CN110785891B - 天线阵列二维转向的可调堆叠相模馈电 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于可转向天线阵列的馈电网络、转向装置和系统。所述馈电网络包括波导组件，所述波导组件包括第一和第二径向横电磁(transverse electromagnetic，TEM)波导以及放置在所述对应TEM波导中的第一和第二可变相移器。所述可变相移器在相应环的辐射元件中产生额外渐进电相移，所述电相移与所述环内的辐射元件的角位置成正比并且从0到可控整数倍的2π弧度。所述馈电网络包括与所述相应径向TEM波导耦合的第一和第二相模馈电探针，它们提供相应的相模馈电端口。当所述馈电网络与所述天线阵列耦合时，在所述相模馈电端口处提供两个连续阶次相模。所述相模的阶次可以通过控制所述可变相移器的整数倍的相移控制信号来选择。

Description

天线阵列二维转向的可调堆叠相模馈电
相关申请案交叉申请
本申请要求2017年6月15日递交的发明名称为“天线阵列二维转向的可调堆叠相模馈电(ADJUSTABLE STACKED PHASE-MODE FEED FOR 2D STEERING OF ANTENNA ARRAYS)”的第15/624,262号美国专利申请案的优先权，该在先申请的内容通过引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及天线阵列的波束转向。具体而言，本发明涉及一种用于天线阵列的堆叠相模馈电网络。
背景技术
天线阵列是一组独立的辐射单元，这些辐射单元连接在一起作为单个天线，具有一个主波束或主瓣。传统上，天线阵列可以称为单个天线。波束转向是通过控制各个辐射单元的幅度和相位中的至少一个对主波束进行角定位。波束转向使天线阵列在优选方向上进行发射，即主波束的方向，或者提高对从主波束方向接收的信号的接收敏感度。为了获得主波束的期望辐射模式，可以将天线阵列的不同相模进行合路。
波束转向电路可以包括构成天线阵列的各个辐射单元中的独立相移器和独立延迟单元中的至少一个。随着天线的目标频率范围增加，阵列中辐射单元的理想间距减小。由于波束转向电路和馈电网络与天线结构不同，一般与波长不成比例，所以减小辐射单元之间的间隔可能会增加实现用来连接辐射单元的波束转向电路和馈电网络的复杂度。
发明内容
为了实现主波束在z轴有更大的倾斜(即更大的径向转向范围或极角)，可能需要将天线阵列的高阶相模进行合路。
在各种示例中，描述了一种稀疏相模馈电网络。所述馈电网络支持天线阵列中由少量相模馈电探针进行馈电的任意数量的辐射单元。在本文公开的示例子中，所述馈电网络包括两个馈电端口但不包括巴特勒矩阵(Butler matrix)，以对任意数量的辐射单元进行馈电。两个波导堆叠在一起，每个波导对应同心天线阵列的两个环之一。所公开的设置能够形成两个连续阶次相模，所述相模的阶次可由控制信号进行调整。
在一些示例中，本发明描述了一种用于可转向天线阵列的馈电网络。所述馈电网络包括波导组件以及第一和第二可变相移器，所述波导组件包括第一和第二径向横电磁(transverse electromagnetic，TEM)波导。所述第一径向TEM波导包括与所述天线阵列的第一环辐射单元耦合的第一多个辐射单元探针，所述第二径向TEM波导包括与所述天线阵列的第二环辐射单元耦合的第二多个辐射单元探针。所述第一可变相移器放置在所述第一径向TEM波导中。所述第一可变相移器用于在所述第一环辐射单元中产生额外渐进电相移，所述电相移与所述第一环中的辐射单元的角位置直接成正比并且从0到整数倍的2π弧度，所述整数倍可控。所述第二可变相移器放置在所述第二径向TEM波导中。所述第二变相移器用于在所述第二环辐射单元中产生额外渐进电相移，所述电相移与所述第二环中的辐射单元的角位置直接成正比并且从0到整数倍的2π弧度，所述整数倍可控。所述馈电网络还包括与所述第一和第二径向模波导耦合的第一和第二相模馈电探针。所述相模馈电探针提供对应的相模馈电端口。当所述馈电网络与所述天线阵列耦合时，在所述相模馈电端口处提供两个连续阶次相模。所述相模的阶次可以根据控制所述第一和第二可变相移器的整数倍的至少一个相移控制信号进行选择。
在上述任一实施例/方面中，所述波导组件可以用于同心圆形天线阵列。所述第一径向 TEM波导可用于与所述天线阵列的内同心环耦合，所述第二径向TEM波导可用于与所述天线阵列的外同心环耦合。所述第一和第二径向TEM波导可以彼此同心堆叠。
在上述任一实施例/方面中，可以从所述第一径向TEM波导中获得所述连续阶次相模的低阶，可以从所述第二径向TEM波导中获得所述连续阶次相模的高阶。
在上述任一实施例/方面中，可以从所述第一径向TEM波导中获得所述连续阶次相模的高阶，可以从所述第二径向TEM波导中获得所述连续阶次相模的低阶。
在上述任一实施例/方面中，所述波导组件可以用于多边形天线阵列。
在上述任一实施例/方面中，所述第一和第二相模馈电探针可以同轴排列。
在上述任一实施例/方面中，所述第一和第二变相移器可以为液晶模拟相移器。
在上述任一实施例/方面，可以采用单独的第一和第二相移控制信号分别控制所述第一和第二变相移器的整数倍。可以控制所述第一可变相移器在所述第一环辐射单元中产生从0到 K2π弧度的相移。可以控制所述第二可变相移器在所述第二环辐射单元中产生从0到(K+1) 2π弧度的相移，K为整数。在所述相模馈电端口处提供的所述相模可以为K阶和K+1阶相模。
在上述任一实施例/方面中，所述馈电网络可以包括所述第一径向TEM波导中的固定螺旋相移器。所述固定螺旋相移器可以用于在所述天线阵列的所述第一环中产生从0到2π弧度的额外渐进电相移。所述第一和第二变相移器可以由公共相移控制信号来控制。
在上述任一实施例/方面中，所述波导组件可以用于具有圆极化辐射单元的天线阵列。所述第一和第二变相移器可以由公共相移控制信号来控制。
在一些方面，本发明描述了一种用于对可转向天线阵列进行波束转向的装置。所述装置包括上述馈电网络的任一实施例和一种波束转向电路。所述波束转向电路与殴馈电网络的所述相模馈电端口耦合。所述波束转向电路用于将所述两个连续阶次相模进行合路，以生成所述可转向天线阵列的主波束。所述波束转向电路控制所述主波束的极角和方位角，将主波束指向选定方向。
在上述任一实施例/方面中，所述波束转向电路可以包括监测和控制子电路，用于监测至少一个所述相模的信号强度并且为所述相移控制信号提供反馈。
在一些方面，本发明描述了一种可转向天线阵列系统。该系统包括排列在平面天线阵列中的多个辐射单元。所述系统还包括上述馈电网络的任何实施例以及上述波束转向电路的任一实施例。
在上述任一实施例/方面中，所述平面天线阵列可以为圆形天线阵列，所述辐射单元可以排列为同心环。
在上述任一实施例/方面中，所述平面天线阵列可以为多边形天线阵列，所述辐射单元排列为同心多边形。
附图说明
现在将通过示例参考示出本申请示例实施例的附图，其中：
图1为示出一种用于平面圆形天线阵列的波束转向的示例系统的示意图；
图2示意地示出了可变相移器并入到图1所示的馈电网络的波导组件中的一个波导中；
图3为可变相移器的示例液晶模拟实现的示意图；
图4为堆叠波导组件的示意图，示出了可变相移器并入到在每个波导中；
图5为堆叠波导组件的示意图，显示了可变相移器和固定相移器并入到波导中；
图6为圆极化辐射单元的方向的示意图，从而获得一阶相模增量；
图7为适合在图1的系统中使用的示例波束转向电路的示意图；
图8示出了适合在图7的波束转向电路中使用的示例混合分路器/合路器；
图9示出了堆叠波导组件的示例设置中的示例主波束的辐射方向图的模拟；以及
图10示出了堆叠波导组件的另一示例设置中的示例主波束的辐射方向图的模拟。
在不同的附图中可以使用类似的附图标记来表示类似的组件。
具体实施方式
本发明描述了一种稀疏相模馈电网络，该馈电网络不需要全N端口网络对天线阵列中的 N个辐射单元进行馈电。在下面描述的示例中，使用两个馈电探针对两个堆叠波导进行馈电。两个相模端口处的相模为两个连续阶次相模(通常称为PK和PK+1)，这两个相模可以使用控制信号来控制K进行选择。这里公开的示例设置可以使平面构造简单，无需使用巴特勒矩阵 (Butler matrix)。不需要巴特勒矩阵可以节省空间和减少馈电损失。所公开的馈电网络可以与任何合适的波束转向电路连接，例如针对圆形天线阵列而设计的任何波束转向电路。
下面描述的示例可以适用于具有两个同心环辐射单元的平面圆形天线阵列。2016年， Tiezhu Yuan、Hongqiang Wang、Yuliang Qin、Yongqiang Cheng在IEEE天线和无线传播信函 (IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters)的第15卷的第1024至1027页上发表了“使用均匀同心圆阵列进行电磁涡流成像(Electromagnetic Vortex ImagingUsing Uniform Concentric Circular Arrays)”，其全部内容以引用的方式并入本文中，其中介绍了具有同心环辐射单元的天线阵列的一个示例。
由两个连续相模进行馈电的同心辐射单元产生的磁场的空间组合产生二维可转向波束，该波束从z轴倾斜所需角度。可变比组合器(variable ratio combiner，VRC)也可以在波束转向电路中实现，在下面进一步讨论。
图1示意地示出了一种用于可转向天线阵列的波束转向的示例系统的部件。系统100既可以用于传输也可以用于接收。系统100包括圆形天线阵列(未示出)和馈电网络102。在本文描述的示例中，天线阵列有一组排列在两个同心环平面圆形阵列中的N个辐射单元(未示出)，但天线阵列也可以有其它排列方式。天线阵列中的辐射单元通常可以有任意排列方式 (例如，圆形或多边形设置)，只要辐射单元的排列方式能够产生相模(例如，辐射单元沿多边形的周长同心排列)。设置各个辐射单元的间距约为天线阵列工作时设计的波长λ的一半。各个辐射单元分别连接到波导组件130的对应辐射单元探针104。每个辐射单元探针104提供到达或来自对应辐射单元的传输或接收信号。
在所示的示例中，波导组件130包括两个堆叠径向横电磁(transverseelectromagnetic， TEM)波导106a、106b(通常称为径向TEM波导106)，其中，辐射单元探针104在每个径向TEM波导106中排列为圆形模式，对应于天线阵列中辐射单元的同心排列。径向TEM波导106的构造可以类似于2013年4月25日递交的第13/870,309号、2014年6月3日递交的第14/295,235号、2015年11月23日递交的第14/948,879号和2016年10月17日递交的第15/295,366号美国专利申请案中描述的构造，其全部内容以引用的方式并入本文中，如本文所述进行了适当修改。需要说明的是，虽然TEM波导106彼此堆叠，但是辐射单元探针104可以与相同或不同平面上的辐射单元耦合。在本示例中，TEM波导106与小于下径向TEM 波导106b的上径向TEM波导106a堆叠。在其它示例中，上径向TEM波导106a可以大于下径向TEM波导106b。上径向TEM波导106a和下径向TEM波导106b通常可以称为第一和第二径向TEM波导106a、106b。为了便于理解，以下讨论将提到上下径向TEM波导106a、 106b，但应理解，“上”和“下”并不旨在限制。
在本示例中，有两个馈电探针108a、108b(通常称为馈电探针108)与馈电网络102的相模馈电端口110耦合。值得注意的是，无需巴特勒矩阵，从而可以节省空间和减少馈电损失。不管辐射单元的数量N是多少，始终有两个相模馈电探针108。在本文所公开的示例中，两个馈电探针108设置在同轴设置(也称为三轴设置)中，但是馈电探针108也可以有其它排列方式，例如，包括多个导体层中的至少一个或多个以及出于阻抗匹配和调谐中至少一个目的而附接的各个环、帽或其它结构的设置。
在图1中，为了清晰起见，将馈电探针108与波导组件130分隔开，但实现时馈电探针 108与波导组件130连接。例如，如图1所示，内馈电探针108a可以与上径向TEM波导106a连接，外探针108b可以与下径向TEM波导106b连接。需要说明的是，如图1所示，外探针 108b不一定由同轴馈电探针108的最外层导体提供。同样地，内探头108a并不一定由同轴馈电探针108的最内层导体提供。在这个特定的示例中，同轴馈电探针108的最内层同轴圆柱体伸进上径向TEM波导106a中(例如，大约伸进波导106a的一半或1/8波长)并且与第 K个相模信号连接。同轴馈电探针108的中间圆柱体的内表面为来自上径向TEM波导106a 的底盘的内表面的第K个相模接口的电流提供返回路径。同轴馈电探针108的中间圆柱体的外表面在下径向TEM波导106b中形成针对第K+1个相模信号的接口并且与下径向TEM波导106b的金属顶盘连接。同样地，同轴馈电探针108的最外层圆柱体的内表面与下径向TEM 波导106b的底盘连接并且为第K+1个相模接口的电流提供返回路径。同轴馈电探针108的这三个同轴导体通过介质材料隔开，它们的底端可以在下径向TEM波导106b的导体底盘处或下方的同一平面上终止。
当相模馈电端口110与相模馈电探针108耦合时，相模馈电端口110均可以根据两个连续阶次相模PK和PK+1中的对应一个分别与天线阵列发射或接收信号对应，下面进一步论述。虽然图1示出了外馈电探针108b与下径向TEM波导106b连接时提供第K+1个相模，内馈电探针108a与上径向TEM波导106a连接时提供第K个相模，但反之亦然，下面进一步论述。
相模馈电端口110与波束转向电路120耦合，波束转向电路120在主端口122处提供转向主波束M。上述引用的美国专利申请案中介绍了合适波束转向电路的示例。
波束转向电路120可以将来自两个相模馈电端口110的信号进行合路，以获得指向期望方向的期望主波束M。例如，可以将天线阵列的两个连续阶次相模进行合并，从而主波束M 实现期望倾斜或极角。结果发现，相模差为1的相模组合产生的主波束M通过简单的相位控制可以更容易进行圆周转向。波束转向电路120可以控制主波束M的径向(即极角)和圆周(即方位角)方向，从而能够在期望方向上扫描天线阵列。相移控制信号155用于控制天线阵列中的辐射单元的相移，以创建所需相模。相移控制信号155用于控制每个径向TEM波导106中的可变相移器(图1未示出)，下面进一步论述。仅仅出于说明目的，可变相移器在各图中示为螺旋形。此外，可变相移器可并入波导组件130中，而且对外不可见。相移控制信号155可以从波束转向电路120或从独立电路输出到可变相移器。波束转向电路120的主端口122处提供的主波束M提供给无线收发器140以供发射/接收。出于干扰抑制或测向等目的，还可以提供辅助信号A1和A2中的一个或两个(参见图7)等辅助输出。
现在描述径向TEM波导106的示例设置。上下径向TEM波导106a、106b的构造构类似，而且以下描述也同样适用于上下径向TEM波导106a、106b。在一个示例中，上下径向 TEM波导106a、106b的不同点在于构造中所使用的介质材料的半径相差半个波长λ。发现上下径向TEM波导106a、106b之间的λ/2半径差能够减少主波束M的旁瓣。但是还可以是其它大小。
这里所描述的示例设置可以适用于平面圆形天线阵列。在一个示例中，每个径向TEM波导106包括大体上平行的导电圆盘，该导电圆盘在介质中间隔约1/4波长。这时，波导组件 130的总厚度小于或等于约半个波长λ。N个辐射单元探针104距离连接每个径向TEM波导 106的顶部和底部圆盘的周向垂直导电壁约1/4波长λ。在所示的示例中，每个径向TEM波导106具有相同数量的辐射单元探针104(对应于天线阵列中的辐射单元的设置)。在下径向TEM波导106b中，辐射单元探针104之间的间距略大于半个波长，在上径向TEM波导106a 中，辐射单元探针104之间的间距略接近半个波长，所有辐射单元探针104之间的平均间距约为半个波长。在其它示例中，两个TEM波导106可以有不同数量的辐射单元探针104，辐射单元探针104之间的间距可以不同。在本示例中，上下TEM波导106中辐射单元探针104 之间的径向间距约为半个波长，但也可以改变。N个外辐射单元探针104使其外导体与顶盘连接，使其内导体向各盘之间的空间伸进约1/8波长λ，但不接触底盘。N个辐射单元探针 104的其它端，即内导体，通过平面或非平面匹配阻抗单元馈电网络与辐射单元连接。这种平面构造可以更容易并入天线阵列和馈电网络中。
现在描述上述示例设置的示例大小和属性。在一些例子中，λ＝1.876mm。在同轴探针和盘之间使用的示例介质具有以下特性：εr＝7.1，使用DuPont 9K7 LTCC材料，f＝60GHz。在每个TEM波导106中，平行金属盘之间的间隔等于0.53mm(即0.2824λ或约λ/4)。一对平行金属顶盘之间的探针高度(限定上径向TEM波导106a)等于0.234mm(即约λ/8)。同轴探针的最内层导体的直径为115μm(约0.0617λ)。中心导体的外径为200μm(约λ/10)。同轴馈电探针组件108中的内导体和中心导体的直径之比与中心导体和外部导体的直径之比相同。因此，最外层导体的外径为348μm或约0.16λ到0.1854λ(不计入金属厚度)。在一些示例中，可以将圆柱体同轴结构添加到每个中心馈电探针108的同轴导体中，从而优化馈电探针与它们各自的径向TEM波导106的阻抗匹配。本示例中的同心内外同轴探针的特性阻抗为12.06 欧姆。
辐射单元探针104的内径和外径分别为115μm(约0.0617λ)和200μm(约λ/10)，或其它有助于辐射单元与径向TEM波导106的阻抗匹配的大小。在上径向TEM波导106a中，辐射单元探针104可以均匀放置在半径约为λ/4的圆的周围，该圆的半径小于将单元探针围绕该圆的圆周按λ/2间隔进行隔开所需的半径，即1.9196mm。连接上径向TEM波导106a的顶部和底部金属盘的垂直导电壁的半径可以为2.3886mm，这样垂直导电壁距离中心比辐射单元探针104距离中心远λ/4。下径向TEM波导106b中的辐射单元探针104可以均匀地以大于上波导106a的外壁λ/4的半径进行隔开，约2.8576毫米，与下径向TEM波导106b的顶盘和底盘连接的外垂直壁的半径可以比其辐射单元探针104的圆的半径大λ/4，约3.3266mm。
同样如上文所述的其它公开中所示，辐射单元本身也可以内置在TEM波导106的顶部金属盘中，例如横向槽，完全省略辐射单元探针104。
图2示意地示出了可变相移器150并入到一个径向TEM波导106，本示例为下径向TEM 波导106b。应理解，类似或相同构造(例如，较小尺寸或相同尺寸)的其它可变相移器150 也可以同样地并入到上径向TEM波导106a中。可变相移器150位于径向TEM波导106b中，使得在辐射单元探针104与对应的相模馈电探针108b之间径向传播的TEM波产生线性范围从0到K2π弧度(对应于径向传播距离Kλ)的电相移，其中传播的方位角方向在径向TEM 波导106b内部。因此，可变相移器150在辐射单元处产生从0相移到整数倍的2π弧度的相移的额外相移，表示为K2π，其中，K为与相模阶次对应的可选整数值，K由相移控制信号 155控制，相移围绕TEM波导106b的平面进行一个完整的物理角周期。相移器150在辐射单元中产生从0到K2π弧度以线性方式进行的相移。也就是说，相移器150在辐射单元中产生的相移与圆中辐射单元的角位置成正比。通常，对于N个均匀间隔的辐射单元来说，可变相移器150在第m个辐射单元处产生等于(mK2π)/N弧度的额外相移。虽然辐射单元在平面圆形天线阵列中排列为圆形，但是第一位置上的辐射单元存在(K2π)/N弧度的额外相移，该相移在圆形方向上呈线性增加(如图2所示的螺旋)。这样，第N个位置(与第一位置相邻) 上的辐射单元就存在K2π弧度的额外相移。在一些示例中，相移控制信号155可以作为与K 成比例的可调电压信号，相移控制信号155可以由波束转向电路120提供，也可以由单独电路提供。
图3为图示可变相移器150的示例液晶模拟实现的示意图。例如，图3所示的示例可变相移器150可以并入到径向TEM波导106的两个盘之间的介质中。在本示例中，可变相移器150为圆形设置，从而在平面圆形天线阵列中产生相移。可变相移器150可以类似地设置为2015年1月23日递交的第14/603,908号美国专利申请案中描述的液晶模拟相移器，其全部内容通过引用的方式并入本文中。在图3的示例中，螺旋相移器150有一个圆环形液晶隔板152。液晶隔板152可以类似于2015年Kuangda Wang和Ke Wu在IEEE国际微波专题讨论会IMS(Proceedings of IEEE International Microwave Symposium IMS)的会刊上发表的“用于 60GHz及以上的毫米波应用的液晶基板集成波导可变相移器(Liquid CrystalEnabled Substrate Integrated Waveguide Variable Phase Shifter for Millimeter-Wave Applications at 60GHz and Beyond)”中所描述的液晶隔板，其全部内容通过引用的方式并入本文中。
多个电极158径向放置在液晶隔板152周围并且通过相同的电阻器153连接。可变相移器150具有接地的第一端154和接收相移控制信号155(可以表示为控制电压)的第二端156。可变相移器150生成一个电场，在辐射单元中产生渐进相移。需要说明的是，电极158的数量并不一定与天线阵列中的辐射单元的数量相对应。然而，电极158的数量至少与辐射单元的数量相等，以确保辐射单元中产生的相移从0到K2π以线性方式增加，从而产生K阶相模。可以使用可变相移器150的其它设置。例如，天线阵列具有非圆形排列的辐射单元，可变相移器150相应地为非圆形。需要说明的是，可变相移器150放置在径向TEM波导106中，以占用相模馈电探针108与辐射单元探针104之间的环状区域。
图4示出了波导组件130，其中，在每个径向TEM波导106中并入了相应的可变相移器150。为了清楚起见，图4示出了分解图中的上下TEM波导106a、106b和馈电探针108。在本示例中，上径向TEM波导106a设有第一可变相移器150a，在径向TEM波导106a周围产生从0到K2π的线性相移，从而产生K阶相模。下径向TEM波导106b设有第二可变相移器 150b，在径向TEM波导106a周围产生从0到(K+1)2π的线性相移，从而产生第K+1阶相模。下面将进一步讨论，相模的阶次可以相反，这样下径向TEM波导106b产生K阶相模，上径向TEM波导106a产生K+1阶相模。可变相移器150a、150b可以通过公共相移控制信号155 来控制，其中通过合适的电路将相移控制信号155分路和修改成与K和K+1等成比例的单独信号。或者，可以采用两个单独的相移控制信号155，这个两个相移控制信号155分别与K 和K+1成比例。
或者，使用与K成比例的公共相移控制信号155直接控制两个可变相移器150a、150b，再加上一个固定螺旋相移器，如图5中的分解图所示。图5所示的设置与图4的设置类似。但是，第一和第二可变相移器150a、150b都可以通过公共相移控制信号155来控制，这样第一和第二可变相移器150a、150b都会产生从0到K2π的线性相移。其中一个径向TEM波导106(本示例为下径向TEM波导106b)可以设有固定螺旋相移器160，使得在径向TEM波导106b周围产生从0到2π的线性相移。这样，径向TEM波导106b周围的总线性相移为0 到(K+1)2π。因此，图5所示的设置可以与图4中的设置一样，在相模馈电端口110处获得输出，但是图5中所示的设置能够使用单个相移控制信号155直接控制第一和第二可变相移器 150a、150b两者。应理解，可以为上径向TEM波导106a设置固定螺旋相移器160，以从上径向TEM波导106a中获得K+1阶相模。固定螺旋相移器160可以采用类似于图3所示的方式实现，但不需要可变控制。
应理解，可以为上径向TEM波导106a设置固定螺旋相移器160，从而由上径向TEM波导106a产生K+1阶相模。
或者，在辐射单元进行圆极化的情况下，不使用固定螺旋相移器160，而是通过适当的辐射单元方向来实现一阶相模增量。图6为图示圆形天线阵列中圆极化辐射单元的示例方向的示意图。在本示例中，天线阵列170包括排列在内环172和同心外环174中的辐射单元。内环172的辐射单元与上径向TEM波导106a(图6未示出)耦合，外环174的辐射单元与下径向TEM波导106b(图6未示出)耦合。如图6所示，内环172中的辐射单元的极化基准在同一方向对准，外环174中的辐射单元的极化基准在径向方向对准。因此，由于外环174 中的圆极化辐射单元的方向，在外环174中产生一阶相模增量，同时不需要固定螺旋相移器 160。通过图6所示的排列，使用单个公共相移控制信号155(与K成比例)直接控制第一和第二可变相移器150a、150b两者，第一和第二可变相移器150a、150b本质上相同，并且进行控制以提供相同的相移，所以不需要固定螺旋相移器160。
应理解，在辐射单元的极化基准在相反方向进行的情况下，可以采用类似的排列，以实现一阶相模减量。此外，极化基准的径向对准可以在内外环172、174之间切换。也就是说，外环174中的辐射单元的极化基准可以在同一方向上对准，内环172中的辐射单元的极化基准可以径向对准。
因此，图4、图5和图6示出了在相模馈电端口110处实现两个连续阶次相模的替代方法。所实施的方法可以根据成本、大小和天线特性中的任一个或全部等因素来选择。例如，图6所示的设置可以仅限于具有圆极化辐射单元的天线。图4所示的设置可能需要使用两个单独的相移控制信号155，但在选择哪个TEM波导106产生高阶相模时可以提供更大的灵活性。所产生的基本主波束转向效果不依赖于使用图4、图5和图6所示排列的哪一种。可以根据预期波束形状来选择上径向TEM波导106a还是下径向TEM波导106b产生高阶相模，下面进一步论述。
图7示出了波束转向电路120的一个示例，适用于本文所述的示例馈电网络102。波束转向电路120控制主波束M的极角
Figure GDA0002746288070000083
和方位角θs。在图7中，圆形天线阵列的馈电网络102表示为圆形贴片的同心环内的星形形状，圆形贴片表示天线阵列中的辐射单元。星形形状内的螺旋形状表示可变相移器。本示例示出了两个可变移相器，但是上面结合图4、图5和图6 论述的任意设置可以与图7的波束转向电路120一起使用。
在图7中，PK+1和PK信号与波束转向电路120耦合，根据所示电路以幅度和相位的选定比例进行合路。该示例电路包括两个可变比耦合器(variable-ratio coupler，VRC)202，这两个VRC通过将其内部相反相移器的电相位改变±Φ来设置极角
Figure GDA0002746288070000084
每个VRC 202都包括与两个相移器相互耦合的两个混合分路器/合路器，这两个相移器提供相等但相反的相移量。
图8示出了适合用于VRC 202中的示例混合分路器/合路器。混合分路器/合路器可以是 180°混频器。图8示出了混频器中端口之间的关系。
返回参考图7，PK+1信号与设置方位角θs的相移器204耦合。波束转向电路120的输出为主波束M以及辅助信号A1，辅助信号可以用于其它目的，包括干扰抑制、测向和反馈控制中的至少一个。在所示的示例中，信号M和A1从相模信号中形成如下：
Figure GDA0002746288070000081
Figure GDA0002746288070000082
图7中的示例电路提供了主波束的方位角和径向转向。通过控制相模信号的幅度如何组合来控制极角，通过控制相模信号的相位如何组合来控制方位角。相移控制信号155控制馈电网络102的可变相移器产生的相移量，进而确定与波束转向电路120耦合的相模的两个连续阶次(即K和K+1)。采用相移控制信号155，可以选择不同的K值来接入更高阶的相模。通过将相模的高阶进行合路，从而可以在主波束M中实现径向轴倾斜(即极角
Figure GDA0002746288070000085
的更大值)。对于任何径向倾斜方向，相移器204可以在2π(对应于2π的电相移范围)的全物理范围内独立地改变方位角转向方向θs，包括K的不同值。可以通过迭代选择K的不同值(例如，从0开始，每次迭代递增1)和监测来自波束转向电路120的信号来选择K值，以选出K的期望值。例如，监测和控制子电路206可以是波束转向电路120的一部分。监测和控制子电路 206可以包括电路和处理器中的至少一个，以监测一个或两个相模的信号强度并且搜索实现最大信号的K值。可以在将相模合路到主波束M之前监测相模，例如，使用如7所示的反馈，搜索合适的K值。在选择合适的K值后，相移控制信号155可以控制馈电网络102的可变相移器，以获得期望连续阶次相模。主波束M的转向可以采用合适的波束转向技术进行。
图9示出了在波导组件130的示例设置中使用图7所示的电路得到的示例主波束M的辐射方向图的模拟，其中高阶相模(即PK+1)来自下径向TEM波导106b和低阶相模(即PK)来自上径向TEM波导106a，上下径向TEM波导106a、106b之间的半径差为λ/2，由两个 TEM波导106进行馈电的辐射单元位于同一平面上。当K＝0、1、2和3(从左到右示出)时进行图9中的模拟。图10示出了在波导组件130的另一示例设置中使用图7所示的电路得到的示例主波束的辐射方向图的模拟。与图9进行的模拟类似，在针对图10进行的模拟中，上下径向TEM波导106a、106b的半径之差为λ/2，K＝0、1、2和3(从左到右示出)。然而，在图10的模拟中，高阶相模(即PK+1)来自上径向TEM波导106a，低阶相模(即PK)来自下径向TEM波导106b，同心环形天线阵列中的所有辐射单元都位于同一平面上。
可以看出，与图10所示的辐射方向图相比，图9所示的辐射方向图具有更小的旁瓣。另一方面，与图9所示的辐射方向图相比，图10所示的辐射方向图可能提供更好的径向倾斜控制。因此，可以根据不同的应用选择合适的设置。
相比于仅适用对应于K＝0、+1、–1的相模的排列相比，本文所公开的示例能够实现z轴上的更大倾斜，而且尤其在需要有限二维转向时更有用。此外，本文所公开的示例可以减少馈电损失并减少所使用的相移器的数量。例如，由于不需要巴特勒矩阵，因此可以简化馈电网络。与许多传统方法不同，需要控制的相移器的数量是一个固定的小数量，与圆形天线阵列中的辐射单元的数量无关。
所公开的设置可以通过集成在平面结构中的馈电和天线阵列来实现。全平面设置有助于与轴向辐射圆形天线阵列和双轴相模波束转向子系统进行集成。
所公开的设置可以实现任何数量的辐射单元都可以得到馈电，使用的固定数量的相移器与单元数量无关，因此降低了成本，减小了天线尺寸。
虽然本文提供的示例实现了平面圆形天线阵列，但本发明的教示可以用于非圆形天线阵列，包括多边形(例如，正方形)天线阵列。本发明的教示可能适用于填充天线阵列(例如，径向槽阵列)以及部分填充天线阵列。对于多边形天线阵列，可变相移器同样放置在中心同轴相模馈电探针与辐射单元探针之间的环状区域内，相移器沿多边形的周向方向以线性方式进行。虽然本文描述的示例实现了具有两个同心环的辐射单元的天线阵列，但是同心单元的环数可能更多。例如，一个或两个径向TEM波导可以对一个以上环的辐射单元进行馈电。
本文所公开的示例可以对微波和毫米波(millimeter wave，mmWave)天线阵列中的一个或两个有用，例如在密集城市环境中发现的那些小型高容量网络等。例如，小基站回传、 mmWave端到端无线设备或移动卫星通信终(satcom)终端等电子设备可以受益于所公开的示例。
在不脱离权利要求书的主题的情况下，本发明可以体现为其它具体形式。所描述的示例性实施例在各方面都仅仅是示意性的，而不是限制性的。可以组合上述一个或多个实施例中的选定功能以创建未明确描述的替代实施例，适合此类组合的功能在本发明的范围内理解。
还公开了所公开范围内的所有值和子范围。此外，尽管本文所公开和示出的系统、设备和过程可以包括特定数量的元件/组件，但是这些系统、设备和组件可以被修改为包括更多或更少此类元件/组件。例如，尽管所公开的任何元件/组件可以按单数引用，但是本文所公开的实施例可以修改为包括多个此类元件/组件。本文中描述的主题意在涵盖和包含技术上的所有适当更改。

Claims (15)

1.一种用于可转向天线阵列的馈电网络，其特征在于，所述馈电网络包括：
波导组件，包括：
第一径向横电磁(transverse electromagnetic，TEM)波导和第二径向TEM波导，所述第一径向TEM波导包括与所述天线阵列的第一环辐射单元耦合的第一多个辐射单元探针，第二径向TEM波导包括与所述天线阵列的第二环辐射单元耦合的第二多个辐射单元探针；其中所述第一和第二径向TEM波导彼此同心堆叠，所述第一环和所述第二环为同心结构；
放置在所述第一径向TEM波导中的第一可变相移器，所述第一可变相移器用于在所述第一环辐射单元中产生额外渐进电相移，所述电相移与所述第一环辐射单元的角位置成正比、从0到第一整数倍的2π弧度，所述第一整数倍可控；以及
放置在所述第二径向TEM波导中的第二可变相移器，所述第二可变相移器用于在所述第二环辐射单元中产生额外渐进电相移，所述电相移与所述第二环辐射单元的角位置成正比、从0到第二整数倍的2π弧度，所述第二整数倍可控；以及
与所述第一和第二径向TEM波导分别耦合的第一和第二相模馈电探针，所述相模馈电探针提供相应的相模馈电端口，
其中，当所述馈电网络与所述天线阵列耦合时，在所述相模馈电端口处提供两个连续阶次相模，所述相模的阶次可以根据控制所述第一和第二可变相移器的整数倍的至少一个相移控制信号来选择。
2.根据权利要求1所述的馈电网络，其特征在于，从所述第一径向TEM波导中获得所述连续阶次相模的低阶，从所述第二径向TEM波导中获得所述连续阶次相模的高阶。
3.根据权利要求1所述的馈电网络，其特征在于，从所述第一径向TEM波导中获得所述连续阶次相模的高阶，从所述第二径向TEM波导中获得所述连续阶次相模的低阶。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的馈电网络，其特征在于，所述波导组件用于同心圆形天线阵列，所述第一环辐射单元位于内同心环，所述第二环辐射单元位于外同心环。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的馈电网络，其特征在于，所述波导组件用于多边形天线阵列。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的馈电网络，其特征在于，所述第一和第二相模馈电探针同轴设置。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的馈电网络，其特征在于，所述第一和第二可变相移器为液晶模拟相移器。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的馈电网络，其特征在于，采用单独的第一和第二相移控制信号分别控制所述第一可变相移器的第一整数倍和所述第二可变相移器的第二整数倍；控制所述第一可变相移器在所述第一环辐射单元中产生从0到K2π弧度的相移，控制所述第二可变相移器在所述第二环辐射单元中产生从0到(K+1)2π弧度的相移，K为整数；在所述相模馈电端口处提供的所述相模为K阶和K+1阶相模。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的馈电网络，其特征在于，还包括所述第一径向TEM波导中的固定螺旋相移器，所述固定螺旋相移器用于在所述天线阵列的所述第一环内产生从0到2π弧度的额外渐进电相移，其中，所述第一和第二可变相移器由公共相移控制信号来控制。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的馈电网络，其特征在于，所述波导组件用于具有圆极化辐射单元的天线阵列，所述第一和第二可变相移器由公共相移控制信号来控制。
11.一种对可转向天线阵列进行波束转向的装置，其特征在于，所述装置包括：
根据权利要求1所述的馈电网络；以及
波束转向电路，与所述馈电网络的所述相模馈电端口耦合，所述波束转向电路用于将所述两个连续阶次相模进行合并以生成所述可转向天线阵列的主波束，所述波束转向电路控制所述主波束的极角和方位角以将所述主波束指向选定方向。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述波束转向电路包括监测和控制子电路，用于监测至少一个所述相模的信号强度并且为所述相移控制信号提供反馈。
13.一种可转向天线阵列系统，其特征在于，包括：
排列在平面天线阵列中的多个辐射单元，所述多个辐射单元同心排列；
根据权利要求1所述的馈电网络；以及
波束转向电路，与所述馈电网络的所述相模馈电端口耦合，所述波束转向电路用于将所述两个连续阶次相模进行合并以生成所述可转向天线阵列的主波束，所述波束转向电路控制所述主波束的极角和方位角以将所述主波束指向选定方向。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述平面天线阵列为圆形天线阵列，所述辐射单元排列为同心环。
15.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述平面天线阵列为多边形天线阵列，所述辐射单元排列为同心多边形。
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