CN103201903A - 可重构自互补阵列 - Google Patents

Abstract

一种用于电磁信号的发送或接收的天线结构，所述结构形成为具有一系列高阻抗贴片和低阻抗贴片的自互补阵列，其中预定的低阻抗贴片通过阻抗匹配放大器网络彼此互连以便提供自互补性能。

Description

可重构自互补阵列

技术领域

本发明涉及一种天线收发器，并且特别地公开了能够处理大范围的频率的射束形成阵列。

背景技术

贯穿整个说明书的现有技术的任何讨论决不应该被视为是承认这样的现有技术是广泛已知的或形成本领域的公知常识的一部分。

在无线发送和接收的领域中，越来越重要的是以有效的方式执行无线传输。

已知各种自互补阵列天线结构。例如，参见自互补天线。Y Mushiake IEEE天线和传播杂志，1992, 34:66, 23-29。自互补天线结构以终端阻抗为特征，其独立于射频，使得天线能够在大频率范围内将空间中的波的电磁能量有效地耦合到电路。已知许多自互补的多终端或阵列天线，如在上述文章中讨论的那样。

发明内容

本发明的目的是提供一种自互补天线阵列的改进形式。

根据本发明的第一方面，提供一种用于电磁信号的发送或接收的天线结构，所述结构形成为具有一系列高阻抗贴片和低阻抗贴片的自互补阵列，其中预定的低阻抗贴片通过阻抗匹配放大器网络彼此互连以便提供自互补性能。

优选地，所述低阻抗贴片大体形成棋盘图案。可以在数个不同的自互补状态之间切换所述阻抗匹配放大器网络。大体相邻的贴片的顶点优选电气互连。所述顶点优选利用低噪声放大器电气互连。

在某些实施例中，在与所述高阻抗贴片和低阻抗贴片相距预定距离处可以设置有接地平面结构。所述接地平面结构可以大体为平坦的并且可以大体为与所述高阻抗贴片和低阻抗贴片相距的期望操作波长距离的四分之一。所述低阻抗贴片间隔可以小于所述期望操作波长的一半。一系列低噪声放大器可以通过所述接地平面结构与预定的贴片互连。所述贴片优选大体为菱形或正方形。

在某些实施例中，所述电气互连的阻抗优选可以包括大体满足z×zc=(z0/2)×(z0/2)的电抗性阻抗的互补对z和zc，其中z0可以近似为377欧姆。

根据本发明的另一方面，提供一种用于电磁信号的发送或接收的天线结构，所述结构形成为具有一系列高阻抗区域和低阻抗区域的自互补阵列，所述高阻抗区域和低阻抗区域与可切换的阻抗匹配网络互连。

附图说明

从结合附图对示例性实施例的随后描述和所附权利要求，本发明的益处和优势对本发明所涉及的领域中的技术人员来讲将变得明显，在图中：

图1提供了Babinet（巴比内）原理和自互补天线的推论的图示；

图2是原型棋盘焦平面阵列的照片；

图3是穿过天线结构的截面图的示意图；

图4示意地示出了第一实例自互补棋盘阵列并且图5示出了互补阵列；

图6示意地示出了第二可重构自互补阵列，图7以互补形式示出阵列；以及

图8和图9示出了自互补阵列的其他实例。

具体实施方式

现在将参考附图仅借助于实例描述发明的优选实施例。

在优选实施例中，提供了多终端天线，其可以在变化终端密度的自互补构造之间切换。由此优选实施例提供了下述能力的优势：使阵列天线适应于射频和/或电磁波的空间频率，从而从各个阵列信号中去除冗余并且因此在阵列信号被组合的关联的射束形成电路中将复杂性最小化。

要求昂贵的数字射束形成的精确度和灵活性尤其重要。可以通过将阵列终端的空间分离构造为波长的某一部分来在每个频率实现最小冗余。电磁波与电路之间的有效能量耦合在重构阵列时被维持，这是因为每次构造是自互补的。所得到的天线提供能够利用阵列元件的空间重构在宽频率范围上有效操作的阵列天线。

天线结构具有许多用途。一个用途是在大宽带无线电望远镜阵列中，诸如所提出的平方公里阵列。在此领域中，强烈期望在数字域中进行阵列信号的必要射束形成，结果为数字射束形成的成本是整个系统成本的一大部分。

通过利用可重构阵列，提供了重构阵列元素的间隔和数量的能力。这可以大大减少阵列信号中的冗余并且因此允许显著改善使用数字处理能力。因此在整个频率范围的低端可以大大增加经处理的带宽，实现调查速度的大量增加。可重构自互补阵列的另一个应用是在自组织或认知的无线通信的领域中，其中可重构阵列可以适于最佳地配合变化的要求或变化的环境。

优选实施例提供了能够在不同的自互补状态之间切换的天线阵列。

优选实施例包括如在用于澳大利亚平方公里阵列探路者（ASKAP）的原型焦平面阵列中构造的棋盘阵列的变型。棋盘阵列被做成可重构的，可重构自互补阵列概念引入新的自互补状态并且也在自互补状态之间切换。

自互补阵列

自互补天线的概念来源于Babinet原理的电磁形式，其陈述了来自不透明体的衍射图案与来自具有相同的尺寸和形状的孔的衍射图案是相同的（除了整体向前射束强度）。

如在图1中所示，Babinet原理指的是平面表面阻抗分布的概念。该图显示了由关系Z(x,y)Zc(x,y)=(z0/2)(z0/2)定义的第一阻抗表面Z(x,y)11以及互补阻抗Zc(x,y)12，其中z0=377欧姆是自由空间的阻抗。

该原理的电磁形式也指在Z(x,y)11上入射的电磁场和在Zc(x,y)12上入射的互补场。考虑到在Z(x,y)11上入射的场13是沿垂直于页面的方向传播的平面波的情况。在此情况下，在Zc(x,y)12上入射的互补场14仅仅是最初场，其中场矢量绕着传播的方向旋转     90°。

如在图1中给出的，Babinet原理然后给出了在Z(x,y)和Zc(x,y)的两种情况下在反射场和发射场之间的非常简单的关系。

对此的推论是在屏幕绕其90°旋转等同于互补屏幕的任何点处，屏幕是自互补的并且此点处的阻抗是Z0/2，独立于频率。此阻抗可由电子电路提供并且频率独立性允许天线很好地匹配于此电路，在大频率范围上有效地发送或接收。

可以在图2中以照片形式示出为30的ASKAP原型焦平面阵列上带有修改地使用自互补概念。该阵列使用以棋盘布置连接贴片的自互补阵列。为了获得方向性，自互补棋盘被放置为平行于接地平面。这引入频率与阵列阻抗的相关性，但有用频率范围可以仍然围绕接地平面是来自棋盘的波长的1/4并且阵列阻抗是z0=377欧姆，而不是在没有接地平面的情况下的z0/2的点而被获得。输入阻抗大约等于z0的低噪声放大器（LNA）经由双线式传输线而被连接在邻近贴片的角部之间，双线式传输线将信号转移到LNA所处的接地平面的另一侧。

为了利于理解天线构造过程，图3示意地示出了天线30的截面图，其包括一系列导电贴片区域31，其在接地平面32上方是有源的。贴片被互连到LNA 33并且由数字射束形成器34驱动。

图4和图5示出了在棋盘阵列的情况下的自互补原理，其中图5显示了图4的互补形式。黑色区域是低阻抗的传导贴片，在贴片之间的白色区域具有高阻抗。在每个菱形的角点处，对于电路存在连接到阵列的区域。在中心线上不存在互连。另外互连被显示为在每个菱形部分的边缘处是电子电路连接到阵列的馈电区域。因此每个互连区域可以与阵列元素关联。在图4中所示的实例与图5的互补形式包括总共11×10×2=220阵列元素。各个阵列信号被数字化并且然后被线性组合在数字射束形成器中。

为了对入射电磁场充分采样，或等同地产生可以沿所有方向控制其辐射图案的射束，阵列元素的间隔必须小于1/2波长。因此，当要求在大频率范围上操作时，元素间隔必须在低频率处比1/2波长小得多。然而，所有阵列信号必须由数字射束形成器组合以便在能量从电磁场转换到射束形成信号时维持高效率。如果对减少数量的阵列信号进行射束形成，那么会发生效率的显著损失，减少的效率小于在相同频率操作的设计良好的窄带阵列的效率。

可重构自互补阵列

图6和图7示出了可重构自互补阵列的概念。在图5中，阵列是在阵列的大多数菱形部分之间均匀地加载有LNA的惯用棋盘。想法是通过断开LNA并且将它们替换为根据图例40（图7）所指示的互补对，从而断开均匀的LNA来获得其他的自互补状态，互补对具有电抗性阻抗Z、Zc，诸如在开路或短路中终止的传输线的长度的输入阻抗，且传输线的特性阻抗等于LNA阻抗。这种电抗性阻抗不吸收来自入射电磁的能量但重定向能量以使能量被剩余的LNA有效地接收。两个阵列都关于菱形边缘自互补，其意味着在这些点处的宽带恒定阻抗。

图8和图9示出了电抗性加载的阵列的自互补性质。在图8中，阵列50加载有如图例中指示的阻抗的LNA，包括满足z×zc=(z0/2)×(z0/2)的z0/2和电抗性阻抗的互补对z和zc。图9表现了对图8的互补状态。

为了验证该概念，进行在图7和图8中示出的两个阵列的电磁分析。两个阵列都被作为包括接地平面和位于棋盘与接地平面之间的传输线的逼真结构那样来分析。在0.6 GHz分析阵列，且具有离棋盘的1/4波长的接地平面。进行阵列信号的共轭匹配射束形成来最大化转移到/来自平面波的功率，该平面波在垂直于阵列的方向上传播。对阵列施加377欧姆的加载阻抗，并且经由377欧姆传输线在接地平面施加短路和开路。所计算出的结果表明两个阵列都相对较好地匹配于377欧姆加载阻抗。一个度量标准是传输模式辐射效率。这对于带有密集的377欧姆负载的阵列而言大约是96%并且对于带有稀疏377欧姆负载的阵列而言大约是94%。密集阵列具有大约1/6波长隔开的220个元素，而带有电抗性负载的阵列具有大约1/2波长隔开的仅仅25个元素。这代表在射束形成信号的数目中大约10倍的减少。

所构造的布置提供了适合于电磁信号的发送或接收的天线结构，该结构形成为具有一系列高和低阻抗贴片的自互补阵列，且预定的低阻抗贴片通过阻抗匹配放大器网络彼此互连以便提供自互补性能。

解释

贯穿此说明书提及“一个实施例”或“实施例”意思是与实施例有关被描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿此说明书，在各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”未必全部指同一实施例，但也可以全部指同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或更多实施例中以任何适当的方式组合，如对本公开的本领域普通技术人员所显而易见的那样。

类似地，应该理解的是，在本发明的示例性实施例的以上描述中，本发明的各种特征有时被一起分组在单一实施例、图或其描述中以便简化公开并且有助于理解一个或多个各种创造性方面。然而，此公开的方法不被解释为反映这样的意图：所要求权利的本发明需要比在每个权利要求中明确叙述的更多特征。反而，如下面权利要求所反映的，创造性方面在于少于单个前述公开的实施例的所有特征。因此，具体实施方式之后的权利要求由此被明确地并入此具体实施方式内，其中每个权利要求如本发明的单独实施例那样依赖于其自身。

此外，尽管在文中描述的一些实施例包括一些但不是在其他实施例中包括的其他特征，不同实施例的特征的组合意味着处在本发明的范围内，并且形成不同实施例，如将被本领域技术人员理解的那样。例如，在下述权利要求中，任何所要求权利的实施例可以以任何组合被使用。

此外，在文中将一些实施例描述为可以由计算机系统的处理器或实现功能的其他装置实施的方法或方法的元素的组合。因此，带有用于实现这样的方法或方法的元素的必要指令的处理器形成用于实现方法或方法的元素的装置。此外，在文中描述的装置实施例的元素是用于实现由元素执行的功能以便实现本发明的装置的实例。

在文中所提供的描述中，陈述了许多具体细节。然而，理解到本发明的实施例可在没有这些具体细节的情况下来实践。在其他实例中，公知方法、结构和技术没有被详细地显示以免使此说明书理解不清。

如在文中所使用的那样，除非另外指定使用顺序形容词“第一”、“第二”、“第三”等来描述一般物体，否则仅表明类似物体的不同实例被提及，并且无意于暗示如此描述的物体必须是以给出的序列，暂时地、空间地、成行列地或以任何其他方式。

在下面的权利要求和在文中的描述中，术语包括、由…组成或其中包括的任何一个术语是开放性的术语，其意味着至少包括后面的元素/特征，但不排除其他的元素/特征。因此，术语包括，当在权利要求中被使用时，不应该被解释为限制于其后所列出的装置或元件或步骤。例如，一种装置包括A和B的表述的范围不应限于装置仅由元件A和B组成。术语包含或其中包含或其包含的任何一个术语如在文中所使用的也是开放性的术语，其也意味着至少包含该术语之后的元素/特征，但不排除其他的元素/特征。因此，包含与包括是同义的并且意思是包括。

类似地，注意到术语耦合，当在权利要求中被使用时，不应该被解释为限制于仅仅是直接连接。术语“耦合的”和“连接的”，连同它们的派生词可一起被使用。应该理解这些术语无意于作为彼此的同义词。因此，装置A耦合到装置B的表述的范围不应该限于装置A的输出直接连接到装置B的输入的装置或系统。意思是在A的输出与B的输入之间存在路径，其可以是包括其他装置或器件的路径。“耦合的”可意指两个或更多个元件处于直接的物理接触或电接触，或者两个或更多个元件不是彼此直接接触，而是仍然彼此合作或互相作用。

尽管已经特别参考了其某些优选实施例描述了本发明，但可以在下述权利要求的精神和范围内实现本发明的修改和修型。

Claims (13)

1. 一种用于电磁信号的发送或接收的天线结构，所述结构形成为具有一系列高阻抗贴片和低阻抗贴片的自互补阵列，其中预定的低阻抗贴片通过阻抗匹配放大器网络彼此互连以便提供自互补性能。

2. 根据权利要求1所述的天线结构，其中，所述低阻抗贴片大体形成棋盘图案。

3. 根据权利要求1所述的天线结构，其中，可以在数个不同的自互补状态之间切换所述阻抗匹配放大器网络。

4. 根据权利要求2所述的天线结构，其中，大体相邻的贴片的顶点电气互连。

5. 根据权利要求4所述的天线结构，其中，所述顶点利用低噪声放大器电气互连。

6. 根据前述任一项权利要求所述的天线结构，其中，在与所述高阻抗贴片和低阻抗贴片相距预定距离处设置有接地平面结构。

7. 根据权利要求6所述的天线结构，其中，所述接地平面结构大体为平坦的并且大体为与所述高阻抗贴片和低阻抗贴片相距的期望操作波长距离的四分之一。

8. 根据权利要求1所述的天线结构，其中，所述低阻抗贴片间隔小于所述期望操作波长的一半。

9. 根据权利要求7所述的天线结构，其中，一系列低噪声放大器通过所述接地平面结构与预定的贴片互连。

10. 根据前述任一项权利要求所述的天线结构，其中，所述贴片大体为菱形或正方形。

11. 根据权利要求3所述的天线结构，其中，所述电气互连的阻抗包括大体满足z×zc=(z0/2)×(z0/2)的电抗性阻抗的互补对z和zc，其中z0近似为377欧姆。

12. 一种用于电磁信号的发送或接收的天线结构，所述结构形成为具有一系列高阻抗区域和低阻抗区域的自互补阵列，所述高阻抗区域和低阻抗区域与可切换的阻抗匹配网络互连。

13. 一种参考附图大体如上文描述的天线结构。

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