具有可重配置徑向波導(dǎo)的雙極化寬帶靈活圓柱形天線陣列的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了用于靈活天線的實(shí)施例，所述靈活天線通過(guò)使用直流電(direct current，DC)開(kāi)關(guān)選擇性地啟用/停用徑向波導(dǎo)上的可調(diào)諧元件對(duì)射頻(radio frequency，RF)信號(hào)進(jìn)行波束指向。所述天線包括兩個(gè)平行徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，每個(gè)包括第一徑向板、與所述第一徑向板平行的第二徑向板，以及垂直地置于并且徑向分布在所述兩個(gè)板之間的導(dǎo)電元件。所述徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)還包括多個(gè)四分之一RF扼流圈，所述四分之一RF扼流圈經(jīng)由各個(gè)微帶和可調(diào)諧元件連接至所述導(dǎo)電元件。所述兩個(gè)平行徑向板被隔開(kāi)一高度，所述高度根據(jù)RF信號(hào)的期望傳輸頻率范圍、所述微帶的長(zhǎng)度、所述導(dǎo)電元件的直徑和在每一個(gè)所述導(dǎo)電元件周圍的間隙空間來(lái)確定。
【專利說(shuō)明】具有可重配置徑向波導(dǎo)的雙極化寬帶靈活圓柱形天線陣列的裝置和方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2014年6月30日遞交的發(fā)明名稱為“具有可重配置徑向波導(dǎo)的雙極化靈活圓柱形天線陣列的裝置和組裝方法”的、申請(qǐng)?zhí)枮?4/319,884的美國(guó)專利申請(qǐng)案以及2014年6月30日遞交的發(fā)明名稱為“具有可重配置徑向波導(dǎo)的雙極化寬帶靈活圓柱形天線陣列的裝置和方法”的申請(qǐng)?zhí)枮?4/319,981的美國(guó)專利申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)，這兩個(gè)在先申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容明確地并入本文中作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及天線設(shè)計(jì)，并且在具體實(shí)施例中，涉及一種具有可重配置徑向波導(dǎo)的雙極化寬帶靈活圓柱形天線陣列的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]無(wú)線射頻(rad1frequency，RF)信號(hào)的現(xiàn)代無(wú)線發(fā)射器或天線執(zhí)行波束指向(beam steering)，以便操縱福射圖的主瓣的方向并實(shí)現(xiàn)更高的空間選擇性。傳統(tǒng)的波束指向技術(shù)通過(guò)一系列移相器和RF開(kāi)關(guān)依賴于對(duì)RF信號(hào)的相位進(jìn)行操縱。移相器、RF開(kāi)關(guān)和其它復(fù)雜組件的包含增加了靈活天線的制造成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度。因此，需要不太復(fù)雜的具有寬帶傳輸?shù)撵`活天線設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)一實(shí)施例，一種在天線中的徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括第一徑向板、與所述第一徑向板基本上平行的第二徑向板，以及垂直地置于并且徑向分布在所述第一徑向板和所述第二徑向板之間的多個(gè)導(dǎo)電元件。所述導(dǎo)電元件連接至微帶和可調(diào)諧元件。所述徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)還包括多個(gè)四分之一射頻(rad1 frequency，RF)扼流圈，所述RF扼流圈經(jīng)由所述微帶和所述可調(diào)諧元件連接至所述導(dǎo)電元件。所述第一徑向板和所述第二板被隔開(kāi)一高度，所述高度根據(jù)RF信號(hào)的期望傳輸頻率范圍、所述微帶的長(zhǎng)度、所述導(dǎo)電元件的直徑和在每一個(gè)所述導(dǎo)電元件周圍的間隙空間的直徑來(lái)確定。
[0006]根據(jù)另一實(shí)施例，一種天線設(shè)備包括第一徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述第一徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)第一平行徑向板和多個(gè)第一導(dǎo)電元件，所述多個(gè)第一導(dǎo)電元件連接至可調(diào)諧元件并垂直地置于所述兩個(gè)第一平行板之間。所述兩個(gè)第一平行板被隔開(kāi)一高度，所述高度根據(jù)射頻(rad1 frequency，RF)信號(hào)的期望傳輸頻率范圍、所述導(dǎo)電元件的直徑和在每一個(gè)所述導(dǎo)電元件周圍的間隙空間來(lái)確定。所述天線設(shè)備還包括第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)類似于所述第一波導(dǎo)結(jié)構(gòu)并且包括兩個(gè)第二平行徑向板和多個(gè)第二導(dǎo)電元件，所述多個(gè)第二導(dǎo)電元件類似于所述第一有源元件并且連接至第二可調(diào)諧元件。所述第二導(dǎo)電元件與所述第一導(dǎo)電元件具有相同的間隙空間并且垂直地置于所述兩個(gè)第二平行板之間。所述兩個(gè)第二板被隔開(kāi)與所述第一兩個(gè)平行板隔開(kāi)的相同高度。所述天線設(shè)備還包括多個(gè)輻射元件，所述輻射元件置于所述第一徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與所述第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間，并且圍繞所述第一徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的圓周和所述第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的圓周徑向分布。所述第一徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和所述第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)基本上平行。
[0007]根據(jù)又一實(shí)施例，一種用于具有寬帶無(wú)線傳輸?shù)奶炀€的方法包括確定所述天線的所述寬帶無(wú)線傳輸期望的頻率范圍，確定所述天線的多個(gè)導(dǎo)電元件的高度。所述高度使所述寬頻無(wú)線傳輸在所述頻率范圍內(nèi)。所述方法還包括根據(jù)所述高度和所述頻率范圍確定所述天線的兩個(gè)平行板的直徑。通過(guò)將所述導(dǎo)電元件垂直地置于并且徑向分布在所述平行板之間，組裝所述天線的徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過(guò)將類似于所述導(dǎo)電元件的多個(gè)第二導(dǎo)電元件垂直地置于并且徑向分布在類似于所述兩個(gè)平行板的兩個(gè)第二平板之間，組裝類似于所述徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。所述方法還包括將所述徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和所述第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)基本上平行放置，以及圍繞所述徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的圓周和所述第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的圓周放置多個(gè)徑向元件。
[0008]前述內(nèi)容已經(jīng)相當(dāng)寬泛地概述了本發(fā)明一實(shí)施例的特征，從而能夠更好地理解接下來(lái)對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明。下文將描述本發(fā)明實(shí)施例的另外特征和優(yōu)點(diǎn)，這些構(gòu)成本發(fā)明權(quán)利要求的主題。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，所公開(kāi)的構(gòu)思和具體實(shí)施例可被很容易地用作修改或設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的相同目的的其它結(jié)構(gòu)或過(guò)程的基礎(chǔ)。本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，這類等同結(jié)構(gòu)沒(méi)有偏離所附權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明的精神和范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0009]為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在參考下文結(jié)合附圖進(jìn)行的說(shuō)明，附圖中:
[0010]圖1示出了用于通信數(shù)據(jù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的示意圖；
[0011]圖2為根據(jù)本公開(kāi)一實(shí)施例的雙端口波導(dǎo)天線的側(cè)視圖；
[0012]圖3為圖2的雙端口波導(dǎo)天線的徑向波導(dǎo)的等軸視圖；
[0013]圖4為根據(jù)本公開(kāi)一實(shí)施例的用于雙端口波導(dǎo)天線的徑向波導(dǎo)的DC控制系統(tǒng)的側(cè)視圖；
[0014]圖5為根據(jù)本公開(kāi)一實(shí)施例的雙端口波導(dǎo)天線的徑向波導(dǎo)中的多組可調(diào)諧元件的俯視圖；
[0015]圖6為用于天線的可調(diào)諧元件的設(shè)計(jì)實(shí)施例的俯視圖；
[0016]圖7示出了包括圖6中可調(diào)諧元件的測(cè)試波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的等軸視圖和俯視圖；
[0017]圖8為根據(jù)本公開(kāi)一實(shí)施例的開(kāi)啟(ON)狀態(tài)下圖7中測(cè)試波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的第一設(shè)計(jì)的頻譜圖；
[0018]圖9為關(guān)閉(OFF)狀態(tài)下圖7中測(cè)試波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的第一設(shè)計(jì)的頻譜圖；
[0019]圖10為根據(jù)本公開(kāi)一實(shí)施例的開(kāi)啟(ON)狀態(tài)下圖7中測(cè)試波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的第二設(shè)計(jì)的頻譜圖；
[0020]圖11為關(guān)閉(OFF)狀態(tài)下圖7中測(cè)試波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的第二設(shè)計(jì)的頻譜圖；
[0021]圖12為根據(jù)本公開(kāi)一實(shí)施例的天線的徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的功率分配器配置的俯視圖；
[0022]圖13為圖12中功率分配器配置中的不同端口的頻譜圖；
[0023]圖14為根據(jù)本公開(kāi)一實(shí)施例的圖2中雙端口波導(dǎo)天線的配置的頻譜圖。
[0024]圖15為圖2中雙端口波導(dǎo)天線的輻射圖案的圖示；
[0025]圖16為圖2中雙端口波導(dǎo)天線的共極化和交叉極化增益的圖示；
[0026]圖17為圖2中雙端口波導(dǎo)天線的共極化和交叉極化增益的圖示；
[0027]圖18為通過(guò)控制天線的功率分配器實(shí)現(xiàn)不同波束輻射圖案和取向的多個(gè)示例的圖示；
[0028]圖19示出了實(shí)現(xiàn)和使用雙端口波導(dǎo)天線的方法實(shí)施例的流程圖；以及
[0029]圖20示出了通信設(shè)備實(shí)施例的方框圖。
[0030]除非另外指明，不同附圖中對(duì)應(yīng)編號(hào)和符號(hào)一般表示對(duì)應(yīng)部件。附圖的繪制清楚地示出了實(shí)施例的相關(guān)方面，并不必是按比例繪制。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面詳細(xì)地討論當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的制造和使用。然而，應(yīng)理解，本發(fā)明提供了可以體現(xiàn)在多種具體環(huán)境中的許多可應(yīng)用的發(fā)明構(gòu)思。所論述的具體實(shí)施例僅僅說(shuō)明了用以制造和使用本發(fā)明的具體方式，并不限制本發(fā)明的范圍。
[0032]本文公開(kāi)的是用于靈活天線的實(shí)施例，該靈活天線通過(guò)使用直流電(directCUrrent，DC)開(kāi)關(guān)選擇性地啟用/停用徑向波導(dǎo)上的可調(diào)諧元件使例如RF或微波信號(hào)等無(wú)線傳輸進(jìn)行波束指向。該天線為包括兩個(gè)徑向波導(dǎo)的雙極化靈活天線，這兩個(gè)徑向波導(dǎo)具有電子控制的功率分配器，并且適于例如在RF或微波頻率范圍內(nèi)的寬帶傳輸。如本文使用的，術(shù)語(yǔ)RF頻率和RF信號(hào)分別用來(lái)表示在RF、微波以及用于無(wú)線通信的頻譜的其它合適區(qū)域中的頻率和信號(hào)。
[0033]圖1示出了用于通信數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)100。網(wǎng)絡(luò)100包括具有覆蓋區(qū)域112的接入點(diǎn)(access point，AP)110、多個(gè)用戶設(shè)備(user equipments，UE) 120和回程網(wǎng)絡(luò) 130。厶卩 110可包括能夠提供無(wú)線接入，例如用以與UE 120建立上行鏈路(短劃線)和/或下行鏈路(點(diǎn)劃線)連接的任何組件。AP 110的示例包括基站(base stat1n，nodeB)、增強(qiáng)型node_B(enhanced node_B，eNB)、毫微微蜂窩基站以及其它無(wú)線啟用的設(shè)備。UE 120可包括能夠與AP 110建立無(wú)線連接的任何組件?；爻叹W(wǎng)絡(luò)130可以是允許數(shù)據(jù)在AP 110與遠(yuǎn)程終端(未示出)之間進(jìn)行交換的任何組件或組件集合。在一些實(shí)施例中，網(wǎng)絡(luò)100可以包括各種其它無(wú)線設(shè)備，例如繼電器、毫微微蜂窩基站等。網(wǎng)絡(luò)100的AP 110或其它無(wú)線通信設(shè)備可包括如下所述的靈活天線設(shè)備。靈活天線用來(lái)與諸如用于蜂窩和/或WiFi通信的其它設(shè)備發(fā)射/接收無(wú)線或RF信號(hào)。
[0034]圖2示出了雙極化靈活天線200的實(shí)施例，該雙極化靈活天線在本文還稱為雙端口波導(dǎo)天線。雙端口波導(dǎo)天線200包括第一徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)205(例如在天線的底部或基座)和第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)206(例如在天線的頂部)，它們是類似的。每個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由彼此分開(kāi)適當(dāng)距離的兩個(gè)平行徑向表面組成。平行徑向表面/板211經(jīng)由形成短路終止的導(dǎo)電裝置213電連接，與開(kāi)路終止波導(dǎo)相比，降低了輻射損失。平行板211被隔開(kāi)預(yù)定高度H，這促進(jìn)了天線的寬帶操作，這在下文進(jìn)一步描述。在一實(shí)施例中，導(dǎo)電裝置213是在兩個(gè)板211的邊緣周圍放置的導(dǎo)電襯墊，這在下文進(jìn)一步描述。一系列輻射元件230圍繞兩個(gè)徑向波導(dǎo)的圓周分布在第一徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)205和第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)206之間。輻射元件230包括導(dǎo)電饋送路徑231。另外，貼片232耦合至每個(gè)輻射元件230的外表面。輻射元件230的邊緣(底部和頂部邊緣)形成邊緣探針233，該邊緣探針將輻射元件230電連接至第一徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)205和第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)206。邊緣探針233是輻射元件230的一部分，并且在制造工藝中被印制有輻射元件230，這簡(jiǎn)化了輻射元件230和邊緣探針233的制造工藝。每個(gè)徑向波導(dǎo)還包括兩個(gè)表面/板211之間的一系列接地引腳214。接地引腳214在徑向波導(dǎo)的圓周周圍分布并且靠近輻射元件230的邊緣探針233。每個(gè)接地引腳214可放置在與相鄰的一對(duì)邊緣探針233大約等距離處。
[0035]圖3示出了對(duì)應(yīng)于第一徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)205或第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)206的徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)300的實(shí)施例。該圖示出了導(dǎo)電裝置213(例如導(dǎo)電襯墊)、(在輻射元件230—端的)邊緣探針233的部分，以及接地引腳214。徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)耦合至線路饋電210并且包括多個(gè)立式金屬或圓柱形導(dǎo)電元件220和RF扼流圈208。線路饋電210放置在其中一個(gè)徑向板211 (部分示出)的暴露表面的頂部，并處于板211的中心。如圖所示，導(dǎo)電元件220為垂直地置于徑向板211之間的導(dǎo)電(例如金屬)圓柱或?qū)Ь€，并且水平地散置在線路饋電210與輻射元件230之間。RF扼流圈208在連接至線路饋電210的表面/板211處，連接至導(dǎo)電元件220的一端。導(dǎo)電元件220還耦合至可調(diào)諧組件(如下所述)，所述可調(diào)諧組件依靠能量源(例如DC電源)來(lái)改變徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)205/206上電流流動(dòng)，諸如(例如)PIN二極管。在另一些實(shí)施例中，可調(diào)諧元件包括使用移動(dòng)的部件或電連接改變電流流動(dòng)的機(jī)電組件，諸如微機(jī)電系統(tǒng)(m i c r ο -electromechanical systems，MEMS)組件。RF扼流圈208可包括用于阻斷RF頻率信號(hào)而不阻斷DC信號(hào)的任何組件。RF扼流圈208通過(guò)微帶209連接至各個(gè)導(dǎo)電元件220的頂部。
[0036]上面的組件沿著徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)205/206的板211之間的高度H設(shè)計(jì)，以便允許天線的寬帶操作，這在下文進(jìn)一步描述。線路饋電210耦合至并且置于徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)300的其中一個(gè)板211的中心。這樣，線路饋電210提供在徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)300上向外輻射的電信號(hào)(例如RF信號(hào))。導(dǎo)電元件220分布在徑向波導(dǎo)表面/板211之間，并散置在線路饋電210和輻射元件230(其中，只示出了邊緣探針233)之間。導(dǎo)電元件220連接至可調(diào)諧元件(如下文所述)，該可調(diào)諧元件可選擇性地被啟用/停用，用于引導(dǎo)RF信號(hào)朝著被選擇的輻射元件230傳播。這樣，導(dǎo)電元件220處的被啟用的可調(diào)諧元件充當(dāng)功率分配器，該功率分配器使天線的無(wú)線傳輸進(jìn)行波束指向。由Halim Boutayeb于2013年2月6日遞交的發(fā)明名稱為“使用可重配置的功率分配器基于圓柱形電磁帶隙(CEBG)結(jié)構(gòu)的電子可指向天線(Electr onicallySteerable Antenna Using Reconfigurable Power Divider Based on CylindricalElectromagnetic Band Gap(CEBG)Structure Y'的申請(qǐng)?zhí)枮?3/760，980的美國(guó)申請(qǐng)描述了關(guān)于徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)300的組件的更多細(xì)節(jié)，該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容如同復(fù)制一樣并入本文中作為參考。
[0037]然而，與上述參考申請(qǐng)的全向天線設(shè)計(jì)不同，雙端口波導(dǎo)天線200包括兩個(gè)徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)205和206(或雙極化端口)，這提供了更高的靈活性、更好的功率效率和改善的干擾抑制。如上所述，雙極化端口波導(dǎo)是類似的，并可以被類似地控制，以實(shí)現(xiàn)極化匹配，從而使輻射功率或信噪比大體加倍并實(shí)現(xiàn)上述改進(jìn)。例如，這種天線可以用于基于媒體的調(diào)制。雙端口波導(dǎo)天線200還能夠提供寬帶操作，這在下文進(jìn)一步描述。
[0038]圖4示出了用于雙端口波導(dǎo)天線的徑向波導(dǎo)的DC控制系統(tǒng)400的實(shí)施例。系統(tǒng)400使用(由DC電流驅(qū)動(dòng)的)DC開(kāi)關(guān)，用于靈活天線的波束指向控制。這種控制系統(tǒng)使天線沒(méi)有(依賴于移相器和RF開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)波束指向的)傳統(tǒng)靈活天線復(fù)雜。如圖所示，一組二極管(PIN二極管)由微控制器經(jīng)由一系列DC開(kāi)關(guān)控制。靈活天線中波束指向相關(guān)的處理是以操縱該組的PIN 二極管為基礎(chǔ)，因此遠(yuǎn)沒(méi)有傳統(tǒng)靈活天線固有的基帶處理(例如計(jì)算相位/幅度偏移等)復(fù)雜。與傳統(tǒng)靈活天線設(shè)計(jì)中包含的處理器相比，微控制器可具有更低的復(fù)雜度，并且消耗更低的電能。同樣示出了在徑向波導(dǎo)的中心處的同軸線路饋電。同軸線路饋電連接至RF信號(hào)源(未示出)。
[0039]在一些配置中，通過(guò)使用公共開(kāi)關(guān)啟用多組有源元件，減少了實(shí)現(xiàn)波束指向需要的DC開(kāi)關(guān)的數(shù)量。圖5示出了多組導(dǎo)電元件220，具有靈活天線200中可由公共開(kāi)關(guān)控制的可調(diào)諧或有源元件。導(dǎo)電元件220處的多組可調(diào)諧元件(如短劃線所示)由相同的開(kāi)關(guān)控制，以便使用更少的開(kāi)關(guān)(例如圖5中的20個(gè)開(kāi)關(guān))來(lái)控制波束指向。
[0040]圖6為示出用于諧振器結(jié)構(gòu)的實(shí)施例設(shè)計(jì)2400的俯視圖，該諧振器結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)電元件220和RF扼流圈208，它們經(jīng)由微帶209彼此連接。可調(diào)諧或有源元件，諸如PIN二極管207，也置于微帶209與RF扼流圈208之間。這些元件的組合形成徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)205/206中的一個(gè)DC控制的諧振器。徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)205/206中諧振器的微帶209可具有不同的長(zhǎng)度L，以便優(yōu)化傳輸系數(shù)(提高更寬頻率范圍上的傳輸)AF扼流圈208是四分之一波長(zhǎng)開(kāi)放式徑向線(radial stub)。導(dǎo)電元件220具有合適的直徑Dw。針對(duì)徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)205/206的板211之間的給定高度H，每個(gè)諧振器的諧振的頻率由直徑Dw、長(zhǎng)度L和在導(dǎo)電元件周圍的間隙空間的直徑Dclear(在圖6中示出)控制。為了促進(jìn)天線的寬帶頻率(寬頻帶)操作，H被設(shè)定為大約四分之一波長(zhǎng)。這通過(guò)諧振器的設(shè)計(jì)2400以及通過(guò)相應(yīng)地調(diào)整其組件的尺寸(L、Dw、Dclear、H)是可能的。
[0041]圖7示出了測(cè)試波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的等軸視圖610和俯視圖620，該測(cè)試波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括類似于圖7中諧振器結(jié)構(gòu)的多個(gè)結(jié)構(gòu)。測(cè)試波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(使用計(jì)算機(jī)模擬)被模擬為矩形波導(dǎo)，該矩形波導(dǎo)包括一排3個(gè)具有周期性邊界條件(Floquet邊界條件)的有源結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有位于該行元件的對(duì)端上的兩個(gè)端口(端口 I和端口 2)。
[0042]圖8示出了通過(guò)模擬獲得的開(kāi)啟(ON)狀態(tài)(接通PIN二極管207)下測(cè)試波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頻譜，以及圖9為關(guān)閉(OFF)狀態(tài)(斷開(kāi)PIN二極管207)下的頻譜。測(cè)試結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括以下尺寸:H=10mm，Dw = 3.2mm，L = 0.5mm，并且Dclear = 8mm。傳輸系數(shù)(短劃線曲線)和反射系數(shù)(實(shí)線曲線)的值在從I千兆赫(Gigahertz，GHz))到8GHZ的頻率范圍內(nèi)以dB示出。圖8和圖9中的曲線表明諧振器結(jié)構(gòu)(包括PIN 二極管207)可以用于當(dāng)PIN 二極管207打開(kāi)時(shí)在從5GHz到6GHz的頻帶中傳遞福射。
[0043]圖10示出了開(kāi)啟(ON)狀態(tài)(接通PIN二極管207)下測(cè)試波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的另一示例設(shè)計(jì)的頻譜，以及圖11為關(guān)閉(OFF)狀態(tài)(斷開(kāi)PIN 二極管207)下的頻譜。該設(shè)計(jì)相應(yīng)地包括以下尺寸:H= 1mm，Dw = 3.2mm，L = 9.2mm，并且 Dc I ear = 8mm。諧振器通過(guò) P IN 二極管 207 的DC 控制被開(kāi)啟和關(guān)閉。傳輸系數(shù)(短劃線曲線)和反射系數(shù)(實(shí)線曲線)的值在從IGHz到8GHZ的頻率范圍內(nèi)以dB示出。圖10和圖11中的曲線表明諧振器結(jié)構(gòu)可以用于當(dāng)PIN二極管207關(guān)閉(OFF)時(shí)在從5GHz到6GHz的頻帶中傳遞輻射。圖8至圖11中的結(jié)果表明改變微帶的長(zhǎng)度影響PIN 二極管207的開(kāi)關(guān)效果，因此影響波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的操作以及RF信號(hào)的波束指向。
[0044]圖12示出了天線的功率分配器配置3000的示例。諧振器結(jié)構(gòu)被劃分為不同組，每個(gè)組對(duì)應(yīng)于徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)205/206的一個(gè)端口。徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)205/206具有大約164mm的直徑，并且徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)205/206的板之間的間隔的高度等于約10mm。徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)205/206包括具有36個(gè)對(duì)應(yīng)二極管的36個(gè)諧振器結(jié)構(gòu)，以及12個(gè)端口，每個(gè)端口由若干DC開(kāi)關(guān)控制。為了說(shuō)明，示出了五個(gè)端口。只有對(duì)應(yīng)于端口2和4的諧振器被打開(kāi)(例如，二極管被打開(kāi))。其它配置可以包括更少或更多端口或不同分組的諧振器，例如以獲得預(yù)期的功率分配器傳輸頻譜。圖13示出了根據(jù)圖12中的配置系數(shù)Sll(端口 I處的反射系數(shù))、S21(從端口 I到端口2的傳輸系數(shù))、S31 (從端口 I到端口 3的傳輸系數(shù))、S41 (從端口 I到端口 4的傳輸系數(shù))和S51(從端口 I到端口 5的傳輸系數(shù))的頻譜(以dB計(jì))。在從5GHz到6GHz的范圍和端口 I處的激勵(lì)(對(duì)應(yīng)于徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的中心中的線路饋電)下，端口 2和4顯示相對(duì)較高的傳輸，而端口 I顯示良好(低)的反射系數(shù)。剩余端口 3和5(其中二極管被關(guān)閉)顯示相對(duì)較低的傳輸。因此，該功率分配器配置允許使來(lái)自端口 2和4方向的線路饋電的RF輻射的波束指向。
[0045]圖14示出了雙端口波導(dǎo)天線的示例性配置的頻譜。具體而言，功率分配器(通過(guò)打開(kāi)/關(guān)閉選定的二極管)在兩個(gè)徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)205/206處進(jìn)行相似地配置和控制，以便獲得預(yù)期的輻射圖案。該圖示出了良好的阻抗匹配:端口 I處的反射系數(shù)Sll對(duì)應(yīng)于一個(gè)波導(dǎo)的線路饋電，以及端口 2的反射系數(shù)S22對(duì)應(yīng)于另一個(gè)波導(dǎo)的線路饋電，這兩種反射系數(shù)都很低。該圖還示出了端口 I和2之間的低耦合:從端口 2到端口 I的傳輸系數(shù)很低，反過(guò)來(lái)也如此。理想情況下，預(yù)期頻帶范圍內(nèi)波導(dǎo)的耦合在從5GHz到6GHz的范圍內(nèi)應(yīng)該相對(duì)較低。圖15示出了圖14的配置的對(duì)應(yīng)輻射圖案(在3D空間內(nèi))。圖16示出了在第一平面(Y-Z平面)上圖15中兩個(gè)波導(dǎo)的共極化(實(shí)線)和交叉極化(點(diǎn)劃線)的以dB計(jì)的歸一化增益，并且圖17示出了在第二平面(X-Y平面)上的共極化和交叉極化的歸一化增益。圖16和圖17示出了對(duì)應(yīng)平面處的相對(duì)較高傳輸(極化)以及由于兩個(gè)波導(dǎo)之間耦合而相對(duì)較低的交叉極化。
[0046]圖18示出了通過(guò)控制如上所述的天線的功率分配器實(shí)現(xiàn)的各種波束輻射圖案和取向。所述圖案包括波束的各種取向(以不同的角度，例如0、10°、20°、30°)、各種波束形狀(例如較寬的波束、再寬一些的波束)和各種數(shù)量的模擬輻射波束(例如在一個(gè)或多個(gè)方向上)。通過(guò)(針對(duì)不同諧振器)調(diào)諧/中斷不同組的二極管，使用相同的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(相同的雙端口天線)可實(shí)現(xiàn)上述各種波束形態(tài)。
[0047]圖19示出了實(shí)現(xiàn)和使用如上所述靈活天線的方法實(shí)施例1900。在步驟1910，確定天線的寬帶無(wú)線傳輸期望的頻率范圍。在步驟1920，確定天線的多個(gè)圓柱形導(dǎo)電元件的高度，以便使寬帶無(wú)線傳輸在所述頻率范圍內(nèi)。在步驟1930，通過(guò)將所述圓柱形導(dǎo)電元件垂直地置于并且徑向分布在平行板之間，組裝天線的徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在步驟1940，通過(guò)將類似于所述圓柱形導(dǎo)電元件的多個(gè)第二圓柱形導(dǎo)電元件垂直地置于并且徑向分布在類似于所述兩個(gè)平行板的兩個(gè)第二平行板之間，組裝類似于所述徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在步驟1950，平行放置所述徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在步驟1960，圍繞所述徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的圓周和所述第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的圓周放置多個(gè)輻射元件。在步驟1970，將直流電(direct current，DC)控制器和多個(gè)DC開(kāi)關(guān)連接至具有可調(diào)諧元件的多組圓柱形導(dǎo)電元件和具有第二可調(diào)諧元件的類似多組第二圓柱形導(dǎo)電元件。每一個(gè)DC開(kāi)關(guān)連接至對(duì)應(yīng)組的可調(diào)諧元件和對(duì)應(yīng)第二組的第二可調(diào)諧元件。在步驟1980，根據(jù)天線的寬帶無(wú)線傳輸?shù)念l率范圍內(nèi)的RF信號(hào)的期望傳播方向和傳輸頻率，選擇多組可調(diào)諧元件中的一組或多組和第二多組的第二可調(diào)諧元件中的一組或多組來(lái)啟用。在步驟1990，經(jīng)由控制器接通連接至所選多組和第二多組的一個(gè)或多個(gè)DC開(kāi)關(guān)。
[0048]圖20示出了通信設(shè)備2000的實(shí)施例的方框圖，該通信設(shè)備包括可以是(或不是)如圖20所示排列的處理器2004、存儲(chǔ)器2006和開(kāi)關(guān)接口 2014。處理器2004可以是能夠執(zhí)行計(jì)算和/或其它處理相關(guān)任務(wù)的任何組件，并且可相當(dāng)于微控制器250(如上所述)。存儲(chǔ)器2006可以是能夠存儲(chǔ)用于處理器2004的程序和/或指令的任何組件。開(kāi)關(guān)接口 2014可以是允許處理器2004操縱或控制一系列DC開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活天線上的波束指向的任何組件或組件集合。
[0049]雖然本公開(kāi)已提供了若干實(shí)施例，但應(yīng)理解，在不偏離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，本發(fā)明所公開(kāi)的系統(tǒng)和方法可以許多其它具體形式來(lái)體現(xiàn)。本發(fā)明的示例應(yīng)被視為說(shuō)明性而非限制性的，且本發(fā)明并不限于本文所給出的細(xì)節(jié)。例如，各種元件或組件可以結(jié)合或合并到另一個(gè)系統(tǒng)中，或者某些特征可以省略或不實(shí)施。
[0050]此外，在不偏離本公開(kāi)的范圍的情況下，各種實(shí)施例中描述和說(shuō)明為離散或單獨(dú)的技術(shù)、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和方法可以與其它系統(tǒng)、模塊、技術(shù)或方法進(jìn)行組合或合并。示出或論述為彼此耦合或直接耦合或通信的其它項(xiàng)也可以采用電方式、機(jī)械方式或其它方式通過(guò)某一接口、設(shè)備或中間部件間接地耦合或通信。其它變化、替代和改變的示例可以由本領(lǐng)域的技術(shù)人員確定，并且在不偏離本文所公開(kāi)的精神和范圍的情況下實(shí)現(xiàn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種在天線中的徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括: 第一徑向板； 與所述第一徑向板基本上平行的第二徑向板； 垂直地置于并且徑向分布在所述第一徑向板和所述第二徑向板之間的多個(gè)導(dǎo)電元件，其中所述導(dǎo)電元件連接至微帶和可調(diào)諧元件；以及 多個(gè)四分之一射頻(rad1 frequency，RF)扼流圈，其中所述RF扼流圈經(jīng)由所述微帶和所述可調(diào)諧元件連接至所述導(dǎo)電元件， 其中，所述第一徑向板和所述第二徑向板被隔開(kāi)一高度，所述高度根據(jù)RF信號(hào)的期望傳輸頻率范圍、所述微帶的長(zhǎng)度、所述導(dǎo)電元件的直徑和在每一個(gè)所述導(dǎo)電元件周圍的間隙空間的直徑來(lái)確定。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中所述高度等于大約四分之一波長(zhǎng)，所述波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于所述RF信號(hào)的傳輸頻率。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中所述第一徑向板和所述第二徑向板隔開(kāi)的所述高度、所述微帶的長(zhǎng)度、所述導(dǎo)電元件的直徑和所述間隙空間的直徑具有確定所述天線的寬帶傳輸?shù)某叽?，所述寬帶傳輸與從約5千兆赫到約6千兆赫的頻率范圍重疊。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中所述第一徑向板和所述第二徑向板隔開(kāi)的所述高度、所述微帶的長(zhǎng)度、所述導(dǎo)電元件的直徑和所述間隙空間的直徑具有確定所述天線的寬帶傳輸?shù)某叽纾鰧拵鬏斉c從約I千兆赫到約8千兆赫的頻率范圍重疊。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中連接至所述導(dǎo)電元件的所述微帶具有可變長(zhǎng)度，并且所述微帶的所述可變長(zhǎng)度相比于所述微帶的一個(gè)長(zhǎng)度提供更寬的頻率范圍上的傳輸。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中所述可調(diào)諧元件為置于所述微帶和所述RF扼流圈之間的二極管，并且連接至多個(gè)直流電(direct current，DC)開(kāi)關(guān)和所述DC開(kāi)關(guān)的控制器，所述控制器和所述DC開(kāi)關(guān)用于啟用和停用所述二極管，并且所述啟用或停用引導(dǎo)所述RF信號(hào)的傳播。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中每一個(gè)所述DC開(kāi)關(guān)連接至對(duì)應(yīng)組的二極管并且啟用或停用所述對(duì)應(yīng)組中的所有所述二極管。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中所述對(duì)應(yīng)組中的所有被啟用或被停用的二極管充當(dāng)確定所述RF信號(hào)的傳輸方向和傳輸系數(shù)的功率分配器。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中響應(yīng)于所述二極管的啟用和停用之一，所述微帶的所述長(zhǎng)度確定所述RF信號(hào)的傳輸。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中所述可調(diào)諧元件為微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electromechanical systems，MEMS)。11.一種天線設(shè)備，包括: 第一徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)第一平行徑向板和多個(gè)第一導(dǎo)電元件，所述多個(gè)第一導(dǎo)電元件連接至可調(diào)諧元件并且垂直地置于所述兩個(gè)第一平行板之間，其中所述兩個(gè)第一平行板被隔開(kāi)一高度，所述高度根據(jù)射頻(rad1 frequency，RF)信號(hào)的期望傳輸頻率范圍、所述導(dǎo)電元件的直徑和在每一個(gè)所述導(dǎo)電元件周圍的間隙空間來(lái)確定； 第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，類似于所述第一波導(dǎo)結(jié)構(gòu)并且包括兩個(gè)第二平行徑向板和多個(gè)第二導(dǎo)電元件，所述多個(gè)第二導(dǎo)電元件類似于所述第一導(dǎo)電元件并且連接至第二可調(diào)諧元件，其中，所述第二導(dǎo)電元件與所述第一導(dǎo)電元件具有相同的間隙空間并且垂直地置于所述兩個(gè)第二平行板之間，所述兩個(gè)第二板被隔開(kāi)與所述第一兩個(gè)平行板隔開(kāi)的相同高度；以及 多個(gè)輻射元件，置于所述第一徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與所述第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間，并且圍繞所述第一徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的圓周和所述第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的圓周徑向分布，其中所述第一徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和所述第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)基本上平行。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的天線設(shè)備，還包括: 第一線路饋電，基本上連接至所述第一徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的表面的中心并且連接至RF信號(hào)源； 第二線路饋電，基本上連接至所述第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的表面的中心并且連接至所述RF信號(hào)源； 多個(gè)直流電(direct current，DC)開(kāi)關(guān)，連接至所述可調(diào)諧元件和所述第二可調(diào)諧元件；以及 用于所述DC開(kāi)關(guān)的控制器，所述控制器通過(guò)接通和斷開(kāi)所述DC開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)啟用和停用所述可調(diào)諧元件和所述第二可調(diào)諧元件。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的天線設(shè)備，其中每一個(gè)所述導(dǎo)電元件連接至微帶和二極管，以及所述天線還包括多個(gè)RF扼流圈，每一個(gè)所述RF扼流圈連接至所述二極管之一。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的天線設(shè)備，其中根據(jù)所述微帶的長(zhǎng)度、所述導(dǎo)電元件的直徑和在每一個(gè)所述導(dǎo)電元件周圍的間隙空間確定所述兩個(gè)第一平行板隔開(kāi)的和所述兩個(gè)第二徑向板隔開(kāi)的相同高度。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的天線設(shè)備，其中所述高度、所述微帶的長(zhǎng)度、所述導(dǎo)電元件的直徑和所述間隙空間確定所述天線的寬帶傳輸，所述寬帶傳輸與從約5千兆赫到約6千兆赫的頻率范圍重疊。16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的天線設(shè)備，其中所述高度、所述微帶的長(zhǎng)度、所述導(dǎo)電元件的所述直徑和所述間隙空間確定所述天線的寬帶傳輸，所述寬帶傳輸與從約I千兆赫到約8千兆赫的頻率范圍重疊。17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的天線設(shè)備，其中所述DC開(kāi)關(guān)連接至對(duì)應(yīng)組的所述可調(diào)諧元件并且連接至相似組的所述第二可調(diào)諧元件。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的天線設(shè)備，其中所述第一徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和所述第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有大于100毫米(mm)的直徑，所述兩個(gè)第一平行板和所述兩個(gè)第二平行板中的每一個(gè)之間間開(kāi)的所述高度等于10_，所述可調(diào)諧元件和所述第二可調(diào)諧元件中的每一個(gè)的總數(shù)量為36個(gè)可調(diào)諧元件，所述組的所述可調(diào)諧元件和所述類似組的所述第二可調(diào)諧元件中的每一組的總數(shù)量為18組。19.一種用于具有寬帶無(wú)線傳輸?shù)奶炀€的方法，所述方法包括: 確定所述天線的所述寬帶無(wú)線傳輸期望的頻率范圍； 確定所述天線的多個(gè)導(dǎo)電元素的高度，其中所述高度使所述寬帶無(wú)線傳輸在所述頻率范圍內(nèi)； 根據(jù)所述高度和所述頻率范圍確定所述天線的兩個(gè)平行板的直徑； 通過(guò)將所述導(dǎo)電元件垂直地置于并且徑向分布在所述平行板之間，組裝所述天線的徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)； 通過(guò)將類似于所述導(dǎo)電元件的多個(gè)第二導(dǎo)電元件垂直地置于并且徑向分布在類似于所述兩個(gè)平行板的兩個(gè)第二平行板之間，組裝類似于所述徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)； 將所述徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和所述第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)基本上平行放置；以及 圍繞所述徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的圓周和所述第二徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的圓周放置多個(gè)徑向元件。20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括: 根據(jù)所述高度和所述頻率范圍確定所述導(dǎo)電元件的直徑； 根據(jù)所述高度和所述頻率范圍確定微帶的長(zhǎng)度，所述微帶將對(duì)應(yīng)二極管連接至所述導(dǎo)電元件和所述第二導(dǎo)電元件中的每一個(gè);以及 根據(jù)所述高度和所述頻率范圍確定在所述導(dǎo)電元件和所述第二導(dǎo)電元件中的每一個(gè)的周圍的間隙空間直徑。21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述導(dǎo)電元件和所述第二導(dǎo)電元件耦合至各個(gè)可調(diào)諧元件，并且所述方法還包括: 將多個(gè)直流電(direct current，DC)開(kāi)關(guān)經(jīng)由所述導(dǎo)電元件和所述第二導(dǎo)電元件連接至各個(gè)組的所述可調(diào)諧元件； 將所述DC開(kāi)關(guān)連接至控制器； 根據(jù)所述天線的所述寬帶無(wú)線傳輸?shù)乃鲱l率范圍內(nèi)的RF信號(hào)的期望傳播方向和傳輸頻率選擇所述可調(diào)諧元件來(lái)啟用；以及 經(jīng)由所述控制器接通連接至所述選擇的可調(diào)諧元件的一個(gè)或多個(gè)所述DC開(kāi)關(guān)。
【文檔編號(hào)】H01Q3/24GK105874648SQ201580003197
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2015年6月27日
【發(fā)明人】哈林姆·博泰亞伯, 保羅·華生, 托比·坎普
【申請(qǐng)人】華為技術(shù)有限公司