CN109417231B

CN109417231B - 相控阵列天线

Info

Publication number: CN109417231B
Application number: CN201780042425.0A
Authority: CN
Inventors: 约格·欧本兰德; 亚历山大·莫辛格
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2016-07-08
Filing date: 2017-06-27
Publication date: 2021-02-09
Anticipated expiration: 2037-06-27
Also published as: EP3482457B1; CN109417231A; WO2018007210A1; IL264099B2; IL264099B; EP3482457A1; ES2836264T3; IL264099A; DE102016112581A1; US10811747B2; US20190157730A1

Abstract

根据本发明的相控阵列天线包含至少四个经由一个馈送网络(12)连接的相控天线元件(1)。天线元件分别包括波导辐射器(2)，其具有：信号耦出和耦入部(8)；相位控制元件(3)，其可旋转地安装在波导辐射器中；支撑件(4)；以及至少两个偏振器(5)，其中至少两个偏振器分别能够将圆形偏振信号转换为线性偏振信号。此外，天线元件具有连接元件(6)和安装在支架(9)上的驱动单元(7)，该驱动单元经由连接元件与相位控制单元连接，使得驱动单元能够使得相位控制元件绕着波导辐射器的轴(11)旋转。阵列天线还包括运算单元(13)，其经由控制线路(10)与相控天线元件的一个或多个驱动单元连接，并且调节各个相位控制元件的旋转。

Description

相控阵列天线

技术领域

本发明涉及一种相控阵列天线，特别用于GHz频率范围并且用于诸如机动车辆、飞机或轮船这样的移动载体的应用。

背景技术

在移动应用中，阵列天线的相位控制具有如下功能：使得在移动载体的空间运动期间，阵列天线的主射束总是最优地指向目标。其中，在很多情况下，还必须可靠地维持载体快速运动时与目标天线的永久的定向无线电连接。

然而，借助相位控制，还能够利用静态的或移动的阵列天线跟踪运动的目标，如雷达应用的情况一样。

已知借助各种可控相位控制元件(“移相器”)能够空间地改变静止的天线组的天线图并且因此主射束能够在不同方向上摆动。

由此，相位控制元件改变由阵列天线的不同的单个天线所接收或发送的信号的相对相位。如果通过相位控制元件相应地调整单个天线的信号的相对相位，则阵列天线的天线方向图的主瓣(“主射束”)指向期望的方向。

当前已知的相位控制元件主要包括非线状实体(“固态移相器”)，主要为铁氧体、微开关(MEMS技术，二进制开关)或液晶(“liquid cristals”)。然而，这些技术都具有如下缺点，即它们都经常导致严重的信号损失，因为高频功率的部分在相位控制元件中被耗散。特别是在GHz范围的应用中，阵列天线的天线效率由此急剧下降。

特别是对于要在移动载体上使用的阵列天线，这导致了一个严重的问题，因为在这些应用下由于有限的可用空间，所以需要具有尽可能高的效率的天线。天线必须尽可能地小且轻，然而使用已知的相位控制这是不能实现的。

此外，传统的相位控制元件必须总是容纳在阵列天线的馈送网络中，这使得这样的阵列天线通常非常沉重或者使其厚度很大。

相比之下，特别是对于在诸如飞机和火车这样的快速移动载体上的应用，期望小且轻的具有小的轮廓的天线系统。

此外，使用传统的相位控制元件的相控阵列天线非常昂贵。特别是对于10GHz以上的民用应用，这阻碍了应用。

另一个问题是对阵列天线的天线图的精确控制的要求。如果阵列天线用于与卫星的无线电中继应用，则对天线图的调整一致性具有严格要求。在发送模式中，对于每个主射束方向，调整掩膜的图都必须遵从。这只能通过使阵列天线的每个单个的天线元件的幅度和相位在各个时间点均为已知来可靠地确保。

然而，当前已知的用于相位控制元件的技术均无法在相位控制元件之后实现可靠的瞬时的，即，即时的、无需额外计算即可的信号的相位的确定。因此，需要随时能够可靠地确定相位控制元件的状态。然而，这实际上对于固态移相器和MEMS移相器或者液晶移相器都是不可行的。

从DE3741501C1已知一种用于天线的馈送系统，其能够传输不同的极化波。该馈送系统使用固定的90°的移相器和移动的180°的移相器，从而能够互相调整两个波的相位。从US6822615B2已知一种天线场，其在天线场的第一部分与第二部分之间具有移相器。最后，DE102010014916B4公开了具有馈送网络的阵列天线，其形成了各个辐射器的相干组(

Gruppen)。

发明内容

本发明的目的是提供一种相控阵列天线，特别是对于GHz频率范围并且特别是用于移动载体上的应用，其中：

1.实现阵列天线的主射束的精确定向和控制；

2.实现阵列天线的不同天线单元的信号的相对相位的精确操纵和控制；

3.能够在任意时刻瞬时确定施加到阵列天线的天线元件的信号的相位和相对幅度，并且从而在任意时刻并且在阵列天线的任何状态下确定其天线图；

4.不具有损耗或者仅具有非常小的损耗；

5.具有小的轮廓和轻的重量；以及

6.能够低成本地实现。

通过根据本发明的具有权利要求1的特征的相控阵列天线实现该目的。从从属权利要求、说明书以及附图获得本发明的其它有利改进方案。

根据本发明的相控阵列天线包括至少四个经由至少一个馈送网络12连接的相控天线元件1。天线元件分别包括波导辐射器2，该波导辐射器具有：信号耦出和耦入部8；相位控制元件3，其可旋转地安装在波导辐射器1中；支撑件4；以及至少两个偏振器5，其中至少两个偏振器5分别能够将圆形偏振信号转换为线性偏振信号。此外，天线元件具有连接元件6和安装在支架9上的驱动单元7，该驱动单元经由连接元件6与相位控制单元3连接，使得驱动单元7能够使得相位控制元件3绕着波导辐射器2的轴11旋转。

阵列天线还包括运算单元13，其经由控制线路10与相控天线元件1的一个或多个驱动单元7连接，并且调节各个相位控制元件3的旋转。

在图1中示出阵列天线的元件的示例性空间布局。在该情况下，示例性地将四个天线元件1布置成一排。然而，具有更多数量和/或多行，即二维的天线元件1的布置也是可行的。运算单元13控制整个阵列天线。每个天线元件1都具有各自的驱动单元7。如后文所述，其还可以进一步简化，其中共用驱动单元7用于多个天线元件1。

在图2中示出了相控天线元件的基本操作原理。向天线元件1的波导辐射器2中入射的具有圆形偏振和相位

的入射波14a通过相位控制元件3的第一偏振器5a转换为具有线性偏振的波14b。该具有线性偏振的波通过相位控制元件3的第二偏振器5b再次转换为具有圆形偏振的波14c。

如果此时相位控制元件3借助驱动单元7和连接元件6转动角度Δθ，则线性波的偏振矢量14b在两个偏振器5a与5b之间在与传播方向垂直的平面中跟着旋转。因为偏振器5a跟着旋转，所以由第二偏振器5b生成的圆波14c具有

的相位。于是具有

的相位的圆波14c能够借助信号耦出和耦入部8从天线元件1的波导辐射器2耦合输出或者向波导辐射器2耦合输入。

驱动单元7安装在支架9上并且经由供应线被供应所需的能量并且经由控制线路10借助运算单元13提供旋转角度Δθ所需的信息。

由于通过天线元件1的相位控制部的构造，出射的圆波14c与入射的圆波14a之间的相位角差与相位控制元件3的旋转之间的关系是严格的线性的、稳定的并且为严格的2π周期。此外，任何相位旋转或相移都可以通过驱动单元7连续地调节。

因为在电动力学上，相位控制元件3是纯无源部件，其不包含任何非线性部件，所以其功能是完全互易的。也即，从下向上穿过相位控制元件3的波与从上向下穿过相位控制元件3的波的相位以相同的方式旋转。

从而，能够任意调整由天线元件1的波导辐射器2发送和接收的信号的相位。同时，发送和接收操作也是可能的。

信号耦出和耦入部8在图2的图示中实施为基板81上的微带线8。为此，天线元件1的波导辐射器2在耦出和耦入部的位置处设置有凹部，该凹部使得微带线以及基板能够被引入波导辐射器2中。为了使在波导辐射器2的内壁上流过的高频电流不受干扰，设置了导电通路(“贯穿孔(vias)”)，其使得在波导辐射器2的上部和下部之间产生电接触。此外，在基板81中设置凹部82，通过该凹部能够引导将驱动单元7与相位控制元件3连接的轴6。

如果多个相控天线元件1互相连接，则得到根据本发明的相位阵列天线。在图3中示意性地示出了该相控阵列天线。

图3a示意性地示出了阵列天线，图3b示意性地示出了相关的馈送网络12。该馈送网络由处理各个正交的偏振器的两个网络部12a和12b构成。

所有四个天线元件1的信号均经由包含耦出和耦入部8a和8b的馈送网络12a和12b合并或以发送模式分配。

通过运算单元13实现各相位控制的驱动单元7的控制，该运算单元例如可以是连接到信号线10的微处理器，所述信号线将所有驱动单元与运算单元连接。

耦出和耦入部8a和8b以及馈送网络12a和12b实施为基板上的微带线8a和8b，与图2的图示相似。

此外，信号耦出和耦入部8实施为位于分开的基板上的销状的、正交的微带线8a和8b这两部分。

当要利用阵列天线同时接收和/或发送两个正交偏振的信号时，这样的实施方式能够是有利的。当在正交系统中处理信号时，相位不平衡(“相位失衡(phaseimbalances)”)可以得到补偿。

如果相位控制器3借助运算单元13调整为使得各元件的信号之间具有恒定的相对相位差

则阵列天线的主射束具有在一定范围内的取决于相位差

的方向。

因为通过馈送网络12精确地已知各天线元件1的所发送或接收的信号的幅度关系，此外通过相位控制元件3能够精确地确定这些信号各自的相位，所以完全确切地确定阵列天线的各个状态下(即，各任意时间点)的阵列天线的天线图。

如果微处理器中或在天线系统的其它部位有所需的计算能力，则甚至可以在任何时间点以非常高的精度分析地计算整个天线图。这构成了根据本发明的结构的显著优点，特别是关于民用应用中通常需要的天线图的调整一致性。

即使阵列天线包含数千个单独的天线，例如通常在10GHz以上的频率范围内的情况，借助快速傅里叶变换(FFT)，也可以以相对较低的计算能力非常精确地计算相应的天线图。相应的快速FFT算法是公知的。

各个天线元件1的相位控制部(相位控制元件3、连接元件6和驱动单元7)的重量通常很小。如果以薄膜技术在薄HF基板上制造偏振器5，并且支撑件是由闭孔泡沫制成的，则相位控制部的重量通常只有几克。因此，驱动单元只需要为非常小且轻的致动器，例如微电动机。这样的微电动机的重量同样在克的范围内。

各个相位控制部的重量，特别是在10GHz以上的频率范围内，只有几克，在具有上千个单辐射器的阵列天线的情况下仅产生几千克的阵列天线的所有相位控制部的总重量。这在特别是重量应尽可能小的飞机的应用方面是有利的。

除此之外，根据本发明的相位控制部的损耗非常低。由于非常低的欧姆损耗，所以相位控制元件的热输入可以忽略不计。如果使用电动机作为驱动单元，则其效率通常＞95％，从而驱动单元几乎不会产生热量输入。此外，微电机的功率容量仅在mW范围内，从而即使在具有上千个单辐射器的阵列天线的情况下，相位控制部的功率需求也仅为几瓦。

这是根据本发明的相位控制部的另一优点。在具有几千个单辐射器的阵列天线的情况下，在发送模式或接收模式下均不需要主动冷却。相比之下，在使用传统的半导体移相器或MEMS移相器的阵列天线的情况下，由于高的损耗，至少在发送模式下必须进行复杂的主动冷却。

相控阵列天线的馈送网络12能够如图3b示意性地图示地由适当的HF基板上的微带线构成。为了使损耗最小化，该微带线还可以实施为悬挂的微带线(“悬挂带状线”)，即同轴结构。馈送网络12的部分还可以由波导构成，这能够进一步降低损耗。

例如，阵列天线内部的相控天线元件1的阵列经由微带线连接并且然后将该阵列进一步经由波导互连有利的。这种混合馈送网络12允许高的天线元件密度。当在波导技术中实施了例如在大的阵列天线的情况下的长的路径时，损耗仍是有限的。

并且，天线元件1的波阻抗在结构上完全与入射波和出射波的相对相位无关。对于借助如半导体移相器或液晶移相器这样的非线性移相器控制相位的天线元件，情况通常不是这样。在这些移相器中，波阻抗取决于相对相位，使这样的部件难以控制。

波导辐射器2有利地设计为使得其包括至少一个筒状波导管节。从而确保了其能够在其内部形成圆形偏振的柱状对称的电磁震动模式(Mode)，其能够由偏振器5转换为线性偏振模式。

但是，波导辐射器的波导终端以及其开口(孔径)不一定必须具有圆形截面。根据耦出和耦入部8的类型，波导终端可以实现为例如锥形或单边阶梯状。波导辐射器的孔径在二维天线场中例如也可以设计为锥形(喇叭辐射器)、方形或矩形的。

然而，因为柱状对称模式也存在于具有非圆形截面的，例如，椭圆形或多边形截面截面的波导中，所以可以想到波导辐射器的其他设计。

对于10GHz以上的应用，对于密集排列的阵列天线有利的是波导辐射器形成为圆波导，因为这样的波导允许最高的排列密度而且还支持柱状对称的腔体模式。

此外，为了优化相控天线元件的天线增益，有利的是波导辐射器设计为喇叭辐射器。

顺便提及，用于给定工作频带的波导辐射器2的尺寸设计是由已知的天线技术的方法实现的。

相位控制元件3的旋转轴11优选地位于各个筒状波导管节的对称轴上，每个筒状波导管节优选地包括波导辐射器2。

优选地，两个偏振器5a和5b互相平行地并且与旋转轴11垂直地安装在支撑件4中。

对于相位控制元件3的旋转，为了实现阵列天线的从-90°到+90°的摆动范围并且通过天线覆盖整个半球，通常四分之一圆(-45°到+45°)的旋转是足够的。

此外，相位控制部实际上无损耗地操作，因为在适当的布局下通过偏振器5a、5b和电介质保持器4造成的损失非常小。例如，在20GHz的频率下，总损失少于0.2dB，相当于超过95％的效率。相比之下，传统的移相器通常在该频率下具有几dB的损耗。

关于其高频特性，根据本发明的相控阵列天线与没有相位控制部的相应天线场几乎并无区分。

因此，已知，例如，由于在天线场中喇叭辐射器的天线效率高，所以使用电介质填充的喇叭辐射器，尤其是频率大于20GHz的喇叭辐射器。如果利用根据本发明的相控阵列天线实现这样的天线场，则尽管有额外的相位控制，但是天线场的HF特性，特别是天线增益和天线效率，有利地是不变的。

如果驱动单元7此外还配备有角位置传感器或者如果其自身已经被赋予角位置(就像例如在某些压电电机中的情况一样)，则从波导辐射器出射的波14a的相位能够在任何时刻准确地瞬间确定。

因为相位控制元件3的简单构造以及对于四分之一圆的旋转仅需要构造十分简单的驱动单元7的事实，能够非常低成本地实现相位控制。还能够容易地实现具有几千个天线元件的大的相控阵列天线。

作为驱动单元7，可以是例如低成本的电动机和微电动机以及压电电机，或由电活性材料构成的简单致动器。

优选地，驱动元件是SMD部件，其能够直接焊接到作为载体9的合适的电路板上。供给和控制线路10能够实施为允许高集成密度的微带线。

连接元件6优选地设计为轴，并且优选由非金属的介电塑料材料构成，例如塑料。这具有如下优点，即，当轴对称地安装在波导辐射器1中时，筒状的中空形态不会受到干扰，或者只会受到非常小的干扰。

然而，如果使用同轴模式驱动波导辐射器2，则也可以使用金属化的轴。

还可以考虑将驱动单元7例如安装在波导辐射器2旁边，并且连接元件6例如由带件构成，其通过小的侧开孔引入波导辐射器中，并且驱动相位控制元件。

此外，还可以考虑使驱动单元7非接触地，例如经由旋转的磁场使相位控制元件3旋转。为此例如，当例如偏振器的部件由磁性材料构成时，可以在波导辐射器的终端上方安装磁性转子，其与旋转磁场共同用作连接元件6。

偏振器5a、5b例如可以由施加在传统的支撑材料上的简单的、平坦的弯曲型偏振器构成。这些偏振器可以通过已知的蚀刻方法或者通过加成法(“电路印刷”)制造。

如图4所示，至少两个偏振器5a和5b优选地具有关于轴11对称的形状，使得其能够以简单的方式容纳在波导辐射器的柱状对称的波导管节中。

图4所示的偏振器5a、5b被设计为弯曲型偏振器。其有利的是多层的弯曲型偏振器，因为其可以具有大的频率带宽并且能够实现宽带操作。

然而，如本领域技术人员已知的，还存在各种可行的用于电磁波的偏振器的实施方式，其能够将圆形偏振的波转换为线性偏振的波。

还可以考虑信号偏振的转换不通过平坦的偏振器而是通过在支撑件中空间地分布的结构(例如片式偏振器(Septum-Polaristoren))来实现的实施方式。对于本发明的功能重要的是，该结构能够首先将具有圆形偏振的向波导辐射器2中入射的波转换为具有线性偏振的波，然后再转换回具有圆形偏振的波。

对于支撑件4，可以使用如具有已知的非常小的HF损耗的低密度的闭孔泡沫，还可以使用塑料材料，如聚四氟乙烯(Teflon)或聚酰亚胺。因为在一个波长的范围内，特别是在10GHz以上的频率中，相位控制元件的尺寸小，所以通过与波导辐射器1中的相应电磁模式匹配的相应的阻抗匹配下HF损耗也非常小。

因为在电力学上来看，特定工作频率下的相位控制元件3的尺寸设计与特定工作频率下的波导辐射器2的尺寸设计以相似的方式实现，所以通常相位控制元件3能够容易地安装在波导辐射器2内部。

在任何情况下，即使波导辐射器2的尺寸选择得非常小，通过适当选择支撑件4的材料的介电常数，也可以使相位控制元件3为小的，从而使其位于在波导辐射器2中。

因此，根据波导辐射器的已知设计规则，其最小直径通常在工作频率的一个波长的范围内。波导辐射器在入射波的方向上的尺度通常为工作频率的某些波长。

因为根据已知的阻抗匹配方法，偏振器5a、5b以及它们之间的间隔(例如半个波长)还相应地设计为工作频率的波长，所以相位控制元件的尺寸总是在波导辐射器的尺寸范围内。

在20GHz的频率下，例如，相位控制元件3的尺寸通常在小于一个波长的范围内，即，约1cm×1cm。如果支撑件4设计为介电填料，并且介电常数选择得相应的大，则还能够实现非常小形状。虽然欧姆的损失略有上升，但仍然只在百分数范围内。

附图说明

参考以下附图进一步解释本发明的实施例，其中，

图5示出了方形阵列天线；

图6示出了具有额外偏振器的天线元件；

图7示出了具有填料的天线元件；

图8示出了具有可旋转的额外偏振器的天线元件；

图9示出了具有共用额外偏振器的阵列天线；以及

图10示出了具有用于多个天线元件的共用驱动单元的阵列天线。

参考标记列表

1 天线元件

2 波导辐射器

3 相位控制元件

4 支撑件

5 偏振器

6 连接元件

7 驱动单元

8、8a、8b 信号耦出和耦入部，微带线

9 支架

10 控制线路

11 轴

12、12a、12b 馈送网络

13 运算单元，微处理器

14、14a、14b、14c 波

15、16 额外偏振器

17、17a、17b 填料

18 额外偏振器的轴

19 额外偏振器的驱动

21 用于多个天线元件的偏振器

22 偏振器的轴

23 旋转件支架

81 基板

82 凹部

83 通路

具体实施方式

在图5中示意性地示出了具有8×8＝64个相控天线元件1的方形阵列天线的实施例。

天线单元1布置在二维场中，并且单个相控天线元件1的驱动单元7的控制线路10与作为运算单元的微处理器单元13连接。

借助相控天线元件1的这样的二维布置，形成二维阵列天线的天线场的天线图的主射束能够向场的上方的半球中的任意方向摆动。

通过以下方式以与图3a中的图示相似的方式实现天线射束(“天线束”)的对准：通过微处理器单元13控制各个天线元件的驱动单元7，使得单个天线单元1的相位控制元件旋转，以使在阵列天线的天线元件1之间存在一定的相对相位关系。

在该情况下，主射束的对准的精度是非常高的，因为从各个天线元件1辐射的或者接收的信号的相位能够借助相位控制部而任意地并且也可以大体上任意地精确调整。

例如，与使用二进制移相器的相控阵列天线相比，这展现了这种阵列天线的另一个显著优点。因为对于二进制移相器，原则上各个信号的相位只能在某些步骤中粒状地设置。原则上是不可能实现天线图的高精度的对准的。

通过特定相控天线元件1的使用，实现了通过相控阵列天线进行的具有线性偏振的信号的直接接收或发送。

在图6中示意性地示出了这样的天线元件，并且特征在于，在相控天线元件1的波导辐射器2中，在相位控制元件3之前安装至少一个额外偏振器15，其能够将具有线性偏振的信号转换为具有圆形偏振的信号，并且在相位控制元件3之后并且在耦出部8之前安装至少一个额外偏振器16，其能够将具有圆形偏振的信号转换为具有线性偏振的信号。

此外，相位控制元件3包括支撑件4和偏振器5a和5b并且具有驱动单元7，其经由连接元件6与相位控制元件3和支撑件4连接，使得波导辐射器2中的相位控制元件3能够旋转。

第一额外偏振器15将具有线性偏振的入射信号转换为具有圆形偏振的信号，使得相位控制元件3能够容易地执行其功能。

安装在相位控制元件3之后且在耦出部8之前的偏振器16将从相位控制元件3产生的具有圆形偏振信号再次转换回线性偏振的信号，该线性偏振的信号能够从相应的为线性模式设计的耦出部8直接耦合输出。

该装置的功能也是完全互易的。在发送的情况下，通过耦入部8激发波导辐射器2中的线性模式，其通过第二偏振器16转换为圆形模式。该圆形模式通过相位控制元件3被调制为与相位控制元件3绕着轴11的旋转角相关的相位。离开相位控制元件3的具有调整的相位的圆形偏振信号被第一额外偏振器15转换为具有线性偏振以及调制的相位的信号，并且从天线元件1的波导辐射器2辐射。

此外，图6所示的布置也适用于当信号耦出和耦入部8相应地设计为用于两个正交线性模式时的两个同时入射的正交线性偏振，如图3所示。

同时发送和接收相同或不同偏振的信号也是可能的。

图7示意性地示出图6所示的天线元件的一个实施方式。

信号耦出和耦入部8与图2的图示相似地单件地实施为基板上的微带线。

额外偏振器15和16分别嵌入介电填料17a和17b中并且通常固定安装在波导辐射器2中。耦出和耦入部8下方的波导终端同样由介电填料17填充。

该构造具有如下优点，即，波导辐射器2的整个内部空间填充有通常类似的电介质，并且从而不可能出现模式不连续。

偏振器16及其介电填料17a如介电填料17一样具有与基板(见图2(81))相似的用于连接元件6的凹部，使得连接元件6能够自由旋转。

与图3a和图3b中所示的两件式的的耦出部8a、8b相似，在图7的实施例中，耦出部8可以被设计成分为两个部分，用于两个正交线性模式。

为了补偿入射波的偏振旋转，此外可以考虑，使第一额外偏振器15可旋转，并且配备独立的驱动器，使得该偏振器15能够与波导辐射器2中的相位控制元件3无关地绕着轴11旋转。

在移动的装置中，由于支架的移动，产生了入射波的偏振矢量相对于牢固地安装在支架上的阵列天线的旋转，此时这样的布置是非常有利的。

因为这样的偏振旋转通常与用于天线射束的空间定向的相位旋转无关，所以偏振器15的旋转需要能够与相位控制元件3的旋转无关地实现。

在图8中示意性地示出了相应的实施例。

第一额外偏振器15可旋转地安装在波导辐射器2中，并且借助连接件18与自身的驱动器19连接，从而该驱动器19能够使偏振器15绕着轴11旋转。

在图8的实施例中以如下方式实现偏振器15的独立于相位控制元件3的旋转的旋转：将使相位控制元件3与其驱动器7连接的轴6实施为中空轴。轴18位于该中空轴中，该轴18将偏振器15与其驱动器19连接。

因为具有线性偏振的波的偏振面仅界定在180°的角度范围内，所以对于偏振器15的旋转，-90°到+90°的角度范围，即半圆形的旋转是足够的。

第二额外偏振器16牢固地安装在波导辐射器2中，因为其方向决定了由耦出和耦入部8耦合输出或耦合输入的线性模式的方向。因此，偏振器16的固定取向取决于耦出和耦入部8的位置。

如果两件式地实现耦出和耦入部8，例如如图3a和3b的实施例中一样，则可以省略偏振器16，因为由相位控制元件产生的圆形偏振信号基本上包含了入射波的所有信息。为了重新组合原始信号，可以使用90°混合耦合器，在该混合耦合器中馈送被分成耦合部8a和8b的分量的信号。

由于根据本发明的相位控制部的构造，相控阵列天线仅需要单个90°混合耦合器，其例如可以在阵列天线的馈送网络12的基部处集成在该馈送网络12中。

因为一个相控阵列天线的所有天线元件的线性偏振的入射波的偏振旋转以相同的方式受影响，所以还可以考虑可旋转偏振器安装在阵列天线上方的实施例。

在图9中示意性地示出了包括根据本发明的相控天线元件1的并且配备了位于在天线组上方可旋转的偏振器21的阵列天线的实施例。

图9的阵列天线由52个天线元件1构成，它们在二维场中以圆形排列。在天线组上方可旋转地安装了共用偏振器21，其覆盖多个、特别是所有的天线元件1。

此处，偏振器21设计为弯曲型偏振器，并且能够绕着与天线场垂直的轴22旋转。

如果在装置上存在线性偏振波，则可以旋转偏振器21，使得其将该线性偏振波转换成圆偏振波。

对于弯曲型偏振器，其为如下的旋转角：在该旋转角处，弯折线的轴与入射波的偏振矢量成45°的角度。然而，在其他旋转角度的情况下，会出现具有一般椭圆偏振的波。

这样转换为圆形偏振信号的信号被馈送到阵列天线的相控天线元件1中，阵列天线例如根据图3、7或8中描述的实施例设计。然后，可以以上面描述的方式通过单个天线元件1的相位控制元件3再调节信号的相位，并且相应地控制天线组的主射束。

图10示意性地示出本发明的另一实施方式。阵列天线由方形布置的16个相控天线元件1的二维场构成。与之前的实施例相比，此处不是每个天线元件均具有各自的驱动器7，而是位于一排的每四个天线元件具有一个共用的驱动器。驱动器7借助连接元件6与4个天线元件1的各相位控制元件3连接。

最上排不具有驱动器。相同地调节天线元件的相位控制元件，并且由此确定基准相位

因为阵列天线的主射束的取向仅取决于天线元件的信号的相对相位，所以这样的布置通常是可行的。

然而，通过这种布置，阵列天线的主射束能够摆向的方向被限定在一个平面上，该平面与二维天线场垂直，并且与图10所示的线A-A’平行。主射束只能在该平面中摆动。

如果此时借助驱动器7将天线组的不同排的相位控制元件调节为使得排之间有

的固定相对相位差，则阵列天线的天线射束远离该平面中的二维场的法线摆动。摆动角度也与相位差

成比例。

然而，为了应用广泛，将摆动范围限制在平面上并不必意味着是对于上述构造的阵列天线的功能范围的限制。

当阵列天线安装在可旋转支架23上，并且能够绕着与天线场垂直的轴旋转时，那么还能够在位于该阵列上方的半圆内的各个方向上操控该阵列的主射束。

该实施方式的优点在于能够显著减少所需的驱动单元7的数量。当N表示阵列天线的天线元件的数量时，通常所需的驱动单元7的数量不再是N个，而是只需要

个驱动器。仅额外再需要一个驱动器用于整个阵列天线。

对于仅仅是阵列天线的尽可能小的轮廓的应用，并且在不需要太高的射束摆动速度的情况下，该实施例能够是有利的。

因为在与天线场垂直的平面中的摆动范围包括-90°至+90°的角度范围，所以天线组的转动所需的角度范围同样仅有180°。所以不需要完整的旋转。复杂的高频旋转接头是不必要的。

简言之，未示出的实施方式是：天线组例如安装在平坦存储器上并且通过外部驱动器旋转，并且驱动器的信号线以及供应和控制线路借助柔性电缆和电缆卷取机(“cablewraps”)引向天线组。

各排的驱动单元7可以例如借助齿轮或驱动带使一排天线元件1的相位控制元件3的轴转动。蜗轮或螺杆传动装置例如作为连接元件6也是可行的。

Claims

1.一种相控阵列天线，具有：

至少四个相控天线元件(1)，该至少四个相控天线元件经由至少一个馈送网络(12)连接，其中，所述相控天线元件(1)包括：

波导辐射器(2)，该波导辐射器具有信号耦出和耦入部(8)；

相位控制元件(3)，该相位控制元件可旋转地安装在所述波导辐射器(1)中并且包含支撑件(4)和至少两个偏振器(5)，其中，至少两个所述偏振器(5)中的每个偏振器均能够将圆形偏振信号转换为线性偏振信号；

连接元件(6)；以及

驱动单元(7)，该驱动单元安装在支架(9)上，经由所述连接元件(6)与所述相位控制元件(3)连接，使得所述驱动单元(7)能够使所述相位控制元件(3)绕着所述波导辐射器(2)的轴(11)旋转；

以及

运算单元(13)，该运算单元经由控制线路(10)与所述相控天线元件(1)的所述驱动单元(7)连接，并且调整各个所述相位控制元件(3)的旋转；

其中，在所述波导辐射器(2)中，在所述波导辐射器(2)的孔径与所述相位控制元件(3)之间，或在所述相位控制元件(3)与所述信号耦出和耦入部(8)之间安装了至少一个额外偏振器(15、16)，该额外偏振器(15、16)能够实现线性偏振的信号与具有圆形偏振的信号的相互转换；

其中，在所述波导辐射器(2)的孔径与所述相位控制元件(3)之间安装的至少一个额外偏振器(15)可旋转地安装在所述波导辐射器(2)中，并且具有额外的驱动器(19)和额外的轴(18)，使得所述驱动器(19)借助所述轴(18)使所述偏振器(15)能够独立于所述相位控制元件(3)绕着所述波导辐射器(2)的所述轴(11)旋转。

2.根据权利要求1所述的阵列天线，其中，所述波导辐射器(2)具有筒状波导区段。

3.根据权利要求1所述的阵列天线，其中，所述波导辐射器(2)设计为圆形波导。

4.根据前述权利要求之一所述的阵列天线，其中，所述波导辐射器(2)形成为喇叭辐射器。

5.根据前述权利要求1所述的阵列天线，其中，所述偏振器(5)互相平行地并且与所述波导辐射器(2)的所述轴(11)垂直地安装在所述支撑件(4)上。

6.根据前述权利要求1所述的阵列天线，其中，所述偏振器(5)形成为弯曲型偏振器。

7.根据前述权利要求1所述的阵列天线，其中，所述偏振器(5)具有关于旋转轴(11)对称的形状。

8.根据前述权利要求1所述的阵列天线，其中，所述连接元件(6)实施为轴，该轴将所述相位控制元件(3)与所述驱动单元(7)连接。

9.根据前述权利要求1所述的阵列天线，其中，所述支撑件(4)由塑料构成。

10.根据前述权利要求1所述的阵列天线，其中，所述支撑件(4)由闭孔泡沫构成。

11.根据前述权利要求1所述的阵列天线，其中，所述相位控制元件(3)具有轴对称形状。

12.根据前述权利要求1所述的阵列天线，其中，所述驱动单元(7)包含电动机或压电电机。

13.根据权利要求1所述的阵列天线，其中，所述驱动单元(7)包含致动器，该致动器包括电活性材料。

14.根据前述权利要求1所述的阵列天线，其中，所述连接元件(6)或所述驱动单元(7)配备有角位置传感器。

15.根据前述权利要求1所述的阵列天线，其中，所述信号耦出和耦入部(8)具有环状的或销状的金属结构。

16.根据前述权利要求1所述的阵列天线，其中，以微带线技术实施所述信号耦出和耦入部(8)。

17.根据前述权利要求1所述的阵列天线，其中，所述信号耦出和耦入部(8)以两件式的方式实施，使得能够分开地耦合输入和耦合输出所述波导辐射器(1)的两个正交模式。

18.根据前述权利要求1所述的阵列天线，其中，所述波导辐射器(2)包含至少一个额外的介电填料，该介电填料完全地或部分地填充所述波导辐射器(2)。

19.根据前述权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述相控天线元件(1)安装在一维或二维天线场中。

20.根据前述权利要求1所述的阵列天线，其中，所述至少一个馈送网络(12)至少部分地以微带线技术执行。

21.根据前述权利要求1所述的阵列天线，其中，所述至少一个馈送网络(12)至少部分地以悬挂微带线(“suspended striplines”)实现。

22.根据前述权利要求1所述的阵列天线，其中，所述至少一个馈送网络(12)包含波导。

23.根据前述权利要求1所述的阵列天线，具有偏振器(21)，该偏振器可旋转地布置在多个所述相控天线元件(1)的上方，并且能够将线性偏振波转换为圆形偏振波。

24.根据前述权利要求1所述的阵列天线，其中，所述阵列天线的所述相控天线元件(1)布置成排，其中每排天线元件(1)均具有共用的所述驱动单元(7)和多个所述连接元件(6)，使得该排的所述相位控制元件(3)能够通过该驱动单元(7)旋转。

25.根据权利要求1所述的阵列天线，其中，所述连接元件(6)包含齿轮，蜗轮或传动带。