專利名稱：平面寬帶行波波束掃描陣列天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一^l殳涉及射頻天線并且，更特別地涉及寬帶平面波束掃描陣列 天線。
背景技術(shù)：
寬帶平面陣列天線對于軍事應(yīng)用和商業(yè)應(yīng)用來說已經(jīng)變得越來越為 重要。在不同的分離的頻率下工作的無線系統(tǒng)的急劇增加和對高速的需要 推動了對寬帶的需求。由于低剖面的相關(guān)特征和與平臺的共形性，平面形
的。平面形狀還適合于低重量且低成本的制造方法，例如印刷電路板。
如圖1中所示的，平面陣列天線由在陣列天線的平面(x-y面)上周 期性設(shè)置的相同的且通常等距的單元天線(element antenna)組成。周期 性是沿著兩個一般傾斜的坐標，S！和S2 ,這允許將平面分成相似的單位 小區(qū)(unit cell),在圖中顯示了中心小區(qū)abcd。盡管圖l的布局只顯示了 9個單位小區(qū)，但在這里含有無限多個小區(qū)的意思(注意，雖然真實的相 控陣在大小上一定是有限的，但在理論中總是假定一個范圍無限的陣列。 無限平面陣列模型大大地筒化了理論上的問題，并且此模型自從四十年前 被引入以來，已被廣泛接受。)
如在圖2中陣列的剖面圖所示，陣列單元由饋電和波束調(diào)向網(wǎng)絡(luò)(feed and beam steering network)饋電以在陣列單元中產(chǎn)生所選擇的幅度和相位 分布，使得陣列單元在希望的方向上形成主波束。天線波束通過單元的移 相器對單元的相位進行改變來被掃描或被控制方向；因此這種天線被稱為 相控陣。盡管這里的討論是對于發(fā)射的情況，但根據(jù)互易性，討論也可應(yīng)
用到接收的情況。
盡管在幾十年前(Wheeler, 1965 )已經(jīng)預(yù)想到寬帶平面波束掃描陣列 的可能性，但是寬帶平面陣列的設(shè)計一直主要集中在使用3維(3-D)單 元例如擴口式裂縫(flared slot)的陣列。3-D單元具有垂直于陣列的平面 (沿z軸)的大維度，因此不適合于許多低成本的制造技術(shù)。結(jié)果，從20 世紀90年代末起，研究工作致力于在平面陣列中開發(fā)使用2維(2-D)陣 列單元，例如平面貼片(flat patch )、平偶極子(flat dipole),以及裂縫。 目前的發(fā)現(xiàn)顯示，2維單元的平面陣具有寬帶寬、寬角度掃描的可能，同 時具有減少的厚度和重量。因為具有2維單元的平面波束掃描陣列適合于 真正低成本的印刷電路板生產(chǎn)，人們已認識到它在商業(yè)市場和軍用市場中 潛在的應(yīng)用。
Hansen ( 1999)指出使用平面偶極子的平面相控陣，在沒有接地平面 的情況下，在大范圍的掃描角度和帶寬(大于5:1)下，展示出易匹配的 有源阻抗和相當穩(wěn)定的單元增益圖。而電抗仍待被與頻率匹配。此外，因 為此陣列不具有接地平面，所以其具有雙向輻射方向圖(在陣列面的兩 側(cè))。所產(chǎn)生的雙向輻射使此平面陣列不再適合于需要使天線安裝與平臺 共形的應(yīng)用。當Hansen添加接地平面到陣列的一側(cè)以抑制其反向輻射時， 他注意到了破壞性的影響。因此，添加接地平面以后，就像Wheeler的陣 列 一樣，Hansen的陣列不再實用。
依據(jù)Hansen的報告，平面陣列方面的研究工作在不久后逐漸增加， 基本上遵循下面兩種方法電流層天線(current sheet antenna) ( CSA )和 分片開孑L ( fragmented aperture ) ( FA )。
CSA方法#皮Munk和4也的助手(Munk， 2006; Munk和Pryor, 2002; Munk等人，2003 )釆用，并且此方法涉及到幾個美國專利(#6512487B1， 2003; #6771221 B2, 2004; #6876336 B2, 2005 )。 CSA基于作為陣列 單元天線的平面偶極子的使用，具有相隔距離小于最高工作頻率下的0.5 倍波長的接地平面。他們的CSA聲稱得到了 10:1的帶寬，但只公開了很 少的數(shù)據(jù)來支持其它。此外，Lee和他的助手(J. J. Lee， 2007)采用了裂 縫式CSA,并聲稱得到了 4:1的帶寬。
FA已由Friedrich和他的助手(Friedrich等人，2001; Pringle等人， 2001 )報導(dǎo)，并具有美國專利(6323809 Bl， 2001 )。 FA使用具有實時重配 置的多層結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)一組輻射單元和在特定的目的工作頻率下一般與其 相隔1/4倍波長的接地導(dǎo)電平面。FA方法依靠設(shè)計最優(yōu)化過程來產(chǎn)生最優(yōu) 的陣列設(shè)計。盡管聲稱獲得了遠大于10:1的寬的工作帶寬，但FA方法在 公開的文獻中支持數(shù)據(jù)不足。如在FA方法中所聲稱的借助重配置的可移 動接地平面技術(shù)的可行性受到了 Munk和Pryor (2002)絕對地懷疑。
的確，如Thors等人(2005 )所提到的，在關(guān)于CSA和FA的文獻中， 設(shè)計準則和結(jié)果經(jīng)常是不足的或不存在的。必須強調(diào)指出，盡管對于不具 有支撐的接地平面的2-D單元的平面陣列的情況可容易地設(shè)計出極寬的帶 寬，但是設(shè)計具有接地平面的寬帶平面陣列是困難的。這對FA方法的情 況尤其正確，Thors等人使用FA方法只設(shè)法獲得了 2.23:1的帶寬。
本發(fā)明人注意到對公眾公開的關(guān)于CSA和FA的理論和實驗經(jīng)常是間 接和不完整的，并且還沒有實現(xiàn)所聲稱的完善的寬帶性能。發(fā)明人還注意 到在某些CSA和FA的設(shè)計概念中的由固有的窄帶組件組成的局限性和不 足之處，所述固有的窄帶組件的帶寬難于借助重配置或最優(yōu)化來加寬。發(fā) 明人于是基于行波(TW)天線概念構(gòu)想出了本發(fā)明，其很可能具有優(yōu)于 現(xiàn)有技術(shù)方法的性能。
發(fā)明概述
本發(fā)明是一種能夠進行寬角度波束掃描的平面寬帶相控陣列天線。其 包括與導(dǎo)電接地平面平行設(shè)置的由平面寬帶行波(TW)天線單元組成的 陣列，所述導(dǎo)電接地平面與所述陣列間隔的距離小于最高工作頻率下的0.5 倍波長，而大于最低工作頻率下的0.01倍波長。所述陣列優(yōu)選為薄的陣列， 并有時優(yōu)選為柔性的并能夠適應(yīng)不是嚴格平坦的平面。導(dǎo)電接地平面保證 平面陣列天線只輻射到陣列一側(cè)的半球區(qū)域，且也是支持TW沿著陣列的 平面?zhèn)鞑サ慕Y(jié)構(gòu)的 一 部分。
每個平面TW天線單元都是被截斷以配合相控陣的單位小區(qū)的平面
2-D非頻變(FI)天線。如在文獻中所討i侖的(DuHamel和Scherer, 1993; Mayes， 1988; Y. Mushiake， 2004 ),平面FI天線可以是對凄t周期(LP )型、 自補(SC)型、正弦波型，等。每個TW天線單元的饋電部分包括兩對傳 輸線以支持雙正交極化或圓形極化。每個TW天線單元包括中間的饋電部 分并在接地平面的法線方向輻射。
為避免柵瓣問題，希望在相鄰的陣列單元的中心之間的間隔小于最高 工作頻率下的1/2倍波長。因此，超寬帶寬的相控陣是一個密集的陣列。 相鄰的天線單元被排列成彼此強耦合或連接。
一層或多層電介質(zhì)或磁性電介質(zhì)基板可在平面TW天線單元和接地平 面之間放置，或者作為覆板在TW天線單元上方放置，或者采用上述兩種 放置方式，用于提高特定的性能。


參考下面的附圖可以更好的理解本發(fā)明的許多方面。附圖中的組件不 一定是按比例制圖的，重點反而是放在清楚地示出本發(fā)明的原理上。另外， 在附圖中，相似的參考數(shù)字在幾幅視圖中指明了相應(yīng)的部分。
圖1是周期性單元的平面陣的上視圖2是圖1中周期性單元的平面陣的剖面圖3是2-DLP行波單元天線的平面陣的上視圖4是圖3中圍繞陣列中心單元的陣列的側(cè)剖面圖5是圖3中圍繞其具有四個饋電點的中心單元的陣列的上視圖6是具有兩個饋電點的中心單元LP TW天線的上視圖7A-7E是顯示了五種類型的非頻變單元的圖8A表示了圖1的平面陣的由導(dǎo)體支持的等效磁流劃分出的陣列上 方的半空間；
圖8B表示了圖1的平面陣的由等效磁流劃分出的陣列上方的半空間；
圖9是在圖1和圖2的陣列的陣列單元饋電終端處的等效電路；以及 圖10是具有電介質(zhì)或磁性電介質(zhì)覆板和基板層的平面陣的剖面圖。
發(fā)明詳述
物理結(jié)構(gòu)
如在圖1中的上視圖和圖2中的剖面圖中所示的，平面陣列天線100 與標記為123的軸z垂直。陣列天線100由相同且通常等距的行波(TW) 單元天線構(gòu)成的陣列組成，所述行波單元天線集體標記為200。陣列單元 天線200是由導(dǎo)電接地平面120支持的薄的平面陣結(jié)構(gòu)，且其由波束調(diào)向 網(wǎng)絡(luò)150饋電。例如中心單元250的單個陣列單元天線，被周期性地設(shè)置 在垂直于z軸123的陣列天線的平面(x-y面)上。周期性是沿著兩個一 4殳傾斜的坐標，s,和S2，這允許將平面分成相似的單位小區(qū)，例如由平行 四邊形abcd標記的中心小區(qū)280。如圖l中所顯示的，每個單位小區(qū)，例 如中心小區(qū)280,包含物理的單元天線，例如相應(yīng)的中心單元250。當x =SliLy = sJt,單位小區(qū)形狀變?yōu)檎叫位蚓匦巍?br> 已為范圍無限的平面陣逐漸形成了嚴格的理論，其易于利用Floquet 模態(tài)的擴展來分析。在無限平面陣中，任何單元，或單位小區(qū)的輻射特性 分別與中心單元250或中心小區(qū)280的輻射特性相似。實驗中，陣列無疑 是有限維的；而在陣列中的大部分單元沒有靠近邊緣，因此可認為處于無 限范圍的陣列環(huán)境中。關(guān)于有限陣列的分析和測量已經(jīng)驗證了此無限平面 陣理論，其通過以改良的設(shè)計方法來處理平面陣的邊緣附近的單元而進一 步得到了補充。細節(jié)將在后面關(guān)于本發(fā)明的理論的部分進一步討論。
集體標記為200的TW陣列單元，是在x-y平面中的相同的2-D結(jié)構(gòu)， 為達到支持陣列結(jié)構(gòu)中的期望的TW主模并抑制TW的高模的目的，所述 TW陣列單元與平行的導(dǎo)電接地平面120相距大于0.01倍波長且小于0.5 倍波長。如在圖2中陣列的剖面圖中所示，陣列單元200是薄平面結(jié)構(gòu)， 由饋電和波束調(diào)向網(wǎng)絡(luò)150單獨饋電。陣列單元200的導(dǎo)電部分很薄，通 常厚度遠小于lmm,但要厚于工作頻率下的趨膚深度。在陣列單元中生成的電流和;茲流作為源流(source current),在由所述源流的幅度和相位分布 所決定的期望的方向上的遠場中產(chǎn)生主輻射波束。作為相控陣，天線波束 通過陣列單元的移相器來改變陣列單元的相位的方式被掃描或控制方向。
圖3和圖4分別顯示了本發(fā)明的第一實施方式的上視圖和通過x-z平 面截取的剖面圖，所述第一實施方式使用平面2-D TW單元天線，形成寬 帶平面陣列單元200。整個平面陣由結(jié)構(gòu)上相似并且彼此連接的單位小區(qū) 組成。為抑制不希望有的柵瓣，相鄰的天線單元或者陣列小區(qū)的中心相距 小于0.5倍波長。因為相鄰的天線單元是相互電耦合或連接的，所以相鄰 的天線單元的中心的間隔距離還大于最低工作頻率下的0.1倍波長以將耗 散到相鄰的饋線中的能量降到最低。
讓我們首先將重點力文在在中心TW單元250上，如圖3和圖5中所顯 示，其與鄰近的TW單元251， 252, 253和254連接。所有在陣列單元200 中的單個單位，例如單元250, 251， 252, 253和254,都是結(jié)構(gòu)上相似且 每一個都由如在圖1和圖5中所顯示的單位小區(qū)限定。因為這里相鄰的單 元連接在一起，所以每個陣列單元都與其單位小區(qū)重合。例如，如在圖1 和圖5中所示的，為abcd中的平面區(qū)域的中心單位小區(qū)280與陣列中心單 元250相重合。
圖5中的單位小區(qū)abcd具有在小區(qū)的中心處連"l妻在一起的四個相似的 LP (對數(shù)周期)子單元(sub-element )。 TW天線單元250包括四個終端饋 電點250a, 250b, 250c, 250d的中間蔟，所述四個終端饋電點經(jīng)由饋線 220連接到饋電和波束調(diào)向網(wǎng)絡(luò)150。饋電和波束調(diào)向網(wǎng)絡(luò)150接著連接 到收發(fā)器和波束調(diào)向計算機。在饋電簇產(chǎn)生的TW160沿平面陣200傳播， 并隨指向由陣列單元200中的相位分布所決定的陣列面上方的某一角度的 主波束輻射到自由空間。盡管這里的討論是對于發(fā)射的情況，但根據(jù)互易 性，上述討論也可應(yīng)用到接收的情況。
如在文獻(DuHamel, H. D.和J. P. Scherer,1993; Mayes, R E., 1988 )中 已廣泛定義和涉及的，每個TW天線單元都是平面非頻變(FI)天線。每 個FI單元天線都被截斷以裝配到相控陣的單位小區(qū)中。FI平面天線可以 是對數(shù)周期(LP)型(如在圖3中顯示的)、自補(SC)型，或正弦波型，
等。如在圖5中所顯示的，每個TW天線單元的饋電部分包括四個終端的 簇，所述四個終端由兩對傳輸線饋線220與接地平面120以下的饋電網(wǎng)絡(luò) 150連接。饋線220具有兩對平衡的傳輸線，所述兩對平衡的傳輸線分別 在中心單元250的兩對饋電點(250a, 250c )和(250b， 250d)處與中心 單元250連接。
饋線220由兩根平衡的雙引線型傳輸線組成。兩對饋電點(250a，250c) 和(250b, 250d)相互正交，使得如果信號被分別地處理，兩對饋電點能 夠支持陣列單元天線250的雙正交極化，或如果信號以相互間具有適當?shù)?相位關(guān)系結(jié)合，則兩對饋電點可支持線性極化，橢圓極化或圓形極化。對 于圓形極化，在正交的饋電點對(250a， 250c)和(250b, 250d)處的兩 個信號一定是幅度相等的并具有90。的相位差。對于在饋電點對處的兩個 信號間的其他的幅度和相差，此單元天線的結(jié)合的輻射信號的極化將是橢
圓的或線性的。圓形極化或橢圓極化的方向由哪一對饋電點在相位中起主 導(dǎo)作用決定，方向?qū)⑹琼槙r針或逆時針的。
傳輸線饋線220及饋電和波束調(diào)向網(wǎng)絡(luò)150被設(shè)計來匹配平面FI陣列 單元200的寬帶阻抗，這根據(jù)關(guān)于不具有接地平面120的互補多終端平面 結(jié)構(gòu)的分析(Deschamps, 1959 )來確定。寬帶阻抗匹配的通常的技術(shù)可在 Matthaei等人所著的書中找到(1964， 1980再版)。
作為變化的形式，圖6顯示了 TW單元350,其包含在平面TW陣列 300中由矩形abcd標記的單位小區(qū)380內(nèi)。TW單元350具有兩個4貴電終 端350a和350b的簇，其由在圖4中顯示的來自平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器(balun) 饋線220的輸出的信號來饋電。平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器是在不平衡傳輸線和 平衡傳輸線間匹配的器件。該平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器4是供平衡模式和不平衡 模式間的阻抗匹配和傳輸線轉(zhuǎn)變的雙項功能。本情況下，平衡-不平衡轉(zhuǎn) 換器的平衡的傳輸線輸出與天線輸入終端350a和350b連接;且不平衡的傳 輸線輸出與饋電和波束調(diào)向網(wǎng)絡(luò)150連接，而網(wǎng)絡(luò)150 —般是在例如微波 帶狀線、同軸電等的不平衡傳輸線模式中的。在圖6中，饋電終端對350a 和350b由于結(jié)構(gòu)的對稱性和源激發(fā)，在單元300中產(chǎn)生線性極化的TW。 較可支持雙正交極化或圓形極化的單元250, 350的線性極化的情況較容
易描述，但因不接近于自補天線，即使是FI型，其也不像寬帶天線一樣。
圖7A,7B,7C,7D和7E顯示可用以形成平面陣200的其他的平面FI TW 單元天線410, 420， 430, 440和450。
本發(fā)明的理論基礎(chǔ)
注意到寬帶平面陣現(xiàn)有的方法或者使用窄帶偶極子/裂縫作為基本組 成部件，或者依靠工作期間再配置以獲得寬帶。在本發(fā)明中，使用非頻變 (FI)平面(2-D)單元天線，相鄰的單元連接在一起或強耦合在一起，以 形成平面陣。
不失一般性，工作的理論可通過考慮發(fā)射的情況來解釋，基于互易性 原理，接收的情況是類似的。參考圖4和圖5，行波(TW) 160在每個單 元天線的中心發(fā)起，并從單元250的饋電中心向外放射狀地發(fā)射。為沿著 陣列200表面向外方文射狀地傳播，TW與TW陣列結(jié)構(gòu)阻抗匹配。另外，TW 陣列結(jié)構(gòu)被配置成使自TW的輻射迅速發(fā)生，且在達到到相鄰的單元的饋 線之前，TW中的大部分能量已被輻射。通過使相互電連接或強耦合的相 鄰的天線單元中心與中心之間的間隔大于最低工作頻率下的0.1倍波長， 以將進入相鄰饋線的能量耗散降到最低，也有利于迅速和高效的輻射。相 鄰的天線單元相距還小于0.5倍波長，以抑制不期望的柵瓣。
阻抗匹配對陣列的性能是至關(guān)重要的，且必須在從饋電和波束調(diào)向網(wǎng) 絡(luò)150到饋線220,經(jīng)由中間四終端々貴電簇，250a、 250b、 250c和250d， 到TW陣列結(jié)構(gòu)的寬帶寬范圍內(nèi)達到阻抗匹配。寬帶阻抗匹配的成功來源 于TW結(jié)構(gòu)的寬帶寬，在本發(fā)明中，TW結(jié)構(gòu)由平面FI單元天線和適當設(shè) 置的導(dǎo)電接地平面組成。FI陣列單元200和近間隔的導(dǎo)電接地平面120形 成的寬帶TW結(jié)構(gòu)支持各種寬帶傳輸線和波導(dǎo)模式以及寬帶輻射的模式。
可在文獻中找到支持本發(fā)明的理論基礎(chǔ)。在Wang (1991)和Mailloux (1994)的著作中可以找到關(guān)于平面陣的基礎(chǔ)理論和數(shù)值分析的嚴格的討 論。關(guān)于行波天線的一般討論可以在Walter (1965)的著作中找到。多級傳 輸線和波導(dǎo)的通常的阻抗匹配技術(shù)可參考文獻(例如，Matthaei等人，1964,
1985再版)。
下面討論本寬帶平面TW陣列的輻射。平面TW陣列的基本物理性質(zhì) 與在Wang (2000)和Wang等人(2006 )著作中討論的寬帶平面TW天線的 基本物理性質(zhì)大體相似。如在圖8A中所顯示的，通過應(yīng)用等效原理和鏡 像理論，平面陣列天線100可在陣列平面上方的半空間中的場(即，z>0), 表示為緊靠導(dǎo)電面190上方的標記為180的等效磁流Af,其中
<formula>formula see original document page 12</formula> (1)
B是z=O處的陣列的平面上的電場。
此處應(yīng)注意，如在圖8A中所顯示的導(dǎo)電面190與接地平面120不同； 而是一個假想的導(dǎo)電面，其緊靠著z = 0處，即在z = 0-處的陣列表面下方， 或者無限接近于z-O-處的陣列表面。還應(yīng)注意，因為在完全導(dǎo)電表面上， 例如在陣列單元的導(dǎo)電部分上，切向場五會消失，所以只有陣列的"裂縫" 部分具有未消失的磁流Af。因此，磁流似=-/2 x五只在陣列單元的裂縫 開口處存在。
通過應(yīng)用鏡像定理，導(dǎo)電面可被相同的磁流M替換。在圖8B中，對 陣列上方的半空間中的場，通過將這兩個石茲流層(magnetic current sheet) 合并成標記為182的單個流層2M,將圖8A中的等效的平面陣進一步縮減 為更簡化的形式。
在圖8B中，在陣列上方的半空間的遠區(qū)中時諧磁場(time harmonic magnetic field)可^皮完全地歸因于等效》茲流2M，且由下式給出
<formula>formula see original document page 12</formula>(2)
其中k二2TT/ v，入是TW的波長，且n是等于V^7^或120丌的自由空 間波阻抗。帶撇號和沒帶撇號的位置矢量，r和r、大小分別是r和r', 在場坐標和源坐標中分別指場點和源點(所有"帶撇"符號均指源)。符 號f代表場位置矢量r的方向上的單位矢量。5是^ = 0處的平面。在有限 區(qū)域中遠區(qū)中的電場可認為是平面波，并因此由下式給出
<formula>formula see original document page 12</formula> (3)
此刻，根據(jù)方程(2)和(3)， TW陣列單元具有了支持希望的輻射的 平面FI2-D結(jié)構(gòu)。這里應(yīng)注意，源，場以及在此涉及的格林函數(shù)都是復(fù)量。 因此，只有當方程(2)中的被積函數(shù)實際上同相時，輻射才有效；且為 達到產(chǎn)生有用的輻射方向圖的目的，輻射還必須以有序的方式進行。對希 望的最大輻射來說，良好的阻抗匹配是絕對必要的?；谔炀€理論，且具 體到方程(2)和方程(3)的本問題，有用的天線輻射方向圖直接關(guān)系到 其源流。因此，根據(jù)已知的例如在此討論的TW天線的寬帶天線配置，而 不是根據(jù)以窄帶天線或未知的設(shè)計開始，之后試圖4吏帶加寬的方法來設(shè)計 寬帶平面陣是有利的。
為匹配阻抗，在陣列單元饋電終端并向外看陣列單元200, TW陣列 結(jié)構(gòu)的等效電路顯示在圖9中。在陣列單元饋電鄉(xiāng)冬端360a和360b處，標 記為360的有源羊元阻抗Zt,可表示為在接地平面120中存在的陣列單元 200的阻抗ZA361和由TW陣列結(jié)構(gòu)陣列單元200形成的傳輸線的阻抗 ZTW362的并聯(lián)組合。對于平面FI天線和相關(guān)的TW結(jié)構(gòu)，它們的ZA361 和ZTW362的寬帶阻抗屬性已由Wang (2000)和Wang等人(2006 )討論過， 適用于本陣列設(shè)計。
ZA361和ZTW362的阻抗屬性，以及例如掃描角度的加寬的輻射屬性， 還可以通過使用不同介電常數(shù)或磁導(dǎo)率的電介質(zhì)或磁性電介質(zhì)基板(在陣 列單元200和接地平面120之間)和覆板(在陣列單元200上方)改進， 如在圖10中這種平面陣的剖面圖中所示。
在饋電和波束調(diào)向網(wǎng)絡(luò)中，無疑可以獲得進一 步的阻抗匹配。 實驗驗證
已為本發(fā)明做了基本的試驗。設(shè)計、制造并測試了與圖3-5中小區(qū)平 面陣相似的實驗^莫型(breadboard) 5x5小區(qū)平面陣。每個小區(qū)都具有x 和y定向的LP平面偶極子?？v向的中心單元具有寬帶平衡-不平衡轉(zhuǎn)換 器饋線橫跨其饋電終端(在圖5中相應(yīng)于250b和250d)。其他24個縱向 的LP偶極子中的每一個都具有100歐姆的電阻負載。所有25個^f黃向的
LP偶極子使其饋電終端(在圖5中相應(yīng)于250a和250c)懸空(沒有連接 到其他元件或器件的開路)。
根據(jù)平面陣的理論和實踐，大平面陣的屬性可通過測量"有源單元增 益圖"來確定，這種測量考慮到平面陣的相互耦合和波束掃描(Mailloux， 1994; Pozar, 1994)。有源增益圖揭示了單元天線的掃描屬性，包括阻抗 匹配和輻射方向圖。依據(jù)有源單元增益圖和陣列因數(shù)可隨即得到陣列增益 圖。陣列中位于中心的單元的有源單元增益圖是相似的，且可在所有其他 的單元在匹配的無源負載中終結(jié)時，4吏用 一個只在中心單元處祐 t責(zé)電的小 陣列測量。
對本模型的阻抗和有源增益圖的測量結(jié)果顯示此陣列具有io:l的帶 寬潛能。另一個實證地研究的顯示寬帶潛能的實驗性平面陣模型是具有圖 7E中所示類型的單位單元的113單元陣列。
發(fā)明的變化形式和可選擇的形式
盡管所顯示的相鄰的陣列單元是直接電連接的，但所述直接連接可由 間接的，但強的耦合替代，用于實現(xiàn)某種性能特征，或適應(yīng)特定的單元天 線配置。
盡管陣列是平面的，但其可以稍微的彎曲，以擴展其性能特征或與適 應(yīng)安裝平臺。
多層電介質(zhì)或磁性電介質(zhì)基板(在陣列單元200和接地平面120之間) 和覆板(在陣列單元200上方)可被用以改善性能并加寬其頻帶寬和掃描 角度。圖10是使用具有不同介電常數(shù)或磁導(dǎo)率的多層電介質(zhì)或磁性電介 質(zhì)覆板和基板實現(xiàn)的這種平面陣的剖面圖。
權(quán)利要求
1.一種寬帶相控陣列天線，其包括導(dǎo)電接地平面；由平面寬帶行波天線單元組成的陣列，所述平面寬帶行波天線單元設(shè)置為平行于所述接地平面，并與所述接地平面間隔開的距離小于最高工作頻率下的0.5倍波長且大于最低工作頻率下的0.01倍波長，每個行波天線單元包括中間的饋電部分的簇，并在所述接地平面的法線方向輻射，相鄰的天線單元被耦合，并且所述相鄰的天線單元的中心間距小于所述最高工作頻率下的0.5倍波長。
2. 如權(quán)利要求l所述的天線，其進一步包括由平面寬帶行波天線單元組成的陣列，所述平面寬帶行波天線單元被 設(shè)置為平行于所述接地平面，并與所述接地平面間隔開的距離小于所述最 高工作頻率下的0.5倍波長且大于所述最低工作頻率下的0.01倍波長，每 個行波天線單元包括中間的饋電部分的簇，并在所述接地平面的法線方向 輻射，相鄰的天線單元被相互連接，并且所述相鄰的天線單元的中心間距 小于所述最高工作頻率下的0.5倍波長。
3. 如權(quán)利要求1所述的天線，其中相控陣列單元的層厚小于lmm厚。
4. 如權(quán)利要求3所述的天線，其中所述相控陣單元的層厚大于工作 頻率范圍的趨膚深度。
5. 如權(quán)利要求1所述的寬帶相控陣列天線，其中所述平面行波天線 單元是被截斷以配合所述相控陣的單位小區(qū)的平面非頻變天線。
6. 如權(quán)利要求1所述的寬帶相控陣列天線，其中所述平面行波天線 單元是被截斷以配合所述相控陣的單位小區(qū)的自補天線。
7. 如權(quán)利要求1所述的寬帶相控陣列天線，其中每個行波天線單元 的所述饋電部分包括兩對傳輸線以支持雙正交極化或圓形極化。
8. —種寬帶相控陣列天線，其包括 導(dǎo)電4妄地平面；由平面寬帶行波天線單元組成的陣列，所述平面寬帶行波天線單元被 設(shè)置為平行于所述接地平面并與所述接地平面間隔開的距離小于最高工作頻率下的0.5倍波長且大于最低工作頻率下的0.01倍波長，每個行波天線單元包括中間饋電部分并在所述接地平面的法線方向輻射，相鄰的天線 單元被耦合或被連接，并且所述相鄰的天線單元的中心間距小于所述最高工作頻率下的0.5倍波長；以及一層或多層電介質(zhì)的或磁性電介質(zhì)的基板和覆板，其用于平面行波陣 列天線。
9. 如權(quán)利要求8所述的寬帶相控陣列天線，其中所述平面行波天線 單元是被截斷以配合所述相控陣的單位小區(qū)的平面非頻變天線。
10. 如權(quán)利要求8所述的寬帶相控陣列天線，其中所述平面行波天線 單元是被截斷以配合所述相控陣的單位小區(qū)的自補天線。
11. 如權(quán)利要求8所述的寬帶相控陣列天線，其中每個行波天線單元 的所述饋電部分包括兩對傳輸線以支持雙正交極化或圓形極化。
全文摘要
一種具有近似10:1帶寬的平面寬帶波束調(diào)向相控陣列天線，其主要由平行于導(dǎo)電接地平面設(shè)置的平面寬帶行波天線單元組成，所述平面寬帶行波天線單元間隔距離小于最高工作頻率下的0.5倍波長且大于最低工作頻率下的0.01倍波長。每個平面行波天線單元都是平面非頻變天線或平面自補天線，并被截斷以配合相控陣的單位小區(qū)。相鄰的天線單元被排列為緊密地耦合在一起或相互連接，且中心間相距小于其工作頻率范圍內(nèi)任意頻率下的0.5倍波長?？商砑右粚踊蚨鄬与娊橘|(zhì)或磁性電介質(zhì)基板/覆板以增強特定的性能。
文檔編號H01Q3/34GK101359777SQ20081014444
公開日2009年2月4日 申請日期2008年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月31日
發(fā)明者約翰遜·J·H·王 申請人:王光電公司