专利名称：串馈式螺旋卷阵列天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及相控阵天线，更具体地，本发明涉及串馈式相控阵天线。
背景技术：
在航海船舶、陆基雷达站和类似场所需要有低价的相控阵天线。一些传统的相控阵天线应用了价格过高的周期式或螺旋式网格和发送/接收模块。在先进的雷达设计中为短波应用设计天线时，需要有低旁瓣的天线结构。
一种类型的相控阵天线结构中，应用了基于典型双波束和射频与数字共同馈电网的双应用程序(DUAP)阵列结构。它一般地包括一个具有不同层的多层电路板，用于各个电路部分，包括低噪声放大器、移相器和其它的各种馈线、信号通路与部件。然而，对于多波束和多极化阵列来说，这种类型的天线结构需要有许多互相连接的、复杂的印刷线路板。例如，某些印刷线路板在18英寸方的印刷电路卡上需包括2000多小孔、64个单元和2个天线波束。这种阵列的布置不仅难以实现，而且也超过了某些已有的射频布设工具的能力。此种类型的天线结构还需要复杂的馈电网络和带有复杂电路部分的多层电路板，并且这些复杂电路部分不应交叉，因此，增加了设计和构造难度。
许多相控阵天线由于其共同馈电天线容许宽的带宽，应用了有复杂互连系统的共同馈电网。另外，在具有共同馈电网的平面阵列中，天线单元之间的周期性间隔和相位设定只需要简单的正弦计算。共同馈电网通常能给出便利的阻抗匹配。可是，共同馈电网一般比较复杂，往往根据习惯而不是效益来设计天线结构。
然而，直线式串馈阵列不存在共同馈电网所关联的复杂设计的缺点。早在20世纪40年代初期，就制造了某些直线式串馈阵列。例如，美国海军制造了一种波导隙缝馈电阵列的相控阵列串，用以扫描波束。然种，这种类型的直线式串馈阵列由于其频率扫描效应和栅形波瓣而在它们的应用上有限制。
发明内容
鉴于前述的背景，本发明的一个目的是提供一种串馈阵列天线，它可克服现有技术的直线式串馈阵列天线方面的缺点。
本发明的再一个目的是提供一种能解决频率扫描效应和栅形波瓣问题的串馈天线阵列。
本发明的又一个目的是提供一种低价的天线阵列，它可以简化布置并避免复杂的共同馈电网方面电路交叉的缺点。
本发明的这些和其它目的、特性与优点是由相控阵天线给出的，它包括一个电路板，并包括由位于电路板上至少两个螺旋天线臂内的多个天线单元构成的平衡型串馈天线阵列。在螺旋天线臂的中心部分上至少有一个信号馈电点，用于对天线阵列进行串馈，使天线能解决频率扫描效应和栅形波瓣问题。本发明的一种特点在于，由电路板支持的电子电路在工作中与各个天线单元相连接，用于对任何发送或接收的信号进行放大、移相和波束形成。
本发明的另一个特点在于，天线阵列是由两个平衡型串馈天线阵列组成的，其每一个形成螺旋天线臂，并有两个馈电点。电路板可以由具有微带层的多层电路板组成，它们配合天线单元进行工作，串馈式激励天线阵列。每个螺旋天线臂内的天线单元数目实质上相同，它们可以由表面安装天线单元或是印刷电路天线单元形成。
本发明的再一个特点在于，有多个天线单元安排在电路板上4个螺旋天线臂内，成为平衡型串馈天线阵列，在螺旋天线臂的中心部分有信号馈电点。4路天线单元可形成分别为0°、90°、180°和270°的螺旋臂，用于相控运行。
本发明的又一个特点在于，相控阵天线中可以包括一个由位于电路板上至少两个螺旋天线臂内的多个天线单元构成的平衡型串馈天线阵列，在螺旋天线臂的中心部分至少有一个信号馈电点，用于对天线阵列进行串馈。螺旋天线臂可由波导组成，波导上的隙缝确定了各天线单元的位置。如果不采用波导，则如前面所述可使天线单元位于平面电路板上。
参考附图阅读下面对本发明的详细说明，本发明的其它目的、特性和优点将是很显然的，附图包括如下一些。
图1是示明有个别天线单元的一种直线式串馈阵列天线的概略图，各天线单元可由合适的移相器件进行控制。
图2至图5示明各种螺旋臂的概略平面图，其中，图2和图4是单螺旋臂，图3和图5是双螺旋臂。
图6是诸如图3和图5中所示螺旋臂构成的两个平衡型串馈阵列的概略平面图，它们卷绕成具有0°、90°、180°和270°螺旋臂的螺旋状构造。
图7是由单个多层印刷电路板构成的本发明的串馈相控阵天线的立体分解图，示明了不同的分层，它们用于支持各个放大器单元、波束形成网络、移相器和组装部件。
图8示明一个波导，它可以按照本发明配置成螺旋构造。
具体实施例方式
现在，参考附图以优选实施例较充分地说明本发明。然而，本发明能够用许多不同的形式予以实施，所以，不应理解为本发明限制于这里给出的实施例。这些实施例的提供使得本公开是彻底而完全的，能向本技术领域内的熟练人员充分地告知本发明的范围。对相同的单元采用相同的标号，撇号标志用来指明不同实施例中类似的单元。
本发明有利地提供一种相控阵天线，它包括由位于电路板上至少两个螺旋天线臂内的多个天线单元构成的一种平衡型串馈相控阵天线。在螺旋天线臂的中心部分上至少有一个信号馈电点，用于对天线阵列进行串馈，并可传导任何的发送或接收信号，以帮助解决频率扫描效应和栅形波瓣问题。
这种新颖种类的串馈天线阵列优越于现有技术的直线式串馈天线阵列，后者不能像本发明中那样解决频率扫描效应和栅形波瓣问题。本发明还可简化在印刷电路板上制造的阵列天线的实体构造，并降低一次性工程(NRE)成本，而同时容许简单布置天线单元、信号馈送电路及相关部件。本发明的螺旋构造能应用于很多的波束长度，包括TCDL、CDL-N和DD XX结构。本发明的设计能使所有天线阵列降低成本和减少一次性工程费用，估计减低50％，以及日程缩短6个月。生产成本能降低大约10％至50％。
图1的10示明现有技术的直线式串馈阵列天线，如本技术领域内的熟练人员所周知的，阵列天线中有着许多应用移相器部件14(由箭头示明)进行互连的天线单元12，以及激励单元和信号电路。这种类型的直线式串馈阵列可以应用本技术领域内熟练人员周知的技术制成在多层电路板上。馈电点16位于直线式阵列10的中心，包括有两个信号馈线端子18和20，这里，馈线端子上的信号电压是本技术领域内熟练人员周知的。阵列的两端由合适的终端负载22终接到地。
按照本发明，相控阵天线被形成为串馈天线阵列30(图6，它们是以如图2至图5上各种螺旋臂卷绕成螺旋状的。一种螺旋臂示明于图2，它是一种间距紧密的单螺旋臂。如果使图1中那样的直线式阵列按螺旋状围绕本身卷绕，馈电点位于中心部分而形成平衡型串馈阵列，则构成了图3示明的双螺旋臂。图4示明一种松卷绕的单螺旋臂，并作为图5中所示的螺旋臂而形成第二种平衡型串馈阵列。由螺旋臂组合形成如图6中所示的一种螺旋串馈阵列30，它是按螺旋构造卷绕成的两个平衡型串馈阵列，能解决频率扫描效应和栅形波瓣问题。如图6所示，一对双馈电点或即4个信号馈电端开始于32a、32b、34a、34b，用于每个双螺旋，而双螺旋是由两个直线式串馈天线按螺旋状卷绕成的。图6中示明的螺旋卷串馈天线有4个信号馈电点或即始点32a、32b、34a、34b，以及4个具有1000个天线单元的螺旋臂36a、36b、38a、38b。这种结构形成具有双馈电点的4激励方式，用于示例的4个信号始点。这构成了一种简单的电路结构对天线阵列馈电。具有4个螺旋臂信号馈电始端32a、32b、34a、34b的4个示例的螺旋臂36a、36b、38a、38b，它们的天线单元位于电路板上，按照螺旋卷分别形成0°螺旋臂36b、90°螺旋臂36a、180°螺旋臂38a和270°螺旋臂38b。在一个非限制性例子中，示例的天线结构有高的孔径效率，它应用了0.63662波长间隔和7.7815dBi增益的天线单元。图6中根据不同的天线单元的位置，在x、y轴上分别示明了数值波长λ的值。
本发明的一种非限制性式网格支持结构的天线例子示于图7中，它包括雷达天线罩40以及位于多层电路板44上、按螺旋卷构造串馈阵列组成的辐射天线单元。多层电路板44的顶层46中包括天线单元48以及某些设计中的放大器单元50，其中可包括低噪声放大器(LNA)或其它部件。天线单元48可以应用本技术领域内熟练人员周知的表面安装技术或印制电路技术。多层电路板44的底层部分52包括有例如移相器、带组合器的后置放大电路以及波束转向单元和其它部件54。中间层部分56(例如两层)内可包括带有功率组合和信号分配的波束形成器网络58。其它各层上可包括波束控制部件、滤波和其它部件，它们可以在某些层或者各别层上组合存在。依靠一个或几个微带层的工作用以传导信号或激励天线阵列。这些层的形成应用了本技术领域内熟练人员周知的技术，包括形成绿带(green tape)层。机械组装部件60内包括基本电源、冷却电路和封装件。所以，这样的结构可放置入另一个支持结构中，作为一个主要单元组成网格的一部分。
图8示明本技术领域内熟练人员周知的一种波导70，它可以是按螺旋状卷绕的，形成螺旋卷串馈阵列。波导70如本技术领域内熟练人员周知地包括馈源72和许多隙缝74。各隙缝74在从波导中心部分向外延伸时可不太垂直。耦合程度是隙缝角的函数。
显然，本发明提供了一种卷绕成螺旋构造的串馈式阵列天线，它优于先有技术的直线式串馈阵列天线，能解决频率扫描效应和栅形波瓣问题。
本技术领域内熟练人员能对本发明设想出许多修改和其它实施例，仍具有上述说明和附图中给出的优点。所以，可以理解到，本发明并不受限于所公开的特定实施例，那些修改和其它实施例都预定包括在所附的权利要求书范围内。
权利要求
1.一种相控阵天线，包括一个平衡型串馈天线阵列，它由位于电路板上的至少两个螺旋天线臂内的多个天线单元构成，在各螺旋天线臂的中心部分上至少有一个信号馈电点，用于对天线阵列进行串馈。
2.权利要求1的相控阵天线，其中，所述螺旋天线臂由一种波导构成，该波导上具有定义了各个天线单元的隙缝。
3.权利要求1的相控阵天线，还包括在其上面安排了所述天线单元的电路板。
4.权利要求1的相控阵天线，还包含有由所述电路板支持的电子电路，在工作中与所述天线单元相连接，用于对任何发送或接收的信号进行放大，移相和波束形成，以帮助解决频率扫描效应和栅形波瓣问题。
5.一种构造相控阵天线的方法，包括步骤在至少两个螺旋天线臂内的电路板上布置多个天线单元，并在螺旋天线臂的中心部分上至少有一个信号馈电点，用于对天线阵列进行串馈。
6.权利要求5的方法，还包括步骤，把电路板构造成包含有相互连接和电子部件的多层电路板。
7.权利要求1的相控阵天线，还包括在所述螺旋天线臂定义的中心部分上形成的双信号馈电点。
8.权利要求1的相控阵天线，其中，所述电路板包含一个微带层，与各天线单元一起工作，用于串行激励天线阵列。
9.权利要求1的相控阵天线，其中，每个螺旋天线臂内的天线单元数目实质上相同。
10.权利要求1的相控阵天线，其中，所述天线单元包括表面安装天线单元。
11.权利要求1的相控阵天线，其中，所述天线单元包括印制电路天线单元。
全文摘要
一种相控阵天线，包括一个电路板以及由位于电路板上至少两个螺旋天线臂内的多个天线单元构成的一个平衡型串馈天线阵列。在各螺旋天线臂的中心部分上至少安排一个信号馈电点，用于对天线阵列进行串馈，并传导发送和接收的信号，可解决频率扫描效应和栅形波瓣问题。
文档编号H01Q11/00GK1453901SQ03122090
公开日2003年11月5日 申请日期2003年4月24日 优先权日2002年4月25日
发明者理查德·费兰, 马克·L·古德斯坦恩 申请人:哈里公司