CN112042060B - 全息天线阵列以及全息天线阵列的全息相位校正 - Google Patents
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Abstract
一全息天线具有多个导电元件，其被布置成一系列所述导电元件，所述一系列导电元件被分组为多个不同组的所述导电元件，在每个所述不同组的导电元件中的每个导电元件经由一个或多个调谐元件连接到每个不同组的导电元件中的相邻导电元件，每个不同组的导电元件包括所述全息天线的全息天线元件。提供了多个放大器，其中，所述多个放大器中的每一个被连接在所述不同组的导电元件的每一个的一端处；并且提供了一种馈送系统，所述馈送系统将每个放大器耦合到所述全息天线的RF连接。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年4月27日提交的第15/965,583号美国专利申请的优先权并要求其权益，该申请通过引用合并于此。
关于美国联邦赞助研究或开发的声明
无。
技术领域
本发明涉及全息天线。全息天线是行波天线的子集，也称为周期性漏波天线。全息天线支持空间调制(通常周期性地)的慢波模式(即非辐射)以产生辐射。全息图是慢波模式和期望的辐射图案之间的干涉图案，并且通过施加调制，利用该图案辐射慢波。在其最简单的形式中，全息图是沿着天线的正弦变化，在远场辐射笔形波束。这种类型的全息图对于产生高增益波束是有用的，例如，通信和雷达系统。
背景技术
现有技术包括：
(i)相控阵列：由于没有移相器，全息天线是成本较低的解决方案。全息天线还具有电薄和共形的能力。
(ii)串联馈源阵列：串联馈源阵列不能以固定频率在阵列平面内进行扫描。通常通过改变频率来扫描这些阵列，这对于各种应用来说不是可行的选择。
(iii)传统全息：传统的现有技术全息结构难以从电长孔径获得电子扫描，因为调谐元件中的串联电阻阻止传播模式到达天线末端。通过分离馈源网络并将其定相到行进模式，可向电长阵列馈送适当的相位，而不会由于调谐元件而产生吸收，且不需要额外的移相器。
(iv)分布式放大全息天线：现有技术的发明表明，沿着天线嵌入放大器可以减轻调谐元件吸收引起的问题。在发射模式中解决了这些问题，但是在接收模式中，这种架构由于放大的级联而增加了噪声。在本发明中，与相控阵列相比，放大器可以并行放置在每个馈点，而不增加额外的噪声。
没有发现现有技术表明可以在不使用移相器的情况下馈送电子扫描阵列。对于许多类型的漏波阵列，通过改变频率或改变行进模式的相位速度来扫描波束。频率偏移对于许多应用是不可行的，而改变相位速度将使天线与馈线异相。全息天线明显地有利于这种方法，因为行进模式的平均相位速度不随扫描角度而改变。
可能感兴趣的现有技术文件包括：
(1)E.Kock，“Microwave Holography(微波全息)”，Microwaves(微波)，第7卷，第11期，第46-54页，1968年11月。
(2)M.ElSherbiny,A.E.Fathy,A.Rosen,G.Ayers,S.M.Perlow,“HolographicAntenna Concept,Analysis,and Parameters(全息天线概念、分析和参数)”,IEEETransactions on Antennas&Propagation(IEEE天线与传播学报)，第52卷，第3期，第830-839页，2004年3月。
(3)K.lizuka,M.Mizusawa,S.Urasaki,H.Ushigome，“Volume-Type HolographicAntenna(容积型全息天线)”，IEEE Transactions on Antennas&Propagation(IEEE天线与传播学报)，第23卷，第6期，第807-810页，1975年11月。
(4)D.M.Pozar，“Flat Lens Antenna Concept Using Aperture CoupledMicrostrip Patches(使用孔径耦合微带贴片的平面透镜天线概念)”，IEE ElectronicsLetters(IEE电子信件)，第32卷，第23期，第2109-2111页，1996年11月。
(5)Shaker，“Thick volume hologram for microwave frequency band:design,fabrication,and test(微波频段厚容积全息图：设计、制造和试验)”，IEE Proc.–Microw,Antennas Propag.(IEE微波天线传播)，第153卷，第5期，2006年10月，第412-419页。
(6)N.Gagnon,A.Petosa和D.McNamara，2014年6月3日授予的美国专利No.8,743,000。
(7)Gregoire,D.J.,J.S.Colburn,A.M.Patel,R.Quarfoth和D.Sievenpiper，“Alow profile electronically-steerable artificial-impedance-surface antenna(低剖面电子可控人工阻抗表面天线)”，Electromagnetics in Advanced Applications(ICEAA),2014 International Conference on，高级应用中的电磁学(ICEAA),2014年国际会议，第477-479页，IEEE，2014年。
(8)Quarfoth,Ryan G.，Amit M.Patel和Daniel J.Gregoire，“Ka-bandelectronically scanned artificial impedance surface antenna(Ka波段电子扫描人工阻抗表面天线)”，Antennas and Propagation(APSURSI),2016 IEEE InternationalSymposium on(天线与传播(APSURSI),2016年IEEE国际研讨会)，第651-652页，IEEE，2016年。
(9)Oliner,A.和Alexander Hessel，“Guided waves on sinusoidally-modulated reactance surfaces(正弦调制电抗表面上的导波)”，IRE Transactions onAntennas and Propagation 7(IRE天线传输和传播7)，第5期(1959)：第201-208页。
(10)Rusch,C.，“Holographic Antennas(全息天线)”，Springer InternationalPublishing AG(Springer国际出版集团)，2015年。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供了一种全息天线阵列，该阵列由馈源网络激发，该馈源网络与天线上的行波模式相位匹配，无需移相器。在现有技术中，天线阵列的每个单元被馈送有移相器，使得天线的辐射方向图可以被控制。现有技术的全息天线在没有移相器的情况下通过在天线的开始处使用单个馈源来操作，但是由于调谐元件的串联电阻，难以制造电长的电扫描天线。
全息天线是行波天线的子集，也称为周期性漏波天线。全息天线支持空间调制(通常周期性地)的慢波模式(即非辐射)以产生辐射。全息图是慢波模式和期望的辐射图案之间的干涉图案，并且通过施加调制，利用该图案辐射慢波。在其最简单的形式中，全息图是沿着天线的正弦变化，在远场辐射笔形波束。这种类型的全息图对于产生高增益波束是有用的，例如，通信系统。
在一个方面，本发明提供了一种具有RF连接的全息天线，该全息天线包括：多个导电元件，其布置在一系列所述导电元件中，所述一系列导电元件被分组为多个不同组的所述导电元件，在每个所述不同组的导电元件中的每个导电元件经由一个或多个调谐元件连接到每个所述不同组的导电元件中的相邻导电元件，每个所述不同组的导电元件包括所述全息天线的较短全息天线；多个放大器，所述多个放大器中的每一个被连接在所述不同组的导电元件中的每一个的输入端；以及馈送系统，其将所述放大器中的每一个耦合到所述RF连接。
在另一方面，本发明提供了一种全息天线，其包括多个导电元件，所述多个导电元件被分组为多个不同组的导电元件，每个不同组具有关联的放大器，用于将放大器RF信号施加到其关联组的导电元件，每个关联组的导电元件具有互连调谐元件，并且每个放大器具有至少部分地通过向所述调谐元件施加适当的信号来补偿的相位延迟，从而改变位于与导电元件相关联的放大器之后的关联组的导电元件的阻抗图案。
在又一方面，本发明提供了一种用于补偿全息天线的相位误差的方法，用于通过改变全息天线中调谐元件施加的阻抗，对天线的全息图案施加抵消相移，来补偿由于部件，例如具有不同相位延迟的放大器，引起的全息天线的相位误差。
附图说明
图1描述了现有技术的相控阵天线。
图2描述了全息天线的现有技术设计。
图3a(1)和图3a(2)描述了本发明的一个实施例，其将全息天线分成较短的全息天线阵列。
图3b(1)和图3b(2)描述了另一实施例，其消除了图3a(1)和图3a(2)的实施例中的馈送管线并将放大器串联放置而不是并联放置。
图4a是与图3a的实施例相对应的三层印刷电路实施例的三个层的平面图。
图4b是图4a中三层印刷电路实施例的侧视图，为便于说明，介电层的宽度被放大。
图4c是类似于图4a和图4b的三层印刷电路实施例的上层平面图，但是具有彼此平行设置的较短全息天线的多个线性阵列。
图5演示了对于校正后的天线，全息调制被校正了150度，以解释未校正天线的不正确输入相位。
图6和图7示出了双元件全息阵列的两种不同模拟的结果。
具体实施方式
提供以下描述是为了使本领域普通技术人员能够制造和使用本发明，并将其结合在特定应用的上下文中。对于本领域技术人员而言，各种修改以及不同应用中的各种用途将是显而易见的，并且本文所定义的一般原理可应用于广泛范围的实施例。因此，本发明并不旨在限于所提出的实施例，而是要符合与本文公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。
在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对本发明的更彻底的理解。然而，对本领域技术人员来说，显然可以实施本发明而不必限于这些具体细节。
读者的注意力集中在与本说明书同时提交并随本说明书公开供公众查阅的所有文件和文档上，所有这些文件和文档的内容以参考的方式并入本说明书。除非另有说明，本说明书中公开的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)可由用于相同、等同或类似目的的替代特征代替。因此，除非另有明确说明，所公开的每个特征仅是等同或类似特征的通用系列的一个示例。
图1示出了一种现有技术的相控阵天线，其由多个天线元件10组成，由行进馈源12馈送。相控阵天线通常也由合作馈源馈送，这可以减少波束偏斜。对于行进馈源和合作馈源，相控阵天线需要用于每个天线元件10的移相器14，以便能够进行电子束扫描。图2中所示的现有技术全息天线与图1的相控阵列相比是有利的，因为没有移相器来实现波束扫描。相反，通过调制行进模式的相位速度来扫描波束。在这种条件下，天线辐射由下式定义的无限数量的空间谐波：
β＝k0 sinθ+nkp (公式1)
其中，β是沿天线传播的波的波数，k0是自由空间的波数，θ是相对于(天线的)法线的辐射角，n是表示空间模式数的整数，并且kp是调制的波数。通常，n＝-1模式是最容易获得的调制，并且当激发n＝-1模式时，其它空间模式主要具有非常小的耦合或复杂的辐射角。
实现调制kp的一个简单方法是在天线的长度上正弦地改变行进模式的指数：
ns(x)＝navg+M cos(kpx) (公式2)
其中，ns是沿天线的位置变化指数，navg是沿着天线的平均指数，M是调制深度，x是位置。
图2描述了全息天线的现有技术设计，该天线仅由单个天线元件或(未示出)多个元件组成，且串联放大器没有相移(如负阻抗转换器)。关于全息天线的更深入的讨论，参见上文给出的文献(7)至(10)。
该技术的一个可能实施例是一系列亚波长间隔的金属贴片，每个贴片都装有变容二极管。二极管的电容被调制，以便电子地控制辐射图案。这种架构的缺点是这些二极管(或其他调谐元件)总是具有串联电阻，这使得波在沿天线传播时被吸收。结果是不能产生电长天线，因为入射波不能使其具有到结构端部的合适的振幅。关于更深入的讨论，参见上述文献(7)和(8)。
本发明的一个实施例通过将全息天线分成较短全息天线20的阵列来克服这个缺点，如图3a(1)和图3a(2)描述的实施例所示。图3a(1)和图3a(2)描述了一个实施例，但是为了说明清楚起见，图3a(1)描述了RF信号路径(并且省略了控制信号路径)，而图3a(2)示出了控制信号路径(并省略了RF信号路径)。在图3a(1)/3a(2)的实施例中，全息天线包括三个较短全息天线20的线性阵列(在两个图3a(1)和图3a(2)中都示出)，应当理解，线性阵列中较短全息天线20的数量可以远大于三个，因此可以实现较长的天线长度，而不必像图2的现有技术中所做的那样使行波穿过整个系列阻抗调谐元件24。通过并入具有相同相位速度的馈送网络，图3a(1)和图3a(2)中的全息天线的实施例仍然可以实现波束扫描，但是不需要像图1的传统相控阵列那样的移相器。相位速度应当足够紧密地匹配，使得馈送网络和天线之间的任何相位误差在天线的整个长度上处于90度内。
图3b(1)和图3b(2)描述了另一实施例，其中较短全息天线20布置成线性阵列，但没有如图3a(1)和图3a(2)的实施例的情况下的单独馈送网络。图3b(1)示出RF信号路径，而图3b(2)示出控制信号路径。
在上述两个实施例中(如图3a(1)和图3a(2)以及图3b(1)和图3b(2)所描述的)，为了便于说明，仅描绘了几条控制信号路径，应当理解，每个导电元件22将优选地与DAC的单独输出端连接。
在图3a(1)和图3a(2)以及图3b(1)和图3b(2)所示的本发明的实施例中，这些实施例各自具有一个或多个较短全息天线20的线性阵列。为了便于说明，在这些实施例中仅示出了较短全息天线20的一个线性阵列，应当理解，在实践中还可以使用彼此或多或少平行设置的较短全息天线20的多个线性阵列。每个线性阵列可具有大于或等于两个的任何数目的群组的较短全息天线20(为便于说明，对于图3a(1)和3a(2)中的实施例仅示出三个较短全息天线20，并且对于图3b(1)和3b(2)中的实施例仅示出三个较短全息天线20)。每组包括一个较短全息天线20，其由一系列(组)导电元件22组成，这些导电元件22彼此间隔小于波长(λ)。在优选实施例中，导电元件22的间隔等于λ/6。但是导电元件22的间距小于λ/2就足够了。每个较短全息天线20由一组多个导电元件22组成。该较短全息天线20的长度可以大于2λ，并且优选地包含六个或更多个导电元件22(对于图3a(1)/3a(2)和图3b(1)/3b(2)中的实施例描述了八个)。一组中的导电元件22的数量可以为数百个或甚至数千个。但实际上，包括较短全息天线20的组中的导电元件22的数目更优选地在20至40的范围内。阻抗调谐元件24设置在导电元件22的行中的相邻导电元件22之间。图3a和图3b中示出了两个阻抗调谐元件24，位于单个较短全息天线20内的每对相邻导电元件22之间。可以在单个较短全息天线20内的相邻成对的导电元件22之间设置大于或等于1的任何数量的阻抗调谐元件24。阻抗调谐元件24可以通过能够电子地控制阻抗调谐元件24的阻抗(电抗)的任何装置来实现。示例性阻抗调谐元件24包括变容二极管、PIN二极管、肖特基二极管、RF开关、隧道二极管、晶体管、MEMS开关和可调介电元件。通过向阻抗调谐元件24施加(来自DAC的)电压或电流偏置来电子地调谐该阻抗调谐元件24，以改变在每个阻抗调谐元件24位置处的行波的有效指数，使得该指数达到或近似公式2的条件(以上对于具有相位延迟匹配馈线43和较短全息天线20的实施例)或公式3至5的条件(下面对于不具有相位延迟匹配馈线43和较短全息天线20的实施例)。
在图3a(1)和图3a(2)的实施例中，如果假设每个放大器26相同，则放大器26的相移不会引起破坏性干扰。然而，必须以与图1的现有技术天线相同的相位向放大器馈送，以实现波束扫描。可以通过确保馈线42(其基本上平行于较短全息天线20的阵列的主轴延伸)具有与较短全息天线20的阵列相同的相位速度来实现这种定相，但是这与图3b(1)和图3b(2)的实施例相比，给图3a(1)和3b(2)的实施例增加了额外的设计约束。相反，如将参照图图3b(1)和图3b(2)中的实施例看到的(下面将进一步讨论)，其较短全息天线20的阻抗图形可以基于到每个较短全息天线20的输入相位被单独地补偿。这消除了对馈送网络和对天线进行相位管理的要求。此外，如果使用单独的馈线，如在图3a(1)和图3b(2)中的实施例的情况下，但是放大器26在相位延迟方面不相同，和/或馈线42不(完美地)与较短全息天线20在相位滞后方面匹配，则可以使用下面描述的关于对各个较短全息天线进行相位补偿的技术。
图4a和图4b描述了具有馈送网络的天线的实施例，其中图3a(1)的馈送网络被实施为设置在层403中的微带馈线42，该层403与接地平面44(层402)相邻但间隔开且绝缘。较短全息天线20设置在层401中，层401也与层402的接地平面44相邻、间隔开并绝缘，但在层402的相对侧上。图4a是三层印刷电路板40的三层401、402和403中的每一层的平面图。图4b是示出在彼此顶部上的三个层401、402和403的侧视图，并且还更清楚地示出了每一层的介电材料。与层403相关联的任何介电材料优选地在制造期间被去除，或者如果其保留，则应当考虑其介电常数，因为其将可能影响微带馈线42的相位速度的相速。选择多层印刷电路板40的401的介电材料41的介电常数ε1(及其厚度)以及401的介电材料45的介电常数ε2(及其厚度)，使得层403上的微带馈线42的微带模式的相位速度与由在层401上的较短全息天线20的阵列所形成的行波天线的平均相位速度相匹配。可以通过进行仿真或建模来确定这些相位速度。
多层印刷电路板40的底部(或馈送)侧或层403支撑微带馈线42和放大器32。多层印刷电路板40的中间(或接地)层402为接地平面44(例如由诸如铜或铝的金属制成)提供在其中的开口或通孔46。多层印刷电路板40的上(或天线)层401具有三个较短全息天线20，其输入端在放大器32的输出端连接到微带馈线，因为放大器32输出端处的微带馈线42优选地通过接地平面44中的所示开口或通孔46到达每个较短全息天线20的天线馈送元件28。天线馈送元件28可以简单地实施为三角形金属(例如铜或铝)的片或层，但是天线馈送元件28可以具有更复杂的设计，包括金属和绝缘层的堆叠(未示出)。在该实施例中，在单个线性阵列中示出了三个较短全息天线20，应当理解的是，线性阵列中的较短全息天线20的数目可以大得多，并且如图4c所示，可以彼此平行地设置多个线性阵列，每个线性阵列具有多个较短全息天线20。图4c示出了与图4a和图4b的实施例类似的多层印刷电路板的上层401，但具有四个平行的全息天线的线性阵列，每个阵列包括较短全息天线20的阵列。
在天线的一个实施例中，放大器26被设置在每个天线馈送元件28和微带馈线42之间。该实施例的变型可以仅在RF输入端处具有放大器。RF耦合器(未示出)优选地将从馈线42获取的电力馈送到每个较短全息天线20。在每个较短全息天线20的输入处的天线馈送元件28可以包括阻抗变换器，该阻抗变换器将馈线42的阻抗变换为缩短的较短全息天线20的阻抗。
在图3a(1)、图3a(2)、图3b(1)、图3b(2)、图4a、图4b和图4c的实施例中，导电元件22是矩形形状的，但这不一定是设计限制，因为其他几何形状也可用于导电元件22。此外，在这些实施例中，当天线被调谐的标称波长为1.5mm时，相邻导电元件22之间的间隔是λ/6，并且每个导电元件沿着天线的长度的尺寸(宽度w)是λ/6或大约0.25mm。这在相邻的导电元件22之间留下0.25mm的间隙(当天线的标称波长是1.5mm时)，然后可以通过焊接直接连接诸如二极管的阻抗调谐元件24在相邻导电元件22之间。间隙在较高频率下将较窄，因此可能需要其他装置来将阻抗调谐元件24附接到其导电元件22。较宽的间隙可用于较大的二极管，或者可在较宽间隙的顶部上使用突片，使得二极管附接到相邻导电元件22的任一边缘上的突片。
导电元件22的形状不必是如上所述的矩形。实际上，非矩形导电元件22的几何形状也是可行的，例如任何多边形、规则或不规则的。总之，影响波传播和天线特性的是相邻导电元件22之间的电容。为了易于制造，导电元件22的形状可包括允许阻抗调谐元件24容易地附接的一些特征。在横向于较短全息天线20的线性阵列的方向上，导电元件22可以是从显著小于波长到数十或数百波长的任何尺寸(高度h)。优选地，高度h尺寸在λ/2和λ之间。在该尺寸下，导电元件22足够小以在横向方向上排列并且实现远场中的波束形成。虽然在本文中将较短全息天线20的阵列描述为“线性”，但该术语不应从字面上理解。较短全息天线20的阵列可使用印刷电路板技术容易地实施，如参考图4a至图4c的实施例所描述的，并且印刷电路板可以是共形的(或仅仅是弯曲的)，因此，它们不一定需要是平面的。本文中的术语“线性”旨在包括可位于弯曲表面或平坦表面上的遵循直线的路径。
可以使用两种机制来确保较短全息天线20被正确地定相以实现波束扫描：
(1)相位匹配馈线--参见图3a、图4a和图4b中的实施例--使用该技术，沿较短全息天线20的阵列传播的波和沿馈线42传播的波的相位速度被尽可能接近地匹配。该技术确保每个较短全息天线20接收相同的输入相位，如同在前端仅有单个馈源的情况下将接收到的一样。可以使用多种技术来匹配天线和馈线的相位速度。优选的技术针对馈线26介电材料45和较短全息天线20介电材料41使用不同的介电常数(如果需要)，以试图确保相位匹配。还可以通过选择阻抗调谐元件24的特定阻抗特性或修改馈线或天线结构的几何形状来实现期望的相位速度，因此控制介电常数ε1和ε2不是实现该结果的唯一手段。这种技术需要比第二种技术更多的设计努力，但是其往往导致更宽的带宽。
(2)全息相位校正--参见图3a(1)和图3a(2)的实施例(但是假设，在该实施例中，单独的馈线42不与较短全息天线20相位匹配，因此馈线42和较短全息天线20的相位延迟被任意设置)和图3b(1)和3b(2)的实施例(其没有单独的馈线)。在这些实施例中，调整每个较短全息天线20上的全息图案以考虑相位的变化。该方法实施起来简单，但趋于更窄的带状。优选地通过施加到多行的阻抗调谐元件24的周期性控制信号来调节每个较短全息天线20上的全息图案以对应相位的变化。这可以通过设置在每个放大器32的输入端的移相器(未示出)来完成。
控制信号通常作为电压或电流施加到多行的阻抗调谐元件24。这可以通过利用如图3a(2)和图3b(2)所示的数模转换器DAC将金属迹线25连接到每一行来完成。DAC连接到数字总线27，该数字总线27从微处理器(例如但未示出)接收数据。DAC将提供上述公式2中的变量Kp或下面的公式3中的变量Kp和或下面的公式4和5中的变量Kp和各种下标版本的/>的电子控制。天线优选地被调谐以应对这些金属迹线25的存在。可替代地，使用光学控制的调谐元件，例如光学控制MEMS装置，调谐信号是与电流或电压相反的光(例如，激光束，其优选地被限制在光纤中的波导)。在这样的实施例中，不需要金属控制线(金属迹线25)，并且经由光纤或自由空间光学器件施加光学控制信号，从而避免金属迹线(用于控制线)影响天线调谐的问题。在这种光学控制实施例中，金属迹线25可以被视为实施为光学波导。
在图3b(1)和图3b(2)的实施例中，不存在或多或少平行于较短全息天线20的阵列延伸的单独馈线。由于在该实施例中没有馈线，馈线不再是设计约束，其相位速度应当与较短全息天线20的线性阵列的相位速度相匹配。但是这意味着应当使用某种其他方法来校正由其放大器32施加的相移。在该实施例中，RF输入馈送到第一较短全息天线20，并且在相同的线性阵列中的每个随后的较短全息天线20串联地馈送。放大器32被放置在每个较短全息天线20之间。现有技术公开文本使用了特别建议的负阻抗转换器放大器，因为这些放大器不会干扰行进模式的相位。在该实施例中，可以使用任何放大器，并且应用全息相位校正来校正放大器的相移。这优选地通过改变施加到导电元件22的全息干涉图案来实现，以解决较短全息天线20的线性阵列中的每个放大器32的相移。
在图3b(1)和图3b(2)的实施例中，放大器32沿天线串联地加载，并且优选地在较短全息天线20之间加载(这与图3a(1)、图3a(2)、图4a和图4b中的实施例形成对比，在图3a(1)、图3a(2)、图4a和图4b中放大器26以更平行的布置连接)。通过周期性地放大行波，天线更有效地使用其孔径面积，从而提高增益。在该实施例中的挑战是传统放大器对行波施加相移，这破坏了全息干涉图案。通过在每个放大器32之后对全息图案应用相位校正以应对这些放大器32的传输相位来克服这一点。优选地，通过调节施加到导电元件22的电压来实现该相位校正。这改变了每个阻抗调谐元件24接收的电压偏置。因此，我们更新调制，参见公式2(公式2)，即可施加。这在下面通过公式3(公式3)更多地进行描述。这些校正级联用于每个放大器32，并且因此每个随后的校正被叠加在先前校正的顶部。结果是天线的每个较短全息天线20(每个包括一组导电元件22)在相位上相长地辐射，而不管放大器的相移。公式3(公式3)示出了对公式2(公式2)产生适当定相的双较短全息天线20线性阵列：
For x＜L/2：ns(x)＝navg+M cos(kpx)
其中，ns是沿天线变化的指数的位置，L是双较短全息天线20线性阵列的总长度，并且Π是根据需要应用于校正串联或馈送网络中的第二放大器中的相位误差的校正。如果放大器32从相位延迟的角度看是相同的，并且如果馈送网络不引入需要校正的相位延迟，则Π校正变量可以是零。但是，如果在制造的设备中出现这种相位延迟，则具有校正这些相位延迟的能力是期望的特征。其它术语在上文相对于公式2定义。
公式3(公式3)可概括为允许任何数目的较短全息天线20以线性序列排列，如(下面)公式4和公式5所示，是分别具有3个或4个较短全息天线20的较短全息天线20线性阵列：
For x＜L/3：ns(x)＝navg＝M cos(kpx)
For L/3≤x＜2L/3：ns(x)＝navg＝M cos(kpx+Π1)
For x≥2L/3：ns(x)＝navg＝M cos(kpx+Π2) (公式4)
For x＜L/4：ns(x)＝navg＝M cos(kpx)
For L/4≤x＜L/2：ns(x)＝navg＝M cos(kpx+Π1)
For L/2≤x＜3L/4：ns(x)＝navg＝M cos(kpx+Π2)
For x≥3L/4：ns(x)＝navg＝M cos(kpx+Π3) (公式5)
对于第一个串联连接的放大器32(即阵列中的较短全息天线20之间连接的放大器串联)，校正值Πn上的数字指数是n，其中n＝1。对于图3b(1)和图3b(2)中的实施例，具有线性阵列中的多个较短全息天线20，Π的值与特定放大器32相关联，如根据公式4在其上所识别的那样。
相位校正调整施加到天线的调制，如图7所示。在未校正的版本中，调制是沿着天线的整个长度应用的单个余弦，如公式2所示。对于具有两个较短全息天线20的设计，必须在较短全息天线的位置处对调制进行校正，如在公式3中所述(假设线性系列中的第二较短全息天线20位于L/2)。在图7中，这种调制的校正由放大器位置处的指数中的不连续性表示。调制的相位在这里被改变以抵消由位于L/2处的放大器施加的相移。
图6示出了使用相位匹配行波馈送的双元件全息阵列的模拟结果，因此对应于图3a的实施例。当输入到每个较短全息天线的相位正确时，主波束为15.4dB，旁瓣为6.7dB。如果馈线没有相匹配的相位速度，并且第二元件馈送偏离最佳60度，则主波束下降到15.0dB，偏移1.5度，旁瓣增加到9.7dB。当第二馈送偏离180度时，主波束通过相消干涉被去除，并且存在两个旁瓣而具有相似的增益。
图7示出了使用相位匹配行波馈送的双较短全息天线20全息线性阵列的模拟结果。因此，该模拟是在基本上对应于图3a的实施例的一实施例上进行的，除了在模拟中，模拟实施例仅具有使线性阵列全息化的两个较短全息天线20。尽管基于行波模式的相位，线性阵列中的第二较短全息天线应当超前150度这一事实，较短全息天线20仍被同相馈送。
对于校正和未校正的两个实施例，通过设置调制周期kp来实现波束扫描。然后，可以从上面的公式(1)计算扫描角度。
如果上述印刷电路板对于感兴趣的频率而言太大，则可以通过使用MEMS型制造技术或甚至芯片级技术来构建本文所述的天线，以减小它们的物理尺寸。
所公开的全息天线被设置为发射天线。其可以通过反转各个放大器的方向而被转换成接收天线，使得天线的RF输入然后变成RF输出。这里的术语“RF连接”指的是当天线被配置为发射天线时的RF输入，并且还指当天线配置为接收天线时的RF输出。
根据专利法的要求描述了本发明，本领域的技术人员将理解如何对本发明进行改变和修改，以满足其特定的要求或条件。可以在不背离如本文所公开的本发明的范围和精神的情况下进行这样的改变和修改。
上述示例性和优选实施例的详细描述是用于说明目的和根据法律要求进行公开。其并非旨在穷举或将本发明限制于所描述的精确形式，而是仅使本领域技术人员能够理解本发明如何适合于特定用途或实施。修改和变化的可能性对于本领域技术人员将是显而易见的。优选包括本文所述的所有元件、部分和步骤。应当理解的是，这些元件、部分和步骤中的任何一个可以被其他元件、部分和步骤代替，或者被一起删除，这对于阅读本公开的本领域技术人员来说是显而易见的。对可能具有包括公差、特征尺寸、特定操作条件、工程规范等的示例性实施例的描述并不意图进行限制，并且其可以在实现之间变化或者随着对现有技术的改变而变化，并且不应当由此暗示限制。申请人已经针对现有技术进行了本公开，但是也考虑了改进，并且在未来的修改可以考虑这些改进，即根据现有技术。本发明的范围由权利要求书限定为书面的和可适用的等同适用。除非明确说明，否则以单数形式提及权利要求元件并不意味着“一个且仅一个”。此外，本公开中的元件、组件或方法或工艺步骤都不旨在专用于公众，而不管所述元件、组件或步骤是否在权利要求书中明确地陈述。本文中的任何权利要求要素都不应被解释为如35U.S.C.第112节中所述的内容，除非该要素是使用短语“用于...的装置”明确地陈述的，并且本文件中的任何方法或工艺步骤都不得根据这些规定解释，除非该一个或多个步骤明确陈述“包括以下步骤…”。
在不脱离本发明范围的前提下，可以对本发明所述的系统、装置和方法进行修改、添加或省略。系统和装置的组件可以被集成或分离。此外，系统和装置的操作可由更多、更少或其他组件来执行。所述方法可包括更多、更少或其他步骤。另外，可以以任何合适的顺序执行步骤。如在本文中所使用的，“每个”指的是集合的每个成员或集合的子集的每个成员。
本发明包括如下的概念：
概念1.一种具有RF连接的全息天线，所述全息天线包括：
a.多个导电元件，其被布置成一系列所述导电元件，所述一系列导电元件被分组为多个不同组的所述导电元件，在每个所述不同组的导电元件中的每个导电元件经由一个或多个调谐元件连接到每个所述不同组的导电元件中的相邻导电元件，每个所述不同组的导电元件包括所述全息天线的较短全息天线；
b.多个放大器，所述多个放大器中的每一个被连接在所述不同组的导电元件中的每一个的一端；以及
c.馈送系统，其将所述放大器中的每一个耦合到所述RF连接。
概念2.根据概念1所述的全息天线，所述全息天线还包括多个天线馈送元件，所述多个天线馈送元件中的每一个与所述多个放大器中的对应的一个相关联并且相连接，并且还连接到所述导电元件组的每组中的第一个导电元件。
概念3.根据概念2所述的全息天线，其中，所述导电元件中的每一个具有几何形状，并且所述天线馈送元件中的每一个具有三角形形状，每个馈送元件的三角形形状的一侧邻接所述导电元件组的的每组中的第一个导电元件的一侧。
概念4.根据概念3所述的全息天线，其中，所述几何形状是矩形。
概念5.根据概念1至4中任一概念所述的全息天线，其中，所述馈送系统包括馈线，该馈线被设置成基本平行于所述多个不同组的所述导电元件的线性布置。
概念6.根据概念5所述的全息天线，其中，所述馈送系统包括多个微带线，所述微带线使放大器互联，所述放大器与不同组的所述导电元件中的每一个相关联并且相连接。
概念7.根据概念5或6所述的全息天线，其中，所述馈送系统与所述多个不同组的所述导电元件的所述线性布置间隔开。
概念8.根据概念7所述的全息天线，其中，所述多个不同组的所述导电元件的所述线性布置被设置在接地平面的一侧上的第一介电表面上，并且所述馈送系统被设置在接地平面的另一侧上设置的第二介电表面上。
概念9.根据概念8所述的全息天线，其中，所述不同组的所述导电元件中的每一个具有设置在所述第二介电表面上的关联放大器，并且其中，所述馈送系统包括多个微带线，所述微带线将每个关联放大器与(i)所述RF连接以及(ii)与所述导电元件组中的每组中的第一个导电元件互连，所述关联放大器与之相关联。
概念10.根据概念5至9中任一概念所述的全息天线，其中，所述馈送系统包括放大器，每个放大器耦合到所述不同组的所述导电元件中的每一个的一端，包括其放大器的所述馈送系统具有与之相关联的相位延迟，该相位延迟与所述多个不同组的所述导电元件的所述线性布置相匹配。
概念11.根据概念5至10中任一概念所述的全息天线，其中，所述多个导电元件被布置成二维阵列，其中，所述导电元件组中的每一个包括所述全息天线元件中的一个，其也被布置成二维阵列。
概念12.根据概念1至11中任一概念所述的全息天线，其中，所述调谐元件包括变容二极管。
概念13.根据概念1至12中任一概念所述的全息天线，其中，所述调谐元件各自连接到DAC，用于电子控制每个所述调谐元件的阻抗。
概念14.根据概念13所述的全息天线，其中，所述调谐元件的所述电子控制影响所述全息天线扫描的角度。
概念15.根据概念14所述的全息天线，其中，所述调谐元件的所述电子控制还补偿在所述放大器和/或所述馈送系统中所出现的不希望的相位延迟。
概念16.一种全息天线，其包括多个导电元件，所述多个导电元件被分组为多个不同组，每个不同组具有关联的放大器，用于将放大RF信号施加到其关联组的导电元件，每个关联组的导电元件具有互连调谐元件，并且每个放大器具有通过向所述调谐元件施加适当的信号来至少部分地补偿的相位延迟，从而改变位于所述关联组的导电元件相关联的放大器之后的所述关联组的导电元件的阻抗图案。
概念17.一种用于补偿全息天线的相位误差的方法或装置，用于通过改变全息天线中调谐元件施加的阻抗，对全息图案施加抵消相移，来补偿由于部件，例如具有不同相位延迟的放大器，引起的全息天线的相位误差。
Claims (20)
1.一种全息天线，包括：
a.多个导电元件，其被布置成一系列的所述导电元件，所述一系列的所述导电元件中的所述导电元件形成多个导电元件组，在每个导电元件组中，每个所述导电元件具有与在相同的导电原件组中的至少一个相邻导电元件的连接，在两个相邻导电元件之间的每个连接包括连接所述两个相邻导电元件的一个或多个可控阻抗调谐元件；其中，每个导电元件组形成比所述一系列的所述导电元件更短的全息天线；
b.多个放大器，所述多个放大器中的每一个放大器被连接在所述多个导电元件组中的各个导电元件组的一端；
c.RF连接；以及
d.馈送系统，其包括导线，所述导线将所述放大器中的每一个耦合到所述RF连接。
2.根据权利要求1所述的全息天线，所述全息天线还包括多个天线馈送元件，所述多个天线馈送元件中的每一个与所述多个放大器中的对应的一个相关联并且相连接，并且还连接到导电元件组的每组中的第一个导电元件。
3.根据权利要求2所述的全息天线，其中，所述导电元件中的每一个具有几何形状，并且所述天线馈送元件中的每一个具有三角形形状，每个馈送元件的三角形形状的一侧邻接所述导电元件组的每组中的第一个导电元件的一侧。
4.根据权利要求3所述的全息天线，其中，所述几何形状是矩形。
5.根据权利要求1所述的全息天线，其中，所述馈送系统的所述导线包括馈线，该馈线被设置成基本平行于所述一系列的所述导电元件。
6.根据权利要求5所述的全息天线，其中，所述馈送系统的所述导线包括多个微带线，所述微带线将所述多个放大器的每一个放大器连接到多个所述导电元件组中的相应一个所述导电元件组的端部中的一个。
7.根据权利要求5或6所述的全息天线，其中，所述馈送系统的所述导线与所述一系列的所述导电元件间隔开。
8.根据权利要求7所述的全息天线，其中，所述一系列的所述导电元件被设置在接地平面的一侧上设置的第一介电表面上，并且所述馈送系统的所述导线被设置在接地平面的另一侧上设置的第二介电表面上。
9.根据权利要求8所述的全息天线，其中，所述多个放大器设置在所述第二介电表面上，并且其中，所述馈送系统的所述导线包括多个微带线，所述微带线将每个放大器与(i)所述RF连接以及(ii)与形成所述多个导电元件组中的相应一个导电原件组中的第一个导电元件互连。
10.根据权利要求5所述的全息天线，其中，每个放大器，与所述馈送系统相结合，被布置具有相位延迟，使得每个导电元件组接收相同的输入相位，如果在所述一系列的所述导电元件的前端仅有单个馈源的情况下，则会接收相同的输入相位。
11.根据权利要求5所述的全息天线，包括布置成二维阵列的所述一系列的所述导电元件。
12.根据权利要求1所述的全息天线，其中，所述可控阻抗调谐元件包括变容二极管。
13.根据权利要求1所述的全息天线，其中，所述可控阻抗调谐元件各自连接到DAC，用于电子控制每个所述调谐元件的阻抗。
14.根据权利要求13所述的全息天线，其中，所述可控阻抗调谐元件的所述电子控制影响所述全息天线扫描的角度。
15.根据权利要求14所述的全息天线，其中，所述可控阻抗调谐元件的所述电子控制还补偿在所述放大器和/或所述馈送系统中所出现的不希望的相位延迟。
16.根据权利要求1所述的全息天线，其中，每个放大器具有通过向所述可控阻抗调谐元件施加适当的信号来至少部分地补偿的相位延迟，从而改变连接到放大器的所述组的所述导电元件的阻抗图案。
17.根据权利要求16所述的全息天线，其中，每个组的导电元件被设置在接地平面一侧上所设置的第一介电表面上。
18.根据权利要求17所述的全息天线，其中，每个所述放大器的输入与馈送系统相连接，该馈送系统将RF信号传送到所述放大器，所述馈送系统被设置在所述接地平面的另一侧上所设置的第二介电表面上。
19.根据权利要求18所述的全息天线，其中，所述可控阻抗调谐元件连接到DAC，用于电子控制每个所述可控阻抗调谐元件的阻抗。
20.一种用于补偿根据权利要求1所述的全息天线的相位误差的方法，其中所述放大器具有不同的相位延迟，所述方法包括通过改变全息天线中可控阻抗调谐元件施加的阻抗来对全息图案施加抵消相移。
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