專利名稱：寬帶陣列天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陣列式天線，尤其涉及被設(shè)計(jì)為具有寬的可用頻率帶寬的天線。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有各種各樣的微波天線設(shè)計(jì)，包括由與接地面分離的平面導(dǎo)電元件的陣列組成的天線設(shè)計(jì)。寬頻帶雙極化相控陣越來(lái)越被期望用于多種應(yīng)用。這種包括對(duì)引入場(chǎng)呈現(xiàn)垂直導(dǎo)體的元件的陣列經(jīng)常遭受高正交極化。很多系統(tǒng)功能具有明確限定的極化要求。通常，在遍及整個(gè)帶寬上都期望低正交極化?；ヱ罱?jīng)常發(fā)生在天線陣列中，且其和元件類型、按照波長(zhǎng)的元件間隔以及陣列幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。這在必須避免柵瓣產(chǎn)生的寬帶寬陣列中通常是一個(gè)特殊的問(wèn)題。對(duì)于傳統(tǒng)的維瓦爾第(Vivaldi)切口天線，陣列中元件的間距必須小于允許柵瓣自由掃描的最大元件間隔。這是由用于大掃描角度的元件間誘發(fā)的強(qiáng)耦合所導(dǎo)致的輸入阻抗異常造成的。潛在地需要更多的元件來(lái)覆蓋同一收集區(qū)域。因此，盡管這難以解決，但本設(shè)計(jì)尋求最小化該耦合。B. Mimk在2006年天線應(yīng)用專題學(xué)術(shù)研討會(huì)上的“具有介電板補(bǔ)償?shù)亩思虞d偶極子的寬帶低剖面陣列”的第 149-165 頁(yè)(B. Munk, “ A wide band, low profile array of end loaded dipoles with dielectric slab compensation" Antennas Application Symp.，pp. 149-165，2006)中公開的Munk天線使用根本不同的方法設(shè)計(jì)了寬帶陣列。圖1 示出一例。互耦被有意地運(yùn)用在陣列元件之間且被電容的引入所控制。元件由耦合的偶極子(14，20)和(12，16)的一部分組成。偶極子的末端之間的電容(18,2 平滑了輻射場(chǎng)且獲得了寬的帶寬。通過(guò)在偶極子陣列上方放置介電層，增加了所需的頻帶和掃描角的阻抗穩(wěn)定性。疊加的介電層對(duì)于Mimk偶極子陣列的設(shè)計(jì)很重要。需要三或四層介電板以獲得寬的帶寬。這對(duì)于大型陣列來(lái)說(shuō)，成本變高。一種使用Mimk所闡述的原理的天線類型是電流片陣列(CSA)。通過(guò)使用密集的偶極子元件構(gòu)成的CSA如圖1所示。此處，該配置由位于偶極子陣列(其一部分如圖1所示)上方的兩個(gè)介電材料層0，6)以及位于兩側(cè)以使偶極子元件(12，14，16，18，20，22)嵌入其間的兩個(gè)薄片(均示為層8)組成。圖2示出了包含本發(fā)明的一個(gè)方面的Mimk陣列， 其中，上方的介電板層由具有預(yù)定形狀的且與圖2所示的陣列元件具有一相對(duì)距離的金屬片陣列所取代。圖1中的偶極子陣列的掃描性能如圖3a所示，且圖2中的偶極子陣列的掃描性能如圖北所示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種具有在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上改善的性能的新型陣列天線結(jié)構(gòu)。因此，在第一方面中，本發(fā)明提供了一種天線陣列，包括多個(gè)元件，所述元件包括至少一個(gè)第一類型的元件和至少四個(gè)第二類型的元件，其中，所述第一類型的元件包括具有兩個(gè)第二類型的元件的兩個(gè)平衡饋線的一部分，且所述第一類型的元件電容式耦合至另外兩個(gè)第二類型的元件。不同于現(xiàn)有技術(shù)的是，本發(fā)明利用了兩種不同類型的元件。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，這兩種類型的元件具有相同的物理結(jié)構(gòu)(將如附圖所示)，但在本發(fā)明中，這些元件被布置為使得它們執(zhí)行上述一種或另一種類型的功能。優(yōu)選地，該陣列包括其他元件。例如，該陣列可包括其他第一類型的元件，并且該陣列被設(shè)置為使得每個(gè)第二類型的元件既電容式耦合至第一類型的元件，又構(gòu)成具有第一類型的元件的平衡饋線的一部分。優(yōu)選地，每個(gè)第二類型的元件僅電容式耦合至一個(gè)第一類型的元件，且還構(gòu)成與第一類型的元件的僅一個(gè)平衡饋線的一部分。優(yōu)選地，該兩個(gè)平衡饋線被定位為互相垂直。且每個(gè)饋線將產(chǎn)生獨(dú)立的線性極化信號(hào)。這被稱為雙極化天線。當(dāng)然，實(shí)際上，這種天線陣列在大小上并不是無(wú)限的，且任一陣列的邊緣處都將有附加元件，例如，第三類型的元件。并且，這樣的元件的物理結(jié)構(gòu)可能和前面兩種類型元件的一樣，但是由于位于陣列的邊緣處，所以不能以相同方式連接。通常，在根據(jù)本發(fā)明的天線陣列中，優(yōu)選地，該四個(gè)第二類型的元件等間距地圍繞在與它們相關(guān)的第一類型的元件的周圍。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，電容式耦合由離散電容器(分布電容器)的內(nèi)含物所提供。然而，在可選擇的實(shí)施方式中，電容式效果由各個(gè)元件的被耦合的叉指狀區(qū)域?qū)崿F(xiàn)。優(yōu)選地，選擇叉指狀區(qū)域的大小和叉指數(shù)量以提供期望水平的電容式耦合。在另一方面中，本發(fā)明提供了一種天線陣列的制造方法。該方法包括以下步驟制備前述第一類型的元件和第二類型的元件；以及按照前述方式布置它們。優(yōu)選地，元件為非偶極子形狀。更優(yōu)選地，元件為圓形或多邊形。在一些示例中， 元件在其中心處可具有非導(dǎo)電材料的區(qū)域，例如，元件可為環(huán)形。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，元件為多邊或八邊的環(huán)形。通常，根據(jù)本發(fā)明的元件被設(shè)置為平面陣列。另外，陣列可包括通過(guò)介電材料的層與元件陣列分離的另一接地面。該接地面本身可以采用結(jié)構(gòu)與該平面型元件陣列的結(jié)構(gòu)類似的元件陣列的形式。該介電材料優(yōu)選地可為膨脹聚苯乙烯泡沫。


現(xiàn)在將結(jié)合附圖描述本發(fā)明的實(shí)施方式，其中圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的“Mimk”偶極子天線的示例。圖2示出包括根據(jù)本發(fā)明的修改的“Mimk”偶極子天線的示例。圖3a和圖北示出圖1和圖2所示的天線的性能響應(yīng)。圖4、圖5和圖6示出本發(fā)明的分別利用方形、圓形和八邊形元件的實(shí)施方式。圖7a、圖7b和圖7c分別示出圖4、圖5和圖6所示設(shè)計(jì)的頻率響應(yīng)。圖8示出本發(fā)明的利用“環(huán)形”元件(其為八邊形)的另一實(shí)施方式。
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圖9示出圖8所示的實(shí)施方式的頻率響應(yīng)。圖10圖例示出圖8所示設(shè)計(jì)中使用的叉指狀耦合電容器。圖Ila示出圖8所示設(shè)計(jì)使用IpF的頻率響應(yīng)。圖lib示出圖8所示設(shè)計(jì)使用指狀耦合電容器的頻率響應(yīng)。圖12示出圖8所示設(shè)計(jì)使用叉指狀耦合電容器的其他頻率響應(yīng)。圖13圖例示出使用圖8所示設(shè)計(jì)的3X4小陣列。圖14示出圖13所示設(shè)計(jì)的插入損失。圖15示出基于圖8的無(wú)限陣列中的元件的正交極化性能。圖16a和圖16b示出基于測(cè)量的圖13所示的3X4陣列的中心元件的輻射圖案。圖16c示出基于圖8的無(wú)限陣列中的元件的輻射圖案。圖17圖例示出由根據(jù)圖1或圖2所示的現(xiàn)有設(shè)計(jì)的元件組成的大陣列。圖18圖例示出由根據(jù)本發(fā)明的一般元件組成的大陣列。圖19示出使用圖8所示設(shè)計(jì)的大陣列的實(shí)施方式。
具體實(shí)施例方式圖4示出本發(fā)明的使用方形元件的實(shí)施方式。在圖4中，可看到由(優(yōu)選地等間距的)元件32、34、36和38環(huán)繞的中心元件30。該中心元件30通過(guò)各電容器C耦合至元件32和34 (均僅示出了一半)。另外，元件30構(gòu)成兩個(gè)平衡饋送元件對(duì)的一半，一對(duì)具有元件36且另一對(duì)具有元件38。并且，圖4僅示出了元件36和38的一半。該兩個(gè)元件對(duì)提供了用于陣列的端口 1和端口 2。實(shí)際上，圖4(以及圖5、圖6和圖8)所示的布置將構(gòu)成大陣列的一部分，其中，圖案被重復(fù)。稍后將參照?qǐng)D17、圖18和圖19進(jìn)行更詳細(xì)的描述。本發(fā)明的一些實(shí)施方式的另一優(yōu)選特征是結(jié)合有平行于主天線元件陣列層且與主天線元件陣列層間隔的附加導(dǎo)電層。主天線陣列層如圖4中的42所示，且類似的(但在此情形中是縮小比例的)導(dǎo)電元件的另一層被標(biāo)注為40。導(dǎo)電元件40通過(guò)利用電介質(zhì)44 來(lái)與層42間隔。圖5示出本發(fā)明的另一實(shí)施方式，其類似于圖4所示的實(shí)施方式，但取而代之使用圓形元件。相同的參考標(biāo)號(hào)被再次使用。圖7a和圖7b分別示出圖4和圖5所示設(shè)計(jì)的頻率響應(yīng)。發(fā)現(xiàn)對(duì)于圖5中的圓形設(shè)計(jì)和圖4中的方形設(shè)計(jì)，H面中的掃描性能變好。圖6示出本發(fā)明的另一實(shí)施方式，其類似于圖4和圖5所示的實(shí)施方式，但在此情形中使用八邊形元件。再者，相同的參考標(biāo)號(hào)被再次使用。圖7c示出圖6所示的雙極化薄八邊形片天線陣列的SWR。認(rèn)為在圖6(以及圖4和圖5)所示的天線設(shè)計(jì)中，電流主要沿每個(gè)元件的邊緣。 因此，如圖8所示的本發(fā)明的另一實(shí)施方式，其利用圖6所示的八邊形元件，但在圖8所示的設(shè)計(jì)中，這些元件是空心的或者環(huán)形的。認(rèn)為這可以降低單位單元中正交端口間的耦合。 這種特殊的設(shè)計(jì)在本說(shuō)明中被稱作“八邊環(huán)天線” (ORA =Octagon rings antenna)。認(rèn)為這可以降低單位單元中的正交端口間的耦合。這種特殊的設(shè)計(jì)在本說(shuō)明中被稱作“八邊環(huán)天線”，但是以下關(guān)于此設(shè)計(jì)其他特征的一般討論也同樣適用于前述的其他設(shè)計(jì)。
在圖8中，四個(gè)(優(yōu)選地等間距的)元件52、54、56和58圍繞中心元件50。如前所述，中心元件50經(jīng)由各電容器C耦合至元件52和M。同樣的，中心元件50構(gòu)成具有各自的元件56和58的兩個(gè)元件對(duì)的一部分(在此情形中為一半)。再者，這些元件可被封裝在薄層60中的兩個(gè)介電層之間。優(yōu)選地，該天線設(shè)計(jì)還包括與主天線層60相間隔的另一導(dǎo)電層63。單位單元尺寸為150mm的優(yōu)化的ORA的掃描性能如圖9所示。反射環(huán)和元件環(huán)之間的尺寸比為0. 94，且耦合電容值為lpF。大容量電容器可被焊接在八邊環(huán)(或其他形狀的)元件之間。或者，優(yōu)選地，通過(guò)使間隔的端部互相交叉以控制相鄰ORA元件之間的電容式耦合，從而提供電容。交錯(cuò)的指部可取代元件間的大容量電容器以提供增加的電容式耦合。對(duì)于節(jié)距尺寸為165_的雙極化ORA陣列，使用IpF的電容器，例如，每個(gè)電容器可設(shè)置有12個(gè)指部，指部的長(zhǎng)度為 2.4mm。指部間的間隙例如為0. 15mm。如圖10所示。使用IpF的大容量電容器的陣列或使用具有12個(gè)指部的叉指狀電容器的陣列之間的掃描性能比較如圖11所示。單位單元配置基于h = 70mm，Lg= 110mm, sf = 0. 9。具有叉指狀電容器配置的相同的單位單元通過(guò)模擬(仿真)示出。帶掃描的有源電壓駐波比(VSWR)性能如圖12所示。設(shè)置3X4的有限0RA，如圖13所示。模擬和測(cè)量之間的中心元件的插入損失的比較如圖14所示。測(cè)量通過(guò)以下方式進(jìn)行利用共面波導(dǎo)-共面帶狀線(CPW-CPS)阻抗轉(zhuǎn)換巴倫來(lái)向中心元件饋送，且利用120歐姆的匹配負(fù)載來(lái)終止其他元件。元件間距為165mm， 且元件之間的大容量電容器的電容值為lpF。然而，有限陣列的中心元件和無(wú)線陣列模擬的中心元件之間存在差異。這表明可以通過(guò)增加陣列的大小來(lái)提高3 X 4元件陣列的性能，例如如圖19所示。ORA無(wú)限陣列在三個(gè)典型頻率下在對(duì)角平面掃描中的正交極化如圖15所示。其示出了在整個(gè)掃描范圍內(nèi)的低且平穩(wěn)的正交極化性能。需要注意的是，陣列在頻帶的中心處表現(xiàn)出最好的正交極化性能。此特性與偶極子陣列具有相似性。有源元件圖案可被用于在制造大陣列系統(tǒng)之前預(yù)測(cè)大相控陣天線的性能和防止陣列設(shè)計(jì)故障。無(wú)限ORA陣列的有源元件圖案如圖16c所示。需要注意的是，元件圖案在所有平面上較好地對(duì)稱，且掃描量接近理想的余弦圖案。總的說(shuō)來(lái)，本發(fā)明的實(shí)施方式旨在提供一種或多種以下優(yōu)點(diǎn)。為了圖例示出大陣列，圖17和圖18示出這樣的大重復(fù)陣列的示例。圖17示出使用圖1和圖2所示的現(xiàn)有類型的元件的大陣列?？扇菀卓闯?，該陣列的每個(gè)獨(dú)立元件與該陣列中的所有其他元件(當(dāng)然，陣列邊緣處的元件除外)相同。通常，每個(gè)元件構(gòu)成具有另一這樣的元件的輻射元件對(duì)的一部分，并且還電容式耦合至一個(gè)這樣的元件。圖18示出使用根據(jù)本發(fā)明的元件(例如，如圖4、圖5、圖6和圖8中的任一幅圖所示的元件)的大陣列。可容易看出，除了陣列邊緣處的元件，不在邊緣處的物理上相同的元件實(shí)際上可被分為兩種不同的類型?？烧J(rèn)為如前所述的構(gòu)成具有其他兩個(gè)元件的兩個(gè)偶極子的一部分、并且電容式耦合至另外兩個(gè)元件的元件是中心元件(標(biāo)注為A)。陣列中的另一類型的元件構(gòu)成僅一個(gè)元件對(duì)的一部分，且電容式耦合至僅另一元件。本發(fā)明的實(shí)施方式在以下任一或全部應(yīng)用中是有用的。優(yōu)點(diǎn)
工作帶寬可為4 1以上，且最大掃描角可為45度以上。 電子控制天線。 整個(gè)掃描量中的穩(wěn)定正交極化性能。 具有雙極化的緊湊配置。 不需要使用多個(gè)介電層以降低成本和復(fù)雜度。 水平平面結(jié)構(gòu)容易在大規(guī)模生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)。 具有掃描角度的增益的損失小于之前的多種元件類型。應(yīng)用 射電天文學(xué) 雷達(dá)(地面探測(cè)) 超寬帶通信 空中寬帶成像 期望小型寬帶陣列的應(yīng)用。 期望雙極化和寬視場(chǎng)的應(yīng)用。已參照優(yōu)選實(shí)施方式描述了本發(fā)明。這些實(shí)施方式的修改以及其他實(shí)施方式及其修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見的，因此均包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種天線陣列，包括多個(gè)元件，所述元件包括至少一個(gè)第一類型的元件和至少四個(gè)第二類型的元件，其中，所述第一類型的元件包括具有兩個(gè)所述第二類型的元件的兩個(gè)平衡饋線的一部分，并且所述第一類型的元件電容式耦合至另外的兩個(gè)所述第二類型的元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線陣列，包括其他所述第一類型的元件，并且所述天線陣列被設(shè)置為使得每個(gè)所述第二類型的元件既電容式耦合至所述第一類型的元件，又構(gòu)成具有所述第一類型的元件的平衡饋線的一部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天線陣列，其中，每個(gè)所述第二類型的元件僅電容式耦合至一個(gè)所述第一類型的元件，且還構(gòu)成具有所述第一類型的元件的僅一個(gè)平衡饋線的一部分。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的天線陣列，其中，所述元件為非偶極子形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的天線陣列，其中，所述元件為圓形或多邊形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的天線陣列，其中，所述元件在其中心具有非導(dǎo)電材料的區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的天線陣列，其中，所述元件為環(huán)形。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的天線陣列，其中，每個(gè)元件被成形為八邊環(huán)形。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的天線陣列，其中，所述元件被布置為平面陣列。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的天線陣列，還包括通過(guò)介電材料層與所述平面元件陣列相分離的接地面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的天線陣列，其中，所述介電材料層為膨脹聚苯乙烯泡沫。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的天線陣列，其中，對(duì)于每個(gè)所述第一類型的元件，與其相關(guān)的所述四個(gè)第二類型的元件等間距地圍繞在其周圍。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的天線陣列，其中，通過(guò)元件的叉指狀區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)這些元件之間的電容式耦合。
全文摘要
一種天線陣列，包括多個(gè)元件，所述元件包括至少一個(gè)第一類型的元件和至少四個(gè)第二類型的元件，其中，所述第一類型的元件包括具有兩個(gè)所述第二類型的元件的兩個(gè)平衡饋線的一部分，且所述第一類型的元件電容式耦合至另外兩個(gè)第二類型的元件。
文檔編號(hào)H01Q19/00GK102379066SQ201080014435
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者安東尼·基思·布朗, 張永偉 申請(qǐng)人:曼徹斯特大學(xué)