電介質人造阻抗表面天線的製作方法
2023-10-26 02:53:12 5
電介質人造阻抗表面天線的製作方法
【專利摘要】包括具有厚度的電介質在內的電介質人造阻抗表面天線(DAISA)，所述電介質的厚度變化以向穿過所述電介質的信號提供被調製的阻抗，所述電介質具有第一表面以及與所述第一表面相對的第二表面。
【專利說明】電介質人造阻抗表面天線
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請涉及並要求於2012年3月22日提交的美國專利申請第13/427，682號的優先權，該美國專利申請的全部內容通過引用合併於此。
【技術領域】
[0003]本公開涉及人造阻抗表面天線(artificialimpedance surface antenna, AlSA)。
【背景技術】
[0004]以下文獻中描述了現有技術的人造阻抗表面天線(AISA):D.Gregoire和 J.Colburn, 「Artificial impedance surface antenna design andsimulat1n」, Proc.2010Antenna Applicat1ns Symposium,第 288 頁；J.S.Colburn等人，「Scalar and Tensor Artificial Impedance Surface Conformal Antennas，，, 2007AntennaApplicat1ns Symposium,第 526 至 540 頁；以及 B.H.Fong 等人，「Scalar and TensorHolographic Artificial Impedance Surfaces，，，2010 年 IEEE Trans.Antennas Propag.接受發表。
[0005]在現有技術中，如圖1B所示，通過將金屬貼片26的陣列印刷到電介質基板上來製造AISA。表面波阻抗調製由所印刷的金屬貼片網格來建立，金屬貼片的大小根據所期望的調製而變化。為了正確地操作，關鍵的是金屬貼片的大小和布置要保持嚴格的尺寸公差。現有技術中在其上印刷金屬貼片的電介質基板一般是高成本、高頻率電路板材料，例如一般需花費$150/平方英尺的Rogers3010。建立方形貼片陣列的過程需要高成本和耗費時間的電路板蝕刻技術。
[0006]所需的是低成本的人造阻抗表面天線(AISA)和使用傳統製造方法來製造AISA的方法以進行量產。本公開的實施例應對這些以及其他需求。
【發明內容】
[0007]在本文公開的第一實施例中，一種電介質人造阻抗表面天線(DAISA)包括具有厚度的電介質，該電介質的厚度變化以向穿過該電介質的信號提供被調製的(modulated)阻抗，該電介質具有第一表面和與第一表面相對的第二表面。
[0008]在本文公開的另一個實施例中，一種用於製造電介質人造阻抗表面天線(DAISA)的方法包括形成具有厚度的電介質，該電介質的厚度變化以向穿過該電介質的信號提供被調製的阻抗，該電介質具有第一表面和與第一表面相對的第二表面。
[0009]這些以及其他特徵和優點將從後續的詳細描述以及附圖中變得更加明顯。在附圖和說明書中，各數字表示不同特徵，在整個附圖和說明書中相同的數字表示相同的特徵。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1A示出根據現有技術的人造阻抗表面天線的原理；
[0011]圖1B示出根據現有技術使用方形金屬貼片實施的圖1A的人造阻抗表面天線的一部分；
[0012]圖2示出根據本公開的被設計成在24GHz操作並且主要向偏離法線60度輻射的電介質人造阻抗表面天線(DAISA)；
[0013]圖3示出根據本公開的圖2的DAISA的作為其厚度的函數的表面波阻抗特性；
[0014]圖4A示出了根據本公開的圖2的DAISA的作為該DAISA上的位置的函數的厚度的輪廓繪圖和線條繪圖；
[0015]圖4B示出了根據本公開的圖2的DAISA的作為該DAISA上的位置的函數的表面波阻抗的相應的輪廓繪圖和線條繪圖；
[0016]圖4C不出了根據本公開的圖2的DAISA的立面截面圖；
[0017]圖5A示出了根據本公開的圖2中所示的DAISA的測得的輻射圖；
[0018]圖5B示出了根據本公開的圖2的DAISA的作為角度和頻率的函數的相對輻射強度；
[0019]圖6A示出了根據本公開的被設計成在12GHz操作並且主要向偏離法線60度輻射的 60cm X 38cm 的 DAISA ；
[0020]圖6B示出了根據本公開的圖6A中的DAISA的測得的輻射圖；
[0021]圖7A和圖7B示出了根據本公開的電介質人造阻抗表面天線(DAISA)的表面波饋給(feed);和
[0022]圖8是根據本公開的用於製造電介質人造阻抗表面天線(DAISA)的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0023]在下面的描述中，將闡述很多具體細節以清楚地描述本文所公開的各種具體實施例。然而，本領域技術人員將認識到所要求保護的發明可以不需要下面討論的全部具體細節來實施。在其他情況下，未對公知的特徵進行描述以免使本發明模糊。
[0024]人造阻抗表面天線(AISA)如圖1A中所示地操作。期望頻率的表面波被發射穿過具有被調製的表面高度並由此具有被調製的阻抗的電介質。被調製的阻抗表面的被調製的表面波阻抗可以通過下面的方程式來描述:
[0025]Zsff (x, y) = X+Mcos ((2 π f0/c) * (nr-xsin Θ 0))
[0026]其中
[0027]Zsw(x，y)是表面波阻抗，
[0028]X是沿著表面的一個維，
[0029]y是沿著表面的另一個維，
[0030]X是平均阻抗，
[0031]M是最大表面波阻抗調製，
[0032]fQ是輻射的設計頻率，
[0033]η = (I+X2)1/2，
[0034]c是光速，
[0035]r是從饋給點X = 0，y = O到坐標x, y的徑向距離，以及
[0036]Θ。是輻射的設計角度。
[0037]被調製的表面波阻抗在表面波傳播穿過表面時改變表面波的速度。由速度變化產生的電場導致EM輻射強有力地指向期望角度Θ。。
[0038]在現有技術中，通過將金屬貼片陣列印刷到電介質基板上來製造AISA，這需要嚴格的尺寸公差，昂貴的基板以及高成本和耗費時間的電路板蝕刻技術。圖1B示出了根據現有技術使用方形金屬貼片26實施的圖1A的人造阻抗表面天線的一部分。在圖1B中金屬貼片26之間的間隔在0.2mm和Imm之間變化，高阻抗區域具有小間隔且顏色更深。
[0039]圖2示出了根據本公開的被設計成在24GHz操作並且主要向偏離法線60度輻射的電介質人造阻抗表面天線(DAISA)。圖3示出了根據本公開的圖2的DAISA的作為其厚度的函數的表面波阻抗特性。
[0040]圖4A至圖4C示出了根據本公開的電介質人造阻抗表面天線(DAISA) 10。DAISA10由一片電介質材料20組成，電介質材料20具有被調製的厚度,該被調製的厚度對第一表面12的高度進行調製。圖4A中所示的調製圖18示出了如何調製厚度。本領域技術人員將認識到具體調製取決於期望的輻射的頻率和角度。DAISA可以被設計成以任意期望的頻率和角度輻射。
[0041]阻抗-厚度相互關係可以使用橫向諧振法來計算。用於電介質片的橫向諧振法在以下文獻中被描述:R.Collin, 「Field theory of guided waves, 2nd Ed.」，IEEEPress, 1996,第705-708頁,該文獻通過引用合併在本申請中，等同於已經全部闡述。
[0042]DAISA10可以是平面的或具有適於保形(conformal)安裝在曲面(例如，飛機的機翼或機首，或汽車的減震器和格柵)上的彎曲度。在平面DAISA的情況下，DAISA10的第二表面14可以是平的。在保形安裝的DAIS的情況下，第二表面14可具有適於保形安裝在曲面上的彎曲度。
[0043]DAISA10的第二表面14還可以具有被調製的高度。
[0044]電介質材料20可以是諸如塑料之類的任意非導電材料。示例材料包括Lexan?、丙烯酸、Plexiglas?以及其他形式的塑料。電介質材料20可以是透明的或者可以是有色的。
[0045]電介質材料20可以在第一表面12或第二表面14上具有導電接地平面。導電接地平面可以通過沉積金屬或以金屬塗層來塗覆一個表面而形成。在DAISA的一些實施例中，第一表面或第二表面上可以不存在接地平面。在本實施例中，不需要金屬塗層。
[0046]圖4B中所示的表面波阻抗圖22示出了從人造阻抗表面天線(DAISA) 10的饋給點16開始沿著一條線路24的阻抗調製。圖4A至圖4C中所示的電介質人造阻抗表面天線(DAISA) 10具有以24GHz並以偏離法線60度的角度輻射的設計。
[0047]電介質人造阻抗表面天線(DAISA) 10可以在接收模式或發射模式中使用。用於發射信號到DAISA10的饋給點16或從該饋給點16接收信號的表面波饋給可以是微帶線60 (如圖7A所示)、諸如低剖面波導62之類的波導(如圖7B所示)、微波喇叭(microwavehorn)(未示出)或者從第一表面12向上延伸的偶極子。偶極子例如可以是垂直延伸穿過饋給點並且在饋給點16處與DAISA的平面垂直的同軸電纜的中心導體。同軸電纜的接地導體可以連接到如上所討論的可在DAISA的第一表面12或第二表面14上的導電接地平面。表面波饋給可發射橫向磁(TM)表面波或橫向電(TE)表面波。
[0048]如上所述，圖2示出了被設計成在24GHz操作並且主要朝偏離法線60度輻射的電介質人造阻抗表面天線(DAISA)30。DAISA30用30cmX20cm的鋁底丙烯酸製造。圖3示出了 DAISA厚度和表面波阻抗之間的相互關係。作為位置的函數的DAISA30的厚度參見圖4A。
[0049]圖5A示出了圖2中所示的DAISA30的輻射圖的測得的實際增益42 ;圖5B示出了DAISA30的作為角度和頻率的函數的實際增益。
[0050]圖6A示出了被設計成在12GHz操作並且主要向偏離法線60度輻射的60cmX 38cm的DAISA50。圖6B示出了針對DAISA50測得的實際增益54。
[0051]如圖8中步驟100所示，根據本公開的電介質人造阻抗表面天線(DAISA)可以通過將電介質材料形成為用於形成被調製阻抗表面的形狀來製造。在步驟100中電介質被形成為具有變化的厚度以向穿過該電介質的信號提供被調製的阻抗，該電介質具有第一表面和與第一表面相對的第二表面。
[0052]如步驟102所示，電介質材料的形狀可以通過銑削、立體光刻或通過特別適於量產的衝壓來形成。如上討論的，電介質材料20可以是諸如塑料之類的任意非導電材料，包括Lexan?、丙烯酸、Plexiglas?以及其他形式的塑料。電介質材料20可以是透明的或者可以是有色的。DAISA可以形成為保形安裝在曲面上或者可以是平面的。導電接地平面可以通過金屬塗層(該金屬塗層可以是噴塗的或沉積的)形成在DAISA的第一表面12或第二表面14上。一旦DAISA被製造出來，表面波饋給可以被附到DAISA10的饋給點16。
[0053]現已根據專利法的要求描述了本發明，本領域技術人員將認識到如何對本發明做出變化以及修改來滿足他們的具體要求或情況。可以在不脫離如本文所公開的本發明的範圍和精神的情況下做出這種變化和修改。
[0054]根據法律要求為了說明和公開的目的示出了前述詳細的示例性描述和優選的實施例。這並非意圖窮盡或限制本發明為所描述的精確形式，而僅是為了使得本領域技術人員可以認識到本發明如何適用於具體使用或實施。對於本領域技術人員而言修改和變化的可能性是顯而易見的。通過示例性實施例的描述並非意圖進行限制，這包括公差、特徵尺寸、具體操作條件、工程規範等，並且這些在實施方式之間可變化或者隨著技術發展水平的變化而變化，因此這些不隱含任何限制。 申請人:已經相對目前技術發展水平做出了本公開，但是還構思了演進並且在未來的適應性可將這些演進考慮在內，即，根據那時的技術發展水平。本發明的範圍意在由記載的權利要求以及合適的等同來限定。提及的單數形式的權利要求要素並非意圖表示「一個並僅有一個」，除非明確如此指出。此外，無論元件、組件或步驟是否在權利要求中明確列出，在本公開中沒有任何元件、組件、方法或過程步驟意圖貢獻給公眾。本文中沒有任何權利要求組成部分將根據35U.S.C.See.112第六段的條款來解釋，除非使用短語「用於……的裝置」的引用方式來明確地表達組成部分，並且本文沒有任何方法或過程步驟將根據這些條款來解釋，除非使用短語「包括……的步驟」來明確地表達步驟或多個步驟。
[0055]本文中所描述的所有元件、部件和步驟是優選地包括的。本領域技術人員顯然應當認識到的是這些元件、部件和步驟中的任何一個可以由其他元件、部件和步驟來替換或者可以一起刪除。
[0056]構思
[0057]概括地，本文公開了至少下列構思:
[0058]構思1.一種電介質人造阻抗表面天線(DAISA),包括:
[0059]具有厚度的電介質，所述電介質的厚度變化以向穿過所述電介質的信號提供被調製的阻抗；
[0060]所述電介質在該電介質上具有第一表面，以及與所述第一表面相對的在該電介質上的第二表面。
[0061]構思2.根據構思I所述的DAISA，其中所述DAISA具有實質上平面的形狀。
[0062]構思3.根據構思I所述的DAISA，其中:
[0063]所述第一表面具有被調製的高度；並且
[0064]所述第二表面實質上是平的。
[0065]構思4.根據構思I所述的DAISA，其中所述DAISA具有適於保形安裝在曲面上的實質上彎曲的形狀。
[0066]構思5.根據構思4所述的DAISA，其中所述第二表面具有適於保形安裝在曲面上的實質上彎曲的形狀。
[0067]構思6.根據前述構思中的任一項所述的DAISA，其中:
[0068]所述第一表面具有被調製的高度；並且
[0069]所述第二表面具有被調製的高度。
[0070]構思7.根據前述構思中的任一項所述的DAISA，其中所述電介質材料包括非導電材料。
[0071]構思8.根據前述構思中的任一項所述的DAISA，其中所述電介質材料包括塑料。
[0072]構思9.根據構思1-7中的任一項所述的DAISA，其中所述電介質材料包括Lexan?、丙烯酸或Plexiglas?。
[0073]構思10.根據前述構思中的任一項所述的DAISA，其中所述電介質材料是透明的或有色的。
[0074]構思11.根據前述構思中的任一項所述的DAISA，進一步包括在所述第一表面上的導電接地平面。
[0075]構思12.根據前述構思中的任一項所述的DAISA，進一步包括在所述第二表面上的導電接地平面。
[0076]構思13.根據前述構思中的任一項所述的DAISA，進一步包括:
[0077]在所述第一表面上的位置處的饋給點；和
[0078]與該饋給點稱接的表面波饋給。
[0079]構思14.根據構思13所述的DAISA，其中所述表面波饋給包括微帶線、波導、微波喇叭或偶極子。
[0080]構思15.根據構思13所述的DAISA，其中所述表面波饋給適於發射穿過所述第一表面的橫向磁(TM)表面波,或者接收橫向磁(TM)表面波。
[0081]構思16.根據構思13所述的DAISA，其中所述表面波饋給適於發射穿過所述第一表面的橫向電(TE)表面波，或者接收橫向電(TE)表面波。
[0082]構思17.—種用於製造電介質人造阻抗表面天線(DAISA)的方法，包括:
[0083]形成具有厚度的電介質，所述電介質的厚度變化以向穿過該電介質的信號提供被調製的阻抗，所述電介質具有第一表面以及與所述第一表面相對的第二表面。
[0084]構思18.根據構思17所述的方法，其中形成電介質的步驟包括衝壓、銑削或立體光刻。
[0085]構思19.根據構思17或構思18所述的方法，其中所述電介質具有實質上平面的形狀或適於保形安裝在曲面上的實質上彎曲的形狀。
[0086]構思20.根據構思17、18或19所述的方法，進一步包括在所述第一表面上形成導電接地平面。
[0087]構思21.根據構思17、18、19或20所述的方法，進一步包括:
[0088]將表面波饋給提供給在所述第一表面上的位置處的饋給點。
[0089]構思22.根據構思17-21中的任一項所述的方法，其中所述表面波饋給包括微帶線、波導、微波喇叭或偶極子。
[0090]構思23.根據構思21所述的DAISA，其中所述表面波饋給適於發射穿過所述第一表面的橫向磁(TM)表面波,或者接收橫向磁(TM)表面波。
[0091]構思24.根據構思21所述的DAISA，其中所述表面波饋給適於發射穿過所述第一表面的橫向電(TE)表面波，或者接收橫向電(TE)表面波。
【權利要求】
1.一種電介質人造阻抗表面天線(DAISA)，包括: 具有厚度的電介質，所述電介質的厚度變化以向穿過所述電介質的信號提供被調製的阻抗； 所述電介質在該電介質上具有第一表面，以及與所述第一表面相對的在該電介質上的第二表面。
2.根據權利要求1所述的DAISA，其中所述DAISA具有實質上平面的形狀。
3.根據權利要求1所述的DAISA，其中: 所述第一表面具有被調製的高度；並且 所述第二表面實質上是平的。
4.根據權利要求1所述的DAISA，其中所述DAISA具有適於保形安裝在曲面上的實質上彎曲的形狀。
5.根據權利要求4所述的DAISA，其中所述第二表面具有適於保形安裝在曲面上的實質上彎曲的形狀。
6.根據權利要求1所述的DAISA，其中: 所述第一表面具有被調製的高度；並且 所述第二表面具有被調製的高度。
7.根據權利要求1所述的DAISA，其中所述電介質材料包括非導電材料。
8.根據權利要求7所述的DAISA，其中所述電介質材料包括塑料。
9.根據權利要求7所述的DAISA，其中所述電介質材料包括Lexan?、丙烯酸或Plexiglas?。
10.根據權利要求1所述的DAISA，其中所述電介質材料是透明的或有色的。
11.根據權利要求1所述的DAISA，進一步包括在所述第一表面上的導電接地平面。
12.根據權利要求1所述的DAISA，進一步包括在所述第二表面上的導電接地平面。
13.根據權利要求1所述的DAISA，進一步包括: 在所述第一表面上的位置處的饋給點；和 與該饋給點稱接的表面波饋給。
14.根據權利要求13所述的DAISA，其中所述表面波饋給包括微帶線、波導、微波喇叭或偶極子。
15.根據權利要求13所述的DAISA，其中所述表面波饋給適於發射穿過所述第一表面的橫向磁(TM)表面波,或者接收橫向磁(TM)表面波。
16.根據權利要求13所述的DAISA，其中所述表面波饋給適於發射穿過所述第一表面的橫向電(TE)表面波，或者接收橫向電(TE)表面波。
17.一種用於製造電介質人造阻抗表面天線(DAISA)的方法，包括: 形成具有厚度的電介質，所述電介質的厚度變化以向穿過該電介質的信號提供被調製的阻抗，所述電介質具有第一表面以及與所述第一表面相對的第二表面。
18.根據權利要求17所述的方法，其中形成電介質的步驟包括衝壓、銑削或立體光刻。
19.根據權利要求17所述的方法，其中所述電介質具有實質上平面的形狀或適於保形安裝在曲面上的實質上彎曲的形狀。
20.根據權利要求17所述的方法，進一步包括在所述第一表面上形成導電接地平面。
21.根據權利要求17所述的方法，進一步包括: 將表面波饋給提供給在所述第一表面上的位置處的饋給點。
22.根據權利要求21所述的方法，其中所述表面波饋給包括微帶線、波導、微波喇叭或偶極子。
23.根據權利要求21所述的DAISA，其中所述表面波饋給適於發射穿過所述第一表面的橫向磁(TM)表面波,或者接收橫向磁(TM)表面波。
24.根據權利要求21所述的DAISA，其中所述表面波饋給適於發射穿過所述第一表面的橫向電(TE)表面波，或者接收橫向電(TE)表面波。
【文檔編號】H01Q1/38GK104185925SQ201380004106
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年3月13日 優先權日:2012年3月22日
【發明者】丹尼爾·J·格裡高利 申請人:Hrl實驗室有限責任公司