電子可控的人工阻抗表面天線的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請與2010年11月3日提交的序列號為12/939, 040的美國專利申請以及2011 年9月23日提交的序列號為13/242, 102的美國專利申請相關，其全部內容通過引用結合 在本申請中。本申請還與2013年7月3日提交的序列號為13/934,553的美國專利申請相 關，并要求其優先權，其全部內容通過引用結合在本申請中。
技術領域
[0003] 本公開涉及人工阻抗表面天線（Artificial Impedance surface antenna，簡稱： AISA)。具體地，本公開設計一種低成本、2D、電子可控的人工阻抗表面天線。
【背景技術】
[0004] 很多應用場景都需要主增益瓣二維電子可控的天線。在現有技術中，二維控制最 普通地由相控陣列天線提供。相控陣列天線具有復雜的電子器件，因此造價十分高昂。
[0005] 在現有技術中，描述了各種電子可控的人工阻抗表面天線（AISA)，其具有一維電 子控制功能，且包括 Sievenpiper 的美國專利 US7, 245, 269, US7, 071，888 和 US7, 253, 780 所述的AISA。這些天線在某些應用場景中是有用的，但是并不適用于需要二維控制的所有 應用場景。在某些應用場景中，可用采用機械控制來提供對一維電子可控天線的二維控制。 然而，還有很多應用場景并不需要機械控制。Sievenpiper所描述的天線同樣需要可以為變 容二極管提供電壓控制的途徑。
[0006] Lai和Colburn于2013年5月7日提交的美國專利US8, 436, 785描述了一種二維 電子可控AISA。Lai和Colburn公開的天線成本較高，且電子設計復雜。這是因為需要在 二維上將電壓控制的復雜網絡控制到阻抗元件的二維陣列，以此可以產生任意阻抗圖形， 從而實現任何方向上的波束控制。
[0007] 通過在人工阻抗表面（AIS)發射表面波，實現人工阻抗表面天線（AISA)，其阻抗 可以根據在AIS上的表面波與需要的遠場輻射圖的相前匹配的函數在AIS上進行空間調 制。
[0008] 在前述的參考文獻中，如下所列，參考文獻[1]_[6]描述了由調制的人工阻抗表 面形成的人工阻抗表面天線（AISA)。Patel [1]展示了標量使用端射、光暈饋送的一維空間 調制的AIS，其由接地的電介質的金屬片線性陣列構成。Sievenpiper、Colburn和Fong的 參考文獻[2]_[4]展示了平面和曲面上的標量和張量AISA，其使用波導或雙極饋送的二維 空間調制的AIS，該AIS由頂部具有有金屬貼片網格的接地電介質構成。Gregoire的參考 文獻[5]-[6]研究了 AISA操作對于其設計性能的依賴程度。
[0009] 參考圖1，AISA操作的基本原理是利用被調制的AIS的網格動量，將激發表面波前 端的波矢量匹配到需要平面波。在一維情形下，其可以表示為：
[0011] 其中，k。是設計頻率上的輻射的自由空間波數；Θ。是相對于AIS標量的需要的輻 射的角度；kp= 2 Jr /p是AIS網格動量，其中p為AIS調制周期；k sw= η九是表面波的波 數，其中為AIS調制中的平均表面波的折射率。所述表面波阻抗通常選擇為具有根據下式 沿著SWG正弦調制表面波阻抗的模式：
[0013] 其中，ρ是調制的周期，X為平均阻抗，Μ為調制幅度。選擇X、Μ和ρ，使得相對于 Ζ軸的Χ-Ζ平面的輻射角Θ由下式確定：
[0015] 其中，η0是平均表面波指數，λ。是輻射的自由空間波長。η。與Ζ(χ)通過下式相 關：
[0017] 對于任何形狀的AISA，等式（2)中的AISA阻抗調制可以總結為：
[0019] 其中，?,是需要的輻射波矢量，ρ是AIS的三維位置矢量，r是沿著AIS從表面波源 到沿著AIS表面的地線P之間的距離。該表達式可以用于確定任何幾何形狀、包括扁平狀、 圓柱狀、半球狀或其他任意形狀的AISA的指數調制。在某些情況下，確定r的值在幾何學 上是較為復雜的。
[0020] 對于扁平的AISA來講，r值的確定比較簡單：
[0021] 對于設計用于在
時，輻射到波矢量的扁平AISA，表面波 源定位于X = y = 0,調制函數為：
[0023] 等式⑵中的余弦函數可以由任何周期函數取代，且AISA將仍然如其所設計而運 行。但是，旁瓣的細節，帶寬以及波束偏斜都將會受到影響。
[0024] AIS可以實現為接地電介質上的金屬貼片的網格。通過根據將貼片大小與表面波 指數關聯的函數改變貼片的大小，可以實現所需的指數調制。指數與貼片大小之間的關聯 可以通過仿真、計算和/或測量技術實現。例如，Corburn[3]和Fong[4]使用了測試板的 HFSS元胞邊界特征值仿真和近場測量，從而確定其關聯性函數。Luukkonen[7]提供的快速 近似方法同樣可以用于計算該關聯性。然而，在這些方法中，通常會應用經驗校正因子。在 許多體系中，這些方法與HFSS特征值仿真和近場測量非常匹配。當貼片大小相較于基板厚 度較大時，或者當每單元胞表面波的相位偏移達到180度時，這些方法會失效。在現有技術 [8]和[9]所述的電子可控AIS天線中，AIS為電介質基板上的金屬貼片的網格。通過給連 接于每個貼片之間的電壓可變變容二極管施加可變電壓，可以在AIS上的每個位置實現表 面波阻抗的局部控制。眾所周知，AIS的表面波阻抗可以調諧，使得電容負載載入阻抗元件 [8]和[9]之間。每個貼片與具有電壓可變變容二極管電容器的四面上的相鄰貼片電性連 接。通過與每個阻抗元件貼片連接的電通路，將電壓施加到變容二極管。一半的貼片與接 地面電連接，接地面具有自每個貼片中心向下延伸穿過電介質基板的通路。剩下一半貼片 與電壓源電連接，穿過基板且穿過接地面上的孔，到達電壓源。
[0025] 在變容二極管可調性限制和AIS表面波屬性限制內，計算機控制允許任何需要的 阻抗模式應用到AIS中。該方法的局限性之一在于，通路可以大大減少AIS的操作帶寬，這 是因為通路還可以將電感傳遞到AIS上，從而將表面波帶隙切換到低頻上。隨著變容二極 管調諧到更好的電容，AIS電感增加，從而進一步降低表面波帶隙頻率。表面波帶隙的最終 結果為，不允許AIS在上述帶隙頻率之上使用。這同時也限制了 AIS可調到的表面波阻抗 的范圍。
[0026] 參考文獻
[0027] 1. Patel, A.M. ；Grbic, A. , Printed Leaky-ffave Antenna Based on a Sinusoidally-Modulated Reactance Surface，''Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 59, no. 6, pp. 2087, 2096, June 2011
[0028] 2.D.Sievenpiper et al，"Holographic AISs for conformal antennas"，29th Antennas Applications Symposium, 2005
[0029] 3. D. Sievenpiper, J. Colburn, B. Fong, J. Ottusch and J. Visher. , 2005 IEEE Antennas and Prop. Symp. Digest, vol. IB, pp. 256-259, 2005.
[0030] 4. B. Fong et al ;，''Scalar and Tensor Holographic Artificial Impedance Surfaces，"IEEE TAP.，58, 2010
[0031] 5. D. J. Gregoire and J. S. Colburn, Artificial impedance surface antennas,Proc. Antennas Appl. Symposium 2011,pp. 460-475
[0032] 6. D. J. Gregoire and J. S. Colburn, Artificial impedance surface antenna design and simulation, Proc. Antennas Appl. Symposium 2010, pp. 288-303
[0033] 7. 0. Luukkonen et al, "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
[0034] 8. Colburn, J. S. ；Lai, A. ；Sievenpiper, D. F. ；Bekaryan, A. ；Fong, B. H.； Ottusch, J.J. ；Tulythan,P. ;，"Adaptive artificial impedance surface conformal antennas，"Antennas and Propagation Society International Symposium,2009. APSURSI' 09. IEEE，vol.，no.，pp. 1-4, 1-5 June 2009
[0035] 9. Sievenpiper, D. ；Schaffner, J. ；Lee, J. J. ；Livingston, S. ;，〃A steerable leaky-wave antenna using a tunable impedance ground plane，''Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, vol. 1, no. 1, pp. 179-182, 2002.
[0036] 急需提供一種成本低并可以實現二維操控的電子可控的人工阻抗表面天線 (AISA)。本公開的實施例解決了上述問題和需求。
【發明內容】
[0037] 根據本說明書公開的第一實施例，提供了一種可控的人工阻抗表面天線，其在Φ 及Θ角可控，所述天線包括：電介質基板；位于所述電介質基板的第一表面上的多個金屬 帶，所述金屬帶在所述電介質基板的長度上相互間隔設置，每個金屬帶都沿著所述電介質 基板的寬度延伸；靠近所述電介質基板邊緣，沿著所述電介質基板的寬度相互間隔設置的 表面波饋送；其中，所述電介質基板基本上位于由X軸和Y軸構成的χ-γ平面內；所述Φ角 為相對于所述X軸的Χ-Υ平面內的角度；所述θ角為相對于與所述Χ-Υ平面正交的Ζ軸的 角度。
[0038] 根據本說明書公開的另一實施例，提供了一種可控的人工阻抗表面天線，其在φ 及Θ角可控，所述天線包括：電介質基板；位于所述電介質基板的第一表面上的多個金屬 帶，所述金屬帶在所述電介質基板的長度上相互間隔設置，所述金屬帶具有平均間隔的中 心，所述金屬帶在寬度上以周期Ρ發生變化，每個金屬帶都沿著所述電介質基板的寬度延 伸；靠近所述電介質基板邊緣，沿著所述電介質基板的寬度相互間隔設置的表面波饋送； 其中，所述電介質基板基本上位于由X軸和Υ軸構成的Χ-Υ平面內；所述Φ角為相對于所述 X軸的Χ-Υ平面內的角度；所述θ角為相對于與所述Χ-Υ平面正交的Ζ軸的角度。
[0039] 結合上述詳細描述和附圖，上所述的和其他的特征和優點更加清楚。在附圖和說 明書中，附圖標記表示各個特征，其中，在附圖和說明書中，相同的附圖標記指代相同的特 征。
【附圖說明】
[0040] 圖1示出了現有技術中自與調制阻抗交互的源向外傳播表面波，以在窄波束中產 生輻射。
[0041] 圖2Α示出了電子可控的人工阻抗表面波天線（AISA)，圖2Β示出了本公開的AISA 的側視圖。
[0042] 圖3為球坐標系的圖示，其示出了到現有技術的笛卡爾坐標的角度和變換。
[0043] 圖4示出了本公開的另一種電子可控的人工阻抗表面天線（AISA)。
[0044] 圖5示出了本公開的再一種電子可控的人工阻抗表面天線（AISA)。
[0045] 圖6示出了本公開的AISA的另一種側視圖。
[0046] 圖7不出了本公開的AISA的再一種側視圖。
【具體實施方式】
[0047] 以下描述中，詳盡清楚的描述了本公開的各具體實施例。然而，本領域技術人員可 以理解，即使沒有下文給出的所有具體細節，也可以實施此處主張的發明。在其他實例中， 并未對公知的特征進行描述，以免使得本發明難以理解。
[0048] 圖2示出了本公開提供的電子可控的人工阻抗表面天線（AISA)，其成本相對較 低，且可以在Θ角和φ角方向上可控。圖3為球坐標系的圖示，圖中示出了 Θ角和φ角。 在圖3中，平角為Χ-Υ平面內的角，Θ角為自ζ軸形成的角。因為本發明的電子可控的人 工阻抗表面天線（AISA)的主增益瓣在Θ角和φ角方向上均可控，本領域的技術人員可以 稱之為2D電子可控的人工阻抗表面天線（AISA)。
[0049] 圖2A所示的電子可控的人工阻抗表面天線（AISA)包括可調控制網絡102和一維 (1D)射頻（RF)饋送網絡103。當可調人工阻抗表面天線（AISA) 101在圖3所示的X-Y平 面內時，通過改變ID RF饋送網絡103的RF表面波饋送108之間的相對相位差，來對電子 可控的人工阻抗表面天線（AISA)的主增益瓣的操控進行控制。通過改變或調制可調人工 阻抗表面天線（AISA) 101的表面波阻抗，來控制Θ角操控。
[0050] 圖2Α所示的實施例中的人工阻抗表面天線（AISA) 101包括電介質基板106,電介 質基板106表面的金屬帶107所構成的周期陣列，電連接在金屬帶107之間的變容二極管 109,以及RF表面波饋送108的1D陣列。通過控制施加到可調人工阻抗表面天線（AISA) 101 的金屬帶107的電壓，來改變或調制AISA 101的阻抗。金屬帶107上的電壓改變了位于金 屬帶107之間的變容二極管的電容，這樣一來，就改變了 AISA 101的阻抗，從而在Θ角方 向上操控主增益瓣。
[0051] 電壓控制網絡102施加直流（DC)電壓到AISA結構上的金屬帶107。控制總線105 為電壓控制網絡102提供控制功能。控制總線105可以來自微處理器，中央