低成本电子扫描天线阵列架构制造技术

本发明专利技术的名称是低成本电子扫描天线阵列架构。天线元件包括用于发射或接收射频(RF)信号的金属方形环贴片和金属方形环形槽。天线元件使用若干介电层，这些介电层由低介电泡沫层隔开，方形环贴片位于该泡沫层上。所公开的天线元件可以一起以天线阵列布置，该天线阵列可调谐以共同生成或接收RF信号。特别是，天线阵列用作256元件发射/接收半双工天线，其以发射或接收模式操作一半时间。天线阵列包括辐射器块、发射/接收器(T/R)放大器块、波束形成器块和分配网络块。和分配网络块。

【技术实现步骤摘要】
低成本电子扫描天线阵列架构


[0001]本申请涉及低成本电子扫描天线阵列架构。

技术介绍

[0002]相控阵天线(“PAA”)是一种天线类型，其包括多个子天线(通常称为组合天线的天线元件、阵列元件或辐射元件)，其中馈入阵列元件的各自信号的相对振幅和相位可以以这样的方式变化，即对PAA的总辐射方向性图的影响在希望的方向上得到加强，而在不希望的方向上得到抑制。换言之，可以生成可以指向或转向不同方向的波束。指向发射或接收PAA的波束是通过控制来自PAA中每个天线元件的发射或接收信号的振幅和相位来实现的。
[0003]单独的辐射信号被组合以形成由PAA产生的相长和相消干涉图案，从而产生一个或多个天线波束。然后可以使用PAA将一个或多个波束以方位角和仰角(elevation)快速指向。

技术实现思路

[0004]下面参考下面列出的附图对所公开的实例进行详细描述。提供以下概述以说明本文公开的实例或实施。然而，这并不意味着将所有实例限制为任何特定配置或操作顺序。
[0005]所公开的实例和实施涉及可以定位在一起以形成天线阵列(或PAA)的天线元件。所公开的天线元件使用多个堆叠的介电层，其中至少两个由低介电泡沫层隔开。水平顶部介电层支撑微带方形环贴片辐射器(microstrip square ring patch radiator)并且也用作抵抗腐蚀的环境防护罩(shield)。方形环贴片切口孔降低了贴片的谐振频率并允许更小的外径，这对于相互耦合减少和避免过分强调宽边天线增益是期望的。
[0006]所公开的天线元件可以一起布置在天线阵列中，该天线阵列可调谐以共同生成或接收RF信号。特别是，天线阵列用作256
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元件发射/接收半双工天线，其随时以发射或接收模式运行，但不同时运行。天线阵列包括辐射器块、发射/接收(T/R)放大器块、波束形成器块和分配网络块。
[0007]从以下附图、说明书和权利要求中，其他技术特征对于本领域技术人员来说是显而易见的。
附图说明
[0008]为了更完整地理解本公开及其优点，现结合附图参考以下描述，其中相同的附图标记代表相同的部分：
[0009]图1示出了根据一些公开的实施的具有导电栅栏的环形单元的透视图；
[0010]图2示出了根据一些公开的实施的具有导电栅栏的环形单元的剖面侧视图；
[0011]图3示出了根据一些公开的实施的由多个环形单元构成的天线阵列的俯视图；
[0012]图4示出了根据一些公开的实施的具有圆形通孔栅栏的环形单元的透视图；
[0013]图5A和5B分别示出了根据一些公开的实施的具有T形结延迟馈入线的环形单元的
透视图和俯视图；
[0014]图6A和6B分别示出了根据一些公开的实施的具有90度混合耦合器的环形单元的透视图和俯视图；
[0015]图7示出了用于由本公开内容中公开的环形单元构成的天线阵列的天线系统的框图；
[0016]图8示出了具有一个或多个由本公开中公开的环形单元构成的阵列天线的飞行器的透视图；
[0017]图9示出了根据一些公开的实施的用于由若干环形单元构建的天线阵列的天线集成印刷线路板(AIPWB)；
[0018]图10示出了根据一些公开的实施的用于由若干环形单元构建的天线阵列的另一种AIPWB；
[0019]图11示出了根据一些公开的实施的使用一种类型的波束形成器和前端集成电路(IC)的十六环形单元子阵列的示意图；
[0020]图12示出了用于十六环形单元子阵列天线1100的MMIC的接口的第1层；和
[0021]图13示出了根据一些公开的实施的用于视线应用的发射/接收天线阵列的框图。
[0022]相应的附图标记在整个附图中表示相应的部分。
具体实施方式
[0023]将参照附图详细描述各种实例。在可能的情况下，将在整个附图中使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。在整个本公开内容中对特定实例和实施的引用仅出于说明性目的而提供，但除非有相反指示，否则并不意味着限制所有实施。
[0024]相控阵天线(PAA)包括多个发射器，并用于在高频RF应用中的波束形成，例如雷达、5G或无数其他应用中。PAA中的发射器数量可以从几个到几千不等。使用PAA的目的是通过利用两个或更多个辐射信号之间的相长干涉来控制发射波束的方向。这在天线界被称为“波束形成”。
[0025]更具体地说，PAA通过调整发送到阵列中每个发射器的驱动信号之间的相位差来实现波束形成。这允许控制辐射方向性图并将其定向到目标，而无需天线的任何物理移动。这意味着沿特定方向的波束形成是准全向发射器(例如偶极天线)之间的干扰效应。
[0026]所公开的实施和实例提供了低成本的Ku波段电子扫描天线阵列架构，该架构集成了一个或多个低复杂性的孔径、耦合的混合贴片辐射器和具有称为天线集成印刷线路组件(AIPWA)的低成本多层印刷线路板设计的商用单片微波集成电路(MMIC)。更具体地，描述了环形天线元件(本文称为“环形单元(ring cell)”)，其为电子扫描阵列提供具有独特馈电结构的超低成本单位单元天线元件。环形元件电路板状部分和低介电间隔物，例如泡沫或芯结构。天线元件的顶部包括一层介电基板以支撑微带环贴片辐射器。底部具有一层介电基板以支撑环形槽和双馈电线。所公开的天线元件在宽频率带宽和高达+/
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45度的1D扫描范围内提供高质量的天线性能以及双线性极化和圆极化。
[0027]环形单元包括用于PAA或其他电子扫描阵列的独特馈电结构。环形单元由基于电路板的部分和泡沫间隔物组成。顶部有一层介电基板以支撑微带环贴片辐射器。底部具有两层介电基板以支撑环形槽、双馈电线和金属栅栏。所公开的环形单元在宽频率带宽和大
扫描体积内提供高质量的天线性能。环形单元还提供双线性极化或圆极化。所公开的环形单元不使用机械移动零件，这消除了传统天线单元的大部分复杂性和故障点。
[0028]所公开的环形单元可以布置在阵列天线(如，PAA)中，该阵列天线包括共同用作电子扫描天线阵列波束的多个环形单元。使用所公开的环形单元的阵列天线可用于多种实际应用中。例如，飞机、机动车辆、各种军事系统、物联网(IoT)设备以及任何使用RF信令(signaling)的设备都可以配备使用所公开的环形单元的阵列天线。所公开的环形单元和天线阵列提供了电子扫描天线系统，该系统由于低剖面设计和使用可负担的现成材料而显著降低了两者集成成本。
[0029]传统上，陶瓷芯片载体模块用于连接MMIC和AIPWB。这种陶瓷封装相对昂贵并且需要昂贵的人工来组装。不仅如此，而且陶瓷封装还使用体积庞大且复杂的波导辐射器，这为AIPWB添加层压步骤和额外的层。波导辐射器需要昂贵且复杂的广角阻抗匹配(WAIM)结构作为天线阵列和自由空间之间的界面。不幸的是，这不符合许多视线通信客户的每元件成本目标。
[0030]所公开的实施和实例使用低复杂性的孔径本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种系统，其包括：分配块(1306)，所述分配块(1306)配置为接收射频(RF)信号并将所述RF信号分路为多个路(1330)；波束形成器块(1304)，所述波束形成器块(1304)配置为接收和放大所述分路RF信号(1318
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1322)；和辐射器块(1301)，所述辐射器块(1301)配置为发射所述RF信号。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述辐射器块(1301)包括至少一个环形单元，所述环形单元包括：多个介电层(112、122、126)，所述多个介电层(112、122、126)包括顶部介电层、中间介电层和底部介电层；环贴片(104)，所述环贴片(104)定位在所述顶部介电层中；泡沫层(116)，所述泡沫层介于所述顶部介电层和所述中间介电层之间；环形槽(110)，所述环形槽(110)定位在所述泡沫层和所述中间介电层之间；导电栅栏(102)，所述导电栅栏(102)定位在所述环形槽之下并支撑所述环形槽，所述导电栅栏跨越所述底部介电层；和馈电线(106、108)，所述馈电线(106、108)供给馈电以在所述环形槽中产生电谐振，用于在所述环贴片中产生RF信号。3.根据权利要求2所述的系统，其中所述馈电线(106、108)与所述导电栅栏在所述导电栅栏的朝向所述顶部介电层的上半部中是共平面的。4.根据权利要求2所述的系统，进一步包括多个粘合层(114、118、124)，所述多个粘合层(114、118、124)附着至所述多个介电层。5.根据权利要求2所述的系统，其中所述环贴片(104)定位在所述顶部介电层之下和所述泡沫层之上。6.根据权利要求2
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5中任一项所述的系统，其中所述泡沫层(116)包括蜂窝泡沫。7.根据权利要求1所述的系统，其中所述辐射器块(1301)包括至少一个环形单元(100)，所述环形单元(100)包括：多个介电层(112、122、126)，所述多个介电层(112、122、126)包括顶部介电层、中间介电层和底部介电层；环贴片(104)，所述环贴片(104)定位在所述顶部介电层中；泡沫层(116)，所述泡沫层(116)介于所述顶部介电层和所述中间介电层之间；环形槽(110)，所述环形槽(110)定位在所述泡沫层和所述中间介电层之间；导电栅栏(102)，所述导电栅栏(102)定位在所述环形槽之下并支撑所述环形槽，所述导电栅栏跨越所述底部介电层；和T形结延迟馈电线(500)，所述T形结延迟馈电线(500)供给馈电以在所述环形槽中产生电谐振，用于在所述环贴片中产生RF信号。8.根据权利要求7所述的系统，其中所述T形结延迟馈电线(506)包括L
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形馈电线(504)和第二馈电线(502)。9.根据权利要求7所述的系统，其中所述泡沫层(116)包括蜂窝泡沫。10.根据权利要求7
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9中任一项所述的系统，其中所述环贴片(104)定位在所述顶部介
电层(112)之下和所述泡沫层(116)之上。11.根据权利要求7
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9中任一项所述的系统，其中所述环贴片(104)附接至所述泡沫层(116)之上的粘合层(114)。12.根据权利要求1所述的系统，其中所述辐射器块(1301)包括至少一个环形单元(100)，所述环形单元(100)包括：多个介电层(112、122、126)，所述多个介电层(112、122、126)包括顶部介电层、中间介电层和底部介电层；环贴片(104)，所述环贴片(104)定位在所述顶部介电层中；泡沫层(116)，所述泡沫层(116)介于所述顶部介电层和所述中间介电层之间；环形槽(110)，所述环形槽(110)定位在所述泡沫层和所述中间介电层之间；和导电栅栏(102)，所述导电栅栏(102)定位在所述环形槽之下并支撑所述环形槽，所述导电栅栏跨越所述底部介电层；和混合耦合器(600)，所述混合耦合器(600)供给馈电以在所述环形槽中产生电谐振，用于在所述环贴片中产生RF信号。13.根据权利要求12所述的系统，其中所述混合耦合器(600)包括两条馈电线(602、604)和椭圆形馈电路径线(606)。14.根据权利要求12或13所述的系统，其中所述混合耦...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：