能够在多个频率下操作的交错天线阵列的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年2月6日提交的美国申请no.62/627,140的权益，该美国申请的公开内容通过整体引用合并于此。本申请还要求于2018年12月19日同时提交的美国申请no.16/225,960的权益，该美国申请的公开内容通过整体引用合并于此。

本公开总体上涉及天线，特别是电子可操纵天线。更具体地，本公开的某些实施例可以涉及能够从单个孔径在不同的频率下同时操作和/或独立地进行波束扫描的电子可操纵天线的交错阵列。

背景技术：

在需要多个天线但空间非常有限的应用中，提供多个天线来处理多个任务变得困难。例如，两个主要的卫星频带被用于移动互联网，例如连接到商用飞机。这些网络在ku波段和ka波段操作，但是每个飞行器只能选择一个波段。这种选择可以限制吞吐量，并且还可以限制飞行器可以在全球运行的位置。可以考虑为多个天线使用多个孔径。然而，可用的天线安装空间可能是有限的。因此，可能期望具有多个天线的天线系统在不同频率下操作同时共享公共天线孔径。

提出了许多宽带阵列设计：

1.ruey-shichu等人，“multibandphased-arrayantennawithinterleavedtapered-elementsandwaveguideradiators(具有交错锥形元件和波导辐射器的多波段相控阵天线)”，ieee天线和传播学会国际研讨会，1996年文摘,巴尔的摩,md，美国，1996，第1616-1619页，第3卷。

2.美国专利no.5,557,291，名称为“multiband,phased-arrayantennawithinterleavedtapered-elementandwaveguideradiators(具有交错锥形元件和波导辐射器的多频带相控阵天线)”；

3.d.h.roper,w.e.babiec和d.d.hannan，“wgsphasedarrayssupportnextgenerationdodsatcomcapability(wgs相控阵支持下一代dodsatcom能力)”，ieee相控阵系统与技术国际研讨会，2003年，第82-87页。

期望具有一种装置和方法，考虑到上面讨论的一些问题，以及其他可能的问题。

技术实现要素：

本公开的特征和优点将从以下应结合附图阅读的详细描述，以及从附于详细描述末尾的权利要求中更容易地理解和明白。

根据本公开的一些实施例，天线系统可以包括被配置为能够在不同频率下操作的多个电子可操纵天线，每个天线包括：被布置为用于发射表面波的馈电器，以及连接到所述馈电器的表面波波导。在不同的频率下可操作的天线的表面波波导可以彼此交错。

在本发明的特定实施例中，所述多个电子可操纵天线可以包括：配置成在第一频率下操作的第一天线，所述第一天线包括第一波导；以及配置成以与所述第一频率不同的第二频率操作的第二天线，所述第二天线包括第二波导，其中，所述第一天线的所述第一波导和所述第二天线的所述第二波导可以彼此交错。所述第一天线的所述第一波导和所述第二天线的所述第二波导可以设置成彼此交替。

在本公开的各个实施例中，所述第一天线和所述第二天线可以被配置为能够分别以所述第一频率和所述第二频率同时操作。所述第一天线和所述第二天线可以安装在单个孔径中。

根据本公开的特定实施例，所述第一波导可以包括第一阻抗元件和第一调谐元件，一个所述第一调谐元件连接在所述第一阻抗元件之间。所述第二波导可以包括第二阻抗元件和第二调谐元件，一个所述第二调谐元件连接在所述第二阻抗元件之间。

在本公开的一些实施例中，所述天线系统还可以包括耦合到所述第一波导以向所述第一调谐元件提供第一电压或电流的第一控制线，以及耦合到所述第二波导以向所述第二调谐元件提供第二电压或电流的第二控制线。

在本公开的特定实施例中，所述第一波导和所述第二波导彼此平行，并且所述第一波导和所述第二波导垂直于所述第一控制线和所述第二控制线。用于所述第一天线的所述第一控制线和用于所述第二天线的所述第二控制线可以被布置成彼此不接触。

根据本公开的各个示例性实施例，用于所述第一天线的所述第一控制线可以被设置为不接触用于所述第二天线的所述第二波导，并且用于所述第二天线的所述第二控制线可以被设置为不与用于所述第一天线的所述第一波导接触。

在本公开的一些实施例中，用于所述第一天线的所述第一控制线可以在用于所述第二天线的所述第二波导下方通过，并且用于所述第二天线的所述第二控制线可以在用于所述第一天线的所述第一波导下方通过。

在本公开的特定实施例中，所述天线系统还可以包括具有第一表面和第二表面的介电层。所述第一波导和所述第二波导可以设置在所述介电层的所述第一表面上。所述第一控制线和所述第二控制线的一些部分可以设置在所述介电层的所述第一表面上，并且所述第一控制线和所述第二控制线的其他部分可设置在所述介电层的所述第二表面上，以使得所述第一控制线不接触所述第二波导，并且所述第二控制线也不接触所述第一波导。

在本公开的各种实施例中，所述天线系统还可以包括形成在所述介电层中的通孔，该通孔连接于设置在所述第一表面上的所述第一控制线和所述第二控制线的一些部分与设置在所述第二表面上的所述第一控制线和所述第二控制线的其他部分之间。

根据本公开的各种实施例，所述天线系统还可以包括在一个所述第一波导与一个所述第二波导之间的导电栅栏，也称为“通孔栅栏”或“尖桩栅栏”。所述导电栅栏可以包括金属栅格。所述导电栅栏可以包括沿垂直方向形成的通孔和在至少一个金属层上形成的水平导电线。

在本公开的一些实施例中，所述天线系统还可以包括在所述通孔上形成的通孔焊盘，所述通孔焊盘的直径大于所述通孔。

根据本公开的特定实施例，所述天线系统还可以包括位于所述导电栅栏与所述第一控制线或所述第二控制线中的一个之间的电容器。在一个示例性实施例中，所述电容器可以设置在所述介电层的所述第一表面上。在另一示例性实施例中，所述电容器可以形成在所述导电栅栏与一个所述通孔之间的所述介电层的所述第一表面上。

根据本公开的各种实施例，所述天线系统可以包括：用于所述第一波导的第一接地层；以及用于所述第二波导的第二接地层。

在本公开的一些实施例中，所述第一调谐元件和所述第二调谐元件可以包括电容器、变容二极管或二极管中的至少一个。

在本公开的特定实施例中，所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件可以包括导电贴片，其中，贴片可以具有多边形平面的填充形状，其通常为矩形。

更好地理解本公开的性质和优点，可以参考以下的详细说明和附图。

附图说明

将参考附图对根据本公开的各个实施例进行描述，其中：

图1是根据本公开的示例性实施例的天线阵列的简化概念图；

图2a是根据本公开的第一实施例的天线系统的交错天线元件的截面图；

图2b是根据本公开的第一实施例的天线系统的交错天线元件的俯视图；

图2c是根据本公开的第一实施例的天线系统的交错天线元件的角透视图；

图3a是根据本公开的第二实施例的天线系统的交错天线元件的截面图；

图3b是根据本公开第二实施例的天线系统的交错天线元件的俯视图；

图3c和图3d是根据本公开第二实施例的天线系统的交错天线元件的角透视图；

图4示出了根据本公开的示例性实施例的天线系统的多层结构的截面图；

图5是根据本公开实施例的天线系统的两个交错天线元件的截面图；

图6是根据本公开的实施例的天线系统的图；

图7示出了根据本公开的示例性实施例的天线系统的布局；以及

图8示出了根据本公开的示例性实施例的具有8ghz和12ghz天线的天线阵列的仿真结果。

除非另有说明，不同附图中的对应的数字、符号一般是指对应的部分。附图是为了清楚地说明实施例的相关方面而绘制的，并且不一定按比例绘制。

具体实施方式

在下面的详细描述中，参考了构成本公开一部分的附图，在附图中，通过例示的方式示出了可以实践本发明的具体实施例。这些实施例被足够详细地描述，以使本领域技术人员能够实践本发明，并且应当理解，可以利用其它实施例，并且可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行结构、逻辑和电学改变。因此，下面的详细描述不应理解为限制意义，并且本发明的范围仅由所附权利要求及其等同物限定。附图中的相同附图标记指代相同部件，这从使用的上下文中应该是显而易见的。

现在参考附图，特别是参考图1，根据示例性实施例以简化概念图的形式示出了天线阵列的图示。

天线系统可以包括天线阵列100，包括第一天线110和第二天线150。天线阵列100可以包括电子可操纵天线。电子可操纵天线能够使用电子设备而不是机械装置在一个或多个方向上被电子操纵。例如，可以通过在特定方向上引导天线的辐射模式的主增益波瓣或主波瓣来操纵天线。人工阻抗表面天线(aisa)(也称为全息天线或调制阻抗漏波天线)是电子可操纵天线的一个示例。

天线110和150例如可以是但不限于，这样的aisa。aisa可以通过空间调制沿人工阻抗表面传播的表面波的速度来辐射。可以利用介电基板上的电抗元件的分布来实现表面波调制。当电抗元件具有固定特性时，aisa具有固定的辐射模式。当电抗元件可调谐时，aisa辐射模式是可操纵的。aisa可以通过跨越人工阻抗表面发射表面波来实现，根据匹配于人工阻抗表面上的表面波与期望远场辐射模式之间的相位波前的函数，跨越所述人工阻抗表面在空间上调制所述人工阻抗表面的阻抗。每个天线100可以包括相同或相似的元件，例如d.f.gregoire等人所著的“alowprofileelectronically-steerableartificial-impedance-surfaceantenna(一种低剖面的电子可操纵的人工阻抗表面天线)”，2014年国际电磁学先进应用会议(iceaa)，palmbeach，2014，第477-479页，其全文并入本文。虽然图2和图3示出了天线100被实现为aisa，但是如果合适，天线110和150可以是任何电可操纵天线。

天线阵列100可以是接收器、发射器或两者的组合。例如，所有天线可以是接收器，所有天线可以是发射器，或者包括在天线阵列100中的天线中的一个或一些可以是(一个或多个)接收器，而其他的天线也可以是(一个或多个)发射器。可替换地，天线110和150中的每一个可以利用发射/接收(t/r)模块进行馈电，例如，图6中所示的发射/接收模块610。天线110和150可以被配置为发射和/或接收辐射模式。辐射模式可以是根据方向的天线110和150的增益的曲线图。天线110和150的增益可以被认为是天线110和150的性能参数。在一些情况下，“增益”被认为是增益的峰值。天线110和150可以被配置为电子地控制辐射模式。当天线110或150用于发射时，辐射模式可以是根据方向的从天线110或150发射的无线电波的强度。当天线110或150用于发射时，可以将辐射模式称为发射模式。天线110或150在发射时的增益可以描述天线110或150将电力转换成电磁辐射(例如无线电波)并且在特定方向上发射电磁辐射的程度。当天线110或150被用于接收时，辐射模式可以是根据方向的天线110或者150对无线电波的灵敏度。当天线110或150被用于接收时，辐射模式可以被称为接收模式。当用于接收时，天线110或150的增益可以描述天线110或150将从特定方向到达的电磁辐射(例如无线电波)转换成电力的良好程度。天线110或150的发射模式和接收模式可以相同。根据本公开的实施例，天线100的发射模式和接收模式可以被简单地称为辐射模式。

天线阵列100包括多个天线。在一个示例性实施例中，天线阵列100可以包括两个天线，第一天线110和第二天线150。尽管在图1中示出了两个天线，这仅仅是为了说明的目的，并不意图限制本发明。如果需要，可以使用更多数量的天线。

第一天线110可以被配置成能够在第一频率f1操作，并且第二天线150可以被配置为能够在第二频率f2操作。第一天线110的第一操作频率f1可以不同于第二天线150的第二操作频率f2。例如，第一频率f1可以是8ghz，第二频率f2可以是12ghz。在本公开的实施例中，多个天线能够同时以不同的频率操作和/或以不同的频率执行独立的波束扫描。例如，第一天线110和第二天线150可以具有分别以不同频率(例如第一频率f1和第二频率f2)同时扫描波束的能力。

当第一天线110的第一频率f1与第二天线150的第二频率f2相等时，第一天线100和第二天线150之间的耦合可能很强，从而可能在不期望的方向上引起辐射。

每个天线110和150的阵列间距可能足够小，以允许在每个频率进行波束扫描。

第一天线110可以包括第一表面波馈电器120、第一馈送网络125和多个第一表面波波导130。第二天线150可以包括第二表面波馈电器160、第二馈送网络165和多个第二表面波波导170。在一个说明性示例中，表面波馈电器120和160的一端可以连接到能够将表面波转换为射频信号和/或将射频信号转换为表面波的任何设备。表面波馈电器120和160的另一端可以耦合到介电基板上的表面波导130和170的端部。表面波馈电器120或160通过馈送网络125或165将表面波发射到表面波波导130或170中。馈电网络125或165将表面波分配给表面波波导130或170。表面波波导130或170限制沿表面波波导130和170传播的表面波的路径。表面波波导130或170可以彼此平行地放置，它们的轴线平行于x方向，并且可以在y方向上彼此间隔开。

在一个示例性实施例中，每个天线的表面波导可以具有相同或基本相似的宽度。例如，第一天线110的第一表面波波导130的宽度(y轴)可以基本上等于或类似于第二天线150的第二表面波波导170的宽度。在替代示例性实施例中，较高频率天线可具有较窄宽度(y轴)的表面波波导。例如，当第一天线110的第一操作频率f1是8ghz并且第二天线150的第二操作频率f2是12ghz时，第一表面波波导130的宽度(y轴)可以是10mm并且第二表面波波导170的宽度(y轴)可以是7mm。

第一天线110的第一表面波波导130和第二天线150的第二表面波波导170可以以交错关系布置。例如，第一表面波波导130可以与第二表面波波导170交错，和/或第二表面波波导管170可以与第一表面波波导管130交错。在图1所示的一个示例性实施例中，第一表面波波导130和第二表面波波导150可以设置为彼此交替。可替换地，两个或更多个第一表面波波导130可以交错在第二表面波波导170之间，和/或两个或更多个第二表面波波导170可交错在第一表面波波导130之间。

第一天线110的第一表面波波导130和第二天线150的第二表面波波导170可以彼此平行和/或间隔开。第一表面波波导130可以被布置为不接触第二表面波波导170。同样地，第二表面波波导170可以被布置成不接触第一表面波波导130。

由于天线阵列100的交错布置，第一天线110和第二天线150可以位于相同的物理空间中。在本实施例中，可以在不同频率下操作的第一天线110和第二天线150两者可以被布置在单个天线孔径195中。在本公开的一些实施例中，单个孔径可以在允许宽覆盖的多个频率上操作。另外，本公开的某些实施例可以从相同的物理空间提供多功能能力，并且允许天线阵列封装的尺寸减小。

天线阵列100可以使用介电基板来实现。介电基板可以实现为介电材料层。介电材料可以是能够通过施加的电场而极化的电绝缘体。例如，介电基板可以由印刷电路板(pcb)材料制成，该材料具有优选地设置在其两个主表面上的金属导体，使用常规的pcb制造技术来使顶部或上表面的该金属导体图案化以由最初形成在pcb的上表面上的金属导体限定上述天线阵列100。可以在介电基板的顶表面和/或底表面(例如，图4中所示的第一介电层410)上蚀刻或制造表面波馈电器120和160、馈送网络125和165以及表面波波导130和170。

在各种示例性实施例中，天线阵列100可使用具有如图2a、图2c、图3a、图3c、图3d和图4所示的多层的pcb来实现。换句话说，天线阵列100可被设计为可与印刷电路堆叠兼容，所述印刷电路堆叠由介电层和金属层的夹层以及垂直导电通孔组成。

通过使用印刷电路板设计，与宽带阵列设计相比，本公开的一些实施例可以允许更便宜的制造和更薄的天线设计(例如，小至λ/20或更小，其中，λ是辐射元件或天线的波长)，而宽带阵列的设计可能要求大约λ/4或以上的电学厚度天线设计。

下面将更详细地描述第一天线110和第二天线150的多层结构、元件和功能的示例性实施例。为了说明的目的，图2a至图3d示出了由第一天线110的一个第一表面波波导130和第二天线150的一个第二表面波波导170组成的交错天线元件190。

图2a是根据本公开的实施例的沿着图1的线a的交错天线元件的截面图。图2b是根据本公开的实施例的交错天线元件的俯视图。图2c是根据本公开的实施例的交错天线元件的角透视图。

交错阵列元件190包括第一天线110的一个第一表面波波导130和第二天线150的一个第二表面波波导170。在图2a至图2c中，交错天线元件190的右半部分202是用于第一天线110的部分，而交错天线元件190的左半部分204是用于第二天线150的部分。每个天线元件130和170由单位单元192和194组成，它们在x方向上周期性地重复以形成天线元件。为了执行波束扫描，单位单元尺寸可以小于表面波波长。否则，栅瓣可能总是位于辐射模式中。在该示例性实施例中，第二天线150可以具有比第一天线110更高的操作频率。例如，第一天线110的工作频率可以是8ghz，第二天线150的工作频率可以是12ghz。

可以周期性地重复单位单元192、194以创建图2b中所示的天线元件130、170。为了在宽的角度范围内适当地激励辐射波，单位单元x方向上的长度可以小于λ/4，其中，λ是在天线的工作频率下自由空间中的平面波的波长。单位单元长度越小，辐射角度的指向就越精确。然而，较小的单位单元长度可能需要更多的调谐器件，以及更具挑战性的制造公差。因此，在优选的示例性实施例中，单位单元长度可以在λ/20至λ/4的范围内。

沿着垂直于天线110、150的y方向上，可以排列交错天线元件190以形成相控阵列天线。这实现了二维波束控制。在该维度中，可以在相对于宽边(z轴)的辐射角θ的方向上生成波束，而没有光栅波瓣的元件节距d为：

d<λ/(l+sinθ)

对于端射(end-fire)处的波束(θ＝90度)，元件间隔d可以小于λ/2，以防止光栅波瓣。对于宽边(θ＝0度)的波束，元件间隔d可以小于λ，以防止光栅波瓣。对于大于λ的任何元件间隔d，可能总是存在光栅波瓣，这降低了天线的性能和效用。表面波波导130和170之间的元件间隔d可以小于天线110和150的工作频率的波长。由于元件间隔d可以小于波长，所以第一表面波波导130和第二表面波波导170都可以适合在该间隔内。天线110、150的交错天线元件的尺寸可以足够小以适合于最高频率的阵列间隔(例如，在最高频率处大约为λ/2)。天线110、150的天线元件位于彼此紧邻的位置，并且每个元件共享相同的导电栅栏260。

天线元件130或170是表面波波导，可以是例如但不限于可调谐阻抗元件阵列，其间具有电可变电容器。可以通过电子地改变阻抗调制来在高度上扫描辐射。天线可以通过对于表面波波导调制模式之间的相对相位进行调谐来在方位上扫描。

第一天线110的第一表面波波导130可以包括多个第一阻抗元件210。第二天线150的第二表面波波导170可以包括多个第二阻抗元件215。多个阻抗元件210和215中的一个阻抗元件可以以多种不同方式实现。在一个说明性示例中，阻抗元件可被实现为谐振元件。在另一说明性实例中，阻抗元件可实施为包含导电材料的元件。导电材料可以是例如但不限于金属材料。例如，取决于实施方式，阻抗元件可以被实施为金属贴片、金属带、导电涂料的贴片、金属网格材料、金属膜、金属基板的沉积物或一些其它类型的导电元件。

在图2a至图2c中所示的示例性实施例中，阻抗元件210和215可以是导电元件，例如但不限于，平行金属贴片的阵列。在一个说明性示例中，多个金属贴片210或215可布置成沿x轴延伸的行，如图2b所示。多个金属贴片210或215可以沿着x轴周期性地分布在介电基板上。例如，当第一天线110的第一操作频率f1是8ghz并且第二天线150的第二操作频率f2是12ghz时，第一天线110可以具有具备6mm单位单元x维度长度的三十(30)个导电元件，第二天线150可以具有具备3mm单位单元x方向长度的六十(60)个导电元件。

导电元件210和215可以具有各种形状。例如，当第一天线110的第一操作频率f1是8ghz并且第二天线150的第二操作频率f2是12ghz时，第一导电元件210可以被实现为一个或多个菱形金属贴片，第二导电元件215可以被实施为一个或者多个方形金属贴片。可替代地，第一导电元件210可具有正方形金属贴片，第二导电元件210可具有菱形金属贴片，或者第一导电元件210和第二导电元件215双方可具有方形金属贴片和菱形金属贴片中的一个。菱形可以降低单位单元192中的电容，并且可以提供更方便的实施方式。此外，代替菱形，导电元件210或215之间的较大间隙可用于减小电容。8ghz天线110的单位单元192的x维度长度可以是12ghz天线150的单位单元194的x维度长度的两倍。本领域技术人员将理解，存在第一导电元件210和第二导电元件215的许多其它形状和结构，例如但不限于，圆形、椭圆形或多边形，其可以在本公开中实现，具有类似的结果，前提是本公开的教导被结合于此。

在图2a中，阻抗元件210和215均被示出为凸起结构。然而，阻抗元件210和215可具有与制造在天线系统200的顶层242上的其它金属部件(例如，控制或偏置线230或235)相同的高度。

如图2b所示，一个或多个第一调谐元件220可以连接在第一阻抗或导电元件210之间，并且一个或多个第二调谐元件225可以连接在第二阻抗或导电元件215之间。通过使用控制或偏置线235(或230)向相邻元件215(或210)施加偏置，调谐元件220和225可以是电子可控的或可调谐的。例如，可以控制或调谐调谐元件220和225中的每一个，以改变沿着表面波波导130或170传播的表面波的角度。

调谐元件220和225可具有能够基于施加到调谐元件220和225的电压而变化的电容。调谐元件220或225可具有例如但不限于从0.15至1.1pf的电容范围。例如，调谐元件220和225可以是电容器、变容二极管或二极管(例如pin二极管)或具有电容的任何适当元件。

可以通过向阻抗元件210和215施加电压而将电压施加到调谐元件220和225上，因为阻抗元件210和215可以电连接到调谐元件220和225上。特别地，施加到阻抗元件210和215的电压以及由此施加到调谐元件220和225的电压可以改变调谐元件200和225的电容。改变调谐元件220和225的电容又可以改变天线110和150的表面阻抗。改变天线110和150的表面阻抗可以改变所产生的辐射模式。

换句话说，通过控制施加到阻抗元件210和215的电压，可以改变调谐元件220和225的电容。改变调谐元件220和225的电容可以改变或调制阻抗元件210和215之间的电容耦合和阻抗。改变或调制阻抗元件210和215之间的电容耦合和阻抗可以改变转向角。

如图2b所示，施加到第一调谐元件220和第二调谐元件225的电压可以分别通过第一控制或偏置线230和第二控制或偏置线235提供。第一控制或偏置线230可以附接到每个第一导电元件210以提供控制信号，例如但不限于，以电流或电压的形式向第一调谐元件220提供直流(dc)偏置。类似地，第二控制线或偏置线235可以附接到每个第二导电元件215，以向第二调谐元件225提供电流或电压形式的dc偏置。第一控制线230和第二控制线235中的每一个可以独立地连接到第一天线110的第一导电元件210和第二天线150的第二导电元件215。

第一控制或偏置线230和第二控制线或偏置线235可以连接到例如图6中所示的控制器620。控制器620可以包括电压源、接地、电压线和/或一些其它类型的部件中的一个或多个。例如，电压源可以耦合到控制或偏置线230和235，以向阻抗元件210和215提供电压。电压源可以采取例如但不限于数模转换器(dac)、可变电压源或某种其它类型的电压源的形式。接地可用于将阻抗元件210和215的至少一部分接地。电压线可以用于将电压从电压源和/或接地传输到阻抗元件210和215。在一些情况下，电压线可以被称为通孔(via)。在一个说明性示例中，一些电压线可以采取金属通孔的形式。在示例性实施例中，电压线可以是控制或偏置线230或235。在一个说明性示例中，阻抗元件210和215中的每一个可以从控制器620的电压源接收电压。在另一说明性示例中，阻抗元件210和215的一部分可通过电压线的对应部分从控制器620的电压源接收电压，而阻抗元件210和215的另一部分可通过控制或偏置线230和235的相应部分电连接到接地。控制器620可以用于控制电压源。取决于实施方式，控制器620可以被认为是天线系统200或600的一部分或与其分离。控制器620可使用微处理器、集成电路、计算机、中央处理单元、彼此通信的多个计算机或某一其它类型的计算机或处理器来实现。

控制或偏置线230和235可以与天线110和150中的电场正交地定位，以最小化与每个模式的交互。然而，天线110和150可以利用处于适当位置的调谐设备来调谐，以便适当地考虑额外的电容。例如，如图2b中所示，第一控制线230可以形成在与第一阻抗元件210的细长阵列垂直的y方向上，第二控制线235可以形成在与第二导电元件215的细长阵列垂直的y方向上。

第一天线110的第一控制线230和第二天线150的第二控制线235可以不相互耦合。为了防止第一控制线230和第二控制线235之间的耦合，可以使用多层结构，例如多层印刷电路板，包括至少一个介电层和至少两个金属层和通孔。在图2a所示的本公开的示例性实施例中，天线系统200可以具有多层结构240，其包括多个金属层，例如顶层242、上部内层244、下部内层246和底层248。多层结构240还可以包括在顶层242、上部内层244、下部内层246和底层248之间的介电层。阻抗元件210和215、调谐元件220和225、耦合到第一阻抗元件210的第一上部控制线232和耦合到第二阻抗元件215的第二上部控制线237可以形成在顶层242处或顶层242上。通过第一通孔252连接到第一上部控制线232的第一下部控制线234和通过第二通孔257连接到第二上部控制线237的第二下部控制线239可形成在上部内层244处或上部内层上。尽管图2a示出了第一下控制线234被设置为高于第二下控制线239的情况，如图4中所示，第一下控制线234和第二下控制线239可以被设置在相同的水平处。下部内层246可以是第二天线170的接地层。底层248可以是用于第一天线110的接地层。例如，底层248可以是固体金属。

用于向第一天线110提供dc偏置的导电金属迹线可以不接触第二天线150。替代地，用于第一天线110的导电金属迹线可在第二天线150下方通过。例如，用于第一天线110的导电金属迹线可包括形成在天线系统200的顶层242中或顶层242上的第一上控制线232、形成在位于顶层242和上部内层244之间的介电层(例如，图4中所示的第一介电层410)中的第一通孔252、以及形成在上部内层224之中或之上的第一下控制线234。位于部分202中的第一天线110的第一阻抗元件210可通过由第一上控制线232、第一通孔252和第一下控制线234形成的第一控制线230的导电金属迹线连接到位于部分202’中的相邻的第一阻抗元件210’，如图5中所示。具体地，顶层242的第一上控制线232远离第一阻抗元件210延伸，并且连接到耦合到第一下控制线234的第一通孔252。换句话说，在到达用于第二天线150的部分204’之前，第一天线110的第一控制线230的导电金属迹线可经由第一通孔252掉落到上部内层244并且穿出到用于下一单元的第一天线100的下一部分202’，如图5中所示。第一天线110的第一下控制线234在第二天线150的第二表面波波导170下面沿着上部内层244通过，并且连接到相邻的第一表面波波导130’的第一通孔252和第一上控制线232，如图5所示。

同样，用于向第二天线150提供dc偏置的导电金属迹线可以不接触第一天线110。替代地，用于第二天线150的导电金属迹线可在第一天线110下方通过。例如，用于第二天线150的导电金属迹线可包括形成在天线系统200的顶层242中或顶层242上的第二上控制线237、形成在位于顶层242和上部内层244之间的介电层(例如，图4中所示的第一介电层410)中的第二通孔257、以及形成在上部内层224之中的第二下控制线239。位于部分204中的第二天线150的第二阻抗元件215可通过由第二上控制线237、第二通孔257和第二下控制线239形成的第二控制线235的导电金属迹线连接到位于部分204’中的相邻的第二阻抗元件215’，如图5中所示。具体地，顶层242的第二上控制线237远离第二阻抗元件215延伸，并且连接到耦合到第二下控制线239的第二通孔257。换句话说，在到达用于第一天线110的部分202’之前，第二天线150的第二控制线235的导电金属迹线可经由第二通孔257掉落到上部内层244并且穿出到用于下一单元的第二天线150的下一部分204’，如图5中所示。第二天线150的第二下控制线239在第一天线110的第一表面波波导130下面沿着上部内层244通过，并且连接到相邻的第二表面波波导170’的第二通孔257和第二上控制线237，如图5所示。

因此，在本公开的示例性实施例中，通过使用多层结构240，例如多层pcb，可以将第一控制线230和第二控制线235中的每一个独立地连接到第一天线110和第二天线150，并且可以防止第一天线110与第二天线150之间的耦合。

第一阻抗元件210的至少一部分可以电连接到底部接地层248，该底部接地层248是用于第一天线110的接地层，通孔从每个第一阻抗元件210向下延伸通过介电基板。第二阻抗元件215的至少一部分可电连接到下部内层246，下部内层246是用于第二天线150的接地层，通孔从每个第二阻抗元件215向下延伸通过介电基板。

天线系统200还可以包括导电栅栏260，也称为“通孔栅栏”或“尖桩(picket)栅栏”。导电栅栏260可以设置在用于第一天线110的第一部分202和用于第二天线150的第二部分204之间，例如但不限于，设置在第一天线的第一表面波波导130和第二天线150的第二表面波波导170之间。分隔每个天线的导电壁可由导电栅栏260形成。导电栅栏260可以防止第一天线110和第二天线150之间的耦合。

在一个示例性实施例中，导电栅栏260可包括金属栅格。导电栅栏260可以构造在多层pcb中。例如，导电栅栏260可以包括垂直金属元件262和/或水平金属元件264。例如，垂直金属元件262可以由通孔263提供，通孔263是从天线系统200的顶层到底层的钻孔，然后镀有金属。可以从天线系统200的顶层242到底层248形成垂直金属元件262的通孔263。水平金属元件264可以实现为在水平面中制造或蚀刻的金属图案，作为包括在多层pcb结构中的金属层。水平金属元件264可以形成为连接在垂直金属元件262的通孔263之间。水平金属元件264可以被布置为平行于第一天线110的第一表面波波导130和/或第二天线150的第二表面波波导170。

导电栅栏260还可以包括过通孔焊盘265。通孔焊盘265可以设置在天线系统200的顶层242上。也可以在介电层之间的金属层(例如，图4中的金属层420、440和460)处形成通孔焊盘265，并且可以位于水平金属元件264之间。通孔焊盘265可以是例如但不限于圆形金属，并且可以被制造为单个统一金属图案。通孔焊盘265的直径可以稍微大于通孔263的直径。

天线系统200还可以包括电容器270。而图2a至图2c示出了没有用于rf短路到导电栅栏260的电容器的天线系统的示例性实施例。图3a至图3d示出了包括用于rf短路到导电栅栏260的电容器的天线系统的一些实施例。图3a是根据本公开的实施例的包括用于rf短路到导电栅栏的电容器的天线阵列的单位单元的截面图，图3b是根据本公开实施例的包括用于rf短路到导电栅栏的电容器的天线阵列的单位单元的俯视图，图3c和图3d是根据本公开的实施例的包括用于rf短路到导电栅栏的电容器的天线阵列的单位单元的角透视图，使用与图2a至图2c中相同的部件和附图标记。这里，将省略掉与图2a至图2c的实施例相同的描述。

电容器270可以设置在天线系统200的顶层242上，或者设置在任何其他金属层，如果合适的话。电容器270可以设置在控制或偏置线230和235与导电栅栏260之间。在图3a至图3d所示的示例性实施例中，电容器270设置在第二上控制线237的端部和导电栅栏260的水平金属元件264之间。电容器270可以设置在第一通孔252和导电栅栏260之间。并且，电容器270可以设置在第二通孔257和导电栅栏260之间。电容器270可产生到导电栅栏260的rf短路和dc开路。rf短路可防止rf功率通过导电栅栏260耦合。可能需要dc开路，使得可以向控制或偏置线230和235中的每一个提供不同的电压。

图4示出了根据本公开的示例性实施例的天线系统的多层结构的截面图。天线系统200或600可以包括，例如但不限于，四(4)个介电层和三(3)个预浸层。例如，介电层的厚度可以是32密耳，而预浸层的厚度则可以是4密耳。介电层的介电常数可以是6.15，预浸层的介电常数可以是3.55。

阻抗元件210和215、调谐元件220和225、第一控制线230和第二控制线235的一些部分(例如，第一上控制线232和第二上控制线237)可以设置在顶层242上，顶层242是第一介电层410的顶表面。

用于第一天线110的第一通孔252和第二天线150的第二通孔257可以形成在第一介电层410中。

第一预浸层420可以包括调谐迹线，例如第一控制线230和第二控制线235的一些部分(例如，第一下控制线234和第二下控制线239)。耦合到第一通孔252的用于第一天线110的第一下控制线234和耦合到第二通孔257的用于第二天线150的第二下控制线239可以设置在第一介电层410的底表面上。第一下控制线234和第二下控制线239可以形成在第二金属层420上。

第二预浸层440可用作对天线进行馈电的馈电网络的层。第三预浸层460可以包括用于第二天线150的接地。第二天线150的接地可以设置在第三介电层450下面的金属层上。

底层480可以包括用于第一天线110的接地层248。用于第一天线110的接地层可以设置在第四介电层470的底表面上。例如，底层480可以实施为固体金属。

天线系统200可以包括盲孔490。盲孔490可以连接在天线系统200的多层结构240中所包括的金属层242、420、440、460和480中的两个层之间。盲孔490可使dc偏置迹线形成路线。

图7示出了根据本公开的示例性实施例的天线系统的布局。端发射共面波导馈送器可位于天线系统200的任一端上，每个天线一个。例如，第一天线110的第一表面波馈电器120可被定位在天线系统200的左端，而第二天线150的第二表面波馈电器160可被定位在天线系统200的右端。分离器(例如，第一馈电网络125和第二馈电网络165)独立地向每个天线(例如第一天线110和第二天线150)馈电。用于第一天线110的第一控制线230可以连接到天线系统200的底侧，并且用于第二天线150的第二控制线235可以设置在天线系统200的顶侧。图8示出了根据本公开的示例性实施例的具有8ghz和12ghz天线的天线阵列的仿真结果。

根据本公开的各个实施例，多个天线可以同时以不同的频率操作，和/或以不同频率执行独立的波束扫描。在不同频率下同时操作的能力可以为商业和政府系统提供显著的益处。例如，根据本公开的一些实施例的天线系统可以从相同的孔径在不同的卫星通信网络上操作。本公开的某些实施例可在许多商用飞机中使用，以建立ku和ka波段卫星通信网络。本公开的一些实施例可以在移动网络中使用，诸如覆盖包括28ghz、38ghz和60ghz的多个频带的第五代网络(5g)。

本公开的一些实施例可以在单个孔径中安装在不同频率下可操作的多个天线阵列，因此可以减小天线阵列封装的尺寸。例如，在空中或地面平台上用于卫星通信的多频率孔径可以允许来自相同物理空间的多功能能力。这在具有有限空间的应用中是重要的，例如在不具有用于多个孔径的额外空间的小型飞行器和交通工具上。由于保护天线罩的大气阻力减小，天线尺寸的减小也可提高飞行器或交通工具的燃料效率。此外，可以在多个频率上操作的单个孔径可以允许全球覆盖。

尽管已经详细描述了示例性实施例，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本申请的精神和范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

此外，本申请的范围并不限于说明书中所述的工艺、机器、制造和物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员将从本公开内容中容易理解的，根据实施例和替代实施例，可以利用执行与本文所述的相应实施例基本上相同的功能或实现基本上相同结果的目前存在的或以后要开发的工艺、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在在其范围内包括这样的工艺、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。

优选包括本文所述的所有要素、部件和步骤。应当理解，这些元素、部件和步骤中的任何一个都可以由其它元素、部件和步骤代替或者一起删除，这对于本领域技术人员是显而易见的。

概念：

本文还提出了至少以下概念。

概念1.一种天线系统，其包括：

多个电子可操纵天线，其被配置成能够在不同频率下操作，每个天线包括发射表面波的馈电器和连接到所述馈电器的表面波波导，

其中，能够在不同频率下操作的天线的所述表面波波导彼此交错。

概念2.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，其中，所述多个电子可操纵天线包括：

第一天线，其被配置成能够在第一频率下操作，所述第一天线包括第一波导；以及

第二天线，其被配置成能够在与所述第一频率不同的第二频率下操作，所述第二天线包括第二波导，

其中，所述第一天线的所述第一波导和所述第二天线的所述第二波导彼此交错。

概念3.根据任何先前和/或随后概念所述的天线系统，其中，所述第一天线和所述第二天线被配置成能够分别以所述第一频率和所述第二频率同时操作。

概念4.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，其中，所述第一天线和所述第二天线安装在单个孔径中。

概念5.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，其中，

所述第一波导包括第一阻抗元件和第一调谐元件，至少一个所述第一调谐元件连接在所述第一阻抗元件之间；

所述第二波导包括第二阻抗元件和第二调谐元件，至少一个所述第二调谐元件连接在所述第二阻抗元件之间；并且

所述天线系统还包括耦合到所述第一波导以向所述第一调谐元件提供第一电压或电流的第一控制线，以及耦合到所述第二波导以向所述第二调谐元件提供第二电压或电流的第二控制线。

概念6.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，其中，所述第一波导和所述第二波导彼此平行，并且所述第一波导和所述第二波导垂直于所述第一控制线和所述第二控制线。

概念7.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，其中，用于所述第一天线的所述第一控制线和用于所述第二天线的所述第二控制线被布置成彼此不接触。

概念8.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，其中，用于所述第一天线的所述第一控制线被设置为不接触用于所述第二天线的所述第二波导，并且用于所述第二天线的所述第二控制线被设置为不与用于所述第一天线的所述第一波导接触。

概念9.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，其中，用于所述第一天线的所述第一控制线在用于所述第二天线的所述第二波导下方通过，并且用于所述第二天线的所述第二控制线在用于所述第一天线的所述第一波导下方通过。

概念10.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，所述天线系统还包括具有第一表面和第二表面的介电层，其中，所述第一波导和所述第二波导设置在所述介电层的所述第一表面上，

其中，所述第一控制线和所述第二控制线的一些部分设置在所述介电层的所述第一表面上，并且所述第一控制线和所述第二控制线的其他部分设置在所述介电层的所述第二表面上，以使得所述第一控制线不接触所述第二波导，并且所述第二控制线不接触所述第一波导。

概念11.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，所述天线系统还包括形成在所述介电层中的通孔，该通孔连接于设置在所述第一表面上的所述第一控制线和所述第二控制线的一些部分与设置在所述第二表面上的所述第一控制线和所述第二控制线的其他部分之间。

概念12.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，所述天线系统还包括位于一个所述第一波导和一个所述第二波导之间的导电栅栏。

概念13.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，其中，所述导电栅栏包括金属栅格。

概念14.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，其中，所述导电栅栏包括沿垂直方向形成的通孔和在至少一个金属层上形成的水平导电线。

概念15.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，所述天线系统还包括在所述通孔上形成的通孔焊盘，所述通孔焊盘的直径大于所述通孔。

概念16.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，所述天线系统还包括：

位于一个所述第一波导和一个所述第二波导之间的导电栅栏；以及

电容器，其位于所述导电栅栏与所述第一控制线或所述第二控制线中的一个之间。

概念17.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，所述天线系统还包括：

位于一个所述第一波导和一个所述第二波导之间的导电栅栏；以及

电容器，其位于所述导电栅栏与所述第一控制线或所述第二控制线中的一个之间。

其中，所述电容器设置在所述介电层的所述第一表面上。

概念18.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，所述天线系统还包括：

位于一个所述第一波导和一个所述第二波导之间的导电栅栏；以及

电容器，其形成在所述导电栅栏与一个所述通孔之间的所述介电层的所述第一表面上。

概念19.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，所述天线系统还包括：

用于所述第一波导的第一接地层；以及用于所述第二波导的第二接地层。

概念20.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，其中，所述第一调谐元件和所述第二调谐元件包括电容器、变容二极管或二极管中的至少一个。

概念21.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，其中，所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件包括导电贴片。

概念22.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，其中，所述第一天线的所述第一波导和所述第二天线的所述第二波导被设置成彼此交替。

概念23.根据任何先前和/或后续概念所述的天线系统，其中，天线的所述表面波波导之间的间距小于所述天线的可操作频率的波长。