CN117882250A - 用于电子扫描阵列应用的宽带双极化扫描不变阻抗平面天线阵列元件 - Google Patents

Abstract

提供了一种天线的定向可调谐天线元件。该定向可调谐天线元件包括馈电结构、耦合结构和脊结构。耦合结构设置在馈电结构和脊结构之间，并在馈电结构和脊结构之间传送电磁能量。这些结构解决了与卫星跟踪和电子扫描阵列(ESA)中的频繁的卫星切换相关联的挑战。所公开的方面增强了ESA天线系统的性能，解决了ESA天线系统的缺点，同时解决了卫星跟踪和频繁的卫星切换的挑战。所公开的方面提供了具有高效可用增益带宽、高扫描角性能以及在全扫描角范围上一致且高的交叉极化隔离的天线。

Description

用于电子扫描阵列应用的宽带双极化扫描不变阻抗平面天线 阵列元件

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求2021年8月30日提交的标题为“用于电子扫描阵列应用的宽带双极化扫描不变阻抗平面天线阵列元件”的美国临时专利申请63/238,706的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

1.技术领域

本公开一般涉及天线，并且更具体地，涉及平面天线阵列元件。

2.相关现有技术的描述

在最近几年，随着宽带卫星的接入，机身安装的卫星通信(Satcom)、海事卫星(Inmarsat)和其他宽带天线的机载市场已经扩大。这些机载天线的示例包括抛物面天线(parabolic dish)、贴片阵列和固定波导阵列。这些天线系统中的大多数是安装在跟踪对地静止(GEO)卫星的两轴定位器上的天线罩下的固定波束系统。机载天线的低轮廓性质限制了孔(aperture)的大小和形状，从而由于相邻卫星干扰、增加的噪声和/或阻塞而限制了天线的操作性能。

另外，机载天线用户越来越多地利用中地轨道(MEO)和低地轨道(LEO)星座中的卫星，以获得各种优点，诸如更低的信号延迟和更高的信号强度。然而，这些卫星平台对机身安装天线提出了额外的挑战。与处于固定位置的GEO卫星不同，MEO和LEO卫星具有范围可以从20到40分钟的轨道周期。天线必须连续地从星座中的一个卫星切换到另一个卫星。这对于固定波束机械操纵的移动车载天线来说变得不切实际/成问题。

因此，需要解决现有天线系统的缺点的系统和方法，以促进从一个卫星到另一个卫星的频繁切换。

发明内容

天线的定向可调谐天线元件可以包括各种特征。例如，可以提供馈电结构、耦合结构和脊结构。馈电结构可以连接到发射器和接收器中的至少一者。耦合结构可以与馈电结构相邻。脊结构可以与耦合结构相邻。耦合结构可以设置在馈电结构和脊结构之间。耦合结构可以被配置为在馈电结构和脊结构之间传送电磁能量。耦合结构可以是将馈电结构电容耦合到脊结构的介电材料。

脊结构可以包括由第一金属制成并且夹着衬底层的两个金属层。多个通孔过孔可以通过衬底层连接两个金属层。通孔过孔由第一金属制成。耦合结构可以是将馈电结构电容耦合到脊结构的介电材料。两个金属层中的最外金属层可以是位于围绕并限定中心开口的平面中的金属边缘。最外金属层可以包括中心贴片元件，该中心贴片元件是中心开口中的金属焊盘并且与金属边缘分离。

在各种实施例中，馈电结构具有多个孔，并且脊结构具有多个孔。馈电结构的孔和脊结构的孔具有相同的形状，并且被对准以将馈电结构电磁耦合到脊结构。馈电结构可以包括接收第一电磁信号的第一输入和接收第二电磁信号的第二输入，该第二电磁信号包括具有相位延迟的所述第一电磁信号。第一输入和第二输入可以是电容耦合输入。

在各种实施例中，馈电结构包括通过至少一个定相迹线连接到多个反射短截线的第一输入和通过至少一个另外的定相迹线连接到该多个反射短截线的第二输入。所述至少一个定相迹线和所述至少一个另外的定相迹线中的每一者共同混合所述第一输入和所述第二输入，以使所述第一反射短截线处的电磁信号具有与所述第二反射短截线处的电磁信号不同的相位。可以包括第一电磁信号源，其调谐在所述第一输入处的所述电磁信号的第一部分和在所述第二输入处的所述电磁信号的第二部分的振幅和相位，以使所述定向可调谐天线元件响应于所述调谐而操纵所述电磁信号的发射波束。

多个平面定向可调谐天线元件可以被组合成阵列以提供天线。天线可以被配置为响应于对天线的多个(i)输入或(ii)输出的混合来操纵天线的一个或多个波瓣。

可以提供一种制造天线的定向可调谐天线元件的方法。天线可以是定向可调谐天线元件的阵列。天线可以被配置为响应于对天线的多个(i)输入或(ii)输出的混合来操纵天线的一个或多个波瓣。该方法可以包括提供馈电结构，该馈电结构被配置为将多个(i)输入或(ii)输出中的至少一者接收至天线。该方法可以包括提供与馈电结构相邻的耦合结构。该方法可以包括提供与耦合结构相邻的脊结构。耦合结构可以设置在馈电结构和脊结构之间。耦合结构可以被配置为在馈电结构和脊结构之间传送电磁能量。

附图说明

在研究了下面的附图和详细描述之后，本发明的其他系统、方法、特征和优点对本领域的普通技术人员来说将是或将变得显而易见。

图1A-D描绘了根据各种实施例的定向可调谐天线元件的视图；

图2A-B示出了根据各种实施例的定向可调谐天线元件和定向可调谐天线元件的三个功能组件的分离图；

图3描绘了根据各种实施例的由定向可调谐天线元件的阵列构成的天线；

图4A示出了根据各种实施例的脊结构；

图4B示出了根据各种实施例的具有电磁场的脊结构、耦合结构和馈电结构；

图4C示出了根据各种实施例的脊结构和代表性L-C电路组件的侧视图；

图4D示出了根据各种实施例的史密斯圆图，其示出了脊结构的阻抗匹配取决于其在感兴趣的带中的厚度；

图5A-B示出了根据各种实施例的回波损耗(return loss)图和相应的史密斯圆图；

图6A-E示出了根据各种实施例的史密斯圆图的集合，其示出了在各种扫描角的复阻抗曲线图；

图6F示出了根据各种实施例的扫描角曲线图；

图7A-B示出了根据各种实施例的不同馈电结构配置的简化图；

图8A-B示出了根据各种实施例的定向可调谐天线元件的基本配置，其中图8A示出了产生共极化场的馈电求和路径，而图8B示出了产生交叉极化场的馈电差路径；

图9A-B示出了根据各种实施例的模拟的场的图案，其示出了场的共极化求和以及场的交叉极化抵消；

图10A-C示出了根据各种实施例的馈电结构和脊结构之间的电场耦合机制；

图11示出了根据各种实施例的馈电结构与脊结构的电容耦合；以及

图12示出了制造包括定向可调谐天线元件的阵列的天线的定向可调谐天线元件的方法。

具体实施方式

解决与卫星跟踪和频繁的卫星切换相关联的挑战的努力包括利用电子扫描阵列(ESA)。本文提供的系统和方法还增强ESA天线系统的性能，解决ESA天线系统的缺点，同时解决卫星跟踪和频繁的卫星切换的挑战。本文中的系统和方法提供ESA天线，其具有覆盖SATCOM频带的高效可用增益带宽、高扫描角性能、以及在全扫描角范围上的一致且高的交叉极化隔离。本文的系统和方法促进物理上稳健的移动天线架构的开发。本公开提供了作为核心构造技术的真正的平面电路板技术。

正在开发的或已经使用的各种电子波束操纵阵列系统(AESA)通常包含传统微带贴片辐射器设计。贴片使用直接馈电、或孔径(aperture)耦合或电容耦合的一些变化、以及额外的寄生金属层来增强天线的带宽。该贴片天线元件适用于7-10％的系统平坦增益带宽和5-6％范围内的交叉极化隔离带宽。然而，现代卫星通信系统在Ka系统的接收频带的情况下需要均匀的增益和交叉极化隔离带宽达到17-18％。

在任何竞争性的电子操纵系统中，定向可调谐天线元件还必须间隔大约半个波长，以在不遭遇退化辐射模式(更通常地称为栅瓣)的情况下离顶(off zenith)扫描到60或70度。

扫描要求对元件的操作施加额外的约束。对于双线性天线，优选的是，元件极化具有相同的相位中心。这允许系统在不将额外的相位误差引入到波束操纵算法中的情况下离顶扫描。然而，最重要的是元件之间的扫描角相关互耦合的问题，其可将扫描角损耗引入到系统中且在一些情况下导致扫描失明或孔径增益的严重降级。

天线的结构也特别与机身安装的航空天线的增加的环境应力有关。平面电路板天线架构是理想的，因为它们可以直接与一个板中的波束操纵和其他电路接口。诸如平面超宽带模块阵列(PUMA)结构的其他类型的天线通常不是完全平面的，因为它们由具有单独泡沫层的垂直偶极子布置组成。这种混合的衬底结构本身不适于平面架构。

在本工作中引入的衬底集成扫描不变阻抗匹配(SIWAIM)天线元件令人满意地解决了贴片天线元件的缺点，尤其是涉及元件之间的超低互耦合、高带宽平坦增益和交叉极化性能、扫描不变阻抗、使其自身很好地适于与同一板上的波束成形和其他组件的系统级集成的平面设计、以及共同定位的相位中心。另外，SIWAIM架构在层数上类似于具有两个寄生层的贴片元件，从而不会给系统引入更多的复杂性。

本公开描述了一种双极化天线定向可调谐天线元件，其在相同元件的阵列中，并且与电子操纵的阵列环境中的相邻元件协作地起作用，并且在宽扫描体积和宽带宽上提供稳定的有源阻抗匹配。衬底集成扫描角不变阻抗匹配结构、反射馈电以及馈电和阻抗结构之间的耦合机制实现了这些特性。整个元件结构包含在单个平面电路板架构中，并且与用于波束操纵、放大器和其他电子器件的电路集成。信号被施加到一个或两个极化输入，其相位和振幅来自与阵列中的其他元件相关的波束形成网络，以产生指向期望的仰角/方位角方向的整体辐射图案，并且符合诸如极化感测、峰值指向方向、交叉极化隔离、EIRP和G/T比的性能测量。

图1A-D示出SIWAIM天线元件(定向可调谐天线元件2)的视图。定向可调谐天线元件2包括一系列的层。例如，层叠多个衬底层4和金属层6。反射短截线8连接到馈电点10，该馈电点为其他组件提供电磁连接，以连接到定向可调谐天线元件2，例如发射器和/或接收器的波束形成网络。将参考本文的其他附图更详细地讨论定向可调谐天线元件2的方面。此外，在下面的进一步的图和讨论中参考金属层6。

图2A-B示出了定向可调谐天线元件2的分离图和定向可调谐天线元件2的三个功能组件。如图3所示，该定向可调谐天线元件2是形成天线的较大的阵列3的基本部分。简言之，较大的阵列3包括56×56元件阵列，尽管可以提供任何大小的阵列3。不引入栅瓣的最大扫描角确定了元件间距，其通常约为半个波长。

重新参照图2A-B，示出了具有馈电结构16、耦合结构14和脊结构12的定向可调谐天线元件2。馈电结构16包括被配置成将电磁能量馈入或馈出定向可调谐天线元件2的该定向可调谐天线元件2的层。馈电结构16被结构化为将定向可调谐天线元件2(以及因此如图3所示的较大的阵列3)的阻抗匹配到馈线。馈电结构16可以包括一个或多个短截线8。短截线8可以是反射短截线8，其被配置成操纵定向可调谐天线元件2的辐射图案、提供阻抗匹配等。

短截线8可经由定相迹线11连接到一个或多个馈电点10。电磁能量可注入或接收自馈电点10。电磁能量可具有相位和振幅。在各种情况下，将不同相位和振幅的电磁能量注入不同的馈电点10，和/或可将相位和/或振幅的滤波和/或混合应用于从馈电点10接收的电磁能量。该电磁能量可沿定相迹线11传播，其中定相迹线11具有各种预定长度，使得反射短截线8协同操作以引导定向可调谐天线元件2的辐射图案的波瓣、操纵定向可调谐天线元件2的辐射图案、和/或匹配阻抗。

耦合结构14可以被设置成与馈电结构16相邻并与脊结构12相邻。例如，耦合结构14可以被夹在馈电结构16的至少一部分和脊结构12的至少一部分之间。耦合结构14可以耦合脊结构12和馈电结构16之间的电磁能量。本文将讨论耦合结构14的各个进一步的方面。

最后，可以提供脊结构12。脊结构12可包括定向可调谐天线元件2的最外部结构，其被配置成使定向可调谐天线元件2与相邻定向可调谐天线元件2的周围空间阻抗匹配。在图2A中，中心贴片元件13可包括脊结构12的金属焊盘，其通常设置成在脊结构12的周围方面的中心并被其围绕。

在图2B中，提供了定向可调谐天线元件2的另一实施例。定向可调谐天线元件2包括与上述相同的脊结构12，但不包含中心贴片金属化(中心贴片元件13(图2A))。在各种实施例中，这种配置通常与电容耦合馈电一起工作良好，如合并到馈电点10中的电介质间隙所示。在这种情况下，馈电结构16可以包括电介质间隙17，如图2C所示。这种配置是双线性极化反射馈电。该配置包括基本的反射匹配的半波长组合器，但是输入终止于平面电容耦合部分。这将电容偏移添加到了输入，以将主要是电感的复阻抗转换为接近1的实数值的复归一化阻抗。因此，馈电结构16在一些实施例中可以包括电介质间隙17，而在其他实施例中不包括电介质间隙17，尽管省略了图2A的中心贴片元件13的脊结构12特别适合于图2C的馈电结构16，在该馈电结构16中包括电介质间隙17。

参考图2A-B，脊结构12可以提供衬底集成扫描角不变阻抗匹配表面。以这种方式，由定向可调谐天线元件2呈现的阻抗在扫描角范围内近似地保持相对阻抗匹配。这有助于在扫描(例如，操纵)由定向可调谐天线元件2构成的电子扫描阵列(ESA)时的强性能和/或相对一致的增益和波束形成特性。图4A示出了脊结构12，图4B示出了脊结构12、耦合结构14和馈电结构16，其中还示出了电磁场。

典型的相控阵列具有间隔紧密的定向可调谐天线元件，以避免在阵列的规定扫描体积中出现称为栅瓣的大退化模式(large degenerate modes)。为了避免栅瓣，元件的间隔必须小于d≤λ/(1+sinθ)，其中d是元件间隔，λ是自由空间波长，且θ是波束从天顶的最大扫描角。典型的元件间隔是大约半个波长。在紧密的间隔下，必须使与相邻辐射器的元件间的场耦合最小化。对于阵列中的任何参考元件，存在相关联的反射系数Г₀或元件的有源阻抗，其中：

是在球面坐标系中的扫描角(θ,φ)处的二维阵列的一般阵列因子表示，并且S_c是参考元件与其相邻元件之间的耦合系数的复数和。

图4C示出了脊结构12的侧视图。参考图4C，本文描述的脊结构12提供了最小化耦合系数的和S_c的衬底集成扫描角不变阻抗匹配表面，并且通过将分布式并联L-C阻抗匹配18引入到自由空间的衬底集成脊结构12提供了扫描不变阻抗匹配。脊由具有通孔过孔20金属层6构成，通孔过孔20通过具有高度为h_sub的衬底厚度24的衬底22连接金属层6，并且起到最小化阵列的相邻元件(阵列3的定向可调谐天线元件2(图3))之间的衬底耦合的作用，因为通孔过孔20的过孔间隔足以衰减横向的场传播。

天线结构的脊大致相当于脊形波导，其阻抗由图4C所示的分布式并联L-C阻抗18描述，其给出了通常为18-20％的宽带阻抗匹配。图4D示出了史密斯圆图100，其示出了脊结构12的阻抗匹配取决于其在感兴趣的带中的厚度。史密斯圆图100示出了衬底22的几个衬底厚度24。例如，描绘了与约60密耳(约1.5mm)厚度相关联的曲线102、与约70密耳(约1.78mm)厚度相关联的曲线104、与约80密耳(约2.0mm)厚度相关联的曲线106、以及与约90密耳(约2.3mm)厚度相关联的曲线108。为1的归一化阻抗附近的复阻抗点的更紧密的分组指示自由空间与定向可调谐天线元件之间的最优阻抗匹配。

图5A-B示出了在45度扫描角下最优宽带阻抗的回波损耗图200和相应的阻抗图250。这种实现是具有连接到脊结构的底部的内部贴片的外部脊。

在阵列的整个扫描范围内，复阻抗保持以归一化阻抗为中心。这种行为是由于相邻的定向可调谐天线元件的总的互耦合系数的最小化，因此表面相对于阻抗和峰值增益是扫描角不变的。图6A-E示出了史密斯圆图的集合，其示出了在各种扫描角下的复阻抗图。图6A示出了史密斯圆图300，其示出了在大约0度的扫描角处的复阻抗曲线图。图6B示出了史密斯圆图302，其示出了在大约20度的扫描角处的复阻抗曲线图。图6C示出了史密斯圆图304，其示出了在大约30度的扫描角处的复阻抗曲线图。图6D示出了史密斯圆图306，其示出了在大约45度的扫描角处的复阻抗图。图6E示出了史密斯圆图308，其示出了在大约60度的扫描角处的复阻抗曲线图。图6F示出了对应于图6A-E的扫描角的扫描角曲线图350。图6A-6F示出了对于阵列的阻抗和峰值增益性能两者在各种扫描角下的行为。“扫描指数”是指天线峰值增益在在离顶扫描时的滚降。来自零度的参考角的指数损耗表示为：

Scan_loss(θ)[dB]＝10log(cos^lexpθ)

其中lexp是扫描指数。扫描指数为1是理想的。

由于相对高的S_c互耦合分量，贴片天线的典型扫描损耗指数在1.5-1.8范围内。如本文提供的由定向可调谐天线元件形成的天线通常呈现典型地在1.1到1.2范围内的表面扫描指数，其指示对相邻互耦合效应的更高抑制。

已经讨论了脊结构12的各种实施例，现在将注意力集中在馈电结构16(图2A-B)的各种实施例的讨论上。图7A-B示出了不同馈电结构16配置的简化图。这些图示出了由功率分路器激励并馈电给每个孔的单个孔对以及反射馈电的基本概念。图7B图示将分路器合并到通过抵消场而隔离的两个正交侧中，并且消除了对两个单独层上的两个单独馈电的需要，这降低了复杂性。

具体地，图7A示出了孔径馈电30，其是具有分路器/组合器的两点馈电，以如场方向箭头28所示地同相地馈电孔26。图7B示出了反射馈电30，其将分路器/组合器与180度相移功能27合并，允许两个极化输入被组合成一个。如场方向箭头28所示，孔26被同相地馈电，并且与短截线32一起。

图8A-B示出了定向可调谐天线元件2的基本配置。图8A示出了产生共极化场的馈电求和路径，且图8B示出了产生交叉极化场的馈电差路径。该配置可以被称为双线性极化反射馈电。该馈电配置包括两个馈电点10。例如，一个馈电点10可以用于连接到垂直极化信号，而另一个馈电点10可以用于连接到水平极化信号。馈电点10与定相迹线11的中心环连接，并且阻抗匹配。此外，反射短截线8的引入消除了对同相分离器和在两个脊激励点处的激励的需要。这通过在单层中实现完全两端口馈电而简化了馈电架构。

椭圆形短截线终止于环的相对侧，并向输入提供匹配的反射。环的半圆是1/2波长，并且因此提供通过耦合结构同相地激励两个面对的脊所需的180度相移。同样重要的是，环的1/4长度同时在正交端口给出抵消场，并且反过来，辐射最小的交叉极化场。这种机制提供同相共极化电场求和以及交叉极化电场抵消两者，这导致增强的交叉极化抑制。图9A-B中示出了模拟的场的图案，其示出了场的共极化求和以及场的交叉极化抵消。图9A示出了在定向可调谐天线元件2的表面处的场，其中标识了交叉极化场，并且图9B示出了在定向可调谐天线元件2的表面上方大约100密耳(大约2.54mm)处的场，其中标识了共极化场。

参照图10A-C，定向可调谐天线元件2的另一方面是反射馈电结构16和脊结构12(脊扫描不变阻抗表面)之间的电场耦合机制。在一个示例实施例中，感应耦合场由图10A中的平行线示出，以描绘感应接地平面孔径耦合。在这种配置中，在脊结构12的底部作为较低金属接地平面的金属层6中的半波长缝隙(孔15)感应耦合到馈电结构16，馈电结构16和孔被提供场耦合的介电层(例如耦合结构14(图2A))分开。孔径耦合接地平面提供了场耦合机制的最宽带宽。

如图11所示，用于定向可调谐天线元件2的场耦合机制的另一实施例具有电容耦合到馈电结构16的脊结构12。在这种配置中，脊结构12的底部到达面积足够宽以使其电容性地耦合到馈电结构16的点。

已经介绍了定向可调谐天线元件的各种实施例，可以理解对应天线配置的各种有利特征。例如，本文提供的系统具有真实平面电路板架构，其包括集成到板架构中的扫描角不变阻抗表面。定向可调谐天线元件呈现宽增益和阻抗带宽。该架构可以具有比贴片元件多一到两层，但是具有适合于16％的Ku接收频带、18％的Ka接收频带的更宽的带宽，而不损害重要的性能参数，例如平坦增益带宽和回波损耗。此外，该配置不受离轴扫描角的扫描失明影响。单点反射馈电满足在宽带宽上的双极化操作，同时满足重要性能参数，例如低交叉极化增益、低损耗。单点反射馈电使用一个馈电层以满足双极操作。该系统提供比贴片天线更好的扫描角指数。

已经引入了定向可调谐天线元件2的各个方面和实施例，并且参考图1A-图11，现在可以方便地讨论若干示例实现。天线(阵列3)的定向可调谐天线元件2可以包括各种特征。例如，可以提供馈电结构16、耦合结构14和脊结构12。馈电结构16可以连接到发射器和/或接收器中的至少一者(例如，输入和/或输出)。耦合结构14可与馈电结构16相邻。脊结构12可与耦合结构14相邻。耦合结构14设置在馈电结构16和脊结构12之间。耦合结构14可被配置成在馈电结构16和脊结构12之间传送电磁能量。耦合结构14可以是将馈电结构16电容性耦合到脊结构12的介电材料。

脊结构12可以包括由第一金属制成并且夹着衬底22层的两个金属层6。多个通孔过孔20可以通过衬底22层连接两个金属层6。通孔过孔20由第一金属制成。耦合结构14可以是将馈电结构16电容耦合到脊结构12的介电材料，两个金属层6中的最外金属层6可以是位于围绕并限定中心开口的平面中的金属边缘。最外金属层6可以包括中心贴片元件13，其是中心开口中的金属焊盘并且与金属边缘分离。

在各种实施例中，馈电结构16具有多个孔，而脊结构12具有多个孔15。馈电结构16的孔和脊结构12的孔具有相同的形状，并且被对准以将馈电结构16电磁(例如，感应)耦合到脊结构12。馈电结构16可以包括接收第一电磁信号的第一输入(馈电点10)和接收第二电磁信号的第二输入(馈电点10)，该第二电磁信号包括具有相位延迟的第一电磁信号。第一输入(馈电点10)和第二输入(馈电点10)可以是电容耦合输入。

在各种实施例中，馈电结构16包括通过至少一个定相迹线11连接到多个反射短截线8的第一输入(馈电点10)和通过至少一个另外的定相迹线11连接到该多个反射短截线8的第二输入(馈电点10)。至少一个定相迹线11和至少一个另外的定相迹线11中的每一者共同混合第一输入(馈电点10)和第二输入(馈电点10)，以使第一反射短截线8处的电磁信号具有与第二反射短截线8处的电磁信号不同的相位。可以包括第一电磁信号源，其调谐第一输入处的电磁信号的第一部分和第二输入处的电磁信号的第二部分的振幅和相位，以使得定向可调谐天线元件2响应于所述调谐而操纵电磁信号的发射波束。

多个平面定向可调谐天线元件2可以组合成阵列3以提供天线。天线可以被配置为响应于对天线的多个(i)输入或(ii)输出的混合来操纵天线的一个或多个波瓣。

最后，参照图12，可以提供一种制造包括定向可调谐天线元件的阵列的天线的定向可调谐天线元件的方法。天线可以被配置为响应于对天线的多个(i)输入或(ii)输出的混合来操纵天线的一个或多个波瓣。该方法可以包括提供馈电结构，该馈电结构被配置为将多个(i)输入或(ii)输出中的至少一者接收至天线(方框1201)。该方法可以包括提供与馈电结构相邻的耦合结构(方框1203)。该方法可以包括提供与耦合结构相邻的脊结构(方框1205)。耦合结构可以设置在馈电结构和脊结构之间。耦合结构可以被配置为在馈电结构和脊结构之间传送电磁能量。

本发明的示例性实施例以说明性的方式公开。因此，在全文中采用的术语应当以非限制性的方式来阅读。尽管本领域技术人员可以对本文的教导进行微小的修改，但是应当理解，旨在被包括在本文所保证的专利范围内的是合理地落入本文所贡献的本领域的改进的范围内的所有这样的实施例，并且除了根据所附权利要求及其等同物之外，该范围不应当被限制。

Claims (20)

1.一种天线的定向可调谐天线元件，所述定向可调谐天线元件包括：

馈电结构，其可连接到发射器和接收器中的至少一者；

耦合结构，其与所述馈电结构相邻；以及

脊结构，其与所述耦合结构相邻，

其中所述耦合结构被设置在所述馈电结构与所述脊结构之间，以及

其中所述耦合结构被配置为在所述馈电结构和所述脊结构之间传送电磁能量。

2.根据权利要求1所述的定向可调谐天线元件，其中所述脊结构包括：

由第一金属制成并且夹着衬底层的两个金属层；以及

多个通孔过孔，所述多个通孔过孔通过所述衬底层连接所述两个金属层。

3.根据权利要求2所述的定向可调谐天线元件，其中所述多个通孔过孔由所述第一金属制成。

4.根据权利要求1所述的定向可调谐天线元件，其中所述耦合结构包括将所述馈电结构电容耦合到所述脊结构的介电材料。

5.根据权利要求1所述的定向可调谐天线元件，其中所述耦合结构将所述馈电结构感应耦合至所述脊结构。

6.根据权利要求1所述的定向可调谐天线元件，

其中所述馈电结构包括多个孔，

其中所述脊结构包括多个孔，以及

其中所述馈电结构的所述孔和所述脊结构的所述孔具有相同的形状，并且被对准以将所述馈电结构电磁耦合到所述脊结构。

7.根据权利要求1所述的定向可调谐天线元件，其中所述馈电结构包括用于接收第一电磁信号的第一输入和用于接收第二电磁信号的第二输入，所述第二电磁信号包括具有相位延迟的所述第一电磁信号。

8.根据权利要求7所述的定向可调谐天线元件，其中所述第一输入和所述第二输入是电容耦合输入。

9.根据权利要求1所述的定向可调谐天线元件，其中所述馈电结构包括：

第一输入，通过至少一个定相迹线连接到多个反射短截线；以及

第二输入，通过至少一个另外的定相迹线连接到所述多个反射短截线。

10.根据权利要求9所述的定向可调谐天线元件，其中所述至少一个定相迹线和所述至少一个另外的定相迹线中的每一者共同混合所述第一输入和所述第二输入，以使第一反射短截线处的电磁信号具有与第二反射短截线处的电磁信号不同的相位。

11.根据权利要求10所述的定向可调谐天线元件，还包括第一电磁信号源，所述第一电磁信号源调谐所述第一输入处的所述电磁信号的第一部分和所述第二输入处的所述电磁信号的第二部分的振幅和相位，以使所述定向可调谐天线元件响应于所述调谐而操纵所述电磁信号的发射波束。

12.根据权利要求2所述的天线的定向可调谐天线元件，其中所述两个金属层中的最外金属层包括位于围绕并限定中心开口的平面中的金属边缘。

13.根据权利要求12所述的天线的定向可调谐天线元件，其中所述最外金属层还包括中心贴片元件，所述中心贴片元件是所述中心开口中的金属焊盘并且与所述金属边缘分离。

14.一种天线，包括共面定向可调谐天线元件阵列，所述共面定向可调谐天线元件阵列被配置为响应于对所述天线的多个(i)输入或(ii)输出的混合而操纵所述天线的一个或多个波瓣，所述天线的共面定向可调谐天线元件中的每一者包括：

馈电结构，被配置为将多个(i)所述输入或(ii)所述输出中的至少一者连接到所述天线；

耦合结构，其与所述馈电结构相邻；以及

脊结构，其与所述耦合结构相邻，

其中所述耦合结构被放置在所述馈电结构与所述脊结构之间，以及

其中所述耦合结构被配置为在所述馈电结构和所述脊结构之间传送电磁能量。

15.根据权利要求14所述的共面定向可调谐天线元件，其中所述脊结构包括：

由第一金属制成并且夹着衬底层的两个金属层；以及

多个通孔过孔，所述多个通孔过孔通过所述衬底层连接所述两个金属层。

16.根据权利要求14所述的共面定向可调谐天线元件，

其中所述馈电结构包括多个孔，

其中所述脊结构包括多个孔，以及

其中所述馈电结构的所述孔和所述脊结构的所述孔具有相同的形状，并且被对准以将所述馈电结构电磁耦合到所述脊结构。

17.根据权利要求14所述的共面定向可调谐天线元件，其中所述馈电结构包括：

第一输入，通过至少一个定相迹线连接到多个反射短截线；以及

第二输入，通过至少一个另外的定相迹线连接到所述多个反射短截线。

18.根据权利要求17所述的共面定向可调谐天线元件，其中所述至少一个定相迹线和所述至少一个另外的定相迹线中的每一者共同混合所述第一输入和所述第二输入，以使得第一反射短截线处的电磁信号具有与第二反射短截线处的电磁信号不同的相位。

19.根据权利要求18所述的共面定向可调谐天线元件，还包括第一电磁信号源，所述第一电磁信号源调谐所述第一输入处的所述电磁信号的第一部分和所述第二输入处的所述电磁信号的第二部分的振幅和相位，以使所述共面定向可调谐天线元件响应于所述调谐而操纵所述电磁信号的发射波束。

20.一种制造天线的定向可调谐天线元件的方法，所述天线包括定向可调谐天线元件阵列，所述定向可调谐天线元件阵列被配置为响应于对所述天线的多个(i)输入或(ii)输出的混合而操纵所述天线的一个或多个波瓣，所述方法包括：

提供馈电结构，所述馈电结构被配置为接收对所述天线的多个(i)所述输入或(ii)所述输出中的至少一者；

提供与所述馈电结构相邻的耦合结构；以及

提供与所述耦合结构相邻的脊结构，

其中所述耦合结构被放置在所述馈电结构与所述脊结构之间，以及

其中所述耦合结构被配置为在所述馈电结构和所述脊结构之间传送电磁能量。