CN112956079B - 具有集成频率选择结构的可切换透镜天线 - Google Patents

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Abstract

所公开的结构和方法涉及一种天线系统，其用于在不同方向上发送并从不同方向接收无线信号。可切换透镜天线具有将射频(RF)波辐射到平行板波导结构中的激励端口和频率选择结构(FSS)。本文所述天线用于根据在平行板波导结构中传播的RF波的转向角以两种模式工作。当转向角约等于或小于阈值时，由于FSS的短截线与平行板波导结构断开，FSS为关闭(OFF)。当转向角大于阈值时，短截线电连接到平行板波导结构，FSS为开启(ON)。当FSS为ON时，FSS为在平行板波导结构中传播的RF波提供相位变化，并增大所述RF波的转向角。

Description

具有集成频率选择结构的可切换透镜天线
相关申请交叉引用
本申请要求享有于2018年11月15日提交的、申请号为16/191,630、名称为“具有集成频率选择结构的可切换透镜天线”的美国专利申请的优先权的权益，其内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明总体上涉及无线通信领域，尤其涉及用于在不同方向上发送和接收无线信号的天线系统。
背景技术
无线通信中寻求具有宽转向角和高方向性的天线系统。在经典的平面相控阵天线中，方向性随着波束的转向角的增加而降低，从而限制了可用于操作的转向角范围。
基于透镜的相控阵天线能够提供更大的转向角范围。但是，在转向角等于或非常接近法线方向时，此类基于透镜的天线的方向性性能可能会遭受重大损失。
发明内容
本公开的目的是提供一种用于射频(RF)波的传输的可切换透镜天线，其用于在不同方向上发送和接收无线信号。如本文中所描述的天线用于根据在平行板波导结构中传播的RF波的转向角以两种模式操作。当转向角大约等于或小于阈值转向角时，天线可以以第一模式操作，并且当转向角大于阈值转向角时，天线可以以第二模式操作。当可切换透镜天线处于第一模式时，可切换透镜天线的两种模式操作可以减小等于或接近法线方向的转向角处的损耗。另一方面，当可切换透镜天线处于第二模式时，可切换透镜天线可提供更宽的转向角范围。
根据该目的，本公开的一方面提供了一种用于传输所述RF波的可切换透镜天线。可切换透镜天线包括平行板波导结构；激励端口，用于将所述RF波辐射到所述平行板波导结构中；具有频率选择元件的频率选择结构。每个频率选择元件包括短截线和可切换元件，所述短截线用于当其电连接至所述平行板波导结构时向所述RF波引入相位变化。所述可切换元件可操作地连接至所述短截线和所述平行板波导结构。所述可切换元件用于当天线处于第一操作模式时，选择性地断开所述短截线与所述平行板波导结构的电连接，并且当天线处于第二操作模式时，将所述短截线与所述平行板波导结构电连接。响应于所述激励端口辐射的射频波的转向角约等于或小于阈值转向角，所述天线可处于第一操作模式。响应于对所述激励端口辐射的射频波的转向角大于所述阈值转向角，所述天线可处于第二操作模式。
根据本公开的其他方面，提供了一种用于基于透镜的天线的频率选择结构，所述基于透镜的天线具有平行板波导结构和激励端口，所述激励端口用于将所述RF波辐射到所述平行板波导结构中。所述频率选择结构包括频率选择元件，包括：短截线，用于当电连接至所述平行板波导结构时向RF波引入相位变化；以及可切换元件，可操作地连接至所述短截线和所述平行板波导结构，所述可切换元件用于当所述天线处于第一操作模式时，选择性地断开所述短截线与所述平行板波导结构的电连接，并且当所述天线处于第二操作模式时，将所述短截线与所述平行板波导结构电连接。
可切换透镜天线可以进一步包括用于确定天线的操作模式的控制器。所述控制器可以操作所述可切换元件，以当所述天线处于第一操作模式时，操作所述可切换元件选择性地断开所述短截线与所述平行板波导结构的电连接，并且当所述天线处于第二操作模式时，操作所述可切换元件将所述短截线与所述平行板波导结构电连接。
根据本公开的其他方面，提供了一种用于无线通信的方法。该方法包括确定辐射到所述平行板波导结构中的所述RF波的转向角；响应于所述转向角约等于或小于阈值转向角，断开所述频率选择元件与所述平行板波导结构的电连接；并且，响应于所述转向角大于所述阈值转向角，将所述频率选择元件与所述平行板波导结构电连接，以将相位变化引入在所述平行板波导结构中传播的RF波。
当所述天线处于第一操作模式时，所述阈值转向角约为视轴上所述激励端口辐射的所述RF波的半功率波束宽度的一半。
频率选择元件可以包括具有第一短截线的第一频率选择元件和具有第二短截线的第二频率选择元件。所述第二频率选择元件可以位于距视轴较远的位置，并且所述第二短截线长于所述第一短截线。
所述可切换透镜天线可进一步包括垂直极化辐射器，位于所述平行板波导结构的输出处，并用于使RF波垂直极化。
所述频率选择元件可以通过电连接至所述平行板波导结构的接地面的通孔，电连接至所述平行板波导结构。所述可切换元件可以是二极管。所述平行板波导结构可以是印刷电路板。
所述频率选择元件可以位于至少一个频率选择结构行中。所述频率选择结构行中的每个频率选择元件可以径向地位于距激励端口的几何中心大约等距离处。每个频率选择结构行中的相邻频率选择元件之间的距离可以近似相同。
本公开的实施方式均具有所述目的和方面中的至少一个，但是不必具有全部。应当理解，由于试图实现所述目的而导致本公开的某些方面可能不满足所述目的。在某些情况下，尝试实现所述目的可以满足本文未具体列举的其他目的。
根据以下描述，附图和所附权利要求，本公开的实施方式的附加或替代特征，方面和优点将变得显而易见。
附图说明
通过结合附图进行的以下详细描述，本公开的其他特征和优点将变得显而易见，其中：
图1描绘了根据本公开多种实施例的可切换透镜天线的俯视图；
图2A描绘了根据本公开多种实施例的图1的可切换透镜天线的俯视图，并且示意性地描绘了根据本公开多种实施例在图1的可切换透镜天线的第一操作模式下RF波的传播；
图2B描绘了根据本公开多种实施例的图1的可切换透镜天线的俯视图，并且示意性地描绘了根据本公开多种实施例在图1的可切换透镜天线的第二操作模式下RF波的传播；
图3描绘了根据本公开多种实施例的可切换透镜天线的透视图；
图4描绘了根据本公开多种实施例的图1的可切换透镜天线的一部分中的频率选择元件(FSE)的俯视图；
图5描绘了图4的FSE和可切换透镜天线的周围部分的侧视图；
图6描绘了根据本公开多种实施例的图3的可切换透镜天线的一部分的俯视图；
图7A描绘了用于确定图3的可切换透镜天线的参数的矩形波导；
图7B描绘了通过图7A的矩形波导传播的RF波的传输系数的测量相位变化；
图8描绘了图3的可切换透镜天线的一部分，并示意性地描绘了其中射频波的传播；
图9A描绘了当转向角较小时在第一操作模式下可切换透镜天线中RF波的模拟传播；
图9B描绘了当转向角较小时在第二操作模式下可切换透镜天线中RF波的模拟传播；
图10A描绘了当转向角在大约5°和大约20°之间时在第一操作模式下可切换透镜天线中RF波的模拟传播；
图10B描绘了当转向角在大约5°和大约20°之间时在第二操作模式下可切换透镜天线中RF波的模拟传播；
图11A描绘了当转向角大于约20°时在第一操作模式下可切换透镜天线中RF波的模拟传播；
图11B描绘了当转向角大于约20°时在第二操作模式下可切换透镜天线中RF波的模拟传播；
图12A示意性地描绘了根据本公开多种实施例的可切换透镜天线在第一操作模式下的操作；
图12B示意性地描绘了根据本公开多种实施例的可切换透镜天线在第二操作模式下的操作；
图13A示意性地描绘了根据本公开多种实施例的具有垂直极化辐射器的可切换透镜天线的透视图；
图13B示意性地描绘了图13A的可切换透镜天线的一部分的俯视图；
图13C示意性地描绘了图13A的可切换透镜天线的一部分的透视图；
图14描绘了根据本公开多种实施例的可切换透镜天线的方位角波束转向图案的仿真结果；
图15描绘了具有和不具有频率选择结构的天线的方位角辐射方向图的仿真结果；以及
图16描绘了根据本公开多种实施例的用于无线通信的方法。
应该理解，在所有附图和相应的描述中，相同特征由相同附图标记表示。此外，还应理解，附图和随后的描述仅用于示例性目的，并且这样的公开内容不对权利要求的范围进行限制。
具体实施方式
本公开旨在解决当前基于透镜的相控阵列天线实施方式的至少一些缺陷。特别地，本公开描述了一种具有平行透镜结构和集成频率选择结构(frequency selectivestructure，FSS)的基于可切换透镜的相控阵天线(在本文中也称为“可切换透镜天线”)，该天线可用于提供增大的角度范围和极化敏捷性，同时最小化转向角在接近可切换透镜天线法线方向的方向性损失。
本文描述的技术可以在基站(base station，BS)中使用，并且也可以在用户设备(user equipment，UE)中使用。
在内部传播并由可切换透镜天线辐射的电磁波(electromagnetic，EM)可以在射频(radio frequency，RF)范围内，并在本文中称为RF波。在一些实施例中，RF波可以是毫米波范围。例如，RF波的频率可以在大约30GHz和大约300GHz之间。在一些其他实施例中，RF波可以在微波范围内。例如，RF波的频率可以在大约1GHz和大约30GHz之间。
如本文中所使用的，术语“大约”或“大致”是指与标称值相比+/-10％的变化。应该理解的是，无论是否特别提及，这种变化总是包括在本文提供的给定值中。
除非另外定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。
在各种实施例中，本文所描述的可切换透镜天线可以由多层印刷电路板(printedcircuit board，PCB)的适当特征形成，诸如通过蚀刻导电层、通孔等形成的特征。这样的PCB实施方式可以适当紧凑用以包含在无线通信设备中，例如移动通信终端，并且适合于具有成本效益的批量生产。
本文所述的通孔，是穿过一个或多个相邻层的平面的物理电子电路中层间的电连接。
本文所述的可切换透镜天线，具有频率选择结构(FSS)并且被配置为在两种操作模式下工作。在第一操作模式中，可切换透镜天线不将相位变化引入平行板波导结构中传播的电磁(EM)波。在这种第一操作模式中，当RF波的波束的方向接近法线方向时，即，当转向角接近于零时，方向性与没有FSS的天线大致相同。
在第二操作模式中，可切换透镜天线将相位变化引入平行板波导结构中传播的RF波。相位变化是由可切换透镜天线的FSS引起的。以较大的转向角传播的RF波束在通过可切换透镜天线传播时其转向角会增大。新的转向角大于RF波的初始转向角。当离开在第二操作模式下操作的可切换透镜天线时，RF波发散，然后向远离法线的方向折射。
图1描绘了根据本技术的至少一个非限制性实施例的可切换透镜天线100的示意性俯视图。在所描绘的实施例中，可切换透镜天线100具有平行板波导结构101，激励端口102和FSS 190。
平行板波导结构101具有两个平行的导电表面：在图1中描绘的顶部波导面107，和接地面(图1中未示出)。在所示的实施例中，平行板波导结构的两个平行导电表面之间的距离小于由传播的EM波的波长定义的距离的一半，用以提供横向电磁模式(transverseelectromagnetic mode，TEM)的传播。
平行板波导结构101具有半圆形的形状，该半圆形具有圆周104和直径侧106。可以设想，平行板波导结构101可以具有可用于从其辐射RF波的任何其他形状。半圆形形状的选择在本文中仅用于说明性目的。
可切换透镜天线100具有位于直径侧106处或其上的激励端口102。在一些实施例中，它们可以优选地位于或接近可切换透镜天线100的直径侧106的中央部分处。激励端口102是电磁(EM)波的辐射源。激励端口102形成线性相控阵列，并且用于使得RF波可以以初始转向角θ辐射，并且可以从激励端口102在平行板波导结构101中径向地传播，例如，从激励端口102的中心朝向平行板波导结构101的圆周104。
应注意，激励端口102的数量可以根据可切换透镜天线100所需的总增益来确定。线性相控阵列中的激励端口102越多，可切换透镜天线100的增益越高。
多个频率选择元件(frequency selective element，FSE)110形成FSS 190。FSS190用于当RF波向圆周104传播时向由激励端口102产生的RF波150提供相移。如图1所示，FSE 110径向地定位在平行板波导结构101上。
FSE 110可以定位在至少一个FSE行115、116、117中，其中每个FSE 110径向地位于距激励端口102的几何中心大约等距处。每个FSE行115、116、117中的相邻FSE 110之间的距离可以近似相同。
根据所公开技术的实施例，图2A示意性地描绘了在第一操作模式下RF波250的传播并且图2B示意性地描绘了在可切换透镜天线100的第二操作模式下RF波252的传播。
参考垂直于直径侧106(即大致90°)的法线方向轴155分别计算RF波250、252的转向角θ1，θ3。应理解，可切换透镜天线100的法线方向可以与天线视轴一致。
参照图2A，当可切换透镜天线100处于第一操作模式时，FSS 190处于关闭(OFF)模式。RF波250在可切换透镜天线100的范围内传播，以放射状地向圆周104辐射，并以与初始转向角θ1相同的角度
Figure GDA0003032327840000051
离开可切换透镜天线100。当FSS 190处于OFF模式时，RF波150的方向性随着转向角θ1的增加而减小。在这种模式下，内置天线的方向性与没有任何FSS的天线相同。
参照图2B，其中在第二操作模式中描绘了可切换透镜天线100。RF波252在可切换透镜天线100内以转向角θ3向圆周104放射状地传播。
可切换透镜天线100处于第二操作模式时，RF波252折射远离可切换透镜天线100内部的RF波传播轴172(沿着RF波252的传播方向连续)。RF波传播轴172垂直于圆周104。
从RF波传播轴172计算出的RF波252的折射角β可以由FSS 190控制。特别地，FSE110的总数、结构以及在可切换透镜天线100中相对于彼此的位置参数可以确定折射角β。FSE 110相对于彼此的位置参数可包括，例如，具有FSE 110的行数，每个特定行中的FSE110数，FSE 110之间的距离等。
图3描绘了根据本技术的非限制性实施例的可切换透镜天线300的透视图。图3所示的可切换透镜天线300具有五个激励端口302。FSE 110位于FSE行315、316、317中。
可切换透镜天线300通过波导开口330从圆周304辐射RF波。可在可切换透镜天线300的圆周304周围设置壁340，以改善RF波的辐射模式，例如，以减小波束旁瓣并增加增益。壁340可以由合适的材料构造，例如基于金属的材料。如下所述，RF波也可以被传输到其他类型的辐射器。
可切换透镜天线100、300的平行板波导结构101、301可以由平面电路板(PCB)制成。可替代地，平行板波导结构101可以由金属板制成，该金属板可以与电路板组装在一起。平行板波导结构101也可以使用低温共烧陶瓷(low temperature co-fired ceramics，LTCC)或液晶聚合物(liquid crystal polymer，LCP)技术制成。
在至少一个实施例中，可切换透镜天线100、300包括平行板波导结构101、激励端口和FSS 190。
FSS 190包括多个FSE 110。现在将更详细地描述FSE 110的结构。
图4描绘了在可切换透镜天线100的一部分中的FSE 110的视图。图5描绘了FSE110和可切换透镜天线100的周围部分的立面侧视图。FSE 110可操作地连接到平行板波导结构101，并且具有可切换元件420、短截线422和直流(DC)电路424。
短截线422是长度为lstub的有限传输线，并且可以被实现为微带线、基板集成波导、带状线、共面波导等中的任何一种。
可切换元件420可以是PIN二极管，例如束状引线PIN二极管。在至少另一个实施例中，可切换元件420可以是微机电系统(microelectromechanical systems，MEMS)元件。
如图5所示，平行板波导结构101可具有波导330，接地面507和顶面508。FSE 110可位于平行板波导结构101的顶面508上并通过通孔405连接至平行板波导。通孔405可以电连接到接地面507，并且可以穿过在平行板波导结构101的顶面508中形成的孔以连接FSE110。
FSE 110的可切换元件420可操作地连接至短截线422和平行板波导结构101。可切换元件420还可通过DC电路424连接至控制器480。控制器480例如可以是直流电压控制器。
控制器480可以操作可切换元件420，该可切换元件420用于选择性地将短截线422电连接到平行板波导结构101和从平行板波导结构101电断开。特别地，可切换元件420可以将短截线422电连接到通孔405和从通孔405电断开。
应该理解的是，FSE 110可以具有附加的通孔连接器429，通孔连接器429可以将通孔405连接到可切换元件420。
控制器480用于控制可切换元件420的操作。控制器480可以用于确定激励端口102、302辐射的RF波的转向角θ。例如，控制器480可以将确定的RF波的转向角θ与阈值转向角进行比较，以确定可切换透镜天线100、300的操作模式。
至少一个实施例中，阈值转向角可以是半功率波束宽度的大致一半(-3dB波束宽度的一半)。阈值转向角可能取决于特定应用所需的天线增益。例如，阈值转向角可以在大约5°和大约10°之间。特别地，阈值转向角可为约5°。
控制器480可以确定可切换透镜天线100是否应在第一操作模式还是第二操作模式下操作。在第一操作模式下，控制器480可以操作可切换元件420，以选择性地将短截线422从通孔405电断开，并且从而从平行板波导结构101电断开。然后，在第二操作模式下，将短截线422电连接到通孔405，并且从而电连接到平行板波导结构101。
参照图2A与图2B所示，控制器480可以将RF波250、252的转向角θ1,θ3与阈值转向角进行比较。例如，当RF波250的转向角θ1大约等于或小于阈值转向角时，可切换透镜天线100可用于以第一操作模式操作。控制器480可以通过可切换元件420将短截线422与通孔405电断开，例如，通过向可切换元件420供应低于电压阈值的DC电压。当可切换元件420处于OFF状态时，可通过可切换元件420将短截线422与通孔405电断开。当从通孔405电断开时，短截线422也从平行板波导结构101断开。当可切换元件420处于OFF状态时，短截线422断开并且不影响RF波250的相位，并且因此当其通过FSE 110时不影响RF波250的传输系数。
当可切换元件420处于开启(ON)状态时，短截线422通过可切换元件420电连接至通孔405，例如通过通孔连接器429。当RF波252的初始转向角θ3(由激励端口102辐射到平行板波导结构101中)大于阈值转向角时，控制器480可以使可切换透镜天线100进入第二操作模式。
在可切换透镜天线100的第二操作模式中，短截线422电连接至通孔405，并且因此电连接至平行板波导结构101及其接地面507。电连接的短截线422、接地通孔405、可选的通孔连接器429，以及由直流电路424馈电的开关元件420，形成开路。当RF波252穿过FSS 190时，FSS 190中的这种开路将相位变化引入RF波252，从而将相位变化引入RF波252的传输系数。
由FSS 190引入的相位变化引起RF波传播角的偏移为FSS传播角偏移β，因此RF波在经过FSS 190后以θ3+β角传播。
传播角偏移β取决于FSE行315、316、317的数量，每个FSE行315、316、317中的FSE110之间的距离以及相邻FSE 110引入的相位差
Figure GDA0003032327840000071
图6描绘了可切换透镜天线300的一部分的俯视图。如果通孔405、短截线422、可切换元件420和可选的通孔连接器429的长度对于所有FSE 110都相等，由于相邻短截线422a、422b、422c、422d、422e之间的长度差异，每个FSE 110a、110b、110c、110d、110e、110f引入相移
Figure GDA0003032327840000072
如上所述，每个FSE 110中的开路由通孔405、短截线422、可切换元件420和可选的通孔连接器429的组合确定。因此，由于相邻FSE 110的开路长度(其可以包括通孔405，短截线422，可切换元件420和通孔连接器429的长度)的变化，可以引入相位差
Figure GDA0003032327840000073
每个FSE 110的短截线长度(或开路长度，如上所述)可能与相邻FSE 110的短截线长度(或开路长度)不同。在一些实施例中，一个FSE行315中的不同FSE 110可以具有不同长度的短截线422。一个行315中的FSE 110在每对相邻的FSE 110之间可以具有大约相同的距离。
可以选择FSE行315、316、317、630中的短截线422的长度，以使RF波在穿过FSS190之后，相对于其穿过FSE之前的传播角度以不同的角度传播，例如由激励端口302辐射的初始转向角θ。例如，一个FSE行315的短截线422a、422b、422c的长度可以根据FSE 110离法线方向轴155的距离逐渐增加或减少。
在优选实施例中，当相应的FSE 110位于远离法线方向轴155的位置时，短截线422可以更长。如图6所示，第一根短截线422a的线长可以比第二根短截线422b的线长更短，并且第四根短截线422d的线长可以比第五根短截线422e的线长更短。
FSE 110a可以引入相移
Figure GDA0003032327840000082
其邻近的FSE 110b可以引入相移
Figure GDA0003032327840000083
并且其邻近的FSE 110c可以引入相移
Figure GDA0003032327840000084
等等。
两个相邻的FSE 110之间的相位差
Figure GDA0003032327840000085
可以大致相同。穿过一个FSE行315之后，RF波的传播角度可以偏移行传播偏移角Δθ，其中Δθ可以根据以下公式估算：
Figure GDA0003032327840000081
其中d是FSE 110间的距离；c是自由空间中的光速；f是RF波的频率。应当注意，等式(1)是估计值，并且没有考虑FSE行315、316、317、630的曲率。FSS传播偏移角(FSS折射角)可以取决于多个FSS 190中的行数和每一行的传播偏移。
相邻短截线422之间的长度差可以在0和引导波长的四分之一之间(对应于传播的RF波的最低频率)。如果相邻短截线422之间的长度差太大，则FSE 110可能正在反射RF波而不是发送RF波。
可以在制造可切换透镜天线300之前确定每个短截线422的长度。这可以通过分析两端口传输线来完成。可实现的相移变化越宽，FSS折射角和可切换透镜天线300的转向角范围可能越大。
图7A描绘了具有三个FSE 710的矩形波导700，图7B描绘了为不同长度的FSE短截线通过矩形波导700传播的RF波的传输系数的测量相位变化，其为RF波频率的函数。在实施例中，可以使用这种矩形波导来估计FSE 710的短截线的长度。
当可切换透镜天线100处于第二操作模式(可切换元件420的ON状态)时，可产生在平行板波导结构101中传播的RF波的相位变化。在可切换透镜天线100的第一操作模式中(当可切换元件420处于OFF状态时)，不产生相位变化。
图8描绘了RF波850在可切换透镜天线300的一部分800中的模拟传播。RF波850的传播方向改变，并且因此在通过每个FSE行830、832传播之后RF波850的传播角改变。
图9A和图9B描绘了当转向角θ约等于或小于阈值转向角(例如，θ≤5°)时，RF波950、952在可切换透镜天线900中的模拟传播。图9A描绘了当可切换透镜天线900处于第一操作模式(FSS 190的可切换元件420处于OFF状态)时RF波950在可切换透镜天线900中的传播。图9B描绘了当可切换透镜天线900处于第二操作模式(可切换元件420处于ON状态)时RF波952在可切换透镜天线900中的传播。
当可切换透镜天线900处于第二操作模式时，与在第一操作模式下通过可切换透镜天线900传播的RF波950的相应孔径960相比，在通过天线900传播之后，RF波952的孔径962较窄。可以看出，这是对于较小的转向角θ。当可切换透镜天线900处于第二操作模式时，可切换透镜天线900的增益较小。
图10A和图10B描绘了当转向角θ在大约5°和大约20°之间(例如，
Figure GDA0003032327840000086
)时，RF波1050、1052在透镜1000中的模拟传播。图10A描绘了当可切换透镜天线1000处于第一操作模式(可切换元件420处于OFF状态)时RF波1050在可切换透镜天线1000中的传播。图10B描绘了当可切换透镜天线1000处于第二操作模式(可切换元件420处于ON状态)时RF波1052在可切换透镜天线1000中的传播。与第一操作模式相比，当可切换透镜天线1000处于第二操作模式时，转向角θ在大约10°和大约15°之间偏移。RF波1052的孔径1062比RF波1050的孔径1060窄。
图11A和图11B描绘了当转向角θ大于约20°(例如，
Figure GDA0003032327840000091
)时RF波1150、1152在可切换透镜天线1100中的模拟传播。图11A描绘了当可切换透镜天线1100处于第一操作模式(可切换元件420处于OFF状态)时RF波1150在可切换透镜天线1100中的传播。图11B描绘了当可切换透镜天线1100处于第二操作模式(可切换元件420处于ON状态)时RF波1152在可切换透镜天线1100中的传播。与第一操作模式相比，当可切换透镜天线1100处于第二操作模式时，转向角θ偏移约10度。
再次参考图11A，RF波1150可能具有不期望的侧辐射1160，其可能出现在与RF波1150的转向角相反一侧。当可切换透镜天线1100处于第二操作模式时，如从图11B所示，可以减少这种不期望的侧辐射。
为了在转向角θ大约等于或小于阈值转向角时，增加RF波的孔径和增益，可切换透镜天线100、300在第一操作模式中进行操作。因此，当转向角θ大约等于或小于阈值转向角时，控制器480用于在第一操作模式下操作可切换透镜天线100、300，尤其是频率选择结构190。在第一操作模式中，短截线422从平行板波导结构电断开。当转向角θ大于阈值转向角时，控制器480用于在第二操作模式下操作可切换透镜天线800，尤其是频率选择结构190。在第二操作模式中，短截线422电连接到平行板波导结构。在第二操作模式中，转向角可以增加并且不期望的侧辐射1060可以减少。
图12A和图12B示意性地描绘了透镜1200在第一操作模式(图12A)和第二操作模式(图12B)中的操作。当FSE 110处于关闭状态时(图12A)，RF波1250以低转向角
Figure GDA0003032327840000092
传播。当可切换透镜天线1200处于第二操作模式(图12B)时，RF波1252可以以更大的转向角θ≥20°定向，使得由FSS 110引入的相移变化将RF波1252以角度β从可切换透镜天线1200中引出(例如，当θ约为30°时，β可能约为10°)。
控制器480(图12B中未示出)可以用于控制可切换透镜天线1200中的FSE 110的操作。控制器可以协调RF波的转向角，激励端口1202以及FSE 110的每个可切换元件420的ON和OFF状态。
每个FSE 110可具有一个以上的短截线422，形成扩展的短截线，其中每个附加的短截线可操作地连接到相应的附加可切换元件。可切换元件420和附加可切换元件可以由控制器480控制，并且因此控制器480可以增加或减少延伸的短截线的长度。
可以在可切换透镜天线100的圆周104处使用附加辐射器，以更有效地辐射能量。附加辐射器还可以帮助控制从可切换透镜天线100辐射的RF波的极化并实现极化敏捷性。应当理解，激励端口102、302可以被设计用于RF波的垂直、水平和圆极化中的任何一个或多个。
图13A，13B和13C描绘了根据本公开的各种实施例的具有向垂直极化辐射器1380的过渡的可切换透镜天线1300的不同视图。在该特定实施例中，可切换透镜天线1300具有7个激励端口1312的相控阵列。先前已经讨论了具有频率选择元件100的行。
可切换透镜天线1300的所示实施例具有沿圆周104定位的微带线1362。微带线1362可以改善RF波从波导到另一装置的过渡。在图13A、13B、13C中，微带线1362连接到改进的倒F天线(inverted F antenna，IFA)1366，其使用通孔作为IFA的辐射部分。
图14描绘了根据本技术的实施例之一的在可切换透镜天线1300的笛卡尔坐标中的方位角波束转向图1401、1402、1403、1404、1405、1406、1407的仿真结果。将可切换透镜天线1300的方向性绘制为角Phi 280的函数。图1401、1402、1403、1404、1405、1406、1407的转向角θ在大约-56°和大约+56°之间，并且RF波的发射频率为28GHz。
图15描绘了在可切换透镜天线1300和没有FSS的天线(即，具有相似的平行板波导结构且具有相似的激励端口，但是没有FSS的天线)的笛卡尔坐标中的方位角辐射图的仿真结果。实线1501描绘了可切换透镜天线1300的方向性，而虚线1502描绘了没有FSS的天线的方向性。对于这两种结构，无论是否装有可切换的透镜天线，波束的转向角均为-56°。
仿真证明了与没有FSS的天线性能相比，可切换透镜天线1300的性能得到了改善。如图15所示，与没有FSS的天线的方向性1502相比，可切换透镜天线1300的方向性1501在转向角-56°附近增加。与没有FSS的天线的旁瓣1512相比，可切换透镜天线1300的旁瓣1511在转向角-56°附近减小。在可切换透镜天线1300中，在3dB带宽内的方向性可以覆盖方位角的大角度范围(±54°)。在没有FSS的天线中，方向性可以随着转向角的增加而更快地减小，并且与可切换透镜天线1300的方向性和角度范围相比，角度范围可以更小。
图16描绘了根据本公开各种实施例的用于无线通信的方法1600的示例。方法1600包括确定1610辐射到平行板波导结构101中的RF波的转向角。然后将该转向角与阈值转向角进行比较1620。如果转向角低于阈值转向角，则FSE 110从平行板波导结构101电断开1630。如果转向角大于阈值转向角，则将FSE 110电连接1640到平行板波导结构101，以将相位变化引入到在平行板波导结构101中传播的RF波。如上所述，可以通过用可切换元件420将短截线422与平行板波导结构101的接地表面507电连接和电断开，来完成FSE 110与平行板波导结构101之间的电连接。
方法1600还可包括通过使用控制器480操作垂直极化辐射器1380，在具有垂直极化辐射器1380的平行板波导结构101的输出处垂直极化RF波。例如，控制器480可操作修改的IFA1366。
两个或多个可切换透镜天线100、300、1300可以彼此顶部堆叠。这样的堆叠天线(未示出)，在与可切换透镜天线100、300的平面一致的平面中以及在与可切换透镜天线100、300、1300的平面垂直的平面中，均可改善转向。
可切换透镜天线100、300、1300的堆叠，可以通过在第一可切换透镜天线的平行板波导结构101的接地面507和第二可切换透镜天线的平行板波导结构的顶面508之间设置用于容纳第二可切换透镜天线的FSS 190的空间来实现。一个控制器可以控制所有堆叠式可切换透镜天线中RF波的转向。
两个可切换透镜天线100、300、1300也可以共享相同的接地面507。在这种配置中，一个可切换透镜天线100、300、1300可以是另一可切换透镜天线100、300、1300的镜像。它们的平行板波导结构共享相同的接地面507。这种镜像天线可以在一个PCB中实现。
尽管已经参考本发明的特定特征和实施例描述了本发明，但是显然可以在不脱离本发明的情况下对其进行各种修改和组合。因此，说明书和附图应被简单地视为由所附权利要求书限定的本发明的说明，并且可以预期涵盖落入本发明范围内的任何和所有修改，变化，组合或等同物。

Claims (18)

1.一种用于传输射频RF波的可切换透镜天线，所述天线包括：
平行板波导结构；
激励端口，用于将RF波辐射到所述平行板波导结构中；和
具有频率选择元件的频率选择结构，每个频率选择元件包括：
短截线，用于当所述短截线电连接至所述平行板波导结构时向所述RF波引入相位变化；和
可切换元件，可操作地连接至所述短截线和所述平行板波导结构，所述可切换元件用于当所述天线处于第一操作模式时，选择性地断开所述短截线与所述平行板波导结构的电连接，并且当所述天线处于第二操作模式时，将所述短截线与所述平行板波导结构电连接。
2.根据权利要求1所述的可切换透镜天线，其中：
响应于所述激励端口辐射的射频波的转向角约等于或小于阈值转向角，所述天线处于第一操作模式；并且
响应于所述激励端口辐射的射频波的转向角大于所述阈值转向角，所述天线处于第二操作模式。
3.根据权利要求1和2中的任一项所述的可切换透镜天线，还包括控制器，用于：
确定所述天线的操作模式，所述操作模式为所述第一操作模式和所述第二操作模式中的一者；和
当所述天线处于第一操作模式时，操作所述可切换元件以选择性地断开所述短截线与所述平行板波导结构的电连接，并且在所述天线处于第二操作模式时，对所述短截线与所述平行板波导结构进行电连接。
4.根据权利要求2所述的可切换透镜天线，其中，当所述天线处于所述第一操作模式时，所述阈值转向角约为视轴上所述激励端口辐射的所述RF波的半功率波束宽度的一半。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的可切换透镜天线，其中，所述频率选择元件包括具有第一短截线的第一频率选择元件和具有第二短截线的第二频率选择元件，其中所述第二频率选择元件位于距离所述天线的视轴较远的位置，并且所述第二短截线长于所述第一短截线。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的可切换透镜天线，其中，通过电连接至所述平行板波导结构的接地面的通孔，所述频率选择元件电连接至所述平行板波导结构。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的可切换透镜天线，其中，所述可切换元件是二极管。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的可切换透镜天线，还包括垂直极化辐射器，其位于所述平行板波导结构的输出处，并且用于使所述RF波垂直极化。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的可切换透镜天线，其中，所述平行板波导结构是印刷电路板。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的可切换透镜天线，其中，所述频率选择元件位于至少一个频率选择结构行中，所述频率选择结构行中的每个频率选择元件径向地位于距所述激励端口的几何中心大约等距离处，并且每个频率选择结构行中的相邻频率选择元件之间的距离近似相同。
11.一种用于基于透镜的天线的频率选择结构，所述基于透镜的天线具有平行板波导结构和激励端口，所述激励端口用于将射频RF波辐射到所述平行板波导结构中，所述频率选择结构包括：
频率选择元件，包括：
短截线，用于当电连接至所述平行板波导结构时向所述RF波引入相位变化；和
可切换元件，可操作地连接至所述短截线和所述平行板波导结构，所述可切换元件用于当所述天线处于第一操作模式时，选择性地断开所述短截线与所述平行板波导结构的电连接，并且当所述天线处于第二操作模式时，对所述短截线与所述平行板波导结构进行电连接。
12.根据权利要求11所述的频率选择结构，其中，所述可切换元件是二极管。
13.一种用于无线通信的方法，包括：
确定辐射到平行板波导结构中的射频波的转向角；
响应于所述转向角约等于或小于阈值转向角，断开频率选择元件与所述平行板波导结构的电连接；和
响应于所述转向角大于所述阈值转向角，将所述频率选择元件与所述平行板波导结构电连接，以将相位变化引入在所述平行板波导结构中传播的RF波。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述频率选择元件位于至少一个频率选择结构行中，每个频率选择结构行与将所述射频波辐射到所述平行板波导结构中的激励端口的几何中心大约等距。
15.根据权利要求13和14中任一项所述的方法，其中，所述阈值转向角约为所述RF波的半功率波束宽度的一半。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中，每个频率选择结构行中的相邻频率选择元件之间的距离近似相同。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，还包括：利用垂直极化辐射器在所述平行板波导结构的输出处垂直极化所述RF波。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的方法，其中，通过将可切换元件电连接至所述平行板波导结构的接地面或是断开所述可切换元件与所述平行板波导结构的接地面之间的电连接，完成所述频率选择元件与所述平行板波导结构之间的电连接。
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