平板阵列天线的制作方法

平板阵列天线的制作方法
【专利摘要】一种平板阵列天线，具有将输入馈电耦合到多个主耦合腔体的波导网络。所述主耦合腔体的每一个设置有四个输出端口，所述输出端口的每一个耦合到喇叭辐射器。所述波导网络设置在输入层的第二侧和第一中间层的第一侧。所述主耦合腔体设置在所述第一中间层的第二侧并且所述输出端口设置在输出层的第一侧，所述输出端口的每一个与所述喇叭辐射器中的一个进行通信。所述喇叭辐射器设置为在所述输出层的第二侧的喇叭辐射器阵列。还可以应用比如第二中间层和/或槽层的附加层，以例如进一步简化所述波导网络和/或旋转极化。
【专利说明】平板阵列天线
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求Alexander P.Thomson、Claudio Biancotto 和 Christopher D.Hills于2011年11月16日提交的题为“Flat Panel Array Antenna”，序列号13/297，304的美国发明专利申请的权益。
【技术领域】
[0003]本发明涉及微波天线。更具体地，本发明提供一种利用腔体耦合来简化协同馈电网络要求的平板阵列天线。
【背景技术】
[0004]平板阵列天线技术还没有广泛应用于许可的商业微波点到点或者点到多点的市场，其中与有效的频谱管理一致的更严格的电磁辐射包络特性是常见的。从传统的反射器天线结构(比如主焦点馈电的轴对称几何结构)得到的天线解决方案以相对低的成本提供了较高水平的天线方向性和增益。然而，反射器碟和相关联的馈电的伸展结构可能要求显著地增强支撑结构来抵挡风负荷，这可能提增加整体成本。此外，反射器天线组件和要求的支撑结构的增加的尺寸可被视为视觉破坏。
[0005]阵列天线通常利用印刷电路技术或者波导技术。与自由空间接口的阵列的部件被称为元件，通常分别利用微带线几何结构(比如贴片、偶极子或者槽)或者波导部件(比如喇叭或者槽)。各个元件通过馈电网络相互连接，使得产生的天线的电磁辐射特性符合想要的特性，比如天线束指向方向、方向性以及旁瓣分布。
[0006]例如，平板阵列可以利用在谐振或行波配置中的波导或者印刷槽阵列形成。谐振结构通常不能实现在陆地点到点市场区段使用的带宽上要求的电磁特性，同时行波阵列通常提供随着频率以角位置移动的主波束辐射图。由于陆地点到点通信一般利用所使用的频带的不同部分上的间隔的去/回通道来工作，因此主波束相对于频率的移动可以防止两个通道的链接同时有效对齐。
[0007]协同馈电波导或者槽元件可以使固定的波束天线显示出适合的特性。但是，它可能必须选择一般小于一个波长的元件间隔，以避免不满足调整需求并且减损天线的效率的、被称为栅瓣的次级波束的产生。该紧密的元件间隔可能与馈电网络的尺寸相抵触。例如，为了适应阻抗匹配和/或相位均衡，需要大的元件间隔来提供足够的体积以不仅容纳馈电网络，也提供足够的材料以用于在相邻的传输线之间接触的电壁和机械壁(由此隔离相邻的线并防止不想要的行间耦合/串扰)。
[0008]天线阵列的元件的特征可在于阵列尺寸，比如2\2"元件阵列，其中N和M为整数。在典型的NxM的协同馈电阵列中，可以需要(NxM)-1个T型功率分配器，连同NxM个馈电弯曲部和多个NxM个阶梯式转换，以提供可接受的VSWR性能。由此，馈电网络要求可能是空间高效的协同馈电平板阵列的限制因素。
[0009]因此，本发明的目的是提供一种克服现有技术中的限制的装置，并且由此呈现一种使得这种平板天线能够提供接近在用于典型的微波通信链路的操作波段上满足最严格的电气规格的大得多的传统反射器天线的电气性能的方案。
【专利附图】

【附图说明】
[0010]并入并且构成该说明书的一部分的所附附图显示了本发明的实施方案，其中在附图中相同的附图标记指示相同的特征或者元件，并且可以不针对它们所出现的每个附图进行具体描述，并且所附附图连同以上给出的本发明的一般描述，以及以下给出的实施方案的具体描述，用于说明本发明的原理。
[0011]图1为示例性平板天线的示意性的等角前视图。
[0012]图2为图1的平板天线的示意性的等角后视图。
[0013]图3为图1的示意性的等距分解图。
[0014]图4为图2的示意性的等距分解图。
[0015]图5为图3的中间层的第二侧的近视图。
[0016]图6为图3的中间层的第一侧的近视图。
[0017]图7为图3的输出层的第二侧的近视图。
[0018]图8为图3的输出层的第一侧的近视图。
[0019]图9为平板天线的可选的波导网络实施方案的示意性的等角前视图。
[0020]图10为图9的平板天线的示意性的等角后视图。
[0021]图11为平板天线的示例性旋转极化实施方案的示意性的等角前视图。
[0022]图12为图11的平板天线的示意性的等角后视图。
[0023]图13为图11的示意性的等距分解图。
[0024]图14为图12的示意性的等距分解图。
[0025]图15为图13的槽层的近视图。
[0026]图16为图13的中间层的第二侧的近视图。
[0027]图17为图11的近视的部分切掉的前视图。
[0028]图18为平板天线的示例性第二中间层实施方案的示意性的等角前视图。
[0029]图19为图18的平板天线的示意性的等角后视图。
[0030]图20为图18的示意性的等距分解图。
[0031]图21为图19的示意性的等距分解图。
[0032]图22为图18的近视的部分切掉的前视图。
[0033]图23为图22的近视图，具有用于耦合腔体的尺寸参考。
[0034]图24为可选的第二中间层的第二侧的示意性的等距近视图。
[0035]图25为可选的第二中间层的第一侧的示意性的等距近视图。
[0036]图26为显不在层侧壁处具有输入馈电的E平面波导网络的输入层和第一中间层的示意性的等距视图。
[0037]图27为图26的近视图。
【具体实施方式】
[0038]发明人已开发了利用设置在堆叠层中的协同波导网络和腔体耦合器的平板天线。每个腔体耦合器的低损耗4路耦合大大地简化了对协同波导网络的要求，能够产生更高的馈电喇叭密度以提高电气性能。分层的结构能够实现成本高效的精确的大量生产。
[0039]如图1-8所示，平板阵列天线I的第一实施方案由若干层形成，每一层具有结合以形成馈电喇叭阵列4和RF路径的表面轮廓和缝隙，当层堆叠在彼此之上时，RF路径包括一系列封闭的耦合腔体和相互连接的波导。
[0040]RF路径包括将输入馈电10耦合到多个主耦合腔体15的波导网络5。主耦合腔体15中的每一个设置有四个输出端口 20，输出端口 20中的每一个耦合到喇叭辐射器25。
[0041]输入馈电10如图所示通常位于输入层35的第一侧30上的中心，例如以使得微波收发器能够紧凑安装到其上(利用可与传统的反射器天线所使用天线安装特征的进行交换的天线安装特征(未示出))。替代地，输入馈电10可位于层侧壁40处，例如图25上所示的在输入层35和第一中间层45之间，例如使得天线能够与收发器结构并排，其中所产生的平板天线组件的深度被最小化。
[0042]正如图3、4和6所示，波导网络5如图所示设置在输入层35的第二侧50上以及第一中间层45的第一侧30上。波导网络5将去往和来自输入馈电10的RF信号分配到设置在第一中间层45的第二侧50上的多个主耦合腔体15。波导网络5的尺寸可以设计成提供到每个主耦合腔体55的同等长度的电路径，以确保共同的相位和幅度。T型功率分配器55可以应用于反复划分输入馈电10以选路至主耦合腔体15中的每一个。波导网络的波导侧壁60还可以设置有用于阻抗匹配、滤波器和/或衰减的表面特征65。
[0043]波导网络5可以设置有矩形波导横截面，矩形横截面的长轴垂直于输入层35的表面平面(见图6)。替代地，波导网络5可以构造为其中矩形横截面的长轴平行于输入层35的表面平面(见图25-26)。在输入层35和第一中间层45之间的接缝70可施加在波导横截面的中点处，例如图6中所示。由此，出现在层接合处的任何泄露和/或任何尺寸缺陷会位于波导横截面的信号强度被最小化的区域处。此外，对通过注塑模分离的层制造的任何侧壁制定要求可以被最小化，因为在层的任一侧中形成的特征的深度被减半。替代地，波导网络5可以在输入层35的第二侧50上或者在第一中间层45的第一侧30上形成，其中波导特征在一侧或另一侧中的全波导横截面深度处，并且相对的侧起到顶部侧壁或者底部侧壁的作用，当层彼此叠置时闭合波导网络5(见图9和图10)。
[0044]主耦合腔体15的每一个通过到波导网络5的连接进行馈电，主耦合腔体提供到四个输出端口 20的-6B的耦合。主耦合腔体15具有矩形结构，其具有波导网络连接以及在相对侧的四个输出端口 20。输出端口 20设置在输出层75的第一侧30上，输出端口 20的每一个与喇叭辐射器25中的其中一个进行通信，喇叭辐射器25设置为在输出层75的第二侧50上的喇叭辐射器25的阵列。主耦合腔体15的侧壁80和/或输出层75的第一侧30可以设置有调谐特征85，比如突出进入主耦合腔体15中的隔壁90或者形成凹处的凹槽95，以平衡在波导网络5和每个主耦合腔体15的输出端口 20之间的传输。调谐特征85可以设置成在相对表面上彼此对称(见图23)和/或在输出端口 20之间呈等距间隔。
[0045]为了平衡在每一个输出端口 20之间的耦合，输出端口 20中的每一可以构造为平行于矩形腔AB以及输入波导AJ的长维度行进的矩形槽(见图22)。相似地，输出端口 20的短维度可以平行于腔AC的短维度对齐，腔AC的短维度平行于输入波导AG的短维度。
[0046]当利用在0.75和0.95个波长之间的阵列元件间隔来提供可接受的阵列方向性，并且在元件之间具有充分的界定结构时，腔体长宽比AB:AC例如可以为1.5:1。
[0047]示例性腔体的尺寸可以设计为:
[0048]深度小于0.2个波长，
[0049]宽度AC接近于nx波长，以及
[0050]长度AB接近于nx3/2波长。
[0051]示例性实施方案提供了具有与传递至输入馈电10的极化方向相同的极化方向的输出信号。在进一步的实施方案中，例如图11-17中所示，信号路径可以包括极化旋转，例如通过将槽层100插入在第一中间层45和输出层75之间。槽层100设置有多个哑铃形状的槽105 (见图15)，槽105中的一个分别与输出端口 20的每一个对齐。哑铃形状的槽105一般是具有远离槽105的纵向轴延伸的尾部的矩形槽，外表与常见的重量训练装置哑铃的轮廓相似。槽105可以以相对于主耦合腔体15的纵向轴的想要的旋转角度的一半对齐，并且输出端口 20相对于槽105的纵向轴进一步旋转想要的旋转角度的一半。本领域技术人员应当理解，槽层100的数量可以增加，其中想要的旋转角度的划分进一步分布在额外的槽层100之间。
[0052]在想要的旋转角度相对于在输入馈电10处的极化为45度之处，平板天线I可以以“金刚石(diamond)”取向安装，而不是“直角”取向(相对于方位轴)，并且受益于改进的信号模式，特别是相对于水平或垂直极化，因为金刚石取向使沿着这些轴中的每一个的喇叭辐射器的数目最大化，同时利用了阵列因子的优点。
[0053]为了帮助信号选路至轴偏离哑铃槽105，主耦合腔体15的调谐特征85可以类似地偏移为偏重于相邻哑铃槽105的端部的非对称对齐，例如在图16中所示。通过应用额外的耦合腔体的层可以得到波导网络5的进一步简化。例如，代替直接耦合到输出端口 20，主耦合腔体15的每一个可馈电中间端口 110，中间端口 110耦合到次级耦合腔体115，每个次级耦合腔体115又具有四个输出端口 20，输出端口 20的每一个耦合至喇叭辐射器25。由此，喇叭辐射器25的集中可以进一步增加4倍，并且成对的主耦合腔体15和次级耦合腔体115导致-12dB的耦合(_6dB/耦合腔体)，与等效的协同波导网络是可比较的，但其大大地降低了对需要用来提供在输入馈电10和每个输出端口 20之间的等效电长度的大量高密度波导布局回转的需求。
[0054]例如在图19和图20中所示，波导网络5可以类似地在输入层35的第二侧50和第一中间层45的第一侧30上形成。主耦合腔体15再次设置在第一中间层45的第二侧50上。中间端口 110设置在第二中间层120的第一侧30上，与主耦合腔体15对齐。次级耦合腔体115设置在第二中间层120的第二侧50上，与设置在输出层75的第一侧30上的输出端口 20对齐，喇叭辐射器25设置为在输出层75的第二侧50上的喇叭辐射器25的阵列。调谐特征85还可以应用于次级耦合腔体115，如在此以上关于主耦合腔体15所描述的。
[0055]上文针对在相邻的层面之间的波导网络5特征的划分所描述的替代方案可以类似地应用于主耦合腔体15和/或次级耦合腔体115。例如，耦合腔体的间隔壁可以应用在层接合处，耦合腔体的一部分设置在相邻层的每一侧中。
[0056]在具有主耦合腔体15和次级耦合腔体115的实施方案中，主耦合腔体15的尺寸例如大约为3x2x0.18个波长，而次级耦合115的尺寸可以为1.5x1x0.18个波长。
[0057]在输出层75的第二侧50上的喇叭辐射器25的阵列提高了方向性(增益)，增益随着元件缝隙增加，直到元件缝隙增加超过一个波长并且开始引入栅瓣。本领域技术人员应当理解，由于喇叭辐射器20中的每一个都同相地单独耦合至输入馈电10，因此已经消除了通常应用于遵从常见的馈电波导槽结构中的传播峰的现有的低密度1/2波长输出槽间隔，从而允许更近的喇叭辐射器20间隔并且因此有更高的总体天线增益。
[0058]由于设置了具有共同相位和幅度的小喇叭辐射器20的阵列，在传统的单个大喇叭结构中观察到的幅度和相位的削减已经被消除，单个大喇叭结构可能要求采用极深的喇叭或者反射器天线结构。
[0059]本领域技术人员应当理解，耦合腔体的简化的几何结构和波导网络要求的相应减小能够大大简化所要求的层表面特征，其降低了整体的制造复杂度。例如，输入层35、第一中间层45、第二中间层120 (如果存在)、槽层100 (如果存在)以及输出层75通过注塑和/或压铸工艺可以大量地以高精度成本高效地形成。当利用聚合物材料的注塑被用于形成层时，可以应用传导表面。
[0060]尽管耦合腔体和波导被描述为矩形的，但为了易于匹配和/或模分离，在电气性能和制造效率之间的权衡中，拐角可以是辐射状的和/或是圆形的。
[0061]随着频率升高，波长降低。因此，当想要的操作频率增加时，在协同波导网络内的物理特征(比如阶梯、渐缩和T型功率分配器)变得更小并且更难制作。由于耦合腔体的使用简化了波导网络要求，本领域技术人员应当理解，通过本平板天线能够产生更高的操作频率，例如高至26GHz，在26GHz之上所要求的尺寸分辨率/特征精度可以使制作具有可接受的容差和抑制的成本。
[0062]从前文中，很显然本发明给本领域带来具有减小的横截面的高性能平板天线，其是牢固的、轻量的并且可以以非常高水平的精度重复地、成本高效地进行加工。
[0063]构件的列表
[0064]I 平板阵列天线
[0065]5 波导网络
[0066]10输入馈电
[0067]15主耦合腔体
[0068]20输出端口
[0069]25喇叭辐射器
[0070]30 第一侧
[0071]35输入层
[0072]40层侧壁
[0073]45第一中间层
[0074]50 第二侧
[0075]55 T型功率分配器
[0076]60波导侧壁
[0077]65表面特征
[0078]70 接缝
[0079]75输出层
[0080]80 侧壁[0081]85调谐特征
[0082]90 频谱
[0083]95 凹槽
[0084]100 槽层
[0085]105 槽
[0086]110 中间端口
[0087]115次级耦合腔体
[0088]120第二中间层
[0089]在前文描述参考中的材料、比率、整数或部件具有已知的等同物的情况下，如果单独设置的话，这样的等同物被并入到本文中。
[0090]虽然本发明通过其实施方案的描述进行显示，以及虽然实施方案已经进行了相当细节的描述，但 申请人:的意图不是将当前权利要求的范围限制或者以任何方式限定为这样的细节。额外的优点和修改对本领域技术人员来说将是相当明显的。因此，本发明在其扩展的方面中并不受限于具体细节、代表性的装置、方法，以及显示的和描述的说明性示例。因此，装置可以根据这样的细节制造，而不脱离 申请人:的一般发明概念的精神或范围。而且，应当理解，可以对其做出改进和/或修改而不脱离如所附的权利要求所限定的本发明的范围或精神。
【权利要求】
1.一种平板阵列天线，包括: 波导网络，所述波导网络将输入馈电耦合到多个主耦合腔体； 所述主耦合腔体的每一个设置有四个输出端口，所述输出端口的每一个耦合到喇叭辐射器； 所述波导网络设置在输入层的第二侧和第一中间层的第一侧； 所述主耦合腔体设置在所述第一中间层的第二侧； 所述输出端口设置在输出层的第一侧，所述输出端口的每一个与所述喇叭辐射器中的一个进行通信；以及 所述喇叭辐射器设置为在所述输出层的第二侧的喇叭辐射器阵列。
2.根据权利要求1所述的平板阵列天线，其中所述输入馈电设置在所述输入层的第一侧。
3.根据权利要求1所 述的平板阵列天线，其中所述输入馈电设置在所述输入层和所述第一中间层之间的层侧壁上。
4.根据权利要求1所述的天线，进一步包括设置在所述输出层的第一侧的多个调谐特征； 所述调谐特征针对所述主耦合腔体的每一个而设置。
5.根据权利要求1所述的天线，进一步包括位于每个主耦合腔体的至少一个侧壁上的至少一个调谐特征。
6.根据权利要求1所述的天线，其中所述主腔体是矩形的。
7.根据权利要求1所述的天线，其中所述波导网络具有矩形横截面，所述矩形横截面的长轴垂直于所述输入层的表面平面。
8.根据权利要求1所述的天线，其中所述波导网络具有矩形横截面，所述矩形横截面的长轴平行于所述输入层的表面平面。
9.根据权利要求1所述的天线，进一步包括在所述第一中间层和所述输出层之间的槽层； 所述槽层设置有多个哑铃形状的槽，所述槽中的一个与所述输出端口的每一个对齐； 所述槽相对于所述主耦合腔体的纵向轴旋转想要的旋转角度的一半；以及 所述输出端口相对于所述槽的纵向轴旋转所述想要的旋转角度的一半。
10.一种平板阵列天线，包括: 波导网络，所述波导网络将输入馈电耦合到多个主耦合腔体； 所述主耦合腔体的每一个设置有四个中间端口，所述中间端口的每一个耦合到具有四个输出端口的次级耦合腔体，所述输出端口的每一个耦合到喇叭辐射器； 所述波导网络形成在输入层的第二侧和第一中间层的第一侧； 所述主耦合腔体设置在所述第一中间层的第二侧； 所述中间端口设置在第二中间层的第一侧； 所述次级耦合腔体设置在所述第二中间层的第二侧； 所述输出端口设置在输出层的第一侧；以及 所述喇叭辐射器设置为在所述输出层的第二侧的喇叭辐射器阵列。
11.根据权利要求10所述的平板阵列天线，其中所述输入馈电设置在所述输入层的第一侧。
12.根据权利要求10所述的平板天线阵列，其中所述输入馈电设置在所述输入层和所述第一中间层之间的层侧壁上。
13.根据权利要求10所述的天线，进一步包括设置在所述第二中间层的第一侧和所述输出层的第一侧的多个调谐特征；设置在所述第二中间层的第一侧的调谐特征与所述主耦合腔体的每一个对齐，并且所述输出层的第一侧的调谐特征与所述次级耦合腔体的每一个对齐。
14.根据权利要求10所述的天线，其中所述主腔体是矩形的。
15.根据权利要求10所述的天线，进一步包括位于每一个所述主耦合腔体的至少一个侧壁上以及每一个所述次级耦合腔体的至少一个侧壁上的至少一个侧壁调谐特征。
16.一种用于制造平板阵列天线的方法，包括以下步骤: 设置将输入馈电耦合到多个主耦合腔体的波导网络； 使所述主耦合腔体的每一个对四个输出端口进行馈电，所述输出端口的每一个对喇叭辐射器进行馈电； 将所述输入馈电设置在输入层的第一侧； 将所述波导网络设置在所述输入层的第二侧和第一中间层的第一侧； 将所述主耦合腔体设置在所述第一中间层的第二侧； 将所述输出端口设置在输出层的第一侧，所述输出端口的每一个与所述喇叭辐射器中的一个进行通信；以及 将所述喇叭辐射器设置为在所述输出层的第二侧的喇叭辐射器阵列。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述输入层、中间层和输出层通过注塑形成。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括将传导表面施加至输入层、中间层和输出层的步骤。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述输入层、中间层和输出层通过压铸形成。
20.根据权利要求16所述的方法，进一步包括将槽层插入在所述第一中间层和所述输出层之间的步骤； 所述槽层设置有多个哑铃形状的槽，所述槽中的一个与所述输出端口的每一个对齐； 所述槽相对于所述主腔体的纵向轴旋转想要的旋转角度的一半；以及 设置所述输出端口相对于所述槽的纵向轴旋转想要的旋转角度的一半。
【文档编号】H01Q21/10GK103947044SQ201280055028
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2012年6月13日 优先权日:2011年11月16日
【发明者】A·P·汤姆森, C·比安科托, C·D·希尔斯 申请人:安德鲁有限责任公司