用于电磁波的可控相位控制元件的制作方法

本发明涉及一种用于电磁波的可控相位控制元件，特别是用于ghz频率范围并且特别用于天线。

背景技术：

多种hf系统在信号处理时使用可控相位控制元件(“移相器”)。一个重要的应用领域是天线或天线系统，其主要是涉及信号的相位相干叠加。

已知借助可控相位控制元件(“移相器”)能够空间地改变静止的天线组的天线图。从而主射束能够转向不同方向。

此外相位控制元件改变由阵列天线的不同的单个天线接收或发送的信号的相对相位。如果通过相位控制元件相应地调整单个天线的信号的相对相位，则阵列天线的天线方向图的主瓣(“主射束”)指向期望的方向。

当阵列天线在诸如汽车、飞机或轮船这样的移动载体上时，相位控制的任务是在移动载体的空间运动期间使阵列天线的主射束总是最优地对准目标。

相反地，例如在静止的雷达天线的情况下，能够借助相位控制跟踪移动的目标。

当前已知的相位控制元件主要由非线状实体(“固态移相器”)，主要为铁氧体、微开关(mems技术，二进制开关)或液晶(“liquidcristals”)构成。

然而这些技术都具有如下缺点，即它们都经常导致严重的信号损失，因为高频功率的部分在相位控制元件中被耗散。特别是在ghz范围的应用中，阵列天线的天线效率由此急剧下降。

此外，使用传统的相位控制元件的相控阵列天线非常昂贵。特别是对于10ghz以上的民用应用，这阻碍了应用。

另一个问题是对阵列天线的天线图的精确控制的要求。如果阵列天线用于与卫星的无线电中继应用，则对天线图的调整一致性具有严格要求。在发送模式中，对于每个主射束方向，调整掩膜的图都必须遵从。这只能通过使阵列天线的每个单个的天线元件的幅度和相位在各个时间点均为已知来可靠地确保。

然而，当前已知的用于相位控制元件的技术均无法在相位控制元件之后实现可靠的瞬时的，即，即时的、无需额外计算即可的信号的相位的确定。因此，需要随时能够可靠地确定相位控制元件的状态。然而，这实际上对于固态移相器和mems移相器或者液晶移相器都是不可行的。

从de3741501已知一种用于天线的馈送系统，其能够传输不同的极化波。该馈送系统使用固定的90°的移相器和移动的180°的移相器，从而能够互相调整两个波的相位。ep0196081a2示出一种高频耦合器，其具有多个顺次排列的移相器。从de3920563a1已知一种用于抛物面天线的馈送系统，其安装在可旋转支撑件上，并且包括偏振器(polarisator)和偏振分向滤波器(polarisationsweiche)。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可控的相位控制元件，特别是对于ghz频率范围并且特别是用于天线，其中

1.允许信号的相对相位的精确控制；

2.不引起损耗或者仅引起非常小的损耗；

3.在任何时刻都允许瞬时确定所施加信号的相位；并且

4.能够低成本地实现。

通过根据本发明的具有权利要求1和19的特征的可控相位控制元件以及具有该相位控制元件的天线实现上述目的。从从属权利要求、说明书以及附图获得本发明的其它有利改进方案。

一种根据本发明的可控相位控制元件，包括驱动单元(2)和支撑件(3)，至少两个在波的入射方向上前后排列的偏振器(4)安装在该支撑件上。每个偏振器(4)均被设计为能够将圆形偏振信号转换为线形偏振信号。驱动单元(2)设计为使得支撑件(3)能够旋转。从而，偏振器(4)旋转并且以自由选择的角度旋转，并且根据期望地调整信号的相位。

附图说明

图1示出了操作原理，其它视图示出了：

图2示出圆波的相移；

图3示出平面图中的偏振器；

图4示出波导中的相位控制元件；

图5示出一个天线内部的多个相位控制元件；

图6示出具有侧面地布置的驱动器的相位控制元件的另一实施例；

图7、8示出具有偏振器对的相位控制元件的其他实施例；

图9-11示出具有额外的偏振器的相位控制元件的其他实施例以及圆波的相移。

参考标记列表

1相位控制元件

2驱动单元

3支撑件

4，4a，4b偏振器

5旋转轴

6天线元件

10馈送网络

11微处理器

31耦出件

32耦入件

33连接元件

41，42其他偏振器

50波导管节

51波导

52波导轴

53滚轮

54链轮

55齿轮联轴器

56轴

具体实施方式

在图2中示出了本发明的基本操作原理。具有圆形偏振和相位的入射波5a通过第一偏振器4a转换为具有线性偏振5b的波。其通过第二偏振器4b再次转换为具有圆形偏振5c的波。

如果此时相位控制元件1借助驱动单元2转动角度δθ，则线性波的偏振矢量5b在两个偏振器4a与4b之间在与传播方向垂直的平面中跟着旋转。因为偏振器4a和4b同样跟着旋转，所以由第二偏振器4b生成的圆波5c具有的相位，如图2所示。

由于根据本发明的可控相位控制元件的构造，出射的圆波5c与入射的圆波5b之间的相位角差与相位控制元件1的旋转之间的关系是严格的线性的、稳定的并且为严格的2π周期。此外，任何相位旋转或相移都可以通过驱动单元2连续地调节。

因为在电动力学上，相位控制元件1有利地是纯无源部件，其不必包含任何非线性部件，所以其功能是完全互易的。即，从下向上穿过相位控制元件1的波与从上向下穿过相位控制元件1的波的相位以相同的方式旋转。

并且，设备的波阻抗在设计上完全与入射波和出射波的相对相位无关，与诸如半导体移相器或液晶移相器这样的非线性移相器的情况不同。在这些移相器中波阻抗取决于相对相位，使得这样的部件难以控制。

优选地，至少两个偏振器4a和4b安装为与入射波的传播方向垂直并且在支撑件3中互相平行。旋转轴6优选地位于入射波的传播方向上。

这种情况下，可控相位控制元件实际上无损耗地操作，因为在适当的布局下由偏振器4a、4b和电介质保持器3造成的损失非常小。例如在20ghz的频率下，总损失少于0.2db，相当于超过95％的效率。相比之下，传统的移相器通常在该频率下已经具有几db的损耗。

如果驱动单元2此外还配备有角位置传感器或者如果其自身已经被赋予角位置(就像例如在某些压电电机中的情况一样)，则出射波5c的相位能够准确地瞬间确定。

因为相位控制元件1的简单构造以及仅需要构造十分简单的驱动单元2的事实，使得能够非常低成本地实现相位控制。而且，大量复制也很容易实现。

作为驱动单元2，可以是例如低成本的电动机以及压电电机或由电活性材料构成的简单致动器。

偏振器4a、4b例如可以由简单的、平坦的弯曲型偏振器构成，其施加在支撑材料上，例如射频电路板。这些偏振器可以通过已知的蚀刻方法或者通过加成法(“电路印刷”)制造。

如图3所示，至少两个偏振器4a和4b优选地具有关于轴5对称的形状。

图3所示的偏光镜4a、4b被设计为弯曲型偏振器。然而，如本领域技术人员已知的，还存在许多其他可行的用于电磁波的偏振器的实施方式，其能够将圆形偏振的波转换为线性偏振的波。

对于支撑件3，可以使用介电材料，如具有非常小的hf损耗的低密度的闭孔泡沫，还可以使用塑料材料，如聚四氟乙烯(teflon)或聚酰亚胺。因为在一个波长范围内，特别是在10ghz以上的频率中，相位控制元件的尺寸小，所以相应的阻抗匹配下hf损耗也非常小。

参考以下附图借助多个实施例说明本发明的操作原理。

图4示意性地示出一个示例性应用中的天线元件6，根据本发明的相位控制元件连接在该天线元件的上游。

在发送操作中，信号经由耦入部31向波导管节2中输入。然后信号经过相位控制元件1，并且经由耦出部32导向天线元件6。驱动单元2通过连接元件33使相位控制元件1在波导中旋转，借助该驱动单元2，能够任意调整由天线元件6辐射的信号的相位。

因为根据本发明的相位控制通过设计而完全互易地操作，能够以相同的方式实现接收信号的处理：借助耦入部31将天线元件6接收的信号输入到波导中。然后，信号经过相位控制元件1，并且通过耦出部32从波导耦合输出。可以借助驱动单元2再次任意调整所接收的信号的相位。例如为了平衡输入网络损失，还可以直接在耦出部32安装接收放大器。

这种情况下，连接元件33设计为轴并且优选由非金属的介电材料构成，例如塑料。这具有如下优点，即，当轴对称地安装在波导中时，筒状的中空形态不会受到干扰，或者只会受到非常小的干扰。

如图4所示，耦入结构31和耦出结构32可以设计为吊环，从而直接激发筒状中空形态。然而，也可以设想如下实施形式，其中通过正交地定位的销耦合输入或耦合输出两个信号。两个信号的相位使得同样激发筒状中空形态。波导的形状优选为中空筒状。

图5示意性地示出本发明的另一实施方式。相位控制元件1由两个偏光板4a、4b以及支撑件3构成，并且安装在筒状波导管节50中。支撑件3与波导管节50牢固地连接。波导管节50以如下方式装入另一筒状波导51中：内部具有相位控制元件1的波导管节50能够围绕波导轴52自由旋转。驱动单元2具有滚轮53，使得波导管节50以及随之的相位控制元件1能够通过驱动单元2旋转。

如果筒状波导形态穿过波导51，其中由于本发明的相位控制的功能的互易性而使得其不依赖于传播方向，则该波导形态被调制为一个相位角，该相位角与相位控制元件的角位置线性相关。通过波导管节50以及由此的相位控制元件1的借助驱动单元2的旋转，能够任意调整该相位角。

在图6所示的实施方式中，支撑件3实施为完全填充波导管节50的介电填料，并且偏振器4a、4b嵌入支撑件3内。波导管节50配备有外链轮54，从而驱动单元2能够经由齿轮联轴器55使波导管节50和相位控制元件1一起旋转。

此处，偏振器4a、4b设计为两对偏振器。这样能够具有较高的偏振解耦和/或较大的频率带宽的优点。一对偏振器互相之间的间隔远小于一个波长。两对之间以半个波长隔开，以减少两个偏振器的耦合。

此外，对于高于20ghz的频率范围的应用，具有多于4个偏振器的实施方式能够是有利的。

当支撑件实施为完全填充波导管节的介电填料时，还可以想到在其接触波导管节50的外侧将介电填料金属化。如果希望该部件非常轻，那么这种实施方式是有利的，因为这样可以省略波导管节50。

还可以想到信号偏振的转换不通过平坦的偏振器或偏光板而是例如通过空间上分布于支撑件中的结构(例如片式偏振器(septum-polaristoren))来实现的实施方式。对于本发明的功能重要的是，该结构能够首先将具有圆形偏振的入射波转换为具有线性偏振的波，然后再转换回具有圆形偏振的波。

图4、5和6所示的实施例由于其减少的空间需求通常在集成到阵列天线的馈送网络时是没有问题的。在20ghz的频率下，例如，尺寸通常在小于一个波长的范围内，即，约1cmx1cm。如果支撑件3设计为介电填料并且介电常数选择得相应的大，则还能够实现非常小的体积。虽然欧姆的损失略有上升，但仍然只在百分数范围内。

而且，可控相位控制元件的重量通常非常小。如果使用薄膜技术将偏振器在薄hf基板上制造，并且支撑件是由闭孔泡沫制成的，则相位控制元件的重量通常只有几克。因此，驱动单元也只需要非常小且轻的致动器，例如微电动机。这样的微电动机的重量同样在克的范围内。单个的相位控制器的重量，特别是在10ghz以上的频率范围内，通常只有几克。

除此之外，根据本发明的相位控制器的损耗非常低。由于非常低的欧姆损耗，所以相位控制元件的热量输入可以忽略不计。如果使用电动机作为驱动单元，则其效率通常＞95％，从而驱动单元几乎不会产生热量输入。此外，微电机的功耗仅在mw范围内。

图7中示出了本发明的另一有利的实施方式。此处，支撑件3实施为具有筒状外形的星形填充体。此外，设置了用于成对的偏振器4a、4b的四个插槽，以及用于轴56的中心孔。

优点在于生产简单。偏振器4a、4b能够直接粘贴在支撑件3的插槽中，由此无需其他工艺步骤就实现根据本发明的相位控制元件1。轴56同样直接粘贴在支撑件3中的孔中，并且与驱动单元2连接。

此外，可以想到轴56直接是电动机的轴，因此直接与相位控制元件1形成所需的连接，从而能够满足所有的功能要求。

还可以想到其他的例如筒状的或横截面为三角形或十字形的介电填料。

在图8中示出了本发明的用于直接处理具有线性偏振的信号的进一步改进方案。该进一步改进方案规定在相位控制元件1之前安装至少一个另外的偏振器41，其能够将具有线性偏振的信号转换为具有圆形偏振的信号，并且在相位控制元件1之后安装至少一个另外的偏振器42，其能够将具有圆形偏振的信号转换为具有线性偏振的信号。

此外，根据本发明，相位控制元件1由支撑件3和偏振器4构成并且具有驱动单元2，其设计为并且连接到相位控制元件1或支撑件3，使得支撑件3或相位控制元件1能够旋转。

图9示出了本发明的进一步改进的操作原理。具有相位的线性偏振的入射波7a通过设置在相位控制元件1前的偏振器41被转换为具有圆形偏振信号7b。然后，具有圆形偏振的波入射7b到可旋转的相位控制元件1上，并且被偏振器4a转换为线性偏振波7c。如果相位控制元件旋转，则线性偏振7c的场矢量(或e场矢量和h场矢量)相应地在与波的传播方向垂直的平面中跟着旋转。然后，如此在空间上旋转的线性偏振的信号通过偏振器4b转换为圆形偏振信号7d，其相位与相位控制元件的旋转线性相关。如果相位控制元件旋转了角度δθ，则圆形波7d具有相位因此，通过偏振器4a和4b的同样跟着旋转得到两次改变2δθ。具有相位的圆形偏振信号7d最后通过偏振器42转换回具有线性偏振信号7e，从而同样具有相位

在与传播方向垂直的平面上，线性偏振波7e的矢量相对于入射波7a的偏振矢量的位置取决于两个偏振器5和6的相对取向。如果它们取向相同，则波7a与波7e的偏振矢量相同。相反地，如果偏振器5与偏振器6的取向不同，则波7a与波7e的偏振矢量成一个角度，该角度由偏振器41与偏振器42的相对取向决定。

因此可以想到，例如，如果需要跟踪信号偏振，如某些移动天线应用中发生的一样，则一个或者两个偏振器41和42设计为能够旋转并且设置有各自的驱动单元。

例如，如果偏振器41设计为能够与其自身的驱动单元一起旋转，偏振器42设计为不能旋转，并且偏振器41能够独立于相位控制元件1旋转，则偏振器41能够跟随入射波的线性偏振7a旋转。因此，产生了新的结构，借助该结构能够同时跟踪信号偏振并且调整信号的相位。

如图10所示，本发明的进一步改进方案通过设计还用于具有正交的线性极化的两个信号。此处应注意，在右偏振波或左偏振波中对相位角的旋转的惯例定义。

此外，由图10可知，图1的相位控制器的功能与入射了左旋圆波还是右旋圆波无关。因为功能的互易性和线性，其也适用于任何叠加或甚至不同圆度的波同时入射的情况。

在图11中示例性地示出了具有4个天线元件的相控阵列天线，其包含在其馈送网络10中的可控相位控制元件。

所有四个天线元件的信号均通过馈送网络10汇集在一起。例如通过微处理器11实现各个相位控制器的驱动的控制。如果相位控制器借助微处理器11调整为使得各元件的信号之间具有恒定的相对相位差则阵列天线的主射束具有在一定范围内的取决于相位差的方向。

因为通过馈送网络10精确地已知各天线的发送或接收的信号的幅度关系，此外通过相位控制器能够确定这些信号各自的相位，所以完全确切地确定阵列天线的各个状态下(即，各任意时间点)的阵列天线的天线图。

如果微处理器11中或在天线系统的另一部位具备所需的计算能力，那么由此甚至可以在任何时间点以非常高的精度分析地计算整个天线图。这构成了根据本发明的结构的显著优点，特别是关于民用应用中通常需要的天线图的监管一致性。

即使阵列天线包含数千个单独的天线，例如通常在10ghz以上的频率范围内的情况，借助快速傅里叶变换(fft)，也可以以相对较低的计算能力非常精确地计算相应的天线图。相应的快速fft算法是公知的。

所描述的图1至7的实施例类似地适用于图8-10中所示的本发明的进一步改进方案，从而可以进行大量的变化和组合。