專利名稱：圓形測(cè)向天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及天線，更具體地說(shuō)本發(fā)明涉及一種圓形測(cè)向天線。
背景技術(shù)：
普通的測(cè)向系統(tǒng)(DF系統(tǒng))包括四個(gè)主要部件天線系統(tǒng)，接收器，一臺(tái)或多臺(tái)處理器以及控制/輸出系統(tǒng)。天線系統(tǒng)不可避免地要面對(duì)兩個(gè)互相矛盾的要求一方面要求它要有全向或無(wú)定向的方向圖，以便可以接收最寬最廣的視野或視場(chǎng)，另一方面要求它要有“銳方向性射束”以便可以確定所截獲的信號(hào)到達(dá)的精確角度。這兩個(gè)相互沖突的要求不可能用一個(gè)靜態(tài)的天線來(lái)解決。因此人們往往求助于天線陣列，一種能旋轉(zhuǎn)的窄頻帶方向圖天線或相控陣天線(phased array antennas)(一種可以通過電子裝置迅速地改變它的輻射圖的天線)。旋轉(zhuǎn)式DF(測(cè)向)天線的一個(gè)主要的缺點(diǎn)是一旦它鎖定到一個(gè)目標(biāo)上，它對(duì)視場(chǎng)或視野的其余部分就一無(wú)所知。相控陣天線的一個(gè)缺點(diǎn)是要求使用種種昂貴的電子設(shè)備以進(jìn)行電子束掃描。
任何一臺(tái)DF系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上都要考慮如何在瞬時(shí)的視場(chǎng)或視野以及可以用于觀察的時(shí)間之間采取一個(gè)折衷的方案，以便使甚至視場(chǎng)或視野較差的天線也可以通過使天線旋轉(zhuǎn)而在一臺(tái)測(cè)向器中提供覆蓋360°方向的能力，但是，當(dāng)天線遇到的是頻率非常敏捷的發(fā)射信號(hào)或?yàn)闀r(shí)極短的信號(hào)時(shí)，就會(huì)碰到問題。截獲一個(gè)信號(hào)所需的時(shí)間以及被采樣的信號(hào)持續(xù)的時(shí)間在很大程度上取決于發(fā)射天線的方向圖(它可能也是旋轉(zhuǎn)的)以及DF(測(cè)向)天線的旋轉(zhuǎn)的重合或相互一致，正是這個(gè)需要折衷權(quán)衡之點(diǎn)使有效測(cè)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為一個(gè)棘手的問題。
以前的設(shè)計(jì)這種天線的嘗試都存在著種種不同的問題，例如，增益低，工作頻帶較狹，尺寸和重量太大，到達(dá)角AOA)精確度較低，目標(biāo)獲得時(shí)的方位角視野有限等等。有些以前的天線設(shè)計(jì)用的是低增益偶極子或螺旋天線單元。這些天線具有同時(shí)復(fù)蓋整個(gè)視野的能力，但是缺點(diǎn)是頻帶不寬以及到達(dá)角精度較低。有些其他的天線設(shè)計(jì)具有較大的帶寬，但不能同時(shí)復(fù)蓋整個(gè)視野。
發(fā)明概要因此，人們需要一種高精確度，高增益，能同時(shí)跟蹤和掃描的圓測(cè)向天線，而本發(fā)明能提供克服已有技術(shù)系統(tǒng)的種種缺點(diǎn)的圓測(cè)向天線。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種天線系統(tǒng)，它包括安排成一基本上呈圓形結(jié)構(gòu)的多塊安裝板。每塊安裝板有一個(gè)內(nèi)表面和一個(gè)外表面。每一個(gè)天線單元有一高頻端和一低頻端。每一天線單元的低頻端都安裝于安裝板之一的內(nèi)表面上，使諸相對(duì)設(shè)置的天線單元的高頻端彼此相互面向(面對(duì)面)設(shè)置。相對(duì)設(shè)置的天線的高頻端彼此相隔在高頻端接收的信號(hào)頻率的一個(gè)波長(zhǎng)。所述天線系統(tǒng)還包括一形成波束的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有其數(shù)目與天線部件數(shù)相等的輸入口。每一天線部件通過一相應(yīng)的輸入口與波束成形器網(wǎng)絡(luò)相連接。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明的天線系統(tǒng)包括多個(gè)基本上呈圓形的天線部件的陣列。這些天線部件分成多個(gè)組，所述天線系統(tǒng)還包括多個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)連接到一個(gè)天線部件組，以使諸天線部件彼此相互交織。
采用本發(fā)明的天線具有很多技術(shù)上的優(yōu)點(diǎn)，例如本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的到達(dá)角精度在0.5-18GHz(千兆赫)范圍內(nèi)達(dá)到0.5度的高精度而視場(chǎng)達(dá)到360°的全方位角。與低增益螺旋或偶極子天線單元相比，此實(shí)施例采用的天線單元是雙重偏振(雙重極化)，高增益且重量較輕的。此外，使用某些同軸腔天線部件，可以把頻率范圍擴(kuò)大到0.5-40千兆赫(GHz)。
本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)上的優(yōu)點(diǎn)是在360°方位角和最低±40度仰角的視場(chǎng)范圍具有可以連續(xù)跟蹤和掃描的測(cè)向能力。本發(fā)明的天線在目標(biāo)一旦測(cè)得以后可以使盲目問題達(dá)到最低的程度。此外，本發(fā)明的天線的部件較少，裝配起來(lái)比較簡(jiǎn)單，比較容易。本發(fā)明的天線的上述能力是由小尺寸的天線提供的，它的重量輕而成本低。本發(fā)明的天線的另一個(gè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是在同一個(gè)孔徑或開口中既可以用于測(cè)向又可以用作偏振計(jì)。
在閱讀和參考了下面的附圖，描述了權(quán)利要求書之后，對(duì)熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人士來(lái)說(shuō)本發(fā)明的其他技術(shù)優(yōu)點(diǎn)也將變得更為清楚。
附圖的簡(jiǎn)單介紹為了更全面的理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，在附圖中

圖1是一等角投影示意圖，它示出了代表本發(fā)明第一實(shí)施例的一個(gè)天線陣列。
圖2是一示意圖，它示出了圖1中的天線陣列的等角投影圖，其中天線部件沒有畫出。
圖3A是一示意圖，圖中示出了圖1中天線陣列的兩個(gè)相對(duì)置的天線部件的情況。
圖3B是一示意圖，它示出了圖3A中天線部件的天線結(jié)構(gòu)的等角投影圖。
圖4是一示意圖，它示出了本發(fā)明另一實(shí)施例的天線陣列的等角投影圖。
圖5A是一等角投影示意圖，它示出了圖4的天線陣列的一個(gè)天線部件。
圖5B是一等角投影示意圖，它示出了圖5A的天線部件的天線結(jié)構(gòu)。
圖6是一巴特勒成束模板波束形成器方框圖，其中采用了本發(fā)明的方方面面。
圖7是采用了本發(fā)明的巴特勒成束模板波束形成器的另一種結(jié)構(gòu)的方框圖。
圖8是一等角投影示意圖，其中示出了本發(fā)明的天線陣列的一個(gè)變型，該變型中采用了同軸天線部件。
圖9是一示意圖，圖中示出了圖8中天線陣列的一個(gè)同軸天線部件。
圖10是本發(fā)明的又一變型的等角投影示意圖，此變型中采用了多個(gè)圓形天線陣列。
圖11是“n”圓形天線陣列的多層式結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖12是巴特勒成束模板波束成形品的另一種結(jié)構(gòu)，其中采用了本發(fā)明的方方面面。
圖13是一圓形天線陣列的示意圖，其中圖1的天線部件與該陣列的縱向軸線成一個(gè)角度。
圖14是一圓形天線陣列的示意圖，其中天線部件與該陣列的縱向軸線成一角度。
發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)通過參閱圖1到圖7能夠獲得最好的理解，在各圖中，凡是相同或相對(duì)應(yīng)的部件都用相同的編號(hào)表示。
圖1中示出的天線陣列10是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。該天線陣列10中包括8個(gè)相同的天線部件12，它們都是與縱向軸線15垂直設(shè)置的。在本發(fā)明的此實(shí)施例中每一個(gè)天線部件12都是高增益、雙偏振(雙極化)的對(duì)數(shù)周期天線。但是應(yīng)予理解的是，其他類型的天線部件也是可以用的。天線部件12的結(jié)構(gòu)將在下面結(jié)合圖3A及圖3B作較詳細(xì)的描述。
現(xiàn)在請(qǐng)參閱圖3A及圖3B。圖3A示出的是天線陣列10中兩個(gè)相對(duì)置的天線部件12的安排情況。圖3B示出的是置于(封閉)圖3A所示的天線屏蔽罩20內(nèi)的天線結(jié)構(gòu)22。先參閱圖3A，每一天線部件12包括二個(gè)三角形的單元14。該三角形單元14彼此互相垂直設(shè)置并安裝在一圓的底座16上。
如圖3B所示，每一三角形單元14由多個(gè)用于接收和發(fā)射電磁信號(hào)的輻射器或天線元件24組成。每一根輻射器24的長(zhǎng)度在天線部件12的圓形底座16處最長(zhǎng)，越到末梢18越短。在圓形底座16處的輻射器24輻射及接收在所選擇的帶寬范圍內(nèi)的最低頻率，而在末梢18處的輻射器則發(fā)射及接收所述帶寬范圍內(nèi)的最高頻率。如圖3B所示，三角形天線單元14密閉在天線屏蔽罩20內(nèi)而完成一天線部件12。
現(xiàn)請(qǐng)參閱圖2。圖中示出的是沒有畫出天線部件12的天線陣列10的結(jié)構(gòu)。除去天線部件12的目的是更清楚地示出安裝板30的結(jié)構(gòu)。八塊安裝板30在支承部件40上安排成一基本上呈圓形的結(jié)構(gòu)。每一塊安裝板30都與支承部分40結(jié)構(gòu)相連以為天線部件12提供穩(wěn)妥的安裝。
現(xiàn)在請(qǐng)回到圖1，每一天線部件12的圓形底座16都固定在安裝板30上，以使每一天線部件12的末梢18都指向由安裝板30形成的基本上呈圓的區(qū)域的中心。把天線部件12如此安裝之后，使每一天線部件12的縱向軸線13(參見圖3A)基本上穿過圓的區(qū)域的正中心。此外，每一相繼的天線部件12的縱向軸線13在天線陣列10的方位面內(nèi)都彼此隔開45度。
雖然圖中的天線陣列10是由安裝板30及一支承部分40構(gòu)成的，但是也可以采用其他結(jié)構(gòu)的部件來(lái)在圖示的結(jié)構(gòu)中支承天線部件12。此外，本發(fā)明的天線陣列可以用于地面，飛機(jī)上，可移動(dòng)裝置及海洋平臺(tái)上以及其它應(yīng)用場(chǎng)合。
由于各天線部件12彼此非常接近，該天線陣列10可以描述為一過采樣干涉儀(over sampled interferometer)。干涉儀都是基于nλ/2間距的天線部件(其中n是整數(shù)，λ是所欲接收的頻率的波長(zhǎng))。在天線陣列10的方位面內(nèi)的天線部件12之間的角間距在沿著天線部件12的每一點(diǎn)均小于λ/2。這種接近的間距并不影響天線陣列10的到達(dá)角(AOA)精度。
現(xiàn)在回到圖3A。在兩根相對(duì)置的天線部件的末梢18之間沿著縱向軸線13的距離是λH，這里λH是天線部件12所要探測(cè)的最高頻率的波長(zhǎng)。類似地，相對(duì)置的天線部件的圓形底座16之間的間距是λL，這里λL是天線部件12所要探測(cè)的最低頻率的波長(zhǎng)。天線部件12的如此接近的間距可以制成尺寸小然而是有效的測(cè)向天線。
在圖1所示的實(shí)施例中，每一天線部件12都固定在相應(yīng)的安裝板30上，使兩個(gè)三角形單元14都與垂直及水平平面偏移45°。這種結(jié)構(gòu)稱為“45度傾斜”結(jié)構(gòu)。當(dāng)天線部件12取向成“45度傾斜”結(jié)構(gòu)時(shí)，在圓形天線陣列中的直接相對(duì)置的兩天線部件都是交叉極化的。因此天線陣列中任何一個(gè)天線部件的視場(chǎng)的阻塞都達(dá)到最低。然而，應(yīng)予指出的是，天線部件12的取向也可以設(shè)置成三角形單元14與垂直及水平平面相一致。在這種取向下在視場(chǎng)中會(huì)出現(xiàn)少量的阻塞現(xiàn)象。
此外，雖然圖1中畫出了8個(gè)天線部件12，但是在本發(fā)明的其他實(shí)施例中也可以大于或少于8個(gè)天線部件。唯一的要求是天線部件的數(shù)目一定要等于2的乘方(即22，23等等)。然而，最小的數(shù)目是8個(gè)，以達(dá)到高的到達(dá)角(AOA)精度，而如果在同一孔徑中得到偏振(極化)測(cè)定能力，則最低數(shù)目必需是四個(gè)。
在本發(fā)明的一個(gè)變型中，天線部件安裝成從圓形天線陣列的中心指向外面。然而把天線部件指向里面具有一些優(yōu)點(diǎn)。天線部件指向里面的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是這樣一種結(jié)構(gòu)使在圓形陣列中直接相對(duì)設(shè)置的天線部件之間的阻塞達(dá)到最小。因此，相對(duì)設(shè)置的天線部件是彼此RF(無(wú)線電頻率)可透過的。此外，相對(duì)設(shè)置的天線部件也可以是交叉極化的。
總之，本發(fā)明可以包括以下三種因素的變化天線部件數(shù)量的變化，天線部件相互面對(duì)的方向的變化，以及天線部件取向的變化(45度傾斜，等等)。
與相控陣天線不同，本發(fā)明的天線不需要用電子束掃描來(lái)達(dá)到360°視場(chǎng)的覆蓋。只要用一個(gè)無(wú)源的波束形成網(wǎng)絡(luò)就可以基本上覆蓋整個(gè)視場(chǎng)。一典型的波束形成網(wǎng)絡(luò)包括有源放大器及限幅器以增強(qiáng)要識(shí)別的接收信號(hào)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度和作用距離。天線陣列10的8個(gè)天線部件12中的每一個(gè)都連接到一個(gè)無(wú)源的波束成形網(wǎng)絡(luò)(圖中沒有明顯示出)?？梢杂糜诒景l(fā)明的天線的波束形成網(wǎng)絡(luò)的例子包括巴特勒成束模板(Butler matrix)及Rotman透鏡波束成形器。
現(xiàn)請(qǐng)參閱圖6。圖中示出了巴特勒成束模板的結(jié)構(gòu)，它可以連接于本發(fā)明的幾種型式的天線部件上。圖6中示出了一個(gè)8單元的巴特勒成束模板，它使用若干180度混接(hybrid)和90度混接以處理由天線部件接收到的信號(hào)。有關(guān)巴特勒成束模板的使用在許多有關(guān)天線的文獻(xiàn)中有著敘述，因此它的工作情況在這里就不再細(xì)說(shuō)了。
現(xiàn)在請(qǐng)參閱圖7。人們對(duì)巴特勒成束模板雖然是相當(dāng)熟悉的，但是本發(fā)明的天線陣列和巴特勒成束模板的獨(dú)特的連接方式具有幾方面的優(yōu)點(diǎn)。不一定要用如圖6所示的一個(gè)8單元的巴特勒成束模板，本發(fā)明也可以用兩個(gè)四單元的巴特勒成束模板。一個(gè)包括四個(gè)天線部件的四單元系統(tǒng)的四個(gè)天線部件及一個(gè)四單元巴特勒成束模板與另外一個(gè)四單元系統(tǒng)的天線部件相“交織”。圖7示出了天線部件A1，A2，A3，A4與巴特勒成束模板“A”相連并且與天線部件B1，B2，B3及B4相交織，后者連接到巴特勒成束模板“B”。兩個(gè)4單元巴特勒成束模板的結(jié)構(gòu)在圖中未詳細(xì)示出。這種巴特勒成束模板的結(jié)構(gòu)對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的人來(lái)說(shuō)是十分熟悉的。
這樣的交織安排可以降低天線陣列的成本，但仍舊保持采用八單元巴特勒成束模板的天線陣列的高到達(dá)角(AOA)精度。成本的降低是因?yàn)檫@種變型少用了一個(gè)同時(shí)接收器通道并且可以使用只用90度混合集成電路的巴特勒成束模板。這種形式的天線部件的交織不僅可以用于采用八個(gè)天線部件的本發(fā)明的天線陣列，而且也可以用于采用本發(fā)明的任何其他天線陣列，只要天線部件的數(shù)目等于4的倍數(shù)就可以。
通過使用一或多個(gè)巴特勒成束模板，圖1中的天線陣列10就有了全極化DF(測(cè)向)能力。天線陣列10可以實(shí)現(xiàn)雙傾斜45°極化和雙圓極化，此時(shí)，雙線性極化能力只是略有降低。通過改變天線部件12的取向，把三角形天線單元14與水平及垂直面對(duì)齊，本發(fā)明的天線陣列可以提供雙線性及雙圓極化，此時(shí)雙傾斜45°極化能力只略有降低。這樣的天線具有0.5度的AOA(到達(dá)角)精度，增加對(duì)幅值信息的處理，可以把AOA(到達(dá)角)精度提高到0.25度。
上述天線采用雙極化對(duì)數(shù)周期天線部件，然而單極化天線部件，例如垂直、水平、+45°傾斜，-45°傾斜，右旋圓極化，左旋圓極化天線部件也是可用的。
圖4是本發(fā)明的陣列110的示意圖，它采用了傾斜+45°的對(duì)數(shù)周期天線部件112結(jié)構(gòu)。天線陣列110的結(jié)構(gòu)與圖1所示天線陣列10的結(jié)構(gòu)相似，它們的主要差別在于所用的天線部件的類型不同。天線陣列110用的是平面天線部件112而不是天線陣列10中的交叉平面天線部件12。天線部件112在下面結(jié)合圖5A及圖5B進(jìn)行詳細(xì)描述。
圖5A示出的天線部件是平面天線部件112。圖5B是圖5A中的輻射和接收天線單元封閉在一天線屏蔽罩120內(nèi)的情況。天線部件112包括一安裝在一矩形底座116上的三角形天線單元114，它包括多個(gè)用于發(fā)射和接收電磁信號(hào)的輻射器(天線元件)124。輻射器124在矩形底座116處較大，接近末梢(末端)118時(shí)則較小。在矩形底座116處的輻射器發(fā)射及接收在所選擇的帶寬范圍內(nèi)的最低的頻率，而在末梢或末端118的輻射器則發(fā)射及接收在該帶寬范圍內(nèi)的最高的頻率。從圖5B中可以清楚地看出，所述三角形天線單元114封閉在天線屏蔽罩120內(nèi)。
現(xiàn)在回到圖4。每一天線部件112的矩形底座116都固定在一安裝板30上，并使每一天線部件112的末梢118指向由安裝板30形成及基本上呈圓形區(qū)域的正中心。通過這種安裝方法安裝天線部件112，每一天線部件的縱向軸線113在此圓形區(qū)域的正中心處穿過，此外，每一相繼或相鄰天線部件112的縱向軸線113在方位面內(nèi)彼此隔開45度的角度。
每一天線部件112固定在一相應(yīng)的安裝板30上，使三角形天線單元114偏移垂直及水平平面45度(一正45度傾斜結(jié)構(gòu))。應(yīng)該指出的是，使三角形單元114垂直取向或水平取向，垂直或水平極化都是可以達(dá)到的。-45度傾斜極化可以通過將三角形天線單元114在與圖4所示的相反方向與垂直及水平平面偏移45度角而獲得。使用本發(fā)明的天線還可以取得其它極化取向，只要如上所述改變圖1及圖4中的天線部件112的取向就可以。
使用其他類型的天線部件還可以形成其它天線結(jié)構(gòu)。例如，圖8是按照本發(fā)明的一天線200的示意圖，其中使用了同軸腔天線作為天線部件安排成一個(gè)圓形。在此結(jié)構(gòu)中，天線部件面向外而不是向內(nèi)，即頻率接收端不是面向中心而是背朝著中心。圖9示出了用于圖8的天線陣列的同軸天線單元210一種類型的一個(gè)例子。此外，上面結(jié)合圖6或圖7敘述的波束成形網(wǎng)絡(luò)也可以用于圖8所示的天線陣列中。
現(xiàn)在請(qǐng)參閱圖9。其中示出了一同軸腔天線單元210，該同軸腔天線單元210包括一中空的圓筒形內(nèi)導(dǎo)體212及具有兩相對(duì)端216及218的一圓筒形外導(dǎo)體214。在此實(shí)施例中，內(nèi)導(dǎo)體212在端部216處是封閉的，但是內(nèi)導(dǎo)體212也可以在端部216處是敞口的，此敞開的空間可以用作圓波導(dǎo)天線。此外，雖然圖中的實(shí)施例采用的是一中空內(nèi)導(dǎo)體212以減輕同軸腔天線210的重量，但是該內(nèi)導(dǎo)體212也可以是實(shí)心的。外導(dǎo)體214設(shè)置在內(nèi)導(dǎo)體212的外面并且與內(nèi)導(dǎo)體212相對(duì)于軸線250是同心設(shè)置的。內(nèi)導(dǎo)體212和外導(dǎo)體214的內(nèi)直徑之間形成腔室220。
內(nèi)導(dǎo)體212、外導(dǎo)體214及腔室220的尺寸選擇得可以有效地傳播在頻率范圍內(nèi)的電磁波。在圖9的實(shí)施例中，內(nèi)導(dǎo)體212沿著軸線250向外延伸得比外導(dǎo)體214長(zhǎng)。但是在其他實(shí)施例中，內(nèi)導(dǎo)體212和外導(dǎo)體214的高度是相等的。圖9中所示的此實(shí)施例的所有部件的尺寸可以放大或縮小以有效傳播較低或較高頻率的電磁波。
外導(dǎo)體214包括一孔徑環(huán)222及一底座215?？讖江h(huán)222可以與底座215一體形成或可以和底座215分開制成。在所示實(shí)施例國(guó)，孔徑環(huán)222的外直徑等于底座215的外直徑。此外，在該孔徑環(huán)222是與底座分開的實(shí)施例中，孔徑環(huán)222和底座215形成得可以彼此可靠地相互連接在一起?？讖江h(huán)222包括沿孔徑環(huán)222內(nèi)直徑設(shè)置的多個(gè)孔徑齒224。在圖9所示的實(shí)施例中，孔徑齒224是三角形的，而且沿孔徑環(huán)222的內(nèi)直徑設(shè)置成每一孔徑齒224指向同軸腔天線210的軸線250。設(shè)置孔徑齒224的一個(gè)目的是控制方向圖，更具體地說(shuō)，孔徑環(huán)224有助于使E平面和H平面的性能在諸如±60度這樣的寬角度的情況下(范圍內(nèi))能夠保持對(duì)稱。
同軸腔天線210還包括膜片環(huán)226。膜片環(huán)226形成得使它的內(nèi)直徑接近等于內(nèi)導(dǎo)體212的外直徑。然而，膜片環(huán)226的外直徑小于外導(dǎo)體214的內(nèi)直徑。膜片環(huán)226在腔220內(nèi)沿著內(nèi)導(dǎo)體212設(shè)置并與內(nèi)導(dǎo)體212相連，但是膜片環(huán)226與外導(dǎo)體214的內(nèi)壁228并不接觸。
此外，同軸腔天線210包括4個(gè)孔徑塊或隔板230。在圖9所示的實(shí)施例中，孔徑塊或隔板230象一對(duì)臺(tái)階。此隔板230與膜片環(huán)226及內(nèi)導(dǎo)體212相連。隔板230沿內(nèi)導(dǎo)體以90°的間隔設(shè)置并且與內(nèi)導(dǎo)體212連接得使每隔板230的平面包括軸線250。設(shè)置隔板230的目的是與孔徑齒一起控制方向圖。隔板230的另一個(gè)功能是阻抗匹配。
以上所述所有元件最好都由導(dǎo)電材料制成。鋁的重量較輕而且價(jià)格也便宜，是一種可以選用的合適材料。然而，在希望重量特別輕的應(yīng)用場(chǎng)合，也可以用導(dǎo)電的復(fù)合材料。
與外導(dǎo)體214的內(nèi)壁228相連的是多個(gè)電纜支承件232。電纜支承件232的數(shù)目與接收及發(fā)射信號(hào)的同軸電纜的數(shù)目相等(圖中同軸電纜未示出)。在圖9所示的實(shí)施例中，有4個(gè)電纜支承件232及4根同軸電纜(圖中未示出)。同軸電纜從同軸腔天線210的端部218通過電纜支承件232進(jìn)入。同軸電纜的外導(dǎo)體終止于電纜支承件232處而中心導(dǎo)體則突伸過此接合點(diǎn)而進(jìn)入與內(nèi)導(dǎo)體212相連的膜片環(huán)226。應(yīng)予指出的是，在此實(shí)施例中，雖然膜片環(huán)226和電纜支承件232靠得非常近，但它們是互不接觸的。
下面請(qǐng)參閱圖10。它是本發(fā)明的多天線陣列的又一種結(jié)構(gòu)形式。在圖1、圖4或圖8的多天線陣列中，諸天線陣列是“堆”在一起以形成一天線系統(tǒng)的。圖10示出了一種也是堆起來(lái)的天線系統(tǒng)，它也包括諸如圖1中描述的那些天線陣列300和302，但這些天線陣列300及302相對(duì)于穿過每一圓形陣列中心的線線304彼此同軸設(shè)置。這些天線部件是沿著軸線304在Z方向用一個(gè)波成形網(wǎng)絡(luò)加在一起的。這樣一種結(jié)構(gòu)壓縮了仰角波束寬度(elevationbeamwidth)。通過這樣的將天線陣列“堆積”的方式，該天線系統(tǒng)比圖1及圖4所示的單堆天線陣列10和110的增益為高。當(dāng)天線陣列離開可能的信號(hào)發(fā)射器較遠(yuǎn)的情況下，犧牲一些仰角視場(chǎng)以增加增益的辦法是頗為有用的。
現(xiàn)請(qǐng)參閱圖11。圖中示出了擴(kuò)大的堆積天線陣列306，它由多個(gè)天線陣列308－1至308－n堆積而成。諸天線陣列相對(duì)于穿過每一圓形陣列的中心的軸線310是彼此同軸的。堆積天線陣列306的面積每增加一倍，總的天線增益增加3dB，波束寬度則按相控陣列天線的理論下降。波束寬度的下降示意性地示于圖11。在圖11中輻射方向圖312是單個(gè)天線陣列的方向圖，而天線方向圖314則是四個(gè)天線陣列堆在一起時(shí)的方向圖，它的波束寬度有所降低。
現(xiàn)請(qǐng)參閱圖12。圖中示出了使用本發(fā)明天線陣列的巴特勒成束模板波束成形器的另一種結(jié)構(gòu)。天線部件401到408是天線陣列410的一部分。天線部件401，403，405，407互連到一個(gè)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的四輸入巴特勒成束模板412。天線部件403和405的低頻端連接到巴特勒成束模板412的輸入口，天線部件401及407的高頻端連接到巴特勒成束模板412的輸入口。
類似地，天線部件402，404，406，408連接到一四輸入巴特勒成束模板414。所有連接到巴特勒成束模板414的天線部件都連接到部件的高頻端。連接到巴特勒成束模板412的是一兩通道接收器416，它有兩個(gè)輸出端1和2，連接到巴特勒成束模板414的是一兩通道接收器418，它有兩個(gè)輸出端3和4。
示于圖12的巴特勒成束模板波束成形器，當(dāng)天線部件如圖12所示連接到輸入端時(shí)，可以在每一輸出端提供不同相位的模式或相位行進(jìn)模式(progression)。這些相位的行進(jìn)是以相位角度的N循環(huán)模式行進(jìn)的，其中N等于天線陣列中天線部件的數(shù)目。每一模式與該巴特勒成束模板的一適當(dāng)?shù)妮敵鱿嗦?lián)系。最低限度需要一兩通道接收器416或418以測(cè)量例如兩種模式。當(dāng)一有關(guān)的信號(hào)在天線陣列410上接收到時(shí)，0電相位(度)交叉沿著天線的方位角或視場(chǎng)移動(dòng)。如果測(cè)量為模式0及模式0＋1，并且將此兩模式相減，結(jié)果就是一發(fā)射器在360°視場(chǎng)內(nèi)的方位角或水平位置。這是只用相位信息對(duì)AOA(到達(dá)角)的基本測(cè)定。在測(cè)定AOA(到達(dá)角)的最低程度的時(shí)候不需要用幅值信息。但是幅值信息可以用來(lái)提高AOA精度，即比單用相位信息時(shí)的精度要高。
如圖1、圖4及圖10所示，天線部件的縱向軸是垂直于圓形天線陣列的縱向軸線的。請(qǐng)參閱圖13。天線部件510則設(shè)置成與縱向軸線514成一個(gè)角度。
天線部件510(圖中只示出了兩個(gè))的縱向軸線可以與軸線514成一個(gè)傾斜角度θ。使天線部件510傾斜一個(gè)角度可以使信號(hào)增益及探測(cè)范圍達(dá)到最佳化，最佳化的程度視天線的安裝結(jié)構(gòu)而定。例如，天線用于飛機(jī)上時(shí)，天線部件當(dāng)如圖13所示傾斜時(shí)，在方向圖中可以有一個(gè)完完全全的360°的方位角。一個(gè)約3°到4°的搜索角度可以使測(cè)向性能達(dá)到最佳化。然而應(yīng)予指出的是，雖然圖13中天線部件510安裝得與軸線514成一個(gè)朝上的傾斜角度，但是該天線部件也可以從軸線514平面朝下傾斜一個(gè)角度。
現(xiàn)在請(qǐng)參閱圖14。圖中示出了在水平軸線514平面內(nèi)看的天線陣列。天線部件516從軸線514朝下成一個(gè)角度θ。這是圖13向上成一個(gè)角度的變型。圖14中所用的同軸天線在圖8及圖9中曾加以描述過。
現(xiàn)請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D11。每一個(gè)天線陣列308-1到308-n的天線部件都可以安裝成相對(duì)于水平軸線成一角度，只要所有天線部件相對(duì)于軸線310的角度都在同一方向就可以。
上面雖然已對(duì)本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)作了詳細(xì)描述，但是應(yīng)予理解的是在所附權(quán)利要求書中所闡述的精神實(shí)質(zhì)和范圍內(nèi)對(duì)本發(fā)明作出種種變化、替代和改變是完全可能的。
權(quán)利要求
1.一種天線系統(tǒng)，它包括多個(gè)設(shè)置成基本上呈圓形結(jié)構(gòu)的安裝板，每一安裝板有一內(nèi)表面和一外表面；以及多個(gè)天線部件，每個(gè)天線部件都具有一個(gè)高頻端和一低頻端，每個(gè)天線部件的低頻端安裝在每一安裝板的內(nèi)表面上，相對(duì)設(shè)置的天線部件的高頻端彼此相互面對(duì)并彼此隔開在高頻端所接收的信號(hào)頻率的一個(gè)波長(zhǎng)。
2.如權(quán)利要求1所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，在方位面內(nèi)的各天線部件之間的角間距小于λ，所述λ是在所選擇的帶寬內(nèi)的信號(hào)的波長(zhǎng)。
3.如權(quán)利要求1所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，天線部件的數(shù)目等于2N，其中N是一個(gè)正整數(shù)。
4.如權(quán)利要求1所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，它包括成偶數(shù)的天線部件，天線部件繞著基本上呈圓形的圓形天線陣列的方位面等間距地間隔設(shè)置，使每一天線部件與另一天線部件彼此直接相對(duì)。
5.如權(quán)利要求4所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，每對(duì)相對(duì)設(shè)置的天線部件具有交叉極化。
6.如權(quán)利要求4所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，每對(duì)相對(duì)設(shè)置的天線部件都是彼此射頻(RF)可透過的。
7.如權(quán)利要求1所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，多個(gè)天線部件包括對(duì)數(shù)周期天線部件。
8.如權(quán)利要求7所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，所述對(duì)數(shù)周期天線部件其增益大于5分貝線性全向。
9.如權(quán)利要求7所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，所述對(duì)數(shù)周期天線部件的帶寬大于4倍頻程。
10.如權(quán)利要求7所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，每一對(duì)數(shù)周期天線部件包括沿垂直及水平平面的雙重極化。
11.如權(quán)利要求7所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，每一對(duì)數(shù)周期天線部件包括沿與水平及垂直平面偏移45度的平面的雙重極化。
12.如權(quán)利要求7所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，每一對(duì)數(shù)周期天線部件包括一單一極化，所述單一極化可選自下列諸項(xiàng)垂直極化，水平極化，+45°傾斜極化，-45°傾斜極化，左旋圓極化，右旋圓極化。
13.一天線系統(tǒng)，它包括多個(gè)天線部件，每一天線部件具有一高頻端和一低頻端，每一天線部件的低頻端安裝成一基本上呈圓形的結(jié)構(gòu)，所述相互對(duì)置的天線部件的高頻端彼此相互面對(duì)，并彼此隔開在高頻端所接收的信號(hào)頻率的一個(gè)波長(zhǎng)。
14.如權(quán)利要求13所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，每一天線部件具有一縱向軸線，并且在方位面內(nèi)的每一天線部件的縱向軸線之間的角間距小于λ，其中λ是在一選擇的帶寬內(nèi)的信號(hào)的波長(zhǎng)。
15.如權(quán)利要求13所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，每一對(duì)相互對(duì)置的天線部件具有交叉極化。
16.如權(quán)利要求13所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，彼此相互對(duì)置的天線部件彼此是射頻(RF)互透的。
17.如權(quán)利要求13所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)天線部件包括對(duì)數(shù)周期天線部件。
18.如權(quán)利要求17所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，所述對(duì)數(shù)周期天線部件具有大于4倍頻程的帶寬。
19.一種天線系統(tǒng)，它包括多個(gè)安排成基本上呈圓形結(jié)構(gòu)的安裝板，每一安裝板具有一內(nèi)表面和一外表面；多個(gè)天線部件，每個(gè)天線部件都具有一高頻端和一低頻端，每一天線部件的低頻端安裝在多個(gè)安裝板之一的內(nèi)表面，而彼此相互對(duì)置的天線部件的高頻端彼此相互面對(duì)，并在彼此之間隔開在高頻端接收的信號(hào)頻率的一個(gè)波長(zhǎng)；以及一具有多個(gè)其數(shù)目等于天線部件數(shù)目的輸入口的波束形成網(wǎng)絡(luò)，每一天線部件通過一相應(yīng)的輸入口與所述波束形成網(wǎng)絡(luò)相連。
20.如權(quán)利要求19所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，所述波束形成網(wǎng)絡(luò)包括一巴特勒成束模板。
21.如權(quán)利要求19所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，所述天線部件的數(shù)目等于4的倍數(shù)；以及所述波束形成網(wǎng)絡(luò)包括每組4個(gè)天線部件的一巴特勒成束模板，每一巴特勒成束模板連接于一經(jīng)選擇的4個(gè)天線部件，以使所述天線部件彼此相互交織。
22.如權(quán)利要求19所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，所述波束形成網(wǎng)絡(luò)包括一Rotman透鏡波束形成器。
23.一天線系統(tǒng)，它包括多個(gè)天線部件，每一天線部件具有一高頻端和一低頻端，每一天線部件的低頻端安裝成基本上呈圓形的結(jié)構(gòu)，相互對(duì)置的天線部件的高頻端彼此相互面對(duì)，并彼此隔開在高頻端所接收的信號(hào)頻率的一個(gè)波長(zhǎng)；以及一波束形成網(wǎng)絡(luò)，它具有其數(shù)目等于天線部件數(shù)目的多個(gè)輸入口，每一天線部件通過一相應(yīng)輸入口與所述波束形成網(wǎng)絡(luò)相連。
24.如權(quán)利要求23所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，所述波束形成網(wǎng)絡(luò)包括一巴特勒成束模板。
25.如權(quán)利要求23所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，所述波束形成網(wǎng)絡(luò)包括一Rotman透鏡波束形成器。
26.一種天線系統(tǒng)，它包括多個(gè)天線部件的一基本上呈圓形的天線陣列，所述多個(gè)天線部件分成多個(gè)天線部件組；以及多個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)，每一波束形成網(wǎng)絡(luò)與一天線部件組相連以使多個(gè)天線部件彼此相互交織。
27.如權(quán)利要求26所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)包括諸巴特勒成束模板。
28.如權(quán)利要求26所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，所述天線部件的數(shù)目等于4的倍數(shù)；以及每一天線部件組包括4個(gè)天線部件。
29.一種偏振計(jì)，它包括一由天線部件組成的基本上呈圓形的天線陣列，每一天線部件包括一面向圓形天線陣列的中心的高頻端；以及一波束形成網(wǎng)絡(luò)，它包括多個(gè)其數(shù)目等于天線部件數(shù)目的輸入口，每一天線部件通過一個(gè)輸入口與所述波束形成網(wǎng)絡(luò)相連。
30.一種偏振計(jì)，它包括一由天線部件組成的基本上呈圓形的天線陣列，每一天線部件包括一背朝著圓形天線陣列中心的頻率接收端，每一天線部件包括一同軸腔天線；以及一波束形成網(wǎng)絡(luò)，它包括多個(gè)其數(shù)目等于天線部件數(shù)目的輸入口，每一天線部件通過一個(gè)輸入口與所述波束形成網(wǎng)絡(luò)相連。
31.一種天線系統(tǒng)，它包括一第一基本上呈圓形的天線陣列，它包括多個(gè)天線部件，每一天線部件具有一面向基本上呈圓形天線陣列中心的高頻端；以及至少另一個(gè)基本上呈圓形的圓形天線陣列，每一個(gè)所述至少另一個(gè)圓形天線陣列與第一圓形天線陣列相疊置以使至少一個(gè)另外的天線陣列包括一與第一圓形天線陣列相對(duì)于穿過每一圓形天線陣列的中心的軸線是同軸的軸線。
32.一種天線系統(tǒng)，它包括由天線部件組成的基本上呈圓形的圓形天線陣列，每一天線部件具有一其正面背朝著所述圓天線陣列的中心的信號(hào)接收端，每一天線部件包括一同軸腔天線。
33.如權(quán)利要求32所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，它還包括一具有其數(shù)目與天線部件的數(shù)目相等的多個(gè)輸入口的波束形成網(wǎng)絡(luò)，每一天線部件通過一相應(yīng)的輸入口與該波束形成網(wǎng)絡(luò)相連。
34.如權(quán)利要求32所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，所述天線部件的數(shù)目是4的倍數(shù)；以及所述波束形成網(wǎng)絡(luò)包括一用于每組四個(gè)天線部件的巴特勒成束模板，每一巴特勒成束模板與一經(jīng)選定的四天線部件相連以使諸天線部件彼此相互交織。
35.一種天線系統(tǒng)，它包括一第一基本上呈圓形的天線陣列，它包括多個(gè)同軸腔天線，每一天線具有一其正面背朝著所述基本上呈圓形天線陣列的中心的頻率接收端；以及至少另一個(gè)基本呈圓形的天線陣列，每一個(gè)這種至少一另外的圓天線陣列與第一圓天線陣列相疊置，以使此至少另一個(gè)圓天線陣列具有一相對(duì)于穿過每一圓天線陣列的中心的軸線與第一圓天線陣列的軸線是同軸的軸線。
36.如權(quán)利要求13所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，所述基本呈圓形的結(jié)構(gòu)有一縱向軸線，且并每一天線部件具有一基本上與所述圓形結(jié)構(gòu)的縱向軸線垂直的縱向軸線。
37.如權(quán)利要求13所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，所述基本呈圓形的圓結(jié)構(gòu)具有一縱向軸線，以及每一天線部件有一縱向軸線，此縱向軸線與圓結(jié)構(gòu)的縱向軸線之間成一λ角度。
全文摘要
一種天線系統(tǒng),它包括多個(gè)基本上安排成圓形結(jié)構(gòu)的安裝板。每一安裝板有一內(nèi)表面和一外表面。每一天線部件有一高頻端和一低頻端。每一天線部件的低頻端安裝于一安裝板的內(nèi)表面,并使相對(duì)置的天線部件的諸高頻率彼此相對(duì)。相對(duì)地設(shè)置的天線部件的諸高頻端彼此隔開在高頻端接收的頻率的一個(gè)波長(zhǎng)。所述天線系統(tǒng)還包括一其數(shù)目與天線部件數(shù)目相等的多個(gè)輸入口的波束形成網(wǎng)絡(luò)。每一天線部件通過一相應(yīng)的輸入口與該波束形成網(wǎng)絡(luò)相連。
文檔編號(hào)H01Q9/16GK1328711SQ99813875
公開日2001年12月26日 申請(qǐng)日期1999年11月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月30日
發(fā)明者T·R·霍爾茲海默 申請(qǐng)人:雷西昂公司