CN101313435A - 频率扫描天线 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例涉及收发射频能量的频率扫描天线，用于检测和监视基于地面的目标。在一种设置中，频率扫描天线具体实施为一种能够引导射频波束到关于该天线结构的多个不同角度的结构：该天线结构包括至少两个阵列天线和用于控制两个阵列天线能量输入的控制器，该阵列天线设置在天线结构内，使得天线结构能用所述两个阵列天线中的一个引导波束到第一角度，并能用所述两个阵列天线中的另一个引导波束到不同于所述第一角度的第二角度。由此在本发明的实施例中设置两个或更多个阵列天线以构成天线结构，并协调向天线结构的各个天线阵列的馈送，以使得各扫描区可结合以生成一个增强的总的扫描区域。

Description

频率扫描天线
技术领域
本发明涉及一种频率扫描天线，尤其涉及一种特别地、但不是排他性地地适用于检测和监视基于地面的目标的频率扫描天线。
背景技术
频率扫描天线用于雷达系统，以扫描给定区域内出现的目标。如已知的，这样的频率扫描阵列可响应具有变化频率的输入信号而在角平面(angularplane)内引导波束。频率扫描阵列的特别例子包括如美国专利号US4868574描述的蛇型波导，和如美国专利号US3290688描述的行波线天线。
用于引导波束的其他机构包括机械装置，其包括在空间实际移动的天线，或设置成在其传输或接收时引导辐射的相控天线阵列。这种机械雷达系统的问题是其运行依赖物理部件和相关联的控制和移动部件。该部件的清单昂贵且可要求相匹配的大功率电源。
一组已知的电子装置组合是相控天线阵列，相控天线阵列向信号施加各种相移，从而有效地引导所接收和传输的波束。这些电子装置通常用于RF传感器和通信系统，这是因为它们不牵涉到天线的物理移动并能将波束快速地从一个位置移动到下一位置。尽管装配有这种装置的雷达系统可提供极其精确的目标位置的测量值，但是这些类型的电子装置的问题是适当的波束控制常常要求几个电子部件阵列；而这增加了雷达系统的物理尺寸、复杂度和成本。
频率扫描阵列已经与在另一个平面内转动的移动部件结合，如美国专利US4868574描述的。但是，这种结合的问题是它招致了常规机械扫描系统的尺寸和成本缺陷，且性能方面不如相控天线系统精确。
发明内容
与频率扫描天线相关地，一种特别高效的天线(就复杂度程度-相对低-以及性能-相对好而言)是行波天线。这种行波天线的应用如US5765098所描述的，它描述了用于传输卫星系统中信号的单个天线阵列和用于接收卫星系统中信号的单个天线阵列。但是，这种类型天线的问题是它随着频率变化仅辐射相对窄的扫描角，这限制了可使用天线的扫描面积；因为相对适中的扫描角通过卫星转换成了在接收点上的大角度范围，这种单个天线阵列对于卫星系统之类应用来说由于高空而当然是完全可接受的。
根据本发明一个方面，本发明人开发了一种用于收发射频能量并能够引导射频波束到多个关于该天线结构的多个不同角度的频率扫描天线结构，该天线结构包括至少两个阵列天线和用于控制所述两个阵列天线能量输入的控制器，其中该阵列天线设置在所述天线结构内，使得所述天线结构能够采用所述两个阵列天线中的一个引导波束到第一角度，并能够采用所述两个阵列天线中的另一个引导波束到不同于所述第一角度的第二角度。
这样在本发明的实施例中设置了两个或更多阵列天线以构成天线结构，并协调向天线结构的各个天线阵列的馈送以使得各扫描区可结合，以生成一个增强的总的扫描区域。在一种设置中天线结构设置成在多个非连接的角区(angular region)上引导波束，而在另一种设置中在连接的角区上引导波束。上述天线结构能够方便地采用所述两个阵列天线中的一个在第一角度范围(第一角区)上引导波束，并能采用所述两个阵列天线中的另一个在第二角度范围(第二角区)上引导波束：第一与第二角区不同，并选择性地提供大于独立天线阵列可实现的角度范围的扫描区域。
每个所述阵列天线方便地包括用于输入所述能量的输入装置，而控制器设置成输入能量至各个阵列天线以便引导波束至所述第一和第二角度。更特别地，每个输入装置设置成输入能量至各自阵列天线以在所述连接的或非连接的角区上引导波束。在一种设置中，输入装置能与天线阵列的端部连接，并在运行上与频率发生器相关联——如以上所描述的——以在多个不同频率接收包含射频能量的信号，从而引导波束。
优选地上述控制器设置成根据预定的顺序输入能量，以在所述第一和第二角度上引导波束，该顺序例如包括，输入能量至第一天线阵列的第一端部，输入能量至第二天线阵列的第一端部，输入能量至第二天线阵列的第二端部，以及输入能量至第二天线阵列的第二端部。
与天线结构本身的构造相关，上述天线结构可方便地以纵轴和垂直于所述纵轴的横轴条件为其特征：所述阵列天线中的第一个相对于所述横轴以所述第一角度倾斜，而所述阵列天线中的第二个相对于所述横轴以所述第二角度倾斜。另外，第一和第二阵列天线关于纵轴对称设置，并且所述阵列天线值的每一个包括两个端部和两个侧部。在一种设置中，所述第二阵列天线的侧部基本贴靠所述第一阵列天线的侧部，而在另一种配置中，第二阵列天线的端部部分基本贴靠第一阵列天线的端部部分。扫描区域的范围取决于两个阵列天线之间的物理关系，更具体地说，取决于各阵列天线对于横轴构成的角度。在一种设置中，雷达系统的角度范围基本是80度，但其他角度是可能的，范围从60度为100度、120度，与天线结构内的天线阵列的各种配置相一致。另外天线结构可设置成包括多于两个的阵列天线，从而进一步增加雷达系统的角度范围。
在一种配置中，阵列天线值的每个包括网格结构和电介质基底。每个网格结构可包括多个具体实施为微电路带(通常称作微带)的内连元件，并可方便地设置在相应所述电介质基底的表面上，基底则依次由接地面支撑。
网格结构可方便地以元件的各侧部和端部的长度为特征：每个所述元件包括具有各自长度的两个侧部和两个端部，所述侧部的长度大于所述端部的长度。典型地，所述侧部的长度是所述第一频率与所述第二频率之间的中点处的一个波长的数量级，而所述端部的长度是所述中点频率处的一个波长的一半的数量级。每个网格元件具有特征宽度，并且在一种优选配置中，侧部的网格宽度从网格中心到其每个端部逐渐地减小。因为阻抗与网格宽度成反比，将可以理解的是这提供了控制天线阵列元件的阻抗的方便手段，且由此导致了辐射图。
本发明进一步的特征和优点将由本发明优选实施例的描述而变得明显，以上本发明优选实施例的描述是参考附图仅以示例方式给出的。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的雷达系统部件方框示意图；
图2a示出了图1所示的天线中采用的天线阵列的一个实施例的示意图；
图2b示出了图1所示的天线中采用的天线阵列的另一个实施例的示意图；
图3示出了天线结构的设计示意图，该天线结构包括图1所示雷达系统中采用的图2a的天线阵列；
图4a示出了对于给定输出频率，从图3的天线结构发出的辐射的示意图；
图4b示出了对于给定输出频率，从图3的天线结构发出的辐射的示意图；
图5示出了天线结构的设计示意图，该天线结构包括图1所示雷达系统中所用的图2b的天线阵列；
图6示出了从图5的天线结构发出的辐射的示意图；
图7示出了根据发明另一个不同实施例的雷达系统的部件的方框示意图；以及
图8示出了替代的天线结构的设计示意图，该替代的天线结构包括图1所示雷达系统中所用的图2a或图2b的天线阵列。
本发明的几个部分和部件出现于一个以上的图中；为了清楚起见在所有附图中将使用相同参考编号标识相同部分和部件。另外，某些部分通过编号和一个或更多后缀指示，表明该部分包括一系列元件(每个后缀表明该系列中的各元件)。为了清楚，当提及该系列本身时省略后缀，但当提及该系列中各别的元件时则包括后缀。
具体实施方式
图1示出本发明的实施例运行于其中的雷达系统1，雷达系统1包括电源10、控制器12、和计算机14。电源10和计算机14设置成向控制器12提供能源和运行控制。控制器12包括微处理器和用于执行的一组指令(未图示)，以此有效地生成使得RF频率源或称信号发生器16以规定的频率FOUT输出RF能量的控制信号，而这个输出信号在放大器20的控制下驱动天线22。如以下将详细描述的，RF频率源16在一个频率范围内生成信号，使得天线22在不同角度方向(angular direction)上传输波束，从而扫描雷达系统1以外的区域。
雷达系统1还包括接收天线32(该接收天线接收从目标反射回的辐射信号)，并通过放大器部件20′传递所接收的辐射给混频器34。混频器34包括两个输入：第一个连接于RF源16；而第二个连接于接收天线32。混频器34的输出馈送给模数转换器ADC 36，以产生用于输入给信号处理器38的数字化信号，信号处理器38对所接收的信号执行分析。信号处理器38对所接收的信号执行频谱分析，这是因为雷达系统与外部(反射)目标之间的范围是作为频率信息包含于信号内的。
从上述可理解的是，天线22、32响应具有变化频率的输入信号而传输和接收辐射；因此天线22、32是频率扫描天线类型的。在一个优选实施例中，频率扫描天线具体实施为包括至少两个阵列天线的行波天线结构，一个这样的天线阵列200示于图2a。在一种配置中，天线阵列包括网格结构201和电介质基底203，并具有用于输入能量至网格结构201的输入装置207。输入装置207可包括位置垂直于天线阵列200平面的同轴馈送装置，但本领域技术人员将理解可以使用替代的馈送装置。
在示于图2a的配置中，每个网格结构201包括多个设置在电介质基底203的表面上的矩形内连元件209，电介质基底203支撑在接地面上。每个矩形元件209包括两个侧部213a、213b和两个端部211a、211b，侧部213a、213b的长度L大于端部211a、211b的长度。行波天线运行下的物理过程是众所周知的，已经首先受到John Kraus的研究并描述于美国专利US3,290,688中。只要说侧部213的长度L是平均载频的一个波长的数量级，而端部211的长度S是平均载频的波长的一半的数量级就足够了。从美国专利US3,290,688中的教导中将可以理解，可采用矩形和平面以外的网格结构。
与用于本发明实施例的特别配置相关，当电流经过网格结构201通过馈送部分207馈送时，经过端部211a、211b的电流彼此同相。流经给定元件209的相应侧部213a的电流从邻接元件(图示为输入元件217)的端部211a被接收并分成两个电流，每个在不同方向上流动并彼此异相。还是如图2a所示，构成侧部213a、213b的网格的宽度从网格中心到其每个端部逐渐地减小，从而有效地增加了侧部213a、213b的从阵列中心朝向其端部的长度。在一种优选配置中天线可具体实施为一个微电路带。
以下将参考图3和4描述根据本发明一个实施例的天线结构301的设置。图3示出示于图1的雷达系统1的一个开发方案，包括两个天线，每个都以示于图2a和图2b的天线阵列200a、200b的形式来具体实施，而天线结构301响应来自控制器12的输入，以控制能量向天线阵列200a、200b的各个馈送装置I1、I2的输入。仍然参考图4a，两个平面阵列天线200a、200b设置在结构301之内，以使得对于任何给定的射频，天线结构301均能够在不同角区401a、401b内传输射频能量。
返回参考图3，天线结构301的特征可为纵轴A1和横轴A2，这提供了用于描述平面天线阵列200a、200b配置的方便的参考结构。如从图3可看出的，第一阵列天线200a以角度α相对于所述横轴A2倾斜，而第二平面阵列天线200b以角度β相对于所述横轴A2倾斜。还如从该图可看出的，所述第二阵列天线200b的侧部贴靠所述第一阵列天线200a的侧部(图中侧部位于点划线表示的轴A1上)以使得当正面看上去时，天线阵列200b位于邻接的纵向平面内。
从图4a所示的示意图，将可以理解的是各个天线阵列200a、200b的取向——也就是说角度α和β——决定了从天线结构301发出的辐射的方向。因此，通过改变各个天线阵列200a、200b的相关位置，即可针对一个给定输出频率fout1，扫描角区的不同部分。
图4b示出从天线阵列以两个不同输出频率fout1和fout2发出的辐射401a-401d，并且可以看到，对fout1和fout2的数值的合适选择，使得输出辐射的天线结构301覆盖基本连接的区域，因而与单个天线阵列、或甚至与位于相同平面内的两个阵列(如美国专利US4,376,938描述的)相比，扫描更大的角区。
示于图2a、图3、图4a和图4b的配置涉及这样一种配置：其中天线阵列200a、200b包括在相应天线阵列的一个端部的单个馈送装置I1，I2。但是，参考图2b和图5，每个天线阵列可在其另一端部(I1，2、I2，2)包括另外的馈送装置。于是每个天线22a、22b就可认为是能够以给定频率fout在两个方向上发出辐射，因为天线阵列200a的收发行为取决于能量被馈送进天线的方向。转到图6，可看到通过将能量馈送至每个天线阵列的两个输入馈送点，即可有效地将可收发辐射的区域R加倍。
在以上段落中，假设雷达系统1包括单独的传输和接收天线结构301、303。但是，转到图7，雷达系统1可选地包括单个天线结构301和循环器40，如本领域已知的，它可有效地组合由天线结构301传输和接收的信号。
图8示出天线结构301内的天线阵列200a、200b的一种替代配置，其中每个天线阵列200a、200b位于各自的支撑结构上，一个支撑结构的外部边缘231a贴靠另一个支撑结构的相应外部边缘231b，从而构成具有一般等腰形状的天线结构；因为各个天线阵列的支撑件彼此贴靠，所以可将雷达系统制造成，使得接收天线结构301贴靠传输天线结构303，由此从天线结构所占据的深度方面看，与示于图3的相比，产生物理尺寸较小的雷达系统。将理解的是，其他结构也是可能的，包括安装于合适支撑结构上的两个、三个或若干个这样的天线阵列。
应理解以上实施例是本发明的说明性的示例。本发明进一步的实施例是可想象的。要理解的是联系任何一个实施例所描述的任何特征可单独使用，或与所描述的其他特征结合使用，也可用于与任何其他实施例、或任何其他实施例的任何组合中的一个或更多特征结合。另外，只要不脱离所附的权利要求书所限定的本发明范围，还可采用以上未描述的等效和改进方案。

Claims (26)

1、一种频率扫描天线结构，用于收发射频能量并能够引导射频波束到关于该天线结构的多个不同角度，该天线结构包括至少两个阵列天线和用于控制对所述两个阵列天线的能量输入的控制器，其中该阵列天线设置在所述天线结构内，使得所述天线结构能用所述两个阵列天线中的一个引导波束到第一角度，并能用所述两个阵列天线中的另一个引导波束到不同于所述第一角度的第二角度。
2、根据权利要求1所述的频率扫描天线，其中所述天线结构能够在多个非连接的角区上引导波束。
3、根据权利要求1或2所述的频率扫描天线，其中所述天线结构能够在基本连接的角区上引导波束。
4、根据前述任一权利要求所述的频率扫描天线，其中所述天线结构能用所述两个阵列天线中的一个在第一角度范围上引导波束，并用所述两个阵列天线中的另一个在第二角度范围上引导波束。
5、根据权利要求4所述的频率扫描天线，其中第一角区是由所述第一角度范围定义的。
6、根据权利要求4或5所述的频率扫描天线，其中第二角区是由所述第二角度范围定义的。
7、根据权利要求4到6其中任一项所述的频率扫描天线，其中所述第一角度范围不同于所述第二角度范围。
8、根据权利要求2到7其中任一项所述的频率扫描天线，其中所述角区基本为80度。
9、根据前述任一权利要求所述的频率扫描天线，其中每个所述阵列天线包括用于对其输入所述能量的输入装置。
10、根据前述任一权利要求所述的频率扫描天线，其中所述控制器设置成输入能量至各个阵列天线，以引导所述波束至所述第一和第二角度。
11、根据权利要求9或10所述的频率扫描天线，当从属于权利要求3时，其中每个输入装置设置成输入能量至各个阵列天线，以在所述基本连接的角区上引导所述波束。
12、根据权利要求9或10所述的频率扫描天线，当从属于权利要求2时，其中，对于给定阵列天线，所述输入装置设置成输入能量至两个位置的所述阵列天线以在所述非连接的角区上引导所述波束。
13、根据权利要求9到12其中任一项所述的频率扫描天线，其中所述输入装置能与所述天线阵列的端部连接。
14、根据权利要求9到13其中任一项所述的频率扫描天线，其中所述输入装置设置成在运行上与单个发生器相关联，以在多个不同频率接收包含射频能量的信号以引导波束。
15、根据权利要求9到14其中任一项所述的频率扫描天线，其中所述控制器设置成根据预定的顺序输入能量，以在所述第一和第二角度上引导所述波束。
16、根据权利要求15所述的频率扫描天线，其中所述预定的顺序包括：输入能量至第一所述第一天线阵列的端部，输入能量至所述第二天线阵列的第一端部，输入能量至所述第二天线阵列的第二端部，以及输入能量至所述第二天线阵列的第二端部。
17、根据前述任一权利要求所述的频率扫描天线，所述天线结构具有纵轴和垂直于所述纵轴的横轴，其中所述阵列天线中的第一个相对于所述横轴以所述第一角度倾斜，而所述阵列天线中的第二个相对于所述横轴以所述第二角度倾斜。
18、据权利要求17所述的频率扫描天线，其中所述阵列天线中的每个包括两个端部和两个侧部，所述第二阵列天线的侧部基本贴靠所述第一阵列天线的侧部。
19、根据权利要求17或18所述的频率扫描天线，其中所述第一和第二阵列天线是关于所述纵轴对称设置的。
20、根据前述任一权利要求所述的频率扫描天线，每个所述阵列天线包括网格结构和电介质基底。
21、根据权利要求20所述的频率扫描天线，每个网格结构包括多个内连元件并设置于相应所述电介质基底的表面上。
22、根据权利要求21所述的频率扫描天线，其中所述元件中的每个包括两个侧部和两个各自长度的端部，所述侧部的所述长度大于所述端部的长度，其中所述侧部的所述长度是在所述第一频率与所述第二频率之间的中点处的一个波长的数量级，而所述端部的所述长度是在所述中点频率处的所述一个波长的一半的数量级。
23、根据权利要求21或22所述的扫描雷达系统，每个元件的侧部具有宽度，其中所述侧部的宽度从所述网格的中心向每个相应的所述端部逐渐地减小，以控制所述阵列天线的阻抗。
24、根据权利要求21到权利要求23所述的频率扫描天线，其中所述网格结构内的每个所述元件包括矩形元件。
25、根据前述任一权利要求所述的频率扫描天线，其中每个所述阵列天线包括平面阵列天线。
26、根据前述任一权利要求所述的频率扫描天线，其中每个所述阵列天线包括微电路带。
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