[发明专利]超材料可重配置天线

说明书

交叉参考相关申请

本申请要求2009年12月16日递交的美国临时申请No.61/286,786的权益。

技术领域

本发明一般涉及可重配置天线领域。更具体说，本发明涉及的天线，通过使用装载有可变电容器和电感器的超材料结构，能够在图案（pattern）和/或偏振方面被重新配置。

背景技术

无线信道的变化性能，引起被接收信号功率电平的起伏。为了限制变化的无线信道对系统性能的作用，可能的解决方案是采用可重配置天线系统，它能响应多元信道而自适应地调谐它们的辐射特征。辐射图案形状、偏振状态和操作频率，能够被调谐以适应操作要求。采用重新配置辐射特征的不同技术的不同解决方案，在现有技术中已经被提出。

大多数建议的可重配置天线，通过借助天线上埋藏的RF开关、材料改变或结构变化，改变天线上的电流分布，获得图案和偏振的可重配置性。使用这些技术，允许产生不同的偏振和辐射图案，但是，尤其是当天线有若干不同配置时，它一般使一些天线配置遭受低增益或阻抗失配。需要的是，克服这些问题并获得高增益图案和偏振可重配置天线，该可重配置天线对所有配置都呈现良好的阻抗匹配。本发明已经被设计成解决本领域的这些和其他需求。

发明内容

针对本领域的上述需求，本文描述的本发明使用利用装载有可调谐电容器及电感器以及具体的DC偏置网络的超材料结构建成的漏波天线（LWA），以便控制跨接在天线上的电容和电感值。利用LWA超材料结构建成的三种不同可重配置天线的设计被描述。这些天线利用复合左右旋（Composite Right Left Handed（CRLH））材料的特征以获得高的图案和偏振可重配置性，在紧凑的天线设计中有良好的阻抗匹配。

尤其是，本发明包含超材料可重配置天线，它使用变容二极管，通过响应于由独立DC偏置电路提供的独立DC偏置而改变可变电容器和/或电感器的值来改变单位单元（unit cell）结构的特征，诸如传输线的群延迟、偏振和阻抗。因为它们在行波而不是谐振波基础上操作，所以这些天线可以在增益和可重配置性方面能显著改进。通过独立地控制变容二极管，群延迟、偏振和阻抗，可以比只改变群延迟的标准单位单元结构，有更大的变化。

在示例性实施例中，本发明包括图案和/或偏振可重配置天线，该天线包括至少一个复合左右旋（CRLH）单位单元，该单位单元包含：有附加串联电容和并联电感并适合辐射电场的标准传输线，以及与该并联电感串联的至少一个可变电容和/或电感和与该串联电容并联的至少一个可变电容和/或电感，由此该与并联电感串联的可变电容和/或电感和该与串联电容并联的可变电容和/或电感，响应于用于独立地控制该与串联电容并联的可变电容和/或电感及该与并联电感串联的可变电容和/或电感的至少两个DC偏置，以便由此控制传输线的群延迟和辐射电场的偏振。在一个示例性实施例中，该CRLH单位单元和该与并联电感串联的可变电容和/或电感，以及该与串联电容并联的可变电容和/或电感，被制作在微波叠层印刷电路板上。

在本发明的天线的不同配置中，多个CRLH单位单元被级联以定义漏波结构，该漏波结构有至少两个输入端口，用于接收激励该天线的激励信号。在一个示例性实施例中，至少一个输入端口被用于向天线馈送作为该激励信号的射频信号，而所有其他输入端口在匹配负载上被关闭。此外，两个输入端口可以被连接到RF开关，该RF开关交替地允许激励该两个输入端口的一个或另一个。

在本发明的可重配置天线的第一种配置中，该CRLH单位单元沿直线被级联，而用于改变与该串联电容并联的可变电容和/或电感的DC偏置，被用于控制辐射角度，同时，用于改变与该并联电感串联的可变电容和/或电感的DC偏置，被用于控制辐射角度、辐射电场的偏振、和阻抗匹配。

在本发明的可重配置天线的第二种配置中，该CRLH单位单元以之字形形状被级联，由此各个CRLH单位单元大体上相互垂直，且被用于改变与该串联电容并联的可变电容和/或电感的DC偏置被用于控制辐射角度，同时，被用于改变与该并联电感串联的可变电容和/或电感的DC偏置被用于控制辐射角度、辐射电场的偏振、和阻抗匹配。最好是，该CRLH单位单元与可变移相器交错，该可变移相器动态地控制辐射电场的偏振。此外，电容器可以在示例性实施例中被使用，以便使产生该两个DC偏置的相应DC偏置网络去耦合。