CN1856908A

CN1856908A - 用于形成毫米波相控阵列天线的装置及方法

Info

Publication number: CN1856908A
Application number: CNA2004800273249A
Authority: CN
Inventors: 朱莉奥·A·纳瓦罗; 约翰·B·奥康纳尔; 理查德·N·博斯特威克
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2024-07-16
Also published as: WO2005011058A1; CN1856908B; EP2214259A1; BRPI0412246A; CA2532298A1; JP4597985B2; JP2006528464A; US20050017904A1; CA2532298C; EP1654783B1; EP2214259B1; DE602004028944D1; US6900765B2; EP1654783A1; ATE480023T1

Abstract

一种相控阵列天线系统，具有组合波导分配网络带状线印刷电路板。该带状线印刷电路板从1×4波导分配网络输入板接受电磁(EM)波能量并将该EM波能量分配给524个辐射元件。该带状线电路板允许独立天线辐射元件极为紧密地间隔，而这对矩形空气填充波导来说是不可能的。天线系统允许工作在毫米波频率特别是44GHz上，并不需要对不同相位和振幅延迟使用多个查询表，而这是在用矩形的空气填充波导分配结构时必需的。该天线系统可用于毫米波频率，并连同MILSTAR通讯协议，而不需要预先知道MILSTAR协议要使用的下一个波束跳跃频率。

Description

用于形成毫米波相控阵列天线的装置及方法

技术领域

本发明涉及天线，更具体地说，涉及能在毫米波长上工作的并结合了共同的带状线波导结构的电扫描的双波束相控阵列天线。

背景技术

相控阵列天线包括多重辐射天线元件、单独的元件控制电路、信号分配网络、信号控制电路、电源，及机械支撑结构。天线的总增益、有效全向辐射功率和扫描及旁瓣要求直接涉及在天线孔径中的元件的数量、元件的间隔、元件和元件电子装置的性能。在许多应用中，需要几千个独立的元件/控制电路来获得期望的天线性能。典型的相控阵列天线包括对辐射元件的独立的电子学组件和通过外部分配网络互连的控制电路。图1示出典型的发射相控阵列天线的示意图，其包括输入端、分配网络、元件电子装置和辐射器。

当天线工作频率增大时，在辐射元件之间所需的间隔要减小，而难以在更加紧密的元件间隔中物理上构建控制电子电路以及完成互连。放宽紧密的元件间隔会使波束扫描性能下降，但适当提供多重互连要求苛刻的制造和装配容差，这会增加系统复杂性及成本。因此，相控阵列天线的性能和成本主要取决于模块组件和分配网络互连。多波束应用因为在同样天线体积内要求更多的电子组件和互连，还会使该问题更加复杂化。

相控阵列封装架构可分为瓦型(即共面)和砖型(即直列)。图2示出典型的瓦型架构，其显示出在天线孔径中共面并象瓦一样装到一起的组件。图3示出典型的砖型架构，其使用与天线孔径垂直的并类似于砖一样装到一起的直列组件。

本申请的受让人，波音公司，在相控阵列模块/元件封装技术上是引领性的创新者。波音公司已经设计、研发和交付了许多使用瓦、砖和混合技术以制造辐射器模块及/或分配网络的相控阵列。向每个相控阵列模块提供电磁波EM能量的RF分配网络可以为所谓的串联或并联方式。因为在分配期间EM波信号经历的不同的延迟，串联分配网络经常受到瞬间带宽的限制。而并联网络对每个模块提供同样的延迟，而允许较宽的瞬间带宽。然而，对辐射器模块非常多时并联分配增大了困难。向一组相控阵列模块传递同样的延迟的最常用的方法是组合的分配网络。组合分配网络使用二进制信号分路器对2ⁿ个模块分配等延迟的信号。这种类型的分配使其很适于在业内广泛使用的瓦型阵列架构。

在瓦型架构中使用组合网络要受到模块间隔的限制。在更高的工作频率上在宽角波束扫描阵列的紧密组装模块中分配EM波能量、DC功率信号和逻辑信号变得更加困难。因为RF功率的损耗也随着工作频率增加，设计者试图通过使用低损耗的传输介质来限制分配损失。可用的最低损耗介质是充满空气的矩形波导。然而这样的波导需要较大的体积并且不易于引导到各个地点(即天线模块)。带状线导体，取决于材料参数及尺寸，每单位波导长度上显示出如充满空气的矩形波导的5-10倍的损耗的量。然而，带状线波导非常紧凑并易于用来向紧密封装的仅由非常小的间隔量分开的模块(即辐射元件)分配RF能量。

充空气波导可专用于串联网络中以馈电紧密封装的天线模块。每个波导的充空气段使用叫作轨道的一连串槽。在轨道中槽之间的电学长度随工作频率改变。如果该轨道用于形成天线束，当工作频率改变时，在槽之间的电学长度上的改变使波束移位或偏离预期的角度。当轨道中的槽的数量增加时，波束的偏离变得更加明显，从而更进一步减小瞬间带宽。在轨道中的槽还易于相互作用而使轨道的设计更加困难和复杂。如果槽彼此隔绝，那么可以更容易确定对预期耦合水平所需要的每个槽的长度。轨道也是在一个单一中心频率处获得其预期相位和振幅分配并在工作频率偏离该中心频率时迅速变差。

对相控阵列天线，在天线模块中可以使用移相器调节由串联分配网络引入的相位偏差。为了实现这种调整或校准，需要对瞬间工作频率的先验了解。使用查询表以修正在沿阵列的工作带宽上的不同频率点处的波束偏离。轨道的长度决定适当调整移相器所需的增量或步距的数量。更长的轨道导致更大的波束偏离和更窄的瞬间带宽，这意味着需要更多的频率增量来校准天线的众多天线模块。

波音公司所面对的一个特别困难的问题，其也是本发明的天线和方法要克服的问题，是发展一种能够在用于MILSTAR通讯的44GHz工作的宽波束扫描的，Q波段相控阵列天线。MILSTAR通讯协议使用在2GHz的工作带宽上跳跃的信息频率的窄波段猝发。然而，使用串联馈电的波导及相异的波束的偏离需要对下一个波束跳跃频率的了解从而可以从查询表中获得适当的延迟并将该延迟施加到移相器上。没有对下一波束跳跃频率的这种了解，就无法精确地确定串联馈电的波束轨道的偏离。由于安全上的原因，希望相控阵列天线系统不要求特定工作频率信息而是能作为被动装置在整个带宽上工作。因此需要一种新式的组合提供波导网络，其允许模块的间隔非常紧密，但不需要计算各串联馈电的轨道波束的偏离来提供对天线所有各个模块元件的校准。

发明内容

本发明注重于相控阵列天线系统及方法，其能够工作在44GHz并符合MILSTAR通讯协议而不需要对下一波束跳跃频率的预先了解。本发明的该系统及方法通过提供结合使用一种新的波导网络的相控阵列天线来实现这一点。第一充空气波导结构向第二介电填充波导结构馈送电磁波(EM)输入能量。该第二介电填充波导结构向组合带状线波导网络提供EM波能量。该组合带状线波导网络向构成本发明相控阵列天线的相应的多个独立天线模块的每一个的多个辐射元件分配EM波能量。

在一优选形式中，第一波导结构包括矩形空气波导结构。该结构从其输入端向多个输出端馈送EM波输入能量并在该多个输出端之间分配EM波能量。这些输出被提供给第二波导结构，该第二波导结构在一优选形式中，包括多个介电填充的圆形波导。该第二波导结构将EM波能量引导到带状线波导结构的相应的多个输入端，在那里在被施加到天线系统的多个天线模块的每个辐射元件之前，该EM波能量被进一步依次划分。使用组合带状线波导结构使得可以实现极为紧密的元件间隔而对系统的效率仅有极小的降低。使用组合带状线波导结构进一步消除了运用独立波束偏离校正的需要，而该校正要求在MILSTAR应用中必须知道下一个波束跳跃频率。使用组合带状线波导网络，连同使用第一和第二波导结构和适当的移相器，可对天线系统的每个辐射元件有效地提供同样的延迟，其还能明显简化天线系统所需的电子学上的复杂性。

有利的是，本发明天线系统使用一个单一查询表来校准；因此，不需要对下一个波束跳跃频率有先验的了解。本发明天线系统在瞄准线和60度扫描角度上均提供非常好的波束旁瓣水平。本发明天线系统产生的波束方向图也显示出非常好的交叉极化水平。

从下面提供的详细说明中，更多的本发明的应用范围会变得显而易见。应该理解，这些详细说明和特定示例是仅用于说明的目的而不是用来限制本

发明的范围。

附图说明

从下面的描述及附图中，可以更完整地理解本发明，在附图中：

图1示出典型的发射相控阵列天线系统的简化的框图；

图2示出瓦型相控阵列天线系统的特定组件的简化的透视图；

图3示出砖型相控阵列天线系统的特定组件的简化的透视图；

图4示出根据本发明一优选实施例的相控阵列天线的简化的透视图；

图5示出图4的天线系统馈电网络的分解透视图；

图5A示出插入在锥形发射板和WDN馈电板中的锥形过渡介电塞的部分剖视图；

图6示出形成1×4充空气矩形波导馈电结构的波导分配网络输入板的平面图；

图7示出带状线波导印刷电路板的放大的平面图；

图8示出图7的电路板的高度放大的部分；

图9示出本发明天线在0度扫描角度(即沿瞄准线)的远场振幅的图示；

图10示出本发明天线在60度扫描角度的远场振幅的图示。

具体实施方式

下面对优选实施例的描述本质上仅为示例性质而决不意味着要限制本发明、及其应用或使用。

参考图4，示出依照本发明的优选实施例和方法的天线系统10。该天线系统10形成能工作在毫米波上的天线，更具体的说，是在44GHz(Q波段)并符合MILSTAR协议，并在MILSTAR应用中使用时不需要对下一个波束跳跃频率有预先了解。该天线系统10形成双波束系统，其具有524个相互间隔非常紧密的独立天线模块以能够在毫米波频率上，最好在约44GHz上工作，并在扫描角度上升到(或超过)60度时不会遭受明显的波束和性能退化。天线系统通常包括底盘11，在其中支撑有馈电网络12和相关的电子装置(未示出)。

参考图5，示出天线系统10的馈电网络12的主要组件的分解透视图。微波发生器(未示出)产生EM波输入信号到波导输入过渡部件14的输入端14a。EM波信号通过矩形孔到达矩形输出端14b。波导输入过渡部件14通过开口16a被插入到后面的机械的同温间隔板16中，而输出端14b被连接到波导分配网络(WDN)输入板18。WDN输入板18具有带输入端19’和输出端19a-19d的波导19。WDN输入板18被耦合到底部矩形馈电板20，该馈电板具有与输出端19a-19d对齐的四个矩形波导槽。从WDN输入板18引导EM波输入信号通过波导19，通过槽20a-20d而进入WDN锥形传输板22。传输板22具有524个大致为圆形的凹陷24其没有完全延伸穿过板22的厚度。板22还包括四个延伸并完全穿过板22的开口24a₁-24a₄。该四个开口24a₁-24a₄与四个波导槽20a-20d对齐。524个凹陷24的每一个以及四个开口24a₁-24a₄在纵向上与WDN馈电板28中相应的多个开口26对齐。524个1/4波的，圆形短尾(backshort)介电塞30(在图5中仅作为代表部分示出)填充传输板22的524个开口26并也填充524个开口24。四个锥形过渡介电塞32延伸穿过四个开口26a-26d。被锥形过渡介电塞32填充的开口26是那些在纵向上与锥形传输板22的开口24a₁-24a₄和矩形馈电板20的矩形槽20a-20d对齐的那些。当馈电网络12被完全安装时，介电塞32也延伸而部分进入到开口24a₁-24a₄中。这一点在图5a中示出，其中可以看到塞32具有圆形头部32a和锥形体部32b。圆形头部32a填充在WDN馈电板28中的相关开口(即开口26a-26d之一)而锥形体部32b停置在WDN锥形传输板22中的相关的一个开口24a₁-24a₄中。

在WDN锥形传输板22中的开口24a₁-24a₄在传输板22的后侧(即在图5中不可见的那一侧)开始是矩形截面，并在图5中可见的那一侧上过渡成为圆形截面。这一点，与塞32的锥形部一起，用来向传播通过板22的EM波能量提供矩形到圆形的波导过渡区域。在一优选形式中，塞32具有优选约2.5的介电常数。因此，WDN传输板22起矩形到圆形波导过渡组件的作用。

再次参考图5，WDN带状线印刷电路板(PCB)34固定在WDN馈电板28的输出侧上并形成这样的装置，以将通过四个开口24a的每一个而引入EM波能量划分到形成在WDN带状线PCB34上的组合带状线分配网络34a的对应的输入引线。WDN圆形波导板36固定在WDN带状线PCB34上。WDN圆形波导板36包括528个圆形开口，其一般用附图标记38标示，四个开口39，其每一个填充有一个圆形短尾介电塞40和一个圆形短尾铝(导电的)塞42。被填充的开口39是在纵向上与矩形馈电板20的槽20a-20d以及锥形传输板22的开口24a₁-24a₄对齐的那些。剩下的由附图标记38标示的524个开口被圆形波导介电塞44(在图5中仅作为代表部分示出)填充。塞44优选包括Rexolite塑料。一对模块对齐销46延伸穿过在波导板36中的开口36a、WDN带状线印刷电路板34中的开口34b，馈电板28中的开口28a、在锥形过渡板22中的开口22a、在矩形馈电板20中的开口21、在WDN输入板18中的开口18a，以及在间隔板16中的开口16b，以保持如图5所示的组件22、28、34和36的众多开口的对齐。

简要参考图6，可以看到WDN输入板18的更多细节。WDN输入板18包括矩形的充空气的波导19，该波导具有输入端19’其接受来自图5的波导输入过渡14的输出端14b的EM波能量。矩形充空气波导19接受该EM波输入能量并将其在四个矩形输出槽19a、19b、19c和19d之间分配。通过矩形槽19a-19d出去的EM波能量被引导而通过图5所示的WDN底部矩形馈电板20的矩形槽20a-20d。WDN输入板18优选由一片金属形成，并最好由铝形成，但应理解，也可以使用其他适合的金属材料，例如金。间隔板16优选也由金属形成，并最好是铝，板22、28和38也一样。

图7是带状线印刷电路板34的平面图。输入引线34a₁、34a₂、34a₃和34a₄分别与波导锥形过渡板22的开口24a₁-24a₄对齐。更具体地说，输入引线34a₁-34a₄的每一个设置为在每个开口26a-26d与电磁场平行排列。每个输入端34a₁-34a₄通过由电路板34的导电部分(即带状线引线)形成的多个T接头35(在图8中标示)馈电多个EM波辐射元件56(即独立天线模块)。更具体地说，WDN带状线PCB34的每个T接头35作为二进制信号分路器工作以相继地(并平均地)将在每个输入端34a₁-34a₄处收到的EM波输入能量分成越来越小的多个子(subplurality)，其最终被施加到每个辐射元件56上。图8示出由带状线PCB34形成的组合EM波分配网络的典型部分。可以看到输入端34a₂馈电辐射元件56a-56p。在图8中示出两个典型的T接头35。

输入端34a₁馈电254个辐射元件56，输入端34a₂馈电126个辐射元件56，输入端34a₃馈电96个辐射元件56，输入端34a₄馈电48个辐射元件56。

在工作时，由每个辐射元件56通过在WDN圆形波导板36中的开口38，并也向后朝向WDN馈电板28辐射EM波能量。塞30具有优选约2.5的介电常数。电磁能量传播通过塞30并在传输板22的524个凹陷中的每一个的那个底壁上反射而返回朝向电路板34，并继续通过在WDN圆形波导板36中的开口38。在一优选形式中，塞30由Rexolite塑料材料制成。塞40，优选由Rexolite塑料材料构成，其与优选为金属的并最好是铝的塞42，填充开口39。来自开口26a-26d的EM波能量传播通过塞40并被塞42反射回去朝向电路板34的输入引线34a₁-34a₄。每个塞30、32、40和44优选具有约2.5的介电常数并能够保证天线系统10工作在毫米波频率上，并在天线系统中使用非常紧密的元件间隔。

简要参考图9和10，可以看到本发明天线系统10的性能。特别参考图9，可以看到天线系统10的远场性能，其中天线系统工作在44.5GHz并在0度扫描角度。参考图10，示出工作在44.5GHz但在60度扫描角度下的天线系统10。得到的旁瓣水平，其由附图标记58标示，在可接受限制内是较好的，而图9和10中示出的波束展示出良好的交叉极化水平。在43.5-45.5的设计带宽上性能是相似的。

因而本发明的天线系统10能够形成相控阵列天线，其辐射元件56能够彼此非常紧密的间隔而在毫米波频率尤其是在44GHz处工作。重要的是，但用在MILSTAR通讯协议中时，天线系统10不需要了解下一个波束跳跃频率。天线系统10的组合WDN带状线印刷电路板34允许天线在毫米波频率上有出色性能所必须的极紧密间隔的辐射元件56，同时允许从一个单一查询表中确定对每个辐射元件56要施加的振幅及相位延迟。

应该明白，当使用术语“输入端”和“输出端”来描述天线系统10的组件的部分时，已经用发射模式的操作描述了天线，而上述理解已经阐述了这一点。本领域技术人员应该明白，当天线系统10工作在接受模式时，这些术语会反过来。

已经描述了多个优选实施例，本领域技术人员应认识到，可以不偏离本发明的概念进行修改和变更。这些例子说明了本发明但并非用于限制它。因此，当必须考虑相关现有技术时，用这些限制，应开放地解释说明书和权利要求。

Claims

1.一种相控阵列天线，包括：

第一介电填充波导结构，用于将输入的电磁(EM)波能量分成多个第一EM波信号；

第二介电填充波导结构，其设置为邻近所述第一介电填充波导结构并具有多个介电填充波导以接受每个所述多个第一EM波信号及将所述多个第一EM波信号引导朝向所述多个介电填充波导的每一个的输出端；及

带状线波导电路板，其位于邻近所述第二介电填充波导结构处并具有电路引线，该电路引线形成覆盖所述介电填充波导的输出端的多个输入端，所述带状线波导电路板将所述EM波信号通过所述电路引线分配给多个紧密间隔的EM波辐射元件。

2.如权利要求1所述的相控阵列天线，其中所述第一介电波导结构形成1×4介电填充波导结构。

3.如权利要求1所述的相控阵列天线，其中所述第二介电填充波导结构包括多个大致圆形的介电填充波导。

4.如权利要求1所述的相控阵列天线，其中所述带状线波导电路板包括多个二进制信号分路器，用于将从所述EM波信号来的EM波能量平均分配给每个所述EM波辐射元件。

5.一种相控阵列天线，包括：

第二介电填充波导结构，其具有多个介电填充的，大体为圆形的波导以接受在其输入端的每个所述多个第一EM波信号及将所述多个第一EM波信号引导朝向所述多个介电填充波导的每一个的输出端；及

带状线波导分配电路，其设置为基本平行于并邻近所述第二介电填充波导结构以接受所述EM波信号，并将来自EM波信号的EM波能量进一步分割和进一步分配给多个EM波辐射元件。

6.如权利要求5所述的相控阵列天线，其中所述带状线波导分配电路包括形成信号路径的多个信号引线，所述信号引线的多个输入引线与所述大体为圆形的波导连通以接受并引导所述EM波信号到所述带状线波导分配电路。

7.如权利要求5所述的相控阵列天线，其中所述第一介电填充波导结构形成1×4组合波导结构。

8.如权利要求5所述的相控阵列天线，其中所述带状线波导分配电路包括多个二进制信号分路器，用于在所述EM波信号被通过所述带状线波导分配电路引导时分割所述EM波信号。

9.如权利要求5所述的相控阵列天线，其中所述第一介电填充波导结构包括空气填充矩形波导。

10.一种毫米波相控阵列天线，包括：

组合波导馈电，用于将输入电磁(EM)波信号平均分割成多个子EM波信号；

介电填充波导结构，其形成多个大体为圆形的，介电填充的波导以接受所述多个子EM波信号及将所述多个子EM波信号引导朝向所述介电填充波导的输出端；及

带状线波导结构，其覆盖所述介电填充波导结构以将从所述EM波信号来的EM波能量进一步分割和进一步分配给多个辐射元件。

11.如权利要求10所述的天线，其中所述组合波导结构包括1×4空气填充组合波导馈电。

12.如权利要求10所述的天线，其中所述带状线波导结构包括多个输入引线，其每一个与所述大体为圆形的介电填充波导的相关的一个电耦合。

13.如权利要求10所述的天线，其中所述带状线波导结构包括多个二进制信号分路器，用于在向所述辐射元件施加所述EM波信号之前分割所述EM波信号。

14.一种形成相控阵列天线的方法，包括：

使用组合波导馈电以将输入电磁(EM)波信号平均分割成多个EM波信号；

引导所述多个子EM波信号通过多个介电填充波导；及

使用与所述介电填充波导连通的带状线波导以将所述EM波能量进一步分割和分配给多个辐射元件。

15.如权利要求14所述的方法，其中使用组合波导，其包括使用1×4组合波导以将所述EM波信号平均分割成四个EM波信号。

16.如权利要求14所述的方法，其中使用带状线波导，其包括使用多个二进制信号分路器以将所述多个子EM波信号进一步平均分给多个天线辐射元件。

17.一种使用相控阵列天线的方法，包括

产生电磁(EM)波输入信号；

引导所述EM波输入信号进入组合波导的输入端，其中所述EM波输入信号被分割成第一多个子EM波信号；

引导所述第一多个子EM波信号进入具有相应多个介电填充波导的介电填充波导结构；

将所述第一多个子EM波信号与带状线波导结构耦合，其中所述第一多个子EM波信号的所述EM波能量被进一步继续分割成第二多个子EM波信号；及

将所述第二多个子EM波信号施加到相应的多个天线元件。

18.如权利要求17所述的方法，其中将所述第一多个子EM波信号与介电填充波导结构耦合还包括使用多个二进制信号分路器来继续分割所述第一多个子EM波信号。

19.如权利要求17所述的方法，其中使用所述组合波导包括使用1×4组合波导。

20.如权利要求17所述的方法，其中引导所述第一多个子EM波信号进入介电填充波导结构包括引导所述第一多个子EM波信号进入大体为圆形的介电填充波导。

21.一种形成相控阵列天线的方法，该天线与MILSTAR通讯协议一起使用在毫米波频率上，不需要知道在执行所述MILSTAR通讯协议中所用的将来的波束跳跃频率，该方法包括：

产生电磁(EM)波输入信号；

引导所述EM波输入信号通过空气填充组合波导，从而EM波输入信号被分割成第一多个子EM波信号；

将所述第一多个子EM波信号与带状线波导结构耦合，该带状线波导结构设置为大体相对所述空气填充组合波导平行，包括多个EM波辐射元件，其中所述EM波能量被进一步连续分割成第二多个子EM波信号；及

使用所述带状线波导结构将所述第二多个子EM波信号引导到所述EM波辐射元件。