专利名称：包括馈线组织体的补件偶极子阵列天线及相关方法
技术领域：
本发明涉及通信领域，尤其涉及相位阵列天线。
背景技术：
现有的微波天线包括多种配置，用于诸如卫星接收、远程广播或者军事通信的各种应用。印刷电路天线通常可以提供成本低、重量轻、截面小以及可大批量生产等期望的特性，其中平面导电元件与单个的基本连续的接地元件之间通过具有均匀厚度的电介质薄片分开。天线被设计成阵列，并且被用于诸如敌我识别(IFF)系统、个人通信业务(PCS)系统、卫星通信系统以及航天系统的通信系统，这些通信系统要求天线具有诸如成本低、重量轻、截面小以及旁瓣小的特性。
然而对于特定应用，诸如空间应用，此类天线的带宽和方向性性能会受到限制。而且，在要求保角构造(conformalconfiguration)的应用中(例如在航天系统中)微波传输带补件天线是有益的，但是按照特定的方式安装天线，以使其中的馈送可以维持保角性和令人满意的辐射覆盖范围和方向性并且能够降低对环境表面的损耗方面带来了挑战。
更具体地，通常通过将频率范围划分为多个频带来增加宽扫描角度的相位阵列天线的带宽。这种方案导致在天线的尺寸和重量上相当大的增长并且产生了射频(RF)干扰问题。而且，还使用平衡环通过机械方式获得所要求的扫描角。同样，这种方案增加了天线的尺寸和重量，并且导致更慢的反应时间。
此外，现有技术的相位阵列天线通常具有一个天线馈送结构，它包括被连接到不同天线阵子的同轴馈线。这些同轴馈线通常平行于一个共有的轴，并且焊接在一起，以形成天线馈送结构。这种馈送结构被插入到天线衬底中，以便和天线阵子连接。然而，在将此类天线馈送结构连接到天线阵子的同时，很难将它们适当接地，这会导致例如不期望的共模电流。
因此，需要一种重量轻的补件偶极子相位阵列天线，其具有宽频带和大扫描角并且能够被保角地安装到表面上。
发明内容
考虑到上面所述的背景技术，本发明的一个目的是提供一种重量轻的补件偶极子相位阵列天线，其具有宽频带和大扫描角并且能够被保角地安装到表面上。
本发明的这个目标和其他目标、特征和优点可以由包括衬底以及该衬底所支撑的至少一个天线单元的天线提供，其中的衬底包括接地层以及与之相邻的介电层。所述至少一个天线单元可以包括多个相邻的天线阵子，这些天线阵子以相互隔开的方式排列在对着接地层的介电层上的中央馈送位置的周围。所述至少一个天线单元还可以包括天线馈送结构，后者包括用于每个天线阵子的相应同轴馈线以及其中具有用于接收相应同轴馈线的通道的馈线组织体。
更具体地，该馈线组织体可以包括连接到接地层的一个基底，以及由基底支撑的导向部分。例如，基底和导向部分可以被集成为单片电路单元。而且，导向部分可以包括包围着由基底所支撑的底部密封导向部分、靠近天线阵子的顶部密封导向部分、以及在该底部密封导向部分和靠近天线阵子的顶部密封导向部分之间延伸的中间开口导向部分。在中间开口导向部分处，每个同轴馈线可以被焊接到该馈线组织体上。而且，天线馈送结构还可以包括由该导向部分所支撑的调谐板。此外，通道分别平行于该公共轴，并且该馈线组织器件可以包括至少一种导电材料，例如黄铜。
接地层可以横向向外延伸，超出该至少一个天线单元的外围。并且，天线还包括至少一个由衬底支撑并连接到天线馈送结构的混合电路。每个天线阵子都具有通常的矩形形状，并且该至少一个天线单元可以包括多个排列成阵列的天线单元。而且，介电层的厚度范围大约是该至少一个天线单元工作波长的1/2。此外，在该至少一个天线单元上还有至少一个阻抗匹配介电层。
本发明的方法方面是用于制造天线，并且在衬底上提供至少一个天线单元，该衬底包括接地层和邻近接地层的介电层。该至少一个天线单元可以包括多个相邻天线阵子，它们以相互隔开的方式排列在对着接地层的介电层上的一个中央馈送位置周围。此外，衬底上还具有一个开口，后者使多个相邻天线阵子部分地暴露出来。该方法还包括通过在馈线组织体的通道内设置相应的同轴馈线来构成天线馈送结构。进而，天线馈送结构被插入到开口中，并且每个同轴馈线分别被连接到一个相应的天线阵子上。
图1是依照本发明的双极化相位阵列天线的原理设计图。
图2是沿图1中的直线2-2剖开得到的包括天线馈送结构在内的天线的截面图。
图3是图2的天线馈送结构的馈线组织体的透视图。
图4是沿图1中的直线4-4剖开得到的天线的接地层、介电层、天线单元以及阻抗匹配介电层的截面图。
具体实施例方式
以下将结合附图更加充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的方式实施而不必局限于此处所述的实施例。而且，提供这些实施例以使其公开充分和完整，并能充分地使本领域技术人员理解本发明的范围。其中相似的附图标记表示相似的部件。
参考图1-4，现在描述依照本发明的双极化天线10。天线10包括具有接地层26以及靠近接地层的介电层24的衬底12、以及由所述衬底支撑的至少一个天线单元13。优选地，多个天线单元13排列成阵列。如图1所示，天线10包括9个天线单元13。每个天线单元13包括4个相邻的天线补件或者阵子14、16、18、20，它们以相互间隔的方式排列在介电层24上的中央馈送位置22周围。优选地，天线阵子的对角对，例如16/18和14/20，确定了各自的天线偶极子，由此提供了双极化，如本领域技术人员所理解的。当然，对于单个极化实施例，只提供一对形成天线偶极子的天线阵子，例如16/18。
每个天线单元还包括天线馈送结构30，后者包括4个同轴馈线32。每个同轴馈线32例如具有一个内部导体42，以及环绕该内部导体的管状的外部导体44(图2)。天线馈送结构30包括一个馈线组织体60，馈线组织体中具有用于接收相应同轴馈线32的通道61。如本领域人员所理解的，馈线组织体60最好被集成为单片电路单元。
更具体地，馈线组织体60可以包括连接到接地层26的基底62以及由该基底支撑的导向部分63。在基底上可以带有洞68，这样基底可以使用螺钉连接到接地层26。当然，也可以使用本领域技术人员所熟知的其他适当连接器。
导向部分63可以包括由基底62支撑的底部密封导向部分64，靠近天线阵子14、16、18、20的顶部密封导向部分65，以及在该底部密封导向部分和顶部密封导向部分之间延伸的中间开口导向部分66。每个同轴馈线32的外部导体44可以通过焊料67在中间开口导向部分66连接到馈线组织体60上，如图2中所示。
馈线组织体60最好用导电材料制成，例如黄铜，它相对来说比较容易生产制造。因此，天线馈送结构30可以被大量生产，以便提供一致而又可靠的接地层26连接。当然如本领域技术人员所理解的，对于馈线组织体60也可以使用其他合适的材料。
此外，如图3中所示，通道61最好平行于公共轴A-A，这样同轴馈线32互相平行并彼此靠近。此外，天线馈送结构30有利地包含一个调谐板69，它由顶部密封导向部分65支撑。如本领域技术人员所理解的，该调谐板69被用于补偿馈送电感。
接地层26可以横向向外延伸超出天线单元13的外围，并且同轴馈线32可以从中央馈送位置22逆向由相互的触点向外分开，如图2所示。并且，天线10还包括至少一个由衬底12支撑并连接到天线馈送结构30的混合电路50。如本领域技术人员所理解的，混合电路50控制、接收和产生对于天线单元13的各个天线阵子14、16、18、20的信号。
介电层的厚度最好是天线10工作波长的大约1/2，并且可以在天线单元13上方至少提供一个阻抗匹配介电层28。该阻抗匹配介电层28也可以横向向外延伸超出天线单元13的外围，如图4所示。使用延伸的衬底12和延伸的阻抗匹配介电层28可以获得2∶1或者更大的天线带宽。衬底12是柔韧的，并且可以保角地安装在刚性表面上，例如飞行器或者太空船的鼻锥体(nose-cone)。
本发明相关的方法方面是用于制作天线10。该方法包括在衬底12上提供至少一个天线单元13，其中衬底包括接地层和与之相邻的介电层24。该至少一个天线单元13包括多个天线阵子14、16、18、20，它们以相互间隔的方式围绕在对着接地层26的介电层24的中央馈送位置22周围。如上所述，衬底12包括天线阵子14、16、18、20的开口暴露部分。
如上所述，该方法还包括通过在馈线组织体60的通道61内设置相应的同轴馈线32来构成天线馈送结构30。如前面所讨论的，该方法还包括将天线馈送结构30插入到开口中，并且将同轴馈线32连接到相应天线阵子14、16、18、20上。
更具体地，馈线组织体60使天线馈送结构30可以基本上“插入”到衬底12中，以便和至少一个天线单元13建立相对容易的连接。包括天线组织体60的天线馈送结构30还允许相对容易地移去或者替换天线10而不会损坏它。而且，使用包括线组织体60的天线馈送结构30还大大降低了由于同轴馈线32不当接地所引起的共模电流。也就是说，其中间开口导向部分66允许同轴馈线32的稳定可靠的接地。
天线10在2-28GHz的频率范围内可以具有2比1的带宽，可以获得±45°的扫描角以及提供小于或者等于10db的回波损耗。因此依照本发明，提供了具有宽频带和大扫描角的重量轻的补件偶极子相位阵列天线10。同时，天线是柔韧的，并且可以被保角地安装在表面上。
此外，尽管已经描述了使用4个天线阵子14、16、18、20的天线馈送结构30，但是本领域技术人员可以明白这种反馈结构也适于具有不同天线阵子数目的天线阵列。而且，该天线馈送结构30还可以被用于和此处所述的天线10不同的天线。例如，依照本发明的天线馈送结构30也适用于在2000年10月31日提交并已经转让给本受让人的美国申请No.09/703,247中所公开的相位阵列天线，在此整个引入以供参考。如本领域技术人员所理解的，应用到许多其他天线结构也是可能的。
受上述说明书以及相关附图的教导，本领域技术人员可以得出本发明的多种改变以及其他实施例。因此，可以理解本发明不限于已公开的特定实施例，并且希望将改进型和实施例都包含在附加的权利要求的范围内。
权利要求
1.一种天线，包括衬底，它包括接地层以及与之相邻的介电层；以及由所述衬底所支撑的至少一个天线单元，所述天线单元包括多个相邻的天线阵子，它们以相互隔开的方式排列在对着所述接地层的所述介电层上的中央馈送位置的周围，天线馈送结构，包括用于每个天线阵子的相应的同轴馈线，及其中具有用于接收相应的同轴馈线的通道的馈线组织体。
2.依照权利要求1的天线，其中所述馈线组织体包括连接到所述接地层的基底；以及由所述基底支撑的导向部分，所述基底和所述导向部分被集成为单片电路单元。
3.依照权利要求2的天线，其中所述导向部分包括由所述基底支撑的底部密封导向部分；靠近所述天线阵子的顶部密封导向部分；以及在所述底部密封导向部分和所述顶部密封导向部分之间延伸的中间开口导向部分。
4.依照权利要求3的天线，其中在所述中间开口导向部分处每个同轴馈线被焊接到所述馈线组织体上。
5.依照权利要求2的天线，其中所述天线馈送结构还包括由所述导向部分支撑的调谐板。
6.依照权利要求1的天线，其中所述通道都平行于公共轴。
7.依照权利要求1的天线，其中所述馈线组织体由至少一种导电材料构成。
8.依照权利要求1的天线，其中所述接地层横向向外延伸，超出所述至少一个天线单元的外围。
9.依照权利要求1的天线，其中还包括由所述衬底支撑并连接到所述天线馈送结构的至少一个混合电路。
10.依照权利要求1的天线，其中每个天线阵子具有通常的矩形形状。
11.依照权利要求1的天线，其中所述至少一个天线单元包括排列成阵列的多个天线单元。
12.依照权利要求1的天线，其中所述介电层的厚度范围大约是至少一个天线单元工作波长的1/2。
13.依照权利要求1的天线，还包括在所述至少一个天线单元上的至少一个阻抗匹配介电层。
14.一种天线，包括衬底，它包括接地层以及与之相邻的介电层；以及由所述衬底支撑的至少一个天线单元，包括多个相邻的天线阵子，它们以相互隔开的方式排列在对着所述接地层的所述介电层上的中央馈送位置的周围，天线馈送结构，包括用于每个天线阵子的相应的同轴馈线，及其中具有用于接收相应的同轴馈线的通道的馈线组织体，所述通道都平行于一个公共轴并且所述馈线组织体被集成为一个单片电路单元。
15.依照权利要求14的天线，其中所述馈线组织体包括连接到所述接地层的基底；以及由所述基底支撑的导向部分。
16.依照权利要求15的天线，其中所述导向部分包括由所述基底支撑的底部密封导向部分；靠近所述天线阵子的顶部密封导向部分；以及在所述底部密封导向部分和所述顶部密封导向部分之间延伸的中间开口导向部分。
17.依照权利要求16的天线，其中在所述中间开口导向部分处每个同轴馈线被焊接到所述馈线组织体上。
18.依照权利要求15的天线，其中所述天线馈送结构还包括由所述导向部分支撑的调谐板。
19.依照权利要求14的天线，其中所述馈线组织体由至少一种导电材料构成。
20.依照权利要求14的天线，其中所述接地层横向向外延伸，超出所述至少一个天线单元的外围。
21.依照权利要求14的天线，其中还包括由所述衬底支撑并连接到所述天线馈送结构的至少一个混合电路。
22.依照权利要求14的天线，其中每个天线阵子具有通常的矩形形状。
23.依照权利要求14的天线，其中所述至少一个天线单元包括排列成阵列的多个天线单元。
24.依照权利要求14的天线，其中所述介电层的厚度范围大约是至少一个天线单元工作波长的1/2。
25.依照权利要求14的天线，还包括在所述至少一个天线单元上的至少一个阻抗匹配介电层。
26.一种用于制造天线的方法，包括在衬底上提供至少一个天线单元，所述衬底包括接地层和与之相邻的介电层，该至少一个天线单元包括多个相邻天线阵子，它们以相互隔开的方式排列在对着接地层的介电层上的中央馈送位置的周围，该衬底中具有暴露多个相邻天线阵子部分的开口；通过将各个同轴馈线设置在馈线组织体的通道内，形成天线馈送结构；以及将天线馈送结构插入到该开口中，并且将每个同轴馈线连接到相应的天线阵子上。
27.依照权利要求26的方法，其中馈线组织体包括基底和由基底所支撑的导向部分，该基底和该导向部分被集成为单片电路单元；并且其中将该天线馈送结构插入到开口中的步骤包括将基底连接到接地层，以及将每个同轴电缆连接到相应天线阵子上。
28.依照权利要求27的方法，其中该导向部分包括由所述基底支撑的底部密封导向部分；设置在所述天线阵子附近的顶部密封导向部分；以及在所述底部密封导向部分和所述顶部密封导向部分之间延伸的中间开口导向部分。
29.依照权利要求28的方法，其中形成天线馈送结构的步骤还包括将每个同轴馈线在中间开口导向部分连接到馈线组织体上。
30.依照权利要求27的方法，其中形成天线馈送结构的步骤还包括将一个调谐板连接到该导向部分。
31.依照权利要求26的方法，其中所述通道都平行于公共轴。
32.依照权利要求26的方法，其中所述馈线组织体由至少一种导电材料构成。
33.依照权利要求26的方法，其中所述接地层横向向外延伸，超出所述至少一个天线单元的外围。
34.依照权利要求26的方法，还包括在所述衬底上提供至少一个混合电路，并将其连接到所述天线馈送结构。
35.依照权利要求26的方法，其中每个天线阵子具有通常的矩形形状。
36.依照权利要求26的方法，其中提供至少一个天线单元的步骤包括将多个天线单元排列成阵列。
37.依照权利要求26的方法，其中所述介电层的厚度范围大约是至少一个天线单元工作波长的1/2。
38.依照权利要求26的方法，还包括在所述至少一个天线单元上设置至少一个阻抗匹配介电层。
全文摘要
一种天线(10)，包括衬底(12)以及由该衬底(12)支撑的至少一个天线单元(13)，该衬底(12)包括接地层(26)以及与之相邻的介电层24。该至少一个天线单元(13)可以包括多个相邻的天线阵子(14、16、18和20)，它们以相互隔开的方式排列在对着接地层(26)的介电层(24)上的中央馈送位置(22)的周围。该至少一个天线单元(13)还包括天线馈送结构(30)，后者包括用于每个天线阵子(14、16、18和20)的相应的同轴馈线(32)，及其中具有用于接收相应的同轴馈线(32)的通道(61)的馈线组织体(60)。
文档编号H01Q1/38GK1520627SQ02812986
公开日2004年8月11日 申请日期2002年6月20日 优先权日2001年6月28日
发明者詹姆斯·J·罗尼克, 兰迪·E·布泽, 罗伯特·C·泰勒, 威廉·E·克拉克, 吉尔伯特·R·珀金斯, C 泰勒, E 克拉克, E 布泽, 特 R 珀金斯, 詹姆斯 J 罗尼克 申请人:哈里公司