CN108390159A - 通过减小球面像差所实现的球面电介质透镜旁波瓣抑制 - Google Patents

通过减小球面像差所实现的球面电介质透镜旁波瓣抑制 Download PDF

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Abstract

通过减小球面像差所实现的球面电介质透镜旁波瓣抑制。一种用于减轻天线多径瑞利衰落效应的方法。所述方法包括：将天线联接在结构的顶部上，其中所述结构被射频(RF)辐射吸收层覆盖，其中所述结构具有一形状使得所述结构的任何反射表面垂直于传入RF信号。所述方法还包括：将所述传入RF信号引导向所述结构，其中不期望的直接或反射RF信号被所述RF辐射吸收层吸收或者偏转回到所述RF信号的源，从而避免所述不期望的RF信号干扰瞄准所述天线的期望的RF信号。

Description

通过减小球面像差所实现的球面电介质透镜旁波瓣抑制
技术领域
本公开涉及射频(RF)天线的设计，并且更具体地，涉及通过减小由该射频(RF)天线中的球面透镜引起的球面像差所实现的球面电介质透镜旁波瓣抑制。
背景技术
射频(RF)(在下文中为“RF”)天线具有许多用途，诸如但不限于无线电检测和测距(RADAR)、通信和其它应用。存在许多不同类型的RF天线。一种类型的天线包括RF发生器，该RF发生器将RF能量引导向球面透镜，该球面透镜进而在RF能量离开RF天线之前以特定方式使RF能量聚焦。
远场天线方向图旁波瓣是几乎所有的定向射频天线(包括具有球面透镜的RF天线)中的固有不合需要的特征。旁波瓣是被引导远离期望方向的RF能量的部分。这些旁波瓣由RF天线的定向辐射方向图的产生引起并且随着天线增益增加而日益成问题。这些旁波瓣中的辐射能量是被浪费的能量。在历史上，天线旁波瓣能量的减小实现起来一直都困难且昂贵。
发明内容
例示性示例提供了一种用于减轻天线多径瑞利(Rayleigh)衰落效应的方法。所述方法包括：将天线联接在结构的顶部上，其中所述结构被射频(RF)辐射吸收层覆盖，其中所述结构具有一形状使得所述结构的任何反射表面垂直于传入RF信号。所述方法还包括：将所述传入RF信号引导向所述结构，其中不期望的直接或反射RF信号被所述RF辐射吸收层吸收或者偏转回到所述RF信号的源，从而避免所述不期望的RF信号干扰瞄准所述天线的期望的RF信号。
例示性示例也提供了一种射频(RF)天线，该RF天线被配置为减小由球面像差引起的RF旁波瓣。所述RF天线包括RF源，该RF源被配置为在限定于所述RF源与来自所述RF天线的出口点之间的光路中发送RF能量。所述RF天线也包括位于所述RF源之后的所述光路中的插塞，该插塞包括相对于RF能量的光学活性材料，该插塞具有不同形状的三个部。所述RF天线也包括位于所述插塞之后的所述光路中的球面透镜。
例示性示例也提供了一种射频(RF)天线，该RF天线被配置为减小由球面像差引起的RF旁波瓣。所述RF天线包括RF源，该RF源被配置为在限定于所述RF源与来自所述RF天线的出口点之间的光路中发送RF能量。所述RF天线还包括位于所述RF源之后的所述光路中的插塞，该插塞包括相对于RF能量的光学活性材料，该插塞具有介电常数不同的不同材料的三个部。所述RF天线也包括位于所述插塞之后的所述光路中的球面透镜。
可在本公开的各种示例中独立地实现这些特征和功能，或者可以在可参照以下描述和附图看到进一步细节的其它示例中组合这些特征和功能。
附图说明
在所附权利要求中阐述了被认为是例示性示例的特性的新颖特征。然而，当结合附图阅读时通过参照本公开的示例性示例的以下详细描述，将最好地理解例示性示例以及优选的使用模式、另外的目标及其特征，其中：
图1是根据例示性示例描绘的RF天线的工作方向图参数的例示；
图2是根据例示性示例描绘的被配置为使旁波瓣变窄的RF天线的组件的例示；
图3是根据例示性示例描绘的被配置为使旁波瓣变窄的RF天线的组件的另一视图的例示以及如在下面进一步描述的插塞的效应；
图4是根据例示性示例描绘的来自从界面反射离开的入射RF波的能量的例示；
图5是根据例示性示例描绘的进入较大折射率的材料的RF波和进入较小折射率的材料的波的例示；
图6是根据例示性示例描绘的击中材料的RF波的全内反射的例示；
图7是根据例示性示例描绘的微带线的区域中的电场分布的例示；
图8是根据例示性示例描绘的两种不同的材料的圆柱形插塞的例示；
图9是根据例示性示例描绘的两种不同的材料和形状的圆柱形插塞的例示；
图10是根据例示性示例描绘的图9所示的插塞的横截面的例示；
图11是根据例示性示例描绘的又一插塞的RF射线图的例示；
图12是根据例示性示例描绘的图11所示的插塞的另一RF射线图的例示；
图13是根据例示性示例描绘的图11所示的插塞的又一RF射线图的例示；
图14是根据例示性示例描绘的在不使用如上所述的插塞的情况下来自RF天线的RF能量的例示；
图15是根据例示性示例描绘的在使用如上所述的插塞的情况下来自RF天线的RF能量的例示；
图16是根据例示性示例描绘的增益对从RF天线发射的RF能量的角度的曲线图；
图17是根据例示性示例描绘的减轻天线多径瑞利衰落效应的方法的流程图；
图18是根据例示性示例描绘的RF天线的框图；以及
图19是根据例示性示例描绘的另一RF天线的框图。
具体实施方式
例示性示例认识并考虑到在RF天线的旁波瓣中辐射的能量通常被认为是被浪费的能量并且通常被认为是不合需要的。例示性示例认识并考虑用于减小球面电介质透镜天线的旁波瓣的方法。例示性示例认识并考虑到几何成形的插塞或多材料插塞或两者的折射性质可用于减小由球面透镜引起的球面像差，并且因此减小旁波瓣。例示性示例通过使能量折射向球面透镜的中心来减小球面电介质透镜的边缘附近的能量的量。此效应使较少能量经历可以引起RF能量的旁波瓣的球面像差。
例示性示例认识到并考虑到用于减小旁波瓣的当前解决方案可以是不合需要的。例如，一个当前解决方案是增加波导的一部分的横截面面积以修改表面电流分布。然而，使用此技术的缺点是需要更多的物理空间来增加波导孔径横截面面积。设计要求可在波导阵列中很快排除此选项。在另一示例中，可在波导的出口孔上创建复杂的几何图案。然而，此类几何修改的实现将增加总体设计和制造过程的复杂性，从而增加成本并降低RF天线的可靠性。在又一示例中，可使用复杂的多材料透镜来使发射器的焦点更靠近透镜。但是，此方法减小天线孔径效率。例示性示例解决了关于在大多数RF天线中但是尤其在使用球面透镜的RF天线中减小RF旁波瓣的这些和其它问题。
图1示出了根据例示性示例描绘的RF天线的工作方向图参数的例示。因此，图1示出了从RF源102发射的射频(RF)能量方向图100。RF能量更准确地说是具有大致在范围300GHz(千兆赫)至3kHz(千赫)内的波长的许多光子(光)。光子具有波和包两者的性质，并且可以被认为是变化电场和磁场的波的包。
可以通过按照简谐运动使一个或更多个电荷振荡来使RF源发射电磁波，使得它在几乎每一瞬间都有加速度。此运动产生时变电磁场，该时变电磁场可使用麦克斯韦方程被表示为波。可通过在每单位面积功率基础上使用电场和磁场来描述电磁能量流。此概念被称作坡印亭(Poynting)矢量，该坡印亭矢量描述能量流率的大小和方向两者。针对围绕RF源的每一角度而生成的坡印亭矢量(在它相应的区域上集成)可用于生成方向图，诸如图1所示的方向图。
定向天线的一个重要特性是使辐射的RF能量聚焦在特定方向上而不在不希望的方向上辐射杂散能量的能力。聚焦的主方向被称为主波瓣，诸如主波瓣104。大部分RF能量被消耗的点是在环106处，所述环106表示RF天线的范围。半功率点108表示RF能量大约是RF源102处的能量一半的点。第一空波束宽度(FNBW)110是主波瓣结束且没有旁波瓣的空间中的位置。半功率波束宽度112是其中功率为RF源102处的功率一半的主波瓣104的宽度。
在不希望的方向上辐射的能量被称为旁波瓣能量或后波瓣能量。旁波瓣能量在旁波瓣(诸如旁波瓣114)中被辐射。旁波瓣能量将使天线性能降级并可以产生干扰。因此，旁波瓣能量常常被认为是不合需要的。后波瓣能量(诸如在后波瓣116中)也常常是不合需要的，因为后波瓣能量被浪费了。
图2是根据例示性示例描绘的被配置为使旁波瓣变窄的RF天线的组件的例示。天线200除了包括可能的组件之外还包括发射器202、插塞204和球面透镜206。实心箭头208示出了由不同材料的边界(包括实心物体与空气(或甚至真空)之间的边界)处的折射产生的来自发射器202、通过插塞204并通过球面透镜206的RF能量的光路。虚线箭头210示出了由相同边界处的反射产生的来自发射器202的RF能量的另一光路。
例示性示例的一个目标是为了使RF能量跨球面透镜206的宽度212的散布最小化。因此，相对于假设插塞204不存在时RF能量的散布，在RF能量已经通过插塞204之后，RF能量更窄地聚焦在球面透镜206的轴线220附近。因为RF能量更窄地聚焦，所以通过球面透镜206的RF能量的球面像差大大地减小了。球面像差是在光学装置(透镜、反射镜等)中观察到的光学效应，该光学效应由于光射线在它们撞击透镜时的增加折射或与更靠近中心撞击的那些光射线相比光射线在它们靠近反射镜的边缘撞击反射镜时的反射而发生。如以上所说明的，RF天线中的球面像差导致旁波瓣，所述旁波瓣被认为是不合需要的。因此，例示性示例的插塞204通过减小RF能量的球面像差来减少不合需要的旁波瓣。
插塞204可以采取多个不同的形式。在图2中仅示出了第一形式。在此例示性示例中，插塞204是由三种不同材料形成的圆柱形插塞。部214由第一材料制成，部216由第二材料制成，而部218由第三材料制成。这些材料中的每一种都与紧挨着它的材料不同。在例示性示例中，所有三种材料彼此不同。所选取的特定材料可以变化，但是各个部分中的材料是光学活性的。术语“光学活性的”被定义为能够以阈值水平反射和折射RF能量的物质。用非专业人士的话来说，材料对RF能量是“透明的”，但是透明度可以变化。因为在插塞的两种不同的材料之间(或者在插塞与周围空气或空间之间)的各个边界是不同折射率(在下面说明)之间的边界，所以在各个边界处发生RF能量的折射和反射。
插塞204被示出有三个不同的部。然而，部的数量可以在一与许多(多于3)之间变化。此特定示例性示例具有三个部，因为各个部以可接受的RF能量损失连续地使RF能量更窄地聚焦到球面透镜206上。RF能量在它传递通过插塞204时可以损失，同时作为各个边界处的反射的结果发生大部分损失。尽管插塞204的材料被选择为使RF能量的吸收最小化，然而作为RF能量的吸收的结果可以发生一些损失。因此，在理论上插塞204的许多部能使RF能量非常窄地聚焦到球面透镜206上的同时，结果得到的RF能量损失可以下降至可接受的阈值以下。对RF能量损失与聚焦效应的关系的选择是针对特定应用的设计选择的问题，但是在特定例示性示例中，为部214、部216和部218选择具有具体地选择的折射率的三种材料。
换句话说，所提出的设备(插塞204)用作波导孔径(发射器202)与球面电介质透镜(球面透镜206)之间的界面。在波导的出口孔径处，电磁波开始向外辐射到空间(其可以是真空或空气)中并与系统的透镜部分相互作用。图2中的箭头指示波传播的方向。在各个材料表面处，射线经历改变波的路径的反射和折射。实线(箭头208)是折射射线并且虚线(箭头210)表示从给定部分的界面反射离开的波的部分。
图3是根据例示性示例描绘的被配置为使旁波瓣变窄的RF天线的组件的另一视图的例示以及如在下面进一步描述的插塞的效应。因此，天线200和天线300是相同的，发射器202和发射器302是相同的，并且球面透镜206和球面透镜306是相同的，使得宽度212和宽度316是相同的。然而，图3提供了示出插塞304对从发射器302发射的RF能量具有的聚焦效应的视图。图3也示出了球面透镜306的焦距308(其与图2的球面透镜206的焦距相同)。注意，图2和图3两者都不按比例绘制，并且各个图的比例不同。
如图3所示，线310示出了没有插塞304的RF波束方向图，然而线312示出了具有插塞304的RF波束方向图。如可看到的，RF能量跨球面透镜306的宽度316的散布在没有插塞304的情况下相对于具有插塞304的天线300更大。具体地，插塞304的存在消除了来自发射器302的RF能量通过的焦点，如由“X”符号314所示。因为来自发射器302的RF能量与较少的焦点相交，所以球面像差减小了。因此，不合需要的旁波瓣能量也减小了。
换句话说，插塞304的形状以及透射、反射和折射性质被优化以使透镜球面像差最小化。出于此特定例示性示例的目的，球面像差是由球面反射区形成的RF图像的模糊。发生球面像差是因为远离光轴撞击球面透镜306的平行射线被聚焦在与靠近轴的射线不同的点上。
通常通过仅使用球面反射区的中心区域来使球面像差的问题最小化。对于球面电介质透镜的情况，照射源可以使RF能量的入射波的多个部分远离源的中心线地与电介质边界相交。当在RF情况下发生这种现象时，不同的焦点各自使天线波瓣形成。主波束是由与照明源的轴一致的焦点而引起的。旁波瓣是由从透镜外部的不同点聚焦的能量而引起的。
图4是根据例示性示例描绘的从界面反射离开的入射RF波的能量的例示。具体地，图4描述了平面边界处的法向入射平面波反射和透射。
为了理解所提出的设备的功能，我们将从说明基础物理学的简化几何学开始。考虑正沿z轴正方向传播的平面波，其中其电场被定向在x方向上。此波入射在使两种各自具有唯一介电常数(ε)、磁导率(μ)和电导率(σ)的介质分开的界面上。为了满足两个区域之间的边界条件，来自入射波的能量中的一些必须像描绘的那样被从界面反射。
现在研究预测透射波和反射波的振幅的两个参数。它们被称为通过下式给出的透射系数
以及通过下式给出的反射系数
其中是通过下式给出的基于介质的性质的波阻抗：
反射系数和透射系数通过相关，其中且对于离开界面的全反射，导致并且对于无反射，且为了使反射量保持低，由于平面界面，应该使区域之间的波阻抗差保持小。
图5是根据例示性示例描绘的进入较大折射率的材料的RF波和进入较小折射率的材料的波的例示。图5具体例示了倾斜入射平面波反射和透射。图5示出了相对于图4的另选情况，并且应该与图4的讨论一起考虑图5的讨论。
当平面波以任意入射角接近边界时，折射被引入。反射定律表明，对于所有波长并且对于任何材料对反射角(θr)等于入射角(θi)，如通过下式所给出的：
θi＝θr。
折射定律表明，入射角(θi)和折射角(θR)通过下式与界面两侧的材料的折射率有关：
n1sin(θ1)＝n2sin(θ2)，其中θ1＝θi且θ2＝θR。
已经描述了法向平面波入射情况的任意入射的三种一般情况。两个剩余情况包括进入较大折射率的材料的波和进入较小折射率的材料的波。图5例示了这两种情况的结果。
图6是根据例示性示例描绘的击中材料的RF波的全内反射的例示。图6具体地示出了全内反射。图6示出了相对于图4和图5的另选情况，并且应该与图4和图5的讨论一起考虑图6的讨论。
存在使来自一个区域的所有的透射能量被反射离开下一个区域的波传播的特殊情况。这种情况的准则是n1＞n2，并且传入法向波的角度必须大于从材料界面法线参考的临界角。该临界角可以通过下式来确定。
其中再次，n1和n2是折射率。
因为所有的能量被反射，并且可以在材料内部发生，所以当在物质内部发生这种现象时，这种现象可以被称作全内反射。更一般地，这种现象可以被称为全反射。
图7是根据例示性示例描绘的微带线的区域中的电场分布的例示。图7例示了被称作介电常数的物理性质。图7例示了微带700和微带700的地平面702。电介质704被设置在微带700与地平面702之间。电磁场线706通过图7中的各种箭头来示出。
介电常数是通常为包含在均匀区域中的电磁场或者为封装非均匀区域的场线所定义的电磁性质。包含场的区域的总介电常数通常被称为有效介电常数(εeff)。例示εeff的示例是场横跨自由空间区域和由电介质704限定的电介质区域的微带线。图7例示了微带线700附近的区域中的电场分布。控制包含在电介质704中的电场的部分以及存在的电介质材料的量和类型控制εeff。值εeff直接影响微带传输线的阻抗。εeff的值是ε1和ε2的组合。
应该一起考虑图8和图9。图8是根据例示性示例描绘的两种不同的材料的圆柱形插塞的例示。图9是根据例示性示例描绘的两种不同的材料和形状的圆柱形插塞的例示。
图10是根据例示性示例描绘的图9所示的插塞的横截面的例示。图10示例示了图9和图8两者的另选方案。
同时，图8至图10例示了通过改变横截面积的有效介电常数而产生的法向入射平面波反射和透射。图8至图10表示实现相对于图2和图3所示的插塞的结果类似的结果的另选装置或插塞。换句话说，这里所示的插塞800和插塞900是图2的插塞204或图3的插塞304的另选方案。
图8示出了插塞800，该插塞800是由第一部802和第二部804中的不同的光学活性材料形成的圆柱体。因为它们具有不同的材料，所以它们具有不同的折射率，如通过第一部802的η1和第二部804的η2所指示的。
图9和图10示出了图8所示的结构的变化。特别地，插塞900仍然由两种不同的材料(第一部902中的一种材料以及第二部904中的另一材料)形成。这些部可以具有与图8的插塞800中所呈现的材料相同的折射率，或者可以具有不同的折射率。然而，插塞800与插塞900之间的更重要的差异是第二部904的形状。第二部904在第一端是直圆柱体，但是在另一侧是直圆锥体。第二部中的材料的角度变化进一步改变RF能量在沿插塞900的纵轴传播时如何折射和反射。
图10示出了三个不同的横截面中的插塞900。横截面1000、横截面1002和横截面1004分别从线906、线908和线910绘制。如在图10中可看到的，沿着插塞900的纵轴向第二部904越远，被第二材料占去的面积越大。
第一部902和第二部904(或第一部802和第二部804)中的材料可以具有不同的阻抗。对于图8，在两个区域之间的波阻抗差较大的情况下，反射系数也将较大。为了帮助减轻这种场景中的反射，增加了具有横跨到的梯度区域的结构，如图9和图10所示。此结构在两个区域之间的波阻抗方面提供渐变。在和区域之间引入圆锥区域产生引入梯度效应的几何形状。
应该一起考虑图11至图13。图11是根据例示性示例描绘的又一插塞的RF射线图的例示。图12是根据例示性示例描绘的图11所示的插塞的另一RF射线图的例示。图13是根据例示性示例描绘的图11所示的插塞的又一RF射线图的例示。关于图11至图13中的每一个使用相同的附图标记。
插塞1100可以是图2的插塞204、图3的插塞304、图8的插塞800或图9和图10的插塞900的变化。在例示性示例中，插塞1100的几何形状可以被用作图9的第二部904。在不同的例示性示例中，插塞1100可以是用在RF天线中的独立插塞，诸如图2的插塞204或图3的插塞304。在又一不同的例示性示例中，插塞1100可以由三种不同的材料组成，诸如参照图2所描述的。因此，插塞1100可以由多种材料组成，并且/或者可以由单种统一材料组成，并且/或者可以是较大插塞结构的一部分。关于图11至图13的描述，插塞1100被描述为由统一材料制成的单个结构。然而，此描述并不否定上述的变化。
在例示性示例中，插塞1100具有三个不同的部：第一圆锥形部1102、圆柱形部1104和第二圆锥形部1106。第一圆锥形部1102和第二圆锥形部1106可以是直圆锥，但是可以是不同的圆锥形形状，包括不规则的圆锥形形状。它们也能从圆锥形形状变化。在此例示性示例中，第一圆锥形部1102是具有比第二圆锥形部1106大的第一基部到顶点高度的直圆锥。圆柱形部1104具有大约与第一圆锥形部1102和第二圆锥形部1106的基部匹配的半径。然而，这些部中的任一个可以在大小上变化。换句话说，例如，圆柱形部1104可以具有比第一圆锥形部1102的基部大但是比第二圆锥形部1106的基部小的半径。大小方面的其它变化是可能的，包括将圆柱形部1104的几何形状改变为除圆柱体以外的东西。
图11至图13示出了第一圆锥形部1102的直圆锥、具有高度小于第一圆锥形部1102的高度的第二圆锥形部1106的直圆锥以及具有与两个相对的圆锥体的基部匹配的半径的圆柱形部1104的特定示例。
在此例示性示例中，RF发射器1108瞄准第一圆锥形部1102。RF发射器1108可以是例如图2的发射器202。RF发射器1108可以完全沿着插塞1100的宽度1109引导RF能量。然而，RF能量在插塞1100各处的透射、折射和反射行为取决于RF能量击中插塞1100所在的地方。如以上所说明的原因是由于插塞1100的复杂形状RF能量的光路沿着不同角度的边界取得RF能量。例如，图11所示的光路与图12或图13所示的光路不同。原因是，对于三条不同的光路，折射或透射光撞击三个不同角度的区域中的一个：在第一圆锥形部1102(图11)、圆柱形部1104(图12)和第二圆锥形部1106(图13)中。
现在把附加注意力转向各条光路。对于图11、图12和图13中的每一个，实线即线1110、线1112和线1114表示透射通过插塞1100的折射或透射RF能量的光路。虚线(诸如线1116、线1118、线1120、线1122、线1124、线1126和线1128)表示反射RF能量相对于插塞1100的光路。
注意，反射RF能量中的一些反射回到插塞1100中，并且反射RF能量中的一些反射离开插塞1100。因此，从插塞1100发射的RF能量的实际几何结构将是复杂的，但是在下面在图14和图15中被更充分地表示。
然而，不管通过沿着插塞1100的宽度引导的RF能量所取的复杂光路，始终透射通过插塞1100的RF能量都往往向第二圆锥形部1106的顶点方向弯曲。此效应被示出在线段1130、线段1132和线段1134处。
因此，相对于单独使用RF发射器，插塞1100用来使来自RF发射器1108的更多的RF能量聚焦向插塞1100的纵轴的中心线。此效应进而减小具有球面透镜的RF天线中的球面像差，如关于图1至图3所说明的。
换句话说，所提出的插塞1100的设备被设计为用作波导孔径(诸如图2的发射器202)与电介质透镜(诸如如图2所示的球面透镜206)之间的界面。所提出的设备取得将跨电介质透镜的大部分散布的波并且使它们聚焦在透镜的较小区域上。此聚焦效应是通过细致的材料电介质性质选择和/或特定几何形状来实现的。
图11至图13呈现了对设备内部的大多数相互作用作出贡献的三种波属性。这些属性是透射、反射和折射。该设备可以被设计为使得内部反射被最小化并且波被以期望的方式折射出设备。进入、通过并离开设备的高效透射也通过对插塞1100的形状和/或材料的选择来实现。
如以上所指示的，为本文所描述的插塞中的任一个而选择的尺寸和材料可以变化。然而，提供了以下特定示例插塞。此特定示例不限制上述的其它例示性示例，并且不一定限制所要求保护的发明。
在此示例中，单个单片插塞由TP20275可挤压塑料制成。插塞材料具有大约4.4的相对磁导率。此示例插塞的形状与图11至图13所示的形状相同。对于第一圆锥形部，直圆锥具有大约13.39度的角度、大约10.54毫米的高度和大约2.51毫米的基部半径。圆柱形部具有大约2.635毫米的高度和大约2.51毫米的半径。对于第二圆锥形部，直圆锥具有0.8783毫米的高度和大约2.51毫米的基部。
此特定插塞是为具有截止频率fcutoff＝35GHz和fcenter＝40GHz的波导而设计的。插塞的尺寸基于波导内部的波长，通过λG来指示，其中对于fcutoff的每个选择将存在插塞的唯一几何形状。
应该一起对比图14和图15。图14是根据例示性示例描绘的在不使用如上所述的插塞的情况下来自RF天线的RF能量的例示。图15是根据例示性示例描绘的在使用如上所述的插塞情况下来自RF天线的RF能量的例示。图14和图15均表示在使用真实发射器和插塞的原型的实验期间取得的RF能量分布。
两个图中的波浪线表示RF能量的分布。对于图14和图15来自，角度θ1400和角度θ1500表示来自天线的发射的角度，如同样例如在图1的主波瓣104处所示的。图14的发射器1402和图15的发射器1502是相同的。然而，插塞1504被放置在发射器1502的末端处，如图15所示。
如从将图14的RF能量分布与图15的RF能量分布进行对比可看到的，与RF能量旁波瓣1404和RF能量旁波瓣1406相比，RF能量旁波瓣1506和RF能量旁波瓣1508减小了。附加地，图15的主波瓣1510中的RF能量分布大于图14的主波瓣1408中的RF能量分布，表明当插塞1504存在时更多的RF能量集中在主波瓣中。此外，因为在图14中RF能量分布较宽，所以相对于图15所示的RF能量分布，RF能量在被指向球面透镜时将具有较大的球面像差。
图16是根据例示性示例描绘的增益对从RF天线发射的RF能量的角度的曲线图。曲线图1600指示针对图14和图15中呈现的RF能量方向图的在相对于发射器的纵轴所取的任何给定角度(角度θ)下的RF能量中的增益变化。
线1602表示没有插塞的发射器的RF能量分布，如图14所示。线1604表示具有插塞的发射器的RF能量分布，如图15所示。图16表示在使用真实发射器和插塞的原型的实验期间取得的RF能量分布。
如通过将线1602与线1604相比较从图16可看到的，在较高或较低的角度下，即，远离发射器的纵轴，与没有插塞的发射器相比，具有插塞的发射器具有较低的RF能量值。因此，例示性示例的插塞在减小旁波瓣RF能量并且以更靠近发射器的纵轴的角度集中更多的RF能量时是有效的。以这种方式，如以上所说明的，插塞在减小使用球面透镜或一些其它聚焦透镜的RF天线中的球面像差时是有效的。
因此，例示性示例的插塞当被用在RF天线中时提供许多优点。例示性示例提供了独特的插塞结构几何形状和材料组合以有效地减小旁波瓣并且改进基于波导的天线馈电中的辐射效率。例示性示例提供了可通过增材制造、减材制造或注塑成型来批量生产的独特设计。例示性示例提供了波导馈电的改进的阻抗匹配和辐射效率。也可以存在其它优点。
图17是根据例示性示例描绘的减轻天线多径瑞利衰落效应的方法的流程图。可以使用具有诸如图2、图8至图13和图15所示的插塞和球面透镜的RF天线来实现方法1700。
方法1700可以通过将天线联接在结构的顶部上而开始，其中所述结构被射频(RF)辐射吸收层覆盖，并且其中所述结构具有一形状使得所述结构的任何反射表面垂直于传入RF信号(操作1702)。方法1700也包括将所述传入RF信号引导向所述结构，其中不期望的直接或反射RF信号被所述RF辐射吸收层吸收或者偏转回到所述RF信号的源，从而避免所述不期望的RF信号干扰瞄准所述天线的期望的RF信号(操作1704)。在例示性示例中，此后方法1700可以终止。
可以改变方法1700。例如，形状可以是球体或半球体。天线可以联接到结构的凸外部表面。在另一变化中，RF辐射吸收层可以是从由以下项构成的组中选择的材料：碳材料；与碳黑混合的泡沫材料；包括固体铝金属颗粒、氧化铁和铁粉的金属和金属颗粒；塑料与包括胶乳、聚合物共混物或纤维的另一物质的组合；包括聚苯胺的导电聚合物；以及其组合。方法1700的其它变化也是可能的。例如，方法1700也设想制造上述的插塞中的任一个，或者使用如上所述的插塞来引导RF能量。因此，方法1700不一定限制所要求保护的发明。
图18是根据例示性示例描绘的RF天线的框图。RF天线1800可以是图2的天线200、图3的天线300或图15所示的天线的变化。可以将RF天线1800表征为被配置为减小由球面像差引起的RF旁波瓣的射频(RF)天线。
RF天线1800包括RF源1802，该RF源1802被配置为在限定于RF源1802与来自RF天线1800的出口点1806之间的光路中发送RF能量1804。RF天线1800也包括在RF源1802之后的光路中的插塞1808。插塞1808是相对于RF能量1804的光学活性材料。光学活性可以被定义为能够以阈值水平反射和折射RF能量的物质。插塞1808具有不同形状的三个部，包括第一部1810、第二部1812和第三部1814。RF天线1800也包括在插塞1808之后的光路中的球面透镜1816。
可以改变RF天线1800。例如，第一部1810可以是在第一部的第一顶点和第一基部之间具有第一高度的圆锥形形状，所述第一基部具有第一半径。继续此示例，第二部1812可以是具有第一端和第二端的圆柱形形状。第二部的第二半径可以大约等于第一半径。第一端可以与第一基部直接接触。进一步继续此示例，第三部1814可以是在第三部的第二顶点和第三基部之间具有第二高度的圆锥形形状。第三基部的第三半径可以大约等于第一半径。第二高度可以小于第一高度。第二部的第二端可以与第三部的第三基部直接接触。
可以进一步改变RF天线1800。例如，对于被引导朝向第一顶点的RF能量，第一高度被选择为产生插塞的第一部的如下的角度，即，该角度有利于远离第一部的外部表面的RF能量的反射，但是也有利于折射到第一部中的RF能量的第一部分的内部反射。在这种情况下，RF能量的第一部分的内部反射在第二部内是有利的，但是折射通过第二部的RF能量的第二部分被引导远离第二部。另外在这种情况下，第二高度被选择为使透射通过第三部的RF能量的第三部分聚焦到球面透镜上。
在例示性示例中，第二部的第一端与球面透镜的中心之间的距离是球面透镜的焦距。在另一例示性示例中，第一高度是大约0.01054米，第二部的长度是大约0.002635米，第二高度是大约0.0008783米，第一半径是大约0.00251米，RF能量的中心频率是大约40千兆赫，并且RF能量的截止频率是大约35千兆赫。
RF天线1800的其它变化也是可能的。例如，RF天线1800也可以包括位于RF源1802之后但位于插塞1808之前的光路中的RF波导1818。
在另一变化中，插塞1808可以是单种单一材料，具有或没有三个不同的部。插塞1808可以由可挤压塑料制成。可挤压塑料具有大约4.4的相对介电常数。
在又一变化中，第一部1810可以是第一直圆锥，第二部1812可以是直圆柱，并且第三部1814可以是第二直圆锥。在又一变化中，插塞1808可以被设置在形状为圆柱形的并且具有大于插塞1808的第一半径的第二半径的第二材料内部。
许多其它变化是可能的。因此，关于图18所描述的例示性示例不一定限制所要求保护的发明。
图19是根据例示性示例描绘的另一RF天线的框图。RF天线1900可以是图2的天线200、图3的天线300、图15所示的天线或图18的RF天线1800的另一变化。可以将RF天线1900表征为被配置为减小由球面像差引起的RF旁波瓣的射频(RF)天线。
RF天线1900可以包括RF源1902，该RF源1902被配置为在限定于RF源1902与来自RF天线1900的出口点1906之间的光路中发送RF能量1904。RF天线1900也包括在RF源1902之后的光路中的插塞1908。插塞1908可以是相对于RF能量1904的光学活性材料。插塞1908可以具有介电常数不同的不同材料的三个部，包括第一部1910、第二部1912和第三部1914。RF天线1900也可以包括在插塞1908之后的光路中的球面透镜1916。
可以改变RF天线1900。例如，在例示性示例中，第一部1910可以是相对于RF能量1904具有第一折射率的第一材料。在这种情况下，第二部1912可以是相对于RF能量1904具有大于第一折射率的第二折射率的第二材料。另外在这种情况下，第三部1914可以是相对于RF能量具有大于第二折射率的第三折射率的第三材料。
在另一例示性示例中，第一材料、第二材料和第三材料中的至少两种具有不同的介电常数。可以在第一材料、第二材料和第三材料中的所述至少两种之间设置介电常数的梯度。梯度在形状上可以是圆锥形的，或者可以具有另一形状。
许多其它变化是可能的。例如，RF天线1900也可以包括RF波导。因此，关于图19所描述的例示性示例不一定限制所要求保护的发明。
此外，本公开包括根据以下条款的示例：
条款1.一种用于减轻天线多径瑞利衰落效应的方法，该方法包括：
将天线联接在结构的顶部上，其中所述结构被射频(RF)辐射吸收层覆盖，并且其中所述结构具有一形状使得所述结构的任何反射表面垂直于传入RF信号；以及
将所述传入RF信号引导朝向所述结构，其中不期望的直接或反射RF信号被所述RF辐射吸收层吸收或者偏转回到所述RF信号的源，从而避免所述不期望的RF信号干扰瞄准所述天线的期望的RF信号。
条款2.根据条款1所述的方法，其中所述形状包括球体或半球体，并且其中所述天线联接到所述结构的凸外部表面。
条款3.根据条款1所述的方法，其中所述RF辐射吸收层是从由以下项构成的组中选择的材料：碳材料；与碳黑混合的动物毛发的涂层垫；包括固体铝金属颗粒、氧化铁和铁粉的金属和金属颗粒；聚吡咯与包括胶乳、聚合物共混物或纤维的另一物质的组合；包括聚苯胺的导电聚合物；以及其组合。
条款4.一种射频(RF)天线，该RF天线被配置为减小由球面像差引起的RF旁波瓣，该RF天线包括：
RF源，该RF源被配置为在限定于该RF源与来自所述RF天线的出口点之间的光路中发送RF能量；
位于所述RF源之后的所述光路中的插塞，该插塞包括相对于RF能量的光学活性材料，该插塞具有不同形状的三个部；以及
位于所述插塞之后的所述光路中的球面透镜。
条款5.根据条款4所述的RF天线，其中所述插塞还包括：
第一部，该第一部是在该第一部的第一顶点和第一基部之间具有第一高度的圆锥形形状，所述第一基部具有第一半径；
第二部，该第二部是具有第一端和第二端的圆柱形形状，其中所述第二部的第二半径大约等于所述第一半径，并且其中所述第一端与所述第一基部直接接触；以及
第三部，该第三部是在所述第三部的第二顶点和第三基部之间具有第二高度的圆锥形形状，其中所述第三基部的第三半径大约等于所述第一半径，其中所述第二高度小于所述第一高度，并且其中所述第二部的所述第二端与所述第三部的所述第三基部直接接触。
条款6.根据条款5所述的RF天线，其中对于被引导向所述第一顶点的RF能量：
所述第一高度被选择为产生所述插塞的所述第一部的如下的角度，即，该角度有利于远离所述第一部的外部表面的所述RF能量的反射，但是也有利于折射到所述第一部中的所述RF能量的第一部分的内部反射；
所述RF能量的所述第一部分的内部反射在所述第二部内是有利的，但是折射通过所述第二部的所述RF能量的第二部分被引导远离所述第二部；并且
所述第二高度被选择为使透射通过所述第三部的所述RF能量的第三部分聚焦到所述球面透镜上。
条款7.根据条款6所述的RF天线，其中所述第二部的所述第一端与所述球面透镜的中心之间的距离是所述球面透镜的焦距。
条款8.根据条款6所述的RF天线，其中：
所述第一高度是大约0.01054米；
所述第二部的长度是大约0.002635米；
所述第二高度是大约0.0008783米；
所述第一半径是大约0.00251米；
所述RF能量的中心频率是大约40千兆赫；并且
所述RF能量的截止频率是大约35千兆赫。
条款9.根据条款4所述的RF天线，所述RF天线还包括：
位于所述RF源之后但位于所述插塞之前的所述光路中的RF波导。
条款10.根据条款4所述的RF天线，其中所述插塞包括单种单一材料。
条款11.根据条款10所述的RF天线，其中所述插塞包括可挤压塑料。
条款12.根据条款11所述的RF天线，其中所述可挤压塑料具有大约4.4的相对介电常数。
条款13.根据条款4所述的RF天线，其中光学活性被定义为能够以阈值水平反射和折射所述RF能量的物质。
条款14.根据条款5所述的RF天线，其中所述第一部包括第一直圆锥，所述第二部包括直圆柱，并且所述第三部包括第二直圆锥。
条款15.根据条款4所述的RF天线，其中所述插塞被设置在形状为圆柱形的并且具有大于所述插塞的第一半径的第二半径的第二材料内部。
条款16.一种射频(RF)天线，该RF天线被配置为减小由球面像差引起的RF旁波瓣，该RF天线包括：
RF源，该RF源被配置为在限定于该RF源与来自所述RF天线的出口点之间的光路中发送RF能量；
位于所述RF源之后的所述光路中的插塞，该插塞包括相对于RF能量的光学活性材料，该插塞具有介电常数不同的不同材料的三个部；以及
位于所述插塞之后的所述光路中的球面透镜。
条款17.根据条款16所述的RF天线，其中所述插塞还包括：
第一部，该第一部包括相对于所述RF能量具有第一折射率的第一材料；
第二部，该第二部包括相对于所述RF能量具有大于所述第一折射率的第二折射率的第二材料；以及
第三部，该第三部包括相对于所述RF能量具有大于所述第二折射率的第三折射率的第三材料。
条款18.根据条款17所述的RF天线，其中所述第一材料、所述第二材料和所述第三材料中的至少两种具有不同的介电常数。
条款19.根据条款18所述的RF天线，其中在所述第一材料、所述第二材料和所述第三材料中的所述至少两种之间设置介电常数的梯度。
条款20.根据条款19所述的RF天线，其中所述梯度在形状上是圆锥形的。
已经出于例示和描述的目的呈现了不同的例示性示例的描述，而不旨在为详尽的或者在形式上限制于所公开的示例。许多修改和变化对于本领域普通技术人员而言将是显而易见的。此外，与其它例示性示例相比不同的例示性示例可以提供不同的特征。所选择的一个或更多个示例被选取和描述，以便最好地说明这些示例的原理、实际应用，并且使得本领域普通技术人员能够针对具有如适于所设想特定用途的各种修改的各种示例来理解本公开。

Claims (15)

1.一种用于减轻天线多径瑞利衰落效应的方法(1700)，该方法包括：
将天线联接在结构的顶部上，其中，所述结构被射频RF辐射吸收层覆盖，并且其中，所述结构具有一形状使得所述结构的任何反射表面垂直于传入RF信号(1702)；以及
将所述传入RF信号引导朝向所述结构，其中，不期望的直接或反射RF信号被所述RF辐射吸收层吸收或者偏转回到所述RF信号的源，从而避免所述不期望的RF信号干扰瞄准所述天线(1704)的期望的RF信号。
2.根据权利要求1所述的方法(1700)，其中，所述形状包括球体或半球体，并且其中，所述天线联接到所述结构的凸外部表面。
3.根据权利要求1或2所述的方法(1700)，其中，所述RF辐射吸收层是从由以下项构成的组中选择的材料：碳材料；与碳黑混合的动物毛发的涂层垫；包括固体铝金属颗粒、氧化铁和铁粉的金属和金属颗粒；聚吡咯与包括胶乳、聚合物共混物或纤维的另一物质的组合；包括聚苯胺的导电聚合物；以及其组合。
4.一种射频RF天线(1800)，该RF天线(1800)被配置为减小由球面像差引起的RF旁波瓣，该RF天线(1800)包括：
RF源(1802)，该RF源(1802)被配置为在限定于所述RF源(1802)与来自所述RF天线(1800)的出口点(1806)之间的光路中发送RF能量(1804)；
位于所述RF源(1802)之后的所述光路中的插塞(1808)，该插塞(1808)包括相对于RF能量(1804)的光学活性材料，该插塞(1808)具有第一部(1810)、第二部(1812)和第三部(1814)，所述三个部(1810、1812、1814)中的每一个具有不同的形状；以及
位于所述插塞(1808)之后的所述光路中的球面透镜(1816)。
5.根据权利要求4所述的RF天线(1800)，其中：
所述第一部(1810)是在所述第一部(1810)的第一顶点和第一基部之间具有第一高度的圆锥形形状，所述第一基部具有第一半径；
所述第二部(1812)是具有第一端和第二端的圆柱形形状，其中所述第二部(1812)的第二半径大约等于所述第一半径，并且其中所述第一端与所述第一基部直接接触；以及
所述第三部(1814)是在所述第三部(1814)的第二顶点和第三基部之间具有第二高度的圆锥形形状，其中所述第三基部的第三半径大约等于所述第一半径，其中所述第二高度小于所述第一高度，并且其中所述第二部(1812)的所述第二端与所述第三部(1814)的所述第三基部直接接触。
6.根据权利要求5所述的RF天线(1800)，其中，对于被引导朝向所述第一顶点的RF能量(1804)：
所述第一高度被选择为产生所述插塞(1808)的所述第一部(1810)的如下的角度，即，该角度有利于远离所述第一部(1810)的外部表面的所述RF能量(1804)的反射，但是也有利于折射到所述第一部(1810)中的所述RF能量(1804)的第一部分的内部反射；
所述RF能量(1804)的所述第一部分的内部反射在所述第二部(1812)内是有利的，但是折射通过所述第二部(1812)的所述RF能量(1804)的第二部分被引导远离所述第二部(1812)；以及
所述第二高度被选择为使透射通过所述第三部(1814)的所述RF能量(1804)的第三部分聚焦到所述球面透镜(1816)上。
7.根据权利要求5或6所述的RF天线(1800)，其中，所述第二部(1812)的所述第一端与所述球面透镜(1816)的中心之间的距离是所述球面透镜(1816)的焦距。
8.根据权利要求5或6所述的RF天线(1800)，其中：
所述第一高度是大约0.01054米；
所述第二部(1812)的长度是大约0.002635米；
所述第二高度是大约0.0008783米；
所述第一半径是大约0.00251米；
所述RF能量(1804)的中心频率是大约40千兆赫；并且
所述RF能量(1804)的截止频率是大约35千兆赫。
9.根据权利要求4或5所述的RF天线(1800)，该RF天线(1800)还包括：
位于所述RF源(1802)之后但位于所述插塞(1808)之前的所述光路中的RF波导。
10.根据权利要求4或5所述的RF天线(1800)，其中，所述插塞(1808)包括具有大约4.4的相对介电常数的可挤压塑料。
11.根据权利要求4或5所述的RF天线(1800)，其中，光学活性被定义为能够以阈值水平反射和折射所述RF能量(1804)的物质。
12.一种射频RF天线(1900)，该RF天线(1900)被配置为减小由球面像差引起的RF旁波瓣，该RF天线(1900)包括：
RF源(1902)，该RF源(1902)被配置为在限定于所述RF源(1902)与来自所述RF天线(1900)的出口点(1906)之间的光路中发送RF能量(1904)；
位于所述RF源(1902)之后的所述光路中的插塞(1908)，该插塞(1908)包括相对于RF能量(1904)的光学活性材料，该插塞(1908)具有第一部(1910)、第二部(1912)和第三部(1914)，所述三个部(1910、1912、1914)由介电常数不同的不同材料制成；以及
位于所述插塞(1908)之后的所述光路中的球面透镜(1916)。
13.根据权利要求12所述的RF天线(1900)，其中：
所述第一部(1910)包括相对于所述RF能量(1904)具有第一折射率的第一材料；
所述第二部(1912)包括相对于所述RF能量(1904)具有大于所述第一折射率的第二折射率的第二材料；并且
所述第三部(1914)包括相对于所述RF能量(1904)具有大于所述第二折射率的第三折射率的第三材料。
14.根据权利要求13所述的RF天线(1900)，其中，所述第一材料、所述第二材料和所述第三材料中的至少两种具有不同的介电常数。
15.根据权利要求14所述的RF天线(1900)，其中，在所述第一材料、所述第二材料和所述第三材料中的所述至少两种之间设置介电常数的梯度。
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