CN1879258B - 可扫描稀疏天线阵列 - Google Patents

Abstract

公开了一种稀疏阵列天线。该天线包括调谐到各自发射和接收频率的串联馈送天线阵列列。该发射和接收辐射元件在每个发射辐射元件和每个接收辐射元件之间以给定距离形成，串联馈送天线列彼此平行排列，垂直于形成对称的交错的发射/接收阵列的对称线。而且，接收阵列列在发射模式中作为寄生元件(parasitic element)工作，发射阵列列在接收模式中作为寄生元件工作，由此减少栅格瓣的产生。本发明的稀疏阵列天线还可以设置成可扫描的，以便当从偏离的瞄准线方向扫描该主辐射瓣时还减少了进入可见空间的旁瓣。通常，串联馈送阵列列可以形成为调谐到各自发射或接收频率的延伸脊形缝波导。

Description

可扫描稀疏天线阵列

技术领域

本发明涉及一种具有稀疏天线设计的天线阵列，还提供一种使用减少的栅格瓣进行的扫描。

背景技术

对于区域覆盖通信网络的容量日益增长的需求可以通过引入阵列天线来解决。这些天线是可以在方位面内创建一个或多个窄波束的辐射元件的阵列。窄波束指向或选择朝向所关心的客户，从而减少网络中的干扰并且由此增加容量。在美国专利No.6,509,881中公开了一种交错的(interleave)单孔径同步Rx/Tx天线。

借助于连接到天线列的Butler矩阵，可以在方位面内产生许多同时固定扫描的波束。由于必许考虑因相位重复的建设性的增加而导致的干扰瓣(也称作栅格瓣)的产生，天线元件的间距由最大扫描角度确定。为了扫描相位阵列天线，元件位置必须足够小以避免栅格瓣。对于1λ的元件间距，栅格瓣将出现在可见空间的边缘(非扫描条件下)。然后，如果波束被偏离瞄准线扫描，栅格波束将移动至可见空间。

因此，设计天线的问题是阵列天线中的辐射元件的间距不得不小于一倍波长，以防止产生讨厌的格栅(次级)瓣，并且在扫描波束的情况中，间距还要进一步减小。在极端情况中，当主波束被扫描到非常大的角度时(如在移动通信基站的自适应天线的情况中)，元件间距需要减小到半波长或更小，以避免在可见空间产生栅格瓣。因此，可以确立一般规则，即具有固定瓣的天线阵列通常应该具有小于1波长的元件间距，而具有可扫描瓣的天线阵列通常应该具有小于半波长的元件距离，以获得合适的扫描角度范围。

如在美国专利No.6,351,243中公开的，在阵列天线中的辐射元件通常设置成如图1所示的规则矩形栅格。元件间距沿x轴表示为d_x，沿y轴表示为d_y。通过从元件空间转换到波束空间，可以找到波束方向。图1所示的天线的相应波束空间可以在图2中找到。

在这种情况中，主波束的指向方向沿天线的法线。在可见空间外部(即单位圆外)的波束组成栅格瓣，只要波束没有被扫描并且元件的间距沿两个轴的方向都小于一个波长(λ/d_x＞1和λ/d_y＞1)，则它们不会出现在可见空间中。对于大的阵列，在矩形排列的栅格中辐射元件的数量由N_R＝A/(d_xd_y)近似给定，其中A是天线孔径的面积。

当主波束沿x轴被扫描时，在波束空间中的所有波束在正方向移动的量等于表示为扫描(辐射)角的正弦表达式的函数。对于在x方向的一维扫描的每个水平行，我们可以将次级最大或栅格瓣表示如下：

$X_m=\sin \left({\mathrm{\θ}}_s\right)+m\·\frac{\mathrm{\λ}}{d_x},m=\±1,\±2,...$

其中X_m是波瓣m的位置，θ_s是相对于阵列法线的扫描角，d_x是在水平面内元件之间的距离。当波瓣之间的距离在此为λ/d_x时，可知对于在可见区域内不产生栅格瓣的扫描角，最大元件距离为：

$\frac{d}{\mathrm{\&lambda;}}<\frac{1}{1+\sin \left({\mathrm{\&theta;}}_{\max }\right)}$

在图3所示的情况中，除主波束外第二波束(栅格瓣)进入可见空间。这种情况可以通过减小沿x轴的元件间距来避免。当元件间距小于半波长时(即λ/d_x＞2)，因为|sinθ|≤1，所以与扫描角无关，没有栅格瓣进入可见空间。

图4示出了设置在等边三角形栅格中的辐射元件。垂直元件间距定义为d_y。图5中示出了相应的波束空间。沿y轴的元件间距必须不大于

波长(即d_y的最大值约为0.58波长，并且沿x轴2d_x为一个波长[等于

])，以避免在任意扫描角下产生栅格瓣。因此，在辐射元件的等边三角形栅格中，最佳元件间距d_y为

波长。对于大阵列，在等边三角形排列的栅格中辐射元件的数量由N_T＝A/(2d_xd_y)近似地给定。(仍参考上述E.D.Sharp)。假定相同的栅格瓣而不考虑扫描强度，与正方形栅格相比，采用等边三角形栅格可以减小(N_R-N_T)/N_R＝13％。(N_T＝4A/λ²和

)

然而，仍存在对于在阵列天线中辐射栅格进行优化的需要，以得到扫描稀疏天线阵列，其还提供在可见空间内抑制栅格瓣。

发明内容

按照本发明的一个方面，提供了一种稀疏阵列天线，其包括调谐到各自发射和接收频率的串联馈送天线阵列列，所述串联馈送天线阵列列包括发射阵列列和接收阵列列，每个发射阵列列具有多个发射辐射元件并且每个接收阵列列具有多个接收天线元件，其特征在于：所述发射阵列列和接收阵列列在每个发射辐射元件和每个接收天线元件之间以给定距离形成，串联馈送天线阵列列彼此平行排列，由此形成对称的交错的发射/接收阵列；接收阵列列在发射模式中作为寄生元件工作，发射阵列列在接收模式中作为寄生元件工作，由此减少栅格瓣的产生。

优选地是，在每个发射天线阵列列和每个接收天线阵列列之间的距离通常增加至一个波长(λ)的量级，由此获得稀疏阵列。

优选地是，串联馈送阵列列被形成为调谐到各自发射和接收频率的延伸脊形缝隙波导，所述延伸脊形缝隙波导包括缝隙发射波导和缝隙接收波导。

优选地是，当在每一缝隙发射波导中具有n个缝隙时，每一缝隙接收波导中的缝隙数量通常是n±x，其中x表示整数(x＝0，1，2，3，...)。

优选地是，串联馈送阵列列被形成为包含辐射元件的延伸发射线，该阵列列被调谐到各自发射和接收频率。

优选地是，具有主辐射瓣的稀疏阵列天线设置成可扫描的，以便当从偏离的瞄准线方向扫描该主辐射瓣时还提供减少的进入可见空间的旁瓣。

优选地是，每一个串联馈送天线列在各自的频带内精细地调谐，由此减少在所使用的发射频带和接收频带之间的耦合。

优选地是，该串联馈送天线阵列列连接到有源接收/发射(T/R)模块并且从该有源接收/发射(T/R)模块馈送。

优选地是，仅仅一组串联馈送列被有源使用并且交错组的串联馈送列中的剩余组通过形成稀疏阵列天线寄生列的合适负载终结。

优选地是，围绕贯穿每一波导的延伸方向中心的直线对称设置所述波导。

附图说明

通过参考下面结合附图的说明，可以更好地理解本发明及其其它目的和优点，其中：

图1示出了辐射元件设置在矩形栅格上的天线；

图2示出了图1示出的阵列的波束空间；

图3示出了当主波束被沿x轴扫描时图1所示的天线的波束空间；

图4示出了辐射元件在等边三角形栅格上的天线；

图5示出了在可见空间没有栅格瓣的等边三角形栅格的波束空间；

图6示出了围绕贯穿每个波导中心的直线对称设置的用于T_X和R_X的一组波导；

图7示出了用于试验波导、R_X-馈送、f＝5.671GHz的辐射模式；

图8示出了用于试验波导、R_X-馈送、f＝5.671GHz和清除T_X天线元件激励的辐射模式；

图9示出了用于试验波导、T_X-馈送、f＝5.538GHz的辐射模式；

图10示出了用于试验波导、T_X-馈送、f＝5.538GHz和清除R_X天线元件激励的辐射模式；

图11示出了用于具有/不具有无源(passive)、交错T_X波导的四个R_X波导、f＝5.671GHz、E平面、扫描＝0°的辐射模式；

图12示出了用于具有/不具有无源、交错T_X波导的四个R_X波导、f＝5.671GHz、E平面、扫描＝10°的辐射模式；和

图13示出了用于具有/不具有无源、交错T_X波导的四个R_X波导、f＝5.671GHz、E平面、扫描＝20°的辐射模式。

具体实施方式

为了解释本发明的原理，将描述2(R_X)+2(T_X)波导试验模型。然后，目标是论证交错天线的性能以及相应的模拟效果。将描述该试验模型的设计。

试验模型中心频率选择为：

f_RX＝5.671GHz

f_TX＝5.538GHz

缝隙长和缝隙的位移使用用于波导缝隙天线的分析程序来计算。缝隙长和位移设置为在每个频率段函数中对于所有的缝隙相等。

改变和分析缝隙参数直到与每一波导的输入阻抗相匹配。两个未激励波导也进行计算。

最终的设计参数示出如下：

f_RX＝5.671GHz(中心频率)

f_TX＝5.538GHz

λ_{g_RX}＝82.84mm(波导波长)

λ_{g_TX}＝87.99mm

d_XRX＝λ_{g_RX}/2＝41.42mm(元件间距)

d_XTX＝λ_{g_TX}/2＝43.995mm

d_y＝51.26mm

(在每一频带中的波导间距，对于R_X和T_X阵列都相等)

N_RX＝26(在每一波导中元件/缝隙的数量)

N_TX＝24(在每一波导中元件/缝隙的数量)

缝隙宽W＝3.00mm。

这些缝隙数据设计是针对等幅等相位馈送的有源(active)波导作出的。无源波导(“其它”频段)在馈送口匹配。

表I中示出了所获得的缝隙数据：

表I波导缝隙数据

Vgl#	缝隙位移d(mm)	缝隙长度L(mm)	算出的在中心频率的波导阻抗	波导高度位置(mm)	沿着波导的缝隙间隔(mm)	RX/TX-波导
							1	0.67	28.90	0.97-j0.06	38.445	41.42	RX
2	0.67	29.50	1.01+j0.04	12.815	43.995	TX
							3	0.67	28.90	1.03+j0.04	-12.815	41.42	RX
4	0.67	29.50	0.97-j0.07	-38.445	43.995	TX

图6示出了在解释性的实施例中用于发射和接收的一组交错的波导。在此，波导围绕贯穿每一波导的延伸方向中心的直线对称设置。每一波导还包括在每一缝隙发射波导中的许多缝隙n，每一缝隙接收波导可以具有n±x缝隙，其中x表示整数(例如：0，1，2，3，...)。这种阵列通常借助有源T/R模块进行馈送，以减少模块数量以及因此降低成本。

模拟

在上述表格中已经示出了中心频率的模拟输入阻抗。从这些模拟量中，也可以求出激励(excitation)(“缝隙场(slot field)”振幅和相位)。这用于为两主切面(cut)计算天线远端场，H平面和E平面。“不馈送”波导终结于匹配负载。使用在有限地平面上模拟缝隙的天线元件模型。

图7示出了当R_X波导使用等振幅和等相位馈送时的辐射模式。图8中示出了相应的情况，但是清除了T_X激励(设置为0)。可以观察到对于两个波导单独用于R_X，(图7)由于波导距离接近1λ，栅格瓣将出现在E平面。如图7所示，当出现T_X波导并且被附加激励时，这些波瓣将被抑制。

图9和图10示出了当T_X波导使用等振幅和等相位馈送时相应的情况。

四元件扫描阵列的模拟

还进行了4+4元件扫描阵列的模拟。计算了在R_X中心频率5.671Ghz对于E平面扫描角度为0°、10°和20°的输入阻抗和辐射模式。对于使用和不使用无源(终结于匹配负载)、交错的T_X波导的情况均进行了模拟。在图11至图13中示出了最终得到的辐射模式。波导参数与在上述表I示出的数据相同。

在根据本发明用于获得稀疏阵列的结构的基本结构中，不活动的(inactive)波导，即在传输操作中接收波导，反之亦然，可以给定合适的相位，使得可以减少旁瓣电平。当扫描阵列到辐射角度偏离瞄准线时，同样可以使用这种技术来获得改善，并且在两种情况中相对于标准情况阵列都会变得稀疏，因此，获得了在有源电子扫描阵列(AESA)中具有更少有源模块的更简单和更廉价的天线。

在本发明结构的更简单方案中，例如对于特殊时刻，不活动的元件可以仅仅作为以合适方式终结的在有源元件之间交错的虚拟元件(dummy element)。例如，然后可以使用设置在合适位置的合适的短路装置或者匹配负载。

在这种稀疏天线结构的优选实施例中，这种想法还基于具有多对长串联馈送传输线(不必是波导)，其中许多辐射元件串联连接，以及其中发射/接收对的辐射元件之间的距离分别对于发射辐射器和接收辐射器稍微有些差别。这意味着一对天线阵列列变成调谐到稍微不同的频率并且因此在它们的端口之间耦合非常小的功率。这种串联馈送天线列，因此例如从发射/接收有源模块馈送。

在交错的天线阵列的另一实施例中，各个串联馈送天线列的每一辐射元件在各自频带内窄窄地调谐，由此进一步减少发射频带和接收频带之间的耦合。

在再一实施例中，仅仅一组串联馈送列是有源地使用，而交错组串联馈送列中的剩余组通过合适的负载终结。使用公共的发射/接收频率，这可以用于整个收发类型的操作。

可以理解，本领域技术人员可以在不脱离由所附的权利要求确定的其精神和范围的情况下对本发明进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种稀疏阵列天线，其包括调谐到各自发射和接收频率的串联馈送天线阵列列，所述串联馈送天线阵列列包括发射阵列列和接收阵列列，每个发射阵列列具有多个发射辐射元件并且每个接收阵列列具有多个接收天线元件，其特征在于：

所述发射阵列列和接收阵列列在每个发射辐射元件和每个接收天线元件之间以给定距离形成，串联馈送天线阵列列彼此平行排列，由此形成对称的交错的发射/接收阵列；

接收阵列列在发射模式中作为寄生元件工作，发射阵列列在接收模式中作为寄生元件工作，由此减少栅格瓣的产生。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：

在每个发射阵列列和每个接收阵列列之间的距离通常增加至一个波长(λ)的量级，由此获得稀疏阵列。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于：

串联馈送天线阵列列被形成为调谐到各自发射和接收频率的延伸脊形缝隙波导，所述延伸脊形缝隙波导包括缝隙发射波导和缝隙接收波导。

4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于：

当在每一缝隙发射波导中具有n个缝隙时，每一缝隙接收波导中的缝隙数量通常是n±x，其中x＝0，1，2，3，...。

5.根据权利要求2所述的天线，其特征在于：

串联馈送天线阵列列被形成为包含辐射元件的延伸发射线，该串联馈送天线阵列列被调谐到各自发射和接收频率。

6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：

具有主辐射瓣的稀疏阵列天线设置成可扫描的，以便当从偏离的瞄准线方向扫描该主辐射瓣时还提供减少的进入可见空间的旁瓣。

7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：

每一个串联馈送天线阵列列在各自的频带内精细地调谐，由此减少在所使用的发射频带和接收频带之间的耦合。

8.根据任一前述权利要求所述的天线，其特征在于：

该串联馈送天线阵列列连接到有源接收/发射(T/R)模块并且从该有源接收/发射(T/R)模块馈送。

9.根据权利要求2所述的天线，其特征在于：

仅仅一组串联馈送天线阵列列被有源使用并且交错组的串联馈送天线阵列列中的剩余组通过形成稀疏阵列天线寄生列的合适负载终结。

10.根据权利要求3所述的天线，其特征在于：

围绕贯穿每一波导的延伸方向中心的直线对称设置所述波导。

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