專(zhuān)利名稱(chēng)：用于形成毫米波相控陣列天線(xiàn)的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天線(xiàn)，更具體地說(shuō)，涉及能在毫米波長(zhǎng)上工作的并結(jié)合了共同的帶狀線(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的電掃描的雙波束相控陣列天線(xiàn)。
背景技術(shù)：
相控陣列天線(xiàn)包括多重輻射天線(xiàn)元件、單獨(dú)的元件控制電路、信號(hào)分配網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)控制電路、電源，及機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)。天線(xiàn)的總增益、有效全向輻射功率和掃描及旁瓣要求直接涉及在天線(xiàn)孔徑中的元件的數(shù)量、元件的間隔、元件和元件電子裝置的性能。在許多應(yīng)用中，需要幾千個(gè)獨(dú)立的元件/控制電路來(lái)獲得期望的天線(xiàn)性能。典型的相控陣列天線(xiàn)包括對(duì)輻射元件的獨(dú)立的電子學(xué)組件和通過(guò)外部分配網(wǎng)絡(luò)互連的控制電路。圖1示出典型的發(fā)射相控陣列天線(xiàn)的示意圖，其包括輸入端、分配網(wǎng)絡(luò)、元件電子裝置和輻射器。
當(dāng)天線(xiàn)工作頻率增大時(shí)，在輻射元件之間所需的間隔要減小，而難以在更加緊密的元件間隔中物理上構(gòu)建控制電子電路以及完成互連。放寬緊密的元件間隔會(huì)使波束掃描性能下降，但適當(dāng)提供多重互連要求苛刻的制造和裝配容差，這會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜性及成本。因此，相控陣列天線(xiàn)的性能和成本主要取決于模塊組件和分配網(wǎng)絡(luò)互連。多波束應(yīng)用因?yàn)樵谕瑯犹炀€(xiàn)體積內(nèi)要求更多的電子組件和互連，還會(huì)使該問(wèn)題更加復(fù)雜化。
相控陣列封裝架構(gòu)可分為瓦型(即共面)和磚型(即直列)。圖2示出典型的瓦型架構(gòu)，其顯示出在天線(xiàn)孔徑中共面并象瓦一樣裝到一起的組件。圖3示出典型的磚型架構(gòu)，其使用與天線(xiàn)孔徑垂直的并類(lèi)似于磚一樣裝到一起的直列組件。
本申請(qǐng)的受讓人，波音公司，在相控陣列模塊/元件封裝技術(shù)上是引領(lǐng)性的創(chuàng)新者。波音公司已經(jīng)設(shè)計(jì)、研發(fā)和交付了許多使用瓦、磚和混合技術(shù)以制造輻射器模塊及/或分配網(wǎng)絡(luò)的相控陣列。向每個(gè)相控陣列模塊提供電磁波EM能量的RF分配網(wǎng)絡(luò)可以為所謂的串聯(lián)或并聯(lián)方式。因?yàn)樵诜峙淦陂gEM波信號(hào)經(jīng)歷的不同的延遲，串聯(lián)分配網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常受到瞬間帶寬的限制。而并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對(duì)每個(gè)模塊提供同樣的延遲，而允許較寬的瞬間帶寬。然而，對(duì)輻射器模塊非常多時(shí)并聯(lián)分配增大了困難。向一組相控陣列模塊傳遞同樣的延遲的最常用的方法是組合的分配網(wǎng)絡(luò)。組合分配網(wǎng)絡(luò)使用二進(jìn)制信號(hào)分路器對(duì)2n個(gè)模塊分配等延遲的信號(hào)。這種類(lèi)型的分配使其很適于在業(yè)內(nèi)廣泛使用的瓦型陣列架構(gòu)。
在瓦型架構(gòu)中使用組合網(wǎng)絡(luò)要受到模塊間隔的限制。在更高的工作頻率上在寬角波束掃描陣列的緊密組裝模塊中分配EM波能量、DC功率信號(hào)和邏輯信號(hào)變得更加困難。因?yàn)镽F功率的損耗也隨著工作頻率增加，設(shè)計(jì)者試圖通過(guò)使用低損耗的傳輸介質(zhì)來(lái)限制分配損失?？捎玫淖畹蛽p耗介質(zhì)是充滿(mǎn)空氣的矩形波導(dǎo)。然而這樣的波導(dǎo)需要較大的體積并且不易于引導(dǎo)到各個(gè)地點(diǎn)(即天線(xiàn)模塊)。帶狀線(xiàn)導(dǎo)體，取決于材料參數(shù)及尺寸，每單位波導(dǎo)長(zhǎng)度上顯示出如充滿(mǎn)空氣的矩形波導(dǎo)的5-10倍的損耗的量。然而，帶狀線(xiàn)波導(dǎo)非常緊湊并易于用來(lái)向緊密封裝的僅由非常小的間隔量分開(kāi)的模塊(即輻射元件)分配RF能量。
充空氣波導(dǎo)可專(zhuān)用于串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中以饋電緊密封裝的天線(xiàn)模塊。每個(gè)波導(dǎo)的充空氣段使用叫作軌道的一連串槽。在軌道中槽之間的電學(xué)長(zhǎng)度隨工作頻率改變。如果該軌道用于形成天線(xiàn)束，當(dāng)工作頻率改變時(shí)，在槽之間的電學(xué)長(zhǎng)度上的改變使波束移位或偏離預(yù)期的角度。當(dāng)軌道中的槽的數(shù)量增加時(shí)，波束的偏離變得更加明顯，從而更進(jìn)一步減小瞬間帶寬。在軌道中的槽還易于相互作用而使軌道的設(shè)計(jì)更加困難和復(fù)雜。如果槽彼此隔絕，那么可以更容易確定對(duì)預(yù)期耦合水平所需要的每個(gè)槽的長(zhǎng)度。軌道也是在一個(gè)單一中心頻率處獲得其預(yù)期相位和振幅分配并在工作頻率偏離該中心頻率時(shí)迅速變差。
對(duì)相控陣列天線(xiàn)，在天線(xiàn)模塊中可以使用移相器調(diào)節(jié)由串聯(lián)分配網(wǎng)絡(luò)引入的相位偏差。為了實(shí)現(xiàn)這種調(diào)整或校準(zhǔn)，需要對(duì)瞬間工作頻率的先驗(yàn)了解。使用查詢(xún)表以修正在沿陣列的工作帶寬上的不同頻率點(diǎn)處的波束偏離。軌道的長(zhǎng)度決定適當(dāng)調(diào)整移相器所需的增量或步距的數(shù)量。更長(zhǎng)的軌道導(dǎo)致更大的波束偏離和更窄的瞬間帶寬，這意味著需要更多的頻率增量來(lái)校準(zhǔn)天線(xiàn)的眾多天線(xiàn)模塊。
波音公司所面對(duì)的一個(gè)特別困難的問(wèn)題，其也是本發(fā)明的天線(xiàn)和方法要克服的問(wèn)題，是發(fā)展一種能夠在用于MILSTAR通訊的44GHz工作的寬波束掃描的，Q波段相控陣列天線(xiàn)。MILSTAR通訊協(xié)議使用在2GHz的工作帶寬上跳躍的信息頻率的窄波段猝發(fā)。然而，使用串聯(lián)饋電的波導(dǎo)及相異的波束的偏離需要對(duì)下一個(gè)波束跳躍頻率的了解從而可以從查詢(xún)表中獲得適當(dāng)?shù)难舆t并將該延遲施加到移相器上。沒(méi)有對(duì)下一波束跳躍頻率的這種了解，就無(wú)法精確地確定串聯(lián)饋電的波束軌道的偏離。由于安全上的原因，希望相控陣列天線(xiàn)系統(tǒng)不要求特定工作頻率信息而是能作為被動(dòng)裝置在整個(gè)帶寬上工作。因此需要一種新式的組合提供波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，其允許模塊的間隔非常緊密，但不需要計(jì)算各串聯(lián)饋電的軌道波束的偏離來(lái)提供對(duì)天線(xiàn)所有各個(gè)模塊元件的校準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明注重于相控陣列天線(xiàn)系統(tǒng)及方法，其能夠工作在44GHz并符合MILSTAR通訊協(xié)議而不需要對(duì)下一波束跳躍頻率的預(yù)先了解。本發(fā)明的該系統(tǒng)及方法通過(guò)提供結(jié)合使用一種新的波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的相控陣列天線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。第一充空氣波導(dǎo)結(jié)構(gòu)向第二介電填充波導(dǎo)結(jié)構(gòu)饋送電磁波(EM)輸入能量。該第二介電填充波導(dǎo)結(jié)構(gòu)向組合帶狀線(xiàn)波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)提供EM波能量。該組合帶狀線(xiàn)波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)向構(gòu)成本發(fā)明相控陣列天線(xiàn)的相應(yīng)的多個(gè)獨(dú)立天線(xiàn)模塊的每一個(gè)的多個(gè)輻射元件分配EM波能量。
在一優(yōu)選形式中，第一波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括矩形空氣波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)從其輸入端向多個(gè)輸出端饋送EM波輸入能量并在該多個(gè)輸出端之間分配EM波能量。這些輸出被提供給第二波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該第二波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在一優(yōu)選形式中，包括多個(gè)介電填充的圓形波導(dǎo)。該第二波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將EM波能量引導(dǎo)到帶狀線(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)的多個(gè)輸入端，在那里在被施加到天線(xiàn)系統(tǒng)的多個(gè)天線(xiàn)模塊的每個(gè)輻射元件之前，該EM波能量被進(jìn)一步依次劃分。使用組合帶狀線(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)使得可以實(shí)現(xiàn)極為緊密的元件間隔而對(duì)系統(tǒng)的效率僅有極小的降低。使用組合帶狀線(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步消除了運(yùn)用獨(dú)立波束偏離校正的需要，而該校正要求在MILSTAR應(yīng)用中必須知道下一個(gè)波束跳躍頻率。使用組合帶狀線(xiàn)波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，連同使用第一和第二波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)囊葡嗥?，可?duì)天線(xiàn)系統(tǒng)的每個(gè)輻射元件有效地提供同樣的延遲，其還能明顯簡(jiǎn)化天線(xiàn)系統(tǒng)所需的電子學(xué)上的復(fù)雜性。
有利的是，本發(fā)明天線(xiàn)系統(tǒng)使用一個(gè)單一查詢(xún)表來(lái)校準(zhǔn)；因此，不需要對(duì)下一個(gè)波束跳躍頻率有先驗(yàn)的了解。本發(fā)明天線(xiàn)系統(tǒng)在瞄準(zhǔn)線(xiàn)和60度掃描角度上均提供非常好的波束旁瓣水平。本發(fā)明天線(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)生的波束方向圖也顯示出非常好的交叉極化水平。
從下面提供的詳細(xì)說(shuō)明中，更多的本發(fā)明的應(yīng)用范圍會(huì)變得顯而易見(jiàn)。應(yīng)該理解，這些詳細(xì)說(shuō)明和特定示例是僅用于說(shuō)明的目的而不是用來(lái)限制本


從下面的描述及附圖中，可以更完整地理解本發(fā)明，在附圖中圖1示出典型的發(fā)射相控陣列天線(xiàn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化的框圖；圖2示出瓦型相控陣列天線(xiàn)系統(tǒng)的特定組件的簡(jiǎn)化的透視圖；圖3示出磚型相控陣列天線(xiàn)系統(tǒng)的特定組件的簡(jiǎn)化的透視圖；圖4示出根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的相控陣列天線(xiàn)的簡(jiǎn)化的透視圖；圖5示出圖4的天線(xiàn)系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)的分解透視圖；圖5A示出插入在錐形發(fā)射板和WDN饋電板中的錐形過(guò)渡介電塞的部分剖視圖；圖6示出形成1×4充空氣矩形波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)分配網(wǎng)絡(luò)輸入板的平面圖；圖7示出帶狀線(xiàn)波導(dǎo)印刷電路板的放大的平面圖；圖8示出圖7的電路板的高度放大的部分；圖9示出本發(fā)明天線(xiàn)在0度掃描角度(即沿瞄準(zhǔn)線(xiàn))的遠(yuǎn)場(chǎng)振幅的圖示；圖10示出本發(fā)明天線(xiàn)在60度掃描角度的遠(yuǎn)場(chǎng)振幅的圖示。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的描述本質(zhì)上僅為示例性質(zhì)而決不意味著要限制本發(fā)明、及其應(yīng)用或使用。
參考圖4，示出依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例和方法的天線(xiàn)系統(tǒng)10。該天線(xiàn)系統(tǒng)10形成能工作在毫米波上的天線(xiàn)，更具體的說(shuō)，是在44GHz(Q波段)并符合MILSTAR協(xié)議，并在MILSTAR應(yīng)用中使用時(shí)不需要對(duì)下一個(gè)波束跳躍頻率有預(yù)先了解。該天線(xiàn)系統(tǒng)10形成雙波束系統(tǒng)，其具有524個(gè)相互間隔非常緊密的獨(dú)立天線(xiàn)模塊以能夠在毫米波頻率上，最好在約44GHz上工作，并在掃描角度上升到(或超過(guò))60度時(shí)不會(huì)遭受明顯的波束和性能退化。天線(xiàn)系統(tǒng)通常包括底盤(pán)11，在其中支撐有饋電網(wǎng)絡(luò)12和相關(guān)的電子裝置(未示出)。
參考圖5，示出天線(xiàn)系統(tǒng)10的饋電網(wǎng)絡(luò)12的主要組件的分解透視圖。微波發(fā)生器(未示出)產(chǎn)生EM波輸入信號(hào)到波導(dǎo)輸入過(guò)渡部件14的輸入端14a。EM波信號(hào)通過(guò)矩形孔到達(dá)矩形輸出端14b。波導(dǎo)輸入過(guò)渡部件14通過(guò)開(kāi)口16a被插入到后面的機(jī)械的同溫間隔板16中，而輸出端14b被連接到波導(dǎo)分配網(wǎng)絡(luò)(WDN)輸入板18。WDN輸入板18具有帶輸入端19’和輸出端19a-19d的波導(dǎo)19。WDN輸入板18被耦合到底部矩形饋電板20，該饋電板具有與輸出端19a-19d對(duì)齊的四個(gè)矩形波導(dǎo)槽。從WDN輸入板18引導(dǎo)EM波輸入信號(hào)通過(guò)波導(dǎo)19，通過(guò)槽20a-20d而進(jìn)入WDN錐形傳輸板22。傳輸板22具有524個(gè)大致為圓形的凹陷24其沒(méi)有完全延伸穿過(guò)板22的厚度。板22還包括四個(gè)延伸并完全穿過(guò)板22的開(kāi)口24a1-24a4。該四個(gè)開(kāi)口24a1-24a4與四個(gè)波導(dǎo)槽20a-20d對(duì)齊。524個(gè)凹陷24的每一個(gè)以及四個(gè)開(kāi)口24a1-24a4在縱向上與WDN饋電板28中相應(yīng)的多個(gè)開(kāi)口26對(duì)齊。524個(gè)1/4波的，圓形短尾(backshort)介電塞30(在圖5中僅作為代表部分示出)填充傳輸板22的524個(gè)開(kāi)口26并也填充524個(gè)開(kāi)口24。四個(gè)錐形過(guò)渡介電塞32延伸穿過(guò)四個(gè)開(kāi)口26a-26d。被錐形過(guò)渡介電塞32填充的開(kāi)口26是那些在縱向上與錐形傳輸板22的開(kāi)口24a1-24a4和矩形饋電板20的矩形槽20a-20d對(duì)齊的那些。當(dāng)饋電網(wǎng)絡(luò)12被完全安裝時(shí)，介電塞32也延伸而部分進(jìn)入到開(kāi)口24a1-24a4中。這一點(diǎn)在圖5a中示出，其中可以看到塞32具有圓形頭部32a和錐形體部32b。圓形頭部32a填充在WDN饋電板28中的相關(guān)開(kāi)口(即開(kāi)口26a-26d之一)而錐形體部32b停置在WDN錐形傳輸板22中的相關(guān)的一個(gè)開(kāi)口24a1-24a4中。
在WDN錐形傳輸板22中的開(kāi)口24a1-24a4在傳輸板22的后側(cè)(即在圖5中不可見(jiàn)的那一側(cè))開(kāi)始是矩形截面，并在圖5中可見(jiàn)的那一側(cè)上過(guò)渡成為圓形截面。這一點(diǎn)，與塞32的錐形部一起，用來(lái)向傳播通過(guò)板22的EM波能量提供矩形到圓形的波導(dǎo)過(guò)渡區(qū)域。在一優(yōu)選形式中，塞32具有優(yōu)選約2.5的介電常數(shù)。因此，WDN傳輸板22起矩形到圓形波導(dǎo)過(guò)渡組件的作用。
再次參考圖5，WDN帶狀線(xiàn)印刷電路板(PCB)34固定在WDN饋電板28的輸出側(cè)上并形成這樣的裝置，以將通過(guò)四個(gè)開(kāi)口24a的每一個(gè)而引入EM波能量劃分到形成在WDN帶狀線(xiàn)PCB34上的組合帶狀線(xiàn)分配網(wǎng)絡(luò)34a的對(duì)應(yīng)的輸入引線(xiàn)。WDN圓形波導(dǎo)板36固定在WDN帶狀線(xiàn)PCB34上。WDN圓形波導(dǎo)板36包括528個(gè)圓形開(kāi)口，其一般用附圖標(biāo)記38標(biāo)示，四個(gè)開(kāi)口39，其每一個(gè)填充有一個(gè)圓形短尾介電塞40和一個(gè)圓形短尾鋁(導(dǎo)電的)塞42。被填充的開(kāi)口39是在縱向上與矩形饋電板20的槽20a-20d以及錐形傳輸板22的開(kāi)口24a1-24a4對(duì)齊的那些。剩下的由附圖標(biāo)記38標(biāo)示的524個(gè)開(kāi)口被圓形波導(dǎo)介電塞44(在圖5中僅作為代表部分示出)填充。塞44優(yōu)選包括Rexolite塑料。一對(duì)模塊對(duì)齊銷(xiāo)46延伸穿過(guò)在波導(dǎo)板36中的開(kāi)口36a、WDN帶狀線(xiàn)印刷電路板34中的開(kāi)口34b，饋電板28中的開(kāi)口28a、在錐形過(guò)渡板22中的開(kāi)口22a、在矩形饋電板20中的開(kāi)口21、在WDN輸入板18中的開(kāi)口18a，以及在間隔板16中的開(kāi)口16b，以保持如圖5所示的組件22、28、34和36的眾多開(kāi)口的對(duì)齊。
簡(jiǎn)要參考圖6，可以看到WDN輸入板18的更多細(xì)節(jié)。WDN輸入板18包括矩形的充空氣的波導(dǎo)19，該波導(dǎo)具有輸入端19’其接受來(lái)自圖5的波導(dǎo)輸入過(guò)渡14的輸出端14b的EM波能量。矩形充空氣波導(dǎo)19接受該EM波輸入能量并將其在四個(gè)矩形輸出槽19a、19b、19c和19d之間分配。通過(guò)矩形槽19a-19d出去的EM波能量被引導(dǎo)而通過(guò)圖5所示的WDN底部矩形饋電板20的矩形槽20a-20d。WDN輸入板18優(yōu)選由一片金屬形成，并最好由鋁形成，但應(yīng)理解，也可以使用其他適合的金屬材料，例如金。間隔板16優(yōu)選也由金屬形成，并最好是鋁，板22、28和38也一樣。
圖7是帶狀線(xiàn)印刷電路板34的平面圖。輸入引線(xiàn)34a1、34a2、34a3和34a4分別與波導(dǎo)錐形過(guò)渡板22的開(kāi)口24a1-24a4對(duì)齊。更具體地說(shuō)，輸入引線(xiàn)34a1-34a4的每一個(gè)設(shè)置為在每個(gè)開(kāi)口26a-26d與電磁場(chǎng)平行排列。每個(gè)輸入端34a1-34a4通過(guò)由電路板34的導(dǎo)電部分(即帶狀線(xiàn)引線(xiàn))形成的多個(gè)T接頭35(在圖8中標(biāo)示)饋電多個(gè)EM波輻射元件56(即獨(dú)立天線(xiàn)模塊)。更具體地說(shuō)，WDN帶狀線(xiàn)PCB34的每個(gè)T接頭35作為二進(jìn)制信號(hào)分路器工作以相繼地(并平均地)將在每個(gè)輸入端34a1-34a4處收到的EM波輸入能量分成越來(lái)越小的多個(gè)子(subplurality)，其最終被施加到每個(gè)輻射元件56上。圖8示出由帶狀線(xiàn)PCB34形成的組合EM波分配網(wǎng)絡(luò)的典型部分?？梢钥吹捷斎攵?4a2饋電輻射元件56a-56p。在圖8中示出兩個(gè)典型的T接頭35。
輸入端34a1饋電254個(gè)輻射元件56，輸入端34a2饋電126個(gè)輻射元件56，輸入端34a3饋電96個(gè)輻射元件56，輸入端34a4饋電48個(gè)輻射元件56。
在工作時(shí)，由每個(gè)輻射元件56通過(guò)在WDN圓形波導(dǎo)板36中的開(kāi)口38，并也向后朝向WDN饋電板28輻射EM波能量。塞30具有優(yōu)選約2.5的介電常數(shù)。電磁能量傳播通過(guò)塞30并在傳輸板22的524個(gè)凹陷中的每一個(gè)的那個(gè)底壁上反射而返回朝向電路板34，并繼續(xù)通過(guò)在WDN圓形波導(dǎo)板36中的開(kāi)口38。在一優(yōu)選形式中，塞30由Rexolite塑料材料制成。塞40，優(yōu)選由Rexolite塑料材料構(gòu)成，其與優(yōu)選為金屬的并最好是鋁的塞42，填充開(kāi)口39。來(lái)自開(kāi)口26a-26d的EM波能量傳播通過(guò)塞40并被塞42反射回去朝向電路板34的輸入引線(xiàn)34a1-34a4。每個(gè)塞30、32、40和44優(yōu)選具有約2.5的介電常數(shù)并能夠保證天線(xiàn)系統(tǒng)10工作在毫米波頻率上，并在天線(xiàn)系統(tǒng)中使用非常緊密的元件間隔。
簡(jiǎn)要參考圖9和10，可以看到本發(fā)明天線(xiàn)系統(tǒng)10的性能。特別參考圖9，可以看到天線(xiàn)系統(tǒng)10的遠(yuǎn)場(chǎng)性能，其中天線(xiàn)系統(tǒng)工作在44.5GHz并在0度掃描角度。參考圖10，示出工作在44.5GHz但在60度掃描角度下的天線(xiàn)系統(tǒng)10。得到的旁瓣水平，其由附圖標(biāo)記58標(biāo)示，在可接受限制內(nèi)是較好的，而圖9和10中示出的波束展示出良好的交叉極化水平。在43.5-45.5的設(shè)計(jì)帶寬上性能是相似的。
因而本發(fā)明的天線(xiàn)系統(tǒng)10能夠形成相控陣列天線(xiàn)，其輻射元件56能夠彼此非常緊密的間隔而在毫米波頻率尤其是在44GHz處工作。重要的是，但用在MILSTAR通訊協(xié)議中時(shí)，天線(xiàn)系統(tǒng)10不需要了解下一個(gè)波束跳躍頻率。天線(xiàn)系統(tǒng)10的組合WDN帶狀線(xiàn)印刷電路板34允許天線(xiàn)在毫米波頻率上有出色性能所必須的極緊密間隔的輻射元件56，同時(shí)允許從一個(gè)單一查詢(xún)表中確定對(duì)每個(gè)輻射元件56要施加的振幅及相位延遲。
應(yīng)該明白，當(dāng)使用術(shù)語(yǔ)“輸入端”和“輸出端”來(lái)描述天線(xiàn)系統(tǒng)10的組件的部分時(shí)，已經(jīng)用發(fā)射模式的操作描述了天線(xiàn)，而上述理解已經(jīng)闡述了這一點(diǎn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，當(dāng)天線(xiàn)系統(tǒng)10工作在接受模式時(shí)，這些術(shù)語(yǔ)會(huì)反過(guò)來(lái)。
已經(jīng)描述了多個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，可以不偏離本發(fā)明的概念進(jìn)行修改和變更。這些例子說(shuō)明了本發(fā)明但并非用于限制它。因此，當(dāng)必須考慮相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)時(shí)，用這些限制，應(yīng)開(kāi)放地解釋說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種相控陣列天線(xiàn)，包括第一介電填充波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，用于將輸入的電磁(EM)波能量分成多個(gè)第一EM波信號(hào)；第二介電填充波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其設(shè)置為鄰近所述第一介電填充波導(dǎo)結(jié)構(gòu)并具有多個(gè)介電填充波導(dǎo)以接受每個(gè)所述多個(gè)第一EM波信號(hào)及將所述多個(gè)第一EM波信號(hào)引導(dǎo)朝向所述多個(gè)介電填充波導(dǎo)的每一個(gè)的輸出端；及帶狀線(xiàn)波導(dǎo)電路板，其位于鄰近所述第二介電填充波導(dǎo)結(jié)構(gòu)處并具有電路引線(xiàn)，該電路引線(xiàn)形成覆蓋所述介電填充波導(dǎo)的輸出端的多個(gè)輸入端，所述帶狀線(xiàn)波導(dǎo)電路板將所述EM波信號(hào)通過(guò)所述電路引線(xiàn)分配給多個(gè)緊密間隔的EM波輻射元件。
2.如權(quán)利要求1所述的相控陣列天線(xiàn)，其中所述第一介電波導(dǎo)結(jié)構(gòu)形成1×4介電填充波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的相控陣列天線(xiàn)，其中所述第二介電填充波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括多個(gè)大致圓形的介電填充波導(dǎo)。
4.如權(quán)利要求1所述的相控陣列天線(xiàn)，其中所述帶狀線(xiàn)波導(dǎo)電路板包括多個(gè)二進(jìn)制信號(hào)分路器，用于將從所述EM波信號(hào)來(lái)的EM波能量平均分配給每個(gè)所述EM波輻射元件。
5.一種相控陣列天線(xiàn)，包括第一介電填充波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，用于將輸入的電磁(EM)波能量分成多個(gè)第一EM波信號(hào)；第二介電填充波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其具有多個(gè)介電填充的，大體為圓形的波導(dǎo)以接受在其輸入端的每個(gè)所述多個(gè)第一EM波信號(hào)及將所述多個(gè)第一EM波信號(hào)引導(dǎo)朝向所述多個(gè)介電填充波導(dǎo)的每一個(gè)的輸出端；及帶狀線(xiàn)波導(dǎo)分配電路，其設(shè)置為基本平行于并鄰近所述第二介電填充波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以接受所述EM波信號(hào)，并將來(lái)自EM波信號(hào)的EM波能量進(jìn)一步分割和進(jìn)一步分配給多個(gè)EM波輻射元件。
6.如權(quán)利要求5所述的相控陣列天線(xiàn)，其中所述帶狀線(xiàn)波導(dǎo)分配電路包括形成信號(hào)路徑的多個(gè)信號(hào)引線(xiàn)，所述信號(hào)引線(xiàn)的多個(gè)輸入引線(xiàn)與所述大體為圓形的波導(dǎo)連通以接受并引導(dǎo)所述EM波信號(hào)到所述帶狀線(xiàn)波導(dǎo)分配電路。
7.如權(quán)利要求5所述的相控陣列天線(xiàn)，其中所述第一介電填充波導(dǎo)結(jié)構(gòu)形成1×4組合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求5所述的相控陣列天線(xiàn)，其中所述帶狀線(xiàn)波導(dǎo)分配電路包括多個(gè)二進(jìn)制信號(hào)分路器，用于在所述EM波信號(hào)被通過(guò)所述帶狀線(xiàn)波導(dǎo)分配電路引導(dǎo)時(shí)分割所述EM波信號(hào)。
9.如權(quán)利要求5所述的相控陣列天線(xiàn)，其中所述第一介電填充波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括空氣填充矩形波導(dǎo)。
10.一種毫米波相控陣列天線(xiàn)，包括組合波導(dǎo)饋電，用于將輸入電磁(EM)波信號(hào)平均分割成多個(gè)子EM波信號(hào)；介電填充波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其形成多個(gè)大體為圓形的，介電填充的波導(dǎo)以接受所述多個(gè)子EM波信號(hào)及將所述多個(gè)子EM波信號(hào)引導(dǎo)朝向所述介電填充波導(dǎo)的輸出端；及帶狀線(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其覆蓋所述介電填充波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以將從所述EM波信號(hào)來(lái)的EM波能量進(jìn)一步分割和進(jìn)一步分配給多個(gè)輻射元件。
11.如權(quán)利要求10所述的天線(xiàn)，其中所述組合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括1×4空氣填充組合波導(dǎo)饋電。
12.如權(quán)利要求10所述的天線(xiàn)，其中所述帶狀線(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括多個(gè)輸入引線(xiàn)，其每一個(gè)與所述大體為圓形的介電填充波導(dǎo)的相關(guān)的一個(gè)電耦合。
13.如權(quán)利要求10所述的天線(xiàn)，其中所述帶狀線(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括多個(gè)二進(jìn)制信號(hào)分路器，用于在向所述輻射元件施加所述EM波信號(hào)之前分割所述EM波信號(hào)。
14.一種形成相控陣列天線(xiàn)的方法，包括使用組合波導(dǎo)饋電以將輸入電磁(EM)波信號(hào)平均分割成多個(gè)EM波信號(hào)；引導(dǎo)所述多個(gè)子EM波信號(hào)通過(guò)多個(gè)介電填充波導(dǎo)；及使用與所述介電填充波導(dǎo)連通的帶狀線(xiàn)波導(dǎo)以將所述EM波能量進(jìn)一步分割和分配給多個(gè)輻射元件。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中使用組合波導(dǎo)，其包括使用1×4組合波導(dǎo)以將所述EM波信號(hào)平均分割成四個(gè)EM波信號(hào)。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中使用帶狀線(xiàn)波導(dǎo)，其包括使用多個(gè)二進(jìn)制信號(hào)分路器以將所述多個(gè)子EM波信號(hào)進(jìn)一步平均分給多個(gè)天線(xiàn)輻射元件。
17.一種使用相控陣列天線(xiàn)的方法，包括產(chǎn)生電磁(EM)波輸入信號(hào)；引導(dǎo)所述EM波輸入信號(hào)進(jìn)入組合波導(dǎo)的輸入端，其中所述EM波輸入信號(hào)被分割成第一多個(gè)子EM波信號(hào)；引導(dǎo)所述第一多個(gè)子EM波信號(hào)進(jìn)入具有相應(yīng)多個(gè)介電填充波導(dǎo)的介電填充波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；將所述第一多個(gè)子EM波信號(hào)與帶狀線(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)耦合，其中所述第一多個(gè)子EM波信號(hào)的所述EM波能量被進(jìn)一步繼續(xù)分割成第二多個(gè)子EM波信號(hào)；及將所述第二多個(gè)子EM波信號(hào)施加到相應(yīng)的多個(gè)天線(xiàn)元件。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中將所述第一多個(gè)子EM波信號(hào)與介電填充波導(dǎo)結(jié)構(gòu)耦合還包括使用多個(gè)二進(jìn)制信號(hào)分路器來(lái)繼續(xù)分割所述第一多個(gè)子EM波信號(hào)。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中使用所述組合波導(dǎo)包括使用1×4組合波導(dǎo)。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其中引導(dǎo)所述第一多個(gè)子EM波信號(hào)進(jìn)入介電填充波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括引導(dǎo)所述第一多個(gè)子EM波信號(hào)進(jìn)入大體為圓形的介電填充波導(dǎo)。
21.一種形成相控陣列天線(xiàn)的方法，該天線(xiàn)與MILSTAR通訊協(xié)議一起使用在毫米波頻率上，不需要知道在執(zhí)行所述MILSTAR通訊協(xié)議中所用的將來(lái)的波束跳躍頻率，該方法包括產(chǎn)生電磁(EM)波輸入信號(hào)；引導(dǎo)所述EM波輸入信號(hào)通過(guò)空氣填充組合波導(dǎo)，從而EM波輸入信號(hào)被分割成第一多個(gè)子EM波信號(hào)；將所述第一多個(gè)子EM波信號(hào)與帶狀線(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)耦合，該帶狀線(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)置為大體相對(duì)所述空氣填充組合波導(dǎo)平行，包括多個(gè)EM波輻射元件，其中所述EM波能量被進(jìn)一步連續(xù)分割成第二多個(gè)子EM波信號(hào)；及使用所述帶狀線(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將所述第二多個(gè)子EM波信號(hào)引導(dǎo)到所述EM波輻射元件。
全文摘要
一種相控陣列天線(xiàn)系統(tǒng)，具有組合波導(dǎo)分配網(wǎng)絡(luò)帶狀線(xiàn)印刷電路板。該帶狀線(xiàn)印刷電路板從1×4波導(dǎo)分配網(wǎng)絡(luò)輸入板接受電磁(EM)波能量并將該EM波能量分配給524個(gè)輻射元件。該帶狀線(xiàn)電路板允許獨(dú)立天線(xiàn)輻射元件極為緊密地間隔，而這對(duì)矩形空氣填充波導(dǎo)來(lái)說(shuō)是不可能的。天線(xiàn)系統(tǒng)允許工作在毫米波頻率特別是44GHz上，并不需要對(duì)不同相位和振幅延遲使用多個(gè)查詢(xún)表，而這是在用矩形的空氣填充波導(dǎo)分配結(jié)構(gòu)時(shí)必需的。該天線(xiàn)系統(tǒng)可用于毫米波頻率，并連同MILSTAR通訊協(xié)議，而不需要預(yù)先知道MILSTAR協(xié)議要使用的下一個(gè)波束跳躍頻率。
文檔編號(hào)H01Q21/06GK1856908SQ200480027324
公開(kāi)日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2004年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月23日
發(fā)明者朱莉奧·A·納瓦羅, 約翰·B·奧康納爾, 理查德·N·博斯特威克 申請(qǐng)人:波音公司