CN115668641A - 单层广角阻抗匹配（waim） - Google Patents

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Abstract

本申请描述了一种单层广角阻抗匹配(WAIM)及其使用方法。在一个实施例中，天线包括：孔径，具有可操作以辐射射频(RF)能量的多个天线元件；以及单层广角阻抗匹配(WAIM)结构，耦合到孔径以提供天线孔径与自由空间之间的阻抗匹配。

Description

单层广角阻抗匹配(WAIM)
相关申请的交叉引用
本申请基于35USC 119(e)要求于2020年5月19日提交的申请号为63/027,190的美国临时专利申请以及于2021年5月17日提交的申请号为17/322,602的美国非临时申请的权益，其通过引用整体并入本文。
技术领域
本申请的实施例涉及卫星通信的技术领域，更具体地，本申请的实施例涉及一种卫星天线中使用的广角阻抗匹配(WAIM)结构。
背景技术
天线增益是卫星通信系统的最重要的参数之一，因为天线增益决定了网络覆盖和速度。更具体地说，增益越大意味着覆盖越好且速度越高，这在竞争的卫星市场中是至关重要的。在接收(Rx)频带上的天线增益可能是关键的，因为在卫星侧，在天线处的接收功率非常低。由于与宽面(broadside)情况相比，在这些角度处增加的衰减和较低的天线增益，这在平板电子扫描天线的扫描角度处变得更加关键，使得较高的增益值成为关闭天线和卫星之间的联接的重要参数。在发射(Tx)频带上，增益也是重要的，因为较低的增益意味着需要向天线提供更多的功率以实现期望的信号强度，这意味着更多的成本、更高的温度、更高的热噪声等。
卫星通信中使用的一种类型的天线是径向孔径缝隙阵列天线。最近，对这种径向孔径缝隙阵列天线的性能有许多改进。限制这些天线的辐射效率的参数之一是天线孔径和自由空间之间的阻抗失配。如果这种失配在扫描角度处较高，则这种额外的辐射效率损失导致较差的扫描损失。WAIM结构通过提供适当的阻抗匹配来减轻这个问题。
已经提到偶极负载用于径向孔径缝隙阵列天线。这种负载可以通过提供阻抗匹配来提高辐射效率。它也可以用于偏移频率响应。缝隙偶极子概念也已经应用于径向孔径缝隙阵列天线，以改善天线的方向性，包括改善天线的整体回波损耗性能，特别是在宽面工作的天线。
发明内容
本申请描述了一种单层广角阻抗匹配(WAIM)及其使用方法。在一个实施例中，天线包括：孔径，具有可操作以辐射射频(radio-frequency RF)能量的多个天线元件；以及单层广角阻抗匹配(WAIM)结构，耦合到孔径以提供天线孔径与自由空间之间的阻抗匹配。
附图说明
通过参考结合附图的以下描述，可以最好地理解所描述的实施例及其优点。这些附图决不限制本领域技术人员在不脱离所述实施例的精神和范围的情况下可以对所述实施例进行的形式和细节上的任何改变。
图1A-图1B示出了单层广角阻抗匹配(WAIM)结构的一个实施例。
图2A-图2C示出了在孔径上以各种对准方式安装WAIM结构的可选方式。
图2D-图2F示出了使用各种特征尺寸实现相同的性能的灵活性。
图3示出了单层WAIM结构的一个实施例的增益和扫描损耗的改善。
图4是用于设计单层WAIM结构的过程的一个实施例的流程图。
图5A-图5C示出了用于WAIM结构的可选电容性表面。
图6示出了具有一个或多个天线元件阵列的孔径，其布置在围绕圆柱形馈送天线的输入馈送的同心环中。
图7示出了包括接地平面和可重新配置的谐振器层的一行天线元件的立体图。
图8A示出了可调谐谐振器/缝隙的一个实施例。
图8B示出了物理天线孔径的一个实施例的截面图。
图9A示出了具有对应于缝隙的位置的第一虹膜板层的一部分。
图9B示出了包含缝隙的第二虹膜板层的一部分。
图9C示出了第二虹膜板层的一部分上的膜片(patch)。
图9D示出了缝隙阵列的一部分的俯视图。
图10示出了圆柱形馈送天线结构的一个实施例的侧视图。
图11示出了具有出射波的天线系统的另一实施例。
图12示出了矩阵驱动电路相对于天线元件的布置的一个实施例。
图13示出了TFT封装的一个实施例。
图14是具有同时发射和接收路径的通信系统的另一实施例的框图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多细节以提供对本发明的更透彻的解释。然而，对于本领域技术人员来说，显然可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。在其它实例中，为了避免使本发明不清楚，公知的结构和设备以框图形式示出，而不是详细示出。
描述了一种用于孔径天线的新的广角阻抗匹配(WAIM)结构及其使用方法。WAIM结构通过在天线孔径和自由空间之间提供适当的阻抗匹配来提高孔径天线的辐射效率。扫描损失的改善也是由于在扫描角度提供更好的匹配。在一个实施例中，阻抗匹配是频率、扫描角度和传播波的极化的函数，因为天线孔径阻抗和自由空间阻抗随这些参数而变化。
在一个实施例中，WAIM设计特性取决于天线孔径的类型。在一个实施例中，天线孔径是漏波天线的一部分，并且具有亚波长辐射缝隙。在一个实施例中，天线孔径是具有辐射射频(RF)能量的多个天线元件的超表面。这种天线元件可以是表面散射超材料天线元件。下面更详细地描述基于液晶(LC)的表面散射超材料天线元件的示例。然而，天线元件不限于基于LC的天线元件。例如，在另一实施例中，天线元件是基于变容二极管的超材料天线元件，其中变容二极管用于调谐辐射缝隙天线元件。具有亚波长辐射缝隙的辐射表面的等效电路模型是具有小电阻部分的并联谐振器。因此，史密夫图表(Smith chart)上的阻抗曲线与频率的关系是朝向短段的圆。在一个实施例中，包括并联电容和串联电感的L型匹配网络为该配置提供适当的阻抗匹配。
在一个实施例中，WAIM结构是具有亚波长电容膜片的二维周期阵列的单层结构。在一个实施例中，该结构被印刷在介电基板上，并且通过介电间隔物(例如，泡沫等)与该孔径分隔开。本文描述的单层WAIM结构相对于现有技术的一个关键优点是，它可以以非常低的成本简单地被原型化和组装。
WAIM结构的实施例具有其它关键优点，包括制造成本较低和组装过程简单。在一个实施例中，因为设计的实施例包括单层结构，所以与替代方案相比，这导致较低的制造成本，消除了多个物理尺寸上的严格公差，并且降低了组装过程的复杂性。在选择其阻抗匹配元件的尺寸方面也存在灵活性，因此可以以很好地在制造技术的公差内的方式来选择它们。
此外，重要的是，本文描述的实施例不需要其阻抗匹配元件与天线孔径元件之间的任何位置/旋转对准。这导致较低的成本，因为它消除了位置公差并且还简化了组装过程。而且，由于它不依赖于其阻抗匹配元件和天线元件之间的对准，所以该设计提供了非常可重复的RF性能。
此外，可以用各种像素尺寸实现相同的RF性能。这使得能够使用不必提供特征尺寸的严格公差的成本制造技术。例如，在一个实施例中，WAIM结构包括具有丝网印刷在基板上的元件的基板。在这种情况下，丝网印刷的使用是印刷电路板(printed circuit board，PCB)技术的非常低成本的替代方式。
注意，单层WAIM结构可以与多个不同的天线孔径一起使用。以下更详细地描述孔径天线的示例。注意，公开的WAIM结构可以与除了下面描述的那些天线孔径之外的天线孔径一起使用。
在一个实施例中，单层WAIM结构包括L型阻抗网络，该阻抗网络由通过介电间隔物与孔径分隔开的电容性表面实现。在一些实施例中，电容性阻抗表面使用亚波长元件的2D阵列。亚波长元件可以是许多不同类型中的一种或多种。一些示例是亚波长膜片、偶极子、开口环谐振器(split ring resonator，SRR)等。
图1A示出了WAIM结构的一个实施例。在该实施例中，单层WAIM结构100位于天线孔径之上，该天线孔径包括具有多个天线元件101的超表面。在一个实施例中，天线元件101包括缝隙谐振器(例如，表面散射超材料天线元件、RF辐射天线元件等)。WAIM结构100包括亚波长方形膜片102的二维(2D)阵列。在一个实施例中，膜片102是亚波长膜片以确保作为超表面的此结构充当电容层。在一个实施例中，膜片102是电容膜片。在一个实施例中，膜片102印刷在基板上。在一个实施例中，WAIM结构100通过介电间隔物或泡沫与孔径隔开。
可以使用图1B所示的等效电路模型来对WAIM结构进行建模。参照图1B中的模型，电容膜片102通过并联电容建模，并且孔径和膜片102之间的间隔物通过传输线的短部分建模。
需要这种类型的单层WAIM结构有几个原因。首先，在选择物理参数以实现相同性能方面存在灵活性。该表面的固有电容是膜片及其周围介质的物理尺寸的函数。等式(1)示出了计算法向入射波的该电容值的一阶近似公式：
Figure BDA0003938989230000061
关于该公式的更多信息，参见Luukkonen等人，“包括金属条或片的平面网格和高阻抗表面的简单和精确的分析模型(Simple and accurate analytical model of planargrids and high-impedance surfaces comprising metal strips or patches)”，IEEE天线和传播期刊，第56卷，第6号，第1623-1632页，2008年6月。在该等式中，s是相邻膜片之间的间隙间隔，D是周期性。该等式表明，通过多组间隙间距和周期性可以实现相同的电容，只要它们比波长小得多。这是重要的，因为它允许根据制造方法公差来选择参数。
第二，该表面的阻抗与天线的扫描平面(即，phi)无关。这是由于结构的90度旋转对称性以及本征电容由相邻膜片的平行边缘之间的电场形成的事实。在具有旋转对称的孔径的某些天线中，这个特征是期望的。
第三，在一个实施例中，WAIM结构的表面阻抗是扫描角度和传播波的极化的函数。如果适当设计，WAIM结构对于各种扫描角度的两个正交极化(即，TE和TM)提供天线孔径和自由空间阻抗之间的阻抗匹配。
第四，在一个实施例中，WAIM结构是非常宽带的。因此，它可以潜在地为具有宽带辐射元件或具有不同频率的多个辐射元件的孔径提供阻抗匹配。这个特征在孔径由多个辐射元件填充的某些天线中是重要的。
WAIM结构的实施例的设计过程的一个实施例是基于图1B中所示的等效电路模型。在该模型中，所有参数都是波的极化和扫描角的函数。等式(2)和(3)示出了传输线阻抗如何作为扫描角和极化的函数而变化(η0是宽面处的自由空间阻抗)。这些等式对于自由空间也是有效的。
ZTE＝η0/cos(θ) (2)
ZTM＝η0cos(θ) (3)
等式(4)与等式(5)示出了正交极化的电容如何随扫描角度而变化。C0是宽面处的电容。
Figure BDA0003938989230000071
CTM＝C0 ( 5)
假设介电基板的特性是预先定义的，设计中的关键参数是泡沫的厚度和电容值C0。这些值以这样的方式定义，使得该设计在所有扫描角度中提供期望的阻抗匹配，并且用于横向电(Transverse Electric，TE)和横向磁(Transverse Magnetic，TM)极化。这是一种通用的解决方案，因为任何其它偏振都可以分解成这两个正交偏振。
接着，将等效电路模型中的选定参数映射为物理参数。注意，h仅仅是介电间隔物(例如，泡沫、介电叠层、聚酯、聚碳酸酯、玻璃、蜂窝间隔物等)的厚度。使用等式(1)将电容映射到膜片尺寸和周期性。
注意，在一个实施例中，使用粘合剂将单层WAIM结构附着到介电间隔物。在一个实施例中，使用粘合剂将介电间隔物附着到天线孔径。在一个实施例中，介电层的高度为60密耳(mil，千分之一英寸)。可选地，介电层可为其它尺寸(例如，1.5mm)。在可选实施例中，单层WAIM结构、介电层和天线层没有附着在一起，但是彼此接触。在这种情况下，其它天线组件(例如，天线罩)将这些组件保持在适当位置。
在一个实施例中，在介电层的顶部上制造单层WAIM。在一个实施例中，单层WAIM被丝网印刷在介电层上。这将两层减少为一层。
本文公开的WAIM结构的实施例具有许多优点。例如，如上所述，所提出的设计不需要任何位置/旋转对准。图2A-图2C示出了在孔径上以各种对准方式安装WAIM的可选方式。在这种情况下，在这些实施例中的每一个中的WAIM结构包括相同尺寸的方形电容膜片。
参照图2A，单层WAIM结构201包括位于具有天线元件202的孔径上的电容膜片203的2D阵列。2D阵列中的膜片203是方形的，并且在沿水平和垂直方向对准的阵列上图案化。参照图2B，单层WAIM结构211包括在具有天线元件212的孔径上的电容膜片213的2D阵列。图2B中的2D阵列与图2A中的相同，除了它被旋转了22.5°。参照图2C，单层WAIM结构221包括在具有天线元件222的孔径上的电容膜片223的2D阵列。图2C中的2D阵列与图2A中的相同，除了它被旋转了45°(相对于图2B中的2D阵列旋转了22.5°)。
同样，如所讨论的，使用具有不同膜片宽度和周期性的电容膜片的2D阵列可以实现相同的性能。图2D-图2F示出了使用各种特征尺寸实现相同性能的单层WAIM结构的例子。参照图2D，单层WAIM结构231包括位于具有天线元件232的孔径上的电容膜片233的2D阵列。2D阵列中的片233是方形的，并且在沿水平和垂直方向对准的阵列上图案化。参照图2E，单层WAIM结构241包括在具有天线元件242的孔径上的电容膜片243的2D阵列。然而，图2E中的2D阵列中的膜片的尺寸小于图2A的膜片。参照图2F，单层WAIM结构251包括在具有天线元件252的孔径上的电容膜片253的2D阵列。在这种情况下，图2F中的2D阵列中的膜片的尺寸小于图2E的膜片(因此小于图2D中的膜片)。
在一个实施例中，电容膜片是基板(例如，印刷电路板(PCB)(例如，FR4等)、聚碳酸酯、玻璃等)上的金属(例如，铜、银等)。在一个实施例中，当丝网印刷补片时，基板包含聚酯。膜片可以具有各种厚度。在一个实施例中，膜片的厚度是17um、35um等。在一个实施例中，每个方形膜片是200密耳乘200密耳。然而，如上所述，可以使用其它尺寸(例如，250密耳×250密耳等)。
本文公开的WAIM实施例通过在天线孔径和自由空间之间提供适当的阻抗匹配来提高辐射效率。辐射效率的改善导致天线增益的改善。图3示出了在示例天线孔径上在在TE平面(H-pol)60度和宽面的增益测量。参照图3，在三个子带处示出了测试结果。虚线示出了没有WAIM结构的测量，实线示出了安装WAIM结构时的增益。当WAIM结构安装在宽面和扫描时都观察到显著的改善。由于增益改善比宽面更显著，所以扫描损耗也大大改善。
图4是用于设计单层WAIM结构的过程的一个实施例的流程图。参照图4，该过程通过确定针对各种扫描角度和极化的天线孔径阻抗而开始(处理框401)。在一个实施例中，这是使用解析和全波Floquet模型仿真来执行的，并且是使用包括所有天线元件(例如，孔径上的所有接收和发射辐射元件)、扫描角度和极化的输入来执行的(410)。
一旦已经确定了各种扫描角度和极化的天线孔径阻抗，处理逻辑就将参数值输入WAIM等效电路模型(处理框402)。在一个实施例中，模型的输入包括执行解析ABCD矩阵计算(411)的结果。输出是电路模型电参数。在一个实施例中，这些输出包括传输线的长度和等效电路模型中的电容值。
处理逻辑然后将电参数映射到物理参数(处理框403)。在一个实施例中，这是以本领域公知的方式使用一阶近似公式或全波模拟来完成的(412)。一旦映射完成，处理逻辑就对设计执行全波孔径仿真(处理框404)。
存在许多替代实施例。例如，本文公开的WAIM结构可以与具有亚波长辐射单元阵列的任何天线孔径一起使用。此外，相同的元件几何形状可以扩展到具有多层作为阻抗匹配网络的WAIM结构。
此外，如上所述，可以使用各种亚波长元件的2D阵列来实现电容性表面。图5A-图5C示出了具有可选配置的WAIM结构的示例。参照图5A，单层WAIM结构500包括方形电容膜片501的2D图案。参照图5B，单层WAIM结构510包括六边形电容膜片511的2D图案。参照图5C，单层WAIM结构520包括开口环谐振器(SSR)521的2D图案。也可以使用其它形状的电容元件。
天线系统的示例
在一个实施例中，平板天线是超材料天线系统的一部分。描述了用于通信卫星地球站的超材料天线系统的实施例。在一个实施例中，天线系统是在使用Ka波段频率或Ku波段频率进行民用商业卫星通信的移动平台(例如，航空、海事、陆地等)上运行的卫星地球站(ES)的组件或子系统。要注意的是，天线系统的实施例也可以用于不在移动平台上的地球站(例如，固定或可移动地球站)。
在一个实施例中，天线系统使用表面散射超材料技术，以通过单独的天线形成和操纵发射和接收波束。
在一个实施例中，天线系统由三个功能子系统组成：(1)由圆柱形波馈架构组成的波导结构；(2)作为天线元件的一部分的波散射超材料单元的阵列；以及(3)控制结构，用于使用全息原理从超材料散射元件命令形成可调节辐射场(波束)。
天线元件
图6示出了圆柱形馈送全息径向孔径天线的一个实施例的示意图。参照图6，天线孔径具有天线元件603的一个或多个阵列601，其布置在围绕圆柱形馈送天线的输入馈送602的同心环中。在一个实施例中，天线元件603是辐射RF能量的射频(RF)谐振器。在一个实施例中，天线元件603包括交错并分布在天线孔径的整个表面上的Rx和Tx虹膜。下文更详细地描述这种天线元件的示例。要注意的是，本文中描述的RF谐振器可以用于不包括圆柱形馈送的天线中。
在一个实施例中，该天线包括同轴馈送，其用于经由输入馈送602提供圆柱形波馈送。在一个实施例中，圆柱形波馈送架构从中心点向天线馈送激励，激励从馈送点以圆柱形方式向外传播。也就是说，圆柱形馈送天线产生向外行进的同心馈送波。尽管如此，圆柱形馈送周围的圆柱形馈送天线的形状可以是圆形、方形或任意形状。在另一实施例中，圆柱形馈送天线产生向内行进的馈送波。在这种情况下，馈送波最自然地来源于圆形结构。
在一个实施例中，天线元件603包括虹膜，并且图6的孔径天线被用于生成通过使用来自圆柱形馈送波的激励而成形的主波束，以通过可调谐液晶(LC)材料辐射虹膜。在一个实施例中，可以激励天线，从而以所需的扫描角度辐射水平或垂直极化的电场。
在一个实施例中，天线元件包括一组膜片天线。这组膜片天线包括散射超材料元件的阵列。在一个实施例中，天线系统中的每个散射元件都是由下导体、介电基板和上导体组成的晶胞的一部分，其嵌入到蚀刻或沉积在上导体上的互补电感电容谐振器(“互补电LC”或“CELC”)。如本领域技术人员将理解的，在CELC的上下文中，LC指的是电感-电容，而不是液晶。
在一个实施例中，液晶(LC)设置在散射元件周围的间隙中。该LC由上述直接驱动实施例驱动。在一个实施例中，液晶封装在每个晶胞中，并将与缝隙相关联的下导体与与其膜片相关联的上导体分开。液晶具有作为包括液晶的分子取向的函数的介电常数，并且分子的取向(以及因此介电常数)可以通过调节跨液晶的偏置电压来控制。利用该特性，在一个实施例中，液晶集成用于将能量从导波发送到CELC的接通/断开开关。当开关接通时，CELC像电子小型偶极天线一样发射电磁波。要注意的是，本文中的教导不限于具有针对能量传输以二进制方式操作的液晶。
在一个实施例中，该天线系统的馈送几何结构允许天线元件与波馈中的波矢量成四十五度(45°)角。要注意的是，可以使用其他位置(例如，40°角)。元件的该位置能够控制由元件接收或发射/辐射的自由空间波。在一个实施例中，天线元件布置成具有小于天线的操作频率的自由空间波长的元件间距。例如，如果每个波长有四个散射元件，则30GHz发射天线中的元件将大约为2.5mm(即，30GHz的10mm自由空间波长的第1/4)。
在一个实施例中，两组元件相互垂直，并且如果控制在相同的调谐状态，则同时具有等幅激励。将其相对于馈送波激励旋转+/-45度可以同时实现两个所需的特征。将一组旋转0度，另一组旋转90度将实现垂直目标，但不能实现等幅激励目标。要注意的是，当从两侧馈送单个结构中的天线元件的阵列时，可以使用0度和90度来实现分隔。
通过使用控制器向膜片施加电压(跨LC信道的电势)来控制来自每个晶胞的辐射功率量。每个膜片的走线用于向膜片天线提供电压。电压用于调谐或解调电容，从而调整单个元件的谐振频率以实现波束成形。所需要的电压取决于所使用的液晶混合物。液晶混合物的电压调谐特性主要由液晶开始受电压和饱和电压影响的阈值电压来描述，高于该阈值电压不会引起液晶的主要调谐。这两个特征参数可以针对不同的液晶混合物而改变。
在一个实施例中，如上所述，矩阵驱动器用于向膜片施加电压，以便在不需要具有每个单元的单独连接(直接驱动)的情况下将每个单元与所有其他单元分开驱动。由于元件的密度高，因此矩阵驱动器是单独地处理每个单元的最有效的方法。
在一个实施例中，天线系统的控制结构有2个主要组件：包括用于天线系统的驱动电子装置的天线阵列控制器位于波散射结构下方，而矩阵驱动器开关阵列散布在整个辐射RF阵列中，以便不干扰辐射。在一个实施例中，用于天线系统的驱动电子装置包括用于商用电视设备中的商业现货供应LCD控制器，其通过调节针对元件的AC偏置信号的幅度或占空比来调节每个散射元件的偏置电压。
在一个实施例中，天线阵列控制器还包含运行软件的微处理器。控制结构还可以包括传感器(例如，GPS接收器、三轴罗盘、3轴加速度器、3轴陀螺仪、3轴磁力计等)，以向处理器提供位置和方向信息。位置和方向信息可以通过地球站中的其它系统被提供给处理器，并且/或者可以不是天线系统的一部分。
更具体地，天线阵列控制器控制哪些元件断开、哪些元件接通以及在操作频率下处于哪个相位和振幅水平。通过电压施加，元件被选择性地解调以用于频率操作。
为了发射，控制器向RF膜片提供电压信号的阵列，以生成调制或控制图案。控制图案使元件变为不同的状态。在一个实施例中，使用各种元件被接通和断开到不同电平的多态控制，从而进一步近似正弦控制模式，而不是方波(即，正弦灰色调制模式)。在一个实施例中，一些元件比其它元件辐射得更强，而不是一些元件辐射且一些元件不辐射。通过施加特定的电压电平来实现可变辐射，其将液晶介电常数调节到不同的量，从而使元件可变地解调并使一些元件比其它元件辐射更多。
通过元件的超材料阵列生成聚焦波束可以通过相长干扰和相消干扰的现象来解释。如果单个电磁波在自由空间相遇时具有相同相位，则它们相加(相长干扰)；并且如果它们在自由空间相遇时具有相反相位，则它们相互抵消(相消干扰)。如果缝隙天线中的缝隙被定位成使得每个连续的缝隙定位在与导波的激励点不同的距离处，则来自该元件的散射波将具有与先前缝隙的散射波的相位不同的相位。如果缝隙被间隔四分之一的导波波长，则每个缝隙将从先前缝隙散射具有四分之一相位延迟的波。
使用阵列，使用全息原理，可以增加可产生的相长干扰和相消干扰的图案数量，使得波束在理论上可以指向距天线阵列的视轴正或负九十度(90°)的任意方向。因此，通过控制接通或断开哪些超材料单元(即，通过改变接通哪些单元以及断开哪些单元的图案)，可以产生不同的相长干扰模式和相消干扰模式，并且天线可以改变主波束的方向。接通和断开晶胞所需的时间决定了波束可以从一个位置切换到另一位置的速度。
在一个实施例中，天线系统产生用于上行天线的一个可控波束和用于下行天线的一个可控波束。在一个实施例中，天线系统使用超材料技术来接收波束、解码来自卫星的信号并形成指向卫星的发射波束。在一个实施例中，与使用数字信号处理来电子形成和控制波束的天线系统(例如，相控阵列天线)相反，天线系统为模拟系统。在一个实施例中，特别是当与常规卫星碟形天线接收机相比时，天线系统被认为是平坦且相对低剖面的“表面”天线。
图7示出了包括接地平面和可重新配置的谐振器层的一行天线元件的立体图。可重新配置的谐振器层1230包括可调谐缝隙1210的阵列。可调谐缝隙1210的阵列可以被配置成将天线指向所需的方向。可调谐缝隙中的每一个可以通过改变跨液晶的电压来调谐/调节。
控制模块1280耦合到可重新配置的谐振器层1230，以通过改变跨图8A中的液晶的电压来调制可调谐缝隙1210的阵列。控制模块1280可以包括现场可编程门阵列(“FPGA”)、微处理器、控制器、片上系统(SoC)或其它处理逻辑。在一个实施例中，控制模块1280包括逻辑电路(例如，多工器)，以驱动可调谐缝隙1210的阵列。在一个实施例中，控制模块1280接收包括待驱动到可调谐缝隙1210的阵列上的全息衍射图案的规格的数据。可以响应于天线和卫星之间的空间关系产生全息衍射图案，使得全息衍射图案在适当的通信方向上控制下行链路波束(以及如果天线系统执行发射，则控制上行链路波束)。虽然没有在每个附图中绘制，但是类似于控制模块1280的控制模块可以驱动在本公开的附图中描述的可调谐缝隙的每个阵列。
射频(“RF”)全息还可能使用其中当RF参考波束遇到RF全息衍射图案时可以产生期望的RF波束的类似的技术来实现。在卫星通信的情况下，参考波束是诸如馈送波1205(在一些实施例中为大约20GHz)的馈送波的形式。为了将馈送波转换成辐射波束(用于发射或接收目的)，在期望的RF波束(目标波束)和馈送波(参考波束)之间计算干涉图案。干涉图案被驱动到可调谐缝隙1210的阵列上作为衍射图案，使得馈送波被“控制”到期望的RF波束(具有期望的形状和方向)。换句话说，遇到全息衍射图案的馈送波“重建”了根据通信系统的设计需求形成的目标波束。全息衍射图案包含每个元件的激励，并且通过计算
Figure BDA0003938989230000151
其中win为关于波导的波动方程和wout为关于出射波的波动方程。
图8A示出了可调谐谐振器/缝隙1210的一个实施例。可调谐缝隙1210包括虹膜/缝隙1212、辐射膜片1211以及设置在虹膜1212和膜片1211之间的液晶1213。在一个实施例中，辐射膜片1211与虹膜1212共同定位。
图8B示出了物理天线孔径的一个实施例的截面图。天线孔径包括接地平面1245以及包括在可重新配置的谐振器层1230中的虹膜层1233内的金属层1236。在一个实施例中，图8B的天线孔径包括图8A的多个可调谐谐振器/缝隙1210。虹膜/缝隙1212由金属层1236中的开口限定。诸如图8A的馈送波1205的馈送波可以具有与卫星通信信道兼容的微波频率。馈送波在接地平面1245和谐振器层1230之间传播。
可重新配置的谐振器层1230还包括衬垫层1233和膜片层1231。衬垫层1233被设置在膜片层1231和虹膜层1232之间。要注意的是，在一个实施例中，间隔物可以代替衬垫层1233。在一个实施例中，虹膜层1232可以是包括铜层作为金属层1236的印制电路板(“PCB”)。在一个实施例中，虹膜层1232为玻璃。虹膜层1232可以为其他类型的基板。
可以在铜层中蚀刻开口以形成缝隙1212。在一个实施例中，在图8B中，虹膜层1232通过导电结合层导电耦合到另一结构(例如，波导)。要注意的是，在实施例中，虹膜层不通过导电结合层导电耦合，而是利用非导电结合层接合。
膜片层1231也可以是包括作为辐射膜片1211的金属的PCB。在一个实施例中，衬垫层1233包括提供机械支座以限定金属层1236和膜片1211之间的尺寸的间隔物1239。在一个实施例中，间隔物为75微米，但可以使用其它尺寸(例如，3至200mm)。如上所述，在一个实施例中，图8B的天线孔径包括多个可调谐谐振器/缝隙，例如可调谐谐振器/缝隙1210包括图8A的膜片1211、液晶1213和虹膜1212。用于液晶1213A的腔室由间隔物1239、虹膜层1232和金属层1236限定。当腔室充满液晶时，膜片层1131可以被层压到间隔物1239上，以密封谐振器层1230内的液晶。
膜片层1231和虹膜层1232之间的电压可以被调制，以调谐膜片和缝隙(例如，可调谐谐振器/缝隙1210)之间的间隙中的液晶。调节跨液晶1213的电压改变缝隙(例如，可调谐谐振器/缝隙1210)的电容。因此，缝隙(例如，可调谐谐振器/缝隙1210)的电抗可以通过改变电容来改变。缝隙1210的谐振频率也根据等式
Figure BDA0003938989230000161
改变，其中f为缝隙1210的谐振频率，并且L和C分别是缝隙1210的电感和电容。缝隙1210的谐振频率影响传播通过波导的馈送波1205所辐射的能量。作为示例，如果馈送波1205为20GHz，则缝隙1210的谐振频率可以被调节(通过改变电容)到17GHz，使得缝隙1210基本上不耦合来自馈送波1205的能量。或者，缝隙1210的谐振频率可以被调节到20GHz，使得缝隙1210耦合来自馈送波1205的能量并将该能量辐射到自由空间中。虽然给出的示例为二进制(完全辐射或完全不辐射)，但是在多值范围内的电压方差可以使电抗以及因此的缝隙1210的谐振频率的全面的灰度控制成为可能。因此，可以精细地控制从每个缝隙1210辐射的能量，使得可以通过可调谐缝隙的阵列形成详细的全息衍射图案。
在一个实施例中，一行中的可调谐缝隙彼此间隔λ/5。可以使用其它间隔。在一个实施例中，一行中的每个可调谐缝隙与相邻行中最靠近的可调谐缝隙间隔λ/2，并且因此，不同行中的共同定向的可调缝隙间隔λ/4，然而其它间隔(例如λ/5、λ/6.3)是可能的。在另一实施例中，一行中的每个可调谐缝隙与相邻行中最靠近的可调谐缝隙间隔λ/3。
实施例使用例如2014年11月21日提交的申请号为14/550,178、名称为“动态极化和耦合控制从可操纵的圆柱形馈送全息天线(Dynamic Polarization and CouplingControl from a Steerable Cylindrically Fed Holographic Antenna)”的美国专利申请以及2015年1月30日提交的申请号为14/610,502、名称为“可重新配置的天线的脊波导馈送结构(Ridged Waveguide Feed Structures for Reconfigurable Antenna)”的美国专利申请中所描述的可重新配置的超材料技术。
图9A至图9D示出了用于创建缝隙阵列的不同层的一个实施例。天线阵列包括位于诸如图6中所示的示例环的环中的天线元件。要注意的是，在该示例中，天线阵列具有两种不同类型的天线元件，其用于两种不同类型的频带。
图9A示出了具有对应于缝隙的位置的第一虹膜板层的一部分。圆圈是在虹膜基板/玻璃的底侧的金属化中的开放区域/缝隙，并且用于控制元件到馈送(馈送波)的耦合。要注意的是，该层为可选层并且并不用于所有的设计中。图9B示出了包含缝隙的第二虹膜板层的一部分。图9C示出了第二虹膜板层的一部分上的膜片。图9D示出了缝隙阵列的一部分的俯视图。
图10示出了圆柱形馈送天线结构的一个实施例的侧视图。天线使用双层馈送结构(即，两层馈送结构)产生向内行波。在一个实施例中，天线包括圆形外形，但这不是必需的。也就是说，可以使用非圆形的向内行进的结构。在一个实施例中，图10中的天线结构包括例如2014年11月21日提交的申请号为2015/0236412、名称为“来自可操控圆柱形馈送全息天线的动态极化和耦合控制(Dynamic Polarization and Coupling Control from aSteerable Cylindrically Fed Holographic Antenna)”的美国专利申请中描述的同轴馈送。
参照图10，同轴引脚1601用于激励天线的较低电平上的场。在一个实施例中，同轴引脚1601是很容易获得的50Ω的同轴引脚。同轴引脚1601耦合(例如，螺栓连接)到天线结构的底部，即接地平面1602。
与接地平面1602分隔开的是作为内部导体的间隙导体1603。在一个实施例中，接地平面1602和间隙导体1603彼此平行。在一个实施例中，接地平面1602和间隙导体1603之间的距离为“0.1至0.15”。在另一实施例中，该距离可以是λ/2，其中λ是处于操作频率的行进波的波长。
接地平面1602经由间隔物1604与间隙导体1603分隔开。在一个实施例中，间隔物1604是泡沫或类似空气的间隔物。在一个实施例中，间隔物1604包括塑料间隔物。
在间隙导体1603的顶部是介电层1605。在一个实施例中，介电层1605为塑料。介电层1605目的在于使行进波相对于自由空间速度变慢。在一个实施例中，介电层1605使行进波相对于自由空间变慢30％。在一个实施例中，适用于波束成形的折射率范围为1.2-1.8，其中自由空间的折射率定义为等于1。其他介电间隔物材料，例如塑料，可用于实现该效果。要注意的是，可以使用塑料以外的材料，只要其达到所需的减波效果即可。备选地，具有分布式结构的材料可以用作介电层1605，例如可以机器加工或光刻界定的周期性子波长金属结构。
RF阵列1606位于介电层1605的顶部。在一个实施例中，间隙导体1603和RF阵列1606之间的距离为“0.1至0.15”。在另一实施例中，该距离可以是λeff/2，其中λeff是在设计频率下介质中的有效波长。
天线包括侧部1607和1608。侧部1607和1608成角度，以使从同轴引脚1601馈送的行进波经由反射从间隙导体1603下方的区域(间隔物层)传播到间隙导体1603上方的区域(介电层)。在一个实施例中，侧部1607和1608呈45°角。在备选实施例中，侧部1607和1608可被替换为连续半径以实现反射。虽然图10示出了角度呈45度角的侧部，但也可以使用其他角度来实现从下层馈送到上层馈送的信号传输。也就是说，考虑到下馈送中的有效波长通常与上馈送中的有效波长不同，可以使用偏离理想45°角的一些偏差来帮助从下馈送电平到上馈送电平的传输。例如，在另一实施例中，45°角被替换为单个阶梯部。天线一端上的阶梯围绕介电层、间隙导体和间隔物层。相同的两个阶梯部位于这些层的另一端。
在操作中，当馈送波从同轴引脚1601馈送时，波在接地平面1602和间隙导体1603之间的区域内，从同轴引脚1601同心地向外定向行进。同心出射波被侧部1607和1608反射，并在间隙导体1603和RF阵列1606之间的区域内向内行进。来自圆形周界边缘的反射使波保持同相(即，它是同相反射)。介电层1605使行进波变慢。此时，行进波开始与RF阵列1606中的元件相互作用和激励，以获得期望的散射。
为了终止行进波，天线中在天线的几何中心处包括终端1609。在一个实施例中，终端1609包括引脚终端(例如，50Ω引脚)。在另一实施例中，终端1609包括RF吸收器，其终止未使用的能量以防止未使用的能量通过天线的馈送结构反射回来。这些可以在RF阵列1606的顶部使用。
图11示出了具有出射波的天线系统的另一实施例。参照图11，两个接地平面1610和1611基本上彼此平行，在接地平面之间具有介电层1612(例如，塑料层等)。RF吸收器1619(例如，电阻器)将两个接地平面1610和1611耦合在一起。同轴引脚1615(例如，50Ω)馈送天线。RF阵列1616位于介电层1612和接地平面1611的顶部。
在操作中，馈送波通过同轴引脚1615馈送，并同心向外行进，并与RF阵列1616的元件相互作用。
图10和图11的天线中的圆柱形馈送改善了天线的服务角度。在一个实施例中，天线系统在所有方向上都具有与视轴成75度(75°)的服务角度，而不是正负45度的方位角(±45°Az)和正负25度的仰角(±25°El)的服务角度。与包括多个单独的辐射器的任意波束成形天线一样，天线的整体增益取决于构成元件的增益，而这些元件增益的本身是与角度有关的。当使用普通的辐射元件时，天线的整体增益通常随着波束进一步远离视轴指向而降低。在偏离视轴75度处，预计增益显著下降约6dB。
具有圆柱形馈送的天线的实施例解决了一个或多个问题。这些问题包括：与利用协同分配器网络馈送的天线相比，显著简化了馈送结构，从而降低所需天线和天线馈送总量；通过使用更简略的控制(一直扩展到简单的二态控制)来保持高波束性能，从而降低对制造和控制误差的敏感度；与直线馈送相比，因为圆柱形定向的馈送波导致远场中空间上不同的旁瓣，提供了更有利的旁瓣模式；以及允许极化是动态的，包括允许左旋圆极化、右旋圆极化和线性极化，而不需要极化器。
波散射单元的阵列
图11的RF阵列1606和图11的RF阵列1616包括波散射子系统，其包括用作辐射器的一组膜片天线(即，散射器)。这组膜片天线包括散射超材料元件的阵列。
在一个实施例中，天线系统中的每个散射元件都是由下导体、介电基板和上导体组成的晶胞的一部分，其嵌入到蚀刻或沉积在上导体上的互补电感电容谐振器(“互补电LC”或“CELC”)。
在一个实施例中，液晶(LC)注入到散射元件周围的间隙中。将液晶封装在每个晶胞中，并将与缝隙相关联的下导体与与其膜片相关联的上导体分开。液晶具有作为包括液晶的分子取向的函数的介电常数，并且分子的取向(以及因此介电常数)可以通过调节跨液晶的偏置电压来控制。利用该特性，液晶用作用于将能量从导波传输到CELC的接通/断开开关。当开关接通时，CELC像电子小型偶极天线一样发射电磁波。
控制LC的厚度提高了波束切换速度。下导体和上导体之间的间隙(液晶的厚度)减少百分之五十(50％)使速度提高四倍。在另一实施例中，液晶的厚度导致大约14毫秒(14ms)的波束切换速度。在一个实施例中，以本领域公知的方式掺杂LC以提高响应性，使得可以满足7毫秒(7ms)的需求。
CELC元件对施加于平行于CELC元件的平面且垂直于CELC间隙补差(gapcomplement)的磁场作出响应。当将电压施加到超材料散射晶胞中的液晶时，导波的磁场分量引起CELC的磁激励，这进而产生与导波相同频率的电磁波。
由单个CELC产生的电磁波的相位可以通过CELC在导波矢量上的位置来选择。每个单元产生与平行于CELC的导波同相位的波。因为CELC比波长小，所以当出射波在下方通过CELC时，其相位与导波的相位相同。
在一个实施例中，该天线系统的圆柱形馈送几何结构允许CELC元件与波馈中的波矢量呈四十五度(45°)角。元件的该位置能够控制元件产生或接收到的自由空间波的极化。在一个实施例中，CELC布置成具有小于天线的操作频率的自由空间波长的元件间距。例如，如果每个波长有四个散射元件，则30GHz发射天线中的元件将大约为2.5mm(即，30GHz的10mm自由空间波长的第1/4)。
在一个实施例中，CELC利用膜片天线实施，膜片天线包括在缝隙上共同定位的膜片，其中缝隙与膜片之间具有液晶。在这方面，超材料天线的作用类似于缝隙(散射)波导。通过缝隙波导，出射波的相位取决于缝隙相对于导波的位置。
单元布置
在一个实施例中，天线元件以允许系统矩阵驱动电路的方式布置在圆柱形馈送天线孔径上。单元的布置包括用于矩阵驱动器的晶体管的布置。图12示出了矩阵驱动电路相对于天线元件的布置的一个实施例。参照图12，行控制器1701分别经由行选择信号Row1和Row2耦合到晶体管1711和1712，并且列控制器1702经由列选择信号Column1耦合到晶体管1711和1712。晶体管1711还经由连接到膜片1731而耦合到天线元件1721，而晶体管1712经由连接到膜片1732而耦合到天线元件1722。
在将晶胞布置在非规则网格中的圆柱形馈送天线上实现矩阵驱动电路的初始方法中，执行两个步骤。在第一步骤中，将单元布置在同心环上，并且将单元中的每一个连接到晶体管，晶体管布置在单元旁边并且用作分别驱动每个单元的开关。在第二步骤中，构建矩阵驱动电路，以便在矩阵驱动方法需要时将每个晶体管连接到唯一地址。因为矩阵驱动电路通过行迹线和列迹线(类似于LCD)构建，但是单元被布置在环上，所以没有系统的方法针对每个晶体管分配唯一的地址。这种映射问题导致覆盖所有晶体管的非常复杂的电路，并导致完成布线的物理迹线数量显著增加。由于单元密度高，因此这些迹线因耦合效应而干扰天线的RF性能。而且，由于迹线的复杂性和高封装密度，无法通过商用布局工具完成迹线的布线。
在一个实施例中，在布置单元和晶体管之前预先定义矩阵驱动电路。这确保了驱动所有单元所需的迹线的数量最少，每个单元具有唯一的地址。该策略降低了驱动电路的复杂性并简化了布线，从而提高了天线的RF性能。
更具体地，在一种方法中，在第一步骤中，单元被布置在由描述每个单元的唯一地址的行和列组成的规则矩形网格上。在第二步骤中，单元被分组并转换成同心圆，同时保持其地址以及与在第一步骤中定义的行和列连接。这种转换的目标不仅是把单元放在环上，而且在整个孔径内保持单元之间的距离与环之间的距离恒定不变。为了实现这个目标，存在几种方法对单元进行分组。
在一个实施例中，TFT封装用于在矩阵驱动器中实现布置和唯一寻址。图13示出了TFT封装的一个实施例。参照图13，TFT和保持电容器1803被示出具有输入端口和输出端口。存在两个输入端口连接到迹线1801以及两个输出端口连接到迹线1802，以使用行和列将TFT连接在一起。在一个实施例中，行和列迹线以90°角交叉，以减少并可能最小化行迹线和列迹线之间的耦合。在一个实施例中，行迹线和列迹线在不同的层上。
全双工通信系统的示例
在另一实施例中，组合天线孔径用于全双工通信系统。图14是具有同时发射和接收路径的通信系统的另一实施例的框图。虽然仅示出一个发射路径和一个接收路径，但是通信系统可以包括超过一个的发射路径和/或超过一个的接收路径。
参照图14，天线1401包括两个空间交错的天线阵列，其如上所述可独立地操作以在不同频率同时发射和接收。在一个实施例中，天线1401耦合到双工器1445。耦合可以通过一个或多个馈送网络实现。在一个实施例中，在径向馈送天线的情况下，双工器1445组合两个信号，并且天线1401和双工器1445之间的连接是可以支持两者的频率的单宽带馈送网络。
双工器1445耦合到低噪声降频器(LNB)1427，其以本领域公知的方式执行噪声滤波功能、降频转换和放大功能。在一个实施例中，LNB 1427在室外单元(ODU)中。在另一实施例中，LNB 1427集成到天线设备中。LNB 1427耦合到调制解调器1460，调制解调器1460耦合到计算系统1440(例如，计算机系统、调制解调器等)。
调制解调器1460包括耦合到LNB 1427以将从双工器1445输出的接收信号转换为数字格式的模数转换器(ADC)1422。一旦转换为数字格式，则信号由解调器1423解调并由解码器1424解码以获得接收波上的编码数据。经解码的数据随后被发送到控制器1425，控制器1425将经解码的数据发送到计算系统1440。
调制解调器1460还包括编码器1430，其对待从计算系统1440传输的数据进行编码。经编码的数据由调制器1431调制，然后通过数模转换器(DAC)1432转换为模拟信号。然后，模拟信号由BUC(升频转换器和高通放大器)1433滤波并提供到双工器1445的一个端口。在一个实施例中，BUC 1433位于室外单元(ODU)中。
以本领域公知的方式操作的双工器1445将发射信号提供到天线1401以进行传输。
控制器1450控制天线1401，其包括单个组合物理孔径上的两个天线单元阵列。
通信系统将被修改为包括上述组合器/仲裁器。在这种情况下，组合器/仲裁器在调制解调器之后，但在BUC和LNB之前。
要注意的是，图14所示的全双工通信系统有许多应用，包括但不限于互联网通信、车辆通信(包括软件更新)等。
本文描述了许多示例实施例。
示例1是一种天线，包括：孔径，具有可操作以辐射射频(RF)能量的多个天线元件；以及单层广角阻抗匹配(WAIM)结构，耦合到孔径以提供天线孔径与自由空间之间的阻抗匹配。
示例2是示例1的天线，其可以可选地包括：单层WAIM结构包括具有亚波长元件的二维(2D)阵列的电容性阻抗表面。
示例3是示例2的天线，其可以可选地包括：亚波长元件包括电容膜片的2D阵列。
示例4是示例3的天线，其可以可选地包括：电容膜片是方形膜片。
示例5是示例3的天线，其可以可选地包括：电容膜片是六边形膜片。
示例6是示例2的天线，其可以可选地包括：亚波长元件是开口环谐振器或偶极子。
示例7是示例1的天线，其可以可选地包括：单层WAIM结构包括基板，并且单层WAIM结构的亚波长元件被丝网印刷在基板上。
示例8是示例1的天线，其可以可选地包括：单层WAIM结构通过至少一个介电间隔物与孔径分隔开。
示例9是示例8的天线，其可以可选地包括：单层WAIM结构的阻抗基于单层WAIM结构的特征及单层WAIM结构的周围介质的物理尺寸。
示例10是示例1的天线，其可以可选地包括：单层WAIM结构的阻抗是扫描角度和传播波的极化的函数，并且与天线的扫描平面无关。
示例11是示例1的天线，其可以可选地包括：单层WAIM结构具有旋转对称性。
示例12是示例1的天线，孔径包括超表面。
示例13是一种天线，包括：超表面，具有可操作以辐射射频RF能量的多个天线元件；以及单层广角阻抗匹配WAIM结构，耦合到孔径以提供天线孔径与自由空间之间的阻抗匹配，单层WAIM结构具有电容性阻抗表面，电容性阻抗表面具有亚波长元件的二维(2D)阵列。
示例14是示例13的天线，其可以可选地包括：亚波长元件包括电容膜片的2D阵列。
示例15是示例14的天线，其可以可选地包括：电容膜片是方形膜片或六边形膜片。
示例16是示例13的天线，其可以可选地包括：亚波长元件是开口环谐振器或偶极子。
示例17是示例13的天线，其可以可选地包括：单层WAIM结构包括基板，并且单层WAIM结构的亚波长元件被丝网印刷在基板上。
示例18是示例13的天线，其可以可选地包括：单层WAIM结构通过至少一个介电间隔物与孔径分隔开。
示例19是示例18的天线，其可以可选地包括：单层WAIM结构的阻抗基于单层WAIM结构的特征及单层WAIM结构的周围介质的物理尺寸。
示例20是示例13的天线，其可以可选地包括：单层WAIM结构的阻抗是扫描角度和传播波的极化的函数，并且与天线的扫描平面无关。
示例21是一种天线，包括：超表面，具有可操作以辐射射频(RF)能量的多个天线元件；介电层，耦合到超表面；以及单层广角阻抗匹配(WAIM)结构，耦合到介电层以提供天线孔径与自由空间之间的阻抗匹配，其中单层WAIM结构包括基板，基板具有丝网印刷在其上的电容元件的二维(2D)阵列。
以上详细描述的某些部分是按照对计算机存储器内的数据位的操作的算法和符号表示来呈现的。这些算法描述和表示是数据处理领域的技术人员用来最有效地将他们工作的实质传达给本领域的其他技术人员的手段。算法在本文并且通常被认为是导致期望结果的步骤的自相容序列。这些步骤是需要对物理量进行物理操作的步骤。通常，尽管不是必须的，这些量采用能够被存储、传送、组合、比较和以其他方式操纵的电或磁信号的形式。主要出于通用的原因，将这些信号称为位、值、元素、符号、字符、项、数字等已被证明有时是方便的。
然而，应当记住，所有这些和类似的术语都与适当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的方便的标记。除非特别声明，否则如从以下讨论中显而易见的，可以理解，在整个描述中，使用诸如“处理”或“计算”或“运算”或“确定”或“显示”等术语的讨论指的是计算机系统或类似电子计算设备的动作和处理，其将表示为计算机系统的寄存器和存储器内的物理(电子)量的数据操纵和变换成类似地表示为计算机系统存储器或寄存器或其它这种信息存储、传输或显示设备内的物理量的其它数据。
本发明还涉及用于执行本文的操作的装置。该装置可以是为所需目的而专门构造的，或者它可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算机。这样的计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中，例如但不限于，任何类型的盘，包括软盘、光盘、CD-ROM和磁光盘、只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡，或者适于存储电子指令的任何类型的介质，并且每个都耦合到计算机系统总线。
本文提出的算法和显示并非固有地与任何特定计算机或其它装置相关。各种通用系统可以与根据本文的教导的程序一起使用，或者可以证明构造更专用的装置来执行所需的方法步骤是方便的。从下面的描述中将出现各种这些系统所需的结构。此外，本发明不是参考任何特定的编程语言来描述的。应当理解，可以使用各种编程语言来实现本文描述的本发明的教导。
机器可读介质包括用于以机器(例如，计算机)可读的形式存储或传输信息的任何机制。例如，机器可读介质包括只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；磁盘存储介质；光学存储介质；闪存设备；等等，用于
尽管在阅读了前述说明书之后，本发明的许多变化和修改对于本领域普通技术人员无疑将变得显而易见，但是应当理解，通过图示来示出和描述的任何特定实施例决不旨在被认为是限制性的。因此，对各种实施例的细节的参考并不旨在限制权利要求的范围，权利要求本身仅叙述了被认为是本发明的本质的那些特征。

Claims (21)

1.一种天线，包括：
孔径，具有可操作以辐射射频(RF)能量的多个天线元件；以及
单层广角阻抗匹配(WAIM)结构，耦合到所述孔径以提供天线孔径与自由空间之间的阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的天线，其中，所述单层WAIM结构包括具有亚波长元件的二维(2D)阵列的电容性阻抗表面。
3.根据权利要求2所述的天线，其中，所述亚波长元件包括电容膜片的2D阵列。
4.根据权利要求3所述的天线，其中所述电容膜片是方形膜片。
5.根据权利要求3所述的天线，其中，所述电容膜片是六边形膜片。
6.根据权利要求2所述的天线，其中所述亚波长元件是开口环谐振器或偶极子。
7.根据权利要求1所述的天线，其中，所述单层WAIM结构包括基板，并且所述单层WAIM结构的所述亚波长元件被丝网印刷在所述基板上。
8.根据权利要求1所述的天线，其中，所述单层WAIM结构通过至少一个介电间隔物与所述孔径分隔开。
9.根据权利要求8所述的天线，其中，所述单层WAIM结构的阻抗基于所述单层WAIM结构的特征以及所述单层WAIM结构的周围介质的物理尺寸。
10.根据权利要求1所述的天线，其中，所述单层WAIM结构的阻抗是扫描角度和传播波的极化的函数，并且与所述天线的扫描平面无关。
11.根据权利要求1所述的天线，其中，所述单层WAIM结构具有旋转对称性。
12.根据权利要求1所述的天线，其中所述孔径包括超表面。
13.一种天线，包括：
超表面，具有可操作以辐射射频(RF)能量的多个天线元件；以及
单层广角阻抗匹配(WAIM)结构，耦合到孔径以提供天线孔径与自由空间之间的阻抗匹配，所述单层WAIM结构具有电容性阻抗表面，所述电容性阻抗表面具有亚波长元件的二维(2D)阵列。
14.根据权利要求13所述的天线，其中，所述亚波长元件包括电容膜片的2D阵列。
15.根据权利要求14所述的天线，其中，所述电容膜片是方形膜片或六边形膜片。
16.根据权利要求13所述的天线，其中所述亚波长元件是开口环谐振器或偶极子。
17.根据权利要求13所述的天线，其中，所述单层WAIM结构包括基板，并且所述单层WAIM结构的所述亚波长元件被丝网印刷在所述基板上。
18.根据权利要求13所述的天线，其中，所述单层WAIM结构通过至少一个介电间隔物与所述孔径分隔开。
19.根据权利要求18所述的天线，其中，所述单层WAIM结构的阻抗基于所述单层WAIM结构的特征以及所述单层WAIM结构的周围介质的物理尺寸。
20.根据权利要求13所述的天线，其中所述单层WAIM结构的阻抗是扫描角度和传播波的极化的函数，并且与所述天线的扫描平面无关。
21.一种天线，包括：
超表面，具有可操作以辐射射频(RF)能量的多个天线元件；
介电层，耦合到所述超表面；以及
单层广角阻抗匹配(WAIM)结构，耦合到所述介电层以提供天线孔径与自由空间之间的阻抗匹配，其中所述单层WAIM结构包括基板，所述基板具有丝网印刷在所述基板上的电容元件的二维(2D)阵列。
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