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CN1780051A - 宽带二元相控天线 - Google Patents

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CN1780051A
CN1780051A CNA2005101170316A CN200510117031A CN1780051A CN 1780051 A CN1780051 A CN 1780051A CN A2005101170316 A CNA2005101170316 A CN A2005101170316A CN 200510117031 A CN200510117031 A CN 200510117031A CN 1780051 A CN1780051 A CN 1780051A
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CN
China
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antenna element
symmetrical
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antenna
switch
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CNA2005101170316A
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English (en)
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格雷戈里·S·李
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Agilent Technologies Inc
Original Assignee
Agilent Technologies Inc
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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Abstract

一种宽带二元相控天线，包括对称天线元件的阵列，每个对称天线元件连接到各自的对称开关。对称天线元件的每个关于该天线元件的镜像轴对称，并且包括在镜像轴两侧的馈电点，这些馈电点能够在对称天线元件上创建相反的对称场分布。相反的对称场分布相对于彼此被二元相移。对称开关连接到馈电点，以选择性地在相反的对称场分布之间切换。

Description

宽带二元相控天线
技术领域
本发明涉及宽带二元相控天线。
背景技术
相控天线阵列通过控制在阵列的天线元件上施加的电信号的相对相位，来提供波束形成和波束调向能力。两种最常见的相控天线阵列是连续相控阵和二元相控阵。
连续相控阵使用模拟移相器，其可以被调节来提供任何希望的相移，以便使波束偏转到波束扫描图中的任何方向。然而，连续相控阵通常是有损或昂贵的。例如，大多数连续移相器是基于使用可变电容和/或可变电感元件的变容器抽头(varactor-tapped)延迟线。诸如变容二极管和铁电电容器之类的可变电容元件本质上是有损的，这是由于微波区域中的阻性成分或低的质量。诸如铁磁器件之类的可变电感元件是庞大且昂贵的，并且需要大的驱动电流。
二元相控阵使用能够提供具有相反极性(例如，0°和180°)的两种不同相移的移相器。二元移相器通常是使用二极管或晶体管开关实现的，其使天线元件与地开路/短路，或者上移/下移天线元件的谐振频率。二极管开关是在小天线阵列的窄带应用中最常用的。然而，在大的天线阵列中，晶体管通常是优选的，这是由于开关大量二极管需要过大的dc和开关电流。对于宽带应用，需要高频、高性能场效应晶体管(FET)，这大大增加了二元移相器的成本。例如，目前5GHz的FET的成本通常大约是$0.20～$0.30，而目前20～30GHz的FET的成本在$5.00以上。
因此，需要一种用于宽带天线阵列的廉价二元移相机制。
发明内容
本发明的实施例提供了宽带二元相控天线，其包括对称天线元件的阵列，每个对称天线元件连接到各自的对称开关。对称天线元件每一个都关于该天线元件的镜像轴对称，并且包括在镜像轴两侧的馈电点，这些馈电点能够在对称天线元件上创建相反的对称场分布。相反的对称场分布相对于彼此被二元相移。对称开关连接到馈电点，以选择性地在相反的对称场分布之间切换。
在一个实施例中，馈电点关于镜像轴对称放置。例如，馈电点可以位于镜像轴任一侧上对称天线元件的中点处。
在另一实施例中，开关包括第一和第二端子，并且在第一和第二端子之间的工作状态对称。
在另一实施例中，天线是中继发射天线，包括与对称开关连接的第二天线元件。对称开关选择性地将对称天线元件上的馈电点之一连接到第二天线元件。在一个实现方式实施例中，第二天线元件是以正交极性来馈电的对称天线元件。
在另一实施例中，对称天线元件是缝隙天线元件。在一个实现方式实施例中，第一馈电线跨过缝隙天线元件连接在对称开关的第一端子和缝隙天线元件的第一馈电点之间，并且第二馈电线跨过缝隙天线元件连接在对称开关的第二端子和缝隙天线元件的第二馈电点之间。在另一实现方式实施例中，馈电线连接在缝隙天线元件的馈电点之间，并且还连接到对称开关的端子。在该实施例中，馈电线具有大约为90度的缝隙天线元件和对称开关之间的电馈电长度。
本发明的实施例有利地实现了宽带或多波段天线阵列的二元相位切换，而无需高性能的开关。另外，除了上述这些实施例之外或代替上述实施例，本发明提供了具有其他特征和优点的实施例。参考附图，从下面的描述中将清楚许多这些特征和优点。
附图说明
将参考附图来描述所公开的发明，附图示出了本发明的重要示例实施例，并且通过参考被结合于此处的说明书，其中：
图1是根据本发明实施例的简化示例性宽带二元相位切换天线的示意图；
图2是根据本发明实施例的图1的宽带二元相位切换天线的简化示例性对称天线元件和对称开关的示意图；
图3是根据本发明实施例的包括对称天线元件和对称开关的简化示例性宽带二元相控中继发射天线的示意图；
图4根据本发明实施例的示例性对称微带平板天线(patch antenna)的示意图；
图5是根据本发明实施例的具有两条馈电线的示例性对称缝隙天线的示意图；
图6是根据本发明实施例的具有单条馈电线的示例性对称缝隙天线的示意图；以及
图7是根据本发明实施例的示例性对称差分天线的示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明实施例的简化示例性宽带二元相控天线10的示意图。天线10包括天线元件14的阵列12。为了说明方便，图1中只示出了六个天线元件14。然而，应该理解，阵列12可以包括任何数目的天线元件14。另外，天线元件14可以能够进行发射和接收两种功能之一或全部。
每个天线元件14经由馈电线16和17连接到各自的开关15。例如，开关15可以是单刀双掷(SPDT)开关或双刀双掷(DPDT)开关。这样，馈电线16连接在天线元件14上的第一馈电点11和开关15的第一端子18之间，而馈电线17连接在天线元件14上的第二馈电点13和开关15的第二端子19之间。
特定开关15的工作状态控制各自的天线元件14的相位。例如，在开关15的第一工作状态中，相应的天线元件14可以处于第一二元状态(例如，0度)，而在开关15的第二工作状态中，相应的天线元件14可以处于第二二元状态(例如，180度)。开关15的工作状态定义了开关15的端子连接。例如，在第一工作状态中，端子18可以处于闭合(短路)位置，以将馈电线16连接在天线元件14和开关15之间，而端子19可以处于开路位置。每个开关15的工作状态是由控制电路20独立控制的，以单独地设置每个天线元件14的相位。
在发射模式中，发射/接收(T/R)开关30将发射信号从发射机35切换到馈电网络25。馈电网络25将发射信号提供给每个开关15。取决于如控制电路20所确定的每个开关15的状态，每个天线元件14所发射的信号的相位是两个二元状态之一。天线元件14所发射的二元相位切换信号的特定组合形成了来自阵列12的能量束辐射。
在接收模式中，入射能量由阵列12中的每个天线元件14捕获，并且由各个天线元件14根据各自的开关15的状态来对这些入射能量进行二元相移，以创建各自的接收信号。所有被二元相移的接收信号在馈电网络25中组合，以形成接收波束，该波束通过T/R开关30传递到接收机40。
图2是根据本发明实施例的图1的宽带二元相位切换天线10的简化示例性对称天线元件14和对称开关15的示意图。这里所使用的术语“对称天线元件14”是指可以在两个馈电点11和13中任一个馈电点处被抽头或馈电以创建两个相反的对称场分布或电流之一的天线元件。
如图2所示，通过使用在形状上关于其镜像轴200对称的对称天线14，创建了两个相反的对称场分布。镜像轴200穿过天线元件14，以创建两个对称侧202和204。馈电点11和13位于天线元件14的镜像轴200的侧边202和204。在一个实施例中，馈电点11和13位于天线元件14上基本上关于镜像轴200对称的位置。例如，镜像轴200可以与天线元件14的一个维度210(例如，长、宽、高等)平行，并且馈电点11和13可以位于该维度210的中点220附近。在图2中，馈电点11和13被示为在镜像轴200的每一侧202和204上位于天线元件14的中点220附近。
对称天线元件14能够产生两个相反的对称场分布，标记为A和B。场分布A的大小(例如，功率)基本上与场分布B的大小相同，但是场分布A的相位与场分布B的相位相差180度。于是，场分布A类似于电周期中±180°处的场分布B。
对称天线元件14经由馈电线16和17连接到对称开关15。馈电点11经由馈电线16连接到对称开关15的端子18，而馈电点13经由馈电线17连接到对称开关15的端子19。这里所使用的术语“对称开关”是指SPDT开关或DPDT开关，其中开关的两个工作状态关于端子18和19对称。
例如，如果在SPDT开关的第一工作状态中通道α的阻抗是10Ω并且通道β的阻抗是1kΩ，则在SPDT开关的第二工作状态中，通道α的阻抗是1kΩ并且通道β的阻抗是10Ω。应该理解，通道阻抗不必是完美的开路或短路，或者甚至不必是真实的。另外，在通道之间可以存在串扰，只要这种串扰是状态对称的。一般而言，如果开关的S参数矩阵在开关的两个工作状态中(例如，两个端子18和19之间)相同，则该开关是对称的。
图3是根据本发明实施例的简化示例性宽带二元相控中继发射天线300的示意图。中继发射天线300包括对称天线元件14、对称SPDT开关310和第二天线元件320。对称天线元件14例如可以是图1所示的对称天线元件14的阵列12的一部分。第二天线元件320例如可以是天线元件的另一阵列(未示出)的一部分或者是对称天线元件14的第二模式。
第二天线元件320不需要是对称天线元件，而是可以是与对称天线元件14兼容的任何类型天线元件。例如，对称天线元件14可以是微带平板天线元件，并且第二天线元件320可以是缝隙天线元件或单极(“拉杆”)天线元件。在一个实施例中，第二天线元件320被几何构建为与对称天线元件14具有可忽略的互耦合。
在对称开关310的第一工作状态中，如图3所示，开关310的端子18将对称天线元件14的馈电点11连接到第二天线元件320。在第二工作状态中，对称开关310的端子19将对称天线元件14的馈电点13连接到第二天线元件320。这样，在第一工作状态中，开关310相对于场分布B优先地对场分布A采样，并且将功率传输到第二天线元件320，以用于中继发射。在第二工作状态中，开关310相对于场分布A优先地对场分布B采样，并且将功率传输到第二天线元件320，以用于中继发射。由于对称天线元件14和开关310的对称性，在开关310的两个工作状态中，中继发射功率相同，但是相位相差180°。
图4是根据本发明实施例的示例性对称微带平板天线元件400的示意图。对称微带平板天线元件400例如可以是如图1所示的对称微带平板天线元件14的阵列12的一部分。对称微带平板天线元件400是长度接近于m+1/2波长(其中m是整数)且在两端抽头的平板。为了实现中继发射天线，第二天线元件可以是在印刷电路板同一侧(用于反射阵列)或在印刷电路板相对侧(用于发射阵列)的另一平板。例如，在图4中，第二天线元件可以通过以正交的极性对相同的对称微带平板天线馈电来实现。在这种反射配置中，反射波被横向极化为进入波。
图5是根据本发明实施例的具有两条馈电线530和540的示例性对称缝隙天线元件500的示意图。对称缝隙天线元件500例如可以是如图1所示的对称缝隙天线元件14的阵列12的一部分。对称缝隙天线元件500的长度接近于m+1/2波长(其中m是整数)。对称缝隙天线500由两条略微偏心的馈电线530和540同时馈电，这两条馈电线530和540中每一条分别通过横跨缝隙的带501和502短接到缝隙500相对两侧的接地平面。这样，第一馈电线530连接在对称开关310的第一端子18和第一馈电点11之间，接着又通过横跨缝隙的带501跨过缝隙元件500连接到地，并且第二馈电线540连接在第二端子19之间，接着又通过横跨缝隙的带502跨过缝隙元件500连接到地。第二缝隙天线元件520被示为连接到SPDT开关310，以使得能够中继发射由对称缝隙500或第二缝隙520接收的信号。
图6是根据本发明实施例的带有单条馈电线600的示例性对称缝隙天线元件500的示意图。如图5所示，对称缝隙天线元件500例如可以是如图1所示的对称缝隙天线元件14的阵列12的一部分。在图6中，去除了接地短路，并且缝隙天线元件500由单条馈电线600馈电，馈电线600的各端连接到SPDT开关310的相对端子18和19。这样，馈电线600连接在缝隙天线元件500的馈电点11和13之间，并且连接到对称开关310的端子18和19。馈电线600还包括单个横跨缝隙的带601，其跨过缝隙元件500的中央将馈电点11和13连接起来。在一个实施例中，馈电线600在馈电点11和开关端子18之间以及馈电点13和开关端子19之间的电馈电长度(electrical feed length)大约是90度，从而开路端子在与闭合端子相对的缝隙500的边缘处呈现虚拟的ac短路。第二缝隙天线元件520在图6中也被示为连接到SPDT开关310，以使得能够中继发射由对称缝隙500或第二缝隙520接收的信号。
图7是根据本发明实施例的示例性对称差分天线元件700的示意图。对称差分天线元件700例如可以是如图1所示的对称缝隙天线元件14的阵列12的一部分。在图7中，对称天线元件700和第二天线元件720都是差分天线元件。然而，第二天线元件720无需是对称的。在该示例中，DPDT开关710被用作对称开关。差分天线的示例包括偶极(如图7所示)、环形、V形天线、蝴蝶结和阿基米德螺线。
本领域的技术人员将认识到，在本申请中所描述的创新概念可以在大范围的应用中进行修改和变化。因此，专利主题的范围不应受限于所讨论的任何特定示例性教导，而是由所附权利要求限定。

Claims (28)

1.一种宽带二元相控天线，包括：
对称天线元件，所述对称天线元件关于其镜像轴对称，并且在所述镜像轴的任一侧包括馈电点，所述馈电点能够在所述对称天线元件上创建相反的对称场分布，所述相反的对称场分布相对于彼此被二元相移；和
对称开关，所述对称开关连接到所述馈电点，并且被布置为选择性地在所述相反的对称场分布之间切换。
2.如权利要求1所述的天线，其中，所述馈电点包括在所述镜像轴的第一侧上的第一馈电点和在所述镜像轴的第二侧上的第二馈电点，所述第一馈电点能够在所述对称天线元件上创建第一场分布，所述第二馈电点能够在所述对称天线元件上创建第二场分布，所述第一和第二场分布的大小基本相等，所述第一场分布的相位与所述第二场分布的相位相差180度。
3.如权利要求2所述的天线，其中，所述开关选择性地连接到所述第一馈电点和所述第二馈电点中的一个。
4.如权利要求2所述的天线，其中，所述第一馈电点和所述第二馈电点基本上关于所述镜像轴对称地位于所述对称天线元件上。
5.如权利要求4所述的天线，其中，所述第一馈电点位于所述镜像轴的所述第一侧上所述对称天线元件的中点附近，并且所述第二馈电点位于所述镜像轴的所述第二侧上所述对称天线元件的中点附近。
6.如权利要求1所述的天线，其中，所述开关包括第一和第二端子，所述开关的工作状态在所述第一和第二端子之间对称。
7.如权利要求1所述的天线，其中，所述开关是单刀双掷开关。
8.如权利要求1所述的天线，其中，所述开关是双刀双掷开关。
9.如权利要求1所述的天线，还包括：
与所述对称开关连接的第二天线元件，所述对称开关选择性地将所述馈电点中的一个连接到所述第二天线元件。
10.如权利要求9所述的天线，其中，所述第二天线元件是以正交极性被馈电的所述对称天线元件。
11.如权利要求1所述的天线，其中，所述对称天线元件是微带平板天线元件或差分天线元件。
12.如权利要求1所述的天线，其中，所述对称天线元件是缝隙天线元件，并且还包括：
接地平面中的缝隙；
第一馈电线，跨过所述缝隙天线元件连接在所述对称开关的第一端子和所述缝隙天线元件的第一馈电点之间；
第一带，连接在所述第一馈电点和所述接地平面之间，所述第一带横跨所述缝隙；
第二馈电线，跨过所述缝隙天线元件连接在所述对称开关的第二端子和所述缝隙天线元件的第二馈电点之间；和
第二带，连接在所述第二馈电点和所述接地平面之间，所述第二带横跨所述缝隙。
13.如权利要求1所述的天线，其中，所述对称天线元件是缝隙天线元件，并且还包括：
馈电线，连接在所述缝隙天线元件的所述馈电点和所述对称开关的端子之间，所述馈电线具有跨过所述缝隙天线元件连接在所述馈电点之间的带，并且所述馈电线在所述馈电点和所述端子之间还具有大约90度的电馈电长度。
14.一种宽带二元相控中继发射天线，包括：
第一天线元件的阵列，每个所述第一天线元件关于其镜像轴对称，并且在所述镜像轴的任一侧包括馈电点，所述馈电点能够在所述对称天线元件上创建相反的对称场分布，所述相反的对称场分布相对于彼此被二元相移；
第二天线元件的阵列；和
对称开关的阵列，每个所述对称开关基于在所述第一天线元件中各自的一个上出现的所述相反对称场分布中选定的一个，将所述第二天线元件中的一个连接到所述各自的第一天线元件的所述馈电点中的一个。
15.如权利要求14所述的天线，其中，所述馈电点包括在所述镜像轴的第一侧上的第一馈电点和在所述镜像轴的第二侧上的第二馈电点，所述第一馈电点能够在所述各自的第一天线元件上创建第一场分布，所述第二馈电点能够在所述各自的第一天线元件上创建第二场分布，所述第一和第二场分布的大小基本相等，所述第一场分布的相位与所述第二场分布的相位相差180度。
16.如权利要求15所述的天线，其中，所述第一馈电点和所述第二馈电点基本上关于所述镜像轴对称地位于所述各自的第一天线元件上。
17.如权利要求16所述的天线，其中，所述第一馈电点位于所述镜像轴的第一侧上所述第一天线元件的中点附近，并且所述第二馈电点位于所述镜像轴的所述第二侧上所述第一天线元件的中点附近。
18.如权利要求14所述的天线，其中，每个所述对称开关包括第一和第二端子，每个所述对称开关的工作状态在所述各自的第一和第二端子之间对称。
19.如权利要求14所述的天线，其中，每个所述对称开关是单刀双掷开关。
20.如权利要求14所述的天线，其中，每个所述对称开关是双刀双掷开关。
21.如权利要求14所述的天线，其中，所述第二天线元件是以正交极性被馈电的所述各个第一天线元件。
22.如权利要求14所述的天线，其中，所述第一天线元件的阵列形成微带平板天线元件或差分天线。
23.如权利要求14所述的天线，其中，所述第一天线元件是缝隙天线元件，并且其中，每个所述缝隙天线元件还包括：
接地平面中的缝隙；
第一馈电线，跨过所述缝隙天线元件连接在所述对称开关的第一端子和所述缝隙天线元件的第一馈电点之间；
第一带，连接在所述第一馈电点和所述接地平面之间，所述第一带横跨所述缝隙；
第二馈电线，跨过所述缝隙天线元件连接在所述对称开关的第二端子和所述缝隙天线元件的第二馈电点之间；和
第二带，连接在所述第二馈电点和所述接地平面之间，所述第二带横跨所述缝隙。
24.如权利要求14所述的天线，其中，所述第一天线元件是缝隙天线元件，并且其中，每个所述缝隙天线元件还包括：
馈电线，连接在所述缝隙天线元件的所述馈电点和所述对称开关的端子之间，所述馈电线具有跨过所述缝隙天线元件连接在所述馈电点之间的带，并且所述馈电线在所述馈电点和所述端子之间还具有大约90度的电馈电长度。
25.一种用于对天线进行宽带二元相位切换的方法，包括如下步骤：
提供对称天线元件的阵列，每个所述对称天线元件关于其镜像轴对称；以及
在位于所述镜像轴每一侧的两个馈电点中的一个处对每个所述对称天线元件馈电，以在所述各自的对称天线元件上创建两个相反的对称场分布中的一个，所述相反的对称场分布相对于彼此被二元相移。
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述馈电步骤还包括：
在所述镜像轴的第一侧上的第一馈电点处对所述对称天线元件中选定的一个馈电，以在所述选定的对称天线元件上创建第一场分布，或者在所述镜像轴的第二侧上的第二馈电点处对所述对称天线元件中选定的一个馈电，以在所述选定的对称天线元件上创建第二场分布，所述第一和第二场分布的大小基本相等，所述第一场分布的相位与所述第二场分布的相位相差180度。
27.如权利要求25所述的方法，还包括：
将每个所述对称天线元件的所述馈电点中的一个连接到第二天线元件的阵列中各自的第二天线元件。
28.如权利要求27所述的方法，其中，所述连接步骤还包括：
将每个所述对称天线元件的所述馈电点中的一个连接到每个所述各自的对称天线元件上的正交极化的馈电点。
CNA2005101170316A 2004-11-24 2005-10-28 宽带二元相控天线 Pending CN1780051A (zh)

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PB01 Publication
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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