用于卫星通信的低成本高性能便携式相控阵天线系统技术方案

一种具有孔径层（１４）的天线单元（１０），被构成为一个单层印刷电路板，在该电路板上形成：一个天线单元阵列和多个带状线馈送网络电路；一个底端的接地层（１６）和一个单层波导组合网络（１８），该单层波导组合网络（１８）组合带状线馈送网络的同相输出，该带状线馈送网络电磁耦合到波导组合网络的相应节点。每个天线单元最好是设置在天线孔径层的公共表面上的双极化八边形贴片天线单元。每个馈送网络电路最好为用空气介质层（１５）与接地层（１６）相分离的空气带状线馈送网络的形式，并且最好与天线单元位于天线孔径层的同一表面上。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
用于卫星通信的低成本高性能便携式相控阵天线系统专利技术背景专利
本专利技术的领域一般涉及卫星通信的天线系统，特别是用于微波信号的发射和接收的小型、便携、便宜、轻便的平面相控阵天线系统。现有技术的简要说明卫星通信在90年代变得非常受欢迎。典型地用来接收直接广播卫星(DBS)电视信号的设备包括抛物面反射器碟形天线，它用作住宅和办公室的前端天线。目前，这些天线体积大、需要大的安装空间，并且过分炫耀，因而破坏了我们的居住环境的和谐。不过最近，便携的和更加用户友好的卫星天线系统正在变得流行，其原因是高移动、动态社会使得我们不断增加更高生活水平的需求，以及现代科学的进步。通常，用于DBS信号的现代便携通信系统包括：用来从天线电路向空间和相反地从空间向天线电路传递信号能量的天线单元的平面网络。接收DBS电视信号的天线在设计方面的主要困难是，即希望天线的体积和重量足够减小，同时又具有高得足以与流行的抛物面反射器碟形天线相媲美的增益。典型的接收DBS信号的天线需要约12GHz(在美国为12.2GHz～12.7GHz)的载频和约33.5dBi的增益。典型的平面天线系统被制作成这种小天线单元的阵列，以便为满意的电视图象提供足够的能量，每个天线单元能够接收约12GHz的信号。最近，用于DBS接收的几种类型的平面天线已经被提出。有些这样的现代系统是印刷电路和微波传输带天线系统，利用了循环地或线性地辐射极化波的天线单元阵列，有时具有一个或多个波导。设计卫星通信的平面相控阵天线系统的主要问题是高制造成本、组合网络的高插入损耗，和在两个极化端口间提供具有良好隔离的双极化性能方面的困难。制造传统的印刷相控阵天线系统的主要成本是微波基片材料的成本和蚀刻处理的成本。此外，在当前使用的系统中，即使使用最好的现有微波基片材料，印刷阵列组合网络插-->入损耗对高增益卫星天线来说仍然是非常高的。一些已发表的文章论述了一个日本工程师小组在采用多层、平行板、辐射线和缝隙天线原理和重新设计高效能平面天线样机方面所面临的问题。这些样机在以下文章中叙述：IEEE(电气和电子工程师协会)，天线和传播学会国际论文集，1993，卷3,1993年6月28日至7月2日；IEEE，天线和传播学会国际论文集，1994，卷2,1994年6月19日至24日；天线和传播学会国际论文集，1994，卷3,1994年6月19日至24日；以及IEEE，天线和传播学会国际论文集，1995，卷4,1995年6月18日至23日。该小组所用方法的主要缺点是制造多层平行板系统的成本高以及系统性能随孔径尺寸的减小而降低。在该方法中，当孔径减至小于18英尺时，自平行板辐射线缝隙天线的端部的反射明显地降低了天线性能，因为大量的能量留在朝向天线的端部。此外，如这些文章所述的那样，至少两层平行板需要实现双极化性能。尽管有用，但相控阵天线系统设计方面的已有的进步仍然不能满足今日之需要。具有双平行板的系统的制造成本高，对多层、双极化平面天线系统来说，它变得几乎不能用，微波传输带天线手册(1989，卷2)对此作了某些说明。根据该手册，需要九层以上的印刷电路来实现双极化性能要求。此外，在多层系统中，从天线阵列的输入端口到每个阵列单元的传输线的路径长度是非常长的，因而引发了阵列馈送的高插入损耗和高系统噪声。天线增益对噪声温度的高比值是一个好的接收天线系统的另一个重要要求。天线孔径尺寸、孔径效率和阵列馈送的损耗是用来确定天线增益的主要因素。天线的低旁瓣辐射图案和低电阻插入损耗是实现天线的低噪声温度的关键。然而，在低旁瓣辐射图案与孔径效率之间存在一种折衷选择。天线的旁瓣越小，噪声温度和孔径效率将越小。因此，在阵列馈送电路设计中实现最低损耗，特别是最低电阻插入损耗是所有相控阵天线设计的最终目标。好的隔离要求可以通过设计下述天线来实现，其具有比共极化电平低的交叉极化电平和具有两个极化端口之间的关联电路的良好设计。一些现代平面相控阵天线系统使用了波导，因为在所有的导波电路中它们具有最低的插入损耗。此外，波导具有最高的功率处理能力，但是制造成本高。遵循双极化要求的所有现有天线系统至少使用两级波导网络，因而制造成本急剧增加。其它的现代平面相控阵天线系统使用了空气带状线，因为它们具有次最-->低插入损耗和好的功率处理性能，以及比较低的制造成本。因此，需要一种高性能的接收卫星通信信号的相控阵天线系统，它具有天线增益对噪声温度的高比值、组合网络的低插入损耗、具有两个极化端口间良好隔离的双极化性能、和低制造成本。本专利技术概述现有系统的上述和其它缺点通过本专利技术的各个方面得以解决和克服，本专利技术包括：一个天线单元的阵列；和一个利用了波导原理和具有良好隔离的空气带状线馈送网络的混合波束组合网络系统。因此，本专利技术的目的是提供一种小型、便携、便宜、轻便的接收直接广播卫星信号的平面相控阵天线系统。本专利技术的另一个目的是提供一种高性能的相控阵天线系统，具有天线增益对噪声温度的高比值和低的制造成本。本专利技术的一个具体目的是提供一种在宽频带带宽上具有高效率和极佳交叉极化性能的相控阵天线系统。在一个示范性实施例中，利用单层(但可能双面)印刷电路双极化阵列孔隙系统实现这一目的，所述的阵列孔隙系统包括：具有低插入损耗的空气带状线馈送网络和在与两个极化相关联的各自馈送网络电路之间提供低水平的交叉极化的单独的双极化天线单元，它与单层波导组合网络相结合，所述的单层波导组合网络使用阑片(irises)和/或楔尖(wedges)使阻抗匹配最佳化并实现适当的功率分配。本专利技术的优选实施例是相控阵天线系统，具有：一个顶层，对所需辐射是透明的(最好取采用极低损耗的塑料制作的多孔板或实心板形式)，并对各部件提供机械支承和保护；一个起天线孔径层作用的中间层(最好取在其上形成一个天线单元阵列和多个带状线馈送网络电路的单层印刷电路板形式，每个带状线馈送网络电路组合来自数个邻近天线单元的同相输出)；一个起天线孔径层的接地层作用的底层，还包括一个用于组合来自各带状线馈送网络电路的同相输出的单层波导组合网络，电磁耦合到波导组合网络的相应转换(transition)探针孔。每个天线单元最好是设置在天线孔径层公共表面上的双极化八边形贴片天线单元。每个馈送网络电路最好为由空气介质层与接地层相分开的空气带状线馈送网络电路的形式，并且最好设置在作为天线单元的天线孔径层的同一表面上。-->每个馈送网络电路或者属于水平(或右旋圆)极化馈送子网络或者属于垂直(或左旋圆)极化馈送子网络。每个馈送子网络按具有数个并行馈送网络列的并-串馈送网络方案来设计，并且可以用来从天线单元接收正交极化波。每列馈送网络组合来自天线单元阵列的一个或多个(最好两个)邻近列的相同极化的输出。每个馈送子网络具有一些(例如，八个)馈送网络列，其每列具有多个串行馈线，每个串行馈线具有多个并行馈线。每个并行馈线组合来自若干(典型为四个)邻近的等距天线单元的相同极化的同相输出。每个天线单元具有两个馈送信号，从相应极化的每个馈送网络列产生一个。单层波导组合网络最好是整体结构，包括一个水平(或右旋圆)极化波导部分，一个垂直(或左旋圆)极化波导部分，一个水平(或右旋圆)极化端，一个垂直(或左旋圆)极化端。双正交极化波导部分位于同一平面并且最本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相控阵天线系统，包括： 一个天线孔径层，具有 一个按多个子阵列安排的天线单元阵列，和 一个耦接到每一个所述天线单元的子阵列的相应馈送网络电路，用于把与相应子阵列中各天线单元关联的天线单元级（ｌｅｖｅｌ）信号耦合至与整个子阵列关联的单一子阵列级信号； 一个天线孔径层的接地层，具有 一个单层波导网络层，用于把多个子阵列级端口与单个外部端口相耦接；和 电磁装置，用于把每个子阵列级信号耦合到子阵列级端口相应的一个。

【技术特征摘要】
1、一种相控阵天线系统，包括：一个天线孔径层，具有一个按多个子阵列安排的天线单元阵列，和一个耦接到每一个所述天线单元的子阵列的相应馈送网络电路，用于把与相应子阵列中各天线单元关联的天线单元级(level)信号耦合至与整个子阵列关联的单一子阵列级信号；一个天线孔径层的接地层，具有一个单层波导网络层，用于把多个子阵列级端口与单个外部端口相耦接；和电磁装置，用于把每个子阵列级信号耦合到子阵列级端口相应的一个。2、根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中馈送网络电路是用空气介质层与接地层分离的一个空气带状线馈送网络。3、根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中每个所述天线单元是一个双极化八边形贴片天线单元，包括：一个具有第一预定长度的第一四边组，和一个具有第二预定长度的第二四边组，所述的第二预定长度与所述的第一预定长度不同，和其中属于第二四边组的每个边被放置在属于第一四边组的两个边之间。4、根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中所述的馈送网络电路与天线单元位于天线孔径层的相同表面上，并且与所述的天线单元一体形成。5、根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中馈送网络电路位于天线单元下面的天线孔径层的相反表面上，并且通过磁耦合与天线单元连接。6、根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中所述的馈送网络电路包括：第一极化馈送子网络；和第二极化馈送子网络，第一馈送极化子网络和第二极化馈送子网络的每一个具有多个馈送网络列，每个所述的馈送网络列具有多个串行馈线和多个并行馈线。-->7、根据权利要求6所述的相控阵天线系统，其中所述的馈送网络列、所述的串行馈线和所述的并行馈线的每一个通常具有一定尺寸的横截面，以保证所有馈送列阻抗相同。8、根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中所述的波导网络是一个整体结构，包括：第一极化波导部分；第二极化波导部分，它与所述的第一极化波导部分并排设置；一个位于所述第一极化波导部分内的第一极化端口，并起一个第一所述外部端口作用；和一个位于所述第二极化波导部分内的第二极化端口，并起一个第二所述外部端口作用；其中所述的第一极化波导部分和所述的第二极化波导部分是共平面的并且被不对称设置在公共壁的任一侧上，和每一个所述第一极化波导部分和所述第二极化波导部分包含关于相应中心线对称地设置的分支腔体。9、根据权利要求8所述的相控阵天线系统，其中每个所述的波导部分包括：第一T形接头；多个第二T形接头；多个第三T形接头；多个第一直角弯头，每个所述第一直角弯头把第一T形接头与所述第二T形接头相应的一个耦接起来；和多个第二直角弯头，每个所述第二直角弯头把每个所述第二T形接头与所述第三T形接头相应的一个耦接起来。10、根据权利要求9所述的相控阵天线系统，其中每个所述第三T形接头包括至少一个穿过天线孔径层和第三T形接头而形成的转换探针孔，和用于把每个子阵列级信号耦合给子阵列级端口相应的一个的所述电磁装置包括：多个插头探针，每个所述的插头探针插入一个相应的所述转换探针孔之内，从该处伸出并与所述的馈送网络电路连接，-->其中所接收的微波信号可以经所述转换探针孔从馈送网络电路供给波导网络层。11、根据权利要求9所述的相控阵天线系统，其中第一极化是水平极化，第二极化是垂直极化。12、根据权利要求9所述的相控阵天线系统，其中第一极化是右旋圆极化，第二极化是左旋圆极化。13、根据权利要求9所述的相控阵天线系统，其中每个极化波导部分实质上包括两个第二T形接头，四个第三T形接头，两个第一直角弯头和四个第二直角弯头。14、根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中所述波导组合网络层与接地层是整体并且是铝的模压铸件。15、根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中所述的波导组合网络层还包括：在所述的波导组合网络层内周期性隔开的多个电磁反射器，通过尺寸和位置调整，以最小返回终端损耗在所述波导组合网络层内提供阻抗匹配和预定功率分配，16、根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中所述的波导组合网络层还包括：在所述的波导组合网络层内周期性隔开的多个电磁阑片，通过尺寸和位置调整，以最小返回终端损耗在所述波导组合网络层内提供阻抗匹配和预定功率分配。17、根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中顶层被构成为一个多孔板；天线孔径层被构成为一个单层印刷电路板；每个所述天线单元是一个双极化八边形贴片天线单元，设置在所述天线孔径层的表面上，其中每个所述的双极化八边形贴片天线单元具有四个第一长度的边和四个不同于第一长度的第二长度的边，所述的波导组合网络层是一整体结构，具有一个水平极化波导部分、一个与水平极化波导部分并排放置的垂直极化波导部分、一个位于所述水平极化波导部分内的水平极化端口，一个位于所述垂直极化波导部分内的垂直极化端口，-->所述的水平极化波导部分和所述的垂直极化波导部分是共面的并且不对称地设置在公共壁的任一侧上，每个水平极化波导部分和每个垂直极化波导部分含有关于相应的中心线对称设置的分支谐振腔；和馈送网络电路是一个用空气介质层与接地层相分离的空气带状线馈送网络。18、根据权利要求17所述的相控阵天线系统，其中所述的馈送网络电路与天线单元位于天线孔径层的同一面上，并且与所述的天线单元整体形成。19、根据权利要求17所述的相控阵天线系统，其中所述的馈送网络电路位于天线单元下面的天线孔径层的不同面上，并且经磁耦合连接到天线单元。20、根据权利要求17所述的相控阵天线系统，其中所述的馈送网络电路包括：水平极化馈送子网络；和垂直极化馈送子网络，其中水平极化馈送子网络和垂直极化馈送子网络的每一个具有多个馈送网络列，每个所述馈送网络列具有多个串行馈线和多个平行馈线，和所述的馈送网络列、所述的串行馈线和所述的并行馈线的每一个通常有一个具有预定尺寸线宽的径向截面，从而使所有馈送列保持相同的阻抗。21、根据权利要求17所述的相控阵天线系统，其中每个所述的水平波导极化部分和所述的垂直极化波导部分每个包括：第一T形接头；多个第二T形接头；多个第三T形接头；多个第一直角弯头，每个所述第一直角弯头将第一T形接头与所述第二T形接头相应的...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟信贤，
申请(专利权)人：钟信贤，
类型：发明
国别省市：US[美国]