一种双极化基板集成式360的制作方法

一种双极化基板集成式360
°
波束转向天线
1.相关申请交叉引用
2.本技术要求于2020年12月22日提交的申请号为17/130,364、申请名称为“双极化基板集成式360
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波束转向天线(dual-polarized substrate-integrated 360
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beam steering antenna)”的美国专利申请的优先权的权益，其全部内容通过引用结合在本技术中。
技术领域
3.本发明大体上涉及无线通信领域，尤其涉及用于在不同方向上发送和接收无线信号的天线系统。


背景技术：

4.在无线通信应用中，寻求具有宽转向角和高方向性的天线系统。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送和接收射频(radio-frequency，rf)波的双极化基板集成式360
°
波束转向天线。所述天线用于在不同方向上发送和接收无线信号。
6.根据此目的，本发明一方面提供了一种用于发送射频(rf)波的天线，所述天线包括堆叠结构。所述堆叠结构包括第一控制层；第二控制层，与所述第一控制层大致平行；第一平行板波导和第二平行板波导，位于所述第一控制层和所述第二控制层之间，其中，所述第一平行板波导和所述第二平行板波导大致相互平行，并与所述第一控制层和所述第二控制层大致平行。所述结构还包括多个通孔，可操作地将第一控制层和第二控制层连接到中心rf层和直流(direct current，dc)接地平面；一个或多个穿过堆叠结构的中空部分；以及rf连接器，靠近中空部分，用于将rf信号发送到位于所述第一控制层的第一中心端口和位于所述第二控制层的第二中心端口。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。所述结构还包括垂直极化外围端口，与所述第一控制层集成并用于将所述rf波以垂直极化的方式从所述第一平行板波导进行辐射；以及水平极化外围端口，与所述第二控制层集成并用于将所述rf波以水平极化的方式从所述第二平行板波导进行辐射，其中，每个所述垂直极化外围端口与一个所述水平极化外围端口并置，以实现其交叉设置；在堆叠结构平面上，rf波辐射束可以围绕第一中心端口和第二中心端口在0
°‑
360
°
之间转向。
7.所述天线的堆叠结构近似为圆形。
8.所述天线的堆叠结构近似为椭圆形。
9.在所述天线的上述任一方面中，所述天线还包括一对具有频率选择元件的频率选择结构，其中，每个频率选择结构部分位于相应的第一控制层或第二控制层之上，且每个频
率选择元件用于：当频率选择元件处于一个操作模式时，允许所述rf波在所述第一平行板波导或所述第二平行板波导中进行传播，以及当所述频率选择元件处于另一操作模式时，禁止所述rf波在所述第一平行板波导或所述第二平行板波导中进行传播。
10.在所述天线的上述任一方面中，所述天线还包括一对具有弯曲线的折线结构，其中，每个折线结构部分位于对应的第一控制层或第二控制层之上。每条弯曲线用于绕过所述堆叠结构的所述一个或多个中空部分。位于所述第一控制层的每条弯曲线用于将所述第一平行板波导耦合到一个或多个垂直极化外围端口，位于所述第二控制层的每条弯曲线用于将所述第二平行板波导耦合到一个或多个水平极化外围端口。
11.在所述天线的上述任一方面中，每个折线结构中的所有弯曲线的电气长度近似相等。
12.在所述天线的上述任一方面中，每个频率选择元件可以包括：径向短截线，用于在通过低频率时扼制高频率；以及可切换元件，通过所述多个通孔中的一个或两个可操作地连接到所述径向短截线和所述第一平行板波导或所述第二平行板波导，其中，所述可切换元件可选择性地控制所述频率选择元件的工作模式。
13.在上述任一方面中，所述天线可以用于选择性地在所述频率选择元件的一个操作模式和另一个操作模式之间进行切换，以及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，使所述rf波辐射波束转向。
14.在所述天线的上述任一方面中，所述一对频率选择结构的至少一个频率选择结构的频率选择元件可以成行设置，每行中的每个频率选择元件与所述中心端口之间的距离近似相等，所述中心端口与所述一对频率选择结构的至少一个频率选择结构位于同一平面。
15.在所述天线的上述任一方面中，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或两个通孔，且至少某些频率选择元件的连接器短截线短于所述其他频率选择元件的连接器短截线。
16.在所述天线的上述任一方面中，所述一对频率选择结构的至少一个频率选择结构的频率选择元件可以围绕所述中心端口大致同心地设置成三排，其中，所述中心端口与所述一对频率选择结构的至少一个频率选择结构位于同一平面。
17.在所述天线的上述任一方面中，所述一对频率选择结构中的至少一个频率选择结构的频率选择元件围绕中心端口可以大致同心地设置成至少两排，其中，所述中心端口与所述一对频率选择结构中的至少一个频率选择结构位于同一平面；在所述至少两行中的至少一行中的每个可切换元件还可以包括连接器短截线，其中，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；在所述至少两行中的至少另一行中的每个可切换元件还可以包括连接器短截线，其中，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两个通孔。
18.在所述天线的上述任一方面中，将所述频率选择元件中的至少两个频率选择元件可操作地同时连接到一个dc电路，并且被同时操作。
19.在所述天线的上述任一方面中，所述天线是多个天线中的一个天线；所述多个天线中的每一个天线的频率选择元件用于选择性地开启和关闭，使得多个天线中的每一个天线的频率选择元件可以与多个天线中的其他天线的频率选择元件同步或异步操作。
20.在所述天线的上述任一方面中，多个天线中的一个天线还用于通过选择性地开启
所述天线的多个第一频率选择元件和关闭所述天线的多个第二频率选择元件，使所述rf波辐射波束转向。
21.在所述天线的上述任一方面中，保护层可以位于相邻天线之间。
22.在所述天线的上述任一方面中，rf功率分配器用于插入所述一个中空部分或所述多个中空部分，并与所述多个天线中的每一个天线的rf连接器电连接和机械连接。
23.本发明的另一方面提供了一种用于发送射频(rf)波的天线，所述天线包括堆叠结构。所述堆叠结构包括第一控制层；第二控制层，与所述第一控制层大致平行；第一平行板波导和第二平行板波导，位于所述第一控制层和所述第二控制层之间，其中，所述第一平行板波导和所述第二平行板波导大致相互平行，并与所述第一控制层和所述第二控制层大致平行；多个通孔，可操作地将第一控制层和第二控制层连接到中心rf层和直流(dc)接地平面；以及rf连接器，用于将rf信号发送到位于所述第一控制层的第一中心端口和位于所述第二控制层的第二中心端口。其中，所述第一中心端口可以用于将所述rf波辐射到所述第一平行板波导中，所述第二中心端口可以用于将所述rf波辐射到所述第二平行板波导中。所述结构还可以包括：垂直极化外围端口，与所述第一控制层集成并用于将所述rf波以垂直极化的方式从所述第一平行板波导进行辐射，以及水平极化外围端口，与所述第二控制层集成并用于将所述rf波以水平极化的方式从所述第二平行板波导进行辐射，其中，每个所述垂直极化外围端口与一个所述水平极化外围端口并置，以实现其交叉设置。天线还可以包括一对具有弯曲线的折线结构，其中，每个折线结构部分位于对应的第一控制层或第二控制层之上。位于所述第一控制层的每条弯曲线可以用于将所述第一平行板波导耦合到一个或多个垂直极化外围端口。位于所述第二控制层的每条弯曲线可以用于将所述第二平行板波导耦合到一个或多个水平极化外围端口。
24.在所述天线的上述方面中，每条弯曲线可以由宽度可优化的微带线制成，以确保所述天线的阻抗匹配，包括所述第一平行板波导或所述第二平行板波导过渡到所述弯曲线。
25.在所述天线的上述任一方面中，所有弯曲线的电气长度相等。
附图说明
26.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：
27.图1a示出了本技术实施例提供的波束转向天线的顶部透视图；
28.图1b提供了图1a的顶部透视图的中心的放大视图；
29.图2a示出了图1a中天线的下侧透视图；
30.图2b示出了本技术实施例提供的图1a中天线的堆叠结构的局部截面放大图；
31.图3a示出了图1a中天线的总增益；
32.图3b示出了图1a中天线的反射系数(即，s11参数)；
33.图3c示出了图1a中天线的辐射方向图；
34.图4为本技术实施例提供的弯曲线的放大俯视图；
35.图5a示出了图4中弯曲线的s参数；
36.图5b示出了图4中弯曲线之间的隔离度；
37.图5c示出了图4中弯曲线的相位和相位差；
38.图6a示出了本技术实施例提供的图1a中天线的一部分频率选择元件(frequency selective element，fse)的俯视图；
39.图6b示出了本技术实施例提供的图1a中fse和天线周围部分的立视图式侧视图；
40.图7示出了本技术实施例提供的图1a中天线发送的电磁波束的控制方法；
41.图8示出了本技术实施例提供堆叠天线；
42.图9描绘了射频功率分配器及其穿过堆叠天线的中空部分。
43.应当理解，在所有附图和对应的描述中，相同的特征由相同的附图标记标识。此外，还应当理解，附图和以下的描述仅用于说明目的，并且这些公开内容并不旨在限制权利要求书的范围。
具体实施方式
44.本发明旨在解决当前相控阵天线实现方式的缺陷。本发明描述了一种360
°
波束转向天线(在本文也可称为“天线”)，包括两个平行板波导和集成频率选择结构(frequency selective structure，fss)。所述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
–
16db)和低变化(约为10％)。
45.本文描述的技术可以通过不同的电子设备(electronic device，ed)包括基站(base station，bs)、用户设备(user equipment，ue)等实施。
46.应当理解，由本发明的天线发送或接收的电磁波应在射频(rf)的频率范围之内(rf波)。在一些实施例中，rf波可以在毫米波的频率范围之内及以下(例如，工作频率大约为10ghz-300ghz)。在其他实施例中，rf波可以在微波的频率范围之内(例如，大约1ghz-10ghz)。
47.在本文中，所述天线结构可以在毫米波的频率范围及以下(即，大约10ghz-300ghz)工作。应当理解，所述天线结构也可在其他rf的频率范围内工作。此外，在各种实施例中，本文所述的天线结构可以由多层印刷电路板(multilayer printed circuit board，pcb)的适当特征构成。所述天线结构的特征可以通过蚀刻导电层、制造过孔以及其他此类传统pcb制造技术来形成。此类传统pcb可在包含在电子设备中，如bs和ue。在pcb领域已知的成熟制造技术可用于批量生产，且成本低廉。
48.如本文所使用，术语“大约”或“大致”是指相对于标称值的 /-10％变化。应当理解，无论是否具体提及，本文提供的给定值总是包括这种变化。
49.如本文所使用，术语“波导波长”是指rf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，如本文所使用，术语“过孔”是指为电子电路的物理层之间提供的电连接的电气连接。
50.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。
51.根据本发明的预想实施例，如本文所使用，所述天线结构用于通过驱动与两个平行板波导集成的多个频率选择元件(fse)来控制rf波束的发送角和接收角。具体地，所述天线结构用于基于多个第一fse切换至“开启”状态，并基于多个第二fse切换至“关闭”状态。
52.与传统的平面相控阵天线相比，在本发明实施例中，所述天线结构可以提供任意的或所有更广的转向角度范围(例如，至少180
°
和最高360
°
)；同时，损耗更低，功耗也更低。
此外，在本发明中，所述天线结构可以与堆叠结构的衬底集成，堆叠结构的衬底能够以垂直极化和水平极化的方式辐射和接收多个rf波。此外，与传统的平面相控阵天线相比，通过可切换元件而非移相器来控制波束的角度，并且使用多层pcb工艺来制造天线，因此，本发明的天线结构的制造成本较低。
53.参见附图，图1a示出了本技术实施例提供的天线100的顶部透视图，图2a示出了本技术实施例提供的图1a中天线100的下侧(即，底部)透视图。
54.如图所示，天线100包括具有两个控制层的堆叠结构110：第一控制层101(在本文也可称为“第一控制电路层”)和第二控制层202(在本文也可称为“第二控制电路层”)。天线100还包括设置在顶部的中心端口105、设置在下侧的中心端口206和两个fss 191、292。
55.如图1a和图2a所示，堆叠结构110近似为具有周向边缘104的圆形。考虑到堆叠结构110可以为其他形状，可从这些形状适当地辐射rf波，其中，在堆叠结构平面内，可在0
°–
360
°
的角度范围内对波束进行转向。例如，形状包括但不限于近似椭圆形。所公开的天线100的形状是有效配置的示例性结构，并不用于限制本发明，可以根据迄今公开的发明概念应用使用天线的其他形状。
56.如图1a和图2a所示，堆叠结构110还包括一个或几个中空部分121和一个或几个通孔122。当堆叠结构110堆叠(如图8所示)且与通孔对齐时，可以分别为rf连接器120和dc连接器181供电，并机械地保持(固定和/或定位)堆叠结构110。
57.天线100的第一控制层101包括垂直极化外围端口151，用于以垂直极化的方式接收和发送rf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，并且是具有垂直极化功能的辐射元件，如图1a所示，所述辐射元件位于第一控制层101的外围，径向分布在第一控制层101的周围，并靠近天线100的周向边缘104。
58.天线100的第二控制层202包括水平极化外围端口252，用于以水平极化的方式接收和发送rf波。水平极化外围端口252在本文也称为水平极化外围辐射元件252，并且是具有水平极化功能的辐射元件，如图1b所示，所述辐射元件位于第二控制层202的外围，径向分布在第二控制层202的周围，并靠近天线100的周向边缘104。
59.参见图2b，堆叠结构110包括第一平行板波导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形成两个平行板波导131、132。在至少一个实施例中，平行板波导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的一部分中，介电材料层可以分别覆盖位于第一控制层101和第二控制层202侧面上的金属板133、134。
60.第一接地层103和第二接地层204位于第一控制层101和第二控制层202之间。接地层103、204电气接地。
61.在所示的实施例中，第一控制层101和第二控制层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可以由间隔件分开。在一些实施例中，第一接地层103和第二接地层204之间设置有间隔件135。间隔件的宽度136使第一控制层101和第二控制层202之间的总距离约为波长的四分之一。对于垂直极化外围端口151的集成和操作，间隔件的宽度136是最优宽度。
62.第一控制层101和第二控制层202通过位于堆叠结构110的不同位置的通孔130相互连接。通孔130(在本文也称为“过孔”)贯穿堆叠结构110，并且位于天线100的第一控制层
101和第二控制层202上的各个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，通孔130与第一控制层101和第二控制层202几乎垂直。需要注意的是，因为过孔130电气接地，所以第一控制层101和第二控制层202相互绝缘。
63.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技术领域中已知的介电材料。或者，堆叠结构110可以由金属板制成，金属板可以组装到电路板。或者，堆叠结构110可以使用ltcc或液晶聚合物(liquid crystal polymer，lcp)技术制成。
64.参考图1a和2a，两个中心端口105、206可以位于或靠近堆叠结构110的中心，一个中心端口位于第一控制层101上，另一个中心端口位于第二控制层202上。堆叠结构110的中心在本文定义为位于距离天线100的圆周边缘104的任何一点近似相等的距离处。应当理解，中心端口105、206可以位于堆叠结构110的任何其他部分。中心端口105、206可以操作地连接到常规通孔130。
65.中心端口105、206可以设计为，例如，申请的申请交叉引用描述的，例如，由微带线制成的馈线和肩部，也可设计为过孔，并可配置为rf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。中心端口105、206通过rf馈线(例如微带线)119a和119b(如图1b所示)分别可操作地连接到相应的rf连接器120，所述rf连接器转而可操作地连接到rf控制器(未示出)控制的rf信号源。rf连接器120可以位于或靠近中空部分121。在一些实施例中，如所示，可以设置两根rf馈线119a和119b，也可以在中心端口105、206和rf连接器120之间设置不同数量的rf馈线。在操作中，通过rf馈线119a和119b将rf信号从rf连接器120(如图1a和2a所示)分别发送至中心端口105、206的中心点。通过引线将rf信号发送到从中心点进行径向定位的过孔。通过位于堆叠结构110内部的过孔的三个部分将rf波辐射到平行板波导131和132中(如图2b所示)。申请交叉引用完整地描述了本文中使用的中心端口105、206。
66.为了从不同转向角度θ进行有效辐射，可以对中心端口105、206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辐射提供类似增益。在一些实施例中，中心端口105、206可在天线100的期望频率范围内提供类似增益。
67.在操作中，通过馈线119a和119b将rf信号从rf连接器120(如图1a和2a所示)分别发送至中心端口105、206。应当理解，虽然中心端口105、206互不相同，但配置相似。例如，配置可以为申请交叉引用中所描述的配置，在本发明中没有示出。
68.图3a示出了天线100的总增益与频率的关系。进一步地说明了实际增益，即总增益减去回波损耗。在27ghz至29ghz之间，增益大于13db，这表明所公开的实施例中天线100在宽频带上可提供高增益。
69.图3b示出了天线100的回波损耗(或反射系数)与频率的关系。在27ghz至29ghz之间的频段，回波损耗约为-10db，这表明所公开的实施例中天线100在宽频带上匹配良好。
70.图3c示出了天线100在26.5ghz至29.5ghz之间的频段中不同频率下的辐射方向图，表明所公开的实施例中天线100在宽频带上提供约15db的高指向性。
71.参见图1a和2a，第一控制层101包括垂直极化外围端口151的阵列，第二控制层202包括水平极化外围端口252的阵列。例如，申请交叉引用描述了极化外围端口151和252的设计，在本发明中不再详述。垂直极化外围端口151和水平极化外围端口252并置，使得两种结构具有互补性。
72.申请交叉引用描述了如何将rf波从平行板波导131、132分别耦合至垂直极化外围端口151和水平极化外围端口252，或如何将rf波从垂直极化外围端口151和水平极化外围端口252耦合至平行板波导131、132。此外，如下所述的弯曲线也是此类耦合的一部分。
73.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的距离、或第一控制层101上的相邻垂直极化外围端口151之间的距离、或第二控制层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之间的距离约为波长的一半。堆叠结构110的半径是根据天线100的期望增益和方向性确定。例如，堆叠结构110的半径可以约为但不限于70mm，垂直极化外围端口151之间的距离或水平极化外围端口252之间的距离约为6.87mm，可以设置64个此类外围端口。
74.参见图1a、图1b、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均与堆叠结构110集成，并包括多个fse 600a-600b，且fse 600a-600b可操作地连接到堆叠结构110的通孔130。如下文更详细描述的，fse 600a-600b可以同心地设置成三排115、116和118，如图1b所示。fss 191中的fse 600a-600b控制平行板波导131、132内的rf波的传播，通过通孔和弯曲线123将rf波耦合至垂直极化外围端口151。通过fss 292中的fse 600a-600b和水平极化外围端口252也可以实现同样的功能。
75.fss 191、292不仅与堆叠结构110集成，而且相互集成，因为fss均可操作地连接到堆叠结构110的通孔130。应当注意，在至少一个实施例中，天线100的过孔130为通孔，比其他类型的过孔，其制造成本更低。
76.图4提供了弯曲线123的放大俯视图。如图所示，通过弯曲线可将平行板波导131、132耦合至垂直极化外围端口151(和fss 292中的水平极化外围端口252)。如图4中的实施例所示，fss 191中的每条弯曲线123与两个垂直极化外围端口151对应(fss 292中的每条弯曲线123与两个水平极化外围端口252对应)。然而，每条弯曲线123可以与不同数量的极化外围端口对应。弯曲线123既绕过中空部分121，同时，弯曲线之间的传输系数高度对称，耦合度低，特别是相邻的弯曲线之间，耦合度低。很明显，两条以上弯曲线123的分组设置在中空部分的周围，以实现高对称性和低耦合度。在本技术的一个实施例中，弯曲线123的设计应能实现图5a
–
5c所示的特性。此类特性是根据两条弯曲线123末端处的四个参考点400a/b/c/d计算的，如图4所示，其他弯曲线123因其对称的形状而具有相同的特性。
77.弯曲线123可以由宽度可优化的微带线制成，以确保全天线100的阻抗匹配，全天线100包括从平行板波导131和132到弯曲线123的转换导管。如图4所示，弯曲线123的物理长度或形状并不相同，但通过其外形可以提供相同的电气长度，同时可提供用于集成dc连接器和rf连接器以及实现机械组装特征的空间。弯曲线123可以是，例如，直的微带线，或齿形的微带线，如图4所示。应当注意，无论是否需要绕过中空部分121，都可以有效地使用弯曲线123，因为fse 600a-600b中所需的可切换元件620的数量减少了。
78.图5a示出了图4中弯曲线123的s参数。当使用图4中的四个参考点400a/b/c/d分别作为s参数对端口1/2/3/4进行测量时，反射系数s11、s22、s33和s44在26ghz至30ghz频段低于-15db，这表明弯曲线123在宽频带上匹配良好。系数s21和s43在26ghz至30ghz频段高于-1.4db，这表明弯曲线123的插入损耗较低，传输系数良好。
79.图5b示出了当使用图4中四个参考点400a/b/c/d进行测量时，弯曲线123相互绝
缘。进一步地示出了弯曲线123的非耦合端口的传输系数，这表明耦合系数在宽频带(26ghz-30ghz)上低于
–
29db。
80.图5c示出了当使用图4中四个参考点400a/b/c/d进行测量时，图4中弯曲线123的相位和相位差。进一步地说明了图4中弯曲线123的耦合端口的传输系数的相位部分与频率的关系，以及这两个相位与频率的差异。这表明弯曲线123在宽频带(26ghz-30ghz)上的相位相同。这确保了当对rf波束进行转向时，整条天线100将呈现对称的辐射方向图，且无扫描损失。
81.fse 600b的结构可以为申请交叉引用中所描述的结构，且在本发明中不再进一步详述。
82.下面将进一步详细地描述fse 600a的结构。图6a示出了本发明的实施例提供的天线100的一部分中fse 600a的配置的俯视图。
83.fse 600a可操作地连接到双过孔630a
–
630b，并包括可切换元件620、径向短截线622和直流(dc)电路624。fse 600a还包括连接器短截线629，其中，所述连接器短截线629可操作地将双过孔630a-630b连接到可切换元件620。图6b更清晰地示出了双过孔630a
–
630b穿过形成在第一控制层101和金属板133、134中的两个孔631a-631b。
84.径向短截线622为具有开口的径向短截线。径向短截线的长度为微带线波导波长(λg)的1/4。径向短截线622可以实现为微带、衬底集成波导、带状线、共面波导中的任意一种。径向短截线622用于在通过低频率时扼制高频率。开放式径向短截线622提供对地rf信号，而不是接地dc信号。
85.可切换元件620可以是pin二极管，例如束引线pin二极管。在至少一个另一个实施例中，可切换元件620可以是微机电系统(microelectromechanical system，mems)元件。
86.fse 600a的可切换元件620可操作地连接到径向短截线622，并连接到双过孔630a
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630b。可切换元件620还可以通过dc电路624和dc线路670连接到控制器680。
87.控制器680可以是，例如，dc电压控制器。dc电路624包括电阻器675，电阻器675可以控制可切换元件620的电流。电阻器675可以是毫米波薄膜片式电阻器或常规厚膜片式电阻器。
88.控制器680可以操作可切换元件620，所述可切换元件620用于驱动提供给径向短截线622的电压/电流，并通过将可切换元件620切换到开启或关闭的工作模式来控制切换元件620的操作。
89.当可切换元件620处于开启的工作模式时，可切换元件620用作电阻，相当于可切换元件620的串联电阻(例如，pin二极管的串联电阻)。当可切换元件620处于关闭的工作模式时，可切换元件620用作电容。当可切换元件620处于关闭的工作模式时，rf波继续在第一平行板波导131或第二平行板波导132中传播。
90.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开启或关闭时的效应。也就是说，当可切换元件620关闭时，fse 600a禁止(例如，阻止)rf波的传播。当可切换元件620开启时，fse 600a允许(容许)rf波的传播。
91.与申请交叉引用所示的fse 600b的单个过孔相反，在开启的工作模式下，双过孔630a-630b增加了fse 600a的反射率。这反过来提高了控制rf波在第一平行板波导131或第二平行板波导132中传播的能力。连接器短截线629的长度可以被适配(例如，与申请交叉引
用所示的fse 600b的连接器短截线相比)，使得fse 600a可以对rf波的频率进行优化。
92.参见图6b，堆叠结构110包括如上所述的第一平行板波导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。
93.一个fse 600a或600b位于第一控制层101上，并连接到双过孔630a
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630b(或单个过孔，如申请交叉引用所示)。另一个fse 600a或600b位于堆叠结构110的对面，即在第二控制层202上。
94.双过孔630a-630b(或单个过孔，如申请交叉引用所示)电连接到接地层103，穿过形成在第一控制层101和金属板133、134中的两个孔631a-631b(或单个过孔，如申请交叉引用所示)，然后穿过另外两个孔(未示出，或第二控制层202中的单个孔，如申请交叉引用所示)，以连接到位于第二控制层202上的fse 600a或600b。
95.在水平极化表面202上，双过孔630a-630b(或单个过孔，如申请交叉引用所示)可操作地连接到另一个连接器短截线629，所述连接器短截线629可操作地连接到另一个可切换元件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。
96.应当注意，第二控制层202上的fse 600a或600b与第一控制层101上的fse 600a或600b相似，具有相似的结构元件和参数。
97.每个fse 600a或600b，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可以通过切换开启和关闭工作模式来操作可切换元件620中的每一个可切换元件，进而控制可切换元件。
98.参见图1a、图1b，fss 191、292的fse 600a-600b可操作地连接到dc连接器181(如图1a中所示)，dc连接器181操作地连接到控制器680(如图6a中所示)。dc连接器181可以位于或靠近中空部分121。控制器680可以控制fse 600a-600b，特别是控制fse 600a-600b的可切换元件，以分别控制垂直极化和水平极化的波束方向。应当注意，虽然每个可切换元件(例如，图6a中所示的可切换元件620)通过dc线(例如，图6a中所示的dc线670)连接到控制器680，但为了简化绘图，图1a和1b中没有示出dc线。
99.需要注意的是，一个控制器680用于垂直极化和水平极化，或者单独的控制器680用于控制每次极化。还应理解，可以单独控制每个可切换元件，因而可以控制每一个fse 600a-600b中的每个可切换元件。或者，可切换元件可按下面讨论的进行分组。
100.当可切换元件处于关闭的工作模式时，fse 600a-600b允许传播rf波。当可切换元件处于开启的工作模式时，径向短截线(例如，图6a中所示的径向短截622)可以采集rf波，因此fse 600a-600b可阻止rf波进一步向堆叠结构110的周向边缘104传播。
101.为了确定fse 600a-600b的配置，fse 600a-600b的反射振幅和传输系数可以通过申请交叉引用所示的矩形波导获得。
102.参见图1b和图2a，fse 600a-600b可在堆叠结构110上进行径向定位，并设置在fse的115行、116行和118行中，其中每个fse 600a-600b可从中心端口105、206进行径向定位。
103.参见图1b、6a和6b，在fss 191的一些fse 600a-600b中，连接器短截线629更短。在至少一个实施例中，fss的115行包括具有更长连接器短截线629的fse 600b，而同一fss的相邻行116行包括具有与115行相比更短的连接器短截线629的fse 600a。例如，fse的115行
包括一个长度的连接器短截线629，而其他相邻行116行包括fse 600a-600b中较短(或更长)的连接器短截线629。例如，每个fse的第二行116行包括具有较短连接器短截线629的fse 600a-600b。fss 191的这种配置可以实现在天线100的宽频带上的平稳传输特性。除了长度不同外，连接器短截线629还可以包括不同宽度的微带线。当fse 600b可以设置在115行和118行中，fse 600a设置在116行中时，fse 600a/600还可以设置在不同的行中，如115行、116行和118行。例如，当fse是一种类型，600a或600b时，fse 600a可以设置在118行中。
104.参见图1b，针对天线100的期望rf特性，可以对fse的115行、116行和118行的数量，118行和116行的边界之间的距离117a和117b，以及116行和115行的边界之间的距离117a和117b进行优化，例如：天线100的总增益与频率，如图3a所示，以及天线100的辐射方向图，如图3c所示。在图1b所示的实施例中，fss 191包括三行：115、116和118，但不同数量的行可以形成fss 191。具体地，如果增加堆叠结构110的半径，则fse的115行、116行和118行的数量将会增加。在一些实施例中，fse的118行和116行之间的距离117是可变的，朝向中心端口105、206的距离更长，朝向外围端口151、252的距离更短。
105.在操作中，通过开启和关闭fse 600a-600b的可切换元件620来对天线100进行转向操作。可切换元件620由控制器680操作。当可切换元件620处于关闭的工作模式时，发送rf波；当可切换元件620处于开启的工作模式时，反射rf波。如申请交叉引用公开的，可以同时操作位于特定区域(本发明中未示出)内的fse 600a-600b，并由控制器(未示出)开启和关闭，特定区域的特性基于各种参数确定，例如，期望增益、转向角度，以及期望的波束宽度。天线100的fse 600a-600b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控制波束。如申请交叉引用公开的，天线100可以通过关闭几个特定区域同时向不同方向发送rf波，从而形成全向天线。
106.图7示出了在本技术实施例提供的天线100发送的rf波束的转向方法700。在任务块710，控制器(例如，rf控制器，或与dc控制器连接的rf控制器)可以接收外部的转向角度和rf信号，以便通过天线100传输。在任务块720，控制器确定需要开启的fse 600a-600b和需要关闭的fse 600a
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600b，以提供的转向角度发送rf信号。在任务块710，控制器也可以确定对辐射的rf波进行极化。
107.在任务块730，将信号施加到天线100的fse 600a-600b，开启一部分fse 600a-600b，关闭另一部分fse 600a-600b，如控制器先前确定的。将适当的dc信号施加到fse 600a-600b的同时，将rf信号施加到中心端口105或206。如上所述，可以通过将rf信号提供给中心端口来控制发送的rf波的极化，即，将rf信号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。
108.为了在任务块740更改转向角度，控制器需要再次确定720需要关闭的fse 600a-600b的适当数量和位置。其他fse 600a-600b可以由控制器开启。如上所述，可以通过向一个或另一个中心端口105、206提供rf信号来控制辐射的rf波的极化。
109.当使用pcb实现时，天线100可以采用成本低廉的多层pcb制造工艺集成在一个衬底上，即堆叠结构110上。若干个多层pcb可以堆叠在一起。这可以有助于增加总增益，提高在仰角方向上对波束的控制。
110.图8示出了本技术实施例提供的堆叠天线800。在堆叠天线800中，若干根天线100堆叠在一起。图8显示了8根天线，但也可以使用不同数量的天线。具体地，当天线100的堆叠
结构110由pcb制成时，可以构建堆叠天线800。由于天线100的元件与堆叠结构110集成，因此，天线800的结构紧凑。
111.保护层810可以设置在堆叠天线800的相邻天线100之间。保护层810有助于减少相邻天线100各fss(图8中未示出)之间的能量耦合。保护层810可以由金属材料制成，例如铝。
112.当天线110堆叠时，中空部分121可以与孔122对齐，以机械地保持(固定和/或定位)堆叠天线110，例如通过穿过孔122的螺钉811。
113.当中空部分121与孔122对齐时，可以通过天线110的周向边缘104的内部，分别为rf连接器120和dc连接器181供电。天线100的dc连接器181可以连接到主控制器(未示出)，主控制器可以操作天线100的fss 191-292，特别是其可切换元件。可以单独地操作fss191-292和fse 600a-600b，也可以对一个堆叠天线100到下一个堆叠天线进行异步操作。因此，所有堆叠天线100可以发送单个转向的rf波束，或堆叠天线100可以发送与之数量相同的独立转向的rf波束。例如，当单根天线100不能具有多个rf波束时，可以使用图8所示的堆叠结构发送1至8个不同的rf波束，从而单个rf波束的阻抗匹配得以优化。将堆叠天线100中的某部分天线进行分组，以同步共享此部分天线的fss 191-292和fse 600a-600b的操作，为特定的转向rf波束提供更高的增益。
114.反之，如图9所示，天线100的rf连接器120可以操作地连接到rf功率分配器900，所述rf功率分配器900用于为天线100的中心端口(图9中未示出)供电。rf功率分配器900可以穿过中空部分121中的一个中空部分，并电连接和机械地连接到天线100的每个rf连接器(未示出)。
115.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、软件、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。
116.还应理解，尽管本文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，但很明显，应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，说明书和附图被简单地视为由所附权利要求所定义的发明概念和原理的说明，并被设想涵盖属于本发明范围的任何和所有修改、变化、组合或等同物。