TWI668918B - 用以驅動胞元之分布式直接驅動配置 - Google Patents

用以驅動胞元之分布式直接驅動配置 Download PDF

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Abstract

本文揭示用以驅動胞元(例如，液晶(LC)胞元、RF MEMS胞元等)之直接驅動機構的方法及設備。於一個實施例中，該天線包含具有多個天線元件的一天線元件陣列，各個天線元件具有一或多個胞元(例如，液晶(LC)胞元、RF MEMS胞元等)；耦合至該天線元件陣列中之胞元的驅動電路用以提供一電壓給該等胞元中之各者；及記憶體用以針對各個胞元儲存一資料值以判定該胞元為導通或關閉。

Description

用以驅動胞元之分布式直接驅動配置
參考相關申請案 此申請案主張提申日期2015年12月15日，名稱「a-Si分布式直接驅動：具有呈矩陣組態的類比開關之記憶體胞元」之對應臨時專利申請案第62/267,719號的優先權且爰引於此並融入本說明書之揭示。
發明領域 本發明之實施例係有關於天線領域；更特別地，本發明之實施例係有關於具有直接驅動用以驅動於天線元件陣列中之多個胞元的天線。
發明背景 利用薄膜電晶體(TFT)製造方法的天線陣列之若干實施例，因使用高雙折射液晶(LC)伴以低電壓保持比故，陣列的刷新率受限制。換言之，因高雙折射LC故，同時出現了低電壓保持比與陣列的刷新率受限制。為了補償此點，經常需要大型儲存電容器以防止過度電壓降。典型非晶形矽TFT的大型儲存電容器組合通道電阻Rd不佳，導致大的充電時間常數，其阻礙刷新率達到天線追蹤速率要求。
更明確言之，於標準矩陣架構中用以產生LC交流(AC)驅動電壓的一種方式係以正電壓充電各個LC胞元，循序地定址各列，然後以負電壓充電LC胞元，及然後，以夠快的速率來維持期望的LC驅動頻率，循序地定址各列。此方法要求以驅動頻率乘以列數的速率更新矩陣。隨著充電LC胞元及儲存電容器時間的增加，此方法變成一項挑戰。設定此充電時間的儲存電容值係藉TFT寄生閘電容及其對LC「回沖」電壓的影響決定。為了最小化回沖電壓，儲存電容可能需變大。然而，大儲存電容表示長充電時間，及因而較低的刷新率。
發明概要 本文揭示一種用於驅動胞元(例如，液晶(LC)胞元、MEMS胞元等)的直接驅動機構之方法及設備。於一個實施例中，該天線包含具有多個天線元件的一天線元件陣列，各個天線元件具有一或多個胞元；耦合至該天線元件陣列中之胞元的驅動電路用以提供一電壓給該等胞元中之各者；及記憶體用以針對各個胞元儲存一資料值以判定該胞元為導通或關閉。
較佳實施例之詳細說明 揭示具有用於驅動天線元件的直接驅動天線及其使用方法。於一個實施例中，直接驅動包括分布於胞元的一天線陣列上方之多個胞元驅動器。於一個實施例中，胞元為液晶(LC)胞元。於另一個實施例中，胞元為微機電系統(MEMS)射頻(RF)共振器胞元，各自於此處稱作MEMS胞元。可使用其它類型的胞元及藉本文描述的直接驅動技術驅動。於一個實施例中，各個胞元驅動器包括於天線中定位成矩陣組態的記憶體胞元及類比開關。
於後文詳細說明中，陳述無數細節以供更徹底解釋本發明。然而，熟諳技藝人士顯然易知，本發明可無此等特定細節而予實施。於其它情況下，眾所周知的結構及裝置係以方塊圖形式顯示，而非以細節顯示，以免遮掩了本發明。
注意於後文詳細說明中，直接驅動係聯合LC胞元描述。RF MEMS胞元或其它類型的胞元可用以置換LC胞元。與不同胞元類型相關聯的特定實施例特徵經識別。
於一個實施例中，天線包括多個胞元其係經由直接驅動控制系統控制。直接驅動控制系統針對各個胞元產生控制信號。於一個實施例中，各個胞元包含LC胞元及於各個胞元的開關基於來自直接驅動控制系統的控制信號而選擇性地發送電壓給胞元。於一個實施例中，開關包含電晶體(例如，薄膜電晶體(TFT))其將交流(AC)或接地(GND)電壓選擇性地發送給LC胞元以產生AC LC胞元電壓。此點與DC直接驅動系統相反，後者藉由切換正DC及負DC電壓至LC電容而產生LC胞元上的電壓。
於一個實施例中，直接驅動控制系統包含矩陣驅動組態。此型直接驅動減低了矩陣更新率及消除儲存電容的需要，如此允許更高的驅動頻率。若各個胞元具有本地記憶體以決定胞元是否為ON或OFF，則可達成此點。
圖1為胞元驅動器之一個實施例的方塊圖。於一個實施例中，胞元驅動器將AC電壓驅動至LC上。於一個實施例中，有一個胞元驅動器用於天線陣列中之各個天線元件。包括圖1之胞元驅動器的天線陣列實例容後詳述。注意於後文詳細說明部分中，LC為由直接驅動控制系統驅動的胞元。然而，直接驅動控制系統可被使用來驅動其它類型的胞元，包括其它類型的超材料。
參考圖1，胞元驅動器100包含多工器(mux)111或其它開關，其係耦合至且由ON/OFF輸入102控制。ON/OFF輸入102耦合至反相器110之輸入以及mux 111。反相器110之輸出耦合至mux 111。驅動輸入101耦合至mux 111的一個輸入，及接地(GND)104耦合至mux 111的另一個輸入。於一個實施例中，驅動輸入101接收具有期望電壓及頻率的AC LC驅動電壓以將LC 120驅動至ON態。於另一個實施例中，當胞元為MEMS胞元時，驅動101接收具有期望電壓之DC MEMS驅動電壓以將MEMS驅動至ON態。此種電壓可以是DC電壓。
ON/OFF輸入102控制mux 111的多工化，藉此使得其選擇欲呈現給輸出(OUT)103的GND 104或驅動輸入101。
Vpp、GND、及Vss為用以供電給胞元驅動器100的內部控制邏輯的DC偏壓電壓。
於一個實施例中，ON/OFF輸入之值係從由天線陣列控制器控制的暫存器提供。圖2例示胞元驅動器經配置以驅動天線陣列的組態實例。參考圖2，胞元驅動器2001 -200n 至20k1 -20kn 係位在列及行。注意雖然列及行係顯示為彼此垂直，於一個實施例中，此種矩陣組態並非實際於天線陣列佈局，而僅為邏輯佈局用以例示矩陣組態的直接驅動控制。
於圖2中，控制係位在陣列的周邊。各個胞元驅動器的ON/OFF輸入係藉位在胞元陣列外部的暫存器個別驅動。多個平行暫存器2101 -210n 係耦合至且響應來自矩陣樣式產生器211的控制信號以產生平行輸出控制信號。矩陣樣式產生器211為天線陣列控制器200的部件，及產生控制信號其使得暫存器2101 -210n 針對ON/OFF胞元驅動器輸入的其輸出線路上輸出信號。換言之，矩陣樣式產生器對暫存器載入數值，以控制在時間的任一瞬間哪個胞元驅動器為ON及哪個為關閉。換言之，輸出線路中之各者耦合至該陣列中之胞元驅動器的該等ON/OFF輸入中之一者，以控制該胞元驅動器之操作。
於一個實施例中，天線胞元於天線陣列中配置成環，暫存器2101 -210n 係位在該等環中之一者的周邊。然而，此點並非必要。於另一個實施例中，基於遍布天線陣列是否有可用空間，暫存器2101 -210n 可散布通過陣列胞元驅動器。
驅動產生器212產生驅動電壓，其係耦合至該等胞元驅動器的驅動輸入中之各者。於一個實施例中，驅動電壓在+/-5伏特間擺盪。然而，於其它實施例中，其它電壓值可用以驅動LC胞元。於另一個實施例中，電壓為+/-10V。於一個實施例中，驅動電壓係基於LC的化學選擇用以獲得期望的射頻(RF)效能。於一個實施例中，全部胞元的驅動輸入為共通，且係在期望的LC ON電壓及頻率。因負載故，此網絡可分解成次網絡，及若有所需，由多個驅動器驅動以符合期望電壓及頻率。換言之，若驅動產生器212沒有足夠驅動裝置來驅動全部胞元，則此網絡可分解成次網絡(例如，每列一個網絡，或至於另一實例，每四列一個網絡)，及此等次網絡中之各者可由針對該次網絡中之胞元數目為足夠的個別驅動器驅動。
於一個實施例中，針對MEMS胞元，驅動電壓可以是+15V(舉例)的DC電壓。
於一個實施例中，LC驅動器頻率及電壓係與陣列樣式驅動更新率獨立無關。於一個實施例中，樣式更新率係取決於周邊暫存器可被載入的速率，LC驅動頻率只受LC驅動器多工器及LC電容的切換時間所限，其可遠小於習知LC主動矩陣驅動。
注意LC驅動頻率只受LC驅動器多工器(例如，多工器/交換器111)及LC電容的切換時間所限。
於一個實施例中，電源供應器213提供Vpp、Vss及GND電壓以供電給胞元驅動器之邏輯。於一個實施例中，全部胞元的Vpp為共通且具有DC值等於或大於驅動電壓的最正值(Vdrive_max)。於一個實施例中，全部胞元的Vss為共通且具有DC值等於或小於驅動電壓的最負值(Vdrive_min)。於一個實施例中，Vss比其邏輯組態所需Vdrive_min更負5V。全部胞元的GND為共通且與LC的非驅動端為相同位準。
LC驅動器頻率及電壓可與陣列樣式驅動更新率獨立無關。樣式更新率係取決於周邊暫存器可被載入的速率，及LC驅動頻率只受LC驅動器多工器及LC電容的切換時間所限，其可遠小於習知LC主動矩陣驅動。
注意圖2之組態包括平行控制暫存器要求大量控制線跡，每個胞元有一條線跡。此點對大型陣列尺寸而言可能大得令人無法接受。
於一個實施例中，平行控制暫存器係組配成矩陣組態的多個串列移位暫存器。圖3例示帶有串列移位暫存器的天線矩陣以控制胞元驅動器。參考圖3，串列移位暫存器2201 -220n 耦合在一起，一個串列移位暫存器的Dout供應Din輸入給連環中的下個串列移位暫存器。第一串列移位暫存器的Din耦合至矩陣樣式產生器301的輸出，其表示針對天線產生的控制樣式。矩陣樣式產生器301只需載入第一串列移位暫存器，及該等值傳播通過移位暫存器的串列連環，而非具有一集合的並列線路，每個暫存器有一者，其使用來並列載入資料。矩陣樣式產生器301也透過控制信號耦合至全部串列移位暫存器2201 -220n 。
於一個實施例中，串列移位暫存器減少天線陣列控制器200與天線矩陣間之線跡數目。於圖2中，211與2101 及210n 間之線跡數目係等於陣列中之胞元數目加用以負載與控制2101 至210n 的線跡數目。取決於實施例，此數目可以是1至n。然而，於圖3中，301與2201 及220n 間之線跡數目可低抵一個用於資料及一個用於時鐘。實際上，可有更多幾何信號來同步化陣列樣式變化。
減少線跡數目的另一技術係將周邊暫存器重新定位入胞元驅動器。圖4為包括本地記憶體的一胞元驅動器之方塊圖。參考圖4，胞元驅動器400具有以AC LC驅動電壓驅動的一驅動輸入101，其帶有期望電壓及頻率以將LC驅動至ON態。記憶體401儲存該資料，其係使用來提供ON/OFF信號，其係控制多工器111以自驅動輸入101輸入驅動電壓，或將接地電壓104驅動至耦合至LC 120的OUT 103上。於一個實施例中，記憶體401包含閂鎖。閂鎖的D(資料)輸入401A為該輸入且藉LE(閂鎖賦能)輸入401B打卡。閂鎖的Qn輸出401C控制mux 111的切換以選擇哪個輸入呈現給OUT 103。於一個實施例中，記憶體401(例如，閂鎖)只有當胞元需自一態改變成另一態時才需被寫入。
類似圖1之胞元驅動器，Vpp、GND、及Vss為用以供電給胞元驅動器的內部控制邏輯的DC偏壓電壓。
圖5顯示其它胞元驅動器配置成矩陣的一矩陣組態的一個實施例。參考圖5，在各行中之全部胞元驅動器的D輸入為共通且係由該行的行驅動器驅動。舉例言之，第一行中之全部胞元驅動器係藉行資料1信號驅動，第二行中之全部胞元驅動器係藉行資料2信號驅動，及第M行中之全部胞元驅動器係藉行資料M信號驅動。在各列中之全部胞元驅動器的LE輸入為共通且係由該列的列驅動器驅動。舉例言之，第一列中之胞元驅動器的LE輸入係藉列EN 1信號驅動，第二列中之胞元驅動器的LE輸入係藉列EN 2信號驅動，及第N列中之胞元驅動器的LE輸入係藉列EN N信號驅動。全部胞元的驅動輸入為共通且係在期望的LC ON電壓及頻率。因負載故，此網絡可分解成次網絡，及若有所需，由多個驅動器驅動以符合期望電壓及頻率。
於一個實施例中，於此種組態中，全部胞元的Vpp為共通且具有DC值等於或大於驅動電壓的最正值(Vdrive_max)。於一個實施例中，全部胞元的Vss為共通且具有DC值等於或小於驅動電壓的最負值(Vdrive_min)。於一個實施例中，Vss比其邏輯組態所需Vdrive_min更負5V。於一個實施例中，全部胞元的GND為共通且與LC的非驅動端為相同位準。
於一個實施例中，每次出現新時鐘時，每次規劃胞元驅動器。如此指示LC胞元是否將為ON或OFF。樣式是否改變胞元驅動器可經更新。為了更新胞元驅動器的整個矩陣，天線陣列控制器實施以下演算法來更新矩陣。至於演算法的一部分，來自控制暫存器的全部值使用行資料信號初始設定為ON或OFF，及然後一列胞元驅動器使用列EN信號打卡，其允許資料被讀取入及控制胞元驅動器。然後，用於下一列胞元驅動器的資料係從行資料信號上的行資料被規劃，及下一列胞元驅動器被啟用以讀取入該資料。如此進行直到在一時框期間整個天線陣列中的全部列皆已被規劃/更新為止。
用以更新此矩陣的一演算法之一個實施例如下： 1.在各個行資料x網絡上，設定列1值。如此將為高以發送驅動電壓VDrive給胞元驅動器輸出OUT，或將為低以發送GND給胞元驅動器輸出OUT。 2.打卡資料入閂鎖列。調整列EN 1為高，延遲(例如，10微秒)，調整列EN 1為低。 3.在各個行資料x網絡上，設定下一列之值。 4.打卡資料入下一列閂鎖(於該列中的胞元驅動器中)。 5.針對全部列重複步驟3及4。 6.判定下一時框樣式，然後重複步驟1至6。
使用10微秒閂鎖啟用時間，180列矩陣將具有小於20毫秒的時框率。於一個實施例中，LC驅動頻率係不取決於列數，但受電壓驅動VDrive輸入及負載電容的轉換率及驅動所限。如此，此架構將LC驅動頻率與矩陣更新率解耦。
此種架構的一項優點為於矩陣記憶體組態中之胞元驅動器結構減少須以LC驅動頻率(例如，2 kHz)兩倍的速率循環通過的要求，至每個時框一次(20 ms=＞50 Hz)。
另一項優點為無需要求胞元儲存電容器，因胞元被直接驅動故(透過胞元驅動器ON FET，例如圖7中之M5，圖4中之多工器111)。如此有助於縮短胞元的充電時間及輔助提高LC驅動頻率。
此種配置呈現若干限制。當驅動電壓VDrive對全部胞元(或Vdrive次網絡中的全部胞元)皆為共通時，個別胞元無法具有由驅動電壓Vdrive的不同電壓位準產生的不同灰階。換言之，胞元驅動器為ON或OFF，允許LC由AC電壓驅動或由GND驅動。藉使用脈衝寬度調變(PWM)法帶有由時框率界定的解析度，可能具有不同的灰階。於一個實施例中，灰階技術可被使用在其中胞元可被啟用較短時間及然後任其關閉較長時間，因而不顯示胞元為ON或OFF。若時框為夠快，則PWM灰樣式可控制胞元驅動器為ON及OFF的時間量，及取決於on-off切換間之振盪比，可達成不同灰階程度。更明確言之，圖18顯示跨LC施加的將達成PWM灰階的各種電壓波形的兩個訊框時間。參考圖18，頂格顯示針對全然ON胞元的電壓波形，而底格顯示針對全然OFF胞元的電壓波形。其它格顯示灰階的波形，於該處該灰度係基於電壓振盪的時間(ON)相較於電壓於零伏的時間(OFF)間之時間比。灰階之不同灰度的粒度將取決於有關時框OFF態，胞元可改變ON及OFF態相對於訊框時間的速率，於該處訊框時間為矩陣樣式須改變的時間。
注意前述PWM可配合MEMS胞元使用藉由結合額外胞元驅動器而達成灰階。
圖6例示使用一或多個串列暫存器控制的天線矩陣。參考圖6，具有串列輸出控制的矩陣樣式產生器601提供輸入資料給串列暫存器602。串列暫存器602具有輸出，其為控制信號，耦合至行資料1-M信號，其係耦合至胞元驅動器中之閂鎖的D(資料)輸入。又，矩陣樣式產生器601提供輸入資料給串列暫存器603。串列暫存器603具有輸出，其為控制信號，耦合至列EN 1-N信號，其係耦合至胞元驅動器中之閂鎖的LE輸入。矩陣樣式產生器601串列地提供驅動樣式給串列暫存器，又基於列EN信號，一列胞元驅動器一次閂鎖該資料。
圖7-9例示用以發揮胞元驅動器功能的電路圖解實例。圖7例示解碼及輸出驅動器之一個實施例的電路示意圖。電路作為電平移位器，使得輸入控制電壓能與輸出電壓不同。若電晶體M5或M19為啟用，則驅動電壓Vdrive被輸出。此點將在前進通過反相器，其控制多工化交換器的輸出，的電路輸入由ON_OFF信號觸發。注意當AC驅動電壓切換至輸出時，有兩個驅動輸出路徑通過兩個電晶體M5及M19。此點由於AC信號具有正及負兩部分，確保當AC驅動訊息被選擇自多工化交換器輸出時，LC經常性被驅動高。當ON_OFF信號指示多工化交換器的輸出須接地時，電路的其它部分箝制輸出接地。
圖8及9例示包括閂鎖記憶體以保持胞元驅動器的ON/OFF態之胞元驅動器圖解的兩個不同組態。更明確言之，圖8為雙穩態組態。參考圖8，第一1-位元暫存器係用於時鐘信號(LE)，而第二電路係用於正反器或閂鎖。時鐘電路包括記憶體部，接著波動成形及放大以獲得電壓位準升高以進行控制。D輸入電路包括暫存器，及使用正回授以閂鎖資料值。圖9例示包括電容器1-位元暫存器的胞元驅動器電路之另一實施例。此組態使用較少TFT及結合電容器以儲存ON/OFF態。注意也有較少三個反相器階段。 電平移位及輸出多工化交換器 雙穩態1-位元暫存器 電容器1-位元暫存器
熟諳技藝人士將徹底瞭解圖7-9中之電路操作。
圖10顯示圖7-9之電路的模擬細節。參考圖10，圖10之頂格顯示施加至DRIVE輸入的1 KHz，10 Vrms輸入信號Vdrive。注意可使用其它電壓。
圖10之第二格例示至胞元的資料輸入(D)。於圖5中顯示的矩陣組態中，如此將表示於列1之此行中的此胞元針對更迭「時框」轉成ON及針對其它時框轉成OFF，於該處每框的時間為20毫秒。
圖10之第三格顯示胞元的時鐘(LE)。於圖5中顯示的矩陣組態中，如此表示資料每20毫秒時框打卡。
於一個實施例中，時鐘及資料的脈寬設定於10微秒，該時間夠長以閂鎖帶有使用的TFT電晶體模型之資料入暫存器。可使用其它時間，且係取決於TFT的設計。比此更短的時間未能可靠地暫存資料。此脈寬也夠短(沒有邊際)以在20毫秒訊框時間以內更新200個矩陣列。
圖9中之第四格為胞元驅動器之OUT信號，其驅動LC胞元。其顯示1 KHz 10Vrms信號每隔20毫秒時框更迭ON及OFF(GND)。 天線實施例之實例
前文描述之技術可用於平板天線。揭示此種平板天線之實施例。平板天線包括於天線孔徑上一或多個陣列之天線元件。於一個實施例中，天線元件包含液晶胞元。於一個實施例中，平板天線為圓柱饋入天線，其包括矩陣驅動電路以獨特地定址及驅動未成列及成行設置的各個天線元件。於一個實施例中，元件係設置成環。
於一個實施例中，具有一或多個陣列之天線元件的天線孔徑包含耦合在一起的多個節段。當耦合在一起時，節段的組合形成天線元件之閉合同心環。於一個實施例中，同心環係就天線饋入而言為同心。 天線系統實例之綜論
於一個實施例中，平板天線為超材料天線系統的一部件。描述用於通訊的超材料天線系統衛星地面站台的實施例。於一個實施例中，天線系統為在使用Ka頻帶頻率或Ku頻帶頻率用於民用商業衛星通訊操作的行動平台(例如，航空、海事、陸地等)上操作的衛星地面站台(ES)的組件或子系統。注意天線系統的實施例也可使用於非在行動平台(例如，固定式或移動式地面站台)上的地面站台。
於一個實施例中，天線系統使用表面散射超材料技術以形成及操縱通過分開天線發射及接收波束。於一個實施例中，天線系統為類比系統，與採用信號處理以電氣式形成及操縱波束的形成及操縱(諸如相控陣列天線)相反。
於一個實施例中，天線系統包含三個基本子系統：(1)由圓柱波饋入架構組成的波導引結構；(2)屬於天線元件部分的波散射超材料單位胞元之一陣列；及(3)控制結構以指令使用全像術原理而自超材料散射元件形成可調整輻射場(波束)。 波導引結構之實例
圖11A例示使用來提供圓柱波饋入的同軸饋入之一個實施例的頂視圖。參考圖11A，同軸饋入包括一中心導體及一外導體。於一個實施例中，圓柱波饋入架構自一中心電饋入天線，帶有激勵自饋入點以圓柱方式向外傳播。換言之，圓柱饋入天線產生向外行進的同心饋入波。即便如此，環繞圓柱饋入的圓柱饋入天線之形狀可以是圓形、方形或任何形狀。於另一個實施例中，圓柱饋入天線產生向內行進的饋入波。於此等情況下，饋入波最自然來自圓形結構。
圖11B例示一孔徑，其具有環繞圓柱饋入天線的輸入饋入以同心圓置放的一或多個陣列之天線元件。 天線元件
於一個實施例中，天線元件包含一組補片天線。此組補片天線包含一陣列之散射超材料元件。於一個實施例中，天線系統中之各個散射元件為一單位胞元的一部分，該單位胞元包含下導體、介電基體、及上導體，藉蝕刻或沈積而嵌置一互補電氣電感-電容共振器(「互補電氣LC」或「CELC」)於該上導體內或上。
於一個實施例中，液晶(LC)置放於環繞散射元件的間隙內。此LC係藉前文描述的直接驅動實施例驅動。於一個實施例中，液晶係包封於各個單位胞元內，分開與一槽縫相關聯的下導體及與其補片相關聯的上導體。液晶具有一電容率，其為組成液晶的分子配向之函數，及分子配向(及因而電容率)可藉調整跨液晶的偏壓電壓加以控制。於一個實施例中，使用此種性質，液晶整合用於自被導引波發射能源至CELC的on/off開關。當被切換為on時，類似電氣小型兩極天線，CELC發射電磁波。注意本文中之教示並不限於就能源發射以二進制方式操作的液晶。
於一個實施例中，此種天線系統的饋入幾何允許天線元件位在相對於波饋入中的波向量45度角。注意可使用其它位置(例如，在40度角)。此種元件位置使其能控制由元件接收的或自元件發射/輻射的自由空間波。於一個實施例中，天線元件係配置有元件間間隔，其係小於天線的操作頻率之自由空間波長。舉例言之，若每個波長有四個散射元件，則30 GHz發射天線中之元件將為約2.5毫米(亦即，30 GHz的10毫米自由空間波長之1/4)。
於一個實施例中，兩組元件彼此垂直，及若控制成相同調整態，則同時具有相等激勵幅值。相對於饋入波激勵旋轉+/-45度，一次達成兩種期望特徵。將一組旋轉0度及另一組旋轉90度將達成垂直目標，但非相等激勵幅值目標。注意0度及90度可被使用來當從單一結構兩側饋入該天線元件陣列時達成分隔。
來自各個單位胞元的輻射功率量係藉使用控制器施加電壓至補片(可能跨LC通道)加以控制。至各個補片的線跡被使用來提供電壓給補片天線。該電壓係使用來調諧或解調個別元件的電容，及因而調諧或解調共振頻率以實現波束成形。要求的電壓係取決於使用的液晶混合物。液晶混合物的電壓調諧特性主要係藉臨界值電壓描述，在該臨界值電壓，液晶開始受電壓影響；及藉飽和電壓描述，高於該飽和電壓，電壓的提供不會造成液晶的重大調諧。此二特性參數能針對不同液晶混合物而改變。
如前文討論，於一個實施例中，使用矩陣驅動來施加電壓至補片，以便與全部其它胞元分開地驅動各個胞元而沒有針對各個胞元的分開連結(直接驅動)。因元件的高密度，矩陣驅動乃個別地定址各個胞元的有效方式。
於一個實施例中，天線系統的控制結構具有兩大組件：用於天線系統的天線陣列控制器，其包括驅動電子元件，係在波散射結構下方；矩陣驅動切換陣列係分散遍布輻射RF陣列使得不干擾輻射。於一個實施例中，用於天線系統的驅動電子元件包含使用在商業電視設施的商用現貨LCD控制元件，其藉由調整至各個散射元件的AC偏壓信號的幅值或工作週期而調整用於該元件的偏壓電壓。
於一個實施例中，天線陣列控制器也含有執行軟體的微處理器。控制結構也可結合感測器(例如，GPS接收器、三軸羅盤、三軸加速計、三軸迴轉儀、三軸磁力計等)以提供定位及方向性資訊給處理器。定位及方向性資訊可藉地面站台中的其它系統提供給處理器，及/或可以非為天線系統的部件。
更明確言之，天線陣列控制器控制哪些元件被關閉及哪些元件被導通，及在該操作頻率的哪個相位及哪個幅值位準。元件被選擇性地解調用於藉電壓施用的頻率操作。
用於發射，控制器供給一陣列的電壓信號給RF補片以產生調變或控制樣式。控制樣式造成元件被轉成不同狀態。於一個實施例中，使用多態控制其中各種元件被調整導通及關閉至不等程度，進一步近似正弦波形控制樣式，與方波(亦即，正弦灰階調變樣式)相反。於一個實施例中，有些元件輻射比其它元件更強，而非有些元件輻射而有些則否。藉施加特定電壓位準達成可變輻射，其調整液晶電容率至不等量，藉此各異地解調元件，且造成有些元件輻射比其它元件更強。
藉超材料元件陣列而產生聚焦波束可藉建設性及破壞性干涉現象加以解釋。個別電磁波若具有相同相位，當其相遇時波加總(建設性干涉)；若具有相反相位，當其相遇時波彼此抵消(破壞性干涉)。若開槽天線中之槽縫係定位使得各個接續槽縫係位距被導引波的激勵點不同距離，則來自該元件的散射波將具有與前一個槽縫的散射波不同的相位。若槽縫間隔距離四分之一被導引波長，則各個槽縫將散射具有與前一個槽縫的散射波四分之一相位延遲的一波。
使用該陣列，可產生的建設性及破壞性干涉的樣式數目增加，因此使用全像術原理，波束理論上可於自天線陣列的瞄準線加或減90度的任何方向指向。如此，藉由控制哪些超材料單位胞元被導通或關閉(亦即，藉改變哪些胞元被導通及哪些胞元被關閉的樣式)，可產生不同的建設性及破壞性干涉樣式，及天線可改變主波束的方向。導通及關閉單位胞元所需時間指示波束可自一個位置切換成另一個位置。
於一個實施例中，天線系統產生用於上行鏈路的一個可操縱天線及用於下行鏈路的一個可操縱天線。於一個實施例中，天線系統使用超材料技術以接收波束，及解碼來自衛星的信號，及用以形成指向天線的發射波束。於一個實施例中，與採用數位信號處理以電氣形成及操縱波束的天線系統(諸如相控陣列天線)相反地，該等天線系統為類比系統。於一個實施例中，天線系統被視為「表面」天線其為平面且相對低輪廓，特別當與習知碟形衛星天線接收器比較。
圖12例示包括接地平面及可重新組配共振器層的一列天線元件之透視圖。可重新組配共振器層1230包括一陣列之可調整槽縫1210。該陣列之可調整槽縫1210可經組配以指向天線於期望方向。該等可調整槽縫中之各者可藉跨液晶改變電壓而予調節/調整。
於圖12中，藉由跨液晶改變電壓，控制模組1280耦合至可重新組配共振器層1230以調變陣列之可調整槽縫1210。控制模組1280可包括現場可程式閘陣列(FPGA)、微處理器、控制器、單晶片系統(SoC)、或其它處理邏輯。於一個實施例中，控制模組1280包括邏輯電路(例如，多工器)以驅動陣列之可調整槽縫1210。於一個實施例中，控制模組1280接收資料其包括欲在陣列之可調整槽縫1210上驅動的用於全像術繞射樣式的規格。回應於天線與衛星間之空間關係，可產生全像術繞射樣式，使得全像術繞射樣式於用以通訊的適當方向操縱下行鏈路波束(及上行鏈路波束，若天線系統進行發射)。雖然於各圖中並未繪出，但類似控制模組1280的控制模組可驅動於本文揭示之圖式中描述的各陣列之可調整槽縫。
射頻(RF)全像術也可能使用類似技術，於該處當RF參考波束遭遇全像術繞射樣式時可產生期望的RF波束。以衛星通訊為例，參考波束係呈饋入波形式，諸如饋入波1205(於若干實施例中，約為20 GHz)。為了將饋入波變換成輻射波束(用於發射或接收目的)，計算在期望的RF波束(物件波束)及饋入波(參考波束)間之干涉樣式。干涉樣式被驅動至該陣列之可調整槽縫1210上作為繞射樣式，故饋入波被「操縱」入期望的RF波束(具有期望的形狀及方向)。換言之，遭遇全像術繞射樣式的饋入波「重組」物件波束，其係根據通訊系統的設計要求形成。全像術繞射樣式含有各個元件的激勵，及藉計算，Win 為波導中之波方程式及Wout 為輸出波上的波方程式。
圖13例示可調整共振器/槽縫1210的一個實施例。可調整槽縫1210包括光圈/槽縫1212、輻射補片1211、及設置於光圈1212與補片1211間之液晶1213。於一個實施例中，輻射補片1211與光圈1212共同定位。
圖14例示實體天線孔徑之一個實施例的剖面圖。天線孔徑包括接地平面1245，及在光圈層1233內部的金屬層1236，其係涵括於可重新組配共振器層1230。於一個實施例中，圖14之天線孔徑包括多個圖13之可調整共振器/槽縫1210。光圈/槽縫1212係藉金屬層1236中之開口界定。饋入波諸如圖12的饋入波1205可具有與衛星通訊通道可相容的微波頻率。饋入波在接地平面1245與共振器層1230間傳播。
可重新組配共振器層1230也包括襯墊層1232及補片層1231。襯墊層1232係設置於補片層1231及光圈層1233下方。注意於一個實施例中，間隔件可置換襯墊層1232。於一個實施例中，光圈層1233為包括銅層為金屬層1236的印刷電路板(PCB)。於一個實施例中，光圈層1233為玻璃。光圈層1233可以是其它類型的基體。
可於銅層中蝕刻開口以形成槽縫1212。於一個實施例中，光圈層1233藉導電連結層導電耦合至圖14中的另一結構(例如，波導)。注意於一實施例中，光圈層不藉導電連結層導電耦合，及取而代之，與非導電連結層介接。
補片層1231也可以是PCB，其包括金屬作為輻射補片1211。於一個實施例中，襯墊層1232包括間隔件1239，其提供機械對峙間隙來界定金屬層1236與補片1211間之維度。於一個實施例中，間隔件為75微米，但可使用其它尺寸(例如，3-200毫米)。如前述，於一個實施例中，圖4之天線孔徑包括多個可調整共振器/槽縫，諸如可調整共振器/槽縫1210包括圖13的補片1211、液晶1213、及光圈1212。用於液晶1213的隔間係藉間隔件1239、光圈層1233及金屬層1236界定。當該隔間以液晶填補時，補片層1231可積層至間隔件1239以將液晶密封於共振器層1230內部。
補片層1231與光圈層1233間之電壓可經調變來調整在補片與槽縫(例如，可調整共振器/槽縫1210)間之間隙中的液晶。調整跨液晶1213的電壓改變槽縫(例如，可調整共振器/槽縫1210)的電容。據此，槽縫(例如，可調整共振器/槽縫1210)之電抗可藉改變電容而予變更。可調整槽縫1210的共振頻率也可根據方程式改變，於該處f為槽縫1210的共振頻率，及L及C分別為槽縫1210的電感及電容。槽縫1210的共振頻率影響傳播通過波導的饋入波1205輻射能。舉個實例，若饋入波1205為20 GHz，則槽縫1210的共振頻率可經調整(藉改變電容)為17 GHz，使得槽縫1210實質上未耦合來自饋入波1205的能源。或槽縫1210的共振頻率可經調整為20 GHz，使得槽縫1210耦合來自饋入波1205的能源及將該能源輻射入自由空間。雖然給定的實例為二進制(全部輻射或絲毫也不輻射)，電抗的全灰階控制，因此槽縫1210的共振頻率可能帶有於多數值範圍的電壓方差。因此自各個槽縫1210的輻射能可經精密控制，因此藉該陣列之可調整槽縫可形成詳細全像術繞射樣式。
於一個實施例中，於一列中之可調整槽縫彼此隔開λ/5。可使用其它間隔。於一個實施例中，於一列中之各個可調整槽縫與相鄰列中之最接近的可調整槽縫隔開λ/2，及如此，於不同列中的共通取向可調整槽縫間隔λ/4，但其它間隔為可能(例如，λ/5、λ/6.3)。於另一個實施例中，於一列中之各個可調整槽縫與相鄰列中之最接近的可調整槽縫隔開λ/3。
實施例使用可重新組配超材料技術，諸如描述於美國專利申請案第14/550,178號，名稱「自可操縱圓柱饋入全像術天線的動態偏振及耦合控制」，提申日期2014年11月21日及美國專利申請案第14/610,502號，名稱「用於可重新組配天線的有脊波導饋入結構」，提申日期2015年1月30日。
圖15A-D例示用於產生開槽陣列的不同層的一個實施例。天線陣列包括設置成環的天線元件，諸如圖11B中顯示的環。注意於本實例中天線陣列具有兩個不同型天線元件，其係用於兩個不同型頻帶。
圖15A例示第一光圈板層的一部分具有對應槽縫的位置。參考圖15A，圓圈為於光圈基體底側的金屬化中的開放區/槽縫，及用於控制元件耦合至饋入(饋入波)。注意此層為選擇性層，未使用於全部設計。圖15B例示含槽縫的第二光圈板層的一部分。圖15C例示於第二光圈板層的一部分上方的補片。圖15D例示開槽陣列之一部分的頂視圖。
圖16A例示圓柱饋入天線結構的一個實施例之側視圖。天線使用雙層饋入結構(亦即，兩層饋入結構)產生向內行進波。於一個實施例中，天線包括圓形外形，但非必要。換言之，可使用非圓形向內行進結構。於一個實施例中，圖16A中之天線結構包括圖11的同軸饋入。
參考圖16A，同軸針腳1601使用以激勵天線的較低層級的場域。於一個實施例中，同軸針腳1601為方便易得的50Ω同軸針腳。同軸針腳1601耦合(例如，鏜孔)至天線結構底部，其為導電接地平面1602。
與導電接地平面1602分開者為間隙導體1603，其為內部導體。於一個實施例中，導電接地平面1602及間隙導體1603彼此平行。於一個實施例中，導電接地平面1602與間隙導體203間之距離為0.1-0.15吋。於另一個實施例中，此距離可以是λ/2，於該處λ為於操作頻率的行進波之波長。
導電接地平面1602透過間隔件1604與間隙導體1603分開。於一個實施例中，間隔件1604為泡沫狀或空氣狀間隔件。於一個實施例中，間隔件1604包含塑膠間隔件。
在間隙導體1603頂上為介電層1605。於一個實施例中，介電層1605為塑膠。介電層1605的目的是為了相對於自由空間速度，減慢行進波。於一個實施例中，相對於自由空間速度，介電層1605減慢行進波達30%。適用於波束形成的折射率之範圍為1.2-1.8，於該處自由空間藉定義具有折射率等於1。可使用其它介電間隔材料，諸如塑膠來達成此效果。注意塑膠以外的材料可予使用，只要其達成期望的波減慢效果即可。另外，具有分散式結構的材料可使用作為電介質1605，諸如可被切削或光刻術界定的週期性次波長金屬結構。
RF陣列1606係在電介質1605頂上。於一個實施例中，間隙導體1603與RF陣列606間之距離為0.1-0.15吋。於另一個實施例中，此距離可以是λeff /2，於該處λeff 為於設計頻率於介質中之有效波長。
天線包括側邊1607及1608。側邊1607及1608夾角以使得自同軸針腳1601饋入的行進波欲自間隙導體1603下方區(間隔層)透過反射傳播到間隙導體1603上方區(介電層)。於一個實施例中，側邊1607及1608的角度為45度角。於替代實施例中，側邊1607及1608可以連續半徑置換以達成反射。雖然圖16A顯示夾角側邊具有45度角，但可使用能完成信號自下層級饋入發射至上層級饋入的其它角度。換言之，給定於下饋入的有效波長通常係與上饋入不同，但可使用與理想45度角略為偏差來輔助自下饋入層級發射至上饋入層級。舉例言之，於另一個實施例中，45度角以單一階級置換。在天線一端上的階級環繞介電層、間隙導體、及間隔層通過。相同二階級係在此等層的另一端。
於操作中，當饋入波係自同軸針腳1601饋進時，該波於接地平面1602與間隙導體1603間之區自同軸針腳1601同心取向向外行進。同心向外波由側邊1607及1608反射，及於間隙導體1603與RF陣列1606間之該區向內行進。自圓周邊緣的反射造成波維持同相(亦即，其為同相反射)。行進波藉介電層1605減慢。此時，行進波開始與RF陣列1606中之元件互動及激勵而獲得期望的散射。
為了終結行進波，一終端1609涵括於天線在天線的幾何中心。於一個實施例中，終端1609包含針腳終端(例如，50Ω針腳)。於另一個實施例中，終端1609包含RF吸收器，其終結未使用的能源以防止該未使用的能源通過天線的饋入結構反射回。此等可使用於RF陣列1606頂部。
圖16B例示具有輸出波的天線系統之另一個實施例。參考圖16B，兩個接地平面1610及1611實質上彼此平行，具有介電層1612(例如，塑膠層等)在接地平面間。RF吸收器1619(例如，電阻器)將兩個接地平面1610及1611耦合在一起。同軸針腳1615(例如，50Ω)饋入天線。RF陣列1616係在介電層1612及接地平面1611頂上。
於操作中，饋入波通過同軸針腳1615饋入，及同心向外行進，且與RF陣列1616的元件互動。
於圖16A及16B的天線兩者的圓柱饋入改良了天線的服務角。替代正或負45度方位角(±45° Az)及正或負25度仰角(±25° El)，於一個實施例中，天線系統具有於全部方向自瞄準線75度(75°)的服務角。如同包含許多個別輻射器的波束成形天線，總天線增益係取決於組成元件的增益，組成元件的本身為角度相依性。當使用共通輻射元件時，隨著波束指向進一步偏離瞄準線，總天線增益典型地減低。於偏離瞄準線75度，預期約6分貝(dB)的顯著增益降級。
具有圓柱饋入的天線實施例解決了一或多個問題。此等包括比較以企業除法器網路饋入的天線，大為簡化饋入結構，及因而減少總要求天線及天線饋入體積；藉由以較粗糙的控制維持高波束效能，減低對製造及控制誤差的敏感度(一路延伸至簡單二進制控制)；因圓柱取向饋入波導致遠場中的空間多樣化旁波瓣故，比較直線饋入給予更優異的旁波瓣；及允許偏振為動態，包括允許左圓偏振、右圓偏振、及線性偏振，同時不要求偏振器。 波散射元件陣列
圖16A之RF陣列1606及圖16B之RF陣列1616包括波散射子系統，其包括一組作為輻射器的補片天線(亦即，散射器)。此組補片天線包含一陣列之散射超材料元件。
於一個實施例中，於天線系統中的各個散射元件為單位胞元的一部分，該單位胞元包含下導體、介電基體、及上導體，藉蝕刻或沈積而嵌置一互補電氣電感-電容共振器(「互補電氣LC」或「CELC」)於該上導體內或上。
於一個實施例中，液晶(LC)注入環繞散射元件的間隙內。液晶係包封於各個單位胞元內，分開與一槽縫相關聯的下導體及與其補片相關聯的上導體。液晶具有一電容率，其為組成液晶的分子配向之函數，及分子配向(及因而電容率)可藉調整跨液晶的偏壓電壓加以控制。使用此種性質，液晶作用為用於自被導引波發射能源至CELC的on/off開關。當被切換為on時，類似電氣小型兩極天線，CELC發射電磁波。
控制LC的厚度提高了波束切換速度。下導體與上導體間之間隙(液晶之厚度)減少了百分之五十(50%)，導致速度的四倍增高。於另一個實施例中，液晶之厚度導致約14毫秒(14 ms)之波束切換速度。於一個實施例中，液晶以業界眾所周知的方式摻雜以改良響應，故可滿足7毫秒(7 ms)要求。
CELC元件係回應於磁場，該磁場係平行CELC元件的平面及垂直CELC間隙補數施加。當電壓施加至超材料散射單位胞元中之液晶時，被導引波的磁場組件感應CELC的磁激勵，其又轉而以被導引波的相同頻率產生電磁波。
由單一CELC產生的電磁波相位可藉CELC在被導引波向量上的位置選擇。各個胞元產生與CELC平行的被導引波同相位的波。因CELC係小於波長，故輸出波當通過CELC下方時具有與被導引波之相位相同的相位。
於一個實施例中，此天線系統的圓柱饋入幾何形狀允許CELC元件相對於波饋入中的波向量45度角定位。此種元件之位置使其能控制自元件產生的或由元件接收的自由空間波之偏振。於一個實施例中，CELC係以元件間之間隔小於天線之操作頻率的自由空間波長配置。舉例言之，若每個波長有四個散射元件，則於30 GHz發射天線中之元件將為約2.5毫米(亦即，30 GHz的10毫米自由空間波長之1/4)。
於一個實施例中，CELC係以補片天線實施，該天線包括共同定位在槽縫上方的補片而有液晶介於兩者之間。就此面向而言，超材料天線作用類似開槽(散射)波導。使用開槽波導，輸出波之相位取決於槽縫相對於被導引波之定位。 胞元置放
於一個實施例中，天線元件置放於圓柱饋入天線孔徑上之方式允許系統性矩陣驅動電路。胞元的置放包括電晶體的置放用於矩陣驅動。圖17例示矩陣驅動電路相對於天線元件的置放之一個實施例。參考圖17，列控制器1701透過列選擇信號列1及列2分別地耦合至電晶體1711及1712，及行控制器1702透過行選擇信號行1耦合至電晶體1711及1712。電晶體1711也透過連結至補片1731耦合至天線元件1721，而電晶體1712透過連結至補片1732耦合至天線元件1722。
在帶有單位胞元置放成不規則柵格的圓柱饋入天線上實現矩陣驅動電路的初始辦法中，進行二步驟。於第一步驟中，胞元置放於同心圓上，及各個胞元連結至置放於胞元旁側的電晶體，該電晶體作為開關以分開驅動各個胞元。於第二步驟中，矩陣驅動電路經建立以便以如矩陣驅動辦法要求的使用獨特位址連結每個電晶體。因矩陣驅動電路係藉列及行線跡建立(類似LCD)但胞元係置於環圈上，沒有系統性方式以給各個電晶體指定獨特位址。此種對映問題導致極為複雜的電路以涵蓋全部電晶體，及導致完成路徑安排的實體線跡數目顯著地增加。因胞元的密度高之故，耦合效應導致該等線跡干擾天線的RF效能。又，因線跡的複雜及高堆積密度故，線跡的路徑安排無法藉商業上可得的佈局工具完成。
於一個實施例中，在胞元及電晶體被置放之前，預先界定矩陣驅動電路。如此確保需要最少線跡數目來驅動全部胞元，各自有個獨特位址。此種策略減少了驅動電路的複雜度且簡化了路徑安排，其隨後改進了天線的RF效能。
更明確言之，於一個辦法中，於第一步驟中，胞元被置放於由列及行其描述各個胞元的獨特位址組成的規則矩形柵格上。於第二步驟中，胞元被分組及變形成同心圓，同時維持其位址及如第一步驟中定義，連結至列及行。此變形的目標不僅係將胞元置於環上，同時也維持在整個孔徑上方的胞元間距及環間距恆定。為了完成此項目標，有數種方式以分組胞元。 系統實施例之實例
於一個實施例中，組合天線孔徑使用在電視系統結合機上盒操作。舉例言之，以雙接收天線為例，由天線接收的衛星信號提供給電視系統的機上盒(例如，DirecTV接收器)。更明確言之，組合天線操作能夠同時接收於兩個不同頻率及/或偏振的RF信號。換言之，一個子陣列的元件經控制以接收於一個頻率及/或偏振的RF信號，而另一個子陣列經控制以接收於另一個不同頻率及/或偏振的RF信號。此等頻率或偏振的差異表示由電視系統接收不同的頻道。同理，二天線陣列可經控制用於兩個不同波束位置以自兩個不同位置(例如，兩個不同衛星)接收頻道來同時接收多個頻道。
圖19為於電視系統中同時進行雙重接收的通訊系統之一個實施例的方塊圖。參考圖19，天線1401包括可獨立操作以在如前文描述的不同頻率及/或偏振同時進行雙接收的兩個空間交插的天線孔徑。注意雖然只敘述兩個空間交插的天線操作，但TV系統可具有多於兩個天線孔徑(例如，3、4、5等天線孔徑)。
於一個實施例中，包括其兩個交插開槽陣列的天線1401耦合至雙工器1430。耦合可包括一或多個饋入網路，其自兩個開槽陣列接收信號以產生饋入雙工器1430的兩個信號。於一個實施例中，雙工器1430為商業上可得的雙工器(例如，得自艾微波(A1 Microwave)的型號PB1081WA Ku頻帶sitcom雙工器)。
1430耦合至一對低雜訊區塊降頻轉換器(LNB)1426及1427，其以業界眾所周知的方式進行雜訊濾波功能、降頻轉換功能、及放大。於一個實施例中，LNB 1426及1427係在一戶外單元(ODU)內。於另一個實施例中，LNB 1426及1427整合入天線裝置內。LNB 1426及1427耦合至機上盒1402，其係耦合至電視1403。
機上盒1402包括一對耦合至LNB 1426及1427的類比至數位轉換器(ADC)1421及1422，用以將自雙工器1430輸出的兩個信號轉換成數位格式。
一旦轉換成數位格式，信號藉解調器1423解調及藉解碼器1424解碼以獲得於所接收波上的編碼資料。然後，解碼資料發送給控制器1425，其發送該資料給電視1403。
控制器1450控制天線1401，包括於單一組合實體孔徑上兩個天線孔徑的交插開槽陣列元件。 全雙工通訊系統之實例
於另一個實施例中，組合天線孔徑被使用於全雙工通訊系統。圖20為具有同時發射及接收路徑的通訊系統之另一實施例的方塊圖。雖然圖中只顯示一個發射路徑及一個接收路徑，但通訊系統可包括多於一個發射路徑及/或多於一個接收路徑。
參考圖20，如前文描述，天線1401包括可獨立操作以同時於不同頻率發射及接收的兩個空間交插天線陣列。於一個實施例中，天線1401耦合至雙工器1445。耦合可藉一或多個饋入網路。於一個實施例中，以徑向饋入天線為例，雙工器1445組合兩個信號，天線1401與雙工器1445間之連結為可攜載兩個頻率的單一寬頻饋入網路。
雙工器1445耦合至低雜訊區塊降頻轉換器(LNB)1427，其以業界眾所周知的方式進行雜訊濾波功能及降頻轉換功能及放大。於一個實施例中，LNB 1427係在一戶外單元(ODU)內。於另一個實施例中，LNB 1427整合入天線裝置內。LNB 1427耦合至數據機1460，其耦合至計算系統1440(例如，電腦系統、數據機等)。
數據機1460包括類比至數位轉換器(ADC)1422，其耦合至LNB 1427，用以將接收自雙工器1445輸出的信號轉換成數位格式。一旦轉換成數位格式，信號藉解調器1423解調及藉解碼器1424解碼以獲得於所接收波上的編碼資料。然後，解碼資料發送給控制器1425，其發送該資料給計算系統1440。
數據機1460也包括編碼器1430，其編碼欲自計算系統1440發送的資料。編碼資料藉調變器1431調變，及然後藉數位至類比轉換器(DAC)1432轉換成類比。然後，類比信號藉升頻轉換及高通放大器(BUC)1433過濾及供給雙工器1445的一個埠。於一個實施例中，BUC 1433為戶外單元(ODU)。
以業界眾所周知的方式操作的雙工器1445提供發射信號給天線1401用於發射。
控制器1450控制天線1401，包括在單一組合實體孔徑上的二陣列之天線元件。
注意圖20中顯示的全雙工通訊系統具有多項應用，包括但非僅限於網際網路通訊、車輛通訊(含軟體更新)等。
前文詳細說明的若干部分係以在電腦記憶體內部的資料位元上之操作的演算法及符碼表示型態呈現。此等演算法描述及表示型態為由熟諳資料處理業界人士使用來最有效地傳遞其工作實質給其它熟諳技藝人士的手段。演算法於此處及通常認知為導致期望結果的自我一致的串列步驟。該等步驟為要求實體量之實體處置者。通常，但非必要，此等量呈能夠儲存、移轉、組合、比較、及以其它方式操作的電氣或磁信號形式。主要為了共通使用故，證實方便地偶爾將此等信號稱作為位元、數值、元件、符碼、字元、項、數字等。
然而，須牢記全部此等及類似術語係與適當實體量相關聯，且僅為施加至此等數量的方便標記。除非另行陳述，否則從後文討論顯然易知，須瞭解全文描述中，利用諸如「處理」或「運算」或「計算」或「判定」或「顯示」等術語的討論係指電腦系統或類似的電子計算裝置的動作及處理，其將在該電腦系統的暫存器及記憶體內部表現為實體(電子)量的資料處置及變換成在該電腦系統的暫存器及記憶體或其它此等資訊儲存、發射或顯示裝置內部類似地表現為實體量的其它資料。
本發明也係有關於用於進行此處之操作的設備。此種設備可特別地建構用於要求的目的，或其可包含藉儲存於電腦中的電腦程式選擇性地啟動的或重新組配的通用電腦。此種電腦程式可儲存於電腦可讀取儲存媒體中，諸如，但非限制性，任何類型的碟片包括軟碟、光碟、CD-ROM、及磁光碟、唯讀記憶體(ROM)、隨機存取記憶體(RAM)、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、或適用於儲存電子指令的及各自耦合至電腦系統匯流排的任何類型的媒體。
本文中呈現的演算法及顯示器並非固有地與任何特定電腦或其它設備相關。依據本文教示，各種通用系統可配合程式使用，或其可能證實方便地組構更特化設備以進行要求的方法步驟。用於多種此等系統的要求結構自後文描述中將更為彰顯。此外，本發明並非參照任何特定程式語言描述。顯然可使用多種程式語言以實施如本文描述的本發明之教示。
機器可讀取媒體包括用於儲存或發射呈機器(例如，電腦)可讀取形式的資訊之任何機構。舉例言之，機器可讀取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。
雖然對熟諳技藝人士而言，於研讀前文詳細說明部分之後，本發明之眾多變更及修改無疑地將變成更為彰顯，但須瞭解藉由例示顯示的及描述的任何特定實施例絕非意圖視為限制性。因此，述及各種實施例之細節絕非意圖限制申請專利之範圍，申請專利範圍各項本身只引述被視為主要的本發明之該等特徵。
100、2001-n、20k1-n、400‧‧‧胞元驅動器
101‧‧‧驅動輸入
102‧‧‧ON/OFF輸入
103‧‧‧輸出(OUT)
104‧‧‧接地(GND)
110‧‧‧反相器
111‧‧‧多工器(mux)
120、1213‧‧‧液晶(LC)
200‧‧‧天線陣列控制器
2101-n‧‧‧暫存器
211、301、601‧‧‧矩陣樣式產生器
212‧‧‧驅動產生器
2201-n‧‧‧串列移位暫存器
401‧‧‧記憶體
401A‧‧‧D(資料)輸入
401B‧‧‧LE(閂鎖賦能)輸入
401C‧‧‧Qn輸出
602、603‧‧‧串列暫存器
1205‧‧‧饋入波
1210‧‧‧可調整槽縫
1211‧‧‧輻射補片
1212‧‧‧光圈/槽縫
1230‧‧‧可重新組配共振器層
1231‧‧‧補片層
1232‧‧‧襯墊層
1233‧‧‧光圈層
1236‧‧‧金屬層
1239、1604‧‧‧間隔件
1245、1610、1611‧‧‧接地平面
1280‧‧‧控制模組
1401‧‧‧天線
1402‧‧‧機上盒
1403‧‧‧電視
1421、1422‧‧‧類比至數位轉換器(ADC)
1423‧‧‧解調器
1424‧‧‧解碼器
1425‧‧‧控制耶
1426、1427‧‧‧低雜訊區塊降頻轉換器(LNB)
1430、1445‧‧‧雙工器
1431‧‧‧調諧器
1432‧‧‧數位至類比轉換器(DAC)
1433‧‧‧升頻轉換及高通放大器(BUC)
1440‧‧‧計算系統
1450‧‧‧控制器
1460‧‧‧數據機
1601、1615‧‧‧同軸針腳
1602‧‧‧導電接地平面
1603‧‧‧間隙導體
1605、1612‧‧‧介電層
1606、1616‧‧‧RF陣列
1607、1608‧‧‧側
1609‧‧‧終端
1619‧‧‧RF吸收器
1701‧‧‧列控制器
1702‧‧‧行控制器
1711、1712‧‧‧電晶體
1721、1722‧‧‧天線元件
1731、1732‧‧‧補片
自如下給定的詳細說明部分及自本發明之各個實施例的附圖將更完整瞭解本發明，然而，不應將本發明限於特定實施例，反而僅用於解釋及瞭解目的。 圖1例示一胞元驅動器的一個實施例。 圖2例示一組態實例於該處胞元驅動器經配置以驅動一天線陣列。 圖3例示具有串列移位暫存器以控制胞元驅動器的天線矩陣之一個實施例。 圖4為包括本地記憶體的胞元驅動器之一個實施例的方塊圖。 圖5例示其中胞元驅動器係配置成一矩陣的矩陣組態之一個實施例。 圖6例示具有串列移位暫存器以控制胞元驅動器的天線矩陣之另一個實施例。 圖7例示解碼及輸出驅動器的一個實施例之電路示意圖的一個實施例。 圖8例示具有雙穩態1-位元暫存器的胞元驅動器示意圖的一個實施例。 圖9例示具有電容器1-位元暫存器的胞元驅動器示意圖的一個實施例。 圖10例示輸出電壓作圖之實例。 圖11A例示用以提供圓柱波饋入的同軸饋入之一個實施例的頂視圖。 圖11B例示具有一或多個陣列之天線元件配置成環繞圓柱饋入天線的輸入饋入的同心環的一孔徑。 圖12例示包括一接地平面及一可重新組配共振器層的一列天線元件之透視圖。 圖13例示一可調整共振器/槽縫的一個實施例。 圖14例示實體天線孔徑的一個實施例之剖面圖。 圖15A-D例示用以產生該開槽陣列的不同層的一個實施例。 圖16A例示圓柱饋入天線結構的一個實施例之側視圖。 圖16B例示具有輸出波的天線系統之另一個實施例。 圖17例示矩陣驅動電路相對於天線元件的配置的一個實施例。 圖18例示跨液晶施加以達成PWM灰階的各種電壓波形之訊框時間。 圖19為於電視系統中同時進行雙接收的通訊系統的一個實施例之方塊圖。 圖20為具有同時發射及接收路徑的通訊系統的另一個實施例之方塊圖。

Claims (32)

  1. 一種天線，其包含：一天線元件陣列，其具有多個天線元件且各個天線元件具有一或多個胞元；耦合至該天線元件陣列中之胞元的驅動電路，其用以提供一AC電壓給該等胞元之各者，其中該驅動電路包含複數個胞元驅動器，該等複數個胞元驅動器之每一者在該等胞元之每一者中，其中，該等複數個胞元驅動器之每一胞元驅動器包含一ON/OFF輸入以及一類比多工開關，用以回應於在該ON/OFF輸入所接收到之一ON/OFF控制訊號來選擇性地提供具有一所需頻率之該AC驅動電壓來直接地驅動其相關胞元至一ON態；及用於該等複數個胞元之每一者之本地記憶體，該本地記憶體經耦接以基於針對該各個胞元所儲存之一資料值來以其ON/OFF控制訊號來個別地驅動每一胞元驅動器之該ON/OFF輸入，針對該各個胞元所儲存之該資料值判定該胞元為導通或關閉，該記憶體經耦接以回應於來自一天線控制器之一圖樣產生器之一或多個訊號而驅動該ON/OFF控制訊號至每一胞元驅動器。
  2. 如請求項1之天線，其中該等一或多個胞元包含一液晶(LC)胞元。
  3. 如請求項1之天線，其中該等一或多個胞元包含一MEMS射頻(RF)共振器胞元。
  4. 如請求項1之天線，其中，該開關可操作以回應於一控制信號來提供一第一電壓或一第二電壓給一胞元，該第一電壓為用於該胞元之一ON態電壓，而該第二電壓為用於該胞元之一OFF態電壓。
  5. 如請求項4之天線，其中該第一電壓為一AC電壓而該第二電壓為一接地電壓。
  6. 如請求項1之天線，其中該記憶體及用於該驅動電路的一控制器相對於該陣列中之該等天線元件而被周邊地設置，以共通ON及OFF態電壓用於一組胞元，針對該組胞元該ON態電壓係在一相同頻率。
  7. 如請求項1之天線，其中該等胞元驅動器中之各者包含耦合至開關的該記憶體之一部分，該開關可操作以回應於一控制信號而提供一第一電壓或一第二電壓給一胞元，該第一電壓為用於該胞元之一ON態電壓而該第二電壓為用於該胞元之一OFF態電壓，及進一步其中控制信號為來自該胞元驅動器中之該記憶體之部分的一輸出。
  8. 如請求項7之天線，其中該記憶體之部分包含一閂鎖，其具有：一資料輸入，經耦合以接收用於該胞元驅動器要驅動的該胞元之該資料值，及指示該胞元係在ON態或在OFF態；及一閂鎖輸出，其可操作以將該控制信號輸出以控制該開關。
  9. 如請求項8之天線，其中該等胞元驅動器係配置成一矩陣組態，該驅動電路包含多數列信號及多數行信號，其中該等多數列信號中之個別列信號係耦合至成組胞元驅動器中之閂鎖的賦能輸入，且個別行信號係耦合至成組胞元驅動器中之閂鎖的資料輸入。
  10. 如請求項1之天線，其中該驅動電路包含矩陣驅動電路，其具有藉更新該記憶體中之資料值而被更新的一矩陣。
  11. 如請求項1之天線，其中該電壓為一交流(AC)電壓。
  12. 如請求項1之天線，其進一步包含：一天線饋入，其用以輸入自該饋入同心地傳播之一饋入波；多個槽縫；多個補片，其中該等補片中之各者係使用該等胞元共同設置於該等多個槽縫中之一槽縫上方且與該槽縫分開，而形成一補片/槽縫對，各個補片/槽縫對係基於一電壓施加至由一控制樣式所載明的該對中之該補片而被關閉或導通。
  13. 如請求項1之天線，其中該等天線元件係經控制且可一起操作以形成針對使用於全像術波束操縱中的該頻帶之一波束。
  14. 如請求項1之天線，其中該天線元件之陣列為一可調整之開槽陣列之部分，且其中於該可調整開槽陣列中之元件係位在一或多圈中。
  15. 如請求項14之天線，其中該開槽陣列包含多個槽縫，及進一步其中各個槽縫係經調整而提供於一給定頻率之一期望的散射。
  16. 如請求項15之天線，其中該等多個槽縫中之各個槽縫以相對於衝擊各該槽縫的一中心位置的該圓柱饋入波+45度或-45度取向，使得該開槽陣列包括相對於該圓柱饋入波傳播方向旋轉+45度的一第一集合之槽縫及相對於該圓柱饋入波之該傳播方向旋轉-45度的一第二集合之槽縫。
  17. 一種天線，其包含：一天線元件陣列，其具有多個天線元件，以各個天線元件具有一或多個胞元，其中至少一組天線元件係經控制且可一起操作以形成針對使用於全像術波束操縱中的頻帶之一波束；用於複數個胞元之每一者之記憶體，其用以針對於該天線元件陣列中之各個胞元儲存一資料值以指示該胞元是否於一導通態或一關閉態；具有複數個胞元驅動器之矩陣驅動電路，該等複數個胞元驅動器耦合至該天線元件陣列中之胞元以基於該等各個胞元根據該記憶體中之資料值而在該導通態或該關閉態來提供不同電壓給該等胞元中之各者，該等複數個胞元驅動器之每一者在該等胞元之每一者中，其中，該等複數個胞元驅動器之每一胞元驅動器包含一ON/OFF輸入以及一類比多工開關，用以回應於在該ON/OFF輸入所接收到之一ON/OFF控制訊號來選擇性地提供具有一所需頻率之AC驅動電壓來直接地驅動其相關胞元至一ON態，以及該記憶體對於該等複數個胞元驅動器係本地的，並且經耦接以基於針對該各個胞元所儲存之資料值來以其ON/OFF控制訊號來個別地驅動每一胞元驅動器之該ON/OFF輸入，該記憶體經耦接以回應於來自一天線控制器之一圖樣產生器之一或多個訊號而驅動該ON/OFF控制訊號至每一胞元驅動器。
  18. 如請求項17之天線，其中該等一或多個胞元包含一液晶(LC)胞元。
  19. 如請求項17之天線，其中該等一或多個胞元包含一MEMS射頻(RF)共振器胞元。
  20. 如請求項17之天線，其中，該開關可操作以回應於一控制信號而提供一第一電壓或一第二電壓給一胞元，該第一電壓為用於該胞元之一ON態電壓而該第二電壓為用於該胞元之一OFF態電壓。
  21. 如請求項20之天線，其中該第一電壓為一AC電壓而該第二電壓為一接地電壓。
  22. 如請求項17之天線，其中該記憶體及用於該驅動電路的一控制器係相對於該陣列中之該等天線元件而被周邊地設置，以共通ON及OFF態電壓用於一組胞元，針對該組胞元該ON態電壓係在一相同頻率。
  23. 如請求項17之天線，其中該等胞元驅動器中之各者包含耦合至一開關的該記憶體之一部分，該開關可操作以回應於一控制信號而提供一第一電壓或一第二電壓給一胞元，該第一電壓為用於該胞元之一ON態電壓而該第二電壓為用於該胞元之一OFF態電壓，及進一步其中控制信號為來自該胞元驅動器中之該記憶體之部分的一輸出。
  24. 如請求項23之天線，其中該記憶體之部分包含一閂鎖，其具有：一資料輸入，經耦合以接收用於該胞元驅動器要驅動的該胞元之該資料值，及指示該胞元係在ON態或在OFF態；及一閂鎖輸出，其可操作以將該控制信號輸出以控制該開關。
  25. 如請求項24之天線，其中該等胞元驅動器係配置成一矩陣組態，該驅動電路包含多數列信號及多數行信號，其中該等多數列信號中之個別列信號係耦合至成組胞元驅動器中之閂鎖的賦能輸入，且個別行信號係耦合至成組胞元驅動器中之閂鎖的資料輸入。
  26. 如請求項17之天線，其中該矩陣驅動電路具有藉更新該記憶體中之資料值而被更新的一矩陣。
  27. 如請求項17之天線，其進一步包含：一天線饋入，其用以輸入自該饋入同心地傳播之一饋入波；多個槽縫；多個補片，其中該等補片中之各者係使用該等胞元而共同設置於該等多個槽縫中之一槽縫上方且與該槽縫分開而形成一補片/槽縫對，各個補片/槽縫對係基於一電壓施加至由一控制樣式所載明的該對中之該補片而被關閉或導通。
  28. 一種用於控制具有多個天線元件之一天線的方法，其中該等多個天線元件中之各個天線元件具有一胞元，該方法包含：判定該等多個天線元件中之哪些胞元將於一ON態及於一OFF態；程式規劃用於該等胞元之一本地記憶體之記憶體位置中之資料值，以基於該判定之結果而指示各個胞元係要於ON態或OFF態；並且使用複數個胞元驅動器來基於在該等記憶體位置中經程式規劃的資料值而驅動電壓至該等胞元，該等複數個胞元驅動器之每一者在該等胞元之每一者中，其中，該等複數個胞元驅動器之每一胞元驅動器包含耦接至該本地記憶體之一ON/OFF輸入以及包含一類比多工開關，其中，驅動電壓至該等胞元的步驟包含每一胞元驅動器回應於一ON/OFF控制訊號選擇性地提供具一所需頻率之一AC驅動電壓來直接地驅動其關連胞元至一ON態，該ON/OFF控制訊號係由來自該本地記憶體之該ON/OFF輸入基於該資料值來驅動，該資料值回應於來自一天線控制器之一圖樣產生器之一或多個訊號針對該每一胞元而儲存。
  29. 如請求項28之方法，其中驅動電壓至該等胞元的步驟包含回應於該ON/OFF控制信號而控制該類比多工開關來提供一第一電壓或一第二電壓給於一組胞元中之各個胞元，該第一電壓為用於該胞元的一ON態電壓而該第二電壓為用於該胞元的一OFF態電壓，及進一步其中控制信號係回應於與該胞元相關聯的該記憶體位置中經規劃的一個資料值。
  30. 如請求項29之方法，其中該第一電壓為一AC電壓而該第二電壓為一接地電壓。
  31. 如請求項28之方法，其中程式規劃用於該等胞元之記憶體位置中之資料值之步驟包含設定於多個胞元驅動器中之各者中之一記憶體可操作來驅動電壓至該等胞元，及其中基於在該等記憶體位置中經程式規劃的資料值而驅動電壓至該等胞元的步驟包含於一組該等胞元中之該等胞元驅動器中之各者產生一輸出，該輸出為該控制信號。
  32. 如請求項31之方法，其進一步包含：藉下述步驟循序地程式規劃於成列胞元驅動器中之記憶體列使用一列控制信號選取一矩陣中之一列胞元驅動器，及循序地宣告行控制信號以使得資料要被儲存入於該列胞元驅動器中之各個胞元驅動器的該記憶體內。
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