專利名稱：有源發(fā)射相控陣天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波束天線系統(tǒng)，特別是涉及這樣一種形式的相控陣天線系統(tǒng)，它用控制在多個(gè)發(fā)射單元中信號(hào)的相對(duì)相位來(lái)產(chǎn)生多個(gè)同步的天線波束。
多年來(lái)雷達(dá)系統(tǒng)陣列天線已為人們所知，并被用于形成明顯的定向波束。陣列天線特征由發(fā)射單元的幾何位置及它們各自激勵(lì)的相位和幅值來(lái)決定。
近來(lái)雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，如磁控管和其它高功率微波發(fā)射管的發(fā)展有使通常使用的雷達(dá)頻率向上提升的趨勢(shì)。在那些較高的頻率中，較簡(jiǎn)單的天線變得有用了，它通常包括一種形狀的(拋物線)反射器，由喇叭形饋源或其它簡(jiǎn)單的初級(jí)天線輻照。
其次，由于種種理由電子(無(wú)慣性)掃描變得重要，包括掃描速度和隨機(jī)的或編定程序的波束瞄準(zhǔn)能力。由于電控移相器和開(kāi)關(guān)的發(fā)展又重新注意陣列式天線，它的每一個(gè)發(fā)射單元是可以單獨(dú)地電控的。在相控陣列領(lǐng)域中可控移相裝置提供了快速地和準(zhǔn)確地開(kāi)關(guān)波束的能力，因而是使雷達(dá)完成在時(shí)間上交錯(cuò)的，甚至是同時(shí)的多種功能。一個(gè)電控的陣列雷達(dá)可以跟蹤許多目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選擇目標(biāo)的廣角搜索使得能夠?qū)λx目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，還可以用作將高增益波束對(duì)向遠(yuǎn)距離的接收機(jī)和/或發(fā)送機(jī)的通信系統(tǒng)。因此，相位掃描陣列的重要性極大。由MerrillI.Skolnik，所著的書(shū)“RadarHandbook”，McGrawHill(1970)出版，提供了關(guān)于一般陣列天線主題相對(duì)較新的總的背景材料。
其他提供本領(lǐng)域總的背景資料的參考文件包括公布于是1961年1月3日、授予RearWin的、名為“SelectiveDirectionalSlottedWavEguideAntenna”的美國(guó)專利2967301中描述了一種產(chǎn)生連續(xù)的波束用來(lái)確定飛機(jī)相對(duì)于地面的速度的方法。
公布于1969年1月21日、授予Folder的、名為“ScanningAntennaFeed”的3、423、756號(hào)美國(guó)專利描述了一種系統(tǒng)，其中電控的錐形掃描天線饋源由一個(gè)大尺寸的波導(dǎo)管裝備成，該波導(dǎo)管有圍著它安裝的并與它耦合的四個(gè)調(diào)諧腔。因而導(dǎo)致輻射相位中心從天線孔徑中心移開(kāi)。順序?qū)λ膫€(gè)腔調(diào)諧到此信號(hào)的頻率，它就錐形地掃描?？梢悦黠@地與腔所調(diào)諧的頻率分開(kāi)的其它頻率的信號(hào)則繼續(xù)通過(guò)波導(dǎo)管傳播，在波導(dǎo)管中沒(méi)有任何干擾。
公布于1976年7月13日、授Nemct的、名為“Network-fedPhasedArrayAntennaSystemWithIntrinsicRFphaseshiftcapability”的3969729號(hào)美國(guó)專利公開(kāi)了一種集成元件/移相器用于相位掃描陣列。非諧振波導(dǎo)或微帶線型傳輸線系列強(qiáng)制饋給陣列單元。在傳輸線的外導(dǎo)電壁上對(duì)稱槽型的槽內(nèi)的四個(gè)RF二極管互連排列，以致改變從那里穿過(guò)槽到每個(gè)各自的天線單元開(kāi)口的耦合。因而，每個(gè)二極管控制著在對(duì)應(yīng)相位上的每個(gè)槽的能量對(duì)各自的單元孔的影響，由此確定所述孔的網(wǎng)絡(luò)相位。
公布于1977年8月9日，授予Frazeta等人的、名為“LimitadScanArrayAntennaSystemswithSharpCutoffofElementpattern”的4041051號(hào)美國(guó)專利公開(kāi)了陣列天線系統(tǒng)，其中實(shí)際的單元模式用耦合電路來(lái)改進(jìn)，以接近于符合在選定的空間角度區(qū)域內(nèi)輻射天線波束所要求的理想單元模式。在掃描束天線的實(shí)例中應(yīng)用耦合電路明顯地減少所需的移相器數(shù)目。
公布于1978年7月4日、授予Scillier等人的、名為“FlatRadarAntenna”的4099181號(hào)美國(guó)專利公開(kāi)了一種用于雷達(dá)設(shè)備的平面雷達(dá)天線，包括排成平行的幾排的多個(gè)對(duì)準(zhǔn)的輻射單元，所述的每個(gè)單元和雷達(dá)設(shè)備之間流通的能量數(shù)量可以被調(diào)節(jié)，其特征在于，所述的輻射單元是其輻射面的波導(dǎo)管，該波導(dǎo)管按四個(gè)象限集成組，所述象限里每一個(gè)波導(dǎo)管用適合于具備以下一個(gè)或二個(gè)條件的饋送裝置和雷達(dá)設(shè)備連接起來(lái)，一個(gè)條件是它對(duì)一個(gè)象限內(nèi)的全部波導(dǎo)管饋電，另一個(gè)條件它只對(duì)最靠近天線中心的那排饋電，而象限內(nèi)其他波導(dǎo)管則除外;一種裝置，為四個(gè)饋電裝置提供保證在同一時(shí)間具備同一條件，使得雷達(dá)天線發(fā)射的雷達(dá)波相對(duì)于天線中心是對(duì)稱的，并且根據(jù)饋電裝置的條件具有不同的構(gòu)造。
公布于1986年6月17日、授予Kobus等人的、名為“DualSpaceFedParallelPlateLensAntennaBeamFormingSystem”的4595926號(hào)美國(guó)專利描述了一種用于線性相位陣列天線系統(tǒng)的波束形成系統(tǒng)，該天線系統(tǒng)可以用于單脈沖無(wú)線電收發(fā)機(jī)中，波形成系統(tǒng)包括一對(duì)串聯(lián)的平行板限定的不聚焦棱鏡，它為線性陣提供適當(dāng)?shù)姆敌倍仁沟糜械蛡?cè)瓣輻射圖形。數(shù)字移相器被用于波束控制，不聚焦棱鏡使得由于使用這種移相器而引起的量化誤差解除相關(guān)性。
公布于1970年12月8日、授予Smith的、名為“ScanningAntennaSystem”的3546699號(hào)美國(guó)專利公開(kāi)了一種掃描天線系統(tǒng)，包括布置一個(gè)圓周的一段弧上的、分開(kāi)的同相電磁能的固定陣列;具有拱形輸入匹配回路的發(fā)送器和接近圓弧形的線性輸出回路，傳輸性能是這樣的，使所有發(fā)送器輻射的輸出能量是同相的;以及用來(lái)使發(fā)送器在繞圓的中心在圓的平面里旋轉(zhuǎn)的裝置。
一種相控陣天線系統(tǒng)，更具體地，有源發(fā)射相控陣天線用于產(chǎn)生多路獨(dú)立的同步天線波束以照射要求的區(qū)域而不照射其他區(qū)域。該區(qū)域的尺寸和形狀是構(gòu)成陣列的單元的數(shù)目和尺寸的函數(shù)。陣列的所有單元工作在同樣的幅度電平，波束形狀和方向由相位的調(diào)節(jié)來(lái)決定。


圖1是用于有源發(fā)射相控陣天線的多個(gè)布陣單元的說(shuō)明的圖。
圖2是圖1多單元相控陣天線中應(yīng)用的那種類型的多個(gè)單元中的一個(gè)橫截面草圖。
圖3是圖2所示空氣介質(zhì)腔頂視圖。
圖4是用于圖2的系統(tǒng)中的控制器底視圖。
圖5是表示圖4中的移相器和衰減器更詳細(xì)的圖及它的附屬電路圖。
參見(jiàn)圖1，所示一種有源發(fā)射相控陣天線的方案包括布置在六角形構(gòu)形上的只作說(shuō)明用的213個(gè)單元。圖2表示包括在圖1天線中的213個(gè)單元中的一個(gè)。圖1的每一個(gè)單元和圖2中所示的是一樣的，包括有輻射喇叭10，能夠在二個(gè)正交極化的每一個(gè)以25dB隔離或更大的隔離進(jìn)行輻射。喇叭用一個(gè)其功能為在要求的頻帶內(nèi)通過(guò)能量，而在其他頻率上則反射能量的多極帶通濾波裝置12來(lái)饋給。這一點(diǎn)對(duì)于本發(fā)明的發(fā)射天線用作通信衛(wèi)星的一部分時(shí)尤其重要，因?yàn)樗灿米鹘邮仗炀€，來(lái)自發(fā)送器的接收頻段內(nèi)的寄生能量可使接收天線中靈敏的接收單元飽和及受干擾。在本實(shí)施例中，濾波裝置12包括一系列連續(xù)的諧振腔，互相以保持高度正交方式耦合起來(lái)，這對(duì)保持上述的隔離是必需的。
濾波裝置12耦合于裝在基片36上的空氣介質(zhì)腔14中?？諝饨橘|(zhì)腔14包含有高效單塊放大器，它以推挽方式激勵(lì)正交的微波能量。參見(jiàn)圖3，它是圖2的空氣介質(zhì)腔14的平面視圖。激勵(lì)是用探針18、20、30和32連同放大器22、24、26和28共同完成的。在圖3中，探針18和20這樣放置，它們?cè)谙嗑?80°的相對(duì)位置上激勵(lì)腔14。當(dāng)放大器22和24不同相激勵(lì)時(shí)，這便提供了推挽功能所必需的轉(zhuǎn)換。放大器26和28相似地饋電給相隔180°位于和探針18和20相距90°地方的探針30和32，這樣它們可以在腔內(nèi)激勵(lì)出正交微波能量。兩對(duì)放大器由混合波導(dǎo)聯(lián)接輸入34，經(jīng)過(guò)180°耦合器34A和34B以正交相位饋電來(lái)產(chǎn)生圓極化。
為了實(shí)現(xiàn)正交波束必需的精確相位和幅度的一致性，放大器22、24、26和28必需實(shí)際上相等。事實(shí)上，為保證這個(gè)一致性的方式對(duì)于放大器可采用單塊微波集成電路(MMIC)。
90°混合波導(dǎo)在圖3中示出的端頭是兩個(gè)點(diǎn)。這些點(diǎn)代表通過(guò)聯(lián)接點(diǎn)由圖4的底視圖表示的基片36來(lái)饋電，通過(guò)聯(lián)接點(diǎn)饋電的另一端可在位置38和39處看到。它們中的一個(gè)激勵(lì)右邊的圓極化，另一個(gè)激勵(lì)左邊的圓極化。此外，如果信號(hào)經(jīng)過(guò)饋電聯(lián)接點(diǎn)直接饋給180°耦合器34A和34B，而不用90°混合波導(dǎo)34，將被激勵(lì)的波是線性極化波束而不是圓極化波束?；旌喜▽?dǎo)34通過(guò)聯(lián)接點(diǎn)38和39由MMIC激勵(lì)放大器40和42饋電，每一個(gè)用于一個(gè)極化方向。每個(gè)波束所需的極化由開(kāi)關(guān)矩陣44選擇，它對(duì)每一個(gè)極化也組合全部信號(hào)去饋送給兩個(gè)激勵(lì)放大器40和42。每個(gè)波束輸入(本例中是4個(gè))包括一個(gè)電控的移相器48和衰減器46用于建立波束方向和形狀(每個(gè)波束的尺寸)。在陣列中的全部單元對(duì)任一給定的波束以相同的電平激勵(lì)。這是與其他發(fā)射相控陣是不相同的，那里使用陣列兩端之間的幅度梯度來(lái)降低波束側(cè)瓣。
在此公開(kāi)的有源發(fā)射相控陣天線采用均勻輻照(無(wú)梯度)以使天線功率效率達(dá)最大，否則天線單元的功率能力沒(méi)有被充分利用。全部可用功率可在整個(gè)波束間任意地分配而沒(méi)有功率損失。且對(duì)于一個(gè)給定波束的功率分配用調(diào)節(jié)衰減器46在全部天線單元上被設(shè)定，則相位(這對(duì)每個(gè)單元是完全不同的)采用調(diào)節(jié)相移器48以建立波束方向和形狀。對(duì)一所需的波束形狀和方向的相位調(diào)節(jié)用合成該波束的方法來(lái)選定。此合成方法是一種貯存在計(jì)算機(jī)中的迭代、集中計(jì)算的方法。合成方法的目的是構(gòu)成一個(gè)波束，它可最有效地輻照所要求的區(qū)域而不輻照不需要的區(qū)域。區(qū)域可以由規(guī)則的多邊形來(lái)描述，其每邊的最小尺寸可由選定陣列中單元的數(shù)目和它們的間距來(lái)設(shè)定。一般，陣列中單元越多則可以合成的多邊形的形狀越復(fù)雜。純相位控制波束成形方法(processofphase-onlybeamShapilg)產(chǎn)生所需的波束形狀，也產(chǎn)生柵瓣。本發(fā)明的另一個(gè)目的(如使用于衛(wèi)星天線)是減小柵瓣的相對(duì)幅度及阻止它們出現(xiàn)在從衛(wèi)星軌道位置看到的地球表面上，結(jié)果它們將不呈現(xiàn)出對(duì)相鄰波束的干擾或因?qū)⑺鼈儼l(fā)射到不希望的地方而浪費(fèi)功率。合成方法將柵瓣減至最小，而且它也可用來(lái)產(chǎn)生在柵瓣處為零的波束，否則，它就不能被減小到可接受的電平。
可以由有源發(fā)射相控陣天線產(chǎn)生的獨(dú)立波束的數(shù)目只受向每個(gè)單元饋電的移相器48和衰減器46的數(shù)目限制。參見(jiàn)圖5.它指出每一串移相器48和衰減器46由各個(gè)同樣的功率分配器饋電。每一個(gè)功率分配器上端口的數(shù)目必需等于或大于單元的數(shù)目。在圖5中所示的例子中，功率分配器上端口的數(shù)目必需是213或更多個(gè)。功率分配器的數(shù)目必需等于天線能產(chǎn)生的獨(dú)立波束數(shù)目。因此所示的例子的系統(tǒng)應(yīng)需要四個(gè)功率分配器，每個(gè)有213路。
如前面所述，各波束的每一個(gè)其功率總和必需等于所有單元的能力以便使效率最大。每個(gè)單元的能力理解為線性的或非畸變的能力。為了有源發(fā)射相控陣天線保持空氣產(chǎn)生的若干波束的獨(dú)立性，在波道中的每一個(gè)放大器必需工作在線性區(qū)以便防止波束之間不可接受的交叉度。只要放大器是線性的，那么線性疊加的原則是有效的。當(dāng)放大器被驅(qū)動(dòng)器到其非線性區(qū)，波束的獨(dú)立性受到危害。未極放大器22、24、26和28要求最嚴(yán)格，因?yàn)樗鼈兿某^(guò)90%的功率。為了提供可接受的性能，它們?cè)诘陀谝?guī)定的最大值的所有工作電平上必需呈現(xiàn)出總的諧波失真為0.1%量級(jí)。
對(duì)每個(gè)單元的控制在圖5舉例為一個(gè)微處理器控制器50連同有大規(guī)模門矩陣的接口電路。控制器50不僅有能力產(chǎn)生由每個(gè)移相器和衰減器所要求的規(guī)定控制電壓，也能貯存當(dāng)時(shí)和下一個(gè)指令組。借助這個(gè)控制機(jī)構(gòu)，波束就可以或者根據(jù)所需要的來(lái)接通，或者根據(jù)時(shí)分多路復(fù)用接通以用于大量的獨(dú)立區(qū)域。用于每個(gè)單元的控制器借助于典型的裝置間控制總線相互連接起來(lái)。當(dāng)天線用作通信衛(wèi)星的一部分時(shí)，裝置間控制總線也連接到和衛(wèi)星控制電路一起放置的主控制器。各波束的典型的系數(shù)組將在地面上計(jì)算出，再用衛(wèi)星控制鏈路播發(fā)到衛(wèi)星上。各單元有唯一的總線地址，由置入單元的硬件所在的組合網(wǎng)絡(luò)中的硬布線代碼來(lái)確定。由于與溫度有關(guān)的漂移電勢(shì)緣故，熱敏電阻可在需要時(shí)被用于補(bǔ)償控制電壓。如果控制相位和幅度所需的電壓不是線性的，微處理器可貯存一個(gè)查找表，以便將其線性化。
本發(fā)明特別參照優(yōu)選的實(shí)施例來(lái)說(shuō)明和展示，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，可以在形式上和內(nèi)容上作出改型而不偏離本發(fā)明精神和范圍。
權(quán)利要求
1.相控陣發(fā)射天線系統(tǒng)，用于產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立的同步微波信號(hào)波束，其特征包括在基片上按一個(gè)陣列配置的多個(gè)天線輻射單元，該單元中每一個(gè)包括配置有所述基片的腔中的放大裝置和混合波導(dǎo)耦合器，用于提供有選定相位的正交微波能量信號(hào)；濾波裝置，響應(yīng)于所述腔的微波輸出信號(hào)或者在選定頻帶內(nèi)通過(guò)的信號(hào)；輻射喇叭，響應(yīng)于被所述濾波裝置通過(guò)的所述微波信號(hào)，用于發(fā)射作為有一定方向和形狀的波束的所述微波信號(hào)；以及其中多個(gè)所述天線輻射單元中的每一個(gè)發(fā)射多個(gè)同步微波束之一，它們有同樣的功率值和不同的相位值，這決定了所述波束的形狀和發(fā)射方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的相控陣發(fā)射天線系統(tǒng)，其特征是其中所述腔包括設(shè)置在所述腔內(nèi)相距180°處的第1對(duì)微波探針，設(shè)置在所述腔內(nèi)相距180°處的第2對(duì)探針，所述第1和第2探針配置為相距90°，第1對(duì)線性放大器連接到所述第1對(duì)探針，第2對(duì)線性放大器連接第2對(duì)探針以激勵(lì)在所述腔內(nèi)的正交微波能量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的相控陣發(fā)射天線系統(tǒng)，其特征是其中所述基片包括連接到所述腔內(nèi)的所述第1和第2對(duì)放大器和探針的移相裝置和衰減裝置，用于提供90°相位差信號(hào)使得產(chǎn)生圓極化信號(hào)，其中所述放大器和探針對(duì)之一激勵(lì)在右圓極化，所述放大器和探針對(duì)的另一對(duì)激勵(lì)左圓極化。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的相控陣發(fā)射天線系統(tǒng)，其特征是其中所述的移相器的衰減器包括多個(gè)分離的移相電路和衰減電路，及一個(gè)連接到所述移相電路和衰減電路的開(kāi)關(guān)矩陣以選擇地連接單獨(dú)的極化信號(hào)到腔內(nèi)所述放大器和探針對(duì)，所述的單獨(dú)極化信號(hào)提供從所述喇叭發(fā)射的所述微波束的表形狀和方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的相控陣發(fā)射天線系統(tǒng)，其特征是其中衰減裝置設(shè)定成使從所述多個(gè)單元的所述喇叭發(fā)射的所述微波束在幅度上是相等的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述相控陣發(fā)射天線系統(tǒng)，其特征是進(jìn)一步包括多個(gè)功率信號(hào)，其中對(duì)每個(gè)天線單元的所述移相及衰減電路包括多個(gè)串聯(lián)的移相和衰減電路，所述多個(gè)串聯(lián)的移相和衰減電路的每一個(gè)被連接到一個(gè)單獨(dú)的功率信號(hào)，其中所述串聯(lián)的移相和衰減電路的每一個(gè)被所述天線單元發(fā)射的單獨(dú)波束相聯(lián)系，其中每個(gè)所述串聯(lián)的移相和衰減電路產(chǎn)生每個(gè)有關(guān)的波束的方向和形狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的相控陣發(fā)射天線系統(tǒng)，其特征是進(jìn)一步包括控制裝置，接到每個(gè)所述移相電路和衰減電路，用于將所述移相電路調(diào)節(jié)在選定值以提供要求的波束方向和形狀，用于將所述增益控制電路調(diào)節(jié)在選定值使其中全部所述天線單元有同樣的幅度電平。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的相控陣發(fā)射天線系統(tǒng)，其特征是進(jìn)一步包括第1和第2單塊微波集成電路放大器，按在所述混合波導(dǎo)耦合器和所述開(kāi)關(guān)矩陣之間，所述單塊微波集成電路放大器有較好的線性以保持所述發(fā)射波束互相獨(dú)立使同步發(fā)射的多個(gè)波束沒(méi)有干擾。
全文摘要
激勵(lì)發(fā)射相控陣天線系統(tǒng)用于產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立同步天線波束以照射需要的區(qū)域而不照射其他區(qū)域。區(qū)域尺寸形狀是構(gòu)成陣列的單元數(shù)目和尺寸的函數(shù)，波束的數(shù)目是構(gòu)成向陣列饋電網(wǎng)絡(luò)的波束數(shù)目的函數(shù)。陣列的所有單元工作在同樣的幅度電平，波束形狀和方向由相位調(diào)節(jié)來(lái)決定。有源發(fā)射相控陣天線系統(tǒng)包括配置在六角形構(gòu)形的多個(gè)天線單元。每個(gè)天線單元是一樣的，并包括一個(gè)輻射喇叭，能輻射二個(gè)正交的極化的每一個(gè)。
文檔編號(hào)H01Q25/00GK1095194SQ93121640
公開(kāi)日1994年11月16日 申請(qǐng)日期1993年11月30日 優(yōu)先權(quán)日1992年11月30日
發(fā)明者E·赫施菲爾德, 小·E·W·馬修斯, H·H·盧 申請(qǐng)人:太空系統(tǒng)/羅拉爾有限公司