CN116722351A - 超表面天线 - Google Patents

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CN116722351A CN202310200761.0A CN202310200761A CN116722351A CN 116722351 A CN116722351 A CN 116722351A CN 202310200761 A CN202310200761 A CN 202310200761A CN 116722351 A CN116722351 A CN 116722351A
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Abstract

一种天线组装件包括超表面天线单元，超表面天线单元包括辐射结构、馈送结构以及在它们之间的接地结构。辐射结构包括布置成m行辐射元件和n列辐射元件的m×n栅格的辐射元件，其中，n大于m。辐射元件被辐射缝隙分开，其中，辐射元件的边跨辐射缝隙彼此面对。接地结构包括接地平面，所述接地平面具有穿过其的耦合孔。馈送结构包括用于对辐射元件进行馈送的单个带状馈线。带状馈线穿过耦合孔并通过耦合孔对辐射结构进行馈送。至少一个辐射元件通过至少一个其他辐射元件跨对应的辐射缝隙被馈送。

Description

超表面天线
技术领域
本文的主题大体上涉及天线。
背景技术
天线用于许多应用中，例如蜂窝通信应用。例如，法布里-珀罗腔天线、透镜/反射器天线、或阵列天线被用于高增益天线应用中，例如5G蜂窝或毫米波应用。在一些应用中，由于紧凑设计和与PCB制造的兼容性，使用微带贴片天线。然而，微带贴片天线的每个辐射元件都需要单独地进行馈送，从而需要复杂且经常有损耗的馈送网络。另外，需要管理辐射元件之间的隔离，通常具有较大的元件到元件间隔。传统的贴片天线设计在针对给定大小的增益或针对所需增益的紧凑性方面具有天然的限制。
仍然需要一种紧凑的高增益宽带天线。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种天线组装件，并且该天线组装件包括超表面天线单元，该超表面天线单元包括辐射结构、耦合到辐射结构的馈送结构、以及在辐射结构与馈送结构之间的接地结构。辐射结构包括布置成m行辐射元件和n列辐射元件的m×n栅格的辐射元件，其中，n大于m。辐射元件被辐射缝隙分开，其中，辐射元件的边跨辐射缝隙彼此面对。接地结构包括接地平面，所述接地平面具有穿过其的耦合孔。馈送结构包括用于对辐射元件进行馈送的单个带状馈线。带状馈线穿过耦合孔并通过耦合孔对辐射结构进行馈送。至少一个辐射元件通过至少一个其他辐射元件跨对应的辐射缝隙被馈送。
在另一实施例中，提供了一种天线组装件，并且该天线组装件包括多个超表面天线单元，所述多个超表面天线单元形成绕天线袋的天线环形。超表面天线单元包括在天线袋的相对侧上的第一水平极性超表面天线单元和第二水平极性超表面天线单元、以及在天线袋的相对侧上的第一垂直极性超表面天线单元和第二垂直极性超表面天线单元。每个超表面天线单元包括辐射结构、耦合到辐射结构的馈送结构、以及在辐射结构和馈送结构之间的接地结构。辐射结构包括布置成m行辐射元件和n列辐射元件的m×n栅格的辐射元件，其中，n大于m。辐射元件被辐射缝隙分开，其中，辐射元件的边跨辐射缝隙彼此面对。接地结构包括接地平面，所述接地平面具有穿过其的耦合孔，并且馈送结构包括用于对辐射元件进行馈送的单个带状馈线。带状馈线穿过耦合孔并通过耦合孔对辐射结构进行馈送。至少一个辐射元件通过至少一个其他辐射元件跨对应的辐射缝隙被馈送。第一水平极性超表面天线单元的辐射元件的第一子集和第二子集与第一垂直极性超表面天线单元和第二垂直极性超表面天线单元的对应辐射元件共享。第二水平极性超表面天线单元的辐射元件的第一子集和第二子集与第一垂直极性超表面天线单元和第二垂直极性超表面天线单元的对应辐射元件共享。
在另一实施例中，提供了一种天线组装件，并且该天线组装件包括天线基板，该天线基板具有在天线基板的上部处的辐射基板和在天线基板的下部处的馈送基板。天线基板包括第一象限、第二象限、第三象限和第四象限。天线组装件包括在第一象限中的第一天线环形、在第二象限中的第二天线环形、在第三象限中的第三天线环形和在第四象限中的第四天线环形。每个天线环形包括多个超表面天线单元，所述多个超表面天线单元形成绕天线袋的方环形。超表面天线单元包括在天线袋的相对侧上的第一水平极性超表面天线单元和第二水平极性超表面天线单元、以及在天线袋的相对侧上的第一垂直极性超表面天线单元和第二垂直极性超表面天线单元。每个超表面天线单元包括辐射结构、耦合到辐射结构的馈送结构、以及在辐射结构和馈送结构之间的接地结构。辐射结构包括布置成m行辐射元件和n列辐射元件的m×n栅格的辐射元件，其中，n大于m。辐射元件被辐射缝隙分开，其中，辐射元件的边跨辐射缝隙彼此面对。接地结构包括接地平面，所述接地平面具有穿过其的耦合孔，并且馈送结构包括用于对辐射元件进行馈送的单个带状馈线。带状馈线穿过耦合孔并通过耦合孔对辐射结构进行馈送。至少一个辐射元件通过至少一个其他辐射元件跨对应的辐射缝隙被馈送。第一水平极性超表面天线单元的辐射元件的第一子集和第二子集与第一垂直极性超表面天线单元和第二垂直极性超表面天线单元的对应辐射元件共享。第二水平极性超表面天线单元的辐射元件的第一子集和第二子集与第一垂直极性超表面天线单元和第二垂直极性超表面天线单元的对应辐射元件共享。
附图说明
图1示出根据一个示例性实施例的包括超表面天线单元的天线组装件。
图2是根据一个示例性实施例的天线组装件的局部截面图，其示出了该天线组装件的盖内的超表面天线单元。
图3是根据一个示例性实施例的包括超表面天线单元的天线元件的分解图。
图4是根据一个示例性实施例的超表面天线单元的截面图。
图5是根据一个示例性实施例的超表面天线单元的辐射结构的俯视图。
图6是根据一个示例性实施例的超表面天线单元的接地结构的俯视图。
图7是根据一个示例性实施例的超表面天线单元的馈送结构的俯视图。
图8是根据一个示例性实施例的超表面天线单元的辐射结构的俯视图。
图9是根据一个示例性实施例的超表面天线单元的透视图，其示出了相对于辐射结构的上盖。
图10示出根据一个示例性实施例的天线组装件。
图11是根据一个示例性实施例的超表面天线单元的截面图。
图12是根据一个示例性实施例的天线元件的辐射结构的俯视图。
图13示出根据一个示例性实施例的表示方环形天线元件的方环形。
图14是根据一个示例性实施例的天线元件的具有馈送耦合缝隙的接地结构的俯视图。
图15是根据一个示例性实施例的接地结构的一部分的放大图，其示出了象限之一。
图16是根据一个示例性实施例的天线元件的具有馈送耦合缝隙的接地结构的俯视图。
图17是根据一个示例性实施例的天线元件的馈送结构的俯视图。
图18是根据一个示例性实施例的天线元件的一部分的透视图，其示出了将辐射结构、馈送结构和接地结构保持在一起的螺钉。
图19是根据一个示例性实施例的天线元件的一部分的侧视图，其示出了将辐射结构、馈送结构和接地结构保持在一起的螺钉之一。
具体实施方式
图1示出了根据一个示例性实施例的包括超表面天线单元200的天线组装件100。图2是天线组装件100的局部截面图，其示出了天线组装件100的盖102内的超表面天线单元200。超表面天线单元200形成天线元件300。在各种实施例中，多个超表面天线单元200可以被组合以形成天线元件300。例如，超表面天线单元200可以被布置成端对端和/或侧对侧堆叠以形成更大的天线元件300。在一些实施例中，超表面天线单元200中的四个超表面天线单元可以以正方形形状组合以形成方环形天线元件。可选地，超表面天线单元200的部分可以重叠，使得可以共享各种组件以减小天线元件300的总体大小和/或成本。
在一个示例性实施例中，超表面天线单元200被容纳在盖102的盖腔104中。盖腔104是由上盖106和下盖108形成的。下盖108包括底壁110和侧壁112。上盖106是由侧壁112支撑的。在一个示例性实施例中，上盖106与超表面天线单元200间隔开间隙114。间隙114可以是气隙。间隙114的大小会影响超表面天线单元200的操作和性能。在各种实施例中，下盖108可以包括在底壁110处的一个或多个扼阻(choke)腔116，以控制超表面天线单元200的操作和性能。
超表面天线单元200包括辐射结构202、耦合到辐射结构202的馈送结构204、以及在辐射结构202和馈送结构204之间的接地结构206。辐射结构202包括多个辐射元件210，也称为蘑菇形单元，其被布置成m行辐射元件210和n列辐射元件210的m×n栅格。辐射元件210的行在X方向(H平面)上延伸，而辐射元件的列在Y方向(E平面)上延伸。在一个示例性实施例中，n大于m。例如，n可以大于m的两倍。在E平面中提供更多数量的辐射元件210形成了电大的天线元件。超表面天线单元200形成了可以在双模操作中良好执行的复合右/左旋(CRLH)天线元件。在所示的实施例中，辐射结构202包括三行辐射元件210和八列辐射元件210。在替选实施例中，辐射结构202可以包括更多或更少的行和/或更多或更少的列。超表面天线单元200包括辐射元件200(例如，蘑菇状单元)的阵列。辐射元件200提供了CRLH散布关系，其在E平面中具有数量增加的辐射元件200(因此，E平面中的天线元件的长度)，以在期望的工作频带上实现高增益。辐射结构202的孔耦合被用于激励具有双操作模式的超表面天线单元200，从而实现具有低轮廓(profile)的宽带宽。
辐射元件210的边212跨辐射缝隙214彼此面对。辐射元件210跨辐射缝隙214彼此电容耦合。天线信号通过电容耦合跨辐射结构202从辐射元件210被馈送到辐射元件210，例如到单个馈送位置。例如，辐射元件210中的至少一个通过辐射元件210中的至少一个跨对应的辐射缝隙214被馈送。这样，每个辐射元件210不包括与馈送结构204分开的馈送元件。通过超表面天线单元200的这种馈送布置，可以极大地简化馈送网络。在一个示例性实施例中，超表面天线单元200具有中心馈送位置，并且天线信号从列到列和/或从行到行向外馈送。整个超表面结构辐射以整个超表面结构的全局谐振来操作天线。
图3是根据一个示例性实施例的包括超表面天线单元200的天线元件300的分解图。超表面天线单元200包括辐射结构202、馈送结构204、以及在辐射结构202和馈送结构204之间的接地结构206。
在一个示例性实施例中，超表面天线单元200是分层的结构。超表面天线单元200包括具有多个层的天线基板220。天线基板220包括在天线基板220的上部224处的辐射基板222、和在天线基板220的下部228处的馈送基板226。
电路可以印刷在天线基板220的一个或多个层上。辐射结构202可以包括一个或多个电路。例如，辐射结构202可以包括迹线、焊盘、通孔、平面、或其他类型的电路。在一个示例性实施例中，辐射元件210是印刷在辐射基板222的上表面上的电路。辐射基板222可以包括一个或多个接地平面，例如在上表面和/或下表面和/或中间层处。辐射基板222可以包括延伸穿过辐射基板222的电镀通孔。接地结构206可以形成在辐射基板222和/或馈送基板226上。例如，接地结构206可以包括一个或多个接地平面230，例如形成在辐射基板222的下表面或馈送基板226的上表面上的接地平面。或者，接地结构206可以是夹在天线基板堆叠内的单独的金属板和/或印刷电路层。馈送结构204可以包括一个或多个电路。例如，馈送结构204可以包括迹线、焊盘、通孔、平面、或其他类型的电路。
在一个示例性实施例中，辐射元件210是以行和列的阵列布置的。每个辐射元件210包括焊盘216、和从对应的焊盘216通过辐射结构202延伸到例如接地平面230的接地平面的通孔218。辐射缝隙214将焊盘216分开。在一个示例性实施例中，每个焊盘216是矩形的，其具有彼此正交的边212。可选地，每个焊盘216可以是正方形的，其在X方向和Y方向上的边212具有相等的长度。在一个示例性实施例中，焊盘216沿着天线基板220的上表面紧密封装，其中，相邻辐射元件210的边212彼此平行并且跨辐射缝隙214紧密地定位。辐射元件210可以彼此强电容耦合，以使天线信号沿着天线基板220的表面从一个辐射元件210馈送到下一个辐射元件210。辐射元件210的紧密间隔形成了沿着辐射结构202的电容性馈送网络。可以选择辐射缝隙214的宽度以控制电容性馈送网络的效率。可选地，每个辐射缝隙214的宽度可以相同且均匀。或者，辐射缝隙214的宽度可以在辐射元件210的各个行和/或列之间不同。在一个示例性实施例中，通孔218可以相对于焊盘216居中。然而，在替选实施例中，至少一些通孔218可以偏离焊盘216的中心。通孔218可以相对于焊盘216的中心在X方向和/或Y方向上偏移。通孔218可以偏移以控制辐射元件210的辐射方向图，例如在E平面(包含电场矢量)和/或H平面(包含磁场矢量)中。在一个示例性实施例中，辐射结构202在E平面中的放大长度(例如，在X方向上比在Y方向上更多数量的辐射元件)有助于高增益。
接地结构206包括接地平面230。可选地，接地平面230可以覆盖整个天线基板220。接地平面230可以是印刷电路。或者，接地平面230可以是耦合到天线基板220的膜或板。在一个示例性实施例中，接地平面230是平面的并且平行于辐射元件210的表面。在一个示例性实施例中，接地结构206包括穿过接地平面230的耦合孔232。耦合孔232是穿过接地平面230的开口。耦合孔232从第一端234延伸到第二端235。耦合孔232是电大的，并且会影响天线元件的天线特性。耦合孔232形成开口以允许馈送结构204与辐射结构202之间的天线信号。在一个示例性实施例中，接地结构206包括穿过超表面结构的通孔238的通孔腔236。通孔238在例如上接地平面和下接地平面之类的接地平面230之间延伸。通孔腔236围绕耦合孔232。通孔238的通孔腔236控制通过耦合孔232的天线信令。通孔238的通孔腔236提供了绕耦合孔232的屏蔽。
馈送结构204包括用于为超表面天线单元200馈送天线信号的带状馈线240。在一个示例性实施例中，馈送结构204包括用于超表面天线单元200的单个带状馈线240。带状馈线240由沿着馈送基板226的层的迹线电路形成。带状馈线240被配置成与耦合孔232对准，使得带状馈线240绕过或横穿耦合孔232。在一个示例性实施例中，带状馈线240垂直于耦合孔232延伸。例如，带状馈线240在X方向上延伸。带状馈线240延伸到输入端口242。馈送电缆可在输入端口242处电连接到带状馈线240。例如，馈送电缆可以被焊接到输入端口242。在一个示例性实施例中，馈送结构204包括在馈送基板226底部处的接地平面244。接地平面244平行于接地平面230。在一个示例性实施例中，馈送结构204包括穿过馈送基板226的通孔248的通孔腔246。通孔腔246围绕带状馈线240。例如，带状馈线240位于通孔腔246内。通孔248电连接在接地平面244和接地平面230之间。通孔248的通孔腔246提供了绕带状馈线240的屏蔽。在一个示例性实施例中，通孔腔246抑制了带状馈线240中的不期望的高阶模和平行板模。通孔腔246可以阻挡边缘衍射和不期望的驻留以获得较低的后向辐射。在所示的实施例中，输入端口242位于通孔腔246的外部。
在一个示例性实施例中，天线元件300是紧凑、高增益、宽带天线。天线元件300具有低轮廓。天线元件300提供了辐射元件210的紧凑布置。紧凑布置可以允许单个带状馈线240激励形成单个辐射结构202的辐射元件210的阵列(例如，3×8阵列)，这极大地简化了馈送网络设计和插入损耗。超表面天线单元200中的辐射元件210在辐射方向上延伸(例如，阵列可以在Y方向上伸长，例如在E平面中)以实现高增益。天线元件300从单个馈送形成宽带天线。在一个示例性实施例中，天线元件300具有来自两个谐振模(例如，TM10和反相TM20模)的宽带宽。在所示的实施例中，超表面天线单元200具有0.625λ×1.675λ的大电孔和0.03λ的低轮廓。
在一个示例性实施例中，超表面天线单元200具有非均匀设计以控制辐射性能。例如，可以调谐超表面天线单元200以改进半功率波束宽度(HPBW)、旁瓣电平(SLL)、前后比(FBR)和方向性/增益。通过改变辐射结构202、馈送结构204和接地结构206的物理特性，可以以很大的自由度可控制辐射方向图。例如，较小的中心辐射缝隙宽度可用于实现较高的FBR和方向性以及在E平面中较窄的HPBW。辐射缝隙偏移和/或通孔偏移可以用于E平面中的改进的天线方向性、FBR和SLL。可以绕超表面天线单元200的周边添加通孔壁(多个间隔开的通孔)，以增加增益并改进超表面天线单元200的操作。
图4是根据一个示例性实施例的超表面天线单元200的截面图。超表面天线单元200包括辐射结构202、馈送结构204、以及在辐射结构202和馈送结构204之间的接地结构206。辐射结构202、馈送结构204和接地结构206可以是层压在一起的层的堆叠。在替选实施例中，辐射结构202可以与接地结构206分开，和/或馈送结构204可以与接地结构206分开，例如在其间具有(一个或多个)气隙。可选地，可以使用例如螺钉的紧固件或其他定位元件来相对于馈送结构204相对于接地结构206保持辐射结构202。
在各种实施例中，辐射基板222可以由与馈送基板226相比不同的材料制造。例如，辐射基板222可以由具有与馈送基板226相比不同的介电常数的介电材料制造。不同的介电材料可以具有不同的热膨胀特性，如果层压在一起，这可能会导致超表面天线单元200的翘曲。这样，在各种实施例中，可以在辐射基板222和馈送基板226之间提供气隙。
辐射结构202包括沿着辐射基板222的上表面布置的辐射元件210。辐射元件210由焊盘216形成，其中辐射缝隙214位于其间。通孔218从对应的焊盘216通过辐射结构202延伸到接地平面230。辐射缝隙214的宽度可以被选择以控制电容性馈送网络的效率。
接地结构206包括接地平面230。耦合孔232是穿过接地平面230的开口，其允许馈送结构204和辐射结构202之间的天线信号。可选地，耦合孔232可以与辐射缝隙214中的一个对准，例如在辐射元件210的阵列的中心处。天线信号通过耦合孔232从馈送结构204被馈送到辐射结构202的中心。可选地，耦合孔232的宽度可以近似等于辐射缝隙214的宽度。然而，耦合孔232的宽度可以宽于辐射缝隙214的宽度。耦合孔232的尺寸被用于阻抗匹配。
馈送结构204包括用于为超表面天线单元200馈送天线信号的带状馈线240。在所示实施例中，带状馈线240位于馈送基板226的内层处。带状馈线240横穿跨越耦合孔232(例如，直接位于耦合孔232下方，并从耦合孔232的一侧延伸到耦合孔232的另一侧)。馈送结构204包括电连接在接地平面244和接地平面230之间的通孔248。通孔248的通孔腔246围绕带状馈线240(例如，带状馈线240与通孔腔246一起延伸)。在所示的实施例中，输入端口242位于通孔腔246的外部。
图5是根据一个示例性实施例的超表面天线单元200的辐射结构202的俯视图。图5示出了可以被选择性地控制以调谐超表面天线单元200的尺寸控制变量。例如，可以控制(例如，改变或选择作为设计参数)X方向上的基板长度和/或Y方向上的基板长度。可以控制辐射元件210的阵列在X方向上的长度和辐射元件210的阵列在Y方向上的长度。可以控制X方向上的辐射元件210的数量和Y方向上的辐射元件210的数量。可以控制每个辐射元件210在X方向上的长度和每个辐射元件210在Y方向上的长度。例如，辐射元件210的长度可以减小以降低天线元件的工作频率，例如降低到较低频带。改变辐射元件210的长度可以改变E平面中的辐射性能。可以控制辐射缝隙214在X方向上的宽度和辐射缝隙214在Y方向上的宽度。例如，增加辐射缝隙宽度可以导致E平面中旁瓣电平(SLL)的降低。增加辐射缝隙宽度可以导致工作频带之上的增益下降。可以控制通孔218的直径。例如，增加通孔直径会导致模频率增加。增加通孔直径可使E平面中的半功率波束宽度(HPBW)变窄。增加通孔直径可导致在较低工作频带中的FBR的减小。还可以控制通孔218相对于焊盘216的边212的位置。
图6是根据一个示例性实施例的超表面天线单元200的接地结构206的俯视图。图6示出了可以被选择性地控制以调谐超表面天线单元200的尺寸控制变量。例如，可以控制(例如，改变或选择作为设计参数)耦合孔232的长度和/或宽度。可以控制耦合孔232的取向(例如，沿着X轴、沿着Y轴、或横向于X和Y轴)。可以控制通孔238的直径。可以控制通孔238之间的间距或中心线间隔。可以控制通孔238的数量。可以控制通孔腔236的形状。例如，可以控制通孔腔236的宽度和/或长度。可以控制耦合孔232和通孔腔236的通孔238之间的间隔。可以控制通孔腔236中的间隙的宽度和/或位置，例如与带状馈线240(图7中所示)对准。
图7是根据一个示例性实施例的超表面天线单元200的馈送结构204的俯视图。图7示出了可以被选择性地控制以调谐超表面天线单元200的尺寸控制变量。例如，可以控制(例如，改变或选择作为设计参数)带状馈线240的长度和/或宽度。可以控制带状馈线240的取向(例如，沿X轴、沿Y轴、或横向于X和Y轴)。在一个示例性实施例中，带状馈线240具有与耦合孔232(图6所示)的取向垂直的取向。可以控制通孔248的直径。可以控制通孔248之间的间距或中心线间隔。可以控制通孔248的数量。可以控制通孔腔246的形状。例如，可以控制通孔腔246的宽度和/或长度。在各种实施例中，通孔腔246的形状对应于通孔腔236的形状(图6中所示)。在各种实施例中，通孔248与对应的通孔238(图6中所示)对准。可以控制带状馈线240与通孔腔246的通孔248之间的间隔。可以控制通孔腔246中的间隙的宽度和/或位置，例如与带状馈线240对准，以允许带状馈线240沿着输入端口242离开通孔腔246。
图8是根据一个示例性实施例的超表面天线单元200的辐射结构202的俯视图。图8示出了具有不均匀性以实现可控天线特性来调谐超表面天线单元200的辐射结构202。例如，不均匀性使得超表面天线单元200的受控辐射方向图在E平面中。
在一个实施例中，中心辐射缝隙214形成馈送辐射缝隙214a。馈送辐射缝隙214a被配置成与耦合孔232(图6中所示)对准。馈送辐射缝隙214a通过耦合孔232电容耦合到带状馈线240(图7所示)，以接收天线信号。馈送辐射缝隙214a的任一侧上的辐射元件210由通过耦合孔232接收的天线信号激励。天线信号通过辐射元件210之间的跨辐射缝隙214的电容耦合被连续地向外馈送到相邻列中的辐射元件210。这样，可以使用单个带状馈线240来对所有辐射元件210进行馈送。使用单个带状馈线240来馈送多个辐射元件210可以使馈送网络保持简单。超表面天线单元200使用简化的馈送网络来实现高增益和宽带信令。在各种实施例中，馈送辐射缝隙214a可以具有与其他辐射缝隙214不同的宽度。例如，馈送辐射缝隙214a可以比其他辐射缝隙214稍宽，或者比其他辐射缝隙214稍窄。在各种实施例中，减小辐射缝隙214a的宽度可以减小模频率和/或增加天线方向性和/或改进FBR和/或减小E平面中的HPBW。
在一个示例性实施例中，辐射缝隙214可以偏移(例如，向左或向右移动)缝隙偏移(OS)，以改变辐射元件210的宽度。在所示的实施例中，超表面天线单元200被示出为包括偏移辐射缝隙214b、214c。因此，在偏移辐射缝隙的一侧上的辐射元件210较宽，而在偏移辐射缝隙的相对侧上的辐射元件210较窄。提供缝隙偏移可以改变天线元件的模频率，这可以改进在宽的带宽上的E平面的SLL。提供缝隙偏移可以增加天线方向性和/或提供E平面中的更宽的HPBW和/或提供更低的FBR。
在一个示例性实施例中，通孔218可以偏移(例如，向左或向右移动)通孔偏移(OV)，以改变各个通孔218之间的中心线间隔。在所示的实施例中，超表面天线单元200被示为包括偏移通孔218a、218b，其改变了偏移通孔218a、218b的一侧的通孔218之间的与偏移通孔218a、218b的另一侧的通孔218相比的中心线间隔。提供通孔偏移可以改变天线元件的模频率，这可以改进在宽的带宽上的E平面的SLL。提供通孔偏移可以增加天线方向性和/或改进FBR。
在一个示例性实施例中，对于电大的非均匀超表面天线单元来说，可以使用较小的中心辐射缝隙来实现较高的FBR和增益。正的缝隙偏移和负的通孔偏移可用于改进E平面中的SLL和方向性。
图9是根据一个示例性实施例的超表面天线单元200的透视图，其示出了相对于辐射结构202的上盖106。在一个示例性实施例中，上盖106和辐射结构202的上表面之间的间隔可以在尺寸上被控制以调谐超表面天线单元200的操作。例如，可以减小间隔以实现更高的增益或更高的前后比(FBR)。可以在尺寸上控制介电材料的类型和/或盖106的厚度，以调谐超表面天线单元200的操作。
图10示出了根据一个示例性实施例的天线组装件100。天线组装件100包括天线元件300和用于保持天线元件300的盖102。在所示的实施例中，天线元件300包括组合成方环形天线元件302、304、306、308的多个超表面天线单元200。
盖102包括形成盖腔104的上盖106和下盖108。下盖108包括在底壁110处的扼阻腔116，例如沿着底壁110的所有四个侧，以控制超表面天线单元200的操作和性能。扼阻腔116可以是四分之一波长扼阻腔116。扼阻腔116增加了FBR。
在一个示例性实施例中，超表面天线单元200的结构可以被组合成组合结构。例如，多个超表面天线单元200的辐射结构202、馈送结构204和接地结构206被组合，使得天线元件300包括单个辐射结构202(例如，基板和电路)、单个馈送结构204(例如，基板和电路)和单个接地结构206(例如，电路和/或板和/或基板)。
辐射结构202包括以网格或阵列布置的多个辐射元件210。辐射元件210是以行和列的。在所示的实施例中，多个超表面天线单元200(图1中示出)被组合成方环形天线元件302、304、306、308。每个方环形天线元件302、304、306、308包括绕天线袋(pocket)312的辐射元件210的方环形310。天线袋312不包括任何辐射元件210。天线袋312是没有任何辐射元件210的、辐射元件210的阵列的区域。在所示实施例中，每个方环形310是8×8网格，其中，中心2×2区域形成天线袋312。方环形结构可以用于双极化天线元件，例如水平极化和垂直极化。例如，每个方环形结构可以具有用于水平极化的两个输入端口、和用于垂直极化的两个输入端口。方环形结构可以包括用于水平极化的两个超表面天线单元200(例如，东-西)和用于垂直极化的两个超表面天线单元200(例如，北-南)。
在一个示例性实施例中，天线元件300是通过超表面天线单元200的正交布置(四个超表面天线单元200布置在方环形310中)实现的双极化。每个方环形310具有用于双极化的两组耦合孔。在四个象限的每一个中重复方环形310，以进一步增加电大小并实现非常高的增益，例如17dB增益。天线元件300具有四个馈送端口和用于向四个方环形310进行馈送的简化馈送网络。馈送端口沿天线元件300的不同侧布置并且具有高端口隔离。由于电大的超表面天线元件，简化了馈送网络。
图11是根据一个示例性实施例的超表面天线单元200的截面图。超表面天线单元200包括辐射结构202、馈送结构204以及在辐射结构202和馈送结构204之间的接地结构206。辐射结构202、馈送结构204和接地结构206可以是层压在一起的层的堆叠。图11示出了两个方环形天线元件302、304。
在各种实施例中，辐射基板222可以由与馈送基板226相比不同的材料制造。例如，辐射基板222可以由具有与馈送基板226相比不同的介电常数的介电材料制造。辐射基板222可以由具有较低介电常数的材料制造。为了天线元件300的增强的电性能和/或更低的成本，介电材料可以不同。不同的介电材料可以具有不同的热膨胀特性，如果层压在一起，这可能会导致超表面天线单元200的翘曲。这样，在各种实施例中，可以在辐射基板222和馈送基板226之间提供气隙，以管理由于热膨胀的差异而引起的层压翘曲。紧固件(例如螺钉)可以用于将组装件保持在一起。
馈送结构204包括至少一个带状馈线240。在所示实施例中，同一带状馈线240被用于两个方环形天线元件302、304。接地结构206包括接地平面230，其具有用于每个方环形天线元件302、304的耦合孔232中的一个。辐射结构202包括用于每个方环形天线元件302、304的对应辐射元件210。辐射元件210由焊盘216形成，其中辐射缝隙214位于其间。通孔218从对应的焊盘216通过辐射结构202延伸到接地平面230。天线信号通过带状馈线240和辐射元件210之间的耦合孔232被发送。
图12是根据一个示例性实施例的天线元件300的辐射结构202的俯视图。在所示的实施例中，天线元件300包括组合成方环形天线元件302、304、306、308的多个超表面天线单元200。第一方环形天线元件302位于第一象限303(例如西南)中。第二方环形天线元件304位于第二象限305(例如东南)中。第三方环形天线元件306位于第三象限307(例如东北)中。第四方环形天线元件308位于第四象限309(例如西北)中。可选地，方环形天线元件302、304、306、308可以彼此相同；然而，在替选实施例中，方环形天线元件302、304、306、308可以彼此不同，例如以便具有不同的辐射方向图或频率。每个方环形天线元件302、304、306、308包括辐射元件210的对应的方环形310。
图13示出了表示方环形天线元件302的方环形310。方环形310包括以栅格或阵列布置的多个辐射元件210。辐射元件210是以行和列的。在所示的实施例中，多个超表面天线单元200被组合成方环形310。例如，在所示的实施例中，超表面天线单元中的四个200a、200b、200c、200d被布置成环，从而形成绕天线袋312的方环形310。在所示实施例中，每个方环形310是8×8网格，其中，中心2×2网格区域形成天线袋312。
在一个示例性实施例中，方环形310用于双线性极化，例如水平极化和垂直极化。在其他各种实施例中，方环形310用于双圆极化，例如左旋极化和右旋极化。第一超表面天线单元200a是第一水平极性超表面天线单元200a。第二超表面天线单元200b是第二水平极性超表面天线单元200b。第三超表面天线单元200c是第一垂直极性超表面天线单元200c。第四超表面天线单元200d是第二垂直极性超表面天线单元200d。
在一个示例性实施例中，每个超表面天线单元200包括重叠区314、316和重叠区314、316之间的非重叠区318。例如，第一超表面天线单元200a在重叠区314、316处与第三超表面天线单元200c和第四超表面天线单元200d重叠，并且第二超表面天线单元200b在重叠区314、316处与第三超表面天线单元200c和第四超表面天线单元200d重叠。重叠区314、316中的辐射元件210是共享的。例如，重叠区314、316中的辐射元件210受两个对应的超表面天线单元辐射，并且因此具有水平极化和垂直极化两者。在所示实施例中，重叠区314、316是3×3网格区域。非重叠区318是重叠区314、316之间的3×2网格区域。在一个示例性实施例中，非重叠区318沿着超表面天线单元200居中。在一个示例性实施例中，馈送辐射缝隙214a在非重叠区318内居中，例如在3×2网格区域内居中。天线信号在馈送辐射缝隙214a处例如在非重叠区318的3×2网格区域的中心处被馈送到超表面天线单元200中。第一和第二水平极性超表面天线单元200a、200b沿X轴进行馈送。第一和第二垂直极性超表面天线单元200c、200d沿Y轴被馈送。
在一个示例性实施例中，辐射缝隙214可以偏移(例如，向左或向右或向上或向下移动)以改变辐射元件210的宽度。在各种实施例中，超表面天线单元200可以包括偏移辐射缝隙。因此，在偏移辐射缝隙的一侧上的辐射元件210较宽，而在偏移辐射缝隙的相对侧上的辐射元件210较窄。提供缝隙偏移可以改变天线元件的模频率，这可以改进在宽的带宽上的E平面的SLL。提供缝隙偏移可以增加天线方向性和/或提供E平面中的更宽的HPBW和/或提供更低的FBR。
在一个示例性实施例中，通孔218可以偏移(例如，向左或向右或向上或向下移动)以改变各个通孔218之间的中心线间隔。在所示的实施例中，超表面天线单元200被示为包括偏移通孔218a、218b，其改变了偏移通孔218a、218b的一侧的通孔218之间的与偏移通孔218a、218b的另一侧的通孔218相比的中心线间隔。提供通孔偏移可以改变天线元件的模频率，这可以改进在宽的带宽上的E平面的SLL。提供通孔偏移可以增加天线方向性和/或改进FBR。
在一个示例性实施例中，对于电大的非均匀超表面天线单元来说，可以使用较小的中心辐射缝隙来实现较高的FBR和增益。正的缝隙偏移和负的通孔偏移可用于改进E平面中的SLL和方向性。
图14是根据一个示例性实施例的天线元件300的接地结构206的俯视图。图14示出了耦合孔232。在一个示例性实施例中，耦合孔232设置在四个象限303、305、307、309中的每一个中，例如用于方环形310中的每一个(图12中所示)。在一个示例性实施例中，耦合孔232在每个象限中大致布置成+形，以用于向方环形310进行馈送。例如，每个耦合孔232被配置成直接位于对应的馈送辐射缝隙214a(图13中示出)的下方。耦合孔232的长度可以近似等于馈送辐射缝隙214a的长度。耦合孔232之间的间隔可以基于对应的馈送辐射缝隙214a和方环形310的定位。
图15是接地结构206的一部分的放大图，其示出了象限303中的一个。图15示出了四个耦合孔232，其对应于方环形310(图13中示出)中的一个。每个耦合孔232被配置成与对应的一个馈送辐射缝隙214a(图13所示)对准。两个耦合孔232水平取向，并且两个耦合孔232垂直取向。在替选实施例中，其他取向是可能的。在一个示例性实施例中，每个耦合孔232包括围绕耦合孔232的通孔238的通孔腔236。通孔腔可以将耦合孔232与其他耦合孔232隔离。
图16是根据一个示例性实施例的天线元件300的接地结构206的俯视图。接地结构206包括与图14所示的相同的耦合孔232的图案。然而，接地结构206另外包括与耦合孔232相邻的网格缝隙320。网格缝隙320与耦合孔232间隔开，但位于耦合孔232的极为附近。网格缝隙320通过接地结构206开口。网格缝隙320可以包括形成交叉图案的水平缝隙322和垂直缝隙324。然而，在替选实施例中，网格缝隙320可以具有其他形状。网格缝隙320可以减轻由于辐射结构202和馈送结构204之间的气隙而可能发生的性能劣化。网格缝隙320减轻了平行于气隙的方向上的寄生损耗，从而使得能够恢复天线增益。
图17是根据一个示例性实施例的天线元件300的馈送结构204的俯视图。图17示出了用于每个方环形310的馈送电路250。图17示出了四个馈送电路250。在一个示例性实施例中，两个馈送电路250用于垂直极化，并且两个馈送电路250用于水平极化。每个馈送电路用于向两个方环形310进行馈送。
在一个示例性实施例中，每个馈送电路250包括用于每个超表面天线单元200的带状馈线240。带状馈线240被配置成垂直地位于对应的耦合孔232(图14中示出)和馈送辐射缝隙214(图13中示出)下方并横穿跨越它们。带状馈线240通过耦合孔232向对应的超表面天线单元200进行馈送。在一个示例性实施例中，每个带状馈线240包括围绕带状馈线240的通孔248的对应通孔腔246。通孔腔246可以将带状馈线240与其他带状馈线240隔离。
在一个示例性实施例中，与第一和第二水平极性超表面天线单元200a、200b相关联的带状馈线240从公共输入被馈送，并且可以是公共馈送带状线的一部分。与第一和第二垂直极性超表面天线单元200c、200d相关联的带状馈线240从公共输入被馈送，并且可以是公共馈送带状线的一部分。
在一个示例性实施例中，馈送结构204包括第一水平馈送输入260、第二水平馈送输入262、第一垂直馈送输入264和第二垂直馈送输入266。在一个示例性实施例中，每个馈送输入260、262、264、266向多个带状馈线240进行馈送。第一水平馈送输入260向与第一和第二天线环形302、304相关联的带状馈线240进行馈送。第二水平馈送输入262向与第三和第四天线环形306、308相关联的带状馈线240进行馈送。第一垂直馈送输入264向与第二和第三天线环形304、306相关联的带状馈线240进行馈送。第二垂直馈送输入266向与第一和第四天线环形302、308相关联的带状馈线240进行馈送。在所示实施例中，第一和第二水平馈送输入260、262位于馈送结构204的相对侧，例如顶部和底部，而第一和第二垂直馈送输入264、266位于馈送结构204的相对侧，例如右侧和左侧。馈送输入260、262、264、266在例如T形接头的分支位置270处向外分支，以向不同的方环形天线元件310和/或超表面天线单元200进行馈送。馈送结构204具有用于向许多辐射元件进行馈送的简单馈送网络。例如，在所示实施例中，提供了四个馈送输入，其向总共两百四十(240)个辐射元件210进行馈送(例如，每个方环形310包括六十个辐射元件210)。
图18是天线元件300的一部分的透视图，其示出了将辐射结构202、馈送结构204和接地结构206保持在一起的螺钉330。图19是天线元件300的一部分的侧视图，其示出了将辐射结构202、馈送结构204和接地结构206保持在一起的螺钉330之一。在一个示例性实施例中，在辐射结构202和馈送结构204之间提供气隙332。气隙332允许辐射基板222和馈送基板226之间的相对移动，例如以允许热膨胀和收缩。螺钉330维持辐射基板222和馈送基板226的大致定位。气隙332降低了由于基板222、226由不同材料制造而引起的翘曲的风险。在一个示例性实施例中，栅格缝隙320(图16中示出)被用于减轻由于辐射结构202和馈送结构204之间的气隙332而可能发生的性能劣化。
应当理解，以上描述旨在是说明性的，而不是限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可以彼此组合使用。此外，在不背离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适应本发明的教导。本文所述的各种组件的尺寸、材料类型、取向以及各种组件的数量和位置旨在限定某些实施例的参数，并且绝不是限制性的，而仅仅是示例性实施例。在阅读了以上描述之后，在权利要求的精神和范围内的许多其他实施例和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明的范围应当参考所附权利要求以及这样的权利要求所授权的等同物的全部范围来确定。在所附权利要求中，术语“包括”和“其中”用作相应术语“包括”和“其中”的简单英语等同物。此外，在所附权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，并且没有对其对象施加数值要求的意图。此外，以下权利要求的限制不是以装置加功能的格式书写的，并且不意图基于35 U.S.C.§112(f)解释，除非并且直到这样的权利要求限制明确地使用之后跟着没有进一步结构的功能陈述的短语“用于......的部件”。

Claims (25)

1.一种天线组装件，包括：
超表面天线单元，所述超表面天线单元包括辐射结构、耦合到所述辐射结构的馈送结构、以及接地结构；
所述辐射结构包括布置成m行辐射元件和n列辐射元件的m×n栅格的辐射元件，其中，n大于m，所述辐射元件被辐射缝隙分开，其中，所述辐射元件的边跨所述辐射缝隙彼此面对；
所述接地结构包括接地平面，所述接地平面具有穿过其的耦合孔；并且
所述馈送结构包括用于向所述辐射元件进行馈送的单个带状馈线，所述带状馈线穿过所述耦合孔并通过所述耦合孔向所述辐射结构进行馈送；
其中，所述辐射元件中的至少一个辐射元件通过至少一个其他辐射元件跨对应的辐射缝隙而被馈送。
2.根据权利要求1所述的天线组装件，其中，n是m的至少两倍。
3.根据权利要求1所述的天线组装件，其中，所述辐射缝隙具有缝隙宽度。
4.根据权利要求3所述的天线组装件，其中，所述辐射缝隙中的至少两个辐射缝隙的缝隙宽度彼此不同。
5.根据权利要求1所述的天线组装件，其中，每个辐射元件包括焊盘和从所述焊盘通过所述辐射结构延伸到所述接地平面的通孔，每个焊盘是矩形的。
6.根据权利要求5所述的天线组装件，其中，每个焊盘是正方形的。
7.根据权利要求5所述的天线组装件，其中，所述通孔相对于对应的焊盘居中。
8.根据权利要求5所述的天线组装件，其中，所述通孔具有在行内的所述通孔之间的间隔，所述间隔中的至少两个间隔彼此不同。
9.根据权利要求1所述的天线组装件，其中，所述接地平面包括围绕所述耦合孔的通孔腔。
10.根据权利要求1所述的天线组装件，其中，所述带状馈线包括围绕所述带状馈线的通孔的通孔腔。
11.根据权利要求1所述的天线组装件，其中，所述辐射元件的子集是与所述耦合孔对准的馈送辐射元件，所述辐射元件通过所述耦合孔而电容耦合到所述带状馈线。
12.根据权利要求11所述的天线组装件，其中，通过所述辐射元件跨对应辐射缝隙的电容耦合从所述馈送辐射元件连续地向所述其他辐射元件中的每一个进行馈送。
13.根据权利要求1所述的天线组装件，其中，所述辐射结构包括具有第一介电常数的辐射基板，并且所述馈送结构包括具有与所述第一介电常数不同的第二介电常数的馈送基板，所述馈送基板通过气隙与所述辐射基板分开。
14.根据权利要求13所述的天线组装件，其中，所述接地平面包括穿过其的远离所述耦合孔的网格缝隙。
15.根据权利要求1所述的天线组装件，还包括覆盖所述辐射结构的介电盖，所述介电盖通过盖间隙与所述辐射结构间隔开。
16.根据权利要求1所述的天线组装件，还包括盖，所述盖包括前盖和后盖，所述前盖和所述后盖之间具有盖腔，所述超表面天线单元容纳在所述盖腔中，所述后盖是导电的并且沿着所述超表面天线单元的至少一侧具有扼阻腔。
17.一种天线组装件，包括：
多个超表面天线单元，所述多个超表面天线单元绕天线袋形成天线环形，所述超表面天线单元包括在所述天线袋的相对侧上的第一水平极性超表面天线单元和第二水平极性超表面天线单元、以及在所述天线袋的相对侧上的第一垂直极性超表面天线单元和第二垂直极性超表面天线单元；
每个超表面天线单元包括辐射结构、耦合到所述辐射结构的馈送结构、以及接地结构，所述辐射结构包括布置成m行辐射元件和n列辐射元件的m×n栅格的辐射元件，其中，n大于m，所述辐射元件被辐射缝隙分开，其中，所述辐射元件的边跨所述辐射缝隙彼此面对，所述接地结构包括接地平面，所述接地平面具有穿过其的耦合孔，并且所述馈送结构包括用于向所述辐射元件进行馈送的单个带状馈线，所述带状馈线穿过所述耦合孔并通过所述耦合孔向所述辐射结构进行馈送，其中，所述辐射元件中的至少一个辐射元件通过至少一个其他辐射元件跨对应的辐射缝隙而被馈送；
其中，所述第一水平极性超表面天线单元的所述辐射元件的第一子集和第二子集与所述第一垂直极性超表面天线单元和第二垂直极性超表面天线单元的对应辐射元件共享，并且其中，所述第二水平极性超表面天线单元的所述辐射元件的第一子集和第二子集与所述第一垂直极性超表面天线单元和第二垂直极性超表面天线单元的对应辐射元件共享。
18.根据权利要求17所述的天线组装件，其中，沿着所述辐射元件的行居中的所述辐射缝隙限定了馈送辐射缝隙，所述馈送辐射缝隙被配置成与对应的耦合孔对准，以用于通过经由所述耦合孔到所述带状馈线的电容耦合来向所述超表面天线单元进行馈送，所述馈送辐射缝隙与所述天线袋对准。
19.根据权利要求17所述的天线组装件，其中，共享的辐射元件基于来自对应的第一水平极性超表面天线单元或第二水平极性超表面天线单元以及对应的第一垂直极性超表面天线单元或第二垂直极性超表面天线单元两者的输入来辐射。
20.根据权利要求17所述的天线组装件，其中，所述第一水平极性超表面天线单元和第二水平极性超表面天线单元从公共水平馈送输入被馈送，并且所述第一垂直极性超表面天线单元和第二垂直极性超表面天线单元从公共垂直馈送输入被馈送。
21.一种天线组装件，包括：
天线基板，具有在所述天线基板的上部处的辐射基板和在所述天线基板的下部处的馈送基板，所述天线基板包括第一象限、第二象限、第三象限和第四象限；
在所述第一象限中的第一天线环形、在所述第二象限中的第二天线环形、在所述第三象限中的第三天线环形、和在所述第四象限中的第四天线环形，所述天线环形中的每一个包括绕天线袋形成方环形的多个超表面天线单元，所述超表面天线单元包括在所述天线袋的相对侧上的第一水平极性超表面天线单元和第二水平极性超表面天线单元、以及在所述天线袋的相对侧上的第一垂直极性超表面天线单元和第二垂直极性超表面天线单元；
每个超表面天线单元包括辐射结构、耦合到所述辐射结构的馈送结构、以及接地结构，所述辐射结构包括布置成m行辐射元件和n列辐射元件的m×n栅格的辐射元件，其中，n大于m，所述辐射元件被辐射缝隙分开，其中，所述辐射元件的边跨所述辐射缝隙彼此面对，所述接地结构包括接地平面，所述接地平面具有穿过其的耦合孔，并且所述馈送结构包括用于向所述辐射元件进行馈送的单个带状馈线，所述带状馈线穿过所述耦合孔并通过所述耦合孔向所述辐射结构进行馈送，其中，所述辐射元件中的至少一个辐射元件通过至少一个其他辐射元件跨对应的辐射缝隙而被馈送；
其中，所述第一水平极性超表面天线单元的所述辐射元件的第一子集和第二子集与所述第一垂直极性超表面天线单元和第二垂直极性超表面天线单元的对应辐射元件共享，并且其中，所述第二水平极性超表面天线单元的所述辐射元件的第一子集和第二子集与所述第一垂直极性超表面天线单元和第二垂直极性超表面天线单元的对应辐射元件共享。
22.根据权利要求21所述的天线组装件，还包括第一水平馈送输入、第二水平馈送输入、第一垂直馈送输入和第二垂直馈送输入，所述第一水平馈送输入对第一天线环形和第二天线环形进行馈送，所述第二水平馈送输入对第三天线环形和第四天线环形进行馈送，所述第一垂直馈送输入对第二天线环形和第三天线环形进行馈送，所述第二垂直馈送输入对第一天线环形和第四天线环形进行馈送。
23.根据权利要求21所述的天线组装件，其中，所述辐射基板具有第一介电常数，并且所述馈送基板具有与所述第一介电常数不同的第二介电常数，所述馈送基板通过气隙与所述辐射基板分开，所述接地平面面向所述气隙，所述接地平面包括在所述第一象限、所述第二象限、所述第三象限和所述第四象限中的每一个中的穿过所述接地平面的网格缝隙。
24.根据权利要求21所述的天线组装件，还包括盖，所述盖包括前盖和后盖，所述前盖和所述后盖之间具有盖腔，所述超表面基板容纳在所述盖腔中，所述后盖是导电的并且沿着所述第一象限、所述第二象限、所述第三象限和所述第四象限中的每一个具有扼阻腔。
25.根据权利要求21所述的天线组装件，其中，所述第一天线环形的辐射元件与所述第二天线环形的辐射元件分开比所述辐射缝隙更宽的第一间隔，所述第二天线环形的辐射元件与所述第三天线环形的辐射元件分开比所述辐射缝隙更宽的第二间隔，所述第三天线环形的辐射元件与所述第二天线环形的辐射元件分开比所述辐射缝隙更宽的第三间隔，并且所述第四天线环形的辐射元件与所述第一天线环形的辐射元件分开比所述辐射缝隙更宽的第四间隔；
其中，所述辐射元件被配置成跨所述辐射缝隙与其他辐射元件强电容耦合，并且其中，所述辐射元件被配置成跨所述第一间隔、所述第二间隔、所述第三间隔和所述第四间隔与其他辐射元件弱电容耦合。
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