CN109923735A - 平板天线的定向耦合器馈电 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有定向耦合器馈电和波导的诸如平板、漏波天线的天线。在一个示例中，天线包括具有天线元件的表面、导波传输线和耦合表面。导波传输线提供导向馈电波。耦合表面位于导波传输线和具有天线元件的表面之间并将其分隔开。耦合表面控制导向馈电波到天线元件的耦合。耦合表面还可以对导向馈电波进行空间滤波，以为天线元件提供更均匀的功率密度。导向馈电波可以是高功率密度的电磁波或密度径向衰减的电磁波。

Description

平板天线的定向耦合器馈电
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年11月3日提交的申请号为62/416,907的名称为“定向耦合器馈电(DIRECTIONAL COUPLER FEED)”的美国临时专利申请以及于2017年11月2日提交的申请号为15/802,320的名称为“平板天线的定向耦合器馈电(DIRECTIONAL COUPLER FEEDFOR FLAT PANEL ANTENNAS)”的美国申请的优先权和权益，此两者均通过引用并入本文并共同转让。
技术领域
本发明的示例和实施例属于通信领域，包括卫星通信和天线。更特别地，本发明的示例和实施例涉及平板天线的定向耦合器馈电。
背景技术
卫星通信涉及电磁波的传输。电磁波可以具有较小的波长，并且可以在千兆赫(GHz)范围内的高频率下进行传输。卫星天线可以产生聚焦的高频电磁辐射束，允许具有宽带宽和高传输速率的点对点通信。一种类型的卫星天线是平板天线。这种类型的天线包括具有用以接收和发射电磁波的偶极子或其他辐射元件的多个面板或区段。如果天线元件以串联方式馈电或者如果天线元件沿馈电波导的长度分布，则与周期性漏波天线一样，馈电波沿平板天线的孔径或面积传播并且功率密度分布由于天线元件的辐射而沿孔径衰减。期望跨天线孔径的功率密度分布尽可能均匀，以便最大化天线的孔径效率。
发明内容
公开了具有定向耦合器馈电和波导的诸如平板、漏波天线的天线。在一个示例中，天线包括具有天线元件的表面、导波传输线和耦合表面。导波传输线提供导向馈电波。耦合表面位于导波传输线和具有天线元件的表面之间并将其分隔开。耦合表面用于控制导向馈电波到天线元件的耦合。耦合表面可以控制导向馈电波到天线元件的垂直耦合或横向耦合。耦合表面还可以对导向馈电波进行空间滤波，以提供更均匀的功率密度，从而对天线元件提供更均匀的激励。导向馈电波可以是高功率密度的电磁波或高功率密度的径向衰减的电磁波。
在一个示例中，天线元件可以是散射天线元件，并且表面可以是天线的散射表面。在一个示例中，导波传输线可以是边缘馈电柱形波导、中心馈电柱形波导、线性波导或条带线传输线的一部分。波导可包括顶部波导和底部波导。在一个示例中，底部波导中的功率密度可以通过耦合表面馈入顶部波导，以补偿顶部导向件中的功率衰减。
描述了其他天线、方法、系统和耦合器馈电。
附图说明
从下面给出的详细描述和各个示例的附图及示例将更全面地理解本发明，然而，这些不应被视为将本发明限制于特定示例和示例，而是仅用于解释和理解。
图1示出了均匀孔径功率分布、中心馈电孔径分布和边缘馈电孔径分布的示例。
图2A示出了提供改进的且更均匀的孔径分布的中心馈电天线的横截面视图的一个示例。
图2B至图2C示出了图2A的中心馈电天线的耦合表面或定向耦合器的俯视图和仰视图的示例。
图2D示出了从中心馈电天线的边缘过渡叠层的角度看的横截面视图的一个示例。
图2E示出了从中心叠层的角度看的图2A的中心馈电天线的三维视图。
图3A示出了涉及两个元件的耦合模式理论的示例性示图。
图3B示出了示出针对耦合模式理论微分方程定向耦合器馈电天线的区域关系的示例性示图。
图3C示出了示出针对耦合模式理论微分方程减少到两个区域的区域关系的示例性示图。
图4A示出了具有定向耦合器的天线的横截面视图的一个示例，其中定向耦合器用于控制多层印制电路板(PCB)条带线系统中的垂直耦合。
图4B示出了具有定向耦合器的天线的俯视图的一个示例，其中定向耦合器用于控制与微带线系统的横向耦合。
图5A示出了用于提供柱形波馈电的同轴馈电的一个示例的俯视图。
图5B示出了根据一个示例的具有一个或多个天线元件阵列的孔径，其中天线元件阵列布置在围绕柱形馈电天线的输入馈电部的同心环中。
图6示出了根据一个示例的包括接地平面和可重构谐振器层的一行天线元件的立体图。
图7示出了可调谐振器/开槽的一个示例。
图8示出了物理天线孔径的一个示例的横截面视图。
图9A至图9D示出了用于产生开槽阵列的不同层的一个示例。
图10A示出了柱形馈电天线结构的一个示例的侧视图。
图10B示出了用柱形馈电部产生出射波的天线系统的另一示例。
图11示出了将元胞分组以形成同心正方形(矩形)的示例。
图12示出了将元胞分组以形成同心八边形的示例。
图13示出了包括虹膜和矩阵驱动电路的小孔径的示例。
图14示出了用于元胞布置的晶格螺旋的示例。
图15示出了使用附加螺旋来实现更均匀密度的元胞布置的示例。
图16示出了根据一个示例的进行重复以填充整个孔径的所选择的螺旋图案。
图17示出了根据一个示例的将柱形馈电孔径分区成扇形体的一个实施例。
图18A和图18B示出了根据一个示例的图17的应用有矩阵驱动晶格的单个区段。
图19示出了将柱形馈电孔径分区成扇形体的另一示例。
图20A和图20B示出了图19的应用有矩阵驱动晶格的单个区段。
图21示出了矩阵驱动电路相对于天线元件的布置的一个示例。
图22示出了TFT封装的一个示例。
图23A和图23B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
示例和实施例公开了具有定向耦合器馈电和波导的诸如平板、漏波天线的天线。在一个示例中，天线包括具有天线元件的表面、导波传输线和耦合表面。导波传输线提供导向馈电波。耦合表面位于导波传输线和具有天线元件的表面之间并将其分隔开。耦合表面被配置成控制导向馈电波到天线元件的耦合。在一个示例中，耦合表面可以控制导向馈电波到天线元件的垂直耦合或横向耦合。耦合表面可以对导向馈电波进行空间滤波，以提供更均匀的功率密度，从而对天线元件提供更均匀的激励。导向馈电波可以是高功率密度的电磁波或高功率密度的径向衰减的电磁波。
在一个示例中，天线元件可以是散射天线元件，并且表面可以是天线的散射表面。在各个实施例中，导波传输线可以是边缘馈电柱形波导、中心馈电柱形波导、线性波导或条带线传输线的一部分。波导可包括顶部波导和底部波导。在一个示例中，底部波导中的电磁波可以通过耦合表面馈入顶部波导，以补偿顶部导向件中的功率衰减。
在下面的描述中，阐述了大量的具体细节以提供对本发明的更全面理解。然而，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，以框图形式而非详细地示出公知的结构和装置，以避免使本发明模糊。
以下详细描述的一些部分是就对计算机存储器内数据位的操作的算法和符号表示的方面来提出的。这些算法描述和表示是数据处理领域的技术人员用来将他们工作的实质最有效地传达给本领域其他技术人员的手段。这里通常认为算法是导致期望结果的自洽的步骤序列。这些步骤要求物理地操控物理量。通常，尽管不是必须的，这些物理量采用能够被存储、传输、组合、比较以及以其他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将这些信号称为比特、值、元素、符号、字符、术语以及数字等有时是方便的。
具有定向耦合器的示例性天线
图1示出了用于诸如平板天线的径向馈电天线的均匀孔径功率分布、中心馈电孔径分布和边缘馈电孔径分布的示例。径向馈电天线可以具有中心馈电配置或边缘馈电配置。对于中心馈电配置，中心馈电的射频(RF)波或电磁波向外行进，并且对于边缘馈电配置，边缘馈电的RF波或电磁波向内行进。分别在图10A和图10B中示出了这种边缘馈电和中心馈电天线配置。参照图1，顶部曲线图示出了均匀且理想的孔径分布，其中功率密度均匀地在孔径上加权，这使孔径最大化以将电磁辐射聚焦到天线元件上。
在以下示例和实施例中，公开了具有带有耦合表面的定向耦合器的用于改进的且更均匀孔径分布的天线。在以下示例中，耦合表面可以针对垂直耦合或横向耦合来控制传输线或波导中的导向馈电波到天线元件的耦合，并且对导向馈电波进行滤波以为天线元件提供更均匀的功率密度。具有耦合表面的定向耦合器可以与诸如边缘馈电柱形波导、中心馈电柱形波导、线性波导或条带传输线馈电波导的任何类型的波导一起使用，并且不限于用于天线的任何特定类型的波导系统。
(具有耦合表面的定向耦合器)
图2A示出了提供改进的且更均匀的孔径分布的中心馈电天线200的横截面视图的一个示例。中心馈电天线200可以提供许多益处，包括可控制的孔径分布以及容易的中心馈电，中心馈电天线可以是不太复杂的以便降低制造成本，而不需要例如昂贵的铝加工波导。与边缘馈电天线相比，中心馈电天线减少了馈电组件中的部件数量，更适于大批量制造技术，因此制造简单且成本更低。因此，所公开的中心馈电天线200可以提供更低的功率损耗和更高的增益，而无过耦合/欠耦合。
参照图2A，中心馈电天线200包括联接或附接到顶部导向件201的一层天线元件206和容纳中心馈电点205的底部导向件203。在一个示例中，底部导向件203可以是从中心馈电点205提供导向馈电波的导向传输线。在一个示例中，耦合表面207(定向耦合器)处于底部导向件203和顶部导向件201之间，并且可以将导向传输线与天线元件分隔开。在一个示例中，顶部导向件201和底部导向件203是波导。在一个示例中，顶部导向件201可包括玻璃层、泡沫层、诸如Rexolite的塑料层。底部导向件203可包括聚合物层和泡沫。顶部导向件201和底部导向件203都可以在其端部包括端子以防止波导中的共振，如通过图2D中的端子211所示的。在一个示例中，中心馈电点205联接或附接到底部导向件203，并且将RF波或电磁波馈入底部导向件203，这样可以引导中心馈电天线200的馈电波。在一个示例中，中心馈电点205可以形成多个电介质叠层的一部分，如图2E(中心部分叠层)所示，其中注入的模制塑料可以将叠层保持在一起。中心部分叠层可以具有任意数量的不同的配置层，并且不限于图2E中的示例。在其他示例中，可以使用金属来保持中心馈电点205的中心叠层。具有定向耦合器(耦合表面207)的中心馈电天线200可以用于本文公开的示例和实施例中的天线馈电，包括图5A至图23B的示例和实施例。
对于图2A中的耦合表面207的示例，耦合表面207处于底部导向件203与天线元件206之间，天线元件206可以位于顶部导向件201顶部的表面上。在一个示例中，耦合表面207将顶部导向件201和底部导向件203分隔开。耦合表面207可以被配置成用作或操作为定向耦合器，以控制底部导向件203中的导向馈电波到天线元件206的耦合。在该示例中，耦合表面207可以控制导向馈电波到天线元件206的垂直耦合。在其他示例中，耦合表面207可以控制导向馈电波到天线元件的横向耦合。在一个示例中，耦合表面207可以对底部导向件203中的导向馈电波进行空间滤波，以在顶部导向件201中提供更均匀的孔径或功率密度分布，并且在天线200中提供对天线元件206的更均匀的激励。
例如，耦合表面207(定向耦合器)对底部导向件203中的高功率密度电磁波204进行滤波，并且将该功率密度呈现为馈入顶部导向件201中的耦合波208以提供更均匀的顶部导向件电磁波202。在一个示例中，耦合表面207可以包括具有周期性耦合环的接地平面。接地平面可以电沉积到诸如Rexolite的塑料上或由较大的印制电路板(PCB)制成。在另一示例中，耦合表面107可以是具有开口的穿孔接地表面。在一个示例中，耦合表面207可以代替现有天线中的中间导板，并且可以是其中孔径分布不依赖于频率的宽频带耦合器。在一个示例中，耦合表面207(或定向耦合器)可以被配置成补偿由电磁波204在径向方向上传播时的扩散所造成的功率密度的降低。这种效果对于柱形波导较为常见。
在一个示例中，底部导向件203的耦合波208耦合到顶部导向件电磁波202，从而增加沿顶部导向件201的长度方向的功率密度。同样，耦合表面207允许从中心馈电点205径向移动的底部导向件电磁波204耦合到顶部导向件201中，从而补偿电磁波的功率密度，使得它不再与导向件的半径成反比。
图2B至图2C示出了图2A的中心馈电天线200的耦合表面207或定向耦合器的俯视图207A和仰视图207B的示例。顶侧耦合表面207A示出了同心虹膜211，底侧耦合表面207B示出了同心铜带212。参照图2B，在一个示例中，同心虹膜211可以蚀刻到金属中，并且可以是5mm宽并彼此间隔开。在一个示例中，虹膜211可以在耦合表面207的一侧上彼此之间具有间隙或间隔，并且金属条带(例如，铜)212的至少一部分位于耦合表面207的另一侧上，处于该间隙的至少一部分下方。
参照图2C，在一个示例中，例如铜带212(或环)的同心金属条带可以具有不同的宽度。在一个示例中，铜带212可以变得比靠近中心馈电点205的铜带更宽。在另一示例中，对于铜带中的每一个，铜带112的宽度可以是相同的。在另一实施例中，铜带212由例如铝的另一种材料制成。在一个示例中，将铜带212或环间隔开，使得反射相加并相互抵消。在一个示例中，对于一种操作频率，将环间隔间隔来产生这种抵消效果。尽管使用了圆形条带或环，但可以使用其他几何形状，例如重叠的正方形或圆形虹膜。在一个示例中，可以在顶侧耦合表面207A与底侧耦合表面207B之间放置层，该层可以是例如聚酰亚胺膜或诸如卡普顿(Kapton)板的板。
图2D示出了从中心馈电天线200的边缘过渡叠层的角度看的横截面视图的一个示例，示出了用于顶部导向件201和底部导向件203的腔室中的变化的层。参照图2D，在中心馈电天线的一个边缘处，顶部导向件201和底部导向件203中的每一个包括端子211。端子211可以是刚性端子、柔性端子或诸如Eccosorb端子的可塑端子。耦合表面207位于顶部导向件201与底部导向件203之间并将两者分隔开。在一个示例中，耦合表面207可以是2mm厚，其中在诸如Megtron 6的多层电路板基板上具有可以用作接地平面的双侧铜。顶部导向件201包括玻璃层212、泡沫层213和塑料层214。在一个示例中，玻璃层212可以是熔融石英玻璃，塑料214可以是Rexolite。底部导向件203可包括例如聚乙烯的聚合物层215和泡沫层216。图2E示出了从中心叠层的角度看的中心馈电天线200的顶部导向件201和底部导向件203的三维视图。
(定向耦合器设计)
如图2A至图2D和图4A至图4B所述的示例性耦合表面或定向耦合器可以使用与用于如图3A至图3C所述的天线系统的耦合模式理论相关的常微分方程(ODE)来配置、设计和建模。基于ODE方程，用于天线系统的耦合表面的公开示例和实施例可以被配置成期望的耦合率或优化的耦合曲线，以便为天线系统提供更均匀的孔径分布。在一个示例中，耦合表面可以被设计或配置成控制导向馈电波到天线元件的耦合，包括控制导波传输线或波导中的导向馈电波到天线元件的垂直耦合或横向耦合。耦合表面还可以被配置成对导向馈电波进行空间滤波，以为天线元件提供更均匀的功率密度。
图3A示出了用于改进孔径分布的涉及波导的耦合模式理论和相关的ODE示例的示图，下面提供了相关OED的示例：
常微分方程(ODE)
场幅度的方程为：
其中κ＝κ1，2＝κ2，1
其简单的解法为：
其中
上述ODE为改进分布提供了耦合模式理论的理论基础。该耦合模式理论涉及光学同向耦合器。在一个示例中，本文公开的定向耦合器包括对如以下文献中公开的微分方程组求解：A.亚利夫，“导波光学的耦合模式理论(Coupled-Mode Theory for Guided-WaveOptics)”，IEEE量子电子学期刊，QE-9卷，第9期，1973年9月；以及罗伯特·麦克劳德(Robert R McLeod)，科罗拉多大学，ECE 4006/5166导波光学，耦合模式-推导相关章节。
在一个示例中，设计本文公开的定向耦合器涉及重构常微分方程(ODE)并且它们进行求解，由于在中心馈电天线中的波导中的一个中存在辐射而得到不同答案。所得到的解与光学定向耦合器的不同，并且是本发明所独有的。如本文所设计的定向耦合器可以用于柱形漏波天线以及线性天线。期望的孔径分布是方程组的解的结果，并且可以是均匀或渐变分布。
关于如图2A至图2E和4A至图4B所公开的中心馈电天线的系统，可以将系统划分成如图3B所示的三个区域(区域1-3)。区域1涉及系统中的辐射自由空间。区域2和区域3涉及波导，例如，例如天线200的漏波天线的顶部导向件和底部导向件。对于涉及中心馈电天线的区域1至3的这种系统，下面提供了描述区域关系的ODE：
描述区域关系的示例性天线系统ODE
dE1/dx-αE2＝0
dE2/dx+jkE3+αE2＝0
dE3/dx+jkE2＝0
α是辐射率
k是耦合率
边界条件
E2(0)＝0
E3(0)＝1
可以将天线系统的ODE方程减少到如图3C所示的两个区域(区域2和3)，其中区域2指有损耦合导向件，区域3指耦合导向件或波导。ODE方程可以简化为中心馈电天线的2方程系统，如下所示：
减少到两方程系统ODE
dE2/dx+jkEe+αE2＝0
dE3/dx+jkE2＝0
α是辐射率
k是耦合率
边界条件
E2(0)＝0
E3(0)＝1
这些方程产生E3和E2的解，并且输入包括耦合和辐射率。在一个示例中，设计耦合表面(定向耦合器)假设恒定的辐射率和可变的耦合率。然后可以根据ODE的解来计算孔径分布，如下所述：
解产生E3和E2
Ptop guide＝E2E2 */Z Pbottom guide＝E3E3 */Z
Pradiated＝1-Ptop guide-Pbottom guide
|A(z)|2＝d/dz Pradiated
耦合表面可以被设计成使用上述ODE来实现系统的期望耦合率或优化耦合曲线，以便提供更均匀的孔径分布|A(z)|2。这种定向耦合器可以提供对沿天线孔径传播的波的更均匀和改进的照度控制。
通过使用这种定向耦合器来改进孔径分布，该系统可以提供许多改进。改进的示例可以包括孔径效率提升和改进馈电损耗，从而提供更高的天线增益，可以增加孔径大小而不会显着降低孔径效率。使用定向耦合器的其他优点包括简单的机械实现方式和较低的构建成本。可以优化定向耦合器以提供非均匀但仍可能是期望的不同的孔径分布。例如，将泰勒或切比雪夫分布作为目标有可能降低辐射图旁波瓣。
具有定向耦合器的其他天线系统
图4A示出了具有定向耦合器的天线400的横截面视图的一个示例，其中定向耦合器用于控制多层印制电路板(PCB)条带线系统中的垂直耦合。天线400包括附接到接地平面414的第一基板411，该第一基板411可以用作导波传输线以提供具有电场412和磁场413的导波。耦合表面410可以是形成在第一基板411顶部上的条带或层，耦合表面可以用作接地平面并且将第一基板411与形成在耦合表面410上的第二基板409分隔开。在第二基板409的顶部，形成天线散射表面408，其包括虹膜407、液晶406、密封件405、贴片404和第三基板401、以及联接到控制电路403以控制激活液晶406的控制线和通孔402。有源散射表面408及相关部件可以图5A至图23B中描述的方式进行操作。在一个示例中，根据图3A至图3C中描述的定向耦合器设计技术，耦合表面410可以被配置成耦合第一基板411中的导向馈电波或电磁波，以增加天线散射表面403的天线元件沿第二基板409长度方向的功率密度。这样，耦合表面410可以允许第一基板411中的电磁波径向移动，以耦合到第二基板409中，从而补偿第二基板409中的电磁波的功率密度。
图4B示出了具有定向耦合器的天线420的俯视图的一个示例，该定向耦合器用于控制与微带线系统实施例的横向耦合。天线420包括可以提供导向馈电波的微带传输线421。电容耦合元件422可以用作定向耦合器并且将条带传输线421与天线元件或互补电感电容谐振器(“互补电LC”或“CELC”)散射元件423分隔开，该散射元件423可以蚀刻在天线420的上导体中或沉积在天线420的上导体上。在CELC情况下的LC指的是电感-电容，而不是液晶。在图4B的示例中，电容耦合元件422可以根据图3A至图3C中描述的技术来配置和实施，以控制条带传输线421中的导向馈电波或电磁波与CELC散射元件423的横向耦合。
示例性平板天线
如图1至图4B所述的上述定向耦合器馈电示例和实施例可以用于如图5A至图23B所述的平板天线。在一个示例中，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示例。在一个示例中，天线系统是在使用用于民用商业卫星通信的频率进行操作的移动平台(例如，航空、海上、陆地等)上操作的卫星地球站(ES)的部件或子系统。在一些示例中，天线系统的示例还可用于不在移动平台上的地球站(例如，固定或可移动地球站)中。
在一个示例中，天线系统使用表面散射超材料技术来通过单独的天线形成和操控波束的发射和接收。在一个示例中，与采用数字信号处理来电形成和操控波束的天线系统(例如，相控阵天线)相反，该天线系统是模拟系统。
在一个示例中，天线系统包括三个功能子系统：(1)包括柱形波馈电结构的波导结构；(2)作为天线元件一部分的波散射超材料单位元胞阵列；以及(3)用于命令使用全息原理从超材料散射元件形成可调节辐射场(波束)的控制结构。
平板天线的示例性波导结构
图5A示出了用于提供柱形波馈电的同轴馈电部的一个示例的俯视图。参照图5A，同轴馈电部包括中心导体和外导体。在一个示例中，柱形波馈电结构利用从馈电点以柱形方式向外扩展的激励从中心点向天线馈电。也就是说，柱形馈电天线产生向外行进的同心馈电波。在一个示例中，柱形馈电周围的柱形馈电天线的形状可以是圆形、方形或任何形状。在另一示例中，柱形馈电天线产生向内行进的馈电波。在这种情况下，馈电波最自然地来自于圆形结构。图5B示出了具有一个或多个天线元件阵列的孔径，其中天线元件阵列布置在围绕柱形馈电天线的输入馈电部的同心环中。
天线元件
在一个示例中，天线元件包括一组贴片和开槽天线(单位元胞)。该组单位元胞包括散射超材料元件阵列。在一个示例中，天线系统中的每个散射元件是单位元胞的一部分，单位元胞由下导体、介电基板以及嵌入有互补电感电容谐振器(“互补电子LC”或“CELC”)的上导体组成，其中互补电感电容谐振器(“互补电子LC”或“CELC”)蚀刻在上导体中或沉积在上导体上。在CELC情况下的LC指的是电感-电容，而不是液晶。
在一个示例中，液晶(LC)设置在散射元件周围的间隙中。液晶被封装在每个单位元胞中，并使与开槽相关联的下导体和与其贴片相关联的上导体分隔开。液晶的介电常数是构成液晶的分子的定向的函数，并且可以通过调节液晶上的偏压来控制分子的定向(并因此控制介电常数)。在一个示例中，使用这种特性，液晶集成了接通/断开开关和在接通和断开之间的中间状态，以便将能量从导波传输到CELC。当接通时，CELC如小型电偶极天线一样发出电磁波。本文所述的教导和技术不限于具有对于能量传输以二态方式操作的液晶。
在一个示例中，这个天线系统的馈电几何结构允许将天线元件定位成与波馈送中的波向量成45度(45°)的角度。注意的是，可以使用其他定位(例如，以40°角)。元件的这个位置能够控制被元件接收或从元件传输/辐射的自由空间波。在一个示例中，天线元件以小于天线工作频率的自由空间波长的元件间间隔来布置。例如，如果每一个波长具有四个散射元件，则30GHz发射天线中的元件将为约2.5mm(即，为30GHz的10mm自由空间波长的1/4)。
在一个示例中，如果被控制到相同的调谐状态，则两组元件彼此垂直并且同时具有相等幅度的激励。相对于馈电波激励将两组元件旋转+/-45度可一次实现两个期望的特征。一组旋转0度且另一组旋转90度将实现垂直的目标，但不是等幅激励的目标。注意的是，当如上所述以单个结构从两侧向天线元件阵列馈电时，可以使用0度和90度来实现隔离。
通过使用控制器向贴片施加电压(跨LC信道的电势)来控制来自每个单位元胞的辐射功率量。每一个贴片的迹线用于向贴片天线提供电压。该电压用于调谐电容或使电容失谐，从而调谐各个元件的谐振频率或使各个元件的谐振频率失谐以实现波束形成。所需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液晶开始受电压影响的阈值电压以及饱和电压来描述，高于该饱和电压则电压的增加不会引起液晶的大调谐。这两个特征参数可针对不同的液晶混合物而改变。
在一个示例中，矩阵驱动用于向贴片施加电压，以便与所有其它元胞分隔开地驱动每一个元胞，而无需针对每一个元胞进行单独的连接(直接驱动)。由于元件密度高，所以矩阵驱动器是单独处理每个元胞的最有效方法。
在一个示例中，天线系统的控制结构具有2个主要部件：位于波散射结构下方的、用于天线系统的包括驱动电子器件的控制器，以及同时以不干扰辐射的方式散布在整个辐射RF阵列中的矩阵驱动切换阵列。在一个示例中，天线系统的驱动电子器件包括商用电视设备中使用的商用成品LCD控制器，该控制器通过调节到每一个散射元件的AC偏置信号的幅度来调节该元件的偏置电压。
在一个示例中，控制器还包括运行软件的微处理器。控制结构还可包括用于向处理器提供位置和方向信息的传感器(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)。位置和方向信息可由地球站中的其它系统和/或可以不是天线系统的一部分的其它系统提供到处理器。
更具体地，控制器控制哪些元件被接通、哪些元件被断开以及在哪个相位和幅度水平处于操作频率。通过施加电压对元件进行选择性解调以进行频率操作。
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图案。控制图案使元件转向不同的状态。在一个示例中，使用多态控制，其中各个元件接通和断开到不同的电平，这进一步近似正弦控制图案，而不是方波(即，正弦曲线灰调调制图案)。在一个示例中，一些元件比其它元件辐射的更强，而不是一些元件辐射而另一些元件不辐射。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，从而可变地使元件失谐并使一些元件比其它元件辐射的更多。
由元件的超材料阵列生成的聚焦波束可通过相长干涉和相消干涉的现象来解释。如果各个电磁波在自由空间中相遇时具有相同的相位则各个电磁波叠加(相长干涉)，如果各个电磁波在自由空间中相遇时处于相反相位则它们相互抵消(相消干涉)。如果开槽天线中的开槽定位在使得每个连续开槽位于与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前一开槽的散射波不同的相位。如果开槽间隔开四分之一的导波长，则每一个开槽将散射与前一开槽的散射波具有四分之一相位延迟的波。
使用该阵列，可增加可产生的相长干涉和相消干涉的图案的数量，使得使用全息术的原理使波束理论上可在自天线阵列的视轴加或减90度(90°)的任何方向上指向。因此，通过控制接通或断开哪些超材料单位元胞(即，通过改变使哪些元胞接通以及使哪些元胞断开的图案)，可产生不同的相长干涉和相消干涉图案，并且天线可改变主波束的方向。接通和断开单位元胞所需的时间决定了波束从一个位置切换到另一个位置的速度。
在一个示例中，天线系统为上行天线产生一个可控波束，为下行天线产生一个可控波束。在一个示例中，天线系统使用超材料技术来接收波束并对来自卫星的信号进行解码，并且形成指向卫星的发射波束。在一个示例中，与采用数字信号处理来电形成和操控波束的天线系统(例如，相控阵天线)相反，该天线系统是模拟系统。在一个示例中，认为天线系统是平面且相对低轮廓的“表面”天线，当与常规的碟形卫星天线接收器相比时尤为如此。
图6示出了包括接地平面645和可重构谐振器层630的一行天线元件的透视图600。可重构谐振器层630包括可调谐开槽610的阵列。可调谐开槽610的阵列可被配置成使天线指向期望的方向。可通过改变穿过液晶的电压来调谐/调节每一个可调谐开槽。
控制模块680联接到可重构谐振器层630，以通过改变图6中的穿过液晶的电压来调制可调谐开槽610的阵列。控制模块680可包括现场可编程门阵列(“FPGA”)、微处理器、控制器、片上系统(Sock)或其它处理逻辑。在一个示例中，控制模块680包括用以驱动可调谐开槽610的阵列的逻辑电路(例如，多路器)。在一个示例中，控制模块680接收包括待被驱动到可调谐开槽610的阵列上的全息衍射图案所用的规范的数据。可响应于天线和卫星之间的空间关系生成全息衍射图案，使得全息衍射图案沿适当的方向操控下行波束以进行通信(如果天线系统执行发射的话，则操控上行波束)。虽然未在每一个附图中绘出，但类似于控制模块680的控制模块可驱动本公开的附图中描述的每一个可调谐开槽阵列。
射频(“RF”)全息术也可以使用类似技术，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。在卫星通信的情况下，参考波束是馈电波的形式，例如馈电波605(在一些示例中约为20GHz)。为了将馈电波转换为辐射波束(用于发射或接收目的)，计算期望的RF波束(目标波束)和馈电波(参考波束)之间的干涉图案。将干涉图案驱动到可调谐开槽610的阵列上作为衍射图案，使得馈电波“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电波“重建”目标波束，这是根据通信系统的设计要求形成的。全息衍射图案包括每一个元件的激励，并且通过计算，其中win作为波导中的波动方程，wout作为出射波上的波动方程。
图7示出了可调谐振器/开槽610的一个示例。可调谐开槽610包括虹膜/开槽612、辐射贴片611和设置在虹膜612和贴片611之间的液晶(LC)613。在一个示例中，辐射贴片611与虹膜612共置。
图8示出了根据一个示例的物理天线孔径的横截面视图。天线孔径包括接地平面645和包括在可重构谐振器层630中的虹膜层633内的金属层636。在一个示例中，图8的天线孔径包括图7的多个可调谐振器/开槽610。虹膜/开槽612由金属层636中的开口限定。诸如图6的馈电波605的馈电波可以具有与卫星通信信道兼容的微波频率。馈电波在接地平面645和谐振器层630之间传播。
可重构谐振器层630还包括垫片层632和贴片层631。垫片层632设置在贴片层631和虹膜层633之间。在一个示例中，间隔物可以代替垫片层632。在一个示例中，虹膜层633是包括铜层作为金属层636的印制电路板(“PCB”)。在一个示例中，虹膜层633是玻璃。虹膜层633可以是其它类型的基板。
可在铜层中蚀刻开口以形成开槽612。在一个示例中，虹膜层633通过导电粘合层导电地联接到图8中的另一结构(例如，波导)。注意的是，在一个示例中，虹膜层未通过导电粘合层导电地联接，而是与非导电粘合层接合。
贴片层631也可以是包括金属作为辐射贴片611的PCB。在一个示例中，垫片层632包括提供机械阻隔以限定金属层636和贴片611之间尺寸的间隔物639。在一个示例中，间隔物为75微米，但也可使用其它大小(例如，3-200mm)。如上所述，在一个示例中，图8的天线孔径包括多个可调谐振器/开槽，例如图7的包括贴片611、液晶613和虹膜612的可调谐振器/开槽610。间隔物639、虹膜层633和金属层636限定用于液晶613的腔室。当腔室填充有液晶时，可将贴片层631层压到间隔物639上以密封谐振器层630内的液晶。
可调制贴片层631和虹膜层633之间的电压以调谐贴片和开槽(例如，可调谐振器/开槽610)之间的间隙中的液晶。调节穿过液晶613的电压会改变开槽(例如，可调谐振器/开槽610)的电容。因此，可通过改变电容来改变开槽(例如，可调谐振器/开槽610)的电抗。开槽610的谐振频率也根据方程改变，其中f是开槽610的谐振频率，L和C分别是开槽610的电感和电容。开槽610的谐振频率影响从通过波导传播的馈电波605辐射的能量。作为示例，如果馈电波605为20GHz，则可(通过改变电容)将开槽610的谐振频率调节到17GHz，使得开槽610基本上不耦合来自馈电波605的能量。或者，可将开槽610的谐振频率调节到20GHz，使得开槽610耦合来自馈电波605的能量并将该能量辐射到自由空间中。虽然给出的示例是二态的(完全辐射或根本不辐射)，但利用多值范围内的电压变化进行开槽610的电抗以及因此谐振频率的全灰度控制是可能的。因此，可精细地控制从每一个开槽610辐射的能量，使得可通过可调谐开槽的阵列形成详细的全息衍射图案。
在一个示例中，一行中的可调谐开槽彼此间隔λ/5。可以使用其他类型的间隔。在一个示例中，一行中的每一个可调谐开槽与相邻行中最近的可调谐开槽间隔λ/2，因此，不同行中的共同定向的可调谐开槽间隔λ/4，然而，其它间距也是可能的(例如，λ/5、λ/6.3)。在另一示例中，一行中的每一个可调谐开槽与相邻行中最近的可调谐开槽间隔λ/3。
本发明的示例对于市场的多孔径需求使用可重构超材料技术，诸如于2014年11月21日提交的申请号为14/550,178的名称为“来自可操纵的柱形馈电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)”的美国专利申请和于2015年1月30日提交的申请号为14/610,502的名称为“可重构天线的脊状波导馈电结构(Ridged Waveguide FedStructure for Reconfigurable Antenna)”的美国专利申请中描述的技术。
图9A至图9D示出了用于产生开槽阵列的不同层的一个示例。注意的是，在该示例中，天线阵列具有两种不同类型的天线元件，其用于两种不同类型的频带。图9A示出了根据一个示例的具有与开槽相对应的位置的第一虹膜板层的一部分。参照图9A，圆圈是虹膜基板底侧的金属化部分中的开放区域/开槽，用于控制元件与馈源(馈电波)的耦合。在该示例中，该层是可选层，并不在所有的设计中使用。图9B示出了根据一个示例的包括开槽的第二虹膜板层的一部分。图9C示出了根据一个示例的第二虹膜板层的一部分上的贴片。图9D示出了根据一个示例的开槽阵列的一部分的俯视图。
图10A示出了柱形馈电天线结构的一个示例的侧视图。天线使用双层馈电结构(即，馈电结构具有两层)产生向内的行进波。在一个示例中，虽然不是必需的，但天线包括圆形外部形状。也就是说，可使用非圆形向内前进结构。在一个示例中，图10A中的天线结构包括图5A至图5B的同轴馈电。
参照图10A，同轴引脚1001用于激发天线的较低层上的场。在一个示例中，同轴引脚1001是容易获得的50Ω同轴引脚。同轴引脚1001联接(例如，螺栓连接)到作为传导接地平面1002的、天线结构的底部。
与传导接地平面1002分隔开的是作为内部导体的间隙导体1003。在一个示例中，传导接地平面1002和间隙导体1003彼此平行。在一个示例中，接地平面1002和间隙导体1003之间的距离为0.1"至0.15"。在另一示例中，该距离可以是λ/2，其中λ为处于工作频率的行进波的波长。
接地平面1002经由间隔物1004与间隙导体1003分隔开。在一个示例中，间隔物1004为泡沫或类似空气的间隔物。在一个示例中，间隔物1004包括塑料间隔物。
在间隙导体1003的顶部是介电层1005。在一个示例中，介电层1005为塑料。介电层1005的目的在于使行进波相对于自由空间速度变慢。在一个示例中，介电层1005使行进波相对于自由空间变慢30％。在一个示例中，适于波束形成的折射率范围为1.2至1.8，其中自由空间被定义具有等于1的折射率。可使用例如塑料的其它介电间隔物材料来实现这种效果。注意的是，可使用除塑料之外的材料，只要它们实现期望的波速减慢效果即可。另选地，具有分布式结构的材料可用作介电层1005，诸如可进行机加工或光刻界定的周期性子波长金属结构。
RF阵列1006位于介电层1005的顶部。在一个示例中，间隙导体1003与RF阵列1006之间的距离为0.1"至0.15"。在另一示例中，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1007和1008。侧部1007和1008成角度以使从同轴引脚1001馈送的行进波通过反射从间隙导体1003下方的区域(间隔层)传播到间隙导体1003上方的区域(介电层)。在一个示例中，侧部1007和1008的角度为45°。在另选示例中，侧部1007和1008可利用连续的半径来代替以实现反射。虽然图10A示出具有45°角的倾斜的侧部，但是可使用实现从下层馈送到上层馈送的信号发射的其它角度。也就是说，假设下馈送部中的有效波长大致上与上馈送部中的有效波长不同，则可使用与理想的45°角的一些偏差来帮助从下馈送层至上馈送层的传输。
在操作中，当馈电波从同轴引脚1001被馈入时，波从同轴引脚1001同心地向外地定向而行进于接地平面1002和间隙导体1003之间的区域中。同心出射波通过侧部1007和1008反射并向内地定向而行进在间隙导体1003和RF阵列1006之间的区域内。来自圆形外围边缘的反射使该波保持同相(即，其为同相反射)。行进波被介电层1005变慢。此时，行进波开始与RF阵列1006中的元件相互作用并激发，以获得所需的散射。
为终止该行进波，天线在天线的几何中心处包括端子1009。在一个示例中，端子1009包括引脚端子(例如，50Ω引脚)。在另一示例中，端子1009包括RF吸收器，其终止未使用的能量以防止未使用的能量穿过天线的馈送结构反射回来。这些可在RF阵列1006的顶部使用。
图10B示出了具有出射波的天线系统的另一示例。参照图10B，两个接地平面1010和1011基本上彼此平行，在接地平面1010与1011之间具有介电层1012(例如，塑料层等)。RF吸收器1013和1014(例如，电阻器)将两个接地平面1010和1011联接在一起。同轴引脚1015(例如，50Ω)向天线馈电。RF阵列1016位于介电层1012的顶部。
在操作中，馈电波通过同轴引脚1015馈送并且同心地向外行进并且与RF阵列1016的元件相互作用。
图10A和图10B的两个天线中的圆柱馈送部改善了天线的服务角度。在一个示例中，天线系统在所有方向上都具有距视轴75度(75°)的服务角度，来代替正负45度方位角(±45°Az)和正负25度仰角(±25°El)的服务角度。与由许多单独的辐射器组成的任何波束形成天线一样，整体天线增益取决于组成元件的增益，组成元件本身是角度相关的。当使用共同辐射元件时，整体天线增益通常会随着波束进一步远离视轴指向而减小。在偏离视轴75度处，预计有约6dB的显着增益降低。
具有柱形馈电的天线的示例解决了一个或多个问题。与利用协同分配器网络馈电的天线相比，这些示例大大简化了馈电结构，从而降低总的需要的天线和天线馈电容积；通过利用更简略的控制(一直扩展到简单的二态控制)保持高波束性能来降低对制造和控制误差的敏感度；与直线馈电相比，因为柱形定向的馈电波导致远场中空间上不同的旁波瓣，所以提供更有利的旁波瓣图案；并且允许极化是动态的，包括允许左旋圆、右旋圆和线性极化，而不需要极化器。
波散射元件阵列
图10A的RF阵列1006和图10B的RF阵列1016包括波散射子系统，其包括充当辐射器的一组贴片天线(即，散射器)。这组贴片天线包括散射超材料元件阵列。
一个示例中，天线系统中的每个散射元件是单位元胞的一部分，单位元胞由下导体、介电基板以及嵌入有互补电感电容谐振器(“互补电子LC”或“CELC”)的上导体组成，其中互补电感电容谐振器(“互补电子LC”或“CELC”)蚀刻在上导体中或沉积在上导体上。
在一个示例中，液晶(LC)被注入到散射元件周围的间隙中。液晶被封装在每个单位元胞中，并使与开槽相关联的下导体和与其贴片相关联的上导体分隔开。液晶的介电常数是构成液晶的分子的定向的函数，并且可以通过调节液晶上的偏压来控制分子的定向(并因此控制介电常数)。利用这种特性，液晶用作用于将能量从导波传输到CELC的接通/断开开关。当接通时，CELC如小型电偶极天线一样发出电磁波。
控制LC的厚度会增加波束切换速度。下导体和上导体之间的间隙(液晶厚度)减少百分之五十(50％)导致速度增加四倍。在另一示例中，液晶的厚度导致约14毫秒(14ms)的波束切换速度。在一个示例中，以本领域公知的方式掺杂LC以提高响应性，从而可满足7毫秒(7ms)的要求。
CELC元件响应于平行于CELC元件的平面并垂直于CELC间隙补足物施加的磁场。当电压被施加至超材料散射单位元胞中的液晶时，导波的磁场分量引起CELC的磁激发，其进而产生与导波频率相同频率的电磁波。
由单个CELC产生的电磁波的相位可通过导波向量上CELC的位置来选择。每个元胞产生与平行于CELC的导波同相位的波。因为CELC小于波长，所以出射波在其通过CELC下方时，具有与导波的相位相同的相位。
在一个示例中，这个天线系统的柱形馈电几何结构允许将CELC元件定位成与波馈送中的波的向量成45度(45°)的角度。元件的这个位置能够控制自元件产生或从其接收的自由空间波的极化。在一个示例中，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，如果每一个波长具有四个散射元件，则30GHz发射天线中的元件将为约2.5mm(即，为30GHz的10mm自由空间波长的1/4)。
在一个示例中，CELC利用贴片天线实现，该贴片天线包括贴片，该贴片与在贴片和开槽之间的液晶共同定位于开槽上方。在这方面，超材料天线就充当开槽(散射)波导。使用开槽波导时，出射波的相位取决于槽相对于导波的位置。
元胞布置
在一个示例中，天线元件以允许系统矩阵驱动电路的方式布置在柱形馈电天线孔径上。元胞的布置包括用于矩阵驱动的晶体管的布置。图21示出了矩阵驱动电路相对于天线元件的布置的一个示例。参照图21，行控制器2101分别经由行选择信号Row1和Row2联接到晶体管2111和晶体管2112，并且列控制器2102经由列选择信号Column1与晶体管2111和晶体管2112联接。晶体管2111还经由与贴片2131的连接而联接到天线元件2121，而晶体管2112经由与贴片2132的连接而联接到天线元件2122。
在单位元胞被布置在非规则网格中的柱形馈电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，将元胞布置在同心环上，并且将每个元胞连接到布置在该元胞旁边并用作分别驱动每个元胞的开关的晶体管。在第二步骤中，构建矩阵驱动电路，以便在矩阵驱动方法需要时将每个晶体管与唯一地址连接起来。由于矩阵驱动电路由行和列迹线(类似于LCD)构建，但是元胞布置在环上，因此没有系统的方法为每个晶体管分配唯一的地址。这种映射问题导致非常复杂的电路覆盖所有晶体管，并导致用以完成布线的物理迹线数量的显着增加。由于元胞的高密度，这些迹线由于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，迹线的布线不能通过可商购的布局工具来实现。
在一个示例中，在布置元胞和晶体管之前预定矩阵驱动电路。这确保了驱动所有元胞所需的迹线的数量最少，且每个元胞具有唯一的地址。该策略降低了驱动电路的复杂性并简化了布线，从而改善了天线的RF性能。
更具体地，在一种方法中，在第一步骤中，将元胞布置在由描述每个元胞的唯一地址的行和列组成的规则矩形网格上。在第二步骤中，将元胞分组并转换为同心圆，同时保持它们的地址以及在第一步中定义的与行和列的连接。这种转换的目标不仅是将元胞放在环上，而且还要保持元胞之间的距离和环之间的距离在整个孔上保持恒定。为了实现这一目标，有几种方法可以对元胞进行分组。
图11示出了将元胞分组以形成同心正方形(矩形)的示例。参照图11，正方形1101至1103显示在行和列的网格1100上。在这些示例中，正方形但非所有正方形在图7的右侧产生元胞布置。然后，通过数学保角映射过程，将诸如正方形1101至1103的正方形中的每一个转换成诸如天线元件的环1111至1113的环。例如，外环1111是左侧的外部正方形1101的转换。
转换后的元胞的密度由除了前一个正方形之外下一个较大的正方形包括的元胞数量确定。在一个示例中，使用正方形使附加天线元件的数量ΔN在下一个较大的正方形上为8个附加元胞。在一个示例中，该数量对于整个孔径是恒定的。在一个示例中，元胞间距1(CP1：环与环距离)与元胞间距2(CP2：沿环的元胞与元胞的距离)的比率由下式给出：
因此，CP2是CP1的函数(反之亦然)。然后，图7中的示例的元胞间距比率为：
这表示CP1大于CP2。
在一个示例中，为了执行转换，在每一个正方形上选择起始点，例如选择正方形1101上的起始点1121，并且将与该起始点相关联的天线元件布置在其对应环的一个位置上，例如布置在环1111上的起点1131上。例如，x轴或y轴可以用作起始点。此后，在正方形上选择从起始点沿一个方向(顺时针或逆时针)前进的下一个元件，并且该元件布置在环上的沿正方形中使用的相同方向(顺时针或逆时针)行进的下一个位置。重复该过程，直到所有天线元件的位置都分配了环上的位置。对所有正方形重复整个正方形到环形转换过程。
然而，根据分析研究和布线约束，优选应用大于CP1的CP2。为实现此目的，使用图12中所示的第二策略。参照图12，相对于网格1200，最初将元胞分组为八边形，例如八边形1201至1203。通过将元胞分组为八边形，附加天线元件的数量ΔN等于4，这给出了以下比率：
这导致CP2>CP1。通过最初选择起始点，可以与上面参照图11所述相同的方式执行从八边形到同心环的转换用于进行根据图12的元胞布置。
在一个示例中，关于图11和图12公开的元胞布置具有许多特征。这些特征包括：
1)在整个孔径上的恒定CP1/CP2(注意的是，在一个示例中，在孔径上基本恒定(例如，90％恒定)的天线仍将起作用)；
2)CP2是CP1的函数；
3)随着与中心定位天线馈电部的环距增加，每个环的天线元件数量持续增加；
4)将所有元胞都连接到矩阵的行和列；
5)所有元胞都具有唯一的地址；
6)将元胞置于同心环上；并且
存在旋转对称性，因为四个扇形体是相同的并且可以旋转1/4楔形以构建阵列。这有利于分区。
在其他示例中，虽然给出了两种形状，但可以使用任何形状。其他增量也是可能的(例如，6个增量)。
图13示出了包括虹膜和矩阵驱动电路的小孔径的示例。行迹线1301和列迹线1302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迹线(因为物理迹线可能必须围绕天线元件或其部分按路线行进)。每对虹膜旁边的正方形是晶体管。
图13还示出了使用双晶体管的元胞布置技术的可能性，其中每一个部件驱动PCB阵列中的两个元胞。在这种情况下，一个分立装置封装包括两个晶体管，每一个晶体管驱动一个元胞。
在一个示例中，TFT封装用于实现矩阵驱动装置中的布置和唯一寻址。图22示出了TFT封装的一个示例。参照图22，示出了具有输入端口和输出端口的TFT和保持电容器2203。有两个输入端口连接到迹线2201，两个输出端口连接到迹线2202，以使用行和列将TFT连接在一起。在一个示例中，行迹线和列迹线以90°角交叉，以使行迹线和列迹线之间的联接减少并有可能最小化。在一个示例中，行迹线和列迹线在不同的层上。
图11至图13中所示的建议的元胞布置的另一重要特征在于布局为重复图案，其中布局的每四分之一区域与其他的四分之一区域相同。这允许阵列的子部分围绕中心天线馈电部的位置沿旋转方向重复，这又允许将孔径分割成子孔径。这有助于制造天线孔径。
在另一示例中，矩阵驱动电路和柱形馈电天线上的元胞布置以不同的方式完成。为了在柱形馈电天线上实现矩阵驱动电路，通过沿旋转方向重复阵列的子部分来实现布局。该示例还允许改变可用于照度渐变的元胞密度，以改善RF性能。
在该另选方法中，元胞和晶体管基于由螺旋形迹线形成的晶格在柱形馈电天线孔径上布置。图14示出了这样的晶格顺时针螺旋的示例，例如螺旋1401至螺旋1403，其在顺时针方向上弯曲，以及示出了例如螺旋1411至1413的螺旋，其在顺时针方向或在相反方向上弯曲。螺旋的不同定向导致顺时针和逆时针螺旋之间的交叉。得到的晶格提供由逆时针迹线和顺时针迹线的交叉点给出的唯一地址，因此可以用作矩阵驱动晶格。此外，交叉点可以在同心环上分组，这对于柱形馈电天线的RF性能至关重要。
与上面讨论的柱形馈电天线孔径上的元胞布置方式不同，上面关于图14讨论的方式提供了元胞的不均匀分布。如图14所示，元胞之间的距离随着同心环半径的增加而增加。在一个示例中，将变化的密度用作在天线阵列控制器的控制下结合照明渐变的方法。
由于元胞的大小和它们之间所需的用于迹线的空间，元胞密度不能超过一定数量。在一个示例中，基于操作频率，距离是l/5。如上所述，可以使用其他距离。为了避免靠近中心的密度过高，或者换言之为了避免靠近边缘处过于稀疏，随着连续同心环的半径增加可以将附加的螺旋添加到初始螺旋中。图15示出了使用附加螺旋来实现更均匀密度的元胞布置的示例。参照图15，随着连续同心环半径的增加，将诸如附加螺旋1501的附加螺旋添加到诸如螺旋1502的初始螺旋中。根据分析模拟，该方法提供了使完全均匀分布的元胞的性能收敛的RF性能。在一个示例中，该设计因为渐变元件密度而提供了比上述一些示例更好的旁波瓣行为。
使用螺旋进行元胞布置的另一个优点在于旋转对称性和可重复图案，这可以简化布线工作并降低制造成本。图16示出了进行重复以填充整个孔径的所选择的螺旋图案。
注意的是，关于图14至图16公开的元胞布置具有许多特征。这些特征包括：
1)CP1/CP2不在整个孔径上；
2)CP2是CP1的函数；
3)随着与中心定位的天线馈电部的环距增加，每一个环的天线元件数量没有增加；
4)所有元胞都连接到矩阵的行和列；
5)所有元胞都具有唯一的地址；
6)将元胞置于同心环上；并且
7)存在旋转对称性(如上所述)。
因此，上面结合图14至图16描述的元胞布置示例具有许多与上面结合图11至图13描述的元胞布置示例相似的特征。
孔径分区
在一个示例中，通过将多个天线元件区段组合在一起来产生天线孔径。这要求对天线元件阵列进行分区，并且分区理想地需要天线的可重复覆盖区域图案。在一个示例中，发生柱形馈电天线阵列的分区，使得由于每一个辐射元件的不同旋转角度，天线覆盖区域不以直线和行内方式提供可重复图案。本文讨论的分区方法的一个目标在于提供分区而不损害天线的辐射性能。
虽然本文描述的分区技术重点在于提高并可能地最大化具有矩形形状的工业标准基板的表面利用率，但分区方法不限于这种基板形状。
在一个示例中，以四个区段的组合实现其中天线元件布置在同心和闭合环上的图案的方式执行柱形馈电天线的分区。这方面对于保持RF性能很重要。此外，在一个示例中，每一个区段需要单独的矩阵驱动电路。
图17示出了将柱形馈电孔径分区成扇形体。参照图17，区段1701至1704是相同的扇形体，其被组合以构建圆形天线孔径。区段1701至1704中的每一个上的天线元件布置在环的部分中，当区段1701至1704组合时，该环的部分形成同心并封闭的环。为了组合这些区段，将区段安装或层压到载体上。在另一示例中，区段的重叠边缘用于将它们组合在一起。在这种情况下，在一个示例中，跨边缘产生导电键结以防止RF泄漏。注意的是，元件类型不受分区的影响。
作为图17所示的这种分区方法的结果，区段1701至1704之间的接缝在中心处相遇并且从天线孔径的中心到边缘径向地行进。这种配置是有利的，因为柱形馈电部的产生的电流径向传播并且径向接缝对传播的波具有较低的寄生影响。
如图17所示，也可以使用作为LCD工业标准的矩形基板来实现孔径。图18A和图18B示出了图17的应用有矩阵驱动晶格的单个区段。矩阵驱动晶格为晶体管中的每一个分配唯一的地址。参照图18A和图18B，列连接器1801和行连接器1802联接以驱动晶格线。图18B还示出了联接到晶格线的虹膜。
从图17中可以明显看出，如果使用非正方形基板，则不能填充基板表面的较大面积。为了在非正方形基板上更有效地使用可用表面，在另一示例中，这些区段位于矩形板上，但是利用更多的板空间以用于天线阵列的分区部分。在图19中示出这种示例的一个示例。参照图19，通过组合区段1901至1904产生天线孔径，区段1901至1904包括基板(例如，板)，其中包括天线阵列的一部分。虽然每一个区段不表示圆形的扇形体，但四个区段1901至1904的组合封闭了在其上布置有元件的环。也就是说，，区段1901至1904中的每一个上的天线元件布置在的环的部分中，这些环的部分当区段1901至1904组合时形成同心并封闭的环。在一个示例中，基板以滑动瓦片方式组合，使得非正方形板的较长侧引入矩形开放区域1905。开放区域1905是位于中心的天线馈电部所在的位置并包括在天线中。
因为馈电部始于底部，所以当存在开放区域时，天线馈电部联接到其余区段，并且开放区域可以由一块金属封闭以防止来自开放区域的辐射。也可以使用终端引脚。
以这种方式使用基板允许更有效地使用可用表面区域并且导致孔径直径增加。
类似于图17、图18A和图18B所示的示例，该示例允许使用元胞布置策略来获得矩阵驱动晶格以利用唯一地址覆盖每一个元胞。图20A和图20B示出了图19的应用有矩阵驱动晶格的单个区段。矩阵驱动晶格为晶体管中的每一个分配唯一的地址。参照图20A和图20B，列连接器2001和行连接器2002联接以驱动晶格线。图20B还示出了虹膜。
对于上述两种方法，如上所述，可以基于允许在系统化和预定义的晶格中产生矩阵驱动电路的最近公开的方法来执行元胞布置。
虽然上述将天线阵列分区为四个区段，但这不是必需的。可以将阵列划分为奇数个区段，例如，划分为三个区段或五个区段。图23A和图23B示出了具有奇数个区段的天线孔径的一个示例。参照图23A，存在未进行组合的三个区段，即区段2301至2303。参照图23B，当三个区段即区段2301至2303组合时，形成天线孔径。因为所有区段的接缝不会以直线一直穿过孔径，所以这些布置不是有优势的。然而，它们确实减轻了旁波瓣。
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，但是应该理解，通过图示的方式示出和描述的任何特定的示例不旨在以任何方式被视为限制。因此，对各种示例的细节的参考并不旨在限制权利要求的范围，权利要求本身仅叙述被认为是对本发明必不可少的那些特征。

Claims (20)

1.一种天线，其包括：
具有天线元件的表面；
导波传输线，其提供导向馈电波；以及
耦合表面，其处于所述导波传输线与所述具有天线元件的表面之间，所述耦合表面将所述导波传输线和所述具有天线元件的表面分隔开。
2.根据权利要求1所述的天线，其中所述耦合表面用于控制所述导向馈电波到所述天线元件的耦合。
3.根据权利要求2所述的天线，其中所述耦合表面用于控制所述导向馈电波到所述天线元件的垂直耦合或横向耦合。
4.根据权利要求1所述的天线，其中所述耦合表面用于对所述导向馈电波进行空间滤波，以为所述天线元件提供更均匀的功率密度。
5.根据权利要求4所述的天线，其中所述导向馈电波是高功率密度电磁波或高功率密度径向衰减的电磁波。
6.根据权利要求1所述的天线，其中基于常微分方程(ODE)，所述耦合表面被配置成对于所述天线具有期望的耦合率或优化的耦合曲线，以便为所述天线提供更均匀的孔径分布。
7.根据权利要求1所述的天线，其中所述导波传输线包括边缘馈电柱形波导、中心馈电柱形波导、线性波导或条带线传输线。
8.根据权利要求7所述的天线，其中所述波导中的任意一个都包括顶部波导和底部波导。
9.根据权利要求8所述的天线，其中所述底部波导中的功率密度馈入所述顶部波导。
10.根据权利要求9所述的天线，其中所述底部波导中的所述功率密度通过所述耦合表面馈入所述顶部波导。
11.根据权利要求1所述的天线，其中所述天线元件是散射天线元件，并且所述表面是散射表面。
12.根据权利要求11所述的天线，其中所述散射天线元件被一起控制和操作以形成用于全息波束操控的频带的波束。
13.根据权利要求12所述的天线，其中所述散射天线元件包括散射天线元件的可调谐开槽阵列，并且其中所述可调谐开槽阵列中的所述天线元件位于一个或多个环中。
14.根据权利要求13所述的天线，其中散射天线元件的每一个开槽阵列包括：
多个开槽；
多个贴片，其中所述贴片中的每一个共同定位于所述多个开槽中的开槽的上方并与之分隔开，形成贴片/开槽对，每一个贴片/开槽对基于施加到所述贴片/开槽对中的所述贴片上的电压而断开或接通；以及
控制器，其应用控制模式来控制接通和断开哪个贴片/开槽对，从而产生波束。
15.一种天线，其包括：
天线元件；
导向馈电波源，其提供导向馈电波；以及
定向耦合器，其控制所述导向馈电波到所述天线元件的垂直耦合或横向耦合。
16.根据权利要求15所述的天线，其中所述定向耦合器处于所述导向馈电波源与天线元件之间，并且将所述导向馈电波源和天线元件分隔开。
17.根据权利要求16所述的天线，其中所述定向耦合器对所述导向馈电波进行空间滤波，以为所述天线元件提供更均匀的功率密度。
18.根据权利要求17所述的天线，其中所述导向馈电波是高功率密度电磁波或高功率密度径向衰减的电磁波。
19.根据权利要求16所述的天线，其中所述定向耦合器包括耦合表面，所述耦合表面基于常微分方程(ODE)被配置成对于所述天线具有期望的耦合率或优化的耦合曲线，以便为所述天线提供更均匀的孔径分布。
20.根据权利要求15所述的天线，其中所述天线包括导波传输线，以形成边缘馈电柱形波导、中心馈电柱形波导、线性波导或条带线传输线。
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