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具体实施方式

】

在以下描述中，阐述了大量具体细节，以清楚地描述本文公开的各种具体实施例。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有下面讨论的所有具体细节的情况下实践当前要求保护的发明。在其他情况下，未描述众所周知的特征，以免使本发明模糊不清。

所述发明是用于具有可重新配置的辐射元件的电子可控全息天线。优选实施例是矩形波导，其中狭槽(slot)辐射元件在天线的行波模式的亚波长处沿着矩形波导隔开。天线使用传统的全息波束控制技术。沿着天线的长度应用开路和短路狭槽的周期性图案。波束控制方向基于开路和短路狭槽的周期性。开关用于控制狭槽是开路还是短路，并且周期性可以被电子地重新配置，由此提供电子波束控制。本公开描述了放置在各个辐射元件中的多个开关，使得通过操作开关，可以改变狭槽的有效长度。狭槽中的各个开关是独立可控的，并且这允许狭槽基于开关的数量和它们的位置而采用离散的一组长度。全息天线的操作频率基于狭槽的长度，因此全息天线的频率可以通过短路狭槽的部分来重新配置。优选实施例提供了3:1的调谐范围，同时仍然允许广角波束控制。其它实施例可以提供更宽的调谐范围或控制范围。

四个部件一起使用以形成具有用于宽带频率调谐的可重新配置辐射器的电子可控全息天线：传输线结构12、辐射元件14、辐射元件中的调谐装置16，以及向调谐装置提供可单独控制的电压的偏压线20。注意，在图3中，偏压线20看起来短接在一起；然而，这是图的视角问题导致的，实际上图3中的偏压线20没有被短接在一起。图4清楚地表明偏压线20是可独立寻址的。

传输线结构12支持行波模式。包含调谐装置16的辐射元件14沿着传输线结构周期性地定位，以提供可重新配置性。调谐装置有两个目的。第一个目的是将整体全息图案应用于天线，使得天线在期望的方向上辐射波束，如方程(2)中描述的。第二个目的是重新配置辐射元件的长度以便改变操作频率。

图1A和图1B示出了天线10，该天线具有传输线12、沿着传输线12的辐射元件14，以及沿着辐射元件14的调谐装置16，在所示实施例中，调谐装置是辐射狭槽14。偏压线在图1A和图1B中未示出，但是可以位于传输线12的边缘18处。天线10可以使用印刷电路板来构造，该印刷电路板是由金属层和电介质层构成的叠层。电镀金属过孔可以用于在水平金属层之间垂直地提供导电连接。

图2示出了天线10的一部分的顶视图，示出了具有由偏压线20控制的调谐装置16的狭槽14。波导12可以由产生顶壁和底壁的、在水平面中的金属片和产生侧壁的垂直过孔22构成，以形成基本上矩形的波导12。偏压线20使用过孔24连接到调谐装置16和天线10下面的金属层。

图3中的红色矩形31表示波导的四个壁。顶壁和底壁是位于PCB上的固体金属。侧壁由过孔22产生，并且它们与顶层和底层接触。为了成为“壁”，从电磁角度来说，这些过孔的间隔比波长更近。利用这种小间隔，过孔形成电磁(EM)波不能穿透的“壁”。壁的其它名称是过孔栅、导电栅或更一般地为法拉第笼。

如图2所示，调谐装置16跨狭槽14连接。调谐装置16可以是跨狭槽14在沿着狭槽的不同位置处连接的开关16。各个开关16可以具有接触狭槽的一侧23的一个电极和接触狭槽16的另一侧25的另一个电极。开关16由偏压线20控制，偏压线通过施加电压或电流控制开关16的状态。在“短路”状态中，开关在狭槽16的第一侧23与第二侧25之间提供零阻抗或低阻抗，其可以小于10欧姆。在“断开”状态中，开关在狭槽16的第一侧23与第二侧25之间提供高阻抗，其可以大于100欧姆。

通常，如果适当地设计狭槽天线的尺寸，则狭槽天线以给定频率辐射功率。调谐装置或开关16可以改变狭槽14的有效长度。因此，例如，如果用于以频率f辐射的适当狭槽长度是L，并且如果防止了L/2长度的辐射，那么通过将开关放置在狭槽14的中间，可以将狭槽从辐射狭槽切换到非辐射狭槽。在“开路”状态中，有效长度是L，并且狭槽辐射。在“短路”状态中，狭槽不辐射。在“短路”状态中，狭槽不辐射是因为狭槽变为两个L/2狭槽，并且它们都不以频率f辐射。图8A示出了用场效应晶体管(FET)60实施的开关16，该场效应晶体管具有连接到狭槽14的第一侧23的源极80和连接到狭槽14的第二侧25的漏极82。狭槽14的第一侧23和第二侧25与波导12连续。通过用偏压线20控制FET的栅极，FET开关60可以被控制为处于“短路”或“开路”状态。

图3示出了天线结构10的正视图的例示。传输线12的顶层30可以在印刷电路板(PCB)或电介质32的顶层上，并且传输线12的底层34可以在PCB的内层上，以为天线10下面的偏压线20提供空间。偏压线20从下底层36向上到达调谐装置16。使用底层36或天线10下面的任何数量的附加层，偏压线20可以连接到传统的偏压硬件，诸如数模转换器、数字输入控制线等。优选地，单位单元的水平范围是最低操作频率的波长的一半的量级，使得全息天线元件可以水平排列以提供二维波束控制。图4示出了单位单元的侧视图。水平范围是图3的水平方向，并且这也是图2所示并且在下面进一步讨论的单位单元宽度46。

天线可以使用基于晶片的制造和具有调谐装置的组件来制造，调谐装置与行波结构和辐射器一起集成在晶片上。行波结构和辐射器也可以被加工并利用调谐装置耦合到电路板或晶片。

图5示出了具有6个全息天线元件10的2D阵列的例示，各个全息天线元件可以与图1A所示的天线10相同。各个全息天线元件10可以通过常规装置从馈电网络40馈电，并且输入相位由移相器42控制。该架构允许2D波束控制由全息天线元件10在一个维度上启用，并且由移相器在第二维度上启用，如以上参考文献[14]-[17]所述，此处以引证的方式将这些文献并入。

在优选实施例中，如图1B、图2和图3所示，各个全息天线元件10的各个单位单元可以具有通过模拟确定的以下参数：2mm的单位单元长度44；13mm的单位单元宽度46；11mm波导宽度48；150密尔的波导高度50；162密耳的总单位单元高度52；9.5mm的狭槽宽度54；0.4mm的狭槽长度56；电介质的介电常数6；以及用于波导12、过孔22和24以及偏压线20中的金属的铜。取决于操作频率或制造方法，可以使用其它长度、宽度或材料。

电磁波(EM波)通过传输线12沿着该结构行进。传输线12优选在电学上是长的，这意味着长度是多个波长。传输线12的优选实施例可以具有以下特性：在3:1频率范围(6-18GHz)上操作，填充有介电常数为6的电介质，是矩形波导，在操作频带的中心具有12.8个波长的长度或者在12Ghz具有320mm的长度，并且该长度的尺寸被设计为具有刚好低于操作频率范围的底部的频率截止。

辐射元件14沿着传输线12结构周期性地装载，并且一个或多个调谐装置16耦合到各个辐射元件14。辐射元件的优选实施例是具有四个调谐装置16的狭槽14。各个调谐装置16可以是单个FET晶体管。耦合到辐射元件14的多于一个的任何数量的调谐装置16可以提供操作频率的可重新配置性。增加调谐装置的数量增加了辐射元件14可以实现的调谐状态的数量。图6A中示出了示出四个调谐装置的示例。使用全波模拟，已经发现，6Ghz的最佳狭槽长度是9.5mm，其在图6A中的位置A与F之间表示。

通过将适当的调谐装置16切换到“短路”或“接通”状态，可以改变隙缝辐射器14的有效长度。例如，如果在位置E处的调谐装置在天线的每行中被接通或被置于“短路”状态，则有效狭槽宽度仅是A与E之间的距离。在该示例中，只有位置B、C和D中的调谐装置处于“开路”或断开状态。结果是在7.6Ghz下谐振的7.6mm宽的狭槽。

如图6B中见到的，开关的不同组合产生范围从6-15GHz的中心频率。注意，各个有效狭槽宽度的操作带宽大约是中心频率的±20％。因此，对于图6A的实施例，存在天线不能高效操作的频率范围。在图6A中，各个狭槽14具有四个调谐装置16，它们在整个狭槽16的宽度上均匀地隔开。从9.5mm宽的狭槽的一个边缘开始的四个调谐装置16处于1.9mm、3.8mm、5.7mm和7.6mm位置处。

通过非均匀地隔开调谐装置，可以实现更多的狭槽长度，由此可以实现更多的中心频率。图7A和图7B示出了通过调节调谐装置的位置，提供了6-18GHz之间的连续操作频率。再次注意，特定狭槽长度的操作带宽约为中心频率的20％。因此，图7提供了优选实施例。在图7A中，各个狭槽14具有四个调谐装置16，它们在整个狭槽16的宽度上非均匀地隔开。在图7A中，从9.5mm宽的狭槽的一个边缘开始的四个调谐装置16处于1.9mm、3.8mm、6.2mm和8.6mm位置处。

偏压线20为各个调谐装置16提供独立的电压控制。狭槽14周围的金属是传输线结构12，其可以接地。偏压线20可以从天线10的下平面引入，如图2、图3和图4所示。

优选实施例使用了跨狭槽14的多个调谐装置16，其中多个调谐装置16中的每一个是单晶体管FET开关60，如图8A所示。图8A示出了用场效应晶体管(FET)60实施的开关16，该场效应晶体管具有连接到狭槽14的第一侧23的源极80和连接到狭槽14的第二侧25的漏极82。狭槽14的第一侧23和第二侧25与波导12连续。通过用偏压线20控制FET的栅极，FET开关60可以被控制为处于“短路”或“开路”状态。

在较高频率下，狭槽14的宽度可以较窄，并且在这种情况下，跨狭槽14装配多个单晶体管FET开关60是具有挑战性的。在这种情况下，如图8B所示，集成调谐装置62可以用于各个狭槽14。集成调谐装置62将多个调谐元件集成到集成调谐装置中，该集成调谐装置可以是集成电路或单片集成电路。图8C和图8D中示出了集成调谐装置62的两个示例。图8C示出了可以由电阻网络馈电的一系列3个晶体管64，该电阻网络基于模拟电压输入来控制哪些装置处于接通或“短路”状态。焊盘68位于集成调谐装置62上，并连接到传输线结构12。图8D的示例还具有三个由解码器70控制的晶体管64，该解码器解码数字或模拟输入71，以将各个晶体管64的状态设置为跨狭槽14的“短路”状态或“开路”状态。例如，晶体管64中的一个可以处于“短路”状态，而其它两个晶体管64处于“开路”状态。在图8C和图8D的多晶体管调谐装置示例内示出了三个晶体管64；然而，任何数量的晶体管可用于各种应用。而且，这些集成调谐装置62中的一个以上调谐装置可用于控制有效宽度，因此控制单个狭槽14的操作频率。而且，还可使用微机电系统(MEMS)开关、相变材料(PCM)开关、半导体开关、其它开关或任何两种状态(接通/断开)或“短路”/“开路”装置来实施图8A、图8C和图8D中示出为晶体管的调谐装置62。

狭槽的优选实施例是直狭槽，如图9A所示；然而，其它的狭槽几何结构也是可能的。狭槽可以是直狭槽、弯狭槽、孔环、开口环或任意几何结构的狭槽，分别如图9A、图9B、图9C、图9D和图9E所示。

传输线的优选实施例是矩形波导，如图10A所示。然而，也可以使用其它传输线几何结构，诸如脊形波导、同轴波导或平行板，分别如图10B、图10C和图10D所示。这些其它几何结构中的每一个都可以提供改进的带宽。

在全波3D电磁解算器(ANSYS HFSS)中模拟了具有直狭槽和矩形波导的优选实施例，以便确定其性能。该结构的模拟几何结构在图11中示出，其是图1A的放大图，并且该结构已经在多个频率处被模拟。图12示出了12GHz中心频率的模拟结果。分析公式是通过用于天线阵列的传统方法计算的阵列因子分析，如参考文献[27]所述，此处以引证的方式将该文献并入。图13示出了调制周期的扫描的分析结果，示出了天线10能够进行广角波束控制。图13示出了示出不同的调制周期kp的图例，kp是周期kp＝2*pi/周期的空间域表示。

现在已经根据专利法规的要求描述了本发明，本领域技术人员将理解如何对本发明进行改变和修改以满足其特定要求或条件。这种改变和修改可以在不脱离如本文公开的本发明的范围和精神的情况下进行。

为了例示和公开，根据法律的要求，呈现了示例性和优选实施例的前述详细描述。不旨在穷尽也不将本发明限于所述的精确形式，而是仅使得本领域其他技术人员能够理解本发明如何适合于特定的用途或实施方案。修改例和变型例的可能性对于本领域技术人员将是明显的。示例性实施例的描述不旨在限制，这些实施例可以已包括公差、特征尺寸、特定操作条件、工程规范等，并且可以在实施方案之间变化或随着现有技术的变化而变化，并且不应从其暗示任何限制。申请人已经关于当前技术水平做出了本公开，但是还预期进展，并且未来的改编可以考虑这些进展，即根据当时的当前技术水平。如果适用，则预期本发明的范围由书面权利要求以及等同物来限定。对单数形式的权利要求元件的参照不旨在意指“一个且仅一个”，除非明确这样陈述。而且，不管本公开中的元件、部件、方法或工艺步骤是否在权利要求中明确列举，该元件、部件或步骤都不旨在专用于公众。此处的权利要求元件都不在35U.S.C.第112章第六段的规定下解释，除非使用短语“用于…的装置”明确叙述该元件，并且本文的方法或工艺步骤均不在这些规定下进行解释，除非步骤使用短语“包括步骤……”明确叙述。

概念

已经公开了至少以下概念。

概念1、一种全息天线，包括：

传输线结构，具有沿着传输线结构的长度的行波模式；和

多个可重新配置的辐射元件，沿着传输线结构的长度定位。

概念2、根据概念1的全息天线，还包括：

至少一个调谐装置，该至少一个调谐装置耦合至多个可重新配置的辐射元件中的至少一个，调谐装置能够重新配置可重新配置的辐射元件，以沿期望的方向控制来自天线的辐射，并且调谐天线的操作频率。

概念3、根据概念2的全息天线，还包括：

偏压线，该偏压线耦合到至少一个调谐装置，用于控制调谐装置被短接到传输线结构或者不被短接到传输线结构，以重新配置可重新配置的辐射元件。

概念4、根据概念1、2或3的全息天线，其中，传输线结构包括：

矩形波导、脊形波导、同轴传输线或平行板波导。

概念5、根据概念1、2、3或4的全息天线，其中，传输线结构包括：

电介质波导、微带线或阻抗表面波波导。

概念6、根据概念1、2、3、4或5的全息天线，其中，多个可重新配置的辐射元件中的每一个包括：

直狭槽、弯狭槽、孔环、开口环或具有任意几何结构的狭槽。

概念7、根据概念2、3、4、5或6的全息天线，其中，调谐装置包括：

场效应晶体管(FET)、微机电系统(MEMS)开关或相变材料(PCM)开关。

概念8、根据概念1、2、3、4、5、6或7的全息天线，还包括：

多个调谐装置，该多个调谐装置耦合到多个可重新配置的辐射元件中的相应的可重新配置的辐射元件；

其中，耦合到相应的可重新配置的辐射元件的多个调谐装置跨相应的可重新配置的辐射元件的宽度均匀地或不均匀地隔开。

概念9、根据概念8的全息天线，还包括：

多个偏压线，各个相应的偏压线耦合到相应的调谐装置，用于控制相应的调谐装置被短接到传输线结构或者不被短接到传输线结构，以重新配置可重新配置的辐射元件。

概念10、根据概念8的全息天线，还包括：

多个集成电路，各个相应的集成电路耦合到相应的可重新配置的辐射元件，各个相应的集成电路包括：

调谐控制输入；

解码器，该解码器耦合到调谐控制输入；以及

解码器的多个输出，该多个输出耦合到多个调谐装置中的耦合到相应的可重新配置的辐射元件的相应的调谐装置，用于控制相应的调谐装置被短接到传输线结构或者不被短接到传输线结构。

概念11、根据概念3、4、5、6、7、8、9或10的全息天线，还包括：

电介质；

其中，传输线结构包括：

第一金属层，该第一金属层在电介质的顶层上；

第二金属层，该第二金属层在电介质的内层上；以及

多个金属过孔，这些金属过孔耦合在第一金属层与第二金属层之间。

概念12、根据概念11的全息天线，

其中，偏压线在第二金属层下方延伸。

概念13、一种全息天线，包括：

矩形波导；

多个辐射元件，所述多个辐射元件沿着矩形波导的长度定位；

多个调谐装置，多个调谐装置的相应组耦合到多个辐射元件中的各个相应的辐射元件，

其中，多个调谐装置的各个相应组在相应的辐射元件的宽度上具有均匀或不均匀的间隔。

概念14、根据概念13的全息天线，还包括：

多个偏压线，各个相应的偏压线耦合到相应的调谐装置，用于控制相应的调谐装置被短接到传输线结构或者不被短接到传输线结构。

概念15、根据概念13或14的全息天线，

其中，可重新配置的辐射元件包括狭槽；并且

其中，调谐装置包括场效应晶体管。

概念16、根据概念13、14或15的全息天线，其中，矩形波导包括：

第一金属层，该第一金属层在电介质的顶层上；

第二金属层，该第二金属层在电介质的内层上；以及

多个金属过孔，这些金属过孔耦合在第一金属层与第二金属层之间。

概念17、根据概念14、15或16的全息天线，

其中，多个偏压线在第二金属层下方延伸。

概念18、一种提供全息天线的方法，包括：

提供具有多个层的印刷电路板；

在印刷电路板的顶部上形成传输线结构的金属顶层；

在印刷电路板的内层上形成传输线结构的金属底层；

形成耦合在传输线结构的顶层与传输线结构的底层之间的多个金属过孔；

沿着传输线的长度在传输线的顶层中形成多个辐射元件；以及

提供多个调谐装置，多个调谐装置的相应组耦合到多个辐射元件中的各个相应的辐射元件，

其中，多个调谐装置的各个相应组在相应的可重新配置的辐射元件的宽度上具有均匀或不均匀的间隔。

概念19、根据概念18的方法，还包括以下步骤：

提供多个偏压线，各个相应的偏压线耦合到相应的调谐装置，用于控制相应的调谐装置被短接到传输线结构或者不被短接到传输线结构。

概念20、根据概念18或19的方法，

其中，辐射元件包括狭槽；并且

其中，调谐装置包括场效应晶体管。