TWI691116B - 以軟體控制的天線 - Google Patents

Abstract

一種天線陣列，具有輻射元件和延遲線，均設置在一個夾疊材料層上，該夾疊材料層包括可變介電常數材料。以軟體控制該天線不同位置的可變介電常數材料的介電常數值，從而可以軟體改變該天線的操作特性。該夾疊材料層可以是標準的平板顯示器，其中在該平板顯示器上描繪的影像是以一個電腦程式作軟體控制，該電腦程式設計成可以改變該介電常數，從而為天線陣列提供掃描和微調能力。也就是說，根據對天線中不同貼片或饋電線再介電常數特性變化上的特定需求進行編程，以產生不同的影像，就可以用所得到的程式控制該天線陣列的頻率及/或指向性。

Description

以軟體控制的天線

本申請案主張於2016年9月1日申請的美國專利臨時申請案，案號62/382,489、於2016年9月1日申請的美國臨時專利申請案，案號62/382,5056、於2016年12月7日申請的美國專利臨時申請案，案號62/431,393、於2017年1月3日申請的美國專利申請案，案號15/421,388，和2017年7月19日申請的美國專利申請案，案號15/654,643的優先權。上述各案的全部說明內容均併入本案做為參考。

在此所描述的發明是關於RF天線的設計和操作，以及特別涉及具有可以形成定向受控輻射束的輻射元件陣列的天線。本發明也涉及可以產生全向覆蓋及/或3D半球覆蓋的陣列的組合。

現今大部分的通訊是通過無線方式完成的，或至少有部分路徑是無線的。所有無線通訊都需要發射端和接收端的天線。通常可以使用全向天線來完成大部分的傳輸。在這樣的天線中，傳輸功率與距離的立方成反比。因此，為了抵達到多數用戶，與定向天線的發射功率相比，全向天線的發射功率通常相對較高。此外，當多個全向天線同時運作時，例如網路咖啡廳中的多個設備同時運作時，各個傳輸之間可能相互干擾，或至少會降低該環境中的傳輸和接收品質。

移動設備的另一個趨勢是由金屬塊（例如鋁）製成，使得設備大部分的主體可能會阻擋RF輻射。因此，天線的放置方式非常受限。此外，由於移動設備通常使用多種無線通信協議，所以一個移動設備可能需要使用數個天線，且每個天線設計用於特定協議，例如WiFi、藍牙、NFC等所適用的頻率。由於移動設備上可以用來配置元件的面積稀少珍貴，因此設計和放置多數的天線在設備內部非常困難。

本發明的發明人在先前提出的專利申請案中，已經公開一種天線，可以利用可變的介電常數來控制該天線的特性。關於該天線的詳情可以參考美國專利案號US 7,466,269，其全部揭示內容可以併入本案做為參考。本發明基於上述‘269專利中公開的基本元素，並提供進一步的改進和技術特徵。

以下發明簡述提供作為對本發明數種面向及技術特徵之基本理解。發明簡述並非對本發明之廣泛介紹，也因此並非用來特別指出本發明之關鍵性或是重要元件，也非用來界定本發明之範圍。其唯一目的僅在以簡單之方式展示本發明之數種概念，並作為以下發明詳細說明之前言。

本發明公開了一種以軟體控制的天線。根據本發明一些實施例，是將天線陣列印刷或沉積在夾疊的材料層上，該材料層包括可變介電常數的材料。利用軟體控制天線上的多數點上的可變介電常數材料的介電常數值，就可通過軟體改變天線的運作特性。該夾疊的材料層可為標準的平板顯示器，其中在平板顯示器上描繪的影像，是利用一種設計用來改變該介電常數的電腦程式進行軟體控制，藉此就可以提供對該天線陣列提供掃描和微調的能力。也就是說，該天線陣列上不同的貼片或饋電線下的對應像素點的介電特性，根據特定的需求會需要有對應的變化。只要將各個影像根據該特定需求的變化進行編程，就可以用所得到的程式控制該天線陣列的頻率及/或指向性，並可控制該天線所發射的輻射束的方向（即實現天線的電子轉向）。

當天線對用戶為不可見時，例如當天線位於WiFi熱點內時，天線陣列可以使用例如銅、鋁等金屬導體製成。相反地，當天線是可見的且平板顯示器的可視性是重要考慮時，例如配置在移動設備中時，天線陣列可以使用例如ITO、AZO等透明導體製成。當然，透明導體也可以使用於不可見的天線，且金屬導體也可以與可見的天線一起使用。

由本發明公開的實施例所提出的一種解決方案是將RF饋送到輻射元件。由於輻射貼片和延遲線是設置在一片可變介電常數材料上，該可變介電常數材料在操作期間可以改變其介電常數值。所以將RF信號耦接到貼片和延遲線時，需要以對介電常數的改變「屏蔽」的方式進行。

根據本發明所公開的實施例，乃是提供了一種天線，該天線包含：一個LCD屏幕，該LCD屏幕具有一個共用接地接點、多個可編址的像素接點，以及一層頂部介電質層；一個輻射元件陣列，配置在該頂部介電質層上；多條導電延遲線，每條連接到該輻射元件中的一個；以及一個傳輸饋送，設置在該LCD屏幕下方並與該延遲線耦接。一個控制器耦接到該共用接點以及每個可編址的像素接點。該控制器是預編程為可激活該像素控制接點中的選定接點，以改變該輻射元件的空間指向性。

本發明公開的實施例也提供一種多層天線，包含：一層頂部介電質層、一層底部介電質層、一層夾置在頂部介電質層和底部介電質層之間的可變介電常數材料層、多片導電電極，定義位在該可變介電常數材料內的像素、一個共用接地電極、至少一片輻射貼片，設置在該頂部介電質層上，每片輻射貼片具有耦接到該輻射貼片的相應延遲線、一條饋電線，設置在該底部介電質層下方、以及射頻（RF），耦接在該饋電線與該延遲線之間。該耦接可為一條導線，通過在該共用接地電極中所形成的相應窗口。

本發明的實施例也提供一種無線接入點，該無線接入點包含：一具收發器； 一個天線陣列，包含一個LCD屏幕，該LCD屏幕具有一個共用接點、多個像素控制接點和一層頂部介電質層，一個輻射元件陣列，設置在該頂部電介質層的頂部上，以及多條延遲線，每條延遲線連接到該輻射元件中的一個；多條饋電線，以其一端連接到該收發器，並以另一端連接到該延遲線中的一條；以及一個控制器，耦接到該共用接點，並連接到各個像素控制接點，該控制器經預編程，以激活該像素控制接點中的選定接點，以改變該多個輻射元件的空間指向性。

本發明另一個面向為一種用於操作天線的方法，包含：掃描一個輻射錐，該輻射錐由該天線的輻射元件所形成；使用在該掃描期間接收到的傳輸，以識別每個起始傳輸在空間中的特定位置；根據該起始傳輸識別未授權傳輸的位置；控制該天線對該未授權傳輸的方向呈現無訊區（null）；以及控制該天線以使該輻射錐轉向而朝向經授權的傳輸的方向，以執行與該經授權的傳輸的定向通信。該掃描輻射錐的步驟可以通過施加電壓以改變在天線的延遲線下呈現的介電常數加以執行。可選用對每個經授權的傳輸，識別其發射設備並確定該設備的網路和接入規則，以及將該網路和接入規則應用到所識別的設備所傳送的通信上，從而形成一個「射頻防火牆」的步驟。

以下參照附圖說明本發明的天線的數種實施例。不同的實施例或其組合可以提供在不同的應用或實現不同的優點。根據所要實現的結果，可以將本說明書所公開的不同技術特徵全部或部分利用，也可以單獨使用或與其他技術特徵結合使用，從而在需求與限制之間，求得平衡的優點。因此，參考不同的實施例可能會突顯特定的優點，但並不限於所公開的實施例。也就是說，本說明書公開的技術特徵並不限於應用在所描述的實施例，而是可以與其他技術特徵「組合和配合」，並結合在其他實施例中。

圖1顯示根據本發明以軟體控制的天線一種實施例的橫截面。在圖1中，具有可變介電常數材料的多層天線是以具有可變介電常數（VDC）的材料構成。例如可以為夾設在頂部介電質層115和底部介電質層110之間的液晶層105。通過從電壓電位源130施加電壓到期望的接點120來控制液晶層中的液晶。該接點120則定義該多層天線中的像素。在這種設計下，接點120乃形成可編址的接點，使因此可以由處理器對每個接點進行個別的編址。該電壓電位源的接地電位耦接到底部共用接地電極125。天線包含一個輻射元件陣列，例如貼片135形成的陣列。貼片135通過延遲線140互連。貼片135和延遲線140都配置在頂部介電質層115上。

在本發明一個示例中，該介電質層110和115中的一個或兩個是由以Rogers®（FR-4印刷電路板）或以PTFE為基底的材料製成，且該延遲線140、輻射貼片135及/或共用接地電極125可能都是形成在Rogers上的導體。在不使用Rogers的情況下，也可以使用PTFE（聚四氟乙烯或聚四氟乙烯）、PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯），或其他低功耗材料。

本發明的發明人已經發現，如果可以從多層天線下方提供RF饋送，則可以實現改進的功效。事實上，發明人已經發現，如果RF饋送從共用底部接地電極125的下方耦接，則可以獲得更好的效果。如本發明的發明人所見，將饋電線設置在共用接地的下方有助於隔離來自延遲線的RF饋送，以及施加到VDC層的DC或AC電壓。圖1顯示本發明的饋送方式的一種實施例。在此實施例中，饋送是從VDC層的下方，且從共用接地電極125的下方提供。如圖1所示，RF Tx / Rx（收發器）150的接地側耦接到共用接地電極125。然而，信號側則是連接到設置在介電質層110的底部上的饋電電極155。上述的耦接可以由例如連接到同軸連接器160的同軸電纜162來實現。在本實施例中，在整個夾疊結構中形成通孔，包括形成在共用接地電極125、頂部介電質層115和底部介電質層110，以及VDC層105中的孔洞或窗口，以供饋電電極155連接到延遲線140。由於使用如上所述的配置，來自電源130的信號可以與Tx / Rx 150的RF信號隔絕或解耦合，且可變介電常數材料105的介電常數發生變化時，並不會影響在饋電電極155中行進的信號，而只會影響在延遲線140和輻射貼片135中行進的信號。

使用軟體，利用向相關像素施加電壓的方式可以改變在貼片135正下方區域中的可變介電常數材料的介電常數值，從而控制該貼片的頻率匹配。以類似的方法也可以利用控制施加到延遲線140下方的像素的電壓值，而改變陣列的空間方指性或信號的旋轉極性。但不論如何，所進行的操作都只會作用於通過相關部分傳播的信號，亦即在輻射貼片135或延遲線140上傳播的信號，而不會影響在饋電電極155上行進的信號。

因此，根據本發明的實施例，乃是提供一種多層天線，該多層天線包含：一層頂部介電質層、一層底部介電質層、一層夾置在頂部介電質層和底部介電質層之間的可變介電常數材料層、多片導電電極，定義位在該可變介電常數材料層內的像素、一個共用接地電極、至少一片輻射貼片，設置在該頂部介電質層上，每片輻射貼片具有耦接到該輻射貼片的相應延遲線、一條饋電線，設置在該底部介電質層下方、以及射頻（RF），耦接在該饋電線與該延遲線之間。該耦接可為一條導線，通過在該共用接地電極中所形成的相應窗口。

從圖2可以更清楚看出上述結構。圖2是一個俯視圖，顯示一種根據本發明的天線，包括一個2x2陣列的輻射元件235及延遲線240，均設置在頂部介電質層215上方。圖2的實施例的橫截面類似於圖1的橫截面，不同之處在於圖2的實施例只在圓圈265標記的位置中提供單一通孔，以及對設置在介電質層210下方的饋電電極提供一個接點，但該接點與饋電電極在此視圖中無法顯示。在該實施例中，該單一的接觸通孔是選擇為設置於陣列和饋電線的幾何對稱中心。在圖2的特定示例中，通孔位置提供180度的旋轉對稱性；然而，也可以使用其他的旋轉對稱角度，例如30度、90度等。

如果是在幾何中心處提供通孔，則信號可以通過所有陣列元件均勻傳播。如此即可使用向不同的像素施加電壓的方式來控制天線的運作特性，以改變像素位置處的液晶的朝向。例如，如果將相同的電壓施加到位於所有貼片235的正下方的像素，就可以改變貼片235的諧振頻率，從而改變天線的運作頻率。另一方面，如果在延遲線下施加不同的電位，就可以使所產生的輻射錐轉向，從而將天線轉向到空間中的特定位置，也可用來掃描天線，而不須使天線作物理上的移動/轉動。也就是說，延遲線下的介電常數的變化會導致信號的傳播在該延遲線中發生延遲，從而導致輻射信號中的相位移。

在在圖3中顯示本發明另一個特徵。圖中的延遲線形成曲折的導電線，以便能夠在延遲線上實現更寬的控制範圍。特別是在所能利用的面積狹窄，而必須將貼片緊密相靠而包裝在一起時，可以擴大可控制的範圍。圖3的天線相當類似於圖2的天線，不同之處在於圖3中每條延遲線340是形成曲折的導線，使其長度可以覆蓋更多的像素。在這種設計下，可以使用較多的像素來控制整條延遲線長度上的介電常數。

在前述的實施例中，所有延遲線都是連接在一起，並從單一的饋電點饋送。但是這種設計並非任何技術限制。例如，在圖4的實施例中，每條曲折的延遲線都具有相應的饋電接點465，而通過對應的耦接，連接到饋電線。在這種配置中，如果例如將所有的饋電線互連，就可以在天線的夾疊結構之下使來自輻射貼片的信號累積。據上所述，本實施例是提供一種多層天線，該多層天線包含：一層頂部介電質層、一層底部介電質層、一層可變介電常數材料層，夾置在該頂部介電質層和該底部介電質層之間、多片導電電極，定義位在該可變介電常數材料內的像素、一個共用接地電極、至少一片輻射貼片，設置在該頂部介電質層上，每片輻射貼片具有耦接到該輻射貼片的相應延遲線、一條饋電線，設置在該底部介電質層下方、以及射頻（RF），耦接在該饋電線與該延遲線之間。

圖5是根據本發明又一實施例的天線橫截面。圖5的實施例類似於圖1的實施例，不同之處在於輻射貼片535和延遲線540是分別設置在天線的多層結構的不同層次上。具體而言，覆蓋絕緣層517是設置在頂部介電質層515的上方。覆蓋絕緣層517可以是玻璃、PET、Rogers、PTFE等材質。延遲線540設置在頂部介電質層515和覆蓋絕緣層517之間。輻射貼片535設置在覆蓋絕緣層517的上方。在覆蓋絕緣層517中也設置孔洞，使得接點519可以將延遲線540電連接到各自的對應輻射貼片535。

圖6顯示根據本發明多層天線另一個實施例中，一個輻射元件的位置處的橫截面。圖6所顯示的結構可以根據需要的輻射元件數量重複多個，以形成陣列。從以下對圖6的描述並參考圖7，可以更清楚理解該實施例的結構和操作。圖7顯示圖6實施例的頂部「透明」視圖。圖6顯示該天線在輻射元件635位置處的相關部分的橫截面。圖7則提供適用於本說明書所描述的所有實施例的頂部「透明」視圖，包括圖6的實施例。因此，在研讀本說明書公開的任何實施例時，應請一併參考圖7，以獲得更清楚的理解。

覆蓋絕緣層617通常為介電質（絕緣）板或介電質片的形式，並且可以由例如玻璃、PET、PTFE、Rogers等材質製成。輻射貼片635是利用例如粘附導電膜、濺射、印刷等方式，形成在該覆蓋絕緣層617上。通孔形成在該覆蓋絕緣層617中，對應於每個所要形成的貼片的位置，並且以例如銅等導電材料填充，以形成接點619，而與輻射貼片635形成物理上及電氣上的連接。延遲線640形成在覆蓋絕緣層617的底部表面上（或頂部介電質615的上表面上，藉以提供上層粘合層的作用），並且與接點619形成物理上及電氣上的連接。換言之，從延遲線640到輻射貼片635之間是藉由接點619形成連續的DC電性連接。與以上的實施例相同，該延遲線640也可以是曲折的導電線，並且可以形成任何形狀，以便提供足夠的長度以產生期望的延遲，從而在RF信號中產生期望的相位移。

延遲線640中的延遲是由具有可變介電常數的材料605的可變介電常數板（VDC板）602控制。雖然適用於各天線實施例的VDC板602可以任何方式建構，但是在特定的實施例中，一種適用的簡化方式是使該VDC板602由上部粘合層615（例如玻璃、PET等）、可變介電常數材料層605（例如，扭曲向列型液晶層）以及底部粘合層610所構成。在其它實施例中則可以省略粘合層615和610中的一層或兩層。另一種替代的作法是使用例如環氧樹脂或玻璃珠墊片等形式的粘合劑層，代替該粘合層615及/或610。

在本發明一些實施例中，例如在使用扭曲向列型液晶層時，該VDC板602也可以包含一層對準層，該對準層可以沉積及/或膠合的方式，形成到該覆蓋絕緣層617的底部上，或可以形成在該上部粘合層615上。該對準層可以是一層薄層材料，例如聚酰亞胺類的PVA，以刮擦或以紫外線固化的方式加工，以便在限制用基板的邊緣處對準排列LC的分子。

該VDC板602的有效介電常數可以利用在VDC板602上施加DC電位的方式控制。為提供DC電位，需形成電極並將電極連接到可控電壓電位。形成該電極的方式有許多種，而在圖6中所顯示的配置方式就是其中一種示例。在這種配置中是提供兩個電極620，互相緊鄰，並以該兩個電極定義一個像素。圖中顯示其中一個電極620與可變電壓電位641連接，而另一個電極620則與接地電位連接，作為一種示例。另一種替代方案則是如圖中的虛線所示，使另一個電極620也連接到可變電位649。因此，只要改變可變電位641的輸出電壓及/或可變電位649的輸出電壓，就可以改變在電極620附近的VDC材料的介電常數，從而改變在延遲線640上行進的RF信號。改變可變電位641的輸出電壓及/或可變電位649的輸出電壓的操作可以使用控制器Ct1執行軟體的方式完成。該軟體執行後可使控制器輸出適當的控制信號，用來將該可變電位641的輸出電壓及/或可變電位649的輸出電壓設定成適當值。以上述方式達成以軟體控制該天線的性能和特性的目的，從而實現以軟體控制的天線。

在此應該說明的是，在本說明書所使用的術語「接地」或「地電位」，是指通常可接受的接地電位，即大地電位。但也可以是一個共用電位或一個參考電位。可以是設定的電位，也可以是浮動的電位。與此類似，雖然圖式中使用地電位的符號，但這只是為簡化顯示的目的，該符號是用來表示地電位或一個共用電位，兩者可替換使用。因此，在本說明書所稱的「接地」或「地電位」，都包含共用電位或參考電位的概念，並涵蓋設定電位與浮動電位的情形。

所有的RF天線都一樣，接收和發送都是對稱的。因此，對於兩者之一的描述也同樣適用於另一者。在本專利說明書中，主要的說明內容是針對發送，但是相同的說明也適用在接收，只是兩者方向相反而已。

在傳輸模式中，RF信號經由連接器660（例如同軸電纜連接器）施加到饋電線655。如圖6所示，在該實施例中，饋電線655與延遲線640之間並沒有DC電氣連接。然而，在本實施例中，材料層的結構是設計成在饋電線655與延遲線640之間提供一個RF短路。如圖6所示，共用接地電極625形成在背面絕緣層（或介電質層）612的頂部表面或底部粘合層610的底部表面上。該共用接地電極625通常是一層導體層，覆蓋該天線陣列的整個區域。而該共用電級625在每個RF饋送位置上設置一個窗口（DC斷開）623。RF信號從饋電線655開始行進，通過窗口623，並且電容耦接到延遲線640。而在接收過程中， RF信號則以相反的方向行進。因此，在延遲線640和饋線655之間形成DC開路和RF短路。

在本發明一個示例中，該背面絕緣層612是由Rogers®（FR-4印刷電路板）製成，且饋電線655可以是形成在Rogers上的導線。如果不使用Rogers，可以使用PTFE（聚四氟乙烯或Teflon®）或其他低損耗材料。

為了進一步了解本發明所公開的實施例的RF短路（也稱為虛擬扼流圈）設計，請參考圖7。應該注意的是，在不同圖式中類似的元件會使用相同的元件符號，但首位數字不同。例如在圖7中的元件就會使用7xx系列的符號。此外，圖7所顯示的是有兩條延遲線740連接到單一輻射貼片735的實施例。在這種實例中，各條延遲線可以攜帶不同的信號，例如以不同極性代表的信號。以下的說明將僅描述該延遲線中的一條，因為另一條延遲線可能具有相似的結構。

在圖7中所示的輻射貼片735是通過接點719與延遲線740形成DC電連接。因此，在本實施例中，RF信號是經由接點719直接從延遲線740傳送到輻射貼片735。不過，在饋電線755和延遲線740之間並不產生DC連接；反而是使RF信號在饋線755和延遲線740之間形成電容耦接。該電容耦接的方式是以在共用接地電極725中形成開口的方式完成。與圖6所示的情形相同，VDC板602是位於延遲線640的下方，但是在圖7中並沒有顯示，原因是要簡化圖式以使讀者更清楚理解該RF短路的特徵。該共用接地電極725的部分是由陰影線標記表示，同時也顯示出其間有窗口（DC斷開）723。因此，在圖7的實施例中，RF路徑是從輻射貼片735到接點719，再到延遲線740，最後以電容形式穿過窗口723，達到饋電線755。

為了有效耦接RF信號，該窗口723的長度（以「L」表示）應設定成在饋電線755中行進的RF信號波長的大約一半，即λ/ 2。窗口的寬度（以「W」表示）應設定成波長的十分之一，即λ/ 10。另外，為了有效耦接RF信號，該饋電線755延伸超過窗口723的邊緣，超過部分（以「D」表示）大約為四分之一波長(λ/ 4)。與此類似，該延遲線740的末端（與接點719相對的端部）也延伸超過窗口723的邊緣，超過部分（以「E」表示）為四分之一波長(λ/ 4)。宜請注意，圖中顯示長度D比長度E為長，這是因為在饋電線755中行進的RF信號的波長會比在延遲線740中行進的信號波長更長。

另請注意，在本說明書中所稱的波長λ，都是表示信號在相關介質中行進時的波長。而該波長在天線中的不同介質中傳播時，可能會根據介質的設計以及施加到該天線的可變介質材料的DC電位不同，而產生改變。

圖8顯示一種可以使用任何本發明所公開的實施例構成的全向可轉向天線。該天線包括四個側面或小平面，其中每個側面包括一個2×4陣列的輻射元件835，互相以延遲線840連接。每個小平面的結構，包括該輻射元件835、該延遲線840和該饋電線，都可以使用本發明所公開的任何實施例來完成。通過控制每條延遲線下方的介電常數，每個小平面的輻射錐就可以在空間中轉向。 因此，只要控制所有四個小平面，該天線就可以在天線周圍的任何方向上，選擇發射的方向和選擇接收的方向。例如，可以將天線導向以與用戶A和B進行定向通信，但對未授權的用戶C呈現無訊區（null），從而防止用戶C進入系統。

在建構根據本發明所公開的實施例的天線時，該可變介電常數夾疊材料層只要使用LCD就可以實現。當然，在應用在無法看見的LCD的情形，例如WiFi接入點、基地台等，該LCD可能僅是黑白顯示器，亦即可以省略彩色濾光片層。此外，標準LCD所使用的發光元件和極性化元件也可以省略，因為這兩者對天線陣列的頻率匹配或空間掃描並無貢獻。此外，如果天線不須外露，則該貼片和該饋電線可以由例如銅和鋁的不透明金屬製成。當天線設計成外露時，則該貼片和該饋電線可以由例如ITO、AZO等透明導體製成。

在上述設計下，本發明的一個實施例可以簡單描述成提供一種天線，該天線包含：一個LCD屏幕，該LCD屏幕具有一個共用接地接點、多個可編址的像素接點，以及一層頂部介電質層；一個輻射元件陣列，配置在該頂部介電質層上；多條導電延遲線，每條連接到該輻射元件中的一個；以及一個傳輸饋送，設置在該LCD屏幕下方並與該延遲線耦接。一個控制器耦接到該共用接點以及每個可編址的像素接點。該控制器是預編程為可激活該像素控制接點中的選定接點，以改變該輻射元件的空間指向性。

使用軟體控制以掃描平面天線陣列，就可以實現在空間上的二維掃描。因此，這種天線陣列可以用作例如平面衛星電視天線。該天線可以放置在屋頂上，使其從地面無法看見。由於陣列的空間方向性可以使用軟體進行電氣控制，所以不須與傳統的碟形天線一樣，以機械方式控制而對準衛星。與傳統天線不同的是，本發明的天線可以使用改變施加到該可變介電層的電極的電壓的方式（亦即，如果是使用LCD，則是改變投射在LCD屏幕上的影像），以電氣方式掃描天線來尋找衛星，直到達到最佳接收效果時為止。

由於移動設備的普及化，傳統的無線接入點（例如WiFi接入點）都會負載具干擾性的傳輸。具體來說，由於標準接入點使用全向天線，所以接入點是對所有的方向進行信號的發送和接收。因此，在傳送信號時，接入點必須使用較高的能量。這是因為傳輸的能量與對全向天線的距離立方成反比。此外，接入點的傳輸信號中更加入了來自多個移動設備（智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦）的干擾，每個移動設備又使用全向天線來干擾其他人的設備。

使用圖8所示的實施例可以製造出能向特定方向發送信號，且能從特定方向接信號的接入點。也就是說，在傳送信號到特定裝置之前，可以先改變該VDC板的電極的電壓，以將天線對準到目標裝置。由於傳輸是以高頻率進行，並且由於天線可以電子方式掃描，所以該天線在每次發送信號到相對於該接入點位於不同空間位置的不同移動設備時，都可以重新定向。

此外，如圖8所示，該天線可以使用多個陣列，且每個陣列都可以分別控制，因為VDC板上的每個像素都可以單獨控制。此外，雖然在圖8中顯示使用四個單獨的陣列放置在四個單獨的小平面上，但該天線也可以其他方式配置。例如連成三角形的三個小平面、連成五邊形的五個小平面等方式。以這種方式可將每個陣列指向到專屬的空間區域，並且使所有的陣列共同覆蓋該接入點周圍的全部360度方向。

此外，本發明的以軟體定義的天線系統可以提供一個顯著的優點，就是可以提供可遵循特定法規，安全機制以及接入到無線通信，例如WiFi接入點的解決方案。例如，由於天線可以掃描以覆蓋全部360度方向，所以可以提供動態的創建3D地圖，以定義用戶環境、干擾信號和入侵設備的能力。只要適當地操作該陣列的相位化陣列掃描能力，使用該天線的系統就可以識別並特定出空間中未經授權的用戶設備，例如入侵的設備，檢查其特性，並判斷應否取消該設備連接該網路的能力，例如在空間中創建一個無訊區，之後尚可追蹤並排除該入侵設備連接該網路。這種方式實質上就是在信號波–連接埠的層次，創建一道無線防火牆。此外，該系統也可在有需要時識別在該天線周圍的空間中每個位置上的各個已經授權的用戶設備（例如辨識其MAC位址），並且確定特定用戶設備所可接入的網路，以及所適用的接入權限等級。例如，適用於員工的網路與接入權限與適用於公司訪客網路與接入權限可能不同。但本發明的系統則可根據個別Tx / Rx在空間中的位置，判斷所應適用的網路與接入權限。由於本發明以軟體定義的天線能夠掃描並追蹤用戶設備，形成定向波束和無訊區，因此可以使每個經識別的用戶都能遵守網路與接入權限。

圖9顯示一種方法實施例的流程圖，該方法是利用根據本發明所示的任何一種實施例的以軟體控制的天線的方法。在步驟901開始之後，系統先於902進行天線的掃描。該掃描步驟是以例如施加電壓以改變該天線的延遲線下方所呈現的介電常數的方式執行。於903，該系統使用在掃描期間所接收到的傳輸，識別每個傳輸來源在空間中的特定位置。該系統然後在步驟904從識別所得的傳輸集合中，判斷未經授權的傳輸來源的位置。該系統然後在步驟905控制該天線對判斷為未授權的方向呈現無訊區（null）。其後該系統於步驟907控制天線以使波束指向經授權的設備的方向，以執行與每個經授權的傳輸來源的定向通信。虛線所示的步驟906為可選用步驟。在該步驟中系統逐一識別所偵測到的發射設備，並判斷各個設備所應使用的網路與接入權限。之後，該系統即對所辨識的設備適用判斷結果的網路與接入權限，而開始進行通信。

圖10是一個方塊圖，顯示將任何本發明所公開的實施例的天線配置在標準IEEE 802.11N接入點的狀況。標準接入點的結構和元件在已知技術中已是眾所皆知，在此即無庸贅述。在圖10所示的應用例中，原有的標準天線已經由本發明以軟體定義的天線代替。此外，微處理器(MPU）已經編程為可提供所需的電壓，以引導天線轉向，或改變輻射貼片的諧振頻率。

根據以上的說明，本發明的實施例可以簡要描述成提供一個無線接入點，該無線接入點包含：一具收發器； 一個天線陣列，包含一個LCD屏幕，該LCD屏幕具有一個共用接點、多個像素控制接點和一層頂部介電質層，一個輻射元件陣列，設置在該頂部電介質層的頂部上，以及多條延遲線，每條延遲線連接到該輻射元件中的一個；多條饋電線，以其一端連接到該收發器，並以另一端連接到該延遲線中的一條；以及一個控制器，耦接到該共用接點，並連接到各個像素控制接點，該控制器經預編程，以激活該像素控制接點中的選定接點，以改變該多個輻射元件的空間指向性。

以上的說明已經描述多種本發明實施例，其中對個別實施例的說明分別描述某些技術特徵和組成元件。然而應當理解的是，使用在一個實施例中的技術特徵和元件，都可以與其他實施例中的其他技術特徵和元件一起使用，並且對於實施例的說明目的只是在涵蓋可能的實施方式；雖然並非明確描述所有的組合，但原因是為了避免雜亂。

此外，本文中關於連接和耦接使用的術語涵義如下：連接是指一個部分直接連接到另一部分，而耦接則是指在兩個部分之間可能存在中介元件。此外，應當理解的是，DC連接的意義類似於DC短路，是指一個導體在物理上接觸另一個導體，以使DC電流可以流通。然而，RF耦接則未必需要有兩個導體物理上形成接觸。一個有效的例子是兩片電容板；DC電流並無法通過這兩片電容板傳輸，但卻可以用來傳輸AC和RF。

應當理解的是，本說明書所描述的程序和技術並非必然與任何特定裝置相關，並且可以通過各種元件的任何合適的組合來實現。此外，可以根據本說明書的教導，使用各種類型的通用設備達成本發明。本發明已經根據具體的實施例描述如上，但說明內容無論如何都只是在說明，而不是用來限制本發明。本領域技術人員都可理解，許多不同的組合方式都可適用於實施本發明。

此外，只要閱讀本件專利說明書並實踐說明書所記載的發明，本發明的其他實施方式對於此行業人士即屬顯而易見，而能推知。因此，本專利說明書及其實施例的說明，目的僅是示例，不得用以限制本發明之範圍。本發明的真實範圍應由以下的申請專利範圍所規範。

105、505‧‧‧液晶層 110、510‧‧‧底部介電質層 115、215、515‧‧‧頂部介電質層 120、519、520、619、719‧‧‧接點 125、525、625、725‧‧‧接地電極 130、530‧‧‧電壓電位源 135、535、635、735‧‧‧貼片 140、240、340、440、540、640、740、840‧‧‧延遲線 150、550‧‧‧RF Tx/Rx收發器 155、555‧‧‧饋電電極 160、560、660‧‧‧同軸連接器 162、562‧‧‧同軸電纜 235、335、435、835‧‧‧輻射元件 265、365‧‧‧圓圈 465‧‧‧饋電接點 517、617‧‧‧覆蓋絕緣層 602‧‧‧可變介電常數板 605‧‧‧可變介電常數材料 610‧‧‧底部黏合層 612‧‧‧背面介電質層 620‧‧‧電極 623、723‧‧‧窗口 641‧‧‧可變電壓電位 649‧‧‧可變電位 655、755‧‧‧饋電線

附隨之圖式為本說明書所包含並構成本說明書之一部份。該等圖式例示本發明之實施例，並與發明說明共同解釋並描述本發明之原理。該等圖式之目的在於以圖表之形式描述例示實施例之主要特徵。該等圖式並非用以描述實際實施例之每一特徵或描述所示構件之相對尺寸比例，亦非按照比例描繪。

圖1顯示根據本發明以軟體控制的天線一種實施例的橫截面圖。 圖2顯示根據本發明以軟體控制的天線一種實施例的俯視圖。 圖3顯示根據本發明以軟體控制的天線另一種實施例的俯視圖。 圖4顯示根據本發明以軟體控制的天線再一種實施例的俯視圖。 圖5顯示根據本發明以軟體控制的天線又另一種實施例的橫截面圖。 圖6顯示根據本發明以軟體控制的天線又另一種實施例的一個輻射元件的橫截面。 圖7顯示圖6實施例的頂部「透明」視圖。 圖8顯示根據本發明一種實施例的全向可轉向天線示意圖。 圖9顯示一種方法實施例的流程圖，該方法是利用根據本發明所示的任何一種實施例的以軟體定義的天線的方法。 圖10是一個方塊圖，顯示將任何本發明所公開的實施例的天線配置在標準IEEE 802.11N接入點的狀況。

105‧‧‧液晶層

110‧‧‧底部介電質層

115‧‧‧頂部介電質層

120‧‧‧接點

125‧‧‧接地電極

130‧‧‧電壓電位源

135‧‧‧貼片

140‧‧‧延遲線

150‧‧‧RF Tx/Rx收發器

155‧‧‧饋電電極

160‧‧‧同軸連接器

162‧‧‧同軸電纜

Claims (20)

1. 一種天線，該天線包括：一個可變介電常數(VDC)材料板，包括一層頂部介電質層、一層底部介電質層、以及夾置在頂部介電質層和底部介電質層之間的可變介電常數材料層；一個共用接地電極，設置在該VDC板下方；多數的可編址接點，設置在該VDC板上，其中每個可編址接點定義一個像素，且設置成可對該像素所在位置處的VDC材料上施加電場；至少一個輻射元件，設置在該VDC板上；至少一條延遲線，設置在該VDC板上，其中該至少一個輻射元件的每一個以RF耦接到該延遲線中的至少一條；至少一條導電饋電線，設置在該VDC板下方並耦接到該至少一條延遲線；其中該共用接地電極包括至少一個窗口，且其中該至少一條導電饋電線中的每一條通過該窗口，而耦接到一條相應的延遲線；且其中該窗口的長度為在該饋電線中行進的RF信號波長的一半，且其寬度為在該饋電線中行進的RF信號波長的十分之一。
2. 如申請專利範圍第1項的天線，其中該至少一條導電饋電線通過形成在該共用接地電極中的窗口而耦接到該至少一條延遲線。
3. 如申請專利範圍第1項的天線，其中該至少一條導電饋電線藉由一個接點耦接到該至少一條該延遲線，該接點穿過一個形成在該共用接地電極中的窗口。
4. 如申請專利範圍第1項的天線，另包含一層覆蓋絕緣層，設置在該VDC層上，且其中該至少一個輻射元件是設置在該覆蓋絕緣層上。
5. 如申請專利範圍第4項的天線，其中該至少一條延遲線設置在該覆蓋絕緣層的下方。
6. 如申請專利範圍第5項的天線，另包含一個通孔，形成在該覆蓋絕緣層中，用以將該至少一條延遲線耦接到相應的至少一個輻射元件。
7. 如申請專利範圍第1項的天線，其中該至少一條延遲線中的每一條形成為曲折線。
8. 如申請專利範圍第1項的天線，其中該至少一條延遲線包含多條延遲線，且其中該多條延遲線的小群組中的延遲線是以導線相互連接。
9. 如申請專利範圍第8項的天線，其中該至少一條導電饋電線耦接到該導線。
10. 如申請專利範圍第9項的天線，其中該至少一條導電饋電線是在該導線的幾何中心處耦接到該導線。
11. 如申請專利範圍第1項的天線，其中該VDC材料包括液晶材料。
12. 如申請專利範圍第1項的天線，其中該頂部介電質層與該底部介電質層中至少一者包含Rogers、PTFE(聚四氟乙烯)或PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)。
13. 如申請專利範圍第4項的天線，其中該覆蓋絕緣層包括玻璃、Rogers、PTFE(聚四氟乙烯)或PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)。
14. 一種天線，該天線包括：一個可變介電常數(VDC)材料板，包括一層頂部介電質層、一層底部介電質層、以及夾置在頂部介電質層和底部介電質層之間的可變介電常數材料層；一個共用接地電極，設置在該VDC板下方；多數的可編址接點，設置在該VDC板上，其中每個可編址接點定義一個像素，且設置成可對該像素所在位置處的VDC材料上施加電場；多數輻射元件，設置在該VDC板上；多數延遲線，設置在該VDC板上，其中每個輻射元件以RF耦接到該延遲線中的至少一條；多數導電饋電線，設置在該VDC板下方，其中該多數導電饋電線中的個別導電饋電線以RF耦接到該多數延遲線中的一條；其中該共用接地電極包括多個窗口，且其中該多條導電饋線中的每一條通過該多個窗口中的一個，而耦接到一條相應的延遲線；且其中每個窗口的長度為在該饋電線中行進的RF信號波長的一半，且其寬度為在該饋電線中行進的RF信號波長的十分之一。
15. 如申請專利範圍第14項的天線，其中該多個輻射元件中的每一個耦接到該多條延遲線中的兩條。
16. 如申請專利範圍第14項的天線，其中該饋電線的終端延伸超過該窗口一個距離D，該距離D大約為在該饋電線中行進的RF信號波長的四分之一。
17. 如申請專利範圍第16項的天線，其中該延遲線的終端延伸超過該窗口一個距離E，該距離E大約為在該延遲線中行進的RF信號波長的四分之一。
18. 如申請專利範圍第14項的天線，另包含多個虛擬扼流圈，且其中該多條導電饋電線中的每一條通過該多個虛擬扼流圈中的一個耦接到相應的一條延遲線。
19. 如申請專利範圍第14項的天線，其中該多個導電饋電線中的每一個通過RF短路耦接到相應的延遲線。
20. 如申請專利範圍第14項的天線，其中該多條延遲線中的每一條包括一條曲折的導電線，該曲折的導電線的一端耦接到該多個輻射元件中的一個，且另一端耦接到該多條饋電線中的一條。

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