电介质人造阻抗表面天线

摘要

包括具有厚度的电介质在内的电介质人造阻抗表面天线(DAISA)，所述电介质的厚度变化以向穿过所述电介质的信号提供被调制的阻抗，所述电介质具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请涉及并要求于2012年3月22日提交的美国专利申请第 13/427,682号的优先权，该美国专利申请的全部内容通过引用合并 于此。

技术领域

本公开涉及人造阻抗表面天线(artificial impedance surface  antenna,AISA)。

背景技术

以下文献中描述了现有技术的人造阻抗表面天线(AISA)：D. Gregoire和J.Colburn,“Artificial impedance surface antenna  design and simulation”,Proc.2010Antenna Applications  Symposium,第288页；J.S.Colburn等人，“Scalar and Tensor  Artificial Impedance Surface Conformal Antennas”,2007Antenna  Applications Symposium,第526至540页；以及B.H.Fong等人, “Scalar and Tensor Holographic Artificial Impedance Surfaces”, 2010年IEEE Trans.Antennas Propag.接受发表。

在现有技术中，如图1B所示，通过将金属贴片26的阵列印刷 到电介质基板上来制造AISA。表面波阻抗调制由所印刷的金属贴片 网格来建立，金属贴片的大小根据所期望的调制而变化。为了正确地 操作，关键的是金属贴片的大小和布置要保持严格的尺寸公差。现有 技术中在其上印刷金属贴片的电介质基板一般是高成本、高频率电路 板材料，例如一般需花费$150/平方英尺的Rogers3010。建立方形 贴片阵列的过程需要高成本和耗费时间的电路板蚀刻技术。

所需的是低成本的人造阻抗表面天线(AISA)和使用传统制造 方法来制造AISA的方法以进行量产。本公开的实施例应对这些以及 其他需求。

发明内容

在本文公开的第一实施例中，一种电介质人造阻抗表面天线 (DAISA)包括具有厚度的电介质，该电介质的厚度变化以向穿过该 电介质的信号提供被调制的(modulated)阻抗，该电介质具有第一 表面和与第一表面相对的第二表面。

在本文公开的另一个实施例中，一种用于制造电介质人造阻抗 表面天线(DAISA)的方法包括形成具有厚度的电介质，该电介质的 厚度变化以向穿过该电介质的信号提供被调制的阻抗，该电介质具有 第一表面和与第一表面相对的第二表面。

这些以及其他特征和优点将从后续的详细描述以及附图中变得 更加明显。在附图和说明书中，各数字表示不同特征，在整个附图和 说明书中相同的数字表示相同的特征。

附图说明

图1A示出根据现有技术的人造阻抗表面天线的原理；

图1B示出根据现有技术使用方形金属贴片实施的图1A的人造 阻抗表面天线的一部分；

图2示出根据本公开的被设计成在24GHz操作并且主要向偏离 法线60度辐射的电介质人造阻抗表面天线(DAISA)；

图3示出根据本公开的图2的DAISA的作为其厚度的函数的表 面波阻抗特性；

图4A示出了根据本公开的图2的DAISA的作为该DAISA上的位 置的函数的厚度的轮廓绘图和线条绘图；

图4B示出了根据本公开的图2的DAISA的作为该DAISA上的位 置的函数的表面波阻抗的相应的轮廓绘图和线条绘图；

图4C示出了根据本公开的图2的DAISA的立面截面图；

图5A示出了根据本公开的图2中所示的DAISA的测得的辐射图；

图5B示出了根据本公开的图2的DAISA的作为角度和频率的函 数的相对辐射强度；

图6A示出了根据本公开的被设计成在12GHz操作并且主要向偏 离法线60度辐射的60cm×38cm的DAISA；

图6B示出了根据本公开的图6A中的DAISA的测得的辐射图；

图7A和图7B示出了根据本公开的电介质人造阻抗表面天线 (DAISA)的表面波馈给(feed)；和

图8是根据本公开的用于制造电介质人造阻抗表面天线(DAISA) 的方法的流程图。

具体实施方式

在下面的描述中，将阐述很多具体细节以清楚地描述本文所公 开的各种具体实施例。然而，本领域技术人员将认识到所要求保护的 发明可以不需要下面讨论的全部具体细节来实施。在其他情况下，未 对公知的特征进行描述以免使本发明模糊。

人造阻抗表面天线(AISA)如图1A中所示地操作。期望频率的 表面波被发射穿过具有被调制的表面高度并由此具有被调制的阻抗 的电介质。被调制的阻抗表面的被调制的表面波阻抗可以通过下面的 方程式来描述：

Z_SW(x,y)＝X+Mcos((2πf₀/c)*(nr-xsinθ₀))

其中

Z_SW(x,y)是表面波阻抗，

x是沿着表面的一个维，

y是沿着表面的另一个维，

X是平均阻抗，

M是最大表面波阻抗调制，

f₀是辐射的设计频率，

n＝(1+X²)^1/2，

c是光速，

r是从馈给点x＝0,y＝0到坐标x,y的径向距离，以及

θ₀是辐射的设计角度。

被调制的表面波阻抗在表面波传播穿过表面时改变表面波的速 度。由速度变化产生的电场导致EM辐射强有力地指向期望角度θ₀。

在现有技术中，通过将金属贴片阵列印刷到电介质基板上来制 造AISA，这需要严格的尺寸公差，昂贵的基板以及高成本和耗费时 间的电路板蚀刻技术。图1B示出了根据现有技术使用方形金属贴片 26实施的图1A的人造阻抗表面天线的一部分。在图1B中金属贴片 26之间的间隔在0.2mm和1mm之间变化，高阻抗区域具有小间隔且 颜色更深。

图2示出了根据本公开的被设计成在24GHz操作并且主要向偏 离法线60度辐射的电介质人造阻抗表面天线(DAISA)。图3示出了 根据本公开的图2的DAISA的作为其厚度的函数的表面波阻抗特性。

图4A至图4C示出了根据本公开的电介质人造阻抗表面天线 (DAISA)10。DAISA10由一片电介质材料20组成，电介质材料20 具有被调制的厚度，该被调制的厚度对第一表面12的高度进行调制。 图4A中所示的调制图18示出了如何调制厚度。本领域技术人员将认 识到具体调制取决于期望的辐射的频率和角度。DAISA可以被设计成 以任意期望的频率和角度辐射。

阻抗-厚度相互关系可以使用横向谐振法来计算。用于电介质片 的横向谐振法在以下文献中被描述：R.Collin,“Field theory of  guided waves,2nd Ed.”,IEEE Press,1996,第705-708页，该 文献通过引用合并在本申请中，等同于已经全部阐述。

DAISA10可以是平面的或具有适于保形(conformal)安装在曲 面(例如，飞机的机翼或机首，或汽车的减震器和格栅)上的弯曲度。 在平面DAISA的情况下，DAISA10的第二表面14可以是平的。在保 形安装的DAIS的情况下，第二表面14可具有适于保形安装在曲面上 的弯曲度。

DAISA10的第二表面14还可以具有被调制的高度。

电介质材料20可以是诸如塑料之类的任意非导电材料。示例材 料包括丙烯酸、以及其他形式的塑料。电介质 材料20可以是透明的或者可以是有色的。

电介质材料20可以在第一表面12或第二表面14上具有导电接 地平面。导电接地平面可以通过沉积金属或以金属涂层来涂覆一个表 面而形成。在DAISA的一些实施例中，第一表面或第二表面上可以不 存在接地平面。在本实施例中，不需要金属涂层。

图4B中所示的表面波阻抗图22示出了从人造阻抗表面天线 (DAISA)10的馈给点16开始沿着一条线路24的阻抗调制。图4A 至图4C中所示的电介质人造阻抗表面天线(DAISA)10具有以24GHz 并以偏离法线60度的角度辐射的设计。

电介质人造阻抗表面天线(DAISA)10可以在接收模式或发射模 式中使用。用于发射信号到DAISA10的馈给点16或从该馈给点16 接收信号的表面波馈给可以是微带线60(如图7A所示)、诸如低剖 面波导62之类的波导(如图7B所示)、微波喇叭(microwave horn) (未示出)或者从第一表面12向上延伸的偶极子。偶极子例如可以 是垂直延伸穿过馈给点并且在馈给点16处与DAISA的平面垂直的同 轴电缆的中心导体。同轴电缆的接地导体可以连接到如上所讨论的可 在DAISA的第一表面12或第二表面14上的导电接地平面。表面波馈 给可发射横向磁(TM)表面波或横向电(TE)表面波。

如上所述，图2示出了被设计成在24GHz操作并且主要朝偏离 法线60度辐射的电介质人造阻抗表面天线(DAISA)30。DAISA30 用30cm×20cm的铝底丙烯酸制造。图3示出了DAISA厚度和表面波 阻抗之间的相互关系。作为位置的函数的DAISA30的厚度参见图4A。

图5A示出了图2中所示的DAISA30的辐射图的测得的实际增 益42；图5B示出了DAISA30的作为角度和频率的函数的实际增益。

图6A示出了被设计成在12GHz操作并且主要向偏离法线60度 辐射的60cm×38cm的DAISA50。图6B示出了针对DAISA50测得的 实际增益54。

如图8中步骤100所示，根据本公开的电介质人造阻抗表面天 线(DAISA)可以通过将电介质材料形成为用于形成被调制阻抗表面 的形状来制造。在步骤100中电介质被形成为具有变化的厚度以向穿 过该电介质的信号提供被调制的阻抗，该电介质具有第一表面和与第 一表面相对的第二表面。

如步骤102所示，电介质材料的形状可以通过铣削、立体光刻 或通过特别适于量产的冲压来形成。如上讨论的，电介质材料20可 以是诸如塑料之类的任意非导电材料，包括丙烯酸、 以及其他形式的塑料。电介质材料20可以是透明的或者 可以是有色的。DAISA可以形成为保形安装在曲面上或者可以是平面 的。导电接地平面可以通过金属涂层(该金属涂层可以是喷涂的或沉 积的)形成在DAISA的第一表面12或第二表面14上。一旦DAISA 被制造出来，表面波馈给可以被附到DAISA10的馈给点16。

现已根据专利法的要求描述了本发明，本领域技术人员将认识 到如何对本发明做出变化以及修改来满足他们的具体要求或情况。可 以在不脱离如本文所公开的本发明的范围和精神的情况下做出这种 变化和修改。

根据法律要求为了说明和公开的目的示出了前述详细的示例性 描述和优选的实施例。这并非意图穷尽或限制本发明为所描述的精确 形式，而仅是为了使得本领域技术人员可以认识到本发明如何适用于 具体使用或实施。对于本领域技术人员而言修改和变化的可能性是显 而易见的。通过示例性实施例的描述并非意图进行限制，这包括公差、 特征尺寸、具体操作条件、工程规范等，并且这些在实施方式之间可 变化或者随着技术发展水平的变化而变化，因此这些不隐含任何限 制。申请人已经相对目前技术发展水平做出了本公开，但是还构思了 演进并且在未来的适应性可将这些演进考虑在内，即，根据那时的技 术发展水平。本发明的范围意在由记载的权利要求以及合适的等同来 限定。提及的单数形式的权利要求要素并非意图表示“一个并仅有一 个”，除非明确如此指出。此外，无论元件、组件或步骤是否在权利 要求中明确列出，在本公开中没有任何元件、组件、方法或过程步骤 意图贡献给公众。本文中没有任何权利要求组成部分将根据35U.S.C. Sec.112第六段的条款来解释，除非使用短语“用于……的装置” 的引用方式来明确地表达组成部分，并且本文没有任何方法或过程步 骤将根据这些条款来解释，除非使用短语“包括……的步骤”来明确 地表达步骤或多个步骤。

本文中所描述的所有元件、部件和步骤是优选地包括的。本领 域技术人员显然应当认识到的是这些元件、部件和步骤中的任何一个 可以由其他元件、部件和步骤来替换或者可以一起删除。

构思

概括地，本文公开了至少下列构思：

构思1.一种电介质人造阻抗表面天线(DAISA)，包括：

具有厚度的电介质，所述电介质的厚度变化以向穿过所述电介 质的信号提供被调制的阻抗；

所述电介质在该电介质上具有第一表面，以及与所述第一表面 相对的在该电介质上的第二表面。

构思2.根据构思1所述的DAISA，其中所述DAISA具有实质上 平面的形状。

构思3.根据构思1所述的DAISA，其中：

所述第一表面具有被调制的高度；并且

所述第二表面实质上是平的。

构思4.根据构思1所述的DAISA，其中所述DAISA具有适于保 形安装在曲面上的实质上弯曲的形状。

构思5.根据构思4所述的DAISA，其中所述第二表面具有适于 保形安装在曲面上的实质上弯曲的形状。

构思6.根据前述构思中的任一项所述的DAISA，其中：

所述第一表面具有被调制的高度；并且

所述第二表面具有被调制的高度。

构思7.根据前述构思中的任一项所述的DAISA，其中所述电介 质材料包括非导电材料。

构思8.根据前述构思中的任一项所述的DAISA，其中所述电介 质材料包括塑料。

构思9.根据构思1-7中的任一项所述的DAISA，其中所述电介 质材料包括丙烯酸或

构思10.根据前述构思中的任一项所述的DAISA，其中所述电 介质材料是透明的或有色的。

构思11.根据前述构思中的任一项所述的DAISA，进一步包括 在所述第一表面上的导电接地平面。

构思12.根据前述构思中的任一项所述的DAISA，进一步包括 在所述第二表面上的导电接地平面。

构思13.根据前述构思中的任一项所述的DAISA，进一步包括：

在所述第一表面上的位置处的馈给点；和

与该馈给点耦接的表面波馈给。

构思14.根据构思13所述的DAISA，其中所述表面波馈给包括 微带线、波导、微波喇叭或偶极子。

构思15.根据构思13所述的DAISA，其中所述表面波馈给适于 发射穿过所述第一表面的横向磁(TM)表面波，或者接收横向磁(TM) 表面波。

构思16.根据构思13所述的DAISA，其中所述表面波馈给适于 发射穿过所述第一表面的横向电(TE)表面波，或者接收横向电(TE) 表面波。

构思17.一种用于制造电介质人造阻抗表面天线(DAISA)的方 法，包括：

形成具有厚度的电介质，所述电介质的厚度变化以向穿过该电 介质的信号提供被调制的阻抗，所述电介质具有第一表面以及与所述 第一表面相对的第二表面。

构思18.根据构思17所述的方法，其中形成电介质的步骤包括 冲压、铣削或立体光刻。

构思19.根据构思17或构思18所述的方法，其中所述电介质 具有实质上平面的形状或适于保形安装在曲面上的实质上弯曲的形 状。

构思20.根据构思17、18或19所述的方法，进一步包括在所 述第一表面上形成导电接地平面。

构思21.根据构思17、18、19或20所述的方法，进一步包括：

将表面波馈给提供给在所述第一表面上的位置处的馈给点。

构思22.根据构思17-21中的任一项所述的方法，其中所述表 面波馈给包括微带线、波导、微波喇叭或偶极子。

构思23.根据构思21所述的DAISA，其中所述表面波馈给适于 发射穿过所述第一表面的横向磁(TM)表面波，或者接收横向磁(TM) 表面波。

构思24.根据构思21所述的DAISA，其中所述表面波馈给适于 发射穿过所述第一表面的横向电(TE)表面波，或者接收横向电(TE) 表面波。