CN116598758A - 用于相控阵列的单位单元天线 - Google Patents

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CN116598758A CN202310102291.4A CN202310102291A CN116598758A CN 116598758 A CN116598758 A CN 116598758A CN 202310102291 A CN202310102291 A CN 202310102291A CN 116598758 A CN116598758 A CN 116598758A
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Abstract

本申请公开了用于相控阵列的单位单元天线。提供了天线元件和天线阵列，其包括用于生成或接收射频(RF)信号的天线元件。该天线元件包括：介电层，其包括第一表面和与第一表面相对的第二表面；第一偶极子天线，其包括第一天线段和第二天线段，该第一偶极子天线形成在第二表面中；第二偶极子天线，其包括第一天线段和第二天线段，该第二偶极子天线形成在第二表面中；耦合段，其电容性耦合到第一偶极子天线的第二天线段和第二偶极子天线的第二天线段中的每一个；以及短接销，其电容性耦合到耦合段并从第一表面延伸到第二表面。

Description

用于相控阵列的单位单元天线
背景技术
相控阵列天线(“PAA”)是包括多个子天线(一般被称为组合式天线的单位单元(unit cell)、天线元件、阵列元件或辐射元件)的一种天线类型，这些子天线在PAA内被排列成有序栅格。馈送阵列元件的各个信号的相对振幅和相位可以以这样一种方式改变，即对PAA的总辐射模式的影响在期望的方向上被增强并在非期望的方向上被抑制。换句话说，可以生成或形成可指向或转向到不同方向的波束。发射或接收PAA中的波束指向是通过控制来自PAA中的每个天线元件的发射或接收信号的振幅和相位来实现的。个体辐射信号被组合以形成由PAA产生的相长干涉图案和相消干涉图案，从而产生一个或多个天线波束。然后，PAA可被用于在方位角和仰角上快速地指向一个或多个波束。
PAA可以连接到执行波束形成和波束指向的各种电子器件。PAA被提供为使得PAA可以发射和接收射频(RF)能量。在发射模式中，由连接的电子器件生成的电信号被馈送到天线元件，天线元件将电信号转换为辐射能量。在接收模式中，每个天线元件从传入信号中捕获部分RF能量，并将该RF能量转换为馈送到连接的电子器件的独立电信号。当前解决方案利用相邻天线元件之间的狭窄间隙来实现低频和扩展所需的电容。然而，当设计被定标到毫米波(mmWave)频率时，制造这些狭窄间隙是困难和昂贵的。
发明内容
所公开的示例参考附图在下面详细描述并在下面列出。提供以下摘要以说明本文公开的示例或实施方式。但是，这并不意味着将所有示例限制为任何特定的配置或操作序列。
在一种实施方式中，提供一种用于生成或接收射频(RF)信号的天线元件。该天线元件包括：介电层，其包括第一表面和与第一表面相对的第二表面；第一偶极子天线，其包括第一天线段和第二天线段，该第一偶极子天线形成在第二表面中；第二偶极子天线，其包括第一天线段和第二天线段，该第二偶极子天线形成在第二表面中；耦合段，其电容性耦合到第一偶极子天线的第二天线段和第二偶极子天线的第二天线段中的每一个；以及短接销，其电容性耦合到耦合段并从第一表面延伸到第二表面。
从下列附图、描述和权利要求中，本领域技术人员可以容易地看出其他技术特征。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中类似的附图标记表示类似的部件：
图1A示出了根据本公开的各种实施方式的天线阵列的单位单元的透视图；
图1B示出了根据本公开的各种实施方式的天线阵列的单位单元的侧视图；
图1C示出了根据本公开的各种实施方式的天线阵列的单位单元的俯视图；
图2示出了根据本公开的各种实施方式的包括多个单位单元的天线阵列的俯视图；
图3A示出了根据本公开的各种实施方式的天线阵列的单位单元的底部透视图；
图3B示出了根据本公开的各种实施方式的天线阵列的单位单元的仰视图；
图3C示出了根据本公开的各种实施方式的包括多个单位单元的天线阵列的俯视图；
图4示出了天线系统的框图，其天线阵列包括本公开中所公开的天线元件；以及
图5示出了飞行器的透视图，其具有包括本公开所公开的天线元件的一个或多个阵列天线；
在整个附图中，相应的附图标记指示相应的部件。
具体实施方式
将参考附图详细描述各种示例。在可能的情况下，在整个附图中将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。贯穿本公开的涉及特定示例和实施方式的引用仅被提供用于说明目的，但是，除非相反地指出，这并不意味着限制所有实施方式。
如本文所引用，相控阵列天线(PAA)包括多个发射器，并且被用于高频RF应用(如雷达、5G或无数其他应用)中的波束形成。PAA中的发射器的数量可以从几个到数千个不等。使用PAA的目标是通过利用两个或更多个辐射信号之间的相长干涉来控制发射波束的方向。这在天线界被称为“波束形成”。更具体地，PAA通过调整发送到阵列中的每个发射器的驱动信号之间的相位差来实现波束形成。这允许将辐射模式控制并定向到目标，而不需要天线的任何物理运动。这意味着沿特定方向的波束形成是准全向发射器(例如偶极子天线)之间的干涉效应。
当前的解决方案利用被排列形成单位单元的辐射偶极子天线元件。然后可以排列多个单位单元，以在几乎具有任何期望尺寸和天线孔径的三角形网格阵列中集体形成超宽带电子扫描PAA。偶极子天线元件利用相邻偶极子天线元件之间的狭窄间隙(有时为1或2毫米宽)来实现低频和扩展所需的电容。此外，当制造用于毫米波频率操作的尺度的设计时，本已狭窄的间隙变得更加狭窄，制造起来更加困难和昂贵。
因此，本公开的实施方式承认并考虑到与制造PAA和以毫米波频率操作PAA相关的挑战。因此，本公开提供了一种在三角形网格阵列中的超宽带电子扫描PAA，其包括电容性耦合到偶极子天线元件的一个或多个印刷金属段，从而消除对窄偶极子间的间隙的需要。超宽带电子扫描PAA进一步包括连接到一个或多个印刷金属段的一个或多个短接销，以抑制不必要的共模或盲点，并在不影响低频扩展的情况下扩展操作的高频端。这样一来，RF性能在超宽频率带宽和大扫描量上得到提高，同时降低了相关的制造成本。
在一些实施方式中，超宽带电子扫描PAA分别向机载或移动车辆发送RF信号并从其接收RF信号，而无需实现机械运动部件。在一些实施方式中，超宽带电子扫描PAA被用于通信系统和其他应用，包括传感器、利用固态发射/接收模块(TRM)的有源电子扫描阵列(AESA)、利用AESA的无线电探测和测距(RADAR)和/或电子战(EW)，例如军事和/或商业移动通信。因此，超宽带电子扫描PAA提供了一种高性能、轻量化、小轮廓和负担得起的解决方案，以满足具有挑战性和不断发展的任务需求。
相控阵列在向移动平台提供双向通信能力方面非常有用，因为它能够在无需机械移动天线的情况下执行波束形成。例如，通过将相控阵列天线电子地转向来跟踪卫星而不是机械地移动天线，飞行中的飞行器可以利用相控阵列天线与一个或多个卫星进行通信。当飞行器在飞行时，可以使用相控阵列的电子转向而不是传统天线的机械转向来以电子方式补偿飞机的俯仰、偏航和滚转。这提高了数据连接的可靠性。在EW应用中，相控阵列可以作为使用指向目标的波束形成的干扰机进行操作。超宽带提供了参与频率多样化目标的额外能力。在诸如信号情报(SigInt)的仅接收模式下，超宽带覆盖了更宽频谱上的感兴趣信号。
在一些实施方式中，超宽带电子扫描PAA是使用印刷电路板(PCB)制造技术实现的，以提供相控阵列设计和射频(RF)电路集成的灵活性。在某些情况下，相控阵列的单位单元由包含天线元件的PCB形成。这些单位单元可以按需要进行组合以形成PCB阵列，从而允许相控阵列的几何形状的灵活性。
图1A-图1C示出根据本公开的各种实施方式的天线阵列的单位单元(unit cell)。图1A示出单位单元100的透视图，图1B示出单位单元100的侧视图，并且图1C示出单位单元100的俯视图。图1A-图1C中示出的单位单元100仅用于图示说明。可以将各种元件添加到单位单元100，从单位单元100中省略各种元件等等，而不偏离本公开的范围。
如本文所描述。单位单元100可以是用于相控天线阵列(PAA)的RF构造块，诸如下文更详细描述的天线阵列200。例如，如果一个或多个单位单元100被实现在PCB上，则形成单位单元的各个PCB可以被排列成阵列以形成PAA。
单位单元100包括第一层102和第二层130。第一层102包括介电衬底并且可以被称为底层。然而，根据单位单元100被观看的方向，第一层102可以看起来出现在单位单元100的侧面或顶部上。第一层102包括在底表面102-1上形成信号接地的薄金属涂层以及在蚀刻出边缘耦合辐射偶极子天线的顶表面102-2上的金属涂层。
第二层130被设置成与第一层102相对。第二层130包括介电上层(superstrate)并且可以被称为顶层。然而，根据单位单元100被观看的方向，第二层130可以看起来出现在单位单元100的侧面或顶部上。第二层130提高了整体扫描性能，并用作抗腐蚀的环境屏蔽。
单位单元100还包括多个偶极子天线104、106、108，这些偶极子天线是蚀刻在第一层102的顶表面102-2上的边缘耦合辐射偶极子天线。换句话说，在顶表面102-2中形成或蚀刻出偶极子天线104、106、108中的每一个。每个偶极子天线104、106、108包括两个独立的偶极子段。例如，单位单元100包括包含第一偶极子段104-1和第二偶极子段104-2的第一偶极子天线104、包含第一偶极子段106-1和第二偶极子段106-2的第二偶极子天线106，以及包含第一偶极子段108-1和第二偶极子段108-2的第三偶极子天线108。在一些实施方式中，每个偶极子段被称为臂。例如，第一偶极子段104-1在这里可以被称为第一偶极子臂，第二偶极子段104-2在这里可以被称为第二偶极子臂，以此类推。每个偶极子天线的第一段和第二段被相应的间隙126隔开。例如，第一偶极子段104-1和第二偶极子段104-2被间隙126隔开，第一偶极子段106-1和第二偶极子段106-2被间隙126隔开，并且第一偶极子段108-1和第二偶极子段108-2被间隙126隔开。
第一层102还包括蚀刻在顶表面102-2中的多个金属段122。特别地，金属段122包括第一金属段122-1、第二金属段122-2和第三金属段122-3。金属段122提供偶极子天线104、106和108的交叉点。在一些实施方式中，偶极子天线104、106和108与金属段122配对以创建等边三角形。如下文更详细描述的，金属段122和短接销120的组合(如下所述)通过提供至接地的更短共模路径，将谐振推到更高的频率并超出感兴趣波段，并扩展包括单位单元100的天线的高频阻抗匹配，从而抑制不希望的共模谐振。
每个金属段122电容性耦合到单位单元100内的两个偶极子天线，在金属段122和偶极子天线之间存在间隙124。例如，金属段122-1通过间隙124电容性耦合到偶极子天线104-2并通过间隙124电容性耦合到偶极子天线106-2，金属段122-2通过间隙124电容性耦合到偶极子天线104-1并通过间隙124电容性耦合到偶极子天线108-2，并且金属段122-3通过间隙124电容性耦合到偶极子天线106-1并通过间隙124电容性耦合到偶极子天线108-1。
单位单元100还包括在第一层102的顶表面102-2处的多个印刷金属耦合段，每个耦合段分别电容耦合到两个偶极子天线。例如，如图1A所示，单位单元100包括第一耦合段110、第二耦合段112和第三耦合段114。第一耦合段110电容耦合到第一偶极子天线104和第二偶极子天线106，第二耦合段112电容耦合到第一偶极子天线104和第三偶极子天线108，并且第三耦合段114电容耦合到第二偶极子天线106和第三偶极子天线108。在一些实施方式中，耦合段110、112、114包含有金属材料，例如铜。耦合段110、112、114电容性加载各个偶极子天线104、106、108以抵消接地面(即第一层102的底表面102-1)的电感，并增加阻抗带宽的下截止点。
在一些实施方式中，耦合段110、112、114被提供在偶极子天线104、106、108和金属段122上方，使得偶极子天线104、106、108和金属段122被提供在耦合段110、112、114与底表面102-1之间。在其他实施方式中，耦合段110、112、114和金属段122被提供在偶极子天线104、106、108下方，使得耦合段110、112、114和金属段122被提供在偶极子天线104、106、108与底表面102-1之间。通过将相应的耦合段提供到偶极子天线之间的每个接合部(junction)，消除了对耦合段110、112、114之间的窄偶极子间隙的需要。耦合段110、112、114进一步增加了相应偶极子天线之间的电容耦合，以进一步提高低频阻抗匹配。
如图1B所示，在第一层102和第二层130之间提供耦合段110、112、114。例如，如图1B所示，当从侧面观察单位单元100时，第一层102是底层，耦合段112和114被提供在第一层102上方，并且第二层130被提供在耦合段112和114上方。
单位单元100还包括多个通孔116。通孔116在偶极子天线104、106、108处横穿底表面102-1与顶表面102-2之间的第一层102。每个偶极子天线104、106、108连接到一个通孔116以将偶极子天线104、106、108接地并且连接到另一通孔116以连接到同轴馈线。换句话说，对于每个偶极子天线，通过穿过衬底的一个金属通孔将一个臂接地，并且通过另一通孔将另一臂连接到同轴馈线。这提供了一种经济有效的方式在2:1或更大的带宽上对偶极子天线馈电。
在一些实施方式中，同轴馈线是提供供电以激发偶极子天线104、106、108的电馈线。当发射RF信号时，同轴馈线供应RF功率以在相应偶极子天线104、106、108中生成电共振，然后生成期望的RF信号。当接收RF信号时，同轴馈线接收RF功率，该RF功率是在接收RF信号时在相应偶极子天线104、106、108中感生的。在一些实施方式中，同轴馈线激发了一些应用所必需的正交双线性线偏振。在其他实施方式中，可能需要双圆偏振或单圆偏振。
例如，如图1A所示，第一偶极子段104-1连接到通孔116-1以将第一偶极子天线104接地，并且第二偶极子段104-2连接到通孔116-2，同轴馈线通过该通孔连接到第一偶极子天线104。类似地，第一偶极子段106-1连接到通孔116-3以将第二偶极子天线106接地，并且第二偶极子段106-2连接到通孔116-4，同轴馈线通过该通孔连接到第二偶极子天线106，并且第一偶极子段108-1连接到通孔116-5以将第三偶极子天线108接地，并且第二偶极子段108-2连接到通孔116-6，同轴馈线通过该通孔连接到第三偶极子天线108。
用于将偶极子天线接地的通孔(例如，通孔116-1、116-3和116-5)通过浮雕切口118与底表面102-1上的薄金属涂层接触。浮雕切口118可以通过蚀刻底表面102-1上的薄金属涂层的一些部分以创建底表面102-1中的孔洞来形成，通孔116-1、116-3和116-5可以在这些孔洞处延伸到顶表面102-2。特别地，如图1A所示，通孔116-1对应于第一浮雕切口118-1，通孔116-3对应于第二浮雕切口118-2，并且通孔116-5对应于第三浮雕切口118-3。
单位单元100还包括多个短接销120。短接销120包含印刷金属结构。例如，短接销120可以包含铜。每个短接销120横穿底表面102-1与顶表面102-2之间的第一层102至金属段122之一。例如，第一短接销120-1耦合到第一金属段122-1，第二短接销120-2耦合到第二金属段122-2，并且第三短接销120-3耦合到第三金属段122-3。
在一些实施方式中，短接销120中的每一个电容性耦合到相应的耦合段110、112、114。例如，短接销120-1电容性耦合到耦合段110，短接销120-2电容性耦合到耦合段112，并且短接销120-3电容性耦合到耦合段114。例如，在短接销120与其相应的耦合段110、112、114之间提供间隙128。在其他实施方式中，短接销120可以直接连接或耦合到相应的耦合段110、112、114，从而消除了间隙128。
通过实现短接销120，不需要的共模或盲点被抑制，并在不影响低频扩展的情况下扩展更高的频率，因为短接销120的添加提供了从金属段122到接地面(即第一层102的底表面102-1)的更短路径，这短于需要从通孔横穿偶极子天线至金属段122的路径。例如，在底表面102-1到金属段122-3之间提供的短接销120-3实现了相比于从底表面102-1至通孔116-4、至偶极子天线106-1并横穿间隙124至金属段122-3来说更短的至顶表面102-2的路径。相应地，短接销120提高了在较高频段的性能，而耦合段110、112、114提高了在较低频段的性能，从而扩展了高频和低频性能。
如图1A和图1C所示，接地电抗和电容耦合辐射偶极子电抗被调谐以使其部分相互抵消，从而在超宽带宽和大扫描体积上实现稳定且性能良好的有源阻抗匹配。以三角形提供偶极子天线104、106、108及其各自的同轴馈线，通过适当调整进入或离开每个同轴馈线的RF信号的振幅和相位或时间延迟，使在天线孔径处形成圆极化无线电波。与非三角形设计相比，三角形布局还提供了更对称的交叉极化排斥和/或更好的扫描方位角的轴比(axial ratio)性能。
如图1B所示，各自偶极子天线104、106、108之间的角度约为六十度，就像等边三角形一样。例如，第一偶极子天线104被提供成相对于第二偶极子天线106和第三偶极子天线108中的每一个成60度角，并且第二偶极子天线106被提供成相对于第三偶极子天线108成60度角。但是，这些实施方式仅供图示说明，不应被理解为是限制性的。可以在不脱离本公开的范围的情况下以六十度以外的角度提供偶极子天线104、106、108。
在一些实施方式中，单位单元100的水平尺寸被限定为满足频段上的最大尺度角要求，而从偶极子天线104、106、108到水平接地面(即底表面102-1)的竖直距离被限定为将向后辐射重新定向到向前方向并提供用于阻抗带宽调谐的额外机制。偶极子天线104、106、108与耦合段110、112、114之间的间隙大小，偶极子天线104、106、108和耦合段110、112、114的形状和宽度，以及第二层130的电厚度提供了改善整体扫描性能的其他调谐机会。
在一些实施方式中，如本文所述，在每个偶极子天线104、106、108与顶表面102-2之间提供同轴馈线。在其他实施方式中，提供的不是同轴馈线，而是具有同轴过渡部的带状线。同轴馈线或带有同轴过渡部的带状线连接到包括低噪声和功率放大器、延时或波束转向设备和其他信号调节设备在内的有源电子设备，以形成有源电子扫描天线系统。
在一些实施方式中，单位单元100被称为天线元件。在其他实施方式中，单位单元100的各个元件，即第一层102、偶极子天线104、106、108、耦合段110、112、114、通孔116、浮雕切口118、短接销120和第二层130，在这里均被称为个体天线元件。
图2示出根据本公开的各种实施方式包含多个单位单元的天线阵列的俯视图。图2所示的天线阵列200仅供图示说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以向天线阵列200添加各种元件，从天线阵列200中省略各种元件，等等。
在一些实施方式中，天线阵列200是PAA。如图2所示，天线阵列200包括排列或提供在公共平面中的多个单位单元202。换句话说，每个单位单元202被提供在同一平面中的阵列内。在一些实施方式中，单位单元202-1、202-2、202-3、202-4、202-5、202-6、202-7中的每一个是单位单元100的示例。图2所示的天线阵列200被提供以三角形网格阵列布置的单位单元202。然而，各种实施方式都是可能的。在一些实施方式中，可以使用单位单元202以准圆形、准椭圆形、菱形或任何其他合适的布置来提供天线阵列200。虽然图2中示出了七个单位单元202，但应当理解的是根据实现天线阵列200的应用或任务需求可以在天线阵列200中实现更多或更少的单位单元202。
天线阵列200包括多个耦合段204。多个耦合段204中每一个都可以是耦合段110。耦合段204可以被设置成耦合到高达六个不同的偶极子天线。例如，耦合段204-1、204-1、204-3中的每一个耦合到对应于三个不同单位单元202的六个不同偶极子天线。相应地，在一些实施方式中，提供单个耦合段204以电容性耦合来自不止一个单位单元202的偶极子天线。
在一些实施方式中，图2所示的单位单元202边界被移位以用于设计的实际实现。例如，当将该设计实现为天线阵列200时，可以将单位单元202边界向左、向右、向上或向下移位。应当理解的是，单位单元202边界是不可见的，因为在各个单位单元202之间不存在分隔壁或障碍物，但是仅为了易于图示说明而提供该边界。
虽然在此描述的天线阵列以三角形网格来提供，但是各种实施方式都是可能的。可以以任何合适的布局将天线阵列提供在PCB中以发射和接收信号。例如，可以以三角形网格、图3C所示的矩形网格或任何其他合适的布局来提供天线阵列。
图3A示出根据本公开的各种实施方式的天线阵列的单位单元的底部透视图。图3B示出根据本公开的各种实施方式的天线阵列的单位单元的仰视图。图3A和图3B所示的单位单元300仅供图示说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以向单位单元300添加各种元件，从单位单元300中省略各种元件，等等。
如本文所描述，单位单元(例如单位单元100)可以以不同于图1A-图2中所示的三角形阵列的附加布局来提供。例如，图3A和图3B示出了以矩形阵列提供的单位单元300。单位单元300包括第一层302和第二层316。第一层302可以是第一层102并且包括介电衬底并且可以被称为底层。但是，根据单位单元300被观看的方向，第一层302可以看起来出现在单位单元300的侧面或顶部上。第一层302包括在底表面302-1上用于形成信号接地的薄金属涂层以及在顶表面302-2上蚀刻出边缘耦合辐射偶极子天线的位置上的金属涂层。
第二层316被设置成与第一层302相对。第二层316包括介电上层并且可以被称为顶层。然而，根据单位单元300被观看的方向，第二层316可以看起来出现在单位单元300的侧面或顶部上。第二层316提高了整体扫描性能，并用作抗腐蚀的环境屏蔽。
单位单元300还包括偶极子天线304、306，其为蚀刻在第一层302的顶表面302-2中的边缘耦合辐射偶极子天线。每个偶极子天线304、306包括两个独立的偶极子段。例如，单位单元300包括包含第一偶极子段304-1和第二偶极子段304-2的第一偶极子天线304以及包含第一偶极子段306-1和第二偶极子段306-2的第二偶极子天线306。在一些实施方式中，每个偶极子段被称为臂。例如，第一偶极子段304-1在这里可以被称为第一偶极子臂，并且第二偶极子段304-2在这里可以被称为第二偶极子臂。
单位单元300还包括在第一层302的顶表面302-2处的多个印刷金属耦合段，每个耦合段分别电容性耦合到两个偶极子天线。例如，单位单元300包括电容性耦合到第一偶极子天线304和第二偶极子天线306的耦合段308。在一些实施方式中，耦合段308包含有金属材料，例如铜。耦合段308可以类似于耦合段110、112、114。耦合段308电容性加载各个偶极子天线304、306以便像单位单元100中的耦合段110、112、114那样抵消接地面(即第一层302的底表面302-1)的电感并增加阻抗带宽的下截止点。
在一些实施方式中，耦合段308被提供在偶极子天线304、306上方以使得偶极子天线304、306被提供在耦合段308与底表面302-1之间。在其他实施方式中，耦合段308被提供在偶极子天线304、306下方以使得耦合段308被提供在偶极子天线304、306与底表面302-1之间。
单位单元300还包括多个通孔310。通孔310在偶极子天线304、306处横穿底表面302-1与顶表面302-2之间的第一层302。每个偶极子天线304、306连接到一个通孔310以将偶极子天线304、306接地并且连接到另一通孔310以连接到同轴馈线。换句话说，针对每个偶极子天线，一个臂通过穿过衬底的一个金属通孔来接地，而另一个臂通过另一通孔连接到同轴馈线。这提供了一种经济有效的方式在2:1或更大的带宽上对偶极子天线馈电。例如，第一偶极子段304-1连接到通孔310-1并且第二偶极子段304-2连接到通孔310-2。类似地，第一偶极子段306-1连接到通孔310-3并且第二偶极子段306-2连接到通孔310-4。
单位单元300还包括多个浮雕切口312，类似于单位单元100的浮雕切口118。浮雕切口312-1、312-2、312-3、312-4通过蚀刻底表面302-1上的薄金属涂层的一些部分以创建底表面302-1中的孔洞来形成，通孔310可以在这些孔洞处延伸到顶表面302-2。
图3A还示出了一组附加通孔310-5、310-6、310-7、310-8，其在浮雕切口312-1、312-2、312-3、312-4下方延伸到附加浮雕切口312-5、312-6、312-7、312-8。
单位单元300还包括一个或多个短接销314。在一些实施方式中，短接销314与本文描述的短接销120相同。短接销314横穿底表面302-1与顶表面302-2之间的第一层302至耦合段308。通过实现短接销314，不需要的共模或盲点被抑制，并在不影响低频扩展的情况下扩展更高的频率。
图3C示出了根据本公开的各种实施方式包括多个单位单元的天线阵列。图3C所示的天线阵列350仅供图示说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以向天线阵列350添加各种元件，从天线阵列350中省略各种元件，等等。
天线阵列350包括多个单位单元300。每个单位单元300与相邻的单位单元300相关联。相应地，天线阵列350包括多个耦合段308。耦合段308可以被提供以耦合到高达四个不同的偶极子天线，以使耦合段308的耦合段208与附加单位单元300相关联。相应地，在一些实施方式中，单个耦合段308被提供以电容性耦合来自不止一个单位单元300的偶极子天线。
如图3C所示，来自单个单位单元300的一些偶极子天线与不止一个单位单元300相关联。例如，当单位单元300包括具有第一偶极子段304-1和第二偶极子段304-2的偶极子天线304以及具有第一偶极子段306-1和第二偶极子段306-2的偶极子天线306时，第二偶极子段304-2和第一偶极子段306-1均与相邻的单位单元300的耦合段308相关联。
虽然在此描述的天线阵列以矩形网格来提供，但是各种实施方式都是可能的。可以以任何合适的布局将天线阵列提供在PCB中以发射和接收信号。例如，可以以图2所示的三角形网格、矩形网格或任何其他合适的布局来提供天线阵列。
图4示出了带有由本文所公开的单位单元100组成的天线阵列402的天线系统400的框图。在该示例中，天线系统400包括天线阵列402、电源404和控制器406。在该示例中，天线系统402是相控阵列天线(“PAA”)，其包括以发射模式和/或接收模式操作的多个天线元件。更具体地，天线系统400可以是使用单位单元100的三角形网格的前述天线阵列200或者使用如本文描述的耦合段110、112、114和短接销120的可替代形状的天线阵列。因此，天线系统400的单位单元100包括对应的辐射元件，这些辐射元件组合起来能够发射和/或接收RF信号。例如，单位单元100可以被配置为在K带频率范围内操作(例如，对于NATO K带为大约20GHz至40GHz，而对于IEEE K带为18GHz至26.5GHz)。
电源404是向天线系统400中的控制器406提供电力的设备、部件和/或模块。控制器406是控制天线阵列402的操作的设备、部件和/或模块。控制器406可以是可在硬件和/或软件中编程的处理器、微处理器、微控制器、数字信号处理器(“DSP”)或其他类型的设备。控制器406控制提供给天线阵列402的电馈供应，包括但不限于校准电馈的特定极化、电压、频率等。为了清楚起见，在控制器406与天线阵列402之间仅示出一根线，但实际上若干电连接和供电线可以将控制器406连接到天线阵列402。
在一些实施方式中，控制器406供应特定的电馈至各种单位单元100以便创建大量RF信号，这些RF信号进行相长的或相消的组合以形成用于发射的期望的累积RF信号。从天线阵列402中的每个单位单元100发射的RF信号可以是同相的，以便相长地产生强烈辐射，或者是异相的，以便相消地创建特定的RF信号。可以通过设置发送到不同单位单元100的信号之间的相移来控制方向。可以通过控制器406在发送到阵列中的相继的单位单元100的信号之间放置适当的相位延迟或稍微的时间延迟来控制该相移。
一个天线系统400可以与另一天线系统400进行信号通信，其中信号通信是指电路、部件、模块和/或设备之间的任何类型的通信和/或连接，其允许电路、部件、模块和/或设备传递和/或接收来自另一个电路、部件、模块和/或设备的信号和/或信息。该通信和/或连接可以沿着电路、部件、模块和/或设备之间的任何信号路径，该信号路径允许信号和/或信息从一个电路、部件、模块和/或设备传递到另一个电路、部件、模块和/或设备，并且包括无线或有线信号路径。该信号路径可以是物理的，例如，导线、电磁波导、电缆、附接和/或电磁或机械耦合的端子、半导电或介电材料或器件，或其他类似的物理连接件或耦合器。此外，信号路径可以是非物理的，例如，自由空间(在电磁传播的情况下)或通过数字部件的信息路径，其中将通信信息以不同的数字格式从一个电路、部件、模块和/或设备传递到另一个电路、部件、模块和/或设备，而不通过直接电磁连接。
该天线系统400提供一种在无需机械移动部分的情况下用灵活的电子扫描天线阵列束发送RF信号到机载或移动载具或者从机载或移动载具接收RF信号的手段。天线系统400可以在通信系统和其他应用中使用，包括但不限于雷达/传感器、电子战、军事应用、移动通信等。天线系统400提供一种高性能、轻量化、小轮廓和负担得起的解决方案，以满足具有挑战性和不断发展的任务需求。
本公开的实施方式是在计算机可执行指令的一般上下文中描述的，例如由一台或多台计算机或其他设备以软件、固件、硬件或其组合形式执行的程序模块。在一个示例中，计算机可执行指令被组织成一个或多个计算机可执行部件或模块。通常，程序模块包括但不限于执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件和数据结构。在一个示例中，本公开的各方面通过此类部件或模块的任意数量和组织来实现。例如，本公开的各方面不限于图中所示并在此描述的特定计算机可执行指令或特定部件或模块。本公开的其他示例包括不同的计算机可执行指令或部件，其功能比本文所示和描述的功能更多或更少。在涉及通用计算机的实施方式中，当配置为执行本文描述的指令时，本公开的各方面将通用计算机转换成专用计算设备。
图5示出了根据本公开的各种实施方式具有天线阵列400的飞行器的透视图。飞行器500包括附接到主体506的机翼502和机翼504。飞行器500还包括附接到机翼502的发动机508和附接到机翼504的发动机510。主体506具有尾部区段，其中水平稳定器514、水平稳定器516和竖直稳定器518附接到主体506的尾部区段512。在一些示例中，主体506具有复合蒙皮520。
在一些示例中，先前讨论的天线系统400(其包括所公开的在天线系统400中的单位单元100或仅仅独立的单位单元100)可以被包含在飞行器500上或飞行器500中。这在图5中用虚线框示出。天线系统400可以位于飞行器500的内部或外部。
飞行器500的图示并不意味着暗示对可以实现说明性配置的方式的物理限制或架构限制。例如，虽然飞行器500是商用飞行器，但飞行器500也可以是军事飞行器、旋翼飞机、直升机、无人航空运载器或任何其他合适的飞行器。其他运载器也是可能的，例如但不限于汽车、摩托车、公交车、船舶、火车等。
以下条款描述了本公开的更多方面。在一些实施方式中，下文描述的条款可以以任何子组合的形式进一步组合，而不脱离本公开的范围。
条款组A：
A1:一种用于生成或接收射频(RF)信号的天线元件，包括：
介电层，其包括第一表面和与第一表面相对的第二表面；
第一偶极子天线，其包括第一天线段和第二天线段，第一偶极子天线形成在第二表面中；
第二偶极子天线，其包括第一天线段和第二天线段，第二偶极子天线形成在第二表面中；
耦合段，其电容性耦合到第一偶极子天线的第二天线段和第二偶极子天线的第二天线段中的每一个；以及
短接销，其电容性耦合到耦合段并从第一表面延伸到第二表面。
A2:如A1所述的天线元件，其进一步包括：
第一多个通孔，其分别从第一偶极子天线和第二偶极子天线延伸到第一表面，以将第一偶极子天线和第二偶极子天线电连接到第一表面；以及
第二多个通孔，其分别从第一偶极子天线和第二偶极子天线延伸到第一表面，以将第一馈线连接到第一表面并将第二馈线连接到第一表面。
A3:如A1所述的天线元件，其中介电层的第二表面被提供在耦合段和介电层的第一表面之间。
A4:如A1所述的天线元件，其中第一偶极子天线的第二天线段和第二偶极子天线的第一天线段以六十度角相交。
A5:如A1所述的天线元件，其中耦合段包括介电金属材料。
A6:如A1所述的天线元件，其进一步包括：
第三偶极子天线，其包括第一天线段和第二天线段，第三偶极子天线形成在第二表面中。
A7:如A6所述的天线元件，其进一步包括：
第二耦合段，其电容性耦合到第一偶极子天线的第一天线段和第三偶极子天线的第二天线段；以及
第三耦合段，其电容性耦合到第二偶极子天线的第一天线段和第三偶极子天线的第一天线段。
A8:如A7所述的天线元件，其进一步包括：
第二短接销，其电容性耦合到第二耦合段并从第一表面延伸到第二表面；以及
第三短接销，其电容性耦合到第三耦合段并从第一表面延伸到第二表面。
A9:如A7所述的天线元件，其中第一偶极子天线、第二偶极子天线和第三偶极子天线被布置成三角形构型，使得第一偶极子天线和第二偶极子天线以六十度角相交，第一偶极子天线和第三偶极子天线以六十度角相交，并且第二偶极子天线和第三偶极子天线以六十度角相交。
条款组B：
B1:一种用于生成或接收射频(RF)信号的相控天线阵列，该相控天线阵列包括：
以三角形网格构型提供的多个单位单元，每个单位单元包括：
介电层，其包括第一表面和与第一表面相对的第二表面；
第一偶极子天线，其包括第一天线段和第二天线段，第一偶极子天线形成在第二表面中；
第二偶极子天线，其包括第一天线段和第二天线段，第二偶极子天线形成在第二表面中；
耦合段，其电容性耦合到第一偶极子天线的第二天线段和第二偶极子天线的第二天线段中的每一个；以及
短接销，其电容性耦合到耦合段并从第一表面延伸到第二表面。
B2:如B1所述的相控天线阵列，其中多个单位单元被布置在公共平面中。
B3:如B1所述的相控天线阵列，其中每个单位单元进一步包括：
第一多个通孔，其分别从第一偶极子天线和第二偶极子天线延伸到第一表面，以将第一偶极子天线和第二偶极子天线电连接到第一表面；以及
第二多个通孔，其分别从第一偶极子天线和第二偶极子天线延伸到第一表面，以将第一馈线连接到第一表面并将第二馈线连接到第一表面。
B4:如B1所述的相控天线阵列，介电层的第二表面被提供在耦合段和介电层的第一表面之间。
B5:如B1所述的相控天线阵列，其中第一偶极子天线的第二天线段和第二偶极子天线的第一天线段以六十度角相交。
B6:如B1所述的相控天线阵列，其中每个单位单元进一步包括：
第三偶极子天线，其包括第一天线段和第二天线段，第三偶极子天线形成在第二表面中。
B7:如B6所述的相控天线阵列，其中在每个单位单元中，第一偶极子天线、第二偶极子天线和第三偶极子天线被布置成三角形构型，使得第一偶极子天线和第二偶极子天线以六十度角相交，第一偶极子天线和第三偶极子天线以六十度角相交，并且第二偶极子天线和第三偶极子天线以六十度角相交。
条款组C：
C1:一种用于生成或接收射频(RF)信号的天线元件，包括：
介电层，其包括第一表面和与第一表面相对的第二表面；
布置成三角形构型的多个偶极子天线，其包括：
第一偶极子天线，其包括第一天线段和第二天线段，第一偶极子天线被蚀刻在第二表面内，
第二偶极子天线，其包括第一天线段和第二天线段，第二偶极子天线被蚀刻在第二表面内，
第三偶极子天线，其包括第一天线段和第二天线段，第三偶极子天线被蚀刻在第二表面内；
多个耦合段，其包含介电金属材料，多个耦合段包括：
第一耦合段，其电容性耦合到第一偶极子天线的第二天线段和第二偶极子天线的第二天线段中的每一个，
第二耦合段，其电容性耦合到第一偶极子天线的第一天线段和第三偶极子天线的第二天线段，以及
第三耦合段，其电容性耦合到第二偶极子天线的第一天线段和第三偶极子天线的第一天线段；以及
多个短接销，其从第一表面延伸到第二表面，多个短接销包括：
第一短接销，其电容性耦合到第一耦合段，
第二短接销，其电容性耦合到第二耦合段，以及
第三短接销，其电容性耦合到第一耦合段。
C2:如C1所述的天线元件，其中第一偶极子天线和第二偶极子天线以六十度角相交，第一偶极子天线和第三偶极子天线以六十度角相交，并且第二偶极子天线和第三偶极子天线以六十度角相交。
C3:如C1所述的天线元件，其进一步包括：
第一多个通孔，其分别从第一偶极子天线、第二偶极子天线和第三偶极子天线延伸到第一表面，以将第一偶极子天线、第二偶极子天线和第三偶极子天线电连接到第一表面；以及
第二多个通孔，其分别从第一偶极子天线、第二偶极子天线和第三偶极子天线延伸到第一表面，以将第一馈线、第二馈线和第三馈线连接到第一表面。
C4:如C1所述的天线元件，其中多个短接销被配置为抑制不需要的共模。
虽然已经用特定于结构特征和/或方法行为的语言描述了主题事项，但应该理解的是，在所附权利要求中定义的主题事项不一定局限于上述特定特征或行为。相反，上面描述的具体特性和行为被公开为实现权利要求的示例形式。
应该理解的是，上面描述的好处和优势可能与一个实施方式有关，也可能与几个实施方式有关。实施方式不局限于解决任何或所有所述问题的那些实施方式，也不局限于具有任何或所有所述好处和优势的那些实施方式。还应进一步理解的是，提及“一个”项目是指这些项目中的一个或多个。
术语“包含”在本公开中用于指包括其后的特征或行为，而不排除存在一个或多个附加特征或行为。
在一些实施方式中，图中所示的操作可以作为在计算机可读介质上编码的软件指令，或在已编程或设计用于执行所述操作的硬件中实现，或同时以这两种方式实现。例如，本公开的各方面可以被实现为包括多个相互连接的导电元件的ASIC、SoC或其他电路。
在此示出和描述的本公开的实施方式中的操作的执行或施行的顺序不是必要的，除非另有规定。也就是说，除非另有规定，这些操作可以以任何顺序执行，并且本公开的实施方式可以包括比在此公开的操作更多或更少的操作。例如，预想到在另一个操作之前、同时或之后执行或施行特定操作在本公开的各方面的范围内。
当介绍本公开的各方面或其示例的要素时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意在表示存在一个或多个要素。术语“包括”、“包含”和“具有”意在具有包容性，意思是除了所列要素之外可能还有其他要素。术语“示例性”意在表示“其一个示例”。短语“下列各项中的一个或多个：A、B和C”的意思是“至少一个A和/或至少一个B和/或至少一个C”。
在详细描述了本公开的各方面之后，显然可以在不脱离所附权利要求所定义的本公开的各方面的范围的情况下进行修改和变化。由于可以在不脱离本公开的各方面的范围的情况下对上述结构、产品和方法进行各种更改，因此以上描述中包含的和附图中显示的所有事项应被解释为是说明性而不是限制性的。
应理解的是，以上描述是为了进行说明，而不是限制性的。举例说明，上述实施方式(和/或其方面)可以相互组合使用。此外，许多修改是切实可行的，以便在不脱离其范围的情况下使特定情况或材料适应本公开的各种实施方式的教导。虽然本文所描述的材料的尺寸和类型旨在定义本公开的各种实施方式的参数，但这些实施方式绝不是限制性的，而是示例性的实施方式。在回顾以上描述后，本领域普通技术人员将清楚地看到许多其他实施方式。因此，本公开的各种实施方式的范围应该参照所附权利要求以及此类权利要求有权享有的等价物的全部范围来确定。在所附权利要求中，术语“包括(including)”和“在其中(in which)”被用作相应术语“包含(comprising)”和“其中(wherein)”的简单汉语等价物。此外，“第一”、“第二”和“第三”等术语仅仅用作标签，并不旨在对其对象施加数字要求。此外，所附权利要求的限制不是以手段加功能的格式编写的，并且不旨在基于35U.S.C.§112(f)进行解释，除非且直到此类权利要求限制明确地使用短语“用于……的手段”，后面是没有进一步结构的功能声明。
本书面描述使用示例来公开本公开的各种实施方式(包括最佳模式)，并且还使本领域普通技术人员能够实践本公开的各种实施方式，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何合并的方法。本公开的各种实施方式的可专利范围由权利要求定义，并且包括本领域普通技术人员可想到的其他示例。如果该其他示例具有与权利要求的文字语言没有区别的结构要素，或者如果该示例包含与权利要求的文字语言没有实质性区别的等效结构要素，则该其他示例旨在落在权利要求的范围内。
尽管已经参照各种实施方式描述了本公开，但是可以在不脱离本公开的范围的情况下进行各种更改和修改。

Claims (15)

1.一种用于生成或接收射频RF信号的天线元件，包括：
介电层(102)，其包括第一表面(102-1)和与所述第一表面(102-1)相对的第二表面(102-2)；
第一偶极子天线(104)，其包括第一天线段(104-1)和第二天线段(104-2)，所述第一偶极子天线(104)形成在所述第二表面(102-2)中；
第二偶极子天线(106)，其包括第一天线段(106-1)和第二天线段(106-2)，所述第二偶极子天线(106)形成在所述第二表面(102-2)中；
耦合段(110)，其电容性耦合到所述第一偶极子天线(104)的所述第二天线段(104-2)和所述第二偶极子天线(106)的所述第二天线段(106-2)中的每一个；以及
短接销(120)，其电容性耦合到所述耦合段(110)并从所述第一表面(102-1)延伸到所述第二表面(102-2)。
2.根据权利要求1所述的天线元件，其进一步包括：
第一多个通孔(116)，其分别从所述第一偶极子天线(104)和所述第二偶极子天线(106)延伸到所述第一表面(102-1)，以将所述第一偶极子天线(104)和所述第二偶极子天线(106)电连接到所述第一表面(102-1)；以及
第二多个通孔(116)，其分别从所述第一偶极子天线(104)和所述第二偶极子天线(106)延伸到所述第一表面(102-1)，以将第一馈线连接到所述第一表面(102-1)并将第二馈线连接到所述第一表面(102-1)。
3.根据权利要求1或2所述的天线元件，其中所述介电层(102)的所述第二表面(102-2)被提供在所述耦合段(110)和所述介电层(102)的所述第一表面(102-1)之间。
4.根据权利要求1或2所述的天线元件，其中所述第一偶极子天线(104)的所述第二天线段(104-2)和所述第二偶极子天线(106)的所述第一天线段(106-1)以六十度角相交。
5.根据权利要求1或2所述的天线元件，其中所述耦合段(110)包括介电金属材料。
6.根据权利要求1所述的天线元件，其进一步包括：
第三偶极子天线(108)，其包括第一天线段(108-1)和第二天线段(108-2)，所述第三偶极子天线(108)形成在所述第二表面(102-2)中。
7.根据权利要求6所述的天线元件，其进一步包括：
第二耦合段(112)，其电容性耦合到所述第一偶极子天线(104)的所述第一天线段(104-1)和所述第三偶极子天线(108)的所述第二天线段(108-2)；以及
第三耦合段(114)，其电容性耦合到所述第二偶极子天线(106)的所述第一天线段(106-1)和所述第三偶极子天线(108)的所述第一天线段(108-1)。
8.根据权利要求7所述的天线元件，其进一步包括：
第二短接销(120)，其电容性耦合到所述第二耦合段(110)并从所述第一表面(102-1)延伸到所述第二表面(102-2)；以及
第三短接销(120)，其电容性耦合到所述第三耦合段(110)并从所述第一表面(102-1)延伸到所述第二表面(102-2)。
9.根据权利要求7或8所述的天线元件，其中所述第一偶极子天线(104)、所述第二偶极子天线(106)和所述第三偶极子天线(108)被布置成三角形构型，使得所述第一偶极子天线(104)和所述第二偶极子天线(106)以六十度角相交，所述第一偶极子天线(104)和所述第三偶极子天线(108)以六十度角相交，并且所述第二偶极子天线(106)和所述第三偶极子天线(108)以六十度角相交。
10.一种用于生成或接收射频RF信号的相控天线阵列(200)，所述相控天线阵列(200)包括：
以三角形网格构型提供的多个单位单元(100)，每个单位单元(100)包括：
介电层(102)，其包括第一表面(102-1)和与所述第一表面(102-1)相对的第二表面(102-2)；
第一偶极子天线(104)，其包括第一天线段(104-1)和第二天线段(104-2)，所述第一偶极子天线(104)形成在所述第二表面(102-2)中；
第二偶极子天线(106)，其包括第一天线段(106-1)和第二天线段(106-2)，所述第二偶极子天线(106)形成在所述第二表面(102-2)中；
耦合段(110)，其电容性耦合到所述第一偶极子天线(104)的所述第二天线段(104-2)和所述第二偶极子天线(106)的所述第二天线段(106-2)中的每一个；以及
短接销(120)，其电容性耦合到所述耦合段(110)并从所述第一表面(102-1)延伸到所述第二表面(102-2)。
11.根据权利要求10所述的相控天线阵列(200)，其中所述多个单位单元(100)被布置在公共平面中。
12.根据权利要求10或11所述的相控天线阵列，其中每个单位单元(100)进一步包括：
第一多个通孔(116)，其分别从所述第一偶极子天线(104)和所述第二偶极子天线(106)延伸到所述第一表面(102-1)，以将所述第一偶极子天线(104)和所述第二偶极子天线(106)电连接到所述第一表面(102-1)；以及
第二多个通孔(116)，其分别从所述第一偶极子天线(104)和所述第二偶极子天线(106)延伸到所述第一表面(102-1)，以将第一馈线连接到所述第一表面(102-1)并将第二馈线连接到所述第一表面(102-1)。
13.根据权利要求10或11所述的相控天线阵列，所述介电层(102)的所述第二表面(102-2)被提供在所述耦合段(110)和所述介电层(102)的所述第一表面(102-1)之间。
14.根据权利要求10或11所述的相控天线阵列，其中所述第一偶极子天线(104)的所述第二天线段(104-2)和所述第二偶极子天线(106)的所述第一天线段(106-1)以六十度角相交。
15.根据权利要求10或11所述的相控天线阵列，其中每个单位单元(100)进一步包括：
第三偶极子天线(108)，其包括第一天线段(108-1)和第二天线段(108-2)，所述第三偶极子天线(108)形成在所述第二表面(102-2)中。
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