[发明专利]带有介电移相器的串行馈送相控阵天线

说明书

对于有关专利申请的交叉参考

本申请要求提出于1999年9月14日的美国临时专利申请No.60/153,859的权益。

发明领域

本发明一般涉及相控阵天线，更具体地说，涉及带有共面波导(CPW)电压调谐移相器的微波传输带补片(patch)天线。

相控天线是指带有发射相控信号以形成一个无线电束的大量辐射元件的天线。无线电信号能电子地由各个天线元件的相对相控的主动操纵控制。电子束控制概念适用于与发射机和接收机一起使用的天线。电子扫描相控阵天线与其机械对应物相比在速度、精度、和可靠性方面是优越的。用电子扫描天线中的电子移相器替换在机械扫描天线中的万向接头，通过更迅速和准确的目标识别增加了天线用在防御系统中的生命力。借助于相控阵天线系统也能迅速和准确地操纵复杂的跟踪练习。

移相器在相控阵天线的操作中起关键作用。电气控制移相器能利用可调谐铁电材料，其电容率(更普遍地叫做介电常数)能通过改变材料经受的电场强度而改变。即使这些材料工作在其高于居里温度的顺电相中，它们也便利地叫做“铁电的”，因为它们在低于居里温度的温度下呈现同时极化。包括钡-锶钛酸盐(BST)或BST合成物的可调谐铁电材料已经是几个专利的主题。

包括钡锶钛酸盐的介电材料公开在授予Sengupta等的、标题为“陶瓷铁电材料”的美国专利No.5,312,790；授予Sengupta等的、标题为“陶瓷铁电合成材料-BSTO-MgO”的美国专利No.5,427,988；授予Sengupta等的、标题为“陶瓷铁电合成材料-BSTO-ZrO₂”的美国专利No.5,486,491；授予Sengupta等的、标题为“陶瓷铁电合成材料-BSTO镁基合成物”的美国专利No.5,635,434；授予Sengupta等的、标题为“多层铁电合成波导管”的美国专利No.5,830,591；授予Sengupta等的、标题为“薄膜铁电合成物及制造方法”的美国专利No.5,846,893；授予Sengupta等的、标题为“制造薄膜合成物的方法”的美国专利No.5,766,697；授予Sengupta等的、标题为“电子分级的多层铁电合成物”的美国专利No.5,693,429；及授予Sengupta的、标题为“陶瓷铁电合成材料-BSTO-ZnO”的美国专利No.5,635,433中。这些专利通过参考包括在这里。由Sengupta提出于2000年6月15日的、标题为“包括可调谐介电和金属硅酸盐相的电子可调谐陶瓷材料”的共同待决、共同授予美国专利申请公开了另外的可调谐介电材料，并且也通过参考包括。在这些专利中表示的材料，特别是BSTO-MgO合成物表现出低介电损失和高可调谐性。把可调谐性定义为介电常数随施加电压的相对变化。

使用铁电材料的可调谐移相器公开在美国专利No.5,307,033、5,032,805、及5,561,407中。这些移相器包括铁电基片作为相位调制元件。铁电基片的电容率能通过改变施加到基片上的电场强度而改变。当RF信号通过移相器时，基片的电容率调谐导致相位移动。公开在这些专利中的铁电移相器具有高导体损失、高模式、直流偏压、及在K(18至27GHz)和Ka(27至40GHz)频带下的阻抗匹配问题的缺点。

一种已知类型的移相器是微波带状线路移相器。利用可调谐介电材料的微波带状线路移相器表示在美国专利No.5,212,463；5,451,567及5,479,139中。这些专利公开了载有一种电压可调谐铁电材料的微波带状线路，以改变引导的电磁波的传播速度。美国专利No.5,561,407公开了一种由松散陶瓷制造的微波传输带调谐移相器。松散微波传输带移相器具有需要较高偏电压、复杂制造处理及高成本的缺点。

共面波导管也能用作移相器。美国专利No.5,472,935和6,078,827公开了其中高温超导材料的导体安装在一种可调谐介电材料上的共面波导管。这种器件的使用需要冷却到较低温度。另外，美国专利No.5,472,935及6,078,827讲授了具有高Sr比率的SrTiO₃、或(Ba、Sr)TiO₃的可调谐膜的使用。SrTiO₃、和(Ba、Sr)TiO₃具有高介电常数，这导致低特征阻抗。这使得必须把低阻抗移相器变换到普通使用的50欧姆阻抗。