相控天线元件的制作方法

本发明涉及一种用于相控阵列天线，特别是用于ghz频率范围的相控天线元件。

背景技术：

相控天线元件要将从天线元件辐射和/或接收的电磁波的相位以简单的方式任意调整、管理和控制。

已知借助各种可控相位控制元件(“移相器”)能够空间地改变静止的天线组的天线图。从而，主射束能够被转向不同方向。由此，相位控制元件改变由阵列天线的不同的单个天线接收或发送的信号的相对相位。如果通过相位控制元件相应地调整单个天线的信号的相对相位，则阵列天线的天线图的主瓣(“主射束”)指向期望的方向。

当前已知的相位控制元件主要包括非线状实体(“固态移相器”)，主要为铁氧体、微开关(mems技术，二进制开关)或液晶(“liquidcristals”)。然而，这些技术都具有如下缺点，即它们都经常导致严重的信号损失，因为高频功率的部分在相位控制元件中被耗散。特别是在ghz范围的应用中，阵列天线的天线效率由此急剧下降。

此外，传统的相位控制元件需要总是容纳在阵列天线的馈送网络中。这导致馈送网络以及因此阵列天线自身的尺寸的不期望的增大。此外，阵列天线通常很重。

使用传统的相位控制元件的相控阵列天线非常昂贵。特别是对于10ghz以上的民用应用，这阻碍了其应用。

另一个问题在于对阵列天线的天线图的精确控制。仅当从阵列天线的天线元件所发送或接收的所有信号的幅度关系和相位关系在各个时间点(即，任意状态)下均精确已知时，才能够实现这样的控制。

然而，当前还没有已知的相位控制元件的技术允许在相位控制元件之后可靠地瞬时确定信号的相位。因此，需要随时能够可靠地确定相位控制元件的状态。然而，这实际上对于固态移相器和mems移相器或者液晶移相器都是不可行的。

此外，固态移相器通常包括非线性部件，这使得确定幅度关系是非常难的或者完全不可能的。此外，通常这样的移相器的衰减值和波阻抗取决于相位旋转的值。

由微开关(mems技术)制成的移相器通常以二进制工作。对于二进制移相器，原则上各个信号的相位只能在某些步骤中粒状地设置。天线图的高精度的对准原则上是不可能的。

此外，对于液晶移相器，存在特性取决于环境影响的问题。部件的特性显示了很强的温度和压力相关性，并且例如在较低的温度下冻结。

从us6822615b2已知一种相控天线阵列，其包含可电控的透镜以及mems移相器。de9200386u1公开了一种符合八木原理(yagi-prinzip)的天线结构，其中寄生元件从套筒形间隔件之间的圆形的、中心穿孔的盘被推动到支撑管上。

技术实现要素：

因此本发明的目的在于提供一种相控天线元件，特别是用于相控阵列天线并且用于ghz频率范围，其中，

1.允许对天线元件所发送和/或接收的信号的相位的精确设置和控制；

2.在任何时刻都允许瞬时确定所接收和/或发送的信号的相位；

3.波阻抗与相位不相关；

4.不引起或仅引起很少的损耗；

5.相位控制和天线功能集成在单个部件中；以及

6.能够低成本地实现。

通过根据本发明的具有权利要求1的特征的相控天线元件实现该目的。从从属权利要求、说明书以及附图获得本发明的其它有利改进方案。

相控天线元件包括驱动单元6和具有信号耦出和耦入部7的波导辐射器1，在信号耦出和耦入部中引入了可旋转相位控制元件2。

其中，相位控制元件包括支撑件3、固定在支撑件3上的至少两个偏振器4以及连接元件5。

所述至少两个偏振器4均能够将圆形偏振信号转换为线性偏振信号。相位控制元件2可旋转地安装在波导辐射器1中并且借助连接元件5与驱动单元6连接，使得驱动单元6能够使相位控制元件2绕着波导辐射器1的轴8旋转，如图1概略所示。

在图2中示出了本发明的基本操作原理。向波导辐射器1中入射的具有圆形偏振和相位的入射波19a通过第一偏振器4a转换为具有线性偏振的波19b。该具有线性偏振的波通过第二偏振器4b再次转换为具有圆形偏振的波9c。

如果此时相位控制元件2借助驱动单元6和连接元件5在波导辐射器1中转动角度δθ，则线性波的偏振矢量19b在两个偏振器4a与4b之间在与轴10(电磁波的传播方向)垂直的平面中跟着旋转。因为偏振器4a同样跟着旋转，所以由第二偏振器4b生成的圆波19c具有的相位。于是具有的相位的圆波19c能够借助信号耦出和耦入部7从波导辐射器1耦合输出。

由于通过天线元件的相位控制部的构造，出射的圆波19c与入射的圆波19a之间的相位角差与相位控制元件2的旋转之间的关系是严格的线性的、稳定的并且为严格的2π周期。此外，任何相位旋转或相移都可以通过驱动单元6连续地调节。

因为在电动力学上，相位控制元件2是纯无源部件，其不包含任何非线性部件，所以其功能是完全互易的。也即，从下向上穿过相位控制元件2的波与从上向下穿过相位控制元件2的波的相位以相同的方式旋转。

从而，能够任意调整由波导辐射器1发送和接收的信号的相位。同时，发送和接收操作也是可能的。

并且，波导辐射器1的波阻抗在结构上完全与入射波和出射波的相对相位无关。

这与借助如半导体移相器或液晶移相器这样的非线性移相器控制相位的天线元件的通常情况不同。这类天线元件中，波阻抗取决于相对相位，这使这些部件难以控制。

此外，相位控制实际上无损耗地操作，因为在适当的布局下由偏振器4a、4b和电介质保持器3造成的损失非常小。

例如在20ghz的频率下，总损失少于0.2db，相当于超过95％的效率。相比之下，传统的移相器通常在该频率下已经具有几db的损耗。

关于其高频特性，根据本发明的相控天线元件与如在天线场中已经使用的相应的没有相位控制的天线元件几乎没有区别。

因此，已知，例如以电介质填充的喇叭辐射器，尤其是频率大于20ghz的情况下，因其天线效率高而被用于天线场中。如果利用根据本发明的相控天线元件实现这样的天线场，则尽管有额外的相位控制，但是天线场的hf特性，特别是天线增益和天线效率，有利地仅有微小的变化。

根据本发明的装置的另一优点在于在单个部件中集成了相位控制功能和天线功能，然而它们互相独立。

波导辐射器1有利地设计为使得其包括至少一个筒状波导管节(部段)。从而，安全地确保了其能够在其内部形成柱状对称的电磁震动模式(模式)的圆形偏振，其能够被偏振器4转换为线性偏振模式。

相反，波导辐射器的波导终端以及其开口(孔径)不一定必须具有圆形截面。根据耦出和耦入部7的类型，波导终端可以实现为例如锥形或单边阶梯状。波导辐射器的孔径在二维天线场中例如也可以设计为锥形、方形或矩形的。

然而，因为柱状对称模式也存在于具有非圆形截面的，例如，椭圆形或多边形截面的波导中，所以可以想到波导辐射器的其他设计。

在圆形波导中，一般形成已知的柱形模式。因此，如果可以相应地设计信号耦出和耦入部7，则使波导辐射器1形成为圆形波导可能是有利的。

此外，为了优化相控天线元件的天线增益，有利的是波导辐射器1设计为喇叭辐射器。

顺便提及，用于给定工作频带的波导辐射器1的尺寸设计是由已知的天线技术的方法实现的。

用于相位控制元件2的旋转轴10优选地位于筒状波导件的对称轴上，该筒状波导件优选地包括波导辐射器1。从而，能够确保以最佳方式实现通过偏振器4的模式转换。

优选地，至少两个偏振器4a和4b互相平行地并且与旋转轴(10)垂直地安装在支撑件3中。于是，偏振器之间的线性模式可以不受干扰地形成。

如果驱动单元6配备有角位置传感器或者如果其自身已经被赋予角位置(就像例如在某些压电电机中的情况一样)，由波导辐射器1所辐射和/或接收的波19a的相位能够在任意时刻瞬间确定，即立刻精确地确定，无需进一步计算。

因为相位控制元件2的简单构造以及仅需要构造十分简单的驱动单元6的事实，所以能够非常低成本地实现相控天线元件。而且，例如为了较大阵列天线的应用，大量相控天线元件的复制也容易实现。

作为驱动单元6，可以是例如低成本的电动机和微电动机以及压电电机或由电活性材料构成的简单致动器。

连接元件5优选地设计为轴并且优选由非金属的介电材料构成，例如塑料。这具有如下优点，即，当轴对称地安装在波导辐射器1中时，筒状的中空形态不会受到干扰，或者只会受到非常小的干扰。

然而，如果使用同轴模式驱动波导辐射器1，则也可以使用金属化的轴。在这样的情况下甚至可以考虑，将驱动单元6直接安装在波导辐射器1中的相位控制元件2上。

然而，还可以考虑使驱动单元6非接触地，例如经由旋转的磁场使相位控制元件2旋转。为此，例如，当例如偏振器的部件由磁性材料构成时，可以例如在波导辐射器的终端上方安装磁性转子，其与旋转磁场共同用作连接元件5。

偏振器4a、4b例如可以由施加在传统的支撑材料上的简单的、平坦的弯曲型偏振器构成。这些偏振器可以通过已知的薄膜蚀刻方法或者通过加成法(“电路印刷”)制造。

如图3所示，至少两个偏振器4a和4b优选地具有关于轴10对称的形状，使得其能够以简单的方式容纳在波导辐射器1的柱状对称的波导管节中。

图3所示的偏振器4a、4b被设计为弯曲型偏振器。有利的是，多层的弯曲型偏振器，即，相互平行排列的、仅互相分开波长长度的一小部分的结构，因为其可以具有大的频率带宽并且能够实现宽带操作。

然而，还存在许多其他可行的用于电磁波的偏振器的实施方式，其能够将圆形偏振的波转换为线性偏振的波。

还可以考虑信号偏振的转换不通过平坦的偏振器而是例如通过空间上分布于支撑件中的结构(例如片式偏振器(septum-polaristoren))来实现的实施方式。对于本发明的功能重要的是，该结构能够首先将具有圆形偏振的向波导辐射器1中入射的波转换为具有线性偏振的波，然后再转换回具有圆形偏振的波。

对于支撑件3，可以使用如已知的具有非常小的hf损耗的低密度的闭孔泡沫，还可以使用塑料材料，如聚四氟乙烯(teflon)或聚酰亚胺。因为在一个波长的范围内，特别是在10ghz以上的频率中，相位控制元件的尺寸小，所以通过与波导辐射器1中的相应电磁模式匹配的相应的阻抗匹配下hf损耗也非常小。

因为在电力学上来看，特定工作频率下的相位控制元件2的尺寸设计与特定工作频率下的波导辐射器1的尺寸设计以相似的方式实现，所以通常相位控制元件2能够容易地安装在波导辐射器1内部。

因此，根据波导辐射器1的已知设计规则，其最小直径通常在工作频率的波长范围内。波导辐射器1在入射波的方向上的尺度通常为工作频率的某些波长。

因为根据已知的阻抗匹配方法，偏振器4a、4b以及它们之间的间隔还设计为对应于工作频率的波长，所以相位控制元件的尺寸总是在波导辐射器1的尺寸范围内。

在20ghz的频率下，例如，相位控制元件2的尺寸通常在小于一个波长的范围内，即，约1cm×1cm。如果支撑件3设计为介电填料并且介电常数选择得相应的大，则还能够实现非常小形状。虽然欧姆的损失略有上升，但仍然只在百分数范围内。

在任何情况下，即使波导辐射器1的尺寸选择得非常小，通过适当选择支撑件3的材料的介电常数，也可以使相位控制元件2为小的，从而使其位于波导辐射器1中。

附图说明

下面将参考其余附图示出本发明的示例性实施例：

图4示出ms技术中的相控天线元件；

图5示出具有介电填料的相控天线元件；

图6示出用于线性模式的相控天线元件；

图7示出ms技术中用于线性模式的相控天线元件；

图8示出具有额外的可旋转偏振器的相控天线元件。

参考标记列表

1波导辐射器

2相位控制元件

3支撑件

4、4a、4b偏振器

5轴，连接元件

6驱动单元

7耦出和耦入部

7a、7b微带线

9、9a、9b、9c、9d填料

10轴

12驱动器

13连接件

19、19a、19b、19c波

41、42额外偏振器

71基板

72通路

73凹部

具体实施方式

图4示意性地示出相控天线元件的一个实施方式。

波导辐射器1设计为筒状喇叭辐射器，并且信号耦出和耦入部7在hf基板71上以微带技术实施。

用于圆形模式的耦出和耦入的微带线7在此设计为环形。其优点在于，能够直接地并且几乎无损耗地激励和断开波导辐射器1中的柱状对称的波导模式。

波导辐射器1至少部分地以如下方式在耦出部7的位置处被切除，即，将信号耦出和耦入部7及其基板71引入波导辐射器1中并且对齐。

为了不发生在波导辐射器1的内壁上流动的hf电流的干扰，设置了导电通路(“贯穿孔(vias)”)72，其使得在波导辐射器1的引入耦出和耦入部7的位置的上部和下部之间产生连续的电接触(所谓的“通过栅栏”)。

此外，在基板71中设置凹部73，通过该凹部能够引导在驱动单元6与相位控制元件2之间进行连接的轴5。

此外，在图4的实施例中，偏振器4的支撑件3实施为介电填料9，其完全填充波导辐射器1的截面。

支撑件的这样的实施方式能够是有利的，因为由此可以减弱波导辐射器1中的模式的阻抗匹配，并且可以抑制不期望的模式。

其中，作为介电填料的材料，尤其可以是具有低表面能的塑料材料，例如聚四氟乙烯(teflon)或聚酰亚胺，其在波导辐射器1旋转时仅产生非常小的可忽略不计的摩擦。

在图5中示意性示出的实施方式中，信号耦出和耦入部7被实施为两个正交的、销状的微带线7a和7b这两部分，其各自位于两个分开的叠置的基板上。

当要利用相控天线元件同时接收和/或发送两个正交偏振的信号时，这样的实施方式能够是有利的。当在正交系统中处理信号时，相位不平衡(“相位失衡(phaseimbalances)”)可以得到补偿。

在图5的实施例中设置了其他的介电填料9a和9b，其确保在波导辐射器1中剩余的空气体积完全充满电介质。

其中，填料9a和9b通常牢固地安装在波导辐射器1中并且不与相位控制元件一起旋转。为此，其通常具有用于轴10的凹部，与微波线7a和7b的基板相似。

如果介电填料9a和9b由与支撑件3的介电填料相同的材料构成，则波导辐射器1由电介质均匀填充，并且其内部的模式分布有利地是均匀的。

然而，取决于波导辐射器1的几何形状，对于不同的介电填料9，9a、9b选择不同的介电常数也能够是有利的。例如，当波导辐射器1向下逐渐变细时，填料9b使用更高的介电常数可能是有利的。

在图6中示出了本发明的用于通过相控天线元件直接接收和发送具有线性偏振的信号的进一步改进方案。

该进一步改进方案的优点在于，在波导辐射器1中在相位控制元件2之前安装至少一个额外偏振器41，其能够将具有线性偏振的信号转换为具有圆形偏振的信号，并且在相位控制元件2之后并且在耦出部7之前安装至少一个额外偏振器42，其能够将具有圆形偏振的信号转换为具有线性偏振的信号。

此外，相位控制元件2包括支撑件3和偏振器4a、4b并且具有驱动单元6，其经由连接元件5与相位控制元件2和支撑件3连接，使得波导辐射器1中的相位控制元件2和支撑件3能够绕着轴10旋转。

从而，第一额外偏振器41将具有线性偏振的入射信号转换为具有圆形偏振的信号，相位控制元件2能够容易地执行其根据本发明的功能。

安装在相位控制元件2之后且耦出部7之前的第二偏振器42将从相位控制元件2产生的并且相位中的某些圆形偏振信号再次转换回线性偏振的信号，该线性偏振的信号能够从相应的为线性模式设计的耦出部7直接耦合输出。

该装置的功能也是完全互易的。在发送的情况下，通过耦入部7激发波导辐射器1中的线性模式，其通过第二偏振器42转换为圆形模式。该圆形模式通过相位控制元件2被调制为与该相位控制元件2绕着轴10的旋转角相关的相位。离开相位控制元件2的具有调整的相位的圆形偏振信号被第一偏振器41转换为具有线性偏振以及调制的相位的信号，并且从波导辐射器1辐射。

此外，图6所示的布置也适用于当信号耦出和耦入部7相应地设计为用于两个正交线性模式时的两个同时入射的正交线性偏振，如图5所示。

同时发送和接收相同或不同偏振的信号也是可能的。

图7示意性地示出图6所示的进一步改进方案的一个实施方式。

与图5的实施例相似地，信号耦出和耦入部7实施为在分开的基板上的销状的、正交的微带线7a和7b的这两部分。

额外的偏振器41和42分别嵌入介电填料9c和9d中并且通常固定安装在波导辐射器1中。耦出和耦入部7a和7b之间的区域由介电填料9a填充，耦出和耦入部7b下方的波导终端由介电填料9b填充。

该构造具有如下优点，即，波导辐射器1的整个内部空间填充有通常类似的电介质，并且从而不可能出现模式不连续。

第二额外偏振器42及其介电填料9c如介电填料9b和9a一样具有与微带线7a和7b的基板相似的用于轴5的同心的凹部(见图4，73)，使得轴5能够自由旋转。

对于相应的应用，耦出和耦入部7a和7b也能够设计为用于线性模式的单件(与图4的实施例相似)。

为了补偿入射波的偏振旋转，此外可以考虑，使第一额外偏振器41可旋转，并且配备独立的驱动器，使得偏振器41能够与波导辐射器1中的相位控制元件2无关地绕着轴10旋转。

在移动的装置中，由于支架的移动，产生了入射波的偏振矢量相对于牢固地安装在支架上的阵列天线的旋转，此时这样的布置是非常有利的。

因为这样的偏振旋转通常与用于天线辐射的空间定向的相位旋转无关，所以偏振器41的旋转需要能够与相位控制元件2的旋转无关地实现。

在图8中示意性地示出了相应的实施例。

偏振器41可旋转地安装在波导辐射器1中，并且借助连接件13与自身的驱动器12连接，使得该驱动器12能够使偏振器41绕着轴10旋转。

在图8的实施例中以如下方式实现偏振器41的独立于相位控制元件2的旋转的旋转：将使相位控制元件2与其驱动器6连接的轴5实施为中空轴。连接件13位于该中空轴中，该连接件将偏振器41与其驱动器12连接。

因为具有线性偏振的波的偏振面仅界定在180°的角度范围内，所以对于偏振器41的旋转，-90°到+90°的角度范围，即半圆形的旋转是足够的。

第二额外偏振器42牢固地安装在天线辐射器1中，因为其方向决定了由耦出和耦入部7耦合输出或耦合输入的线性模式的方向。因此，偏振器42的固定取向取决于耦出和耦入部7的位置。

在图8的实施例中耦出和耦入部7一体地实施为销状微带线。

当要由波导辐射器1耦合输出或耦合输入线性模式时，该实施方式是有利的。

如果相反地耦合输出或耦合输入两个正交的线性模式，则图7所示的两件式的耦出和耦入部7a和7b是有利的，其能够以与图7的实施例相同的方式在图8的实施例中实现。

如果两件式地实现耦出和耦入部7，则可以省略第二额外偏振器42，因为由相位控制元件2产生的圆形偏振信号基本上包含了入射波的所有信息。为了重新组合原始信号，可以例如使用90°混合耦合器，在该混合耦合器中馈送被分成信号7a和7b的信号。