寬帶相控陣輻射體的制作方法

專利名稱：：寬帶相控陣輻射體的制作方法
技術領域：
：本發明通常涉及通信和雷達天線，尤其涉及凹槽輻射元件。
背景技術：
：在通信系統、雷達、測向以及其他寬帶復用的系統中，只有有限的孔徑間距，因此通常希望將射頻發射機和接收機有效地結合到一個具有一排寬帶輻射元件的天線上。傳統已知的寬帶相控陣輻射體，在對角掃描平面上的較大的掃描角度上通常會遭受到嚴重的極化退化。這個限制迫使極化加重網絡來費勁地加重一個單極化。該加重導致發射陣列具有較差的天線輻射效率，因為未加重的極化信號必須提供大部分的發射信號的天線等效全向輻射功率(EIRP)。傳統的寬帶相控陣輻射體通常使用簡單的但是非對稱的饋入結構或類似的裝置。由于傳統的寬帶輻射體能夠支持比較大的一組較高階傳播模式，饋入區域所起的作用是作為這些高階傳播模式信號的發射器。饋入本質上就是模式選擇器或濾波器。當饋入在發射場的方向或物理對稱的饋入區域中加入了非對稱，較高階模式就會被激發。然后這些模式將傳播到孔徑。較高階模式將會引起輻射體性能的問題。由于較高階模式以不同的相位速度傳播，孔徑處的場是多次激發模式的重疊。結果就是在單位元的場中，等幅度以及相位的急速偏離。基本模式的孔徑激發比較簡單，通常是由TE01模式產生的，在E平面上為余弦分布而在H平面上為均勻場。從基本模式的明顯偏離是由激發的較高階模式引起的，并且較高階模式是形成輻射元件的共振和掃描盲區的原因。由非對稱式饋入寬帶輻射體中的較高階模式傳播所引起的另一個效應就是交叉極化。尤其是在對角平面上，許多較高階模式都包括一個激發交叉極化場的非對稱。而交叉極化場是在天線的極化加重網絡中形成不平衡加重的原因，這將造成陣列的發射功率效率較低。通信、雷達以及電子戰爭系統中的相控陣天線中需要使用的寬帶輻射元件，要求其具有的孔徑數量減少以適合多種應用。在這些應用中，要求最小帶寬為3∶1，但是最好是10∶1或更大的帶寬。輻射元件必須能夠發射和接收垂直和/或水平的線性極化、右旋和/或左旋的圓極化或者每一種的結合，這取決于應用和所需要的輻射波束的數量。最好是輻射體的占地盡可能小并且能安裝到陣列的單位元內，以減小輻射體的外形、重量和成本。提供寬帶輻射體的現有技術是使用體積大的輻射體和饋入結構，而不具有同位置的(co-located)(一致的)輻射方向圖相位中心。傳統的輻射體還典型地在對角平面上具有比較差的交叉極化隔離特性。在一項解決這些問題的技術中，傳統的方形凹槽類型的輻射體，其外形大約是完整尺寸的凹槽輻射體的典型尺寸的一半(0.2λL對0.4λL，其中λL為低頻的波長)，該傳統輻射體已經被調整為在一個單位元內包括四個隔離的輻射體。該裝置允許每個單位元形成虛擬的同位置的相位中心，但是需要復雜的饋入結構。典型的方形凹槽輻射體要求單位元內的四個輻射體中的每一個輻射體都具有一個隔離的饋入/平衡-不平衡轉換器，還需要另一組饋入網絡來結合用于每個極化的那對輻射體。以前，裝配式凹槽輻射體使用微帶或帶狀線電路，來向輻射元件的射頻信號輸入和輸出饋入一個槽線。不幸的是，這些傳統類型的饋入結構，允許多個信號傳播模式生成在每個單位元區域內，這會引起交叉極化隔離程度的減小，尤其是在對角平面上。因此，希望提供一種具有較高的極化純度和較低的失配損失的寬帶相控陣輻射體。還希望提供一種具有較低外形和較寬的帶寬的輻射元件。
發明內容根據本發明，輻射元件包括一對襯底，每個襯底都具有過渡區和饋入表面，每個襯底彼此隔離。輻射元件還包括具有一對射頻(RF)饋線的平衡對稱式饋入結構，其中饋線與相應對過渡區中的一個過渡區的饋入表面相鄰地設置，并且與之電磁耦合，而且該對射頻饋線在過渡區附近形成信號空點(signalnullpoint)。使用這種設置，寬帶相控陣輻射體能提供較高的極化純度和較低的失配損失。一排這樣的輻射元件能提供高極化純度和低損失的相控陣天線，該天線具有大于60°的圓錐掃描量和10∶1寬帶性能的帶寬，并具有重量輕且成本低的構造。根據本發明的另一方面，平衡對稱式饋入結構還包括具有多個側壁的外罩，這些側壁形成空腔。該對饋線中的每一個饋線被設置在一對相對的側壁上并且包括微帶傳輸線。使用這種設置，平衡對稱式輻射體饋入結構產生比較好的匹配寬帶輻射信號，該信號對于雙重垂直的饋入輻射體，具有比較好的交叉極化隔離。平衡對稱式饋入結構不但在物理上是對稱的，而且是通過對稱的橫向電波模式(TEM)場來饋入的。該饋入的重要特征是向外展開的凹槽形狀的過截止波導終端、對稱的雙極化TEM場饋入區域和生成對稱場的寬帶平衡-不平衡轉換器。在另一實施例中，一組四個的鰭片為每個單位元提供襯底，并且這些鰭片是關于中心饋入對稱的。該設置允許形成同位置的(一致的)輻射方向圖相位中心，以使對于通過一個陣列孔徑所發射或接收的任何極化，其相位中心將不會變化。根據本發明的另一方面，輻射元件包括高度小于約0.25λL的襯底，其中λL指工作波長范圍的低端的波長。使用這種設置，輻射元件的短電氣(electricalshort)交叉凹槽輻射鰭片(fins)與開放空腔上方的凸起的平衡對稱式饋入網絡相結合來提供寬帶工作和較低的外形。向交叉凹槽輻射鰭片饋入的平衡對稱式饋入網絡提供同位置的(一致的)輻射方向圖相位中心，而同步的雙線性極化輸出提供接收或發射的多極化模式。短電氣交叉凹槽輻射鰭片提供主平面、主基間平面和對角平面上的低交叉極化，并且短鰭片將形成具有低外形的反應性耦合天線。本發明的上述特征以及本發明本身，可以通過以下的附圖描述來更完全地理解，其中圖1是一排凹槽輻射體的等角視圖，輻射體由多個鰭狀元件提供；圖2是包括平衡對稱式饋入電路的圖1的輻射體陣列的可選實施例的一個單位元的一部分的橫截面視圖；圖3是包括凸起的平衡對稱式饋入電路的圖1的輻射體陣列的一個單位元的一部分的橫截面視圖；圖3A是圖3的分解橫截面視圖，顯示了一個單位元的一部分到凸起的平衡對稱式饋入電路的耦合；圖4是一個單位元的等角視圖；圖4A是圖4的平衡對稱式饋入結構的等角視圖；圖5是現有技術的輻射體陣列的頻率響應曲線圖；圖5A是圖1的輻射體陣列的頻率響應曲線圖；以及圖6是嵌入陣列中心的圖1的陣列所示類型的單個天線元件的場功率的輻射方向圖，而其他所有的輻射體都被停止。給出了各種平面(E、H以及對角(D))上的共極化和交叉極化的性能的方向圖。具體實施例方式對本發明的天線系統進行描述之前，應該注意的是，此處有時會參考具有特定的陣列形狀的陣列天線(例如平面陣列)。本領域的一般技術人員當然應該認識到，此處所描述的技術可適用于各種尺寸和形狀的陣列天線。因此應該注意的是，盡管下文中所提供的描述以矩形陣列天線為背景對本發明的概念進行了描述，但是本領域的一般技術人員應該認識到，這些概念同樣可以應用到其他尺寸和形狀的陣列天線上，包括，但不受限于，任意形狀的平面陣列天線和圓柱形的、圓錐形的、球形的以及任意形狀的共形陣列天線。此處有時還會參考包括具有特定尺寸和形狀的輻射元件的陣列天線。例如，有一種輻射元件是所謂的凹槽元件，其形狀為錐形，其尺寸能兼容工作在某特定頻率范圍(例如2-18GHz)上。本領域的一般技術人員當然應該認識到，也可以使用其他形狀的天線元件，而且可以選擇一個或更多個輻射元件的尺寸，以使其能工作在射頻范圍內的任何頻率范圍上(例如從1GHz以下到約50GHz以上的范圍內的任何頻率)。而且，此處有時會參考具有特定形狀和波束寬度的天線波束的生成。本領域的一般技術人員當然應該認識到，也可以使用具有其他形狀和寬度的天線波束，而且可以使用已知的技術來提供天線波束，比如通過將幅相調整電路包含進天線饋入電路中的適當的位置上。現在來參考圖1，根據本發明的示例性的寬帶天線10，包括腔體板12和一排凹槽天線元件，該凹槽天線元件總體上被表示為14。凹槽天線元件14中的每一個通過設置在腔體板12上的所謂的“單位元”來提供。換句話說，每個單位元構成一個凹槽天線元件14。很清楚應該認識到，只有天線10的一部分被顯示于圖1中，該部分對應于一個2乘16的線性陣列的凹槽天線元件14(或單位元14)。取單位元14a作為每個單位元14的代表，單位元14a由四個鰭狀構件16a、16b、18a、18b來提供，每一個構件在圖1中都以陰影示出以便于觀看。鰭狀構件16a、16b、18a、18b被設置于腔體板12中的空腔(圖1中未示出)的上方的饋入結構19上，來構成凹槽天線元件14a。饋入結構19將在以下結合圖4和4A來描述。但是應該認識到，可以使用多種不同類型的饋入結構，而且以下將結合圖2-4A來描述幾種可能的饋入結構。如圖1所示，構件16a、16b沿著第一軸20設置，而構件18a、18b沿著與第一軸20相垂直的第二軸21設置。因此，構件16a、16b基本上垂直于構件18a、18b。通過將每個單位元中的構件16a、16b設置成垂直于構件18a、18b，每個單位元都能響應于方向互相垂直的電場極化。也就是說，通過將一組構件(例如構件16a、16b)設置在一個極化方向上而將另一組構件(例如構件18a、18b)設置在垂直的極化方向上，就提供了可以響應于具有任意極化的信號的天線。在該特定示例中，單位元14被設置成規則的圖形，此處對應于矩形柵格圖形。本領域的一般技術人員當然應該認識到，單位元14并不需要全被設置成規則的圖形。在一些應用中，希望或者必須將單位元14設置成這種方式，即每個單獨的單位元的相互垂直的元件16a、16b、18a、18b不被排列在每個單位元14之間。因此，盡管所示單位元14為矩形格子，但本領域的一般技術人員應該認識到，天線10可以包括而不局限于方形或三角形格子的單位元14，并且每個單位元14都能夠相對于格子圖形旋轉不同的角度。在一個實施例，為了簡化制造過程，鰭狀構件16a和16b中的至少一些能夠被制造成如構件22所示的“背靠背”鰭狀構件。同樣，鰭狀構件18a和18b也能夠被制造成如構件23所示的鰭狀構件。因此，從單位元14k和14k’中能夠看出，背靠背鰭狀構件的每一半構成了兩個不同凹槽元件的一部分。多個鰭片16a、16b(總稱為鰭片16)構成了第一柵格圖形，而多個鰭片18a、18b(總稱為鰭片18)構成了第二柵格圖形。如上所述，在圖1的實施例中，每個鰭片16的方向都基本上垂直于每個鰭片18的方向。每個輻射元件14的鰭片16a、16b和18a、18b形成一個錐形槽，當射頻信號通過平衡對稱式饋入電路被饋入時，射頻信號就從每個單位元14的錐形槽發射(下面將結合圖2-4A來詳細描述)。通過利用對稱的背靠背鰭狀構件16、18和平衡式饋入結構，每個單位元14都是對稱的。每個極化的相位中心在每個單位元內是同中心的。這使天線10成為對稱的天線。這與現有技術的凹槽天線形成對比，在現有技術的凹槽天線中，每個極化的相位中心都有輕微的移位。應該注意的是，此處有時會參考天線10發射信號。但是，本領域的技術人員應該認識到，天線10同樣適用于接收信號。由于使用傳統的天線，不同信號之間的相位關系被使用該天線的系統所保持。在一個實施例中，鰭片16、18通過導電性材料來提供。在一個實施例中，鰭片16、18通過固體金屬來提供。在一些實施例中，金屬可以被電鍍以提供多個電鍍的金屬鰭片。在可選的實施例中，鰭片16、18通過其上設置有導電性材料的絕緣材料來提供。因此，鰭片結構16、18能通過其上設置有金屬化表面的塑料材料或電介質材料來提供。在工作中，射頻信號通過平衡對稱式饋入結構19被饋入每個單位元14。射頻信號從單位元14輻射并形成波束，波束的視軸垂直于腔體板12，其方向背離腔體板12。這對鰭片16、18可以被看作是構成一個偶極的兩個半部分。因此，被饋入每個襯底的信號通常相位相異180°。從天線10發出的輻射信號呈現出高度的極化純度并具有更大的信號功率電平，該信號功率電平接近于天線增益的理論極限。在一個實施例，由鰭片16a、16b所構成的錐形槽的每個過渡區的凹槽元件錐度，通過二維平面上的一系列的點來描述，如表1中表格形式所示。表1<tablesid="table1"num="001"><tablewidth="768">凹槽錐度值Z(英寸)X(英寸)0.1126.025.112.038.110.050.108.063.016.075.103.088.1007.100.098.112.094.125.0896.138.0845.150.079</table></tables>當然應該認識到，鰭狀元件16、18的尺寸和形狀(或者相反，由鰭狀元件16、18所構成的槽的尺寸)能夠根據多個因素來選擇，這些因素包括，但不局限于期望的工作頻率范圍。但是通常，與比較長的鰭狀構件所提供的交叉極化隔離的程度相比較而言，比較短的帶有比較快的開放率(openingrate)的鰭狀構件在相當寬的掃描角度上提供比較高的交叉極化隔離程度。但是應該認識到，如果鰭狀構件太短，低頻的H-平面性能會退化。此外，比較長的鰭狀元件(帶有任意開放率)可能會導致具有VSWR(電壓駐波比)波紋和比較差的交叉極化性能的天線特性。天線10還包括被設置在元件14上的匹配板30。應該理解，圖1中匹配板30的一些部分已經被去掉，以顯示元件14。實際上，匹配板30將被設置在所有的元件14上，并與天線10集成在一起。匹配板30具有第一和第二表面30a、30b，其中表面30b最好設置得靠近但不必接觸到鰭狀元件16、18。從結構方面考慮，也許最好是使匹配板30與鰭狀構件物理接觸。因此，第二表面30b與鰭狀構件之間的精確距離可以被用作設計參數，選擇該設計參數來提供期望的天線特性或是提供具有期望的結構特性的天線。匹配板的厚度、相對介電常數和損失特性能被選擇，來提供具有期望的電氣特性的天線10。在一個實施例中，匹配板30通過一片可購買到的PPFT(即Teflon聚四氟乙烯)來提供，其厚度大約為50mils(密耳)。盡管匹配板30在此處顯示為單層結構，在可選實施例中，期望通過多層結構來提供匹配板30。由于結構或電氣的原因，可能使用多層比較合適。例如，為了結構支撐，可以添加比較堅硬的層。或者，具有不同相對介電常數的層可以被結合，以使所提供匹配板30具有特定的電氣阻抗特性。在一項應用中，期望利用多層來提供匹配板30，做為集成的天線屏蔽器/匹配結構30。因此應該認識到，將鰭片制作得比較短可以改進天線的交叉極化隔離特性。還應該認識到，使用天線屏蔽器或廣角匹配(WAM)板(例如匹配板30)使得能夠使用甚至更短的鰭片，這將進一步改進交叉極化的隔離，因為天線屏蔽器/匹配板使得鰭片看起來更長。現在參考圖2，輻射元件100是構成根據本發明的天線陣列的多個輻射元件100中的一個，其與圖1中由鰭狀構件16a、16b所構成的輻射元件相似。與單位元14相似(圖1)，構成單位元的一半的輻射元件100包括一對襯底104c和104d(總稱為襯底104)，該襯底由隔離的鰭片102b和102c分別提供。應該注意的是，104c、104d對應于圖1的鰭狀構件16a、16b(或18a、18b)，而鰭片102a、102b對應于上面結合圖1所討論的背靠背鰭狀元件。鰭片102b和102c被置于腔體板12上(圖1)。鰭片102b還包括襯底104b，該襯底104b與鰭片102a的襯底104a一起構成另一輻射元件。每個襯底104c和104d具有一個平面饋入結構，該平面饋入結構包括饋入表面分別為106c和106d，以及過渡區分別為105c和105d(總稱為過渡區105)。輻射元件100還包括電磁耦合于過渡區105的平衡對稱式饋入電路108(也被稱作平衡對稱式饋入結構108)。平衡對稱式饋入結構108包括具有空腔116的電介質110，該電介質具有內表面118a和外表面118b。金屬化層114c被置于內表面118a上，而金屬化層120c被置于外表面118b上。以同樣的方式，金屬化層114d被置于內表面118a上，而金屬化層120d被置于外表面118b上。本領域的技術人員應該認識到，金屬化層114c(也被稱作饋線或射頻饋線114c)和金屬化層120c(也被稱作接地層120c)相互作用而作為微帶電路140a，其中，接地層120c為微帶電路140a提供接地電路，而饋線114c為微帶電路140a提供信號電路。此外，金屬化層114d(也被稱作饋線或射頻饋線114d)和金屬化層120d(也被稱作接地層120d)相互作用而作為微帶電路140b，其中，接地層120d為微帶電路140b提供接地電路，而饋線114d為微帶電路140b提供信號電路。平衡對稱式饋入結構108還包括平衡-不平衡(平衡不平衡轉換器)饋入結構136，該饋入結構136帶有射頻信號線138以及第一射頻信號輸出線132和第二射頻信號輸出線134。第一射頻信號輸出線132被連接在饋線114c上，而第二射頻信號輸出線134被連接在饋線114d上。應該認識到，與單位元14相似的該單位元需要兩個180°的平衡-不平衡轉換器136，一個平衡-不平衡轉換器用來為每個極化方向的輻射元件饋入。為了清晰起見，僅僅示出一個平衡-不平衡轉換器136。平衡-不平衡轉換器136是輻射元件100能正確工作所需要的，并在輸出端提供具有相當好的隔離的同步雙極化信號。取決于功率容量和任務要求，平衡-不平衡轉換器136被提供來作為平衡對稱式饋入結構108的一部分或者作為單獨的器件。平衡-不平衡轉換器136的第一射頻信號輸出被連接在饋線114c上，而平衡-不平衡轉換器136的第二射頻信號輸出被連接在饋線114d上，而且信號分別沿著微帶電路140a和140b傳播，并且在信號空點154處相遇，相遇時相位相差180度，下文中將進一步描述。應該注意的是，襯底104c包括饋入表面106c，而襯底104d包括饋入表面106d，其中饋入表面106c和饋入表面106d分別被沿著金屬化層120c和120d設置。輻射元件100為發射或接收的每個極化信號提供同位置的(一致的)輻射方向圖相位中心。輻射元件100提供主平面和對角平面上的交叉極化隔離程度，使得允許掃描波束向外達到60°。在工作中，射頻信號從平衡-不平衡轉換器136被差分地饋入信號輸出線132和信號輸出線134上，此處相位差為180度。射頻信號被分別連接在微帶電路140a和140b上，并沿著微帶電路傳播，在信號空點154處相遇，相遇時相位差為180度，這時信號被破壞，在饋入點上結合成零。沿著微帶電路140a和140b傳播的射頻信號被連接到槽141上并從過渡區105c和105d輻射或“被發射”。這些信號形成波束，波束的視軸以背離空腔116的方向而垂直于腔體板12。如本領域所知，射頻信號線138通過使用循環器(未示出)或發射/接收切換(未示出)來連接在接收和發射電路上。場力線142、144、146顯示了輻射元件100的電場圖形。在金屬化層120c周圍的區域中，電場線150從金屬化層120c延伸到饋線114c。在金屬化層120d周圍的區域中，電場線152從饋線114d延伸到金屬化層120d。在饋入表面106c周圍的區域中，電場線148從金屬化層120c延伸到饋線114c。在饋入表面106d周圍的區域中，電場線149從饋線114d延伸到金屬化層120d。在場點154(也被稱作信號空點154)處，來自饋線114c和114d的電場線148和149彼此充分抵消而形成了信號空點154。饋線114c和114d以及過渡區105c和105d的設置減少了不對稱模式的激發，其中不對稱模式的激發會增加損失失配和交叉極化。此處，如電場線142所示的發射TEM模式是通過中間的具有如電場線146所示的Floquet(弗羅凱)模式的電場線144被轉換的。接收到的起初具有Floquet模式的信號將降到平衡TEM模式。該對襯底104c和104d以及相應的過渡區105c和105d可以被看作是構成一個偶極的兩個半部分。因此，饋線114c和114d上的信號通常將在相位上相差180°。同樣，垂直的過渡區(未示出)的每個饋線上的信號在相位上將相差180°，其中垂直的過渡區形成了與單位元14(圖1)相似的單位元。在傳統的偶極陣列中，過渡區105c和105d上的信號的相對相位將確定輻射元件100所發射的信號的極化。在可選實施例中，分別沿著饋入表面106c和106d的金屬化層120c和120d可以被省略，金屬化層120c與饋入表面106c在他們相交處連接，金屬化層120d與表面106d在他們相交處連接。在該可選實施例中，饋入表面106c和106d分別為微帶電路140a和140b提供接地層，分別沿著襯底104c和104d的底部。在另一可選實施例中，放大器(未示出)被分別連接在平衡-不平衡轉換器136的信號輸出線132和134與傳輸饋線114c和114d之間。在此可選實施例中，與平衡-不平衡轉換器136相關的大部分損失在這些放大器之后。現在參考圖3和3A，其中圖2、3和3A中的相同元件提供以相同的參考標號，輻射元件100’(也被稱作短電氣交叉凹槽輻射元件100’)包括一對襯底104c’和104d’(總稱為襯底104’)。應該注意的是，襯底104c’和104d’對應于圖1中的鰭狀構件16a、16b(或18a、18b)。每個襯底104c’和104d’都具有錐形的饋入結構，該饋入結構分別包括饋入表面106c’和106d’以及過渡區105c’和105d’(總稱為過渡區105’)。過渡區105’和饋入表面106’與圖2中相對應的過渡區105和饋入表面106的不同在于過渡區105’和饋入表面106’包括形成拱形的凹槽端107。饋入表面106c’和106d’被連接在同樣形狀的平衡對稱式饋入結構108’(也被稱作凸起的平衡對稱式饋入結構)上。過渡區105’已經改進了向空間的阻抗轉移。本領域的一般技術人員應該認識到，過渡區105’可以具有任意的形狀，例如，由凹槽端107所形成的拱形可以制成不同的形狀，來影響轉移阻抗以提供更好的阻抗匹配。過渡區105’的錐度可以使用已知的方法來調整，以匹配50歐姆饋入自由空間的阻抗。更具體來說，平衡對稱式饋入結構108’包括帶有空腔116的電介質110，電介質具有內表面118a和外表面118b。金屬化層114c被置于內表面118a上，而金屬化層120c被置于外表面118b上。以同樣的方式，金屬化層114d被置于內表面118a上，而金屬化層120d被置于外表面118b上。本領域的一般技術人員應該認識到，射頻饋線114c與金屬化層120c(也被稱作接地層120c)相互作用而作為微帶電路140a，其中，接地層120c為微帶電路140a提供接地電路，而饋線114c為微帶電路140a提供信號電路。此外，射頻饋線114d與金屬化層120d(也被稱作接地層120d)相互作用而作為微帶電路140b，其中，接地層120d為微帶電路140b提供接地電路，而饋線114d為微帶電路140b提供信號電路。平衡對稱式饋入結構108’還包括與圖2中的平衡-不平衡轉換器136相似的平衡-不平衡轉換器136。平衡-不平衡轉換器136的第一信號輸出被連接在饋線114c上，而平衡-不平衡轉換器136的第二射頻信號輸出被連接在饋線114d上，其中，信號分別沿著微帶電路140a和140b傳播，并且在信號空點154’處相遇，相遇時相位相差180度。此外，應該認識到，襯底104c包括饋入表面106c，而襯底104d包括饋入表面106d，饋入表面106c和饋入表面106d分別沿著金屬化層120c和120d設置。輻射元件100’為發射或接收的每個極化信號提供同位置的(一致的)輻射方向圖相位中心。輻射元件100’提供主平面和對角平面上的交叉極化隔離程度，使得允許掃描波束接近60°。在工作中，射頻信號從平衡-不平衡轉換器136被差分地饋入信號輸出線132和信號輸出線134上，此處相位差為180度。信號被分別連接在微帶電路140a和140b上，并沿著微帶電路傳播，在信號空點154’處相遇，相遇時相位差為180度，這時信號被破壞，在饋入點上結合成零。沿著微帶電路140a和140b傳播的射頻信號被耦合到槽141上并從過渡區105c’和105d’輻射或“被發射”。這些信號形成波束，其視軸以背離空腔116的方向而垂直于腔體板12。如本領域所知，射頻信號線138通過使用循環器(未示出)或發射/接收切換(未示出)來連接在接收和發射電路上。場力線142、144、146顯示了輻射元件100’的電場圖形。在金屬化層120c周圍的區域中，電場線150從金屬化層120c延伸到饋線114c。在金屬化層120d周圍的區域中，電場線152從饋線114d延伸到金屬化層120d。在饋入表面106c’周圍的區域中，電場線148從金屬化層120c延伸到饋線114c。在饋入表面106d’周圍的區域中，電場線149從饋線114d延伸到金屬化層120d。在信號空點154’處，來自射頻饋線114c和114d的射頻場力線彼此充分抵消而形成了信號空點154’。射頻饋線114c和114d以及過渡區105c’和105d’的設置減少了不對稱模式的激發，其中不對稱模式的激發會增加損失失配和交叉極化。此處，如電場線142所示的發射TEM模式是通過中間的具有如場力線146所示的Floquet模式的電場線144被轉換的。接收到的起初具有Floquet模式的信號將降到平衡TEM模式。在一個實施例中，輻射元件100’包括鰭片102b’和102c’(總稱為鰭片102’)，鰭片的高度小于0.25λL，其中λL指工作波長范圍的低端的波長。盡管理論上，這么短的輻射元件將會阻礙輻射或降低性能，但實際上發現比較短的元件能提供更好的性能。鰭片102b’和102c’被提供為一種形狀，該形狀匹配于平衡對稱式饋入結構108’電路到自由空間的阻抗。形狀可以通過本領域的經驗或數學技術來確定。短電氣交叉凹槽輻射元件100’包括兩對金屬鰭片102b’和102c’的部分，其中金屬鰭片被設置于由平衡對稱式饋入結構108’提供的開放空腔116的上方。金屬鰭片102’的每一對被設置為垂直于另一對金屬鰭片(未示出)。在一個實施例中，空腔116的壁厚為0.030英寸。這樣的壁厚能為陣列結構提供足夠的強度，并且該壁厚與孔徑中使用的輻射體鰭片102’具有相同的寬度。不帶有天線屏蔽器(未示出)并且工作在頻率7-12GHz上的輻射體鰭片102’的長度是0.250英寸，該長度是從交叉的鰭片102’的頸部(throat)上的饋入點到鰭片的頂部測量的。帶有天線屏蔽器/匹配結構(例如圖1中的匹配板30)的長度也許更短。應該認識到，天線屏蔽器的阻抗特性會影響信號向自由空間的轉移，并且能使得鰭片102’更短。本領域的一般技術人員應該認識到，空腔116的壁的尺寸和鰭片102’的尺寸能夠被調整以適應不同的工作頻率范圍。短電氣交叉凹槽輻射元件100’的工作原理是基于Marchand連接點原理(MarchandJunctionPrinciple)。初始的Marchand平衡-不平衡轉換器被設計為到平衡傳輸線轉換器的同軸電纜。Marchand平衡-不平衡轉換器將信號從同軸線一端上的不平衡TEM模式轉換成另一端上的平衡模式。該轉換發生在一個虛擬連接點上，在該接點上處于一種模式(TEM)的場降低并變成零，然后在另一端被重組為平衡模式，由于能量守恒而只有非常少的損失。當傳輸線上的射頻場被分裂成兩個信號時，模式場的取消將會發生，其中兩個信號的相位彼此相差180度，然后將在虛擬連接點上結合在一起。這是通過在與兩個相反的邊界條件等距的連接點將信號分裂來完成的，其中相反的邊界條件比如開路和短路。對于短電氣交叉凹槽輻射元件100’，一個極化的輸入是由饋入表面106’和凹槽端107(工作在TEM模式下)提供的一對微帶線，其將0度信號饋入一側，而將180度的異相信號饋入另一側。這些信號在虛擬連接點信號空點154’(也被稱作短電氣交叉凹槽輻射元件100’的頸部)處集合。在信號空點154’處，場降低并變成零，然后在短電氣交叉凹槽輻射元件100’的平衡槽線的另一端被重組，然后向外傳播到自由空間。短電氣交叉凹槽輻射元件100’的兩個相反的邊界條件是在元件100’下方的短接的空腔和在每對輻射體鰭片102b’和102c’的尖端上(設置為靠近電場線146)所形成的開路。虛擬連接點的工作對于發射和接收是相反的。在一個實施例中，短的輻射鰭片和空腔被制成一個單個的單元，以在縫隙處提供緊公差，在縫隙處四個交叉的鰭片102’相接。平衡對稱式饋入電路108’也能被制成適合鰭片102’下方的空腔的面積，以進一步簡化安裝。對于接收應用，平衡-不平衡轉換器電路136被包括在平衡對稱式饋入電路108’中，以進一步來減小陣列的外形。與傳統的寬帶凹槽輻射體相比，短的交叉凹槽輻射元件100’表現出明顯的提高，在使用了印制電路板技術的比較小的外形以及比較短的輻射元件100’上提供了較寬的帶寬。輻射元件100’使用了對于特定的應用有益的同位置的(一致的)輻射方向圖相位中心，以及物理上比較短的外形。包括較復雜的方凹槽輻射體在內的其他的寬帶凹槽輻射體，不具有短電氣交叉凹槽輻射元件100’的廣角的對角面上的交叉極化隔離特性。平衡對稱式饋入電路108’與短鰭片102’的結合將提供一種反應性耦合凹槽天線。反應性耦合凹槽使得能使用更短的鰭片長度，因而改進了交叉極化隔離。鰭片102’的長度將直接影響所能達到的寬帶性能和交叉極化隔離程度。在另一實施例中，鰭片102’比約0.25λL短得多(之前在14頁第19行所討論的為小于…估計這里應該是短得多)，其中λL指工作波長范圍的低端的波長，而寬帶雙極化短電氣交叉凹槽天線的輻射元件100’發射和接收具有選擇性極化的信號，并具有同位置的(一致的)輻射方向圖相位中心，因而在主平面與對角平面上具有良好的交叉極化隔離和軸比。當輻射元件100’與有創造性的平衡對稱式饋入裝置相結合時，輻射元件100’將提供較低的外形和較寬的帶寬。在此實施例中，短鰭片102’也將提供反應性耦合凹槽天線。現有技術中的鰭片長度被確定為造成對角平面上的較差的交叉極化隔離性能的主要來源。可以確定，對角平面上的同極化和對角平面上的交叉極化程度都將隨著鰭片的電氣長度而變化。陣列環境中使用的短電氣交叉凹槽輻射體鰭片的另一優點是對角平面上所獲得的較高的交叉極化隔離程度，與現有的凹槽輻射體設計相比較，它能向外進行超過±50度的掃描，而現有的凹槽輻射體只能向外掃描±20度。現在參考圖4，單位元202包括多個鰭狀元件204a、204b，這些鰭狀元件被設置于平衡對稱的錐形饋入電路220的上方。每對輻射元件204a和204b集中在平衡對稱式饋入電路220的上方，平衡對稱式饋入電路220設置在腔體板12(圖1)中所形成的孔徑中(圖4中未示出)。該對輻射元件中的第一個204a基本垂直于該對輻射元件中的第二個204b。應該認識到，不需要射頻連接器來將信號耦合到平衡對稱式饋入電路220上。單位元202被設置在平衡對稱式饋入電路220的上方，平衡對稱式饋入電路220提供一個單個的開放空腔。空腔壁的內壁被標為228。參考圖4A，單位元202的典型的平衡對稱式饋入電路220包括外罩226，外罩226具有中心饋入點234、對應于該單位元的一個極化的饋入部分232a與232b以及對應于該單位元的垂直極化的饋入部分236a與236b。外罩226還包括四個側壁228。饋入部分232a和232b以及236a和236b中的每一個都具有內表面而且包括微帶饋線(也被稱作射頻饋線)240和238，微帶饋線240和238被設置于各內表面。每個微帶饋線240和238還進一步被設置于各側壁228的內表面。微帶饋線238和240在相應的鰭狀襯底204a、204b的下面相交，并在中心饋入點234處相連接。單位元的中心饋入點234凸起于外罩226的側壁228的上部的上方。外罩226、側壁228以及腔體板12提供了空腔242。微帶饋線240和238在中心饋入點234處相交，并且沿著空腔242的每個壁存在于其底部。如所示的微帶饋入結構244b，將射頻信號耦合到腔體板12中的孔徑222，其中微帶饋入結構244b形成于側壁228上的金屬化層被去除的地方。在單位元202中，在中心饋入點234處形成一個連接點，并且根據Kirchoff的節點原理，中心饋入點234的電壓將為零。在一個特定的實施例中，平衡對稱式饋入電路220是符合鰭片204a和204b的襯底的饋入表面的模制的部件。在此特定實施例中，微帶饋線240和238通過蝕刻該部件的內表面而形成。在此特定實施例中，外罩226以及饋入部分232和236是模制的電介質。在此實施例中，輻射體的高度是0.250英寸，平衡對稱式饋入電路220為正方形，其每條邊測量為0.285英寸并且其具有的高度為0.15英寸。相應的柵格間距為0.285英寸以便工作在頻率7-21GHz上。在中心饋入點234處，一塊0.074英寸的正方形的接地層材料被去掉，以允許微帶饋線240和238上的射頻場可以向上傳播到輻射元件204并輻射到孔徑外。為了能完全地輻射，每個極化的微帶饋線240和238以相位相差180度的方式被饋入，因此當兩個相反的信號在中心饋入點234處相遇時，微帶饋線240和238上的信號將互相抵消，但是微帶饋線240和238上的能量被傳遞到輻射元件204a和204b上以向外輻射。對于接收信號，這種相反發生于信號向下被引導到輻射元件204a和204b上時，然后被分到微帶饋線240和238上，然后被分裂成相位相差180度的兩個信號。在另一實施例中，平衡-不平衡轉換器(未示出)被合并到平衡對稱式饋入結構220中。現在參考圖5，曲線272代表現有技術中的中心輻射元件在零度正向角(boresightangle)時相對于頻率的掃描增益。曲線270代表輻射元件理論上的最大增益，而曲線274代表比增益曲線270低6db或低更多的曲線。現有技術中的輻射體中所呈現的共振將導致天線增益的減少，如曲線272所顯示。現在參考圖5A，曲線282代表圖3中的集中饋入的短電氣交叉凹槽輻射元件100’在正向角為零度時所測量到的相對于頻率的掃描增益。曲線280代表輻射元件理論上的最大增益，而曲線284代表比增益曲線280低大約1-3db的曲線。曲線在點286處具有測量的典型結果(artifact)，并且由于光柵波瓣而在點288處具有峰值。比較曲線272與282，能夠看出，短電氣交叉凹槽輻射元件100’與現有技術的輻射元件之間的增益相比較，存在大概6dB(能量上為4倍)的差別。因此，大概需要4倍的現有技術的輻射元件(或相當于現有技術的輻射元件陣列的孔徑尺寸的四倍)才能提供圖3中的短電氣交叉凹槽輻射元件100’所能提供的在9∶1的帶寬范圍上的性能。由于短電氣交叉凹槽輻射元件100’的性能，元件100’能夠作為全通設備來工作。當通過接近于理想性能的平衡-不平衡轉換器來饋入時，短電氣交叉凹槽輻射元件100’可以看成4-端口設備，一個極化由端口1和2來產生，以相同的幅度和180度的相位差饋入。端口3和4將類似地產生垂直極化。從2至18GHz，在所述的頻率范圍上以及60°的圓錐掃描量上的失配損失大概為0.5dB或更少。大部分的H-平面掃描量上的阻抗匹配仍保持控制得很好。現在參考圖6，一組曲線292-310顯示了短電氣交叉凹槽輻射元件100’(見圖3)的極化純度。這些曲線由圖1中的陣列所示類型的一個單獨的天線元件所產生，該天線元件被嵌入陣列中心，并且其他所有的輻射元件都被停止。嵌入的元件的方向圖是包括互耦效應的陣列環境中的元件的方向圖。測量互耦陣列(MCA)上所取得的嵌入的元件的方向圖。所顯示的數據取自中心帶附近的該陣列的中心元件。各種平面(E、H和對角(D))上的共極化和交叉極化性能的方向圖被給出。從曲線292-310可以看出，所提供的天線在60°的圓錐掃描量上具有超過10dB的交叉極化隔離。曲線292和310分別顯示了中心元件在電場平面(E)上的共極化和交叉極化的方向圖。曲線294和300分別顯示了中心元件在磁場平面(H)上的共極化和交叉極化的方向圖。曲線290和296分別顯示了中心元件在對角平面上的共極化和交叉極化的方向圖。曲線292、310、294、300、290和296分別顯示了短電氣交叉凹槽輻射元件100’表現出良好的交叉極化隔離性能。在可選實施例中，兩個副構件(圖1和3中的鰭片102和102’以及平衡對稱式饋入電路108和108’)的部件分別提供為單片電路的構件，以保證鰭片彼此間精確的設置以及在饋入點的相等的間距。通過保持最小公差和單元到單元的均勻，能夠獲得掃描角度和頻率上一致的性能。在另一實施例中，輻射元件100和100’的鰭片構件可以是機械加工的、澆鑄的或注模的，以形成單個的部件。例如，一種金屬基復合物，比如ALSiC(鋁碳化硅)，能夠提供非常輕的重量和高強度的元件，并帶有較低的熱膨脹系數和較高的導熱系數。在另一實施例中，通過設置在陣列中的輻射元件的上方的天線屏蔽器(未示出)，輻射元件100和100’從周圍的環境中被保護。天線屏蔽器可以是天線的一個完整部分，并且可以被用作寬帶阻抗匹配處理的一部分，做為單個的廣角阻抗匹配板，或者，如本領域所知，也可以使用層狀結構類型的天線屏蔽器。這里所引用的所有公開和參考被清楚地結合在此以整體來作為參考。已經對本發明的優選實施例進行了描述，現在本領域的一般技術人員顯然清楚，結合了優選實施例的概念的其他實施例也可以被使用。因此應該認識到，這些實施例并不局限于所公開的實施例，而僅僅應受限于所附權利要求的精神和范圍。權利要求1.一種輻射元件，包括一對彼此隔離的鰭狀襯底，每個襯底都具有過渡區和饋入表面；具有一對射頻(RF)饋線的平衡對稱式饋入結構，所述饋線與所述饋入表面的相應的一個饋入表面相鄰地設置，并與之電磁耦合；以及其中，該對射頻饋線在所述過渡區的附近形成信號空點。2.如權利要求1所述的輻射元件，其中所述平衡對稱式饋入結構還包括外罩，該外罩具有形成空腔的多個側壁；以及該對饋線的每一個被設置在所述側壁的相應的一個側壁上，并且包括微帶傳輸線。3.如權利要求1所述的輻射元件，其中，該對鰭狀襯底被設置以形成錐形槽。4.如權利要求1所述的輻射元件，其中，所述平衡對稱式饋入結構為凸起的平衡對稱式饋入結構。5.如權利要求1所述的輻射元件，其中，該對射頻饋線中的第一個用于接收射頻信號，并且該對射頻饋線中的另一個用于接收相移了大約180度的射頻信號。6.如權利要求1所述的輻射元件，其中，該對襯底由導電材料提供。7.如權利要求6所述的輻射元件，其中，該對襯底包括鍍銅金屬。8.如權利要求1所述的輻射元件，其中，該對襯底包括金屬化的襯底。9.如權利要求1所述的輻射元件，其中，所述襯底中的每一個的高度小于約0.25λL，其中λL指工作波長范圍的低端的波長。10.如權利要求1所述的輻射元件，還包括彼此隔離的第二對襯底，每個襯底都具有過渡區并具有第二饋入表面，該過渡區形成第二錐形槽，該第二對襯底形成的平面基本上垂直于由所述第一對襯底所形成的平面；其中，所述平衡對稱式饋入結構包括第二對射頻饋線，每一個所述第二對射頻饋線與所述第二對過渡區中的一個過渡區的饋入表面相鄰地設置，并與之電磁耦合；以及其中，在所述信號空點附近，所述第二對射頻饋線電磁耦合于所述第二饋入表面。11.如權利要求1所述的輻射元件，其中，所述饋入表面的每一個都具有第一平面中的第一部分和第二平面中的第二部分，其中所述第一平面與所述第二平面形成從大約91度到大約180度的角度。12.如權利要求1所述的輻射元件，其中，所述平衡對稱式饋入結構還包括具有多個側面和一個頂面的空腔，其與該對射頻饋線相鄰地設置；以及一對傳輸饋線，每個傳輸饋線與所述空腔的相對的相應側面相鄰地設置，并且具有第一饋入端，該第一饋入端電磁耦合于該對射頻饋線中相應的一個饋線。13.如權利要求12所述的輻射元件，其中，該對傳輸饋線的每一個饋線還包括第二饋入端；以及所述輻射元件還包括具有一對輸出的平衡-不平衡轉換器，每個所述輸出都耦合到該對傳輸饋線的第二饋入端的相應的一個饋入端上。14.如權利要求13所述的輻射元件，還包括一對放大器，每個放大器都連接在相應的平衡-不平衡轉換器輸出與該對傳輸饋線中的一個傳輸饋線的第二饋入端之間。15.一種寬帶天線，包括腔體板，其具有第一表面和第二相對表面；第一多個鰭片，其彼此隔離地設置在所述腔體板的第一表面上，以形成具有饋入表面的第一多個錐形槽；第二多個鰭片，其彼此隔離地設置在所述腔體板的第一表面上，以形成第二多個錐形槽，該第二多個錐形槽的每一個都基本上垂直于所述第一多個錐形槽中的相應的一個錐形槽，并且具有饋入表面；以及設置在所述第一表面上的多個平衡對稱式饋入電路，每個所述平衡對稱式饋入電路都具有一對射頻(RF)饋線，所述饋線電磁耦合到所述饋入表面的相應的饋入表面上。16.如權利要求15所述的寬帶天線，其中，所述腔體板還包括多個孔徑；以及其中，所述多個平衡對稱式饋入電路的每一個都被設置在所述多個孔徑中相應的一個孔徑中。17.如權利要求17所述的寬帶天線，還包括連接器板，該連接器板與所述腔體板的第二表面相鄰地設置，并且具有多個連接；并且其中，所述多個平衡對稱式饋入電路的每一個都具有多個饋入連接，每個所述饋入連接被耦合到所述多個連接器板連接的相應的一個連接上。18.如權利要求15所述的天線，其中，所述鰭片的每一個的高度小于約0.25λL，其中λL指工作波長范圍的低端的波長。19.如權利要求15所述的天線，其中，所述多個平衡對稱式饋入電路中的每一個都是凸起的饋入電路，該凸起的饋入電路的形狀與所述多個鰭片中相應的一個鰭片的饋入表面相符。20.如權利要求15所述的天線，還包括多個平衡-不平衡轉換器，每個所述平衡-不平衡轉換器都被耦合到相應的射頻饋線上。21.如權利要求20所述的天線，還包括多個射頻連接器，每個所述射頻連接器都被耦合到所述多個平衡-不平衡轉換器中相應的一個平衡-不平衡轉換器上。22.一種用于在凹槽輻射元件中將波形的傳播模式從TEM模式轉換到Floquet模式的方法，該方法包括提供一對元件；提供具有一對射頻饋線的平衡對稱式饋入電路；將該對射頻饋線耦合到所述元件上；向所述元件饋入差分射頻信號，該差分射頻信號被耦合到該對射頻饋線中的每個饋線上。23.如權利要求22所述的方法，其中，該對元件中的每一個都包括一對襯底，每個襯底都具有過渡區和饋入表面，并且其中所述過渡區形成錐形凹槽。24.如權利要求23所述的方法，其中，每個所述襯底的高度都小于約0.25λL，其中λL對應于工作波長范圍的低端的波長。全文摘要一種輻射元件，包括一對襯底，每個襯底都具有過渡區和饋入表面。每個襯底彼此隔離。輻射元件還包括具有一對射頻(RF)饋線的平衡對稱式饋入結構，其中所述饋線與該對過渡區中相應的一個過渡區的饋入表面相鄰地設置，并與之電磁耦合，而且該對射頻饋線在過渡區附近形成信號空點。文檔編號H01Q21/06GK1823446SQ200480019899公開日2006年8月23日申請日期2004年5月25日優先權日2003年7月11日發明者基思·D·特羅特,約瑟夫·P·比昂迪,龍尼·J·凱夫尼,羅伯特·V·卡明斯,詹姆斯·M·麥克金尼斯,托馬斯·V·斯基納,愛德姆·A·尤爾泰里,費爾南多·貝爾特倫申請人:雷聲公司