一种可控的人工阻抗表面天线，其在φ及θ角可控，所述天线包括：电介质基板；位于所述电介质基板的第一表面上的多个金属带，所述金属带在所述电介质基板的长度上相互间隔设置，每个金属带都沿着所述电介质基板的宽度延伸；靠近所述电介质基板边缘，沿着所述电介质基板的宽度相互间隔设置的表面波馈送；其中，所述电介质基板基本上位于由X轴和Y轴构成的X-Y平面内；所述φ角为相对于所述X轴的X-Y平面内的角度；所述θ角为相对于与所述X-Y平面正交的Z轴的角度。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】 相关申请的交叉引用 本申请与2010年11月3日提交的序列号为12/939, 040的美国专利申请以及2011 年9月23日提交的序列号为13/242, 102的美国专利申请相关，其全部内容通过引用结合 在本申请中。本申请还与2013年7月3日提交的序列号为13/934,553的美国专利申请相 关，并要求其优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
本公开涉及人工阻抗表面天线（Artificial Impedance surface antenna，简称： AISA)。具体地，本公开设计一种低成本、2D、电子可控的人工阻抗表面天线。
技术介绍
很多应用场景都需要主增益瓣二维电子可控的天线。在现有技术中，二维控制最 普通地由相控阵列天线提供。相控阵列天线具有复杂的电子器件，因此造价十分高昂。 在现有技术中，描述了各种电子可控的人工阻抗表面天线（AISA)，其具有一维电 子控制功能，且包括 Sievenpiper 的美国专利 US7, 245, 269, US7, 071，888 和 US7, 253, 780 所述的AISA。这些天线在某些应用场景中是有用的，但是并不适用于需要二维控制的所有 应用场景。在某些应用场景中，可用采用机械控制来提供对一维电子可控天线的二维控制。 然而，还有很多应用场景并不需要机械控制。Sievenpiper所描述的天线同样需要可以为变 容二极管提供电压控制的途径。 Lai和Colburn于2013年5月7日提交的美国专利US8, 436, 785描述了一种二维 电子可控AISA。Lai和Colburn公开的天线成本较高，且电子设计复杂。这是因为需要在 二维上将电压控制的复杂网络控制到阻抗元件的二维阵列，以此可以产生任意阻抗图形， 从而实现任何方向上的波束控制。 通过在人工阻抗表面（AIS)发射表面波，实现人工阻抗表面天线（AISA)，其阻抗 可以根据在AIS上的表面波与需要的远场辐射图的相前匹配的函数在AIS上进行空间调 制。 在前述的参考文献中，如下所列，参考文献_描述了由调制的人工阻抗表 面形成的人工阻抗表面天线（AISA)。Patel 展示了标量使用端射、光晕馈送的一维空间 调制的AIS，其由接地的电介质的金属片线性阵列构成。Sievenpiper、Colburn和Fong的 参考文献_展示了平面和曲面上的标量和张量AISA，其使用波导或双极馈送的二维 空间调制的AIS，该AIS由顶部具有有金属贴片网格的接地电介质构成。Gregoire的参考 文献-研究了 AISA操作对于其设计性能的依赖程度。 参考图1，AISA操作的基本原理是利用被调制的AIS的网格动量，将激发表面波前 端的波矢量匹配到需要平面波。在一维情形下，其可以表示为： 其中，k。是设计频率上的辐射的自由空间波数；Θ。是相对于AIS标量的需要的辐 射的角度；kp= 2 Jr /p是AIS网格动量，其中p为AIS调制周期；k sw= η九是表面波的波 数，其中为AIS调制中的平均表面波的折射率。所述表面波阻抗通常选择为具有根据下式 沿着SWG正弦调制表面波阻抗的模式： 其中，ρ是调制的周期，X为平均阻抗，Μ为调制幅度。选择X、Μ和ρ，使得相对于 Ζ轴的Χ-Ζ平面的辐射角Θ由下式确定： 其中，η0是平均表面波指数，λ。是辐射的自由空间波长。η。与Ζ(χ)通过下式相 关： 对于任何形状的AISA，等式（2)中的AISA阻抗调制可以总结为： 其中，?,是需要的辐射波矢量，ρ是AIS的三维位置矢量，r是沿着AIS从表面波源 到沿着AIS表面的地线P之间的距离。该表达式可以用于确定任何几何形状、包括扁平状、 圆柱状、半球状或其他任意形状的AISA的指数调制。在某些情况下，确定r的值在几何学 上是较为复杂的。 对于扁平的AISA来讲，r值的确定比较简单： 对于设计用于在时，辐射到波矢量的扁平AISA，表面波 源定位于X = y = 0,调制函数为： 等式⑵中的余弦函数可以由任何周期函数取代，且AISA将仍然如其所设计而运 行。但是，旁瓣的细节，带宽以及波束偏斜都将会受到影响。 AIS可以实现为接地电介质上的金属贴片的网格。通过根据将贴片大小与表面波 指数关联的函数改变贴片的大小，可以实现所需的指数调制。指数与贴片大小之间的关联 可以通过仿真、计算和/或测量技术实现。例如，Corburn和Fong使用了测试板的 HFSS元胞边界特征值仿真和近场测量，从而确定其关联性函数。Luukkonen提供的快速 近似方法同样可以用于计算该关联性。然而，在这些方法中，通常会应用经验校正因子。在 许多体系中，这些方法与HFSS特征值仿真和近场测量非常匹配。当贴片大小相较于基板厚 度较大时，或者当每单元胞表面波的相位偏移达到180度时，这些方法会失效。在现有技术 和所述的电子可控AIS天线中，AIS为电介质基板上的金属贴片的网格。通过给连 接于每个贴片之间的电压可变变容二极管施加可变电压，可以在AIS上的每个位置实现表 面波阻抗的局部控制。众所周知，AIS的表面波阻抗可以调谐，使得电容负载载入阻抗元件 和之间。每个贴片与具有电压可变变容二极管电容器的四面上的相邻贴片电性连 接。通过与每个阻抗元件贴片连接的电通路，将电压施加到变容二极管。一半的贴片与接 地面电连接，接地面具有自每个贴片中心向下延伸穿过电介质基板的通路。剩下一半贴片 与电压源电连接，穿过基板且穿过接地面上的孔，到达电压源。 在变容二极管可调性限制和AIS表面波属性限制内，计算机控制允许任何需要的 阻抗模式应用到AIS中。该方法的局限性之一在于，通路可以大大减少AIS的操作带宽，这 是因为通路还可以将电感传递到AIS上，从而将表面波带隙切换到低频上。随着变容二极 管调谐到更好的电容，AIS电感增加，从而进一步降低表面波带隙频率。表面波带隙的最终 结果为，不允许AIS在上述带隙频率之上使用。这同时也限制了 AIS可调到的表面波阻抗 的范围。 参考文献 1. Patel, A.M. ；Grbic, A. , Printed Leaky-ffave Antenna Based on a Sinusoidally-Modulated Reactance Surface，''Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 59, no. 6, pp. 2087, 2096, June 2011 2.D.Sievenpiper et al，"Holographic AISs for conformal antennas"，29th Antennas Applications Symposium, 2005 3. D. Sievenpiper, J. Colburn, B. Fong, J. Ottusch and J. Visher. , 2005 IEEE Antennas and Prop. Symp. Digest, vol. IB, pp. 256-259, 2005. 4. B. Fong et al ;，''Scalar and Tensor Holographic Artificia本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种可控的人工阻抗表面天线，其在及θ角可控，所述天线包括：电介质基板；位于所述电介质基板的第一表面上的多个金属带，所述金属带在所述电介质基板的长度上相互间隔设置，每个金属带都沿着所述电介质基板的宽度延伸；靠近所述电介质基板边缘，沿着所述电介质基板的宽度相互间隔设置的表面波馈送；其中，所述电介质基板基本上位于由X轴和Y轴构成的X‑Y平面内；其中，所述角为相对于所述X轴的X‑Y平面内的角度；其中，所述θ角为相对于与所述X‑Y平面正交的Z轴的角度。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔·J·格雷瓜尔，约瑟夫·S·科尔伯恩，
申请(专利权)人：HRL实验室有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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