现有的微波天线设计的种类繁多，包括由平面导电元件阵列组成的那些微波天线设计，该平面导电元件阵列与地平面间隔开。
宽带双极化相控阵在许多应用中越来越受期待。这种阵列(包括向入射场呈现垂直导体的元件)经常遭受高交叉极化。许多系统功能都有明确的极化要求。一般来说，在整个带宽上都期望有低交叉极化。
相互耦合总是发生在阵列天线中，它与元件类型、波长方面的元件分离以及阵列几何形状有关。它通常是必须避免栅瓣产生的宽带宽阵列中的一个特别的问题。
申请人自己的在先公开的PCT申请WO2010/112857和英国专利申请：GB2469075，描述了双极化的宽带阵列。该专利中的一个例子在图1至4中示出，并在下文进行描述。
在图1中，中心元件50被四个等间隔元件52,54,56,58围绕。中心元件50经由各自的电容器C耦合到元件52和54。中心元件50还用各自的元件56和58形成两个元件对的一半。进一步地，这些元件可以被封装在薄层60中的两层电介质之间。该天线设计还包括与主天线层60间隔开的另一无源导电层62。
图2示出了图1的相同核心“单格”元件。两个信号注入或激励端口被编号为70,72，以及两个耦合电容器被编号为74,76。
图3是示出了天线块结合图1和图2单格的的功能层的示意图。图2的有源层与接地层间隔开，并且无源层与有源层间隔开，以使无源层比有源层更远离接地层。无源层是可选的，因为它也在在本发明中。它是与主有源天线元件阵列层平行且间隔开的导电层。无源层是与有源阵列相似的导电元件的另一层，并且优选地与有源阵列一起布置，以使两个阵列的元件对齐。
如图4和5所示，单格被构建成更大的阵列。图4示出使用图1-3中所示的现有技术元件的类型的较大阵列。可以很容易看出，除了阵列边缘的元件外，不在边缘的元件虽然物理上相同，但实际上可以被归类为两种不同的类型。如前所述，可以被认为是中心元件(标记为“A”)的元件，如前文所述，与两个其他元件形成两个偶极子的一部分，并且另外电容耦合到另外两个元件。阵列中的另一种类型的元件仅形成一个元件对的一部分，并且仅电容耦合到另一个元件。图5显示了一个完整的阵列。
现有技术天线的一种不同类型是“Munk”天线，如B.Munk“Atenband，low profile array of end loaded dipoles with dielectric slab compensation(具有电介质平板补偿的末端加载偶极子的宽带、低调阵列)”(Antennas Applications Symp(天线应用讨论会)，pp.149-165，2006)所示，使用完全不同的方法来设计宽带阵列。图6显示了一个示例。阵列元件之间有意使用相互耦合，并通过引入电容进行控制。元件由耦合偶极子(14,20)和耦合偶极子(12,16)的一部分组成。偶极子端部之间的电容C使辐射场变得平滑，并实现宽的带宽。通过在双极阵列顶部放置电介质层来增强频带和扫描角度所需的阻抗稳定性。
叠加的电介质层对于Munk偶极阵列的设计是非常重要的。为了获得宽带宽，需要三或四层电介质板，使得大规模阵列成本变高。
使用Munk阐述的原理的一种天线类型是电流片阵列(CSA)。图6中示出了一种通过使用紧密间隔的偶极子元件形成的CSA。其结构包括：偶极子阵列(图1中所示的一个部分)顶部的两层介电材料(2,6)，以及两侧的两个薄片(两者都显示为层8)，以在其中嵌入偶极子元件(12,14,16,18,20,22)。
图7示出了使用图6中所示的现有技术元件的类型的更大阵列。可以很容易地看出，这个阵列中的每个单独的元件都与阵列中所有其他元件相同(当然在阵列边缘的元件除外)。通常，每个元件与另一个这样的元件形成辐射元件对的一部分，并且还电容耦合到一个这样的元件。
新的交叉环设计有效地延长了元件内的电长度，但仍然保持用于旁瓣控制的最优元件空间。该结构在垂直平面上变得更加紧凑，可能产生更高的效率。新结构也要求相邻元件之间有更高的电容，从而高频点和低频点之间的阻抗变化变得最小。
对于移动通信应用，天线的两个极化元件之间的隔离一般要求至少为-30dB，对于射电天文来说甚至更低。
为了解决这个问题，申请人自己的专利申请WO2015/019100中描述了进一步的改进。参考图1-5上文描述的天线的有源平面，以及与本发明类似的，有源平面可以被认为是“双极化”的；也就是说，它们在两个方向上被馈送信号。图1和图2所示的方向是水平的和垂直的(均在纸面内)。有效地，所述天线提供了两个正交极化的元件组。在使用中，它们是独立驱动的，并且它们之间可能存在一些不希望的相互耦合。
专利WO2015/019100的技术是布置两个极化元件中的每一个的组件，使得一个元件的组件位于与另一个元件的组件分离的平面中。两个元件共有的任何组件都可以被复制，即包括在两个平面中。一个例子包括位于公共电介质板的分离侧上的两个极化元件中的每一个。如图8a和8b所示。
因为极化1和极化2在图8a和图8b中分别不可见,因此图8a和8b示出了用于极化1和极化2的元件相同的结构。为了清楚起见，电介质层被省略。地平面100与有源阵列106的下层102和上层104间隔开，该下层和上层可选地被电介质层110分开。下层102包括在第一极化中起作用的天线的元件，而上层104包括在第二极化中起作用的天线的元件。
还示出了可选的无源反射层112，其位于比有源天线层更远离地平面的位置。
由于每个有源层与地平面和无源层的距离不同，所以它们的输入阻抗将彼此不同。
本发明的目的在于提供一种比现有技术性能有所提高的新型阵列天线结构。
在广义上，本发明的目的是提供与图1-5不同的核心单元结构(在天线的两个极化元件之间提供改进的隔离)，相对于图1-5的布置没有使用图8中分离的有源层布置。尽管可选地，分离的有源层布置也可以与本发明的单格结构一起使用。
因此，在第一方面，本发明提供了一种改进的结构，用于在孔径阵列中的双极化元件之间更好的隔离。
因此，可以提供一种包括单格阵列的天线阵列，每个单格包括两个第一类型的环形元件和两个第二类型的环形元件，其中，在每个单格中：
第一类型的元件包括平衡馈电，以在第一极化方向产生辐射，
第二类型的元件包括平衡馈电，以在第二极化方向产生辐射，以及
第一类型的每个元件电容耦合到位于相邻单格的第一类型的另一元件，以及
第二类型的每个元件电容耦合到位于相邻单格的第二类型的另一元件。
这种布置改善了两个平衡馈电产生的辐射之间的间隔。
天线元件的环形形状有助于提高阵列的整体性能。特别地，基于这些元件的阵列可以在相邻元件之间具有更大的电容，这是所期望的。而在一些现有技术的阵列中，元件之间的电容可能被限制到非常低的值，例如0.1或0.2皮法(pF)，而本发明中元件的电容可以达到1皮法。
术语“环形”旨在涵盖笼统的圆形的形状，即包括多于5个边(优选8个)的多边形以及真圆。此外，本文所用的术语“环形”包括实心形状，也包括可以在其中心具有不导电材料的区域的形状。例如，天线阵列的元件可以是环形的，优选地是八角环。
优选地，在每个单格中，第一类型的两个元件所在的第一轴线垂直于第二类型的两个元件所在的第二轴线。优选地，单格中第一类型的元件以及它们电容耦合的元件全部位于第一轴线上，并且单格中第二类型的元件以及它们电容耦合的元件全部位于第二轴线上。
在一个实施例中，单格的元件可以被分成两个平面。所有单格的第一类型元件位于第一平面中，所有单格的第二类型元件位于第二平面中，并且第一平面和第二平面间隔开。
天线阵列的第一平面和第二平面之间的优选间隔可以在5mm和25mm之间。这可以随着工作频带变化。
天线阵列的第一平面和第二平面之间的优选间隔可以在5mm和10mm之间。这可能随着工作频带变化。
可以设置单格的第二阵列，天线阵列包括仅仅到第一阵列的一个或多个信号馈电。
天线阵列的第二阵列的元件可以布置在两个平面中，其中，与第一平面中第一阵列的元件相匹配的第二阵列的元件位于第三平面中，以及与第二平面中第一个阵列的元件匹配的第二阵列的元件位于第四平面中。
天线阵列的第三平面和第四平面之间的优选间隔可以在5mm和25mm之间。这可以随着工作频带变化。
天线阵列的第三平面和第四平面之间的优选间隔可以在5mm和10mm之间。这可随着工作频带而变化。
天线阵列的第三平面和第四平面之间的间隔可以等于第一平面和第二平面之间的间隔。
天线阵列的元件可以是非偶极的形状。
天线阵列还可以包括通过介电材料层与平面元件阵列隔开的接地面。
天线阵列层的电介质材料可以是发泡聚苯乙烯泡沫。
天线阵列的元件之间的电容耦合可以通过这些元件相互交叉的区域来实现。
在本发明的一些实施例中，两种类型的元件具有相同的物理结构(如将在附图中所示的)，但是在本发明中，布置元件以使它们执行上述设置的一种或另一种类型的功能。
优选地，两个平衡馈电被相互垂直放置，每个馈电将产生一个独立的线性极化信号。这被称为双极化天线。
当然在实际中，这种天线阵列的尺寸并不是无限的，并且在任何阵列的边缘处都会有额外具有例如第三类型的元件的单格。此外，这种元件在物理结构上可能与前两种元件的元件相同，但由于处于阵列的边缘处，它不能以相同的方式连接。
在本发明的一些实施例中，通过包含离散电容来设置电容耦合。然而，在可替代实施例中，电容效应通过将正被耦合的相应元件的互相交叉区域来实现。
优选地，选择交叉区域的大小以及交叉的量，以提供电容耦合的期望水平。
在另一方面，本发明提供了一种创建天线阵列的方法，包括提供具有如前所述元件的单格的步骤，以及如前所述的布置它们的步骤。
优选地，在每个单格的天线阵列中，元件围绕中心点均等间隔。
对于每个单格，天线阵列可选地包括两个低噪声放大器(每个平衡馈电一个),其位于中心点周围，并且比该格的元件更靠近中心点。
优选地，两个低噪声放大器位于单格的平面和地平面之间的平面中。可选地，对于每个单格，两个低噪声放大器位于与单格相同的平面中。
现在将参考附图描述本发明的实施例，其中：
图1示出了现有技术的示例—来自申请人在先专利的“八角环形天线”，其利用八角形“环形”元件。
图2示出了图1的单格。
图3是天线块结合图1和图2的单格的的功能层的示意图。
图4示意性地示出了图2的单格如何组合以形成更大的阵列。
图5示出了利用图1的设计的较大阵列的实施例。
图6示出了现有技术Munk天线的示例。
图7示出了图6的Munk天线格的较大阵列。
图8a和8b示出了分离的有源层实施例。该图示出了图2的单格，但是可应用于本发明的单格。
图9示出了本发明的单格的一个实施例。
图10示意性地示出了图9的单格如何组合以形成更大的阵列。
图11示出了与图4设计相比图10的设计的耦合性能。
图12示出了与图4设计相比图10的设计的正交性能。
图13示出了本发明中包括低噪声放大器组件的单格的俯视图。
图14a是图13的示意性侧视图。
图14b是图14a的透视侧视图。
图14c是不同实施例的透视图，示出了位于与单格相同平面的低噪声放大器。
图15是根据图13的更大的单格阵列的视图。
图16和17显示了图15的阵列的性能。
图9示出了本发明的单格的一个实施例。单格由四个元件组成，在这种情况下是环形元件200,202,204和206。这四个元件可以被认为是两对，每一对提供一个平衡馈电。第一对是元件200和202，第二对是元件204和206。可以看出，每对元件所应用的各自的轴线互相垂直，并且这些轴线在大致在所有四个元件的中间的中心点相交。中心点202是电连接到四个元件中每一个元件的位置，从而使信号可以被馈电到元件。第一对连接(未标示)由元件200和202构成，使得它们能够作为平衡馈电被驱动，以在第一极化方向产生辐射。类似地，第二对连接由元件204和206构成，向那些元件提供平衡馈电，以在第二极化方向上产生辐射。
该单格的每个元件电容耦合到相邻单格的各自的元件。电容耦合显示为210,212,214和216。优选地，对准单格阵列，以使相邻的电容耦合元件和它们所耦合的元件位于相同的轴上。
图10示出了图9的单格阵列。“X”表示每个信号注入点，“0”元件表示单格的单独元件，“-”和“|”表示相邻格的元件之间的电容耦合连接。
图11示出了用图9的单格制成的阵列与用图1的单格制成的阵列的反射系数及改进的耦合性能的比较。
类似地，图12示出了改进的正交性能。被称为“设计#2”的线是由图9的单格构成的阵列，被称为“设计#1”的线涉及图1的单格构成的阵列。
图13和14示出了元件物理连接布置的选择。在图14中，标有“LNA”的模块表示一对低噪声放大器。低噪声放大器中的一个被耦合以向第一对元件提供信号(对应于图9的元件200和202)。
类似地，第二低噪声放大器被耦合以向第二对元件提供平衡信号(对应于图9中的204和206)。图14a还示出了这种布置的侧视图，示出了低噪声放大器块恰好位于其上形成有天线环的衬底之下。这种布置提供了易于制造，并且能够形成非常紧凑的天线的结构。图14b示出了图14a的透视图。
图14c示出了不同的连接布置。在这种布置中，低噪声放大器模块位于与元件基本相同的平面中，因此，相对于该单格的四个元件，每个单格的LNA对位于中央。这提供了一种非常低损耗的天线布置。
图16和17示出了本发明的阵列的性能。它表明，新设计在宽带宽和宽扫描角度下显示出优异的阻抗稳定性。
虽然示出了环形元件，但是其他形状的元件(例如圆形或正方形或八角形)可以替代使用。元件也可以是实心的,而不是中空的或环形的。
大容量电容器可以焊接在八角环(或其他形状)元件之间。可选地，并且优选地，通过互相交叉间隔开的端部来设置电容，以控制相邻ORA元件之间的电容耦合。交错的指状物(fingers)可以代替元件之间的大容量电容器，以提供增加的电容耦合。对于具有165mm间距的双极化ORA阵列，使用1pF的电容器，例如每个电容器可以用12个指状物构建，其指状物的长度为2.4mm。指状物之间的间隙是例如0.15mm。在图2中所示。单格配置以h＝70mm，Lg＝110mm，sf＝0.9为依据。
元件间距例如是165mm，用于元件间的大容量电容器的电容值为1pF。
对于单个无源反射层(其在两个5mm的有源层之间具有间隔)，两个极化的反射系数如图6所示。
如前所述，可以使用具有两个有源层的布置，其中每个有源层包含产生单个极化方向辐射的元件。此外，可以任选地引入两个反射层溶液。有效的，用与有源层相同的分离方式，将无源(反射)层分离成它的两个构成性的极化层，其中较低的无源层对应于较低的有源层，较高的无源层对应于较高的有源层。这使得这两对有源和无源层之间的距离保持相同或相似。因此，用于两个极化的相应的无源层环也以与有源层相同的距离分开。
已经参考优选实施例描述了本发明。这些实施例的修改，其他实施例及其修改对于本领域技术人员将是显而易见的，因此在本发明的范围内。