CN103560324A

CN103560324A - 基于可变介电常数的天线和阵列

Info

Publication number: CN103560324A
Application number: CN201310524493.4A
Authority: CN
Inventors: D·D·哈兹扎
Original assignee: DEDI DAVID HAZIZA
Current assignee: Weaver LLC
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2007-05-18
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2027-05-18
Also published as: EP2020051A4; US20090091500A1; JP2009538565A; IL195464A; WO2007139736B1; WO2007139736A3; US7466269B2; WO2007139736A2; US7884766B2; IL195464A0; EP2020051B1; CN103560324B; US20080036664A1; EP2020051A2

Abstract

本发明提供了一种天线和天线阵。在夹置于两个面板之间的可变介电常数材料上设置辐射元件和对应的馈线。该夹层结构可以是LCD的形式。可以改变导线下方的选定区域中的介电常数，以控制辐射元件的相位。可以改变导线下方的选定区域中的介电常数，以控制辐射元件的谐振频率。也可以改变导线下方的选定区域中的介电常数，以控制辐射元件的偏振。

Description

基于可变介电常数的天线和阵列

本申请为分案申请，其原申请是于2008年11月24日（国际申请日为2007年5月18日）向中国专利局提交的专利申请，申请号为200780019018.4，发明名称为“基于可变介电常数的天线和阵列”。

相关申请的交叉引用

本申请是如下申请的延续并主张享有其优先权：2006年5月24日提交的序列号为60/808187的美国申请、2006年11月17日提交的序列号为60/859667的美国申请、2006年11月17日提交的序列号为60/859799的美国申请、2007年2月16日提交的序列号为60/890456的美国申请、2007年4月3日提交的序列号为11/695913的美国申请以及2007年5月10日提交的序列号为11/747148的美国申请，通过引用将所有这些申请的公开内容全文并入于此。

技术领域

本发明总的领域涉及一种独特的电磁天线，可以将其用于辐射型或非辐射型电磁装置。本发明的实施例总体上涉及天线结构，更具体而言涉及具有LCD上构造的辐射元件的天线结构以及具有这种辐射元件的阵列的天线。

背景技术

现有技术中已知有多种用于接收和发射电磁辐射的天线。从物理上讲，天线由导体制成的辐射元件构成，辐射元件响应于所施加的电场和相关联的磁场产生辐射性电磁场。该过程是双向的，即，当放置于电磁场中时，电磁场将在天线中诱发交变的磁场，在天线端子之间会产生电场。馈线或传输线或网络在天线和收发机之间传送信号。馈送网络可以是不同类型的传输线、弯头（bend）、功率分配器、滤波器，还可以包括天线耦合网络和/或波导。天线阵是指耦合到公共的电源或负载以产生定向辐射图案的两个或更多天线。各天线之间的空间关系影响到天线的方向性。一般而言，天线阵基本上适用空间世界中的抽样定理，因此可以通过设计诸如喇叭天线、反射器或任何其他形状的开放孔径的任何孔径天线，利用由某种元件构成的阵列来产生类似的辐射图案和增益，所述某种元件为基本天线元件，布置成栅格、矩形或其他形状，元件之间具有预定的间隔。

尽管本文所公开的天线是一般性的天线，且可以用于大量的应用，但能够从该主题天线受益巨大的一种特定应用是固定和移动设置下对卫星电视的接收（直接广播卫星或“DBS”）。对于固定DBS而言，接收是利用指向同步卫星的定向天线实现的。在移动DBS中，天线位于运动的交通工具（地面上、水中或空中）上。在这种情况下，由于交通工具是运动的，因此要不断地将天线指向卫星。使用各种机构而在运动期间使天线跟踪卫星，例如机动化的机构和/或使用相移天线阵。更多关于移动DBS的一般信息例如可以在美国专利6529706中找到，通过引用将其并入本文。

一种已知的二维波束调向天线使用的是相控阵设计，其中，阵列的每个元件都具有移相器和连接到其上的放大器。平面天线阵的典型阵列设计使用的是微带技术或开槽波导技术（参见例如美国专利5579019）。对于微带技术来说，天线效率随着天线尺寸的增大而大大降低。对于开槽波导技术来说，系统合并了复杂的部件和弯头以及非常窄的槽，在制造过程中必需要严格地控制所有这些的尺度和几何形状。移相器和放大器用于提供二维半球形覆盖范围。然而，移相器成本高昂，尤其是如果相控阵包括很多元件，则总的天线成本可能相当高。而且，移相器需要独立的复杂控制电路，这导致了成本和系统复杂性过大。

一种被称为GBS（全球广播业务）的类似于DBS的技术使用现有的商用现货供应技术，通过卫星向与美国政府相关的各种用户群体提供宽带数据和实时视频。由Communication-Electronics Command's Space andTerrestrial Communications Directorate的Space Technology Branch开发的GBS系统使用的是具有机械化跟踪系统的开槽波导天线。尽管天线被说成具有小的外形轮廓——在没有天线罩（雷达天线罩）的情况下“仅”伸展到14英寸的高度——其尺寸可以被军事应用所接受，但对于消费应用而言不可接受，例如不能用于私人汽车。对于消费应用而言，天线的外形轮廓应该小到不致降低车辆美观且显著增大其阻力系数的程度。

当前的移动系统昂贵而复杂。在实际的消费产品中，尺寸和成本是主要因素，而显著降低尺寸和成本是困难的。除了成本之外，已知系统的移相器会固有地给相应的系统带来损耗（例如3dB或更大损耗），于是为了补偿该损耗需要显著增大天线的尺寸。在特定情况下，例如对于DBS天线系统而言，尺寸会达到4英尺乘4英尺，对于消费应用而言这很不实用。

从以上论述可以认识到，为了开发消费者使用的移动DBS或GBS系统，必需至少要解决以下问题：提高信号收集的效率，减小尺寸并降低价格。目前的天线系统对于商业应用来说相对太大，具有收集效率的问题，且定价在几千甚至几万美元，因此远未达到普通消费者的要求。通常，这里讨论的效率是指天线收集天线所接收的射频信号并将其转换成电信号的效率。这个问题是任何天线系统都共有的，本文提供的方案为用于任何应用的无论固定或移动的天线系统解决了这个问题。

有几种类型的微带天线（也称为印刷天线），最常用的是微带贴片天线或贴片天线。贴片天线是一种通过在结合到绝缘基板的金属迹线中蚀刻天线元件图案来制造的窄带宽波束天线。一些贴片天线不用基板，利用电介质间隔体将金属贴片悬置于地平面上的空中；所得的结构不太鲁棒，但实现了更好的带宽。因为这种天线的外形轮廓非常小，机械性能强且可以适应形状要求，所以常常将它们安装在飞行器和航天器外部上或结合到移动无线电通信装置中。

贴片天线固有的优点是能够具有偏振分集。利用多个馈电点或具有不对称贴片结构的单个馈电点可以容易地将贴片天线设计成具有垂直、水平、右旋圆（RHCP）或左旋圆（LHCP）偏振。这种独特的性质使得贴片天线能够用在可能具有不同要求的很多区域类型的通信链路中。

图1示出了现有技术微带天线的范例。如图1所示，在电介质130上设置四个导电贴片105-120。在电介质130下方设置底部“公共”地导体，但图1中未示出。导电线105'-120'提供通往干线140的电连接，干线140连接到中心馈线145。

液晶显示器（一般缩写成LCD）是一种由光源或反射器前呈陈列布置的任意数量的彩色或单色像素构成的薄平板显示装置。LCD的每个像素由两个透明电极之间对齐的一层垂直分子以及偏振轴彼此垂直的两个偏振滤光器构成。当偏振滤光器之间没有液晶时，通过一个滤光器的光将被电极阻挡。对与液晶材料接触的电极表面进行处理以沿特定方向排列液晶分子。这种处理典型地包括利用布料单向摩擦薄的聚合物层（液晶排列方向由摩擦方向确定）。

在施加电场之前，由表面处的排列决定液晶分子的取向。在扭转向列装置（最常见的液晶装置）中，两个电极处的表面排列方向是垂直的，因此分子以螺旋形结构或扭曲的结构布置它们自己。因为液晶材料是双折射的，通过一个偏振滤光器的光在通过液晶层时被螺旋状液晶转动，从而允许其通过第二偏振滤光器。一半的光被第一偏振滤光器吸收，但从别的方面来看整个部件却是透明的。

当跨越电极施加电压时，转矩发生作用，使液晶分子平行于电场排列，扭曲了螺旋形结构（这受到弹性力的抵抗，因为分子被束缚在表面）。这样减小了入射光偏振的旋转程度，装置看起来成为灰色。如果所施加的电压足够大，使液晶分子完全不再扭曲，则在入射光通过液晶层时其偏振根本不会旋转。那么该光将垂直于第二滤波器偏振，于是被完全阻挡，像素将呈现为黑色。通过控制跨过每个像素中的液晶层施加的电压，可以允许光通过不同的量，从而相应地照明该像素。

图2示出了现有技术LCD的截面。如图2所示，LCD200包括：可以是玻璃的后面板205；通常也由玻璃制成的前面板210；位于两个面板之间的液晶215；可以是铟/钛/氧化物（ITO）、铝等的背电极220；以及耦合到电势230且一般由ITO制成的前电极225。可以单独地向每个电极225施加电势230。在将电势施加到电极225时，其下方的液晶改变其取向，由此改变了加电电极和对应于前电极该区域的背电极部分之间的局部介电常数。

发明内容

提供如下发明内容是为了提供对本发明一些方面和特征的基本理解。本发明内容不是本发明的全面概述，因此并非意在特别地指定本发明的关键要素或限定本发明的范围。其唯一目的是以简化形式提供本发明的一些概念，作为以下要给出的更详细说明的前序。

根据本发明的多个方面，提供了一种一维或二维电子扫描天线，其无需任何移相器或低噪声放大器（LNA）。

根据本发明的多个方面，提供了一种新颖的具有辐射元件的扫描天线阵，这种扫描天线阵提供了高转换效率，同时小巧、简单且制造成本低廉。

根据本发明的多个方面，提供了一种具有设置于LCD结构上的辐射元件阵列的新颖的扫描天线阵。

根据本发明的多个方面，提供了一种新颖的天线，其包括：后面板，所述后面板具有设置在其表面上的导电层；顶面板；可变介电常数材料，所述可变介电常数材料夹置在所述后面板和所述顶面板之间；设置于所述顶面板上的至少一个辐射元件；以及至少一条导线，所述导线设置在所述顶面板上且耦合到所述至少一个辐射元件。所述可变介电常数材料可以包括液晶。所述后面板和所述顶面板可以包括绝缘材料。所述天线还可以包括至少一个设置于所述顶面板上的电极；设置于所述电极上的绝缘层；并且其中所述至少一个辐射元件和所述至少一条导线设置于所述绝缘层上。所述可变介电常数材料可以设置于限定区域中。所述公共电极、后面板、液晶、顶面板和电极可以构成液晶显示器。所述天线还可以包括耦合到所述至少一个电极的电源。

根据本发明的其他方面，提供了一种扫描天线阵，包括：后面板；顶面板；夹置在所述后面板和所述顶面板之间的多个可变介电常数材料区域；设置于所述顶面板上的多个辐射元件；多条导线，所述多条导线设置于所述顶面板上且均耦合到所述多个辐射元件中的相应一个，每条所述导线都横跨所述多个区域中的至少一个。每个所述区域还可以包括电极。所述天线还可以包括设置于所述电极上的绝缘层；并且所述辐射元件和所述导线可以设置于所述绝缘层上。可以使所述多个区域中的至少一个的介电常数与至少一个其他区域的介电常数不同。每个所述电极可以耦合到电源。

根据本发明的其他方面，提供了一种制造天线的方法，包括：设置后面板；设置顶面板；在所述后面板和所述顶面板之间夹置可变介电常数材料；在所述顶面板上设置至少一个辐射元件；在所述顶面板上设置至少一条导线并将所述导线耦合到所述辐射元件。所述夹置步骤可以包括在多个区域中夹置所述可变介电常数材料。所述方法还可以包括设置多个电极，每个电极都设置于所述多个区域中的相应一个上；以及在所述电极与所述至少一个辐射元件和所述导线之间设置电介质层。所述夹置可变介电常数材料的步骤可以包括在多个区域中夹置液晶。所述设置后面板、设置顶面板以及在所述后面板和所述顶面板之间夹置可变介电常数材料的步骤可以构成提供液晶显示器的过程。

根据本发明的其他方面，通过包括如下步骤的过程制造天线：设置后面板；设置顶面板；在所述后面板和所述顶面板之间夹置可变介电常数材料；在所述顶面板上设置至少一个辐射元件；在所述顶面板上设置至少一条导线并将所述导线耦合到所述辐射元件。所述制造过程还可以包括：在多个区域中夹置所述可变介电常数材料，其中在所述至少一条导线中的每一条下方设置至少一个区域。所述制造过程还可以包括：设置多个电极，每个电极都设置于所述多个区域中的相应一个上；在所述电极与所述至少一个辐射元件和所述至少一条导线之间设置电介质层。

附图说明

附图被并入本说明书并构成其一部分，附图示范了本发明的实施例并与说明书一起来解释和例示本发明的原理。附图意在以图解方式例示示范性实施例的主要特征。附图并非要绘示出实际实施例的每个特征以及所示元件的相对尺寸，并且附图也不是按比例绘制的。

图1示出了现有技术微带天线的范例。

图2示出了现有技术LCD的截面。

图3A示出了根据本发明实施例的扫描天线的范例，而图3B示出了图3A中由虚线圆所示的放大区域的截面。

图3C示出了利用LCD控制介电常数的实施例的截面。

图4示出了具有双路馈线的单个贴片微带天线，设置双路馈线是为了提供双重圆偏振。

图5示出了根据本发明实施例利用合并馈线的扫描阵列。

图6示出了根据本发明实施例具有串行馈线的扫描天线阵。

具体实施方式

本发明的各种实施例一般涉及到设置于LCD结构上的辐射元件的结构和它们的馈线，以及扫描天线阵和引入这种结构的系统。在各种实施例描述的上下文中，用于本发明的天线的LCD结构不需要包括光源。例如，可以结合固定和/或移动平台来使用这里所述的各种实施例。当然，这里所述的各种天线和技术可以具有这里未特别提及的其他应用。移动应用例如可以包括集成到地面、海洋或空中交通工具中的移动DBS或VSAT。各种技术也可以用于双向通信和/或其他只接收的应用。

图3A示出了根据本发明实施例的扫描天线的范例，而图3B示出了图3A中由虚线椭圆所示的放大区域的截面。如图3A所示，在电介质330上设置包括元件305-320的微带阵列。导线305'-320'通往干线340，干线耦合到源345。如图3B所示，在诸如液晶的可变电介质材料350上设置电介质330，可变电介质材料350由后面板355夹置，后面板可以是玻璃。利用这种构造，可以将微带阵列用作扫描天线阵。亦即，如虚线矩形所示，通过独立改变每根馈线305'-320'下方的材料350的介电常数，可以在阵列元件305-320的辐射之间引入相位延迟。

更具体而言，相位Φ可以被表示为：

Φ=2πd/λ_g

其中λ_g为物质中的波长，d为传播路线的长度。另一方面，λ_g可以被表示为：

λ_{g} = λ_{0} / \sqrt{ϵ_{eff}}

其中λ_g为空气中的波长，ε_eff为ε_r、线宽和微带线的其他物理参数的函数，ε_r为传播材料的介电常数。那么可以将相位表示为：

Φ = 2 πd \sqrt{ϵ_{r}} / λ_{0}

因此，通过单独控制每条导线320下方的可变电介质材料350的部分的介电常数，可以改变每个辐射元件的相位。而且，还可以通过被控制的可变电介质材料350的部分的长度d来控制相位。

图3C示出了利用LCD控制介电常数的实施例的截面。在图3C中，在绝缘层330上设置辐射元件320和导线302'，绝缘层330可以是玻璃面板。绝缘层330设置在LCD上，该LCD包括透明电极325、上电介质板330'、液晶350、下电介质板355和下电极360。可以在虚线所示的区域中提供液晶，这些区域可以对应于电极325。下电极360耦合到公共电势，例如地。透明电极325可以单独地耦合到电势390。当透明电极325中的任一个上的电势变化时，其下方的液晶的介电常数发生变化，从而诱发导线320'中的相位变化。可以通过选择施加到透明电极325的电压量，即控制ε_r来控制相位变化，还可以通过控制施加电压的电极数量，即控制d来控制相位变化。

为了说明，进行以下计算以找到实现2π相移的关系。当导线部分位于部分被施加偏压或未施加偏压、因而有效介电常数为ε₁的电极上，且部分位于产生ε₂的介电常数的加偏压的电极上时，得到如下结果：

2 πd \sqrt{ϵ_{1}} / λ_{0} - 2 πd \sqrt{ϵ_{2}} / λ_{0} = 2 π

简化为：

\sqrt{ϵ_{1}} - \sqrt{ϵ_{2}} = λ_{0} / d

因此，通过控制偏压量、被施加偏压的材料长度或控制两者，可以实现任何必要的相移。由于在商用LCD中，能够独立地控制施加偏压的像素数量和偏压的量，因此根据本发明可以轻易地构造出扫描阵列并容易控制ε_r和d两者。

应当指出，本发明不限于使用LCD。亦即，可以使用任何呈现出可控可变介电常数的材料。例如，可以使用任何铁电材料来取代液晶。这里所示的实施例使用的是LCD，因为LCD技术已经成熟且容易获得，这使得本发明极具吸引力且容易实现。

本发明的另一个特征是可变频率扫描阵列。亦即，如图3A-3C的实施例所示，该阵列下方的整个区域都具有可控可变介电常数。通过改变导线下方的介电常数获得相移，实现阵列的扫描。另一方面，还可以改变每个天线贴片下方的介电常数。通过改变天线贴片下方的介电常数，贴片的谐振频率发生变化。如果使用LCD或类似的装置，就能够通过选择施加到贴片下方的电极的适当电势，来控制贴片下方介电常数的变化量，从而控制贴片工作频率的变化。类似地，还可以控制被施加偏压的贴片下方的区域大小，由此控制阵列的谐振频率，以提供频率可调谐的天线或天线阵。

本发明的天线的又一个特征是实现圆偏振和双重圆偏振的简单性。图4示出了形成于如上所述的可变介电常数夹层结构（例如LCD）上的单贴片微带天线405。由两根导线405'和405''从两面对贴片馈电。可以控制每根导线下方由虚线矩形表示的区域以改变介电常数，从而实现90°相移。通过选择对哪个区域进行相移，该贴片可以是左旋或右旋圆偏振的。当然，由于可以任意改变介电常数，所以可以在任何时候改变对RHCP或LHCP的选择。应当指出，可以在从单个点馈电的同时实现LHCP和RHCP。相对于现有技术来说这是一个优点，在现有技术中，为了实现这种特征必需要提供混合馈线，且为了在LHCP和RHCP之间进行改变，必需要改变馈电点。在本文中情况则不相同，馈线是固定的且是从单个点提供的，由此消除了与混合馈线相关联的复杂性。

可以将本发明的扫描天线阵做成各种辐射和馈电配置，以提供各种扫描特性、各种频率调谐和各种偏振，从而适应很多应用。为了进行说明，以下是利用本发明的创造性特征合并和串行馈电的范例。

图5示出了根据本发明实施例的利用合并馈线的扫描阵列。在图5中，在可变电介质夹层结构（例如LCD）上设置四个天线贴片505-520。每个贴片具有关联的导线505'-520'，导线横跨由相应虚线矩形表示的可控可变介电常数区域。所有关联的导线505'-520'都耦合到主馈线540，主馈线540耦合到馈电点545。本领域的技术人员可以理解，通过可控地改变每根导线505'-520'下方的介电常数，可以改变每个贴片505-520的相位，从而获得扫描阵列，在该特定情况下为线性扫描阵列。然而，可以容易地将该范例一般化为具有任意数量贴片的任何配置，以获得线性或2维扫描阵列。

图6示出了根据本发明实施例的具有串行馈线的扫描天线阵。在图6的范例中，在2维阵列构造中使用了九个天线贴片605-645。经由导线将所有贴片605-645耦合到一起，其中每根导线横跨由虚线矩形表示的可控可变介电常数的区域。通过这种方式，能够以可控方式改变每个贴片的相位，从而提供2维扫描阵列。对于图5的范例而言，可以将该原理推广到具有任意数量贴片的任何其他构造。

最后，应当理解，这里所述的各过程和技术并非固有地与任何特定设备相关，可以由任何适当的部件组合来实现这些过程和技术。此外，可以根据这里所述的教导使用各种通用装置。也可以证明，构造专门的设备来执行这里所述的方法步骤是有利的。已经参照特定范例描述了本发明，从所有方面来讲，这些范例都是例示性的而非限制性的。本领域的技术人员将认识到，硬件、软件和固件的很多不同组合都将适用于实践本发明。例如，可以在很宽范围的编程或脚本开发语言中实现所述的软件，所述语言例如为汇编语言、C/C++、perl、shell、PHP、Java、HFSS、CST、EEKO等。

已经参照特定范例描述了本发明，从所有方面来讲，这些范例都是例示性的而非限制性的。本领域的技术人员将认识到，硬件、软件和固件的很多不同组合都将适用于实践本发明。此外，考虑到本文公开的本发明的说明书和实践，本发明的其他实现方式对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。说明书和范例应仅被视为示范性的，本发明的真实范围和精神由以下权利要求给出。

Claims

1.一种电子扫描天线，包括：

液晶显示器（LCD），其包括：背电极、多个像素以及分别耦合到电势源的多个透明电极；

设置在所述LCD之上的辐射元件的阵列，各辐射元件均与耦合到馈电点的导线相关联。

2.根据权利要求1所述的电子扫描天线，其中所述辐射元件的阵列包括二维阵列结构。

3.根据权利要求1所述的电子扫描天线，其中所有的所述导线都耦合到主馈线，而所述主馈线耦合到所述馈电点。

4.根据权利要求1所述的电子扫描天线，其中所述背电极耦合到公共电势。

5.根据权利要求1所述的电子扫描天线，其中每个所述辐射元件包括贴片微带。

6.根据权利要求1所述的电子扫描天线，其中每个所述辐射元件由两条导线从两面馈电。

7.根据权利要求1所述的电子扫描天线，其中所述导线包括串行馈线。

8.根据权利要求1所述的电子扫描天线，其中所述导线包括双路馈线，所述双路馈线被设置用于提供双重圆偏振。

9.根据权利要求1所述的电子扫描天线，其中每个所述辐射元件包括印刷天线。

10.根据权利要求1所述的电子扫描天线，其中所述辐射元件的阵列被设置成耦合到合并馈线的线性阵列。

11.根据权利要求1所述的电子扫描天线，其中所述辐射元件的阵列被设置成具有串行馈线的二维阵列，并且其中所述辐射元件经由所述导线耦合在一起。

12.一种制造天线的方法，包括：

提供液晶显示器（LCD），其包括：背电极、多个像素以及被配置为分别耦合到电势源的多个透明电极；

在所述LCD之上形成至少一个辐射元件；

在所述LCD之上形成至少一条导线并将所述导线耦合到所述辐射元件。

13.根据权利要求12所述的方法，其中形成至少一个辐射元件包括形成辐射元件的阵列。

14.根据权利要求13所述的方法，其中形成辐射元件的阵列包括形成二维阵列结构。

15.根据权利要求12所述的方法，其中形成至少一条导线包括形成多条导线和主馈线，并且将所述导线耦合到所述主馈线。

16.根据权利要求13所述的方法，其中形成辐射元件的阵列包括形成印刷天线。

17.根据权利要求13所述的方法，其中形成辐射元件的阵列包括形成贴片微带。