CN109643841A - 用于rf孔径的内部加热器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于射频(RF)天线的加热器及其使用方法。在一个实施例中，天线包括：物理天线孔径，其具有RF天线元件的阵列；以及多个加热元件，每个加热元件处于RF元件的阵列的RF元件对之间。

Description

用于RF孔径的内部加热器
优先权
本专利申请要求于2016年7月20日提交的题目为“用于RF孔径的内部加热器”的序列号为62/364,722的相应临时专利申请的优先权，并通过引用而并入该临时专利申请。
技术领域
本发明的实施例涉及用于通信的射频(RF)孔径领域；更特别地，本发明的实施例涉及RF孔径，诸如例如包括内部加热器的天线。
背景技术
某些天线技术需要加热天线以使天线达到操作温度。例如，利用液晶的某些天线必须将液晶加热到特定温度，以使液晶如所期望的进行操作。
在与液晶显示器(LCD)相关的现有技术中，电阻式加热元件用于针对适当操作，例如在环境温度可达到-40℃至-30℃的汽车显示器应用中，将LC保持在特定温度以上。这些加热元件在与主LCD基底分离的玻璃基底上、由诸如氧化铟锡(ITO)的透明导体制成。该基底随后被接合到主LCD基底以提供导热性。因为加热元件对光学频率是透明的，所以这是为LCD实施加热器简单且实用的方式，即使加热元件在信号路径中。
然而，在考虑基于LC的天线时，该方法不可行。因为ITO和类似材料在RF频率下不是透明的，所以将这些类型的加热器元件放置在RF信号的路径中将使RF信号衰减并使天线的性能降低。
因此，基于LC的天线的现有技术实施例使用附接到金属馈送(feed)结构或具有良好热性能的其它块体(bulk)机械结构的电阻式加热元件，以对天线的、LC层所处的内部部分进行加热。然而，因为电阻式加热元件通过在天线叠层中的、包括热绝缘体层的多个层而与LC层物理上分离，所以相比于LCD实施方式，必须施加显著更多的热功率以对液晶进行加热。
基于LC的天线加热器的其它实施方式试图从天线孔径的边缘对LC层加热。这些实施例需要400-500W的功率并且在该功率下需要30-40分钟以使LC层达到操作温度。这低效地使用了加热功率源。
发明内容
公开了一种用于射频(RF)天线的加热器及其使用方法。在一个实施例中，天线包括：物理天线孔径，具有RF天线元件的阵列；以及多个加热元件，每个加热元件处于RF元件的阵列的RF元件对之间。
附图说明
从下面给出的详细描述和本发明的各个实施例的附图，将更全面地理解本发明，然而详细描述和附图不应被视为将本发明限于特定实施例，而是仅用于解释和理解。
图1A示出遵照RF元件之间的栅极和加热器布线的具有相等线长度的加热丝。
图1B示出在RF元件之间的在同心弧上的具有不等长度的加热丝。
图2示出天线孔径的一个实施例的示例性横截面图。
图3A示出用于相等长度的加热丝的加热器汇流条放置的示例。
图3B示出用于不等长度的加热丝的加热器汇流条放置的示例。
图4A示出跨越天线孔径中的层之间的边界密封件的加热器汇流条的示例。
图4B示出连接到天线孔径内部的加热丝的、在密封件下方延伸并且延伸出至膜片层上悬部(overhang)上的接合焊盘结构的加热器汇流条的一般横截面图。
图5示出边界密封件内部从膜片层到贴片层的加热器汇流条电跨接件。
图6示出边界密封结构内从膜片层到贴片层的加热器汇流条电跨接件。
图7A-图7C示出在各个温度下的典型的薄膜晶体管(TFT)电流(I)-电压(V)曲线图。
图8A是使用TFT(或其它类型的晶体管)确定LC的温度的估计值的过程的一个实施例的流程图。
图8B是测量电压和电流以用于确定天线孔径内的温度的电路布置。
图8C是使用TFT(或其它类型的晶体管)确定LC的温度的估计值的过程的一个实施例的流程图。
图8D是测量电压和电流以用于确定天线孔径内的温度的另一电路布置。
图9示出用于测量液晶的电容的布置。
图10示出具有一个或多个天线元件的阵列的孔径，其中一个或多个天线元件的阵列围绕圆柱馈送天线的输入馈送部以同心环放置。
图11示出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。
图12示出可调谐谐振器/缝隙(slot)的一个实施例。
图13示出物理天线孔径的一个实施例的横截面图。
图14A-图14D示出用于产生缝隙阵列(slotted array)的不同层的一个实施例。
图15示出圆柱馈送天线结构的一个实施例的侧视图。
图16示出带有出射波的天线系统的另一实施例。
图17示出矩阵驱动电路相对于天线元件的放置的一个实施例。
图18示出TFT封装的一个实施例。
图19是具有同时传输和接收路径的通信系统的一个实施例的框图。
图20是具有同时传输和接收路径的通信系统的另一实施例的框图。
图21A和图21B示出具有用于在天线孔径内部加热的加热元件的覆板(superstrate)的一个实施例。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多细节以提供对本发明的更透彻解释。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其它情况下，以框图的形式而非详细地示出公知的结构和装置，以避免模糊本发明。
本发明的实施例包括用于将加热器(例如，加热元件)放置在基于LC的射频(RF)天线孔径的液晶胞元(cell)的内部的技术。在一个实施例中，将加热器靠近RF元件并且更靠近作为RF天线元件的一部分的液晶(LC)地放置在天线孔径内部。相比于使用提高孔径内部温度的更间接加热方法的技术，例如馈送结构的背面上的电阻式加热元件，这允许更直接地对孔径加热、降低加热器功率需求并且缩短温度升高时间。
加热器实施方式不干扰孔径的RF特性是重要的。在一个实施例中，加热器元件(例如，加热器迹线)在天线孔径内位于减少并且可能地消除RF干扰、同时在孔径内提供更直接加热的位置处。在一个实施例中，这通过在与RF元件几乎相同的平面上将加热元件放置在RF元件之间来实现。在一个实施例中，加热器元件的位置处于与膜片层的膜片元件相同的平面中，其中膜片层为贴片/膜片缝隙阵列天线的一部分。通过将孔径内部的加热器配线移动到与膜片金属几乎相同的平面上，减小了加热丝与RF信号的相互作用，并且将加热丝与RF信号的相互作用可能地减至最小。
本文公开的技术还包括用于检测天线孔径内的温度的方法。在一个实施例中，从直接在晶体管背板上的晶体管检测温度。在一个实施例中，晶体管背板是薄膜晶体管(TFT)背板。在一个实施例中，如果晶体管背板上的晶体管与LC或其它材料接触，则检测晶体管的温度提供了对LC/材料的温度的指示。
本文描述的技术降低了加热器系统的成本，需要较少功率，减小了孔径温度的升高时间，并且缩小了用于控制天线的控制器板的占用面积。更具体地，在一个实施例中，本文描述的技术需要75-100W的功率并且将在20分钟内使LC层温度达到操作温度。
此外，通常在破出(break-out)印刷电路板(PCB)上感测温度，其中该印刷电路板基本上从包括贴片和膜片玻璃层以及LC层的玻璃组件被物理地移除。玻璃上的温度感测提供对热量管理反馈回路更严格的控制。
综述
在一个实施例中，加热器结构由若干部件组成：加热元件、给加热器元件供电的加热器功率汇流条、以及将加热器功率汇流条连接到位于孔径外部的加热器电力供应部的连接方案。在一个实施例中，加热器元件是丝。在一个实施例中，加热器功率汇流条具有非常低的电阻。
根据实施方式，加热器配线、加热器汇流条和加热器连接件的实施方式可能需要在孔径制造期间额外地沉积导线层、钝化层、通孔开口等。这些附加层可用于构建加热器结构，将加热器结构与其它结构电隔离或化学隔离，并根据需要提供加热器至现有孔径结构的接口。
加热丝
期望孔径的加热均匀进行。本文描述了可以实现该目的的加热丝的两种配置。
在一个实施例中，加热丝具有相等长度，并且在加热丝的长度上以及从加热丝到加热丝，这些加热丝的横截面的尺寸相同(或相似)。总的来说，这提供了在孔径上每单位面积相同的功率耗散。在一个实施例中，加热丝均匀地分布在孔径质量区域上，其中加热丝放置在膜片之间，而不跨越或接触贴片或膜片。在一个实施例中，跨越孔径区域，加热丝彼此分开近似相同的距离(相同的节距)。
图1A示出用于对天线孔径中的RF天线元件加热的加热元件的示例，其中加热丝具有相等线长度并且遵照RF元件之间的栅极布线和加热器布线。在一个实施例中，栅极布线是控制接通和断开基于液晶的RF天线元件的栅极的布线，这在下面更详细地描述。
参照图1A，天线孔径段100示出RF天线元件的天线阵列的四分之一。在一个实施例中，四个天线孔径段联接在一起以形成整个阵列。注意的是，可以使用其它数量的段来构造整个天线阵列。例如，在一个实施例中，段被如下成型：联接在一起的三个这种段形成RF天线元件的圆形阵列。关于天线段以及将它们联接在一起的方式的更多信息，参见于2016年3月3日提交的题目为“用于圆柱馈送天线的天线元件放置(ANTENNA ELEMENT PLACEMENTFOR A CYLINDRICAL FEED ANTENNA)”、公开号为US2016/0261042的美国申请专利，并且参见于2016年3月3日提交的题目为“圆柱馈送天线的孔径段(APERTURE SEGMENTATION OF ACYLINDRICAL FEED ANTENNA)”、公开号为US2016/0261043的美国申请专利。注意的是，本文描述的技术不限于对天线孔径段的操作，并且可用于含有整个RF天线元件阵列的单个孔径。
在天线孔径段100上示出加热丝(元件)101。在一个实施例中，加热丝101的长度相等。在一个实施例中，加热丝101位于天线阵列中的RF天线元件(未示出)之间。在一个实施例中，加热丝101遵照用于控制栅极以接通和断开阵列中的各个RF天线元件的栅极线。在一个实施例中，加热丝101等距离地处于RF元件之间。
在一个实施例中，加热丝101相对于彼此的距离相等。换句话说，加热丝对之间的间隔相等。注意的是，虽然距离相等可以帮助提供对天线孔径更均匀的加热，但是这不是必需的。在一个实施例中，当天线阵列中的天线元件以环形定位时，加热丝101中的各个加热丝等距离地处于RF天线元件的两个连续环之间。在可选实施例中，加热丝对之间的间隔不相等。
应注意的是，虽然图1A中描绘的加热器配线指示了配线的相对位置和布线，但并不代表丝的配线尺寸或数量。例如，在一个实施例中，每隔一个丝可以在其余丝提供了必要的加热的情况下被移除，其中该加热被均匀地提供在区域上。关于加热丝的尺寸，它们的尺寸基于加热丝本身的材料特性和丝所提供的加热量。
在一个实施例中，以下列方式来选择加热丝101的加热丝横截面(高度和宽度)。首先，针对给定的期望加热器供应电压与加热丝的数量和长度，将用于加热孔径区域所需的功率转换为加热丝的电阻。反过来，结合加热丝材料的特性来使用该电阻值以确定所需的加热丝横截面。注意的是，其它考虑因素可用于选择加热丝横截面，这包括但不限于制造产量。
在另一实施例中，加热丝的长度不相等，并且它们的横截面不相等。在一个实施例中，具有不等长度的加热丝在RF元件之间的同心弧上。在一个实施例中，加热丝宽度相等，并且丝的高度从段的中心径向地调整，以在孔径区域上提供每单位面积均匀的功率。
图1B示出具有长度不等的加热丝的天线孔径上的加热丝的实施例，并且长度不等的加热丝的横截面彼此不相等。参照图1B，在天线孔径段110上示出加热丝111，该天线孔径段110是与图1A中描绘的孔径段相同类型的孔径段。在一个实施例中，多个天线孔径联接在一起以形成完整的天线阵列。与图1A一样，在一个实施例中，将加热丝布线在RF元件之间。在一个实施例中，该布线遵照用于控制天线元件的栅极的栅极布线。
在一个实施例中，目的仍然是提供每单位面积几乎均匀的功率耗散。然而，在这种情况下，虽然加热丝的长度不相等，但是在孔径区域上，加热丝横截面的高度被改变以控制电流和电阻，从而提供每面积相同的功率耗散。
应注意的是，虽然图1B中描绘的加热器配线指示配线的相对位置和布线，但并不代表丝的配线尺寸或数量。关于加热丝的尺寸，它们的尺寸基于加热丝本身的材料特性和丝所提供的加热量。
在一个实施例中，加热丝位于膜片特征之间，并且不跨越或接触具有贴片/缝隙对的天线元件的可调谐缝隙阵列中的贴片或膜片特征。在图2中提供的说明示例中，加热丝以环的形式中间地位于膜片/贴片元件的环之间，其中加热丝具有额外内部和外部环。在一个实施例中，加热器配线的环在孔径区域上在相同的径向节距的同心环上。在一个实施例中，加热器配线的径向节距与RF元件的径向节距相同。在可选实施例中，加热器配线的径向节距与RF元件的径向节距不同。
在一个实施例中，加热丝近似等距地处于RF元件之间。
图2示出具有膜片层和贴片层的天线孔径的示例性横截面图或侧视图。参照图2，贴片层201和膜片层202相对于彼此分离，分别包括贴片缝隙和膜片缝隙，以形成可调谐缝隙阵列。这种阵列是公知的并且也在下面更详细地进行描述。在一个实施例中，贴片层201和膜片层202是玻璃基底。注意的是，贴片层和膜片层可以在下面分别被称为贴片玻璃层和膜片玻璃层。然而，应该理解的是，出于本文的目的，当基底不是玻璃时，包括“贴片玻璃层”和“膜片玻璃层”的实施例可以分别用“贴片基底层”和“膜片基底层”(或者贴片基底和膜片基底)实施。
贴片金属211被制造至贴片玻璃层201上。钝化贴片层231被制造在贴片金属层211上。液晶(LC)对准层213被制造在钝化贴片层231的顶部上。膜片金属层212的区段被制造至膜片玻璃层202上。钝化膜片层232被制造在膜片金属212上。加热丝240被制造在钝化膜片层232的顶部上。在一个实施例中，加热丝240近似等距地处于一对膜片元件之间。其它加热丝也以这种方式位于膜片元件之间。另一钝化层233被制造在钝化层232和加热丝240上。LC对准层213被制造在钝化膜片层233的顶部上。
注意的是，LC对准层213用于使LC 260对准，使得它以本领域公知的方式指向单个方向。
加热器功率汇流条
提供功率汇流条以向加热丝供电。在下图中说明这些的示例。在一个实施例中，当与加热丝相比时，功率汇流条的电阻低若干数量级，使得从汇流条的一端到另一端存在小的电压降，从而所有的加热丝可以在加热丝的每个汇流条端部处具有相同的电压。这使得管理加热丝的网络的功率分配变得更加简单。
在一个实施例中，将加热器汇流条放置在孔径内部，使得加热丝能够在加热丝的每个端部处连接到适当的供应电压。
在一个实施例中，加热器汇流条是仅出于向加热丝网络提供功率的目的而被放置到孔径中的单独结构。
在另一实施例中，孔径中的现有结构也可用作加热器汇流条。在一个实施例中，将加热器汇流条(或多个汇流条)构建在孔径的密封结构中。在另一种情况下，膜片金属(例如，铜)板可用作加热器汇流条以吸收或提供(source)用于加热丝的电流。
图3A示出针对长度相等的加热丝的、集成在天线孔径上的加热器功率汇流条放置的示例。参照图3A，天线孔径段300包括加热器汇流条线301和302，其中天线孔径段300表示联接在一起以形成整个天线阵列的天线段中的一个天线段。加热器功率汇流条线301和302电连接到加热丝303并向加热丝303提供功率。
图3B示出针对长度不相等的加热丝的、集成在天线孔径上的加热器功率汇流条放置的示例。参照图3B，加热器功率汇流条303和304电连接到天线孔径段310上的加热丝305。
加热器汇流条至电源的连接
在一个实施例中，孔径的内部的加热器汇流条被引到孔径结构的外部以连接到加热器电源。在一个实施例中，这可以通过将天线孔径的外部处的、穿过边界密封结构的加热器汇流条连接到孔径边界密封件外部的、孔径中的层中的一个层上的金属化层来实现。例如，一个这样的金属化层处于膜片玻璃层上或贴片玻璃层上。该金属化层连接到密封件内部的、并且从密封件内部延伸穿过密封件并延伸出至贴片玻璃层或膜片玻璃层的延伸超出彼此的部分的加热器汇流条。这些可被称为上悬区域(overhang region)。在这种情况下，贴片玻璃层或膜片玻璃层的、在这些上悬区域下面的部分可被称为下悬区域(under-hangregion)。
图4A和图4B示出穿过边界密封件而伸出至膜片玻璃层上悬部上的加热器汇流条的示例。在一个实施例中，RF孔径在这种情况下被切割成使得膜片玻璃层和贴片玻璃层都具有上悬区域(其中基底具有不面对玻璃层的金属化区域，其中玻璃层与金属面相对)。注意的是，虽然在本文中，有时可将膜片层和贴片层描述为玻璃层，但是它们不限于玻璃，并且可以构成其它类型的基底。
图4A示出用于将加热器汇流条连接到加热器电源的加热器汇流条连接方案。参照图4A，在一个实施例中，加热器电源(未示出)位于包括加热丝的天线元件阵列，例如天线元件阵列430的外部。天线孔径段400包括如本文所述的贴片层和膜片层。膜片层的、被称为膜片上悬部401和402的部分在贴片层的一部分上延伸。类似地，贴片玻璃层的、在本文中被称为贴片上悬部403的部分延伸超过膜片玻璃层的一部分。膜片玻璃层和贴片玻璃层利用孔径边界密封件460密封在一起。加热器功率汇流条410在密封件跨接部421处跨越边界密封件460。加热器汇流条411在密封件跨接部420处跨越边界密封件460并连接到电源。在两种情况下，加热器功率汇流条410和加热器汇流条411能够通过离开天线孔径段400而通过电源连接。天线孔径段400包括电连接至天线元件阵列430中的加热丝481的加热器功率汇流条410和411。
图4B是连接到孔径内部的加热丝的加热器汇流条的一般横截面，该加热器汇流条在密封件下方延伸并且延伸出至膜片上悬部上的接合焊盘结构。参照图4B，加热器汇流条金属443在边界密封件，边界密封粘合剂450下方行进并且在膜片玻璃层431上的钝化层441的顶部上行进。因此，加热器汇流条层443在边界密封粘合剂450下面。边界密封粘合剂450将贴片层430联接到其上包括制造层的膜片玻璃层431。
加热丝444沉积在钝化层441和加热器汇流条金属443的一部分的顶部上，从而利用加热丝444电连接到功率汇流条金属443。加热丝444被制造在钝化层441的一部分上并且被制造至加热器汇流条金属443的一部分上，该钝化层441被制造在膜片金属445的顶部上。在可选的实施例中，在加热器汇流条金属443和加热丝444之间存在钝化层，其中穿过该钝化层的通孔连接加热器汇流条金属443和加热丝444。
钝化层441被制造在加热丝444和加热器功率汇流条金属443的至少一部分的顶部上。对准层432被制造在钝化层441的顶部上。钝化层441也被制造在贴片层430的底部上。类似地，对准层432被制造在贴片层430上的钝化层441的一部分上方。注意的是，虽然加热丝444被示出为直接沉积在加热器汇流条金属443的顶部上而在其之间没有钝化层和通孔，但是在可选的实施例中，另一钝化层被沉积在加热丝444和加热器汇流条金属443之间，其中使用通孔进行两者之间的电连接。该钝化层在加热丝金属被蚀刻时保护加热器汇流条金属。
接合焊盘/连接器结构442是将电源电连接到加热器汇流条金属443的位置。
用于加热器汇流条的功率可在边界密封件内部、在边界密封件自身内或在边界密封件外部，从孔径的贴片玻璃层侧跨越至孔径的膜片玻璃层侧。将加热器汇流条引出至贴片层上悬部具有如下优点：可能使连接器内的加热器连接用于从控制器电子器件至孔径的接口线的其余部分。下图示出在边界密封件内部和边界密封件内这样做的方法。
图5示出在边界密封件内部从膜片层电跨越到贴片层的加热器功率汇流条的实施例。参照图5，贴片玻璃层501被示为在膜片玻璃层502上方。多个层被制造至贴片玻璃层501和膜片玻璃层502上，并且边界密封粘合剂521将这两个基底联接在一起。在一个实施例中，虽然贴片玻璃层501和膜片玻璃层502包括玻璃层，但它们可以是其它类型的基底。
膜片金属层541被制造在膜片层502的顶部上。钝化层531被制造在膜片金属541和不存在膜片金属541的膜片层502的顶部上。在钝化层531上方包括加热器汇流条金属512。在膜片金属541上方的钝化层531的上方是钝化层550。加热丝510被制造在钝化层550的顶部上并且被制造在加热器汇流条金属512的一部分的顶部上。在可选实施例中，在加热器汇流条金属512和加热丝510之间存在钝化层，其中穿过该钝化层的通孔连接加热器汇流条金属512和加热丝510。钝化层530被制造在加热丝510或加热丝510的至少一部分的上方，其中对准层540在钝化层530的顶部上。钝化层532被制造在贴片层501上。为加热器汇流条供电的金属化物511在钝化层532的顶部上。钝化层530覆盖加热器汇流条金属511的一部分，而对准层540覆盖钝化层530的一部分并用于对准LC 560。接合/连接器结构513定位成允许加热器功率汇流条和外部电源(未示出)之间的电连接。
导电跨接件520将加热器汇流条金属511电连接到加热器汇流条金属512，使得连接至连接器结构513的电源能够通过加热器汇流条金属511、通过导体跨接件520而将功率供应至加热器汇流条金属512，其中加热器汇流条金属512为加热丝510提供功率。
图6示出在边界密封结构内从膜片层电跨越到贴片层的加热器汇流条的一个实施例。参照图6，导电跨接件620与边界密封件621一起，并且提供被制造在贴片玻璃层601上的加热器汇流条金属611与在膜片玻璃层602上的加热器汇流条612之间的电连接。加热丝615被制造在钝化层650的一部分上并且被制造在加热器汇流条金属612的一部分上，该钝化层650被制造在膜片金属641的顶部上。在可选实施例中，在加热器汇流条金属612和加热丝615之间存在钝化层，其中穿过该钝化层的通孔连接加热器汇流条金属612和加热丝615。
贴片上悬部在边界密封件的外部没有面对的膜片玻璃。膜片下悬部在边界密封件的外部没有面对的贴片玻璃。因此，上悬部或下悬部上的金属化物可以连接到加热器电源/控制器。例如，可以通过ACF(各向异性导电粘合剂)进行到柔性电缆的这种连接。此柔性电缆可连接到加热器电源/控制器。该加热器电源/控制器可在孔径控制器板上，也可以是独立的电源/控制器单元。
注意的是，在附图中，除了加热器配线之外，尤其是边界密封件区域周围的贴片玻璃还具有位于其上的许多其它结构。所绘制的加热器连接结构仅关注于向加热器供电的方法，并且不试图显示与其它贴片结构，例如从贴片上悬部连接到膜片金属的电压汇流条的整合。在加热器供电金属化物511(图5中)和611(图6中)上方的钝化层将加热器供电金属化物与贴片电路的其余部分进行隔离。
加热器配线、加热器汇流条和连接件的放置
加热器配线和加热器汇流条可以放置在孔径的贴片玻璃侧或者孔径的膜片玻璃侧上，或者部分地放置在孔径的贴片玻璃(或非玻璃)层和膜片玻璃(或非玻璃)层两者上。用于加热器的连接件可出现在孔径的贴片玻璃层侧或膜片玻璃层侧。
RF孔径内部的温度传感器
在一个实施例中，一个或多个温度传感器位于孔径内。这些温度传感器用于监测内部孔径温度并控制包括加热元件(加热丝)、加热器汇流条和加热器连接件的加热器是否需要参与调节孔径中的温度。在需要将RF天线元件放置在特定温度或温度范围内的情况下，这可能是必要的。例如，当每个RF天线元件包括LC时，若LC处于特定温度，则天线元件更有效地操作。因此，通过监测孔径内的温度并确定LC的温度低于其最佳温度范围，加热丝、汇流条和连接件可用于对内部孔径加热，直到LC处于期望的温度范围为止。
使用天线元件控制晶体管(例如，TFT)以用于孔径温度测量
本发明的实施例包括使用整合在贴片层基底上的晶体管(例如，TFT)来测量LC温度的技术。在一个实施例中，该技术使用TFT的迁移率随温度而变化的特性来指示温度。
图7A-图7C是不同温度下的典型的TFT电压与电流的曲线图。参照图7A-图7C，每个图具有针对两个Vds值的曲线图，其中纵轴是Id，横轴是Vgs。
注意的是，针对给定Vds和Vgs的Id随温度而变化。通过使用该TFT特性并将Vgs和Vds设置为已知的常数值，测量的Id值可与TFT的温度相关联。
图8A是使用TFT(或其它类型的晶体管)确定LC的温度的估计值的过程的一个实施例的流程图。TFT连接到LC。因此，TFT的温度提供对LC的温度的指示。该过程由包括温度监测子系统的温度控制系统执行。
参照图8A，该过程始于如下步骤：调整被称为数模转换器(DAC)值的数字电压值，直到电压Vgs测量模数转换器(ADC)指示预定义的Vgs值为止(处理框801)。接下来，温度控制系统中的处理逻辑通过读取Id测量ADC来测量电流Id，其中Id测量ADC正在监测电流感测电阻器两端的电压(处理框802)。基于Vgs电压值和Id电流值，处理逻辑将Id值与校准温度值相关联(处理框803)。相关联可以由相关器/处理单元(例如，处理器)执行，该相关器/处理单元使用这些值来访问查找表(LUT)以确定TFT的相应温度值。
图8B示出温度测量电路的示例。参照图8B，电压值由DAC 861提供给具有与晶体管864串联联接的电流感测电阻器862的电路。在一个实施例中，晶体管864与RF天线元件中的液晶(LC)接触。在一个实施例中，晶体管864包括薄膜晶体管(TFT)。在一个实施例中，从DAC861输出的电压值来自温度控制器831。在一个实施例中，温度调节单元843可基于正被监测的晶体管的类型而提供不同的电压值。
使用比较器863监测电流感测电阻器862两端的电压值以产生电流测量值，该电流测量值由ADC 810转换为数字形式。基于测量电流和测量的Vgs电压，相关器841基于测量的电流Id和Vgs电压之间的相关性来确定晶体管864的温度842(处理框803)。由于晶体管864与LC接触，所以晶体管864的温度用于指示或表示LC的温度。
图8C是使用以与图8A的方式不同的方式配置的TFT(或其它类型的晶体管)来确定LC的温度的估计值的过程的一个实施例的流程图。如图8A所示，TFT连接到LC，并且TFT的温度提供对LC的温度的指示。该过程由包括温度监测子系统的温度控制系统执行。
参照图8C，该过程始于如下步骤：调整被称为数模转换器(DAC)值的数字电压值，直到电压Vds测量模数转换器(ADC)指示预定义的Vds值为止(处理框804)。接下来，温度控制系统中的处理逻辑通过读取Id测量ADC来测量电流Id，其中Id测量ADC正在监测电流感测电阻器两端的电压(处理框805)。基于Vds电压值和Id电流值，处理逻辑将Id值与校准温度值相关联(处理框806)。相关联可以由相关器/处理单元(例如，处理器)执行，该相关器/处理单元使用这些值来访问查找表(LUT)以确定TFT的相应温度值。
图8D示出使用图8C的过程的用于TFT的温度监测电路的另一示例。除了以不同的方式联接晶体管814之外，图8D中的电路基本上类似于图8B的电路。因此，通过监测子系统的测量和温度控制器831的操作以相同的方式进行操作。
在一个实施例中，多个测试TFT可以分布在天线阵列中的RF元件(及其LC)周围，以测量各个位置的温度和/或用于温度平均。
使用LC的电容特性测量LC温度
在一个实施例中，通过使用LC的电容特性来测量LC温度。这使用了LC的电容随温度的变化而变化的特性。
在一个实施例中，通过在贴片玻璃层上放置导电表面并且将匹配的导电表面放置在膜片玻璃层上来制成电测试电容器，从而产生具有LC的电容器，该LC用作分离的电介质材料。这些导电表面连接到测量电容的电路(例如电容-数字转换器(CDC))。由于LC的电容是温度的函数，因此测试电容器的电容可以直接与LC的温度相关联。
图9示出用于确定LC的电容以便确定RF天线元件中的LC的温度的电路。参照图9，激励信号901被提供给导体910D，该导体910D将膜片玻璃层910E连接到液晶910C。在一个实施例中，激励是方波。在一个实施例中，激励信号901与温度控制器931提供的输入一起来自DAC。在一个实施例中，温度调节单元943可基于正被监测的测试电容器的类型提供不同的电压值。
贴片玻璃层910A使用导体910B联接到液晶910C。将信号901的方波施加到导体910D引起在液晶910C上方产生电容，该电容利用Σ-Δ数字转换器(CDC)902测量。CDC 902的输出被提供至温度控制器931，该温度控制器931使用相关器941使电容测量值与基于LC的测试电容器的LC的温度942相关联。然后，将该温度用作阵列中的RF天线元件中的LC的温度。
在又一实施例中，温度监测子系统可操作以测量液晶的衰减速度并且使衰减速度与液晶的温度相关联。LC的衰减速度在本领域中是公知的，并且容易跟踪使用LC的时间量。在一个实施例中，以与上面结合图8B、图8D和图9描述的相同方式执行相关联操作。
在一个实施例中，多个测试贴片分布在基于LC的RF天线元件的天线阵列周围，以测量各个位置的温度和/或用于温度平均。
包括加热器元件和加热器汇流条的加热器结合温度传感器一起操作，以向加热器系统提供反馈。温度传感器可在孔径中或在孔径上。可能需要通过校准过程来建立孔径内部的温度与由传感器测量的温度的某种相关性。
在一个实施例中，孔径的温度由包括温度传感器和加热器电源/控制器的控制回路调节。当传感器指示孔径的温度低于其操作温度时，加热器功率控制器使加热器接通以对孔径加热。存在可使用本文所述的加热器结构来控制期望的孔径温度的许多方法。
在可选实施例中，代替将加热器放置在RF孔径内部，在覆板上进行相同类型的加热丝图案、加热丝图案放置、加热器汇流条和加热器汇流条放置。在一个实施例中，覆板是直接在RF孔径的面向卫星侧上的基底。在一个实施例中，实施方式与上面描述的用于在RF孔径内(在RF元件/LC平面中)使用的实施方式相同。
在一个实施例中，当将加热器放置在覆板上时，覆板被放置成使加热丝图案在贴片层的顶部和覆板的底部之间，并且尽可能靠近LC层。将加热器放置在覆板上的一个潜在问题是来自贴片层的RF与覆板上的加热丝的相互作用可能对正在由RF孔径形成的RF图案产生不利影响。为了减少RF与加热丝的相互作用，在一个实施例中，贴片层尽可能地减薄，以使加热器移动成尽可能靠近RF元件/LC平面。
图21A和图21B示出覆板的示例，该覆板具有附接至其的加热器图案。参照图21A和图21B，覆板2101包括在其底部上的加热丝图案2103。加热器汇流条2102也附接到覆板2101的底部。覆板2101联接到段2100，该段2100包括如图21B所示的RF天线元件的孔径区域2110、贴片上悬部2103。
天线实施例的示例
上述技术可与平板天线一起使用。公开了这种平板天线的实施例。平板天线包括天线孔径上的一个或多个天线元件的阵列。在一个实施例中，天线元件包括液晶胞元。在一个实施例中，平板天线是圆柱馈送天线，该圆柱馈送天线包括矩阵驱动电路，以唯一地定址和驱动未以行和列放置的天线元件中的每一个。在一个实施例中，这些元件以环形放置。
在一个实施例中，具有一个或多个天线元件的阵列的天线孔径包括联接在一起的多个段。当联接在一起时，这些段的组合形成天线元件的闭合同心环。在一个实施例中，同心环相对于天线馈送部同心。
天线系统的示例的综述
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，该移动平台使用Ka-频带频率或Ku-频带频率进行操作以用于民用商业卫星通信。注意的是，天线系统的实施例也可以用在不在移动平台上的地球站(例如，固定式或移动式地球站)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操控通过单独天线进行传输和接收波束。在一个实施例中，天线系统是模拟系统，该模拟系统与采用数字信号处理来电气形成并操控波束的天线系统(诸如相控阵列天线)形成对比。
在一个实施例中，天线系统包括三个功能子系统：(1)包括圆柱波馈送架构的波导结构；(2)作为天线元件一部分的波散射超材料晶胞(unit cell)的阵列；以及(3)命令使用全息原理从超材料散射元件形成可调节辐射场(光束)的控制结构。
波导结构的示例
图10示出具有以同心环放置在圆柱馈送天线的输入馈送部周围的一个或多个天线元件的阵列的孔径。在一个实施例中，圆柱馈送天线包括用于提供圆柱波馈送的同轴馈送部。在一个实施例中，圆柱波馈送架构利用激励从中心点向天线馈送，其中激励以圆柱方式从馈送点向外扩散。也就是说，圆柱馈送天线产生向外行进的同心馈送波。即便如此，围绕圆柱馈送的圆柱馈送天线的形状可以是圆形、方形或任何形状。在另一实施例中，圆柱馈送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。
天线元件
在一个实施例中，天线元件包括一组贴片天线。该组贴片天线包括散射超材料元件的阵列。在一个实施例中，天线系统中的每个散射元件是晶胞的一部分，该晶胞包括下导体、电介质基底和上导体，该上导体嵌入了互补电感-电容式谐振器(“互补电LC”或“CELC”)，其中该互补电感-电容式谐振器被蚀刻在上导体中或沉积在上导体上。如本领域技术人员将理解的是，LC在CELC的背景下指示电感-电容而不是液晶。
在一个实施例中，液晶(LC)设置在围绕散射元件的空隙中。该LC由上述的直接驱动实施例驱动。在一个实施例中，液晶被封装在每个晶胞中，并且将与缝隙相关的下导体和与贴片相关的上导体分离。液晶的介电常数是包含液晶的分子的取向的函数，并且分子的取向(并且因此介电常数)可以通过调节液晶两端的偏置电压来控制。使用该特性，在一个实施例中，液晶与接通/断开开关整合以用于将能量从导波传输到CELC。当接通时，CELC像电气小型偶极天线一样发射电磁波。注意的是，本文的教导不限于具有对于能量传输以二元方式操作的液晶。
在一个实施例中，该天线系统的馈送部几何结构允许天线元件相对于波馈送部中的波的向量定位成45度(45°)角。注意的是，可以使用其它位置(例如，40°角)。元件的这个位置能够控制由元件接收或从元件传输/辐射的自由空间波。在一个实施例中，以小于天线的操作频率的自由空间波长的元件间间距来布置天线元件。例如，如果每个波长存在四个散射元件，则30GHz传输天线中的元件将约为2.5mm(即，30GHz的10mm自由空间波长的1/4)。
在一个实施例中，两组元件彼此垂直并且在被控制到相同的调谐状态时，同时具有相等的振幅激励。将这些元件相对于馈送波激励旋转+/-45度一次性实现了两个期望的特征。将一组旋转0度且将另一组旋转90度将实现垂直目标，但未实现相等的振幅激励目标。注意的是，当从两侧向单一结构的天线元件的阵列馈送时，0度和90度可用于实现隔离。
来自每个晶胞的辐射功率量通过使用控制器向贴片施加电压(LC通道两端的电势)而被控制。到每个贴片的迹线用于将电压提供至贴片天线。电压用于调谐或解调谐电容以及由此调谐或解调谐各个元件的谐振频率，以实现波束成形。所需的电压取决于所用的液晶混合物。液晶混合物的电压调谐特性主要由阈值电压和饱和电压来描述，其中在该阈值电压下，液晶开始受电压影响，并且在高于该饱和电压时，电压的增加不会引起液晶中的主要调谐。这两个特征参数可针对不同的液晶混合物而变化。
在一个实施例中，如上文所述，矩阵驱动器用于向贴片施加电压，以便在每个胞元不具有单独连接件的情况下，将每个胞元独立于所有其它胞元驱动(直接驱动)。由于元件密度高，因此矩阵驱动器是单独地定址每个胞元的有效方法。
在一个实施例中，用于天线系统的控制结构具有2个主要组件：用于天线系统的、包括驱动电子器件的天线阵列控制器在波散射结构下方，而矩阵驱动切换阵列以不干扰辐射的方式散布在整个辐射RF阵列中。在一个实施例中，用于天线系统的驱动电子器件包括商用电视设备中使用的商业现用LCD控制件，该LCD控制件针对每个散射元件，通过调节到该元件的AC偏置信号的振幅或占空比来调节偏置电压。
在一个实施例中，天线阵列控制器还包括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和/或可以不是天线系统的一部分的其它系统提供给处理器。
更具体地，天线阵列控制器控制断开哪些元件以及在操作频率下在哪个相位和振幅水平来接通那些元件。通过电压施加来选择性地解调谐元件以用于频率操作。
对于传输，控制器将电压信号的阵列供应给RF贴片以产生调制或控制图案。控制图案使元件被调谐到不同的状态。在一个实施例中，使用多态控制，在多态控制中各个元件被接通和断开至不同的电平，以相对于方波(即正弦灰度调制图案)，进一步接近于正弦控制图案。在一个实施例中，一些元件比其它元件更强地辐射，而不是一些元件辐射并且一些元件不辐射。通过施加特定的电压电平来实现可变辐射，这将液晶介电常数调节到不同的量，从而可变地使元件解调谐并使一些元件比其它元件更多地辐射。
通过元件的超材料阵列而产生聚焦波束可以通过相长干涉和相消干涉的现象解释。如果各个电磁波在自由空间中相遇时具有相同的相位，则它们叠加(相长干涉)；如果各个电磁波在自由空间中相遇时具有相反的相位，则它们相消(相消干涉)。如果缝隙天线中的缝隙被定位为使得每个连续缝隙被定位在距导波的激励点的不同距离处，则来自该元件的散射波将与先前缝隙的散射波具有不同的相位。如果缝隙被间隔开导波长的四分之一，则每个缝隙将散射与先前缝隙具有四分之一相位延迟的波。
使用该阵列，可产生的相长干涉和相消干涉的图案的数量可增加，使得使用全息术原理，波束可在理论上指向与天线阵列的瞄准线成正负九十度(90°)的任何方向上。因此，通过控制接通或断开哪些超材料晶胞(即，通过改变接通那些晶胞的图案以及断开哪些晶胞)，可产生相长干涉和相消干涉的不同图案，并且天线可以改变主波束的方向。接通和断开晶胞所需的时间指定波束可从一个位置切换到另一个位置的速度。
在一个实施例中，天线系统针对上行链路天线产生一个可操控波束并且针对下行链路天线产生一个可操控波束。在一个实施例中，天线系统使用超材料技术接收波束并且解码来自卫星的信号，并且形成指向卫星的传输波束。在一个实施例中，天线系统是模拟系统，该模拟系统与采用数字信号处理来电气形成并操控波束的天线系统(诸如相控阵列天线)形成对比。在一个实施例中，天线系统被认为是“表面”天线，该“表面”天线尤其在与传统的卫星天线接收器相比较时是平坦且相对低剖面的。
图11示出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1230包括可调谐缝隙1210的阵列。可调谐缝隙1210的阵列可以被配置为使天线指向期望的方向。可调谐缝隙中的每一个可以通过使液晶两端的电压改变来进行调谐/调节。
在图11中，控制模块1280被联接到可重构谐振器层1230以通过使液晶两端的电压改变来调制可调谐缝隙1210的阵列。控制模块1280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1280包括用于驱动可调谐缝隙1210的阵列的逻辑电路(例如，多路复用器)。在一个实施例中，控制模块1280接收包括待被驱动至可调谐缝隙1210的阵列上的全息衍射图案的规范的数据。全息衍射图案可以响应于天线和卫星之间的空间关系而产生，使得全息衍射图案在适当的通信方向上操控下行链路波束(并且如果天线系统执行传输，则也操控上行链路波束)。虽然未在每个图中绘出，但是类似于控制模块1280的控制模块可以驱动在本公开附图中描述的每个可调谐缝隙的阵列。
使用类似技术的射频(“RF”)全息术也是可能的，其中可在RF参考波束遇到RF全息衍射图案时产生期望的RF波束。在卫星通信的情况下，参考波束是例如馈送波1205(在一些实施例中约为20GHz)的馈送波的形式。为了将馈送波变换成辐射波束(用于传输或接收目的)，计算期望的RF波束(目标波束)和馈送波(参考波束)之间的干涉图案。干涉图案被驱动到可调谐缝隙1210的阵列上作为衍射图案，使得馈送波被“操控”成期望的RF波束(具有期望的形状和方向)。换言之，遇到全息衍射图案的馈送波“重建”目标波束，该目标波束根据通信系统的设计要求而形成。全息衍射图案包含每个元件的激励并且由来计算，其中win为波导中的波方程式而wout为关于出射波的波方程式。
图12示出可调谐谐振器/缝隙1210的一个实施例。可调谐缝隙1210包括膜片/缝隙1212、辐射贴片1211和设置在膜片1212和贴片1211之间的液晶1213。在一个实施例中，辐射贴片1211与膜片1212位于相同位置。
图13示出物理天线孔径的一个实施例的横截面图。天线孔径包括接地平面1245和在膜片层1233内的金属层1236，膜片层1233包括在可重构谐振器层1230中。在一个实施例中，图13的天线孔径包括多个图12中的可调谐谐振器/缝隙1210。膜片/缝隙1212由金属层1236中的开口限定。诸如图11的馈送波1205的馈送波可具有与卫星通信信道兼容的微波频率。馈送波在接地平面1245和谐振器层1230之间传播。
可重构谐振器层1230还包括垫片层1232和贴片层1231。垫片层1232设置在贴片层1231和膜片层1233下方。注意的是，在一个实施例中，间隔件可以代替垫片层1232。在一个实施例中，膜片层1233是包括铜层作为金属层1236的印刷电路板(“PCB”)。在一个实施例中，膜片层1233是玻璃。膜片层1233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1212。在一个实施例中，膜片层1233通过导电接合层而导电地联接到图13中的另一结构(例如，波导)。注意的是，在实施例中，膜片层不通过导电接合层而导电联接，而是与非导电接合层界面连接。
贴片层1231也可以是包括金属作为辐射贴片1211的PCB。在一个实施例中，垫片层1232包括间隔件1239，该间隔件1239提供机械支柱(standoff)以限定金属层1236和贴片1211之间的尺寸。在一个实施例中，间隔件为75微米，但也可以使用其它尺寸(例如，3-200mm)。如上文所述，在一个实施例中，图13的天线孔径包括多个可调谐谐振器/缝隙，诸如图12的包括贴片1211、液晶1213和膜片1212的可调谐谐振器/缝隙1210。用于液晶1213的腔室由间隔件1239、膜片层1233和金属层1236限定。当腔室填充有液晶时，贴片层1231可被层压到间隔件1239上以将液晶密封在谐振器层1230内。
贴片层1231和膜片层1233之间的电压可被调制以调谐贴片和缝隙(例如，可调谐谐振器/缝隙1210)之间的空隙中的液晶。调节液晶1213两端的电压使缝隙(例如，可调谐谐振器/缝隙1210)的电容变化。因此，缝隙(例如，可调谐谐振器/缝隙1210)的电抗可以通过改变电容而变化。缝隙1210的谐振频率也根据方程而改变，其中f是缝隙1210的谐振频率，L和C分别是缝隙1210的电感和电容。缝隙1210的谐振频率影响从通过波导传播的馈送波1205辐射的能量。作为示例，如果馈送波1205是20GHz，则缝隙1210的谐振频率可以(通过改变电容)而被调节到17GHz，使得缝隙1210基本上不耦合来自馈送波1205的能量。或者，缝隙1210的谐振频率可调节到20GHz，使得缝隙1210耦合来自馈送波1205的能量并将该能量辐射到自由空间中。尽管给出的示例是电抗的二元的(完全辐射或根本不辐射)，但是利用多值范围的电压变化，对缝隙1210的电抗以及因此对缝隙1210的谐振频率的全灰阶控制是可能的。因此，可以精细地控制从每个缝隙1210辐射的能量，使得可由可调谐缝隙的阵列形成详细的全息衍射图案。
在一个实施例中，行中的可调谐缝隙彼此间隔开λ/5。可以使用其它间距。在一个实施例中，一行中的每个可调谐缝隙与相邻行中的最近的可调谐缝隙间隔开λ/2，因此，不同行中的共同定向的可调谐缝隙间隔开λ/4，但是其它间距(例如，λ/5、λ/6.3)也是可能的。在另一实施例中，行中的每个可调谐缝隙与相邻行中的最近的可调谐缝隙间隔开λ/3。
实施例使用了可重构超材料技术，诸如于2014年11月21日提交的题目为“可操控圆柱馈送全息天线的动态偏振和耦合控制(Dynamic Polarization and CouplingControl from a Steerable Cylindrically Fed Holographic Antenna)”、申请号为14/550,178的美国专利申请以及于2015年1月30日提交的题目为“用于可重构天线的脊状波导馈送结构(Ridged Waveguide Feed Structures for Reconfigurable Antenna)”、申请号14/610,502的美国专利申请中所描述的可重构超材料技术。
图14A-图14D示出用于产生缝隙阵列的不同层的一个实施例。天线阵列包括以环形定位的天线元件，例如图10所示的示例环形。注意的是，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14A示出第一膜片板层的具有对应于缝隙的位置的一部分。参照图14A，圆圈是膜片基底的底部侧中的金属化物中的敞口区域/缝隙，并且用于控制元件与馈送(馈送波)的联接。注意的是，该层是可选层并且不用于所有设计中。图14B示出第二膜片板层的包括缝隙的一部分。图14C示出第二膜片板层的一部分上方的贴片。图14D示出缝隙阵列的一部分的俯视图。
图15示出圆柱馈送天线结构的一个实施例的侧视图。该天线使用双层馈送结构(即，两层的馈送结构)产生向内行进波。在一个实施例中，天线包括圆形外部形状，但这不是必需的。也就是说，可以使用非圆形向内行进结构。在一个实施例中，图15中的天线结构包括图9的同轴馈送部。
参照图15，同轴引脚1601用于激励天线的低层级上的场(field)。在一个实施例中，同轴引脚1601是容易获得的50Ω同轴引脚。同轴引脚1601联接(例如，螺栓连接)到天线结构的底部，其中天线结构的底部是导电接地平面1602。
作为内部导体的间隙导体(interstitial conductor)1603与导电接地平面1602分离。在一个实施例中，导电接地平面1602和间隙导体1603彼此平行。在一个实施例中，接地平面1602和间隙导体1603之间的距离为0.1-0.15"。在另一实施例中，该距离可以是λ/2，其中λ是行进波在操作频率下的波长。
接地平面1602通过间隔件1604与间隙导体1603分离。在一个实施例中，间隔件1604是类似泡沫或空气的间隔件。在一个实施例中，间隔件1604包括塑料间隔件。
电介质层1605在间隙导体1603的顶部上。在一个实施例中，电介质层1605是塑料。电介质层1605的目的是使行进波相对于自由空间速度变慢。在一个实施例中，电介质层1605使行进波相对于自由空间变慢30％。在一个实施例中，适合于波束成形的折射率范围是1.2-1.8，其中自由空间按照定义具有等于1的折射率。诸如例如塑料的其它电介质间隔件材料可用于实现这种效果。注意的是，只要能实现期望的波变慢效果，可以使用除塑料之外的材料。可选地，例如，具有分布结构的材料可以用作电介质层1605，例如可以被加工或光刻界定的周期性亚波长金属结构。
RF阵列1606在电介质层1605的顶部上。在一个实施例中，间隙导体1603和RF阵列1606之间的距离为0.1-0.15"。在另一实施例中，该距离可以是λeff/2，其中λeff是在设计频率下介质中的有效波长。
天线包括侧部1607和1608。侧部1607和1608成角度以使从同轴引脚1601馈送的行进波通过反射，从间隙导体1603下方的区域(间隔件层)传播到间隙导体1603上方的区域(电介质层)。在一个实施例中，侧部1607和1608的角度为45°角。在可选实施例中，侧部1607和1608可以利用连续半径代替以实现反射。虽然图15示出具有45度角的成角度侧部，但是可以使用实现从低层级馈送到高层级馈送的信号传输的其它角度。也就是说，基于下部馈送中的有效波长将通常不同于上部馈送中的有效波长，与理想的45°角的一些偏差可能用于辅助从低层级馈送到高层级馈送的传输。例如，在另一实施例中，利用单个阶梯部(step)替代45°角。在天线的一端上的阶梯部围绕电介质层、间隙导体和间隔件层。相同的两个阶梯部在这些层的另一端处。
在操作中，当馈送波从同轴引脚1601被馈送时，该波在接地平面1602和间隙导体1603之间的区域中、从同轴引脚1601同心定向地向外行进。同心出射波被侧部1607和1608反射，并且在间隙导体1603和RF阵列1606之间的区域中向内行进。从圆形外周的边缘的反射使得波保持同相(即，它是同相反射)。行进波由电介质层1605而变慢。此时，行进波开始与RF阵列1606中的元件相互作用并且激励以获得期望的散射。
为了终止行进波，终端1609在天线的几何中心处被包括在天线中。在一个实施例中，终端1609包括引脚终端(例如，50Ω引脚)。在另一实施例中，终端1609包括RF吸波器，该RF吸波器终止未使用的能量以防止未使用的能量反射回穿过天线的馈送结构。可在RF阵列1606的顶部处使用这些元件。
图16示出具有出射波的天线系统的另一实施例。参照图16，两个接地平面1610和1611基本上彼此平行，电介质层1612(例如，塑料层等)在接地平面之间。RF吸波器1619(例如，电阻器)将两个接地平面1610和1611联接在一起。同轴引脚1615(例如，50Ω)向天线馈送。RF阵列1616在电介质层1612和接地平面1611的顶部上。
在操作中，馈送波通过同轴引脚1615馈送并且同心地向外行进且与RF阵列1616的元件相互作用。
图15和图16的两个天线中的圆柱馈送部改善了天线的服务角度。代替正负四十五度方位角(±45°Az)和正负二十五度仰角(±25°E1)的服务角度，在一个实施例中，天线系统在所有方向上具有与瞄准线成七十五度(75°)的服务角度。与包括许多单独的辐射器的任何波束成形天线一样，总天线增益取决于构成元件的增益，构成元件本身与角度相关。当使用共同的辐射元件时，总天线增益通常随着波束进一步远离瞄准线而减小。在距瞄准线75度的情况下，预计增益显著降低约6dB。
具有圆柱馈送部的天线的实施例解决了一个或多个问题。这些问题包括：相较于利用企业分配器网络馈送的天线，大大简化了馈送结构，从而降低了所需的总天线和天线馈送部体积；通过利用更简略的控制(一直扩展到简单的二元控制)来维持高波束性能，降低了对制造和控制误差的敏感度；由于圆柱定向的馈送波在远场中产生了在空间上不同的旁瓣，因此相较于直线馈送，提供了更有利的旁瓣图案；并且允许偏振是动态的，这包括允许左旋圆偏振、右旋圆偏振和线性偏振，而无需偏振器。
波散射元件的阵列
图15的RF阵列1606和图16的RF阵列1616包括波散射子系统，该波散射子系统包括用作辐射器的一组贴片天线(即，散射器)。该组贴片天线包括散射超材料元件的阵列。
在一个实施例中，天线系统中的每个散射元件是晶胞的一部分，该晶胞包括下导体、电介质基底和上导体，该上导体嵌入了互补电感-电容式谐振器(“互补电LC”或“CELC”)，其中该互补电感-电容式谐振器被蚀刻在上导体中或沉积在上导体上。
在一个实施例中，液晶(LC)被注入到围绕散射元件的空隙中。液晶被封装在每个晶胞中，并且将与缝隙相关的下导体和与贴片相关的上导体分离。液晶的介电常数是包含液晶的分子的取向的函数，并且分子的取向(并且因此介电常数)可以通过调节液晶两端的偏置电压来进行控制。使用该特性，液晶用作接通/断开开关以用于将能量从导波传输到CELC。当接通时，CELC像电气小型偶极天线一样发射电磁波。
控制LC的厚度增加波束切换速度。下导体和上导体之间的空隙(液晶的厚度)减少百分之五十(50％)导致速度增加四倍。在另一实施例中，液晶的厚度产生约为十四毫秒(14ms)的波束切换速度。在一个实施例中，LC以本领域公知的方式掺杂以改善响应性，从而可以满足7毫秒(7ms)的需求。
CELC元件对平行于CELC元件的平面并且垂直于CELC空隙补充物施加的磁场做出响应。当电压被施加到超材料散射晶胞中的液晶时，导波的磁场分量诱发CELC的磁激励，这反过来产生与导波相同频率下的电磁波。
由单个CELC产生的电磁波的相位可以通过CELC在导波向量上的位置来选择。每个胞元产生平行于CELC的与导波同相的波。因为CELC小于波长，所以当出射波在CELC下方通过时，其相位与导波的相位相同。
在一个实施例中，该天线系统的圆柱馈送部几何结构允许CELC元件相对于波馈送部中的波的向量以四十五度(45°)的角度定位。元件的这个位置能够控制从元件产生或由元件接收的自由空间波的偏振。在一个实施例中，CELC以小于天线的操作频率的自由空间波长的元件间间距布置。例如，如果每个波长存在四个散射元件，则30GHz发射天线中的元件将为约2.5mm(即，30GHz的10mm自由空间波长的1/4)。
在一个实施例中，CELC利用贴片天线来实施，该贴片天线包括在缝隙上方与缝隙位于相同位置的贴片，并且缝隙和贴片之间具有液晶。在这方面，超材料天线像缝隙(散射)波导一样起作用。在缝隙波导的情况下，出射波的相位取决于缝隙相对于导波的位置。
胞元放置
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被放置在圆柱馈送天线孔径上。胞元的放置包括矩阵驱动器的晶体管的放置。图17示出矩阵驱动电路相对于天线元件的放置的一个实施例。参照图17，行控制器1701分别经由行选择信号Row1和Row2而联接到晶体管1711和1712，并且列控制器1702经由列选择信号Column1而联接到晶体管1711和1712。晶体管1711还通过与贴片的连接件1731而联接到天线元件1721，而晶体管1712通过与贴片的连接件1732而联接到天线元件1722。
在具有以非规则格栅放置的晶胞的圆柱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。在第一步骤中，将胞元放置在同心环上并且胞元中的每一个连接到晶体管，该晶体管被放置在胞元旁边并且用作单独驱动每个胞元的开关。在第二步骤中，构建矩阵驱动电路，以便如矩阵驱动方法所需要的将每个晶体管与唯一地址进行连接。由于矩阵驱动电路由行迹线和列迹线(类似于LCD)构建，而胞元被放置在环上，因此不存在为每个晶体管指定唯一地址的系统性方法。这种映射问题导致了覆盖所有晶体管的非常复杂的电路，并且导致了实现布线的物理迹线数量显著增加。由于胞元的高密度，这些迹线会因为耦合效应而干扰天线的RF性能。而且，由于迹线的复杂性和高封装密度，不能通过商业上可买到的布局工具来实现迹线的布线。
在一个实施例中，在放置胞元和晶体管之前预先定义了矩阵驱动电路。这确保了驱动所有胞元所需的迹线的数量最小，其中每个胞元具有唯一地址。该策略降低了驱动电路的复杂性并且简化了布线，从而提高了天线的RF性能。
更具体地，在一种方法中，在第一步骤中，将胞元放置在规则矩形格栅上，其中该规则矩形格栅包括描述每个胞元的唯一地址的行和列。在第二步骤中，胞元被分组并转换成同心圆，同时保持它们的地址以及与第一步骤中定义的行和列的连接。这种转换的目的不仅是将胞元放置在环上，而且还使胞元之间的距离和环之间的距离在整个孔径上保持恒定。为了实现这一目标，存在对胞元进行分组的若干方式。
在一个实施例中，使用了TFT封装以实现矩阵驱动器中的放置和唯一定址。图18示出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。存在连接到迹线1801的两个输入端口以及连接到迹线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，行和列迹线以90°角交叉，以减少并且可能地最小化行和列迹线之间的耦合。在一个实施例中，行迹线和列迹线在不同的层上。
示例性系统实施例
在一个实施例中，组合天线孔径用于结合机顶盒操作的电视系统中。例如，在双接收天线的情况下，由天线接收的卫星信号被提供给电视系统的机顶盒(例如，直播电视(DirecTV)接收器)。更具体地，组合天线操作能够同时接收两个不同频率和/或偏振的RF信号。也就是说，元件的一个子阵列被控制以接收一个频率和/或偏振的RF信号，而另一个子阵列被控制以接收另一个不同的频率和/或偏振的信号。这些频率或偏振上的差异表示电视系统正在接收不同频道。类似地，可以针对两个不同的波束位置控制两个天线阵列，以接收来自两个不同位置(例如，两个不同卫星)的频道，从而同时接收多个频道。
图19是在电视系统中同时执行双重接收的通信系统的一个实施例的框图。参照图19，天线1401包括两个空间交错的天线孔径，两个空间交错的天线孔径可独立操作以如上所述同时执行在不同频率和/或偏振下的双接收。注意的是，虽然仅提到了两个空间交错的天线操作，但是TV系统可以具有多于两个的天线孔径(例如，3个、4个、5个等天线孔径)。
在一个实施例中，包括两个交错的缝隙阵列的天线1401联接到双工器1430。联接可以包括一个或多个馈送网络，一个或多个馈送网络接收来自两个缝隙阵列的元件的信号以产生被馈送到双工器1430的两个信号。在一个实施例中，双工器1430是商业上可买到的双工器(例如，来自A1Microwave的PB1081WA型Ku-波段情景双工器)。
将双工器1430联接至一对低噪声降频器(LNB)1426和1427，一对LNB 1426和1427以本领域公知的方式执行噪声过滤功能、降频转换功能和放大。在一个实施例中，LNB 1426和1427在室外单元(ODU)中。在另一实施例中，LNB 1426和1427被集成到天线设备中。LNB1426和1427联接到机顶盒1402，机顶盒1402联接到电视1403。
机顶盒1402包括将从双工器1430输出的两个信号转换成数字格式的一对模数转换器(ADC)1421和1422，一对ADC 1421和1422联接到LNB 1426和1427。
一旦转换成数字格式，则该信号由解调器1423解调并且由解码器1424解码，以获得关于接收波的解码数据。然后，解码数据被发送到控制器1425，控制器1425将解码数据发送到电视1403。
控制器1450控制天线1401，天线1401包括单个组合的物理孔径上的交错的两个天线孔径的缝隙阵列元件。
全双工通信系统的示例
在另一实施例中，组合天线孔径用于全双工通信系统中。图20是具有同时传输和接收路径的通信系统的另一实施例的框图。虽然仅示出一个传输路径和一个接收路径，但是通信系统可以包括多于一个的传输路径和/或多于一个的接收路径。
参照图20，天线1401包括两个空间上交错的天线阵列，两个空间上交错的天线阵列可独立地操作以如上所述在不同的频率下同时地传输和接收。在一个实施例中，天线1401联接到双工器1445。联接可以通过一个或多个馈送网络进行。在一个实施例中，在径向馈送天线的情况下，双工器1445将两个信号组合，并且天线1401和双工器1445之间的连接是可以携带两个频率的单个宽带馈送网络。
双工器1445联接到低噪声降频器(LNB)1427，LNB 1427以本领域公知的方式执行噪声过滤功能、降频转换和放大功能。在一个实施例中，LNB 1427在室外单元(ODU)中。在另一实施例中，LNB 1427被集成到天线设备中。LNB 1427联接到调制解调器1460，调制解调器1460联接到计算系统1440(例如，计算机系统、调制解调器等)。
调制解调器1460包括将从双工器1445输出的接收信号转换为数字格式的模数转换器(ADC)1422，ADC 1422与LNB 1427联接。一旦转换成数字格式，则信号由解调器1423解调并由解码器1424解码以获得关于接收波的解码数据。然后，解码数据被发送到控制器1425，控制器1425将解码数据发送到计算系统1440。
调制解调器1460还包括对待从计算系统1440传输的数据进行编码的编码器1430。编码数据由调制器1431调制，然后由数模转换器(DAC)1432转换为模拟信号。然后，模拟信号由BUC(升频和高通放大器)1433滤波，并被提供至双工器1445的一个端口。在一个实施例中，BUC 1433在室外单元(ODU)中。
以本领域公知的方式操作的双工器1445向天线1401提供传输信号以用于传输。
控制器1450控制天线1401，天线1401包括单个组合物理孔径上的两个天线元件的阵列。
注意的是，图20中所示的全双工通信系统具有许多应用，包括但不限于互联网通信、车辆通信(包括软件更新)等。
以上详细描述的一些部分是根据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的。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他们工作的实质传达给本领域其它技术人员的手段。本文的算法通常被认为是取得期望结果的自相一致的步骤序列。这些步骤是需要物理量的物理操作的步骤。通常，尽管不是必须的，但这些量采用能够被存储、传输、组合、比较和以其它方式操控的电信号或磁信号的形式。已经证明主要出于通用的原因，有时将这些信号称为位、值、元素、符号、字符、术语、数字等是方便的。
然而，应该记住的是，所有这些和类似术语都与适当的物理量相关，并且仅仅是应用于这些量的方便标记。除非从以下讨论中明确说明或者显而易见，否则应当理解的是，在整个说明书中，使用诸如“处理”或“计算”或“运算”或“确定”或“显示”等术语的讨论指的是计算机系统或类似的电子计算装置的动作和进程，该计算机系统或类似的电子计算装置操控在计算机系统的寄存器和存储器中的以物理(电子)量表示的数据，并且将其转换成与在计算机系统存储器或寄存器或其它这样的信息存储、传输或显示装置中的以物理量类似表示的其它数据。
本发明还涉及用于执行本文操作的设备。该设备可以为所需目的而专门建造，或者其可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算机。这样的计算机程序可以存储在诸如但不限于以下的计算机可读存储介质中：包括软盘、光盘、CD-ROM和磁光盘的任何类型的磁盘，只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)，EPROM，EEPROM，磁卡或光卡，或适用于存储电子指令的任何类型的介质，其中每个介质都与计算机系统总线联接。
本文给出的算法和显示并非固有地与任意特定计算机或其它设备相关。各种通用系统可以根据本文的教导与程序一起使用，或者可以证明构造更专用的设备以执行所需的方法步骤是方便的。各种这些系统所需的结构将从下面的描述中显而易见。另外，没有参考任何特定的编程语言描述本发明。将理解的是，可以使用各种编程语言来实现如本文所述的本发明的教导。
机器可读介质包括用于以机器(例如，计算机)可读的形式存储或传输信息的任何机制。例如，机器可读介质包括只读存储器(“ROM”)；随机存取存储器(“RAM”)；磁盘存储介质；光存储介质；闪速存储器装置等等。
尽管在阅读了前面的描述之后，本发明的许多变形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，但是将理解的是，通过举例的方式示出和描述的任何特定实施例绝不旨在被认为是限制性的。因此，对各个实施例的细节的参考并不旨在限制权利要求的范围，权利要求本身仅记载被认为对本发明必不可少的那些特征。

Claims (32)

1.一种天线，包括：
物理天线孔径，其具有射频(RF)天线元件的阵列；以及
多个加热元件，每个加热元件处于RF元件的阵列的RF元件对之间。
2.根据权利要求1所述的天线，其中所述多个加热元件中的加热元件基本上等距离地处于所述阵列中的RF天线元件之间。
3.根据权利要求1所述的天线，其中所述多个加热元件中的加热元件基本上中间地处于膜片/贴片天线元件的环之间。
4.根据权利要求1所述的天线，其中所述多个加热元件中的加热元件以环的形式处于所述RF天线元件之间。
5.根据权利要求1所述的天线，其中所述多个加热元件是丝。
6.根据权利要求5所述的天线，其中大部分所述丝具有相等长度，且横截面的尺寸在加热丝的长度上相似。
7.根据权利要求6所述的天线，其中多个所述丝在所述天线孔径上提供每单位面积相同的功率耗散。
8.根据权利要求5所述的天线，其中加热丝均匀地分布在天线孔径区域上。
9.根据权利要求5所述的天线，其中加热丝的丝横截面的宽度和高度在所述天线孔径上变化，同时具有每单位面积相同的功率耗散。
10.根据权利要求5所述的天线，其进一步包括电连接至加热丝以将功率供应至所述加热丝的加热器功率汇流条，其中一个或多个加热器功率汇流条横穿所述孔径的边界密封结构。
11.根据权利要求10所述的天线，其中所述一个或多个加热器功率汇流条电连接到膜片层或贴片层上的金属层。
12.根据权利要求1所述的天线，其进一步包括温度监测子系统，以监测RF天线元件的温度并且控制所述多个加热元件以调节所述RF天线元件的温度。
13.根据权利要求12所述的天线，其中所述温度监测子系统可操作成估计所述RF天线元件中的液晶的液晶温度。
14.根据权利要求13所述的天线，其中所述温度监测子系统包括：
一个或多个电路，其包括串联联接的电压输入部、电流感测电阻器和晶体管，其中所述晶体管被整合在所述天线中的贴片层上并且与液晶接触；
温度控制器，其向所述电路提供输入电压；以及
监测电路，其监测所述电流感测电阻器两端的电压以获得测量的电流，其中所述温度控制器可操作成将所述测量的电流与所述晶体管的温度相关联，所述晶体管的温度指示所述液晶温度。
15.根据权利要求13所述的天线，其中所述温度监测子系统可操作成通过以下来测量所述液晶温度：监测电流感测电阻器两端的电压，所述电流感测电阻器与晶体管串联联接，所述晶体管被整合在所述天线中的层上并且与所述液晶接触；测量流经所述电流感测电阻器的电流；并且将所述电流与所述晶体管的温度相关联，所述晶体管的温度指示所述液晶温度。
16.根据权利要求15所述的天线，其中所述层是具有多个贴片的贴片层，其中所述贴片中的每一个在多个缝隙中的缝隙上方与所述缝隙位于相同位置并且与所述缝隙分离，从而形成贴片/缝隙对。
17.根据权利要求13所述的天线，其中所述温度监测子系统可操作成通过以下来测量电容器的电容：匹配所述孔径中的贴片层和膜片层上的导电表面，其中液晶在所述贴片层和所述膜片层之间；利用联接至所述导电表面的电路测量所述电容器的电容；并且将所述电容与所述液晶的温度相关联。
18.根据权利要求13所述的天线，其中所述温度监测子系统可操作成测量液晶的衰减速度并且将所述衰减速度与所述液晶的温度相关联。
19.根据权利要求1所述的天线，其中所述加热元件是覆板上的处于贴片基底和所述覆板的底部之间的加热丝图案的一部分。
20.根据权利要求1所述的设备，其中所述RF天线元件的阵列包括天线元件的可调谐缝隙阵列。
21.根据权利要求20所述的设备，其中所述可调谐缝隙阵列包括：
多个缝隙；
多个贴片，其中所述贴片中的每一个在所述多个缝隙中的缝隙上方与所述缝隙位于相同位置并且与所述缝隙分离，从而形成贴片/缝隙对，每个贴片/缝隙对基于将电压施加到所述对中的所述贴片而被断开或接通；以及
控制器，其应用控制图案来控制接通和断开哪些贴片/缝隙对以引起波束的产生。
22.一种天线，包括：
物理天线孔径，其具有射频(RF)天线元件的阵列；
多个加热元件，其在所述天线孔径内；以及
温度监测子系统，其监测所述天线孔径内的温度，并且控制所述多个加热元件以调节所述RF天线元件的温度。
23.根据权利要求21所述的天线，其中所述温度监测子系统可操作成估计所述RF天线元件中的液晶的液晶温度。
24.根据权利要求23所述的天线，其中所述温度监测子系统包括：
一个或多个电路，其包括串联联接的电压输入部、电流感测电阻器和晶体管，其中所述晶体管被整合在所述天线中的贴片层上并且与液晶接触；
温度控制器，其向所述电路提供输入电压；以及
监测电路，其监测所述电流感测电阻器两端的电压以获得测量的电流，其中所述温度控制器可操作成将所述测量的电流与所述晶体管的温度相关联，所述晶体管的温度指示所述液晶温度。
25.根据权利要求23所述的天线，其中所述温度监测子系统可操作成通过以下来测量所述液晶温度：监测电流感测电阻器两端的电压，所述电流感测电阻器与晶体管串联联接，所述晶体管被整合在所述天线中的层上并且与所述液晶接触；测量流经所述电流感测电阻器的电流；并且将所述电流与所述晶体管的温度相关联，所述晶体管的温度指示所述液晶温度。
26.根据权利要求25所述的天线，其中所述层是具有多个贴片的贴片层，其中所述贴片中的每一个在多个缝隙中的缝隙上方与所述缝隙位于相同位置并且与所述缝隙分离，从而形成贴片/缝隙对。
27.根据权利要求23所述的天线，其中所述温度监测子系统可操作成通过以下来测量电容器的电容：匹配所述孔径中的贴片层和膜片层上的导电表面，其中液晶在所述贴片层和所述膜片层之间；利用联接至所述导电表面的电路测量所述电容器的电容；并且将所述电容与所述液晶的温度相关联。
28.根据权利要求22所述的天线，其中所述加热元件是覆板上的处于贴片基底和所述覆板的底部之间的加热丝图案的一部分。
29.根据权利要求22所述的设备，其中所述RF天线元件的阵列包括天线元件的可调谐缝隙阵列。
30.根据权利要求29所述的设备，其中所述可调谐缝隙阵列包括：
多个缝隙；
多个贴片，其中所述贴片中的每一个在所述多个缝隙中的缝隙上方与所述缝隙位于相同位置并且与所述缝隙分离，从而形成贴片/缝隙对，每个贴片/缝隙对基于将电压施加到所述对中的所述贴片而被断开或接通；以及
控制器，其应用控制图案来控制接通和断开哪些贴片/缝隙对以引起波束的产生。
31.一种方法，包括：
监测电流感测电阻器两端的电压，所述电流感测电阻器与晶体管串联联接，所述晶体管被整合在所述天线中的层上并且与液晶接触；
测量流经所述电流感测电阻器的电流；并且
将所述电流与所述晶体管的温度相关联，所述晶体管的温度指示液晶温度。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述层是具有多个贴片的贴片层，其中所述贴片中的每一个在多个缝隙中的缝隙上方与所述缝隙位于相同位置并且与所述缝隙分离，从而形成贴片/缝隙对。
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