專利名稱：用于寬頻帶成像的螺旋形狀陣列的制作方法
一個相控陣列是一種某一空間圖案的變換器(接收器、發(fā)射器或兩種功能都可。執(zhí)行的元件)分布。通過調(diào)整每個變換器發(fā)射或接收信號的相位，使陣列執(zhí)行在一個期望方向上具有一束強、窄的波束的單一小孔的功能。波束的方向可通過改變變換器的相位來電控。
相控陣列可用于雷達、聲納、醫(yī)用超聲成像、軍用電磁場源定位、診斷測試用的聲源定位、射電天文學(xué)、和許多其它領(lǐng)域。發(fā)射或接收信號的特性和操縱它們所需的儀器(包括相位調(diào)整)隨著應(yīng)用的不同而改變。本發(fā)明不著重于信號轉(zhuǎn)換設(shè)備或變換器(天線、麥克風(fēng)或揚聲器)其本身。這些問題已為各個領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知。本發(fā)明描述變換器的一個特殊的空間排列(實際上是一種排列)。
在許多相控陣列的應(yīng)用中，系統(tǒng)必須在一個寬的頻率范圍上工作。因為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計的任何單一陣列局限在它所能覆蓋的頻率范圍內(nèi)，因此這通常需要多個不同的陣列。在陣列的設(shè)計(指變換器的空間排列)和輻射波長之間的關(guān)系上出現(xiàn)頻率限制。
給定陣列的有效最低頻率由以波長為單位的陣列的總體尺寸確定。分辨率的瑞利限制決定了波束寬度(以弧度為單位)由波長除以孔徑尺寸給出。這里所考慮的平面陣列的總體形狀大致為正方形或圓形。將恰好大的能容納陣列的圓形直徑表示為D。如果最大的可容許束寬是10度(舉一個特定的例子)，則陣列可有效運行的最大波長是(10度)×(2π弧度/360度)×D＝D/5.72。對于陣列的相應(yīng)最小頻率是5.72c/D，其中c是聲或光速，取決于應(yīng)用情況。為了重新陳述該結(jié)果，在最小頻率運行時的陣列的最小直徑是5.72倍的波長(例如需要束寬為10度)。這個頻率下限適用于所有的平面陣列設(shè)計中，包括現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明。
當(dāng)一個陣列的頻率從頻率下限增加，由于直徑和波長的比值增大，波束變得更窄。更窄的波束對于大多數(shù)應(yīng)用有利，因此在這點上隨著頻率的增大，陣列的特性得以改善(如果期望一個恒定束寬，則有可能根據(jù)頻率改變變換器的加權(quán)系數(shù)以防止束寬減小。熟悉相控陣列技術(shù)的技術(shù)人員應(yīng)該了解此技術(shù)。)。在某一頻率以上，主波束中夾有附加的、不期望的與預(yù)定的引導(dǎo)方向有偏差的角度上的波束。當(dāng)這些額外波束比主波束弱時，這些額外波束被稱作旁瓣，當(dāng)它們與主波束處于同一量級時被認作歧瓣(aliases)。對于很多應(yīng)用，如果旁瓣大大低于主波束，則旁瓣是可以容許的。所需的旁瓣的抑制程度取決于相對于所關(guān)注的波源的干擾源的強度。為再次給出一個確定的例子，可假定旁瓣必須低于主瓣7dB。
一個通常設(shè)計的平面陣列包括加有正方形格柵的變換器的矩形陣列。如果正方形的每一邊長是S，并且陣列包括n＝m×m個變換器，則在平面的每兩個正交方向上的變換器之間的間距是S/(m-1)(以上所定義的陣列直徑是外接圓的直徑，即S乘以2的平方根。)。對于這種類型的陣列，當(dāng)頻率足夠高以至一對變換器之間的間隔是半波長時出現(xiàn)歧瓣。為了讓此陣列正確運行，波長必須大于2S/(m-1)，這意味著頻率必須小于c(m-1)/(2S)。用小孔尺寸D計算，一個正方形陣列的工作頻率范圍是5.72c/D到0.707(m-1)c/D。對于具有100個單元(m＝10)的10×10陣列，頻率上限與頻率下限之比為6.3∶5.72，這使得此設(shè)計基本為一個單頻率設(shè)計。覆蓋對于正方形陣列的一個50∶1的頻率范圍(通常用于聲測試)將需要一個不太大數(shù)目的陣列。
為了了解是什么在限制正方形相控陣列的頻率范圍，研究接收模式并假設(shè)一個純音頻平面波信號正入射到陣列上。假設(shè)相同的變換器，所有的單元將接收具有相同相位的相同信號。構(gòu)成相控陣列操作基礎(chǔ)的聚束處理包括將來自每個變換器的信號與一個復(fù)相位矢量相乘并連續(xù)地將結(jié)果相加。如果變換器信號對應(yīng)于從引導(dǎo)方向上入射的一個平面波，則確定復(fù)相位矢量以使得出的總和是一個最大值。為了將波束向陣列法向方向引導(dǎo)，復(fù)相位矢量均為單位矢量。由于實際信號是正入射的，當(dāng)引導(dǎo)到正確方向時聚束形成裝置的輸出將是每個單一變換器響應(yīng)的n倍。用分貝表示，陣列的增益為20log(n)。如果波束被引導(dǎo)的方向不是在波的真實入射方向上時，希望聚束總和是一個隨機相位總和，這將給出等于n的平方根的平均幅度結(jié)果。用分貝表示，結(jié)果為10log(n)。將真實的入射方向與其它方向比較，該網(wǎng)絡(luò)凈增益是20log(n)-10log(n)＝10log(n)?，F(xiàn)在假設(shè)單元間的間距大于一個波長的一半。特別地，假設(shè)間距是波長除以2的平方根。在一個基平面中如果該陣列被引導(dǎo)到偏離法向45度角度上，則引導(dǎo)復(fù)相位矢量仍將是單位矢量，并且該陣列將給出在此方向上的最大寄生信號響應(yīng)。問題是對于不在正入射的某些方向上，陣列的重復(fù)單元間的間距引起對于方向性系數(shù)的重復(fù)的復(fù)相位矢量數(shù)值。在不對應(yīng)于真實的入射方向(本例中為正入射)的方向上，當(dāng)在聚束時相加這些重復(fù)的數(shù)值時，得出一個大于所期望的隨機相位總和的結(jié)果。值得注意的是，在所有的真實入射方向上皆存在該問題；由于分析簡便選擇了正入射方向來解釋。
在文獻中已經(jīng)有了試圖通過改變陣列形狀以擴展平面陣列頻率范圍的多種嘗試。例如，提出了蜂窩狀三角形和具有在水平和垂直方向上對數(shù)間距的乘積圖案(product patterns)的陣列。這些陣列通過采用減小重復(fù)間距降低了旁瓣電平。由于它們?nèi)匀灰罁?jù)一個正則的幾何圖案，因此不是十分成功，并且其相位總和在某些方向上仍給出寄生波峰。
現(xiàn)有技術(shù)中的一些提議仍舊在陣列中心附近的一個小區(qū)域中聚集了過多的單元以使至少有一些間距始終小于半波長。這種嘗試在頻率范圍的兩端失效。在低頻段，聚集的單元聚集的距離小于一個波長，因此它們構(gòu)成了不隨引導(dǎo)方向改變的聚束總和的一大部分。這就擴展了中心瓣和降低了相對于瑞利限制的低頻率分辨率。在高頻段，聚集的單元只能部分減少旁瓣，因為與旁瓣形成有關(guān)外部單元仍然以正則格柵隔開，該外部單元可從高頻處的總和中去除，但這降低陣列增益。
也提出了包括隨機分布單元的陣列，但這些陣列具有非常差的旁瓣特性。
附圖中

圖1是一個相控陣列系統(tǒng)的框圖；圖2是一個平面陣列設(shè)計的現(xiàn)有技術(shù)的例子；圖3是本發(fā)明的一個例子；圖4表示在500Hz處的正方形陣列的特性；圖5表示在500Hz處的螺旋陣列的特性；圖6表示在1000Hz處的正方形陣列的特性。
圖7表示在1000Hz處的螺旋陣列的特性；圖8表示在5000Hz處的正方形陣列的特性；圖9表示在5000Hz處的螺旋陣列的特性；圖10表示在10,000Hz處的正方形陣列的特性；
圖11表示在10,000Hz處的螺旋陣列的特性；圖12表示在20,000Hz處的正方形陣列的特性；圖13表示在20,000Hz處的螺旋陣列的特性；圖14表示在40,000Hz處的正方形陣列的特性；圖15表示在40,000Hz處的螺旋陣列的特性；圖16表示在80,000Hz處的正方形陣列的特性；圖17表示在80,000Hz處的螺旋陣列的特性。
因此，本發(fā)明的主要目的是擴展平面相控陣列的帶寬。
根據(jù)下面的詳細描述、附圖和特例將更清楚地了解本發(fā)明的這個和其它目的與優(yōu)點，所有這些將作為范例而非限制本發(fā)明。
通過將變換器在對數(shù)螺旋曲線上排列實現(xiàn)以上簡單描述的目的。該對數(shù)螺旋呈不包含固定或重復(fù)間距的一種自然形狀。在極坐標(biāo)中，一個對數(shù)螺旋是用ρ＝ρ0exp(φ/tan(γ))定義的曲線，其中ρ和φ是曲線上某點的半徑和極角，常數(shù)γ是螺旋角度，ρ0是對應(yīng)于φ＝0的起始半徑。盡管在特定的例子中其它安排可能更優(yōu)越，但在下面的例子中，變換器沿著該螺旋曲線等弧長隔開，從ρ＝ρ0和φ＝0開始。螺旋形狀定義中缺乏的固定距離導(dǎo)致變換器的分布有次序地避免重復(fù)安排，并因此避免了在寬頻率范圍上的大旁瓣。
陣列是一個相控陣列系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件。其它單元包括電源、信號轉(zhuǎn)換設(shè)備、電纜、一個用于進行聚束處理的計算機、和一個顯示設(shè)備。一個非常簡單的系統(tǒng)說明如下圖1是一個相控陣列系統(tǒng)的框圖。陣列1是內(nèi)部以預(yù)定空間關(guān)系固定和承托發(fā)射和/或感測單元的一個剛性結(jié)構(gòu)。在圖1中可看出平面陣列以邊框示出，因此看不見單元。變換器通過電纜(和可能的其它信號轉(zhuǎn)換設(shè)備)連接到一排A/D轉(zhuǎn)換器2(對于發(fā)射，這些應(yīng)為D/A轉(zhuǎn)換器。)。來自A/D轉(zhuǎn)換器的信號被傳送到進行涉及聚束的數(shù)學(xué)運算的計算機3。該結(jié)果(波源定位和可能的其它信息)在顯示設(shè)備4上顯示。
圖2是平面陣列設(shè)計的現(xiàn)有技術(shù)的一個例子。它是一個100個單元的正方形陣列，其邊長S＝42.4英寸和有效直徑(在此情況下為對角線)D＝60英寸。這用于聲音速度c＝13,000英寸/秒在空氣中聲波束的形成。根據(jù)以上給出的分析，其頻率下限(對更好的10度分辨率)應(yīng)為1,239Hz。對于1,379Hz和以上的頻率它應(yīng)呈現(xiàn)出歧瓣。
圖3是本發(fā)明的一個例子。它是一個其內(nèi)半徑ρ0＝4英寸，外半徑為30英寸(直徑為60英寸)，和螺旋角度γ＝87度的具有100個單元的對數(shù)螺旋。它還具有一個1,239Hz的頻率下限，但完全不呈現(xiàn)歧瓣，并在比正方形陣列的1,379Hz限制高許多的頻率下具有可接受的低旁瓣。
余下的圖(圖4到圖17)表示在幾個頻率處的兩個陣列的特性。每個圖表示特定的陣列在θ＝0度處對于正入射的一個平面波的響應(yīng)。畫出了聚束幅度響應(yīng)。理想地，此響應(yīng)在θ＝0度處應(yīng)是一個銳峰，在其它方向上不應(yīng)有明顯大幅值。
為了總結(jié)在一個寬方向范圍的實際響應(yīng)，每個圖給出以偏離軸線的角度θ繪出的兩條曲線，該曲線表示在方位角度φ的360度范圍上的聚束幅度的最大值和最小值。由于聚束始終準(zhǔn)確地決定了入射平面波的幅度，所以每條曲線在θ＝0處趨近于1(波峰在高頻時變得如此銳利以致于從縱軸上不能辨別曲線。)。對于中心波峰附近的小數(shù)值θ，最大值和最小值曲線應(yīng)相互匹配。這個情況將表示對應(yīng)于平面波方向的圓形波峰。在中心波峰內(nèi)的最小值和最大值曲線之間的差別表示該陣列輸出與方位角度不一致。本應(yīng)為圓形的波峰將呈現(xiàn)為橢圓形。這對于圖示的兩個陣列來講不是一個十分嚴(yán)重的問題。
陣列的分辨率定義為在3dB下降(半功率)點的中心波峰寬度。該3dB下降點對應(yīng)于聚束幅度的反對數(shù)值alog(-3/20)＝0.7。例如，圖4表示在500Hz處的正方形陣列的分辨率大約是2×17＝34度。因為500Hz低于由瑞利公式預(yù)定的1,239Hz的限制，所以這個值可大于10度。
為了說明，假設(shè)最大可容許旁瓣電平為在波峰以下10dB。這對應(yīng)于0.316的聚束幅度。如果中心峰外的最大值曲線在0.316以上，則圖中表示了旁瓣的問題。(這些圖不表示對于旁瓣的最嚴(yán)格的可能測試。這將需要入射和觀察方向都須向該范圍以外擴展。然而，它們給出陣列的旁瓣特性的總體概念。)圖4和圖5總結(jié)了在500Hz處的正方形和螺旋陣列的特性。在此頻率處兩者均具有大約34度的分辨率和可容許旁瓣。
圖6和圖7給出在1000Hz處的陣列特性。兩者均具有大約20度的分辨率和可容許旁瓣。
圖8和圖9給出在5000Hz處的兩個陣列的特性?？梢钥闯鰞烧叩姆直媛示蠹s是5度。如預(yù)期的那樣，在此頻率處正方形旁瓣具有歧瓣。螺旋陣列具有可容許旁瓣電平。
圖10和圖11表示在10,000Hz處的陣列。中心瓣非常密集。正方形陣列具有如此多的歧瓣以致對于大多數(shù)應(yīng)用它將沒有用處。螺旋陣列具有可容許旁瓣。
圖12和圖13給出在20,000Hz處的圖案。正方形陣列具有更多的旁瓣。螺旋陣列具有可容許旁瓣電平。中心波峰變得幾乎看不清。在實用中有必要采取一些措施來人工擴展波峰。
圖14和圖15表示在40,000Hz處在此范圍內(nèi)似乎充滿了正方形陣列歧瓣。螺旋陣列具有可容許旁瓣。
圖16和圖17給出在80,000Hz處的陣列圖案。正方形陣列的圖案定性地看起來與40,000處的圖案類似。螺旋陣列仍具有可容許旁瓣。
權(quán)利要求
1.一種具有一個對數(shù)螺旋曲線形狀的相控陣列。
2.一種相控陣列，包括一組沿一個對數(shù)螺旋曲線排列并與一個轉(zhuǎn)換器組相連的變換器，所述轉(zhuǎn)換器組與一個用于進行涉及聚束的數(shù)學(xué)運算的計算機相連。
全文摘要
一種設(shè)計成對數(shù)螺旋形狀的相控陣列。通過在對數(shù)螺旋形狀曲線上分布陣列單元,避免了空間規(guī)則性并進而可以使陣列在一個寬頻率范圍上運行。
文檔編號H04R1/40GK1170972SQ9711140
公開日1998年1月21日 申請日期1997年5月15日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月17日
發(fā)明者羅伯特·P·多爾蒂 申請人:波音公司