幅度锥形化的波束切换天线系统的制作方法
【专利说明】幅度锥形化的波束切换天线系统
【背景技术】
[000?]采用巴特勒矩阵(Butler Matrix)馈电网络的波束切换天线系统是众所周知的。 在基本类型的常规波束切换天线系统中，巴特勒矩阵馈电网络具有N个天线端口，其中"N" 是大于一的数目，它们向辐射元件的N个阵列或列馈电（当发射信号时)或者被辐射元件的N 个阵列或列馈电（当接收信号时）。巴特勒矩阵馈电网络在辐射元件的阵列之间均等地分配 信号功率，并且取决于巴特勒矩阵馈电网络的哪个接收器/发射器端口被使用而提供不同 的相位进度(progression)。通过改变相位进度，天线的主波束能够从一个点"切换"到另一 点。
[0002] 图1示出了示例性的基本常规波束切换天线系统10,其包括波束切换天线20、巴特 勒矩阵馈电网络50、以及一个或多个无线电接收器和/或无线发射器100。天线20包括关于 导电背板38而被放置的、相关联的电磁辐射元件37的三个共线的阵列（或者"列"）22、24、 26。共线的天线阵列22、24、26包括第一外部阵列22、中心阵列24、以及第二外部阵列26。电 磁辐射元件24可以是偶极子辐射元件（"偶极子"）或者其他类型的辐射元件。巴特勒矩阵馈 电网络50是具有三个天线端口 52、54、56和三个无线电接收器/发射器端口 60、62、64的三路 (three-way)设备。
[0003] 天线端口 52、54、56每个都通过与每个阵列相关联的电缆59和连接器39连接到共 线的阵列22、24、26中相应的一个阵列。接收器/发射器端口 62、64、66通过电缆67连接到一 个或多个无线电接收器和/或无线电发射器100。
[0004] 天线系统20被配置为使得能量从每个共线的阵列22、24、26以相等的功率被辐射 或者接收。
[0005] 如系统20这样的系统的缺陷是，在辐射元件的阵列之间的相等功率分配导致了高 的旁瓣电平，这浪费了能量并且可能引起与其他装备的干扰。因此，现有技术中已经开发了 多种解决方案来从巴特勒矩阵馈电网络提供不均等的功率分发，以便最小化天线波束图案 的旁瓣电平。
[0006] -种已知的解决方案是将N路巴特勒矩阵馈电网络的相邻的接收器/发射器端口 "配对"，这创建了跨N个天线端□的二项式(binomial)功率分发，以向N个福射元件阵列馈 电（当发射信号时）或者被N个辐射元件阵列馈电（当接收信号时）。这种解决方案将天线波 束的数目减少至N/2。此外，作为结果的二项式振幅锥形(taper)是高度低效的并且提供比 典型情形更宽的波束带宽，这减少了天线的增益。
[0007] 另一种已知的解决方案是将功率分配器/组合器连接至四路巴特勒矩阵馈电网络 的天线端口中的两个天线端口，以便向六个共线的偶极子阵列馈送信号或者从六个共线的 偶极子阵列接收信号。功率分配器/组合器每个都包括两个功率分配器/组合器天线端口。 在每个功率分配器/组合器中，功率分配器/组合器天线端口中的一个连接至最外部的偶极 子阵列，并且另一个功率分配器/组合器天线端口连接至与最外部偶极子阵列相邻的偶极 子阵列。功率跨每个功率分配器/组合器的两个功率分配器/组合器天线端口而均匀地被分 发，从而最外部的偶极子阵列接收到与它们的相邻辐射元件阵列相同量的功率。在一种减 少旁瓣电平的努力中，通过一种被称为孔径锥形化(tapering)的技术，最外部的偶极子阵 列被提供具有比它们的相邻偶极子阵列更低数目的辐射元件。然而，孔径锥形化是低效的， 因为波束切换阵列在每个相邻的偶极子阵列具有相同数目的偶极子时工作得最好。当在相 邻的阵列之间偶极子的数目不同时，每个阵列的波束图案在相位上并不累加，旁瓣电平比 所期望的更高并且天线的增益被折衷。
[0008] 因此，合意的是提供如下的波束切换天线系统，它们解决了现有技术的缺陷并且 提供了在旁瓣抑制与整体天线增益之间的改进平衡。
【发明内容】
[0009] 本公开内容涉及各种波束切换天线系统，它们包括相控阵列馈电网络以及被配置 为创建多个天线波束的多阵列天线。所公开的天线系统提供了旁瓣抑制与天线增益的改进 组合。
[0010] 根据本发明的一个实施例，一种天线系统包括多波束天线和相控阵列馈电网络。 多波束天线可以包括关于导电底板而放置的多个共线阵列。该多个共线阵列可以包括至少 一个中部共线阵列和放置在该至少一个中部共线阵列外侧的两个外部共线阵列。该多个共 线阵列中的每个共线阵列可以具有一个或多个电磁辐射元件。
[0011] 相控阵列馈电网络可以包括被配置为连接到至少一个无线电接收器或发射器的 多个无线电接收器/发射器端口、以及连接至该多个共线阵列的多个天线端口。
[0012] 该天线系统可以包括一个或多个功率分配器/组合器，其将多个天线端口之中的 所指定的天线端口连接到至少一个中部共线阵列和两个外部共线阵列之中的至少两个共 线阵列。该天线系统可以被配置为对该所指定的天线端口的信号功率进行划分，使得被提 供给天线的信号功率从该至少一个中部共线阵列向该两个外部共线阵列而减少。
[0013] 根据另一实施例，提供了一种操作天线系统的方法。该方法可以包括实施多波束 天线，该多波束天线包括关于导电底板而放置的多个共线阵列。该多个共线阵列中的每个 共线阵列可以包括一个或多个电磁辐射元件。该多个共线阵列可以包括至少一个中部共线 阵列和放置在该至少一个中部共线阵列外侧的两个外部共线阵列。该方法可以进一步包括 实施相控阵列馈电网络。该相控阵列馈电网络可以包括被配置为连接到至少一个无线电接 收器或发射器的多个无线电接收器/发射器端口、以及被配置为连接至该多个共线阵列的 多个天线端口。该方法可以进一步包括使用一个或多个功率分配器/组合器，以将该多个天 线端口之中的一个或多个所指定的天线端口连接到该至少一个中部共线阵列和该两个外 部共线阵列之中的至少两个共线阵列。该一个或多个功率分配器/组合器可以被操作为对 该一个或多个所指定的天线端口的信号功率进行划分，并且由此被提供给天线的信号功率 从该至少一个中部共线阵列向该两个外部共线阵列而减少。
[0014] 鉴于以下的详细描述和附图，本发明的其他特征和优点对本领域的技术人员将是 明显的。
【附图说明】
[0015] 图1图示了包括三路巴特勒矩阵馈电网络的常规天线系统。
[0016] 图2图示了根据本发明的一个实施例的包括连接了四个电磁辐射元件阵列的三路 巴特勒矩阵馈电网络的天线系统。
[0017] 图3图示了根据本发明的另一实施例的包括连接了五个电磁辐射元件阵列的三路 巴特勒矩阵馈电网络的天线系统。
[0018] 图4图示了根据本发明的另一实施例的包括连接到六个电磁辐射元件阵列的三路 巴特勒矩阵馈电网络的天线系统。
[0019] 图5图示了根据本发明的另一实施例的包括连接到五个电磁辐射元件阵列的四路 巴特勒矩阵馈电网络的天线系统。
[0020] 图6图示了根据本发明的另一实施例的包括连接到六个电磁辐射元件阵列的四路 巴特勒矩阵馈电网络的天线系统。
[0021] 图7图示了根据本发明的另一实施例的包括连接到七个电磁辐射元件阵列的四路 巴特勒矩阵馈电网络的天线系统。
[0022] 图8图示了根据本发明的另一实施例的包括连接到八个电磁辐射元件阵列的四路 巴特勒矩阵馈电网络的天线系统。
【具体实施方式】
[0023] 以下的描述公开了波束切换天线系统的各种实施例，它们包括巴特勒矩阵馈电网 络和被配置为创建多个天线波束的多阵列天线。这些系统被配置为，通过在天线中的电磁 辐射元件阵列之间的幅度锥形化，而提供在旁瓣抑制与天线的整体增益之间的极好平衡。 本文所公开的系统实现了这些益处，而不影响巴特勒矩阵馈电网络的天线输出/输入的周 期性。
[0024] 在以下的描述中，对具体的实施例、组件和特征作出了参考。在各种实施例之间重 复的参考标号和字符指示类似的组件和特征。应当理解，以下描述中对词语"包括"的使用 意指为非限制性的。当词语"包括"被用来描述对组件或特征的包括时，应当理解所描述的 具体组件是非限制性的，并且可能存在落入本发明的范围内的其他等同组件或特征。备选 地，对组件的包括可以是可选的。取决于讨论的上下文，将词语"包括"解释为意指"可以包 括"可能是适当的。
[0025] 此外，本描述包括对天线内的电磁辐射元件的"外部"、"中部"和"中心"阵列(或者 列）的各种参考。应当理解，中部阵列是定位于外部阵列之间的位置处的阵列，并且中心阵 列是定位于一组阵列的最中心的地点处的中部阵列。
[0026]具有三路巴特勒矩阵馈电网络的天线系统
[0027]图2-4图示了采用三路巴特勒矩阵馈电网络和跨天线辐射元件阵列的幅度锥形化 的示例性波束切换天线系统。在图2-4的系统中，通过将至少一个信号分配器/组合器连接 至巴特勒矩阵馈电网络，提供了四个或更多的实际天线端口。功率以如下的方式在天线辐 射元件的阵列之间不均等地被分发，该方式提供了与采用三路巴特勒矩阵馈电网络的常规 波束切换系统相比较而言的改进的天线增益和减少的旁瓣电平。一般而言，功率被分发给 天线以使得功率电平从天线的中心阵列或者中部阵列朝向外部阵列而向下地锥形化。
[0028]图2图示了根据本发明的一个实施例的天线系统110。如图2中所示出的，系统110 可以包括波束切换天线120、三路巴特勒矩阵馈电网络或相控阵列馈电网络50、以及一个或 多个无线电接收器和/或无线电发射器100。
[0029] 馈电网络50可以是不具有交叉的平面微带设备，并且可以由具有电介质基底的印 刷电路板制作，该电介质基底由例如低损耗陶瓷材料制成。然而，其他的馈电网络50可以具 有另一种设计和/或构造。
[0030] 仍然参考图2,天线120可以包括关于导电背板138而放置的相关联的电磁辐射元 件37的四个共线的阵列（或者"列"）122、124、126、128。共线的天线阵列122、124、126、128可 以包括第一外部阵列122、与第一外部阵列122相邻的第一中部阵列124、与第一中部阵列 124相邻的第二中部阵列126、以及与第二中部阵列126相邻的第二外部阵列128。以另一种 方式来说，两个中部阵列124、126放置在阵列结构的中心处，并且两个外部阵列122、128放 置在两个中部阵列124、126的外侧。根据优选的实施例，每个阵列122、124、126、128包括相 同数目的辐射元件37。尽管每个阵列122、124、126、128被示出为具有四个辐射元件37，但是 其他数目的辐射元件是可能的。电磁辐射元件37可以是偶极子辐射元件（"偶极子"）或者其 他类型的辐射元件。
[0031] 如图2中所示出的，馈电网络50可以包括被配置为与天线120进行通信的第一天线 端口 52、第二天线端口 54和第三天线端口 56。馈电网络50可