CN1768448A - 相控阵天线和单元间互耦控制方法 - Google Patents

Abstract

一种相控阵天线(400)，它包括第一阵列单元(402)和第二阵列单元(404)以及介质分隔器(408)。每个第一和第二阵列单元(402、404)是检测器单元或发射器单元。介质分隔器(408)位于第一和第二阵列单元(402、404)之间并处在第一阵列单元(402)和第二阵列单元(404)之间的单元间互耦(IMC)信号的通路内。

Description

相控阵天线和单元间互耦控制方法

本发明涉及相控阵天线和单元间互耦控制方法，更具体地说，但并不仅仅是，本发明涉及互耦控制装置以及采用互耦相位控制的方法。

相控阵天线(PAA)通常包括许多阵列单元，它们以预定的通常是均匀的图案分布，或以随机分布图案分布。PAA在性质上可以或者是线性的、或者是平面的、或者是共形的。

在传送方式下，平面波前(102)由从阵列单元传播的球面波前(103a-c)产生。平面波前通过对每个阵列单元(104a-c)上的各输入信号应用复合(相位和幅度)权重加以控制，例如见图1。

在接收方式下，将复合权重应用于各阵列单元接收的信号，然后进行信号处理以分析组合的接收信号。

现参阅图2和3，这些图示出了受控阵列波束的分别转向距视轴O°和30°的和波束(202，302)及差波束(204，304)。这样，PAA不需要物理移动阵列或其单元就使波束能受到控制。

与机械控制的图案相比，PAA呈现很高的波束灵活性，因为它们不受与机械控制天线相关联的惯性限制，因为PAA是通过利用复合权重调节幅度和/或相位输入信号来控制的。而且，相控阵天线优于机械控制天线，因为它们提供数字波束形成能力、可跟踪多个目标(例如空中交通控制)、并与自适应调零结合，以便抑制干扰效应，也校正其它效应，例如存在天线罩。

PAA有许多与其关联的限制，例如栅瓣，它们限制了阵列的实际的视界角覆盖面(FOR)。栅瓣是附加的主要波束，由于对最大扫描角范围和给定频率使用了过大的单元间阵列间隔而出现。栅瓣也接收来自目标的输入信号，导致目标返回方向不明确。随着阵列间单元间隔增加，在接近视轴方向的扫描角处栅瓣更为明显，从而进一步降低了阵列的工作FOR。

PAA的另一个限制是单元间互耦(IMC)。这是阵列单元之间的电磁(EM)干扰效应。这种效应导致嵌入到阵列中的每个阵列单元的失真辐射图。IMC对特定单元的嵌入辐射图的影响取决于所述阵列单元相对于所有其它阵列单元的位置(EM环境)。PAA嵌入辐射图的差异导致不希望有的波束控制不精确性。

考虑两个相邻的阵列单元，第一单元发射的EM场入射到第二单元，第二单元不一定自己在工作或辐射。第二单元可以影响来自第一单元的磁场，也可吸收和重新辐射它们，于是第二单元的磁场入射到第一单元上。第一单元然后又吸收和重新辐射来自第二单元的磁场。这个过程持续进行，直到达到稳定状态。这样，当将信号加到第一单元上时，两个单元都可以辐射，且每个单元的辐射都可以是多次相互作用的结果。这种干扰的性质，以及嵌入单元图案的失真，取决于单元之间总耦合的幅度和相位。

影响特定阵列单元及其嵌入辐射图的IMC信号的幅度和相位取决于其相对于所有其它阵列单元的位置。

所以，为了减小阵列单元之间IMC的幅度，增加阵列单元间的间隔是必要的。这样做就有可能减少整个阵列的嵌入辐射图的失真大小。但是，如前所述，增加单元间阵列间隔会由于栅瓣而减小工作FOR。

相反，减小单元间阵列间隔可增加PAA的工作FOR，但会导致IMC效应的增加。

过去，曾尝试通过减小阵列单元间信号的幅度分量来减少IMC效应。这些尝试包括近场抑制抑制，即，对阵列结构作改变，试图防止近场从一个阵列单元耦合到相邻阵列单元。近场抑制通常通过使用周期地设置在阵列单元之间的薄金属板、挡板或篱笆来减小IMC的幅度。这些结构设计成作为近场的”吸收体(sink)”。

另一种技术是使用随机稀疏分布阵列。这些阵列利用了以下事实，即，使用大的单元间阵列间隔可以导致IMC效应的减小。由于增加阵列间隔而引起的栅瓣限制可以通过阵列单元的随机分布而避免。使用这种类型阵列的后果是它们必需很大，通常包含100多个单元。

也曾采用数学技术来补偿IMC效应。这些技术包括矩阵反型方法，即，从测量阵列单元间的IMC信号来确定复合权重。然后以这样的方式将这些复合权重加到失真的信号上，，即，结果信号等效于不存在IMC时的发射或接收的信号。所述技术的缺点在于要求对每个阵列单元进行IMC校准测量。而且在所述方法中复合权重的施加要求处理器极度强化，这在处理器已强化的环境中是不理想的。

按照本发明的第一方面，提供了一种相控阵天线，它包括第一阵列单元和第二阵列单元以及介质分隔器，介质分隔器设置在第一阵列单元和第二阵列单元之间，在第一和第二阵列单元之间的单元间互耦(IMC)信号的通路内。

介质分隔器提供了一种手段来改变第二阵列单元所接收信号的相位分量，所述相位分量是由于第一阵列单元工作引起的IMC而形成的。阵列单元和介质分隔器的这种结构可以控制IMC对嵌入单元辐射图的影响。在栅瓣和阵列的工作FOR方面，它也放宽了对阵列设计的各种设计制约。在使阵列单元的嵌入辐射图失真方面，互耦阵列单元间的相位关系比幅度的影响更大，这一事实已被理解并被利用。比起先有的近场技术，这种相位关系的控制可以对IMC对嵌入辐射图的影响提供更多的控制。在减少栅瓣而增加阵列的工作FOR方面，这种结构也放宽了对阵列设计的各种设计制约。这种结构也利于阵列设计，因为在一定程度上它提供了减小单元间阵列间隔而同时减小IMC效应的能力。通过抑制与单元间隔和栅瓣关联的上述问题，就能够用较小的阵列而有较大工作FOR性能，这是很有利的。

第一和第二阵列单元中任何一个或二者，可以是发射器单元和/或检测器单元。

介质分隔器可以是以下各项中的任一种或它们的组合：平面墙、环状墙、多个相连平面墙、或多个相连环状墙。这些结构中的任何一种都可包括具有特定轮廓或用不同的介电常数制成的墙。这样，分隔器将各阵列单元与另一阵列单元分隔开，或将单个阵列单元或多个阵列单元与多个阵列单元分隔开。介质分隔器的介电常数ε_r可在2-40的范围内。介质分隔器的介电常数可在3到12之间。介质分隔器的介电常数可大约为4。

介质分隔器可以具有为了减小第一和第二阵列单元之间的IMC而确定的介电常数和宽度的组合。”宽度”是指辐射所通过的分隔器的路径长度。选择材料介电常数和分隔器宽度的适当组合，就可对阵列单元间IMC的相位分量加以控制，这样嵌入辐射图的失真就得以控制。

介质分隔器可以设置成增加或减小第一和第二阵列单元间的电通路长度，例如，将阵列嵌入到可变介电常数＞1的材料中。介质分隔器可以设置成控制IMC信号的相位分量，以影响第一和第二阵列单元的嵌入辐射图。

阵列可以包括阵列单元的二维阵列、阵列单元的线性阵列或阵列单元的共形阵列。所有阵列单元可以基本上在单一平面上。阵列单元可以设置成网格，例如矩形或方形网格。阵列单元的分布可以是以下任一种图案：六角形、交错或辐射状圆形。每个阵列单元可通过各自的介质分隔器与至少一个相邻阵列单元分隔开。各个介质分隔器可以是离散的或形成为更大的连续介质体(例如介质体网格)的一部分，而阵列单元位于由网格区域分界的空间内。第一和第二阵列单元中的至少一个可以完全由介质分隔器所包围。介质分隔器的不同部分，或不同的介质分隔器，可以具有不同的厚度和/或介电常数相对介电常数。这样，二维相控阵天线可以在调谐到相邻的可能不等效的各阵列单元之间具有介质分隔器。或者，可以存在插入两个二维阵列的阵列单元之间的介质分隔器网格。

按照本发明的第二方面，提供了一种方法来减小第一阵列单元和与第一阵列单元彼此隔开的第二阵列单元之间的IMC效应，所述方法包括：在第一阵列单元和第二阵列单元之间的电磁通路中设置介质分隔器。

所述方法包括使用电分隔器来控制IMC信号的相位分量。

应当指出，由于电磁辐射的互易性理论，术语”阵列单元”的使用包含检测和/或发射单元。

按照本发明的第三方面，提供一种改进相控阵天线性能的方法，所述方法包括以下步骤：

i)确定第一和第二阵列单元之间IMC的程度；

ii)优化以下各项中至少两项的组合：介质分隔器的宽度、轮廓以及介电常数，以便对所述互耦进行控制；

iii)形成介质分隔器，其宽度、轮廓和/或介电常数基本上等于在步骤(ii)中所优化的；以及

iv)将介质分隔器插入第一和第二阵列单元之间。

所述方法可包括使用介质分隔器来控制IMC信号的相位分量。

应当指出，由于电磁辐射的互易性理论，术语”阵列单元”的使用包含检测和/或发射单元。

现参阅附图仅用示例的方式来说明本发明，附图中：

图1是利用相控阵天线(PAA)从多个输出球形波前产生的平面波前的表示；

图2是将PAA控制到视轴(θ＝0°)时主平面的和波束及差波束的强度的曲线图；

图3是将PAA控制到偏离视轴30°(θ＝30°)时主平面的和波束及差波束强度的曲线图；

图4是按照本发明至少一方面的PAA第一实施例的示意的透视图；

图5为图4的PAA的示意的侧视图；

图5a为图4和5的PAA的示意的部分平面图，示出辐射场的辐射的H和E矢量的对准；

图6是辐射磁场通过图4和5中PAA的介质分隔器的传播的示意图；

图7是按照本发明的PAA的第二个不同实施例的示意的侧视图；

图8是在没有介质分隔器的情况下图7中PAA每个阵列单元在H矢量方向上的嵌入辐射图的曲线图；

图9是在具有介质分隔器(ε_r＝9.3)的情况下图6中PAA每个阵列单元在H矢量方向上的嵌入辐射图的曲线图；

图10是在具有介质分隔器(ε_r＝4.0)的情况下图6中PAA每个阵列单元在H矢量方向上的嵌入辐射图的曲线图；

图11到11c是按照本发明至少一方面的PAA可能的二维阵列的

实施例的示意图；以及

图12是按照本发明至少一方面的PAA二维阵列的第二实施例的示意图。现参阅图4和5，相控阵天线400的第一实施例包括两个圆形片状(patch)阵列单元402、404，支撑在介质基底406上，介质分隔器408插入在阵列单元402、404之间。这种结构使辐射E矢量409a与介质分隔器408平行对准，而辐射H矢量409b与介质分隔器408正交。应当指出，阵列单元402、404不必是圆形片状(patch)阵列单元，而可以是槽形阵列单元，或实际上是非平面的阵列单元，例如双极。

为清晰起见，馈电结构和自适应波束形成控制电路在此省略。

根据相控阵天线的应用，阵列单元可以是检测器单元和/或发射器单元。

介质分隔器408通常由介电常数在3到10的范围内的介质材料制成，这些材料包括：例如，Duroid RT5880ε_r＝2.2；环氧树脂Kevlarε_r＝3.6；FR4环氧树脂ε_r＝4.4；玻璃ε_r＝5.5；云母ε_r＝6.0；氧化铝ε_r＝9.2；和砷化镓ε_r＝12.9。

使用介质分隔器408导致相邻单元402、404之间的电距离被改动，也就改动了IMC的相位分量，因为不同介质中电长度的变化与下式成正比：

$\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}$

式中ε_r为介质分隔器的相对介电常数。

这是因为光速在介质分隔器408中按下式改变：

$c^{\′}=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r}}$

式中：

c’是在介质分隔器中的光速；

μ_r是介质分隔器的相对导磁率；

μ₀是自由空间的导磁率；以及

ε_r是自由空间的介电常数。

大多数介质的相对导磁率接近于真空的导磁率，所以是相对介电常数的改变在支配着光在穿过相对介电常数不同的两种材料之间的边界时光速的改变。

由于不论介质如何，光的频率不变，而是辐射信号的波长λ在改变，以适应光在穿过第一介质，通常是空气或真空，和介质分隔器408之间的边界时光速的改变。这样，IMC信号的波长从相对介电常数为ε_r1的第一介质进入相对介电常数为ε_r2的第二介质时实际上被缩短了，其中ε_r2＞ε_r1。相反，辐射波长在从第二介质进入第一介质时实际上被加长了。例如，相对介电常数为4的介质分隔器实际上将辐射波长缩短到空气中或真空中的辐射波长的二分之一。

可以设想把整个PAA嵌入到介质材料中，并且介质分隔器的相对介电常数可以小于嵌入介质体的相对介电常数。这具有介质分隔器有效地缩短辐射在各相邻单元之间的电通路长度的效果。

参阅图6，并结合图4和5，控制介质分隔器408的介电常数，(相对介电常数)以及厚度，就可以对来自介质分隔器408的IMC辐射的相位进行控制。入射到例如介电常数为ε_r＝4和厚度为d的介质分隔器408上的IMC辐射602在空气中的波长为λ。进入分隔器408后，IMC辐射602的波长减半，变成λ/2。所以，尽管在空气中IMC辐射602在距离d内完成d/λ个相位周期，但在分隔器408中它将完成2d/λ个相位周期。所以，通过定制分隔器的厚度，从分隔器出来的IMC辐射603的相位就可改动，通常可减小阵列单元402、404之间的IMC效应。这样，就可获得由于另一阵列单元402的工作而入射到阵列单元404上的IMC辐射的所需相位。改变分隔器的介电常数也可获得类似的效果，实际上这两种效果是互补的。

现参阅图7，图中示出具有三个单元的线性相控阵天线700的另一实施例。它包括：中心阵列单元702；两个外围阵列单元704、706；以及介质分隔器708和710，它们插入在中心阵列单元702和相应的外围阵列单元704、706之间。

现参阅图8，图中示出没有介质分隔器时，每个相控阵天线单元在磁场矢量(H)平面上的嵌入辐射图。与两个外围阵列单元704、706相关的辐射图(曲线802，804)，它们的最大值并不在θ＝0°上。中心阵列单元702呈现的辐射图(曲线806)，其最大值集中在θ＝0°上。两个外围阵列单元704、706具有的辐射图(曲线802，804)都对θ＝0°偏斜。在仅仅最左边的单元704工作的情况下，最左边单元704和中心单元702之间的IMC加上最左边单元704和最右边单元706之间的IMC导致对来自最左边单元的典型辐射场的干扰。这又导致偏斜的嵌入辐射图(曲线802)。类似的论证也适用于最右边706和中心阵列单元702的嵌入辐射图(曲线804，806)的产生。阵列相对于中心单元702对称这一事实意味着：中心单元702的无偏斜的结果嵌入辐射图(曲线806)是由于最右706和最左704阵列单元相等但相反效应的结果。

应当指出，如果两个外围阵列单元704、706不是对称地位于中心阵列单元702的两侧，则每个外围阵列单元704、706对中心阵列单元702的IMC效应不等，导致中心阵列单元702的嵌入辐射图(曲线806)也会对θ＝0°偏斜。这也会降低外围阵列单元704、706的嵌入辐射图(曲线802，804)之间的对称性。

现参阅图9。图中示出对应于图7的阵列单元的嵌入辐射图(曲线902-906)，但其中包括插入在中心阵列单元702和相应的外围阵列单元704、706之间的介质分隔器。在所述实例中，介质分隔器的宽度为5mm，介电常数为ε_r＝9.3。两个外围阵列单元704、706的嵌入辐射图(曲线902，904)的偏斜很明显。由于对称，外围阵列单元704、706的嵌入辐射图(曲线902，904)是对称的，而中心阵列单元702的嵌入辐射图(曲线906)是失真的，但并不对θ＝0°偏斜。与图8所示的情况相比，两个外围阵列单元704、706的嵌入辐射图(曲线902，904)实际上已在θ＝O°的纵坐标交叉，即使PAA的物理布局保持相同。

现参阅图10，图中示出类似于参阅图9所讨论的配置的嵌入辐射图(曲线1002-1006)，不同的是介质分隔器具有的介电常数为ε_r＝4.0，宽度为5mm。可以看到，外围阵列单元702、706的嵌入辐射图(曲线1004，1002)现在不相对于θ＝0°偏斜。而中心阵列单元702的嵌入辐射图(曲线1006)仍然失真，但不偏斜。所以，可以看出这种配置校正了结合图8和9所讨论的由于IMC引起的嵌入辐射图的偏斜和失真。

这表明各阵列单元的嵌入辐射图可以通过使用介质分隔器来改动各阵列单元之间的IMC相位分量而进行控制。这可以改进波束控制的精确度并放宽在阵列单元间距、栅瓣和工作FOR等方面的设计制约。

在所有上述情况下，方向平行于介质分隔器的场矢量(在此情况下为E矢量)在此实例中不受影响。

应当指出，在二维相控阵天线的情况下，每个阵列单元至少部分由介质结构所围绕。这就使天线的设计人员能够改变介质结构的厚度、轮廓和/或每一面的相对介电常数，以便补偿给定阵列单元与阵列中多个不同的邻近阵列单元的互耦。

现参阅图11，相控阵天线1100包括阵列单元1102a-n的二维阵列1101和介质分隔器1104。部分阵列单元1102a-b(通常是靠近天线1100中心的那些阵列单元)完全被分隔器1104所围绕。还有一部分阵列单元1102c-f部分地被分隔器1104所围绕，这些阵列单元1102c-f通常处在阵列1102的边沿和阵列1102的中心之间。邻近阵列1101边沿的阵列单元1102g-n通常在它们之间具有离散的平面或精确的分隔器1104。

分隔器1104这种配置的效果是允许阵列1101的设计人员能通过改变部分分隔器1104的宽度和介电常数来”调谐”分隔器1104，以优化邻近不同阵列单元1102a-n之间的互耦减小。这在高质量天线中，例如用于雷达，导航和航天应用中的天线，特别有用。

现参阅图11a，天线1110包括阵列单元1112a-c，用环形分隔器1114a-c分隔开。使用环形分隔器1114a-c可以同时抑制H和E磁场的IMC效应，因为分隔器1114a-c覆盖了H和E磁场的对准方向，此处IMC在主H和E矢量平面上都很显著。

现参阅图11b，天线1120包括阵列单元1122a-h，它们在单一方向上用平面墙1124a-f分隔开。在这种配置中，分隔器用来减小仅单一维度上的IMC耦合效应，在此实例中为垂直于分隔器1124a-f的方向。

现参阅图11c，天线1130包括阵列单元1132a-f，它们用相互正交的垂直墙1134a-d分隔开。这可具有减小水平和垂直平面中IMC效应的效果。

或者，介质结构的简单网格可以用来至少部分补偿阵列中阵列单元间的IMC。

现参阅图12，相控阵天线1200包括阵列单元1202a-i的二维阵列1201，设置成规则形式，在此情况下，为3×3方形，在邻近阵列单元1202a-i之间有多个水平和垂直对准的介质分隔器1204。在此实施例中，分隔器1204取离散的平面墙形式，虽然应理解它们可以是任何方便而适宜的形状或结构。

这种结构可以部分抵消邻近阵列单元之间的互耦，不必进行整个设计来对每个阵列单元1202a-i进行优化。这在低成本大量生产的天线中，例如在无线局域网(WLAN)应用中所用的天线，特别有用。

在所有情况下，应当指出，任何介质分隔器可以是任何形状或形式，可以是任何介电常数。还应当指出，在阵列单元间加上这些介质分隔器的目的是为天线设计人员提供一种控制阵列单元间IMC的相位分量的方法。这样作的目的是调节所述阵列的嵌入辐射图。

应当指出，上述相控阵天线具有广泛的应用范围，包括导航系统，特别是在航天应用中，雷达和通讯系统，例如无线局域网(WIAN)，移动电话基站，例如GSM，GPRS，UTMS，以及卫星数据链路。

Claims (18)

1.一种相控阵天线，它包括第一阵列单元和第二阵列单元以及介质分隔器，所述介质分隔器插入在所述第一和第二阵列单元之间并且在所述第一和第二阵列单元之间的单元间互耦信号的通路内。

2.如权利要求1所述的天线，其中所述介质分隔器具有为减小所述第一和第二阵列单元间互耦效应而确定的介电常数、轮廓和/或宽度的组合。

3.如权利要求1或2中任一项所述的天线，其中所述介质分隔器设置成增加或减少所述第一和第二阵列单元间的电通路长度。

4.如上述权利要求中任一项所述的天线，其中所述介质分隔器设置成控制所述单元间互耦信号的相位分量，以便影响所述第一和第二阵列单元的嵌入辐射图。

5.如上述权利要求中任一项所述的天线，其中所述介质分隔器是以下各项中的任一种或它们的组合：平面墙、环状墙、多个相连平面墙、成型墙、多个相连成型墙。

6.如上述权利要求中任一项所述的天线，其中所述介质分隔器具有在3到12之间的介电常数。

7.如上述权利要求中任一项所述的天线，其中所述阵列包括二维阵列、阵列单元的线性阵列或阵列单元的共形阵列。

8.如权利要求7所述的天线，其中所有所述阵列单元基本上在单一平面内。

9.如权利要求7或8中任一项所述的天线，其中所述第一和第二阵列单元中至少一个完全由介质分隔器所包围。

10.如权利要求9所述的天线，其中所述介质分隔器的不同部分具有不同的厚度和/或相对介电常数。

11.如权利要求7所述的天线，其中所述天线还包括插入在二维阵列的阵列单元之间的介质分隔器网格。

12.如权利要求7到11中任一项所述的天线，其中所述阵列单元设置成网格。

13.如权利要求12所述的天线，其中每个阵列单元通过各自的介质分隔器与至少一个邻近阵列单元分隔开。

14.如权利要求13所述的天线，其中所述各个介质分隔器是离散的，或形成为更大的连续的介质体网格的一部分，同时，所述阵列单元位于以所述网格的各区域为界的空间内。

15.一种减小第一阵列单元和与所述第一检测器/发射器单元彼此隔开的第二阵列单元之间的单元间互耦效应的方法，所述方法包括：在所述第一阵列单元和所述第二阵列单元之间的电磁通路中插入介质分隔器。

16.如权利要求15所述的方法，其中包括利用所述介质分隔器来控制单元间互耦信号的相位分量。

17.一种改进相控阵天线性能的方法，所述方法包括以下步骤：

i)确定第一和第二阵列单元之间的互耦程度；

ii)优化以下各项中至少两项的组合：介质分隔器的宽度、轮廓、以及介电常数；以便将所述互耦效应减至最小；

iii)形成介质分隔器，其宽度、轮廓和/或介电常数基本上等于在步骤(ii)中所优化的；以及

iv)将所述介质分隔器插入在所述第一和第二阵列单元之间。

18.如权利要求17所述的方法，其中包括利用所述介质分隔器来控制单元间互耦信号的相位分量。

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