[发明专利]具有二维扫描的相控阵列天线系统

说明书

技术领域

本发明涉及具有二维扫描的相控阵列天线系统。本发明合适于用在采用扫描相控阵列天线的技术的所有领域中，例如雷达、电视和无线电广播以及远程通信，特别是用于移动蜂窝无线电(“移动电话机”)。

背景技术

相控阵列天线是众所周知的：该主题在例如天线领域中所熟知的标准教科书中被详细地讨论，“Microwave Scanning Antennas”，R.C.Hansen，Vol 3 Array Systems，Academic Press，NY，1966年。这样的天线包括诸如偶极子或贴片天线(patches)之类的单独天线单元(通常八个或更多)的阵列。该天线具有包含主瓣(main lobe)或主波束以及旁瓣(side lobe)的辐射方向图(radiation pattern)。主瓣的中心是接收模式中天线的最大灵敏度方向以及发送模式中天线主输出辐射波束的方向。

众所周知相控天线阵列的特性是通过随着在阵列上单元距离而变化的延迟将天线单元所接收的信号延迟，然后朝着增加延迟的方向控制或倾斜天线主辐射波束。对应于延迟的零和非零变化的主辐射波束中心之间的角度，即倾斜角度，取决于延迟随着在阵列上的距离而改变的速率。延迟可以等效地通过改变信号相位予以实现(因此表示相控阵列，虽然延迟的具体值在不同的频率对应于不同的相移)。所以通过调整被馈送到天线单元的信号之间的相位关系能够改变天线方向图的主波束方向(被称为“波束控制”)。

通过调整被馈送到天线单元的信号之间的相位关系进行波束控制的常规技术是为每个天线单元提供各自的可变移相器或可变延迟。这独立于其他天线单元的信号来提供对每个天线单元的信号的控制。等效地，可以使用可变移相器的级联结构，其中每个可变移相器给各自的天线单元和各自的可变移相器提供信号。使用多个可变移相器的实例例如在第04-320122号日本公开专利申请以及第3277481、4242352和5281974号美国专利中被公开。

在数量上与天线单元可比的可变移相器的使用是不希望的，原因在于这种使用极大地增加天线设计复杂度和费用。可变移相器比固定移相器复杂得多。这个问题特别与需要进行二维扫描的二维相控阵列天线的情况有关：例如，由天线单元的64×64阵列构成的相控阵列天线将需要4095个可变移相器和各自相关联的控制电路。

对于在阵列维数的平面中扫描的一维相控阵列天线(例如，偶极子的)的情况而言已经解决了过量的可变移相器的问题：以下公开的国际专利申请公开了一维问题的解决方案，WO03/036756、WO03/43127、WO2004/036785、WO2004/088790、WO2004/102739和WO2005/048401。然而，这些不能按比例直接地扩大到二维：对于以行和列排列的天线单元的二维阵列，每行或列使用这些现有解决方案之一允许扫描一维中的所有行或列，但是不允许在另一(正交的)维中进行扫描。在天线领域中的标准著作中，“Antenna Engineering Handbook”，Ed.RichardC.Johnson，McGraw Hill，3^rd Edition，1993年，ISBN 0-07-032381-X：特别参见第20-52页，讨论了扫描相控阵列的问题。

发明内容

本发明的目的是提供合适于二维扫描的相控阵列天线系统。

本发明提供了具有天线单元的二维阵列和多个共同馈电网络的相控阵列天线系统，其中：

a)共同馈电网络被分组在第一行列和第二行列中并且被安排成用于将相互可变相位的网络输入信号转换成相控阵列的天线单元的适合地相控的网络输出信号，在第一行列和第二行列中的至少一个行列中，网络输出信号在数目上比共同馈电网络的网络输入信号相对大；

b)第一行列共同馈电网络被安排成用于提供网络输出信号以作为到天线单元的相应的行的输入信号；和

c)第二行列共同馈电网络被安排成用于提供网络输出信号以作为至第一行列共同馈电网络的输入的相应行的输入信号；以及

d)所述系统包括用于改变第二行列共同馈电网络的网络输入信号定相以提供在二维中天线波束方向的控制的相位差控制装置。

本发明使得在二维上控制天线波束方向成为可能：本发明使用与网络输入相位差控制级联安排的共同馈电网络的两个行列来提供天线阵列输入。这提供了对获得相控阵列天线波束方向的二维控制问题的解决方案。

相位差控制装置可以被安排成用于：