CN101926047A - 定向多极化宽带天线网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工作在选定频带的定向多极化宽带天线网络，其特征在于它至少包括：N个多股互补的盘曲螺旋型基本传感器，排列成一种结构，以便获得大约360°的方位覆盖并且取决于载体；N个传感器中的每一个包括通过绝缘支柱E固定到天线的反射面(2)；N个传感器中的每一个包括与所述网络的工作频带适配的适配单元；N个传感器中的每一个包括用于垂直极化信号和用于水平极化信号的分开的输出路径(5)和(7)；适配成使用所述信号的幅度和相位执行测角算法并适配到网络配置的装置。

Description

定向多极化宽带天线网络

本发明涉及用于多极化宽带天线的阵列的体系结构。它适用于包括甚高频VHF(从30MHz到300MHz)、超高频UHF(从300MHz到3GHz)和极高频SHF(从3G MHz到30GHz)的频率范围。

它被用在测向天线领域中。在测向领域中这种定向多极化非常宽带天线阵列通过使用适当的测向处理操作使得处理各种极化的信号而不与载体相互作用成为可能。在实践中，在某种安装配置中，定向天线的使用支持相对于载体结构的独立性。例如，在海用测向领域中，由于本发明中天线阵列的定向辐射特性，可以将它放置在船的桅杆上的任何地方，而不会受后者影响。

集成测向天线时碰到的主要问题之一是用来保持单个天线的机械结构的选择以及在载体结构上整个天线系统的定位。在实践中，这种放置是需要从全局上加以考虑的，因为天线阵列不能受到用于固定的结构的影响。在多极化领域，这个问题尤其严重。

例如，在海用测向这种情况下，天线定位的选择至关重要同时又因为许多船上设备(例如雷达、通信发射机、导航系统等)而受到了限制。而由多个定向天线组成的天线系统放置起来则要容易得多，例如围绕桅杆放置。由于其定向辐射特性，这种天线的性能水平不会因载体结构而下降。

在无线电测向领域，现有的大多数天线系统只能工作于垂直极化模式。在刚过去的两年里，出现了新的天线系统设计，通过使用适当的测向处理操作，这种新的天线系统先验地(a priori)使得对垂直极化信号和水平极化信号单独或同时进行测向成为可能。这些新的系统使用具有环型或偶极子型的全向方位射频覆盖的单个天线。

显然(notably)，由垂直极化和水平极化全向天线组成的测向天线系统的主要缺点为：

·它们的性能水平取决于用于固定单个天线的机械结构和/或整个天线系统的载体结构，并且与信号的极化有关。

·为了获得最优的性能水平，并且将用于固定单个天线的机械结构和/或整个天线系统的载体结构产生的影响考虑在内，针对载体结构的校准步骤必不可少。在一些情况下，进行校准需要大量的资源，这会导致很高的集成成本，或者导致技术实现成为不可能。

对于多极化应用，目前有各种类型的定向单个天线。在所谓的“宽带”应用这种情形中，使用了具有线极化或双圆极化的螺旋型天线。在欧洲专利EP 0 198 578中描述了一个示例性天线。这个专利公开了一种具有双圆极化的天线，这种天线包括N个相同的天线分支，具有盘曲的整体形状，从公共中心轴向外延伸，并且在表面上以360°/N的间隔绕中心轴对称排列。每个天线分支包括按照对数周期或准对数周期方式排列的弯曲、直线和曲线构成的若干单元(cell)，使得每个单元都插入相邻天线分支的相邻单元之间，而不与这些相邻单元接触。这个专利给出的技术启示主要是采用单个定向天线和所述天线的各个实施例。它没有描述如何将多个天线联系起来以便进行多极化测向或者要使用的处理类型。还有，这个专利描述了利用包含电磁吸收材料的空腔来使天线变成定向天线。

本发明的天线体系结构或天线阵列依赖于按照选定结构排列并且匹配到载体结构以便获得给定方位射频覆盖(例如在360°上)的多个单个天线与是定向的或者通过适当的单元(elements)成为定向的天线之间的联系。本发明还可以被用于需要较小角度覆盖(例如在180°上)的情形，并且被用于360°覆盖不是强制性的探测系统。

还有，取决于载体的类型，所使用的天线处理操作可能改变，并且匹配到应用所瞄准的性能水平。

本发明涉及工作于选定频带的定向多极化宽带天线阵列，其特征在于它至少包括：

·N个多股互补的盘曲螺旋型基本传感器，按照一种结构排列，从而使得获得给定的方位覆盖成为可能；

·这N个传感器中的每一个包括通过绝缘支杆E固定到天线的反射面；

·这N个传感器中的每一个包括适合于所述阵列的工作频带的匹配单元；

·这N个传感器中的每一个包括针对垂直极化信号和针对水平极化信号的分开的输出通道；

·适合于执行测向算法的装置，该算法使用所述信号的幅度和相位并且匹配到阵列的配置。

根据一个实施例，这种天线阵列包括

·使得将具有一种极化并且是同一极化的信号一起编组成为可能的机制，一方面，这些信号是来自各个基本传感器的垂直极化信号，另一方面，这些信号是来自各个基本传感器的水平极化信号；

·适合于执行测向算法的装置，该算法使用所述编成一组的信号的幅度和相位并且匹配到阵列的配置。

例如，方位射频覆盖为大约360°，并且可能取决于在上面排列天线阵的载体。

通过阅读下面对详细实例以及附图的描述，能够更加了解本发明的其它特征和优点。给出的这些实例是作为非限制性的说明。在这些附图中：

·图1，本发明中与反射器相关联的天线单元；

·图2，在单个天线中心的4股的配置；

·图3，阻抗匹配系统；

·图4，在5天线阵列情形下本发明中天线系统的示例性配置；

·图5，本发明中天线阵列在垂直和水平极化上的实测辐射方向图结果；

·图6，本发明中在桅杆顶部的天线阵列的示例性定位；以及

·图7和图8，有效高度曲线，说明利用本发明中的天线阵列获得的以及利用已有技术天线获得的增益。

图1说明在电介质基板上印制上去的单个天线1，由四个互补或自互补分支1₁、1₂、1₃和1₄组成。这个单元1被设置成在反射器2的前面，这样显然就使得让天线单元1或单个天线成为定向天线成为可能。相对于来自形成阵列一部分的其它天线单元的杂散辐射，本发明中的反射器2显然还具有保护功能。当与使用吸收腔相比时，这一反射面显然使得获得更高的效率成为可能。

等角螺旋的几何形状由下式给出：

$r_k=r_0\exp \left(a(\mathrm{\Φ}-\frac{2\mathrm{\πK}}{N})\right)$

r表示螺旋的臂的半径，r₀表示在中心的半径；

其中K表示所涉及的螺旋的臂，N表示臂的数量，“a”表示螺旋的常数，

如同在图2中在极坐标系中定义的一样。

对于平面盘曲(convoluted)螺旋，θ＝π/2并且

对这N个臂的激励在半径为r₀的圆上(螺旋的中心)进行。与波长相比，r₀很小

其中d₀＝2.r₀.sin(θ₀)＝2.r₀。每个臂的长度由

定义，并且这个螺旋的最后一个重要参数是由

定义的角厚度，其中C是能够在螺旋中心由R＝Cr确定的一个常数。臂的厚度由R₀＝C.r₀调整到上述激励(螺旋的中心)。基本上，在盘曲的螺旋中，每个臂都在由角度α₀和这个臂的外径定义的区域内。一确定这个角度，通过从中心开始按照α₀角度在顺时针方向然后在反时针方向上进行简单的“z”字形弯折，就能够获得这个螺旋的一个臂。

因此，辐射单元或单个天线1的尺寸由螺旋的外径D_ext决定，它正比于最大波长λ_max，也就是说最低使用频率F_min。直径D_ext对应于由通过臂的E₁、E₂、E₃、E₄最外部的圆构成的直径，而这个螺旋的内径D_int则从盘曲的股I₁、I₂、I₃、I₄(图3和图4)的最内部定义。由于这种对数周期或准对数周期结构，这一天线被说成是独立于频率的。

这一天线系统的整体几何形状(单个天线的数量和尺寸，天线阵列的尺寸)显然随着要处理的频带、要在上面定位天线阵列的载体以及对于给定应用所需要的测向性能水平的不同而改变。例如，测向准确度反比于阵列的孔径(天线之间的距离)，并且反比于所用天线的数量。另一方面，天线之间的间隔不能太大，从而不会在测向准确度方面过度地增大模糊的风险。例如，用5个偶极子排列在半径为1.5m的圆上，工作于20MHz-160MHz频带的测向天线具有良好的测向准确度。

这一天线阵列的几何形状还可能取决于天线阵列的载体。例如，选择它的目的是获得等于或接近360°的方位射频覆盖。例如，这一配置可以是圆形的，排列在船的桅杆上，甚至定位运输工具的每一面上，或者直线排列在飞机的机翼上。

由绝缘支杆E(图5)将单个天线固定到反射器2，绝缘支杆的长度由天线到反射面的距离限定，如同下面将更加详细地描述的一样。

图6给出一个示例性的说明，其中天线的4股通过印制导线成对链接在一起，例如股1₁与股1₃(垂直极化)，股1₂与股1₄(水平极化)。在传输给信号处理和天线处理装置之前，接收同一极化的信号的那些股链接到匹配装置(平衡变压器)。更好地叫做“拜伦”的这个装置的功能是平衡辐射单元中传输的电流，并且将天线的阻抗匹配到接收机的特征阻抗，理想情况下为50Ω。例如，在图6中，第一阻抗匹配系统(平衡变压器)4将1₂和1₄这些股链接，还提供相对于信号处理系统5的匹配。1₁和1₃这些股由匹配系统6链接到处理装置7，处理装置7将处理在形成整个系统的单个天线中的每一个上接收的垂直极化信号，从而进行测向。类似地，这一装置还处理水平极化信号。

这些匹配装置的尺寸取决于所处理的频带，并且取决于所需要的匹配性能水平。在所述天线和反射面之间，在激励水平上，垂直于天线放置它们。

最后，为了进行测向，在图7中描述的天线系统与图中没有画出的天线开关连接。这个天线开关用于选择单个辐射单元，连续选择的极化使得获得在天线或天线系统上接收的不同信号成为可能。然后将在天线上获得的所有信号发送给处理模块，依靠适合于多极化和计算机的测向算法，这个处理模块将估计信号的到达角而不管其极化如何。按照极化模式将信号一起编组，在处理之前将垂直极化的信号一起编组，在处理之前将水平极化的信号一起编组。这个系统包括用于将信号例如按照它们的极化一起编组的机制。如果需要，可以通过混合型组件在每个辐射单元的输出端将信号耦合。在这种情况下，将被改变(adapted)的是测向处理并且需要测向处理来区分极化。

这个测向处理显然基于信号的幅度和相位的利用。在实践中，不象只使用信号的幅度或只使用信号的相位的常规方法，本发明使用这两个量。这样就使得从幅度获得关于角度的粗略信息(分区)并从相位获得准确信息成为可能，这样能够显著地提高系统的准确性。

作为一个实例，在复杂载体结构的情况下，不管是不是高分辨率的，使用信号的幅度和相位的矢量相关类型的算法将给出更好的性能水平。

反射面2

盘曲螺旋固有地没有任何定向辐射。为了能够获得定向天线，有多种可能的解决方案。例如，有可能象专利EP 0 198 578中一样使用吸收腔，或者方形金属反射面2，放置在天线1的后面，图1。反射面2的尺寸显然是相对于形成本发明的天线的盘曲螺旋的那些并且相对于系统的低使用频率来确定的。在实践中，为了获得最优方案，对于这个频率，反射面必须至少具有尺寸λ。使用反射面所提供的主要优点是，与使用吸收腔的解决方案相比，它能够提高天线的效率。在最佳情形下，在天线1中心和反射面2之间由法线定义的距离必须等于特定频率F的四分之一波长。因此，天线的使用带将受限于反射面的尺寸以及它距离辐射单元的距离。由于定向天线的主要量之一是它具有可能的最好前后比(天线前后之间的方向性比)，因此将距离值选择为使天线能够工作在有可能的最宽频带上，同时保持天线辐射的良好前后比。例如，如果所确定的目标是对于使用频带的频率F1具有最好的前后比，那么反射面2和天线之间的距离d就由公式来设定。

匹配电路的保护

如同上面所说明的一样，天线的尺寸取决于目标频带。低频与螺旋的外径D_ext成比例，高频与螺旋的内径D_int成比例，因此对于高使用频率，匹配电路有可能影响天线的辐射。为了弥补这个缺陷，匹配电路可以包括图1中的金属屏蔽B，这样就使得避免“拜伦”对天线的辐射造成的性能下降成为可能，而不官极化如何。

阵列中的关联

图7给出了包括5个辐射单元的规则多边形配置的示例性的阵列实施例。适当地形成的五边形阵列显然能够提供具有定向天线的阵列的优点，这使得将这一多极化天线阵列放置在任何载体结构上而不会受到后者影响成为可能。它还使得以360°的射频覆盖进行工作成为可能。例如，这使得将它定位在图9所示的桅杆的顶部成为可能。由高度H、长度L和系统宽度P定义的阵列的尺寸取决于单个辐射单元的尺寸以及频带和预期性能水平。

作为一个实例，图9中工作于500MHz-3000MHz频带的阵列具有如下尺寸：

P＝420mm，L＝420mm并且H＝250mm。

这个阵列与图中没有画出的一个机制相联系，这个机制使得执行天线处理算法的步骤成为可能，这些处理算法能够处理信号的多极化，并且通过将信号的幅度和相位考虑进来来进行工作。

图8中的辐射方向图说明在1GHz处从本发明前面的实例描述的阵列的天线的测量结果。利用线极化、垂直极化和水平极化模式下的馈电，并且在对应极化下测量每个天线的响应来测量这些方向图。3dB孔径是75°，这使得利用最少5个盘曲螺旋在全部方位上具有良好覆盖成为可能。通过应用基于信号的幅度和相位的矢量相关类型的测向算法，或者高分辨率算法(本领域技术人员熟知的MUSIC、CAPON等等)，能够在两个极化上获得优良的准确度性能水平。还有，螺旋的数量越多，性能水平越高。这些结果在天线的整个使用频带上保持有效，而不管是什么极化。

取决于在其中使用这种多极化测向天线阵列的系统，网络的配置可能不同：在机载配置这种情况下的线阵或同位阵(homothetic array)。

在由宽带测向天线系统使用的情况下，更一般地，这种实施需要如下元素构成的结构：

·盘曲螺旋型的N个天线，它们的尺寸匹配到使用频带；

·与单个天线具有相同尺寸的N个金属反射面；

·2N个匹配电路(拜伦)；

·N个保护(屏蔽)用来缓解匹配电路的存在带来的问题；

·适合于多极化处理和安装配置的测向算法。

图10是一个示意图，其中X轴对应于用MHz表示的频率，Y轴表示天线的有效高度，图中示出了按照现有技术的曲线I，以及对于本发明中的天线，与垂直极化对应的曲线II以及与水平极化对应的曲线III。

因此，上面描述的定向多极化天线阵列使得对信号进行处理而不管极化并且不会受到天线载体结构影响成为可能。因此，这样就能够在载体上进行更加简单的集成。还有，天线的辐射方向图(孔径、前后比等等)使得获得良好的准确度性能水平而不受载体结构影响成为可能。

天线阵列的良好稳定性还使得考虑通过仿真来校准成为可能，因为辐射方向图不会受到载体结构的多少影响。因此，天线对载体结构不敏感这一事实使得展望(envisage)天线从一个载体到另一个载体的互换性而不需要整个地重新校准成为可能。

此外，每个辐射单元的两个输出使得通过适当的处理来直接和独立地处理垂直和水平极化以及任何其它类型的极化成为可能。

例如，利用由这些天线组成的五边形阵列，我们能够在360°上具有覆盖来应用测向处理操作，而不会受到天线支撑单元的影响。在特定的配置中，这还使得简化甚至消除校准步骤成为可能，因为单个天线不会受到载体结构的影响。

Claims (11)

1.一种工作在选定频带的定向多极化宽带天线阵列，其特征在于它至少包括以下单元：

·N个多股互补的盘曲螺旋型基本传感器，按照能够获得给定的方位覆盖的结构排列；

·所述N个传感器中的每一个包括通过绝缘支杆E固定到所述天线的平面反射器(2)；

·所述N个传感器中的每一个包括适合于所述阵列的工作频带的匹配单元；

·所述N个传感器中的每一个包括针对垂直极化信号和针对水平极化信号的分开的输出通道(5)和(7)；

·适合于执行测向算法的装置，所述测向算法使用所述信号的幅度和相位并且匹配到所述阵列的配置。

2.如权利要求1所述的天线阵列，其特征在于每个天线单元与至少一个屏蔽匹配装置相关联。

3.如权利要求1所述的天线阵列，其特征在于选择所述螺旋的尺寸，从而工作在选定的频带。

4.如权利要求1所述的天线阵列，其特征在于所述天线阵列的形状匹配到所述平面反射器(2)，所述反射器是平坦的、锥形的、圆柱形的或共形的反射器。

5.如权利要求1和4所述的天线阵列，其特征在于按照所需要的频带来选择所述平面反射器(2)的尺寸。

6.如权利要求1到5之一所述的天线阵列，其特征在于它包括按照五边形的阵列排列的5个天线单元。

7.如权利要求1到5之一所述的天线阵列，其特征在于所述天线的排列匹配到所述天线阵列的载体，并且能够获得基本上等于360°的方位覆盖。

8.如权利要求1到6之一所述的天线阵列，其特征在于所述天线处理算法适合于处理所述信号的多极化并且通过将所述信号的幅度和相位考虑进来来进行工作。

9.如权利要求1所述的天线阵列，其特征在于它包括适合于将具有同一极化的信号一起编组的模块，一方面，来自不同的基本传感器的垂直极化信号，另一方面，水平极化信号，这个编组模块被设置在包括处理算法的所述装置的上游。

10.如权利要求1到8之一所述的天线阵列，其特征在于所述测向处理操作适合于载体的几何形状、电气特性以及预期的性能水平。

11.使用权利要求1到10之一所述的天线阵列针对在所述基本传感器上收到的信号进行测向。

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