CN114868309A - 具有用于提高角覆盖的超结构的相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

所公开的结构和方法涉及用于在不同方向上发送和从不同方向接收无线信号的天线系统。用于传输电磁(electromagnetic，EM)波的天线包括相控阵和超结构。所述相控阵具有用于辐射所述EM波的辐射元件。所述超结构位于离所述相控阵一定的相控阵距离处，以第一角度接收所述EM波，并以第二角度透射所述EM波，所述第二角度大于所述第一角度。所述超结构包括彼此平行布置的三个阻抗层，每个阻抗层包括多个金属化元件。每个金属化元件具有第一偶极子和一对第一电容臂，所述一对第一电容臂位于所述第一偶极子的每一端上并且大致垂直于所述第一偶极子。

Description

具有用于提高角覆盖的超结构的相控阵天线
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年12月16日提交的、发明名称为“具有用于提高角覆盖的超结构的相控阵天线(PHASED ARRAY ANTENNA WITH METASTRUCTURE FOR INCREASED ANGULARCOVERAGE)”的第16/716,035号美国非临时专利申请的优先权权益，其全部内容通过引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及无线通信领域，具体涉及天线。
背景技术
为了支持宽带宽和高吞吐量数据速率，5G电信系统使用频率高于30千兆赫(gigahertz，GHz)的毫米波频谱。在这种频率下，视距传播占优势，这要求开发点对点数据链路。
为了改善无线信号在点对点数据链路中的传播，可以将可扫描相控阵用于基站(base station，BS)和用户设备(user equipment，UE)。具有可扫描相控阵的收发器可以具有许多元件，例如具有16×16元件的可扫描相控阵，并且能够提供维持与移动UE的鲁棒数据链路所需的宽波束扫描功能、高增益和窄波束宽度。但是，具有如此多元件的可扫描相控阵不仅成本高昂，而且已知会增加功耗。
使用相对较厚的介电透镜可以扩展相控阵的扫描范围，该介电透镜的形状可以为半球形圆顶。这种介电圆顶笨重、相对较厚，并具有复杂的三维形状。此外，使用介质圆顶获得的扫描范围的增强伴随着方向性的衰减，其中一些衰减归因于介质/空气界面的反射。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于传输电磁(electromagnetic，EM)波的天线。该天线包括靠近传统相控阵放置的超表面透镜结构。
如本文所描述的超表面透镜结构用于扩展传统相控阵的扫描范围。例如，如果传统的相控阵具有低成本、简化的硬件(例如通过子阵)，使得它用于在第一扫描范围(例如-15度至15度)内辐射，则如本文所描述的超表面透镜结构用于将天线的扫描范围增加到大于第一扫描范围的第二扫描范围(例如-30度至30度)，同时引起最小的增益下降。
根据这一目的，本发明的方面提供了一种用于传输电磁(electromagnetic，EM)波的天线。该天线包括：具有用于辐射EM波的辐射元件的相控阵；和位于离相控阵相控阵距离处的超结构，以第一角度接收EM波。超结构用于以第二角度透射EM波，第二角度大于第一角度。该超结构包括三个阻抗层，三个阻抗层彼此平行布置，每个阻抗层包括多个金属化元件，每个金属化元件具有第一偶极子和一对第一电容臂，该对第一电容臂定位在第一偶极子的每一端上并且大致垂直于第一偶极子。
在一些实施例中，多个金属化元件用于提供耦合的电偶极子响应和磁偶极子响应。
在上述任一实施例中，相控阵用于在第一扫描范围内辐射EM波，超结构用于在第二扫描范围内透射EM波，第二扫描范围大于第一扫描范围。
在上述任一实施例中，三个阻抗层可以包括一对侧阻抗层和位于侧阻抗层之间的一个中间阻抗层。位于中间阻抗层中的第一偶极子可以相对于位于侧阻抗层中的第一偶极子移位。位于中间层中的第一偶极子可以相对于位于侧阻抗层中的第一偶极子移位大约位于侧阻抗层中的第一偶极子的长度的一半。
在上述任一实施例中，超结构可以包括具有三个阻抗层的部分的至少一个单位单元(unit cell)，并且至少一个单位单元可以包括每个侧阻抗层中的一个金属化元件和中间阻抗层中的中间层金属化元件的至少部分。在至少一个单位单元中，位于所述中间阻抗层中的所述中间层金属化元件中的至少一个中间层金属化元件可以具有与位于所述侧阻抗层中的所述金属化元件的尺寸不同的尺寸。位于所述至少一个单位单元的所述侧阻抗层中的金属化元件可以具有不同的尺寸。
在上述任一实施例中，位于侧阻抗层中的每个金属化元件还可以包括：定位成大致垂直于第一偶极子并且穿过第一偶极子的第二偶极子，和定位在第二偶极子的每一端上并且大致垂直于第二偶极子的一对第二电容臂。中间阻抗层还可以包括中心元件，中心元件定位在位于所述中间阻抗层中的相邻金属化元件的所述第一电容臂之间。位于所述中间阻抗层中的所述金属化元件还可以包括：大致定位成垂直于位于所述中间阻抗层中的所述第一偶极子的第三偶极子，和定位在所述第三偶极子的每一端上并且大致垂直于所述第三偶极子的一对第三电容臂。
根据本发明的附加方面，提供了一种用于制造用于传输EM波的天线的方法。该方法包括确定相控阵距离；确定超结构的单位单元的超结构参数；根据超结构参数，确定超结构的单位单元的金属化元件的几何参数；将超结构放置在与相控阵的相控阵距离处，该超结构具有三个阻抗层，三个阻抗层包括具有几何参数的金属化元件。
在一些实施例中，相控阵距离可以基于相控阵的辐射元件的数量和天线的期望方向性衰减来确定。超结构的单位单元的超结构参数可以基于相控阵的操作频率确定。超结构的单位单元的超结构参数可以基于天线的扫描范围与相控阵的扫描范围的期望比率确定。
本发明的实现方式各自具有上述目的和/或方面中的至少一个，但不一定具有全部。应理解，由于尝试实现上述目的而产生的本发明的一些方面可能不满足本目的和/或可能满足本文未具体说明的其它目的。
本发明的实施方式的附加和/或替代特征、方面和优点将从以下描述、附图和所附权利要求中变得明显。
附图说明
结合附图，通过以下详细描述，本发明的进一步的特征和优点将变得显而易见。
图1示出了根据本发明的各种实施例的天线的侧视图。
图2示出了根据本发明的各种实施例的超结构的透视图。
图3示出了根据本发明的各种实施例的具有三个单位单元的超结构的一部分的透视图。
图4示出了根据本发明的各种实施例的具有替代单位单元的超结构的另一部分的透视图。
图5示出了根据本发明的各种实施例的作为沿超结构的x坐标的函数的相位。
图6A示出了根据本发明的各种实施例的当从图3的具有单位单元的超结构折射时，平面外电场的模拟行为。
图6B示出了图6A的区域A的放大图。
图7示出了根据本发明的各种实施例模拟的具有图3的单位单元的超结构的EM波的各种入射第一角度的折射方向性图案。
图8示出了作为图7所示模拟中的入射第一角度的函数的折射第二角度。
图9示出了根据本发明的各种实施例的用于制造天线的方法的流程图。
应理解，在所有附图和对应的描述中，相同的特征通过相同的附图标记标识。此外，还应理解，附图和随后的描述仅用于说明目的，并且此类公开内容并不限制权利要求的范围。
具体实施方式
本发明旨在解决天线的当前实现方式的至少一些缺陷。
本文描述的技术可以在包括基站(base station，BS)、用户设备(userequipment，UE)等各种不同的电子设备(electronic device，ED)中体现。
在天线内部传播并由天线辐射的电磁(electromagnetic，EM)波可以在射频(radio frequency，RF)范围内，且本文称为RF波。在一些实施例中，RF波可以在毫米波范围内。例如，RF波的频率可以在大约30GHz与大约300GHz之间。在一些其它实施例中，RF波可以在微波范围内。例如，RF波的频率可以在大约1GHz与大约30GHz之间。
如本文所使用的，术语“大约”或“大致”是指相对于标称值的+/-10％的变化。应理解，无论是否具体提及，本文提供的给定值总是包括这种变化。
除非另有定义，否则本文所使用的所有技术和科学术语的含义与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同。
在各种实施例中，如本文所描述的天线可以由多衬底印刷电路板(printedcircuit board，PCB)的适当特征形成，例如通过蚀刻导电衬底、通孔等形成的特征。这种PCB可以适当紧凑地实现，以包括在移动通信终端等无线通信设备中，并且适合于成本效益高的批量生产。
现在参考附图，图1示出了根据本发明的至少一个非限制性实施例的天线100的侧视图。
天线100包括相控阵110(本文也称为“相控阵天线110”)和位于离相控阵110相控阵距离125处的超表面透镜结构120(本文也称为“超结构120”)。在所示实施例中，超结构120位于定位成平行于相控阵110的平面中。在一些实施例中，相控阵110可以位于定位成不平行于相控阵110的平面中。
相控阵110包括布置成阵列的辐射元件112。在所示实施例中，相控阵110用于以第一角度θ1辐射EM波115。超结构120用于以第一角度θ1接收入射EM波115的辐射，并以第二角度θ2透射折射后的EM波116。在至少一个实施例中，第二角度θ2大于第一角度θ1，并且第二角度θ2用于提高EM波的角覆盖。天线100用于以第二角度θ2操作(透射和接收)EM波。
超结构120用于增强相控阵110的扫描范围Δθ1(称为“第一扫描范围Δθ1”)。由于超结构120，相控阵扫描范围Δθ1(也称为“相控阵的扫描范围”)可以小于天线100的总扫描范围Δθ2(称为“第二扫描范围Δθ2”和“天线100的扫描范围”)。与用于提供与本文描述的天线100相同的扫描范围的更复杂的相控阵相比，天线100的相控阵100可以具有简化的馈电网络(例如具有更少的连接、更少的移相器和相关联的电子元件)。
图2示出了根据本发明的至少一个非限制性实施例的超结构120的透视图。超结构120包括至少三个彼此平行布置的阻抗层：第一阻抗层131、第二阻抗层132(也称为“中间阻抗层132”)和第三阻抗层133(第一阻抗层131和第二阻抗层133统称为“侧阻抗层131、133”)。每个阻抗层131、132、133都具有金属化元件140，金属化元件140可以以行145布置，如图2所示。
在至少一个实施例中，阻抗层131、132、133由第一衬底151和第二衬底152彼此分开。衬底151、152可以由介电材料制成，例如，相对介电常数在大约3与大约12之间的介电材料。在一些实施例中，衬底151、152可以由具有大致4的相对介电常数的电介质制成。衬底151、152可以由PCB制成。
如图2所示，超结构120可以表示为多个单位单元205。
图3示出了根据本发明的至少一个非限制性实施例的具有三个单位单元305a、305b、305c(统称为“单位单元305”)的超结构120的部分300的透视图。单位单元305中的每一个单位单元包括第一阻抗层131中的第一金属化元件340a、第二阻抗层132中的第二金属化元件340b的一部分和第三金属化元件340c的一部分，以及第三阻抗层133中的第四金属化元件340d。本文中金属化元件340a、340b、340c、340d统称为金属化元件340。
在图1和图2示出的实施例中，每个金属化元件340配置有偶极子345(分别示出为金属化元件340a、340b、340c、340d的偶极子345a、345b、345c、345d)和一对电容臂350，该对电容臂350位于偶极子345的每一端上并且定位成大致垂直于偶极子345。金属化元件340可以由铜等金属材料制成。
金属化元件340a、340b、340c、340d的偶极子345a、345b、345c、345d分别可以具有不同的长度。一个金属化元件340的两个电容臂350具有大致相等的长度。
两个相邻的金属化元件340，例如第二金属化元件340b和第三金属化元件340c，可以具有不同的偶极子长度352b、352c和不同的电容臂长度355b、355c。一对相邻金属化元件340b、340c的两个相邻电容臂350可以具有不同的长度，并在它们之间形成电容。
每个电容臂350大致在电容臂350的中点连接到对应的偶极子345。因此，每个电容臂350具有两个分支351a、351b，它们的长度大致相等并且分别位于偶极子345的两侧，如图3所示。
偶极子345的宽度357和电容臂350的宽度357可以大致相等。金属化元件340的大小，例如偶极子345和电容臂350的长度和宽度，可以使用基于初始超结构配置参数的全场模拟(也称为全波数值模拟分析)来确定，初始超结构配置参数例如EM波的频率、相控阵110的大小、第一扫描范围Δθ1、期望的第二扫描范围Δθ2、第一角度θ1和第二角度θ2等。
图4示出了根据本发明的至少一个非限制性实施例的具有替代单位单元405a、405b、405c(本文统称为替代单位单元405)的超结构120的部分400的透视视图。
在这种替代单位单元405中，第一阻抗层131中的替代金属化元件440a和第三阻抗层133中的替代金属化元件440b具有彼此相似的结构。
替代金属化元件440包括第一偶极子445和大致垂直于第一偶极子445定位的两个电容臂450。除了第一偶极子445和电容臂450之外，替代金属化元件440具有定位成大致垂直于第一偶极子445的第二偶极子446。第二对电容臂451定位成大致垂直于第二偶极子446。
位于替代单位单元405的第一阻抗层131与第三阻抗层133之间的第二(中间)阻抗层132包括中心元件460和四个中间层金属化元件440c的部分。每个中间层金属化元件440c具有中间层偶极子470和对应的电容臂450。如图4所示，中心元件460被四个相邻的中间层金属化元件440c的电容臂450包围。
偶极子445、456、470的宽度457和电容臂长度450、451可以彼此大致相等，并且可以根据下文所描述的全场模拟确定。替代金属化元件440和中心元件460可以由铜等金属材料制成。
中心元件460有助于对齐的中间层偶极子470的耦合。中心元件460的尺寸和金属化元件440a、440b、440c的尺寸也可以使用基于初始超结构配置参数的全场模拟来确定，初始超结构配置参数例如EM波的频率、相控阵110的大小、第一扫描范围Δθ1、期望的第二扫描范围Δθ2、第一角度θ1和第二角度θ2等。
参考图2至图4，超结构120的衬底151的厚度155和衬底152的厚度156分别可以是由相控阵110辐射的EM波115的波长的十分之一。例如，衬底151的厚度155和衬底152的厚度156可以在大约0.25mm与大约5mm之间。
参考图3，在一些实施例中，一个单位单元305的三个阻抗层131、132、133的偶极子345可以位于定位成大致垂直于阻抗层131、132、133的同一假想平面中。类似地，参考图4，在一些实施例中，一个单位单元405的第一阻抗层131中的替代金属化元件440a的偶极子445和一个单位单元405的第三阻抗层133中的替代金属化元件440b的偶极子445可以位于定位成垂直于阻抗层131、132、133的一个假想平面中。
参考图1，相控阵距离125可以取决于相控阵110的操作频率(波长)和相控阵110的大小(例如辐射元件112的数量和辐射元件112之间的距离)。在一些实施例中，相控阵距离125可以的值在由相控阵110辐射的EM波115的几个波长与几十个波长之间。相控阵距离125可以根据天线100的相控阵110的大小和根据在天线100的操作中可以接受的期望方向性衰减来确定。
在超结构120的构造中，第一阻抗层131可以附接到第一衬底151，第三阻抗层133可以附接到第二衬底152。第二阻抗层132可以附接到第一衬底151或第二衬底152。然后，附接了阻抗层131、132、133的第一衬底151和第二衬底152可以用适于附接用于第一151和第二衬底152的材料的材料彼此附接。在一些实施例中，第一衬底151和第二衬底152可以用环氧树脂胶合。在一些实施例中，附接了阻抗层131、132、133的第一衬底151和第二衬底152可以在烤箱中固化。
在一些实施例中，超结构120可以具有三个以上阻抗层，并且这种超结构120的阻抗层对可以由衬底分开。当确定单位单元205、305、405和金属化元件340、440的尺寸时，具有三个以上阻抗层的超结构120在数值模拟中具有更大的自由度。此外，更多的阻抗层可以支持增加或以其它方式控制EM波的带宽。
在一些实施例中，PCB制造技术可以支持在超结构120中嵌入控制元件，例如开关或变容器，以改善天线100的功能和性能。超结构120的表面可以保持平坦，从而减少制造3D形状结构的需要。
在扫描由相控阵110辐射的EM波的波束时，即随着第一角度θ1的变化，如本文所描述的超结构120可以保持无反射，从而减少损耗并提高整体效率。
在一些实施例中，超结构120可以具有相控阵110上的天线罩的形式。
单位单元305、405的参数，例如金属化元件340、440的偶极长度352、452和电容臂长度355、455，可以使用下面描述的单位单元模拟模型来确定。
参考图1，可以为超结构120提供对应入射EM波115的入射场与对应透射EM波116的透射场之间的一般边界条件。电磁学的等效原理指出，表面电流和表面磁流有助于入射场与透射场之间的转变。这些电流必须通过入射场和透射场在超结构120上形成。
再次参考图1，在所示实施例中，假设超结构120位于y＝0平面中，并且在z方向上没有变化。假设入射电场和透射电场仅具有非零的z分量，即仅考虑横向电(transverseelectric，TE)极化。
然后，超结构120处的双各向同性片转变条件(bianisotropic sheet transitioncondition，BSTC)可以表征如下：
Figure BDA0003696637290000061
Figure BDA0003696637290000062
其中，Z是超结构的电阻抗，Y是超结构的磁导纳，K是磁电耦合系数。本文中系数Z、Y和K也称为“超结构参数Z、Y和K”。
在方程(1)-(2)中，Ez和E′z分别是入射切向电场和透射切向电场；Hx和H′x分别是入射切向磁场和透射切向磁场。
BSTC方程(1)-(2)中的表面表征系数K、Y、Z也是沿表面的x坐标的函数，为了简洁起见，方程(1)-(2)中省略了这种依赖关系。需要说明的是，超结构120的透射侧可以由平面y＝0+表示，超结构120的入射侧可以由y＝0-表示。
BSTC方程(1)-(2)可以通过将传统的电磁边界条件与欧姆定律的广义形式结合起来获得，欧姆定律将表面上的平均切向电场和磁场与表面电流联系起来。对于表面，传统的欧姆定律指出：表面上的平均切向电场等于表面阻抗乘以表面电流。另一定律通过表面磁导纳将平均切向磁场与磁流联系起来，并支持磁电耦合。磁电耦合支持通过施加电场进行磁流激励，并支持通过施加磁场进行电流激励。
为了使超结构120是无源和无损的，入射和透射场Ez、E′z、Hx、H′x需要满足麦克斯韦方程和超结构120处的局部功率守恒条件。为了满足超结构120的每个位置处的局部功率守恒条件，在超结构120的一侧上进入超结构120的实际功率流需要等于超结构120的另一侧上的实际功率流。使用坡印廷矢量
Figure BDA0003696637290000063
的y分量，局部功率守恒可以表示为：
Figure BDA0003696637290000064
其中H*是H场的复共轭，为了简洁起见，省略了x依赖关系。
如果假设超结构120两侧的场满足方程(3)，则可以确定超结构参数Z、Y和L的值，这些参数将满足方程(1)和(2)。
超结构120具有双各向异性惠更斯超表面的结构。为了实现无反射操作，超结构120包含上文论述的金属化元件140、340、440，这些金属化元件用于提供电响应和磁响应，并且这两种类型的响应也是耦合的(即“双各向异性”)。
如图2至4所示，假设超结构120由单位单元205、305、405组成，每个单位单元205、305、405充当单独的散射体。可以首先为每个单位单元205、305、405确定超结构参数Z、Y和K。然后，单位单元205、305、405的参数，例如偶极子的长度与阻抗层131、132、133之间的距离可以从超结构参数Z、Y和K确定。
具有满足方程(1)-(3)的超结构参数Z、Y和K的超结构120可以是无源和无损的。当从超结构120折射的EM波经历的损失为零或几乎为零时，超结构120是无损的。当超结构120不贡献任何添加的EM能量时，超结构120是无源的。在一些实施例中，当超结构参数Z和Y具有虚值并且超结构参数K是实数时，超结构120是无源和无损的。
根据传统的传输线理论，单位单元205、305、405可以充当三短截线调谐网络。当切向场已知时，可以确定提供超结构参数Z、Y和K的期望值的单位单元205、305、405的参数。切向场E′z、H′x可以根据超结构120的第二角度θ2与第一角度θ1的期望的比率，即θ2/θ1，来确定，如下文所描述。
为了模拟天线100的操作，假设入射场115通过包括十六(16)个均匀激励辐射元件112的相控阵110向超结构120透射。元件之间的间隔是波长λ的一半，其中波长λ是对应于天线100的操作频率的自由空间波长(以米为单位测量)。相控阵辐射元件112被假设为沿z方向延伸的无限电流线，从而支持对问题进行二维处理。
入射EM波115的波束被限制在第一扫描范围Δθ1，其中，离宽面的度数为θ1＝±15°。期望超结构120将相控阵110的扫描范围Δθ1增加到第二扫描范围Δθ2，其中，θ2＝±30°。因此，超结构120的模拟实施例用于使相控阵110的扫描范围Δθ1加倍。
在模拟实施例中，操作频率为10GHz，相控阵距离125为40λ＝1.2m。选择40λ的这种相控阵距离125，以确保超结构120尽可能远离具有可用计算资源的相控阵110。
在一些实施例中，当物体被放置在位于焦距f＝-40λ处的焦点处时，超结构120可以使第一扫描范围Δθ1加倍。
在模拟中，可以假设超结构120(y＝0+)传输侧上的电场和磁场E′z、H′x与位于y＝f＝-40λ处的超结构120的焦点处的无限电流线产生的场相同。使用以上描述的几何形状，与超结构120相切的透射电场和磁场E′z、H′x可以写成：
Figure BDA0003696637290000071
Figure BDA0003696637290000072
其中，
Figure BDA0003696637290000073
是第二类0阶的汉克尔函数，
Figure BDA0003696637290000074
是第二类1阶的汉克尔函数。
在方程(4)-(5)中，f是超结构120的焦距(以米为单位测量)，k是自由空间的波数(以弧度/米为单位测量)，ω是辐射的角频率(以弧度/秒为单位测量)，∈是自由空间的介电常数(以法拉德/米为单位测量)，j是
Figure BDA0003696637290000075
x是沿超结构120的x坐标(以米为单位测量)。波数k等于k＝2π/λ。
在至少一个实施例中，为了保存跨超结构120的实际功率流，入射场Ez、Hx可以确定为：
Figure BDA0003696637290000076
Figure BDA0003696637290000077
其中，η是自由空间的阻抗，大致等于
Figure BDA0003696637290000079
欧姆。
入射场(6)-(7)使得沿着超结构120的表面的电场的相位恒定，并且坡印廷矢量的法线分量的实部在超结构120的两侧相等，使得
Figure BDA0003696637290000078
如以上所论述，通过方程(4)-(7)定义的切向入射场Ez、Hx和透射场E′z、H′x求解方程(1)-(3)，可以确定超结构参数Z、Y和K。
尽管可以为特定的入射场和透射场(所谓的“假设场”)确定超结构参数Z、Y和K，但超结构120还是会折射许多不同的波束。此外，由相控阵110发送的波束可能与超结构120入射侧上的假设场大不相同。因此，可以预料，具有根据假设场确定的超结构参数Z、Y和K的超结构120将以无损和几乎无反射的方式按照期望运行。但是，全场模拟的结果说明了当EM波115通过具有根据假设场确定的超结构参数Z、Y和K的超结构120时，EM波115的损失和反射可忽略不计。
再次参考图1至图4，单位单元205、305、405的非对称阻抗层131、132、133提供耦合的电偶极子响应和磁偶极子响应。电偶极子响应和磁偶极子响应的这种耦合通过减少反射改善了超结构120的性能。当位于不同阻抗层131、132、133中的相同单位单元305、405中的金属化元件340、440具有不同的尺寸和/或相对于彼此移位时，可以实现阻抗层131、132、133的不对称。
参考图3，在一些实施例中，第一金属化元件340a和第四金属化元件340d分别具有不同的长度355a、355d，从而导致阻抗层131、133的不对称。类似地，第一金属化元件340a和第四金属化元件340d的不同长度的电容臂350可以为第一阻抗层131和第三阻抗层133提供不对称。
此外，位于第二(中间)阻抗层132中的第二金属化元件340b的偶极子345b和第三金属化元件340c的偶极子345c可以相对于位于第一阻抗层131中的第一金属化元件340a的偶极子345a和/或第三阻抗层133中的第四金属化元件340d的偶极子345d移位。与第一金属化元件340a和/或第四金属化元件340d相比，第二金属化元件340b和第三金属化元件340c的这种移位可以大致是位于一个或两个侧阻抗层131、133中的偶极子的长度的一半。
位于中间层132中的金属化元件340b、340c的偶极子345b、345c和/或电容臂350也可以具有不同于位于侧阻抗层131、133中的偶极子345a、345d的尺寸。此外，位于第一阻抗层131中的第一金属化元件340a可以具有与位于另一侧阻抗层(即第三阻抗层133)中的第四金属化元件340d的尺寸不同的尺寸。
现在参考图4，第一阻抗层131中的替代金属化元件440a和第三阻抗层133中的替代金属化元件440b的偶极子445、446和电容臂450、451的尺寸可以不同，从而为第一层131和第二层133提供不对称，并且导致电偶极子响应和磁偶极子响应的耦合。
每个单位单元305、405的金属化元件340、440的尺寸和阻抗层131、132、133的不对称可以根据超结构参数Z、Y和K确定。由于相邻单位单元(例如单位单元305a、305b或405a、405b)的超结构参数Z、Y和K可以不同，所以相邻单位单元的金属化元件340、440的尺寸也可以不同。在一些实施例中，相邻单位单元(例如单位单元305a、305b)的相邻电容臂350之间的偶极子345、电容臂350和/或间隔358的尺寸不同。
应说明的是，超结构参数Z、Y和K可以根据超结构120的折射第二角度θ2与入射第一角度θ1的期望比、相控阵110的操作频率和相控阵110的其它特性(例如，辐射元件112的数量)来确定。
应说明的是，图3中所示的具有金属化元件340的单位单元305可以在单极化和二维中工作。还参考图1，在这种配置中，超结构120和由相控阵110发送的波束可以假设在一个维度上是均匀的和无限长的。
由于替代金属化元件440的配置(例如，每个替代金属化元件440在二维上是对称的)，以及四个中间层偶极子470相对于中间阻抗层132中的中心元件460的定位，图4中示出的具有金属化元件440的替代单位单元405可以在两个极化和三维中工作。
具有金属化元件140的配置而不是图3和图4中描绘的那些配置的超结构120可以用于提供超结构参数Z、Y和K的期望值。在一些实施例中，这种超结构120包括至少三个阻抗层131、132、133，这些阻抗层彼此平行布置并具有多个金属化元件140。每个金属化元件140可以具有偶极子和一对电容臂，该对电容臂位于该偶极子的每一端上且大致垂直于该偶极子。
图5示出了根据至少一个非限制性实施例的作为沿超结构120的x坐标的函数的相位φ。在超结构120的每个点处，场的入射第一角度θ1和折射第二角度θ2之间的关系取决于相位斜率φ。选择相位φ的函数，使得该函数是连续的，并以30度折射以15度处落在超结构120上的入射波束。
图6A示出了根据本发明的至少一个非限制性实施例的当从具有单位单元305的超结构120折射时平面外电场的模拟行为。使用全波有限元分析模拟了平面外电场。相控阵110具有16个辐射元件112。如以上所描述，超结构120和相控阵110分开40λ。相控阵110以θ1＝15°的度数辐射非宽面波束，该波束以离宽面θ2＝30°的度数被超结构120折射。
图6A示出了反射场的干扰跳动几乎不存在，这意味着性能几乎是无反射的。模拟表明，来自超结构120的EM波的损失和反射可忽略不计。在其它入射角θ1下，反射仍然可以忽略不计。图6B示出了图6A的区域A的放大图。
图7示出了根据本发明的至少一个非限制性实施例模拟的具有单位单元305的超结构120的EM波115的各种入射角θ1的折射方向性图案。相控阵110具有1×16个元件，并具有Δθ1的第一扫描范围，其中，离宽边的度数为θ1＝±15°。曲线700、705、710、715分别示出了从超结构120以θ1＝0、5、10、15度的入射第一角度折射的EM波的方向性。曲线755、760、770分别示出了从超结构120以θ1＝-5、-10、-15度的入射第一角度折射的EM波的方向性。
图7示出了在模拟实施例中，各种入射第一角度θ1的方向性峰值具有相似的值。还参考图1，当入射EM波115的入射第一角度θ1为θ1＝10度时，折射EM波116的方向性峰值710位于第二角度θ2＝20度。因此，在模拟实施例中，天线100用于以比第一角度θ1.大两倍的第二角度θ2辐射折射EM波116。
如果相控阵110的操作角度是第一角度θ1，则超结构120可以使该角度加倍，并且天线100可以以第二角度θ2＝2*θ1操作(辐射和接收EM波)。
图8示出了作为图7的模拟中的入射第一角度θ1的函数的折射第二角度θ2。曲线801示出了EM波116的模拟折射第二角度θ2，而曲线802对应于EM波116的折射第二角度θ2的期望行为，作为EM波115的入射角度θ1的函数。图8示出了第二角度θ2比入射第一角度θ1大两倍。
图9示出了根据本发明的至少一个非限制性实施例的用于制造天线100的方法900的流程图。在步骤910处，例如根据相控阵110的大小和天线100的期望方向性衰减，确定相控阵距离125。相控阵110的大小可以根据相控阵110的辐射元件112的数量确定。
在步骤920处，为超结构120的每个单位单元205、305、405确定超结构参数Z、Y和K。如以上所描述，超结构参数Z、Y和K可以使用方程(1)-(7)确定。超结构120的单位单元205、305、405的超结构参数Z、Y和K可以根据相控阵110的操作频率和天线100的第二扫描范围Δθ2与相控阵110的第一扫描范围Δθ1的期望比率来确定。
在步骤930处，根据超结构参数Z、Y和K确定每个单位单元205、305、405的金属化元件140、340、440、460、470的几何参数。在步骤940处，可以用在步骤930处确定的金属化元件140、340、440的几何参数制造超结构120。在至少一个实施例中，超结构120具有至少三个阻抗层131、132、133，并且每个层包括具有在步骤930处确定的几何参数的金属化元件140、340、440。在步骤950处，超结构120被放置在离相控阵110相控阵距离125处，以形成天线100。
尽管已经参考本发明的特定特征和实施例描述了本发明，但很明显，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种修改和组合。因此，说明书和附图被简单地视为由所附权利要求所定义的本发明的说明，并被设想涵盖属于本发明范围的任何和所有修改、变化、组合或等同物。

Claims (15)

1.一种天线，其特征在于，用于传输电磁(electromagnetic，EM)波，所述天线包括：
相控阵，所述相控阵具有用于辐射所述EM波的辐射元件；
超结构，所述超结构位于离所述相控阵一定距离处，以第一角度接收所述EM波，所述超结构用于以第二角度透射所述EM波，所述第二角度大于所述第一角度，所述超结构包括：
三个阻抗层，所述三个阻抗层彼此平行布置，每个阻抗层包括多个金属化元件，每个金属化元件具有第一偶极子和一对第一电容臂，所述一对第一电容臂定位在所述第一偶极子的每一端上并且大致垂直于所述第一偶极子。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述多个金属化元件用于提供耦合的电偶极子响应和磁偶极子响应。
3.根据权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述相控阵用于在第一扫描范围内辐射所述EM波，所述超结构用于在第二扫描范围内透射所述EM波，所述第二扫描范围大于所述第一扫描范围。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的天线，其特征在于，所述三个阻抗层包括一对侧阻抗层和位于所述侧阻抗层之间的中间阻抗层，位于所述中间阻抗层中的第一偶极子相对于位于所述侧阻抗层中的第一偶极子移位。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的天线，其特征在于，位于所述中间层中的所述第一偶极子相对于位于所述侧阻抗层中的所述第一偶极子移位大致位于所述侧阻抗层中的所述第一偶极子的长度的一半。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的天线，其特征在于，
所述三个阻抗层包括一对侧阻抗层和位于所述侧阻抗层之间的一个中间阻抗层，
所述超结构包括具有所述三个阻抗层的部分的至少一个单位单元，
所述至少一个单位单元包括所述侧阻抗层中的每个侧阻抗层中的一个金属化元件和所述中间阻抗层中的中间层金属化元件的至少部分。
7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，在至少一个单位单元中，位于所述中间阻抗层中的所述中间层金属化元件中的至少一个中间层金属化元件具有与位于所述侧阻抗层中的所述金属化元件的尺寸不同的尺寸。
8.根据权利要求6或7所述的天线，其特征在于，位于所述至少一个单位单元的所述侧阻抗层中的金属化元件具有不同的尺寸。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的天线，其特征在于，所述三个阻抗层包括一对侧阻抗层和位于所述侧阻抗层之间的一个中间阻抗层，位于所述侧阻抗层中的每个金属化元件还包括：
第二偶极子，所述第二偶极子定位成大致垂直于所述第一偶极子并且穿过所述第一偶极子，
一对第二电容臂，所述一对第二电容臂定位在所述第二偶极子的每一端上并且大致垂直于所述第二偶极子。
10.根据权利要求9所述的天线，其特征在于，所述中间阻抗层还包括中心元件，所述中心元件定位在位于所述中间阻抗层中的相邻金属化元件的所述第一电容臂之间。
11.根据权利要求9或10所述的天线，其特征在于，位于所述中间阻抗层中的所述金属化元件还包括：大致定位成垂直于位于所述中间阻抗层中的所述第一偶极子的第三偶极子，和定位在所述第三偶极子的每一端上并且大致垂直于所述第三偶极子的一对第三电容臂。
12.一种用于制造用于传输电磁(electromagnetic，EM)波的天线的方法，其特征在于，所述方法包括：
确定相控阵距离；
确定超结构的单位单元的超结构参数；
基于所述超结构参数，确定所述超结构的所述单位单元的金属化元件的几何参数；
将所述超结构放置在离所述相控阵所述相控阵距离处，所述超结构具有三个阻抗层，所述阻抗层包括具有所述几何参数的所述金属化元件。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述确定所述相控阵距离是基于所述相控阵的辐射元件的数量和所述天线的期望方向性衰减。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述超结构的单位单元的所述超结构参数基于所述相控阵的操作频率确定。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征在于，所述超结构的单位单元的所述超结构参数基于所述天线的扫描范围与所述相控阵的扫描范围的期望比率确定。
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