TWI240457B - Enhanced bandwidth single layer current sheet antenna - Google Patents

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TWI240457B TW091138050A TW91138050A TWI240457B TW I240457 B TWI240457 B TW I240457B TW 091138050 A TW091138050 A TW 091138050A TW 91138050 A TW91138050 A TW 91138050A TW I240457 B TWI240457 B TW I240457B
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Timothy E Durham
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Description

1240457 ⑴ 玖、發明說明 (¾月《兄聽敘明.發晰屬之技術領域、先賴術、内容、實施方式及㈣簡單說明) 技術領域 本兔月相關於陣列天線的領域，尤其相關於具極寬頻寬 的陣列天線。 先前技術 天線技藝中熟知相位陣列天線系統’而此類天線通常包 括複數個發射元件’其可個別相關於相對相位與振幅而加 以払制。陣列的天線圖案由個別元件的幾何圖形及元件間 所選取的相位/振幅關係，而作選擇性判定。此類天線系統 的典型m件可包括偶極天線、插槽或其他任何合適的 配置。 近年來’[開發各類適用於陣列應料新平面型天線元 件’此類元件的-範例揭示在Munk#人的美國專利申請案 ^ ^09/703,247 t ^ ^Wideband Phased Array Antenna and ASSOciated :Meth〇ds”（以下稱心叫。驗以揭示一平面 塑：線發射元件，其具有例外寬頻特性，為獲取特別寬的 頻見’ Munk利用鄰近偶極天線元件相對末端間的電容叙 具有Munk等人設計的天線元件可達成大約⑷階的頻 寬’分析已顯示以額外的調頻可能達到丨山的頻寬，惟顯 示此為此特定設計可達到的極限。 雖然MUnk等人的天線元件對相位陣列天線而言已呈極 寬頻寬，但對甚至超㈣幻的較寬頻寬相位陣列天㈣在 _需4,過去為求增加相對窄頻帶相位陣列天線的頻 (2) (2)1240457 寬所作的努力，已用過各樣的技術，包括將頻率範圍分 成多重頻帶。 ° 例如，Wong等人的美國專利第5,485,167號與使用多層偶 極天線陣列的多頻相位陣列天線有關，在w〇ng等人的專利 中，提供多層的偶極天線陣列天線，各調至不同的頻帶， 分層沿著傳送/接收方向相對於彼此而堆疊，以最高頻陣列 在次最低頻陣列之前的方式，依次類推。在w〇ngf人的專 利中，一高頻帶接地螢幕位於高頻帶偶極天線陣列與一低 頻帶偶極天線陣列之間，該高頻帶接地榮幕包括位於網格 中的平行接線。
Wong的夕層方法有兩缺點··雙層方法由於多層天線的嵌 入式互連，使元件的製造及連接更形困難；第二，多層天 線中上凡件將對下（較接近接地面）元件造成某程度的封 鎖此外，wong 4人所述的傳統偶極天線陣列具有較窄的 頻寬，所以此類配置的最終結果仍無法提供足夠的寬頻陣 列，因此仍持續需要改良，以得到超過10至1頻寬的寬頻陣 列天線。 發明内容 本發明與發射元件之陣列有關··將位於一陣列配置中第 一平面的一第一複數個天線元件，配置成在一第一頻帶操 作；將位於一第二陣列配置的一第二複數個平面天線元件 配置成在一第二頻帶操作，其中第二複數個平面天線元件 亦位於第一平面中；提供一第一有效接地面至該第一複數 個天線元件，並提供一第二有效接地面至該第二複數個天 1240457 (3) 線兀件；第一複數個元件與第一有效接地面間的一第一間 距’不同於第二複數個元件與第二有效接地面間的一第二 間距。根據一實施例，第二複數個元件在位於第一複數個 凡件内的一單一磁簇中彼此鄰近。
4陣列亦可包括複數個RF饋入點，其連接至第一及第二 複數個天線元件；及一控制器，用以控制11?的相位及/或振 巾田，该RF係在饋入點施至發射元件。此設置容許依需要掃 描陣列有利地導引所接收或所傳送的RF能量。 根據本發明一概念，第一複數個元件可為低頻帶天線元 件用以在一較低頻帶操作，然而第二複數個元件卻為高 '員T天線元件，用以在一相對較高頻帶操作，該情形中第 一間距則大於第二間距。 丹根據本發明另
高頻磁蔟或天線元件，複數個此類高頻磁簇可位於第一 數個天線元件之中’可將各高頻磁蔟配置成在相同頻帶 作，或可配置成在不同於其他高頻磁簇的一頻帶中操作 可提供-接地面階梯狀部分，其中第_有效接地面從 間距變化成界定第二有效接地面的第二間距，或者第 有效接地面可為一低通頻率選取表面，其介於第1複數 天線元件與第一有效接地面之間。無論如何，最好在第 平面(其中設置第-及第二複數個天線元件)與各組元件 個別有效接地面間插入至少一介電層。 根據-實施例，至少第-及第二複數個天線元件中之 可包括一加長本體部分，及加寬末端部分，其連接至力 1240457
(4) 本體部分的一末端。鄰近天線元件的加寬末端部分包括互 數位化部分，尤其複數個天線元件可包括鄰近的偶極天線 元件，各偶極天線元件的一末端部分可以電容耦合至一鄰 近偶極天線元件的相應末端部分。 實施方式 圖1及2描述一雙頻單層陣列1〇〇，圖2係一陣列上視圖， 圖1係沿圖2線1 -1看去的剖面圖。陣列1 〇 〇包括一接地面1 〇 $ 及位於一表面104的複數個天線元件（未示），由接地面ι〇2 與表面104所界定的體積中提供一介電材料11〇。最好將複 數個天線元件饋入點提供至陣列丨〇〇的各天線元件，但為求 簡明已在圖1及2中略去。 根據一較佳實施例，一第一複數個低頻天線元件最好位 於陣列的一區域1 〇6，而一第二複數個高頻天線元件最好位 於陣列的一區域1〇8。接地面1〇2包括一第一有效接地面U2 ’其提供至區域106下方的第一複數個天線元件，及一第二 有效接地面114，其提供至區域108下方的第二複數個天線 元件。 如圖1所示，第一有效接地面112與表面104間的第一間距 “a” ’大於第二有效接地面U4與表面1〇4間的第二間距“b，， ’並提供一接地面階梯狀部分116，其中第一有效接地面112 從第一間距“a”變化成界定第二有效接地面丨14的第二間距 “b，、 A者此蟄者將明白區域106中的較大間距“a”有助於陣列 100的此部分中低頻天線元件的適當操作；反之，區域108 1240457
(5) 中的較小間距“b”有助於高頻天線元件的適當操作。在各情 形中所選取的特定間距通常由各類因素所決定，其中包^ 操作頻率、天線元件的厚度，及特定介電材料11〇的介電常 數0
本發明中所選用的特定介電材料11〇並不重要，雖然低損 失介電質較佳，但一般使用的任何各類介電材料均可用於 此目的。例如一合適材料類為聚四氟乙烯（pTFE)，基礎成 分如RT/dUr〇id®6002(介電常數2·94 ;損失切線〇〇9)及 RT/duroid⑧588 0(介電常數2.2 ;損失切線·〇〇〇7)，這些產品 皆由Rogers Microwave Products公司的先進電路材料部門 (Advanced Circuit Materials Division)，住址：1〇() s Hoosevelt Ave，Chandler，AZ 85226生產，惟本發明並非侷 限在此考量。
本發明優點為圖1及2所示陣列配置容許兩分開頻帶的: 線陣列加以整合，俾便形成一單一雙頻陣列，其在表面“ 所界定的共用平面中具有兩組天線元件。將高頻天線元4 的頻率響應設計成約在低頻天線元件的響應截止時即開； 可提仏具明顯較見頻寬的天線。惟無視前述配置的優票 在此』陣列中使用傳統窄頻天線元件將仍然造成某程乃 上受限的整體頻寬’在各陣列中使用的個別高頻及低❸ 線：件的受限頻率範圍將限制陣列的最高合併頻寬。 猎㈣當選取天線元件可克服上述限制並進-步達成| 頻效旎的優點，Munk等人的美國專利"耷案序號 703,247 t Wideband Phased Array Antenna anc -10- 1240457
⑹
Associated Methods(“Mimk等人’，）（以引用方式併入本文以 供參考）揭示此一偶極天線元件。方便起見，圖8中說明這 些元件的一實施例，因此至少第一及第二複數個天線元件 中之一可包括偶極天線配對，其具有類似圖8中元件7〇2的 配置。例如，偶極天線配對可具有一加長本體部分8〇2，及 一加寬末端部分804，其連接至加長本體部分的一末端，鄰 L天線元件的加I末端部分包括互數位化部分$ 〇 6，因此各 偶極天線元件的末端部分可以電容耦合至一鄰近偶極天線 元件的對應末端部分。陣列中使用的低頻元件最好類似圖8 所不的幾何圖形及配置，但須適當調整大小，俾便適應操 作的較低頻帶。 已發現Munk等人的偶極天線元件用於一陣列時可提供 可觀的寬頻效能，此類天線元件的寬頻效能可用以使本發 明叉站，尤其Munk等人所述類型的高頻帶及低頻帶元件可 置於相關圖1及2在此所述的陣列中。 一般而言，Munk等人的天線概念受益於將個別偶極天線 凡件以電容耦合至鄰近的天線元件。圖丨及2中，在低頻陣 列中央放置一高頻磁簇而產生可干擾此耦合的間斷。如在 體天線系統設計中未採取適當的事前預防，此間斷可在 低頻陣列的效能上造成負面的衝擊。 如‘照低頻陣列的波長使高頻陣列所產生的間斷相對變 J 則可將對低頻陣列的劣化減至最小，通常在低頻陣列 中相對小的間斷面積不會嚴重衝擊陣列的效能。 可試驗性判定或使用電腦模組判定間斷的精確最大面積 -11- 1240457 ⑺ ’、可由间頻陣列佔用而不會實質劣化低頻陣列，惟由言 頻陣列所產生的間斷最好少於約兩⑺波長平方，盆中 根據低頻陣列的操作頻率加以判定。 八/ 上述限制將限制面積的最大較佳大小，該 頻陣列形成的間斷，例如，此因素會限制圖2中區域108: 大小，如需要額外的高頻天線元件以形成高頻陣列，則項 細員陣列中與第一間斷隔開某些距離而提供一分開的間' 斷0 圖3及4描述-雙頻單層陣列3〇〇的替代實施例，其類㈣ 1及2中的配置，圖4係陣列的上視圖，而圖3係沿線3_3看： 的剖面圖’如圖3及4所示，該陣列可包括複數個區域Μ ’其中簇集高頻元件。
嫌與圖3及4中的配置相關聯的一困難點在於，—大的距离 (可電）可分開形成高頻陣列的至少二間斷區域⑽，如同& 使用高頻元件以形成-單-陣列’則此可導致惱人葉問焉 ’惟高頻磁竊的區域108的圖案為非週期性時可將此問題減 至最小，-般而言，可將一非週期性格柵中配置的元件陣 列，比傳統長方形或三角形格栅更分開地放置，以達成同 樣的無惱人葉掃描。 惱人葉係一相位陣列的主光束的（可能極小）數學影像， 其在掃描陣列光束太遠時即會出;見，其依元件間距而定， 如果以-半波長隔開元件’則可在該頻率在陣列之前的半 球形中（仏90度）任意掃描光束，士0果以一波長隔開元件， 則在可見空間的邊緣殘留惱人葉’而任何光束的掃描將合 -Ϊ2- 1240457
⑻ 將惱人葉全帶進可見空間，非·性格柵容許元件分隔較 遠二並仍容許無惱人葉掃描。例如，區域i咐的高頻元件 磁簇可隔開_波長或更多而不會產生惱人葉問題，此蓺中 習知非週期性格柵的益處，但未如在此所述般加以^應 圖5以剖面圖說明一雙頻單層方法的替代實施例，圖6以 上視圖說明圖5的雙頻陣列，如圖5所示，陣列中高頻元件 的有效接地面可由-頻率選取表㈣2提供，而陣列中低頻 兀件，第二有效接地面5〇4則可由傳統的金屬接地面(由銅 包層等形成）提供。亦可在接地面5〇4與頻率選取表面5〇2間 提供上述相關圖！及2的合適介電材料，同理亦可在頻率選 取表面502與表面508(天線元件位於其上）間提供一合適介 電材料。 頻率選取表面502可包括任何層，將經過設計以通過盥 低頻陣列704元件相關的低頻，但對較高頻率範圍(元件 702在其上操作）卻無法傳導（即作為止頻器），相關此點巾 # 想要將頻率選取表面設計成具有的頻率止頻範圍稍高於 較高頻元件702的操作範圍，以消滅該表面頻率響應中的 預期衰減。 根據-較佳實施例’如此藝所習知，頻率選取表面5〇2 可使用傳統的規線或插槽設置，在Ben A. Mud所著 Frequency Selective Surfaces(由 J〇hn & s_ 出版， 西元2000年版權）的參考文件詳細記载合適頻率選取表面 502的實際設計’惟本發明並未俱限於其中所述的特定頻_ -13- 1240457
(9) 選取表面，因此亦可使用其他頻率選取表面用於此目的。 圖7以放大示意代表圖說明表面5〇8，其示出較高頻雙極 元件702較低頻雙極元件704的交錯形成，如所示，較低頻 雙極元件704與較高頻雙極元件7〇2可在分隔的列與行的分 開雙極性格柵圖案中配置，並提供饋入點7〇6、7〇8用以在 RF與個別元件702、704間往返地連通。
在圖5至7的實施例中，第一及第二複數個天線元件最好 係父錯配置，而非配置成在區域1〇8中形成磁簇，交錯配置 方法的確廢除對非週期性磁簇的需要，並避免在低頻陣列 產生間斷，由於它避免與惱人葉相關的某些潛在問題，可 列為一優點，此交錯方法的缺點在於低頻及高頻元件704 、702極為接近並會有彼此耦合的可能性。起碼天線元件在 基板上蝕刻的相對高密度可影響元件如何操作，例如，數 個塞在低頻元件内的高頻元件將無需依隔離的相同高頻元 件的相同方式執行，因此圖山中磁簇方法的優缺點可認 同並取得平衡為-特定陣列的部分實際設計，料應用的 最佳實施例通常將依所需符合的要求而定。 在低頻元件7 0 4間所插入的高頻元件7 〇 2數目，將依個 低及高頻元件的操作頻率及頻寬而定，圖7中鄰近的低頻 件7 〇 4間只設置四個高頻元件7 〇 2，惟本發明並非偈限於 ，亦可使用其他可能的配置。 對雙頻操作而言’發射元件702、704的特定幾何圖形 類型並不重要，惟根據-較佳實施例，天線元件具有Mu] 等人所揭示的那些天線元件的幾何圖案及特性，可用以 -14- (10) (10)1240457
成極寬的頻寬，方便起見，圖8示出％111^等人所述的元件 貫施例。惟應了解亦可使用其他的天線元件類型以達成此 目的，天線元件704最好屬相似幾何圖案及配置，但適當調 整大小俾便適應較低頻帶操作。 圖9係圖1至7的陣列天線可如何使用的範例，一般設置一 饋入控制器802以控制陣列所形成光束的掃描，饋入控制器 902將陣列連接至傳送及接收設備，饋入控制器9〇2一般包 括饋入線及相位位移器而與個別天線元件的饋入點連通， 用以控制光束的掃描。 熟諳此藝者將明白上述實施例僅用以說明代表本發明應 用的許多特定實施例，熟諳此藝者不用背離本發明的範疇 即可立即設計出許多替代配置。 圖示簡單說明 參照至以下附圖’可更快速了解本發明多樣特徵及優點 ’附圖中相似的參考數字表示相似的結構元件： 圖1係以剖面:圖說明具單一高頻磁簇的雙頻帶單層陣列； 圖2係以上視圖說明圖1的雙頻帶單層陣列； 圖3係以剖面圖說明具複數個高頻磁簇的雙頻帶單層陣 列； θ 圖4係以上視圖說明圖3中的陣列； 圖5係以剖面圖說明雙頻帶單層陣列的替代實施例； 圖6係以上視圖說明圖5的陣列； 圖7係以示意圖說明較高與較低頻率元件的交錯形成· 圖8係-圖示用以說明-典型寬頻天線元件，其與圖山 -15- 1240457
⑼ 的陣列共用；及 圖9係一相位陣列天線系統的範例。 圖式代表符號說明
100, 300 雙頻單層陣列 102 接地面 104, 508 表面 110 介電材料 112 第一有效接地面部分 114, 504 第二有效接地面部分 116 接地面階梯狀部分 502 頻率選取表面 702 較高頻率偶極天線元件 704 較低頻率偶極天線元件 706, 708 饋入點 802, 902 饋入控制器
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Claims (1)

  1. I240457Qn, 丨雾正替專利範圍替換本(^4年3月} mil η E b\ 拾、申請專利範圍 L 一種發射元件之單一陣列，其包括： 第一複數個天線元件，其位於一陣列配置之第一平 面中，该第一複數個平面天線元件配置成於一第一頻帶 操作； 一第二複數個平面天線元件，其位於一第二陣列配置 中5亥第二複數個平面天線元件配置成於一第二頻帶操 作5亥第二複數個天線元件位於插入該第一複數個天線 元件間之第一平面中； 一第一有效接地面用於該第一複數個天線元件； 一第二有效接地面用於該第二複數個天線元件；及 其中該第一複數個元件與該第一有效接地面間之一 第一間距，不同於該第二複數個元件與該第二有效接地 面間之一第二間距。 2·如申請專利範圍第1項之單一陣列，其中該第二複數個 儿件在一磁簇中彼此鄰近地形成，該磁簇位於該第一複 數個元件之内。 3. 如申請專利範圍第1項之單一陣列，尚包括： 複數個RF饋入點，其連接至該第一及第二複數個天線 元件；及 控制器，其用以控制至少RF之相位與振幅中之一， 其中RF係於該饋入點施至該發射元件。 4. 如申請專利範圍第1項之單一陣列，其中該第一複數個 凡件係低頻帶天線元件，其用以在一較低頻帶操作，該 82789-940308.doc 替換頁 ULLfl
    5. 6. 7. 8. 第二複數個元件係高頻帶天線元件 鬲頻帶操作，該第一間距並大於該 ，其用以在一相對較 第二間距。 二申:奮專利範圍第i項之單一陣列，尚包括一接地面階 罘”分’其中該第一有效接地面從該第一間距變化成 界定該第二有效接地面之第二間距。 如申請專利範圍第!項之單一陣列，其中該第二有效接 地面係-低通頻㈣取表面，其插人於該第二複數個天 線元件與該第一有效接地面之間。 如申請專利範圍第i項之單一陣列，其中該第一複數個 天線元件與δ亥第二複數個天線元件交錯配置。 如申請專利範圍第i項之單一陣列，尚包括至少一介電 層，其插人於該第-平面，與該第—及第二有效接地面 之間。
    9.如中請專利範圍第i項之單_陣列，其中至少該第一及 第一複數個天線元件中之一包括： 一加長本體部分；及
    一加寬末端部分，其連接至該加長本體部分之一末 端。 10•如申請專利範圍第7項之單一陣列，其中該天線元件之 鄰近元件之加寬末端部分包括互數位化部分。 11·如申請專利範圍第1項之單一陣列，其中至少該第一及 第二複數個天線元件之一由鄰近雙極元件所構成，各雙 極元件之末端係以電容耦合至一鄰近雙極元件之對應 末端部分。 U g2789-94〇3〇8.doc -2-
    12·如申明專利範圍第i項之單一陣列，其中該第二複數個 天線το件界定一高頻磁簇，該陣列並包括複數個該高頻 磁簇，其位於該第一複數個天線元件之中。 13. 如申明專利範圍第u項之單一陣列，其中該高頻磁蔟位 於一非週期性圖案中。 14. 一種發射元件之陣列，其包括： 一第一複數個天線元件，其位於一第一平面於一陣列 中彼此鄰近，該箓_ #如t
    Λ弟後數個平面天線元件配置成於一第 一頻帶操作； 第一複數個平面天線元件，其在一陣列配置中彼此 郴近並在"亥第一複數個天線元件内形成一石兹簇，該第 二5個天線元件位於插入該第一複數個天線元件中 之第平面，並配置成在不同於該第一頻帶之第二頻帶 操作； 二第-有效接地面’其用於該第一複數個天線元件；
    第一有效接地面，其用於該第二複數個天線元件； 及 其中該第-複數個元件係低頻帶天線元件，其用以在 -較低頻帶操作，該第二複數個元件係高頻帶天線元件 ’：用以在-相對較高頻帶操作，該第一複數個元件與 該第-有效接地面間之第—間距，且不同於該第二複數 個疋件與該第二有效接地面間之第二間距。 如申請專利範圍第14項之陣列，尚包括 部分，其中該第一有效接地面從該第一 15. 一接地面階梯狀 間距變化成界定 82789-940308.doc
    V-
    該第一有效接地面之第二間距。 16· 一種發射元件之陣列，其包括： 一第一複數個天線元件，其位於一第一平面，並於一 陣列中彼此鄰近，該第一複數個平面天線元件配 置成於 一第一頻帶操作； 一第二複數個平面天線元件，其在一陣列配置中彼此 鄰近，亚在該第一複數個天線元件内形成一磁簇，該第 二複數個天線元件位於插入該第一複數個平面天線元 件中之第一平面，該第二複數個天線元件並配置成在不 同於該第一頻帶之第二頻帶操作； 一第一有效接地面，其用於該第一複數個天線元件； 一=二有效接地面，其用於該第二複數個天線元件； 。亥第複數個疋件與該第一有效接地面間之第一間 距，不同於該第二複數個&件與該第二有效接地面間之 第二間距；及 其中忒第一有效接地面係一低通頻率選取表面，其插 入於4第一複數個天線疋件與該第一有效接地面之間。 82789-940308.doc 4-
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