組合天線、天線陣列以及使用該陣列天線的方法
【專利摘要】一種天線，包括：偶極子部分，其具有第一臂和第二臂；共模抑制濾波器；以及雙導(dǎo)體傳輸線，其中雙導(dǎo)體傳輸線被布置成用作偶極子饋電和單極子天線兩者，并且其中雙導(dǎo)體傳輸線的第一端被布置成待連接至發(fā)射機和/或接收機，雙導(dǎo)體傳輸線的第二端連接至共模抑制濾波器的第一端，并且共模抑制濾波器的第二端連接至偶極子部分。
【專利說明】組合天線、天線陣列以及使用該陣列天線的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及天線。更具體地，本發(fā)明涉及單極子天線元件和偶極子天線元件的組 合。本發(fā)明還涉及利用這些組合的天線元件的陣列天線。

【背景技術(shù)】
[0002] 偶極子天線為本領(lǐng)域所熟知的。單極子天線為本領(lǐng)域所熟知的。從如美國專利 5, 313, 218已知偶極子天線和單極子天線的組合，該專利公開了一種包括具有基本上垂直 的極化方向的偶極子天線和單極子天線的天線組件。偶極子天線設(shè)置有其一部分用作發(fā)射 RF信號的微帶傳輸線的底板的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器（balun)。微帶傳輸線包括：第一部分， 其連接至同軸饋電線纜；第二部分，其具有分別通過第一開關(guān)連接至單極子天線和通過第 二開關(guān)連接至平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器部分的末端；以及第三部分。閉合開關(guān)使單極子天線操 作。第三部分用于對偶極子天線進行解諧。
[0003] 美國專利7, 289, 080公開了一種通過濾波實現(xiàn)較大帶寬的偶極子天線元件和單 極子天線元件的天線。為了通過利用多端濾波提供自調(diào)節(jié)電長度，多個天線元件被隔離或 組合。
[0004] 美國專利申請2011/0163928公開了一種包括單極子和偶極子的天線。偶極子提 供第一天線元件和第二天線元件，第一天線元件和第二天線元件提供與單極子的縱軸共同 的縱軸。偶極子的第一天線元件連接至偶極子的第二天線元件并且連接至單極子。單極子 支承偶極子。天線還包括布置在單極子與偶極子之間的去耦合元件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明人已研究了如何改進有源相控陣列天線以及具體地如何改進其中通過以規(guī) 則或非規(guī)則陣列組織大量天線來完成方向性的天線。本發(fā)明是包括與單極子天線元件組合 的偶極子天線元件的組合天線，該組合天線借助發(fā)明特性已被賦予相同的諧振頻率。多個 天線特別適合以這樣的規(guī)則或非規(guī)則陣列來布置。
[0006] 組合天線包括偶極子部分、共模抑制濾波器以及用作偶極子饋電和單極子兩者的 雙導(dǎo)體傳輸線。傳輸線被布置成以共模和差模的任意組合來傳輸電流。共模抑制濾波器被 設(shè)計成：阻止共模電流進入天線元件的偶極子部分，而其同時允許差模電流通過來激發(fā)偶 極子。傳輸線被布置為正交于地平面，并且可以被認為是同軸的兩個分離的傳輸線部分。第 一長度傳輸線起始于地平面的端口處，并且到達其連接的共模抑制濾波器的第一端。第二 長度傳輸線被布置成連接至共模抑制濾波器的第二端并且連接至偶極子。由此，共模抑制 濾波器被布置在第一長度傳輸線的遠端處，并且其第一對端子連接在第一長度傳輸線的遠 端處，偶極子被布置成與傳輸線垂直，并且經(jīng)由第二長度傳輸線和經(jīng)由第二對端子連接至 共模抑制濾波器。
[0007] 因此，可以設(shè)計一種除了具有變化長度的第一長度傳輸線以外還具有在地平面上 方的一定高度處的偶極子的天線?？梢酝ㄟ^改變傳輸線的第一部分和第二部分的長度來轉(zhuǎn) 變?yōu)V波器沿傳輸線的軸的位置。
[0008] 具體地，提出的共模抑制濾波器的實施方式是以兩個互相纏繞的線圈形式，其中， 如圖3和圖4所示，每個線圈連接至一個偶極子臂和一個傳輸線導(dǎo)體。
[0009] 當(dāng)在陣列天線中使用多個天線實例時，可以使用另外的兩種技術(shù)。參見圖5,第一 種技術(shù)涉及在組合天線下方布置波紋化地平面，以獲得單極子/共模激發(fā)的適當(dāng)?shù)淖杩蛊?配。第二種技術(shù)涉及在偶極子所在平面的上方并且與偶極子所在平面平行地布置一個或更 多個介電層，以針對寬角掃描使偶極子元件在例如H-平面中匹配，H-平面由偶極子天線元 件限定。
[0010] 上述發(fā)明可以結(jié)合以下項來使用：
[0011] ?產(chǎn)生為共模和差模的線性組合的激發(fā)的饋電網(wǎng)絡(luò)。
[0012] ?如通過使用同軸連接器將地平面下方的雙導(dǎo)體傳輸線轉(zhuǎn)換成兩個獨立的傳輸 線。
[0013] 發(fā)明構(gòu)思
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的組合天線元件如上所述包括傳輸線、濾波器以及偶極子。傳輸線如 屏蔽線對能夠支持共模電流和差模電流。差模適合于激發(fā)偶極子。在本發(fā)明中，由于將傳 輸線的另一端處的相位控制電路假定為對稱的雙導(dǎo)體幾何圖形，所以在此省略常規(guī)的平 衡-不平衡轉(zhuǎn)換器--一種將如同軸的傳輸線幾何圖形轉(zhuǎn)換成對稱的雙導(dǎo)體幾何圖形的裝 置。
[0015] 為了說明天線的基本功能，可以考慮不具有濾波器的天線。我們將假定傳輸線是 在大的地平面中終止的屏蔽線對傳輸線。內(nèi)部導(dǎo)體從地平面突出，并且連接至對稱的天線 元件。如果天線利用差模激發(fā)，則天線元件的偶極子部分將進行輻射并且進行反向輻射，如 果進入波由偶極子元件接收，則其將在傳輸線中引起差模。通過偶極子幾何圖形（包括到 地平面的距離，但不在傳輸線幾何圖形上）首先確定天線元件的偶極子部分的諧振頻率。
[0016] 另一方面，如果這樣的天線利用共模激發(fā)，則傳輸線的從地平面突出的部分連同 偶極子一起將用作單極子天線。通過傳輸線的突出部分的長度和偶極子長度的一半的總和 來確定諧振頻率。當(dāng)總和為四分之一波長時，這樣的天線是近似諧振的。因此，共模激發(fā)的 諧振頻率比差模激發(fā)的諧振頻率低，其在偶極子長度為波長的一半時諧振。由于偶極子通 常被定位在距地平面四分之一波長處，所以所產(chǎn)生的共模激發(fā)的諧振頻率為差模激發(fā)的諧 振頻率的一半。
[0017] 圖1中示出了從成對傳輸線創(chuàng)建的天線。如果天線利用共模激發(fā)，則天線將作為 單極子操作，而如果天線利用差模激發(fā)，則天線將作為偶極子操作。由于幾何圖形，所以對 于兩種模式諧振頻率不同（即，λ π4 λd)。
[0018] 現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖2,本專利申請最主要的是改變共模激發(fā)的諧振頻率、特別是將其改變 成差模諧振頻率的濾波器的添加。當(dāng)天線利用共模激發(fā)時，可以在電流到達元件的偶極子 部分之前通過反射電流來增大單極子的諧振頻率。此外，天線元件的偶極子部分應(yīng)仍由差 模激發(fā)。在本發(fā)明中，這利用作為共模抑制濾波器的濾波器來完成。傳輸線可以被布置成 具有不同的長度來對單極子諧振頻率進行調(diào)諧，在從地平面到濾波器的距離為四分之一波 長時出現(xiàn)第一諧振。
[0019] 必須強調(diào)的是，該濾波器未被設(shè)計成減小共模在端口處的影響或阻止如通常在其 他應(yīng)用中進行的天線中的共模激發(fā)。該構(gòu)思相反，旨在利用共模來創(chuàng)建另外的天線元件。
[0020] 圖2中示出了一種設(shè)置有共模抑制濾波器的天線。該濾波器減小單極子的諧振長 度。通過沿傳輸線上下移動濾波器，可以改變單極子的諧振長度。可以對這些模式進行調(diào) 諧，使得他們對于相同的頻率（即，λ' π= λ d)諧振。
[0021] 問題
[0022] 在很多天線應(yīng)用中，希望從所有可能的方向接收無線電信號。然而，天線元件的輻 射圖不是完全全向的?？偸谴嬖谂c最佳方向相比天線元件從其接收較小的功率的方向。對 于直的線元件如偶極子和單極子，輻射圖在線的方向上具有盲點。
[0023] 在將天線元件布置在地平面的頂部上時可能產(chǎn)生另外的盲點?？梢詫⒃诖蟮牡仄?面上方且與大的地平面平行的偶極子建模為兩個平行的偶極子，其中，第二偶極子是第一 偶極子在地平面中的鏡像圖像。第二偶極子將具有以第一偶極子上的電流的相反方向定向 的電流，因此兩個偶極子的組合輻射圖將在與地平面平行的輻射方向上抵消。另一方面，從 大的地平面正交突出的單極子在地平面的平面中具有其輻射最大值，而在地平面的法線方 向上具有輻射盲點。
[0024] 本發(fā)明意在減少天線系統(tǒng)的輻射圖中的不期望的盲點或曾為盲點的局部最小值 的問題。
[0025] 解決方案
[0026] 本發(fā)明的目的是減少天線系統(tǒng)的輻射圖中的不期望的盲點或曾為盲點的局部最 小值的問題。通過組合具有根本不同的輻射圖的兩個天線元件--與地平面平行的偶極子 和與地平面正交的單極子--進行減少。這兩種天線元件借助發(fā)明特性已被賦予相同的諧 振頻率，并且通過在這兩種元件之間進行選擇來減少盲點方向。
[0027] 因此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種天線，包括：
[0028] 偶極子天線元件，其具有中心饋電點；
[0029] 共模抑制濾波器；
[0030] 雙導(dǎo)體傳輸線；
[0031] 其中，雙導(dǎo)體傳輸線被布置成從地平面延伸到第一高度（h)，雙導(dǎo)體傳輸線在第一 高度（h)處連接至共模抑制濾波器，該共模抑制濾波器被布置和連接在雙導(dǎo)體傳輸線的遠 端與偶極子的饋電點之間。
[0032] 根據(jù)以上的天線，其中，傳輸線的長度被布置成：以使得無論濾波器的物理尺寸和 第一高度，在濾波器與偶極子之間進行連接，并且能夠使偶極子位于地平面上方的第二高 度上。
[0033] 根據(jù)以上的天線，其中，偶極子被直接布置和連接在濾波器的頂部上。
[0034] 根據(jù)以上的天線，其中，雙導(dǎo)體傳輸線的第一端待連接至發(fā)射機和/或接收機，雙 導(dǎo)體傳輸線的第二端連接至共模抑制濾波器的第一端，并且共模抑制濾波器的第二端連接 至偶極子部分。
[0035] 根據(jù)以上的天線，其中，雙導(dǎo)體傳輸線被布置成以共模和差模的任意組合來傳輸 電流。
[0036] 根據(jù)以上的天線，其中，共模抑制濾波器被設(shè)計成：阻止共模電流進入天線的偶極 子部分，而其同時允許差模電流通過來激發(fā)偶極子。
[0037] 根據(jù)以上的天線，其中，共模抑制濾波器被設(shè)計作為兩個相互纏繞的線圈。
[0038] 根據(jù)以上的天線，其中，每個線圈連接至一個偶極子臂和一個傳輸線導(dǎo)體。
[0039] 根據(jù)以上的天線，其中，波紋化地平面被布置以獲得單極子/共模激發(fā)的適當(dāng)?shù)?阻抗匹配。
[0040] 根據(jù)以上的天線，其中，一個或更多個介電層被布置在偶極子部分上方。
[0041] 根據(jù)以上的天線，其中，介電層被布置成與偶極子所在的平面平行。
[0042] 根據(jù)以上的天線，其中，雙導(dǎo)體傳輸線和在濾波器上方的一段長度的傳輸線同時 構(gòu)成天線的有源元件和結(jié)構(gòu)元件。
[0043] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種天線陣列，天線陣列包括根據(jù)以上的多個天 線元件，并且具有共同的地平面。
[0044] 根據(jù)以上的天線陣列，其中，地平面被波紋化。
[0045] 根據(jù)以上的天線陣列或根據(jù)以上的天線，其中，一個或更多個介電層被布置在偶 極子部分上方。
[0046] 根據(jù)以上的天線陣列，其中，介電層被布置成與偶極子所在的平面平行。
[0047] 根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種將根據(jù)以上的陣列天線用于雷達目的的方 法，該方法包括以下步驟：
[0048]-利用差模雷達脈沖信號激發(fā)陣列天線；
[0049]-使陣列天線元件之間的差模脈沖信號進行相移來實現(xiàn)掃描；
[0050]-接收雷達回聲信號；
[0051] -處理雷達回聲信號；
[0052] -利用共模雷達脈沖信號激發(fā)陣列天線；
[0053] -使陣列天線元件之間的共模脈沖信號進行相移來實現(xiàn)掃描；
[0054] -接收雷達回聲信號；
[0055] -處理雷達回聲信號。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0056] 現(xiàn)在將結(jié)合附圖借助本發(fā)明的一個或更多個實施方式來對本發(fā)明進行進一步說 明，其中：
[0057] 圖1示出了從成對傳輸線創(chuàng)建的組合天線的透視圖。
[0058] 圖2a示出了設(shè)置有共模抑制濾波器的組合天線。
[0059] 圖2b示出了圖2a的在濾波器上方還設(shè)置有一段長度的傳輸線的組合天線。
[0060] 圖3a示出了緊湊共模抑制濾波器的第一實施方式。
[0061] 圖3b示出了緊湊共模抑制濾波器的第二實施方式。
[0062] 圖3c示出了緊湊共模抑制濾波器的第三實施方式。
[0063] 圖4a和圖4b示出了天線布置。
[0064] 圖4c示出了從上方看的陣列天線的組合掃描區(qū)。
[0065] 圖5a和圖5b示出了利用介電層和反射板改進的陣列天線布置的示例。
[0066] 圖6示出了標記有某些參數(shù)的組合天線。
[0067] 圖7a和圖7b示出了對于共模激發(fā)和差模激發(fā)分別劃分的、將天線的反射系數(shù)表 示為當(dāng)偶極子長度和單極子高度變化時單天線的頻率的函數(shù)的曲線。
[0068] 圖8a和圖8b示出了對于共模激發(fā)和差模激發(fā)分別劃分的、將天線的反射系數(shù)表 示為當(dāng)反射板高度和頂部介電片厚度變化時陣列天線的頻率的函數(shù)的曲線。

【具體實施方式】
[0069] 足義和符號
[0070] 在本文獻中將以下面明確定義的含義來使用下面的術(shù)語和符號：
[0071] "天線元件"是具有兩種含義的術(shù)語。在單天線術(shù)語中，天線包括天線元件，即天線 部件。在陣列天線術(shù)語中，天線元件是陣列中的天線之一。
[0072] "反射板"用于表示一種被布置在天線附近的導(dǎo)電材料片，以創(chuàng)建改進或改變天線 的諧振頻率的波紋化地平面。
[0073] "偶極子天線"是一種包括相等長度的、平行取向的且它們之間具有彼此小的間隔 的共線的兩個直的桿或線狀導(dǎo)體的天線。
[0074] "單極子天線"是一種包括直的桿狀導(dǎo)體的天線，該天線通常垂直安裝在被稱為地 平面的某些類型的導(dǎo)電表面上。
[0075] " λ /用于表示單極子天線的諧振波長。
[0076] " λ /'用于表示偶極子天線的諧振波長。
[0077] " λ 用于表示設(shè)置有根據(jù)本發(fā)明的濾波器的單極子天線的諧振波長。
[0078] "元件間距離"用于表示通常在天線陣列中的兩個天線元件之間的距離。
[0079] "反射板間距離"用于表示兩個反射板之間的距離。
[0080] "陣列天線"是表示以圖案布置的并且被連接以創(chuàng)建與單天線相比具有較好的特 性的天線的多個天線的術(shù)語。
[0081] "線性陣列（天線）"是表示其中陣列以直線布置（被稱為線性陣列）的天線陣列 的術(shù)語。
[0082] " 1 "和" LD "可互換地用于表示偶極子長度。
[0083] "端口"在本文中用于表示傳輸線的橫截面，在此進入以及反射的波被激發(fā)和接 收，并且是從其測量傳輸線的長度的多個點之一。端口通常位于連接器的預(yù)定位置處或傳 輸線與地平面的橫截面處。
[0084] "波紋化":地平面在其不是平面的（平坦的）而是波狀和/或設(shè)置有反射板時被 波紋化。
[0085] "WAM" ：寬角阻抗匹配
[0086] "ΜΜ0"：多輸入多輸出
[0087] 圖1示出了由成對傳輸線145U25創(chuàng)建的組合天線的透視圖。偶極子部分130、 110包括左臂130和右臂110,每個臂是平行取向且以它們之間的小間隔彼此共線的桿或線 狀金屬導(dǎo)體。如果天線由共模信號激發(fā)，則天線將操作為單極子，而如果天線由差模信號激 發(fā)，則天線將操作為偶極子。由于幾何圖形，所以這兩種模式諧振頻率不同（即λ π# Xd)。
[0088] 圖2a示出了一種組合天線，該組合天線具有偶極子210、230和單極子225、245部 分，并且設(shè)置有共模抑制濾波器250。濾波器250連接在成對傳輸線225、245的遠端260與 偶極子的饋電點240、220之間。濾波器250減小由傳輸線225、245形成的單極子的諧振長 度。通過沿傳輸線225、245上下移動濾波器，可以改變單極子的諧振長度?？梢詫δＪ竭M 行調(diào)諧，使得它們針對相同的頻率（即λ'π= λ d)諧振。這將在下面單獨的示例中示出。
[0089] 圖2b示出了與圖2a中所示的組合天線類似的組合天線。然而，圖2b的天線還設(shè) 置有布置在濾波器的上端子與偶極子的端子之間的靠近偶極子部分的、具有長度為h'的 第二長度雙導(dǎo)體傳輸線291、292。因此，可以有利地將濾波器下方的傳輸線稱為"第一長度 雙導(dǎo)體傳輸線"245、255。在濾波器上方提供這個另一長度的傳輸線的優(yōu)點是：可以在不影 響提供用作單極子的傳輸線245、255的長度h的情況下對在地平面280之上的偶極子210、 230的高度Η進行控制，因此，長度h應(yīng)為大約四分之一的所使用的波長的固定長度。因此， 有利的是，由于較容易調(diào)節(jié)偶極子的長度和濾波器下方的傳輸線的長度，以使得它們的諧 振頻率變成一樣，并且仍然能夠使從天線設(shè)計者的角度最有利的在地平面上具有高度為Η 的偶極子。從如圖2b中清晰地看出，第一長度傳輸線和第二長度傳輸線兩者被布置成其長 度軸在同一方向上，并且偶極子的長度軸被布置成在與該方向正交的方向上。
[0090] 激發(fā)模式
[0091] 在共模激發(fā)模式下，即當(dāng)同一信號被施加至兩條引線時，濾波器阻止該信號至偶 極子，該偶極子變成無源的，并且起到可以被理解成"不存在"的作用。因此，雙第一長度雙 導(dǎo)體傳輸線起到由同一信號激發(fā)的兩個平行的單極子的作用。
[0092] 在差模激發(fā)下，即當(dāng)在所施加的信號之間存在180度的相位差時，濾波器允許信 號通過至偶極子，該偶極子變成有源的，并且起到可以被理解為偶極子天線的作用。雙引線 傳輸線即高至濾波器的部分起到由具有180度相位差的信號激發(fā)的兩條平行引線的作用， 因此如同單極子一樣無助于輻射。
[0093] 濾波器的實現(xiàn)
[0094] 作為示例，可以使用兩條互相纏繞的螺線管來實現(xiàn)適當(dāng)?shù)墓材Ｒ种茷V波器。存在 將螺線管連接的兩種可能性。第一種可能性是變壓器，其中一個線圈在左臂230與右臂210 之間連接至天線元件的偶極子部分，并且一個線圈在傳輸線的左導(dǎo)體245與傳輸線的右導(dǎo) 體225之間連接至傳輸線。第二種可能性--將在本申請中更詳細地討論的--是在如 圖3a中所示的最佳情況即每個線圈連接在一個偶極子臂230、210與一個傳輸線導(dǎo)體245、 345、225、325之間時。在第二種可能性的情況下，由于楞次定律和由強的互阻抗所引起的另 一線圈中的幾乎相等強度的電流，一個線圈中的電流將在其自身中感應(yīng)出定向為與該線圈 中的電流的方向相反的電流。
[0095] 可以針對那些頻率在線圈的芯中使用鐵素體，這是因為鐵素體適合于增加線圈的 電感和互阻抗，從而減小濾波器的尺寸。
[0096] 線圈濾波器
[0097] 圖3a、圖3b和圖3c示出了共模抑制濾波器的三種實現(xiàn)。
[0098] 在圖3a中，濾波器的第一實現(xiàn)包括兩個螺旋線圈370、375。這種類型的線圈可以 容易地通過在管上纏繞線來制造；那么該管可以用作傳輸線的支承結(jié)構(gòu)。圖3b示出了螺 旋形線圈380。這個線圈380可以使用與地平面平行并且與偶極子共面的平面電路板來制 造；對于固定的導(dǎo)體寬度和導(dǎo)體間間隔，在不增加線圈的直徑的情況下，可以使用幾個層來 增加平面線圈的數(shù)量和電感。圖3c示出了可以使用平面電路板來制造并且線圈的軸在基 板平面中的線圈390。由于可以使用同一基板來支承偶極子、濾波器以及傳輸線，所以這是 可行的。本發(fā)明的線圈是緊湊的。如果該濾波器與偶極子長度相比是大的，并且地平面與 包括偶極子的平面之間的距離接近四分之一波長，則單極子的諧振長度變得短于偶極子， 這將阻止偶極子和單極子在同一頻率下諧振。因此，本發(fā)明的濾波器被布置成緊湊的。
[0099] 濾波器可以以不同的匝數(shù)實現(xiàn)。
[0100] 天線-濾波器示例
[0101] 圖4a和圖4b示出了濾波器如何被包括在天線設(shè)計中的示例。將沿傳輸線的方向 的濾波器長度布置成短的，使得傳輸線的長度長到足以使單極子在與偶極子相同的頻率下 諧振。在圖4b中示出了印刷在基板420上的天線。基板420被安裝在具有兩個同軸連接 器的地平面（圖中未描繪）上。通過分別使用同相或逆相的相等幅度激發(fā)端口來創(chuàng)建共模 和差模。由于單極子和偶極子在偶極子H-平面中具有正交極化，所以可以使用如這種天線 來提高系統(tǒng)的極化分集?？商娲?，可以在ΜΙΜΟ應(yīng)用中使用該天線。
[0102] 陣列天線中的元件
[0103] 首先設(shè)想天線元件用于但不限于針對大掃描角度掃描的大陣列天線中。單極子和 偶極子兩者可以用于偶極子的Η-平面的平面中的接近端射的掃描。假定使用線性相移激 發(fā)大陣列。為了包括互耦合的效應(yīng)，在本文獻中輸入阻抗是有源輸入阻抗。因此，天線的輸 入阻抗是相移的函數(shù)，即掃描方向的函數(shù)。當(dāng)天線從寬面輻射朝向端射掃描時，阻抗改變， 并且期望天線變成針對特定掃描區(qū)匹配良好。對于本發(fā)明的天線元件，滿足特定要求如有 源反射系數(shù)低于-10dB的掃描區(qū)對于共模單極子和差模偶極子在尺寸上不同。通過組合這 兩種模式的掃描區(qū)，可以增大陣列天線的總的掃描區(qū)。當(dāng)陣列沿其中元件之一具有輻射盲 點的方向如對于單極子寬面掃描或?qū)τ谂紭O子在E-平面中接近端射掃描時，這是特別有 價值的特性。圖4c示出了從上面看的陣列天線470的組合掃描區(qū)445、450,該陣列天線470 使用如本文獻中所述的發(fā)明設(shè)計的天線元件。因此，如上所述，可以結(jié)合天線元件之間的相 移的應(yīng)用分別通過以差模和共模激發(fā)來實現(xiàn)偶極子掃描區(qū)445和單極子掃描區(qū)450。
[0104] 寬阻抗匹配層
[0105] 為了改進偶極子在H-平面中的寬角度掃描性能，在天線的頂部上放置介電層。這 些層可以被建模成取決于入射角度和極化而改變值的電納。
[0106] 靠近元件的介電層的另一有用特性是它們可以用于減小天線元件的尺寸。當(dāng)天線 的偶極子部分的有效長度等于自由空間中的半波長時，出現(xiàn)諧振。元件的頂部上的介電片 將減小有效波長，進而使元件的諧振長度變短，并且使元件可以較小地被制作。特別地，一 個原因是緊湊的元件重要，其使得較易于緊密組裝元件。為避免矩形網(wǎng)格陣列中的柵瓣，必 須針對天線最高操作頻率使元件間間隔比半波長小。
[0107] 使用反射板來使單極子匹配
[0108] 當(dāng)使用具有兩種模式的傳輸線時可能產(chǎn)生的問題是：對于使一個元件匹配而不影 響其他元件的匹配所可以做的改變存在限制。上述濾波器是能夠做到此點的器件，并且介 電層505、507可以被用于相同的意圖。反射板510是可以用于使天線元件的單極子部分匹 配而對單極子幾乎沒有影響的器件。參見圖5,反射板510從地平面520突出，并且與偶極 子天線210、230平行。
[0109] 這些反射板510可以改變單極子的阻抗（電阻和電抗）（如從地平面的界面處的 傳輸線看到的）。結(jié)合濾波器位置，可以將單極子的輸入電阻和電抗控制到一定程度從而改 進對共模傳輸線特性阻抗的匹配?？商娲?，可以由兩個同軸端口來激發(fā)元件，然后可以使 用反射板以使元件匹配同軸端口的有源阻抗。反射板可以以等于沿由偶數(shù)劃分的天線元件 的偶極子部分的H-平面的元件間距離的周期數(shù)來布置。較短的反射板間距離DIB會得到 與使用較長的反射板間距離類似的結(jié)果，但會有反射板長度或厚度的增加。
[0110] 反射板已預(yù)先用于減小偶極子陣列中的元件或槽型元件之間的耦合。在偶極子的 天線陣列中，反射板可以用于使偶極子匹配E-平面中的大的掃描角度，該角度不是本發(fā)明 中的意在掃描方向。與那些陣列不同，此處的作用是使元件的單極子部分匹配而非增大偶 極子元件。圖5a和圖5b示出了具有反射板和WAIM的陣列的示例。
[0111] 因此，本申請描述了一種創(chuàng)造性的天線元件。該天線元件是借助支持共模和差模 的傳輸線來連接的偶極子和單極子的組合。通過由共模激發(fā)天線，單極子被激發(fā)，并且通過 由差模激發(fā)天線，天線元件的偶極子部分被激發(fā)。
[0112] 該設(shè)計的關(guān)鍵特征是共模抑制濾波器，其用于在由共模激發(fā)時阻止電流進入偶極 子臂。這使得能夠設(shè)計天線元件的單極子部分使得該單極子部分具有與天線元件的偶極子 部分相同的諧振頻率。
[0113] 可以單獨使用以及以大陣列的方式使用天線元件?？梢栽陉嚵械捻敳可鲜褂媒殡?層來減小天線元件的尺寸，并且針對大的掃描角度使天線匹配。此外，可以在元件之間使用 反射板來改變單極子的輸入阻抗。結(jié)合適當(dāng)?shù)剡x擇濾波器的位置，這些反射板可以用于在 不顯著改變偶極子的匹配的情況下匹配單極子天線。
[0114] 方法
[0115] 一種將根據(jù)本發(fā)明的陣列天線用于雷達目的的方法，可以包括以下步驟：
[0116] -利用差模雷達脈沖信號來激發(fā)陣列天線；
[0117] -使陣列天線元件之間的差模脈沖信號進行相移以實現(xiàn)掃描；
[0118] -接收雷達回聲信號；
[0119] -處理雷達回聲信號；
[0120] -利用共模雷達脈沖信號來激發(fā)陣列天線；
[0121] -使陣列天線元件之間的共模脈沖信號進行相移以實現(xiàn)掃描；
[0122] -接收雷達回聲信號；
[0123] -處理雷達回聲信號。
[0124] 示例
[0125] 示例1單天線
[0126] 現(xiàn)在參照圖6,圖6示出了地平面上的并且由兩個同軸線纜601、602饋電的單天 線。偶極子具有長度1，并且被定位在地平面之上的偶極子高度Η上。濾波器250被定位使 得其最低點被布置在地平面之上的濾波器高度h上。該濾波器高度還與第一長度雙導(dǎo)體傳 輸線對應(yīng)，或更確切地與第一長度雙導(dǎo)體傳輸線相等。在下面的兩個示例中，偶極子長度和 濾波器位置改變但偶極子高度Η不變。給出作為共模的反射系數(shù)（虛曲線）和差模的反射 系數(shù)（實曲線）的結(jié)果。共模等效于單極子激發(fā)的有源反射系數(shù)，而差模等效于偶極子激 發(fā)的有源反射系數(shù)。
[0127] 由此，圖7a和圖7b示出了對于共模激發(fā)和差模激發(fā)分別劃分的將天線的反射系 數(shù)表示為當(dāng)偶極子長度和單極子高度變化時單天線的頻率的函數(shù)的曲線。將共模激發(fā)的結(jié) 果示為虛曲線，而將差模激發(fā)的結(jié)果示為實曲線。
[0128] 在第一示例中，針對偶極子長度1分別為57mm、59mm以及61mm來計算反射系數(shù)。 偶極子高度固定在H = 39mm，并且濾波器高度固定在h = 34mm。從圖中明顯看出，偶極子的 諧振頻率如預(yù)期的那樣發(fā)生變化，即隨偶極子長度增大而減小，并且由于由濾波器250阻 止共模電流進入偶極子這一事實，所以單極子的諧振頻率不變。
[0129] 示例2單天線
[0130] 在第二示例中，在地平面之上的濾波器位置h在32mm、33mm和34mm之間變化，并 且H = 39mm且1 = 59mm。圖7b中示出了仿真結(jié)果。當(dāng)h改變時單極子的諧振頻率變化。 這是由于共模在天線元件中的不同位置處被反射。此外，由于濾波器允許共模通過偶極子， 所以偶極子的諧振頻率不改變。
[0131] 陣列示例
[0132] 在下面的陣列示例中，假定陣列在一定程度上無限并且在偶極子的Η平面中掃描 天線。從地平面的法線測量掃描角度Θ。偶極子的Η平面中的元件間距離為50mm，1 = 47mm，h = 32mm，H = 38mm，并且發(fā)射板高度bh是下面的示例中的參數(shù)。此外，天線由兩個 介電片覆蓋；來自偶極子并且與偶極子的上部直接接觸的第一計數(shù)為5mm厚并且相對介電 常數(shù)為3。第二層位于第一層的頂部上，并且厚度為w h，并且相對介電常數(shù)為2。
[0133] 圖8a和圖8b示出了對于共模激發(fā)和差模激發(fā)分別劃分的將天線的反射系數(shù)表示 為當(dāng)發(fā)射板高度和介電片厚度變化時陣列天線的頻率的函數(shù)的曲線。
[0134] 示例3陣列天線
[0135] 在第一陣列天線示例中，反射板高度bh在0mm、4mm、8mm之間變化，同時w h = 7. 5mm 且θ = 70°。從圖8a中可以看出，當(dāng)高度改變時共模的反射系數(shù)改變，同時共模較小地被 影響。
[0136] 示例4陣列天線
[0137] 在第二陣列天線示例中，頂部介電片的厚度wh在0. 5mm與7. 5mm之間變化，同時 bh = 8mm且Θ =60°。在圖8b中給出結(jié)果。在該圖中，示出了如果將頂部介電層制成較 薄的情況下將發(fā)生什么。對于關(guān)于所有示出的頻率具有高于-10dB的反射系數(shù)的差模出現(xiàn) 最大變化。另一方面，雖然不是完全沒有影響，但是片高度的變化較小影響共模。
【權(quán)利要求】
1. 一種天線，包括： 偶極子天線元件（210, 230)，其具有中心饋電點（220, 240); 共模抑制濾波器（250); 第一長度雙導(dǎo)體傳輸線（225,245)， 其中，所述第一長度雙導(dǎo)體傳輸線（225, 245)被布置成從地平面延伸到第一高度（h)， 所述第一長度雙導(dǎo)體傳輸線（225,245)在所述第一高度（h)處連接至所述共模抑制濾波器 (250)，所述共模抑制濾波器（250)被布置和連接在所述第一長度雙導(dǎo)體傳輸線（225, 245) 的遠端（260)與所述偶極子的所述饋電點（220,240)之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其中，第二長度傳輸線（291，292, h'）被布置，以使得 無論所述濾波器（250)的物理尺寸和所述第一高度（h'）如何，在所述濾波器（250)與所述 偶極子（210, 230)之間進行連接，并且使所述偶極子能夠位于所述地平面上方的第二高度 ⑶上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其中，所述偶極子（210, 230)被直接布置和連接在所述 濾波器之上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的天線，其中，所述第一長度雙導(dǎo)體傳輸線的第 一端待連接至發(fā)射機和/或接收機，所述第一長度雙導(dǎo)體傳輸線的第二端連接至所述共模 抑制濾波器（250)的第一端，并且所述共模抑制濾波器的第二端連接至所述偶極子部分 (230,210)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的天線，其中，所述第一長度雙導(dǎo)體傳輸線被布置成以共模和 差模的任意組合來傳輸電流。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的天線，其中，所述共模抑制濾波器被設(shè)計成阻止 共模電流進入所述天線的所述偶極子部分，但卻讓差模電流通過以激發(fā)所述偶極子。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的天線，其中，所述共模抑制濾波器被設(shè)計為兩個 相互纏繞的線圈。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的天線，其中，每個線圈連接至一個偶極子臂，并且連接至一個 第一長度傳輸線導(dǎo)體（245)。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的天線，其中，波紋化地平面被布置以獲得單極 子/共模激發(fā)的適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ洹?br> 10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的天線，其中，一個或更多個介電層被布置在所述 偶極子部分上方。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的天線，其中，所述介電層被布置成與所述偶極子所在的平 面平行。
12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的天線，其中，所述第一長度雙導(dǎo)體傳輸線（245， 225)和在所述濾波器（250)上方的所述第二長度雙導(dǎo)體傳輸線（291，292)同時構(gòu)成所述天 線的有源元件和結(jié)構(gòu)元件。
13. -種天線陣列，包括根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項所述的多個天線元件，并且具有 共同的地平面。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的天線陣列，其中，所述地平面被波紋化。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的天線陣列或根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其中，一個或更多 個介電層被布置在所述偶極子部分上方。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的天線陣列，其中，所述介電層被布置成與所述偶極子所在 的平面平行。
17. -種將根據(jù)權(quán)利要求11所述的陣列天線用于雷達目的的方法，包括以下步驟： 利用差模雷達脈沖信號激發(fā)所述陣列天線； 對陣列天線元件之間的差模脈沖信號進行相移來實現(xiàn)掃描； 接收雷達回聲信號； 處理雷達回聲信號； 利用共模雷達脈沖信號激發(fā)所述陣列天線； 對陣列天線元件之間的共模脈沖信號進行相移來實現(xiàn)掃描； 接收雷達回聲信號；以及 處理雷達回聲信號。
【文檔編號】H01Q21/00GK104106179SQ201280067252
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月17日
【發(fā)明者】安德斯·埃爾加特 申請人:薩博公司