TWI728372B - 容許同時多重天線功能性之組合式天線孔口 - Google Patents

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Abstract

本文中揭示一種天線裝備及該裝備的使用方法。在一項實施例中，此天線包含具有天線元件之至少兩個空間交錯天線陣列的單一實體天線孔口，此等天線陣列可獨立且同時運作於相異頻帶。

Description

容許同時多重天線功能性之組合式天線孔口
相關申請案交互參照
本專利申請案主張2015年2月11日提出申請之題為「COMBINED ANTENNA APERTURES ALLOWING SIMULTANEOUS MULTIPLE ANTENNA FUNCTIONALITY」之相對應臨時性專利申請案第62/115,070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天線領域；更特別的是，本發明之實施例係有關於一種使用交錯陣列以多種頻率同時運作之具有組合式孔口的天線。
可同時接收多個偏振與頻率的天線其數量是有限制的。舉例而言，DirecTV Slimline 3 Dish反射器天線同時接收多種偏振與頻率。在此產品中，有2個Ka波段接收器與1個Ku波段接收器自相同反射器同時運作。這是藉由沿著此反射器之焦軸於不同位置置放多個饋體來達成。在這種狀況中，基於此碟型物之指向及這3個接收器之定位，達成同時自3個衛星(99°、101°、103°)進行接收，其中Ka波段衛星同時提供2個圓形偏振信號。此DirectTV Slimline 5 Dish反射器天線同時看到99°、101°、103°、110°、119°這5個衛星。(99°、103°為Ka波段。)這些產品的運作受限於接收。
此等碟式天線有兩項限制，一碟型物必須朝向衛星指向，以及1天線內之2或更多個饋體之視角彼此間的角差受限於大約10度，例如Slimline 5(99°-119°)。這與碟型物的形狀有很大的關係，此形狀可工程處理成各種規格。然而，所有碟型物都依賴一聚焦行為才能達到指向性，從而需要更多聚焦才能將鏈路閉接，具有一恆定區之一反射器可達到更小的角度涵蓋範圍。
用來達到雙頻同時效能的另一常用作法為具有2個運作波段之輻射元件所構成的雙波段陣列。這些通常使用諸如環共振器等共振貼片或類似形狀來落實。2014年6月10日提出之題為「Wide-band linked-ring Antenna Element for Phase Arrays」之美國專利第8,749,446號中說明一項最近的實例。此實作態樣容許同時涵蓋鄰近的商用與軍用Ka接收波段，商用為17.7-20.2GHz，而軍用為20.2至21.2。然而，沒有能力同時指向超過1個來源。再者，所述系統級容差未提供足以支援同時傳送與接收運作之隔離。
因此，一般而言，對於必須同時順著差異甚大之方向(大於一估計的10度差異)同時指向、必須軌隨地球軌道衛星(附帶兩個萬向碟之O3b安裝設備)、或差異甚大之頻帶間進行通訊的碟型物，需要兩個完全分離之天線 及系統。這使得尺寸、成本、重量與功率增加。
本文中揭示一種天線裝備及該裝備的使用方法。在一項實施例中，此天線包含具有天線元件之至少兩個空間交錯天線陣列的單一實體天線孔口，此等天線陣列可獨立且同時運作於相異頻帶。
101:Ku開啟元件
102:Ku關閉元件
103:中心饋體
201~202:Ka元件
1105:饋伺波
1110:可調式插槽
1111:輻射貼片
1112:隔膜
1113:液晶
1130:可重新組配共振器層
1132:墊片層
1133:隔膜層
1134:傳導接合層
1136:金屬層
1139:間隔物
1145、1302:接地平面
1180:控制模組
1301:同軸插銷
1312:介電層
1316:RF陣列
1319:RF吸收器
1401:天線
1402:機上盒
1403:電視
1421~1422:類比數位轉換器
1423:解調變器
1424:解碼器
1425、1450:控制器
1426~1427:低雜訊阻斷降頻器
1430、1433、1445:雙工器
1432:數位類比轉換器
1440:運算系統
1460:數據機
1501~1502:處理塊
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繪示一雙接收天線之一項實施例，其展示Ku波段接收天線元件。
圖2繪示圖1之一雙接收天線，其展示Ka波段接收元件中有的開啟而有的關閉。
圖3繪示建模之Ku波段效能在一30dB刻度上展示的完整天線。
圖4繪示建模之Ka波段效能在一30dB刻度上展示的完整天線。
圖5A與5B繪示圖1與2所示雙Ku-Ka波段接收天線之一交錯布局的一項實施例。
圖6繪示兼具傳送與接收天線元件之一組合式孔口的一項實施例。
圖7繪示圖6所示天線之Ku波段接收元件的一項實施例。
圖8繪示圖6所示天線之Ku波段傳送元件的一項實施例。
圖9繪示一40dB刻度上Ku波段傳送元件建模之Ku波段效能的一項實施例。
圖10繪示一40dB刻度上建模之Ku波段接收元件的一項實施例。
圖11A繪示包括有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11B繪示一可調式共振器/插槽的一項實施例。
圖11C繪示一天線結構之一項實施例的一截面圖。
圖12A至12D繪示用於建立此開槽陣列之不同層的一項實施例。
圖13繪示一圓柱形饋伺天線結構之一項實施例的一側視圖。
圖14A為用於一電視系統中之一通訊系統之一項實施例的一方塊圖。
圖14B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。
圖15為用於同時多重天線運作之一程序之一項實施例的一流程圖。
在以下說明中，提出許多細節是為了更透徹解釋本發明。然而，所屬技術領域中具有通常知識者將會明白，本發明無需這些特定細節也可實踐。在其他例子中，為了避免混淆本發明，眾所周知的結構與裝置是以方塊圖 形式來展示，而不是展示細節。
所揭示的是一種具有一組合式孔口的天線裝備，此組合式裝備同時支援傳送與接收、雙波段傳送或雙波段接收之一組合。在一項實施例中，此天線包含有組合成單一實體孔口之天線元件的兩個空間交錯天線陣列、以及耦合至此孔口之單一、徑向的連續的饋體，其中此等天線陣列可獨立且同時運作於多種頻率。這兩個天線陣列乃組合成單一、平板、實體孔口。本文中所述的技術不受限於將兩個陣列組合成單一實體孔口，並且可延伸為將三或更多個陣列組合成單一實體孔口。
在一項實施例中，此等天線陣列之指向角不同，使得此等天線子陣列其中一者可順著一個方向形成一波束，而另一天線子陣列可順著另一、不同方向形成一波束。在一項實施例中，此天線可形成在此等波束彼此間具有大於10度之一角距的這兩條波束。在一項實施例中，掃描角為±75或±85度，其提供更大的通訊自由度。
在一項實施例中，此天線包括有組合成一個實體天線孔口之兩個天線陣列。在一項實施例中，該兩個天線陣列為可運作以同時進行接收與傳送之交錯傳送與接收天線陣列。在一項實施例中，此傳送與接收分別是在Ku傳送與接收波段中進行。請注意，Ku波段為一實例，並且此等教示不受限於特定波段。
在另一實施例中，該兩個天線子陣列為交錯雙接收天線陣列，可運作以同時在兩個不同接收波段中進 行接收，並且於兩個不同來源順著兩個不同方向指向。在一項實施例中，該兩個波段包含有Ka與Ku接收波段。
在又另一實施例中，該兩個天線子陣列為交錯雙傳送天線陣列，可運作以同時在兩個不同傳送波段中進行傳送，並且於兩個不同接收器順著兩個不同方向指向。在一項實施例中，該兩個波段包含有Ku與Ka傳送波段。
在一項實施例中，該等天線陣列各包含有一可調式天線元件開槽陣列。因此，具有兩個孔口之一個組合式實體天線孔口有兩個天線元件開槽陣列。這兩個開槽陣列之天線元件彼此交插。
在一項實施例中，該等天線子陣列其中一者之該可調式開槽陣列具有若干元件、以及與一第二天線子陣列不同的元件密度。在一項實施例中，二或更多個天線陣列之各可調式開槽陣列中的大部分(若非全部)元件彼此係以λ/4隔開。在另一實施例中，二或更多個天線陣列之各可調式開槽陣列中的大部分元件(若非全部)彼此係以λ/5隔開。請注意，由於用以符合此間距所需的位置遭受另一天線陣列之天線元件佔有，此等開槽陣列其中一或多者之一些天線元件可不具有此間距。
在一項實施例中，此等陣列之各該可調式開槽陣列中的元件乃定位於一或多個環體中。在另一實施例中，於一種頻率中運作之天線元件之環體其中一者具有與相同孔口中以一第二、不同頻率運作之天線元件之另一環 體不同數量的天線元件。在另一實施例中，此等環體其中至少一者具有多個(例如兩個、三個)開槽陣列之天線元件。在又另一實施例中，不同頻率有不同尺寸的環體。舉例而言，一個環體對於一第一頻率具有一第一尺寸的天線元件，而另一環體對於比該第一頻率更低之一第二頻率具有比該第一尺寸更大之一第二尺寸的天線元件。
在另一實施例中，可控制此等天線子陣列以提供可切換偏振。在一項實施例中，可控制此等子陣列來提供之不同偏振包括有線性、左旋圓形偏振(LHCP)或右旋圓形偏振。在一項實施例中，此偏振為判定波束形成與主波束方向的全像調變之部分。更具體而言，計算此調變型樣以判定此等子陣列中開啟與關閉的是哪些元件，從而判定此偏振。在全像波束形成天線之一項實施例中，可藉由軟體(例如一天線控制器中的軟體)來動態切換已接收與已傳送信號的偏振。此外，在一項實施例中，此等已傳送與已接收信號(或於兩種不同頻率之兩條波束的信號)可具有不同偏振。
在一項實施例中，各開槽陣列包含有複數個插槽，並且各插槽乃調諧成用來以一給定頻率提供此所欲散射能量。在一項實施例中，該複數個插槽之各插槽乃相對於衝射於各插槽之一中央位置的圓柱形饋伺波定向+45度或-45度，使得該開槽陣列包括有相對於起於一中心饋體之該圓柱形饋伺波傳播方向旋轉+45度之一第一組插槽、以及相對於起於該中心饋體之該圓柱形饋伺波之該傳 播方向旋轉-45度之一第二組插槽。在一項實施例中，以不同且相反方式定向相同頻帶之相鄰元件。
在一項實施例中，各開槽陣列包含有複數個插槽及複數個貼片，其中各該貼片乃共置於該複數個插槽中之一插槽上方並且與該插槽分離，藉此形成一貼片/插槽對，並且各貼片/插槽對乃基於施加一電壓至該對中之該貼片而關閉或開啟。一控制器係耦合至該開槽陣列，並且根據一全像干涉原理，施加一控制型樣，其控制貼片/插槽對哪些開啟而哪些關閉，藉此造成一波束之產生。
以下論述說明對於兩種類型之天線所示之各種類型之交插處理方案，一種為組合交錯雙接收天線(例如Ka波段Rx與Ku波段Rx)，而另一種為運作於Ku波段之組合交錯雙Tx/Rx天線。
圖1繪示一雙接收天線之一項實施例，其展示已接收天線元件。在此實施例中，該雙接收天線為一Ku接收一Ka接收天線。請參照圖1，所示為一Ku天線元件開槽陣列。所示若干Ku天線元件中有的關閉而有的開啟。舉例而言，此孔口展示Ku開啟元件101與Ku關閉元件102。孔口布局中亦展示中心饋體103。
同樣地，如所示，在一項實施例中，此等Ku天線元件乃定位於或位於中心饋體103周圍之圓形環體中，並且各包括有一插槽，此插槽上方共置有一貼片。在一項實施例中，各該插槽係相對於放射自中心饋體103並且衝射於各插槽一中央位置之圓柱形饋伺波，定向+45度或-45度。
圖2繪示圖1之雙接收天線，其展示Ka接收元件中有的開啟而有的關閉。請參照圖2，舉例而言，所示Ka元件201為開啟，並且所示Ka元件202為關閉。正如此等Ka天線元件，在一項實施例中，此等Ka天線元件乃定位於或位於中心饋體103周圍之圓形環體中，並且各包括有一插槽，此插槽上方共置有一貼片。在一項實施例中，各該插槽係相對於放射自中心饋體103並且衝射於各插槽一中央位置之圓柱形饋伺波，定向+45度或-45度。
在一項實施例中，此等Ku元件之密度彼此遵守λ/4或λ/5之間距，而Ka元件有稍微更大的Ka元件密度，但此等元件係置放於此等Ku元件周圍，所以，此間距有規則性。
在一項實施例中，圖2中Ka元件的數量大於圖1所示Ku接收元件的數量，而此等Ku天線元件的尺寸大於此等Ka天線元件。在一項實施例中，Ka元件幾乎比Ku元件多三倍。此等Ka元件密度更大且尺寸更小的原因在於與此等Ka與Ku波段相關聯的頻率差異。一般而言，頻率更高的元件在數量方面會比頻率更低的元件還多。基於這兩個波段的頻率比率(即(20/11.85)^2等於2.85)，理想的Ka元件數量為Ku元件數量的2.85倍。因此，理想的包裝比為2.85：1。
請注意，在圖1與2中，所示天線元件的數量只是一實例。實際的天線元件數量大致會是大更多的數量。舉例而言，在一項實施例中，直徑為70cm之一天線 孔口具有28,500個Ka接收元件及約10,000個Ku接收元件。
圖3繪示建模之Ku效能在一30dB刻度上展示的完整天線。圖4繪示建模之Ka效能在一30dB刻度上展示的完整天線。
圖5A與5B繪示圖1與2所示雙Ku-Ka接收天線之一交錯布局的一項實施例。
圖6繪示兼具傳送與接收天線元件之一組合式孔口的一項實施例。在此實施例中，此組合式孔口乃用於一雙傳送與接收Ku波段天線。圖7繪示圖6所示天線之Ku接收元件的一項實施例。圖8繪示圖6所示天線之Ku傳送元件的一項實施例。
請參照圖6，所示為兩個Ku天線元件開槽陣列，展示的若干Ku天線元件有的關閉而有的為開啟。孔口布局中亦展示一中心饋體。同樣地，如所示，在一項實施例中，此等Ku天線元件乃定位於或位於此中心饋體周圍之圓形環體中，並且各包括有一插槽，此插槽上方共置有一貼片。在一項實施例中，各該插槽係相對於放射自此中心饋體並且衝射於各插槽一中央位置之圓柱形饋伺波的傳播方向，定向+45度或-45度。
請參照圖7，所示Ku接收元件有的為開啟而有的為關閉。在一項實施例中，此等Ku接收天線元件乃定位於或位於此中心饋體周圍之圓形環體中，並且各包括有一插槽，此插槽上方共置有一貼片。在一項實施例中，各 該插槽係相對於放射自此中心饋體並且衝射於各插槽一中央位置之圓柱形饋伺波的傳播方向，定向+45度或-45度。
請參照圖8，所示Ku傳送元件有的為開啟而有的為關閉。在一項實施例中，此等Ku傳送天線元件乃定位於或位於此中心饋體周圍之圓形環體中，並且各包括有一插槽，此插槽上方共置有一貼片。在一項實施例中，各該插槽係相對於放射自此中心饋體並且衝射於各插槽一中央位置之圓柱形饋伺波的傳播方向，定向+45度或-45度。
在一項實施例中，此等Ku接收元件與此等Ku傳送元件兩者的密度遵守彼此隔開λ/4或λ/5。可使用其他間距(例如λ/6.3)。在一項實施例中，圖7中Ku接收元件的數量小於圖8所示Ku傳送元件的數量，而此等Ku接收天線元件的尺寸大於此等Ku傳送天線元件。此等Ku傳送天線元件密度更大且尺寸更小的原因在於與此等Ku傳送與接收波段(即分別為14GHz與12GHz)相關聯的頻率差異。在一項實施例中，因應此等頻率彼此接近，這兩個交錯開槽陣列具有相同的天線元件數量。因此，包裝比為1：1。
交插處理2個元件所需的頻率分離量乃基於元件設計(具體為Q響應)、饋體設計、舉例而言例如規定隔離之一雙工器之濾波響應等系統級實作態樣、以及最後還有設定載波/雜訊比(C/N)與其他類似鏈路規格之衛星網路。12GHz與14GHz這兩種頻率由一天線設計觀點同時運作，其為一15%的頻寬分離。
請注意，在圖6至8中，所示天線元件的數量 只是一實例。實際的天線元件數量大致會是大更多的數量。舉例而言，在一項實施例中，一70cm孔口具有約14,000個接收元件及14,000傳送元件。同樣地，儘管此等天線元件可定位於環體中，這仍非為必要條件。其可定位於其他布置結構中(例如布置於網格中)。
圖9繪示一40dB刻度上Ku傳送元件建模之Ku效能的一項實施例。圖10繪示一40dB刻度上建模之Ku接收元件的一項實施例。
儘管上述例示性實施例已指認特定頻率，傳送與接收、雙波段傳送、雙波段接收等各種組合仍然全都可設計為運作於可選擇頻率。
請注意，依照與具有組合式饋體之碟型物相同的基本方式，本文中所述的組合式孔口技術不受限於小型角差指向角。這是因為進行交插處理以建立此組合式實體孔口的作法導致兩個獨立但空間交插(或組合)之孔口，其指向角完全獨立。指向限制在於平板超材料天線，其經示範而偏離視軸指向超過60度，並且涵蓋整個360度方位角，形成大約一120deg x 360deg的尖錐。
憑藉本文中所述的技術，透過交插處理孔口進行雙、三或甚至更大孔口組合也是有可能的。
本發明之實施例的優點包括有以下所述。一項優點是透過一給定天線區域提升資料傳輸量。對於需要同時雙向、多波段、或多衛星鏈路的通訊系統，這是一可實現的技術。若將液晶顯示(LCD)技術用於製作此等天線 面板，則此交插處理/組合作法之優點變為最明顯。這是因為驅動開關可以是TFT(薄膜電晶體)，其小於表面黏著場效電晶體(FET)驅動器，容許更高密度交插處理。請注意，此元件密度仍然遠小於LCD製造商所達到的像素密度。
圖15為用於同時多重天線運作之一程序之一項實施例的一流程圖。此程序乃藉由可包含有硬體(電路系統、專屬邏輯等)、軟體(諸如在一通用電腦系統或一專屬機器上執行者)、或前兩者之一組合的處理邏輯來進行。
請參照圖15，此程序以射頻(RF)能量分別激發一平板天線之第一與第二天線陣列中獨立運作之第一與第二組交錯天線元件(處理塊1501)。在接收模式中，此等陣列其中一者乃藉由一已傳送RF波來激發。
其次，處理邏輯同時自該等第一與第二組元件產生兩個遠場型樣，其中憑藉該等第一與第二天線陣列中該等獨立運作之第一與第二組交錯天線元件，這兩個遠場型樣同時在兩個不同接收波段中運作，並且順著兩個不同方向指向兩個不同來源(處理塊1502)。
在另一實施例中，此等元件其中一組乃藉由所傳送之一RF波來激發，藉此使用這些元件形成一波束，而另一組元件則是藉由所接收之RF信號來激發。依照這種方式，此天線乃是在同時間用於此傳送與接收。
天線元件
在一項實施例中，此等天線元件包含有一組補綴天線。此組補綴天線包含有一散射超材料元件陣列。 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設置一液晶(LC)。液晶乃封裝於各單元胞內，並且使得與一插槽相關聯之下導體、及與其貼片相關聯之上導體分離。液晶具有以包含有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。
縮減此LC的厚度會提升波束切換速度。下與上導體之間的間隙(液晶通道的厚度)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(14ms)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(7ms)要求。
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。此等元件之此定位能夠控制由此等元件所接收或產生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30GHz傳送天線中的元件大約會是2.5mm(即30GHz之10mm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，如上述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。
此等元件是藉由使用一控制器對此貼片施加一電壓而關閉或開啟。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，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，此矩陣驅動是個別定址各胞元最有效率的方式。
此天線系統之控制結構具有2個主要組件；用於該天線系統之該控制器包括有驅動電子元件，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有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偏壓信號之振幅來調整偏壓。
在一項實施例中，此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，該控制器以運作之頻率控制哪些元件關閉、以及哪些元件開啟。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開啟或關閉。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)。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)。若一開槽天線中的插槽係定位成使得各接續插槽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插槽之散射波不同的相位。若此等插槽相隔一導波長之四分之一，則各插槽將會離前一個插槽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，兩交錯天線的波束指向角是藉由此調變、或指定元件哪些開啟而哪些關閉之控制型樣來界定。換句話說，用於依照所欲方式令此波束指向的控制型樣取決於運作頻率。
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11A繪示包括有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1130包括有一可調式插槽陣列1110。可調式插槽陣列1110可被組配用以順著一所欲方向將此天線指向。此等可調式插槽各可藉由改變跨此液晶之一電壓來調諧/調整。
在圖11A中，控制模組1180係耦合至可重新組配共振器層1130以藉由改變跨此液晶之此電壓來調變可調式插槽陣列1110。控制模組1180可包括有一可現場規劃閘陣列(FPGA)、一微處理器、或其他處理邏輯。在一項實施例中，控制模組1180包括有用以驅動可調式插槽陣列1110之邏輯電路系統(例如多工器)。在一項實施例中，控制模組1180接收包括有關於將一全像繞射型樣驅動到可調式插槽陣列1110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1180之一控制模組可驅動本揭露之圖中所述的各可調式插槽陣列。
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1105(在一些實施例中大約為20GHz)。若要將饋伺波轉換成一輻射波束(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插槽陣列1110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whologram=win *wout來計算，其中win為波導中的波方程式，而wout為出射波上的波方程式。
圖11B根據本揭露繪示一可調式共振器/插槽1110。可調式插槽1110包括有一隔膜/插槽1112、一輻射貼片1111、以及設置於隔膜1112與貼片1111之間的液晶1113。在一項實施例中，輻射貼片1111係與隔膜1112共置。
圖11C根據本揭露之一實施例，繪示一實體天線孔口之一截面圖。此天線孔口包括有接地平面1145、以及位在隔膜層1133內之一金屬層1136，其乃包括於可重 新組配共振器層1130內。隔膜/插槽1112乃藉由金屬層1136中的開口所界定。饋伺波1105可具有與衛星通訊通道相容之一微波頻率。饋伺波1105於接地平面1145與共振器層1130之間傳播。
可重新組配共振器層1130亦包括有墊片層1132及貼片層1131。墊片層1132係設置於貼片層1131與隔膜層1133之間。請注意，在一項實施例中，一間隔物可取代墊片層1132。隔膜層1133可以是一印刷電路板(PCB)，其包括有當作金屬層1136之一銅層。可在此銅層中蝕刻開口以形成插槽1112。在圖11C的一項實施例中，隔膜層1133係藉由傳導接合層1134傳導性耦合至另一結構(例如一波導)。請注意，在一實施例中，例如圖8中所示，上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1131也可以是一PCB，其包括有當作輻射貼片1111之金屬。在一項實施例中，墊片層1132包括有間隔物1139，其提供一機械性間隙器以界定金屬層1136與貼片1111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3mm至200mm)。可調式共振器/插槽1110包括有貼片1111、液晶1113以及隔膜1112。用於液晶1113之腔室係藉由間隔物1139、隔膜層1133及金屬層1136來界定。以液晶填充此腔室時，可將貼片層1131層壓到間隔物1139上以將液晶密封於共振器層1130內。
可調變介於貼片層1131與隔膜層1133之間的一電壓以調諧介於此貼片與此等插槽1110之間的間隙中之液晶。調整跨液晶1113的電壓會改變插槽1110之電容。因此，插槽1110的電抗可藉由變更此電容來改變。插槽1110的共振頻率亦根據方程式f=1/(2π√LC)而改變，其中f為插槽1110的共振頻率，而L與C分別為插槽1110的電感與電容。插槽1110的共振頻率影響穿過此波導傳播之饋伺波1105輻射出去的能量。舉一例來說，若饋伺波1105為20GHz，插槽1110的共振頻率可(藉由改變此電容)調整至17GHz，以使得插槽1110實質沒有耦合出自饋伺波1105的能量。或者，插槽1110的共振頻率可調整至20GHz，以使得插槽1110耦合出自饋伺波1105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，有可能進行插槽1110之電抗，從而還有共振頻率的灰階控制。因此，可精細控制各插槽1110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插槽陣列來形成。
在一項實施例中，一列中的可調式插槽彼此相隔λ/5。可使用其他間距。在一項實施例中，一列中的各可調式插槽與一相鄰列中最靠近的可調式插槽相隔λ/2，而不同列中同方位之可調式插槽因此相隔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，一列中的各可調式插槽與一相鄰列中最靠近的可調式插槽相隔λ/3。
本發明之實施例將諸如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材料技術用於滿足市場對於多孔口的需求。
圖12A至12D繪示用於建立此開槽陣列之不同層的一項實施例。圖12A繪示具有與此等插槽相對應之位置的第一隔膜板。請參照圖12A，圓圈為隔膜基材/玻璃底側金屬化中的開放區域/插槽，其乃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12B繪示含有插槽之第二隔膜板層。圖12C繪示此第二隔膜板層上方之貼片。圖12D繪示開槽陣列的俯視圖。
圖13繪示具有一出射波之天線系統的另一實施例。請參照圖13，一接地平面1302實質平行於一RF陣列1316，兩者之間具有一介電層1312(例如一塑膠層等)。RF吸收器1319(例如電阻器)將接地平面1302與RF陣列1316耦合在一起。一同軸插銷1301(例如50Ω)饋伺此天線。
運作時，一饋伺波係穿過同軸插銷1315來饋伺，以及同心向外行進，並且與RF陣列1316之元件互動。
運作時，一饋伺波係穿過同軸插銷1301來饋伺，以及同心向外行進，並且與RF陣列1316之元件互動。
圖13之天線中的圓柱形饋體改善此天線的掃描角。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°)的掃描角，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° E1)的掃描角。正如包含有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6dB。
一例示性系統實施例
在一項實施例中，組合式天線孔口乃用於與一機上盒搭配運作之一電視系統中。舉例而言，以一雙接收天線來說明，對一電視系統之一機上盒(例如一DirecTV接收器)提供此天線所接收的衛星信號。更具體而言，此組合式天線運作能夠同時以兩種不同頻率及/或偏振接收RF信號。也就是說，一個元件子陣列受控制而以一種頻率及/或偏振接收RF信號，而另一子陣列受控制而以另一、不同頻率及/或偏振接收信號。這些頻率或偏振差異代表此電視系統所接收的不同通道。類似的是，這兩個天線陣列可受控制以供兩種不同波束定位自兩個不同位置(例如兩個不同衛星)將通道接收以同時接收多條通道。
圖14A為在一電視系統中同時進行雙接收之 一通訊系統之一項實施例的一方塊圖。請參照圖14A，天線1401包括有可獨立運作用來如上述，以不同頻率及/或偏振同時進行雙接收之兩個空間交錯天線孔口。請注意，所述僅兩個空間交錯天線運作，此TV系統可具有超過兩個天線孔口(例如天線孔口數量為3、4、5等)。
在一項實施例中，包括有兩個交錯開槽陣列之天線1401係耦合至雙工器1430。此耦合可包括有一或多個饋伺網路，其從這兩個開槽陣列之元件接收此等信號以產生饋伺到雙工器1430內的兩個信號。在一項實施例中，雙工器1430為一市售的雙工器(例如出自A1 Microwave之型號為PB1081WA的Ku波段情境喜劇(sitcom)雙工器)。
雙工器1430係耦合至一對低雜訊阻斷降頻器(LNB)1426與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、一降頻轉換功能、以及放大。在一項實施例中，LNB 1426與1427處於一室外機(ODU)中。在另一實施例中，LNB 1426與1427係整合到此天線裝備內。LNB 1426與1427係耦合至一機上盒1402，其係耦合至電視1403。
機上盒1402包括有一對類比數位轉換器(ADC)1421與1422，其係耦合至LNB 1426與1427，用來將輸出自雙工器1430的兩個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電視1403。
控制器1450控制天線1401，其在此單一組合式實體孔口上包括有兩天線孔口之交錯開槽陣列元件。
一全雙工通訊系統之一實例
在另一實施例中，此等組合式天線孔口係用於一全雙工通訊系統中。圖14B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有超過一條傳送路徑及/或超過一條接收路徑。
請參照圖14B，天線1401包括有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錯天線陣列。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係整合到此天線裝備內。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包括有一類比數位轉換器(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亦包括有一編碼器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1433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口上包括有兩個天線元件陣列。
請注意，圖14B所示的全雙工通訊系統具有若干應用，包括有，但不限於網際網路通訊、車載通訊(包括有軟體更新)等。
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)量的資料轉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裝備。此裝備可為了所需目的而特別建構，或其可包含有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，但不限於包括有軟式磁片、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裝備有關。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，可建構更專業的裝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有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有唯讀記憶體(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。

Claims (32)

  1. 一種天線，其包含有：一單一實體天線孔口，其具有表面散射天線元件之至少兩個空間交錯天線子陣列；以及一控制器，經耦接以藉由將電壓提供至該等子陣列之該等表面散射天線元件來控制各天線子陣列，以獨立且同時地操作該等天線子陣列於不同頻率，該等電壓用以調諧該等表面散射天線元件以在一給定頻率提供一所需散射。
  2. 如請求項1之天線，其中該控制器包括多個驅動電子元件，用以施加電壓至該等子陣列之表面散射天線元件。
  3. 如請求項1之天線，其中用於該等至少兩個空間交錯天線子陣列之各者的該等電壓對應至一控制型樣，以控制藉各該子陣列的一波束之產生。
  4. 如請求項1之天線，其中該等至少兩個天線子陣列包含可操作以分別地、同時地執行接收與傳送之天線元件的組合傳送與接收天線子陣列。
  5. 如請求項4之天線，其中傳送與接收係分別在Ku傳送與接收波段中。
  6. 如請求項1之天線，其中該等至少兩個天線陣列包含可操作以兩個不同接收波段執行接收並同時地以兩個不同方向指向兩個不同來源且具有可切換/正交偏振狀態的組合交錯雙接收天線陣列。
  7. 如請求項6之天線，其中該兩個波段包含Ka與Ku接收波段。
  8. 如請求項1之天線，其中該等至少兩個天線子陣列之指向角係不同使得該等至少兩個天線子陣列之一第一天線子陣列係可操作以形成在一方向之一波束，且該等至少兩個 天線子陣列之一第二天線子陣列係可操作以形成在不同於該第一方向之一第二方向之一波束，並使得該等兩波束之間的角度大於10度。
  9. 如請求項1之天線，其中在該等至少兩個天線子陣列之各子陣列中的表面散射天線元件係定位於一或多個環體中。
  10. 如請求項9之天線，其中用於在多個頻率之一第一頻率下操作之該等一或多個環體之一環體，比用於在該等多個頻率之一第二頻率下操作之該等一或多個環體之一環體具有一不同數目的元件，該第一頻率係不同於該第二頻率。
  11. 如請求項10之天線，其中至少一環體具有該等至少兩個天線子陣列之元件。
  12. 一種平板天線，包含：一單一實體天線孔口，其具有表面散射天線元件之至少兩個空間交錯天線子陣列；一控制器，經耦接以藉由將電壓提供至該等子陣列之該等表面散射天線元件來控制各天線子陣列，以獨立且同時地操作該等天線子陣列於在不同頻率，該等電壓用以調諧該等表面散射天線元件以在一給定頻率提供一所需散射；以及一單一、徑向的饋體，耦接至該孔口。
  13. 如請求項12之天線，其中該控制器包括多個驅動電子元件，用以施加電壓至該等子陣列之表面散射天線元件。
  14. 如請求項12之天線，其中用於該等至少兩個空間交錯天線子陣列之各者的該等電壓對應至一控制型樣，以控制藉各該子陣列的一波束之產生。
  15. 如請求項12之天線，其中該等至少兩個天線子陣列包含可操作以分別地、同時地執行接收與傳送之天線元件的 組合傳送與接收天線子陣列。
  16. 如請求項15之天線，其中傳送與接收係分別在Ku傳送與接收波段中。
  17. 如請求項12之天線，其中該等至少兩個天線子陣列包含可操作以兩個不同接收波段執行接收並同時地以兩個不同方向指向兩個不同來源的組合交錯雙接收天線子陣列。
  18. 如請求項17之天線，其中該兩個波段包含Ka與Ku接收波段。
  19. 如請求項17之天線，其中該等至少兩個天線子陣列之指向角係不同使得該等至少兩個天線子陣列之一第一天線子陣列係可操作以形成在一方向之一波束，且該等至少兩個天線子陣列之一第二天線陣列係可操作以形成在不同於該第一方向之一第二方向之一波束，並使得該等兩波束之間的角度大於10度。
  20. 如請求項12之天線，該等至少兩個天線子陣列之一第一天線子陣列具有若干元件，以及與該等至少兩個天線子陣列之該第二子陣列不同的元件密度。
  21. 如請求項12之天線，其中在該等至少兩個子陣列之各者中的大多表面散射天線元件係相對於彼此交錯並隔開。
  22. 如請求項12之天線，其中在該等至少兩個天線子陣列之各者中的表面散射天線元件係定位於一或多個環體中。
  23. 如請求項22之天線，其中用於在多個頻率之一第一頻率下操作之該等一或多個環體之一環體，比用於在該等多個頻率之一第二頻率下操作之該等一或多個環體之一環體具有一不同數目的元件，該第一頻率係不同於該第二頻率。
  24. 如請求項22之天線，其中至少一環體具有至少兩個子陣列之表面散射天線元件。
  25. 一種用於傳送之方法，包含： 將電壓提供至子陣列之多個表面散射天線元件以操作天線子陣列，該等電壓用以調諧該等表面散射天線元件以在一給定頻率提供一所需散射；以射頻(RF)能量分別地激發在第一與第二天線子陣列中獨立運作的第一與第二組交錯表面散射天線元件，該等子陣列係組合於一平板天線之一單一實體孔口中；以及使用該第一與第二組元件同時產生兩道RF波，該等兩道RF波係在兩個不同頻段中。
  26. 如請求項25之方法，進一步包含以一耦接介面疊加該等兩道RF波。
  27. 如請求項26之方法，其中該等兩道RF波係在兩個不同接收波段中。
  28. 如請求項25之方法，其中該等兩個接收波段係Ka與Ku接收波段。
  29. 如請求項25之方法，其中該等兩個頻段係一傳送波段及一接收波段。
  30. 如請求項29之方法，其中該傳送與接收波段分別係Ku傳送與接收波段。
  31. 如請求項25之方法，其中進一步包含分別地以在一平板天線之第一與第二天線陣列中的獨立運作的第一與第二組交錯天線元件同時地執行接收與傳送。
  32. 如請求項25之方法，其中進一步包含以兩個不同接收波段執行接收以及同時地以兩個不同方向指向兩個不同來源。
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