CN105960736A - 可操纵的多层圆柱馈送全息天线的动态极化和耦合控制 - Google Patents

可操纵的多层圆柱馈送全息天线的动态极化和耦合控制 Download PDF

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Abstract

此处公开一种用于圆柱馈送天线的设备和使用该设备的方法。在一个实施例中，天线包括：天线馈送部，其输入圆柱馈送波；第一层，其耦接至天线馈送部并且馈送波从馈送部向外并且同心地传播至第一层中；第二层，其耦接至第一层以使馈送波在天线的边缘处反射并且从天线的边缘通过第二层向内传播；和射频(RF)阵列，其耦接至第二层，其中馈送波与RF阵列相互作用以产生波束。

Description

可操纵的多层圆柱馈送全息天线的动态极化和耦合控制
优先权
本专利申请要求于2014年2月19提交的题目为“来自圆柱馈送全息天线的极化和耦合控制”(Polarization and Coupling Control from aCylindrically Fed Holographic Antenna)的序列号为61/941,801的对应临时专利申请以及于2014年6月16日提交的题目为“用于通信卫星地面站的超材料天线系统(A Metamaterial Antenna System forCommunications Satellite Earth Stations)”的序列号为62/012,897的对应临时专利申请的优先权并且通过引用并入。
技术领域
本发明的实施例涉及天线领域；更特别地说，本发明的实施例涉及一种圆柱馈送的天线。
背景技术
使用基于PCB的方法的Thinkom(新肯氏)产品在Ka频带实现双重圆极化，通常利用可变式倾斜横向枝节或“VICTS”方法，其具有两种类型的机械旋转。第一类型使一个阵列相对于另一阵列旋转，并且第二类型在方位角上旋转两个阵列。主要限制是扫描范围(20和70度之间的仰角，不可能侧向相对)和波束性能(有时仅限制Rx)。
安多(Ando)等人的“用于12GHz DBS卫星接收的径向线缝隙天线(Radial line slot antenna for 12GHz DBS satellite reception)”和元(Yuan)等人的“用于大功率微波应用的新颖径向线缝隙天线的设计和实验(Design and Experiments of a Novel Radial Line Slot Antenna forHigh-Power Microwave Applications)”讨论了各种天线。在这两个文章中描述的天线的限制是波束仅形成在一个静态角处。文章中描述的馈送结构被折叠成双层，其中第一层接收引脚馈送并且将信号向外辐射到边缘，将信号向上弯曲至顶层，然后顶层从外围沿路径发射至中心激励固定式缝隙。缝隙通常以正交对定向，获得发射模式的固定圆极化，相对侧为接收模式。最后，吸收部终止任何剩余能量。
“标量和张量全息人工阻抗表面”，作者方(Fong)、科尔伯恩(Colburn)、奥塔什(Ottusch)、维舍(Visher)、西文派珀(Sievenpiper)。虽然西文派珀已经示出将如何实现动态扫描天线，但是在扫描期间维持的极化保真度存在疑问。这是因为所需的极化控制取决于在每个辐射元件处所需的张量阻抗。这通过元件指向(element-wise)旋转非常容易实现。但是当天线扫描时，在每个元件处的极化改变，因此所需要的旋转也改变。因为这些元件被固定并且不能动态旋转，所以没有办法扫描和维持极化控制。
实现具有极化控制的波束扫描天线的工业标准方法通常使用机械旋转碟或者结合电子束操纵的一些类型的机械运动。最昂贵选择种类是全相阵列天线。碟可同时接收多个极化，但是需要平衡环(gimbal)来扫描。近年来，将一个轴上的机械运动与正交轴上的电子扫描结合已经产生高纵横比的结构，其需要较小体积，但是会牺牲波束性能或者动态极化控制，诸如Thinkom的系统。
现有方法使用波导管和分束器馈送结构以馈送天线。但是，波导管设计具有在侧部附近摆动的阻抗(由1个波长周期性结构产生的带隙)；需要与不同的CTE结合；具有关联的欧姆损耗的馈送结构；和/或具有延伸到地平面的成千上万的过孔。
发明内容
此处公开一种用于圆柱馈送天线的设备和使用该设备的方法。在一个实施例中，天线包括：天线馈送部，其输入圆柱馈送波；第一层，其耦接至天线馈送部并且馈送波从馈送部向外并且同心地传播至第一层中；第二层，其耦接至第一层以使馈送波在天线的边缘反射并且从天线的边缘通过第二层向内传播；和射频(RF)阵列，其耦接至第二层，其中馈送波与RF阵列相互作用以产生波束。
附图说明
从下文给出的详细描述以及本发明的各种实施例的附图将更全面地理解本发明，然而，其不是将发明限制于具体的实施例，而是仅仅用于说明和理解。
图1说明用于提供圆柱波馈送的同轴馈送部的一个实施例的俯视图。
图2A和图2B说明圆柱馈送天线结构的实施例的侧视图。
图3说明一个缝隙耦合贴片天线或者散射器的一个实施例的俯视图。
图4说明是周期性馈送天线系统的一部分的缝隙馈送贴片天线的侧视图。
图5说明介电材料的示例，其中馈送波被发射至介电材料中。
图6说明示出缝隙及其定向的虹膜板(iris board)的一个实施例。
图7说明确定一个虹膜部/贴片组合的定向的方式。
图8说明分成两组的虹膜部，其中第一组相对于功率馈送矢量旋转-45度而第二组相对于功率馈送矢量旋转+45度。
图9说明贴片板的实施例。
图10说明具有确定在操作频率关闭的图9中的贴片的元件的示例。
图11说明具有确定在操作频率打开的图9中的贴片的元件的示例。
图12说明全波建模的结果，其示出关于图10和图11的元件对打开和关闭控制/调制方式的电场响应。
图13说明使用圆柱馈送天线的实施例的波束形成。
图14A和图14B说明在蜂窝形模式中定位的贴片和缝隙。
图15A-图15C说明定位成环状以产生径向布局的贴片和关联的缝隙、关联的控制模式以及产生的天线响应。
图16A和图16B分别说明右旋圆极化和左旋圆极化。
图17说明包括含有贴片的玻璃层的圆柱馈送天线的一部分。
图18说明介电部的线性锥形。
图19A说明基准波的示例。
图19B说明产生的物体波。
图19C是所得的正弦调制模式的示例。
图20说明可选的天线实施例，其中侧部中的每个包括使得行进波从底层被发射至顶层的阶梯部。
具体实施方式
本发明的实施例包括天线设计架构，其从中心点利用激励(馈送波)馈送天线，该激励以圆柱或同心的方式从馈送点向外扩散。天线利用馈送波通过布置多个圆柱馈送子孔径天线(例如贴片天线)工作。在可选的实施例中，天线是从周围向内馈送而不是从中心向外馈送。这可以有帮助，因为它抗衡由孔径散射能量引起的振幅激励衰减。散射类似地出现在两个定向上，但是在馈送波自周围向内行进时由聚焦馈送波中的能量引起的自然锥形抗衡由有意散射引起的递减锥形。
本发明的实施例包括全息天线，其基于使典型地需要实现全息的密度加倍并且利用两种类型的正交组元件填充孔。在一个实施例中，一组元件相对于馈送波被线性定向在+45度处，第二组元件相对于馈送波被定位在-45度处。两种类型通过相同的馈送波照明，在一种形式中，该馈送波是通过同轴引脚馈送发射的平行板模式。
在下文的说明中，许多细节被阐述以提供本发明的更彻底的解释。但是，对于本领域的技术人员将明显的是，本发明可在没有这些具体细节的情况下实践。在其它情况下，为了避免混淆本发明，熟知的结构和装置以方框图形式而不是详细地示出。
随后具体实施方式的一些部分以计算机存储器内对数据位的操作的算法和符号表示来提供。这些算法描述和表示是数据处理领域的技术人员使用的以将他们工作实质最有效地传送给该领域的其它技术人员的手段。这里的算法一般被构想成是产生期望结果的顺序前后一致的步骤。这些步骤是需要物理量的物理操作的步骤。通常，虽然不必要，但是这些量采取能够被存储、传送、结合、比较以及以其它方式操纵的电信号或磁信号的形式。已经证明，主要出于常见用法的原因，有时方便将这些信号称为位、数值、元件、符号、字符、项、号码等等。
然而，应该牢记的是，全部这些和类似术语都与适当的物理量有关并且仅仅是应用于这些量的方便标签。除非另外具体陈述，如从下文的描述一目了然，否则理解的是，在整个说明书中，利用诸如“处理”或“用计算机计算”或“计算”或“确定”或“显示”等术语的讨论是指计算机系统或者类似的电子计算装置的动作和处理，其将表示为计算机系统的寄存器和存储器内的物理(电子)量的数据操纵并且转换为类似地表示为计算机系统存储器或者寄存器或者其它这种信息存储、发射或者显示装置内的物理量的其它数据。
天线系统的示例的概述
描述用于通信卫星地面站的超材料天线系统的实施例。在一个实施例中，天线系统是在移动平台(例如航空、航海、陆地等)上操作的卫星地面站(ES)的组件或者子系统，其中移动平台使用用于民用商业卫星通信的Ka频带或Ku频带操作。注意的是，天线系统的实施例也可用于不在移动平台上的地面站(例如固定式或者可运输式地面站)。
在一个实施例中，天线系统使用表面散射超材料技术以形成并且通过分开的天线操纵发送和接收束。在一个实施例中，与使用数字信号处理以电形成并操纵波束的天线系统(诸如相位阵列天线)相比，该天线系统是模拟系统。
在一个实施例中，天线系统由三个功能子系统(1)由圆柱波馈送架构组成的波传播结构；(2)波散射超材料单元晶胞的阵列；和(3)利用全息原理命令由超材料散射元件形成可调节辐射场(束)的控制结构组成。
波传播结构的示例
图1说明用于提供圆柱波馈送的同轴馈送部的一个实施例的俯视图。参照图1，同轴馈送部包括中心导体和外导体。在一个实施例中，圆柱波馈送架构利用激励从中心点馈送天线，该激励从馈送点以圆柱方式向外扩散。即，圆柱馈送天线产生向外行进的同心馈送波。虽然如此，在圆柱馈送部周围的圆柱馈送天线的形状可以是圆形、方形或者任何形状。在另一实施例中，圆柱馈送天线产生向内行进的馈送波。在这种情况下，馈送波最自然地来自于圆形结构。
图2A说明圆柱馈送天线结构的一个实施例的侧视图。天线使用双层馈送结构(即双层的馈送结构)产生向内行进波。在一个实施例中，天线包括圆形外部形状，但是这不是必需的。即，可使用非圆形向内行进的结构。在一个实施例中，图2A中的天线结构包括图1的同轴馈送部。
参照图2A，同轴引脚201用于激励天线的较低层上的场。在一个实施例中，同轴引脚201是方便易得的50Ω同轴引脚。同轴引脚201被耦接至(例如栓接至)是导电接地平面202的天线结构的底部。
间隙导体(interstitial conductor)203与导电接地平面202分离，其是内导体。在一个实施例中，导电接地平面202和间隙导体203彼此平行。在一个实施例中，接地平面202和间隙导体203之间的距离是0.1–0.15"。在另一实施例中，该距离可以是λ/2，其中λ为行进波在操作频率处的波长。
接地平面202通过间隔部204与间隙导体203分离。在一个实施例中，间隔部204是泡沫状或空气状间隔部。在一个实施例中，间隔部204包括塑料间隔部。
间隙导体203的顶部上是介电层205。在一个实施例中，介电层205是塑料。图5说明介电材料的示例，其中馈送波被发射至介电材料中。介电层205的目的在于使行进波相对于自由空间速度减慢。在一个实施例中，介电层205使行进波相对于自由空间减慢30％。在一个实施例中，适于波束形成的折射指数的范围是1.2–1.8，其中按照定义，自由空间的折射指数等于1。例如，可使用诸如塑料的其它介电间隔部材料来获得这种效果。注意的是，可使用除了塑料以外的材料，只要它们获得期望的波减慢效果。可选地，具有分布式结构的材料可用作介电部205，例如诸如可机械加工或者光刻限定的周期次波长金属结构。
RF阵列206处在介电部205的顶部。在一个实施例中，间隙导体203和RF阵列206之间的距离是0.1–0.15"。在另一实施例中，该距离可以是λeff/2，其中λeff为在设计频率处介质中的有效波长。
天线包括侧部207和208。侧部207和208成一角度以使来自同轴引脚201的行进波馈送通过反射从间隙导体203(间隔部层)下方的区域传播到间隙导体203(介电层)上方的区域。在一个实施例中，侧部207和208呈45°角。在可选的实施例中，侧部207和208可用连续半径替换以实现反射。虽然图2A示出具有45°角的成角度的侧部，但是可使用实现信号从较低层馈送传送至较上层馈送的其它角度。即，假设在较低馈送的有效波长一般与较上馈送的有效波长不同，可使用偏离理想45°的角度来辅助从较低馈送传送到较上馈送层。例如，在另一实施例中，45°角用诸如图20所示的单个阶梯部替换。参照图20，在围绕介电层2005、间隙导体2003和间隔部层2004的天线的一端上示出阶梯部2001和2002。相同的两个阶梯部在这些层的其它端处。
在操作中，当馈送波从同轴引脚201馈入时，波在地平面202和间隙导体203之间的区域中从同轴引脚201同心定向向外行进。同心地输出波被侧部207和208反射并且在间隙导体203和RF阵列206之间的区域中向内行进。来自圆形外周的边缘的反射使波保持同相(即，它是同相反射)。行进波被介电层205减慢。在这一点上，行进波与RF阵列206中的元件开始相互作用并且激励以获得期望的散射。
为了终止行进波，终止部209被包括在天线的几何中心处的天线中。在一个实施例中，终止部209包括引脚终止部(例如50Ω引脚)。在另一实施例中，终止部209包括RF吸收器，该RF吸收器终止未使用的能量以防止未使用的能量反射回通过天线的馈送结构。这些可在RF阵列206的顶部处使用。
图2B说明具有输出波的天线系统的另一实施例。参照图2B，两个接地平面210和211与在接地平面210和211之间的介电层212(例如塑料层等)基本上彼此平行。RF吸收器213和214(例如电阻器)将两个接地平面210和211耦接在一起。同轴引脚215(例如50Ω)馈送天线。RF阵列216处在介电层212的顶部。
在操作中，馈送波通过同轴引脚215馈送并且同心向外行进并且与RF阵列216的元件相互作用。
在图2A和2B的两种天线中的圆柱馈送改善天线的服务角。代替正或负45度方位角(±45°Az)和正或负25度仰角(elevation)(±25°El)的服务角(service angle)，在一个实施例中，天线系统在全部方向从瞄准线具有75度(75°)的服务角。正如由许多个别辐射器组成的任何束形成天线，整个天线增益取决于组成元件的增益，而它们依赖于角度。当使用公共辐射元件时，随着波束进一步偏离瞄准线，整个天线增益通常降低。在偏离瞄准线75度时，预期有约6dB的显著增益降低。
具有圆柱馈送的天线的实施例解决一个或多个问题。这些包括与用协作分配器网络馈送的天线相比，显著简化馈送结构，因此减小所需要的总天线和天线馈送体积；通过利用较粗糙控制来维持高的波束性能来降低制造误差和控制误差的灵敏度(总是延长以简化二进制控制)；与直线馈送相比，获得更有益的旁瓣模式(side lobe pattern)，因为圆柱定向的馈送波导致远场中的旁瓣在空间上不同；并且允许极化是动态的，包括允许左旋圆极化、右旋圆极化和线性极化，而不需要极化器。
波散射元件的阵列
图2A的RF阵列206和图2B的RF阵列216包括波散射子系统，其包括用作辐射器的一组贴片天线(即散射器)。该组贴片天线包括散射超材料元件的阵列。
在一个实施例中，天线系统中的每个散射元件是单元晶胞的一部分，该单元晶胞由下导体、介电基板和上导体组成，上导体嵌入蚀刻在上导体中或者沉积在上导体上的互补电气电感-电容谐振器(“互补电气LC”或者“CELC”)。
在一个实施例中，液晶(LC)注入包围散射元件的间隔内。液晶被包封在每个单元晶胞中并且将与缝隙相关联的下导体从与其贴片相关联的上导体分离。液晶具有介电常数，其是包括液晶的分子的定向的函数，分子的定向(因此介电常数)可通过调节穿过液晶的偏压控制。利用该性质，液晶用作用于将能量从导波发射到CELC的打开/关闭开关。当打开时，CELC发射类似电小偶极天线的电磁波。
控制LC的厚度增加波束切换速度。下导体和上导体之间的间隔(液晶的厚度)减少百分之五十(50％)导致速度增加四倍。在另一实施例中，液晶的厚度导致约十四毫秒(14ms)的波束切换速度。在一个实施例中，用本领域中已知的方式掺杂LC以提高响应性使得可满足七毫秒(7ms)的要求。
CELC元件响应于平行于CELC元件的平面并且垂直于CELC间隔施加的磁场。当电压被应用于超材料散射单元晶胞中的液晶时，导波的磁场分量感应CELC的磁激励，其反过来产生与导波频率相同的电磁波。
由单个CELC产生的电磁波的相位可通过CELC在导波的矢量上的位置选择。每个单元产生与平行于CELC的导波同相的波。因为CELC小于波长，所以当输出波通过CELC的下面时，输出波具有与导波的相位相同的相位。
在一个实施例中，这种天线系统的圆柱馈送几何结构允许CELC元件被定位在与波馈送中的波的矢量的45度(45°)角处。元件的这个位置能控制由元件产生或者由元件接收的自由空间波的极化。在一个实施例中，以元件间距离布置CELC，该元件间距离小于天线的操作频率的自由空间波长。例如，如果每波长存在四个散射元件，则30GHz发射天线中的元件将约为2.5mm(即，30GHz的10mm自由空间波长的1/4)。
在一个实施例中，CELC用贴片天线实现，贴片天线包括与两者之间的液晶在缝隙上方同位的贴片，其中液晶在两者之间。在这方面，超材料天线用作类似缝隙(散射)波导。对于缝隙波导，输出波的相位取决于与导波有关的缝隙的位置。
图3说明一个贴片天线或散射元件的一个实施例的俯视图。参照图3，贴片天线包括与在贴片301和缝隙302中间的液晶(LC)303在缝隙302上方同位的贴片301。
图4说明是周期性馈送天线系统的一部分的贴片天线的侧视图。参照图4，贴片天线在介电部402(例如塑料插入件等)的上方，介电部402在图2A的间隙导体203(或者诸如在图2B中的天线的情况下的接地导体)的上方。
虹膜板403是具有诸如在介电部402顶部和上方的缝隙403a等多个缝隙的接地平面(导体)。缝隙在此处可被称为虹膜部。在一个实施例中，虹膜板403中的缝隙通过刻蚀产生。注意的是，在一个实施例中，缝隙或为一部分的其晶胞的最高密度是λ/2。在一个实施例中，缝隙/晶胞的密度是λ/3(即，每λ有3个晶胞)。注意的是，可使用晶胞的其它密度。
包括诸如贴片405a等多个贴片的贴片板405位于虹膜板403的上方并且由中间介电层分离。诸如贴片405a等贴片中的每个与虹膜板403中的一个缝隙同位。在一个实施例中，虹膜板403和贴片板405之间的中间介电层是液晶基板层404。液晶用作每个贴片和它的同位的缝隙之间的介电层。注意的是，可使用除了LC以外的基板层。
在一个实施例中，贴片板405包括印刷电路板(PCB)，每个贴片包括在PCB上的金属，其中已经去除贴片周围的金属。
在一个实施例中，贴片板405包括针对每个贴片的过孔，其在与贴片面向其同位的缝隙的一侧相对的贴片板的一侧上。过孔用于将一个或多个轨迹连接至贴片以向贴片提供电压。在一个实施例中，矩阵驱动部用于向贴片施加电压以控制它们。电压用于调谐或解调各个元件以实现束形成。
在一个实施例中，贴片可被沉积在玻璃层上(例如通常用于LC显示器(LCD)的玻璃，例如诸如康宁鹰玻璃(Corning Eagle glass))，而不使用电路贴片板。图17说明圆柱馈送天线的部分，该圆柱馈送天线包括含有贴片的玻璃层。参照图17，天线包括导电基部或接地层1701、介电层1702(例如塑料)、包括缝隙的虹膜板1703(例如电路板)、液晶基板层1704和包括贴片1710的玻璃层1705。在一个实施例中，贴片1710的形状是长方形。在一个实施例中，缝隙和贴片成行和成列地设置，并且贴片的定向针对每行或每列都相同，同时同位缝隙的定向针对行或列相对于彼此分别定向成相同。
在一个实施例中，罩(例如天线屏蔽罩)覆盖贴片天线堆的顶部以提供保护。
图6说明虹膜板403的一个实施例。这是CELC的下导体。参照图6，虹膜板包括缝隙阵列。在一个实施例中，每个缝隙相对于在缝隙的中心位置处的冲击馈送波以+45度或-45度定向。换句话说，散射元件(CELC)的布局模式以±45度布置到波的矢量。每个缝隙的下方是圆形开口403b，其本质上是另一缝隙。缝隙处在虹膜板的顶部上并且圆形或者椭圆开口处在虹膜板的底部上。注意的是，这些开口是可选的，其深度可以是约0.001"或者25mm。
可定向调谐地加载缝隙阵列。通过将个别缝隙关闭或打开，调谐每个缝隙以提供在天线的操作频率的期望的散射(即，它被调谐从而以已知频率操作)。
图7说明确定一个虹膜(缝隙)/贴片组合的定向的方式。参照图7，字母A表示实心黑箭头，其表示从圆柱馈送位置到元件的中心的功率馈送矢量。字母B表示相对于“A”示出垂直轴的虚线正交线，字母C表示相对于“B”旋转45度的虚线矩形环绕缝隙。
图8说明分成两组的虹膜(缝隙)，其中第一组相对于功率馈送矢量旋转-45度，第二组相对于功率馈送矢量旋转以+45度。参照图8，组A包括相对于馈送矢量旋转等于-45°的缝隙，而组B包括相对于馈送矢量旋转等于+45°的缝隙。
注意的是，整体坐标系的标示不重要，因此只有因为它们描述元件与彼此和馈送波方向相对旋转，正负角度的旋转才重要。为了从两组线式极化元件产生圆极化，两组元件垂直于彼此并且同时具有相等的振幅激励。将它们相对于馈送波激励旋转+/-45度立刻获得期望的特征。将一组旋转0度而另一组旋转90度，将实现垂直的目的，而不是相等振幅激励的目的。
图9说明贴片板405的实施例。这是CELC的上导体。参照图9，贴片板包括矩形贴片，其覆盖缝隙并且完成将被关闭和打开的线式极化贴片/缝隙谐振对。通过使用控制器向贴片施加电压关闭或打开该对。所需的电压取决于正在使用的液晶混合物，要求所得的阈值电压开始调谐液晶，以及最大饱和电压(没有比其更高的电压的最大饱和电压产生除了通过液晶最终降低或者短路以外的任何效果)。在一个实施例中，矩阵驱动部用于向贴片施加电压以便控制耦接。
天线系统控制
控制结构具有2个主要部件；控制器，其包括用于天线系统的驱动电子器件，在波散射结构的下方，而矩阵驱动切换阵列以不与辐射干涉的这种方式散布在辐射RF阵列中。在一个实施例中，用于天线系统的驱动电子器件包括用于商业电视设施的商业现成LCD控制器，其通过调节对那个元件的AC偏置信号的振幅来调节用于每个散射元件的偏压。
在一个实施例中，控制器使用软件控制控制电子器件。在一个实施例中，极化的控制是天线的软件控制的部分，极化被预编程以匹配来自地面站与其通信的卫星服务的信号的极化，或者被预编程以匹配卫星上的接收天线的极化。
在一个实施例中，控制器还包括执行软件的微处理器。控制结构还可结合传感器(名义上包括GPS接收器、三轴罗盘和加速计)以向处理器提供位置和定向信息。位置和定向信息可以通过地面站中的其它系统提供给处理器和/或可以不是天线系统的部分。
更特别地，控制器控制以操作频率关闭哪些元件和打开哪些元件。元件通过施加电压被选择性地解谐用于频率操作。控制器将电压信号阵列供应至RF辐射贴片以产生调制或控制模式。控制模式使元件被打开或者关闭。在一个实施例中，控制模式类似于方形波，其中沿着一个螺旋(LHCP或者RHCP)的元件为“打开”而远离螺旋的那些元件为“关闭”(即，双调制模式)。在另一实施例中，使用多状态控制，其中各个元件被打开和关闭至变化电平，相对于方形波，更近似于正弦波控制模式(即，正弦波灰度调制模式)。有些元件比其它元件辐射更强，而不是有些元件辐射而有些元件不辐射。可变辐射通过施加特定电压电平实现，其将液晶介电常数调节至改变量，从而可变地解谐元件并且使得一些元件比其它元件辐射得更多。
通过元件的超材料阵列产生聚焦束可通过相长干涉和相消干涉的现象来解释。如果当它们在自由空间相遇时个别电磁波的相位相同，则它们加和(相长干涉)并且如果当它们在自由空间中相遇时它们的相位相反，则波互相抵消(相消干涉)。如果缝隙天线中的缝隙被定位为使得每个连续缝隙与导波的激励点相距不同的距离，则来自那个元件的散射波将具有与前一缝隙的散射波不同的相位。如果缝隙间隔开导波波长的1/4，则每个缝隙将散射与前一缝隙有四分之一的相位延迟的波。
利用阵列，可增加能够产生的相长干涉和相消干涉的模式的数量使得使用全息学原理，波束理论上可指向与天线阵列的瞄准线成正或负九十度(90°)的任何方向。因此，通过控制打开或者关闭哪些超材料单元晶胞(即，通过改变哪个单元晶胞被打开的模式和哪个单元晶胞被关闭的模式)，可产生相长干涉和相消干涉的不同模式，并且天线可改变波前的方向。打开和关闭单元晶胞所需的时间决定波束可从一个位置切换至另一位置的速度。
极化和波束瞄准角都通过调制或指定打开或关闭哪些元件被控制的模式来限定。换句话说，瞄准波束并且以期望方式极化波束的频率取决于控制模式。因为控制模式可编程，所以极化可针对天线系统编程。对大部分应用而言，期望的极化状态是圆或者线的。圆极化状态包括螺旋极化状态，即分别在图16A和16B中示出用于从中心馈送并向外行进的馈送波的右旋圆极化和左旋圆极化。注意的是，为了得到相同的波束同时切换馈送方向(例如，从入射馈送到出射馈送)，逆转定向或者感应或者螺旋调制模式。注意的是，当陈述打开和关闭元件的给定螺旋模式以产生左旋圆极化或右旋圆极化时，也指定馈送波的方向(即，中心或者边缘馈送)。
针对每个波束的控制模式将被存储在控制器中或在飞行中计算或其一些组合。当天线控制系统确定天线位于何地并且瞄准何方时，然后它根据天线的瞄准线确定目标卫星位于何地。然后控制器命令在阵列中个别单元晶胞的打开和关闭模式，其对应于在天线的视野中卫星的位置的预选束模式。
在一个实施例中，天线系统产生针对上行链路天线的一个可操纵波束和针对下行链路天线的一个可操纵波束。
图10说明具有确定在操作频率关闭的图9中的贴片的元件的示例，图11说明具有确定在操作频率打开的图9中的贴片的元件的示例。图12说明全波建模的结果，其示出关于图10和图11的元件对打开和关闭调制模式的电场响应。
图13说明波束形成。参照图13，可通过识别与选择的波束模式相对应的干涉模式然后调节穿过散射元件的电压根据全息学原理产生波束来调节干涉模式以提供任意天线辐射模式。熟知全息术的基本原理，包括如与这些原理相关地普遍使用的术语“物体波束”和“基准波束”。在使用行进波形成作为“基准波束”的期望的“物体波束”的上下文中的RF全息术按如下执行。
调制模式按如下确定。首先，产生有时被称为馈送波的基准波(束)。图19A说明基准波的示例。参照图19A，环1900是基准波的电场和磁场的相位波前。它们展现出正弦式时间变化。箭头1901说明基准波的向外传播。
在该示例中，TEM或横向电磁(Transverse Electro-Magnetic)波向内或者向外行进。还限定传播方向，对于该示例，选择从中心馈送点向外传播。传播的平面沿着天线表面。
产生有时被称为物体波束的物体波。在该示例中，物体波为正交天线表面在偏离30度的方向上行进的TEM波，其中方位角设定成0度。还限定极化，对于该示例，选择右旋圆极化。图19B说明产生的物体波。参照图19B，示出传播TEM波1904的电场和磁场的相位波前1903。箭头1905在每个相位波前处的电场矢量，以90度间隔表示。在该示例中，它们遵守右旋圆极化选择。
干涉或者调制模式＝Re{[A]x[B]*}
当正弦波乘以另一正弦波的共轭复数并且取实部时，所得的调制模式也是正弦波。空间上，当基准波的最大值遇到物体波的最大值(这两者都是正弦波时间变化量)时，调制模式是最大值，或者是辐射很强位置。实际上，这种干涉在每个散射位置计算并且不仅取决于元件的位置而且还取决于基于它的旋转的元件的极化和在元件的位置处的物体波的极化。图19C是所得的正弦调制模式的示例。
注意的是，可进一步选择以将所得的正弦波灰度调制模式简化成方形波调制模式。
注意的是，穿过散射元件的电压通过在贴片和接地平面之间施加的电压控制，本文中其是在虹膜板的顶部的金属化。
可选的实施例
在一个实施例中，贴片和缝隙以蜂巢模式定位。图14A和14B示出这种模式的示例。参照图14A和14B，蜂巢结构是每隔一行向左或向右移动半个元件间距或可选地，每隔一列向上或向下移动半个元件间距。
在一个实施例中，贴片和关联的缝隙被定位成环以产生径向布局。在这种情况下，缝隙中心被定位在环上。图15A说明定位成环形的贴片(和它们同位的缝隙)的示例。参照图15A，贴片和缝隙的中心在环上并且该环相对于天线阵列的馈送部或终点被同心定位。注意的是，位于相同环中的相邻缝隙相对于彼此定向成几乎90°(当在它们的中心处评估时)。更特别地，它们被定向在等于90°加沿着包括两个元件的几何中心的环的角位移的角度处。
图15B是用于诸如图15A中描述的基于环的缝隙阵列的控制模式的示例。图15C示出分别针对LHCP指向30°的波束的产生的近场和远场。
在一个实施例中，馈送结构被形成以控制耦合以确保穿过完整2D孔径辐射或散射的功率大致恒定。这通过使用介电部中的线性厚度锥形，或者与脊状馈送网络的情况类似的锥形来完成，其造成在馈送点附近耦合较少而在远离馈送点处耦合较多。当行进波远离馈送点传播时通过将能量包含在较小体积中，针对馈送部的高度的线性锥形的使用抵消1/r衰减，其导致在从每个元件散射的馈送中的较大百分比剩余能量。这对产生穿过孔径的均匀振幅激励重要。针对诸如具有方形或者矩形的外尺寸的结构等非径向对称馈送结构，该锥形可以非径向对称方式应用以使得穿过孔径散射的功率大致恒定。互补技术要求基于它们离馈送点有多远在阵列中不同地调谐元件。
锥形的一个示例使用呈麦克斯韦鱼眼透镜形状的介电部来实现，其产生辐射强度的反比例增加以抵消1/r衰减。
图18说明介电部的线性锥形。参照图18，示出具有同轴馈送部1800的锥形介电部1802以提供同心馈送波来执行RF阵列1801的元件(贴片/虹膜对)。介电部1802(例如塑料)在高度上从同轴馈送部1800附近的最大高速到最远离同轴馈送部1800的点的较低高度成锥形。例如，在它越接近同轴馈送部1800时，高度B大于高度A。
按照这点，在一个实施例中，介电部被形成非径向对称形状以将能量集中在需要的地方。例如，在如此所述的从单个馈送点馈送方形天线的情况下，从方形的中心至方形的角的路径长度比从方形的中心至方形的边的中心的路径长度长1.4倍。因此，与方形的边的4个中点相比，有更多的能量朝着4个角集中，并且能量散射的比率也必须是不同的。馈送部的非径向对称形状及其它结构能够达到这些要求。
在一个实施例中，不同的介电部被堆叠在给定的馈送结构中以控制在波向外辐射时从馈送部向孔散射的功率。例如，当多于1个不同的介电部介质被堆叠在彼此顶部时，电能或磁能强度可被集中在特定的介电部中。一个特定示例是使用塑料层和空气状泡沫层，其在操作频率总厚度小于λeff/2，从而导致磁场能量的浓度在塑料中比在空气状泡沫中更高。
在一个实施例中，针对贴片/虹膜解谐空间上控制控制模式(例如，开始时打开少数元件)以控制在孔径上方的耦合并且根据馈送方向和期望的孔径激励权值散射更多或更少的能量。例如，在一个实施例中，在开始时使用的控制模式打开比余下时间少的缝隙。例如，开始时，将要被打开以形成波束、在圆柱馈送部的中心的附近的一些百分比(例如40％、50％)的元件(贴片/虹膜缝隙对)仅在第一阶段期间打开，然后打开远离圆柱馈送部的剩余的元件。在可选的实施例中，当波远离馈送部传播时，可从圆柱馈送部连续打开元件。在另一实施例中，脊状馈送网络替换介电部间隔部(例如间隔部205的塑料)并且允许进一步控制传播馈送波的定向。可使用脊部以在馈送部中产生对称的传播(即，坡印亭(Poynting)矢量不平行于波矢量)从而抵消1/r衰减。以这种方式，在馈送部内使用脊部帮助将能量引导至需要之处。通过将更多脊部和/或高度可变的脊部引导至低能区域，在孔径处产生更均匀照射。这允许偏离纯粹径向馈送构造，原因是馈送波的传播方向可不再被径向定向。脊部上方的缝隙强力耦合，而脊部之间的那些缝隙耦合弱。因此，根据期望的耦合(以获得期望的波束)，脊部的使用和缝隙的设置允许控制耦合。
在另一实施例中，使用提供非圆形对称的孔径照度的复杂馈送结构。这种应用可以是非均匀照度的方形孔径或者大致非圆形孔径。在一个实施例中，使用向有些区域比其它区域输送更多能量的非径向对称介电部。即，介电部能够具有不同的介电部控制的区域。其中一个示例是看来像麦克斯伟鱼眼透镜的介电部分布。这种透镜将不同量的功率输送至阵列的不同部分。在另一实施例中，使用脊部馈送结构以向有些区域比其它区域输送更多的能量。
在一个实施例中，此处描述的多个该类型圆柱馈送副孔径天线被排列成阵列。在一个实施例中，使用一个或多个附加馈送结构。并且在一个实施例中，包括分布式增幅点(amplification point)。例如，天线系统可包括阵列中的诸如图2A或2B所示的多个天线。阵列系统可以是3x3(总共9个天线)、4x4、5x5等，但是有可能是其它构造。在这种布置中，每个天线可具有单独的馈送部。在可选的实施例中，增幅点的数量可小于馈送部的数量。
优点和益处
改善的波束性能
本发明架构的实施例的一个优点是比线性馈送有更好的波束性能。在边缘处的自然、内置锥形可以帮助获得良好的波束性能。
在阵列因子计算中，可仅使用打开和关闭元件从40cm孔径满足FCC遮蔽。
使用圆柱馈送，本发明的实施例在侧部附近没有阻抗摆动，没有由1-波长周期性结构产生的带间隙。
本发明的实施例没有当扫描侧部时的衍射模式问题。
动态极化
存在(至少)可用于此处描述的架构的两种元件设计：圆极化元件和成对的线性极化元件。使用成对的线性极化元件，可通过使相对于第二组施加于一组元件的调制相位延迟或者相位提前动态改变圆极化感应。为了实现线性极化，一组相对于第二组(实际上正交组)的相位提前将为180度。线性极化还可只使用元件小块的变化合成，提供用于追踪线性极化的机构。
操作的带宽
操作的开关模式有机会延长动态和瞬态带宽，这是因为操作模式不需要每个元件被调谐到它的谐振曲线的特别部分。在没有重要性能影响的情况下，天线可通过它的范围的振幅和相位全息图部分连续操作。这使操作范围更靠近于总可调范围。
与石英/玻璃基底的间隙可能较小
圆柱馈送结构可利用TFT架构，其意味着在石英或者玻璃上起作用。这些基板比电路板硬得多，并且存在用于获得大约3um的间隙尺寸的更好的已知技术。3um的间隙尺寸将导致14ms的切换速度。
复杂性减少
此处描述的公开的架构不需要机械工作并且在生产中仅需要单个结合阶段。此架构结合切换至TFT驱动电子线路，排除昂贵的材料和一些艰难的要求。
虽然本发明的许多改变和变型在阅读上述说明书之后对于本领域的普通技术人员将无疑变得显而易见，但是将理解的是，通过例证的方式示出和描述的任何特定实施例决不旨在认为是限制。因此，参考各种实施例的细节并不旨在限制权利要求的范围，权利要求各项本身只引用对发明必要的那些特征。

Claims (28)

1.一种天线，其包括：
天线馈送部，其输入圆柱馈送波；
第一层，其耦接至所述天线馈送部并且所述馈送波从所述馈送部向外并且同心地传播至所述第一层中；
第二层，其耦接至所述第一层以使所述馈送波在所述天线的边缘处反射并且从所述天线的边缘通过所述第二层向内传播；以及
射频(RF)阵列，其耦接至所述第二层，其中所述馈送波与所述RF阵列相互作用以产生波束。
2.根据权利要求1所述的天线，其中所述RF阵列包括缝隙阵列。
3.根据权利要求2所述的天线，其中所述缝隙阵列是可调谐的。
4.根据权利要求2所述的天线，其中所述缝隙阵列是介电负载。
5.根据权利要求2所述的天线，其中所述缝隙阵列包括：
多个缝隙；
多个贴片，其中所述贴片中的每个使用液晶层在多个缝隙中的缝隙上方同位并且与其分离，并且形成贴片/缝隙对，基于在由控制图案指定的对中将电压施加至所述贴片，每个贴片/缝隙对被关闭或打开。
6.根据权利要求1所述的天线，其中所述缝隙阵列包括多个缝隙并且进一步，其中每个缝隙被调谐以在给定频率下提供期望的散射。
7.根据权利要求6所述的天线，其中所述多个缝隙中的每个缝隙相对于在所述每个缝隙的中心位置处冲击的圆柱馈送波以+45度或-45度定向，使得所述缝隙阵列包括相对于所述圆柱馈送波的传播方向旋转+45度的第一组缝隙和相对于所述圆柱馈送波的传播方向旋转-45度的第二组缝隙。
8.根据权利要求1所述的天线，其中所述缝隙阵列包括：
多个缝隙；
多个贴片，其中所述贴片中的每个在所述多个缝隙中的所述缝隙上方同位并且与其分离，形成贴片/缝隙对，基于向对中的所述贴片施加电压，每个贴片/缝隙对被关闭或打开。
9.根据权利要求8所述的天线，其进一步包括：介电层，其在所述多个缝隙的每个缝隙和所述多个贴片中的其相关联的贴片之间。
10.根据权利要求9所述的天线，其中所述介电部包括液晶。
11.根据权利要求9所述的天线，其进一步包括：控制器，其应用控制打开和关闭哪个贴片/缝隙对的控制模式，借此产生波束。
12.根据权利要求11所述的天线，其中所述控制模式在第一阶段期间仅打开用于产生波束的所述贴片/缝隙对的子集，然后在第二阶段期间打开用于产生所述波束的剩余贴片/缝隙对。
13.根据权利要求8所述的天线，其中所述多个贴片定位在多个环中，所述多个环垂直于所述馈送波的传播。换句话说，所述环相对于所述阵列的所述馈送或者终点同心地定位。
14.根据权利要求8所述的天线，其中所述多个贴片被包括在贴片板中。
15.根据权利要求8所述的天线，其中所述多个贴片被包括在玻璃层中。
16.根据权利要求1所述的天线，其中所述第二层包括介电层，所述馈送波行进通过所述介电层。
17.根据权利要求16所述的天线，其中所述介电层包括塑料。
18.根据权利要求16所述的天线，其中所述介电层是锥形。
19.根据权利要求16所述的天线，其中所述介电层包括具有不同介电常数的多个区域。
20.根据权利要求16所述的天线，其中所述介电层包括影响所述馈送波的传播的多个分布式结构。
21.根据权利要求16所述的天线，其进一步包括：
接地平面；
同轴引脚，其耦接至所述接地平面以将所述馈送波输入到所述天线，其中所述介电层在所述接地平面和所述缝隙阵列之间。
22.根据权利要求21所述的天线，其进一步包括：至少一个RF吸收器，其耦接所述接地平面和所述缝隙阵列以终止未使用的能量从而防止所述未使用的能量返回通过所述第二层的反射。
23.根据权利要求21所述的天线，其进一步包括：
间隙导体，其中所述介电层在间隙导体和所述缝隙阵列之间；
间隔部，其在所述间隙导体和所述接地平面之间。
24.根据权利要求1所述的天线，其进一步包括：侧部区域，其耦接所述第一层和第二层。
25.根据权利要求24所述的天线，其中所述侧部区域包含两个侧部，两个侧部区域中的每一个成一定角度以使所述馈送波从所述馈送部的间隔部层向所述馈送部的介电层传播。
26.根据权利要求1所述的天线，其进一步包括脊状馈送网络，所述圆柱馈送波行进到所述脊状馈送网络中。
27.一种用于操作天线的方法，其包括：
将射频(RF)信号馈送所述天线的底层以使馈送波从馈送点同心传播；
发射所述RF信号通过所述底层至所述天线的边缘，在边缘的点处，所述RF信号向上反射至顶层，使所述RF信号从所述天线的边缘向内行进；
通过所述RF信号与RF阵列相互作用产生波束；和
在所述RF信号与RF阵列相互作用之后终止所述RF信号。
28.一种天线，其包括：
天线馈送部，其输入圆柱馈送波；
第一层，其耦接至所述天线馈送部并且所述馈送波从所述馈送部向外并且同心地传播至所述第一层中；
射频(RF)阵列，其耦接至所述第二层，其中所述馈送波与所述RF阵列相互作用以产生波束。
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