CN114982065A - 用于天线的多频带波导结构 - Google Patents

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CN114982065A CN202080091540.9A CN202080091540A CN114982065A CN 114982065 A CN114982065 A CN 114982065A CN 202080091540 A CN202080091540 A CN 202080091540A CN 114982065 A CN114982065 A CN 114982065A
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Abstract

描述了一种用于天线的多频带波导结构及其使用方法。在一个实施例中，一种天线包括：天线孔径，带有射频(RF)辐射天线元件；中心馈电的、多频带波导结构，耦合到天线孔径以接收两个不同频带的馈电波并将馈电波传播到天线孔径的RF辐射天线元件。

Description

用于天线的多频带波导结构
相关申请的交叉引用
本申请是2019年12月30日提交的申请号为62/954,959的美国临时专利申请和于2020年12月22日提交的申请号为17/131,133的美国非临时专利申请的非临时专利申请，并要求它们的优先权，它们通过引用全部并入本文。
技术领域
本发明的实施例涉及一种无线通信系统，更具体地，本发明的实施例涉及一种用于无线通信的、具有传播多频带波的波导结构的天线。
背景技术
消费者和商业对数据和媒体连接的需求正在增加。可以通过减小形状因素、提高性能和/或扩展通信平台的使用案例来提高连接性。卫星通信是使用案例扩展的一种情况，尤其是移动平台。例如，在将卫星通信传送到移动平台(例如汽车、飞机、船只)的情况下，卫星和移动平台两者都可能在移动。
现有方法使用波导和分路器馈电结构来馈电天线，诸如卫星天线。Ando等人的“用于12GHz DBS卫星接收的径向线槽天线(Radial line slot antenna for 12GHz DBSsatellite reception)”和Yuan等人的“用于高功率微波应用的新型径向线槽天线的设计和实验(Design and Experiments of a Novel Radial Line Slot Antenna for High-Power Microwave Applications)”讨论了各种天线。论文中描述的馈电结构是折叠的、双层的，其中第一层接受引脚馈电并将信号向外辐射到边缘，将信号弯曲到顶层，然后顶层从外围传输到中心，沿途激发固定插槽。最后，吸收器终止任何剩余的能量。
一些天线已经实现了单个商业频带，例如Ku或Ka，并且已经在中心馈电或边缘馈电波导结构上完成了这一点。
发明内容
描述了用于天线的多频带波导结构及其使用方法。在一个实施例中，一种天线包括：天线孔径，带有射频(RF)辐射天线元件；中心馈电的、多频带波导结构，耦合到天线孔径以接收两个不同频带的馈电波并将馈电波传播到天线孔径的RF辐射天线元件。
附图说明
所描述的实施例及其优点可以通过参考以下结合附图进行的描述而得到最好的理解。在不脱离所描述实施例的精神和范围的情况下，这些附图决不限制本领域技术人员可以对所描述实施例进行的形式和细节上的任何改变。
图1A示出了中心馈电的两个波导设计的侧截面图。
图1B示出了边缘馈电的两个波导设计。
图2A示出了基于频率的底部和顶部波导之间耦合的频率响应。
图2B示出了修改耦合速率以改变定向耦合器的阻抗特性的结果的示例。
图3A是减小耦合器的耦合元件(例如，槽)的物理尺寸以改变其相关耦合的示例。
图3B示出了基于中心馈电可调谐定向耦合器的波导结构的侧截面。
图4A是示出中心馈电、单频带高频、边缘馈电单频带低频波导结构的一个实施例的侧截面图。
图4B示出了图4A的混合结构的一个实施例的圆形孔径的俯视图。
图4C示出了混合高频带/低频带波导结构的另一个实施例的侧截面图。
图5A至图5D示出了中心馈电、多层、多频带波导结构的一个实施例。
图6示出了具有一个或多个天线元件阵列的孔径，其中天线元件阵列被放置在围绕圆柱形馈电天线的输入馈电的同心环中；
图7示出了一行天线元件的立体图，其包括接地面和可重构谐振器层。
图8A示出了可调谐振器/槽的一个实施例。
图8B示出了物理天线孔径的一个实施例的横截面图。
图9A至图9D示出了用于创建开槽阵列的不同层的一个实施例。
图10示出了圆柱形馈电天线结构的一个实施例的侧视图。
图11示出了具有出射波的天线系统的另一个实施例。
图12示出了关于天线元件的矩阵驱动电路的布置的一个实施例。
图13示出了TFT封装的一个实施例。
图14是具有同时发送和接收路径的通信系统的另一实施例的框图。
具体实施方式
用于增强波导结构以支持多频带天线(例如，Ku频带和Ka频带)的能力的方法和设备。在一个实施例中，天线用于卫星通信系统。在一个实施例中，天线是卫星终端的一部分。波导结构使具有多频带的馈电波能够传播，以与作为天线一部分的天线元件阵列中的天线元件相互作用。在一个实施例中，天线包括射频(RF)辐射天线元件阵列。RF辐射天线元件的阵列可以是具有超材料表面散射天线元件的超表面的一部分。下面更详细地描述这种RF辐射天线元件和这种天线的示例。注意，本文描述的方法和设备不限于本文描述的天线元件。
所描述的实施例及其优点可以通过参考以下结合附图进行的描述而得到最好的理解。在不脱离所描述实施例的精神和范围的情况下，这些附图决不限制本领域技术人员可以对所描述实施例进行的形式和细节上的任何改变。
在一个实施例中，波导结构包括中心馈电的、多频带波导结构和混合中心馈电/边缘馈电的多频带波导结构。这些结构包括本文描述的一项或多项创新。
在一个实施例中，中心馈电单层多频带定向耦合器波导结构包括具有复杂滤波器响应的定向耦合器，以在频率不同的两个频带处实现期望的耦合系数。这与具有高通或低通滤波器响应的电容定向耦合器或电感定向耦合器形成对比。通过在两个频带而不是单频带设计滤波器响应，中心馈电单层多频带定向耦合器波导结构提供了对孔径分布和功率传输的更多控制。此外，通过结合电容定向耦合器或电感定向耦合器的所需属性，可以使用通带或带阻滤波器来获得两者的好处。此外，在一个实施例中，随着操作频率相对于耦合元件的谐振改变，定向耦合器的空间滤波器响应也改变。
在一个实施例中，定向耦合器实现所需耦合的两个频带在频率上相距较远(例如，2.5GHz等)。在频率上的分离例如可以是但不限于类似于Ka频带和Ku频带的频率分离。可选地，这两个频带可以包括一个或多个其他卫星通信(satcom)频带。
在一个实施例中，中心馈电单频带高频、边缘馈电单频带低频波导结构使用中心馈电波导操作以支持高频带并且使用边缘馈电波导操作以支持低频带。这与要么是边缘馈电的天线要么是中心馈电的天线形成对比。中心馈电单频带高频、边缘馈电单频带低频波导结构提供馈电上的机械简化，因为边缘馈电倒角(chamfer)只需要支持一个频带。此外，如果高频有源孔径小于低频有源孔径，则不会由于未使用的波导长度而产生过多的损耗，从而有额外的自由度来确定高频和低频孔径的大小。
在一个实施例中，中心馈电单频带低频、边缘馈电单频带高频波导结构使用边缘馈电波导操作以支持高频带并且使用中心馈电波导操作以支持低频带。这与要么是边缘馈电的天线要么是中心馈电的天线形成对比。对于中心馈电单频带低频、边缘馈电单频带高频波导结构，最低频带通常在单位长度上辐射更多。这使得在使用边缘馈电波导结构时在低频下保持高孔径效率成为一项挑战。通过对低频带进行中心馈电，孔径分布可以专门针对更高的辐射率进行调整。
在一个实施例中，中心馈电的多层波导多频带定向耦合器波导结构使用阻抗分开一定距离的两层，可以实现三个波导结构，为频率上相距较远的两个频带创建单独的空间频率响应。这与在两个波导之间使用单层耦合结构的定向耦合器形成对比。在一个实施例中，中心馈电的多层波导多频带定向耦合器波导结构通过在两个频带而不是单个频带上设计滤波器响应来提供对孔径分布和功率传输的更多控制。
在一个实施例中，中心馈电单层可调谐定向耦合器具有耦合元件，该耦合元件的尺寸可以在电学上或物理上改变以动态地改变定向耦合器的空间滤波器响应。这将使耦合系数能够动态重新配置到高频带或低频带。这与具有不可调谐的耦合元件的定向耦合器形成对比。在许多情况下，一个挑战是设计低通或高通耦合器，其在频带比超过1.3时，产生所需的孔径分布特性。如果可调谐耦合器的切换速度足够快，则该耦合器可以适应最佳支持半双工模式中使用的接收(Rx)和发送(Tx)频带。Starlink等最先进的网络旨在支持半双工模式操作。在一个实施例中，中心馈电单层可调谐定向耦合器提供孔径分布和功率传输的动态控制。
下面给出上述实施例的更多优点中的一种优点。
在讨论多频带波导结构设计之前，将描述中心馈电和边缘馈电波导结构。
图1A示出了中心馈电的两个波导设计的侧截面图。在一个实施例中，当从顶部观察时，中心馈电的两个波导设计是圆柱形的。参考图1A，中心馈电的两个波导设计包含两个不同的波导101，在波导101之间具有单层耦合机构102。在该设计中，馈入波导101的底部波导的底部的馈电波在底部波导中传播并通过使用单层耦合机构102耦合到波导101的顶部波导以使馈电波能够与位于波导101的顶部波导之上的阵列110的射频(RF)辐射天线元件相互作用。在一个实施例中，RF辐射天线元件的阵列110包括具有超材料表面散射天线元件的超表面。
图1B示出了边缘馈电的两个波导设计。在一个实施例中，当从顶部观察时，边缘馈电的两个波导设计是圆柱形的。参考图1B，边缘馈电的两个波导设计包括两个波导111，在两个波导之间具有接地面或间隙112。RF辐射天线元件(例如，具有超材料表面散射天线元件的超表面等)的阵列110位于波导111的顶部波导之上。当使用边缘馈电双波导设计时，馈电波被馈送到底部波导中，并且将底部波导从馈电端口径向向外传播到底部波导的边缘。在到达底部波导的边缘时，馈电波在边缘弯曲区域处的接地面/间隙112周围传播并传播到顶部波导中。一旦馈电波处于顶部波导中，馈电波的RF能量可以相互作用并激发RF阵列110中的RF辐射天线元件。
现有的中心馈电定向耦合器元件设计具有频率响应，其中从底部波导到顶部波导的耦合系数为低通或高通。图2A示出了基于频率的底部和顶部波导之间耦合的频率响应。参考图2A，在一种设计中，从底部波导到顶部波导的耦合允许频带201具有低通频率，而在另一种设计中,从底部波导到顶部波导的耦合允许频带202具有高通频率以通过(标称频带203介于频带201和频带202之间)。
通过改变定向耦合器元件的阻抗特性(例如，针对特定频带进行设计)，滤波器响应可以针对高频带和低频带进行设计。例如，在一个实施例中，耦合率被修改以改变阻抗特性以及所设计的频率。在一个实施例中，通过改变孔尺寸、槽尺寸或对耦合泄漏元件的任何调整来修改耦合率。在一个实施例中，通过将电感元件和电容元件紧密结合来修改阻抗特性。文献中存在许多表现带通或带阻滤波器响应的表面阻抗结构。图2B示出了修改耦合率以改变定向耦合器的阻抗特性的结果的示例。这允许更好地控制频率上相距较远的两个频带上的耦合。对于频率上相距较远的频带，耦合系数通常会漂移到远离标称系数值。
图2B示出了耦合器，其中滤波器响应允许低通频带和高通频带两者在多层波导结构中从底部波导耦合到顶部波导。因此，在这种情况下，低通频带和高通频带组合210在双波导的波导结构中从底部波导耦合到顶部波导。在一个实施例中，希望频带的这个频率足够远，以促进高通和低通两者从底部波导耦合到顶部波导。在一个实施例中，低通是Ku频带，而高通是Ka频带。在这种情况下，Ka频带的最高频率即14.5GHz与Ka频带的最低频率即17.7GHz之间的间隔为2.5GHz。这大到足以允许高通和低通两者从底部波导耦合到顶部波导。
在一个实施例中，波导结构是中心馈电多层波导、多频带定向耦合器波导结构。这种结构具有与结合图2B描述的中心馈电单层多频带定向耦合器波导结构相同的优点。这是一种可选实施方案，其中使用多波导而不是单层、多层。
在一个实施例中，波导结构是中心馈电单层可调谐定向耦合器。使用这种结构，通过改变耦合元件(例如，槽)在电学上或物理上的尺寸，定向耦合器的空间滤波器响应发生变化。在一个实施例中，耦合元件在电学上或物理上的尺寸通过调整电容来改变(其中电容器已被包括在耦合器中)。改变定向耦合器的空间滤波器响应将使耦合系数能够动态重新配置为高频带或低频带，使得耦合器能够将来自耦合器一侧的波导(例如，底部波导)的高频带或低频带耦合到耦合器另一侧的波导(例如，顶部波导)。图3A是减小耦合器的耦合元件(例如槽)的物理尺寸以改变其相关耦合的示例。
参考图3A，耦合器310包括耦合器元件311(例如，槽)。耦合器元件311包括多个槽。在一个实施例中，耦合器310被设计成允许低频带通过，而在另一实施方式中，耦合器310被设计成允许高频带(与低频带相比较高)通过。在一个实施例中，耦合元件的尺寸被减小。在一个实施例中，耦合元件的尺寸在物理上被减小。这可以机械地完成。例如，耦合器310可以包括2个层，它们可以相对于彼此移动以调整耦合元件(例如，槽/窗口)的尺寸。在另一个实施例中，耦合元件311的窗口的电气长度在电学上被修改。这可以例如使用基于电容的耦合器来完成。与辐射元件类似的可调谐贴片可以用于控制耦合。电介质可以是可调谐电介质或者可以是变容二极管或替代物。
图3B示出了基于中心馈电可调谐定向耦合器的侧截面。在一个实施例中，当从顶部观察时，基于中心馈电的可调谐定向耦合器的设计是圆柱形的。在一个实施例中，该设计中的耦合层可以动态调整。
参考图3B，单层定向耦合器320位于两个波导之间并用作单层耦合机构。通过使用定向耦合器320，从波导310的底部波导中的中心馈电以圆柱形向外传播的波馈电耦合到波导310的顶部波导。在一个实施例中，单层定向耦合器320的耦合层可以被动态调整以使波能够耦合到顶部波导。
在一个实施例中，波导结构是中心馈电、单频带高频、边缘馈电单频带低频波导结构。图4A是示出中心馈电、单频带高频、边缘馈电单频带低频波导结构的一个实施例的侧截面图。在一个实施例中，中心馈电、单频带高频、边缘馈电单频带低频波导结构从顶部观察是圆柱形的。
如图所示，对于低频带，单层定向耦合器418将看起来像连续板并且不会通过中心馈电波导耦合，因为耦合孔相对较小。在较高频率，通过单层定向耦合器418的单层存在耦合。
参考图4A，RF辐射天线元件的阵列419位于两个波导之上，这两个波导即波导416和波导417，波导417在波导416之下。单个定向耦合器418位于波导416和417之间。该布置还包括位于孔径两侧的波导弯曲区域423。在一个实施例中，具有低频带(例如，Ku频带)和高频带(例如，Ka频带)的馈电波经由单个端口414被提供到下部的波导417中。在一个实施例中，高频带和低频带重叠在一起并被提供给端口414。在一个实施例中，这是在RF链中完成的。然而，可以使用组合器将高频带和低频带组合成一个馈电波，以便将它们提供给单个端口，即端口414。
对于低频带，单层定向耦合器418将如同连续板并且不会通过中心馈电波导耦合，因为耦合孔相对较小。在较高频率，通过单层定向耦合器418的单层存在耦合。馈电波中的低频带412从端口414向波导417的边缘径向向外传播并且在定向耦合器418周围的波导弯曲423处弯曲以传播到上部的波导416中。同时，高频带411通过定向耦合器418从下部的波导417耦合到上部的波导416。在一个实施例中，单层定向耦合器418利用基于电容的耦合器来实施，该基于电容的耦合器允许耦合高频带并且不耦合低频带，因此低频带经由边缘馈电路径传播。因此，定向耦合器418被设计成传播高频带，使得高频带以中心馈电方式穿过定向耦合器418，而低频带412通过边缘馈电路径穿过波导416和417。换言之，作为边缘馈电设计，低频带412的路径穿过波导416和417，而高频带的路径穿过中心馈电波导。以这种方式，具有低频带和高频带两者的馈电波能够与阵列419的RF辐射天线元件(例如，超材料表面散射天线元件等)接合。
这种混合中心馈电和边缘馈电结构包括许多优点。首先，该结构提供了对高频带孔径锥度/孔径分布的独立控制，因为可以将波导结构设计成便于在波导中耦合大部分能量(而不需要终止(例如，吸收器))。第二，混合结构降低了波导弯曲区域的机械复杂性，其中波从底部波导重定向到顶部波导。第三，在高频带使用较少孔径区域(例如，使用较少空间)的情况下，将消除如果两个频带都被边缘馈电的情况下会出现的有损未使用传输线。最后，图4B示出了两个益处。
图4B示出了图4A的混合结构的一个实施例的圆形孔径的俯视图。参考图4B，以低频带操作的RF辐射天线元件(例如，超材料表面散射天线元件等)，在本文中称为低频带元件421，位于孔径的外部，而两个RF以低频带和高频带工作的辐射天线元件都被包含在孔径的内圆柱部分中。如果两个频带都使用边缘馈电设计，则RF辐射天线元件阵列中在仅包含以低频带操作的天线元件的区域与同时包括低频带和高频带天线元件的区域之间的位置之间的传输线空间424将是浪费空间。类似地，因为只有一个频带，即低频带412，采用边缘馈电设计将低频带从下部的波导417传播到上部的波导416，因为它不必设计为处理宽带，所以波导弯曲区域423的复杂性降低。
图4C示出了混合高频带/低频带波导结构的另一个实施例的侧截面图。在一个实施例中，当从顶部观察时，中心馈电、单频带低频、边缘馈电单频带高频波导结构是圆柱形的。参考图4C，在这种情况下，波导416和417之间的定向耦合器418被设计成使得低频带的路径穿过中心馈电波导，而高频带的路径穿过边缘馈电波导。换言之，高频带从单个端口414径向向外传播到波导带423并通过波导带423向上穿过到上部的波导416，而低频带的路径从下部的波导417通过定向耦合器418耦合到上部的波导416。在一个实施例中，单层定向耦合器418利用基于电感的耦合器来实施，该基于电感的耦合器允许耦合低频带而不耦合高频带，因此高频带通过边缘馈电路径传播。以这种方式，具有低频带和高频带两者的馈电波能够与阵列419的RF辐射天线元件(例如，超材料表面散射天线元件等)接合。
图4C的混合波导结构的一个或多个实施例具有许多的一个或多个优点。首先，混合波导结构提供对低频带孔径锥度/孔径分布的独立控制。通常，较低频带更难以管理边缘馈电波导中的耦合。在这种情况下，耦合由中心馈电定向耦合器管理。第二，混合波导结构在弯曲部分423中提供降低的机械复杂性，其中波从底部波导重定向到顶部波导，因为它不必被设计为处理宽带。
在另一个实施例中，波导结构是中心馈电、多层、多频带波导结构。图5A至图5D示出了中心馈电、多层、多频带波导结构的一个实施例。在一个实施例中，当从顶部观察时，中心馈电的多层多频带波导结构是圆柱形的。
图5A图示了中心馈电多层设计的一个实施例的侧截面图，该设计包括由两个分离的耦合表面组成的中心馈电波导。参考图5A，中心馈电波导结构包括天线元件阵列500，其中，RF辐射天线元件位于顶部波导501上方。顶部波导501在底部波导502上方。在顶部波导501和底部波导502之间存在耦合层503，而耦合层504处于底部波导502内。
在一个频带，耦合层503是可见的并且耦合层504不影响性能。在远处分离的另一个频带(例如，Ka和Ku频带分离)，耦合层504是可见的，并且耦合层503不影响性能。注意，上部和下部波导的定义会根据层的频率特性而变化。这在图5B和图5C中显示。
图5B示出了频带1的中心馈电多层实施方案。在这种情况下，耦合层503对频带1是唯一可见层，并且在这种情况下的传播通过耦合层503。图5C示出了频带2的中心馈电多层实施方案。参考图5C，在这种情况下，仅耦合层504对频带2可见，因此波通过该层传播。换言之，频带1在较小频率具有低阻抗但在较高频率具有高阻抗，而频带2在低频带具有高阻抗而在相对于耦合层503的频率具有低阻抗。可以满足这种条件的阻抗特性如图5D所示。
天线实施例的示例
上述技术可以与平板天线一起使用。公开了这种平板天线的实施例。该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，平板天线是圆柱馈电天线，其包括唯一地寻址和驱动未以行和列布置的每个天线元件的矩阵驱动电路。在一个实施例中，元件布置在环中。
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闭合同心环。在一个实施例中，同心环相对于天线馈电同心。
天线系统的示例
在一个实施例中，平板天线是超材料天线系统的一部分。描述了用于通信卫星地球站的超材料天线系统的实施例。在一个实施例中，天线系统是在移动平台(例如，航空、海事、陆地等)上操作的卫星地球站(ES)的组件或子系统，该移动平台使用Ka波段频率或Ku波段频率操作进行民用商业卫星通信。注意天线系统的实施例也可以用于不在移动平台(例如，固定或移动式地球站)上的地球站中。
在一个实施例中，天线系统使用表面散射超材料技术来形成和引导通过单独的天线发送和接收波束。在一个实施例中，与采用数字信号处理来电形成和引导波束的天线系统(诸如相控阵天线)相反，该天线系统是模拟系统。
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)作为天线元件一部分的波散射超材料单位单元的阵列；(3)控制结构，使用全息原理命令从超材料散射元件形成可调整的辐射场(波束)。
天线元件
图6示出了圆柱馈电全息径向孔径天线的一个实施例的示意图。参照图6，天线孔径具有天线元件603的一个或多个阵列601，其被放置在围绕圆柱馈电天线的输入馈电602的同心环中。在一个实施例中，天线元件603是辐射RF能量的射频(RF)谐振器。在一个实施例中，天线元件603包括在天线孔径的整个表面上交错并分布的Rx和Tx虹膜两者。在下面更详细地描述这种天线元件的示例。注意，本文描述的RF谐振器可以用于不包括圆柱形馈电的天线中。
在一个实施例中，天线包括同轴馈电，该同轴馈电用于经由输入馈电602提供圆柱形波馈电。在一个实施例中，圆柱形波馈电架构从中心点向天线馈电，其中激励从馈电点以圆柱形方式向外扩展。也就是说，圆柱馈电天线产生向外行进的同心馈电波。即便如此，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。
在一个实施例中，天线元件603包括虹膜，并且图6的孔径天线用于产生主波束，该主波束通过使用来自圆柱形馈电波的激励来成形，以通过可调液晶(LC)材料辐射虹膜。在一个实施例中，可以激励天线来以期望的扫描角度辐射水平或垂直极化的电场。
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，该单位单元由下导体、电介质衬底以及嵌入互补电感电容谐振器(“互补电子LC”或“CELC”)的上导体组成，该互补电感电容谐振器被蚀刻在上导体中或设置在上导体上。如本领域技术人员所理解的，CELC语境中的LC指的是电感电容，而不是液晶。
在一个实施例中，液晶(LC)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驱动。在一个实施例中，液晶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。液晶的介电常数是构成液晶的分子的取向的函数，并且可以通过调整横跨液晶上的偏压来控制分子的取向(因此控制介电常数)。在一个实施例中，使用该特性，液晶集成了接通/关断开关用于将能量从导波传输到CELC。当开关接通时，CELC发射电磁波，就像小型电偶极子天线一样。注意，本文的教导不限于具有关于能量传输以二进制方式操作的液晶。
在一个实施例中，该天线系统的馈电几何结构允许将天线元件定位成与波馈电中的波矢量成45度(45°)角。注意，可以使用其它定位(例如，以40°角)。元件的该定位使得能够控制由元件接收或从元件传输/辐射的自由空间波。在一个实施例中，天线元件被布置成具有小于天线工作频率的自由空间波长的元件间间隔。例如，如果每个波长有四个散射元件，则30GHz传输天线中的元件将为约2.5mm(即，30GHz的自由空间波长10mm的1/4)。
在一个实施例中，如果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的幅度激励。相对于馈电波激励将它们旋转+/-45度，一次实现两个期望的特征。一组旋转0度而另一组旋转90度将实现垂直的目标，但不是等幅激励的目标。注意，当从两侧以单个结构馈送天线元件阵列时，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通道的电势)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向贴片天线提供电压。该电压用于使电容调谐或失谐，从而使单个元件的共振频率调谐或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以及饱和电压影响的阈值电压描述，高于该阈值电压则电压的增加不会引起液晶的主要调谐。对于不同的液晶混合物，这两个特征参数可以改变。
如上所述，在一个实施例中，矩阵驱动用于向贴片施加电压，以便与所有其它单元分开地驱动每个单元，而不需要每个单元具有单独的连接(直接驱动)。由于元件密度高，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2个主要组件：包括驱动电子器件、用于天线系统的天线阵列控制器处于波散射结构下方，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，天线系统的驱动电子器件包括在商用电视设备中使用的商用现货LCD控件，这些控件通过针对每个散射元件调整AC偏置信号的幅度或占空比来调整该元件的偏置电压。
在一个实施例中，天线阵列控制器还包含运行软件的微处理器。控制结构还可以结合传感器(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方向信息。位置和方向信息可以由地球站中的其它系统提供给处理器并且/或者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关断哪些元件、接通哪些元件以及以工作频率处于哪个相位和幅度水平。通过施加电压有选择地使元件失谐以进行频率操作。
为了进行传输，控制器将电压信号阵列供应给RF贴片，以创建调制或控制模式。控制模式使元件转向不同的状态。在一个实施例中，使用多态控制，其中各种元件接通和关断到不同的电平，与方波相反，它进一步近似正弦控制模式(即，正弦灰度调制模式)。在一个实施例中，一些元件比其它元件辐射更强，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，该电压电平将液晶介电常数调整到不同的量，从而可变地使元件失谐并使一些元件比其它元件辐射更多。
元件的超材料阵列产生聚焦波束可以通过相长干涉和相消干涉的现象来解释。如果它们在自由空间中相遇时具有相同的相位则单个电磁波叠加(相长干涉)，如果它们在自由空间中相遇时处于相反相位则波相互抵消(相消干涉)。如果定位开槽天线中的槽以使得每个连续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个槽的散射波不同的相位。如果槽以导波波长的四分之一间隔开，则每个槽将散射与前一个槽有四分之一相位延迟的波。
使用该阵列，可以产生的相长干涉和相消干涉的模式的数量可以增加，使得可以使用全息术的原理，在理论上将波束指向与天线阵列的瞄准线(bore sight)成正负90度(90°)的任何方向。因此，通过控制哪些超材料单位单元被接通或关断(即通过改变接通哪些单元以及关断哪些单元的模式)，可以产生不同的相长干涉和相消干涉模式，并且天线可以改变主波束的方向。接通和关断单位单元所需的时间决定了波束能够从一个位置切换到另一位置的速度。
在一个实施例中，天线系统为上行天线产生一个可引导波束，为下行天线产生一个可引导波束。在一个实施例中，天线系统使用超材料技术来接收波束并对来自卫星的信号进行解码并形成指向卫星的发射波束。在一个实施例中，与采用数字信号处理来电形成和引导波束的天线系统(例如相控阵天线)相反，该天线系统是模拟系统。在一个实施例中，尤其是与传统的卫星碟型接收器相比时，天线系统被认为是平面且相对低轮廓的“表面”天线。
图7示出了包括接地面和可重构谐振器层的一行天线元件的透视图。可重构谐振器层1230包括可调谐槽1210的阵列。可调谐槽1210的阵列可以被配置为将天线指向期望的方向。可以通过改变横跨液晶的电压来调谐/调整每个可调谐槽。
控制模块1280联接到可重构谐振器层1230，以通过改变图8A中横跨液晶的电压来调制可调谐槽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)或其它处理逻辑。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)以驱动可调谐槽1210的阵列。在一个实施例中，控制模块1280接收包括待被驱动到可调谐槽1210阵列上的全息衍射模式的规格的数据。可以响应于天线和卫星之间的空间关系产生全息衍射模式，使得全息衍射模式在适当的通信方向上引导下行波束(如果天线系统执行发送则引导上行波束)。虽然未在每个图中绘出，但是类似于控制模块1280的控制模块可以驱动本公开的附图中描述的每个可调槽阵列。
射频(“RF”)全息术也可以使用类似的技术，其中当RF参考波束遇到RF全息衍射模式时，可以生成期望的RF波束。在卫星通信的情况下，参考波束为馈电波的形式，诸如馈电波1205(在一些实施例中将近20GHz)。为了将馈电波变换成辐射波束(用于发送或接收目的)，在期望的RF波束(目标波束)和馈电波(参考波束)之间计算干涉模式。干涉模式被驱动到可调谐槽1210的阵列上作为衍射模式，使得馈被“引导”成期望的RF波束(具有期望的形状和方向)。换言之，遇到全息衍射模式的馈电波“重建”目标波束，其根据通信系统的设计要求形成。全息衍射模式包含每个元件的激励，并通过
Figure BDA0003723831650000171
来计算，其中win是波导中的波动方程，wout是出射波的波动方程。
图8A示出了可调谐谐振器/槽1210的一个实施例。可调谐槽1210包括虹膜/槽1212，辐射贴片1211和设置在虹膜1212和贴片1211之间的液晶1213。在一个实施例中，辐射贴片1211与虹膜1212位于同一位置。
图8B示出了物理天线孔径的一个实施例的截面图。天线孔径包括接地面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8B的天线孔径包括多个图8A的可调谐谐振器/槽1210。虹膜/槽1212由金属层1236中的开口限定。诸如图8A的馈电波1205的馈电波，可以具有与卫星通信通道兼容的微波频率。馈电波在接地面1245和谐振器层1230之间传播。
可重构谐振器层1230还包括垫片层1232和贴片层1231。垫片层1232设置在贴片层1231和虹膜层1233之间。注意在一个实施例中，间隔件可以代替垫片层1232。在一个实施例中，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可以是其它类型的衬底。
可以在铜层中蚀刻开口以形成槽1212。在一个实施例中，虹膜层1233通过导电粘合层导电地联接到图8B中的另一结构(例如，波导)。注意，在一个实施例中，虹膜层不通过导电粘合层导电地联接，而是与非导电粘合层接合。
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，垫圈层1232包括间隔件1239，间隔件1239提供机械阻隔以限定金属层1236和贴片1211之间的尺寸。在一个实施例中，间隔件为75微米，但也可以使用其它尺寸(例如，3至200mm)。如上所述，在一个实施例中，图8B的天线孔径包括多个可调谐谐振器/槽，诸如可调谐谐振器/槽1210包括图8A的贴片1211、液晶1213以及虹膜1212。液晶1213的腔室由间隔件1239、虹膜层1233以及金属层1236限定。当腔室填充有液晶时，可以将贴片层1231层压到间隔件1239上以密封谐振器层1230内的液晶。
可以调制贴片层1231和虹膜层1233之间的电压以调整贴片和槽之间间隙中的液晶(例如，可调谐谐振器/槽1210)。调整横跨液晶1213的电压来改变槽(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。槽1210的谐振频率也根据等式
Figure BDA0003723831650000181
而改变，其中f是槽1210的谐振频率，L和C分别为槽1210的电感和电容。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，则可以将槽1210的谐振频率(通过改变电容)调整为17GHz，使得槽1210基本上不耦合来自馈电波1205的能量。或者，可以将槽1210的谐振频率调整到20GHz，使得槽1210耦合来自馈电波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进制的(完全辐射或根本不辐射)，但是随着在多值范围内的电压变化，电抗的全灰度控制以及因此槽1210的谐振频率是可能的。因此，可以精细地控制从每个槽1210辐射的能量，从而可以通过可调谐槽的阵列形成详细的全息衍射模式。
在一个实施例中，行中的可调谐槽彼此间隔λ/5。可以使用其它间距。在一个实施例中，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，不同行中共同定向的可调谐槽间隔λ/4，虽然其它间距也是可行的(例如，λ/5、λ/6.3)。在另一实施例中，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，诸如于2014年11月21日提交的申请号为14/550,178、标题为“来自可引导圆柱馈电全息天线的动态极化和耦合控制”的美国专利申请，以及于2015年1月30日提交的申请号为14/610,502、标题为“可重构天线的脊形波导馈电结构”的美国专利申请所描述的。
图9A-D示出了用于创建开槽阵列的不同层的一个实施例。天线阵列包括放置在环中的天线元件，诸如图1A中所示的示例环。注意，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示出了具有与槽相对应的位置的第一虹膜板层的一部分。参照图9A，圆圈是虹膜衬底底侧中的金属化中的开放区域/槽，并且用于控制元件与馈电(馈电波)的耦合。注意，该层是可选层，并未在所有设计中使用。图9B示出了包含槽的第二虹膜板层的一部分。图9C示出了第二虹膜板层的一部分上的贴片。图9D示出了槽阵列的一部分的俯视图。
图10示出了圆柱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，两层的馈电结构)产生向内传播的波。在一个实施例中，天线包括圆形的外部形状，尽管这不是必需的。也就是说，可以使用非圆形的向内传播结构。在一个实施例中，图10中的天线结构包括同轴馈电，例如在于2014年11月21日提交的公布号为2015/0236412、标题为“来自可引导圆柱馈电全息天线的动态极化和耦合控制”的美国专利申请中描述的。
参照图10，同轴引脚1601用于激励天线较低层上的磁场。在一个实施例中，同轴引脚1601是容易获得的50Ω同轴引脚。同轴引脚1601联接(例如，螺栓连接)到作为导电接地面1602的天线结构的底部。
与导电接地面1602分开的是间质导体1603，间质导体1603是内部导体。在一个实施例中，导电接地面1602和间质导体1603彼此平行。在一个实施例中，接地面1602与间质导体1603之间的距离为0.1至0.15。在另一实施例中，该距离可以是λ/2，其中λ是在工作频率下的行波波长。
接地面1602通过间隔件1604与间质导体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。
在间质导体1603的顶部是介电层1605。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相对于自由空间使行波减慢30％。在一个实施例中，适合于波束形成的折射率范围是1.2至1.8，其中自由空间根据定义具有等于1的折射率。可以使用例如塑料的其它介电间隔件材料，来实现该效果。注意，可以使用除塑料以外的材料，只要它们实现所期望的减波效果即可。可选地，具有分布结构的材料，诸如可以被机械加工或光刻限定的周期性亚波长金属结构，可以用作介电层1605。
RF阵列1606在介电层1605的顶部。在一个实施例中，间质导体1603与RF阵列1606之间的距离为0.1至0.15。在另一实施例中，该距离可以是λeff/2，其中λeff是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成一定角度，以使来自同轴引脚1601的行波馈电通过反射从间质导体1603下方的区域(间隔层)传播到间质导体1603上方的区域(介电层)。在一个实施例中，侧面1607和1608的角度为45°角。在可选实施例中，侧面1607和1608可以利用连续的半径代替以实现反射。虽然图10示出了具有45度角的倾斜侧面，但也可以使用其它实现从下层馈电到上层馈电的信号传输的角度。也就是说，假定下部馈电中的有效波长将通常与上部馈电中的有效波长不同，则可以使用与理想的45°角的一些偏差来帮助从下部馈电层到上部馈电层的传输。例如，在另一实施例中，以单个台阶代替45°角。天线一端的台阶围绕介电层、间质导体和间隔层。这些层的另一端是相同的两个台阶。
在操作中，当从同轴引脚1601馈入馈电波时，该波在接地面1602和间质导体1603之间的区域中从同轴引脚1601同心定向地向外传播。同心输出的波被侧面1607和1608反射并在间质导体1603和RF阵列1606之间的区域中向内传播。来自圆形周界边缘的反射使波保持同相(即，其为同相反射)。电介质1605使行进波变慢。在这一点上，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，在天线的几何中心处的天线中包括终端1609。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，该RF吸收器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去。这些可以在RF阵列1606的顶部使用。
图11示出了具有输出波的天线系统的另一实施例。参照图11，两个接地面1610和1611基本彼此平行，在接地面之间具有介电层1612(例如，塑料层等)。RF吸收器1619(例如，电阻器)将两个接地面1610和1611联接在一起。同轴引脚1615(例如，50Ω)对天线馈电。RF阵列1616在介电层1612和接地面1611的顶部。
在操作中，馈电波通过同轴引脚1615馈送并且同心地向外传播并且与RF阵列1616的元件相互作用。
图10和图11的两个天线中的圆柱形馈电改善了天线的工作角度。在一个实施例中，天线系统具有从所有方向的瞄准线75度(75°)的工作角度，而不是正或负45度方位角(±45°Az)和正或负25度仰角(±25°E1)的工作角度。与任何波束形成由许多单个的辐射器组成的天线一样，整体天线增益取决于组成元件的增益，组成元件本身是取决于随角度的。当使用共同的辐射元件时，整体天线增益通常随着波束进一步远离瞄准线而减小。在偏离瞄准线75度的情况下，预计增益显著下降约6dB。
具有圆柱形馈电的天线的实施例解决了一个或多个问题。其包括：与采用公司分频器网络馈电的天线相比，大大简化了馈电结构，从而减少了全部所需的天线和天线馈电量；通过使用更粗略的控制来保持高光束性能，降低对制造和控制错误的敏感性(一直扩展到简单的二进制控制)；与直线形馈电相比，给出了更有利的旁瓣模式，因为圆柱取向馈电波在远场中导致空间上不同的旁瓣；允许极化是动态的，包括允许左旋圆、右旋圆和线性极化而无需偏振器。
波散射元件阵列
图10的RF阵列1606和图11的RF阵列1616包括波散射子系统，该波散射子系统包括充当辐射器的一组贴片天线(例如，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，该单位单元由下导体、电介质衬底以及嵌入互补电感电容谐振器(“互补电LC”或“CELC”)的上导体组成，该互补电感电容谐振器被蚀刻在上导体中或设置在上导体上。
在一个实施例中，将液晶(LC)注入到散射元件周围的间隙中。将液晶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。液晶的介电常数是构成液晶的分子的取向的函数，并且可以通过调整横跨液晶上的偏压来控制分子的取向(并因此控制介电常数)。利用此特性，液晶充当接通/关断开关，用于将能量从导波传输到CELC。当接通时，CELC像小型电偶极子天线一样发射电磁波。
控制LC的厚度提高光束切换速度。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％)，导致速度提高四倍。在另一实施例中，液晶的厚度导致光束切换速度为大约十四毫秒(14ms)。在一个实施例中，以本领域公知的方式掺杂LC以改善响应性，使得可以满足七毫秒(7ms)的要求。
CELC元件对平行于CELC元件的平面并垂直于CELC间隙补体而施加的磁场作出响应。当向超材料散射单位单元中的液晶施加电压时，导波的磁场分量感应CELC的磁激励，进而产生与导波频率相同的电磁波。
由单个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，因此在输出波在CELC下方通过时，其相位与导波的相位相同。
在一个实施例中，该天线系统的圆柱形馈电几何结构允许将CELC元件定位成与波馈电中的波矢量成45度角(45°)。元件的该位置使得能够控制从元件生成或由元件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，如果每个波长有四个散射元件，则30GHz传输天线中的元件将为约2.5mm(即，30GHz的自由空间波长10mm的1/4)。
在一个实施例中，CELC利用贴片天线来实施，该贴片天线包括共同位于槽上的二者之间具有液晶的贴片。在这方面，超材料天线的作用类似于开槽(散射)波导。使用开槽波导时，输出波的相位取决于该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放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12示出了关于天线元件的矩阵驱动电路布置的一个实施例。参照图12，行控制器1701分别经由行选择信号Row1和Row2联接到晶体管1711和晶体管1712，并且列控制器1702经由列选择信号Column1联接到晶体管1711和晶体管1712。晶体管1711还经由与贴片1731的连接而联接到天线元件1721，而晶体管1712经由与贴片1732的连接而联接到天线元件1722。
在将单位单元放置在非规则网格中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。在第一步骤中，将单元放置在同心环上，并且将每个单元连接到放置在单元旁的晶体管，并用作开关以单独驱动每个单元。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。由于矩阵驱动电路由行迹线和列迹线构建(类似于LCD)，但是单元放置在环上，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以覆盖所有晶体管，并引起物理迹线数量的显著增加以完成布线。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。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商业上可用的布局工具来实现。
在一个实施例中，在放置单元和晶体管之前预定矩阵驱动电路。这样确保驱动所有单元所必需的走线数量最少，每个单元具有唯一的地址。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，将单元放置在由描述每个单元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，将单元分组并转换为同心圆，同时保持它们的地址以及与第一步骤中定义的行和列的连接。这种转换的目标不仅是将单元放在环上，而且还要保持单元之间的距离和环之间的距离在整个孔径上保持恒定。为了实现这一目标，有几种方法可以对单元进行分组。
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13示出了TFT封装的一个实施例。参照图13，示出了具有输入和输出端口的TFT和保持电容器1803。有两个输入端口连接到迹线1801，两个输出端口连接到迹线1802，以使用行和列将TFT连接在一起。在一个实施例中，行迹线和列迹线以90°角交叉，以使行和列迹线之间的耦合减少并尽可能使之最小化。在一个实施例中，行迹线和列迹线在不同的层上。
全双工通信系统的示例
在另一实施例中，在全双工通信系统中使用组合的天线孔径。图14是具有同时发送和接收路径的通信系统的另一实施例的框图。虽然仅示出了一个传输路径和一个接收路径，但是通信系统可以包括多于一个传输路径和/或多于一个的接收路径。
参照图14，如上所述，天线1401包括两个空间上交错的天线阵列，其可独立操作以在不同的频率上同时发送和接收。在一个实施例中，天线1401联接到双工器1445。可以通过一个或多个馈电网络进行联接。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滤波功能以及下变频和放大功能。在一个实施例中，LNB 1427处于室外单元(ODU)中。在另一实施例中，LNB 1427集成到天线设备中。LNB 1427联接到调制解调器1460，调制解调器1460联接到计算系统1440(例如，计算机系统、调制解调器等)。
调制解调器1460包括模数转换器(ADC)1422，其联接到LNB 1427，以将从双工器1445输出的接收信号转换为数字格式。一旦被转换成数字格式，信号由解调器1423解调并由解码器1424解码，以获得所接收的波上的经编码数据。然后将所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，其对待从计算系统1440传输的数据进行编码。经编码数据由调制器1431调制，然后由数模转换器(DAC)1432转换为模拟信号。然后，模拟信号由BUC(上变频和高通放大器)1433滤波，并提供给双工器1445的一个端口。在一个实施例中，BUC 1433处于室外单元(ODU)中。
以本领域众所周知的方式操作的双工器1445将传输信号提供给天线1401用于传输。
控制器1450控制包括单个组合物理孔径上的两个天线元件阵列的天线1401。
通信系统将被修改为包括上述组合器/仲裁器。在这种情况下，组合器/仲裁器在调制解调器之后但在BUC和LNB之前。
注意，图14中所示的全双工通信系统具有许多应用，包括但不限于互联网通信、车辆通信(包括软件更新)等。
本文描述了许多示例实施例。
示例1是一种天线，包括：天线孔径，带有射频(RF)辐射天线元件；中心馈电的、多频带波导结构，耦合到天线孔径以接收两个不同频带的馈电波并将馈电波传播到天线孔径的RF辐射天线元件。
示例2是示例1的天线，可选地包括，波导结构是定向耦合器波导结构。
示例3是示例1的天线，可选地包括，定向耦合器波导结构包括底部波导和顶部波导，该底部波导和顶部波导可以执行两个不同频带的第一单频带的耦合，而两个不同的频带中的第二单频带径向向外传播到底部波导的外边缘并且向上反射到顶部波导中以被边缘馈电到天线孔径的RF辐射天线元件。
示例4是示例3的天线，可选地包括，第一单频带的频率高于第二单频带的频率。
示例5是示例3的天线，可选地包括，第二单频带的频率高于第一单频带的频率。
示例6为示例1的天线，可选地包括，所述波导结构包括：顶部波导；底部波导；以及在顶部波导和底部波导之间并具有通过第一频带的频率响应的定向耦合器。
示例7是示例1的天线，可选地包括，定向耦合器包括多个耦合元件并且多个耦合元件中的一个或多个耦合元件的尺寸在电学上或物理上是可变的。
示例8是示例1的天线，可选地包括，第一频带和第二频带包括两个卫星通信频带。
示例9是示例8的天线，可选地包括，第一频带和第二频带包括Ku频带和Ka频带。
示例10是一种多频带天线，包括：天线孔径，具有射频(RF)辐射天线元件；以及波导结构，以不同频率的第一和第二频带传播馈电波，该波导结构具有分别具有第一阻抗和第二阻抗的第一层和第二层，第一层和第二层相隔一定距离，以便为第一频带和第二频带产生不同的空间频率响应。
示例11是示例10的多频带天线，可选地包括，波导结构包括：中心馈电波导和边缘馈电波导，其中第一频率的第一频带穿过中心馈电波导并且第二频率的第二频带穿过边缘馈电波导。
示例12是示例11的多频带天线，可选地包括，第一频率高于第二频率。
示例13是示例11的多频带天线，可选地包括，第二频率高于第一频率。
示例14是示例10的多频带天线，可选地包括，波导结构包括：顶部波导；底部导导；以及在顶部波导和底部波导之间并具有通过第一频带的频率响应的定向耦合器。
示例15是示例14的多频带天线，可选地包括，第一频带的频率高于第二频带的频率。
示例16是示例14的多频带天线，可选地包括，第一频带的频率低于第二频带的频率。
示例17是示例14的多频带天线，可选地包括，定向耦合器包括多个耦合元件并且多个耦合元件中的一个或多个耦合元件的尺寸在电学上是可变的。
示例18是示例10的多频带天线，可选地包括，定向耦合器包括多个耦合元件并且多个耦合元件中的一个或多个耦合元件的尺寸在物理上是可变的。
示例19是示例10的多频带天线，可选地包括，第一频带和第二频带包括两个卫星通信频带。
示例20是示例10的多频带天线，可选地包括，第一频带和第二频带包括Ku频带和Ka频带。
根据对计算机存储器内的数据位的操作的算法和符号表示来呈现以上详细描述的某些部分。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它技术人员的手段。这里的算法通常被认为是产生期望结果的自相一致的步骤序列。这些步骤是需要对物理量进行物理操纵的步骤。通常，尽管不是必须的，这些量采取能够被存储、传送、组合、比较和以其它方式操纵的电或磁信号的形式。主要出于通用的原因，有时已经证明将这些信号称为位、值、元件、符号、字符、项、数字等是方便的。
然而，应该记住所有这些以及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标签。除非另有明确说明，从以下讨论显而易见，应当理解在整个说明书中，利用诸如“处理”或“计算”或“运算”或“确定”或“显示”等的术语的讨论是指计算机系统或类似电子计算装置的动作和过程，它将表示为计算机系统寄存器或存储器内的物理(电子)量的数据转换为其它类似地表示为计算机系统存储器或寄存器或其它此类信息存储、传输或显示装置内的物理量的数据。
本发明还涉及用于执行本文中的操作的设备。该设备可以被特殊构造用于所需目的，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，诸如但不限于包括软盘、光盘、CD-ROM和磁光盘的任何类型的磁盘，只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)，EPROM，EEPROM，磁卡或光卡，或适用于存储电子指令的任何类型的介质，并且每个介质都联接到计算机系统总线。
本文呈现的算法和显示并非固有地与任何特定计算机或其它设备相关。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设备以执行所需的方法步骤是方便的。各种这些系统所需的结构将从下面的描述中显现。另外，没有参考任何特定的编程语言描述本发明。将理解的是，可以使用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；闪速存储器装置等等。
在已经阅读前面的描述之后，本发明的许多变更和修改对于本领域普通技术人员而言将毫无疑问变得显而易见，应当理解，以例举的方式示出和描述的任何特定实施例决不旨在被认为是限制性的。因此，对各个实施例的细节的参考并不旨在限制权利要求的范围，权利要求本身仅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，包括：
天线孔径，带有射频(RF)辐射天线元件；以及
中心馈电的、多频带波导结构，耦合到所述天线孔径以接收两个不同频带的馈电波并且将所述馈电波传播到所述天线孔径的所述RF辐射天线元件。
2.根据权利要求1所述的天线，其中所述波导结构是定向耦合器波导结构。
3.根据权利要求1所述的天线，其中所述定向耦合器波导结构包括底部波导和顶部波导，所述底部波导和所述顶部波导能够执行两个不同频带的第一单频带的耦合，而两个不同的频带中的第二单频带径向向外传播到所述底部波导的外边缘并且向上反射到所述顶部波导中以被边缘馈电到所述天线孔径的所述RF辐射天线元件。
4.根据权利要求3所述的天线，其中所述第一单频带的频率高于所述第二单频带的频率。
5.根据权利要求3所述的天线，其中所述第二单频带的频率高于所述第一单频带的频率。
6.根据权利要求1所述的天线，其中所述波导结构包括：
顶部波导；
底部波导；以及
定向耦合器，位于所述顶部波导和所述底部波导之间，并且具有通过第一频带的频率响应。
7.根据权利要求1所述的天线，其中所述定向耦合器包括多个耦合元件并且所述多个耦合元件中的一个或多个耦合元件的尺寸在电学上或物理上是可变的。
8.根据权利要求1所述的天线，其中第一频带和第二频带包括两个卫星通信频带。
9.根据权利要求8所述的天线，其中所述第一频带和所述第二频带包括Ku频带和Ka频带。
10.一种多频带天线，包括：
天线孔径，带有射频(RF)辐射天线元件；以及
波导结构，以不同频率的第一频带和第二频带传播馈电波，所述波导结构具有第一层和第二层，所述第一层和所述第二层分别具有第一阻抗和第二阻抗并且相隔一定距离，以便为所述第一频带和所述第二频带产生不同的空间频率响应。
11.根据权利要求10所述的多频带天线，其中所述波导结构包括：中心馈电波导和边缘馈电波导，其中第一频率的所述第一频带穿过所述中心馈电波导并且第二频率的所述第二频带穿过所述边缘馈电波导。
12.根据权利要求11所述的多频带天线，其中所述第一频率高于所述第二频率。
13.根据权利要求11所述的多频带天线，其中所述第二频率高于所述第一频率。
14.根据权利要求10所述的多频带天线，其中所述波导结构包括：
顶部波导；
底部波导；以及
定向耦合器，位于所述顶部波导和所述底部波导之间，并且具有通过所述第一频带的频率响应。
15.根据权利要求14所述的多频带天线，其中所述第一频带的频率高于所述第二频带的频率。
16.根据权利要求14所述的多频带天线，其中所述第一频带的频率低于所述第二频带的频率。
17.根据权利要求14所述的多频带天线，其中所述定向耦合器包括多个耦合元件并且所述多个耦合元件中的一个或多个耦合元件的尺寸在电学上是可变的。
18.根据权利要求14所述的多频带天线，其中所述定向耦合器包括多个耦合元件并且所述多个耦合元件中的一个或多个耦合元件的尺寸在物理上是可变的。
19.根据权利要求10所述的多频带天线，其中所述第一频带和所述第二频带包括两个卫星通信频带。
20.根据权利要求19所述的多频带天线，其中所述第一频带和所述第二频带包括Ku频带和Ka频带。
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