CN114207937A - 接地平面加热器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种具有加热器的天线以及使用该天线的方法。在一个实施例中，天线包括：具有多个射频辐射天线元件的天线孔径，天线孔径具有接地平面和用于调谐介电常数或电容的材料；以及与材料热接触的加热器结构。

Description

接地平面加热器
优先权声明
本专利申请要求于2019年7月15日提交的序列号为62/874,362的临时专利申请和于2020年7月13日提交的序列号为16/927,808的非临时专利申请的优先权，并通过引用将其并入。
技术领域
本发明的实施例涉及用于通信的射频(RF)孔径的领域；更具体地，本发明的实施例涉及包括内部加热器的RF孔径，例如天线。
背景技术
某些天线技术需要加热天线以使天线达到工作温度。例如，某些使用液晶的天线必须将液晶加热到特定温度，以使液晶按需要工作。
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将LC保持在特定温度以上以便例如在环境温度可能达到-30℃到-40℃的汽车显示器应用中正常工作。这些加热元件在与主LCD衬底分开的玻璃衬底上由诸如氧化铟锡(ITO)的透明导体制成。随后将该衬底键合到主LCD衬底以提供导热性。由于加热元件对光学频率是透明的，因此即使加热元件位于信号路径中，这也是实现LCD的加热器的直接且实用的方式。
然而，当考虑到基于LC的天线时，这种方法是不可行的。由于ITO和类似材料在RF频率下不透明，因此将这些类型的加热器元件置于RF信号的路径中将会衰减RF信号并降低天线的性能。
因此，基于LC的天线的现有技术实施例使用附接到金属馈电(feed)结构或具有良好热特性的其他块状机械结构的电阻式加热元件来加热LC层所在的天线的内部部分。然而，由于电阻式加热元件在物理上与LC层隔开天线堆叠中的多个层(包括热绝缘体层)，因此与LCD实施方式相比，必须施加明显更多的热功率来加热液晶。
基于LC的天线加热器的其他实施方式试图从天线孔径的边缘加热LC层。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层达到工作温度。这是对加热功率资源的低效使用。
发明内容
公开了一种具有加热器的天线以及使用该天线的方法。在一个实施例中，天线包括：具有多个射频辐射天线元件的天线孔径，天线孔径具有接地平面和用于调谐介电常数(permittivity)或电容的材料；以及与材料热接触的加热器结构。
附图说明
根据以下给出的详细描述和本发明的各个实施例的附图，将更充分地理解本发明，然而，这些附图不应被视为将本发明限于特定的实施例，而是仅用于说明和理解。
图1A示出了在RF元件之间遵循栅极和加热器布线的具有相等线长度的加热线。
图1B示出了在RF元件之间在同心弧上的具有不等长度的加热线。
图2示出了天线孔径的一个实施例的示例横截面。
图3A示出了用于相等长度的加热器线的加热器母线布置的示例。
图3B示出了用于不等长度的加热器线的加热器母线布置的示例。
图4A示出了穿过天线孔径中的层之间的边界密封件(seal)的加热器母线的示例。
图4B示出了加热器母线的一般横截面，该加热器母线连接到天线孔径内部的加热器线，在密封件下方延伸并且到达虹膜层悬垂部分(overhang)上的键合焊盘结构。
图5示出了从虹膜层到边界密封件内部的贴片(patch)层的加热器母线电跨交部(crossover)。
图6示出了从虹膜层到边界密封件结构内的贴片层的加热器母线电跨交部。
图7A-图7C示出了不同温度下的典型薄膜晶体管(TFT)电流(I)-电压(V)曲线。
图8A是用于使用TFT(或其他类型的晶体管)确定LC的温度估计的过程的一个实施例的流程图。
图8B是用于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是用于使用TFT(或其他类型的晶体管)确定LC的温度估计的过程的一个实施例的流程图。
图8D是用于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示出了用于测量液晶的电容的布置。
图10示出了具有布置在围绕圆柱形馈电天线(cylindrically fed antenna)的输入馈电(input feed)的同心环中的一个或多个天线元件阵列的孔径。
图11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。
图12示出了可调谐谐振器/槽的一个实施例。
图13示出了物理天线孔径的一个实施例的截面图。
图14A-图14D示出了用于创建开槽阵列的不同层的一个实施例。
图15示出了圆柱形馈电天线结构的一个实施例的侧视图。
图16示出了具有出射波的天线系统的另一实施例。
图17示出了矩阵驱动电路相对于天线元件的布置的一个实施例。
图18示出了TFT封装的一个实施例。
图19是同时具有发射和接收路径的通信系统的实施例的框图。
图20是同时具有发射和接收路径的通信系统的另一实施例的框图。
图21A和图21B示出了具有用于在天线孔径内部加热的加热元件的覆盖层(superstrate)的一个实施例。
图22是加热器层位于虹膜金属层下方的虹膜加热器设计的截面图。
图23是加热器层位于虹膜金属层上方的虹膜加热器设计的截面图。
图24示出了沿着天线段的两个边缘的汇流条(bus bar)。
图25示出了沿着天线段的三个边缘的汇流条。
图26示出了沿着天线段的所有边缘的汇流条。
图27示出了在虹膜金属层上制造的加热器汇流条和相应的描述。
图28是在虹膜金属上制造的加热器汇流条的图示和对应的横截面图。
图29示出了径向加热器母线和加热器线的布置。
图30示出了天线元件阵列形成孔径天线阵列的虹膜金属层。
图31示出了用于使用虹膜金属层作为加热器的加热器连接(connection)的设计。
具体实施例
在以下描述中，阐述了许多细节以提供对本发明的更彻底的说明。然而，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。在其他情况下，众所周知的结构和设备以框图形式示出而不是详细地示出，以避免使本发明模糊。
本发明的实施例包括用于将加热器(例如，加热元件)布置在基于LC的射频(RF)天线孔径内部的技术。在一个实施例中，加热器在天线孔内被布置得接近RF元件并且更靠近作为RF天线元件的一部分的液晶(LC)。与使用提高孔径内部温度的更间接的加热方法(例如，馈电结构背部的电阻式加热元件)的技术相比，这允许对孔径进行更直接的加热，减少加热器功率需求，并缩短温升时间。
加热器实施不干扰孔径的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)位于天线孔径内的、减少并潜在地消除对RF信号的干扰同时在孔径内提供更直接的加热的位置处。在一个实施例中，这是通过在RF元件之间在与RF元件的部分几乎相同的平面上设置加热元件来实现的。在一个实施例中，加热器元件的位置位于与作为贴片/虹膜开槽阵列天线的一部分的虹膜层(例如，虹膜金属层)的虹膜元件相同的平面内。通过将孔径内部的加热器配线(wiring)移动到与虹膜层几乎相同的平面上，加热线与RF信号的相互作用被减少，并且被潜在地最小化。
本文公开的技术集中于用于在超材料天线的虹膜玻璃衬底上实现电阻式加热器的概念。这种天线的示例在下面和所附的附录中被更详细地描述。在一个实施例中，超材料天线在其天线元件设计中使用一层液晶(LC)材料作为可调谐电容器。在一个实施例中，LC材料的响应取决于温度，并且针对来自10℃及以上温度下的LC的响应优化了超材料天线设计。因此，超材料天线需要加热器结构来实现其在低于10℃的温度下的工作。在一个实施例中，该加热器可以被并入到具有两个玻璃衬底的天线的玻璃衬底设计中，两个玻璃衬底之间有LC层，以用于提供有效的加热，因为两个玻璃衬底与LC层直接接触。在一个实施例中，两个玻璃衬底具有贴片/槽天线的虹膜层和贴片层。在一个实施例中，并入到虹膜玻璃衬底中的这种加热器在本文中被称为“虹膜加热器”。与附接到金属反馈结构或其他块状机械结构以加热LC层所在的天线内部部分的电阻式加热元件相比，下面描述的加热器设计概念可以将加热功率需求降低数百瓦特。
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，从直接位于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或其他材料接触，则检测晶体管的温度提供对LC/材料温度的指示。
本文描述的技术降低了加热器系统的成本，需要较少的功率，减少了孔径温度的上升时间，并且缩小了用于控制天线的控制器板的占地面积。更具体地，在一个实施例中，本文描述的技术需要75-100瓦特的功率并且将在20分钟内使LC层温度达到工作温度。
此外，通常在拆装(break-out)印刷电路板(PCB)或拆装板(例如，接口板(例如，到与其他天线段组合以形成天线孔径的天线段的接口板))，其在物理上基本可从包括贴片和虹膜玻璃层以及LC层的玻璃组装件移除)上感测温度。玻璃上的温度感测提供了对热管理反馈回路的更严格的控制。
概述
在一个实施例中，加热器结构包括几个部分：加热元件、为加热器元件供电的加热器供电母线(heater power bus)、以及将加热器供电母线连接到位于孔径外部的加热器电源的连接方案。在一个实施例中，加热器元件是线。在一个实施例中，加热器供电母线具有非常低的电阻。
取决于实施方式，加热器配线、加热器母线和加热器连接的实施可能需要在孔径制造期间额外地沉积导体层、钝化层、通孔开口等。这些附加层可以用于构建加热器结构，将加热器结构与其他结构电隔离或化学隔离，并根据需要为加热器提供与现有孔径结构的接口。
加热线
期望的是孔径的加热均匀地发生。本文描述了可以实现该目的的加热线的两种配置。
在一个实施例中，加热线具有相等的长度并且这些加热线在加热线的长度上的横截面以及从加热线到加热线之间在尺寸上是相同的(或相似的)。总的来说，这在孔径上提供了每单位面积相同的功率耗散。在一个实施例中，加热线均匀地分布在孔径质量区域上，其中加热线铺设在虹膜之间，不与贴片或虹膜交叉或接触。在一个实施例中，加热线在孔径区域上彼此相距接近相同的距离(相同的节距)。
图1A示出了用于加热天线孔径中的RF天线元件的加热元件的示例，其中加热线具有相等的线长度并且在RF元件之间遵循栅极布线和加热器布线。在一个实施例中，栅极布线是用于控制使基于液晶的RF天线元件接通和断开的栅极的布线，这将在下面更详细地描述。
参考图1A，天线孔径段100示出了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。要注意，可以使用其他数量的段来构建整个天线阵列。例如，在一个实施例中，这些段被成形为使得联接在一起的三个段形成RF天线元件的圆形阵列。有关天线段及其联接在一起的方式的更多信息，请参见2016年3月3日提交的专利公开号为US2016/0261042、题为“ANTENNAELEMENT PLACEMENT FOR ACYLINDRICAL FEED ANTENNA(针对圆柱形馈电天线的天线单元布置)”的美国申请，以及参见2016年3月3日提交的专利公开号为US2016/0261043、题为“APERTURESEGMENTATION OF ACYLINDRICAL FEED ANTENNA(圆柱性反馈天线的孔径划分)”的美国申请。请注意，本文描述的技术不限于通过天线孔径段来操作，而是可以用于包含RF天线元件的整个阵列的单个孔径。
加热线(元件)101被显示在天线孔径段100上。在一个实施例中，加热线101的长度相等。在一个实施例中，加热线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，加热线101遵循用于控制接通和断开阵列中的各个RF天线元件的栅极的栅极线。在一个实施例中，加热线101与RF元件之间的距离相等。
在一个实施例中，加热线101彼此等距。换言之，加热线对之间的间隔是相等的。要注意，这不是必需的，然而这可能有助于提供对天线孔径的更均匀的加热。在一个实施例中，当天线阵列中的天线元件位于环中时，加热线101中的各个加热线与RF天线元件的两个连续环之间的距离相等。在替代实施例中，加热线对之间的间隔不相等。
应该注意，图1A中描绘的加热器配线指示配线的相对位置和布线，但不代表线的配线尺寸或数量。例如，在一个实施例中，每隔一条线可以移除一条线，其中剩余的线提供在区域上均匀地提供加热的所需加热。关于加热线的尺寸，它们的尺寸基于加热线本身的材料特性和线所要提供的加热量。
在一个实施例中，以下列方式选择加热线101的加热线横截面(高度和宽度)。首先，对于给定的期望加热器电源电压与加热线的数量和长度，加热孔径区域所需的功率被转换为加热线的电阻。进而，该电阻值与加热线材料的特性结合使用，以确定所需的加热线横截面。注意，可以使用其他考虑因素来选择加热线横截面，包括但不限于制造成品率。
在另一个实施例中，加热线的长度不相等并且它们的横截面不相等。在一个实施例中，长度不等的加热线在RF元件之间的同心圆弧上。在一个实施例中，加热器线的宽度相等，并且从段的中心沿径向调节线的高度，以在孔径区域上提供每单位面积的均匀功率。
图1B示出了天线孔径上的加热线的实施例，天线孔径具有长度不等的加热线并且它们的横截面彼此不相等。参考图1B，加热线111显示在天线孔段110上，天线孔径段110与图1A中描绘的孔径段类型相同。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。如图1A所示，在一个实施例中，加热线被布线在RF元件之间。在一个实施例中，该布线遵循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，加热线横截面的高度在孔径区域上是不同的，从而尽管加热线的长度不相等，也控制电流和电阻提供每单位面积相同的功率耗散。
应当注意，图1B中描绘的加热器配线指示配线的相对位置和布线，但不代表线的配线尺寸或数量。关于加热线的尺寸，它们的尺寸取决于加热线本身的材料特性和线所要提供的加热量。
在一个实施例中，加热线位于虹膜特征之间并且不与具有贴片/槽对的天线元件的可调谐开槽阵列中的贴片或虹膜特征交叉或接触。在图2中提供的图示示例中，加热线位于虹膜/贴片元件的环中间的环中，其中有加热线的附加内部和外部环。在一个实施例中，加热配线的环在孔径区域上以相同的径向节距位于同心环上。在一个实施例中，加热器配线径向节距与RF元件的径向节距相同。在替代实施例中，加热器配线径向节距与RF元件的径向节距不同。
在一个实施例中，加热器线在RF元件之间接近等距。
图2示出了具有虹膜层和贴片层的天线孔径的示例横截面或侧视图。参考图2，贴片玻璃层201和虹膜玻璃层202相对于彼此分开，分别包括贴片槽和虹膜槽，以形成可调谐开槽阵列。这样的阵列是众所周知的并且也在下面进行了更详细的描述。在一个实施例中，贴片玻璃层201和虹膜玻璃层202是玻璃衬底。注意，贴片层和虹膜层在下文中可以分别被称为贴片玻璃层和虹膜玻璃层。然而，应当理解，出于本文的目的，当衬底不是玻璃时，包括“贴片玻璃层”和“虹膜玻璃层”的实施例可以分别通过“贴片衬底层”和“虹膜衬底层”(或贴片衬底以及虹膜衬底)来实施。
在贴片玻璃层201上制造贴片金属层211。在贴片金属层211上制造钝化贴片层231。在钝化贴片层231的顶部上制造液晶(LC)对准层213。在虹膜玻璃层202上制造虹膜金属层212的区段(section)。在虹膜金属层212上制造钝化虹膜1层232。在钝化虹膜层232的顶部上制造加热器线240。在一个实施例中，加热器线240与一对虹膜元件之间的距离接近相等。其他加热器线也以这种方式位于虹膜元件之间。在钝化虹膜1层232和加热器线240之上制造另一钝化虹膜2层233。在钝化虹膜2层233的顶部上制造LC对准层213。
注意，LC对准层213用于对准LC 260，使得它以本领域公知的方式指向单个方向。
加热器供电母线
提供供电母线以向加热器线供电。这些的示例如下图所示。在一个实施例中，与加热器线相比，供电母线的电阻低几个数量级，因此从母线的一端到另一端有小的压降，因此所有的加热器线可以在加热器线的每个母线端具有相同的电压。这使得管理加热器线网络的功率分配变得更加简单。
在一个实施例中，加热器母线布置在孔径内部，使得加热器线能够在加热器线的每一端连接到适当的电源电压。
在一个实施例中，加热器母线是布置在孔径中的单独的结构，以仅用于向加热器线网络提供电力的目的。
在另一实施例中，孔径中的现有结构也可以用作加热器母线。在一个实施例中，加热器母线(或多个母线)被内置到孔径的密封结构中。在另一种情况下，虹膜金属(例如，铜)平面可以用作加热器母线以吸收加热器线的电流或为加热器线提供电流。
图3A示出了集成在天线孔径上的用于等长的加热器线的加热器供电母线布置的示例。参考图3A，天线孔径段300包括加热器母线线路301和302，天线孔径段300代表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。加热器供电母线线路301和302电连接到加热器线303，并向加热器线303提供电力。
图3B示出了集成在天线孔径上的用于长度不等的加热器线的加热器供电母线布置的示例。参考图3B，加热器供电母线303、304电连接到天线孔径段310上的加热器线305。
加热器母线到电源的连接
在一个实施例中，孔径内部的加热器母线被带到孔径结构的外部以连接到加热器电源。在一个实施例中，这可以通过如下方式来实现：通过天线孔径的外围部分(outerportion)处的边界密封结构将加热器母线连接到位于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。例如，一种这样的金属化层位于虹膜玻璃层或贴片玻璃层上。这种金属化连接到密封件内部的加热器母线，并从密封件内部延伸，穿过密封件，并向外延伸到贴片或虹膜玻璃层的延伸超过彼此的部分。这些可以称为悬垂部分区域。在这种情况下，那些悬垂部分区域下方的贴片或虹膜玻璃层的部分可以被称为下悬(under-hang)区域。
图4A和图4B示出了穿过边界密封件到达虹膜玻璃层悬垂部分上的加热器母线的示例。在一个实施例中，在这种情况下，RF孔径被切割，使得虹膜玻璃层和贴片玻璃层都具有悬垂部分区域(其中衬底具有不面向与金属化面相对的玻璃层的金属化区域)。注意，虽然虹膜层和贴片层有时在本文中被描述为玻璃层，但它们不限于玻璃并且可以构成其他类型的衬底。
图4A示出了用于将加热器母线连接到加热器电源的加热器母线连接方案。参考图4A，在一个实施例中，加热器电源(未示出)位于包括加热器线的天线元件阵列(例如，天线元件阵列430)的外部。天线孔径段400包括如本文所讨论的贴片层和虹膜层。虹膜层的被称为虹膜悬垂部分401和402的那部分在贴片层的部分上延伸。类似地，贴片玻璃层的在本文被称为贴片悬垂部分403的那部分延伸超过虹膜玻璃层的一部分。虹膜玻璃层和贴片玻璃层通过孔径边界密封件460与液晶材料LC 462密封在一起。加热器供电母线410在密封交叉部(seal crossing)421处与边界密封件460交叉。加热器母线411在密封交叉部420处与边界密封件460交叉并连接到电源。在这两种情况下，加热器供电母线410和加热器母线411能够通过离开天线孔径段400接通电源。天线孔径段400包括电连接到天线元件阵列430中的加热器线481的加热器供电母线410和411。
图4B是连接到孔径内部的加热器线的加热器母线的一般横截面，其在密封件下方延伸并到达虹膜悬垂部分上的键合焊盘结构。参考图4B，加热器母线金属443在虹膜玻璃层431上的边界密封件、边界密封粘合剂450下以及在钝化层441顶部上延伸。因此，加热器母线金属443在边界密封粘合剂450下方。边界密封粘合剂450将贴片玻璃层430联接到虹膜玻璃层431，虹膜玻璃层431包括其上的制造层。
加热器线444沉积在钝化层441和加热器母线金属443的一部分的顶部上，从而通过加热器线444电连接到加热器母线金属443。加热器线444被制造在钝化层441的被制造在虹膜金属445的顶部上的那部分上并且被制造在加热器母线金属443的一部分上。在替代实施例中，在加热器母线金属443和加热器线444之间存在钝化层，其中穿过该钝化层的通孔连接加热器母线金属443与加热器线444。
钝化层441被制造在加热器线444和加热器母线金属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也被制造在贴片玻璃层430的底部。类似地，对准层432被制造在贴片玻璃层430上的钝化层441的一部分之上。注意，虽然加热器线444被显示为直接沉积在加热器母线金属443的顶部上而在它们之间没有钝化层以及通孔，但是在替代实施例中，在加热器线444和加热器母线金属443之间沉积另一层钝化层，使用通孔在两者之间形成电连接。在蚀刻加热器线金属时，该钝化层保护加热器母线金属。
键合焊盘/连接器结构442是将电源电连接到加热器母线金属443的位置。
用于加热器母线的电力可以从孔径的贴片玻璃层侧穿过边界密封件内侧、边界密封件本身内、或边界密封件外侧的孔径的虹膜玻璃层侧。将加热器母线引出到贴片层悬垂部分的优点是可能在用于从控制器电子器件到孔径的其余接口线的连接器内进行加热器连接。下面的图示显示了在边界密封件内侧和边界密封件内这样做的方法。
图5示出了在边界密封件内部从虹膜层电跨交到贴片层的加热器供电母线的一个实施例。参考图5，贴片玻璃层501显示在虹膜玻璃层502上。在贴片玻璃层501和虹膜玻璃层502上制造多个层，并且边界密封粘合剂521将这两个衬底联接在一起并在两个衬底之间密封LC 560。在一个实施例中，贴片玻璃层501和虹膜玻璃层502包括玻璃层，然而它们可以是其他类型的衬底。
虹膜金属层541被制造在虹膜玻璃层502的顶部上。钝化层531被制造在虹膜金属层541和其中不存在虹膜金属层541(例如，已经被蚀刻掉)的虹膜玻璃层502的顶部上。在钝化层531上包括加热器母线金属512。在虹膜金属层541上的钝化层531上的是钝化层550。用于加热LC560的加热器线510被制造在钝化层550的顶部和加热器母线金属512的一部分的顶部上。在替代实施例中，在加热器母线金属512和加热器线510之间存在钝化层，其中穿过该钝化层的通孔连接加热器母线金属512和加热器线510。钝化层530被制造在加热器线510上或加热器线510的至少一部分上，其中在钝化层530的顶部上具有对准层440。在贴片玻璃层501上制造钝化层532。在钝化层532的顶部上是提供加热器母线的金属化511。钝化层530覆盖加热器母线金属化511的一部分，而对准层440覆盖钝化层530的一部分并用于对准LC560。键合/连接器结构513被定位以允许加热器供电母线和外部电源(未显示)之间的电连接。
导电跨交部520将加热器母线金属化511电连接到加热器母线金属512，使得连接到连接器结构513的电源能够通过加热器母线金属化511、通过导体跨交部520向将电力提供到加热器线510的加热器母线金属512提供电力。
图6示出了在边界密封结构内从虹膜层电跨交到贴片层的加热器母线的一个实施例。参考图6，导电跨交部620与边界密封件621一起提供被制造在贴片玻璃层601上的加热器母线金属611与位于虹膜玻璃层602上的加热器母线612之间的电连接。用于调谐超材料天线的液晶材料LC 660保持在贴片玻璃层601和虹膜玻璃层602之间。用于加热LC 660的加热器线615被制造在钝化层650的被制造在虹膜金属641的顶部上的那部分上，并且被制造在加热器母线金属612的一部分上。在替代实施例中，在加热器母线612和加热器线615之间存在钝化层，其中穿过钝化层的通孔连接加热器母线612和加热器线615。
贴片悬垂部分在边界密封件之外没有面向的虹膜玻璃。下悬的虹膜在边界密封件之外没有面向的贴片玻璃。因此，可以进入悬垂部分或下悬部分上的金属化以形成与加热器电源/控制器的连接。例如，可以通过ACF(各向异性导电粘合剂)形成与柔性电缆的这种连接。该柔性电缆可以连接到加热器电源/控制器。该加热器电源/控制器可以位于孔径控制器板上，或者可以是独立的电源/控制器单元。
注意，在图中，贴片玻璃，尤其是在边界密封区域周围的贴片玻璃，除了该加热器配线之外，在其上具有多个其他结构。所绘制的加热器连接结构仅关注于提供加热器的方法，而没有试图显示与其他贴片结构(例如从贴片悬垂部分连接到虹膜金属的电压母线)的集成。加热器母线金属化511(图5)和611(图6)上方的钝化层将该加热器电源金属化与贴片电路的其余部分隔离开。
加热器配线、加热器母线和连接的布置
加热器配线和加热器母线可以布置在孔径的贴片玻璃侧、孔径的虹膜玻璃侧，或者可以在孔径的贴片和虹膜玻璃(或非玻璃)层上都具有多个部分。加热器的连接可以从孔径的贴片玻璃层或虹膜玻璃层侧上产生。
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是否需要接合包括加热器元件(线)、加热器母线和加热器连接的加热器，以调节孔径中的温度。在需要将RF天线元件置于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，如果LC处于特定温度，则天线元件更有效地工作。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，加热器线、母线和连接可以用于加热内部孔径，直到LC处于所需的温度范围。
使用天线元件控制晶体管(例如TFT)进行孔径温度测量
本发明的实施例包括使用集成到贴片层衬底上的晶体管(例如，薄膜晶体管(TFT))来测量LC温度的技术。在一个实施例中，该技术使用TFT随温度改变迁移率的特性来指示温度。
图7A-图7C是不同温度下典型的TFT电压与电流曲线图。参考图7A-图7C，每个图表都具有针对Vds的两个值的曲线图，其中纵轴是Id，横轴是Vgs。
注意，对于给定的Vds和Vgs，Id随温度变化。通过使用此TFT特性并将Vgs和Vds设置为已知的恒定值，可以将测得的Id值与TFT的温度相关联。
图8A是用于使用TFT(或其他类型的晶体管)来确定LC的温度估计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。
参考图8A，该过程开始于调节被称为数模转换器(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(处理块801)。接下来，温度控制系统中的处理逻辑通过读取监测电流感测电阻器两端的电压的Id测量ADC来测量电流Id(处理块802)。基于Vgs电压值和Id电流值，处理逻辑关联Id值与校准温度值(处理块803)。关联可以由关联器/处理单元(例如，处理器)执行，该关联器/处理单元使用这些值来访问查找表(LUT)以确定TFT的对应温度值。
图8B示出了温度测量电路的示例。参考图8B，电压值由DAC 861提供给具有与晶体管864串联联接的电流传感器电阻器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DAC 861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可以基于被监测的晶体管的类型提供不同的电压值。
使用比较器863监测电流传感器电阻器862两端的电压值以产生由ADC 810转换为数字形式的电流测量结果。基于测量电流和测得的Vgs电压，关联器841基于晶体管864与测得的电流Id和Vgs电压之间的关联性来确定晶体管864的温度842(处理块803)。由于晶体管864与LC接触，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(或其他类型的晶体管)来确定LC的温度估计的过程的一个实施例的流程图。如图8A所示，TFT连接到LC，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。
参考图8C，该过程开始于调节被称为数模转换器(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(处理块804)。接下来，温度控制系统中的处理逻辑通过读取监测电流感测电阻器两端的电压的Id测量ADC来测量电流Id(处理块805)。基于Vds电压值和Id电流值，处理逻辑关联Id值与校准温度值(处理快806)。关联可以由关联器/处理单元(例如，处理器)执行，该关联器/处理单元使用这些值来访问查找表(LUT)以确定TFT的对应温度值。
图8D示出了使用图8C的过程的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中的电路。因此，监测子系统进行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，以测量不同位置的温度和/或以用于温度平均。
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。这利用了LC的电容随温度变化的特性。
在一个实施例中，通过将导电表面布置在贴片玻璃层上并且将匹配的导电表面布置在虹膜玻璃层上来制作电测试电容器，从而产生LC用作分离介电材料的电容器。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关联到LC的温度。
图9示出了确定LC的电容以便确定RF天线元件中的LC温度的电路。参考图9，将激励信号901被提供给将虹膜玻璃层910E连接到液晶910C的导体910D。在一个实施例中，激励是方波。在一个实施例中，激励信号901来自DAC，DAC具有温度控制器931提供的输入。在一个实施例中，温度调节单元943可以基于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导致在液晶910C上产生电容，该电容通过Σ-Δ数字转换器(CDC)902来测量。CDC 902的输出被提供给温度控制器931，其使用关联器941关联电容测量结果与基于LC的测试电容器的LC的温度942。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关联衰减速度与液晶的温度。LC的衰减速度在本领域中是众所周知的，并且很容易跟踪LC被使用的时间量。在一个实施例中，以与以上结合图8B、图8D和图9所述的方式相同方式来执行关联操作。
在一个实施例中，多个测试贴片分布在基于RF LC的天线元件的天线阵列周围，以测量不同位置的温度和/或以用于温度平均。
包括加热器元件和加热器母线的加热器与温度传感器一起操作以向加热器系统提供反馈。温度传感器可以位于孔径中或孔径上。可能需要通过校准过程来建立孔径内部的温度与传感器测量的温度的某种关联性。
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/控制器的控制回路来调节。当传感器指示孔径低于其工作温度时，加热器功率控制器使加热器接通以加热孔径。可以使用本文所述的加热器结构通过多种方法来控制所需的孔径温度。
在替代实施例中，不是将加热器布置在RF孔径内部，而是在覆盖层上形成相同类型的加热器线图案、加热器线图案布置、加热器母线和加热器母线布置。在一个实施例中，覆盖层是直接位于RF孔径的面向卫星侧(satellite facing side)上的衬底。在一个实施例中，实施方式与上述用于RF孔径内(RF元件/LC平面中)的实施方式相同。
在一个实施例中，当将加热器布置在覆盖层上时，通过位于贴片层的顶部与覆盖层的底部之间的加热器线图案，将覆盖层布置得尽可能靠近LC层。将加热器布置在覆盖层上的一个潜在问题是来自贴片层的RF与覆盖层上的加热器线的相互作用可能对由RF孔径形成的RF图案产生不利影响。为了减少RF与加热器线的相互作用，在一个实施例中，贴片层被尽可能地减薄，以尽可能靠近RF元件/LC平面来移动加热器。
图21A和图21B示出了具有与其附接的加热器图案的覆盖层的示例。参考图21A和图21B，覆盖层2101在其底侧包括加热线器图案2103。加热器母线2102也附接到覆盖层2101的底部。覆盖层2101联接到包括如图21B所示的RF天线元件的孔径区域2110、贴片悬垂部分2103的段2100。
天线实施例的示例
上述技术可以与平板天线(flat panel antenna)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电天线，其包括矩阵驱动电路以唯一地寻址和驱动未按行和列布置的天线元件中的每一个。在一个实施例中，元件被布置在环中。
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封闭同心环。在一个实施例中，同心环相对于天线馈线是同心的。
对天线系统示例的概述
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面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)上进行操作的卫星地面站(ES)的组件或子系统，该卫星地面站(ES)使用民用商业卫星通信的Ka波段频率或Ku波段频率进行操作。请注意，天线系统的实施例也可以用于不在移动平台上的地面站(例如，固定或可运transportable输地面站)。
在一个实施例中，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发射和接收波束并使发射和接收波束转向。在一个实施例中，天线系统是与采用数字信号处理来电形成波束并使波束转向的天线系统(例如，相控阵列天线)不同的模拟系统。
在一个实施例中，天线系统包括三个功能子系统：(1)由圆柱形波馈电架构组成的波导结构；(2)作为天线元件的一部分的波散射超材料单位单元的阵列；(3)控制结构，用于使用全息原理来命令由超材料散射元件形成可调节辐射场(波束)。
波导结构的示例
图10示出了具有被布置在围绕圆柱形馈电天线的输入馈电的同心环中的一个或多个天线元件阵列的孔径。在一个实施例中，圆柱形馈电天线包括用于提供圆柱形波馈电的同轴馈电。在一个实施例中，圆柱形波馈电架构从中心点向天线馈送激励，激励从馈电点以圆柱形方式向外传播。也就是说，圆柱形馈电天线产生向外行进的同心馈电波。尽管如此，圆柱形馈电周围的圆柱形馈电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。这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单位单元的一部分，单位单元包括下导体、电介质衬底以及嵌入互补电感式-电容式谐振器(“互补电LC”或“CELC”)的上导体，电感式-电容式谐振器被蚀刻在上导体中或被沉积在上导体上。如本领域技术人员将理解的，在CELC的上下文中，LC指的是电感-电容，而不是液晶。
在一个实施例中，液晶(LC)被设置在散射元件周围的间隙中。该LC由上述直接驱动实施例进行驱动。在一个实施例中，液晶被封装在每个单位单元中并且将与槽相关联的下导体与关联于其贴片的上导体分开。液晶具有作为包括液晶的分子的取向的函数的介电常数，并且可以通过调节液晶两端的偏压来控制分子的取向(以及由此控制介电常数)。利用这一特性，在一个实施例中，液晶集成用于将能量从导波传输到CELC的接通/切断开关。当接通时，CELC像小型电偶极天线一样发射电磁波。注意，本文的教导不限于具有针对能量传输以二元方式进行操作的液晶。
在一个实施例中，该天线系统的馈电几何结构允许天线元件与波馈电中的波矢量成四十五度(45°)角定位。请注意，可以使用其他位置(例如，40°角)。元件的该位置使得能够控制由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间隔。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约为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，则这两组元件相互垂直并且同时具有等幅激励。将它们相对于馈电波激励旋转+/-45度同时实现两个所需的特征。将一组旋转0度并将另一组旋转90度将实现垂直目标，但不能实现等幅励磁目标。请注意，当从两侧向单个结构中的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(LC通道两端的电势)来控制来自每个单位单元的辐射功率量。每个贴片的迹线用于为贴片天线提供电压。该电压用于调谐电容或使电容失谐(detune)，并因此调谐各个元件的谐振频率或使各个元件的谐振频率失谐，以实现波束成形。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性主要由阈值电压来描述，在该阈值电压下液晶开始受到电压和饱和电压的影响，高于该阈值电压，电压的增加不会引起液晶的显著调谐(major tuning)。这两个特性参数可以针对不同的液晶混合物而改变。
在一个实施例中，如上所述，矩阵驱动用于将电压施加到贴片，以便与所有其他单元分离地驱动每个单元，而无需具有用于每个单元的单独连接(直接驱动)。由于元件的高密度，矩阵驱动是单独寻址每个单元的有效方式。
在一个实施例中，用于天线系统的控制结构具有两个主要组件：包括用于天线系统的驱动电子器件的天线阵列控制器位于波散射结构下方，而矩阵驱动开关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业电视设备中使用的商业现成LCD控制，其通过调节到每个散射元件的AC偏置信号的幅度或占空比来调节该元件的偏压。
在一个实施例中，天线阵列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、三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计等)以向处理器提供位置和取向信息。位置和取向信息可以由地面站中的其他系统提供给处理器和/或可以不是天线系统的一部分。
更具体地，天线阵列控制器控制哪些元件被切断以及哪些元件被接通以及在工作频率下处于哪种相位和幅度水平。通过电压施加使元件选择性失谐以进行频率操作。
对于传输，控制器将电压信号阵列提供给RF贴片以创建调制或控制模式。控制模式使元件转变为不同的状态。在一个实施例中，使用各种元件被接通和切断到不同水平的多状态控制，进一步近似正弦控制模式，而不是方波(即，正弦灰度调制模式)。在一个实施例中，一些元件比其他元件辐射更强，而不是一些元件辐射且一些元件不辐射。可变辐射是通过施加特定的电压水平来实现的，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比其他元件辐射更多。
由超材料元件阵列生成聚焦波束可以通过相长干涉和相消干涉现象来解释。如果各个电磁波在自由空间相遇时具有相同的相位，则它们相加(相长干涉)；如果它们在自由空间相遇时处于相反的相位，则波相互抵消(相消干涉)。如果开槽天线中的槽被定位成使得每个连续槽被定位成与导波的激励点相距不同的距离，则来自该元件的散射波将具有与前一个槽的散射波不同的相位。如果这些槽被间隔开四分之一的导波波长，则每个槽将散射的波与前一个槽相比具有四分之一的相位延迟。
使用该阵列，可以增加可以产生的相长干涉和相消干涉的图案的数量，使得利用全息原理，理论上可以使波束指向与天线阵列的视轴(bore sight)相距正负九十度(90°)的任何方向。因此，通过控制接通或切断哪些超材料单位单元(即，通过改变接通哪些单元以及切断哪些单元的图案)，可以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。接通和切断单位单元所需的时间决定波束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转向波束和用于下行链路天线的一个可转向波束。在一个实施例中，天线系统使用超材料技术来接收波束并解码来自卫星的信号以及形成指向卫星的发射波束。在一个实施例中，天线系统是与采用数字信号处理来电形成波束并使波束转向的天线系统(例如相控阵天线)不同的模拟系统。在一个实施例中，天线系统被认为是平面的且相对低剖面(low profile)的“表面”天线，尤其是在与传统的卫星碟形接收器相比时。
图11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立体图。可重构谐振器层1230包括可调谐谐振器/槽1210的阵列。可调谐谐振器/槽1210的阵列可以被配置为使天线指向期望的方向。可通过改变液晶两端的电压来调谐/调节每个可调谐槽。
控制模块1280联接到可重构谐振器层1230以通过改变图11中的液晶两端的电压来调制可调谐谐振器/槽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)或其他处理逻辑。在一个实施例中，控制模块1280包括逻辑电路(例如，多路复用器)以驱动可调谐谐振器/槽1210的阵列。在一个实施例中，控制模块1280接收数据，该数据包括用于待在可调谐谐振器/槽1210的阵列上驱动的全息衍射图案的规范。可以响应于天线和卫星之间的空间关系来生成全息衍射图案，使得全息衍射图案将下行链路波束(以及如果天线系统执行发射的话则将上行链路波束)转向到用于通信的适当的方向。尽管未在每幅图中绘制，但类似于控制模块1280的控制模块可以驱动在本公开的图中描述的可调谐槽的每个阵列。
射频(“RF”)全息术也可以使用在射频参考波束遇到射频全息衍射图案时可以生成所需的RF波束的类似技术。在卫星通信的情况下，参考波束具有馈电波的形式，例如馈电波1205(在一些实施例中约为20GHz)。为了将馈电波转换为辐射波束(用于发射或接收目的)，计算所需的RF波束(目标波束)和馈电波(参考波束)之间的干涉图案。干涉图案作为衍射图案被驱动到可调谐谐振器/槽1210的阵列上，使得馈电波被“转向”到期望的RF束(具有期望的形状和方向)中。换言之，遇到全息衍射图案的馈电波“重构”根据通信系统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，并且由Whologram＝Win*Wout计算，其中Win为波导中的波动方程，Wout为出射波上的波动方程。
图12示出了可调谐谐振器/槽1210的一个实施例。可调谐谐振器/槽1210包括虹膜/槽1212、辐射贴片1211和设置在虹膜/槽1212与贴片1211之间的液晶1213。在一个实施例中，辐射贴片1211与虹膜/槽1212协同定位(co-located)。
图13示出了物理天线孔径的一个实施例的横截面视图。天线孔径包括接地平面1245和虹膜层1233内的金属层1236，虹膜层1233包括在可重构谐振器层1230中。在一个实施例中，图13的天线孔径包括图12的多个可调谐谐振器/槽1210。虹膜/槽1212由金属层1236中的开口限定。馈电波，例如图11的馈电波1205，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1245与谐振器层1230之间传播。
可重构谐振器层1230还包括衬垫层1232和贴片层1231。衬垫层1232设置在贴片层1231和虹膜层1233之间。注意，在一个实施例中，间隔件可以代替衬垫层1232。在一个实施例中，虹膜层1233是包括作为金属层1236的铜层的印刷电路板(“PCB”)。在一个实施例中，虹膜层1233是玻璃。虹膜层1233可以是其他类型的衬底。
可以在铜层中蚀刻开口以形成虹膜/槽1212。在一个实施例中，虹膜层1233通过导电键合层导电联接到图13中的另一结构(例如，波导)。注意，在一个实施例中，虹膜层不通过导电键合层导电联接，而是与非导电键合层接合。
贴片层1231也可以是包括作为辐射贴片1211的金属的PCB。在一个实施例中，衬垫层1232包括间隔件1239，其提供机械间距以限定金属层1236和贴片1211之间的尺寸。在一个实施例中，间隔件是75微米，但也可以使用其他尺寸(例如，3-200mm)。如上所述，在一个实施例中，图13的天线孔径包括多个可调谐振器/槽，例如图12的包括贴片1211、液晶1213和虹膜/槽1212的可调谐振器/槽1210。用于液晶1213的腔室由间隔件1239、虹膜层1233和金属层1236限定。当腔室充满液晶时，可以将贴片层1231层压到间隔件1239上以将液晶密封在谐振器层1230内。
可以调整贴片层1231和虹膜层1233之间的电压以调谐贴片和槽(例如，可调谐谐振器/槽1210)之间的间隙中的液晶。调节液晶1213两端的电压改变槽(例如，可调谐谐振器/槽1210)的电容。因此，可以通过改变电容来改变槽(例如，可调谐谐振器/槽1210)的电抗。可调谐谐振器/槽1210的谐振频率也根据等式
Figure BDA0003471714060000251
变化，其中f是可调谐谐振器/槽1210的谐振频率，L和C分别是可调谐谐振器/槽1210的电感和电容。可调谐谐振器/槽1210的谐振频率影响从通过波导传播的馈电波1205辐射的能量。作为示例，如果馈电波1205是20GHz，则可调谐谐振器/槽1210的谐振频率可以被调节(通过改变电容)到17GHz，使得可调谐谐振器/槽1210基本上不联接来自馈电波1205的能量。或者，可调谐谐振器/槽1210的谐振频率可以调整为20GHz，使得可调谐谐振器/槽1210联接来自馈电波1205的能量并将该能量辐射到自由空间中。尽管给出的示例是二元的(完全辐射或根本不辐射)，但是电抗以及因此可调谐谐振器/槽1210的谐振频率的完全灰度控制在多值范围内的电压变化的情况下是可能的。因此，可以精细控制从每个可调谐谐振器/槽1210辐射的能量，使得可以利用可调谐槽(例如，可调谐谐振器/槽)的阵列形成详细的全息衍射图案。
在一个实施例中，一行中的可调谐槽彼此间隔λ/5。可以使用其他间距。在一个实施例中，一行中的每个可调谐槽与相邻行中最近的可调谐槽间隔λ/2，因此，不同行中的共同定向的可调谐槽间隔λ/4，然而其他间距(例如，λ/5、λ/6.3)是可能的。在另一实施例中，一行中的每个可调谐槽与相邻行中最近的可调谐槽间隔λ/3。
实施例使用可重构超材料技术，例如在2014年11月21日提交的题为“DynamicPolarization and Coupling Control from a Steerable Cylindrially FedHolographic Antenna”的美国专利申请No.14/550,178以及2015年1月30日提交的题为“Ridged Waveguide Feed Structures for Reconfigurable Antenna”的美国专利申请No.14/610,502中描述的。
图14A-图14D示出了用于创建开槽阵列的不同层的一个实施例。天线阵列包括定位于环(例如，图10中所示的示例环)中的天线元件。注意，在此示例中，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14A示出了位置与槽相对应的第一虹膜板层的一部分。参考图14A，圆圈是虹膜衬底的底侧中的金属化中的开口区域/槽，并且用于控制元件与馈电(馈电波)的联接。注意，该层是可选层，并非在所有设计中都使用。图14B示出了包含槽的第二虹膜板层的一部分。图14C示出了第二虹膜板层的一部分上的贴片。图14D示出了开槽阵列的一部分的俯视图。
图15示出了圆柱形馈电天线结构的一个实施例的侧视图。天线使用双层馈电结构(即，两层馈电结构)产生向内的行波。在一个实施例中，天线包括圆形外形，但这不是必需的。即，可以使用非圆形的向内行进结构。在一个实施例中，图15中的天线结构包括参考图10描述的同轴馈电。
参考图15，同轴引脚1601用于激励天线的下层上的场。在一个实施例中，同轴引脚1601是容易得到的50Ω同轴引脚。同轴引脚1601联接(例如，栓接)到天线结构的底部，该底部是导电的接地平面1602。
间隙导体(interstitial conductor)1603与导电的接地平面1602分开。在一个实施例中，导电的接地平面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之间的距离是0.1-0.15”。在另一实施例中，该距离可以是λ/2，其中λ是工作频率下行波的波长。
接地平面1602通过间隔件1604与间隙导体1603分开。在一个实施例中，间隔件1604是泡沫或类似空气的间隔件。在一个实施例中，间隔件1604包括塑料间隔件。
介电层1605位于间隙导体1603的顶部。在一个实施例中，介电层1605是塑料。介电层1605的目的是相对于自由空间速度减慢行波。在一个实施例中，介电层1605相对于自由空间将行波减慢30％。在一个实施例中，适用于波束成形的折射率的范围是1.2-1.8，其中自由空间的折射率定义为等于1。可以使用其他介电间隔件材料(例如，塑料)来实现这种效果。注意，可以使用塑料以外的材料，只要它们实现所需的波减慢效果即可。替代地，具有分布结构的材料可以被用作介电层1605，例如，可以被机加工或光刻限定的周期性亚波长金属结构。
RF阵列1606位于介电层1605的顶部。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。
天线包括侧面1607和1608。侧面1607和1608成角度，使得从同轴引脚1601馈电的行波通过反射从间隙导体1603下方的区域(间隔件层)被传播到间隙导体1603上方的区域(介电层)。在一个实施例中，侧面1607和侧面1608的角度为45°角。在替代实施例中，侧面1607和1608可以用连续的半径代替以实现反射。虽然图15显示了具有45度角的成角度的侧面，但也可以使用实现从下层馈电到上层馈电的信号传输的其他角度。也就是说，考虑到下馈电中的有效波长通常不同于上馈电中的有效波长，可以使用与理想的45°角的一些偏差来帮助从下馈电层到上馈电层的传输。例如，在另一实施例中，45°角被单个阶梯件(step)代替。天线一端的阶梯件围绕介电层、间隙导体和间隔件层。相同的两个阶梯件位于这些层的另一端。
在操作中，当馈电波从同轴引脚1601馈入时，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同心地向外行进。同心出射波被侧面1607和1608反射并在间隙导体1603和RF阵列1606之间的区域中向内行进。来自圆形周边的边缘的反射导致波保持同相(即，它是同相反射)。行波被介电层1605减慢。此时，行波开始与RF阵列1606中的元件相互作用并激励以获得期望的散射。
为了终止行波，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吸收器，其终止未使用的能量以防止该未使用的能量通过天线的馈电结构反射回来。这些可以用在RF阵列1606的顶部。
图16示出了具有出射波的天线系统的另一实施例。参考图16，两个接地平面1610和1611基本上彼此平行，在接地平面之间具有介电层1612(例如，塑料层等)。RF吸收器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)为天线馈电。RF阵列1616位于介电层1612和接地平面1611的顶部。
在操作中，馈电波通过同轴引脚1615馈电并同心地向外行进并与RF阵列1616的元件相互作用。
图15和图16的天线中的圆柱形馈电改善了天线的服务角度(service angle)。代替正负四十五度方位角(±45°Az)和正负二十五度仰角(±25°El)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视轴相距七十五度(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，整体天线增益取决于组成元件的增益，这些组成元件本身是角度相关的。当使用常见的辐射元件时，整体天线增益通常随着波束的指向更远离视轴而降低。在偏离视轴75度时，预计有约6dB的显著增益降低。
具有圆柱形馈电的天线的实施例解决了一个或多个问题。这些包括：与通过公司划分器网络馈电的天线相比，显著简化了馈电结构，从而减少所需的总天线和天线馈线体积；通过利用更粗略的控制(一直延伸到简单的二元控制)保持高波束性能来降低对制造和控制错误的敏感性；与直线性馈电相比，提供更有利的旁瓣图案，因为圆柱形定向的馈电波在远场产生空间上多样的旁瓣；以及允许极化是动态的，包括允许左侧圆形、右侧圆形和线性极化，同时不需要极化器。
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，其包括充当辐射器的一组贴片天线(即，散射体)。这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单位单元的一部分，该单位单元包括下导体、电介质衬底和嵌入互补电感式-电容式谐振器(“互补电LC”或“CELC”)的上导体上，互补电感式-电容式谐振器被蚀刻或沉积在上导体上。
在一个实施例中，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单元中，并将与槽相关的下导体和与其贴片相关的上导体分开。液晶具有作为包括液晶的分子的取向的函数的介电常数，并且分子的取向(以及因此介电常数)可以通过调节液晶两端的偏压来控制。利用这一特性，液晶充当用于将能量从导波传输到CELC的接通/切断开关。当接通时，CELC像电小型偶极天线一样发射电磁波。
控制LC的厚度增加了波束切换速度。将下导体和上导体之间的间隙(液晶的厚度)减少百分之五十(50％)致使速度增加四倍。在另一个实施例中，液晶的厚度导致大约十四毫秒(14ms)的波束切换速度。在一个实施例中，以本领域公知的方式掺杂LC以提高响应性，使得可以满足七毫秒(7ms)的要求。
CELC元件响应平行于CELC元件的平面并且垂直于CELC间隙补充物施加的磁场。当向超材料散射单位单元中的液晶施加电压时，导波的磁场分量会诱发CELC的磁激励，其进而产生与导波频率相同的电磁波。
单个CELC生成的电磁波的相位可以通过CELC在导波矢量上的位置来选择。每个单元生成与平行于CELC的导波同相的波。由于CELC小于波长，因此输出波在通过CELC下方时具有与导波的相位相同的相位。
在一个实施例中，该天线系统的圆柱形馈电几何结构允许CELC元件与波馈电中的波矢量成四十五度(45°)角定位。元件的这种位置能够控制由元件生成或接收的自由空间波的极化。在一个实施例中，CELC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间距。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约为2.5mm(即，30GHz的10mm自由空间波长的1/4)。
在一个实施例中，CELC用贴片天线实现，该贴片天线包括在槽上协作定位的贴片，其中液晶位于两者之间。在这方面，超材料天线如开槽(散射)波导那样操作。对于开槽波导，输出波的相位取决于槽相对于导波的位置。
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布置在圆柱形馈电天线孔径上。单元的布置包括用于矩阵驱动的晶体管的布置。图17示出了矩阵驱动电路相对于天线元件的布置的一个实施例。参考图17，行控制器1701分别通过行选择信号Row1和Row2联接到晶体管1711和1712，并且列控制器1702通过列选择信号Column1联接到晶体管1711和1712。晶体管1711还通过与贴片1731的连接联接到天线元件1721，而晶体管1712通过与贴片1732的连接联接到天线元件1722。
在具有以非规则网格布置的单位单元的圆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。在第一步中，将单元布置在同心环上，每个单元都连接到布置在单元旁边并充当单独驱动每个单元的开关的晶体管。第二步，构建矩阵驱动电路，以便按照矩阵驱动方法要求将每个晶体管连接到唯一的地址。由于矩阵驱动电路是由行和列迹线构建的(类似于LCD)但单元被布置在环上，因此没有系统的方式来为每个晶体管分配唯一的地址。这种映射问题导致用于涵盖所有晶体管的非常复杂的电路，并导致用于完成布线的物理迹线的数量显著增加。由于单元的高密度，这些迹线由于耦合效应而干扰天线的RF性能。此外，由于迹线的复杂性和高封装密度，无法通过市售的布局工具来完成迹线的布线。
在一个实施例中，矩阵驱动电路是在布置单元和晶体管之前预定义的。这确保了驱动所有单元所需的迹线的最少数量，其中每个单元都有唯一的地址。这种策略降低了驱动电路的复杂性并简化了布线，从而提高了天线的RF性能。
更具体地，在一种方法中，在第一步中，将单元布置在包括描述每个单元的唯一地址的行和列的规则矩形网格上。在第二步中，将单元分组并变换为同心圆，同时保持它们的地址以及与第一步中定义的行和列的连接。这种转换的目标不仅是将单元置于环上，而且还要在整个孔径上使单元之间的距离和环之间的距离保持恒定。为了实现这个目标，存在几种可以对单元进行分组的方法。
在一个实施例中，TFT封装用于实现矩阵驱动中的布置和唯一寻址。图18示出了TFT封装的一个实施例。参考图18，TFT和保持电容器1803被显示为具有输入和输出端口。存在连接到迹线1801的两个输入端口和连接到迹线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°角交叉以减少并且潜在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层上。
示例系统实施例
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，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/或极化下的RF信号。即，一个元件子阵列被控制以接收一个频率和/或极化下的RF信号，而另一子阵列被控制以接收另一不同频率和/或极化下的信号。这些频率或极化的差异表示电视系统接收的不同频道。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从两个不同的位置(例如，两个不同的卫星)接收频道，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。参考图19，天线1401包括两个空间交错的天线孔径，其可独立操作以在不同的频率和/或极化下同时执行双重接收，如上所述。注意，虽然只提到了两个空间交错的天线操作，但TV系统可以具有两个以上的天线孔径(例如，3、4、5个天线孔径等)。
在一个实施例中，包括其两个交错的开槽阵列的天线1401联接到双工器1430。联接可以包括一个或多个馈电网络，其接收来自两个开槽阵列的元件的信号以产生被馈送到双工器1430中的两个信号。在一个实施例中，双工器1430是商用双工器(例如，来自A1Microwave的型号为PB1081WA Ku波段系列的双工器)。
双工器1430联接到一对低噪声块下变频器(LNB)1426和1427，它们以本领域公知的方式执行噪声过滤功能、下变频功能和放大。在一个实施例中，LNB 1426和1427位于室外单元(ODU)中。在另一实施例中，LNB 1426和1427被集成到天线装置中。LNB 1426和1427联接到机顶盒1402，机顶盒1402联接到电视1403。
机顶盒1402包括一对模数转换器(ADC)1421和1422，它们联接到LNB 1426和1427，以将从双工器1430输出的两个信号转换成数字格式。
一旦转换成数字格式，信号就由解调器1423解调并由解码器1424解码以获得关于接收波的编码数据。然后将解码数据发送到控制器1425，控制器将其发送到电视1403。
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孔径的交错开槽阵列元件。
全双工通信系统示例
在另一实施例中，组合天线孔径用于全双工通信系统。图20是同时具有发射和接收路径的通信系统的另一实施例的框图。虽然仅示出了一个发射路径和一个接收路径，但通信系统可以包括多于一个发射路径和/或多于一个接收路径。
参考图20，天线1401包括两个空间交错的天线阵列，其可独立地操作以在如上所述地在不同频率下同时进行发射和接收。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电网络进行。在一个实施例中，在径向馈电天线的情况下，双工器1445组合两个信号并且天线1401和双工器1445之间的连接是可以承载两个频率的单个宽带馈电网络。
双工器1445联接到低噪声块下变频器(LNB)1427，其以本领域公知的方式执行噪声过滤功能以及下变频和放大功能。在一个实施例中，LNB 1427位于室外单元(ODU)中。在另一实施例中，LNB 1427被集成到天线装置中。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包括模数转换器(ADC)1422，其联接到LNB 1427，以将从双工器1445输出的接收信号转换成数字格式。一旦转换为数字格式，信号就由解调器1423解调并由解码器1424解码，以获得接收波的编码数据。然后将解码的数据发送到控制器1425，控制器1425将其发送到计算系统1440。
调制解调器1460还包括编码器1430，编码器1430对待从计算系统1440传输的数据进行编码。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，BUC(上变频和高通放大器)1433对模拟信号进行滤波，并将其提供给双工器1445的一个端口。在一个实施例中，BUC 1433位于室外单元(ODU)中。
以本领域公知的方式操作的双工器1445将发射信号提供给天线1401以进行传输。
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阵列。
注意，图20所示的全双工通信系统具有多种应用，包括但不限于互联网通信、车辆通信(包括软件更新)等。
接地平面/虹膜加热器
本文描述的技术包括用于各种天线的多种创新，这些天线具有RF辐射天线元件和用于调谐得益于加热的介电常数或电容的材料。这些天线的各种实施例是带有加热器的接地平面衬底。在一个实施例中，接地平面衬底包括由例如玻璃、印刷电路板、聚酰亚胺、聚酯、氟聚合物或熔融石英制成的虹膜衬底，并且具有虹膜加热器。在一些实施例中，天线的接地平面衬底是虹膜衬底、虹膜玻璃或虹膜玻璃衬底。在替代实施例中，天线包括基于液晶的天线移相器，该天线移相器在固体接地平面和带状线之间具有LC材料。天线的一个实施例是超材料天线。在替代实施例中，天线包括超表面，超表面具有微流体和液体金属材料而不是LC材料。
例如，虹膜加热器的实施例包括接地平面衬底上的电阻式加热器，在一些实施例中，接地平面衬底是虹膜玻璃衬底。在替代实施例中，加热器也构建在贴片玻璃衬底上，因为它也与LC层直接接触。在一个实施例中，由于在虹膜玻璃衬底上存在大的金属(例如，虹膜金属)，即导热层，因此加热器将在虹膜玻璃衬底上执行更均匀的加热。该层将散布热量并实现更均匀的加热。在一个实施例中，通过在虹膜衬底上使用附加的金属层来构建虹膜加热器。如图22和图23所述，该附加的金属层可以布置在虹膜金属层之上或之下。在一个实施例中，薄膜晶体管(TFT)阵列制造中使用的金属层用于该加热器金属层。也就是说，用于TFT的金属层的相同制造技术和材料也用于加热器金属层。在一个实施例中，虹膜金属层(也被描述为槽形成层)被图案化以提供用于加热器结构的母线结构(参见图24和图25)。
图22是虹膜加热器设计的截面图，其中加热器层2210在虹膜金属层2204下方。在所示实施例中，加热器层2210与虹膜玻璃层2208物理接触，并且与虹膜金属层2204热接触。虹膜金属层2204通过钝化层2206与加热器层2210和虹膜玻璃层2208分开。另一钝化层2202覆盖虹膜金属层2204。在适用于该实施例以及其他实施例的变型中，在虹膜玻璃层2208上可以有钝化层、粘附层或两者。这里的接地平面衬底可以被视为虹膜玻璃层2208，可选地具有这样的钝化层和/或粘附层。
图23是虹膜加热器设计的横截面视图，其中加热器金属层2304在虹膜金属层2308上方。在所示实施例中，虹膜金属层2308与虹膜玻璃层2310物理接触。加热器金属层2304通过钝化层2306与虹膜金属层2308分开，并通过钝化层2306与虹膜金属层2308热接触。另一钝化层2302覆盖加热器金属层2304，并且也与在虹膜金属层2308上的钝化层2306接触。粘附层和钝化层的上述变型适用于其他实施例。
通过驱动电流通过该新的金属层，可以对线和包括LC层的周围区域进行加热。这种现象被称为焦耳加热、欧姆加热或电阻式加热。任何电流量都会引起一些加热，这与电流量的平方成正比。期望的温度升高所需的电流量取决于温度升高的量、天线的质量、天线的热容量、加热器线的电阻、天线的散热以及应当多快地达到该温度。
本文描述了加热器的一般描述以及具体实施例。下面描述的概念建立在该描述之上。
用于虹膜加热器的带有射频阻挡金属的虹膜金属上的汇流条设计
在一个实施例中，虹膜加热器结构具有三个组件：提供电流的汇流条、加热器线和收集电流的汇流条。在一个实施例中，虹膜金属是RF波导的一部分。在天线的各种实施例中，在该虹膜金属中创建开口以限定汇流条。如果没有覆盖这些开口的另一金属层，则RF将通过这些开口泄漏。一些实施例使用加热器金属层的多个部分来覆盖那些开口以及充当RF阻挡金属(例如，参见图27和图28)。在一些实施例中，汇流条厚度与虹膜金属厚度相同(例如，几微米)。在一些实施例中，汇流条的宽度在几毫米到几十毫米的范围内。汇流条的示例材料包括但不限于Cu、Ag、Au中的一种或多种。在一个实施例中，汇流条使用与虹膜金属相同的金属层制成。
两个汇流条上的压降应该被最小化，并且理想地为零，以实现有效的加热操作。换句话说，汇流条的电阻与加热元件的电阻相比应该非常低，以实现有效的加热器操作。在一个实施例中，汇流条是沿着超材料天线段的两个(例如，图24)、三个(例如，图25)或所有(例如，图26)边缘行进的长金属结构。在一个实施例中，天线段是在美国专利No.9,887,455中描述的天线段。对于该领域的有经验的人来说，还存在其他可能的组合。
在一个实施例中，条由具有低电阻的材料制成，以便与加热器线相比具有低得多的电阻。在一个实施例中，由于天线要求，用作超材料天线中的波导的一部分的虹膜金属是使用具有高电导率(例如，3-5x10^7S/m的范围)的多微米厚的金属制造的。将该金属的一部分图案化以用作加热器汇流条将导致更有效的加热器设计。下面描述汇流条的各种实施例。
图24示出了沿超材料天线段的两个边缘行进的汇流条2402和2404。此处所示的与电极2408和2410的电源连接也适用于其他加热器母线设计。在所示实施例中，电源2406具有一个电源连接电极2408，标记为E1，去向虹膜金属层上的加热器母线的一个汇流条2402，以及另一电源连接电极2410，标记为E2，去向虹膜金属层上的加热器母线的另一汇流条2404。
图25示出了沿着超材料天线段的三个边缘行进的汇流条2502。加热器汇流条位于虹膜金属层上。电源2406和通过电极2408和2410的电源连接(图25中未示出，但参见图24)适用于一个实施例。
图26示出了沿着超材料天线段的所有边缘行进的汇流条2602和2604。加热器汇流条位于虹膜金属层上。电源2406和通过电极2408和2410的电源连接(图26中未示出，但参见图24)适用于一个实施例。
可以使用除了图24、图25和图26中的汇流条图案之外的其他汇流条图案。选择的最终母线图案将取决于第二层上的加热器配线的图案以及将这些线连接到母线的方法。将基于所选的为天线孔径提供均匀加热的方法来选择该加热器配线图案。这可以包括各个加热器线的不同宽度、长度、厚度和布线。母线图案设计可以取决于如何实现均匀加热的设计决策。
图27示出了在虹膜金属层上制造的加热器汇流条2702和2704以及相应的特写描述。图27右侧的特写视图放大了图27左上角的视图，并在图28中重现，从而突出有问题的不含金属的间隙2718，该间隙2718将以其它方式(在没有解决问题的情况下)在天线中引发由于虹膜金属部分2716、2810和汇流条2702、2704的物理和电分离而造成的RF泄露。在该实施例中，阻挡RF泄露的加热器金属条2712将位于添加到玻璃衬底上的金属层上，RF泄露是波导的通过虹膜金属层(虹膜形成层)中的间隙2718的那部分。该金属层也用于构建加热器迹线。
图28是在虹膜金属层(如图27中所见)上制造的加热器汇流条2702的特写图示和沿A-B的相应横截面视图。横截面视图中所示的虹膜玻璃层2808支撑作为波导的一部分的虹膜金属并且还支撑加热器结构的各种实施例。虹膜玻璃层2808具有虹膜玻璃衬底的边缘2722，其由虹膜金属层部分2810限定，虹膜金属在边缘2722处停止。在一个实施例中，虹膜金属在玻璃的边缘之前停止。这通过在远离边缘的钝化下掩埋金属边缘，来避免切割过程中对金属边缘的可能的损坏以及来自以后的环境应力的可能的损坏。在一个实施例中，玻璃、玻璃边缘和金属边缘通过设计规则相关。
在特写视图中(由图27和图28共有)，加热器金属层2806的边界用虚线示出。虚线加热器金属层边界的一部分限定加热器线2706，并且虚线加热器金属层边界的另一部分限定金属区域，在下文中描述为通孔开口2708下方和间隙2718下方的、加热器金属层的条2712，其中在汇流条2702和虹膜金属层部分2716、2810之间没有金属。
在图27和图28中分别描述了在具有虹膜金属层部分2716和2810的虹膜金属层上制造的加热器汇流条2702的一个实施例。在这些图中的虚线内示出了单个加热器线2706，以显示加热器线2706如何连接到汇流条2702。然而，在替代实施例中，在加热器设计的实现中存在多个加热器线。在一个实施例中，在虹膜金属层中创建间隙2718以将加热器汇流条2702与用作波导和天线元件的一部分的虹膜金属层隔离开。在一个实施例中，在虹膜金属和加热器金属层2806之间的电绝缘层(例如，钝化层2804)中创建通孔开口2708以将汇流条2702连接到加热器线2706(图28)。该钝化层2804可以使用半导体制造中的常见介电层来构建，例如但不限于SiNx或SiO2。加热器金属层的条2712用于将虹膜金属中的加热器汇流条2702连接到加热器线2706。在一个实施例中，加热器金属中的该条2712被延伸以覆盖虹膜金属汇流条2702和虹膜金属Vcom(公共电压)平面之间的虹膜金属中的间隙2718区域，并防止RF泄漏。
在进一步的实施例中，虹膜金属和加热器金属的位置颠倒，使得加热器金属在虹膜金属的顶部，并且虹膜金属母线和虹膜金属波导之间的间隙被加热器金属的一部分被覆盖。在加热器位于下方的实施例中，阵列中的虹膜金属使LC免受由于操作加热器而生成的场的影响。
在一个实施例中，加热器在恒定电压下操作。在另一实施例中，加热器以极性反转模式操作，其中首先由电源2406将差分电压施加到加热器电极2408E1和2410E2(图24)，例如，其中E1-E2电压差在一段时间(例如T)内为正。在周期T结束时，极性反转，使得E1-E2电压差为负，但在周期T内与之前差具有相同的幅度。E1-E2电压差在每个T处在正负之间切换，以防止由于DC电压而导致LC的任何退化、图像残留等。极性反转模式的一个示例是部分时间V_E1＝0V，V_E2＝24V，而在另一部分V_E1＝24V且V_E2＝0V。极性反转模式的一个示例将周期T时钟调整(clock)到TFT玻璃的刷新率，其在10ms以下的范围内。
在一个实施例中，加热器汇流条结构布置在密封件、连接虹膜和贴片衬底与由天线元件组成的有源区域之间。在这种情况下，密封件仍然可以用于虹膜公共电极(虹膜Vcom，其也是用作波导的虹膜金属)和贴片公共电极(贴片Vcom)之间的电连接。替代地，汇流条可以在密封件的一部分中部分形成在密封件下方，而密封件的其他部分形成到Vcom的连接。
在图27和图28中，为了简化附图，仅针对两个边缘示出了汇流条，但它们也可以像类似于图4A、图4B和图5的配置那样来构建。在图27和图28中，针对虹膜金属下方的加热金属层描述了汇流条。这种技术不限于这种配置，而是也可以用于虹膜金属上的加热器金属层。
具有均匀加热的径向汇流条设计
在一个实施例中，加热器设计的一个方面是在超材料天线段中实现均匀加热。段中的不均匀加热可能导致段的部分之间的谐振频率差异并降低天线性能。获得均匀加热的一种方法是在整个段表面的单位面积上保持发热恒定。在一个实施例中，这是通过在加热器线的长度变化时使用以下等式改变加热器线的宽度以匹配它们的电阻来完成的，在等式中，R是线电阻，L是线的长度，w是线的宽度，t是线的厚度，ρ是线材料的电阻率。
R＝ρL/wt
然而，该技术的准确性易受金属层制造公差的影响。与宽线相比，这种容差对窄线的影响更显著。在替代实施例中，天线段的径向方向上对称性和周期性用于布置具有相同电阻和发热量的加热器线。在一个实施例中，RF元件被布置在天线中的同心环上并且这些环的半径通过r＝ring_no*r_constant来计算。因此，RF元件的环分开r_constant。例如，在一个实施例中，常数值r_constant等于5-6mm。
图29中描述了这种布置的示例。图29示出了径向加热器母线和加热器线的布置。参考图29，超材料天线中的天线元件3006(图30)沿同心环的周边布置。在一个实施例中，这些同心环的半径以恒定的步长增加。换言之，当从中心径向移动时，每隔N mm就有存在天线元件3006。天线元件的每个环之间的这些间隙用于布置图29中的加热器汇流条2906和2908。加热器母线，包括加热器汇流条2906和2908以及加热器汇流条弧2904，可以如上所述地由加热器金属层或虹膜金属层构建。径向加热器汇流条弧2904以交替方式连接到段的周边中的两个加热器汇流条2906和2908之一。电阻式加热元件2902被布置在这些汇流条弧2904之间。由于在整个段中两个汇流条弧2904之间的径向方向上的距离相同，因此可以在天线元件区域的任何地方使用相同的电阻式加热元件2902。在一个实施例中，每个环中的电阻式加热元件2902的数量与环的面积成比例地改变以保持加热均匀。基于加热器元件连接到母线的位置，母线电阻会存在一些变化。然而，连接到加热器母线的加热器弧交替地补偿沿加热器母线之间的长度的电阻差异。此外，可以改变加热器母线的弧宽以使每单位面积具有恒定的加热。在一个实施例中，母线宽度从母线上的第一个元件(更接近电流输入)到母线上的最后一个电阻式加热元件2902变得更薄。
作为加热器的虹膜金属层
图30示出了虹膜金属层，其中天线元件3006的阵列形成孔径天线阵列3002。圆柱形馈电3004位于孔径天线阵列3002的中心。在上述实施例中，加热器结构的电阻式加热元件2902位于与虹膜金属层热接触但在物理上不同的层上。
在替代实施例中，用作波导的一部分的虹膜金属也用作加热器。即，加热器结构和虹膜金属层之间的热接触是通过使加热器结构与虹膜金属层成一体来实现的。在这种情况下，虹膜金属是具有高电导率(在一个实施例中为3-5x10^7S/m)的层并且可以形成有效的加热器。在一个实施例中，在该层中存在开口，其中金属在每个天线元件3006处被蚀刻掉并且天线元件3006如上所述地被布置在同心环的周边。在一个实施例中，虹膜金属层在每个虹膜开口的区域中被完全蚀刻掉以形成相应的天线元件3006。因此，蚀刻量是虹膜金属层的厚度。这可以通过与构建RF元件相同的方式来完成。天线的当前实施例使用在各种设计中已经存在的这种结构作为加热器。这些周期性的开口(图30)，其是天线(即，孔径天线阵列3002)上的天线元件3006的虹膜开口，沿着这些环创建低电阻路径，类似于前面部分中描述的加热器汇流条弧2904(图29)。
大部分电流将流过这些部分并且大部分加热将发生在这些区域中。电流分布和加热均匀性可以通过改变与虹膜金属的连接点以及在虹膜金属层中创建间隙以引导电流流动来修改，如图31所示。
图31示出了用于使用虹膜金属作为加热器的加热器连接的另一种设计。暗区和暗线显示虹膜金属中的开口。暗区和暗线对应于蚀刻虹膜金属层以在虹膜金属层中为RF元件(也显示为天线元件3006(图30))创建开口3114，并在虹膜金属层中创建间隙以形成用于加热器连接的地方(land)。
在一个实施例中，例如如图31所示的虹膜金属层中的间隙，用于天线元件区域外部以定义电源之间的电连接(E1和E2电极3106和3108连接到电源、例如图24中的电源2406)和加热器。这里的加热器是带有RF元件开口(例如孔径天线阵列3002(图30)的天线元件3006)图案的虹膜金属。这些电连接确定加热器的电流输入和输出位置。仅示出了一个电极3106(标记为E1)的一个连接对3102和3104(分别标记为E1-1和E2-1)和另一电极3108(标记为E2)的一个连接对3110和3112(分别标记为E2-1和E2-2)以描述图31中的实施方式，但是本领域技术人员可以了解，在各种实施例中可以有数十个或其他数量的加热器连接。加热器结构中的电连接的最终数量将由RF天线的尺寸决定。在各种实施例中，可以改变与形成在虹膜金属层中的加热器结构的每个电连接3102、3104、3110、3112的宽度或一些版本中的长度和/或厚度以及相应的电阻，以在孔径天线阵列3002中实现均匀加热。在一个实施例中，每个电连接的宽度是实现均匀加热的主要受控设计参数，并且相应金属层的厚度作为工艺变量保持恒定。
对于适当的天线操作，在一个实施例中，所有虹膜金属上的电压应该相同，具有电压差并且电流流过用于加热器功能的加热器结构。在一个实施例中，通过为超材料天线定义两种操作模式(例如通过控制器或控制模块)来满足这两个要求：
1)加热模式：与虹膜金属的两个连接点(例如，标记为E1的电极3106和标记为E2的电极3108)被偏置到不同的电压水平，并且有电流流过虹膜金属从而生成热。在开始天线操作之前可以使用加热模式以达到最佳工作温度。
2)天线模式：与虹膜金属的两个连接点被偏置到相同的电压电平，并且没有电流流过虹膜金属。
在一个实施例中，超材料天线首先在加热模式下操作以达到最佳工作温度，然后切换到天线模式。根据到环境的热损失量，天线也可以在操作期间临时切换到加热模式。在一个实施例中，在两种模式之间划分占空比以保持天线连接到通信链路并保持最佳温度。
在另一实施例中，使用整个虹膜金属层作为加热器的构思的变型可以在新的金属层上实现。该金属层也可以称为加热器金属层，它可以位于虹膜金属下方或上方，类似于图22和图23中的加热器迹线。在虹膜金属层和加热器金属片之间将有钝化层2206和2306。该加热器金属片的面积和形状名义上可以与虹膜金属层相同，或者可以使用一些禁止距离(即～100um)以防止对RF天线性能产生任何影响。可以类似于图31那样创建与E1和E2电极3106和3108的连接。在新的金属片(或层)中实现加热器的优点是能够将加热功能和天线功能的公共接地脱离。这不需要使用前面段落中描述的不同操作模式，并且加热器也可以在天线操作时使用。
本文描述了多个示例实施例。
示例1是一种天线，包括：具有多个射频辐射天线元件的天线孔径，天线孔径具有接地平面和用于调谐介电常数或电容的材料；以及与材料热接触的加热器结构。
示例2是示例1的天线，其可以可选地包括：加热器结构至少部分地与接地平面成一体并且包括多个电阻式元件。
示例3是示例1的天线，其可以可选地包括：加热器结构包括接地平面上的金属层，该金属层与接地平面上的形成虹膜的虹膜形成层不同。
示例4是示例1的天线，其可以可选地包括：加热器结构包括制造为天线中的薄膜晶体管(TFT)阵列的金属层。
示例5是示例1的天线，其可以可选地包括：加热器结构与衬底层、衬底层上的钝化层或衬底层上的粘附层接触。
示例6是示例1的天线，其可以可选地包括：衬底层，该衬底层包括玻璃、印刷电路板、聚酰亚胺、聚酯、氟聚合物或熔融石英；以及虹膜形成层，该虹膜形成层包括第一金属层，并且其中，加热器结构包括通过钝化层与第一金属层分开的第二金属层，并且其中，第二金属层位于衬底和第一金属层之间。
示例7是示例1的天线，其可以可选地包括：衬底层，该衬底层包括玻璃、印刷电路板、聚酰亚胺、聚酯、氟聚合物或熔融石英；以及虹膜形成层，该虹膜形成层包括第一金属层，并且其中，加热器结构包括通过钝化层与第一金属层分开的第二金属层，并且其中，虹膜金属层位于衬底和第二金属层之间。
示例8是示例1的天线，其可以可选地包括：接地平面包括衬底层，该衬底层包括玻璃、印刷电路板、聚酰亚胺、聚酯、氟聚合物或熔融石英并且具有第一金属层，其中，加热器结构包括通过钝化层与第一金属层和衬底层分开的第二金属层。
示例9是示例1的天线，其可以可选地包括：连接到加热器结构的多个汇流条，多个汇流条中的每一个与虹膜形成层位于第一金属层上并且与形成用于天线孔径的虹膜的虹膜金属形成间隔开。
示例10是示例9的天线，其可以可选地包括：加热器结构位于覆盖虹膜形成金属中的至少一个间隙的第二金属层上。
示例11是示例1的天线，其可以可选地包括：与第二多个汇流条交错的第一多个汇流条，并且在它们间具有加热器结构的电阻式加热器元件。
示例2是示例1的天线，其可以可选地具有到虹膜形成层的第一电连接点和到虹膜形成层的第二电连接点，其中，加热器结构与虹膜形成层成一体，其中，天线能够在使第一电连接点和第二电连接点被偏置到不同电压水平的加热模式下操作，并且其中，天线能够在使第一电连接点和第二电连接点被偏置到相同电压水平的天线模式下操作。
示例13是示例1的天线，其可以可选地包括：该材料包括液晶(LC)。
示例14是一种天线，包括：具有多个射频(RF)天线元件的天线孔径，天线孔径具有贴片衬底、接地平面、以及用于调整贴片衬底和接地平面之间的介电常数或电容的材料，接地平面衬底具有第一层，该第一层包括用于多个射频(RF)天线元件的虹膜的虹膜形成层；接地平面上的第二层包括用于加热材料的加热器结构。
示例15是示例14的天线，其可以可选地包括：第一层包括第一金属层；第二层包括第二金属层；材料包括液晶。
示例16是示例15的天线，其可以可选地包括：第二层包括制造为天线中的薄膜晶体管(TFT)阵列中的金属的金属层。
示例17是示例15的天线，其可以可选地包括：接地平面包括衬底层，其中第二层包括与衬底层、衬底层上的钝化层、或衬底层上的粘附层接触的加热器结构。
示例18是示例15的天线，其可以可选地包括：加热器结构通过钝化层与第一金属层分开，并且其中第二金属层位于接地平面和第一金属层之间。
示例19是示例15的天线，其可以可选地包括：加热器结构通过钝化层与第一金属层分离，并且其中，虹膜金属层位于衬底和第二金属层之间。
示例20是示例14的天线，其可以可选地包括：加热器结构通过钝化层与第一层分开。
示例21是示例14的天线，其可以可选地包括：第一层通过钝化层与接地平面的第二层和衬底层分开。
示例22是示例14的天线，其可以可选地包括：连接到加热器结构的多个汇流条。
示例23是示例22的天线，其可以可选地包括：多个汇流条中的每一个在与虹膜形成层相同的金属层上并且与形成用于天线孔径的虹膜的虹膜形成金属间隔开。
示例24是示例22的天线，其可以可选地包括：多个汇流条中的每一个通过间隙与虹膜形成层的虹膜金属间隔开，并且通过通孔联接到第二层。
示例25是示例14的天线，其可以可选地包括：其中，天线能够在加热器结构被驱动以使材料达到预定温度的加热模式下工作，并且其中，天线能够在一旦材料至少处于预定温度加热器结构就不被驱动的天线模式下工作。
以上详细描述的一些部分是在对计算机存储器内的数据位的操作的算法和符号表示方面来呈现的。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的工作内容传达给本领域的其他技术人员的手段。在此，并且在通常情况下，算法被认为是产生期望结果的步骤的自洽序列。这些步骤是需要对物理量进行物理操作的步骤。通常，尽管不是必须的，但是这些量采用能够被存储、传输、组合、比较以及以其他方式操作的电或磁信号的形式。有时，主要出于日常使用的原因，将这些信号称为位、值、元素、符号、字符、术语、数字等已被证明是方便的。
然而，应该记住，所有这些和类似的术语都与适当的物理量相关联并且仅仅是应用于这些量的方便的标记。除非根据下面的讨论另有明确说明，否则应理解，在整个描述中，使用诸如“处理”或“估算”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电子计算设备的动作和过程，其将表示为计算机系统的寄存器和存储器内的物理(电子)量的数据操纵和转换为被类似地表示为计算机系统存储器或寄存器或其他这类信息存储装置、传输或显示装置内的物理量的其他数据。
本发明还涉及用于执行本文的操作的装置。该装置可以被专门构造用于所需目的，或者它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计算机可读存储介质中，例如但不限于任何类型的磁盘，包括软盘、光盘、CD-ROM和磁光盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡，或适合存储电子指令的任何类型的介质，并且每个都联接到计算机系统总线。
本文提出的算法和显示不与任何特定的计算机或其他装置内在相关。根据本文的教导，各种通用系统可以与程序一起使用，或者可以证明构造更专用的装置来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在下面的描述中出现。此外，本发明没有参考任何特定的编程语言来描述。应当理解，可以使用多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；闪存设备；等等。
尽管在阅读了上述描述后，对本发明的许多改变和修改无疑将对本领域的普通技术人员变得显而易见，但应理解，通过图示的方式显示和描述的任何特定实施例决不旨在被视为是限制性的。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，权利要求本身仅列举了被认为对本发明必不可少的那些特征。

Claims (25)

1.一种天线，包括：
天线孔径，具有多个射频辐射天线元件，所述天线孔径具有接地平面和用于调谐介电常数或电容的材料；以及
加热器结构，与所述材料热接触。
2.根据权利要求1所述的天线，其中，所述加热器结构至少部分地与所述接地平面成一体并且包括多个电阻式元件。
3.根据权利要求1所述的天线，其中，所述加热器结构包括所述接地平面上的金属层，所述金属层与所述接地平面上的形成虹膜的虹膜形成层不同。
4.根据权利要求1所述的天线，其中，所述加热器结构包括在所述天线中被制造为薄膜晶体管阵列即TFT阵列的金属层。
5.根据权利要求1所述的天线，其中，所述加热器结构与衬底层、所述衬底层上的钝化层或所述衬底层上的粘附层接触。
6.根据权利要求1所述的天线，还包括：
衬底层，包括玻璃、印刷电路板、聚酰亚胺、聚酯、氟聚合物或熔融石英，以及
虹膜形成层，包括第一金属层，并且其中，所述加热器结构包括通过钝化层与所述第一金属层分开的第二金属层，并且其中，所述第二金属层位于所述衬底和所述第一金属层之间。
7.根据权利要求1所述的天线，还包括：
衬底层，包括玻璃、印刷电路板、聚酰亚胺、聚酯、氟聚合物或熔融石英，以及
虹膜形成层，包括第一金属层，并且其中所述加热器结构包括与所述第一金属层相隔钝化层的第二金属层，并且其中所述虹膜金属层在所述衬底和所述第二金属层之间。
8.根据权利要求1所述的天线，其中所述接地平面包括衬底层，所述衬底层包括玻璃、印刷电路板、聚酰亚胺、聚酯、氟聚合物或熔融石英并且具有第一金属层，其中，所述加热器结构包括第二金属层，所述第二金属层通过钝化层与第一金属层以及所述衬底层分开。
9.根据权利要求1所述的天线，还包括：连接到所述加热器结构的多个汇流条，所述多个汇流条中的每一个都与虹膜形成层位于第一金属层上并且与形成用于天线孔径的虹膜的虹膜形成金属间隔开。
10.根据权利要求9所述的天线，其中，所述加热器结构位于覆盖虹膜形成金属中的至少一个间隙的第二金属层上。
11.根据权利要求1所述的天线，还包括与第二多个汇流条交错的第一多个汇流条并且在它们之间具有所述加热器结构的电阻式加热元件。
12.根据权利要求1所述的天线，还包括：
到虹膜形成层的第一电连接点和到所述虹膜形成层的第二电连接点，其中，所述加热器结构与所述虹膜形层成一体，其中，所述天线能够在使所述第一电连接点和所述第二电连接点被偏置到不同的电压水平的加热模式下工作，并且其中，所述天线能够在使所述第一电连接点和所述第二电连接点被偏置到相同电压水平的天线模式下工作。
13.根据权利要求1所述的天线，其中，所述材料包括液晶即LC。
14.一种天线，包括：
天线孔径，具有多个射频天线元件即多个RF天线元件，所述天线孔径具有贴片衬底、接地平面和用于调谐所述贴片衬底与所述接地平面之间的介电常数或电容的材料，所述接地平面衬底具有第一层，所述第一层包括用于多个射频天线元件即多个RF天线元件的虹膜的虹膜形成层；以及
所述接地平面上的第二层，所述第二层包括用于加热所述材料的加热器结构。
15.根据权利要求14所述的天线，其中：
所述第一层包括第一金属层；
所述第二层包括第二金属层；以及
所述材料包括液晶。
16.根据权利要求15所述的天线，其中，所述第二层包括金属层，所述金属层被制造为所述天线中的薄膜晶体管阵列即TFT阵列中的金属。
17.根据权利要求15所述的天线，其中，所述接地平面包括衬底层，其中包括所述加热器结构的所述第二层与所述衬底层、所述衬底层上的钝化层或所述衬底层上的粘附层接触。
18.根据权利要求15所述的天线，其中，所述加热器结构通过钝化层与所述第一金属层分开，并且其中，所述第二金属层位于所述接地平面与所述第一金属层之间。
19.根据权利要求15所述的天线，其中，所述加热器结构通过钝化层与所述第一金属层分开，并且其中，虹膜金属层位于所述衬底与所述第二金属层之间。
20.根据权利要求14所述的天线，其中，所述加热器结构通过钝化层与所述第一层分开。
21.根据权利要求14所述的天线，其中，所述第一层通过钝化层与所述接地平面的所述第二层和衬底层分开。
22.根据权利要求14所述的天线，还包括连接到所述加热器结构的多个汇流条。
23.根据权利要求22所述的天线，其中，所述多个汇流条中的每一个都位于与虹膜形成层相同的金属层上并且与形成用于所述天线孔径的虹膜的虹膜形成金属间隔开。
24.根据权利要求22所述的天线，其中，所述多个汇流条中的每一个通过间隙与虹膜形成层的虹膜金属间隔开，并且通过通孔联接到所述第二层。
25.根据权利要求14所述的天线，其中，所述天线能够在所述加热器结构被驱动以使所述材料达到预定温度的加热模式下工作，并且其中，所述天线能够在一旦所述材料至少处于所述预定温度所述加热器结构就不被驱动的天线模式下工作。
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