圓極化標(biāo)量阻抗人工阻抗表面天線的制作方法
【專利摘要】一種圓極化人工阻抗表面天線(AISA)包括：對穿越基板的頂面的表面波具有調(diào)制標(biāo)量阻抗的阻抗調(diào)制基板；其中，阻抗調(diào)制具有多個纏繞的恒定阻抗線；并且其中每個恒定阻抗線遵循螺旋橢圓形路徑。
【專利說明】
圓極化標(biāo)量阻抗人工阻抗表面天線
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請涉及于2013年6月28日提交的、專利申請序列號為13/931，097,于2013年1 月28日提交的、專利申請序列號為13/752,195以及于2012年3月22日提交的、專利申請序列 號為13/427,682的美國專利申請，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。本申請要求于2013年11 月27日提交的、申請序列號14/092,276的美國申請的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，其全部內(nèi)容通過引用 結(jié)合在本申請中。
[0003] 聯(lián)邦資助聲明
[0004] 無
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本公開涉及人工阻抗表面天線(AISA)，尤其涉及圓極化AISA。
【背景技術(shù)】
[0006] 通過橫跨人工阻抗表面(AIS)發(fā)射表面波來實(shí)現(xiàn)人工阻抗表面天線(AISA)，其阻 抗根據(jù)匹配AIS上的表面波和期望的遠(yuǎn)場輻射圖案之間相前的函數(shù)橫跨AIS在空間上進(jìn)行 調(diào)制。
[0007] 在下文參考文獻(xiàn)[1]_[6]中描述的早先工作中，人工阻抗表面天線(AISA)由調(diào)制 的人工阻抗表面(AIS)形成。在參考文獻(xiàn)[1]中，Patel使用由接地電介質(zhì)上的金屬條線性陣 列組成的端射耀斑饋電（endf ire-flare-fed)的一維空間調(diào)制的AIS描述了標(biāo)量AISA。在參 考文獻(xiàn)[2]_[4]中，Sievenpiper、Colburn和Fong在平面和曲面上都使用由頂部為金屬貼片 柵格的接地電介質(zhì)組成的波導(dǎo)或偶極饋電的二維空間調(diào)制的AIS描述了標(biāo)量和張量AISA。 在參考文獻(xiàn)[5]_[6]中，Gregoire檢查了 AISA操作對AISA設(shè)計性能的依賴性。
[0008] AISA操作的基本原則是使用調(diào)制AIS的柵格動量來匹配被激勵的表面波(SW)波前 和期望的平面波的波矢量。在一維情況下，這可以表達(dá)為
[0009] kSw=k〇 sin0〇-kp (1)
[0010] 其中，kQ為在設(shè)計頻率下輻射的自由空間波數(shù)，θ〇為期望的輻射相對于AIS法線的 角度，kP = 2Vp為AIS柵格動量，其中p為AIS調(diào)制周期，ksw=nQkQ為表面波波數(shù)，其中no為整 個AIS調(diào)制中平均的表面波折射率。表面波(SW)阻抗通常被選擇為具有正弦地沿著根據(jù)如 下公式(2)的SW柵格調(diào)制SW阻抗的圖案，
[0011] Z(x)=X+M coS(23ix/p) (2)。
[0012] 其中p為調(diào)制周期，X為平均阻抗，Μ為調(diào)制幅度。X、M和p的選擇使得x-z平面中相對 于z軸的福射角Θ由如下公式(3)確定，
[0013] 0 = sin-Ηηο-λο/ρ) (3)。
[0014] 其中no為平均Sff指數(shù)，λ〇為輻射的自由空間波長。η〇通過《β W與Ζ (χ)相關(guān)。
[0015] 等式⑵中AISA阻抗調(diào)制針對任何形狀的AISA可以概括為
[0016]
[0017] 其中：|^為期望的輻射波矢量，iF為AIS的三維位置矢量，r為沿著AIS從表面波源到 AIS表面上沿著測地線f的距離。該表達(dá)式可用于確定任何幾何形狀、扁平、圓柱、球面或任 意形狀的AISA的指數(shù)調(diào)制。在一些情況下，確定r的值在幾何學(xué)上是復(fù)雜的。對于扁平AISA， 僅僅是r二jx2 +
[0018] 對于（x-y平面中）扁平AISA，輻射波矢量可被假定為輻射到x-z平面
7失一般性。使表面波源位于x = y = 〇。于是，調(diào)制函數(shù) 為
[0019] Z(x,y)=X+M cosy (6)
[0020] 其中 γ Ek〇(n〇 p-x sine。） （7)并且 等式(2)、（5)和(6)中的 余弦函數(shù)可用任何周期函數(shù)替代，并且AISA仍然按照設(shè)計操作，但是輻射旁瓣、帶寬和波束 偏斜會受到影響。
[0021] AIS可以實(shí)現(xiàn)為接地電介質(zhì)上的金屬貼片柵格。根據(jù)將貼片大小和表面波指數(shù)相 關(guān)的函數(shù)，通過改變貼片的大小產(chǎn)生期望的指數(shù)調(diào)制。使用仿真、計算和/或測量技術(shù)確定 指數(shù)和貼片大小之間的相關(guān)性。例如，Colburn在參考文獻(xiàn)[3]，F(xiàn)ong在參考文獻(xiàn)[4]使用 HFSS單格（unit cell)特征值仿真和測試板的近場測量的組合來確定其相關(guān)函數(shù)。 Luukkonen在參考文獻(xiàn)[7]中介紹的快速近似法也可用來計算相關(guān)性。然而，經(jīng)驗校正因子 也通常應(yīng)用到這些方法中。在許多體系中，這些方法與HFSS特征值仿真和近場測量十分契 合。當(dāng)貼片大小相比于基板厚度很大時，或當(dāng)每個單格的表面波相移接近180°時，會發(fā)生故 障。
[0022]使用調(diào)制張量阻抗的圓極化AIS天線
[0023] 通過使用具有各向異性阻抗性能的調(diào)制張量阻抗表面，可以使AIS天線與圓極化 (CP)輻射一起操作。通過張量在數(shù)學(xué)上描述在AIS上每個點(diǎn)的阻抗。參考文獻(xiàn)[4]中描述了 等式（6)的調(diào)制函數(shù)推廣到線性極化AISA，CP AISA的阻抗張量可具有類似
C 8)的形式。
[0024] 其中 φ =tan-Hy/x) · (9)
[0025] 在參考文獻(xiàn)[4]中，張量阻抗利用接地電介質(zhì)基板上的各向異性金屬貼片來實(shí)現(xiàn)。 貼片為各種尺寸的方形，具有穿過其中心的切片(slice)。通過改變貼片的大小和切片穿過 其中的角度，可在整個AIS上產(chǎn)生期望的等式(8)的張量阻抗。可使用這些切片的貼片之外 的其他類型的張量阻抗元件來產(chǎn)生張量AIS。
[0026] 全介質(zhì)AIS天線
[0027]全介質(zhì)AIS天線已證明適合于線性極化操作并在參考文獻(xiàn)[9]中被描述。根據(jù)上述 現(xiàn)有技術(shù)中AIS天線的相同原理操作介質(zhì)AIS天線，除非阻抗是通過改變電介質(zhì)的厚度來進(jìn) 行調(diào)制的。
[0028]以Θ = 0°福射的標(biāo)量阻抗、圓極化AIS天線
[0029] 可以用參考文獻(xiàn)[8]中描述的調(diào)制標(biāo)量阻抗制成以θ = 〇°輻射的圓極化(CP)AIS天 線。根據(jù)Z(x，y)=X+M cos( γ 土 Φ ) (10)調(diào)制阻抗。
[0030] 其中γ和φ已經(jīng)分別在等式⑴和(9)中被定義，土符號對應(yīng)分別以右旋CP(RHCP) 或左旋CP(LHCP)模式操作的天線。在外觀上，調(diào)制看上去像纏繞的、圓形螺旋恒定阻抗線， 例如分別為圖2A和圖2B中示出的低阻抗線50和高阻抗線52。這樣，天線會在垂直于AIS表面 的波束(Θ = 0°)中輻射，如圖2C所示。
[0031] Minatti和Maci在參考文獻(xiàn)[8]中通過純直觀方法導(dǎo)出了等式（10)中的阻抗調(diào)制； 然而，不能將其推廣到以任意角度輻射的天線。
[0032] 參考文獻(xiàn)
[0033] [l]Patel，A.M. ;Grbic，A.，"基于正弦調(diào)制的電抗表面上印刷漏波天線（A Printed Leaky-Wave Antenna Based on a Sinusoidally-Modulated Reactance Surface)" IEEE天線與傳播匯刊，卷59，編號6，頁碼2087，2096，2011年6月。
[0034] [2]D.Sievenpiper等，"共形天線的全息AIS(Holographic AISs for conformal antennas)"，第29部天線應(yīng)用論文集，2005〇
[0035] [3]D.Sievenpiper，J.Colburn，B.Fong，J.Ottusch和J.Visher.，2005ΙΕΕΕ天線與 傳播匯刊，摘要，卷IB，頁碼256-259,2005年。
[0036] [4]B.Fong等，"標(biāo)量和張量全息人工阻抗表面（Scalar and Tensor Holographic Artificial Impedance Surfaces)" IEEE TAP.，58,2010年。
[0037] [5]D · J · Gregoire和J · S · Colburn，人工阻抗表面天線（Artif icial impedance surface antennas)，會議錄(Proc)。天線應(yīng)用論文集2011，頁碼460_475〇
[0038] [6]D.J .Gregoire和 J. S. Colburn，人工阻抗表面天線設(shè)計和仿真（Art if icial impedance surface antenna design and simulation)，會議錄。天線應(yīng)用論文集2010，頁 碼288-303。
[0039] [7]0.Luukk〇nen等，"包括金屬條或貼片的平面網(wǎng)格和高阻抗表面的簡單準(zhǔn)確的 分析模型（Simple and accurate analytical model of planar grids and high-impedance surfaces comprising metal strips or patches)"，IEEE匯干丨J〇天線傳播，卷 56，1624,2008年。
[0040] [8]Minatti和Maci等人"基于調(diào)制表面阻抗的螺旋漏波天線(Spiral Leaky-Wave Antennas Based on Modulated Surface Impedance)"，IEEE 天線與傳播匯刊，卷 59， No.12,2011 年 12 月。
[0041] [9]2012年3月22日提交的，專利申請序列號13/427,682的美國專利申請"電介質(zhì) 人工阻抗表面天線(Dielectric Artificial Impedance Surface Antenna)"。
[0042] 需要的是能夠以任意角輻射的圓極化AIS天線。本公開的實(shí)施例應(yīng)對了這些和其 他需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0043] 在本文公開的一個實(shí)施例中，一種圓極化人工阻抗表面天線(AISA)包括:對穿越 基板的頂面的表面波具有調(diào)制標(biāo)量阻抗的阻抗調(diào)制基板;其中，阻抗調(diào)制具有多個纏繞的 恒定阻抗線;并且其中每個恒定阻抗線遵循螺旋橢圓形路徑。
[0044] 在本文公開的另一個實(shí)施例中，一種制造圓極化人工阻抗表面天線(AISA)的方 法，包括:形成對穿越基板的頂面的表面波具有調(diào)制標(biāo)量阻抗的阻抗調(diào)制基板;其中，所述 阻抗調(diào)制具有多個纏繞的恒定阻抗線;并且其中每個恒定阻抗線遵循螺旋橢圓形路徑。
[0045] 在本文公開的又一個實(shí)施例中，一種圓極化人工阻抗表面天線(AISA)，包括:對穿 越基板的頂面的表面波具有調(diào)制標(biāo)量阻抗的阻抗調(diào)制基板;其中，所述調(diào)制標(biāo)量阻抗圖案 為
[0046]
[0047] 其中，X為平均阻抗，Μ為調(diào)制幅度，θ〇為最大增益相對于AISA法線的仰角；其中γ Ek〇(n〇p-x sin 0〇)，k〇為設(shè)計頻率下福射的自由空間波數(shù)，η〇為整個標(biāo)量阻抗圖案上平均 的表面波折射率，并5
_中±符號分別對應(yīng)以右旋圓 ? 、'γ'，： 極化(RHCP)或左旋圓極化(LHCP)模式操作的ΑΙSA，其中，X和Μ可隨表面波源的距離Ρ變化。
[0048] 在本文公開的再一個實(shí)施例中，一種制造圓極化人工阻抗表面天線(AISA)的方 法，包括:阻抗調(diào)制基板對穿越基板的頂面的表面波具有調(diào)制標(biāo)量阻抗，其中調(diào)制標(biāo)量阻抗 圖案為
[0049]
[0050] 其中，X為平均阻抗，Μ為調(diào)制幅度，θ〇為最大增益相對于AISA法線的仰角，γ =ko (n〇p-x sin0Q)，k〇為設(shè)計頻率下福射的自由空間波數(shù)，no為整個標(biāo)量阻抗圖案上平均的表 面波折射率，并i
霉中±符號分別對應(yīng)以右旋圓極化 (RHCP)或左旋圓極化(LHCP)模式操作的AISA，并且X和Μ隨著P，表面波源的距離變化。
[0051]這些和其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在以下詳細(xì)說明和附圖中變得顯而易見。在附圖和說明 書中，附圖標(biāo)記表示不同特征，在附圖和說明書的全文中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的特 征。
【附圖說明】
[0052]圖1Α和圖1Β顯示了以θ = 〇°福射的圓極化標(biāo)量阻抗AISA的阻抗圖案，圖2顯示了根 據(jù)現(xiàn)有技術(shù)圖1A中AI SA的仿真右旋圓極化(CP)和左旋CP輻射強(qiáng)度；
[0053]圖3A顯示了左旋圓極化AISA的阻抗圖案，圖3B顯示了圖3A中沿y = 0的阻抗調(diào)制， 圖3C顯示了根據(jù)本公開圖3A的AISA仿真輻射圖案；
[0054]圖4A顯示了圖3A的AISA當(dāng)實(shí)現(xiàn)為具有調(diào)制厚度的接地電介質(zhì)時，基板厚度輪廓 (profile)，圖4B顯示了沿y = 0的基板厚度，并且圖4C顯示了根據(jù)本公開AISA的厚度調(diào)制的 等距（isometric)視圖；
[0055]圖5A顯示了當(dāng)圖3A的AISA制造成具有方形金屬貼片的接地電介質(zhì)時阻抗元件貼 片大小分布，圖5B顯示了沿y = 0貼片大小輪廓，圖5C顯示了根據(jù)本公開貼片的大小是如何 隨位置變化的細(xì)節(jié)；
[0056]圖6顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的AISA表面波饋電；
[0057]圖7顯示了根據(jù)本公開的形成AISA的方法的流程圖；以及
[0058]圖8A顯示了阻抗圖案和阻抗調(diào)制，其中纏繞的橢圓形線不是如圖3A的恒定阻抗， 而是根據(jù)本公開阻抗隨著P單調(diào)增加，圖8B顯示了根據(jù)本公開阻抗隨著P單調(diào)增加的天線； 以及圖8C和圖8D顯示了圖8B的天線的仿真的和測量的輻射。
【具體實(shí)施方式】
[0059] 在以下說明書中，闡明了許多具體細(xì)節(jié)，以便清楚地描述本文公開的各具體實(shí)施 例。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，無需以下描述的全部具體細(xì)節(jié)就可以實(shí)現(xiàn)目前要求保護(hù) 的本發(fā)明。在其他情況下，對眾所周知的特征沒有作詳細(xì)的描述，以免得使本發(fā)明不清楚。
[0060] 公開了可以被配置為在指向任意角的波束中輻射的，圓極化、標(biāo)量阻抗人工阻抗 表面天線(AISA)。本公開的AISA具有范圍從低阻抗到高阻抗的纏繞的、橢圓形螺旋恒定阻 抗線，而不是現(xiàn)有技術(shù)中的圓形螺旋線，如圖2A和圖2B中示出的線50和52。進(jìn)一步，由于本 公開的AISA使用了標(biāo)量阻抗表面，代替張量阻抗，其可以使用上述現(xiàn)有技術(shù)中所用的任何 手段來制造，包括調(diào)制電介質(zhì)基板的厚度或在電介質(zhì)基板上配置不同大小的金屬貼片。 [0061 ]圖3A顯示了根據(jù)本公開左旋圓極化(LHCP)AISA的20-cm X 20-cm的阻抗圖案。圖 3A的AISA具有纏繞的、橢圓形螺旋恒定阻抗線，例如分別為低阻抗線100和高阻抗線102。圖 3A的AISA被配置為在12GHz下，以Θ = 45°輻射。如圖3B所示的，沿y = 0橢圓形螺旋的恒定阻 抗線的阻抗在復(fù)數(shù)阻抗172j Ω和復(fù)數(shù)阻抗421 j Ω的范圍內(nèi)，并且在最低阻抗和最高阻抗之 間具有正弦曲線形式。如圖3A和圖3B所示，阻抗調(diào)制具有遵循螺旋橢圓形路徑的恒定阻抗 線。圖3C顯示了圖3A的AISA在f = 12GHz和的仿真輻射圖案。設(shè)計角度Θ = 45°下的LHCP 輻射104比θ = 45°下的RHCP輻射106大20dB。圖3Α的設(shè)計輻射為θ = 45°，然而，AISA可被配置 為以任意角度圓極化輻射。
[0062]在另一個實(shí)施例中，橢圓形纏繞的阻抗線不是恒定的阻抗，而是可以隨著其與表 面波源的距離變化。圖8A顯示了阻抗圖案和阻抗調(diào)制，其中纏繞的橢圓形線不是如圖3A的 恒定阻抗，而是根據(jù)本公開阻抗隨著P單調(diào)增加，圖8B顯示了根據(jù)本公開阻抗隨著P單調(diào)增 加的制造的天線；以及圖8C和圖8D顯不了圖8B的天線的仿真的和測量的福射。
[0063]圖4A顯示了當(dāng)AISA當(dāng)實(shí)現(xiàn)為具有在頂面和底面之間的調(diào)制厚度的接地電介質(zhì)時， 圖3A中AISA的厚度調(diào)制。電介質(zhì)可以接地，其中接地平面在電介質(zhì)的底面上。電介質(zhì)可以是 非導(dǎo)電材料，例如Lexan?、丙烯酸、塑料或Plexiglas? β對于ε = 2 · 55的Plexiglas?基板， 沿圖4A中y = 0的厚度調(diào)制具有范圍在0.110英寸到0.306英寸的厚度，如圖4B所示。圖4C顯 示了厚度調(diào)制的等距視圖。
[0064]圖5A顯示了當(dāng)AISA制造成在電介質(zhì)表面上具有方形金屬貼片的接地電介質(zhì)時，圖 3A的AISA實(shí)施例的阻抗元件貼片大小分布。使用集成電路掩模和沉積技術(shù)，可在電介質(zhì)的 表面上印刷或形成方形金屬貼片108。在本實(shí)施例中，AISA可具有基本上平的頂面和平的底 面，并且電介質(zhì)的厚度橫跨AISA基本上是恒定的。貼片大小隨著AISA中的位置變化，使其具 有橢圓形螺旋的恒定阻抗線，例如分別為低阻抗線100和高阻抗線102。圖5B顯示了沿y = 0 貼片大小輪廓。在一個實(shí)施例中，基板可以是具有ε = 11.2的50密耳厚的Rogers?R〇3〇l?， 并且貼片可以以1.5mm矩形柵格上相鄰貼片中心之間的周期或間距分布在如圖5C所示的矩 形柵格上。貼片大小和表面波阻抗之間的關(guān)系在參考文獻(xiàn)[1]-[8]中被充分地記載。圖5C顯 示了每個獨(dú)立貼片108的貼片大小是如何隨AISA中的位置變化的細(xì)節(jié)。如圖5C所示，較大的 貼片108大小對應(yīng)較低的阻抗，并且較小的貼片108大小對應(yīng)較高的阻抗。
[0065]圖6顯示了一種將AISA連接到射頻(RF)接收器/發(fā)送器系統(tǒng)的方法。表面安裝的同 軸連接器601附著至AISA的接地平面603。連接器的中心導(dǎo)體606延伸穿過AISA基板602中的 孔605。例如，參照圖3A、圖4A和圖5A，連接器的中心導(dǎo)體606延伸穿過電介質(zhì)的X = 0，y = 0位 置處的孔，其可對應(yīng)AISA基板602的中心。如圖3A所示的，電介質(zhì)的x = 0，y = 0位置對應(yīng)以下 等式(11)中基板的x = 〇，y = 〇位置。
[0066] 連接器的中心導(dǎo)體606的長度優(yōu)選為從接地平面的表面波波長的大約四分之一 (1/4)。對于12GHz的AISA，中心連接器606的長度大約為0.63cm。連接到AISA的該方法和其 他方法在現(xiàn)有技術(shù)[1]-[8]中被充分地記載。通過向同軸連接器601發(fā)送射頻信號，可在 AISA的表面上激勵表面波。當(dāng)以發(fā)送模式使用AISA時，產(chǎn)生表面波并從表面波耦合器徑向 向外傳播。當(dāng)以接收模式使用AI SA時，表面波朝著表面波親合器向內(nèi)傳播。
[0067] 表面波也可以其他形式的、親合至電介質(zhì)基板上的X = 0，y = 0位置處的表面波饋 電被發(fā)送或接收。例如，表面波饋電可以是微帶線、波導(dǎo)、微波喇叭或偶極子。
[0068] 根據(jù)方程式(11)調(diào)制本公開的AISA的阻抗圖案：
[0069]
1' 11!
[0070] 其中，X為平均阻抗；
[0071] 其中Μ為調(diào)制幅度；
[0072] 其中θ〇為最大增益相對于AISA法線的仰角；
[0073] 其中 γ Ek〇(n()P-x sin9〇);
[0074] ko為設(shè)計頻率下的輻射自由空間波數(shù)；
[0075] no為整個標(biāo)量阻抗圖案上平均的表面波折射率；
[0076]
[0077]
[0078]其中±符號對應(yīng)分別以右旋圓極化(RHCP)或左旋圓極化(LHCP)模式操作的AISA。 [0079] 在一些實(shí)施例中，X和Μ可隨表面波源的距離P變化。在一個實(shí)施例中，Μ隨著P單調(diào) 地增加，以便最大化天線的孔徑效率。這種阻抗調(diào)制幅度漸縮的技術(shù)在本領(lǐng)域中是已知的。
[0080] 對于現(xiàn)有技術(shù)中具有如圖2Α所示的低阻抗和高阻抗圓形螺旋臂的圓極化AIS天 線，當(dāng)θ=0°時，等式(11)簡化為等式(10)。
[0081] 本公開如上所述的AISA的阻抗圖案為一對纏繞的橢圓形螺旋臂100和102,如圖3Α 所示。
[0082] 下文描述了一種推導(dǎo)本公開AISA阻抗圖案的方法。
[0083] AISA輻射是由于根據(jù)遠(yuǎn)場輻射積分 的表面波(SW)電流分布，
[0084] 其中Erad (k)為遠(yuǎn)場中的輻射電場，Jsw為表面波電流密度，k為指定輻射方向和頻率 的輻射波矢量，并且r '為AIS上的點(diǎn)。
[0085] 當(dāng)?shù)仁剑?2)的左側(cè)為期望的天線圖案時，通過找到使等式（12)右側(cè)的積分最大化 的表面波電流，可以找到生成該圖案的AIS阻抗調(diào)制。使積分最大化的一個方式是，當(dāng)k = k〇 時，通過設(shè)定積分的自變量與期望的輻射極化向量成比例。使積分最大化的另一個方式是， 需要積分的自變量當(dāng)在通過對稱性相關(guān)聯(lián)的AIS表面上的一組點(diǎn)上求和后，同樣與輻射極 化向量成比例。
[0086] 如果AISA設(shè)計成具有輻射波矢量k = kQ的峰值增益和極彳彳
于 是在頻率和方向為k〇的場與
丨Ο)成比例。
[0087] 表面波（SW)阻抗調(diào)制用導(dǎo)納(admittance)張量Ysw表示。SW電流通過￥^與31場E sw 相關(guān)，Esw由其相位Φ sw和極化Psw定義，
[0088]
( ! 4 )
[0089] 其中?sw為SW傳播路徑和沿著該路徑的阻抗的函數(shù)。
[0090] Ysw為純電納(susceptive)的，并分解為恒定部分和調(diào)制部分
[0091] Ysw=i Β1+?δΒ Im(Qsw), (15)
[0092] 其中B為平均電納，I為單位矩陣，δΒ為調(diào)制幅度，Qsw為調(diào)制張量。當(dāng)?shù)仁剑?3)和 (14)代入到（12)時，積分被分成分別與匕(^|和(^成比例的三個積分。只有最后的積分為非 零的。
[0093]當(dāng)其自變量為1 (uni ty)時，福射積分（12)被最大化。于是，對于k〇和prad的福射，
[0094]

[0095] 該條件需要AIS上的每個點(diǎn)同等地貢獻(xiàn)于輻射場，因此被稱為強(qiáng)條件。結(jié)合(12)到 (14)，給m 了 i固制張量的礎(chǔ)備件·
[0096]
[0097]
[0098] _ ^
[0099] 并且p'rad在此被定義為修改的極化向量
[0100]
[0101]在一個實(shí)施例中，AISA為被限制于χ-y平面的平面AISA，其橫磁(TM)SW起始從源輻 射。在本AI SA配置中，SW極化向量為psw=P，其中p為AI S表面上圓柱坐標(biāo)系的單位矢量，同樣 也是沿SW路徑的表面切線。
[0102] SW 相位 Φμ 為
[0103]
[0104] 其中nsw為有效SW指數(shù)。如果nsw中的變化被忽略，等式(18)的調(diào)制參數(shù)可近似為
[0105]
[0106] 其中在等式(7)中定義了 γ。
[0107] 通過應(yīng)用第二條件使輻射積分最大化，可以從以上分析中推導(dǎo)本公開的阻抗圖 案。通過對稱性相關(guān)聯(lián)的一組點(diǎn)上求和替換積分來產(chǎn)生所謂的弱條件。于是，等式（17)可以 改寫為
[0109] 將對稱性相關(guān)聯(lián)的一組點(diǎn)選擇為|^ = 入# 1 并且圓極化為(ρθ = 1，ΡΦ=±υ，等式(22)可用來推導(dǎo)本公開的阻抗調(diào)制。等式(22)得出調(diào)制參數(shù)
[0110]
[0111] 阻抗調(diào)制用等式（11)表達(dá)。
[0112] 本領(lǐng)域技術(shù)人員會注意到以上推導(dǎo)假定導(dǎo)納調(diào)制，而等式（11)為阻抗調(diào)制。為簡 潔和清楚起見，省略了如何從(15)導(dǎo)納形式轉(zhuǎn)化為（11)阻抗形式的細(xì)節(jié);然而，本領(lǐng)域技術(shù) 人員應(yīng)理解這些細(xì)節(jié)，并且應(yīng)理解當(dāng)調(diào)制深度很小時，這兩種調(diào)制模式的形式是基本相同 的。
[0113] 圖7顯示了根據(jù)本公開制造 AISA的方法的流程圖。在步驟200中，形成對穿越基板 的頂面的表面波具有調(diào)制標(biāo)量阻抗的阻抗調(diào)制基板。阻抗調(diào)制具有步驟202所示的多個纏 繞的恒定阻抗線，并且每個恒定阻抗線遵循步驟204所示的螺旋橢圓形路徑。
[0114]已經(jīng)根據(jù)專利法規(guī)的要求描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解如何在本發(fā)明 中做出變化和修改，以符合其具體要求或條件。這些變化和修改應(yīng)不偏離本文公開的本發(fā) 明的范圍和精神。
[0115]以上對示例性的和優(yōu)選的實(shí)施例的詳細(xì)描述是基于根據(jù)法律的要求用來說明和 公開的目的而提出的。它不是意在排他性，也不是將本發(fā)明限制在所述的精確形式，而僅僅 是使得本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明如何適合于特定使用或?qū)嵤？赡艿男薷暮?改變對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的。示例性的實(shí)施例的描述不是意在限制性的，其 可以包括容差、特征大小、特定操作條件、工程規(guī)范等，并且其可以在實(shí)施方式之間變化，或 者隨著現(xiàn)有技術(shù)的狀態(tài)變化而變化，其中并不暗示任何限制。
【申請人】是針對當(dāng)前的技術(shù)發(fā) 展水平進(jìn)行公開的，但也預(yù)期了進(jìn)展，并且根據(jù)到那時的技術(shù)發(fā)展水平，將來的改動可以將 這些進(jìn)展考慮在內(nèi)。本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)由所寫的權(quán)利要求及其等同（如果適用）來限定。以 單數(shù)提到一個元件并不意味著"一個并且只有一個"，除非明確指出。在本公開內(nèi)容中，元 件、部件以及方法或處理步驟都不是意在可為公眾所用，不管在權(quán)利要求中是否明確地記 載了該元件、部件、或步驟。在這里，權(quán)利要求的元素不應(yīng)根據(jù)35U.S.C.Sec. 112第六款的條 款來解釋，除非使用"用于......的裝置"的措辭來明確記載該元素，并且，在這里，方法或 處理步驟不應(yīng)在該條款下解釋，除非使用"包括用于......的步驟"的措辭來明確記載一個 或多個步驟。
[0116] 廣義上來講，本文至少公開了以下內(nèi)容：
[0117] -種圓極化人工阻抗表面天線(AISA)包括:對穿越基板的頂面的表面波具有調(diào)制 標(biāo)量阻抗的阻抗調(diào)制基板;其中，阻抗調(diào)制具有多個纏繞的恒定阻抗線;并且其中每個恒定 阻抗線遵循螺旋橢圓形路徑。
[0118] 本文也提出了至少以下概念。
[0119] 概念1、一種圓極化人工阻抗表面天線(AISA)，包括：
[0120] 對穿越基板的頂面的表面波具有調(diào)制標(biāo)量阻抗的阻抗調(diào)制基板；
[0121] 其中，所述阻抗調(diào)制具有多個纏繞的恒定阻抗線;并且
[0122] 其中每個恒定阻抗線遵循螺旋橢圓形路徑。
[0123] 概念2、根據(jù)概念1所述的圓極化人工阻抗表面天線(AISA)，其中：
[0124] 所述阻抗調(diào)制基板包括具有所述頂面和底面的電介質(zhì)；
[0125] 其中厚度在所述頂面和所述底面之間變化，以便改變阻抗。
[0126] 概念3、根據(jù)概念2所述的圓極化人工阻抗表面天線(AISA)，進(jìn)一步包括：
[0127] 在所述底面上的接地平面。
[0128] 概念4、根據(jù)概念1、2或3所述的圓極化人工阻抗表面天線(AISA)，其中：
[0129] 所述阻抗調(diào)制基板包括具有所述頂面和底面的電介質(zhì);并且
[0130] 所述AISA進(jìn)一步包括:在所述電介質(zhì)的頂面上不同大小的金屬貼片以便改變阻 抗。
[0131] 概念5、根據(jù)概念4所述的圓極化人工阻抗表面天線(AISA)，其中：
[0132] 在所述底面上的接地平面。
[0133] 概念6、根據(jù)概念1、2、3、4或5所述的圓極化人工阻抗表面天線(AISA)，其中：
[0134] 所述AISA具有基本上平面的形狀;并且
[0135] 所述AISA在相對于所述平面形狀的法線的角度Θ下，具有較大增益的增益圖案。
[0136] 概念7、根據(jù)概念1、2、3、4、5或6所述的圓極化人工阻抗表面天線(AISA)，其中：所 述調(diào)制標(biāo)量阻抗圖案為
[0137]
[0138] 其中，X為平均阻抗；
[0139] 其中Μ為調(diào)制幅度；
[0140] 其中θ〇為最大增益相對于所述AISA法線的仰角；
[0141] 其中 γ Ek〇(n〇p_x sin9〇);
[0142] ko為設(shè)計頻率下輻射的自由空間波數(shù)；
[0143] η〇為敕+說看·陽祐図宏h平均的表面波折射率；
[0144] 并且
[0145] 其中
奪且
[0146] 其中±符號分別對應(yīng)以右旋圓極化(RHCP)或左旋圓極化(LHCP)模式操作的所述 AISA〇
[0147] 概念8、根據(jù)概念2所述的圓極化人工阻抗表面天線(AISA)，其中：
[0148] 所述頂面具有調(diào)制高度;并且
[0149] 所述底面基本上是平的。
[0150] 概念9、根據(jù)概念4所述的圓極化人工阻抗表面天線(AISA)，其中：
[0151 ]所述頂面基本上是平的；并且
[0152] 所述底面基本上是平的。
[0153] 概念10、根據(jù)概念2所述的圓極化人工阻抗表面天線(AISA)，其中：
[0154] 所述介電材料包括：Lexan?、丙烯酸、塑料或Plexiglas⑧。
[0155] 概念11、根據(jù)概念4所述的圓極化人工阻抗表面天線(AISA)，其中：
[0156] 所述介電材料包括:Lex_:an?.、丙稀酸、塑料或Plexiglas.?。
[0157] 概念12、根據(jù)概念7所述的圓極化人工阻抗表面天線(AISA)，進(jìn)一步包括：
[0158] 表面波饋電，在所述基板的x = 0，y = 0位置親合到所述基板。
[0159] 概念13、根據(jù)概念12所述的圓極化人工阻抗表面天線(AISA)，其中：
[0160] 當(dāng)以發(fā)送模式使用所述AISA時，所述表面波從所述表面波饋電徑向向外傳播。
[0161] 概念14、根據(jù)概念12所述的圓極化人工阻抗表面天線(AISA)，其中：
[0162] 當(dāng)以接收模式使用所述AISA時，所述表面波朝著所述表面波饋電徑向向內(nèi)傳播。
[0163] 概念15、根據(jù)概念12所述的圓極化人工阻抗表面天線(AISA)，其中：
[0164] 所述表面波饋電包括耦合到所述基板的同軸連接器。
[0165] 概念16、根據(jù)概念12所述的圓極化人工阻抗表面天線(AISA)，其中：
[0166] 所述表面波饋電包括微帶線、波導(dǎo)、微波喇叭或偶極子。
[0167] 概念17、一種制造圓極化人工阻抗表面天線(AISA)的方法，包括：
[0168] 形成對穿越基板的頂面的表面波具有調(diào)制標(biāo)量阻抗的阻抗調(diào)制基板；
[0169] 其中，所述阻抗調(diào)制具有多個纏繞的恒定阻抗線;并且
[0170] 其中每個恒定阻抗線遵循螺旋橢圓形路徑。
[0171] 概念18、根據(jù)概念17所述的方法，其中：
[0172] 所述阻抗調(diào)制基板包括具有所述頂面和底面的電介質(zhì)；
[0173] 其中厚度在所述頂面和所述底面之間變化。
[0174] 概念19、根據(jù)概念18所述的方法，進(jìn)一步包括：
[0175] 在所述底面上形成接地平面。
[0176] 概念20、根據(jù)概念17所述的方法，其中：
[0177] 所述阻抗調(diào)制基板包括具有所述頂面和底面的電介質(zhì);并且
[0178] 所述方法包括:在所述電介質(zhì)的頂面上形成不同大小的金屬貼片。
[0179] 概念21、根據(jù)概念20所述的方法，進(jìn)一步包括：
[0180] 在所述底面上形成接地平面。
[0181] 概念22、根據(jù)概念17、18、19、20或21所述的方法，其中：
[0182] 所述調(diào)制標(biāo)量阻抗圖案為
[0183]
[0184] 其中，X為平均阻抗；
[0185] 其中Μ為調(diào)制幅度；
[0186] 其中θ〇為最大增益相對于所述AISA法線的仰角；
[0187] 其中 γ Ek〇(n〇p_x sin9〇);
[0188] ko為設(shè)計頻率下輻射的自由空間波數(shù)；
[0189] no為整個標(biāo)量阻抗圖案上平均的表面波折射率；
[0190]
[0191]
[0192] 其中±符號分別對應(yīng)以右旋圓極化(RHCP)或左旋圓極化(LHCP)模式操作的所述 AISA〇
[0193] 概念23、根據(jù)概念22所述的方法，進(jìn)一步包括：
[0194] 在所述基板的X = 0，y = 0位置將表面波饋電親合到所述基板。
[0195] 概念24、根據(jù)概念23所述的方法，其中：
[0196] 所述表面波饋電包括耦合到所述基板的同軸連接器。
[0197] 概念25、一種圓極化人工阻抗表面天線(AISA)，包括：
[0198] 對穿越基板的頂面的表面波具有調(diào)制標(biāo)量阻抗的阻抗調(diào)制基板；
[0199] 其中，所述調(diào)制標(biāo)量阻抗圖案為
[0200]
[0201]其中，X為平均阻抗；
[0202]其中Μ為調(diào)制幅度；
[0203] 其中θ〇為最大增益相對于所述AISA法線的仰角；
[0204] 其中 γ Ek〇(n〇p_x sin9〇);
[0205] ko為設(shè)計頻率下輻射的自由空間波數(shù)；
[0206] no為整個標(biāo)量阻抗圖案上平均的表面波折射率；
[0207]
[0208]
[0209]其中±符號分別對應(yīng)以右旋圓極化(RHCP)或左旋圓極化(LHCP)模式操作的所述 AISA;并且
[0210]其中，X和Μ可隨表面波源的距離P變化。
[0211] 概念26、根據(jù)概念25所述的圓極化人工阻抗表面天線(AISA)，其中Μ隨著P單調(diào)地 增加。
[0212] 概念27、一種制造圓極化人工阻抗表面天線(AISA)的方法，包括：
[0213] 形成對穿越基板的頂面的表面波具有調(diào)制標(biāo)量阻抗的阻抗調(diào)制基板；
[0214] 其中，所述調(diào)制標(biāo)量阻抗圖案為
[0215]
[0216] 其中，X為平均阻抗；
[0217]其中Μ為調(diào)制幅度；
[0218] 其中θ〇為最大增益相對于所述AISA法線的仰角；
[0219] 其中 γ Ek〇(n〇p_x sin9〇);
[0220] ko為設(shè)計頻率下輻射的自由空間波數(shù)；
[0221] no為整個標(biāo)量阻抗圖案上平均的表面波折射率；
[0222]
[0223]
[0224]其中±符號分別對應(yīng)以右旋圓極化(RHCP)或左旋圓極化(LHCP)模式操作的所述 AISA;并且
[0225] 其中，X和Μ可隨表面波源的距離P變化。
[0226] 概念28、根據(jù)概念27所述的方法，其中Μ隨著Ρ單調(diào)地增加。
【主權(quán)項】
1. 一種圓極化人工阻抗表面天線AISA，包括： 對穿越基板的頂面的表面波具有調(diào)制標(biāo)量阻抗的阻抗調(diào)制基板； 其中，所述阻抗調(diào)制具有多個纏繞的恒定阻抗線;并且 其中每個恒定阻抗線遵循螺旋橢圓形路徑。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓極化人工阻抗表面天線AISA，其中： 所述阻抗調(diào)制基板包括具有所述頂面和底面的電介質(zhì)； 其中厚度在所述頂面和所述底面之間變化，以便改變阻抗。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圓極化人工阻抗表面天線Al SA，進(jìn)一步包括： 在所述底面上的接地平面。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓極化人工阻抗表面天線AISA，其中： 所述阻抗調(diào)制基板包括具有所述頂面和底面的電介質(zhì);并且 所述AISA進(jìn)一步包括:在所述電介質(zhì)的頂面上不同大小的金屬貼片以便改變阻抗。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圓極化人工阻抗表面天線Al SA，進(jìn)一步包括： 在所述底面上的接地平面。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓極化人工阻抗表面天線AISA，其中： 所述Al SA具有基本上平面形狀;并且 所述Al SA在相對于所述平面形狀的法線的角度Θ下，具有較大增益的增益圖案。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓極化人工阻抗表面天線AISA，其中： 所述調(diào)制標(biāo)暈陽.抗圖案為其中，X為平均阻抗； 其中M為調(diào)制幅度； 其中θ〇為最大增益相對于所述AISA法線的仰角； 其中 γ Ek〇(n〇p_xsin9〇); ko為設(shè)計頻率下輻射的自由空間波數(shù)； no為整個標(biāo)量阻抗圖案上平均的表面波折射率；其中±符號分別對應(yīng)以右旋圓極化RHCP或左旋圓極化LHCP模式操作的所述AISA。8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圓極化人工阻抗表面天線Al SA，其中： 所述頂面具有調(diào)制高度;并且 所述底面基本上是平的。9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圓極化人工阻抗表面天線Al SA，其中： 所述頂面基本上是平的；并且 所述底面基本上是平的。10. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圓極化人工阻抗表面天線AISA，其中： 所述介電材料包括Lexan?、丙烯酸、塑料或Plexiglas?。11. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圓極化人工阻抗表面天線Al SA，其中： 所述介電材料包括Lexan?、丙烯酸、塑料或Plexiglas?。12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的圓極化人工阻抗表面天線Al SA，進(jìn)一步包括： 表面波饋電，在所述基板的X = 0，y = 0位置親合到所述基板。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的圓極化人工阻抗表面天線AISA，其中： 當(dāng)以發(fā)送模式使用所述AISA時，所述表面波從所述表面波饋電徑向向外傳播。14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的圓極化人工阻抗表面天線AISA，其中： 當(dāng)以接收模式使用所述Al SA時，所述表面波朝著所述表面波饋電徑向向內(nèi)傳播。15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的圓極化人工阻抗表面天線AISA，其中： 所述表面波饋電包括耦合到所述基板的同軸連接器。16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的圓極化人工阻抗表面天線AISA，其中： 所述表面波饋電包括微帶線、波導(dǎo)、微波喇叭或偶極子。17. -種制造圓極化人工阻抗表面天線AISA的方法，包括： 形成對穿越基板的頂面的表面波具有調(diào)制標(biāo)量阻抗的阻抗調(diào)制基板； 其中，所述阻抗調(diào)制具有多個纏繞的恒定阻抗線;并且 其中每個恒定阻抗線遵循螺旋橢圓形路徑。18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中： 所述阻抗調(diào)制基板包括具有所述頂面和底面的電介質(zhì)； 其中厚度在所述頂面和所述底面之間變化。19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括： 在所述底面上形成接地平面。20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中： 所述阻抗調(diào)制基板包括具有所述頂面和底面的電介質(zhì);并且 所述方法包括:在所述電介質(zhì)的頂面上形成不同大小的金屬貼片。21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，進(jìn)一步包括： 在所述底面上形成接地平面。22. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中： 所述調(diào)制標(biāo)量阻抗圖案為其中，X為平均阻抗； 其中M為調(diào)制幅度； 其中θ〇為最大增益相對于所述AISA法線的仰角； 其中 γ Ek〇(n〇p_xsin9〇); ko為設(shè)計頻率下輻射的自由空間波數(shù)； 并上 no為整個標(biāo)量阻抗圖案上平均的表面波折射率；其4 其中±符號分別對應(yīng)以右旋圓極化RHCP或左旋圓極化LHCP模式操作的所述AISA。23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括： 在所述基板的X = 〇，y = 〇位置將表面波饋電耦合到所述基板。24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中： 所述表面波饋電包括耦合到所述基板的同軸連接器。25. -種圓極化人工阻抗表面天線AISA，包括： 對穿越基板的頂面的表面波具有調(diào)制標(biāo)量阻抗的阻抗調(diào)制基板； 其中，所述調(diào)制標(biāo)量阻抗圖案為其中，X為平均阻抗； 其中M為調(diào)制幅度； 其中θ〇為最大增益相對于所述AISA法線的仰角； 其中 γ Ek〇(n〇p_xsin9〇); ko為設(shè)計頻率下輻射的自由空間波數(shù)； no為整個標(biāo)量阻抗圖案上平均的表面波折射率；并且 其中 其中±符號分別對應(yīng)以右旋圓極化RHCP或左旋圓極化LHCP模式操作的所述AISA;并且 其中，X和M可隨表面波源的距離P變化。26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的 圓極化人工阻抗表面天線Al SA，其中M隨著P單調(diào)地增加。27. -種制造圓極化人工阻抗表面天線AISA的方法，包括： 形成對穿越基板的頂面的表面波具有調(diào)制標(biāo)量阻抗的阻抗調(diào)制基板； I |.丨 I I 、h ' '1 1 ~~ i=t m-· t、. rz=ri , ,、I其中，X為平均阻抗； 其中M為調(diào)制幅度； 其中θ〇為最大增益相對于所述AISA法線的仰角； 其中 γ Ek〇(n〇p_xsin9〇); ko為設(shè)計頻率下輻射的自由空間波數(shù)；no為輅個標(biāo)量陽抗圖案h平均的表面波折射率； 并_ 其I 其中±符號分別對應(yīng)以右旋圓極化RHCP或左旋圓極化LHCP模式操作的所述AISA;并且 其中，X和M可隨表面波源的距離P變化。28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中M隨著P單調(diào)地增加。
【文檔編號】H01Q1/24GK105900281SQ201480063366
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年11月6日
【發(fā)明人】丹尼爾·J·格雷瓜爾
【申請人】Hrl實(shí)驗室有限責(zé)任公司