CN112425003A - 波束可电子转向低旁瓣复合左右手（crlh）超材料阵列天线 - Google Patents

波束可电子转向低旁瓣复合左右手（crlh）超材料阵列天线 Download PDF

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Abstract

一种高增益、低旁瓣、波束可转向天线，包括液晶加载复合左右手(CRLH)超材料阵列。该超材料阵列包括一对第一行和第二行单位单元，以沿第一轴传播辐射方向图。一行可以在左手模式下工作，另一行可以在右手模式下工作。超材料阵列中的每个单位单元包括液晶体和至少一个隔离接地贴片。隔离接地贴片是能够产生电位差以调节液晶的介电值的虚拟接地连接。第一行和第二行沿第一轴端到端定向并彼此间隔第一距离。该天线包括相位可变液晶加载透镜，该透镜可控地沿与第一轴正交的第二轴相位可变。

Description

波束可电子转向低旁瓣复合左右手(CRLH)超材料阵列天线
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年7月19日提交的发明名称为“波束可电子转向低旁瓣复合左右手(CRLH)超材料阵列天线”、申请号为16/040,137的美国专利申请的优先权，其内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及阵列天线。更具体地，本发明涉及包含复合左右手(composite right-left-handed，CRLH)超材料的阵列天线。
背景技术
漏波天线由波导结构组成，该波导结构允许沿着引导结构的长度进行低电平连续射频(radio frequency，RF)辐射，该漏波天线应用于包括诸如5G网络和卫星通信等通信应用的诸多应用中。为了确保辐射指向固定方向，典型的漏波天线要求在给定频率下将沿结构的辐射场的传播系数保持恒定。因此，典型的漏波天线具有均匀口径(aperture)的几何结构。这种配置导致振幅从馈电点沿天线口径呈自然指数衰减。非对称的振幅衰减(amplitude tapering)的场通常会导致此类天线的辐射方向图中的旁瓣性能较差。此外，典型的漏波天线仅允许以固定频率进行角扫描，并且由于天线固有的正传播常数，所以只能在大约一半的可用空间(例如，小于90度)内进行扫描。
超材料(metamaterial，MTM)是人工结构，其特性与天然的右手材料不同。超材料可以被制造为在左手模式和/或右手模式下进行工作。这种材料称为复合左右手(CRLH)超材料。可以使用传统的介电材料和导电材料对CRLH超材料进行设计，以产生独特的电磁特性。
可以在诸如传统印刷电路板(printed circuit board，PCB)或柔性PCB的各种基板或电路平台上制造CRLH超材料部件，从而提供一种易于制造、价格低廉的解决方案。基板可包括接地面或具有截短的或图案化的一个或多个接地部分的表面。包括CRLH超材料在内的超材料可用于构建包括漏波天线的天线，其可以避免传统天线的诸如旁瓣性能差以及波束不能波束可电子转向等诸多缺点。
发明内容
本公开描述了一种切实可行的均匀漏波天线装置。更具体地说，在各种示例中，本公开描述了一种二维(two-dimensional，2D)可电子转向毫米波漏波天线，其结合了多种液晶加载CRLH超材料，并且能够以多个频率以及以固定频率进行全空间波束转向。通过利用CRLH超材料阵列的左右手特性，本公开各个示例中的天线可以在整个空间(+/-90度)上扫描并产生口径场(aperture field)，该口径场产生具有较低旁瓣的辐射方向图，而无需非均匀的漏波天线结构。
在一些方面，本公开描述了包括第一基板、第二基板、以及设置在第一基板和第二基板之间的复合左右手(CRLH)超材料阵列的天线。该超材料阵列包括至少一对第一行和第二行单位单元(unit cell)。该第一行和第二行单位单元中的一行可控地在左手模式下工作，并且该第一行和第二行单位单元中的另一行可控地在右手模式下工作。该至少一对第一行和第二行单位单元用于沿第一轴传播辐射方向图。每个单位单元包括具有可控的介电值的液晶体以及与第一基板和第二基板电隔离的至少一个隔离接地贴片。该至少一个隔离接地贴片用作虚地连接，该虚地连接可产生用于调节液晶体的介电值的电势差。第一行和第二行单位单元沿第一轴端对端定向并彼此间隔第一距离。该天线还包括设置在CRLH超材料阵列上的相位可变液晶加载透镜。该透镜可控地沿与第一轴正交的至少第二轴相位可变。
在任一前述方面/实施例中，第一基板或第二基板可以包括天线的接地面，上述至少一个隔离接地贴片与接地面电隔离。
在任一前述方面/实施例中，CRLH超材料阵列可以包括第一对第一行和第二行单位单元以及第二对第一行和第二行单位单元，该第二对行单位单元平行于第一对行单位单元，第一对行单位单元和第二对行单位单元沿第二轴间隔第二距离。
在任一前述方面/实施例中，第一对单位单元和第二对单位单元之间的第二距离可以为天线的工作波长的四分之一。
在任一前述方面/实施例中，至少一对单位单元的第一行和第二行单位单元之间的第一距离可以为天线的工作波长的四分之一。
在任一前述方面/实施例中，透镜可以仅沿第二轴相位可变。
在任一前述方面/实施例中，透镜可以沿第一轴相位可变，并且沿第二轴相位可变。
在任一前述方面/实施例中，第一基板包括铜层。
在一些方面，本公开描述了一种复合左右手(CRLH)超材料单位单元。该单位单元包括第一基板和第二基板，以及定义在第一基板和第二基板之间的中间区域。该单位单元还包括将单位单元电耦合到一个或多个相邻单位单元的串联电容器，以及将单位单元电耦合到地的并联电感器。该串联电容器和该并联电感器共同形成复合左右手超材料结构。该单位单元还包括位于中间区域内的空腔中的液晶体。该单位单元还包括至少一个电隔离接地贴片。上述至少一个隔离接地贴片与地电隔离，并且用作可在液晶体中产生电势差的虚地连接。
在任一前述方面/实施例中，串联电容器可以是平面电容器、圆形电容器、交指电容器、或串联定向平行板电容器之一。
在任一前述方面/实施例中，并联电感器可以具有位于电感器的两个端子的两个开口端。
在一些方面，本公开描述了一种无线通信装置。该无线通信装置包括用于收发无线信号的天线。该天线包括第一基板、第二基板、以及设置在第一基板和第二基板之间的复合左右手(CRLH)超材料阵列。该超材料阵列包括至少一对第一行和第二行单位单元。上述第一行和第二行单位单元中的一行可控地在左手模式下工作，并且上述第一行和第二行单位单元中的另一行可控地在右手模式下工作。上述至少一对第一行和第二行单位单元用于沿第一轴传播辐射方向图。每个单位单元包括具有可控的介电值的液晶体以及与第一基板和第二基板电隔离的至少一个隔离接地贴片。上述至少一个隔离接地贴片用作虚地连接，该虚地连接可产生用于调节液晶体的介电值的电势差。上述第一行和第二行单位单元沿第一轴端到端定向并彼此间隔第一距离。该天线还包括设置在CRLH超材料阵列上的相位可变液晶加载透镜。该透镜可控地沿与第一轴正交的至少第二轴相位可变。该无线通信装置还包括用于向天线提供控制信号的处理装置。该控制信号使得液晶体可调节，以沿第一轴控制天线的波束的方向。该控制信号还可控制透镜，以沿第二轴控制波束的方向。
在任一前述方面/实施例中，在该天线中，第一基板或第二基板可以包括天线的接地面，上述至少一个隔离接地贴片与接地面电隔离。
在任一前述方面/实施例中，在该天线中，CRLH超材料阵列可以包括第一对第一行和第二行单位单元以及第二对第一行和第二行单位单元，该第二对行单位单元平行于第一对行单位单元，第一对行单位单元与第二对行单位单元沿第二轴间隔第二距离。
在任一前述方面/实施例中，在该天线中，第一对单位单元与第二对单位单元之间的第二距离可以为天线的工作波长的四分之一。
在任一前述方面/实施例中，在该天线中，上述至少一对单位单元的第一行单位单元和第二行单位单元之间的第一距离可为天线的工作波长的四分之一。
在任一前述方面/实施例中，在该天线中，该透镜可以仅沿第二轴相位可变。
在任一前述方面/实施例中，在该天线中，该透镜可以沿第一轴相位可变，并且沿第二轴相位可变。
本文中的诸如“前”、“后”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“侧”等方向性引用仅仅是为了便于描述，并不限制本公开的范围。此外，本文提供的任何尺寸仅通过示例呈现，除非另有规定，否则不限制本发明的范围。此外，诸如“直”、“平”、“弯曲”、“点”等几何术语并非旨在限制本公开的任何特定几何精度水平，而是应在本发明的上下文中理解，同时考虑正常制造公差以及本领域技术人员理解的功能要求。
附图说明
作为示例，现将参考示出了本申请实施例的附图，在附图中：
图1是根据本公开的示例阵列天线的立体图；
图2是根据本公开的示例CRLH超材料阵列的俯视图；
图3是图2的CRLH超材料阵列的一部分的俯视图；
图4是根据本公开的CRLH超材料阵列的示例单位单元的俯视图；
图5是图4的单位单元的侧截面图；
图6是图2的CRLH超材料阵列的一部分的俯视图，示出了图4的单位单元的虚地结构；
图7是图4的单位单元的等效电路表示；
图8A至图8C示出了根据本公开的用于CRLH超材料阵列的单位单元的串联电容器的示例配置；
图8D示出了根据本公开实施例的用于CRLH超材料阵列的单位单元的并联电感器的示例配置；
图9是示出本公开的示例CRLH超材料阵列的振幅衰减的代表性曲线图；
图10是示出本公开的示例CRLH超材料阵列的在频率范围内的发送参数的曲线图；
图11是比较单行单位单元、在左手和右手模式下工作的一对第一行和第二行的单位单元、以及在左手和右手模式下工作的两对第一行和第二行的单位单元的辐射方向图的曲线图；
图12是示出本公开的示例CRLH超材料阵列在37GHz至44GHz的频率范围内的频率扫描图的曲线图；
图13是示出示例CRLH超材料阵列的在介电常数范围内在固定频率下的波束扫描图案的曲线图；以及
图14是其中可以实现所公开的天线的示例的示例无线通信装置的示意图。
同样的附图标记在不同的图中可以用于表示同样的部件。
具体实施方式
在至少一些示例中，所公开的阵列天线(也简称为天线)包括双向复合左右手(composite right-left-handed，CRLH)超材料(metamaterial，MTM)阵列(也简称为超材料阵列)，该CRLH MTM阵列包括至少一对第一行和第二行单位单元(unit cell)。超材料阵列可以支持以左手波传播和右手波传播的射频(radiofrequency，RF)传输。该超材料阵列包括基于改进的接地共面波导(grounded coplanar waveguide，GCPW)的液晶(liquidcrystal，LC)加载传输线结构，其中，在该GCPW的至少一个表面上设有附加基板材料的薄层。使用天线的第一基板和第二基板将液晶体封装。CRLH超材料阵列中的液晶允许在包括侧射角(broadside angle)(即零度)在内的全角度范围内以多个频率或以固定频率进行波束扫描。在一些示例中，这样能够降低波束退化。
在至少一些示例中，在CRLH超材料阵列上方设置一维(one-dimensional，1D)或二维(two-dimensional，2D)液晶加载超材料透镜，以允许在第二正交方向上进行波束扫描，从而实现二维方向的波束转向(beam steering)。液晶加载超材料透镜可以允许对每对行单位单元的透射相位独立地电调节。可以按组对超材料阵列的单位单元进行馈电，以实现多波束的柔性混合波束成形，或者可以以相干相位对超材料阵列的单位单元进行馈电，以形成定向可转向波束。
由于LC加载CRLH超材料阵列和LC加载MTM透镜的波束可转向功能，所公开的天线的示例可以产生旁瓣较低且增益较高的可转向波束。波束可以在平行于透镜口径(lensaperture)的2D平面中可转向。所公开的天线的示例可以适合于诸如5G网络通信和卫星通信的各种无线通信应用。
参照附图，图1示出了至少包括第一基板104和第二基板105的天线100。在图1的示例中，第一基板104可以是底部基板，第二基板105可以是顶部基板。天线100可以包括印刷在第一基板104上的导电材料。第一基板104可以用作天线100的接地面，并且可以包括能将基板104的一表面与另一表面电隔离的介电材料。第一基板104的表面可以是包括在多层结构中的层，例如无线装置中的印刷电路板(printed circuit board，PCB)或应用板的至少一部分。
天线100包括CRLH超材料阵列102，该CRLH超材料阵列102可以设置在相位可变液晶加载透镜108和第一基板104的表面上。透镜108使得可以在一维或二维中控制天线波束。
在一些实施例中，天线100包括第一基板104、第二基板105、以及设置在第一基板104和第二基板105之间的CRLH超材料阵列102。CRLH超材料阵列102包括至少一对第一行102a和第二行102b单位单元110(见图3)。每个单位单元110包括具有可控的介电值的液晶体124(见图4和图5)和一个或多个电隔离接地贴片。隔离接地贴片用作能够在液晶体124中产生电势差的一个或多个虚地连接。
第一行102a和第二行102b单位单元分别具有沿第一基板104的第一轴(可以是纵轴或横轴)的传播方向(propagation direction)，而且彼此端对端定向并沿第一基板104的第一轴间隔距离106a。一般地，CRLH超材料阵列102包括第一行102a和第二行102b，第一行102a和第二行102b以相反的传播方向工作并且以相反的相位进行馈电。每行单位单元(例如，102a、102b)都可以在左手模式或右手模式下工作。但是，在至少一些实施例中，可以控制第一行和第二行单位单元(例如，102a、102b)，以使得一对单位单元中的一行单位单元(例如，102a)基本在左手模式下工作并且另一行单位单元(例如，102b)基本在右手模式下工作。
当以低于天线100的过渡频率(transition frequency)的频率工作时，一行单位单元(例如，102a、102b)在左手模式下工作。在高于过渡频率的频率下，同一行单位单元(例如，102a、102b)在右手模式下工作。因此，当通过使其中一行单位单元(例如，102a)以低于过渡频率的频率工作，使得该行单位单元102a被配置为在左手模式下工作时，超材料阵列102的第一行102a和第二行102b以相反的传播方向工作。通过使另一行单位单元(例如，102b)以高于过渡频率的频率工作，使得该行单位单元102b被配置为在右手模式下工作。在一些示例中，一行单位单元(例如，102a)可以用于主要在左手模式下工作，另一行单位单元(例如，102b)可以用于主要在右手模式下工作。通过在制造各个行102a、102b时对物理参数进行适当改变，可以实现这种左手模式工作或右手模式工作的调节。
在一些实施例中，第一行单位单元102a和第二行单位单元102b间隔距离106a，该距离106a约为天线100的工作波长λ的四分之一。
在图1所示的实施例中，超材料阵列102还包括第二对第一行102c和第二行102d单位单元。第二对行102c、102d平行于第一对行102a、102b(即，平行于超材料阵列102的纵轴)。两对行102a、102b与102c、102d沿超材料阵列102的横轴并排错开并偏移距离103。距离103可以为工作波长λ的四分之一。
如上所述，天线100包括液晶加载超材料透镜108。该透镜108被配置为在一维或二维上相位可变。在一些实施例中，透镜108仅沿超材料阵列102的纵轴相位可变(在这种情况下，透镜108可以称为一维透镜或1D透镜)。在其他实施例中，透镜108可以沿超材料阵列102的纵轴以及横轴相位可变(在这种情况下，透镜108可以称为二维透镜或2D透镜)。在一些实施例中，透镜108的直径约为100mm。透镜108可以位于超材料阵列102上方的距离F处。可以选择距离F以获得期望的F/D值，其中，D是透镜的直径。在至少一些实施例中，F/D值可能需要约为0.25。在这种情况下，当透镜108的直径约为100mm时，将超材料阵列102上方的距离F选定为约25mm。
在至少一些实施例中，可以使用本文所述的1D透镜。与2D透镜相比，1D透镜需要更少的直接控制线路。由于DC控制的限制，2D透镜的口径透镜的尺寸也可能受限，而在1D透镜中，由于可能仅需要一个方向的DC控制，因此波束可转向方向上的口径尺寸可以不受限。由于存在金属DC壁，因此可以有助于消除或减少波束图中的失真。否则，这种失真可能会导致角度扫描范围受限。由于DC控制信号的接线和连接的复杂性，使用LC加载透镜(LC-loadedlen)进行2D扫描时，避免出现金属壁并保持低剖面通常是不实际的。由于更容易向1D透镜馈送DC控制信号，因此与1D透镜相比，2D透镜的控制也可能更复杂。
图2示出了CRLH超材料阵列102的示例配置。在该实施例中，CRLH超材料阵列102仅包括一对第一行和第二行102a、102b单位单元，该对第一行和第二行102a、102b单位单元沿CRLH超材料阵列102的纵轴以相反的传播方向定向并被馈电以在相反的模式下工作(即，一行在左手传输模式下工作，另一行在右手传输模式下工作)。在至少一些实施例中，当行102a、102b以相反的相位被馈电并且间隔大约波长λ的四分之一的距离106时，可以实现从+90度到-90度的角度范围内的转向。可以产生高增益低旁瓣的辐射方向图(如图11所示)。通过将第一对行102a、102b与另一对行(例如，图1中的行102c、102d)并排错开，并使其相互间隔偏移距离103，可以进一步改善旁瓣性能。偏移距离103可以基本等于间隔距离106(例如，约为工作波长λ的四分之一)。
现在参考图3，其示出了一行102a、102b、102c、102d单位单元的代表性部分。每行102a、102b、102c、102d单位单元由一个或多个液晶加载CRLH单位单元110制成，这些CRLH单位单元重复出现以形成一行单位单元的超材料传输线结构。一行单位单元110越长，天线100的增益越高。
图4和图5示出了示例单位单元110。图4示出了单位单元110的俯视图，图5示出了单位单元110的侧截面图。单位单元110包括第一基板104的一部分和第二基板105的一部分。在一些实施例中，第一基板104和第二基板105由PCB或应用板的一部分提供。在一些实施例中，第一基板104和第二基板105是双面PCB。液晶体124嵌入第一基板104和第二基板105之间的空腔。液晶124因此被封装在第一基板104和第二基板105之间。将液晶124封装在超材料阵列102的单位单元110内可以实现包括侧射角(零度)扫描的正电子波束扫描和负电子波束扫描。单位单元110的其他部件可以粘合在一起，然后放置在第一基板104和第二基板105中。因此，可以使用可扩展的工艺使得单位单元110更易于制造，例如，无需手动构造。在一些实施例中(例如，均匀的漏波天线)，超材料阵列102的每个单位单元110具有相同的几何尺寸和配置。然而，在至少一些实施例中(例如，非均匀漏波天线)，超材料阵列102的一个或多个单位单元110可以具有不同的几何尺寸和配置，其中，电容器、电感器、以及虚地的位置中的至少一者具有差异。在一些实施例中，构成超材料阵列102的多对第一行和第二行的长度基本相等(即，行102a和102b的长度基本相等，且行102c和102d的长度基本相等)。
单位单元110的第一基板104和第二基板105彼此相对地隔开，并且可以彼此对齐以形成包含液晶体124的区域。在示例实施例中，第一基板104、第二基板105、以及液晶体124可以较薄，这可以有利于改善液晶对静电场的响应，该静电场可用于调节液晶124。
在一些实施例中，液晶体124可以是向列型液晶或任何其他合适的液晶。在液晶124是向列型液晶的情况下，在天线100的预期工作温度范围内，向列型液晶可以具有固态和液态之间的中间向列型凝胶态。合适的液晶的示例包括例如默克集团的GT3-23001液晶或BL038液晶。液晶124可以在微波频率处具有介电各向异性特性，并且可以通过设置液晶124的分子相对于其参考轴的不同取向来调整有效介电常数。
在微波频率下，由于在第一基板104和第二基板105之间施加静电场而导致的分子的取向不同，因此液晶124可以改变其介电性质。因此，可以通过改变施加到每个单位单元110的DC电压来调整有效介电常数，从而控制单位单元110的传输相位。
单位单元110包括一个或多个接地面112a、112b、112c，这些接地面可以设置在第一基板104和/或第二基板105的一侧或两侧。单位单元110包括两个串联电容器114和两个并联电感器116。单位单元110还包括用作单位单元110的虚地(virtual ground)118的一个或多个隔离贴片。虚地118位于第一基板104的一侧(例如，顶侧)。虚地118通过一个或多个槽119与DC电隔离。平面串联电容器114和并联电感器116的布置类似于接地共面波导(GCPW)配置。如图4所示，单位单元110包括串联电容器114，该串联电容器114提供相邻单位单元110之间的串联电耦合。单位单元110还包括提供对地的并联电耦合的并联电感器116。
在图4和图5所示的实施例中，并联电感器116和平面电容器114通过单位单元110的DC接地面(其可以是接地面112a、112b、112c中的一个或多个)而DC接地。因此，虚地118的隔离贴片提供了一种引入DC偏置电压以调节液晶124的方式。如图5所示，为了在第一基板104和第二基板105之间的液晶体124中引入电势差，虚地平面118可以设置在第一基板104的一侧(例如，顶侧)，并位于串联电容器114和并联电感器116的正下方。虚地118的隔离贴片可以用来替代开放的微带传输结构。传统的微带传输结构往往需要额外的基板材料层。在诸如毫米波频率(例如，5G通信所提出的毫米波频率)的较高工作频率下，额外的基板材料可能会导致杂散传输模式(spurious transmission mode)。
图6示出了CRLH超材料阵列102的一部分，其中清楚地示出了虚地118和虚地槽119的位置。通过允许施加合适的控制电压以电调节液晶体124，虚地118的配置能够控制液晶体124中的静电场强度。虚地118的隔离贴片用作虚拟RF接地，并允许改变液晶体124中的静电场以进行波束转向。在工作中，虚地118将DC电流的通路隔离，同时允许RF信号传播。虚地118的每个隔离贴片可以在低频下用作隔离接地，并且在高频下用作相对连续的接地。因此，将虚地118结合到超材料阵列102的单位单元110中以及单位单元110的GCPW配置可以使得将DC电压引入到液晶体124中，以进行波束扫描。
参照图7，其示出了图4的示例CRLH超材料阵列单位单元110的等效电路。在该示例中，单位单元110包括具有有限长度的传输线的串联电容器114和并联电感器116。利用有限传输线长度中固有的右手电路参数，单位单元110可以由四个电路参数来表征，即右手电容CR、左手电容CL、右手电感LR、以及左手电感LL。
可以使用诸如高频结构模拟器(high frequency structure simulator，HFSS)的(例如，使用迭代计算的)仿真软件来选择电容器114和电感器116的尺寸，以产生所需的左手电容、右手电容、左手电感、右手电感(CL、CR、LL、LR)。在示例仿真中，使用以下示例公式可以计算单位单元的过渡频率：
Figure BDA0002880618350000071
其中，
Figure BDA0002880618350000072
此外，在天线100工作于均衡模式的示例仿真中(即，当串联谐振频率ωse约等于并联谐振频率ωsh时)，串联谐振频率和并联谐振频率可以分别如下计算：
串联谐振频率
Figure BDA0002880618350000073
并联谐振频率
Figure BDA0002880618350000074
根据嵌入在第一基板104和第二基板105之间的液晶124的结构的几何尺寸和有效介电常数(ER)，上述参数可变，如本文所述，液晶123的有效介电常数是可调节的。
当天线100工作时，可以控制液晶124，使得当将有效介电常数设置为最小值(例如2.5)时，天线100可在最大扫描角下工作。可以控制天线100，使得随着介电常数的增加(例如，从2.5增加到3.3)，辐射波束从初始角度开始缓慢扫描经过侧射角(即零度)再到相对的角度空间。
参照图8A至图8D，也可以使用具有不同几何尺寸的各种串联电容器和电感器来实现CRLH超材料阵列102的单位单元110。
图8A至图8C示出了示例串联电容器的配置，该示例串联电容器可以替代图4中所示的串联电容器114配置而用作单位单元110的一部分。不同示例配置的串联电容器可以在各种频率下提供基本相同的性能。平面串联电容器的可能变化包括串联定向的平行板状电容器(图8A)、叉指式串联电容器(图8B)、或圆形盘状串联电容器(图8C)。具有这些配置的CRLH单位单元110可以在传输线的横向上提供尺寸更小的串联电容器。这样有利于需要较大串联电容的CRLH超材料阵列获得更紧凑的设计。然而，由于这些类型的串联电容器在传播方向上的有效长度较长，因此其往往具有较大的右手参数CR和LR，这可能会限制漏波天线的总频率带宽。
图8D示出了并联电感器116的示例配置，该并联电感器116可以替代图4中所示的并联电感器116而用作单位单元110的一部分。并联电感器的不同示例配置可以在各种频率下提供基本相同的性能。如图8D所示，并联电感器116的两个端子116b中具有两个开口端116a，而不是接地到DC接地面。这种类型的电感器配置可以获得较大的右手电容和电感。因此，这种几何结构可能会导致频率带宽减小和天线性能降低。然而，在某些情况下，可能需要图8D中所示的电感器。在图8A至图8D所示的实施例中，单位单元110被配置为使得虽然可以存在虚地118，但是电容器114和电感器116的结构使得可以不需要虚地118将DC偏置(DCbias)引入单位单元110。在图8A至8D所示的实施例中，电感器114和电容器116的铜图案层并非DC接地。因此，这些铜图案层可以直接连接到直流电压源以调节液晶体124，从而无需虚地。但是，这可能导致总频率带宽减小。
一般地，图8A至图8D中所示的电感器和电容器的任意组合，或者其他合适的电容器和电感器配置，都可以用作单位单元110的一部分。
如上所述，在至少一些实施例中，CRLH超材料阵列102可仅包括一对第一行和第二行单位单元102a、102b。该实施例也可以具有改善的旁瓣性能。图9示出了图2中所示的示例CRLH超材料阵列102(即，具有一对第一行和第二行单位单元102a、102b)的振幅衰减的曲线图。为了获得图9所示的在CRLH超材料阵列102的中间具有对称最大值的振幅衰减，沿第一行和第二行单位单元102a、102b的端对端定向将电能注入第一行和第二行单位单元102a、102b之间的超材料阵列102的中间位置。CRLH超材料阵列102的这种配置可以获得具有对称衰减的振幅衰减的辐射场。
在工作中，第一行单位单元(例如102a)在左手传输模式下工作，第二行单位单元(例如102b)在右手传输模式下工作。由于各个单位单元的传播方向相反，因此，CRLH超材料阵列102能够从正角度空间(右手模式)扫描到负角度空间(左手模式)。
图10示出了具有一对第一行和第二行102a、102b单位单元的CRLH超材料阵列102的S-21传输系数，该对第一行和第二行102a、102b单位单元被设计为具有41GHz的过渡频率。低于41GHz时，阵列102可以在左手传播模式下工作。高于41GHz时，阵列102在右手传播模式下工作。在至少一些实施例中，CRLH超材料阵列102可以在30.5GHz和54.5GHz之间工作，频率带宽超过55％。
图11示出了示例辐射方向图，以示出所公开的具有CRLH超材料阵列102的天线100的示例的性能。为了进行比较，图11示出了单行单位单元的辐射方向图。图11还示出了具有一对行102a、102b单位单元的CRLH超材料阵列102和具有两对平行的行102a、102b；102c、102d单位单元的CRLH超材料阵列102的辐射方向图，其中，该一对行102a、102b单位单元以相反的相位馈电并相隔波长λ的四分之一，该两对平行的行102a、102b；102c、102d单位单元中的每对以相反的相位馈电，并且错开波长λ的四分之一且间隔波长λ的四分之一。如图11所示，相较于仅具有一行单位单元的CRLH超材料阵列102，具有端对端间隔波长λ的四分之一的单对行单位单元102a、102b的CRLH超材料阵列102获得了改善的辐射方向图和改善的旁瓣。在一些示例中，通过增加第二对第一行和第二行单位单元102c、102d，尤其可以在天线100的辐射方向图的远端进一步改善旁瓣性能。
图12示出了示例天线100在一定频率范围内的示例辐射方向图，该示例天线100具有超材料阵列102，该超材料阵列102具有单对行102a、102b单位单元以及值为2.5的固定液晶介电常数。图13示出了在2.5至3.3的液晶介电常数范围内、在39GHz的固定频率下的可比较的天线100的辐射方向图。可以引入DC偏置电压以改变介电常数，从而改变波束角。如本文所述，可以通过使用虚地118的隔离接地贴片在液晶体124中施加电势差来改变介电常数。因此，如图12和图13所示，通过改变介电常数来调节液晶，天线100能够在连续角度范围内以连续频率范围或以单个频率、在左手模式和右手模式下扫描。所公开的单位单元110的配置使得能够以实用的方式封装液晶并使得能够对液晶进行实际调节。
应该注意的是，图12和图13示出了超材料阵列102沿一维(例如，沿超材料阵列102的轴)在连续角度范围内扫描的能力。可以控制天线100的透镜108以控制正交方向上天线波束的角度，使得整个天线100可以在二维上进行扫描。
与传统的漏波天线阵列相比，本公开实施例可以提供许多优点。本公开实施例在整个可用空间上在二维中波束可转向。与传统的漏波天线阵列相比，本文所述实施例可通过使用液晶的静电控制实现可电子转向波束。此外，示例天线100可以使用复合左右手(CRLH)波导结构在一定频率范围内或以固定频率提供二维双向波束转向。天线100的波导结构包括CRLH超材料阵列，该CRLH超材料阵列具有两行LC加载单位单元，每行相隔约四分之一波长的阵列距离并在相反的传播模式下工作(一行在右手传输模式下工作，另一行在左手传输模式下工作)。与传统的均匀漏波天线相比，已经发现天线100的该结构产生基本对称的振幅衰减并改善了辐射方向图中的旁瓣性能。在各个实施例中，所公开的天线100提供了一种可实现的天线，其可以实现包括侧射角(即，零度)在内的全空间波束转向(例如，+/-90度)，而不会使频带变窄并避免辐射方向图上的不需要的高旁瓣。
在一些实施例中，天线100可以被结合到无线装置中，例如移动通信装置、卫星通信装置、无线路由器、以及其他无线和电信应用。无线装置可以包括附加部件，例如用于控制装置内的模块和部件的工作的控制器。可以在静止或移动环境中使用这些装置。该装置还可以包括一个或多个天线控制器，以控制天线100的部件的工作。无线装置可以包括额外的硬件、软件、固件、或其组合，并且可以包括外围装置。
图14是示例无线通信装置1000的示意图，其中，可以使用本文描述的天线100的示例。例如，无线通信装置1000可以是无线通信网络中的基站、接入点、或客户终端。无线通信装置1000可以用于5G通信网络或其他无线通信网络内的通信。尽管图14示出了每个部件的单个实例，但是在无线通信装置1000中每个部件可以有多个实例。可以使用并行架构和/或分布式架构来实现无线通信装置1000。
无线通信装置1000可以包括一个或多个处理装置1005，例如处理器、微处理器、专用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)、专用逻辑电路、或其组合。无线通信装置1000还可以包括一个或多个可选的输入/输出(input/output，I/O)接口1010，其可以实现与一个或多个可选的输入装置1035和输出装置1070的连接。无线通信装置1000可以包括用于与网络(例如，内联网、互联网、P2P网络、WAN、LAN、以及无线接入网(radio access network，RAN)中的至少一个)或其他节点进行有线或无线通信的一个或多个网络接口1015。网络接口1015可以包括到有线网络和无线网络的一个或多个接口。有线网络可以利用有线链路(例如，以太网电缆)。网络接口1015可以经由所公开的天线100的示例提供无线通信(例如，全双工通信)。无线通信装置1000还可包括一个或多个存储单元1020，其可包括诸如固态驱动器、硬盘驱动器、磁盘驱动器、以及光盘驱动器中的一种或多种的大容量存储单元。
无线通信装置1000可以包括一个或多个存储器1025，上述一个或多个存储器1025可以包括物理存储器1040，该物理存储器1040可以包括易失性或非易失性存储器(例如，闪存、随机存取存储器(random access memory，RAM)、以及只读存储器(read-only memory，ROM)中的一种或多种)。非暂时性存储器1025(以及存储单元1020)可以存储供处理装置1005执行的指令。存储器1025可以包括例如用于运行操作系统(operating system，OS)以及其他应用/功能的其他软件指令。在一些示例中，一个或多个数据集或模块可以由外部存储器(例如，与无线通信装置1000进行有线或无线通信的外部驱动器)提供，或者可以由暂时性或非暂时性计算机可读介质提供。非暂时性计算机可读介质的示例包括RAM、ROM、可擦可编程ROM(erasable programmable ROM，EPROM)、电可擦可编程ROM(electricallyerasable programmable ROM，EEPROM)、闪存、CD-ROM、或其他便携式存储器。
可能设有用于在无线通信装置1000的部件之间提供通信的总线1030。总线1030可以是任何合适的总线架构，包括例如存储器总线、外围总线、或视频总线。可选输入装置1035(例如，键盘、鼠标、麦克风、触摸屏、以及键盘中的至少一个)和可选输出装置1070(例如，显示器、扬声器、以及打印机中的任意一个或多个)被示为在无线通信装置1000的外部，并连接到可选I/O接口1010。在其他示例中，输入装置1035和输出装置1070中的一个或多个可以被包括作为无线通信装置1000的部件。
处理装置1005可以用于控制去往/来自天线100的通信发送/接收信号。处理装置1005可用于例如通过控制施加到单位单元的隔离地的电压来调节封装的液晶，以控制天线100的波束转向。处理装置1005还可以用于控制相位可变透镜的相位，以便在2D平面上将天线波束转向。
在不脱离权利要求的主题的情况下，本公开可以以其他具体形式实施。所描述的实施例在所有方面均应被认为仅是说明性的而非限制性的。参考说明书，示例性实施例以及本发明的其他实施例的各种修改和组合对于本领域技术人员将是显而易见的。可以组合从一个或多个上述实施例中选择的特征，以创建未明确描述的替代实施例，适用于此类组合的特征应理解为落入本公开的范围。例如，尽管本文已经公开了单位单元110的特定尺寸和形状，但是可以使用其他尺寸和形状。
还公开了所公开范围内的所有值和子范围。而且，尽管本文公开和示出的系统、装置、以及过程可以包括特定数量的元件/部件，但是可以将系统、装置、以及组件修改为包括更多或更少的此类元件/部件。例如，虽然所公开的任意元件/部件可以表示单数，但是本文公开的实施例可以被修改为包括多个此类元件/部件。本文描述的主题旨在涵盖和包含所有适当的技术变更。因此，所附权利要求包括任何此类修改或实施例。

Claims (18)

1.一种天线，其特征在于，包括：
第一基板；
第二基板；
设置在所述第一基板和所述第二基板之间的复合左右手(CRLH)超材料阵列，所述超材料阵列包括：
至少一对第一行和第二行单位单元，所述第一行和第二行单位单元中的一行可控地在左手模式下工作，并且所述第一行和第二行单位单元中的另一行可控地在右手模式下工作，所述至少一对第一行和第二行单位单元用于沿第一轴传播辐射方向图；
每个单位单元包括具有可控的介电值的液晶体以及与所述第一基板和所述第二基板电隔离的至少一个隔离接地贴片，所述至少一个隔离接地贴片用作虚地连接，所述虚地连接可产生用于调节所述液晶体的所述介电值的电势差；
所述第一行和第二行单位单元沿所述第一轴端对端定向并彼此间隔第一距离；以及设置在所述CRLH超材料阵列上的相位可变液晶加载透镜，所述透镜可控地沿与第一轴正交的至少第二轴相位可变。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一基板或所述第二基板包括所述天线的接地面，所述至少一个隔离接地贴片与所述接地面电隔离。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的天线，其特征在于，所述CRLH超材料阵列包括第一对第一行和第二行单位单元以及第二对第一行和第二行单位单元，所述第二对行单位单元平行于所述第一对行单位单元，所述第一对行单位单元和所述第二对行单位单元沿所述第二轴间隔第二距离。
4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述第一对单位单元和所述第二对单位单元之间的所述第二距离为所述天线的工作波长的四分之一。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的天线，其特征在于，所述至少一对单位单元的所述第一行和第二行单位单元之间的所述第一距离为所述天线的工作波长的四分之一。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的天线，其特征在于，所述透镜仅沿所述第二轴相位可变。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的天线，其特征在于，所述透镜沿所述第一轴相位可变，并且沿所述第二轴相位可变。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的天线，其特征在于，所述第一基板包括铜层。
9.一种复合左右手(CRLH)超材料单位单元，其特征在于，包括：
第一基板和第二基板；
定义在所述第一基板和所述第二基板之间的中间区域；
将所述单位单元电耦合到一个或多个相邻单位单元的串联电容器，以及将所述单位单元电耦合到地的并联电感器；
所述串联电容器和所述并联电感器共同形成复合左右手超材料结构；
位于所述中间区域内的空腔中的液晶体；以及
至少一个电隔离接地贴片，所述至少一个隔离接地贴片与地电隔离，并且用作可在所述液晶体中产生电势差的虚地连接。
10.根据权利要求9所述的单位单元，其特征在于，所述串联电容器是平面电容器、圆形电容器、交指电容器、或串联定向平行板电容器之一。
11.根据权利要求9和10中任一项所述的单位单元，其特征在于，所述并联电感器具有位于所述电感器的两个端子的两个开口端。
12.一种无线通信装置，其特征在于，包括：
用于收发无线信号的天线，所述天线包括：
第一基板；
第二基板；
设置在所述第一基板和所述第二基板之间的复合左右手超材料阵列，所述超材料阵列包括：
至少一对第一行和第二行单位单元，所述第一行和第二行单位单元中的一行可控地在左手模式下工作，并且所述第一行和第二行单位单元中的另一行可控地在右手模式下工作，所述至少一对第一行和第二行单位单元用于沿第一轴传播辐射方向图；
每个单位单元包括具有可控的介电值的液晶体以及与所述第一基板和所述第二基板电隔离的至少一个隔离接地贴片，所述至少一个隔离接地贴片用作虚地连接，所述虚地连接可产生用于调节所述液晶体的所述介电值的电势差；
所述第一行和第二行单位单元沿所述第一轴端到端定向并彼此间隔第一距离；以及
设置在所述CRLH超材料阵列上的相位可变液晶加载透镜，所述透镜可控地沿与所述第一轴正交的至少第二轴相位可变；以及
用于向所述天线提供控制信号的处理装置，所述控制信号可调节所述液晶体，以沿所述第一轴控制所述天线的波束的方向；并且所述控制信号可控制所述透镜，以沿所述第二轴控制所述波束的方向。
13.根据权利要求12所述的无线通信装置，其特征在于，在所述天线中，所述第一基板或所述第二基板包括所述天线的接地面，所述至少一个隔离接地贴片与所述接地面电隔离。
14.根据权利要求12和13中任一项所述的无线通信装置，其特征在于，在所述天线中，所述CRLH超材料阵列包括第一对第一行和第二行单位单元以及第二对第一行和第二行单位单元，所述第二对行单位单元平行于所述第一对行单位单元，所述第一对行单位单元与所述第二对行单位单元沿所述第二轴间隔第二距离。
15.根据权利要求14所述的无线通信装置，其特征在于，在所述天线中，所述第一对单位单元与所述第二对单位单元之间的所述第二距离为所述天线的工作波长的四分之一。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的无线通信装置，其特征在于，在所述天线中，所述至少一对单位单元的第一行和第二行之间的第一距离为所述天线的工作波长的四分之一。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的无线通信装置，其特征在于，在所述天线中，所述透镜仅沿所述第二轴相位可变。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的无线通信装置，其特征在于，在所述天线中，所述透镜沿所述第一轴相位可变，并且沿所述第二轴相位可变。
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