[发明专利]电子可控的人工阻抗表面天线

说明书

相关申请的交叉引用

本申请与2010年11月3日提交的序列号为12/939,040的美国专利申请以及2011年9月23日提交的序列号为13/242,102的美国专利申请相关，其全部内容通过引用结合在本申请中。本申请还与2013年7月3日提交的序列号为13/934,553的美国专利申请相关，并要求其优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本公开涉及人工阻抗表面天线(ArtificialImpedancesurfaceantenna，简称：AISA)。具体地，本公开设计一种低成本、2D、电子可控的人工阻抗表面天线。

背景技术

很多应用场景都需要主增益瓣二维电子可控的天线。在现有技术中，二维控制最普通地由相控阵列天线提供。相控阵列天线具有复杂的电子器件，因此造价十分高昂。

在现有技术中，描述了各种电子可控的人工阻抗表面天线(AISA)，其具有一维电子控制功能，且包括Sievenpiper的美国专利US7,245,269，US7,071,888和US7,253,780所述的AISA。这些天线在某些应用场景中是有用的，但是并不适用于需要二维控制的所有应用场景。在某些应用场景中，可用采用机械控制来提供对一维电子可控天线的二维控制。然而，还有很多应用场景并不需要机械控制。Sievenpiper所描述的天线同样需要可以为变容二极管提供电压控制的途径。

Lai和Colburn于2013年5月7日提交的美国专利US8,436,785描述了一种二维电子可控AISA。Lai和Colburn公开的天线成本较高，且电子设计复杂。这是因为需要在二维上将电压控制的复杂网络控制到阻抗元件的二维阵列，以此可以产生任意阻抗图形，从而实现任何方向上的波束控制。

通过在人工阻抗表面(AIS)发射表面波，实现人工阻抗表面天线(AISA)，其阻抗可以根据在AIS上的表面波与需要的远场辐射图的相前匹配的函数在AIS上进行空间调制。

在前述的参考文献中，如下所列，参考文献[1]-[6]描述了由调制的人工阻抗表面形成的人工阻抗表面天线(AISA)。Patel[1]展示了标量使用端射、光晕馈送的一维空间调制的AIS，其由接地的电介质的金属片线性阵列构成。Sievenpiper、Colburn和Fong的参考文献[2]-[4]展示了平面和曲面上的标量和张量AISA，其使用波导或双极馈送的二维空间调制的AIS，该AIS由顶部具有有金属贴片网格的接地电介质构成。Gregoire的参考文献[5]-[6]研究了AISA操作对于其设计性能的依赖程度。

参考图1，AISA操作的基本原理是利用被调制的AIS的网格动量，将激发表面波前端的波矢量匹配到需要平面波。在一维情形下，其可以表示为：

k_sw＝k_osinθ_o-k_p(1)

其中，k_o是设计频率上的辐射的自由空间波数；θ_o是相对于AIS标量的需要的辐射的角度；k_p＝2π/p是AIS网格动量，其中p为AIS调制周期；k_sw＝n_ok_o是表面波的波数，其中为AIS调制中的平均表面波的折射率。所述表面波阻抗通常选择为具有根据下式沿着SWG正弦调制表面波阻抗的模式：

Z(x)＝X+Mcos(2πx/p)(2)

其中，p是调制的周期，X为平均阻抗，M为调制幅度。选择X、M和p，使得相对于Z轴的X-Z平面的辐射角θ由下式确定：

θ＝sin^-1(n₀-λ₀/p)(3)

其中，n0是平均表面波指数，λ₀是辐射的自由空间波长。n₀与Z(x)通过下式相关：