[发明专利]一种液晶可重构多波束相控阵列

说明书

说明书摘要一种相控阵天线，包括透镜增强型辐射器单元的二维阵列，所述每个辐射器单元包括：用于生成射频(RF)信号的辐射器；以及在所述RF信号的传输路径中定义孔径的二维相位可变透镜组，所述透镜组包括可单独控制的透镜元件的二维阵列，使得变化的传输相位能够施加到透镜组的孔径上的RF信号。此外，透镜元件的单位晶胞由超颖材料薄片制成，所述单位晶胞包括一堆晶胞层，所述每个晶胞层包括大量向列液晶，其具有可控的介电值，使得每个晶胞层能够用作可调谐振器。

相关申请

本发明要求于2017年5月1日递交的发明名称为“一种液晶可重构多波束相控阵列”的第62/492,587号美国临时专利申请案和2017年8月29日递交的发明名称为“一种液晶可重构多波束相控阵列”的第15/689,817号美国专利申请案的在先申请优先权，该在先申请的内容以引入的方式并入本文本中。

技术领域

本发明涉及相控阵列。本发明尤其涉及一种液晶可重构超颖表面多波束相控阵列。

背景技术

下一代无线网络有可能依靠频率更高、波长更短的无线电波，例如，包括在24GHz至100GHz频带内使用毫米波技术。在这些频率下，可能会使用更大孔径和更多定向天线来补偿更高的传播损耗。大孔径毫米波天线的常用技术是透镜和反射器天线。

人们越来越关注开发波束扫描天线，其依赖于利用液晶的各向异性特性来形成波束可控的反射器或反射阵列。许多关注集中在采用通过液晶的可变延迟线来实现波束可控的相控阵列的结构，或者通过大液晶加载的反射阵列以反射模式操作的结构。尝试利用液晶以形成可调反射偏振器。尽管液晶对许多可重构微波器件可能有用，但将液晶直接用作延迟线往往会造成严重损耗。结果，将液晶直接用作延迟线仅限于小型相控阵列。采用液晶形成可调反射表面或反射阵列会造成大F/D(焦距/孔径尺寸)，这导致天线的剖面过大。此外，可调反射表面在谐振频率下也会遭受较高损耗，这导致孔径效率低下。

未来的5G部署需要低剖面的毫米波平面天线，所述低剖面的毫米波平面天线能够用于多用户多输入多输出(multiple-input,multiple-output，MIMO)方案和高增益点对点传输的多波束传输。因此，需要一种可重构的、节省空间的透镜天线结构，以适用于短波长应用。

发明内容

本说明书描述了液晶加载的超颖材料的阵列结构的示例实施例，在一些应用中，其能够使得相控阵列具有大构造、低剖面、正向发射特性，而不使用损耗型移相器。在一些示例中，所述结构允许使用柔性混合波束成形方法来形成多波束或非常定向的高增益波束。

根据一个示例方面，提供了一种相控阵天线，所述相控阵天线包括透镜增强型辐射器单元的二维阵列。所述每个辐射器单元包括用于生成射频(radio frequency，RF)信号的辐射器，以及在所述RF信号的传输路径中定义孔径的二维相位可变透镜组。所述透镜组具有可单独控制的透镜元件的二维阵列，使得变化的传输相位能够施加到通过透镜组的孔径上的RF信号。

可选地，在一些示例中，所述透镜组由超颖材料薄片制成。

可选地，在一些示例中，导电壁将相邻的辐射器单元彼此隔离。

可选地，在一些示例中，所述天线包括控制电路，用于使得所述辐射器单元能够在MIMO模式下进行操作，其中在所述MIMO模式下，所述辐射器单元操作以形成多个并发独立波束，以及在点对点模式下进行操作，其中在所述点对点模式下，所述辐射器单元统一操作以形成单个高增益定向波束或多个最佳形状波束。

可选地，在一些示例中，所述每个透镜组的孔径大于所述RF信号的最小工作波长λ的两倍。

可选地，在一些示例中，相邻透镜组以1.5倍波长λ彼此间隔。

可选地，在一些示例中，每个所述透镜元件的孔径约为波长λ的一半。