圆极化标量阻抗人工阻抗表面天线的制作方法

圆极化标量阻抗人工阻抗表面天线的制作方法
【专利摘要】一种圆极化人工阻抗表面天线(AISA)包括：对穿越基板的顶面的表面波具有调制标量阻抗的阻抗调制基板；其中，阻抗调制具有多个缠绕的恒定阻抗线；并且其中每个恒定阻抗线遵循螺旋椭圆形路径。
【专利说明】
圆极化标量阻抗人工阻抗表面天线
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请涉及于2013年6月28日提交的、专利申请序列号为13/931，097,于2013年1 月28日提交的、专利申请序列号为13/752,195以及于2012年3月22日提交的、专利申请序列 号为13/427,682的美国专利申请，其全部内容通过引用并入本文。本申请要求于2013年11 月27日提交的、申请序列号14/092,276的美国申请的优先权和权益，其全部内容通过引用 结合在本申请中。
[0003] 联邦资助声明
[0004] 无
技术领域
[0005] 本公开涉及人工阻抗表面天线(AISA)，尤其涉及圆极化AISA。
【背景技术】
[0006] 通过横跨人工阻抗表面(AIS)发射表面波来实现人工阻抗表面天线(AISA)，其阻 抗根据匹配AIS上的表面波和期望的远场辐射图案之间相前的函数横跨AIS在空间上进行 调制。
[0007] 在下文参考文献[1]_[6]中描述的早先工作中，人工阻抗表面天线(AISA)由调制 的人工阻抗表面(AIS)形成。在参考文献[1]中，Patel使用由接地电介质上的金属条线性阵 列组成的端射耀斑馈电（endf ire-flare-fed)的一维空间调制的AIS描述了标量AISA。在参 考文献[2]_[4]中，Sievenpiper、Colburn和Fong在平面和曲面上都使用由顶部为金属贴片 栅格的接地电介质组成的波导或偶极馈电的二维空间调制的AIS描述了标量和张量AISA。 在参考文献[5]_[6]中，Gregoire检查了 AISA操作对AISA设计性能的依赖性。
[0008] AISA操作的基本原则是使用调制AIS的栅格动量来匹配被激励的表面波(SW)波前 和期望的平面波的波矢量。在一维情况下，这可以表达为
[0009] kSw=k〇 sin0〇-kp (1)
[0010] 其中，kQ为在设计频率下辐射的自由空间波数，θ〇为期望的辐射相对于AIS法线的 角度，kP = 2Vp为AIS栅格动量，其中p为AIS调制周期，ksw=nQkQ为表面波波数，其中no为整 个AIS调制中平均的表面波折射率。表面波(SW)阻抗通常被选择为具有正弦地沿着根据如 下公式(2)的SW栅格调制SW阻抗的图案，
[0011] Z(x)=X+M coS(23ix/p) (2)。
[0012] 其中p为调制周期，X为平均阻抗，Μ为调制幅度。X、M和p的选择使得x-z平面中相对 于z轴的福射角Θ由如下公式(3)确定，
[0013] 0 = sin-Ηηο-λο/ρ) (3)。
[0014] 其中no为平均Sff指数，λ〇为辐射的自由空间波长。η〇通过《β W与Ζ (χ)相关。
[0015] 等式⑵中AISA阻抗调制针对任何形状的AISA可以概括为
[0016]
[0017] 其中：|^为期望的辐射波矢量，iF为AIS的三维位置矢量，r为沿着AIS从表面波源到 AIS表面上沿着测地线f的距离。该表达式可用于确定任何几何形状、扁平、圆柱、球面或任 意形状的AISA的指数调制。在一些情况下，确定r的值在几何学上是复杂的。对于扁平AISA， 仅仅是r二jx2 +
[0018] 对于（x-y平面中）扁平AISA，辐射波矢量可被假定为辐射到x-z平面
7失一般性。使表面波源位于x = y = 〇。于是，调制函数 为
[0019] Z(x,y)=X+M cosy (6)
[0020] 其中 γ Ek〇(n〇 p-x sine。） （7)并且 等式(2)、（5)和(6)中的 余弦函数可用任何周期函数替代，并且AISA仍然按照设计操作，但是辐射旁瓣、带宽和波束 偏斜会受到影响。
[0021] AIS可以实现为接地电介质上的金属贴片栅格。根据将贴片大小和表面波指数相 关的函数，通过改变贴片的大小产生期望的指数调制。使用仿真、计算和/或测量技术确定 指数和贴片大小之间的相关性。例如，Colburn在参考文献[3]，Fong在参考文献[4]使用 HFSS单格（unit cell)特征值仿真和测试板的近场测量的组合来确定其相关函数。 Luukkonen在参考文献[7]中介绍的快速近似法也可用来计算相关性。然而，经验校正因子 也通常应用到这些方法中。在许多体系中，这些方法与HFSS特征值仿真和近场测量十分契 合。当贴片大小相比于基板厚度很大时，或当每个单格的表面波相移接近180°时，会发生故 障。
[0022]使用调制张量阻抗的圆极化AIS天线
[0023] 通过使用具有各向异性阻抗性能的调制张量阻抗表面，可以使AIS天线与圆极化 (CP)辐射一起操作。通过张量在数学上描述在AIS上每个点的阻抗。参考文献[4]中描述了 等式（6)的调制函数推广到线性极化AISA，CP AISA的阻抗张量可具有类似
C 8)的形式。
[0024] 其中 φ =tan-Hy/x) · (9)
[0025] 在参考文献[4]中，张量阻抗利用接地电介质基板上的各向异性金属贴片来实现。 贴片为各种尺寸的方形，具有穿过其中心的切片(slice)。通过改变贴片的大小和切片穿过 其中的角度，可在整个AIS上产生期望的等式(8)的张量阻抗。可使用这些切片的贴片之外 的其他类型的张量阻抗元件来产生张量AIS。
[0026] 全介质AIS天线
[0027]全介质AIS天线已证明适合于线性极化操作并在参考文献[9]中被描述。根据上述 现有技术中AIS天线的相同原理操作介质AIS天线，除非阻抗是通过改变电介质的厚度来进 行调制的。
[0028]以Θ = 0°福射的标量阻抗、圆极化AIS天线
[0029] 可以用参考文献[8]中描述的调制标量阻抗制成以θ = 〇°辐射的圆极化(CP)AIS天 线。根据Z(x，y)=X+M cos( γ 土 Φ ) (10)调制阻抗。
[0030] 其中γ和φ已经分别在等式⑴和(9)中被定义，土符号对应分别以右旋CP(RHCP) 或左旋CP(LHCP)模式操作的天线。在外观上，调制看上去像缠绕的、圆形螺旋恒定阻抗线， 例如分别为图2A和图2B中示出的低阻抗线50和高阻抗线52。这样，天线会在垂直于AIS表面 的波束(Θ = 0°)中辐射，如图2C所示。
[0031] Minatti和Maci在参考文献[8]中通过纯直观方法导出了等式（10)中的阻抗调制； 然而，不能将其推广到以任意角度辐射的天线。
[0032] 参考文献
[0033] [l]Patel，A.M. ;Grbic，A.，"基于正弦调制的电抗表面上印刷漏波天线（A Printed Leaky-Wave Antenna Based on a Sinusoidally-Modulated Reactance Surface)" IEEE天线与传播汇刊，卷59，编号6，页码2087，2096，2011年6月。
[0034] [2]D.Sievenpiper等，"共形天线的全息AIS(Holographic AISs for conformal antennas)"，第29部天线应用论文集，2005〇
[0035] [3]D.Sievenpiper，J.Colburn，B.Fong，J.Ottusch和J.Visher.，2005ΙΕΕΕ天线与 传播汇刊，摘要，卷IB，页码256-259,2005年。
[0036] [4]B.Fong等，"标量和张量全息人工阻抗表面（Scalar and Tensor Holographic Artificial Impedance Surfaces)" IEEE TAP.，58,2010年。
[0037] [5]D · J · Gregoire和J · S · Colburn，人工阻抗表面天线（Artif icial impedance surface antennas)，会议录(Proc)。天线应用论文集2011，页码460_475〇
[0038] [6]D.J .Gregoire和 J. S. Colburn，人工阻抗表面天线设计和仿真（Art if icial impedance surface antenna design and simulation)，会议录。天线应用论文集2010，页 码288-303。
[0039] [7]0.Luukk〇nen等，"包括金属条或贴片的平面网格和高阻抗表面的简单准确的 分析模型（Simple and accurate analytical model of planar grids and high-impedance surfaces comprising metal strips or patches)"，IEEE汇干丨J〇天线传播，卷 56，1624,2008年。
[0040] [8]Minatti和Maci等人"基于调制表面阻抗的螺旋漏波天线(Spiral Leaky-Wave Antennas Based on Modulated Surface Impedance)"，IEEE 天线与传播汇刊，卷 59， No.12,2011 年 12 月。
[0041] [9]2012年3月22日提交的，专利申请序列号13/427,682的美国专利申请"电介质 人工阻抗表面天线(Dielectric Artificial Impedance Surface Antenna)"。
[0042] 需要的是能够以任意角辐射的圆极化AIS天线。本公开的实施例应对了这些和其 他需求。

【发明内容】

[0043] 在本文公开的一个实施例中，一种圆极化人工阻抗表面天线(AISA)包括:对穿越 基板的顶面的表面波具有调制标量阻抗的阻抗调制基板;其中，阻抗调制具有多个缠绕的 恒定阻抗线;并且其中每个恒定阻抗线遵循螺旋椭圆形路径。
[0044] 在本文公开的另一个实施例中，一种制造圆极化人工阻抗表面天线(AISA)的方 法，包括:形成对穿越基板的顶面的表面波具有调制标量阻抗的阻抗调制基板;其中，所述 阻抗调制具有多个缠绕的恒定阻抗线;并且其中每个恒定阻抗线遵循螺旋椭圆形路径。
[0045] 在本文公开的又一个实施例中，一种圆极化人工阻抗表面天线(AISA)，包括:对穿 越基板的顶面的表面波具有调制标量阻抗的阻抗调制基板;其中，所述调制标量阻抗图案 为
[0046]
[0047] 其中，X为平均阻抗，Μ为调制幅度，θ〇为最大增益相对于AISA法线的仰角；其中γ Ek〇(n〇p-x sin 0〇)，k〇为设计频率下福射的自由空间波数，η〇为整个标量阻抗图案上平均 的表面波折射率，并5
_中±符号分别对应以右旋圆 ? 、'γ'，： 极化(RHCP)或左旋圆极化(LHCP)模式操作的ΑΙSA，其中，X和Μ可随表面波源的距离Ρ变化。
[0048] 在本文公开的再一个实施例中，一种制造圆极化人工阻抗表面天线(AISA)的方 法，包括:阻抗调制基板对穿越基板的顶面的表面波具有调制标量阻抗，其中调制标量阻抗 图案为
[0049]
[0050] 其中，X为平均阻抗，Μ为调制幅度，θ〇为最大增益相对于AISA法线的仰角，γ =ko (n〇p-x sin0Q)，k〇为设计频率下福射的自由空间波数，no为整个标量阻抗图案上平均的表 面波折射率，并i
霉中±符号分别对应以右旋圆极化 (RHCP)或左旋圆极化(LHCP)模式操作的AISA，并且X和Μ随着P，表面波源的距离变化。
[0051]这些和其他特征和优点将在以下详细说明和附图中变得显而易见。在附图和说明 书中，附图标记表示不同特征，在附图和说明书的全文中，相同的附图标记表示相同的特 征。
【附图说明】
[0052]图1Α和图1Β显示了以θ = 〇°福射的圆极化标量阻抗AISA的阻抗图案，图2显示了根 据现有技术图1A中AI SA的仿真右旋圆极化(CP)和左旋CP辐射强度；
[0053]图3A显示了左旋圆极化AISA的阻抗图案，图3B显示了图3A中沿y = 0的阻抗调制， 图3C显示了根据本公开图3A的AISA仿真辐射图案；
[0054]图4A显示了图3A的AISA当实现为具有调制厚度的接地电介质时，基板厚度轮廓 (profile)，图4B显示了沿y = 0的基板厚度，并且图4C显示了根据本公开AISA的厚度调制的 等距（isometric)视图；
[0055]图5A显示了当图3A的AISA制造成具有方形金属贴片的接地电介质时阻抗元件贴 片大小分布，图5B显示了沿y = 0贴片大小轮廓，图5C显示了根据本公开贴片的大小是如何 随位置变化的细节；
[0056]图6显示了根据现有技术的AISA表面波馈电；
[0057]图7显示了根据本公开的形成AISA的方法的流程图；以及
[0058]图8A显示了阻抗图案和阻抗调制，其中缠绕的椭圆形线不是如图3A的恒定阻抗， 而是根据本公开阻抗随着P单调增加，图8B显示了根据本公开阻抗随着P单调增加的天线； 以及图8C和图8D显示了图8B的天线的仿真的和测量的辐射。
【具体实施方式】
[0059] 在以下说明书中，阐明了许多具体细节，以便清楚地描述本文公开的各具体实施 例。然而，本领域技术人员应理解，无需以下描述的全部具体细节就可以实现目前要求保护 的本发明。在其他情况下，对众所周知的特征没有作详细的描述，以免得使本发明不清楚。
[0060] 公开了可以被配置为在指向任意角的波束中辐射的，圆极化、标量阻抗人工阻抗 表面天线(AISA)。本公开的AISA具有范围从低阻抗到高阻抗的缠绕的、椭圆形螺旋恒定阻 抗线，而不是现有技术中的圆形螺旋线，如图2A和图2B中示出的线50和52。进一步，由于本 公开的AISA使用了标量阻抗表面，代替张量阻抗，其可以使用上述现有技术中所用的任何 手段来制造，包括调制电介质基板的厚度或在电介质基板上配置不同大小的金属贴片。 [0061 ]图3A显示了根据本公开左旋圆极化(LHCP)AISA的20-cm X 20-cm的阻抗图案。图 3A的AISA具有缠绕的、椭圆形螺旋恒定阻抗线，例如分别为低阻抗线100和高阻抗线102。图 3A的AISA被配置为在12GHz下，以Θ = 45°辐射。如图3B所示的，沿y = 0椭圆形螺旋的恒定阻 抗线的阻抗在复数阻抗172j Ω和复数阻抗421 j Ω的范围内，并且在最低阻抗和最高阻抗之 间具有正弦曲线形式。如图3A和图3B所示，阻抗调制具有遵循螺旋椭圆形路径的恒定阻抗 线。图3C显示了图3A的AISA在f = 12GHz和的仿真辐射图案。设计角度Θ = 45°下的LHCP 辐射104比θ = 45°下的RHCP辐射106大20dB。图3Α的设计辐射为θ = 45°，然而，AISA可被配置 为以任意角度圆极化辐射。
[0062]在另一个实施例中，椭圆形缠绕的阻抗线不是恒定的阻抗，而是可以随着其与表 面波源的距离变化。图8A显示了阻抗图案和阻抗调制，其中缠绕的椭圆形线不是如图3A的 恒定阻抗，而是根据本公开阻抗随着P单调增加，图8B显示了根据本公开阻抗随着P单调增 加的制造的天线；以及图8C和图8D显不了图8B的天线的仿真的和测量的福射。
[0063]图4A显示了当AISA当实现为具有在顶面和底面之间的调制厚度的接地电介质时， 图3A中AISA的厚度调制。电介质可以接地，其中接地平面在电介质的底面上。电介质可以是 非导电材料，例如Lexan?、丙烯酸、塑料或Plexiglas? β对于ε = 2 · 55的Plexiglas?基板， 沿图4A中y = 0的厚度调制具有范围在0.110英寸到0.306英寸的厚度，如图4B所示。图4C显 示了厚度调制的等距视图。
[0064]图5A显示了当AISA制造成在电介质表面上具有方形金属贴片的接地电介质时，图 3A的AISA实施例的阻抗元件贴片大小分布。使用集成电路掩模和沉积技术，可在电介质的 表面上印刷或形成方形金属贴片108。在本实施例中，AISA可具有基本上平的顶面和平的底 面，并且电介质的厚度横跨AISA基本上是恒定的。贴片大小随着AISA中的位置变化，使其具 有椭圆形螺旋的恒定阻抗线，例如分别为低阻抗线100和高阻抗线102。图5B显示了沿y = 0 贴片大小轮廓。在一个实施例中，基板可以是具有ε = 11.2的50密耳厚的Rogers?R〇3〇l?， 并且贴片可以以1.5mm矩形栅格上相邻贴片中心之间的周期或间距分布在如图5C所示的矩 形栅格上。贴片大小和表面波阻抗之间的关系在参考文献[1]-[8]中被充分地记载。图5C显 示了每个独立贴片108的贴片大小是如何随AISA中的位置变化的细节。如图5C所示，较大的 贴片108大小对应较低的阻抗，并且较小的贴片108大小对应较高的阻抗。
[0065]图6显示了一种将AISA连接到射频(RF)接收器/发送器系统的方法。表面安装的同 轴连接器601附着至AISA的接地平面603。连接器的中心导体606延伸穿过AISA基板602中的 孔605。例如，参照图3A、图4A和图5A，连接器的中心导体606延伸穿过电介质的X = 0，y = 0位 置处的孔，其可对应AISA基板602的中心。如图3A所示的，电介质的x = 0，y = 0位置对应以下 等式(11)中基板的x = 〇，y = 〇位置。
[0066] 连接器的中心导体606的长度优选为从接地平面的表面波波长的大约四分之一 (1/4)。对于12GHz的AISA，中心连接器606的长度大约为0.63cm。连接到AISA的该方法和其 他方法在现有技术[1]-[8]中被充分地记载。通过向同轴连接器601发送射频信号，可在 AISA的表面上激励表面波。当以发送模式使用AISA时，产生表面波并从表面波耦合器径向 向外传播。当以接收模式使用AI SA时，表面波朝着表面波親合器向内传播。
[0067] 表面波也可以其他形式的、親合至电介质基板上的X = 0，y = 0位置处的表面波馈 电被发送或接收。例如，表面波馈电可以是微带线、波导、微波喇叭或偶极子。
[0068] 根据方程式(11)调制本公开的AISA的阻抗图案：
[0069]
1' 11!
[0070] 其中，X为平均阻抗；
[0071] 其中Μ为调制幅度；
[0072] 其中θ〇为最大增益相对于AISA法线的仰角；
[0073] 其中 γ Ek〇(n()P-x sin9〇);
[0074] ko为设计频率下的辐射自由空间波数；
[0075] no为整个标量阻抗图案上平均的表面波折射率；
[0076]
[0077]
[0078]其中±符号对应分别以右旋圆极化(RHCP)或左旋圆极化(LHCP)模式操作的AISA。 [0079] 在一些实施例中，X和Μ可随表面波源的距离P变化。在一个实施例中，Μ随着P单调 地增加，以便最大化天线的孔径效率。这种阻抗调制幅度渐缩的技术在本领域中是已知的。
[0080] 对于现有技术中具有如图2Α所示的低阻抗和高阻抗圆形螺旋臂的圆极化AIS天 线，当θ=0°时，等式(11)简化为等式(10)。
[0081] 本公开如上所述的AISA的阻抗图案为一对缠绕的椭圆形螺旋臂100和102,如图3Α 所示。
[0082] 下文描述了一种推导本公开AISA阻抗图案的方法。
[0083] AISA辐射是由于根据远场辐射积分 的表面波(SW)电流分布，
[0084] 其中Erad (k)为远场中的辐射电场，Jsw为表面波电流密度，k为指定辐射方向和频率 的辐射波矢量，并且r '为AIS上的点。
[0085] 当等式（12)的左侧为期望的天线图案时，通过找到使等式（12)右侧的积分最大化 的表面波电流，可以找到生成该图案的AIS阻抗调制。使积分最大化的一个方式是，当k = k〇 时，通过设定积分的自变量与期望的辐射极化向量成比例。使积分最大化的另一个方式是， 需要积分的自变量当在通过对称性相关联的AIS表面上的一组点上求和后，同样与辐射极 化向量成比例。
[0086] 如果AISA设计成具有辐射波矢量k = kQ的峰值增益和极彳彳
于 是在频率和方向为k〇的场与
丨Ο)成比例。
[0087] 表面波（SW)阻抗调制用导纳(admittance)张量Ysw表示。SW电流通过￥^与31场E sw 相关，Esw由其相位Φ sw和极化Psw定义，
[0088]
( ! 4 )
[0089] 其中?sw为SW传播路径和沿着该路径的阻抗的函数。
[0090] Ysw为纯电纳(susceptive)的，并分解为恒定部分和调制部分
[0091] Ysw=i Β1+?δΒ Im(Qsw), (15)
[0092] 其中B为平均电纳，I为单位矩阵，δΒ为调制幅度，Qsw为调制张量。当等式（13)和 (14)代入到（12)时，积分被分成分别与匕(^|和(^成比例的三个积分。只有最后的积分为非 零的。
[0093]当其自变量为1 (uni ty)时，福射积分（12)被最大化。于是，对于k〇和prad的福射，
[0094]

[0095] 该条件需要AIS上的每个点同等地贡献于辐射场，因此被称为强条件。结合(12)到 (14)，给m 了 i固制张量的础备件·
[0096]
[0097]
[0098] _ ^
[0099] 并且p'rad在此被定义为修改的极化向量
[0100]
[0101]在一个实施例中，AISA为被限制于χ-y平面的平面AISA，其横磁(TM)SW起始从源辐 射。在本AI SA配置中，SW极化向量为psw=P，其中p为AI S表面上圆柱坐标系的单位矢量，同样 也是沿SW路径的表面切线。
[0102] SW 相位 Φμ 为
[0103]
[0104] 其中nsw为有效SW指数。如果nsw中的变化被忽略，等式(18)的调制参数可近似为
[0105]
[0106] 其中在等式(7)中定义了 γ。
[0107] 通过应用第二条件使辐射积分最大化，可以从以上分析中推导本公开的阻抗图 案。通过对称性相关联的一组点上求和替换积分来产生所谓的弱条件。于是，等式（17)可以 改写为
[0109] 将对称性相关联的一组点选择为|^ = 入# 1 并且圆极化为(ρθ = 1，ΡΦ=±υ，等式(22)可用来推导本公开的阻抗调制。等式(22)得出调制参数
[0110]
[0111] 阻抗调制用等式（11)表达。
[0112] 本领域技术人员会注意到以上推导假定导纳调制，而等式（11)为阻抗调制。为简 洁和清楚起见，省略了如何从(15)导纳形式转化为（11)阻抗形式的细节;然而，本领域技术 人员应理解这些细节，并且应理解当调制深度很小时，这两种调制模式的形式是基本相同 的。
[0113] 图7显示了根据本公开制造 AISA的方法的流程图。在步骤200中，形成对穿越基板 的顶面的表面波具有调制标量阻抗的阻抗调制基板。阻抗调制具有步骤202所示的多个缠 绕的恒定阻抗线，并且每个恒定阻抗线遵循步骤204所示的螺旋椭圆形路径。
[0114]已经根据专利法规的要求描述了本发明，本领域的技术人员应理解如何在本发明 中做出变化和修改，以符合其具体要求或条件。这些变化和修改应不偏离本文公开的本发 明的范围和精神。
[0115]以上对示例性的和优选的实施例的详细描述是基于根据法律的要求用来说明和 公开的目的而提出的。它不是意在排他性，也不是将本发明限制在所述的精确形式，而仅仅 是使得本领域的其他技术人员能够理解本发明如何适合于特定使用或实施。可能的修改和 改变对于本领域的技术人员是显而易见的。示例性的实施例的描述不是意在限制性的，其 可以包括容差、特征大小、特定操作条件、工程规范等，并且其可以在实施方式之间变化，或 者随着现有技术的状态变化而变化，其中并不暗示任何限制。
【申请人】是针对当前的技术发 展水平进行公开的，但也预期了进展，并且根据到那时的技术发展水平，将来的改动可以将 这些进展考虑在内。本发明的范围应当由所写的权利要求及其等同（如果适用）来限定。以 单数提到一个元件并不意味着"一个并且只有一个"，除非明确指出。在本公开内容中，元 件、部件以及方法或处理步骤都不是意在可为公众所用，不管在权利要求中是否明确地记 载了该元件、部件、或步骤。在这里，权利要求的元素不应根据35U.S.C.Sec. 112第六款的条 款来解释，除非使用"用于......的装置"的措辞来明确记载该元素，并且，在这里，方法或 处理步骤不应在该条款下解释，除非使用"包括用于......的步骤"的措辞来明确记载一个 或多个步骤。
[0116] 广义上来讲，本文至少公开了以下内容：
[0117] -种圆极化人工阻抗表面天线(AISA)包括:对穿越基板的顶面的表面波具有调制 标量阻抗的阻抗调制基板;其中，阻抗调制具有多个缠绕的恒定阻抗线;并且其中每个恒定 阻抗线遵循螺旋椭圆形路径。
[0118] 本文也提出了至少以下概念。
[0119] 概念1、一种圆极化人工阻抗表面天线(AISA)，包括：
[0120] 对穿越基板的顶面的表面波具有调制标量阻抗的阻抗调制基板；
[0121] 其中，所述阻抗调制具有多个缠绕的恒定阻抗线;并且
[0122] 其中每个恒定阻抗线遵循螺旋椭圆形路径。
[0123] 概念2、根据概念1所述的圆极化人工阻抗表面天线(AISA)，其中：
[0124] 所述阻抗调制基板包括具有所述顶面和底面的电介质；
[0125] 其中厚度在所述顶面和所述底面之间变化，以便改变阻抗。
[0126] 概念3、根据概念2所述的圆极化人工阻抗表面天线(AISA)，进一步包括：
[0127] 在所述底面上的接地平面。
[0128] 概念4、根据概念1、2或3所述的圆极化人工阻抗表面天线(AISA)，其中：
[0129] 所述阻抗调制基板包括具有所述顶面和底面的电介质;并且
[0130] 所述AISA进一步包括:在所述电介质的顶面上不同大小的金属贴片以便改变阻 抗。
[0131] 概念5、根据概念4所述的圆极化人工阻抗表面天线(AISA)，其中：
[0132] 在所述底面上的接地平面。
[0133] 概念6、根据概念1、2、3、4或5所述的圆极化人工阻抗表面天线(AISA)，其中：
[0134] 所述AISA具有基本上平面的形状;并且
[0135] 所述AISA在相对于所述平面形状的法线的角度Θ下，具有较大增益的增益图案。
[0136] 概念7、根据概念1、2、3、4、5或6所述的圆极化人工阻抗表面天线(AISA)，其中：所 述调制标量阻抗图案为
[0137]
[0138] 其中，X为平均阻抗；
[0139] 其中Μ为调制幅度；
[0140] 其中θ〇为最大增益相对于所述AISA法线的仰角；
[0141] 其中 γ Ek〇(n〇p_x sin9〇);
[0142] ko为设计频率下辐射的自由空间波数；
[0143] η〇为敕+说看·阳祐図宏h平均的表面波折射率；
[0144] 并且
[0145] 其中
夺且
[0146] 其中±符号分别对应以右旋圆极化(RHCP)或左旋圆极化(LHCP)模式操作的所述 AISA〇
[0147] 概念8、根据概念2所述的圆极化人工阻抗表面天线(AISA)，其中：
[0148] 所述顶面具有调制高度;并且
[0149] 所述底面基本上是平的。
[0150] 概念9、根据概念4所述的圆极化人工阻抗表面天线(AISA)，其中：
[0151 ]所述顶面基本上是平的；并且
[0152] 所述底面基本上是平的。
[0153] 概念10、根据概念2所述的圆极化人工阻抗表面天线(AISA)，其中：
[0154] 所述介电材料包括：Lexan?、丙烯酸、塑料或Plexiglas⑧。
[0155] 概念11、根据概念4所述的圆极化人工阻抗表面天线(AISA)，其中：
[0156] 所述介电材料包括:Lex_:an?.、丙稀酸、塑料或Plexiglas.?。
[0157] 概念12、根据概念7所述的圆极化人工阻抗表面天线(AISA)，进一步包括：
[0158] 表面波馈电，在所述基板的x = 0，y = 0位置親合到所述基板。
[0159] 概念13、根据概念12所述的圆极化人工阻抗表面天线(AISA)，其中：
[0160] 当以发送模式使用所述AISA时，所述表面波从所述表面波馈电径向向外传播。
[0161] 概念14、根据概念12所述的圆极化人工阻抗表面天线(AISA)，其中：
[0162] 当以接收模式使用所述AISA时，所述表面波朝着所述表面波馈电径向向内传播。
[0163] 概念15、根据概念12所述的圆极化人工阻抗表面天线(AISA)，其中：
[0164] 所述表面波馈电包括耦合到所述基板的同轴连接器。
[0165] 概念16、根据概念12所述的圆极化人工阻抗表面天线(AISA)，其中：
[0166] 所述表面波馈电包括微带线、波导、微波喇叭或偶极子。
[0167] 概念17、一种制造圆极化人工阻抗表面天线(AISA)的方法，包括：
[0168] 形成对穿越基板的顶面的表面波具有调制标量阻抗的阻抗调制基板；
[0169] 其中，所述阻抗调制具有多个缠绕的恒定阻抗线;并且
[0170] 其中每个恒定阻抗线遵循螺旋椭圆形路径。
[0171] 概念18、根据概念17所述的方法，其中：
[0172] 所述阻抗调制基板包括具有所述顶面和底面的电介质；
[0173] 其中厚度在所述顶面和所述底面之间变化。
[0174] 概念19、根据概念18所述的方法，进一步包括：
[0175] 在所述底面上形成接地平面。
[0176] 概念20、根据概念17所述的方法，其中：
[0177] 所述阻抗调制基板包括具有所述顶面和底面的电介质;并且
[0178] 所述方法包括:在所述电介质的顶面上形成不同大小的金属贴片。
[0179] 概念21、根据概念20所述的方法，进一步包括：
[0180] 在所述底面上形成接地平面。
[0181] 概念22、根据概念17、18、19、20或21所述的方法，其中：
[0182] 所述调制标量阻抗图案为
[0183]
[0184] 其中，X为平均阻抗；
[0185] 其中Μ为调制幅度；
[0186] 其中θ〇为最大增益相对于所述AISA法线的仰角；
[0187] 其中 γ Ek〇(n〇p_x sin9〇);
[0188] ko为设计频率下辐射的自由空间波数；
[0189] no为整个标量阻抗图案上平均的表面波折射率；
[0190]
[0191]
[0192] 其中±符号分别对应以右旋圆极化(RHCP)或左旋圆极化(LHCP)模式操作的所述 AISA〇
[0193] 概念23、根据概念22所述的方法，进一步包括：
[0194] 在所述基板的X = 0，y = 0位置将表面波馈电親合到所述基板。
[0195] 概念24、根据概念23所述的方法，其中：
[0196] 所述表面波馈电包括耦合到所述基板的同轴连接器。
[0197] 概念25、一种圆极化人工阻抗表面天线(AISA)，包括：
[0198] 对穿越基板的顶面的表面波具有调制标量阻抗的阻抗调制基板；
[0199] 其中，所述调制标量阻抗图案为
[0200]
[0201]其中，X为平均阻抗；
[0202]其中Μ为调制幅度；
[0203] 其中θ〇为最大增益相对于所述AISA法线的仰角；
[0204] 其中 γ Ek〇(n〇p_x sin9〇);
[0205] ko为设计频率下辐射的自由空间波数；
[0206] no为整个标量阻抗图案上平均的表面波折射率；
[0207]
[0208]
[0209]其中±符号分别对应以右旋圆极化(RHCP)或左旋圆极化(LHCP)模式操作的所述 AISA;并且
[0210]其中，X和Μ可随表面波源的距离P变化。
[0211] 概念26、根据概念25所述的圆极化人工阻抗表面天线(AISA)，其中Μ随着P单调地 增加。
[0212] 概念27、一种制造圆极化人工阻抗表面天线(AISA)的方法，包括：
[0213] 形成对穿越基板的顶面的表面波具有调制标量阻抗的阻抗调制基板；
[0214] 其中，所述调制标量阻抗图案为
[0215]
[0216] 其中，X为平均阻抗；
[0217]其中Μ为调制幅度；
[0218] 其中θ〇为最大增益相对于所述AISA法线的仰角；
[0219] 其中 γ Ek〇(n〇p_x sin9〇);
[0220] ko为设计频率下辐射的自由空间波数；
[0221] no为整个标量阻抗图案上平均的表面波折射率；
[0222]
[0223]
[0224]其中±符号分别对应以右旋圆极化(RHCP)或左旋圆极化(LHCP)模式操作的所述 AISA;并且
[0225] 其中，X和Μ可随表面波源的距离P变化。
[0226] 概念28、根据概念27所述的方法，其中Μ随着Ρ单调地增加。
【主权项】
1. 一种圆极化人工阻抗表面天线AISA，包括： 对穿越基板的顶面的表面波具有调制标量阻抗的阻抗调制基板； 其中，所述阻抗调制具有多个缠绕的恒定阻抗线;并且 其中每个恒定阻抗线遵循螺旋椭圆形路径。2. 根据权利要求1所述的圆极化人工阻抗表面天线AISA，其中： 所述阻抗调制基板包括具有所述顶面和底面的电介质； 其中厚度在所述顶面和所述底面之间变化，以便改变阻抗。3. 根据权利要求2所述的圆极化人工阻抗表面天线Al SA，进一步包括： 在所述底面上的接地平面。4. 根据权利要求1所述的圆极化人工阻抗表面天线AISA，其中： 所述阻抗调制基板包括具有所述顶面和底面的电介质;并且 所述AISA进一步包括:在所述电介质的顶面上不同大小的金属贴片以便改变阻抗。5. 根据权利要求4所述的圆极化人工阻抗表面天线Al SA，进一步包括： 在所述底面上的接地平面。6. 根据权利要求1所述的圆极化人工阻抗表面天线AISA，其中： 所述Al SA具有基本上平面形状;并且 所述Al SA在相对于所述平面形状的法线的角度Θ下，具有较大增益的增益图案。7. 根据权利要求1所述的圆极化人工阻抗表面天线AISA，其中： 所述调制标暈阳.抗图案为其中，X为平均阻抗； 其中M为调制幅度； 其中θ〇为最大增益相对于所述AISA法线的仰角； 其中 γ Ek〇(n〇p_xsin9〇); ko为设计频率下辐射的自由空间波数； no为整个标量阻抗图案上平均的表面波折射率；其中±符号分别对应以右旋圆极化RHCP或左旋圆极化LHCP模式操作的所述AISA。8. 根据权利要求2所述的圆极化人工阻抗表面天线Al SA，其中： 所述顶面具有调制高度;并且 所述底面基本上是平的。9. 根据权利要求4所述的圆极化人工阻抗表面天线Al SA，其中： 所述顶面基本上是平的；并且 所述底面基本上是平的。10. 根据权利要求2所述的圆极化人工阻抗表面天线AISA，其中： 所述介电材料包括Lexan?、丙烯酸、塑料或Plexiglas?。11. 根据权利要求4所述的圆极化人工阻抗表面天线Al SA，其中： 所述介电材料包括Lexan?、丙烯酸、塑料或Plexiglas?。12. 根据权利要求7所述的圆极化人工阻抗表面天线Al SA，进一步包括： 表面波馈电，在所述基板的X = 0，y = 0位置親合到所述基板。13. 根据权利要求12所述的圆极化人工阻抗表面天线AISA，其中： 当以发送模式使用所述AISA时，所述表面波从所述表面波馈电径向向外传播。14. 根据权利要求12所述的圆极化人工阻抗表面天线AISA，其中： 当以接收模式使用所述Al SA时，所述表面波朝着所述表面波馈电径向向内传播。15. 根据权利要求12所述的圆极化人工阻抗表面天线AISA，其中： 所述表面波馈电包括耦合到所述基板的同轴连接器。16. 根据权利要求12所述的圆极化人工阻抗表面天线AISA，其中： 所述表面波馈电包括微带线、波导、微波喇叭或偶极子。17. -种制造圆极化人工阻抗表面天线AISA的方法，包括： 形成对穿越基板的顶面的表面波具有调制标量阻抗的阻抗调制基板； 其中，所述阻抗调制具有多个缠绕的恒定阻抗线;并且 其中每个恒定阻抗线遵循螺旋椭圆形路径。18. 根据权利要求17所述的方法，其中： 所述阻抗调制基板包括具有所述顶面和底面的电介质； 其中厚度在所述顶面和所述底面之间变化。19. 根据权利要求18所述的方法，进一步包括： 在所述底面上形成接地平面。20. 根据权利要求17所述的方法，其中： 所述阻抗调制基板包括具有所述顶面和底面的电介质;并且 所述方法包括:在所述电介质的顶面上形成不同大小的金属贴片。21. 根据权利要求20所述的方法，进一步包括： 在所述底面上形成接地平面。22. 根据权利要求17所述的方法，其中： 所述调制标量阻抗图案为其中，X为平均阻抗； 其中M为调制幅度； 其中θ〇为最大增益相对于所述AISA法线的仰角； 其中 γ Ek〇(n〇p_xsin9〇); ko为设计频率下辐射的自由空间波数； 并上 no为整个标量阻抗图案上平均的表面波折射率；其4 其中±符号分别对应以右旋圆极化RHCP或左旋圆极化LHCP模式操作的所述AISA。23. 根据权利要求22所述的方法，进一步包括： 在所述基板的X = 〇，y = 〇位置将表面波馈电耦合到所述基板。24. 根据权利要求23所述的方法，其中： 所述表面波馈电包括耦合到所述基板的同轴连接器。25. -种圆极化人工阻抗表面天线AISA，包括： 对穿越基板的顶面的表面波具有调制标量阻抗的阻抗调制基板； 其中，所述调制标量阻抗图案为其中，X为平均阻抗； 其中M为调制幅度； 其中θ〇为最大增益相对于所述AISA法线的仰角； 其中 γ Ek〇(n〇p_xsin9〇); ko为设计频率下辐射的自由空间波数； no为整个标量阻抗图案上平均的表面波折射率；并且 其中 其中±符号分别对应以右旋圆极化RHCP或左旋圆极化LHCP模式操作的所述AISA;并且 其中，X和M可随表面波源的距离P变化。26. 根据权利要求25所述的 圆极化人工阻抗表面天线Al SA，其中M随着P单调地增加。27. -种制造圆极化人工阻抗表面天线AISA的方法，包括： 形成对穿越基板的顶面的表面波具有调制标量阻抗的阻抗调制基板； I |.丨 I I 、h ' '1 1 ~~ i=t m-· t、. rz=ri , ,、I其中，X为平均阻抗； 其中M为调制幅度； 其中θ〇为最大增益相对于所述AISA法线的仰角； 其中 γ Ek〇(n〇p_xsin9〇); ko为设计频率下辐射的自由空间波数；no为輅个标量阳抗图案h平均的表面波折射率； 并_ 其I 其中±符号分别对应以右旋圆极化RHCP或左旋圆极化LHCP模式操作的所述AISA;并且 其中，X和M可随表面波源的距离P变化。28.根据权利要求27所述的方法，其中M随着P单调地增加。
【文档编号】H01Q1/24GK105900281SQ201480063366
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年11月6日
【发明人】丹尼尔·J·格雷瓜尔
【申请人】Hrl实验室有限责任公司