CN101971422B

CN101971422B - 用于相控阵列天线的扫描角度增强的透镜

Info

Publication number: CN101971422B
Application number: CN200980108664.7A
Authority: CN
Inventors: T·A·拉姆; C·帕拉佐利; M·塔涅利安
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2008-03-12
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: EP2260542A2; WO2009148645A2; CA2713912C; WO2009148645A3; US20100277398A1; CA2713912A1; EP2260542B1; CN101971422A; KR20100134583A; JP5592279B2; US8130171B2; KR101574818B1; JP2011514121A

Abstract

本发明涉及一种用于负折射率超材料透镜的方法和装置。该方法生成用于相控阵列天线的负折射率超材料透镜。创建用于所述负折射率超材料透镜的设计，该透镜能够将相控阵列天线产生的波束从竖直方位弯曲约90度以形成初始设计。该初始设计被修正以包括离散组件而形成离散设计。为离散组件选择材料。为离散组件设计负折射率超材料单元格以形成被设计的负折射率超材料单元格。制造所设计的负折射率超材料单元格以形成被设计制造的负折射率超材料单元格。根据所设计的负折射率超材料单元格形成负折射率超材料透镜。

Description

用于相控阵列天线的扫描角度增强的透镜

技术领域

本公开一般涉及透镜，并具体涉及用于相控阵列天线的透镜。更具体的，本公开涉及负折射率超材料透镜(negative index metamateriallens)的方法和装置，所述负折射率超材料透镜用于相控阵列天线的扫描角度增强。

背景技术

相控阵列天线有很多用途。例如，相控阵列天线可用于为不同无线电台播出调幅和调频信号。另一个示例是，相控阵列天线通常用于航海船舶，例如军舰。相控阵列天线使得军舰可以使用一套雷达系统进行对海探测和跟踪、对空探测和跟踪并使该雷达具有导弹上行传输能力。此外，在导弹飞行过程中，可用相控阵列天线控制导弹。

相控阵列天线还普遍用于提供不同车辆间的通信。相控阵列天线还被用于与航天器的通信。作为另一个示例，相控阵列天线可用于移动车辆或者航海船舶与飞行器间的通信。

相控阵列天线中的元件可发射射频信号以形成波束，该波束可在不同的角度被转向。可垂直于辐射射频信号的元件的表面发射波束。通过控制发射信号的方式，可改变该方向。该方向的改变也被称为转向(steering)。例如，许多相控阵列天线可被控制，以使波束指向与天线阵列的法线方向成约60度角的方向。根据用途，可能期望使波束具有指向更大的角度例如约90度的能力或者潜力。

当前使用中的一些系统可能采用机械式转向天线以实现更大的角度。换句话说，可以在物理上移动或倾斜天线单元以增加波束可能被转向的角度。这些机械系统可移动整个天线。这类机械系统可包括一平台，该平台可将阵列倾斜至期望的方向。但是，这类机械系统以可能低于期望的速率移动阵列，为从而提供通信链路。

因此，克服上述问题的方法和装置是有利的。

发明内容

不同有利实施例提供了用于负折射率超材料透镜的方法和装置。在一个有利实施例中，该方法被用于生成负折射率超材料透镜，该透镜用于相控阵列天线。创建用于所述负折射率超材料透镜的设计，所述负折射率超材料透镜能够将所述相控阵列天线产生的波束从竖直方位弯曲约90度以形成初始设计。修正所述初始设计使其包括离散组件以形成离散设计。为所述离散组件选择材料。为所述离散组件设计负折射率超材料单元格(unit cell)以形成被设计的负折射率超材料单元格。制造所设计的负折射率超材料单元格以形成被设计制造的负折射率超材料单元格。根据所设计的负折射率超材料单元格形成所述负折射率超材料透镜。

在另一有利实施例中，提出一种生成用于相控阵列天线的透镜的方法。识别能够发射波束的射频发射器阵列，所述波束能够被转向至相对于垂直方位的第一角度。形成负折射率超材料透镜，所述负折射率超材料透镜能够将所述射频发射器阵列发射的所述波束弯曲至相对于所述竖直方位的期望角度。

在另一有利实施例中，一种装置包括负折射率超材料透镜和阵列。所述负折射率超材料透镜具有能够将射频波束弯曲至相对于法向向量的所选角度的结构。所述阵列能够发射所述射频波束。

所述特征、功能和优点可在本公开的不同实施例中独立实现或者被组合到其它实施例中，其中更多的细节可参考见于下述说明和附图。

附图说明

有利实施例的据信新颖的特征特点在随附权利要求中阐述。但是，当配合附图阅读时，有利实施例以及优选使用模式及其进一步的目标和优点将通过参考本公开有利实施例的下列细节描述而被最佳地理解，在附图中：

图1是图示说明可以实现有利实施例的相控阵列天线的结构图；

图2是图示说明根据有利实施例使用负折射率超材料透镜的相控阵列天线的操作的图示；

图3是根据有利实施例的负折射率超材料透镜的设计的示例；

图4是图示说明根据有利实施例的负折射率超材料透镜的外形的图示；

图5是图示说明根据有利实施例与相控阵列天线的阵列有关的透镜截面的图示；

图6是根据有利实施例的透镜的图示；

图7是根据有利实施例的透镜的截面视图；

图8是根据有利实施例的格子(cell)的图示；

图9是根据有利实施例的单元格布置；

图10是图示说明根据有利实施例的两个单元格的图示；

图11是根据有利实施例放置成用于组装的单元格的图示；

图12是根据有利实施例的数据处理系统的图示；

图13是根据有利实施例制造用于相控阵列天线的负折射率超材料透镜的方法的流程图；

图14是根据有利实施例优化透镜设计的方法的流程图；

图15是根据有利实施例设计负折射率超材料单元格的方法的流程图；

图16、17、18是根据有利实施例的波束显示；

图19是根据有利实施例的图18中一部分区域的放大视图；

图20是根据有利实施例的强度图；以及

图21是根据有利实施例的另一强度图。

具体实施方式

现在参考附图并且特别参考图1，其根据有利实施例描绘了图示说明相控阵列天线的结构图。在本示例中，相控阵列天线100包括壳体102、电力单元104、天线控制器106、阵列108和负折射率超材料透镜(negative index metamaterial lens)110。壳体102是容纳相控阵列天线100的不同元件的物理结构。电力单元104以电压和电流的形式提供相控阵列天线100运行所需的电力。天线控制器106提供控制系统以控制阵列108发射微波信号。这些微波信号是可以由阵列108发射的射频发射。

阵列108是微波发射器阵列。这些微波发射器中的每一个也可称为一个元件或者辐射器(radiator)。在这些示例中，阵列108中的每个发射器连接于天线控制器106。天线控制器106以生成波束112的方式控制射频信号的发射。特别地，天线控制器106可控制阵列108中每一个发射器所发射的信号的相位和时序。换句话说，阵列108中每一个组件可利用相对于阵列108中其它发射器不同的相位和时序发射信号。经过组合的独立辐射信号以某种方式形成阵列的相长干涉和相消干涉图案，可以以该方式使得波束112指向离开阵列108的不同角度。

在这些示例中，波束112可在相对于法向向量114的多个不同方向上进行辐射。法向向量114处于与上面形成有阵列108的平面正交的方向。通常，天线控制器106可控制波束112或使波束112转向，使波束112辐射的范围在相对于法向向量114为零度到相对于法向向量114为约60度之间。

在有利实施例中，负折射率超材料透镜110提供增加离开法向向量114的角度的潜力，使其超过通常可用的向量达到约60度。在不同的有利实施例中，负折射率超材料透镜110弯曲波束112至离开法向向量114约90度的角度。这种弯曲增加了波束112可被转向的角度。

负折射率超材料透镜110使得波束112的这类指向在不需要如目前所用方案中那样移动机械组件的情况下成为可能。超材料是这样一种材料，即其是从材料的结构而不是从材料成分获得其性能。基于超材料中可能表现出的不同寻常的特性，可将超材料从其他复合材料中区分出来。

例如，超材料可以具有一种具有负折射率的结构。这类性质在自然生成材料中无法找到。折射率是光或者其它类型的波在介质中的速度如何降低的一种度量。

此外，超材料也可被设计成具有负的介电常数和磁导率数值。介电常数是描述电场与电介质如何影响与被影响的物理量。磁导率是线性响应所施加的磁场的材料的磁性程度。在不同的有利实施例中，负折射率超材料透镜110是由具有负折射率的超材料形成的透镜。这类透镜还可包括导致波束112弯曲的其它特性或者属性。

不同的有利实施例表明采用正折射率的透镜也可用在相控阵列天线100中。但是，不同的有利实施例表明这类透镜会导致相对于壳体102来说可能太大的结构。取决于实施方式的类型，这类透镜可能会从壳体102中凸出，并可能导致空气动力学问题。因此，不同的有利实施例采用负折射率超材料来形成用于相控阵列天线100的透镜。

现在参看图2，其根据有利实施例描绘了图示说明使用负折射率超材料透镜的相控阵列天线的操作的图示。在该示例中，阵列200是例如图1中的阵列108的阵列示例。例如，阵列200可以是64个元件的阵列。在这类实施方式中，8×8阵列可被布置在三角形栅格中。当然，不同的有利实施例可应用到其它类型和尺寸的阵列上。

在此说明性示例中，阵列200输出波束202。波束202是由阵列200中的不同原件生成的射频发射。阵列200进行的信号传输以这种方式发生，即波束202沿着离开法线204约60度的方向被转向。波束202从表面208进入负折射率超材料透镜206。负折射率超材料透镜206如截面图所示，并且其为图1中的负折射率超材料透镜110的一个示例。

当波束202穿过负折射率超材料透镜206时，波束202被弯曲或者被定向，以至于波束202在表面210处沿大约水平的方向被发射或者离开负折射率超材料透镜206。当然，波束202最终的方向可根据在进入负折射率超材料透镜206之前波束202的转向而变化。箭头212和214所示的路径显示透镜使用普通材料时的波束路径。由此可见，在这一路径中不会出现大约水平的方向。

负折射率超材料透镜可以具有多种不同的形式。在有利实施例中，基于两条曲线例如抛物线设计负折射率超材料透镜。现在参看图3，其根据有利实施例描绘了负折射率超材料透镜的示例。在此示例中，透镜300是可用于相控阵列天线的负折射率超材料透镜的示例。

在这一示例中，透镜300包括在椭圆304和椭圆306之间的负折射率超材料单元格(cell)302。负折射率超材料单元格302形成用于透镜300的材料。在这些说明性示例中，负折射率超材料单元格302被分层置于椭圆304和椭圆306之间。在这些说明性示例中，椭圆304和椭圆306仅勾勒出透镜300的边界。这些椭圆实际上不是透镜300的部分。

包含负折射率超材料单元格302的层与这些单元格的其它层对齐以保持晶体堆叠(crystalline stacking)。当一层的单元格边界与其它层的单元格边界对齐时，就会发生晶体堆叠。当不同层的单元格之间的边界没有对齐时，就会发生非晶体堆叠。每层的高度是一个单元格的厚度，而每层的宽度可以是被设计为适当尺寸的多个单元格或单个单元格。

现在参看图4，其根据有利实施例描绘了图示说明负折射率超材料透镜的外形的图示。透镜外形400是负折射率超材料透镜例如图3中的透镜300的外形。

在此示例中，图3中椭圆304和椭圆306之间的负折射率超材料格子的布置导致了透镜外形400。透镜外形400具有外边缘402和内边缘404。透镜外形400具有不连续的或锯齿状的外观。在实际应用中，这一设计可旋转360度以形成负折射率超材料透镜的三维设计。

此外，透镜外形400可具有被移除的一部分，例如区段406内的部分，以便减轻重量并减少当波束的额外弯曲不必要时的方向干扰。

现在参看图5，其根据有利实施例描绘了图示说明与用于相控阵列天线的阵列有关的透镜截面的图示。在这一示例中，透镜300相对于阵列504被显示。阵列504是射频发射器阵列。特别地，阵列504可以微波传送的形式发射射频信号。

阵列504可发射射频发射506、508、510、512、514和516以形成波束，该波束可以相对于法向向量518成大约60度的角度被传送。

在本示例中，透镜300被设计成具有内椭圆和外椭圆，该内椭圆具有约4英寸的圆环，该外椭圆具有8英寸的半长轴和4.1英寸的半短轴。在本示例中，透镜300可被设计成仅仅包括在区段520内的透镜300的一部分。在本示例中，透镜300可具有如断面所示的约8英寸的高度522。透镜300可具有如断面所示的约8.1英寸的宽度524。

当然，在图5中对透镜300的图示说明显示的是负折射率超材料透镜的二维截面。

现在参考图6，其根据有利实施例描绘了透镜的图示。在这一说明性示例中，以透视图展示透镜600。在图5中，透镜600是如断面所示的透镜300的一部分520。在本示例中，天线元件的阵列被置于透镜600的通道602之内。在本示例中，该阵列不可见。

现在参考图7，其根据有利实施例描绘了透镜600的截面透视图。在本示例中，阵列700是用于可能存在的相控阵列天线的天线元件阵列的示例。这一截面透视图展示了阵列700和透镜600的一部分。

现在参考图8，其根据有利实施例描绘了格子的图示。在这一示例中，格子800是可以用于形成透镜如图4中的透镜400的负折射率超材料单元格的示例。如图所示，格子800是正方形的。格子800具有沿每一边的长度802和高度804。在这些示例中，长度802可以是例如约2.3毫米。高度804可以是基底的高度。例如，高度可以是约10毫米。取决于各特定实施方式，这些尺寸可以变化。格子800构成基底806。

基底806为铜环和迹线(例如裂环谐振腔805，其包括迹线(trace)808和810)提供支持。此外，基底806还可包含迹线812。在本示例中，基底806可具有低介电损耗因数/介电损耗角正切(dielectric losstangent)以减小单元格的过度损耗。在这些示例中，基底806可以是例如氧化铝。可以使用的基底的另一示例是

5870高频层压材料。这类基底可从Rogers公司得到。当然，可为基底806选用任何类型的材料以便为不同迹线的布置和设计提供机械结构载体，以实现期望的电场和磁场。

裂环谐振腔805被用于提供某些特性以产生格子800的负折射率。迹线808和810为磁场响应提供了负磁导率。裂环谐振腔805产生了由这些迹线的图案与能量的反应所导致的负磁导率。迹线812还提供了负介电常数。

在这一示例中，波传播矢量k814在如参考轴816所示的y方向上。裂环谐振腔805耦合了Hz分量以在z方向上提供负磁导率。迹线812是耦合于在x方向上提供负磁导率的Ex分量的导线，这种耦合是通过将格子800与在可以实现其他电场和磁场分量的耦合的其它平面上的格子堆叠在一起而得到的。

尽管显示了裂环谐振腔805的特定图案，但也可采用其它类型的图案。例如，裂环谐振腔805的图案可以是圆形的，而不是方形的。可改变裂环谐振腔805的不同参数以改变所述结构的磁导率。例如，裂环谐振腔805相对于迹线812的取向可改变格子800的磁导率。

作为另一个示例，迹线808所形成的回路的宽度、迹线810所形成的内侧回路的宽度、区域818内额外的顺磁材料的使用、图案类型以及格子800的特性的其它变化都可改变格子800的磁导率。也可通过改变不同的分量例如迹线812的材料、迹线812的宽度和迹线812距裂环谐振腔805的距离来改变格子800的介电常数。

现在参考图9，其根据有利实施例描绘了单元格排布。在本示例中，绘出了单元格900、902、904、906、908、912和914。这些单元格与图8中的单元格800相似。

在这一示例中，波矢k 916在如参考轴918所示的z方向上。对于这种架构，在x和y方向上的介电常数和磁导率均是负的。槽口(notch)如槽口920和槽口922出现在y导线中，所以在这些示例中，它们不会彼此跨越。为避免导线交叉，槽口都安排在格子边界处。下面的图10和11中更细节地显示了格子的槽口和堆叠。

现在参考图10，其根据有利实施例描绘了图示说明两个单元格的图示。在这一示例中，元件1000包括在基底1006上实现的单元格1002和单元格1004。导电迹线1008既穿过单元格1002又穿过单元格1004。单元格1002具有由迹线1010和1012形成的裂环谐振腔1009。单元格1004具有由迹线1014和1016形成的裂环谐振腔1013。在本图示中可见，元件1000具有在单元格1002和单元格1004之间的槽口1018，其使得可以进行垂直堆叠和/或者装配。

现在参考图11，其根据有利实施例描绘了放置成用于组装的单元格的图示。在本示例中，元件1100包括格子1102和格子1104。元件1106包括格子1108和格子1110。由此可见，槽口1112和槽口1114在元件1100和1106中出现。元件1100和1106被放置成使得两个元件在槽口1112和1114处可以啮合装配。

现在参考图12，其根据有利实施例描绘了数据处理系统的图示。图12中的数据处理系统1200是可被用于为负折射率超材料透镜创建设计以及执行这些透镜在相控阵列天线中的仿真的数据处理系统的示例。数据处理系统1200还可用于为透镜设计单元格并对单元格执行仿真。

在这一说明性示例中，数据处理系统1200包括通信结构1202，该通信结构提供了处理器单元1204、存储器1206、永久存储器1208、通信单元1210、输入/输出(I/O)单元1212和显示器1214之间的通信。

处理器单元1204用于执行软件指令，所述指令可以被加载到存储器1206中。处理器单元1204可以是一组一个或多于一个处理器，或者可以是多处理器核，这取决于具体的实施方式。此外，处理器单元1204可以利用一个或多于一个异构处理器系统来实现，其中在单一芯片上存在主处理器和次处理器。作为另一说明性示例，处理器单元1204可以是包括多个同类型处理器的对称多处理器系统。

存储器1206和永久存储器1208是存储设备的示例。存储设备是能够临时地和/或者永久地存储信息的任一块硬件。在这些示例中，存储器1206可以是例如随机存取存储器或者任何其他合适的易失性或非易失性存储设备。永久存储器1208根据实际实施方式可采用多种形式。

例如，永久存储器1208可包括一个或多于一个组件或者设备。例如，永久存储器1208可以是硬盘、闪存、可重写光盘、可重写磁带或者上述设备的组合。永久存储器1208所用的媒介还可以是可移除的。例如，永久存储器1208可采用可移除的硬盘。

在这些示例中，通信单元1210提供与其它数据处理系统或设备的通信。在这些示例中，通信单元1210是网络接口卡。通信单元1210可通过使用物理通信链路和无线通信链路两者之一或者全部来提供通信。

输入/输出单元1212允许与可连接于数据处理系统1200的其它设备进行数据的输入和输出。例如，输入/输出单元1212可通过键盘和鼠标为用户输入提供连接。此外，输入/输出单元1212可向打印机发送输出。显示器1214向用户提供显示信息的机构。

用于操作系统和应用程序(application)或者程序的指令位于永久存储器1208中。这些指令可被加载到存储器1206中，以供处理器单元1204执行。不同实施例的方法可通过处理器1204采用计算机执行的指令来实施，所述指令可以位于存储器中例如存储器1206中。这些指令被称为程序代码、计算机可用程序代码或者计算机可读程序代码，其可以被处理器单元1204中的处理器读出并执行。不同实施例中的程序代码可以具体化于不同的物理或者有形的计算机可读媒介中，例如存储器1206或者永久存储器1208。

程序代码1216以功能形式存在于可被有选择地移除的计算机可读媒介1218上，并可以被加载或者转移到数据处理系统1200中以便由处理器单元1204执行。在这些示例中，程序代码1216和计算机可读媒介1218形成计算机程序产品1220。在一个示例中，计算机可读媒介1218可以是有形的形式，例如光盘或者磁盘，其能够被插入或者被置于驱动器或者作为永久存储器1208一部分的其它设备中，以便转移到储存设备如作为永久存储器1208一部分的硬盘上。

在有形形式中，计算机可读媒介1218还可采取永久存储器的形式，例如连接到数据处理系统1200的硬盘、拇指盘(thumb drive)或者闪存。计算机可读媒介1218的有形形式也被称为计算机可记录存储媒介。在一些实例中，计算机可读媒介1218可以不是可移除的。

可替代地，通过至通信单元1210的通信链路和/或通过至输入/输出单元1212的连接，程序代码1216可从计算机可读媒介1218转移至数据处理系统1200。在说明性示例中，通信链路和/或连接可以是物理的或者是无线的。计算机可读媒介也可采取非有形媒介的形式，例如包含程序代码的通信链路或者无线传输。

针对数据处理系统1200图示说明的不同组件并不意味着对可以实现不同实施例的方式提供架构限制。在包含附加于或替换针对数据处理系统1200图示说明的那些组件的组件的数据处理系统中可以实现不同的说明性实施例。图12中所示的其它组件可与所示的说明性示例不同。

作为一个示例，数据处理系统1200中的存储设备是可存储数据的任一硬件装置。存储器1206、永久存储器1208和计算机可读媒介1218是有形形式的存储设备的示例。

在另一示例中，总线系统可用于实现通信结构1202并且可包括一个或多于一个总线例如系统总线或者输入/输出总线。当然，总线系统可通过采用任一适当类型的架构来实现，该架构提供附连到总线系统上的不同组件或者设备之间的数据传输。此外，通信单元可包括用于传输或者接受数据的一个或多于一个设备，例如调制解调器或者网络适配器。此外，存储器可以是例如存储器1206或者缓冲存储器例如可能出现于通信结构1202中的接口和内存控制器集线器中的缓存器。

现在参考图13，其根据有利实施例描绘了用于制造相控阵列天线的负折射率超材料透镜的方法的流程图。在本示例中，所述方法可用于生产透镜如图6中的透镜600。涉及设计、仿真和优化的不同步骤可利用数据处理系统如图12中的数据处理系统1200来执行。

所述方法开始于执行全波仿真以在两个维度上优化透镜几何形状和材料(操作1300)。在操作1300中，全波仿真是涉及麦克斯韦电磁方程的已知类型仿真。这类仿真包括求解考虑全部波效应的全波方程。在操作1300中，利用仿真来优化透镜几何形状和材料以使波束从约60度转向弯曲到约90度转向。针对相控阵列天线中接近水平的扫描，这一90度的转向是相对于水平面。

在这之后，所述方法输入离散效应和材料损耗(操作1302)。该离散性考虑到负折射率超材料单元格被用于形成透镜。在使用这类材料的情况下，得到光滑表面是不可能的。然后，所述方法重新运行具有离散效应和材料损耗的全波仿真(操作1304)。这一操作确认在操作1300中识别的性能在有损耗和制造限制的情况下仍然在某一可接受的水平。

在这之后，透镜截面被旋转以形成三维结构(操作1306)。然后该方法使用该三维结构重新运行全波仿真(操作1308)。操作1308被用于确认在二维模型中被优化的透镜几何形状和材料在三维模型中是否仍然有效。

然后，所述方法在多种介电常数和磁导率各向异性的情况下执行仿真(操作1310)。在操作1310中的仿真仍然是全波仿真。这一仿真相对于先前仿真的不同之处在于使用完全各向同性材料。操作1310中的仿真可用不同水平的各向同性来运行，以便确定是否可使用折合/简化材料(reduced material)。可以执行这一操作以寻找折合材料，从而使制造更加容易，同时保持可接受的或者合理的性能。

折合材料是各向异性的材料，其仅在一个或者两个所选择的方向上与电场和磁场耦合，而不是像各向同性材料那样在所有三个方向耦合。由于易于制造，折合材料是所期望的。例如，相比于在所有三个方向上堆叠的单元格，如果仅使用两个或者一个方向，则格子更容易制造。接下来，负折射率超材料单元格被设计(操作1312)。在本实例中，识别负折射率超材料单元格的参数以允许进行期望频率和正确各向异性的操作。

所述方法制造负折射率超材料单元格(操作1314)。在操作1314中，可采用多种当前可用的制造方法来制造单元格。这些方法可以包括那些用于制作半导体器件的方法。所述方法组装负折射率超材料单元格以形成透镜(操作1316)。在这一操作中，形成具有适当几何取向、材料各向异性和机械整体性的最终透镜。然后，所制造的透镜被置于现有相控阵列天线之上并被测试(操作1318)，随后所述方法结束。操作1318确认透镜是否如仿真预测的那样弯曲波束。

现在参看图14，其根据有利实施例描绘了用于优化透镜设计的方法的流程图。图14中说明的方法是对图13中的操作1300的更详细解释。

所述方法开始于为透镜选择形状(操作1400)。在这些示例中，形状是包围一定区域以定义透镜的一对椭圆。当然，在其它实施例中，可选择其它形状。取决于特定的实施方式，甚至可以选择任意的形状。这对椭圆包括了具有半短轴、半长轴的内椭圆和具有类似轴的外椭圆。

所述方法生成所选形状的多组参数(操作1402)。在这些不同的组中，针对透镜形状和材料的各种参数可以被改变。在这些示例中，半长轴和半短轴的参数可以被改变。在这一特定示例中，一些限制可以包括选择内椭圆的半短轴和半长轴以使其大于天线阵列的额定尺寸。进而，内椭圆的半短轴小于外椭圆的半短轴。此外，内椭圆的半长轴总是小于外椭圆的半长轴。

在不同的有利实施例中，针对不同组的参数，内椭圆的半短轴可以是固定的，而内椭圆和外椭圆的尺寸和偏心率可通过在以初始值为中心的范围内改变其它参数而改变。进而，负折射率也可改变。

之后，所述方法对不同组的参数运行全波仿真(操作1404)。可以在二维或者三维中运行所述仿真。当设计空间较大时，可进行二维仿真以较快地得到结果。基于二维结果，被优化的透镜可在三维中被旋转，随后在三维中重新运行仿真以验证结果。

之后，所述方法针对每组参数提取最终扫描角度和远场强度(操作1406)。在此之后，对最终扫描角度和远场强度是否可以接受做出决定(操作1408)。

如果最终扫描角度和远场强度是可以接受的，则所述方法选择具有最佳扫描角度和远场强度的几何形状和材料(操作1410)，在此之后所述方法终止。在这些示例中，可运行不具有任何椭圆离散性的仿真。再次参考操作1408，如果最终扫描角度和远场强度都是不可接受的，则所述方法回到操作1402。然后，所述方法为测试生成额外的参数组。

在操作1404中进行的不同仿真包括全波电磁仿真。可利用各种可用的程序进行这些仿真。例如，COMSOL Multiphysics 3.4版是可用的示例性仿真程序。这一程序可从COMSOL AB得到。这类仿真模拟了来自具有指向期望方向的波束的波导元件的射频传输。进而，仿真程序还模拟了透镜几何形状、材料和波传播的气箱(air box)。根据这些仿真，关于波束的相对远场强度和最终角度的信息可以被识别。

现在参看图15，其根据有利实施例描绘了设计负折射率超材料单元格的方法的流程图。图15中说明的方法是对图13中操作1312的更详细的解释。

所述方法开始于针对期望工作频率选择单元格尺寸(操作1500)。在本示例中，针对大约15GHz的工作频率选择2.3立方毫米的固定单元格。在这些示例中，为保持有效介质理论，单元格被选择成小于波长。典型的单元格尺寸可以在约λ/5到约λ/20范围内。甚至可使用更小的格子。在这些示例中，λ＝自由空间波长。尽管更小尺寸的单元格对性能来说更好，但这种较小的尺寸可能变得太小而使得裂环谐振腔和导线结构没有足够的电感和电容来引发负折射率超材料效应。

然后，所述方法为单元格生成多组参数(操作1502)。这些参数是可能影响格子在介电常数、磁导率和折射率方面的性能的任何参数。可以改变的特性的示例包括例如但不限于裂环谐振腔的铜迹线的宽度、导线的铜迹线的宽度、裂环谐振腔之间的分隔量、裂环谐振腔中裂隙(split)的尺寸、裂环谐振腔中缺口(gap)的尺寸以及其它适当特性。

接下来，所述方法在一系列频率上对多组参数进行仿真(操作1504)。可采用与在图14中的操作1404中进行仿真的同样软件在操作1504中进行仿真。这一仿真是在一系列频率上对单元格的全波仿真。

然后，所述方法为每一组参数提取s-参数(操作1506)。在这些示例中，s-参数也被称为散射参数。这些参数被用于描述在经历小信号带来的各种稳态激励时的模型行为。换句话说，散射参数是用于描述经历小信号带来的各种稳态激励的模型(例如电路网络)行为的数值或属性。

之后，所述方法针对为不同参数组提取的每一组s-参数计算介电常数、磁导率和折射率数值(操作1508)。然后，确定返回的介电常数、磁导率和折射率是否可以接受(操作1510)。如果这些数值组中的一组是可接受的，则所述方法结束。否则，所述方法回到操作1502以便为单元格生成额外的参数组。

现在参看图16、17和18，其根据有利实施例描述了波束的显示画面(display)。这些图阐明了来自于阵列的波束传输的仿真结果。在图16中，从位于显示画面1602中的点1600处的相控阵列处，波束被转向约60度角。由此可见，波束1604相对于竖直方向处于约60度角处。

现在参看图17，显示画面1700阐明了没有离散组件的光滑透镜的使用。在本示例中，显示画面1700阐明了波束1702弯曲至约水平位置或者说相对于相控阵列天线的90度位置，相控阵列天线在点1704处遇到波束1702。

现在参看图18，其根据有利实施例描绘了被透镜弯曲的波束的显示画面。在这一示例中，显示画面1800阐明了当被点1804附近的阵列投射时，波束1802被透镜弯曲。区域1806的细节示于下面图19中。

现在参看图19，其根据有利实施例描绘了图18中的区域1806的放大图。在本示例中，当在点1804处发射阵列时，所示透镜1900从法线方向弯曲波束1802至约水平位置或者说约90度位置。

现在参看图20，其根据有利实施例描绘了密度图。在本示例中，图2000包含指示距水平面不同角度处的波束强度的线。线2002表示当没有使用透镜时的强度。由此所见，距水平面约0度处的密度为零，而最大值在距水平面约30度处。

在本示例中，30度表示当利用相控阵列进行转向时离开法线60度。在本示例中，使用16×1阵列。线2004表示光滑透镜。线2006表示无损耗透镜，而线2008表示在仿真中考虑损耗的透镜。由此可见，透镜的使用增加了相对于水平位置呈约0度处的强度。使用光滑透镜时所述强度更大，但是，光滑透镜不代表用于相控阵列天线的透镜的实际结构。

现在参看图21，其根据有利实施例描绘了被相控阵列天线投射的波束的强度图。在本示例中，图2100代表对具有和没有负折射率超材料透镜进行的仿真的结果，其中波束被转向约60度。

图2100中的仿真对比了透镜的各向同性的不同水平。在图2100中，线2102代表当不使用透镜时来自于距水平位置不同角度处的强度。由此可见，当角度约为水平时，线2102的强度低。线2104图示说明了各向同性透镜的强度。在本示例中，在空间的各个方向上，折射率为n约等于-0.6。换句话说，材料是各向同性的。各向同性透镜具有较小的强度，因为在所有方向上发生更多的材料损耗。线2106代表由具有两个维度的简化材料制成的透镜。

在本示例中，可以采用柱坐标系，其中在Φ和z方向上的电场和磁场具有约等于-0.6的n值并且在r方向上具有约等于1的n值。线2108代表用一维材料制成的另一透镜。换句话说，电场和磁场的一个分量具有负折射率超材料分量。在本示例中，介电常数在z方向上约为-0.6而在Φ和r方向上等于1。在柱坐标系中，磁导率数值在Φ方向上约等于-0.6而在r和z方向上等于1。

因此，不同的有利实施例提供了负折射率超材料透镜用于转向被相控阵列天线投射或发射的波束的新应用。在不同的有利实施例中，负折射率超材料透镜增强了相控阵列天线的扫描角度。在不同的有利实施例中，单元格设计被用于形成负折射率超材料透镜。尽管在不同的图示中展现了特定的格子设计，但任何格子设计都可被采用以使得当波束穿过透镜时得到期望的性质。

为了图示说明和描述的目的已经展示了不同有利实施例的描述，这并不意味着穷举或者限定实施例于所公开的形式。对本领域技术人员来说，很多修改和变化是显而易见的。此外，不同有利实施例可提供相对于其它有利实施例不同的优点。所选择的实施例或者多个实施例被选择和描述是为了最佳地解释实施例的原理、实际应用以及使本领域其它技术人员理解具有适于预期特定应用的各种改进的各种实施例的公开。

Claims

1.一种生成用于相控阵列天线的负折射率超材料透镜的方法，所述方法包括：

创建用于所述负折射率超材料透镜的设计，所述负折射率超材料透镜能够将所述相控阵列天线产生的波束从竖直方位弯曲约90度以形成初始设计，其中创建设计包括选择第一弯曲表面和第二弯曲表面以便限定所述透镜的外形；

修正所述初始设计使其包括离散组件以形成离散设计；

为所述离散组件选择材料；

为所述离散组件设计负折射率超材料单元格以形成被设计的负折射率超材料单元格；

制造所设计的负折射率超材料单元格以形成被设计制造的负折射率超材料单元格；以及

根据所设计的负折射率超材料单元格形成所述负折射率超材料透镜，其中所述单元格被基本定位在所述透镜的所述第一弯曲表面和所述第二弯曲表面之内。

2.一种生成用于相控阵列天线的透镜的方法，所述方法包括：

识别能够发射波束的射频发射器阵列，所述波束能够被转向至相对于竖直方位的第一角度；

创建负折射率超材料透镜的设计，所述负折射率超材料透镜能够将所述射频发射器阵列发射的所述波束弯曲至相对于所述竖直方位的期望角度，其中所述创建步骤包括：

选择第一弯曲表面和第二弯曲表面以便限定所述负折射率超材料透镜的外形；以及

基于所述外形为所述负折射率超材料透镜选择材料，以使得所述负折射率超材料透镜将所述射频发射器阵列发射的所述波束弯曲至相对于所述竖直方位的所述期望角度；以及

根据所述设计形成负折射率超材料透镜，所述负折射率超材料透镜能够将所述射频发射器阵列发射的所述波束弯曲至相对于所述竖直方位的期望角度。

3.根据权利要求2所述的方法，其中基于所述形状为所述负折射率超材料透镜选择所述材料以使得所述负折射率超材料透镜将所述射频发射器阵列发射的所述波束弯曲至相对于所述竖直方位的所述期望角度的步骤包括：

选择具有负折射率的材料，所述材料在用于所述形状时能够使得所述射频发射器阵列发射的所述波束弯曲至相对于所述竖直方位的所述期望角度。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述材料包括多个离散组件。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述多个离散组件包括：

多个负折射率超材料单元格。

6.根据权利要求3所述的方法，其中所述创建步骤包括：

为所述负折射率超材料透镜选择形状以形成初始设计；

修正所述初始设计使其包括离散组件以形成离散设计；

为所述离散组件选择材料；

根据所设计的负折射率超材料单元格形成所述负折射率超材料透镜。

7.根据权利要求6所述的方法，其中为所述离散组件设计负折射率超材料单元格以形成被设计的负折射率超材料单元格的步骤包括：

为所述负折射率超材料单元格选择衬底；

选择所述负折射率超材料单元格的特性以获得期望的折射率。

8.根据权利要求7所述的方法，其中选择所述负折射率超材料单元格的特性的步骤包括：

选择裂环谐振腔的参数。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述裂环谐振腔的参数包括所述裂环谐振腔中的铜迹线的宽度、所述裂环谐振腔之间的分隔量、所述裂环谐振腔中的缺口的大小以及所述裂环谐振腔中的裂隙的大小。

10.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括：

将所述负折射率超材料透镜放置在包含所述射频发射器阵列的所述相控阵列天线中。

11.一种相控阵列天线装置，其包括：

负折射率超材料透镜，其具有能够将射频波束弯曲至相对于法向向量的所选角度的结构，所述负折射率超材料透镜包括多个离散组件；

第一曲线的旋转体和第二曲线的旋转体，其形成透镜外形以便所述离散组件被定位在所述第一曲线的旋转体和所述第二曲线的旋转体之间；以及

能够发射所述射频波束的阵列。

12.根据权利要求11所述的相控阵列天线装置，其中所述多个离散组件包括按所述结构布置的多个负折射率超材料单元格。