CN102646860A - 三角形相控阵天线子阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适合用于相控阵天线的天线部件，其作为相控阵天线组件，以及包括相控阵天线组件的航空器。在一个实施例中，天线子阵组件包括导热电泡沫基底、粘合到泡沫基底的多个辐射单元以及邻近辐射单元设置的雷达天线罩。在平面视图中查看时，子阵组件呈现三角形形状，且多个辐射单元布置在泡沫基底上的三角形阵列中。在一些实施例中，多个子阵组件可被组装以形成天线组件。在此外的实施例中，航空器可备有一个或多个天线组件。本发明同样描述了其它实施例。

Description

三角形相控阵天线子阵

技术领域

本发明涉及电子通信和雷达***以及用于电子通信和雷达应用中的天线阵列的配置。

背景技术

航空器，包括航天器，一般包括使用天线阵与地基***通信的通信***。已发现相控阵天线在机载通信***和地基通信***两者中的效用。航空器，尤其是航天器，具有有限的功率源并且因此必须管理功率源。因此，功率有效相控阵天线***被认为是有利的。

发明内容

在一个实施例中，天线子阵组件包括热传导泡沫基底、粘合到泡沫基底的多个辐射单元、邻近辐射单元设置的雷达天线罩。在平面视图中，子阵组件呈现三角形形状，且多个辐射单元布置在泡沫基底上的三角形阵列中。

在另一个实施例中，相控阵天线组件包括多个面板，每个面板包括多个天线子阵组件。至少一个子阵组件包括热传导泡沫基底、粘合到泡沫基底的多个辐射单元和邻近辐射单元设置的天线罩。在平面视图中，子阵组件呈现三角形形状，且多个辐射单元布置在泡沫基底上的三角形阵列中。

在另一个实施例中，航空器包括通信***和连接到通信***且包括多个面板的相控阵天线阵列。每个面板包括多个天线子阵组件，且至少一个子阵组件包括热传导泡沫基底，粘合到泡沫基底的多个辐射单元、和邻近辐射单元设置的雷达天线罩。在平面视图中，子阵组件呈现三角形形状，且多个辐射单元布置在泡沫基底上的三角形阵列中。

通过本文提供的描述，应用的更多方面也变得明显。应当理解，描述和特定实例仅旨在为了说明且不意在限制本发明的范围。

附图说明

参考以下附图，依照本发明的方法和***的实施例被详细描述。

图1是根据实施例的天线子阵组件的示意性分解透视图。

图2是根据实施例的天线子阵组件的示意性俯视平面视图。

图3是根据实施例的天线面板的示意性透视图。

图4是根据实施例的天线面板的示意性俯视平面视图。

图5是根据实施例的天线的示意性俯视平面视图。

图6是根据实施例的基于航空器的通信***的示意性说明图，该通信***可保函天线。

具体实施方式

本文描述适合用于相控阵天线***的天线部件的配置，以及包括这种部件的天线***。一些实施例的具体细节在下文的描述和相关的附图形中说明，从而提供对这些实施例详尽了解。然而，本领域技术人员应理解，可实现不具有下文说明中描述的细节的替换的实施例。

本文以功能和/或逻辑块组件和各种处理步骤的形式描述该发明。为了简便，本文不对涉及惯性测量传感器、GPS***、导航***、导航和定位信号处理、数据传输、收发信号、网络控制、和该***的其他功能方面(和该***的各操作组件)的常规技术作细节描述。此外，本文包括的各种图形中示出的连接线旨在呈现示范功能关系和/或各种单元间的物理连接。

下文描述可涉及被“连接”或“联接”或“粘合”在一起的组件或特征。本文所用，除非另有明确规定，“连接”表示零件/组件/特征直接结合(或直接连接)另一个组件/特征。同样地，除非另有明确规定，“联接”或“粘合”表示组件/结点直接或间接结合(或直接或间接通信)另一个组件/特征，但并不需直接物理连接。因此，虽然附图可描述单元的示范布置，但可在实际实施例中可存在额外的***单元、装置、特征、或组件。

图1是根据实施例的天线子阵组件的示意性分解透视图。在图1描述的实施例中，子阵组件100在分层构造中形成且包括，按从下到上的顺序，热沉110、多个放大器120、印刷布线板130、泡沫层140、多个辐射单元150、粘合层160、和雷达天线罩170。

雷达天线罩170可由任何合适的实质上对无线电频率(RF)辐射透明的材料构成。例如，雷达天线罩170可由

构成。可替换地，雷达天线罩170可被构造为多层层合体。

粘合层160可包括静电耗散粘合剂从而粘合雷达天线罩170至泡沫层140。粘合层160扩展在辐射单元150的上方和周围且物理接触辐射单元150。粘全层160允许在辐射单元150上积累的任何静电电荷从辐射单元150导出。应当理解，当如图1所示辐射器组件100由印刷布线板130支撑时，静电耗散粘合层160将连接到接地。静电耗散粘合剂160可由环氧树脂粘合剂、聚氨酯基粘合剂或氰酸酯粘合剂形成，每样掺杂很小比例的导电聚苯胺盐，例如百分之五。掺杂的精确数量将由具体应用的需要规定。

静电耗散粘合层160也有助于形成至泡沫基底140的热传导路径且消除可能以别的方式存在于雷达天线罩170和辐射单元150顶层之间的缝隙。通过消除雷达天线罩170内表面和辐射单元150之间的缝隙，形成自雷达天线罩170穿过辐射单元150层的热通路。

辐射单元150可布置在泡沫基底140上的三角形阵列中。辐射单元150可被认为相对于地面金属色斑(metal patches)漂浮。虽然如图1中示出的辐射单元150通常为圆形，但是应当理解，可形成辐射单元150从而具有任何其它适合的形状，例如，方形、六边形、五边形、矩形、等等。同样地，虽然只示出辐射单元的一层，但是应当理解，组件100可包括辐射单元的两个或更多层从而达到特殊应用的要求。结合图2-3以下将在更主要细节上对辐射单元150的方面进行讨论。

在一个实施例中，泡沫基底140可由低RF损失且提供穿过辐射单元150层的热通路的合成泡沫材料形成。因此，不要求辐射器组件10的“有效”冷却。“有效”冷却表示冷却***采用水或其它冷却媒介，其穿过适合管道网络或网格从而吸收由组件100产生的热并传输热至热辐射器从而被耗散在太空中。有效冷却的使用显著增加了费用和复杂度、相控阵天线***的大小和重量。因此，可通过合成泡沫基底140的使用实现被动冷却，其允许建造维度更少和重量更轻的子阵组件100，且比之前制造相控阵辐射组件更少的花费和更少的制造复杂度。

在一些实施例中，合成泡沫基底140可形成全交联、低密度、复合泡沫基底，其在微波频率范围内表现低损耗特征。泡沫基底140可具有测量超过频率范围1.25和1.30之间的介电常数，该频率范围扩展在10GHz和30GHz之间且超过相同频率范围大约0.025的损耗角正切。有益地，损失角正切相对恒定超过宽带宽且(范围)从大约12GHz至大约33GHz。泡沫基底140的热电阻倾向于小于大约50.2℃/W。泡沫基底140也倾向于具有至少大约在0.0015瓦每英寸每℃(W/inC)的热传导系数，或至少大约0.0597瓦每英寸每度开氏温标(Kelvin)(W/mK)。一种商业上可利用且适合使用的特别合成泡沫是来自加州瓦伦西亚(美国)Aptek Laboratories股份有限公司的DI-STRATETM泡沫瓦。

在一些实施例中，印刷布线板(PWB)130可由常规PWB材料形成，例如，Rogers 4003系列电介质PWB材料。多个放大器120可排列在PWB130和热沉模块120之间。在一些实施例中，多个放大器可通过PWB130中的电路轨迹作为连接到功率源和控制器的一系列单片微波集成电路(MMIC)来执行。

在一些实施例中，热沉模块110可由使用MMIC生成的热能的相变材料形成，从而实现热沉模块110中的材料相变。形成的吸热器模块110的特别材料并不是决定性的。合适材料的实例包括石蜡和在公认温度融化的其它类型蜡。使用的具体类型的蜡和其它材料决定热沉开始存储过量热能量的温度。

依照转让至McCarth等人的美国专利申请系列No.2/121,082(该公开在些作为参考并入本文)提供的一般性描述，图1中描述的各种组件可组件大体上形成天线子阵组件100。虽然图1示出的各种层厚度可改变从而达到特殊应用的要求，但在合成泡沫基底140的一个实例中测量大约在0.045英寸-0.055英寸(1.143mm-1.399mm)之间的厚度。静电耗散粘合层160可改变厚度，但在一个实施例中，测量在大约在0.001英寸-0.005英寸(0.0254mm-0.127mm)之间的厚度。雷达天线罩170厚度通常在大约0.003英寸-0.005英寸(0.0762mm-0.127mm)之间。

图2是根据实施例的图解的顶，天线子阵组件100的俯视图。参考图2，当从俯视图观看时，子阵组件100形成三角形。该三角形包括第一边缘102和大体光滑的第二边缘104、和呈现锯齿型的第三边缘106。在一个实施例中，子阵测量高度为14.072英寸(35.74cm)且宽度为16.256英寸(41.29cm)，以便部件表面区域大约在114.377平方英寸(0.0738平方米)。本领域技术人员应当理解到，天线子阵组件100的大小改变取决于具体应用。

辐射单元150布置在基底140上的三角形阵列中。类似地，MMIC140布置在热沉层110上的三角形阵列中，但在图2中示未出。在一些实施例中，辐射单元测量直径大约在0.638英寸(1.62cm)。辐射单元置于水平行以便一行内邻近单元的中心按大约1.016英寸(2.58cm)移位。行按0.879英寸(2.23cm)移位。图1描述的实施例中，有128个辐射单元，其允许共同集管(corporate mainfold)和常规3dB威尔金森(Wilkinson)功率分配器/合并器的使用从而驱动天线。本领域技术人员应当理解，天线子阵组件100上辐射单元的特别配置的改变取决于特别应用。

可组装六个三角形子阵组件100从而形成天线面板200，如图3和图4所示。通过固定各自的阵列组件在公用基底上，它们在适当的位置是固定的。如图4所示，可布置各自的组件100从而邻近子阵100是与另一个180度异相(out of phase)的。由于子阵180度异相，可使用180度混合联接器(hybrid coupler)(环形联接器)从而联合来自多个子阵的信号。本领域技术人员应当理解，六角天线阵近似于圆形阵。照这样，可使用六角作为Cassegrain双反射器天线的馈进，其中六角相控阵在焦点前。

如图5所示可联合多个天线面板200从而形成天线组件500，其可连接到通信***从而提供与远程装置的RF通信。如图5所示，天线组件500可包括完全六角面板200和半六角面板210，其被布置用于形成密封天线组件500。本领域技术人员应当理解，布置所有部件面板100以便它们180度异相于所有邻近部件面板100。

因此，本文描述的是用于三角形天线子阵组件100的构造，其可作为形成包括电子操控阵列天线(ESA)组件的相控阵天线***的基本结构单元。本文描述的三角形结构提供比矩形结构多很多的优点。

从物理视野出发，三角形部件100的使用提供了标准化的结构模块，其可形成天线面板200且最终形成天线组件500。三角形阵列也为天线单元提供省空间模式，且可以相对大尺寸被建造用于(的三角形阵列)更有效的产品。设计是可伸缩的从而适应天线面板200和天线组件500尺寸的改变。

从电气视野出发，三角形部件的使用消除或至少减少与矩形阵列有关、尤其是与ESA组件有关的一些问题。三角形子阵配置要求比矩形阵列更少的辐射单元150从而实现相同光栅波瓣自由电子扫描容量。例如，对于最大栅瓣自由扫描角，20度的θ_m：

Eq.1 1+sin(θ_m)＝1.342

因此，对于给定波长λ，对于方块辐射单元网：

Eq.2λ/dx＝λ/dy＝1.342或dx＝dy＝0.745λ

且每个辐射单元要求的区域为：

Eq.3dxdy＝(0.745λ)²＝0.555λ²

相反，对于给定波长λ，对于方块辐射单元网：

Eq.4λ/(3dx’)^0.5＝λ/dy＝1.342

其解析为：

Eq.5dx’＝0.430λ，dy＝0.745λ

由于辐射单元在三角形架构中是偏置的，该区域中每个单元被给出：

Eq.6 2(dx’dy)＝2(0.430λ)(0.745λ)＝0.641λ²

因此，对于在20度扫描角相等的扫描容量，三角形架构大约15.5％更有效于方块架构。

Eq.7 0.641λ²/0.555λ²＝1.155

此外，在传输模式中GaN高功率放大器的使用使(进行)较高效率操作成为可能。GaN放大器能利用比传统使用的GaA装置更高的漏电压(25-50V DC)。对于大阵列，由于较低功率分布和转换损耗，这提供净效益至全部有效负载功率效率。GaN装置也具有比GaA装置更高的容许通道温度。这考虑到更简单的热控制结构。

在一些实施例中，根据本文描述的实施例基于车辆的通信***可合并一根或更多建造的天线。参考图6，示范环境600作为实例，该实施例中可执行天线。环境600包括机载***602，例如GPS平台、卫星、航空器、和/或其它类型GPS使能装置或***。环境600也包括机载***602的组件604、移动地基或机载接收器606、和地面站608。在该实例中，机载***602是GPS平台，其被描述为包括宽波束天线610(也称为“地球覆盖天线”)、且包括可按照本文提供的说明建造的点波束天线612(也称为“操纵”点波束天线)的GPS卫星。宽波束天线610和点波束天线612分别传输GPS定位信息和导航消息至GPS使能接收器606。点波束天线612供给高密度点波束的传输至地面选定点，而不要求过量的传输功率。

在该实例中，机载***602包括遥测技术和指令天线614，其可被利用从而与地面站608通信。在各种实施例中，可借助许多不同的传感器执行GPS平台602从而测量和/或决定卫星的空间方卫角，其中“空间方位角”通常指的是根据相对于轨道面纬度和经度坐标在太空中机载***的定向。该实例中，可沿着被说明为俯仰轴616、滚动轴618、和偏航轴620的三轴来稳定GPS平台。

机载***602可包括天线定位***602从而定位点波束天线612的瞄准线624，其中瞄准线通常指的是天线的轴、或传输自天线的最高功率密度的方向。在该实例中，天线定位***622包括平衡环组件626、外壳组件628、以及由于速率偏频、比例因子和测量噪音，可各自从定向基准偏离的滚动、俯仰、和航向陀螺仪630。陀螺仪630的陀螺仪偏离误差可导致天线定位***622中足够不一致从而导致传输GPS信号时的点波束天线定位误差。点误差632导致在天线瞄准线624从命令点波束有角度地移位的点波束634。

机载***602可包括校准控制应用634(在组件604中)从而执行GPS陀螺仪校准的实施例。机载***602也包括各种可包括空中方位角控制***的***控制组件636、***控制器、天线控制模块、导航信号传输***、传感器接收器和控制器、和用于控制机载***602操作的任何其它类型控制器和信号。此外，根据图6示出的示范的基于计算装置600，借助以下进一步描述的许多不同组件及其联合，可执行机载***602、接收器606、和/或地面站608。例如，可将接收器606和地面站608作为基于计算的装置来执行，其包括根据示范的基于计算的装置600描述的任何一个组件或组件联合。

在该实例中，地面站608包括指示误差估算器638和陀螺仪校准应用640从而执行GPS陀螺仪校准的实施例。在实施例中，GPS平台602经点波束天线612传输扫描信号642至GPS使能接收器606。例如，经(实际)为点波束天线612的不精确瞄准线方向的点波束634，可传输扫描信号642至GPS使能接收器606。

借助已知振幅和在预定扫描侧面图模式中，可传输扫描信号642至GPS使能接收器606。例如，天线定位***622的GPS平台平衡环组件626可以已知、横穿扫描模式穿过一个或多个GPS使能接收器606来转动点波束天线612。可在方位角和立视图坐标框架中使用足够大到在信号-噪音比(或运载体-噪音)测量值中产生显著变化的扫描模式，可以低速率(例如，0.1度/秒)转动点波束天线612。

GPS使能接收器606可接收经GPS平台602的点波束天线612传输的扫描信号642并且为每个扫描信号决定信号功率测量值。在实施例中，信号功率测量值可作为扫描信号642的信号-噪音比测量值被决定。GPS使能接收器606也可时间标志，或在其它方面指明接收扫描信号的时间以便可借助天线位置数据644来相互关联每个扫描信号642，从而估算点波束天线612的指示误差632。GPS使能接收器606则可通信信号功率测量值646至地面站608。

GPS平台为点波束天线传输、或通信天线位置数据644至地面站608，此处天线位置数据指明点波束天线612的不精确瞄准线方向634。可替换地，可命令GPS平台602从而在放置GPS使能接收器606的特别纬度和经度上指出点波束天线612的瞄准线方向。精确纬度和经度坐标也可从GPS使能接收器获得。

地面站608可接收来自GPS使能接收器606的信号功率测量值646。基于接收自GPS平台602的信号功率测量值646和天线位置数据644，地面站608的指示误差估算器638估算点波束天线612的指示误差632。何处测量信号-噪音比和其被预期在何处之间的不同提供天线指示误差的估算。

可执行在地面站608的陀螺仪校准应用640从而决定来自估算指示误差632的陀螺仪校准参数。陀螺仪校准参数可包括通信至GPS平台的速率偏频和比例因子。在实施例中，输入天线指示误差测量值至Kalman过滤器算法，从而估算陀螺仪校准参数648从而校准陀螺仪偏离误差。

可通过陀螺仪公式在三个不同轴(即，俯仰轴616、滚动轴618、和偏航轴620)为所有陀螺仪630分解陀螺仪速率偏频和比例因子参数：

ω_gyro＝(1+SF)ω_true+b_gyro+η_r

其中ω_gyro是陀螺仪读数，SF是陀螺仪比例因子，ω_true是真机载***主体速率，b_gyro是陀螺仪速率偏频，而η_r是速率噪音。给出陀螺仪读数ω_gyro，可估算陀螺仪速率偏频和比例因子。使用Kalman过滤器算法对陀螺仪校准参数的估算，本文处通过参考合并在内的Jonathan A.Tekawy(航天器和火箭日报1988年7月-8月，No.4，35册，480-486页)的文献“Precision Spacecraft Attitude Estimators Using an OpticalPayload Pointing System”中进一步描述。

地面站608可通信或以其它方式上载陀螺移校准参数648至校准控制应用634能为陀螺仪偏离误差校准陀螺仪630的GPS平台602。上载至GPS平台的陀螺仪校准参数648也可包括信息，从而校正陀螺仪速率输出并且提供精确速率和空间方位角估算。借助校正的陀螺仪估算，GPS平台602可更精确指出GPS地球覆盖天线610和点波束天线612。

因此，本文描述了用于天线部件、由这样部件形成的天线组件、以及包括由这样部件形成的天线的航空器的建造。按照本文提供的描述建造的相控阵天线可在传输和接收模式操作。在一些实施例中，天线中的辐射单元可包括由砷化镓(GaA)或磷化铟(InP)形成的接收功能的低噪音放大器(LNA)。GaN功率放大器改进在高功率模式(传输)中的功率效率且在接收模式下天线使用较少功率。可使用相同共同汇接网络从而在接收模式和传输模式下连接单元，且相同共同汇接网络由PWB130中的带线状电路构成。

虽然图6示出的实施例中说明了空间交通工具，但是本领域技术人员应当理解，按照本文提供的说明可在地面交通工具、水系交通锅具、空中交通锅具上执行天线组件。照这样，术语“交通锅具”应解释为包括所有这些的交通工具。

在一些实施例中，至少部分因为本设计的热、静电放电(ESD)和大量特征，按照本文提供的说明建造的天线阵尤其适合空间应用。然而，本领域技术人员应当理解，按照本文提供的说明建造的天线阵可用于各式各样机载和陆地应用中。此外，按照本文提供的说明建造的天线阵可用于通信***和雷达***。因为在传输和接收模式两者中可使用同样的天线组件，这给雷达***提供了特别的优势。对于通信***，使用它提供了紧密单一天线解决方案。

另一个实施例可为天线子阵组件，其具有热传导泡沫基底，粘合至泡沫基底的多个辐射单元，在平面视图中子阵组件呈现三角形形状的；以及邻近辐射单元设置的雷达天线罩，以及布置在泡沫基底上三角形阵列中的多个辐射单元。

此外，上文讨论的天线子阵可进一步具有粘合到热传导泡沫基底的印刷面线板和排列邻近印刷面线板的放大器的三角形阵列。

此外，上文讨论的天线子阵进一步具有邻近放大器三角形阵列设置的热沉模块。

该天线子阵也可包括放大器的三角形阵列，其包括一系列单片微波集成电路(MMIC)，且热沉模块包括相变材料。

该天线子阵也包括排列在泡沫基底上的静态耗散粘合层，其与辐射单元接触并粘合雷达天线罩至基底。该泡沫基底可有不高于50.2℃/W的热电阻且具有掺杂聚苯胺的粘合物质。此外，静态粘合剂可为聚氨酯、环氧树脂和氢酸盐酯中的一种。

虽然已经描述各种实施例，本领域技术人员应当理解可不偏离本公开所而做出修改或改变。实例说明各种实施例且不意图限制本公开。因此，除考虑到相关现有技术是必要的限制外，应不受限制地解释说明和权利要求。

Claims (12)

1.一种相控阵天线组件，其包括多个面板，每个面板包括多个天线子阵组件，至少一个所述子阵组件包括：

热传导泡沫基底；

粘合到所述泡沫基底的多个辐射单元；以及

邻近所述辐射单元设置的雷达天线罩；

其中，

在平面视图中，所述子阵组件呈现三角形形状；以及

所述多个辐射单元布置在所述泡沫基底上的三角形阵列中。

2.根据权利要求1中所述的相控阵天线组件，进一步包括：

粘合到所述热传导泡沫基底的印刷布线板；

邻近所述印刷布线板设置的放大器的三角形阵列。

3.根据权利要求2中所述的相控阵天线组件，进一步包括邻近所述放大器三角形阵列设置的热沉模块。

4.根据权利要求3所述的相控阵天线组件，其中：

所述放大器的三角形阵列包括单片微波集成电路阵列，即MMIC阵列；以及

所述热沉模块包括相变材料。

5.根据权利要求4所述的相控阵天线组件，进一步包括设置在所述泡沫基底上且接触所述辐射单元的静态耗散粘合剂层，并且所述静态耗散粘合剂层将所述雷达天线罩粘合到所述基底。

6.根据权利要求1所述的相控阵天线组件，其中所述泡沫基底具有不高于大约50.2℃/W的热电阻。

7.根据权利要求2所述的相控阵天线组件，其中所述静态耗散粘合剂包括掺杂有聚苯胺的粘合剂材料。

8.根据权利要求7所述的相控阵天线组件，其中所述静态耗散粘合剂包括聚氨酯、环氧树脂和氰酸酯中的一种。

9.一种交通工具，包括：

通信***；以及

相控阵天线组件，其连接到所述通信***且包括多个面板，每个面板包括多个天线子阵组件，至少一个所述子阵组件包括：

热传导泡沫基底；

粘合到所述泡沫基底的多个辐射单元；以及

邻近所述辐射单元设置的雷达天线罩，

其中

在平面视图中，所述子阵组件呈现三角形形状；以及

所述多个辐射单元布置在所述泡沫基底上的三角形阵列中。

10.根据权利要求9所述的交通工具，进一步包括：

印刷布线板，其粘合到所述热传导泡沫基底；

放大器的三角形阵列，其邻近所述印刷布线板设置。

11.根据权利要求10所述的交通工具，进一步包括邻近所述放大器的三角形阵列设置的热沉模块。

12.根据权利要求11所述的交通工具，其中

所述放大器的三角形阵列包括单片微波集成电路阵列，即MMIC阵列；以及

所述热沉模块包括相变材料。

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