CN1153317C - 宽带天线阵 - Google Patents

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Abstract

本发明是一个弯曲的对数周期的偶极天线阵(LPDA)，在用作一种线性阵或平面阵的元时，LPDA帮助除去元间距限制因而消除掉网状波瓣问题。LPDA是以周期间隔的线性偶极天线阵的形式为人们所熟知，例如被使用在宽带通讯链路和家庭电视接收中。它们能够被设计成有效地工作在几个倍频程甚至十个倍频程的范围内。

Description

宽带天线阵
技术领域
本发明涉及用在射频天线阵中的辐射元，这些天线出现在例如某些雷达装备中。并且本发明更主要涉及此类天线阵的非常宽频带的工作。
背景技术
电磁能从特殊设计的天线结构发射并被天线所接收，天线结构有多种拓扑形状。最普通和最简单的天线结构常见用于汽车广播无线电接收和家庭电视接收。更复杂的天线结构能在雷达装置中被见到，用于军车和民用目的的运动目标的测距。
最复杂的雷达天线是一类天线阵的例子，采用大量的小天线元，其相互连接的方式设计成不用移动整个阵就能对空间中的电磁能的辐射束进行电子操控。
构成阵的单个天线能够是，例如，简单的偶极天线，其为人们所熟知。这类元被称为基本元并且对于给定的辐射能的频率具有最小的可能尺寸(图1)。偶极天线的臂1a和1b通常每个长为工作频率上的四分之一波长，位于金属底板2上方相距X处，以在所希望的方向Z上给出辐射。传输线3向偶极天线的壁1a和1b供应能量。长度1与直径d之比通常大于10，这在相对于频带的中心频率的百分之几的窄频带范围上给出令人满意的性能。电场矢量用箭头E表示。
天线阵能够用大量的均匀地或非均匀地分布在规定表面面积上的此类天线元组成，并且被选择提供所期望的天线辐射特性。表面可以是平面的或在一个以上的平面内弯曲的，周边可以是任意形状，虽然它通常是圆形，或矩形，或简单地是一直线，它是在矩形的一个边尺寸为零时矩形孔径的退化情况。
图2表示一个位于金属底板6上的M×N个偶极天线元5的矩形阵。通过将天线元置于几何网格4的节点上，阵中的天线元彼此隔开，就性质而言网格可以是例如矩形(如图所示)或者三角形。元5彼此的间距S、P和d不能超过所辐射的电磁能的波长的某个最大百分数率，如果在阵极座标图中不希望的特性要被避免的话。假如这个极大值元间距被超过、企图将阵中的元数目减至最小，则从在阵发射的能量的极座极图中会产生“网状波瓣”(grating Lobes)。网状波瓣是该极座标图的主(基)波瓣的复制品，但是它们是在与主波瓣不同的空间方向上。
在雷达应用中，要在主束和在杂网状瓣束中所探测的目标之间进行区别是不可能的，后者造成二重性。在网状波瓣中所探测到的目标将由雷达信号处理器处理，就像它在主束中被接收并且将被指定在一个完全错误的空间方向上。在雷达和在其它的应用、比如像广播和通讯服务，网状波瓣将一些能量载往无用的空间区域并因此而降低系统的工作效率。
对于大多数窄频带宽的应用，要接受阵元间距限制通常是不可能的。如果辐射图的主束不被电子扫描，图2中的间距d能够达到工作频率上的一个半波长。如果该束要被电子扫描，则间距必须随最大扫描角的增大而减小。对于与阵表面的法线成90度的扫描，该间距减小至个半波长的最小值。
然而，有时候必需在一个宽的频率范围上发射和接收电磁能，例如在捷变频雷达中，该雷达工作在分布于一个规定宽度的频率量程上的一个或多个频率上。频率捷变性能够允许该雷达或战术通讯系统在无论什么性质的干扰将某个频率上的接收淹没时继续工作。捷变性具有在目标探测和信号处理方面的其它优点，在雷达装置特别是应用于军事功能的雷达装置中被普遍地利用。
在此类频率灵敏的军事应用中，通常可期望工作在一个尽可能宽的频带上；至少一个倍频程。这要求单个的阵元能够工作在选定的频率范围上并且在全部工作频率上要求它们互相的间距满足已经说过的最大间隔判据。很清楚，对于传统的阵元比如单个直线型偶极天线这是不可能的。虽然已有的关于宽带偶极天线的设计允许其工作在频带的平均频率的30％左右的带宽上。例如在IEEE天线及传播会刊的1984年4月的第AP-32卷，第4期第410至412页中，由M.C.Bailey描述了一种宽带半波偶极天线并且描述了一种蝴蝶结形状的偶极天线，其长度为工作频带的平均波长的0.32倍，并且已经证明在中心频率600MHz周围33％的带宽上具有可接受的性能，此带宽依据这样一个判据决定的，即输入电压驻波比(VSWR)不应超过2.0。
即便可能使偶极天线在频率的倍频程改变的范围上能够辐射，却不可能满足为确保在倍频程上无网状波瓣辐射所必需的间距条件，此辐射是从由大量此种偶极天线所构成的阵发射的。偶极天线的长度应在最低频率处的一个半波长和最高频率处的一个半波长之间，所以阵中偶极天线之间的间隔必定超过最高频率处的半波长，如果要想避开偶极天线之间的物理干扰的话。
在前面提到过的天线与传播学会IEEE全刊的文章中所描述的蝴蝶结天线的数字模型，利用经证明的分析软件数字电磁代码(HEC)，已经证明，它不能被设计成工作于倍频程频段上。
在阵型天线中所用的元不一定要是单个偶极天线。如图3中所示的对数周期的偶极天线阵(LPDA)可以被用作一种非常宽带的元，在LPDA中，一系列半波偶极天线以共平面和平行结构的方式被排列在一个平行金属线传输线7上。在图3中所示的5个元的LPDA是LPDA类型天线的代表。在LPDA中所用的偶极天线元的数目取决于所要求的性能特征。在LPDA中的偶极天线的长度和间距对数地增大，与它们对固定坐标参考点8的距离成正比。能量被从馈送点9馈送给LPDA，方向朝向参考点8，馈送点9紧靠偶极天线。
第一个偶极天线和最后一个偶极天线10和11分别被选择以适合感兴超的频带，其能够是几个倍频程或者甚至十倍量程。偶极天线10将被选择的尺寸使其正确地在频带的高频端辐射。金属底板12被置于距离偶极天线11约为最低工作频率上的一个四分之一波长处，以提供单方向的辐射，在该发明对于雷达的应用中这可能是合乎需要的，例如向后方向的辐射对雷达的工作可能有有害的影响。传输线7在传输线与金属底板相交的点A处通过金属底板12被短路，此类LPDA是熟悉的，例如884889号英国专利就描述了这样一种LPDA，并且被广泛使用。由LPDA所发射或接收的电场矢量的方向，即波的极化方向，用头E表示。它位于诸偶极天线的公共平面内(如画的水平面)因为偶极天线的激励电流全部位于该平面内。
平面阵天线可能包括许多LPDA，这些元的排列方式是包含它们各个偶极天线组的平面垂直于此平面阵。图4画出阵中位于矩形网格19节点处的第14至18元。
如此构成的平面阵具有这样的优点即极座标图在与其垂直方向成大角度方向上的旁波瓣与相应的单偶极天线元的阵发出的旁波瓣相比被减小了，这是由于LPDA元的束宽比偶极天线元的束宽窄。然而相同的元间距判据，此判据是为消除网状波瓣而用于偶极天线元阵上的，也适用于LPDA阵，但由于LPDA元的窄束图网状波瓣尺寸将被减小。
LPDA克服了单极元的频率带宽限制，但是，正像单宽带偶极天线一样，它无法满足为抑制由平面阵所产生的网状波瓣所必需的间距判据。例如，在图4中的LPDA 14和15在阵中的安置不能比图3中最长的偶极元11所能允许的更靠近。照此办理，高频元，在LPDA的14和15中的20将被彼此分开大于高频上的一个半波长；事实上对于分开一个波长的情况，如果LPDA被设计成工作于倍频程，网状波瓣会在工作频带的较高频率处生成。
发明内容
本发明的目的是提供一种直线型阵元，它克服了上面提到的问题。
根据本发明，提供一种线性天线阵元，包括许多个不等总长度的弯曲的偶极天线和至少一个较短的非弯曲的偶极天线，所述弯曲的偶极天线具有它们各自的弯曲的极，弯曲方式使得所述偶极天线的端段有相等的长度并且与所述偶极天线的中央段形成一个角度，其中所述中央段的长度与最短的非弯曲的偶极天线的长度相等，所述极交替地连接到由两个导体组成的传输线的各线上，以确保正确的工作激励相位，所述两个导体在垂直平面内是平行的，并且配置为使得每个偶极天线的总长度与它离位于所述传输线上的一个固定参考点的距离之比为常量，并且每个所述偶极天线具有的总长度等于与总频带内所期望的分立的发射和接收频率有关的一个半波长或它的几倍。
端段最好弯成与中央段成直角。
按照本发明的进一步的见解，各个偶极天线的端以段相反的方向放置且实质上位于相同的垂直平面内。
按照本发明另一方面各偶极天线的端段指向相反方向并实质上位于相同的水平面内。
按本发明再一方面，各偶极天线的端段指向相同方向并实质上位于相同水平面内。
根据本发明，提供由大量的按照上述线性天线阵元组成的任意形状的平面阵，其中所述线性天线阵元各具有一个轴并且被以规则的或不规则的间距安装在网格的节点上，网络是矩形的或者是三角形的或者是其它几何形状，使得所述线性天线阵元的轴相互平行并且与所述平面阵的平面成正交。
根据本发明，提供一种通过逐一地或者成双地弯曲按照上述平面阵的表面所构成的任何非平面表面的阵。
本发明除掉了关于平面阵内LPDA的间距的限制，此限制是由LPDA中的最低频率(最长)偶极天线所强加的，因此允许接受平面阵天线在至少一个倍频程频带上工作。
显然，弯曲的LPDA元现在可以理想地配置在一个阵内，该阵包括许多这样的元，相邻元间距遵守网状波瓣抑制判据，因此许可该阵天线束以理想的方式在至少一个倍频程的频带范围上被扫描。
对于特定的系统应用，在阵中可能使用大量的弯曲的LPDA元，在这些应用场合宽带频率捷变能提供一种对由系统接收到的天然的或人为的干扰信号的有用的对抗。
附图说明
现在将参考附图说明本发明的各种实施例，其中
图1-4是现有技术的天线或天线阵；
图5表示一个按照本发明的弯曲的对数周期的偶极天线阵(LPDA)；
图6、7、8和9给出按照本发明的LPDA的另外几种实施例；以及
图10表示一个弯曲的LPDA的平面阵。
具体实施方式
参见图5，图中表示一个弯曲的LPDA，其中单个的偶极天线被配置成“Z”字形的或弯曲的，端段与中央段之间的夹角β彼此相等，因而弯曲的偶极天线能够全部被包含在一个平面内，在所图示的情况中角度β为90度。更具体地，所有的偶极天线的中央段被做成长度相等且等于最高工作频率上的一个半波长。这在长度上(两倍y)与普通的非弯曲的LPDA中最短的偶极天线10相等。90度弯曲的偶极天线的两个端段21a和21b，例如有相等的长度因而总的偶极天线的长度与在图3中表示为13的与它等价的直线型偶极天线相同。因此，LPDA的“宽度”是不变的并且受控于工作的最高频率而与带宽要求无郑。
由许多此种弯曲的偶极天线构成的LPDA能够以几种方式构成。图6至图9给出四种本发明的实施例。这将有助于对说明的理解即将金属底板想象为垂直取向的平面且存在于第二垂直平面内的二条金属传输线与底板相交成直角。
在图6中，包含有构成LPDA的每个偶极天线的平面相互平行并且平行于金属底板。但是由于构成弯曲的LPDA偶极天线具有的电流有分别在水平和垂直平面内的分量(Ih和Iv)，辐射电场矢量E现在不再位于水平平面内了。由LPDA所发射的信号的偏振仍然是线性的但它位于一个斜平面内，并且是由弯曲的偶极天线的组件部分所辐射的电场的水平和垂直分量的矢量和。显然在图6中对于低频偶极天线，臂22a和22b如同分量E1h和E1v一样并且通过矢量相加净低频场E1＝E1h+E1v且相对于水平面倾斜成θ角，其中θ角由tan-1(E1v/E1h)给出。很清楚，对于低频偶极天线θ为极大值。对于高频偶天线θ为0，这是因为高频偶极天线不含有垂直电流分量的缘故。因此由弯曲的LPDA所辐射的电场的极化是线性的且其方向是频率的函数。借助于可逆性相同的说明对于由天线所接收的信号也成立。
在雷达中发射的信号的极化因而还有接收信号的极化原则上是通过对预期目标的性质以及地形地物的干扰的研究来选择的。通常它是水平的，垂直的或45度。依赖于雷达的性质和它的应用，在非常宽的捷变的带宽上工作的能力可能压倒任何由极化随频率旋转而可能导致的缺点。在甚高频(VHF)和超高频(UHF)情况下，当极化是垂直时候明显地得益于较低频率处的衍射而当极化是水平的时候则得益于较高频率(UHF)的叶饰渗透特性(foliage penetration properties)。这些优点能够从由许多图6中所示的弯曲的LPDA元所组成的平面阵获得，如果弯曲的LPDA被设计成复盖VHF和UHF带的适当部分的话。
本发明的第二个实施例为示在图7中。图中弯曲的偶极天线被限定于一个简单的水平平面，对构成馈送传输线24a和24b的导体的微小间距忽略不计。由此实施例的弯曲的LPDA所发射的电场的线极化因此是水平的，作为本发明特殊应用的一种可能的特殊要求，例如较高频率的雷达，衍射和叶蚀渗透机制在那里实质上都不物理要。
已经证明，当偶极天线的端段的弯曲方式使得它们成“C”字造形并且它们以平行的和共平面方式被装配，如像图8所示，当在与图7中所示的实施例的性能相比较时，如此构成的弯曲的LPDA在广角(α)处具有改善了的性能。这是因为由“C”形偶极天线的端段所载的电流大小相等且方向相反，因此由它们所辐射的场的分量会对消掉。当α＝90度时该分量精确地对消且在这个方向上无辐射发生。这对于在如雷达应用的平面阵中所利用的弯曲的LPDA元而言是理想的情况。
第四个本发明的实施例表示在图9中，其中形状为图8所示的弯曲的偶极天线以及馈送它们的传输线是作为一个总的集成化组件在双面的或两单面的印刷线路板26上蚀刻成的。这种构造的方法使得有可能对加工公差和好的重复性进行优良的控制，这在其相应波长非常小的频率上是一个重要的优点。这些偶极天线和传输线可以包含在一片介电材料里，这片材料从包含最大的弯曲的偶极天线的尺寸到超过最短的且非弯曲的偶极天线的尺寸为零的点逐渐变尖。
在上述的每个实施中都可能在阵的末端设置许多非弯曲的偶极天线10。
本发明的按相同的LPDA元的平面阵中的实施例图示在图10中。这些元被安装在正方形网络上，其对应轴相互平行且与构成所说的线性阵的基底的线成直角。
如前面所述，平面阵可以由大量的线性阵元以任意的形状构成。线性阵元可以以规则的或非规则的距离置于网络的节点上。节点可以是矩形的，三角形的或者任意其它的几何形状，其方式应使得诸线性元的轴彼此平行并且与平面阵的平面成直角。
非平面阵既可以通过单独地或者成对地弯曲上述的平面阵的表面来构成。
本发明的应用不局限于VHF和UHF频带，原则上能够被用在任何需要工作在宽带特别是倍频程或者更宽的带宽上的平面阵或线性阵天线中以取得重大的益处，例如雷达，通信，或其它目的。较高的频率上限可通过馈送点和传输线的构造能够达到的精确度来产生。

Claims (17)

1.一种线性天线阵元，包括许多个不等总长度的弯曲的偶极天线和至少一个较短的非弯曲的偶极天线，所述弯曲的偶极天线具有它们各自的弯曲的极，弯曲方式使得所述偶极天线的端段有相等的长度并且与所述偶极天线的中央段形成一个角度，其中所述中央段的长度与最短的非弯曲的偶极天线的长度相等，所述极交替地连接到由两个导体组成的传输线的各线上，以确保正确的工作激励相位，所述两个导体在垂直平面内是平行的，并且配置为使得每个偶极天线的总长度与它离位于所述传输线上的一个固定参考点的距离之比为常量，并且每个所述偶极天线具有的总长度等于与总频带内所期望的分立的发射和接收频率有关的一个半波长或它的几倍。
2.按照权利要求1所述的线性天线阵元，其中所述端段被弯曲成与中央段成直角。
3.按照权利要求1所述的线性天线阵元，其中各个偶极天线的每个端段被定位在相反的方向上且位于一个垂直平面内。
4.按照权利要求2所述的线性天线阵元，其中各个偶极天线的每个端段被定位在相反的方向上且位于一个垂直平面内。
5.按照权利要求1所述的线性天线阵元，其中各个偶极天线的每个端段指向相反的方向并且位于一个水平平面内。
6.按照权利要求2所述的线性天线阵元，其中各个偶极天线的每个端段指向相反的方向并且位于一个水平平面内。
7.按照权利要求1所述的线性天线阵元，其中各个偶极天线的每个端段指向相同的方向并且位于相同的水平平面内。
8.按照权利要求2所述的线性天线阵元，其中各个偶极天线的每个端段指向相同的方向并且位于相同的水平平面内。
9.按照权利要求5所述的线性天线阵元，其中偶极天线和它们各自的传输线导线被蚀刻在印刷线路板上，该板的平面表面是平行的。
10.按照权利要求7所述的线性天线阵元，其中偶极天线和它们各自的传输线导线被蚀刻在印刷线路板上，该板的平面表面是平行的。
11.按照权利要求5所述的线性天线阵元，其中每个传输线的导线和与其相连接的各个极，被蚀刻在印刷线路板的分开的面上。
12.按照权利要求7所述的线性天线阵元，其中每个传输线的导线和与其相连接的各个极，被蚀刻在印刷线路板的分开的面上。
13.按照权利要求7所述的线性天线阵元，其中偶极天线和传输线包含在一片介电材料中，该片介电材料从包容最大的弯曲的偶极天线的尺寸到在超过最短的非弯曲的偶极天极的一个点处的零尺寸逐渐变尖。
14.按照权利要求9所述的线性天线阵元，其中偶极天线和传输线包含在一片介电材料中，该片介电材料从包容最大的弯曲的偶极天线的尺寸到在超过最短的非弯曲的偶极天极的一个点处的零尺寸逐渐变尖。
15.由大量的按照权利要求1所述的线性天线阵元所构成的线性阵，其中所述天线阵元各具有一个轴，所述天线阵元的轴是相互平行的并且与形成所述天线阵的基底的线成直角。
16.由大量的按照权利要求1所述的线性天线阵元组成的任意形状的平面阵，其中所述线性天线阵元各具有一个轴并且被以规则的或不规则的间距安装在网格的节点上，网络是矩形的或者是三角形的或者是其它几何形状，使得所述线性天线阵元的轴相互平行并且与所述平面阵的平面成正交。
17.通过逐一地或者成双地弯曲按照权利要求16所述的平面阵的表面所构成的任何非平面表面的阵。
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