CN107534215B - 用于环形阵列的稀疏相位模式平面馈电 - Google Patents

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Abstract

提供了稀疏相位模式平面馈电的系统和装置实施例，用于波束转向天线系统中换能元件的环形阵列。在一实施例中，一种用于天线单元阵列的稀疏相位模式馈电包括导电第一盘；导电第二盘，平行且同轴于所述第一盘；导电外壁；多个相位模式馈电探针，其中所述相位模式馈电探针的至少一部分电耦合到所述第一盘，并且其中所述相位模式馈电探针围绕所述第一盘的中心对称地布置；以及天线单元探针，其中所述天线单元探针的至少一部分电耦合到所述第二盘，并且其中所述天线单元探针对称地布置在所述第二盘的外部，其中所述相位模式馈电探针的数量少于所述天线单元探针的数量。

Description

用于环形阵列的稀疏相位模式平面馈电
技术领域
本发明涉及天线和电磁辐射修正，并且在具体实施例中，涉及控制受天线影响的辐射方向图的主波瓣方向的系统和方法。
背景技术
波束转向即辐射方向图中主波瓣的角度定位，其允许来自天线远场中点状源的期望信号被更好地识别，用于感测或信息发射和接收。当需要在一个阵列轴(其垂直于阵列的平面)周围的二维有限范围上控制平面阵列天线的波束时，很难用可变移相器或收发器模块(transceiver module，TR)来适配每个阵元，并且将其全部纳入如传统方法设计的馈电结构中。这在所涉及的波长小的情况下尤其如此，因为阵元和间隔与波长成比例(必须为半波长量级)，而馈线和移相器占据额外的空间，并且不完全与波长成比例，特别是TR。总之，移相器和TR对于短波长(例如：毫米波)来说非常昂贵，因此希望尽可能少地使用移相器和TR来实现必要的波束控制。
发明内容
根据一实施例，用于天线单元阵列的稀疏相位模式馈电包括：导电第一表面；与所述第一表面平行且同轴的导电第二表面；将所述第一表面电耦合到所述第二表面的导电外壁，所述第一表面、所述第二表面和所述外壁限定圆柱形腔；多个天线单元探针，对称地布置在接近所述外壁和所述第二表面的交叉点处，每个天线单元探针都具有电耦合到所述第一表面的第一天线部和伸入到所述圆柱形腔中的第二天线部，所述第二天线部与所述第一天线部、所述第一表面电隔离；以及多个相位模式馈电探针，对称地围绕并接近于所述第二表面的中心，每个相位模式馈电探针都具有电连接到所述第二表面的第一馈电部和伸入到所述第一和第二表面之间的所述圆柱形腔中、并且与所述第一馈电部、所述第二表面电隔离的第二馈电部，其中相位模式馈电探针的数量少于天线单元探针的数量。
根据另一实施例，一种用于将波束转向电路耦合到天线单元阵列的装置包括：导电中空圆柱体，所述导电中空圆柱体包括第一平面、第二平面和将所述第一平面连接至所述第二平面的圆柱形壁，所述第一平面、所述第二平面和所述圆柱形壁限定圆柱形腔；多个同轴换能器接收探针，其中所述换能器接收探针的外部电耦合到所述第一平面，其中所述换能器接收探针的内部伸入到所述圆柱形腔内但不接触所述第二平面，且其中所述换能器接收探针基本上对称地布置在所述第一平面中接近所述圆柱形壁的部分处；以及多个同轴相位模式馈电探针，其中所述相位模式馈电探针的外部电耦合到所述第二平面，其中所述相位模式馈电探针的内部伸入到所述圆柱形腔内但不接触所述第一平面，且其中所述相位模式馈电探针基本上对称地布置在所述第二平面中由圆柱形腔的一端限定的圆的中心周围，其中所述相位模式馈电探针的数量少于所述换能器接收探针的数量。
根据又一实施例，一种用于辐射波束转向的无线设备包括：处理器；耦合到所述处理器的发射机/接收机，其中所述发射机/接收机被配置为根据来自所述处理器的指令发射信号和接收信号；以及耦合到所述发射机/接收机的天线阵列，其中所述发射机/接收机包括波束转向电路和将所述波束转向电路耦合到所述天线阵列的稀疏相位模式馈电，其中所述稀疏相位模式馈电包括：导电第一表面；与所述第一表面基本上平行且同轴的导电第二表面；将所述第一表面电耦合到所述第二表面的导电外壁，所述第一表面、所述第二表面和所述外壁限定圆柱形腔；多个天线单元探针，对称地布置在接近所述外壁和所述第二表面的交叉点处，每个天线单元探针具有电耦合到所述第一表面的第一天线部和伸入到所述圆柱形腔中、并与所述第一天线部和所述第一表面电隔离的第二天线部；以及多个相位模式馈电探针，对称地围绕并接近于所述第二表面的中心，每个相位模式馈电探针具有电连接到所述第二表面的第一馈电部和伸入到所述第一和第二表面之间的所述圆柱形腔中、并与所述第一馈电部和所述第二表面电隔离的第二馈电部，相位模式馈电探针的数量少于天线单元探针的数量。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在结合附图进行下述说明，该附图示出但并不将本发明的范围限制于特定的实施例，在附图中：
图1示出了16单元、λ/2间隔环形阵列的0阶相位模式P0的远场方向图；
图2示出了16单元、λ/2间隔环形阵列的-1阶相位模式P-1的远场方向图；
图3示出了波束转向器系统的一个示例；
图4示出了来自图3的波束转向器系统的主(main，M)输出C处的合成转向束远场辐射方向图的示例图；
图5示出了使用1阶相位模式P1和P-1的合成转向束远场辐射方向图的示例图，其中1阶相位模式P1和P-1在所公开馈电的两个端口处可用并且连接到图6所示波束转向器系统的相应输入端口；
图6示出了用于以如图5所示的方式控制波束转向的示例性波束转向系统的实施例；
图7A为所公开的用于环形阵列的稀疏相位模式平面馈电实施例的概念图；
图7B示出了16单元、λ/2间隔环形阵列的1阶相位模式P-1和1阶相位模式P1的圆对称远场方向图的半个图；
图7C示出了16单元、λ/2间隔环形阵列的0阶相位模式P0的圆对称远场方向图的半个图；
图8示出了所公开的用于环形阵列的稀疏相位模式平面馈电的实施例；
图9A为过渡组件的透视图；
图9B为过渡组件的剖视图；
图10为图9A的稀疏相位模式平面馈电的横截面图；
图11为图9A的稀疏相位模式平面馈电的仰视图；
图12为图9A的稀疏相位模式平面馈电的俯视图；
图13为图9A的稀疏相位模式平面馈电的侧视图；以及
图14为可用于实现本文所公开设备和方法的处理系统框图。
具体实施方式
下面详细讨论本优选实施例的制作和使用。然而，应当理解，本发明提供了可在多种特定上下文中体现的许多适用的发明构思。所讨论的具体实施例仅是为了说明制作和使用本发明的具体方式，并非限制本发明的范围。
本文公开了一种方便的基本为平面的结构和电路，形成电磁接口，用于将基本为环形的天线阵列耦合到有利的波束转向器，以及与该波束转向器相关的控制算法，如于2013年4月25日提交的序列号为13/870,309并且名称为“简单2D相位模式启用光束转向装置”的待审美国专利申请以及于2014年6月3日提交的序列号为14/295,235并且名称为“用于简单2D相位模式启用光束转向的系统和方法”的美国专利申请所描述的，二者全部内容通过引用并入本文。
本文公开了一种稀疏相位模式馈电，用于向天线阵列(例如：环形天线阵列)中任意数量的单元N馈电而不需要全部N端口网络。在一实施例中，仅有三个相位模式端口用于向天线阵列中任意数量的单元N馈电。所公开的系统和方法的实施例的一个优点是减少了馈电损耗，并且所述馈电和所述天线阵列均集成于平面结构中。在一实施例中，天线阵列沿轴向辐射，即与所述结构的平面正交。
全N×N的Butler矩阵或某一版本的Rotman透镜可用于其它向含有任意天线单元数量N的相位模式馈电网络进行馈电的解决方案中。然而，希望有一种方法，其可精确制作，并具有较少损耗和/或较不复杂，特别是在毫米波频率下。此外，还期望使用沿轴向而非沿方位角方向辐射的天线结构。
在一实施例中，三个相位模式端口向用于最低阶相位模式(即-1，0和+1)的环形阵列中的任意数量的N个天线单元馈电。所公开的系统和方法实施例通过使用简单的平面结构来实现。天线单元的数量N并不限于N阶Butler矩阵中的2的幂次方。在一实施例中，仅使用一个4×4 Butler矩阵(四个混合分离器/组合器组件)来支持三个相位模式馈电端口。与较大的N阶Butler矩阵相反的是，本公开的实施例不需要任何移相器来支持三个相位模式馈电端口。所公开实施例允许共同集成单元的环形阵列或子阵列。混合分离器/组合器组件的数量与天线单元的数量N无关。一实施例允许共同集成波束转向电路。
在一实施例中，所公开的稀疏相位模式平面馈电利用辐射或接收换能器元件的平面均匀环形阵列进行操作。例如，可以将阵元中一个以上的同轴环作为子阵列。可以添加中心径向对称结构以减少跨阵列的耦合。辐射方向垂直于阵列平面。对于电磁元件(天线)，其极化可以为线极化或圆极化，但是在一实施例中，考虑到其激励的相位，其极化应全部相同，从而使得0阶相位模式组合器将对应于围绕圆的无激励相位变化，+1阶相位模式对应于围绕圆以一个方向从0变化到2π弧度的激励相位变化，-1阶相位模式对应于围绕相同的圆以相反方向从0变化到2π弧度的激励相位变化。
在一实施例中，每个相位模式在馈电网络的单独输出端可用。最低阶相位模式(即0、1、-1、2)由4×4 Butler矩阵实现。如果阵元极化轴被布置为径向对称的，与均匀定向相反，则可以改变其阶数，在这种情况下，可以端接2阶相位模式端口。
在一实施例中，所公开的馈电网络提供从方位角传播到轴向横向电磁(transverse electromagnetic，TEM)传播的圆形过渡区域。该馈电网络包括由电介质的约1/4波长(但优选不大于约1/2波长)隔开的基本平行的导电圆盘。圆盘的直径取决于环形阵列单元的数量N，使得其N个接收探针以约1/2波长隔开，并距离连接顶部圆盘和底部圆盘的圆周垂直导电壁1/4波长。馈电网络包括围绕圆盘中心对称间隔开的四个内部同轴探针，例如在具有大约1/π波长对角线的正方形中，或者围绕圆均匀间隔开大约1/4波长圆弧。四个中心馈电探针的外导体连接到底部圆盘，并且其内导体突出大约1/8波长到圆盘之间的空间，但不接触顶部圆盘。N个外部换能器接收探针的外导体连接到顶部圆盘，并且其内导体突出大约1/8波长到圆盘之间的空间中，但不接触底部圆盘。四个中心馈电探针内导体的另一端通过阻抗匹配连接到平面4×4 Butler矩阵的阵元端口，因为可能需要匹配其特性阻抗。N个换能器接收探针内导体的另一端通过匹配阻抗单元馈电平面网络连接到换能器元件或子阵列。
本公开的一些实施例在一些产品中是有商业需求的，诸如小蜂窝回程和其他毫米波点对点无线电等，因为实施例可以使用不昂贵毫米波部件来进行天线的自动对准和特征跟踪。自动对准反过来大大减少了这种链接的安装时间和成本，特别是在要求不那么严格的街区级平台上。通过一些实施例的简单圆形平面结构简化了制作。
本公开实施例的全平面结构便于与轴向辐射环形天线阵列和2轴相位模式启用的转向子系统进行集成。全平面结构便于多频带设计中的同轴堆叠。此外，这些实施例避免了N×N矩阵类型馈电所需的同轴到平面转换、许多交叉和曲折线，这些通常会增加其损耗。
本公开实施例允许具有圆、椭圆、线性或任意极化的低旁瓣轴向(转向)波束。所公开的稀疏相位模式平面馈电的实施例，相对于使用全N×N馈电网络的其他解决方案具有大约N/3阶的优势。所公开的稀疏相位模式平面馈电留下用于转向网络的混合、移相器和控制电路的空间，并且提供了比N×N Butler矩阵(即使针对N×3进行精简)更低的损耗。本公开实施例具有正交性和圆对称性。相比之下，Rotman透镜具有像差且没有圆对称性。类似地，N阶Butler矩阵具有正交性，但是没有对环形阵列馈电的对称性。此外，Rotman透镜和N阶Butler矩阵都需要N个匹配的曲折线来对N个单元馈电。然而，本公开实施例原则上不需要N个曲折线。
在一实施例中，用于天线单元阵列的稀疏相位模式馈电包括导电第一盘；与所述第一盘基本上平行且同轴的导电第二盘；导电外壁，其将所述第一盘的外边缘物理耦合和电耦合到所述第二盘的外边缘，并在所述第一盘、第二盘和外壁之间限定空间；多个相位模式馈电探针，其中所述相位模式馈电探针中至少一部分电耦合到所述第一盘，并且其中所述相位模式馈电探针基本对称地布置在接近所述第一盘中心处的所述第一盘中心区域的所述第一盘中心周围；以及多个天线单元探针，其中所述天线单元探针中至少一部分电耦合到所述第二盘，并且其中所述天线单元接收探针基本对称地布置在接近所述第二盘外边缘的所述第二盘外部上，其中相位模式馈电探针的数量少于所述天线单元探针的数量。相位模式馈电探针通过等长传输线顺序地耦合到4×4 Butler矩阵的四个天线侧端口，并且其中每个换能器接收探针都耦合到天线单元阵列或波换能器阵列中的大量辐射单元中的相应一个上。阵列包括基本环形阵列、基本方形阵列和多边形阵列中的一种。阵列可以包括主阵列或多个子阵列。该空间可以为真空或电介质之一。相位模式馈电探针和换能器接收探针可以是同轴传输线或TEM波导。在一实施例中，4×4 Butler矩阵的多个输入/输出(input/output，I/O)端口中的一个端接，且至少一个I/O端口连接到波束转向电路。每个Butler矩阵输入/输出(I/O)端口对应于多个稀疏相位模式馈电I/O端口中的一个，其中每个稀疏相位模式馈电I/O端口都对应于0阶相位模式、1阶相位模式、-1阶相位模式和2阶相位模式中相应的一个。
在一实施例中，一种用于将波束转向电路耦合到天线单元阵列的装置包括：导电中空圆柱体，其包括第一圆形平面、第二圆形平面和将第一圆形平面连接到所述第二圆形平面的圆柱形壁，其中所述第一圆形平面、所述第二圆形平面和所述圆柱形壁在其中限定一空间；多个同轴换能器接收探针，其中所述换能器接收探针的外部电耦合到所述第一圆形平面，其中所述换能器接收探针的内部伸入到所述空间中，而不接触所述第二圆形平面，并且其中所述换能器接收探针基本上对称地布置在接近所述第一圆形平面的外边缘处的所述第一圆形平面的外部上；以及多个同轴相位模式馈电探针，其中所述相位模式馈电探针的外部电耦合到所述第二圆形平面，其中所述相位模式馈电探针的内部伸入到所述空间而不接触所述第一圆形平面，并且其中所述相位模式馈电探针基本对称地布置在接近所述第二圆形平面中心的第二圆形平面中心区域的第二圆形平面中心处附近，其中，相位模式馈电探针的数量少于换能器接收探针的数量。在一实施例中，设有四个相位模式馈电探针。同轴相位模式馈电探针顺序地耦合到4×4 Butler矩阵的四个天线侧端口。Butler矩阵可以包括一个正交混合和三个和差混合。每个4×4 Butler矩阵I/O端口可以包括稀疏相位模式馈电I/O端口中的相应一个，其中每个稀疏相位模式馈电I/O端口对应于0阶相位模式、1阶相位模式、-1相位模式和2阶相位模式中相应的一个。该馈电还可以包括耦合到同轴换能器接收探针的换能器元件阵列连接，其中所述连接被布置为相对于固定到阵列平面的轴保持相同的极化。该装置可以包括耦合到同轴换能器接收探针的换能器元件阵列。所述阵列可以包括多个子阵列，其中所述子阵列具有8字形方位角的辐射方向图，其波瓣与所述子阵列的圆相切，并且其中所述子阵列的轴线相对于由阵列组成的圆或多边形径向布置。所述阵列可以为基本上环形阵列、基本上方形阵列和多边形阵列中的一种。
在一实施例中，一种用于辐射波束转向的无线设备包括：处理器；耦合到所述处理器的发射机/接收机，其中所述发射机/接收机被配置为根据来自所述处理器的指令发射信号和接收信号；以及耦合到所述发射机/接收机的天线阵列，其中所述发射机/接收机包括波束转向电路和将所述波束转向电路耦合到所述天线阵列的稀疏相位模式馈电，其中所述稀疏相位模式馈电包括：导电第一盘；基本上与所述第一盘平行并且同轴的导电第二盘；导电外壁，其将所述第一盘的外边缘物理耦合和电耦合到所述第二盘的外边缘，并且在所述第一盘、所述第二盘和所述外壁之间限定空间；多个相位模式馈电探针，其中所述相位模式馈电探针的至少一部分电耦合到所述第一盘，并且其中所述相位模式馈电探针基本上对称地布置在接近所述第一盘中心的第一盘中心区域中的第一盘的中心附近；和多个换能器接收探针，其中所述换能器接收探针的至少一部分电耦合到所述第二盘，并且其中所述换能器接收探针基本上对称地布置在接近所述第二盘的外边缘的所述第二盘的外部，其中相位模式馈电探针的数量少于所述天线单元探针的数量。相位模式馈电探针顺序地耦合到4×4Butler矩阵的四个天线侧端口，其中4×4 Butler矩阵包括四个输入/输出(I/O)端口，其中Butler矩阵的四个I/O端口耦合到波束转向电路，并且其中每个换能器接收探针耦合到天线单元阵列或波换能器阵列中的辐射单元中的相应一个上。所述阵列为基本上环形阵列、基本上方形阵列和多边形阵列中的一种。所述阵列可以包括含有多个子阵列的主阵列。在一个实施例中，Butler矩阵的四个I/O端口中的一个被端接。每个Butler矩阵I/O端口包括稀疏相位模式馈电I/O端口中的相应一个，其中每个稀疏相位模式馈电I/O端口对应于0阶相位模式、1阶相位模式、-1阶相位模式和2阶相位模式中相应的一个。该空间可以为真空或电介质。相位模式馈电探针和换能器接收探针可以是同轴传输线或TEM波导。
在可转向的毫米波阵列天线的情形中，本文详细描述了所公开的用于天线阵列的稀疏相位模式平面馈电和波束转向器的操作原理。具体地，在一实施例中，天线包括相同辐射(或接收)元件的平面环，所述相同辐射(或接收)元件连接到相位模式波束形成网络并且名义上在与阵列平面正交的方向上(沿着阵列轴)辐射。
对于电磁天线，阵元可以是线极化或圆极化。在圆极化的情况下，其极化轴和馈电点可以被布置为关于中心对称，使得极化的物理角也将围绕圆周线性地变化一个周期，导致一个1阶相位模式。在一实施例中，补偿该相位变化的定相布置将形成0阶相位模式。可以设计用于线极化元件的其他相位模式馈电布置，诸如Butler矩阵或Rotman透镜的部分、空间或引导模式馈电以及本领域技术人员所采用的其他布置。在一实施例中，最终结果是形成圆形或多边形环阵列的相位模式馈电结构，该结构具有对应于0阶、+1阶和-1阶相位模式的输出端口。
为了帮助理解所公开的用于环形阵列的稀疏相位模式平面馈电的操作，图1-2示出了相关相位模式的远场辐射方向图。图1示出了16单元、λ/2间隔环形阵列的0阶相位模式P0的远场方向图100。图2示出了16单元、λ/2间隔环形阵列的-1阶相位模式P-1的远场方向图200。16单元、λ/2间隔环形阵列的1阶相位模式P1的远场方向图具有与图200相同的形状，但其相位变化(未示出)是在围绕对称轴的相反方向上。
在所公开实施例中，所有天线单元均被示出为全向的且有相同的线极化。然而，应当理解，其他布置也是可能的，诸如具有相对于x、y和z轴同向极化的径向对称天线单元。在0阶相位模式P0中，在环形阵列周围的阵元激励中没有相位变化(所有阵元均被同相馈电)，因此在围绕阵列(z)轴的圆周方向上没有相位变化。因此，所有的场均在阵列轴上同相相加，并在远场中形成主波束。远场的归一化图示于图1，用于16单元环阵列，其具有围绕圆周以半波长间隔开的阵元。图2示出了相同环阵列的其他相位模式中的一个相似图。
用于相位模式P0的远场辐射方向图中的主波瓣102具有恒定相位。用于P1相位模式的远场辐射方向图在主波瓣202中具有从-π变化到+π弧度的变化相位。用于P-1相位模式的远场辐射方向图也具有在其主波瓣与P1相位模式异相+π弧度的变化相位。P1和P-1模式的远场方向图中的相位变化是2π弧度的一个完整周期，但二者是在围绕z轴的相反方向上，这与其阵元激励相位变化相同。
图3示出了示例性波束转向器系统300的一部分，所述示例性波束转向器系统300具有通过设置相移来控制的可变比例组合器；其中相移θ被应用于输入B。图3所示系统300的一部分是可变比例组合器。系统300包括两个混合分离器/组合器302、304和两个相对调整的移相器306、308。每个混合分离器/组合器302、304具有两个输入A、B以及两个输出C、D。混合分离器/组合器302的输入A是来自天线阵列(未示出)的远场的P0相位模式。混合分离器/组合器302的输入B是来自天线阵列的远场的P1相位模式，并且由移相器309进行相移。混合分离器/组合器302的输出C是移相器308的输入，并且混合分离器/组合器302的输出D是移相器306的输入。来自移相器306的输出是混合分离器/组合器304的输入B，并且来自移相器308的输出是混合分离器/组合器304的输入A。来自混合分离器/组合器304的输出C是其中实现主波束转向的主(M)输出。来自混合分离器/组合器304的输出D是辅助输出。在序列号为14/295,235的美国专利申请中提供了波束转向器系统300及其变型的更详细描述。
图4示出了来自图3的波束转向器系统的主(M)输出C处有效地看到的合成转向束远场辐射方向图400的示例图。
图5示出了使用1阶相位模式P1和P-1的合成转向束远场辐射方向图500的示例图，模式P1和P-1在图6所示系统600中的两个端口A1和M处可用，并且连接到波束转向器系统的另一更一般性示例中相应的输入端口上，诸如序列号为13/870,309和序列号为14/295,235的美国专利申请中所描述的，其全部内容通过引用并入本文。
图6示出了可用于生成图5所示的场的示例性实施例波束转向系统600。波束转向系统600及其变型的详细描述在序列号为13/870,309和序列号为14/295,235的美国专利申请中提供。
图7A为所公开的用于环形阵列的稀疏相位模式平面馈电的实施例的概念图，其中其接口的基本上呈环形的天线单元阵列由片718表示。稀疏相位模式馈电适当由星形平面实体720和馈线表示，星形平面实体720中的点象征着天线单元电接口，而馈线终止于输入-输出(input-output，IO)端口。P0、P1、P-1象征着波束转向和/或接收系统电接口，其中分别实现了相位模式远场图100(或730)、200、300(如740)，并且一个I/O端口(P2)通常端接，因此在图7A中未示出。
图7B示出了16单元、λ/2间隔环形阵列的1阶相位模式P-1*和1阶相位模式P1的圆对称远场方向图的半个图730。图7C示出了16单元、λ/2间隔环形阵列的0阶相位模式P0的圆对称远场方向图的半个图740。
图8示出了平面稀疏相位模式馈电800，为了使附图清晰，未示出天线单元。稀疏相位模式平面馈电包括具有四个中心探针808的平面的圆形4：N过渡组件802、圆形TEM区域810、在圆形TEM区域810圆周附近的N个天线单元探针812、连接为4×4 Butler矩阵804的混合平面网络806，其中4×4 Butler矩阵804的天线侧端口C1、C2、C3、C4经由等长传输线807顺序地连接到圆形TEM区域810的四个中心探针808上，并且4×4 Butler矩阵804的I/O端口P0、P1、P-1、P2形成连接波束转向系统的电接口，诸如在2013年4月25日提交的序列号为13/870,309并且名称为“简单2D相位模式启用光束转向装置”的待审美国专利申请，以及于2014年6月3日提交的序列号为14/295,235并且名称为“用于简单2D相位模式启用光束转向的系统和方法”的美国专利申请中所描述的。根据图8(b)所示的关系，在I/O端口处的信号与4×4 Butler矩阵的天线侧端口处的信号相关，其中j＝√(-1)：
圆形TEM区域810用于在横电磁(TEM)波通过天线单元和Butler矩阵平面网络之间时，实现横电磁(TEM)波从方位角传播到轴向传播的过渡。在涉及诸如声波之类的其他应用中，可以实现传播模式之间的同类过渡，但是过渡组件802中的探针808、812可以是不同的设计，并且包括适合于声介质或其他介质的换能器。
图9A至图9B和图10至图13示出了稀疏相位模式平面馈电800的平面圆形4：N过渡组件802的各种视图。图9A为过渡组件802的透视图。图9B为过渡组件802的剖视图。图10为过渡组件802的横截面图。图11为过渡组件802的仰视图。图12是过渡组件802的俯视图。图13是过渡组件802的侧视图。如本文所使用的，术语“顶部”和“底部”用于区分稀疏相位模式平面馈电800的两侧，并且不指示稀疏相位模式平面馈电800相对于地球表面或任何其它表面的特定方向。
圆形4：N过渡组件802包括由边缘部件826连接的第一部件824和第二部件822。第一部件824、第二部件822和边缘部件826围绕圆柱形腔828。第一部件824、第二部件822和边缘部件826由诸如铜或其他金属的导电材料构成。边缘部件826在本文中被描述为壁，但是如本文所使用的术语壁不一定意味着固体表面。在一实施例中，所述壁由间隔开的导电通孔栅栏或其间具有电介质的其他结构形成。在一实施例中，第一部件824和第二部件822同轴且彼此平行。在一实施例中，第一部件824和第二部件822各自都是基本为圆形的平盘。每个盘的厚度都小于第一和第二部件824、822之间的距离。圆柱形腔828可以是真空或填充有气体(例如空气)。在一实施例中，圆柱形腔828填充有介电材料。另外，本领域普通技术人员将认识到，过渡组件802不一定是独立结构，而是可以嵌入到一些其他结构中。例如，过渡组件802可以嵌入到较大的层叠平面结构中，其中边缘部件826可作为连接到第一部件824和第二部件822的电镀通孔的“栅栏”，其中探针内置在用于中心相控馈电和外围天线的层叠结构中。此外，本领域的普通技术人员将认识到，第一部件824和第二部件822不必一定是圆形的，而是可以包括其表面延伸超过边缘部件826的部分。然而，即使在第一部件824和第二部件822不是圆形的实施例中，包含电介质的圆柱形腔828仍由第一部件824、第二部件822和边缘部件826限定。
N个外部天线单元(或换能器接收)探针812耦合到第一部件824上。在一实施例中，外部换能器接收探针812是同轴探针。第一和第二部件824、822中的每一个的直径都取决于环形阵列天线单元的数量N，使得N个接收探针812以约1/2波长隔开，并且距离边缘部件826(即连接顶部(第一部件824)和底部(第二部件822)圆盘的圆周垂直导电壁)约1/4波长。每个外部换能器接收探针812包括内导体818和外导体832。N个外部换能器接收探针812的外导体832连接到第一部件824上，并且内导体818突出大约1/8波长到第一部件824和第二部件822之间的圆柱形腔828中，但不接触第二部件822。外导体832和内导体818由介电层820隔开。
四个馈电探针808耦合到第二组件822上。在一实施例中，馈电探针808和接收探针812是同轴探针。四个馈电探针808围绕第二部件822的中心对称地间隔开。在一实施例中，馈电探针808在正方形中以约1/(2π)波长隔开或者沿着圆以1/4波长隔开，该圆的直径为该正方形对角线长度。每个馈电探针808包括由电介质816隔开的内部圆柱形导体814和外部同轴圆柱形导体830。应当理解，可以替代地使用不同形状的馈电探针。外导体830电耦合到第二部件822。内导体814突出约1/8波长进入第二部件82第一部件824之间的圆柱形腔828，但不接触第一部件824。波长λ是指由天线单元接收或发射的射频(radio-frequency，RF)信号的波长。第一和第二部件824、822之间的距离为至少约1/4波长，但优选不大于约1/2波长。
四个馈电探针808的内导体通过等长传输线807连接到平面4×4 Butler矩阵804的天线侧端口，同时根据需要将其特性阻抗与网络804的特性阻抗匹配。N个外部换能器接收探针812的内导体根据需要通过阻抗匹配和平衡网络连接到换能器元件或天线单元或子阵列。在所描述的实施例中，N＝16。然而，本领域普通技术人员将认识到N可以是任何整数。此外，在其他实施例中，可以使用其他的探针设计，例如磁回路。在其他实施例中，可以将构建在围绕任何类型探针的一些表面(包括耦合槽)上的匹配结构用于探针设计。本领域普通技术人员将认识到，也可以利用除了本文所述的那些之外的其它探针设计。
平面圆形4：N过渡组件802提供从方位角传播向轴向传播的圆形过渡(反之亦然)。
在一实施例中，λ＝1.876毫米(mm)。在同轴探针中以及各盘之间使用的电介质具有以下性质：εr＝7.1，杜邦9K7LTCC材料，f＝60千兆赫兹(GHz)。盘间距＝0.53mm(即0.2824λ或约λ/4)。四个内部馈电探针808的间距“a”(从盘中心到探针808中心)为0.298mm(约λ/2π)，因此间隔为(或大约沿弧长λ/4)。第一部件824和第二部件822之间的探针高度“d1”和“d2”均为0.234mm(即约λ/8)。探针808、812的内层814、818的直径约为115微米(μm)同轴端口外径约为200μm16个外探针812以半径Re＝2.3886mm间隔开大约λ/2。Re是天线单元接收探针所在的圆的半径。外壁在Rd＝Re+λ/4＝2.8576mm处连接顶部和底部金属盘。Rd是连接顶部和底部圆形金属盘的圆柱形导电壁的半径。应当理解，在一些实施例中，顶部和底部金属盘可以仅是延伸并超过Rd的顶部和底部导电表面的圆形区域(例如：用于天线结构的接地平面和底部上的其它电路的接地平面)。4×4 Butler矩阵包括使用底部圆盘(即第二部件822)作为接地平面的微带线中的一个正交混合和三个和差混合。本领域普通技术人员将认识到，在其他实施例中，不同数量和/或其他类型的混合和移相器或者一般来说执行数学上等效函数(例如：在等式(1)的比例因子内)的其他网络可以用来代替本文所公开的一个正交混合和三个和差混合。阵元连接被布置为相对于平面(x-y)轴保持相同的极化，并且可以包括具有8字形方位角方向图的子阵列，其波瓣与其阵列的圆相切。探针808、812端接于12.06欧姆。同轴探针808、812的外圆柱分别连接到第二部件822和第一部件824。
在一实施例中，接地通孔栅栏将微带线层或带状线层中的四个内部馈电探针808分开。
虽然本文主要参考环形阵列来描述，但在其它实施例中，天线阵列可为正方形、多边形和/或填充或部分填充的阵列。
天线718的阵列可以包括具有径向或均匀极化轴的子阵列，以在圆极化和重新定阶相位模式端口的情况下实现相位模式。虽然未示出子阵列，但是本领域普通技术人员容易实现。子阵列可以包括若干天线单元。在一实施例中，子阵列轴线相对于本文公开的最大圆形结构的中心径向地布置。
本公开的实施例避免使用完整的N×N Butler矩阵或类似网络，因为仅仅使用了3个相位模式。另外，本公开实施例避免了在毫米波处的N×N个矩阵馈电的损失并且保持了平面圆形对称结构。阵元模式的轴或是子阵列模式的轴可以独立于极化轴。在一实施例中，具有四个I/O端口和4个天线侧端口的4×4 Butler矩阵被用于向/从相位模式的方位角传播和轴向传播之间的平面TEM波过渡区域(例如：图10中的空间828)发送和接收信号。
图14为可以用于实现本文所公开的设备和方法的处理系统1400的框图。具体设备可以利用所示的所有部件或者仅部件的子集，并且集成级别可以随设备而变化。此外，设备可以包含部件的多个实例，诸如多个处理单元、处理器、存储器、发射机、接收机等。处理系统1400可以包括处理单元1401，其配备有一个或多个输入/输出设备，诸如扬声器、麦克风、鼠标、触摸屏、小键盘、键盘、打印机、显示器等。处理单元1401可以包括连接到总线1440的中央处理单元(central processing unit，CPU)1410、存储器1420、大容量存储设备1430、网络接口1450、I/O接口1460和天线电路1470。处理单元1401还包括连接到天线电路的天线单元1475。
总线1440可以是包括存储器总线或存储器控制器、外围总线、视频总线等任何类型的几种总线架构中的一种或多种。CPU 1410可以包括任何类型的电子数据处理器。存储器1420可以包括任何类型的系统存储器，诸如静态随机存取存储器(static randomaccess memory，SRAM)、动态随机存取存储器(dynamic random access memory，DRAM)、同步DRAM(synchronous DRAM，SDRAM)、只读存储器(read-only memory，ROM)以及其组合等。在一个实施例中，存储器1420可以包括在启动时使用的ROM和用于在执行程序时使用的程序和数据存储的DRAM。
大容量存储设备1430可以包括被配置为存储数据、程序和其他信息并且使得数据、程序和其他信息可经由总线1440访问的任何类型的存储设备。例如，大容量存储设备1430可以包括固态驱动器、硬盘驱动器、磁盘驱动器、光盘驱动器等中的一个或多个。
I/O接口1460可以提供用于将外部输入和输出设备耦合到处理单元1401的接口。I/O接口1460可以包括视频适配器。输入和输出设备的示例可以包括耦合到视频适配器的显示器和耦合到I/O接口的鼠标/键盘/打印机。其它设备可以耦合到处理单元1401，并且可以使用附加的或更少的接口卡。例如，诸如通用串行总线(universal serial bus，USB)(未示出)的串行接口可以用于为打印机提供接口。
天线电路1470和天线单元1475可以使处理单元1401经由网络与远程单元通信。在一实施例中，天线电路1470和天线单元1475提供对无线广域网(wide area network，WAN)和/或蜂窝网络，例如长期演进(long term evolution，LTE)、码分多址(code divisionmultiple access，CDMA)、宽带CDMA(wideband CDMA，WCDMA)和全球移动通信系统(globalsystem for mobile communications，GSM)网络的访问。在一些实施例中，天线电路1470和天线单元1475还可以向其他设备提供蓝牙和/或WiFi连接。
处理单元1401还可以包括一个或多个网络接口1450，其可以包括诸如以太网电缆等的有线链路和/或到接入节点或不同网络的无线链路。网络接口1450允许处理单元1401经由网络1480与远程单元通信。例如，网络接口1450可以经由一个或多个发射机/发射天线和一个或多个接收机/接收天线提供无线通信。在一实施例中，处理单元1401耦合到局域网或广域网，用于数据处理以及与诸如其他处理单元、因特网、远程存储设施等远程设备的通信。
以下参考文献涉及本申请的主题。这些参考文献的每一篇均通过引用其全部内容并入本文：
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虽然已经进行了详细描述，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开精神和范围的情况下，可以进行各种改变、替换和更改。此外，本公开的范围不旨在限于本文所描述的具体实施例，本领域的普通技术人员将从本公开容易理解，已存在或即将被开发的过程、机器、制作、物质组成、手段、方法或步骤可以执行与本文描述的相应实施例基本相同的功能或实现基本相同的结果。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制作、物质组成、手段、方法或步骤包括在其范围内。

Claims (16)

1.一种用于天线单元阵列的稀疏相位模式馈电装置，包括：
导电第一表面；
导电第二表面，与所述第一表面平行且同轴，其中所述第一表面和所述第二表面为通过电介质的不大于1/2波长隔开的圆盘；
导电外壁，将所述第一表面电耦合到所述第二表面，所述第一表面、所述第二表面和所述外壁限定圆柱形腔，其中所述圆柱形腔包括所述电介质；
多个天线单元探针，对称地布置在接近所述外壁和所述第二表面的交叉点处，每个天线单元探针具有电耦合到所述第一表面的第一天线部和伸入到所述圆柱形腔中、并且与所述第一天线部和所述第一表面电隔离的第二天线部；
多个相位模式馈电探针，对称地围绕并且接近所述第二表面的中心，每个相位模式馈电探针具有电连接到所述第二表面的第一馈电部和伸入到所述第一和第二表面之间的所述圆柱形腔中、并且与所述第一馈电部和所述第二表面电隔离的第二馈电部，所述相位模式馈电探针的数量少于所述天线单元探针的数量；
其中所述天线单元探针以1/2波长隔开，距离所述导电外壁1/4波长，并且所述天线单元探针的所述第二天线部突出1/8波长到所述第一表面和所述第二表面之间的空间，但不接触所述第二表面；
所述相位模式馈电探针的所述第二馈电部突出1/8波长到所述第一表面和所述第二表面之间的空间，但不接触所述第一表面；
从而提供从方位角传播到轴向横向电磁TEM传播的圆形过渡区域。
2.根据权利要求1所述的稀疏相位模式馈电装置，其中存在四个相位模式馈电探针。
3.根据权利要求1所述的稀疏相位模式馈电装置，其中所述相位模式馈电探针顺序地耦合到4×4 Butler矩阵的四个天线侧端口。
4.根据权利要求1所述的稀疏相位模式馈电装置，其中每个所述天线单元探针耦合到天线单元阵列或波换能器阵列中的多个辐射单元中的相应一个。
5.根据权利要求4所述的稀疏相位模式馈电装置，其中所述天线单元阵列或所述波换能器阵列是基本上环形阵列和多边形阵列中的一种。
6.根据权利要求1所述的稀疏相位模式馈电装置，其中所述相位模式馈电探针和所述天线单元探针包括同轴传输线或横向电磁场TEM波导。
7.根据权利要求1所述的稀疏相位模式馈电装置，其中4×4 Butler矩阵中多个输入/输出I/O端口中的一个端接，并且所述I/O端口中的至少一个连接到波束转向电路。
8.根据权利要求7所述的稀疏相位模式馈电装置，其中每个所述Butler矩阵输入/输出I/O端口对应于多个稀疏相位模式馈电I/O端口中的一个，其中每个所述稀疏相位模式馈电I/O端口都对应于0阶相位模式、1阶相位模式、-1阶相位模式和2阶相位模式中的相应一个。
9.根据权利要求1所述的稀疏相位模式馈电装置，其中所述天线单元探针包括换能器接收探针。
10.一种用于辐射波束转向的装置，包括：
处理器；
耦合到所述处理器的发射机/接收机，其中所述发射机/接收机被配置为根据来自所述处理器的指令发射信号和接收信号；以及
耦合到所述发射机/接收机的天线阵列，
其中所述发射机/接收机包括波束转向电路和将所述波束转向电路耦合到所述天线阵列的稀疏相位模式馈电装置，
其中所述稀疏相位模式馈电装置包括：
导电第一表面；
导电第二表面，与所述第一表面基本上平行并且同轴，其中所述第一表面和所述第二表面为通过电介质的不大于1/2波长隔开的圆盘；
导电外壁，将所述第一表面电耦合到所述第二表面，所述第一表面、所述第二表面和所述外壁限定圆柱形腔，其中所述圆柱形腔包括所述电介质；
多个天线单元探针，对称地布置在接近所述外壁和所述第二表面的交叉点处，每个天线单元探针具有电耦合到所述第一表面的第一天线部和伸入到所述圆柱形腔中、并且与所述第一天线部和所述第一表面电隔离的第二天线部；
多个相位模式馈电探针，对称地围绕并且接近所述第二表面的中心，每个相位模式馈电探针具有电连接到所述第二表面的第一馈电部和伸入到所述第一和第二表面之间的所述圆柱形腔中、并且与所述第一馈电部和所述第二表面电隔离的第二馈电部，所述相位模式馈电探针的数量少于所述天线单元探针的数量；
其中所述天线单元探针以1/2波长隔开，距离所述导电外壁1/4波长，并且所述天线单元探针的所述第二天线部突出1/8波长到所述第一表面和所述第二表面之间的空间，但不接触所述第二表面；
所述相位模式馈电探针的所述第二馈电部突出1/8波长到所述第一表面和所述第二表面之间的空间，但不接触所述第一表面；
从而提供从方位角传播到轴向横向电磁TEM传播的圆形过渡区域。
11.根据权利要求10所述的装置，其中存在四个相位模式馈电探针。
12.根据权利要求10所述的装置，其中所述相位模式馈电探针顺序地耦合到4×4Butler矩阵的四个天线侧端口。
13.根据权利要求10所述的装置，其中每个所述天线单元探针耦合到天线单元阵列或波换能器阵列中的多个辐射单元中的相应一个。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述天线单元阵列或所述波换能器阵列是基本上环形阵列和多边形阵列中的一种。
15.根据权利要求10所述的装置，其中所述相位模式馈电探针和所述天线单元探针包括同轴传输线或TEM波导。
16.根据权利要求10所述的装置，其中4×4 Butler矩阵的多个输入/输出I/O端口中的一个端接，并且所述I/O端口中的至少一个连接到波束转向电路。
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