CN104969414A - 用于线性天线阵列的集成带状线馈送网络 - Google Patents

用于线性天线阵列的集成带状线馈送网络 Download PDF

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Abstract

用于线性天线阵列的集成带状线馈送网络的实施例包括耦合到线性天线阵列的配电网络；耦合到配电网络的馈送信号输入/输出组件；其中输入/输出组件接收馈送信号且将馈送信号进行分裂以通过配电网络分发到线性天线阵列的多个天线元件。该集成带状线馈送网络被配置为集成在线性天线阵列的支持体中，其中该支持体在结构上支持线性天线阵列。

Description

用于线性天线阵列的集成带状线馈送网络
背景技术
在诸如在局域增强系统（LAAS）和陆基增强系统（GBAS）中使用的地面参考天线的已知系统中，馈送网络板在其自己独立箱体中一般保持在天线外侧。馈送网络然后通过特定长度的RF电缆连接到每个天线元件以对每个天线元件维持相同的相位延迟。
LAAS/GBAS天线阵列的一些当前实施方式包括若干个寄生元件。这增加了这样的设计的成本和复杂性。用于这样的天线阵列的馈送网络难以生产且大多数的馈送网络要求复杂的驱动板和多个相位稳定电缆以维持可接受的相位稳定性。一些当前的馈送网络使用微波传输带线和带状线，但是对两种方式共有的问题持续存在。这些问题包括为隔离强和弱的信号而对馈送网络中的足够空间的需要；将馈送网络耦合到实际的馈送线；以及对复杂组装过程的需要。
发明内容
用于线性天线阵列的集成带状线馈送网络的实施例包括耦合到线性天线阵列的配电网络；耦合到配电网络的馈送信号输入/输出组件；其中输入/输出组件接收馈送信号且将馈送信号进行分裂以通过配电网络分发到线性天线阵列的多个天线元件。该集成带状线馈送网络被配置为集成在线性天线阵列的支持体中，其中该支持体在结构上支持线性天线阵列。
附图说明
要理解的是，附图仅描绘示例性实施例且不限制本发明的范围，示例性实施例将以附加的特定性和细节通过使用附图而被描述，其中：
图1A是根据一个实施例的馈送网络和天线阵列的高级功能框图；
图1B是根据一个实施例的馈送网络的示意图；
图2A是图示了根据一个实施例的具有圆辐射元件的3-间格（bay）模型的图；
图2B是图示了根据一个实施例的具有带有集成带状线的圆辐射元件的3-间格模型的透视图的图；
图3是图示了通过集成带状线馈送网络将信号馈送到线性天线阵列的示例性方法的示例性流程图。
根据普通实践，各种描述的特征不是按比例绘制的而是被绘制成强调与示例性实施例有关的特定特征。
具体实施方式
在随后的详细描述中，参考了形成其一部分的附图，并且其中通过图示特定说明性实施例的方式示出附图。但是，还应理解的是其他实施例可被利用且可进行逻辑、机械和电气的改变。此外，在绘制的附图和说明书中呈现的方法不应解释成限制各个步骤可被执行的顺序。随后的详细描述因此不是在限制意义上做出的。
这里所描述的实施例涉及用于对具有集成带状线馈送网络的线性天线阵列进行馈送的装置和方法。在本上下文中合并了用于在天线结构内进行集成的装置。集成的带状线馈送网络在通过电气和机械连接被集成到天线结构中的同时提供稳定馈送相位。对带状线馈送网络进行集成允许馈送网络耦合到线性天线阵列而不需要匹配长度的同轴电缆。这显著地降低了馈送网络实现的尺寸要求，允许馈送网络被集成到线性天线阵列本身中。在一些实施例中，从馈送网络到天线元件，可用较短长度的同轴电缆来制作电气连接。参考附图描述了所要求保护的主题，其中相同的参考标记用于通篇指代相同的元件。
图1A图示了根据一个实施例的线性天线阵列和集成带状线馈送网络系统100的高级功能框图。系统100包括集成带状线馈送网络110，其对天线阵列170进行馈送。该馈送网络110包括馈送输入/输出组件150，其接收馈送信号且初始地通过配电单元将该信号分裂到三个输出信道中，配电单元诸如是标准的双向功率分配器，如Wilkinson功率分配器。该例子中的三个信道之一直接连接到馈送网络110的输出信道155-6，其提供来自馈送输入/输出组件150的最强的馈送信号。在本例子中，该输出信道直接对天线阵列170的中央天线元件135进行馈送。剩余的两个输出信道通过配电网络160对天线阵列的左侧和右侧进行馈送。
图1B图示了馈送网络110的一个实施例的电路。馈送网络包括馈送输入/输出组件150和配电网络160。
利用标准的定向耦合器，当与直通端口相比时，耦合端口具有90度的相位差。标准的定向耦合器可以在带状线中使用耦合的四分之一波的带状线而被实现。输入信号在直接连接到输入端口的直通端口处不经历相位改变。耦合端口提供来自直通端口的具有90度超前相位的信号。未使用的端口是隔离端口。标准的定向耦合器用于不平衡的配电（对于较弱的信道而言小于-10dB）。
相位延迟单元用于一些信道中以抵消与其他信道相比由短的馈送线所引起的相位超前。相位延迟单元应当能够在低的插入损耗和低的VSWR的情况下被重复使用。
在这个实施例中，馈送输入/输出组件150包括两个双向功率分配器101和102，以创建三个输出信道。利用双向功率分配器101和102，相应功率分配器的两个端口的输出典型地大致具有相同的相位。在Wilkinson功率分配器中，输入被耦合到两个平行的未耦合的四分之一波传输线。每个四分之一波线的输出以等于两倍的系统阻抗的负载而截止。输入和输出阻抗相等。系统的线阻抗等于系统阻抗乘以2的平方根（                                                ）。功率分配器用于被平衡或仅仅稍微不平衡的配电（例如对于较弱信道的0dB到-10dB）。
功率分配器101将输入信号分裂到两个输出信道中。来自功率分配器101的一个输出耦合到第二功率分配器102且另一个输出直接耦合到中央天线元件135，使得到天线元件135的信号具有最强的能量分布。耦合到中央天线元件135的输出信道到具有线长度“L”，其被预先选择使得与其他馈送信道一致的馈送相位被维持。功率分配器102还将从功率分配器101接收的输出划分到另外两个信号信道中，一个用于左侧配电网络，由向中央天线元件135的左边的天线元件提供信号的网络所定义，且一个用于右侧配电网络，由向中央天线元件135的右边的天线元件提供信号的网络所定义。用于左侧配电网络的输出信道耦合到功率分配器103。来自功率分配器103的两个输出耦合到定向耦合器111和相位延迟单元121。相位延迟单元，诸如相位延迟单元121，在一些信道中用于抵消与其他信道相比由于短的馈送线而引起的相位超前。相位延迟单元应当能够在低的插入损耗和低的VSWR的情况下被重复使用。
定向耦合器111可用传统定向耦合器来实现。传统定向耦合器包括耦合端口和直通端口。利用定向耦合器，与直通端口相比，耦合端口具有90度的相位差。标准的定向耦合器可以在带状线中使用耦合的四分之一波的带状线而被实现。输入信号在直接连接到输入端口的直通端口处不经历相位改变。耦合端口提供来自直通端口的具有90度超前相位的信号。未使用的端口是隔离端口。标准的定向耦合器典型地用于不平衡的配电（对于较弱的信道而言小于-10dB）。
定向耦合器111的直通端口连接到功率分配器107且耦合的输出被连接到相位延迟单元123。功率分配器107的输出对天线元件130和131进行馈送。来自定向耦合器111的耦合端口的信号被连接到相位延迟单元123，相位延迟单元123调整相位，使得其具有相对于在天线元件130和131处的信号的+90度的相位差。在该实施例中，相位延迟单元123针对到天线元件130和131以及天线元件132的信号路径的线长度的变化而调整相位。为了针对天线元件132的+90度的相位超前进行调整，天线元件132在空间上相对于信号传播的方向逆时针旋转90度。相位延迟单元121用于调整去往天线元件133和134的信号的相位，使得它们与天线元件130、131和132处的馈送信号同相。接着，信号由功率分配器105分裂，功率分配器105接着将信号馈送到天线元件133和134。从功率分配器107的输出处起的线L1和L2的长度在本例中大致相等，以有助于使到天线元件133和134的信号维持同相，即L1=L2。从功率分配器105的输出处起的线L3和L4的长度也彼此大致相等，以便有助于使来自功率分配器105的信号输出维持彼此同相，即L3=L4。
对于右侧配电网络，以上描述的电路被镜像。用于右侧配电网络的功率分配器102的输出信道耦合到功率分配器104。来自功率分配器104的两个输出之一耦合到定向耦合器112且另一个输出耦合到相位延迟单元122。定向耦合器112的直通端口连接到功率分配器108且耦合端口的输出连接到相位延迟单元124。功率分配器108的输出分别对天线元件139和140进行馈送。来自定向耦合器112的耦合端口的信号连接到相位延迟单元124，相位延迟单元124调整相位使得其具有相对于在天线元件139和140处的信号+90度的相位差。为了针对这个90度的相位超前进行调整，天线元件138在空间上相对于信号传播的方向逆时针旋转90度。
相位延迟单元122用于调整去往天线元件136和137的信号的相位，使得它们与天线元件138、139和140处的馈送信号同相。接着，由相位延迟单元122输出的信号由功率分配器106分裂，功率分配器106接着将信号馈送到天线元件136和137。从功率分配器108的输出处起的线L1和L2的长度在本实施例中相等，以有助于使来自功率分配器108的信号维持同相，即L1=L2。从功率分配器106的输出处起的线L3和L4的长度也相等，使得来自输出功率分配器106的信号彼此同相，即L3=L4。本领域普通技术人员将意识到，如果信号的相对相位之间的差异在取决于应用的预定容限级别内，则信号被当作同相。
该馈送网络可以在多层印刷电路板（PCB）中的带状线的大致2-3层中被实现。强和弱的信号可以通过将输出信道分离到在不同层中的天线元件而彼此隔离。在一个实施例中，与中央天线元件相关联的输出信道被放置在一个层上，而具有较低功率信号的天线元件133、134、136、137被放置在多层PCB的一不同层上。天线元件130、131、132、138、139和140被放置在多层PCB的另一层上。
该多层带状线馈送网络可以在机械上被支持，使得每个天线元件可以在线性天线阵列的支持体205内更容易地被焊接或连接以及组装。在一些实施例中，多层带状线馈送网络通过被焊接到支持体本身而在机械上被支持。
图2A图示了使用3-间格模型的天线阵列的一个示例性实施例。多个圆辐射元件220的每一个通过间格210被馈送。馈送网络被集成到支持体205，馈送信号从这里被馈送到间格210。这允许紧凑、新颖、低成本的用于线性天线阵列的馈送系统。
图2B图示了具有集成的带状线馈送线230的示例性天线阵列的一个实施例的透视图。带状线馈送线230穿过支持体205的中心。馈送线230耦合到在每个间格210处的多层带状线PCB 235上所实现的集成馈送网络，在每个间格210上安装了辐射元件220。PCB 235相对于带状线馈送线230的平面是正交的。本领域普通技术人员将意识到，馈送线可以通过各种方式连接到每个间格处的PCB，以便电气耦合这样的馈送信号。一个这样的例子是通过使用同轴电缆。通过各种方式，PCB 235可以在机械上被支持在天线结构内。在一个实施例中，PCB 235可以通过焊接到天线结构本身而被支持。
在一些实施例中，天线元件220被直接安装到多层PCB 235上，垂至于PCB平面。这可以通过将天线元件（其在它们中具有槽）安装到PCB 235上的接头而被完成。接着，连接部可以被焊接以创建电气和机械连接二者。用于安装天线元件到PCB 235的其他方式可以被实现，诸如在PCB 235中具有相对天线元件220的槽。在又一个实施例中，在支持体的四个侧面上，天线元件220被相等地安装和间隔，都沿着如由支持体提供的一个轴。
图3是图示了操作具有集成带状线馈送网络的线性天线阵列的方法的一个实施例的示例性流程图300。在方框301，第一信号由馈送输入/输出组件接收且被分裂成第二和第三信号。在方框303，第二信号被直接发送到中央天线元件，诸如如上讨论的中央天线元件。接着，对第三信号的进一步分裂取决于需要馈送信号的天线元件的数量。如果天线元件的数量是奇数，则第三信号被分裂成第四和第五信号，它们被发送到配电网络。在方框305，第四和第五信号可以进一步被分裂成更多的信号，这取决于有多少天线元件要被馈送信号。信号接着被输出到多个输出信道中的每一个。在馈送网络内，由变化的信号路径引入到信号的相位延迟被调整，使得在每个输出信道处输出的相位延迟大致匹配。在方框307，馈送信号被发送到天线元件。在方框309，接收具有由各种馈送网络组件引入的相位延迟或超前的信号的天线元件在空间上被旋转，以针对相位延迟或超前进行调整。
尽管特定的实施例已经在这里被说明和描述，本领域普通技术人员将意识到，打算实现相同目的的任何布置可以替换所示的特定实施例。因此，显然旨在本发明仅由权利要求及其等效物来限定。

Claims (20)

1. 一种用于线性天线阵列的集成带状线馈送网络，包括：
配电网络，耦合到所述线性天线阵列；
馈送信号输入/输出组件，耦合到所述配电网络；其中
所述输入/输出组件接收馈送信号并且分裂所述馈送信号来通过所述配电网络分发到所述线性天线阵列的多个天线元件；
所述集成带状线馈送网络被配置为集成到所述线性天线阵列的支持体中，其中，所述支持体在结构上支持所述线性天线阵列。
2. 根据权利要求1所述的集成带状线馈送网络，其中，所述馈送信号输入/输出组件被配置为向所述线性天线阵列的多个天线元件的中央天线元件提供直接馈送信号，其中，所述直接馈送信号是仅被所述输入/输出组件分裂了一次的馈送信号。
3. 根据权利要求1所述的集成带状线馈送网络，其中，所述配电网络包括一个或多个Wilkinson功率分配器和一个或多个定向耦合器。
4. 根据权利要求1所述的集成带状线馈送网络，其中，所述配电网络包括一个或多个相位延迟单元，所述一个或多个相位延迟单元被配置为针对所述馈送信号中的相位差进行调整，所述相位差归因于所述线性天线阵列的多个天线元件中的每一个的信号路径线长度的变化。
5. 根据权利要求1所述的集成带状线馈送网络，其中，所述多个天线元件中的至少一个在空间上旋转以针对由所述馈送网络中使用的定向耦合器或其他组件所引入的相应相位延迟或超前进行调整，使得在每个相应天线元件处接收的馈送信号的相位与在其他天线元件处接收的馈送信号的相应相位相匹配。
6. 根据权利要求1所述的集成带状线馈送网络，其中，所述馈送网络在多层印刷电路板上实现。
7. 根据权利要求6所述的集成带状线馈送网络，其中，所述集成带状线馈送网络在具有3层带状线的PCB上实现。
8. 根据权利要求6所述的集成带状线馈送网络，其中，到每个输出信道的馈送信号根据信号强度而分离在所述多层PCB的不同层上，其中，较强信号与较弱信号分离在所述PCB的不同层上。
9. 一种线性天线阵列系统，包括：
线性天线阵列；以及
集成带状线馈送网络，耦合到线性天线阵列；
其中，所述线性天线阵列包括：
    支持体；
    多个间格，耦合到所述支持体；
    多个天线元件，所述多个天线元件中的每一个耦合到所述多个间格中的相应一个；
    所述多个间格中的每一个沿着一个轴对齐；
其中，所述集成带状线馈送网络被配置为集成到所述线性天线阵列的所述支持体中，所述集成带状线馈送网络包括：
    配电网络，耦合到所述线性天线阵列，所述配电网络被配置为将馈送信号分发到所述多个天线元件中每一个的每一个；
    馈送信号输入/输出组件，耦合到所述配电网络，所述输入/输出组件被配置为分裂所述馈送信号来通过所述配电网络分发到所述多个天线元件。
10. 根据权利要求9所述的线性天线阵列系统，其中，所述多个天线元件在所述线性天线阵列的每一个间格中安装在至少一个相应印刷电路板（PCB）上。
11. 根据权利要求9所述的集成带状线馈送网络，其中，所述多个天线元件正交地紧固到由每个间格处的至少一个PCB处的表面形成的平面。
12. 根据权利要求9所述的线性天线阵列系统，其中，所述集成带状线馈送网络电气地耦合到每个间格处的至少一个相应PCB。
13. 根据权利要求12所述的线性天线阵列系统，其中，集成带状线馈送线使用同轴电缆耦合到每个间格处的所述至少一个相应PCB。
14. 根据权利要求9所述的线性天线阵列系统，其中，所述多个间格包括三个间格。
15. 根据权利要求9所述的线性天线阵列系统，其中，至少一个天线元件耦合在每个相应间格的四个侧面的每一个上。
16. 根据权利要求9所述的线性天线阵列系统，其中，所述集成带状线馈送网络在所述线性天线阵列的所述支持体内侧机械地和电气地耦合到所述线性天线阵列。
17. 根据权利要求16所述的线性天线阵列系统，其中，所述集成带状线馈送网络通过焊接机械地支持在所述线性天线阵列内。
18. 一种操作线性天线阵列的方法，所述方法包括：
在集成带状线馈送网络处接收馈送信号，所述集成带状线馈送网络被配置为集成在所述线性天线阵列的支持体内；
将所述馈送信号分裂成多个信号；以及
将所述多个信号中的每一个从所述集成带状线馈送网络分发到耦合到所述线性天线阵列的所述支持体的多个天线单元的相应子集。
19. 根据权利要求17所述的方法，还包括调整所述多个信号中一个或多个的信号相位，使得在所述多个天线元件的每一个处接收的相应信号的信号相位大致相同。
20. 根据权利要求18所述的方法，其中，调整信号相位包括以下至少之一：
在空间上旋转所述线性天线阵列的所述多个天线元件中的至少一个；以及
配置一个或多个相位延迟单元，以针对由多个天线元件中的每一个的相应信号路径线长度的变化所引入的所述馈送信号中的相位差进行调整。
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