CN112313835A - 具有可切换人工磁导体的可重构径向波导 - Google Patents

具有可切换人工磁导体的可重构径向波导 Download PDF

Info

Publication number
CN112313835A
CN112313835A CN201980040340.8A CN201980040340A CN112313835A CN 112313835 A CN112313835 A CN 112313835A CN 201980040340 A CN201980040340 A CN 201980040340A CN 112313835 A CN112313835 A CN 112313835A
Authority
CN
China
Prior art keywords
amc
waveguide
conductive
elements
frequency band
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201980040340.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112313835B (zh
Inventor
哈林姆·博泰亚伯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huawei Technologies Co Ltd
Original Assignee
Huawei Technologies Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huawei Technologies Co Ltd filed Critical Huawei Technologies Co Ltd
Publication of CN112313835A publication Critical patent/CN112313835A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112313835B publication Critical patent/CN112313835B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
    • H01Q15/002—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective said selective devices being reconfigurable or tunable, e.g. using switches or diodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/20—Electromagnets; Actuators including electromagnets without armatures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/20—Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0012—Radial guide fed arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0031—Parallel-plate fed arrays; Lens-fed arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0037—Particular feeding systems linear waveguide fed arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/20—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a curvilinear path
    • H01Q21/205—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a curvilinear path providing an omnidirectional coverage
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/24—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the orientation by switching energy from one active radiating element to another, e.g. for beam switching
    • H01Q3/242—Circumferential scanning

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

一种可切换人工磁导体(S‑AMC)，包括导电层、导电贴片、以及开路短截线，该导电贴片位于导电层的一侧上并且与导电层电绝缘，该开路短截线位于导电层的相对一侧上并与导电层电绝缘。开关元件被配置为响应于控制信号选择性地打开或关闭导电贴片和开路短截线之间的电连接。当该电连接关闭时，导电贴片对定义频带内的射频(RF)信号呈现出高阻抗导磁表面，当该电连接打开时，导电贴片对定义频带内的RF信号呈现出导电表面。

Description

具有可切换人工磁导体的可重构径向波导
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年6月15日提交的发明名称为“具有可切换人工磁导体的可重构径向波导”、申请号为No.16/009,980的美国专利申请的优先权，其全部内容以引入的方式并入本文。
技术领域
本公开涉及天线设计，在特定实施例中，涉及可重构波导天线阵列的装置和方法以及在该波导中使用的可切换人工磁导体的装置和方法。
背景技术
射频(radio frequency，RF)发射器利用天线传播无线RF信号。天线的形状以及RF信号处理技术使波束转向(beam steering)得以实现。波束转向允许在辐射信号的主瓣方向的位置方面具有空间选择性。传统波束转向技术依赖于通过一系列移相器和RF开关控制RF信号的相位。将移相器、RF开关、以及其他复杂的部件包括在内增加了天线的制造成本和设计复杂度。现有的实现波束转向的径向波导天线结构通常依赖于未有效利用空间的配置或依赖于昂贵的部件或组件。因此，需要一种具有宽带能力的较简单天线设计。这种天线可以在敏捷部署中使用。
发明内容
本公开描述了可切换人工磁导体(switchable artificial magneticconductor，S-AMC)以及包含S-AMC阵列以进行波束转向无线传输的敏捷天线设备。在至少一些应用中，所描述的S-AMC和天线设备可以用于实现节省空间的天线结构，该天线结构相比传统波束转向天线具有更高的成本效益。
根据第一示例方面的是一种可切换人工磁导体(S-AMC)元件，包括导电层、导电贴片、以及开路短截线，导电贴片位于该导电层的一侧上，并且与该导电层电绝缘，开路短截线位于该导电层的相对一侧上，并且与该导电层电绝缘。开关元件被配置为响应于控制信号，选择性地打开或关闭导电贴片和开路短截线之间的电连接。当上述电连接关闭时，导电贴片对定义频带内的射频(RF)信号呈现出高阻抗导磁表面，当上述电连接打开时，导电贴片对定义频带内的RF信号呈现出导电表面。
在一些示例中，上述开路短截线和上述导电贴片被配置为当上述电连接关闭时，用作具有落入定义频带内的谐振频率的LC电路。在一些示例中，上述开关元件是可开关二极管和纳米机电开关(nano-electromechanical switch，NEMS)之一。
在一些示例中，S-AMC元件由多层结构组成，该多层结构包括上述导电层，上述导电层作为中间层被夹在第一介电基板层和第二介电基板层之间，上述导电贴片位于第一介电基板层上，上述开关元件和开路短截线位于第二介电基板层上，上述S-AMC元件包括从上述导电贴片通过第一介电层、导电层、以及第二介电层延伸到上述开关元件的导电元件。
在示例实施方式中，多个第一示例方面的S-AMC元件可以包含在一片平行板波导中，该多个S-AMC元件被配置为，当处于第一状态时，对包括定义频带的目标频带内的RF信号呈现出导磁表面，当处于第二状态时，对上述目标频带内的RF信号呈现出导电表面，从而控制上述平行板波导内的RF信号的传播方向。在一些示例中，上述平行板波导是中心具有RF馈点(RF feed)的径向波导，并且上述多个S-AMC元件布置在圆形阵列中。在一些示例中，对于至少一些S-AMC元件，上述定义频带不同，并且上述多个S-AMC元件的目标频带大于单个S-AMC元件的定义频带。
根据第二示例方面的是一种波导，该波导包括相对的第一板和第二板，第一板和第二版之间定义射频(RF)信号波导区域，第一板包括可切换人工磁导体(S-AMC)元件的阵列，每个S-AMC元件可以在第一状态和第二状态之间切换，在第一状态中，S-AMC元件的波导表面在定义频带内是导电的，在第二状态中，上述波导表面在定义频带内是导磁的。射频(RF)探头设置在上述波导区域中，用于生成RF信号和/或接收RF信号。控制电路耦合到S-AMC元件，以选择性地控制S-AMC元件的状态，以控制上述波导区域内的RF信号相对于上述RF探头的传播方向。
在第二示例方面的一些示例中，上述波导是径向波导，并且上述S-AMC元件的阵列是围绕上述RF探头的圆形阵列。在一些示例中，上述S-AMC元件布置在围绕上述RF探头的多个环中。在一些示例中，上述S-AMC元件布置在围绕上述RF探头的S-AMC元件的多个可独立控制的圆弧段组中。在至少一些示例中，每个圆弧段组内的S-AMC元件中的至少一些S-AMC元件具有与该圆弧段组内的其他S-AMC元件不同的定义频带。
根据第三示例方面的是一种使用波导结构对射频(RF)信号进行波束转向的方法，该波导结构包括：在相对的第一表面和第二表面之间的波导区域；设置在该波导区域中的RF探头；以及定义第一表面的可切换人工磁导体(S-AMC)元件的阵列。每个S-AMC元件可以在第一状态和第二状态之间切换，在第一状态中，S-AMC元件对上述波导区域中定义频带内的RF信号呈现出导电表面，在第二状态中，S-AMC元件对上述波导区域中定义频带内的RF信号呈现出导磁表面。上述方法包括，使用微控制器控制S-AMC元件的状态，以控制上述波导区域内RF信号的传播方向。
附图说明
为了更完整地理解本发明的实施例及其优点，现参考以下结合附图的描述，其中：
图1示出了根据示例实施例的包含可切换人工磁导体(S-AMC)元件的波导的示例；
图2为图1所示的波导的S-AMC元件的侧剖面图；
图3为图2的S-AMC元件的正视图；
图4为图2的S-AMC元件的线框透视图；
图5为图2的S-AMC元件的后视图；
图6A为示出当处于OFF状态时图2的S-AMC元件的反射系数相位的图；
图6B为示出当处于ON状态时图2的S-AMC元件的反射系数相位的图；
图7A为示出平行导电板结构中的电场和电磁波的方向的示意图；
图7B为示出其中一片板为磁导体的平行板结构中不存在电场和电磁波的示意图；
图8为包含图2的多个S-AMC元件的具有接地层(ground plane)印刷电路板(printed circuit board，PCB)的波导的线框透视图；
图9为图8的波导的侧剖面图；
图10为示出当S-AMC元件处于OFF状态时图8的波导的透射系数和反射系数的图；
图11为示出当S-AMC元件处于ON状态时图8的波导的透射系数和反射系统的图；
图12为根据示例实施例的具有包含S-AMC元件的可重构径向波导的天线的线框透视图；
图13为图12的径向波导的侧剖面图；
图14为图3的部分XIV的放大，示出了图12的径向波导的S-AMC结构的一部分；
图15为图12的径向波导的S-AMC板的俯视图；
图16为图12的S-AMC板的仰视图；
图17为图12的径向波导的S-AMC板的俯视图，示出了一种操作模式；
图18示出了用于传输数据的无线网络的示意图；以及
图19为根据示例实施例的方法。
除非另有指示，否则在不同附图中的相应标号和符号通常指代相应的部分。绘制这些附图是为了示出实施例的相关方面，并不一定按比例绘制。在本公开中，描述方向的术语如上、下、前、后、左、右用作相对的术语。
具体实施方式
本文公开了可切换人工磁导体(S-AMC)以及敏捷天线设备的示例实施例，该敏捷天线设备包含S-AMC的阵列以进行宽带无线传输的波束转向。如本文所公开的，术语射频(radio frequency，RF)和RF信号分别用于表示适用于无线通信的RF频谱区域中的频率和信号，这些RF频谱包括但不限于特高频(ultra high frequency，UHF)、超高频(super highfrequency，SHF)、以及极高频(extremely high frequency，EHF)频带。
AMC(也称为高阻抗表面)是一种人工工程材料，其表面在特定频带等同于磁导体。通常使用印刷在具有各种金属化图案的介电基板上的周期性结构来实现AMC结构。在其特性中，AMC表面的两种特性产生了广泛的微波电路应用。第一种特性是AMC表面具有禁止频带。禁止频带内的波无法在该表面附近传播，并且相应的电流被阻止沿该表面传播。这使AMC表面可以用作接地层(ground plane)以及平面型和波导型滤波器。例如，可以将使用AMC表面的天线接地层设计为具有良好的辐射方向图，而不会产生不希望的波纹。这可以通过抑制带隙频率范围内的表面波传播来实现。第二种特性是AMC表面在特定有限频率范围内具有非常高的表面阻抗。在该特定有限频率范围内，即使沿表面具有较大的电场，切向磁场也较小。因此，AMC表面可以具有+1的反射系数(同相反射)。实际上，AMC表面的反射相位通常将相对于频率从+180°到-180°连续变化，并且将在一个频率处过零(对于一个谐振模式)。由于这一独特的边界条件，与传统金属平面的情况相反，AMC表面可以充当低剖面线天线的接地层，这是许多无线通信系统所需要的。
根据示例实施例，公开了一种可切换AMC元件，该AMC元件可以在定义频带内在磁导体模式和电导体模式之间切换。为了示出可切换AMC元件，图1示出了具有可切换AMC(switchable AMC，S-AMC)元件12的矩形波导10的示例，S-AMC元件12跨波导10的第一端口14和第二端口16之间的波导通路放置。
参考图2的侧剖面图，在所示示例中，S-AMC元件12由多层印刷电路板(printedcircuit board，PCB)组成，该多层PCB包括在中间接地导电层22的相对两侧上的第一介电基板层18和第二介电基板层20。导电贴片24位于第一介电基板层18的外表面，并且有源元件26位于第二介电基板层20的外表面。导电贴片24被隔离间隙44包围。导电元件28(其例如可以是金属通孔或金属销)延伸通过第一和第二基板层18、20以及中间接地导电层22，以将贴片24电连接到有源元件26的一端。导电元件28延伸通过穿过接地导电层22设置的开口30，该开口30将导电元件28与接地导电层22电绝缘。
图3至图5分别示出了S-AMC元件12的正视图、透视图、以及后视图。如上所述，导电元件28电连接至有源元件26的一端。在有源元件26的相对一端，有源元件26包括径向开路短截线32，该开路短截线32由基板层20的外表面上的导电层形成。该径向开路短截线32在定义频带内呈现出特定的阻抗。导电元件28通过导电微带线34通过开关元件36(例如PIN二极管或纳米机电(nano-electromechanical，NEM)开关)电连接到径向开路短截线32。开关元件36可以由控制信号控制，以选择性地将导电元件28(以及导电贴片24)连接到径向开路短截线32或将二者断开连接。
有源元件26可以用于根据开关元件36是“ON”还是“OFF”来控制S-AMC元件12的行为。当开关元件36是“ON”时，该开关元件将导电贴片24电连接至径向开路短截线32。当开关元件36是“OFF”时，该开关元件将导电贴片24与径向开路短截线32绝缘。当开关元件36是OFF时，S-AMC在定义频带内表现为电导体。当开关元件36是ON时，S-AMC在定义频带内表现为磁导体。这种行为改变是由于S-AMC元件12的等效电容和等效电感的变化，其确定了在定义频带内S-AMC元件12所呈现的表面阻抗。特别地，S-AMC元件12表现为电感/电容(LC)谐振器，在谐振频率处充当磁导体。S-AMC元件12充当磁导体的谐振频率取决于等效电容或等效电感(或二者)。这又取决于组成S-AMC元件12的部件的物理尺寸和特性。通过选择S-AMC元件12的合适物理尺寸和特性中的至少一项，在S-AMC元件12的设计阶段为S-AMC元件设置谐振频率以及得到的定义频带。对于一个仿真示例，在28GHz(λO＝10.7mm)，使用以下尺寸/特性：基板层18的厚度为0.5mm，介电常数为3.7；基板层20的厚度为0.2mm，介电常数为3.7；S-AMC元件12单位单元大小为6mmX6mm(大约0.56λO X 0.56λO)；导电贴片24大小为5mmX5mm(大约0.46λO X0.46λO)；微带线34的宽度为0.1mm，长度为0.3mm；以及开路径向短截线32的长度为0.9mm(大约0.15λg，其中λg是基板层中的28GHz信号的波长)。
图6和图7示出了图1的示意性波导10内的S-AMC元件12的运行情况。特别地，图6A中示出了在开关元件36是OFF的情况下，在第一端口14处测量的使用Fouquet边界条件(在垂直入射下)的S-AMC元件12的反射系数的相位，并且图6B中示出了在开关元件36是ON的情况下的相位。如图6A所示，当处于OFF状态时，在约28GHz的频率处，S-AMC元件12表现得如同电导体，在28GHz处提供了约+/-180度的相位反射系数。然而，如图6B所示，当处于ON状态时，在约28GHz的同一频率处，S-AMC元件12表现得如同磁导体，提供了约0度的相位反射系数。因此，S-AMC元件12充当可重构元件，其可以被配置为，当处于第一状态(例如OFF状态)时，对于定义频带内的信号充当电导体，当处于第二状态时(例如OFF状态)，充当高阻抗磁导体。
在示例实施例中，S-AMC元件12的可重构行为用于提供可以将RF信号作为电磁(electromagnetic，EM)波选择性地传播的波导结构。作为说明，图7A和图7B示出了分别传播和阻断EM波的结构。图7A示出了传统平行板波导结构，其中EM波在位于两个导电板之间的电介质中传播。电导体之间的电场的存在使EM波得以传播。图7B示出了相同的结构，其中上方电导体板被替换为磁导体。磁导体具有高电阻抗，从而平行板之间不存在电场，EM波在板之间的传播被阻断。
相应地，在示例实施例中，布置多个S-AMC元件12以形成平面周期阵列结构，该结构可以用作波导结构中的可重构表面或壁。为了说明，图8是平行板矩形波导40的示意线框透视图，其中S-AMC结构54集成在波导40的接地层PCB 42中。S-AMC结构54包括一行三个S-AMC元件12(1)、12(2)、12(3)。图9为从波导40的端口P1延伸到端口P2的剖面图。如从图8和图9可见，波导40包括位于接地层PCB 42和另一平面导电表面46之间的波导通路50。波导通路50被从端口P1延伸到端口P2的电介质(例如空气)填充。S-AMC结构65的三个S-AMC元件12(1)、12(2)、12(3)集成到接地层PCB 42的一行中，其宽度对应于Floquet边界条件(在图8中通过虚线52示出)。
如图9所示，平面接地层PCB 42包括第一内部介电基板层18和第二外部介电基板层20，这两个层位于中间接地导电层22的相对两侧上。在内部介电基板层18的内表面上设置另一朝内导电层48，该朝内导电层48与平面导电表面46隔开。朝内导电层48以及平面导电表面46定义了波导通路50的相对表面。朝内导电层48被蚀刻贯穿直至基板层18，以提供矩形隔离间隙44，这些隔离间隙44定义了各个S-AMC元件12(1)、12(2)、12(3)的电隔离的导电贴片24。如上所述，每个S-AMC元件12(1)、12(2)、12(3)包括相应的导电元件28，导电元件28延伸通过基板层18、22以及中间导电层22，延伸到包括径向开路短截线32的有源元件26。可以通过控制信号控制每个S-AMC元件12(1)、12(2)、12(3)，以将其导电贴片24连接至径向开路短截线或将二者断开连接。
因此，在波导40中，S-AMC元件12(1)、12(2)、12(3)可以在OFF状态和ON状态之间切换，在OFF状态中，每个S-AMC元件12(1)、12(2)、12(3)的导电贴片与其相应的径向开路短截线32断开连接，在ON状态中，每个S-AMC元件12(1)、12(2)、12(3)的导电贴片24电连接至其相应的径向开路短截线32。在OFF状态中，S-AMC元件12(1)、12(2)、12(3)在目标频带内充当电导体，从而平面接地层PCB 42提供沿波导通路50的长度的不间断导电接地表面，允许目标频带中的RF信号从端口P1传播到端口P2。相反，在ON状态中，S-AMC元件12(1)、12(2)、12(3)被重配置为目标频带内的高阻抗磁导体，从而导电表面沿接地层PCB42被中断，阻止目标频带中的RF信号从端口P1传播到端口P2。
如上所述，S-AMC结构54的谐振频率(以及相应的目标频带(BWtarget))由每个S-AMC元件12(1)、12(2)、12(3)的物理尺寸和特性共同确定。在至少一些示例实施例中，每个S-AMC元件12(1)、12(2)、12(3)可以被配置为覆盖不同的相互重叠的连续频带，以为S-AMC结构54提供较大的共同目标频率带宽(BWtarget)。例如，每个S-AMC元件12(1)、12(2)、12(3)的径向开路短截线32可以具有与其他S-AMC元件不同的尺寸。这可以用于目标频带BW target内的不同定义频带。
图10和图11示出了图8和图9的示意性波导40内的S-AMC结构54的运行情况。在图10和图11中，用标记为“透射系数”的线画出了以分贝(decibel，dB)为单位的透射系数(即，在端口P2接收的RF信号强度相对于在端口P1发射的信号强度)相对于频率的变化，并且用标记为“反射系数”的线画出了反射系数(即，在端口P1反射的RF信号强度相对于在端口P1发射的信号)相对于频率的变化。如图10所示，在约28GHz的目标频带(BWtarget)处，当S-AMC结构54处于“OFF”状态时，透射系数具有较高值，反射系数具有较低值，表明S-AMC结构54充当导电表面。相反，如图11所示，当S-AMC结构54处于“ON”状态时，透射系数具有较低值，反射系数具有较高值，表明S-AMC结构54在约28GHz的目标频率带宽(BWtarget)处充当高阻抗导磁表面。
在示例实施例中，利用了包含S-AMC元件12的S-AMC结构的可配置性质来实现敏捷波束成形径向波导结构。在这方面，图12和图13分别示出了根据示例实施例的天线100的透射图和剖面图。天线100包括可重构径向波导结构101，波导结构101由第一平行圆形板102和第二平行圆形板104组成，这两个板具有相对的、间隔开的表面106、108(参见图13)，这两个表面定义了内部波导区域103。平行板102、104通过形成导电衬垫110的一个或多个导电构件围绕其各自的周边彼此电连接，导电衬垫110提供短路端。在实施例中，导电衬垫110是放置在两个板102、104的外侧边缘附近的环形导电衬垫。平行板102、104的相对表面106、108间隔预定高度H，该高度促进宽带操作。在示例实施例中，板102、104通过非导电的RF可穿透介质间隔开，在所示示例中该介质为空气。
在示例实施例中，径向波导结构的底部圆形板102由多层PCB形成，该多层PCB包括中央介电基板层，在中央介电基板层的内表面106、外表面、以及侧边缘上均涂覆有导电层。在一些示例中，一组分立探头118沿周向布置在平行板102、104之间。每个探头118都连接至相应的辐射元件120，辐射元件120延伸通过穿过圆形板102设置的相应槽122。探头118为径向波导结构101和相应辐射元件120之间的EM波提供了过渡，使得每个探头118用作到波导结构101的相应圆周端口。在一些示例中，可以省略探头118和辐射元件120，并且槽122被配置为辐射槽，该辐射槽用作径向波导结构101和外部环境之间的端口。
顶部圆形板104是集成了圆形S-AMC结构124的多层PCB，S-AMC结构124包括S-AMC元件12的圆形阵列。顶部圆形板104和集成的S-AMC结构124的架构类似于以上关于图8和图9的波导40所述的接地层PCB 42和集成的S-AMC结构54的架构。在这方面，如图14中的放大部分以及图15和图16的俯视图和仰视图所示，圆形板104包括位于中间导电层22的相对两侧上的第一内部介电基板层18和第二外部介电基板层20。朝内的导电层48设于介电基板层18的内表面上，定义了波导101的顶部内表面108。朝内的导电层48被蚀刻贯穿直至基板层18以提供隔离间隙44，这些隔离间隙44定义了相应S-AMC元件12的电隔离的导电贴片24。如前所述，每个S-AMC元件12包括相应的导电元件28，该导电元件28延伸通过基板层18、22和中间导电层22，延伸到包括径向开路短截线32的相应有源元件26。
从图15和图16可见，S-AMC元件12(及其相应的导电贴片24)布置在波导表面108上的围绕顶部圆形板104的中心的同心环130A、103B、130C中。虽然在不同的配置和实施例中，环的数量和每个环中S-AMC元件12的数量可以改变，但在所示实施例中，同心环的数量为三，其中外环130A包括18个周期性分布的S-AMC元件12，中间环130B具有12个周期性分布的S-AMC元件12，内环130C具有6个周期性分布的S-AMC元件12。在所示示例中，S-AMC元件12被划分成六个周期弧段132，每个周期弧段132包括六个S-AMC元件12。图15和图16中用括号指示了这些弧段132之一。
从图12和图13的示意性实施例可见，RF馈点或探头116可以位于内部波导区域103的中央的天线100的中央。中央RF探头116与板102、104电绝缘，并且通过顶部板104的开口连接到RF线连接器161，RF线连接器161使RF输入和输出线中的至少一个能够连接到天线100。在一个示例中，连接器161可以是同轴接口，其将同轴线的RF信号携带线连接至中央RF探头116并将同轴线的接地护套连接至公共波导接地，公共波导接地耦合至板102、104的导电层以及导电衬垫110。圆周RF探头118位于S-AMC结构124的外周与外部导电衬垫110之间。
再次参考图12和图13，在示例实施例中，S-AMC元件12的有源元件26各自连接到相应的控制线134，控制线134例如可以包括在基板18的表面上形成的导电线。在所示实施例中，控制线134通向接口电路154，接口电路154例如可以包括安装在板104上的集成电路芯片。参考图13，接口电路154连接至控制电路158，控制电路158被配置为向每个控制线134施加控制信号，以选择性地控制有源元件26。在示例实施例中，控制电路158包括微控制器159，微控制器159包括处理器和携带指令的存储，该指令将控制电路158配置为选择性地向不同的控制线134施加不同的信号，以便实现径向波导101内的波束转向。
特别地，如上所述，当处于OFF状态时，S-AMC元件12将使波导表面108的对应部分对于目标频率带宽(BWtarget)内的RF波用作导电接地平面，当处于ON状态时，S-AMC元件12将使波导表面108的对应部分在目标频率带宽内用作高阻抗磁导体。
根据以上描述，将理解，可以控制天线200以实现波束转向。特别地，根据示例方法，控制电路158可以被配置为选择性地配置S-AMC元件12以将径向波导区域203内的RF信号的传播引导至位于天线100的不同径向区域中的所选择的径向探头118。在一些示例中，S-AMC元件12可以作为组来控制。出于说明目的，图17是图15的再现，其中六个弧形分段132中的每一个被分别标记为132(1)至132(6)。在图17的示例中，弧形分段132(1)至132(6)内的每个S-AMC元件12可以作为一组被控制为处于OFF状态或处于ON状态。在图17所示的特定示例中，弧形分段132(1)中的所有有源元件26都处于OFF状态，每个弧形分段132(2)至132(6)中的所有有源元件都处于ON状态。因此，与RF信号对应的EM波在径向波导101内被转向，如箭头160所示，EM波仅在弧段132(1)内传播。
在至少一些示例实施例中，可控制组(例如弧段132)内的每个S-AMC元件可以被配置为覆盖不同的、重叠的连续频带，以为弧段132提供更大的共同目标频率带宽(BWtarget)。
在至少一些示例实施例中，用于天线100的径向波导结构可以使用除两个间隔的PCB以外的结构形成。例如，诸如低温共烧陶瓷(low temperature co-fired ceramics，LTCC)的多层技术可以用于形成合适的结构。
图18示出了网络300，其中波束转向天线(例如天线100)可以用于传输数据。网络300包括具有覆盖区域312的基站310、多个用户设备(user equipment，UE)320、以及回程网络330。基站310可以包括能够提供无线接入(例如与UE 320建立上行(虚线)和下行(点线)连接中的至少一个)的任何部件。基站310的示例包括无线广域网基站(nodeB)、增强型基站(eNB)、下一代NodeB(gNodeB或gnB)、毫微微小区、无线LAN或WiFi接入点、以及其他启用无线的设备。UE 320可以包括能够与基站310建立无线连接的任何部件。回程网络330可以是使数据能够在基站310和远程端(未示出)之间交换的任何部件和部件的集合。在一些实施例中，网络300可以包括各种其他无线设备，例如中继、毫微微小区等。基站310或网络300的其他无线通信设备可以包括如下所述的一个或多个敏捷天线设备。上述敏捷天线设备(例如包括天线100)用于与其他设备发射/接收无线信号或RF信号，例如以进行蜂窝或无线通信。
图19示出了示例方法，其中，包括径向波导101的天线100可以在网络300中使用。在图19的示例中，径向波导101包含在基站310内，基站310支持与多个UE 320的多输入多输出(multiple input multiple output，MIMO)通信。基站310在第一时隙有数据要发送给第一UE 320，在第二时隙有数据要发送给第二UE 320。如框350所示，天线控制电路158的微控制器159控制波导101的S-AMC元件12的状态，以控制波导区域103内的RF信号的传播方向，以在第一时隙向第一位置处的第一UE 320发送第一RF信号。如框352所示，天线控制电路158的微控制器159控制波导101的S-AMC元件12的状态，以控制波导区域103内的RF信号的传播方向，以在第二时隙向第二位置处的第二UE 320发送第二RF信号。
在本文中，诸如“前”、“后”、“上”、“下”、“水平”、“顶部”、“底部”、“侧面”等方向性参考纯粹是为了便于描述，并不限制本公开的范围。此外，本文提供的任何尺寸仅是示例，并且除非另外指定，否则不限制本公开的范围。
尽管在本公开中已经提供了若干实施例，但是应该理解，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以以许多其他特定形式来实施所公开的系统和方法。所示示例被认为是说明性的而不是限制性的，并且本发明的意图不限于本文给出的细节。例如，各种元件或部件可以组合或集成在另一个系统中，或者某些特征可以省略或不实现。
另外，在不脱离本公开的范围的情况下，在各种实施例中以离散或分离的方式描述和示出的技术、系统、子系统、和方法可以与其他系统、模块、技术、或方法组合或集成。示出或讨论为彼此耦合或直接耦合或通信的其他项可以通过某种接口、设备、或中间组件以电气、机械、或其他方式间接耦合或通信。改变、替换、和变更的其他示例可以由本领域技术人员确定，并且可以在不脱离本文公开的精神和范围的情况下做出。

Claims (20)

1.一种可切换人工磁导体(S-AMC)元件，包括：
导电层，具有至少两侧；
导电贴片，位于所述导电层的一侧上，并且与所述导电层电绝缘；
开路短截线，位于所述导电层的相对一侧上，并且与所述导电层电绝缘；以及
开关元件，被配置为响应于控制信号，选择性地打开或关闭所述导电贴片和所述开路短截线之间的电连接，
当所述电连接关闭时，所述导电贴片对定义频带内的射频(RF)信号呈现出高阻抗导磁表面，当所述电连接打开时，所述导电贴片对所述定义频带内的RF信号呈现出导电表面。
2.根据权利要求1所述的S-AMC元件，其中，所述开路短截线和所述导电贴片被配置为当所述电连接关闭时，用作具有落入所述定义频带内的谐振频率的LC电路。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的S-AMC元件，其中，所述开关元件是可开关二极管和纳米机电开关(NEMS)之一。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的S-AMC元件，其中，所述S-AMC元件由多层结构形成，所述多层结构包括所述导电层，所述导电层作为中间层夹在第一介电基板层和第二介电基板层之间，所述导电贴片位于所述第一介电基板层上，所述开关元件和所述开路短截线位于所述第二介电基板层上，所述S-AMC元件包括从所述导电贴片通过所述第一介电层、所述导电层、以及所述第二介电层延伸到所述开关元件的导电元件。
5.多个根据权利要求1至4中任一项所述的S-AMC元件，包含在一平行板波导中，所述多个S-AMC元件被配置为，当处于第一状态时，对包括所述定义频带的目标频带内的RF信号呈现出导磁表面，当处于第二状态时，对所述目标频带内的所述RF信号呈现出导电表面，从而控制所述平行板波导内的所述RF信号的传播方向。
6.根据权利要求5所述的多个S-AMC元件，其中，所述平行板波导是中心具有RF馈点的径向波导，并且所述多个S-AMC元件布置在圆形阵列中。
7.根据权利要求5和6中任一项所述的多个S-AMC元件，其中，对于至少一些所述S-AMC元件，所述定义频带不同，并且所述多个S-AMC元件的所述目标频带大于单个S-AMC元件的所述定义频带。
8.一种波导，包括：
相对的第一板和第二板，所述第一板和第二板之间定义射频(RF)信号波导区域，所述第一板包括可切换人工磁导体(S-AMC)元件的阵列，每个S-AMC元件可以在第一状态和第二状态之间切换，在所述第一状态中，所述S-AMC元件的波导表面在定义频带内是导电的，在所述第二状态中，所述波导表面在所述定义频带内是导磁的；
射频(RF)探头，设置在所述波导区域中，用于生成和/或接收RF信号；以及
控制电路，耦合到所述S-AMC元件，以选择性地控制所述S-AMC元件的状态，以控制所述波导区域内的RF信号相对于所述RF探头的传播方向。
9.根据权利要求8所述的波导，其中，所述波导是径向波导，并且所述S-AMC元件的阵列是围绕所述RF探头的圆形阵列。
10.根据权利要求9所述的波导，其中，所述S-AMC元件布置在围绕所述RF探头的多个环中。
11.根据权利要求9所述的波导，其中，所述S-AMC元件布置在围绕所述RF探头的所述S-AMC元件的多个可独立控制的圆弧段组中。
12.根据权利要求11所述的波导，其中，每个圆弧段组内的所述S-AMC元件中的至少一些S-AMC元件具有与所述圆弧段组内的其他S-AMC元件不同的定义频带。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的波导，其中，每个S-AMC元件包括：
导电层；
导电贴片，定义所述波导表面，位于所述导电层的一侧上并与所述导电层电绝缘；
开路短截线，位于所述导电层的相对一侧上并与所述导电层电绝缘；
开关元件，被配置为基于来自所述控制电路的控制信号，选择性地打开所述导电贴片和所述开路短截线之间的电连接以使所述S-AMC元件处于所述第一状态、以及关闭所述电连接以使所述S-AMC元件处于所述第二状态。
14.根据权利要求13所述的波导，其中，对于每个所述S-AMC元件，所述开路短截线和所述导电贴片被配置为当所述电连接关闭时，用作具有落入所述定义频带内的谐振频率的LC电路。
15.根据权利要求14所述的波导，其中，所述开关元件是可开关二极管和纳米机电开关(NEMS)之一。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的波导，其中，所述第一板是多层结构，其中，所述S-AMC元件的所述导电层是所述第一板的夹在第一介电基板层和第二介电基板层之间的中间层，并且对于每个所述S-AMC元件：所述导电贴片位于所述第一介电基板层上，所述开关元件和所述开路短截线位于所述第二介电基板层上，导电元件从所述导电贴片通过所述第一介电层、所述导电层、以及所述第二介电层延伸到所述开关元件。
17.一种使用波导结构的对射频(RF)信号进行波束转向的方法，所述波导结构包括：在相对的第一表面和第二表面之间的波导区域；设置在所述波导区域中的RF探头；定义第一表面的可切换人工磁导体(S-AMC)元件的阵列，其中，每个所述S-AMC元件可以在第一状态和第二状态之间切换，在所述第一状态中，所述S-AMC元件对所述波导区域中定义频带内的RF信号呈现出导电表面，在所述第二状态中，所述S-AMC元件对所述波导区域中所述定义频带内的RF信号呈现出导磁表面；
所述方法包括，使用微控制器控制所述S-AMC元件的状态，以控制所述波导区域内的所述RF信号的传播方向。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述波导是中心设置有所述RF探头的径向波导，所述S-AMC元件的阵列是围绕所述RF探头的圆形阵列，其中，控制所述S-AMC元件的所述状态包括控制所述S-AMC元件的组的状态以在所述波导的选择的圆弧段内传播所述RF信号。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，在一组所述S-AMC元件内，至少一些所述S-AMC元件具有不同的定义频带。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，控制所述S-AMC元件的所述状态以控制所述RF信号的所述传播方向包括，在第一时隙中，控制所述传播方向以向第一位置处的第一用户设备发送第一RF信号，以及在第二时隙中，控制所述传播方向以向第二位置处的第二用户设备发送第二RF信号。
CN201980040340.8A 2018-06-15 2019-06-14 可切换人工磁导体、具有可切换人工磁导体的可重构径向波导及相关方法 Active CN112313835B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/009,980 US10903569B2 (en) 2018-06-15 2018-06-15 Reconfigurable radial waveguides with switchable artificial magnetic conductors
US16/009,980 2018-06-15
PCT/CN2019/091194 WO2019238106A1 (en) 2018-06-15 2019-06-14 Reconfigurable radial waveguides with switchable artificial magnetic conductors

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112313835A true CN112313835A (zh) 2021-02-02
CN112313835B CN112313835B (zh) 2022-04-12

Family

ID=68838778

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980040340.8A Active CN112313835B (zh) 2018-06-15 2019-06-14 可切换人工磁导体、具有可切换人工磁导体的可重构径向波导及相关方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10903569B2 (zh)
CN (1) CN112313835B (zh)
WO (1) WO2019238106A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11855347B2 (en) * 2019-12-30 2023-12-26 Kymeta Corporation Radial feed segmentation using wedge plates radial waveguide
JP7449746B2 (ja) * 2020-03-27 2024-03-14 京セラ株式会社 アンテナ、無線通信モジュール、荷物受取装置及び荷物受取システム

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020167457A1 (en) * 2001-04-30 2002-11-14 Mckinzie William E. Reconfigurable artificial magnetic conductor
US20030052757A1 (en) * 2001-09-19 2003-03-20 E-Tenna Corporation Mechanically reconfigurable artificial magnetic conductor
US20080224947A1 (en) * 2004-01-14 2008-09-18 Werner Douglas H Reconfigurable Frequency Selective Surfaces For Remote Sensing of Chemical and Biological Agents
TW201345047A (zh) * 2012-03-22 2013-11-01 Broadcom Corp 具有可編程基板的可編程天線
CN103548205A (zh) * 2011-04-07 2014-01-29 Hrl实验室有限责任公司 可调阻抗表面
US20150380814A1 (en) * 2014-06-30 2015-12-31 Futurewei Technologies, Inc. Apparatus and Method of a Dual Polarized Broadband Agile Cylindrical Antenna Array with Reconfigurable Radial Waveguides
WO2016000577A1 (en) * 2014-06-30 2016-01-07 Huawei Technologies Co., Ltd. Appratus and method of dual polarized broadband agile cylindrical antenna array with reconfigurable radial waveguides
CN106165196A (zh) * 2014-04-18 2016-11-23 川斯普公司 用于电路设计的超材料基板
CN206271011U (zh) * 2016-10-28 2017-06-20 浙江大学 具有人工磁导体反射板的抗金属rfid标签天线
CN106972279A (zh) * 2017-03-30 2017-07-21 南京邮电大学 频率可调的人工磁导体结构及其实现相位调制屏的方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6917343B2 (en) 2001-09-19 2005-07-12 Titan Aerospace Electronics Division Broadband antennas over electronically reconfigurable artificial magnetic conductor surfaces
US7420524B2 (en) 2003-04-11 2008-09-02 The Penn State Research Foundation Pixelized frequency selective surfaces for reconfigurable artificial magnetically conducting ground planes
US20090146894A1 (en) * 2007-12-05 2009-06-11 Honeywell International Inc. Reconfigurable antenna steering patterns
US8451189B1 (en) 2009-04-15 2013-05-28 Herbert U. Fluhler Ultra-wide band (UWB) artificial magnetic conductor (AMC) metamaterials for electrically thin antennas and arrays
US9397395B2 (en) 2013-02-06 2016-07-19 Huawei Technologies Co., Ltd. Electronically steerable antenna using reconfigurable power divider based on cylindrical electromagnetic band gap (CEBG) structure
US9692126B2 (en) * 2014-05-30 2017-06-27 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Millimeter (mm) wave switched beam antenna system
US9490535B2 (en) 2014-06-30 2016-11-08 Huawei Technologies Co., Ltd. Apparatus and assembling method of a dual polarized agile cylindrical antenna array with reconfigurable radial waveguides
US10297919B2 (en) * 2014-08-29 2019-05-21 Raytheon Company Directive artificial magnetic conductor (AMC) dielectric wedge waveguide antenna
US9705611B1 (en) 2016-03-24 2017-07-11 Rockwell Collins, Inc. Systems and methods for array antenna calibration

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020167457A1 (en) * 2001-04-30 2002-11-14 Mckinzie William E. Reconfigurable artificial magnetic conductor
US20030052757A1 (en) * 2001-09-19 2003-03-20 E-Tenna Corporation Mechanically reconfigurable artificial magnetic conductor
US20080224947A1 (en) * 2004-01-14 2008-09-18 Werner Douglas H Reconfigurable Frequency Selective Surfaces For Remote Sensing of Chemical and Biological Agents
CN103548205A (zh) * 2011-04-07 2014-01-29 Hrl实验室有限责任公司 可调阻抗表面
TW201345047A (zh) * 2012-03-22 2013-11-01 Broadcom Corp 具有可編程基板的可編程天線
CN106165196A (zh) * 2014-04-18 2016-11-23 川斯普公司 用于电路设计的超材料基板
US20150380814A1 (en) * 2014-06-30 2015-12-31 Futurewei Technologies, Inc. Apparatus and Method of a Dual Polarized Broadband Agile Cylindrical Antenna Array with Reconfigurable Radial Waveguides
WO2016000577A1 (en) * 2014-06-30 2016-01-07 Huawei Technologies Co., Ltd. Appratus and method of dual polarized broadband agile cylindrical antenna array with reconfigurable radial waveguides
CN206271011U (zh) * 2016-10-28 2017-06-20 浙江大学 具有人工磁导体反射板的抗金属rfid标签天线
CN106972279A (zh) * 2017-03-30 2017-07-21 南京邮电大学 频率可调的人工磁导体结构及其实现相位调制屏的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FILIPPO COSTA等: "Tunable High-Impedance Surface With a Reduced Number of Varactors", 《IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS》 *
杨琬琛: "新型人工磁导体结构特性研究及其在高性能天线中的应用", 《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Also Published As

Publication number Publication date
US20190386392A1 (en) 2019-12-19
CN112313835B (zh) 2022-04-12
US10903569B2 (en) 2021-01-26
WO2019238106A1 (en) 2019-12-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110114938B (zh) 可重配置径向线缝隙天线阵列
US9502765B2 (en) Apparatus and method of a dual polarized broadband agile cylindrical antenna array with reconfigurable radial waveguides
US6320547B1 (en) Switch structure for antennas formed on multilayer ceramic substrates
CN111193523B (zh) 计算设备、移动电话及用于计算设备的方法
EP3918670B1 (en) Dual-polarized substrate-integrated beam steering antenna
CN105874648B (zh) 具有径向波导的宽带灵活圆柱形天线阵列的装置和方法
EP2963736A1 (en) Multi-band antenna element and antenna
EP1406346B1 (en) Stripline parallel-series-fed proximity-coupled cavity backed patch antenna array
CN109742538B (zh) 一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线及其天线阵列
WO2016082748A1 (en) System and method for electronically adjustable antenna
WO2020211871A1 (en) Antenna structure and method for manufacturing the same
CN112313835B (zh) 可切换人工磁导体、具有可切换人工磁导体的可重构径向波导及相关方法
Abdulhameed et al. Radiation pattern control of microstrip antenna in elevation and azimuth planes using EBG and pin diode.
EP4071927A1 (en) Reconfigurable antenna and network device
KR102251287B1 (ko) 기판집적도파관 구조를 세그먼트 분리하여 층으로 할당하고 적층하는 방식의, 5g 소형 단말기 및 중계기용 광대역 빔 포밍 안테나 면적 축소법
KR20230067692A (ko) 안테나 디바이스, 안테나 디바이스들의 어레이
CN114465650B (zh) 无线辅助设备
KR102556029B1 (ko) 5G Sub-6GHz-대역 소형 MIMO 안테나와 빔스캐닝 장치
Yong Array antennas and radomes for millimetre-wave 5G applications
KR20210035734A (ko) 밀리미터 파 범위 용 다기능 정류기
TW202312553A (zh) 步階式換衡器
KR101692745B1 (ko) 광대역 및 고격리도를 갖는 0차 공진형 메타재질 lte mimo 초소형 안테나
KR20220166943A (ko) 안테나 모듈
Fortuni Reconfigurable Leaky Wave Antenna based on Metamaterial Substrate Integrated Waveguide for 5G oriented beamsteering application

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant