TWI821688B - 用於平板元材料天線之複合式堆疊技術 - Google Patents

用於平板元材料天線之複合式堆疊技術 Download PDF

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Abstract

本案描述用於一天線之複合式堆疊技術。在一實施例中，此天線為一平板元材料天線。於一實施例中，一天線總成包含一天線元件層，其具有一上側及一下側；一第一組一或多個層體，其形成接合至該天線元件層之該上側且對射頻(RF)輻射至少部分可通透的一上堆疊體；及一第二組一或多個層體，其形成接合至該天線元件層之該下側的一下堆疊體，其中該天線元件層、該上堆疊體及該下堆疊體接合在一起以形成一複合式堆疊體。

Description

用於平板元材料天線之複合式堆疊技術
本專利申請案請求於2018年8月3日申請之第62/714,654號名為「用於平板元材料天線之複合式堆疊技術」之對應臨時專利申請案的優先權，並將該案以參考方式併入本文。
本案所揭露之實施例大體上有關天線，特別是但不限於包括一複合式堆疊體的一平板元材料天線。
堆疊一詞已在印刷電路板(PCB)製造上使用一段時間。此等堆疊技術常有金屬層及絕緣層的一配置，其在電路板布局前先製造一PCB。此等金屬層典型為銅。PCB堆疊技術背後的目的係用以透過使用多重PCB板層讓更多電路可適用在單一電路板上。由於堆疊技術在PCB製造上有此一特定目的，所以該技術尚未用於其他類型產品的製造，諸如衛星天線的製造。
本案描述一用於天線之複合式堆疊技術。在一實施例中，此天線為一平板元材料(metamaterial)天線。於一實施例中，一種天線總成，其包含：一天線元件層，其包含具有複數個變容二極體之一基體，該天線元件層具有一上側及一下側；一第一複數個材料層體，其形成接合至該天線元件層之該上側且對射頻(RF)輻射至少部分通透的一上堆疊體，其中該上堆疊體包含一或多個阻抗匹配層；一第二複數個材料層體，其形成接合至該天線元件層之該下側的一下堆疊體；及該天線元件層、該上堆疊體及該下堆疊體接合在一起以形成一複合式堆疊體。
圖1A及圖1B共同繪示一平板元材料天線100之一實施例。平板天線100包括一天線總成104，其設置在一殼體102內。在所繪實施例中，殼體102及因而平板天線100為八角形，但在其他實施例中，殼體102及天線100可具有與圖式所示不同的形狀。於一實施例中，天線總成104係設置在殼體102內，並由可接合天線總成104之周邊邊緣之一邊框106固定在殼體102內。用於平板天線100之額外的硬體部件108，諸如發射器硬體部件、接收器硬體部件、或控制電子器件硬體部件，可被設置在殼體102之背部上。
圖2A及圖2B共同繪示一天線總成104之一實施例，圖2A為分解圖，而圖2B為組合圖。在以下描述中，「上」及「下」用語被用來描述上堆疊體、天線元件層、及下堆疊體的相對位置，如圖式中所示，而不限制或要求天線100的任何特定定向。天線總成104包括一天線元件層202，其已形成一個別天線元件陣列(見例如附錄A)於其上或其中。具有一或多個材料層之一上堆疊體206係耦合到天線元件層202之一側上。同樣具有一或多個材料層的一下堆疊體204係耦合到天線元件層202之另一側。
在本文中使用時，「耦合」表示彼此附接，其中有或沒有中介層或堆疊體(例如，「層體X耦合到層體Y」之敘述表示層體X附接到層體Y，而層體X與層體Y間有額外層或不具額外層)。附接可為經由黏著劑(例如壓力感應式黏著劑(PSA)等)、固定件、夾具或一些其他方法，諸如但不限於接合(例如熱接合、熱焊接、施配環氧樹脂、音波熔接、化學接合、黏著劑接合)。在所繪示的實施例中，上堆疊體206及下堆疊體204可利用黏著劑耦合到天線元件層202，此黏著劑諸如為環氧樹脂、一壓力感應式黏著劑、一黏著片或另外習知黏著劑。
圖2B繪示一經組合之天線總成104的一實施例。於一實施例中，所得的天線總成具有一實質上矩形的橫截面，具有寬度b及高度h，使橫截面具有由以下關係式決定的一面積慣性矩： ，其中如圖式中所繪示，b為總成的寬度，而h為總成的高度。此並非必需亦非為其他實施例之部分。當上堆疊體206、下堆疊體204或兩者被附接在天線元件層202時，上堆疊體及下堆疊體內之個別材料層的材料特性及厚度可被選擇成在該總成完成之時，該總成之中心軸(NA)係實質上位在天線元件層202中。藉由將該中心軸實質定位在天線元件層202中，天線元件層202，通常為該總成中最易碎裂且最昂貴的層體，其上的應力在天線經受負載時會被最小化。於其他實施例中，該總成之中心軸不一定位在天線元件層中，但可位於下堆疊體204或上堆疊體206中。在各種實施例中，上堆疊體206及下堆疊體204中之材料層的其他材料特性亦可被選擇來降低及可能地最小化天線元件層202上的負載。例如，上堆疊體及下堆疊體內之材料的熱膨脹係數(CTE)可被調適成總成104之熱膨脹不會使天線翹曲，亦不會施加負載在天線元件層202上。
一饋電銷208可被插入總成104的下介電體中。饋電銷208將射頻(RF)輻射注入下介電體中，及/或從下介電體接收RF輻射。此RF輻射可具有任何頻率或波長，非限制性地包括Ka及Ku波長帶。
圖3A至圖3C繪示天線元件層202之數個實施例。在所繪示的實施例中，天線元件層202具有一八角形平面視圖形狀，但在其他實施例中其可具有其他形狀。天線元件層202包括個別天線元件的陣列302。於所繪示的實施例中，陣列302實質上為圓形，不過在其他實施例中，該陣列可不一定為圓形而可採其他形狀。天線元件層202及陣列302之構造的實施例係於以下在附錄A及B中說明(見例如圖13及附錄A中的相關敘述)。
在圖3A中，天線元件層202係形成為單一片段。不過，在其他實施例中，天線元件層202可由多個部段形成。如圖3B中所示，於一實施例中，天線元件層202可由沿著將天線元件層實質對分之一接合線相接的兩個片段製成。如圖3C中所示，在更些其他實施例中，天線元件層202可由沿著一對接合線相接的四個片段製成。於其他實施例中天線元件層202可由與所示不同數目的部段所製成。天線元件層202之數個實施例為薄的(使用如同在LCD製造中所用之標準厚度在毫米等級，例如0.1至5 mm之間)且稍微脆弱，但在有多個部段的其他實施例中，數條接合線在天線元件層中間形成一弱區域。因此，所有天線元件層202的實施例受益於由圖2A及圖2B中所示之構造提供的結構支撐，儘管具有多個部段的實施例從構造得到更多的利益。
在一實施例中，天線元件層為一可撓基體材料，其裝設(例如倒裝、表面安裝等)有變容二極體。於一實施例中，該材料包含聚醯亞胺、PET膜或PEN膜。在此一情況下，該元件層為可撓的。於一實施例中，可撓的天線元件層與剩下的介電堆疊層疊一起。
在一實施例中，一外/內模製件係形成，其中外模製件裝載有碳作為吸收材料。於一實施例中，複合結構係一起模製成一平坦結構。此可針對底介電體與上介電體兩者作成。圖15中顯示一範例。參照圖15，顯示平坦頂部及底部負載整合介電體1900，與由例如塑膠製成的一內模製件1903、及由例如碳及塑膠之混合物製成的一外模製件1902。
在一實施例中，一輻射吸收材料係包覆且附接在饋電堆疊體。此材料可為數種不同類型的材料，諸如，例如但不限於發泡體、橡膠、聚矽氧等。於一實施例中，包括吸收體的饋電堆疊體近乎平坦。在一吸收體周圍之一平坦包覆件2000的一範例顯示於圖16。
在一實施例中，傳導片係置於介電體之靠近定向耦合器印刷電路板(PCB)的邊緣處。於一實施例中，此PCB實現一高阻抗表面(AMC)，使得電流經迫使流經薄的有損片體。在一實施例中，此方法的帶寬視PCB的厚度而定。於一實施例中，此堆疊體中針對作為電阻片之一薄的碳載荷組織結構接近平坦。
圖17繪示由一AMC結構2100實現之薄電阻片的一實施例。一例示的薄電阻片，諸如薄電阻片2101，顯示在一介電體2106與AMC 2105之間，但不在一介電體2106與電路板2104之間。
圖4繪示一上堆疊體206的一實施例。於一些實施例中，上堆疊體206的平面視圖形狀與天線元件層202之形狀相匹配，亦即，若天線元件層202為八角形，則上堆疊體亦同。不過，在其他實施例中，上堆疊體206不一定具有與天線元件層202相同的平面視圖形狀。於其中天線元件層202包括多個部段(見圖3B至圖3C)的一些實施例中，上堆疊體206將不會對應分割，但在其他實施例中，上堆疊體206可被分割，且分割出的部段可能或可能不會與天線元件層之部段相匹配。
在所述的實施例中，上堆疊體206包括一天線罩402，但於上堆疊體206的其他實施例中可完全省略天線罩402或以介電層替代，在此一實施例中，天線會被裝在一環境圍體內，而非接合到天線罩上。特別是，當存在時，天線罩402可對其他堆疊件或用於玻璃層之一載件提供面臨天氣的環境保護作用。於一實施例中，天線罩為一單層表層。在一實施例中，天線罩的輪廓為平坦。於其他實施例中，天線罩可為彎曲或呈圓頂狀，以助於濕氣遮蔽。
若存在，天線罩402大致包括設計來在波阻抗從孔洞移動到自由空間內時與其匹配的一介電材料堆疊體。在一實施例中，天線罩402包括介電表層及低介電層之一多層堆疊體。於所示的實施例中，天線罩402包括多重層體，即層體406a、406b、406c，其中層體間夾設兩個介電層404，總共五層。
在其他實施例中，天線罩有交錯組態。其他天線罩組態包括但不限於：(1)由單一實心介電層組成的一固體半波壁；(2)一個三層夾置構造，其中一低介電層係由兩個高介電常數層所環繞(通稱為一A夾置設計)；(3)一個三層夾置構造，其中一高介電層由低介電常數層所環繞(通稱為一B夾置設計)；及(4)由五個或更多介電層組成之多層設計。在所有的情況下，天線罩設計具現層體介電常數及厚度的選擇，以獲得所欲之RF響應。
於一實施例中，層體406a、406b及406c由不滲透材料製成，來密封天線罩及天線以防水進入，並提供天線罩及天線衝擊阻力，但在其他實施例中，層體406中之一或多者不一定為不浸透材料。夾置在由介電材料構成之層體406間者為另外介電體的數個層體404：介電層404a係夾置於層體406a與406b之間，而介電層404b係夾置於層體406b與406c之間。介電層404具有均一厚度或可變厚度，然而未必是共通型式。在一實施例中，用於天線罩402中的所有材料實質上對天線運作之RF頻率及波長為可通透。
用於天線罩介電層中的材料包括但不限於發泡體、熱塑性塑膠及熱固性塑膠。發泡體類型包括例如聚乙烯、聚氨酯、聚異三聚氰酸脂、聚氯乙烯、聚醚醯亞胺、及具有密度在每立方英尺1至20磅的複合發泡體。熱塑性塑膠材料包括例如鐵氟龍、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚醚醯亞胺、聚氯乙烯及聚碳酸酯。熱固性材料包括但不限於環氧樹脂、聚酯、聚丁二烯、氰酸酯、聚醯亞胺及雙馬來亞醯胺。材料可與纖維增強體組合，諸如，例如玻璃或石英纖維，來提高機械性質。
在一實施例中，間隔介電體408為具大體上均勻厚度且用來將天線罩402與阻抗匹配層410分開的一介電層，此阻抗匹配層410有時亦稱為一寬角度阻抗匹配(WAIM)層。天線罩402可被附接在間隔介電體408之一側上，而包括天線罩402及間隔介電體408之總成可接著被附接到阻抗匹配層410上。於一實施例中，天線罩402透過黏著劑而接合在間隔介電體408，且間隔介電體408透過對RF輻射實質通透的黏著劑亦接合在阻抗匹配層410。在一實施例中，黏著劑可為環氧樹脂，但在其他實施例中，此等黏著劑可為替代的黏著劑類型，諸如，例如壓力感應式黏著劑、熱塑性黏著劑、或諸如黏著片之替代的其他型態黏著劑。在一實施例中，黏著層或片具有洞孔以減少及可能地最小化源自黏著劑的RF損失。於一實施例中，黏著劑的圖案在黏著劑積設程序中生成，諸如透過平版印刷、網版印刷、施配或一些相當方法。此外，在一實施例中，諸如PSA之黏著劑的圖案係生成在一釋放襯底上，且從該釋放襯底轉移到饋給結構上。替代地，該圖案可經由一遮罩生成，而黏著劑透過該遮罩施敷。於一實施例中，此圖案包含同心圓的黏著劑。於另一實施例中，此圖案包含點狀黏著劑。在另一實施例中，黏著劑不是一均勻圖案，但覆蓋更多需要愈多黏著劑的區域、更多潛在RF損失最小化的區域、及更少潛在RF損失較多的區域。
圖5A至圖5B一同繪示可用作為總成104中之下堆疊體204之一下堆疊體500的一實施例。圖5A為分解圖，圖5B為組裝圖。於一些實施例中，下堆疊體500的平面視圖形狀將與一天線元件層202之形狀相匹配，亦即，若天線元件層202為八角形，則下堆疊體亦同。不過，在其他實施例中，下堆疊體500不一定具有與天線元件層202相同的平面視圖形狀。於其中天線元件層202包括多個部段(見圖3B至圖3C)的一些實施例中，下堆疊體500將不會對應分割，但在其他實施例中，下堆疊體500可被分割，且分割出的部段可能或可能不會與天線元件層之部段相匹配。
下堆疊體204包括夾設在一上介電體502與一下介電體506間的一傳導層504。在各種實施例中，上介電體502與下介電體506可為空氣、低密度發泡體、高密度發泡體、實心介電材料或此等之組合。上介電體502及下介電體506可利用例如先前所述或其他習知黏著劑之任一者而接合到傳導層504。一電氣傳導層508被添加在下介電體506中與接合至電氣傳導層504之側邊相對立的側邊。一饋電銷510穿過金屬化層508插入下介電體506中。饋電銷510被用來將RF輻射注入下介電體506中。一波導510 (圖5A中未顯示)係設置環繞天線總成之周邊。饋電銷510將RF輻射注入下介電體，而波導510導引輻射自下介電體至上介電體502。在一些實施例中，耦合件510為下堆疊體500之一部分，但在其他實施例中，耦合件510可與下堆疊體分開設置，例如把耦合件放到殼體102內(見圖1B)。
於一實施例中，下介電體506可為對RF輻射實質上可通透的一低介電常數材料，而上介電體502可由一高介電常數材料製成，以控制RF輻射從耦合件510進入上介電體502的行進。在一實施例中，電氣傳導層504可為一金屬，但在其他實施例中，電氣傳導層可為一非金屬傳導體；無論如何，於一實施例中，電氣傳導層504對RF輻射應為反射而非通透。類似地，傳導層508對RF輻射為反射，以致電氣傳導層504及傳導層508一同維持RF輻射行經下介電體，而非允許輻射穿過下介電體506之頂部或底部離開。
圖6A至圖6B一同繪示可用作為天線總成104之下堆疊體204之下堆疊體600的一替代實施例；圖6A為分解圖，圖6B為組裝圖。於一些實施例中，下堆疊體600的平面視圖形狀與天線元件層202之形狀相匹配，亦即，若天線元件層202為八角形，則下堆疊體亦同。不過，在其他實施例中，下堆疊體600不一定具有與天線元件層202相同的平面視圖形狀。於其中天線元件層202包括多個部段(見圖3B至圖3C)之一些實施例中，下堆疊體600將不會對應切割，但在其他實施例中，下堆疊體600可被分割，且分割出的部段可能或可能不會與天線元件層之部段相匹配。
於下堆疊體600中，一圖案化傳導層602係形成在介電體604之一側上，其控制能量從下堆疊體傳送至上堆疊體的速率。在一實施例中，圖案化傳導層602為包括形成在介電體604之一側上之一組同心的電氣傳導環602的一層體。一傳導層606係形成在介電體604之與層體602相對立之側邊上。端接部610係設置環繞波導604之周邊以吸收RF輻射，並防止RF輻射從下介電體604之周邊離開；於一實施例中，端接部610可包括設置環繞介電體604之周邊的一端接環。一饋電銷608穿過傳導層606插入下介電體604以將RF輻射注入介電體中。當RF輻射從銷608被注入介電體中時，RF輻射將徑向遠離饋電銷608朝向端接部610行進。當RF輻射行進時，大多數的RF輻射將通過圖案化傳導層602中之空間離開，即大多數的RF輻射將穿過耦合形貌體傳送到上堆疊體。無論RF輻射是否沒有穿過環形結構602中之環件離開，RF輻射仍會被環繞周邊之端接部610所吸收。在一實施例中，下介電體604由實質上對透過饋電銷608注入之RF輻射之RF頻率或波長為可通透的一介電體所製成，換言之，此下介電體對於天線操作之RF頻率為可通透的。
於一實施例中，先前所述之圖案化傳導層410、504及602係使用各種方法實現。在一實施例中，圖案化傳導層由層疊在一複合基體上的一實心銅層所組成，而圖案係使用削減(例如蝕刻等)方法來實現。於另一實施例中，傳導圖案係使用積層方法(例如絹版篩印、噴墨印刷等)施用在一複合基體或一熱塑性薄膜(例如聚酯、聚亞醯胺膜(Kapton)等)上。
類似地，傳導層508及606可使用各種製造方法來示現。此等方法包括無電電鍍、絹版篩蔽、或傳導片接合到介電層(例如506或610)上。在一實施例中，傳導層508及606為實心金屬層(例如鋁、鋼、銅等)。
上堆疊體與下堆疊體組件的接合可以多種方法完成。可能的接合方法包括：1)壓力感應式及熱致動式薄膜黏著劑；2)熱固性黏著劑；3)熱塑性材料之熱熔融。熱熔融具有不需額外黏著劑的優點。可能的製造方法包括真空形成、室溫及升溫下的真空袋固化、高壓固化、樹脂注入模製、及壓縮模製。
天線實施例之範例 以上所述之技術可配合平板天線使用。現揭露此等平板天線之數個實施例。該等平板天線包括位在一天線孔上的一或多個天線元件陣列。於一實施例中，天線元件包含液晶胞元。在一實施例中，平板天線為一柱體型饋接天線，其包括矩陣驅動電路以獨一定址及驅動非以多列及多行設置的各個天線元件。於一實施例中，此等元件被置於環件中。
在一實施例中，具有該一或多個天線元件陣列的天線孔係由耦接一起的多個部段構成。當該等部段耦接一起時，其組合形成天線元件的封閉同心環。於一實施例中，此同心環相對於天線饋接部呈同心。
天線系統之範例 於一實施例中，平板天線為一元材料天線系統之部分。現描述用於通訊衛星地面站之一元材料天線系統的數個實施例。在一實施例中，天線系統為在一行動平台(例如航空、海洋、陸地等)上運作之一衛星地面站(ES)的一組件或子系統，其使用民用商用衛星通訊用的Ka頻帶或Ku頻帶運作。應注意的是，天線系統的實施例亦可用於不在行動平台上的地面站(例如固定或可移式地面站)。
在一實施例中，天線系統使用表面散射元材料技術以形成及引導通過個別天線發射及接收的波束。於一實施例中，天線系統為類比系統，與採用數位信號處理以電氣形成及引導波束之天線系統(諸如相位陣列天線)相反。
於一實施例中，天線系統係由三個功能性子系統構成：(1)由一柱面波饋給構造組成之一波導結構；(2)為天線元件之部分的一波散射元材料單位胞元陣列；及(3)用以指揮使用全像原理從元材料散射元件形成一可調式輻射場(束)的一控制結構。
天線元件 圖7A繪示一柱體型饋給全像徑向孔口天線之一實施例的示意圖。參照圖7B，天線孔具有置於該柱體型饋給天線之一輸入饋給部602周圍呈同心圓之天線元件603的一或多個陣列601。在一實施例中，天線元件603為輻射射頻(RF)能量的RF共振器。於一實施例中，天線元件603包含Rx及Tx膜片(iris)二者，其等交插且分布在天線孔的整個表面上。此等Rx及Tx膜片或槽孔可呈三組或更多組，其中各組係用於一分別及同時控制的頻帶。此等具有膜片的天線元件之範例係於下文中更為詳細地描述。應注意的是，本文所述之RF共振器可用於不包括一柱體型饋給部的天線中。
在一實施例中，此天線包括一同軸饋給部，其用來經由輸入饋給部602提供一柱面波饋給。於一實施例中，此柱面波饋給架構從一中心點以自饋給點呈一圓柱形式向外散開之激發饋給該天線。亦即，一柱體型饋給天線產生一向外行進的同心饋給波。儘管如此，圍繞柱體饋給部之柱體型饋給天線的形狀可為圓形、矩形或任何形狀。於另一實施例中，一柱體饋給天線產生一向內行進的饋給波。在此一實例中，饋給波最自然地源自一圓形結構。
於一實施例中，天線元件603包含膜片，而圖7B的孔口天線係用來透過使用來自用以輻射膜片穿過可調諧液晶(LC)材料之一柱面饋給波的激勵以產生一主要波束。在一實施例中，天線可被激發以輻射出在所欲掃描角度之一水平或垂直極化的電場。
於一實施例中，天線元件包含一組貼片天線。此組貼片天線包含一散射元材料元件陣列。在一實施例中，天線系統中的各散射元件係為一單位胞元的一部分，此單位胞元可由一下傳導體、一介電基體及一上傳導體組成，該上傳導體嵌有一互補式電氣電感-電容式共振器(互補式電氣LC或CELC)，該共振器被蝕刻到傳導體中或積設到上傳導體上。熟習此技藝者應了解的是，關於CELC內容中的LC係指電感-電容，而不是液晶。
在一實施例中，一液晶(LC)材料係設置在散射元件周圍的間隙中。此LC由上述直接驅動的實施例所驅動。於一實施例中，液晶被囊封在各單位胞元中，且將與一槽孔相關聯之下傳導體和與其貼片相關聯之一上傳導體分開。液晶具有為依據包含液晶之分子定向的一介電係數，而分子的定向(因而介電係數)可透過調整液晶兩端的偏壓來控制。利用此特性，在一實施例中，液晶整合一開啟/關閉開關，用以將來自導波的能量傳送到CELC。當開啟時，CELC發出一電磁波，類似一電氣式小型偶極天線。應注意的是，本案的教示內容不限於具有針對能量傳輸在二元形式下運作的一液晶。
在一實施例中，此天線系統的饋給幾何結構允許天線元件被置於對波饋給部中之波動的向量呈四十五度(45º)處。應注意的是，其他位置可被使用(例如在角度40º)。此天線位置能控制由該等元件接收或從該等元件發射/輻射的自由空間波。於一實施例中，天線元件以小於天線之操作頻率之一自由空間波長的一元件間之間隙配置。舉例來說，若每個波長有四個散射元件，則30 GHz發射天線中的元件將為大略2.5 mm (即30 GHz之10 mm自由空間波長的四分之一)。
在一實施例中，兩組元件彼此垂直，且若控制成相同調諧狀態下同時具有相同幅度的激勵。將該等元件相對於饋給波激發旋轉±45度可一次達到兩者所欲的特徵。將一組旋轉0度而另一組旋轉90度可達到垂直目的，而非相同幅度激勵的目的。應注意的是，0度及90度可用來在單一結構中從兩側饋給天線元件陣列時達到隔離效果。
來自各單位胞元之輻射功率量可透過對貼片施加一電壓(LC通道兩端的電位)使用一控制器來控制。連至各貼片的跡線被用來提供電壓給貼片天線。此電壓係用以調諧或解調諧個別元件的電容及因而其共振頻率以實行波束形成。所需的電壓視所用的液晶混合體而定。液晶混合體的電壓調諧特徵主要透過一臨界電壓來描述，液晶在此臨界電壓開始受電壓及飽和電壓影響，而在高於臨界電壓的情況下，電壓的增加不會造成液晶中的主要調諧。這兩個特徵參數可針對不同液晶混合體而變化。
於一實施例中，如先前所述，一矩陣驅動部係用來對貼片施加電壓以將各個胞元在針對各胞元不具有一分別連接的情況下與其他所有胞元分開地予以驅動(直接驅動)。由於高密度的元件，故矩陣驅動部為個別對各胞元定址的一有效方式。
在一實施例中，天線系統用的控制結構具有兩個主要組件：天線系統用之包括驅動電子組件的天線陣列控制器，係位在(諸如本文所述之表面散射天線元件的)波散射結構之下，而矩陣驅動切換陣列係以不會干擾輻射的方式散佈遍及輻射RF陣列。在一實施例中，天線系統用之驅動電子組件包含用於商用電視設備中的商用現貨LCD控制組件，其透過調整對散射元件之一AC偏壓信號的振幅或工作週期來調整用於各散射元件的偏壓。
於一實施例中，天線陣列控制器亦含執行軟體的一微處理器。此控制結構亦可併有感測器(例如GPS接收器、三軸羅盤、三軸加速計、三軸陀螺儀、三軸磁力計等)，以提供位置及定向資訊給處理器。此位置及定向資訊可藉由在地面站的其他系統提供給處理器，及/或可不為天線系統之部分。
更特定言之，天線陣列控制器控制哪一個元件被關閉而那些元件被啟動，及在操作頻率下於哪一個相位與振幅位準。此等元件係藉由電壓施加針對頻率操作而選擇性解調諧。
就發射而言，一控制器供應一陣列的電壓信號給RF貼片以產生一調變或控制圖案。此控制圖案使元件轉換成不同狀態。在一實施例中，使用多狀態控制，其中不同元件被啟動及關閉至變動位準，進一步近似於與一方波相對立的一正弦控制圖案(即一正弦灰色陰影調變圖案)。於一實施例中，一些元件較其他元件輻射更強，而非一些元件輻射但一些沒有。可變輻射係透過施加特定電壓位準來達成，其調整液晶介電係數以改變數量，藉此可變地解調諧元件並使一些元件較其他者輻射更多。
藉由元材料元件陣列產生一聚焦束可透過建設性及破壞性干涉的現象來說明。若個別的電磁波在於自由空間相遇時具有相同相位，則該等波相加(建設性干涉)，而若個別的電磁波在自由空間相遇時為相反相位，則該等波彼此相減(破壞性干涉)。若一槽孔型天線之槽孔係設置成各連續槽孔設置在距導波之激發點不同位置處，則來自元件的散射波將具有與前一個槽孔之散射波不同的相位。若該等槽孔係以四分之一的一導波波長相隔開，則各槽孔將散射出與前一個槽孔相比有四分之一相位延遲的一波動。
運用陣列，可產生之建設性及破壞性干涉的圖案數量可利用全像術原理增加，以致波束理論上可被指向於從天線陣列之視軸(bore sight)加上或減去九十度(90º)的任何方向。因此，藉由控制哪一些元材料單位胞元被啟動或關閉(即藉由改變哪些胞元被啟動哪些胞元被關閉的圖案)，可產生不同建設性及破壞性干涉的圖案，且天線可改變主波束的方向。啟動及關閉單位胞元所需的時間表示波束可從一位置切換到另一位置的速度。
在一實施例中，天線系統產生用於上鏈天線的一可操縱波束，及用於下鏈天線的一可操縱波束。於一實施例中，天線系統使用元材料技術來接收波束並解碼來自衛星的信號，且形成導向衛星的發射波束。在一實施例中，天線系統為類比系統，與運用數位信號處理以電氣式形成及操縱波束的天線系統(諸如相位陣列天線)相反。於一實施例中，天線系統被視為平坦且相對低輪廓的一「表面」天線，特別是與傳統衛星碟形接收器相比時。
圖7B繪示包括一接地面及一可重組配共振器層的一天線元件列之立體圖。可重組配共振器層1230包括一可調諧槽孔陣列1210。此列可調諧槽孔1210可被組配來使天線指向於一所欲方向。各可調諧槽孔可透過改變液晶兩端的一電壓來調諧/調整。
控制模組或控制器1280係耦合到可重組配共振器層1230，以藉由改變圖8A中之液晶兩端的電壓來調變可調諧槽孔陣列1210。控制模組1280可包括一可現場規劃閘極陣列(FPGA)、一微處理器、一控制器、一系統單晶片(SoC)或其他處理邏輯組件。在一實施例中，控制模組1280包括邏輯電路(例如多工器)，用以驅動可調諧槽孔陣列1210。於一實施例中，控制模組1280接收包括針對要被驅使移動到可調諧槽孔陣列1210上之一全像繞射圖案之規格的資料。此全像繞射圖案可響應於天線與衛星間之一空間關係而產生，以致該全像繞射圖案以合適方向操縱下鏈波束(及若天線系統執行發射的情況下之上鏈波束)用於通訊。雖然各圖式中未繪出，但類似於控制模組1280的一控制模組可驅動本揭露內容之圖式中所描述之各可調諧槽孔陣列。
射頻(RF)全像術利用類比技術亦為可能，其中一所欲RF波束可在一RF參考束遇到一RF全像繞射圖案時產生。在衛星通訊的實例中，參考束呈饋給波形式，諸如饋給波1205 (在一些實施例中大約為20 GHz)。為將一饋給波轉換成一輻射束(或為發射或接收目的)，一干涉圖案在所欲RF波束(物件束)及饋給波(參考束)間被計算出。此干涉圖案係驅使移動到可調諧槽孔陣列1210作為一繞射圖案，以致饋給波被「引導」到所述RF波束(具有所欲形狀及方向)中。換言之，遇到全像繞射圖案的饋給波「再建構」物件束，此物件束係根據通訊系統之設計要求而形成。此全像繞射圖案包含各元件的激勵，且透過以下公式計算： ，其中w in為波導中的波方程式，而w out為輸出波的波方程式。
圖8A繪示一可調諧共振器/槽孔1210的一實施例。可調諧槽孔1210包括一膜片/槽孔1212、一輻射貼片1211、及設置在膜片1212與貼片1211間的液晶1213。於一實施例中，輻射貼片1211與膜片1212共置。
圖8B繪示一實體天線孔之一實施例的橫截面圖。此天線孔包括接地面1245、及位於膜片層1233內的一金屬層1236，此膜片層1233係包括在可重組配共振器層1230中。在一實施例中，圖8B之天線孔包括多個圖8A的可調諧共振器/槽孔1210。膜片/槽孔1212係藉金屬層1236中的開口界定。一饋給波，諸如圖8A之饋給波1205，可具有與衛星通訊通道相容的一微波頻率。此饋給波在接地面1245與共振器層1230間行進。
可重組配共振器層1230亦包括墊片層1232及貼片層1231。墊片層1232係設置在貼片層1231與膜片層1233之間。應注意的是，在一實施例中，一間隔件可取代墊片層1232。於一實施例中，膜片層1233為包括作為金屬層1236之一銅層的一印刷電路板(PCB)。在一實施例中，膜片層1233為玻璃。膜片層1233可為其他類型的基體。
開口可在銅層中蝕刻出來以形成槽孔1212。於一實施例中，膜片層1233係由一傳導接合層傳導地耦合到圖8B中之另外結構(例如一波導)。應注意的是，在一實施例中，膜片層並非由一傳導接合層傳導地耦合，而是介接有一非傳導接合層。
貼片層1231亦可為包括作為輻射貼片1211之金屬的PCB。於一實施例中，墊片層1232包括提供一機械間隔的間隔件1239，以界定金屬層1236與貼片1211間之維度。在一實施例中，間隔件為75微米，但其他尺寸可採用(例如3~200 mm)。如先前所述，於一實施例中，圖8B之天線孔包括多個可調諧共振器/槽孔，諸如圖8A之可調諧共振器/槽孔1210包括貼片1211、液晶1213及膜片1212。液晶1213之腔室由間隔件1239、膜片層1233及金屬層1236界定。當腔室充填有液晶時，貼片層1231可被層疊到間隔件1239上以密封共振器層1230內的液晶。
貼片層1231及膜片層1233間的一電壓可被調變以調整貼片與槽孔(例如可調諧共振器/槽孔1210)間之間隙中的液晶。調整液晶1213兩端的電壓改變一槽孔(例如可調諧共振器/槽孔1210)的電容。因此，一槽孔(例如可調諧共振器/槽孔1210)的電抗可藉由改變電容而變化。槽孔1210的共振頻率亦依據方程式 而改變，其中f為槽孔1210之共振頻率，而L及C分別為槽孔1210之電感及電容。槽孔1210的共振頻率影響從行經波導之饋給波1205輻射出的能量。作為一範例，若饋給波1205為20 GHz，則一槽孔1210之共振頻率可(透過改變電容)調整為17 GHz，致使槽孔1210實質上沒有與來自饋給波1205的能量耦合。或者，一槽孔1210之共振頻率可被調整為20 GHz，致使槽孔1210與來自饋給波1205之能量耦合，且將能量輻射到自由空間中。雖然給予的範例為兩種(完全輻射或沒有完全輻射)，但槽孔1210之電抗及因而其共振頻率的全灰階控制在電壓於多個數值範圍內的變動下為可能。因此，從各槽孔1210輻射出的能量可被精確控制，以致詳細的全像繞射圖案可透過可調諧槽孔陣列形成。
在一實施例中，一列中的可調諧槽孔彼此以λ/5隔開。可使用其他間隔。於一實施例中，一列中的各可調諧槽孔與一鄰近列中最靠近的可調諧槽孔以λ/2隔開，因而不同列中共同定向的可調諧槽孔以λ/4隔開，即便其他間隔亦為可能(例如λ/5、λ/6.3)。在另一實施例中，一列中的各可調諧槽孔與一鄰近列中最靠近的可調諧槽孔以λ/3隔開。
數個實施例使用可重組配元材料技術，諸如描述在於2014年11月21日申請之美國第14/550,178號名為「可操縱柱面饋給全像式天線之動態極化及耦合控制技術」的專利申請案，及於2015年1月30日申請之美國第14/610,502號名為「用於可重組配天線之脊式波導饋給結構」的專利申請案。
圖9A至圖9D繪示用以產生槽孔式陣列之不同層體的一實施例。此天線陣列包括環狀設置的天線元件，諸如圖1A中所示的例示環狀體。應注意的是，於此範例中，天線陣列具有用於兩個不同類型頻帶的兩個不同類型天線元件。
圖9A繪示第一膜片板體層之一部分，其具有對應於槽孔的位置。參照圖9A，圓形體為在膜片基體之底側中之金屬化部中的開放區位/槽孔，且係用以控制元件對饋給部(饋給波)的耦合。應注意的是，此層為一可選層且並沒有用於所有設計中。圖9B繪示含有槽孔之第二膜片板體層的一部分。圖9C繪示遍及第二膜片板體層之一部分的貼片。圖9D繪示槽孔式陣列之一部分的俯視圖。
圖10繪示一柱體型饋給天線結構之一實施例的側視圖。此天線利用一雙層饋給結構(即兩層的一饋給結構)產生一向內行進波。在一實施例中，天線包括一圓形外形，即便這並非必定。亦即，可使用非圓形向內行進結構。於一實施例中，圖10中的天線結構包括一同軸饋給部，諸如，例如描述於2014年11月21日申請之美國公開號第2015/0236412號名為「可操縱柱面饋給全像式天線之動態極化及耦合控制技術」的申請案中。
參照圖10，一同軸銷1601用以激發天線下階的場域。在一實施例中，同軸銷1601為備妥可用的50Ω同軸銷。同軸銷1601係耦合(例如栓接)到天線結構之底部，其為傳導接地面1602。
與傳導接地面1602分開者為一間隙傳導體1603，其為一內部傳導體。於一實施例中，傳導接地面1602及間隙傳導體1603彼此平行。在一實施例中，接地面1602與間隙傳導體1603之間的距離為0.1~0.15’’。於另一實施例中，此距離可為λ/2，其中λ為行進波在操作頻率下的波長。
接地面1602與間隙傳導體1603經由一間隔件1604分開。在一實施例中，間隔件1604為一發泡體或空氣式間隔件。於一實施例中，間隔件1604包含一塑膠間隔件。
在間隙間隔體1603頂部上者為介電層1605。在一實施例中，介電層1605為塑膠。介電層1605的目的在於使行進波相對於自由空間速度變慢。於一實施例中，介電層1605使行進波相對於自由空間放慢30%。在一實施例中，適於波束形成的折射率範圍為1.2~1.8，其中自由空間具有本質上等於1的折射率。其他介電間隔件材料，諸如，例如塑膠，可用來達成此效果。應注意的是，只要可達到所欲放慢波的效果，塑膠以外的材料皆可使用。替代地，具有分佈結構的一材料可被用作介電體1605，諸如，例如可加工或微影術定義的週期性次波長金屬結構。
一RF陣列1606係在介電體1605之頂部上。在一實施例中，間隙傳導體1603與RF陣列1606間的距離為0.1~0.15’’。於另一實施例中，此距離可為λ eff/2，其中λ eff為媒介中於設計頻率下的有效波長。
天線包括側邊1607及1608。側邊1607及1608係呈角度以使來自同軸銷1601的一行進饋給波從間隙傳導體1603下方的區位(間隔層)經由反射傳播到間隔傳導體1603上方的區位(介電層)。在一實施例中，側邊1607及1608的角度為45度。於一替代實施例中，側邊1607及1608可以一連續半徑替代以達到反射。雖然圖10顯示具有角度45度的有角側邊，但可使用其他可實現從下階饋給部至上階饋給部之信號發射的角度。亦即，鑒於下饋給部中的有效波長一般將異於上饋給部，故偏離理想45度角度的一些偏差可用來輔助從下階饋給部發射到上階饋給部。例如，於另一實施例中，45度角度係以單一步階替代。天線一端上之數個步階環繞介電層、間隙傳導體及間隔層。相同的兩個步階係在這些層的另一端。
操作時，當一饋給波從同軸銷1601饋入，波動在接地面1602與間隙傳導體1603間之區位中從同軸銷1601同心定向地向外行進。此同心向外波由側邊1607及1608反射，並在間隙傳導體1603及RF陣列1606間的區位中向內行進。從圓形周邊之邊緣反射使波動保持同相(即，此為一同相反射)。此行進波會藉介電層1605變慢。此時，行進波開始與RF陣列1606中的元件相互作用及激發該等元件以獲得所欲散射。
為終止行進波，一端接部1609被包括在天線中於天線之幾何中心處。於一實施例中，端接部1609包含一銷端接部(例如50Ω的銷)。在另一實施例中，端接部1609包含終止未使用的能量以防止未使用的能量反射回經過天線之饋給結構之一RF吸收器。這可用在RF陣列1606的頂部上。
圖11繪示具有一射出波之天線系統的另一實施例。參照圖11，兩個接地面1610及1611彼此實質上平行，其中有一介電層1612 (例如塑膠層等)介於該等接地面之間。RF吸收器1619 (例如電阻器)將兩個接地面1610及1611耦接一起。一同軸銷1615 (例如50Ω)饋給天線。一RF陣列1616係在介電層1612及接地面1611之頂部上。
操作時，一饋給波透過同軸銷1615饋給，並向外同心地行進且與RF陣列1616的元件相互作用。
圖10及圖11之天線中的柱面饋給部提升天線的服務角度。於一實施例中，天線系統具有自視軸在所有方向上呈75度(75º)的一維修角度，而非±45度方位角(±45º Az)及±25度仰角(±25º El)的維修角度。如同形成由許多個別輻射器組成之天線的任何波束，整體的天線增益係取決於所構成元件的增益，該等增益本身與角度相關。當使用共同輻射元件時，整體天線增益在波束指向距視軸更遠時典型會降低。在距視軸75度處，約6 dB的顯著增益減少為可預期的。
具有一柱面饋給部之天線的數個實施例解決一或多個問題。這些包括相較於以協同分配器網路饋給的天線大幅簡化饋給結構，因而縮減全部所需天線及天線饋給部的體積；藉由利用較粗略的控制(一路延伸到簡單的二元控制)維持高波束性能來降低對製造及控制錯誤的靈敏度；給予相較於直線饋給的一更有益的旁瓣圖案，因為柱面定向的饋給波在遠場中會造成空間上分立的旁瓣部；及允許極化呈動態，包括允許左旋圓極化、右旋圓極化及線極化而不需一偏振器。
波散射元件陣列 圖10之RF陣列1606及圖11之RF陣列1616包括一波散射次系統，其包括作為輻射器的一組貼片天線(即散射器)。此組貼片天線包含一散射元材料元件陣列。
在一實施例中，天線系統中的各散射元件為由一下傳導體、一介電基體及一上傳導體組成之一單位胞元之部分，此上傳導體嵌有一互補式電氣電感-電容式共振器(互補式電氣LC或CELC)，其被蝕刻到該上傳導體中或積設到該上傳導體上。
於一實施例中，液晶(LC)被注入散射元件周圍的間隙中。液晶被囊封在各單位胞元中，且將與一槽孔相關聯的下傳導體和與其貼片相關聯之一上傳導體隔開。液晶具有依據包含液晶之分子定向的介電係數，且分子定向(因而介電係數)可透過調整液晶兩端偏壓來控制。利用此特性，液晶作為用於從導波傳送能量至CELC的一開啟/關閉開關。當開啟時，CELC發出一電磁波，類似一電氣式小型偶極天線。
控制LC厚度可提高波束切換速度。減少百分之五十(50%)之下傳導體與上傳導體間的間隙(液晶厚度)使速度增加四倍。於另一實施例中，液晶厚度有大約14毫秒(14 ms)的一波束切換速度。在一實施例中，LC係以習知方式摻雜以提高響應性，以致可符合7毫秒(7 ms)的要求。
CELC元件係響應於平行於CELC元件之平面及垂直於CELC間隙互補部施加的一磁場。當一電壓施加在元材料散射單位胞元中之液晶時，導波的磁場組件引發CELC的一磁激勵，其則產生與導波相同頻率的一電磁波。
由單一CELC產生之電磁波的相位可透過CELC在導波之向量上的位置來選擇。各胞元產生與平行於CELC之導波同相的一波動。由於CELC較波動長度小，故輸出波在通過CELC下方時具有與導波相位相同的相位。
在一實施例中，此天線系統的柱面饋給幾何結構允許CELC元件置於對波饋給部之波動的向量呈四十五度(45º)處。此元件位置能控制自元件產生或由元件接收之自由空間波的極化。於一實施例中，CELC係配置有較天線之操作頻率之一自由空間波長小的一元件間之間距。舉例來說，若每個波長有四個散射元件，則30 GHz發射天線中的元件將為大略2.5 mm (即30 GHz之10 mm自由空間波長的四分之一)。
在一實施例中，CELC係以貼片天線實現，其包括跨越一槽孔與其共置的一貼片，而二者間有液晶。於此，元材料天線作用為一槽孔式(散射)波導。配合一槽孔式波導，輸出波的相位視槽孔針對導波的位置而定。
胞元設置 於一實施例中，天線元件以允許有一對稱矩陣驅動電路的方式置於柱體型饋給天線孔上。胞元設置包括用於矩陣驅動器之電晶體的設置。圖12繪示矩陣驅動電路相對於天線元件之設置的一實施例。參照圖12，列控制器1701係經由列選擇信號Row1及Row2分別耦合到電晶體1711及1712，而行控制器1702係經由行選擇信號Column 1耦合到電晶體1711及1712。電晶體1711亦經由至貼片的連接部1731耦合到天線元件1721，而電晶體1712係經由至貼片的連接部1732耦合到天線元件1722。
在實現矩陣驅動電路在柱面型饋給天線上而單位胞元置於一不規則格柵中的初始方法中，執行兩個步驟。於第一步驟中，胞元被置於同心環件上，且各胞元係連接到置於胞元旁且作為用以分別驅動各胞元之一開關的一電晶體。於第二步驟中，建立矩陣驅動電路以如同矩陣驅動方法所需以一獨一位址連接每一個電晶體。由於矩陣驅動電路係以列及行跡線建立(類似於LCD)但胞元係置於環件上，故無系統性方法可供指定一獨一位址給各個電晶體。此種匹配問題造成非常複雜的電路覆蓋所有電晶體，且導致用以完成安排路由的實體跡線數目大幅增加。由於高密度的胞元，那些跡線因耦合效應緣故會干擾天線RF性能。並且，由於跡線複雜度及高封裝密度，跡線的路由無法透過市面上可用的佈局工具來完成。
在一實施例中，矩陣驅動電路在胞元及電晶體被設置前預先界定。此確保驅動所有胞元必須之一最小數目的跡線，其各有一獨一位址。此策略方法降低驅動電路的複雜性並簡化路由，其而後提高天線的RF性能。
更特定言之，於一方法中，在第一步驟中，胞元被置於由列及行組成的規則矩形格柵上，該等列及行描述各胞元的獨一位址。於第二步驟中，胞元被分組及轉換成同心圓，同時保有它們的位址及對第一步驟中界定之行與列的連接。此轉換的目的不只是將胞元放在環件上，還使數個胞元間的距離與數個環件間的距離在整個孔上為固定。為達成此目的，有數個方式來將該等胞元分組。
於一實施例中，一TFT封裝件被用來以有矩陣驅動器的設置及矩陣驅動器中有獨一位址。圖13繪示一TFT封裝件的一實施例。參照圖13，一TFT及一固持電容器1803係顯示有輸入埠及輸出埠。有兩個輸入埠連接到跡線1801，且有兩個輸出埠連接到跡線1802，以利用數列及數行將數個TFT連接一起。在一實施例中，列及行跡線90度相交以降低且可能地最小化列跡線與行跡線間的耦合。於一實施例中，此等列及行跡線在不同層體上。
全雙工通訊系統之範例 在另一實施例中，組合的天線孔被用於一全雙工通訊系統。圖14為具有同時發射及接收路徑之一通訊系統之一實施例的方塊圖。雖然圖中僅顯示一條發射路徑及一條接收路徑，但通訊系統可包括一條以上的發射路徑及/或一條以上的接收路徑。
參照圖14，天線1401包括兩個獨立運作以如前述在不同頻率下同時發射及接收之空間上交錯的天線陣列。於一實施例中，天線1401係耦合到雙工器1445。此耦合可透過一或多個饋接網絡作成。在一實施例中，於一徑向饋接天線的實例中，雙工器1445將兩個信號組合，而天線1401與雙工器1445間的連接為可攜載兩個頻率的單一寬頻帶饋接網絡。
雙工器1445係耦合到一低雜訊阻斷轉換器(LNB) 1427，其以習知方式執行一雜訊過濾功能及一下轉換與放大功能。在一實施例中，LNB 1427為一室外單元(ODU)。於另一實施例中，LNB 1427係整合到天線設備中。LNB 1427係耦合到一數據機1460，其耦合到運算系統1440 (例如電腦系統、數據機等)。
數據機1460包括耦合到LNB 1427的一類比數位轉換器(ADC) 1422，用以將從雙工器1445接收到的信號輸出轉換成數位形式。一旦被轉換成數位形式，該信號被解調器1423解調且由解碼器1424解碼，以獲得所接收之波動上的編碼資料。此解碼資料接著被傳送至控制器1425，其將該資料傳送至運算系統1440。
數據機1460還包括把要從運算系統1440發射出去之資料編碼的一編碼器1430。經編碼的資料由調變器1431調變且接著由數位類比轉換器(DAC) 1432轉換成類比。此類比信號而後透過一向上變換及高通放大器(BUC) 1433過濾並提供到雙工器1445的其中一埠。在一實施例中，BUC 1433為一室外單元(ODU)。
以習知方式運作的雙工器1445提供發射信號到天線1401用於發射。
控制器1450控制天線1401，包括單一組合實體孔上的兩個天線元件陣列。
此通訊系統可被修改以包括前述的合併器/仲裁器。在此一實例中，合併器/仲裁器是在數據機之後而在BUC及LNB之前。
應注意的是，圖14中所示的全雙工通訊系統有數個應用，包括但不限於網際網路通訊、車輛通訊(包括軟體更新)等。
本文有數個例示實施例。
範例1為一種天線總成，包含：一天線元件層，具有一上側及一下側；一第一組一或多個層體，其形成接合至該天線元件層之該上側且對射頻(RF)輻射至少部分通透的一上堆疊體；及一第二組一或多個層體，其形成接合至該天線元件層之該下側的一下堆疊體，此天線元件層、上堆疊體及下堆疊體接合在一起以形成一複合式堆疊體。
範例2為範例1之天線總成，其可選地包括該上堆疊體包含：一或多個阻抗匹配層；及接合至該一或多個阻抗匹配層的一介電體。
範例3為範例2之天線總成，其可選地包括該上堆疊體更包含：接合至該介電體的一天線罩，使得該介電體係在該天線罩與該一或多個阻抗匹配層之間。
範例4為範例3之天線總成，其可選地包括天線罩層包含由數個介電表層及數個下介電層組成之多層複合結構。
範例5為範例1之天線總成，其可選地包括該上堆疊體及該下堆疊體利用黏著劑接合至該天線元件層。
範例6為範例5之天線總成，其可選地包括更包含有包括一或多個洞孔之至少一黏著層，其位於該上堆疊體的數個層體之間、該下堆疊體的數個層體之間、或在該天線元件層與該上堆疊體及該下堆疊體中之一者或兩者之間。
範例7為範例1之天線總成，其可選地包括該上堆疊體及該下堆疊體係利用熱接合、熱焊接、施配環氧樹脂、音波熔接或化學接合來接合到該天線元件層。
範例8為範例1之天線總成，其可選地包括更包含一或多個平坦頂部及底部負載整合介電體包括於其中，且複合結構被一起模製作為一平坦結構。
範例9為範例1之天線總成，其可選地包括該天線元件層包含一可撓材料。
範例10為範例1之天線總成，其可選地包括該上堆疊體之該一或多個層體中的維度及材料特性、及該下堆疊體之該一或多個層體中的維度及材料特性降低該天線元件層上之應力。
範例11為範例1之天線總成，其可選地包括該下堆疊體包含：由對RF輻射至少部分通透之一材料製成的一下介電體；由對RF輻射至少部分通透之一材料製成的一上介電體；夾設在該下介電體與該上介電體之間的一傳導層；及形成在該下介電體之側邊上的一電氣傳導層，該側邊與該下介電體和該電氣傳導層接觸之側邊相反。
範例12為範例11之天線總成，其可選地包括沿該下堆疊體之周邊設置以導引RF輻射從該下介電體進入該上介電體的一結構。
範例13為範例1之天線總成，其可選地包括該天線總成之一中心軸實質上與該天線元件層重合。
範例14為一種天線，其包含：一殼體；設置在該殼體內的一天線總成，該天線總成包含：一天線元件層，具有一上側及一下側；一第一組一或多個層體，其形成接合至該天線元件層之該上側且對射頻(RF)輻射至少部分通透的一上堆疊體，其中該上堆疊體包含一或多個阻抗匹配層，與接合到該一或多個阻抗匹配層的一介電體；及一第二組一或多個層體，其形成接合至該天線元件層之該下側的一下堆疊體，此天線元件層、上堆疊體及下堆疊體接合在一起以形成一複合式堆疊體。
範例15為範例14之天線，其可選地包括該上堆疊體及該下堆疊體利用黏著劑接合至該天線元件層。
範例16為範例15之天線，其可選地包括更包含有一或多個洞孔之至少一黏著層，其位於該上堆疊體的數個層體之間、該下堆疊體的數個層體之間、或在該天線元件層與該上堆疊體及該下堆疊體中之一者或兩者之間。
範例17為範例14之天線，其可選地包括該上堆疊體及該下堆疊體係利用熱接合、熱焊接、施配環氧樹脂、音波熔接或化學接合來接合到該天線元件層。
範例18為範例14之天線，其可選地包括更包含一或多個平坦頂部及底部負載整合介電體包括於其中，且複合結構被一起模製作為一平坦結構。
範例19為範例14之天線，其可選地包括該天線元件層包含一可撓材料。
範例20為範例14之天線，其可選地包括該上堆疊體更包含接合到該介電體之一天線罩，使得該介電體係位在該天線罩與該一或多個阻抗匹配層之間。
範例21為範例20之天線，其可選地包括天線罩層包含由數個介電表層及數個下介電層組成之一多層複合結構。
範例22為範例14之天線，其可選地包括該上堆疊體之該一或多個層體中的維度及材料特性、及該下堆疊體之該一或多個層體中的維度及材料特性降低該天線元件層上之應力。
範例23為範例14之天線，其可選地包括該下堆疊體包含：由對RF輻射至少部分通透之一材料製成的一下介電體；由對RF輻射至少部分通透之一材料製成的一上介電體；夾設在該下介電體與該上介電體之間的一傳導層；及形成在該下介電體之側邊上的一電氣傳導層，該側邊與該下介電體和該電氣傳導層接觸之側邊相反。
以上詳細描述的一些部分係以針對一電腦記憶體內之資料位元的運作演算法及符號表示型態方面來呈現。這些演算法描述及表示型態係為資料處理領域中熟於此技者用來最有效地將他們的工作成果內容傳達給其他熟於此技者之手段。演算法在本文且一般而言，係視為導致所欲結果的一套自相一致(self-consistent)步驟序列。此等步驟為需要實體操縱物理量的步驟。通常，雖然不一定，這些數量採能夠被儲存、轉移、組合、比較或以其他方式操作的電氣或磁性信號形式。主要因為一般使用緣故，已證明將這些信號表示為位元、數值、元素、符號、字元、項目、數字或類似者有時是方便的。
然而，應記得的是，所有這些及類似用語應與適當的物理量相關聯，且僅為應用在這些數量上方便的標記。如同下文中明顯地，除非有另外特別說明，否則應了解的是，通篇說明書中，運用諸如「處理」或「運算」或「計算」或「判定」或「顯示」或類似者之用語的描述係指一電腦系統或類似電子運算裝置的動作及程序，其操縱電腦系統之暫存器與記憶體內以物理(電子)量表示的資料，並將其轉換成電腦系統記憶體或暫存器或其他此種資訊儲存、傳送或顯示裝置內同樣以物理量表示的其他資料。
本發明亦有關用以執行本文操作的設備。此設備可特別針對所需目的建構，或其可包含由一儲存在電腦中之電腦程式選擇性致動或重組配的一通用電腦。此一電腦程式可被存於一電腦可讀儲存媒體中，諸如但不限於，任何類型包括軟碟、光碟、CD-ROM及磁光碟的碟片、唯讀記憶體(ROM)、隨機存取記憶體(RAM)、EPROM、EEPROM、磁性或光學卡、或適於儲存電子指令的任何類型媒體，且各耦合至一電腦系統匯流排。
本文所提的演算法及顯示內容並非固有地相關於任何特定電腦或其他設備。各種通用系統可依據本文教示內容配合程式使用，或是構建更特殊化用以執行所需方法步驟之裝置亦可獲證實為便利。針對多種這些系統所需的結構將顯現於以下敘述中。此外，本發明並非參照任何特定程式語言來描述。將可了解的是，多種程式語言可被用來實施本發明中在此所述的教示內容。
一機器可讀媒體包括用以採一機器(例如電腦)可讀之形式儲存或發送資訊的任何機構。舉例來說，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。
然而，熟習此技藝者在閱讀先前描述後，本發明中許多改變及變化將無疑地變得明顯，應了解的是，以例示方式顯示或描述的任何特定實施例絕不意圖視為具限制性。因此，對各個實施例之細節的參照並非意圖限制本案申請專利範圍之範疇，而請求項本身僅記載對於本發明認為必要的那些特徵。
100:平板(元材料)天線；天線 102:殼體 104:天線總成 106:邊框 108:硬體部件 202:天線元件層 204、500、600:下堆疊體 206:上堆疊體 208、510:饋電銷 302、601:陣列 402:天線罩 404:介電層；層體 404a、404b、1612:介電層 406、406a、406b、406c:層體 408:間隔介電體 410:阻抗匹配層；圖案化傳導層 502:上介電體 504:(圖案化/電氣)傳導層 506:下介電體；介電層 508:(電氣)傳導層；金屬化層 510:波導；耦合件 602:圖案化傳導層；電氣傳導環；層體；環形結構；輸入饋給部 603、1721、1722:天線元件 604、2106:介電體 606:傳導層 608:(饋電)銷 610:端接部；介電層 1205:饋給波 1210:可調諧槽孔(陣列)；可調諧共振器 1211:(輻射)貼片 1212:膜片；槽孔 1213:液晶 1230:(可重組配)共振器層 1231:貼片層 1232:墊片層 1233:膜片層 1236:金屬層 1239、1604:間隔件 1245、1610、1611:接地面 1280:控制模組；控制器 1401:天線 1422:類比數位轉換器(ADC) 1423:解調器 1424:解碼器 1427:低雜訊阻斷轉換器(LNB) 1430:編碼器 1431:調變器 1432:數位類比轉換器(DAC) 1433:向上變換及高通放大器(BUC) 1440:運算系統 1445:雙工器 1460:數據機 1601、1615:同軸銷 1602:(傳導)接地面 1603:間隙傳導體 1605:介電層；介電體 1606、1616:RF陣列 1607、1608:側邊 1609:端接部 1619:RF吸收器 1701:列控制器 1702:行控制器 1711、1712:電晶體 1731、1732:至貼片的連接部 1801、1802:跡線 1803:TFT及固持電容器 1900:平坦頂部及底部負載整合介電體 2000:平坦包覆件 2100:AMC結構 2101:薄電阻片 2104:電路板 2105:AMC b:寬度 Column 1:行選擇信號 h:高度 Row1、Row2:列選擇信號
本發明之非限制及非詳盡的實施例係參照後附圖式描述，其中除非有特別指明，否則整篇各視圖中類似標號表示類似部分。 圖1A及圖1B分別為一平板元材料天線之一實施例的平面圖及橫截面圖。圖1B的橫截面實質上沿圖1A之線B-B取得。 圖2A及圖2B為一平板元材料天線之一實施例的橫截面圖。圖2A為分解圖，圖2B為組合圖。 圖3A至圖3C為一平板元材料天線中之一天線元件層之數個實施例的平面圖。 圖4為一平板元材料天線之一上堆疊體之一實施例的分解橫截面圖。 圖5A及圖5B為一平板元材料天線之一下堆疊體之一實施例的橫截面圖。圖5A為分解圖，圖5B為組合圖。 圖6A及圖6B為一平板元材料天線之一下堆疊體之一實施例的橫截面圖。圖6A為分解圖，而圖6B為組合圖。 圖7A繪示一柱體型饋給全像式徑向孔口天線之一實施例的示意圖。 圖7B繪示包括一接地面及一可重組配共振器層之一列天線元件的立體圖。 圖8A繪示一可調諧共振器/槽孔之一實施例。 圖8B繪示一實體天線孔之一實施例的橫截面圖。 圖9A至圖9D繪示用以產生槽孔式陣列之不同層體的一實施例。 圖10繪示一柱體型饋給天線結構之一實施例的側視圖。 圖11繪示具有一射出波之天線系統的另一實施例。 圖12繪示針對天線元件之矩陣驅動電路之設置的一實施例。 圖13繪示一TFT封裝件的一實施例。 圖14為具有同時傳輸及接收路徑之一通訊系統之一實施例的方塊圖。 圖15繪示平坦頂部及底部負載整合介電體的一實施例。 圖16繪示圍繞一吸收體之一平坦包覆件的一實施例。 圖17繪示由一AMC表面實施之薄電阻片的一實施例。
100:平板(元材料)天線；天線
102:殼體
104:天線總成

Claims (21)

  1. 一種天線總成，其包含：一天線元件層，其包含具有複數個變容二極體之一基體，該天線元件層具有一上側及一下側；一第一複數個材料層體，其形成接合至該天線元件層之該上側且對射頻(RF)輻射至少部分通透的一上堆疊體，其中該上堆疊體包含一或多個阻抗匹配層；一第二複數個材料層體，其形成接合至該天線元件層之該下側的一下堆疊體；及該天線元件層、該上堆疊體及該下堆疊體接合在一起以形成一複合式堆疊體。
  2. 如請求項1之天線總成，其中該等一或多個阻抗匹配層包含一寬角度阻抗匹配(WAIM)層。
  3. 如請求項1之天線總成，其中該下堆疊體包含具有RF輻射可通過之多個空間之一圖案化層，其中RF輻射通過該等空間傳送到該天線元件層。
  4. 如請求項3之天線總成，其中該下堆疊體更包含一介電層，其中，一饋入被插入該介電層以注入RF輻射，該RF輻射通過該圖案化層傳送至該天線元件層，該圖案化層被附接至該介電層之一第一側。
  5. 如請求項4之天線總成，其中該下堆疊體更包含一電氣傳導層，該電氣傳導層係在該介電層之一第二側上，並且該饋入被插入通過該電氣傳導層以注入RF輻射進入至該介電層，該介電層之該第二側係在該介電層 與該圖案化層接觸之一相反側上。
  6. 如請求項1之天線總成，其中該下堆疊體包含一層，其中RF輻射通過該層經由耦合形貌體來傳送至該天線元件層。
  7. 如請求項1之天線總成，其中該上堆疊體更包含接合至該等一或多個阻抗匹配層之一介電體。
  8. 如請求項7之天線總成，其中該上堆疊體更包含耦接至該介電體的一天線罩，使得該介電體係在該天線罩與該一或多個阻抗匹配層之間。
  9. 如請求項3之天線總成，其中該天線罩層包含由數個介電表層及數個下介電層所組成之多層複合結構。
  10. 如請求項1之天線總成，其中該上堆疊體及該下堆疊體係利用黏著劑而接合至該天線元件層。
  11. 如請求項10之天線總成，其更包含有包括一或多個洞孔之至少一黏著層，其位於該上堆疊體的數個層體之間、該下堆疊體的數個層體之間、或在該天線元件層與該上堆疊體及該下堆疊體中之一者或兩者之間。
  12. 如請求項1之天線總成，其中該上堆疊體及該下堆疊體係利用熱接合、熱焊接、施配環氧樹脂、音波熔接或化學接合來接合到該天線元件層。
  13. 如請求項1之天線總成，其更包含沿該下堆疊體之周邊設置以導引RF輻射朝向該上堆疊體的一結構。
  14. 如請求項1之天線總成，其中該下堆疊體包括具有一平坦負載介電體之一個平坦結構，該平坦負載介電體具有介電材料，在該一個平坦結構之一外邊緣處具有一吸收材料以用於吸收RF輻射。
  15. 一種天線，其包含：一殼體；設置在該殼體內的一天線總成，該天線總成包含：一天線元件層，其包含具有複數個變容二極體之一基體，該天線元件層具有一上側及一下側；一第一複數個材料層體，其形成接合至該天線元件層之該上側且對射頻(RF)輻射至少部分通透的一上堆疊體，其中該上堆疊體包含一或多個阻抗匹配層，一第二複數個材料層體，其形成接合至該天線元件層之該下側的一下堆疊體，該天線元件層、該上堆疊體及該下堆疊體接合在一起以形成一複合式堆疊體。
  16. 如請求項15之天線，其中該等一或多個阻抗匹配層包含一寬角度阻抗匹配(WAIM)層。
  17. 如請求項15之天線，其中該下堆疊體包含具有RF輻射可通過之多個空間之一圖案化層，其中RF輻射透過該等空間傳送至該天線元件層。
  18. 如請求項17之天線，其中該下堆疊體更包含一介電層，其中，一饋入被插入該介電層以注入RF 輻射，該RF輻射通過圖案化層傳送至該天線元件層，該圖案化層被附接至該介電層之一第一側。
  19. 如請求項18之天線，其中該下堆疊體更包含一電氣傳導層，其在該介電層之一第二側上，並且該饋入被插入通過該電氣傳導層以注入RF輻射進入至該介電層，該介電層之該第二側係在該介電層與該圖案化層接觸之一相反側上。
  20. 如請求項15之天線，其中該下堆疊體包含一層，RF輻射通過該層經由耦合形貌體來傳送至該天線元件層。
  21. 如請求項15之天線，其中該等複數個變容二極體被安裝在該基體上。
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