專利名稱：具有偶極元件且束寬及掃描方位角可調的天線的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及天線，更具體地說，涉及一種用于動態改變這種天線束寬及掃描方位角的機械裝置。
背景技術：
天線結構通常包括確定信號束寬及掃描方位角的多個天線陣。通過改變施加到天線陣(antenna column)上的電信號的相位可以改變天線束寬。天線技術的發展包括為每個天線陣提供一個單獨耦合機械移相器。為每個具有為天線的每個陣配置一個專用移相器的系統能加強束寬和掃描方位角的控制。
盡管具有單獨耦合移相器的天線結構能更好地控制電波的傳播，但束寬及掃描方位角的更大可變性仍然很需要。另外，單獨耦合移相器結構對于某些信號分集應用可能無法提供足夠的控制，如需要雙偶極元件的場合。信號分集通常包括分解信號以備后續處理。例如，具有不同極化方向的兩個信號可進行組合發送，以便其組合信號強度足以使該組合信號能分別到達極化天線陣。
具有雙偶極元件的天線允許單個陣來收/發兩種極化方向(polarization)的信號，同時能避免因使用更大數量的單極天線而帶來的維護性、空間占用以及美觀性等方面的缺點。然而，僅使用此處的單獨耦合移相器結構可能仍然無法實現雙偶極元件的分集優點，這是因為它只能對兩種極化方向中的一種極化方向起到加強傳播控制的作用。
因此，需要提供一種更廣泛的動態電波傳播控制。并且，當一個天線陣包括多個極化方向時也有可能獲得進一步的改進。
附圖被結合于此并作為本說明書的一部分，用來說明本發明的實施方式，并與下面的詳細說明一起對本發明的原理進行解釋。
圖1是束寬和/或掃描方位角可動態改變的天線的示意圖，其用于解釋本發明的原理；圖2是掃描方位角網絡的方框圖，用于解釋本發明的原理；圖3是示例的旋轉型機械移相器的分解圖，其包括一個驅動器；圖4是示例的直線型機械移相器的分解圖，其包括一個驅動器；圖5是具有不規則或分段直線形陣列的天線的頂視圖；圖6是具有曲線形陣列的天線的頂視圖；圖7是具有直線形陣列的天線的頂視圖。
具體實施例方式
圖1顯示一種示例的天線系統，用于說明本發明的原理。該系統包括至少一個束寬及掃描角可動態改變的天線12。該天線12又包括多個空間分離的有源輻射陣28。其中根據需要，每個陣28可包括一個雙偶極元件26，其具有分立的偶極元件26a和26b。
如圖1所示，每個陣28可以分別與一個移相器對40的移相器40a，b電耦合，該移相器40a，b包含在多個連續可調的機械移相器中。如下面更詳細的描述，各個移相器對40中的移相器40a可以連接到一輻射陣28中的各個雙偶極元件26的第一偶極元件26a上，而該移相器對中的移相器40b可以連接到各個雙偶極元件26的第二偶極元件26b上。這樣，各個移相器40a，b的配置可以影響從各個陣28傳播的信號的各個極化。
更具體地，將各個移相器40a，b放置在一個陣信號節點50和一個饋點54之間，以便通過相變來影響信號的束寬和/或掃描方位角。為了進一步方便對信號圖的控制，各個移相器對40包括一個獨立的且可遠程控制的驅動器42。在該實施例中，出于對材料和操作性的考慮，各個陣28的移相器對40與一個公用驅動器42相耦合。例如，這種共同控制可以方便使用者控制電波的傳播。
束寬和掃描方位角與各個陣節點50與饋點54之間完成的相移和/或配電是相關的。根據本發明的原理，束寬和/或掃描方位角可以響應于來自控制臺的信號而改變，以展寬或壓縮束寬，和/或左右移動波束中心。這在下文中將進行描述。
到此，移相器40a，b可獨立操作以改變各個陣信號節點50與各個饋點54之間的相移，即電信號的相位，從而來改變由多個有源輻射陣28所確定的波束的束寬和/或掃描方位角。
方位角饋電網46a和46b中包含的多個串聯功率分配器可以與移相器40a，b協同工作或者獨立于移相器40a，b工作，以同樣地影響束寬和/或掃描方位角。也就是說，在一種實施方式中，將功率分配器放置在陣信號節點50與饋點54之間。這種放置允許功率分配器通過改變功率來影響信號的束寬和/或掃描方位角。為方便這種信號圖的控制，多個或所有的功率分配器可以包括一個可獨立控制的驅動器。根據需要，由于操作性及性能方面的原因，功率分配器的驅動控制可進行遠程控制。
如圖1所示，各個陣28中的雙偶極元件26是電磁耦合的，比如如圖1中電路板52上的標記數字30所示，利用包含帶狀線或微帶導體的仰角饋電網(elevation feed network)來進行電磁耦合。雙偶極元件26也可以安放在電路板52上。另外，如果不用電路板，陣28中的雙偶極元件26也可以采用空氣帶狀線和/或一個或多個具有連接電纜線(所有這些沒有示出)的功率分配器來進行耦合。雖然圖1中顯示的可動態改變束寬的天線12包括五個陣28，每個陣28具有十個雙偶極元件26，但本發明的實施例可以使用所需任意數量的陣和元件而不會背離本發明的精神。而且，盡管雙偶極元件在本發明的某些實施例中具有特定的應用，但本領域的普通技術人員可以理解，其它實施例中可以包括具有單極或多極元件的任意輻射元件。
進一步參照圖1，每一對連續可調的機械移相器40a，b與每一個有源輻射陣28電連接。各個機械移相器對40一般與各個獨立的且可遠程控制的驅動器42耦合。各個機械移相器對40中的機械移相器40a，b分別與各個有源輻射陣28中的雙偶極元件26直接電連接，如通過同軸電纜44和/或帶狀線30。這種直接電連接確定了陣信號節點50。
在一種實施例中，各個移相器對與不同的極化方向關聯(如正負45度)并且與天線的各個輻射陣分別耦合。各個波束的束寬和/或掃描方位角在需要時可以經由一個遠程移相器接口而遠離天線進行調節。
各個機械移相器40a，b也可以與包含在各個方位角饋電網46a中的多個功率分配器電耦合，這樣就確定了各個饋點54。因此，如圖1中的示意圖所示，機械移相器40a，b與中間陣信號節點50以及饋點54相耦合。射頻(RF)線路48與去往或來自饋點54的信號耦合，這是很容易理解的。機械移相器40a，b可以被獨立調整以改變發自陣28的信號的相位。
除多個功率分配器之外，一個示例的方位角饋電網46a可以包括具有跟蹤、連接電纜線和/或其他結構形式的電路板，以提供串行或并行饋電，對本領域的普通技術人員而言這很容易理解。方位角饋電網46a中的多個功率分配器可以通過移相器40a，b對有源輻射陣28中的節點54分配功率輸入，從而改變自天線12輻射的信號的束寬及掃描方位角。相反地，在接收信號時，各個方位角饋電網46a中的多個功率分配器可以組合入射到輻射陣28中的元件26上的功率，該組合后的功率將在各個饋點54接收。
一個示例的功率分配器可以包括一個或多個耦合器以及一個內嵌的相位延遲設備。本領域普通技術人員可以理解，一個反射型相位延遲設備可以被選擇性地和/或附加性地使用。在需要時，各個功率分配器41可以包括一對混合定向耦合器。如該領域所熟知的，一個混合定向耦合器是一種四端口電磁設備，其可以提供僅與來自電源的輸入功率成比例的輸出。對一給定的帶寬，一個混合定向耦合器可以將來自電源的一個端口的輸入功率以正交相位在另兩個端口之間分離。與輸入功率對應的各個其它端口的相對功率對于給定的一組分別耦合到設備端口上的阻抗來說是已知的。
正交混合定向耦合器在通信設備中被普遍使用。所述耦合器允許從一個輸入端口輸入且從一個輸出端口或“直接”端口輸出的采樣通信信號可以從第三或“耦合”端口的信號獲得。沒有信號發生自第四或“孤立”端口。在設計適當的情況下，一個定向耦合器可以區分一個自輸入端口輸入的信號和一個自直接端口輸入的信號。這種區分能力特別有用，比如在耦合器在射頻放大器和天線之間耦合時。在這種配置下，射頻放大器的輸出可以被監聽，而且與失配天線反射信號的輸出無關。并且，所述被監聽的信號可以用來控制增益，例如自動增益控制(AGC)，或者減少射頻放大器的失真。在任何情況下，一個以本說明書所述為目的的合適的功率分配器可以包括任何能夠適當分配和/或混合功率的設備。
圖2顯示一種功率分配器結構148，其用于解釋本發明的原理。如圖所示，一種與圖2所示結構相似的功率分配器結構41可以被包括進圖2中的各個方位角饋電網46a，以提供束寬及掃描方位角的調整。因此，所述功率分配器結構148可以耦合到各個陣28。比如，所述結構可以耦合到各個(陣28的)移相器對的機械移相器43a-d，該移相器對應于一個雙偶極元件26的一個特定極化方向。
如圖2中所示，一個或多個功率分配器41可以選擇性地耦合到各個雙偶極元件26而不必先與可變移相器43a-d耦合。所述結構的實現特別適用于各個雙偶極元件的相對相位保持恒定的情況。這種情形下面將做詳細討論。
在任何情況下，傳送到各個移相器43a-d的功率的改變可以引起與各個移相器43a-d相關聯的特定極化方向引起的束寬及掃描方位角的改變。本領域的普通技術人員可以理解，在選擇性的采用單個偶極元件26時，單個結構/方位角饋電網46a足以服務所有的陣。并且，本發明的實施例可以包括更多或更少的功率分配器41而同時與本發明原理保持一致。
詳細參照圖2，第一功率分配器41a經過相應移相器42耦合到天線12的各個天線元件。如其中討論的，天線12的一個合適的天線元件可以包括任何能夠接收和/或發送電磁輻射的設備，該設備包括上面討論的天線12的雙偶極元件。在圖1的情況下，各個天線元件26可以包括在各個輻射陣28中。
如圖2中所示，第二功率分配器41b分別耦合到天線12的第三和第四天線元件，而第三功率分配器41c同時耦合到第一功率分配器41a和所述天線的多個天線元件26的第五天線元件。最后，第四功率分配器41d通過同時耦合到第二和第三功率分配器41b和41c而完成分布式結構148。通過調節方位角饋電網46a中的一個或所有的功率分配器41的功率分配設置，用戶可以改變天線12傳播的信號的束寬和/或掃描方位角。
在需要時，方位角饋電網46a中的分布式功率分配器41可以通過圖1中所示的機械移相器40a，b耦合到天線12。機械移相器40a，b及其驅動器直接安放在其對應的天線12的輻射陣28的附近。這種安放增強了天線12的方位角饋電網46a的作用，使得每個方位角饋電網46a到天線12的連接僅用單個射頻線路48便可完成，因此減少了必須橫穿塔的電纜數量。
使用標記數字24所示的信號對各個驅動器42進行獨立且遠程地控制，所述信號是通過電纜、光學線路、光纖耦合的或是射頻信號。如圖1所示，各個驅動器42可以分別具有其自己的信號。采用傳統的尋址方式，如接口59所提供的，可以實現多路復用信號24。正如其中討論的，一個公用驅動器42可以服務于一個移相器對40中的兩個移相器40a，b。這種互相耦合可以在需要時為用戶簡化信號調整過程。
如此，各個機械移相器40a，b對于給定極化方向可以用來改變饋點54與其對應的陣節點50之間的相位或信號延遲。而且，移相器40a，b還可以用于在各個節點50之間改變或間錯相位，從而改變輻射陣28之間的相位。輻射陣28之間的相位差以及天線12的信號傳送和接收決定了天線12的束寬和/或掃描方位角。
總之，要改變所述天線12的束寬，需要向輻射陣28添加或去掉一個相位延遲，這樣使外部的大部分陣具有更大的延遲改變量。可以推導出一個與在改變束寬時輻射陣28之間相位差相關聯的數學方程。這樣的方程可能是二階線性方程或二次方程。
同樣，在改變掃描方位角時，可以在多個陣中的一個陣28的一端添加一個相位延遲，同時在陣28的另一端去掉一個相位延遲。一個與在改變掃描方位角時輻射陣28之間相位差相關聯的數學方程是一個一階線性方程。該領域普通技術人員可以理解，也可以使用和/或推導出其它與輻射陣28之間相位差相關聯的方程，如高階多項式方程。而且，該領域普通技術人員可以理解，由各個與輻射陣28之間的相位差相關聯的方程(如一個線性方程和一個二次方程)所組成的方程組可以同時用于改變束寬及掃描方位角。
所述天線的各個波束的束寬可以在大約30°至大約180°之間變化(根據陣28的排列)，而各個波束的掃描方位角可以在大約+/-50°之間變化。掃描方位角的改變能力取決于所選擇的束寬。例如，如果選擇的束寬為40°，掃描方位角可以在大約+/-50°之間變化。然而，如果選擇的束寬為90°，掃描方位角可能會受限制，如變為+/-40°。該領域普通技術人員可以理解也可以選擇其它相應地影響掃描方位角變化范圍的束寬。
因此，根據本發明的原理，并如圖1所示，移相器40a，b可獨立遠程操作以改變天線12的束寬和/或掃描方位角(與可調功率分配器41協同地或獨立地工作)。而且，所述的對束寬和/或掃描方位角的調整在天線12工作時也可以進行，即動態調整。
由于陣28之間的相位差影響所述天線的束寬和/或掃描方位角，一個或多個陣28可以相對于使用天線12傳送或接收的信號進行相位固定，由此僅改變那些剩下的陣28的相位。舉例如圖1所示，移相器40a，b組成的對40以及其相應的驅動器42和控制信號24，可以通過采用線路58(虛線所示)而去掉。多個所述的線路58可以有效地縮短節點50和54，去掉陣28中多余數量的移相器對，或者甚至移相器41。
這樣剩下的移相器41就可以相對于縮短的節點58的信號來改變節點50的信號，從而改變天線12的束寬和/或掃描方位角。去掉移相器41及其相應的驅動器減少了天線12的成本。該領域普通技術人員會認識到，本發明的其它實施例可以使用不同數量的陣28、移相器40a，b和/或功率分配器41構建。
如在此討論的，示例的機械移相器40a，b可以是直線型、反射型或旋轉型。各種移相器都可以耦合到驅動器42(如一個電機或其它合適裝置)上，以移動移相器中相對于導體的絕緣材料，從而改變設備的輸入與輸出端口之間的信號的插入相位。
參照圖3，其顯示了一個示例的、包括一個驅動器(或電機)42的旋轉型機械移相器60的分解圖。驅動器42響應于控制信號24，并且其包括一個軸62。如圖3所示，軸62可以被直接耦合到機械移相器60，或者通過一個齒輪箱、皮帶輪等等(未顯示)。軸62被耦合到一塊具有很大介電常數的材料64上，該材料如箭頭66所示可在外殼78中旋轉。
旋轉型機械移相器60通過如箭頭66那樣旋轉位于帶狀線中心導體72兩側的高介電常數材料64，從而改變輸入與輸出端口68、70之間的相位移動。該高介電常數材料64具有比空氣更低的傳播常數，因此增加了導體72承載信號的電延遲。狹縫74、76提供了介電常數的變化梯度。另外，該高介電常數材料64中的多個洞或者其它縫隙可以用來提供介電常數的變化梯度。延遲量或相位移動量是由導體72被高介電常數材料64在其上和/或其下覆蓋的相對長度決定的。因此，高介電常數材料64相對于導體72如箭頭66所示的旋轉改變了移相器60的端口68和70之間信號的相位。外殼78可以使用鋁或其他合適的剛性材料制造。
旋轉型機械移相器的另一例子可以在1971年8月的IEEE微波理論與技術會報(IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques)中一篇題目為“一種連續可變的絕緣移相器”(A Continuously Variable Dielectric PhaseShifter)的論文中找到，作者為William T. Joines，其公開內容通過參考而被完整地結合于此。
參照圖4，其顯示了一個示例的直線型機械移相器80的分解圖。直線型機械移相器80耦合到一個驅動器(如一個電機42)上，該驅動器42具有一個軸82。軸82通過如渦輪84等裝置耦合到移相器80中的高介電常數材料板86。響應于信號24，驅動器42通過軸82和渦輪84，如箭頭90所示，相對于導體88直線移動高介電常數材料86。
所述高介電常數材料86具有比空氣更低的傳播常數，因此增加了導體88承載信號的電延遲。狹縫96和98提供了介電常數的變化梯度。延遲量或相位移動量由導體88被高介電常數材料86在其上和/或其下覆蓋的相對長度所控制。因此，高介電常數材料86相對于導體88的直線位置決定了移相器80的端口92和94之間信號的相位。
直線型移相器的另一例子可以在美國專利No.3,440,573中找到，其公開內容通過參考而被完整地結合于此。而另一個直線型移相器的例子可以在美國專利No.6,075,424中找到，其公開內容通過參考而被完整地結合于此。
除各個陣間相位關系外，陣的數量、陣間間距以及陣在天線中的相對位置均可以決定所需的改變束寬和/或掃描方位角的能力。
圖5-7顯示了具有特定陣列的三個天線的頂視圖，用于解釋本發明的原理。該領域普通技術人員可以理解，本發明并不限于三種排列中的任何一種，它們僅是作為示例而顯示。
更具體地，圖5顯示了一個天線，其五個有源輻射陣28具有不規則或分段直線形排列。各個陣28均包括多個雙偶極元件26。在各個陣28中的一個或多個電路板150上各個輻射陣28中的雙偶極元件26包括傳導元件。電路板150安裝在一層或多層金屬板反射器138上。在需要時，反射器138可以包括一個或多個洞或縫隙(未顯示)以電耦合到輻射陣28中的雙偶極元件26上。
各個有源輻射陣28中的雙偶極元件26通過如圖1所述的仰角饋電網30而電磁耦合。這樣，如果每個有源輻射陣28使用十個有源輻射元件26，那么就需要十根來自于各個仰角饋電網30的電纜以將各個陣28中的雙偶極元件26電磁耦合。
另外，各個陣28中的雙偶極元件26可以通過電路板150上的帶狀線或微帶導體和多個位于反射器138后面的具有已連接電纜的遠程控制且可調的功率分配器的組合而電磁耦合。如在此討論的，位于方框148中的可調功率分配器提供的功率變化可以允許用戶定制信號圖的束寬和掃描方位角。包括多個機械移相器40a，b和功率分配器41的天線此前已與圖1一并作過描述，并如圖1和圖5中的標記數字148所表示。
陣28可以大致等距排列(通過距離140，一般為0.4倍波長間隔)，通常以一種不規則或分段直線形排列來安置陣28，同下文將詳細討論的典型的弓形、曲線形或圓形排列一樣允許展寬波束，并且能同時減少相鄰陣間相鄰的雙偶極元件之間的互相耦合。
如圖5所示，示例的雙偶極元件可以向內彎曲、折角或“下垂”。這種彎曲的特點可以使元件需要的空間最小化，使其有最優空間利用率。元件的所述彎曲結構可以進一步提供其自身的優良的傳播特性。例如，彎曲形狀可以以一種可預測并需要的方式影響陣發射信號的傳播形式，如束寬均勻化。盡管圖5所示的雙偶極元件26具有雙傾斜極化方向，其它與本發明一致的實施例可以選擇性地使用任意正交極化。而且，該領域普通技術人員可以理解，天線12的扼流圈(choke)141a和141b及其底平面結構，以及各個元件26的相對形狀均可以進行修改以滿足特定的應用需求。例如，扼流圈141a和141b以及底平面可以通過優化來減輕從前至后的輻射。
參照圖6，其顯示一天線，該天線具有弓形、曲線形或圓形排列的有源輻射陣28。通過將元件26安放到一個類似弓形、曲線形或圓形彎曲反射器126上，該天線包含了安置在八個大致等距(距離124)的有源輻射陣28中的多個雙偶極元件26，所述反射器126具有一帶狀線或微帶線(未顯示)以將各個雙偶極元件26耦合到各個陣28。該天線還包括成對的可連續調整的機械移相器40a，b，每對移相器40a，b都分別耦合到一獨立的遠程控制的驅動器42及多個功率分配器46a。工作時，控制信號24促使驅動器42調整機械移相器40a，b以使其動態改變上文中描述的天線的束寬和/或掃描方位角。在這種方式下，功率的改變進一步對改變天線的束寬和/或掃描方位角發揮作用。
圖6中顯示的有源輻射陣28的弓形、曲線形或圓形排列可以使得波束被展寬的范圍比下面描述的直線形排列更廣。陣28之間的間距124(比如優選為天線中心頻率波長間隔的大約0.25倍)能減少天線方向圖的旁瓣，但同時這是以增加相鄰陣28中相鄰的雙偶極元件26之間的相互耦合為代價的。
參照圖7，其顯示了一個具有平直的、平面的或直線的排列的天線。該天線包括四個大致等距(距離102)的有源輻射陣28，各個輻射陣包括多個安放在電路板或反射器104上的雙偶極元件26。各個陣28中的雙偶極元件26如前所述通過帶狀線、微帶或空氣帶狀線(air stripeline)(均未顯示)耦合。所述有源輻射陣28與各個連續可調的機械移相器40a，b構成的各個移相器對40直接電連接，每個移相器對40均分別耦合到各個獨立的遠程控制的驅動器42(但如前及圖2所述，可以去掉移相器40a，b中的至少一個)中。圖7所示實施例中的各個移相器40a，b同樣耦合到一個分布功率分配器46a的網絡上。功率分配器46a可以改變供給各個移相器的功率，從而改變該天線系統的束寬和/或掃描方位角。
束寬和/或掃描方位角可以通過激勵驅動器42的控制信號24而進一步設置。驅動器用于調整機械移相器40a，b，以便獨立地或與前述功率分配器一起來動態改變天線的束寬和/或掃描方位角。
該領域普通技術人員可以理解，盡管對移相器和功率分配器的操作可以使其彼此補充以協同提供優良的信號圖控制，但不同的實施例可以包括和/或使用在此描述的可變移相器或功率分配器中的一種以改變束寬和/或掃描方位角。類似地，盡管使用雙偶極元件可以提供特別功能，但在某些應用中可以使用單極輻射元件。
因此，在工作中，天線系統中的各個陣28包括雙偶極元件26。這樣，各個陣28可以提供在信號的分集應用中有用的兩個極化方向。為完全獲得每個極化方向的優點，該天線系統將兩個獨立的移相器耦合到各個陣28。通過這種作法，各個單獨的移相器可以為各個分集極化的信號調節束寬和/或掃描方位角。如下面所討論的，基于操作性考慮，與各個陣的極化方向對應的各個移相器對可以在一個公用驅動器42上聯接。另外，單獨的驅動器可以控制各個移相器40a，b，而同時也能提供信號分集。
為了對各個極化方向的信號獲得更大的電波傳播控制，本發明的一種實施例可以利用各個移相器40a，b的獨立性而將其與一系列串聯的可調功率分配器相組合。如圖2所示，一個功率分配器41網絡可以耦合到與一特定極化方向相關聯的各個移相器40a，b。這樣，兩個單獨的功率分配器41網絡可以以這樣的方式改變傳送到天線12的能量，從而進一步影響各個極化信號的束寬和/或掃描方位角。因此功率分配器41可以單獨地或與移相器40a，b協同地提供更大的電波傳播控制。
如下面更詳細地討論，輻射陣28可以包括雙偶極天線元件26。在一方面，雙偶極天線元件26提供信號分集，即，雙偶極天線元件允許發射出去的信號同時被同一個雙偶極元件所接收。這種結構消除了前面討論的現有技術系統對多天線的需求。通過這種作法，本發明的實施例可以接收、發射及動態設置信號而不會增加用戶在空間占用和維護復雜上的負擔，而這些都困擾著傳統天線系統。
通過前述的優點，提供了一種可動態改變束寬和/或掃描方位角的天線，其依賴于移相器的原理而調整束寬和/或掃描方位角，并同時具有機械移相器和該精巧天線的優點，但消除了其各自的缺陷。
盡管本發明對其中各個實施方式進行了描述，并且各種實施方式的描述都非常詳盡，但本申請無意將所附權利要求書的范圍約束或以任何方式限制在所述細節上。該領域普通技術人員很容易發現其它的優點并作出修改。可以理解，本說明的天線可以被獨立地或共同地用作發射和/或接收天線，從而可以根據需求來展寬或壓縮發射或接收的束寬，和/或操控波束的中心位置。而且，本發明并不限于所使用的輻射元件類型。任何類型的輻射元件均可以適當使用。本發明也不限于輻射元件的行數，本質上所述行數也并非必須。本發明可以使用或不使用機械的或電子的天線下傾設備。
而且，在此描述的方位角分布網絡可以含有改變在各個陣信號節點上的信號波幅的能力，從而進一步促進了其改變束寬和/或掃描方位角的功能。更進一步，盡管上文表明了與各個移相器對和/或功率分配器相對應的陣的數量，但仍然可以根據本發明的原理實現其它的對應關系。該領域普通技術人員可以理解，根據本發明原理的天線可以安放在任何位置而并不限于本文所述的安放位置。因此，本發明在更廣泛的意義上并不限制于所述的特定的細節、代表性的設備和方法以及所顯示和描述的解釋性的例子。因此，相對于所述細節可以作出不會背離本申請人的總體發明概念的實質和范疇的改變。
權利要求
1.一種可動態改變束寬及掃描方位角的天線，其包括多個間隔開的有源輻射陣，每個陣包括一個雙偶極元件，所述多個輻射陣共同確定分別對應于雙偶極元件的第一和第二極化方向(polarization)的第一和第二束寬以及第一和第二掃描方位角，其中所述各個束寬及掃描方位角與各個饋點和多個陣中的各個輻射陣之間的相移相關聯；以及多個成對分組的連續可調且可遠程控制的機械移相器，所述每個陣對應一個移相器對，移相器對中的每個移相器分別與第一和第二極化方向中之一相關聯，且并置在各個輻射陣與相應饋點之間，其中所述移相器對中各個移相器可獨立操作，以改變該多個所述輻射陣中的各個輻射陣與饋點之間的一個相應的極化方向的相移，從而改變由所述多個有源輻射陣所確定的相應的束寬和相應的掃描方位角二者中至少一個。
2.根據權利要求1所述的天線，其中第一極化方向正交于第二極化方向。
3.根據權利要求1所述的天線，其中移相器對包括一個公用驅動器。
4.根據權利要求1所述的天線，其中雙偶極元件向內傾斜。
5.根據權利要求1所述的天線，其中多個輻射陣在數量上超過多個移相器。
6.根據權利要求1所述的天線，其中多個輻射陣在數量上與多個移相器相等。
7.根據權利要求1所述的天線，其中多個輻射陣包括五個輻射陣。
8.根據權利要求1所述的天線，其中有源輻射陣間呈直線形空間分布。
9.根據權利要求1所述的天線，其中有源輻射陣間呈分段直線形空間分布。
10.根據權利要求9所述的天線，其中有源輻射陣間以大約0.4倍波長間距空間分布。
11.根據權利要求1所述的天線，其中有源輻射陣間呈曲線形空間分布。
12.根據權利要求1所述的天線，其中有源輻射陣間以大約0.25倍波長間距空間分布。
13.根據權利要求1所述的天線，其中機械移相器是直線型移相器。
14.根據權利要求1所述的天線，其中機械移相器包括旋轉型和反射型移相器中的至少一種。
15.根據權利要求1所述的天線，其還包括一個控制站，所述控制站使用信號與天線進行電子通信，每個信號分別與各個獨立控制的驅動器相關并且用來驅動該驅動器，從而調整移相器，并改變天線的束寬。
16.一種可動態改變束寬和掃描方位角的天線，其包括多個空間分離的有源輻射陣，所述各個陣分別具有各自的陣信號節點，所述陣共同確定束寬及掃描方位角，該束寬及掃描方位角與各個陣信號節點和饋點之間的相移及功率相關；多個成對分組的連續可調的機械移相器，所述每個陣對應一個移相器對，該移相器對中的每個移相器具有一個獨立的可遠程控制的驅動器并且直接電連接到該陣信號節點與饋點之間的相應輻射陣，所述移相器可獨立操作以改變各個陣信號節點與饋點之間的相移，從而改變由所述多個有源輻射陣所確定的束寬和掃描方位角二者中的至少一者；以及多個可調的功率分配器，其與所述多個空間分離的有源輻射陣電連接，該功率分配器可以改變各個陣信號節點與饋點間的功率，從而改變由所述多個有源輻射陣所確定的束寬和掃描方位角二者中至少一者。
17.根據權利要求16所述的天線，其中多個功率分配器是隔離的。
18.根據權利要求16所述的天線，其中多個輻射陣包括一個雙偶極元件。
19.根據權利要求16所述的天線，其中多個輻射陣在數量上超過多個移相器。
20.根據權利要求16所述的天線，其中多個輻射陣在數量上與多個移相器相等。
21.一種可動態改變束寬和掃描方位角的天線，其包括多個天線元件，該天線元件被設置來收發電磁輻射；第一功率分配器，該第一功率分配器具有一個接收端口和第一、第二發送端口，其中該第一功率分配器的第一、第二發送端口分別耦合到所述多個天線元件中的第一、第二天線元件；第二功率分配器，該第二功率分配器具有一個接收端口和第一、第二發送端口，其中該第二功率分配器的第一、第二發送端口分別耦合到所述多個天線元件中的第三、第四天線元件；第三個功率分配器，該第三功率分配器具有一個接收端口和第一、第二發送端口，其中該第三功率分配器的第一發送端口耦合到第一功率分配器的接收端口，該第三功率分配器的第二發送端口耦合到所述多個天線元件中的第五天線元件；以及第四功率分配器，該第四功率分配器具有一個接收端口和第一、第二發送端口，其中該第四功率分配器的第一發送端口耦合到第三功率分配器的接收端口，該第四功率分配器的第二發送端口耦合到第二功率分配器的接收端口，而接收端口則耦合到一個饋點。
22.根據權利要求21所述的天線，其中至少一個功率分配器是隔離的。
23.根據權利要求21所述的天線，其還包括多個連續可調的機械移相器，所述各個機械移相器具有一獨立的可遠程控制的驅動器，并且與信號節點與饋點之間的所述多個天線元件中的各個天線元件直接電連接，該移相器可獨立操作以改變各個信號節點與饋點之間的相移，從而改變由所述多個天線元件所確定的束寬和掃描方位角二者中至少一者。
24.一種可動態改變束寬和掃描方位角的天線，其包括多個空間分離的有源輻射陣，所述每個陣包括一個雙偶極元件，多個輻射陣共同確定分別對應于雙偶極元件的第一和第二極化方向的第一和第二束寬以及第一和第二掃描方位角，其中各個束寬及掃描方向角與饋點和多個陣中的各個輻射陣之間的相移相關；以及多個連續可調的機械移相器，所述各個移相器具有一個獨立的可遠程控制的驅動器且并置在各個輻射陣和饋點之間，所述移相器可獨立操作以改變所述多個輻射陣中的各個輻射陣與饋點之間的相移，從而改變由所述多個有源輻射陣所確定的各個束寬和掃描方位角。
25.根據權利要求24所述的天線，其中第一極化方向正交于第二極化方向。
26.根據權利要求24所述的天線，其中移相器對具有一個公用驅動器。
27.根據權利要求24所述的天線，其中雙偶極元件向內傾斜。
28.根據權利要求24所述的天線，還包括多個功率分配器，該功率分配器與所述多個空間分離的有源輻射陣電連接，功率分配器可用來改變各個陣信號節點和饋點之間的功率，從而改變由所述多個有源輻射陣所確定的束寬和掃描方位角二者中至少一者。
29.一種可動態改變束寬和掃描方位角的天線，其包括多個空間分離的有源輻射陣，所述每個陣包括一個雙偶極元件，所述多個輻射陣共同確定分別對應于雙偶極元件的第一和第二極化方向的第一和第二束寬以及第一和第二掃描方位角，其中各個束寬及掃描方向角與各個饋點和所述多個陣中各個輻射陣之間的相移相關；以及多個成對分組的連續可調的機械移相器，所述每個陣對應一個移相器對，一個移相器對中的每個移相器具有一個獨立的可遠程控制的驅動器且被并置在各個輻射陣和饋點之間，所述移相器可獨立操作以改變所述多個輻射陣中各個輻射陣與饋點之間的相移，從而改變由所述多個有源輻射陣所確定的相應的掃描方位角。
30.根據權利要求29所述的天線，其中第一極化方向正交于第二極化方向。
31.根據權利要求29所述的天線，其中移相器對包括一個公用驅動器。
32.根據權利要求29所述的天線，其中雙偶極元件向內傾斜。
33.一種可動態改變束寬和掃描方位角的天線，其包括多個空間分離的有源輻射陣，所述各個陣分別具有一個陣信號節點，所述陣共同確定一波束，該波束具有與各個陣信號節點和饋點之間的相移及功率相關的束寬和掃描方位角；多個連續可調的機械移相器，所述各個移相器具有一個獨立的可遠程控制的驅動器并且直接電連接到其陣信號節點與饋點之間的各個輻射陣，所述移相器可獨立操作以改變各個陣信號節點與饋點之間的相移，從而改變由所述多個有源輻射陣所確定的束寬和掃描方位角二者中至少一者；以及多個可調的功率分配器，其與所述空間分離的有源輻射陣電連接，該功率分配器可用來改變各個陣信號節點和饋點間的功率，從而改變由所述多個有源輻射陣所確定的束寬和掃描方位角二者中至少一者。
34.根據權利要求33所述的天線，其中功率分配器是遠程可調的。
35.根據權利要求33所述的天線，其中多個功率分配器是隔離的。
36.根據權利要求33所述的天線，其中多個功率分配器是非隔離的。
37.根據權利要求33所述的天線，其中多個輻射陣包括一個雙偶極元件。
38.一種動態改變天線束寬的方法，其包括在各個陣信號節點激勵多個空間分離的有源輻射陣，以使所述陣共同確定一個波束，其中所述多個陣包括一個雙極化偶極元件；通過多個連續可調的機械移相器對所述多個陣改變信號相位，并通過該相移確定一個束寬；通過所述移相器的各個獨立的可遠程控制的驅動器獨立遠程控制所述陣的移相器，以獨立改變各個陣信號節點之間的相移，從而改變波束的波寬。
39.一種動態改變天線束寬的方法，其包括在各個陣信號節點激勵多個空間分離的有源輻射陣，所述多個陣中的各個輻射陣包括一個雙偶極元件，以使所述輻射陣共同確定分別對應于雙偶極元件的第一和第二極化方向的第一和第二束寬以及第一和第二掃描方位角，其中各個束寬及掃描方向角與各個饋點和所述多個陣中的各個輻射陣之間的相移相關；通過多個連續可調的機械移相器對所述多個陣改變信號相位，從而通過該相移影響相應的束寬和掃描方位角二者中至少一者；以及通過所述移相器的各個獨立的可遠程控制的驅動器獨立遠程控制所述陣的移相器，以獨立改變各個陣信號節點之間的相移。
40.權利要求39所述的方法，其還包括將第一和第二極化方向正交定向。
41.根據權利要求39所述的方法，其還包括通過使用信號與天線進行電子通信，所述各個信號分別與各個獨立控制的驅動器相關，并用以驅動該驅動器，從而調整移相器，并改變天線的束寬。
42.一種動態改變天線束寬的方法，包括在各個陣信號節點激勵多個空間分離的有源輻射陣，所述多個陣中的各個輻射陣包括雙偶極元件，以使所述輻射陣共同確定對應于雙偶極元件的第一和第二極化方向的第一和第二束寬，其中各個束寬與各個饋點和所述多個陣中各個輻射陣之間的相移相關；通過多個連續可調的機械移相器對所述多個陣改變信號相位，從而通過該相移影響相應的束寬；以及通過所述移相器的各個獨立的遠程控制的驅動器獨立遠程控制所述陣的移相器，以獨立改變各個陣信號節點之間的相移。
43.根據權利要求42所述的方法，其還包括通過多個可調功率分配器改變所述多個陣對應的信號功率，從而進一步確定束寬和掃描方向角二者中至少一者。
44.一種動態改變天線掃描方位角的方法，包括在各個陣信號節點激勵多個空間分離的有源輻射陣，所述多個陣中各個輻射陣包括雙偶極元件，以使所述輻射陣共同確定對應于雙偶極元件的第一和第二極化方向的第一和第二束寬以及第一和第二掃描方位角，其中各個掃描方位角與各個饋點和所述多個陣中各個輻射陣之間的相移相關；通過多個連續可調的機械移相器對所述多個陣改變信號相位，從而通過該相移影響相應的掃描方位角；以及通過所述移相器的各個獨立的遠程控制的驅動器獨立遠程控制所述陣的移相器，以獨立改變各個陣信號節點之間相移。
45.據權利要求44所述的方法，其還包括通過用多個可調功率分配器改變所述多個陣對應的信號功率，從而進一步確定束寬和掃描方向角二者中至少一者。
46.一種動態改變天線束寬的方法，包括在第一功率分配器的一個接收端口接收來自饋點的接收信號；將接收信號分解為第一和第二分離信號；通過第一功率分配器的第一發送端口將第一分離信號傳送給第二功率分配器的一個接收端口；通過第一功率分配器的第二發送端口將第二分離信號傳送給第三功率分配器的一個接收端口；在第二個功率分配器將第一分離信號分解為第三和第四分離信號；通過第二功率分配器的第一個發送端口將第三分離信號傳送給第四功率分配器的一個接收端口；通過第二功率分配器的第二個發送端口將第四分離信號傳送給所述多個天線元件的第一天線元件；在第四個功率分配器將第三個分離信號分解為第五和第六分離信號；將第五分離信號傳送給所述多個天線元件中的第二天線元件；將第六分離信號傳送給所述多個天線元件中的第三天線元件；在第三個功率分配器將第二分離信號分解為第七和第八分離信號；通過第三功率分配器的第一個發送端口將第七個分離信號傳送給所述多個天線元件中的第四天線元件；以及通過第三功率分配器的第二個發送端口將第八分離信號傳送給所述多個天線元件中的第五天線元件。
47.一種掃描天線，其包括多個有源輻射陣，各個輻射陣分別具有一個陣信號節點，所述陣共同確定至少一個波束，該波束的束寬和掃描方位角二者中至少一者與相應的陣信號節點和饋點之間的相移相關；多個連續可調的機械移相器，各個移相器分別電連接到所述陣信號節點和饋點之間的各個輻射陣，所述移相器可獨立操作以改變各個陣之間的相移，從而改變由所述多個有源輻射陣所確定的束寬和掃描方位角二者中至少一者。
48.一種掃描天線，包括多個有源輻射陣，各個輻射陣分別具有一個陣信號節點，所述陣共同確定一個相應的束寬和掃描方位角，該束寬和掃描方位角與相應的陣信號節點和饋點之間的功率相關；多個連續可調的機械移相器，各個移相器分別電連接到所述陣信號節點和饋點之間的各個輻射陣，所述移相器可獨立操作以改變各個陣之間的相移，從而改變由所述多個有源輻射陣所確定的束寬和掃描方位角二者中至少一者；以及多個可調的功率分配器，該功率分配器與所述多個空間分離的有源輻射陣電連接，所述功率分配器可用來改變各個陣信號節點和饋點之間的功率，從而改變由所述多個有源輻射陣所確定的束寬和掃描方位角二者中至少一者。
全文摘要
一種天線系統，包括多個串聯功率分配器(41，46a，148)，所述功率分配器結合多個機械移相器(40)工作以改變由有源陣(active column)(28)所輻射的波束的束寬和/或掃描方位角。每個移相器(40)具有一個獨立的驅動器且與相應的輻射陣(28)電連接，所述輻射陣(28)可以包含交叉偶極天線元件(26)。
文檔編號H01Q25/00GK1534829SQ20041003144
公開日2004年10月6日 申請日期2004年3月29日 優先權日2003年3月27日
發明者戴維·B·韋布, 喬納頓·C·魏爾, 邁克爾·D·托馬斯, C 魏爾, D 托馬斯, 戴維 B 韋布 申請人:安德魯公司