CN113227841A - 带有方波信号转向的天线阵列 - Google Patents

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Abstract

通过控制阵列中的每个辐射器的馈电线中的RF信号的传输速度，以电子方式控制天线阵列。使用移相器来控制该传输速度，这些移相器包括引起传输速度变化的可变介电常数(VDC)材料。施加到VDC材料的控制信号生成所需的相移。针对每个控制周期为每个移相器实时计算该控制信号，以使主波束能够跟踪诸如卫星之类的目标。控制信号是方波信号，并且每个控制信号都具有专门计算的占空比或频率，以生成所需的相移。

Description

带有方波信号转向的天线阵列
相关申请
本公开涉及并要求于2018年8月2日提交的美国临时申请No.62/713,986的优先权权益，该美国临时申请的公开内容被通过引用全部结合于此。
背景技术
1.领域
本公开总体上涉及基于液晶的天线的领域，并且具体地，涉及对用于RF天线的液晶和/或任一和可变的介电/相材料域取向的控制。
2.相关技术
液晶可被用于多种应用中。液晶的一个特征是外部干扰会引起液晶系统宏观性质的重大变化。宏观性质的这些变化可被用在光学和电气系统中，仅举两个例子。电场和磁场都可被用来诱发这些变化。对于具体应用而言，场的幅值以及分子排列的速度都是重要的性质，施加到液晶和/或其他可变介电材料上的场的幅值将会在波会通过它或以任一TEM、TE或TM模式传播时改变其物理取向和/或宏观水平，并且该材料的存在将会随后看到或感觉到光速的差异，而该差异将会与材料的有效介电常数直接相关，就液晶而言，该有效介电常数与感应电场或磁场作用下的分子的机械转向倾斜直接相关。
液晶装置中可以使用特殊的表面处理来强制偶极分子的具体取向，从而通过机械和/或化学影响(例如机械摩擦、定向材料等)来为指向矢定向。指向矢沿外部场取向的能力由分子的电性质引起。在这方面，指向矢指的是无量纲的单位矢量n，该矢量代表分子在任何点附近的优选取向的方向。当分子的一端具有净正电荷而另一端具有净负电荷时，将产生永久电偶极子。当将外部电场施加到液晶时，偶极分子趋向于使它们自身沿着该场的方向定向，因为它们被形成为偶极子。
在通用系统中，分子在松弛状态下(即，不施加外部场)被沿一个方向排列。当需要进行更改时，施加适当的电场和/或等效磁场，这导致分子旋转与所施加的场的强度/矩相关的量。当不再需要这种效果时，移除该场并使分子返回其松弛状态。可以将这两个动作视为电反应和化学反应：当施加场时，发生电反应以使分子旋转，而当移除该场时，化学反应使分子返回其松弛状态。但是，电反应发生的速度比化学反应快得多。因此，时间操作是不对称的—“接通”比可控天线需要解决的“关断”快得多。
双频液晶(DFLC)是一种液晶(LC)混合物，其介电常数可通过频率而非仅通过电压进行切换。在这些混合物中，介电常数ε∥很大程度上取决于频率，并且通常，频率范围是kHz至MHz，而介电常数ε⊥则取决于高达MHz范围的频率；ε∥是沿着分子长轴的介电常数，而ε⊥则是垂直于分子长轴的介电常数。ε∥和ε⊥之间的算术差是介电常数各向异性△ε。对于DFLC，△ε在低频下为正，而在高频下为负，因此对于DFLC，人们施加相同幅值但不同频率的电场以使分子分别从水平旋转到竖直，然后从竖直旋转到水平，并因此响应时间不再取决于松弛状态和/或化学过程，而是取决于所施加的场，并有可能相应地缩短该响应时间。
快速响应DFLC已被用在自适应光学系统中以校正大气像差，并用在光学相控阵列中以进行激波束控制。即便对于大孔径，基于液晶的相控阵列也需要很少的基本功率。与机械系统不同，液晶装置通常对加速度并不敏感，并且随着批量生产，其成本会迅速降低。
对于有关DFLC的更多信息，读者可参考《液晶材料和液晶显示器(liqid CrystalMaterials and Liquid Crystal Displays)》，Martin Schadt，《材料科学年度评论(Annual Review of Materials Science)》1997；和《用于在高温下使用的高性能双频液晶化合物和混合物(High Performance Dual Frequency Liquid Crystal Compounds andMixture for Operation at Elevated Temperatures)》，Haiqing Xianyu等人，《液晶(Liquid Crystals)》，2010。
最近，申请人已经提出使用液晶来控制非光学装置的特性和操作。示例可见于美国专利7,466,269和7,884,766以及公开文献No.2018-0062238。在这种装置中，为了改变液晶层的介电常数，控制指向矢的取向，从而改变电子装置的运转特性。然而，如本发明人所发现的那样，与常规技术相反，液晶的不对称运转对于这种应用而言是不合乎要求的。本发明人已经确定，当控制电气装置的运转时，希望使“关断”过程与“接通”过程一样快。
另外，当使用非DFLC天线阵列时，阵列中的每个辐射器都将需要施加不同的电压来改变该辐射器的介电常数。这种系统将会需要许多电压供给器和控制器，每个电压供给器提供不同的电压电平，控制器将不同的电压施加到不同的辐射器，从而极大地提高了系统的复杂性和成本。
此外，与DFLC有关的现有技术公开内容使用两种不同的频率，一种用于“接通”LC，而另一种用于“关断”LC。发明人已经确定，利用这种标准的双频布置结构不足以形成和控制扫描阵列。
因此，本领域中需要改进对于在天线中运转的液晶中的指向矢的控制。
发明内容
为了提供对本发明的某些方面和特征的基本理解，包括本公开的以下概述。该概述并不是本发明的广泛概述，因此，它并非旨在具体标识本发明的关键或重要元件或描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化的形式提出本发明的一些概念，作为下面提出的更为详细描述的序言。
所公开的实施例提供了对液晶域的取向的改进控制。所公开的实施例利用对于可变介电常数(VDC)材料的多频率控制来控制该阵列中的每个辐射器的贡献，从而提供电子扫描天线阵列。使用所公开的实施例的布置结构，阵列中的每个辐射器接收与其他辐射器的信号具有不同特性的不同激活信号。此外，当天线的平台移动或目标的平台移动时，用于每个辐射器的每个信号都可能随时间的流逝而变化。
在所公开的实施例中，提供了单个电压源，并且该电压源被用于生成多个信号，每个信号用于该阵列中的每个辐射器。脉冲宽度调制器(PWM)生成多个信号，使得每个信号都具有不同的占空比，因此，本质上将不同的功率电平施加到辐射器的延迟线。在其他实施例中，占空比保持恒定，但是每个信号均具有不同的频率。在这些实施例中，脉冲宽度调制器生成多个频率，在本公开中，这可能意味着在每个周期中生成的频率的数量可以等于天线中的辐射器的数量。可以肯定的是，“多个频率”是指不止两个频率，如通常在光学装置中用于生成开和关信号那样。
在所公开的实施例中，天线阵列包括辐射器的二维阵列，每个辐射器都具有在VDC上蜿蜒曲折的延迟线，该VDC的介电常数由脉冲宽度调制信号控制。设置多个电极，以将单独的控制PWM信号传递到每个VDC，以使该畴以所需的状态快速放置，从而控制天线的主波束的方向。
在一般方面，所公开的实施例在可调相控阵列天线应用中使用介电各向异性中的电压相关的差异。在这种实施例中，施加多个占空比的方波来为不同移相器的LC指向矢定向，这产生了给定的介电常数。介电常数的变化引起了在移相器中传播的信号的相位变化。多个占空比可以指的是与阵列中的移相器的数量相等的多个占空比。
在一般方面，所公开的实施例在可调相控阵列天线应用中使用介电各向异性中的频率相关的差异。这些实施例将双频液晶(DFLC)材料实现为具有分层或夹置结构的移相器元件的一部分。在这种可调移相器中，应用了具有多个频率的方波来为不同移相器的LC指向矢定向，这产生了给定的介电常数，并且更重要的是，通过响应于具有不同频率的两个场，允许双频分子在两个相反的方向中旋转，该机制允许分子具有相同的trise和tfall，并且还允许。介电常数的变化引起在移相器中传播的信号的相位变化。结果是更快的响应时间，尤其是对于当LC分子是缓慢松弛的时通常较慢的衰变侧更是如此。因此，组合切换时间(Trise+Tdecay/fall)将比利用常规LC构建的移相器快得多。结果，具有脉冲宽度调制的新发明的DFLC移相器天线将满足卫星通信天线所需的波束转向速度。
在所公开的实施例中，基于DFLC效应，提供了一种快速切换向列液晶(LC)移相器。通过将频率控制的固定电压方波电压信号施加到DFLC移相器的电极来单独地控制与天线阵列的每条延迟线相对应的DFLC移相器的切换。在一些实施例中，DFLC移相器的两个电极均由频率控制的固定电压方波电压驱动，因此液晶分子的自然自松弛时间不再影响切换时间。
根据一个实施例，双频LC控制与一种用于平行自旋的布置结构以及用于垂直旋转的另一布置结构一起使用。
附图说明
被结合到本专利说明书并构成本专利说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释和说明本发明的原理。附图旨在以图解方式示出示例性实施例的主要特征。附图并非旨在描绘实际实施例的每个特征，也不旨在描绘所描绘元件的相对尺寸，且并非按比例绘制。
在附图的各幅视图中，作为示例而非限制示出了本发明的一个或多个实施例，其中，相似的附图标记表示相似的元件，并且其中：
图1示出了根据一种实施例的天线阵列，其具有用于单独控制每个辐射器从而扫描主波束的控制器，这可以通过许多不同的变型来完成并且可被设计为具有多层和/或单个随后的结构；
图2是根据一种实施例的脉冲宽度调制控制的简化示意图。
图3是示出了具有不同占空比的方波信号的曲线图。
图4是示出了具有不同频率的方波信号的曲线图。
图5是示出了根据一种实施例的用于控制阵列的移相器的系统的示意图。
图6是示出了根据另一实施例的用于控制阵列的移相器的系统的示意图。
图7是示出了根据另一实施例的用于控制阵列的移相器的系统的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明的天线和控制的实施例。不同的实施例或其组合可被用于不同的应用或获得不同的益处。根据所寻求实现的结果，可以以单独或与其他特征相结合的方式部分地或全部地利用本文中公开的不同特征，从而平衡优点与要求和约束。因此，将参考不同的实施例来强调某些益处，但是这些益处并不限于所公开的实施例。即，本文中公开的特征并不限于在其内描述它们的实施例，而是可以与其他特征“混合及匹配”并被结合在其他实施例中。
与所有RF天线一样，接收和发射在此处介绍的天线和装置的类别落入到其中的无源天线中是对称、对等的，包括非线性装置的有源天线并不是对等的，使得对于其中一个的描述同样适用于另一个。在本说明书中，可能更为容易地解释发射，但是接收将是相同的，只是方向相反。而且，在所公开的实施例中，假设所公开的天线被安装到平台上，并且其主波束对准另一天线(在此被称为目标)。该目标的天线也被安装在平台上，并且其中一个或两个平台均可以是正在移动的。例如，天线可被安装在诸如飞机、轮船、汽车等之类的交通工具上，并且目标可被安装在例如卫星上。对称性概念在这里同样适用，因为天线可以是安装在卫星上的天线，而目标可以被安装在交通工具上。
天线的俯视图在图1的示意图中示出，而插图中的示意图示出了一个辐射元件处的该阵列的简化截面。通常，天线是一种多层天线，其包括辐射贴片层、真实时间延迟层、接地层和馈电层，无论它是被设计成共电馈电、行波馈电还是驻波场，如将在下面更为详细描述的那样。在某些情况下，添加附加层，从而提供多极化、更宽的带宽等。天线的多种元件均可被印制或沉积在绝缘基板上。
该天线包括n×m个辐射元件的二维阵列，n和m是整数。在图1的图示中，该具体示例中的天线包括辐射器110的4×4阵列，尽管可以使用处于多种几何形状和布置结构中的任意数量的辐射器，并且仅将4×4元件的正方形布置结构选择作为一个示例。在该示例中，每个辐射器110均是被设置(例如，沉积、粘附或印制)在绝缘层105的顶部上的导电贴片，并且具有物理或电容地耦合到其上的延迟馈电线115。每条延迟馈电线115均是将RF信号提供给其相应的贴片110的导体。可以通过控制被定位在延迟线下方的可变介电层来操纵RF信号，例如，延迟该RF信号以改变相位。通过独立控制所有延迟线以改变每条延迟线中的RF信号的相位，可以根据需要使该阵列的主波束指向不同的方向，从而提供电子扫描阵列。
在图1中，每个元件仅从一条延迟线馈电。但是，每个辐射元件110可以由两条正交的馈电线馈电，例如，每条正交的馈电线具有不同的极化。本文提供的描述适用于两种以及任何类似的体系结构。
如插图中所示，顶部介电间隔件305通常呈介电(绝缘)板或介电片的形式，并且可以由例如玻璃、PET等制成。通过例如粘附导电膜、溅射、印制等在该间隔件上形成辐射贴片310。在每个贴片位置处，在介电间隔件305中形成通孔，并且该通孔被利用诸如铜之类的导电材料填充，以形成触头325，该触头325物理地和电气地连接到辐射贴片310。延迟线315被形成在介电间隔件305的底表面上(或上粘合剂342的顶表面上)，并且被物理地和电气地连接到触头325并且该延迟线浸没在提供最大冲击/RF相变的可变介电材料340中，将延迟线与可变介电材料分隔开的任何附加层将会降低该装置的可调性。即，在该示例中，存在从延迟线315通过触头325到辐射贴片310的连续的DC电连接。如图1中所示，延迟线115是弯曲的导线并且可以采用任何形状，以具有足够的长度来生成所需的延迟，从而在RF信号中引起所需的相移，用于激活VDC 340的电极可以是延迟线和接地的一部分或者可被设计在单独的层上。
延迟线315中的延迟由具有VDC材料的VDC层340控制。尽管用于构建VDC层340的任何方式都可能适合于与天线的实施例一起使用，但是作为具体实施例中的简略表达，VDC板340被示出为被定界在间隔件305和背面电介质350之间(在该示例中，VDC材料可以是标准液晶或者对针对取向状态和松弛状态的不同频率起反应的液晶)。可使用诸如环氧树脂或玻璃珠之类的粘合剂来将LC材料保持在层340内。
可通过在VDC板340上施加DC电位来控制VDC板340的有效介电常数。为此，电极可被形成并被连接到可控电压电位，或者可将控制线370连接到延迟线315，使得延迟线315起到激活电极的作用。存在多种布置结构以形成电极，并且任何常规布置结构都是可以接受的，只要可以施加多个频率以控制VDC材料的状态即可。在插图方波中所示的布置结构中，方波控制器120在延迟线和接地平面355上施加信号。每条延迟线115及其相关的VDC形成移相器的一部分。
控制线370被示出为被连接到方波控制器120，该方波控制器120可以提供脉冲宽度调制(PWM)和/或频率控制和/或标准电压，如将在下面详细描述的那样。通过改变来自控制器120的施加到每对控制线的信号，可以改变对应的延迟线315附近的VDC材料的介电常数，并由此改变在延迟线315上传播的RF信号。改变控制器的输出可以通过运行软件来完成，该软件致使控制器输出适当的控制信号，以实时设置每条馈电线上的适当相移。因此，可以使用软件来控制天线的性能和特性—因此提供软件控制的天线。
在发射模式中，RF信号被经由连接器365(例如，同轴缆线连接器)施加到馈电贴片360。如在插图中所示，在馈电贴片360和延迟线315之间不存在直流电连接，目的是使多种移相器彼此绝缘，使得单个移相器上的一条控制线将并不被短路到其他移相器，并因此将不允许单独控制每个移相器。在一些实施例中，当我们想要控制一组移相器和/或想要在馈电网络中结合单独的非电流耦合器时，可以用接触线或通孔来代替插槽(slot)。然而，在所公开的实施例中，这些层被设计为使得在馈电贴片360和延迟线315之间提供RF短路，它是可以被改变的。该特征与本发明无关，而是被作为示例示出。
在背面绝缘体(或电介质)350的顶表面上形成背面导电接地(或公共端)355。背面导电接地355通常是覆盖天线阵列的整个区域的一层导体，并形成用于在所有延迟线115中传播的RF信号的接地。在每个RF馈电位置，在背面导电接地355中设置窗口(直流隔断器)353。RF信号通过窗口353从馈电贴片360传播，并被电容地耦合到延迟线315。在接收过程中发生相反的情况。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，背面绝缘体350由
Figure BDA0002957830760000071
(FR-4印刷电路板)制成，并且馈电贴片360可以是形成在罗杰斯(Rogers)上的导线。可以使用PTFE(聚四氟乙烯或
Figure BDA0002957830760000072
)或其他低损耗材料来代替罗杰斯。
在所公开的实施例中，对于每条延迟线的VDC的控制是分别且实时地完成的，即，施加到每对电极的信号被分别针对每对电极加以确定，并且可在每个控制周期根据平台和/或目标的移动来改变。因此，控制系统确定主波束的方向并生成多个控制信号，其中每个VDC可以接收不同占空比或不同频率的信号，该信号可以随着时间的流逝而变化以操纵该主波束。
以下是延迟线的个别实时控制的一些示例。在一个示例中，施加具有相同幅度的两个电磁波，每个电极施加一个。改变一个波相对于另一个波的相位偏移，以将LC分子移动到所需位置。在另一示例中，具有可变形状(占空比)但幅度恒定的一个电磁波被施加到电极(一个电极是返回或接地)。改变电磁波的形状以将LC分子移动到所需位置。在又一示例中，将两个电磁波施加到电极，每个电磁波均具有可变的形状但是幅度恒定。每个波的形状同时变化，以将LC分子移动到所需位置。在另一示例中，两个电磁波具有恒定的形状和恒定的幅度，但是频率可变。
在所公开的示例中，控制器使用恒压电子开关阵列来在多个双电极LC单元上创建图案。控制器可以生成具有不同占空比或频率的多个信号，以在每条延迟线上生成不同的延迟。取决于材料及它对信号的响应方式。
继续图1的示例，双电极LC单元对跨两个电极343和347施加的均方根电压作出响应。所施加的电压的幅值更改该单元内部的LC的位置，从而控制电介质的特性。改变电压会对LC单元的位置提供高控制度，从而针对每个辐射器110改变延迟线115上的最终获得的延迟。但是，单独改变大型阵列的每对电极上的电压需要大量的电子部件以便为每个单元创建所需的电压电平。通常，改变施加到该单元的均方根电压的任何方法都将控制该单元内部的液晶。
所公开的示例通过实施脉冲宽度调制而使用单个源生成具有不同的最终获得的电压的多个信号。例如，可以在控制信号之间的相位的同时，施加两个正偏方波，每个电极施加一个。例如，当每个信号的占空比为50％时，如果信号同步(相对于彼此偏移零度)，则两个信号的总和生成最大的输出功率。如果以不同步的方式(相对于彼此偏移180°)施加占空比为50％的信号，则结果为零和功率。可以将偏移设置在介于零与180°之间的任何位置，以改变液晶单元的状态。为了进行进一步的精细控制，可以将信号的占空比设置为除50％以外的值。
通过改变输入到液晶单元(和天线)的方波输入的占空比，我们可以改变液晶的状态而无需改变所施加的波的幅度。由于不需要电压阶跃电平，因此这允许更实惠的系统设计，即使用数字控制电路而非模拟信号和装置。即，电压电平不变，但是可以通过控制占空比和/或相位来对该单元施加非常精细的控制。值得注意的是，尽管对于光学液晶装置来说，对开状态和关状态进行的控制就足够了，但是为了精确地控制天线阵列的辐射器以生成可控的主波束，需要精细地控制液晶的状态，而非简单的开-关控制。
液晶对所施加的场的响应运行通过更改PWM占空比，但保持电压恒定来对LC单元进行类似的精细控制。对所传递的能量的依赖性致使LC对任何PWM占空比做出响应，从而实现了更为精细的波束形成和实时控制。因此，即使平台和目标都处于运动中，所公开的实施例也能够进行通信。
图2是示出了使用脉冲宽度调制(PWM)实时控制阵列的延迟线的概念的简化示意图，这对于使用标准液晶或双频液晶作为VDC材料的天线而言是特别有益的。控制200包括控制器201，该控制器201计算或接收天线指向方向203。该天线指向方向被实时生成，以便能够跟踪该目标。当目标是卫星时，可以例如使用卫星在空中的已知位置、天线平台的GPS坐标、指示天线相对于平台的物理取向的加速度计以及磁北罗盘来计算该指向方向。可以通过从卫星查阅表207中获取卫星坐标来获得卫星在空中的已知位置，该卫星查阅表列出了各种卫星及其在空中的位置。使用天线指向方向，可以计算出每个辐射器的适当相移，以便使主波束沿目标的方向指向。然后，将有关每个辐射器的相移量的信息转换为每个相移器的PWM。
方波控制器202接收指示每个辐射器的PWM的控制信号。基于该控制信号，方波控制器202参照时钟206调制恒压电源204的输出。在一个实施例中，每个电极的输出的占空比被实时独立地进行计算，使得每个输出均具有不同的占空比，对占空比进行计算以在每个辐射器处引入相位延迟，从而控制所获得的主波束的方向。通过在每个辐射器处适当地引入延迟，辐射器阵列生成瞄准该目标的主波束。随着平台和/或目标移动，每个输出的占空比都被改变，以确保通过主波束跟踪该目标。
图3是示出了对于生成以引起不同延迟的信号的不同占空比的示例的曲线图。最上面的曲线图针对50％占空比，其中，信号是方波，50％的时间处于最大幅度，50％的时间关闭(即，零幅度)。中间的曲线图针对占空比为75％的信号，其中，75％的时间处于最大幅度，25％的时间关闭。底部曲线图示出了中间曲线图的颠倒情况，其中，方波信号在25％的时间处于最大幅度，75％的时间关闭。当然，信号可以采用任何占空比，这只是三个示例。
当VDC材料是双频液晶时，优选的是，利用固定电压(即数字控制器)而非模拟控制器(并非占空比)控制该控制信号的频率。以这种方式，对于每条延迟线，计算特定的激活频率以生成所需相移所需的精确域旋转。在每个周期针对每条延迟线计算频率，使得实时确定该延迟。
图4示出了三个方波信号的示例，这些信号均具有50％的占空比，但具有不同的频率。因此，对于这种系统，控制器201将适当的控制信号发送到方波控制器202以生成具有不同频率的不同信号，但是在所有信号上维持相同的占空比。值得注意的是，当VDC材料是双频材料时，方波控制器202生成多个频率，以便分别针对每条延迟线改变晶畴排列的量。而且，通过针对所有信号使用具有恒定电压的单个电源204来增强该简化。
如从本公开可以理解的那样，在控制天线阵列以跟踪目标的方法中，获得了目标的空间中的坐标。这可以例如通过参考查阅表来完成，该查阅表列出了诸如卫星之类的多种目标的坐标。而且，获得了天线阵列的物理取向。即，天线阵列可以是例如其上形成有多个辐射元件的平板。从板的中间发出的正交线的指向方向相当于视轴，并且其指向方向可被定义为天线阵列的物理取向。在本文中公开的实施例中，使主波束通过电子转向而非机械转向来跟踪目标。即，通过改变在多种辐射元件的馈电件中传播的信号的相位，该主波束偏离视轴，使得可以在维持天线的物理取向不变的情况下对波束进行电子扫描。当然，当平台移动时，天线的物理取向确实发生了变化，使得需要进行相应的电子转向以校正那个运动。
使用目标坐标，例如来自罗盘的天线的物理取向、平台的GPS坐标、加速度计等来确定主波束的电子转向。主波束的电子转向是来自辐射器阵列的所有RF信号的总和的结果，该总和由RF信号在每条延迟线上传播的速度进行控制，由此生成延迟，从而导致相移。如本文中所述，每条馈电线需要针对转向控制信号的每个周期，实时计算其各个相移。如本文中所示，通过改变针对每个辐射器单独生成的方波的占空比或频率来控制相移。
图5示出了用于向延迟线中的一条提供PWM或频率控制信号的示例。电源504输出恒定的电压电势，该恒定的电压电势用于激活所有延迟线。为简化起见，在图5中仅示出了一条输出线的详细信息，但实际上，该线将被分成多条平行线，所有平行线均承载与由椭圆所示相同的电压电势。对电压电势进行调整以使每条延迟线540的液晶旋转一定的量，该量被确定为在该线中引起RF信号的所需延迟。
在该示例中，提供了两条线以用于LC旋转(正线和负线)，以便实现根据本文中公开的实施例中的任一个的固定的幅度或频率控制和/或脉冲宽度调制控制。在该示例中，正线和负线中的每一条均被连接到对应的双极结型晶体管522和524。晶体管522和524的源极被连接到电源504，并且晶体管522和524的栅极被连接到控制器501。通过将激励信号发送到晶体管522和524的栅极，控制器生成具有可变占空比或可变频率的方波。
图6示出了天线阵列系统，其中，每个移相器仅由一条控制线控制，另一条控制线被连接到接地或公共电势。在图6中，仅示出了3×3移相器，但是该阵列可以具有任何n×m尺寸。电源604提供恒定的电压电势，该恒定的电压电势被施加到所有晶体管622的源极，每个移相器一个晶体管。每个晶体管622的漏极均被连接到相应的移相器640。控制器601将激活信号发送到每个晶体管622的栅极，由此生成具有变化的频率占空比的方波。
图7示出了用于PWM控制的系统，其中，移相器的负侧接收恒定的公共电压(此处其被设置为+15V)，而正侧接收零至+30V的PWM信号。因此，使用-15V至+15V的方波来激活该移相器。使用TIVA微控制器702来控制该设置，该TIVA微控制器702结合有用于控制PWM信号的内部时钟系统。TIVA微控制器被经由USB(通用串行总线)耦合到个人计算机PC以进行编程和监视。另一方面，微控制器702被经由SPI(串行外围接口)耦合到CPLD 701(复杂可编程逻辑装置)。CPLD 701的输出是零至3.3V的多个方波，其被针对每个移相器740个体化，并且被针对每个更新周期进行计算。CPLD 701的每个单独的输出信号都被施加到相应的晶体管722，该晶体管将该信号转换为零到30伏的方波。该信号被施加到相应的移相器的正侧。
应当理解，本文描述的过程和技术并非固有地与任何具体装置相关，并且可以通过部件的任何适用的组合来实现。此外，根据本文所述的教导，可以使用多种类型的通用装置。已经结合具体示例描述了本发明，这些具体示例在所有方面都旨在是示例性的而非限制性的。本领域技术人员将理解的是，许多不同的组合都将适用于实施本发明。
此外，通过考虑本文公开的本发明的专利说明书和实践，本发明的其它实施方式对于本领域技术人员而言都将是显而易见的。所描述的实施例的各个方面和/或部件均可被单独使用或以任何组合使用。意图是，专利说明书和示例仅被认为是示例性的，本发明的真实范围和精神由所附权利要求书指示。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种具有方波转向控制的天线阵列系统，包括：
辐射器阵列，所述辐射器阵列包括多个辐射贴片；
多条延迟线，每条延迟线都向所述辐射贴片中的相应的一个提供RF耦合；
多个可变介电常数(VDC)区域，每个VDC区域都被配置为改变所述延迟线中的相应的一条中的传输速度；
多条控制线，每条控制线都被配置为将控制信号传递到所述VDC区域中的一个；
恒压电源；
方波调制器，所述方波调制器从所述电源接收恒定的电压信号并生成多个方波信号，每个方波信号都被耦合到所述控制线中的一条并具有独立的脉冲宽度或频率，使得所述方波信号中的每一个都具有不同的占空比或不同的频率。
2.根据权利要求1所述的天线阵列系统，其中，所述VDC区域包括液晶区域，并且所述方波调制器为每个方波信号实时输出独立的占空比。
3.根据权利要求1所述的天线阵列系统，其中，所述VDC区域包括双频液晶区域，并且所述方波调制器为每个方波信号实时输出独立的频率。
4.根据权利要求1所述的天线阵列系统，其中，所述天线阵列系统还包括多个晶体管，每个晶体管都被耦合到所述控制线中的一条，并且每个方波信号都被施加到所述多个晶体管中的一个的栅极。
5.根据权利要求4所述的天线阵列系统，其中：
所述恒压电源是提供第一恒定电压和第二恒定电压的双电压电源；
每个VDC区域具有两条控制线，一条控制线被耦合到所述第一恒定电压，并且一条控制线被耦合到所述多个晶体管中的相应晶体管的输出；
并且所述多个晶体管中的每个晶体管的源极都被耦合到所述第二恒定电压。
6.根据权利要求4所述的天线阵列系统，其中，每个VDC区域都具有两条控制线，一条控制线被耦合到公共电势并且一条控制线被耦合到所述多个晶体管中的相应晶体管的输出。
7.根据权利要求4所述的天线阵列系统，其中：
每个VDC区域都具有两条控制线，每条控制线都被耦合到所述多个晶体管中的相应晶体管的输出；
并且所述多个晶体管中的每个晶体管的源极都被耦合至所述恒压电源。
8.根据权利要求1所述的天线阵列系统，其中，所述天线阵列系统还包括加速度计和控制器，所述加速度计向所述控制器提供指示所述天线阵列的相对运动的输出信号，所述控制器使用所述输出信号来计算到达所述方波调制器的控制信号。
9.根据权利要求8所述的天线阵列系统，其中，所述天线阵列系统还包括卫星查阅表，所述卫星查阅表列出了天空中的多种卫星的位置。
10.一种用于控制阵列天线的主波束以跟踪目标的方法，包括：
将多条控制线耦合到所述阵列天线，每条控制线都被耦合到所述阵列天线的多个移相器中的一个移相器；
获取所述目标的坐标；
获取所述阵列天线的物理取向；
通过所述坐标和所述物理取向计算所述天线的主波束的转向方向；
通过所述转向方向确定所述天线阵列的每条馈电线所需的相移；
生成多个方波，每个方波都具有根据其相应的馈电线所需的所述相移的参数；
将所述多个方波施加到所述多条控制线。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，生成多个方波包括分别计算每个方波的占空比，以生成用于其相应的馈电线所需的所述相移的脉冲宽度调制。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，生成多个方波包括分别计算每个方波的频率，以生成其相应的馈电线所需的所述相移。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述方法还包括将所述方波的占空比保持恒定在50％。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，生成多个方波包括对于所有的控制线，将所述方波的幅度保持恒定。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，生成多个方波包括将激活信号施加到多个单独的晶体管。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述方法还包括将两个晶体管的漏极耦合到所述移相器中的每一个，并且生成多个方波包括将激活信号施加到所述晶体管。
17.根据权利要求10所述的方法，其中，所述方法还包括将所有移相器都耦合到公共电势。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述公共电势包括接地电势。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述公共电势包括双电压电源的恒定电压。

Claims (19)

1.一种具有方波转向控制的天线阵列系统，包括：
辐射器阵列，所述辐射器阵列包括多个辐射贴片；
多条延迟线，每条延迟线都向所述辐射贴片中的相应的一个提供RF耦合；
多个可变介电常数(VDC)区域，每个VDC区域都被配置为改变所述延迟线中的相应的一条中的传输速度；
多条控制线，每条控制线都被配置为将控制信号传递到所述VDC区域中的一个；
恒压电源；
方波调制器，所述方波调制器从所述电源接收恒定的电压信号并生成多个方波信号，每个方波信号都被耦合到所述控制线中的一条并具有独立的脉冲宽度或频率。
2.根据权利要求1所述的天线阵列系统，其中，所述VDC区域包括液晶区域，并且所述方波调制器为每个方波信号实时输出独立的占空比。
3.根据权利要求1所述的天线阵列系统，其中，所述VDC区域包括双频液晶区域，并且所述方波调制器为每个方波信号实时输出独立的频率。
4.根据权利要求1所述的天线阵列系统，其中，所述天线阵列系统还包括多个晶体管，每个晶体管都被耦合到所述控制线中的一条，并且每个方波信号都被施加到所述多个晶体管中的一个的栅极。
5.根据权利要求4所述的天线阵列系统，其中：
所述恒压电源是提供第一恒定电压和第二恒定电压的双电压电源；
每个VDC区域具有两条控制线，一条控制线被耦合到所述第一恒定电压，并且一条控制线被耦合到所述多个晶体管中的相应晶体管的输出；
并且所述多个晶体管中的每个晶体管的源极都被耦合到所述第二恒定电压。
6.根据权利要求4所述的天线阵列系统，其中，每个VDC区域都具有两条控制线，一条控制线被耦合到公共电势并且一条控制线被耦合到所述多个晶体管中的相应晶体管的输出。
7.根据权利要求4所述的天线阵列系统，其中：
每个VDC区域都具有两条控制线，每条控制线都被耦合到所述多个晶体管中的相应晶体管的输出；
并且所述多个晶体管中的每个晶体管的源极都被耦合至所述恒压电源。
8.根据权利要求1所述的天线阵列系统，其中，所述天线阵列系统还包括加速度计和控制器，所述加速度计向所述控制器提供指示所述天线阵列的相对运动的输出信号，所述控制器使用所述输出信号来计算到达所述方波调制器的控制信号。
9.根据权利要求8所述的天线阵列系统，其中，所述天线阵列系统还包括卫星查阅表，所述卫星查阅表列出了天空中的多种卫星的位置。
10.一种用于控制阵列天线的主波束以跟踪目标的方法，包括：
将多条控制线耦合到所述阵列天线，每条控制线都被耦合到所述阵列天线的多个移相器中的一个移相器；
获取所述目标的坐标；
获取所述阵列天线的物理取向；
通过所述坐标和所述物理取向计算所述天线的主波束的转向方向；
通过所述转向方向确定所述天线阵列的每条馈电线所需的相移；
生成多个方波，每个方波都具有根据其相应的馈电线所需的所述相移的参数；
将所述多个方波施加到所述多条控制线。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，生成多个方波包括分别计算每个方波的占空比，以生成用于其相应的馈电线所需的所述相移的脉冲宽度调制。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，生成多个方波包括分别计算每个方波的频率，以生成其相应的馈电线所需的所述相移。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述方法还包括将所述方波的占空比保持恒定在50％。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，生成多个方波包括对于所有的控制线，将所述方波的幅度保持恒定。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，生成多个方波包括将激活信号施加到多个单独的晶体管。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述方法还包括将两个晶体管的漏极耦合到所述移相器中的每一个，并且生成多个方波包括将激活信号施加到所述晶体管。
17.根据权利要求10所述的方法，其中，所述方法还包括将所有移相器都耦合到公共电势。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述公共电势包括接地电势。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述公共电势包括双电压电源的恒定电压。
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