宽带天线系统的制作方法

本公开整体上涉及天线，并且特别地涉及电子扫描的宽带波束形成天线。

背景技术

天线系统用于发送或接收射频(rf)信号。这些射频信号经常包括诸如语音通信、图像、消息和其他类型的信息的信息。

常用的一种类型的天线系统为定向的或波束形成天线。该类型的天线在具体方向上辐射或接收更大的功率，允许增加的系统性能和对非预期接收器或来自非预期发射器的减少的干扰。当期望相当大的频率范围或多个功能时，经常使用宽带天线。例如，飞机宽带天线可具有诸如传感器、通信和电子战的多个功能。另外，经常操纵来自这些天线的波束。波束的操纵可电子地或机械地实行。

关于这些类型的天线在飞机上的使用，除了性能之外，重量和大小经常是一个因素。例如，已使用机动化的万向节来机械地操纵来自天线的波束。然而，机动化的万向节增加了重量，并且在飞机中需要额外的空间，并且将波束操纵速率限制为低于一些应用所需的。

可使用电子操纵的天线来减少重量，并且改善波束捷变。然而，在这些类型的天线中使用的典型的辐射器也导致比一些应用所期望的更多的重量。例如，现有的电子操纵的天线经常采用由如与ku波段之下的一些当前架构一起使用的矩形铜管所形成的沉重且体积大的开槽波导。该类型的解决方案可比将万向节用于方位角、仰角扫描或两者更轻，但是仍然可能无法满足对于飞机或其他类型的运载工具(诸如航天器)上的一些应用的期望的重量要求。

因而，将期望具有一种考虑到上面讨论的问题中的至少一些以及其他可能的问题的方法和装置。例如，将期望具有一种使用具有期望的重量和性能的架构来克服关于操纵来自天线的宽频率范围和能视域内的波束的技术问题的方法和装置。

技术实现要素：

本公开的一个实施例提供了一种天线系统。该天线系统包括孔结构、主辐射槽、调谐槽和带状线馈电器(striplinefeed)。主辐射槽和调谐槽都位于孔结构中。带状线馈电器在孔结构中位于主辐射槽和调谐槽之间。

本公开的另一实施例提供了一种天线系统。该天线系统包括顶部区段、侧壁、底部区段、主辐射槽、调谐槽和带状线馈电器。顶部区段具有带有第一金属层的第一电介质基板层、以及带有第二金属层的第二电介质基板层。主辐射槽形成在带有第一金属层的第一电介质基板层中，并且调谐槽形成在带有第二金属层的第二电介质基板层中。侧壁包括第三电介质基板层和第三金属层。底部区段具有带有底部金属层的底部电介质基板层，该底部金属层用于天线系统中的接地。顶部区段、侧壁和底部区段在孔结构中形成天线空腔。主辐射槽和调谐槽在顶部区段中。带状线馈电器在顶部区段中位于主辐射槽和调谐槽之间，带状线馈电器从顶部区段中的中心线偏移。顶部区段、侧壁和底部区段形成孔结构。

本公开的另一实施例提供了一种用于交换射频信号的方法。该方法包括使用孔结构中的带状线馈电器来交换信号，该孔结构包括主辐射槽和调谐槽。带状线馈电器在孔结构中位于主辐射槽和调谐槽之间。

特征和功能可在本公开的各种实施例中独立实现或可在其他实施例中组合，其中可参考以下描述和附图看到另外的细节。

附图说明

在所附权利要求书中阐述了被认为是新颖的特征的例示性实施例的特性。然而，当结合附图阅读时，将通过参考本公开的例示性实施例的以下详细描述来最佳地理解例示性实施例以及其优选的使用模式、另外的目标和特征，其中：

图1是根据一个例示性实施例的天线环境的框图的图示；

图2是根据一个例示性实施例的孔结构的框图的图示；

图3是根据一个例示性实施例的天线元件的图示；

图4是根据一个例示性实施例的天线元件的顶视图的图示；

图5是根据一个例示性实施例的天线元件的横截面视图的图示；

图6是根据一个例示性实施例的用于交换射频信号的过程的流程图的图示；

图7是根据一个例示性实施例的飞机制造和维修方法的框图的图示；以及

图8是根据一个例示性实施例的飞机的框图的图示。

具体实施方式

例示性实施例认识和考虑了一个或多个不同的考虑因素。例如，例示性实施例认识和考虑了，用于天线(诸如为宽带天线且具有可操纵波束的天线)的当前架构可比对于在运载工具(诸如飞机和航天器)中的应用所期望的更重。例示性实施例认识和考虑了，天线元件的设计可被设计为具有比当前用于电子可操纵的天线元件中的那些更轻的重量。

另外，例示性实施例认识和考虑了，用于宽带应用的当前可用的天线元件可在扫描体积或能视域内的可用带宽上比所期望的更窄，并且比所期望的更贵。用于天线的带宽分类经常被表达为百分比带宽(频率范围除以中心频率)。例如，10％以下通常被认为是窄带宽，而15％以上被认为是宽带。从10％到15％的宽带可被认为窄带或宽带。

因此，例示性实施例提供了一种用于天线系统的方法和装置。在一个例示性示例中，该天线系统包括孔结构、主辐射槽、调谐槽以及带状线馈电器。主辐射槽和调谐槽位于孔结构中。带状线馈电器在孔结构中位于主辐射槽和调谐槽之间。

现在参考图，并且特别地参考图1，根据一个例示性实施例描绘了天线环境的框图的图示。如所描绘的，天线环境100包括天线系统102。天线系统102包括射频单元104、控制器106和天线108。

在该例示性示例中，射频单元104可包括用于交换射频信号110的发射器或接收器中的至少一个。如本文使用的，当与项目的列表一起使用时短语“…中的至少一个”意味着可使用所列项目中的一个或多个的不同组合，并且可仅需要列表中的每个项目中的一个。换句话说，“…中的至少一个”意味着可从列表中使用项目的任何组合和任何数量的项目，但是并非需要列表中的所有项目。项目可为特定对象、事物或类别。

例如，但不限于“项目a、项目b或项目c中的至少一个”可包括项目a、项目a和项目b或项目c。该示例也可包括项目a、项目b和项目c；或项目b和项目c。当然，可存在这些项目的任何组合。在一些例示性示例中，“…中的至少一个”可为例如但不限于项目a中的两个、项目b中的一个以及项目c中的十个；项目b中的四个和项目c中的七个；或其他合适的组合。

控制器106控制阵列环境中的天线元件114的操作。可在硬件或软件中的至少一个中实施控制器106。根据特定具体实施方式，控制器106可为计算机系统或专业电路中的处理器单元。

如所描绘的，控制器106可控制在此射频信号110被交换以形成波束112的相位或延时。在该例示性示例中，波束112为电子可操纵的。换句话说，不需要用于移动天线108的机械系统来操纵波束112。

如所描绘的，天线108由天线元件114组成。在该例示性示例中，天线元件114形成用于天线108的宽带天线阵列116。

在该例示性示例中，天线元件114中的天线元件118由孔结构120、主辐射槽122、调谐槽124和带状线馈电器126组成。在该例示性示例中，带状线馈电器126为准横向电磁传输线介质。带状线馈电器126可为夹在两个平行的接地板之间的扁平金属条。

主辐射槽122位于孔结构120中。调谐槽124也位于孔结构120中。如所描绘的，主辐射槽122和调谐槽124在孔结构120中形成孔128。

在该例示性示例中，带状线馈电器126在孔结构120中位于主辐射槽122和调谐槽124之间。如所描绘的，带状线馈电器126从孔结构120的中心线134偏移。

在设计天线元件118时，主辐射槽122、调谐槽124和带状线馈电器126的尺寸和位置中的至少一个被选择成用于设置用于孔结构120的操作带宽130。操作带宽130为其中孔结构120可发送或接收射频信号110的频率范围。在另一示例中，操作带宽130可被描述为操作频率相对于中心频率的百分比。另外，带状线馈电器126的位置或尺寸中的至少一个被选择成用于与由主辐射槽122和调谐槽124形成的孔128进行阻抗匹配。

在该描绘的示例中，天线元件118连同天线元件114一起从射频信号110形成波束112。波束112为电子操纵的波束132的形式。在该描绘的示例中，由控制器106控制电子操纵的波束132的操纵。

现在参考图2，根据一个例示性实施例描绘了孔结构的框图的图示。图2描绘了用于图1中的孔结构120的一个具体实施方式的示例。

孔结构120由多个不同部件组成。如所描绘的，孔结构120由顶部区段200、侧壁202和底部区段204组成。孔结构120还包括空腔206，该空腔206由顶部区段200、侧壁202和底部区段204形成。

如所描绘的，顶部区段200具有带有第一金属层212的第一电介质基板层210以及带有第二金属层216的第二电介质基板层214。用于第一电介质基板层210和第二电介质基板层214的基板的层可为印刷电路板(pcb)。第一金属层212和第二金属层216由选自以下中的至少一个的金属组成：金属合金、铜、铝、银、金或带有期望的电导率水平的一些其他材料。

在该示例中，主辐射槽122形成在带有第一金属层212的第一电介质基板层210中。调谐槽124形成在带有第二金属层216的第二电介质基板层214中。

在该例示性示例中，侧壁202由面向空腔206的一侧上的第三电介质基板层213和第三金属层215形成。底部区段204具有带有底部金属层220的底部电介质基板层218。图1中所示的天线系统102中的接地222由底部金属层220形成。

在该示例中，通孔224位于顶部区段200中。通孔224处于在主辐射槽122和调谐槽124周围限定周界226的位置中。

通孔为可用于提供电连接的竖直互连通道。通孔为穿过顶部区段200中的电介质基板的小开口，其允许顶部区段200的任一侧上的部件之间的导电连接。在该例示性示例中，通孔224还用作法拉第罩，其为用于阻挡电磁场的外壳。以该方式，可使外部干扰射频信号变弱，或防止将外部干扰射频信号添加到通过图1中的孔128交换的那些。

如描绘的，空腔206是在其中生成和传输或接收射频信号的空腔。空腔206填充有一组材料。空腔206中的该组材料可选自以下中的至少一个：空气、泡沫或一些其他合适的材料。其他材料可被选择成具有期望的重量和介电常数。

另外，除了空腔206之外，侧壁202可限定一个或多个空腔。在例示性示例中，空腔206为天线空腔228，并且侧壁202形成孔结构120中的电子器件空腔230。一组电子部件232与电子器件空腔230相关联。该组电子部件232选自以下中的至少一个：放大器、滤波器、移相器、延时设备或一些其他合适类型的部件。电子部件232可被选择成用于信号调节或分配。

因此，在一个例示性示例中，存在一种或多种技术解决方案，该一种或多种技术解决方案使用具有期望的重量和性能的架构克服了关于操纵来自天线的波束的技术问题。结果，一种或多种技术解决方案可提供这样的技术效果，其中，天线元件具有由在不同频率上提供期望的性能水平的两个槽形成的孔。与当前解决方案相比，一种或多种技术解决方案可提供带有期望的重量水平和成本的宽带天线阵列。另外，一种或多种技术解决方案还可提供用于在期望的扫描体积或能视域内在宽带宽上且在许多角度下扫描波束的能力。在例示性示例中，与用于预期应用的当前使用的重得多的天线元件相比，可扫描波束的宽带和角度大致相同或更大。

图1中的天线环境100、图2中的孔结构120和这些环境中的不同部件的图示并非意味着暗示对可实施例示性实施例的方式的物理或架构限制。除了所示的部件之外或代替所示的部件，可使用其他部件。一些部件可为不必要的。再者，框被呈现以示出一些功能部件。当在例示性实施例中实施时，这些框中的一个或多个可被组合或划分、或组合和划分成不同的框。

接下来参考图3，根据一个例示性实施例描绘了天线元件的图示。在该例示性示例中，在透视图中以一些部件为虚线的方式示出了天线元件300。

如所描绘的，天线元件300为用于图1中以框形式示出的天线元件118的物理实施方式的示例。在该例示性示例中，天线元件300包括孔结构302、顶部区段304、侧壁306和底部区段308。在该例示性示例中，侧壁306连同顶部区段304和底部区段308一起限定两个空腔，即天线空腔310和电子器件空腔312。

如所描绘的，侧壁306包括侧壁314、侧壁316、侧壁318、侧壁320和侧壁322。在该示例中，侧壁306中的每个由电介质基板层和金属层组成，其未详细示出，以避免使对天线元件300中的其他特征的描述难理解。

在该示例中，侧壁314、侧壁316、侧壁320和侧壁322与顶部区段304和底部区段308限定天线空腔310。侧壁314、侧壁316、侧壁318和侧壁320与顶部区段304和底部区段308限定电子器件空腔312。

如所描绘的，顶部区段304由第一电介质基板层326、第二电介质基板层328、第一金属层330和第二金属层332组成。第一电介质基板层326为电介质基板的第一层。第二电介质基板层328为电介质基板的第二层。

第一金属层330位于孔结构302的外表面334的第一电介质基板层326上。第二金属层332位于孔结构302的内表面336上的第二电介质基板层328上。在该例示性示例中，第一金属层330和第二金属层332两者均由铜组成。

在该示例中，主辐射槽340形成在第一电介质基板层326和第一金属层330中。调谐槽338形成在第二电介质基板层328和第二金属层332中。在该例示性示例中，主辐射槽340具有比调谐槽338更小的面积。如所描绘的，主辐射槽340在顶部区段304中在调谐槽338上方。

如所描绘的，带状线馈电器342位于第一电介质基板层326和第二电介质基板层328之间。带状线馈电器342位于调谐槽338和主辐射槽340之间。

带状线馈电器342的位置、长度或形状中的至少一个为用于与由调谐槽338和主辐射槽340形成的孔344进行阻抗匹配的调谐参数。调谐槽338提供了用于阻抗带宽调谐的附加机构。调谐槽338和主辐射槽340两者均可被选择成控制用于孔结构302的主谐振频率。

在该例示性示例中，底部区段308由底部电介质基板层352和底部金属层354组成。底部金属层354位于孔结构302的内表面336上。

在该例示性示例中，通孔356位于顶部区段304上。如可看到的，通孔356形成用作调谐槽338和主辐射槽340周围的法拉第罩的周界358。法拉第罩还防止不期望的激发和公知的平行板模式。

如所描绘的，孔结构302具有宽度346、长度348和高度350。平行于馈电线轴线的总体单位单元宽度为宽度346，并且可被选择成允许在平行于宽度346的竖直平面上且在预期的操作频带内高达60度的光栅波瓣自由电子扫描。如果减小或增大60度离轴扫描限制，则宽度346可增大或减小。在一个例示性示例中，宽度346为1.7英寸允许高达约3.7ghz的60度离轴扫描。

长度348为单位单元长度，并且被选择成允许在平行于长度348的竖直平面上且在预期的操作频带内高达25度的光栅波瓣自由电子扫描。如所描绘的，如果减小或增大25度离轴扫描限制，则长度348可增大或减小。在例示性示例中，长度348为2.2英寸允许高达约3.7ghz的25度离轴扫描。在该描绘的示例中可存在18％或更多的百分比带宽。

如所描绘的，天线空腔310的尺寸被选择成使得不会发生干扰槽辐射器操作的不期望的空腔模式。用于空腔的高度或从槽到底部区段308上的水平地面的距离也被选取成将反向辐射重定向到正向以用于增加的天线增益并提供用于阻抗带宽调谐的附加机构。

电介质基板层由电路板形成，其中，电路板的厚度被选择成使得总体结构满足机械应力要求。支撑带状线馈电器342的电路板的厚度和介电常数也被选择成使得对应的馈电线尺寸满足可制造性约束。

在另一例示性实施例中，主辐射槽340和调谐槽338的位置可用较小的重调谐来交换。再者，薄的非金属环境涂层可放置于第一金属层330的顶部上。例如，涂层可用于防止电路板中的铜的腐蚀。

如所描绘的，孔结构302中的顶部区段304、侧壁306和底部区段308由印刷电路板组成。这些印刷电路板可分开制造并在最终组装中与其他孔结构结合在一起以便以阵列设置形成蛋箱结构，其中除了天线元件300之外，存在其他天线元件，并且其他天线元件被布置成阵列，使得可使用电子操纵的波束来交换射频信号。用于天线的蛋箱结构由天线元件中的带有通常均匀的间隔和矩形格子的互连的电介质面板形成。

现在参考图4，根据一个例示性实施例描绘了天线元件的顶视图的图示。在该例示性示例中，在图3中的线4-4的方向上看到天线元件300的顶视图。

在该视图中，孔344被示出为带有形成围绕主辐射槽340、调谐槽338和带状线馈电器342的周界358的通孔356。通孔356可用于减少或抑制两个接地平面之间的不期望的平行板模式，并且将主辐射槽340与阵列中的配电电路(未示出)隔开，并且将带状线馈电器与邻近的天线元件隔开。通孔356的直径和密度可被选择成使得通孔356形成通过天线元件300在预期的操作频带内提供期望的电屏蔽的法拉第罩。

现在转到图5，根据一个例示性实施例描绘了天线元件的横截面视图的图示。如所描绘的，沿着图4中的线5-5截取天线元件300的该横截面视图。

在该视图中，看到顶部区段304和顶部区段304内的带状线馈电器342以及天线空腔310的相对厚度。在该特定示例中，孔结构302的高度350在中频带频率下在自由空间中为约0.14波长。主空腔将反向辐射重定向到正向以用于增加的天线增益。该类型的空腔还减少了与邻近的天线元件的不期望的相互耦合。

如所描绘的，如果必要的话，根据扫描仰角和方位角两者的需要，或仅根据平行于馈电线轴线的仰角平面，电子器件空腔312被用于容纳有源或无源电子器件。可放置于电子器件空腔312中的电子器件包括放大器、用于信号调节的滤波器、移相器或用于天线阵列波束操纵的延时设备中的至少一个。

接下来转到图6，根据一个例示性实施例描绘了用于交换射频信号的过程的流程图的图示。可使用图1中的天线系统102来实施图6中示出的过程。交换射频信号包括传输射频信号或接收射频信号中的至少一个。

该过程开始于生成射频信号(操作600)。该过程使用孔结构中的带状线馈电器来交换射频信号(操作602)。其后，过程终止。孔结构包括主辐射槽和调谐槽。带状线馈电器在孔结构中位于主辐射槽和调谐槽之间。

不同描绘的实施例中的流程图和框图示出了例示性实施例中的装置和方法的一些可能的实施方式的架构、功能和操作。就这一点而言，流程图或框图中的每个框可表示模块、区段、功能或操作或步骤的一部分中的至少一个。例如，框中的一个或多个可被实施为程序代码、硬件、或程序代码和硬件的组合。当以硬件实施时，硬件可例如采取被制造或配置成用于实行流程图或框图中的一个或多个操作的集成电路的形式。当被实施为程序代码和硬件的组合时，实施方式可采取固件的形式。可使用实行不同操作的专用硬件系统或专用硬件的组合以及由专用硬件运行的程序代码来实施流程图或框图中的每个框。

在例示性实施例的一些替代实施方式中，框中提到的一个或多个功能可没有按照图中提到的次序发生。例如，在一些情况下，根据涉及的功能，可基本上同时实行连续示出的两个框，或可有时以相反次序实行框。再者，除了所示的框之外，可将其他框添加到流程图或框图中。

可在如图7中所示的飞机制造和维修方法700以及如图8中所示的飞机800的背景下描述本公开的例示性实施例。首先转到图7，根据一个例示性实施例描绘了飞机制造和维修方法的框图的图示。在生产前期间，飞机制造和维修方法700可包括图8中的飞机800的规格和设计702以及材料采购704。

在生产期间，发生图8中的飞机800的部件和子组件制造706和系统集成708。此后，图8中的飞机800可完成认证和交付710，以便投入使用712。在由客户投入使用712时，安排图8中的飞机800进行日常维护和维修714，日常维护和维修714可包括修改、重新配置、翻新和其他维护或维修。

可由系统集成商、第三方、运营商或其一些组合实行或执行飞机制造和维修方法700的过程中的每个。在这些示例中，运营商可为客户。为了该描述的目的，系统集成商可包括但不限于任何数量的飞机制造商和主系统分包商；第三方可包括但不限于任何数量的销售商、分包商和供应商；并且运营商可为航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。

现在参考图8，根据一个例示性实施例描绘了飞机的框图的图示。在该示例中，飞机800由图7中的飞机制造和维修方法700生产，并且可包括机身802以及多个系统804和内部806。系统804的示例包括推进系统808、电气系统810、液压系统812、环境系统814和通信系统816中的一个或多个。例如，可在通信系统816中实施图1中所示的天线系统102。可在诸如传感器、对抗措施、电子战或飞机800中的其他类型的系统的其他系统中实施图1中的天线系统102。

在其他例示性示例中，可包括任何数量的其他系统。虽然示出了航空航天示例，但是不同的例示性实施例可应用于其他行业，诸如汽车行业。可在图7中的飞机制造和维修方法700的阶段中的至少一个期间采用本文中体现的装置和方法。

在一个例示性示例中，图7中的部件和子组件制造706中生产的部件或子组件可以类似于当飞机800处于图7中的投入使用712时生产的部件或子组件的方式来制作或制造。作为又一示例，在生产阶段(诸如图7中的部件和子组件制造706和系统集成708)期间可利用一个或多个装置实施例、方法实施例或其组合。当飞机800投入使用712时、在图7中的维护和维修714期间，或两者，可利用一个或多个装置实施例、方法实施例或其组合。

多个不同例示性实施例的使用可大幅加快飞机800的组装，减少飞机800的成本，或既加快飞机800的组装又减少飞机800的成本。例如，可在飞机800的组装期间以与提供宽带能力连同电子操纵的波束的其他类型的天线系统相比减少飞机800的重量和成本的方式实施图1中的天线系统102。

以该方式，与当前使用的天线阵列相比，例示性示例中的一种或多种技术解决方案提供了一种轻重量、低轮廓且较低成本的宽带天线阵列。与现有设计相比，一个或多个例示性示例可将天线的重量减少70％或更多，并且将总厚度减少高达50％，而不牺牲天线射频性能。另外，当电子操纵波束时，一个或多个例示性示例还可允许期望的带宽和扫描角度。通过使用诸如印刷电路板的电介质基板实现节省重量。另外，这些印刷电路板的使用连同用于孔的槽的配置允许期望的带宽(诸如宽带应用)或可电子操纵波束的期望的角度中的至少一个。

出于图示和描述的目的已呈现对不同例示性实施例的描述，并且并非旨在为穷尽的或限制于所公开的形式的实施例。不同例示性示例描述了实行动作或操作的部件。在例示性实施例中，部件可被配置为实行所描述的动作或操作。例如，部件可具有用于这样的结构的配置或设计，该结构向部件提供用于实行在例示性实施例中被描述为由部件实行的动作或操作的能力。

对于本领域的普通技术人员来说，许多修改和变型将是显而易见的。另外，与其他期望的实施例相比，不同的例示性实施例可提供不同的特征。所选择的一个或多个实施例被选取和描述，以便最佳解释实施例的原理、实际应用，并且使得本领域的普通技术人员能够针对带有适合于预想的特定使用的各种修改的各种实施例理解本公开。