CN107636896A - 用于圆柱形馈送天线的天线元件布置 - Google Patents

用于圆柱形馈送天线的天线元件布置 Download PDF

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Abstract

本文公开了一种用于天线元件布置的方法和设备。在一个实施例中，天线包括：天线馈送部，其用于输入圆柱形馈送波；单个物理天线孔径，其具有天线元件的至少一个天线阵列，其中天线元件位于关于天线馈送部同心地定位的多个同心环上，其中多个同心环的环以环到环的距离被间隔开，其中沿多个同心环的环的元件之间的第一距离是多个同心环的环之间的第二距离的函数；以及控制器，其使用矩阵驱动电路分别控制阵列的每个天线元件，其中天线元件中的每一个由矩阵驱动电路唯一地定址。

Description

用于圆柱形馈送天线的天线元件布置
优先权
本专利申请要求于2015年3月5日提交的序列号为62/128,894，标题为“用于圆柱形馈送部的具有预定义矩阵驱动电路的单元布置(Cell Placement with PredefinedMatrix Drive Circuitry for Cylindrical Feed)”、于2015年3月5日提交的序列号为62/128,896，标题为“用于圆柱形馈送天线的涡旋矩阵驱动晶格(Vortex Matrix DriveLattice for Cylindrical Feed Antenna)”、于2015年3月20日提交的序列号为62/136,356，标题为“圆柱形馈送天线的孔径分割(Aperture Segmentation of a CylindricalFeed Antenna)”的、以及于2015年4月27日提交的序列号为62/153,394，标题为“一种用于通信卫星地球站的超材料天线系统(A Metamaterial Antenna System forCommunications Satellite Earth Station)”的相应临时专利申请的优先权，并通过引用相应临时专利申请并入。
相关申请
本申请涉及于2016年3月3日同时提交的美国专利申请序列号为15/059,837，标题为“用于圆柱形馈送天线的孔径分割”的共同在审申请，其转让给本发明的企业受让人。
技术领域
本发明的实施例涉及天线领域；更具体地，本发明的实施例涉及用于天线孔径的天线元件布置和用于天线诸如举例圆柱形馈送天线的这种孔径的分割。
背景技术
不论使用的技术如何，制造非常大的天线通常在尺寸上接近技术的极限并且最终导致非常高的制造成本。此外，大型天线中的小误差可能导致天线产品的故障。这就是其它行业中可能使用的某些技术方法不能轻易应用于天线制造的原因。一种这样的技术是有源矩阵技术。
已经使用有源矩阵技术来驱动液晶显示器。在这样的技术中，一个晶体管耦合到每个液晶单元，并且每个液晶单元可以通过向耦合到晶体管的栅极的选择信号施加电压来选择。许多不同类型的晶体管被使用，包括薄膜晶体管(TFT)。在TFT的情况下，有源矩阵被称为TFT有源矩阵。
有源矩阵使用地址和驱动电路来控制阵列中的每个液晶单元。为了确保每个液晶单元被唯一地定址(addressed)，该矩阵使用导体的行和列来创建选择晶体管的连接。
矩阵驱动电路的使用已经被提出与天线一起使用。然而，使用导体的行和列可能在具有排列成行和列的天线元件的天线阵列中是有用的，但是当天线元件未以这种方式布置时可能不可行。
瓦片式平铺(tiling)或分割是制造相控阵列天线和静态阵列天线的常用方法，以帮助减少与制造这样的天线相关的问题。当制造大型天线阵列时，大型天线阵列通常被分割为相同区段的LRU(线路可更换单元)。孔径瓦片式平铺或分割对于大型天线是非常普遍的，尤其是对于诸如相控阵列的复杂系统。然而，没有发现对圆柱形馈送天线提供瓦片式平铺方法的分割应用。
发明内容
本文公开了一种用于天线元件布置的方法和设备。在一个实施例中，天线包括用于输入圆柱形馈送波的天线馈送部；具有天线元件的至少一个天线阵列的单个物理天线孔径，其中所述天线元件位于关于天线馈送部同心地定位的多个同心环上，其中多个同心环的环以环到环的距离被间隔开，其中沿多个同心环的环的元件之间的第一距离是多个同心环的环之间的第二距离的函数；以及控制器，其使用矩阵驱动电路分别控制阵列的每个天线元件，其中天线元件中的每一个由矩阵驱动电路唯一地定址。
附图说明
根据下面给出的详细描述和本发明的各种实施例的附图将更充分地理解本发明，然而，本发明不应将本发明限制于具体实施例，而是仅用于说明和理解。
图1A示出了用于提供圆柱形波馈送部的同轴馈送部的一个实施例的俯视图。
图1B示出了具有放置在围绕圆柱形馈送天线的输入馈送部的同心环中的一个或多个天线元件阵列的孔径。
图2示出了包括接地平面(ground plane)和可重构谐振器层的一行天线元件的透视图。
图3示出了可调谐谐振器/缝隙的一个实施例。
图4示出了物理天线孔径的一个实施例的横截面视图。
图5A-D示出了用于创建缝隙阵列的不同层的一个实施例。
图6示出了具有产生输出波的圆柱形馈送部的天线系统的另一个实施例。
图7示出了其中单元被分组以形成同心正方形(矩形)的示例。
图8示出了其中单元被分组以形成同心八边形的示例。
图9示出了包括光阑和矩阵驱动电路的小孔径的示例。
图10示出了用于单元布置的晶格螺旋的示例。
图11示出了使用附加螺旋来实现更均匀密度的单元布置的示例。
图12示出了重复以填充整个孔径的选择的螺旋图案。
图13示出了将圆柱形馈送孔径分割为象限的一个实施例。
图14A和图14B示出了具有应用了矩阵驱动晶格的图13的单个区段。
图15示出了将圆柱形馈送孔径分割为象限的另一个实施例。
图16A和图16B示出了具有应用了矩阵驱动晶格的图15的单个区段。
图17示出了矩阵驱动电路相对于天线元件布置的一个实施例。
图18示出了TFT封装的一个实施例。
图19A和图19B示出了具有奇数个区段的天线孔径的一个示例。
具体实施方式
公开了平板天线的实施例。平板天线包括在天线孔径上的一个或多个天线元件阵列。在一个实施例中，天线元件包括液晶单元。在一个实施例中，平板天线是圆柱形馈送天线，其包括矩阵驱动电路，以唯一地定址并驱动未放置成行和列的每个天线元件。在一个实施例中，将元件放置在环中。
在一个实施例中，具有一个或多个天线元件阵列的天线孔径由联接在一起的多个区段组成。当联接在一起时，这些区段的结合形成闭合的天线元件的同心环。在一个实施例中，同心环相对于天线馈送部同心。
在下面的描述中，阐述了许多细节以提供对本发明的更彻底的说明。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其它情况下，为了避免模糊本发明，以框图形式而不是详细地示出众所周知的结构和装置。
根据对计算机存储器内的数据位的操作的算法和符号表示来呈现以下详细描述的一些部分。这些算法描述和表示是数据处理领域的技术人员用来最有效地将其工作的实质传达给本领域技术人员的手段。算法在这里并且通常被认为是导致期望结果的自相一致的步骤序列。步骤是需要物理量的物理操作的步骤。通常，虽然不一定，这些量采取能够存储、传送、结合、比较等等操纵的电气信号或磁信号的形式。有时，主要是出于普遍使用的原因，其被证明是方便的，将这些信号称为位、值、元件、符号、字符、术语、数字等。
然而，应当记住，所有这些和类似的术语都应该与适当的物理量相关联，并且仅仅是适用于这些量的方便的分类。除非另有具体说明，否则从以下讨论中显而易见，可以理解，在整个描述中，利用诸如“处理”或“运算”或“计算”或“确定”或“显示”等术语的讨论是指计算机系统或类似的电子计算装置的活动和过程，其将表示为计算机系统的寄存器和存储器内的物理(电子)量的数据进行操作并将其变换为类似地表示为计算机系统存储器或寄存器或其它这样的信息存储、传输或显示装置内的物理量的其它数据。
天线系统的示例的概述
在一个实施例中，平板天线是超材料天线系统的一部分。描述了用于通信卫星地球站的超材料天线系统的实施例。在一个实施例中，天线系统是在移动平台(例如，航空、海上、陆地等)上操作的卫星地球站(ES)的组件或子系统，其使用用于民用商业卫星通信的Ka波带频率或Ku波带频率进行操作。注意，天线系统的实施例也可以用在不是移动平台(例如，固定的或可运输的地球站)的地球站中。
在一个实施例中，天线系统使用表面散射超材料技术来形成并引导通过单独天线发射和接收波束。在一个实施例中，天线系统是模拟系统，与采用数字信号处理来电力地形成并引导波束(例如相控阵列天线)的天线系统相反。
在一个实施例中，天线系统由三个功能子系统组成：(1)由圆柱形波馈送架构组成的波引导结构；(2)作为天线元件的一部分的波散射超材料晶胞单元(unit cells)的阵列；和(3)使用全息原理从超材料散射元件命令形成可调节辐射场(波束)的控制结构。
波引导结构的示例
图1A示出了用于提供圆柱形波馈送部的同轴馈送部的一个实施例的俯视图。参照图1A，同轴馈送部包括中心导体和外导体。在一个实施例中，圆柱形波馈送架构从具有以圆柱形方式从馈送点向外扩展的激励(excitation)的中心点馈送天线。也就是说，圆柱形馈送天线产生向外移动的同心馈送波。即使如此，围绕圆柱形馈送部的圆柱形馈送天线的形状可以是圆形的、正方形的或任何形状。在另一个实施例中，圆柱形馈送的天线产生向内行进的馈送波。在这种情况下，馈送波最自然地来自圆形结构。
图1B示出了具有放置在围绕圆柱形馈送的天线的输入馈送部的同心环中的一个或多个天线元件阵列的孔径。
天线元件
在一个实施例中，天线元件包括一组贴片和缝隙天线(晶胞单元)。该组晶胞单元包括散射超材料元件阵列。在一个实施例中，天线系统中的每个散射元件是由下导体、介质基底和嵌入互补电感电容谐振器(“互补电LC”或“CELC”)的上导体组成的晶胞单元的一部分，其被蚀刻或沉积到上导体上。
在一个实施例中，液晶(LC)设置在散射元件周围的间隙中。液晶被封装在每个晶胞单元中，并将与缝隙相关联的下导体和与其贴片相关联的上导体分离。液晶具有作为包含液晶的分子的定向的函数的介电常数，并且可以通过调节跨越液晶的偏置电压来控制分子的定向(并且因此控制介电常数)。利用该性质，在一个实施例中，液晶将打开/关闭开关与打开和关闭之间的中间状态整合，以将能量从引导的波传输到CELC。当接通时，CELC发射如电力地小偶极天线的电磁波。注意到，本文的教导不限于具有相对于能量传输以二元方式操作的液晶。
在一个实施例中，该天线系统的馈送几何结构允许天线元件与波馈送部中的波矢量定位成四十五度(45°)。注意，可以使用其它位置(例如，呈40°的角度)。元件的这些位置使得能够控制由从元件接收或从元件发射/辐射的自由空间波。在一个实施例中，天线元件被布置成具有小于天线的工作频率的自由空间波长的元件间的间隔。例如，如果每个波长有四个散射元件，则30GHz发射天线的元件将为大约2.5mm(即30GHz的10mm自由空间波长的1/4)。
在一个实施例中，如果被控制到相同的调谐状态，两组元件彼此垂直并且同时具有相等振幅的激励。相对于馈送波激励旋转它们+/-45度立刻实现所需的特征。旋转一组0度，另一组90度将达到垂直目标，但不能达到相等振幅激励目标。注意，如上所述，当从两侧馈送单个结构中的天线元件阵列时，可以使用0和90度来实现隔离。
通过使用控制器将电压施加到贴片(LC通道上的电位)来控制来自每个晶胞单元的辐射功率的量。每个贴片的轨迹(traces)都用于向贴片天线提供电压。该电压用于调谐电容或使电容去谐，从而调节各个元件的谐振频率以实现波束形成。所需的电压取决于所使用的液晶混合物。液晶混合物的电压调谐特征主要由液晶开始受电压和饱和电压影响的阈值电压来描述，其中超过饱和电压时电压的升高不会导致液晶的主要调谐。这两个特征参数可以针对不同的液晶混合物而改变。
在一个实施例中，矩阵驱动器用于向贴片施加电压，以便与所有其它单元分开驱动每个单元，而不需要为每个单元分开连接(直接驱动)。由于元件的高密度，矩阵驱动器是分别对每个单元进行定址的最有效方法。
在一个实施例中，用于天线系统的控制结构具有两个主要部件：包括用于天线系统的驱动电子部的控制器，其在波散射结构下，而矩阵驱动开关阵列散布于整个辐射RF阵列，以不干扰辐射。在一个实施例中，用于天线系统的驱动电子部包括用于商业电视家用电器中的商用现成LCD控制装置，其通过调节到该元件的AC偏置信号的振幅来调节每个散射元件的偏置电压。
在一个实施例中，控制器还包含执行软件的微处理器。控制结构还可以包括传感器(例如，GPS接收器，三轴罗盘，3轴加速度计，3轴陀螺仪，3轴磁力计等)，以向处理器提供位置和方向信息。位置和方向信息可以由地球站中的其它系统提供给处理器和/或可以不是天线系统的一部分。
更特别地，控制器控制哪些元件被关闭以及哪些元件被打开以及在操作频率处的相位和振幅级。通过电压施加，这些元件为频率操作选择性地失谐。
为了传输，控制器向RF贴片提供电压信号阵列以产生调制或控制模式。该控制模式使元件转为不同的状态。在一个实施例中，使用多态控制，其中与方波相反，各种元件被打开和关闭到不同的电平，进一步近似正弦控制模式(即，正弦灰度调制模式)。在一个实施例中，一些元件辐射比其它元件辐射更强烈，而非一些元件辐射而一些元件不辐射。通过施加特定的电压水平来实现可变的辐射，其将液晶介电常数调节到不同的量，从而使元件可变地失谐并导致一些元件辐射比其它元件辐射更多。
通过元件的超材料阵列产生聚焦波束可以由建构性和相消干涉的现象来解释。如果它们在自由空间相遇时具有同相位，则单个电磁波相加(相长干扰)，如果它们在自由空间中相遇时它们处于反相位，则波相互抵消(相消干涉)。如果缝隙天线中的缝隙被定位成使得每个连续的缝隙位于与引导波的激励点不同的距离处，则来自该元件的散射波将具有与先前缝隙的散射波不同的相位。如果缝隙间隔四分之一的引波导波长，则每个缝隙将从前一个缝隙散射具有四分之一相位延迟的波。
使用阵列，可产生的相长干涉和相消干涉的模式的数量可以增加，使得波束利用全息术的原理在理论上可以在从与天线阵列的孔径视点正或负九十度(90°)的任何方向上被指向。因此，通过控制哪些超材料晶胞单元被打开或关闭(即，通过改变哪些单元被打开以及哪些单元被关闭的模式)，可以产生不同的相长和相消干扰的模式，并且天线可以改变主波束的方向。打开和关闭晶胞单元所需的时间决定了波束可以从一个位置切换到另一个位置的速度。
在一个实施例中，天线系统产生用于上行链路天线的一个可操纵波束和用于下行链路天线的一个可操纵波束。在一个实施例中，天线系统使用超材料技术来接收波束并且解码来自卫星的信号并且形成指向卫星的发射波束。在一个实施例中，天线系统是模拟系统，与采用数字信号处理来电力地形成并引导波束(例如相控阵列天线)的天线系统相反。在一个实施例中，天线系统被认为是平坦且相对低剖面的“表面”天线，特别是当与常规卫星天线接收器相比时。
图2示出了包括接地平面和可重构谐振器层的一行天线元件的透视图。可重构谐振器层230包括可调谐缝隙210的阵列。可调谐缝隙210的阵列可以被配置为按所需的方向指向天线。每个可调谐缝隙可以通过改变跨越液晶的电压来调谐/调节。
控制模块280连接到可重构谐振器层230，以通过改变图2中的液晶两端的电压来调制可调谐缝隙210的阵列。控制模块280可以包括现场可编程门阵列(“FPGA”)、微处理器、控制器、片上系统(SoC)或其它处理逻辑。在一个实施例中，控制模块280包括用于驱动可调谐缝隙210的阵列的逻辑电路(例如，复用器)。在一个实施例中，控制模块280接收包括要驱动到可调谐缝隙210的阵列上的全息衍射图案的规格的数据。响应于天线和卫星之间的空间关系可以产生全息衍射图案，使得全息衍射图案在适当的通信方向上引导下行链路波束(以及如果天线系统执行发射的上行链路波束)。虽然没有在每个图中绘制，但是类似于控制模块280的控制模块可以驱动在本公开的附图中描述的每个可调谐缝隙的阵列。
也可以使用其中当RF参考波束遇到RF全息衍射图案时可以产生期望的RF波束的类似的技术的射频(“RF”)全息术。在卫星通信的情况下，参考波束是馈送波的形式，例如馈送波205(在一些实施例中为约20GHz)。为了将馈送波转换成辐射波束(用于发射或接收目的)，在期望的RF波束(目标波束)和馈送波(参考波束)之间计算干涉图案。干涉图案作为衍射图案被驱动到可调谐缝隙210的阵列上，使得馈送波被“引导”到期望的RF波束(具有期望的形状和方向)。换句话说，遇到全息衍射图案的馈送波“重构”根据通信系统的设计要求形成的目标波束。全息衍射图案包含每个元件的激励，并通过计算，其中win为波导中的波动方程，wout为输出波上的波动方程。
图3示出了可调谐谐振器/缝隙210的一个实施例。可调谐缝隙210包括光阑/缝隙212、辐射贴片211和设置在光阑212和贴片211之间的液晶213。在一个实施例中，辐射贴片211与光阑212共同定位。
图4示出了根据本公开的实施例的物理天线孔径的横截面视图。天线孔径包括接地平面245和包括在可重构谐振器层230内的光阑层233内的金属层236。在一个实施例中，图4的天线孔径包括图3的多个可调谐谐振器/缝隙210。光阑/缝隙212由金属层236中的开口限定。馈送波，例如图2的馈送波205，可以具有与卫星通信信道兼容的微波频率。馈送波在接地平面245和谐振器层230之间传播。
可重构谐振器层230还包括垫片层232和贴片层231。垫片层232设置在贴片层231和光阑层233之间。注意，在一个实施例中，间隔部可以替代垫片层232。在一个实施例中，光阑层233是包括铜层作为金属层236的印刷电路板(“PCB”)。在一个实施例中，光阑层233是玻璃。光阑层233可以是其它类型的基底。
可以在铜层中蚀刻开口以形成缝隙212。在一个实施例中，光阑层233通过导电结合层与图4中的另一结构(例如，波导)导电地联接。注意，在实施例中，光阑层不通过导电接合层导电地联接，而是与非导电结合层相接合。
贴片层231也可以是包括作为辐射贴片211的金属的PCB。在一个实施例中，垫片层232包括提供机械支座以限定金属层236和贴片211之间的尺寸的间隔部239。在一个实施例中，间隔部为75微米，但可以使用其它尺寸(例如，3-200mm)。如上所述，在一个实施例中，图4的天线孔径包括多个可调谐谐振器/缝隙，例如可调谐谐振器/缝隙210包括图3的贴片211、液晶213和光阑212。液晶213的腔室由间隔部239、光阑层233和金属层236限定。当腔室充满液晶时，可将贴片层231层压到间隔部239上以密封谐振器层230内的液晶。
可以调制贴片层231和光阑层233之间的电压以调谐贴片和缝隙(例如，可调谐谐振器/缝隙210)之间的间隙中的液晶。调节跨越液晶213的电压改变了缝隙(例如，可调谐谐振器/缝隙210)的电容。因此，可以通过改变电容来改变缝隙(例如，可调谐谐振器/缝隙210)的电抗。缝隙210的谐振频率也根据等式而改变，其中f是缝隙210的谐振频率，L和C分别是缝隙210的电感和电容。缝隙210的谐振频率影响从通过波导传播的馈送波205辐射能量。作为示例，如果馈送波205是20GHz，则可以将缝隙210的谐振频率调节(通过改变电容)到17GHz，使得缝隙210基本上不与馈送波205耦合能量。或者，缝隙210的谐振频率可以被调节到20GHz，使得缝隙210与来自馈送波205的能量耦合并将该能量辐射到自由空间中。虽然给出的示例是二进制(完全辐射或完全不辐射)，电抗的全灰度级控制，因此缝隙210的谐振频率可以超过多值范围内的电压方差。因此，可以精细地控制从每个缝隙210辐射的能量，使得可以通过可调谐缝隙阵列形成详细的全息衍射图案。
在一个实施例中，一行中的可调谐缝隙彼此间隔开λ/5。可以使用其它间隔。在一个实施例中，一行中的每个可调谐缝隙与相邻行中最靠近的可调谐缝隙间隔λ/2，因此，不同行中的共同定向的可调谐缝隙间隔λ/4，尽管其它间隔是可能的(例如，λ/5，λ/6.3)。在另一个实施例中，一行中的每个可调谐缝隙与相邻行中最靠近的可调谐缝隙间隔开λ/3。
本发明的实施例将可重构超材料技术应用到市场的多孔径需求，可重构超材料技术例如于2014年11月21日提交的申请号为14/550,178，标题为“来自可操纵的圆柱馈送全息天线的动态极化和耦合控制(Dynamic Polarization and Coupling Control from aSteeringable Cylindrically Fed Holographic Antenna)”的美国专利申请，以及于2015年1月30日提交的申请号为14/610,502，标题为“可重构天线的脊波导馈送结构(RidgedWaveguide Feed Structures for Reconfigurable Antenna)”的美国专利中描述的。
图5A-D示出了用于创建缝隙的阵列的不同层的一个实施例。注意，在该示例中，天线阵列具有用于两种不同类型的频带的两种不同类型的天线元件。图5A示出了具有与缝隙相对应的位置的第一光阑板层的一部分。参照图5A，圆圈是在光阑基底的底侧的金属化部中的开放区域/缝隙，并且用于控制元件与馈送部(馈送波)的耦合。请注意，此层是可选层，并不在所有设计中使用。图5B示出了包含缝隙的第二光阑板层的一部分。图5C示出了第二光阑板层的一部分上的贴片。图5D示出了缝隙的阵列的一部分的俯视图。
图6示出了具有产生输出波的圆柱形馈送部的天线系统的另一个实施例。参照图6，接地平面602基本上平行于RF阵列616，其间具有介电层612(例如，塑料层等)。RF吸收器619(例如，电阻器)将接地平面602和RF阵列616联接在一起。在一个实施例中，介电层612的介电常数为2-4。在一个实施例中，RF阵列616包括如结合图2-4所述的天线元件。同轴引脚601(例如，50Ω)馈送天线。
在操作中，馈送波通过同轴引脚601馈送并同心地向外行进并与RF阵列616的元件相互作用。
在其它实施例中，馈送波从边缘馈送并且与RF阵列616的元件相互作用。于2014年11月21日提交的申请号为14/550,178，标题为“自可操纵的圆柱馈送全息天线的动态极化和耦合控制(Dynamic Polarization and Coupling Control from a SteerableCylindrically Fed Holographic Antenna)”的美国专利申请中讨论了这种边缘馈送天线孔径的示例。
图6的天线中的圆柱形馈送部超越其它现有技术天线改善了天线的扫描角。扫描角不是为正或负四十五度方位(±45°Az)和正或负二十五度仰角(±25°El)，在一个实施例中，天线系统在全方位视角具有七十五度(75°)的扫描角。与由许多单独的辐射器组成的任何波束形成天线一样，整个天线增益取决于构成元件的增益，其本身是取决于角度的。当使用共同的辐射元件时，整个天线增益通常随着波束进一步远离视线而减小。在75度的视野下，预期显著的增益降低约6dB。
单元布置
在一个实施例中，天线元件以允许系统矩阵驱动电路的方式放置在圆柱形馈送天线孔径上。单元的布置包括用于矩阵驱动器的晶体管的布置。图17示出了矩阵驱动电路相对于天线元件布置的一个实施例。参照图17，行控制器1701分别经由行选择信号Row1和Row2联接到晶体管1711和1712，并且列控制器1702经由列选择信号Column1联接到晶体管1711和1712。晶体管1711还通过到贴片的连接1731联接到天线元件1721，而晶体管1712经由到贴片的连接1732联接到天线元件1722。在将晶胞单元放置在非规则栅格中的圆柱形馈送天线上实现矩阵驱动电路的初始方法中，执行两个步骤。在第一步中，单元被放置在同心环上，并且每个单元被连接到放置在单元旁边的晶体管，并且用作分别驱动每个单元的开关。在第二步中，构建矩阵驱动电路，以便按照矩阵驱动方法的要求将每个晶体管连接到唯一地址。由于矩阵驱动电路是由行轨迹和列轨迹构成的(类似于LCD)，但是单元被放置在环上，所以没有系统的方式为每个晶体管分配唯一地址。这种映射问题导致用于覆盖所有晶体管的非常复杂的电路并且导致用于完成按路径发送的物理轨迹的数量的显著增加。由于单元密度高，这些轨迹会因耦合效应而干扰天线的RF性能。此外，由于轨迹的复杂性和高的组装密度，轨迹的按路径发送不能通过商业可用的布局工具来完成。
在一个实施例中，在放置单元和晶体管之前预定义矩阵驱动电路。这确保了驱动所有单元所需的最小轨迹数，每个单元都具有唯一地址。该策略降低了驱动电路的复杂性，简化了按路径发送，从而改善了天线的RF性能。
更特别地，在一种方法中，在第一步中，单元被放置在由描述每个单元的唯一地址的行和列组成的规则矩形栅格上。在第二步中，单元被分组并转换为同心圆，同时保持它们的地址和到第一步中定义的行和列的连接。这种转换的目的不仅是将单元置于环上，而且还要保持单元之间的距离和环之间的距离相对整个孔径恒定。为了实现这一目标，有几种方法可以对单元进行分组。
图7示出了其中单元被分组以形成同心正方形(矩形)的示例。参照图7，正方形701-703显示在行和列的栅格700上。注意，这些是在图7的右侧创建单元布置的正方形的示例，但是不是全部正方形的示例。然后，通过数学共形映射过程将每个正方形例如正方形701-703转换为环，例如天线元件的环711-713。例如，外环711是在左侧的外侧正方形701的转换。
转换后的单元的密度由除了前一个正方形的下一个较大正方形包含的单元数确定。在一个实施例中，使用正方形导致附加天线元件的数量ΔN在下一个较大正方形上为8个附加单元。在一个实施例中，该数量对于整个孔径是恒定的。在一个实施例中，单元间距(cellpitch)1(CP1：环到环距离)与单元间距2(CP2：沿着环单元到单元的距离)的比例由下式给出：
因此，CP2是CP1的函数(反之亦然)。然后，图7中的示例的单元间距的比例
这意味着CP1大于CP2。
在一个实施例中，为了执行转换，选择每个正方形上的起始点，例如正方形701上的起始点721，并且将与起始点相关联的天线元件放置在其相应环的一个位置上，例如环711上的起始点731。例如，可以将x轴或y轴用作起始点。此后，从起始点开始沿一个方向(顺时针或逆时针)行进的正方形上的下一个元件被选定，并且放置在环上的下一个位置的元件沿在正方形中使用的相同的方向(顺时针或逆时针)进行。重复该过程，直到所有天线元件的位置在环上被分配位置。对所有正方形重复这种整个正方形到环形转换过程。
然而，根据分析研究和发送约束，优选地应用CP2大于CP1。为了实现这一点，使用图8所示的第二种策略。参照图8，单元最初分组成八边形，例如相对于栅格800的八边形801-803。通过将单元分组为八边形，附加天线元件的数量ΔN等于4，其给出比：
其结果为CP2>CP1。
根据图8，从八边形到用于单元放置的同心环的转换可以以与上述关于图7所述相同的方式通过初始选择起始点来执行。
注意，关于图7和图8公开的单元布置具有许多特征。这些特征包括：
1)相对整个孔径恒定的CP1/CP2(注意，在一个实施例中，孔径上基本恒定(例如，90％恒定)的天线将仍然起作用)；
2)CP2是CP1的函数；
3)随着距离中心位置的天线馈送部的环距离增加，天线元件数量中的每个环有一个恒定的增加；
4)所有单元连接到矩阵的行和列；
5)所有单元都有唯一地址；
6)将单元置于同心环上；以及
7)这是旋转对称，其中四个象限是相同的，并且可以旋转1/4楔形以构成阵列。这对分割有好处。
注意，尽管给出了两种形状，但也可以使用其它形状。其它增量是可能的(例如，6个增量)。
图9示出了包括光阑和矩阵驱动电路的小孔径的示例。行轨迹901和列轨迹902分别表示行连接和列连接。这些线描述了矩阵驱动网络，而不是物理轨迹(因为物理轨迹可能必须绕开天线元件或其部分发送)。每对光阑旁边的正方形是晶体管。
图9还示出了使用双晶体管的单元布置技术的可能性，其中每个部件驱动PCB阵列中的两个单元。在这种情况下，一个分立装置封装包含两个晶体管，每个晶体管驱动一个单元。
在一个实施例中，TFT封装用于在矩阵驱动器中实现布置和唯一定址。图18示出了TFT封装的一个实施例。参照图18，TFT和保持电容器1803被示出具有输入端口和输出端口。存在连接到轨迹1801的两个输入端口和连接到轨迹1802的两个输出端口，以使用行和列将TFT连接在一起。在一个实施例中，行和列轨迹以90°角度交叉以减少并可能地最小化行和列轨迹之间的联接。在一个实施例中，行和列轨迹在不同的层上。
图7-9所示的所提出的单元放置的另一个重要特征是布局是重复图案，其中布局的每个四分之一与其它布局的四分之一相同。这允许阵列的子部分围绕中心天线馈送部的位置旋转地重复，这进而允许将孔径分割成子孔径。这有助于制造天线孔径。
在另一个实施例中，圆柱形馈送天线上的矩阵驱动电路和单元布置以不同的方式完成。为了实现圆柱形馈送天线上的矩阵驱动电路，通过重复旋转阵列的子部分来实现布局。该实施例还允许改变可用于照度递减(illumination tapering)的单元密度以改善RF性能。
在这种替代方法中，单元和晶体管在圆柱形馈送天线孔径上的布置是基于由螺旋形轨迹形成的晶格。图10示出了这样的晶格顺时针螺旋的示例，例如沿顺时针方向弯曲的螺旋，例如螺旋1001-1003，以及沿顺时针或相反方向弯曲的螺旋，例如螺旋1011-1013。螺旋的不同定向导致顺时针螺旋和逆时针螺旋之间的交叉点。得到的晶格提供了由逆时针轨迹和顺时针迹线交叉的唯一地址，因此可用作矩阵驱动晶格。此外，交叉点可以分组在同心环上，这对圆柱形馈送天线的RF性能至关重要。
与上面讨论的圆柱形馈送天线孔径上的单元布置方法不同，上面关于图10讨论的方法提供了单元的非均匀分布。如图10所示，单元之间的距离随同心环半径的增加而增加。在一个实施例中，变化的密度用作在天线阵列的控制器的控制下包含照度递减的方法。
由于单元的尺寸和它们之间的轨迹所需的空间，单元密度不能超过一定数量。在一个实施例中，基于操作频率，距离为λ/5。如上所述，可以使用其它距离。为了避免靠近中心的过度密集的密度，或者换句话说，为了避免靠近边缘的密度不足(under-population)，随着连续同心环的半径增加，可以向初始螺旋中添加额外的螺旋。图11示出了使用附加螺旋来实现更均匀密度的单元布置的示例。参照图11，当连续的同心环的半径增加时，额外的螺旋(例如额外的螺旋1101)被添加到初始螺旋(例如螺旋1102)。根据分析模拟，这种方法提供了使单元完全均匀分布的性能汇聚(converge)的RF性能。注意，由于递减了元件密度，该设计比上述一些实施例提供更好的旁瓣性能。
使用螺旋用于单元布置的另一个优点是旋转对称性和可重复的图案，其可以简化发送工作并降低制造成本。图12示出了重复填充整个孔径的所选择的螺旋图案。
注意，关于图10-12所公开的单元布置具有许多特征。这些特征包括：
1)CP1/CP2不在整个孔径上；
2)CP2是CP1的函数；
3)天线元件数量中每个环不随着距离中心位置的天线馈送部的环距离增加而增加；
4)所有单元连接到矩阵的行和列；
5)所有单元都有唯一地址；
6)单元被置于同心环上；以及
7)存在旋转对称(如上所述)。
因此，上面结合图10-12描述的单元布置实施例与上面结合图7-9描述的单元布置实施例具有许多类似的特征。
孔径分割
在一个实施例中，通过将天线元件的多个区段结合在一起而产生天线孔径。这要求天线元件阵列被分割，并且分割理想地需要天线的可重复的印迹(footprint)图案。在一个实施例中，发生圆柱形馈送天线阵列的分割，使得由于每个辐射元件的不同旋转角度，天线印记不以平直和直线内的方式提供可重复的图案。本文公开的分割方法的一个目标是提供分割而不损害天线的辐射性能。
虽然本文所描述的分割技术集中改进并可能最大化具有矩形形状的工业标准基底的表面利用率，但是分割方法不限于这种基底形状。
在一个实施例中，圆柱形馈送天线的分割以四个区段的结合实现其中天线元件被放置在同心环和闭合环上的图案的方式来执行。这方面对于维持RF性能很重要。此外，在一个实施例中，每个区段需要单独的矩阵驱动电路。
图13示出了分割成四象限的圆柱形馈送孔径。参照图13，区段1301-1304是结合以构建圆形天线孔径的相同象限。当区段1301-1304结合时，每个区段1301-1304上的天线元件被放置在形成同心环和闭合环的环的区段中。为了结合这些区段，区段将被安装或层压到载体上。在另一个实施例中，区段的重叠边缘用于将它们结合在一起。在这种情况下，在一个实施例中，跨越边缘产生导电带以防止RF泄露。请注意，元件类型不受分割影响。
作为图13所示的这种分割方法的结果，区段1301-1304之间的接缝在中心相交，并从天线孔径的中心到边缘径向移动。因为圆柱形馈送部产生的电流径向传播并且径向接缝对传播的波具有低的寄生影响(parasitic impact)，所以这种构造是有利的。
如图13所示，作为液晶显示器(LCD)行业标准的矩形基底也可用于实现孔径。图14A和14B示出了具有应用了矩阵驱动晶格的图13的单个区段。矩阵驱动晶格为每个晶体管分配唯一地址。参照图14A和14B，列连接器1401和行连接器1402被联接以驱动晶格线。图14B还示出联接到晶格线的光阑。
从图13可以看出，如果使用非正方形基底，则不能填充大面积的基底表面。为了在非正方形基底上更有效地使用可用表面，在另一个实施例中，区段位于矩形板上，但是对于天线阵列的分割区段利用更多的板空间。图15中示出这种实施例的一个示例。参照图15，天线孔径通过结合包括基底(例如，板)的区段1501-1504与其中包含天线阵列的一部分而产生。虽然每个区段不代表圆形象限，但是四个区段1501-1504的结合封闭了元件被放置在其上的环。也就是说，当区段1501-1504结合时，区段1501-1504中的每一个上的天线元件被放置在形成同心环和闭合环的环的部分中。在一个实施例中，基底以滑动的方式结合，使得非正方形板的较长侧面引入称为开放区域1505的矩形保持区域。开放区域1505是位于中心的天线馈送部坐落的地方并包括在天线中。
当因为馈送部来自底部存在开放区域时，天线馈送部联接到其余区段，并且开放区域可以被一块金属封闭以防止来自开放区域的辐射。还可以使用端引脚。
以这种方式使用基底允许更有效地使用可用的表面区域并且导致增加的孔径直径。
与图13、图14A和图14B所示的实施例相似，本实施例允许使用单元布置策略来获得矩阵驱动晶格，以覆盖具有唯一地址的每个单元。图16A和16B示出了具有应用了矩阵驱动晶格的图15的单个区段。矩阵驱动晶格为每个晶体管分配唯一地址。参照图16A和16B，列连接器1601和行连接器1602被联接以驱动晶格。图16B还示出了光阑。
对于上述两种方法，可以基于最近公开的方法来执行单元布置，最近公开的方法允许在系统和预定义的晶格中生成矩阵驱动电路，如上所述。
尽管上述天线阵列的分割是四个区段，但这不是必需的。阵列可以被分成奇数个区段，例如三个区段或五个区段。图19A和19B示出了具有奇数个区段的天线孔径的一个示例。参照图19A，存在三个区段，区段1901-1903，它们未结合。参照图19B，三个区段，区段1901-1903，当它们结合时形成天线孔径。这些布置不是有利的，因为所有区段的接缝都不是一直直线穿过孔径。但是，它们会减轻旁瓣。
在第一示例性实施例中，平板天线包括：天线馈送部，其用于输入圆柱形馈送波；单个物理天线孔径，其具有天线元件的至少一个天线阵列，其中天线元件位于关于天线馈送部同心地定位的多个同心环上，其中多个同心环的环以环到环的距离被间隔开，其中沿多个同心环的环的元件之间的第一距离是多个同心环的环之间的第二距离的函数；以及控制器，使用矩阵驱动电路分别控制阵列的每个天线元件，天线元件中的每一个由矩阵驱动电路唯一地定址。
在另一个示例性实施例中，第一示例性实施例的主题可以可选地包括天线元件阵列具有旋转对称性。
在另一个示例性实施例中，第一示例性实施例的主题可以可选地包括第二距离与第一距离的比例相对天线孔径恒定。
在另一个示例性实施例中，第一示例性实施例的主题可以可选地包括多个同心环中的每个环在靠近圆柱形馈送部的相邻环上具有多个附加元件，并且附加元件的数量恒定。
在另一个示例性实施例中，第一示例性实施例的主题可以可选地包括多个环中的环具有相同数量的天线元件。
在另一个示例性实施例中，第一示例性实施例的主题可以可选地包括基于元件的矩形栅格表示上的位置来定位多个同心环的每个环上的元件。
在另一个示例性实施例中，第一示例性实施例的主题可以可选地包括基于元件的八边形表示上的位置来定位多个同心环的每个环上的元件。
在另一个示例性实施例中，第一示例性实施例的主题可以可选地包括沿着多个环的环的元件之间的第一距离基于天线孔径的操作频率。
在另一个示例性实施例中，第一示例性实施例的主题可以可选地包括每个天线元件的布置形成多个螺旋。在另一个示例性实施例中，该示例性实施例的主题可以可选地包括天线元件在多个同心环上的布置形成天线元件的第一组螺旋和第二组螺旋，第一组螺旋沿顺时针方向弯曲，第二组螺旋沿逆时针方向弯曲。在另一个示例性实施例中，该示例性实施例的主题可以可选地包括孔径的一个部分中的第一组螺旋和第二组螺旋表示在整个孔径阵列中旋转地出现多个实例的天线元件的重复图案。
在另一个示例性实施例中，第一示例性实施例的主题可以可选地包括多个天线元件的布局包括四组天线元件，每组天线元件具有布置为一种图案的相等数量的天线元件，使得四组的组合形成天线元件的同心环。
在另一个示例性实施例中，第一示例性实施例的主题可以可选地包括控制器应用控制模式以控制哪些天线元件被打开和关闭以执行全息光束形成。
在另一个示例性实施例中，第一示例性实施例的主题可以可选地包括至少一个天线阵列中的每一个包括天线元件的可调谐缝隙阵列。在另一个示例性实施例中，该示例性实施例的主题可以可选地包括可调谐缝隙阵列包括多个缝隙，并且进一步地，其中每个缝隙被调谐以在给定频率提供期望的散射。在另一个示例性实施例中，该示例性实施例的主题可以可选地包括多个缝隙中的每个缝隙关于在每个所述缝隙的中心位置处撞击的圆柱形馈送波定向+45度或-45度，使得缝隙阵列包括关于圆柱形馈送波传播方向旋转+45度的第一组缝隙和关于圆柱形馈送波的传播方向旋转-45度的第二组缝隙。
在另一个示例性实施例中，第一示例性实施例的主题可以可选地包括可调谐缝隙阵列包括：多个缝隙；多个贴片，其中每个贴片共同位于多个缝隙中的缝隙上并与多个缝隙中的缝隙分离，形成贴片/缝隙对，每个贴片/缝隙对基于施加至该贴片/缝隙对中的贴片的电压被关闭或打开；以及控制器，其应用控制哪些贴片/缝隙对被打开和关闭以引起产生波束的控制模式。
在第二示例性实施例中，用于形成天线元件阵列的方法包括：随着这些天线元件的布置将在非圆形同心栅格上，通过将天线元件分组成多个组并且每组天线元件在非圆形同心栅格中的一个上具有相关联的布置来将唯一的驱动地址分配给多个天线元件组中的天线元件；并且将天线元件布置成同心环，其中与非圆形同心栅格中的一个相关联的每组中的天线元件放置在同心环中的一个中。
在另一个示例性实施例中，第二示例性实施例的主题可以可选地包括非圆形同心栅格包括均匀间隔开的同心矩形栅格。在另一个示例性实施例中，该示例性实施例的主题可以可选地包括同心矩形栅格是同心正方形栅格。
在另一个示例性实施例中，第二示例性实施例的主题可以可选地包括非圆形同心栅格包括均匀间隔开的同心八边形栅格。
在另一个示例性实施例中，第二示例性实施例的主题可以可选地包括布置天线元件包括将天线元件放置在多个同心环上，从而形成天线元件的第一组螺旋和第二组螺旋，第一组螺旋沿顺时针方向弯曲，第二组螺旋沿逆时针方向弯曲。在另一个示例性实施例中，该示例性实施例的主题可以可选地包括孔径的一个部分中的第一组螺旋和第二组螺旋表示在整个孔径阵列中旋转地出现多个实例的天线元件的重复图案。
尽管在阅读了前面的描述之后，本发明的许多改变和修改对于本领域普通技术人员来说无疑将变得显而易见，但是应当理解，以说明方式示出和描述的任何具体实施例决不旨在被视为限制。因此，对各种实施例的细节的引用并不旨在限制权利要求的范围，本发明本身仅详述被认为是本发明必不可少的特征。

Claims (29)

1.一种平板天线，其包括：
天线馈送部，其用于输入圆柱形馈送波；
单个物理天线孔径，其具有天线元件的至少一个天线阵列，其中所述天线元件位于关于天线馈送部同心地定位的多个同心环上，其中所述多个同心环中的环以环到环的距离被间隔开，其中沿所述多个同心环的环的元件之间的第一距离是所述多个同心环的环之间的第二距离的函数；以及
控制器，其使用矩阵驱动电路分别控制阵列的每个天线元件，所述天线元件中的每一个由所述矩阵驱动电路唯一地定址。
2.根据权利要求1所述的天线，其中，所述天线元件阵列具有旋转对称性。
3.根据权利要求1所述的天线，其中，所述第二距离与所述第一距离的比例相对天线孔径恒定。
4.根据权利要求1所述的天线，其中，所述多个同心环中的每个环在靠近所述圆柱形馈送部的相邻环上具有多个附加元件，并且附加元件的数量恒定。
5.根据权利要求1所述的天线，其中，所述多个环中的环具有相同数量的天线元件。
6.根据权利要求1所述的天线，其中，基于所述元件的矩形栅格表示上的位置来定位所述多个同心环的每个环上的元件。
7.根据权利要求1所述的天线，其中，基于所述元件的八边形表示上的位置来定位所述多个同心环中的每个环上的元件。
8.根据权利要求1所述的天线，其中，沿所述多个环的环的所述元件之间的所述第一距离基于所述天线孔径的操作频率。
9.根据权利要求1所述的天线，其中，每个天线元件的布置形成多个螺旋。
10.根据权利要求9所述的天线，其中，天线元件在所述多个同心环上的布置形成天线元件的第一组螺旋和第二组螺旋，所述第一组螺旋沿顺时针方向弯曲，所述第二组螺旋沿逆时针方向弯曲。
11.根据权利要求10所述的天线，其中，所述孔径的一个部分中的所述第一组螺旋和第二组螺旋表示在整个所述孔径阵列中旋转地出现多个实例的天线元件的重复图案。
12.根据权利要求1所述的天线，其中，所述多个天线元件的布局包括四组天线元件，每组天线元件具有布置为一种图案的相等数量的天线元件，使得所述四组的组合形成天线元件的同心环。
13.根据权利要求1所述的天线，其中，所述控制器应用控制模式以控制哪些天线元件被打开和关闭以执行全息波束形成。
14.根据权利要求1所述的天线，其中，所述至少一个天线阵列中的每一个包括天线元件的可调谐缝隙阵列。
15.根据权利要求14所述的天线，其中，所述可调谐缝隙阵列包括多个缝隙，并且进一步地，其中每个时缝被调谐以在给定频率提供期望的散射。
16.根据权利要求15所述的天线，其中，所述多个缝隙中的每个缝隙关于在每个所述缝隙的中心位置处撞击的所述圆柱形馈送波定向为+45度或-45度，使得所述缝隙阵列包括关于圆柱形馈送波的传播方向旋转+45度的第一组缝隙和关于圆柱形馈送波的传播方向旋转-45度的第二组缝隙。
17.根据权利要求14所述的天线，其中，所述可调谐缝隙阵列包括：
多个缝隙；
多个贴片，其中每个所述贴片共同位于所述多个缝隙中的缝隙上并与所述多个缝隙中的缝隙分离，形成贴片/缝隙对，每个贴片/缝隙对基于施加至所述贴片/缝隙对中的贴片的电压被关闭或打开；以及
控制器，其应用控制哪些贴片/缝隙对被打开和关闭以引起产生波束的控制模式。
18.一种平板天线，其包括：
天线馈送部，其用于输入圆柱形馈送波；
单个物理天线孔径，其具有天线元件的至少一个天线阵列，其中所述天线元件位于关于天线馈送部同心地定位的多个同心环上，其中所述多个同心环中的环以环到环的距离被间隔开，其中沿着所述多个同心环的环的元件之间的第一距离基于所述天线孔径的操作频率，并且是所述多个同心环的环之间的第二距离的函数；以及
控制器，其使用矩阵驱动电路分别控制阵列的每个天线元件，所述天线元件中的每一个由所述矩阵驱动电路唯一地定址。
19.根据权利要求18所述的天线，其中，所述第二距离与所述第一距离的比例相对天线孔径恒定。
20.根据权利要求18所述的天线，其中，所述多个同心环中的每个环在靠近所述圆柱形馈送部的相邻环上具有多个附加元件，并且附加元件的数量恒定。
21.根据权利要求18所述的天线，其中，所述多个环中的环具有相同数量的天线元件。
22.根据权利要求18所述的天线，其中，基于所述元件的矩形栅格表示上的位置来定位所述多个同心环的每个环上的元件。
23.根据权利要求18所述的天线，其中，基于所述元件的八边形表示上的位置来定位所述多个同心环的每个环上的元件。
24.一种形成天线元件阵列的方法，所述方法包括：
随着天线元件的布置将在非圆形同心栅格上，通过将这些天线元件分组成多个组并且每组天线元件在非圆形同心栅格中的一个上具有相关联的布置来将唯一的驱动地址分配给多个天线元件组中的天线元件；并且
将天线元件布置成同心环，其中与所述非圆形同心栅格中的一个相关联的每组中的天线元件放置在同心环中的一个中。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述非圆形同心栅格包括均匀间隔开的同心矩形栅格。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述同心矩形栅格是同心正方形栅格。
27.根据权利要求24所述的方法，其中，所述非圆形同心栅格包括均匀间隔开的同心八边形栅格。
28.根据权利要求24所述的方法，其中，布置天线元件包括将天线元件放置在所述多个同心环上，从而形成天线元件的第一组螺旋和第二组螺旋，所述第一组螺旋沿顺时针方向弯曲，所述第二组螺旋沿逆时针方向弯曲。
29.根据权利要求28所述的天线，其中，所述孔径的一个部分中的所述第一组螺旋和所述第二组螺旋表示在整个所述孔径阵列中旋转地出现多个实例的天线元件的重复图案。
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