CN115693180A - 相控阵天线设备 - Google Patents

Abstract

一种相控阵天线设备，包括以空间分布布置的多个天线元件，该空间分布被设计为允许相控阵天线设备向不同方向发射和从不同方向接收叠加的射频信号。每个天线元件定位在相控阵天线设备的对应晶胞内，由此晶胞以不重叠的方式彼此相邻布置。一种在公共馈电点和相应天线元件之间传输天线信号的馈电网络和对应多个相移设备，该馈电网络包括多个天线元件传输线分段，每个分段延伸到天线元件中。相控阵天线设备包括若干馈电传输线分段，由此每个馈电传输线分段包括沿馈电传输线分段分布的多于两个过渡结构，由此每个过渡结构提供馈电传输线分段和对应天线元件传输线分段之间的信号耦合，以将若干专用天线元件传输线分段与相同馈电传输线分段连接。

Description

相控阵天线设备

技术领域

本发明涉及一种相控阵天线设备，其具有以空间分布布置的多个天线元件，该空间分布被设计为允许相控阵天线设备向不同方向发射和从不同方向接收叠加的射频信号，由此每个天线元件定位在相控阵天线设备的对应晶胞（unit cell）内，并且由此晶胞以非重叠方式彼此相邻布置；具有用于在公共馈电点和相应天线元件之间传输天线信号的馈电网络，由此馈电网络包括多个天线元件传输线分段，每个传输线分段延伸到天线元件中；并且具有多个相移设备，由此对于每个天线元件，沿着延伸到所述天线元件中的相应天线元件信号传输线布置对应的相移设备。

背景技术

利用射频信号操作的相控阵天线设备允许发射射频电磁波束，该射频电磁波束可以被电子操纵以在不移动天线设备的情况下指向不同的方向。类似地，许多相控阵天线设备也允许在不移动天线设备的情况下放大来自某个方向的射频波的接收灵敏度。

在大多数相控阵天线设备中，来自发射器的射频电流以正确的相位关系被馈送到个体天线元件，使得来自单独天线元件的射频波叠加，并加在一起以增加期望方向上的辐射强度，并抵消以抑制不期望方向上的辐射强度。为了控制个体天线元件之间的相位关系，来自发射器的功率通过称为移相器的设备被馈送到许多天线元件，所述移相器可以电子地更改对应天线信号的相应相位。对于每个天线元件，相对于其它天线元件的正确相位关系由相应的相移设备定义和预设，从而产生射频波的叠加波束，作为来自所有天线元件的所有射频波的叠加，具有预设方向上的峰值强度。

通常，相控阵天线设备应该由许多小天线元件组成，有时包括以预设空间分布布置的多于一千个天线元件。对于许多相控阵天线设备，大量天线元件以矩阵空间分布的方式布置在一个平面内。天线元件的最小大小通常近似为λ/2，其中λ是要利用相控阵天线设备发射或接收的射频信号的波长。

对于许多相控阵天线设备，每个天线元件被布置在晶胞内，由此晶胞在平面内定义了小区域，该区域专用于布置在该平面内的相应天线元件。该平面可以被分割成多个晶胞，每个晶胞包括一个天线元件，并且通常还包括其它电极或组件的类似图案，由此晶胞以不重叠但是邻接的方式覆盖该平面，并且通常以矩阵形状布置。通常，晶胞没有结构限制，但是可以被视为具有电极和其它组件的重复图案的天线元件周围的区域。晶胞在给定方向上的延伸等于在所述方向上相邻天线元件的距离。

对于每个晶胞，对应的天线元件经由对应的天线元件传输线分段连接到控制单元。在具有天线元件的大量晶胞的情况下，对于对应数量的天线元件传输线分段的空间需求变得巨大，并且显著地限制了天线元件的可用空间。

为了减少单独连接到每个天线元件所需的天线元件传输线分段的总长度，许多相控阵天线设备包括从公共馈电点开始的共同馈电网络，该网络具有少量第一共同馈电传输线分段，每个第一共同馈电传输线分段分支成两个单独的第二共同馈电传输线分段。分支可以重复若干次，从而产生具有级联的共同馈电传输线分段的共同馈电网络，直到在N个分支级之后，最终的共同馈电传输线分段的总数等于每个延伸到对应天线元件的天线元件传输线分段的所需数量。

然而，为了允许成本有效地制造这样级联的共同馈电网络，所有的共同馈电传输线分段被布置在衬底层的相同表面上。由于移相器的电子操纵通常需要偏置线以用于将电场施加到可调介电材料，因此偏置线也必须连接到每个移相器，即晶胞。但是应当避免共同馈电传输线分段与其它共同馈电传输线分段或者与偏置线的任何交叉。如果要避免所有这样的交叉，则这通常需要控制单元和相应天线元件之间的非常长的偏置线长度。因此，这样级联的公司馈电网络对相控阵天线设备的设计以及晶胞和对应天线元件的布置施加了若干限制。此外，如果避免了共同馈电传输线分段的交叉或重叠，则用于公共馈电点和天线元件之间的信号传输的所得到的共同馈电传输线分段的总长度将相当大。较长的传输线分段也会导致信号强度损失增加。

因此，需要在公共馈电点和每个天线元件之间提供更有效和节省空间的信号传输连接布置。

发明内容

本发明涉及前面描述的相控阵天线设备，由此相控阵天线设备包括若干馈电传输线分段，由此每个馈电传输线分段包括沿着馈电传输线分段分布的多于两个过渡结构，由此每个过渡结构提供到对应天线元件传输线分段的信号耦合，由此将若干专用天线元件传输线分段与相同的馈电传输线分段连接。与分支成两个次级共同馈电传输线分段的共同馈电传输线分段相反，馈电传输线分段不分支成两个次级传输线分段，而是包括多于两个过渡结构，由此每个过渡结构允许馈电传输线分段与天线元件传输线分段的信号耦合。因此，单个馈电传输线分段被连接到若干并且可能大量的天线元件传输线分段并对其馈电。这显著减少了将每个具有相应天线元件的晶胞连接到相控阵天线设备的控制单元所需的空间。此外，它便于利用沿着公共馈电传输线分段的公共信号传输来控制和致动每个晶胞。

根据本发明的有利实施例，每个馈电传输线分段沿着或通过多于两个晶胞延伸，并且包括用于所述多于两个晶胞中的每一个的一个过渡结构。因此，提供与控制单元的信号传输连接的馈电传输线分段和每个相应的天线元件之间的距离相对短，这也减少了天线元件传输线分段的空间需求，每个天线元件传输线分段将馈电传输线分段与对应的天线元件连接。

根据本发明的另外方面，每个馈电传输线分段沿着直线延伸。通常，天线元件以及因此还有晶胞在空间上以矩阵形状布置定位。对于这样的矩阵形状布置，馈电传输线分段的路线可以是直线，该直线在两个相邻的晶胞行之间延伸，或者沿着矩阵形状布置的晶胞内的晶胞的直线穿过许多晶胞。沿着直线延伸的馈电传输线分段还减少了由传输线路线内的弯曲或拐角引起的不希望的电磁辐射发射。

根据本发明的有利实施例，馈电传输线分段被实现为具有线形微带电极的微带传输线，该线形微带电极被布置在距接地电极一定距离处。用于将信号耦合到天线元件传输线分段的微带线和过渡结构易于制造。此外，微带线所需的接地电极可能是有用的，以便提供背屏蔽（back shield），该背屏蔽防止电磁辐射发射远离意图方向并朝向晶胞布置的背侧。

在本发明的又另一个并且也是有利的实施例中，馈电传输线分段被实现为差分对传输线，其中两个类似的差分对电极沿着馈电传输线分段延伸。差分对传输线不需要接地电极，这允许针对相控阵天线设备的设计的更多选项。例如，接地电极可以放置在离辐射元件任何距离处，而不考虑馈电传输线分段。此外，沿着差分对传输线的信号传输较少受到相控阵天线设备内出现的并且无法完全避免的干扰电磁辐射发射的影响。此外，将天线元件传输线分段设计为差分对传输线也被认为是有利的。然后，馈电传输线分段和天线元件传输线分段之间的信号耦合所需的过渡结构不需要将传输线的类型从微带传输线改变为差分对传输线。

被认为是本发明的一个非常有利的方面是，每个天线元件传输线分段可以被实现为差分对传输线，其中两个类似的差分对电极沿着天线元件传输线分段延伸，由此天线元件传输线分段的两个差分对电极中的至少一个与对应的馈电传输线分段电隔离。由于天线元件传输线分段的两个差分对电极中的至少一个没有电连接到馈电传输线分段，因此向天线元件传输线的两个差分对电极施加电势差是可能的，该电势差独立于馈电传输线分段的任何电势或电势差。因此，利用具有可调介电材料的相移设备是可能的，其中可调介电材料布置在天线元件传输线的两个差分对电极之间或附近，并且向每个相移设备施加个体偏置电压是可能的。这允许每个晶胞内的天线元件和相移设备的非常简单的设计和操作。

根据本发明的方面，过渡结构包括两个线形过渡电极，由此过渡结构还包括重叠分段，其中两个线形过渡电极中的至少一个的一部分平行延伸，但是在距馈电传输线分段一定距离处，用于从馈电传输线分段到天线元件传输线分段的信号耦合，由此两个线形过渡电极中的每一个延伸到天线元件传输线分段的两个差分对电极中的对应一个中。因此，两个线形过渡电极可以被设计和制造成被设计为差分对传输线的天线元件传输线分段的对应差分对电极的相应末端分段。重叠分段的长度、并且特别是平行延伸但在距馈电传输线分段一定距离处的线形过渡电极的长度，可以被适配为足以提供足够的耦合，但是要尽可能短，以便减小过渡结构所需的空间。因为两个线形过渡电极中的至少一个没有电连接到馈电传输线分段。不需要例如在衬底层的不同表面之间提供电连接的通孔或互连电极结构，这允许简单且节省成本的制造以及过渡结构的节省空间的设计。

为了提供过渡结构的非常节省成本和空间的设计，两个线形过渡电极s之一被设计为平衡-不平衡变换器型（balun-type）线形过渡电极，其相对于另一个线形过渡电极提供180°的相位差。平衡-不平衡变换器型线形过渡电极包括一个U形延迟分段，其内提供了一种简单的手段来为沿着天线元件传输线分段的信号传输提供180°的相位差。

具有若干和可能大量的过渡结构的馈电传输线分段允许馈电传输线分段和对应大量的天线元件传输线分段之间的信号耦合，这使得相控阵天线设备的拓扑具有非常小的占用空间（foot print），这是包括相应天线元件的晶胞所需的，但是当与现有技术中已知的传统相控阵天线设备相比时，提供了非常高的性能和效率以及有利的信噪比。

附图说明

当参考以下详细描述和附图时，本发明将被更充分地理解，并且进一步的特征将变得显而易见。附图仅仅是代表性的，并不意图限制权利要求的范围。事实上，本领域的普通技术人员在阅读以下说明书和查看当前附图时可以领会，在不脱离本发明的创新概念的情况下，可以对其进行各种修改和变化。附图中描绘的类似部分由相同的附图标记指代。

图1图示了具有若干列晶胞的晶胞的矩阵形布置的示意性俯视图，由此沿着一列晶胞的每个天线元件耦合到被设计为微带传输线的馈电传输线分段，

图2图示了通过如图1中所示出的晶胞的一部分的示意性横截面视图，

图3图示了类似于图1中所示出布置的晶胞的矩阵形布置的示意性俯视图，由此朝向相应天线元件延伸的馈电传输线分段以及天线元件传输线分段被设计为微带传输线，

图4图示了通过如图3中所示出的晶胞的一部分的示意性横截面视图，

图5图示了类似于图1和图3中所示出布置的晶胞的矩阵形布置的示意性俯视图，由此馈电传输线分段被设计为微带传输线，并且由此相应的天线元件传输线分段被设计为差分对传输线，

图6图示了通过如图5中所示出的晶胞的一部分的示意性横截面视图，

图7图示了在微带传输线和微带传输线之间提供信号耦合的过渡结构的示意性俯视图，以及

图8图示了在微带传输线和差分对传输线之间提供信号耦合的过渡结构的示意性俯视图。

具体实施方式

图1图示了相控阵天线设备2内晶胞1的矩阵形布置的示意性俯视图。晶胞1的矩阵形布置包括晶胞1的若干列3，由此晶胞1的相邻列3在列3的方向上以小的偏移定位。然而，这样的偏移对于晶胞1的矩阵形布置不是强制性的。

每个不重叠的晶胞1包括朝向天线元件5延伸的天线元件传输线分段4。图1中示意性图示的天线元件5被设计为蝴蝶结偶极天线。天线元件传输线分段4从位于晶胞1的边界附近的过渡结构6沿着若干弯曲朝向位于晶胞1的中心附近的天线元件5延伸。天线元件传输线分段4的至少一部分被用作相移设备7。

对于晶胞1的每一列3，馈电传输线分段8沿着对应的列3延伸，并穿过所述列3内的所有晶胞1。在每个晶胞1内，馈电传输线分段8穿过对应的过渡结构6。在过渡结构6内，沿着馈电传输线分段8传输的射频信号的一部分被耦合到对应的天线元件传输线分段4中，并且沿着该天线元件传输线分段4朝向对应的晶胞1的天线元件5传输。这样的过渡结构6的示例性设计在图8中图示。

对于每个晶胞1，沿着天线元件传输线分段4传输的射频信号的个体相移由对应的相移设备7预设。从每个天线元件5发射的射频信号彼此叠加，从而产生从相控阵天线设备2发射的叠加射频信号的峰值强度，由此可以通过单独控制和预设每个天线元件5（即来自每个晶胞1）的每个射频信号的相移来预设和修改峰值强度的方向。以类似的方式，通过对每个输入射频信号应用正确的相移，增强接收来自相对于由晶胞1的矩阵形布置所定义的平面的特定方向的射频信号的灵敏度，所述输入射频信号由天线元件5接收，并沿着天线元件传输线分段4朝向相应的过渡结构6传输，并馈入到公共馈电传输线分段8中。用于施加和控制每个相移设备7的个体相移所需的偏置电压线必须单独地将每个相移设备7与偏置电压控制单元连接。这样的偏置电压线没有在图中描绘，但是可以在平行于馈电传输线分段8的条形区域内延伸，由此条形区域被布置在相应的馈电传输线分段8和与该馈电传输线分段8相邻但是在天线元件5的相对侧连接到另一馈电传输线分段8的天线元件传输线分段4的行之间。

每个馈电传输线分段8经由共同馈电网络10连接到公共控制单元9。共同馈电网络10包括共同馈电传输线分段11的级联布置，由此从控制单元9开始，每个共同馈电传输线分段11分支成两个连续的共同馈电传输线分段11，直到在最终分支之后，对应的连续共同馈电传输线分段11延伸到对应的馈电传输线分段8中。

由于馈电传输线分段8，在公共控制单元9和每个天线元件5之间传输信号所需的连续的共同馈电传输线分段11的数量和总长度显著减少。由于每个共同馈电传输线分段11需要一些空间和到其它信号传输组件的最小距离，比如例如具有相移设备7的天线元件传输线元件4，这导致晶胞1的矩阵形布置以及因此相控阵天线设备2的更紧凑和节省空间的设计。

图2图示了图1中所示出晶胞1的一部分的截面视图。相控阵天线设备2包括用于馈电传输线分段8的第一衬底层12，以及用于天线元件传输线分段4和相移设备7的两个第二衬底层13。两个第二衬底层13由玻璃制成，并且第一衬底层12也可以由玻璃或任何其它合适的介电材料制成。馈电传输线分段8被设计为微带传输线，在第一衬底层12的第一表面15处具有线形微带电极14，以及在与第一表面15相对的第二表面15’处具有平面形接地电极16。第二衬底层13之一可以与平面形接地电极16直接接触，或者在距平面形接地电极16一定距离处布置，具有例如空气或固体介电材料的中断层，如图2中示例性图示的。

每个过渡结构8在馈电传输线分段8和对应的天线元件传输线分段4之间提供信号耦合，该天线元件传输线分段4被设计为具有两个差分对电极17、18的差分对传输线，这两个差分对电极17、18被布置在相对但面对的表面19、20处的两个第二衬底层13之间。两个第二衬底层13之间的体积填充有可调介电材料，例如可调液晶材料21。在两个差分对电极17、18之间施加电势差导致影响可调介电材料的电场，这导致射频信号的预设相移，该射频信号沿着也充当相移设备7的天线元件传输线分段4传输。通过为晶胞1的每个天线元件5预设个体相移，从天线元件5的矩阵形布置发射的所得到的叠加射频信号的峰值强度的方向可以被预设并适配为在相控阵天线设备2和发射或接收与相控阵天线设备2的叠加射频信号兼容的射频信号的任何其它通信设备之间提供增强的信号通信。

图3和4图示了相控阵天线元件2的另一个实施例。馈电传输线分段8和天线元件传输线分段4二者都被设计为微带传输线。因此，仅需要两个第二衬底层13。馈电传输线分段8的平面形接地电极16和线形微带电极14布置在两个第二衬底层13之间相对但面对的表面19、20处。馈电传输线分段8的线形微带电极14和天线元件传输线分段4的线形微带电极22布置在相同表面19处，由此板形接地电极16布置在另一表面20上。两个第二衬底层13之间的体积填充有可调介电材料，例如可调液晶材料21。图7图示了在馈电传输线分段8和对应的天线元件传输线分段4之间耦合射频信号的过渡结构6的示例性设计。对于每个晶胞1和被设计为贴片天线并且在图3和图4中未示出的对应天线元件5，由于线形微带电极22没有电连接到馈电传输线分段8，因此可以通过在天线元件传输线4的线形微带电极22和板形接地电极16之间施加对应的电势差来预设正确的相移。

图5和图6图示了相控阵天线设备2的另一个实施例，其仅具有两个第二衬底层13，由此馈电传输线分段8被设计为微带传输线，并且由此天线元件传输线分段5被设计为差分对传输线。

图7示意性地图示了过渡结构6的示例性实施例，该过渡结构6可以用于在两个微带传输线之间耦合射频信号。馈电传输线分段8的线形微带电极14沿着直线延伸。天线元件传输线分段4的线形微带电极22的末端分段23形成线形过渡电极，并且与馈电传输线分段8的线形微带电极14平行但在距馈电传输线分段8的线形微带电极14一定距离处延伸，由此线形微带电极22的平行分段的长度被调整和预设，以在馈电传输线分段8的线形微带电极14和天线元件传输线分段4的线形微带电极22之间提供射频信号的强信号耦合。

图8示意性地图示了过渡结构6的另一个示例性实施例，其允许在微带传输线和差分对传输线之间耦合射频信号。第一线形差分对电极17的末端分段24形成线形过渡电极，并且与馈电传输线分段8的线形微带电极14平行但在距馈电传输线分段8的线形微带电极14一定距离处（并且优选地在另一个衬底处）延伸。为了清楚的目的，第一线形差分对电极17利用虚线图示。在末端分段24之后，第一线形差分对电极17沿着U形延迟路线延伸，这导致相对于耦合到第二线形差分对电极18中的信号的180°相移。U形延迟路线也可以被认为是过渡结构6的线形过渡电极的一部分。第二线形差分对电极18可以在有或没有电连接的情况下连接或耦合到馈电传输线分段8的线形微带电极14。图8图示了电连接，其被设计为馈电传输线分段8的线形微带电极14到天线元件传输线分段4的分支线形差分对电极18中的分支。

Claims (8)

1.相控阵天线设备（2），其具有以空间分布布置的多个天线元件（5），所述空间分布被设计为允许相控阵天线设备（2）向不同方向发射和从不同方向接收叠加的射频信号，由此每个天线元件（5）定位在相控阵天线设备（2）的对应晶胞（1）内，并且由此晶胞（1）以不重叠的方式彼此相邻布置；具有用于在公共馈电点和相应天线元件（5）之间传输天线信号的馈电网络，由此馈电网络包括多个天线元件传输线分段（4），每个分段延伸到天线元件（5）中；并且具有多个相移设备（7），由此对于每个天线元件（5），沿着延伸到所述天线元件（4）中的相应天线元件信号传输线（4）布置对应的相移设备（7），其特征在于，相控阵天线设备（2）包括若干馈电传输线分段（8），由此每个馈电传输线分段（8）包括沿着馈电传输线分段（8）分布的多于两个过渡结构（6），由此每个过渡结构（6）提供馈电传输线分段（8）和对应的天线元件传输线分段（4）之间的信号耦合，从而将若干专用天线元件传输线分段（4）与相同馈电传输线分段（8）连接。

2.根据权利要求1所述的相控阵天线设备（2），其特征在于，每个馈电传输线分段（8）沿着或通过多于两个晶胞（1）延伸，并且包括用于所述多于两个晶胞（1）中的每一个的一个过渡结构（6）。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的相控阵天线设备（2），其特征在于，每个馈电传输线分段（8）沿着直线延伸。

4.根据前述权利要求之一所述的相控阵天线设备（2），其特征在于，所述馈电传输线分段（8）被实现为微带传输线，其中微带线被布置在距接地电极（16）一定距离处。

5.根据前述权利要求1至3之一所述的相控阵天线设备（2），其特征在于，所述馈电传输线分段（8）被实现为差分对传输线，其中两个类似的差分对电极沿着馈电传输线分段（8）延伸。

6.根据前述权利要求之一所述的相控阵天线设备（2），其特征在于，每个天线元件传输线分段（4）被实现为差分对传输线，其中两个类似的差分对电极（17,18）沿着天线元件传输线分段（4）延伸，由此天线元件传输线分段的两个差分对电极（17，18）中的至少一个与对应的馈电传输线分段（8）电隔离。

7.根据权利要求6所述的相控阵天线设备（2），其特征在于，所述过渡结构（6）包括两个线形过渡电极，由此过渡结构还包括重叠分段，其中所述两个线形过渡电极中的至少一个的一部分与馈电传输线分段（8）平行但在距馈电传输线分段（8）一定距离处延伸，用于将信号从馈电传输线分段（8）耦合到天线元件传输线分段（4）中，由此两个线形过渡电极中的每一个延伸到天线元件传输线分段（4）的两个差分对电极（17，18）中的对应一个中。

8.根据权利要求7所述的相控阵天线设备（2），其特征在于，两个线形过渡电极之一被设计为平衡-不平衡变换器型线形过渡电极，其相对于另一个线形过渡电极提供180°的相位差。

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