表面散射天线的改进的制作方法
【专利说明】表面散射天线的改进
【背景技术】
[0001] 通过引用，将包括任何优先权权利要求在内的优先级申请和相关申请W及优先级 申请和相关申请的父专利、祖专利、曾祖专利等任何和所有的主题并入本文，并入的程度是 运样的主题与本文不相矛盾。
【附图说明】
[0002] 图1是表面散射天线的示意图。
[0003] 图2A和2B分别示出了用于表面散射天线的示例性的调整模式和相应的波束模式。
[0004] 图3A和3B分别示出了用于表面散射天线的另一示例性的调整模式和相应的波束 模式。
[0005] 图4A和4B分别示出了用于表面散射天线的另一示例性的调整模式和相应的场模 式。
[0006] 图5示出了包括贴片元件的表面散射天线的实施方式。
[0007] 图6A和6B示出了在波导上的贴片元件的例子。
[000引图6C示出了用于波导模式的场线。
[0009]图7示出了液晶排列。
[0010 ]图8A和8B示出了示例性的反向电极的配置。
[0011] 图9示出了带有散射元件的直接寻址的表面散射天线。
[0012] 图10示出了带有散射元件的矩阵寻址的表面散射天线。
[0013] 图10示出了带有散射元件的矩阵寻址的表面散射天线。
[0014] 图11A、12A和13示出了各种偏置电压驱动方案。
[0015] 图IlB和12B示出了偏压驱动电路。
[0016]图14不出了系统框图。
[0017] 图15和16示出了流程图。 详细说明
[0018] 在W下的详细说明中参考了附图，运些附图形成了其一部分。在附图中，除非上下 文另有指示，类似的符号通常标识相似的部件。在详细说明、附图和权利要求中说明的说明 性实施方案并不意味着是限制性的。在不偏离运里所讲的主题的精神或范围的前提下，可 W使用其它实施方案，可W进行其它改变。
[0019] 表面散射天线的示意图示于图1。表面散射天线100包括沿波传播结构104分布的 多个散射元件102a和10化。波传播结构104可W是微带、共面波导、平行板波导、电介质片、 封闭式或管状波导、或能够支持导波或表面波105沿构件或在构件内传播的任何其它构件。 波浪线105是导波或表面波的符号表示，并且运个符号表示并不旨在表示导波或表面波的 实际波长或振幅;而且，虽然波浪线105被示出为是在波传播结构104(例如，作为用作在金 属波导中的导波）内，但对于表面波，该波可W是基本上在波传播结构外本地化(例如，作为 单线传输线路的TM模式或在人工阻抗表面上的"模仿等离激元"）。散射元件102a、102b可W 包括嵌入波传播结构104内、放置在波传播结构104的表面上、或者放置在波传播结构104的 短暂接近处的散射元件。例如，散射元件可W包括互补的超材料元件，例如在D.R. Smith等 人的美国专利申请公开号2010/0156573《Metamate;rials for surfaces and waveguides》 和A. Bi Iy等人的美国专利申请公开号2012/0194399《Surface scattering antennas》中所 讲的那些，在此通过引用将其每一个并入。作为另一个例子，如下文所讨论的那样，散射元 件可W包括贴片元件。
[0020] 表面散射天线还包括被配置为将波传播结构104禪合到馈送构件108的至少一个 馈送连接器106。馈送构件108(示意性地表示为同轴电缆)可W是传输线、波导、或能够提供 电磁信号的任何其它构件，电磁信号可经由馈送连接器106发射进入波传播结构104的导波 或表面波105内。馈送连接器106可W是例如同轴-微带连接器（如SMA-至-PCB适配器）、同 轴-至-波导连接器、模式匹配过渡部分等。虽然图1示出了在"最终发射"构件中的馈送连接 器，但导波或表面波105可W从波传播结构的周边区（例如，从微带的一端或从平行板波导 的边缘处)发射，在其它实施方案中，馈送构件可W附着到波传播结构的非周边部分，从而 使导波或表面波105可W从波传播结构的非周边的部分发射(例如，从微带的中点或通过在 平行板波导的顶部板或底部板上钻的孔）；其它的实施方案可提供多个连接于在多个位置 处(外周和/或非外周）的波传播结构的馈送连接器。
[0021] 散射元件102a、102b是具有电磁特性的可调散射元件，电磁特性是可响应于一个 或多个外部输入来调节的。各种可调散射元件的实施方案在例如在前面引用的D.R. Smith 等的文献中有说明，并且在本公开中进一步进行说明。可调散射元件可包括响应于电压输 入(例如，用于有源元件(如变容二极管、晶体管、二极管)或包含可调谐介电材料(如铁电体 或液晶）的元件的偏置电压））、电流输入(如，将电荷载体直接注入到有源元件）、光纤输入 (如，光敏材料的光照）、场输入（如，用于包括非线性磁性材料的元件的磁场）、机械输入 (如，MEMS、致动器、液压）等可调的元件。在图1的示意性的例子中，已被调节为具有第一电 磁特性的第一状态的散射元件被示为第一元件102a，而已被调节为具有第二电磁特性的第 二状态的散射元件被示为第二元件10化。示出具有对应于第一电磁特性和第二电磁特性的 第一状态和第二状态的散射元件并不是旨在进行限制:实施方案可W提供是离散可调的散 射元件W从离散的多个对应于不同的电磁特性的离散的多个状态中选择，或可W提供是连 续可调的散射元件W从对应于连续的不同的电磁特性的连续状态中选择。另外，示于图1的 特定模式的调整（即，元件102a和102b的交替配置)仅为示例性的配置，并不意图是限制性 的。
[0022] 在图1的例子中，散射元件102a、102b具有禪合到分别是第一电磁特性和第二电磁 特性的函数的导波或表面波105的第一禪合和第二禪合。例如，第一禪合和第二禪合可W是 在导波或表面波的频率或频带处的散射元件的第一极化和第二极化。在一种方法中，第一 禪合基本上是非零禪合，而第二禪合基本上是零禪合。在另一种方法中，两个禪合都是基本 上为非零，但第一禪合比比第二禪合明显大(或小）。考虑到第一禪合和第二禪合，第一散射 元件102a和第二散射元件10化响应于导波或表面波105, W产生幅度是相应的第一禪合和 第二禪合的函数(例如成正比）的多个散射电磁波。散射电磁波的叠加包括在本例子作为从 表面散射天线100福射的平面波110示出的电磁波。
[0023] 平面波的出现可通过有关将散射元件的调整的特定模式为定义散射导波或表面 波105W产生平面波110的光栅的模式(例如，交替排列在图I中的第一散射元件和第二散射 元件)来理解。因为运一模式是可调的，所W，表面散射天线的一些实施方案可W提供可调 光栅，或更一般地，可W提供全息图，其中，所述散射元件的调整模式可W根据全息原则选 定。例如，假设导波或表面波可用是沿着波传播结构104的位置的函数的、复杂的标量输入 波Win来表示，并且理想的是，表面散射天线产生可由另一个复杂的标量波Wnut表示的输出 波。然后，散射元件的调整模式可W选择为对应于沿着波传播结构的输入波及输出波的干 设模式。例如，散射元件可W被调整，W提供到导波或表面波的禪合，导波或表面波是由 R小北,]给出的干扰项的函数(例如，成比例或阶梯函数）。W运种方式，表面散射天线的 实施方案可W被调整，W通过识别对应于选择的波模式的输出波、然后如上所述调整所述 散射元件来提供任意的天线福射模式。因此，表面散射天线的实施方案可W进行调整，W提 供例如选择的波束方向（如波束转向）、选择的波宽或形状(例如，具有宽的或窄的波宽的风 扇形或笔形光束）、选择的空值排列(例如零转向）、选择的多波束排列、选择的极化状态(例 如线性、圆形或楠圆极化）、选择的整体相、或它们的任意组合。可替换地或者另外地，表面 散射天线的实施方案可W进行调整，W提供选择的近场福射信息，例如W提供近场聚焦和/ 或近场空值。
[0024] 因为干设模式的空间分辨率是由散射元件的空间分辨率限制的，所W，散射元件 可W沿着波传播结构配置，元件间间隔比对应于该装置的工作频率的自由空间波长小得多 (例如，小于运个自由空间波长的S分之一、四分之一或五分之一）。在一些方法中，工作频 率是从诸如1、5、(：心、1(11、1(、1(曰、9、1]、￥、6、胖、。和0的频带中选择的微波频率，对应的频率范围 为从约IGHz至170G化，自由空间波长的范围为从几毫米到几十厘米。在其它方法中，工作频 率为RF频率，例如为在大约1 OOMHz到IG化的范围内。在另外的其它方法中，工作频率为毫米 波频率，例如在约170G化至300G化的范围内。运些长度尺度的范围认可使用常规的印刷电 路板或光刻技术进行散射元件的制造。
[0025] 在一些方法中，表面散射天线包括具有基本上为一维排列的散射元件的、基本上 为一维的波传播结构104,而调整运个一维排列的模式可提供例如是顶峰角的函数的选择 的天线福射轮廓（即相对于平行于所述一维波传播结构的顶峰方向）。在其它方法中，表面 散射天线包括具有基本上为二维排列的散射元件的、基本上为二维的波传播结构104,调整 该二维排列的模式可W提供例如是顶峰角和方位角（即相对于垂直于二维波传播结构的顶 峰方向）两者的函数的选择的天线福射轮廓。图2A-4B示出了包括在平面矩形波传播结构上 分布的二维散射元件阵列的表面散射天线的示例性调节模式和波束模式。在运些示例性实 施方案中，平面矩形波传播结构包括放置在所述结构的几何中屯、的单极天线馈送。图2A示 出了对应于具有由图2B的波束模式图示出的所选择的顶峰角和方位角的窄波束的调整模 式。图3A示出了对应于具有由图3B的波束模式图示出的双波束远场模式的调整模式。图4A 示出了提供如由图4B的场强图（其示出了沿垂直于并且等分所述矩形波传播结构的长尺寸 的平面的电场强度)示出的近场聚焦的调整模式。
[0026] 在一些方法中，波传播结构是模块化的波传播结构，多个模块化波传播结构可W 组装，W构成模块化表面散射天线。例如，多个基本上为一维的波传播结构可W被布置为例 如为叉指的方式，W产生有效的散射元件的二维布置。叉指布置可W包括例如基本上填充 二维表面面积的一系列相邻的线性构件（即成组平行直线)或一系列相邻弯曲的构件（即一 组依次偏移的曲线，如正弦波）。运些叉指布置可包括具有树构件的馈送连接器，例如具有 二进制树，其提供从馈送构件108向多个线性构件(或其反向）分发能量的重复分叉。作为另 一实例，多个基本上为二维波传播结构(其每一个可W本身包括一系列的一维构件，如上所 述)可W被组装，W产生具有较大数量的散射部件的较大孔径;和/或所述多个基本上为二 维的波传播结构可W组装成=维构件(例如，形成A形框架构件、金字塔形构件或者其它多 面构件）。在运些模块化构件中，每一个所述多个模块化波传播结构可具有其自己的馈送连 接器106和/或模块化波传播结构可W被配置为借助于两个构件之间的连接将第一模块化 的波传播结构的导波或表面波禪合到第二模块化的波传播结构导波或表面波中。
[0027] 在模块化方法的一些应用中，进行组装的模块数目可被选择为实现提供期望的电 信数据容量和/或服务质量的孔径大小，和/或所述模块的=维布置可被选择为减少潜在的 扫描丢失。因此，例如，模块化组件可W包括安装在涌到如飞机、航天机、船只、地面车辆等 装置表面的不同位置/方向上的几个模块(模块不必是连续的）。在运些和其它方法中，波传 播结构可W具有基本上非线性的或基本上为非平面的形状，从而使之符合特定的几何形 状，因此，提供了共形表面散射天线(例如与车辆的弯曲表面一致）。
[0028] 更一般地，表面散射天线是可通过选择散射元件的调整的模式W使导波或表面波 的相应散射产生所希望的输出波而进行重新配置的可重构天线。假设，例如该表面散射天 线包括在位置Irj处沿着如图1的波传播结构104(或沿着多个波传播结构，对于模块化实 施方案)分布的和具有相应的多个与导波或表面波105可调禪合{aj的多个散射元件。因为 导波或表面波105沿着(一个或多个)波传播结构或在其内传播，所W，导波或表面波105对 第j个散射元件呈现波幅A詞日相位巧;随后，输出波作为从多个散射元件中散射的波的叠加 被产生： E货約二玄馬供妈货jJ.e所/臘的）（I ) 式中，E(0，d))表示在远场福射球面上的输出波的电场分量，的（0，d))表示响应于禪合 CtJ所引起的激励由第j个散射元件产生的散射波的（正态化）电场模式，k(0，(l))表示在（0， 4 )垂直于所述福射球面的幅度《/c的波矢量。因此，表面散射天线的实施方案可W提供可 调整的可重构天线，可重构天线通过根据式（1)调整该多个禪合Iaj W产生期望的输出波E (白，4 )。
[0029] 导波或表面波的波幅Aj和相位巧'是波传播结构104的传播特性的函数，运些传播 特性可W包括例如有效折射率和/或有效波