CN1038887C - 有源发射相控阵天线 - Google Patents

Abstract

激励发射相控阵天线系统用于产生多个独立同步天线波束以照射需要的区域而不照射其他区域。区域尺寸形状是构成阵列的单元数目和尺寸的函数，波束的数目是构成向阵列馈电网络的波束数目的函数。阵列的所有单元工作在同样的幅度电平，波束形状和方向由相位调节来决定。有源发射相控阵天线系统包括配置在六角形构形的多个天线单元。

Description

有源发射相控阵天线

本发明涉及微波束天线系统，特别是涉及这样一种形式的相控阵天线系统，它用控制在多个发射单元中信号的相对相位来产生多个同步的天线波束。

多年来雷达系统阵列天线已为人们所知，并被用于形成明显的定向波束。阵列天线特征由发射单元的几何位置及它们各自激励的相位和幅值来决定。

近来雷达技术的发展，如磁控管和其它高功率微波发射管的发展有使通常使用的雷达频率向上提升的趋势。在那些较高的频率中，较简单的天线变得有用了，它通常包括一种形状的(抛物线)反射器，由喇叭形馈源或其它简单的初级天线辐照。

其次，由于种种理由电子(无惯性)扫描变得重要，包括扫描速度和随机的或编定程序的波束瞄准能力。由于电控移相器和开关的发展又重新注意阵列式天线，它的每一个发射单元是可以单独地电控的。在相控阵列领域中可控移相装置提供了快速地和准确地开关波束的能力，因而是使雷达完成在时间上交错的，甚至是同时的多种功能。一个电控的阵列雷达可以跟踪许多目标，可以实现自动选择目标的广角搜索使得能够对所选目标进行跟踪，还可以用作将高增益波束对向远距离的接收机和/或发送机的通信系统。因此，相位扫描阵列的重要性极大。由Merrill I，Skolnik，所著的书“Radar Handbook”，McGraw Hill(1970)出版，提供了关于一般阵列天线主题相对较新的总的背景材料。

其他提供本领域总的背景资料的参考文件包括：

公布于是1961年1月3日、授予RearWin的、名为“SelectiveDirectional Slotted WavEguide Antenna”的美国专利2967301中描述了一种产生连续的波束用来确定飞机相对于地面的速度的方法。

公布于1969年1月21日、授予Folder的、名为“Scanning Antenna Feed”的3、423、756号美国专利描述了一种系统，其中电控的锥形扫描天线馈源由一个大尺寸的波导管装备成，该波导管有围着它安装的并与它耦合的四个调谐腔。因而导致辐射相位中心从天线孔径中心移开。顺序对四个腔调谐到此信号的频率，它就锥形地扫描。可以明显地与腔所调谐的频率分开的其它频率的信号则继续通过波导管传播，在波导管中没有任何干扰。

公布于1976年7月13日、授Nemct的、名为“Network-fedPhased Array Antenna System With Ihtrinsic RF phase shift capability”的3969729号美国专利公开了一种集成元件/移相器用于相位扫描阵列。非谐振波导或微带线型传输线系列强制馈给阵列单元。在传输线的外导电壁上对称槽型的槽内的四个RF二极管互连排列，以致改变从那里穿过槽到每个各自的天线单元开口的耦合。因而，每个二极管控制着在对应相位上的每个槽的能量对各自的单元孔的影响，由此确定所述孔的网络相位。

公布于1977年8月9日，授予Frazeta等人的、名为“LimitadScan Array Antenna Systems with Sharp Cutoff of Elementpattern”的4041051号美国专利公开了阵列天线系统，其中实际的单元模式用耦合电路来改进，以接近于符合在选定的空间角度区域内辐射天线波束所要求的理想单元模式。在扫描束天线的实例中应用耦合电路明显地减少所需的移相器数目。

公布于1978年7月4日、授予Scillier等人的、名为“Flat Radar Antenna”的4099181号美国专利公开了一种用于雷达设备的平面雷达天线，包括排成平行的几排的多个对准的辐射单元，所述的每个单元和雷达设备之间流通的能量数量可以被调节，其特征在于，所述的辐射单元是其辐射面的波导管，该波导管按四个象限集成组，所述象限里每一个波导管用适合于具备以下一个或二个条件的馈送装置和雷达设备连接起来，一个条件是它对一个象限内的全部波导管馈电，另一个条件它只对最靠近天线中心的那排馈电，而象限内其他波导管则除外；一种装置，为四个馈电装置提供保证在同一时间具备同一条件，使得雷达天线发射的雷达波相对于天线中心是对称的，并且根据馈电装置的条件具有不同的构造。

公布于1986年6月17日、授予kobus等人的、名为“Dual SpaceFed Parallel Plate Lens Antenna Beam Forming System”的4595926号美国专利描述了一种用于线性相位阵列天线系统的波束形成系统，该天线系统可以用于单脉冲无线电收发机中，波形成系统包括一对串联的平行板限定的不聚焦棱镜，它为线性阵提供适当的幅值斜度使得有低侧瓣辐射图形。数字移相器被用于波束控制，不聚焦棱镜使得由于使用这种移相器而引起的量化误差解除相关性。

公布于1970年12月8日、授予Smith的、名为“Scanning Antenna System”的3546699号美国专利公开了一种扫描天线系统，包括布置一个圆周的一段弧上的、分开的同相电磁能的固定阵列；具有拱形输入匹配回路的发送器和接近圆弧形的线性输出回路，传输性能是这样的，使所有发送器辐射的输出能量是同相的；以及用来使发送器在绕圆的中心在圆的平面里旋转的装置。

公布在1991年5月20日的、发明人为Chao C.Chen的名为“Beamforin Structure for Modular Phased Array Antennas”的美国专利5,162,803中公开了一种相控阵天线系统，包括一个双折叠并行板波束合成器/分配器，具有一个射频第一端口和一个其孔径沿第一方向延伸的的第二端口；一叠相同的双折叠并行板波束合成器/分配器中的每个有一个与第二端口相耦合的第一端口和沿近似与第一方向垂直的第二方向延伸的第二端口；多个与第一端口耦合的移相电路，用来改变通过第一端口发射的射频信号的相位；多个排列成阵列的并与第二端口相耦合的微波发射/接收模块，其中每一列模块与其中一个一个第二端口相耦合，而每个模块包括一个移相电路；还包括一个阵列天线单元，每个与其中一个发射/接收模块相连。

本发明是为了提供一种相控阵天线系统，更具体地说，提供一种有源发射相控阵天线，用于产生多路独立的同步天线波束以照射要求的区域而不照射其他区域。该区域的尺寸和形状是构成阵列的单元的数目和尺寸的函数。阵列的所有单元工作在同样的幅度电平，波束形状和方向由相位的调节来决定。

根据本发明的相控阵发射天线系统，包括：在基片上安置的配置成一个阵列的多个天线辐射单元，该单元中每个包括配置有所述基片的腔中的放大装置和混合波导耦合器，用于提供有选定相位的正交微波能量信号；滤波装置，响应于所述腔的微波输出信号或者在选定频带内的通过的信号；辐射喇叭，响应于被所述微波信号，用于发射作为有一定方向和形状的波束的所述微波信号；其特征在于：多个所述天线辐射单元中的每个发射多个同步微波波束中的一个波束，它们有相同的功率值和不同的相位值；和控制装置，它连接到每个所述移相电路和衰减电路，用于将所述移相电路调节在选定值以提供要求的波束方向和形状。

本发明的天线系统可以产生多个独立的同步微波信号波束，且其性能良好而成本较低。

图1是用于有源发射相控阵天线的多个布阵单元的说明的图。

图2是图1多单元相控阵天线中应用的那种类型的多个单元中的一个横截面草图。

图3是图2所示空气介质腔顶视图。

图4是用于图2的系统中的控制器底视图。

图5是表示图4中的移相器和衰减器更详细的图及它的附属电路图。

参见图1，所示一种有源发射相控阵天线的方案包括布置在六角形构形上的只作说明用的213个单元。图2表示包括在图1天线中的213个单元中的一个。图1的每一个单元和图2中所示的是一样的，包括有辐射喇叭10，能够在二个正交极化的每一个以25dB隔离或更大的隔离进行辐射。喇叭用一个其功能为在要求的频带内通过能量，而在其他频率上则反射能量的多极带通滤波装置12来馈给。这一点对于本发明的发射天线用作通信卫星的一部分时尤其重要，因为它也用作接收天线，来自发送器的在接收频段内的寄生能量可使接收天线中灵敏的接收单元饱和及受干扰。在本实施例中，滤波装置12包括一系列连续的谐振腔，互相以保持高度正交方式耦合起来，这对保持上述的隔离是必需的。

滤波装置12耦合于装在基片36上的空气介质腔14中。空气介质腔14包含有高效单块放大器，它以推挽方式激励正交的微波能量。参见图3，它是图2的空气介质腔14的平面视图。激励是用探针18、20、30和32连同放大器22、24、26和28共同完成的。在图3中，探针18和20这样放置，它们在相距180°的相对位置上激励腔14。当放大器22和24不同相激励时，这便提供了推挽功能所必需的转换。放大器26和28相似地馈电给相隔180°位于和探针18和20相距90°地方的探针30和32，这样它们可以在腔内激励出正交微波能量。两对放大器由混合波导联接输入点34，经过180°耦合器34A和34B以正交相位馈电来产生圆极化。

为了实现正交波束必需的精确相位和幅度的一致性，放大器22、24、26和28必需实际上相等。事实上，为保证这个一致性的方式对于放大器可采用单块微波集成电路(MMIC)。

90°混合波导在图3中示出的端头是两个点。这些点代表通过联接点由图4的底视图表示的基片36来馈电，通过联接点馈电的另一端可在位置38和39处看到。它们中的一个激励右边的圆极化，另一个激励左边的圆极化。此外，如果信号经过馈电联接点直接馈给180°耦合器34A和34B，而不用90°混合波导34，将被激励的波是线性极化波束而不是圆极化波束。混合波导34通过联接点38和39由MMIC激励放大器40和42馈电，每一个用于一个极化方向。每个波束所需的极化由开关矩阵44选择，它对每一个极化也组合全部信号去馈送给两个激励放大器40和42。每个波束输入(本例中是4个)包括一个电控的移相器48和衰减器46用于建立波束方向和形状(每个波束的尺寸)。在阵列中的全部单元对任一给定的波束以相同的电平激励。这是与其他发射相控阵是不相同的，那里使用阵列两端之间的幅度梯度来降低波束侧瓣。

在此公开的有源发射相控阵天线采用均匀辐照(无梯度)以使天线功率效率达最大，否则天线单元的功率能力没有被充分利用。全部可用功率可在整个波束间任意地分配而没有功率损失。且对于一个给定波束的功率分配用调节衰减器46在全部天线单元上被设定，则相位(这对每个单元是完全不同的)采用调节相移器48以建立波束方向和形状。对一所需的波束形状和方向的相位调节用合成该波束的方法来选定。此合成方法是一种贮存在计算机中的迭代、集中计算的方法。合成方法的目的是构成一个波束，它可最有效地辐照所要求的区域而不辐照不需要的区域。区域可以由规则的多边形来描述，其每边的最小尺寸可由选定阵列中单元的数目和它们的间距来设定。一般，阵列中单元越多则可以合成的多边形的形状越复杂。纯相位控制波束成形方法(process of phase-only beam Shapilg)产生所需的波束形状，也产生栅瓣。本发明的另一个目的(如使用于卫星天线)是减小栅瓣的相对幅度及阻止它们出现在从卫星轨道位置看到的地球表面上，结果它们将不呈现出对相邻波束的干扰或因将它们发射到不希望的地方而浪费功率。合成方法将栅瓣减至最小，而且它也可用来产生在栅瓣处为零的波束，否则，它就不能被减小到可接受的电平。

可以由有源发射相控阵天线产生的独立波束的数目只受向每个单元馈电的移相器48和衰减器46的数目限制。参见图5，它指出每一串移相器48和衰减器46由各个同样的功率分配器馈电。每一个功率分配器上端口的数目必需等于或大于单元的数目。在图5中所示的例子中，功率分配器上端口的数目必需是213或更多个。功率分配器的数目必需等于天线能产生的独立波束数目。因此所示的例子的系统应需要四个功率分配器，每个有213路。

如前面所述，各波束的每一个其功率总和必需等于所有单元的能力以便使效率最大。每个单元的能力理解为线性的或非畸变的能力。为了有源发射相控阵天线保持空所产生的若干波束的独立性，在波道中的每一个放大器必需工作在线性区以便防止波束之间不可接受的交叉度。只要放大器是线性的，那么线性叠加的原则是有效的。当放大器被驱动到其非线性区，波束的独立性受到危害。未极放大器22、24、26和28要求最严格，因为它们消耗超过90％的功率。为了提供可接受的性能，它们在低于规定的最大值的所有工作电平上必需呈现出总的谐波失真为0、1％量级。

对每个单元的控制在图5举例为一个微处理器控制器50连同有大规模门矩阵的接口电路。控制器50不仅有能力产生由每个移相器和衰减器所要求的规定控制电压，也能贮存当时和下一个指令组。借助这个控制机构，波束就可以或者根据所需要的来接通，或者根据时分多路复用接通以用于大量的独立区域。用于每个单元的控制器借助于典型的装置间控制总线相互连接起来。当天线用作通信卫星的一部分时，装置间控制总线也连接到和卫星控制电路一起放置的主控制器。各波束的典型的系数组将在地面上计算出，再用卫星控制链路播发到卫星上。各单元有唯一的总线地址，由置入单元的硬件所在的组合网络中的硬布线代码来确定。由于与温度有关的漂移电势缘故，热敏电阻可在需要时被用于补偿控制电压。如果控制相位和幅度所需的电压不是线性的，微处理器可贮存一个查找表，以便将其线性化。

本发明特别参照优选的实施例来说明和展示，本领域的技术人员应理解，可以在形式上和内容上作出改型而不偏离本发明精神和范围。

Claims (7)

1.一种用于产生多个独立的同步微波信号波束的相控阵发射天线系统，包括：

在基片上安置的配置成一个阵列的多个天线辐射单元，该单元中每个包括配置有所述基片的腔中的放大装置和混合波导耦合器，用于提供有选定相位的正交微波能量信号；

滤波装置，响应于所述腔的微波输出信号或者在选定频带内的通过的信号；辐射喇叭，响应于被所述微波信号，用于发射作为有一定方向和形状的波束的所述微波信号；其特征在于：

多个所述天线辐射单元中的每个发射多个同步微波波束中的一个波束，它们有相同的功率值和不同的相位值；和

控制装置，它连接到每个所述移相电路和衰减电路，用于将所述移相电路调节在选定值以提供要求的波束方向和形状。

2、根据权利要求1的相控阵发射天线系统，其特征是其中所述腔包括设置在所述腔内相距180°处的第1对微波探针，设置在所述腔内相距180°处的第2对探针，所述第1和第2探针配置为相距90°，第1对线性放大器连接到所述第1对探针，第2对线性放大器连接第2对探针以激励在所述腔内的正交微波能量。

3、根据权利要求2的相控阵发射天线系统，其特征是其中所述基片包括连接到所述腔内的所述第1和第2对放大器和探针的移相装置和衰减装置，用于提供90°相位差信号使得产生圆极化信号，其中所述放大器和探针对之一激励在右圆极化，所述放大器和探针对的另一对激励左圆极化。

4、根据权利要求3的相控阵发射天线系统，其特征是其中所述的移相器的衰减器包括多个分离的移相电路和衰减电路，及一个连接到所述移相电路和衰减电路的开关矩阵以选择地连接单独的极化信号到腔内所述放大器和探针对，所述的单独极化信号提供从所述喇叭发射的所述微波束的表形状和方向。

5、根据权利要求4的相控阵发射天线系统，其特征是其中衰减装置设定成使从所述多个单元的所述喇叭发射的所述微波束在幅度上是相等的。

6.根据权利要求5所述的相控阵发射天线系统，其特征是其中每个天线单元的所述移相及衰减电路包括多个串联的移相和衰减电路，所述多个串联的移相和衰减电路的每一个被连接到一个单独的功率信号，其中所述串联的移相和衰减电路的每一个与所述天线单元发射的单独波束相对应，而每个所述串联的移相和衰减电路产生每个相应的波束的方向和形状。

7、根据权利要求6的相控阵发射天线系统，其特征是进一步包括第1和第2单块微波集成电路放大器，按在所述混合波导耦合器和所述开关矩阵之间，所述单块微波集成电路放大器有较好的线性以保持所述发射波束互相独立使同步发射的多个波束没有干扰。

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