專利名稱：寬帶天線陣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用在射頻天線陣中的輻射元，這些天線出現(xiàn)在例如某些雷達(dá)裝備中。并且本發(fā)明更主要涉及此類天線陣的非常寬頻帶的工作。
電磁能從特殊設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)發(fā)射并被天線所接收，天線結(jié)構(gòu)有多種拓補(bǔ)形狀。最普通和最簡單的天線結(jié)構(gòu)常見用于汽車廣播無線電接收和家庭電視接收。更復(fù)雜的天線結(jié)構(gòu)能在雷達(dá)裝置中被見到，用于軍事和民用目的的運動目標(biāo)的測距。
最復(fù)雜的雷達(dá)天線是一類天線陣的例子，采用大量的小天線元，其相互連接的方式設(shè)計成不用移動整個陣就能對空間中的電磁能的輻射束進(jìn)行電子操控。
構(gòu)成陣的單個天線能夠是，例如，簡單的偶極天線，其為人們所熟知。這類元被稱為基本元并且對于給定的輻射能的頻率具有最小的可能尺寸(圖1)。偶極天線的臂1a和1b通常每個長為工作頻率上的四分之一波長，位于金屬底板2上方相距X處，以在所希望的方向Z上給出輻射。傳輸線3向偶極天線的臂1a和1b供應(yīng)能量。長度1與直徑d之比通常大于10，這在相對于頻帶的中心頻率的百分之幾的窄頻帶范圍上給出令人滿意的性能。電場矢量用箭頭E表示。
天線陣能夠用大量的均勻地或非均勻地分布在規(guī)定表面面積上的此類天線元組成，并且被選擇提供所期望的天線輻射特性。表面可以是平面的或在一個以上的平面內(nèi)彎曲的，周邊可以是任意形狀，雖然它通常是園形，或矩形，或簡單地是一直線，它是在矩形的一個邊尺寸為零時矩形孔徑的退化情況。
圖2表示一個位于金屬底板6上的M×N個偶極天線元5的矩形陣。通過將天線元置于幾何網(wǎng)格4的節(jié)點上，陣中的天線元彼此隔開，就性質(zhì)而言網(wǎng)格可以是例如矩形(如圖所示)或者三角形。元5彼此的間距S、P和d不能超過所輻射的電磁能的波長的某個最大百分?jǐn)?shù)率，如果在陣極座標(biāo)圖中不希望的特性要被避免的話。假如這個極大值元間距被超過、企圖將陣中的元數(shù)目減至最小，則從在陣發(fā)射的能量的極座標(biāo)圖中會產(chǎn)生“網(wǎng)狀波瓣”(grating Lobes)。網(wǎng)狀波瓣是該極座標(biāo)圖的主(基)波瓣的復(fù)制品，但是它們是在與主波瓣不同的空間方向上。
在雷達(dá)應(yīng)用中，要在主束和在雜網(wǎng)狀瓣束中所探測的目標(biāo)之間進(jìn)行區(qū)別是不可能的，后者造成二重性。在網(wǎng)狀波瓣中所探測到的目標(biāo)將由雷達(dá)信號處理器處理，就像它在主束中被接收并且將被指定在一個完全錯誤的空間方向上。在雷達(dá)和在其它的應(yīng)用、比如像廣播和通訊服務(wù)，網(wǎng)狀波瓣將一些能量載往無用的空間區(qū)域并因此而降低系統(tǒng)的工作效率。
對于大多數(shù)窄頻帶寬的應(yīng)用，要接受陣元間距限制通常是不可能的。如果輻射圖的主束不被電子掃描，圖2中的間距d能夠達(dá)到工作頻率上的1個半波長。如果該束要被電子掃描，則間距必須隨最大掃描角的增大而減小。對于與陣表面的法線成90度的掃描，該間距減小至1個半波長的最小值。
然而，有時候必需在一個寬的頻率范圍上發(fā)射和接收電磁能，例如在捷變頻雷達(dá)中，該雷達(dá)工作在分布于一個規(guī)定寬度的頻率量程上的一個或多個頻率上。頻率捷變性能夠允許該雷達(dá)或戰(zhàn)術(shù)通訊系統(tǒng)在無論什么性質(zhì)的干擾將某個頻率上的接收淹沒時繼續(xù)工作。捷變性具有在目標(biāo)探測和信號處理方面的其它優(yōu)點，在雷達(dá)裝置特別是應(yīng)用于軍事功能的雷達(dá)裝置中被普遍地利用。
在此類頻率靈敏的軍事應(yīng)用中，通?？善谕ぷ髟谝粋€盡可能寬的頻帶上；至少一個倍頻程。這要求單個的陣元能夠工作在選定的頻率范圍上并且在全部工作頻率上要求它們互相的間距滿足已經(jīng)說過的最大間隔判據(jù)。很清楚，對于傳統(tǒng)的陣元比如單個直線型偶極天線這是不可能的。雖然已有的關(guān)于寬帶偶極天線的設(shè)計允許其工作在頻帶的平均頻率的30％左右的帶寬上。例如在IEEE天線及傳播會刊的1984年4月的第AP-32卷，第4期第410至412頁中，由M．C．Bailey描述了一種寬帶半波偶極天線并且描述了一種蝴蝶結(jié)形狀的偶極天線，其長度為工作頻帶的平均波長的0．32倍，并且已經(jīng)證明在中心頻率600MHz周圍33％的帶寬上具有可接受的性能，此帶寬依據(jù)這樣一個判據(jù)決定的，即輸入電壓駐波比(VSWR)不應(yīng)超過2．0。
即便可能使偶極天線在頻率的倍頻程改變的范圍上能夠輻射。卻不可能滿足為確保在倍頻程上無網(wǎng)狀波瓣輻射所必需的間距條件，此輻射是從由大量此種偶極天線所構(gòu)成的陣發(fā)射的。偶極天線的長度應(yīng)在最低頻率處的一個半波長和最高頻率處的一個半波長之間，所以陣中偶極天線之間的間隔必定超過最高頻率處的半波長，如果要想避開偶極天線之間的物理干擾的話。
在前面提到過的天線與傳播學(xué)會IEEE全刊的文章中所描述的蝴蝶結(jié)天線的數(shù)字模型，利用經(jīng)證明的分析軟件數(shù)字電磁代碼(HEC)，已經(jīng)證明，它不能被設(shè)計成工作于倍頻程頻段上。
在陣型天線中所用的元不一定要是單個偶極天線。如圖3中所示的對數(shù)周期的偶極天線陣(LPDA)可以被用作一種非常寬帶的元，在LPDA中，一系列半波偶極天線以共平面和平行結(jié)構(gòu)的方式被排列在一個平行金屬線傳輸線7上。在圖3中所示的5個元的LPDA是LPDA類型天線的代表。在LPDA中所用的偶極天線元的數(shù)目取決于所要求的性能特征。在LPDA中的偶極天線的長度和間距對數(shù)地增大，與它們對固定坐標(biāo)參考點8的距離成正比。能量被從饋送點9饋送給LPDA，方向朝向參考點8，饋送點9緊靠偶極天線。
第一個偶極天線和最后一個偶極天線10和11分別被選擇以適合感興趣的頻帶，其能夠是幾個倍頻程或者甚至十倍量程。偶極天線10將被選擇的尺寸使其正確地在頻帶的高頻端輻射。金屬底板12被置于距離偶極天線11約為最低工作頻率上的一個四分之一波長處，以提供單方向的輻射，在該發(fā)明對于雷達(dá)的應(yīng)用中這可能是合乎需要的，例如向后方向的輻射對雷達(dá)的工作可能有有害的影響。傳輸線7在傳輸線與金屬底板相交的點A處通過金屬底板12被短路，此類LPDA是熟悉的，例如884889號英國專利就描述了這樣一種LPDA，并且被廣泛使用。由LPDA所發(fā)射或接收的電場矢量的方向，即波的極化方向，用頭E表示。它位于諸偶極天線的公共平面內(nèi)(如畫的水平面)因為偶極天線的激勵電流全部位于該平面內(nèi)。
平面陣天線可能包括許多LPDA，這些元的排列方式是包含它們各個偶極天線組的平面垂直于此平面陣。圖4畫出陣中位于矩形網(wǎng)格19節(jié)點處的第14至18元。
如此構(gòu)成的平面陣具有這樣的優(yōu)點即極座標(biāo)圖在與其垂直方向成大角度方向上的旁波瓣與相應(yīng)的單偶極天線元的陣發(fā)出的旁波瓣相比被減小了，這是由于LPDA元的束寬比偶極天線元的束寬窄。然而相同的元間距判據(jù)，此判據(jù)是為消除網(wǎng)狀波瓣而用于偶極天線元陣上的，也適用于LPDA陣，但由于LPDA元的窄束圖網(wǎng)狀波瓣尺寸將被減小。
LPDA克服了單極元的頻率帶寬限制，但是，正像單寬帶偶極天線一樣，它無法滿足為抑制由平面陣所產(chǎn)生的網(wǎng)狀波瓣所必需的間距判據(jù)。例如，在圖4中的LPDA’S 14和15在陣中的安置不能比圖3中最長的偶極元11所能允許的更靠近。照此辦理，高頻元，在LPDA的14和15中的20將被彼此分開大于高頻上的一個半波長；事實上對于分開一個波長的情況，如果LPDA被設(shè)計成工作于倍頻程，網(wǎng)狀波瓣會在工作頻帶的較高頻率處生成。
本發(fā)明的目的是提供一種直線型陣元，它克服了上面提到的問題。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種直線型天線陣元，該陣元包括許多總長度不相等的彎曲的偶極天線以及至少一個較短的非彎曲的偶極天線，所說的彎曲的偶極天線有它們相應(yīng)的彎曲的極(Pole)，使得所說的偶極天線的端段有相等的長度且實質(zhì)上被成形與所說的偶極天線的中央段成一個角度，而所說的中央段的長度實質(zhì)上等于最短的非彎曲偶極天線的長度，所說的極被交替地連接到相應(yīng)的兩根導(dǎo)體傳輸線上以確保工作時有正確的激勵相位，該兩導(dǎo)體在垂直平面內(nèi)是平行的且其裝配方式使得每個偶極天線的長度與其離所說傳輸線的軸上的固定的參考點的距離之比為常數(shù)。每個所說的偶極天線的總長度基本上為一個半波長或它的多倍，這與在總頻帶內(nèi)所期望的分立的發(fā)射或接收頻率有關(guān)。
端段最好彎成與中央段成直角。
按照本發(fā)明的進(jìn)一步的見解，各個偶極天線的端以段相反的方向放置且實質(zhì)上位于相同的垂直平面內(nèi)。
按照本發(fā)明另一方面各偶極天線的端段指向相反方向并實質(zhì)上位于相同的水平面內(nèi)。
按本發(fā)明再一方面，各偶極天線的端段指向相同方向并實質(zhì)上位于相同水平面內(nèi)。
本發(fā)明除掉了關(guān)于平面陣內(nèi)LPDA的間距的限制，此限制是由LPDA中的最低頻率(最長)偶極天線所強(qiáng)加的。因此允許接受平面陣天線在至少一個倍頻程頻帶上工作。
顯然，彎曲的LPDA元現(xiàn)在可以理想地配置在一個陣內(nèi)，該陣包括許多這樣的元，相鄰元間距遵守網(wǎng)狀波瓣抑制判據(jù)，因此許可該陣天線束以理想的方式在至少一個倍頻程的頻帶范圍上被掃描。
對于特定的系統(tǒng)應(yīng)用，在陣中可能使用大量的彎曲的LPDA元，在這些應(yīng)用場合寬帶頻率捷變能提供一種對由系統(tǒng)接收到的天然的或人為的干擾信號的有用的對抗。
現(xiàn)在將參考


本發(fā)明的各種實施例，其中圖5表示一個按照本發(fā)明的彎曲的對數(shù)周期的偶極天線陣(LPDA)圖6、7、8和9給出按照本發(fā)明的LPDA的另外幾種實施例，以及圖10表示一個彎曲的LPDA的平面陣。
參見圖5，圖中表示一個彎曲的LPDA，其中單個的偶極天線被配置成“Z”字形的或彎曲的，端段與中央段之間的夾角β彼此相等，因而彎曲的偶極天線能夠全部被包含在一個平面內(nèi)，在所圖示的情況中角度β為90度。更具體地，所有的偶極天線的中央段被做成長度相等且等于最高工作頻率上的一個半波長。這在長度上(兩倍y)與普通的非彎曲的LPDA中最短的偶極天線10相等。90度彎曲的偶極天線的兩個端段21a和21b，例如有相等的長度因而總的偶極天線的長度與在圖3中表示為13的與它等價的直線型偶極天線相同。因此，LPDA的“寬度”是不變的并且受控于工作的最高頻率而與帶寬要求無關(guān)。
由許多此種彎曲的偶極天線構(gòu)成的LPDA能夠以幾種方式構(gòu)成。圖6至圖9給出四種本發(fā)明的實施例。這將有助于對說明的理解即將金屬底板想象為垂直取向的平面且存在于第二垂直平面內(nèi)的二條金屬傳輸線與底板相交成直角。
在圖6中，包含有構(gòu)成LPDA的每個偶極天線的平面相互平行并且平行于金屬底板。但是由于構(gòu)成彎曲的LPDA偶極天線具有的電流有分別在水平和垂直平面內(nèi)的分量(Ih和Iv)，輻射電場矢量E現(xiàn)在不再位于水平平面內(nèi)了。由LPDA所發(fā)射的信號的偏振仍然是線性的但它位于一個斜平面內(nèi)，并且是由彎曲的偶極天線的組件部分所輻射的電場的水平和垂直分量的矢量和。顯然在圖6中對于低頻偶極天線，臂22a和22b如同分量E1h和E1v一樣并且通過矢量相加凈低頻場E1=E1h+E1v且相對于水平面傾斜成θ角，其中θ角由tan-1(E1v／E1h)給出。很清楚，對于低頻偶極天線θ為極大值。對于高頻偶天線θ為0，這是因為高頻偶極天線不含有垂直電流分量的緣故。因此由彎曲的LPDA所輻射的電場的極化是線性的且其方向是頻率的函數(shù)。借助于可逆性相同的說明對于由天線所接收的信號也成立。
在雷達(dá)中發(fā)射的信號的極化因而還有接收信號的極化原則上是通過對預(yù)期目標(biāo)的性質(zhì)以及地形地物的干擾的研究來選擇的。通常它是水平的，垂直的或45度。依賴于雷達(dá)的性質(zhì)和它的應(yīng)用，在非常寬的捷變的帶寬上工作的能力可能壓倒任何由極化隨頻率旋轉(zhuǎn)而可能導(dǎo)致的缺點。在甚高頻(VHF)和超高頻(UHF)情況下，當(dāng)極化是垂直時候明顯地得益于較低頻率處的衍射而當(dāng)極化是水平的時候則得益于較高頻率(UHF)的葉飾滲透特性(foliage penetration properties)。這些優(yōu)點能夠從由許多圖6中所示的彎曲的LPDA元所組成的平面陣獲得，如果彎曲的LPDA被設(shè)計成復(fù)蓋VHF和UEF帶的適當(dāng)部份的話。
本發(fā)明的第二個實施例為示在圖7中。圖中彎曲的偶極天線被限定于一個簡單的水平平面，對構(gòu)成饋送傳輸線24a和24b的導(dǎo)體的微小間距忽略不計。由此實施例的彎曲的LPDA所發(fā)射的電場的線極化因此是水平的，作為本發(fā)明特殊應(yīng)用的一種可能的特殊要求，例如較高頻率的雷達(dá)，衍射和葉飾滲透機(jī)制在那里實質(zhì)上都不重要。
已經(jīng)證明，當(dāng)偶極天線的端段的彎曲方式使得它們成“C”字造形并且它們以平行的和共平面方式被裝配，如像圖8所示，當(dāng)在與圖7中所示的實施例的性能相比較時，如此構(gòu)成的彎曲的LPDA在廣角(α)處具有改善了的性能。這是因為由“C”形偶極天線的端段所載的電流大小相等且方向相反，因此由它們所輻射的場的分量會對消掉。當(dāng)α=90度時該分量精確地對消且在這個方向上無輻射發(fā)生。這對于在如雷達(dá)應(yīng)用的平面陣中所利用的彎曲的LPDA元而言是理想的情況。
第四個本發(fā)明的實施例表示在圖9中，其中形狀為圖8所示的彎曲的偶極天線以及饋送它們的傳輸線是作為一個總的集成化組件在雙面的或兩單面的印刷線路板26上蝕刻成的。這種構(gòu)造的方法使得有可能對加工公差和好的重復(fù)性進(jìn)行優(yōu)良的控制，這在其相應(yīng)波長非常小的頻率上是一個重要的優(yōu)點。這些偶極天線和傳輸線可以包含在一片介電材料里，這片材料從包含最大的彎曲的偶極天線的尺寸到超過最短的且非彎曲的偶極天線的尺寸為零的點逐漸變尖。
在上述的每個實施中都可能在陣的末端設(shè)置許多非彎曲的偶極天線10。
本發(fā)明在按相同的LPDA元的平面陣中的實施例圖示在圖10中。這些元被安裝在正方形網(wǎng)絡(luò)上，其對應(yīng)軸相互平行且與構(gòu)成所說的線性陣的基底的線成直角。
如前面所述，平面陣可以由大量的線性陣元以任意的形狀構(gòu)成。線性陣元可以以規(guī)則的或非規(guī)則的間距置于網(wǎng)格的節(jié)點上。節(jié)點可以是矩形的，三角形的或者任意其它的幾何形狀，其方式應(yīng)使得諸線性元的軸彼此平行并且與平面陣的平面成直角。
非平面陣既可以通過單獨地或者成對地彎曲上述的平面陣的表面來構(gòu)成。
本發(fā)明的應(yīng)用不局限于VHF和OHF頻帶，原則上能夠被用在任何需要工作在寬帶寬特別是倍頻程或者更寬的帶寬上的平面陣或線性陣天線中以取得重大的益處，例如雷達(dá)，通信，或其它目的。較高的頻率上限可通過饋送點和傳輸線的構(gòu)造能夠達(dá)到的精確度來產(chǎn)生。
權(quán)利要求
1．線性天線陣元包括許多個不等總長度的彎曲的偶極天線和至少一個較短的非彎曲的偶極天線，所說的彎曲的偶極天線具有它們各自的彎曲的極，彎曲方式使得所說的偶極天線的端段有相等的長度并且與所說的偶極天線的中央段形成一個角度，這里所說的中央段的長度基本與最短的非彎曲的偶極天線的長度相等。所說的極被交替地連接到相應(yīng)的二導(dǎo)體傳輸線上以確保正確的工作激勵相位，該導(dǎo)體位于垂直平面內(nèi)是平行的且其配置使得每個偶極天線的長度與它與離所說的傳輸線上的固定參考點的距離之比為常量，并且每個所說的偶極天線具有的總長度基本上等于與總頻帶內(nèi)所期望的分立的發(fā)射和接收頻率有關(guān)的一個半波長或它的幾倍。
2．按照權(quán)利要求1的線性天線陣，其中端段被牢固地彎曲成與中央段成直角。
3．按照權(quán)利要求1或2的線性天線陣元，其中各個偶極天線的每個端段被定位在相反的方向上且位于一個垂直平面內(nèi)。
4．按照權(quán)利要求1或2的線性天線陣元，其中各個偶極天線的每個端段指向相反的方向并且基本上位于一個水平平面內(nèi)。
5．按照權(quán)利要求1或2的線性天線陣元，其中各個偶極天線的每個端段指向相同的方向并且大體上位于相同的水平平面內(nèi)。
6．按照權(quán)利要求4或5的線性天線陣元，其中偶極天線和它們各自的傳輸線導(dǎo)線被蝕刻在印刷線路板上，該板的平面表面實質(zhì)上是平行的。
7．按照權(quán)利要求4或5的線性陣元，其中每個傳輸線的導(dǎo)線和與其相連接的各個極，被蝕刻在印刷線路板的分開的面上。
8．按照權(quán)利要求5或6的線性陣元，其中偶極天線和傳輸包含在一片介電材料中，該片介電材料從包容最大的彎曲的偶極天線的尺寸到在超過最短的非彎曲的偶極天極的一個點處的零尺寸逐漸變尖。
9．由大量的按照任何前面的權(quán)利要求所要求的線性天線陣元所構(gòu)成的線性陣，其中所說的天線陣元的軸是相互平行的并且與形成所說的天線陣的基底的線成直角。
10．由大量按照權(quán)利要求1到8中任何一條所要求的線性天線陣元組成的任意形狀的平面陣，其中所說的線性天線陣元被以規(guī)則的或不規(guī)則的間距安裝在網(wǎng)格的節(jié)點上，網(wǎng)絡(luò)既可能是矩形的或者是三角形的或者是其它幾何形狀，使得所說的線性天線陣元的軸相互平行并且與所說的平面陣的平面成正交。
11．通過或者逐一地或者成雙地彎曲按照權(quán)利要求10的所說的平面陣的表面來構(gòu)成任何非平面表面的陣。
全文摘要
本發(fā)明是一個彎曲的對數(shù)周期的偶極天線陣(LPDA),在用作一種線性陣或平面陣的元時,LPDA幫助除去元間距限制因而消除掉網(wǎng)狀波瓣問題。LPDA是以周期間隔的線性偶極天線陣的形式為人們所熟知,例如被使用在寬帶通訊鏈路和家庭電視接收中。它們能夠被設(shè)計成有效地工作在幾個倍頻程甚至十個倍頻程的范圍內(nèi)。
文檔編號H01Q21/06GK1206230SQ98109810
公開日1999年1月27日 申請日期1998年6月10日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月11日
發(fā)明者D·R·希爾 申請人:英國太空防衛(wèi)系統(tǒng)有限公司