[发明专利]用于宽频带成像的螺旋形状阵列

说明书

一个相控阵列是一种某一空间图案的变换器(接收器、发射器或两种功能都可。执行的元件)分布。通过调整每个变换器发射或接收信号的相位，使阵列执行在一个期望方向上具有一束强、窄的波束的单一小孔的功能。波束的方向可通过改变变换器的相位来电控。

相控阵列可用于雷达、声纳、医用超声成像、军用电磁场源定位、诊断测试用的声源定位、射电天文学、和许多其它领域。发射或接收信号的特性和操纵它们所需的仪器(包括相位调整)随着应用的不同而改变。本发明不着重于信号转换设备或变换器(天线、麦克风或扬声器)其本身。这些问题已为各个领域内的技术人员所熟知。本发明描述变换器的一个特殊的空间排列(实际上是一种排列)。

在许多相控阵列的应用中，系统必须在一个宽的频率范围上工作。因为根据现有技术设计的任何单一阵列局限在它所能覆盖的频率范围内，因此这通常需要多个不同的阵列。在阵列的设计(指变换器的空间排列)和辐射波长之间的关系上出现频率限制。

给定阵列的有效最低频率由以波长为单位的阵列的总体尺寸确定。分辨率的瑞利限制决定了波束宽度(以弧度为单位)由波长除以孔径尺寸给出。这里所考虑的平面阵列的总体形状大致为正方形或圆形。将恰好大的能容纳阵列的圆形直径表示为D。如果最大的可容许束宽是10度(举一个特定的例子)，则阵列可有效运行的最大波长是(10度)×(2π弧度/360度)×D＝D/5.72。对于阵列的相应最小频率是5.72c/D，其中c是声或光速，取决于应用情况。为了重新陈述该结果，在最小频率运行时的阵列的最小直径是5.72倍的波长(例如需要束宽为10度)。这个频率下限适用于所有的平面阵列设计中，包括现有技术和本发明。

当一个阵列的频率从频率下限增加，由于直径和波长的比值增大，波束变得更窄。更窄的波束对于大多数应用有利，因此在这点上随着频率的增大，阵列的特性得以改善(如果期望一个恒定束宽，则有可能根据频率改变变换器的加权系数以防止束宽减小。熟悉相控阵列技术的技术人员应该了解此技术。)。在某一频率以上，主波束中夹有附加的、不期望的与预定的引导方向有偏差的角度上的波束。当这些额外波束比主波束弱时，这些额外波束被称作旁瓣，当它们与主波束处于同一量级时被认作歧瓣(aliases)。对于很多应用，如果旁瓣大大低于主波束，则旁瓣是可以容许的。所需的旁瓣的抑制程度取决于相对于所关注的波源的干扰源的强度。为再次给出一个确定的例子，可假定旁瓣必须低于主瓣7dB。

一个通常设计的平面阵列包括加有正方形格栅的变换器的矩形阵列。如果正方形的每一边长是S，并且阵列包括n＝m×m个变换器，则在平面的每两个正交方向上的变换器之间的间距是S/(m-1)(以上所定义的阵列直径是外接圆的直径，即S乘以2的平方根。)。对于这种类型的阵列，当频率足够高以至一对变换器之间的间隔是半波长时出现歧瓣。为了让此阵列正确运行，波长必须大于2S/(m-1)，这意味着频率必须小于c(m-1)/(2S)。用小孔尺寸D计算，一个正方形阵列的工作频率范围是5.72c/D到0.707(m-1)c/D。对于具有100个单元(m＝10)的10×10阵列，频率上限与频率下限之比为6.3∶5.72，这使得此设计基本为一个单频率设计。覆盖对于正方形阵列的一个50∶1的频率范围(通常用于声测试)将需要一个不太大数目的阵列。