电子可控的人工阻抗表面天线的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请与2010年11月3日提交的序列号为12/939, 040的美国专利申请以及2011 年9月23日提交的序列号为13/242, 102的美国专利申请相关，其全部内容通过引用结合 在本申请中。本申请还与2013年7月3日提交的序列号为13/934,553的美国专利申请相 关，并要求其优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
[0003] 本公开涉及人工阻抗表面天线（Artificial Impedance surface antenna，简称： AISA)。具体地，本公开设计一种低成本、2D、电子可控的人工阻抗表面天线。
【背景技术】
[0004] 很多应用场景都需要主增益瓣二维电子可控的天线。在现有技术中，二维控制最 普通地由相控阵列天线提供。相控阵列天线具有复杂的电子器件，因此造价十分高昂。
[0005] 在现有技术中，描述了各种电子可控的人工阻抗表面天线（AISA)，其具有一维电 子控制功能，且包括 Sievenpiper 的美国专利 US7, 245, 269, US7, 071，888 和 US7, 253, 780 所述的AISA。这些天线在某些应用场景中是有用的，但是并不适用于需要二维控制的所有 应用场景。在某些应用场景中，可用采用机械控制来提供对一维电子可控天线的二维控制。 然而，还有很多应用场景并不需要机械控制。Sievenpiper所描述的天线同样需要可以为变 容二极管提供电压控制的途径。
[0006] Lai和Colburn于2013年5月7日提交的美国专利US8, 436, 785描述了一种二维 电子可控AISA。Lai和Colburn公开的天线成本较高，且电子设计复杂。这是因为需要在 二维上将电压控制的复杂网络控制到阻抗元件的二维阵列，以此可以产生任意阻抗图形， 从而实现任何方向上的波束控制。
[0007] 通过在人工阻抗表面（AIS)发射表面波，实现人工阻抗表面天线（AISA)，其阻抗 可以根据在AIS上的表面波与需要的远场辐射图的相前匹配的函数在AIS上进行空间调 制。
[0008] 在前述的参考文献中，如下所列，参考文献[1]_[6]描述了由调制的人工阻抗表 面形成的人工阻抗表面天线（AISA)。Patel [1]展示了标量使用端射、光晕馈送的一维空间 调制的AIS，其由接地的电介质的金属片线性阵列构成。Sievenpiper、Colburn和Fong的 参考文献[2]_[4]展示了平面和曲面上的标量和张量AISA，其使用波导或双极馈送的二维 空间调制的AIS，该AIS由顶部具有有金属贴片网格的接地电介质构成。Gregoire的参考 文献[5]-[6]研究了 AISA操作对于其设计性能的依赖程度。
[0009] 参考图1，AISA操作的基本原理是利用被调制的AIS的网格动量，将激发表面波前 端的波矢量匹配到需要平面波。在一维情形下，其可以表示为：
[0011] 其中，k。是设计频率上的辐射的自由空间波数；Θ。是相对于AIS标量的需要的辐 射的角度；kp= 2 Jr /p是AIS网格动量，其中p为AIS调制周期；k sw= η九是表面波的波 数，其中为AIS调制中的平均表面波的折射率。所述表面波阻抗通常选择为具有根据下式 沿着SWG正弦调制表面波阻抗的模式：
[0013] 其中，ρ是调制的周期，X为平均阻抗，Μ为调制幅度。选择X、Μ和ρ，使得相对于 Ζ轴的Χ-Ζ平面的辐射角Θ由下式确定：
[0015] 其中，η0是平均表面波指数，λ。是辐射的自由空间波长。η。与Ζ(χ)通过下式相 关：
[0017] 对于任何形状的AISA，等式（2)中的AISA阻抗调制可以总结为：
[0019] 其中，?,是需要的辐射波矢量，ρ是AIS的三维位置矢量，r是沿着AIS从表面波源 到沿着AIS表面的地线P之间的距离。该表达式可以用于确定任何几何形状、包括扁平状、 圆柱状、半球状或其他任意形状的AISA的指数调制。在某些情况下，确定r的值在几何学 上是较为复杂的。
[0020] 对于扁平的AISA来讲，r值的确定比较简单：
[0021] 对于设计用于在
时，辐射到波矢量的扁平AISA，表面波 源定位于X = y = 0,调制函数为：
[0023] 等式⑵中的余弦函数可以由任何周期函数取代，且AISA将仍然如其所设计而运 行。但是，旁瓣的细节，带宽以及波束偏斜都将会受到影响。
[0024] AIS可以实现为接地电介质上的金属贴片的网格。通过根据将贴片大小与表面波 指数关联的函数改变贴片的大小，可以实现所需的指数调制。指数与贴片大小之间的关联 可以通过仿真、计算和/或测量技术实现。例如，Corburn[3]和Fong[4]使用了测试板的 HFSS元胞边界特征值仿真和近场测量，从而确定其关联性函数。Luukkonen[7]提供的快速 近似方法同样可以用于计算该关联性。然而，在这些方法中，通常会应用经验校正因子。在 许多体系中，这些方法与HFSS特征值仿真和近场测量非常匹配。当贴片大小相较于基板厚 度较大时，或者当每单元胞表面波的相位偏移达到180度时，这些方法会失效。在现有技术 [8]和[9]所述的电子可控AIS天线中，AIS为电介质基板上的金属贴片的网格。通过给连 接于每个贴片之间的电压可变变容二极管施加可变电压，可以在AIS上的每个位置实现表 面波阻抗的局部控制。众所周知，AIS的表面波阻抗可以调谐，使得电容负载载入阻抗元件 [8]和[9]之间。每个贴片与具有电压可变变容二极管电容器的四面上的相邻贴片电性连 接。通过与每个阻抗元件贴片连接的电通路，将电压施加到变容二极管。一半的贴片与接 地面电连接，接地面具有自每个贴片中心向下延伸穿过电介质基板的通路。剩下一半贴片 与电压源电连接，穿过基板且穿过接地面上的孔，到达电压源。
[0025] 在变容二极管可调性限制和AIS表面波属性限制内，计算机控制允许任何需要的 阻抗模式应用到AIS中。该方法的局限性之一在于，通路可以大大减少AIS的操作带宽，这 是因为通路还可以将电感传递到AIS上，从而将表面波带隙切换到低频上。随着变容二极 管调谐到更好的电容，AIS电感增加，从而进一步降低表面波带隙频率。表面波带隙的最终 结果为，不允许AIS在上述带隙频率之上使用。这同时也限制了 AIS可调到的表面波阻抗 的范围。
[0026] 参考文献
[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] 急需提供一种成本低并可以实现二维操控的电子可控的人工阻抗表面天线 (AISA)。本公开的实施例解决了上述问题和需求。
【发明内容】
[0037] 根据本说明书公开的第一实施例，提供了一种可控的人工阻抗表面天线，其在Φ 及Θ角可控，所述天线包括：电介质基板；位于所述电介质基板的第一表面上的多个金属 带，所述金属带在所述电介质基板的长度上相互间隔设置，每个金属带都沿着所述电介质 基板的宽度延伸；靠近所述电介质基板边缘，沿着所述电介质基板的宽度相互间隔设置的 表面波馈送；其中，所述电介质基板基本上位于由X轴和Y轴构成的χ-γ平面内；所述Φ角 为相对于所述X轴的Χ-Υ平面内的角度；所述θ角为相对于与所述Χ-Υ平面正交的Ζ轴的 角度。
[0038] 根据本说明书公开的另一实施例，提供了一种可控的人工阻抗表面天线，其在φ 及Θ角可控，所述天线包括：电介质基板；位于所述电介质基板的第一表面上的多个金属 带，所述金属带在所述电介质基板的长度上相互间隔设置，所述金属带具有平均间隔的中 心，所述金属带在宽度上以周期Ρ发生变化，每个金属带都沿着所述电介质基板的宽度延 伸；靠近所述电介质基板边缘，沿着所述电介质基板的宽度相互间隔设置的表面波馈送； 其中，所述电介质基板基本上位于由X轴和Υ轴构成的Χ-Υ平面内；所述Φ角为相对于所述 X轴的Χ-Υ平面内的角度；所述θ角为相对于与所述Χ-Υ平面正交的Ζ轴的角度。
[0039] 结合上述详细描述和附图，上所述的和其他的特征和优点更加清楚。在附图和说 明书中，附图标记表示各个特征，其中，在附图和说明书中，相同的附图标记指代相同的特 征。
【附图说明】
[0040] 图1示出了现有技术中自与调制阻抗交互的源向外传播表面波，以在窄波束中产 生辐射。
[0041] 图2Α示出了电子可控的人工阻抗表面波天线（AISA)，图2Β示出了本公开的AISA 的侧视图。
[0042] 图3为球坐标系的图示，其示出了到现有技术的笛卡尔坐标的角度和变换。
[0043] 图4示出了本公开的另一种电子可控的人工阻抗表面天线（AISA)。
[0044] 图5示出了本公开的再一种电子可控的人工阻抗表面天线（AISA)。
[0045] 图6示出了本公开的AISA的另一种侧视图。
[0046] 图7不出了本公开的AISA的再一种侧视图。
【具体实施方式】
[0047] 以下描述中，详尽清楚的描述了本公开的各具体实施例。然而，本领域技术人员可 以理解，即使没有下文给出的所有具体细节，也可以实施此处主张的发明。在其他实例中， 并未对公知的特征进行描述，以免使得本发明难以理解。
[0048] 图2示出了本公开提供的电子可控的人工阻抗表面天线（AISA)，其成本相对较 低，且可以在Θ角和φ角方向上可控。图3为球坐标系的图示，图中示出了 Θ角和φ角。 在图3中，平角为Χ-Υ平面内的角，Θ角为自ζ轴形成的角。因为本发明的电子可控的人 工阻抗表面天线（AISA)的主增益瓣在Θ角和φ角方向上均可控，本领域的技术人员可以 称之为2D电子可控的人工阻抗表面天线（AISA)。
[0049] 图2A所示的电子可控的人工阻抗表面天线（AISA)包括可调控制网络102和一维 (1D)射频（RF)馈送网络103。当可调人工阻抗表面天线（AISA) 101在图3所示的X-Y平 面内时，通过改变ID RF馈送网络103的RF表面波馈送108之间的相对相位差，来对电子 可控的人工阻抗表面天线（AISA)的主增益瓣的操控进行控制。通过改变或调制可调人工 阻抗表面天线（AISA) 101的表面波阻抗，来控制Θ角操控。
[0050] 图2Α所示的实施例中的人工阻抗表面天线（AISA) 101包括电介质基板106,电介 质基板106表面的金属带107所构成的周期阵列，电连接在金属带107之间的变容二极管 109,以及RF表面波馈送108的1D阵列。通过控制施加到可调人工阻抗表面天线（AISA) 101 的金属带107的电压，来改变或调制AISA 101的阻抗。金属带107上的电压改变了位于金 属带107之间的变容二极管的电容，这样一来，就改变了 AISA 101的阻抗，从而在Θ角方 向上操控主增益瓣。
[0051] 电压控制网络102施加直流（DC)电压到AISA结构上的金属带107。控制总线105 为电压控制网络102提供控制功能。控制总线105可以来自微处理器，中央