组合天线、天线阵列以及使用该阵列天线的方法

组合天线、天线阵列以及使用该阵列天线的方法
【专利摘要】一种天线，包括：偶极子部分，其具有第一臂和第二臂；共模抑制滤波器；以及双导体传输线，其中双导体传输线被布置成用作偶极子馈电和单极子天线两者，并且其中双导体传输线的第一端被布置成待连接至发射机和/或接收机，双导体传输线的第二端连接至共模抑制滤波器的第一端，并且共模抑制滤波器的第二端连接至偶极子部分。
【专利说明】组合天线、天线阵列以及使用该阵列天线的方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及天线。更具体地，本发明涉及单极子天线元件和偶极子天线元件的组 合。本发明还涉及利用这些组合的天线元件的阵列天线。

【背景技术】
[0002] 偶极子天线为本领域所熟知的。单极子天线为本领域所熟知的。从如美国专利 5, 313, 218已知偶极子天线和单极子天线的组合，该专利公开了一种包括具有基本上垂直 的极化方向的偶极子天线和单极子天线的天线组件。偶极子天线设置有其一部分用作发射 RF信号的微带传输线的底板的平衡-不平衡转换器（balun)。微带传输线包括：第一部分， 其连接至同轴馈电线缆；第二部分，其具有分别通过第一开关连接至单极子天线和通过第 二开关连接至平衡-不平衡转换器部分的末端；以及第三部分。闭合开关使单极子天线操 作。第三部分用于对偶极子天线进行解谐。
[0003] 美国专利7, 289, 080公开了一种通过滤波实现较大带宽的偶极子天线元件和单 极子天线元件的天线。为了通过利用多端滤波提供自调节电长度，多个天线元件被隔离或 组合。
[0004] 美国专利申请2011/0163928公开了一种包括单极子和偶极子的天线。偶极子提 供第一天线元件和第二天线元件，第一天线元件和第二天线元件提供与单极子的纵轴共同 的纵轴。偶极子的第一天线元件连接至偶极子的第二天线元件并且连接至单极子。单极子 支承偶极子。天线还包括布置在单极子与偶极子之间的去耦合元件。


【发明内容】

[0005] 发明人已研究了如何改进有源相控阵列天线以及具体地如何改进其中通过以规 则或非规则阵列组织大量天线来完成方向性的天线。本发明是包括与单极子天线元件组合 的偶极子天线元件的组合天线，该组合天线借助发明特性已被赋予相同的谐振频率。多个 天线特别适合以这样的规则或非规则阵列来布置。
[0006] 组合天线包括偶极子部分、共模抑制滤波器以及用作偶极子馈电和单极子两者的 双导体传输线。传输线被布置成以共模和差模的任意组合来传输电流。共模抑制滤波器被 设计成：阻止共模电流进入天线元件的偶极子部分，而其同时允许差模电流通过来激发偶 极子。传输线被布置为正交于地平面，并且可以被认为是同轴的两个分离的传输线部分。第 一长度传输线起始于地平面的端口处，并且到达其连接的共模抑制滤波器的第一端。第二 长度传输线被布置成连接至共模抑制滤波器的第二端并且连接至偶极子。由此，共模抑制 滤波器被布置在第一长度传输线的远端处，并且其第一对端子连接在第一长度传输线的远 端处，偶极子被布置成与传输线垂直，并且经由第二长度传输线和经由第二对端子连接至 共模抑制滤波器。
[0007] 因此，可以设计一种除了具有变化长度的第一长度传输线以外还具有在地平面上 方的一定高度处的偶极子的天线。可以通过改变传输线的第一部分和第二部分的长度来转 变滤波器沿传输线的轴的位置。
[0008] 具体地，提出的共模抑制滤波器的实施方式是以两个互相缠绕的线圈形式，其中， 如图3和图4所示，每个线圈连接至一个偶极子臂和一个传输线导体。
[0009] 当在阵列天线中使用多个天线实例时，可以使用另外的两种技术。参见图5,第一 种技术涉及在组合天线下方布置波纹化地平面，以获得单极子/共模激发的适当的阻抗匹 配。第二种技术涉及在偶极子所在平面的上方并且与偶极子所在平面平行地布置一个或更 多个介电层，以针对宽角扫描使偶极子元件在例如H-平面中匹配，H-平面由偶极子天线元 件限定。
[0010] 上述发明可以结合以下项来使用：
[0011] ?产生为共模和差模的线性组合的激发的馈电网络。
[0012] ?如通过使用同轴连接器将地平面下方的双导体传输线转换成两个独立的传输 线。
[0013] 发明构思
[0014] 根据本发明的组合天线元件如上所述包括传输线、滤波器以及偶极子。传输线如 屏蔽线对能够支持共模电流和差模电流。差模适合于激发偶极子。在本发明中，由于将传 输线的另一端处的相位控制电路假定为对称的双导体几何图形，所以在此省略常规的平 衡-不平衡转换器--一种将如同轴的传输线几何图形转换成对称的双导体几何图形的装 置。
[0015] 为了说明天线的基本功能，可以考虑不具有滤波器的天线。我们将假定传输线是 在大的地平面中终止的屏蔽线对传输线。内部导体从地平面突出，并且连接至对称的天线 元件。如果天线利用差模激发，则天线元件的偶极子部分将进行辐射并且进行反向辐射，如 果进入波由偶极子元件接收，则其将在传输线中引起差模。通过偶极子几何图形（包括到 地平面的距离，但不在传输线几何图形上）首先确定天线元件的偶极子部分的谐振频率。
[0016] 另一方面，如果这样的天线利用共模激发，则传输线的从地平面突出的部分连同 偶极子一起将用作单极子天线。通过传输线的突出部分的长度和偶极子长度的一半的总和 来确定谐振频率。当总和为四分之一波长时，这样的天线是近似谐振的。因此，共模激发的 谐振频率比差模激发的谐振频率低，其在偶极子长度为波长的一半时谐振。由于偶极子通 常被定位在距地平面四分之一波长处，所以所产生的共模激发的谐振频率为差模激发的谐 振频率的一半。
[0017] 图1中示出了从成对传输线创建的天线。如果天线利用共模激发，则天线将作为 单极子操作，而如果天线利用差模激发，则天线将作为偶极子操作。由于几何图形，所以对 于两种模式谐振频率不同（即，λ π4 λd)。
[0018] 现在转到图2,本专利申请最主要的是改变共模激发的谐振频率、特别是将其改变 成差模谐振频率的滤波器的添加。当天线利用共模激发时，可以在电流到达元件的偶极子 部分之前通过反射电流来增大单极子的谐振频率。此外，天线元件的偶极子部分应仍由差 模激发。在本发明中，这利用作为共模抑制滤波器的滤波器来完成。传输线可以被布置成 具有不同的长度来对单极子谐振频率进行调谐，在从地平面到滤波器的距离为四分之一波 长时出现第一谐振。
[0019] 必须强调的是，该滤波器未被设计成减小共模在端口处的影响或阻止如通常在其 他应用中进行的天线中的共模激发。该构思相反，旨在利用共模来创建另外的天线元件。
[0020] 图2中示出了一种设置有共模抑制滤波器的天线。该滤波器减小单极子的谐振长 度。通过沿传输线上下移动滤波器，可以改变单极子的谐振长度。可以对这些模式进行调 谐，使得他们对于相同的频率（即，λ' π= λ d)谐振。
[0021] 问题
[0022] 在很多天线应用中，希望从所有可能的方向接收无线电信号。然而，天线元件的辐 射图不是完全全向的。总是存在与最佳方向相比天线元件从其接收较小的功率的方向。对 于直的线元件如偶极子和单极子，辐射图在线的方向上具有盲点。
[0023] 在将天线元件布置在地平面的顶部上时可能产生另外的盲点。可以将在大的地平 面上方且与大的地平面平行的偶极子建模为两个平行的偶极子，其中，第二偶极子是第一 偶极子在地平面中的镜像图像。第二偶极子将具有以第一偶极子上的电流的相反方向定向 的电流，因此两个偶极子的组合辐射图将在与地平面平行的辐射方向上抵消。另一方面，从 大的地平面正交突出的单极子在地平面的平面中具有其辐射最大值，而在地平面的法线方 向上具有辐射盲点。
[0024] 本发明意在减少天线系统的辐射图中的不期望的盲点或曾为盲点的局部最小值 的问题。
[0025] 解决方案
[0026] 本发明的目的是减少天线系统的辐射图中的不期望的盲点或曾为盲点的局部最 小值的问题。通过组合具有根本不同的辐射图的两个天线元件--与地平面平行的偶极子 和与地平面正交的单极子--进行减少。这两种天线元件借助发明特性已被赋予相同的谐 振频率，并且通过在这两种元件之间进行选择来减少盲点方向。
[0027] 因此，根据本发明的第一方面，提供了一种天线，包括：
[0028] 偶极子天线元件，其具有中心馈电点；
[0029] 共模抑制滤波器；
[0030] 双导体传输线；
[0031] 其中，双导体传输线被布置成从地平面延伸到第一高度（h)，双导体传输线在第一 高度（h)处连接至共模抑制滤波器，该共模抑制滤波器被布置和连接在双导体传输线的远 端与偶极子的馈电点之间。
[0032] 根据以上的天线，其中，传输线的长度被布置成：以使得无论滤波器的物理尺寸和 第一高度，在滤波器与偶极子之间进行连接，并且能够使偶极子位于地平面上方的第二高 度上。
[0033] 根据以上的天线，其中，偶极子被直接布置和连接在滤波器的顶部上。
[0034] 根据以上的天线，其中，双导体传输线的第一端待连接至发射机和/或接收机，双 导体传输线的第二端连接至共模抑制滤波器的第一端，并且共模抑制滤波器的第二端连接 至偶极子部分。
[0035] 根据以上的天线，其中，双导体传输线被布置成以共模和差模的任意组合来传输 电流。
[0036] 根据以上的天线，其中，共模抑制滤波器被设计成：阻止共模电流进入天线的偶极 子部分，而其同时允许差模电流通过来激发偶极子。
[0037] 根据以上的天线，其中，共模抑制滤波器被设计作为两个相互缠绕的线圈。
[0038] 根据以上的天线，其中，每个线圈连接至一个偶极子臂和一个传输线导体。
[0039] 根据以上的天线，其中，波纹化地平面被布置以获得单极子/共模激发的适当的 阻抗匹配。
[0040] 根据以上的天线，其中，一个或更多个介电层被布置在偶极子部分上方。
[0041] 根据以上的天线，其中，介电层被布置成与偶极子所在的平面平行。
[0042] 根据以上的天线，其中，双导体传输线和在滤波器上方的一段长度的传输线同时 构成天线的有源元件和结构元件。
[0043] 根据本发明的第二方面，提供了一种天线阵列，天线阵列包括根据以上的多个天 线元件，并且具有共同的地平面。
[0044] 根据以上的天线阵列，其中，地平面被波纹化。
[0045] 根据以上的天线阵列或根据以上的天线，其中，一个或更多个介电层被布置在偶 极子部分上方。
[0046] 根据以上的天线阵列，其中，介电层被布置成与偶极子所在的平面平行。
[0047] 根据本发明的第三方面，提供了一种将根据以上的阵列天线用于雷达目的的方 法，该方法包括以下步骤：
[0048]-利用差模雷达脉冲信号激发阵列天线；
[0049]-使阵列天线元件之间的差模脉冲信号进行相移来实现扫描；
[0050]-接收雷达回声信号；
[0051] -处理雷达回声信号；
[0052] -利用共模雷达脉冲信号激发阵列天线；
[0053] -使阵列天线元件之间的共模脉冲信号进行相移来实现扫描；
[0054] -接收雷达回声信号；
[0055] -处理雷达回声信号。

【专利附图】

【附图说明】
[0056] 现在将结合附图借助本发明的一个或更多个实施方式来对本发明进行进一步说 明，其中：
[0057] 图1示出了从成对传输线创建的组合天线的透视图。
[0058] 图2a示出了设置有共模抑制滤波器的组合天线。
[0059] 图2b示出了图2a的在滤波器上方还设置有一段长度的传输线的组合天线。
[0060] 图3a示出了紧凑共模抑制滤波器的第一实施方式。
[0061] 图3b示出了紧凑共模抑制滤波器的第二实施方式。
[0062] 图3c示出了紧凑共模抑制滤波器的第三实施方式。
[0063] 图4a和图4b示出了天线布置。
[0064] 图4c示出了从上方看的阵列天线的组合扫描区。
[0065] 图5a和图5b示出了利用介电层和反射板改进的阵列天线布置的示例。
[0066] 图6示出了标记有某些参数的组合天线。
[0067] 图7a和图7b示出了对于共模激发和差模激发分别划分的、将天线的反射系数表 示为当偶极子长度和单极子高度变化时单天线的频率的函数的曲线。
[0068] 图8a和图8b示出了对于共模激发和差模激发分别划分的、将天线的反射系数表 示为当反射板高度和顶部介电片厚度变化时阵列天线的频率的函数的曲线。

【具体实施方式】
[0069] 足义和符号
[0070] 在本文献中将以下面明确定义的含义来使用下面的术语和符号：
[0071] "天线元件"是具有两种含义的术语。在单天线术语中，天线包括天线元件，即天线 部件。在阵列天线术语中，天线元件是阵列中的天线之一。
[0072] "反射板"用于表示一种被布置在天线附近的导电材料片，以创建改进或改变天线 的谐振频率的波纹化地平面。
[0073] "偶极子天线"是一种包括相等长度的、平行取向的且它们之间具有彼此小的间隔 的共线的两个直的杆或线状导体的天线。
[0074] "单极子天线"是一种包括直的杆状导体的天线，该天线通常垂直安装在被称为地 平面的某些类型的导电表面上。
[0075] " λ /用于表示单极子天线的谐振波长。
[0076] " λ /'用于表示偶极子天线的谐振波长。
[0077] " λ 用于表示设置有根据本发明的滤波器的单极子天线的谐振波长。
[0078] "元件间距离"用于表示通常在天线阵列中的两个天线元件之间的距离。
[0079] "反射板间距离"用于表示两个反射板之间的距离。
[0080] "阵列天线"是表示以图案布置的并且被连接以创建与单天线相比具有较好的特 性的天线的多个天线的术语。
[0081] "线性阵列（天线）"是表示其中阵列以直线布置（被称为线性阵列）的天线阵列 的术语。
[0082] " 1 "和" LD "可互换地用于表示偶极子长度。
[0083] "端口"在本文中用于表示传输线的横截面，在此进入以及反射的波被激发和接 收，并且是从其测量传输线的长度的多个点之一。端口通常位于连接器的预定位置处或传 输线与地平面的横截面处。
[0084] "波纹化":地平面在其不是平面的（平坦的）而是波状和/或设置有反射板时被 波纹化。
[0085] "WAM" ：宽角阻抗匹配
[0086] "ΜΜ0"：多输入多输出
[0087] 图1示出了由成对传输线145U25创建的组合天线的透视图。偶极子部分130、 110包括左臂130和右臂110,每个臂是平行取向且以它们之间的小间隔彼此共线的杆或线 状金属导体。如果天线由共模信号激发，则天线将操作为单极子，而如果天线由差模信号激 发，则天线将操作为偶极子。由于几何图形，所以这两种模式谐振频率不同（即λ π# Xd)。
[0088] 图2a示出了一种组合天线，该组合天线具有偶极子210、230和单极子225、245部 分，并且设置有共模抑制滤波器250。滤波器250连接在成对传输线225、245的远端260与 偶极子的馈电点240、220之间。滤波器250减小由传输线225、245形成的单极子的谐振长 度。通过沿传输线225、245上下移动滤波器，可以改变单极子的谐振长度。可以对模式进 行调谐，使得它们针对相同的频率（即λ'π= λ d)谐振。这将在下面单独的示例中示出。
[0089] 图2b示出了与图2a中所示的组合天线类似的组合天线。然而，图2b的天线还设 置有布置在滤波器的上端子与偶极子的端子之间的靠近偶极子部分的、具有长度为h'的 第二长度双导体传输线291、292。因此，可以有利地将滤波器下方的传输线称为"第一长度 双导体传输线"245、255。在滤波器上方提供这个另一长度的传输线的优点是：可以在不影 响提供用作单极子的传输线245、255的长度h的情况下对在地平面280之上的偶极子210、 230的高度Η进行控制，因此，长度h应为大约四分之一的所使用的波长的固定长度。因此， 有利的是，由于较容易调节偶极子的长度和滤波器下方的传输线的长度，以使得它们的谐 振频率变成一样，并且仍然能够使从天线设计者的角度最有利的在地平面上具有高度为Η 的偶极子。从如图2b中清晰地看出，第一长度传输线和第二长度传输线两者被布置成其长 度轴在同一方向上，并且偶极子的长度轴被布置成在与该方向正交的方向上。
[0090] 激发模式
[0091] 在共模激发模式下，即当同一信号被施加至两条引线时，滤波器阻止该信号至偶 极子，该偶极子变成无源的，并且起到可以被理解成"不存在"的作用。因此，双第一长度双 导体传输线起到由同一信号激发的两个平行的单极子的作用。
[0092] 在差模激发下，即当在所施加的信号之间存在180度的相位差时，滤波器允许信 号通过至偶极子，该偶极子变成有源的，并且起到可以被理解为偶极子天线的作用。双引线 传输线即高至滤波器的部分起到由具有180度相位差的信号激发的两条平行引线的作用， 因此如同单极子一样无助于辐射。
[0093] 滤波器的实现
[0094] 作为示例，可以使用两条互相缠绕的螺线管来实现适当的共模抑制滤波器。存在 将螺线管连接的两种可能性。第一种可能性是变压器，其中一个线圈在左臂230与右臂210 之间连接至天线元件的偶极子部分，并且一个线圈在传输线的左导体245与传输线的右导 体225之间连接至传输线。第二种可能性--将在本申请中更详细地讨论的--是在如 图3a中所示的最佳情况即每个线圈连接在一个偶极子臂230、210与一个传输线导体245、 345、225、325之间时。在第二种可能性的情况下，由于楞次定律和由强的互阻抗所引起的另 一线圈中的几乎相等强度的电流，一个线圈中的电流将在其自身中感应出定向为与该线圈 中的电流的方向相反的电流。
[0095] 可以针对那些频率在线圈的芯中使用铁素体，这是因为铁素体适合于增加线圈的 电感和互阻抗，从而减小滤波器的尺寸。
[0096] 线圈滤波器
[0097] 图3a、图3b和图3c示出了共模抑制滤波器的三种实现。
[0098] 在图3a中，滤波器的第一实现包括两个螺旋线圈370、375。这种类型的线圈可以 容易地通过在管上缠绕线来制造；那么该管可以用作传输线的支承结构。图3b示出了螺 旋形线圈380。这个线圈380可以使用与地平面平行并且与偶极子共面的平面电路板来制 造；对于固定的导体宽度和导体间间隔，在不增加线圈的直径的情况下，可以使用几个层来 增加平面线圈的数量和电感。图3c示出了可以使用平面电路板来制造并且线圈的轴在基 板平面中的线圈390。由于可以使用同一基板来支承偶极子、滤波器以及传输线，所以这是 可行的。本发明的线圈是紧凑的。如果该滤波器与偶极子长度相比是大的，并且地平面与 包括偶极子的平面之间的距离接近四分之一波长，则单极子的谐振长度变得短于偶极子， 这将阻止偶极子和单极子在同一频率下谐振。因此，本发明的滤波器被布置成紧凑的。
[0099] 滤波器可以以不同的匝数实现。
[0100] 天线-滤波器示例
[0101] 图4a和图4b示出了滤波器如何被包括在天线设计中的示例。将沿传输线的方向 的滤波器长度布置成短的，使得传输线的长度长到足以使单极子在与偶极子相同的频率下 谐振。在图4b中示出了印刷在基板420上的天线。基板420被安装在具有两个同轴连接 器的地平面（图中未描绘）上。通过分别使用同相或逆相的相等幅度激发端口来创建共模 和差模。由于单极子和偶极子在偶极子H-平面中具有正交极化，所以可以使用如这种天线 来提高系统的极化分集。可替代地，可以在ΜΙΜΟ应用中使用该天线。
[0102] 阵列天线中的元件
[0103] 首先设想天线元件用于但不限于针对大扫描角度扫描的大阵列天线中。单极子和 偶极子两者可以用于偶极子的Η-平面的平面中的接近端射的扫描。假定使用线性相移激 发大阵列。为了包括互耦合的效应，在本文献中输入阻抗是有源输入阻抗。因此，天线的输 入阻抗是相移的函数，即扫描方向的函数。当天线从宽面辐射朝向端射扫描时，阻抗改变， 并且期望天线变成针对特定扫描区匹配良好。对于本发明的天线元件，满足特定要求如有 源反射系数低于-10dB的扫描区对于共模单极子和差模偶极子在尺寸上不同。通过组合这 两种模式的扫描区，可以增大阵列天线的总的扫描区。当阵列沿其中元件之一具有辐射盲 点的方向如对于单极子宽面扫描或对于偶极子在E-平面中接近端射扫描时，这是特别有 价值的特性。图4c示出了从上面看的阵列天线470的组合扫描区445、450,该阵列天线470 使用如本文献中所述的发明设计的天线元件。因此，如上所述，可以结合天线元件之间的相 移的应用分别通过以差模和共模激发来实现偶极子扫描区445和单极子扫描区450。
[0104] 宽阻抗匹配层
[0105] 为了改进偶极子在H-平面中的宽角度扫描性能，在天线的顶部上放置介电层。这 些层可以被建模成取决于入射角度和极化而改变值的电纳。
[0106] 靠近元件的介电层的另一有用特性是它们可以用于减小天线元件的尺寸。当天线 的偶极子部分的有效长度等于自由空间中的半波长时，出现谐振。元件的顶部上的介电片 将减小有效波长，进而使元件的谐振长度变短，并且使元件可以较小地被制作。特别地，一 个原因是紧凑的元件重要，其使得较易于紧密组装元件。为避免矩形网格阵列中的栅瓣，必 须针对天线最高操作频率使元件间间隔比半波长小。
[0107] 使用反射板来使单极子匹配
[0108] 当使用具有两种模式的传输线时可能产生的问题是：对于使一个元件匹配而不影 响其他元件的匹配所可以做的改变存在限制。上述滤波器是能够做到此点的器件，并且介 电层505、507可以被用于相同的意图。反射板510是可以用于使天线元件的单极子部分匹 配而对单极子几乎没有影响的器件。参见图5,反射板510从地平面520突出，并且与偶极 子天线210、230平行。
[0109] 这些反射板510可以改变单极子的阻抗（电阻和电抗）（如从地平面的界面处的 传输线看到的）。结合滤波器位置，可以将单极子的输入电阻和电抗控制到一定程度从而改 进对共模传输线特性阻抗的匹配。可替代地，可以由两个同轴端口来激发元件，然后可以使 用反射板以使元件匹配同轴端口的有源阻抗。反射板可以以等于沿由偶数划分的天线元件 的偶极子部分的H-平面的元件间距离的周期数来布置。较短的反射板间距离DIB会得到 与使用较长的反射板间距离类似的结果，但会有反射板长度或厚度的增加。
[0110] 反射板已预先用于减小偶极子阵列中的元件或槽型元件之间的耦合。在偶极子的 天线阵列中，反射板可以用于使偶极子匹配E-平面中的大的扫描角度，该角度不是本发明 中的意在扫描方向。与那些阵列不同，此处的作用是使元件的单极子部分匹配而非增大偶 极子元件。图5a和图5b示出了具有反射板和WAIM的阵列的示例。
[0111] 因此，本申请描述了一种创造性的天线元件。该天线元件是借助支持共模和差模 的传输线来连接的偶极子和单极子的组合。通过由共模激发天线，单极子被激发，并且通过 由差模激发天线，天线元件的偶极子部分被激发。
[0112] 该设计的关键特征是共模抑制滤波器，其用于在由共模激发时阻止电流进入偶极 子臂。这使得能够设计天线元件的单极子部分使得该单极子部分具有与天线元件的偶极子 部分相同的谐振频率。
[0113] 可以单独使用以及以大阵列的方式使用天线元件。可以在阵列的顶部上使用介电 层来减小天线元件的尺寸，并且针对大的扫描角度使天线匹配。此外，可以在元件之间使用 反射板来改变单极子的输入阻抗。结合适当地选择滤波器的位置，这些反射板可以用于在 不显著改变偶极子的匹配的情况下匹配单极子天线。
[0114] 方法
[0115] 一种将根据本发明的阵列天线用于雷达目的的方法，可以包括以下步骤：
[0116] -利用差模雷达脉冲信号来激发阵列天线；
[0117] -使阵列天线元件之间的差模脉冲信号进行相移以实现扫描；
[0118] -接收雷达回声信号；
[0119] -处理雷达回声信号；
[0120] -利用共模雷达脉冲信号来激发阵列天线；
[0121] -使阵列天线元件之间的共模脉冲信号进行相移以实现扫描；
[0122] -接收雷达回声信号；
[0123] -处理雷达回声信号。
[0124] 示例
[0125] 示例1单天线
[0126] 现在参照图6,图6示出了地平面上的并且由两个同轴线缆601、602馈电的单天 线。偶极子具有长度1，并且被定位在地平面之上的偶极子高度Η上。滤波器250被定位使 得其最低点被布置在地平面之上的滤波器高度h上。该滤波器高度还与第一长度双导体传 输线对应，或更确切地与第一长度双导体传输线相等。在下面的两个示例中，偶极子长度和 滤波器位置改变但偶极子高度Η不变。给出作为共模的反射系数（虚曲线）和差模的反射 系数（实曲线）的结果。共模等效于单极子激发的有源反射系数，而差模等效于偶极子激 发的有源反射系数。
[0127] 由此，图7a和图7b示出了对于共模激发和差模激发分别划分的将天线的反射系 数表示为当偶极子长度和单极子高度变化时单天线的频率的函数的曲线。将共模激发的结 果示为虚曲线，而将差模激发的结果示为实曲线。
[0128] 在第一示例中，针对偶极子长度1分别为57mm、59mm以及61mm来计算反射系数。 偶极子高度固定在H = 39mm，并且滤波器高度固定在h = 34mm。从图中明显看出，偶极子的 谐振频率如预期的那样发生变化，即随偶极子长度增大而减小，并且由于由滤波器250阻 止共模电流进入偶极子这一事实，所以单极子的谐振频率不变。
[0129] 示例2单天线
[0130] 在第二示例中，在地平面之上的滤波器位置h在32mm、33mm和34mm之间变化，并 且H = 39mm且1 = 59mm。图7b中示出了仿真结果。当h改变时单极子的谐振频率变化。 这是由于共模在天线元件中的不同位置处被反射。此外，由于滤波器允许共模通过偶极子， 所以偶极子的谐振频率不改变。
[0131] 阵列示例
[0132] 在下面的阵列示例中，假定阵列在一定程度上无限并且在偶极子的Η平面中扫描 天线。从地平面的法线测量扫描角度Θ。偶极子的Η平面中的元件间距离为50mm，1 = 47mm，h = 32mm，H = 38mm，并且发射板高度bh是下面的示例中的参数。此外，天线由两个 介电片覆盖；来自偶极子并且与偶极子的上部直接接触的第一计数为5mm厚并且相对介电 常数为3。第二层位于第一层的顶部上，并且厚度为w h，并且相对介电常数为2。
[0133] 图8a和图8b示出了对于共模激发和差模激发分别划分的将天线的反射系数表示 为当发射板高度和介电片厚度变化时阵列天线的频率的函数的曲线。
[0134] 示例3阵列天线
[0135] 在第一阵列天线示例中，反射板高度bh在0mm、4mm、8mm之间变化，同时w h = 7. 5mm 且θ = 70°。从图8a中可以看出，当高度改变时共模的反射系数改变，同时共模较小地被 影响。
[0136] 示例4阵列天线
[0137] 在第二阵列天线示例中，顶部介电片的厚度wh在0. 5mm与7. 5mm之间变化，同时 bh = 8mm且Θ =60°。在图8b中给出结果。在该图中，示出了如果将顶部介电层制成较 薄的情况下将发生什么。对于关于所有示出的频率具有高于-10dB的反射系数的差模出现 最大变化。另一方面，虽然不是完全没有影响，但是片高度的变化较小影响共模。
【权利要求】
1. 一种天线，包括： 偶极子天线元件（210, 230)，其具有中心馈电点（220, 240); 共模抑制滤波器（250); 第一长度双导体传输线（225,245)， 其中，所述第一长度双导体传输线（225, 245)被布置成从地平面延伸到第一高度（h)， 所述第一长度双导体传输线（225,245)在所述第一高度（h)处连接至所述共模抑制滤波器 (250)，所述共模抑制滤波器（250)被布置和连接在所述第一长度双导体传输线（225, 245) 的远端（260)与所述偶极子的所述馈电点（220,240)之间。
2. 根据权利要求1所述的天线，其中，第二长度传输线（291，292, h'）被布置，以使得 无论所述滤波器（250)的物理尺寸和所述第一高度（h'）如何，在所述滤波器（250)与所述 偶极子（210, 230)之间进行连接，并且使所述偶极子能够位于所述地平面上方的第二高度 ⑶上。
3. 根据权利要求1所述的天线，其中，所述偶极子（210, 230)被直接布置和连接在所述 滤波器之上。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的天线，其中，所述第一长度双导体传输线的第 一端待连接至发射机和/或接收机，所述第一长度双导体传输线的第二端连接至所述共模 抑制滤波器（250)的第一端，并且所述共模抑制滤波器的第二端连接至所述偶极子部分 (230,210)。
5. 根据权利要求4所述的天线，其中，所述第一长度双导体传输线被布置成以共模和 差模的任意组合来传输电流。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的天线，其中，所述共模抑制滤波器被设计成阻止 共模电流进入所述天线的所述偶极子部分，但却让差模电流通过以激发所述偶极子。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的天线，其中，所述共模抑制滤波器被设计为两个 相互缠绕的线圈。
8. 根据权利要求7所述的天线，其中，每个线圈连接至一个偶极子臂，并且连接至一个 第一长度传输线导体（245)。
9. 根据前述权利要求中的任一项所述的天线，其中，波纹化地平面被布置以获得单极 子/共模激发的适当的阻抗匹配。
10. 根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中，一个或更多个介电层被布置在所述 偶极子部分上方。
11. 根据权利要求10所述的天线，其中，所述介电层被布置成与所述偶极子所在的平 面平行。
12. 根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中，所述第一长度双导体传输线（245， 225)和在所述滤波器（250)上方的所述第二长度双导体传输线（291，292)同时构成所述天 线的有源元件和结构元件。
13. -种天线阵列，包括根据权利要求1至12中任一项所述的多个天线元件，并且具有 共同的地平面。
14. 根据权利要求13所述的天线阵列，其中，所述地平面被波纹化。
15. 根据权利要求13所述的天线阵列或根据权利要求1所述的天线，其中，一个或更多 个介电层被布置在所述偶极子部分上方。
16. 根据权利要求15所述的天线阵列，其中，所述介电层被布置成与所述偶极子所在 的平面平行。
17. -种将根据权利要求11所述的阵列天线用于雷达目的的方法，包括以下步骤： 利用差模雷达脉冲信号激发所述阵列天线； 对阵列天线元件之间的差模脉冲信号进行相移来实现扫描； 接收雷达回声信号； 处理雷达回声信号； 利用共模雷达脉冲信号激发所述阵列天线； 对阵列天线元件之间的共模脉冲信号进行相移来实现扫描； 接收雷达回声信号；以及 处理雷达回声信号。
【文档编号】H01Q21/00GK104106179SQ201280067252
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2012年1月17日 优先权日:2012年1月17日
【发明者】安德斯·埃尔加特 申请人:萨博公司