自由空间部分测试器的制作方法
本申请要求于2016年5月20日提交的题为“自由空间部分测试器(fsst)”、申请号为62/339,711的美国临时申请的优先权，并通过引用其相关内容并入本文。
相关申请
本申请涉及以下共同在审的申请：2016年3月3日提交的题为“用于圆柱形馈电天线的天线元件放置”、序列号为15/059,837的美国专利申请；2016年3月3日提交的题为“圆柱形馈电天线的孔分割”、序列号为15/059,843的美国专利申请；2016年12月9日提交的题为“用于驱动单元的分布式直接布置”、序列号为15/374,709的美国专利申请，其转让给本发明的全体受让人。
本发明的示例涉及包括卫星通信和天线的通信领域。更具体地，本发明的示例涉及一种用于平板天线的自由空间部分测试器(fsst)。
背景技术：
卫星通信包含微波的传输。这种微波波长很短并且在千兆赫兹(ghz)范围内以高频传输。天线可以产生高频微波聚焦波束，允许具有宽带宽和高传输速率的点对点通信。可用于确定天线是否正常运行的测量是微波频率响应。这是响应于激励或信号的天线输出频谱的定量测量。与输入激励或信号相比，它可以根据频率提供天线输出的幅值和相位的测量。确定天线的微波频率响应对天线是有用性能测量。
技术实现要素：
公开用于自由空间部分测试器(fsst)的方法和设备。在一个示例中，设备包括框架、第一喇叭天线、第二喇叭天线、控制器和分析器。该框架具有支撑平板天线的薄膜晶体管(tft)部分的平台。第一喇叭天线将微波能量传输到tft部分并从tft部分接收反射的能量。第二喇叭天线接收通过tft部分传输的微波能量。控制器联接到tft部分并向tft部分提供至少一个激励或条件。分析器使用第一喇叭天线和第二喇叭天线测量tft部分的特性。测量特性的示例包括tft部分的测量的微波频率响应、传输响应或反射响应。在一个示例中，如果tft部分的测量特性表明tft部分是可接受的，则tft部分用于集成到平板天线中。
附图说明
从下面给出的详细描述以及各个示例的附图和示例中将更全面地理解本发明，然而，不应将本发明限制于具体示例和示例，而是仅用于说明和理解。
图1a示出示例性自由空间部分测试器(fsst)；
图1b示出图1a的fsst的部件的示例性框图；
图1c示出用于操作图1a和1b的fsst的示例性操作；
图1d示出用于提供圆柱波馈电的同轴馈电的一个示例的俯视图；
图1e示出根据一个示例的具有一个或多个放置在围绕圆柱形馈电天线的输入馈电的同心环中的天线元件阵列的孔；
图2示出根据一个示例的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3示出可调谐谐振器/狭缝的一个示例；
图4示出物理天线孔的一个示例的截面图；
图5a-5d示出用于创建狭缝阵列的不同层的一个示例；
图6a示出圆柱形馈电天线结构的一个示例的侧视图；
图6b示出具有产生输出波的圆柱形馈电的天线系统的另一示例；
图7示出将单元格分组以形成同心正方形(矩形)的示例；
图8示出将单元格分组以形成同心八边形的示例；
图9示出包括虹膜和矩阵驱动电路的小孔的示例；
图10示出用于单元格放置的网格螺旋的示例；
图11示出使用附加螺旋来实现更均匀密度的单元格放置的示例；
图12示出根据一个示例的重复以填充整个孔的选定的螺旋模式；
图13示出根据一个示例的将圆柱形馈电孔分割成象限的一个实施例；
图14a和14b示出根据一个示例的应用矩阵驱动网格的图13的单个部分；
图15示出将圆柱形馈电孔分成象限的另一示例；
图16a和16b示出应用矩阵驱动网格的图15的单个部分；
图17示出矩阵驱动电路相对于天线元件的放置的一个示例；
图18示出tft封装的一个示例；
图19a和19b示出具有奇数个部分的天线孔的一个示例。
具体实施方式
本发明公开用于自由空间部分测试器(fsst)的方法和设备。在一个示例中，设备包括框架、第一喇叭天线、第二喇叭天线、控制器和分析器。框架具有支撑平板天线的薄膜晶体管(tft)部分的平台。第一喇叭天线将微波能量传输到tft部分并从tft部分接收反射的微波能量。第二喇叭天线接收通过tft部分传输的微波能量。控制器联接到tft部分并向tft部分提供至少一个激励或条件。分析器使用第一喇叭天线和第二喇叭天线测量tft部分的特性。
测量特性的示例包括tft部分在第一喇叭天线处的微波反射的频率响应特性。在其他示例中，第二喇叭天线可用于从tft部分接收微波能量。测量特性可以包括tft部分在第二喇叭天线处的微波频率响应。在第一喇叭天线或第二喇叭天线处测量微波频率响应可以作为来自控制器的命令信号激励或没有来自控制器的命令信号激励的函数。测量的微波频率响应也可以根据环境条件。测量的tft部分的特性的其他示例包括tft部分在第二喇叭天线处测量的传输响应以及第一喇叭天线处测量的反射响应。在一些示例中，测量特性仅是测量的反射响应。
在一个示例中，计算机联接到控制器和分析器，并且可以基于一个或多个激励来校准tft部分的微波频率响应特性、传输响应特性或反射响应特性中的至少一个。计算机还可以描述tft部分的微波频率响应、传输响应或反射响应特性。在一个示例中，如果tft部分的测量特性表明tft部分是可接受的，则tft部分用于集成到平板天线中。
在以下描述中，列出了许多细节以提供对本发明的更彻底的说明。然而，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。在其他情况下，众所周知的结构和装置以框图形式示出，而不是详细地示出，以避免模糊本发明。
以下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最有效地将他们工作的内容传达给本领域其他技术人员的方法。本文的算法通常被认为是得到期望结果的自相一致的步骤序列。这些步骤是需要物理操纵物理量的步骤。通常，这些量采用能够被存储、传输、组合、比较和以其他方式操纵的电信号或磁信号的形式，但不是必须的。事实证明，有时将这些信号称为比特、值、元件、符号、字符、术语、数字等是很方便的，这主要是出于通用的原因。
自由空间部分测试器(fsst)
图1a示出示例性自由空间部分测试器(fsst)100。在该示例中，fsst100是能够评估和校准被测平板天线部件例如薄膜晶体管(tft)部分108的响应的微波测量装置。平板部件的示例可以用于如图1d-19b以及序列号为15/059,837、15/059843和15/374,709的美国专利申请的共同在审的相关申请中所述的平板天线。在一个示例中，fsst100与自动且快速测量技术兼容，并且用于组装由tft部分阵列制成的平板天线的生产线的占地面积小。
在以下示例中，fsst100使得独立平板天线部件能够在线检查和测试的特性。例如，可以在集成到完全组装好的平板天线之前测量tft部分108的微波频率响应。以这种方式，通过使用fsst100，通过识别有缺陷的部件，例如tft部分，并在最终组装成平板天线之前将其替换，可以减少有缺陷的平板天线，这也可以降低组装成本。使用fsst100进行的测量和测试可以无缝地集成到平板天线组装过程中。fsst100的测量结果也可用于平板天线的设计、开发和校准。fsst100通过对诸如tft部分108的子部件执行测试和测量还提供确定平板天线的微波功能的非破坏性过程。
fsst100包括测试器框架102，其提供保持支撑tft部分108的tft部分平台111的物理结构。在该示例中，测试器框架102包括抗静电架，例如具有部分形切口以支撑tft部分108的tft部分平台111。成形的切口和tft部分108可以具有形成平板天线的一部分的任意类型的形状。测试器框架102还支撑位于tft部分108上方和下方的两个喇叭天线105-a和105-b，各自的天线平台109-a和109-b连接到各自的支撑杆101-a和101-b。在其他示例中，可以调整支撑杆101-a和101-b以及天线平台109-a和109-b的位置。
fsst100包括tft控制器104。在一个示例中，tft控制器104是具有用于具有连接到测试器框架102的ic芯片的平板天线系统中的电子部件的电路板。虽然未示出，但是计算系统、个人计算机(pc)、服务器或数据存储系统可以联接到tft控制器104以控制tft控制器104或存储用于tft控制器104的数据。例如，如图1b所示，计算机110可以联接到tft控制器104，分析器103联接到喇叭天线105-a和105-b以测量tft部分108的响应。
用于tft控制器104的ic芯片107可以包括微控制器、处理器、用于存储软件和数据的存储器、以及其他电子子部件和连接件。在一个示例中，tft控制器104运行软件，该软件产生发送到tft部分108的命令信号，该命令信号可以在测量例如微波频率响应的响应时，在tft部分108中对晶体管或单元格充电或施加电压(以使其接通)。在其他示例中，tft部分108中没有晶体管或单元格在测量响应时被转动，或者可以接通晶体管或单元格的模式以测量tft部分108的响应。
在其他示例中，tft控制器104可以是tft平台111的一部分，并且连接到独立pc或服务器，例如连接到图1b中的计算机110。tft控制器104或附接的计算机110或服务器可以联接并控制喇叭天线105-a和105-b以及tft部分108(或fsst100的其他电子部件)，并向这些部件发送信号以及从这些部件接收信号。测试器框架102可以提供将tft控制器104与喇叭天线105-a和105-b、tft部分108以及任意其他计算装置或服务器联接的rf和电气布线和互连。
在一些示例中，tft部分108上方和下方的喇叭天线105-a和105-b可以投射微波能量或将微波信号传输到tft部分108，并收集或接收通过tft部分108传输的微波能量或信号。例如。喇叭天线105-a可放置在tft部分108的所需位置上，并将微波信号传输到tft部分108以到所需位置，并且这些信号可由tft部分108下方的喇叭天线105-b接收。喇叭天线105-a和105-b可以放置在稳定的位置以将微波能量或信号直接投射到tft部分108，而只有最小的剩余微波能量被引导离开tft部分108。在一个示例中，参照图1a和1b，喇叭天线105-a和105-b可以联接到任意类型的微波测量分析器，例如分析器103，并向连接的计算机(例如，计算机110)提供测量结果。
例如，可以通过图1b中的分析器103来测量和测试由喇叭天线105-a或105-b接收的微波能量或信号。这种测量和测试允许确定tft部分108的微波功能的非破坏性和非接触性方法，其可以形成平板天线的tft阵列的一部分。在这些示例中，tft部分108的性能可以通过连续组装tft部分阵列用于生产平板天线的生产过程来评估。以这种方式，在最终组装平板天线之前，有缺陷的tft部分可以用无缺陷的tft部分替代。
在一个示例中，参照图1a和1b，联接到tft控制器104的计算机110可以使用喇叭天线105-a和105-b以及分析器103对tft部分108的特性进行一些测试和测量。在一个示例中，分析器103测量tft部分108的反射或传输系数。在其他示例中，分析器103测量处于活动状态(例如，根据命令信号)或被动状态(例如，不使用命令信号)的微波频率响应。测量的响应可以是使用喇叭天线105-a和105-b用于测试tft部分108的传输或反射响应。
在一些示例中，分析器103在tft部分108上测量的响应可用于提供对tft部分108的统计过程控制信息，例如cp(目标值偏移)、cpm(正态分布曲线)、以及cpk(六西格玛处理数据)。在一个示例中，这种信息可用于确定tft部分108是否可用于组装平板天线。在一个示例中，计算机110可以使用诸如电指令信号、环境条件或其他类型的激励之类的激励来校准响应。由分析器103测量的响应也可用于描述来自tft部分108的响应特性并存储以供稍后处理。
fsst操作
图1b示出图1a的fsst100的部件的示例性框图。在该示例中，计算机110联接到tft控制器104和分析器103。tft控制器104联接到tft部分108，分析器103联接到喇叭天线105-a和105-b以及计算机110。喇叭天线105-a和105-b可以提供和接收由分析器103测量的微波能量或信号。在一个示例中，喇叭天线105-a将由分析器103测量的通过tft部分108并由喇叭天线105接收的微波能量或信号投射到tft部分108。在另一示例中，喇叭天线105-a将由tft部分108反射回喇叭天线105-a并由分析器103测量的微波能量或信号投射到tft部分108。分析器103可以测量tft部分108的例如相位和振幅传输和反射系数的微波能量或信号的复杂特性。在一个示例中，传输和反射系数被测量根据由tft控制器104提供的微波频率和/或命令信号。
在一个示例中，分析器103通过将微波信号或能量投射到tft部分108的射频(rf)电缆向喇叭天线105-a提供扫频微波信号或能量。一部分微波能量可以通过tft部分108传输并由喇叭天线105-b接收。一部分微波能量也可以被tft部分108反射并由喇叭天线105-a接收。在该示例中，分析器103确定通过tft部分108传输并由喇叭天线105-b接收以及从tft部分108的表面反射并由喇叭天线105-a接收的投射的微波能量的部分。在其他示例中，分析器103可以校准和计算传输和反射值或数据(例如，复相位和振幅系数)。分析器103可以存储或显示这些值或将这些值传输到计算机110。
在一个示例中，计算机110控制tft控制器104以向tft部分108提供命令信号控制tft部分108的晶体管的电压，分析器103测量由喇叭天线105-a和105-b传输或反射的微波能量，称为“接通”响应。在其他示例中，tft控制器104不提供命令信号，而分析器103测量由喇叭天线105-a和105-b传输或反射的微波能量，称为“断开”响应。当与tft108的物理连接不可用时，可能需要关响应。在一个示例中，tft控制器104在测量tft部分108的相应微波能量响应的同时可以实现基于不同命令信号的软件或算法。以这种方式，可以基于命令信号的变化来校准测量的响应，并且可以获得施加到tft部分108的每个元件或晶体管的偏压与测量的响应的比。以这种方式，可以获得频移作为施加电压的函数。在一个示例中，分析器103可以测量在tft部分108的两个状态之间切换所需的可持续时间。
在一些示例中，图1a和1b的fsst100位于平板天线的生产线中，并提供连续和过程质量测量(例如，测量的频率响应)，以检测tft部分108中的性能变化，例如不同的环境因素。在其他示例中，一个喇叭天线105-a用于测量来自tft部分108的反射的微波能量或信号。使用fsst100的检查和测试可以是tft部分108的最终检查，以确定它是否有缺陷并在平板天线的最终组装之前进行更换。
图1c示出用于操作图1a和1b的fsst100的示例性操作120。在操作122，将微波能量施加到tft部分(例如，喇叭天线105-a可以将微波能量投射到tft部分108)。在操作124，测量通过tft部分传输的微波能量(例如，通过分析器103在喇叭天线105-b处测量从喇叭天线105-a通过tft部分108传输的微波能量)。在操作126，测量从tft部分反射的微波能量，例如，由分析器103在喇叭天线105-a处测量从tft部分108反射回的喇叭天线105-a的投射微波能量。在操作128，校准测量的响应(例如，tft控制器104可以调整激励(命令信号或外部)以校准测量的响应)。
示例性平板天线系统的概述
在一个示例中，平板天线是超材料天线系统的一部分。本文描述用于通信卫星地球站的超材料天线系统的示例。在一个示例中，天线系统是在利用用于民用商业卫星通信的频率操作的移动平台(例如，航空、海上、陆地等)上操作的卫星地球站(es)的部件或子系统。在一些示例中，天线系统还可以用于不在移动平台(例如，固定或可移动地球站)上的地球站中。
在一个示例中，天线系统利用表面散射超材料技术，通过单独的天线来形成和控制发射和接收波束。在一个示例中，天线系统是模拟系统，与采用数字信号处理来电形成和控制波束(例如相控阵天线)的天线系统相反。
在一个示例中，天线系统包括三个功能子系统：
(1)由圆柱形波馈电结构组成的波导结构；(2)作为天线元件的一部分的波散射超材料单元格阵列；以及(3)利用全息原理控制从超材料散射元件形成可调节的辐射场(波束)的控制结构。
波导结构的示例
图1d示出用于提供圆柱波馈电的同轴馈电的一个示例的俯视图。参照图1d，同轴馈电包括中心导体和外导体。在一个示例中，圆柱形波馈电架构以励磁的方式从中央点馈电天线，其中励磁从馈电点以圆柱形方式向外扩展。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，圆柱形馈电周围的圆柱形馈电天线的形状可以是圆形的、正方形的或任意形状。在另一示例中，圆柱形馈电天线产生向内行进的馈电波。在这种情况下，馈电波自然主要是来自圆形结构。
图1e示出具有一个或多个放置在围绕圆柱形馈电天线的输入馈电的同心环中的天线元件阵列的孔。
天线元件
在一个示例中，天线元件包括一组贴片天线和狭缝天线(单元格)。该组单元格包括散射超材料元件阵列。在一个示例中，天线系统中的每个散射元件都是单元格的一部分，该单元格由下导体、介电基板和嵌入互补电感电容谐振器(“互补电lc”或“celc”)的上导体组成，其中互补电感电容谐振器蚀刻或沉积在上导体上。如本领域技术人员所理解的，在celc的背景下，lc指的是电感-电容，而不是液晶。
在一个示例中，液晶(lc)设置在散射元件周围的间隙中。液晶封装在每个单元格中，并将与狭缝相关联的下导体与上导体分开，上导体与其贴片相关联。液晶的介电常数是包含液晶的分子的取向的函数，并且可以通过调节液晶上的偏压来控制分子的取向(并因此调节介电常数)。在一个示例中，利用该性能，液晶集成通/断开关以及在通和断之间的中间状态，以便将能量从导波传输到celc。当接通时，celc会像电小型偶极天线一样发射电磁波。注意的是，本文的教导不限于具有相对于能量传输以二元方式操作的液晶。
在一个示例中，该天线系统的馈电几何结构允许天线元件定位成与波馈电中的波矢量成45度角(45°)。注意的是，可以使用其他位置(例如，成40°角)。元件的这个位置使得能够控制由元件接收或从元件传输/辐射的自由空间波。在一个示例中，天线元件布置成元件间间隔小于天线工作频率的自由空间波长。例如，如果每个波长有四个散射元件，则30ghz发射天线中的元件将约为2.5mm(即，为30ghz的10mm自由空间波长的1/4)。
在一个示例中，如果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相等的振幅励磁。相对于馈电波励磁将它们转动+/-45度，则一次实现两个期望的特征。一组转动0°，另一组转动90°，将达到垂直目标，但不会达到等幅励磁目标。注意的是，如上所述，当从两侧以单个结构馈电天线元件阵列时，可以使用0°和90°来实现隔离。
通过使用控制器向贴片施加电压(通过lc通道的电势)来控制来自每个单元格的辐射功率的量。每个贴片的迹线用于向贴片天线提供电压。该电压用于调整或去谐电容，从而使各个元件的频率共振实现波束形成。所需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和饱和电压影响的阈值电压描述，高于该阈值电压，电压的增加不会引起液晶的主要调谐。对于不同的液晶混合物，这两个特性参数可以改变。
在一个示例中，矩阵驱动器用于向贴片施加电压，以便与所有其他单元格分开地驱动每个单元格，而不需要为每个单元格提供单独的连接(直接驱动)。由于元件密度高，矩阵驱动器是单独处理每个单元格的最有效的方式。
在一个示例中，用于天线系统的控制结构具有两个主要部件：控制器，其包括用于天线系统的驱动电子器件，位于波散射结构下方，和矩阵驱动转换阵列，其以不干扰辐射的方式散布在整个辐射rf阵列中。在一个示例中，用于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现成lcd控制器，其通过调节到该元件的ac偏置信号的振幅来调节每个散射元件的偏置电压。
在一个示例中，控制器还包含执行软件的微处理器。控制结构还可以包括传感器(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)，以向处理器提供位置和方向信息。位置和方向信息可以由地球站中和/或可以不是天线系统的一部分的其他系统提供给处理器。
更具体地，控制器控制关闭哪些元件以及接通哪些元件以及在操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失谐以进行频率操作。
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模式。控制模式使元件转向不同的状态。在一个示例中，使用多态控制，其中各个元件接通和断开到不同的电平，进一步接近正弦控制模式，与方波(即，正弦曲线灰调调制模式)相反。在一个示例中，一些元件比其他元件辐射更强，而不是一些元件辐射而一些元件不辐射。通过施加特定的电压电平来实现可变辐射，将液晶介电常数调节到不同的量，从而可变地使元件失谐并使一些元件比其他元件辐射更多。
由元件的超材料阵列产生的聚焦波束可以通过相长干涉和相消干涉的现象来解释。如果单个电磁波在自由空间中相遇时具有相同的相位，它们就会相加(相长干涉)，而如果它们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)。如果狭缝天线中的狭缝定位成使得每个连续狭缝位于与导波的励磁点不同的距离处，则来自该元件的散射波的相位与前一狭缝的散射波的相位不同。如果狭缝间隔开四分之一的引导波长，则每个狭缝将前一狭缝散射具有四分之一相位延迟的波。
使用阵列，利用全息术的原理，可以增加可以产生的相长干涉和相消干涉的模式的数量，使得理论上可以在从天线阵列的孔视线加或减90度(90°)的任意方向上指向波束。因此，通过控制哪些超材料单元格被接通或关闭(即，通过改变那些被接通的单元格以及被关闭的单元格的模式)可以产生不同的相长干涉和相消干涉模式，并且天线可以改变主波束的方向。接通和关闭单元格所需的时间决定了波束从一个位置转换到另一个位置的速度。
在一个示例中，天线系统为上行链路天线产生一个可控波束，为下行链路天线产生一个可控波束。在一个示例中，天线系统利用超材料技术来接收波束并解码来自卫星的信号并形成指向卫星的发射波束。在一个示例中，天线系统是模拟系统，与采用数字信号处理来电形成和控制波束(例如相控阵天线)的天线系统相反。在一个示例中，天线系统被认为是平面的且相对低轮廓的“表面”天线，尤其是与传统的卫星天线接收器相比时。
图2示出一行包括接地平面245和可重构谐振器层重构的天线元件的透视图299。可重构谐振器层230包括可调谐狭缝210的阵列。可调谐狭缝210的阵列可被配置成按所需方向指向天线。每个可调谐狭缝可以通过改变液晶上的电压来进行调谐/调节。
控制模块280联接到可重构谐振器层230，以通过改变图2中的液晶上的电压来调制可调谐狭缝210的阵列。控制模块280可以包括现场可编程门阵列(“fpga”)、微处理器、控制器、片上系统(soc)或其他处理逻辑。在一个示例中，控制模块280包括用于驱动可调谐狭缝210阵列的逻辑电路(例如，多路复用器)。在一个示例中，控制模块280接收包括要被驱动到可调谐狭缝210的阵列上的全息衍射模式的说明的数据。可以响应于天线和卫星之间的空间关系产生全息衍射模式，使得全息衍射模式在适当的通信方向上控制下行链路波束(以及如果天线系统执行发射，则控制上行链路波束)。虽然未在每个图中绘出，但是类似于控制模块280的控制模块可以驱动本公开的附图中描述的每个可调狭缝阵列。
使用类似技术也可以用于射频(“rf”)全息术，其中当rf参考波束遇到rf全息衍射模式时可以产生期望的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205(在一些示例中约为20ghz)。为了将馈电波变换成辐射波束(用于传输或接收的目的)，在期望的rf波束(物体波束)和馈电波(参考波束)之间计算干涉模式。在可调谐狭缝210的阵列上驱动干涉模式作为衍射模式，使得馈电波“转向”期望的rf波束(具有期望的形状和方向)。换句话说，遇到全息衍射模式的馈电波“重构”物体波束，其根据通信系统的设计要求形成。全息衍射模式包含每个元件的励磁，并且通过
图3示出可调谐谐振器/狭缝210的一个示例。可调谐狭缝210包括虹膜/狭缝212、辐射贴片211和设置在虹膜212和贴片211之间的液晶(lc)213。在一个示例中，辐射贴片211与虹膜212共同定位。
图4示出根据一个示例的物理天线孔的截面图。天线孔包括接地平面245和包括在可重构谐振器层230中的虹膜层233内的金属层236。在一个示例中，图4的天线孔包括图3的多个可调谐谐振器/狭缝210。虹膜/狭缝212由金属层236中的开口限定。馈电波，例如图2的馈电波205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245和谐振器层230之间传播。
可重构谐振器层230还包括垫圈层232和贴片层231。垫圈层232设置在贴片层231和虹膜层233之间。在一个示例中，间隔物可以代替垫圈层232。在一个示例中，虹膜层233是包括作为金属层236的铜层的印刷电路板(“pcb”)。在一个示例中，虹膜层233是玻璃。虹膜层233可以是其他类型的基板。
可以在铜层中蚀刻开口以形成狭缝212。在一个示例中，虹膜层233通过导电粘合层导电地联接到图4中的另一结构(例如，波导)。注意的是，在示例中，虹膜层不是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231也可以是包括作为辐射贴片211的金属的pcb。在一个示例中，垫圈层232包括间隔物239，其提供机械支座以限定金属层236和贴片211之间的尺寸。在一个示例中，间隔物为75微米，但是可以使用其他尺寸(例如，3-200mm)。如上所述，在一个示例中，图4的天线孔包括多个可调谐谐振器/狭缝，例如可调谐谐振器/狭缝210，其包括图3的贴片211、液晶213和虹膜212。用于液晶的腔室213由间隔物239、虹膜层233和金属层236限定。当腔室填充有液晶时，可以将贴片层231层压到间隔物239上以密封谐振器层230内的液晶。
可以对贴片层231和虹膜层233之间的电压进行调制以调整贴片和狭缝(例如，可调谐谐振器/狭缝210)之间的间隙中的液晶。调整液晶213上的电压会改变狭缝(例如，可调谐谐振器/狭缝210)的电容。因此，可以通过改变电容来改变狭缝(例如，可调谐谐振器/狭缝210)的电抗。狭缝210的谐振频率也根据等式
在一个示例中，行中的可调谐狭缝彼此间隔λ/5。可以使用其他类型的间隔。在一个示例中，行中的每个可调谐狭缝与相邻行中最近的可调谐狭缝间隔λ/2，因此，不同行中的共同定向的可调谐狭缝间隔λ/4，但是其他间距也是可以的(例如，λ/5，λ/6.3)。在另一示例中，行中的每个可调谐狭缝与相邻行中最近的可调谐狭缝间隔λ/3。
本发明的示例，例如在2014年11月21日提交的申请号为14/550,178、题为“来自可操纵的圆柱形馈电全息天线的动态极化和联接控制”的美国专利申请以及2015年1月30日提交的申请号为14/610,502、题为“用于可重构天线的脊状波导馈电结构”的美国专利申请中所描述的，利用可重构超材料技术以满足市场的多孔需求。
图5a-5d示出用于创建狭缝阵列的不同层的一个示例。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5a示出根据一个示例的具有与狭缝对应位置的第一虹膜板层的一部分。参照图5a，圆圈是虹膜基板底侧的金属化部分中的开口区域/狭缝，并且用于控制元件与馈电(馈电波)的联接。在该示例中，该层是可选层，并不是在所有设计中都使用。图5b示出根据一个示例的包含狭缝的第二虹膜板层的一部分。图5c示出根据一个示例的第二虹膜板层的一部分上的贴片。图5d示出根据一个示例的狭缝阵列的一部分的俯视图。
图6a示出圆柱形馈电天线结构的一个示例的侧视图。天线利用双层馈电结构(即，两层馈电结构)产生向内行波。在一个示例中，天线包括圆形外形，但这不是必需的。也就是说，可以使用非圆形向内行进结构。在一个示例中，图6a中的天线结构包括图1的同轴馈电。
参照图6a，同轴引脚601用于激发天线低电平上的磁场。在一个示例中，同轴引脚601是容易获得的50ω同轴引脚。同轴引脚601联接(例如，螺栓连接)到是导电接地平面602的天线结构的底部。
间隙导体603与导电接地平面602分开，其是内部导体。在一个示例中，导电接地平面602和间隙导体603彼此平行。在一个示例中，接地平面602和间隙导体603之间的距离是0.1-0.15〞。在另一示例中，该距离可以是λ/2，其中λ是在操作频率下行波的波长。
接地平面602经由间隔物604与间隙导体603分离。在一个示例中，间隔物604是泡沫或类似空气的间隔物。在一个示例中，间隔物604包括塑料间隔物。
在间隙导体603的上部是介电层605。在一个示例中，介电层605是塑料。图5示出馈电波发射进入的介电材料的示例。介电层605的目的是相对于自由空间速度减慢行波。在一个示例中，介电层605相对于自由空间使行波减慢30％。在一个示例中，适合于波束形成的折射率范围是1.2-1.8，其中自由空间根据定义具有等于1的折射率。可以用其他介电间隔物材料，例如塑料，来达到这个效果。注意的是，可以使用除塑料之外的材料，只要它们实现所需的波减速效果即可。替代地，例如，具有分布结构的材料可以用作介电层605，诸如可以进行机械加工或光刻限定的周期性次波长金属结构。
rf阵列606位于电介质605的上部。在一个示例中，间隙导体603和rf阵列606之间的距离是0.1-0.15〞。在另一示例中，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。
天线包括侧面607和608。侧面607和608成角度以使得来自同轴引脚601的行波馈电通过反射从间隙导体603(间隔层)下方的区域传播到间隙导体603上方的区域(介电层)。在一个示例中，侧面607和608成45°角。在替代示例中，侧面607和608可以用连续半径代替以实现反射。虽然图6a示出具有45度角的成角度的侧面，但是也可以使用实现从较低水平馈电到较高水平馈电的信号传输的其他角度。也就是说，假设下部馈电中的有效波长总体上与上部馈电中的有效波长不同，则可以利用与理想45°角的一些偏差来辅助从下部馈电水平到上部馈电水平的传输。
在操作中，当从同轴引脚601馈入馈电波时，波在接地平面602和间隙导体603之间的区域中从同轴引脚601同心地向外传播。同心地向外的波被侧面607和608反射并在间隙导体603和rf阵列606之间的区域中向内行进。来自圆周边缘的反射使得波保持同相(即，它是同相反射)。行波被介电层605减慢。此时，行波开始与rf阵列606中的元件相互作用和激发，以获得所需的散射。
为了终止行波，终端609包括在天线的几何中心处的天线中。在一个示例中，终端609包括引脚终端(例如，50ω引脚)。在另一示例中，终端609包括rf吸收器，其终止未利用的能量以防止未利用的能量通过天线的馈电结构反射回来。这些可以用在rf阵列606的上部。
图6b示出具有输出波的天线系统的另一示例。参照图6b，两个接地平面610和611大体上彼此平行，在接地平面610和611之间具有介电层612(例如，塑料层等)。rf吸收器613和614(例如，电阻器)将两个接地平面610和611联接在一起。同轴引脚615(例如，50ω)对天线进行馈电。rf阵列616位于介电层612的上部。
在操作中，馈电波通过同轴引脚615馈入并且同心地向外行进并且与rf阵列616的元件相互作用。
图6a和6b的两个天线中的圆柱形馈电改善了天线的使用角度。在一个示例中，天线系统沿所有方向从孔视线具有七十五度(75°)的使用角度，而不是正或负四十五度方位角(±45°az)和正负二十五度仰角(±25°el)的使用角度。与形成由许多单独的辐射器组成的天线的任意波束一样，整体天线增益取决于组成元件的增益，它们本身是随角度变化的。当使用普通的辐射元件时，天线的整体增益通常随着波束进一步指向更远的孔视线而降低。在距孔视野75度处，预计增益显著降低约6db。
具有圆柱形馈电的天线的示例解决一个或多个问题。与使用共同分频器网络馈电的天线相比，其包括显著简化的馈电结构，并因此减少了天线总需求和天线馈电量；通过较粗略的控制保持高波束性能，降低对制造和控制误差的敏感度(扩展到简单的二元控制)；与直线馈电相比，提供了更有利的旁瓣模式，这是因为圆柱定向的馈电波导致远场中的空间多样化的旁瓣；以及允许偏振是动态的，包括允许左旋圆形、右旋圆形和线性偏振，同时不需要偏振器。
波散射元件阵列
图6a的rf阵列606和图6的rf阵列616包括波散射子系统，其包括用作辐射器的一组贴片天线(即，散射体)。该组贴片天线包括散射超材料元件阵列。
在一个示例中，天线系统中的每个散射元件是单元格的一部分，该单元格由下导体、介电基板和嵌入互补电感电容谐振器(“互补电lc”或“celc”)的上导体组成，其中互补电感电容谐振器蚀刻或沉积在上导体上。
在一个示例中，将液晶(lc)注入散射元件周围的间隙中。液晶封装在每个单元格中，并将与狭缝相关联的下导体与上导体分开，上导体与其贴片相关联。液晶的介电常数是包含液晶的分子的取向的函数，并且可以通过调节液晶上的偏压来控制分子的取向(并因此调节介电常数)。利用这种特性，液晶起到通/断开关的作用，用于将能量从导波传输到celc。当接通时，celc会像电小型偶极天线一样发射电磁波。
控制lc的厚度增加了波束切换速度。下导体和上导体之间的间隙(液晶厚度)减少百分之五十(50％)使得速度增加四倍。在另一示例中，液晶的厚度导致波束切换速度大约为14毫秒(14毫秒)。在一个示例中，以本领域公知的方式掺杂lc以改善响应性，从而可以达到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间隙补充而施加的磁场。当在超材料散射单元格中向液晶施加电压时，导波的磁场分量引起celc的磁励磁，而celc又产生与导波频率相同的电磁波。
可以通过celc在导波矢量上的位置来选择由单个celc产生的电磁波的相位。每个单元格产生与平行于celc的导波同相的波。因为celc小于波长，所以当输出波通过celc下方时，其与导波的相位具有相同的相位。
在一个示例中，该天线系统的圆柱形馈电几何结构允许celc元件定位成与波馈电中的波矢量成45度(45°)角。元件的这个位置使得能够控制由元件产生或由元件接收的自由空间波的极化。在一个示例中，celc布置成具有小于天线工作频率的自由空间波长的元件间间隔。例如，如果每个波长有四个散射元件，则30ghz发射天线中的元件将约为2.5mm(即，为30ghz的10mm自由空间波长的1/4)。
在一个示例中，celc用贴片天线实现，贴片天线包括共同位于狭缝上的贴片，在两者之间具有液晶。在这方面，超材料天线的作用类似于狭缝(散射)波导。在有狭缝波导的情况下，输出波的相位取决于狭缝相对于导波的位置。
单元格放置
在一个示例中，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上。单元格的放置包括放置用于矩阵驱动的晶体管。图17示出矩阵驱动电路相对于天线元件的放置的一个示例。参照图17，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1712，并且列控制器1702经由列选择信号column1联接到晶体管1711和1712。晶体管1711经由与贴片1731的连接还联接到天线元件1721，而晶体管1712经由与贴片1732的连接而联接到天线元件1722。
在实现单元格放置在非规则网格中的圆柱形馈电天线上的矩阵驱动电路的初始方法中，执行两个步骤。在第一步中，将单元格放置在同心环上，并且将每个单元格连接到放置在单元格旁边的晶体管，并用作开关以分别驱动每个单元格。在第二步中，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。由于矩阵驱动电布线行和列迹线(类似于lcd)构建，但是单元格放置在环上，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电路非常复杂，并导致完成布线的物理迹线数量的显著增加。由于单元格的密度高，这些迹线由于联接效应而干扰天线的rf性能。而且，由于迹线的复杂性以及高封装密度，迹线的布线不能通过商用的布局工具来实现。
在一个示例中，在放置单元和晶体管之前预先确定矩阵驱动电路。这确保了驱动所有单元格所需的最少量的迹线，每个单元格具有唯一的地址。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，在第一步中，将单元格放置在由行和列组成的规则矩形网格上，该行和列描述每个单元格的唯一地址。在第二步中，将单元格分组并转换为同心圆，同时保持它们的地址以及与第一步中定义的行和列的连接。这种转换的目标不仅是将单元格放在环上，而且还要保持单元格之间的距离以及环之间的距离在整个孔上保持恒定。为了实现这个目标，有几种对单元格进行分组的方法。
图7示出将单元格分组以形成同心正方形(矩形)的示例。参照图7，正方形701-703显示在行和列的网格700上。注意的是，这些是正方形的示例而不是所有的正方形的示例，以在图7的右侧创建单元格放置。然后，通过数学共形映射过程，每个正方形，例如正方形701-703，被变换成环，例如天线元件的环711-713。例如，外环711是左侧外正方形701的变形。
变形后单元格的密度由除了前一个正方形之外下一个较大的正方形包含的单元格数确定。在一个示例中，使用正方形导致附加天线元件的数量δn在下一个更大的正方形上是8个附加单元格。在一个示例中，该数量对于整个孔是恒定的。在一个示例中，cellpitchl(cp1：环与环的距离)与cellpitch2的比(cp2：沿着环的单元格到单元格的距离)由下式给出：
因此，cp2是cp1的函数(反之亦然)。而图7中的示例的单元格间距比为：
这意味着cp1大于cp2。
在一个示例中，为了进行变形，选择每个正方形上的起始点，例如正方形701上的起始点721，并且将与该起始点相关联的天线元件放置在其对应环的一个位置上，例如，环711上的起始点731。例如，x轴或y轴可以用作起始点。此后，选择从起始点沿一个方向(顺时针或逆时针)前进的正方形上的下一个元件，并且放置在环上下一个位置的元件沿着正方形中使用的相同方向(顺时针或逆时针)行进。重复该过程，直到所有天线元件的位置都分配到环上的位置。对所有正方形重复整个正方形到环的变形过程。
然而，根据分析研究和布线约束，优选应用大于cp1的cp2。为实现此目的，使用图8中所示的第二策略。参照图8，相对于网格800，单元格最初被分成八边形，例如八边形801-803。通过将单元格分组成八边形，附加天线元件的数量δn等于4，这给出了一个比。
这使得cp2>cp1。
根据图8的从八边形到同心环的单元格放置的变形可以通过最初选择起点以与上面关于图7描述的方式相同的方式执行。
注意的是，关于图7和8公开的单元格放置具有许多特性。这些特性包括：1)在整个孔上的恒定cp1/cp2(注意的是，在一个示例中，在孔上基本恒定(例如，90％恒定)的天线仍将起作用)；
2)cp2是cp1的函数；
3)随着与中央定位天线馈电的环距增加，每个环的天线元件数量不断增加；
4)所有单元格都连接到矩阵的行和列；
5)所有单元格都有唯一的地址；
6)将单元格放置在同心环上；以及
7)存在转动对称性，因为四个象限是相同的，并且可以转动1/4楔形以构建阵列。这有利于分割。
在其他示例中，虽然给出了两种形状，但是可以使用其他形状。其他增量也是可能的(例如，6个增量)。
图9示出包括虹膜和矩阵驱动电路的小孔的示例。行迹线901和列迹线902分别表示行连接和列连接。这些线描述矩阵驱动网络而不是物理迹线(因为物理迹线可能必须围绕天线元件或其部分布线)。每对虹膜旁边的正方形是晶体管。
图9还示出使用双晶体管的单元格放置技术的潜力，其中每个部件驱动pcb阵列中的两个单元格。在这种情况下，一个分立装置封装包含两个晶体管，每个晶体管驱动一个单元格。
在一个示例中，tft封装用于在矩阵驱动器中进行放置和唯一寻址。图18示出tft封装的一个示例。参照图18，示出具有输入端口和输出端口的tft和保持电容器1803。有两个连接到迹线1801的输入端口，以及两个连接到迹线1802以使用行和列将tft连接在一起的输出端口。在一个示例中，行和列迹线以90°角交叉以减少并且可能最小化行和列迹线之间的联接。在一个示例中，行和列迹线在不同的层上。
图7-9中所示的所提出的单元格放置的另一个重要特性是布局是重复模式，其中布局的每个四分之一与其他布局相同。这允许阵列的子部分围绕中心天线馈电的位置转动地重复，这又允许将孔分割成子孔。这有助于制造天线孔。
在另一示例中，圆柱形馈电天线上的矩阵驱动电路和单元格放置以不同的方式完成。为了在圆柱形馈电天线上实现矩阵驱动电路，通过重复转动阵列的子部分来实现布局。该示例还允许改变可用于照明逐渐减少的单元格密度以改善rf性能。
在该替代方法中，单元格和晶体管在圆柱形馈电天线孔上的放置是基于由螺旋形迹线形成的网格。图10示出这种网格顺时针螺旋的示例，例如螺旋1001-1003，其沿顺时针方向弯曲，以及诸如螺旋1011-1013的螺旋，其沿顺时针方向或相反方向弯曲。螺旋的不同方向导致顺时针和逆时针螺旋之间的交叉。得到的网格提供由逆时针迹线和顺时针迹线的交叉点给出的唯一地址，因此可以用作矩阵驱动网格。此外，交叉点可以在同心环上进行分组，这对于圆柱形馈电天线的rf性能非常重要。
与上面讨论的用于在圆柱形馈电天线孔上放置单元格的方法不同，上面与图10有关的方法提供了单元格的不均匀分布。如图10所示，单元格之间的距离随着同心环的半径的增加而增加。在一个示例中，采用密度变化的方法在天线阵列控制器的控制下体现照明逐渐减少。
由于单元格的大小和它们之间用于迹线所需的空间，因此单元格密度不能超过一定数量。在一个示例中，基于操作频率，距离是d/5。如上所述，可以使用其他距离。为了避免靠近中心过密，或者换句话说为了避免靠近边缘过稀，随着连续同心环的半径增加，可以将附加螺旋添加到初始螺旋中。图11示出使用附加螺旋来实现更均匀密度的单元格放置的示例。参照图11，随着连续同心环的半径增加，附加螺旋，例如附加螺旋1101，被添加到诸如螺旋1102的初始螺旋。根据分析模拟，该方法提供使单元格完全均匀的分布的性能收敛的rf性能。在一个示例中，由于锥形元件密度比上述一些示例的密度小，该设计提供了更好的旁瓣行为。
使用螺旋进行单元格放置的另一个优点是转动对称和可重复的模式，这可以简化布线工作并降低制造成本。图12示出重复以填充整个孔的螺旋形模式。
在一个示例中，关于图10-12公开的单元格放置有许多特征。这些特征包括：
1)cp1/cp2不超过整个孔；
2)cp2是cp1的函数；
3)随着与中央定位天线馈电的环距增加，每个环的天线元件数量没有增加；
4)所有单元格都连接到矩阵的行和列；
5)所有单元格都有唯一的地址；
6)将单元格放置在同心环上；以及
7)存在转动对称性(如上所述)。
因此，上面结合图10-12描述的单元格放置示例具有许多与上面结合图7-9描述的单元格放置示例相似的特性。
孔分割
在一个示例中，通过将多个天线元件部分组合在一起来创建天线孔。这要求对天线元件阵列进行分割，并且理想地，分割需要天线的可重复的足迹模式。在一个示例中，由于每个辐射元件的转动角度不同，圆柱形馈电天线阵列的分割发生使得天线足迹不以直线和直线方式提供可重复的模式。本文公开的分割方法的一个目标是提供分割而不损害天线的辐射性能。
虽然本文描述的分割技术集中改进并且可能使具有矩形形状的工业标准基板的表面利用达到最大，但是分割方法不限于这种基板形状。
在一个示例中，对圆柱形馈电天线进行分割时，四个部分的组合实现了天线元件放置在同心和闭合环上的模式。这方面对于保持rf性能很重要。此外，在一个示例中，每个部分需要单独的矩阵驱动电路。
图13示出将圆柱形馈电孔分成象限。参照图13，部分1301-1304是相同的象限，其组成一个圆形天线孔。每个部分1301-1304上的天线元件放置在环的部分中，当部分1301-1304组合时，环形成同心环和闭环。为了组合这些部分，将这些部分安装或层压到载体上。在另一示例中，部分的重叠边缘用于将它们组合在一起。在这种情况下，在一个示例中，跨边缘产生导电键以防止rf泄漏。注意的是，元件类型不受分割的影响。
作为图13中所示的该分割方法的结果，部分1301-1304之间的接缝在中央相遇并且从天线孔的中央到边缘径向地延伸。因为圆柱形馈电的产生的电流径向传播并且径向接缝对传播的波具有低的寄生冲击，因此这种配置是有利的。
如图13所示，作为lcd工业标准的矩形基板也可用于形成孔。图14a和14b示出具有应用的矩阵驱动网格的单个部分。矩阵驱动网格为每个晶体管分配唯一的地址。参照图14a和14b，列连接器1401和行连接器1402联接以驱动网格线。图14b还示出联接到网格线的虹膜。
从图13中可以明显看出，如果使用非正方形基板，则不能填充大部分的基板表面。为了在非正方形基板上更有效地利用可用表面，在另一示例中，这些部分位于矩形板上，但是利用更多的用于天线阵列的分割部分的板空间。图15中示出这种示例的一个示例。参照图15，通过组合部分1501-1504产生天线孔，部分1501-1504包括基板(例如，板)，其中包括天线阵列的一部分。虽然每个部分不代表圆形象限，但是四个部分1501-1504的组合使元件放置在其上的环闭合。也就是说，每个部分1501-1504上的天线元件放置在环的部分中，当部分1501-1504组合时，形成同心环和闭环。在一个示例中，基板以滑动拼贴方式组合，使得非正方形板的较长侧引入矩形开放区域1505。开放区域1505是位于中心的天线馈电的位置以及其包括在天线中的位置。
由于馈电来自底部，因此当存在开放区域时，天线馈电联接到其余部分，并且开放区域可以由一块金属闭合以防止来自开放区域的辐射。也可以使用终端引脚。
以这种方式使用基板允许更有效地使用可用表面区域并使得孔增大。
类似于图13、14a和14b中所示的示例，该示例允许使用单元格放置策略来获得矩阵驱动器网格以用唯一地址覆盖每个单元格。图16a和16b示出具有应用矩阵驱动网格的图15的单个部分。矩阵驱动网格为每个晶体管分配唯一的地址。参照图16a和16b，列连接器1601和行连接器1602联接以驱动网格线。图16b还示出虹膜。
如上所述，对于上述两种方法，可以基于最新公开的方法来执行单元格放置，该方法允许在系统的和预定义的网格中生成矩阵驱动电路。
虽然上面的天线阵列分隔为四个部分，但这不是必需的。阵列可以被划分为奇数个部分，例如，三个部分或五个部分。图19a和19b示出具有奇数个部分的天线孔的一个示例。参照图19a，有三个没有组合的部分，即部分1901-1903。参照图19b，三个部分，即部分1901-1903，当它们组合时，形成天线孔。由于所有部分的接缝不会以直线一直穿过孔，所以这些布置是不利的。然而，它们确实减轻了旁瓣。
尽管在阅读了前面的描述之后，本领域普通技术人员无疑将对本发明进行许多改变和修改，但是应该理解的是，通过图示的方式示出和描述的任意特定示例是绝不意图被视为限制。因此，对各种示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性。
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