平板低旁瓣二维可调的漏波平面阵列天线的制作方法

平板低旁瓣二维可调的漏波平面阵列天线
1.相关申请交叉引用
2.本技术要求于2019年3月15日提交的申请号为62/819,211、发明名称为“平板低旁瓣二维可调的漏波平面阵列天线(flat
‑
plate,low sidelobe,two
‑
dimensional,steerable leaky
‑
wave planar array antenna)”的美国临时申请的权益，要求于2019年3月11日提交的申请号为16815207、发明名称也为“平板低旁瓣二维可调的漏波平面阵列天线(flat
‑
plate,low sidelobe,two
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dimensional,steerable leaky
‑
wave planar array antenna)”的美国专利申请的权益，它们的内容通过引用结合在本技术中。
技术领域
3.本发明涉及阵列天线。更具体地，本发明涉及包括复合左右手(composite right
‑
left
‑
handed，crlh)超材料的阵列天线。


背景技术：

4.漏波天线包括一种沿导向结构长度提供低电平射频(radio frequency，rf)辐射的波导结构。漏波天线用于许多应用，包括无线通信(例如5g网络)、卫星通信、gps系统等。
5.为了确保rf辐射沿固定方向引导，典型的漏波天线要求在已知频率下，辐射场沿波导结构的传播常数保持稳定。因此，传统漏波天线通常具有均匀的孔径几何形状。这种配置导致馈点沿天线孔径的振幅发生自然的指数式衰变。
6.然而，这种不对称振幅削减通常会导致这些天线沿辐射方向图的旁瓣性能较差。此外，由于天线固有的正传播常数，所以典型的漏波天线可以进行角扫描，并且只能控制在大约一半的可用空间(例如，<90
°
)内扫描。
7.在解决有关漏波天线的旁瓣性能差、固定频率下缺乏波束可调性等一些所指出的问题时，已考虑将超材料(mtm)纳入天线结构的构造之中，以利用和控制某些有优势的电磁(electromagnetic，em)辐射特性。
8.mtm由不同于天然材料的人工结构组成，天然材料通常符合em辐射的右手传播。因此，mtm可以用于在左手模式和右手模式中的一个或两个模式下工作。这些mtm称为复合左右手(composite right
‑
left
‑
handed，crlh)mtm。crlh mtm可以使用传统的介电和导电材料进行设计，以产生定向可调的em辐射特性。


技术实现要素：

9.本发明的一个目的描述了一种平面阵列天线结构，其提供了小型化二维可调的高增益低旁瓣的辐射rf波束。所述平面阵列天线包括复合左右手(composite right
‑
and left
‑
handed，crlh)超材料天线阵列，用于辐射射频(radio
‑
frequency，rf)波束方向图。所述crlh超材料天线阵列包括多个成对的第一行和第二行天线振子单元。所述第一行和第二行天线振子单元中的一行天线振子单元可控制以左手辐射模式工作，所述第一行和第二行天线振子单元中的另一行天线振子单元可控制以右手辐射模式工作，所述多个成对的第一
行和第二行天线振子单元用于沿第一轴传播辐射方向图。所述天线振子单元分别包括具有可控介电值的液晶体和至少一个接地隔离片，其中，所述至少一个接地隔离片配置为虚拟接地线，以实现用于控制所述液晶体的所述介电值的电位差。
10.所述平面阵列天线还包括设置在中心位置上的多个rf输入端口以及双通道中心馈电网络结构，其中，所述双通道中心馈电网络结构通信地耦合到所述多个成对的第一行和第二行天线振子单元以及所述多个rf输入端口，以形成所述rf波束方向图。所述中心馈电网络结构包括复合左右手(composite right
‑
and left
‑
handed，crlh)超材料、具有可控介电值的液晶体和配置为虚拟接地线的至少一个接地隔离片；覆盖所述中心馈电网络结构顶侧的金属顶部外壳；其中，所述双通道中心馈电网络结构用于将反相信息按顺序提供给所述多个rf输入端口中的每个rf输入端口，使得所述第一行和第二行天线振子单元中的一行天线振子单元被控制以左手辐射模式工作，所述第一行和第二行天线振子单元中的另一行天线振子单元被控制以右手辐射模式工作。
11.根据本发明的其它方面，所述多个成对的第一行和第二行天线振子单元间隔工作波长的四分之一或二分之一的距离。
12.根据本发明的其它方面，所述多个rf输入端口中的每个rf输入端口用于通信地耦合到所述多个成对的第一行和第二行天线振子单元的相应部分。
13.根据本发明的其它方面，所述双通道中心馈电网络结构包括第一双通道中心馈电网络和第二双通道中心馈电网络，其中，所述第一和第二双通道中心馈电网络的每个通道通信地耦合到所述多个rf输入端口中的一个rf输入端口。
14.根据本发明的其它方面，所述第一和第二双通道中心馈电网络的每个通道用于将交替的反相信息按顺序提供给所述多个耦合的rf输入端口中的每个rf输入端口。
15.根据本发明的其它方面，所述双通道中心馈电网络结构用于将预定的控制电压施加到所述第一行和第二行天线振子单元上，以控制所述形成的rf波束方向图的方向。
16.根据本发明的其它方面，所述双通道中心馈电网络结构将低电平控制电压施加到以所述右手辐射模式工作的各行天线振子单元上，以沿方向角控制所述形成的rf波束方向图。
17.根据本发明的其它方面，所述双通道中心馈电网络结构将高电平控制电压施加到以所述左手辐射模式工作的各行天线振子单元上，以沿方向角控制所述形成的rf波束方向图。
18.根据本发明的其它方面，提供了一种无线通信设备。所述无线通信设备包括用于接收和发送无线信号的天线，所述天线包括复合左右手(composite right
‑
and left
‑
handed，crlh)超材料天线阵列，用于辐射射频(radio
‑
frequency，rf)波束方向图。所述crlh超材料天线阵列包括多个成对的第一行和第二行天线振子单元。所述第一行和第二行天线振子单元中的一行天线振子单元可控制以左手辐射模式工作，所述第一行和第二行天线振子单元中的另一行天线振子单元可控制以右手辐射模式工作，所述多个成对的第一行和第二行天线振子单元用于沿第一轴传播辐射方向图，所述天线振子单元分别包括具有可控介电值的液晶体和至少一个接地隔离片，其中，所述至少一个接地隔离片配置为虚拟接地线，以实现用于控制所述液晶体的所述介电值的电位差。
19.所述无线通信设备还包括设置在集中位置的多个rf输入端口以及双通道中心馈
电网络结构，其中，所述双通道中心馈电网络结构通信地耦合到所述多个成对的第一行和第二行单元单元以及所述多个rf输入端口，以形成所述rf波束方向图。所述中心馈电网络结构包括复合左右手(composite right
‑
and left
‑
handed，crlh)超材料、具有可控介电值的液晶体和配置为虚拟接地线的至少一个接地隔离片；覆盖所述中心馈电网络结构顶侧的金属顶部外壳；其中，所述双通道中心馈电网络结构用于将反相信息按顺序提供给所述多个rf输入端口中的每个rf输入端口，使得所述第一行和第二行天线振子单元中的一行天线振子单元被控制以左手辐射模式工作，所述第一行和第二行天线振子单元中的另一行天线振子单元被控制以右手辐射模式工作。
20.需要注意的是，本文描述的方向性参考标记，例如“前面”、“后面”、“上”、“下”、“水平”、“顶部”、“底部”，“侧”等纯粹是为了方便描述而使用，而不限制本发明的范围。此外，本文提供的任何维度仅仅通过举例呈现，除非另有说明，否则不限制本发明的范围。另外，几何术语，例如“直”、“平”、“弯曲”、“点”等并不旨在将本发明限制到任何特定几何精度，而是应该在本发明的上下文中理解，同时考虑正常的制造公差以及本领域技术人员理解的功能要求。
附图说明
21.现在通过举例参考示出本技术实施例的附图。
22.图1示出了根据本发明实施例的示例性平面阵列天线的顶视图。
23.图2示出了根据本发明实施例的包括超材料阵列的多个顺序天线振子单元。
24.图3示出了根据本发明实施例的天线振子单元结构的俯视图。
25.图4示出了根据本发明实施例的天线振子单元结构的截面侧视图。
26.图5示出了根据本发明实施例的复合左右手(composite right
‑
left
‑
handed，crlh)超材料(mtm)阵列天线振子单元的一个示例的等效电路表示法。
27.图6示出了根据本发明实施例的代表性双通道中心馈电网络到平面阵列天线中的rf馈电输入的连接。
28.图7示出了根据本发明实施例的代表性双通道中心馈电网络的结构顶视图。
29.图8示出了根据本发明实施例的代表性双通道中心馈电网络的结构截面侧视图。
30.图9示出了根据本发明实施例的将dc控制电压施加到平面阵列天线上，以对辐射rf波束进行转向控制。
31.图10示出了根据本发明实施例的用于辐射rf波束的转向控制的dc控制电压的特性。
32.图11为根据本发明实施例的示例性无线通信设备的示意图，本文所述的平面阵列天线的示例可以在该无线通信设备中使用。
33.不同附图中可以使用类似的附图标记来表示类似的组件。
具体实施方式
34.如下详述，根据各种实施例，所公开的平面阵列天线包括多个双向一维的复合左右手(composite right
‑
left
‑
handed，crlh)超材料(mtm)漏波元阵列(crlh lwa)。所述多个crlh lwa分别包括能够在正负波传播方向上辐射的多个成对的第一行和第二行天线振
子单元。
35.crlh lwa包括以对接地共面波导(grounded coplanar waveguide，gcpw)的修改为基础的液晶(liquid crystal，lc)加载传输线结构，其在至少一个表面上有一薄层额外的基板材料。大量lc使用lwa的第一基板和第二基板封装。crlh lwa中的lc可以在多个rf频率上或以固定rf频率，在包括侧射角(即零度)的全角范围内进行波束扫描，以生成在一维中具有相对较低旁瓣和相对较高增益的可调波束。
36.平面阵列天线还包括一个双通道左右手中心馈电网络和四个位于阵列中心并耦合到中心馈电网络的rf输入端口。双通道中心馈电网络可以用于将反相信息提供给四个rf输入端口，以实现二维低旁瓣高增益可调的辐射rf波束。
37.参考附图，图1示出了根据本发明所提供的实施例的平面阵列天线100。如图所示，平面阵列天线100至少包括第一基板104和第二基板105，其中，第一基板104实现为下部(底部)基板，第二基板105实现为顶部基板。第一(底部)基板104可以包括印刷在其上的导电材料，该导电材料用作接地层并包括将第一基板104的表面与其它表面电隔离的介电材料。在无线设备中，第一(底部)基板104的表面可以是包括在多层结构中的一层，例如，印刷电路板(printed circuit board，pcb)或应用板的一部分。
38.平面阵列天线100包括设置在第一基板104和第二基板105之间的多个成对行的crlh lwa元阵列102a、102b。crlh lwa 102a、102b包括多个顺序的天线振子单元110(参见图2)。每个天线振子单元110包括具有可控介电值的液晶体(liquid crystal，lc)124以及一个或多个电接地隔离片。接地隔离片配置为能够在大量lc 124中生成电位差的一个或多个虚拟接地线。
39.具体地，图2示出了一行天线振子单元110的代表性片段。每行由一个或多个lc加载crlh天线振子单元110组成，这些天线振子单元重复以形成mtm传输线结构。图3和图4示出了示例性天线振子单元110。图3为天线振子单元110的俯视图，图4为天线振子单元110的截面侧视图。天线振子单元110包括第一基板104的一部分和第二基板105的一部分。在一些实施例中，第一基板104和第二基板105由pcb或应用板的一部分提供。在一些实施例中，第一基板104和第二基板105是双面pcb。
40.液晶体(liquid crystal，lc)124嵌入在第一基板104和第二基板105之间。在一些实施例中，lc嵌入腔体中，该腔体限定在基板104和基板105之间的空间内。因此，lc 124封装在第一基板104和第二基板105之间。将lc 124封装在crlh lwa 102的天线振子单元110内可以实现正负电子波束扫描，包括侧射角(例如0
°
)扫描。然后，天线振子单元110中的其它组件可以粘合在一起并放置在第一基板104和第二基板105内。因此，天线振子单元110可以更容易地使用可扩展工艺制造，例如，不需要手动构造。
41.在涉及非均匀漏波天线等的一些实施例中，crlh lwa 102中的天线振子单元110分别可以具有相同的几何形状和配置。然而，在涉及非均匀漏波天线等的至少其它实施例中，crlh lwa 102中的一个或多个单元110可以具有不同的几何形状和包括不同电容器、电感器和/或虚拟接地位置的配置。在一些实施例中，组成crlh lwa 102的成对的第一行和第二行天线振子单元的长度基本上相等。
42.天线振子单元110中的第一基板104和第二基板105的朝向相反并存在间隔，并且可以相互对齐以形成包括大量lc 124的区域。在一个示例性实施例中，第一基板104、第二
structure simulator，hfss)等模拟软件(例如，使用迭代计算)来选择，以产生期望的右手和左手电容和电感(c
l
、c
r
、l
l
、l
r
)。在示例性模拟中，天线振子单元的过渡频率可以根据以下示例性公式计算：
50.其中，
51.此外，在平面阵列天线100以平衡模式工作的示例性模拟中(即，当串联谐振频率ω
se
近似等于并联谐振频率ω
sh
时)，串联谐振频率和并联谐振频率可以分别计算如下：
52.串联谐振频率
53.并联谐振频率
54.上述参数是可变的，取决于嵌入在第一基板104和第二基板105之间的lc 124的结构几何形状和有效介电常数(e
r
)，该常数可以如本文所述调整。应当理解，在一般情况下，任何合适的电容器和电感器配置都可以用作天线振子单元110的一部分。
55.当平面阵列天线100在工作时，lc 124可以进行控制，使得当有效介电常数被设置为最小值(例如2.5)时，天线100实现最大扫描角。天线100可以进行控制，使得当介电常数增大(例如，从2.5增大到3.3)时，辐射波束从初始角度通过侧射角(即0
°
)缓慢扫描到对顶角空间。
56.如上所述，天线振子单元110分别配置为具有沿第一基板104的第一轴(例如，纵轴或横轴)的rf传播方向，这些天线振子单元成对且首尾相连，使得它们根据平面阵列天线100的工作波长λ
op
沿第一基板104的第一轴间隔距离106。在一些实施例中，距离106可以设置为接近于λ
op
/4或λ
op
/2。
57.在各种实施例中，通过将合适相位信息馈送给成对的各行crlh lwa 102a、102b，这些crlh lwa分别用于在相反的传播方向上工作。也就是说，通过将反相信息提供给每行天线振子单元110，这些天线振子单元可以相位控制，使得成对天线振子单元中的一行天线振子单元基本上以左手模式工作，而另一行天线振子单元基本上以右手模式工作。这种反相方法能够使得波束具有二维高增益低旁瓣的辐射方向图。
58.关于波束形成，图6示出了根据本发明实施例的代表性双通道中心馈电网络108到平面阵列天线100中的rf馈电输入端口112a至112d的连接。如图所示，平面阵列天线100包括第一双通道左右手(right
‑
left
‑
handed，rlh)中心馈电网络108a和第二双通道rlh中心馈电网络108b。天线100还包括四个rf馈电输入端口112a至112d，这些端口设置在阵列天线100的中心并分别耦合到中心馈电网络108a、108b。双通道中心馈电网络108a、108b用于将合适的相控rf信号信息提供给rf馈电输入端口112a至112d，以实现二维高增益低旁瓣的辐射rf波束。
59.图7和图8分别为根据本发明实施例的双通道rlh中心馈电网络108a/108b的结构顶视图和截面侧视图。如图所示，双通道rlh中心馈电网络108a、108b的结构包括液晶加载crlh超材料结构，类似于漏波crlh mtm阵列102a、102b的结构。也就是说，网络108a、108b分别包括由pcb或应用板的一部分提供的第一基板204和第二基板205以及嵌入在第一基板204和第二基板205之间的腔体中的大量lc 224。网络108a、108b还包括印刷液晶加载crlh组件214、216和配置为虚拟接地218的隔离片，这些虚拟接地设置在第一基板204的顶面上。
60.然而，与crlh mtm阵列102a、102b相比，rlh中心馈电网络108a、108b不希望表现出沿传输介质的任何辐射。因此，额外的金属顶部外壳或盖240放置在网络108a、108b的顶面上，以防止任何不希望的辐射。在这种情况下，crlh传输特性可以进行调整以沿网络108a、108b的传播方向提供所需的渐进相位。
61.回到图6，双通道rlh馈电网络108a、108b分别耦合到与不同行的crlh mtm阵列102a、102b相关联的rf馈电输入端口112a至112d。在所示的实施例中，rlh馈电网络108a、108b中的一个网络的一个通道耦合到rf馈电输入端口112a至112d中的一个rf馈电输入端口。这种配置使得rlh馈电网络108a、108b能够以顺序旋转的方式将反相信息(例如0
°
、180
°
、0
°
、180
°
)提供给rf馈电输入端口112a至112d中的每个rf馈电输入端口。在这种反相馈送方法中，crlh mtm阵列102a、102b的一面会以右手传输模式工作，而crlh mtm阵列102a、102b的另一面会以左手传输模式工作。
62.通过将反相信息馈送给rf馈送输入端口112a至112d，crlh lwa 102a、102b能够高效地在四个单独的朝向(即，右
‑
右、右
‑
左、左
‑
左、左
‑
右)进行辐射，导致辐射场在从中心馈点的所有方向上都具有自然的指数式衰变。通过这样做，可以在所有方向上实现二维高增益低旁瓣的rf波束方向图。
63.在各种实施例中，由crlh lwa 102a、102b产生的高增益低旁瓣的辐射rf波束的方向控制可以通过使用适当的dc控制电压来引导和控制。如上所述，天线振子单元110(组成crlh lwa阵列102a、102b)的虚拟接地118和gcpw结构可以将dc电压引入到大量lc 124中，以实现波束控制操作。因此，辐射rf波束的角方向可以通过施加耦合到crlh lwa阵列102a、102b的虚拟接地118的四个dc控制电压来引导和控制。
64.图9示出了根据本发明实施例的将dc控制电压施加到平面阵列天线100的元件上，以对辐射rf波束进行转向控制。如图所示，dc控制电压成对工作：(a)vdc 1a、1b施加到crlh mtm阵列102a、102b中的虚拟接地118；(b)vdc 2a、2b施加到双通道rlh馈电网络108a、108b中的虚拟接地。
65.图10示出了根据本发明实施例的用于平面阵列天线100的rf波束控制的代表性dc控制电压特性。在所公开的实施例中，用于左手和右手crlh mtm阵列102b的dc控制电压串联施加。例如，在低波束角度下，右手crlh mtm阵列102b以低dc控制电压(例如，vdc 1a＝v
min
)工作，使得这些阵列的lc指向矢垂直于辐射场的预期偏振。换句话说，lc的有效电容率ε
reff
近似于右手crlh mtm阵列102b的低波束角下的lc的垂直电容率ε
t
。
66.同时，左手crlh mtm阵列102a以高dc控制电压(例如，vdc 1b＝v
max
)工作，使得这些阵列的lc指向矢平行于辐射场的期望偏振，即，lc的有效电容率ε
reff
近似于lc的平行电容率ε
//
，反之亦然。类似地，dc控制电压vdc 2a、2b以用于垂直方向上的波束控制的相同方式工作。
67.应当理解，本文所公开的平面阵列天线100的实施例提供了与传统漏波天线阵列结构相比的许多优点。例如，传统全相控阵列天线通常需要多个(在某些情况下，数百和数千个)独立的rf端口、单独的基带馈电控件和dc控制线连接，以实现全二维rf波束功能。
68.相比之下，目前公开的crlh mtm阵列102a、102b和双通道rlh馈电网络108a、108b的结构实施例用于通过只使用四条独立的dc控制线和四个rf端口来实现二维可调的高增益低旁瓣的辐射rf波束。
69.同样需要说明的是，所公开的平面阵列天线100的结构实施例在高度上非常小型，因为crlh mtm阵列102a、102b和双通道rlh馈电网络108a、108b都由紧凑型的小型化电路(例如，厚度约为毫米级)组成。通过这样做，平面阵列天线100可以在各种设备中实现，各种设备可以是无线通信网络中的移动通信设备、卫星通信设备、无线路由器、基站、接入点、客户端终端以及其它无线和电信设备和应用，等等。这些设备可以在固定或移动环境中使用，并可以实现用于5g通信网络或其它无线通信网络内的通信。
70.图11为根据本发明实施例的示例性无线通信设备300的示意图，本文所述的平面阵列天线100的示例可以在无线通信设备300中使用。例如，无线通信设备300可以是无线通信网络中的基站、接入点或客户端终端。无线通信设备300可以用于5g通信网络或其它无线通信网络内的通信。虽然图11示出了每个组件的单个实例，但是无线通信设备300中可能存在每个组件的多个实例。无线通信设备300可以使用并行架构和/或分布式架构来实现。
71.无线通信设备300可以包括一个或多个处理设备302，例如，处理器、微处理器、专用集成电路(application
‑
specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field
‑
programmable gate array，fpga)、专用逻辑电路或其组合。无线通信设备300还可以包括一个或多个可选的输入/输出(input/output，i/o)接口304，它们能够与一个或多个可选的输入设备318和/或输出设备314连接。无线通信设备300可以包括一个或多个网络接口306，以便与网络(例如，内网、互联网、p2p网络、wan和/或lan，和/或无线接入网(radio access network，ran))或其它节点进行有线或无线通信。一个或多个网络接口306可以包括连接到有线网络和无线网络的一个或多个接口。有线网络可以使用有线链路(例如，以太网线)。一个或多个网络接口306可以通过平面阵列天线100的示例提供无线通信(例如，全双工通信)。无线通信设备300还可以包括一个或多个存储单元308，它们可以包括固态硬盘、硬盘驱动器、磁盘驱动器和/或光盘驱动器等大容量存储单元。
72.无线通信设备300可以包括一个或多个内存310，这些内存可以包括物理内存312，物理内存312可以包括易失性或非易失性内存(例如，闪存、随机存取存储器(random access memory，ram)和/或只读存储器(read
‑
only memory，rom))。一个或多个非瞬时性内存310(以及存储器308)可以存储供处理设备302执行的指令。一个或多个内存310可以包括用于实现操作系统(operating system，os)等的其它软件指令，以及其它应用/功能。在一些示例中，一个或多个数据集和/或模块可以由外存(例如，与无线通信设备300进行有线或无线通信的外部驱动器)提供，也可以由瞬时性或非瞬时性计算机可读介质提供。非瞬时性计算机可读介质的示例包括ram、rom、可擦除可编程rom(erasable programmable rom，eprom)、电可擦除可编程rom(electrically erasable programmable rom，eeprom)、闪存、cd
‑
rom或其它便携式存储器。
73.可以存在总线316在无线通信设备300的组件之间提供通信。总线316可以是任何合适的总线架构，包括内存总线、外围总线或视频总线等。可选的一个或多个输入设备318(例如，键盘、鼠标、麦克风、触摸屏和/或键盘)和可选的一个或多个输出设备314(例如，显示器、扬声器和/或打印机)显示为在无线通信设备300的外部，并连接到可选的i/o接口304。在其它示例中，一个或多个输入设备1035和/或一个或多个输出设备314中的一个或多个设备可以包括为无线通信设备300的一个组件。
74.一个或多个处理设备302可以用于控制与平面阵列天线100之间的发送/接收信号
的通信。一个或多个处理设备302可以用于控制平面阵列天线100进行的波束转向，例如，通过控制施加到天线振子单元中的隔离接地上的电压，以调整封装的液晶。一个或多个处理设备302还可以用于控制相位可变透镜的相位，以便在2d平面上控制天线波束。
75.本技术提供的发明性描述可以在不脱离权利要求书的主题的情况下以其它具体形式体现。所述实施例在所有方面均被视为仅是说明性的而非限制性的。本领域技术人员在参考该描述后，将会明白说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其它实施例。可以对上述一个或多个实施例中的选定特征进行组合，以创建未明确描述的替代实施例，适合此类组合的特征均理解为落入本发明的范围内。
76.还应当理解，虽然本文中提出的发明性原理已经参考特定的特征、结构和实施例描述，但很明显，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书限定的对本发明的说明，并且预期覆盖落入本发明的范围内的任何和所有修改、变体、组合或等效物。