CN102379066A - 宽带阵列天线 - Google Patents

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Abstract

一种天线阵列，包括多个元件，所述元件包括至少一个第一类型的元件和至少四个第二类型的元件，其中，所述第一类型的元件包括具有两个所述第二类型的元件的两个平衡馈线的一部分，且所述第一类型的元件电容式耦合至另外两个第二类型的元件。

Description

宽带阵列天线
技术领域
本发明涉及阵列式天线，尤其涉及被设计为具有宽的可用频率带宽的天线。
背景技术
现有各种各样的微波天线设计，包括由与接地面分离的平面导电元件的阵列组成的天线设计。
宽频带双极化相控阵越来越被期望用于多种应用。这种包括对引入场呈现垂直导体的元件的阵列经常遭受高正交极化。很多系统功能具有明确限定的极化要求。通常，在遍及整个带宽上都期望低正交极化。
互耦经常发生在天线阵列中，且其和元件类型、按照波长的元件间隔以及阵列几何结构有关。这在必须避免栅瓣产生的宽带宽阵列中通常是一个特殊的问题。对于传统的维瓦尔第(Vivaldi)切口天线，阵列中元件的间距必须小于允许栅瓣自由扫描的最大元件间隔。这是由用于大扫描角度的元件间诱发的强耦合所导致的输入阻抗异常造成的。潜在地需要更多的元件来覆盖同一收集区域。因此，尽管这难以解决，但本设计寻求最小化该耦合。
B.Munk在2006年天线应用专题学术研讨会上的“具有介电板补偿的端加载偶极子的宽带低剖面阵列”的第149-165页(B.Munk，″A wideband，low profile array of end loaded dipoles with dielectric slabcompensation″Antennas Application Symp.，pp.149-165，2006)中公开的Munk天线使用根本不同的方法设计了宽带阵列。图1示出一例。互耦被有意地运用在阵列元件之间且被电容的引入所控制。元件由耦合的偶极子(14，20)和(12，16)的一部分组成。偶极子的末端之间的电容(18，22)平滑了辐射场且获得了宽的带宽。通过在偶极子阵列上方放置介电层，增加了所需的频带和扫描角的阻抗稳定性。
叠加的介电层对于Munk偶极子阵列的设计很重要。需要三或四层介电板以获得宽的带宽。这对于大型阵列来说，成本变高。
一种使用Munk所阐述的原理的天线类型是电流片阵列(CSA)。通过使用密集的偶极子元件构成的CSA如图1所示。此处，该配置由位于偶极子阵列(其一部分如图1所示)上方的两个介电材料层(2，6)以及位于两侧以使偶极子元件(12，14，16，18，20，22)嵌入其间的两个薄片(均示为层8)组成。图2示出了包含本发明的一个方面的Munk阵列，其中，上方的介电板层由具有预定形状的且与图2所示的阵列元件具有一相对距离的金属片阵列所取代。图1中的偶极子阵列的扫描性能如图3a所示，且图2中的偶极子阵列的扫描性能如图3b所示。
发明内容
本发明旨在提供一种具有在现有技术的基础上改善的性能的新型阵列天线结构。
因此，在第一方面中，本发明提供了一种天线阵列，包括多个元件，所述元件包括至少一个第一类型的元件和至少四个第二类型的元件，其中，所述第一类型的元件包括具有两个第二类型的元件的两个平衡馈线的一部分，且所述第一类型的元件电容式耦合至另外两个第二类型的元件。
不同于现有技术的是，本发明利用了两种不同类型的元件。在本发明的一些实施方式中，这两种类型的元件具有相同的物理结构(将如附图所示)，但在本发明中，这些元件被布置为使得它们执行上述一种或另一种类型的功能。
优选地，该阵列包括其他元件。例如，该阵列可包括其他第一类型的元件，并且该阵列被设置为使得每个第二类型的元件既电容式耦合至第一类型的元件，又构成具有第一类型的元件的平衡馈线的一部分。
优选地，每个第二类型的元件仅电容式耦合至一个第一类型的元件，且还构成与第一类型的元件的仅一个平衡馈线的一部分。
优选地，该两个平衡馈线被定位为互相垂直。且每个馈线将产生独立的线性极化信号。这被称为双极化天线。
当然，实际上，这种天线阵列在大小上并不是无限的，且任一阵列的边缘处都将有附加元件，例如，第三类型的元件。并且，这样的元件的物理结构可能和前面两种类型元件的一样，但是由于位于阵列的边缘处，所以不能以相同方式连接。
通常，在根据本发明的天线阵列中，优选地，该四个第二类型的元件等间距地围绕在与它们相关的第一类型的元件的周围。
在本发明的一些实施方式中，电容式耦合由离散电容器(分布电容器)的内含物所提供。然而，在可选择的实施方式中，电容式效果由各个元件的被耦合的叉指状区域实现。
优选地，选择叉指状区域的大小和叉指数量以提供期望水平的电容式耦合。
在另一方面中，本发明提供了一种天线阵列的制造方法。该方法包括以下步骤：制备前述第一类型的元件和第二类型的元件；以及按照前述方式布置它们。
优选地，元件为非偶极子形状。更优选地，元件为圆形或多边形。在一些示例中，元件在其中心处可具有非导电材料的区域，例如，元件可为环形。在优选的实施方式中，元件为多边或八边的环形。
通常，根据本发明的元件被设置为平面阵列。另外，阵列可包括通过介电材料的层与元件阵列分离的另一接地面。该接地面本身可以采用结构与该平面型元件阵列的结构类似的元件阵列的形式。该介电材料优选地可为膨胀聚苯乙烯泡沫。
附图说明
现在将结合附图描述本发明的实施方式，其中：
图1示出现有技术的“Munk”偶极子天线的示例。
图2示出包括根据本发明的修改的“Munk”偶极子天线的示例。
图3a和图3b示出图1和图2所示的天线的性能响应。
图4、图5和图6示出本发明的分别利用方形、圆形和八边形元件的实施方式。
图7a、图7b和图7c分别示出图4、图5和图6所示设计的频率响应。
图8示出本发明的利用“环形”元件(其为八边形)的另一实施方式。
图9示出图8所示的实施方式的频率响应。
图10图例示出图8所示设计中使用的叉指状耦合电容器。
图11a示出图8所示设计使用1pF的频率响应。
图11b示出图8所示设计使用指状耦合电容器的频率响应。
图12示出图8所示设计使用叉指状耦合电容器的其他频率响应。
图13图例示出使用图8所示设计的3×4小阵列。
图14示出图13所示设计的插入损失。
图15示出基于图8的无限阵列中的元件的正交极化性能。
图16a和图16b示出基于测量的图13所示的3×4阵列的中心元件的辐射图案。
图16c示出基于图8的无限阵列中的元件的辐射图案。
图17图例示出由根据图1或图2所示的现有设计的元件组成的大阵列。
图18图例示出由根据本发明的一般元件组成的大阵列。
图19示出使用图8所示设计的大阵列的实施方式。
具体实施方式
图4示出本发明的使用方形元件的实施方式。在图4中，可看到由(优选地等间距的)元件32、34、36和38环绕的中心元件30。该中心元件30通过各电容器C耦合至元件32和34(均仅示出了一半)。另外，元件30构成两个平衡馈送元件对的一半，一对具有元件36且另一对具有元件38。并且，图4仅示出了元件36和38的一半。该两个元件对提供了用于阵列的端口1和端口2。
实际上，图4(以及图5、图6和图8)所示的布置将构成大阵列的一部分，其中，图案被重复。稍后将参照图17、图18和图19进行更详细的描述。
本发明的一些实施方式的另一优选特征是结合有平行于主天线元件阵列层且与主天线元件阵列层间隔的附加导电层。主天线阵列层如图4中的42所示，且类似的(但在此情形中是缩小比例的)导电元件的另一层被标注为40。导电元件40通过利用电介质44来与层42间隔。
图5示出本发明的另一实施方式，其类似于图4所示的实施方式，但取而代之使用圆形元件。相同的参考标号被再次使用。
图7a和图7b分别示出图4和图5所示设计的频率响应。发现对于图5中的圆形设计和图4中的方形设计，H面中的扫描性能变好。
图6示出本发明的另一实施方式，其类似于图4和图5所示的实施方式，但在此情形中使用八边形元件。再者，相同的参考标号被再次使用。图7c示出图6所示的双极化薄八边形片天线阵列的SWR。
认为在图6(以及图4和图5)所示的天线设计中，电流主要沿每个元件的边缘。因此，如图8所示的本发明的另一实施方式，其利用图6所示的八边形元件，但在图8所示的设计中，这些元件是空心的或者环形的。认为这可以降低单位单元中正交端口间的耦合。这种特殊的设计在本说明中被称作“八边环天线”(ORA：Octagon rings antenna)。认为这可以降低单位单元中的正交端口间的耦合。这种特殊的设计在本说明中被称作“八边环天线”，但是以下关于此设计其他特征的一般讨论也同样适用于前述的其他设计。
在图8中，四个(优选地等间距的)元件52、54、56和58围绕中心元件50。如前所述，中心元件50经由各电容器C耦合至元件52和54。同样的，中心元件50构成具有各自的元件56和58的两个元件对的一部分(在此情形中为一半)。再者，这些元件可被封装在薄层60中的两个介电层之间。优选地，该天线设计还包括与主天线层60相间隔的另一导电层63。
单位单元尺寸为150mm的优化的ORA的扫描性能如图9所示。反射环和元件环之间的尺寸比为0.94，且耦合电容值为1pF。
大容量电容器可被焊接在八边环(或其他形状的)元件之间。或者，优选地，通过使间隔的端部互相交叉以控制相邻ORA元件之间的电容式耦合，从而提供电容。交错的指部可取代元件间的大容量电容器以提供增加的电容式耦合。对于节距尺寸为165mm的双极化ORA阵列，使用1pF的电容器，例如，每个电容器可设置有12个指部，指部的长度为2.4mm。指部间的间隙例如为0.15mm。如图10所示。使用1pF的大容量电容器的阵列或使用具有12个指部的叉指状电容器的阵列之间的扫描性能比较如图11所示。单位单元配置基于h＝70mm，Lg＝110mm，sf＝0.9。具有叉指状电容器配置的相同的单位单元通过模拟(仿真)示出。带扫描的有源电压驻波比(VSWR)性能如图12所示。
设置3×4的有限ORA，如图13所示。模拟和测量之间的中心元件的插入损失的比较如图14所示。测量通过以下方式进行：利用共面波导-共面带状线(CPW-CPS)阻抗转换巴伦来向中心元件馈送，且利用120欧姆的匹配负载来终止其他元件。元件间距为165mm，且元件之间的大容量电容器的电容值为1pF。然而，有限阵列的中心元件和无线阵列模拟的中心元件之间存在差异。这表明可以通过增加阵列的大小来提高3×4元件阵列的性能，例如如图19所示。
ORA无限阵列在三个典型频率下在对角平面扫描中的正交极化如图15所示。其示出了在整个扫描范围内的低且平稳的正交极化性能。需要注意的是，阵列在频带的中心处表现出最好的正交极化性能。此特性与偶极子阵列具有相似性。
有源元件图案可被用于在制造大阵列系统之前预测大相控阵天线的性能和防止阵列设计故障。无限ORA阵列的有源元件图案如图16c所示。需要注意的是，元件图案在所有平面上较好地对称，且扫描量接近理想的余弦图案。
总的说来，本发明的实施方式旨在提供一种或多种以下优点。
为了图例示出大阵列，图17和图18示出这样的大重复阵列的示例。图17示出使用图1和图2所示的现有类型的元件的大阵列。可容易看出，该阵列的每个独立元件与该阵列中的所有其他元件(当然，阵列边缘处的元件除外)相同。通常，每个元件构成具有另一这样的元件的辐射元件对的一部分，并且还电容式耦合至一个这样的元件。
图18示出使用根据本发明的元件(例如，如图4、图5、图6和图8中的任一幅图所示的元件)的大阵列。可容易看出，除了阵列边缘处的元件，不在边缘处的物理上相同的元件实际上可被分为两种不同的类型。可认为如前所述的构成具有其他两个元件的两个偶极子的一部分、并且电容式耦合至另外两个元件的元件是中心元件(标注为A)。阵列中的另一类型的元件构成仅一个元件对的一部分，且电容式耦合至仅另一元件。
本发明的实施方式在以下任一或全部应用中是有用的。
优点
◆工作带宽可为4∶1以上，且最大扫描角可为45度以上。
◆电子控制天线。
◆整个扫描量中的稳定正交极化性能。
◆具有双极化的紧凑配置。
◆不需要使用多个介电层以降低成本和复杂度。
◆水平平面结构容易在大规模生产中实现。
◆具有扫描角度的增益的损失小于之前的多种元件类型。
应用
◆射电天文学
◆雷达(地面探测)
◆超宽带通信
◆空中宽带成像
◆期望小型宽带阵列的应用。
◆期望双极化和宽视场的应用。
已参照优选实施方式描述了本发明。这些实施方式的修改以及其他实施方式及其修改对本领域技术人员来说是显而易见的，因此均包含在本发明的范围内。

Claims (13)

1.一种天线阵列，包括多个元件，所述元件包括至少一个第一类型的元件和至少四个第二类型的元件，其中，
所述第一类型的元件包括具有两个所述第二类型的元件的两个平衡馈线的一部分，并且
所述第一类型的元件电容式耦合至另外的两个所述第二类型的元件。
2.根据权利要求1所述的天线阵列，包括其他所述第一类型的元件，并且所述天线阵列被设置为使得每个所述第二类型的元件既电容式耦合至所述第一类型的元件，又构成具有所述第一类型的元件的平衡馈线的一部分。
3.根据权利要求2所述的天线阵列，其中，每个所述第二类型的元件仅电容式耦合至一个所述第一类型的元件，且还构成具有所述第一类型的元件的仅一个平衡馈线的一部分。
4.根据前述权利要求中任一项所述的天线阵列，其中，所述元件为非偶极子形状。
5.根据权利要求4所述的天线阵列，其中，所述元件为圆形或多边形。
6.根据权利要求5所述的天线阵列，其中，所述元件在其中心具有非导电材料的区域。
7.根据权利要求6所述的天线阵列，其中，所述元件为环形。
8.根据权利要求7所述的天线阵列，其中，每个元件被成形为八边环形。
9.根据前述权利要求中任一项所述的天线阵列，其中，所述元件被布置为平面阵列。
10.根据权利要求9所述的天线阵列，还包括通过介电材料层与所述平面元件阵列相分离的接地面。
11.根据权利要求10所述的天线阵列，其中，所述介电材料层为膨胀聚苯乙烯泡沫。
12.根据前述权利要求中任一项所述的天线阵列，其中，对于每个所述第一类型的元件，与其相关的所述四个第二类型的元件等间距地围绕在其周围。
13.根据前述权利要求中任一项所述的天线阵列，其中，通过元件的叉指状区域来实现这些元件之间的电容式耦合。
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