CN111146588A - 相控阵天线 - Google Patents

Abstract

相控阵天线包括若干天线元件、信号馈送入口，信号从信号馈送入口传输到所述若干天线元件或从所述若干天线元件传输到信号馈送入口，并且包括针对每个天线元件的对应的移相设备，由此通过对应的移相设备来修改从信号馈送网络传输到相应的天线元件或从相应的天线元件传输到信号馈送网络的每个信号的相位差，以便根据相控阵天线的辐射的优选方向来调整每个信号的叠加。针对每个移相设备，经由连接到偏置电压驱动器的两个偏置电压电极线来施加偏置电压。偏置电压驱动器包括具有两个输出通道端子的若干输出通道端子对，由此偏置电压驱动器能够向每个端子对施加可调谐输出通道电压差。每个移相设备的这两个偏置电压电极线连接到相应的端子对。

Description

相控阵天线

技术领域

本发明涉及一种相控阵天线，其包括若干天线元件、信号馈送网络，信号从信号馈送网络传输到所述若干天线元件或从所述若干天线元件传输到信号馈送网络，并且包括针对每个天线元件的对应的移相设备，由此通过该对应的移相设备来修改从信号馈送网络传输到相应的天线元件或者从相应的天线元件传输到信号馈送网络的每个信号的相位，以便根据相控阵天线的辐射的优选方向来调整每个信号的叠加，并且由此针对每个移相设备，经由连接到偏置电压驱动器的两个偏置电压电极线来施加偏置电压。

背景技术

针对许多应用，相控阵天线提供了关于在发射器和接收器之间无线地传输的信息信号的接收和发射的许多优点。通过使用相控阵天线，相控阵天线的信息信号传输或信息信号接收的主导方向可以在宽的角度范围上变化，以便增加被发射到给定方向或从给定方向接收的信号强度。

已经存在的相控阵天线包括大量天线元件，所述大量天线元件通常以有规律的模式或矩阵模式布置在平坦水平面（level）上或基板层上。每个天线元件连接到信号馈送网络。如果相控阵天线用于信号发射，则信号馈送网络产生并分配相应的天线信号，所述天线信号被传送到相应的天线元件并导致信息信号的发射，所述信息信号是所有单个天线信号的叠加的结果。如果相控阵天线用于信号接收，则对应的天线元件所接收的相应的天线信号被传送到信号馈送网络，并且所接收的信息信号由所有单个天线信号的叠加组成。在信号馈送网络和天线元件之间，针对每个天线元件存在专用的可调谐移相设备，其允许向沿着移相设备延伸（run）的信号添加可调谐相移。通过向被发射或接收的天线信号添加单独的相移，可以控制天线信号的叠加，以便提供相控阵天线的信息信号传输或信息信号接收的主导方向。

限定由相应的移相设备所生成的相移的可调谐偏置电压通常由偏置电压驱动器施加。针对每个移相设备，利用专用的偏置电压驱动器来操作移相设备是可能的。然而，将每个移相设备与合适的偏置电压驱动器连接需要用于制造和操作相控阵天线的成本和努力。

因此，存在对一种允许容易且成本节省的制造并且还允许导致天线信号的宽范围的相应相移的对应移相设备的容易操作的相控阵天线的需要。

发明内容

本发明涉及一种如上面描述的相控阵天线，其特征在于，偏置电压驱动器包括具有两个输出通道端子的若干输出通道端子对，由此偏置电压驱动器能够向端子对施加可调谐的输出通道电压差，并且特征在于，每个移相设备的两个偏置电压电极线被连接到相应的端子对。

根据本发明的有利方面，偏置电压驱动器具有公共（common）电压输出通道端子以及多个奇数输出通道端子和正好一样多的偶数输出通道端子，由此偏置电压驱动器能够以如下方式进行操作：任何奇数输出通道端子和公共电压输出通道端子之间的电压差的极性与任何偶数输出通道端子和公共电压输出通道端子之间的电压差的极性相反，并且由此每个端子对包括奇数输出通道端子和偶数输出通道端子。

根据本发明的实施例，每个奇数输出通道端子被布置成邻近对应的偶数输出通道端子，由此奇数输出通道端子和邻近的偶数输出通道端子形成端子对。允许使用已经开发并且当前用于不同的应用领域中的多输出通道驱动器被认为是本发明的又一优点。合适的驱动器可以是多通道数字到模拟转换器，其被实现为集成电路并且广泛用于许多不同的应用和电压范围。

存在可用的所谓的源极（source）驱动器IC，所述源极驱动器IC专用于控制和操作具有大量像素的液晶显示器（LCD），针对其必须以大的精度和短的响应时间施加单独的偏置电压。即使在显示器应用内每个通道被连接到对应的像素并且专用于控制所述像素，也可能且有利的是将两个通道相应地组合成端子对并将移相设备连接到这样的端子对，即将单个移相设备连接到这样的源极驱动器的两个输出通道，即优选地连接到一个偶数通道和一个奇数通道。这样的专门的源极驱动器IC通常用于操作具有点反转的LCD面板，由此源极驱动器IC的操作控制被适配成通过在相对于固定公共电压的相反极性的电压值之间迅速切换来操作每个输出通道。例如，已经开发了供在显示器应用中使用的专门的源极驱动器IC，其向第一输出通道端子提供正电压值并且向紧密接近或邻近第一输出通道端子的第二输出通道端子提供负电压值，由此正电压或负电压被产生作为与公共电压的电压差，所述公共电压通常在源极驱动器IC的电压范围的中间。第一输出通道端子可以是奇数输出通道端子，并且第二输出通道端子可以是邻近的偶数输出通道端子。除相反的极性之外，第一输出通道端子的电压值可以与第二输出通道的电压值相同或不同。利用预设的定时，成对输出通道的极性改变，例如相对于相同的公共电压从正电压改变成负电压和从负电压改变成正电压，而针对每个输出通道并且因此针对每个端子对，对应的电压值可以被单独地预设成电压范围内的电压值。这样的专门的源极驱动器IC似乎非常适合与根据本发明的相控阵天线一起使用。此外，这样的专门的源极驱动器是以低成本大量可获得的商业现成产品。

然而，在已知的显示器控制应用中每个输出通道用于将相对于固定的公共电压的适当电压差施加到显示器的单个像素或单元，根据本发明每个移相设备连接到两个输出通道，但是未连接到固定的公共电压，这允许充分使用偏置电压驱动器的电压范围，而不管通常被预设成在源极驱动器IC的范围内的中间值的固定的公共电压。因此，有利的是：通过不将公共电压用作专用于常规LCD应用且对常规LCD应用有用的参考电压来扩大可实现的电压范围，而是组合具有相对于公共电压的相反极性的输出通道。通过将这样的输出通道组合成端子对，对应的移相设备的液晶分子可以利用较高的偏置电压完全驱动，这是非常有利的，因为适用于相控阵天线的液晶材料通常需要比LCD的饱和电压更高的饱和电压。利用显示器控制应用，施加到像素或单元的最大电压差是输出通道的最大电压值或最小电压值与固定的公共电压之间的差，而可以施加到移相设备的最大电压差是输出通道端子对的最大电压值与最小电压值之间的差，其与固定的公共电压无关。

因为一个输出通道端子对中的具有相反极性的电压被允许具有不同的幅度，所以本发明的另一有利方面是，在可用于移相器设备的调谐电压范围加倍时，绝对电压分辨率保持不变，并且与常规显示器应用的使用情况相比，相对于全电压范围的分辨率加倍。

将两个邻近的输出通道端子组合以形成与相应的移相设备连接的偏置电压驱动器的端子对是有利的。由于端子对的两个端子的紧密接近，对应的偏置电压电极线可以被布置成紧密接近彼此地从偏置电压驱动器的端子对延伸到移相设备。这允许不具有精心的电极线布置或复杂的电极线模式的短偏置电压电极线。相同或至少类似长度的短偏置电压电极线允许将预设的偏置电压迅速且不受干扰地施加到相应的移相设备，从而减少用于调整每个移相设备以及用于使相控阵天线重新对准朝向新方向的响应时间。

使用扁平柔性电缆也是可能的，所述扁平柔性电缆提供输出通道端子对与刚性扁脚插头的柔性连接，所述刚性扁脚插头允许关于每个移相设备的偏置电压电极线的容易安装和连接。如果需要或有利，则可以在扁平柔性电缆的柔性部分内包括连接线中的一些的重新排序。因此，可能将奇数和偶数输出通道端子的低成本组合提供到端子对中，由此对应的奇数和偶数输出通道端子不邻近彼此，但是在一定距离处并且通过被布置在中间的多个其他奇数和偶数输出通道端子而分离。

根据本发明的有利方面，将移相设备连接到偏置电压驱动器的端子对的两个偏置电压电极线被定位成在端子对和移相设备之间以非重叠的方式紧挨着彼此。非重叠的电极线被容易地制造并有助于减少经由偏置电压电极线施加到移相设备的偏置电压的不期望的干扰。

根据本发明的有利实施例，端子对的这两个输出通道端子被布置在相同水平面处或基板层的相同表面处，并且这两个偏置电压电极线中的那一个包括在两个不同水平面或基板层的两个不同表面之间的导线交叉，其导致在两个不同水平面或基板层的两个不同表面处延伸到对应的移相设备中的这两个偏置电压电极线的连接部分。针对移相设备的一些有利实施例，这样的移相设备包括被布置在移相设备的两个不同水平面处的两个电极或至少两个电极部分。通常，这样的移相设备包括被布置在单个基板层的两个不同表面处或被布置在移相设备的两个不同基板层的两个不同表面处的电极。根据本发明的有利实施例，偏置电压电极线包括被布置在相同水平面上用于连接偏置电压电极线与偏置电压驱动器的端子部分，所述偏置电压驱动器具有在相同水平面上或基板层的相同表面上的端子对。偏置电压电极线还包括用于将偏置电压电极线连接到移相设备的连接部分，但是所述连接部分在不同水平面处或基板层的不同表面处，也就是移相设备的对应电极位于之上的相同水平面或基板层的相同表面处。因此，不同水平面或基板层的不同表面之间的交叉可以被定位在距偏置电压驱动器一定距离处以及距移相设备一定距离处，这允许不太复杂的设计并且允许偏置电压电极线的减小的空间要求。

附图说明

当参考以下详细描述和所附各图时，将更完全地理解本发明，并且另外的特征将变得显而易见。附图仅是有代表性的，并不旨在限制权利要求书的范围。实际上，本领域普通技术人员在阅读以下说明书和查看目前的附图时可以领会，在不脱离本发明的创新概念的情况下，可以对其做出各种修改和变型。附图中描绘的相同部分由相同的参考数字指代。

图1图示了具有4 x 4天线元件矩阵的相控阵天线的示意性顶视图，

图2图示了沿着线II-II取的图1中所示的相控阵天线的剖视图，

图3图示了相控阵天线的偏置电压驱动器的示意性视图，所述偏置电压驱动器以直接驱动配置来连接到图1和2中所示的相控阵天线的若干天线元件，

图4图示了沿着线III-III取的如图3中所示的偏置电压驱动器和连接到偏置电压驱动器的对应天线元件的剖视图，

图5图示了相控阵天线的偏置电压驱动器的另一实施例的示意性视图，所述偏置电压驱动器连接到图1和2中所示的相控阵天线的若干天线元件，

图6图示了可以被用作用于相控阵天线的偏置电压驱动器的与扁平柔性电缆结合的商业上可获得的LCD源极驱动器的透视图，

图7图示了其中偏置电压驱动器也适合于驱动TFT矩阵的源极电压的实施例，以及

图8图示了图7中所示实施例的具有到该实施例的可选添加的区域VIII的放大视图。

具体实施方式

图1和2示出了具有4 x 4矩阵模式的天线元件2的示例性相控阵天线1的示意性顶视图和示意性剖视图，所述天线元件2被布置在相控阵天线1的基板层3的平坦表面的相同水平面上。然而，针对大多数应用，相控阵天线1包括数百或数千个天线元件2。每个天线元件2经由相应的移相设备5连接到信号馈送网络4。为了允许所有天线元件2的天线信号的合适叠加，每个移相设备5由偏置电压驱动器控制，所述偏置电压驱动器将单独的偏置电压施加到相应的移相设备5。每个移相设备5生成沿着移相设备5延伸的对应天线信号的预定相移，其导致由相控阵天线1的天线元件2发射或接收的若干天线信号的有利叠加。通过向所有移相设备施加合适的偏置电压，由相应的天线元件2发射或接收的所有天线信号的叠加将导致用于利用相控阵天线1发射或接收的信息信号的发射或接收的预定方向的有利增强，从而增强信息信号质量和沿着所述方向的信息信号传输的信噪比。

每个移相设备5包括两个移相电极6、7，其通常被布置在两个不同的基板层3、10的不同表面8、9处。在不同的基板层3、10处的这两个移相电极6、7中间布置了可调谐介电材料11，比如例如液晶材料。针对每个移相设备5，可调谐介电材料11的专用储器由这两个基板层3、10和分离器元件限制。通过向这两个移相电极6、7施加偏置电压，所述两个移相电极6、7中间的可调谐介电材料11的介电特性被修改并设置成预定值，导致被施加到沿着该移相设备5传送的天线信号的对应相移。适当的偏置电压必须由图1和2中未示出的偏置电压驱动器提供，并且然后被施加到移相设备5中的每个。

图3和4各自图示了具有相控阵天线1的偏置电压驱动器12的相控阵天线1的一部分的示意性视图和示意性剖视图，所述偏置电压驱动器12被连接到针对相控阵天线1的相应天线元件2的若干移相设备5。在图3中，偏置电压驱动器12以直接驱动配置来连接，即一个输出通道端子对15恰好连接到一个移相设备5。偏置电压驱动器12是常见的并且通常用于操作LCD或类似的显示器面板的商业现成源极驱动器。利用常见的LCD源极驱动器允许相控阵天线的非常低成本的制造。偏置电压驱动器12也可以是经修改的现成源极驱动器，由此可以以低成本和减少的努力来执行（例如配对输出通道端子）所需的修改。每个移相设备5需要被施加到移相设备5的单独的偏置电压，并确定被强加到由对应的移相设备5传输的天线信号上的相移。

偏置电压驱动器12包括多个奇数输出通道端子13和正好一样多的偶数输出通道端子14。偏置电压驱动器12的两个邻近输出通道端子13、14形成由虚线边界指示的端子对15。端子对15的每个输出通道端子13、14通过两个偏置电压电极线16、17导电地连接到专用移相设备5。这两个偏置电压电极线16、17从端子对15延伸到对应的移相设备5的移相电极6、7。针对每个移相设备5，对应的两个偏置电压电极线16、17在端子对15与该移相设备5（即这两个移相电极6、7）之间以非重叠的方式紧挨着彼此延伸。

偏置电压驱动器12与移相设备5的移相电极7中的一个安装在相同基板层10的相同表面9上。连接移相电极7与端子对15的偏置电压电极线17沿着所述基板层10的该表面9延伸。连接被安装在基板层3的表面8上的移相电极6的另一偏置电压电极线16包括在对应的基板层3、10的两个不同表面8、9之间的导线交叉18。因此，两个偏置电压电极线16、17包括与相应的偏置电压电极线16、17连接到的对应移相电极6、7在基板层3、10的相同表面8、9上延伸的连接部分19、20。

图5图示了相控阵天线1的另一实施例的一部分的示意性视图。相控阵天线1的偏置电压驱动器12连接到针对相控阵天线1的相应天线元件2的若干移相设备5。然而，与图3中所示的实施例相反，一些端子对15包括奇数输出通道端子13和偶数输出通道端子14，其由在中间的输出通道端子13、14分离。因此，端子对15中的一些由邻近的输出通道端子13、14形成，并且一些其他端子对15由在距彼此一定距离处的输出通道端子13、14形成。在图5中所示的示例性实施例内，偏置电压电极线16、17的合适布置允许以非重叠方式的移相设备5的连接。

在图3和5中图示的两个实施例中，偏置电压驱动器12是商业上以低成本可获得的常见LCD源极驱动器。用于操作薄膜晶体管LCD的公共电压端子21不被用在相控阵天线1内，并且因此不连接到移相设备5。

图6示出了可以被用作用于相控阵天线1的偏置电压驱动器12的与扁平柔性电缆23结合的商业上可获得的LCD源极驱动器22的透视图。在扁平柔性电缆23内，一些导线可以与允许将远离的或远程的输出通道端子13、14配对成端子对15的其他导线重叠和交叉，如果需要出现的话。然而，在图6中，示出了导线的非重叠布置。扁平柔性电缆23上或内的导线将偏置电压驱动器12与相应的刚性扁脚插头24连接，所述刚性扁脚插头24允许关于延伸到移相设备5的偏置电压电极线的容易安装和连接。

图7示出了相控阵天线1的又一实施例的一部分的示意性视图。该实施例不是向如图3中所示的直接驱动拓扑而是向通常用于操作TFT显示器的TFT矩阵拓扑应用奇数和偶数输出通道端子13、14成端子对15的配对。移相设备5被以行25和列26的阵列布置。除了偏置电压驱动器12之外，还需要附加的栅极（gate）驱动器IC 27，其也是可获得的现成的。针对每个移相设备5，提供对应的薄膜晶体管（TFT）28、29。与移相电极6相关的所有TFT 28的源极端子30连接到奇数输出通道端子13。同样地，与移相电极7相关的所有TFT 29的源极端子31连接到偶数输出通道端子14。相当于有规律的显示器应用，列26接列26地从栅极驱动器端子32向到TFT 28、29的栅极端子34的栅极电压线33施加短的栅极电压脉冲，以便控制和施加到TFT 28和29的漏极并且因此到每个移相设备5的移相电极6和7的所有偏置电压电极线16或17上的电压。

图8图示了图7的区域VIII的放大视图。针对每个移相设备5，保持电容器35可以被布置成与相应的移相设备5平行。以栅极驱动器IC 27的给定刷新速率逐行激活TFT 28、29。如果可调谐介电材料11不能保持偏置电压达足够长的时间，或者如果栅极驱动器IC 27的刷新速率低，则可能需要这些电容器35用于维持和支持偏置电压。

Claims (6)

1.相控阵天线（1），其包括若干天线元件（2）、信号馈送入口（4），信号从所述信号馈送入口（4）传输到所述若干天线元件（2）或从所述若干天线元件（2）传输到所述信号馈送入口（4），并且包括针对每个天线元件（2）的对应的移相设备（5），由此通过对应的移相设备（5）来修改从所述信号馈送入口（4）传输到相应的天线元件（2）或从相应的天线元件（2）传输到所述信号馈送入口（4）的每个信号的相位差，以便根据所述相控阵天线（1）的辐射的优选方向来调整每个信号的叠加，并且由此针对每个移相设备（5），经由连接到偏置电压驱动器（12）的两个偏置电压电极线（16、17）来施加偏置电压，其特征在于所述偏置电压驱动器（12）包括若干输出通道端子对（15），由此每个输出通道端子对（15）包括两个输出通道端子（13、14），由此所述偏置电压驱动器（12）能够向每个端子对（15）施加可调谐输出通道电压差，并且特征在于每个移相设备（5）的所述两个偏置电压电极线（16、17）连接到相应的端子对（15）。

2.根据权利要求1所述的相控阵天线（1），其特征在于，所述偏置电压驱动器（12）具有公共电压输出通道端子（21）以及多个奇数输出通道端子（13）和正好一样多的偶数输出通道端子（14），由此所述偏置电压驱动器（12）能够以如下方式进行操作：任何奇数输出通道端子（13）和所述公共电压输出通道端子（21）之间的电压差的极性与任何偶数输出通道端子（14）和所述公共电压输出通道端子（21）之间的电压差的极性相反，并且由此每个端子对（15）包括奇数输出通道端子（13）和偶数输出通道端子（14）。

3.根据权利要求2所述的相控阵天线（1），其特征在于，每个奇数输出通道端子（13）被布置成邻近对应的偶数输出通道端子（14），由此奇数输出通道端子（13）和邻近的偶数输出通道端子（14）形成所述端子对（15）。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的相控阵天线（1），其特征在于，所述偏置电压驱动器（12）适合于用作用于薄膜晶体管矩阵的源极驱动器。

5.根据任一项前述权利要求所述的相控阵天线（1），其特征在于，将所述移相设备（5）连接到所述偏置电压驱动器（12）的所述端子对（15）的所述两个偏置电压电极线（16、17）被定位成在所述端子对（15）和所述移相设备（5）之间以非重叠的方式紧挨着彼此。

6.根据任一项前述权利要求所述的相控阵天线（1），其特征在于，端子对（15）的所述两个输出通道端子（13、14）被布置在相同水平面处或基板层（3、10）的相同表面（8、9）处，并且在于所述两个偏置电压电极线（16、17）中的一个包括在两个不同水平面或基板层（3、10）的两个不同表面（8、9）之间的导线交叉（18），其导致在两个不同水平面或基板层（3、10）的两个不同表面（8、9）处延伸到对应的移相设备（5）中的所述两个偏置电压电极线（16、17）的连接部分。

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