CN1451189A - 具有可操纵天线单元的介质谐振天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由多个介质谐振天线单元(1)组成的天线阵，其中每个天线单元(1)都由一个放置在接地基底(3)上的介质谐振器以及多个用于将能量送入或送出介质谐振单元(1)的馈电途径(2)，其中，各个天线单元(1)的馈电途径(2)可被单独地或组合地激活，从而产生至少一个递增地或连续地可操纵的波束，此波束能够在一个预定角度内受到操纵。由单个天线单元(1)产生的单元波束图案与由天线阵作为一个整体产生的天线阵排列因数都可受到独立的操纵。当同步操纵它们时，可以提高天线阵在任何特定方向上的总体增益。

Description

具有可操纵天线单元的介质谐振天线阵列
本发明涉及一种介质谐振天线(DRA)阵列，在这种介质谐振天线阵中，各个DRA天线单元的图案可与天线阵的图案受到同步电子操纵(electronicallysteered)。
从1983年对介质谐振天线(DRA)的第一次系统研究“圆柱介质空腔天线”，[LONG，S.A.，McALLISTER，M.W.，和SHEN，L.C.：“The Resonant CylindricalDielectric Cavity Antenna”，IEEE Transactions on Antennas and Propagation(IEEE有关天线和传播的学报)，AP-31，1983，第406-412页]开始，因为它的辐射效率高、与最常使用的传输线具有良好的匹配并且具有较小的物理尺寸“介质谐振天线-谐振频率和带宽常规设计关系及回顾”，[MONGIA，R.K.and BHARTIA，P.：“Dielectric Resonator Antennas-A Review and General Design Relations forResonant Frequency and Bandwidth”，Intemational Journal of Microwave andMillimetre-Wave Computer-Aided Engineering(微波和毫米波计算机辅助工程的国际杂志)，1994，4，(3)，第230-247页]，所以人们对其辐射图案的兴趣日益增长。
目前，据报道，大部分结构都采用在一基板上安装一块介质材料，该介质材料或者受到插入到基板之中的一个小孔的激励“用作磁双极子天线的由小孔馈电的矩形和三角形介质谐振器”，[ITTIPIBOON，A.，MONGIA，R.K.，ANTAR，Y.M.M，BHARTIA，P.和CUHACI，M：“Aperture Fed Rectangular and TriangularDielectric Resonators for use as Magnetic Dipole Antennas”，Electronics Letters，1993，29，(23)，第2001-2002页]，或者受到插入到介质材料中的一个探针的激励“矩形介质谐振天线”，[McALLISTER，M.W.，LONG.S.A.和CONWAY G.L.：“Rectangular Dielectric Resonator Antenna”Electronics Letters，1983，19，(6)，第218-219页]。也有一些作者提出用传输线进行直接激励“介质谐振天线的微波传输带传输线激励”，[KRANENBURG，R.A.和LONG，S.A.：“Microstrip TransmissionLine Excitation ofDielectric Resonator Antennas”，Electronics Letters，1994，24，(18)，第1156-1157页]。
利用一系列这些单馈电DRA来建立一个天线阵的概念已经得到了研究。例如，由两个柱状单馈电DRA组成的天线阵已经得到论证“柱状介质谐振天线阵”，[CHOW，K.Y，LEUNG，K.W.，LUK，K.M.和YUNG，E.K.N.：“Cylindrical dielectricresonator antenna array”，Electronics Letters，1995，31，(18)，第1536-1537页]，随后又扩展到由四个DRA组成的方矩阵“二维柱状介质谐振天线阵”，[LEUNG，K.W.，LO，H.Y.，LUK，K.M.和YUNG，E.K.N.：“Two-dimensional Cylindricaldielectric resonator antenna array”，Electronics Letters，1998，34，(13)，第1283-1285页]。由四个交叉DRA组成的方矩阵也已得到了研究“圆极化交叉介质谐振天线阵”，[PETOSA，A.，ITTIPIBOON，A.和CUHACI，M.：“Array ofcircular-polarized cross dielectric resonator antennas”，Electronics Letters，1996，32，(19)，第1742-1743页]。由单馈电DRA组成的长线性天线阵也已得到研究，它或者由一个介质波导馈电“使用由介质波导装置馈电的介质辐射体的实验毫米天线阵”，[BIRAND，M.T.和GELSTHORPE，R.V.：“Experimental millimetricarray u sing dielectric radiators fed by means of dielectric waveguide”，ElectronicsLetters，1983，17，(18)，第633-635页]，或者由一个微波传输带馈电“介质谐振天线的微波传输带馈电系列天线阵的设计”，[PETOSA，A.，MONGIA，R.K.，ITTIPIBOON，A.和WIGHT，J.S.：“Design of microstrip-fed series array of dielectricresonator antennas”，Electronics Letters，1996，32，(7)，第608-609页]。最后的这个研究小组还发现了一种提高微波传输带馈电DRA天线阵带宽的方法“介质谐振天线的微波传输带馈电系列天线阵带宽的提高”，[PETOSA，A.，ITTIPIBOON，A.，CUHACI，M.和LAROSE，R.：“Bandwidth improvement for microstrip-fed seriesarray of dielectric resonator antennas”，Electronics Letters，1996，32，(7)，第608-609则。值得注意的是，在上述这些出版物中并没有对多路馈电DRA的概念或是天线阵单元操纵的概念进行论述。
在本发明人以前完成的工作“探针馈电介质谐振天线的波束操纵及单脉冲处理”，[KINGSLEY，S.p.和O’KEEFE，S.G.，“Beam steering and MonopulseProcessing of Probe-fed Dielectric Resonator Antennas”，IEE Proceedings-Radar，Sonar，and Navigation(IEE学报-雷达、声纳及导航)，146，3，121-125，1999]中说明了如何通过多个空间分离的馈电来驱动单个介质材料圆片，用以产生具有面对不同方向的多个波束的天线。对多个馈电的同时激励意味着DRA能够具有电子波束操纵和方向搜寻能力。此工作在本申请人所提出的美国专利申请号09/431,548“可操纵波束多路馈电介质谐振天线”中被公开，该文中所公开的内容被引入作为本专利申请的参考文献。
通过考虑由许多这种多路馈电DRA组成的天线阵的特性和优点，本专利申请延伸到了Kingsley和O’Keefe所作的先前工作。本申请涉及宽范围的天线阵几何形状。
一个天线阵是由许多简单天线单元(如单极天线、双极天线、码片等)组成的集合(它们通常具有均匀的间距)。形成天线的单元排列可以呈线性、二维、圆形，等等。二维天线阵的形状可以是矩形、圆形、椭圆形等。在一个天线阵中，各个单独的天线单元都具有很宽的辐射图案，但是，当它们被合成在一起时，作为一个整体的天线阵将具有相对来说窄得多的辐射图案。更加重要的是，通过给这些天线单元设定不同的相位或时间延迟，就可利用电子手段控制天线阵图案。这一点在雷达和天线中是最有用的功能。
对本申请中所涉及的各种辐射图案加以区分是十分重要的。首先，当单独考虑时，天线阵的各个天线单元都具有其自身的概念辐射图案。这种天线单元图案可被认为与扬氏狭缝干涉演示中一个光源的衍射图案相类似。其次，作为一个整体的天线阵也具有一个概念辐射图案，它被称为天线阵排列因数，这个图案是理想化的各向同性天线单元图案的总和，该图案被认为与扬氏狭缝干涉演示中的干涉图案相类似。最后，由天线阵形成的实际辐射图案(天线图案)是天线单元图案和天线阵排列因数的乘积。人们通常认为各个天线单元图案、天线阵排列因数以及天线图案都有一个其发射/接收具有最大增益的方向，而本发明的各个实施例就是为了寻求按照有用的方式来操纵这些方向。
天线阵中各个天线单元的辐射图案是固定的，这样，当天线阵排列因数面对向前(对准视轴)时，所合成的天线图案就具有包括各个单独天线单元的全部增益的优点。实际上，天线阵的增益是各个天线单元增益的总和。但是，当天线阵排列因数被操纵偏离视轴时，天线阵的增益将会下降，因为天线阵排列因数被移动到各个单独天线单元的图案以外。这种情况只有在一个时候例外，即，当天线单元在天线阵平面中不定向的时候(例如单极天线)，但是由于它们是一些低增益天线单元，所以它们仍然存在着整体增益较低的问题。
本发明的各个实施例寻求提供一种介质谐振天线单元阵列，其中的每个天线单元都具有多个能量途径，它们按照可使各个天线单元的辐射图案受到操纵的方式连接。一种对一个天线单元图案进行电子操纵的方法是，具有多个存在的波束并在它们之间切换，或者是将它们合成起来以实现所需的波束方向。在KINGSLEY，S.P.和O’KEEFE，S.G.的论文“探针馈电介质谐振天线的波束操纵及单脉冲处理”，[IEE Proceedings-Radar，Sonar，and Navigation(IEE学报-雷达、声纳及导航)，146，3，121-125页，1999]中已描述了在涉及到圆柱形状的单个介质谐振天线内使用多个探针的通常概念，该文被引入本申请以作为参考。
本申请人提请注意的是，在上述参考文献中所说明的结果可以等价地应用在工作于任何宽频率范围之上的DRA中，例如，从1MHz到l000MHz，对光学DRA来说甚至更高。所述频率越高，DRA的尺寸就越小，但是由以下将说明的探针/小孔的几何形状所实现的普通波束图案可以在任何给定的频率范围内基本保持相同。利用具有高介电常数的介电材料，它也可以在1MHz以下的频率上工作。
根据本发明的第一个方面所述，它提供了一种介质谐振天线单元的阵列，每个天线单元都由至少一个介质谐振器以及多个用于将能量送入和送出天线单元的馈电途径组成，其中，每个天线单元的所述多个馈电途径既可被单独激活，也可被合成在一起激活，从而产生至少一个递增地或连续地可操纵的天线单元波束，该波束可在一个预定角度内受到操纵，而且来自各个天线单元的波束也可被组合起来以形成至少一个天线阵波束，该波束也可在一个预定角度内受到操纵。
根据本发明的第二个方面所述，它提供了一种介质谐振天线单元的阵列，每个天线单元都由至少一个带有接地基底的介质谐振器以及多个用于将能量送入和送出天线单元的馈电途径组成，其中，每个天线单元的所述多个馈电途径既可被单独激活，也可被合成在一起激活，从而产生至少一个递增地或连续地可操纵的天线单元波束，该波束可在一个预定角度内受到操纵，而且来自各个天线单元的波束也可被组合起来以形成至少一个天线阵波束，该波束也可在一个预定角度内受到操纵。
根据本发明的第三个方面所述，它提供了一种介质谐振天线单元的阵列，每个天线单元都由至少一个带有接地基底的介质谐振器以及多个用于将能量送入和送出介质谐振器天线单元的馈电途径组成，其中，每个天线单元的所述多个馈电途径既可被单独激活，也可被合成在一起激活，从而产生至少一个递增地或连续地可操纵的天线单元波束，该波束可在一个预定角度内受到操纵。
所述天线阵可以配备适用于单独地或合成地激活多个馈电途径的电子电路，从而产生至少一个递增地或连续地可操纵的波束，该波束可在一个预定角度内受到操纵。
另外，所述天线阵还可配备能够以一预定相移或时间延迟来激活各个天线单元的另一个电子电路，从而产生一个可在一预定角度内受到操纵的天线阵排列因数。例如，对一个给定的天线阵排列因数方向(在这里，它与天线波束方向一致)来说，各个天线单元可被馈电以不同的相位或时间延迟(在实际中可以是不同的幅值)，这样，当天线单元图案被相加到一起时，会使天线图案产生于一个预定方向中。对于不同的天线波束方向，给天线单元馈电的相位和幅值将是不同的。
通过提供一种可操纵DRA的天线阵，本发明力求使单个的天线单元图案能够与天线阵排列因数作为一个整体同步受到操纵，由此形成一个天线阵，其对于一个给定的天线阵排列因数方向来说具有最大天线单元增益或者至少有提高的天线单元增益。
天线阵单元可按基本线性的形式排列，也可以并排排列用以提供方位角波束操纵，或者也可上下排列以提供高度和方位角波束操纵。根据需要，各个天线单元可以均匀间隔，也可以不均匀间隔。而且线性天线阵也可以被排列成与弯曲或变形的表面一致的形状。后面这种特性在诸如飞行器通信中具有潜在的重要意义。例如，通过使天线单元的线性天线阵与飞行器的机身有一致的形状，并且将天线单元的波束图案全部安排成相同的朝向而不管机身上各天线单元的实际方向，就可以使天线阵波束图案与天线单元的波束图案相一致，从而提高增益。另外，还可以提供一个介质透镜以增强对方位角和/或高度的波束操纵的控制。
此外，天线阵的单元可被放置成环状形式(如圆形)，或者被更加平常地放置成在一个表面上交叉的至少二维形式。各天线单元可以均匀间隔也可以不均匀间隔，并且可以排列成规则的栅格形式。如上所述，天线阵单元所处的表面可以与弯曲或变形的表面(例如飞机的机身)一致，并且各个天线单元可以单独受到控制，以使天线单元的波束图案全部安排成相同的朝向，而不管各个天线单元自身的物理方向如何。另外，还可通过提供一个介质透镜以增强对方位角和/或高度的波束操纵的控制。
另外，天线阵的单元可被排列成一个三维立体天线阵，该天线阵可以为规则固体形状(如：球形、四面体形、立方体形、八面体形、二十面体形或十二面体形)的外轮廓，也可以为不规则固体形状。在该三维立体天线阵中，各天线单元可以均匀间隔也可以不均匀间隔，并且可以排列成规则的栅格形式。可以通过将线性天线阵的组合和/或平面天线阵上下叠放以形成立体天线阵，从而同时允许方位角和高度的波束操纵。另外，还可通过提供一个介质透镜以增强对方位角和/或高度的波束操纵的控制。
通过将DRA天线单元相互上下叠放、或者通过形成一个多层DRA天线阵并对各天线单元适当通电，就可实现对高度的波束操纵。例如，在一个由柱状多探针天线单元组成的竖直叠层结构中，每个天线单元都能够自己操纵方位角中的天线单元波束，并且有可能通过为探针馈电以使所有天线单元形成面对同一方向的单元波束。当合成起来后，这些天线单元的波束会在所选择的方向(其高度低于单个天线单元图案的高度)中形成一个水平波束。通过改变(例如)天线单元馈电途径的相位，就可以在高度方向中上下移动合成的波束。在更复杂的系统中，还可以提供线性单元天线阵的竖直叠层。
将所述天线阵作为一个整体使用可以方便地产生至少一个递增地或连续地可操纵的波束，该波束可在一个完整360度圆的范围内受到操纵。
天线阵中的各个天线单元也被方便地用于产生至少一个递增地或连续地可操纵的波束，该波束可在一个完整360度圆的范围内受到操纵。
可以通过额外或有选择地提供电子线路以合成天线阵的各个独立天线单元的馈电途径，从而方便地使天线单元图案与天线阵图案在角度上得到同步操纵。
可以通过额外或有选择地提供电子线路以为天线阵的各个单元提供至少两个馈电途径，从而在当天线阵被用于同时形成至少两个天线阵排列因数时，各天线单元都可被激活以同时形成至少两个天线单元波束，这些波束可与所述天线图案(它是至少两个天线阵排列因数之和)同步得到操纵。
一般来说，至少有两个天线阵排列因数一起形成一个含有两个主波瓣的天线图案。
当利用常规天线阵来同时形成至少两个波束时，必须利用一个(或多个)电源分离器/合成器(它们都是体积大、耗电多的设备)来驱动各个天线单元以将至少两组用于天线单元的相位和振幅合成起来。而本发明的实施例则可通过将一组相位和振幅与各个DRA天线单元的一个特定馈电途径连接并将另一组相位和振幅与各天线单元的另一个馈电途径相连，从而简单地实现相同的效果。
各个天线单元的馈电途径可以包括：电缆、光纤连接、印刷电路轨迹或者任何其它的传输线技术，它们可以具有预定的不同有效长度，以便于在各个天线单元的馈电途径中插入不同的时间延迟，并借此提供波束操纵控制。通过电气地、电子地或机械地控制和改变传输线的有效长度，例如，通过将附加长度的传输线接入基本传输线或与基本传输线断开，延迟就可以得到控制和改变。
作为选择或附加，通过单独调整各个天线单元的馈电途径的相位，例如，可通过在传输线中加入二极管移相器、铁氧体移相器或其它类型的移相器，也可实现对波束的操纵。附加控制可通过改变传输线中信号的振幅而得到实现，例如，在传输线中加入衰减器。
向各天线单元馈电的机构可以引入一个由移相器组成的阻性波束形成矩阵(a resistive beamforming matrix)，以在各个天线单元的馈电途径中插入不同的相位延迟。作为选择或附加，可在天线单元的馈电机构中引入一个混合矩阵(如Butler矩阵)，用以根据多个天线单元形成多个波束。Butler矩阵是一个并联RF波束形成网络，它可从含有N个天线单元的矩阵中形成N个连续的波束。该网络使用定向耦合器、多个固定相差以及多个传输线。除了这些元件的接入损耗以外，这种网络是无其它损耗的。其它类型的RF波束形成网络也已存在。
作为选择或附加，可以给天线单元电子地或以其它方式添加“加权”或“窗口”功能，用以控制天线阵排列因数副瓣。平等地激励所有天线单元可以得到一个均匀的孔径分布，它将导致较高的天线阵排列因数副瓣电平。利用窗口功能可以使朝向天线阵边缘的天线单元比位于中央的天线单元贡献更少的天线阵排列因数，从而减少这些副瓣电平。
作为选择或附加，可以给天线单元电子地或以其它方式添加“误差”或“校正”功能，用以控制嵌入单元、互耦、表面波以及其它干扰效果。简单天线阵理论认为，所有天线单元的行为是相同的。但是，朝向天线阵边缘放置的那些天线单元可能由于上述原因而与中央附近的天线单元具有不同的行为。例如，中央处的天线单元会与其两例的天线单元产生互耦，而对位于边缘的天线单元来说，其一侧则没有相邻天线单元。通过增加一个校正因子，就可对这些误差效果进行测量和校正。
可以将天线阵的各个天线单元与一个波束形成机构相连，用以产生一个天线阵排列因数，或者也可将天线阵的各个天线单元与多个波束形成机构相连，用以同时产生多个天线阵排列因数。
天线阵的单元可被放置成允许实现各种极化，如垂直极化、水平极化、圆极化或其它任何包括可切换极化或其它可控制极化在内的极化方式。例如，本申请引入了“圆极化介质谐振天线阵”，[MONGIA，R.K.，ITTIPIBOON，A.，CUHACI，M.和ROSCOE D.：“Circular Polarised dielectric resonator antennas；Electronics Letters，1994，30，(17)，第1361-1362页]；以及“圆极化柱状介质谐振天线”，[DROSSOS，G，Wu，Z.和DAVIS，L.E.：“Circular Polarized CylindricalDielectric Resonator Antenna”，Electronics Letters，1996，32，(4)，第281-283.3，4，页]中所公开的内容作为参考文献，在这两篇文献中记载了被相互呈90度角安装在辐板上并且在圆形截面的介质片中同时得到馈电的两个探针如何能够在得到反相馈电时产生圆极化。另外，本申请还引入了“可切换柱状介质谐振天线”，[DROSSOS，G，Wu，Z.和DAVIS，L.E.：“Switchable Cylindrical Dielectric ResonatorAntenna”，Electronics Letters，1996，32，(10)，第862-864页]中所公开的内容以作为参考文献，该文献中记载了如何通过使探针导通和关闭以实现极化。
可以通过额外或有选择地提供电子线路或计算机软件，以在当采用数字波束形成技术时，使天线阵的各个独立天线单元的馈电途径能够按照这样一种方式方便地受到控制，即，使天线单元的图案与天线阵排列因数在角度上得到同步操纵。
当天线阵的各个天线单元与一个独立的发射机模块、独立的接收机模块或者独立的发射/接收机模块相连时，则可采用数字波束形成技术来形成任何所需形状的多个可操作天线阵排列因数，它们在方位角和高度方面都是可操纵的。
在使用常规天线阵(模拟波束形成)的情况下，单个发射机或接收机沿着各个路径被分配给具有适当相位和振幅修正的各个天线单元。而在使用数字波束形成的情况下，各个天线单元自身都拥有发射机或接收机，并且受到计算机的指示以形成适当的相位和振幅设定。在接收情况下，各个接收机都具有自己的A/D转换器，其输出可被用于形成几乎任何所需的波束形状、同时形成许多不同的波束、或者甚至被保存在计算机中用于在以后的某些时候之后形成波束。
利用数字波束形成技术并通过适当的电子或软件控制，可以同时形成许多这样的天线阵排列因数。为了消除给定方向中的干扰、多路径或其它不需要的信号，这些天线阵排列因数中可含有一个或多个无效位。另外，可以对DRA天线单元图案进行调整以消除一些或全部不需要的信号。例如，在数字波束形成天线阵具有N个天线单元的情况下，它通常具有N-1个自由度，因而就可以排除来自N-1个不同方向的干扰信号。在本发明的实施例中，各个DRA天线单元在其辐射图案中也可以含有至少一个无效位，它可以将至少一个来自其它方向的干扰信号排除。数字波束形成的天线阵图案也可被实时地在线形成，或者在使用已记录的接收数据的情况下，在以后离线形成。
天线阵图案的操纵以及与其同步的天线单元图案的操纵最好能够在一个完整的360度圆周内得到执行。
在本发明一个实施例中，通过在多个介质谐振器单元中加入多个导电墙，就可将其分成多个段，例如在USSN 09/431,548中对其说明的那样。在本申请人的共同未决UK专利申请(申请号0005766.1，申请日2000年3月11日)以及国际专利申请(申请号PCT/GB01/00929，申请日2001年3月2日)名称都为“多分段介质谐振天线”中对其有更加详细的说明，后面两篇文献中所公开的全部内容被引入本发明以作为参考。
在本发明的其他实施例中，可以额外地提供至少一个内部或外部单极天线或任何其它拥有圆形轴对称图案的天线，将该天线与至少一个介质谐振天线单元合并起来，可以消除后瓣区域，或者可以解决任何前后互相干扰的问题(这种情况有可能在具有余弦形或8字形辐射图案的介质谐振天线中出现)。单极或其他圆形对称天线可居中地被放置在介质谐振器单元内，也可被安装在介质谐振器之上或之下并可由电子线路激活。在包括一个中空环形谐振器的实施例中，单极天线或其他圆形对称天线可被放置在中心空腔处。通过对任何实际馈电途径(最好是一组对称的馈电途径)进行电子或逻辑合并，也可以形成一个“虚拟”单极天线。
可以用具有综合正介电常数k的任何适当介质材料或不同介质材料的组合来形成介质单元或构成该单元的介质谐振器。不同的天线单元或谐振器可由具有不同介电常数k的不同材料制成，或者由相同的材料制成。类似地，天线单元或谐振器可以具有相同的物理形状，也可以具有不同的形状或其他适当形式。在优选实施例中，k至少为10，它也可以至少为50或者甚至至少为100。k甚至还可以很大，例如，大于1000，但是，可用的介质材料趋向于限制这种情况在低频中使用。介质材料可以包括液态、固态、气态、等离子态或者其他任何处于中间状态的材料。介质材料可以比其嵌入处四周的材料具有更低的介电常数。
馈电可以采用多个导电探针的形式，这些导电探针包含在介质谐振器之内或者被靠着介质谐振器放置，或者是上述两种放置方式的组合。也可以利用接地基底中所提供的多个小孔馈电路径进行馈电。小孔馈电在介质材料之下的接地基底中是不连续的(通常为矩形)，它通常由其下的微波输送带传输线激励。微波输送带传输线通常被印在基底的下侧。在馈电采用探针形式的情况下，它们通常为延长的形式。可使用的探针的例子包括：细柱状导线，它通常平行于介质谐振器的纵向轴。也可采用其他的探针形状(已经得到测试)，包括：粗圆柱、非圆形截面、细竖直板，甚至顶部带有导电“帽”的细竖直导线(类似于蘑菇状)。探针也可以含有金属化细条，此细条被放置在介质之内或者靠着介质放置，也可以组合放置。一般来说，如果具有正确位置、大小并且得到正确馈电，放置在介质之内或者靠着介质放置、或者组合放置的任何导电单元都会激励出谐振。不同的探针形状会引起不同带宽的形状，因而可将探针按照各种位置和各种方向放置(俯视时，沿径向与中心具有不同的距离，并且与中心的夹角不同)在介质谐振器之内或靠着介质谐振器或者组合放置，从而满足特定的环境。另外，还可以在介质谐振器内或靠着介质谐振器或者以组合方式放置一些探针，这些探针不是与电子线路连接，而是被动地对动态谐振天线的发射/接收特性产生影响，例如，通过感应的方式。
通常，在馈电包括单极天线馈电的情况下，则适当的介质谐振器单元或介质谐振器必须与一个接地的基底联合使用，例如，可将其放置在接地基底之上，或者用一个小的空气间隙或其他介质材料层将它们隔离开。另外，在馈电包括双极馈电的情况下，则不需要接地基底。本发明的实施例可以使用单极天线为介质单元或带有接地基底的谐振器馈电，也可以使用双极天线为介质单元或不带有接地基底的谐振器馈电。这两种馈电类型都可在同一天线中使用。
在提供有接地基底的情况下，介质谐振器可被直接放置在接地基底旁边或之下，或者也可以在谐振器和接地基底之间提供一个小的间隙。此间隙可以是空气间隙，或者也可以是其中注入了其他的固态、液态或气态介质材料的间隙。
本发明所述的天线阵可以与多个发射机或接收机一起工作，这里所用的术语“发射机”或“接收机”，其含义分别是指可作为电子信号源并可通过天线阵发射信号的设备以及可接收和处理通过电磁辐射与天线阵通讯的电子信号的设备。发射机和/或接收机的数目可以与被激活天线单元的数目相等，也可以不相等。例如，每个天线单元可连接有各自的一个发射机和/或接收机(即，一个天线单元配备一个发射机和/或接收机)，也可以将单个发射机和/或接收机连接到单个天线单元(即，一个发射机和/或接收机在各天线单元之间切换)。在另一个例子中，可以将一个发射机和/或接收机(同时)与多个天线单元相连。通过连续改变各天线单元之间的馈电功率，就可以连续操纵天线阵的波束和/或定向灵敏度。可以有选择地将一个发射机和/或接收机与多个不相邻的天线单元连接起来。在另外一个例子中，一个发射机和/或接收机被与多个相邻或不相邻的天线单元连接起来，其目的是为了对已生成或已检测的辐射图案产生增强的效果，或者是为了允许使天线阵能够同时在多个方向上进行发射和接收。
天线单元的阵列可简单地由空气或类似物环绕，或者也可被浸入其介电常数处于空气的介电常数与天线单元自身的介电常数之间的导电介质之中。在后一种情况下，天线单元之间的有效隔离距离被缩短，因此可将导电介质安排成可以起到介质透镜的作用。例如，如果将任何类型的天线阵浸入具有相对介电常数Er的导电介质中，则阵列的尺寸可以被缩小√Er。
通过寻求提供这样一种由多个介质谐振器单元组成的天线阵，其中每个天线单元都能够产生多个波束，这些波束可被单独选择或被同时形成，并且可根据需要按照不同的方式组合，从而使本发明的实施例具有以下有益效果：
i)通过选择驱动不同的探针或小孔，就可将天线阵和各个天线阵单元做成能够在多个预选方向之一中(例如，在方位角中)进行发射和接收。此举的优点在于，通过使天线单元具有最大单元增益，就可让天线阵的增益总能保持最大化。而在利用常规天线阵(例如，由双极天线组成)的情况下，随着天线阵排列因数被操纵远离正前方的‘视轴’位置，增益将会因天线阵排列因数被移出天线单元的图案而下降。例如，常规的双极天线阵列不能够在双极天线平面中的360度内受到操纵，因为在某些点上，通常是在90的操纵角上，天线阵排列因数会落入天线单元图案的无效区域之中。
ii)通过对天线单元馈电途径的轮流切换，并且同时轮流切换天线阵的波束图案，就可使合成的天线辐射图案以递增的角度旋转。这种波束操纵方法对于无线通讯、雷达以及导航系统具有明显的实用性。
iii)通过将两个或多个馈电途径同时结合，就可将天线单元的波束形成于任意的方位角方向上，从而与形成在任意方向上的天线阵排列因数相匹配，这样就可以对波束形成过程进行更加精确的控制，同时还能保持增强的或者最大天线增益。
iv)通过同时电子化地连续改变两个或多个馈电途径的能量分配/合成，就可对天线单元的波束与受到连续操纵的天线阵排列因数一起进行同步连续操纵。
v)当处于不同方向的至少两个波束利用此天线阵被同时形成时，则可将天线单元中的多个馈电途径放置成能够一次形成多个波束，以与天线阵排列因数相匹配。
vi)可以利用一个附加的内部或外部单极天线或任何其它拥有圆形轴对称图案的天线来消除或者减少天线阵的后瓣区域，由此解决例如线性天线阵列中的任何前后互相干扰的问题。
为了使本发明得到更好地理解，并且为了说明本发明是如何得到实现的，以下将参考例子并结合附图对其进行说明：
图1显示出了由四个可操纵DRA天线单元组成的一个线性天线阵，在1325MHz的额定工作频率下，这些天线单元的间距为λ/2；
图2是图1所示天线阵的宽面(视轴)图案的计算值与测量值的比较；
图3是图1所示天线阵的端射图案的计算值与测量值的比较；
图4是图1所示的天线阵单元在当天线阵排列因数从宽面开始按照一个方向行进时采用单馈电激励与双馈电激励的比较；
图5是图1所示的天线阵单元在当天线阵排列因数从宽面开始按照与图4相反方向行进时采用单馈电激励与双馈电激励的比较；
图6是图1所示天线阵行进至约45度时的理论图案和测量图案的比较结果；
图7的示意图显示出了由在一个垂直结构中相互上下叠放的四个多分段复合DRA组成的第一天线阵；
图8是图7所示的多分段复合DRA之一的平面图；
图9是图7所示天线阵的高度图案；
图10是图7所示天线阵的第一方位角图案；
图11是图7所示天线阵的第二方位角图案；
图12的示意图显示出了由在一个垂直结构中相互上下叠放的四个多分段复合DRA组成的第二天线阵。
图1显示出了由四个DRA单元1组成的一个天线阵，每个DRA单元都装配有四个内部探针2a、2b、2c和2d，这四个DRA单元都被安装在一个接地的基底3上。天线阵单元1之间的间距为某一波长的一半。对天线图案的操纵是通过利用电源分离器/合成器(未示出)以及电缆(未示出)延迟来驱动天线单元而得以实现的。对天线单元图案的操纵则是通过在探针2之间进行切换或是利用电源分离器/合成器同时驱动两个探针2而得以实现的。
当受到优选的HEM11δ模式(它是一种混合电磁谐振模式，其辐射方式类似于水平磁双极天线的辐射方式)的激励时，各个DRA单元1将产生垂直极化的具有余弦形状或8字形形状的辐射图案。
当一个宽面(视轴)天线图案是利用各个天线单元1中的一个探针2形成时(在这种情况下，是图1所示各个DRA单元1中的上部探针2a)，所产生的图案基本上与理论预测的情况一致，如图2所示。
通过切换至各个DRA单元1的探针2b(它在天线单元内相对于用于宽面操作的探针2a呈90度放置)，还可使图1所示的天线阵工作于端射模式。同样，-它所产生的图案也与理论情况相符的很好，如图3所示。切换探针以使天线阵进入端射模式是一项重要的功能，因为它能够使天线行进整个360度。当相对的内部DRA探针被用于相反方向的端射时，除了左右反向以外，所获得的图案几乎与图3相同。
可以通过在各个天线单元1内的各探针2的馈电途径中插入电缆延迟以操纵天线阵排列因数。图4显示出了将天线图案从宽面开始在方位角中按照给定方向转动额定的41.5度时的结果(其目的是转动45度角，但是可用的电缆不允许精确地完成这个举动)。一开始，用于形成宽面图案的探针2a被使用-它代表了在没有单元操纵可用时的天线阵常规情况。图4中还示出了当使用各DRA单元1中的两个探针2a、2b来使天线单元的图案转动约45度时所测得的图案。由于通过与天线阵的图案一起同步操纵单元1而造成的天线阵增益的提高是非常明显的。应该注意，在使用两个探针的情况下，电源分离器中会有约1dB的额外损耗，从而使实际情况好于图4中所示的情况。从图4中还可以看出，天线图案得到了有明显的改进，尤其是140度附近一个大的副瓣受到了很大的衰减。这也说明了单元波束操纵的另一个好处。
图5中示出了向宽面的另一侧转动约45度的情况。从图5中可以看出，其结果几乎是图4所示情况的“镜像”，而且在单元转动中造成的增益提高和主要副瓣衰减的现象被再次实现。
通过对用于测量天线图案的网络分析仪的终端之间的S12传输损失进行测量，就可以确定出由天线单元波束操纵所带来的增益恢复的好处，其总结如下：
图案                                       预期值      测量值
宽面图案的S12传输损耗                      -52.1dB     52.1dB
45度图案的S12传输损耗，单探针              -54.8dB    -54.9dB
45度图案的S12传输损耗，双探针              -53.8dB    -53.9dB
归一化之后的结果：
图案                                          预期值   测量值
归一化的宽面增益(参考值)                       0.0dB   0.0dB
天线阵转动45度(减去0.2dB的电缆损耗)           -2.5dB   -2.6dB
天线阵&单元都转动45度(减去1.0dB的分离器损耗)  -0.0dB   -0.6dB
如果只将天线阵转动45度，由于天线单元1的余弦形图案，所以可以预期视轴上的增益将下降2.5dB。所测得的结果在上述预期结果的0.1dB范围内-即，2.6dB。其中，电缆损失已被扣除。当将天线单元1也转动45度时，理论上增益应该返回至宽面的增益附近。所测得的结果在上述预期结果的0.6dB范围之内，这个差异主要缘于41.5度的实际转角与45度的额定转角之间的差异。
为了测试两探针操纵的图案是否如预期所愿，可以用理论上两个探针的计算图案与图4中测量得到的两探针图案进行比较。比较结果在图6中被示出，该图表明了测量结果与理论结果的一致性保持的很好。
图7显示了由多分段复合DRA单元10组成的一个垂直叠放的天线阵，每个DRA单元都被放置在一个接地基底11上，并且含有多条馈送途径12以用于将能量送入和送出DRA单元10。如图8所示，每个多分段复合DRA 10都含有三个一般的梯形介质谐振器13、13’、13”，它们按照普通的半六角形结构排列在接地的基底11上，介质谐振器13、13’、13”的相邻侧面相互被一个导电壁14隔开。如图8所示，各个DRA 10的后面都配有一个导电后挡板15。各介质谐振器13、13’、13”都含有一个单极馈电探针12，这些馈电探针12既可被单独激励，也可通过与其相连的电子线路(未示出)以组合的形式被激励，从而产生至少一个递增地或连续地可操纵的波束，该波束可在方位角中转动一个预定的角度α。
当四个这样的DRA单元10被放置成如图7所示的垂直阵列并且以适当的方式受到馈电探针12的激励时，就可以产生能够在高度φ和方位角α中操纵的波束。各DRA单元10被垂直地以额定间隔λ/2分开，其中λ是所产生波束的波长。本例中没有提供加权或窗口功能，因此，预计副瓣电平较高。通过增加天线阵中DRA单元10的数目，或者提供加权/窗口功能，就可以对副瓣进行改善。本例中，各个DRA单元10的回波损耗好于-20dB。
参考图9，其中显示了在仅激活各个DRA单元10的中央介质谐振器13’的情况下，图7和图8所示天线阵的高度图。垂直波束宽度由4单元天线阵排列因数决定，在-3dB的水平时，所述宽度约为25°。后瓣16在一定程度上由背挡板15的尺寸决定，在本例中约为-27dB。
将各介质谐振器13、13’、13”分开的导电壁14的长度可用于帮助确定方位角图案的波束宽度。不明显凸出到DRA单元10的各介质谐振器13、13’、13”以外的短壁14趋向于给出90°的单元波束宽度。凸出到DRA单元10的各介质谐振器13、13’、13”以外较远的长壁14则可将波束宽度降低到40°。如预计的一样，天线阵排列因数波束宽度几乎与各个单元的波束宽度相同。
图10显示了在激活各个DRA单元10的中央介质谐振器13’的情况下所测得的图7和图8所示天线阵的方位角图案。其中使用了带有短壁14(它刚刚凸出到各个介质谐振器13、13’、13”以外)的DRA单元10，因此其波束宽度约为90°。与前面所述的状态一样，后瓣17约为-25 dB。
图11显示了在激活各个DRA单元10的左手边介质谐振器13的情况下所测得的图7和图8所示天线阵的方位角图案。从图11中可以看出，天线阵排列因数被转过约75°，并且后瓣17要差于图10，约为-13dB。
图7和图8所示的天线阵可被用作GSM移动通信网络中的基站天线，它可以在方位角和高度上进行波束操纵。高度图案由天线阵的排列因数控制。通过以各种组合或独立的方式向DRA单元10中的各介质谐振器13、13’、13”馈电，或者通过为导电壁14选择适当的长度，则可控制方位角图案。这种基站天线可被设计成多种规范以用于常规的第二代GSM系统。该天线约为10cm宽、80cm高、5cm深，它可以产生三个独立的方位角波束(这些波束可被合并和操纵，或者可以用于定向搜索)，其中每个波束都具有10-15°的高度图案。每个波束可在160MHz频段之内的一个独立频率上使用。通过采用适当的陶瓷以作为介质谐振器13、13’、13”的材料，就可以实现低损耗。
对于方位角中的整个360°波束操纵来说，可以采用由四个DRA单元20组成的天线阵，其中每个DRA单元20都含有六个梯形介质谐振器21，它们按照六角形结构排列，并且被导电壁22分隔开，如图12所示。

Claims (57)

1.一种介质谐振天线单元阵列，其中各天线单元都由至少一个介质谐振器以及多个用于将能量送入和送出所述天线单元的馈电途径组成，其特征在于，所述各个天线单元的馈电途径既可被单独激活，也可被组合在一起激活，从而产生至少一个递增地或连续地可操纵的天线单元波束，该波束可在一个预定角度内受到操纵，而且来自所述各天线单元的波束也可被组合起来以形成至少一个天线阵波束，该波束也可在一个预定角度内受到操纵。
2.一种介质谐振天线单元阵列，其中每个天线单元都由至少一个带有接地基底的介质谐振器以及多个用于将能量送入和送出所述天线单元的馈电途径组成，其特征在于，所述各个天线单元的馈电途径既可被单独激活，也可被合成在一起激活，从而产生至少一个递增地或连续地可操纵的天线单元波束，该波束可在一个预定角度内受到操纵，而且来自各天线单元的波束也可被组合起来以形成至少一个天线阵波束，该波束也可在一个预定角度内受到操纵。
3.一种介质谐振天线单元阵列，其中每个天线单元都由至少一个带有接地基底的介质谐振器以及多个用于将能量送入和送出所述天线单元的馈电途径组成，其特征在于，所述各个天线单元的馈电途径既可被单独激活，也可被合成在一起激活，从而产生至少一个递增地或连续地可操纵的天线单元波束，该波束可在一个预定角度内受到操纵。
4.如上述权利要求中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述天线阵配备有适用于单独或合成激活馈电途径的电子电路，用以产生至少一个递增地或连续地可操纵的波束，该波束可在一个预定角度内受到操纵。
5.如上述权利要求中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述天线单元按照基本线性的形式放置。
6.如权利要求5所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述天线单元被并排放置。
7.如权利要求5所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述天线单元被上下放置。
8.如权利要求6或7所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述线性形式与一弯曲或变形的表面形状一致。
9.如权利要求1至4中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述天线单元按照环状形式放置。
10.如权利要求9所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述天线单元被按照基本圆形的形式放置。
11.如权利要求1至4中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述天线单元以在一个面上交叉的至少两维的形式放置。
12.如权利要求11所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述天线单元被以栅格的形式排列。
13.如权利要求11或12所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述面与一个弯曲或变形的表面形状一致。
14.如权利要求1至4中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述天线单元被排列成三维立体阵列。
15.如权利要求14所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述立体阵列的外轮廓基本上为从含有球形、四面体形、立方体形、八面体形、二十面体形以及十二面体形的组中选择出来的规则固体形状。
16.如权利要求14所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述立体阵列的外轮廓基本上为多面固体的形式。
17.如权利要求14所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述立体阵列的外轮廓为不规则固体的形式。
18.如权利要求14至17中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述立体阵列是通过将线性阵列的组合和/或平面阵列上下叠放而形成的。
19.如上述权利要求中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述天线单元被规则地相互分隔开。
20.如权利要求1至18中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述天线单元被不规则地相互分隔开。
21.如上述权利要求中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于还包括一个用于控制至少一个波束的介质透镜。
22.如上述权利要求中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于它还配有能够以一预定相移或时间延迟来激活各个天线单元的电子线路，用以产生一个可在一预定角度内受到操纵的天线阵排列因数。
23.如上述权利要求中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于它还配有能够将至少一部分天线单元的馈电途径组合起来的电子线路，以使一个已产生的天线单元波束图案在一个角度内与一个已产生的天线阵波束图案一起同步地可操纵。
24.如上述权利要求中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于它还配有电子线路用以为各个独立的天线单元提供至少两个馈电途径，从而在当用所述天线阵同时形成至少两个天线阵排列因数时形成一具有两个主瓣的天线波束图案，所述各天线单元都可被激活以同时形成至少两个天线单元波束，这些波束可与所述天线图案同步得到操纵。
25.如权利要求8或13或基于它们的任何一个权利要求所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于它还配有电子线路用以单独或组合地激活馈电途径，从而使所述天线单元产生位于同一方向的所有点上的多个单元波束，而且与弯曲或变形的表面无关。
26.如上述权利要求中的任何一个所述的天介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述馈电途径用于在各个天线单元的馈电中提供预定的时间延迟。
27.如权利要求26所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述馈电途径与电缆、光缆、印刷电路轨迹或者其它任何传输线相连，各个馈电途径都具有一个有效长度，通过改变此长度可以在天线单元的馈电中提供不同的时间延迟。
28.如权利要求27所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述传输线的有效长度是通过电子地接入或断开传输线的附加长度而被改变的。
29.如权利要求27所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述传输线的有效长度是通过电气地接入或断开传输线的附加长度而被改变的。
30.如权利要求27所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述传输线的有效长度是通过机械地接入或断开传输线的附加长度而被改变的。
31.如上述权利要求中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述馈电途径配有用于单独调整沿馈电途径输送给各个天线单元的能量信号的相位的装置。
32.如权利要求31所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述相位调整装置为二极管移相器、铁氧体移相器或任何其他类型的移相器。
33.如上述权利要求中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述各个天线单元都与一个独立的发射机模块或接收机模块相连，而且各发射机模块或接收机模块受到诸如计算机的任何装置的控制，以对输送给天线单元或从天线单元接收到的信号产生预定的相位和/或幅度修正，用以对天线阵波束图案进行操纵。
34.如上述权利要求中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述可操纵波束可在一个完整的360度圆内得到操纵。
35.如上述权利要求中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于它还包括能够将多个天线单元的馈电机构组合起来用以形成总和及差分图案的电子线路，从而允许实现多达360度的无线电测向能力。
36.如上述权利要求中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于它还包括能够将多个天线单元的馈电机构组合起来以形成振幅和/或相位比较结果的电子线路，从而允许实现多达360度的无线电测向能力。
37.如上述权利要求中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述馈电机构采用多个导电探针的形式，这些导电探针包含在介质谐振天线单元之内或者靠着介质谐振天线单元放置，或者将前述两种放置方式结合起来放置。
38.如权利要求2或3或最终基于权利要求2或3的权利要求4至36中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述馈电机构采用在接地基底中提供多个小孔的形式。
39.如权利要求38所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述小孔在介质谐振天线单元之下的接地基底中被以不连续的方式形成。
40.如权利要求39所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述小孔的形状为普通的矩形形状。
41.如权利要求38所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于在待被激励的各个所述小孔之下有一微波带传输线。
42.如权利要求41所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述微波带传输线被印在所述基底远离介质谐振器单元的一例上。
43.如权利要求37所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于有预定数目的包含在介质谐振天线单元之内或靠着介质谐振天线单元放置或者以这两种方式组合起来放置的探针不与所述电子线路相连。
44.如权利要求43所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述探针是没有终结的开环电路。
45.如权利要求43所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述探针由包括短路在内的任一阻抗负载终结。
46.如上述权利要求中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述介质谐振单元由至少一种介电常数k≥10的介电材料形成。
47.如上述权利要求中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述介质谐振单元由至少一种介电常数k≥50的介电材料形成。
48.如权利要求1至45中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述介质谐振单元由至少一种介电常数k≥100的介电材料形成。
49.如上述权利要求中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述介质谐振单元由一种液体或凝胶材料构成。
50.如权利要求1至48中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述介质谐振单元由一种固体材料构成。
51.如权利要求1至48中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述介质谐振单元由一种气体材料构成。
52.如上述权利要求中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于单个发射机或接收机被与多个天线单元连接。
53.如权利要求1至51中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于多个发射机或接收机各自与相应的多个天线单元连接。
54.如权利要求1至51中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于单个发射机或接收机被与多个不相邻的天线单元连接。
55.如上述权利要求中的任何一个所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于所述各个天线单元都是一个复合介质谐振天线，该天线包括多个独立的介质谐振天线，每个介质谐振天线都包括一个含有多个侧面的介质谐振器，以及一个用于将能量送入和送出介质谐振器的馈电机构，其中，各介质谐振器被排列成使其至少一个侧面与旁边的介质谐振器的至少一个侧面相邻。
56.如权利要求55所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于，在所述至少两个相邻侧面之间留有一个间隙。
57.如权利要求55或56所述的介质谐振天线单元阵列，其特征在于至少一对相邻的介质谐振器的相邻侧面被一具有两个侧面的导电壁隔开。
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