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TWI405367B - 人造阻抗結構（二） - Google Patents

人造阻抗結構（二） Download PDF

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TWI405367B
TWI405367B TW095123303A TW95123303A TWI405367B TW I405367 B TWI405367 B TW I405367B TW 095123303 A TW095123303 A TW 095123303A TW 95123303 A TW95123303 A TW 95123303A TW I405367 B TWI405367 B TW I405367B
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Joseph S Colburn
Bryan Ho Lim Fong
Matthew W Ganz
Mark F Gyure
Jonathan J Lynch
John Ottusch
John L Visher
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Hrl Lab Llc
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/006—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces
    • H01Q15/008—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces said selective devices having Sievenpipers' mushroom elements
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Description

人造阻抗結構(二) 相關申請案之交互參照
本申請案是關於ROC申請案，序號為：95123302名稱為“Artificial Impedance Structure”於2006年6月28日提出申請，此申請案的全部內容都以參照方式被併入本文。
發明領域
本申請案是關於人造阻抗結構，本申請案尤其是關於利用人造阻抗結構在固態物體周圍傳播電磁波。
 發明背景
對於天線設計者而言，一個共同的問題在於，製造能夠在被遮蔽的角度輻射能量的天線。例如，在先前技術中，一在導電圓筒20上的單極天線10(如第1a與1b圖中所示)，不會在直線3以下輻射能量，因為該圓筒20在直線3以下的外表面對單極天線10而言是被遮蔽的。第1c圖顯示了第1a與1b圖中的該圓筒20所產生的輻射圖形22。
先前技術主要由三個主要的範疇組成：(1)全相(holographic)天線，(2)頻率選擇性(frequency selective)表面以及其他的人造電抗表面，以及(3)藉由調變介質或阻抗層以達到表面波導。
有關人造天線的先前技術的例子包括：
1．P.Checcacci、V.Russo、A.Scheggi於1970年11月在IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.18,no.6,第811－813頁上提出之論文“Holographic Antennas”；2．D.M.Sazonov於1999年7月在IEEE International Symposium of the Antennas and Propagation Society,vol.2,第738－741頁上提出的論文“Computer Aided Design of Holographic Antennas”；3．K.Levis、A.Ittipiboon、A.Petosa、L.Roy、P.Berini於2001年4月在IEE Proceedings of Microwaves,Antennas and Propagation,vol.148,no.2,第129－132頁上提出的論文“Ka－Band Dipole Holographic Antennas”。
有關頻率選擇性表面以及其他的人造電抗表面的先前技術的例子包括：1．P.King、V.Thiel、A.Park於1983年5月在IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.31,no.3,第471－476頁上提出的論文“The Synthesis of Surface Reactance Using an Artificial Dielectric”；2．R.Mittra、A.H.Chan、T.Cwik於1988年12月在Proceedings of IEEE,vol.76,no.12,第1593－1615頁上提出的論文“Techniques for Analyzing Frequency Selective Surfaces－A Review”；3．D.Sievenpiper、L.Zhang、R.Broas、N.Alexopolous、E.Yablonovitch於1999年11月在IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.47,no.11,第2059－2074頁上提出的論文“High－Impedance Electromagnetic Surfaces with Forbidden Frequency Band”。
有關藉由調變介質或阻抗層以達到表面波導的先前技術的例子包括：1．A．Thomas、F.Zucke於1957年3月在IRE International Convention Record,vol.5,第153－160頁上提出的論文“Radiation from Modulated Surface Wave Structures I”；2．R.Pease於1957年3月在IRE International Convention Record,vol.5,第161－165頁上提出的論文“Radiation from Modulated Surface Wave Structures II”；3．A.Oliner、A.Hessel於1959年12月在IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.7,no.5,第201－208頁上提出的論文“Guided waves on sinusoidally－modulated reactance surfaces”。
有關此一般領域的先前技術的例子包括：1．T.Q.Ho、J.C.Logan、J.W.Rocway於1995年9月8日第5,917,458號的美國專利“Frequency Selective Surface Integrated Antenna System”。
2．A.E.Fathy、A.Rosen、H.S.Owen、f.McGinty、D.J.McGee、G.C.Taylor、R.Amantea、P.K.Swain、S.M.Perlow、M.ELSherbiny於2003年6月在IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.47,no.11,第1650－1661頁上提出的論文“Silicon－Based Re－configurable Antennas－Concepts,Analysis,Implementation and Feasibility”。
本發明揭露一種用於將波導引在一物體之表面上的方法，該方法包含以下步驟：提供一用於導引一電磁波的阻抗結構，該阻抗結構具有：一介質層，一般具有相反的第一與第二表面；一導電層，被置於該第一表面之上；以及多數個導電結構，被置於該第二表面之上，以提供一預先選定的沿著該第二表面的阻抗分布；利用該阻抗結構覆蓋該物體，其中該阻抗結構將該電磁波導引在該物體的表面上。
圖式簡單說明
第1a與1b圖是關於先前技術，且描述了先前技術在一導電圓筒上的單極天線；第1c圖是關於先前技術，且描述了由第1a與1b圖中該導電圓筒產生的低增益輻射圖形；第2圖描述了一人造阻抗結構；第3a－3b圖依據本揭露，描述了在一被人造阻抗結構覆蓋的圓筒上的單極天線；第3c圖依據本揭露，描述了由第3a與3b圖中的圓筒所產生的高增益輻射圖形；第4a圖描述了一被依據本揭露的人造阻抗結構覆蓋的飛機之尾翼；第4b圖描述了一被依據本揭露的人造阻抗結構覆蓋的飛機之引擎；第5a圖描述了一被干擾信號影響的攻擊性裝置；以及第5b圖描述了一被依據本揭露的人造阻抗結構覆蓋的進攻性裝置。
在以下描述中，類似的參考符號被用於識別類似的元件。而且，該等圖示是以圖表的方式描述示範性實施例的主要特徵。該等圖示並不是要描述每個實施態樣的每個特徵，或者該等被描述元件的相對尺寸，且該等圖示並不是依比例被繪製的。
 詳細說明
依據本揭露，人造阻抗結構可被置於不同的表面之上，以提供天線設計者所期望的分散或導引特性。
該人造阻抗結構可被設計成，用以導引且輻射來自電磁波之能量，以產生任何任意的輻射圖形。例如，參看一有關的申請案，中華民國申請案序號為：95123302，於2006年6月28日提出申請，名稱為“Artificial Impedance Structure”，此申請案的全部內容都以參照方式被併入本文。
參看第2圖，一人造阻抗結構25能夠被用於設計在曲線形狀上的天線，且具有一般不可能具有的輻射特性。該人造阻抗結構25可能包含一人造阻抗表面30，該人造阻抗表面30包含被印製在一接地介質層35上的導電結構40，該接地介質層35比操作波長(wavelength of operation)更薄。
該人造阻抗結構25可被應用到固態物體，以將波導引到該等物體周圍。因為此處所描述的該等方法能透過表面波耦合(surface wave coupling)將一種波轉換為另一種波，藉由設計表面的分散特性，如果波源是一外來的平面波或者是一附近天線的輻射圖形，則相同的原理能夠使用。該人造阻抗結構25可被用於填充載具結構原本會產生的盲區(null)，天線被固定在該載具結構上。該人造阻抗結構25也可被用於，製造更好的不受本地環境影響的全方向天線。舉例而言，在一示範性實施例中，該人造阻抗結構25可被製造為一印刷電路板，該印刷電路板包覆一種可干擾天線之性能的物體。
參看第3a與3b圖，該人造阻抗結構25被置於一圓筒60上，以使一被置於該圓筒60上的單極天線70在該圓筒60之相反面上產生一窄波束(narrow beam)，該窄波束朝向著原本是被遮蔽的方向。該單極天線70產生，沿著該人造阻抗結構25且在該圓筒60周圍傳播的表面電流80。該人造阻抗結構25是利用該表面電流及該圓筒60之相反面上在135度角的平面波形成的干擾圖形所設計。該置於該圓筒60上的人造阻抗結構25在第3c圖中的輻射圖形24，顯示了一在135度角的窄波束。
人造阻抗結構也可用於將外來的平面波導引到一固態物體周圍。例如，該人造阻抗結構可使一飛機的幾個部分成為透明(transparent)，以輻射產生更大的雷達掃描範圍。參看第4a圖，一飛機92的尾翼91可被一人造阻抗結構95覆蓋，以使該雷達93可穿過該尾翼91。參看第4b圖，一飛機102的引擎101可被一人造阻抗結構105覆蓋，以使該雷達103可穿過該引擎101。該波94與104實際上沒有分別穿過該尾翼91與該引擎101，而是分別被該人造阻抗結構95與101導引到該尾翼91與該引擎101的周圍，且從另外一側重新輻射。
利用以上所描述的原理，一種人造阻抗結構也可被設計用於阻止某些外來的電磁波在一固態物體周圍傳播。參看第5a圖，一被全球定位系統(GPS)導引的攻擊性裝置110易受到來自地面的干擾信號112所影響，因為該攻擊性裝置110的表面將該等干擾信號112傳播給該GPS接收機115。參看第5b圖，一人造阻抗結構120可被置於該攻擊性裝置110圍繞該GPS接收機115的那部分上。該人造阻抗被設計成，只傳播地平線以上的輻射，因此使得該裝置110更能抵擋干擾。該裝置110可能是一攻擊性裝置。
出於說明與揭露的目的，依據法律的要求，給出例示的且較佳實施例的上述詳細描述。並不意指此等描述是詳盡的，且本發明並不限於所描述的精確形式，而是使該項技術領域內具有通常知識者明白，本發明是如何適用於一特定的用法或實施態樣。修改與改變的可行性對於該項技術領域內的從業者是顯而易見的。例示的實施例的描述並不意指任何限制，其等描述可包括誤差、特徵尺寸、特定運作條件、工程說明書，或者類似的描述，且例示的實施例可在實施態樣之間改變，或者因技術水準而改變，且此處並不暗示任何的限制。雖然申請者已經關於此項技術目前的情形給出了本揭露，但是也可考慮改進，以及未來的考慮了改進的改編，即依據此項技術那時的情形。本發明之範圍意指被所寫的申請專利範圍，以及可應用的等效定義。以單數申請專利範圍元件並不意味著“一個且只有一個”，除非有被明確地敍述。而且，此揭露中的元件、組件、方法或程序步驟並不意指是公眾專用的，無論該元件、組件或步驟是否在該申請專利範圍內被明確地敍述。此處沒有申請專利範圍元件是在35 U.S.C的第112節第6段的條款下被解讀，除非該元素利用片語“用以….的裝置”被特別地敍述，且此處沒有任何方法或程序步驟是在該等條款下被解讀，除非該步驟或該等步驟利用片語“用以…的步驟”被特別地敍述。
下述概念被本發明所支持：
概念1. 一種用於將波導引在物體之表面上的方法，該方法包含以下步驟：提供設計來導引一電磁波的一阻抗結構，該阻抗結構具有：一介電層，具有大致相對的第一與第二表面；一傳導層，被置於該第一表面上；以及多數個傳導結構，被置於該第二表面上，以提供沿著該第二表面的一預先選定阻抗分布；利用該阻抗結構覆蓋該物體，其中該阻抗結構將該電磁波導引在該物體的表面上。
概念2. 如概念1所述之方法，其中該電磁波是一外來的平面波或者一天線的輻射圖形。
概念3. 如概念1所述之方法，其中該電磁波被該阻抗結構導引到一預先選定的位置。
概念4. 如概念1所述之方法，其中該電磁波被該阻抗結構導引離開一預先選定的位置。
概念5. 如概念1所述之方法，其中該阻抗結構是一印刷電路板。
概念6. 一種用於改變天線之性能的方法，該方法包含以下步驟：提供設計來導引一電磁波的一阻抗結構，該阻抗結構具有：一介電層，具有大致相對的第一與第二表面；一傳導層，被置於該第一表面上；以及多數個傳導結構，被置於該第二表面上，以提供沿著該第二表面的一預先選定阻抗分布；利用該阻抗結構覆蓋可干擾一天線之性能的一表面，其中該阻抗結構在該表面上導引該天線所產生的電磁波。
概念7. 如概念6所述之方法，其中至少一部分該天線所產生的電磁波被該阻抗結構輻射。
概念8. 如概念7所述之方法，其中被該阻抗結構所輻射的電磁波是在一預先選定的位置上被輻射。
概念9. 如概念7所述之方法，其中被該阻抗結構所輻射的電磁波是被輻射離開一預先選定的位置。
概念10. 一種用於改進雷達之性能的方法，該方法包含以下步驟：提供設計來導引電磁波的一阻抗結構，該阻抗結構具有：一介電層，具有大致相對的第一與第二表面；一傳導層，被置於該第一表面上；以及多數個傳導結構，被置於該第二表面上，以提供沿著該第二表面的一預先選定阻抗分布；利用該阻抗結構覆蓋阻擋該雷達之一表面，其中該阻抗結構在該表面上導引及輻射電磁波，其中該阻 抗結構在該表面上導引及輻射外來的電磁波到該雷達。
概念11. 如概念10所述之方法，其中該電磁波是由該雷達產生的。
25‧‧‧人造阻抗結構
30‧‧‧人造阻抗表面
35‧‧‧接地介質層
40‧‧‧導電結構
60‧‧‧圓筒
70‧‧‧單極天線
80‧‧‧電流
91‧‧‧尾翼
92‧‧‧飛機
93‧‧‧雷達
94‧‧‧波
95‧‧‧人造阻抗結構
101‧‧‧引擎
102‧‧‧飛機
103‧‧‧雷達
104‧‧‧波
105‧‧‧人造阻抗結構
110‧‧‧攻擊性裝置
112‧‧‧干擾信號
115‧‧‧GPS接收機
120‧‧‧人造阻抗結構
第1a與1b圖是關於先前技術，且描述了先前技術在一導電圓筒上的單極天線；第1c圖是關於先前技術，且描述了由第1a與1b圖中該導電圓筒產生的低增益輻射圖形；第2圖描述了一人造阻抗結構；第3a-3b圖依據本揭露，描述了在一被人造阻抗結構覆蓋的圓筒上的單極天線；第3c圖依據本揭露，描述了由第3a與3b圖中的圓筒所產生的高增益輻射圖形；第4a圖描述了一被依據本揭露的人造阻抗結構覆蓋的飛機之尾翼；第4b圖描述了一被依據本揭露的人造阻抗結構覆蓋的飛機之引擎；第5a圖描述了一被干擾信號影響的攻擊性裝置；以及第5b圖描述了一被依據本揭露的人造阻抗結構覆蓋的進攻性裝置。
25．．．人造阻抗結構
30．．．人造阻抗表面
35．．．接地介質層
40．．．導電結構

Claims (13)

  1. 一種用於將波導引在物體之表面上的方法，該方法包含以下步驟：提供設計來導引一電磁波的一阻抗結構，該阻抗結構具有：一介電層，具有大致相對的第一與第二表面；一傳導層，被置於該第一表面上；以及多數個傳導結構，被置於該第二表面上，以提供沿著該第二表面的一預先選定阻抗分布；利用該阻抗結構覆蓋該物體，其中該阻抗結構將該電磁波導引在該物體的表面上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該電磁波是一外來的平面波或者一天線的輻射圖形。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該電磁波被該阻抗結構導引到一預先選定的位置。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該電磁波被該阻抗結構導引離開一預先選定的位置。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該阻抗結構是一印刷電路板。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該預先選定阻抗分布沿著該第二表面為非均勻的。
  7. 一種用於改變天線之性能的方法，該方法包含以下步驟：提供設計來導引一電磁波的一阻抗結構，該阻抗結構具有： 一介電層，具有大致相對的第一與第二表面；一傳導層，被置於該第一表面上；以及多數個傳導結構，被置於該第二表面上，以提供沿著該第二表面的一預先選定阻抗分布；利用該阻抗結構覆蓋可干擾一天線之性能的一表面，其中該阻抗結構在該表面上導引該天線所產生的電磁波。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中至少一部分該天線所產生的電磁波被該阻抗結構輻射。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中被該阻抗結構所輻射的電磁波是在一預先選定的位置上被輻射。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中被該阻抗結構所輻射的電磁波是被輻射離開一預先選定的位置。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該預先選定阻抗分布沿著該第二表面為非均勻的。
  12. 一種用於改進雷達之性能的方法，該方法包含以下步驟：提供設計來導引電磁波的一阻抗結構，該阻抗結構具有：一介電層，具有大致相對的第一與第二表面；一傳導層，被置於該第一表面上；以及多數個傳導結構，被置於該第二表面上，以提供沿著該第二表面的一預先選定阻抗分布；利用該阻抗結構覆蓋阻擋該雷達之一表面，其中該阻抗結構在該表面上導引及輻射電磁波，其中該阻抗結 構在該表面上導引及輻射外來的電磁波到該雷達。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該電磁波是由該雷達產生的。
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