专利名称：带宽增强型双层电流板天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及阵列天线领域，并且更具体地涉及带宽特别宽的阵列天线。
背景技术：
技术上周知相控阵天线。这种天线通常由多个可独立地在相对相位和振幅上进行控制的发射元件组成。通过各个元件的几何形状以及这些元件之间的选定相位/振幅关系选择性地确定阵列的天线方向图。这些天线系统的典型发射元件可以包括偶极子、槽缝或者任何其它合适结构。
近年来已经开发了各种适用于天线阵应用的新的平面型天线元件。这种元件的一个例子在Munk等的标题为“宽带相控阵天线以及相关方法(Wideband Phased Array Antenna and Associated Methods)”的美国09/703,247号专利申请中公开(以下称为“Munk”)。Munk公开了一种具有不寻常宽度特性的平面型天线发射元件。为了获得特别宽的带宽，Munk在相邻偶极子天线元件的二个相对端之间采用电容耦合。利用Munk等设计的天线元件可以达到9比1数量级的带宽。分析表明，在附加调谐情况下可能达到10比1。但是，这看来是这种特定设计能达到的极限。尽管Munk等的天线对于相控阵天线具有非常宽的带宽，仍然不断需要并期望甚至要比10比1更宽的带宽的相控阵天线。
过去的为增加相对窄频带的相控阵天线的带宽的努力中采用了各种技术，包括把频率范围分成几个频带。例如，授予Wong等的美国5,485,167号专利涉及一种利用多层偶极子阵列的多频率相控阵天线。在Wong等的专利中，设置多层的偶极子对天线阵列，其中每个阵列调谐到不同的频率。沿着发射/接收方向这些层彼此相对堆叠，其中最高频率阵列在下一个最低频率阵列的前面，并且以此类推，在Wong等的专利中，于高频带偶极天线阵和低频带偶极天线阵之间设置一个由平行导线构成、配置在网格中的高频带地网。
Wong的多层方法具有一个缺点。如Wong等所说明的常规偶极天线阵带宽相对窄，从而这种配置的净结果仍不会提供足够宽带的阵列。从而，仍然需要继续改进带宽超过10比1的宽带阵列天线。
发明内容
本发明提供一种发射元件阵列，包括按阵列配置的第一组天线元件，其被配置成在第一频带上工作，以及按阵列配置的第二组天线元件，其被配置成在第二频带上工作。这些天线元件可以是具有延长的主体部分和与延长的主体部分的一端相连接的宽度扩大端部的平面元件。相邻天线元件的宽度扩大端部可以具有和相邻偶极子元件的对应端部容性耦合的交叉指型部分。
第一组天线元件排列在各行各列隔开的第一平面网格图案中，而第二组天线元件排列在各行各列隔开的第二平面网格图案中，第二网格图案相对于第一网格图案可转动一个角度，例如45度。
第一组天线元件位于第二组天线元件的下面，并且第一组充当第二组的有效接地层。通过使第一频带邻近第二频带可把该阵列配置成宽带工作。该阵列可以包括设置在第一多个天线元件和第二多个天线元件之间的介质材料。
该阵列还可以包括对第一组天线元件传送RF信号的一组第一馈送组织器(feed organizer)，以及对第二组天线元件传送RF信号的一组第二馈送组织器。第一和第二馈送组织器排列在一个公共网格图案中并且向上延伸到各天线元件。第二馈送组织器的一组RF馈送器形成一个设置在该公共网格图案上的第二馈送组织器网格图案。这些第二馈送组织器的RF馈送器穿过一个大致由第一多个天线元件限定的平面以把RF传送到第二多个天线元件。接地层可以位于第一组天线元件的下面，并且可以在该接地层和第一多个天线元件之间设置一个介质层。
参照各附图会更容易理解本发明的各种特征和优点，附图中相同的参考数字代表相同的结构成分。
图1是一个具有多个位于第一层上的高频天线元件以及多个位于第二层上的低频天线元件的双频带、双层天线阵列的顶视图。
图2是沿着图1的双频带、双层天线阵列的线2-2取的剖面图。
图3是本发明中包含的多个馈送组织器的顶视图。
图4是图3的馈送组织器的布置的放大详细图。
图5是图3的馈送组织器的放大剖面图。
图6示出一种供图1的阵列使用的宽带天线元件。
具体实施例方式
图1和2示出双频带、双层天线阵列100。图1是该阵列的顶视图。图2是沿图1的线2-2取的剖面图。阵列100包括多个设置在天线上表面204上的低频天线元件104以及多个设置在天线下表面202上的高频天线元件102。天线下表面202位于天线上表面204的下方(为了清楚起见，高频元件102在图1的顶视图中未出)。可以在它们各自的表面202和204上按平面阵列分别设置天线元件102和104，但是由于可以采用其它天线元件配置，本发明不受此限制。
阵列100可以包括多个高频馈送组织器208和多个低频馈送组织器210。高频馈送组织器208在高频馈送点106和高频天线元件102接触。低频馈送组织器210在低频馈送点108和低频天线元件104接触。馈送组织器208和210可固定在表面212上。供选地，一个接地层可以位于多个高频天线元件102的下方并且可在它们之间置入一个介质层。
本阵列配置的一个优点是高频元件102可以充当低频元件104下方的有效接地层，从而在不必采用常规接地层的情况下提高低频天线阵列的增益。通过高频元件102形成的接地层的工作频率范围至少部分地由各个高频元件102之间的间距110确定。当间距110减小时，该有效接地层的频率范围的上端增大。这些元件102可以提供一个频率范围从DC一直到波长约为间距110的十倍的频率的有效接地层。
操作上，通过该有效接地层形成这些低频元件104的映象(image)，从而该有效接地层可以充当一个增加向上指向的场强的反射器。该场强部分地是该有效接地层和低频元件104的平面之间的距离214的函数。通过各种因素，包括低频元件104的工作频率范围、阵列100的期望阻抗以及在由天线下表面202和天线上表面204之间限定的体积的介质常数，来确定所选取的具体距离214。但是，应注意，本领域技术人员周知的那样，一些距离可能造成破坏性的干扰并且在向上方向上减小场强。
在一实施例中，距离214可以等于低频元件104进行操作的最高工作频率的波长的四分之一。可以在天线上表面202和天线下表面204之间限定的容积中设置介质材料206。当设置介质材料206时，由于要通过介质材料206传播，可使得用于四分之一波长计算的波长等于最高工作频率的波长。在替代的实施例中，可以利用计算机模型确定距离214并对其进行调整以实现特定发射或接收特性。
本发明中使用的具体介质材料206不是关键性的，各种经常使用的介质材料中的任一种都可用于此用途，尽管低损耗介质是优选的。此外，该介质可以是气体、液体或固体。介质常数大于1的介质通过缩短穿过该介质材料206传播的RF波长来减小有效接地层和低频元件104之间的推荐距离。这能使阵列100更加紧凑。
例如，可以用作为介质材料206的一类适用的材料是聚四氟乙烯(PTFE)基复合物，诸如RT/duroid6002(介质常数为2.94，损耗角正切为0.009)以及RT/duroid5880(介质常数为2.2，损耗角正切为0.0007)。这些产品都可以从Rogers Microwave Products公司的高级电路材料部(100 S.Roosevelt Ave，Chandler，AZ 85226)买到。但是，本发明不受此的限制。
图1和2中示出的阵列配置的另一个优点是，具有二个不同频带的两个天线阵列被集成以形成一个单个的双频带阵列。高频天线元件102的频率范围可以靠近低频天线元件104的频率范围，从而高频元件102的低频率范围在接近低频天线元件104的响应截止处开始。这提供一种其带宽要比由单种类型的天线天件构成的阵列明显宽的天线阵列系统。尽管存在上述方案的优点，但是在这种阵列中使用常规窄带天线元件仍会造成总带宽受到某种限制的结果。具体地，各个阵列中使用的高频和低频天线元件各自的有限的频率范围会限制该阵列的最终组合带宽。
通过正确地选择天线元件可以克服上述限制并且可以进一步得到宽带性能上的优点。Munk等的标题为“宽带相控阵天线以及相关方法”的美国09/703,247号专利申请(以下称为“Munk等”，收录作为本文的参考文献)公开了一种这样的偶极子天线元件。出于方便，在图6中示出这些充当高频偶极子对的一种实施例。例如，这些偶极子对可以具有延长的主体部分602以及和该延长的主体部分的一端连接的宽度扩大的端部604。相邻天线元件的宽度扩大端部构成交叉指型部分606。从而，每个偶极子元件的一个端部可以和相邻偶极子元件的对应端部容性耦合。该阵列中使用的低频元件最好类似于图6中示出的几何形状和配置，但具有适当尺寸以便适应较低频带下的工作。
当在阵列中使用时，已经发现Munk等公开的偶板子元件提供突出的宽带性能。可以利用这些天线元件的宽带性能以使本发明得益。具体地，可以在如本文的图1和2中相关说明的阵列中设置Munk等中说明的高、低频带元件。但是，应注意，本发明不受此的限制。在本发明中可以采用各种类型的天线元件。例如，也可以采用不包含交叉指型部分的天线元件。
依据一优选实施例，第一和第二组偶极子天线元件可以彼此垂直以提供双极化，如本领域技术人员将会理解的那样。参照图1，多个高频偶极子对112可以按各行各列隔开的第一网格图案排列在天线下表面202上。还如图1中所示，多个低频偶极子对114可以按各行各列隔开的第二网络图案排列在天线上表面204上。通过使由低频偶极子对114组成的第二网格图案相对于由高频偶极子对112组成的第一网格图案转动大约45度角，可以使二个天线阵列之间的干扰为最小。但是，本发明不受45度角的限制，因为可以按其它取向设置这些网格。
参照图3，图中示出在一个公共网格图案300中组织的多个高频馈送组织器208和多个低频馈送组织器210。高频馈送组织器208向高频天线元件102提供高频RF信号，而低频馈送组织器210向低频天线元件104提供低频RF信号。图1中所示的高频天线元件102的网格图案和图3中示出的馈送组织器公共网格图案关联。另外，由设置在该馈送组织器公共网格图案上的低频天线元件104形成的第二网格图案和由低频馈送组织器210形成的第二馈送组织器网格图案关联(出于清晰目的，图1中示出的天线元件的尺寸略大于图3中示出的馈送组织器网格图案的尺寸)。
参照图5，每个高频馈送组织器包括一个高频馈送组织器基502、高频RF馈送器504以及一个高频馈送组织器触点506。每个低频馈送组织器包括一个低频馈送组织器基512、低频RF馈送器514以及低频馈送组织器触点516。
如可从图1中看出那样，低频天线元件104物理尺寸上大于高频元件102。从而，各个低频RF馈送组织器210间的间距大于各个高频馈送组织器208间的间距。尽管如此，低频馈送组织器基512可以具有和高频馈送组织器基502相同的安装尺寸，从而能把各个低频馈送组织器210散布在高频馈送组织器208之中。可在低频馈送组织器210所位于的位置上省略掉高频馈送组织器208和高频天线元件102。这种省略对天线阵列100的性能造成很小的负面影响，因为和低频元件104相比，高频天线元件102明显更多。这样，可以在很小地改变天线阵列性能的情况下从公共网格图案中去掉少量的高频元件102。
在高频馈送点106处高馈RF馈送器504和高频天线元件102连接。在低频馈送点108处低馈RF馈送器514和低频天线元件104连接。高频馈送组织器触点506和低频馈送组织器触点516保证各自的连接。
图4是馈送组织器208和210的布置的放大细节图400。低频RF馈送器514可以相对于高频RF馈送器504按45度设置，以便适应由低频偶极子对114组成的第二网格图案相对于由高频偶极子对112组成的第一网格图案按45度定向。
参照图1和2，高频RF馈送器504和设置在天线下表面202上的高频天线元件102连接。低频RF馈送器514可以通过大致由天线下表面202限定的表面延伸并穿过介质层206以便和设置在天线上表面204上的低频天线元件104连接。
在说明了本发明的优选实施例后，应理解，本发明不受此限制，并且可以在不背离本发明的精神或基本属性情况下以其它形式实现。因此，对于本发明的范围，应参照下面的权利要求而不是上面的说明。
权利要求
1.一种发射元件阵列，包括按阵列配置的第一多个天线元件，所述第一多个天线元件被配置成在第一频带上工作；以及按阵列配置的第二多个天线元件，所述第二多个天线元件被配置成在第二频带上工作；其中，所述第一多个天线元件位于所述第二多个天线元件下方，所述第一多个天线元件充当所述第二多个天线元件的有效接地层。
2.依据权利要求1的阵列，还包括设置在所述第一多个天线元件和所述第二多个天线元件之间的介质材料。
3.依据权利要求1的阵列，其中，所述阵列被配置成通过使所述第一频带和所述第二频带相邻而进行宽带工作。
4.依据权利要求1的阵列，其中，所述第一多个天线元件按各行各列隔开的第一平面网格图案排列，而所述第二多个天线元件按各行各列隔开的第二平面网格图案排列，所述第二网格图案相对于所述第一网格图案转动一个角度。
5.依据权利要求4的阵列，其中，所述角度约为45度。
6.依据权利要求4的阵列，还包括一组用于向所述第一多个天线元件传送RF信号的第一馈送组织器，以及一组用于向所述第二多个天线元件传送RF信号的第二馈送组织器，所述第一和第二馈送组织器被排列在一个公共网格图案中并且向上延伸到所述第一和第二多个天线元件，以及其中，所述第二馈送组织器的多个RF馈送器形成一个设置在所述公共网格图案上的第二馈送组织器网格图案。
7.依据权利要求6的阵列，其中，所述第二馈送组织器的所述RF馈送器穿过一个大致由所述第一多个天线元件限定的平面延伸，以便把RF传送到所述第二多个天线元件。
8.依据权利要求1的阵列，还包括一个位于所述第一多个天线元件下方的接地层，以及一个设置在所述接地层和所述第一多个天线元件之间的介质层。
9.依据权利要求1的阵列，其中，所述第一和第二多个天线元件是平面天线元件。
10.依据权利要求9的阵列，其中，所述第一和第二多个天线元件中的至少一个包括一个延长的主体部分；以及一个和该延长的主体部分的一端连接的宽度扩大的端部。
11.依据权利要求10的阵列，其中，相邻的所述天线元件的所述宽度扩大的端部构成交叉指型部分。
12.依据权利要求1的阵列，其中，所述第一和第二多个天线元件中的至少一个包括相邻的偶极子天线元件，其中，每个偶极子元件的至少一个端部和一个相邻偶极子元件的对应端部容性耦合。
13.一种发射元件阵列，包括按各行各列隔开的第一网格图案排列的第一多个天线元件，所述第一多个天线元件被配置成在第一频带上工作；位于所述第一多个天线元件上方的、按各行各列隔开的第二网格图案排列的第二多个天线元件，所述第二多个天线元件被配置成在第二频带上工作，并且所述第二网格图案相对于所述第一网格图案转动一个角度；所述第一多个天线元件充当用于所述第二多个天线元件的一个有效接地层；以及用于向所述第一多个天线元件传送RF信号的一组第一馈送组织器，以及用于向所述第二多个天线元件传送RF信号的一组第二馈送组织器，所述第一和第二馈送组织器排列在一个公共网格图案中并且向上延伸到所述第一和第二多个天线元件，以及其中，所述第二馈送组织器的多个RF馈送器形成一个设置在所述公共网格图案上的第二馈送组织器网格图案。
14.依据权利要求13的阵列，还包括设置在所述第一多个天线元件和所述第二多个天线元件之间的介质材料。
15.依据权利要求13的阵列，其中，所述第一和第二多个天线元件是平面天线元件。
16.依据权利要求15的阵列，其中，所述第一和第二多个天线元件中的至少一个包括一个延长的主体部分；以及一个和该延长的主体部分的一端连接的宽度扩大的端部。
17.依据权利要求16的阵列，其中，相邻的所述天线元件的所述宽度扩大的端部构成交叉指型部分。
18.依据权利要求13的阵列，其中，所述角度约为45度。
19.一种发射元件阵列，包括包含着延长的第一主体部分以及和所述第一主体部分的关联端连接的宽度扩大的第一端部的第一多个平面天线元件，所述第一多个天线元件按阵列配置设置以用于在第一频带上工作，并且相邻的第一天线元件的第一端部构成交叉指型部分；包含着延长的第二主体部分以及和所述第二主体部分的关联端连接的宽度扩大的第二端部的第二多个平面天线元件，所述第二多个天线元件按阵列配置设置以用于在第二频带上工作，并且相邻的第二天线元件的第二端部构成交叉指型部分；以及所述第一多个天线元件位于所述第二多个天线元件的下方，所述第一多个天线元件充当用于所述第二多个天线元件的一个有效接地层。
20.依据权利要求19的阵列，还包括设置在所述第一多个天线元件和所述第二多个天线元件之间的介质材料。
21.依据权利要求19的阵列，其中，所述第一多个天线元件按各行各列隔开的第一网格图案排列而所述第二多个天线元件按各行各列隔开的第二网格图案排列，所述第二网格图案相对于所述第一网格图案转动一个角度。
22.依据权利要求21的阵列，其中，所述角度约为45度。
23.依据权利要求21的阵列，还包括用于向所述第一多个天线元件传送RF信号的一组第一馈送组织器，以及用于向所述第二多个天线元件传送RF信号的一组第二馈送组织器，所述第一和第二馈送组织器被排列在一个公共网格图案中并且向上延伸到所述第一和第二多个天线元件，以及其中，所述第二馈送组织器的多个RF馈送器形成一个设置在所述公共网格图案上的第二馈送组织器网格图案。
全文摘要
一种发射元件阵列(100)，包括按阵列配置的第一组天线元件(102)以及按阵列配置的第二组天线元件(104)。第一组天线元件(102)位于第二组天线元件(104)的下方并且该第一组充当一个用于该第二组的有效接地层。该第一组天线元件(102)按各行各列隔开的第一平面网格图案(202)排列，而该第二组天线元件(104)按相对于该第一网格图案(202)转动45度角度的第二类似的网格图案(204)排列。通过使第一频带和第二频带相邻，可把阵列(100)配置成用于宽带操作。阵列(100)可以包括设置在第一多个天线元件(102)和第二多个天线元件(104)之间的介质材料(100)。
文档编号H01Q21/26GK1714470SQ03802386
公开日2005年12月28日 申请日期2003年1月14日 优先权日2002年1月17日
发明者詹姆斯·卓塞弗·劳尼克, 蒂莫西·E·德拉姆, 查尔斯·W·库里山, 威廉姆·F·克罗斯韦尔 申请人:哈里公司