CN111095676B - 具有分体式接地电极的可变介电常数天线 - Google Patents

Abstract

一种多层天线，具有包括辐射元件的辐射层；传输层，包括用于将RF信号耦合到辐射元件的延迟线；控制层，包括可变介电常数(VDC)板；RF耦合层，包括用于将RF信号耦合到每个延迟线的布置；接地层，用作RF信号的接地。接地层也可以用作VDC控制信号的接地。接地平面可以包括多个导电接地贴片，每个导电接地贴片都与相邻的导电接地贴片相隔一定距离，该距离对于高达400Hz的方波信号来说是一个断路，但对于RF信号来说是一个短路。使间隔不大于RF信号波长的十分之一是有益的。

Description

具有分体式接地电极的可变介电常数天线

相关申请

本申请要求2017年7月19日提交的美国专利申请No.15/654,643的优先权，其公开内容通过引用全部并入本文。

背景技术

1、技术领域

本公开的发明涉及无线传输和/或接收天线以及制造此类天线及其相关联的馈电网络的方法，无论是微带、带状线还是其他。

2、相关技术

在先前的公开中，本发明人公开了一种天线，该天线利用可变介电常数(VDC)来控制天线的特性，从而形成软件定义的天线。有关该天线的详细信息可在美国专利No.7,466,269中找到，其全部公开内容通过引用并入本文中。’269专利中公开的天线通过简单地在LCD屏上方形成辐射元件和馈线而被证明是可操作且易于制造的。因此，进行进一步研究以进一步探索改进软件定义天线的不同的可能性。

在母申请中，本发明人公开了改进的可变介电常数天线的各种实施例。这些实施例中的许多改进(本文包括对其的描述)停留在多层的制造，从而分离各种信号路径。不管具体的天线设计如何，正如’269专利中所解释的，天线的软件控制是通过施加到单个VDC像素的信号来完成的。这意味着控制器必须能够单个地寻址每个像素。此外，出于成本考虑，优选使用LCD屏幕的标准控制器，例如平板电视的控制器。

传统的平板电视控制器根据设计的刷新率向像素发送方波信号以刷新屏幕上的图像。然而，传统的控制器向每个像素发出控制信号和接地信号。也就是说，在传统的电视中，每个像素有两个电极。控制器发出一个公共信号和方波信号，一个应用到输入电极，并且一个应用到像素的接地或公共电极。以这种方式，控制器可以将这些双信号串行地发送到每个像素以刷新整个屏幕。然而，如’269专利和母申请中所描述的，接地平面对所有辐射元件和所有VDC像素都是公共的。这阻止了使用标准控制器，因为标准控制器分别向每个像素发出接地信号。因此，需要能够使用传统控制器的解决方案，该控制器向每个VDC像素发出单独的接地信号，同时保持所有辐射元件的公共接地。

发明内容

将以下发明内容包含进来以便提供对本发明的一些方面和特征的基本理解。本发明内容不是本发明的广泛概述，并且因此，其并非旨在特别标识本发明的关键或重要元件或界定本发明的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现本发明的一些概念，作为下文呈现的更详细描述的序言。

本公开提供了可变介电常数天线的各种增强和改进。本文公开的实施例提供了一种改进的天线阵列和用于制造这种天线阵列的方法。另外，本文公开的实施例使得能够使用标准平板屏幕控制器来控制VDC像素，从而控制天线。具体地，这些实施例提供了单一接地平面，该单一接地平面具有用于辐射元件的公共接地和用于VDC像素的单独接地。

根据公开的实施例，通过在行之间形成DC断路(例如，通过蚀刻或刻划)，接地平面在DC方面(aspect)被划分成行。然后，控制器被激励以将接地信号发送到感兴趣像素的行。控制器还被激励以将激活信号发送到感兴趣像素，但将取消信号发送到该同一行中的其他像素。取消信号可以等于施加到同一行的接地信号。以这种方式，控制器可以顺序地激活一行又一行的像素。对于每一行，在每个给定的周期中，只有一个像素接收激活信号，而行中的其余像素获得取消信号。在下一个周期中，激活信号被应用到行中的下一个像素。

根据其他实施例，在DC方面上，接地平面被划分为单个的贴片。该实施例可与巧克力棒相对照-从RF方面来说，整个棒是一个连接件，但从DC方面来说，是各个单独的岛。根据本实施例，每个像素的接地可以单独寻址。

各种公开的实施例提供了一种具有分体式接地平面的天线。天线包括：绝缘基板；设置在绝缘基板顶面上的多个辐射贴片；可变介电常数材料构成的多个像素；以及耦合到多个辐射贴片和像素控制器的接地平面，接地平面包括多个DC断路，将接地平面划分为多个DC岛，这些DC岛由DC断路分开，其大小可实现RF信号在DC岛之间的电容耦合。在一个实施例中，DC断路形成行或列，而在另一个实施例中，DC断路形成行和列，为多个辐射贴片的每个辐射贴片提供单独的DC接地。在一个实施例中，DC断路形成DC接地的行，每行单独地耦合到像素控制器的接地信号。

公开的实施例提供了一种多层天线，包括：辐射层，包括设置在绝缘间隔物的顶面上并且以行和列的阵列布置的多个辐射贴片；传输层，包括以行和列的阵列布置的多个延迟线，每个延迟线被耦合到一个相应的辐射贴片；控制层，包括可变介电常数(VDC)板；RF耦合布置，用于将RF信号耦合到每个辐射贴片；以及接地层，包括多个导电接地贴片，每个导电接地贴片与相邻导电接地贴片之间的分开距离不大于RF信号的波长的十分之一。每个导电接地贴片可以在一行延迟线的下方或在单一延迟线的下方对准。每个导电接地贴片分别耦合到控制器的公共信号输出端，并且所有导电接地贴片协同形成RF信号的公共接地。每个导电接地贴片可以进一步包括在一个导电延迟线下方对准的至少一个孔。

各种公开的实施例提供了一种天线，该天线具有电容耦合馈线和将馈电网络连接到辐射元件(例如通孔和接近耦合)的其它装置。天线包括绝缘基板；设置在绝缘基板的顶面上的导电贴片；设置在绝缘基板的底面上的接地平面，接地平面包括其中的一个孔，该孔设置为(register)在导电贴片的下方对准；馈线，其末端被设置为在孔下方对准，以便通过孔将RF信号电容性地发送到导电贴片。其他配置也是可行的，并且提出下面的示例以提供可选的解决方案，并提供有关如何最有效地实现系统的详细信息。

本发明的实施例提供一种软件定义的天线，通过使用可变介质来控制延迟线，从而产生相位和/或频率偏移。相移可用于例如天线的空间定向或极化控制。公开的实施例解耦天线和共电馈电(corporate feed)设计，以避免它们之间的信号干扰。公开的实施例进一步解耦RF和DC电位。在多层天线设计的不同层中提供了天线的各种元件，例如辐射器(radiator)、共电馈电、可变电介质、相移控制线等，从而解耦设计并避免串扰。

各种公开的特征包括用于将RF信号耦合在辐射元件和馈线之间的新布置；用于控制信号的频率和相位的布置；多层天线；以及制造天线的方法。

附图说明

包含在本说明书中并构成其一部分的附图例示了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释和示出本发明的原理。附图旨在以图解的方式示出示例性实施例的主要特征。这些附图并非意在描绘实际实施例的每个特征或所描绘的元件的相对尺寸，并且不是按比例绘制的。

图1示出了根据一个实施例的天线的俯视图；

图1A-1C和1E示出了根据公开的实施例的天线的接地平面的俯视图；

图1D示出了根据任一公开的实施例的利用天线的接地平面的实施例的横截面；

图2示出了根据另一实施例的天线的俯视图，其中每个辐射元件可以由两条正交的馈线来馈电；

图3A示出了根据一个实施例的单个辐射元件的俯视图，而图3B示出了在图3A的辐射元件位置处天线的相关部分的横截面；

图3C是图3B的天线的变体的横截面。

图4示出了根据另一实施例的在辐射元件的位置处的天线的相关部分横截面；

图5示出了根据另一个旨在提供增强带宽的实施例，在辐射元件的位置处的天线的相关部分横截面；

图6A示出了根据类似于图2所示、具有连接到每个贴片的两条延迟线的实施例的单个辐射元件的俯视图，而图6B示出了在图6A的辐射元件的位置处天线的相关部分的横截面；同时，图6C和6D描述了在RF线正下方具有可变介电层并且RF线通过BiasT由AC电压激活的实施例，即针对两个不同的共电馈电网络提供双层以及强冲击线。图6E示出了可用于在两个不同频率下操作的矩形贴片，而图6F示出了标准Bias-T电路。

图7示出了一个实施例，其中用于控制可变介电常数材料的DC电位被施加到延迟线本身，使得不需要电极；

图8示出了一个实施例，其中两条延迟线连接到单个贴片，使得每条延迟线可以承载不同的极化；而图8A示出了图8所示的实施例的变体。

图9示出了一个实施例，其中VDC板仅包括定义的VDC材料区域；而图9A示出了图9所示的实施例的变体。

图10示出了不使用VDC板的实施例。

具体实施方式

现在将参考附图描述本发明天线的实施例。不同的实施例或其组合可用于不同的应用或实现不同的益处。根据所寻求实现的结果，本文公开的不同特征可以部分地或充分地，单独地或与其他特征结合利用，结合需求和约束来均衡优点。因此，将参考不同实施例来强调某些益处，但不限于所公开的实施例。也就是说，本文公开的特征不限于它们所描述的实施例，而是可以与其他特征“混合和匹配”，并并入其他实施例中。

与所有RF天线一样，接收和传输是对称的，因此对其中一个的描述同样适用于另一个。在这种描述中，可能更容易解释传输，但接收将是相同的，只是方向相反。

本文描述的各种实施例提供了可由标准或专门设计的平板显示控制器控制的多层天线。天线包括辐射层，辐射层包括用于辐射和接收RF信号的辐射元件；传输层，包括用于将RF信号耦合到辐射元件的延迟线；控制层，包括可变介电常数(VDC)板；RF耦合层，包括用于将RF信号耦合到每个延迟线的布置；以及作为RF信号的接地的接地层。在一些实施例中，接地层还用作VDC控制信号的接地。在接地平面用作VDC控制信号的接地的实施例中，接地平面可以包括多个导电接地贴片，每个导电接地贴片与相邻的导电接地贴片之间的分离一定距离，该距离看起来就是高达400Hz的方波信号的断路，但看起来又是RF信号的短路。在这些情况下，使这种分离不大于RF信号的波长的十分之一是有益的。

图1D示出了’269专利的图3A-3C的一个实施例的横截面，除了接地平面360是根据本文描述的实施例构造的。如’269专利所述，辐射元件320和导电线320’设置在绝缘层330之上，绝缘层330可以是玻璃面板。绝缘层330设置在LCD之上，LCD包括透明电极325、上介电板330′、液晶350、下介电板355和下电极，即接地平面360。如虚线所示，液晶可以分区域提供，并且该区域可以对应于电极325。根据’269专利，下电极360耦合到公共电位，例如接地。然而，在本公开的实施例中，接地平面360被划分并且连接到控制器的多个接地输出端，同时还耦合到公共RF地，如下文将进一步解释的。透明电极325可以单个耦合到由控制器单个提供的电位390。当任一透明电极325上的电位改变时，其下方的液晶的介电常数改变，从而在导电线320′中诱导相变。通过选择施加到透明电极325的电压量(即，控制εr)，以及通过控制被施加电压的电极的数量(即，控制d)，可以控制相位变化。

图1示出了根据一个实施例的天线100的俯视图。一般而言，天线是多层天线，其包括贴片层、真延时层、开槽接地层和共电馈电层，如下文将更详细描述的。在一些情况下，还添加有附加层，提供多极化(multiple polarization)、更宽带宽等。天线的各种元件可以被印刷或沉积在绝缘基板上。

如图1所示，本特定示例中的天线包括4x4阵列的辐射器110，但是可以使用各种几何形状和布置的任何数量的辐射器，并且4x4元件的方形布置仅被选为一个示例。在该示例中，每个辐射器110是设置(例如沉积、粘附或印刷)在绝缘层105顶部的导电贴片，并且具有物理地或电容地耦合到其上的延迟馈线115，这一点在下文将进一步说明。每个延迟馈线115是弯曲导体，向对应的贴片110提供RF信号。通过控制位于延迟线下的可变介电层，可以操纵RF信号，例如延迟、改变频率、改变相位。通过控制所有延迟线，阵列可以根据需要指向不同的方向，从而提供扫描阵列。

在图1中，每个元件仅从一条馈线115馈电。然而，如图2所示，每个辐射元件210可以由两条正交馈线215和217馈电，例如，每条馈线具有不同极化。本文提供的描述适用于这两种架构和任何类似架构。

通过下面对图3A和3B的描述，并进一步参考图8，可以更好地理解图1和图2所示天线的结构和操作。图3A示出了单个辐射元件310的俯视图，而图3B示出了在图3A的辐射元件310的位置处的天线的相关部分的横截面。图8提供了适用于本文描述的所有实施例(包括图3A和图3B的实施例)的俯视“透明”视图。因此，在研究本文公开的任何实施例时，读者还应参考图8以获得更好的理解。类似地，图1A和1B示出了可在本文公开的任何实施例中以及'269专利中公开的实施例中使用的接地平面的实施例。

顶部介电间隔物305通常是介电(绝缘)板或介电片的形式，并且可以由例如玻璃、PET等制成。辐射贴片310通过例如粘附导电膜、溅射、印刷等在间隔物上方形成。在每个贴片位置处，在介电间隔物305中形成通孔并且填充有导电材料，例如铜，以形成触点325，其物理地和电气地连接到辐射贴片310。延迟线315形成在介电间隔物305的底面上(或上粘合剂342的顶面上)，并且物理地和电气地连接到触点325。也就是说，从延迟线315到辐射贴片310通过触点325存在连续的DC电连接。如图3A所示，延迟线315是弯曲的导电线，并且可以呈现任何形状，以便具有足够的长度来产生期望的延迟，从而在RF信号中引起期望的相移。

延迟线315中的延迟由具有可变介电常数材料344的可变介电常数(VDC)板340控制。尽管用于构造VDC板340的任何方式可适合与天线的实施例一起使用，但作为具体实施例中的简略表示，VDC板340被示为由上粘合剂342(例如，玻璃、PET等)、可变介电常数材料344(例如，扭曲向列型液晶层)、和底部粘合剂346组成。在其它实施例中，可以省略粘合剂层342和344中的一个或两个。或者，可以使用粘合剂例如环氧树脂或玻璃珠来代替粘合剂层342和/或344。

在一些实施例中，例如，当使用扭曲向列型液晶层时，VDC板340还包括可沉积和/或粘合在间隔物305的底部或形成在上粘合剂342之上的对准层。对准层可以是薄的材料层，例如聚酰亚胺基PVA，该材料层用UV辐射进行固化或摩擦，以对准在限制基板的边缘处的LC分子。

通过在VDC板340上施加DC电位，可以控制VDC板340的有效介电常数。为此，电极被形成并连接到可控电压电位。存在形成电极的各种布置，并且将在所公开的实施例中示出几个示例。在图3B所示的布置中，提供了两个电极343和347，一个在上粘合剂342的底面上，一个在下粘合剂346的上表面上。作为一个示例，示出的电极347连接到可变电压电位341，而电极343连接到地。作为一种可选方案，如虚线所示，电极343也可以连接到可变电位349。图3C示出了一种变体，其中控制器发出两个信号：控制信号和接地或公共信号。控制信号被施加到电极343，而公共信号被施加到接地平面355。

因此，通过改变可变电位341和/或可变电位349的输出电压，可以改变电极343和347附近的VDC材料的介电常数，从而改变通过延迟线315传播的RF信号。改变可变电位341和/或可变电位349的输出电压可以使用运行软件的控制器Ctl来完成，该软件使控制器输出适当的控制信号来设置可变电位341和/或可变电位349的适当的输出电压。类似地，如图3C所示，可以使用传统控制器来提供控制和公共信号以控制天线的特性。因此，可以使用软件控制天线的性能和特性，即，软件控制天线。

在这一点上，应当澄清的是，在主题描述中，术语“接地”的使用既指一般可接受的接地电位，即大地电位，也指公共或参考电位，其可以是设定电位或浮动电位。例如，传统的LCD显示控制器每像素输出两个信号，其中一个被称为接地或公共信号。类似地，当在附图中使用接地符号时，它被用作可互换地表示大地或公共电位的缩写。因此，每当本文使用术语“接地”时，其中包括术语公共的或参考电位，其可以是设置或浮动电位。

在传输模式中，RF信号经由连接器365(例如，同轴电缆连接器)被施加到馈电贴片360。如图3B所示，馈电贴片360和延迟线315之间没有DC电连接。然而，在公开的实施例中，这些层的设计使得在馈电贴片360和延迟线315之间提供RF短路。如图3B所示，背板绝缘体(或电介质)350的顶面或底部粘合剂346的底面上形成背板导电接地(或公共接地)355。背板导电接地355通常是覆盖天线阵列的整个区域的导体层。在每个RF馈电位置，在背板导电接地355中提供窗口(DC断路)353。RF信号经由窗口353从馈电贴片360传播，并且耦合到延迟线315。相反的情况发生在接收过程中。因此，在延迟线315和馈电贴片360之间形成DC开路和RF短路。

在一个示例中，背板绝缘体350由

(FR-4印刷电路板)制成，并且馈电贴片360可以是形成在Rogers上的导电线。除了使用Rogers，可以使用PTFE(聚四氟乙烯或

)或其他低损耗材料。

为了进一步理解所公开的实施例的RF短路(也称为虚拟扼流圈)设计，参考图8。图8示出的实施例中两条延迟线连接到单个贴片810，使得每条延迟线可以携带不同的信号，例如，具不同极化的信号。以下解释针对其中的一条延迟线，因为另一条可具有类似的结构。

在图8中，辐射贴片810通过触点825电DC连接到延迟线815(另一馈电延迟线被称为817)。因此，在本实施例中，RF信号直接经由触点825从延迟线815发送到辐射贴片810。然而，在馈电贴片860和延迟线815之间不进行DC连接；相反，RF信号在馈电贴片860和延迟线815之间电容耦合。这是通过接地平面850中的孔完成的。如图3B所示，VDC板340位于延迟线315下方，但在图8中未示出，以便简化附图以更好地理解RF短路特性。背面接地平面850由阴影标记部分地表示，还显示窗口(DC断路)853。因此，在图8的示例中，RF路径是辐射贴片810到触点825，到延迟线815，电容性地通过窗口850到馈电贴片860。

为了RF信号的有效耦合，窗口853的长度(以“L”表示)应设置为在馈电贴片860中传播的RF信号波长的大约一半，即λ/2。窗口的宽度，表示为“W”，应设置为大约波长的十分之一，即λ/10。另外，对于RF信号的有效耦合，馈电贴片860延伸超出窗口853的边缘约四分之一波，λ/4，如D所示。类似地，延迟线815的端子(与触点825相对的端)延伸超出窗口853的边缘四分之一波，λ/4，如E所示，注意，所示的距离D比距离E长，因为在馈电贴片860中传播的RF信号的波长比在延迟线815中传播的信号的波长要长。

应注意的是，在本公开中，每个波长的参考λ表示在相关介质中传播的波长，因为根据天线的设计和施加到天线内可变介电物质的DC电位，波长可能随着在天线的各种介质中传播而改变。

如上所解释的，在图8的示例中，延迟线和辐射贴片之间的RF信号路径是经由电阻，即物理导电触点。另一方面，图8A示出了变体，其中延迟线和辐射贴片之间的RF信号路径是电容性的，即它们之间没有物理导电触点。如图8A及其标注所示，在辐射贴片810的旁边制造耦合贴片810’。触点825在延迟线815和耦合贴片810'之间形成物理导电触点。辐射贴片810和耦合贴片810'之间的RF信号的耦合在短的介电空间S上是电容性的。空间S可以是简单的空气或填充有其他介电材料。虽然在图8A中仅示出延迟线815电容耦合到辐射贴片810，但这仅用于说明，并且应当理解，延迟线815和817都可以电容耦合到辐射贴片810。

转到图1A，它描绘了根据一个实施例的接地平面155的俯视图。在图1A中，辐射贴片110和延迟线115以虚线示出，以使读者能够专注接地平面的元件。图1A中所示的接地平面155可以用本文公开的任何其他实施例来实现，包括本文所述的‘269专利的修改实施例。

当利用平板显示控制器(Ctl)来控制天线的VDC像素时，图1A中所示的接地平面155的实施例特别有用。控制器可以是发送控制和公共信号以激活像素的任何标准控制器，例如来自American Zettler Display的ZEDV04-E-A型、来自Amulet Technologies的CBC-2型、来自Digital View的4171300XX-3型，等等。此类常规显示控制器通过向像素行发送公共信号，然后向行中的每个像素串行地发出激活信号来操作刷新显示器上的图像。然后它向下一行发出一个公共信号，并向下一行中的每个像素串行地发出激活信号。使用图1A的实施例，可以以类似的方式使用控制器来控制天线的像素。

通常，接地平面155可以简单地是导电材料(例如铜)制成的板或涂层。导电材料可覆盖接地平面层的整个区域。此外，如本文所述，当希望电容性地耦合RF信号时，可以在接地平面中形成窗口153，与延迟线115对准。虽然为了完整性，附图包括窗口153，但是本文公开的分体接地(split ground)特征可以在具有或不具有耦合窗口153的情况下实现。

为了利用发送公共信号和激活信号的标准控制器Ctl，在图1A的实施例中实现了分体接地特征。具体地说，在接地平面中形成延长的DC断路157，将接地平面划分成行，如图1A所示为接地带155a-155d。每个接地带155a-155d设置在一行辐射元件和相应的延迟线下。每个接地带155a-155d独立连接到控制器。因此，控制器可以对每个接地带155a-155d独立地施加公共信号。然后，控制器可以将激活信号串行地施加给与接收公共信号的接地带相对应的像素。

在这方面，应注意，对于每个延迟线和/或辐射贴片，可能有不止一个像素以及因此不止一个电极需要施加的激活信号。然而，所有这些像素以及因此它们的相应的电极，将被定位在接收公共信号的条带之上。相反，如下文所述，激活信号可施加给延迟线，从而同时激活延迟线下的所有VDC像素。还应注意，虽然在图1A中，接地带以“行”方向示出，但通过以“列”方向排列接地带可以获得相同的效果。

分体接地的一个特征是，它是使用DC断路来实现的，其大小定为对于RF信号看起来连续。也就是说，虽然断路157为DC信号和控制器的相对低频方波(通常为50Hz-400 Hz)提供隔离，但它看起来是高频RF信号的短路。因此，相同的接地平面可以用作RF信号的接地和用作像素控制的公共端。为了完成形成看起来像RF接地信号短路的DC断路，DC断路的宽度相对于在导电材料中传播的RF信号的波长应不大于λ/10。

因此，本发明的实施例提供了一种天线，包括：绝缘基板；设置在绝缘基板的顶面上的多个导电贴片；可变介电常数(VDC)板；设置在VDC板之上的多个导电延迟线，每个延迟线将RF信号耦合到多个导电贴片之一；以及设置在VDC板下方的接地平面，该接地平面包括至少一个DC断路，其大小定为可形成RF信号的接地路径的短路。VDC板可以限定多个VDC像素，并且天线可以进一步包括对应于多个VDC像素中的每一个的至少一个激活电极。多个延迟线中的每一个可以包括激活信号输入端，该激活信号输入端被配置为从控制器接收激活信号。每个辐射贴片可以包括导电桩，每个导电桩耦合到控制器的激活信号线。每个延长行独立地耦合到控制器的公共信号输出端。

接地平面可以包括多个延长的DC断路，将接地平面划分为多个接地带。类似地，接地平面可以包括多个DC断路，每个断路都穿过整个接地平面，从而将接地平面划分为多个物理上分离的接地贴片。相对于RF信号的波长，DC断路的宽度不大于λ/10。接地平面可进一步包括多个孔，每个孔在一个导电延迟线的下方对准。接地平面可以包括多个DC断路，每个断路穿过整个接地平面，从而将接地平面划分为多个延长行，每行在一行导电延迟线的下方对准。

图1A所示的分体接地实施例只是一个示例，但是可以实现许多其他设计以适合不同的应用。为了说明这一点，下面将讨论更多的示例。

图1B示出了一个示例，其中接地平面被划分以便为辐射贴片和延迟线提供独立的接地带(155a-155h)。在一个示例中，这样的布置可用于单独地激活贴片下方的VDC像素(例如，改变谐振频率)和延迟线下方的VDC像素(例如，引起阵列的扫描或转向)。这可以通过不同控制器的同一操作来完成。

另一方面，图1C示出了一个示例，其中每个单元的辐射贴片和相应的延迟线被提供其自己单独的接地贴片。使用这种布置，可以通过接收单独的激活和公共信号来独立地控制每个单元的VDC像素。在图1C中，显示了四条接地线终止于每一行，以指示该行中的每个接地贴片单个地连接到控制器。

根据本发明的实施例，分体线可以在辐射贴片和相应的延迟线之间对准。图1E示出了这样的示例，其示出了2x2辐射元件110的天线阵列的分体接地平面。辐射贴片110和延迟线115以虚线表示，因为它们位于与接地平面155不同的层中。此外，为了使读者能够更好地专注，辐射贴片和相应延迟线之间的触点125被示为圆。在本实施例中，接地平面包括穿过辐射元件110及其相应延迟线115下方并在之间对准的DC断路157，由此产生接地贴片155a-155d，其中接地贴片，例如155b和155d，覆盖一个区域，该区域包括辐射贴片和延迟线，其中该延迟线连接到覆在不同接地贴片上面的另一个辐射贴片。

此外，在图1E的实施例中，还提供了一个交叉DC断路，从而在每个延迟线下面创建一个单独的接地贴片。因此，公共信号可以独立地传送到特定延迟线中的每个接地路径。可选地，还提供耦合窗口153，以便将RF信号耦合到延迟线。

此外，在图1E的实施例中，每个贴片包括导电桩111。每个导电桩111连接到控制器的激活信号线101。因此，当控制器将激活信号施加到激活信号线101中的一个时，该信号经由激活信号线101发送到桩111，然后发送到辐射贴片110，然后通过触点125发送到延迟线。当延迟线下方的接地贴片接收到公共信号时，接地贴片和延迟线之间的VDC材料将被激活。

本文所描述的分体接地平面的任何实施例可以通过各种方法制造。例如，接地平面可以首先被制造为一个大的导电涂层，例如，通过用铜或其他导电材料进行涂层或溅射。此后，可以蚀刻、刻划单个涂层等，以形成DC断路。相反地，可以使用DC断路制造接地平面，例如，在用铜或其他导体进行涂层或溅射时使用掩模。或者，接地平面可以制造为多个接地贴片，它们彼此之间的间隔不超过RF信号的波长的十分之一。间隔距离被配置成对于频率高达400Hz的方波信号显示为断路，但是对于天线的RF频率显示为短路。

图4示出了具有与图3B类似的结构的另一实施例，除了将DC电位施加到可变介电常数材料444的布置。在图4中，两个电极443和447并排而不是跨层444提供。电极443和447可以形成在底层粘结剂446的顶面上。此外，图4所示天线的结构和操作与图3B所示的类似。

图5示出了旨在提供增强的带宽的另一个示例。图5的天线的一般结构可以符合本文提供的任何实施例，除了以间隔物514形式的另一介电层设置在辐射贴片510之上。在间隔物514的顶部形成谐振贴片512。谐振贴片512具有与辐射贴片510的形状相同的形状，不同的是，它更大，即，如果是矩形，则谐振贴片512具有更大的宽度和更大的长度，或者如果是正方形，则谐振贴片512的边更大。RF信号跨过间隔物514在辐射贴片510和谐振贴片512之间电容性地耦合。这种布置比仅使用辐射贴片510提供更大的带宽。

图6A和6B示出了一个实施例，该实施例具有连接到每个贴片的两条延迟线，类似于图2所示。在这样的实施例中，每个延迟线可以以不同的极化发送。底电介质652将两个馈电贴片660和662分开，每个馈电贴片耦合信号到延迟线615和617中相对应的一一个。两个馈电贴片660和662彼此正交地定向。信号耦合通过导电接地655中的窗口653电容性地完成，如前面的示例所示。在图6B中，仅示出一个窗口653，因为另一个窗口设置在本横截面中未示出的另一平面中。然而，两个窗口的布置可在图8中看到。当实现本实施例的分体接地特征时，可以进行DC断路以在两个延迟线之间界定(delineate)，或者可以在同一接地贴片或接地行上具有两个延迟线。

图6C示出了两条正交馈线的另一个示例。在这个特定的示例中，一条馈线用于发送，而另一条用于接收。虽然结合辐射贴片610和谐振贴片612来说明本实施例，这是不必须的，并且仅是为与图6B所示的一致性。在图6C的具体示例中，馈电贴片660设置在背平面电介质650的底部上，并经由连接器665耦合到发送线。来自发送线665的信号通过导电接地655中的窗口653电容性地从馈电贴片660耦合到辐射贴片610。在底面电介质652的底部提供带有窗口653’的第二导电接地655’。在本实施例中，将导电接地655作为分体接地就足够了；然而，可选地，导电接地655和655’都可以是分体接地。第二底面电介质652'被设置在第二导电接地655'的下方，并且馈电贴片662被设置在第二底面电介质652'的底部。在本示例中，馈电贴片电介质662用于接收。在一个示例中，辐射贴片610是方形的，使得发射和接收以相同的频率但是可以以不同的极化和/或相位执行。根据另一示例，辐射贴片610是矩形的(参见图6E)，在这种情况下，发射和接收可以在不同的频率下进行，并且可以处于相同和不同的极化和/或相位。

图6D示出了另一个示例，其中一个馈电贴片用于发送，另一个用于接收。然而，在图6D中，通过向延迟线615馈送DC电位来完成对VDC材料的控制。这可以例如使用修改的Bias-T布置来实现。具体地说，图6F示出了标准Bias-T电路。RF+DC节点对应于延迟线615。DC节点对应于可变电压电位641的输出。RF节点对应于馈电贴片660和662。如图6F所示，RF节点经由电容器C耦合到电路。然而，如本文所解释的，所公开实施例中的RF信号已经电容性地耦合到延迟线，从而电容器C可以被省略。因此，通过将电感器I并入天线的DC侧，创建了改进的Bias-T电路。公共或接地信号可施加到导电接地655，该导电接地655可根据本文公开的任何实施例实现为分体接地。

图6D中所示但可在任何其他实施例中实现的另一个变体是去除粘合剂层。如图6D所示，VDC材料夹在间隔物605和具有导电接地655的背平面电介质650之间。在一个示例中，玻璃珠(以虚线表示)可以散布在VDC材料644中，以保持间隔物605和具有导电接地655的背平面电介质650之间的适当间隔。当然，当使用粘合剂层时，玻璃珠也可以使用。

图7示出了一个实施例，其中用于控制可变介电常数材料的DC电位被施加到延迟线本身，使得不需要电极。可以使用标准控制器，其提供激活信号和公共信号来控制每个像素。bias-t可用于分离RF信号和激活信号。控制器Ctl的输出端耦合(例如，经由bias-t)到延迟线715，在延迟线715和背板导电接地755之间建立DC电位。背板导电接地755可以是如上述实施例中所公开的分体接地，使得控制器的公共信号被施加到接地带或接地贴片，这取决于所使用的分体接地。因此，延迟线具有两个功能：它接受DC电压电位从而改变VDC材料744的介电常数，并且它电容性地将RF信号耦合到馈电贴片760和762。

从本实施例的公开中可以理解，各种天线可以被构造成具有以下共同元件，包括：绝缘间隔物；绝缘间隔物上设置的至少一个辐射布置，其中每个辐射布置包括设置在绝缘间隔物的顶面上的导电贴片，设置在绝缘间隔物的底面上的延迟线，以及由导电材料制成的触点，该触点经由绝缘间隔物中的窗口在导电贴片和延迟线之间提供DC电连接；可变介电常数(VDC)板；背板绝缘体；设置在背板绝缘体顶面上的背板导电接地；以及用于至少一个辐射布置中的每一个的RF耦合布置，该RF耦合布置包括形成在背板导电接地中的窗口和设置在背板绝缘体的底面上、沿与窗口重叠的方向上的导电RF馈电贴片。在一些实施例中，提供电极以控制VDC板的选定区域的介电常数，而在另一些实施例中，延迟线用于此目的。在一些实施例中，导电贴片用于耦合空中RF信号，而在另一些实施例中，导电贴片用于将RF能量耦合到用于耦合空中RF信号的另一个更大贴片。贴片的大小根据所需的RF波长配置。通过适当调整窗口、延迟线和馈电贴片的大小，RF波长也可用于优化RF耦合。

可以将VDC板分割成VDC材料的单个像素。可将平板屏幕的LCD面板用于VDC板。VDC像素可以根据电极或延迟线的区域覆盖来分组。在其它实施例中，仅在由电极或延迟线控制的区域中提供VDC材料。图9示出了一个示例，其中VDC板940仅包括VDC材料的限定的区域。VDC区域942显示在延迟线915下，并且VDC区域944显示在延迟线917下。每个VDC区域可以是VDC材料的一个连续区域，或者可以被划分为像素。为了便于生产，VDC板940的整个区域可以包括VDC材料的像素。图9A示出了延迟线915通过耦合贴片910'到辐射贴片910的电容耦合，与图8A所示类似，但在其他方面与图9所示相同。

即使在不需要相位和/或频率的改变的情况下，也可以实现本文公开的特征以形成天线。图10示出了一个实施例，其中不使用VDC板。在图10的实施例中，天线包括绝缘基板1080，并且导电贴片1010设置在绝缘基板1080的顶面上。接地平面1055设置在绝缘基板1080的底面上，该接地平面包括其中的孔1053。该孔被设置为在导电贴片1010的下方对准。馈线1060的终端被设置为在孔1053的下方对准，以便通过孔1053将RF信号电容性地发送到导电贴片1010。在接地平面1055和馈线1060之间提供了背平面电介质。连接器1065用于向/从馈线1060发送/接收RF信号。

以上描述了各种实施例，其中针对特定特征和元件描述了每个实施例。然而，应当理解，来自一个实施例的特征和元素可以结合其他实施例的其他特征和元素使用，并且该描述旨在涵盖这些可能性，尽管并非所有排列组合都被显式地描述以避免混乱。

通常，提供多层软件控制天线。该天线包括在绝缘体板上方的辐射贴片。延迟线设置在绝缘体板的底部，并且其一端RF耦合到辐射贴片。电耦合可以通过物理导电接触或接近耦合而不在其间进行物理导电连接。在延迟线下方提供可变介电常数(VDC)板。在VDC板的底部设有接地平面，该接地平面包括其中的孔，该孔被设置为在辐射贴片下方对准。在接地平面的下方提供了一条馈线，其终端被设置为在孔下方对准，以便通过孔将RF信号电容性地发送到导电贴片。在馈线和接地平面之间提供电气隔离。例如，可以在馈线和接地平面之间提供背平面电介质板。在一些实施例中，提供第二馈线，其可通过设置在接地平面中的另一个孔或通过第二单独的接地平面将RF信号耦合到延迟线。

为了获得增强的带宽，可以在辐射贴片上提供谐振贴片，其中在一些实施例中，可以在辐射贴片和谐振贴片之间提供绝缘间隔物。在一些实施例中，在VDC板中提供电极。电极被耦合到可变电压电位源，其可以连接到控制器。在其它实施例中，通过向延迟线施加DC电位来控制VDC板。向延迟线施加DC电位可以使用改进的Bias-T来实现，其中馈线、接地板、VDC板和延迟线形成Bias-T电路的RF支路。DC支路可以通过中间电感耦合到延迟线(见图6D)。接地平面可以是分体接地平面。

应当理解，本文所描述的过程和技术与任何特定装置不是固有相关的，并且可以通过任何合适的组件组合来实现。此外，可以根据本文描述的教导使用各种类型的通用设备。本发明是针对特定的示例进行了描述，这些示例在所有方面都是说明性的，而不是限制性的。本领域技术人员将理解，许多不同的组合将适合于实施本发明。

此外，从本文公开的本发明的说明书和实践的考虑，本发明的其他实施方式对本领域技术人员来说是显而易见的。所述实施例的各个方面和/或组件可以单独使用或以任何组合使用。意图将说明书和示例仅视为示例性的，本发明的真正范围和精神由以下权利要求所指示。

Claims (20)

1.一种天线，包括：

绝缘基板；

多个导电贴片，设置在所述绝缘基板的顶面上；

可变介电常数(VDC)板；

设置在所述VDC板之上的多个导电延迟线，所述延迟线中的每一个将RF信号耦合到所述多个导电贴片中的一个；

设置在所述VDC板下方的接地平面，所述接地平面包括至少一个DC断路，其尺寸定为形成所述RF信号的接地路径的短路。

2.根据权利要求1所述的天线，其中所述VDC板限定多个VDC像素，所述天线进一步包括与所述多个VDC像素中的每一个对应的至少一个激活电极。

3.根据权利要求1所述的天线，其中所述多个延迟线中的每一个包括激活信号输入端，所述激活信号输入端被配置为从控制器接收激活信号。

4.根据权利要求3所述的天线，其中所述激活信号包括方波信号。

5.根据权利要求1所述的天线，其中所述接地平面包括多个延长的DC断路，所述多个延长的DC断路将所述接地平面划分为多个接地带。

6.根据权利要求1所述的天线，其中所述DC断路的宽度相对于所述RF信号的波长不超过λ/10。

7.根据权利要求1所述的天线，其中所述接地平面进一步包括多个孔，每个孔在所述导电延迟线之一的下方对准。

8.根据权利要求1所述的天线，其中所述接地平面包括多个DC断路，每个DC断路穿过整个所述接地平面，从而将所述接地平面划分成多个物理上分离的接地贴片。

9.根据权利要求1所述的天线，其中每个导电贴片包括导电桩，每个导电桩耦合到控制器的激活信号线。

10.根据权利要求1所述的天线，其中每个导电延迟线耦合到控制器的激活信号线。

11.根据权利要求8所述的天线，进一步包括控制器，所述控制器包括多个公共的信号输出端，每个公共信号输出端耦合到所述接地贴片中的一个。

12.根据权利要求1所述的天线，其中所述可变介电常数板包括上粘合剂层、下粘合剂层和夹在所述上粘合剂层和所述下粘合剂层之间的可变介电常数材料，以及分散在所述上粘合剂层和所述下粘合剂层之间的多个间隔物。

13.根据权利要求1所述的天线，其中所述接地平面包括多个DC断路，每个DC断路穿过整个所述接地平面，从而将所述接地平面划分为多个延长的行，每一行在一行导电延迟线的下方对准。

14.根据权利要求13所述的天线，其中所述延长的行中的每一行独立地耦合到控制器的公共信号输出端。

15.一种多层天线，包括：

辐射层，包括设置在绝缘间隔物的顶面上并按行和列的阵列布置的多个辐射贴片；

控制层，包括可变介电常数(VDC)板；

传输层，设置在所述控制层之上并包括按行和列的阵列布置的多个延迟线，每个延迟线耦合到所述辐射贴片中的相应一个；

RF耦合布置，用于将RF信号耦合到所述辐射贴片中的每一个；以及，

接地层，设置在所述控制层之下并包括多个导电接地贴片，每个导电接地贴片与相邻导电接地贴片间隔的距离不大于所述RF信号的波长的十分之一。

16.根据权利要求15所述的天线，其中所述导电接地贴片的每一个在所述延迟线中的一行的下方对准。

17.根据权利要求15所述的天线，其中所述导电接地贴片中每一个在所述延迟线中的单一延迟线的下方对准。

18.根据权利要求15所述的天线，其中所述导电接地贴片的每一个单独地耦合到控制器的公共信号输出端。

19.根据权利要求15所述的天线，其中所述导电接地贴片中的全部协同形成所述RF信号的公共接地。

20.根据权利要求15所述的天线，其中所述导电接地贴片的每一个包括在所述导电延迟线之一下方对准的至少一个孔。

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