al strips or patches) "，《电气与电子工程师协会事务天线提案》，第56, 1624卷，2008)。事实证明，SWM 中的波速度并不特别接近于针对合理大小的贴片26的规定限制，并且因此，表面波阻抗锥 形24区域中的基板22的介电常数ε2必须大于锥形微带13下方的基板14的介电常数ε 1<3
[0258] 在一些应用中，举例来说，某些AIS天线，锥形微带13的端部处微带引导的波的波 速度低于该应用所期望的速度。在这个情形中，通过使表面波阻抗锥形区域24中的金属贴 片的大小变化，而使表面波速度随着波远离锥形微带13移动而增加。形状的变化方式使 得表面波阻抗以最小化来自表面波阻抗锥形区域24的一个端部的插入损耗的受控方式变 化。实际上，这借助于依据使表面波阻抗锥形区域24中的贴片26的大小变化的克洛普费 恩斯坦阻抗锥形而容易实现。阻抗锥形（例如，克洛普费恩斯坦锥形）是数学实体。其描 述随着沿以下传输线的距离而变化的阻抗：所述传输线匹配具有不同阻抗的两条传输线之 间的阻抗。（SWM可被视为用于表面波的传输线）。对于微带线16中的锥形，这借助于逐渐 地传送出的条带实现。对于区域24中的表面波阻抗锥形，该锥形是表面波阻抗随距离的一 维改变。所以，贴片仅必须沿着如图2a中的区域24的箭头所描绘的传播方向在大小上变 化。
[0259] 在AIS天线20中，平均表面波阻抗相对低-其最佳处于大约250到300欧姆/ 平方。使波速度与锥形微带13的端部处的SWM匹配所必需的阻抗要高得多，大约为500到 800欧姆/平方。所以，在这个情形中，并且几乎针对所有的AIS天线20, AIS天线的操作 性表面与高阻抗区域之间必须存在转变区域24,其中如果期望良好匹配，那么微带13终止 并且耦合到AIS天线20。在这样的情形中，区域24中的阻抗锥形是必要的。在其中AIS 天线20仅是SWM的应用（就像经由表面波进行功率输送或数据传输的应用）中，可容许随 处使用具有高阻抗的AIS(或更一般地，SWM)。那么，阻抗锥形不是必要的。然而，甚至在 这些应用中，也可能期望使区域24中的阻抗成锥形，因为举例来说，较低阻抗的SWM更易于 制造，因为其使用较少金属或其较薄或使用具有较低介电常数的较为便宜的电介质基板。 当SWM非常大，如用于大规模SWM网络时，这些考虑是重要的。举例来说，参见授予Daniel Gregoire等人的标题为"大规模适应性表面传感器阵列（Large-Scale Adaptive Surface Sensor Arrays) " 的第 7, 307, 589 号美国专利。
[0260] 图3a和图3b描绘图2a和图2b的CSWF 10的模拟验证的结果。锥形微带13经 由右侧的同轴适配器16馈送。波沿着锥形微带13传播，随着锥形微带13宽度增加传送出 到宽相位波前中。在锥形微带13的锥形的端部12处，如果波速度紧密匹配，那么表面波以 <-25dB的插入损耗被发射到表面波媒介（SWM)区域24中。
[0261] 在功率传输应用中，表面波从左侧入射于CSWF 10上。表面波的宽相位波前穿过 锥形微带13到达锥形微带13的窄端部11，其中其被收集于用于下游RF到DC转换的同轴 适配器处。两个可能的功率收集应用是（1)将无线功率广播到分布式网络和（2)将无线功 率从一个地方广播到另一个，例如，在卫星与地球站之间。关于第一可能性，表面波功率和 和通信网络跨越lm〈2>SWM分布（同样，参见第7, 307, 589号美国专利），其中中央枢纽广 播数据和RF功率跨越SWM到多个节点，所述多个节点收集RF功率、将其转换成DC并且使 用该功率来运行经由表面波与中央枢纽通信的车载CPU/无线电广播设备。在第二可能性 中，AISA 20被用作无线功率输送中的接收天线。在该情形中，微波功率被从一个地方发送 到另一个，例如，在卫星与地球站之间。接收天线是收集其表面上的微波并且将微波集中到 单个点的AISA，所述微波在所述单个点处被CSWF 10收集然后被转换到DC下游。在AISA 20是功率传输天线的情况下，相同系统可逆向工作。
[0262] 当用于功率收集应用中时，宽表面波相位波前入射于锥形微带13上，锥形微带13 然后将能量汇集于表面波相位波前中，向下到达同轴适配器16,在同轴适配器16处所述能 量可然后被传输到RF转DC转换器以给装置（例如，CPU、变容二极管、LED等）供电。图3a 和图3b示出在CSWF 10的模拟中从同轴馈送15到表面波的波传播。当在锥形微带13区 域与表面波区域之间波速度匹配时，整个装置的插入损耗小于-25dB。总体插入损耗往往受 同轴转微带适配器16的限制。图3a中的场中的灰度改变指示沿着锥形的长度改变功率密 度，其中最大功率密度出现于适配器16处。
[0263] 在锥形微带13中，波能局限于微带13的金属形状。如果RF能量起源于耦合到RF 电缆15的一些装置（例如，发射器），那么波能随着锥形微带13的宽度沿着锥形的长度增 加而传送出，在所述锥形处所述波能然后转变到具有宽相位波前的表面波中。如果RF能量 起源为表面波（例如，来自AIS天线20)，那么波能随着锥形微带13的宽度沿着锥形的长度 降低而朝向适配器16集中，在适配器16处所述波能然后转变到RF电缆15中。
[0264] 已经结合本发明的某些实施例描述了本发明，现在修改形式将浮现在本领域的技 术人员的脑海中。正因如此，除由随附权利要求书具体要求之外，本发明并不限于所公开的 实施例。
[0265]
本发明的SWC，如图3所示，通过将金属錢路应用到电介质材料葙 形成。一端的同轴连接器允许连接到外部器件。设计金属化图案，以 耦合到SWM的TE SW。 图3示出了 SWC的无件： 1、 SWM:支持表面波的传播》 2、 基板：可以由任何非导电电介质材料形成在实际应用中，最好 使用损耗较低的电介质材料"所使用的典型材料为常用的电路板材 料"图片中的设备所使用的材料为0.050"厚的Rogers 3010杜劳特铬 合金钢。 3、 同轴耦合器：用于耦合SWC和同轴线缆之间的RF信号。可以使 用非标准的带锡焊耦合器.
4、 接地面：为SWC底面的金属涂层。在寄生驱动上，接地面延伸 至接地通.路一样的长度，其还有場于在正方、向上将能量反射而远离同 轴馈送。 5、 条状线馈送：I禹合同轴耦合器和驱动元件之间的RF信号。其宽 度根据基板属性设计，以匹配阻抗与同轴耦合器（通常为50Ω λ 6、 主驱动：由带状线为其馈送TIF信号。主驱动的电场具有方向性， 从而使得这些电场强耦合到TE SW, ?、寄生驱动：寄生驱动形成了另一半驱动网络，且与主驱动共同空 座，以发射TESWr 8、接地通路;将寄生驱动连接到接地面，并且在寄生驱动上产生羞 分电压。该电压允许驱动元件同相驱动.
9、反射面：产生了阻止反向发射的TE SW继续在该方向发射的界面:， 使得这些SW由接地面的边缘反射回来，进而与正想发射的TW SW .汇合s 1.0、定向器：为TESW产生定向增益D某些应用中需要定向增益、 尤其是需要能量传送的情况下。可以设计一个或者多个定向器，这主 要根据需要多少定向增益来确定。 图中a、b和c指定的间距取决于SWC的操作频率。图4示出了图3 中SWC的回波损耗，并给出了操作的有效范围， TE SWC设计的有效效应为将RF场由同轴耦合器转换至兼容SWM 上的SWt,发射电场，使其与SWM表面平行且与传播方向垂直，这 一点与SW场配置一样（参见图5 )。当SWC接近SWM时，SWC 有效地播合到SWM上的SW中。很少一部分辐射耦合到自由空间辐 射中。
【主权项】
1. 一种可控的人工阻抗表面天线，其在渾及0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X-Y平面内； 其中，所述取角为相对于所述X轴的X-Y平面内的角度； 其中，所述0角为相对于与所述X-Y平面正交的Z轴的角度。2. 根据权利要求1或17所述的可控的人工阻抗表面天线，还包括：至少一个可调元 件，所述可调元件禪接在相邻的每对金属带之间。3. 根据权利要求2所述的可控的人工阻抗表面天线，其中：所述可调元件包括多个变 容二极管，所述变容二极管禪接在相邻的每对金属带之间。4. 根据权利要求3所述的可控的人工阻抗表面天线，其中：与各自的金属带禪接的每 个变容二极管具有与禪接到各自金属带的各个变容二极管相同的极性。5. 根据权利要求2所述的可控的人工阻抗表面天线，其中：所述可调元件包括相邻金 属带之间的电变材料。6. 根据权利要求5所述的可控的人工阻抗表面天线，其中：所述电变材料包括液晶材 料或铁酸锁领度ST)。7. 根据权利要求5所述的可控的人工阻抗表面天线，其中： 所述电介质基板为惰性基板；所述电变材料嵌入惰性基板中。8. 根据权利要求1或17所述的可控的人工阻抗表面天线，其中：所述表面波馈送经配 置使得每个表面波馈送之间的相对相位差为所述电子可控的人工阻抗表面天线（AISA)的 主增益瓣确定9角。9. 根据权利要求8所述的可控的人工阻抗表面天线，还包括：与所述表面波馈送禪接 的射频（R巧馈送网络。10. 根据权利要求9所述的可控的人工阻抗表面天线，其中，所述射频（R巧馈送网络包 括： 发射/接收模块； 多个移相器，各个移相器均与所述发射/接收模块禪接，且均与各自的表面波馈送禪 接； 与所述移相器禪接的移相控制器。11. 根据权利要求1所述的可控的人工阻抗表面天线，其中： 所述多个金属带的交变金属带与地禪接； 不与地禪接的每个金属带与来自电压源的各自的电压禪接； 其中，通过改变各自的电压，来改变所述电介质基板的表面波阻抗。12. 根据权利要求1所述的可控的人工阻抗表面天线，其中：每个金属带与电压源禪 接； 其中，通过改变对各金属带所施加的来自电压源的电压，来改变所述电介质基板的表 面波阻抗。13. 根据权利要求1所述的可控的人工阻抗表面天线，还包括：位于与所述电介质基板 的第一表面相对的电介质基板的第二表面上的接地面。14. 根据权利要求1所述的可控的人工阻抗表面天线，其中：所述金属带具有由在所述 电介质基板上传播的表面波的波长的一部分所间隔开的中屯、； 其中，所述波长部分小于或等于0. 2。15. 根据权利要求14所述的可控的人工阻抗表面天线，其中： 所述可调元件为变容二极管； 禪接在相邻的两个金属带之间的相邻变容二极管之间的间隔大约与相邻金属带的中 屯、之间的间隔相等。16. 根据权利要求1所述的可控的人工阻抗表面天线，其中： 所述人工阻抗表面天线具有表面波阻抗该阻抗通过为所述金属片施加电压而得W调制和变化，W致在离所述表面波馈送某距离（X)处，所述表面波阻抗根据下式变化： Zsw=X+Mcos(2Tlx/p) 其中，X和M分别为平均阻抗和调制幅度，P为调制周期； 所述0角通过下式与所述表面波阻抗调制相关： 白=sin1 (ns"-入 /p) 其中，A为在所述电介质基板上传播的表面波的波长；为平均表面波指数。17. -种电子可控的人工阻抗表面天线，其在啤及0角度可控，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屯、，所述金属带在宽度上W周期P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Y轴构成的X-Y平面内； 其中，所述巧角为相对于所述X轴的X-Y平面内的角度； 其中，所述0角为相对于与所述X-Y平面正交的Z轴的角度。18. 根据权利要求17所述的可控的人工阻抗表面天线，还包括：位于与所述电介质基 板的第一表面相对的电介质基板的第二表面上的接地面。19. 根据权利要求17所述的可控的人工阻抗表面天线，其中： 所述多个金属带的交变金属带与可变电压源的第一端子禪接； 不与所述第一端子禪接的每个金属带与所述可变电压源的第二端子禪接； 其中，通过改变所述可变电压源的第一和第二端子之间的电压，来改变所述人工阻抗 表面天线的表面波阻抗。20. 根据权利要求18所述的可控的人工阻抗表面天线，其中：所述可调元件包括相邻 金属带之间的电变材料。21. 根据权利要求20所述的可控的人工阻抗表面天线，其中：所述电变材料包括液晶 材料或铁酸锁领度ST)。22. 根据权利要求20所述的可控的人工阻抗表面天线，其中：所述电介质基板为惰性 基板；所述电变材料嵌入惰性基板中。23. 根据权利要求17所述的可控的人工阻抗表面天线，其中：所述表面波馈送经配置 使得每个表面波馈送之间的相对相位差为所述电子可控的人工阻抗表面天线（AISA)的主 增益瓣确定巧角。24. 根据权利要求17所述的可控的人工阻抗表面天线，还包括：位于与所述电介质基 板的第一表面相对的电介质基板的第二表面上的接地面。25. 根据权利要求17所述的可控的人工阻抗表面天线，其中： 所述多个金属带的交变金属带与可变电压源的第一端子禪接； 不与所述第一端子禪接的每个金属带与所述可变电压源的第二端子禪接； 其中，通过改变所述可变电压源的第一和第二端子之间的电压，来改变所述人工阻抗 表面天线的表面波阻抗。26. 根据权利要求17所述的可控的人工阻抗表面天线，还包括：与所述表面波馈送禪 接的射频（R巧馈送网络。
【专利摘要】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X-Y平面内；所述φ角为相对于所述X轴的X-Y平面内的角度；所述θ角为相对于与所述X-Y平面正交的Z轴的角度。
【IPC分类】H01Q1/24, H01Q1/48
【公开号】CN105379011
【申请号】CN201380077921
【发明人】丹尼尔·J·格雷瓜尔, 约瑟夫·S·科尔伯恩
【申请人】Hrl实验室有限责任公司
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2013年7月13日
【公告号】EP3017504A1, WO2015002658A1