天线系统及其用途

天线系统及其用途
【专利摘要】公开了一种天线系统。该系统包括在平面布置中彼此面对的第一端射天线元件和第二端射天线元件，天线元件被配置成使得在元件的各自的端射辐射之间产生相消干涉，而保持大致垂直于平面布置的相长干涉。
【专利说明】天线系统及其用途
[0001] 相关申请
[0002]本申请要求于2011年5月3日提交的美国临时专利申请第61/481，758号的优先权的利益，其内容通过引用整体并入本文。
[0003]发明领域及背景
[0004]本发明在其某些实施方式中涉及天线系统制造，且更具体地但不是排他地涉及带有两个彼此面对的端射天线元件的天线系统。
[0005]光辐射通常通过使用透镜和反射镜改变它的波前的方向被控制，其容易受到衍射的影响。作为此衍射的结果，光场不能被定位到比光波长小得多的尺寸。
[0006]纳米天线提供了一个解决方案，它们可以有效地将自由空间辐射的能量耦合到亚波长尺寸的密闭区域。虽然射频(RF)天线例如在无线电环境和微波环境中广泛使用，在光学频率方面，它们是一种新型的技术。
[0007]在此以前，已经有大量的工作致力于用于红外线频率和光学频率的纳米天线[Crozier 等人,J.Appl.Phys., 94, 4632 (2003) ; Derkacs 等人,Appl.Phys.Lett., 89, 093103(2006);Kuhn 等人,Phys.Rev.Lett., 96, 017402 (2006);和 Bouhelier等人]。在性能方面，传统的具有宽操作频带的纳米天线具有低辐射效率的特点[Α--等人,Phys.Rev.Lett., 101, 043901 (2008)]。

【发明内容】

[0008]根据本发明的某些实施方式的一个方面，提供了一种天线系统。该系统包括在平面布置中彼此面对的第一端射天线元件和第二端射天线元件，天线元件被配置成使得在元件的各自的端射辐射之间产生相消干涉，而保持大致垂直于所述平面布置的相长干涉。
[0009]根据本发明的某些实施方式，本系统中第一端射天线元件与第二端射天线是相同的。
[0010]根据本发明的某些实施方式，每一个天线元件是具有锥形轮廓的槽型天线元件。[0011 ] 根据本发明的某些实施方式，锥形轮廓通过开口率来表征，所述开口率被选择为使得天线系统的无耻的虚部和实部之间的比率小于50%。
[0012]根据本发明的某些实施方式，开口率是从大约0.0001到大约0.0 InnT1。
[0013]根据本发明的某些实施方式，每一个槽具有根和孔并且相对于连接根和孔且与孔垂直的子午线是对称的。
[0014]根据本发明的某些实施方式，每一个槽具有根和孔并且相对于连接根和孔且与孔垂直的子午线是不对称的。
[0015]根据本发明的某些实施方式，每一个天线元件是维瓦尔第天线元件。
[0016]根据本发明的某些实施方式，第一和第二天线元件由金属制成，所述金属通过预定的光频率的趋肤深度来表征并且其中天线元件的厚度是趋肤深度的至少2倍。
[0017]根据本发明的某些实施方式，第一和第二天线元件被至少一个空气间隙分开。
[0018]根据本发明的某些实施方式，间隙的宽度被选择以便允许在横向光学模式发出福射同时抑制高光模式。
[0019]根据本发明的某些实施方式，间隙宽度至少是10nm。
[0020]根据本发明的某些实施方式，系统包括耦合到间隙的波导。
[0021 ] 根据本发明的某些实施方式，波导是平行板波导。
[0022]根据本发明的某些实施方式，第一和第二端射天线元件中的至少一个沿元件的至少一个维度具有纳米尺寸。根据本发明的某些实施方式，第一和第二端射天线元件中的至少一个沿所述元件的最大维度具有纳米尺寸。
[0023]根据本发明的某些实施方式的一个方面，提供了一种天线阵列。该阵列包括多个天线系统，所述天线系统如上所述并且可选地如下进一步例证的。
[0024]根据本发明的某些实施方式，天线系统的至少一部分相对于端射辐射的特征方向串联连接。
[0025]根据本发明的某些实施方式，天线系统的至少一部分相对于端射辐射的特征方向并联连接。
[0026]根据本发明的某些实施方式，天线系统通过直流连接被连接。
[0027]根据本发明的某些实施方式的一个方面，提供了一种检测电磁辐射的方法。该方法包括:生成所述辐射与天线系统或阵列相互作用的条件，所述天线系统或阵列如上所述并且可选地如下进一步例证的；和收集由天线系统生成的电信号。
[0028]根据本发明的某些实施方式的一个方面，提供了一种发射电磁辐射的方法，包括施加电压到如上所述并且可选地如下进一步例证的天线系统或阵列。
[0029]根据本发明的某些实施方式的一个方面，提供了一种将电磁辐射转换成电力的方法，包括产生所述辐射与如上所述并且可选地如下进一步例证的天线系统或阵列相互作用的条件，并且收集由天线系统生成的电信号。
[0030]根据本发明的某些实施方式，电磁辐射包括在红外范围的辐射。
[0031]根据本发明的某些实施方式，电磁辐射包括在可见光范围的辐射。
[0032]根据本发明的某些实施方式的一个方面，提供了一种光传感器系统，包括如上所述并且可选地如下进一步例证的天线系统或阵列。
[0033]根据本发明的某些实施方式的一个方面，提供了一种光通信系统，包括如上所述并且可选地如下进一步例证的天线系统或阵列。
[0034]根据本发明的某些实施方式的一个方面，提供了一种成像系统，包括如上所述并且可选地如下进一步例证的天线系统或阵列。
[0035]根据本发明的某些实施方式的一个方面，提供了一种光投影仪，包括如上所述并且可选地如下进一步例证的天线系统或阵列。
[0036]根据本发明的某些实施方式的一个方面，提供了一种高次谐波生成系统，包括如上所述并且可选地如下进一步例证的天线系统或阵列。
[0037]根据本发明的某些实施方式的一个方面，提供了一种波混合系统，包括如上所述并且可选地如下进一步例证的天线系统或阵列。
[0038]根据本发明的某些实施方式的一个方面，提供了一种频率转换系统，包括如上所述并且可选地如下进一步例证的天线系统或阵列。根据本发明的某些实施方式，所述频率转换系统被配置用于上变频。根据本发明的某些实施方式，所述频率转换系统被配置用于下变频。
[0039]根据本发明的某些实施方式的一个方面，提供了一种相控阵列，包括如上所述并且可选地如下进一步例证的天线系统或阵列。
[0040]除非另有规定，否则在此使用的所有的技术术语和/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。虽然与这里所描述的相似或相同的方法和材料可用于本发明的实施方式的实践或测试，但示例性的方法和/或材料将会在下面描述。在冲突的情况下，专利说明书(包括定义)将进行控制。另外，材料、方法和实例仅是示例性的并不意在进行必要的限制。
[0041]本发明的实施方式的方法和/或系统的实现可包括通过手动、自动，或其组合来执行或完成选定的任务。此外，根据本发明的方法和/或系统的实施方式的实际的仪器和设备，一些选定的任务可以使用操作系统通过硬件、通过软件、或通过固件或通过其组合来执行。
[0042]例如，根据本发明的实施方式，用于执行选定任务的硬件可以作为芯片或电路来实现。对于软件，根据本发明的实施方式的选定任务可以被实现为由计算机使用任何合适的操作系统来执行的多个软件指令。在本发明的实施方式的示例中，根据这里所描述的方法和/或系统的示例性实施方式的一个或多个任务通过数据处理器执行，例如执行多个指令的计算平台。可选择地，数据处理器包括用于存储指令和/或数据的易失性存储器，和/或非易失性存储器，例如，用于存储指令和/或数据的磁性硬盘和/或可移除介质。可选择地，也提供了网络连接。可选择地，也提供了显示器和/或例如键盘或鼠标的用户输入设备。
【专利附图】

【附图说明】
[0043]这里参考附图仅通过举例的方式描述了本发明的某些实施方式。现在详细参考特定的附图，它强调通过举例的方式且用于图示讨论本发明的实施方式的目的示出特征。在这方面，对于本领域的那些技术人员，结合附图的描述使得如何实践本发明的实施方式变得很明显。
[0044]在附图中:
[0045]图1示出了作为微米级的波长的函数的金的趋肤深度；
[0046]图2A和2B是根据本发明的某些实施方式的天线系统的俯视图(图2A)和侧视图(图2B)的不意图；
[0047]图3是本发明的实施方式中的天线系统的示意图，其中天线系统包括波导；
[0048]图4是根据本发明的某些实施方式的包括天线系统的装置的示意图。
[0049]图5是用于根据本发明的某些实施方式执行的计算机模拟的纳米天线系统的示意图；
[0050]图6A-C示出通过根据本发明的某些实施方式执行的计算机模拟获得的电场分布；
[0051]图7示出了通过根据本发明的某些实施方式执行的计算机模拟获得的输入电阻和电抗；
[0052]图8 A和SB示出了通过根据本发明的某些实施方式执行的计算机模拟获得的辐射效率(图8A)及峰值和宽边实现的增益(图8B)；
[0053]图9A和9B是根据本发明的某些实施方式制造的天线阵列的电子显微镜图像；
[0054]图1OA是根据本发明的某些实施方式的用于表征图9A和9B的天线阵列的实验装置的不意图；
[0055]图1OB示出了在根据本发明的某些实施方式执行的实验中测定的制造的天线阵列的辐射效率；
[0056]图11图示了本发明的实施方式中的天线系统，其中系统只从一侧的端射天线元件之间的间隙处馈电，其中在相反的一侧，元件相互连接在一起；
[0057]图12图示了本发明的实施方式中的天线系统，其中系统包括几何非对称的端射天线元件；
[0058]图13图示了本发明的实施方式中的天线系统，其中一对天线系统被布置为与端射辐射的方向平行；和
[0059]图14A和14B图示了本发明的实施方式中的天线系统，其中多个天线系统被布置为阵列。
[0060]本发明的【具体实施方式】的描述
[0061]本发明在其某些实施方式中涉及天线系统制造，且更具体但不是排他地涉及具有两个互相面对的端射天线元件的天线系统。
[0062]在详细解释本发明的至少一个实施方式之前，应理解，本发明没有必要将其应用局限在下面描述中提出和/或在附图中示出和/或示例中的组件和/或方法的构造和布置的细节。本发明能够具有其他的实施方式或能够用各种方法实践或实施。
[0063]本发明人已经设计出高效的宽带天线系统。本实施方式的天线系统在很多应用中是有用的，包括但不限于，精确跟踪、雷达、通信、能源收集、近场光显微术、谐波的产生和检测。尤其，本实施方式的天线系统在利用超宽带(UWB)辐射的应用中是很有用的。
[0064]这里所用的“UWB辐射”是指具有占有其中心频率至少15%，更优选至少20%，更优选至少25%的带宽的频谱的辐射。
[0065]天线通常由阻抗宽带表征，该阻抗带宽与天线的阻抗基本保持不变(例如，阻抗变化少于20%或少于10%或少于5%)的频率范围Af相关。阻抗带宽通常用根据公式100X Af/fc的百分比表示，其中f。是频谱的中心频率。在本发明的某些实施方式中，UffB辐射有至少100%或至少110%或至少120% (例如129%)的阻抗带宽。
[0066]在本发明的某些实施方式中，UffB辐射具有占有至少2000nm或至少2IOOnm或至少2200nm或至少2300nm或至少2400nm或至少2500nm的带宽的频谱,返回损失超过-9.5dB。
[0067]【背景技术】没有教导高效且宽带(特别是在红外频率)的天线配置。在射频中，通常地，金属天线厚度明显大于趋肤深度。因此，避免具有高电阻的极度薄的导体，其导致低辐射效率。然而，在红外范围内趋肤深度不会随频率增加而单调地减少。
[0068]趋肤深度被定义为Ss=I/α，其中α是复传播常数(也被称为吸收系数)的实数部分。例如，如图1所示，在金中，趋肤深度在红外波段的较大部分保持在大约13nm，并且甚至在可见光光谱开始处增加。因此，对于红外频率，40-50nm (这是趋肤深度的几倍)厚的金，为了实现足够高的辐射效率，纳米天线元件是必须的。
[0069]根据本发明的某些实施方式的天线系统是行波天线。不像在谐振天线中，本实施方式的行波天线的特征是从波导逐渐转变到辐射。本发明人发现这样的逐渐转变导致宽的带宽并提高了效率。在本发明的某些实施方式中天线系统具有锥形几何结构。
[0070]图2A和2B是根据本发明的某些实施方式的天线系统10的俯视图(图1A)和侧视图(沿图1A中的线A-A)的示意图。为了表达清晰，直角坐标系也示于图2A和2B。如图所示，图2A平行于x-z平面而图2B平行于x-y平面。平行于y轴的方向是指厚度方向。
[0071]天线系统10可选择地并且优选提供UWB辐射。
[0072]系统10包括在平面配置中相互面对的第一端射天线元件12和第二端射天线元件14。
[0073]如本文所使用的，端射天线元件通常是指平面天线元件，其从天线元件的边处或在接近天线元件的边处向自由空间或相邻的物质发出辐射，其中最大辐射强度是在元件占据的平面或与此平面实质上平行的平面。
[0074]在本发明的某些实施方式中，多于50%或多于60%或多于70%或多于80%或多于90%的辐射能量从边处或在接近边处发出并且在元件占据的平面或与此平面实质上平行的平面。
[0075]端射天线元件的代表性的实例包括但不限于锥形电介质杆、维瓦尔第天线元件、槽型天线元件、偶极天线元件及相似物。
[0076]元件12和14 一般都是平的并且占据相同的平面。元件12和14优选由金属制成，例如但并不限于金和铝，并且它们可以沉积在电介质基底30上，该电介质基底30可以由例如石英、硅或任何其他电介质材料制成。在本发明的某些实施方式中，元件12和14有相似的形状和尺寸。例如，元件12和14是彼此相同的。
[0077]在本发明的各种示例性实施方式中，元件12和14中的至少一个，优选元件12和14两个都具有纳米尺寸。特别地，元件12和14中的一个或两个的特征长度沿至少一个方向，更优选至少两个方向，是纳米级的。在本发明的某些实施方式中，元件12和/或14的最大尺寸是纳米级的。
[0078]本文使用的纳米长度是指小于微米的长度。
[0079]在相应的频率下，元件12和14的厚度通常比趋肤深度大几倍。对于红外辐射，厚度优选从大约50nm到大约500nm或从大约60nm到大约400nm或从大约70nm到大约300nm或从大约80nm到大约小于200nm或从大约90nm到大约150nm。
[0080]元件12和14的每个平面尺寸(即沿X和z轴测量的长度)通常在几百纳米的量级(例如大约200nm或大约300nm或大约400nm或大约500nm或大约600nm或大约700nm或大约800nm或大约900nm)。
[0081]元件12和14被定位成以便在它们之间形成一个或多个空气间隙。在示于图2的典型示例中，两个空气间隙示于16处。
[0082]在本发明的各种示例性实施方式中，在系统10的最高操作频率下，间隙宽度小于波长的一半。这是有利的，因为它允许系统发出横向电磁(TEM)模式同时抑制高光模式。
[0083]从性能的观点来看，元件12和14之间的间隙优选足够狭窄以便天线在接收模式下操作时不会减少电场增强。从制造的观点来看，间隙宽度被选择在制造技术的最小分辨率以上或在制造技术的最小分辨率。例如，电子束光刻技术允许将系统10制造成具有几纳米或更大的空气间隙。空气间隙的典型宽度从大约IOnm到大约40nm或从大约20nm到大约30nm,例如，大约25nm。
[0084]元件12和14每个都有平行于它们的厚度方向(本例中I轴)的末端(窄边面)和垂直于它们的厚度方向(本例中平行于X轴)的宽边面。在发射过程中，元件12和14优选从它们的窄边面发出辐射。从天线元件的窄边面发出的辐射这里是指“端射辐射”。沿厚度方向传播的辐射这里是指“宽边辐射”。
[0085]在本发明的各种示例性实施方式中，元件12和14被配置成使得它们各自的端射辐射之间产生相消干涉，以及它们各自的宽边辐射之间产生相长干涉。这种配置提供了双向天线模式。
[0086]在本发明的各种示例性实施方式中，天线元件12和14中的一个或两个是槽型天线元件，其具有通过锥形轮廓表征的槽。还考虑了端射元件的其他时间，包括却不限于，对数周期性和八木天线元件。
[0087]在图2A和2B图示的典型实例中，系统10包括一对槽型天线元件。槽整体示为18和20。每个槽从称为根(stub)的封闭端沿通常平行于X方向的子午线延伸到称为孔的开放端。槽是锥形的，在这个意义上，每个槽的宽度从根处的最小值加宽到孔处的最大值。槽18和20的根被分别标示为22和24，以及槽18和20的孔被分别标示为26和28。
[0088]槽18和20可以有任何锥形轮廓。特别地，任何边18a、18b、20a和20b可以是直线形的、曲线形的或直线形和曲线形的组合。在本发明的某些实施方式中，槽18和20中的一个或两个都有指数扩张的形状。具有这样的槽的天线元件被称为维瓦尔第天线元件，并在P.J.Gibson中被描述，“TheVivaldiAerial”在第九届欧洲微波会议，英国，1979年6月，101-105。
[0089]例如，维瓦尔第天线元件的斜边(例如，边18a)在x_z平面的上部被描述为:
[0090]X = C1Gxp (Rz) +C2`[0091 ] 其中R是常数，称为开口`率，而且C1和C2是常数，被定义为
[0092]
【权利要求】
1.一种天线系统，包括在平面布置中彼此面对的第一端射天线元件和第二端射天线元件，所述天线元件被配置成使得在所述元件各自的端射辐射之间产生相消干涉，而保持大致垂直于所述平面布置的相长干涉。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一端射天线元件与所述第二端射天线是相同的。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中每一个所述天线元件是具有锥形轮廓的槽型天线元件。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述锥形轮廓通过开口率来表征，所述开口率被选择为使得所述天线系统的无耻的虚部与实部之间的比率小于50%。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述开口率是从大约0.0001到大约0.01nnT1。
6.根据权利要求3-5中的任何一项所述的系统,其中每一个槽具有根和孔并且相对于连接所述根和孔且与所述孔垂直的子午线是对称的。
7.根据权利要求3-5中的任何一项所述的系统,其中每一个槽具有根和孔并且相对于连接所述根和孔且与所述孔垂直的子午线是不对称的。
8.根据权利要求1-7中的任何一项所述的系统，其中每一个所述天线元件是维瓦尔第天线元件。
9.根据权利要求1-8中的任何一项所述的系统，其中所述第一天线元件和所述第二天线元件由金属制成，所述金属由预定的光频率的趋肤深度表征并且其中所述天线元件的厚度是所述趋肤深度的至少2倍。
10.根据权利要求1-9中的任何一项所述的系统，其中所述第一天线元件和所述第二天线元件被至少一个空气间隙分开。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述间隙的宽度被选择以允许在横向光学模式下发出辐射同时抑制高光模式。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述间隙的宽度至少是10nm。
13.根据权利要求10-12中的任何一项所述的系统，还包括耦合到所述间隙的波导。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述波导是平行板波导。
15.根据权利要求1-14中的任何一项所述的系统，其中所述第一端射天线元件和所述第二端射天线元件中的至少一个沿所述元件的至少一个维度具有纳米尺寸。
16.根据权利要求1-14中的任何一项所述的系统，其中所述第一端射天线元件和所述第二端射天线元件中的至少一个沿所述元件的最大维度具有纳米尺寸。
17.一种天线阵列，其包括多个根据权利要求1-16中的任何一项所述的天线系统。
18.根据权利要求17所述的阵列，其中所述天线系统的至少一部分相对于所述端射辐射的特征方向串联连接。
19.根据权利要求17或18所述的阵列，其中所述天线系统的至少一部分相对于所述端射辐射的特征方向并联连接。
20.根据权利要求17-19中的任何一项所述的阵列，其中所述天线系统通过直流连接被连接。
21.一种检测电磁辐射的方法，包括:生成所述辐射与根据权利要求1-18中的任何一项所述的天线系统或阵列相互作用的条件，并收集由所述天线系统生成的电信号。
22.—种发射电磁辐射的方法，包括施加电压到根据权利要求1-18中的任何一项所述的天线系统或阵列，由此生成所述电磁辐射。
23.—种将电磁福射转换成电力的方法,包括:产生所述福射与根据权利要求1-18中的任何一项所述的天线系统或阵列相互作用的条件，并收集由所述天线系统生成的电信号。
24.根据权利要求21-23中的任何一项所述的方法，其中所述电磁辐射包括在红外范围的辐射。
25.根据权利要求21-23中的任何一项所述的方法，其中所述电磁辐射包括在可见光范围的辐射。
26.一种光传感器系统，包括根据权利要求1-18中的任何一项所述的天线系统或阵 列。
27.一种光通信系统，包括根据权利要求1-18中的任何一项所述的天线系统或阵列。
28.—种成像系统，包括根据权利要求1-18中的任何一项所述的天线系统或阵列。
29.一种光投影仪，包括根据权利要求1-18中的任何一项所述的天线系统或阵列。
30.一种高次谐波生成系统，包括根据权利要求1-18中的任何一项所述的天线系统或阵列。
31.一种波混合系统，包括根据权利要求1-18中的任何一项所述的天线系统或阵列。
32.—种频率转换系统，包括根据权利要求1-18中的任何一项所述的天线系统或阵列。
33.根据权利要求32所述的频率转换系统，其被配置成用于上变频。
34.根据权利要求32所述的频率转换系统，其被配置成用于下变频。
35.一种相控阵列，包括根据权利要求1-18中的任何一项所述的天线系统或阵列。
【文档编号】G02F1/29GK103635419SQ201280033213
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年5月3日 优先权日:2011年5月3日
【发明者】泽夫·伊卢兹, A·博亚格, Y·哈内因, J·朔伊尔 申请人:雷蒙特亚特特拉维夫大学有限公司