形成的可充氣的相控陣天線。
每個(gè)底板具有一個(gè)連續(xù)的外壁、一個(gè)連續(xù)的內(nèi)壁和多個(gè)在內(nèi)壁與外壁之間延伸的腹隔板，以形成一系列可充氣的管形構(gòu)件。內(nèi)壁用導(dǎo)電材料覆蓋，使它形成一個(gè)接地面，多個(gè)偶極天線元粘貼到腹隔板，按一個(gè)預(yù)定關(guān)系與接地面分隔，使得相控陣天線將在所希望的頻率范圍內(nèi)工作。
隨著頻率范圍從GHz范圍降低到MHz范圍，相控陣天線的尺寸明顯增大。這在要求小雷達(dá)截面(RCS)模式時(shí)就成為問(wèn)題。例如，由于陣列的尺寸增大，一個(gè)裝有工作在MHz范圍的相控陣天線的船只的RCS就會(huì)受不利影響。
一個(gè)理想的天線應(yīng)固有地具有小RCS的結(jié)構(gòu)。天線是一個(gè)轉(zhuǎn)換器，它的作用是使在自由空間內(nèi)傳播給接收機(jī)的電磁波的功率傳遞達(dá)到最大。當(dāng)然，有些天線是用來(lái)使從發(fā)射機(jī)到傳播的自由空間波的功率傳遞達(dá)到最大，但是根據(jù)電磁學(xué)內(nèi)稱為互易性的基本原理，同一個(gè)結(jié)構(gòu)能在發(fā)射和接收雙向工作。由于理想天線使到接收機(jī)的功率傳遞最大，它也就使散射回一個(gè)假想的雷達(dá)即RCS的功率縮減到最小。
當(dāng)然，實(shí)際的天線是非理想的。典型的是，只是對(duì)于一個(gè)有限的頻率范圍和對(duì)于有限的入射波方向范圍才滿足最大功率傳遞條件。方向選擇性往往是天線的一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，使得只對(duì)于一個(gè)很小的方向范圍滿足最大功率傳遞條件而對(duì)于不希望的方向使功率傳遞最小。然而，一個(gè)良好的天線在它的工作范圍內(nèi)是一個(gè)高效的入射能量吸收器。因此，一個(gè)具有寬的角度覆蓋的寬頻帶天線就可以是一個(gè)雷達(dá)吸收物質(zhì)(RAM)。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述背景，因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種起著一個(gè)寬帶吸收器作用因此在需要時(shí)可支持小RCS模式的相控陣天線。
本發(fā)明的這個(gè)及其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)由一種要接到一個(gè)收發(fā)機(jī)上的相控陣天線提供，這種相控陣天線包括一個(gè)基底和一個(gè)在基底上的要接到收發(fā)機(jī)上的偶極天線元陣列。每個(gè)偶極天線元可以包括一個(gè)中央饋電部和一對(duì)從其向外伸出的分支。每個(gè)偶極天線元可以還包括一個(gè)負(fù)載和一個(gè)與之連接的開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)有選擇地將負(fù)載耦合到中央饋電部，使得這個(gè)偶極天線元可有選擇地起著一個(gè)吸收所接收信號(hào)的吸收器的作用，而負(fù)載耗散與接收信號(hào)關(guān)聯(lián)的能量。
各個(gè)開(kāi)關(guān)和負(fù)載使相控陣天線可以作為一個(gè)吸收器。例如，如果部署相控陣天線的船只或平臺(tái)想要保持小的RCS，就可以有選擇地將這些天線元耦合到它們各自的負(fù)載上以耗散與接收信號(hào)關(guān)聯(lián)的能量。在需要通信時(shí)，各個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)負(fù)載，使信號(hào)可以傳送給發(fā)送和接收控制器。
這種相控陣天線可以包括一個(gè)可充氣基底，在它上面有偶極天線元陣列。一個(gè)充氣設(shè)備用來(lái)對(duì)基底充氣。可充氣基底考慮了一個(gè)大尺寸相控陣天線的部署問(wèn)題。在不部署或正在運(yùn)輸相控陣時(shí)，將可充氣基底放氣。
充氣設(shè)備可以是一個(gè)氣泵。在充了氣時(shí)，偶極天線元陣列與接地面之間就有了一個(gè)空氣介質(zhì)層。例如在300MHz，可充氣基底的厚度為19英寸左右。一些砥柱或連接件可以伸展在可充氣基底的兩個(gè)相對(duì)側(cè)之間，使得基底充氣后保持厚度均勻。
各個(gè)開(kāi)關(guān)和負(fù)載可以封裝在可充氣基底內(nèi)或可充氣基底外。在相控陣天線要作為一個(gè)吸收器時(shí)，一個(gè)控制器切換開(kāi)關(guān)以將負(fù)載跨接在陣列內(nèi)的偶極天線元的中央饋電部之間。
可以在偶極天線元陣列與可充氣基底之間添加一個(gè)任選的介質(zhì)層。這個(gè)介質(zhì)層優(yōu)選的是具有比可充氣基底在充了氣時(shí)的介電常數(shù)大的介電常數(shù)。較大的介電常數(shù)有助于改善相控陣天線的性能，特別是在基底用介電常數(shù)為1的空氣充氣時(shí)。可充氣基底可以用空氣之外的氣體充氣。可充氣基底可以用在充了氣時(shí)保持封閉式可彎曲基底的聚合物或等效材料制成。
在另一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)在各中央饋電部上連接相應(yīng)的電阻元將這些偶極天線元永久性地配置為吸收器。這樣的吸收器可以用于無(wú)回聲室，或者可以設(shè)置在一個(gè)目標(biāo)(例如，卡車、罐等)附近以減小它的RCS，甚至可以設(shè)置在一個(gè)建筑物的頂上以減小來(lái)自其他信號(hào)的多徑干擾。這個(gè)吸收器可以適用于許多需要一個(gè)寬帶吸收器的應(yīng)用。
本發(fā)明另一方面旨在提供一種制造一個(gè)可以有選擇地起著一個(gè)吸收器的作用的相控陣天線的方法。這種方法包括提供一個(gè)基底和在這個(gè)基底上形成一個(gè)偶極天線元陣列，每個(gè)偶極天線元包括一個(gè)中央饋電部和一對(duì)從其向外伸出的分支的。每個(gè)偶極天線元還包括一個(gè)無(wú)源負(fù)載和一個(gè)與之連接的開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)有選擇地將無(wú)源負(fù)載耦合到中央饋電部，使得這個(gè)偶極天線元可有選擇地起著一個(gè)吸收所接收信號(hào)的吸收器的作用，而無(wú)源負(fù)載耗散與接收信號(hào)關(guān)聯(lián)的能量。


圖1為按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的相控陣天線安裝在一個(gè)船上的示意圖。
圖2為圖1的相控陣天線和相應(yīng)的空腔座的示意性透視圖。
圖3為圖2的相控陣天線的分解圖。
圖4為圖2的陣列的一部分的放大許多的視圖。
圖5A和5B為可在圖2的相控陣天線內(nèi)使用的相鄰偶極天線元的相鄰分支的隔開(kāi)的端部的放大示意圖。
圖5C為可以在圖2的寬帶相控陣天線內(nèi)使用的、在相鄰偶極天線元的相鄰分支的隔開(kāi)的端部之間電跨接的阻抗元的放大示意圖。
圖5D為可以在圖2的寬帶相控陣天線內(nèi)使用的、在相鄰偶極天線元的相鄰分支的隔開(kāi)的端部之間電跨接的阻抗元的另一個(gè)實(shí)施例的放大示意圖。
圖6A和6B為可以在圖2的相控陣天線內(nèi)使用的、在一個(gè)偶極天線元的中央饋電部分上跨接的分立電阻元和印刷電阻元的放大示意圖。
圖7A和7B為計(jì)算得到的圖2的相控陣天線內(nèi)一個(gè)與邊緣天線元相鄰的有源偶極天線元的VSWR對(duì)頻率的曲線圖和同一個(gè)有源偶極天線元在沒(méi)有相當(dāng)?shù)倪吘壴那闆r下的VSWR對(duì)頻率的曲線圖。
圖8A和8B為計(jì)算得到的在圖2的相控陣天線的中央具有相應(yīng)邊緣元的一個(gè)有源偶極天線元的VSWR對(duì)頻率的曲線圖和同一個(gè)有源偶極天線元在沒(méi)有相應(yīng)的邊緣元的情況下的VSWR對(duì)頻率的曲線圖。
圖9為按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的一個(gè)偶極天線元的示意圖，這個(gè)偶極天線元具有一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)連接到這個(gè)開(kāi)關(guān)上的負(fù)載，從而使這個(gè)天線元可有選擇地起著一個(gè)吸收器的作用。
圖10為一個(gè)包括圖9的偶極天線元的相控陣天線的剖視圖。
圖11為例示在建筑物的墻壁內(nèi)設(shè)置了一個(gè)按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的饋通透鏡天線的情況的建筑物局剖頂視圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合示出本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例的附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行充分的說(shuō)明。然而，本發(fā)明可以體現(xiàn)為許多不同的形式，不應(yīng)該認(rèn)為就局限于在這里所提出的這些實(shí)施例。提供這些實(shí)施例以使本公開(kāi)是充分和完全的，而且使熟悉該技術(shù)的人員了解本發(fā)明的專利保護(hù)范圍。同樣的標(biāo)號(hào)自始至終都是指同樣的組成部分，而帶一撇、帶二撇和帶三撇的是指在另一些實(shí)施例中的類似組成部分。
首先參考圖1和2說(shuō)明按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的一個(gè)寬帶相控陣天線100。相控陣天線100在設(shè)計(jì)制約條件對(duì)陣列的有源偶極天線元的個(gè)數(shù)有限制時(shí)特別有益。這些設(shè)計(jì)制約條件可以是由于安裝空間有限而且還要求雷達(dá)截面(RCS)小、諸如圖1中所例示的船只112的平臺(tái)而產(chǎn)生的。所例示的相控陣天線100接到收發(fā)機(jī)和控制器114上，如熟悉該技術(shù)的人員會(huì)知道的那樣。
相控陣天線100具有一些邊緣元40b和一個(gè)相應(yīng)的空腔座200，如圖2這個(gè)示意透視圖所示。相控陣天線100包括基底104，該基底具有第一表面106和一些與第一表面106鄰接并在其間形成相應(yīng)邊緣110的第二表面108。多個(gè)偶極天線元40a處在第一表面106上，而且至少一個(gè)偶極天線元40b的至少一部分處在這些第二表面108之一上。第二表面108上的偶極天線元40b形成相控陣天線100的“邊緣元”。
通常，有源和無(wú)源偶極天線元處在同一個(gè)基底表面上。然而，通過(guò)將有源和無(wú)源偶極天線元40a、40b分到兩個(gè)相互之間形成相應(yīng)邊緣110的不同基底表面106、108上，對(duì)于有源偶極天線元來(lái)說(shuō)就有更多的空間可利用。因此，對(duì)于受設(shè)計(jì)制約條件影響的相控陣天線改善了天線的性能。
在所示的這個(gè)實(shí)施例中，第二表面108與第一表面106垂直?；?04一般為矩形，具有一個(gè)上表面和笫一和第二對(duì)相對(duì)的與上表面鄰接并在其間形成相應(yīng)邊緣110的側(cè)表面。第一表面106與上表面相應(yīng)，而第二表面108與第一和第二對(duì)相對(duì)的側(cè)表面相應(yīng)。所例示的邊緣元40b處在各對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上。在另一些實(shí)施例中，邊緣元40b可以只是處在其中一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上，甚至只是處在一個(gè)側(cè)表面上。此外，基底104不局限于矩形形狀，也不局限于側(cè)表面與上表面垂直。
邊緣元40b，亦即在第二表面108上的偶極天線元，可以完全形成在第二表面上，也可以形成為這些元的一部分延伸到第一表面106上。對(duì)于后一種實(shí)施例，基底104可以是單塊可彎曲基底，而第二表面通過(guò)簡(jiǎn)單地將基底彎曲成使邊緣元40b的一個(gè)分支延伸到第一表面106上來(lái)形成。或者，也可以是第一表面106上的偶極天線元40a的至少一個(gè)分支延伸到第二表面108上。
這樣彎曲也形成了第一表面106與第二表面108之間的相應(yīng)邊緣110。代替單塊基底，也可以分別形成第一表面106和第二表面108(各自的偶極天線元40a、40b完全形成在各自表面106、108上)，然后將它們接合在一起形成基底104，如熟悉該技術(shù)的人員會(huì)很容易理解的那樣。
所例示的相控陣天線100包括第一和第二組相互垂直的偶極天線元，以提供雙極化。在另一些實(shí)施例中，相控陣天線100可以只包括一組偶極天線元。
相控陣天線100用多個(gè)可彎曲的層形成，如圖3所示。如以上所說(shuō)明的那樣，基底104夾在這些可彎曲層之間，可以是單塊可彎曲基底，而第二表面106是例如通過(guò)簡(jiǎn)單地將這些層沿著所示虛線彎曲來(lái)形成的。去掉由形成第二表面108產(chǎn)生的各折疊層的角部的過(guò)剩材料，如熟悉該技術(shù)的人員會(huì)理解的那樣。
基底104夾在接地面30與蓋頂層28之間。基底104也稱為偶極子層或電流層，如熟悉該技術(shù)的人員會(huì)容易理解的那樣。此外，還配置了一些泡沫材料介質(zhì)層24和一個(gè)泡沫材料外介質(zhì)層26。各個(gè)粘結(jié)層22將基底104、接地面30、蓋頂層28和泡沫材料介質(zhì)層24、26固定在一起，形成相控陣天線100。當(dāng)然，也可以使用其他方式固定這些層，如熟悉該技術(shù)的人員會(huì)知道的那樣。
介質(zhì)層24、26可以具有遞減的介電常數(shù)，以增大掃描角。例如，接地面30與偶極子層20之間的介質(zhì)層24可以具有為3.0的介電常數(shù)，偶極子層20另一側(cè)的介質(zhì)層24可以具有為1.7的介電常數(shù)，而外介質(zhì)層26可以具有為1.2的介電常數(shù)。
下面參考圖4、5A和5B詳細(xì)說(shuō)明在相控陣天線100內(nèi)所用的基底104?；?04是一個(gè)印刷的導(dǎo)電層，在它上面有一個(gè)由偶極天線元組成的陣列，如在基底104的一個(gè)部分111的放大視圖中詳細(xì)示出的那樣。每個(gè)偶極天線元40包括一個(gè)中央饋電部42和一對(duì)從其向外延伸的分支44。各自的饋線可從基底104的另一側(cè)接到各個(gè)饋電部42上。
相鄰偶極天線元40的相鄰分支44具有相互隔開(kāi)的各自端部46，以增大相鄰偶極天線元之間的電容耦合。相鄰偶極天線元40具有使電容耦合增大的預(yù)定形狀和相對(duì)位置。例如，相鄰偶極天線元40之間的電容在大約0.016到0.636皮法(pF)之間，優(yōu)選的是在0.159到0.239pF之間。當(dāng)然，這些值可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用按需要改變，以獲得同樣的所希望的帶寬，如熟悉該技術(shù)的人員容易理解的那樣。
如圖5A所示，相鄰分支44的隔開(kāi)的端部46可以具有交錯(cuò)或交指部47，每個(gè)分支44包括一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的主體部49、一個(gè)與細(xì)長(zhǎng)的主體部連接的展寬端部51和多個(gè)(例如四個(gè))從展寬端部向外伸出的指53。
相鄰分支44和相互隔開(kāi)的各自端部46可以具有下列尺寸展寬端部51的長(zhǎng)度E等于0.061英寸；細(xì)長(zhǎng)主體部49的寬度F等于0.034英寸；相鄰展寬端部51的組合寬度G等于0.044英寸；相鄰分支44的組合長(zhǎng)度H等于0.276英寸；每個(gè)指53的寬度I等于0.005英寸；以及相鄰指53之間的間隔J等于0.003英寸。
寬帶相控陣天線100具有一個(gè)所希望的頻率范圍，例如為2GHz到30GHz，相鄰分支44的端部46之間的間隔小于所希望的最高頻率的約半個(gè)波長(zhǎng)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，所希望的頻率可以是這個(gè)范圍的一部分，例如為2GHz到18GHz。
或者，也可以是如圖5B所示，相鄰偶極天線元40的相鄰分支44′具有相互隔開(kāi)使相鄰偶極天線元之間的電容耦合增大的各自端部46′。在這個(gè)實(shí)施例中，相鄰分支44′的相互隔開(kāi)的端部46′包括與細(xì)長(zhǎng)主體部49′連接的使相鄰偶極天線元40之間的電容耦合增大的展寬端部51′。在這里，例如相互隔開(kāi)的端部46′之間的距離K為0.003英寸左右。
為了進(jìn)一步增大相鄰偶極天線元40之間的電容耦合，在相鄰偶極天線元的相鄰分支44″的相互隔開(kāi)的端部46″之間跨接一個(gè)分立或體阻抗元70″，如圖5C所示。
在所示的這個(gè)實(shí)施例中，相互隔開(kāi)的端部46″具有與細(xì)長(zhǎng)主體部49″相同的寬度。分立阻抗元70″優(yōu)選的是在偶極天線元40形成后焊接在適當(dāng)位置，使它們分別覆蓋相鄰偶極天線元40的各自相鄰分支44″。這可以有益地在一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)提供同樣的電容，有助于降低寬帶相控陣天線10的工作頻率。
所例示的這個(gè)分立阻抗元70″包括串聯(lián)在一起的一個(gè)電容器72″和一個(gè)電感器74″。然而，電容器72"和電感器74″的其他配置也是可行的，如熟悉該技術(shù)的人員會(huì)很容易知道的那樣。例如，電容器72″和電感器74″可以并聯(lián)在一起，或者分立阻抗元70″可以包括電容器而沒(méi)有電感器或包括電感器而沒(méi)有電容器。根據(jù)所計(jì)劃的應(yīng)用，分立阻抗元70″甚至可以包括一個(gè)電阻器。
分立阻抗元70″也可以連接在圖5A所示的具有交錯(cuò)或交指部47的相鄰分支44之間。在這種配置中，分立阻抗元70″由于消除了在交指電容器部47中流動(dòng)的不對(duì)稱電流從而有益地降低了天線方向圖內(nèi)的交叉極化。同樣，分立阻抗元70″也可以連接在圖5B所示的具有展寬端部51′的相鄰分支44′之間。
使用各個(gè)分立阻抗元70″的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是這些分立阻抗元70″可以具有不同的阻抗值，因此可以針對(duì)不同的應(yīng)用調(diào)整寬帶相控陣天線10的帶寬，如本領(lǐng)域技術(shù)人員容易知道的那樣。此外，這個(gè)阻抗不取決于相鄰介質(zhì)層24和粘結(jié)層22的阻抗特性。由于分立阻抗元70″不受介質(zhì)層24的影響，這種方式有益地使介質(zhì)層24之間的阻抗與分立阻抗元70″的阻抗可以相互去耦。
進(jìn)一步增大相鄰偶極天線元40之間的電容耦合的又一個(gè)途徑包括與相鄰偶極天線元40的相鄰分支44的相互隔開(kāi)的端部46相鄰地設(shè)置相應(yīng)的印刷阻抗元80，如圖5D所示。
各個(gè)印刷阻抗元80與相鄰分支44由一個(gè)介質(zhì)層隔開(kāi)，優(yōu)選的是印刷阻抗元80在形成偶極天線層20前形成，因此它們位于相鄰偶極天線元40的相鄰分支44之下?；蛘撸部梢允歉鱾€(gè)印刷阻抗元80在形成偶極天線層20后形成。印刷阻抗元的更詳細(xì)說(shuō)明可以參考轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的當(dāng)前受讓方的美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/308,424，該申請(qǐng)?jiān)谶@里列為參考予以引用。
優(yōu)選的是，在第二表面108上的偶極天線元40b的中央饋電部42連接相應(yīng)的負(fù)載150，使得這些偶極天線元將作為偽偶極天線元。負(fù)載150可以包括一個(gè)分立電阻器，如圖6A所示，或者包括一個(gè)印刷電阻元152，如圖6B所示。每個(gè)分立電阻器150在偶極天線元40b形成后焊接在適當(dāng)位置。或者，也可以是每個(gè)分立電阻器150通過(guò)在中央饋電部42上淀積電阻膠來(lái)形成，如熟悉該技術(shù)的人員會(huì)容易知道的那樣。相應(yīng)印刷電阻元152可以在形成偶極天線元40b之前、在形成偶極天線元40b期間或在形成偶極天線元40b之后印刷，如熟悉該技術(shù)的人員也會(huì)知道的那樣。負(fù)載150的電阻通常被選擇成與接到有源偶極天線元上的饋線的阻抗匹配，在大約50到100歐姆的范圍內(nèi)。
接地面30與這些偶極天線元40a、40b相鄰，用來(lái)進(jìn)一步改善相控陣天線100的性能，邊緣元40b電連接到接地面30上。接地面30優(yōu)選的是與基底104的第一表面106間隔小于所希望的最高頻率的半個(gè)波長(zhǎng)。
對(duì)于一個(gè)由在基底104的第一表面106上的18個(gè)有源偶極天線元組成的陣列，圖7A為計(jì)算得到的與邊緣元40b緊鄰的有源偶極天線元的VSWR對(duì)頻率的曲線圖，而圖7B也是計(jì)算得到的同樣的有源偶極天線元但在適當(dāng)位置沒(méi)有邊緣元的情況下的VSWR對(duì)頻率的曲線圖。曲線160例示了在適當(dāng)位置有邊緣元40b的情況下從0.10到0.50GHz有益地有低的VSWR。邊緣元40b使緊鄰的有源偶極天線元接收到足夠的通常通過(guò)基底104上的偶極天線元40a、40b傳導(dǎo)的電流。
現(xiàn)在來(lái)看圖8A和8B，對(duì)于在第一表面106中央或中央附近的有源偶極天線元40a來(lái)說(shuō)，VSWR對(duì)頻率的特性在兩種配置(即在適當(dāng)位置有和沒(méi)有邊緣元40b)之間相當(dāng)一致。曲線164例示了計(jì)算得到的對(duì)于一個(gè)有源偶極天線元在適當(dāng)位置有邊緣元40b的情況下的VSWR，而曲線166例示了計(jì)算得到的對(duì)于同一個(gè)有源偶極天線元在適當(dāng)位置沒(méi)有偽元的情況下的VSWR。
在所示的相控陣天線100內(nèi)，在第一表面106上有18個(gè)偶極天線元40a和在第二表面108上有18個(gè)偶極天線元40b。雖然對(duì)于這種相控陣天線100來(lái)說(shuō)偶極天線元的個(gè)數(shù)并不局限于任何特定數(shù)量，在天線元的個(gè)數(shù)使得在第二表面108上的邊緣元40b所占的百分比大于在第一表面106上的有源偶極天線元40a所占的百分比時(shí)特別有益。相控陣天線100的性能由于有源元40a延伸到基底104的第一表面106的邊緣110而得到改善。
下面將詳細(xì)說(shuō)明帶有邊緣元40b的相控陣天線100的相應(yīng)空腔座200。空腔座200是一個(gè)有一個(gè)接納相控陣天線100的開(kāi)口的盒，包括與基底104的其上有邊緣元40b的各第二表面108相鄰的信號(hào)吸收面204。
如以上所說(shuō)明的那樣，第二表面108上的偶極天線元40b是偽元。雖然偽元40b并不接到饋線上，但它們?cè)诳缃釉谥醒腽侂姴?2之間的各自負(fù)載150仍然接收信號(hào)。為了防止這些信號(hào)在空腔座200內(nèi)被反射，在與偽元40b相鄰處設(shè)置了信號(hào)吸收面204。
如果在適當(dāng)位置沒(méi)有信號(hào)吸收面204，反射信號(hào)就會(huì)引起電磁干擾(EMI)問(wèn)題，而且反射信號(hào)也可能干擾基底104的第一表面106上的相鄰有源偶極天線元40a。因此，信號(hào)吸收面204吸收反射信號(hào)，使得第一表面106上的偶極天線元40a呈現(xiàn)為似乎處在一個(gè)自由空間環(huán)境內(nèi)。
每個(gè)信號(hào)吸收面204包括一個(gè)鐵氧體材料層204a和一個(gè)與之相鄰的導(dǎo)電層204b。諸如金屬層之類的導(dǎo)電層204b防止任何RF信號(hào)輻射到空腔座200外?？梢允褂闷渌鸕F吸收材料層來(lái)代替鐵氧體材料層，如熟悉該技術(shù)的人員會(huì)很容易知道的那樣。
在另一些實(shí)施例中，信號(hào)吸收面204包括一個(gè)電阻層和一個(gè)導(dǎo)電層。電阻層涂在導(dǎo)電層上，使得導(dǎo)電層起著一個(gè)信號(hào)吸收面的作用。信號(hào)吸收面的這個(gè)實(shí)施例沒(méi)有鐵氧體材料層204a，從而降低了空腔座200的重量。在又一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)吸收面204只有導(dǎo)電層。
在相控陣天線100安置在空腔座200內(nèi)時(shí)基底104的第一表面106基本上與空腔座的上表面共面。鐵氧體材料層204a的高度優(yōu)選的是至少等于基底104的第二表面108的高度。此外，空腔座200還載有多個(gè)功率分配器208，用來(lái)與基底104的第一表面106上的偶極天線元40a對(duì)接。在基底104的第二表面108與第一表面106垂直時(shí)，空腔座200具有一個(gè)底面206，它也與信號(hào)吸收面204垂直。
本發(fā)明的又一個(gè)方面旨在提供一種可有選擇地起著一個(gè)吸收器的作用的相控陣天線300。具體地說(shuō)，每個(gè)偶極天線元40具有一個(gè)通過(guò)饋線303接到它的中央饋電部42的開(kāi)關(guān)302，有一個(gè)無(wú)源負(fù)載304接到這個(gè)開(kāi)關(guān)上，如圖9所示。開(kāi)關(guān)302響應(yīng)開(kāi)關(guān)控制器307產(chǎn)生的控制信號(hào)，有選擇地將無(wú)源負(fù)載304耦合到中央饋電部42上，使得偶極天線元40可有選擇地起著一個(gè)吸收所接收信號(hào)的吸收器的作用。
無(wú)源負(fù)載304被形成為耗散與接收信號(hào)關(guān)聯(lián)的能量，它可以包括一個(gè)印刷電阻元或一個(gè)分立電阻器，如熟悉該技術(shù)的人員會(huì)很容易知道的那樣。例如，無(wú)源負(fù)載304的電阻通常在50到100歐姆之間，以在偶極天線元40傳送接收信號(hào)去處理時(shí)與饋線303的阻抗匹配。
隨著頻率范圍從GHz范圍降低到MHz范圍，相控陣天線的尺寸明顯增大。相控陣天線的尺寸增大對(duì)于部署和在要求小雷達(dá)截面(RCS)模式時(shí)都是問(wèn)題。
對(duì)于RCS問(wèn)題來(lái)說(shuō)，各個(gè)開(kāi)關(guān)302和無(wú)源負(fù)載304使相控陣天線300可以作為一個(gè)吸收器。例如，如果部署相控陣天線300的船只或任何其他類型的平臺(tái)(固定的或移動(dòng)的)想要保持小的RCS，就可以有選擇地將相控陣天線的天線元耦合到各自的無(wú)源負(fù)載304上來(lái)耗散與任何接收信號(hào)關(guān)聯(lián)的能量。在需要通信時(shí)，各個(gè)開(kāi)關(guān)302斷開(kāi)無(wú)源負(fù)載304，使信號(hào)可以傳送給發(fā)送和接收控制器14。
每個(gè)相控陣天線具有一個(gè)所希望的頻率范圍，接地面310通常與由偶極天線元40組成的陣列間隔小于所希望的最高頻率的半個(gè)波長(zhǎng)左右。此外，各偶極天線元40也可以相互間隔小于所希望的最高頻率的半個(gè)波長(zhǎng)左右。
在頻率在GHz范圍內(nèi)時(shí)，偶極天線元40的陣列與接地面310之間的間距例如在30GHz時(shí)小于0.20英寸。這對(duì)于RCS和部署不一定會(huì)成為問(wèn)題。然而，在相控陣天線300的工作頻率在MHz范圍內(nèi)時(shí)，偶極天線元40的陣列與接地面310之間的間距例如在300MHz時(shí)增大到19英寸左右。由于相控陣天線300尺寸的增大，RCS和部署就成為問(wèn)題。
現(xiàn)在來(lái)看圖10，所示的相控陣天線300包括一個(gè)可充氣的基底306，在它上面有一個(gè)由偶極天線元40組成的陣列。一個(gè)充氣設(shè)備308用來(lái)對(duì)基底306充氣?？沙錃饣?06考慮了部署問(wèn)題。在不部署或正在運(yùn)輸相控陣300時(shí)，將可充氣基底306放氣。然而，一旦相控陣天線300到位準(zhǔn)備部署時(shí)，就對(duì)可充氣基底306充氣。
充氣設(shè)備308可以是一個(gè)氣泵。在充了氣時(shí)，由偶極天線元40組成的陣列與接地面310之間就有了一個(gè)空氣介質(zhì)層。在300MHz，可充氣基底306的厚度為19英寸左右。一些砥柱或連接件312可以伸展在可充氣基底306的兩個(gè)相對(duì)側(cè)之間，使得基底充氣后保持厚度均勻，如熟悉該技術(shù)的人員會(huì)很容易知道的那樣。
各個(gè)開(kāi)關(guān)302和負(fù)載304也可以封裝在可充氣基底306內(nèi)。因此，相應(yīng)的饋線303和控制線也通過(guò)可充氣基底306。在另一些實(shí)施例中，各個(gè)開(kāi)關(guān)302和負(fù)載304可以封裝在可充氣基底306外。在相控陣天線300作為一個(gè)吸收器時(shí)，控制器307切換開(kāi)關(guān)302以將負(fù)載304跨接在陣列內(nèi)的偶極天線元40的中央饋電部42之間。
可以在由偶極天線元40組成的陣列與可充氣基底306之間添加一個(gè)任選的介質(zhì)層320。介質(zhì)層320優(yōu)選的是具有比可充氣基底306在充了氣時(shí)的介電常數(shù)大的介電常數(shù)。較大的介電常數(shù)有助于改善相控陣天線300的性能，特別是在基底306用介電常數(shù)為1的空氣充氣時(shí)。介質(zhì)層320可以具有大于1的介電常數(shù)，優(yōu)選的是在例如大約1.2到3的范圍內(nèi)?？沙錃饣?06可以用空氣之外的氣體充氣，如熟悉該技術(shù)的人員會(huì)很容易知道的那樣，在這種情況下可能不需要介質(zhì)層320?？沙錃饣?06甚至可以用可固化材料充填。
可充氣基底306優(yōu)選的是用一種聚合物制成。然而，也可以使用其他保持封閉式可彎曲基底的物質(zhì)，如熟悉該技術(shù)的人員會(huì)很容易知道的那樣。由偶極天線元40組成的陣列可以直接在可充氣基底306上形成，也可以單獨(dú)形成后用粘合劑粘到基底上。類似地，接地面310可以形成為可充氣基底306的一部分，也可以單獨(dú)形成后用粘合劑粘到基底上。
在相控陣天線300的另一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)在偶極天線元40的各中央饋電部42上連接相應(yīng)的電阻元而將偶極天線元40永久性地配置為一個(gè)吸收器，如圖6A和6B所示。這樣一個(gè)吸收器可以用于無(wú)回聲室，或者可以設(shè)置在一個(gè)目標(biāo)(例如，卡車、罐等)附近以減小它的RCS，甚至可以設(shè)置在一個(gè)建筑物的頂上以減小來(lái)自其他信號(hào)的多徑干擾。
如以上所說(shuō)明的那樣，本發(fā)明的另一個(gè)方面是通過(guò)在相鄰偶極天線元的相鄰分支的相互隔開(kāi)的端部46″或46之間電跨接一個(gè)阻抗元70″或80進(jìn)一步增大相鄰偶極天線元40之間的電容耦合，如圖5C和5D所示。本發(fā)明的這個(gè)方面并不局限于以上所例示的相控陣天線100。也就是說(shuō)，在較大尺寸的基底104上可以使用阻抗元70″、80，如在授予Taylor等人的美國(guó)專利No.6,512,487中所討論的，該專利在這里列為參考予以引用。
例如，該基底可以是12英寸×18英寸。在這個(gè)例子中，偶極天線元40的個(gè)數(shù)與一個(gè)43×65的天線元陣列相應(yīng)，所得到的是一個(gè)由2795個(gè)偶極天線元組成的陣列。
對(duì)于這個(gè)尺寸較大的基底來(lái)說(shuō)，由偶極天線元40組成的陣列可以配置成密度為每平方英尺大約100到900個(gè)偶極天線元。這個(gè)陣列中的偶極天線元40的大小和相對(duì)位置設(shè)計(jì)成使這個(gè)相控陣天線可在大約2到30GHz的頻率范圍內(nèi)工作，掃描角為±60度左右(低掃描損失)。這樣一個(gè)天線100′也可以具有10:1或者更大的帶寬，包括共形表面安裝(例如，在飛機(jī)上)，而且比較輕，也便于低成本制造。如熟悉該技術(shù)的人員會(huì)很容易知道的那樣，按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的陣列中的偶極天線元40的大小和相對(duì)位置可以設(shè)計(jì)成使這個(gè)寬帶相控陣天線可以在其他頻率范圍內(nèi)例如在MHz范圍內(nèi)工作。
現(xiàn)在來(lái)看圖11，本發(fā)明的又一個(gè)方面旨在提供一種包括這種尺寸較大的基底的饋通透鏡天線60。饋通透鏡天線60包括第一和第二相控陣天線100a′、100b′，優(yōu)選的是這兩個(gè)相控陣天線基本上是相同的。關(guān)于饋通透鏡天線60的較詳細(xì)的說(shuō)明可以參考授予Durham、轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的當(dāng)前受讓方的美國(guó)專利No.6,417,813，該專利在這里整體列為參考予以引用。
該饋通透鏡天線可以用于希望在一個(gè)諸如建筑物62之類的結(jié)構(gòu)內(nèi)在一個(gè)特定的帶寬上復(fù)制一個(gè)電磁(EM)環(huán)境的各種應(yīng)用。例如，饋通透鏡天線60可以安在建筑物62的墻壁61上。饋通透鏡天線60使來(lái)自一個(gè)發(fā)射機(jī)80(例如，蜂窩電話基站)的EM信號(hào)63可以在建筑物62內(nèi)部被復(fù)制，從而可以被一個(gè)接收機(jī)81(例如，蜂窩電話機(jī))接收。否則，一個(gè)類似的信號(hào)64可能部分甚至全部被墻壁61反射。
第一和第二相控陣天線100a′、100b′由一個(gè)耦合構(gòu)件66背靠背地連接在一起。第一和第二相控陣天線100a′、100b′基本上與上面所說(shuō)明的天線100類似，但優(yōu)選的是去掉了邊緣元40b。
權(quán)利要求
1.一種要接到一個(gè)收發(fā)機(jī)上的相控陣天線，所述相控陣天線包括一個(gè)基底；以及一個(gè)在所述基底上的要接到該收發(fā)機(jī)上的偶極天線元陣列，每個(gè)偶極天線元包括一個(gè)中央饋電部和一對(duì)從其向外伸出的分支；以及一個(gè)負(fù)載和一個(gè)與之連接的開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)用于有選擇地將所述負(fù)載耦合到所述中央饋電部，使得所述偶極天線元有選擇地起著一個(gè)吸收所接收信號(hào)的吸收器的作用，而所述負(fù)載耗散與所接收信號(hào)關(guān)聯(lián)的能量。
2.一種按照權(quán)利要求1所述的相控陣天線，其中所述負(fù)載包括一個(gè)無(wú)源負(fù)載。
3.一種按照權(quán)利要求1所述的相控陣天線，其中所述負(fù)載包括一個(gè)印刷電阻元和一個(gè)分立電阻器中至少一個(gè)。
4.一種按照權(quán)利要求1所述的相控陣天線，其中相鄰偶極天線元的相鄰分支包括相互隔開(kāi)的具有使所述相鄰偶極天線元之間的電容耦合增大的預(yù)定形狀和相對(duì)位置的各自端部。
5.一種按照權(quán)利要求4所述的相控陣天線，所述相控陣天線還包括電連接在相鄰偶極天線元的相鄰分支的相互隔開(kāi)的端部之間以進(jìn)一步增大所述相鄰偶極天線元之間的電容耦合的相應(yīng)阻抗元。
6.一種制造一個(gè)有選擇地起著一個(gè)吸收器的作用的相控陣天線的方法，所述方法包括下列步驟提供一個(gè)基底；以及在所述基底上形成一個(gè)偶極天線元陣列，每個(gè)偶極天線元包括一個(gè)中央饋電部和一對(duì)從其向外伸出的分支、以及一個(gè)無(wú)源負(fù)載和一個(gè)與之連接的開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)用于有選擇地將該無(wú)源負(fù)載耦合到所述中央饋電部，使得該偶極天線元有選擇地起著一個(gè)吸收所接收信號(hào)的吸收器的作用，而所述無(wú)源負(fù)載耗散與所接收信號(hào)關(guān)聯(lián)的能量。
7.一種按照權(quán)利要求6所述的方法，其中形成所述偶極天線元的步驟包括將相鄰偶極天線元的相鄰分支形成為包括相互隔開(kāi)的具有使所述相鄰偶極天線元之間的電容耦合增大的預(yù)定形狀和相對(duì)位置的各自端部。
8.一種按照權(quán)利要求7所述的方法，其中所述相控陣天線具有一個(gè)所希望的頻率范圍，所述方法還包括形成一個(gè)與所述偶極天線元陣列相鄰的接地面，所述接地面與該偶極天線元陣列的間隔小于所希望的最高頻率的半個(gè)波長(zhǎng)左右。
9.一種按照權(quán)利要求7所述的方法，其中所述基底包括一個(gè)可充氣基底。
10.一種按照權(quán)利要求9所述的方法，所述方法還包括在所述偶極天線元陣列與可充氣基底之間形成一個(gè)介質(zhì)層，所述介質(zhì)層具有比該可充氣基底在充了氣時(shí)的介電常數(shù)大的介電常數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明所揭示的相控陣天線(100)包括一個(gè)基底(104)和一個(gè)在基底(104)上的偶極天線元(40)陣列。每個(gè)偶極天線元(40)包括一個(gè)中央饋電部(42)和一對(duì)從其向外延伸的分支(44)。每個(gè)偶極天線元(40)還包括一個(gè)無(wú)源負(fù)載(304)和一個(gè)與之連接的開(kāi)關(guān)(302)，開(kāi)關(guān)(302)有選擇地將無(wú)源負(fù)載(304)耦合到中央饋電部(42)，使得本偶極天線元(40)可有選擇地起著一個(gè)吸收所接收信號(hào)的吸收器的作用，而無(wú)源負(fù)載(304)耗散與接收信號(hào)關(guān)聯(lián)的能量。
文檔編號(hào)H01Q1/36GK1856906SQ200480027408
公開(kāi)日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2004年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月4日
發(fā)明者蒂莫西·E.·德拉姆, 斯蒂芬·B.·布朗, 格里芬·K.·格斯哈德 申請(qǐng)人:哈里公司