CN1677749B - 宽带/多波段圆形阵列天线 - Google Patents

Abstract

公开了一种宽带/多波段圆形阵列天线。一个实施例包括圆形定向阵列天线，所述圆形定向阵列天线包括通过馈线耦合到收发信机的激励全向行波天线单元和相对于所述激励全向行波天线单元对称地设置并与其隔开的多个表面波导单元。每个表面波导单元接收一种配置成选择性地改变其波导特性以便对发往或来自所述阵列的波束进行电子定向的控制信号。所述阵列以生产和维护都很经济实用的低矮设计形式提供具有宽带/多波段频率性能的定向可控天线波束。

Description

宽带/多波段圆形阵列天线

技术领域

本发明一般涉及射频天线，更具体地说，涉及用于全向覆盖的具有定向波束的圆形阵列天线。

背景技术

阵列天线是采用多单元天线形成固定或受控定向波束，以便在无线远程通信、雷达、导航、制导、电子战等中执行重要功能的一类天线。既能发射又能接收的阵列天线可以分类为：(1)相控阵天线，其中每个单元通过网络连接到发射机/接收机，以获得波束形成所需的幅度和相位分布；(2)单元转换阵列天线，它通过接通或断开某些单元实现波束成形和波束控制；(3)Yagi-Uda阵列天线，其中大部分阵列单元寄生耦合到一个或少数几个激励单元上。

现有的阵列天线主要是前两种类型，即，相控阵天线和波束转换阵列，具体地说，线性和平面相控阵列。但与Yagi-Uda阵列天线相比，相控阵和波束转换阵列天线昂贵、笨重、而且复杂。结果，正如King等人所指出(R.W.P.King，M.Owens，T.T.Wu，”Propertiesand applications of the large circular resonant dipole array，”IEEE Transactions on Antenna and Propagation，Vol.51，No.1，pp.103-109，January 2003)的，也许最有用的阵列天线是Yagi-Uda阵列天线。八十年前发明的Yagi-Uda阵列天线(H.Yagi和S.Uda，”Projector of the sharpest beam of electric waves，”Proc.Imperial Academy of Japan，Vol.2，p.49，Tokyo，1926)已经经历了重要的发展，进化成各种形式和功能。

这类Yagi-Uda阵列，以图1所示的线性阵列为代表，由n个双极单元组成，所述双极单元包括：与发射机和/或接收机连接的激励单元11；以及寄生激励的反射器12和(n-2)个导向器13。反射器12和导向器13设置成通过寄生谐振作用分别反射和增强从激励单元11发射的电磁波，得到具有平行于X轴的极化的Z轴方向的波束。Yagi-Uda阵列之所以有用是由于其价格低、重量轻以及风阻力低。熟知的应用包括用于电视和其它广播和通信的VHF/UHF天线。

在早在1926年提交的Yagi的专利申请(1932年5月24日授予的美国专利No.1,860,123)中第一次提出圆形Yagi-Uda阵列。如图2所示，圆形阵列20包括在中心的激励单元21(即，矩形x-y-z坐标的原点)以及在围绕Z轴的X-Y平面上的多个寄生激励单元25。寄生激励单元25位于半径大约为1/4λ的圆周上，λ表示工作波长。激励单元21和寄生激励单元25都设置成基本上沿着平行于z轴的方向上，以便具有基本上类似的极化。在Yagi的专利中还示出在半径1/2λ，3/4λ处的附加同心圆的寄生单元。通过控制寄生单元25，就可形成X-Y平面上的波束并对其进行围绕z轴的电子调向控制。

在20世纪70年代早期，当对廉价阵列的需求增加，且Yagi-Uda阵列的实际优点充分展现时，工程师门开始研究圆形Yagi-Uda阵列。不幸的是，开发圆形Yagi-Uda阵列的努力不如线性Yagi-Uda阵列那么成功，所以工程师们总是采用单极天线作为阵列单元，如图3所示。圆形阵列30包括在中心的激励单极单元31和以激励单极单元31为中心的圆周上的多个寄生激励单极单元35。寄生激励单极单元35都是在导电接地平面32上的单极天线。通过改变寄生单元35的各自的阻抗来实现电子波束调向。

在20世纪20年代，早期的线性Yagi-Uda阵列具有小于1％的非常狭窄的带宽。在随后的数十年间，在设计方法学上才逐渐从线性寄生谐振概念转移到行波天线概念，导致带宽提高到10％、20％和100％，最后在60年代带宽超过了1000％。

同理，用于圆形Yagi-Uda阵列的先有技术方法主要基于激励和寄生阵列单元之间的谐振概念以及集总单元电路来控制RF阻抗，从而控制波束。

这些先有技术方法使天线受限于它们的工作频率和带宽。天线是窄带的，这是由于在这些设计中为寄生电磁耦合所采用的固有的窄带谐振机理的限制。就工作波长(λ)而言，谐振机理对这些单元天线的位置和长度很敏感，因此，使天线是窄带的。这些先有技术还受制于用于天线结构的基于电路的设计方法。所以，先有技术的天线设计不实用于甚至不能应用于UHF(超高频-从300MHz到大约1GHz)，此时波现象变得明显和突出。把谐振单极既用作激励单元又用作寄生单元也导致阵列的不希望有的高外形(high profile)。

发明内容

一个实施例是宽带/多波段圆形定向阵列天线，它包括：通过馈送网络耦合到收发信机的激励全向行波天线单元；以及相对于所述激励全向行波天线单元同心和对称地设置并且与其隔开的多个表面波导单元。表面波导单元配置成接收改变表面波导特性的控制信号以便进行阵列波束调向。

虽然所述公开的实施例非常适合于电子波束调向阵列，但宽带/多波段圆形阵列天线很容易适用于各种天线类型，例如互易波束天线、固定波束天线等等。所述技术适合于UHF以上的频率范围(此时天线系统的波性质起主要作用)，也适合于UHF以下的频率范围，此时电路型实施例即可满足要求。

附图说明

参阅以下附图可以更好地理解如权利要求书所定义的本发明的宽带/多波段圆形定向天线。附图中的部件不一定彼此按比例地画出，而是将重点放在清楚地图解说明天线波束调向的原理以及有关的方法。

图1为先有技术线性Yagi-Uda阵列的透视图。

图2为先有技术的具有单一激励单元的圆形Yagi-Uda阵列的透视图。

图3为先有技术的具有单一激励单元的在接地平面上的单极单元圆形阵列的透视图。

图4A和4B分别为小型低矮宽带/多波段圆形阵列天线实施例的顶视图和侧视截面图。

图5是显示为图4A和4B所示的宽带/多波段圆形阵列天线的表面波导单元提供控制信号的开关电路实施例的示意图。

图6为侧视平面图，其中外壳的各部分被切去以便示出宽带/多波段圆形阵列天线实施例的单元。

图7A-7D为显示四个表面波导实施例的示意图。

图8为宽带/多波段圆形阵列天线实施例的透视图。

图9为一组在1.525GHz下测量的方位角辐射图，示出图8所示的宽带/多波段圆形阵列天线的方位平面上的波束调向。

图10A是图8的宽带/多波段圆形阵列天线的一组测量的方位角辐射图，示出在L和S波段的各种频率下调向到0°的波束。

图10B是图8的宽带/多波段圆形阵列天线的一组测量的方位角辐射图，示出在L和S波段的各种频率下调向到45°的波束。

具体实施方式

以下将对本发明的宽带/多波段圆形阵列天线作更加详细的说明。一个实施例是小型低矮宽带/多波段圆形阵列天线，它具有用于全向覆盖的电子调向定向波束。所述阵列包括单一激励宽带/多波段行波天线单元和多个受控表面波导单元，所述各表面波导单元相对于所述激励单元对称地设置在以所述激励单元为中心的基本上圆形的圆周上并且靠近所述激励单元。阵列单元位于接地平面上，所述平面一般来说是电抗表面，但也可以是导电表面。所述单一激励单元通过馈送网络连接到接收机和/或发射机。激励单元是具有全向辐射图的宽带/多波段行波天线单元最好是小型的和低矮的，例如O型慢波天线或螺旋型微带天线。

每个表面波导单元都连接到并受控于开关电路。每个表面波导单元提供对行波的两种滤波状态：通过或反射入射的行波。用低通滤波器将RF(射频)信号与控制电路隔离。利用开关，例如PI N二极管，使表面波导能与接地平面电连接或断开，从而产生滤波操作的二元状态。开关电路通常处在由具有导电表面的盒封装的微带或带状线电路板上，所述导电表面具有短接销，用以抑制RF泄漏和高次模式。开关电路连接到并受控于阵列波束调向计算机。

所述阵列以低矮设计形式提供具有宽带/多波段频率性能的定向可控天线波束，其生产和维护都很经济实用。

虽然所公开的实施例主要适用于电子波束调向阵列，但宽带/多波段圆形阵列天线很容易适用于固定波束阵列，在这种情况下可以使用结构更简单的固定表面波导。应当指出，对于固定波束阵列天线，不需要控制电路等等。所述技术可适合于UHF以上的频率范围(此时天线系统的波性质起主要作用)，也适合于较低频率，此时电路型实施例即可满足要求。

宽带/多波段圆形阵列天线

图4A和4B分别示出小型低矮宽带/多波段圆形阵列天线100的实施例的顶视平面图和正视平面图，体现本发明的定向天线的原理。阵列100包括在中心的单一激励单元120和在基本上圆形的圆周上的多个受控表面波导单元130，例如130a、130b、130c和130d。表面波导单元130a、130b、130c和130d设置在接地平面110附近，接地平面110一般来说是电抗表面(以下讨论)，但也可以是的导电表面，它基本上是平面形并相对Z轴对称。如图4B所示，激励单元120通过馈送网络150连接到收发信机160。在其它的实施例中(未示出)，接收机或发射机可以代替收发信机160。

在以Z轴为中心的激励单元120是宽带/多波段行波天线，它产生围绕Z轴的全向辐射图。最好，宽带/多波段激励单元120也是小型和沿Z轴的低矮型，例如O模式慢波天线(J.J.H.Wang和J.K Tilley，“Broadband  Miniaturized  Slow-Wave  Antenna”  美国专利No.6,137,453，2000年10月24日)或螺旋模式微带天线(J.J.H.Wang和V.K.Tripp，”Multioctive Microstrip Antenna”，美国专利No.5,313,216，1994年5月17日)。

表面波导单元130相对于激励单元120对称地设置在基本上圆形的圆周上，在激励单元120附近并且接近激励单元120。虽然仅示出四个表面波导130a、130b、130c和130d，但可以使用大量的表面波导，以获得所需的更多波束和/或窄波束。使激励单元120尽可能小。但受技术的现有状态所限，低矮和宽带/多波段的要求确定了围绕激励单元120的外壳直径可能大于工作频率低端的λ/8。

现考虑发射的情况来解释工作原理，这并不失其通用性，接收的情况根据互易原理是相类似的。参阅图4A和4B，行波125从激励单元120的中心向外径向辐射，激励单元是行波天线。表面波导130a到130d，作为滤波器，每个对于行波125都有两种可能状态。第一滤波状态通过行波125。第二滤波状态反射行波125。在图4B所示的实施例中，如果表面波导单元130a和130c分别处于第一和第二滤波状态，(即表面波导单元130a通过入射的行波125，而表面波导单元130c反射入射的行波125)，则波束向x方向辐射。表面波导单元130b和130d(为示出激励单元120和行波125，在图4B的侧视平面图中将此二单元去掉了)，或是处于通过状态，或是处于拒绝状态，但二者应处于相同状态，以确保波束的对称性。

开关电路200控制着每个表面波导滤波器的状态。开关电路200基本上由外壳140围绕，外壳通常设置在接地平面110附近。开关电路200通过穿过接地平面110中的穿通孔112的导线135与每个表面波导单元130相连接。每条导线135与接地平面110电隔离。馈送网络150使激励单元120与收发信机160连接，馈送网络150通常是平衡-不平衡转换器，将激励单元120的阻抗和传输波型变换为与收发信机160的相匹配。虽然在所示实施例中在电抗接地平面110上提供表面行波125，但也可以在纯导电和基本上平面的表面上提供表面行波125。

图5示意地示出单独的开关电路200的实施例，每个开关电路200通过导线135(图4A和4B)连接到每一个相应的表面波导单元130a到130d(图4A和4B)。共有四个这种开关电路200，每个电路用于一个表面波导单元130。由开关电路200处理并加到输出端250(所述输出端连接到导线135)的控制信号205决定了相应的表面波导单元130的滤波状态。控制信号205由阵列波束调向计算机提供或由某个其它配置适当的波束调向机构提供，并且在输入端210耦合到开关电路200上。在图5所示的实施例中，控制信号205是由电阻R₁限流并且在流通到缓冲器220之前由R₂和C₁的并联组合滤波。缓冲器220放大控制信号205，然后将控制信号205传输到双极驱动器230。双极驱动器230的输出经过限流电阻R₃耦合到低通滤波器240。双极驱动器230，利用偏置电压Vcc和Vee，可控地接通或断开耦合在低通滤波器240和地之间串联连接的PIN二极管CR₁和CR₂。

由收发信机160(图4)接收或发射的RF信号通过低通滤波器240与开关电路200隔离，低通滤波器240包括电容C₄和电感L。输出信号255利用接地平面110可控地连接或断开耦合到输出端250的相应表面波导单元130(图4)。当各表面波导单元130与接地平面110电隔离时，入射的全向行波125一般不受影响，可以通过。当各表面波导单元130电连接到接地平面110时，入射的行波125一般会被表面波导单元130反射。实际上，每个表面波导单元130都具有传输和反射特性，由其复杂的反射系数表示。一般来说，一个表面波导，如果其主要特性是传输而不是反射，就可被认为是能通过波的。此外，在激励单元120和表面波导单元130之间还有相互的电磁耦合。所以，定向波束来自于这些相互作用的组合效应。

为产生特定方向的波束，有许多滤波状态可以实现。如果是图4A和4B中有四个表面波导单元130的配置，总共可产生8个波束。对于每个波束，可有多于一个的可行滤波状态，它们具有通用的定向性，但呈现出不同的后瓣特性以及其它的辐射图变化。

例如让我们考虑发射情况并对每个表面波导单元130(即130a、130b、130c和130d)指定两种状态：S和O。滤波状态S通过来自激励单元120的横向行波125。滤波状态O反射来自激励单元120的横向行波125。为产生在阵列100的工作频率范围内所需频带上沿x轴的定向波束，表面波导单元130a、130b、130c和130d可分别具有以下两种状态：(1)S，O，O，O；(2)S，S，O，S。如果宽带/多波段圆形阵列100具有比图4A所示的四个更多的表面波导单元130，对于每个波束就会有滤波状态的更多可能组合。

图6是宽带/多波段圆形阵列600的正视平面图，它具有用作表面波导单元的传输线天线630、632。阵列60包括在中心的单一激励行波单元天线120和多个受控的传输线天线630、632，它们沿两个基本上圆形的同心圆周排列，类似于图4A的顶视图中单圆周的排列。传输线天线630、632设置在接地平面110附近，所述接地平面110一般来说是电抗表面或导电表面，它基本上是平面形的并相对于Z轴对称。如图6所示，单一激励单元120通过馈送网络150连接到收发信机160。在其它的实施例中(未示出)，接收机或发射机可以代替收发信机160。以Z轴为中心的激励单元120是宽带/多波段行波天线，它产生围绕Z轴的全向辐射图。

传输线天线630、632对称地设置在基本上圆形的两个同心圆周上，它们设置在激励单元120附近并且接近激励单元120。使激励单元120尽可能小。但受技术的现有状态所限，低矮和宽带/多波段的要求确定了在激励单元120周围的外壳直径可能大于工作频率低端的λ/8。

现考虑发射的情况来解释工作原理，这并不失其通用性，接收的情况根据互易原理是相类似的。行波125从激励单元120的中心在径向上向外辐射，激励单元120是行波天线。作为滤波器，传输线天线630、632各自向入射行波125提供两种可能状态。第一滤波状态使横向行波125通过。第二滤波状态反射横向行波125。

每个表面波导滤波器的状态受开关电路200的控制，开关电路200被导电外壳140包围，外壳通常设置在邻近接地平面610处。外壳140基本上包围着开关电路200，但类似于用于接地平面610的那些穿通孔612除外，穿通孔用来使连接表面波导630、632和控制电路200的导线通过，以避免与外壳140外部的阵列单元的不需要的耦合和相互作用。在所示实施例中，外壳140是导电盒，它包括接地平面610，如果接地平面610是导电的话。当接地平面是电抗性的，外壳140必需有其自己的导电外壳，  而不能依赖接地平面610。可以在微带或带状线电路板上实现的开关电路200与每个传输线天线630、632相连接。开关电路200通过电缆202接收波束调向控制信号。用于传输线天线630、632的控制导线穿过接地平面610中的穿通孔612。

除了示出传输线天线630、632是如何连接到开关电路200之外，外壳140的去除部分还露出围绕开关电路200的外壳140中的模式抑制器642。模式抑制器642通常设置在开关电路200周围，以确保高次模式并渐渐消失，这样外壳140中的RF能量能以主模的形式在电路板的传输线上传播。模式抑制器642可以是一组导电销，如图6所示，它们将接地平面610连接到外壳140的下内表面。导电销应以足够的密度包围开关电路200。具体地说，相邻销之间的距离应小于宽带/多波段圆形阵列600最高工作频率的1/4λ。此外，模式抑制导电销所封闭的容积应足够小以抑制空腔谐振。因此，RF干扰即使发生也是局部的并且渐渐消失。

表面波导的宽带/多波段特性是由表面波的物理特性造成的，可以在一般的平面表面，最好是电抗表面上提供所述表面波。图7A到7B示出多个可调谐表面波导结构。图7A示出的表面波导单元130由导电表面235上的介电层236构成。通过审慎地改变介电层236的分布介电常数，可以改变表面波导的阻抗特性，以控制波的定向特性以及辐射图。

图7B示出表面波导结构730的另一实例，它由邻近导电表面235的一组导电平板、棒或波纹结构237组成。通过众所周知的表面波导的理论和实践来决定对组237中导电板的厚度、棒的直径以及波纹结构的高度和相对间距等的选择，在以下题目为”理论”的一节中再作讨论。可以通过改变波纹结构237和导电表面235之间的间隙的阻抗来逐个地调谐和控制表面波导730的复杂的传输和反射特性。除了调谐间隙处组237的单元之外，组237中各单元的相对高度、间距和位置也可以控制入射到组237的各单元上的行波仰角的定向特性，使得波束峰值可以更靠近或远离水平面(X-Y平面)。

图7C示出表面波导结构740的第二实例，它由邻近导电表面235的另一组导电平板、棒或波纹结构238组成。组238的理论、功能和工作以及表面波导结构740都与组237和表面波导结构730类似。如上就730所述(图7B)，组238内的导电平板、棒或波纹结构都可单独调谐。除了通过控制组238各单元的阻抗而具有的设计灵活性外，也可加调节组238的各单元的相对高度、间距和位置，进一步控制入射到组238上的行波的定向特性。

图7D示出表面波导结构750的第三实例，它由邻近导电表面235的第三组导电平板、棒或波纹结构239组成。组239的理论、功能和工作以及表面波导结构750都与组237和表面波导结构730类似。和以上的组237、238(图7B和图7C)一样，组239中的每个导电平板、棒或波纹结构都可单独调谐。此外，组239单元的相对高度，间距和位置也可加以调节，以控制入射到组239上的行波的定向特性。

在图7B到7D所示的每个实例结构730、740和750中，板的厚度或棒的直径以及它们的高度和相邻单元之间的间距等的选择都是利用在以下题目为”理论”的一节中所述和参考的理论来决定的。虽然所示实施例分别包括在组237、238和239中对称排列且等距的单元，但也隐含其它实施例，供在宽带/多波段圆形阵列天线中使用。

对应于每个表面波导单元130、630、632(例如导电板、棒或波纹结构的组237、238、239，例如传输线天线)的开关电桥接或断开间隙，以便向入射行波125提供对应于每个表面波导单元的两种滤波状态。在表面波导情况下由开关电路200控制的二元状态的实际实施在前面已利用图5和图6进行过讨论。

理论

本发明的圆形阵列天线基于径向行波阵列的概念并且利用借助于表面波导的表面波传播的固有宽带性质，所述表面波导具有由开关(例如PIN二极管和/或MEMS(微机械加工的机电系统)开关)电子控制的二态宽带滤波能力。

现考虑发射的情况来解释工作原理，这并不失其通用性，接收的情况根据互易原理是相类似的。参阅图4A和4B，行波125从激励单元120的中心在径向上向外辐射，激励单元是行波天线。为了在靠近接地平面110的表面产生全向RF辐射，且为了实现宽带/多波段工作，发射的行波125最好是沿(或非常接近)接地平面110以及表面波导单元130传播的表面波。四个表面波导单元130(130a、130b、130c和130d)用作二态滤波器，它们按照各开关电路200的控制通过或反射入射的行波125(图5)。对于行波天线、行波结构、电抗表面以及表面波导等的讨论，可见以下课本：C.H.Walter，Traveling WaveAntenna，McGraw-Hill，New York，NY，1965和R.E.Collin，FieldTheory of Guided Waves，second edition，IEEE press，IEEE，NewYork，1991。

可以把表面波导单元组237、238、239(图7B到7D)看做为传输线天线的集合体或是波纹表面，它们是分散性的滤波器，相对于在较低频率时通常采用的集总单元构成的滤波器。传输线天线是支持行波表面波的传输线的一部分。这些表面波导单元的宽带/多波段特性是由表面波的物理特性造成的，可以在一般平面表面，最好在电抗表面上提供所述表面波。表面波也可在纯导电和基本上平面的表面上得到支持。对沿平面界面的表面波的分析导致TM(横磁)波，它具有垂直于传播方向且平行于平面表面的磁场。TM波型也具有垂直于平面表面且在传播方向上的电场。波纹表面是用于TM表面波的已知表面波导。波纹表面波导可通过或拒绝表面波，取决于它与接地平面是连接还是断开。

表面波导可以支持没有低频截止的表面波，并且仅仅具有很小量的分立模式。一般来说，行波最好是其相速小于光的相速的慢波。表面波导的选择基于所需表面波的类型以及所具有的可控二态滤波特性。

虽然有许多形式的表面波导，但本发明的宽带/多波段圆形阵列天线使用的是具有可变滤波功能的可电子控制的表面波导。介质层表面波导(图7A)更难开关或改变，所以不便或不容易使用于切换操作。另一方面，图7B到7D中组237、238、239中的导电板、棒或波纹结构与导电平面235相距非常小的距离。所以，图7B到7D中的表面波导单元具有二元状态，这受控于用器件如二极管来短路或开路小间隙，以使组237、238、239中的各导电板、棒或波纹结构与导电平面2 35连接或断开。用于图7B到7D中表面波导单元的理论预测了两种状态的宽带滤波操作。测量也显示导电板或棒的数量可少到一个，就像利用单个电感(L)、电容(C)或L-C节的由一节组成的单节滤波器，与滤波器理论一致(G.Matthaei，L.Young，和E.M.T Jones，Microwave Filters，Impedance-Matching Networks，and CouplingStructures，McGraw-Hill，New York，1964，由Artech House，Norwood，MA在1980年再次印刷)。

虽然在图7B到7D中所示的结构上悬浮的配置(在组237、238和239的各单元和导电表面235之间)是可行的，但图6所示的更实际的实施例示出由开关电路200中印刷电路板的介质层机械支撑的传输线天线630、632。适当设置的开关，例如PIN二极管或MEMS开关，可控地将各个传输线天线630、632连接到接地平面610。

实验验证

对于此宽带/多波段圆形阵列天线已成功进行过广泛的实验。图8是模型宽带/多波段全向圆形阵列天线800实施例的透视图。在图8中，正方盘形的O型慢波天线(大约2.5×2.5英寸正方形，大约0.75英寸高)用作激励单元840。各传输线天线830在接地平面810上同心地排列在激励单元840的周围。接地平面810是导电的并模拟一个安装平台，例如飞机的外表面。每个传输线天线830贯穿接地平面810中各自的穿通孔812。如上所示和所述的传输线天线830在外壳中连接到各自的开关电路200(图5)，外壳因接地平面810挡住看不见。

此天线的电子波束调向能力示于图9，图中示出在WangElectro-Opto Corporation的无回声测试室中对图8的试验板模型在1.525GHz时测量的调向方位角辐射图。由图可见，有8个波束，它们跨越了整个360°实现全方位覆盖。所述圆形阵列天线800的所需宽带和多波段性能由图10A和10B中测得的辐射图表示。图10A示出在两种工作频率范围(一种在L波段，一种在S波段)内的各种频率下对图8的模型调向到0°时测得的方位角辐射图。图10B示出调向到45°时类似的宽带/多波段测量方位角辐射图。

宽带/多波段圆形阵列天线的变更和其它可能的形式

虽然在图4A、4B等中示出四个表面波导单元130，但可以选择任何数量的表面波导单元130。

虽然在图7B到7D中仅示出四个可切换的宽带/多波段表面波导，但就所述宽带/多波段圆形阵列天线而论，必然包含附加的对称设置和同心排列的可切换宽带/多波段表面波导单元。

虽然图5中示出的是PIN二极管，但就所述宽带/多波段圆形阵列天线而论，必然包含其它开关，例如MEMS开关。

如果波束扫描的所需角度范围小于360°的全方位覆盖，那么，天线阵列可由位于与激励行波天线等距的弧线上的表面波导单元组成，天线的全向辐射图相应地变窄。分布有各表面波导单元的弧线的角跨度类似于波束调向的角跨度范围。

虽然所讨论的应用是针对调向的波束，但是宽带/多波段圆形阵列天线很容易应用到固定波束阵列上。在后一情况下，可以使用配置简单得多的固定表面波导，因而取消所述控制电路。

Claims (14)

1.一种圆形定向阵列天线，它包括：

激励全向行波天线单元，它通过馈送网络耦合到收发信机上；以及

多个表面波导单元，它们相对于所述激励全向行波天线单元对称地设置并且同心地与其隔开，每个表面波导单元配置成接收一种配置成改变表面波导的阻抗特性的控制信号。

2.如权利要求1所述的圆形定向阵列天线，其中还包括：

具有多个穿通孔的接地平面，其中所述激励全向行波天线单元和所述表面波导单元都邻近所述接地平面并分别通过所述相应的馈送网络和所述穿通孔连接到所述收发信机和所述控制信号。

3.如权利要求2所述的圆形定向阵列天线，其中所述接地平面包括电抗表面。

4.如权利要求2所述的圆形定向阵列天线，其中所述接地平面包括导电表面。

5.如权利要求2所述的圆形定向阵列天线，其中所述接地平面是有限的并且是相对于所述激励全向行波天线单元对称的。

6.如权利要求2所述的圆形定向阵列天线，其中所述激励全向行波天线单元产生基本上平行于所述接地平面的全向表面波。

7.如权利要求2所述的圆形定向阵列天线，其中所述圆形定向阵列天线具有一辐射图，而所述接地平面包括电抗表面，所述电抗表面在相对于所述接地平面的仰角方面改变所述辐射图的形状。

8.如权利要求1所述的圆形定向阵列天线，其中所述激励全向行波天线单元包括O型慢波天线。

9.如权利要求1所述的圆形定向阵列天线，其中所述激励全向行波天线单元包括O型螺旋模式微带天线。

10.如权利要求1所述的圆形定向阵列天线，其中还包括：

开关电路，它具有多个输入端和相应的多个输出端，所述输出端独立对耦合到所述输入端的波束调向装置作出响应，其中，相应的输出端耦合到所述表面波导单元中的每一个。

11.如权利要求10所述的圆形定向阵列天线，其中选择性地控制每个所述表面波导单元的波导特性，以便传递或反射行波。

12.如权利要求10所述的圆形定向阵列天线，其中包括：

导电外壳，它配置成包围所述开关电路，以便抑制射频泄漏和所述激励全向行波天线单元和所述表面波导单元之间通过所述开关电路的电磁耦合。

13.如权利要求12所述的圆形定向阵列天线，其中所述导电外壳包括设置在所述开关电路周围的模式抑制器，相邻的模式抑制器之间的距离小于入/4，入为最高工作频率的波长。

14.一种用于操作宽带和多波段波束调向圆形阵列天线的方法，所述方法包括以下步骤：

将产生全向电磁辐射图的激励宽带和多波段行波天线单元设置在接地平面上；

在激励全向行波天线周围同心地排列多个宽带和多波段表面波导单元；以及

施加控制信号，所述控制信号配置成通过选择性地改变接收所述控制信号的相应的表面波导单元的阻抗特性来对所述电磁辐射进行调向。

Images