TW202341571A - 超材料致能之波束掃描天線 - Google Patents

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詹姆士 楚姆
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英國伯明罕大學
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Abstract

本發明揭示一種漏波天線裝置，其包括：一第一超穎表面(metasurface)，其包括具有一第一導電元件陣列之一第一介電基板；及一第二超穎表面，其包括具有一第二導電元件陣列之一第二介電基板。該天線裝置進一步包括一導電接地面、一微致動器及包括一對可切換偶極之一饋電(feed)。該第一及第二超穎表面及該導電接地面呈一堆疊配置且實質上彼此平行，其中該第一超穎表面位於該第二超穎表面與該導電接地面之間。該導電接地面與該第一超穎表面之間的一間距可由該微致動器之操作調整。該饋電安置於對應於該第一及第二陣列之一中心之一位置處之該第一及第二超穎表面之間。該漏波天線裝置可操作以藉由選擇性激勵(供電給)該對偶極且藉由調整該導電接地面與該第一超穎表面之間的該間距而在一廣泛範圍內操控一波束。

Description

超材料致能之波束掃描天線
本發明係關於一種天線，其中超材料表面相對於一接地面可控地位移以引入一相移且藉此實現波束操控。
預期在毫米波(mm波)頻帶頻率(例如30 GHz至300 GHz)下操作之波束可操控高增益天線將在包含5G及以上之數個無線應用中起關鍵作用，尤其係在一動態環境中維持無線鏈路。然而，此等高頻率下之天線波束操控具有挑戰性，因為習知相位陣列及波束切換技術受限於數個因素，包含損耗效能及現成組件之可用性。
本案發明人(Rabbani、Churm及Feresidis之早期工作；「Electro-Mechanically Tunable Meta-Surfaces for Beam-Steered Antennas from mm-Wave to THz」；第50屆歐洲微波會議之論文集；2021年1月12日至14日；烏德勒支；第416至419頁；其全部內容以引用的方式併入本文中)已導致一漏波天線(LWA)之開發採用極低損耗之可調諧超穎表面作為一相移材料以獲得波束操控能力。
一LWA係一種類型之行波天線，以與一更習知諧振天線(諸如一單極或偶極)區分。在一LWA中，產生傳輸無線電信號之射頻(RF)電流沿天線在一個方向上傳播。此與一諧振天線相反，其中RF電流沿天線在兩個方向上傳播以在端之間彈跳。一LWA中之行波通常係一快速波，其中一相位速度大於光速。
在本申請案之上下文中，一超穎表面係具有其尺寸及週期與操作波長相比較小之散射元件之一週期性陣列之一薄片材料(其厚度小於由超穎表面調變之RF信號之波長)。一典型超穎表面可包括厚度＜ 1 mm之一薄介電基板，其中在該基板上印刷或蝕刻導電金屬元件之一二維陣列，導電元件具有毫米量級之一大小。
本案發明人之早期工作揭示兩種不同LWA設計。
圖1(b)中所展示之一第一LWA設計基於各形成為一超穎表面且配置成實質上彼此平行之一可調諧高阻抗表面(HIS) 1及一靜態部分反射表面(PRS) 2。第一LWA設計經組態以在37 GHz下操作。如圖1(b)中所展示，HIS 1及PRS 2各由蝕刻於一平面印刷電路板(PCB)上之方形導電貼片元件之一二維陣列形成。HIS 1及PRS 2各包括具有一介電常數ε r= 2.2，一厚度h 1= 0.787 mm及厚度t = 0.035 mm之銅包覆層之一Rogers RT/Duroid 5880基板。HIS 1經蝕刻以在厚度h 1之一第一介電基板100上界定各具有長度1.53 mm及1.83 mm之一週期性之側之方形導電貼片元件4之一二維陣列。PRS 2經蝕刻以在亦具有厚度h 1之一第二介電基板200上界定各具有長度3 mm及3.3 mm之一週期性之側之方形導電貼片元件5之一二維陣列。HIS 1安置為實質上平行於一導電接地面3且位於導電接地面3上方，HIS 1在接地面3上方間隔一距離h 2。PRS 2安置於HIS 1上，且在HIS 1上方間隔一距離h 3。距離h 3界定LWA之一腔穴高度，且判定LWA之一諧振頻率。HIS/PRS總成之總面積係約3 cm × 9 cm。接地面3安裝於一壓電致動器6上，且可由壓電致動器6垂直位移以允許距離h2變動。圖1(a)展示圖1(b)之HIS 1之一分離單元胞，但相對於圖1(b)上下倒置。一單元胞包括第一介電基板100上之一單一方形導電貼片元件4。導電接地面3與第一介電基板100間隔一距離h 2。
HIS 1及PRS 2之對應邊緣由一反射器7在LWA之一側接合，且鄰近於反射器7及HIS 1與PRS 2之間提供一印刷偶極饋電天線8。
圖2(a)及圖2(b)分別展示在自35 GHz至40 GHz之一頻帶內操作之圖1(b)之LWA之各種位移h 2之HIS反射係數之模擬S 11量值及S 11相位回應。接地面離距h 2可自0 μm變動至400 μm。可看出，自40 μm至400 μm之一變動(Δh 2= 360 μm)在37 GHz下產生約Δφ HIS= 142°之HIS 1之反射係數(φ HIS)之一相移同時展現約0.06 dB之可忽略之低損耗。可採用一撓曲放大壓電致動器6來調整HIS 1之週期性陣列層與接地面3之間的位移h 2。類似地，可獲得PRS 2之模擬S 11絕對量值(R)及相位(φ PRS)，且在37 GHz下此等分別係0.94及156°。根據以下關係，LWA之方向性及主波束角將取決於HIS 1及PRS 2之S 11回應： (1) 其中F(θ)係饋電元件之輻射功率型樣，且λ係操作波長。由HIS 1提供之相移由以下關係式給出： (2) 其中φ t係當一波通過圖案化金屬表面時施加於波上之相移。
使用方程式(1)及(2)預測，對於37 GHz下Δφ HIS= 142°之一HIS相移，LWA將展現約37° (14°至51°)之一波束操控範圍，如圖3中所展示。
壓電致動器6可包括具有撓曲放大之一線性壓電致動器，且可給出高至0.5 mm之一位移。接地面3安置於其上之壓電致動器6可取決於一施加之DC偏壓電壓而膨脹或收縮，因此允許位移h 2視需要變動。
LWA之印刷偶極天線8係一種經設計以在37 GHz下操作之半波天線，如(例如)圖4中所展示。藉由將一反射器7 (參閱圖1(b))提供於距離天線8之一後側0.9 mm處而增強印刷偶極天線8之方向性。在具有9 × 27個PRS元件及16 × 49個HIS元件之一LWA中實施印刷偶極天線8且以37 GHz之一操作頻率為中心運行一適當模擬產生圖5(a)中所展示之h 2之不同值之S 11回應。圖5(b)展示各種h 2值之37 GHz下之H平面中之遠場輻射圖案(FRP)。可圖中可見，對於各種位移，S 11回應在約37 GHz處保持在-10 dB以下。LWA之最大增益係23.9 dBi，在自40 μm至400 μm之h 2變動內，在37 GHz下具有33°之一最大波束操控。
已針對低THz頻帶(例如約280 GHz)提出圖6中所展示之一第二LWA設計。為降低結構複雜性，此第二LWA設計包括一圓形孔徑週期性PRS 10且忽略靠近接地面3之HIS。在此變動中，PRS 10由一壓電致動器6相對於接地面3垂直位移，因此允許調整諧振腔高度h 3。PRS 10採用厚度h 1＝ 0.3 mm及具有直徑0.6 mm及週期性0.75 mm之圓形孔徑11之一二維11 × 31陣列之一金屬層之形式。金屬接地面3具有一厚度h 2，且PRS 10安置於接地面3上方0.46 mm之一距離處，其中腔穴高度h 3藉由將不同DC偏壓電流施加於壓電致動器6而在0.44 mm至0.5 mm之間可變。厚度h 2通常係毫米之量級以提供一穩定基底且為一標準波導饋電之一凸緣提供足夠錨定。較佳地，厚度h 2大於一趨膚深度，理想地大於兩個趨膚深度。LWA由朝向接地面3之一個邊緣形成之一波導饋電狹槽元件12激勵。具有或不具有靠近接地面3之一HIS 1之實施例可經設計用於至少在20 GHz與1 THz之間的頻率。
圖7(a)及圖7(b)展示在280 GHz下操作之第二LWA設計之模擬結果，其中在各情況中針對h 3之不同值，圖7(a)展示H平面中之FRP，而圖7(b)展示S 11回應。可看出，LWA具有18 dBi之一最大增益且在一0.06 mm位移範圍內，在3 dB增益損耗內之約18°之一範圍內產生波束操控。然而，可看出，對於一些位移，S 11回應自-10 dB上升。
儘管本案發明人之早期工作已展示波束操控可行，但仍存在改良空間。
自一第一態樣來看，提供一種漏波天線裝置，其包括： 一第一超穎表面，其包括具有一第一導電元件陣列之一第一介電基板； 一第二超穎表面，其包括具有一第二導電元件陣列之一第二介電基板； 一導電接地面； 一微致動器；及 一饋電，其包括一對可切換偶極； 其中該第一及第二超穎表面及該導電接地面呈一堆疊配置且實質上彼此平行，其中該第一超穎表面位於該第二超穎表面與該導電接地面之間； 其中該導電接地面與該第一超穎表面之間的一間距可由該微致動器之操作調整；及 其中該饋電安置於對應於該第一及第二陣列之一中心之一位置處之該第一及第二超穎表面之間。
該第一超穎表面可組態為一高阻抗表面。
該第二超穎表面可組態為一部分反射表面。
設計該第一及第二超穎表面以當RF信號由該各自超穎表面反射時，將一經設計的相移賦予此等信號。藉由更改或調整該導電接地面與該第一超穎表面之間的該間距，可改變施加於一反射RF波之相移量。因此，藉由控制該微致動器，可動態更改該第一超穎表面之反射性質。
該第一及第二超穎表面可彼此間隔一距離h 1。該第一超穎表面可與該導電接地面間隔一距離h 2。距離h 1可固定，而距離h 2可由該微致動器跨一預定距離範圍調整。
該微致動器可為一壓電致動器。該微致動器可為任何其他類型之快速切換微致動器，包含(但不限於)螺線管致動器、電活性聚合物致動器、微機電系統、磁驅動致動器或微型馬達。該導電接地面可安裝於該微致動器上或連接至該微致動器使得該微致動器可相對於該第一超穎表面移動該導電接地面，藉此可控地調整該距離h 2。
該第一導電元件陣列可形成於該第一介電基板上或中。該第二導電元件陣列可形成於該第二介電基板上或中。該等導電元件可(例如)藉由蝕刻、印刷及/或微機械加工形成。
該第一陣列之該等導電元件可全部實質上相同。在一些實施例中，該第一陣列之該等導電元件係方形貼片。該第一陣列之該等導電元件不需要係方形，而可具有可經修改以允許所需相移敏感度之任何適當幾何形狀之其他形狀。該第一陣列之該等導電元件可具有一第一大小及一第一週期性。
該第二陣列之該等導電元件可全部實質上相同。在一些實施例中，該第二陣列之該等導電元件係方形貼片。該第二陣列之該等導電元件不需要係方形，而可具有可經修改以允許所需相移敏感度之任何適當幾何形狀之其他形狀。該第二陣列之該等導電元件可具有一第二大小及一第二週期性。
該第一及第二大小及/或該第一及第二週期性可相同或不同。在一些實施例中，該第一大小小於該第二大小。在一些實施例中，該第一週期性小於該第二週期性。在一些實施例中，該第一大小小於該第二大小且該第一週期性小於該第二週期性。
較佳地，該第一及第二陣列之該等導電元件形成於面向該接地面之其等之各自介電基板之該等表面上。此配置提供對該反射波之該相位之最大控制。可在該各自介電基板之相對表面上形成該第一及第二陣列之一或兩者之該等導電元件，但此可減小可能相移之範圍且可因此可減小可獲得之波束操控之範圍。
該第一介電基板可具有在0.01個波長至2個波長之一範圍內之一厚度。該第一介電基板可具有大於1、視情況約2.3之一介電常數ε r。若該等貼片之幾何形狀適當設計，則該第一陣列之該等導電元件可為任何適合厚度。該第一陣列之該等導電元件可為具有0.01個波長與0.5個波長之間的側長度之方形貼片；對於25.5 GHz下之操作，側長度可為約1.5 mm，視情況1.53 mm。該第一陣列之該等導電元件可具有在0.01個波長與0.5個波長之間的一週期性；對於25.5 GHz下之操作，該週期性可為約1.8 mm，視情況1.83 mm。
該第二介電基板可具有可在0.01個波長至2個波長之一範圍內之一厚度。該第一介電基板可具有大於1、視情況約2.3之一介電常數ε r。對於25.5 GHz下之操作，該第二陣列之該等導電元件可為具有0.01個波長與0.5個波長之間的、視情況約3 mm之側長度之方形貼片。該第二陣列之該等導電元件可具有在0.01個波長與1.0個波長之間的一週期性；對於25.5 GHz下之操作，該週期性可為約3.3 mm，視情況3.30 mm。
該第一及第二超穎表面之間的該間距h 1通常約等於一操作半波長倍數以允許最佳化及介電效應。
該第一超穎表面與該導電接地面之間的該間距h 2可由該微致動器調整一波長之一些分率，視情況0 mm至2 mm之間，視情況自0 µm至500 µm。在一些實施例中，該間距h 2可調整為自25 µm至400 µm。當該第一超穎表面上之該第一陣列之該等導電元件接觸該導電接地面(h 2= 0 µm)時，該第一超穎表面變得完全反射以有效地移除該超穎表面之效應。
該微致動器可經組態以允許對該間距h 2之一實質上連續調整。替代地，該微致動器可經組態以以一步進方式調整該間距h 2。
該第一及第二陣列可採用廣泛範圍之陣列大小。自通過該等超穎表面之該等波之角度來看，通常較佳的係較大陣列。在一些實施例中，該等陣列可為數十乘數十之量級。在一些實施例中，該等陣列可為數百乘數百或更大之量級。
該饋電包括安置於對應於該第一及第二陣列之一中心之一位置處之該第一及第二超穎表面之間的一對可切換偶極。此具有達成大於由本案發明人提出之早期LWA裝置之一範圍之波束操控之驚人優點。
該饋電可組態為一微帶饋電或一波導饋電。
該對可切換偶極經組態使得該對偶極之一者激發該LWA之一右手側而該對偶極之另一者激發該LWA之一左手側。以此方式，可構造一LWA使得RF電流可選擇性地在兩個相反方向上流動。藉由選擇性地激勵該對可切換偶極之一者或另一者，且由該微致動器調整該間距h 2，可實現跨大於先前技術LWA之一範圍之波束操控。例如，在一些實施例中，可實現透過至少-40°至+40°之一範圍(相對於垂直於該第二超穎表面之一線)之波束操控。
數個LWA可用於一陣列中，幾何上間隔以提供(例如) ±40°之扇區。以此方式，五個LWA可用於涵蓋一個徑向平面周圍360°。
本發明之實施例提供一種特別適合於mm波及/或兆赫應用之高效天線裝置。因為本發明之實施例之該微致動調諧機構基於對該第一超穎表面與該導電接地面之間的該間距之相對較小調整，且在該等RF信號之該路徑中不具有主動元件，因此該LWA之效率將非常高。在一些實施例中，對於高至200 μm之h 2值，在26 GHz與28 GHz之間獲得良好RF匹配。此係用於與5G基礎設施一起使用之一足夠寬之頻寬。
自一第二態樣來看，提供一種漏波天線裝置，其包括： 一超穎表面，其包括一週期性導電元件陣列，或一導電層中之一週期性孔徑陣列； 一導電接地面； 一微致動器；及 一饋電，其包括一對可切換偶極； 其中該超穎表面及該導電接地面呈一堆疊配置且實質上彼此平行； 其中該導電接地面與該超穎表面之間的一間距可藉由該微致動器之操作來調整；及 其中該饋電安置於該導電接地面上或對應於該週期性陣列之一中心之一位置處之該導電接地面與該超穎表面之間。
該超穎表面可組態為一部分反射表面。
該超穎表面經設計以當RF信號由該超穎表面反射時，將一工程相移賦予此等信號。藉由更改或調整該導電接地面與該超穎表面之間的該間距，可改變施加於一反射RF波之相移量。因此，藉由控制該微致動器，可動態更改該超穎表面之反射性質。
該超穎表面與該導電接地面可彼此間隔一距離h 2。該距離h 2可由該微致動器跨一預定距離範圍調整。
該微致動器可為一壓電致動器。該微致動器可為任何其他類型之快速切換微致動器，包含(但不限於)螺線管致動器、電活性聚合物致動器、微機電系統、磁驅動致動器或微型馬達。該導電接地面可安裝於該微致動器上或連接至該微致動器使得該微致動器可相對於該超穎表面移動該導電接地面，藉此可控地調整該距離h 2。替代地，該超穎表面可安裝於該微致動器上或連接至該微致動器使得該微致動器可相對於該導電接地面移動該超穎表面，藉此可控地調整該距離h 2。
該週期性陣列可包括形成於一介電基板上或中之一週期性導電元件陣列。該等導電元件可(例如)藉由蝕刻、印刷及/或微機械加工形成。替代地，該週期性陣列可包括形成於一導電層中之一週期性孔徑陣列。該等孔徑可由(例如)蝕刻及/或微機械加工形成。
該週期性陣列之該等孔徑或導電元件可全部實質上相同。在一些實施例中，該週期性陣列之該等孔徑實質上係圓形。該週期性陣列之該等孔徑或導電元件可具有可經修改以允許所需相移敏感度任何適當幾何形狀之其他形狀。該週期性陣列之該等孔徑或導電元件可具有一給定大小及一給定週期性。
該超穎表面與該導電接地面之間的該間距h 2可由該微致動器調整一波長之一些分率，視情況0 mm至2 mm之間，視情況自0 µm至500 µm。在一些實施例中，該間距h 2可調整為自25 µm至400 µm。當該超穎表面上之該週期性陣列之該等孔徑或導電元件接觸該導電接地面(h 2= 0 µm)時，該超穎表面變得全反射以有效地移除該超穎表面之效應。
該微致動器可經組態以允許對該間距h 2之一實質上連續調整。替代地，該微致動器可經組態以依一步進方式調整該間距h 2。
該週期性陣列可採用廣泛範圍之陣列大小。自通過該超穎表面之該等波之角度來看，通常較佳的係較大陣列。在一些實施例中，該等陣列可為數十乘數十之量級。在一些實施例中，該等陣列可為數百乘數百或更大之量級。
在其中充分移動由該微致動器提供之第二態樣之實施例中，達成僅需要一單一超穎表面之一漏波天線裝置。安置於該導電接地面上之該單一超穎表面界定其間之一腔穴。
該饋電包括安置於對應於該週期性陣列之一中心之一位置處之該超穎表面與該導電接地面之間的一對可切換偶極。該饋電可組態為該導電接地面上或中之一微帶饋電或一波導饋電。此具有達成大於由本案發明人提出之早期LWA裝置之一範圍之波束操控之驚人優點。
該對可切換偶極經組態使得該對偶極之一者激發該LWA之一右手側而該對偶極之另一者激發該LWA之一左手側。以此方式，可構造一LWA使得RF電流可選擇性地在兩個相反方向上流動。藉由選擇性地激勵該對可切換偶極之一者或另一者，且由該微致動器調整該間距h 2，可實現跨大於先前技術LWA之一範圍之波束操控。例如，在一些實施例中，可實現透過至少-40°至+40°之一範圍(相對於垂直於該超穎表面之一線)之波束操控。
數個LWA可用於一陣列中，幾何上間隔以提供(例如) ±40°之扇區。以此方式，五個LWA可用於涵蓋一個徑向平面周圍360°。
使用可切換偶極之第一或第二態樣之實施例可經組態用於在高至100 GHz之頻率下操作。
圖8展示本發明之一實施例之一LWA。類似於圖1(b)之LWA，LWA包括各形成為一超穎表面且配置為實質上彼此平行之一可調諧高阻抗表面(HIS) 1及一靜態部分反射表面(PRS) 2。圖中所繪示之LWA經組態以在26 GHz至28 GHz下操作，但可經組態以視需要在其他GHz頻率下操作。HIS 1及PRS 2各由蝕刻於一平面介電PCB基板100、200上之導電貼片元件之一二維陣列形成。基板100、200可各包括具有一介電常數ε r＝ 2.2、約0.8 mm之一厚度及具有厚度約0.035 mm之銅包覆層之一Rogers RT/Duroid 5880基板，儘管此等量測僅係例示性及非限制性。HIS 1經蝕刻以界定導電貼片元件4之一第一二維陣列。PRS 2經蝕刻以界定導電貼片元件5之一第二二維陣列。HIS 1安置為實質上平行於一導電接地面3且位於導電接地面3上方，HIS 1在接地面3上方間隔一距離h 2。PRS 2安置於HIS 1上，且在HIS 1上方間隔一距離h 1。距離h 1界定LWA之一腔穴高度，且判定LWA之一諧振頻率。接地面3安裝於一壓電致動器6上，且可由壓電致動器6垂直位移以允許距離h 2變動。
與圖1(b)之先前技術LWA之一重要區別在於，替代定位為鄰近於LWA之一個邊緣處之一反射器之一饋電天線，包括一對可切換偶極之一饋電150安置於對應於第一及第二陣列之一中心之一位置處之HIS 1與PRS 2之間。藉由在此位置處採用一對可切換偶極，獲得波束操控角θ中之一驚人增加，在此實例中，相對於垂直於PRS 2之一方向±40°。
圖11及12中更詳細展示且在下文中進一步描述之饋電150經組態以選擇性地激勵LWA結構以增加可用之波束掃描範圍。
超穎材料裝置能夠經設計使得在應用一工程相移之情況下反射波。此可使用由印刷於懸掛在一接地面上之一介電基板上之一片週期性金屬貼片組成之一高阻抗表面來完成。藉由更改週期性陣列與接地面之間的離距，可改變施加於一反射波上之相移量。因此，使用一壓電致動器(或其他快速切換微致動器)，可動態更改高阻抗表面之反射性質。
如圖8中所展示，若將此一HIS 1內置至一漏波天線中(使用一工程部分反射表面(PRS) 2)且自具有可切換偶極150之中心饋電，則可獲得能夠在其中其他競爭技術通常增加損耗之毫米波頻率下高效地操控其主輻射波束之一高度定向天線。
歸因於本發明中之調諧機構僅表示高度之一輕微調整，且在RF路徑本身內不具有主動元件，因此微致動調諧提供同類最佳之效率。例如，圖8之實施例在約26 GHz及約28 GHz之間的良好RF匹配已被證明用於高至0.32 mm之離距h 2。此對於用於5G基礎設施中之最新通信系統係一足夠寬之頻寬。
藉由將一對可切換偶極150定位於超穎材料堆疊內，可產生激勵天線之右或左部分之一進一步開關元件以產生圖9中可見之一波束操控效能，圖9展示自0.0 mm至0.32 mm之各種離距h 2之遠場增益(絕對)(phi = 90°)，且可切換偶極饋電150激勵天線之一右或一左部分。±40°之間的波束角度可行，其使得5G基礎設施能夠當個別消費者在波束角度特定天線系統之服務區域內移動時朝向個別消費者引導資料。
圖10展示在接地面之零位移(h 2= 0.0 mm)處之25.5 GHz (即，26 GHz)下之E平面中之圖8之LWA之模擬遠場輻射圖案。E平面垂直於圖9中所展示之H平面，其係其中發生波束操控之平面。主瓣量值在1.0°之一方向上係19 dBi。角寬度(3 dB)係18.7°且旁瓣位準係-12.3 dB。
下表給出26 GHz下之波束操控天線模擬效能之結果：
h 2(mm) 主動饋電 峰值增益 (dBi) 峰值增益角 (ᵒ) HPBW (ᵒ)
0.0 右+左 (中心) 19 0 12.8
0.05 右/左 18.8 -7/+7 12.4
0.1 右/左 21.3 -12/+12 8.1
0.2 右/左 22 -22/+22 7.2
0.3 右/左 19.6 -35/+35 6.3
0.32 右/左 18.7 -39/+39 7.5
此等裝置匹配5G系統之電磁要求。
藉由在漏波天線之中心提供呈一對可切換偶極形式之一饋電，可選擇性地激勵漏波天線之不同部分，因此延伸可能波束掃描角度以導致一更可商用裝置。
圖11(a)展示通常以150指示之一例示性雙向可切換印刷偶極饋電之一前視圖。饋電150包括印刷於在一個端包含一RF連接器201之一介電基板200之一前表面上之導電軌道。在圖中所繪示之配置中，介電基板200係厚度0.254 mm之RT/Duroid 5880基板，但應瞭解亦可使用其他適當介電基板。一饋線202自RF連接器201經由一偏壓網路203朝向此處展示為指向回RF連接器201之前表面偶極臂204a、204b延伸。圖11(c)中更詳細地展示前表面偶極臂204a、204b。
在圖11(b)中更詳細地展示之偏壓網路203中，提供一電容器205以防止供應於V1處之DC偏壓電流流回RF連接器201。一電感器206提供於V1與饋線202之間以防止RF電流流回DC偏壓電路。一電阻器208包含於偏壓網路203中以將DC偏壓電流控制至用於將饋線202連接至前表面二極體臂204a、204b之移相開關(pin)二極體207a、207b之一適當位準。DC偏壓電流由電感器209、210及電阻器211、212分別終接於V2或V3，如圖11(c)中所展示。
如圖12中所展示，在介電基板200之後表面上提供一接地帶狀線213。接地帶狀線213依循饋線202之路徑且包含後表面偶極臂214a、214b，此處展示為指向遠離RF連接器201。接地帶狀線213放置於距饋線202之四分之一波長距離處且充當一反射器以沿y軸引導偶極天線輻射。
一方面，各自前表面與後表面偶極臂204a、214a及另一方面，偶極臂204b、214b界定配置在饋線202及接地帶狀線213兩側上的各一對偶極。取決於移相開關二極體207a、207b之操作，可單獨地或一起激勵偶極。例如，若移相開關二極體207a經切換以允許電流通過至前表面偶極臂204a，則由前表面偶極手臂204a及後表面偶極手臂214a形成之偶極被激勵且可輻射。同樣地，若移相開關二極體207b經切換以允許電流傳遞至前表面偶極臂204b，則由前表面偶極手臂204b及後表面偶極手臂214b形成之偶極被激勵且可輻射。若僅偶極之一者被激勵且輻射，則波束操控LWA之對應側(正或負y軸)。若偶極之兩者被激勵且輻射，則波束將係一中心波束。
圖中所繪示之印刷偶極饋電150允許S 11回波損耗保持在10 dB以下，其中取決於移相開關二極體207a、207b之一或另一者或兩者是否接通，輻射主波束指向左側、右側或中心。一旦針對一所要波束定向設定一適當移相開關二極體207a、207b狀態，即變動壓電致動器6偏壓電壓以調整間距h 2，藉此調諧HIS 1以將LWA主波束操控一所要指向角。
圖11及圖12中所展示之印刷偶極饋電150僅係例示性，且其他組態可行。
在本說明書之整個描述及申請專利範圍中，字語「包含」及「含有」及其變體意謂「包含(但不限於)」，且其等不意欲(且不)排除其他部分、添加、組件、整體或步驟。在本說明書之說明書及申請專利範圍中，除非上下文另有要求，否則單數涵蓋複數。特定言之，在使用不定冠詞之情況下，除非上下文另有要求，否則說明書應被理解為審慎考慮複數以及單數。
除非與之不相容，否則結合本發明之一特定態樣、實施例或實例描述之特徵、整體、特性、化合物、化學部分或基團應理解為可適用於本文所描述之任何其他態樣、實施例或實例。除此等特徵及/或步驟之至少一些互斥之組合之外，本說明書中所揭示之所有特徵(包含任何隨附申請專利範圍、摘要及圖式)及/或如此揭示之任何方法或程序之所有步驟可以任何組合進行組合。本發明不受限於任何前述實施例之細節。本發明延伸至本說明書(包含任何隨附申請專利範圍、摘要及圖式)中所揭示之特徵之任何新穎一者或任何新穎組合，或延伸至如此揭示之任何方法或程序之步驟之任何新穎一者或任何新穎組合。
讀者之注意力針對與本說明書連同本申請案之本說明書同時或先前申請之所有論文及文件且其等可與本說明書一起供公眾檢驗，且所有此等論文及文件之內容以引用的方式併入本文中。
1:可調諧高阻抗表面(HIS) 2:靜態部分反射表面(PRS) 3:導電接地面 4:導電貼片元件 5:導電貼片元件 6:壓電致動器 7:反射器 8:印刷偶極子饋電天線 10:圓形孔徑週期靜態部分反射表面(PRS) 11:圓形孔徑 12:波導饋電狹槽元件 100:基板 150:饋電 200:基板 201:射頻(RF)連接器 202:饋線 203:偏壓網路 204a:前表面偶極臂 204b:前表面偶極臂 205:電容器 206:電感器 207a:移相開關二極體 207b:移相開關二極體 208:電阻器 209:電感器 210:電感器 211:電阻器 212:電阻器 213:接地帶狀線 214a:後表面偶極臂 214b:後表面偶極臂 h 1:厚度/距離 h 2:距離/位移/接地面離距 h 3:距離/整諧振腔高度/腔穴高度 t:厚度 ε r:介電常數 θ:波束操控角
下文將參考附圖進一步描述本發明之實施例，其中： 圖1(a)展示一導電接地面下之一先前技術HIS之一單元胞； 圖1(b)展示包括安置於一PRS與一導電接地面之間的一HIS之一先前技術LWA； 圖2(a)展示圖1(b)之LWA之接地面之不同位移之模擬S 11量值回應； 圖2(b)展示圖1(b)之LWA之接地面不同位移之模擬S 11相位回應； 圖3展示由圖1(b)之LWA實現之波束掃描； 圖4展示適合於與圖1(b)之LWA及亦與本發明之實施例一起使用之一印刷偶極天線(PDA)； 圖5(a)展示圖1(b)之LWA中之圖4之PDA對於接地面之不同位移之模擬S 11回應； 圖5(b)展示圖1(b)之LWA中之圖4之PDA對於接地面之不同位移之模擬遠場輻射圖案； 圖6展示包括具有圓形孔徑且無HIS之一金屬PRS之一替代先前技術LWA； 圖7(a)展示圖6之LWA之模擬遠場輻射圖案； 圖7(b)展示圖6之LWA之模擬S 11回應； 圖8展示本發明之一實施例之一LWA； 圖9展示對於接地面之不同位移，圖8之LWA在phi = 90°時之模擬遠場增益(絕對)； 圖10展示圖8之LWA在接地面之零位移處之25.5 GHz下之E平面中之模擬遠場輻射圖案； 圖11(a)展示一雙向可切換印刷偶極饋電之一前視圖； 圖11(b)展示圖11(a)之偶極饋電之一第一細節； 圖11(c)展示圖11(a)之偶極饋電之一第二細節；及 圖12展示圖11(a)中之偶極饋電之一後視圖。
1:可調諧高阻抗表面(HIS)
2:靜態部分反射表面(PRS)
3:導電接地面
4:導電貼片元件
5:導電貼片元件
6:壓電致動器
100:基板
200:基板
h1:厚度/距離
h2:距離/位移/接地面離距
θ:波束操控角

Claims (17)

  1. 一種漏波天線裝置，其包括： 一第一超穎表面，其包括具有一第一導電元件陣列之一第一介電基板； 一第二超穎表面，其包括具有一第二導電元件陣列之一第二介電基板； 一導電接地面； 一微致動器；及 一饋電，其包括一對可切換偶極； 其中該第一及第二超穎表面及該導電接地面呈一堆疊配置且實質上彼此平行，其中該第一超穎表面位於該第二超穎表面與該導電接地面之間； 其中該導電接地面與該第一超穎表面之間的一間距可由該微致動器之操作調整；及 其中該饋電安置於對應於該第一及第二陣列之一中心之一位置處之該第一及第二超穎表面之間。
  2. 如請求項1之天線裝置，其中該第一超穎表面組態為一高阻抗表面。
  3. 如請求項1或2之天線裝置，其中該第二超穎表面經組態為一部分反射表面。
  4. 一種漏波天線裝置，其包括： 一超穎表面，其包括一週期性導電元件陣列，或在一導電層中之一週期性孔徑陣列； 一導電接地面； 一微致動器；及 一饋電，其包括一對可切換偶極； 其中該超穎表面及該導電接地面呈一堆疊配置且實質上彼此平行； 其中該導電接地面與該超穎表面之間的一間距可藉由該微致動器之操作來調整；及 其中該饋電安置於該導電接地面上或對應於該週期性陣列之一中心之一位置處之該導電接地面與該超穎表面之間。
  5. 如請求項1、2或4之天線裝置，其中該微致動器係一壓電致動器。
  6. 如請求項1、2或4之天線裝置，其中該微致動器係一快速切換微致動器，諸如一螺線管致動器、電活性聚合物致動器、微機電系統致動器、磁驅動致動器或一微型馬達。
  7. 如請求項1、2或4之天線裝置，其中該對可切換偶極經組態使得該對偶極之一者相對於該中心激發該天線裝置之一第一側而該對偶極之另一者相對於該中心激發該天線裝置之一第二側。
  8. 如請求項7之天線裝置，其中該對可切換偶極經組態以激發選擇性地在兩個相反方向上流動之RF電流。
  9. 如請求項1、2或4之天線裝置，其經組態以藉由選擇性地激勵該對可切換偶極之一者或另一者，及由該微致動器調整該超穎表面與該導電接地面之該間距，使一波束相對於垂直於該超穎表面之一線在至少-40°至+40°之一範圍內操控。
  10. 如請求項1、2或4之天線裝置，其中該微致動器經組態以移動該超穎表面。
  11. 如請求項1、2或4之天線裝置，其中該微致動器經組態以移動該導電接地面。
  12. 如請求項1、2或4之天線裝置，其中該饋電包括安置於一介電基板之一前表面上之一饋線，其中第一及第二前表面偶極臂在該饋線兩側之任一側延伸，及一接地帶狀線，其安置於該介電基板之一後表面上，依循由該介電基板之該第一表面上之該饋線界定之一路徑，其中第一及第二後表面偶極臂在該接地帶狀線兩側之任一側延伸，該第一前表面偶極臂及第一後表面偶極臂一起於該饋電之一側上形成一第一偶極，且該第二前表面偶極臂及第二後表面偶極臂一起於該饋電之另一側上形成一第二偶極。
  13. 如請求項12之天線裝置，其中該第一前表面偶極臂由一第一可切換二極體連接至該饋線，且其中該第二前表面偶極臂由一第二可切換二極體連接至該饋線。
  14. 如請求項13之天線裝置，其中該第一及第二可切換二極體可操作以允許該第一偶極及該第二偶極一起或單獨激勵。
  15. 一種複合天線，其包括如請求項1至14中任一項之複數個天線裝置。
  16. 如請求項15之複合天線，其中該複數個天線裝置安置為面向不同方向。
  17. 如請求項15之複合天線，其中該複數個天線裝置安置為面向相同方向。
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