CN1638190A - 低成本可控相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

揭示了一种适用于无线保真(WiFi)和其它无线通信网络，尤其是多跳专门网络的低成本可控相控阵天线。揭示了包含由共电馈电线馈电的多个直线相控阵天线的天线组件的各种实施例。该共电馈电线被实现为平行线缆传输线，如同轴电缆、带状线、微带或共面波导(CPW)传输线。该共电馈电线网络的选择支路包含被定向并被调整大小的传输线移相器，以允许高介电常数电介质元件控制相移。因此，该共电馈电线形成一其相移可控的相移馈电线。可通过控制高介电常数电介质元件和共电馈电线的相移支路之间的空隙，或者通过电控制高介电常数电介质元件的介电常数，来机电地控制相移过程。

Description

低成本可控相控阵天线
技术领域
本发明涉及天线，尤其是相控阵天线。
背景技术
天线一般分为两类—全向天线和可控天线。全向天线全方向地发射和接收信号，即，向所有方向发射信号和从所有方向接收信号。单偶极子天线是全向天线的一个示例。尽管全向天线便宜，且在信号发射和/或接收方向未知或者变化(例如，由于需要从多个方位接收信号和/或发射信号到多个方位)的环境中得到了广泛的使用，但是全向天线仍存在重大缺点。因其全向的特性，全向天线的功率信号要求相对较高。由于发射信号被全向地发射，而不是朝向特定方位，因此发射功率要求较高。由于信号接收是全向的，发射信号源的功率要求必须相对较高，使得信号能被检测到。
可控天线克服了全向天线的功率要求问题。但是，在过去，可控天线价格昂贵。更具体地，可控天线“指向”所接收的信号源或所发射的信号的接收器的位置。可控天线一般分为两类，机械可控天线和电可控天线。机械可控天线使用机械系统来操控天线结构。大多数由机械系统操控的天线结构包含抛物面反射器元件和位于抛物面焦点的发射元件和/或接收元件。电可控天线使用多个天线元件，并且通过控制由天线元件发射和/或接收的信号的相位来操控。电可控天线一般被称为相控阵天线。如果多个天线元件排成一行，该天线被称为直线相控阵天线。
尽管相控阵天线在许多环境中得到广泛使用，尤其是在高价值的军事、航天和蜂窝电话环境中，然而，在过去，相控阵天线仍有一个主要的缺点。制造它们是花费昂贵的。高制造成本主要是因为在天线元件的馈电路径上需要大量的可变时延元件，又称为移相器。在过去，根据某一可预测的时间表来独立地控制由各个元件造成的时延或相移。一般而言，独立的时延或相移控制要求对谐振电路的电容和/或电感进行精确控制。尽管可以使用机械器件来控制电容和电感，然而大多数现代时延或相移电路使用诸如变容二极管等电可控器件来控制电路产生的时延或相移。尽管可通过区域指向和开关相控阵天线来降低相控阵天线的成本，但是这种天线的指向能力相当差。区域指向和开关相控阵天线频繁使用采用针孔二极管在相位延迟间切换的微波开关技术，以在不同的区域间切换。由于区域指向和开关相控阵天线指向区域而不是精确方位，与全向天线一样，它们比方位指向相控阵天线需要更高功率的信号。
由于价格昂贵，在过去，未在低成本无线网络环境中采用相控阵天线。例如，在过去，相控阵天线未用于无线保真(WiFi)网络。其结果是，在低成本无线网络环境不能利用相控阵天线的重大优点。因而，存在对具有相对精确指向能力的低成本可控相控阵天线的需求。本发明针对提供这一天线。
发明内容
本发明针对适用于无线保真(WiFi)和其它无线通信网络环境的低成本可控相控阵天线。本发明的实施例理想地适用于多跳专用(ad hoc)无线信号传输网络。
依照本发明形成的相控阵天线包含由一共电馈电线馈电的多个天线元件。该共电馈电线被实现为一线缆传输线。该共电馈电线的选择支路被定位并被调整大小，以允许高介电常数电介质元件的介电常数以相关的方式控制支路相移。由此，共电馈电线形成一相移天线馈电，即，具有可以相关方式控制相移的选择支路的天线馈电。
依照本发明的另外方面，共电馈电线的选择支路，即相移可控支路互相平行并靠紧在一起。
依照本发明的其它方面，天线元件直线排列。
依照本发明的更多方面，通过控制高介电常数电介质元件和组合馈电线的相移支路之间的间隔来机电地控制相移。
依照本发明的其它更多方面，高介电常数电介质元件具有平坦的形状，并且通过将元件的平面移向共电馈电线的相移支路和从共电馈电线的相移支路移开，来控制相移。
依照本发明的备选方面，高介电常数电介质元件是具有相对圆柱体轴偏移的旋转轴的圆柱体的形式。通过旋转圆柱体元件，使元件和共电馈电线的相移支路之间的间隔变化，来控制相移。
依照本发明的其它备选方面，通过电控制高介电常数电介质元件的介电常数来电控制相移。
依照本发明的更多方面，可控相控阵天线是包含四个分离的直线相控阵天线的组件；定位每一天线，以从L形壳体的一臂的一侧指向外侧，并覆盖90°象限。由于每一天线覆盖一不同的90°象限，并且由于象限互不重叠，因此该天线组件包含了360°的弧度。由此，通过选择覆盖被指向方位所在的象限的天线，并促使选中的天线指向该方位，该天线组件可“指向”任一方向。
依照本发明的更多方面，直线相控阵天线元件和共电馈电线以印刷电路板的形式来实现。
依照本发明的更多其它方面，使用传统的印刷电路板技术将天线元件和共电馈电线印刷在一片介电材料上。
依照本发明的更多方面，天线元件和共电馈电线位于该片介电材料的相对的表面上。
依照本发明的其它备选方面，天线元件和共电馈电线位于该片介电材料的同一表面上。
依照本发明的其它备选方面，第一组天线元件和第一共电馈电线位于该片介电材料的一个表面上，第二组天线元件和第二共电馈电线位于该片介电材料的其它表面上。
如可从前述发明内容中容易地理解的，本发明提供一种低成本可控相控阵天线。相控阵天线的成本低，因为使用了一公用高介电常数电介质元件来控制由对天线元件馈电的共电馈电线的选择支路产生的相移。与要求精确、昂贵的电相移电路不同，依照本发明形成的相控阵天线使用低成本、高介电常数的电介质元件。通过机电地控制共电馈电线的选择支路上高介电常数电介质元件的介电常数的交感，可提供时延(相移)控制。通过使用诸如低成本伺服控制马达、音圈马达等低成本机电器件来控制高介电常数电介质元件相对于选择支路的位置，或者通过电控制高介电常数电介质元件的介电常数，可控制介电常数的交感。依照本发明形成的相控阵天线也是低成本的，因为这类天线理想地适合以低成本印刷电路板的形式来实现。
除提供低成本可控相控阵天线之外，从前述发明内容可容易地理解，本发明也提供了一种具有可被同时控制的相移支路的新型且改进的共电馈电线。
附图说明
当结合附图阅读以下详细描述更好地了解本发明的前述各方面和许多附加优点时，可以更容易地理解这些方面和优点，附图中：
图1是微带传输线的局部等轴测图；
图2是共面波导传输线的局部等轴测图；
图3是八元件相控阵天线的共电馈电线的图示；
图4是图3所示的类型的共电馈电线，包括依照本发明定位并调整大小的传输线相移支路；
图5是依照本发明的图4所示的共电馈电线的重定位；
图6是依照本发明形成的低成本可控相控阵天线的第一实施例的局部截面的等轴测图；
图7是图6顶部横截面视图；
图8是图6所示的相控阵天线一部份的侧视图；
图9是依照本发明形成的低成本可控相控阵天线的第二实施例的局部截面的等轴测图；
图10是图9的顶部横截面视图；
图11是图9所示的相控阵天线的一部份的侧视图；
图12是适用于图6-8和9-11所示的本发明的实施例的平面电介质元件的备选实施例的等轴测图；
图13是依照本发明形成的低成本可控相控阵天线的第三实施例的局部截面的等轴测图；
图14是图13的顶部横截面视图；
图15是图13所示的相控阵天线的一部份的侧视图；
图17是图16的顶部横截面视图；
图18是图16所示的相控阵天线的一部份的侧视图；
图19是依照本发明形成的低成本可控相控阵天线的第五实施例的顶部横截面视图；
图20是图19所示的相控阵天线的一部份的侧视图；
图21是依照本发明形成的低成本可控相控阵天线的第六实施例的顶部横截面视图；
图22是图21所示的相控阵天线的一部份的侧视图；
图23是用于控制图6-22所示的本发明的实施例中的操控的控制系统的框图；
图24是使用依照本发明形成的相控阵天线的常规通信网络的图示；以及
图25是使用依照本发明形成的相控阵天线的网状通信网络的图示。
具体实施方式
如从以下描述更好地理解的，依照本发明形成的相控阵天线的共电馈电线使用传输线移相器。更具体地，相控阵天线元件通常接收从微波馈电发射的信号，并将接收的信号施加到微波馈电。典型的微波馈电包含同轴电缆、带状线、微带以及共面波导(CPW)传输线。信号波形沿这些传输线向下的传播可以用概括由该传播创建的详细电磁现象的有效介电常数来表征。在这一点上，信号沿平行线缆传输线的传播速度(c)给出如下：
c = 1 ϵμ - - - ( 1 )
其中，ε是相对介电常数，μ是位于传输线的线缆之间区域中的介电材料的相对磁导率。由于所有的实际介电材料的μ约为1，很容易清楚，该传播速度与介电常数值的平方根的倒数即，ε的平方根的倒数成正比。
图1和2是分别示出两类微波馈电传输线—微带线和CPW传输线的局部等轴测图。两种传输线都有由可通过实验和数字仿真来逐步展开的复数方程给出的有效的介电常数。由于近似的公式可以在许多教科书和论文中找到，并且它们对理解本发明不是必须的，因此这些公式不在这里重复。然而，重要的是理解传输线的有效介电常数依赖于包含在传输线结构中的不同介电层的厚度和介电常数值。同样重要的是，理解改变不同介电层的参数可用于改变传输线信号传播的速度，并由此，可用于对沿传输线传播的信号进行移相。对信号速度的控制控制了信号的时延，从而控制了相移。
如上所述，图1示出了微带传输线21。示出的微带传输线21包括由导电材料形成的地平面23、第一电介质层25、同样由导电材料形成的信号导体27以及第二电介质层29。地平面23位于第一电介质层25的一个表面上，而信号导体27位于第一电介质层25另一表面上。第一介电层25可以是用于印刷电路板(PCB)常规类型电介质片，并且地平面23和信号导体27印刷电路位于该电介质片的相对表面。第二电介质层29与包含信号导体27的第一电介质层表面间隔开。图1所示的微带传输线的有效介电常数依赖于第一和第二电介质层25和29的厚度和介电常数值，以及第一和第二电介质层之间的空气间隙31，因为空气也是电介质。
图2所示的共面波导(CPW)传输线41包括第一电介质层43、信号导体45、两个接地导体47a和47b以及第二电介质层49。信号导体45和接地导体47a和47b位于第一电介质层43的一个表面上。第一和第二接地导体47a和47b位于信号导体45两侧，并与该导体平行。信号导体和每一接地导体之间的间隔相同，即，接地导体与信号导体等间隔。第一电介质层43、信号导体45以及第一和第二接地导体47a和47b可以采用印刷电路板的形式，其中，导体采用常规印刷电路板制造技术堆积在电介质片的一个表面上。第二电介质层49与包含信号导体45及第一和第二接地导体47a和47b的第一电介质层43的表面间隔开。与图1所示的微带传输线一样，图2所示的CPW传输线的有效介电常数依赖于第一和第二电介质层43和49的厚度和介电常数值以及第一和第二电介质层之间的空气隙51。
如从下文描述可以更好地理解的，本发明基于以下理解：信号沿诸如图1和2所示的微带和CPW传输线等微波馈电类传输线的传播速度依赖于传输线的有效介电常数。由于信号传播速度由传输线的有效介电常数确定，因此，传输线产生的时延，以及由此产生的相移能够通过控制传输线的有效介电常数加以控制。此外，本发明的若干实施例基于以下理解：传输线的有效介电常数可以通过控制由微波馈电传输线信号导体所穿过的一对电介质层所定义的空气隙厚度来控制。更具体地，本发明的这些实施例基于控制传输线，即信号导体上方紧邻的空气层的厚度。尽管第一或第二电介质层可以相对其它电介质层移动，然而较佳的是，相对第一电介质层移动第二电介质层，而第一电介质层保持固定。同样较佳的是，第二电介质层由低成本、高介电系数材料，如金红石(二氧化钛或TiO2)，或包含诸如钡或锶等碱土金属的金红石的混合物形成。
机械地控制第一和第二电介质层之间的空气隙厚度以控制时延并由此控制相移的一个备选方案是控制第二电介质层的介电常数，而保持空气隙厚度恒定。铁电物质的介电常数在电场的影响下改变。金红石和包含诸如钡或锶等碱土金属的金红石混合物表现出铁电物质的特性。
如本领域的技术人员和其它人员从图1和2以及前文描述所容易地理解的，传输线移相器不同于传统移相器，因为它们是分布式移相器，即，它们不包含集总元件。其结果是，不需要分离的电子元件来制造传输线移相器。由于在传输线移相器的物理尺寸上没有限制，因此这类移相器能够用于高功率、低频的应用。
相控阵天线基于简单的操作原理；直线相控阵天线的发射或接收角，即Bragg角θ由天线阵元件之间的间距α、每一天线元件上施加的波的波长和施加的波的相位来确定。更具体地，
sin θ = Δc a = φλ 2 π - - - ( 2 )
其中，α等于天线阵元件之间的间距，c等于频率(γ)除以波长(λ)，Δ等于时延，φ等于相位延迟。每一天线元件(n)在以下时延接收波：
nΔ = na c sin θ - - - ( 3 )
通过公式(3)的量将来自每一天线元件的信号向前传播，导致信号以构造性的方式互相干扰，并得到增益。
如从以下描述可以更好地理解的，本发明的实施例在连接到相控阵天线的天线元件的共电馈电线的支路中使用上述类型的传输线移相器。图3示出了常规共电馈电线，它连接到八元件相控阵天线的元件61a-61h。常规共电馈电线是一种树形排列，在树所分叉的每一顶点放置变压器。变压器是匹配加入该顶点的支路的阻抗的阻抗匹配变压器。阻抗匹配通常用传输线谐振变压器来实现。图3所示共电馈电线的信号输入/输出端子端接在分离成两条支路的第一级顶点63a上，每一支路终止于第二级顶点63b、63c。第二级顶点63b、63c的每一个进而分离成终止于第三级顶点63d-63g的支路。第三级顶点分离成终止于天线元件61a-61h的支路。
本发明认识到，相控阵天线能够通过对共电树的一侧的支路施加的信号进行适当移相来操控。图4示出了这样一个排列。更具体地，图4示出了一个相控阵天线，它包括八个元件71a-71h，它们由类似于图3所示的共电馈电线的共电馈电线馈电，除共电馈电线树每一支路的右侧包含传输线移相器之外。更具体地，共电馈电线树的第一支路的右侧73a包含传输线移相器，而左侧支路73b不包含移相器。共电馈电线树的下一级的右侧支路也包含传输线移相器，而左侧支路75b和75d不包含移相器。同样，共电馈电线树的下一级(终级)的右侧支路77a、77c、77e、77g包含传输线移相器，而左侧支路77b、77d、77f和77h不包含移相器。
如由图4中不同的线长所示的，在每一级支路上的相移量是不同的。如果出现在第一级右侧支路73a上的相移被表示为Δ，则第二级右侧支路75a和75c的相移为Δ/2，并且右侧支路77a、77c、77e和77g的相移为Δ/4。如果包括了额外的支路，则下一级右侧支路的延迟将为Δ/8，依此类推。因此，每一天线元件71a-71h接收其相邻元件上的统一的延迟增量。在八元件直线阵列的情况下，如果最左的元件71h有0延迟，则下一元件71g有Δ/4的延迟，下一元件71f有Δ/2的延迟，下一元件71e有3Δ/4延迟，下一元件71d有Δ的延迟，下一元件71c有5Δ/4的延迟，下一元件71b有3Δ/2的延迟，最后的元件71c有7Δ/4的延迟。由于每一天线接收其相邻元件上的统一的延迟增量，因此天线阵列以Bragg角θ被操控至左边。
如图4中图示的，可通过对分传输线的长度、形成从低分支级别到高分支级别行进的共电树的各级别的相移支路来容易地实现上述相移模式。这一排列的一个特征是共电馈电线树的所有移相侧(右)支路可以“组合”在一起，使得可使用单个机制同时控制所有相移侧支路的有效介电常数。因此，只需要单个机械间隔控制器件，或电场的单一值，来操控结合图4所示类型的共电馈电线的相控阵天线。可以理解，尽管图4描述了共电馈电线，其中共电馈电线各个级别的右侧支路都包含传输线移相器，然而可通过在左侧支路中放置传输线移相器获得同样的效果。
尽管可开发单个控制系统来控制图4所示类型的共电馈电线的相移支路的相移，然而依照本发明，这一控制系统的复杂度和尺寸可以通过以图5所示的方式改变共电馈电线的几何排列来降低。图5示出了一个排列，其中，共电馈电线的所有相移侧支路都紧密群集在单个区域中。更具体地，图5示出了一种共电馈电线，其中，该共电馈电线的输入/输出端子82连接到第一相移传输线83a，它执行图4所示的共电馈电线的第一级右侧分支73a的功能。第一相位传输线83a连接到第二相移传输线85a，后者进而连接到第三相移传输线87a。第二和第三相移传输线85a和87a执行图4所示的共电馈电线的下两个级别的最右侧支路75a和77a的功能。第三相移传输线87a连接到第一天线元件81a。
除被连接到相移传输线87a之外，第二相移传输线85a连接到第二天线元件81b。除被连接到第二相移传输线85a之外，第一相移传输线83a连接到第四相移传输线87c。第四相移传输线87c执行图4所示的共电馈电线的右侧支路77c的功能。第四相移传输线87c连接到第三天线元件81c。第一相移传输线85a也连接到第四天线元件81d。
输入/输出端子82也连接到第五相移传输线85c。第五相移传输线85c执行图4所示的共电馈电线的右侧支路75c的功能。第五相移传输线85c连接到第六相移传输线87e。第六相移传输线87e执行图4所示的共电馈电线的右侧支路77e的功能。第六相移传输线87e连接到第五天线元件81e。第五相移传输线85c也连接到第六天线元件81f。
输入/输出端子也连接到第七相移传输线87g。第七相移传输线87g执行图4所示的共电馈电线的右侧支路77g的功能。第七相移传输线87g连接到第七天线元件81g。输入/输出端子82也直接连接到第八天线元件81h。
第三、第四、第六和第七相移传输线87a、87c、87e和87g的长度等于第二和第五相移传输线85a和85c的长度的一半。此外，第二和第五相移传输线85a和85c的长度等于第一相移传输线83a的长度的一半。此外，当被分隔开时，第三、第四、第六和第七相移传输线87a、87c、87e和87g是同轴的，第二和第五相移传输线85a和85c也是如此。最后，第三、第四、第六和第七相移传输线87a、87c、87e和87g的轴，第二和第五相移传输线85a和85c的轴以及第一相移传输线83A的轴都彼此平行，并紧密地排列在一起。
图4和5的比较揭示了施加到向每一天线元件施加或由其接收的信号上的线路延迟或相移量在两个图中是相同的，其不同之处在于图5中的共电馈电线的几何排列比图4所示的共电馈电线的几何排列更紧密地群集在单个区域。如从以下本发明的较佳实施例的描述可以更好地了解的，将相移传输线紧密地群集到单个区域允许使用更小的高介电常数元件来同时控制每一相移传输线的相移。更具体地，如从下文描述可以更好地了解的，这一排列允许使用其位置由合适的机电设备控制的高介电常数电介质的矩形板或圆柱体来控制由相移传输线产生的相移。可选地，也可使用介电常数可控元件。
图6-22示了基于先前所讨论的相移概念依照本发明形成的低成本可控相控阵天线的若干实施例。尽管图6-22所示的并在本发明中描述的相控阵天线都是直线相控阵天线，然而可以理解，其它天线元件阵列可以与本发明所描述的类型的共电馈电线组合使用，来创建本发明的其它版本和实施例。因此，可以理解，本发明不限于后文详细描述的实施例。
图6-8示出了依照本发明形成的360°相控阵天线组件的第一实施例。相控阵天线组件包含一L形壳体91。位于L形壳体的每一腿上的是两个背靠背的相控阵天线93a、93b、93c和93d、其每一个包含八个直线阵列的天线元件，以及图5所示并在上文描述的类型的共电馈电线。更具体地，每一相控阵天线包含电介质材料片94，如印刷电路板片。PCB片94之一与L形壳体91的四个外表面的每一个相邻。每一PCB片的外表面包含天线元件的直线阵列，在所示的本发明的实施例中是八个-95a-95h。位于每一PCB片94的内表面上的是具有图5所示并在上文描述的几何排列的共电馈电线96。叠加在各共电馈电线96上的是高电介质层97，即，以高介电常数材料形成的电介质层。合适的低成本、高介电常数材料是金红石(二氧化钛或TiO2)，或包含诸如钡或锶等碱土金属金红石混合物。高介电常数电介质层可由另一电介质片或层支撑，或者，如果足够坚固，可以自我支撑。在任一情况下，每一高介电常数电介质层97被安装和支撑，使得层与置于其下的共电馈电线之间的间隙可通过诸如操作螺旋起重机构98的电动马达99等合适的电机定位装置来控制。电动马达可以是交流或直流马达、伺服马达或者任何其它合适的马达。可选地，高介电常数电介质层的位置也可以用音圈马达来控制。为便于说明，支撑PCB片94、高介电常数电介质层和电动马达99的支撑机构没有在图6-8中示出。
如从以上描述可容易地理解的，控制高介电常数电介质层97的位置，控制了各层和共电馈电线的相移传输线之间的空气隙，由此操控，即控制天线元件93a-93h的直线阵列的指向。如由图7的弧度所示的，相控阵天线93a、93b、93c和93d的每一个指向不同的方向。依照本发明，较佳地，每一天线覆盖90°的弧度，即象限。如图7中所示的，当组合象限时，象限不重叠，并且图6-8中所示的天线组件覆盖360°。其结果是，如下文对图23所描述的，可通过控制使用哪一天线以及该天线的指向，该天线组件能够“指向”任一方向。
图9-11示出了依照本发明形成的低成本可控相控阵天线组件的第二实施例，它与图6-8所示的本发明的实施例有些相似，但不相同。如图6-8所示的本发明的实施例一样，图9-11所示的本发明实施例包含一L形壳体101。壳体的每一腿包含指向相反方向的两个直线相控阵天线。然而，不同于相控阵天线安装在不同PCB片的外表面，而共电馈电线安装在同一PCB片的内表面，图9-11所示的本发明的实施例在每一腿上包括单个PCB片102，它被安装使得两个表面都面向朝外。直线相位阵列天线之一的元件103c-103h位于PCB片102的一个表面上，而其它相控阵天线的元件105a-105h位于PCB片的其它面上。此外，相关天线的共电馈电线106位于PCB片102上与其相关天线元件相同的一侧。另外，不同于高介电常数电介质层位于支撑天线元件的PCB片的内侧或之间，在图6-8的实施例中，图9-11的实施例的高介电常数电介质层107位于支撑天线元件和共电馈电线的PCB片102的外侧。如上所述，高介电常数电介质层107叠加在其各自的天线的共电馈电线106上，或与其并列。此外，使用适当的机电移动机构，如具有用于与螺线接收元件，即螺旋起重机构110相互作用的螺线杆的电动马达109，相对于各层叠加于其上的共电馈电线106的相移传输线来定位高介电常数电介质层107，从而控制高介电常数电介质层和共电馈电线的相移传输线之间空气隙。
尽管如所述，包含在依照图6-8和9-11所示的本发明形成的低成本可控相控阵天线组件的的实施例中的高介电常数电介质层可以是单个电介质片，或由自支撑的或安装在同样由电介质材料形成的支撑片上的高介电常数电介质形成层，然而可选地，如图12所示，高介电常数电介质层可由设置在同样由电介质材料形成的支撑片的一个表面上的多个低成本、高介电常数电介质部件或条块113a-113d、115a-115b以及117形成。高介电常数电介质条块较佳地是矩形。无论形状如何，调整高介电常数电介质条块113d、115a、115b和117的大小，并令它们位于基层11上，，使其并列于共电馈电线的相应的相移传输线并叠加在其上。在这一点上，如图12清晰地示出的，高介电常数电介质条块包含四个相对较短的条块113a-113d、两个中等长度的条块115a和115b、以及一个长条块117，其每一个的长度分别与图5所示并在上文描述的共电馈电线的短、中和长相移传输线的长度相等。
图13-15示出了依照本发明形成的低成本可控相控阵天线组件的第三实施例，它在某些方面与图6-8所示的本发明的实施例有些相似。更具体地，图13-15所示的本发明的实施例包含一L形壳体121。位于L形壳体121的每一腿上的是两个PCB片123，其每一个支撑相控阵天线的元件和共电馈电线。L形壳体121的每一腿上的片之一与腿的外表面相邻，而同一腿的其它片与腿的内表面相邻。位于每一PCB片123的外表面上的是多个相控阵天线元件125a-h。位于每一PCB片123的对侧的是连接到片上安装的天线元件的共电馈电线126。共电馈电线126与图5所示并在上文描述的共电馈电线类似。叠加在每一共电馈电线126上的是一高介电常数电介质圆柱体127，即，由低成本、高介电常数材料，如金红石(二氧化钛或TiO2)或包含诸如钡或锶等碱土金属的金红石混合物形成的圆柱体。位于每一高介电常数电介质圆柱体一端的是合适的旋转机构，如电动马达129。如图15中最佳示出的，高介电常数电介质圆柱体的旋转轴从它们的相关电动马达129的旋转轴偏移。其结果是，当马达旋转它们各自的高介电常数电介质圆柱体时，高介电常数电介质圆柱体和它们各自的相移传输线之间的空气隙改变，从而控制由共电馈电线的相移传输线以上述方式产生的时延或相移。与本发明的其它实施例一样，支撑PCB片、高介电常数电介质圆柱体和电动马达的支撑机构没有在图13-15中示出，以避免这些图太过复杂。
图16-18示出了依照本发明形成的低成本可控相控阵天线组件的第四实施例。图16-18中示出的本发明的实施例本质上是图9-11和图13-15中所示的本发明的实施例的组合。更具体地，图16-18中所示的本发明的实施例包含一L形壳体131。安装在于L形壳体131的每一腿的中央的是支撑两个相控阵天线的元件和共电馈电线的PCB片133。更具体地，位于每一PCB片133的两个外表面上的是天线元件135a-135h和137a-137h的直线阵列。位于PCB片133的两侧的是天线元件的共电馈电线。安装在每一天线馈电线外的是高介电常数电介质圆柱体138。高介电常数电介质圆柱体的每一个都叠加在各自的共电馈电线之上。每一圆柱体138用诸如电动马达139等相关旋转机构来旋转。与图13-15所示本发明的实施例一样，并如图18所示的，高介电常数电介质圆柱体的的每一个的旋转轴从它们的相关电动马达139的旋转轴偏移。其结果是，当马达旋转它们各自的圆柱体时，圆柱体和它们各自的共电馈电线的相移传输线之间的空气隙改变，由此，共电馈电线的相移传输线的时延或相移同步地改变。
如本领域的技术人员容易地理解的，图6-18所示的本发明的实施例基于用于控制高介电常数电介质层或圆柱体与共电馈电线的相移传输线之间的空气隙的机电系统。由于空气隙对所有的共电馈电线相移传输线同步改变，对相移传输线的每一递增的部份，发生同样的时延或相移改变。如图5所示并在上文讨论的，由于个别部份有与因子相关的不同的长度，每一相移传输线的延迟是数学相关的。由于改变的增量保持恒定，因此即使如由个别的相移传输线的长度所确定的每一相移传输线的总延迟是不同的，然而各个相移传输线之间的数学关系仍然保持恒定。
如上所述，图6-18所示的本发明的实施例都依赖于机电地控制高介电常数电介质层或圆柱体与共电馈电线的相移传输线之间的空气隙。机电地改变空气隙的一个备选方案是电控制叠加在共电馈电线的相移传输线之上的固定位置电介质层的介电常数。众所周知，铁电材料的介电常数在电场的影响下改变。金红石和包含诸如钡或锶等碱土金属的金红石混合物表现出铁电物质的性质。这类材料的薄膜可用于形成铁电透镜。
图19-22示出了依照本发明形成的低成本可控相控阵天线组件的第四实施例，它采用其介电常数在电场的影响下改变的铁电物质，来控制图5所示类型并用于相控阵天线的共电馈电线的相移传输线的时延(即相移)。更具体地，与本发明的其它实施例一样，图19和20中所示的低成本可控相控阵列组件的实施例包含L形壳体141。安装在L形壳体141的每一腿中的是两个PCB片，即，两片电介质材料143。每一腿中的一片PCB与L形壳体的相关腿的外表面相邻，而另一片与该腿的内表面相邻。PCB片的外表面侧的每一个包含多个直线阵列的天线元件145a-h和147a-147h。因此，与本发明的图6-18实施例一样，图19-20实施例的天线元件从L形壳体141的腿的四个表面向外指向。安装在PCB片与天线元件145a-145h和147a-147h相对的一侧，即在PCB的向内侧的是图5所示并上文描述的类型的共电馈电线148。叠加在每一共电馈电线148之上的是铁电层149，即，其介电常数在电场的影响下改变的材料层。铁电层149的位置相对相关的共电馈电线149固定。如由线缆150所示的，电能被供应到铁电层149。控制施加到铁电层的电能，可控制相关共电馈电线的相移传输线的时延或相移，这与本发明的前述实施例中，控制空气隙来控制相移传输线时延或相移的方式类似。
图21和22示出了依照本发明形成的低成本可控相控阵天线组件的另一实施例，它同样使用铁电层来控制共电馈电线的相移传输线的相移。更具体地，如本发明的其它实施例一样，图21和22示出的低成本可控相控阵天线组件包含一L形壳体151。与图9-11和16-18所示的本发明的实施例一样，位于L形壳体的每一腿的中央的是PCB片153。位于每一PCB片的两个外表面上的是天线元件155a-155h和157a-157h的直线阵列。同样位于PCB片两侧的是图5所示并在上文描述的类型的共电馈电线158。共电馈电线158连接到位于PCB片上与共电馈电线相同的一侧的天线元件。叠加在每一共电馈电线之上的是铁电层159，即，其介电常数在电场的影响下改变的材料层。与图19和20所示的实施例一样，改变施加到铁电层的电能可控制由相关的共电馈电线的相移传输线造成的时延或相移。
图23所示是用于控制图6-22中所示的低成本可控相控阵天线的任一个的指向的控制系统的框图。该控制系统包含一指向方向控制器，它被示出为耦合至图6-22所示并在上文描述的类型的四个直线相控阵天线165a-165d。操控控制信号161被施加到指向方向控制器163。操控控制信号包含定义天线指向方向的数据。指向方向控制器首先决定四个相控阵天线165a-165d中的哪一个覆盖了要指向的方位所处的象限。指向方向控制器然后确定精确地指向该方位所需的传输线相移。传输线相移信息用于控制高介电常数电介质层(图6-12)的位置、高介电常数电介质圆柱体(图13-18)的旋转角、或施加到铁电层(图19-22)的能量。
图24和25示出了依照本发明形成的低成本可控相控阵天线组件的示例性使用。这类天线能用于各种环境。图24和25示出本发明用于包括在家居或商业场所中WiFi系统。更具体地，图24示出多个场所171a-171d，其每一个都包含依照本发明形成的低成本可控相控阵天线173a-173d。天线173a-173d的每一个被示出为单独地用线缆连接到因特网服务提供商，如线缆公司175。服务提供商进而被示出为连接到因特网177。
与图24一样，图25包含多个场所181a-181d，其每一个都包含依照本发明形成的低成本可控相控阵天线183a-183d。然而，与图24相反，只有一个场所181b将其天线183b通过线缆连接到因特网服务提供商，如线缆公司185。因特网服务提供商连接到因特网187。所有的其它场所181a、181c和181d将其各自的天线183a、183c和183d以无线的方式耦合至连接到因特网服务供应商的房屋181b的天线183b。
尽管示出并描述了本发明各种实施例，然而，如本领域的技术人员和其它人员容易地理解的，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对其作出各种改变。例如，天线元件可用非直线方式排列。可在本发明的其它实施例中采用不同于所具体示出的用于移动高介电常数电介质层或圆柱体的机构。此外，也可使用非L形壳体的天线壳体。并且，天线可以分散配置，而非四个天线的组件。因此，在所附权利要求的范围内，可以理解，本发明可以与此处所具体描述的不同地实践。

Claims (50)

1.一种低成本可控相控阵天线，其特征在于，它包括：
多个天线元件；
一连接到所述天线元件的共电馈电线，所述共电馈电线包括多个相移传输线；
一叠加在所述共电馈电线的所述多个相移传输线之上的高介电常数电介质元件；以及
一用于控制所述高介电常数电介质元件的介电常数与所述共电馈电线的所述多个相移传输线之间的交感的控制器。
2.如权利要求1所述的低成本可控相控阵天线，其特征在于，所述多个天线元件是直线排列的。
3.如权利要求1所述的低成本可控相控阵天线，其特征在于，它包括一电介质片，并且其中，所述共电馈电线位于所述电介质片的表面上。
4.如权利要求3所述的低成本可控相控阵天线，其特征在于，所述多个天线元件也位于所述电介质片的表面上。
5.如权利要求4所述的低成本可控相控阵天线，其特征在于，所述多个天线元件和所述共电馈电线位于所述电介质片的同一表面上。
6.如权利要求5所述的低成本可控相控阵天线，其特征在于，它包括：
位于所述电介质片的其它表面上的第二多个天线元件和第二共电馈电线，所述第二共电馈电线连接到所述第二多个天线元件上，所述第二共电馈电线包括多个相移传输线；以及
叠加在所述多个相移传输线之上的第二高介电常数电介质元件，所述控制器控制所述第二高介电常数电介质元件的介电常数与所述第二共电馈电线的所述多个相移传输线之间的交感。
7.如权利要求4所述的低成本可控相控阵天线，其特征在于，所述电介质片是印刷电路板片，并且其中，所述多个天线元件和所述共电馈电线通过在所述印刷电路板上印刷所述天线元件和所述共电馈电线来制造。
8.如权利要求1所述的低成本可控相控阵天线，其特征在于，所述高介电常数电介质元件由选自包括金红石(二氧化钛)和含碱土金属的金红石混合物的组的材料形成的。
9.如权利要求8所述的低成本可控相控阵天线，其特征在于，所述碱土金属选自钡或锶。
10.如权利要求1所述的低成本可控相控阵天线，其特征在于，用于控制所述高介电常数电介质元件的介电常数与所述共电馈电线的所述多个相移传输线的交感的所述控制器包括一用于控制所述高介电常数电介质元件相对于所述共电馈电线的所述多个相移传输线的位置的机电系统。
11.如权利要求10所述的低成本可控相控阵天线，其特征在于，所述高介电常数电介质元件是包括高介电常数电介质材料的平面层，并且其中，通过将所述层移向所述相移传输线和从所述相移传输线移开，来相对所述共电馈电线的所述多个相移传输线定位所述层。
12.权利要求11所述的低成本可控相控阵天线，其特征在于，所述高介电常数电介质层包括一由电介质材料形成的支撑层、以及设置在所述电介质支撑层上的多个条块。
13.如权利要求11所述的低成本可控相控阵天线，其特征在于，所述高介电常数电介质层是自支撑层。
14.权利要求10所述的低成本可控相控阵天线，其特征在于，所述高介电常数电介质元件是包括高介电常数电介质材料的圆柱体，并且其中，通过围绕从所述圆柱体的轴偏离的轴来旋转所述圆柱体，来相对于所述共电馈电线的所述多个相移传输线定位所述圆柱体。
15.如权利要求1所述的低成本可控相控阵天线，其特征在于，所述高介电常数电介质元件由铁电材料形成，并且其中，用于控制所述高介电常数电介质元件的介电常数与所述共电馈电线的所述多个相移传输线的交感的所述控制器控制对所述铁电材料的电能施加。
16.如权利要求1所述的低成本可控相控阵天线，其特征在于，所述多个天线元件是八个元件，并且其中，所述多个相移传输线包括一个长相移传输线、两个中等长度相移传输线、以及四个短传输线。
17.如权利要求16所述的低成本可控相控阵天线，其特征在于，所述中等相移传输线的长度是所述长相移传输线的长度的一半，并且其中，所述短相移传输线的长度是所述中等相移传输线的长度的一半。
18.如权利要求17所述的低成本可控相控阵天线，其特征在于，所述短相移传输线是同轴排列的，所述中等长度相移传输线是同轴排列的，并且其中，所述长传输线、所述中等长度相移传输线和所述短相移传输线彼此平行地排列。
19.如权利要求18所述的低成本可控相控阵天线，其特征在于，所述长传输线连接到所述天线元件之一、连接到所述中等长度相移传输线之一、并连接到所述短相移传输线之一，所述短相移传输线之一连接到所述天线元件的另一个，所述中等相移传输线之一连接到所述天线元件的又一个、并连接到所述短相移传输线的第二个，所述短相移传输线的所述第二个连接到所述天线元件的再一个，所述中等相移传输线的第二个连接到所述天线元件的还有一个、并连接到所述短相移传输线的第三个，所述短相移传输线的所述第三个连接到一另外的天线元件，所述第四相移传输线连接到所述天线元件的一另外的元件，所述长传输线、所述中等传输线的所述第二个和所述短相位传输线的所述第四个连接到一端子、并连接到所述八个天线元件中的剩余的一个。
20.一种低成本可控360°相控阵天线，其特征在于，它包括：
a)一L形壳体；
b)四个直线相控阵天线，所述天线中的两个安装在所述L形壳体的每一腿中，以指向相反的方向，所述直线相控阵天线的每一个包括：
i)一电介质片；
ii)位于所述电介质片表面上的多个天线元件；
iii)一连接到所述天线元件的共电馈电线，所述共电馈电线位于所述电介质片的表面上，所述共电馈电线包括多个相移传输线；以及
iv)一叠加在所述共电馈电线的所述多个相移传输线之上的高介电常数电介质元件；以及
c)一用于控制所述高介电常数电介质元件的介电常数与所述高介电常数电介质元件叠加其上的所述共电馈电线的多个相移传输线之间的交感。
21.如权利要求20所述的低成本可控360°相控阵天线，其特征在于，所述多个天线元件和所述共电馈电线位于所述电介质片的同一表面上。
22.如权利要求21所述的低成本可控360°相控阵天线，其特征在于，所述电介质片对在所述L形壳体的同一腿中的直线相控阵天线是公用的。
23.如权利要求20所述的低成本可控360°相控阵天线，其特征在于，所述电介质片是印刷电路板片，并且其中，所述多个天线元件和所述共电馈电线通过在所述印刷电路板上印刷所述天线元件和所述共电馈电线来制造。
24.如权利要求20所述的低成本可控360°相控阵天线，其特征在于，所述高介电常数电介质元件由选自包含金红石(二氧化钛)和包含碱土金属的金红石混合物的组的材料形成。
25.如权利要求24所述的低成本可控360°相控阵天线，其特征在于，所述碱土金属选自包含钡和锶的组。
26.如权利要求20所述的低成本可控360°相控阵天线，其特征在于，用于控制所述高介电常数电介质元件的介电常数在所述共电馈电线的所述多个相移传输线上的交感的所述控制器，包含一用于控制所述高介电常数电介质元件相对于所述共电馈电线的所述多个相移传输线的位置的机电系统。
27.如权利要求26所述的低成本可控360°相控阵天线，其特征在于，所述高介电常数电介质元件是包含高介电常数电介质材料的平面层，并且其中，通过将所述层移向所述相移传输线和从所述相移传输线移开，来相对于所述共电馈电线的所述多个相移传输线定位所述层。
28.如权利要求27所述的低成本可控360°相控阵天线，其特征在于，所述高介电常数电介质层包括一由电介质材料构成的支撑层、以及设置在所述电介质支撑层上的多个条块。
29.如权利要求27所述的低成本可控360°相控阵天线，其特征在于，所述高介电常数电介质层是自支撑层。
30.如权利要求26所述的低成本可控360°相控阵天线，其特征在于，所述高介电常数电介质元件是包括高介电常数电介质材料的圆柱体，并且其中，通过围绕从所述圆柱体轴偏离的轴旋转所述圆柱体，来相对于所述共电馈电线的所述多个相移传输线定位所述圆柱体。
31.如权利要求20所述的低成本可控360°相控阵天线，其特征在于，所述高介电常数电介质元件由铁电材料形成，并且其中，用于控制所述高介电常数电介质元件的介电常数在所述共电馈电线的所述多个相移传输线上的交感的所述控制器，控制向所述铁电材料的电能施加。
32.如权利要求20所述的低成本可控360°相控阵天线，其特征在于，所述多个天线元件是八个元件，并且其中，所述多个相移传输线包含一个长相移传输线、两个中等长度相移传输线以及四个短传输线。
33.如权利要求32所述的低成本可控360°相控阵天线，其特征在于，所述中等相移传输线的长度是所述长相移传输线长度的一半，并且其中，所述短相移传输线的长度是所述中等相移传输线长度的一半。
34.如权利要求33所述的低成本可控360°相控阵天线，其特征在于，所述短相移传输线是同轴排列的，所述中等长度相移传输线是同轴排列的，并且其中，所述长传输线、所述中等相移传输线和所述短相移传输线彼此平行地排列。
35.如权利要求34所述的低成本可控360°相控阵天线，其特征在于，所述长传输线连接到所述天线元件之一、连接到所述中等相移传输线之一、并连接到所述短相移传输线之一，所述短相移传输线的所述一个连接到所述天线元件的另一个，所述中等相移传输线的所述一个连接到所述天线元件的又一个、并连接到所述短相移传输线的第二个，所述短相移传输线的所述第二个连接到所述天线元件的再一个，所述中等相移传输线的第二个连接到所述天线元件的还有一个、并连接到所述短相移传输线的第三个，所述短相移传输线的所述第三个连接到一另外的天线元件，所述第四相移传输线连接到所述天线元件的一另外的元件，所述长传输线、所述中等传输线的所述第二个和所述短相位传输线的所述第四个连接到一端子、并连接到所述八个天线元件中剩余的一个。
36.一种适用于相控阵天线的低成本共电馈电线，其特征在于，它包括：
多个相移传输线；
一叠加在所述多个相移传输线之上的高介电常数电介质元件；以及
一用于控制所述高介电常数电介质元件的介电常数与所述共电馈电线的多个相移传输线之间的交感的控制器。
37.如权利要求36所述的低成本共电馈电线，其特征在于，它包括一电介质片，所述多个相移传输线位于所述电介质片的一个表面上。
38.如权利要求36所述的低成本共电馈电线，其特征在于，所述高介电常数电介质元件由选自包括金红石(二氧化钛)和包含碱土金属的金红石混合物的组中的材料形成。
39.如权利要求38所述的低成本共电馈电线，其特征在于，所述碱土金属选自包含钡和锶的组。
40.如权利要求36所述的低成本共电馈电线，其特征在于，用于控制高介电常数电介质元件的介电常数在所述共电馈电线的所述多个相移传输线上的交感的所述控制器，包括一用于控制所述高介电常数电介质元件相对于所述共电馈电线的所述多个相移传输线的位置的机电系统。
41.如权利要求36所述的低成本共电馈电线，其特征在于，所述高介电常数电介质元件是包含高介电常数电电介质材料的平面层，并且其中，通过将所述层移向所述相移传输线和从所述相移传输线移开，来相对所述共电馈电线的所述多个相移传输线定位所述层。
42.如权利要求41所述的低成本共电馈电线，其特征在于，所述高介电常数电介质层包括一由电介质材料构成的支撑层、以及设置在所述电介质支撑层上的多个条块。
43.如权利要求41所述的低成本共电馈电线，其特征在于，所述高介电常数电介质层是自支撑层。
44.如权利要求36所述的低成本共电馈电线，其特征在于，所述高介电常数电介质元件是包含高介电常数电电介质材料的圆柱体，并且其中，通过围绕从所述圆柱体轴偏离的轴旋转所述圆柱体，来相对于所述共电馈电线的所述多个相移传输线定位所述圆柱体。
45.如权利要求36所述的低成本共电馈电线，其特征在于，所述高介电常数电介质元件由铁电材料构成，并且其中，用于控制所述高介电常数电介质元件的介电常数在所述共电馈电线的所述多个相移传输线上的交感的所述控制器，控制向所述铁电材料的电能施加。
46.如权利要求36所述的低成本共电馈电线，其特征在于，所述电介质片是印刷电路板片，并且其中，所述共电馈电线通过在所述印刷电路板上印刷所述共电馈电线来制造。
47.如权利要求36所述的低成本共电馈电线，其特征在于，所述多个相移传输线包含一个长相移传输线、两个中等长度相移传输线以及四个短传输线。
48.如权利要求47所述的低成本共电馈电线，其特征在于，所述中等相移传输线的长度是所述长相移传输线长度的一半，并且其中，所述短相移传输线的长度是所述中等长相移传输线长度的一半。
49.如权利要求47所述的低成本共电馈电线，其特征在于，所述短相移传输线是同轴排列的，所述中等长度相移传输线是同轴排列的，并且其中，所述长传输线、所述中等相移传输线和所述短相移传输线彼此平行地排列。
50.如权利要求49所述的低成本共电馈电线，其特征在于，所述长传输线连接到所述中等相移传输线之一、并连接到所述短相移传输线之一，所述所述中等相移传输线之一连接到所述短相移传输线的第二个，所述中等相移传输线的第二个连接到所述短相移传输线的第三个。
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