透镜天线、制造和使用此种天线的方法以及天线系统与流程

本发明涉及一种透镜天线。本发明还涉及一种包括根据本发明的至少一个天线的用于传输和接收电磁信号的天线系统。本发明进一步涉及一种制造根据本发明的天线的方法。此外，本发明涉及一种通过使用根据本发明的天线用于无线通信中的方法。另外，本发明涉及一种包括根据本发明的至少一个天线的无线通信装置的RF收发器。本发明进一步涉及一种包括根据本发明的RF收发器的电子装置。

背景技术：

对于数据通信和连通性的逐渐增加的需求已引起创新方法的发展来满足当前的和新出现的通信要求。数据从数据源行进到其目标的路径被描述为通信链路。影响无线通信系统的主要干扰源在本质上是电磁并且可以引起电子、通信和信息系统的磁性和射频中断或间歇性故障。与有线数据链路(即，光纤或电缆)相关联的固有物理、技术和机械设计参数通常提供对噪音和干扰源的抗扰性电平。另外，有线媒体具有可以限制不利地影响无线数据链路的噪音和干扰的影响的某些特质。无线通信数据链路利用自由空间传播并且易受从广泛的源谱产生的干扰和信号中断。这表示对于这些系统的设计者而言最大的挑战之一(尽管比较困难并且在一些情况下是不可能的)是将传输媒体与电磁和射频干扰信号源隔离。无线通信技术利用广范围的电磁波谱来包含高频、特高频、微波和光传输频率。在电磁波谱的不同段或频率处，噪音和干扰的影响是不同的。为了解决这些问题，应重点考虑充分地解决通信要求的无线数据链路参数的设计以及关于信号干扰和中断的问题。在这些系统的设计过程中，考虑潜在的干扰源可以对数据链路连通性、可靠性和数据速率产生显著影响。对无线网络数据网络和无线网络段的增加的依赖会相对于网络操作和生存性引入额外的脆弱性。这些无线系统易受增加的带拥塞干扰并且可能引入故意干扰源。将定向能量传输到重要无线节点的能力可以引起网络连通性和服务的临时或永久中断。

另外，随着无线通信的最新进步，对于紧凑、低剖面和高性能天线的需求大大增加。对于这些天线的最大需求来自个人通信系统(例如，蜂窝电话、寻呼机、移动数据系统和全球定位系统)和其它移动应用(例如，汽车、火车)。取决于应用，在天线性能要求(例如，增益、带宽、极化)上存在差异。然而，通常出于机械原因或由于电子设备的小型化，紧凑且低剖面的天线对于此类应用非常重要。众所周知，由于天线的大小减小，因此效率往往会降低且带宽变得较窄。因此，高性能且紧凑大小的要求的冲突性质使这些天线的设计非常具有挑战性。另外，天线与其复杂环境的交互还会影响天线的性能。这些环境可以包含存在用户的身体或其它复杂结构。

美国专利申请案US2010/0220031揭示了一种包括接地平面的宽带介质天线，介质结构安装在所述接地平面上，其中充当探针的多个馈电带附接到所述介质结构的外表面上。

国际专利申请案WO2005/093905揭示了一种包括第一组部分球形介质透镜的天线，所述介质透镜支撑在经布置以反射从透镜产生的信号的传导接地平面的一部分上，所述透镜中的每一者具有多个相关联的可切换地可选择的天线馈电元件，所述天线馈电元件布置在透镜的至少一个区段的外围周围，用于将信号注入到透镜中和/或接收通过透镜传播的信号，其中每一透镜和第一组的相关联馈电元件具有不同定向并且可以经操作以关于不同区域提供覆盖范围。天线还包括第二组一个或多个球形或部分球形的介质透镜以及相关联的可切换地可选择的天线馈电元件，其经定向且可操作以向除了由第一组的透镜覆盖的区域之外的区域提供覆盖范围。

技术实现要素：

本发明的目标是提供一种具有改进效率且可以通过相对紧凑的方式成形的天线。

为了实现此目标，在本发明的优选实施例中，发明用于广泛的一类无线应用(包含Wi-Fi网络)的改进的透镜天线。此改进的透镜天线包括：至少一个电磁透镜、连接到所述透镜的至少一个接地平面，以及连接到所述透镜的至少一个探测结构，所述探测结构包括至少两个探针，其中所述探针由透镜包围，其中至少两个探针的相互定向使得所述探针至少部分地位于彼此的电磁视线之外，其中电磁视线被中断，使得探针无法从电磁视角看到彼此。首先，透镜天线的使用具有若干优点。在透镜天线中，电磁能远离探测结构(馈送系统)传输，因此发射孔由于探测结构而不受阻挡。此外，在透镜天线中，由于电磁波从一侧进入并且从另一侧离开，因此在不干扰电气路径长度的情况下更大程度的包封和扭转是可能的，这会导致高辐射效率。此外，透镜天线可以通过相对紧凑的方式成形。透镜天线的另一重要优点在于，通过选择性地(设计)使透镜天线的透镜成形，内部(透镜内)辐射方向图和发出的辐射方向图可以经成形以便抵消干扰，如下文将阐明。另外，透镜天线可以容易地与平面电路整合。多个探针在单个透镜天线中的使用具有以下额外优点：透镜天线的传输和/或接收能力将以相对高效的方式提高，这此外使天线能够充当多带天线。当相同的天线元件放置于阵列中或使用多个不同天线时，它们彼此相互作用。元件之间由于它们的紧密接近度的此交互称为互耦合，所述互耦合会影响输入阻抗以及辐射方向图。先前提到，可以实施多个相似天线探针以通过阵列结构获取较高增益或通过两个其它天线探针至少提供双极化。此外，在移动台应用中，甚至多个不同的天线探针可以用于受限的可获得空间中以提供多带操作。对于这些种类的天线，互耦合被简单地定义为两个天线探针之间的干扰值，所述干扰值需要尽可能低。为了抵消互耦合，在根据本发明的透镜天线中，至少两个探针的相互定向使得所述探针至少部分地位于彼此的电磁视线之外。由于探针无法看到彼此，因此透镜内的电磁干扰保持至最小值。例如，通过将至少一个反射元件定位在探针之间可以实现将探针定位在彼此的视线之外，其中至少一个反射元件优选地定位，使得探针之间的直线由至少一个反射元件中断。这促进探针的不成直线定位。至少一个反射元件可以是单独的反射元件。此反射元件可以由透镜包围，其中反射元件事实上可以被认为是单独的内部反射镜。然而，此种单独的反射元件的应用通常将影响天线的效率。因此，优选的是，由至少一个探针传输的电磁辐射在远离至少一个其它探针的方向上通过透镜的至少一个周向壁至少部分地反射。为此，透镜的周向壁优选地至少部分地凹入成形，这促进探针的视线的中断。在一些实施例中，周向壁可以至少部分地成波纹状或另外压型以在远离至少一个其它探针的方向上传播通过探针传输的电磁辐射的反射。在更多具体实施例中，周向壁可以至少部分地成波纹状或另外压型以及至少部分地经凹入成形以在远离至少一个其它探针的方向上传播通过探针传输的电磁辐射的反射。

根据本发明的天线可以用于接收和/或传输电磁辐射。因此，探测结构的功能性取决于天线的所需功能性。因此可相信，探测结构经配置以接收和/或传输电磁辐射。通常，探测结构包括至少一个探针。探针的几何结构(包含形状和尺寸标定)通常完全取决于天线的特定目的和应用。可以使用不同类型的探针。熟知的探针是同轴馈电探针，所述探针至少部分地容纳在透镜内，其中探针因此至少部分地由透镜包围。为此，透镜具有用于容纳探针的容纳空间。探针还可以通过波导形成，所述波导并不延伸到透镜中并且仅连接到透镜的基准面。在一些实施例中，探针可以通过延伸到透镜的基准面的微带形成。在又一替代实施例中，探针通过位于接地平面与透镜之间的贴片形成。贴片的应用通常将传播球面波前的产生以及因此传播透镜内的基本上均质的功率密度分配。因此，不同类型的探针可以用于根据本发明的透镜天线中。

在单个探针用于透镜天线中的情况下，天线将适合于在单个指定频带内操作。所述频带的频率范围完全取决于天线的应用。目前，多种移动通信系统使用若干频带，例如，GSM 900/1800/1900带(890至960MHz和1710至1990MHz)；通用移动通信系统(UMTS)和UMTS 3G扩展带(1900至2200MHz和2500至2700MHz)；微波频谱中的频带(1至100GHz)，具体而言，用于卫星通信的Ka带(26.5至40GHz)和Ku带(12至18GHz)；以及Wi-Fi(无线保真)/无线局域网(WLAN)带(2400至2500MHz和5100至5800MHz)。然而，根据本发明的优选实施例的透镜天线不限于熟知频带的上述例举。

在常规上，由于单个天线无法在移动通信的所有这些频带下操作，因此可以使用单独地覆盖这些带的多个不同天线。然而，多种天线的使用通常受限于应用的体积和成本限制。因此，多带和宽带天线对向移动通信提供多功能操作是必不可少的。移动通信系统中的多带天线可以被定义为在不同频带下操作而不是在带之间的中间频率下操作的天线。为此，优选的是，探测结构包括通向多个天线端口的多个探针。这些探针的操作可以是可重配置的。近年来，工业和科学研究界已致力于对可重配置天线的发展做出不断努力。此兴趣由对未来微波系统中的通用前端的需求推动，所述通用前端将支持日益增长的功能性数量，例如，雷达、通信、方向和频谱“嗅探”或控制。此外，个人无线或车间通信装置通常必须支持大量标准(例如，UMTS、蓝牙、Wi-Fi、WiMAX、DSRC)。可重配置天线可以在不同频带下再使用其体积，使得整个结构的一部分或整个结构参与特定操作模式。在常规的前端架构中的天线可重配置性可以通过改变合适的切换装置的状态以便优化用于在不同可操作场景中应用的装置的性能来实现。已提出若干方法来实施此概念。这些方法中的大多数依赖于固态或机电开关。前者基于PIN二极管、变容二极管或场效应晶体管(FET)包含开关，而后者包含简单中继器和多种不同类型的微机电系统(MEMS)。在所提出的多端口超成形天线概念中，连接到天线的输入端子上的合适的固态调谐电路用于动态地调节相关电路特征，例如，操作的频率和/或辐射特性。装置可重配置性在技术上通过改变输入端口处的馈电/负载条件以及因此改变天线结构内的当前分配来实现。

采用的多个馈电机构(允许天线性能的容易宽范围可调谐性)必须经优化，其方式为使得将天线端口(探针)之间的杂散电磁耦合水平最小化，从而潜在地引起装置性能的降级。在此背景下，实际上必须强调，在那些频率下所考虑的装置事实上充当天线，其中输入功率反射电平未通过不同端口之间的传输系数极佳地得到补偿。

影响天线特征的自然共振过程可以通过在输入端口i＝0，1，...，N处适当地调谐负载阻抗来激活或抑制，N是天线馈电的数量。在这样做时，应特别注意装置的辐射效率η(Zi)，其方式为使得将进入朝所需空间方向前进的无线电波信号中的输入功率最大化。在这方面中，直接示出通过被看作是N端口网络的天线辐射的功率可以分别关于入射波矢量和反射波(a＝a(Zi)和b＝b(Zi))容易地表示为如下：

其中上标^H表示埃尔米特变位，以及：

Q＝1-S^H·S (2)

是所谓的耗散矩阵，1是普通的单位并矢式。为了促进装置的分析和优化，当在负责相关电路行为的物理机构中获有用洞察时，采用S-参数的基于奇异值分解的表示。此因式分解通过以下方程式给出：

S＝U·Σ·V^H (3)

其中U和V分别是左奇异矢量和右奇异矢量的单式矩阵，并且Σ是对应排序的奇异值σn的对角矩阵。因此，S-矩阵关系可以方便地写成：

在考虑归一化波矢量a′＝V^H·a和b′＝U^H·b之后，装置行为可以被描述为解耦的单端口接合点的自然响应的叠加，其中第n-个接合点呈现正反射系数σn。因此，可以容易地推断出，天线的电路特征以及辐射特性主要由相关散射矩阵的奇异值界定。事实上，通过将(1)和(2)与(4)组合，在一些逻辑演算之后，将求得依赖终端的辐射效率的表达：

其中表示在结构的终端处接受的功率。因此，通过最小化奇异值σn清楚地实现最优天线操作。以此方式，输入端口的最优负载条件Zi(i＝0，1，...，N)可以选择用于在所关注频带下的适当天线操作。

在一些实施例中，这些天线还可以基于3D超形用于阵列中，不仅用于平坦阵列中而且用于定制的3D阵列中。所考虑类别的透镜天线可以关于阻抗匹配和辐射特性针对具有苛刻要求的下一代无线雷达空间应用的廉价阵列的设计进行优化。在此背景下，设想采用非均匀间隔开的平坦阵列。具有数目减少的天线元件的辐射方向图的适当成形会引起馈电网络的重量、成本和复杂度减小。较大的平均元件间距离会产生较小的寄生天线耦合能级。由于非周期性的间距，在可见空间中不会出现天线主瓣的复制，甚至其中执行图案扫描。在用于所提出的阵列配置的光束形成中，每一天线元件的振幅和相位两者将受到控制。与仅可以通过相位控制实现相比，组合的振幅和相位控制可以更好地用于调节旁瓣电平且操纵调零。

为了向透镜天线提供所需多带功能性，需要使至少两个探针的几何结构彼此不同。如上文已提及，几何结构包含探针的形状和尺寸标定两者。通过应用具有不同几何结构的不同探针，可以获得不同辐射特征，这容易地产生所需的多带功能性。探针的优选长度取决于透镜的材料(具体而言，透镜的材料的介电常数)以及所需频率或频带两者。举例而言，提及在使用聚合物透镜，具体而言由聚氯乙烯(PVC)制成的透镜(所述透镜应该在用于无线局域网(WLAN)中的应用的5GHz频带中操作)的情况下，探针的长度优选地在4mm与8mm之间。在(同一天线的)另一探针将经配置以在2.4GHz频带中操作的情况下，所述探针的长度将优选地在10mm与18mm之间。至少一个探针的直径优选地处于1mm与3mm之间。

如上文已提及，如果与常规的天线相比，根据本发明的透镜天线可以相对紧凑地经设定尺寸。透镜的高度优选地小于或等于5cm，所述长度通常将足以允许根据本发明的透镜天线的适当功能。

透镜优选地至少部分由介电材料制成，更优选地至少部分由具有在2与90之间的介电常数的介电材料制成。通过选择具有相对高介电常数的材料，透镜的大小可以显著减小。透镜至少部分由至少一种陶瓷制成是有可能的。陶瓷的介电常数(∈)从4.5跨越到100。具有介于4.5与约6之间的∈的介质通常分别基于硅酸镁铝和硅酸镁化合物。具有在13至16范围内的∈的介质基于化合物Mg2TiO4和MgTiO3。可以遵循若干路线来获得具有∈>16的低损耗陶瓷。CaTiO3示出相对适度的损耗，但是具有高∈(150至160)以及∈的非常大的负温度系数(约-1600ppm/℃)。反过来，CaTiO3与Mg2TiO4(∈～13)和MgTiO3(∈～16)两者化学相容。应注意，钛酸镁具有∈的适度正的温度系数。因此，由Mg2TiO4加上CaTiO3组成的复合陶瓷以任何所需值涵盖从13至约150的∈，尽管MgTiO3加上CaTiO3的复合材料涵盖差不多相同的范围，即，16至约150。涵盖从约37至约100的∈的低损耗陶瓷还可以由钛酸钡制成。通常，系列的低端是化合物，即，BaTi4O9。TiO2内含物的少量增加产生BaTi4O9/Ba2Ti9O20陶瓷复合材料或纯Ba2Ti9O20。然而，∈保持在37至39的范围内并且∈的温度系数保持极小但略负。区间∈～39-100表征为由Ba2Ti9O20加上TiO2组成的陶瓷。随着TiO2(∈＝100)内含物的增加，∈和∈的温度系数两者在量值上快速上升。已发现，具有从4.5至10的相对低的介电常数的陶瓷通常最适合用作透镜材料。

然而，在通常有利的一些实施例中，透镜至少部分由玻璃制成，具体而言(可购自康宁公司(Corning Incorporated)的透明低热扩展硼硅玻璃)、晶体、硅石(二氧化硅)、铁电介电材料、液晶、至少一种聚合物，具体而言聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚酰亚胺(PI)、生物塑料(从可再生生物质源中得到的塑料，所述可再生生物质源例如，蔬菜脂肪和油、玉米淀粉、豌豆淀粉或微生物群)，或氟塑料；和/或由金属氧化物制成，具体而言，三氧化钛、氧化铝、氧化钡，或氧化锶。具体而言，本申请案通常将从财务视角和设计视角两者制造。聚合物相对便宜并且此外易于使用常规的模制、挤压和/或热成形技术成形，并且甚至可以通过提供显著的设计自由度的3D打印的方式成形。在此背景下，在一些实施例中，可以应用包括壳体的透镜，所述壳体至少部分由包围至少一个内部空间的至少一种玻璃、晶体和/或至少一种聚合物制成，所述内部空间至少部分地充满流体，优选地空气或脱矿质水(充当介质)。空气和水的应用将减少所使用的其它材料的量，这将进一步减小透镜以及因此根据本发明的天线的成本价。透镜可以是通向介质谐振器天线(DRA)的介质谐振器。电磁辐射作为无线电波从发射器电路引入到谐振器材料的内侧中，其中波在谐振器壁之间来回反弹，从而形成静止波。谐振器的壁对无线电波是部分透明的，从而使无线电功率能够辐射到空间中。这些共振透镜因此不具有金属部分(这将影响透镜内的能量耗散)，并且因此具有较低损耗且与常规的金属天线相比更有效。

在本发明的优选实施例中，改进的透镜天线包括：至少一个电磁透镜、连接到所述透镜的至少一个接地平面，以及连接到所述透镜的至少一个探测结构，其中至少一个电磁透镜和具有至少一个底座轮廓的至少一个接地平面中的至少一者基本上经超成形，其中所述经超成形底座轮廓由极函数界定：

且其中：

-是位于XY平面中的曲线；以及

-是角坐标。

尽管具有以下事实：所提出的天线构造起来极其简单、容易地可机械加工的且因此便宜的，但是关于操作带宽、最大增益和辐射方向图灵活性，这些天线显著胜过目前用于无线通信中的天线。此外，所考虑的天线使用可持续的技术并且是生态友好的。具体而言，透镜和/或接地平面的底座轮廓的几何结构通过在科学文献中称为超公式(或吉利斯的公式)的极方程式以及其归纳界定在三维空间中。超公式在J.吉利斯(J.Gielis)的第7,620,527号美国专利中详细地说明，该美国专利的全部揭示内容以引用的方式并入本文中。另外，本申请案还通过引用的方式并入在2010年6月21日提交的约翰·吉利斯(Johan Gielis)的标题为“计算机实施的工具箱(Computer Implemented Tool Box)”的第61/356,836号美国临时申请案的全部揭示内容，该临时申请案的全部内容以引用的方式并入本文中，如同在本文中叙述全文一般。此外，本申请案还通过引用的方式并入在2011年6月22提交的约翰·吉利斯(Johan Gielis)的标题为“计算机实施的工具箱(Computer Implemented Tool Box)”的第13/165,240号美国专利申请案的全部揭示内容，该专利申请案的全部内容以引用的方式并入本文中，如同在本文中叙述全文一般。'527专利描述了系统和方法，通过使用所述系统和方法经由使用以新颖数学公式编程的计算机来合成、调制和/或分析图案(例如，图像、例如声的波形、电磁波，或其它信号等)。所述公式可以用于形成多种形状、波形和其它表示。所述公式大大增强计算机操作的能力并且提供计算机存储器中的大量节省以及计算能力方面的大量增加。

'527专利的几何结构概念对于建模以及说明某些自然形状和形式如它们这样成长的原因是非常有用的。如在'527专利中所说明，其中的发明人发现，包含圆形和多边形的大多数几何形式和规则形状可以如以下公式的特定理解描述：

'527专利说明此公式以及其表示可以如何(例如)用于图案(即，包含例如图像图案和例如电磁(例如，电、光等)的波形、声音和其它波形或信号图案)以及类似者的“合成”和“分析”两者中。

为了合成多种图案，此等式中的参数可以进行修改，使得可以合成多种图案。值得注意地，呈现在以上等式中的参数可以进行调节。通过调节或调制旋转对称(m)、指数(n1-n3)和/或短轴和长轴(a、b)的数目，可以在二维和三维空间中形成各种天然的、人定的和抽象的形状。

在'527专利的图1中，示出的示意图示出多种组件，所述组件可以包含在用于通过超公式运算符进行的图案的合成和/或图案的分析的各种实施例中。如'527专利中所描述，根据第一方面，出于说明性目的，参考所述图1，可以通过以下示例性基本步骤的应用“合成”形状或波：在第一步骤中，进行参数的选择(例如，通过将值输入到计算机10中，即，经由键盘20、触摸屏、鼠标指针、语音识别装置或其它输入装置或类似者，或通过使计算机10指示值)，并且计算机10用于基于参数的选择合成选定的超形。在第二任选步骤中，超公式可以用于调整选定形状以计算优化等。此步骤可以包含以下项的使用：图形程序(例如，2D、3D等)；CAD软件；有限元分析程序；波产生程序；或其它软件。在第三步骤中，从第一或第二步骤产生的输出用于将经计算机化的超形变换成物理形式，例如经由：(a)将超形31显示在监视器30上、将超形51打印在库存材料52上，例如，来自打印机50(2-D或3-D)的纸；(b)执行计算机辅助的制造(例如，通过基于步骤三的输出控制外部装置60，例如，机械设备、机器人等)；(c)经由扬声器系统70或类似者产生声音71；(d)执行立体光刻；(e)执行快速原型；和/或(f)通过本领域中已知的用于变换此类形状的另一方式利用输出。

'527专利论述了合成(例如，形状的形成等)和分析(例如，形状的分析等)两者。关于分析，'527专利说明为：“一般来说，尽管并不限于此，但可以通过以下基本步骤(这些步骤具有与反向合成中的前述步骤的相似性)的应用“分析”形状或波”：在第一步骤中，图案可以扫描或输入到计算机中(例如，以数字形式)。例如，可以扫描(2-D或3-D)物体的图像，麦克风可以接收声波或电信号(例如，波)、可以输入来自计算机可读媒体(例如，CD-ROM、磁盘、内部或外部快闪驱动器等)的数据、可以输入可以例如，经由因特网或企业内部网等在线接收的数据。可以(例如)使用数字相机或其它相机(例如，无论单个图片或实时连续的等)等使用多种其它已知的输入技术。[图1]说明实例，其中图像扫描器100(例如，用于扫描库存材料(例如，纸或照片)上的图像的文档扫描器，或另一扫描器装置)和/或记录器200(例如，所述记录器经由麦克风或类似者接收波形)与计算机10结合使用。在第二步骤中，图像经分析以确定超公式的参数值等。在此步骤中，此外经分析的信号可以进行识别、分类、比较等。在一些计算机分析情况下，计算机可以包含基元(例如，通过参数值经分类混合的超形)的函数库或目录(例如，存储在存储器中)。在此类后者情况下，计算机随后可以用于基于函数库或目录中的信息对超形进行估计、识别分类和/或类似者。基元的目录可以用于(例如)图案或形状的第一近似值。在第三任选步骤中，经分析信号可以按需要进行调节(例如，可以类似于上文参考合成的第二一般相位或步骤所描述那样执行操作)。在第四步骤中，可以形成输出。输出可以包含：(a)提供视觉(例如，显示的或打印的)或音响的(例如，声音)输出；(b)控制特定装置的操作(例如，如果确定某些条件)；(c)提供与经分析图案有关的指示(例如，识别所述图案、分类所述图案、识别优选的或最优配置、识别缺陷或异常等)；(d)如本领域的技术人员将显而易见，形成另一形式的输出或结果。在分析中，在图案数字化之后，计算机使用某一类型的表示进行。如果图案为化学图案，那么应该选择XY曲线图。如果图案为封闭形状，则应该选择经修改的傅立叶分析。计算机应该经调适(例如，经由软件)以提供用以表示数字化图案的等式的正确参数的估计值。

以上超公式提供用于统一描述在从基本颗粒至复杂的一般化拉梅曲线范围内的天然和抽象形状的能力。根据本发明的实施例的改进的天线允许设计的自由度的量增加，从而朝向具有可调谐电磁特征的各种辐射结构和传感器铺设道路。

在此背景下，所提出的经超成形透镜天线由于它们的减小的损耗(几乎没有金属损耗)、高辐射效率以及与平面电路集成的简易性而提供明显优势。此外，所述透镜天线在宽频率范围内提供高度的柔性和多功能性，从而使设计者能够符合多种要求。在符合即将来临的WiMedia标准的实验技术原型上执行的数字研究和测量确认所考虑的天线能够在非常宽的频带(超过70％)上操作，同时保持稳定的辐射方向图和增益值。基于所实现的结果，我们可以得出如下结论：所提出的天线可以找到作为用于室内多媒体无线电系统的接入点的应用，并且每当广泛、光滑且具有稳定频率的辐射方向图是合乎需要的时，这在雷达、无线和卫星技术的新出现的低成本应用中是尤其重要的。

事实上，每一透镜天线包括具有三维形状的透镜和/或接地平面。可能有利的是，透镜和/或接地平面的多个底座轮廓基本上经超成形，其中每一经超成形底座轮廓由根据权利要求1所述的极函数(超公式)界定。以此三维方式将形成经超成形透镜和/或经超成形接地平面，因此这通常将有利于透镜天线的配电图案和强度。在这些三维经超成形组件中，首先通常按照根据权利要求1所述的超公式界定第一底座轮廓并且按照根据权利要求1所述的超公式界定至少一个其它底座轮廓。两个底座轮廓通常界定最终超形的截面，换句话说，第一底座轮廓界定轮廓，而另一底座轮廓界定此第一底座轮廓沿着其旋转的路径。因此，三维形状可以是多个二维形状的叠加的结果。例如，与三角形底座轮廓组合的正方形底座轮廓产生金字塔形状，而与矩形底座轮廓组合的泪珠状底座轮廓产生翼形形状。以此方式，可以形成无限数目个三维超形。所述三维形状也可以是组合外表面面的结果，每一面遵守根据权利要求1所述的超公式。例如，正十二面体具有五边形面，其中每一五边形遵守根据权利要求1所述的二维超公式。例如，这同样适用于正二十面体，其中每一不同面由遵守所述超公式的三角形界定。

透镜和/或接地平面的三维形状的参数表示基于两个垂直截面和

其中：

-ρ由权利要求1中呈现的函数界定，

-以及

--

写成极函数，透镜和/或接地平面的三维形状还可以被定义为：

wherein:

且其中：

-a,b,c,d>0；a,b,c,d,l1,l2,l3,m1,m2,m3,m4,n1,n2,n3)且n1,l1≠0

-0≤θ≤2π，以及

--

以上极函数可以在球坐标中重写为：

其中：

-p和q是对称参数；

-γ1、γ2、γ3类似于如上文识别的参数a和b；

-ν0、ν1、ν2、ν3类似于参数n0、nx、ny(或n0、n1、n2)

-

-(γ1,γ2,γ3,ν0)>0；

-0≤θ≤π；以及

-

优选地，经超成形透镜天线，具体而言介质谐振器天线(SDRA)的设计通过将所述天线同化成普通的圆柱形介质谐振器天线来执行。首先，透镜底座有效半径被定义为：

其中由吉利斯等式给出：

其描述透镜，具体而言透镜底座的底座轮廓。另一方面，透镜高度(hd)经选择为约在天线的中心工作频率(fc)下介电材料中的波长，即：

其中c0是真空中的光速，并且紫红εr表示形成透镜的材料的介电常数。为了实现宽频带操作，透镜的截面尺寸经设定，使得获得以下高宽比：

探针的位置和长度通过全波分析探索式确定。

在优选实施例中，具体而言通过地表面或透镜的底部表面(通常平行于接地平面)形成的电磁透镜和/或接地平面具有基本上经超成形的至少一个底座轮廓，其中m≥4。此参数条件产生包含锐缘的透镜的非常规对称形状，如果与圆柱形透镜的壳体相比，所述锐缘产生更对称的空间功率密度分配，其中对于一个底座轮廓计数为m＝0。以此方式，电磁辐射可以在多个聚焦方向上进行辐射。锐缘的存在未必会降低优选天线的辐射效率。另一优选的边界条件是a≠b，并且优选地nx、ny and n0中的至少一个值偏离2。此外，这些边界条件产生非常规地成形的透镜。这允许透镜将探针定位在透镜的(周向)锐缘中以最小化探针的相互干扰。探针容纳在透镜的容纳空间内。这些容纳空间的定位优选地使得探针将位于彼此的视线之外。

接地平面可以是平坦的或非平坦的，例如，弯曲的和/或成角的。在一些实施例中，一起形成所谓的换能器的透镜和接地平面两者具有遵守上述超公式的底座轮廓。还预期在一些实施例中，接地平面和透镜具有相同形状，或具有相同形状的底座轮廓。然而，在一些实施例中，接地平面的形状可以完全不同于透镜的形状，其条件是接地平面和透镜中的至少一者的至少一个底座轮廓遵守如在权利要求1中论述的超公式。

优选地，基本上经超成形的底座轮廓是在与由接地平面界定的平面基本上平行的方向上延伸的透镜的底座轮廓。这通常将产生垂直于由接地平面界定的(中心)平面定向的透镜的对称轴，所述对称轴有利于空间功率密度分配。此实施例允许具有多面体(非常规的)形状(例如，棱柱)的透镜的应用，其中多面体的n侧面的多边形底座指向接地平面并且最终安装到接地平面上。

在优选实施例中，指向透镜的接地平面的表面是至少部分反射的。接地平面可以是平坦的或弯曲的(杯形或桶形)并且包括导电表面以反射来自其它天线元件的电磁无线电波。平面不一定接地。通常用于充当接地平面，传导面的大小必须为无线电波的波长(λ/4)的至少四分之一。对于在VHF或UHF范围内的更高频率天线，接地平面可以(例如)由金属盘或屏形成。在上限VHF和UHF频率处，汽车或飞机的金属皮可以充当用于从其伸出的伸缩天线的接地平面。接地平面不一定是连续表面。在接地平面天线中，“平面”由从四分之一波伸缩天线的底座辐射的λ/4长的若干导线组成。由接地平面反射的来自透镜(或来自另一天线)的无线电波显示为来自位于接地平面的另一侧上的天线的镜像。在单极天线中，单极的辐射方向图加上虚拟“镜像天线”使其呈现为双元件中心馈电的偶极天线。因此，安装在理想接地平面上的单极具有与偶极天线相同的辐射方向图。来自发射器或接收器的馈电线连接在单极元件的底端与接地平面之间。接地平面优选地具有良好导电性；接地平面中的任何电阻与天线串联并且用于耗散从发射器产生的功率。接地平面可以与印刷电路板(PCB)组合。这用以使电路设计更容易，从而允许设计者将任何组件接地而不需要运行额外的铜迹线；需要接地的组件铜线通过板中的孔直接路由到另一层上的接地平面。大面积的铜还传导来自多个组件的较大回流，而不产生显著压降，从而确保所有组件的接地连接处于相同参考电位。然而，出于此特定目的，使用大接地平面的主要原因通常是减小经由接地(接地环路)从电路的一部分耦合到另一部分的电噪声和干扰以及邻近电路迹线之间的串扰。

当数字电路切换状态时，较大电流脉冲通过接地电路从集成电路流动。如果电源和接地导线具有大电阻，那么跨越电源和接地导线的压降可以在接地导线中形成噪声电压脉冲，所述噪声电压脉冲适用于电路的其它部分。接地平面的较大电容使接地平面能够吸收电流脉冲而不会引起电压的许多改变。另外，根据印刷电路迹线的接地平面可以减小邻近迹线之间的串扰。当两条迹线平行延伸时，一者中的电信号可以通过来自连接另一者的一者的磁场线经由电磁感应耦合到另一者中；这称为串扰。当接地平面层存在于下方时，其形成具有迹线的传输线(带状线)。经相对地引导的回流在迹线的正下方流动穿过接地平面。这将电磁场限制于迹线与接地平面之间的区域，从而减小串扰。

在透镜天线中，方向性图案是电磁波在空气中的传播相速与在透镜材料(n≠1)中的传播相速之间的差的结果。透镜的形状取决于折射率n(无线电波在真空中的传播相速与在透镜中的传播相速的比率)。如在光学器件中，减速透镜天线是n>1的透镜天线。这些种类的天线的透镜优选地由高质量低损耗的均质介质制成，例如，聚合物。

探测结构优选地包括：经配置以在第一频带中通信的至少一个第一探针；以及经配置以在第二频带中通信的至少一个第二探针，这使天线能够在多入多出(MIMO)系统中实施。MIMO技术近年来已作为新技术发展以在现代无线通信中实现非常高的带宽效率和较大数据速率。在MIMO技术中，多个天线放置在通信系统的输入侧和输出侧处以提高信道容量。MIMO衰落信道的多维统计行为以及在发射器和接收器侧处采用的天线的设计参数负责数据速率的提高。多入多出(MIMO)技术是最新范例，其中多个天线用于发射器和接收器两者处以提高通信性能。这是智能天线技术的若干形式中的一者。MIMO技术已在无线通信中引起关注，因为所述MIMO技术显著增加数据吞吐量、信道容量以及通信距离，而不具有额外的带宽或增加传输的功率。由于这些特性，因此MIMO是现代无线通信标准的重要部分，所述标准例如，IEEE802.11n(Wi-Fi)、4G、3GPP长期演进、WiMAX(用于微波接入的无线互操作性)以及HSPA(高速分组接入)等。MIMO系统的主要目标是阵列中的天线必须在较小间距处提供不同的接收能力。当接近地放置天线时，不同天线的电磁波会彼此干扰，从而产生信号损耗。在MIMO系统中，设计者面临的主要问题是互耦合，这主要由于阵列中的天线之间的电磁交互产生。此问题主要由于阵列中的天线之间的较小间距而产生。并行推理适用于根据本发明的优选实施例的透镜天线。因此，具体而言在探测结构包括多个第一探针和多个第二探针的情况下，保持邻近探针之间的足够距离以抵消互耦合是非常有利的。此最小距离取决于电磁辐射的波长、透镜的材料，以及探针的几何结构。

在优选实施例中，天线包括至少一个处理器以在辐射传输模式与辐射接收模式之间自动地切换探测结构，以用于探测结构的双向通信。更确切地说，处理器优选地经配置以在第一频带与第二频带之间自动地切换，以用于每一频带中的双向通信。

在高频率下，可以基于光射线近似借助于专用渐进技术研究经超成形透镜天线的辐射特性。具体而言，采用几何光学来分析透镜区域内的电磁场传播。在这样做时，适当地考虑多个内部反射的作用，因此提高建模工序的精度，尤其在具有相对较大介电常数的介电材料用于设计中时，因为在这种情况下，与高阶反射射线相关的能量内含物可以被忽略的常识性假说不适用。最终，借助于等效原理，透镜外部的电磁场可以通过沿着与空气区域的界面具有相等电场和磁场电流分布的可用空间中的辐射进行评估。在研发的设计方法中，这些电流通过根据物理光学方法沿着透镜的表面将局部菲涅耳传输系数应用于几何光学场来确定。在此背景下，吉利斯公式的采用转变成自动地使透镜轮廓再成形的可能性，使得可以应用任何自动优化工序，例如，遗传算法、神经网络、粒子群优化算法以及蚁群优化算法，以便识别产生最优天线性能的几何参数。

在透镜区域外部传输的电场分配可以方便地评估为：

其中：

表示关于顺序m的内部反射处理的电场作用。在(7)中，表示透镜表面的法线，是在透镜外部传输的第m个经反射光束的归一化波传播矢量，其中λ0是真空中的操作波长。具体而言，和分别是由于第m-个经反射光束产生的所传输波比重的平行和正交分量。这些场量通过将撞击在透镜的表面上的内部场的分量乘以适当的菲涅耳传输系数来确定。的评估继而借助于以下关系执行：

如果m＝1，那么在普通点P处的入射场直接通过使用源的远场图案来计算。另一方面，对于m＞1，从第m-个反射波比重开始推导为：

其中d表示观察点P与进行反射的点Pm之间的欧几里得距离。在(10)中呈现的反射场通过以下方程式给出：

其中相对于入射平面的平行和正交分量和通过将在点Pm处的入射场的对应分量和乘以适当菲涅耳反射系数来计算。在(11)中，是入射场的归一化波矢量，其中nd是形成透镜的介电材料中的折射率。

在已评估几何光学场之后，沿着透镜的表面的相等电场和磁场电流密度可以通过简单方式确定。以此方式，根据物理光学方法，通过天线在观察点PFF≡(rFF,θFF,φFF)处辐射的电磁场可以借助于整式容易地计算出：

其中是在普通点P≡(r,θ,φ)处垂直于透镜的表面的单位矢量。

本发明的优选实施例还涉及一种包括根据本发明的至少一个天线的用于传输和接收电磁信号的天线系统。天线系统包括如上所述的多个MIMO配置的天线，其中每一天线包括多个探针。此外，系统优选地包括至少两个多带天线以及用于在频带的至少一者中切换的至少一个处理器，因此确保信号在此带中的接收和传输的多样性。优选地，处理器经配置以控制切换构件，其中切换构件是SPDT(单端口双投)开关或DPDT(双端口双投)开关。优选地，所述系统进一步包括至少一个接口构件，用于编程至少一个处理器且因此用于编程(配置)天线。

根据一些实施例，本发明进一步涉及一种制造根据本发明的天线的方法，其包括组装接地平面、透镜和探测结构的步骤，所述探测结构包括多个探针，其中至少两个探针的相互定向使得所述探针至少部分地位于彼此的电磁视线之外。根据一些实施例，上文已通过全面的方式描述了使用多探针透镜天线的优点，其中至少两个探针位于彼此的视线之外。优选地，至少一个接地平面和/或至少一个透镜经设计，使得接地平面和/或透镜具有基本上经超成形的至少一个底座轮廓，所述超形由极函数(超公式)界定：

且其中：

■是位于XY平面中的曲线；以及

■是角坐标。

在组装期间，优选地多个探针连接到接地平面和/或透镜。至少一个探针优选地经配置以在第一频带中通信并且至少一个另一探针经配置以在第二频带中通信。更优选地，不同探针经定向，使得在操作期间透镜的不同区段将被激发。在探针位于视线之外以便抵消互耦合的情况下，这是非常有利的。

根据一些实施例，本发明进一步涉及一种通过使用根据本发明的天线用于无线通信中的方法，所述方法包括将通信电路连接到天线网络的步骤，网络包括根据本发明的多个天线，每一天线优化用于在至少一个指定频带中操作。天线几何结构和材料的优化完全取决于特定目的。通信电路通常包括组合形成收发器的发射器和/或接收器。每一天线优选地优化用于在多个频带中操作，其中每一探针经配置以在指定(单个)频率或频带内操作。天线可以并联或串联连接。

根据一些实施例，本发明另外涉及一种在根据本发明的天线中使用的透镜。本发明还涉及一种在根据本发明的天线中使用的接地平面。上文已通过全面的方式描述了这些天线组件的优点和实施例。

本发明的再另一实施例涉及一种无线通信装置的RF收发器，其中采用根据本发明的天线。

最终，在一些实施例中，本发明涉及一种具有包括如上所述的RF收发器的无线接口的电子装置。

附图说明

将基于在以下图中示出的非限制性的示例性实施例阐明本发明的多种说明性实施例。本文中：

图1示出示出多种组件的示意图，所述组件可以包含在用于通过超公式运算符进行的图案的合成和/或图案的分析的各种实施例中；

图2示出说明可以在涉及通过超公式进行的图案的合成的示例性实施例中执行的步骤或阶段的示意图；

图3a示出根据本发明的透镜天线的实施例的透视图；

图3b示出图3a中示出的透镜天线的俯视图且图3c示出图3a中示出的透镜天线的细节俯视图；

图4示出根据本发明的另一透镜天线的实施例的俯视图；

图5示出根据本发明的另一透镜天线的又一实施例的俯视图；

图6至9示出根据本发明的不同天线构造的示意图；以及

图10示出包括根据本发明的多个天线的根据本发明的实施例的MIMO配置的天线系统。

具体实施方式

根据第一方面，出于说明性目的，参考与图16一样也并入到US 7,620,527中的图1，根据本发明的天线的接地平面和/或透镜的形状或波可以通过应用以下示例性基本步骤“合成”：

在第一步骤中，进行参数的选择(例如，通过将值输入到计算机10中，即，经由键盘20、触摸屏、鼠标指针、语音识别装置或其它输入装置或类似者，或通过使计算机10指示值)，并且计算机10用于基于参数的选择合成选定的超形。

在第二任选步骤中，超公式可以用于调整选定形状以计算优化等。此步骤可以包含以下项的使用：图形程序(例如，2D、3D等)；CAD软件；有限元分析程序；波产生程序；或其它软件。

在第三步骤中，从第一或第二步骤产生的输出用于将经计算机化的超形变换成物理形式，例如经由：(a)将超形31显示在监视器30上、将超形51打印在库存材料52上，例如，来自打印机50(2-D或3-D)的纸；(b)执行计算机辅助的制造(例如，通过基于步骤三的输出控制外部装置60，例如，机械设备、机器人等)；(c)经由扬声器系统70或类似者产生声音71；(d)执行立体光刻；(e)通常基于3D打印技术执行快速原型；和/或(f)通过本领域中已知的用于变换此类形状的另一方式利用输出。

多种计算机辅助的制造(“CAM”)技术以及由此制成的产品在本领域中已知并且可以选择任何适当的CAM技术和制成的产品。仅举CAM技术和由此制成的产品的一些实例，参看以下美国专利(标题在圆括号中)，这些专利的全部揭示内容以引用的方式并入本文中：第5,796,986号美国专利(用于将计算机辅助设计数据库与数字控制机械数据库连接的方法和设备)；第4,864,520号美国专利(用于计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助工程以及计算机应用技术的形状产生/形成系统)；第5,587,912号美国专利(三维物体的计算机辅助处理以及其设备)；第5,880,962号美国专利(3-D物体的计算机辅助处理以及其设备)；第5,159,512号美国专利(任意多面体在CAD/CAM技术中的明可夫斯基和以及导数形态组合的构造)。

多种立体光刻技术以及由此制成的产品在本领域中已知并且可以选择任何适当的立体光刻技术和制成的产品。仅举立体光刻技术和由此制成的产品的一些实例，参看以下美国专利(标题在圆括号中)，这些专利的全部揭示内容以引用的方式并入本文中：第5,728,345号美国专利(用于通过使用立体光刻模型制造用于放电加工的电极的方法)；第5,711,911号美国专利(用于通过立体光刻制造三维物体的方法和设备)；第5,639,413号美国专利(涉及立体光刻的方法和组成)；第5,616,293号美国专利(使用立体光刻模型快速制造原型零件或模具)；第5,609,813号美国专利(通过立体光刻制造三维物体的方法)；第5,609,812号美国专利(通过立体光刻制造三维物体的方法)；第5,296,335号美国专利(用于利用立体光刻工具制造纤维增强零件的方法)；第5,256,340号美国专利(通过立体光刻制造三维物体的方法)；第5,247,180号美国专利(立体光刻设备以及使用方法)；第5,236,637号美国专利(用于通过立体光刻生产三维物体的方法的设备)；第5,217,653号美国专利(用于通过立体光刻生产无级3维物体的方法和设备)；第5,184,307号美国专利(用于通过立体光刻生产高分辨率三维物体的方法和设备)；第5,182,715号美国专利(立体光刻零件的快速和精确生产)；第5,182,056号美国专利(采用多种穿透深度的立体光刻方法和设备)；第5,182,055号美国专利(通过立体光刻制造三维物体的方法)；第5,167,882号美国专利(立体光刻方法)；第5,143,663号美国专利(立体光刻方法和设备)；第5,130,064号美国专利(通过立体光刻制造三维物体的方法)；第5,059,021号美国专利(用于在通过立体光刻生产物体时校正偏移的设备和方法)；第4,942,001号美国专利(通过立体光刻形成三维物体的方法以及其组成)；第4,844,144号美国专利(利用通过立体光刻产生的图案的熔模铸造)。

此外，本发明可以用于已知的微立体光刻工序中。例如，因此本发明可以用于形成计算机芯片和其它项。一些说明性论文如下，这些论文的揭示内容通过引用的方式并入本文中：A.伯奇(A.Bertsch)、H洛伦兹(H Lorenz)、P.雷诺(P.Renaud)的“通过组合微立体光刻和厚胶UV光刻的3D微型制造”，《传感器与执行机构A辑》，73期，第14至23页(1999年)；A.伯奇(A.Bertsch)、P.雷诺(P.Renaud)的“微立体光刻：用以构建复杂3D物体的新方法”，关于MEM/MOEM的设计、测试和微型制造的研讨会，SPIE的会议记录，3680(2)，第808至817页(1999年)；A.伯奇(A.Bertsch)、H洛伦兹(H Lorenz)、P.雷诺(P.Renaud)的“用于3D微型制造的组合微立体光刻和厚胶UV光刻”，德国海德尔堡98车间的IEEE MEMS的会议记录，第18至23页，(1998年)；A.伯奇(A.Bertsch)、J.Y.Jézéquel、J.C.André的“新3D微制造工艺的空间分辨率的研究：使用动态掩模产生器技术的微立体光刻”，光化学和光生物学杂志,A:化学类，107期，第275至281页(1997年)；A.伯奇(A.Bertsch)、S.则斯(S.Zissi)、J.Y.Jézéquel、S.科贝尔(S.Corbel)、J.C.André的“使用液晶显示器作为动态掩模产生器的微立体光刻”，微软科技，3(2)，第42至47页，(1997年)；A.伯奇(A.Bertsch)、S.则斯(S.Zissi)、M.卡林(M.Calin)、S.巴朗爵(S.Ballandras)、A.布尔若(A.Bourjault)、D.霍登(D.Hauden)、J.C.André的“通过微立体光刻制造且通过形状记忆合金致动的小型化激活器的概念和认识”，贝桑松关于机电一体化的第3届法国-日本国会会议以及第1届欧洲-亚州国会会议的会议记录，2，第631至634页，(1996年)。

类似地，多种快速原型技术和由此制成的产品(例如，模具等)在本领域中是已知的并且可以选择任何适当的技术和制成的产品。例如，目前可用的三个示例性3维模型快速原型方法包含，如第5,578,227号美国专利中所描述，该专利的揭示内容以引用方式并入本文中：a)光可固化液体凝固或立体光刻(例如，参看上文)；b)选择性激光烧结(SLS)或粉层烧结；c)熔融沉积成型(FDM)或挤压熔融塑料沉积方法。仅举快速原型技术和由此制成的产品的一些实例，参看以下美国专利(标题在圆括号中)，这些专利的全部揭示内容通过引用的方式并入本文中：第5,846,370号美国专利(快速原型处理以及对此的设备)；第5,818,718号美国专利(用于快速原型的高阶构造算法方法)；第5,796,620号美国专利(用于使用快速工具设定的消失模铸造充型过程的计算机化系统)；第5,663,883号美国专利(快速原型方法)；第5,622,577号美国专利(快速原型处理以及对此的冷却室)；第5,587,913号美国专利(采用用于产生由快速原型系统制造的壳体的时序二维几何结构的方法)；第5,578,227号美国专利(快速原型系统)；第5,547,305号美国专利(用于带电操作杆工具的快速无工具调节系统)；第5,491,643号美国专利(用于优化在快速原型系统中产生的物体的参数特征的方法)；第5,458,825号美国专利(通过有用于快速容器原型设计的立体光刻制造的吹塑工具的利用)；第5,398,193号美国专利(通过受控粉层沉积/萃取的三维快速原型的方法以及对此的设备)。

上述三个步骤或阶段也在图2示出的示意图中示意性地说明(步骤1和2能够在计算机自身内执行，如所示)。此图对应于US 7,620,527的图17。

在以下章节中，进一步详细描述通过超公式的图案“合成”的多个示例性实施例。

A.2-D图形软件

本发明在2-D图形软件应用中具有极大的效用。

本发明可以(例如)应用于常规的商用程序中，例如，Corel-Draw^TM和Corel-Paint^TM，用于Adobe Illustrator和Photoshop^TM的开放办公应用程序Supergraphx^TM；Visual Basic^TM或Windows^TM中的多种图式程序中；或其它环境中，例如，Lotus WordPro^TM和Lotus Freelance Graphics^TM、Java^TM、视觉C^TM、视觉C++^TM以及所有其它C环境。本发明在图像合成中具有大量优点，因为此外本发明的方法实现计算机存储器空间的大量节省，因为仅需要利用具有经典函数(例如，功率函数、三角函数等)的超公式。另外，通过超公式可获得的图像形状的数目基本上增加超出先前可获得的数目。

图形程序(例如，用于架构设计的Windows^TM中的Paint、Microsoft Word^TM中的绘图工具、Corel-Draw^TM、CAD等)使用“基元”，其为编程到计算机中的形状。这些是非常具有限制性的，例如，通常主要限于圆形、椭圆形、正方形和矩形(在3-D中，体积基元此外受到很大限制)。

超公式的引入将2-D图形(并且此外如下文所论述的3-D图形)中的总体可能性显著放大若干数量级。用作线性运算符，其可以通过多种不同方法和公式化操作，无论极坐标等如何并且此外在使用球坐标、圆柱坐标、均质圆柱体的参数公式化等的3-D中操作。

2-D图形软件应用程序内的一些示例性实施例如下。

a.1.计算机可以经调适以普遍利用运算符，例如，在极坐标或XY坐标中。在此意义上，参数可以被选择作为(例如，通过运算符输入或通过计算机本身)和用作超公式中的输入(例如，经由编程)。可以通过任何方式使用个别形状或物体，例如以打印或显示物体等。

a.2.计算机还可以经调适以执行例如积分等操作以计算面积、周长、惯性力矩等。就此而言，计算机可以经调适以通过以下方式执行此种操作：a)经由运算符输入(例如，经由键盘20)选择此种操作或b)采用计算机(例如，经由预编程)来执行此类操作。

a.3.计算机可以经调适(例如，经由软件)以：a)显示或另外呈现形状；b)在显示此类形状之后使用户能够修改此类形状；以及c)显示如通过用户修改的形状。就此而言，用户可以通过例如改变参数来修改形状。在示例性实施例中，计算机可以经调适以通过物理地作用于在步骤三中形成的物理表示上而实现显示或另外呈现(即，在上文提到的步骤三中呈现)的形状。在优选实施例中，计算机可以经调适以实现显示在监视器上的形状，所述形状将通过拉出图案(例如，图像)的侧面和/或拐角而进行修改。为此，优选地，图像31显示在计算机屏幕或监视器30上并且用户可以使用手操纵“鼠标”40(或其它用户操纵的屏幕或显示指针装置)以将所显示的指针32置于所述形状上，从而“单击”该形状并且将该形状“拖拽”至新的位置33，由此调节超形以呈现新“超形”配置34。这也将包含公式和参数的重新计算。

a.4.计算机还可以经调适以执行操作，由此通过叠加的过程将在a1或a3中产生的个别形状中的一者以上结合在一起。在一些情况下，通过(例如)叠加和/或重复或类似者组合的个别超形可以(例如)是可组合以形成具有不同部分或区域的形状的部分或区域(仅举一个说明性实例，在例如0与π/2之间的圆的部分可以与在例如π/2与π之间的正方形的部分组合以形成多组件形状)。计算机还可以经调适以在形成超形之后执行额外操作(例如)以平化、歪斜、拉长、放大、旋转、移动或转换，或以其它方式修改此类形状。

B.3-D图形软件

如同2-D应用一样，本发明在3-D图形软件应用程序中(以及在以多种其它尺寸的表示中)具有极大效用。

本发明可以应用于(例如)计算机辅助设计(“CAD”)软件、用于有限元分析(“FEM”)的软件、Supergraphx 3D Shape Explorer、天线设计和分析软件(例如，CST、Ansoft HFSS、Remcom XFdtd、EMSS Feko、Empire XCcel)、架构设计软件等中。本发明允许(例如)一者针对多种应用程序使用单个连续函数，而不是样条函数。CAD的工业应用包含，例如，在快速原型或在包含3D打印的计算机辅助制造(“CAM”)中的使用。

参考图3a，其中示出根据本发明的优选实施例的透镜天线300的实施例。天线300包括接地平面301、安装到所述接地平面301的电磁透镜302，以及包括两个探针303a、303b的探测结构。透镜302具有遵守超公式的棱柱形状。在此实例中透镜302由PVC制成。透镜302具有用于容纳探针的容纳空间304。接地平面301由金属制成。两个探针303a和接地平面301两者通常经由控制电路(未示出)连接到电源，例如，电池(DC)或市电(AC)。在此实施例中的透镜302充当介质谐振器，所述介质谐振器使透镜天线300成为介质谐振器天线(DRA)。由于透镜302遵守超公式，因此此天线300还可以被视为经超成形天线(S-DRA)。充当接地平面301的圆形金属板具有半径平面。天线300借助于在地平面水平处的同轴连接器变向从底侧馈电到长度hp和直径dp的每一电探针303a中。探针303a、303b可以具有相同几何结构，或可以具有不同几何结构。在透镜天线300应配置为多带天线的情况下，此后者选项通常是最有利的。每一探针位于(xp,yp,0)处。金属接地平面301具有半径ρg和厚度tg。棱柱透镜302具有沿着z方向对齐的轴线以及由极函数界定的底座轮廓：

其中是位于xy平面中的曲线并且是角坐标。在此实例中，以下值用于获得如图3中示出的透镜302的形状：a＝b＝1；m＝4；以及n1＝n2＝n3＝1/2。

聚合物透镜302具有两个容纳空间，每一容纳空间经配置以通过良好拟合的方式容纳单个探针303a、303b。容纳空间并且因此探针303a、303b位于透镜302的不同边缘304a、304b中或靠近所述不同边缘定位，其结果是探针303a、303b位于彼此的视线(参看虚线)之外，这在图3a和图3b中进一步可视化。如图所示，周向壁305包括连接到彼此的四个凹入的壁部分305a、305b、305c、305d，其结果是界定前述四个拐角304a、304b、304c、304d。凹入的壁部分305a中的一者具有选择性波纹状轮廓。由探针303a、303b激发的电磁辐射将通过壁部分305a、305b、305c、305d以及具体而言通过中间的波纹状壁部分305a在远离另一探针303b、303a的方向上反射(参看箭头)，使得可以抵消互耦合且因此抵消干扰。

在此说明性实施例中，用于透镜302的PVC是由于低成本和处理的简易性大批量生产的热塑性聚合物。此外，PVC极其耐用以及耐化学腐蚀并且因此极好地适合于户外应用。另外，PVC可以与提供各种物理性质的不同材料掺和。PVC的使用随后可以通过使用常规的钻井/铣削或更先进的三维打印技术产生用于制造经复杂成形的介质谐振器/透镜天线的便宜选择。此外，这是非常重要的，以便当用于可居住结构(例如，居住单元、办公楼、剧院、体育馆等)中的无线通信时增强所提出的辐射结构的感官质量。PVC不仅实现复杂的谐振器/透镜几何结构的实施例，而且由于其低介电常数，PVC还有利于降低天线品质因数并且因此加宽工作频带以及增强能量辐射水平。已发现，就部分带宽和增益两者而言，所提出的辐射器性能优于经典的介质谐振器/透镜天线。由于塑性材料的使用，此种性能可通过减小的制造成本来实现。在新一代无线多媒体应用所特有的批量生产背景下，此特征是尤其合乎需要的。也可以针对特定应用定制的天线的单个生产使用3D打印。通常，在3D打印中，使用其中连续的材料层彼此堆放以形成所需材料层的添加处理形成三维实体。在大批量生产和3D打印两者中，取决于材料的介电常数可以使用多种塑料，包含生物塑料和塑料的组合。

用于雷达、卫星和无线通信的天线的制造通常需要使用昂贵的微波材料，所述材料由于在生产工艺中的较大二氧化碳排放水平以及再循环的难度而具有重大环境影响。另一方面，就可持续性而言，建议使用塑料以及具体而言聚氯乙烯(PVC)来制造经超成形的介质谐振器和透镜会提供明显优势。事实上，PVC是非常适合于再循环的材料并且需要更少的自然资源，因为PVC大部分由从地球上丰富的食盐中得到的氯制成。因此，与其它塑料相比，PVC显著有助于节省作为非可再生资源的石油。此外，PVC仅需要用于生产其它聚合物所需的能量需求的约80％。最终，应强调的是，替代性低碳材料可以有效地用于制造具有有利环境影响的经超成形介质谐振器/透镜天线，同时就电路特征和辐射特性而言保持良好的装置性能。

另外，在其它实施例中，多种其它材料可以用于以高度可持续的方式生产天线。此外，可以采用具有动态形状改变以使用液体组分(例如，液晶)修改其用于特定目的的行为的天线，其中形状改变的动力通过机械或电子操纵或利用其它物理力进行修改。

图4示出根据本发明的实施例的透镜天线400的俯视图，所述透镜天线或多或少地类似于图3a至3c中示出的天线300。天线400包括接地平面401、安装到所述接地平面401的电磁透镜402，以及包括两个探针403a、403b的探测结构。透镜402具有遵守超公式的棱柱形状，其中周向壁404通过四个凹入的周向壁部分404a、404b、404c、404d形成，其中邻近的壁部分404a、404b、404c、404d相互形成透镜402的锐缘405a、405b、405c、405d。探针403a、403b两者位于透镜402的不同锐缘405a、405b中。由于基本上位于探针403a、403b之间的周向壁部分404a的凹形，因此探针403a、403无法从电磁视角看到彼此。直接视线(LOS)借助于水平虚线LOS粗略地指示。此外，由于中间壁部分404a具有异型曲面，因此由探针403a、403b传输的电磁辐射将远离另一探针403a、403b(参看箭头)反射，这将减少互耦合并且因此减小透镜天线400内的干扰，这样有利于天线400的效率和容量。在此说明性实施例中，互耦合通过呈现单独的反射元件406(镜)而进一步减少。此反射元件406可以由金属板形成并且并入到透镜主体402中且反射在两侧上，使得到达反射元件406的电磁辐射将被反射回，这可以进一步减小分别通过不同探针403a、403b传输的辐射方向图的干扰。在此实例中，透镜402由PVC制成。接地平面401由金属制成。两个探针403a、403b和接地平面401两者通常经由控制电路(未示出)连接到电源，例如，电池(DC)或市电(AC)。在此实施例中的透镜402充当介质谐振器，所述介质谐振器使透镜天线400成为介质谐振器天线(DRA)。由于透镜402遵守超公式，因此此天线400还可以被视为经超成形天线(S-DRA)。探针403a、403b可以具有相同几何结构，或可以具有不同几何结构。

图5示出根据本发明的透镜天线500的另一实施例的俯视图。透镜天线包括金属接地平面501、安装到所述接地平面501的电磁透镜502，以及包括五个探针503a、503b、503c、503d、503e的探测结构。透镜502具有棱柱形状并且具有遵守前述超公式的星形底座轮廓502a。探针503a、503b、503c、503d、503e分别位于透镜502的不同角点(边缘或拐角)中。以此方式，不同探针503a、503b、503c、503d、503e将几乎看不到彼此，并且因此不会彼此干扰。不同探针503a、503b、503c、503d、503e可以具有不同几何结构，以便使天线500适合于例如在Wi-Fi通信系统中或在其它通信系统中的多带操作。

图6示出双带天线600，其包括包围具有相互不同的几何结构的两个不同探针602、603的经超成形透镜601，其中探针602、603位于彼此的视线之外。透镜601和探针602、603连接到平坦的接地平面604。在一些实施例中，代替平坦的接地平面604，还可以使用弯曲的或以其它方式成形的接地平面604。探针602、603中的每一者从同轴连接器605、606延伸，所述连接器也连接到所述接地平面604。在一些实例中，透镜601由硅制成。在一些实例中，最短探针602经配置以在2.4GHz的频带内操作，而最长探针603经配置以在5GHz的频带内操作，这使得此紧凑天线600很好地适合于充当双带Wi-Fi天线。

图7示出双带天线700，其包括透镜701以及连接到所述透镜701的反射经超成形接地平面702，其中接地平面702具有两个中心孔703a、703b，每一孔703a、703b在透镜701与接地平面702所附接到的介质印刷电路板(PCB)704之间形成槽或空腔。孔703a、703b至少部分地位于彼此的视线之外。PCB 704的后侧具有两条导电微带705a、705b。通过将接地平面702和每一微带705a、705b连接到包含电源(例如，电池)的电子电路706(示意性地示出)以及通常控制单元和开关，静态平坦波前将形成于每一微带705a、705b与接地平面702之间，所述波前将经由每一孔703a、703b进入透镜701并且将在透镜701内变成球面波前。透镜701内的电磁辐射将取决于透镜701的(超)形状以及最终接地平面702的超形以受控方式在内部进行反射和激发。此机构还称为缝隙馈电天线。

图8示出包括经超成形透镜801的单带天线800，所述透镜801连接到充当接地平面的绝缘层802和导电层803的层压体。导电层803具有中心孔804，两个探针805a、805b通过所述中心孔延伸。每一探针805a、805b的外端连接到具有相似几何结构的导电贴片806a、806b，所述导电贴片位于透镜801内并且经配置以将电磁波耦合到透镜801中和/或透镜801外部。探针805a、805b连接到包含处理器的控制电路807。探针805a、805b和导电层803两者连接到AC电源808。控制电路807经配置以借助于计算机接口809进行编程，所述计算机接口使用户能够界定天线800的用途(传输信号、接收信号，或两者)以及天线800的其它特征，例如，通过天线800使用的频带。

图9示出包括经超成形介质谐振器901的多带天线900，所述谐振器901连接到第一绝缘层902、充当接地平面的导电层903、第二绝缘层904和两条微带905a、905b的层压体。在一些实施例中，谐振器901由PVC或或聚合物和陶瓷的组合/混合物制成。在谐振器901内并且在第一绝缘层902上，提供两个导电贴片906a、906b。贴片906a、906b可以具有平坦几何结构或经超成形几何结构。接地平面903由金属和/或导电聚合物制成并且具有两个孔907a、907b，并且每一条微带905a、905b延伸使得外端将与所述贴片906a、906b中的一者成一直线定位。通过将微带905a、905b和(中间)接地平面903连接到电源908，电磁平坦波前将形成于微带905a、905b与接地平面903之间，这将激发贴片906，其方式为使得两个球面波前传播到透镜中。贴片906位于透镜主体901中，其方式为使得波前不彼此干扰。天线900可以构成电子装置909的一部分，例如，路由器、笔记本电脑，或移动电话等。

图10示出根据本发明的一些实施例的MIMO配置的天线系统1000，其包括根据本发明的多个天线1001、1002，其中所述天线1001、1002经配置以在两个方向上无线地彼此通信。第一天线1001包括多个探针1003、1004、1005，其中两个探针1003、1004具有相同几何结构并且经配置以在相同的第一频带内操作，而具有不同几何结构的另一探针1005经配置以在另一第二频带内操作。探针1003、1004、1005由通过接地板1007支撑的经超成形透镜1006包围。探针构成连接到控制电路(未示出)的同轴连接器1008、1009、1010的一部分。为了改进此第一天线1001的通信以及因此改进所述天线的可靠性，利用距离彼此足够距离而相互定位的两个相同探针1003、1004。另一天线1002包括两个探针1011、1012，其中第一探针1011经配置以在第一频带内操作，并且另一探针1012经配置以在第二频带内操作。探针1011、1012由通过接地板(接地平面)1014支持的经超成形透镜1013包围。探针构成连接到控制电路(未示出)的同轴连接器1015、1016的一部分。

显而易见的是，本发明不限于此处示出和描述的示例性实施例，但是将对本领域的技术人员而言明显的在所附权利要求的范围内的多种变体是可能的。另外，应基于本发明了解，本发明具有包含多种创造性装置、组件、方面、方法等的多个实施例。在文档中，对“本发明”的引用并不意味着适用于本发明的所有实施例。

此概述意欲引入在说明书内揭示的概念，而不是在本发明内的延伸论述中提供的多种教示和在那些教示之后的变体的穷尽性列表。因此，此概述的内容不应用于限制以上权利要求的范围。

在一系列实例中，即，示出一个以上发明概念的一些实例中说明发明性概念。在不实施在特定实例中提供的所有细节的情况下，可以实施个别发明性概念。不必提供下文所提供的发明性概念的每一可能组合的实例，因为本领域的技术人员将认识到，在多个实例中说明的发明性概念可以组合在一起以便处理特定应用。

在参阅以下图式和具体实施方式之后，所揭示的教示的其它系统、方法、特征和优点对本领域的技术人员而言将显而易见或变得显而易见。预期所有此类额外系统、方法、特征和优点包含在所附权利要求的范围内并且受到所附权利要求的保护。

权利要求的限制(例如，包含稍后添加的权利要求)将基于在权利要求中采用的语言广义地进行解释并且不限于在本说明中或在本申请案的诉讼过程中描述的实例，所述实例应解释为非排他性的。例如，在本发明中，术语“优选地”是非排他性的并且意指“优选地，但不限于”。在本发明中以及在本申请案的诉讼过程中，方法加功能或步骤加功能限制将仅在以下情况下采用：针对特定的权利要求限制，所有以下条件将呈现于该限制中：a)明确地叙述“用于……的方法”或“用于……的步骤”；b)明确地叙述对应功能；以及c)不叙述结构、支持该结构的材料或动作。在本发明中并且在本申请案的诉讼过程中，术语“本发明”或“发明”可以用作对本发明内的一个或多个方面的参考。语言本发明或发明不应该被不恰当地解释为临界条件的识别，不应该被不恰当地解释为应用所有方面或实施例(即，应理解本发明具有多个方面和实施例)，并且不应该被不恰当地解释为限制本申请案或权利要求的范围。在本发明中并且在本申请案的诉讼过程中，术语“实施例”可以用于描述任何方面、特征、过程或步骤、其任何组合和/或其任何一部分等。在一些实例中，多个实施例可以包含重叠的特征。在本发明中，可以采用以下缩写术语：“e.g.”，这表示“例如”。