同轴传输线耦合到所述锥形微带的所述相对窄 端部的适配器。 14、 根据权利要求13所述的方法，其中所述AIS天线具有设置 于所述AIS天线的所述电介质基板上的表面波阻抗锥形区域，所述表 面波阻抗锥形区域紧挨着所述锥形微带的所述相对宽端部设置于所 述微带基板上:。 15、 根据权利要求13所述的方法，其中所述表面波阻抗匹配区 域中的所述贴片沿着所述AIS天线与所述锥形微带的所述相对宽端 部之间的表面波传播的方向在大小上变化。
[0221] 共形表面波馈送
[0222] 相关申请的交叉引用
[0223] 在与本申请案相同的日期提交并且标题为"用于结构性堵塞的减轻的共形天线 (Conformal Antennas for Mitigation of Structural Blockage)'，的序列号为_的 美国专利申请案[代理人档案号626489]以引用方式并入本文中。
[0224] 授予Daniel Gregoire等人的标题为"大规模适应性表面传感器阵列 (Large-Scale Adaptive Surface Sensor Arrays)" 的第 7, 307, 589 号美国专利。
技术领域
[0225]
[0226] 共形表面波馈送提供从同轴线或其它传输线到表面波传输的转变，所述表面波传 输可被用于将表面波发射到表面波媒介上。
【背景技术】
[0227]
[0228] 据信，本领域中尚不清楚共形表面波馈送（CSWF)。最新的现有技术可以是已经被 用于馈送先前共形人造阻抗表面（AIS)天线的低轮廓波导（LPWG)表面波耦合器（参见图 lb) 〇
[0229] 据信，该现有技术的缺点是：（1)其不共形。如下文图lb中可见，LPWG从天线表面 突出。（2)其插入损耗比本发明描述的共形表面波馈送高得多。（3)其将功率从表面辐射 出到自由空间中。（4)其频带宽度低于本发明描述的共形表面波馈送。
【发明内容】
[0230]
[0231] 本发明涉及可被用于馈送AIS天线或其它应用中的CSWF。所述CSWF提供从同轴 线或其它传输线到表面波传输的转变，举例来说，所述转变可被用于将表面波发射到AIS 天线的表面波媒介上。
[0232] 在CSWF中，波从传输线（通常50 Ω同轴转微带适配器）发射到锥形微带（MS)线 中，所述锥形微带线将波能传送出到宽相位波前中，然后到表面波媒介（SWM)中。所述MS 是锥形的以使得插入损耗优选地从锥形的一个端部到另一个最小化。MS基板的介电常数低 于所述SWM基板的介电常数以便匹配所述MS与所述表面波之间的波速度，从而最小化从所 述MS到所述SWM的插入损耗。
[0233] 在一个方面中，本发明提供一种用于表面波媒介的传输线馈送，所述表面波媒介 具有电介质基板，所述电介质基板带有形成于其上的导电贴片阵列。所述传输线馈送包括： (a)微带基板，所述微带基板具有低于所述表面波媒介的所述电介质基板的第二介电常数 的第一介电常数，所述微带基板紧靠所述表面波媒介的所述电介质基板；(b)锥形微带，所 述锥形微带设置于所述微带基板上，所述锥形微带从相对窄端部到相对宽端部成锥形，所 述相对宽端部在所述微带基板紧靠所述表面波基板之处终止；和（c)适配器，所述适配器 用于将传输线耦合到所述锥形微带的所述相对窄端部。
[0234] 在另一方面中，本发明提供一种将RF能量馈送到表面波媒介的方法，所述表面波 媒介具有电介质基板，所述电介质基板带有形成于其上的导电贴片阵列，所述RF能量经由 同轴传输线馈送被馈送到所述表面。所述方法包括：提供具有低于所述表面波媒介的所述 电介质基板的第二介电常数的第一介电常数的微带基板；使所述微带基板紧靠所述表面波 媒介的所述电介质基板；在所述微带基板上形成锥形微带，所述锥形微带从相对窄端部到 相对宽端部成锥形，所述相对宽端部在所述微带基板紧靠所述表面波基板之处终止；和提 供用于将所述同轴传输线耦合到所述锥形微带的所述相对窄端部的适配器。
【附图说明】
[0235]
[0236] 图la描绘CSWF的实施例；CSWF 10包括其宽度从同轴转MS适配器（图la中未 示出）处的相对窄端部到表面波媒介（SWM-图la中未示出）处的相对较宽端部成锥形的 微带。CSWF将具有宽相位波前的表面波发射到表面波媒介中并且其中的至少一部分可以是 AIS天线（图la中也未示出）。
[0237] 图lb描绘利用从天线表面突出的低轮廓波导耦合器（LPWG)的用于发射表面波的 现有技术装置。
[0238] 图2a是极类似于图la的平面图，但以较大比例描绘并且具有识别某些元件和其 特征的标记，并且具有所描绘的SWM和AIS。
[0239] 图2b是穿过图2a的CSWF截取的截面视图。
[0240] 图3a和图3b以平面视图（图3a)和侧正视图（图3b)描绘CSWF的模拟。MS锥 形由右侧的同轴适配器馈送。波沿着MS锥形传播，随着MS宽度增加，从而传送出到宽相位 波前中。在MS锥形的末端，表面波发射到表面波媒介（SWM)中，其中如果波速度紧密匹配， 那么插入损耗<_25dB。在功率传输应用中，表面波从左侧入射于CSWF上。表面波的宽相位 波前穿过MS锥形汇集到MS锥形的窄端部，其中其在同轴适配器处被收集。
【具体实施方式】
[0241]
[0242] 图la描绘CSWF 10的实施例。CSWF 10的这个实施例与24GHz共形AIS天线20 一起集成于25密耳基板上。在这个实施例中，CSWF10是其宽度从在同轴转MS适配器（图 la中未示出，参见图2a中的元件16)处的0. 6mm宽到表面波媒介处的30mm宽成锥形的微 带。CSWF将具有宽相位波前的表面波发射到表面波媒介（SWM)中，所述表面波媒介中的至 少一部分可以是AIS天线（对于AIS天线20的表示，参见图2a)。
[0243] CSWF 10包括其宽度从传输线15 (通常为50欧姆同轴电缆）处的窄端部11到微 带适配器16(图la中未示出，但在市场上可从美西南微波公司（Southwest Microwave)以 型号292-04A-5购得）再到表面波媒介22处的宽端部12成锥形的金属微带13。CSWF 10 将具有宽相位波前的表面波发射到前述AIS天线中。AIS20天线由图2a中的框表示。
[0244] CSWF 10无需耦合到AIS天线，因为CSWF 10可被用于与装置中所使用的SWM而 非AIS天线介接。SWM是"表面波媒介"。其是支持表面电磁波的任何物体。其是一种类型 的人造阻抗表面（AIS)。并非所有的AIS都是SWM，因为并非所有的AIS都支持表面波-相 反，一些AIS被设计成抑制表面波。然而，因为AISA(AIS天线）通过有目的地从其泄漏表 面波来工作，所以按照定义其是SWM。
[0245] CSWF 10具有由在具有相对低相对介电常数ε η (优选地，在2到4的范围内）的 薄电介质基板14 (通常具有25到50密耳范围内的厚度）上的金属层13形成的微带锥形。 与AIS基板22的相对介电常数ε ε ^通常为约10)相比，层14的相对介电常数是低的。 基板的厚度与操作的频率呈反比例。举例来说，50密耳基板14、22优选地用于8到14GHz AIS，25密耳基板14、22用于18到30GHz AIS，并且1英寸厚基板14、22用于100到500MHz AIS〇
[0246] 锥形的窄端部11优选地介接到标准传输线连接器30,例如，前述微带到同轴连接 器。根据众所周知的技术，微带在窄端部处的宽度被选择成使其阻抗与50欧姆适配器16 匹配。锥形的较宽端部12介接到由基板22上的金属贴片26形成的表面波媒介，所述表面 波媒介支持所期望的表面波。
[0247] 锥形微带13中的锥形最小化插入损耗。当遵循本文中所建议的设计指导时，已经 经历了小于_25dB的插入损耗。可视需要使用表面波阻抗匹配区域24,表面波阻抗匹配区 域24由电介质基板22上的金属贴片26的阵列形成，电介质基板22的介电常数高于微带 锥形13下的基板14。
[0248] 尽管CSWF 10可被用于许多应用中，但一个当前优选的应用是其用作AIS天线20 的馈送。对于关于AIS天线的更多信息，参见上文所确定的应用。AIS天线20通常具有类 似于金属贴片26的金属贴片并且可形成于与基板22 -体的基板上。AIS天线20的金属贴 片通常将在远离微带锥形13的表面波阻抗锥形区域24的端部处以对应于大小较小的贴片 26的均匀大小开始。此后，AIS天线20中的贴片的大小将变化（如以引用方式并入的美国 专利申请案中所论述）以形成传输区域，其中经由同轴电缆15 (举例来说）施加的RF信号 从AIS天线20中的表面波发射。
[0249] 金属贴片26的大小沿着由箭头A指示的波传播的方向变化，其中贴片大小朝向 AIS天线20在大小上降低。
[0250] 举例来说，可利用所公开的CSWF 10的实施例来在二维表面波AIS天线20中使用 表面波来传输高速率数据（>30Mbps)或功率（>1W)。图la、图2a和图2b示出优选地与在 这个实施例中以24GHz操作的共形AIS天线20 -起使用的CSWF 10的例示性实施例。在 这个实施例中，锥形微带13的尺寸是100mm长乘以在端部12处的30mm最大宽度并且在端 部11处成锥形到0. 6mm最小宽度。在这个实施例中，基板14优选地是25密耳厚的Rogers 3003 ( ε η = 3. 0)。表面波阻抗锥形区域24的SWM具有分布于基板22上的具有1mm周期的 网格上的〇. 8mm金属正方形贴片26,在这个实施例中，基板22优选地是25密耳厚的Rogers 3010基板（ε 10. 2)。可通过降低贴片26的大小或贴片周期或这两者来实现区域24 中的阻抗锥形。拇指规则：1)阻抗随针对给定贴片周期的贴片大小增加；2)阻抗随针对给 定分率贴片大小的贴片周期（贴片大小/周期）增加；3)阻抗随基板介电常数增加，和4) 阻抗随基板厚度增加。这些拇指规则中的任何或所有可被用于实施区域24中的阻抗锥形。
[0251] 所公开的馈送将在没有阻抗锥形24的情况下起作用（举例来说，通过使锥形微带 直接邻接到AIS天线20)。但是可高度期望阻抗锥形24满足大多数应用的规范，尤其是高 功率应用，因为在没有其的情况下回程损耗往往让人无法接受地高。与基板22相同的材料 还优选地用作AIS天线20的基板，并且实际上，基板22优选地由AIS天线20和表面波阻 抗锥形24共用作为一体基板22。
[0252] 以引用方式并入的美国专利申请案中所描述的共形人造阻抗表面天线调制表面 波并且将其功率辐射成所设计的辐射图案。
[0253] 在任何表面波研究工作中，表面波必须介接到依赖于传统RF传输线通信方法的 外部仪器，例如，同轴电缆和相关连接器。人造阻抗表面天线20,无论其是否共形，皆需要连 接到发射器和/或接收器，并且因此，电缆15通常连接到这些发射器和/或接收器，并且那 些电缆15需要又连接到AIS天线20。所公开的CSWF 10有利于该连接。
[0254] CSWF 10的重要元件是其锥形微带13,锥形微带13的一个端部11介接到传统传 输线阻抗（举例来说，50 Ω同轴电缆15)，另一端部12介接到通常在表面波阻抗锥形24中 的表面波媒介。极期望的元件是使微带锥形13的端部处的波阻抗与由CSFW 10馈送的表 面波媒介（SWM)中的表面波阻抗匹配的表面波阻抗锥形24,所述表面波阻抗锥形可以是如 上文所描述的AIS天线20。当然，SWM可包括除AIS天线20之外的某物，因为本发明可用 于将表面波从传统馈送线（例如，同轴电缆15)中可得的RF信号发射到可被用于除AIS天 线20之外的许多可能应用中的SWM中。
[0255] 锥形微带13被设计成在宽区域上馈送SWM中的表面波，并且锥形微带13的表面 波端部12因此比同轴端部馈送端部11宽得多。根据众所周知的决定微带设计的公式，随 着锥形微带的宽度沿着锥形增加，波阻抗依据其宽度而改变。宽度以使得宽端部与窄端部 之间的插入损耗最小化的方式变化。实际上，沿着锥形的阻抗优选地匹配被称为"克洛普费 恩斯坦（Klopfenstein) "阻抗锥形的阻抗。参见克洛普费恩斯坦，R. W.，"改进设计的传输 线（A Transmission Line of Improved Design)"，《无线电工程学会议程》（Proceedings of the IRE)，第31-35页，1956年1月。其它类型的阻抗锥形也将起作用。
[0256] 同样地，图2a中所见的锥形形状是通过将克洛普费恩斯坦阻抗锥形用于锥形微 带13的锥形而形成的低插入损耗锥形的特性。锥形微带13的长度影响插入损耗；较长锥 形导致较低插入损耗。实际上，等于所传输的波（同轴电缆15中的RF信号）的大约两个 波长的长度即足够。
[0257] 在表面波，与阻抗锥形24和锥形微带13之间的边界处的锥形微带13中的波之 间，波速度应匹配以便最小化两个区域之间的插入损耗。为了匹配波速度，锥形微带13的 基板14介电常数低于表面波区域中的基板22介电常数ε 2。锥形微带13中的波速度 在宽频带宽度上为约c///2,其中c是光速并且εκ是基板14的相对介电常数。在众所 周知但这里未呈现的所涉及的方式中，基板厚度和锥形微带13宽度影响波速度。（参见： I.J.Bahl 和 D.K.Trivedi 的"设计者对微带线的指导（A Designer's Guide to Microstrip Line) "，《微波》，1977年5月，第174-182页）。所以上文给出的波速度公式仅是粗略近 似。表面波锥形区域24中的表面波速度由波的频率、基板介电常数￡2和其厚度以及基 板22上的金属贴片26的大小和形状确定。一般来说，随着频率和/或基板厚度增加，表面 波速度达到c/ ε rt1/2的下限（参见C. Simovskii等人的"具有相对于极化和入射角的稳定 共振的高阻抗表面（High-impedance surfaces having stable resonance with respect to polarization and incidence angle)"，《电气与电子工程师协会事务天线提案》（IEEE Trans. Antennas Prop.)，第53, 908卷，2005和0. Luukkonen等人的"平面网格和包括金属 条带或贴片的高阻抗表面的简单并且准确的分析模型（Simple and accurate analytical model of planar grids and high-impedance surfaces comprising met