CN103975483B - 可电子地操纵的平面相控阵列天线 - Google Patents

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Abstract

TM622摘要：给出了一种二维(2D)波束可操纵相控阵列天线，包括可连续电子操纵的材料，该材料包括可调谐材料或可变电介质材料，优选为液晶材料。提出了包括贴片天线阵列、可调谐移相器、馈送网络和偏置网络的紧凑型天线架构。类似于LC显示器，所提出的天线通过使用自动制造技术来制造，且因此，制造成本显著减小。

Description

可电子地操纵的平面相控阵列天线
技术领域
给出了一种二维(2D)波束可操纵相控阵列天线，其包括可连续电子地操纵的材料，该材料包括可调谐材料或可变电介质材料，优选为液晶材料。提出了一种紧凑型天线架构，其包括贴片天线阵列、可调谐移相器、馈送网络和偏置网络。类似于LC显示器，所提出的天线通过使用自动制造技术来制造，且制造成本因此极大地降低。
背景技术
本发明涉及相控阵列天线。具体而言，本发明涉及基于可电压调谐移相器的可电子地操纵相控阵列天线，该移相器的低损耗电介质材料可用所施加的电压来调谐。
近些年来，由于广播卫星服务的迅速发展，对于移动终端，对可操纵天线的需求急剧增加。无线互联网、多媒体和广播服务从在L波段、Ku波段或K/Ka波段上运行的卫星通过可操纵天线提供给例如移动的交通工具(如汽车或飞机或轮船)或甚至是类似于移动TV或GPS的其他便携装置。
可操纵天线可改变其主波束方向，以便确保主波束持续指向卫星。市场上的大多数可操纵天线是机械控制的。借助由电动机驱动的机械系统的辅助，天线方位在垂直面和方位面上受到调节。某些其他类型的天线系统使用混合式方法，类似于垂直面内的电子地操纵和方位面内的机械调节。由于使用机械系统，这些类型的移动终端笨重、具有相对较慢的波束操纵速度(即45°/s)、对于重力敏感且需要高维护成本。它们主要用于军事应用，且对于审美外观为关键要求的移动终端、即对于汽车行业并非优选。
相控阵列天线是公知类型的可电子地操纵的天线(ESA)中的一种，其相比于可机械操纵的天线快速、紧凑、可靠且易于维护。其包括RF馈送/分布网络、可电子地调谐的移相器、发送/接收模块(用于有源阵列)以及辐射元件。各个辐射元件或辐射元件组的相位被可电子地调谐移相器调节为预定相位值，从而将辐射相位波前以规定的方向倾斜。这些天线是低重量且薄型的，而挑战在于由于其昂贵的电子装置所引起的相应的终端的高价格。
可电子地调谐的移相器关于ESA的性能、成本和维度扮演了实质性角色。对可调谐移相器的RF性能进行量化的常用参数为移相器的依赖于频率的品质因数(FoM)。其通过所有调谐状态下最大微分相移和最高插入损耗的比率来定义。通常，目的在于获得带来高的FoM的、伴有最低插入损耗的最高可能微分相移。在现有技术中，用于可电子地调谐的移相器的技术方法包括微机电系统(MEMS)、半导体和可连续调谐电介质，例如钛酸锶钡(bariumstrontium titanate)(BST)和液晶(LC)。这些技术已经在例如可调谐性、功耗、响应时间和成本的不同方面进行比较。基于移相器的MEMS的现有技术的FoM大约为50°/dB到100°/dB。基于半导体的单片式微波集成电路(MMIC)移相器在＞20GHz的微波频率下具有40°/dB到70°/dB左右的FoM。类似地，基于BST的移相器对于上至10GHz的频率具有相对较高的性能(FoM为大约40°/dB到90°/dB)。
液晶(LC)是另一种可能的可调谐电介质，其可用于高微波和毫米波应用。LC是具有低介电损耗的可连续调谐的材料。在实际应用中，其可调谐性可得到控制，即施加具有低功耗的偏置电压。其可调谐性定义为在施加的电压下介电常数中的分数变化。LC的有效介电常数依赖于分子关于RF场的取向。分子的希望的取向，即平行或垂直于RF场，可通过使用静电场或表面处理来实现。现有技术的基于微带线的LC移相器的FoM在20GHz下大约为110°/dB，且基于部分填充波导的LC移相器的FoM为200°/dB。
薄型二维可操纵的阵列可在“贴片”架构中制造，其中，可电子地调谐的移相器安装在与辐射元件平行的另一层上。对于这样的大阵列(即具有16×16辐射元件的)，可电子地调谐的移相器的紧凑性成为问题。各个移相器或移相器组必须在有限的面积上制造。另外，它们必须个体地得到偏置，以便在垂直面和方位面二者之中对天线主波束进行操纵。基于MEMS或半导体的移相器需要多于一条的偏置线，取决于其微分相移分辨率。例如，3位移相器必须用三条偏置线来偏置。另一方面，当使用基于可调谐电介质的移相器时，需要仅仅一条偏置线。然而，具有360°微分相移的可电调谐移相器的紧凑型设计仍然是一项挑战。
另外，由于大的ESA的紧凑型设计，为了不降低天线性能，必须防止可电子地调谐移相器和其他部件之间的耦合。在US20090091500中，给出了LC对于天线的可能的应用。然而，例如个体地对可调谐移相器进行偏置以及将RF信号馈送到天线的实际问题尚未讨论。另外，在本发明的范围内已经做出特殊的努力，以便设计紧凑型移相器并防止辐射元件与馈送网络之间的不希望的耦合。类似地，其他基于可变电介质的天线阵列在US6759980、US6864840中讨论，然而，用于各个天线元件的个体移相器必须一个元件又一个元件地安装到不同的基材。本发明在均匀的基材上集成了移相器，且允许使用液体可调谐电介质。
US7,361,288和WO2011/036243公开了将液晶用作可操纵电介质的高频技术用部件。然而，这不是平面装置。如这些专利文件中介绍的这种移相器不能用于制造薄型天线。
为高频技术应用开发的特殊液晶在例如WO2011/009524和WO2011/035863中公开。
发明优点
能通过使用自动制造技术制造的低成本、轻重量、可电子地操纵的相控阵列是例如汽车、飞机和雷达等移动终端感兴趣的。天线主波束方向可被连续操纵，以便经由卫星在移动交通工具上同时提供服务，例如无线互联网或广播。薄型天线的平面性和审美外观必须保持，因为这些是其他的关键性问题(即，对于汽车行业)。这样的天线需要紧凑、低损耗、可电子地调谐的移相器，其能集成到辐射元件和馈送网络。偏置网络是必需的，通过该网络，可对所有移相器个体地进行偏置。这样的可电子地操纵天线是本发明的主题。
发明内容
本发明提供了一种薄型可电子地操纵的平面相控阵列天线，其主波束可在一个或两个维度上连续操纵。天线包括输入、馈送网络、至少一个功率分配器(合并器)、至少一个可电子地调谐的移相器、偏置网络和至少两个辐射元件。可电子地操纵的相控阵列天线包括至少三个电介质基材的层叠，所述至少三个电介质基材优选为均匀的电介质基材，其中的至少两个是固体的并可承载多个电极。阵列天线的个体元件至少包括可电子地调谐的移相器、偏置网络和辐射元件。移相器电极被分组，以形成所述多个个体天线元件，而一个均匀的基材可承载用于任何数量的天线元件的电极。基材也可承载用于馈送网络的电极。液体或固体的连续可变电介质被两个上面提到的固体电介质基材夹在中间。使用可变电介质基材的可电子地调谐的移相器由此集成到天线中。可变电介质基材的介电常数连续受到控制，且移相器的电气特性连续受到控制，以实现用于连续波束操纵的、辐射元件之间的希望的微分相移，故天线可在垂直面和方位面中受到调节。
在一实施例中，天线包括多个功率分配器和/或多个可电子调谐移相器和/或多个辐射元件。可电子操纵的相控阵列天线被构建为至少三个电介质材料的层叠。这些材料是前电介质基材(固体)、可变电介质(固体或液体)以及后电介质基材(固体)。本发明的主要优点之一在于，移相器和所有其他部件不是预先制造并在构建天线时组装为庞大的一个，相反，它们在三个上面提到的基材上同时制造。
基于平面传输线(优选为微带线)的可电子调谐移相器集成到天线。通过施加偏置电压，可改变可变电介质材料的电介质属性，且因此改变移相器的电气特性。
根据本发明另一方面，可取代微带线地将载荷线用作传输线。使用载荷线移相器，LC层厚度可减小到几微米，且因此，响应时间显著改进。平面传输线也称为移相器电极或移相器的电极。
根据本发明构建的天线的优选实例具有4(2×2)个辐射元件。其为薄型平面天线。天线将液晶(LC)材料用作可变电介质基材。类似于LC显示技术，LC夹在前后电介质基材之间。具有0.05的最大损耗角正切的LC材料优选为例如向列LC。也可使用其他类型，但性能将会不佳。根据本发明的其他方面，辐射元件可被分组，以便构成子阵列。这样的子阵列包括输入、馈送网络、可电子调谐的移相器以及多个辐射元件。大阵列天线的偏置复杂性降低，且天线可靠性增大，因为对于各个子阵列仅需要一个移相器。
根据本发明的进一步的方面，可构建包括低噪音放大器或发送/接收模块的薄型有源相控阵列天线。
对于移动终端来说，由于广播卫星服务的快速发展，对可操纵天线的需求急剧增加。本发明可用于无线互联网、多媒体和广播服务，其从卫星通过可操纵天线提供到例如在便携式装置或在例如汽车或飞机或轮船的交通工具中的移动的接收器，该卫星以例如L波段中大约1-2GHz的高频运行，或甚至以例如在Ku波段或K/Ka波段中高于10GHz的频率运行。然而，天线也可对于其他运行频率缩放。
BST对于上至10GHz的频率是优选的。由于较低的介电损耗，LC对于高于10GHz的频率是优选的。特别对于类似77GHz的高频应用或W波段应用，根据本发明，LC是优选的。
对于2D可操纵天线，如果辐射元件被分组，每组仅需要一个移相器。否则，每个辐射元件需要一个移相器。
如果电极是弯曲的话，对于移相器电极几何形状的挑战是减小电极之间的耦合。在制造移相器的面积有限的情况下，弯曲电极是必需的。理论上可使用不同的形状。然而，优选的几何形状是螺旋几何形状，因为其改进了性能。采用螺旋几何形状，输出端口在中间。这在移相器集成到天线时是一项优点。
另外，螺旋形移相器的角的优选几何形状是呈圆形的，以便减小金属损耗。
移相器是改变信号相位且在频率上具有平坦相位响应的装置。基于LC的移相器通常具有依赖于频率的相位响应，然而，根据本发明，还可以将平坦的相位响应结合到基于LC的移相器中，并在天线中使用这种类型。在本发明另一实施例中，移相器是时间延迟单元。时间延迟单元是这样的结构：其使用多通道结构提供特定的时间延迟，或可编程的时间延迟。另外，在时间延迟单元中，延迟线的优选几何形状是螺旋几何形状。
天线的长度和宽度不依赖于技术，且因此，它们多少依赖于频率是恒定的。理论上，两个辐射元件之间的距离是λ/2，其中，λ是发射(相应地，接收)的辐射的波长。如果存在“N×N”数量的辐射元件，其中，“N”是优选为在从10到100的范围内的整数，天线的尺寸对于长度和宽度为N(λ/2)×N(λ/2)。然而，其厚度依赖于技术。使用根据本发明的LC，可容易地构建薄的天线阵列。这类似于LC显示器或监视器。
天线的长度和宽度与天线增益有关。表格1显示以20GHz运行的微带贴片天线的可能的天线尺寸和对应的天线增益。理论值在括号中给出，没有括号的是实际值。实际值大于理论值，因为封装、LC填充和偏置垫需要某些空间。
表1：示例性实施例
这些天线具有优选为但不限于1.5mm的厚度，并可减小到例如0.7mm。
本发明的优点为成本经济性、基于移相器电极的螺旋几何形状的高几何形状经济性以及可连续操纵的天线的薄型和高紧凑性。
根据本发明的天线包括至少三个基材层：
均匀的前电介质基材，其在两侧承载电极；
前电介质基材的上侧的多个辐射元件；
接地电极，其具有多个覆盖前电介质基材的下侧的开口；
集成到接地电极的多个平面传输线；
均匀的可变电介质，其是液体或固体；
后电介质基材，其在上侧具有导电层；
多个导电电极，其在后电介质基材的上侧具有不同的电导率。
在一优选实施例中，前后电介质基材包括机械上稳定的低损耗基材，例如玻璃基材、熔融石英、陶瓷基材和陶瓷热固聚合物复合材料。
前后电介质基材可通过例如球面间隔物或通过形成用于液体电介质材料的空腔的冲制片保持为分开。
竖直互联部可通过基材上的通孔来制造。
在一实施例中，馈送网络可分布在附着到三个上基材的基材层叠上。
各个元件的电极的几何形状可在元件之间不同。优选的相控阵列天线是贴片天线，也称为微带电线或微带贴片天线。在一优选实施例中，接地电极上的开口在辐射元件下方。
优选为，辐射元件和接地电极上的开口居中。
集成在接地电极上的平面传输线包括微带线、共面波导、开槽线和/或带状线。
可变电介质基材可以是液体可变电介质基材，优选为液晶材料，和/或固体电介质材料，例如钛酸锶钡。这意味着基材层可以是两种材料的组合。
液体可调谐的基材可用类似于碳纳米管、铁电体或金属纳米组分的化合物掺杂。
前电介质的下侧和/或后电介质的上侧可完全或局部用对准层涂覆，以便预先定位液体可变电介质材料。
后电介质基材上面的导电层优选为平面传输线，其为可电子调谐的移相器。可电子调谐的移相器可电磁耦合到辐射元件。
在一实施例中，无接触RF互联使用安装在不同层上的相同或不同传输线之间的RF信号的电磁耦合。
导电层可包括包含金和铜的高导电性电极。
优选实施例中的传输线是微带线。微带线优选地被规则或不规则地弯曲，特别地，微带线采用螺旋形状。
在一实施例中，借由在平面传输线和接地电极之间通过偏置线施加电压，改变可变电介质基材的介电常数，且因此改变移相器的电气特性，以便在用于波束操纵的辐射元件之间实现希望的微分相移。
偏置线可包括低导电性电极材料，包括铟锡氧化物或者铬或铬-镍合金。
在一实施例中，另外，在后基材的上侧实现薄膜晶体管电路。
可电子调谐的移相器可包括载荷线移相器，其中，平面传输线被变容二极管周期性地或非周期性地加载，而变容二极管可并联或串联加载到平面传输线。另外，在这里，平面传输线可包括微带线、共面波导、开槽线和/或带状线。借由通过低导电性偏置线施加偏置电压，可改变可变电介质基材的介电常数，且因此改变变容二极管的负载，以便控制用于波束形成的加载线移相器的电气特性。在一优选实施例中，辐射元件可被分组，以便形成子阵列。在这种情况下，子阵列中的辐射元件可通过通用的可电调谐移相器馈送。特别地，子阵列包括2×2个辐射元件。
在一实施例中，取代前电介质基材的是，天线具有两个层叠的电介质基材，其在下侧具有导电层，其中，固体电介质基材可包括这样的薄的基材：其包括KAPTON FOLIO、液晶聚合物和MYLAR FOLIO。辐射元件可安装在薄电介质基材的下侧。具有开口和平面传输线的接地电极可安装在第二电介质基材的下侧。
在另一实施例中，天线包括：后电介质基材下侧的导电层；低噪音放大器(LNA)和/或置于后电介质基材下侧的发送/接收模块(TRM)，其中，辐射元件可被分组，并使用通用LNA。LNA可置于辐射元件和移相器之间或之后。
对于翻转微带线(IMSL)移相器(延迟线)的运行，需要移相器电极111下方的LC材料。这是最小的要求。在优选实施例中，LC填充在两个玻璃基材之间。这一点也有效但并不是必需的。填充LC的阱或池就足够了。
附图说明
图1为根据本发明的二维可电子操纵的相控阵列天线的实例的框图；
图2a和图2b为根据本发明一实施例的可电子操纵的天线的单位元件的分解图和侧视图；
图3为螺旋形移相器的布局的原理图示；
图4a、图4b和图4c为根据图2a和图2b给出的本发明的实施例的可操纵的相控阵列天线的三种布局的原理图示；
图5a、图5b和图5c为根据图4a、图4b和图4c给出的本发明的实施例的所实现的相控阵列天线的照片；
图6a、图6b和图6c为根据本发明另一实施例的可操纵的相控阵列天线的三种布局的原理图示；
图7a和图7b为根据本发明另一实施例的有源相控阵列天线的单位元件和单位子阵列元件的侧视图；
图8为在没有cpw到微带线的过渡的情况下的弯曲和螺旋形移相器的仿真Aφb和FoM。
具体实施方式
下面，将根据本发明一种可能的实施例给出详细介绍。该实施例并非专门用于给出本发明的每种特征，相反，其提供了对本发明的某些方面的基本理解。其为可用在接收模式或是发送模式的二维可操纵天线，因为它是无源、往复式天线。然而，大多数介绍仅仅对接收天线给出，以便以清楚的方式阐释本发明。图示和相对维度不必按比例绘制，以便更为高效地示出本发明。
参照附图，图1为根据本发明的可电子操纵的相控阵列天线100的框图。相控阵列天线包括：信号输入端口101，例如RF信号输入端口；馈送网络102；多个功率合并器103-109；多个DC阻塞结构110；多个可电子调谐的移相器111以及多个辐射元件112。
在另一实施例(未示出)中，馈送网络在另一基材上。馈送网络102可包括具有不同电气长度和特征阻抗的多个传输线，以便提供辐射元件112和输入端口101之间的阻抗匹配。功率合并器103-109可均等或非均等地合并功率，并将之传送到天线单位元件200，用于希望的辐射模式。根据天线理论，辐射元件112之间的距离为真空中的波长的大约0.5到0.8倍。较低的距离导致元件之间高的电磁耦合，且较高的距离导致辐射模式中的栅瓣。
图2a和图2b示出了根据本发明一实施例的可电子操纵天线的单位元件200的分解图和侧视图。单位元件200包括辐射元件112、可调谐移相器111、DC阻塞结构110和偏置线201，以便将偏置电压施加到可电子调谐移相器111。这些部件被放置在三个电介质层上，即前电介质基材202、可调谐电介质基材205和后电介质基材206。
辐射元件112安装在低损耗前电介质基材202的上侧。
如这里所示的，辐射元件112可以是矩形贴片天线，其可用于不同的极化。在其他实施例中，辐射元件112是圆形、方形贴片或具有槽的任何替他类型的贴片。矩形或方形贴片也可切去一个以上的角。其用高导电性电极制成。前电介质基材的下侧被导电电极覆盖，该电极形成用于辐射元件112的接地电极203。接地电极203包括槽204，其在天线元件112的下方。孔隙耦合经由槽204形成，以便耦合辐射元件112和移相器111之间的RF信号。接地电极203也包括作为DC阻塞结构110的一部分的共面波导(CPW)。
优选实施例中，信号耦合在不同的传输线之间。在另一实施例中，信号电容性耦合。这意味着存在两个贴片，一个安装在前电介质基材下侧，且另一个置于后电介质基材的上侧，类似于平行板电容器。
可调谐电介质基材205封装在前电介质基材202和后电介质基材206之间。当可调谐电介质基材205为液体时，需要这两个电介质202、206之间的空腔。这样的空腔可通过使用合适的间隔物来实现。前后电介质202、206的机械稳定性是显著的，以便维持均匀的空腔高度。取决于移相器拓扑，空腔高度可在1μm…3μm到几百毫米的范围内。对于基于微带线的移相器，较高的空腔高度对应于较高的电介质厚度，且因此，减小了金属损耗。然而，当使用液晶材料时，装置响应时间由于厚LC层将会相对较长。另一方面，当使用加载线移相器时，LC空腔高度可减小到1μm…50μm。在本发明该实施例中，使用IMSL移相器。作为金属损耗和移相器响应时间之间的妥协，优选大约100μm的空腔高度。然而，高度可根据前面提到的范围减小或增大。如果高度减小，其导致金属损耗的增大，如果其减小，导致金属损耗的减小。
在单位元件200的运行中，经由通过接地电极203上的槽204形成的孔隙耦合，辐射元件接收的RF信号耦合到微带线111。经由通过偏置线201在接地电极203和微带线111上施加偏置电压，可改变可变电介质基材205的电介质属性，且可因此改变RF信号的相位。偏置线201相比于移相器111的电极为低导电性电极。信号于是电磁耦合到安装在前电介质基材202下侧的接地电极203上的CPW。在沿着短CPW线传播之后，RF信号耦合到单位元件输入端口207。通过这种方式，在移相器111和单位元件输入端口207之间实现作为DC阻塞结构110的无接触RF互联。可变电介质基材205仅仅在微带线111下方调谐，因为偏置电压由于DC阻塞110不能影响天线的其余部分，即其他单位元件。
在发送模式的单位元件200的运行中，从阵列馈送网络接收的发送信号首先从单位元件输入端口207电磁耦合到接地电极203上的CPW。在沿着短的CPW线传播之后，信号被耦合到微带移相器111。通过这种方式，在移相器111和单位元件输入端口207之间获得作为DC阻塞结构110的无接触RF互联。借由通过偏置线201在接地电极203和微带移相器111上施加偏置电压，可改变可变电介质基材205的电介质属性，且可因此改变被发送信号的相位。偏置线201相比于移相器111的电极为低导电性电极。在沿着微带线111传播之后，信号被耦合到辐射该信号的辐射元件112。移相器111和辐射元件112之间的耦合经由通过接地电极203上的槽204形成的孔隙耦合实现。
DC阻塞结构110使用安装在不同层上的类似的或不同的传输线之间的电磁耦合。必须提到，根据该实施例在CPW和微带线之间的耦合是本发明的方面之一的一个实例。这种结构也可最优化，使得其可作为RF滤波器运行。挑战在于抑制不希望的辐射，其可能影响天线辐射特性，且这可通过使用电磁解算器来解决。
可电调谐移相器111用翻转微带线拓扑制造但不限于此。微带线111(优选为螺旋形状)安装在后电介质基材206的上方。其接地电极203安装在前电介质基材202的下侧。这样的传输线的电气属性可被改变，因为其电介质材料是可调谐电介质基材205。
液晶(LC)材料可在毫米波或微米波频率下用作可调谐电介质基材205。LC为在这些频率下具有低的介电损耗的各向异性材料。用于RF场的LC的有效介电常数取决于分子的取向。可利用这一属性，以便通过改变LC的取向来控制电磁波的波长，且因此控制相位。分子的取向可通过使用外部电场或磁场、使用液晶的表面对准或这些方法的组合来连续变化。
在另一实施例(未示出)中，天线可包括多个层的层叠，其包括用至少一个固体基材层隔开的多于一个的LC层基材。
具有360°的微分相移的可调谐移相器必须在有限的面积内设计，该面积是一个单位元件的面积。最大可实现相移依赖于频率，并且，要求可通过设置移相器的长度得到调节。由于有限的面积，移相器必须被弯曲，以便实现希望的长度。同时，传输线之间的耦合必须避免。根据本发明，移相器以图3所示的螺旋形状实现。当使用同样的设计原则以及当它集成到辐射元件时，这样的移相器具有与弯曲的传输线相比大5％到15％的微分相移。另外，由于螺旋形状，移相器和辐射元件之间的RF信号的耦合在单位元件的中央实现。当移相器111沿着轴线301翻转时，单位元件输入端口207移动到另一侧，而耦合点302还在中央。这允许翻转移相器，以便设计紧凑型馈送网络。同时，辐射元件之间的距离保持恒定，这对天线辐射特性是至关重要的。移相器的形状不限于螺旋形状。其形状可最优化，以便设计可集成到天线阵列的紧凑型高性能移相器。
根据本发明的其他方面，加载线移相器可集成到天线阵列。在此方法中，非可调谐传输线被变容二极管负载周期性或非周期性地加载。变容二极管可串联或并联加载到传输线。
图4a、图4b和图4c示出了根据图2a和图2b所给出的本发明的实施例的二维可电子操纵的相控阵列天线的三种布局。天线包括但不限于16(4×4)个辐射元件112，其安装在前电介质202的上方。
前电介质基材202的下侧被接地电极203覆盖，其包括CPW线部分110和槽204，分别用于DC阻塞结构和孔隙耦合。
RF信号输入端口101、馈送网络102、多个功率合并器103、多个可电子调谐移相器111、多个偏置线201和多个偏置贴片402被放置在后电介质基材206的上侧。这里没有示出的可调谐电介质与后电介质基材206的上侧以及接地电极203接触。层可通过使用互补对准标记401来准确对准。后电介质层206相比于前电介质层202从需要偏置贴片402以及RF输入端口101的接触的侧放大。图5a、图5b和图5c示出了根据图4a、图4b和图4c所给出的本发明的实施例的二维可电子操纵天线原型的上、侧、下视图照片。
天线包括四个辐射元件。原型的整体高度为1.5mm，包括前、可调谐以及后电介质基材。
图6a、图6b和图6c示出了根据本发明另一实施例的相控阵列天线的单位子阵列元件。单位子阵列元件700包括但不限于前电介质基材202的上侧的2×2个辐射元件112。接地电极203、槽204和DC阻塞结构110安装在前电介质基材202的下侧。可电调谐移相器111、功率合并器103和偏置线201在后电介质基材206的上侧制造。这里未示出的可调谐电介质与后电介质基材206的上侧以及接地电极203接触。
在运行中，辐射元件112接收的RF信号经由孔隙耦合204耦合到功率合并器103。功率合并器103将信号传送到功率合并器103周围的移相器111。通过施加偏置电压，控制可调谐电介质基材的电气特性，且因此控制RF的相位。
这样的偏置电压通过偏置线201施加在接地电极203和移相器111上。RF信号于是经由DC阻塞结构110耦合到子阵列输入端口207。
移相器和偏置线的所需数量以子阵列架构中的辐射元件数量的倍数减少，因为所有辐射元件通过一个可电子调谐移相器馈送。类似地，有源相控阵列天线需要较少数量的放大器。由于这一点，天线变为具有成本有效性和可靠性。关于天线辐射模式，辐射元件之间的微分相移必须得到满足，以便倾斜辐射波前。在子阵列架构的情况下，此需求对于各个子阵列得到实现。根据天线理论，子阵列之间的距离是真空中的波长的大约0.5到0.8倍。
这减小了辐射元件之间的间距，且因此，增大了天线孔隙效率。然而，辐射元件之间的互耦也增大。对于这样的天线，当限定子阵列架构即辐射元件数量时，天线辐射特性与成本有效性、可靠性以及偏置复杂性之间的最优化过程是必需的。
图7a和图7b示出了根据本发明另一实施例的有源相控阵列天线的单位元件和单位子阵列元件的侧视图。低噪音放大器(LNA)210安装在电介质基材206的下侧。辐射元件112所接收的RF信号耦合到传输线211，其位于后电介质基材206的上侧。信号于是耦合到置于后电介质基材206下侧的LNA 210。在放大之后，RF信号被耦合到可调谐移相器111，其具有可调谐电介质基材205。通过这种方式，影响天线噪音指数的部件的噪音受到抑制，且因此，天线噪音等级被减小。
已经通过实施例对本发明详细进行介绍。实施例的任何修改和变化由所附权利要求的范围限制。
实施例的实现在这里阐释：
图2a和图2b示出了基于LC的翻转微带线(IMSL)移相器的实现。在低损耗电介质基材上蒸发用铬/金层制造的种子层。铬(Cr)层具有5nm的厚度，并用作基材和60nm厚的金层之间的粘合层。光阻剂(PR)施加在种子层上，种子层于是被曝光并显影。结构的电极通过电镀2μm厚的金来形成。在电镀之后，移除PR，并蚀刻种子层，且因此，仅电镀的电极在基材上存在。基材被精确切块为两片，即±5μm。各片用对准层涂覆并机械摩擦，以便在表面上形成凹槽。基材于是使用对准标记对准，并用胶粘剂牢固结合。LC填充在基材之间，且因此，合适的间隔物(即微珠)在摩擦后在基材上建立。最后，填充LC，并封装结构，通过这样，材料被封装在两个基材之间。为保持均匀的空腔高度，基材的机械稳定性很重要。因此，低损耗玻璃或陶瓷电介质基材优选用于制造。这里介绍一实施例：
微带贴片天线安装在前电介质的上侧。贴片天线的接地电极安装在同一电介质的下侧。接地电极包括覆盖贴片(图5c)的槽，其形成贴片天线和移相器之间的孔隙耦合。IMSL移相器的带电极安装在后基材的上侧。LC材料封装在两个基材之间。其形成IMSL的电介质，并具有100μm的厚度。在接收天线的运行中，所接收的RF信号首先被耦合到移相器。在沿着移相器传播之后，RF信号电磁耦合到位于接地电极上的共面波导(cpw)。信号沿着短的cpw线传播，于是，其被耦合到位于后电介质上侧的单位元件输入端口。通过这种方式，在移相器和单位元件输入端口之间实现作为dc阻塞结构的无接触RF互联。
关于进一步的实施例的更为详细的信息为：
单位元件与基于LC的可调谐移相器集成。移相器必须满足对于最优波束操纵的希望的微分相移Δφb，即360°。IMSL的微分相移计算为：
其中，f为频率，l为物理长度，c0为光在真空中的速度，εr,eff，⊥为相对有效垂直电容率，εr，eff，||为相对有效平行电容率。
用360°的Δφb在18GHz处运行的移相器的长度使用特定类型的LC确定为5.65λ0。另一方面，单位元件的尺寸被设置为0.65λ0×0.65λ0，以便防止栅瓣。因此，由于单位元件的有限面积，移相器必须以紧凑的方式设计。一种可能的方法是使移相器弯曲。然而，在这种情况下，线之间的耦合成为问题。其可在仿真中通过使得线之间的间隙最优化来最小化。移相器的总长度为75mm，且移相器自身(没有过渡)在18GHz处使用0.5λ0×0.5λ0的面积。此面积小于单位元件的面积。这是由于当单位元件被合并以构成阵列时，RF馈送网络和偏置网络也需要特定量的面积。
移相器的性能和紧凑性可取决于其几何形状进一步改进。对于这种方式，微带线弯曲的几何形状是重要的。一种可能的解决方案是以螺旋几何形状弯曲移相器。这样的移相器相比于弯曲线移相器具有几项改进。两种移相器使用同样的设计规则用同样大小的面积设计，即两个电极之间同样的间隙大小。在图8中，给出了移相器的仿真Δφb和FoM结果。
由图8可见，螺旋移相器的Δφb与弯曲移相器相比大5％到15％。同时，插入损耗保持几乎恒定，且因此FoM增大，例如在18GHz处从95°/dB到105°/dB。另外，由于螺旋几何形状，移相器和辐射元件之间RF信号的耦合在单位元件中央完成。当移相器几何形状翻转时，单位元件输入端口移动到另一侧，而耦合点仍在中央。这允许翻转移相器，以便设计紧凑性RF馈送网络。同时，辐射元件之间的距离保持恒定，这对于天线辐射特性是关键性的。
天线阵列需要偏置网络，以便独立地对移相器进行调谐。在偏置垫和接地电极上施加的电压通过偏置线传送到RF电路。偏置线必须使用低导电性材料实现，且因此，它们在RF信号上具有可忽略的影响。可能的材料是铟锡氧化物(ITO)、铬(Cr)或镍-铬(Ni-Cr)。尽管具有相对较高的电导率(σ＝7.8×106S/m)，Cr粘合层用于实现偏置线。其具有5nm的厚度，这导致25∶3＝sq的片电阻。线宽度设置为10μm，以便增大偏置线电阻。2D天线也可在结构上是3D的，例如，其可绕卷在物体周围。
附图标号说明
100：可电子操纵的相控阵列天线
101：信号输入端口
102：馈送网络
103-109：功率合并器
110：DC阻塞结构
111：移相器电极
112：辐射元件
200：天线单位元件
201：偏置线
202：前电介质基材
203：接地电极
204：槽/孔隙耦合
205：可调谐电介质基材
206：后电介质基材
207：单位元件输入端口
210：低噪音放大器(LNA)
211：传输线
301：翻转轴线
302：耦合点
401：对准标记
402：偏置贴片
700：单位子阵列元件

Claims (16)

1.一种平面可连续操纵相控阵列天线，
该相控阵列天线从上到下包括至少三个基材层：固体的前电介质基材层、固体的后电介质基材层和在前电介质基材层和后电介质基材层之间的能够电子地变化的电介质基材层，并且
该相控阵列天线还包括：
馈送网络，
至少一个包括电极的移相器，
偏置网络，
至少两个辐射元件，
其中，辐射元件在前电介质基材层的上侧，移相器被集成在该相控阵列天线中并且移相器是能够通过利用电介质基材层被电子地调谐的，并且移相器的电极是位于后电介质基材层的上侧的平面传输线并且也能够将信号馈送到辐射元件。
2.根据权利要求1所述的相控阵列天线，其中，至少一个层包括均匀的基材。
3.根据权利要求1所述的相控阵列天线，其中，移相器的能够电子地变化的电介质基材为液晶和/或钛酸锶钡。
4.根据权利要求1所述的相控阵列天线，其中，移相器电极被规则或不规则地弯曲。
5.根据权利要求1所述的相控阵列天线，其中，移相器电极被螺旋状布置。
6.根据权利要求1所述的相控阵列天线，其中，至少两个移相器构建子阵列。
7.根据权利要求1所述的相控阵列天线，其中，四个移相器构建子阵列。
8.根据权利要求7所述的相控阵列天线，其中，来自馈送网络的输入部在子阵列的中部。
9.根据权利要求8所述的相控阵列天线，其包括多个子阵列。
10.根据权利要求1所述的相控阵列天线，其中，移相器为时间延迟单元。
11.根据权利要求1所述的相控阵列天线，其中，能够电子地调谐的移相器包括加载线移相器。
12.根据权利要求1所述的相控阵列天线，其中，前电介质基材层和后电介质基材层包括机械上稳定的低损耗基材。
13.根据权利要求1所述的相控阵列天线，其中，该相控阵列天线在结构上是3D的。
14.一个以上根据权利要求1-13中任意一项所述的相控阵列天线的使用。
15.一种相控阵列天线的制造方法，其中，在所述至少三个基材上同时制造根据权利要求1-13中任意一项所述的相控阵列天线的至少两个部件。
16.一种包括一个以上的根据权利要求1-13中任意一项所述的相控阵列天线的装置。
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