天线孔径中的DC偏移校正的制作方法
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2017年9月20日提交的申请序列号为62/561,110、题目为“rf纹波校正(rfripplecorrection)”的相应临时专利申请，以及于2017年9月28日提交的申请序列号为62/564,877、题目为“rftft天线孔径中的dc偏移校正(dcoffsetcorrectioninanrftftantennaaperture)”的临时专利申请的优先权，并且通过引用并入这些临时专利申请。
本发明的实施例涉及具有液晶(lc)的射频(rf)装置的领域；更特别地，本发明的实施例涉及对具有液晶(lc)的射频(rf)装置的驱动和控制，已经对其进行rf纹波、闪烁或其他观察。
背景技术：
使用液晶(lc)的显示装置通常使用一种以一定间隔使施加在lc上的驱动电压的极性反转的驱动方法。这些间隔通常称为时间帧或帧。这样做是为了防止或最小化lc装置内可以导致该lc装置内存储电压的电荷捕获。这些电荷来自多种源，主要来自lc装置中的污染物或材料降解。持续应用给定极性分离污染物(例如，有机酸)的电荷，并将它们移动到lc装置的边界，电荷可能在该边界处粘附。通过使所施加电压的极性反转，可减少这些带电物质的分离和转移。然而，难以使电压对称地反转，因此会产生“净dc偏移”。
也可能出现称为“闪烁”的情况，这是当在正帧期间施加的电压的绝对值和在负帧期间施加的电压的绝对值之间存在足够大的差值造成，使得正帧和负帧中的lc的光学特性不同且肉眼可见。在显示器中，这些可被光感测装置看到或检测到。随着时间的推移，正帧和负帧之间导致闪烁的非对称性会导致存储电荷。装置内存储的电荷可能造成在意在施加到lc的电压和实际施加的电压之间产生差异。这会导致施加到元件的均方根(rms)电压减少。可能会发生这种问题的另一表现，在本文中被称为“图像粘附”，这是先前施加的图像图案对下一图像图案的影响。
虽然使所施加电压的极性定期反转对于防止电荷捕获有效，但这本身不足以防止类似“闪烁”的问题。如果在正极性和负极性上施加的电压之间存在持续差异，这可能导致帧之间的“净dc偏移”，从而在lc装置的边界处随着时间的推移存在净电荷累积。
为了防止在基于lc的装置中出现这种情况，希望在驱动极性的一个间隔期间施加到lc装置的电压的绝对值和在相反驱动极性的下一间隔期间施加的电压的绝对值之间的dc偏移尽可能接近零。
在lc显示器中，对dc偏移的调整可以通过在每个灰阶针对每个极性补偿发送到每个元件的电压值来完成。在显示器中，在所选择灰阶的每个极性的补偿电压的量可以光学地确定并且选择用于消除闪烁。也就是说，帧的正极性和负极性之间的电压差异导致光学闪烁，这可通过光学传感器或传感器阵列(相机)来观察，并在自动测试设置中使用校正算法消除。然后，这些校正值可存储并用于使偏移量最小化。
上面描述了lc显示器的dc偏移问题。由于lc驱动机制与显示器相同，所以在lcrf天线中观察到相同的现象。这种现象的影响在天线性能中以rf纹波观测，这使接收器的载波噪声(c/n)比降低。因为天线结构阻挡了lc响应的光学测量路径，lc显示器中使用的dc偏移校正方法不能应用于lcrf天线的当前状态。
技术实现要素：
描述了一种用于天线孔径中dc偏移校正的方法和设备。在一个实施例中，天线包括：天线元件阵列，具有液晶(lc)；驱动电路，联接到该阵列并具有多个驱动器，该多个驱动器中的每个驱动器联接到阵列的天线元件并可操作以将驱动电压施加到天线元件；以及电压校正逻辑，联接到驱动电路以调整驱动电压，以补偿在驱动极性的第一间隔期间施加到每个天线元件的lc的第一电压的第一幅值和在与第一间隔的驱动极性相反的驱动极性的第二间隔期间施加到所述每个天线元件的lc的第二电压的第二幅值之间的偏移。
附图说明
从下面给出的详细描述和本发明的各个实施例的附图将更全面地理解本发明，然而，这些不应被视为将本发明限制于特定实施例，而是仅用于说明和理解。
图1是电压调整设备的一个实施例的框图。
图2示出了没有射频(rf)纹波的传输参数s21随时间的变化。
图3示出了具有rf纹波的传输参数s21随时间的变化。
图4示出了lc天线孔径中的rf单位胞元的驱动电压。
图5示出了使用伽马电压的数据(源级)驱动器输出控制。
图6是rf纹波校正过程的实施例的流程图。
图7a和图7d示出了使用rf纹波校正过程的一个实施例的电压调整的示例。
图8是rf纹波校正过程的另一实施例的流程图。
图9示出了传输对电压曲线的示例。
图10是确定dc偏移校正值的过程的一个实施例的流程图。
图11示出了针对位于波导区域外部的单个测试结构布线的一个实施例。
图12示出了测试结构的一个实施例。
图13示出了针对光学透明测试结构的栅极和源极线布线的一个示例。
图14和图15分别示出了形成天线孔径的贴片和虹膜的贴片玻璃(基底)和虹膜玻璃(基底)结构的示例。
图16和图17分别示出了贴片玻璃基底和虹膜玻璃基底上的布线的示例。
图18示出了圆柱形馈电全息径向孔径天线的一个实施例的示意图。
图19示出了包括接地平面和可重构谐振器层的一行天线元件的透视图。
图20示出了可调谐谐振器/狭槽(slot)的一个实施例。
图21示出了物理天线孔径的一个实施例的横截面视图。
图22a至图22d示出了用于建立开槽阵列的不同层的一个实施例。
图23示出了圆柱形馈电天线结构的一个实施例的侧视图。
图24示出了具有出射波的天线系统的另一实施例。
图25示出了矩阵驱动电路相对于天线元件的布置的一个实施例。
图26示出了tft封装的一个实施例。
图27是同时具有发射路径和接收路径的通信系统的一个实施例的框图。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述了许多细节以提供对本发明更透彻的解释。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其它情况下，以框图形式而非详细地示出公知的结构和装置，以避免模糊本发明。
电压校正概述
公开了一种用于控制天线驱动方案的方法和设备。在一个实施例中，天线包括平板天线，例如但不限于下面描述的天线实施例。注意的是，本文描述的技术不限于这种天线。
在一个实施例中，驱动方案涉及选择用于控制天线中的天线元件的电压值。在一个实施例中，天线元件是rf辐射天线元件；然而，本文公开的技术不限于这种天线元件。在一个实施例中，rf辐射天线元件是基于超材料液晶的天线元件。在一个实施例中，超材料天线元件是表面散射超材料天线元件，例如但不限于下面更详细公开的那些。
在一个实施例中，基于对天线进行的观察结果来修改天线的驱动方案。观察结果可通过测试装备、测试结构和传感器获得。在一个实施例中，观察结果包括关于射频(rf)纹波、闪烁和/或环境变化(例如，温度变化、压力变化等)的观察结果。
根据观察结果，对驱动方案进行了改变。在一个实施例中，对驱动方案的一个或多个改变涉及调整控制天线的某个部分的操作的一个或多个电压。在一个实施例中，对晶体管(例如，薄膜晶体管(tft))的伽马电压、栅极电压、源极电压和/或漏极电压，参考电压或公共电压(例如，vcom)等中的一个或多个进行调整。
在rf纹波和/或闪烁观察结果的情况下，本文公开的技术调整指定用于控制天线元件、包括用于这种天线元件的驱动器的电压值。在一个实施例中，调整伽马电压值。在另一实施例中，调整公共电压值，例如vcom值。注意的是，电压调整不限于这些电压。
图1是电压调整设备的一个实施例的框图。在一个实施例中，该设备是天线的一部分。在另一实施例中，该设备由天线使用，但是与天线分离。在又一实施例中，该设备的部分被分布成使得一部分是天线的部分，而另一部分与天线分离但由天线使用。
参照图1，电压调整组件100接收一个或多个驱动/控制电压值101(例如，晶体管(例如，薄膜晶体管(tft))的伽马电压值、栅极电压、源极电压和/或漏极电压，参考或公共电压(例如，vcom)等。)和与相对于天线进行的观察相关的观察数据102。在一个实施例中，观察数据102包括一个或多个rf纹波测量值或信息、闪烁测量值或信息、环境测量值等。这些可从测试人员、测试结构、传感器等处获得。
响应于这些输入，电压调整组件100对天线使用的驱动和/或控制电压进行电压调整。在一个实施例中，电压调整组件100响应于已观察到的rf纹波来执行电压调整。在另一实施例中，电压调整组件100响应于已观察到的闪烁来执行电压调整。在又一实施例中，电压调整组件100响应于已观察到的rf纹波和闪烁来执行电压调整。
在一个实施例中，电压调整组件100响应于使用rf纹波校正组件100a已观察到的rf纹波来执行电压调整。在另一实施例中，电压调整组件100响应于使用dc偏移校正组件100b已观察到的闪烁来执行电压调整。在又一实施例中，电压调整组件100响应于使用组合rf纹波和dc偏移校正组件已观察到的rf纹波和闪烁来执行电压调整，其中rf纹波校正组件100a和dc偏移校正组件100b被组合或串联工作。在一个实施例中，这两种方法被组合，使得光学dc偏移校正/检测方法(100b)用于建立预期的伽马电压校正量，然后利用rf纹波方法(100a)对这些预期值进行更精细的校正。如果测试结构仅放置在外围，或者ito结构的电容接近但不同于rf元件，则使用100b得到的电压校正量可能不同于阵列中rf元件所需的电压校正量。两种方法的组合可在更短的时间(100b)内提供更精确的校正(100a)，而无需扫描整个电压范围。在一个实施例中，电压调整组件100包括调整公共电压的参考或公共电压vcom调整组件100c。该调整可基于一个或多个观察结果(例如，rf纹波、闪烁等)来进行。
电压调整组件100输出存储在存储器103(例如，查找表(lut))中的一个或多个新的或更新的驱动/控制电压值110，以供天线控制器104访问，该天线控制器104使用该电压值以本领域公知的方式驱动和控制阵列105中的天线元件。
下面更详细地描述与由电压调整组件100执行的或者由其他天线实施例使用的纹波校正和dc偏移校正的实施例相关的示例。
纹波校正概述
在一个实施例中，基于液晶(lc)的天线孔径使用一种使施加在lc上的差分电压的极性周期性地反转的驱动方案。基于lc的天线孔径是例如但不限于下面更详细描述的天线孔径。在一个实施例中，lc差分电压的极性在在此称为帧的规则的时间间隔内反转。施加电压极性反转以防止电荷在电极表面(例如，基于lc的天线元件(例如，下面描述的表面散射天线元件)的贴片/狭槽对中的贴片电极)上的lc中累积。这种累积导致lc层内形成电压，并干扰装置特性。每一帧中电压极性的反转防止电荷在每一帧中移动时的累积。这些电荷主要由于污染物或材料降解产物而出现在lc中。例如，由于在天线孔径段组装进程中暴露于uv、lc与无意暴露的金属的反应、lc与对准层的反应等，可能会导致lc材料退化。
所施加电压的差异以正帧和负帧之间的lc的光学性质的差异来观察。当在正帧和负帧中在lc上施加的差分电压之间存在明显差异时，在lc天线孔径中观察到另一效应，rf纹波。具有液晶的天线元件的天线孔径中的rf纹波类似于液晶显示器(lcd)中的闪烁。在lc天线孔径中，所施加电压的差异被观察以lc介电特性的差异，并最终为天线频率的差异来观察。所施加的差分lc电压的差异可能是由于通过晶体管或lc的泄漏差异、阵列中的rc延迟、元件之间的串扰以及正帧和负帧之间的“反冲”(或馈通)电压差异。天线频率的这种差异导致随时间周期性地变化的天线响应。可观察到，天线的中心频率，即观察到最高增益的频率，是周期性改变的。测试工具可测量rf纹波效应。
在中心频率进行的时域连续波(cw)测量中，rf纹波现象更加明显。在理想情况下，对于基于lc的天线孔径的一个实施例，传输参数(s21)应当随时间恒定，如图2所示。当存在rf纹波时，对于基于lc的天线孔径的一个实施例，观察到在s21中与时间相关的周期性改变，如图3所示。如前所述，所施加电压的周期性改变改变了中心频率，这导致在恒定频率下测量的传输参数的周期性改变。
在一个实施例中，本文公开的电压校正技术校正rf天线孔径中的rf纹波。在一个实施例中，为了校正rf纹波效应，使用rf自由空间测试工具，例如但不限于于2017年5月16日提交的申请序列号为15/596,370、题目为“自由空间段测试器(freespacesegmenttester，fsst)”的美国申请中公开的工具，使用电压校正过程以自动进行伽马电压校正。自动化伽马电压校正用于减少、最小化和/或消除rf纹波现象。注意的是，该过程可执行一次或多次。在一个实施例中，当发生显著改变时，例如，使用例如温度传感器和/或压力传感器中的一个或两者捕获到剧烈的环境改变时，重复该过程。
在一个实施例中，电压校正单元执行电压调整方法。在一个实施例中，该方法通过重新调整驱动电压以在正帧和负帧两者中施加相同的差分电压来减少并可能最小化rf纹波。在一个实施例中，在自由空间测试(fst)测量系统中应用用于rf纹波校正的电压调整方法。
在一个实施例中，在频域和时域中均观察到天线的rf响应(传输参数s21)。伽马电压值用于产生“数据”，电压用于重新调整驱动电压。如图4所示，伽马电压控制典型的“数据”驱动器芯片的输出“数据”电压。参照图4，lc天线孔径中的rf单位胞元的驱动电压包括联接到rf元件412和存储电容器411的参考或公共电压vcom402。rf元件412和存储电容器411也联接到晶体管410的漏极。在一个实施例中，晶体管410是薄膜晶体管(tft)。晶体管410的栅极402从扫描/栅极驱动器420接收扫描电压。联接晶体管410的数据/源极401以从数据驱动器421接收输出数据电压，该输出数据电压由来自伽马电压参考生成器422的伽马电压控制。
伽马电压驱动器“线性化”/“校正”所测量的功率vs电压响应所需频率的段。对于每个灰阶/极性，使用为该灰阶/极性找到的δvcom计算新的伽马电压。然后将这些值置入控制器板上存储器(例如，eeprom)的查找表中。在一个实施例中，时序控制器430是控制器板。这些值用于设置伽马电压生成器422。伽马电压生成器422向数据驱动器421中的电阻梯中输入，伽马电压到达电阻梯上的节点。利用该伽马芯片信息和来自控制器板的灰阶数据，当“行”(栅极)线扫描时，数据驱动器421将经校正源极电压写入每条源极线，从而更新每帧的新信息。
时序控制器430联接到控制数据驱动器421和扫描/栅极驱动器420。在一个实施例中，时序控制器430控制数据电压驱动的时序，以及向数据驱动器输出数据，这使用伽马电压生成器向源极线输出适当的模拟电压。
在一个实施例中，对于负帧和正帧两者，在每个灰色阴影阶定义数据驱动器芯片输出。对于n个伽马电压电平，有n/2个灰色阴影阶是由伽马电压直接控制的灰色阴影阶。在一个实施例中，在那些n/2个灰色阴影阶处执行rf纹波校正。
在一个实施例中，rf纹波校正由伽马电压校正逻辑423执行。在一个实施例中，伽马电压校正逻辑423包括运行软件的电路。可选地，伽马电压校正逻辑423包括硬件、软件、固件或这些中的两个或多个的组合。在一个实施例中，rf纹波是使用自由空间测试器(fst)来测量的纹波，并且伽马电压校正逻辑423使用由电路(例如，处理器、控制器、数字逻辑等)运行的软件来确定δvcom，使用软件来计算伽马电压，并使用软件来将新的伽马电压值发送到伽马电压生成器422。
在一个实施例中，确定初始的伽马电压组。图5示出了这种伽马电压曲线的示例。参照图5，电压曲线相对于中间的电压电平对称，该电压电平称为havdd。在一个实施例中，该电压电平也用作公共电压(vcom)的初始值。在一个实施例中，将最高灰色阴影设置为实现可能的最大电压范围，并且将最低灰色阴影设置为实现0v差分lc电压。
当灰色阴影阶被设置为最大电压范围时，在fst中观察基于lc的天线元件的rf响应，并且针对中心频率测量rf纹波。如果纹波量大于标准，则vcom会增加或减少，直到纹波量低于标准。在该vcom值下，在频域中再次确定中心频率。在新中心频率重复进行时域中的纹波测量。如果纹波量低于标准，则该vcom值被建立为新的vcom值(vcom_adj)。否则，将重复vcom调整过程，直到纹波量低于标准。
对剩余的(n/2)-1个灰色阴影阶重复稍加修改的vcom调整过程。对于剩余灰度中的每一个，测量rf响应和中心频率。在时域中测量纹波量，并且增加或减少vcom以符合纹波标准。在一个实施例中，标准是以下阈值：高于该阈值的rf纹波使信号失真，或否则影响接收器处的载波噪声比(c/n)。在一个实施例中，将阈值设置为0.10db。然后重复rf响应测量，以测量新中心频率。在新中心频率重新测量纹波。重复该过程，直到纹波量满足标准。此步骤中的vcom称为vcom_temp。
δvcom＝vcom_temp-vcom_adj
从该灰色阴影阶的伽马电压值中减去该差值(δvcom)，以计算该灰色阴影阶的新伽马电压。有许多方法应用这种调整。在一个实施例中，从与正帧和负帧相关的、在该灰度中使用的伽马电压值中减去δvcom以计算该灰色阴影阶的新伽马电压值。在另一实施例中，从该灰色阴影中的伽马电压值中的一个中减去2*δvcom。
在一个实施例中，在rf纹波校正之前设置vcom电平，并且仅允许进行临时的vcom重新调整。然后，前一段中描述的伽马电压调整也用于最高灰色阴影阶。
对剩余的灰阶重复该调整过程，以计算δvcom和更新的伽马电压值。在一个实施例中，更新的伽马电压组与作为新vcom电平的vcom_adj一起使用，以针对每个灰色阴影阶在新中心频率再次测量纹波量，从而确认纹波标准。如果测量的纹波量满足纹波标准，则认为已完成该rf纹波校正过程。否则，重复伽马电压调整过程，直到满足rf纹波标准为止。
图6示出了作为rf纹波校正单元的一个实施例的一部分执行的上述rf纹波校正过程的流程图的一个实施例。该过程由可包括硬件、软件、固件或三者的组合的处理逻辑执行。
图7a至图7d示出了用于天线的伪半vdd驱动模式的电压调整过程的一个实施例。参照图7a，vsource电压连同vcom电压在0v-7v之间。这在本文称为7v半vdd(真半vdd)驱动模式。在这种情况下，对于正帧和负帧，lc电压(例如，贴片/狭槽天线元件的贴片上的电压)将在7v和-7v之间。这代表两个电压关于0v对称的理想情况。
图7b示出了两个电压电平不关于电压对称的情况。参照图7b，源极上的电压vsource在0v和6.5v之间，电压的范围在6.5v和-7v之间。这导致了rf纹波。为了解决这个问题，rf校正单元增加公共电压vcom(如图7c所示)或减少vcom(如图7d所示)。如图7c所示的增加vcom之后，测量纹波，并且如果确定rf纹波增加，则rf纹波校正单元确定电压调整方向错误，通过减小电压来调整vcom。如果减小vcom的结果导致纹波减少，则rf纹波校正单元继续减小vcom，直到rf纹波不再减小为止。注意的是，如果减小vcom导致rf纹波增加，则vcom可能会增加。
在一个实施例中，用于调整vcom的步长在整个rf纹波校正过程中可以相同。在另一实施例中，用于调整vcom的步长在整个rf纹波校正进程中可以改变。例如，步长最初可以是均匀的；然而，由于纹波量一直减少(例如，由于向下调整vcom)并且由于调整vcom而突然增加，所以随着已获得识别不导致rf纹波或预定量的rf纹波(例如，rf纹波低于预定水平)的vcom的过程，可在相反的方向上(例如，向上调整vcom)使调整的幅值更小。
限定的rf纹波校正过程可用于调整天线孔径的每个段上的伽马电压(其中，这些段联接在一起以形成单个孔径)。在一个实施例中，rf纹波校正过程使用来自被评估的每组/每批天线元件的少量样本的调整结果来计算适当的伽马电压组。
注意的是，图7a至图7d所示的驱动模式的一种可选的天线驱动模式在本文称为9v半vdd(伪半vdd)驱动模式。9v半vdd(伪半vdd)和7v半vdd(真半vdd)驱动模式之间的重要区别在于：vcom在9v模式下在vcomh和vcoml之间切换，而vcom在7v模式下是恒定电压。
图8是rf纹波校正过程的另一实施例的流程图。该过程由可包括硬件、软件、固件或三者的组合的处理逻辑执行。在一个实施例中，由rf纹波校正单元执行图8中阐述的操作。
参照图8，该过程开始于处理逻辑检查是否允许调整vcom(处理框801)。如果允许，则进程转到处理框802。如果不允许，则进程转到处理框804。
在处理框802，处理逻辑针对正帧和负帧的对称电压曲线产生初始伽马电压。最高和最低伽马电压值通常由驱动芯片规格决定。
在处理框802，处理逻辑还确定初始vcom值尽可能接近，以针对最低灰阶在lc上产生0v。
此后，处理逻辑转到对应于最高和最低伽马电压的最高灰色阴影阶，并重新调整vcom以满足纹波标准(处理框803a)。在一个实施例中，作为处理框803a的一部分，处理逻辑重新调整vcom，检查新中心频率(cf)，检查新cf处的纹波，重新调整vcom，并且如果需要，重复检查中心频率和纹波。
重新调整vcom之后，处理逻辑利用经调整vcom(vcom_adj)值替换测量的其余的初始vcom值。此后，进程转到处理框806a。
在处理框804，处理逻辑针对正帧和负帧的以vcom为中心的对称电压曲线产生初始伽马电压。如上所述，在一个实施例中，最高和最低伽马电压值通常由驱动芯片规格决定。在一个实施例中，处理逻辑将伽马电压尽可能接近地设置在最高和最低伽马电压值的中间，以针对最低灰色阴影阶在lc上产生0v。
接下来，处理逻辑转到最高灰色阴影阶，测量纹波并重新调整vcom(处理框805b)。在一个实施例中，处理逻辑检查新中心频率(cf)并检查新cf处的纹波。在一个实施例中，仅允许临时改变vcom，并且标称vcom称为vcom_adj。在一个实施例中，临时重新调整vcom以满足纹波标准。该vcom值称为vcom_temp。
测量纹波之后，如果纹波不符合标准，处理会再次重新调整vcom，并重复检查和更新vcom_temp。如果满足纹波标准，则处理逻辑计算
δvcom＝vcom_temp-vcom_adj
在一个实施例中，处理逻辑通过使用以下等式来计算新的伽马电压：
gamma_positive_new＝gamma_positive-2*δvcom
然后，处理逻辑转到下一灰色阴影阶，利用vcom_adj测量纹波，并重新调整vcom(处理框806b)。在一个实施例中，处理逻辑检查新中心频率(cf)并检查新cf处的纹波。临时重新调整vcom以满足纹波标准。此vcom值在本文中称为vcom_temp。如果纹波不符合标准，则再次重新调整vcom，并且处理逻辑重复检查并更新vcom_temp。
如果满足纹波标准，则处理逻辑计算：
δvcom＝vcom_temp-vcom_adj
在一个实施例中，处理逻辑通过使用以下等式中的一个来计算新的伽马电压：
gamma_positive_new＝gamma_positive-δvcom，和
gamma_negative_new＝gamma_negative-δvcom
注意的是，在一个实施例中，该差异仅应用于一侧：
gamma_(positive或negative)_new＝gamma_(positive或negative)□2*δvcom
在处理当前灰色阴影阶之后，处理逻辑将vcom值改变回其初始值(处理框806c)，并且进程转到处理框807。
图8中的上述步骤是用于真半vdd模式下的伽马电压校正，其中vcom未进行切换。对于不同的驱动模式，其中vcom如图7a至图7d所示在vcom高电平和vcom低电平之间切换的伪半vdd，可修改图8的过程，以便通过改变vcom高电平和vcom低电平来执行rf纹波校正，直到rf纹波低于阈值。在这种情况下，在一个实施例中，根据以下等式计算新的伽马电压：
gamma_positive_new＝gamma_positive-(vcom_low_temp-vcom_low_adj)
gamma_negative_new＝gamma_negative-(vcom_high_temp-vcom_high_adj)
与vcom_adj类似，vcom_high_adj和vcom_low_adj是在调整步骤中获得的vcom高/低电平。与vcom_temp类似，vcom_high_temp和vcom_low_temp是在rf纹波校正步骤中使用的临时vcom高/低电平。在另一种情况下，如果对vcom高电平和vcom低电平施加相同量的vcom改变，则可应用图8中描述的过程，而没有任何改变。
在处理框807，处理逻辑检查是否已完成所有的灰色阴影阶。如果未完成，则进程转到处理框806a，并且进程在那里继续剩余的灰色阴影阶。如果所有的灰色阴影阶都已完成，则处理转到处理框808。
在评估了所有剩余的灰阶并在必要时进行了校正之后，处理逻辑利用新的值来更新包括灰阶的伽马电压的伽马电压表(处理框808)。
在一个实施例中，处理逻辑重复rf纹波测量(处理框809)，并且检查是否满足rf纹波标准(处理框810)。如果不满足，则重复，然后对于不满足标准的灰色阴影阶，进程转到处理框805a，并且进程从那里重复，直到对于所有灰色阴影阶都满足标准。如果满足标准(处理框810)，则进程结束。
dc偏移校正概述
本发明的实施例包括对rf天线孔径中的直流(dc)偏移进行校正的技术。存在许多因素会导致天线中的净dc偏移。充电比、反冲电压及电荷泄漏在正帧和负帧之间通常不相等，此外，这些值可能随灰阶而改变。
在应用显示方法来处理rftft孔径的dc偏移时存在若干困难。例如，一个困难是存在光学不透明的金属层，该金属层妨碍观察在元件的关键区域中的lc。
本发明的实施例包括用于光学观察rftft孔径中选定位置的闪烁以能够使用校正技术来减少rftft孔径中的dc偏移的结构和方法。本发明的实施例利用了以下事实，即除了对rf辐射具有介电常数的各向异性之外，用于构建rftft孔径的液晶还具有由lc分子的快(短)轴和慢(长)轴的折射率之差测量的光学各向异性。
通常，用于rftft孔径目的的lc的增量n大于其特性已针对显示器进行优化的lc的增量n。在与偏振器成45度摩擦方向的交叉偏振器之间，在2.7um的lc间隙处，rf优化的lc的电光曲线将示出从0到7.5vrms的若干最大值和最小值。
图9示出了传输对电压曲线的示例。参照图9，由于lc针对rf天线使用而进行了优化，该lc的光学增量n比针对lcd优化的lc大得多。对于适当选择偏振器和摩擦方向的电控双折射(ecb)单元，传输对电压关系曲线将如图9所示。
在光传输曲线中的、传输随电压的变化很快(陡峭的斜率)的部分加重正帧和负帧之间的光传输差异。这些区域应当用于确定灰阶的校正电压。
对于rftft孔径灰阶的给定的正帧和负帧，电光曲线上的正帧和负帧将有相应的光学状态。电光曲线上的这些相应光学状态将会由于dc偏移而不同。光传输值之间的这种差异将被观察为“闪烁”。在一个实施例中，电光曲线上的正帧和负帧的这些光学状态用于校正dc偏移。本文所公开的dc偏移校正技术产生dc偏移校正电压，该dc偏移校正电压可通过消除“闪烁”来确定。
在一个实施例中，通过调整vcom电压来调整净dc偏移。这可适用于不同的驱动模式。例如，在一个实施例中，在总电平上，对于1/2vdd驱动模式(其中正帧和负帧之间的电压范围是1/2vdd)，通过调整vcom电压来调整净dc偏移。在一个实施例中，由dc偏移校正逻辑执行该dc偏移校正。在一个实施例中，这种逻辑包括运行软件的电路，并且联接到如图4所示的电路，以调整vcom电压。可选地，dc偏移校正逻辑包括硬件、软件、固件或这些中的两个或多个的组合。
在过程的一个实施例中，期望减少帧速率(延长帧时间)以增加lc必须对正帧和负帧的电压作出回应的时间。这是因为lc具有响应时间，并且需要等待该响应时间来观察对电压改变的光学响应。如果帧时间不足以观察lc响应，则可增加dc偏移校准期间使用的帧时间。然而，因为帧时间的长度可能影响dc偏移的关键分量，例如充电比和电压泄漏，所以不能简单地延长帧速率。在一个实施例中，增加lc必须对正帧和负帧的电压作出回应的时间是由以下驱动模式实现的，在该驱动模式中，帧时间保持相同长度，但多个正电压帧写入一行，接着是相等数量的负帧，等等，直到完成消除测量。在一个实施例中，利用增加的帧时间来执行dc偏移校准，但是初始帧时间仍然用于天线操作。
图10是确定dc偏移校正值的过程的一个实施例的流程图。该过程由处理逻辑执行，该处理逻辑可包括硬件、软件、固件或三者的组合。在一个实施例中，由dc偏移校正逻辑或dc偏移校正单元执行图8中阐述的操作。在一个实施例中，dc偏移校正单元或逻辑处于天线生产线中使用的测试和校准设备中。
图10的过程依赖于与正帧和负帧之间的光传输差异相关的观察。在一个实施例中，使用光学结构捕获正帧和负帧中的光传输。在一个实施例中，这些光学结构还用于测试rf辐射天线元件(例如，表面散射超材料天线元件，例如，如下所述)的矩阵行和列驱动器的功能。
参照图10，获得校正值的过程开始于处理逻辑在灰阶驱动tft/窗口测试元件(处理框1001)并且观察正帧和负帧之间的光传输差异(处理框1002)。
然后，处理逻辑通过调整vcom来消除帧之间的闪烁(处理框1003)。
在将vcom调整到消除闪烁的电平之后，处理逻辑将vcom值转换成经调整的正帧电压vpos和负帧电压vneg(处理框1004)。
然后，处理逻辑将经调整电压施加到正帧和负帧(处理框1005)，并且检查闪烁(处理框1006)。
如果不存在闪烁，则处理逻辑将经调整的正帧和负帧电压存储在校正查找表中(处理框1007)。
如果仍然出现闪烁，则在一个实施例中，进程转回处理框1003，并且重复该过程。
在针对灰阶消除闪烁之后，处理逻辑移动到下一灰阶，并且重复该过程(处理框1008)。
在一个实施例中，在灰阶中的每一个内，执行该过程以消除一个元件的闪烁，并且在针对该元件的过程完成之后，进程移动到下一元件并重复，直到所有元件都被测试。
在一个实施例中，为已测量的rftft元件所确定的校正用于确定未测量的rftft元件的校正。在一个实施例中，dc偏移校正单元将对已测量的tft/窗口测试元件的校正内插到未测量的rftft元件。这些未测量的rftft元件可位于被测试的rftft元件之间和/或被测试的rftft元件附近。
校正dc偏移的光学透明测试结构
在一个实施例中，光学透明的测试结构用于观察闪烁，并且确定dc偏移以消除闪烁。在一个实施例中，这些结构位于rftft元件阵列的外部，并且包括与在孔径段中的rftft孔径阵列中发现的相同或非常相似的等效电路。天线段被组合以形成整个天线阵列。关于天线段的更多信息，参见专利号为9,887,455、题目为“圆柱形馈电天线的孔径分段(aperturesegmentationofacylindricalfeedantenna)”的美国专利。在一个实施例中，这种结构的光学特性用于估计和产生校正值，以减少rf元件阵列中的dc偏移。
在一个实施例中，与测试结构的电压相关联的栅极0线和源极0线添加到波导区域(例如，图23的孔径的波导，其中波导中的附加孔不影响性能)的外部。图11示出了针对位于波导区域外部的单个测试结构布线的一个实施例。参照图11，用于测试结构的电压的栅极0、源极0和vcom布线示出在波导区域的外部。
图12示出了测试结构的一个实施例。在一个实施例中，测试结构的等效电路被设计成具有阵列中rf元件的等效电路。特别地，装置在漏极处的电容的幅值被设计为与贴片元件与虹膜元件的重叠的电容相匹配。在一个实施例中，诸如但不限于铟锡氧化物(ito)的光学透明导体层用作电容器两侧的电极。在金属层中形成用于lc的光学响应的观察窗。
参照图12，tft盒1252包括tft和存储盖，例如但不限于图4。栅极金属1251适于tft的栅极电压，源极1254适于tft的源极电压，并且漏极1255适于联接到测试天线元件(例如，表面散射超材料天线元件)的tft的漏极电压。在一个实施例中，栅极和源极联接到图11的栅极0和源极0。vcom的布线1253也被示出为联接到tft1252。
如图所示，虹膜金属中的孔1258用作窗口，以使用虹膜(狭槽)基底上的ito1256和贴片基底上的ito1257来观察闪烁，该贴片基底和虹膜基底如下面更详细的描述。
如上所述，将用于测试结构的栅极0线和源极0线也添加在孔径的波导区域的外部。在该实施例中，当源极线从孔径段外部的源极驱动器到段内部(例如，该内部是lc所在的边界密封的内部)交叉时，栅极0线与所有的源极线交叉。
在另一实施例中，栅极0可延伸与所有的源极线交叉，并且源极0可延伸与所有的栅极线交叉。可以创建光学透明的测试结构，其中栅极0与源极线交叉并且源极0与栅极线交叉。
图13示出了针对光学透明测试结构的栅极和源极线布线的一个示例。在一个实施例中，布线被尽可能地移出到波导区域和在用于tft/窗口测试元件的成扇形散开中产生的空间的外部。在一个实施例中，类似于图12所示的tft/窗口测试结构被置于在每个源极/栅极0结点处，其中源极可以是源极0、源极1、……源极n(最后的测试晶体管的源极)。
参照图13，栅极驱动器1301为栅极0-n提供栅极电压，并且源极驱动器1302为源极0-n提供源极电压，其中n分别表示最后的栅极和源极。在一个实施例中，栅极驱动器1301和源极驱动器1302位于天线孔径段的边缘。
图14和图15分别示出了形成天线孔径的贴片和虹膜的贴片玻璃(基底)和虹膜玻璃(基底)结构的示例。下面更详细地描述玻璃和虹膜基底的示例。
参照图14，用于天线孔径段的贴片玻璃基底1470包括天线元件孔径边界1471，其代表天线元件阵列的边界(天线元件位于边界1471的左侧)。在边界1471的右侧是光学透明的测试结构(例如，ito孔或窗口)，具有相关联的tft(和存储电容器)以及这些结构的源极、栅极和vcom布线。
参照图15，示出了虹膜玻璃基底1501，对应于贴片玻璃基底上的ito漏极的虹膜金属层中具有一圈孔1502。对应于贴片玻璃基底ito上的ito的虹膜金属层中的开口上的ito焊盘1503连接到vcom。
在一个实施例中，在这些结构中，rf元件波形中的dc偏移在光学上被消除，并且所得的“经消除”值用于设置vcom并校正阵列中rf元件中的dc偏移。
除了用于校正dc偏移的孔径驱动之外，在一个实施例中，这些结构还用于经由光学机制在阵列开始时测试源极和栅极驱动器的功能。
类似地，在一个实施例中，源极0被布线成在栅极线进入该段时与栅极线交叉。
在一个实施例中，移动栅极布线并建立空间，以在每个栅极/源极0结点处放置tft/窗口测试元件。图16和图17分别示出了贴片玻璃基底和虹膜玻璃基底上的这种布线的示例。
参照图16，贴片玻璃基底1601包括具有天线孔径边界1603的天线元件孔径1602。具有tft(具有存储电容器)以及其ito孔(窗口)的测试结构1604联接到栅极驱动器1605和源极驱动器1606。栅极和vcom布线从测试结构1604继续进入天线元件孔径1602。
参照图17，将虹膜玻璃基底1701示出为在虹膜金属层(对应于贴片玻璃基板上的ito漏极)中具有窗口(开口)1703，在虹膜金属开口上具有ito焊盘1704。焊盘1704连接到vcom。
在一个实施例中，在这些结构中，rf元件波形中的dc偏移在光学上被消除，并且所得的“经消除”值用于设置vcom并校正阵列中rf元件中的dc偏移。
除了用于校正dc偏移的孔径驱动之外，在一个实施例中，这些结构还用于通过光学机制在阵列开始时测试源极和栅极驱动器的功能。
注意的是，光学透明测试结构不限于位于天线元件阵列的外部。在一个实施例中，tft/光学窗口测试元件替代天线阵列中的一些rftft元件。由于形成波束的全息特性，与全功能rf元件阵列的天线相比，缺少少量元件的孔径可能形成性能发生可忽略下降的波束。在一个实施例中，在某些位置的rf元件利用tft/窗口测试元件代替。在另一实施例中，用于在光学上消除这些tft/窗口测试元件的影响的电压值用于建立校正映射，其用于针对rf元件阵列内插校正值。在一个实施例中，该映射存储在查找表中。
在另一实施例中，这些tft/窗口测试元件不是根据它们的几何位置而放置在rf元件阵列中，而是根据它们作为阵列的等效电路的位置放置。在一个实施例中，“第一”和“最后”元件，例如，在帧反转中，第一扫描和最后扫描，在相同的时间长度内不会在tft上具有相同的偏置。tft的rc时间常数不相同等。一些地方可能会污染的更为严重(填充开口)。因此，dc偏移在这些地方可能并不同。在这种情况下，放置位置是从电子视角而非几何视角来看的位置。这可能表示第一源极和第一栅极线的元件、第一源极线和最后栅极线的元件、最后源极和第一栅极的元件、最后源极和最后栅极的元件等。
此外，虽然以上闪烁测试是根据透射lc模式来描述的，但本文描述的技术不限于这种模式。在另一实施例中，使用反射lc模式而非透射lc模式来观察lc光学响应。
天线实施例的示例
上述的rf纹波校正、dc偏移校正和电压调整技术可用于许多天线实施例中，包括但不限于平板天线。公开了这种平板天线的实施例。该平板天线包括天线孔径上的一个或多个天线元件阵列。在一个实施例中，天线元件包括液晶胞元。在一个实施例中，平板天线是圆柱形馈电天线，该圆柱形馈电天线包括用来唯一地寻址和驱动未布置在行和列中的每个天线元件的矩阵驱动电路。在一个实施例中，元件布置在环中。
在一个实施例中，具有一个或多个天线元件阵列的天线孔径包括联接在一起的多个区段。当这些区段联接在一起时，区段的组合形成天线元件的闭合同心环。在一个实施例中，同心环相对于天线馈电为同心的。
天线系统的示例
在一个实施例中，平板天线是超材料天线系统的一部分。描述了用于通信卫星地球站的超材料天线系统的实施例。在一个实施例中，天线系统是在使用用于民用商业卫星通信的ka频带或ku频带频率进行操作的移动平台(例如，航空、海上、陆地等)上操作的卫星地球站(es)的组件或子系统。注意的是，天线系统的实施例还可用于不在移动平台上的地球站(例如，固定或可移动地球站)中。
在一个实施例中，天线系统使用表面散射超材料技术来形成和操控通过单独的天线进行发射和接收波束。在一个实施例中，与采用数字信号处理来电形成和操控波束的天线系统(例如，相控阵天线)相反，该天线系统是模拟系统。
在一个实施例中，天线系统包括三个功能子系统：(1)包括圆柱形波馈电结构的波导结构；(2)作为天线元件一部分的波散射超材料单位胞元的阵列；以及(3)用于命令使用全息原理从超材料散射元件形成可调整辐射场(波束)的控制结构。
天线元件
图18示出了圆柱形馈电全息径向孔径天线的一个实施例的示意图。参照图18，天线孔径具有天线元件653的一个或多个阵列654，天线元件653放置在围绕圆柱形馈电天线的输入馈电652的同心环中。在一个实施例中，天线元件653是辐射rf能量的射频(rf)谐振器。在一个实施例中，天线元件653包括交错并分布在天线孔径的整个表面上的rx虹膜和tx虹膜这两者。下面更详细地描述这种天线元件的示例。注意的是，本文描述的rf谐振器可用在不包括圆柱形馈电的天线中。
在一个实施例中，天线包括用于经由输入馈电652提供圆柱形波馈电的同轴馈电。在一个实施例中，圆柱形波馈电结构利用从馈电点以圆柱形方式向外扩展的激励从中心点向天线馈电。也就是说，圆柱形馈电天线产生向外行进的同心馈电波。即便如此，柱形馈电周围的圆柱形馈电天线的形状可以是圆形、方形或任何形状。在另一实施例中，柱形馈电天线产生向内行进的馈电波。在这种情况下，馈电波最自然地来自于圆形结构。
在一个实施例中，天线元件653包括虹膜，并且图18的孔径天线用于产生主波束，以通过可调谐液晶(lc)材料使虹膜辐射，其中该主波束通过使用来自于柱形馈电波的激励而成形。在一个实施例中，可激励天线以在期望的扫描角度下辐射水平或垂直极化的电场。
在一个实施例中，天线元件包括一组贴片天线。这组贴片天线包括散射超材料元件阵列。在一个实施例中，天线系统中的每个散射元件是单位胞元的一部分，单位胞元包括下导体、电介质基底以及嵌入有互补电感电容谐振器(“互补电lc”或“celc”)的上导体，其中互补电感电容谐振器(“互补电lc”或“celc”)蚀刻在上导体中或沉积在上导体上。如本领域技术人员将理解的，celc中的lc指的是电感-电容，而不是液晶。
在一个实施例中，液晶(lc)设置在散射元件周围的间隙中。该lc由上述直接驱动实施例驱动。在一个实施例中，液晶被封装在每个单位胞元中，并使与狭槽相关联的下导体与同单位胞元的贴片相关联的上导体分隔开。液晶的介电常数是构成液晶的分子的定向的函数，并且可以通过调整液晶上的偏压来控制分子的定向(并因此控制介电常数)。在一个实施例中，使用这种特性，液晶集成了接通/断开开关，用于将能量从导波传输到celc。当接通时，celc如小型电偶极天线一样发出电磁波。注意的是，本文的教导不限于具有对于能量传输以二态方式操作的液晶。
在一个实施例中，该天线系统的馈电几何结构允许将天线元件定位成与波馈电中的波向量成45度(45°)的角度。注意的是，可使用其它位置(例如，在40°角处)。元件的这个位置能够控制被元件接收或从元件传输/辐射的自由空间波。在一个实施例中，天线元件以小于天线工作频率的自由空间波长的元件间间隔来布置。例如，如果每个波长具有四个散射元件，则30ghz发射天线中的元件将为约2.5mm(即，为30ghz的10mm自由空间波长的1/4)。
在一个实施例中，如果两组元件被控制到相同的调谐状态，则两组元件彼此垂直并且同时具有等幅激励。将两组元件相对于馈电波激励旋转+/-45度一次实现两个期望的特征。将一组旋转0度且将另一组旋转90度将实现垂直的目标，但不是等幅激励的目标。注意的是，当从两侧以单个结构向天线元件阵列馈电时，可使用0度和90度来实现隔离。
通过使用控制器向贴片施加电压(跨lc信道的电势)来控制来自每个单位胞元的辐射功率量。每个贴片的迹线用于向贴片天线提供电压。该电压用于调谐电容或使电容失谐，从而调谐各个元件的谐振频率或使各个元件的谐振频率失谐以实现波束形成。所需的电压取决于所用的液晶混合物。液晶混合物的电压调谐特性主要由液晶开始受电压影响的阈值电压以及饱和电压来描述，高于该饱和电压则电压的增加不会引起液晶的大调谐。这两个特征参数可针对不同的液晶混合物而改变。
在一个实施例中，如上所述，矩阵驱动用于向贴片施加电压，以便与所有其它胞元分隔开地驱动每个胞元，而无需针对每个胞元进行单独的连接(直接驱动)。由于元件密度高，矩阵驱动是单独地定址每个胞元的有效方法。
在一个实施例中，天线系统的控制结构具有2个主要组件：位于波散射结构下方、用于天线系统的包括驱动电子器件的天线阵列控制器，以及同时以不干扰辐射的方式散布在整个辐射rf阵列中的矩阵驱动切换阵列。在一个实施例中，天线系统的驱动电子器件包括商用电视设备中使用的商用成品lcd控制器，该控制器通过调整到每个散射元件的ac偏置信号的幅度或占空比来调整该元件的偏置电压。
在一个实施例中，天线阵列控制器还包括执行软件的微处理器。控制结构还可包括用于向处理器提供位置和方向信息的传感器(例如，gps接收器、三轴罗盘、3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴磁力计等)。位置和方向信息可由地球站中的其它系统和/或可以不是天线系统的一部分的其它系统提供到处理器。
更具体地，天线阵列控制器控制断开哪些元件并且接通哪些元件以及在工作频率处的相位和振幅水平。通过施加电压对元件进行选择性地解调谐以进行频率操作。
为了传输，控制器向rf贴片提供电压信号阵列以产生调制或控制图案。控制图案使元件被调谐到不同的状态。在一个实施例中，使用多态控制，其中各个元件被接通和断开到不同的电平，这进一步近似正弦控制图案，而不是方波(即，正弦曲线灰调调制图案)。在一个实施例中，一些元件比其它元件辐射的更强，而不是一些元件辐射而另一些元件不辐射。通过施加特定的电压电平来实现可变辐射，这将液晶介电常数调整到不同的量，从而可变地使元件失谐并使一些元件比其它元件辐射的更多。
由元件的超材料阵列产生的聚焦波束可通过相长干涉和相消干涉的现象来解释。如果各个电磁波在自由空间中相遇时具有相同的相位，则各个电磁波叠加(相长干涉)，如果各个电磁波在自由空间中相遇时处于相反相位，则它们相互抵消(相消干涉)。如果开槽天线中的狭槽定位在使得每个连续狭槽位于与导波的激励点不同的距离处，则来自该元件的散射波将具有与前一狭槽的散射波不同的相位。如果狭槽间隔开四分之一的导波长，则每个开槽将散射与前一狭槽的散射波具有四分之一相位延迟的波。
使用该阵列，可增加可产生的相长干涉和相消干涉的图案的数量，使得使用全息术的原理使波束理论上可在自天线阵列的视轴加或减90度(90°)的任何方向上指向。因此，通过控制接通或断开哪些超材料单位胞元(即，通过改变使哪些胞元接通以及使哪些胞元断开的图案)，可产生不同的相长干涉和相消干涉图案，并且天线可改变主波束的方向。接通和断开单位胞元所需的时间决定了波束可从一个位置切换到另一个位置的速度。
在一个实施例中，天线系统为上行链路天线产生一个可操控波束，为下行链路天线产生一个可操控波束。在一个实施例中，天线系统使用超材料技术来接收波束并对来自卫星的信号进行解码，并且形成指向卫星的发射波束。在一个实施例中，与采用数字信号处理来电形成和操控波束的天线系统(诸如，相控阵天线)形成对比，该天线系统是模拟系统。在一个实施例中，天线系统被认为是平面且相对低轮廓的“表面”天线，当与常规的碟形卫星天线接收器相比时尤为如此。
图19示出了包括接地平面和可重构谐振器层的一行天线元件的透视图。可重构谐振器层1230包括可调谐狭槽1210的阵列。可调谐狭槽1210的阵列可被配置成使天线指向期望的方向。可通过改变穿过液晶的电压来调谐/调整每个可调谐狭槽。
控制模块1280联接到可重构谐振器层1230，以通过改变图20中的穿过液晶的电压来调制可调谐狭槽1210的阵列。控制模块1280可包括现场可编程门阵列(“fpga”)、微处理器、控制器、片上系统(soc)或其它处理逻辑。在一个实施例中，控制模块1280包括用以驱动可调谐狭槽1210的阵列的逻辑电路(例如，多路器)。在一个实施例中，控制模块1280接收包括待被驱动到可调谐狭槽1210的阵列上的全息衍射图案所用的规范的数据。可响应于天线和卫星之间的空间关系产生全息衍射图案，使得全息衍射图案沿适当的方向操控下行链路波束以进行通信(并且如果天线系统执行发射的话，则操控上行链路波束)。虽然未在每一个附图中绘出，但类似于控制模块1280的控制模块可驱动本公开的附图中描述的每个可调谐开槽阵列。
射频(“rf”)全息术也可以使用类似技术，其中当rf参考波束遇到rf全息衍射图案时可以产生期望的rf波束。在卫星通信的情况下，参考波束是馈电波的形式，例如馈电波1205(在一些实施例中约为20ghz)。为了将馈电波转换为辐射波束(用于发射或接收目的)，计算期望的rf波束(目标波束)和馈电波(参考波束)之间的干涉图案。将干涉图案驱动到可调谐狭槽1210的阵列上作为衍射图案，使得馈电波“操控”成期望的rf波束(具有期望的形状和方向)。换言之，遇到全息衍射图案的馈电波“重建”目标波束，这是根据通信系统的设计要求形成的。全息衍射图案包括每个元件的激励，并且由
图20示出了可调谐谐振器/狭槽1210的一个实施例。可调谐狭槽1210包括虹膜/狭槽1212、辐射贴片1211和设置在虹膜1212和贴片1211之间的液晶1213。在一个实施例中，辐射贴片1211与虹膜1212处于相同的位置。
图21示出了物理天线孔径的一个实施例的横截面视图。天线孔径包括接地平面1245和包括在可重构谐振器层1230中的虹膜层1233内的金属层1236。在一个实施例中，图21的天线孔径包括图20的多个可调谐谐振器/狭槽1210。虹膜/狭槽1212由金属层1236中的开口限定。诸如图20的馈电波1205的馈电波可具有与卫星通信信道兼容的微波频率。馈电波在接地平面1245和谐振器层1230之间传播。
可重构谐振器层1230还包括垫片层1232和贴片层1231。垫片层1232设置在贴片层1231和虹膜层1233之间。注意的是，在一个实施例中，间隔物可代替垫片层1232。在一个实施例中，虹膜层1233是包括铜层作为金属层1236的印制电路板(“pcb”)。在一个实施例中，虹膜层1233是玻璃。虹膜层1233可以是其它类型的基板。
可在铜层中蚀刻开口以形成狭槽1212。在一个实施例中，虹膜层1233通过导电粘合层导电地联接到图21中的另一结构(例如，波导)。注意的是，在一个实施例中，虹膜层未通过导电粘合层导电地联接，而是与非导电粘合层接合。
贴片层1231也可以是包括金属作为辐射贴片1211的pcb。在一个实施例中，垫片层1232包括间隔物1239，间隔物1239提供机械阻隔以限定金属层1236和贴片1211之间的尺寸。在一个实施例中，间隔物为75微米，但也可使用其它幅值(例如，3-200mm)。如上所述，在一个实施例中，图21的天线孔径包括多个可调谐谐振器/狭槽，诸如图20的包括贴片1211、液晶1213和虹膜1212的可调谐谐振器/狭槽1210。间隔物1239、虹膜层1233和金属层1236限定用于液晶1213的腔室。当腔室填充有液晶时，可将贴片层1231层压到间隔物1239上以密封谐振器层1230内的液晶。
可调制贴片层1231和虹膜层1233之间的电压以调整贴片和狭槽(例如，可调谐谐振器/狭槽1210)之间的间隙中的液晶。调整穿过液晶1213的电压会改变狭槽(例如，可调谐谐振器/狭槽1210)的电容。因此，可通过改变电容来改变狭槽(例如，可调谐谐振器/狭槽1210)的电抗。狭槽1210的谐振频率也根据等式
在一个实施例中，一行中的可调谐狭槽彼此间隔开λ/5。可使用其它的间距。在一个实施例中，一行中的每个可调谐开槽与相邻行中最近的可调谐狭槽间隔开λ/2，因此，不同行中的共同定向的可调谐狭槽间隔开λ/4，然而，其它间距(例如，λ/5、λ/6.3)也是可能的。在另一实施例中，一行中的每个可调谐狭槽与相邻行中最近的可调谐狭槽间隔开λ/3。
实施例使用可重构超材料技术，诸如于2014年11月21日提交的申请号为14/550,178的题目为“来自可操纵的圆柱形馈电全息天线的动态极化和耦合控制(dynamicpolarizationandcouplingcontrolfromasteerablecylindricallyfedholographicantenna)”的美国专利申请以及于2015年1月30日提交的申请号为14/610,502的题目为“用于可重构天线的脊状波导馈电结构(ridgedwaveguidefedstructureforreconfigurableantenna)”的美国专利申请中描述的可重构超材料技术。
图22a至图22d示出了用于建立狭槽阵列的不同层的一个实施例。天线阵列包括位于诸如图18所示的示例性环的环中的天线元件。注意的是，在该示例中，天线阵列具有两种不同类型的天线元件，其用于两种不同类型的频带。
图22a示出了具有与狭槽对应的位置的第一虹膜板层的一部分。参照图22a，圆圈是虹膜基底底侧的金属化部分中的开放区域/狭槽，并且用于控制元件与馈电(馈电波)的耦合。注意的是，该层是可选层，并不在所有的设计中使用。图22b示出了包括狭槽的第二虹膜板层的一部分。图22c示出了在第二虹膜板层的一部分上方的贴片。图22d示出了开槽阵列的一部分的俯视图。
图23示出了圆柱形馈电天线结构的一个实施例的侧视图。该天线使用双层馈电结构(即，两层的馈电结构)产生向内的行进波。在一个实施例中，天线包括圆形外部形状，虽然这不是必需的。也就是说，可使用非圆形向内行进结构。在一个实施例中，图23中的天线结构包括同轴馈电，例如于2014年11月21日提交的公开号为2015/0236412的题目为“来自可操控圆柱形馈电全息天线的动态极化和耦合控制(dynamicpolarizationandcouplingcontrolfromasteerablecylindricallyfedholographicantenna)”的美国专利公开中描述的。
参照图23，同轴引脚1601用于激励天线的较低层上的场。在一个实施例中，同轴引脚1601是容易获得的50ω同轴引脚。同轴引脚1601联接(例如，螺栓连接)到作为传导接地平面1602的、天线结构的底部。
作为内部导体的间隙导体1603与传导接地平面1602分隔开。在一个实施例中，传导接地平面1602和间隙导体1603彼此平行。在一个实施例中，接地平面1602和间隙导体1603之间的距离为0.1″至0.15″。在另一实施例中，该距离可以是λ/2，其中λ为处于工作频率的行进波的波长。
接地平面1602经由间隔物1604与间隙导体1603分隔开。在一个实施例中，间隔物1604为泡沫或类似空气的间隔物。在一个实施例中，间隔物1604包括塑料间隔物。
在间隙导体1603的顶部上是介电层1605。在一个实施例中，介电层1605为塑料。介电层1605的目的在于使行进波相对于自由空间速度变慢。在一个实施例中，介电层1605使行进波相对于自由空间变慢30％。在一个实施例中，适于波束形成的折射率范围为1.2至1.8，其中自由空间被定义具有等于1的折射率。可使用例如塑料的其它介电间隔物材料来实现这种效果。注意的是，可使用除塑料之外的材料，只要它们实现期望的波速减慢效果即可。另选地，具有分布式结构的材料可用作介电层1605，诸如可进行机加工或光刻界定的周期性子波长金属结构。
rf阵列1606位于介电层1605的顶部。在一个实施例中，间隙导体1603与rf阵列1606之间的距离为0.1″至0.15″。在另一实施例中，该距离可以是λeff/2，其中λeff是在设计频率下介质中的有效波长。
天线包括侧部1607和1608。侧部1607和1608成角度以使从同轴引脚1601馈送的行进波通过反射从间隙导体1603下方的区域(间隔层)传播到间隙导体1603上方的区域(介电层)。在一个实施例中，侧部1607和1608的角度为45°。在另选实施例中，侧部1607和1608可利用连续的半径来代替以实现反射。虽然图23示出具有45°角的成角度的侧部，但是可使用实现从下层馈送到上层馈送的信号传输的其它角度。也就是说，假设下馈送部中的有效波长大致上与上馈送部中的有效波长不同，则可使用与理想的45°角的一些偏差来帮助从下馈送层至上馈送层的传输。例如，在另一实施例中，利用单个阶梯部代替45°角。天线一端上的阶梯部围绕介电层、间隙导体和间隔层。相同的两个阶梯部位于这些层的另一端。
在操作中，当馈电波从同轴引脚1601被馈入时，波从同轴引脚1601同心地向外地定向而行进于接地平面1602和间隙导体1603之间的区域中。同心出射波被侧部1607和1608反射并向内地行进在间隙导体1603和rf阵列1606之间的区域内。来自圆形外围边缘的反射使该波保持同相(即，其为同相反射)。行进波被介电层1605变慢。此时，行进波开始与rf阵列1606中的元件相互作用并激发，以获得所需的散射。
为终止该行进波，天线在天线的几何中心处包括端子1609。在一个实施例中，端子1609包括引脚端子(例如，50ω引脚)。在另一实施例中，端子1609包括rf吸收器，该rf吸收器终止未使用的能量以防止未使用的能量穿过天线的馈送结构反射回来。这些可在rf阵列1606的顶部使用。
图24示出了具有出射波的天线系统的另一实施例。参照图24，两个接地平面1610和1611基本上彼此平行，在接地平面之间具有介电层1612(例如，塑料层等)。rf吸收器1619(例如，电阻器)将两个接地平面1610和1611联接在一起。同轴引脚1615(例如，50ω)向天线馈电。rf阵列1616位于介电层1612和接地平面1611的顶部。
在操作中，馈电波通过同轴引脚1615馈送并且同心地向外行进并且与rf阵列1616的元件相互作用。
图23和图24的两个天线中的圆柱形馈电改善了天线的服务角度。在一个实施例中，天线系统在所有方向上都具有距视轴75度(75°)的服务角度，来代替正负45度方位角(±45°az)和正负25度仰角(±25°el)的服务角度。与由许多单独的辐射器组成的任何波束形成天线一样，整体天线增益取决于构成元件的增益，构成元件本身是与角度相关的。当使用共同辐射元件时，整体天线增益通常会随着波束进一步远离视轴指向而降低。在偏离视轴75度处，预计增益显著降低约6db。
具有圆柱形馈电的天线的实施例解决了一个或多个问题。这些问题包括：与利用协同分配器网络馈电的天线相比，大大简化了馈电结构，从而降低总的需要的天线和天线馈电容积；通过利用更简略的控制(一直扩展到简单的二态控制)保持高波束性能，降低了对制造和控制误差的敏感度；与直线馈电相比，因为圆柱形定向的馈电波导致远场中空间上不同的旁瓣，所以提供更有利的旁瓣图案；并且允许极化是动态的，包括允许左旋圆极化、右旋圆极化和线性极化，而不需要极化器。
波散射元件阵列
图23的rf阵列1606和图24的rf阵列1616包括波散射子系统，该波散射子系统包括用作辐射器的一组贴片天线(例如，表面散射器)。这组贴片天线包括散射超材料元件阵列。
在一个实施例中，天线系统中的每个散射元件是单位胞元的一部分，单位胞元包括下导体、介电基板以及嵌入有互补电感电容谐振器(“互补电子lc”或“celc”)的上导体，其中互补电感电容谐振器(“互补电子lc”或“celc”)被蚀刻在上导体中或沉积在上导体上。
在一个实施例中，液晶(lc)被注入到散射元件周围的间隙中。液晶被封装在每个单位胞元中，并使与狭槽相关联的下导体和与其贴片相关联的上导体分隔开。液晶的介电常数是构成液晶的分子的定向的函数，并且可以通过调整液晶上的偏压来控制分子的定向(并因此控制介电常数)。利用这种特性，液晶用作用于将能量从导波传输到celc的接通/断开开关。当接通时，celc如小型电偶极天线一样发出电磁波。
控制lc的厚度会增加波束切换速度。下导体和上导体之间的间隙(液晶厚度)减少百分之五十(50％)导致速度增加四倍。在另一实施例中，液晶的厚度导致约14毫秒(14ms)的波束切换速度。在一个实施例中，以本领域公知的方式掺杂lc以提高响应性，从而可满足7毫秒(7ms)的要求。
celc元件响应于平行于celc元件的平面并垂直于celc间隙补足物施加的磁场。当电压被施加至超材料散射单位胞元中的液晶时，导波的磁场分量引起celc的磁激发，其进而产生与导波频率相同频率的电磁波。
由单个celc产生的电磁波的相位可通过导波向量上celc的位置来选择。每个胞元产生与平行于celc的导波同相位的波。因为celc小于波长，所以当输出波在其通过celc下方时，具有与导波的相位相同的相位。
在一个实施例中，这个天线系统的圆柱形馈电几何结构允许将celc元件定位成与波馈送中的波的向量成45度(45°)的角度。元件的这个位置能够控制自元件产生或由元件接收的自由空间波的极化。在一个实施例中，celc以小于天线的操作频率的自由空间波长的元件间间距布置。例如，如果每个波长具有四个散射元件，则30ghz发射天线中的元件将为约2.5mm(即，为30ghz的10mm自由空间波长的1/4)。
在一个实施例中，celc利用贴片天线实现，该贴片天线包括贴片，该贴片与在贴片和狭槽之间的液晶共同定位于狭槽上方。在这方面，超材料天线就充当开槽(散射)波导。使用开槽波导时，输出波的相位取决于狭槽相对于导波的位置。
胞元放置
在一个实施例中，天线元件以允许系统矩阵驱动电路的方式放置在圆柱形馈电天线孔径上。胞元的放置包括用于矩阵驱动的晶体管的放置。图25示出了矩阵驱动电路相对于天线元件的放置的一个实施例。参照图25，行控制器1701分别经由行选择信号row1和row2联接到晶体管1711和晶体管1712，并且列控制器1702经由列选择信号column1联接到晶体管1711和晶体管1712。晶体管1711还经由与贴片1731的连接而联接到天线元件1721，而晶体管1712经由与贴片1732的连接而联接到天线元件1722。
在单位胞元被放置在非规则网格中的圆柱形馈电天线上实现矩阵驱动电路的初始方法中，执行两个步骤。在第一步骤中，将胞元放置在同心环上，并且将每个胞元连接到被放置在该胞元旁边并用作分别驱动每个胞元的开关的晶体管。在第二步骤中，构建矩阵驱动电路，以便在矩阵驱动方法需要时将每个晶体管与唯一地址连接起来。由于矩阵驱动电路由行迹线和列迹线(类似于lcd)构建，但是胞元被放置在环上，因此没有系统的方法为每个晶体管分配唯一的地址。这种映射问题导致覆盖所有晶体管的非常复杂的电路，并导致完成布线的物理迹线数量的显著增加。由于胞元的高密度，这些迹线由于耦合效应而干扰天线的rf性能。而且，由于迹线的复杂性和高封装密度，迹线的布线不能通过可商购的布局工具来实现。
在一个实施例中，在放置胞元和晶体管之前预定矩阵驱动电路。这确保了驱动所有胞元所需的迹线的数量最少，且每个胞元具有唯一的地址。该策略降低了驱动电路的复杂性并简化了布线，从而改善了天线的rf性能。
更具体地，在一种方法中，在第一步骤中，将胞元放置在由描述每个胞元的唯一地址的行和列组成的规则矩形网格上。在第二步骤中，将胞元分组并转换成同心圆，同时保持它们的地址以及在第一步中定义的与行和列的连接。这种转换的目标不仅是将胞元放在环上，而且还要保持胞元之间的距离和环之间的距离在整个孔上保持恒定。为了实现这一目标，有几种方法可以对胞元进行分组。
在一个实施例中，tft封装用于实现矩阵驱动中的放置和唯一寻址。图26示出了tft封装的一个实施例。参照图26，示出了具有输入和输出端口的tft和保持电容器1803。有两个输入端口连接到迹线1801，两个输出端口连接到迹线1802，以使用行和列将tft连接在一起。在一个实施例中，行迹线和列迹线以90°角交叉，以使行迹线和列迹线之间的联接减少并有可能最小化。在一个实施例中，行迹线和列迹线在不同的层上。
全双工通信系统的示例
在另一实施例中，组合天线孔径用于全双工通信系统。图27是同时具有发射路径和接收路径的通信系统的实施例的框图。虽然仅示出了一个发射路径和一个接收路径，但是通信系统可包括多于一个发射路径和/或多于一个接收路径。
参照图27，天线1401包括两个空间交织的天线阵列，其可独立操作以如上所述的在不同频率下同时发射和接收。在一个实施例中，天线1401联接到双工器1445。联接可以通过一个或多个馈电网络实现。在一个实施例中，在径向馈电天线的情况下，双工器1445组合两个信号，并且天线1401和双工器1445之间的连接是可以支持两个频率的单宽带馈电网络。
双工器1445联接到低噪声降频器(lnb)1427，lnb1427以本领域众所周知的方式执行噪声滤波功能、降频转换和放大功能。在一个实施例中，lnb1427处于室外单元(odu)中。在另一实施例中，lnb1427被集成到天线设备中。lnb1427联接到调制解调器1460，调制解调器1460联接到计算系统1440(例如，计算机系统以及调制解调器等)。
调制解调器1460包括将从双工器1445输出的接收信号转换为数字格式的模数转换器(adc)1422，其联接到lnb1427。一旦转换成数字格式，信号由解调器1423解调并由解码器1424解码，以获得接收波上的编码数据。然后将解码的数据发送到控制器1425，控制器1425将解码的数据发送到计算系统1440。
调制解调器1460还包括编码器1430，编码器1430对待从计算系统1440传输的数据进行编码。编码数据由调制器1431调制，然后由数模转换器(dac)1432转换为模拟。然后，模拟信号由buc(升频转换器和高通放大器)1433滤波，并提供至双工器1445的一个端口。在一个实施例中，buc1433处于室外单元(odu)中。
以本领域众所周知的方式操作的双工器1445将发射信号提供至天线1401以进行发射。
控制器1450控制天线1401，天线1401包括单个组合物理孔径上的两个天线元件阵列。
通信系统将被修改为包括上述的组合器/仲裁器。在这种情况下，组合器/仲裁器在调制解调器之后但在buc和lnb之前。
注意的是，图27中所示的全双工通信系统具有许多应用，包括但不限于互联网通信、车辆通信(包括软件更新)等。
本文描述了许多示例实施例。
示例1是一种天线，其包括：天线元件阵列，具有液晶(lc)；驱动电路，联接到该阵列并具有多个驱动器，该多个驱动器中的每个驱动器联接到阵列的天线元件并可操作以将驱动电压施加到天线元件；以及电压校正逻辑，联接到驱动电路，以调整驱动电压，以补偿在驱动极性的第一间隔期间施加到每个天线元件的lc的第一电压的第一幅值和在与第一间隔的驱动极性相反的驱动极性的第二间隔期间施加到所述每个天线元件的lc的第二电压的第二幅值之间的偏移。
示例2是示例1的天线，其可以可选地包括：电压校正逻辑可操作来调整电压，以使第一幅值和第二幅值之间的偏移基本上接近于零。
示例3是示例1的天线，其可以可选地包括：公共电压被施加到阵列中的天线元件，并且进一步地，其中电压校正逻辑可操作以调整公共电压以补偿偏移。
示例4是示例1的天线，其可以可选地包括：第一间隔和第二间隔是正帧和负帧。
示例5是示例4的天线，其可以可选地包括：电压校正逻辑可操作以基于正帧和负帧之间的光传输差异来确定校正电压。
示例6是示例5的天线，其可以可选地包括：一个或多个光学透明结构，该光学透明结构包括测试结构和观察窗口，该测试结构具有与阵列中的天线元件基本相当的光学特性，观察窗口用以获得测试结构中的lc的光学响应，以用于确定校正值。
示例7是示例6的天线，其可以可选地包括：公共电压被施加到阵列中的天线元件，并且进一步地，其中电压校正电路可操作以基于消除值来调整针对至少一个天线元件的所述公共电压，所述消除值产生以光学消除一个或多个光学透明结构中的rf元件波形。
示例8是示例6的天线，其可以可选地包括：测试结构位于与波导相关联的波导区域的外部，该波导将rf能量传送到阵列中的天线元件传送。
示例9是示例6的天线，其可以可选地包括：测试结构位于阵列内。
示例10是示例1的天线，其可以可选地包括：联接到驱动电路的控制器，以周期性地使施加在天线元件的lc上的差分电压的极性反转。
示例11是一种方法，其包括：(a)驱动天线中的元件；(b)观察正帧和负帧之间的光传输差异；(c)调整元件上的公共电压以消除闪烁；(d)通过使用经调整的公共电压来调整旧的正帧电压和负帧电压来建立新的正帧电压和负帧电压；(e)将新的正帧电压和负帧电压施加到元件；(f)检查元件被新的正帧电压和负帧电压驱动的闪烁；以及(g)如果闪烁量低于阈值，则使用新的正帧电压和负帧电压。
示例12是示例11的方法，其可以可选地包括：该元件包括第一测试元件并且以第一灰阶驱动。
示例13是示例12的方法，其可以可选地包括：针对第二灰阶重复操作(a)至(g)，该第二灰阶不同于第一灰阶。
示例14是示例13的方法，其可以可选地包括：对除第一灰阶之外的多个灰阶重复操作(a)至(g)。
示例15是示例11的方法，其可以可选地包括：内插从第一测试元件和第二测试元件获得的校正值，以获得校正值以与第一和第二测试元件之间的天线元件一起使用。
示例16是示例11的方法，其可以可选地包括：阈值是元件不存在闪烁的状态。
示例17是一种非暂时性计算机可读存储介质，其上存储有指令，当指令由其中至少具有处理器和存储器的系统执行时，使系统执行一种方法，该方法包括：(a)驱动天线中的元件；(b)观察正帧和负帧之间的光传输差异；(c)调整元件上的公共电压以消除闪烁；(d)通过使用经调整的公共电压调整旧的正帧电压和负帧电压来建立新的正帧电压和负帧电压；(e)将新的正帧电压和负帧电压施加到元件；(f)检查元件被新的正帧电压和负帧电压驱动的闪烁；以及(g)如果闪烁量低于阈值，则使用新的正帧电压和负帧电压。
示例18是示例17的可读存储介质，其可以可选地包括：元件包括第一测试元件并且以第一灰阶驱动。
示例19是示例18的可读存储介质，其可以可选地包括：该方法进一步包括针对第二灰阶重复操作(a)至(g)，该第二灰阶不同于第一灰阶。
示例20是示例19的可读存储介质，其可以可选地包括：该方法进一步包括对除第一灰阶之外的多个灰阶重复操作(a)至(g)。
示例21是示例17的可读存储介质，其可以可选地包括：该方法进一步包括内插从第一测试元件和第二测试元件获得的校正值，以获得校正值以与位于第一和第二测试元件之间的天线元件一起使用。
示例22是示例17的可读存储介质，其可以可选地包括：阈值是元件不存在闪烁的状态。
示例23是一种方法，其包括：获得天线孔径的天线元件的光学响应；并且基于所获得的光学响应来校正正帧和负帧之间的差异。
示例24是示例23的方法，其可以可选地包括：使用天线孔径上的测试光学结构来测量光学响应。
以上详细描述的一些部分是根据对计算机存储器内的数据位的操作的算法和符号表示来呈现的。这些算法描述和表示是数据处理领域的技术人员用来将他们工作的实质最有效地传达给本领域其他技术人员的方法。这里算法通常被认为是取得期望结果的自洽的步骤序列。这些步骤需要物理地操控物理量。通常，尽管不是必须的，这些物理量采用能够被存储、传输、组合、比较以及以其他方式操控的电信号或磁信号的形式。主要出于通用的原因，将这些信号称为比特、值、元素、符号、字符、术语以及数字等，有时已经证明这样是方便的。
然而，应当记住的是，所有这些以及类似的术语都与适当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的方便标签。除非从以下讨论中明确说明，否则应当理解的是，在整个说明书中，利用诸如“处理”或“运算”或“计算”或“确定”或“显示”等术语的讨论指的是计算机系统或类似电子计算设备的动作和进程，计算机系统或类似电子计算设备将在计算机系统的寄存器和存储器内表示为物理(电子)量的数据操作并转换成类似地表示为计算机系统存储器或寄存器或其他信息存储、传输或显示装置内的物理量的其他数据。
本发明还涉及一种用于执行本文的操作的设备。该设备可为所需目的而专门构造，或者其可包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算机。这种计算机程序可被存储在诸如但不限于以下的计算机可读存储介质中：包括软盘、光盘、cd-rom和磁光盘的任何类型的磁盘，只读存储器(rom)，随机存取存储器(ram)，eprom，eeprom，磁卡或光卡，或适用于存储电子指令的任何类型的介质，并且每个介质都联接到计算机系统总线。
本文提出的算法和显示并不与任何特定的计算机或其它设备内在相关。各种通用系统可根据本文的教导内容与程序一起使用，或者其可证明对构造更专用的设备来执行所需的方法步骤是方便的。各种这些系统所需的结构将从下面的描述中看出。另外，没有参考任何特定的编程语言描述本发明。将理解的是，可以使用各种编程语言来实现如本文所述的本发明的教导。
机器可读介质包括用于以机器(例如，计算机)可读的形式存储或传输信息的任何机构。例如，机器可读介质包括只读存储器(“rom”)；随机存取存储器(“ram”)；磁盘存储介质；光学存储介质；闪存装置等等。
尽管在阅读了前面的描述之后，本发明的许多改变和修改对于本领域普通技术人员来说无疑将变得显而易见，但是应该理解的是，通过图示的方式示出和描述的任何特定的实施例不旨在以任何方式被视为限制。因此，对各种实施例的细节的参考并不旨在限制权利要求的范围，权利要求本身仅叙述被认为是对本发明必不可少的那些特征。
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