双极化基板集成式波束操控天线的制作方法

双极化基板集成式波束操控天线
1.相关申请案交叉引用
2.本技术要求于2019年3月6日提交的第16/294,404号、发明名称为“双极化基板集成式波束操控天线(dual
‑
polarized substrate
‑
integrated beam steering antenna)”的美国专利申请的优先权，该在先申请的内容通过引用并入本文中。
技术领域
3.本发明大体上涉及无线通信领域，具体地，涉及用于在不同方向上发射和接收无线信号的天线系统。


背景技术：

4.具有宽转向角和高方向性的天线系统在无线通信应用中受到追捧。平面相控阵天线能够提供宽转向角，但这类天线的方向性倾向于随着定向波束转向角的增加而下降。平面相控阵天线还可能有盲角区域，并且由于制造工艺和与移相器相关的成本而价格昂贵。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种用于发射和接收射频(radio
‑
frequency，rf)波的双极化基板集成波束操控天线。所述天线用于在不同方向上发射和接收无线信号。
6.根据这一目的，本发明的一个方面提供了一种用于传输射频(radio
‑
frequency，rf)波的天线。所述天线包括堆叠结构，所述堆叠结构具有：第一控制电路层(本文也称为“第一控制层”)；第二控制电路层(本文也称为“第二控制层”)，近似平行于所述第一控制电路层；第一平行板波导和第二平行板波导，位于所述第一控制层与所述第二控制层之间；多个通孔，可操作地将所述第一控制层和所述第二控制层连接到中心rf和dc接地层。所述第一平行板波导和所述第二平行板波导彼此近似平行，并近似平行于所述第一控制层和所述第二控制层。所述天线还包括：位于所述第一控制层上的第一中心端口和位于所述第二控制层上的第二中心端口，其中，所述第一中心端口用于将所述rf波辐射到所述第一平行板波导中，所述第二中心端口用于将所述rf波辐射到所述第二平行板波导中。所述天线还包括：垂直极化外围端口，与所述第一控制电路层集成，用于从所述第一平行板波导结构以垂直极化方式辐射rf波；水平极化外围端口，与所述第二控制电路层集成，用于从所述第二平行板波导结构以水平极化方式辐射rf波，其中，每个所述垂直极化外围端口与所述水平极化外围端口中的一个并置，使得它们彼此交叉。
7.在至少一个实施例中，每个所述垂直极化外围端口包括：两条电感线，位于所述第一控制电路层上；单极子，所述单极子包括：所述单极子的四个过孔，作为所述单极子的辐射部分工作；单极子微带，可操作地连接所述第一控制电路层上的所述单极子的所述四个过孔；以及块线，可操作地连接所述单极子的所述四个过孔中的两个过孔。在至少一个实施例中，每个所述水平极化外围端口包括：具有第一分支和第二分支的偶极子，其中，所述偶极子近似垂直于所述单极子的所述四个过孔，所述偶极子的中心部分位于所述单极子的所
述四个过孔之间。
8.所述第一控制电路层与所述第二控制电路层之间的距离可以用于容纳所述单极子，并且可以大约是自由空间中的四分之一波长。
9.偶极子的第一分支和第二分支可以位于不同的平面中。
10.所述天线还可以包括：具有频率选择元件的一对频率选择结构，其中，每个频率选择结构位于所述第一控制电路层和所述第二控制电路层中的一个对应控制层上，每个频率选择元件用于：当所述频率选择元件处于一种操作模式时，允许所述rf波在所述第一平行板波导和所述第二平行板波导中的一个中传播；当所述频率选择元件处于另一种操作模式时，禁止所述rf波在所述第一平行板波导和所述第二平行板波导中的一个中传播。
11.在至少一个实施例中，每个频率选择元件包括：径向短截线，用于在所述径向短截线所接收的电流高于阈值时，在通过低频的同时扼流高频；可切换元件，所述可切换元件通过所述多个通孔中的一个可操作地连接到所述径向短截线以及所述第一平行板波导和所述第二平行板波导中的一个平行板波导，其中，所述可切换元件用于选择性控制所述频率选择元件的操作模式。
12.在至少一个实施例中，所述天线可以用于通过选择性地在所述频率选择元件的一种操作模式与另一种操作模式之间切换，并通过选择性地开启第一多个频率选择元件和关闭第二多个频率选择元件来操控所述rf波的辐射角。
13.每个可切换元件还可以包括连接器短截线，所述连接器短截线用于可操作地将所述可切换元件连接到所述多个通孔中的一个通孔。所述连接器短截线可以具有一对短截线支路，每个短截线支路可操作地连接到所述过孔和所述可切换元件。
14.在至少一个实施例中，所述一对频率选择结构中的至少一个频率选择结构的所述频率选择元件可以按行排列，每一行中的每个频率选择元件与所述中心端口的距离可以近似相等，所述中心端口与所述一对频率选择结构中的所述至少一个频率选择结构位于同一表面上。
15.所述可切换元件还可以包括连接器短截线，所述连接器短截线用于可操作地将所述可切换元件连接到所述多个通孔中的一个通孔。频率选择元件行中的至少一行可以具有连接器短截线短于其它行的频率选择元件的连接器短截线的频率选择元件。
16.所述行之间的距离可以近似等于2*λ
g
，其中，λ
g
是所述第一平行板波导和所述第二平行板波导中一个对应的平行板波导内的所述rf波的波长。
17.所述频率选择元件中的至少两个可以可操作地连接到一个直流电路并且可以同时操作。
18.在至少一个实施例中，所述第一中心端口和所述第二中心端口中的至少一个可以包括：中心微带，可操作地连接到一个中心过孔，所述中心过孔穿过所述第一平行板波导和所述第二平行板波导中一个对应的平行板波导，其中，所述中心过孔连接到电接地；一对肩部，两个肩部可操作地连接到馈线，所述馈线可操作地连接到rf控制器，并用于向所述一对肩部输送rf能量；多个子肩部，每个子肩部在一端可操作地连接到所述一对肩部中的一个，在另一端可操作地连接到所述中心微带，其中，对于所述多个子肩部的每对相邻子肩部，所述多个子肩部的两个相邻子肩部在其各自的连接点与所述中心微带之间的距离近似相同。
19.所述天线可以是多个天线中的一个，所述多个天线的频率选择元件可以用于同时
操作并选择性地开启和关闭。所述天线还可以用于操控所述rf波的辐射角度，其中，所述操控通过选择性地开启所述多个天线的第一多个频率选择元件并关闭所述多个天线的第二多个频率选择元件来实现。所述多个天线可以包括位于相邻天线之间的保护层。
20.根据本发明的其它方面，提供了一种用于将rf波传输到天线的一个平行板波导中的中心端口。所述中心端口包括：中心微带，可操作地连接到穿过一个平行板波导的一个中心过孔，所述中心过孔连接到电接地；一对肩部，两个肩部可操作地连接到馈线，所述馈线可操作地连接到rf收发器，并用于向所述一对肩部输送rf能量或从所述一对肩部接收rf能量；多个子肩部，每个子肩部在一端可操作地连接到所述一对肩部中的一个，在另一端可操作地连接到所述中心微带，其中，对于所述多个子肩部的每对相邻子肩部，所述多个子肩部的两个相邻子肩部在其各自的连接点与所述中心微带之间的距离近似相同。
21.在至少一个实施例中，所述多个子肩部用于相对于所述中心过孔对称地将rf能量输送到所述中心微带或从所述中心微带接收rf能量。所述多个子肩部可以是四个子肩部。所述中心微带可以具有对称形状，并且所述中心微带可以可操作地连接到所述中心微带中间的所述中心过孔。所述中心微带可以具有十字形状。
22.根据本发明的其它方面，提供了一种天线结构，用于评估用于传输射频(radio
‑
frequency，rf)波的天线的中心端口的性能，所述天线结构包括：喇叭形波导；中心端口，与所述喇叭形波导集成，用于向喇叭形波导中生成rf波；在所述中心端口周围径向分布的多个输出微带。功率分配器还可以包括多个槽，用于喇叭形波导与输出微带线之间的过渡。所述功率分配器还可以包括：金属壁，与部分围绕所述中心端口的所述喇叭形波导集成，用于将由所述中心端口生成的所述rf波限制在由所述金属壁限定的区域内，同时所述rf波从所述中心端口向所述输出微带传播。所述输出微带可以可操作地连接到围绕所述中心端口径向分布的外围端口，并用于向所述喇叭形波导辐射所述rf波或从所述喇叭形波导接收所述rf波。
23.可以辐射在毫米波范围及以下(10ghz至300ghz)的rf波。可切换元件可以是pin二极管。在至少一个实施例中，位于所述第二控制电路层上的每个频率选择元件通过所述通孔连接到位于所述第一控制电路层上的对应频率选择元件。
附图说明
24.结合附图，通过以下详细描述，本发明的特征和优点将变得显而易见，在附图中：
25.图1描绘了根据本发明的各种实施例，本发明技术的至少一个非限制性实施例提供的波束操控天线的透视图；
26.图2a描绘了根据本发明技术的至少一个非限制性实施例，图1的天线的下侧透视图；
27.图2b描绘了根据本发明的各种实施例，图1的天线的堆叠结构的放大部分横截面视图；
28.图3a描绘了本发明的各种实施例提供的中心端口的放大顶视图；
29.图3b示出了图3a所示的中心端口的反射系数(即，s
11
参数)；
30.图3c描绘了本发明的各种实施例提供的另一个中心端口；
31.图3d描绘了针对图3c所示的中心端口模拟的反射系数(即，s
11
参数)；
32.图3e示出了本发明的各种实施例提供的用于评估中心端口性能的天线结构的顶视图；
33.图4a描绘了根据本发明的各种实施例，图1的天线的一部分的放大透视视图，示出了垂直极化外围端口和水平极化外围端口；
34.图4b描绘了图4a的垂直极化外围端口的放大顶视图；
35.图4c描绘了根据本发明的各种实施例，图1的天线的一部分的放大底部透视图，示出了水平极化外围端口；
36.图4d描绘了图4a的水平极化外围端口的放大顶视图；
37.图5a描绘了本发明的各种实施例提供的垂直极化外围端口的辐射方向图；
38.图5b描绘了本发明的各种实施例提供的水平极化外围端口的辐射方向图；
39.图6a描绘了根据本发明的各种实施例，图1的天线的一部分中的频率选择元件(frequency
‑
selective element，fse)的顶视图；
40.图6b描绘了根据本发明的各种实施例，图1的天线的一部分中的另一fse；
41.图6c描绘了根据本发明的各种实施例，图1的天线的一部分中的又一fse；
42.图6d示出了根据本发明的各种实施例，图1的天线的fse和周围部分的侧面立视图；
43.图7a描绘了本发明的各种实施例提供的矩形波导的顶视图，该矩形波导具有用于确定图6a
‑
图6d的fse的参数的三个fse；
44.图7b描绘了根据本发明的各种实施例，当频率选择结构(frequency selective structure，fss)处于关闭操作模式时，通过图6c的矩形波导传播的rf波的透射系数和反射系数的振幅；
45.图7c描绘了通过图6c的矩形波导传播的rf波的透射系数和反射系数的振幅；
46.图7d描绘了根据本发明的各种实施例，矩形波导的辐射发射器的放大顶视图；
47.图8示出了根据本发明的各种实施例，图1的天线的一部分；
48.图9示出了根据本发明的各种实施例，图1的天线的另一部分的俯视图，其中，几个fse被分组在一起；
49.图10示出了根据本发明的各种实施例，图1的天线的波束操控；
50.图11a描绘了根据本发明的各种实施例，对于不同波束转向角度，图1的天线的辐射方向图；
51.图11b描绘了对于波束转向角度0度、
–
9度和
–
22.5度，图1的天线的其它辐射方向图；
52.图11c描绘了对于波束转向角度0度和
–
3度，图1的天线的其它辐射方向图；
53.图12示出了根据本发明的各种实施例，操控由图1的天线发射的电磁(electromagnetic，em)波束的方法；
54.图13描绘了本发明的各种实施例提供的堆叠天线。
55.应当理解，在所有附图和对应的描述中，相同的特征通过相同的附图标记标识。此外，还应理解，附图和随后的描述仅用于说明目的，并且此类公开内容并不意图限制权利要求的范围。
具体实施方式
56.本发明旨在弥补当前相控阵天线实现的缺陷。本发明描述了一种波束操控天线(本文也称为“天线”)，该波束操控天线具有两个平行板波导和两个集成式频率选择结构(frequency selective structure，fss)。该天线用于为垂直极化和水平极化提供增加的转向角度范围，同时还为各种转向角度范围提供高方向性(约为13db至16db)和低变化(约10％)。
57.本文描述的技术可以在各种不同的电子设备(electronic device，ed)中体现，这些电子设备包括基站(base station，bs)、用户设备(user equipment，ue)等。
58.应当理解，由所公开的天线配置传播和接收的电磁(electromagnetic，em)波可以在射频(radio frequency，rf)范围内(即，rf波)。在一些实施例中，rf波可以是毫米波范围及以下(例如，约10ghz至约300ghz的工作频率)。在其它实施例中，rf波可以在微波范围内(例如，约1ghz至约10ghz)。
59.如本文所述的天线结构可以用于在毫米波范围及以下(即，在10ghz与约300ghz之间)中工作。但是，应当理解，所提出的天线结构也可以在其它rf范围频率下工作。此外，在各种实施例中，如本文所述的天线结构可以由多层印刷电路板(printed circuit board，pcb)的适当特征形成。天线结构的特征可以通过蚀刻导电层并制造过孔以及其它这类传统的pcb制造技术来形成。这种pcb实现可以适当紧凑，以包括在bs和ue等电子设备中。pcb领域已知的成熟制造技术可用于提供合适的有成本效益的批量生产。
60.本文所使用的术语“约”或“近似”是指相对于标称值 /
–
10％的变化。应当理解，这种变化始终包括在本文提供的给定值内，无论该给定值是否被具体提及。
61.本文所提及的术语“导波波长”是指em波的传播波长，以提供对应波导内横向电磁波模式(transverse electromagnetic mode，tem)的传播。此外，本文所提及的术语“过孔”是指在电子电路的各物理层之间提供电连接的电连接。
62.除非另有定义，否则本文所使用的所有技术和科学术语都具有与所述实施例所属的本领域普通技术人员通常所理解的相同的含义。
63.根据本发明的设想实施例，本文所述的天线结构可以用于通过致动与两个平行板波导集成的多个频率选择元件(frequency selective element，fse)来操控rf波束发射和接收的角度。具体地，天线结构可以用于根据第一多个fse切换和操作到“开启”状态，并根据第二多个fse操作以切换到“关闭”状态。
64.与传统的平面相控阵天线相比，本文公开的天线结构的实施例可以提供更宽的转向角度范围中的任何或所有角度(例如，至少180度和最高360度)，同时表现出更少的损耗和更低的功耗。此外，所公开的天线结构可以与堆叠布置的基板集成，该堆叠布置可以用于在垂直极化和水平极化中工作，并且辐射和接收多个em波束。此外，与传统的平面相控阵天线相比，鉴于实现可切换元件而不是移相器来操控波束角度，并且在制造天线时使用多层pcb工艺，所公开的天线结构的制造成本可以较低。
65.现在参考附图，图1描绘了根据本发明的各种实施例，天线100的结构的透视顶视图，图2a描绘了根据本发明的各种实施例，图1的天线100的下侧(底部)透视图。
66.如图所示，天线100包括堆叠结构110，该堆叠结构110具有两个控制层：第一控制层101(本文称为“第一控制电路层”)和第二控制层202(本文称为“第二控制电路层”)。天线
100还包括设置在顶部上的中心端口105、设置在下侧上的中心端口206和两个fss 191、292。
67.图1和图2a表示堆叠结构110的形状几乎为圆形(例如，具有穿过一端的弦切割以取代圆形段的圆形形状)，具有外围边缘104和弦边缘106。可以设想，堆叠结构110可以包括可以适用于从其辐射rf波的其它形状。所公开的天线100的几乎圆形形状提供了有效配置的示例性结构，但并不旨在为限制性的，因为可以根据迄今公开的发明概念应用其它天线形状。
68.天线100的第一控制层101包括垂直极化外围端口151，用于在垂直极化中接收和发射em波。垂直极化外围端口151在本文也称为垂直极化外围辐射元件151。如图1所示，垂直极化外围端口151可以位于第一控制层101的外围上，围绕第一控制层101的周边径向分布，并且可以靠近天线100的外围边缘104。
69.天线100的第二控制层202具有水平极化外围端口252，用于在水平极化中接收和发射em波。水平极化外围端口151在本文也称为水平极化外围辐射元件252。如图1所示，水平极化外围端口252可以位于第二控制层202的外围上，围绕第二控制层202的周边径向分布，并且可以靠近外围边缘104。
70.现在参考图2b，堆叠结构110具有第一平行板波导131和第二平行板波导132、两个接地层103、204和两个金属板133、134，以及第一控制层101和第二控制层202。金属板133、134与第一接地层103和第二接地层204一起形成两个平行板波导131、132。在至少一个实施例中，波导131、132填充有波导介电材料，例如介电复合材料。在堆叠结构110的一些部分中，介电材料层可以分别覆盖第一控制层101和第二控制层202的侧面上的金属板133、134。
71.第一接地层103和第二接地层204位于第一控制层101与第二控制层202之间。接地层103、204连接到电接地。
72.在所示实施例中，第一控制层101与第二控制层202之间的距离约为波长的四分之一。第一接地层103和第二接地层204可以由间隔物分隔。在一些实施例中，第一接地层103与第二接地层204之间存在间隔135。间隔宽度136使得第一控制层101与第二控制层202之间的总距离约为波长的四分之一。这种间隔宽度136可以优选用于垂直极化外围端口151的集成和操作，如下所述。
73.第一控制层101和第二控制层202通过位于堆叠结构110的各个位置的通孔130彼此连接。通孔130(本文也称为“过孔”)一直穿过堆叠结构110，并且位于天线100的第一控制层101和第二控制层202上的各种元件可以连接到过孔130。过孔130可操作地连接到接地层103、204。如图2b所示，过孔130可以近似垂直于第一控制层101和第二控制层202。需要说明的是，第一控制层101和第二控制层202由于过孔130连接到电接地而彼此电隔离。
74.堆叠结构110可以由pcb制成。堆叠结构110中使用的介电材料可以是pcb技术领域中已知的那些介电材料。或者，堆叠结构110可以由金属板制成，金属板可以与电路板组装，或者使用ltcc或液晶聚合物(liquid crystal polymer，lcp)技术制成。
75.再次参考图1和图2a，两个中心端口105、206可以位于堆叠结构110的中心或附近，分别地，一个在第一控制层101上，另一个在第二控制层202上。堆叠结构110的中心在本文定义为与天线100的外围边缘104的任何一点的距离都近似相等。应当理解，中心端口105、206可以位于堆叠结构110的任何其它部分处。中心端口105、206可以可操作地连接到一个
公共过孔130。
76.中心端口105、206被配置为em波的辐射源。rf波可以从中心端口105、206径向辐射到平行板波导131和132中。中心端口105、206还用于接收来自平行板波导131和132的辐射。每个中心端口105、206可操作地连接到对应的rf连接器120，该rf连接器120又可操作地连接到由rf控制器(未示出)操作的rf信号源。
77.为了能够在各种转向角度θ下有效辐射，中心端口105、206可以进行优化，以在所有方向或大部分方向，或在宽辐射角度范围内为rf辐射提供类似的增益。在一些实施例中，中心端口105、206在天线100的期望频率范围内提供类似的增益。
78.图3a描绘了本发明的各种实施例提供的中心端口305a的放大顶视图。中心端口305a具有馈线302(例如，微带线)，该馈线302通过三个相应的引线315可操作地连接到三个过孔130。例如，引线315的长度可以是微带线引导波长的0.1。
79.除了中心端口305a中的三个过孔130外，还有两个接地过孔138。三个过孔130和两个接地过孔138可操作地连接到接地层103、204。过孔130与金属板133、134之间的间隙(用虚线139描绘)将过孔130与金属板133、134分开。接地过孔138在它们周围没有这类间隙。
80.在操作中，rf信号从rf连接器120(如图1所示)通过馈线302输送到中心点303。引线315将rf信号输送到从天线100的中心点303径向定位的三个过孔130。位于堆叠结构110内部的过孔130的三个部分将rf波辐射到平行板波导131和132中。
81.图3b示出了图3a所示的中心端口305a的反射系数350(即，s
11
参数)。反射系数350是由中心端口305a对rf波的不同传输角度提供的：90度(线351)、45度(线352)和0度(线353)。对于rf波的这些辐射角度中的任何一个，反射系数351、352、353都是相似的。
82.图3c描绘了本发明的各种实施例提供的另一个中心端口305b。中心端口305b具有可操作地连接到一对肩部320的馈线302(例如，微带线，也可以称为馈电微带)。在所示实施例中，馈线302的特性阻抗是50欧姆。
83.每个肩部320包括第一肩部部分321、第二肩部部分322和第三肩部部分323，它们可操作地彼此连接，如图3c所示。在一些实施例中，第一肩部部分321的特性阻抗约为100欧姆，第二肩部部分322的特性阻抗约为70欧姆，第三肩部部分323的特性阻抗约为50欧姆。
84.两个子肩部324可操作地连接到每个第三肩部部分323。在一些实施例中，子肩部324的阻抗约为100欧姆。应当理解，肩部320和子肩部324可以由在不同部分具有不同宽度的微带线制成，如图3c所示。然后，所有四个子肩部324连接到位于天线100中心的中心微带325。因此，每个子肩部324在一端可操作地连接到一对肩部320中的一个，在另一端可操作地连接到中心微带325。在至少一个实施例中，对于每对相邻子肩部，两个相邻子肩部324在其各自连接点与中心微带325之间的距离近似相同。
85.中心微带325可操作地连接到一个中心过孔330，该中心过孔330是通孔。位于堆叠结构110内部的中心过孔330的部分用于将rf波辐射到平行板波导131、132中。虚线331示出了在金属板133、134的水平处围绕中心过孔330的金属环(盘)。位于图3c所示的虚线331与332之间的间隙将过孔330与金属板133、134分开。
86.在一些实施例中，中心微带325具有对称形状。例如，中心微带325可以具有圆形形状，例如环形形状或十字形状(如图3c所示)。中心微带325的对称形状使得可以在rf信号被输送到过孔330时均匀地供应和分配rf信号。子肩部可以用于相对于中心过孔对称地将rf
能量输送到中心微带。再次参考图1、图2a和图2b，使子肩部324彼此等距并围绕过孔330定位，有助于em波从过孔330均匀辐射到堆叠结构110的平行板波导131、132中。在一些实施例中，子肩部324可以以与中心过孔330相等的距离连接到中心微带325。中心微带325可以可操作地连接到中心微带325中间的中心过孔330。
87.如图3c所示，中心端口305b的配置可以在不同角度下提供相似的阻抗匹配特性。
88.图3d描绘了针对图3c所示的中心端口305b模拟的反射系数360(即，s
11
参数)。如图3d所示，在28ghz与29.5ghz之间的频率下，获得的中心端口305b的s
11
参数在约
–
17db与
–
13db之间。示出了来自中心端口105b的rf波辐射的三个不同转向角度θ的反射系数360：90度(线361)、45度(线362)和0度(线363)。对于rf波的这些辐射角度中的任何一个，反射系数361、362、363都是相似的。此外，如图3d所示，对于大约在27ghz与29.5ghz之间的频率，中心端口305b可以在不同角度下提供相似的阻抗匹配特性。
89.需要说明的是，在一些实施例中，中心端口305a、305b的所有元件都由微带制成，并位于堆叠结构110的表面之一上。
90.应当理解，虽然中心端口105、206可以彼此不同，但它们可以具有相似的配置。例如，中心端口305c(图3c)可以用作图1和图2中的中心端口105、206。
91.为了确定不同透射角度下的反射系数350、360，中心端口105、206、305a、305b的性能可以使用图3e所示的设置来评估。
92.图3e示出了根据本发明的各种实施例，用于评估中心端口305b性能的功率分配器结构370的顶视图。
93.功率分配器结构370包括平行板喇叭形波导结构373(本文也称为“喇叭形波导”)和金属壁372。金属壁372被设计成将中心端口305b生成的em波限制在喇叭形波导373内。如图3e所示，金属壁372部分地围绕中心端口305b。由中心端口305b的中心过孔330(图3c中所示)生成的em波向与输出微带377耦合的输出槽辐射。金属壁372可以被配置成具有喇叭形状，并且可以由过孔围栏制成。
94.仅考虑从第一控制层101到第一接地层103的截面，功率分配器结构370的横截面类似于天线100的一部分的横截面，如图2b所示，并将在此参考。槽376位于功率分配器结构370的外围的金属板133中。槽376用于从平行板波导131辐射能量并将该能量发射到输出微带377。例如，输出微带377的特性阻抗可以为50欧姆。可以由通孔制成的块378位于平行板波导结构370的外围，以便终止平行板波导131。槽376与块378之间的距离是引导波长的四分之一的倍数。
95.在至少一个实施例中，输出微带377可以连接到分析仪(未示出)，当em波从中心端口305c辐射时，该分析仪可以允许评估功率分配器结构370内部的em波的传输。中心端口的各种实施例可以使用图3e的设置来评估。
96.在至少一个实施例中，输出微带377可以延伸，从而穿过块378的行朝向功率分配器结构370。这类延伸的输出微带377可以可操作地连接到从中心端口径向分布的外围端口，并用于从功率分配器结构370外部接收em波，并从功率分配器结构370辐射em波。这类功率分配器结构370可用于评估中心端口(例如，中心端口305b)和外围端口的协同操作。
97.再次参考图1和图2a，第一控制层101具有垂直极化外围端口151的阵列，第二控制层202具有水平极化外围端口252的阵列。
98.图4a描绘了根据本发明技术的至少一个非限制性实施例，天线100的一部分的放大透视视图，示出了垂直极化外围端口151和水平极化外围端口252。图4b描绘了图4a的垂直极化外围端口151的顶视图。
99.垂直极化外围端口151被配置成包括改进的三维倒f形天线(inverted f antenna，ifa)452和作为导向器454操作的附加过孔。
100.改进的三维ifa 452被配置成具有：两个可操作地连接到接地层103的过孔块455；两条电感线457，每条电感线在一端可操作地连接到过孔块455，在另一端连接到由四个过孔430制成的单极子458。单极子430的四个过孔是通孔。单极子430的四个过孔通过单极子微带459彼此互连，形成单极子458，该单极子458以垂直极化方式从天线100接收em能量并向天线100辐射em能量。
101.附加通孔454位于距离改进的ifa单极子大约四分之一波长的距离处。附加通孔454有助于增加方向增益。
102.单极子微带459可操作地连接到传输微带405，该传输微带405将em波从平行板波导131耦合到垂直极化外围端口151，反之亦然。em波与平行板波导131的耦合通过位于板133中的过渡槽406和传输微带405的耦合垫407进行。
103.图4c描绘了根据本发明技术的至少一个非限制性实施例，天线100的一部分的放大底部透视图，示出了水平极化外围端口252。图4d描绘了根据本发明技术的至少一个非限制性实施例，天线100的一部分的放大底部视图，示出了水平极化外围端口252。
104.水平极化外围端口252包括偶极子462、块结构464和导向器结构466。偶极子462可以是印刷偶极子，并且可以部分位于图2b中描绘的水平极化表面202上，并部分位于堆叠结构110的金属板134上。因此，偶极子462的第一分支463a和第二分支463b可以位于不同的平面中。结合图2b和图4c，第一偶极子分支463a位于第二控制层202上，第二偶极子分支463b位于金属板134上。第二偶极子分支463b连接到电接地。导向器结构466用于增加em波的方向性。
105.垂直极化外围端口151和水平极化外围端口252并置，使得两种结构可以彼此互补。
106.参考图4a
‑
图4d，通孔的接地块464用于垂直极化外围端口151和水平极化外围端口252。垂直极化端口151的单极子458的过孔430也可以通过位于水平极化外围端口252的偶极子462前面的块线467的微带在水平极化表面202处彼此连接。
107.再次参考图4a
‑
图4d，偶极子462和单极子458并置并彼此交叉。在所示实施例中，可以实现并置，因为单极子458是通过放置四个过孔430来产生的，从而为偶极子462提供过孔430之间的空间。单极子458的四个过孔430允许将偶极子462定位在单极子458内部，以便偶极子462和单极子458彼此交叉。偶极子462与单极子458的并置和交叉增加了对称性，并减少了偶极子462与单极子458之间的耦合。
108.图5a和图5b分别描绘了根据本发明技术的至少一个非限制性实施例，垂直极化外围端口151和水平极化外围端口252的辐射方向图。
109.需要说明的是，在至少一个实施例中，天线100的过孔130、430是通孔，通孔通常比其它类型的过孔制造更便宜。
110.垂直极化外围端口151和水平极化外围端口252的数量可以根据堆叠结构110的半
径和相邻外围端口之间(在第一控制层101上的相邻垂直极化外围端口151之间或在第二控制层202上的相邻水平极化外围端口252之间)的距离确定。在一些实施例中，垂直极化外围端口151之间的距离大约是波长的一半。堆叠结构110的半径通过天线100的期望增益和方向性确定。
111.再次参考图1、图2a和图2b，两个fss 191、292分别位于第一控制层101和第二控制层202上。fss 191、292都与堆叠结构110集成，并包括多个fse 600，所述多个fse 600可操作地连接到堆叠结构110的通孔130。
112.fss 191、292不仅与堆叠结构110集成，它们还彼此集成，因为它们都可操作地连接到堆叠结构110的通孔130。
113.现在进一步详细描述fse 600的结构。
114.图6a
‑
图6c描绘了根据本发明的各种实施例，天线100的一部分中fse 600(600a、600b和600c)的各种配置的顶视图。图6d示出了根据本发明的各种实施例，天线100的fse 600和周围部分的侧面立视图。
115.fse 600可操作地连接到过孔630，并具有可切换元件620、径向短截线622和直流(direct current，dc)电路624。fse 600还具有短截线连接器629(在图6a
‑
图6c中分别为629a、629b、629c)，该短截线连接器可操作地将过孔630连接到可切换元件620。
116.径向短截线622示出为开端式径向短截线。径向短截线的长度确定为微带线引导波长(λ
g
)的1/4。径向短截线622可以实现为微带、基板集成式波导、带状线、共面波导等中的任一种。径向短截线622用于在径向短截线所接收的电流高于阈值时，在通过低频的同时扼流高频。开端式径向短截线622提供rf信号的接地，而不使dc信号接地。
117.可切换元件620可以是pin二极管，例如波束引线pin二极管。在至少一个另一实施例中，可切换元件620可以是微机电系统(microelectromechanical system，mems)元件。
118.fse 600的可切换元件620可操作地连接到径向短截线622和过孔630。可切换元件620还可以通过dc电路624和dc线670连接到控制器680。
119.例如，控制器680可以是dc电压控制器。dc电路624具有电阻器675，其可以实现对可切换元件620的电流的控制。电阻器675可以是毫米波薄膜电阻器或常规厚膜电阻器。
120.控制器680可以操作可切换元件620，并通过将可切换元件620切换到开启或关闭操作模式来控制可切换元件620的操作，其中，该可切换元件620用于致动提供给径向短截线622的电压/电流。
121.当可切换元件620处于开启操作模式时，可切换元件620充当电阻，相当于可切换元件620的串联电阻(例如，相当于pin二极管的串联电阻)。当可切换元件620处于关闭操作模式时，可切换元件620充当电容器。当可切换元件620处于关闭模式时，em波650继续其在第一平行板波导131或第二平行板波导132中的传播。
122.通过将连接器短截线629的长度增加或减少四分之一波长，可以反转fse的开启和关闭效应。即，当可切换元件620关闭时，fse 600不允许(例如，防止)em波650的传播。当可切换元件620开启时，fse 600允许em波650的传播。
123.再次参考图6d，堆叠结构110具有第一平行板波导131和第二平行板波导132、接地层103、204、第一控制层101和第二控制层202，以及第一金属板133和第二金属板134，如上文所述。
124.一个fse 600位于第一控制层101上，并连接到过孔630。另一个fse 600位于堆叠结构110的相对侧上，即在第二控制层202上。
125.过孔630电连接到接地层103，并穿过在第一控制层101中形成的孔，并穿过金属板133、134，通过第二控制层202中的另一个孔，以连接位于第二控制层202上的fse 600。
126.在水平极化表面202上，过孔630可操作地连接到另一个短截线连接器629，该短截线连接器629可操作地连接到另一个可切换元件620，而该可切换元件620可操作地连接到径向短截线622。可切换元件620还可以通过dc电路624连接到控制器680。
127.需要说明的是，第二控制层202上的fse 600可以类似于第一控制层101上的fse 600，具有相似的结构元件和参数。
128.每个fse 600，特别是每个可切换元件620可以通过单独的dc连接线670可操作地连接到dc控制器480。控制器680用于通过使可切换元件620中的每一个在开启和关闭操作模式之间切换来控制可切换元件620。
129.现在再次参考图1，fss 191、192的fse 600可以可操作地连接到一个或两个dc连接器181、182(在图1中示出)，然后，dc连接器181、182可操作地连接到dc控制器680(图1中未示出)。dc控制器680可以通过控制fse 600的操作，特别是控制fse 600的可切换元件的操作，分别控制垂直极化和水平极化的波束方向。需要说明的是，尽管每个可切换元件620通过dc线670连接到控制器680，但在图1和图2a中仅示出了几条dc线670以简化图形。
130.需要说明的是，两种偏振可以有一个dc控制器680，或者每种偏振可以有单独的dc控制器。还应理解，可以单独控制每个可切换元件620，因此可以单独控制每个fse 600。或者，可切换元件620可以如下所述分组。
131.fse 600用于在可切换元件620处于关闭操作模式时允许rf波的传播。当可切换元件620处于开启操作模式时，rf波由径向短截线622捕获，因此fse 600阻止rf波进一步向堆叠结构110的外围边缘104传播。
132.图6a
‑
图6c示出了fse 600的各种配置。特别地，短截线连接器629的不同配置可以在fse 600中使用。短截线连接器629可以具有圆形钩状形状，如图6b中所示。
133.图6c描绘了短截线连接器629c，其被配置成具有两个短截线支路628，这两个短截线支路628来自过孔630并通向可切换元件620。
134.为了确定fse 600的配置，可以使用图7a所示的矩形波导700获得fse 600的反射系数和透射系数的振幅。
135.图7a描绘了本发明的各种实施例提供的矩形波导700的顶视图，该矩形波导700具有用于确定图6a
‑
图6d的fse 600的参数的三个fse 600(600d、600e、600f)。三个fse 600可以由控制器(未示出)操作。在实现中，可以使用这种矩形波导700来评估fse 600的操作，并确定fse 600的短截线连接器629的最佳长度。
136.图7b描绘了根据本发明的至少一个实施例，当fse 600c处于关闭操作模式时，通过图6c中描绘的fse 600c的矩形波导700传播的rf波的透射系数750和反射系数751的振幅。
137.图7c描绘了根据本发明的至少一个实施例，当fse 600c处于开启操作模式时，通过图6c中描绘的fse 600c的矩形波导700传播的rf波的透射系数760和反射系数761的振幅。
138.需要说明的是，为了获得在大频率带宽上传输的平坦行为，如图7b所示，一个fse 600(例如，图7a中的fse 600e)通过具有较短的连接器支路628而具有较短的连接器短截线629。
139.参考图1和图6a
‑
图6c，连接器短截线629(例如，629c)可以在fss 151的一些fse 600中变得更短。在至少一个实施例中，一个fss行115可以具有含较长连接器短截线629的fse600，而同一fss的相邻行116具有与行115相比含较短连接器短截线629的fse 600。例如，一些fse行115可以具有一个长度的连接器短截线629，而其它相邻行116可以具有fse 600中更短(或更长)长度的连接器短截线629。例如，每第二fse行116可以具有含较短连接器短截线629的fse 600。fss 191的这种配置可以实现在天线100的宽频率带宽上的平滑传输特性。除了连接器短截线629的长度不同外，这些连接器短截线629还可以具有不同的微带线宽度。
140.图7d示出了根据本发明的至少一个实施例，矩形波导700与连接到rf连接器721的微带线之间的过渡710的放大顶视图。波导700可以由通孔围栏710限定。可以提供金属过孔块712，以便终止矩形波导并有效地捕获通过过渡710的em波。过渡710中的槽位于距离块712大约引导波长的四分之一处。
141.如本文所述的fss 191、292可以在关闭状态下表现出低插入损耗(即，<1.8db)，在开启状态下表现出高抑制(即，>14db至31db)。fss 191、292可以在宽频率范围内执行。虽然对于毫米波范围，所需的频率带宽在约27ghz与约29.5ghz之间，但fss 191、292可以在约25ghz与32ghz之间工作，如图7b所示。
142.再次参考图1和图2a，fse 600在堆叠结构110上径向定位，并布置成fse行115，其中，每个fse 600在距离中心端口105、206大约相等的距离处径向定位。
143.fse行115、116的最佳数量可以根据天线100的期望带宽确定，该带宽确定为近似恒定增益的频率范围。如果增加堆叠结构110的半径，则可能需要增加fse行115、116的数量。在一些实施例中，fse行115、116之间的距离117可以变化，并且可以朝中心端口105、206更短，朝外围端口151、252更长。
144.在一些实施例中，fse行115、116之间的距离117约为2*λ
g
，其中，λ
g
是平行板波导131和132内em波的波长。各fse行之间的这一距离可用于毫米波应用。
145.虽然各fss行之间可以具有四分之一波长距离117，但这种距离会导致大辐射波束宽度和低方位方向性。为了获得高方向性，同时使fse行115之间的距离117为四分之一波长，所需要的fse 600的数量将高到不可接受。
146.在操作中，天线100可以通过开启和关闭fse 600的开关元件620来操控。开关元件620由控制器680操作。em波650在开关元件620处于关闭操作模式时被发射，并在开关元件620处于开启操作模式时被反射。
147.图8示出了本发明的各种实施例提供的天线100的部分800。在一些实施例中，位于区域850内的fse 600可以同时操作，并由控制器680(图8中未示出)开启和关闭。根据本文所述的实施例，控制器680可以根据期望的增益、转向角度和期望的波束宽度等各种参数确定区域850的宽度。
148.位于区域850内部的fse 600的开关元件620关闭，而位于区域850外部的fse 600的开关元件620开启。em波在区域850内传播，并被区域850外部的fss吸收。
149.图9示出了本发明的至少一个实施例提供的天线100的另一部分900的俯视图，其中，几个fse被分组在单独的组910中，例如组912、914、916。例如，三个fse 951可以可操作地连接到通往单个dc控制器的同一dc电路。这些互连的fse 951可以具有相同的电压和/或电流供应到它们的开关元件。将几个fse分组在一个馈线包中可能有助于简化天线100的操作，并减少dc连接器181、182中的引脚数量。
150.图10示出了本发明的至少一个实施例提供的天线100的一部分1000中的波束操控。对于各种转向角度θ的波束操控区域1010由虚线限定。例如，在第一转向角度θ，位于由线1010限定的区域内的fse 600处于关闭操作模式。同时，所有其它fse 600(即在虚线1010限定的区域之外的fse 600)都处于开启操作模式。
151.为了操控天线100的波束，控制器可以确定需要开启或关闭多个fse 600中的哪个fse，以便获得期望的波束宽度和增益。然后，控制器可以关闭由虚线1012限定的区域中的fse 600。控制器开启在虚线1012限定的区域之外的其它fse 600。类似地，可以执行其它角度的波束操控。
152.通过选择性地开启第一多个fse和关闭第二多个fse，天线100可以配置不同的喇叭形波导以传播em波。因此，天线100提供可重新配置的波导，其宽度和方向可以通过fse 600，特别是通过可切换元件620修改。
153.天线100可以通过具有不同角度值的步长的不同转向角度θ来操控。
154.在至少一个实施例中，天线100可以通过关闭若干个fss区域同时向不同方向发射em波，从而成为多向天线。例如，位于由虚线1011和1015限定的区域中的fse可以同时关闭，从而同时提供向不同方向的传输(或同时从不同方向接收)。需要说明的是，为了简化附图，dc线没有在图8
‑
图10中示出。
155.图11a描绘了根据本发明的各种实施例，对于不同波束转向角度，天线100的辐射方向图。线1100、线1145和线1190分别描绘了转向0度、45度和90度的波束的辐射方向图。图11b描绘了对于波束转向角度0度(线1100)、
–
9度(线1109)和
–
22.5度(线1122)，天线100的其它辐射方向图。图11c描绘了对于波束转向角度0度(线1100)和
–
3度(线1103)，天线100的其它辐射方向图。需要说明的是，图11a
‑
图11c中描绘的所有辐射方向图都具有高增益。
156.天线100的fse 600的分组和选择性切换的各种组合可以以低至3度的波束转向步长来操控波束。
157.图12示出了根据本发明的各种实施例，操控由天线100发射的em波束的方法1200。在任务块1210中，控制器(例如，rf控制器，或与dc控制器结合的rf控制器)可以接收外部提供的转向角度和rf信号，以便由天线100发射。然后，控制器确定(1220)需要开启的fse和需要关闭的fse，以便以提供的转向角度发射rf信号。辐射的em波的偏振也可以由控制器在该任务块1210中确定。
158.然后，将dc信号施加(1230)到天线100的fse，使得一些fse开启，而另一些fse关闭，如控制器先前确定的。在将适当的dc信号施加到fse的同时，将rf信号施加到一个中心端口105或206。如上所述，发射的em波的偏振可以通过将rf信号提供给中心端口(即，提供给位于第一控制电路层101上或第二控制电路层202上的中心端口)来控制。
159.为了修改(1240)转向角度，控制器需要再次确定(1220)需要关闭的适当数量的fse以及这些fse的位置。其它fse可以由控制器开启。如上所述，辐射的em波的偏振可以通
过向一个或另一个中心端口105、206提供rf信号来控制。
160.当使用pcb实现时，天线100可以使用低成本多层pcb制造工艺集成在一个基板上，即堆叠结构110上。若干个多层pcb可以堆叠在一起。这有助于增加多样性和改善对波束仰角方向的控制。
161.图13描绘了本发明的各种实施例提供的堆叠天线1300。在堆叠天线1300中，若干个天线100堆叠在一起。特别是，当天线100的堆叠结构110由pcb制成时，可以构建堆叠天线1300。由于天线100的元件与堆叠结构110集成，这种天线1300可以保持紧凑。
162.保护层1370可以设置在堆叠天线1300的相邻天线100之间。保护层1370有助于减少相邻天线100的各fss(图12中未描绘)之间的能量耦合。保护层1370可以由金属材料(例如铝)制成。天线100的rf连接器可以可操作地连接到主控制器(未示出)，该主控制器用于操作天线100的中心端口(图12中未描绘)。天线100的dc连接器(图12中未示出)也可以连接到主控制器，该主控制器可以用于操作天线100的fss，特别是这些fss的可切换元件。
163.应当理解，所公开的天线的至少一些组件的操作和功能可以通过基于硬件、基于软件、基于固件的元件和/或其组合来实现。这类操作替代方案并不以任何方式限制本发明的范围。
164.还应理解，尽管本文中提出的发明概念和原理已经参考特定的特征、结构和实施例描述，但显而易见的是，可以在不脱离这些公开内容的情况下进行各种修改和组合。因此，说明书和附图仅被视为所附权利要求所定义的对发明概念和原理的说明，并且预期覆盖落入本发明的范围内的任何和所有修改、变化、组合或等同物。