专利名称：带宽增加型单层电流板天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及阵列天线领域，并且更具体地涉及带宽特别宽的阵列天线。
背景技术：
技术上周知相控阵天线系统。这种天线通常由多个可独立地在相对相位和振幅上控制的发射元件组成。通过各个元件的几何形状以及这些元件之间的选定相位/振幅关系选择性地确定阵列的天线方向图。这些天线系统的典型发射元件可以包括偶极子、槽缝或者任何其它合适结构。
近年来已经开发了各种适用于天线阵应用的新的平面型天线元件。这种元件的一个例子在Munk的标题为“宽带相控阵天线以及相关方法(Wideband Phased Array Antenna and Associated Methods)”的美国09/703,247号专利申请中公开(以下称为“Munk”)。Munk公开一种具有不寻常宽带特性的平面型天线发射元件。为了获得特别宽的带宽，Munk在相邻偶极子天线元件的二个相对端之间采用电容耦合。利用Munk等设计的天线元件可以达到9比1数量级的带宽。分析表明，在附加调谐情况下可能达到10比1带宽。但是，这看来是这种特定设计能达到的极限。
尽管Munk等的天线元件对于相控阵天线具有非常宽的带宽，仍然不断需要并期望甚至要比10比1更宽带宽的相控阵天线。过去的为增加相对窄频带的相控阵天线的带宽的努力中采用了各种技术，包括把频率范围分成多个频带。
例如，授予Wong等的美国5,485,167号专利涉及一种利用多层偶极天线阵的多频率相控阵天线。在Wong等的专利中，设置多层的偶极子对阵列，其中每个阵列调谐到不同的频带。沿着发射/接收方向这些层彼此相对堆叠，其中最高频率阵列在下一个最低频率阵列的前面，并且以此类推。在Wong等的专利中，于高频带偶极天线阵和低频带偶极天线阵之间设置一个由平行导线构成的、配置成网格的高频带地网。
Wong的多层方法具有二个缺点。由于多层天线的埋置互连，该双层方法使元件的制造和连接更加困难。第二，在多层天线中，上面的元件会对下面的(更靠近地层)元件造成某种程度的阻挡。此外，如Wong等所说明的常规偶极天线阵带宽相对窄，从而这种配置的净结果仍不会提供足够宽带的阵天线。从而，仍然需要改进带宽超过10比1的宽带阵列天线。
发明内容
本发明涉及一种发射元件阵列。第一平面中按阵列配置的第一多个天线元件被配置成在第一频带上工作。按阵列配置的第二多个平面天线元件被配置成在第二频带上工作，该第二多个天线元件也位于该第一平面中。为该第一多个天线元件提供第一有效接地层并且为该第二多个天线元件提供第二有效接地层。第一多个元件和第一有效接地层之间的第一间矩与第二多个元件和第二有效接地层之间的第二间矩不同。依据一实施例，该第二多个元件在布置在该第一多个元件之内的单式群集(unitary cluster)中彼此相邻。
该阵天线还可以包括多个与该第一和第二多个天线元件连接的RF馈送点以及一个用来控制在这些馈送点处对发射元件施加的RF的相位和/或振幅的控制器。这种配置允许按需要扫描阵天线以便有益地指引接收的或者发射的RF能量。
依据本发明的一个方面，该第一多个元件可以是用于在较低频带上工作的低带天线元件，而该第二多个元件是用于在相对较高的频带上工作的高带天线元件。在此情况下，该第一间距大于该第二间距。
依据本发明的另一个方面，该第二多个天线元件可以限定一个高频群集或天线元件组。可以在该第一多个天线元件之中设置多个这样的高频群集。每个高频群集可以配置成在相同的频带上工作或者可以配置成用于和其它高频群集不同的频带。
可以设置一个接地层阶梯部分，在此部分第一有效接地层从第一间距过渡到限定第二有效接地层的第二间距。替代地，该第二有效接地层可以是一个设置于该第二多个天线元件和第一有效接地层之间的低通频率选择表面。在任何情况下，最好在该第一和第二多个天线元件所位于的第一平面以及用于各组元件的各个有效接地层之间置入至少一个介质层。
依据一实施例，该第一和第二多个天线元件中的一个或者二者可以包括一个延长的主体部分以及一个和该延长主体部分的一端连接的宽度扩大端部。这些天线元件的相邻天线元件的宽度扩大端部包括一些交叉指型部分。更具体地，该多个天线元件可以由相邻的偶极子元件构成，并且每个偶极子元件的端部可以容性地和一个相邻偶极子元件的对应端部分耦合。
参照各附图会更容易理解本发明的各种特征和优点，附图中相同的参考数字代表相同的结构成分。
图1是一个带有单个高频群集的双频带、单层阵列的剖面图。
图2是图1的双频带、单层阵列的顶视图。
图3是带有多个高频群集的双频带单层阵列的剖面图。
图4是图3中的阵列的顶视图。
图5是双频带、单层阵列的一替代实施例的剖面图。
图6是图5阵列的顶视图。
图7是示意图，示出较高和较低频率元件的交错形成。
图8示出供图1-6的阵列使用的一种示例宽带天线元件。
图9是相控阵天线系统的一个例子。
具体实施例方式
图1和2示出一个双频带、单层阵列100。图2是该阵列的顶视图。图1是沿图2中的线1-1取的剖面图。阵列100包括一个接地层102和设置在表面104上的多个天线元件(未示出)。在接地层102和表面104之间限定的容积中设置介质材料110。最好为阵列100的每个天线元件设置多个天线元件馈送点，但是为了更清晰在图1和2中省略了这些点。
依据一优选实施例，最好在该阵列的区域106中部署第一多个低频天线元件，并且最好在该阵列的区域108中部署第二多个高频天线元件。接地层102包括为第一多个天线元件设置的、在区域106下方的第一有效接地层部分112，并且包括为第二多个天线元件设置的、在区域108下方的第二有效接地层部分114。
如图1中所示，与第二有效接地层部分114和表面104之间的第二间距“b”相比，第一有效接地层部分112和表面104这间的第一间距“a”较大。设置一个接地层阶梯部分116，在此处第一有效接地层部分112从第一间距“a”过渡到限定第二有效接地层114的第二间距“b”。
本领域技术人员会意识到，区域106中的较大间距“a”便于阵列10的该部分中的低频天线元件的正确操作。相反，区域108中的较小间距“b”便于高频天线元件的正确操作。各种情况下选择的具体间距通常由各种因素决定，包括工作频率、天线元件的厚度以及具体介质材料110的介质常数。
本发明中选用的具体介质材料110不是关键性的。各种经常使用的介质材料中的任一种可用于此用途，尽管低损耗介质是优选的。例如，一类适用的材料应是聚四氟乙烯(PTFE)基复合物，诸如RT/duroid6002(介质常数为2.94，损耗角正切为0.009)以及RT/duroid5880(介质常数为2.2；损耗角正切为0.0007)。这些产品都可以从Rogers Microwave Prodacts公司的高级电路材料部(100 S.RooseveltAve.，Chandler，AZ 85226)买到。但是，本发明不受此的限制。
图1和2描述的阵列配置的优点是，它允许集成二个频带分离的天线阵列从而形成带有位于由表面104所限定的公用平面内的二组天线元件的单个双频带阵列。把高频天线元件的频率响应设计成在接近低频天线元件响应的截止时开始可以提供带宽明显更宽的天线。尽管存在上述方案的优点，但是在这种阵列中使用常规窄带天线元件仍会造成总带宽受到某种限制的结果。具体地，各个阵列中使用的高频和低频天线元件各自有限的频率范围会限制该阵列的最终组合带宽。
通过正确地选择天线元件可以克服上述限制并且可以进一步得到宽带性能上的优点，Munk等的标题为“宽带相控阵天线以及相关方法”的美国09/703,247号专利申请(收录作为本文的参考文献)公开一种这样的偶极子天线元件。出于方便，在图8中示出这些元件的一个例子。从而，该第一和第二多个天线元件中之一或者二者可以包括配置上和图8中的元件702类似的偶极子对。例如，这些偶极子对可以具有延长的主体部分802以及和该延长的主体部分的一端连接的宽度扩大的端部804。相邻天线元件的宽度扩大端部形成交叉指型部分806。从而，每个偶极子元件的一个端部可以和相邻偶极子元件的对应端部分容性耦合。该阵列中使用的低频元件最好类似于图8中示出的几何形状和配置但具有适当尺寸以便适应较低频带下的工作。
当在阵列中使用时，已经发现Munk等公开的偶极子元件提供突出的宽带性能。可以利用这些天线元件的宽带性能以使本发明得益。具体地，可以在如本文的图1和2中相关说明的阵列中设置Munk等中说明的高、低频带元件。
通常，Munk等的天线概念从各个偶极子天线元件与相邻天线元件的容性耦合获益。在图1和2中，把高频群集放在低频阵列的中间产生一种可能干扰这种耦合的不连续。如果在天线系统的总体设计中不采取适当预防措施，该不连续可能负面地影响低频带阵列的性能。
如果对于低频阵列的波长高频阵列产生的不连续相对小，则可以使低频阵列的退化最小化。通常，低频阵列中的相对小的不连续区不会严重影响阵列的性能。
可以通过试验或者利用计算机建模准确地确定在不明显使低频阵列退化情况下高频阵列可占有的不连续的最大面积。但是，高频阵列形成的不连续最好小于二(2)波长平方，其中该波长是根据低频带阵列的工作频率确定的。
上述限制会限定用于定义由高频阵列形成的不连续的面积的最大优选尺寸。例如，该因素会限制图2中的区域108的尺寸。如果为了形成高频阵列需要其它高频天线元件，则需要在低频阵列中离该第一不连续一定距离处设置分立的不连续。
图3和4示出与图1和2中的方案类似的双频带单层阵列300的一替代实施例。图4是该阵列的顶视图而图3是沿线3-3取的剖面图。如图3和4中所示，该阵列可以包括多个其中高频元件群集的区108。
一个与图3和4中的方案关联的困难是，大的(电)距离会分离形成高频阵列的二个或更多的不连续区108。如果同时使用所有的高频元件形成单个阵列，会导致栅瓣问题。但是，在高频群集区108的图案非周期性情况下，可以使该问题最小化。一般地说，和常规矩形或三角形格构相比，在非周期格构(lattice)下排列的元件阵列中元件彼此可以离得更远，以便实现相同的无栅瓣扫描。
栅瓣是相控天线阵的主波束的数学映象，当阵列波束扫描过远时它可能出现。它取决于元件间距。如果元件相隔半波长，则在此频率，在阵列前方的半球内的任何地方(+/-90度)都可扫描到该波束。如果使元件相隔一个波长，则栅瓣驱留在可视空间的边缘，并且波束的任何扫描都会使栅瓣全部出现在可见空间中。非周期格构允许各元件隔得更远并且仍允许无栅瓣扫描。例如，各个区108中的高频元件群集可以相隔一个波长或者更远但不形成栅瓣问题。非周期格构的好处在技术上是周知的，但尚未如本文说明那样得到普遍应用。
图5是双频带、单层方法的一替代实施例的剖面图。图6是图5的双频带阵列的顶视图。如图5中所示，可以通过频率选择表面502为阵列中的高频元件提供有效接地层。可以通过用铜包层法等形成的常规金属接地层为阵列中的低频元件提供第二有效接地层504。可以在接地层504和频率选择表面502之间设置上面相对图1和2说明的适当介质材料。类似地，可以在频率选择表面502和其上部署着天线元件的表面508之间设置适当的介质材料。
频率选择表面502可以包括任何被设计成使与低频阵列元件704关联的低带频率通过的但对于元件702在其中工作的较高频率范围是不透明(即，充当带阻)的层构成。在这点上，可能希望把频率选择表面设计成使带阻的频率范围略高于较高频率元件702的工作范围，以便考虑该表面的频率响应中的预期滚降(rolloff)。
依据一优选实施例，如技术上周知那样，频率选择表面502可以采用常规的导线或槽结构。在Ben A.Munk所著的“Frequency SelectiveSurface”(John Wiley，&Sons出版社2000年版权)中对适用的频率选择表面502的实际设计提供充足的资料。但是，本发明不受其中公开的特定频率选择表面的限制。从而，为此目的还可以采用其它频率选择表面。
图7是表面508的放大示意图，示出较高频偶极子元件702和较低频偶极子元件704的交错形成。可以如图所示使得较低频元件704和较高频元件702按各行各列隔开的二个独立的双极化网格图案排列。设置馈送点706、708以和各个元件702、704通信RF。
在图5-7的实施例中，第一和第二多个天线元件最好是交错的，而不是排列在区108中形成的各群集里。这种交错方法不需要非周期性的群集并且避免在低频阵列中产生不连续。由于它避免了一些和栅瓣关联的潜在问题，这会是一个优点。这种交错方法的缺点是低频和高频元件704、702非常靠近从而可能潜在地彼此耦合。至少蚀刻在基片上的天线元件的相对高的密度会影响元件如何工作。例如，包在一个低频元件内的一些高频元件不必然地按与隔离的相同高频元件同样的方式工作。从而可以作为具体阵列的实际设计中的一部分考虑并折衷图1-4中的群集方法的好处和缺点。具体应用的最佳实施例通常取决于要满足的要求。
设置在低频元件704之间的高频元件702的数量将取决于低频和高频元件各自的工作频率和带宽。在图7中，只在相邻的低频元件704之间设置四个高频元件706。但是，本发明不受此的限制，从而其它配置也是可能的。
对于双频带操作，发射元件702、704的特定几何形状或类型不是关键性的。但是，依据一优选实施例，可以采用具有Munk等公开的几何形状和特性的天线元件以达到非常宽的带宽。出于方便，在图8中示出Munk等说明的元件的一种实施例。但是，应理解，对此也可以采用其它类型的天线元件。天线元件704最好具有类似的几何形状和配置，但适当确定其尺寸以便适应较低频带的工作。
图9是如何使用图1-7的阵列天线的一个例子。常规地设置一个用来控制由该阵列形成的波束的扫描的馈送控制器902。馈送控制器902使该阵列连接发射及接收设备。通常馈送控制器902包含馈线及移相器，以便为了控制波束的扫描而与各个天线元件的馈送点进行通信。
本领域技术人员会意识到，上述实施例只是代表本发明的应用的许多具体实施例中的一些示例。在不背离本发明的范围下，本领域技术人员容易想出各种替代方案。
权利要求
1.一种发射元件的单式阵列，包括第一平面中按阵列配置的第一多个天线元件，所述第一多个平面天线元件被配置成在第一频带上工作；按第二阵列配置的第二多个平面天线元件，所述第二多个天线元件被配置成在第二频带上工作，所述第二多个天线元件位于设置在所述第一多个平面天线元件之间的所述第一平面中；用于所述第一多个天线元件的第一有效接地层；用于所述第二多个天线元件的第二有效接地层；并且其中，所述第一多个天线元件和所述第一有效接地层之间的第一间距不同于所述第二多个天线元件和所述第二有效接地层之间的第二间距。
2.依据权利要求1的阵列，其中，所述第二多个天线元件彼此相邻地形成在一个群集中，所述群集设置在所述第一多个天线元件之内。
3.依据权利要求1的阵列，还包括与所述第一以及第二多个天线元件连接的多个RF馈送点；以及一个控制器，用于控制在所述馈送点施加到所述发射元件的RF的相角和振幅中的至少一个。
4.依据权利要求1的阵列，其中，所述第一多个天线元件是在较低频带上工作的低频带天线元件，所述第二多个天线元件是在相对较高频带上工作的高频带天线元件，并且所述第一间矩大于所述第二间距。
5.依据权利要求1的阵列，还包括一个接地层阶梯部分，在该接地层阶梯部分所述第一有效接地层从所述第一间距过渡到限定所述第二有效接地层的所述第二间距。
6.依据权利要求1的阵列，其中，所述第二有效接地层是设置在所述第二多个天线元件和所述第一有效接地层之间的低通频率选择表面。
7.依据权利要求1的阵列，其中，所述第一多个天线元件和所述第二多个天线元件交错。
8.依据权利要求1的阵列，还包括插入在所述第一平面以及所述第一和第二有效接地层之间的至少一个介质层。
9.依据权利要求1的阵列，其中，所述第一和第二多个天线元件中的至少一个包括一个延长的主体部分；以及一个和该延长的主体部分的一端连接的宽度扩大的端部。
10.依据权利要求7的阵列，其中，相邻的所述天线元件的所述宽度扩大的端部包括交叉指型部分。
11.依据权利要求1的阵列，其中，所述第一和第二多个天线元件中的至少一个由相邻的偶极子元件构成，并且每个偶极子元件的一个端部和相邻的偶极子元件的对应端部容性耦合。
12.依据权利要求1的阵列，其中，所述第二多个天线元件限定一个高频群集，并且所述阵列包括设置在所述第一多个天线元件之中的多个所述高频群集。
13.依据权利要求11的阵列，其中，按非周期性图案设置所述高频群集。
14.一种发射元件阵列，包括第一平面中的按阵列彼此相邻定位的第一多个天线元件，所述第一多个平面天线元件配置成在第一频带上工作；按阵列配置彼此相邻的、并且在所述第一多个天线元件内形成一个群集的第二多个平面天线元件，所述第二多个天线元件位于设置在所述第一多个平面天线元件之中的第一平面内并且被配置成在和所述第一频带不同的第二频带上工作；用于所述第一多个天线元件的第一有效接地层；用于所述第二多个天线元件的第二有效接地层；并且其中，所述第一多个天线元件是用于在较低频带上工作的低频带天线元件，所述第二多个天线元件是用于在相对较高频带上工作的高频带天线元件，并且所述第一多个天线元件和所述第一有效接地层之间的第一间距不同于所述第二多个天线元件和所述第二有效接地层之间的第二间距。
15.依据权利要求13的阵列，还包括一个接地层阶梯部分，在该接地层阶梯部分所述第一有效接地层从所述第一间距过渡到限定所述第二有效接地层的所述第二间距。
16.一种发射元件阵列，包括第一平面中的按阵列彼此相邻定位的第一多个平面天线元件，所述第一多个平面天线元件被配置成在第一频带上工作；按阵列配置彼此相邻的第二多个平面天线元件，所述第二多个平面天线元件位于所述第一平面中、交错在所述第一多个平面天线元件之间并且被配置成在和所述第一频带不同的第二频带上工作；用于所述第一多个天线元件的第一有效接地层；用于所述第二多个天线元件的第二有效接地层；所述第一多个天线元件和所述第一有效接地层之间的第一间距不同于所述第二多个天线元件和所述第二有效接地层之间的第二间距；以及其中，所述第二有效接地层是插入在所述第二多个天线元件和所述第一有效接地层之间的低通频率选择表面。
全文摘要
本发明涉及发射元件阵列(100)。第一平面(104)中的按阵列配置的第一多个天线元件配置成在第一频带上工作。按阵列配置的第二多个天线元件配置成在第二频带上工作，该第二多个天线元件也位于该第一平面(104)中。为该第一多个天线元件设置第一有效接地层(112)并为该第二多个天线元件设置第二有效接地层(114)。该第一多个天线元件和该第一有效接地层(112)之间的第一间距不同于该第二多个天线元件和该第二有效接地层(114)之间的第二间距。
文档编号H01Q5/00GK1618144SQ03802394
公开日2005年5月18日 申请日期2003年1月14日 优先权日2002年1月17日
发明者詹姆斯·卓塞弗·劳尼克, 蒂莫西·E·德拉姆, 威廉姆·F·克罗斯韦尔 申请人:哈里公司