CN101584080A - 集成波导天线阵 - Google Patents

Abstract

提供了一种具有波导腔的天线阵。波导腔具有形成于其顶表面上的多个孔。在顶表面上设置辐射元件，每个辐射元件在多个孔中的一个的周围。辐射源通过波导腔侧面之一中的开口耦合平面波辐射。

Description

集成波导天线阵

相关申请的交叉引用

本申请是2007年4月3日提交的美国申请序列号11/695913的分案申请，美国申请11/695913是以下申请的延续并要求享有其优先权：2006年5月24日提交的美国申请序列号60/808187、2006年11月17日提交的美国申请序列号60/859667、2006年11月17日提交的美国申请序列号60/859799、2007年2月16日提交的美国申请序列号60/890456，在此通过引用将所有申请的公开全文并入。

技术领域

本发明的总体领域涉及一种独特天线，该天线具有集成到波导的辐射元件阵列。

背景技术

现有技术中已知有各种用于接收和发射电磁辐射的天线。从物理上讲，天线由导体制成的辐射元件构成，辐射元件响应于所施加的电场和相关联的磁场产生辐射性电磁场。该过程是双向的，即，当放置于电磁场中时，电磁场将在天线中诱发交变电流，在天线端子之间会产生电压。馈线或传输线在天线和收发器之间传送信号。馈线可以包括天线耦合网络和/或波导。天线阵是指耦合到公共的源或负载以产生定向辐射方向图的两个或更多天线。各天线之间的空间关系影响到天线的方向性。

尽管本文所公开的天线是一般性的天线，且可以用于大量的应用，但能够从该主题天线受益巨大的一个特定应用是固定和移动设置下对卫星电视的接收(直接广播卫星或“DBS”)。对于固定DBS，接收是利用指向同步卫星的定向天线实现的。在移动DBS中，天线位于移动运载工具(地面上、水中或空中)上。在这种情况下，在运载工具移动时，需要不断地将天线指向卫星。使用各种机构来在运动期间使天线跟踪卫星，例如机动化的机构和/或使用相移天线阵。更多关于移动DBS的一般信息例如可以在美国专利6,529,706中找到，通过引用将其并入本文。

一种已知的二维波束控制天线使用的是相控阵设计，其中，阵列的每个元件都具有移相器和连接到其上的放大器。平面天线阵的典型阵列设计使用的是微带技术或开槽波导技术(例如，参见美国专利5,579,019)。对于微带技术来说，天线效率随着天线尺寸的增大而大大降低。对于开槽波导技术来说，系统合并了复杂的组件和弯头以及非常窄的槽，在制造过程中必需要严格地控制所有这些的尺寸和几何形状。移相器和放大器用于提供二维半球形覆盖范围。然而，移相器成本高昂，尤其是如果相控阵包括很多元件，整个天线成本可能相当高。而且，移相器需要独立的复杂控制电路，这导致了成本和系统复杂性过大。

一种类似于DBS，被称为GBS(全球广播业务)的技术使用现有的商用技术，通过卫星向与美国政府相关的各种用户群体提供宽带数据和实时视频。由Communication-Electronics Command’s Space and TerrestrialCommunications Directorate的Space Technology Branch开发的GBS系统使用的是具有机械化跟踪系统的开槽波导天线。尽管天线被说成具有小的外形轮廓——在没有天线罩(雷达天线罩)的情况下“仅”伸展到14英寸的高度——其尺寸可以被军事应用所接受，但不能被消费者应用，例如私人汽车所接受。对于消费者应用而言，天线的外形轮廓应该小到不致降低车辆的美观并且不显著增大其阻力系数的程度。

当前的移动系统昂贵而复杂。在实际的消费产品中，尺寸和成本是主要因素，而显著降低尺寸和成本是困难的。除了成本之外，已知系统的移相器会固有地给相应的系统带来损耗(例如3dB或更大损耗)，于是为了补偿该损耗需要显著增大天线的尺寸。在特定情况下，例如对于DBS天线系统而言，尺寸会达到4英尺乘4英尺，对于消费应用而言这很不实用。

从以上论述可以认识到，为了开发消费者使用的移动DBS或GBS系统，必需至少要解决以下问题：提高信号采集的效率，减小尺寸并降低价格。目前的天线系统对于商业应用来说相对太大，存在收集效率的问题，且定价在几千甚至几万美元，因此远未达到平均消费者的要求。通常，这里讨论的效率是指天线收集天线所接收的射频信号并将其转换成电信号的效率。这个问题是任何天线系统都共通的，本文提供的方案为用于任何应用的无论固定或移动的天线系统解决了这个问题。

发明内容

提供如下发明内容是为了提供对本发明一些方面和特征的基本理解。本发明内容不是本发明的全面概述，因此并非旨在特别地指定本发明的主要或关键要素，或限定本发明的范围。其唯一目的是以简化形式提供本发明的一些概念，作为以下要给出的更详细说明的前序。

根据本发明的诸方面，提供了一种新颖辐射元件，该辐射元件提供高转换效率，同时小巧、简单且制造成本低。

根据本发明的诸方面，提供了一种新颖的天线，该天线具有辐射元件，该辐射元件提供高转换效率，同时小巧、简单且制造成本低。

根据本发明的诸方面，提供了一种新颖的天线，该天线具有辐射元件阵列，该辐射元件提供高转换效率，同时小巧、简单且制造成本低。

根据本发明的其他方面，无需任何中间元件就实现了波导和辐射元件之间的波能耦合。应当指出，该传输方法是通过如下方式实现的：在腔的面上从传输端口产生平面电磁波；在传播方向上在腔内传播波；通过改变波的至少一部分使其在与传播方向正交的方向上沿辐射元件传播，将能量从传播波耦合到辐射元件上；以及从辐射元件辐射波能。可以将耦合元件以及(因此)传播方向设计在0-90°的任何角度，因此，可以在除正交之外的其他角度。接收辐射能量的方法在相反的次序上完全对称。亦即，该方法通过如下方式进行：将波能耦合到辐射元件；在传播方向上沿着辐射元件传播波；通过改变波的方向使其在与传播方向正交的方向上沿腔传播，将能量从传播波耦合到腔上；以及在接收端口收集波能。利用这种新颖的能量耦合方法，无需如现有技术中那样使用波导网络就可以构造出阵列天线。

根据某些实施例，提供了一种对当前天线系统做出改进的天线系统。这里所述的范例实施例的天线系统包括针对(但不限于)天线结构、低噪声阻挡(由下变频器和信号放大器提供)、天线接收机以及位置和移动平台感测系统的创造性方面。

根据本发明的一方面，提供了一种天线，包括：波导和至少一个从波导表面延伸的辐射元件，该元件包括侧壁，侧壁形成与波导表面间隔开的远端开口。辐射元件可以包括具有近端和远端的突出部分，突出部分还包括至少一个从近端延伸到远端的壁部分，且其中突出部分形成管子，管子在近端和远端处具有开口。辐射元件可以采取多边形截面、弯曲截面、梯形截面、正方形截面、矩形截面、十字形截面或其他截面形状(例如具有位于中央的脊的矩形截面)。辐射元件可以是管状的、圆柱形、锥形等。该元件可以具有第一部分和第二部分，第一部分包括至少一个垂直于波导表面的壁，第二部分包括至少一个不垂直于波导表面的壁。辐射元件可以包括垂直部分和外展部分。波导可以包括至少一个端开口，且其中波导适于在至少一个端开口接收激励波。天线还可以包括波源。辐射元件的侧壁可以形成圆柱形截面，还包括至少两个形成于其中的槽。辐射元件的侧壁可以包括锥形。波导可以包括多边形截面。波导可以包括圆形截面。

根据本发明的其他方面，一种制造天线的方法包括：形成具有至少一个开口和多个孔径的波导，形成多个辐射元件，每个辐射元件通过多个孔径中的对应一个耦合到波导。

本发明的实施例提供了一种包括波导腔、多个辐射元件和平面波辐射源的天线。波导腔具有顶表面、底表面和侧壁。顶表面具有提供于其上的多个孔。多个辐射元件中的每个都具有管状导体，所述管状导体从所述顶表面延伸且位于所述多个孔之一的周围。平面波辐射源通过所述侧壁中的开口耦合平面辐射能量。管状导体可以具有锥形。在本发明的一个方面中，所述管状导体还包括槽，所述槽用于为所述管状导体中传播的平面波引入相移。在本发明的一个方面中，所述管状导体还包括延迟器，所述延迟器用于为所述管状导体中传播的平面波引入相移。所述管状导体可以具有正方形截面、矩形截面或十字形截面。所述辐射元件可以设置成n行m列。在本发明的各方面中，侧壁可以是多边形的或弯曲的。在一个方面中，辐射源包括扇形号筒。在一个方面中，辐射源包括弯曲反射器。在一个方面中，辐射源包括开槽波导阵列。在一个方面中，辐射源包括微带。

本发明的实施例提供了一种二维天线阵，该二维天线阵包括正方形波导腔、多个辐射元件和平面波辐射源。正方形波导腔具有正方形顶表面、正方形底表面和界定波导的至少两个侧面的侧壁。顶表面具有设置于其上的多个孔，所述孔设置成相等数量的行和列。多个辐射元件中的每个都包括管状导体，所述管状导体从所述顶表面延伸且位于所述多个孔之一的周围。平面波辐射源通过所述波导的一侧耦合平面辐射能量。天线阵还可以包括通过波导的第二侧耦合平面波的第二平面波辐射源。在本发明的一个方面中，所述平面波辐射源耦合水平极化的平面波，所述第二平面波辐射源耦合垂直极化的平面波。每个所述辐射元件可以包括圆极化元件。辐射元件可以是等间距隔开的。所述辐射源可以包括微带、开槽波导、扇形号筒和弯曲反射器之一。

附图说明

附图被并入本说明书并构成其一部分，附图示范了本发明的实施例并与说明书一起来解释和例示本发明的原理。附图旨在以图解方式例示示范性实施例的主要特征。附图并非要绘示出实际实施例的每个特征，而且所示元件的相对尺寸也不是按比例绘制的。

图1A和1B示出了根据本发明实施例的天线范例。

图2示出了根据图1A和1B的实施例的天线的截面。

图3A示出了可用于发送/接收两种交叉极化波的天线实施例。

图3B示出了类似于图2的截面，只是该设置能够从同一面激励两种正交极化。

图4示出了根据本发明另一个实施例的天线。

图5示出了根据主题发明的天线的另一个实施例。

图6示出了为了工作在两个不同频率且任选工作在两种不同极化而优化的实施例。

图7示出了利用具有外展侧壁的辐射元件的本发明实施例。

图8A示出了针对圆极化辐射优化的天线实施例。

图8B是图8A实施例的俯视图。

图8C示出了针对圆极化辐射优化的天线的另一实施例。

图8D示出了正方形圆极化辐射元件的俯视图，而图8E示出了十字形圆极化辐射元件的俯视图。

图9示出了根据本发明实施例的线性天线阵。

图10提供了图9实施例的截面。

图11示出了根据本发明实施例由扇形号筒作为源来馈电的线性阵列。

图12A示出了根据本发明实施例的二维阵列范例。

图12B示出了根据本发明另一实施例、用于以两个源工作的二维阵列。

图12C为图12B所示阵列的俯视图。

图13示出了根据本发明实施例的圆形阵列天线范例。

图14是本发明圆形阵列天线的另一个实施例的俯视图。

图15示出了根据本发明实施例设计笛卡尔坐标阵列的过程。

具体实施方式

本发明的各种实施例一般涉及到辐射元件和天线结构以及引入辐射元件的系统。例如，可以结合固定和/或移动平台来使用这里所述的各种实施例。当然，这里所述的各种天线和技术可以具有这里未特别提及的其他应用。移动应用例如可以包括集成到地面、海洋或空中交通工具中的移动DBS或VSAT。各种技术也可以用于双向通信和/或其他只接收的应用。

根据本发明的实施例，披露了一种辐射元件，其用于单个或阵列中以形成天线。辐射结构可以采取根据特定目的和将要使用天线的应用选择的各种形状。可以设计辐射元件或元件阵列的形状，以便控制信号的相位和幅值以及辐射/接收束的形状和方向性。此外，可以使用形状来改变天线的增益。所披露的辐射元件容易制造且要求较为宽松的制造容限；不过，它们实现了高增益和宽带宽。根据披露的各实施例，可以将线极化或圆极化设计到辐射元件中。此外，通过各种馈送机构，可以操纵天线的方向性，由此使其能够从移动平台跟踪卫星，或根据应用通过启用多束操作用于多个卫星或目标。

根据本发明的一个实施例，提供了一种天线结构。可以将该天线结构一般性地描述为平面馈送、开放波导天线。天线可以使用单个辐射元件或结构化为线性阵列、二维阵列、循环阵列等的元件阵列。天线使用独特的开放波延伸作为阵列的辐射元件。构造扩展辐射元件，使其直接从波导耦合波能。

该元件可以从多模波导顶部突出，可以利用激励到闭合公共平面波导部分中的平面波馈送。元件可以从平面波导的一侧突出。辐射元件可以具有若干几何形状的任一种，这些几何形状包括，但不限于十字形、矩形、锥形、圆柱形或其他形状。

图1A和1B示出了根据本发明实施例的天线范例100。图1A示出了透视图，而图1B示出了顶视图。天线100包括耦合到波导110的单个辐射元件105。辐射元件105和波导110一起形成天线100，天线100具有一般为半球形的射束形状，但可以通过辐射元件105的几何形状控制该形状，如下文将要解释的。波导可以是任何常规波导，在该范例中被示为具有平行板腔，该平行板腔使用了简单矩形几何形状，该形状具有单个开口115充当波端口/激励端口，经由端口发射波能120。

为了更清楚地理解，将波导示为叠加在笛卡儿坐标上方，其中波导之内的波能沿Y方向传播，而源自辐射元件105或由辐射元件105接收的能量则一般在Z方向传播。波导的高度h_w一般由频率定义，并且可以设置在0.1λ和0.5λ之间。为了获得最好的结果，波导的高度h_w一般设置在0.33λ到0.25λ的范围内。可以独立于频率选择波导宽度W_w，一般考虑到物理尺寸限制和增益要求进行选择。增加宽度会导致增益提高，但对于一些应用而言，尺寸考虑可能需要减小天线的总尺寸，这将要求限制宽度。波导的长度L_w也是独立于频率选择的，而且也是基于尺寸和增益的考虑选择的。然而，在背侧125密闭的实施例中，其充当腔的边界，应当相对于频率选择从腔边界125到元件105的中心的长度L_y。亦即，在背侧125密闭的情况下，如果传播波120的一些部分继续传播通过元件105，其余部分会从背侧125反射。因此，应当设置长度L_y，以便确保反射与传播波同相。

现在转到辐射元件105的设计。在这一特定实施例中，辐射元件为锥形，但如稍后将要参考其他实施例所述，可以使用其他形状。在波导中的孔径140上方，将辐射元件直接物理耦合到波导。孔窍140充当着耦合孔窍，用于在波导和辐射元件之间耦合波能。在此将辐射元件的上开口145称为辐射孔径。辐射元件105的高度h_e影响到入射到波导110上表面130的能量的相位。一般将该高度设置成大约0.25λ₀，以便具有同相的反射波。辐射元件的下方半径r影响到耦合效率，总面积πr²界定了天线的增益。另一方面，角度θ(和对应的半径R)界定波束的形状，可以是90°或更小。随着角度θ小于90°，即R＞r，波束的形状变窄，由此为天线100提供更大的方向性。

图2示出了根据图1A和1B的实施例的天线的截面。图2的截面图是可用于辅助读者理解天线200的工作的示意图。如图所示，波导210具有波端口215，通过波端口传输辐射波。辐射元件205提供于波导210的耦合端口240上方，具有上辐射端口245。现在将针对发射信号的情形提供对天线工作的解释，但应当明白，在接收信号期间发生恰恰相反的操作。

在图2中，将波前示意性示为箭头250，经由波端口215进入并沿方向Vt传播。当波达到耦合端口240时，如弯曲箭头255示意性示出的，通过采用正交传播方向，将其能量的至少一部分耦合到辐射元件205中。如箭头260所示，耦合的能量然后沿着辐射元件205传播，并最终沿着如虚线270所示的方向辐射。剩余的能量(如果还有的话)继续传播，直到抵达腔边界255。然后如箭头Vr所示反射并倒转方向。因此，应当使距离Ly确保反射波与传播波同相。

利用本发明的原理，通过如下步骤实现波能的传输：在波导腔的面上从传输端口产生平面电磁波；在传播方向上在腔内传播波；通过改变波的至少一部分使其在与传播方向正交(或成其他角度)的方向上沿辐射元件传播，将能量从传播波耦合到辐射元件上；以及将波能从辐射元件辐射到自由空间。接收辐射能量的方法在相反的次序上完全对称。亦即，该方法通过如下方式进行：将波能耦合到辐射元件；在传播方向上沿着辐射元件传播波；通过改变波的方向使其在与传播方向正交的方向上沿腔传播，将能量从传播波耦合到腔上；以及在接收端口收集波能。

可以将图1A、1B和2的实施例的天线用于发射和接收线极化波或圆极化波。另一方面，图3A示出了可用于发送/接收两种交叉极化波的天线实施例。应当指出，在图3A的实施例中，在波导上提供两个激励端口315和315’。第一极化的第一波320经由端口315进入波导腔，而不同极化的另一个波320’经由端口315’进入波导腔。两个波都是经由辐射孔径345辐射的，同时保持它们的极化正交。

另一方面，也可以将图1A和1B的实施例用于发送/接收两种交叉极化的波。这是结合图3B解释的。图3B示出了类似于图2的截面，只是将波导的高度h_w设置成大约λ/2。在这种情况下，如果源起波(originatingwave)具有垂直极化，例如如图2所示，发射波将采取水平极化，如图2所示。另一方面，如果源起波具有水平极化，如图3所示，则将该波耦合到辐射元件305并以正交于图2所示波的水平极化辐射。通过这种方式，可以馈送一个或两个波，从而获得任何所需的极化。应当认识到，通过调节激励天线的两个波源的相位和幅值，可以将两种极化组合成任何随意的极化。

图4示出了根据本发明另一个实施例的天线。在图4中，天线400包括在耦合端口440上方耦合到波导410的辐射元件405。在本实施例中，辐射元件405具有大致多边形截面。可以如前面实施例中那样选择元件405的高度h_e，例如0.25λ。元件的底宽W_L决定了元件的耦合效率，而底长L_L界定了天线能够工作的最低频率。辐射孔径445的面积，即W_L×L_L界定了天线的增益。如前面的实施例那样，角度θ界定了波束形状，可以是90°或更小。在图示的实施例中，具有第一极化的波420经由单个激励端口415进入。然而，如上文参考其他实施例所述，可以提供另一个激励端口，例如用来取代腔边界415’。在这种情况下，可以将具有正交极化的第二波耦合到波420。

图5示出了根据主题发明的天线的另一个实施例。为了工作在两种正交极化下，对图5的实施例进行了优化。辐射元件505具有十字形形状的截面，这是由两个叠加的矩形形成的。通过这种方式，优化一个矩形用于辐射波520，而优化另一个矩形用于辐射波520’。波520和520’具有正交的线极化。在图5的实施例中，形成十字形的两叠加矩形具有相同长度，从而操作类似频率但交叉极化的两个波。另一方面，图6示出了为了工作在两个不同频率且任选工作在不同极化而优化的实施例。如图所示，图5和6的实施例之间的主要差异在于，图6的辐射元件具有由长度不同的叠加矩形形成的十字形状的截面。亦即，为了工作在波620的频率而优化长度L1，而为了工作在波620’的频率而优化波L2。波620和620’可以是交叉极化的。也可以利用每个波导中位于中央的脊构造出形成十字的相交波导，优化脊的尺度参数连同L1和L2以提供宽带频率工作。

图7示出了利用具有外展侧壁的辐射元件705的本发明实施例。每个元件包括下方垂直部分和上方外展部分。垂直部分的侧面702界定了垂直于波导710的上表面730的平面，其中提供了耦合孔径(未示出)。外展部分的侧面704界定了与波导710的上表面730界定的平面偏移角度且不垂直于其的平面。图7的元件705类似于图5和6中所示的元件，因为它是针对利用有着类似或不同频率的两种波工作且任选以交叉极化工作而优化的。然而，通过在侧壁上引入外展部，可以独立于辐射孔径的设计做出耦合孔径的设计。这类似于前面实施例中所示的情形，在前面实施例中以小于90°的角度θ提供侧壁。

根据本发明的一个特征，通过宽带XPD(交叉极性区分)、圆极化元件可以提供宽带能力。产生圆极化波的一个困难是需要利用混合方式的复杂馈送网络或从两个正交点为元件馈电。另一种可能是使用角馈或开槽元件。使用这些方法的当前技术负面影响了用于良好交叉极化性能所需的带宽以及系统的成本和复杂性。通常用于波导天线(例如号筒)中的备选方案需要使用集成到腔中的外部极化器(例如金属的或电介质的)。过去，仅在单号筒天线中实现了这一点。于是，需要一种鲁棒的宽带圆极化发生器元件，其可以内置到大的阵列天线中，同时在天线的制造过程中保持极化元件的容易安装和集成。

图8A示出了针对圆极化辐射优化的天线实施例800。亦即，在将平面波820馈送到波导810时，在耦合到辐射元件805时，槽890会给平面波引入相移，从而引入圆极化，使得辐射波是圆极化的。如图所示，以相对于激励端口81545°方向提供槽890。因此，如果经端口815’引入第二平面波820’，辐射元件805会产生两个正交圆极化的波。

图8B是图8A实施例的俯视图。如图8B中所示，为了产生圆极化场，提出了如下极化控制方案。产生平面波并使其在波导的腔中传播，如箭头Vt所示。通过扰动锥形元件的场并在两个正交E场分量(例如平行于槽的分量和垂直于槽Vx、Vy的分量)之间引入90度相移，向平面波中引入圆极化。这样产生了圆极化场。实现这一点而没有影响到并入圆极化元件的阵列的工作。应当指出，在该范例中，扰动与恰在元件下方的腔中传播的极化场成45度的关系。

在产生槽时，应当考虑如下事项。槽的厚度应当足够大，以便在波中导致扰动。建议在0.05-0.1λ的量级上。槽的尺寸和它们之间划定的区域A(由虚线标记)应当使得所产生的有效介电常数高于辐射元件的其他区域，使得分量Vy以慢于分量Vx的速率传播，由此提供Vx+jVy的圆极化波。或者，可以通过其他手段实现介电常数增大，以获得类似结果。例如，图8C示出了针对圆极化辐射优化的天线的另一实施例。在图8C中，辐射元件805是类似于图1A的实施例的锥形。不过，为了产生圆极化，将延迟器(retarder)891插入，以占据类似于图8B的槽和区域A的区域，延迟器891由一块介电常数高于空气的材料，例如特氟隆来形成。

也可以将以上实施例的圆极化辐射元件构造为任何其他形状。例如，图8D示出了正方形圆极化辐射元件的俯视图，而图8E示出了十字形圆极化辐射元件的俯视图。

这种特征的一些优点可以包括，但不限于：(1)集成的极化器；(2)大于30dB的交叉极化分辨率(XPD)；(3)适应较平坦的天线；(4)成本非常低；(5)控制简单；(6)宽带工作；以及(6)能够被激励产生同时的双极化。这种特征的一些改造包括，但不限于：(1)用于需要圆极化宽带场的任何平面天线的技术平台；(2)DBS固定和移动式天线；(3)VSAT天线系统；以及(4)固定点到点和点到多点链路。

图9示出了根据本发明实施例的线性天线阵。一般，线性阵列具有1×m辐射元件，其中在该范例中示出了1×3阵列。在图9中，在单个波导910上提供了辐射元件905₁、905₂和和905₃。在本实施例中使用了锥形辐射元件，但可以使用任何形状，包括上文公开的任何形状。图10提供了图9实施例的截面。如图10所示，波1020沿方向Vt在波导1010的腔内传播，如前面实施例那样，其能量的一部分被耦合到辐射元件的每一个。如上文结合单个元件所述，可以通过几何形状控制耦合到每个辐射元件的能量的量。而且，如上所述，应当配置阵列中从腔的后方到最后元件的距离Ly，使得反射波(如果有的话)与行波同相反射。如果每个辐射元件耦合充分多的能量，使得没有能量剩下由从腔后侧反射，那么所得的配置提供了行波。另一方面，如果剩余一些能量，且其从腔后侧被同相地反射，则产生驻波。

元件之间间距Sp的选择使得能够向入射波束引入倾斜。亦即，如果将间距选择在大约0.9-1.0λ，那么波束方向就在视轴上。不过，通过改变元件之间的间距可以使波束倾斜。例如，如果要利用扫描馈送在20°到70°之间扫描波束，有利的做法是通过将间距设置为大约0.5λ，以诱发静态的45°倾斜，从而将馈送的有源扫描限制到中心每侧的25°。此外，通过实现这种倾斜，减小了扫描导致的损耗。亦即，根据关系θ₀＝Sqrt(θ_x ²+θ_y ²)，有效倾斜角可以大于x和y分量中的倾斜。

图11示出了根据本发明实施例由扇形号筒1190作为源来馈电的线性阵列1100。在图示的实施例中，使用了矩形辐射元件1105，但可以使用其他形状。而且，利用H-平面扇形号筒1190提供馈送，但可以使用其他装置进行波的馈送。如前所述，可以使用间距Sp为波束引入静态倾斜。

从图9、10和11的实施例可以认识到，可以利用结合了本文公开的任何形状，例如锥形、矩形、十字形等的辐射元件构造线性阵列。可以至少部分基于期望的天线极化特征、频率和辐射方向图来选择阵列元件的形状。如下文进一步所述，可以选择元件的数量、分布和间距，以构造具有特定特征的阵列。

图12A示出了根据本发明实施例的二维阵列范例1200。图12A的阵列是由具有n×m辐射元件1205的波导1210构造的。在将n或m设置为1的情况下，所得的阵列为线性阵列。如线性阵列那样，辐射元件可以是任何设计的形状，以提供需要的性能。图12A的阵列可用于极化辐射，也可如上所述，对其从两个正交方向馈电以提供交叉极化。而且，如下文将要解释的，通过提供适当的馈送，可以实现波束调向和多个同时波束的产生。

图12A中所示的矩形锥阵列天线1200的范例基于将锥形元件1205用作阵列的基本部件。天线1200由平面波源1208激励，平面波源1208可以形成为开槽波导阵列、微带或任何其他馈线并具有馈送耦合器1295(例如同轴连接器)。在该范例中，使用开槽波导阵列馈线，馈线1208上的槽(未示出)位于波导1210较宽的维度上，从而激励出垂直极化的平面波。然后波传播到腔中，在腔的顶表面1230上，锥形元件1205位于沿X和Y维度设计有固定间距的矩形网格上。如线性阵列那样，计算间距以提供视轴辐射或倾斜辐射。每个锥1205耦合传播波能量的一部分，并激励锥1205的上方孔径，一旦波已经到达阵列的所有锥，每个锥都充当天线远场的源。在天线的远场中，得到笔形波束辐射方向图，其增益值正比于阵列中的元件数量、它们之间的间距，并与它们激励的幅值和相位相关。然而，与现有技术不同的是，不需要精心制作的波导网络就能够将波能耦合到阵列。例如，在现有技术中，4×4元件阵列需要设置在通向端口的歧管中的16个单独波导的波导网络。直接从腔将波能耦合到辐射元件，取消了馈送网络。

图12B示出了根据本发明另一实施例、用于以两个源工作的二维阵列。图12C为图12B所示阵列的俯视图。波导基底和辐射元件与图12A中的相同，只是波导的两个面提供有源1204和1206。在该特定范例中，示出了具有反射器的新颖针(pin)辐射源，但可以使用其他源。在该范例中，源1204辐射具有垂直极化的波，如箭头1214所示。在耦合到辐射元件1205时，波采取Y方向上的水平极化，如箭头1218所示。另一方面，源1206辐射平面波，该平面波也是垂直极化的，不过在耦合到辐射元件时采取X方向上的水平极化。因此，图12B的天线阵能够工作在两种交叉极化辐射下。此外，每个源1204和1206可以工作在不同频率。

每个源1204和1206都由针源1224和1226以及弯曲反射器1234和1236构成。设计反射器的曲率以提供所需的平面波，以传播到波导的腔中。提供聚焦反射器1254和1256，以将来自针1204和1206的发射波朝着弯曲反射器1234和1236聚焦。

上述实施例使用的是直线波导基底。然而，如上所述，可以使用其他形状。例如，根据本发明的特征，可以利用圆形波导基底和本文披露的任何形状的辐射元件构造圆形阵列天线。也可以将圆形阵列天线表征为“平反射器天线”。到目前为止，尚未在2D结构中实现高天线效率。目前，仅能够在偏移反射器天线(3D结构)中实现高效率。3D结构比较大，而且仅提供了有限的波束扫描能力。诸如相控阵或2D机械扫描天线的其他技术通常较大且成本高，并且可靠性低。

这里所述的圆形阵列天线提供了低成本、易制造的天线，能够在宽范围的扫描角上实现内置扫描能力。因此，通过使电磁能通过天线元件(其截面可以是锥形、十字形、矩形、其他多边形等)之内的空气传播，提供了具有高孔径效率的圆形腔波导天线。将元件定位和设置于传播波的等相曲面上。对于圆柱腔反射器而言，元件设置于伪弧上。通过控制腔后壁截面的函数(抛物线形或其他形状)，曲面可以变换成直线，从而实现矩形网格设置。可以由产生圆柱形波的圆柱针(例如单极型)源为该结构馈电。对于一个范例而言，锥体在沿着等相曲面的每个点耦合能量，通过仔细控制锥体半径和高度，能够控制耦合的能量的量，改变锥体孔径处场的相位和幅值。可以将类似机制应用于任何形状的元件。

图13示出了根据本发明实施例的圆形阵列天线范例1300。如图所示，天线的基底是圆形波导1310。在波导顶部设置多个辐射元件1305。在该范例中，使用锥形的辐射元件，但也可以使用其他形状，包括圆形极化诱发元件。辐射元件1305设置在中心轴周围的弧中。弧的形状取决于馈线和期望的辐射特性。在本实施例中，由全向馈线为天线馈电，在这种情况下，是设置于板边缘的单个金属针1395，它是由同轴电缆1390，例如50Ω同轴线提供能量的。这种馈线产生在腔内传播的圆柱波。沿着固定相位弧设置辐射元件1305，从而将波的能量耦合并辐射到空气中。由于波导中的波在自由空间中传播并被直接耦合到辐射元件，因此插入损耗非常小。而且，由于波被约束到圆形腔中，如果仔细放置元件，可以将大部分能量用于辐射。这实现了天线的高增益和高效率，它们远超过其他平板天线实施例和偏移反射器天线所能达到的增益和效率。

图14是本发明圆形阵列天线1400的另一个实施例的俯视图。本实施例也使用了圆形波导1410，但辐射元件1405设置在不同形状的弧中，所述弧关于中心轴对称。馈线也可以是针1495的形式，针1495设置于轴的边缘，界定了视轴。

根据本发明的特征，各种阵列天线都能够进行波束扫描。例如，为了扫描圆形波导的波束，可以沿着圆形腔的周边将源放置在不同的角位置，从而沿着先前的等相曲面生成相位分布。在每个曲面处，在X和Y方向上都将有线性相位分布，这又将在θ和φ方向上使波束倾斜。这实现了一种足够薄、低成本、内置的扫描天线阵。设置一组位于弧上的馈线实现了多束天线配置，这简化了波束扫描而无需典型的移相器。

本发明该方面的一些优点可以包括，但不限于：(1)平坦而薄的2D结构；(2)极低的成本和低机械容限，适于批量生产；(3)内置的反射器和馈送装置，实现了宽波束扫描，无需昂贵的移相器或复杂的馈送网络；(4)可调节到任何频率；(5)能够在多频率操作，例如双向或单向应用中工作；(6)能够适应高功率应用。一些相关的应用可以包括，但不限于：(1)单向DBS移动或固定天线系统；(2)双向移动IP天线系统；(3)移动、固定和/或军用SATCOM应用；(4)点到点或点到多点高频带(直到大约100GHz)系统；(5)用于蜂窝基站的天线；(6)雷达系统。

图15示出了根据本发明实施例设计阵列的过程。在步骤1500中，提供参数，即期望的增益G、效率ζ和频率f₀，作为增益方程的输入，以获得所需的有效面积Aeff。然后，在步骤1510和1520中，提供沿y和x方向波束的期望静态倾斜角(θ_0x，θ_0y)作为输入，以确定沿着x和y方向元件的间距(参见图10的描述)。通过引入x和y方向上的静态倾斜，可以将波束静态倾斜到(r，θ)空间中的任何方向。利用该面积和间距，在步骤1530中获得x和y方向上的元件数量(Nx，Ny)。然后，在步骤1535，如果将辐射元件选择为圆形，在步骤1540中确定下方半径，即耦合孔径的半径，并利用在步骤1545中确定的高度(例如0.3λ)，在步骤1550中产生上方半径，即辐射孔径。另一方面，如果在步骤1535中选择了多边形截面，在步骤1555和1560，确定元件的下方宽度和长度，即耦合孔径的面积。然后在步骤1565基于波长选择高度。如果希望有外展，可以调节上方宽度和长度以获得期望的适当特征。

根据这里所述的各实施例的构造天线和阵列的方法，将矩形金属波导用作天线基底。可以通过在波导一侧上压挤来形成辐射元件。每个辐射元件可以在其顶部开放，以提供辐射孔径，在底部开放以提供耦合孔径，而元件的侧面包括从波导突出的金属。通过元件辐射波导之内行进的能量并通过元件的开放顶部从元件辐射到外部。相对于其他天线，这种制造方法较简单，可以控制元件的尺寸和形状，以实现期望的天线特征，例如增益、极化和辐射方向图要求。

根据另一种方法，利用任何常规塑料制造技术用塑料制造整个波导-辐射元件结构，然后用金属涂布。通过这种方式，简单的制造技术提供了廉价而轻质的天线。

阵列设计的优点是所获得的天线效率较高(在某些情况下高达大约80-90％的效率)。波通过自由空间传播，突出元件在制造过程中不需要大的精度。于是，天线的成本较低。与现有技术的结构不同的是，本发明的辐射元件不需要是谐振的，于是可以放宽它们的尺度和容限。而且，开放波导元件允许宽带宽，天线可以适于宽范围的频率。所获得的天线可以特别适用于高频工作。此外，所获得的天线具有端射设计的能力，于是对低高度波束峰值实现了非常高效的性能。

可以将若干波源并入本发明天线的任何实施例中。例如，可以并入线性相控阵列微带天线。通过这种方式，可以控制激励辐射阵列的平面波相位，从而可以相应地改变天线的主波束取向。在另一个范例中，可以并入线性无源切换巴特勒(Butler)矩阵阵列天线。通过这种方式，可以利用巴特勒矩阵技术构造无源线性相控阵列。可以通过在巴特勒矩阵的不同输入之间切换来产生不同波束。在另一个范例中，可以使用平面波导反射器天线。该馈线可以具有围绕平面反射器焦点设置的多个馈点，以控制天线的波束扫描。可以设置多个馈点以对应于固定或移动DBS系统中被选择用于接收的卫星。根据该范例，反射器可以具有抛物线设计，以提供腔约束结构。在这些情况的每一种中，实现了一维波束调向(例如高度)，而其他维度(例如方位波束调向)是通过旋转天线实现的(如果需要的话)。

这里所述的各种天线设计也可以结合若干扫描技术。例如，可以将天线系统集成到诸如汽车的移动平台中。因为平台是移动的，且现有卫星系统相对于地球是固定的(对地同步)，接收天线应该能够跟踪来自卫星的信号。于是，优选将波束调向机构内置到系统中。优选地，波束调向元件允许在二维半球空间上的覆盖。可以使用若干配置。在一种配置中，可以使用与机械旋转耦合的一维电气扫描(例如相控阵或开关馈线)。在一个实施例中，可以在由元件壁相对于波导的不突出表面界定的角度范围内(例如由电动机)机械地旋转多个辐射元件的壁。可以针对一定范围的角度实现旋转，以实现360度的方位范围和从大约20-70度的高低角范围。在另一种配置中，可以结合二维透镜扫描。在这种配置中，可以设计天线阵以在固定角度辐射，可以定位透镜以与辐射进行干涉。在一个实施例中，透镜从辐射元件向外定位。透镜具有锯齿形配置。沿着平行于波导中心轴的方向来回移动透镜，可以实现沿该方向的线性相位分布。于是，通过控制透镜的运动可以在特定方向上引导辐射束。叠加另一个与第一透镜正交的透镜可以实现二维扫描。根据备选方案，可以使用不规则形状的透镜(提供了两个独立透镜运动的等价效果)，然后旋转不规则透镜以实现二维扫描。

本发明的一些优点可以包括，但不限于：(1)平而薄的二维结构；(2)极低的成本和低机械容限的潜力，适于批量生产；(3)内置的反射器和馈送装置，实现了宽波束扫描，无需昂贵的移相器或复杂的馈送网络；(4)可调节到任何频率；(5)能够在双向或单向应用中进行多频率工作；(6)因为结构简单而损耗低，且没有小尺度间隙，能够适应高功率应用。一些相关的应用可以包括，但不限于：(1)单向DBS移动或固定天线系统；(2)双向移动IP天线系统；(3)移动、固定和/或军用SATCOM应用；(4)点到点或点到多点高频带(直到大约100GHz)系统；(5)用于蜂窝基站的天线；(6)雷达系统。

最后应当理解，这里所述的各过程和技术并非固有地与任何特定设备相关，可以由任何适当的组件组合来实现这些过程和技术。此外，可以根据这里所述的教导使用各种通用装置。也可以证明，构造专门的设备来执行这里所述的方法步骤是有利的。已经参照特定范例描述了本发明，从所有方面来讲，这些范例都是例示性的而非限制性的。本领域的技术人员将认识到，硬件、软件和固件的很多不同组合都将适用于实践本发明。例如，可以在很宽范围的编程或脚本开发语言中实现所述的软件，所述语言例如为汇编语言、C/C++、perl、shell、PHP、Java、HFSS、CST、EEKO等。

已经参照特定范例描述了本发明，从所有方面来讲，这些范例都是例示性的而非限制性的。本领域的技术人员将认识到，硬件、软件和固件的很多不同组合都将适用于实践本发明。此外，考虑到本文披露的本发明的说明书和实践，本发明的其他实现方式对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。说明书和范例应仅被视为示范性的，本发明的真实范围和精神由以下权利要求给出。

Claims (20)

1、一种天线，包括：

波导腔，其具有顶表面、底表面和侧壁，所述顶表面具有多个设置于其上的孔；

多个辐射元件，每个元件包括从所述顶表面延伸且位于所述多个孔之一的周围的管状导体；以及

平面波辐射源，通过所述侧壁中的开口耦合平面辐射能量。

2、根据权利要求1所述的天线，其中，所述管状导体具有锥形。

3、根据权利要求2所述的天线，其中，所述管状导体还包括槽，所述槽用于为在所述管状导体中传播的平面波引入相移。

4、根据权利要求2所述的天线，其中，所述管状导体还包括延迟器，所述延迟器用于为在所述管状导体中传播的平面波引入相移。

5、根据权利要求1所述的天线，其中，所述管状导体具有正方形截面。

6、根据权利要求1所述的天线，其中，所述管状导体具有矩形截面。

7、根据权利要求1所述的天线，其中，所述管状导体具有十字形截面。

8、根据权利要求1所述的天线，其中，所述辐射元件设置成n行m列。

9、根据权利要求1所述的天线，其中，所述侧壁是多边形的。

10、根据权利要求1所述的天线，其中，所述侧壁是弯曲的。

11、根据权利要求1所述的天线，其中，所述辐射源包括扇形号筒。

12、根据权利要求1所述的天线，其中，所述辐射源包括弯曲反射器。

13、根据权利要求1所述的天线，其中，所述辐射源包括开槽波导阵列。

14、根据权利要求1所述的天线，其中，所述辐射源包括微带。

15、一种二维天线阵，包括：

具有正方形顶表面、正方形底表面和侧壁的正方形波导腔，所述侧壁界定所述波导的至少两个侧面，所述顶表面具有多个设置于其上的孔，所述孔被设置成相等数量的行和列；

多个辐射元件，每个元件包括从所述顶表面延伸且位于所述多个孔之一的周围的管状导体；以及

平面波辐射源，通过所述波导的一侧耦合平面辐射能量。

16、根据权利要求15所述的天线阵，还包括通过所述波导的第二侧耦合平面波的第二平面波辐射源。

17、根据权利要求16所述的天线阵，其中，所述平面波辐射源耦合水平极化的平面波，而所述第二平面波辐射源耦合垂直极化的平面波。

18、根据权利要求15所述的天线阵，其中，每个所述辐射元件包括圆极化元件。

19、根据权利要求15所述的天线阵，其中，所述辐射元件等间距隔开。

20、根据权利要求15所述的天线阵，其中，所述辐射源包括微带、开槽波导、扇形号筒和弯曲反射器中的一个。

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