CN102804502B - 超材料可重配置天线 - Google Patents

Abstract

超材料可重配置天线。能够利用装载有可变容器和电感器的超材料结构的特征，按图案和/或偏振被重新配置的漏波天线，采用有两个独立DC偏置的复合左右旋（CRLH）单位单元，该两个独立DC偏置用于有效地改变传输线的群延迟和被辐射场的偏振，同时保持良好的阻抗匹配。不同度的图案和偏振可重配置性，通过沿直线、圆形线或之字形线级联多个这些单位单元被获得，同时保持所有天线配置的高增益和良好的阻抗匹配。

Description

超材料可重配置天线

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（CompositeRightLeftHanded（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（unitcell）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。

在本发明的可重配置天线的第三种配置中，该CRLH单位单元沿圆弧被级联，而被用于改变与该串联电容并联的可变电容和/或电感的DC偏置被用于控制被辐射场的偏振，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偏置被用于控制被辐射场的偏振和阻抗匹配。在一示例性配置中，成对的CRLH单位单元在空间中沿该圆弧被垂直地位移。电容器还可以被包含在该电路中，以便使产生该至少两个DC偏置的相应DC偏置网络去耦合。

本发明还包含改变可重配置天线的图案和/或偏振的方法，通过提供至少一个复合左右旋（CRLH）单位单元，该复合左右旋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和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，以及分开地把至少两个DC偏置，施加到与该并联电感串联的可变电容和/或电感和与该串联电容并联的可变电容和/或电感，以便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，以便由此控制传输线的群延迟和辐射电场的偏振。多个CRLH单位单元被级联，以便定义漏波结构，且激励信号被施加到漏波结构的至少一个输入端口以激励天线。至少一个输入端口被馈送作为激励信号的射频信号，同时所有其他输入端口在匹配负载上被关闭。此外，两个输入端口可以通过有选择地打开和关闭两个输入端口之间的RF开关可以被交替地激励。

上面的概述被提供，是为了以简化的形式介绍选择的概念，这些概念在下面的具体实施方式中进一步描述。该概述既不企图指出要求保护的主题的关键特性或本质特性，也不企图用于限制要求保护的主题的范围。此外，要求保护的主题不限于本公开任何部分中指出的解决任一或全部缺点的实施方案。

附图说明

本发明的示例性实施例将结合有关附图被描述，附图中：

图1示出复合左右旋（CRLH）传输线单位单元示意图（图1（a））和等效电路模型（图1（b））。

图2示出CRLH传输线单位单元的色散图。

图3示出可重配置CRLH传输线单位单元的示意图（图3（a））和色散图（图3（b））。

图4示出按照本发明的有独立偏置网络和良好阻抗匹配的CRLH可调谐单位单元示意图（图4（a））和电路模型（图4（b））。

图5示出本发明的单位单元对四种不同偏置电压组合的色散图。

图6示出供本发明使用的两端口可重配置漏波天线（LWA）。

图7A-图7D示出按照本发明使用的可重配置LWA的四种不同配置测量的散射参数。

图8示出测量的辐射图案，是以2.44GHz频率对四种不同配置的可重配置LWA的两端口上激励的，在端口1上激励的是（图8（a））和在端口2上激励的是（图8（b））。

图9示出测量的在可重配置LWA的端口1上被激励的辐射图案，是对四种不同配置的竖直偏振（图9（a））和水平偏振（图9（b））按2.44GHz的频率激励的。

图10示出本发明的偏振可重配置LWA的示意图，图上有相同号码的成对单元在空间中是垂直的。

图11示出有频率相关偏振可重配置性的图10的LWA实施例。

图12对线偏振条件（β=0rad/m）在840MHz频率上被获得的CRLH单元配置，示出作为传播常数β的函数的轴比。

图13对平均射束方向与偏振/传播常数无关的不同操作频率，示出（a）φ=0°和（b）φ=90°的辐射图案。

图14对施加的电压“S”和“SH”的不同值，示出CRLH可重配置单位单元示意图（图14（a））和色散图（图14（b））。

图15示出有频率相关偏振可重配置性的LWA的实施例。

图16对有频率无关偏振可重配置性的LWA的四种不同配置，示出880MHz的频率上（a）φ=0°和（b）φ=90°的辐射图案。

图17示出按照本发明的图案和偏振可重配置CRLHLWA的示意图。

图18示出有频率相关射束扫描能力的偏振可重配置LWA的实施例。

图19示出800MHz、865MHz和970MHz频率上辐射的三个不同角度对不同相移值（PS1=-PS2）的轴比。

图20示出不同操作频率的辐射图案，表明在条件PS1=-PS2下，射束方向与施加的相移无关。

图21示出该有频率无关射束扫描能力的偏振可重配置LWA的实施例。

图22对有频率无关射束扫描能力的偏振可重配置LWA的四种不同配置，示出（a）2p=d和（b）2p/d=1.2对880MHz频率的辐射图案。

图23对图案和偏振可重配置LWA的四种不同配置，示出880MHz频率上作为相移值（PS1=-PS2）的函数的沿最大辐射方向的轴比。

具体实施方式

本发明的说明性实施例的详细说明，将在下面参照图1-23被描述。虽然该说明书提供本发明可能实施的详细例子，但应当指出，这些细节应当认为是示范性的而决不是界定本发明的范围。

漏波是行波，它逐步地泄漏功率，同时沿波导结构传播。这种结构通常被用作天线以获得高的方向性。漏波天线根据的是与谐振波机理相反的行波，在该意义上说，漏波天线基本上不同于谐振天线。重要的是，天线大小与天线谐振频率无关而与它的方向性有关。

漏波天线的辐射性质与沿波导的方向的传播常数，γ=α-jβ（这里α是衰减常数和β是相位常数）有关，且与垂直于该方向的传播常数k_⊥有关。这两个传播常数的关系是：

$k_{\⊥}=\sqrt{k_0^2-{\mathrm{\β}}^2}$

这里k₀是自由空间的波数。

如果该波比光速更慢（慢波区），则有k₀<β，垂直传播常数k_⊥是虚的，从而没有辐射出现，而该波被导波（guided）。如果相反，该波比光速更快（快波区），则有k₀>β，垂直传播常数是实的且辐射出现。尤其是，辐射在如下角度下出现：

$\mathrm{\&theta;}={\sin }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\&beta;}}{k_0}\right)$

这里θ是离垂射方向（broadsidedirection）的最大射束角度。因此，辐射角度能够受漏波天线中频率的控制。衰减常数α反而决定每单位长度被辐射功率的密度。对大的α值，大部分功率在该波导结构的第一部分中被泄漏，而对小的α值，泄漏缓慢出现而高的方向性被获得。

主模频率扫描LW天线（dominantmodefrequency-scannedLWantenna）能够用复合左右旋（CRLH）传输线实施。CRLH传输线是通过把人造串联电容和并联电感插入常用传输线中实现的，常用传输线有固有的串联电容和并联电感。CRLH传输线的一般代表及其等效电路模型如图1所示。如图所示，CRLH传输线包含叉指式电容器和短接并联截线（shortedshuntstub），分别代表串联电容和并联电感。

用串联电容和并联电感装载普通传输线，允许超材料的建立，该超材料修改以正传播常数β>0表征的右旋（RH）材料的典型传播特征。在CRLH传输线中，材料传播性能随频率从RH（以β>0表征）到左旋（LH）（以β<0表征）移动。该效应已经由Caloz等人在“Transmissionlineapproachofleft-handed(LH)materialsandmicrostripimplementationofanartificialLHTransmissionline”，IEEETransactionsonAntennasandPropagation,Vol.52,No.5,pp.1159-1166(2004)，以及Lai等人在“Compositeright/left-handedtransmissionlinemeta-materials”IEEEMicrowaveMagazine,Vol.5,No.3,pp.34-50(2004)中证明，而且该效应能够在图2的色散图中观察到。按照图2的CRLH传输线色散图，有四个不同区：LH-导波区、LH-泄漏区、RH-泄漏区和RH-导波区。这一背射（backfire）到端射（endfire）扫描能力，首先由Sanada等人在“Characteristicsofthecompositeright/left-handedtransmissionlines,”IEEEMicrowaveandWirelessComponentsLetters,Vol.14,No.2,pp.68-70(2004)中用实验证明，并由Caloz等人在“Anovelcompositeright/left-handedcoupled-linedirectionalcouplerwitharbitrarycouplinglevelandbroadbandwidth,”IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,Vol.52,No.3,pp.980-992(2004)中用CRLH概念解释，这是LWA非常独特的特性，它不能在常用的漏波结构中被获得。

但是，这些LWA的频率扫描本性有使它们在现代通信系统中的应用受到限制的缺点，现代通信系统一般要求用于有效信道化的固定频率操作。在CRLHLWA中，因为主辐射射束角度是沿该结构传播常数的函数，通过LC参数调谐在固定操作频率上，操控该射束是可能的。在该情形下，变容二极管能够沿该结构被集成在每一单元中，以便通过它们的反向偏置电压V的控制，提供连续可变的电容或可变电感。电子扫描的CRLHLWA的第一原型，已经由Sungjioon等人在“Metamaterial-basedelectronicallycontrolledtransmission-linestructureasanovelleaky-waveantennawithtunableradiationangleandbeamwidth,”IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,Vol.52,2004年12月的文章中提出，而它的工作原理在图3（b）的色散图中被描述，用于图3（a）一般地说明的可重配置CRLH传输线单位单元。如图所示，通过改变施加的偏置电压V，能够使传输线的传播特征移动并为固定的操作频率获得不同传播常数β。

由Sungjioon等人给出的单位单元结构，已经被证明对建成允许改变射束被操控所沿的方向的LWA是有效的。然而，使用这样类型的单位单元建成的LWA，存在不同配置之间的增益不平衡的缺点。Sungjioon等人给出的CRLH单位单元设计，被认为有l<<λ_g，以及有同时通过单个DC偏置控制的可变电容，这里λ_g是导波波长和l是单位单元长度。使用这种设计，必需使用若干单位单元以便获得良好的方向性，而这样又使天线对不指向垂射方向的配置有低的增益以及不适当的阻抗匹配。此外，迄今的CRLH材料的性质，已经被用于建成只能操控射束连续地从端射到背射的LWA。

本发明涉及新颖的CRLH单位单元的结构，它允许采用CRLH的特征性能以建成能同时地改变图案和偏振，同时对所有天线的配置保持良好阻抗匹配和高增益的LWA。本发明的超材料单位单元结构的示范性实施例如图4（a）和4（b）所示。为了获得CRLH性能，图4的单位单元被设计成借助叉指式电容器和短接截线在常用微带线中分别插入人造串联电容和并联电感。为动态地调谐单位单元的旋向性（handedness），两个变容二极管（D_S）被放置成与微带串联叉指式电容器并联，并且一个变容二极管（D_SH）被放置成与并联电感器串联。两个独立偏置网络被用于分开地调谐变容二极管D_S（“S”偏置）和D_SH（“SH”偏置）。电容器（C=0.5pF）被用于使两个DC偏置网络去耦合，而四分一波变换器被采用以防止RF信号流向DC的地。通过使用两个独立DC偏置网络，能够调整单位单元的电抗，以便保持布洛赫（Bloch）阻抗接近50Ω，同时使单位单元的电特征从左旋移动至右旋。此外，分开的D_SH（“SH”偏置）偏置网络的使用，允许改变该单位单元的偏振。该性质还能够有效地被用于控制CRLHLWA中的偏振。

该CRLH单位单元，与任何建议的方案不同，必需有l~λ_g/4，同时保持特征性CRLH性能。使用大小可与λ_g/4比较的单位单元，允许建成由少量单位单元组成的高增益LWA，这些单位单元有通过有效部件引入的总的低损耗。该技术允许建成有强大增益的有效LWA。

图案和偏振可重配置天线的三个示范性实施例，已经用上述类型的CRLH单位单元结构设计。这些天线的工作原理是独特的并构成本发明的一部分。

天线设计1

按照天线设计1的漏波天线（LWA），使用复合左右旋（CRLH）材料，为的是获得高的辐射图案和偏振可重配置性而不牺牲增益、阻抗匹配或小型性。两个分开的端口被定位在同一天线结构上，以便单个物理天线能够被用作两个单元阵列，以缩减天线在通信装置上占据的空间。该漏波天线由N个级联的CRLH单位单元组成。该单位单元的一个实施例被建成在长度l为13mm的Rogers基底上。具有连续地从1.3pF（对40V偏置电压）到7.3pF（对0V偏置电压）变化的测量的电容的SkyworkSMV1413变容二极管被使用。

图5展示对“S”和“SH”DC偏置电压的四种不同配置的建议的单位单元所测量到的色散图。表1表明在2.44GHz频率上对相同电压组合测量到的布洛赫阻抗。应当领会，这样的单位单元设计，允许传播常数β对固定操作频率连续移动，同时保持布洛赫阻抗接近50Ω。该单位单元设计然后适合用于建成可重配置CRLHLWA，它在产生扫描射束的整个集合上有良好的匹配。对选定的操作频率，在单位单元β<k₀的快波区中，辐射在如下角度上出现：

$\mathrm{\&theta;}={\sin }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\&beta;}}{k_0}\right)$

这里θ是辐射角度而k₀是自由空间波数。

表I

图6展示两端口可重配置漏波天线的原型，它是用有图5所示色散图的单位单元结构建成的。该天线包含10个单位单元并已经被设计成操作在2.44GHz的频率上。该设计是14cm长，且它允许两独立射束（每端口一束）的激励，每一射束能够从背射到端射被操控。因为公共天线结构被用于该两端口，激励的射束被一起相对于垂射方向对称地被操控。理想的情形是，因为变容二极管电容允许连续调谐，所以有无数配置能够供该天线选择。

图7A-图7D示出对四种不同阵列配置（各对应于“S”和“SH”电压的具体组合）测量的散射参数。两端口都在2.44GHz的频率上关于10dB目标回波损耗被匹配。对所有配置，两端口之间的隔离高于10dB。

图8示出对图7A-图7D的相同的四种不同阵列配置测量的在端口1（图8（a））和端口2（图8（a））上以2.44GHz的频率激励的辐射图案。如图所示，射束能够在垂直平面中90°范围上以两端口之间最小差异被有效地操控。该建议的天线结构的射束扫描方向，能够用色散图信息预测为：

${\mathrm{\&theta;}}_1={\sin }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\&beta;}(S,\mathrm{SH})}{k_0}\right)=-{\mathrm{\&theta;}}_2$

这里θ₁和θ₂是在端口1和端口2上的扫描角度。如在表II中被概括的，天线被测量的扫描方向与使用单个单位单元的测量的传播常数所预测的非常一致。

图9示出对竖直偏振（图9（a））和水平偏振（图9（b））测量的在LWA的一个端口上以2.44GHz频率激励的辐射图案。能够指出，使用独立DC偏置（“SH”）以改变并联电感的值，天线的偏振能够有效地被改变用于给定的指向。该天线然后还能够被用于改变被辐射射束的偏振，同时改变它的指向。

表II

天线设计2

在该实施例中，CRLH材料性质被利用以在有垂射辐射的漏波天线中获得偏振可调谐性。

有可变偏振的LWA天线，能够通过级联N个沿半圆周有线偏振的CRLH单位单元被设计，如图10所示。该N个单元按该形状被布置，以获得依赖于单位单元传播常数β值的可变偏振，以及与频率/偏振无关的垂射辐射图案。成对的单元在空间中沿该半圆周被垂直地位移，如图10所示，以获得两个正交的电场分量。

在构成一对单元（如，图10中以1标记的正交的单元）的各单元之间的相位激励中的差别，是单位单元传播常数的函数，且它确定被辐射场的偏振。两个正交单元之间0°的相位差是对β=0°被获得的，而LWA在垂射中以线偏振（LP）辐射。在左旋区（β<0°）中，该天线以右旋（RH）偏振辐射，同时在右旋区（β>0°）中，它以左旋（LH）偏振辐射。两个正交单位单元的激励的相位差Δφ，由下式给出：

Δφ=-(K+1)βp

这里K是分开该两个正交单元的CRLH单位单元的数量。两个正交单位单元的激励之间的振幅差ΔI，被定义为：

ΔI=I₀(1-e^-(K+1)αp)

这里I₀是在LWA输入端口的电流，而α是CRLHTL的衰减常数。因为两个正交单位单元不能以相等振幅激励，纯圆偏振不能被产生。

该天线结构的示范性实施例，是有频率相关偏振可重配置性的LWA。对该实施例的CRLH单位单元的设计，在图11示出。为获得需要的CRLH性能，该单位单元用叉指式电容器和并联集总电感器（shuntlumpedinductor）设计。集总电感器被用于代替较长的短接截线以设计有强线偏振的单位单元。

如图11所示，N＝12个单位单元沿半圆周被级联。建成在Rogers4003C基底上的天线，在一个端口被馈电，同时另一个端口在匹配负载上被关闭。天线的主要结构参数在表III中示出。

表III

有频率相关射束扫描能力的LWA的结构参数

p	31.6mm
		ls	4.5mm
L	6nH
		h	3.3mm
εr	3.55
		r	12.9cm

图12示出沿垂射方向作为单位单元传播常数β函数的LWA轴比。天线偏振能够通过改变操作频率而连续地从右旋圆偏振（RHCP）被改变到左旋圆偏振（LHCP）。轴比能够在930MHz的频率上被调谐到1dB（LHCP）（βp=0.25弧度对应于每一对正交单元之间的-90°相位差）、在860MHz的频率上的40dB（LP）（βp=0弧度对应于每一对正交单元之间的0°相位差）、以及在790MHz的频率上的6dB（RH椭圆偏振）（βp=-0.25弧度对应于每一对正交单元之间的90°相位差）。RH和LH区的轴比之间的不平衡，是由于单位单元的非对称结构引起的。

该半圆形状还允许垂射辐射与操作频率无关。图13示出对于其中平均射束方向与偏振/传播常数无关的不同操作频率，对（a）φ=0°和（b）φ=90°的天线的模拟辐射图案。如图所示，天线增益是常数，与被辐射的偏振无关，并落在范围[0,+1]dBi中。回波损耗在UHF频带（790MHz~930MHz）小于10dB。

该天线结构的另一个示范性实施例，是有频率无关偏振可重配置性的LWA。以变容二极管装载CRLH单位单元，该CRLH传输线（TL）的传播特征能够对给定的操作频率被改变。

被修改的CRLH单位单元，在图14（a）示出。如图所示，两个变容二极管D_S被放置成与微带串联叉指式电容器IC并联，并且一个变容二极管D_SH被放置成与并联电感器L串联。两个独立偏置网络被用于分开地调谐变容二极管D_S（“S”电压）和D_SH（“SH”电压）。电容器C（C=0.5pF）被用于使两个DC偏置网络去耦合。该CRLH单位单元被建成在Rogers4003基底上，而该SkyworksSMV1413变容二极管的散射参数已经与基于力矩法（methodofmoments）的模拟一起被使用，以便确定该CRLH单位单元的电学性质。选定的变容二极管的电容能够从10.1pF被调谐到1.6pF，以使施加的电压在880MHz频率上从0V改变到30V。图14（a）的可重配置CRLH的模拟的色散图，对不同施加电压“S”和“SH”的值在图14（b）中示出。应当领会，对相同操作频率，传播常数β随施加的DC偏置变化。

如图15所示，N=10个单元沿半圆周被级联以获得偏振可重配置LWA。该LWA能通过恰当调谐施加的电压“S”和“SH”而改变被辐射场的偏振状态，同时按垂射辐射。图16示出有频率无关偏振可重配置性的天线，在880MHz的频率上的（a）φ=0°和（b）φ=90°的施加的电压的不同配置的模拟的辐射图案。表IV报告四种不同配置的轴比和增益。该天线能从直线的（配置“SH=20V-S=5V”）到圆的（对于配置“SH=30V-S=10V”的RHCP，对于配置“SH=15V-S=2V”的LHCP）改变被辐射场的偏振。然而，该结构有低增益的缺点，通过用更多的单位单元沿更长半径的半圆周布置，该增益能够被增加。

表IV

可重配置LWA的不同配置的轴比和增益，频率=880MHz

天线设计3

该实施例的天线设计，包含可重配置漏波天线（LWA），它运用CRLH性质以获得完全的图案和偏振可重配置性。

在该实施例中，两个以线偏振为特征的相邻CRLH单位单元，按V字形被正交地布置，如图17所示，以辐射两个正交的电场。跨接两个相邻单位单元放置的可变移相器（PS1），允许该V形结构两臂之间相位差的控制。通过恰当地从-90°到+90°调整相移，V形结构的偏振（沿垂射方向）能够从右旋圆偏振到左旋圆偏振变化。线偏振在0°相移时被获得。在图17的实施例中，图案和偏振可重配置LWA是通过级联的N个V形单元而获得的，该V形单元与被用于补偿PS1引入的相移的可变移相器PS2交错。

图17的之字形LWA等效于有可变偏振（V形单元）和元件间间距d的无方向性辐射元件的阵列。第n个阵列元件的相位激励ξ_n是：

ξ_n=-(n-1)2βp

而电流激励I_n是

I_n=I₀e^-(n-1)2αp

这里I₀是LWA输入端口上的电流，而α是CRLHTL的衰减常数。该LWA的最大辐射角度θ能够被预测为：

该LWA的射束方向通过该TL传播常数β控制，同时被辐射场的偏振能够被动态地通过移相器PS1和PS2改变。在该设计中，不同于常用的CRLHLWA，通过恰当设定比值2p/d，能对0<β<1的值获得端射辐射和对-1<β<0的值获得背射辐射。

该天线结构的示范性实施例，是有频率相关图案可重配置性的LWA。该优选实施例的CRLH单位单元的设计在图18示出。图18出示用Rogers4003C基底上N=8个V形单元设计的该天线的原型。天线在一个端口馈电，同时另一个端口在匹配负载上被关闭。通过调谐PS1以控制每一V形单元的偏振和用PS2补偿PS1的相移（PS1=-PS2），该LWA的偏振能够在垂射方向连续地从圆偏振到线偏振改变。右旋圆偏振在PS1=90°和PS2=-90°获得。在频率800MHz、865MHz和970MHz上，对不同相移的值（PS1=-PS2）模拟的垂射辐射图案的轴比的值，对不同相移的值在图19中示出。

图20示出用力矩法（MoM）模拟的不同操作频率的天线辐射图案。应当领会，CRLHLWA典型的射束扫描能力被保持，且它是单个单位单元的色散曲线的函数。垂射辐射在865MHz的频率（传播常数β=0°）上被观察，并在左旋区（β<0°）中，天线背射辐射，而在右旋区（β>0°）中，天线端射辐射。这种性能在PS1=-PS2时被满足。尤其是，在该设计中2p/d=1，从而辐射角度θ被定义为：

$\mathrm{\&theta;}={\sin }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\&beta;}}{k_0}\right).$

该天线结构的另一个示范性实施例，是有频率无关偏振可重配置性的LWA。以变容二极管装载CRLH单位单元，该CRLHTL的传播特征能够对给定操作频率被改变。

图14（a）的修改的CRLH单位单元，可以被用于该配置。如上所述，两个变容二极管D_S被放置成与微带串联叉指式电容器IC并联，并且一个变容二极管D_SH被放置成与并联电感器L串联。两个独立偏置网络被用于分开地调谐变容二极管D_S（“S”电压）和D_SH（“SH”电压）。电容器C（C=0.5pF）被用于使两个DC偏置网络去耦合。该CRLH单位单元被建成在Rogers4003基底上，而该SkyworksSMV1413变容二极管的散射参数已经与基于MoM的模拟一起被使用，以便确定该CRLH单位单元的电学性质。选定的变容二极管的电容能够从10.1pF被调谐到1.6pF，以使施加的电压在880MHz频率上从0V改变到30V。可重配置CRLH的模拟的色散图，对于施加的电压“S”和“SH”的不同值示于图14（a）中。应当领会，对相同操作频率，传播常数β随施加的DC偏置变化。

在图21的实施例中，N=8个V形单元被级联以获得图案和偏振可重配置LWA。图21的天线，通过恰当调谐施加的电压“S”和“SH”，能对固定的操作频率改变辐射的方向。辐射角度θ被定义为：

$\mathrm{\&theta;}={\sin }^{-1}\left(\frac{2\mathrm{\&beta;}(S,\mathrm{SH})p}{k_{0}d}\right)$

图22（a）示出对施加的电压的离散集合，在865MHz的频率与2p=d下的模拟的辐射图案。如图所示，配置“SH=20V-S=5V”有最大增益（4.5dBi），而配置“SH=10V-S=0V”呈现最小增益（0.5dBi）。通过恰当调谐移相器PS1和PS2，被辐射场的偏振能够在最大辐射的方向上变化。在最大辐射的方向上的轴比，在图23中对施加的电压和相移的不同值示出。

此外，通过恰当选择比值2p=d，能够获得从背射到端射的全扫描，与可变电容器的可调谐性范围无关。图22（b）示出其中2p/d=1.2的LWA的模拟辐射图案。应当领会，对施加的电压的相同值，该天线扫描范围相对于其中2p=d的LWA设计增加27°（见图22（a））。

在按照本发明的天线设计中，天线的性质借助可变电容器被重新配置。还应当指出，可变电感器能够被用于获得相同的性能。还应当指出，在所描述的实施例中，每次只有一个端口被激活。然而，应当明白，本发明的天线系统，能够被用于该两个端口的同时激励，以获得相对于垂射方向对称的性能。有效地利用本发明的天线系统的两个端口的另一种技术是采用开关，以便根据具体的无线信道选择用于向天线馈电的端口。

虽然本发明已经参照具体实施例被描述，但该描述是对本发明的说明而不应被解释为是限制本发明。本领域的熟练技术人员，可以想到各种不同的不偏离本发明的精神和范围的修改和应用，本发明的精神和范围由所附权利要求书定义。

因此，必须理解，已经陈述的出示的实施例，仅为举例的目的，而不应看作是限制下面权利要求书所定义的本发明。例如，尽管某项权利要求的各单元按某种组合在下面陈述，但必须明确地理解，本发明包含较少、较多或不同单元的其他组合，这些单元已在上面被公开，即使当时一开始没有按该组合提要求。两个单元在提要求的组合中被组合的教导，还应当理解为也允许提要求的组合中该两个单元没有相互组合，但可以被单独地或按其他组合相结合被使用。本发明已公开的任何单元的删去，明确地在本发明范围之中被考虑。

在描述本发明及其各个实施例的说明书中使用的用语，应当理解成不仅按它们的普通定义的意义，而且包含在该规格结构、材料或作用中超出普通定义的意义范围的特殊定义。因此，如果某一单元能够在说明书行文中被理解为包含多于一种意义，那么它在权利要求书中的使用，必须按广义的受说明书和该用语本身支持的所有可能意义理解。

因此，下面权利要求书的用语或单元的定义，均按说明书被定义，以包含不仅字面上陈述的单元的组合，而且包含用于按大体上相同方式实现大体上相同功能的所有等效结构、材料或作用，以获得大体上相同结果。在此意义下，因而应当明白，两个或多个单元的等效替换，可以对下面的权利要求书中任何一个单元作出，或者单个单元可以被某项权利要求中的两个或多个单元替换。虽然单元可以在上面被描述为在某种组合中起作用且即使在一开始就这样提要求，但应当明确地理解，来自提要求的组合中的一个或多个单元，能够在一些情形下被从该组合中删去，且该提要求的组合可以被指向子组合或子组合的变化。

从本领域一般技术人员看来的与要求的主题的非实质性变化，现在知晓的或稍后想出的，都明白地考虑成等效地在权利要求书范围之内。因此，本领域一般技术人员现在或稍后知道的明显替换，被定义成在已定义的单元的范围内。

因此，该权利要求书应当理解成：凡是以上已专门出示或描述的、凡是概念上等效的、凡是能够被明显代替的和凡是实质上合并到本发明的本质思想中的，都被包含在内。

Claims (10)

1.一种图案和/或偏振可重配置天线，包括：

多个复合左右旋(CRLH)单位单元，其被级联以定义漏波结构，每个CRLH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；

与该并联电感串联的至少一个可变电容和/或电感，以及与该串联电容并联的至少一个可变电容和/或电感，由此所述与该并联电感串联的至少一个可变电容和/或电感和所述与该串联电容并联的至少一个可变电容和/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/或辐射电场的偏振，其中该DC偏置被用于控制辐射场的形状和/或方向、和/或辐射场的偏振、和/或天线输入阻抗；以及

两个输入端口，用于接收激励该天线的激励信号，所述两个输入端口被连接到RF开关，该RF开关交替地允许激励所述两个输入端口的一个输入端口，或所述两个输入端口的另一个输入端口。

2.权利要求1的可重配置天线，其中该CRLH单位单元和与该并联电感串联的至少一个可变电容和/或电感，以及与该串联电容并联的至少一个可变电容和/或电感，被制作在微波叠层印刷电路板上。

3.权利要求1的可重配置天线，其中该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。

4.权利要求1的可重配置天线，其中该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正交，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。

5.权利要求4的可重配置天线，其中该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。

6.权利要求4的可重配置天线，还包括电容器，它把产生所述至少两个DC偏置的相应DC偏置网络去耦合。

7.权利要求1的可重配置天线，其中该CRLH单位单元沿圆弧被级联，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场的偏振，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场的偏振和阻抗匹配。

8.权利要求7的可重配置天线，其中成对的相互正交的所述CRLH单位单元在空间中沿所述圆弧位移。

9.权利要求7的可重配置天线，还包括电容器，它把产生所述至少两个DC偏置的相应DC偏置网络去耦合。

10.一种改变可重配置天线的图案和/或偏振的方法，包括步骤：

提供被级联以定义漏波结构的多个复合左右旋(CRLH)单位单元，每个CRLH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；

分开地把至少两个DC偏置施加到所述与该并联电感串联的至少一个可变电容和/或电感和所述与该串联电容并联的至少一个可变电容和/或电感，以便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，以便由此控制传输线的群延迟和/或辐射电场的偏振；

向所述漏波结构的两个输入端口施加激励信号，以激励该天线；以及

通过有选择地打开和关闭所述两个输入端口之间的RF开关，交替地激励所述两个输入端口。