CN107534212B - 用于多波束天线阵列组件的基于超材料的传输阵列 - Google Patents

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Abstract

一种传输阵列或射频透镜，可提供大时延变化。传输阵列包括多个延时单元(TDU)元件，每个元件具有由介电材料分隔开的电容性贴片和矩形线圈。即使在传输阵列中包含不同大小的TDU时，矩形线圈也允许在相邻TDU元件之间保持电流连续性。

Description

用于多波束天线阵列组件的基于超材料的传输阵列
相关申请的交叉引用
本申请要求获得于2015年8月25日提交的申请号为62/209,655、发明名称为“用于多波束天线阵列组件的基于超材料的传输阵列”的美国临时专利申请，以及2016年4月21日提交的申请号为15/134,751、发明名称为“用于多波束天线阵列组件的基于超材料的传输阵列”的美国正式专利申请的优先权和权益，其通过引用并入本文，如同再现其全部内容。
技术领域
本公开涉及用于通信网络的天线阵列，并且特别涉及用于多波束通信环境中的天线阵列的基于超材料(metamaterial)的透镜或传输阵列。
背景技术
多波束天线阵列通常使用有源或无源天线阵列架构来实现。有源多波束阵列需要开发需要复杂高速数字处理的高功率发送/接收模块。无源大孔径相控阵通常在复杂波束形成网络中遭受过度损耗。
另一种多波束天线阵列利用由空间分布的馈入天线馈送的介电微波透镜。然而，使用这种介电微波透镜可能遭受由透镜孔径和馈入天线之间的阻抗失配引起的显著损耗。此外，在低微波频率下操作的透镜通常体积大、重量大且制造昂贵。在过去的几十年中，已经提出了使用天线元件的几种类型的平面微波透镜，而天线元件使用相移设备进行连接。然而，这些方法通常遭受不良的扫描表现。此外，这些天线通常需要馈入天线和透镜孔径之间的大间距，这显著增大了天线的型面。
希望有一种附加的、替代的和/或改进的多波束天线阵列组件。
发明内容
根据本公开，提供了一种用于射频(RF)天线的超材料透镜，包括多个相邻的延时单元(TDU)元件，每个TDU元件包括：介电材料；感应矩形线圈，位于所述介电材料的第一面上，设置在所述TDU元件的周界周围；和电容性贴片，位于所述介电材料的第二面上，并位于所述TDU元件的所述周界内。
在超材料透镜的另一实施例中，所述多个TDU元件包括多个TDU元件子集，其中不同子集的所述TDU元件具有不同的大小，并且同一子集内的所述TDU元件具有相同的大小。
在超材料透镜的另一实施例中，所述多个不同大小的TDU元件的子集被设置成多个区域，所述区域将具有相同大小的TDU元件的子集分组，使最小的TDU元件位于内部的第一区域中，尺寸增大的TDU元件则围绕较小尺寸的TDU元件的区域。
在超材料透镜的另一实施例中，在TDU元件的所述相同子集内的TDU元件具有不同尺寸的电容性贴片。
在超材料透镜的另一实施例中，所述多个TDU元件的所述感应矩形线圈与相邻TDU元件的所述感应矩形线圈相接触。
在超材料透镜的另一实施例中，所述多个TDU元件中的至少一个包括在所述感应线圈内的感应十字线。
在超材料透镜的另一实施例中，所述TDU元件的至少一个子集的所述电容性贴片具有不同的贴片尺寸。
在超材料透镜的另一实施例中，所述多个TDU元件中的一个或多个所述电容性贴片具有感应穿孔。
在超材料透镜的另一实施例中，所述多个TDU元件中的每一个包括沿着所述TDU元件的周界定位的一层或附加的多层感应矩形线圈。
在超材料透镜的另一实施例中，所述多个TDU元件中的每一个都包括多层电容性贴片。
在超材料透镜的另一实施例中，所述TDU元件中的每一个包括沿着所述TDU元件的周界定位的多层感应矩形线圈，以及多层电容性贴片，所述层的每一层由介电材料隔开。
根据本公开，还提供了一种天线阵列组件，包括：具有焦距的传输阵列，所述传输阵列具有多个相邻的延时单元(TDU)元件，每个TDU元件具有沿着所述TDU元件的周界定位的感应矩形线圈；电容性贴片；将所述感应矩形线圈和所述电容性贴片分离开的介电材料；和多个辐射元件，其设置在焦平面上，定位于距所述传输阵列的焦距处。
在天线阵列的另一实施例中，所述多个TDU元件包括多个TDU元件子集，不同子集的所述TDU元件具有不同的大小，而同一子集内的所述TDU元件具有相同的大小。
在天线阵列的另一实施例中，所述多个不同大小的TDU元件的所述子集被设置成多个区域，该多个区域将具有相同大小的TDU元件的子集分组，使最小的TDU元件位于内部的第一区域中，尺寸增大的TDU元件则围绕较小尺寸的TDU元件的区域。
在天线阵列的另一实施例中，所述多个区域中的各个区域内的TDU元件具有不同尺寸的电容性贴片。
在天线阵列的另一实施例中，所述多个TDU元件的所述感应矩形线圈与相邻TDU元件的所述感应矩形线圈相接触。
在天线阵列的另一实施例中，所述多个TDU元件为来自所述辐射元件的射频(RF)波束提供下倾角。
在天线阵列的另一实施例中，所述天线阵列组件是正交波束空间(OBS)大规模(massive)多输入多输出MIMO阵列组件。
附图说明
本文参照附图描述实施例，其中：
图1A、1B示出了多波束天线阵列组件；
图2A、2B示出了用于多光束天线阵列组件的传输阵列的细节；
图3示出了延时单元(TDU)元件的传输阵列和细节；
图4A示出了用于传输阵列中的TDU元件的还一结构；
图4B以十字交叉示出了矩形线栅的细节；
图5A示出了在传输阵列中使用的电容性贴片层；
图5B示出了在传输阵列中使用的感应线圈层；
图6示出了传输阵列的分层结构；
图7示出了TDU元件的等效电路表示；
图8示出了TDU元件的又一等效电路表示；
图9示出了TDU元件的还一等效电路表示；
图10示出了TDU元件的还一等效电路表示；
图11示出了TDU元件的还一等效电路表示；
图12示出了分区域设置的不同尺寸的TDU元件；
图13示出了没有相位波前(phase front)下倾的传输阵列；
图14示出了具有20°相位波前下倾的传输阵列；
图15示出了典型TDU的频率响应；
图16示出了典型TDU的群时延和相移；
图17示出了两个传输阵列的仰角辐射图；和
图18示出了具有20°相位波前下倾的传输阵列的方位角图。
具体实施方式
描述了可以使用设置在天线元件阵列旁边的基于超材料的透镜或传输阵列来产生多个窄波束的天线阵列组件。传输阵列包括由超材料形成的多个子波长真时延时单元(true-time-delay unit)元件。传输阵列的每个超材料延时单元元件被设计成在每个特定的传输阵列孔径位置处提供期望的时延和相移。可以使用这些基于超材料的延时单元元件形成宽带波束瞄准设备。与先前基于超材料的尝试被局限于具有相对较小的时延变化的传输阵列相比，本文所述的基于超材料的延时单元元件可以用于产生具有更宽频率带宽的低型面的传输阵列。以前的传输阵列的小时延变化导致大的天线组件型面和/或局限于窄频带的天线组件。本文描述的天线阵列组件可以用于正交波束空间(OBS)多用户(MU)多输入多输出(MIMO)系统或其他希望产生多个正交波束的系统中。
可以利用真时延超材料非谐振构成元件代替传统的谐振天线，以开发低型面带通频率选择表面(FSS)和微波透镜。这种非谐振周期性结构可用于设计超薄和低型面带通频率选择表面(FSS)或透镜天线。非谐振元件通常由多层贴片和子波长周期性的十字线栅格组成。这些元件中的每一个可被设计成在有限的频带上以适当的时延和传输相位来模拟N阶带通或低通滤波器响应。然而，先前的延时单元元件只能使用设置在矩形栅格中的单一尺寸的延时单元来产生微波透镜，延时单元之间的总时延变化范围相对较小。结果，这种延时单元元件的使用一直以来部局限于馈入天线和透镜孔径之间的间隔相对较大的天线组件，或具有频带宽较窄的小型面天线。
本文所述的天线阵列组件使用基于超材料的传输阵列或微波透镜，该传输阵列用于在超材料的结构中为每个成员延时单元元件使用周界线圈。线圈允许在传输阵列内使用不同大小的延时单元(TDU)。使用不同大小的TDU提供了更大可能的时延变化，如此也就可以用于在相对大频率范围内操作的低型面设计。
图1A示出了多波束天线阵列组件100的顶视图。图1B示出了图1A的多波束天线阵列组件100的侧视图。天线阵列组件100可以用在各种通信系统中，包括例如OBS MU-MIMO系统。如图所示，天线阵列组件100包括设置在阵列中的多个馈电天线102，该阵列分布在反射器或其他支撑结构104上。传输阵列或超材料RF透镜106用作微波透镜，并且定位于距离馈入天线102的焦距f处。传输阵列106具有孔径尺寸D。传输阵列106是由基于超材料的多层部件构成的低型面准周期性平面表面。传输阵列106可以使用印刷电路技术或其他制造工艺来形成。
天线阵列组件100的馈入天线102可以分布在与传输阵列106表面垂直距离f处的焦平面中的支撑结构104上。在图1A中，馈入天线102的辐射元件被描绘为低型面贴片；然而，也可以使用用于所期望应用的具有适当辐射图案的任何其他辐射元件。
传输阵列106被设计成转换来自每个馈入天线102的入射辐射波，以产生具有唯一波束指向角的相应窄波束，图示为下指的波束108，对应于馈入天线在焦平面内的具体位置。天线阵列组件100能够产生所有波束具有最小波束耦合因子(BCF)的一组正交波束，诸如OBS MU-MIMO的通信技术可以受益。为了最小化波束之间的BCF，如图1B中示意性所示，馈入天线102的辐射元件可以沿着馈入天线102的辐射元件之间的正交轴线，以适当的间隔分布在焦平面上。馈入天线102的这种设置可以减少传输阵列106上相邻波束之间由于波束指向角度偏离而造成的波束之间的重叠。
图2A在侧视图中示出了用于多波束天线阵列组件的传输阵列的细节。图2B示出了图2A的传输阵列202的顶视图。图2B顶视图示出了形成传输阵列202的多个单独TDU元件204，或更具体地，TDU元件的电容性贴片。通常，对于基站天线应用，期望配置传输阵列202的时延属性和相移特性，使得从焦点206辐射的所有信号在下倾平面208处结束，并对于所有的操作频率都具有相同电路径长度和恒定相移。这些条件可以通过以下方程式来描述：
时延：
相移：
由于每个TDU元件204具有固有的有限的频率带宽，所以满足方程式(1)和(2)的超材料传输阵列202由于依赖频率的相移而减轻了传输阵列202中的色差。使用下面描述的具有周界线圈的超材料，允许以不规则的栅格图案分配TDU元件204。不规则栅格图案在保持相邻TDU元件之间的电流连续性的同时，允许使用不同大小的TDU元件204。改变TDU元件的大小的能力可以显著改善传输阵列202的可实现的总时延变化。这种总时延变化允许设计具有较小f/D比的RF传输阵列202，得到更小的可能天线型面，或具有更宽的可能频率带宽的传输阵列202。
图3示出了延时单元(TDU)元件的传输阵列和细节。如图所示，传输阵列300包括多个相邻的TDU元件302。TDU元件302中的每一个包括介电材料304，介电材料304第一面上具有电容性贴片306。感应矩形线圈308位于介电材料304的第二面上。矩形线圈308围绕每个TDU元件302的周界设置，使得相邻TDU元件的线圈彼此接触，以在相邻TDU元件之间提供电流连续性。图3所示的TDU元件302都是相同的大小。然而，如下面进一步描述的那样，传输阵列300可以具有不同大小的TDU元件。因为矩形线圈TDU元件位于TDU元件的周界附近，即使使用不同大小的TDU元件时，相邻TDU元件的线圈也保持彼此接触。
图4A示出了分布式延时单元(TDU)元件的细节。如上所述，传输阵列可以形成为多个相邻的单个TDU。每个TDU元件400类似于上述的TDU元件302。然而，与每个具有单个矩形线圈层和由介电材料隔开的单个电容性贴片层的TDU元件302相反，TDU元件400包括多个电容性贴片层402和多个感应线圈层404，其具有在每个电容层402和感应层404之间的介电材料406的分隔层。每个电容性贴片402可以包括特定尺寸的矩形贴片。此外，每个电容性贴片402可以在中心具有感应穿孔408，尽管可以省略该穿孔。
感应线栅层404各自包括沿着TDU元件的边缘或周界设置的矩形线圈。因此，相邻TDU元件中的相应层的线圈将彼此接触，并提供相邻TDU元件之间的电流连续性。此外，感应线圈可以包括在线圈的中间的十字连接线410。由于线圈沿着TDU元件的边缘而不是元件的中心，所以不管邻近TDU元件的尺寸和位置如何，所有TDU元件之间的电流连续性都得到保障。作为这种几何形状的结果，TDU元件的超材料允许使用具有不同尺寸的TDU元件以及使用不规则的TDU栅格，因为TDU的线栅不再需要具有相同的尺寸来保障TDU元件之间的电流连续性。与需要使用恒定TDU元件尺寸的以前的超材料几何形状相比，这可以显着地改善跨传输阵列的总时延变化。
图4B示出了具有十字形的矩形线栅的细节。示出了多个TDU元件，其中两个被标记为412a、412b。其中两个被标记为414a、414b的多个单独的矩形线圈界定了每个TDU元件412a、412b的边界。如图所示，矩形线圈414a、414b通过公共线段416与相邻线圈接触。除了由彼此接触的多个线圈形成的线栅之外，线栅可以包括栅格的每个矩形线圈内的十字线418a。尽管被示出为设置在每个矩形线圈内，十字可以位于少于所有的矩形线圈中。其中一个TDU元件中的电容性贴片的位置被示出为虚线矩形420。
图5A示出了在传输阵列中使用的电容性贴片层。图5B示出了用于传输阵列的感应线圈层。如上所述，传输阵列500可以包括多个电容性贴片层502和感应线圈层504。尽管上面示出为单独的TDU元件，但是可以一层一层地一起形成传输阵列500的多个TDU元件。如图所示，贴片层502可以形成在基片的第一面(图5A和5B中未示出)。感应线圈层504可以形成在与基片的第一面相对的第二面上。如果在传输阵列500中使用多个矩形线圈层504和/或电容性贴片层502，则可以重复该过程，直到形成所述传输阵列的所有TDU的整个分层结构。
图6示出了传输阵列的各层的3D分解图。如图所示，多个相邻设置的延时单元(TDU)元件形成为由介电材料分离的多层电容性贴片和感应线圈。特别地，传输阵列600包括4个电容性贴片层602a，602b，602c，602d(统称为电容性贴片层602)和3个线圈层604a，604b，604c(统称为线圈层604)。每个电容性贴片层602通过介电材料层606a，606b，606c，606d，606e，606f(统称为介电层606)与相邻线圈层604分离。
特定层的TDU元件的电容性贴片尺寸可以在TDU元件尺寸的边界内变化。此外，特定TDU元件的不同电容性贴片层的电容性贴片尺寸可以变化。类似地，电容性贴片的穿孔尺寸可以跨不同的TDU元件以及单个TDU元件的不同电容性贴片层之间进行变化。虽然每个TDU元件的每个线圈层的每个线圈结构包括设置在TDU元件的边缘周围的线圈，使得同一线圈层上的相邻TDU元件的线圈彼此接触，但是它们可以可选择地包括内部十字线，以便改变单个TDU元件的电特性。尽管对于所有TDU元件来说，优选的是将十字线包括在特定层(例如，层604b)中，但是可以只有一些TDU元件在特定层中具有内部十字线。两个线圈层604a和604c都被示出为没有十字线，并且线圈层604b在每个TDU的线圈中包括十字线。除了在矩形线圈内包括十字线之外，还可以通过改变线圈层中使用的电线的粗细以及改变用于导线的导电材料来改变电特性。
传输阵列600形成为相对薄的多层印刷电路结构，其包括分布式的准周期性子波长电容性贴片层602和感应线栅层604二者的交替层，由绝缘介电材料的薄层或多层隔开。线圈层604通常为2D非周期性结构的形式，以允许较宽的时延分布。也就是说，矩形线圈允许不同尺寸的TDU元件以非周期性结构一起使用。
上述具有电容性贴片和感应线圈交替层的各个TDU元件的结构可以被建模为级联的一串IC谐振器。
图7-11描绘了TDU元件的等效电路表示。具有N层电容性贴片702a-702d和(N-1)个线圈704a-704b的TDU元件700可以形成N个谐振器，因此可以模拟N阶带通滤波器响应。在图8中示出了空间时延超材料TDU元件在正入射时的等效电路802。每个电容性贴片和穿孔702a-702d用作与分路感应线圈814并联的电容器812。每个线圈704a-704b用作对应的电感822。通过改变电容性贴片和相关穿孔的尺寸，可以调节电路802的特性。等效电路802示出具有传输线模型的TDU元件700。如所示出的，每个介电基片材料可以被建模为由电感816隔开的一对电容器816，820。通过组合并联寄生电容并对电感执行T到pi的电路变换，可以将等效电路802进一步简化为图9和10所分别示出的传输线模型等效电路902和1002。图11的等效电路1102示出了以滤波器谐振器表示的等效电路1002。如图所示，TDU元件提供N个谐振器1112a-1112d。
电容性贴片中心处的矩形穿孔表示与贴片的分路电容器并联的分路电感。所以，仅通过改变矩形穿孔的物理尺寸，TDU的谐振频率可以容易地上下变化。TDU的物理几何参数可以使用各种已知的程序得出。一旦确定了物理几何参数，则可以设计每个TDU元件的特性，以便通过使用标准滤波器设计公式，根据TDU元件的孔径位置来提供所需的时延、相位和频率响应。确定的TDU元件的属性可以包括例如每个电容层的电容性贴片的尺寸，每个电容层的电容性贴片的穿孔尺寸，每个线圈层的电线的尺寸，每个线圈层中有无十字连接线以及介电材料的厚度。
TDU元件的物理尺寸Cd首先被预定并固定在特定值。然后，选择电容性贴片、穿孔和电线的尺寸以提供所需的相位和时延特性。虽然相位和时延的变化也改变了TDU元件操作的中心频率，但是这样一个过程在时延变化范围小时仍可操作。随着时延和相位变化的变化越来越大，TDU元件的频移最终将TDU元件的操作频率从有关的操作频带中移出。结果，这限制了透镜的总体可实现的时延变化。然而，与以前的方法不同，当前的TDU元件几何形状在不破坏TDU元件边界处的电流连续性的情况下，允许在任何位置的TDU元件的尺寸变化，从而允许在设计中具有额外的自由度。随着传输阵列的径向尺寸的增加而增加TDU元件的尺寸，可提供自然的相移和时延的降低，而不影响TDU元件操作的中心频率。所以，可以实现更大的延时和相移。
超材料传输阵列可以通过将整个表面分成几个离散的范围或区域来进行设计。因为每个TDU具有矩形形状，所以整个传输阵列或透镜可被分成M个矩形区域。这些区域中的每个区域中的TDU元件具有相同的元件大小Cd，其可以不同于其他区域中的元件大小。元件尺寸选择使得外部区域具有比内部区域更大的元件尺寸，以实现更大的总体频率带宽。尽管每个区域的元件尺寸相同，但在相同区域内的TDU元件的电容性贴片和贴片的感应穿孔可以变化。
图12示出了具有不同尺寸的TDU元件的传输阵列的电容性贴片。传输阵列可以将TDU分组成多个区域1202a-h(统称为区域1202)。注意，图12示出了每个TDU元件的电容性贴片；在每个TDU元件的周界的线圈不可见。每个区域1202包括在小时延变化范围内的多个TDU元件。设计从中心区域802a开始，与其他区域相比，这里通常在给定的时延范围内包含更多的TDU元件。该区域802a中的所有TDU具有相同的初始单位元件尺寸(Cdz1)。在确定TDU元件的相对位置之后，可以根据方程式(1)和(2)设计每个TDU元件的时延和相移。在中心区域的TDU元件设计完成之后，第二区域802b可以添加稍大于中心区域802a的元件尺寸(Cdz2)。然而，为了传输阵列的几何连续性，应选择这两个区域中的TDU元件的尺寸，使得满足以下条件：
M·Cdz1＝(N-2)·Cdz2 (3)
其中，Cdz1和Cdz2分别是第一区域802a和第二区域802b的元件尺寸；M是第一区域802a的x或y方向上的TDU元件的数量，N是第二区域802b的任何线性方向上的TDU元件的数量。通常，选择值N＝M-1即可。对于每个附加区域重复本过程。
图13示出了没有相位波前下倾的传输阵列。如图13所示，TDU元件1306的贴片尺寸1302和穿孔尺寸1304是垂直对称的，并且照此，传输阵列1300不提供任何倾斜。
图14示出了具有20°相位波前下倾的传输阵列。如图14所示，TDU元件1406的贴片尺寸1402和穿孔尺寸1404不是垂直对称的，并且设置成使得传输阵列提供20°的相位波前下倾。
图15和16示出了一些典型TDU的频率响应、相移和群时延。如图15和图16所示，典型的TDU元件具有用于实际实现TDU元件的被认为合理的范围内的时延和相移值。群时延值具有相对较小的变化，并且相移在4GHz至5GHz的频率范围内是线性的。
设计了两种超材料传输阵列，并对其性能进行了仿真。这两个传输阵列被设计为在4GHz至5GHz的频率范围内操作，标称下倾角为0°和20°。对于下倾角为20°，传输阵列的外部物理尺寸为313毫米x351毫米，下倾角为0°时尺寸为276毫米x276毫米。具有20°下倾的传输阵列共有372个TDU元件，而没有下倾的传输阵列具有341个TDU元件。每个TDU元件是子波长TDU元件，其被设计为给出在4GHz至5GHz频率范围内操作的第4阶或第5阶带通滤波器响应。传输阵列设计有8个区域，类似于参照图12描述的区域。中心区域(区域#1)的TDU元件大部分为5阶元件，由5层电容性贴片和4层线栅组成，具有8层介电基片。外部区域中的TDU元件大多是4阶元件，仅需要4层电容性贴片，具有3层线栅和6层介电基片。用于构建超材料TDU元件的材料是罗杰斯4003C碳氢化合物陶瓷层压板。该材料具有良好的射频、机械和热性能，并提供各种厚度。RO4003C 60mil(1.524毫米)基片用于四阶和五阶TDU元件中的顶层和底层。在所有内层中使用20mil(0.508毫米)RO4003C的薄层。在TDU元件模型中还包括4mil(0.101毫米)的RO4450粘合材料层，用于将每种基片材料粘合在一起。四阶TDU元件的TDU元件总厚度为5.686毫米，五阶TDU元件的总厚度为8.936毫米。在确定了TDU元件结构和PCB材料的厚度之后，可以选择每个TDU元件的贴片尺寸和线栅直径，以根据上式等式(1)和(2)给出所需的时延和相位。参数设置过程涉及使用等迭代全波模拟器进行EM仿真。
对于下倾＝20°的情况，由低型面贴片提供的馈入天线分布在距离TDU元件底面140毫米(f/D＝0.4)的平面反射器上，对于下倾＝0°的情况，此距离为120毫米(f/D＝0.43)。对于下倾＝20°的情况，元件大小尺寸范围从传输阵列中心处的11.5毫米到传输阵列外缘处的19.55毫米的两个传输阵列，总共使用了M＝8个区域。图14中示出了20°下倾的传输阵列的TDU元件设置。对于0°的下倾角的传输阵列，如图13所示，使用了分成6个区域的TDU元件尺寸。
下面的表1和表2提供了用于两个传输阵列的TDU元件的元件尺寸、时延和插入相位特性。对于下倾＝20°，TDU元件尺寸从11.5毫米缓慢增加到19.55毫米。这种设置给出了245微微秒(105-350微微秒)和406°(+6/-400°)的总TDU元件延时和相位变化。类似地，对于下倾＝0°的传输阵列，总时延和相位变化分别为224微微秒和371°。以前的RF透镜设计的示例总共提供了44微微秒到63微微秒的延时，这要求f/D大于1。相比之下，根据当前教导的传输阵列，产生了具有时延超过245微微秒且f/D＜0.45的透镜，允许传输阵列的构造具有更低型面。
区域 元件尺寸(毫米) 元件数 时延(微微秒) 相位(度)
1 11.5 121 (280-350)±3/181 (-284/-400)±8
2 12.65 44 (252-308)±3/120 (-237/-330)±7
3 13.8 48 (203-301)±3/164 (-156/-318)±7
4 14.96 52 (154-280)±3/134 (-75/-284)±6
5 16.1 50 (168-259)±3/161 (-98/-249)±6
6 17.25 50 (112-238)±3/165 (-5/-214)±6
7 18.4 35 (105-203)±3/187 (6/-156)±10
8 19.55 22 (105-175)±3/187 (6/-110)±10
表1：20°下倾的传输阵列的TDU的时延和插入相位
区域 元件尺寸(毫米) 元件数 时延(微微秒) 相位(度)
1 11.50 121 (266-350)±3/181 (-260/-400)±8
2 12.65 44 (231-287)±3/60 (-203/-295)±7
3 13.80 48 (189-266)±3/69 (-133/-260)±7
4 14.96 52 (140-231)±3/78 (-52/-203)±6
5 16.10 44 (140-203)±3/66 (-52/-156)±6
6 17.25 32 (126-161)±3/122 (-29/-87)±6
表2：0°下倾的传输阵列的TDU的时延和插入相位
图17示出了两个传输阵列的辐射图。与没有任何下倾(21.5dBi)的传输阵列相比，下倾＝20°情况具有略高的方向性(22dBi)。两个传输阵列之间的方向性差异在更高的扫描角度下甚至更大：扫描角为30°时为21.2dBi对18.4dBi。很明显，预倾角传输阵列的增益随扫描角度的下降比常规透镜慢得多。这些图案的BCF预期约为低至中等，例如在-12dB至-22dB之间，具体取决于元件间距和阵列配置。通常，具有偏移设置的阵列与常规矩形阵列相比，具有略低的BCF。
图18示出了下倾角θo＝20°的传输阵列的方位角辐射图。在这种情况下，由于馈入天线的偏移(方位角偏移＝16毫米，仰角偏移＝17毫米)，每个波束的波束指向角度相对于彼此稍微偏移。通过这种设置，任何两个相邻波束之间的BCF在-13dB至-21.8dB之间。
上文对天线阵列组件的描述特别参考了信号的发送。然而，应当理解，由于信号的发送和接收的互反关系，相同的结构可以应用于信号的接收。
出于说明的目的，为了提供对本发明的透彻理解，本发明提供了许多具体实施例、实现方案、示例和细节。然而，显而易见的是，实施例的实施可以无需其中所有具体细节，使用等效设置也可实施。在其他情况下，为了避免对本发明的实施例不必要地喧宾夺主，一些公知的结构和设备以方框图形式示出或省略。本说明决不应局限于所示的示例性实现方式、附图和技术，包括本文所示和描述的示例性设计和实现方式，而是可以在所附权利要求的范围以及其等同物的全部范围内进行修改。
尽管在本公开中已经提供了几个实施例，但是应当理解，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，所公开的系统和部件可以用许多其他具体形式来实现。本示例应被视为是说明性的而不是限制性的，并且其意图不应局限于本文给出的细节。例如，可以将各种元件或组件组合或集成在另一系统中，或者某些特征可被省略或不被实现。

Claims (12)

1.一种用于射频RF天线的超材料透镜，包括多个相邻的延时单元TDU元件，每个TDU元件包括：
介电材料；
感应矩形线圈，位于所述介电材料的第一面上，设置在所述TDU元件的周界周围；和
电容性贴片，位于所述介电材料的第二面上，并且位于所述TDU元件的所述周界内；
其中所述多个TDU元件包括多个TDU元件子集，其中不同子集的所述TDU元件具有不同的大小，并且同一子集内的所述TDU元件具有相同的大小；
其中所述多个不同大小的TDU元件的子集被设置成多个区域，所述区域将具有相同大小的TDU元件的子集分组，使最小的TDU元件位于内部的第一区域中，尺寸增大的TDU元件则围绕较小尺寸的TDU元件的区域；并且
其中在同一个TDU元件的所述子集内的TDU元件具有不同尺寸的电容性贴片。
2.根据权利要求1所述的超材料透镜，其中所述多个TDU元件的所述感应矩形线圈与相邻TDU元件的所述感应矩形线圈相接触。
3.根据权利要求1或2所述的超材料透镜，其中所述多个TDU元件中的至少一个包括在所述感应线圈内的感应十字线。
4.根据权利要求1所述的超材料透镜，其中所述TDU元件的至少一个子集的所述电容性贴片具有不同的贴片尺寸。
5.根据权利要求1或2所述的超材料透镜，其中所述多个TDU元件中的一个或多个所述电容性贴片具有感应穿孔。
6.根据权利要求1或2所述的超材料透镜，其中所述多个TDU元件中的每一个包括沿着所述TDU元件的所述周界定位的一层或附加的多层感应矩形线圈。
7.根据权利要求1或2所述的超材料透镜，其中所述多个TDU元件中的每一个都包括多层电容性贴片。
8.根据权利要求1或2所述的超材料透镜，其中所述多个TDU元件中的每一个包括沿着所述TDU元件的所述周界定位的多层感应矩形线圈，以及多层电容性贴片，所述层的每一层由介电材料隔开。
9.一种天线阵列组件，包括：
具有焦距的传输阵列，所述传输阵列具有多个相邻的延时单元TDU元件，每个TDU元件具有：沿着所述TDU元件的周界定位的感应矩形线圈；电容性贴片；和将所述感应矩形线圈和所述电容性贴片分离开的介电材料；和
多个辐射元件，其设置在焦平面上，定位于距所述传输阵列的所述焦距处；
其中所述多个TDU元件包括多个TDU元件子集，不同子集的所述TDU元件具有不同的大小，而同一子集内的TDU元件具有相同的大小；
其中所述多个不同大小的TDU元件的子集被设置成多个区域，所述区域将具有相同大小的TDU元件的子集分组，使最小的TDU元件位于内部的第一区域中，尺寸增大的TDU元件则围绕较小尺寸的TDU元件的区域；并且
其中所述多个区域中的各个区域内的TDU元件具有不同尺寸的电容性贴片。
10.根据权利要求9所述的天线阵列组件，其中所述多个TDU元件的所述感应矩形线圈与相邻TDU元件的所述感应矩形线圈相接触。
11.根据权利要求9或10所述的天线阵列组件，其中所述多个TDU元件为来自所述辐射元件的射频RF波束提供下倾角。
12.根据权利要求9或10所述的天线阵列组件，其中所述天线阵列组件是正交波束空间OBS大规模多输入多输出MIMO阵列组件。
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