CN113424367A - 具有含堆叠平面的集成滤波器的天线装置 - Google Patents

具有含堆叠平面的集成滤波器的天线装置 Download PDF

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CN113424367A CN202080009933.0A CN202080009933A CN113424367A CN 113424367 A CN113424367 A CN 113424367A CN 202080009933 A CN202080009933 A CN 202080009933A CN 113424367 A CN113424367 A CN 113424367A
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安迪·皮洛托
考塔尔·A·扎基
阿里·阿提亚
约瑟夫·塔罗
泰勒·里德
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Abstract

一种相控阵天线包括多个天线元件，其中每个天线元件是包括与滤波器集成的天线的天线装置。每个天线装置包括多个谐振器，其中谐振器中的至少一些均被包围在金属腔中并且至少一个谐振器被暴露于自由空间以形成辐射器元件。每个天线装置具有至少部分地由辐射器元件的尺寸和辐射器元件在天线装置内的位置确定的滤波器传递函数。相控阵天线的扫描体积取决于天线装置的滤波器的至少一个物理尺寸。

Description

具有含堆叠平面的集成滤波器的天线装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年1月17日提交的题为“Multi-patch Antenna Having AnIntrinsic Filtering Behavior”、案卷号为KII-SC PRO 00011US的临时申请No.62/793,772和2019年8月9日提交的题为“5G Phased Array Antenna Modules”、案卷号为KII-SCPRO 00013US的临时申请No.62/884855的优先权，其均已转让给本受让人并且特此其全部内容通过引用明确并入。
本申请涉及题为“ANTENNAAPPARATUS WITH INTEGRATED FILTER”代理人案号为KII-SC 00011AUS的PCT专利申请和题为“ANTENNA APPARATUS WITH INTEGRATED FILTER”代理人案号为KII-SC 00011A US的PCT专利申请和题为“ANTENNA ARRAY HAVING ANTENNAELEMENTS WITH INTEGRATED FILTERS”代理人案号为KII-SC 00013US的PCT专利申请，均与本申请同时提交，转让给本受让人，并且特此通过引用明确并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及无线通信，并且更具体地涉及天线和天线滤波器。
背景技术
在无线通信系统中，天线用于接收和/或发送电磁信号。在发送期间，发出电能，而在接收期间，捕获电能。在射频(RF)系统中，滤波器被放置在天线后面以抑制系统感兴趣频带之外的任何干扰。滤波器通常被设计为谐振器的互连，谐振器适当地耦合以在所需频带中操作，同时提供足够的选择性。
这种结构的谐振频率与谐振器的物理尺寸和整体结构直接相关。通常，当谐振器的物理尺寸接近半波长时实现谐振。
发明内容
一种天线装置包括与滤波器集成的天线。该天线装置包括多个平面谐振器，其中至少一些谐振器均被包围在金属腔中并且至少一个平面谐振器被暴露于自由空间以形成辐射器元件。天线装置具有至少部分地由平面辐射器元件的尺寸和平面辐射器元件在天线装置内的位置确定的滤波器传递函数。
附图说明
图1A是包括多个天线元件的相控阵天线的框图，其中每个天线元件包括具有集成滤波器的天线装置。
图1B是图1A的相控阵天线内的多个天线元件之一的示例的框图。
图1C是具有集成滤波器的天线装置的框图。
图2A是天线装置的示例的分解透视图的图示，该天线装置包括接地面之间的平面谐振器元件，其中接地面与通孔连接并且其中接地面中的开口提供谐振器元件之间的耦合。
图2B是天线装置沿图2A的A-A的截面侧视图的图示。
图2C是显示外壳是透明的天线装置的透视图的图示。
图3A是天线装置的透视图图示，示出了用于耦合矩阵建模的示例的建模标签。
图3B是图3A的结构的耦合矩阵建模关系的图示。
图4A是具有双线性极化的天线装置的示例的分解透视图的图示。
图4B是沿图4A中的线B-B截取的天线装置的截面顶视图。
图5是具有双极化和谐振腔的天线装置的示例的分解透视图的图示，该谐振腔在针对两个极化的传递函数中生成传输零点。
图6A是具有圆极化的天线装置的示例的分解透视图图示。
图6B是天线装置的透视图图示，示出了用于耦合矩阵建模的示例的建模标签。
图6C是图6B的结构的耦合矩阵建模关系的图示。
图7是天线装置的示例的截面侧视图的图示，该天线装置包括接地面之间的平面谐振器元件，其中接地面与通孔连接并且其中通过接地面的通孔提供谐振器元件之间的耦合。
图8A是天线装置的示例的分解透视图的图示，该天线装置包括接地面之间的平面谐振器元件，其中接地面与通孔连接并且其中不相邻的谐振器元件通过哑铃耦合器耦合。
图8B是天线装置的截面侧视图的图示。
图9是具有由通孔和金属带实现的不相邻交叉耦合的天线装置的示例的截面侧视图的图示。
图10A是相控阵天线和相关联的扫描体积天线方向图的示例的透视图的图示。
图10B是相控阵天线和相关联的扫描体积天线方向图的示例的顶视图的图示。
图10C是相控阵天线的一部分的顶视图的图示。
图10D是相控阵天线的一部分的前视图的图示。
图10E是相控阵天线1000的一部分的侧视图的图示。
具体实施方式
如上所述，滤波器连接到RF系统中的天线以抑制感兴趣频带之外的干扰。由于天线在大多数情况下不能提供所需的选择性，因此天线和滤波器是分开设计的，然后互连以实现所需的功能。滤波器通常被设计为谐振器的互连，谐振器适当地耦合以在所需频带中操作，同时提供足够的选择性和适当的通带阻抗匹配。相控阵天线包括多个天线元件，其中每个天线元件连接到滤波器。通常在常规系统中，天线元件的网格间距使得每个滤波器不能位于与对应的天线元件相邻的位置处。结果，滤波器和天线元件之间的连接可以包括导线、微带线、带状线、导电迹线或其他引入信号损耗的导电连接。此外，在常规系统中，滤波器和天线元件通常是分开实现的，需要在滤波器和天线元件之间插入阻抗匹配网络。这可能导致额外的损耗和扫描体积的减少。在相控阵中，天线看到的有源阻抗随扫描角度而改变，因此阻抗匹配网络必须在天线看到的不同有源阻抗之间提供折衷，以便针对扫描体积内的所有角度实现一定的回波损耗水平。
根据本文讨论的示例，相控阵天线的每个天线元件包括天线装置，该天线装置是具有与滤波器相同的固有行为的辐射结构。结果，滤波器是每个天线元件的一部分，并且相控阵天线提供滤波。可以实现形成天线元件的每个集成滤波器天线装置，以适应比在网格间距内实现滤波器的常规技术可能的那些网格间距小得多的网格间距。结果，与常规天线相比，消除了辐射器和滤波器之间的有损连接，同时以更小的网格间距增加了扫描体积。
应用滤波器的设计方法以创建具有与滤波器相同的固有行为的辐射结构(天线)，以实现形成天线元件的天线装置。例如，发送和接收落在有限通带内的信号，而抑制(或至少显著衰减)通带外的信号。结果，两种功能(辐射和滤波)结合在单个结构中。尽管常规天线在一些频率被衰减的情况下可具有固有的滤波特性，但是通过选择谐振器、辐射器和整体结构的尺寸以及选择与辐射器和结构其余部分之间的关系相关的尺寸，本文讨论的天线装置的示例被设计为具有特定的期望滤波器传递函数。因此，该结构被配置为通过考虑辐射器和包括滤波器组件在内的其他组件之间的相互作用来获得期望的整体频率响应。此外，可以消除互连，减少欧姆损耗，以形成紧凑的结构。紧凑的结构在许多情况下对于独立的单天线系统和多元件天线阵列二者是有益的。如上所述，天线装置的紧凑结构允许将天线装置实现为相控阵天线内的每个天线元件，其中网格间距为半波长或更小。因此，相控阵天线包括滤波功能。由此得到的具有集成滤波的相控阵结构具有如下设计特性：其中滤波器的设计参数确定除其他性能特性外的扫描体积。由于每个天线元件的辐射元件的尺寸至少部分地受到天线装置的谐振器的组件尺寸的限制，谐振器尺寸的选择限制了相控阵天线的网格间距的尺寸。扫描体积至少部分地由网格间距确定，并且因此取决于天线装置中的谐振器之一的至少一个尺寸。
在下面讨论的一些示例中，天线装置包括多个金属贴片谐振器，这些金属贴片谐振器被包围在金属腔内、竖直堆叠并相互耦合。使用一种技术，金属贴片之间的耦合是通过接地面中精确成形的开口或虹膜(iris)实现的。在其他情况下，使用金属柱(有时被称为通孔)的层间电连接用于耦合金属贴片。
所讨论的结构的一个优点是使用谐振器中的一个(辐射谐振器)作为辐射器。辐射谐振器不是完全被包围，允许该结构辐射到自由空间并充当天线。通过所有三个空间尺寸中的尺寸控制以及与自由空间和下面的谐振器的耦合，形成辐射到自由空间的滤波器。因此，天线装置的滤波传递函数至少部分地基于辐射器元件(暴露于自由空间的谐振器元件)与天线装置的另一组件(例如辐射器元件与另一谐振器金属贴片之间的接地贴片)之间的距离。
图1A是包括多个天线元件12的相控阵天线10的框图，其中每个天线元件包括具有集成滤波器的天线装置14。例如，多个天线元件12被固定在框架或其他部件(未示出)中，使得天线元件12相对于其他天线元件保持固定在适当的位置。在一些情况下，整个相控阵结构可以作为单个单元进行移动和定向。在典型的实现中，每个天线元件连接到其他电路，使得可以操纵发送和/或接收信号的相位来改变由相位阵列天线形成的天线波束的方向和/或形状。
天线元件通过网格间距彼此分开，其中天线元件12的尺寸通常确定网格间距。由于天线元件不一定是正方形，因此相控阵网格的第一维度(例如宽度)18上的网格间距16可以不同于第二维度(例如长度)22上的网格间距20。相控阵天线可以包括任意数量的天线元件。对于图1A中的示例，四乘四阵列被示出为包括黑点以指示额外的天线元件可以被包括在两个维度18、22中。阵列可以包括任意数量的元件，其中典型的数量范围从16到数千。每个定向上的天线单元和网格间距的数量通常取决于天线阵列的特定应用。对于根据5G规范操作的基站，天线阵列通常具有64个元件，以8乘8配置布置。多个天线也可以一起操作以形成更大的阵列，例如128、256、512、1024个元件或其他配置。对于室内应用和移动设备，阵列大小较小，通常具有16个元件，以4x4或2x8阵列配置。在一些情况下，水平维度上的扫描体积大于竖直维度上的扫描体积，其中就波长(λ)而言合适的网格间距的示例约为0.45λ乘0.65λ。
对于本文的示例，网格间距沿维度是均匀的，使得沿第一维度18的间距16相同并且沿第二维度22的间距20相同，尽管第一维度间距16可以与第二维度间距20不同。然而，在一些情况下，沿着维度18、22中的至少一个的网格间距可以是不均匀的。
图1B是图1A的相控阵天线10内的多个天线元件12之一的示例的框图。针对本文示例的天线元件12中的每一个是天线装置14，其是包括至少两个彼此耦合的谐振器24、26的集成结构，其中谐振器中的一个是辐射元件24。至少一个其他谐振器26被包围在金属外壳28内。
图1C是具有集成滤波器的天线装置100的框图。天线装置100是辐射滤波器，辐射滤波器中至少两个谐振器彼此耦合并且谐振器中的一个是辐射器。取决于具体实现，天线装置可用于发送、接收或二者。因此，天线装置100是图1A和图1B的天线装置14的示例。对于图1C的示例，天线装置100包括输入谐振器102、中间谐振器104和形成辐射器的输出谐振器106。如下所述，天线装置100可以包括若干中间谐振器104。对于本文的示例，每个非辐射谐振器102、104用金属谐振器元件108、110形成，这些金属谐振器元件位于金属外壳116、118的腔112、114内。金属外壳116、118在工作频率下形成电磁外壳，因此可以不包括没有任何开口的连续金属壁。如下所述，例如，两个平面导电贴片之间的一系列金属柱(通孔)可以形成金属外壳的侧壁，其中两个平面导电贴片形成金属外壳的顶部和底部。在另一示例中，金属屏可用于形成金属外壳。在示例的每个腔内使用除空气之外的电介质(图1C中未示出)。一个金属外壳的一部分可以形成另一个金属外壳的一部分。例如，在用位于接地面层之间的平面导电贴片实现谐振器的情况下，两个相邻谐振器之间的接地面层可以形成下金属外壳的顶部和上金属外壳的底部。
谐振器中的谐振器元件通过耦合120、122彼此耦合。每个耦合120、122可以用诸如柱或螺钉之类的导电元件形成，或者可以用在分隔谐振器元件的接地面内的开口来实现。如下文所讨论的，例如，耦合可以用分隔两个相邻谐振器元件的接地面内的虹膜形成。耦合120、122也可以形成在不相邻的谐振器元件之间。因此，耦合120、122可以是在任何两个谐振器元件之间耦合电磁能的任何机制。
输入谐振器102具有可以连接到信号源或接收器的输入端口124。因此，输入端口124提供到其他设备、组件和电路的接口。天线装置100的从输入端口124通过输出谐振器(辐射器)106的传递函数126至少由非辐射谐振器102、104、耦合120、122和辐射谐振器106的属性以及辐射器相对于其他组件的位置来确定。在大多数情况下，传递函数126还取决于输入端口124的特性。因此，通过选择谐振器102、104、106和耦合120、122的尺寸和以及辐射器106在结构内的相对位置，传递函数126可以被适配或配置为满足特定标准。例如，在谐振器是接地面外壳内的堆叠谐振器元件并且耦合是用接地面中的虹膜形成的实现中，传递函数至少取决于虹膜的形状和大小、谐振器元件之间的距离、谐振器的尺寸、最后一个谐振器(辐射器)与相邻接地面之间的距离以及输入带的大小。因此，天线装置的设计考虑了输出谐振器的属性以及输出谐振器与天线装置结构内的其他组件的相互作用。结果，除了其他设计参数之外，选择辐射器106和相邻接地(图中下方)之间的间隔(距离)以实现期望的整体滤波器传递函数。因此，选择辐射器106与相邻谐振器元件110之间的距离(D1)128以及辐射器106与外壳的接地面之间的距离(D2)130，以提供期望的输出耦合和传递函数。对于本文的示例，输出耦合是通过调整D1 128和D2 130来调整的。此外，如果改变D1 128而不改变D2 130，则选择性被改变而不改变输出耦合。因此，滤波器传递函数通常通过调整距离D1128和D2 130来调整。
结果，除了其他设计参数之外，选择辐射器106和相邻谐振器元件110之间的间隔(距离)以实现期望的整体滤波器传递函数126。更具体地，辐射器106与相邻谐振器元件110之间的距离(D1)128影响滤波器传递函数126的滤波器响应的选择性129，并且辐射器106与相邻接地面132之间的距离(D2)130影响自由空间的输出耦合。在示例中，虹膜122的尺寸影响选择性，类似于D1中的改变。对于本文讨论的示例，相邻接地面132用外壳118的与输出谐振器元件106相邻的部分形成。如本文所讨论的，滤波器传递函数126的选择性129是随频率衰减的滤波器响应的形状。因此，选择性129包括诸如通带和阻带的带宽以及通带和阻带之间的转变特性的参数。因此，至少选择辐射器106与相邻谐振器元件110之间的距离(D1)128以及辐射器106与外壳的接地面之间的距离(D2)130，以提供期望的输出耦合和滤波器响应。如下所述，滤波器传递函数还基于谐振器元件106、108、110的尺寸以及形成谐振器之间的耦合的结构的尺寸。
对于本文的讨论，在作为发送设备和作为接收设备的天线装置之间存在互易性。因此，天线装置的接收和发送属性对于示例是相同的。参考发送讨论的天线装置的特性、设计参数和配置可以应用于当用作接收设备时的天线装置。因此，当天线装置用于接收信号时，辐射器捕获信号并在输入端口处提供输出。更具体地，由于天线装置100是线性无源结构，互易定理适用于其作为发送器和接收器的操作。因此，天线装置100在发送和接收中的行为完全相同。在发送模式中，天线装置100的输入端口124处的信号在辐射器106上感应电流，导致电磁场到自由空间的发送。在接收模式中，到达天线装置100的自由空间中的电磁波在辐射器106中感应电流，该电流进而在天线的输入端口124处产生信号。
图2A是天线装置200的示例的分解透视图的图示，该天线装置200包括接地面之间的平面谐振器元件，其中接地面与通孔连接并且其中接地面中的开口提供谐振器元件之间的耦合。图2B是天线装置200的沿图1C的A-A的截面侧视图的图示。图2C是显示外壳201是透明的天线装置200的透视图的图示。图2A、图2B和图2C不一定是按比例绘制的，并且不只是为了示出元件的相对定位的一般性说明。对于本文讨论的示例，外壳201围绕天线装置结构，除了用于输入端口和辐射器的开口。除了提供附加的屏蔽和接地连接之外，外壳201还提供结构稳定性。用于形成外壳201的合适技术的示例包括使用金属片、金属通孔和二者的组合。然而，在一些情况下可以省略外壳201。
图2A和图2B的示例的天线装置200包括输入谐振器202、两个中间谐振器204、206和输出谐振器(辐射器)208。因此，图2的天线装置200是上面参考图1C讨论的天线装置100的示例。用于谐振器202、204、206的谐振器外壳210、212、214通过用一组通孔216、218、220彼此连接的两个接地面形成。除了形成辐射器的输出谐振器元件222之外，每个辐射器元件224、226、228被包围在由两个接地面和连接在两个接地面之间的一组通孔216、218、220形成的外壳内。两个内部接地面230、232各自形成两个谐振器外壳210、212的一部分。例如，下方中间接地面230形成针对输入谐振器202的输入谐振器外壳210的顶部并且还形成针对下方中间谐振器204的下方中间外壳212的底部。上方中间接地面232形成下方中间谐振器204的下方中间外壳212的顶部并且形成上方中间谐振器206的上方中间谐振器214的底部。例如，形成谐振器的金属贴片结构被包围在外壳201中，只有暴露于自由空间的辐射器和提供进入输入端口的开口。图2A和图2B中未示出外壳201。
除了底部(下方)接地面234之外，接地面230、232、236包括提供相邻谐振器元件之间的耦合的开口238、240、242。在下面讨论的其他示例中，底部接地面可以包括开口，该开口提供到底部接地面下方的谐振腔的耦合。如上所述，接地面中提供耦合的开口可以被称为虹膜。虹膜的尺寸和形状指示耦合的特性。因此，天线装置的滤波器传递函数可以至少部分地用选择虹膜的形状和尺寸来建立。此外，虹膜和谐振器的形状定向确定天线装置辐射方向图的极化。如下面所讨论的，天线装置可以被设计为具有单极化、双极化或圆极化。因此，虹膜的尺寸和形状的选择可用于获得期望的滤波器传递函数和极化辐射方向图。
谐振器元件和接地面通过介电材料(图2A中未示出)彼此分开。在一个示例中，使用印刷电路板(PCB)技术来形成天线装置。因此，接地面和谐振器元件可以用层压在介电材料基板246上的金属片形成。对于本文讨论的示例，使用介电常数大于空气的介电常数的介电材料，并且在一些附图中以阴影线部分示出。为清楚起见，具有分解图的附图没有示出电介质。对于示例，介电材料在结构内是均匀的，尽管在一些情况下可以使用不同的介电材料。一对接地面之间的多个通孔形成每个谐振器外壳的侧壁。输入端口用延伸穿过下方外壳的带状线247的部分形成。可以使用其他技术形成输入。
在另一示例中，输入端口由延伸穿过下方外壳的金属柱或通孔形成。当天线装置200用于发送信号时，发送器连接到输入端口并且射频(RF)信号通过输入端口馈送到天线装置。RF信号由天线装置滤波，并且滤波后的信号从辐射元件辐射。谐振元件的尺寸确定谐振器的谐振频率。对于图2A和图2B的示例，每个谐振元件是矩形金属贴片，并且谐振器元件的大小略有不同。尽管谐振器具有相似的大小，但是每个谐振器的不同负载导致大小不同。确定谐振器的谐振的矩形金属贴片的尺寸是从输入侧延伸到相对侧的距离。因此，对于图2A的示例，距离250、252、254、256确定谐振器的谐振频率。期望的滤波器响应是通过选择电介质、金属贴片的长度、虹膜的长度、接地面和谐振器元件之间的间距、相邻谐振器元件之间的间距以及最后一个谐振器(辐射器)106和相邻接地面132之间的间距D2 130来实现的，该接地面132是图中辐射器正下方的接地。如上面所讨论的，辐射器106与相邻谐振器元件110之间的距离(D1)128影响滤波器传递函数126的滤波器响应的选择性129，并且辐射器106与相邻接地面132之间的距离(D2)130影响到自由空间的输出耦合。因此，对于图2A和图2B的示例，形成辐射器222的金属贴片和形成上方中间谐振器元件228的金属贴片之间的距离248部分地确定滤波器响应的选择性。到自由空间的输出耦合至少部分地取决于金属贴片辐射器222和接地面236之间的距离258。因此，金属贴片辐射器222和金属贴片谐振器元件228之间的距离248是图1C中辐射器106和相邻谐振器元件110之间的距离(D1)128的示例。金属贴片辐射器222和接地面236之间的距离258是图1C中辐射器106和接地面132之间的距离(D2)130的示例。
通过选择谐振器202、204、206、208的尺寸、在谐振器之间形成耦合的结构的特性、和谐振器的组件之间的间距，以及辐射器222的尺寸、形成到辐射器222的耦合的结构的特性、以及辐射器222与其他天线装置200组件的相对位置，天线装置200被构造为具有从输入带状线247到自由空间的期望的滤波器传递函数126。
如下面进一步详细讨论的，天线装置的优点之一包括在沿着辐射平面的任意侧小于半波长(λ/2)的封装中实现滤波器和天线的能力。虽然天线装置可以在具有不同形状和更大大小的区域中实现，但是在一些情况下将大小限制在任意侧上小于半波长(λ/2)是有利的。对于图2C的示例，辐射器所处的外壳201的平面具有小于半波长(λ/2)的宽度248和长度250。在其他情况下，多个天线装置被设置在单个外壳中，单个外壳中每个辐射器在每侧小于λ/2的区域内。在另一些情况下，外壳201的尺寸使得该装置适合在仅在阵列的一个定向上小于λ/2的网格间距内。
图3A是天线装置200的透视图图示，示出了用于耦合矩阵建模的示例的建模标签。图3B是图3A的结构的耦合矩阵建模关系的图示。用于模拟滤波器电路和设计滤波器的一种技术包括耦合矩阵模型，其是可以应用于根据本文的讨论设计天线装置的技术的示例。
在微波和毫米波频率下，带通滤波器通常由互连(即耦合)谐振器构成。谐振器可以以级联连接(即在相邻谐振器之间)耦合，这产生全极点频率响应，或者包括非相邻谐振器之间的耦合，这导致更复杂的频率响应，该频率响应可以包括传输零点。这些滤波器可以用简单的集总元件电路建模。对于同步直接耦合谐振器滤波器的通用2端口模型，可以表示直接耦合(相邻耦合之间)和交叉耦合(非相邻谐振器之间)。电路模拟器可用于模拟电路响应，包括所有可能的耦合(相邻和非相邻)，并且可以包括同步谐振器(由电容器和电感器形成)、导纳逆变器和频率无关导纳。合适的电路模拟器的示例包括N1 AWR MicrowaveOffice和Ansys Designer电路模拟器。一旦定义了滤波器的中心频率和带宽，滤波器电路就可以用矩阵形式表示，称为耦合矩阵。耦合矩阵M的各个条目表示电路的不同组件。对角线元素表示频率无关导纳的虚部，而非对角线条目表示谐振器之间的耦合(即反演常数)。该建模和设计方法用于模拟和设计带通直接耦合谐振器滤波器，并且是可用于设计本文讨论的天线装置的示例的技术的一个示例。对于图3A的示例，谐振器以级联连接耦合，其中相邻谐振器耦合以形成全极点频率响应。该模型还可以应用于到辐射器和从辐射器到自由空间的耦合。
根据一个示例，选择滤波器的中心频率、带宽、通带等波纹回波损耗水平和传输零点的位置。使用这些参数，可以分析计算合成该响应的耦合矩阵。
通过识别控制耦合矩阵的各个元素的物理几何特征，耦合矩阵被转换为实际实现。通常，例如，可以更改谐振器的大小以改变其谐振频率(即，耦合矩阵的相应对角线元素)并且谐振器之间创建的开口的大小可以控制它们之间的耦合量。可以使用不同的方法从电路模式中提取几何值，其中设计过程通常从获得一组初始尺寸开始。过程可以包括查看输入群延迟，或将结构拆分为更简单的块，并将EM模拟与等效块的电路模拟进行比较。在建立初始尺寸后，应用优化设计过程。因此，天线装置的设计包括合成耦合矩阵，该耦合矩阵提供所需的足够通带响应和带外抑制。为了合成该耦合矩阵，谐振器的数量(N)、中心频率(fO)、带宽(BW)和期望的通带等纹波回波损耗值被确定以满足一定的抑制特性。
对于图3A和3B的示例，操纵九个几何尺寸以实现期望的滤波器响应，其中几何尺寸包括形成谐振器元件的四个金属贴片的长度、形成金属贴片之间的耦合的三个开口的宽度、从金属贴片辐射器到接地面的距离以及输入抽头的宽度。图3B的耦合模型将每个几何尺寸与耦合矩阵的条目配对。输入带状线247的输入抽头宽度302控制MS1。输入谐振器元件224的长度304控制M11。形成第一中间谐振器元件226的金属贴片的长度306控制M22。形成第二中间谐振器元件228的金属贴片的长度308控制M33。形成辐射器元件222的金属贴片的长度310控制M44。开口238的长度312控制M12。开口240的长度314控制M23。开口242的长度316控制M34。金属贴片辐射器222和接地面236之间的距离250控制M4L。通过调整和优化耦合矩阵元素，包括与辐射器特性相对应的矩阵元素，可以实现包括滤波器和天线的集成天线装置的期望传递函数。
上面讨论的技术可以应用于天线装置100的其他实现。如下面所讨论的，天线装置100的其他示例包括具有双极化和多个端口的实现、具有圆极化的实现以及具有频率响应中的传输零点的实现。通过适当地修改和应用上面针对特定结构讨论的设计技术，可以模拟和优化这些示例以及其他实现。
图4A是具有双极化的天线装置400的示例的分解透视图的图示。图4B是沿图4A中的线B-B截取的天线装置400的截面顶视图。因此，图4A和图4B的天线装置400是上面参考图1C讨论的天线装置100的另一示例。对于图4A和图4B的示例，天线装置400具有两个输入端口402、404，包括水平极化输入端口402和垂直极化输入端口404。通过调整同一组谐振器和辐射器的尺寸并调整虹膜的形状来实现双定向。每个虹膜406、408、410是两个矩形虹膜412、414的组合，其中具有与输入端口方向垂直的较长尺寸的虹膜耦合来自该输入的信号。来自虹膜(其最长尺寸与输入端口方向平行)的耦合显著少，从而提供两个输入端口和信号之间的隔离。因此，具有垂直于水平输入端口402的方向418的方向的虹膜的第一矩形部分412耦合在水平输入端口402处接收的信号。具有垂直于竖直输入端口404的方向422的长度420的虹膜的第二矩形部分414耦合在竖直输入端口404处接收的信号。每组具有相同定向的矩形部分、谐振器和辐射器功能如参考图2A、图2B、图3A和图3B所述。
图5是具有双极化和谐振腔(辅助谐振器)502的天线装置的示例的分解透视图的图示，该谐振腔502在针对两个极化的传递函数中生成传输零点。对于图5的示例，谐振腔(辅助谐振器)502用金属谐振贴片504形成，金属谐振贴片504被输入谐振器接地面506、另一个接地面508和连接到两个接地面506、508的通孔510包围。辅助谐振器位于输入谐振器512的与其他谐振器的相对侧。金属谐振贴片504通过输入谐振器接地面506中的虹膜516耦合到输入谐振器谐振元件514。例如，虹膜516具有与其他虹膜相同的形状和定向。从一个角度来看，附加谐振腔502提供了一种用于消除特定频率处和附近的能量传输的机制。谐振腔502中的金属谐振贴片504单耦合到输入谐振器。这与至少双重耦合到其他谐振器或结构的输入和输出的其他谐振器不同。结果，贴片504的谐振频率处的能量包含在谐振腔502内并且不能继续朝向辐射器以辐射到自由空间中。这类似于提取极点滤波器的性能，其中单耦合谐振器位于滤波器的不同级以创建频率响应中的传输零点。
图6A是具有圆极化的天线装置600的示例的分解透视图图示。图6A的天线装置600是上面参考图1C讨论的天线装置100的示例，其中中间腔和输入腔是单个腔。因此，天线装置600包括支持天线通带内的两个谐振的输入元件和也支持天线装置的通带内的两个谐振的辐射器。因此，对于图6A的示例，天线装置包括单个腔体602和辐射器604。谐振器元件606和辐射器元件604均在彼此对角线相对的角中具有凹口，以提供每个贴片中包含的两个谐振之间的耦合。辐射器元件604的带凹口的角608、610位于谐振器元件606的未带凹口的角612、614的上方。因此，谐振器元件606的两个带凹口的角616、618直接位于辐射器元件604的未带凹口的角620、622的下方。对于图6A的示例，虹膜624具有使得较长尺寸平行于输入端口626的方向的定向。圆极化可以通过馈送两个具有90度相位差的正交线性极化来实现。这可以用图6A所示的结构来实现，其中辐射贴片维持两个线性极化。角中的内凹提供了每个贴片维持的两个谐振之间的耦合。通过适当地选择输入垫的尺寸和位置、两个贴片的尺寸、内凹的大小、虹膜的大小以及两个贴片之间的内凹的相对位置来实现期望通带中极化和输入匹配之间的90度相位差。通过该配置，可以实现匹配带宽与轴比带宽相同的圆极化天线。
图6B是天线装置600的透视图图示，示出了用于耦合矩阵建模的示例的建模标签。图6C是图6B的结构的耦合矩阵建模关系的图示。如上面所讨论的，耦合矩阵模型是可应用于根据本文的讨论设计天线装置的技术的示例。例如，MS1至少部分地基于输入端口626的宽度650。MS1也可以通过输入端口“步阶”的长度651来控制。在设计技术的示例中，增加宽度650直到实现最大输入耦合。随后增加长度651，直到实现期望的输入耦合。
M11和M22分别基于谐振器元件606的长度652和宽度654。M23和M14分别基于虹膜624的长度656和宽度658。M44和M33分别基于辐射器元件604的长度660和宽度662。M12基于谐振器元件606的带凹口的角616和622的大小664。M34基于辐射器元件604的带凹口的角608和610的大小666。M4V基于辐射器元件和相邻接地之间的距离668。
图7是天线装置700的示例的截面侧视图的图示，该天线装置700包括接地面之间的平面谐振器元件，其中接地面与通孔连接并且其中通过接地面的通孔提供谐振器元件之间的耦合。图7的天线装置700的结构和操作类似于上面讨论的天线装置200，除了耦合是用通孔702、704、706而不是虹膜形成的。输入谐振器元件224通过金属柱或通孔702耦合到第一中间谐振器元件226，金属柱或通孔702穿过两个谐振器元件224、226之间的接地面230内的开口708。第一中间谐振器元件226通过金属柱或通孔704耦合到第二中间谐振器元件228，金属柱或通孔704穿过两个谐振器元件226、228之间的接地面232内的开口710。第二中间谐振器元件228通过金属柱或通孔706耦合到辐射器元件222，金属柱或通孔706穿过谐振器元件228和辐射器元件222之间的接地面236内的开口712。上面讨论的建模和设计技术可用于天线装置700，其中通孔用适当的耦合特性表示。对于图7的示例，通孔的位置和尺寸控制相邻谐振器之间的耦合。
图8A是天线装置800的示例的分解透视图的图示，该天线装置800包括接地面之间的平面谐振器元件，其中接地面与通孔连接并且其中不相邻的谐振器元件通过哑铃耦合器耦合。图8B是天线装置800的截面侧视图的图示。除了哑铃耦合器802将输入谐振器元件804耦合到第二中间谐振器元件806之外，天线装置800的结构和操作类似于上面讨论的天线装置400。哑铃耦合器802可以用连接在贴片810、812之间的金属柱或通孔808形成。对于图8的示例，通孔808穿过接地面816中的虹膜814，穿过第一谐振器元件820中的开口818并穿过接地面824中的虹膜822。因此，由于哑铃耦合器导致的非相邻耦合是通过虹膜的耦合的补充。非相邻耦合允许在传递函数中生成传输零点，从而在设计天线装置时提供更大的灵活性。
图9是具有非相邻交叉耦合的天线装置900的示例的截面侧视图的图示。除了带状线和通孔用于耦合非相邻谐振器之外，天线装置900的结构和操作类似于上面讨论的天线装置200。例如，接地面902、904、906、908用多个通孔910、912彼此连接，并且下方接地面902用多个通孔914连接到上方接地面908。通孔910、912、914在图9中被示为侧壁，尽管它们可以包含多排交错的通孔。
例如，带状线将形成谐振器元件的两个不相邻的金属谐振器贴片连接到连接带状线的通孔，从而耦合两个谐振器元件。带状线916将输入谐振器金属贴片谐振器918连接到通孔920，带状线922将第二中间金属贴片谐振器924连接到通孔920。结果，输入谐振器金属贴片谐振器918耦合到第二中间金属贴片谐振器924。
为了进一步屏蔽通孔920，下方接地面902连接到通孔914。例如，下方接地面902通过金属面926连接到通孔914，并且上方接地面908通过另一金属面928连接到通孔914。除了非相邻谐振器元件918、924之间的耦合之外，图9的示例性结构还包括如以上在其他示例中讨论的相邻谐振器之间的耦合。输入谐振器元件902通过虹膜932耦合到第一中间谐振器元件930。第一中间谐振器元件930通过虹膜934耦合到第二中间谐振器元件924。第二中间谐振器元件924通过虹膜938耦合到辐射器元件936。
因此，通过适当地选择耦合和贴片的尺寸以及辐射器和相邻谐振器之间的距离，天线装置可以被设计为充当直接耦合的谐振器滤波器和天线。通过使用通孔、哑铃探针或与输入谐振器相邻并与其他谐振器相对的附加谐振器来实现非相邻耦合，可以将传输零点引入传递函数。集成结构允许以紧凑格式实现滤波器和天线，这在至少一些实现中具有重要意义。例如，具有适当的滤波器特性和天线辐射方向图和极化的天线装置可以在尺寸小于工作频率处的半波长的区域内实现。
图10A是相控阵天线1000和天线1002的关联扫描体积的示例的透视图的图示，并且图10B是相控阵天线1000和天线1002的关联扫描体积的示例的顶视图的图示。图10C是相控阵天线1000的一部分的顶视图，图10D是相控阵天线1000的一部分的前视图，并且图10E是相控阵天线1000的一部分的侧视图。扫描体积1002表示天线1000可以定向其辐射能量的空间部分。相控阵天线1000包括多个天线元件，其中每个天线元件是具有集成滤波器的天线装置。因此，相控阵天线1000是上面讨论的相控阵天线10的示例。对于图10A和图10B的示例，相控阵天线1000具有第一定向1004上的第一网格间距和第二定向1006上的第二网格间距，其中第二网格间距1006大于第一网格间距1004。对于选定的信号强度或天线增益，相控阵天线的扫描角度是距瞄准线1007的最大角度。由于最大扫描角度至少部分地由网格间距指示，第一定向1004上的扫描角度(α)1008大于第二定向1006上的扫描角度(β)1010，并且扫描体积1002是椭圆形的。在两个定向上的网格间距相同的示例中，天线方向图1002可以是圆形的。
相控阵天线由可以独立控制的若干天线组成。一起工作时，单独的天线或元件可以连接到单独的发送器和接收器或发送器和接收器的组。每个单独天线辐射的电磁波组合和叠加，相长干涉(相加在一起)以增强在期望方向上辐射的功率，而相消干涉(抵消)以减少在其他方向上辐射的功率。当用于接收时，来自各个天线元件的单独电磁电流在接收器中以正确的相位关系组合，以增强从期望方向接收的信号并消除来自不期望方向的信号。相控阵包含用于控制每个元件的幅度和相位以实现“定相”控制的组件。换句话说，阵列是机械静止的，而电磁波是电子控制的。有源电子相控阵(AESA)包括放置在相控阵内的有源元件。天线元件的定相属性和随后的耦合对天线元件提出了有源阻抗控制的附加要求。定相控制的要求确定了元件间距，并且通常在操作频谱上端的半波长附近。相控阵天线允许更有效地使用频谱，并有助于满足常规通信系统的需求。
然而，常规技术的局限性在于，在满足与诸如旁瓣电平、有源回波损耗、效率、阵列增益和扫描体积的参数相关的其他要求的同时，无法实现对阵列内每个天线元件的期望滤波。然而，本文描述的天线装置和技术能够实现满足这些要求的相控阵天线。
用于设计相控阵天线的合适技术的一个示例包括使用电路模拟器应用，其中选择一个或多个尺寸以获得特定特性并系统地设置其他尺寸以调整和补偿其他特性。在用于设计天线阵列的合适技术的示例中，设计从滤波器规格和期望的扫描体积开始。根据扫描体积，确定方位角和仰角的网格间距，以及辐射器贴片和平面金属接地之间的最大距离。根据这些值，计算出滤波器的最大输出耦合，以及基于该耦合的电路模型，合成耦合矩阵以满足在最大输出耦合值约束下的滤波器规格。根据该电路模型，如上面参考单独天线元件(天线装置)的设计所描述的获得结构的尺寸。
显然，鉴于这些教导，本领域的普通技术人员将容易想到本发明的其他实施例和修改。以上描述是说明性的而不是限制性的。本发明仅受以下权利要求的限制，当结合上述说明书和附图来看时，该权利要求包括所有这样的实施例和修改。因此，本发明的范围不应参照上面的描述来确定，而是应参照所附权利要求及其全部等效范围来确定。

Claims (20)

1.一种相控阵天线，包括：
多个天线元件，每个天线元件包括：
辐射元件；
接地元件，与所述辐射元件相邻；以及
谐振器，通过所述接地元件耦合到所述辐射元件，所述相控阵天线具有至少部分地由所述谐振器的大小确定的扫描角度。
2.根据权利要求1所述的相控阵天线，其中，
每个辐射元件是平面金属贴片辐射器；
每个接地元件是平面金属接地贴片；
每个谐振器包括金属外壳内的平面金属谐振器贴片；
所述平面金属谐振器贴片具有长度和宽度；
所述相控阵天线在第一维度上的第一网格间距受所述长度限制；
所述相控阵天线在第二维度上的第二网格间距受所述宽度限制；
在第一定向上的所述扫描角度至少部分地由所述第一网格间距确定；以及
在第二定向上的所述扫描角度至少部分地由所述第二网格间距确定。
3.根据权利要求2所述的相控阵天线，其中，每个平面金属谐振器贴片具有输入端口，并且每个天线元件被配置为：当电磁信号被施加到所述输入端口时，根据从所述输入端口通过所述平面金属贴片辐射器到自由空间的滤波器传递函数，从所述平面金属贴片辐射器辐射电磁能，
所述滤波器传递函数至少部分地由所述平面金属贴片辐射器和所述平面金属谐振器贴片之间的距离确定。
4.根据权利要求3所述的相控阵天线，其中，所述滤波器传递函数的选择性至少部分地基于所述平面金属贴片辐射器和所述平面金属谐振器贴片之间的距离。
5.根据权利要求3所述的相控阵天线，其中，所述滤波器传递函数的到自由空间的输出耦合至少部分地基于所述平面金属贴片辐射器和所述平面金属接地之间的距离。
6.根据权利要求3所述的相控阵天线，其中，所述平面金属接地贴片中的开口创建耦合器，以将所述平面金属谐振器贴片电耦合到所述平面金属贴片辐射器。
7.根据权利要求3所述的相控阵天线，其中，金属外壳由所述平面金属接地贴片和通过一组金属柱连接的另一平面金属接地形成。
8.根据权利要求3所述的相控阵天线，其中，每个天线元件被配置为：当电磁信号被施加到所述输入端口时，根据圆极化从所述平面辐射器元件辐射电磁能。
9.根据权利要求3所述的相控阵天线，其中，每个平面金属谐振器贴片具有另一输入端口，并且每个天线元件被配置为：当所述电磁信号被施加到所述输入端口时，根据右手圆极化RHCP从所述平面辐射器元件辐射电磁能；并且当所述电磁信号被施加到所述另一输入端口时，根据左手圆极化LHCP从所述平面辐射器元件辐射电磁能。
10.根据权利要求3所述的相控阵天线，其中，在自由空间中的所述电磁信号的频率下，所述第一网格间距和所述第二网格间距小于二分之一波长。
11.一种相控阵天线，包括：
多个天线元件，每个天线元件包括：
输入平面谐振器元件，具有输入端口；
平面辐射器元件，电耦合到所述输入平面谐振器元件；以及
平面接地元件，设置在所述平面辐射器元件和所述输入平面谐振器元件之间，
每个天线元件被配置为当电磁信号被施加到所述输入端口时，根据从所述输入端口通过所述平面辐射器元件到自由空间的滤波器传递函数，从所述平面辐射器元件辐射电磁能，
所述滤波器传递函数至少部分地由所述平面辐射器元件和所述输入平面谐振器元件之间的距离确定。
12.根据权利要求11所述的相控阵天线，其中，所述滤波器传递函数的选择性至少部分地基于所述平面辐射器元件与所述输入平面谐振器元件之间的距离。
13.根据权利要求11所述的相控阵天线，其中，所述滤波器传递函数的到自由空间的输出耦合至少部分地基于所述平面辐射器元件和所述平面接地元件之间的距离。
14.根据权利要求11所述的相控阵天线，其中，每个天线元件的平面接地元件中的开口创建耦合器，以将所述输入平面谐振器元件电耦合到所述平面辐射器元件。
15.根据权利要求11所述的相控阵天线，其中，穿过所述平面接地元件中的开口的金属柱将所述输入平面谐振器元件连接到所述平面辐射器元件，以将所述输入平面谐振器元件电耦合到所述平面辐射器元件。
16.根据权利要求11所述的相控阵天线，其中，所述输入平面谐振器在由接地面元件和通过一组金属柱连接的另一接地面元件形成的谐振器外壳内。
17.根据权利要求11所述的相控阵天线，其中，每个天线元件被配置为：当电磁信号被施加到所述输入端口时，根据圆极化从所述平面辐射器元件辐射电磁能。
18.根据权利要求17所述的相控阵天线，其中，所述输入平面辐射元件具有另一输入端口，每个天线元件被配置为：当所述电磁信号被施加到所述输入端口时，根据右手圆极化RHCP从所述平面辐射器元件辐射电磁能；并且当所述电磁信号被施加到所述另一输入端口时，根据左手圆极化LHCP从所述平面辐射器元件辐射电磁能。
19.根据权利要求11所述的相控阵天线，还包括：
外壳，围绕每个天线元件，除了提供进入所述输入端口的输入开口和暴露所述平面辐射器元件的辐射开口之外。
20.根据权利要求11所述的相控阵天线，其中，在自由空间中的电磁信号的频率下，所述平面辐射器元件沿所述平面辐射器元件的每一侧小于二分之一波长。
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