雙極化、圓極化的,表面波波導,人工阻抗表面天線的制作方法

本申請涉及于2013年1月17日提交的名稱為“Surface Wave Guide Apparatus and Method”的序列號為13/744,295的美國專利申請，其公開內容通過引用并入本文。本申請要求2014年6月20日提交的序列號為14/310,895的美國申請的優先權并且要求其權益，其全部內容通過引用并入本文。

關于聯邦資助研究或發展的聲明

無。

技術領域

本發明提供了一種能夠雙極化、圓極化的同時右旋圓極化(RHCP)和左旋圓極化(LHCP)操作的天線。

背景技術：

線極化AIS天線

人工阻抗表面天線(AISA)通過跨人工阻抗表面(AIS)發射表面波來實現，根據將AIS上的表面波和期望的遠場輻射圖案之間的相前匹配的函數而跨AIS對其阻抗進行空間調制。

在現有技術中，人工阻抗表面天線(AISA)由調制的人工阻抗表面(AIS)形成。就這點而言，現有技術包括：

(1)Patel(見例如Patel，A.M；Grbic，A.，“A Printed Leaky-Wave Antenna Based on a Sinusoidally-Modulated Reactance Surface”，IEEE Transactions on Antennas and Propagation，vol.59，no.6，pp.2087-2096，2011年6月)展示了使用端射閃耀饋送一維空間調制AIS的標量AISA，AIS由在接地電介質上的金屬條帶的線性陣列組成。

(2)Sievenpiper，Colburn和Fong(見例如D.Sievenpiper等人，“Holographic AISs for conformal antennas”，29th Antennas Applications Symposium，2005&2005IEEE Antennas and Prop.Symp.Digest，vol.1B，pp.256-259，2005；和B.Fong等人，“Scalar and Tensor Holographic Artificial Impedance Surfaces”，IEEE TAP.，58，2010)已經使用波導饋送或偶極饋送、二維空間調制的AIS的平坦和彎曲表面兩者展示標量和張量AISA，AIS由頂部有金屬片網格的接地電介質組成。

(3)Gregoire(見，例如，D.J.Gregoire和J.S.Colburn，“Artificial impedance surface antennas”，Proc.Antennas Appl.Symposium 2011,pp.460-475；D.J.Gregoire和J.S.Colburn，“Artificial impedance surface antenna design and simulation”，Proc.Antennas Appl Symposium 2010，pp.288-303)已經檢查了AISA操作對其設計性質的依賴性。

AISA操作的基本原理是使用調制的AIS的網格動量來將激勵的表面波前的波矢匹配到期望的平面波。在一維情況下，這可以表達為

k_sw＝k₀sinθ₀-k_p, (公式1)

其中k₀是在設計頻率處輻射的自由空間波數，θ₀是期望的輻射相對于AIS法線的角度，k_p＝2π/p是AIS網格動量，其中p是AIS調制周期，以及k_sw＝n₀k₀是表面波的波數，其中n₀是在AIS調制上平均的表面波折射率。表面波(SW)阻抗被典型的選擇成具有一種圖案，其根據以下公式其沿著表面波波導(SWG)正弦調制SW阻抗：

Z(x)＝X+M cos(2πx/p) (公式2)

其中p是調制周期，X是平均阻抗，以及M是調制振幅。X，M和p被選擇成使得在x-z平面上相對于z軸的輻射角度θ由以下確定

θ＝sin^-1(n₀-λ₀/p) (公式3)

其中n₀是平均SW折射率以及λ₀是自由空間輻射波長，n₀通過以下與Z(x)有關

公式2的AISA阻抗調制能夠被引申用于具有如下的任何形狀的AISA

其中是期望的輻射波矢量，是AIS的三維位置矢量，以及r是沿著AIS從表面波源到沿著AIS表面上的短程線的的距離。該表達式能夠用于確定任何幾何形狀的，平的、圓柱形的、球狀的或任何任意形狀的AISA的折射率調制。在一些情況下，確定r的值是幾何上復雜的。對于平的AISA，其簡單的是

對于設計成輻射入在的波矢的平的AISA，在表面波源位于x＝y＝0時，調制函數是

Z(x,y)＝X+Mcosγ

其中γ＝k₀(n₀r-x sinθ₀) (公式4)

公式2和公式3中的cos函數能夠被任何的周期函數替換并且AISA仍如所設計的操作，但是會影響旁瓣、帶寬和波束傾斜的細節。

AIS能夠被實現為設置在接地電介質上的金屬片網格，通過根據函數來變化片的尺寸以產生期望的折射率調制，其中該函數使片尺寸與表面波折射率相關。能夠使用仿真、計算和/或測量技術來確定折射率和片尺寸之間的相關性。例如，Colburn和Fong(見上文引用的參考文獻)使用HFSS單位單元(unit cell)特征值仿真和測試板的近場測量的組合來確定它們的相關函數。由Luukkonen提出的快速逼近方法(見例如，O.Luukkonen等人，“Simple and accurate analytical model of planar grids and high impedance surfaces comprising metal strips or patches”，IEEE Trans.Antennas Prop.，vol.56,1624，2008)也能夠用于計算相關性。然而，經驗修正因子經常應用到這些方法中。在許多情況中，這些方法與HFSS特征值仿真和近場測量非常一致。當片尺寸與基底厚度相比是大的，或者當每單位單元的表面波相移接近180°時，它們失效。

圓極化AIS天線

通過使用阻抗性質是各向異性的阻抗表面，能夠使AIS天線以圓極化(CP)輻射操作。數學上，在AIS上的每個點處由張量描述阻抗。在用于線極化AISA[4]的公式(3)的調制函數一般化中，CP AISA的阻抗張量可以具有如下形式

其中

在上面標出的B.Fong等人的文章中，采用在接地電介質基底上的各向異性金屬片來實現張量阻抗。該片是各種尺寸的正方形，具有通過其中央的切片。通過變化片的尺寸和通過它們的切片的角度，能夠跨整個AIS上產生期望的公式5的張量阻抗。除了“被切片的片”之外的其他類型的張量阻抗元件能夠用于產生張量AIS。

表面波波導AIS天線

AIS天線上的變化利用表面波波導來限制表面波沿著形成一維ES AISA的窄路徑。表面波波導(SWG)是約束表面波(SW)沿著限制路徑傳播的表面結構(見，例如D.J.Gragoire和A.V.Kabakian，“Surface-Wave Waveguides，”Antennas and Wireless Propagation Letters，IEEE，10,2011，pp.1512-1515)。在最簡單的SWG中，該結構以與光纖傳輸線與光相互作用相同的方式與表面波相互作用。物理原理是相同的：波優先傳播在由低折射率區域圍繞的高折射率區域中。在光纖或任何電介質波導的情況下，由高和低介電常數材料實現高和低折射率區域。在SWG的情況下，能夠用在電介質基底上的具有變化的尺寸和/或形狀的金屬片來實現高和低折射率區域。

當SWG的寬度小于大約3/4的表面波波長時，跨SWG的寬度上的表面波場是相當地均勻的。因此，這對于SWG是好的經驗法則。

在線極化的SWG AISA中，SWG的阻抗根據公式2而變化。阻抗元件能夠是基底上的正方形金屬片，或者它們能夠是跨越SWG的寬度的條帶。通過隨著位置變化該阻抗元件尺寸的大小來產生期望的阻抗調制。

在圓極化SWG中，張量阻抗根據φ＝0時的公式5變化。阻抗元件能夠是如B.Fong等人描述的被切片的片(見上文參考的B.Fong等人的文章)。阻抗元件尺寸隨位置變化以實現期望的阻抗變化。

技術實現要素：

在一個方面，本發明提供了一種雙極化、圓極化人工阻抗表面天線，包括：(1)兩個相鄰的張量表面波波導(SWG)；(2)耦合到該兩個SWG的每個的波導饋端；(3)具有輸出端口的混合耦合器(其優選地是90°耦合器)，混合耦合器的每個輸出端口都連接到耦合到該兩個SWG的波導饋端，在使用中，混合耦合器將來自混合耦合器的輸入端口的信號在其輸出端口與相移組合。

在另一方面，本發明提供了一種同時發射兩個旋向相反的圓極化的RF信號的方法，包括如下步驟：(i)提供一種電介質表面，在其一側具有接地平面，并且具有一對伸長的人工阻抗表面天線，每個所述人工阻抗表面天線都包括設置在所述電介質表面的金屬幾何條帶或形狀的圖案，金屬幾何條帶或形狀具有變化的尺寸，其形成重復的莫爾圖案，所述對的伸長的人工阻抗表面天線的每個的莫爾圖案都具有關于所述對伸長的人工阻抗表面天線的主要軸的角度關系，所述對的伸長的人工阻抗表面天線的第一個與所述主要軸具有正的角度關系以及所述對的伸長的人工阻抗表面天線的第二個與所述主要軸具有負的角度關系；以及(ii)向所述對的伸長的人工阻抗表面天線施加RF能量，施加到所述對伸長的人工阻抗表面天線的所述RF能量具有不同的相對相位，其選擇成使得由所述對伸長的人工阻抗表面天線發射的RF信號是圓極化的。

在又另一方面，本發明提供了一種同時接收兩個旋向相反的圓極化的RF信號的方法，包括如下步驟：(i)將由兩個SWG接收的信號發送入3dB 90度混合耦合器的兩個輸入端口，耦合器也具有兩個輸出端口；以及(ii)從混合耦合器的兩個輸出端口提取LHCP和RHCP信號。

附圖說明

圖1a是設置在印刷電路板上的本發明的一個實施方案的俯視圖，而圖1b是其側視圖。

圖2是可與本發明一起使用的SWG的另一個實施方案的示意圖。

圖3是可與本發明一起使用的SWG的又另一個實施方案的示意圖。

具體實施方式

本發明提供了一種用于具有同時右旋圓極化(RHCP)和左旋圓極化(LHCP)操作的雙極化、圓極化的AISA的解決方案。

參考圖1a和1b，本發明的一個可能的實施方案包括一對線極化SWG101和102以形成AISA。兩個SWG 101、102的極化優選地相對于彼此旋轉90°。SWG 101、102連接到3dB 90°混合耦合器103的端口C和D，其操作在現有技術中是很好理解的(見，例如，www.microwaves101.org/encyclopedia/hybridcouplers.cfm)。在端口C和D處的信號是在端口A和B處的信號的總和，分別優選地在它們之間具有90°或-90°相移。來自兩個SWG101、102的輻射與極化上的90°旋轉以及相位上的90°分離的組合導致圓極化輻射。已知的是，圓極化輻射能夠通過將來自兩個天線的輻射與在它們之間具有90°相移的正交極化進行組合而產生。采用RHCP極化來發射或接收連接到端口A的信號，而同時采用LHCP極化來發射或接收連接到端口B的信號。發射-接收(TR)開關104根據開關104的位置實現發射或接收模式中的每個極化的獨立操作。該兩個通道由常規的前端電子器件105在接收模式中處理，并且該兩個通道在發送模式中通過常規的前端電子器件105再次提供發射信號。常規的前端電子器件105可在具有雙輸入(R1和R2)和雙輸出(T1和T2)的收發器中體現或通過其來體現，或者在分離的發射器和接收器中體現或通過其來體現，或者在RF發射/接收模塊中體現或通過其來體現。

每一個SWG 101、102都是張量阻抗元件106的線性陣列，其優選地以與SW電場的極化(在圖1中標記的x軸上，x軸也是兩個SWG 101、102的共同伸長的主要軸(“major axis”)或軸)成±45°的角度的極化來輻射。張量元件106優選地是印刷或以其他方式形成在電介質基底109的頂表面上的金屬形狀，電介質基底109優選地具有設置在電介質基底109的相對(下側)表面的接地平面111。金屬形狀能夠是如圖1a和圖2所示的條帶，或者它們能夠是如圖3所示的裂縫正方形。如果期望，其它導電形狀能夠可替代地被利用為張量阻抗元件106。與前端電子器件105相關的地電勢在電介質基底109的底側上與接地平面111耦合。SWG 101、102應優選地間隔開足夠的距離，使得與SWG相鄰的場不與彼此耦合。實際上，SWG 101、102之間的分離距離優選地為至少1/4λ。

張量阻抗元件106能夠由設置在電介質基底109的頂側上的金屬條帶提供，其中一個通道中的張量阻抗元件106優選地相對于x軸成+45°角度，并且在另一個通道中的條帶的傾斜角度被設定為相對于該相同軸為-45°。傾斜角度的該變化產生不同線極化的輻射，當經由90°混合器103與90°相移組合時，其在發射模式中產生圓極化輻射或者在接收模式中允許圓極化輻射的接收。阻抗元件也可以是正方形片，正方形片具有通過它們的切片，如B.Fong等人在“Scalar and Tensor Holographic Artificial Impedance Surfaces”中描述的，如上文指出的。這種實施方案通過圖3描繪。

電介質基底109可以優選地由印刷電路板(PCB)材料制成，其具有優選地設置在其兩個主要表面上的金屬導體(例如銅)，在頂表面或上表面上的金屬導體使用常規的PCB加工技術圖案化，以從初始形成在PCB的上表面上的金屬導體限定上述張量阻抗元件106。形成在PCB的下表面的金屬導體于是將成為接地平面。

在發射操作中，前端電子器件105從其發射通道(T1和T2)向兩個TR開關104的發射連接發送兩個獨立信號。TR開關104將兩個發射信號發送到90°混合耦合器103的端口A和B。如果端口A和B處的電壓是V_A和V_B，則端口C和D處的電壓V_C和V_D分別是和其中并且代表90°相移。

來自90°混合耦合器103的端口C和D的信號經過可選的同軸線纜110至連接到表面波(SW)饋端108的端部發射印刷電路板(PCB)連接器107。如果耦合器103直接連接到SW饋端108，則可以省略同軸線纜110和連接器107。如果利用同軸線纜110，則它們各自的中央導體連接到SW饋端108，而它們的屏蔽導體連接到接地平面111。替代于使用同軸線纜110將耦合器103的輸出連接到饋端108，可替代地通過矩形波導、微波傳輸帶、共面波導(CPW)等來提供兩者之間的鏈路。SW饋端108優選地在經由端部發射連接器107(如果利用的話)連接到耦合器103的端部處具有50Ω的阻抗。SW饋端108從一個端部優選地以指數曲線張開，直到它的寬度與SWG 101、102的寬度匹配。SW饋端108跨它們的寬端部將有均勻場的表面波發射到SWG 101、102中。SW饋端108優選地以與形成張量阻抗元件106相同的技術形成(即，通過從典型的PCB上找到的金屬導體形成它們)。SWG 101、102的寬度優選地在SWG 102、102的一個(或多個)工作頻率的1/8至2個波長之間。

SWG 101、102優選地由一系列金屬張量阻抗元件106組成，所述金屬張量阻抗元件的側面優選地成45°的角度或具有如上文指出的如圖3的實施方案中相對于SWG軸(圖1中的x軸)的成角度的切片。切片相對于SWG 101、102軸的主要軸成±45°角度，使得阻抗張量的主軸(“principal axis”)與切片對齊。應當指出的是，具有成角度的切片或側面的一系列金屬張量阻抗元件106可以相對于SWG軸(圖1中的x軸)以不同于±45°的其它角度成角度，但是在那種情況下，混合耦合器103在其輸出處必須具有不同于90度的相移。這種混合耦合器103不被認為是商業上可獲得地，因此它將是用戶定制設計的耦合器，但是如果期望，這種耦合器可以被設計和制造。因此，為金屬張量阻抗元件106的角度(或如在圖3的實施方案中的切片或側面的角度)設定的相對于SWG軸±45(圖1中的x軸)的角度是優選的，因為那些角度被認為與用于元件103的商業可獲得的混合耦合器是兼容的。

各個金屬張量阻抗元件106的寬度典型地比它們形成的SWG101、102的寬度窄很多。在圖1中，各個金屬張量阻抗元件106的寬度大約平均為SWG101、102的寬度的l/7。典型地，各個金屬張量阻抗元件106將沿著SWG101、102的長度遠離彼此間隔開1/20至1/5的波長。各個金屬張量阻抗元件106的寬度沿SWG局部地確定SW傳播阻抗。張量阻抗元件106的寬度隨著沿SWG的距離而變化，使得SW阻抗根據公式(公式2)被調制，以便令輻射圖案沿由公式(公式3)確定的、相對于圖1指出的x-z平面的z軸成角度θ指向。在圖1中能夠以顯著的莫爾圖案看到張量阻抗元件106的寬度的這種變化，其中莫爾圖案是由張量阻抗元件106寬度的改變引起的。無論SWG多長，該圖案都沿著SWG的長度連續地重復它本身。SWG 101、102的長度將取決于涉及天線的工程參數的許多因素，諸如期望的輻射波束寬度、增益、瞬時帶寬、孔徑效率等。典型地SWG101、102的長度將落于在SWG101、102的工作頻率處的2至30個波長的范圍內。

阻抗元件幾何形狀(例如條帶寬度)和SW阻抗之間的關系是很好理解的。見上文標出的Patel、Sievenpiper、Colburn、Fong和Gregoire的論文。

在SWG101中的金屬張量阻抗元件106與在另一個SWG102中的張量阻抗元件106相反的方向上成角度。來自該兩個SWG的輻射將在跨條帶之間的間隙的方向上被極化。因此，由圖1描繪的兩個SWG 101、102的輻射將彼此正交。當使用混合功率分配器103將90°相移差施加于饋端108時，來自兩個SWG101、102的組合的凈輻射被圓極化。然而,如上文指出的，如果采用用戶定制設計的耦合器103，則相對于x軸的針對于金屬張量阻抗元件106的其它角度(則45°)能夠被利用，并且得到的極化仍會是極性的。

來自每個SWG101、102的輻射都被如此的極化，是因為傾斜的金屬條帶是張量阻抗元件106，其主要主軸垂直于條帶的長邊緣，而次要軸沿著它們。SWG在主軸坐標框架中的局部張量導納為

其中Y(x)由施加到位置x處的金屬條帶的電壓確定。于是SW電流是

其是沿著主要主軸的，主要主軸垂直于形成張量阻抗元件106的條帶的長邊緣。輻射由根據以下的SW電流驅動

并且因此在跨條帶之間的間隙的方向上極化。

圖1示出了本發明的用于12GHz版本的輻射單元的優選的實施方案。一切被縮放至在12GHz處的自由空間波長為SWG 101和102優選地為1/2λ₀寬。指數級漸小的表面波饋端108優選地為2λ₀長。張量阻抗元件106的周期

圖2示意了優選的實施方案，其中RF饋送組件108也設置在SWG的另一處，具有附接于端部的RF終端201。這防止表面波從AISA的端部反射，從AISA的端部反射的表面波會導致輻射圖案中的不期望的畸變。

這就完成了本發明的實施方案的描述。現在應當明顯的是，本發明涉及以下特征和概念：

概念1：一種雙極化、圓極化人工阻抗表面天線包括：兩個相鄰的張量表面波波導(SWG)；耦合到該兩個SWG的每個的波導饋端；以及具有輸出端口的混合耦合器，混合耦合器的每個輸出端口都連接到耦合到該兩個SWG的波導饋端，在使用中，混合耦合器將來自90°混合耦合器的輸入端口的信號在其輸出端口與相移組合。

概念2：概念1的天線，其中SWG金屬張量阻抗元件設置在公共基底上。

概念3：概念1和/或2的天線，其中相鄰SWG上的張量阻抗元件具有它們相對于彼此旋轉90°的阻抗張量的主軸，并且其中混合耦合器是90°混合耦合器。

概念4：概念1-3中任一個或多個的天線，其中SWG包括以伸長陣列設置在電介質片的頂表面上的金屬條帶或片，電介質片具有在其底表面的接地平面。

概念5：概念1-4中任一個或多個的天線，其中SWG是伸長的，并且每個都具有在SWG的工作頻率的1/8至2個波長之間的寬度，并且每個都具有在SWG的所述工作頻率的2至30個波長之間的長度。

概念6：概念1-5中任一個或多個的天線，其中每個SWG都包括相對于SWG的共同伸長方向以一定角度傾斜的金屬條帶。

概念7：概念6的天線，其中所述金屬條帶相對于SWG的所述共同伸長方向以45°角度設置。

概念8：概念7的天線，其中在一個SWG中的所述金屬條帶相對于在另一個SWG中的所述金屬條帶以90°角度設置。

概念9：概念8的天線，其中所述金屬條帶沿著每個SWG的長度分布。

概念10:概念1-9中的任一個或多個的天線，其中SWG包括阻抗元件，該阻抗元件沿著SWG的長度以1/20至1/5的波長的周期遠離彼此間隔開。

概念11：概念1-10中的任何一個或多個的天線，其中SWG包括阻抗元件，阻抗元件由它們的形狀配置以根據以下來產生調制阻抗圖案：

Z(x)＝X+M cos(2πx/p)

其中p是調制周期，X是平均阻抗，以及M是調制振幅，X、M和p能夠被調諧，使得在x-z平面上相對于z軸的輻射角度θ根據以下掃描

θ＝sin^-1(n₀-λ₀/p)

其中n₀為平均SW折射率，以及λ₀為自由空間輻射波長以及n₀通過以下與Z(x)有關

概念12：概念1-11中的任一個或多個的天線，其中SWG包括阻抗元件，阻抗元件由片形成，片具有通過它們的切片，并且其中所述切片相對于SWG的主要軸成45°角度，以形成阻抗張量，該阻抗張量具有與所述切片對齊的阻抗張量主軸。

概念13：一種同時發射兩個旋向相反的圓極化的RF信號的方法，包括如下步驟：

提供一種電介質表面，在其一側具有接地平面，并且具有一對伸長的人工阻抗表面天線，每個所述人工阻抗表面天線都包括設置在所述電介質表面的金屬幾何條帶或形狀的圖案，金屬幾何條帶或形狀具有變化的尺寸，其形成重復的莫爾圖案，所述對的伸長的人工阻抗表面天線的每個的莫爾圖案都具有關于所述對伸長的人工阻抗表面天線的主要軸的角度關系，所述對的伸長的人工阻抗表面天線的第一個與所述主要軸具有正的角度關系以及所述對的伸長的人工阻抗表面天線的第二個與所述主要軸具有負的角度關系；以及

向所述對的伸長的人工阻抗表面天線施加RF能量，施加到所述對伸長的人工阻抗表面天線的所述RF能量具有不同的相對相位，其選擇成使得由所述對伸長的人工阻抗表面天線發射的RF信號是圓極化的。

概念14：概念13的方法，其中該對伸長的人工阻抗表面天線的重復莫爾圖案關于主要軸具有45度的角度關系，重復莫爾圖案的一個關于主要軸具有正45度的角度關系以及重復莫爾圖案的另一個關于主要軸具有負45度的角度關系并且其中施加到所述對伸長的人工阻抗表面天線的RF能量的相位具有相對90°的相差。

概念15：一種同時接收兩個旋向相反的圓極化的RF信號的方法，包括如下步驟：將由兩個SWG接收的信號發送入耦合器的兩個輸入端口，耦合器也具有兩個輸出端口；以及從混合耦合器的兩個輸出端口提取LHCP和RHCP信號。

概念16：概念15的方法，其中耦合器是3dB 90度混合耦合器。

為了示意和描述的目的，已經呈現了所公開的實施方案的上述描述及其制造方法。其并不旨在窮舉或將本發明限于所公開的精確形式或方法。根據上述教導，許多修改和變化是可能的。其旨在本發明的范圍不受該具體實施方式或上文陳述的概念的限制，而是受其所附的權利要求的限制。

優選地包括本文描述的所有元件、部件和步驟。應當理解，對于本領域技術人員顯而易見的是，這些元件、部件和步驟中的任何一個可以被其它元件、部件和步驟替換或者完全刪除。

廣義地，該文書至少公開了以下內容：

一種雙極化、圓極化人工阻抗表面天線具有兩個相鄰的張量表面波波導(SWG)，耦合到兩個SWG的每個的波導饋端以及具有輸出端口的混合耦合器，混合耦合器的每個輸出端口都連接到耦合到該兩個SWG的波導饋端。在使用中，混合耦合器將來自90°混合耦合器的輸入端口的信號在其輸出端口與相移組合。