专利名称：带有边缘元的相控阵天线及相关方法
背景技术：
现有的微波天线包括各式各样的配置，用于各种不同的应用，诸如卫星接收、远程广播或军事通信。通常，印制电路天线可以提供成本低、重量轻、外形小和可大批生产等所希望的特点。印制电路天线的最简单的形式是微带天线，其中各扁平的诸如单极或偶极天线元之类的导电元与单个基本上连续的接地面由一个厚度均匀的介质片隔开。在授予Olyphant的美国专利No.3,995,277中揭示了微带天线的一个例子。
该天线设计成一个阵列，可以用于诸如敌友识别(IFF)系统、个人通信业务(PCS)系统、卫星通信系统和航天系统之类的通信系统，这些通信系统要求诸如成本低、重量轻、外形小和旁瓣小之类的特性。然而，这种天线的带宽和方向性能力可能限制着在某些应用中使用。
使用电磁耦合的偶极天线元可以增大带宽。并且，使用由偶极天线元组成的阵列可以通过提供一个预定的最大扫描角来改善方向性。
然而，使用由偶极天线元组成的阵列存在一个两难的困境。如果这些偶极天线元离得较近，最大无栅瓣的扫描角可以增大，但是离得较近会增大各元之间的有害耦合，从而使性能降低。这种有害耦合随着频率的改变迅速改变，使得难以保持宽的带宽。
在授予Durham、转让给本发明的当前受让方的美国专利No.6,417,813中揭示了一种补偿偶极天线元之间的有害耦合的方法，该专利在这里整体列为参考予以引用。Durham的专利揭示了一种包括偶极天线元阵列的宽带相控阵天线，每个偶极天线元包括一个中央馈电部和一对从其向外伸出的分支。
具体地说，相邻偶极天线元的相邻分支包括相互隔开的具有使相邻偶极天线元之间的电容耦合增大的预定形状和相对位置的各自端部。增大的电容耦合抵消了小间距的偶极天线元的固有电感由于频率改变的影响，以便可以保持宽的带宽。
偶极天线元阵列内的天线元的个数可以为几百个到几千个，这些天线元都处在同一个基底表面上。为了为沿阵列的边缘的有源偶极天线元提供均匀的驱动点阻抗(即沿边缘的元的阻抗与在阵列中央附近的任何天线元的阻抗相同或者很接近)，在这些天线元附近设置了一些不发射或接收信号的伪元。
然而，对于某些应用的设计约束可能对阵列的尺寸有所限制，使得它的有源偶极天线元数量明显减少。例如，一个由50个元组成的小阵列，沿着它的边缘有一些伪偶极天线元，伪偶极天线元所占的百分比(＞60％)比实际发送和接收信号的有源偶极天线元所占的百分比(＜40％)大。因此，这个相控阵天线的性能降低，增益会较小，而且波束宽度会较宽，因为与有源偶极天线元在同一个基底上的伪偶极天线元要占用区域。
在授予Aiken等人的美国专利No.6,448,937中揭示了一个为沿阵列边缘的有源偶极天线元提供均匀阻抗同时提高性能的途径。在Aiken等人的这个专利中伪偶极天线元被与有源偶极天线元隔开馈电，使得它们也能发送和接收信号。这些被隔开馈电的元也为沿阵列边缘的有源偶极天线元提供均匀阻抗。然而，这些为伪偶极天线元附加的馈线增加了相控阵天线的复杂性。
发明内容
考虑到上述背景，因此本发明的一个目的是提供一种更好地利用边缘耦合的偶极天线元阵列可用的表面区域的相控阵天线。
本发明的这个及其他目的、特征和优点由一种包括一个具有第一表面和与第一表面邻接并在其间形成边缘的第二表面的基底以及多个在第一表面上而其中至少一个的至少一部分在第二表面上的偶极天线元的相控阵天线提供。
每个偶极天线元可以包括一个中央馈电部和一对从其向外伸出的分支，在第一和第二表面上的相邻偶极天线元的相邻分支包括相互隔开的具有使相邻偶极天线元之间的电容耦合增大的预定形状和相对位置的各自端部。
这种相控阵天线可以还包括一个与这些偶极天线元相邻的接地面，其至少一部分在第二表面上的至少一个偶极天线元接到接地面上。也可以在这样的偶极天线元的中央馈电部上连接一个诸如电阻性负载的负载，使之成为伪偶极天线元。电阻性负载例如可以包括印刷电阻元或分立电阻器。
按照本发明设计的相控阵天线在设计制约条件对阵列内的有源偶极天线元的个数有限制时特别有益。这些设计制约条件可以是由于安装空间有限而且还要求雷达截面(RCS)小的平台而产生的。通常，有源和无源偶极天线元处在同一个基底表面上。然而，通过将有源和无源偶极天线元分到两个相互之间形成相应边缘的不同基底表面上，对于有源偶极天线元来说就有更多的空间可利用。因此，对于受设计制约条件影响的相控阵天线来说，天线的性能可得到改善。
在一个实施例中，基底具有一般为矩形的形状，它的顶面形成第一表面，而它的第一和第二对相对的侧面形成第二表面。
一个偶极天线元的每个分支可以包括一个细长主体部和一个与细长主体部的一端连接的展宽端部。此外，相邻分支的隔开的端部可以包括交指部，其中每个分支可以包括一个细长主体部、一个与细长主体部的一端连接的展宽端部和多个从展宽端部向外伸出的指。
这种相控阵天线具有一个所希望的频率范围，相邻分支的端部之间的间隔可以小于所希望的最高频率的半个波长左右。此外，接地面可以离多个偶极天线元不到所希望的最高频率的半个波长左右。
而且，多个偶极天线元可以包括第一和第二组相互垂直的偶极天线元，以提供双极化。这些偶极天线元的大小和相对位置可被设计成使相控阵天线可在大约2到30GHz的频率范围内工作，扫描角为±60度左右。
为了进一步增大相邻偶极天线元之间的电容耦合，可以在相邻偶极天线元的相邻分支的隔开的端部之间连接相应的阻抗元。在其他实施例中，可以与相邻偶极天线元的相邻分支的隔开的端部邻近地设置相应的印刷阻抗元，以进一步增大得到增大的相互之间的电容耦合。
本发明另一方面旨在提供一种在一个具有第一表面和与第一表面邻接并在其间形成边缘的第二表面的基底上制造一个相控阵天线的方法。这种方法包括形成多个在第一表面上而其中至少一个的至少一部分在第二表面上的偶极天线元。每个偶极天线元可以包括一个中央馈电部和一对从其向外伸出的分支，在第一和第二表面上的相邻偶极天线元的相邻分支包括相互隔开的具有使相邻偶极天线元之间的电容耦合增大的预定形状和相对位置的各自端部。
图1为按照本发明设计的相控阵天线安装在一个船上的示意图。
图2为图1的相控阵天线和相应的空腔座的示意性透视图。
图3为图2的相控阵天线的分解图。
图4为图2的阵列的一部分的放大许多的视图。
图5A和5B为可在图2的相控阵天线内使用的相邻偶极天线元的相邻分支的隔开的端部的放大示意图。
图5C为可以在图2的宽带相控阵天线内使用的、在相邻偶极天线元的相邻分支的隔开的端部之间电跨接的阻抗元的放大示意图。
图5D为可以在图2的宽带相控阵天线内使用的、在相邻偶极天线元的相邻分支的隔开的端部之间电跨接的阻抗元的另一个实施例的放大示意图。
图6A和6B为可以在图2的相控阵天线内使用的、在一个偶极天线元的中央馈电部分上跨接的分立电阻元和印刷电阻元的放大示意图。
图7A和7B为计算得到的图2的相控阵天线内一个与边缘天线元相邻的有源偶极天线元的VSWR对频率的曲线图和同一个有源偶极天线元在没有相当的边缘元的情况下的VSWR对频率的曲线图。
图8A和8B为计算得到的在图2的相控阵天线的中央具有相应边缘元的一个有源偶极天线元的VSWR对频率的曲线图和同一个有源偶极天线元在没有相应的边缘元的情况下的VSWR对频率的曲线图。
图9为按照本发明设计的一个偶极天线元的示意图，这个偶极天线元具有一个开关和一个连接到这个开关上的负载，从而使这个天线元可有选择地起着一个吸收器的作用。
图10为一个包括图9的偶极天线元的相控阵天线的剖视图。
图11为例示在建筑物的墙壁内设置了一个按照本发明设计的馈通透镜天线的情况的建筑物局剖顶视图。
具体实施例方式
下面将结合示出本发明的一些优选实施例的附图对本发明进行充分的说明。然而，本发明可以体现为许多不同的形式，不应该认为就局限于在这里所提出的这些实施例。提供这些实施例以使本公开是充分和完全的，而且使熟悉该技术的人员了解本发明的专利保护范围。同样的标号自始至终都是指同样的组成部分，而带一撇、带二撇和带三撇的是指在另一些实施例中的类似组成部分。
首先参考图1和2说明按照本发明设计的一个宽带相控阵天线100。相控阵天线100在设计制约条件对阵列的有源偶极天线元的个数有限制时特别有益。这些设计制约条件可以是由于安装空间有限而且还要求雷达截面(RCS)小、诸如图1中所例示的船只112的平台而产生的。所例示的相控阵天线100接到收发机和控制器114上，如熟悉该技术的人员会知道的那样。
相控阵天线100具有一些边缘元40b和一个相应的空腔座200，如图2这个示意透视图所示。相控阵天线100包括基底104，该基底具有第一表面106和一些与第一表面106邻接并在其间形成相应边缘110的第二表面108。多个偶极天线元40a处在第一表面106上，而且至少一个偶极天线元40b的至少一部分处在这些第二表面108之一上。第二表面108上的偶极天线元40b形成相控阵天线100的“边缘元”。
通常，有源和无源偶极天线元处在同一个基底表面上。然而，通过将有源和无源偶极天线元40a、40b分到两个相互之间形成相应边缘110的不同基底表面106、108上，对于有源偶极天线元来说就有更多的空间可利用。因此，对于受设计制约条件影响的相控阵天线改善了天线的性能。
在所示的这个实施例中，第二表面108与第一表面106垂直。基底104一般为矩形，具有一个上表面和第一和第二对相对的与上表面邻接并在其间形成相应边缘110的侧表面。第一表面106与上表面相应，而第二表面108与第一和第二对相对的侧表面相应。所例示的边缘元40b处在各对相对的侧表面上。在另一些实施例中，边缘元40b可以只是处在其中一对相对的侧表面上，甚至只是处在一个侧表面上。此外，基底104不局限于矩形形状，也不局限于侧表面与上表面垂直。
边缘元40b，亦即在第二表面108上的偶极天线元，可以完全形成在第二表面上，也可以形成为这些元的一部分延伸到第一表面106上。对于后一种实施例，基底104可以是单块可弯曲基底，而第二表面通过简单地将基底弯曲成使边缘元40b的一个分支延伸到第一表面106上来形成。或者，也可以是第一表面106上的偶极天线元40a的至少一个分支延伸到第二表面108上。
这样弯曲也形成了第一表面106与第二表面108之间的相应边缘110。代替单块基底，也可以分别形成第一表面106和第二表面108(各自的偶极天线元40a、40b完全形成在各自表面106、108上)，然后将它们接合在一起形成基底104，如熟悉该技术的人员会很容易理解的那样。
所例示的相控阵天线100包括第一和第二组相互垂直的偶极天线元，以提供双极化。在另一些实施例中，相控阵天线100可以只包括一组偶极天线元。
相控阵天线100用多个可弯曲的层形成，如图3所示。如以上所说明的那样，基底104夹在这些可弯曲层之间，可以是单块可弯曲基底，而第二表面106是例如通过简单地将这些层沿着所示虚线弯曲来形成的。去掉由形成第二表面108产生的各折叠层的角部的过剩材料，如熟悉该技术的人员会理解的那样。
基底104夹在接地面30与盖顶层28之间。基底104也称为偶极子层或电流层，如熟悉该技术的人员会容易理解的那样。此外，还配置了一些泡沫材料介质层24和一个泡沫材料外介质层26。各个粘结层22将基底104、接地面30、盖顶层28和泡沫材料介质层24、26固定在一起，形成相控阵天线100。当然，也可以使用其他方式固定这些层，如熟悉该技术的人员会知道的那样。
介质层24、26可以具有递减的介电常数，以增大扫描角。例如，接地面30与偶极子层20之间的介质层24可以具有为3.0的介电常数，偶极子层20另一侧的介质层24可以具有为1.7的介电常数，而外介质层26可以具有为1.2的介电常数。
下面参考图4、5A和5B详细说明在相控阵天线100内所用的基底104。基底104是一个印刷的导电层，在它上面有一个由偶极天线元组成的阵列，如在基底104的一个部分111的放大视图中详细示出的那样。每个偶极天线元40包括一个中央馈电部42和一对从其向外延伸的分支44。各自的馈线可从基底104的另一侧接到各个馈电部42上。
相邻偶极天线元40的相邻分支44具有相互隔开的各自端部46，以增大相邻偶极天线元之间的电容耦合。相邻偶极天线元40具有使电容耦合增大的预定形状和相对位置。例如，相邻偶极天线元40之间的电容在大约0.016到0.636皮法(pF)之间，优选的是在0.159到0.239pF之间。当然，这些值可以根据实际应用按需要改变，以获得同样的所希望的带宽，如熟悉该技术的人员容易理解的那样。
如图5A所示，相邻分支44的隔开的端部46可以具有交错或交指部47，每个分支44包括一个细长的主体部49、一个与细长的主体部连接的展宽端部51和多个(例如四个)从展宽端部向外伸出的指53。
相邻分支44和相互隔开的各自端部46可以具有下列尺寸展宽端部51的长度E等于0.061英寸；细长主体部49的宽度F等于0.034英寸；相邻展宽端部51的组合宽度G等于0.044英寸；相邻分支44的组合长度H等于0.276英寸；每个指53的宽度I等于0.005英寸；以及相邻指53之间的间隔J等于0.003英寸。
宽带相控阵天线100具有一个所希望的频率范围，例如为2GHz到30GHz，相邻分支44的端部46之间的间隔小于所希望的最高频率的约半个波长。根据实际应用，所希望的频率可以是这个范围的一部分，例如为2GHz到18GHz。
或者，也可以是如图5B所示，相邻偶极天线元40的相邻分支44′具有相互隔开使相邻偶极天线元之间的电容耦合增大的各自端部46′。在这个实施例中，相邻分支44′的相互隔开的端部46′包括与细长主体部49′连接的使相邻偶极天线元40之间的电容耦合增大的展宽端部51′。在这里，例如相互隔开的端部46′之间的距离K为0.003英寸左右。
为了进一步增大相邻偶极天线元40之间的电容耦合，在相邻偶极天线元的相邻分支44″的相互隔开的端部46″之间跨接一个分立或体阻抗元70″，如图5C所示。
在所示的这个实施例中，相互隔开的端部46″具有与细长主体部49″相同的宽度。分立阻抗元70″优选的是在偶极天线元40形成后焊接在适当位置，使它们分别覆盖相邻偶极天线元40的各自相邻分支44″。这可以有益地在一个较小的区域内提供同样的电容，有助于降低宽带相控阵天线10的工作频率。
所例示的这个分立阻抗元70″包括串联在一起的一个电容器72″和一个电感器74″。然而，电容器72″和电感器74″的其他配置也是可行的，如熟悉该技术的人员会很容易知道的那样。例如，电容器72″和电感器74″可以并联在一起，或者分立阻抗元70″可以包括电容器而没有电感器或包括电感器而没有电容器。根据所计划的应用，分立阻抗元70″甚至可以包括一个电阻器。
分立阻抗元70″也可以连接在图5A所示的具有交错或交指部47的相邻分支44之间。在这种配置中，分立阻抗元70″由于消除了在交指电容器部47中流动的不对称电流从而有益地降低了天线方向图内的交叉极化。同样，分立阻抗元70″也可以连接在图5B所示的具有展宽端部51′的相邻分支44′之间。
使用各个分立阻抗元70″的另一个优点是这些分立阻抗元70″可以具有不同的阻抗值，因此可以针对不同的应用调整宽带相控阵天线10的带宽，如本领域技术人员容易知道的那样。此外，这个阻抗不取决于相邻介质层24和粘结层22的阻抗特性。由于分立阻抗元70″不受介质层24的影响，这种方式有益地使介质层24之间的阻抗与分立阻抗元70″的阻抗可以相互去耦。
进一步增大相邻偶极天线元40之间的电容耦合的又一个途径包括与相邻偶极天线元40的相邻分支44的相互隔开的端部46相邻地设置相应的印刷阻抗元80，如图5D所示。
各个印刷阻抗元80与相邻分支44由一个介质层隔开，优选的是印刷阻抗元80在形成偶极天线层20前形成，因此它们位于相邻偶极天线元40的相邻分支44之下。或者，也可以是各个印刷阻抗元80在形成偶极天线层20后形成。印刷阻抗元的更详细说明可以参考转让给本发明的当前受让方的美国专利申请No.10/308,424，该申请在这里列为参考予以引用。
优选的是，在第二表面108上的偶极天线元40b的中央馈电部42连接相应的负载150，使得这些偶极天线元将作为伪偶极天线元。负载150可以包括一个分立电阻器，如图6A所示，或者包括一个印刷电阻元152，如图6B所示。每个分立电阻器150在偶极天线元40b形成后焊接在适当位置。或者，也可以是每个分立电阻器150通过在中央馈电部42上淀积电阻胶来形成，如熟悉该技术的人员会容易知道的那样。相应印刷电阻元152可以在形成偶极天线元40b之前、在形成偶极天线元40b期间或在形成偶极天线元40b之后印刷，如熟悉该技术的人员也会知道的那样。负载150的电阻通常被选择成与接到有源偶极天线元上的馈线的阻抗匹配，在大约50到100欧姆的范围内。
接地面30与这些偶极天线元40a、40b相邻，用来进一步改善相控阵天线100的性能，边缘元40b电连接到接地面30上。接地面30优选的是与基底104的第一表面106间隔小于所希望的最高频率的半个波长。
对于一个由在基底104的第一表面106上的18个有源偶极天线元组成的阵列，图7A为计算得到的与边缘元40b紧邻的有源偶极天线元的VSWR对频率的曲线图，而图7B也是计算得到的同样的有源偶极天线元但在适当位置没有边缘元的情况下的VSWR对频率的曲线图。曲线160例示了在适当位置有边缘元40b的情况下从0.10到0.50GHz有益地有低的VSWR。边缘元40b使紧邻的有源偶极天线元接收到足够的通常通过基底104上的偶极天线元40a、40b传导的电流。
现在来看图8A和8B，对于在第一表面106中央或中央附近的有源偶极天线元40a来说，VSWR对频率的特性在两种配置(即在适当位置有和没有边缘元40b)之间相当一致。曲线164例示了计算得到的对于一个有源偶极天线元在适当位置有边缘元40b的情况下的VSWR，而曲线166例示了计算得到的对于同一个有源偶极天线元在适当位置没有伪元的情况下的VSWR。
在所示的相控阵天线100内，在第一表面106上有18个偶极天线元40a和在第二表面108上有18个偶极天线元40b。虽然对于这种相控阵天线100来说偶极天线元的个数并不局限于任何特定数量，在天线元的个数使得在第二表面108上的边缘元40b所占的百分比大于在第一表面106上的有源偶极天线元40a所占的百分比时特别有益。相控阵天线100的性能由于有源元40a延伸到基底104的第一表面106的边缘110而得到改善。
下面将详细说明带有边缘元40b的相控阵天线100的相应空腔座200。空腔座200是一个有一个接纳相控阵天线100的开口的盒，包括与基底104的其上有边缘元40b的各第二表面108相邻的信号吸收面204。
如以上所说明的那样，第二表面108上的偶极天线元40b是伪元。虽然伪元40b并不接到馈线上，但它们在跨接在中央馈电部42之间的各自负载150仍然接收信号。为了防止这些信号在空腔座200内被反射，在与伪元40b相邻处设置了信号吸收面204。
如果在适当位置没有信号吸收面204，反射信号就会引起电磁干扰(EMI)问题，而且反射信号也可能干扰基底104的第一表面106上的相邻有源偶极天线元40a。因此，信号吸收面204吸收反射信号，使得第一表面106上的偶极天线元40a呈现为似乎处在一个自由空间环境内。
每个信号吸收面204包括一个铁氧体材料层204a和一个与之相邻的导电层204b。诸如金属层之类的导电层204b防止任何RF信号辐射到空腔座200外。可以使用其他RF吸收材料层来代替铁氧体材料层，如熟悉该技术的人员会很容易知道的那样。
在另一些实施例中，信号吸收面204包括一个电阻层和一个导电层。电阻层涂在导电层上，使得导电层起着一个信号吸收面的作用。信号吸收面的这个实施例没有铁氧体材料层204a，从而降低了空腔座200的重量。在又一个实施例中，信号吸收面204只有导电层。
在相控阵天线100安置在空腔座200内时基底104的第一表面106基本上与空腔座的上表面共面。铁氧体材料层204a的高度优选的是至少等于基底104的第二表面108的高度。此外，空腔座200还载有多个功率分配器208，用来与基底104的第一表面106上的偶极天线元40a对接。在基底104的第二表面108与第一表面106垂直时，空腔座200具有一个底面206，它也与信号吸收面204垂直。
本发明的又一个方面旨在提供一种可有选择地起着一个吸收器的作用的相控阵天线300。具体地说，每个偶极天线元40具有一个通过馈线303接到它的中央馈电部42的开关302，有一个无源负载304接到这个开关上，如图9所示。开关302响应开关控制器307产生的控制信号，有选择地将无源负载304耦合到中央馈电部42上，使得偶极天线元40可有选择地起着一个吸收接收信号的吸收器的作用。
无源负载304被形成为耗散与接收信号关联的能量，它可以包括一个印刷电阻元或一个分立电阻器，如熟悉该技术的人员会很容易知道的那样。例如，无源负载304的电阻通常在50到100欧姆之间，以在偶极天线元40传送接收信号去处理时与馈线303的阻抗匹配。
随着频率范围从GHz范围降低到MHz范围，相控阵天线的尺寸明显增大。相控阵天线的尺寸增大对于部署和在要求小雷达截面(RCS)模式时都是问题。
对于RCS问题来说，各个开关302和无源负载304使相控阵天线300可以作为一个吸收器。例如，如果部署相控阵天线300的船只或任何其他类型的平台(固定的或移动的)想要保持小的RCS，就可以有选择地将相控阵天线的天线元耦合到各自的无源负载304上来耗散与任何接收信号关联的能量。在需要通信时，各个开关302断开无源负载304，使信号可以传送给发送和接收控制器14。
每个相控阵天线具有一个所希望的频率范围，接地面310通常与由偶极天线元40组成的阵列间隔小于所希望的最高频率的半个波长左右。此外，各偶极天线元40也可以相互间隔小于所希望的最高频率的半个波长左右。
在频率在GHz范围内时，偶极天线元40的阵列与接地面310之间的间距例如在30GHz时小于0.20英寸。这对于RCS和部署不一定会成为问题。然而，在相控阵天线300的工作频率在MHz范围内时，偶极天线元40的阵列与接地面310之间的间距例如在300MHz时增大到19英寸左右。由于相控阵天线300尺寸的增大，RCS和部署就成为问题。
现在来看图10，所示的相控阵天线300包括一个可充气的基底306，在它上面有一个由偶极天线元40组成的阵列。一个充气设备308用来对基底306充气。可充气基底306考虑了部署问题。在不部署或正在运输相控阵300时，将可充气基底306放气。然而，一旦相控阵天线300到位准备部署时，就对可充气基底306充气。
充气设备308可以是一个气泵。在充了气时，由偶极天线元40组成的阵列与接地面310之间就有了一个空气介质层。在300MHz，可充气基底306的厚度为19英寸左右。一些砥柱或连接件312可以伸展在可充气基底306的两个相对侧之间，使得基底充气后保持厚度均匀，如熟悉该技术的人员会很容易知道的那样。
各个开关302和负载304也可以封装在可充气基底306内。因此，相应的馈线303和控制线也通过可充气基底306。在另一些实施例中，各个开关302和负载304可以封装在可充气基底306外。在相控阵天线300作为一个吸收器时，控制器307切换开关302以将负载304跨接在阵列内的偶极天线元40的中央馈电部42之间。
可以在由偶极天线元40组成的阵列与可充气基底306之间添加一个任选的介质层320。介质层320优选的是具有比可充气基底306在充了气时的介电常数大的介电常数。较大的介电常数有助于改善相控阵天线300的性能，特别是在基底306用介电常数为1的空气充气时。介质层320可以具有大于1的介电常数，优选的是在例如大约1.2到3的范围内。可充气基底306可以用空气之外的气体充气，如熟悉该技术的人员会很容易知道的那样，在这种情况下可能不需要介质层320。可充气基底306甚至可以用可固化材料充填。
可充气基底306优选的是用一种聚合物制成。然而，也可以使用其他保持封闭式可弯曲基底的物质，如熟悉该技术的人员会很容易知道的那样。由偶极天线元40组成的阵列可以直接在可充气基底306上形成，也可以单独形成后用粘合剂粘到基底上。类似地，接地面310可以形成为可充气基底306的一部分，也可以单独形成后用粘合剂粘到基底上。
在相控阵天线300的另一个实施例中，通过在偶极天线元40的各中央馈电部42上连接相应的电阻元而将偶极天线元40永久性地配置为一个吸收器，如图6A和6B所示。这样一个吸收器可以用于无回声室，或者可以设置在一个目标(例如，卡车、罐等)附近以减小它的RCS，甚至可以设置在一个建筑物的顶上以减小来自其他信号的多径干扰。
如以上所说明的那样，本发明的另一个方面是通过在相邻偶极天线元的相邻分支的相互隔开的端部46″或46之间电跨接一个阻抗元70″或80进一步增大相邻偶极天线元40之间的电容耦合，如图5C和5D所示。本发明的这个方面并不局限于以上所例示的相控阵天线100。也就是说，在较大尺寸的基底104上可以使用阻抗元70″、80，如在授予Taylor等人的美国专利No.6,512,487中所讨论的，该专利在这里列为参考予以引用。
例如，该基底可以是12英寸×18英寸。在这个例子中，偶极天线元40的个数与一个43×65的天线元阵列相应，所得到的是一个由2795个偶极天线元组成的阵列。
对于这个尺寸较大的基底来说，由偶极天线元40组成的阵列可以配置成密度为每平方英尺大约100到900个偶极天线元。这个阵列中的偶极天线元40的大小和相对位置设计成使这个相控阵天线可在大约2到30GHz的频率范围内工作，扫描角为±60度左右(低扫描损失)。这样一个天线100′也可以具有10∶1或者更大的带宽，包括共形表面安装(例如，在飞机上)，而且比较轻，也便于低成本制造。如熟悉该技术的人员会很容易知道的那样，按照本发明设计的阵列中的偶极天线元40的大小和相对位置可以设计成使这个宽带相控阵天线可以在其他频率范围内例如在MHz范围内工作。
现在来看图11，本发明的又一个方面旨在提供一种包括这种尺寸较大的基底的馈通透镜天线60。馈通透镜天线60包括第一和第二相控阵天线100a′、100b′，优选的是这两个相控阵天线基本上是相同的。关于馈通透镜天线60的较详细的说明可以参考授予Durham、转让给本发明的当前受让方的美国专利No.6,417,813，该专利在这里整体列为参考予以引用。
该馈通透镜天线可以用于希望在一个诸如建筑物62之类的结构内在一个特定的带宽上复制一个电磁(EM)环境的各种应用。例如，馈通透镜天线60可以安在建筑物62的墙壁61上。馈通透镜天线60使来自一个发射机80(例如，蜂窝电话基站)的EM信号63可以在建筑物62内部被复制，从而可以被一个接收机81(例如，蜂窝电话机)接收。否则，一个类似的信号64可能部分甚至全部被墙壁61反射。
第一和第二相控阵天线100a′、100b′由一个耦合构件66背靠背地连接在一起。第一和第二相控阵天线100a′、100b′基本上与上面所说明的天线100类似，但优选的是去掉了边缘元40b。
权利要求
1.一种相控阵天线，所述相控阵天线包括一个具有第一表面和与第一表面邻接并在其间形成边缘的第二表面的基底；以及多个在第一表面上而其中至少一个的至少一部分在第二表面上的偶极天线元，每个偶极天线元包括一个中央馈电部和一对从其向外伸出的分支，以及相邻偶极天线元的相邻分支包括相互隔开的具有使所述相邻偶极天线元之间的电容耦合增大的预定形状和相对位置的各自端部。
2.一种按照权利要求1所述的相控阵天线，所述相控阵天线还包括接到其至少一部分在第二表面上的所述至少一个偶极天线元的中央馈电部上的负载；以及接到所述多个在第一表面上的偶极天线元上的各自馈线。
3.一种按照权利要求1所述的相控阵天线，所述相控阵天线还包括一个与所述多个偶极天线元相邻的接地面，其中，其至少一部分在第二表面上的所述至少一个偶极天线元接到所述接地面上。
4.一种按照权利要求1所述的相控阵天线，其中所述第二表面与第一表面垂直，所述基底具有一般为矩形的形状，它的顶面形成第一表面，而它的第一和第二对相对的侧面形成第二表面。
5.一种按照权利要求1所述的相控阵天线，其中每个分支包括一个细长主体部；以及一个与细长主体部的一端连接的展宽端部。
6.一种在一个基底上制造一个相控阵天线的方法，所述基底具有第一表面和与第一表面邻接并在其间形成边缘的第二表面，所述方法包括下列步骤在第一表面上形成多个偶极天线元，其中至少一个偶极天线元的至少一部分在第二表面上；每个偶极天线元包括一个中央馈电部和一对从其向外伸出的分支，在第一和第二表面上的相邻偶极天线元的相邻分支包括相互隔开的具有使所述相邻偶极天线元之间的电容耦合增大的预定形状和相对位置的各自端部。
7.一种按照权利要求6所述的方法，所述方法还包括下列步骤在其至少一部分在第二表面上的所述至少一个偶极天线元的中央馈电部上连接一个负载；形成一个与所述多个偶极天线元相邻的接地面；以及将其至少一部分在第二表面上的所述至少一个偶极天线元接到所述接地面上。
8.一种按照权利要求7所述的方法，其中所述基底具有一般为矩形的形状，它的顶面形成第一表面，而它的第一和第二对相对的侧面形成第二表面。
9.一种按照权利要求6所述的方法，其中形成所述多个偶极天线元的步骤包括形成具有一个细长主体部和一个与细长主体部的一端连接的展宽端部的每个分支。
全文摘要
本发明所揭示的相控阵天线(100)包括一个具有第一表面(106)和与第一表面(106)邻接并在其间形成边缘的第二表面(108)的基底(104)。多个偶极天线元(40a)处在第一表面(106)上，而至少一个偶极天线元(40b)的至少一部分处在第二表面(108)上。每个偶极天线元(40)包括一个中央馈电部(42)和一对从其向外延伸的分支(44)。第一和第二表面(106，108)上的相邻偶极天线元(40)的相邻分支(44)包括相互隔开的具有使相邻偶极天线元(40)之间的电容耦合增大的预定形状和相对位置的各自端部(46)。
文档编号H01Q21/00GK1853313SQ200480026723
公开日2006年10月25日 申请日期2004年7月28日 优先权日2003年8月4日
发明者威廉·F.·克劳斯维尔, 罗伯特·C.·泰勒, 安东尼·M.·琼斯, 蒂莫西·E.·杜尔哈姆 申请人:哈里公司