[发明专利]宽带电抗减少的天线阵列

说明书

相关申请的交叉引用

本申请涉及并要求于2012年4月4日提交的美国临时专利申请第61/620,384号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。本申请还涉及与本申请相同日期提交的标题为“用于超方向性天线阵列的宽带非福斯特去耦网络”的美国专利申请第13/856,403号(代理人卷号627593-8)。另外，本申请还涉及与本申请相同日期提交的标题为“宽带电抗抵消的天线阵列”的美国专利申请第13/856,375号(代理人卷号627436-4)。另外，本申请还涉及与本申请相同日期提交的标题为“非福斯特去耦网络”的PCT申请(代理人卷号627648-9)。

关于联邦资助的研究或发展的声明

无

技术领域

提出的是预期比现有技术更加高效的天线阵列。该阵列：(i)能够产生超方向性波束(beam)；(ii)可以电小；以及(iii)可同时产生超方向性波束并且电小。该阵列具有宽带电抗抵消。

背景技术

超方向性天线通常包括紧密靠近的两个或以上的发射元件(发射(或接收)元件的间隔＜λ/4，其中λ是将被天线发射和/或接收的信号的波长)。

天线阵列在大量应用中使用：通信、雷达、信号情报等。天线阵列最具吸引力的特征可能是波束合成和可重构性。例如，相位阵列(phased array)具有可被重构到不同方向上的点的一个或多个波束或者通过改变施加到每个天线元件处的信号的权重(相位和/或幅度)而具有不同的波束特征。在数字波束赋形(digital beamforming)阵列中，可在每个元件处独立地记录信号，波束可在后处理中形成。本领域公知的多输入和多输出(MIMO)技术在无线通信系统中非常重要，这是因为其提供了数据吞吐量的改进，同时无需使用额外的带宽或者增加发射功率。

在文献中可以获得说明了如何a)增加阵列的方向性而不增加物理尺寸以及b)在辐射方向图中产生将提供抗干涉或干扰信号的零位(null)的阵列合成技术。但是，这些技术在实际阵列中由于互耦的原因而具有严格的限制。具体地，公知的是现有技术的超方向性天线阵列具有高Q，因此受到相应的效率/带宽限制。由于该限制，超方向性天线阵列被广泛地认为是有问题的，因此没有大范围部署。本发明将超方向性天线的Q值降低了十倍以上，在超方向性天线的实际增益(RF效率)中提供了大于10dB的改善。该Q值的降低对产生方向图零位而言同样有帮助。

电小天线是指比它们所要接收的射频波长更小(或短)的天线。传统的全长天线通常是波长尺寸的1/4或1/2。对于用于一些手持式装置应用的频率，需要小得多的天线。电小天线可定义为其元件是其所要接收的射频波长的1/10(或更小)的天线。电小天线还趋向于具有高Q，因此相比传统天线，它们趋向于具有小带宽。

现有技术可包括：

无源超方向性阵列：存在许多揭示了实现大带宽和高效率的困难的学术著作(1922年从Oseen开始)。两个关键结论是：优化方向性导致极高的Q；互耦导致馈电网络设计困难。具有＜-20dB的效率的天线很少实现。实际限制是：

(1)高天线Q□小带宽；

(2)低辐射电阻□低效率；以及

(3)紧密公差□难以实现馈电网络

就该主题的论文，参见1981年2月出版的Proceedings of the IEEE,V.69,no.2由R.C.Hansen撰写的“Fundamental Limitations in Antennas”。

使用放置在发射元件之间的超材料来将它们去耦：参见，例如，2007年4月出版的IEEE Trans.Antenn.Prop.中由K.Buell等人撰写的“Metamaterial Insulator Enabled Superdirective Array”。该方法的缺点是：

(1)窄带宽；

(2)仅适用于印刷天线；

(3)制造复杂；以及

(4)不易调谐。