宽带电抗减少的天线阵列的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请设及并要求于2012年4月4日提交的美国临时专利申请第61/620,384 号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。本申请还设及与本申请相同日期提交的标题 为"用于超方向性天线阵列的宽带非福斯特去禪网络"的美国专利申请第13/856, 403号 (代理人卷号627593-8)。另外，本申请还设及与本申请相同日期提交的标题为"宽带电抗 抵消的天线阵列"的美国专利申请第13/856,375号（代理人卷号627436-4)。另外，本申 请还设及与本申请相同日期提交的标题为"非福斯特去禪网络"的PCT申请（代理人卷号 627648-9)〇
[0003] 关于联邦资助的研究或发展的声明
[0004]无
技术领域
[0005] 提出的是预期比现有技术更加高效的天线阵列。该阵列；（i)能够产生超方向性 波束（beam) ;(ii)可W电小；W及（iii)可同时产生超方向性波束并且电小。该阵列具有 宽带电抗抵消。
【背景技术】
[0006] 超方向性天线通常包括紧密靠近的两个或W上的发射元件（发射（或接收）元件 的间隔<A/4,其中A是将被天线发射和/或接收的信号的波长）。
[0007] 天线阵列在大量应用中使用：通信、雷达、信号情报等。天线阵列最具吸引力的特 征可能是波束合成和可重构性。例如，相位阵列（phasedarray)具有可被重构到不同方向 上的点的一个或多个波束或者通过改变施加到每个天线元件处的信号的权重（相位和/或 幅度）而具有不同的波束特征。在数字波束赋形（digitalbeanrforming)阵列中，可在每 个元件处独立地记录信号，波束可在后处理中形成。本领域公知的多输入和多输出（MIM0) 技术在无线通信系统中非常重要，该是因为其提供了数据吞吐量的改进，同时无需使用额 外的带宽或者增加发射功率。
[000引在文献中可W获得说明了如何a)增加阵列的方向性而不增加物理尺寸W及b)在 福射方向图中产生将提供抗干设或干扰信号的零位（null)的阵列合成技术。但是，该些技 术在实际阵列中由于互禪的原因而具有严格的限制。具体地，公知的是现有技术的超方向 性天线阵列具有高Q，因此受到相应的效率/带宽限制。由于该限制，超方向性天线阵列被 广泛地认为是有问题的，因此没有大范围部署。本发明将超方向性天线的Q值降低了十倍 W上，在超方向性天线的实际增益（RF效率）中提供了大于10地的改善。该Q值的降低对 产生方向图零位而言同样有帮助。
[0009] 电小天线是指比它们所要接收的射频波长更小（或短）的天线。传统的全长天线 通常是波长尺寸的1/4或1/2。对于用于一些手持式装置应用的频率，需要小得多的天线。 电小天线可定义为其元件是其所要接收的射频波长的1/1〇(或更小）的天线。电小天线还 趋向于具有高Q，因此相比传统天线，它们趋向于具有小带宽。
[0010] 现有技术可包括：
[0011] 无源超方向性阵列；存在许多揭示了实现大带宽和高效率的困难的学术著作 (1922年从化een开始）。两个关键结论是：优化方向性导致极高的Q;互禪导致馈电网络 设计困难。具有< -20地的效率的天线很少实现。实际限制是：
[0012] (1)高天线Q□小带宽；
[001引 似低福射电阻□低效率；W及
[0014] (3)紧密公差□难W实现馈电网络
[0015] 就该主题的论文，参见1981年2月出版的ProceedingsoftheI邸E,V. 69,no. 2 由R.C.Hansen撰写的"FundamentalLimitationsinAntennas"。
[0016] 使用放置在发射元件之间的超材料来将它们去禪；参见，例如，2007年4月出版的 IEEETrans.Antenn.Prop.中由K.Buell等人撰写的"MetamaterialInsulatorEnabled SuperdirectiveArray"。该方法的缺点是；
[0017] (1)窄带宽；
[001引 （2)仅适用于印刷天线；
[001引 做制造复杂；W及
[0020] (4)不易调谐。
[0021] 有源天线：采用晶体管有源阻抗匹配网络直接馈电天线。该是有用的，因为晶体 管有源组件输入和输出分别通过开路（opencircuit)和硬源化ardsource)来近似。因 此，互禪不产生影响。但是，该些天线没有匹配，导致低接收器灵敏度和低发射效率。例 如，参见 1974 年EluropeanMicrowaveConference,M.M.Dawoud和A.P.Anderson的文章 "SuperdirectivitywithappreciableBandwidthinArraysofRadiatingElements FedbyMicrowaveTransistors"。
[0022] 数字波束赋形：在每个天线元件处的模拟-数字转换器将信号数字化使得可 在数字域中形成任意波束。此外，互禪可W计算在波束中（参见2004年8月出版的 IEEETransactionsonAntennasandPropagation,Vol. 52,No. 8,pp. 2034-2041 中由 C.K.EdwinLau,RavirajS.Adve和TapanK.Sarkar撰写的文章"MinimumNormMutual CouplingCompensationWithApplicationsinDirectionofArrivalEstimation")。 但是，物理阻抗匹配仅对单福射方向图有效，导致其他方向图的接收灵敏度受限。此外，需 要高分辨率和高动态范围的模拟-数字转换器来实现超方向性图。
[0023] 去禪网络；去禪网络从天线阵列产生具有正交方向图的独立模态。该些模态 可W独立匹配并用来合成任意的福射方向图。但是，该方法不减小天线Q。参见2008 年出版的IE邸AWPLvol.7 由化ristianVolmer,MetinSengul,JornWeber,Ralf Ste地en和MatthiasA.Hein撰写的文章"BroadbandDecouplingandMatchingofa SuperdirectiveTwo-PortAntennaArray"。
[0024]多模天线结构：该技术通过导体将邻近天线连接W将它们去禪。该方法是窄带的 并且改变了结构的福射模态。此外，看起来只适用于少数元件。参见美国专利第7, 688, 273 号。
[0025] 用于单天线的非福斯特匹配电路；参见下列文档W及评述：
[0026] 2009 年 8 月 出版的IE邸lYans.AntennaPropagat. ,vol. 57,no. 8 由 S.E.Sussman-Fort和R.M.Rudish撰写的"Non-Fosterimpedancematchingof electrically-smallantennas"。
[0027] 1953 年 6 月出版的Proc.IRE,vol. 41，no. 6 第 725-729 页由J.G.Linvill撰写的 "TransistorNegativeImpedanceConverters"。
[0028] 该个现有技术更设及单天线而不是天线阵列。
[0029] 与阵列元件串联连接或连接在大型阵列中的偶极端之间的非福斯特匹配网络：参 见下列文档及评述：
[0030] (1) 2005 年出版的AntennaApplicationsSymposiumDigest由 S.E.Sussman-Fort和R.M.Rudish撰写的"Progressinuseofnon-Fosterimpedances tomatchelectrically-smallantennasandarrays"。
[0031] (2) 2003年8 月 20 日出版的MicrowaveandOpticalTechnologyLetters, 38 巧） 由R.C.Hansen撰写的"WidebanddipoleArraysUsingNon-FosterCoupling"。
[0032] (3)适用于大型阵列，不适用于超方向性。计算对传统相位阵列扫描有效。
[0033] (4)不同时匹配所有模态。
[0034] 已经探索超方向性90年，但由于导致高天线Q，其仍旧被认为是不切实际的。超方 向性现有技术中无法降低天线Q。先前的方法要么产生窄带宽结果，要么效率低。
【发明内容】
[00巧]于此呈现的技术设及能够产生超方向性波束的天线阵列，其比现有技术中可得到 的RF效率更高。该通过使用非福斯特电路（NFC)抵消阵列自电抗和互电抗来实现，从而极 大地降低了天线品质因数Q(此处Q用作电抗与福射阻抗之比）。非福斯特电路采用有源器 件，因此不受福斯特阻抗定理（其指出任意无源无损单端网络的电抗或电纳必须随频率增 加而增加）的约束。典型的NFC是负电容器（其具有电抗其中C是电容而《 是角频率）和负电感器（其具有电感X= -? |L|，其中L是电感而《是角频率）。
[0036] 本发明能够用于许多天线应用中，不限于用于超方向性阵列。超方向性阵列只是 具有高Q并由此具有小带宽的天线系统的一个示例。本发明能够改善任意天线或天线系统 的带宽，因此其既不限于超方向性阵列也不限于电小天线。本发明可W用在MIM0应用中。
【附图说明】
[0037] 图la-图le是3元件天线阵列的示意表示图。图la中示出了互禪阻抗狂21、Z22 和Z23)，图化中示出了自禪和互禪减轻电路狂S1、Zs2和Zs3;化及Zci2和Zc23)。此外，图Ic 和图Id分别示出可产生单（图Ic)波束和多个同时（图Id)波束的波束赋形网络。图le 是3元件天线阵列通过去禪网络、放大器和相位控制器与公共端禪接的示意图。
[0038] 图2a示出了由四个单极天线10构成的4元件Adcock阵列的天线几何图形，而图 化示出了在图2a的4元件Adcock阵列中使用四个非福斯特负电容器（-Q的用于互电抗 抵消的结构，图2c示出了具有连接在相邻天线元件10之间的非福斯特电路（NFC)而不具 有互电抗抵消（不匹配）的模态电抗。只有由四个单级天线10制作的4元件Adcock阵列 的下面部分在图化中示出，W便更容易地示出四个非福斯特负电感器（-Ce)。
[0039] 图3a示出了使用负电容器进行自电抗和互电抗抵消的4元件Adcock阵列的结 构，图3(b)示出了只串联理想NFC的情况W及串联并在元件间设置理想NFC的情况下的信 噪比的改善。
[0040] 图4a示出了用于8元件Adcock阵列的互电抗抵消电路的结构。图4b示出了只 串联理想NFC的情况W及串联并在元件间设置理想NFC的情况下的信噪比的改善。
[0041] 图5a和图化示出了 2元件Adcock阵列的两种可能实施例，其中各个发射元件均 是偶极天线。
[0042] 图6a示出了 2元件天线阵列的几何形状，其中发射元件是单极天线并且电容器Cs 和Cp是负电容器并分别抵消自电抗和互电抗，而图化示出了远场福射阻抗。
[004引图7示出了针对无源阵列仿真的偶模电抗和奇模电抗（曲线图（a))、奇模匹配阵 列（曲线图化)）、偶模匹配阵列（图（C))和双模（奇模和偶模）匹配阵列（图（d))的四 个曲线图。
[0044] 图8示出了在假设图6a的天线的2。= 50欧姆的情况下，无源（黑色）阵列和具 有理想负电感器的非福斯特强化（灰色