TW201924136A - 具有矩形波導至徑向模式轉變部之裝置 - Google Patents

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安東尼 甘特伯格
莫森 薩吉加
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Abstract

所述為一種具有一矩形波導至徑向模式轉變部之設備及其使用方法。在一項實施例中，該設備包含具有至少一片板子之一徑向波導；耦合至該徑向波導之一射頻(RF)發射部，其包含一矩形波導、耦合至該矩形波導之一矩形波導至同軸轉變部、以及耦合至該矩形波導至同軸轉變部之一同軸至徑向轉變部。

Description

具有矩形波導至徑向模式轉變部之裝置
相關申請案交互參照
本專利申請案主張2017年8月21日提出申請之題為「Rectangular Waveguide to Radial Mode Transition」之相對應臨時性專利申請案第62/548,275號的優先權，其係以參考方式併入本文。
本發明之實施例係有關於無線通訊領域；更特別的是，本發明之實施例係有關於具有射頻(RF)發射部之天線，該射頻(RF)發射部具有介於兩種RF傳輸模式之間的一轉變。
在諸如衛星通訊(SATCOM)或視線(LOS)通訊鏈路等應用中使用之高增益天線需要大孔徑區域才能實現足夠高之增益。天線之增益通常係藉由將RF能量引導至一天線饋體來實現。
一習知天線饋體之一個問題在於大致將例如輸入區段、極化器等組件各建構為一單獨組件。舉例而言，在一些天線中，天線輸入係一商用SMA連接器，並且介面係經由一波導連至雙工器，從而需要連至SMA配接器之一商用波導。因此，需要一件額外硬體才能在同軸電纜與一波導之間進行轉變。
此類分離製造之天線饋體之組裝、測試及微調導致勞動力與製造成本顯著、製作與測試時間長、以及諸單元之間的天線效能有潛在高可變性。
所述為一種具有一矩形波導至徑向模式轉變部之設備及其使用方法。在一項實施例中，該設備包含具有至少一片板子之一徑向波導；耦合至該徑向波導之一射頻(RF)發射部，其包含一矩形波導、耦合至該矩形波導之一矩形波導至同軸轉變部、以及耦合至該矩形波導至同軸轉變部之一同軸至徑向轉變部。
所揭示為一種具有一射頻(RF)發射部之天線及其使用方法，該RF發射部具有介於兩種RF能量傳播模式之間的一轉變。該轉變在兩種RF能量傳播模式之間提供一變換。在一項實施例中，天線之模式變換係介於一矩形波導模式與徑向傳播模式之間。在一項實施例中，矩形波導模式係一波導TE10模式。
在一項實施例中，天線包含具有一圓柱形饋體之一超穎材料表面天線，舉例如下面更詳細說明者。在一項實施例中，以一徑向傳播模式將RF能量從RF發射部饋送至此一天線之天線元件，然後經由商用雙工器及RF放大電路所驅動之一矩形波導將該RF能量饋送至RF發射部。
本文中所述之RF發射部之實施例具有一或多個優點。一或多個優點包括該轉變允許一更加整合之波導結構具有更少之分立部件、一更緊湊之組裝以及一可重複之組裝程序。也就是說，本文中所揭示之RF發射部不需要有波導連至先前技術之SMA配接器，並且變更連到波導之天線輸入以直接介接至一雙工器。RF發射部之實施例還降低使用更多分立組件之損耗，例如波導至SMA轉變，然後SMA至徑向轉變。從TE10 矩形波導( 模式) 轉變至徑向傳播模式
圖1繪示一天線RF發射部之一項實施例，其具有介於兩種RF能量傳播模式之間的一雙模式轉變，即一矩形波導(模式)轉變至一徑向傳播模式。在一項實施例中，天線包括具有至少一片板子之一徑向波導。在一項實施例中，徑向波導係一平行板波導，如圖2A及2B或圖10所示。
請參照圖1，RF發射部101係耦合至徑向波導(圖未示)，並且包含一同軸至徑向轉變部103、耦合至同軸至徑向轉變部103之一矩形波導至同軸階梯式轉變部102、以及經由矩形波導介面105耦合至矩形波導至同軸階梯式轉變部102之一矩形波導。在一項實施例中，同軸至徑向轉變部103包含成形成同心層之一介面。在一項實施例中，RF發射部101之部件一起操作以使能量轉移改善、或甚至達到最大，同時使RF能量反射降低、或甚至達到最小。
在一項實施例中，矩形波導具有一徑向非對稱模式，並且同軸至徑向轉變部103具有一徑向對稱模式。圖3A及3B中分別展示RF傳播之徑向及同軸模式。在兩種模式中，傳播方向都與電場之極化橫切。圖3C繪示一矩形(例如TE10)波導中之傳播方向。請參照圖3C，從一個寬壁至另一寬壁之電場經過垂直極化，電場之傳播方向與其橫切。
如下面更詳細所示，在一項實施例中，矩形波導至同軸階梯式轉變部102係以一90°角耦合至矩形波導。這有所助益，因為該轉變部之外形低，並且匹配之一方向垂直於發射介面。然而，在替代實施例中，耦合之一角度可有別於一90°角。
在一項實施例中，同軸至徑向轉變部103具有一同軸波導介電質104，其環繞介於同軸至徑向轉變部103與矩形波導至同軸階梯式轉變部102之間的耦合。在一項實施例中，同軸波導介電質104比空氣具有一更高介電常數。
在一項實施例中，矩形波導至同軸階梯式轉變部102係經由一插銷(例如一壓入配合插銷)耦合至同軸至徑向轉變部103。在一項實施例中，同軸至徑向轉變部103具有該插銷，並且該插銷係裝配在矩形波導至同軸階梯式轉變部102之一插銷插座中。在一項實施例中，同軸波導介電質104被組配來使同軸至徑向轉變部103之插銷相對同軸至徑向轉變部103維持處於一置中(垂直)位置。
圖2A及2B繪示含有一RF發射部之一天線之一項實施例的一側視圖，舉例如圖1所述。請參照圖2A及2B，天線200包括一徑向波導201、由具有天線元件(圖未示)之一基材或玻璃層(面板) 202所組成之一孔徑、一接地平面203、一介電(或其他層)轉變部204 、一RF發射部(饋體) 205以及一終端206。請注意，儘管在一項實施例中，玻璃層202包含兩個玻璃層，但在其他實施例中，輻射孔徑僅包含一個玻璃層或一僅具一層之基材。替代地，輻射孔徑包含超過一起操作以輻射RF能量(例如，一波束)之兩層。
在一項實施例中，由具有天線元件之玻璃層(基材) 202所組成之孔徑可操作以回應於從RF發射部205饋送之一RF饋伺波將射頻(RF)信號輻射，該RF饋伺波從RF發射部205之中央位置，繞著接地平面203 (其作為一導板)及180°層轉變部210，沿著徑向波導201行進至玻璃層202再至天線200之頂端處之輻射孔徑。玻璃層202之天線元件使用RF能量將RF能量輻射。在一項實施例中，回應於來自饋伺波之RF能量而藉由玻璃層輻射之RF能量形式為一波束。
在一項實施例中，玻璃層(或其他基材) 202係使用商用電視製造技巧來製造，並且在最外層處不具有導電金屬。輻射孔徑之外層上缺乏傳導介質，從而防止諸子總成之間出現實體電氣連接，不用對該等子總成進行進一步侵入式處理。為了在形成輻射孔徑之玻璃層202與將饋伺波饋送至玻璃層202之波導201之間提供一連接，施作一等效RF連接以防止來自連接縫之輻射。也就是說，RF抗流圈總成RF抗流圈220可操作以阻擋RF能量穿過介於波導201之外部分與形成輻射孔徑之玻璃層202之間的一間隙離開。另外，玻璃層202及波導201之饋體結構材料之熱膨脹係數之差異需要一中間低摩擦表面才能確保天線介質之自由平面型膨脹。
因為形成輻射孔徑及波導外罩之玻璃層202由具有不同熱膨脹係數之不同材料所構成，所以在波導201之外罩之範圍內施作有一些容納空間以允許隨著溫度變化之實體移動。為了允許玻璃層202及波導201外罩在不損壞任一結構的情況下自由移動，玻璃層202並非永久接合至波導201。在一項實施例中，玻璃層202係藉由箝位型特徵與波導201機械性保持密切的緊密接觸。也就是說，為了使玻璃層202鑑於其熱膨脹係數之差異而相對波導201大致處在適當位置，所以包括一箝位機構。
在一項實施例中，該等箝位特徵下方是用以使箝位件與玻璃層202隔離之材料(亦即，泡沫、附加薄膜或兩者)。孔徑與饋體之間加入摩擦阻力更低之一中間材料以作為一滑移面。該滑移面允許玻璃橫向移動。在一項實施例中，如上述，這對於諸層之間的熱膨脹或熱失配有用處。圖2A繪示滑移面位置211之一實例。
在一項實施例中，材料本質上是薄膜，並且屬於塑膠材料，舉例如丙烯酸、乙酸鹽或聚碳酸酯，而且係附著至玻璃之底面或波導201之外罩之頂端。除了緩衝玻璃層202並為波導201提供一滑移面以外，薄片材料在附接至玻璃時還為玻璃提供一些附加結構支撐及抗刮性。該附接可使用一黏附劑來施作。
在一項實施例中，徑向饋電係設計成使得個別組件各可在一大頻寬範圍內(即大於50%頻寬)操作。組成饋體之構成組件有：RF發射部205、180°層轉變部210、終端206、中間接地平面203 (導板)、介電轉變部204之介電負載、以及RF抗流圈總成220。
在一項實施例中，RF發射部205具有從輸入(同軸)軸向模式(傳播方向穿過導體)至徑向模式(RF波之傳播方向從導體之邊緣朝向其中心)之一階梯式轉變部。此轉變部使輸入插銷短接至補償探針電感之一電容性步階，然後阻抗向外步進至徑向波導201之全高。轉變所需之步階數量係有關於所欲操作頻寬、以及發射部之初始阻抗與導件之最終阻抗之間的差異。舉例而言，在一項實施例中，對於一10%頻寬變化，使用一步階轉變；對於一20%頻寬變化，使用一兩步階轉變；並且對於一50%頻寬變化，使用一三(或更多)步階轉變。
將插銷短接至接地平面203 (波導201之頂板)藉由將產生之熱從RF發射部205之中心插銷傳導到波導201之外罩內而允許更高之操作功率位準，在一項實施例中，波導201之外罩係一金屬(例如鋁、銅、黃銅、金等)。藉由控制介於階梯式RF發射部205與波導201之外罩之底端之間的間隙、並且破壞阻抗步階處之銳緣，使介電崩潰之任何風險降低。
RF發射部205之頂端終端轉變與為了存在慢波介電材料而加入之阻抗補償係採用相同方式設計。藉由使用分立步階設計阻抗轉變，RF發射部205得以使用一三軸電腦數控(CNC)端銑刀輕易製造。
在一項實施例中，180°層轉變部210係採用與發射部及終端設計類似之一方式來達成。在一項實施例中，一倒角或單步階係用於補償90°撓曲之電感。在另一實施例中，使用並可單獨調諧多個步階來達成一寬頻匹配。在一項實施例中，頂端波導之慢波介電轉變部204係置放於頂端90°撓曲處，從而將不對稱性加入完全180°轉變部。此介電存在性可藉由將不對稱性加入頂端及底端轉變步階來補償。
等效RF接地連接係藉由將RF抗流圈總成220加入饋體波導/玻璃介面來達成，使得意欲頻帶內之RF能量從RF抗流圈總成220介面反射而未輻射到自由空間內，並且進而與傳播之饋伺信號加入建設性。在一項實施例中，這些抗流圈係基於傳統波導抗流圈凸緣，其有助於為高功率應用確保穩健之RF連接。此類抗流圈亦可基於電磁能隙(EBG)結構，下文有進一步詳細說明。可採串聯方式加入數個RF抗流圈，以提供同時用於傳送及接收波段之寬頻抗流圈布置結構。
在一項實施例中，RF抗流圈總成220包括波導式抗流圈，其具有整合到波導201內之一或多個槽孔或通道。圖2A及2B繪示兩個槽孔。請注意，在一項實施例中，由於波導201為徑向，所以槽孔是位於波導201之頂端內部之環體。在一項實施例中，槽孔係設計成從RF饋體結合部(亦即，饋伺波傳播穿過之波導201之內部分之最外緣，如圖2A中之內緣250所示)之內部置放在一四分之一波長之一奇數倍(例如，1/4、3/4、5/4等)處。在一項實施例中，抗流圈通道亦為一波長之四分之一深，使得反射功率在抗流圈通道之頂端處同相。在一項實施例中，抗流圈總成之總相位長度進而將與傳播之饋伺信號異相，這使抗流圈總成(例如，介於該(等)槽孔之頂端與底端之間)具有一電氣短接之等效RF效能。該電氣短接等效使饋體結構壁維持連續性，而不需要實體電氣連接。
請注意，兩條抗流槽(通道)可用於饋伺波之各頻帶。舉例而言，兩條抗流槽可用於一個接收頻帶，而另兩個槽孔係用於一不同接收頻帶或一傳送頻帶。舉例而言，傳送及接收頻帶可分別為Ka傳送及接收頻帶。就另一實例而言，這兩個接收頻帶可以是Ka及Ku頻帶、或發生通訊之任何波段。該等槽孔之間距與上述相同。也就是說，該等槽孔將設計成從RF饋體結合部之內部(例如內緣250)置放在一四分之一波長之一奇數倍(例如，1/4、3/4、5/4等)處，以建立一低阻抗短接。在一項實施例中，該等槽孔為1/4λ深，具有為了高阻抗而大小經過調整之一寬度(其中λ是頻率受阻擋之波長)。儘管該等槽孔各以一個頻率共振(以阻擋該頻率下之能量)，抗流圈仍將可能阻擋一頻帶。舉例而言，當該等槽孔在Ku波段之一個頻率下共振時，抗流圈涵蓋整個Ku波段。RF 發射部的截面圖
圖4繪示與一天線之一項實施例之波導有關之一RF發射部之一項實施例的截面圖。天線可以是任何平板天線，舉例而言，包括下面更詳細說明之天線。
請參照圖4，同軸至徑向轉變部103係耦合至一矩形波導至同軸轉變部102。在一項實施例中，矩形波導至同軸轉變部102包含一矩形波導至同軸階梯式轉變部102。矩形波導至同軸轉變部102係耦合至矩形波導401。同軸至徑向轉變部103係耦合至一設備之波導。在一項實施例中，該設備包含一天線，舉例如圖2A及2B中所示之天線、或本文中更詳細說明之一天線。在一項實施例中，同軸至徑向轉變部103具有比空氣具一更高介電常數之一同軸傳輸線。
所示同軸傳輸線介電質104環繞介於同軸至徑向轉變部103與一矩形波導至同軸階梯式轉變部102之間的同軸介面。在一項實施例中，同軸傳輸線介電質104為聚四氟乙烯(PTFE)。
在一項實施例中，同軸至徑向轉變部103之頂端與一平行板波導之底板/層402之接地平面對準。
圖5A繪示一矩形波導至同軸階梯式轉變部之一項實施例。請參照圖5A，矩形波導至同軸階梯式轉變部包括三個步階。在一替代實施例中，矩形波導至同軸階梯式轉變部具有階梯式結構500及一插銷插座501。在一項實施例中，階梯式結構500係經由一焊料接榫(例如，圖5D之焊料接榫503)耦合至插銷插座501。
在一項實施例中，階梯式結構500包括三個步階。在一替代實施例中，階梯式結構500包括四個步階。步階數量可大於四或小於三。步階數量及步階大小係基於穿過矩形波導至同軸階梯式轉變部傳播之RF能量之頻率來選擇，以實現不超過一預定損耗量且不超過一預定反射量。在一項實施例中，各步階具有可透過電路建模採用一眾所周知之方式設定之一電容性組件及一電感性組件，以將步階之長度及寬度設定成得以實現一所欲能量轉移量及降低之反射。請注意，如果所欲為一更大頻寬，則步階數量增加。
在一項實施例中，階梯式結構由黃銅所製成。然而，可使用任何良好導體，舉例如銅、鋁、或任何其他易加工且傳導性又高之金屬。
插銷插座501係設計成接收同軸至徑向轉變部103之插銷，諸如圖5B中所示之插銷502。在一項實施例中，插銷502係一分歧、或壓入配合插銷。在一項實施例中，插銷插座由一高傳導材料所製成，諸如一金屬材料，例如鈹銅(鍍金)、鋁、鎂等。
圖5B繪示一同軸至徑向轉變部之一項實施例。請參照圖5B，插銷502包括具有一額外寬度之一唇部。換句話說，插銷502在插入矩形波導至同軸階梯式轉變部之插銷插座內之端部處具有比插銷502更靠近同軸至徑向轉變部之本體處之寬度更小之一第一寬度。在一項實施例中，唇部之寬度與插座之寬度為相同之直徑。然而，這並非必要。一更大唇部可為插銷提供更大之機械強度，因為連接至同軸至徑向轉變部之部件具有一更大直徑。對於非常高功率之情境，一更大唇部可能有助於將熱從插銷轉移到同軸至徑向轉變部。在一項實施例中，不包括唇部(及其相關聯之額外寬度)，以使得插銷502具有相同之均勻寬度。
圖5C繪示同軸至徑向轉變部與矩形波導至同軸階梯式轉變部之耦合。請參照圖5C，同軸至徑向轉變部之插銷502係插入矩形波導至同軸階梯式轉變部之插銷插座501。在一項實施例中，插銷502在天線操作期間因熱膨脹而滑入及滑出插銷插座501。因此，同軸至徑向轉變部與矩形波導至同軸階梯式轉變部之耦合並未經由焊料、或防止插銷502滑入及滑出插銷插座501之任何其他附接機構。
圖5D繪示耦合至矩形波導至同軸階梯式轉變部之同軸至徑向轉變部。
圖5E繪示矩形波導介面之一項實施例。請參照圖5E，矩形波導介面包括一O形環凹槽510、及連到矩形波導至同軸階梯式轉變部102之一槽孔。在一項實施例中，介於矩形波導至同軸階梯式轉變部102與同軸至徑向轉變部之間的一同軸介面511具有一PTFE (或其他絕緣材料)插入件(同軸介電質) 512。可使用其他材料代替鐵佛龍。在一項實施例中，同軸介電質512具有比空氣更高之一介電質，並且使插銷(例如，圖5B及5C中所示之插銷502)相對其介於同軸至徑向轉變部與矩形波導至同軸階梯式轉變部之間的連接、及相對其在同軸至徑向轉變部上之介面保持置中。
在一替代實施例中，使用的是電路板從波導轉變至徑向模式(即兩種RF傳播模式)，而不是金屬性插銷及加工之金屬轉變部。在此一狀況中，電路板取代同軸中心導體、波導之階梯式轉變部、及徑向轉變部。
圖6A及6B為同軸至徑向轉變部繪示一發射部之替代實施例。圖6A繪示具有4個步階之一90°撓曲、階梯式發射部601。在一項實施例中，階梯式發射部601具有從11 GHz至14 GHz之大於25 dB之一回波損耗。請注意，步階數量可多於或少於四。圖6B繪示一90°撓曲、斜坡發射部。請參照圖6B，斜坡發射部602包括一線性掃描外形。在一項實施例中，斜坡發射部602在一10 GHz至14.85 GHz波段範圍內具有大於20 dB之一回波損耗。斜坡之大小，包括斜坡之長度及其高度，得以實現所欲回波損耗及反射外形。
圖15繪示具有一金屬性徑向短梢之一替代RF發射部之一項實施例。請參照圖15，一徑向波導1501係耦合至下金屬波導1504。所示介於徑向波導1501之間的一轉變基材1503係耦合至下金屬波導1504。插銷1505係用於將RF能量轉移至徑向短梢1502，其將能量轉移到徑向波導1501內。在一項實施例中，有單一步階連至徑向短梢1502。在替代實施例中，有多個步階連至該徑向短梢。請注意，在一項實施例中，一同軸介電質(舉例如上述者)係繞著插銷1505。
從同軸電纜擠出之探針、插銷1505產生沿徑向波導1501向下傳播之一時變電場。在一項實施例中，將徑向短梢1502蝕刻或附接至插銷1505之頂端、及俗稱一介電護套之基材轉變部1503。
在一項實施例中，來自同軸電纜之波阻抗(Zw)主要屬於電感性且為50歐姆，而徑向波導1501屬於電容性並具有如下面方程式所給予之低阻抗：
因此，在此一狀況中，轉變部1503將波阻抗從電容性變換成電容性，並從一50歐姆阻抗變換成徑向波導之阻抗(徑向波導Z遠小於同軸電纜之50歐姆阻抗)。
徑向短梢1502增大該轉變部與該同軸電纜(其主要屬於電感性)間之電容，以提供更好之匹配，因為該波需要更具電容性才能負責徑向波導之阻抗。
徑向短梢1502使面積增大，從而增大該轉變部之電容，諸如下面方程式所提供者：
由此方程式可看出，自波導之頂端至插銷1502之距離應該隨著電容增大而減小，並且由於製造限制，該值應該盡可能高。
為了將插銷1505縮短至一可製造且可重複之長度(縮減「距離」)，可加入一更高介電材料(增大ε0 )以增大電容，這是憑藉基材轉變部1503來完成。
在一項實施例中，rexolite/聚苯乙烯係用於基材轉變部1503 (介電常數= 2.53)，因為其損耗低、豐裕、廉價且結構剛性(易於製造及加入特徵)。
插銷1505上面具有一介電層，亦可改善電容性(也改善匹配)。替代地，如果有機械限制，則在一項實施例中，使用空氣。
除了該單一短梢以外，插銷1505下面還可加入附加步階以產生一更好之匹配並增大頻寬。
在一項實施例中，轉變基材1503具有介電常數不同之基材之一組合，以提供更好之匹配。
圖16繪示具有一波導階梯式轉變部之一替代RF發射部之一項實施例。請參照圖16，一徑向波導1601係耦合至下金屬波導1602。所示介於徑向波導1601之間的一轉變基材1603係耦合至下金屬波導1602。一插銷1604係用於將RF能量轉移到徑向波導1601內。若干步階1605係嵌埋於導向徑向波導1601之波導內。請注意，在一項實施例中，一同軸介電質(舉例如上述者)係繞著插銷1604。
從同軸電纜擠出之探針、插銷1604產生沿徑向波導1601向下傳播之一時變電場。
在RF發射部1600中，導向徑向波導1601及俗稱一介電護套之基材轉變部1603之步階具有重要性。如前述，RF發射部之一目標在於產生電容性及低阻抗之一轉變，以便匹配徑向波導1601之阻抗。
在一項實施例中，為了增大電容並減小阻抗，存在三個特徵，即插銷1604、轉變步階、以及一介電護套。插銷1604藉由產生一時變電場來運作，並且頂端加入藉由其離波導頂端之距離所設定之電容。介電護套藉由加入電容並使插銷1604不必太靠近波導之頂端而有幫助。插銷1604上面及周圍之氣袋目的在於採用一小微調方式來調諧電容。該等步階藉由將同軸電纜阻抗轉變成徑向波導阻抗來運作。
在一項實施例中，該等步階允許徑向波導高度逐漸轉變至所欲徑向波導高度，此高度(及長度)確定遠小於同軸電纜阻抗之徑向波導特性阻抗。換句話說，在一項實施例中，第一步階為大約1個波長設定起始阻抗，並且隨後之步階當作至所欲特性阻抗之一四分之一波轉變(請參照下面之方程式)。
該等步階還提供更高頻寬，使得步階越多，頻寬便越高。
亦可將徑向短梢(類似於之前論述之圖15)加入插銷1604，以產生一更好匹配(增大電容)並增大頻寬。
關於介質護套，其目的是縮減插銷1604之高度，使其不必如此靠近徑向波導1601之頂端。由於轉變是從電感(同軸電纜)至電容(平行板)，因此需要高電容位準。一種取得高電容位準之方法是一大面積加上離徑向波導1601之頂端的距離低，諸如以下方程式所提供者：
頂端上之氣隙背後之目的是對rexolite及插銷1604之構造之機械限制。如果沒有空氣，則難以製造及組建rexolite，並且插銷長度及準確度必須小於+/- 0.5密耳。
請注意，本文中所述之技巧不限於同軸轉變部。可使用其他轉變部，舉例如可使用一帶線轉變部。在此一狀況中，矩形波導至同軸轉變部及同軸至徑向轉變部分別用一矩形波導至帶線轉變部及一帶線至徑向轉變部來取代。圖17繪示具有一帶線轉變部之一RF發射之一項實施例。請參照圖17，一印刷電路板(PCB)上之一金屬性帶線經由一轉變基材將RF能量從一矩形波導過渡至一徑向波導。
在以下說明中，揭示若干例示性天線實施例，其可使用上述任何RF發射部實施例來轉移RF能量。然而，即使本說明聚焦於此類天線實施例，仍應該知道的是，上述波導至徑向模式轉變部可用在其他RF組件中，舉例如但不限於分歧器、雙工器等。天線系統之實例
在一項實施例中，具有上述RF發射部之平板天線為一超穎材料天線系統之部分。所述為用於通訊衛星通訊地面電台之一超穎材料天線系統之實施例。在一項實施例中，天線系統為針對民商用衛星通訊使用Ka波段頻率或Ku波段頻率運作之一行動平台(例如航空、海上、陸地等)上運作之一衛星地面電台(ES)之一組件或子系統。請注意，該天線系統之實施例亦可用於不位在行動平台上之地面電台(例如固定式或可運輸地面電台)中。
在一項實施例中，天線系統使用表面散射超穎材料技術以透過不同天線形成與轉向傳送及接收波束。在一項實施例中，相較於運用數位信號處理使波束電氣形成並且轉向之天線系統(例如相位陣列天線)，此等天線系統為類比系統。
在一項實施例中，天線系統包含三個功能子系統：(1)由一柱面波饋體架構所組成之一波導結構；(2)屬於天線元件之部分之一波散射超穎材料單元胞陣列；以及(3)用以使用全像原理自超穎材料散射元件命令形成一可調整輻射場(波束)之一控制結構。 天線元件
圖7A繪示一圓柱形饋伺全像徑向孔徑天線之一項實施例的示意圖。請參照圖7A，天線孔徑具有繞著圓柱形饋伺天線之一輸入饋體652呈同心環而置之天線元件653之一或多個陣列651。在一項實施例中，天線元件653為將RF能量輻射之射頻(RF)共振器。在一項實施例中，天線元件653包含交錯且分布於天線孔徑之整體表面上之Rx與Tx隔膜兩者。此類天線元件之實例在下文有更詳細的說明。請注意，本文中所述之RF共振器可在不包括一圓柱形饋體之天線中使用。
在一項實施例中，該天線包括用於經由輸入饋體652提供一柱面波饋體之一同軸饋體。在一項實施例中，柱面波饋體架構以自饋伺點依照一圓柱形方式向外擴展之一激發，自一中央點饋伺天線。亦即，一圓柱形饋伺天線建立一向外行進之同心饋伺波。即使如此，圓柱形饋體周圍之圓柱形饋體天線之形狀仍可為圓形、正方形或任何形狀。在另一實施例中，一圓柱形饋伺天線建立一向內行進之饋伺波。在此一狀況中，饋伺波大部分自然地來自一圓形結構。
在一項實施例中，天線元件653包含隔膜，並且圖7A之孔徑天線係用於產生藉由將出自一圓柱形饋伺波之激發用於透過可調液晶(LC)材料輻射隔膜來定型之一主波束。在一項實施例中，天線可受激發以在所欲掃描角下輻射一水平或垂直極化電場。
在一項實施例中，此等天線元件包含一組補綴天線。此組補綴天線包含一散射超穎材料元件陣列。在一項實施例中，此天線系統中的各散射元件為由一下導體、一介電基材及一上導體所組成之一單元胞之部分，此上導體將一互補式電感性-電容性共振器(「互補式電氣LC」或「CELC」)嵌入，此共振器係蝕刻於此上導體內或沉積於此上導體上。如所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解的是，CELC背景下之LC意指為電感-電容，與液晶截然不同。
在一項實施例中，於該散射元件周圍之間隙中設置一液晶(LC)。此LC係藉由上述直接驅動實施例來驅動。在一項實施例中，液晶乃包封於各單元胞內，並且使得與一槽孔相關聯之下導體、及與其貼片相關聯之上導體分離。液晶具有以包含此液晶之分子的方位為函數之一介電係數，並且此等分子之方位(從而還有此介電係數)可藉由調整跨此液晶之偏壓來控制。在一項實施例中，使用此性質，此液晶整合一接通/斷開開關以供自導波傳送能量至此CELC之用。若切換為接通，此CELC發射與一電氣小型偶極天線相似之一電磁波。請注意，本文中的教示並不受限於具有依照與能量傳送有關之一二元方式運作之一液晶。
在一項實施例中，此天線系統之饋體幾何形狀容許此等天線元件與波饋體(wave feed)中波的向量呈四十五度(45°)角定位。請注意，可使用其他定位(例如呈40°角)。此等元件之此定位能夠控制由此等元件所接收或傳送/輻射自此等元件之自由空間。在一項實施例中，此等天線元件係布置成具有比此天線之運作頻率之一自由空間波長更小的一元件間間距。舉例而言，若每個波長有四個散射元件，則30 GHz傳送天線中的元件大約會是2.5 mm (即30 GHz之10 mm自由空間波長的1/4)。
在一項實施例中，這兩組元件彼此垂直，並且若受控制成相同調諧狀態，則同時具有等振幅激發。相對於饋伺波激發將其旋轉+/-45度可一次達成兩所欲特徵。一者旋轉0度而另一者旋轉90度會達到垂直目標，但達不到等振幅激發目標。請注意，從兩側將此天線元件陣列饋伺到單一結構內時，0與90度可用於達成隔離。
出自各單元胞之輻射電量乃使用一控制器藉由對貼片施加一電壓(跨LC通道之電位)來控制。連至各貼片之走線係用於對此補綴天線提供此電壓。此電壓是用於調諧或解調電容，從而還有個別元件之共振頻率以實現波束形成。所需電壓取決於所用的液晶混合物。液晶之電壓調諧特性主要是藉由一臨界電壓來描述，此液晶於此臨界電壓開始受到此電壓影響，於高於此臨界電壓之飽和電壓，此電壓之升高不會造成液晶中出現重大調諧現象。這兩項特性參數會因液晶混合物不同而改變。
在一項實施例中，如上述，一矩陣驅動係用於對此等貼片施加電壓，以便將各胞元各別驅離所有其他胞元，但各胞元不需具有一單獨連接(直接驅動)。由於元件密度高，此矩陣驅動是用以個別定址各胞元之一有效率方式。
在一項實施例中，此天線系統之控制結構具有2個主要組件：天線陣列該控制器，其包括用於該天線系統之驅動電子元件係低於波散射結構，而此矩陣驅動切換矩陣是以不干涉此輻射之一方式散置於此輻射RF陣列各處。在一項實施例中，用於此天線系統之驅動電子元件包含商用電視家電中使用的商用現成LCD控制，其對於各散射元件藉由調整送至此元件之一AC偏壓信號之振幅或工作週期來調整偏壓。
在一項實施例中，該天線陣列控制器亦含有執行軟體之一微處理器。此控制結構亦可將感測器(例如一GPS接收器、一三軸羅盤、一3軸加速計、3軸陀螺儀、3軸磁力計等)併入以對此處理器提供位置與方位資訊。該位置與方位資訊可藉由地面電台中的其他系統予以提供至該處理器，及/或可以不是該天線系統之部分。
更具體而言，該天線陣列控制器控制哪些元件關閉、及開啟的那些元件、以及操作頻率下之相位與振幅位準。此等元件是藉由電壓施加針對頻率運作予以選擇性解調。
對於傳送，一控制器對此等RF貼片供應一電壓信號陣列以建立一調變、或控制型樣。此控制型樣造成此等元件轉成不同狀態。在一項實施例中，使用多狀態控制，其中各個元件開啟及關閉至不同位準，進一步逼近一正弦控制型樣，與一方波截然不同(即一正弦灰色陰影調變型樣)。在一項實施例中，有些元件比其他元件輻射更強烈，而不是某些元件輻射而有些不輻射。可變輻射是藉由施加特定電壓位準來達成，其將液晶介電係數調整成不同量，藉此以可變方式解調元件，並且造成一些元件比其他元件有更多輻射。
一聚焦波束藉由超穎材料元件陣列的產生情況可藉由建設性與破壞性干涉之現象來說明。個別電磁波在自由空間遇合時若具有相同相位則加成(建設性干涉)，並且波在自由空間遇合時若相位相反則彼此抵消(破壞性干涉)。若一開槽天線中的槽孔係定位成使得各接續槽孔係定位於離該導波之激發點一不同距離處，則出自此元件的散射波將會具有一與前一個槽孔之散射波不同的相位。若此等槽孔相隔一導波長之四分之一，則各槽孔將會離前一個槽孔四分之一相位延遲散射一波。
使用此陣列，可增加可產生之建設性與破壞性干涉的型樣數量，以使得波束理論上可使用全像術的原理，順著偏離此天線陣列之視軸加或減九十度(90°)的任何方向指向。因此，藉由控制超穎材料單元胞哪些開啟而哪些關閉(亦即，藉由變更哪些胞元開啟及哪些胞元關閉的型樣)，可產生一不同型樣之建設性與破壞性干涉，並且此天線可改變此主波束之方向。將此等單元胞開啟與關閉所需的時間規定此波束可從一位置切換至另一位置所用的速度。
在一項實施例中，此天線系統產生用於上行鏈路天線之一條可轉波束、以及用於下行鏈路天線之一條可轉波束。在一項實施例中，此天線系統使用超穎材料技術接收波束，並且解碼來自衛星之信號，而且還形成朝向此衛星引導的傳送波束。在一項實施例中，相較於運用數位信號處理使波束電氣形成並且轉向之天線系統(例如相位陣列天線)，此等天線系統為類比系統。在一項實施例中，此天線系統乃視為一「表面」天線，其外形為平面型並且較低，與習知的衛星碟型接收器比較時尤其明顯。
圖7B繪示包括一接地平面與一可重新組配共振器層之一列天線元件的一透視圖。可重新組配共振器層1230包括一可調式槽孔1210之一陣列。可調式槽孔1210之陣列可被組配用以順著一所欲方向將此天線指向。此等可調式槽孔各可藉由改變跨此液晶之一電壓來調諧/調整。
在圖8A中，控制模組1280係耦合至可重新組配共振器層1230以藉由改變跨此液晶之此電壓來調變可調式槽孔1210之陣列。控制模組1280可包括一可現場規劃閘陣列(FPGA)、一微處理器、一控制器、系統單晶片(SoC)、或其他處理邏輯。在一項實施例中，控制模組1280包括用以驅動可調式槽孔1210之陣列的邏輯電路系統(例如多工器)。在一項實施例中，控制模組1280接收包括關於將一全像繞射型樣驅動到可調式槽孔1210之陣列上之規格的資料。可回應於此天線與一衛星之間的一空間關係而產生此全像繞射型樣，以使得此全像繞射型樣順著適用於通訊的方向將此等下行鏈路波束轉向(並且，若此天線系統進行傳送，則使上行鏈路波束轉向)。各圖中沒有繪示的是，類似於控制模組1280之一控制模組可驅動本揭露之圖中所述的各可調式槽孔之陣列。
射頻(RF)全像術也可使用類比技術來達成，其中一所欲RF波束可在一RF參考波束遭遇一RF全像繞射型樣時產生。以衛星通訊來說明，此參考波束的形式為一饋伺波，例如饋伺波1205 (在一些實施例中大約為20 GHz)。若要將一饋伺波變換成一輻射波束(目的為傳送或接收)，於此所欲RF波束(此物件波束)與此饋伺波(此參考波束)之間計算一干涉型樣。將此干涉型樣驅動到可調式槽孔1210之陣列上當作一繞射型樣，以使得此饋伺波「轉向」到此所欲RF波束內(具有所欲形狀與方向)。換句話說，遭遇此全像繞射型樣之此饋伺波「重構」此物件波束，其乃根據此通訊系統之設計要求所形成。此全像繞射型樣含有各元件之激發，並且係藉由,來計算，其中為波導中的波方程式，而wout 為出射波上的波方程式。
圖8B繪示一可調式共振器/槽孔1210之一項實施例。可調式槽孔1210包括一隔膜/槽孔1212、一輻射貼片1211、以及設置於隔膜1212與貼片1211之間的液晶1213。在一項實施例中，輻射貼片1211係與隔膜1212共置。
圖8B繪示一實體天線孔徑之一項實施例的一截面圖。此天線孔徑包括接地平面1245、以及位在隔膜層1233內之一金屬層1236，其乃包括於可重新組配共振器層1230內。在一項實施例中，圖8B之天線孔徑包括圖8A之複數個可調式共振器/槽孔1210。隔膜/槽孔1212乃藉由金屬層1236中的開口所界定。一饋伺波(諸如圖8A之饋伺波1205)可具有與衛星通訊通道相容之一微波頻率。此饋伺波於接地平面1245與共振器層1230之間傳播。
可重新組配共振器層1230亦包括墊片層1232及貼片層1231。墊片層1232係設置於貼片層1231與隔膜層1233之間。請注意，在一項實施例中，一間隔物可取代墊片層1232。在一項實施例中，隔膜層1233可以是一印刷電路板(PCB)，其包括當作金屬層1236之一銅層。在一項實施例中，隔膜層1233為玻璃。隔膜層1233可以是其他類型之基材。
可在此銅層中蝕刻開口以形成槽孔1212。在一項實施例中，隔膜層1233係藉由一傳導接合層傳導性耦合至圖8B中之另一結構(例如一波導)。請注意，在一實施例中，此隔膜層未藉由一傳導接合層來傳導性耦合，而是與一非傳導性接合層介接。
貼片層1231也可以是一PCB，其包括當作輻射貼片1211之金屬。在一項實施例中，墊片層1232包括間隔物1239，其提供一機械性間隙器以界定金屬層1236與貼片1211之間的尺寸。在一項實施例中，此等間隔物為75微米，但可以使用其他尺寸(例如3 mm至200 mm)。如上述，在一項實施例中，圖8B之天線孔徑包括多個可調式共振器/槽孔，例如可調式共振器/槽孔1210包括圖8A之貼片1211、液晶1213、及隔膜1212。用於液晶1213之腔室係藉由間隔物1239、隔膜層1233及金屬層1236來界定。以液晶填充此腔室時，可將貼片層1231層壓到間隔物1239上以將液晶密封於共振器層1230內。
可調變介於貼片層1231與隔膜層1233之間的一電壓以調諧介於此貼片與此等槽孔(例如可調式共振器/槽孔1210)之間的間隙中之液晶。調整跨液晶1213的電壓會改變一槽孔(例如可調式共振器/槽孔1210)之電容。因此，一槽孔(例如可調式共振器/槽孔1210)的電抗可藉由變更此電容來改變。槽孔1210之共振頻率亦根據方程式而改變，其中f為槽孔1210之共振頻率，而L與C分別為槽孔1210之電感與電容。槽孔1210的共振頻率影響穿過此波導傳播之饋伺波1205輻射出去的能量。舉一例來說，若饋伺波1205為20 GHz，槽孔1210的共振頻率可(藉由改變此電容)調整至17 GHz，以使得槽孔1210實質沒有耦合出自饋伺波1205的能量。或者，槽孔1210的共振頻率可調整至20 GHz，以使得槽孔1210耦合出自饋伺波1205的能量，並且將此能量輻射到自由空間內。雖然上述實例屬於二元(完全輻射或完全不輻射)，憑藉一多值範圍內的電壓變異量，有可能進行槽孔1210之電抗，從而還有共振頻率的灰階控制。因此，可精細控制各槽孔1210輻射出去的能量，以使得詳細的全像繞射型樣可藉由此可調式槽孔陣列來形成。
在一項實施例中，一列中的可調式槽孔彼此相隔λ/5。可使用其他間距。在一項實施例中，一列中的各可調式槽孔與一相鄰列中最靠近的可調式槽孔相隔λ/2，而不同列中同方位之可調式槽孔因此相隔λ/4，但其他間距是有可能的(例如λ/5、λ/6.3)。在另一實施例中，一列中的各可調式槽孔與一相鄰列中最靠近的可調式槽孔相隔λ/3。
實施例使用諸如2014年11月21提出申請之題為「Dynamic Polarization and Coupling Control from a Steerable Cylindrically Fed Holographic Antenna」的美國專利申請案第14/550,178號、以及2015年1月30日提出申請之題為「Ridged Waveguide Feed Structures for Reconfigurable Antenna」的美國專利申請案第14/610,502號中所述的可重新組配超穎材料技術。
圖9A至9D繪示用於建立此開槽陣列之不同層的一項實施例。該天線陣列包括置於環體(諸如圖7A所示之例示性環體)中之天線元件。請注意，在這項實例中，天線陣列具有兩種不同類型之天線元件，其係用於兩種不同類型之頻帶。
圖9A繪示具有與此等槽孔相對應之位置的第一隔膜板之一部分。請參照圖9A，圓圈為隔膜基材底側金屬化中的開放區域/槽孔，並且係用於控制元件連至饋體(饋伺波)的耦合。請注意，此層為一任選層，並不是所有設計都有用到。圖9B繪示含有槽孔之第二隔膜板層之一部分。圖9C繪示此第二隔膜板層之一部分上方之貼片。圖9D繪示開槽陣列之一部分的俯視圖。
圖10繪示一圓柱形饋伺天線結構之一項實施例的一側視圖。該天線使用一雙層饋體結構(即一饋體結構之兩層)來產生一向內行進波。在一項實施例中，該天線包括一圓形外狀，但這並非必要。也就是說，可使用非圓形向內行進結構。在一項實施例中，圖10中之天線結構包括一同軸饋體，舉例而言例如2014年11月21日提出申請之題為「Dynamic Polarization and Coupling Control from a Steerable Cylindrically Fed Holographic Antenna」之美國公開案第2015/0236412號中所述者。
請參照圖10，一同軸插銷1601係用於激發天線之下階上的場域。在一項實施例中，同軸插銷1601為輕易可得之一50Ω同軸插銷。同軸插銷1601係耦合(例如螺栓連接)至天線結構之底端，其為傳導性接地平面1602。
與傳導性接地平面1602分開的是填隙式導體1603，其為一內部導體。在一項實施例中，傳導性接地平面1602與填隙式導體1603彼此平行。在一項實施例中，接地平面1602與填隙式導體1603之間的距離為0.1”至0.15”。在另一實施例中，此距離可以是λ/2，其中λ為操作頻率下行進波之波長。
接地平面1602經由一間隔物1604與填隙式導體1603分開。在一項實施例中，間隔物1604為一似泡沫或空氣之間隔物。在一項實施例中，間隔物1604包含一塑膠間隔物。
位在填隙式導體1603頂端上的是介電層1605。在一項實施例中，介電層1605為塑膠。介電層1605之用途是用來減緩行進波相對於自由空間之速度。在一項實施例中，介電層1605使行進波相對於自由空間減緩30%。在一項實施例中，適用於波束形成之折射率範圍是1.2至1.8，其中自由空間依照定義具有等於1之一折射率。可將舉例如塑膠之其他介電間隔物材料用於達成此功效。請注意，有別於塑膠之材料只要達到所欲波速減緩功效都可予以使用。替代地，具有分散式結構之一材料可當作介電質1605使用，舉例如可加工或微影界定之週期性亞波長金屬性結構。
一RF陣列1606位在介電質1605頂端上。在一項實施例中，填隙式導體1603與RF陣列1606之間的距離為0.1”至0.15”。在另一實施例中，此距離可以是λeff /2，其中λeff 為設計頻率下介質中之有效波長。
天線包括側邊1607與1608。側邊1607與1608的夾角造成出自同軸插銷1601之一行進波饋體自填隙式導體1603 (間隔層)下面之區域傳播至填隙式導體1603 (介電層)上面之區域。在一項實施例中，側邊1607與1608之夾角為45°角。在一替代實施例中，側邊1607與1608可用一連續半徑來替換以達成反射。儘管圖10展示具有45度夾角之有夾角之側邊，仍可使用完成自下階饋體至上階饋體之信號傳輸的其他夾角。也就是說，假定下饋體中之有效波長與在上饋體中大致將會不同，可使用與理想45°角之某偏差來輔助自下至上饋體階之傳輸。舉例而言，在另一實施例中，以單一節距替換45°角。天線之一端上之節距繞著介電層、填隙式導體及間隔層。相同的兩個節距位處這些層之其他端。
運作時，當從同軸插銷1601饋入一饋伺波時，波在介於接地平面1602與填隙式導體1603之間的區域中自同軸插銷1601起採向外同心方位行進。同心出射波受側邊1607與1608反射，並且在介於填隙式導體1603與RF陣列1606之間的區域中向內行進。起於圓形周邊之邊緣的反射造成波維持同相(亦即其為一同相反射)。行進波藉由介電層1605減緩。於此時點，行進波開始與RF陣列1606中之元件互動及激發以取得所欲散射。
若要終止行進波，天線中在天線之幾何中心處包括一終端1609。在一項實施例中，終端1609包含一插銷終端(例如一50Ω插銷)。在另一實施例中，終端1609包含終止未用能量之一RF吸收器，以防止該未用能量透過天線之饋體結構反射回去。這些可在RF陣列1606頂端處予以使用。
圖11繪示具有一出射波之天線系統的另一實施例。請參照圖11，兩個接地平面1610與1611彼此與介於諸接地平面之間的一介電層1612 (例如一塑膠層等)實質平行。RF吸收器1619 (例如電阻器)將這兩個接地平面1610與1611耦合在一起。一同軸插銷1615 (例如50Ω)饋伺此天線。一RF陣列1616位在介電層1612及接地平面1611頂端上。
運作時，一饋伺波係穿過同軸插銷1615來饋伺，以及同心向外行進，並且與RF陣列1616之元件互動。
圖10與11之兩天線中之圓柱形饋體改善天線之服務角。在一項實施例中，此天線系統具有順著所有方向偏離視軸七十五度(75°)的服務角，而不是加或減四十五度方位角(±45° Az)、以及加或減二十五度仰角(±25° El)的服務角。正如包含許多個別輻射器的任何波束形成天線，總體天線增益取決於本身具有角度相依性之構成元件的增益。使用共同輻射元件時，總體天線增益典型為隨著波束偏離視軸指向而降低。偏離視軸75度時，期望的顯著增益衰減為約6 dB。
具有一圓柱形饋體之天線之實施例解決一或多個問題。這些包括相較於以一集體分壓器網路(corporate divider network)饋伺之天線大幅簡化饋體結構，並且因此減少全體需要的天線與天線饋體體積；利用更粗調之控制(延伸所有方式至單純的二進位控制)藉由維持高波束效能降低對製造與控制誤差之靈敏度；相較於直線饋體給予一更有助益的旁瓣圖型，因為圓柱形導向饋伺波在遠場中導致空間分集之旁瓣；以及容許極化呈現動態，包括容許左旋圓形、右旋圓形、及線性極化，但不需要一極化器。 波散射元件陣列
圖10之RF陣列1606及圖11之RF陣列1616包括一波散射子系統，其包括當作輻射器之一組補綴天線(即散射體)。此組補綴天線包含一散射超穎材料元件陣列。
在一項實施例中，此天線系統中的各散射元件為由一下導體、一介電基材及一上導體所組成之一單元胞之部分，此上導體將一互補式電感性-電容性共振器(「互補式電氣LC」或「CELC」)嵌入，此共振器係蝕刻於此上導體內或沉積於此上導體上。
在一項實施例中，於該散射元件周圍之間隙中注入一液晶(LC)。液晶乃包封於各單元胞內，並且使得與一槽孔相關聯之下導體、及與其貼片相關聯之上導體分離。液晶具有以包含此液晶之分子的方位為函數之一介電係數，並且此等分子之方位(從而還有此介電係數)可藉由調整跨此液晶之偏壓來控制。使用此性質，此液晶當作一接通/斷開開關以供自導波傳送能量至此CELC之用。若切換為接通，此CELC發射與一電氣小型偶極天線相似之一電磁波。
控制此LC的厚度會提升波束切換速度。下與上導體之間的間隙(液晶的厚度)縮減百分之五十(50%)導致速度提升四倍。在另一實施例中，此液晶的厚度導致大約十四毫秒(14 ms)的一波束切換速度。在一項實施例中，此LC是以所屬技術領域中眾所周知之一方式來摻雜以改善響應度，因此可符合一七毫秒(7 ms)要求。
CELC元件對平行於CELC元件之平面且垂直於CELC間隙補體所施加之一磁場作出回應。對超穎材料散射單元胞中之液晶施加一電壓時，導波之磁場組件誘發CELC之一激磁，其進而如該導波在相同頻率內產生一電磁波。
可在導波之向量上藉由CELC之定位來選擇由單一CELC所產生之電磁波的相位。各胞元產生與平行於CELC之導波同相之一波。因為CELC小於波長，輸出波因為在CELC下方通過，具有與導波之相位相同之相位。
在一項實施例中，此天線系統之圓柱形饋體幾何形狀容許此等CELC元件與波饋體中波的向量呈四十五度(45°)角定位。此等元件之此定位能夠控制產生自此等元件或由其所接收之自由空間波的極化。在一項實施例中，此等CELC係布置成具有比此天線之運作頻率之一自由空間波長更小的一元件間間距。舉例而言，若每個波長有四個散射元件，則30 GHz傳送天線中的元件大約會是2.5 mm (即30 GHz之10 mm自由空間波長的1/4)。
在一項實施例中，此等CELC是用包括一貼片之補綴天線來實施，該貼片與液晶共置於一槽孔上方，該液晶介於這兩者之間。在這方面，超穎材料天線作用像是一開槽(散射)波導。憑藉一開槽波導，輸出波之相位取決於槽孔與導波相關之位置。 胞元置放
在一項實施例中，依照容許系統性矩陣驅動電路之一方式在圓柱形饋體天線孔徑上置放天線元件。胞元之置放包括針對矩陣驅動置放電晶體。圖12繪示相對天線元件置放矩陣驅動電路系統之一項實施例。請參照圖12，列控制器1701乃分別經由列選擇信號Row1及Row2耦合至電晶體1711及1712，並且行控制器1702乃經由行選擇信號Column1耦合至電晶體1711及1712。電晶體1711亦經由對貼片1731之連接耦合至天線元件1721，而電晶體1712則經由對貼片1732之連接耦合至天線元件1722。
在非規則網格中置放有單元胞之圓柱形饋體天線上落實矩陣驅動電路系統之初始作法中，進行兩個步驟。在第一步驟中，將胞元置放於同心環上，以及將各該胞元連接至一電晶體，其乃置放於胞元旁邊、並且當作用以單獨驅動各胞元之一開關。在第二步驟中，建置矩陣驅動電路系統，以便視矩陣驅動作法所需，將每個電晶體與一唯一位址連接。因為矩陣驅動電路是由列與行走線(類似於LCD)所建置，但胞元乃置放於環體上，因此沒有用以對各電晶體指定一唯一位址之系統性方式。此映射問題導致用以涵蓋所有電晶體之電路系統非常複雜，並且導致用以完成路由安排之實體走線數量顯著增加。由於胞元密度高，那些走線因耦合效應而干擾天線之RF效能。同樣地，由於走線複雜度及高填裝密度的關係，走線之路由安排無法藉由市售布局工具來完成。
在一項實施例中，置放胞元與電晶體之前，先預定義矩陣驅動電路系統。這確保驅動所有胞元所需之走線數量最少，各胞元具有一唯一位址。此策略降低驅動電路系統之複雜度，並且簡化路由安排，其隨後改善天線之RF效能。
更具體而言，在一種作法中，於第一步驟中，胞元乃置放於由描述各胞元唯一位址之諸列與諸行所組成之一規則矩形網格上。在第二步驟中，將胞元分組並且變換成同心圓，同時維持其對該等列與行之位址及連接，如第一步驟中所定義。此變換之一目標不僅是要將胞元放到環體上，還要使諸胞元之間的距離、及諸環體之間的距離在整體孔徑上方保持固定。為了完成此目標，有數種用以將胞元分組之方式。
在一項實施例中，一TFT封裝體乃用於在矩陣驅動中實現置放與唯一定址。圖13繪示一TFT封裝體之一項實施例。請參照圖13，所示為具有輸入與輸出埠之一TFT及一保持電容器1803。有兩個連接至走線1801之輸入埠、兩個連接至走線1802之輸出埠，用以使用列與行將該等TFT連接在一起。在一項實施例中，列與行走線交叉90°角以使該等列與行走線之間的耦合降低，並且可能降到最低。在一項實施例中，列與行走線乃位在不同層上。一全雙工通訊系統之一實例
在另一實施例中，此等組合式天線孔徑係用於一全雙工通訊系統中。圖14為具有同時傳送與接收路徑之一通訊系統之另一實施例的一方塊圖。儘管所示僅一條傳送路徑與一條接收路徑，此通訊系統仍可包括超過一條傳送路徑及/或超過一條接收路徑。
請參照圖14，天線1401包括可獨立運作用來如上述，以不同頻率同時傳送與接收之兩個空間交插式天線陣列。在一項實施例中，天線1401係耦合至雙工器1445。此耦合可藉由一或多個饋伺網路來進行。在一項實施例中，以一徑向饋伺天線來說明，雙工器1445組合兩個信號，並且介於天線1401與雙工器1445之間的連接為可攜載兩頻率之單一寬波段饋伺網路。
雙工器1445係耦合至一低雜訊阻斷降頻器(LNB) 1427，其依照所屬技術領域中眾所周知的一種方式進行一雜訊濾波功能、以及一降頻轉換與放大功能。在一項實施例中，LNB 1427處於一室外機(ODU)中。在另一實施例中，LNB 1427係整合到此天線設備內。LNB 1427係耦合至一數據機1460，其係耦合至運算系統1440 (例如一電腦系統、數據機等)。
數據機1460包括一類比數位轉換器(ADC) 1422，其係耦合至LNB 1427，用來將輸出自雙工器1445之已接收信號轉換成數位格式。一旦轉換成數位格式，此等信號便藉由解調變器1423來解調變，並且藉由解碼器1424來解碼以取得已接收波上的已編碼資料。接著將已解碼資料發送至控制器1425，其將此已解碼資料發送至運算系統1440。
數據機1460亦包括一編碼器1430，其將待傳送自運算系統1440之資料編碼。此已編碼資料乃藉由調變器1431來調變，然後藉由數位類比轉換器(DAC) 1432轉換成類比。此類比信號接著藉由一BUC (升頻轉換與高通放大器) 1433來濾波，並予以提供至雙工器1445之一個連接埠。在一項實施例中，BUC 1433處於一室外機(ODU)中。
依照所屬技術領域中眾所周知之一種方式運作的雙工器1445對天線1401提供此傳送信號以供傳送之用。
控制器1450控制天線1401，其在此單一組合式實體孔徑上包括兩個天線元件陣列。
該通訊系統將經修改以包括上述組合器/仲裁器。在此一狀況中，該組合器/仲裁器位在該數據機之後但位在該等BUC與LNB之前。
請注意，圖14所示的全雙工通訊系統具有若干應用，包括但不限於網際網路通訊、車載通訊(包括軟體更新)等。
本文中說明若干例示性實施例。
實例1是一種設備，其包含：具有至少一片板子之一徑向波導；耦合至該徑向波導之一射頻(RF)發射部，其包含一矩形波導、耦合至該矩形波導之一矩形波導至同軸轉變部、以及耦合至該矩形波導至同軸轉變部之一同軸至徑向轉變部。
實例2是實例1之設備，其可任選地包括：該矩形波導具有一徑向非對稱模式，並且該同軸至徑向轉變部具有一徑向對稱模式。
實例3是實例1之設備，其可任選地包括：該矩形波導至同軸轉變部係以一90°角耦合至該矩形波導。
實例4是實例1之設備，其可任選地包括：該同軸至徑向轉變部具有比空氣有一更高介電常數之一同軸傳輸線。
實例5是實例4之設備，其可任選地包括：該同軸電纜被組配來使該同軸至徑向轉變部之一插銷相對該同軸至徑向轉變部維持處於一置中位置。
實例6是實例1之設備，其可任選地包括：該矩形波導至同軸轉變部係經由一插銷耦合至該同軸至徑向轉變部。
實例7是實例6之設備，其可任選地包括：該同軸至徑向轉變部具有一插銷，並且該插銷係裝配在該矩形波導至同軸轉變部之一插銷插座中。
實例8是實例6之設備，其可任選地包括：該插銷係一壓入配合插銷。
實例9是實例6之設備，其可任選地包括：該矩形波導至同軸轉變部包含黃銅、銅或鋁，並且具有包含銅、鋁或鎂之一插銷插座。
實例10是實例1之設備，其可任選地包括：該同軸至徑向轉變部包含成形成同心層之一介面。
實例11是實例1之設備，其可任選地包括：該徑向波導包含一平行板波導。
實例12是實例1之設備，其可任選地包括：該RF發射部係可操作以輸入從該RF發射部採同心方式傳播之一饋伺波。
實例13是一種設備，其包含：具有至少一片板子之一徑向波導；耦合至該徑向波導之一射頻(RF)發射部，其包含一矩形波導、耦合至該矩形波導之一矩形波導至帶線轉變部、以及耦合至該矩形波導至同軸轉變部之一帶線至徑向轉變部。
實例14是實例13之設備，其可任選地包括：該矩形波導具有一徑向非對稱模式，並且該帶線至徑向轉變部具有一徑向對稱模式。
實例15是一種天線，其包含：一徑向平行板波導；耦合至該徑向平行板波導之一射頻(RF)發射部，其包含具有一徑向非對稱模式之一矩形波導、耦合至該矩形波導之一矩形波導至同軸階梯式轉變部、以及耦合至該矩形波導至同軸階梯式轉變部並具有一徑向對稱模式之一同軸至徑向轉變部。
實例16是實例15之天線，其可任選地包括：該矩形波導至同軸階梯式轉變部係以一90°角耦合至該矩形波導。
實例17是實例15之天線，其可任選地包括：該同軸至徑向轉變部具有比空氣有一更高介電常數之一同軸傳輸線絕緣體。
實例18是實例17之天線，其可任選地包括：該同軸傳輸線被組配來使該同軸至徑向轉變部之一插銷相對該同軸至徑向轉變部維持處於一置中位置。
實例19是實例15之天線，其可任選地包括：該矩形波導至同軸階梯式轉變部係經由一插銷耦合至該同軸至徑向轉變部。
實例20是實例19之天線，其可任選地包括：該同軸至徑向轉變部具有該插銷，並且該插銷係裝配在該矩形波導至同軸階梯式轉變部之一插銷插座中。
實例21是實例20之天線，其可任選地包括：該插銷係一壓入配合插銷。
實例22是實例15之天線，其可任選地包括：該同軸至徑向轉變部包含成形成同心層之一介面。
實例23是一種天線，其包含：一徑向平行板波導；耦合至該徑向平行板波導之一射頻(RF)發射部，其包含具有一徑向非對稱模式之一矩形波導、耦合至該矩形波導並具有一插銷插座之一矩形波導至同軸階梯式轉變部、以及耦合至該矩形波導至同軸階梯式轉變部並具有一徑向對稱模式之一同軸至徑向轉變部，其中該同軸至徑向轉變部具有耦合至該插銷插座之一插銷。
實例24是實例23之天線，其可任選地包括：該同軸至徑向轉變部具有比空氣有一更高介電常數之一同軸線，並且被組配來使該同軸至徑向轉變部之該插銷相對該同軸至徑向轉變部維持處於一置中位置。
實例25是實例23之天線，其可任選地包括：該同軸至徑向轉變部包含成形成同心層之一介面。
以上詳細說明有些部分是依據一電腦記憶體內資料位元上運作之演算法與符號表示型態來介紹。這些演算說明與表示型態為資料處理領域中具有通常知識者用來最有效傳達其工作內容予所屬技術領域中具有通常知識者的手段。在這裡，並且大致上，一演算法係視為導致一所欲結果之一自相一致的步驟序列。此等步驟為需要對物理量進行實體操縱的那些步驟。這些量採取的形式通常，但非必要，為能夠被儲存、轉移、組合、比較、以及按其他方式操縱的電氣或磁性信號。將這些信號稱為位元、值、元件、符號、字元、用語、數字、或類似者，有時原則上是為了常見用法，這是可以便利證實的。
然而，應記住的是，這些與類似用語全都與適當的物理量相關聯，而且只是套用到這些量的便利標示。除非具體敍述，否則如以下論述顯而易見，據了解，在整篇說明中，利用諸如「處理」或「運算」或「計算」或「判定」或「顯示」等用語或類似者的論述意指為一電腦系統、或類似電子運算裝置之動作與程序，其操縱並且將此電腦系統之暫存器與記憶體內表示為物理(電子)量的資料變換成此等電腦系統記憶體或暫存器或其他此類資訊儲存器、傳輸或顯示裝置內以類似方式表示為物理量的其他資料。
本發明亦有關於用於進行本文所述運作的設備。此設備可為了所需目的而特別建構，或其可包含藉由一通用電腦中所儲存之一電腦程式來選擇性啟動或重新組配的該電腦。此一電腦程式可儲存於一電腦可讀儲存媒體中，例如，但不限於包括軟式磁片、光碟、CD-ROM及磁-光碟等之任何類型的碟片、唯讀記憶體(ROM)、隨機存取記憶體(RAM)、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、或任何類型之適用於儲存電子指令的媒體，並且各耦合至一電腦系統匯流排。
本文中介紹的演算法與顯示並非固有地與任何特定電腦或其他設備有關。可根據本文中的教示配合程式使用各種通用系統，或經證實具有便利性，可建構更專業的設備來進行所需的方法步驟。用於各種這些系統所需的結構將在下文的說明中呈現。另外，本發明並非參照任何特定程式規劃語言作說明。將了解的是，可使用各種程式規劃語言來實施如本文中所述本發明之教示。
一機器可讀媒體包括用於以可藉由一機器(例如一電腦)讀取之形式儲存或傳送資訊的任何機制。舉例而言，一機器可讀媒體包括唯讀記憶體(ROM)；隨機存取記憶體(RAM)；磁碟儲存媒體；光學儲存媒體；快閃記憶體裝置等。
儘管本發明之許多更改與修改對於所屬技術領域中具有通常知識者在閱讀完前述說明後將無庸置疑地變為顯而易見，仍要瞭解的是，以例示方式展示並且說明之任何特定實施例絕非意欲視為限制。因此，對各種實施例之細節的參照非意欲用來限制申請專利範圍的範疇，請求項本身僅詳述對本發明視為具有重要性的那些特徵。
101、1600‧‧‧RF發射部
102‧‧‧矩形波導至同軸階梯式轉變部
103‧‧‧同軸至徑向轉變部
104‧‧‧同軸波導介電質
105‧‧‧矩形波導介面
200、1401‧‧‧天線
201、1501、1601‧‧‧徑向波導
202‧‧‧面板
203、1245、1610、1611‧‧‧接地平面
204‧‧‧介電(或其他層)轉變部
205‧‧‧RF發射部(饋體)
206、1609‧‧‧終端
210‧‧‧180°層轉變部
211‧‧‧滑移面位置
220‧‧‧RF抗流圈總成
250‧‧‧內緣
401‧‧‧矩形波導
402‧‧‧底板/層
500‧‧‧階梯式結構
501‧‧‧插銷插座
502、1505、1604‧‧‧插銷
503‧‧‧焊料接榫
510‧‧‧O形環凹槽
511‧‧‧同軸介面
512‧‧‧同軸介電質
601‧‧‧階梯式發射部
602‧‧‧斜坡發射部
651‧‧‧陣列
652‧‧‧輸入饋體
653、1721、1722‧‧‧天線元件
1205‧‧‧饋伺波
1210‧‧‧可調式槽孔
1211‧‧‧輻射貼片
1212‧‧‧隔膜/槽孔
1213‧‧‧液晶
1230‧‧‧可重新組配共振器層
1231‧‧‧貼片層
1232‧‧‧墊片層
1233‧‧‧隔膜層
1236‧‧‧金屬層
1239、1604‧‧‧間隔物
1280‧‧‧控制模組
1601、1615‧‧‧同軸插銷
1602、1602‧‧‧傳導性接地平面
1603‧‧‧填隙式導體
1605、1612‧‧‧介電層
1606、1616‧‧‧RF陣列
1607、1608‧‧‧側邊
1619‧‧‧RF吸收器
1701‧‧‧列控制器
1702‧‧‧行控制器
1711、1712‧‧‧電晶體
1731、1732‧‧‧貼片
1801、1802‧‧‧走線
1803‧‧‧保持電容器
1422‧‧‧ADC
1423‧‧‧解調變器
1424‧‧‧解碼器
1425‧‧‧控制器
1427‧‧‧LNB
1430‧‧‧編碼器
1431‧‧‧調變器
1432‧‧‧DAC
1433‧‧‧BUC
1440‧‧‧運算系統
1445‧‧‧雙工器
1450‧‧‧控制器
1460‧‧‧數據機
1502‧‧‧徑向短梢
1503‧‧‧轉變基材
1504‧‧‧下金屬波導
1603‧‧‧基材轉變部
經由下文提供的詳細說明且經由本發明各項實施例的附圖將會更完整理解本發明，然而，此詳細說明與此等附圖不應該拿來將本發明限制於特定實施例，而應該只是用於解釋與理解。 圖1繪示一天線RF發射部之一項實施例，其在具有介於兩種RF能量傳播模式之間的一雙模式轉變。 圖2A及2B繪示含有一RF發射部之一天線之一項實施例的一側視圖。 圖3A及3B分別繪示RF傳播之徑向及同軸模式。圖3C繪示一矩形(例如TE10)波導中之傳播方向。 圖4繪示與一天線之一項實施例之波導有關之一RF發射部之一項實施例的截面圖。 圖5A繪示一矩形波導至同軸階梯式轉變部之一項實施例。 圖5B繪示一同軸至徑向轉變部之一項實施例。 圖5C繪示同軸至徑向轉變部與矩形波導至同軸階梯式轉變部之耦合。 圖5D繪示耦合至矩形波導至同軸階梯式轉變部之同軸至徑向轉變部。 圖5E繪示矩形波導介面之一項實施例。 圖6A及6B為同軸至徑向轉變部繪示一發射部之替代實施例。 圖7A繪示一圓柱形饋伺全像徑向孔徑天線之一項實施例的示意圖。 圖7B繪示包括一接地平面與一可重新組配共振器層之一列天線元件的一透視圖。 圖8B繪示一可調式共振器/槽孔之一項實施例。 圖8B繪示一實體天線孔徑之一項實施例的一截面圖。 圖9A至9D繪示用於建立此開槽陣列之不同層的一項實施例。 圖10繪示一圓柱形饋伺天線結構之一項實施例的一側視圖。 圖11繪示具有一出射波之天線系統的另一實施例。 圖12繪示相對天線元件置放矩陣驅動電路系統之一項實施例。 圖13繪示一TFT封裝體之一項實施例。 圖14為具有同時傳送與接收路徑之一通訊系統之一項實施例的一方塊圖。 圖15繪示具有一金屬性徑向短梢之一替代RF發射部之一項實施例。 圖16繪示具有一波導階梯式轉變部之一替代RF發射部之一項實施例。 圖17繪示具有一帶線轉變部之一RF發射之一項實施例。

Claims (25)

  1. 一種設備，其包含： 具有至少一片板子之一徑向波導； 耦合至該徑向波導之一射頻(RF)發射部，其包含 一矩形波導， 耦合至該矩形波導之一矩形波導至同軸轉變部，以及 耦合至該矩形波導至同軸轉變部之一同軸至徑向轉變部。
  2. 如請求項1之設備，其中該矩形波導具有一徑向非對稱模式，並且該同軸至徑向轉變部具有一徑向對稱模式。
  3. 如請求項1之設備，其中該矩形波導至同軸轉變部係以一90°角耦合至該矩形波導。
  4. 如請求項1之設備，其中該同軸至徑向轉變部具有比空氣有一更高介電常數之一同軸傳輸線。
  5. 如請求項4之設備，其中同軸電纜被組配來使該同軸至徑向轉變部之一插銷相對該同軸至徑向轉變部維持處於一置中位置。
  6. 如請求項1之設備，其中該矩形波導至同軸轉變部係經由一插銷耦合至該同軸至徑向轉變部。
  7. 如請求項6之設備，其中該同軸至徑向轉變部具有一插銷，並且該插銷係裝配在該矩形波導至同軸轉變部之一插銷插座中。
  8. 如請求項6之設備，其中該插銷係一壓入配合插銷。
  9. 如請求項6之設備，其中該矩形波導至同軸轉變部包含黃銅、銅或鋁，並且具有包含銅、鋁或鎂之一插銷插座。
  10. 如請求項1之設備，其中該同軸至徑向轉變部包含成形成同心層之一介面。
  11. 如請求項1之設備，其中該徑向波導包含一平行板波導。
  12. 如請求項1之設備，其中該RF發射部係可操作以輸入從該RF發射部採同心方式傳播之一饋伺波。
  13. 一種設備，其包含： 具有至少一片板子之一徑向波導； 耦合至該徑向波導之一射頻(RF)發射部，其包含 一矩形波導， 耦合至該矩形波導之一矩形波導至帶線轉變部，以及 耦合至該矩形波導至同軸轉變部之一帶線至徑向轉變部。
  14. 如請求項13之設備，其中該矩形波導具有一徑向非對稱模式，並且該帶線至徑向轉變部具有一徑向對稱模式。
  15. 一種天線，其包含： 一徑向平行板波導； 耦合至該徑向平行板波導之一射頻(RF)發射部，其包含 具有一徑向非對稱模式之一矩形波導， 耦合至該矩形波導之一矩形波導至同軸階梯式轉變部，以及 耦合至該矩形波導至同軸階梯式轉變部並具有一徑向對稱模式之一同軸至徑向轉變部。
  16. 如請求項15之天線，其中該矩形波導至同軸階梯式轉變部係以一90°角耦合至該矩形波導。
  17. 如請求項15之天線，其中該同軸至徑向轉變部具有比空氣有一更高介電常數之一同軸傳輸線絕緣體。
  18. 如請求項17之天線，其中該同軸傳輸線被組配來使該同軸至徑向轉變部之一插銷相對該同軸至徑向轉變部維持處於一置中位置。
  19. 如請求項15之天線，其中該矩形波導至同軸階梯式轉變部係經由一插銷耦合至該同軸至徑向轉變部。
  20. 如請求項19之天線，其中該同軸至徑向轉變部具有該插銷，並且該插銷係裝配在該矩形波導至同軸階梯式轉變部之一插銷插座中。
  21. 如請求項20之天線，其中該插銷係一壓入配合插銷。
  22. 如請求項15之天線，其中該同軸至徑向轉變部包含成形成同心層之一介面。
  23. 一種天線，其包含： 一徑向平行板波導； 耦合至該徑向平行板波導之一射頻(RF)發射部，其包含 具有一徑向非對稱模式之一矩形波導， 耦合至該矩形波導並具有一插銷插座之一矩形波導至同軸階梯式轉變部，以及 耦合至該矩形波導至同軸階梯式轉變部並具有一徑向對稱模式之一同軸至徑向轉變部，其中該同軸至徑向轉變部具有耦合至該插銷插座之一插銷。
  24. 如請求項23之天線，其中該同軸至徑向轉變部具有比空氣有一更高介電常數之一同軸線，並且被組配來使該同軸至徑向轉變部之該插銷相對該同軸至徑向轉變部維持處於一置中位置。
  25. 如請求項23之天線，其中該同軸至徑向轉變部包含成形成同心層之一介面。
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