用于天线孔径的存储电容器的制作方法
本专利申请要求于2016年12月22日提交的题目为“减小tft孔径中存储电容器尺寸的方法”的申请序列号为62/438,279的相应临时专利申请的优先权，并且通过引用并入该相应临时专利申请。
本发明的实施例涉及用于无线通信系统的天线的领域；更特别地，本发明的实施例涉及用于具有降低并可能消除寄生电容的结构的天线孔径的存储电容器。
背景技术：
在射频(rf)天线孔径中，孔径包括多个rf天线元件。天线元件的数量可以是数千个。为了控制天线元件，电路是必要的并且必须被布线到每个元件。然而，用于放置电路和为天线元件的电配线布线的rf天线元件之间的空间是有限的。该电路会占用天线元件之间的空间并且使电配线布线变得困难。因此，在rf孔径的布局中，希望使电路占据尽可能小的空间。
随着天线孔径所需的发射和接收频率变得更高，天线元件之间的空间将继续减小并且天线元件的间距将下降，而配线迹线宽度、迹线之间的空间、电路元件之间的空间不一定按比例减小。这导致电路所在元件之间的空间拥挤，并且可能在布线方面造成困难。
技术实现要素：
描述了一种存储电容器及其在天线孔径中使用的方法。在一个实施例中，天线包括物理天线孔径，该物理天线孔径具有形成射频(rf)辐射天线元件阵列的第一基底和第二基底，该射频(rf)辐射天线元件被控制并一起操作以形成用于全息波束操控的频带波束，其中天线元件中的每一个被联接至向所述每个天线元件供应电压的电路以及在第一基底上形成有多个导电层(例如，金属层)的存储电容器，其中三个导电层的顶部导电层和底部导电层处于第一电压，该第一电压等于第二基底的导电层(例如，金属层)上的第二电压，以降低在存储电容器与第二基底上的导电层之间产生的寄生电容。
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，然而详细描述和附图不应被视为将本发明限于具体实施例，而是仅用于解释和理解。
图1示出集成到具有贴片基底和膜片基底的天线中的存储电容器的一个实施例。
图2示出集成到具有贴片基底和膜片基底的天线中的存储电容器的另一实施例。
图3示出矩阵驱动电路相对于天线元件的放置的一个实施例。
图4示出tft封装的一个实施例。
图5示出圆柱馈电全息径向孔径天线的一个实施例的示意图。
图6示出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7示出可调谐谐振器/缝隙(slot)的一个实施例。
图8示出物理天线孔径的一个实施例的横截面视图。
图9a示出第一膜片板层的具有对应于缝隙的位置的一部分。
图9b示出包含缝隙的第二膜片板层的一部分。
图9c示出第二膜片板层的一部分上方的贴片。
图9d示出缝隙阵列的一部分的俯视图。
图10示出圆柱形馈送天线结构的一个实施例的侧视图。
图11示出带有出射波的天线系统的另一实施例。
图12是在电视系统中同时执行双重接收的通信系统的一个实施例的框图。
图13是具有同时传输和接收路径的通信系统的另一实施例的框图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多细节以提供对本发明的更透彻解释。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其它情况下，以框图的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。
描述了一种用于天线孔径的存储电容器。在一个实施例中，天线孔径是具有rf辐射天线元件(例如，表面散射天线元件)的射频(rf)天线孔径。天线孔径包括驱动和控制电路元件(例如，薄膜晶体管(tft)和在天线元件之间的存储电容器。因此，这些元件处于天线孔径的有源区域中。本发明的实施例包括在用于rf天线孔径的有源基底的布局中减小tft/存储电容器的尺寸的技术。
在一个实施例中，存储电容器结构还部分或完全消除了大的可变寄生电容。寄生电容由其间具有液晶的存储电容器的顶板和作为另一板的膜片金属平面形成。
图1示出存储电容器的一个实施例，该存储电容器是具有射频(rf)辐射天线元件例如下面更详细描述的天线元件的天线孔径的一部分。
参照图1，示出用于控制天线元件的薄膜晶体管(tft)中的一个的示例。tft具有底部栅极结构并且用于向rf天线元件供应电压。可选地，其它栅极结构例如顶部栅极以及各种tft例如igzoa-si和ltps也是可能的。在一个实施例中，每个天线元件有一个tft和存储电容器。注意的是，这不是强制性的，可以使用并联tft来降低串联电阻。
更具体地，tft100包括源极金属层101、漏极金属层103和栅极金属层102。源极金属层101用作tft100的源极电极，栅极金属层102用作tft100的栅极电极，漏极金属层103用作tft100的漏极电极。在一个实施例中，栅极金属层102处于贴片基底124上。在一个实施例中，贴片基底124是玻璃基底。然而，贴片基底124可以由除玻璃之外的材料或材料的组合制成。例如，通常用于柔性显示器应用中的有机基底，诸如pet、pen或聚酰亚胺膜，可用于贴片基底124。作为栅极电介质层的有源层104处于栅极金属层102的顶部。在一个实施例中，有源层104是具有半导体材料层(例如，si(例如非晶硅、多晶硅或单晶等)，gaas等)和栅氧化层的双层结构。在可选实施例中，有源层104是由其它公知的半导体材料形成的。
在一个实施例中，源极金属层101和漏极金属层103都延伸到有源层104的在栅极金属层102上方的部分上。因此，源极金属层101和漏极金属层103都部分地与栅极金属层102重叠。在一个实施例中，源极金属层101和漏极金属层103由制造到有源层104上的相同金属层形成，其中金属层的处于有源层104的中央部分上方、与栅极金属层102重叠的一部分被去除。这种去除可以使用众所周知的制造技术例如以本领域公知的方式进行蚀刻而执行。
图1还示出栅极金属层的除栅极金属层102之外的的一部分形成存储电容器110的底板111，而漏极金属层103形成存储电容器110的顶部。也就是说，虽然底部栅极金属层没有连接到tft100的栅极金属层102，但是该底部栅极金属层用于tft100的栅极(栅极金属层102)并且用于存储电容器110的底板111。tft100的电介质层(例如，钝化层105)也用作存储电容器110的电介质(例如，底板111和顶板112之间的电介质层)。
贴片金属层113(贴片电极)电连接到顶板103。注意的是，在一个实施例中，贴片金属层113由创建用于诸如例如下面更详细地描述的贴片/膜片天线元件对的贴片金属层的相同的金属层创建。可选地，贴片金属层113独立于用于贴片/膜片天线元件对的贴片金属层沉积。钝化层114位于tft100和存储电容器110两者之上。
膜片基底121处于贴片基底124上方。在一个实施例中，膜片基底121是玻璃基底。然而，膜片基底121可以由除玻璃之外的材料或材料的组合制成。膜片金属层122形成在膜片基底121上。在一个实施例中，钝化层(未示出)沉积在膜片金属层122上方。
液晶(lc)150处于膜片基底121和贴片基底124之间的间隙中。而且，在一个实施例中，间隙还包括间隔物(例如，光间隔物)以保持间隙尺寸。
膜片金属层122包括与贴片金属层113的一部分重叠的膜片开口123，使得膜片开口123两侧的膜片金属层122的部分与贴片金属层113的部分重叠，从而形成膜片金属/贴片金属重叠区域。这些重叠区域形成lc电容的两个电极并且限定lc电容的大小，lc电容被调谐以控制天线的频率。
膜片金属122和存储电容器110的底板111在相同的电压下操作。存储电容器110的底板111电连接到参考电位，即公共电压(vcom)。膜片金属122也电连接到vcom。在一个实施例中，vcom是在膜片上使用以驱动天线元件(例如，例如如下面更详细描述的辐射rf能量的表面散射天线元件)的贴片和膜片之间的lc。因为膜片金属122和底板111电位相同，存储电容器110的顶板112(源极/漏极金属层)和作为另一板的膜片金属层122形成较大的电压相关寄生电容，其中顶板112和膜片金属层122之间具有lc150。由于该间隙中的电介质是具有非常大的介电各向异性的lc，因此lc随着电压的增加而移动，从而产生非常非线性的电容与电压。
本文描述的存储电容器的实施例利用第三金属层(例如，贴片电极)，该第三金属层由制造(例如，沉积)用于形成rf天线元件的贴片的相同金属层制成。在一个实施例中，贴片金属层沉积在图1所示的存储电容器结构的顶部上。在一个实施例中，该额外贴片金属使用通孔结构连接到存储电容器的栅极金属底板。在一个实施例中，产生该通孔，使得存储电容器的顶板贴片金属和底板栅极金属之间的连接在没有源极/漏极金属部分存在的地方形成。这将存储电容器的贴片金属顶板的电势与栅极金属底板的电势联系起来。漏极金属层(由创建源极金属层的相同金属层创建)是存储电容器中的中间板。第三层增加了存储电容器结构的电容。在一个实施例中，第三层是铟锡氧化物(ito)。
图2示出了存储电容器的实施例。参照图2，膜片基底121和tft100与图1中的相同，而贴片基底202除了突出显示差异之外是相同的。
在图2中，存储电容器210包括底板211，底板211由形成tft100的栅极金属层的层的另一部分形成，而漏极金属层103形成存储电容器110的中间板212。也就是说，虽然存储电容器210的底板211未连接到tft100的栅极金属层102，但是底部栅极金属层的不同部分用于tft100的栅极(栅极金属层102)和用于存储电容器210的底板211。tft100的钝化电介质层(例如，钝化105)也用作存储电容器210的电介质(例如，底板211和中间板212之间的电介质层)。
在中间板212的上面是层间电介质213。在一个实施例中，层间电介质213还用作tft100上方的钝化层。存储电容器210还包括顶部金属板214。在一个实施例中，顶部金属板214电连接到底板211。在一个实施例中，顶部金属板214通过通孔(未示出)电连接到底板211。
存储电容器210的顶部金属板214电连接到底板211。注意的是，在一个实施例中，顶部金属板214由创建用于诸如例如下面更详细地描述的贴片/膜片天线元件对的贴片金属层的相同的金属层创建。可选地，顶部金属板214独立于用于贴片/膜片天线元件对的贴片金属层沉积。
因此，综上所述，图1中的存储电容器包括连接到贴片电极的顶板和连接到vcom的底板，而图2的存储电容器包括连接到底板的顶板、连接到贴片电极的中间板以及连接到vcom的底板。而且，在图2的存储电容器中，顶板可以由贴片金属层制成，但是它不能与贴片电极连接。
注意的是，虽然存储电容器的一个实施例具有三个金属层，但是这些层中的一个或多个可以由其它导电材料实现。例如，在一个实施例中，存储电容器由三个导电层实现。三个导电层是非金属层，并且可以包括ito或其它导电膜。
虽然未在图2中示出，但是钝化层位于tft100和存储电容器210两者之上。钝化层上方是具有光间隔物(未示出)和lc150的间隙。
在一个实施例中，底板211和顶板214处于相同的公共电压电势vcom。这是与膜片金属层122的电势相同的电势。然而，中间板212处于不同的电压，在图2中被称为数据波形或源信号，在一个实施例中，该源信号是来自有源矩阵阵列的列上的数据驱动器的电压信号，用于将电压施加到天线元件的lc上。
因为存储电容器210是存储电容器110与额外的电介质层(213)和顶部上的金属层(214)的组合，所以存储电容器210的电容由两个电容组成，第一电容是从顶部金属板214至漏极金属层103的电容，第二电容是从漏极金属层103至底板211的电容。因此，存储电容器作为双电容器而操作。在一个实施例中，这使存储电容器210的占用空间约为存储电容器110的占用空间的一半。
还应注意的是，存储电容器210的结构提供了额外的益处。首先，因为顶部金属板214电连接到底板211，所以它的电压相同即vcom。因此，在存储电容器210的顶部和膜片金属层122之间没有电压差。因此，由于存储电容器210的顶部金属板214和膜片金属层122都电连接到公共电压vcom，所以在存储电容器210的顶部金属板214和膜片金属层122之间的寄生电容降低，并且可能被消除。另外，因为包括寄生电容的总电容减小，所以在保持存储电容与总电容的比恒定的情况下，存储电容值和容纳存储电容器所需的面积可以进一步减小。
有许多可选实施例。例如，在一个可选实施例中，存储电容器210的层堆叠可以通过添加电介质层、电连接到漏极金属层(例如，中间板212)的金属层、电介质层和电连接到底部金属板211的金属层来扩展以进一步减小电容器面积。
在图1和2中仅示出了一个tft和一个存储电容器以示出本发明的实施例。然而，在大多数实施例中，实际上在一个或多个基底(例如，贴片基底、膜片基底等)上形成多个这样的晶体管和存储电容器。在一个实施例中，每个天线元件有一个tft和一个存储电容器。在另一实施例中，一个tft和一个存储电容器可用于控制多个天线元件。
在一个实施例中，源极金属层和漏极金属层以及膜片金属层包括铜。可选地，这些层可包括其它导电材料，该其它导电材料包括其它导电金属，例如铝。在一个实施例中，tft的栅极层以及存储电容器的底层由铝构成。可选地，tft的栅极层和存储电容器的底层包括其它导电材料，该其它导电材料包括其它导电金属，例如铜。
此外，如上参照图1和2所述的层是使用包括沉积和蚀刻的众所周知的制造技术创建的。
驱动晶体管、存储电容器和天线元件放置
在一个实施例中，tft(或其它驱动晶体管)、存储电容器(例如，如图2中所示)和天线元件(例如，rf辐射天线元件(例如，表面散射天线元件))以允许使用系统矩阵驱动电路的方式位于天线孔径(例如，圆柱形馈送天线孔径)的有源区域中。胞元的放置包括用于驱动天线元件的矩阵驱动的晶体管(例如，tft或其它晶体管)的放置。
图3示出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3，行控制器301分别经由行选择信号row1和row2联接到晶体管311和312，并且列控制器302经由列选择信号column1联接到晶体管311和312。晶体管311还通过与贴片的连接件331联接到天线元件321，而晶体管312通过与贴片的连接件332联接到天线元件322。
在单位胞元被置于非规则网格中的圆柱形馈送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胞元中的每一个连接到晶体管(例如tft)，该晶体管被放置在胞元旁边并且用作分别驱动每个胞元的开关。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(例如tft)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，而胞元被放置在环上，因此没有系统的方法为每个晶体管(例如tft)分配唯一地址。这种映射问题导致了覆盖所有晶体管的非常复杂的电路，并且导致了完成布线的物理迹线数量的显著增加。由于胞元的高密度，这些迹线会因为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商业上可买到的布局工具来实现。
在一个实施例中，在放置胞元和晶体管之前预先定义了矩阵驱动电路。这确保了驱动所有胞元所需的迹线的数量最小，其中每个胞元具有唯一地址。该策略降低了驱动电路的复杂性并且简化了布线，从而提高了天线的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，胞元被分组并转换成同心圆，同时保持它们的地址以及与第一步骤中定义的与行和列的连接。这种转换的目的不仅是将胞元放置在环上，而且还使胞元之间的距离和环之间的距离在整个孔径上保持恒定。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4示出tft封装的一个实施例。参照图4，示出了具有输入端口和输出端口的tft和存储电容器403。有连接到迹线401的两个输入端口以及连接到迹线402的两个输出端口，以使用行和列将tft连接在一起。在一个实施例中，行和列迹线以90°角交叉，以使行和列迹线之间的耦合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。
天线实施例的示例
上述技术可与平板天线一起使用。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送天线，该圆柱形馈送天线包括用于唯一地寻址和驱动未放置在行和列中的天线元件中的每一个的矩阵驱动电路。在一个实施例中，元件放置在环中。
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，这些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，该移动平台使用用于民用商业卫星通信的ka-频带频率或ku-频带频率进行操作。注意的是，天线系统的实施例也可以用于不在移动平台上的地球站(例如，固定式或可移动地球站)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并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并操控波束的天线系统(诸如相控阵列天线)形成对比，该天线系统是模拟系统。
在一个实施例中，天线系统包括三个功能子系统：(1)包括圆柱波馈送架构的波导结构；(2)作为天线元件一部分的波散射超材料单位胞元(unitcell)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节辐射场(波束)的控制结构。
天线元件
图5示出了圆柱形馈送全息径向孔径天线的一个实施例的示意图。参照图5，天线孔径具有天线元件503的一个或多个阵列501，天线元件503放置在围绕圆柱形馈送天线的输入馈电502的同心环中。在一个实施例中，天线元件503是辐射rf能量的射频(rf)谐振器。在一个实施例中，天线元件503包括交错并分布在天线孔径的整个表面上的rx膜片和tx膜片两者。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谐振器可以用在不包括圆柱馈电的天线中。
在一个实施例中，天线包括其用于经由输入馈电502提供圆柱形波馈送的同轴馈电。在一个实施例中，圆柱形波馈送架构利用从馈送点以圆柱形式向外扩展的激励从中心点向天线馈送。也就是说，圆柱形馈送天线产生向外行进的同心馈送波。即便如此，圆柱形馈电周围的圆柱形馈送天线的形状可以是圆形、方形或任何形状。在另一实施例中，圆柱形馈送天线产生向内行进的馈送波。在这种情况下，馈送波最自然地来自圆形结构。
在一个实施例中，天线元件503包括膜片，并且图5的孔径天线用于产生主波束，以通过可调谐液晶(lc)材料使馍片辐射，其中该主波束通过使用来自用于圆柱形馈送波的激励而成形。在一个实施例中，天线可以被激励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。该组贴片天线包括散射超材料元件的阵列。在一个实施例中，天线系统中的每一个散射元件是单位胞元的一部分，该单位胞元包括下导体、电介质基底和嵌入有互补电感-电容式谐振器(“互补电lc”或“celc”)的上导体，其中该互补电感-电容式谐振器被蚀刻或沉积在上导体上。如本领域技术人员将理解的是，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由上述的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，并且使与缝隙相关联的下导体和与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置电压来控制分子的取向(并且因此控制介电常数)。在一个实施例中，使用该特性，液晶集成了接通/断开开关以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元方式操作的液晶。
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，可以使用其它位置(例如，在40°角度处)。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，以小于天线的工作频率的自由空间波长的元件间间距来布置天线元件。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约为2.5mm(即，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相等幅度的激励。将这些元件相对于馈送波激励旋转+/-45度一次性实现了两个期望的特征。将一组旋转0度且将另一组旋转90度将实现垂直的目标，但未实现相等幅度的激励目标。注意的是，当从两侧向单一结构的天线元件的阵列馈送时，可使用0度和90度来实现隔离。
来自每个单位胞元的辐射功率量通过使用控制器向贴片施加电压(lc通道上的电势)而被控制。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变化。
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一个胞元，而无需为每一个胞元建立单独的连接件(直接驱动)。由于元件密度高，因此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：在波散射结构下方、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lcd控制器通过调节到每个散射元件的ac偏置信号的幅度或占空比来调节该元件的偏置电压。
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。控制结构还可以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)。位置和方向信息可以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那些元件以及在工作频率处的相位和振幅水平。通过电压施加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贴片提供将电压信号的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，在多态控制中各个元件被接通和断开至不同的电平，这进一步近似于正弦控制图案，而不是方波(即，正弦曲线灰度调制图案)。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节到不同的量，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而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具有相反的相位，则它们相互抵消(相消干涉)。如果缝隙天线中的缝隙被定位在使得每个连续缝隙被定位在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缝隙的散射波不同的相位。如果缝隙间隔开导波长的四分之一，则每个缝隙将散射与前一缝隙的散射波具有四分之一相位延迟的波。
使用该阵列，可产生的相长干涉和相消干涉的图案的数量可增加，使得使用全息术原理使波束可在理论上可在自天线阵列的视轴加或减九十度(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，并且天线可以改变主波束的方向。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且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并操控波束的天线系统(诸如相控阵列天线)形成对比，该天线系统是模拟系统。在一个实施例中，天线系统被认为平面且相对低轮廓的“表面”天线，当与常规的卫星天线接收器相比较时尤为如此。
图6示出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包括可调谐缝隙1210的阵列。可调谐缝隙1210的阵列可以被配置为使天线指向期望的方向。可调谐缝隙中的每一个可以通过改变穿过液晶的电压来进行调谐/调节。
控制模块1280被联接到可重构谐振器层1230，以通过改变图7中的穿过液晶的电压来调制可调谐缝隙1210的阵列。控制模块1280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)或其它处理逻辑。在一个实施例中，控制模块1280包括用于驱动可调谐缝隙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接收包括待被驱动至可调谐缝隙1210的阵列上的全息衍射图案的规范的数据。全息衍射图案可以响应于天线和卫星之间的空间关系而生成，使得全息衍射图案在适当的通信方向上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)。虽然未在每个图中绘出，但是类似于控制模块1280的控制模块可以驱动在本公开附图中描述的每个可调谐缝隙的阵列。
射频(“rf”)全息术也可使用类似技术，其中当rf参考波束遇到rf全息衍射图案时可产生期望的rf波束。在卫星通信的情况下，参考波束是馈送波的形式，例如馈送波1205(在一些实施例中约为20ghz)。为了将馈送波转换成辐射波束(用于发射或接收目的)，计算期望的rf波束(目标波束)和馈送波(参考波束)之间的干涉图案。干涉图案被驱动到可调谐缝隙1210的阵列上作为衍射图案，使得馈送波被“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送波“重建”目标波束，这是根据通信系统的设计要求而形成的。全息衍射图案包含每个元件的激励，并且由
图7示出可调谐谐振器/缝隙1210的一个实施例。可调谐缝隙1210包括膜片/缝隙1212、辐射贴片1211和设置在膜片1212和贴片1211之间的液晶1213。在一个实施例中，辐射贴片1211与膜片1212处于相同位置。
图8示出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中的膜片层1233内的金属层1236。在一个实施例中，图8的天线孔径包括图7中的多个可调谐谐振器/缝隙1210。膜片/缝隙1212由金属层1236中的开口限定。诸如图7的馈送波1205的馈送波可具有与卫星通信信道兼容的微波频率。馈送波在接地平面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和膜片层1233之间。注意的是，在一个实施例中，间隔物可以代替垫片层1232。在一个实施例中，膜片层1233是包括铜层作为金属层1236的印刷电路板(“pcb”)。在一个实施例中，膜片层1233是玻璃。膜片层1233可以是其它类型的基底。
可以在铜层中蚀刻开口以形成缝隙1212。在一个实施例中，膜片层1233通过导电粘合层而导电地联接到图8中的另一结构(例如，波导)。注意的是，在实施例中，膜片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，该间隔物1239提供机械阻隔(standoff)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，但也可以使用其它尺寸(例如，3-200mm)。如上文所述，在一个实施例中，图8的天线孔径包括多个可调谐谐振器/缝隙，诸如图7的包括贴片1211、液晶1213和膜片1212的可调谐谐振器/缝隙1210。用于液晶1213的腔室由间隔物1239、膜片层1233和金属层1236限定。当腔室填充有液晶时，贴片层1231可被层压到间隔物1239上以密封谐振器层1230内的液晶。
贴片层1231和膜片层1233之间的电压可进行调制以调整贴片和缝隙(例如，可调谐谐振器/缝隙1210)之间的间隙中的液晶。调节穿过液晶1213的电压会改变缝隙(例如，可调谐谐振器/缝隙1210)的电容。因此，缝隙(例如，可调谐谐振器/缝隙1210)的电抗可以通过改变电容来改变。缝隙1210的谐振频率也根据等式
在一个实施例中，行中的可调谐缝隙彼此间隔开λ/5。可以使用其它间距。在一个实施例中，一行中的每个可调谐缝隙与相邻行中的最近的可调谐缝隙间隔开λ/2，因此，不同行中的共同定向的可调谐缝隙间隔开λ/4，但是其它间距(例如，λ/5、λ/6.3)也是可能的。在另一实施例中，行中的每个可调谐缝隙与相邻行中的最近的可调谐缝隙间隔开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送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14/610,502的题目为“用于可重构天线的脊状波导馈送结构(ridgedwaveguidefeedstructuresforreconfigurableantenna)”的美国专利申请中所描述的可重构超材料技术。
图9a至图9d示出用于创建缝隙阵列的不同层的一个实施例。天线阵列包括位于诸如图5所示的示例环的环中的天线元件。注意的是，在该示例中，天线阵列具有用于两种不同类型的频带的两种不同类型的天线元件。
图9a示出具有与缝隙对应的位置的第一膜片板层的一部分。参照图9a，圆圈是膜片基底的底侧的金属化部分中的开口区域/缝隙，并且用于控制元件与馈送(馈送波)的耦合。注意的是，该层是可选层，并不用于所有设计中。图9b示出包括缝隙的第二膜片板层的一部分。图9c示出第二膜片板层的一部分上方的贴片。图9d示出缝隙阵列的一部分的俯视图。
图10示出圆柱形馈送天线结构的一个实施例的侧视图。该天线使用双层馈送结构(即，两层的馈送结构)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，可以使用非圆形向内行进结构。在一个实施例中，图10中的天线结构包括同轴馈电，诸如，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送全息天线的动态极化和耦合控制(dynamicpolarizationandcouplingcontrolfromasteerablecylindricallyfedholographicantenna)”的美国公开中描述的。
参照图10，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是行进波在工作频率下的波长。
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是类似泡沫或空气的间隔物。在一个实施例中，间隔物1604包括塑料间隔物。
电介质层1605在间隙导体1603的顶部上。在一个实施例中，电介质层1605是塑料。电介质层1605的目的是使行进波相对于自由空间速度变慢。在一个实施例中，电介质层1605使行进波相对于自由空间变慢30％。在一个实施例中，适合于波束形成的折射率范围是1.2至1.8，其中自由空间被定义具有等于1的折射率。诸如例如塑料的其它电介质间隔物材料可用于实现这种效果。注意的是，可以使用除塑料之外的材料，只要它们能实现期望的波变慢效果即可。可选地，例如，具有分布结构的材料可以用作电介质层1605，例如可以被加工或光刻界定的周期性子波长金属结构。
rf阵列1606在电介质层1605的顶部上。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(间隔物层)传播到间隙导体1603上方的区域(电介质层)。在一个实施例中，侧部1607和1608的角度为45°。在可选实施例中，侧部1607和1608可以利用连续的半径来代替以实现反射。虽然图10示出具有45°角的成角度的侧部，但是可以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，假设下部馈送中的有效波长将通常与上部馈送中的有效波长不同，与理想的45°角的一些偏差可能用于辅助从下馈送层到上馈送层的传输。例如，在另一实施例中，利用单个阶梯部(step)替代45°角。在天线的一端上的阶梯部围绕电介质层、间隙导体和间隔物层。相同的两个阶梯部在这些层的另一端。
在操作中，当馈送波从同轴引脚1601被馈入时，该波从同轴引脚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，并且向内地行进在间隙导体1603和rf阵列1606之间的区域中。来自圆形外周的边缘的反射使得该波保持同相(即，它为同相反射)。行进波被电介质层1605变慢。此时，行进波开始与rf阵列1606中的元件相互作用并且激发，以获得期望的散射。
为了终止该行进波，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。可在rf阵列1606的顶部处使用这些。
图11示出具有出射波的天线系统的另一实施例。参照图11，两个接地平面1610和1611基本上彼此平行，在接地平面之间具有电介质层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)向天线馈送。rf阵列1616在电介质层1612和接地平面1611的顶部上。
在操作中，馈送波通过同轴引脚1615馈送并且同心地向外行进且与rf阵列1616的元件相互作用。
图10和图11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与视轴成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°e1)的服务角度。与包括许多单独的辐射器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，构成元件本身与角度相关。当使用共同辐射元件时，整体天线增益通常随着波束进一步远离视轴而减小。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：相较于利用协同分配器网络馈送的天线，大大简化了馈送结构，从而降低了总的所需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)来保持高波束性能，降低了对制造和控制误差的敏感度；由于圆柱定向的馈送波在远场中产生了在空间上不同的旁瓣，因此相较于直线馈送，提供了更有利的旁瓣图案；并且允许极化是动态的，这包括允许左旋圆极化、右旋圆极化和线性极化，而无需极化器。
波散射元件阵列
图10的rf阵列1606和图11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(即，散射器)。该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，该单位胞元包括下导体、电介质基底和嵌入有互补电感-电容谐振器(“互补电lc”或“celc”)的上导体，其中该互补电感-电容谐振器(“互补电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，并且将与缝隙相关的下导体和与其贴片相关的上导体分隔开。液晶的介电常数是构成液晶的分子的取向的函数，并且可以通过调节液晶上的偏置电压来控制分子的取向(并且因此控制介电常数)。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(液晶的厚度)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，从而可以满足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间隙补充物施加的磁场。当电压被施加到超材料散射单位胞元中的液晶时，导波的磁场分量引起celc的磁激励，其进而产生与导波相同频率的电磁波。
由单个celc产生的电磁波的相位可以通过导波向量上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，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，该贴片与在缝隙和贴片之间的液晶共同定位于缝隙上方。在这方面，超材料天线就充当缝隙(散射)波导。使用缝隙波导时，输出波的相位取决于缝隙相对于导波的位置。
示例性系统实施例
在一个实施例中，组合天线孔径用于结合机顶盒操作的电视系统中。例如，在双接收天线的情况下，天线接收的卫星信号被提供给电视系统的机顶盒(例如，直播电视(directv)接收器)。更具体地，组合天线操作能够同时接收两个不同频率和/或极化的rf信号。也就是说，元件的一个子阵列被控制以接收一个频率和/或极化的rf信号，而另一个子阵列被控制以接收另一个不同的频率和/或极化的信号。这些频率或极化的差异表示电视系统接收不同频道。类似地，可以针对两个不同的波束位置控制两个天线阵列，以接收来自两个不同位置(例如，两个不同卫星)的频道，从而同时接收多个频道。
图12是在电视系统中同时执行双重接收的通信系统的一个实施例的框图。参照图12，天线1201包括两个空间交错的天线孔径，两个空间交错的天线孔径可独立操作以如上所述同时执行在不同频率和/或极化下的双接收。注意的是，虽然仅提到了两个空间交错的天线操作，但是tv系统可以具有两个以上的天线孔径(例如，3个、4个、5个等天线孔径)。
在一个实施例中，包括它的两个交错的缝隙阵列的天线1201联接到双工器1260。联接可以包括一个或多个馈电网络，一个或多个馈电网络接收来自两个缝隙阵列的元件的信号以产生被馈电到双工器1330的两个信号。在一个实施例中，双工器1330是可商购的双工器(例如，来自a1microwave的pb1081wa型ku-波段情景双工器)。
将双工器1230联接到一对低噪声降频器(lnb)1226和1227，该一对lnb1226和1227以本领域众所周知的方式执行噪声过滤功能、降频转换功能和放大。在一个实施例中，lnb1226和1227处于室外单元(odu)中。在另一实施例中，lnb1226和1227被集成到天线设备中。lnb1226和1227联接到机顶盒1202，机顶盒1202联接到电视1203。
机顶盒1202包括将从双工器1230输出的两个信号转换成数字格式的一对模数转换器(adc)1221和1222，一对adc1221和1222联接到lnb1226和1227。
一旦转换成数字格式，信号由解调器1223解调并且由解码器1224解码，以获得接收波上的编码数据。然后，解码的数据被发送到控制器1225，控制器1225将解码的数据发送到电视1203。
控制器1250控制天线1201，天线1201包括单个组合的物理孔径上两个天线孔径的交错的缝隙阵列元件。
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13是具有同时传输和接收路径的通信系统的另一实施例的框图。虽然仅示出一个传输路径和一个接收路径，但是通信系统可以包括多于一个传输路径和/或多于一个接收路径。
参照图13，天线1301包括两个空间交错的天线阵列，两个空间交错的天线阵列可独立地操作以如上所述在不同的频率下同时地传输和接收。在一个实施例中，天线1301联接到双工器1345。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1345组合两个信号，并且天线1301和双工器1345之间的连接是可以携带两个频率的单宽带馈电网络。
双工器1345联接到低噪声降频器(lnb)1327，lnb1327以本领域众所周知的方式执行噪声过滤功能、降频转换和放大功能。在一个实施例中，lnb1327处于室外单元(odu)中。在另一实施例中，lnb1327被集成到天线设备中。lnb1327联接到调制解调器1360，调制解调器1360联接到计算系统1340(例如，计算机系统、调制解调器等)。
调制解调器1360包括将从双工器1345输出的接收信号转换为数字格式的模数转换器(adc)1322，adc1322联接到lnb1327。一旦转换成数字格式，信号由解调器1323解调并由解码器1324解码以获得接收波上的编码数据。然后，解码的数据被发送到控制器1325，控制器1325将解码的数据发送到计算系统1340。
调制解调器1360还包括对待从计算系统1340传输的数据进行编码的编码器1330。编码数据由调制器1331调制，然后由数模转换器(dac)1332转换为模拟信号。然后，模拟信号由buc(升频转换器和高通放大器)1333滤波，并被提供至双工器1345的一个端口。在一个实施例中，buc1333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1345向天线1301提供传输信号以进行传输。
控制器1350控制天线1301，天线1301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13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。
以上详细描述的一些部分是根据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它技术人员的手段。本文的算法通常被认为是取得期望结果的自洽的步骤序列。这些步骤是需要物理地操作物理量的步骤。通常，尽管不是必须的，但这些物理量采用能够被存储、传输、组合、比较和以其它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、数字等，有时已经证明这样是方便的。
然而，应记住的是，所有这些以及类似的术语都与适当的物理量相关，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，使用诸如“处理”或“电脑运算”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的电子计算装置的动作和进程，该计算机系统或类似的电子计算装置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它这样的信息存储、传输或显示装置内的物理量的其它数据。
本发明还涉及用于执行本文操作的设备。该设备可以为所需目的而专门构造，或者其可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地启动或重新配置的通用计算机。这样的计算机程序可以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，并且每个介质都与计算机系统总线联接。
本文提出的算法和显示并非固有地与任意特定计算机或其它设备相关。各种通用系统可以根据本文的教导与程序一起使用，或者可以证明构造更专用的设备以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，本发明的许多变形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，但是应理解的是，通过图示的方式示出和描述的任何特定实施例绝不旨在以任何方式被认为是限制性的。因此，对各个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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