具有高瞬时带宽的模块化超表面天线的制作方法

具有高瞬时带宽的模块化超表面天线
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年2月14日提交的申请号为62/977,006的美国临时专利申请以及2021年2月11日提交的申请号为17/174,095的非临时专利申请的优先权，其通过引用并入本文。


背景技术：

3.存在一种挑战在于，诸如低地球轨道(leo)ku频段和leo ka频段的大多数新兴卫星网络都需要较宽的瞬时带宽(ibw)。而且一项geo需求在于ka频段网络需要最低ibw为500mhz，同时需要较高天线增益。为了满足增益需求，天线尺寸必须变大，这反过来又降低了ibw。因此，ibw和增益处于权衡之中，并且即使不是不可能也很难以利用典型的纯模拟平板天线架构同时满足这两个需求。


技术实现要素：

4.描述了具有高瞬时带宽的模块化天线。在一个实施例中，天线包括：多个天线模块，平铺在一起，并被配置为形成具有表面散射超材料天线元件的阵列的一个超表面天线；以及馈送网络，包括多个馈送点，多个馈送点耦合到多个天线模块以向模块提供馈送波。
附图说明
5.所描述的实施例及其优点可以通过参照以下结合附图进行的描述而得到最佳的理解。这些附图绝不限制本领域技术人员在不脱离所描述实施例的精神和范围的情况下可以对所描述的实施例进行的形式和细节上的任意改变。
6.图1示出了具有模块化结构的天线的一个实施例。
7.图2a至图2d示出了具有不同数量和形状的天线模块的天线的示例。
8.图3a和图3b示出了射频(rf)组合器/功率分配器网络的示例。
9.图3c示出了混合模拟功率分配器/数字组合器网络的示例。
10.图4a示出了跨表面散射超材料发射天线元件的阵列的发射图案。
11.图4b示出了每个天线模块的接收图案。
12.图5a是天线孔径的侧视图，其示出了与单个孔径相关联的到达时间。
13.图5b是天线的侧视图，其示出了具有实时延迟(ttd)组件的平铺孔径。
14.图6示出了具有一个或多个天线元件阵列的孔径，其布置在围绕圆柱形馈送天线的输入馈送的同心环中。
15.图7示出了包括接地平面和可重新配置的谐振器层的一行天线元件的立体图。
16.图8a示出了可调谐谐振器/缝隙1210的一个实施例。
17.图8b示出了物理天线孔径的一个实施例的截面图。
18.图9a示出了具有对应于缝隙的位置的第一虹膜板层的一部分。
19.图9b示出了包含缝隙的第二虹膜板层的一部分。
20.图9c示出了第二虹膜板层的一部分上的膜片(patch)。
21.图9d示出了缝隙阵列的一部分的俯视图。
22.图10示出了圆柱形馈送天线结构的一个实施例的侧视图。
23.图11示出了具有出射波的天线系统的另一实施例。
24.图12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。
25.图13示出了tft封装的一个实施例。
26.图14是具有同时发射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
27.在以下描述中，阐述了大量细节以提供对本发明的更彻底的解释。然而，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他实例下，众所周知的结构和装置以框图形式而不是详细地示出，以便避免混淆本发明。
28.公开了具有高瞬时带宽(ibw)的超表面天线及其构建技术。在一个实施例中，例如，超表面天线包括诸如在下面更详细地描述的具有多个天线模块的全息超表面天线，天线模块具有射频(rf)辐射天线元件(例如，表面散射超材料天线元件)。注意，有时，天线模块在本文中可以称为贴片(tile)。
29.在一个实施例中，超表面天线是通过使用利用多个馈送点的模块化架构构建的，每个馈送点将行波馈入其各自的天线模块。在一个实施例中，天线模块使用行波波导结构作为馈送机构。当行波通过波导结构传播时，存在表示与行波相关的延迟的波导延迟，并且波导延迟由行波的路径长度确定。波导延迟是波束偏斜的原因中的一种，其限制了ibw。通过使用多个馈送点而非单个馈送点，由于可以避免波导中的任意长路径长度，因此行波的路径长度减小。以这种方式，模块化天线架构通过打破ibw对天线尺寸的依赖性来克服上述挑战，从而提高天线的ibw。此外，可以通过添加更多的天线模块来增加天线的增益，同时保持ibw恒定。因此，通过组合多个天线模块，可以在不折中ibw的情况下提高天线增益。因此，偏斜可以显著减少，并且ibw变得更宽。
30.使用具有多个天线模块的模块化架构还允许针对不同的使用情况进行快速原型设计。例如，因为新天线开发仅限于设计组合器网络以组合所需数量的天线模块，所以模块化概念能够加快原型设计和制造。此外，模块化架构允许使用更简单的制造工艺，因为天线模块的尺寸远小于单个大型天线的尺寸。例如，在一个天线实施例中，包含驱动天线元件的薄膜晶体管(tft)的tft基板(例如，玻璃等)可以在更小一代的液晶显示器(lcd)生产线(其中这种生产线与天线玻璃基板上的tft制造一起使用)上制造，并且具有较小尺寸的波导组件的制造公差更好且更容易控制。
31.在一个实施例中，具有模块化架构的天线提供较高ibw，而这在使用特定频带时是必需的。例如，ka需要较高增益(例如，g/t)下的较宽ibw(》500mhz)。在没有本文描述的平铺方法的情况下，针对每个特定天线设计在这两个品质因数ibw和增益之间进行权衡。
32.在一个实施例中，存在两个因素限制ibw：到达角延迟和波导延迟。本文所述的模块化方法/平铺方法允许减轻两个延迟源，从而产生更宽的ibw。也就是说，本文描述的天线实施例包括平铺以增加ibw的漏波天线或超表面天线。
33.为了补偿到达角延迟，在一个实施例中，在每个天线模块后面都实施了实时延迟
组件来补偿时间差。在一个实施例中，为了补偿波导延迟，使用了具有较小贴片尺寸的天线模块，使得相比于仅具有覆盖与另一天线的所有天线模块相同的区域的一个孔径的大型天线，天线模块中心处的元件与天线模块边缘处的元件之间的时间延迟更小。
34.在一个实施例中，天线包括：多个天线模块，平铺在一起，并被配置为形成具有表面散射超材料天线元件的阵列的一个超表面天线；以及馈送网络，包括多个馈送点，多个馈送点耦合到多个天线模块以向模块提供馈送波。
35.图1示出了具有模块化结构的天线的一个实施例。参照图1，天线外壳102包含七个天线模块或贴片101。本文所述的技术不限于具有七个天线模块，并且可以具有多于或少于7个天线模块以平铺天线外壳102。在一个实施例中，例如下文更详细描述的天线孔径，天线模块101中的每一个具有中心馈送点并且向中心馈送。
36.在一个实施例中，天线模块101是六边形的中心馈送模块。这种形状有助于有效地封装天线的总辐射区域，并避免未使用/非辐射区域。在一个实施例中，每个中心馈送天线模块的边缘具有吸收器材料，例如示出为边缘吸收器(absorber)/终端103，以保持相邻天线模块彼此隔离。虽然图1中边缘吸收器/终端103沿着天线模块的侧面呈现，但边缘吸收器/终端103实际上在边缘处位于每个天线模块下方，以终止波导。
37.在图1中，从任意馈送点到最远天线元件(例如，射频辐射天线元件等)的路径长度大约是单个模块天线中的路径长度的三分之一，该单个模块天线具有与上述组合的天线模块相同尺寸的区域(例如，覆盖天线外壳102)并且具有单个中心馈送。也就是说，使用模块化方法导致波导长度被分成三个子路径。与模块化天线设计相关联的较短路径长度增加了天线的ibw。例如，在ka的情况下，当使用组合波导中减少的路径长度和使用实时延迟(ttd)补偿(如下文更详细描述)的实施方案时，对于1.3ghz(3db峰-峰值)和700mhz(1db峰-峰值)，75cm天线中的ibw会增加。
38.在一个实施例中，天线使用实时延迟(ttd)组件补偿到达角时间延迟，并且与平铺阵列的整体尺寸相同的单个天线相比波导延迟更小。换句话说，天线处理信号以补偿由到达角引起的时间延迟。这会导致更小的波束偏斜，从而导致更大的ibw。图5a示出了与单个孔径相关联的到达时间。图5b示出了具有ttd的平铺孔径的侧视图。参照图5b，示出了三个天线模块，并且每个天线模块下方都具有tdd组件，其用于补偿与不同天线模块上的rf辐射天线元件的不同到达角相关联的延迟以及波导延迟。
39.可以在每个模块后面实施实时延迟组件来补偿时间差。在一个实施例中，每个天线模块背面的ttd组件延迟来自天线模块的信号以补偿到达延迟。在一个实施例中，通过在软件中执行调整来实施补偿。在这种情况下，软件计算应当应用于每个组件的时间延迟。在一个实施例中，在基带处应用该调整。在这种情况下，将从每个天线模块接收到的信号下变频和数字化，然后在基带中应用时间延迟。下文中，将所有接收到的信号组合在基带中。在一个实施例中，相同的时间延迟补偿被相反地应用于信号以进行发射。
40.在备选的实施例中，ttd也可以在rf或中频(if)频率下实施。换句话说，在rf或if处应用该调整。在rf的情况下，在将信号下变频之前应用该调整。在if的情况下，在信号转换为if之后，在转换为基带之前应用该调整。
41.各种数量和形状的天线模块可以用于不同的配置，以满足不同的需求和形状因数，并在ibw和天线增益之间实现理想的折衷。不同的应用具有不同的形状因数，当孔径尺
寸可以匹配形状因数时，这通过增加方向性来提高天线性能。
42.图2a至图2d示出了具有不同数量和形状的天线模块的天线的示例。图2a示出了具有三个六边形的中心馈送天线模块201的天线。图2b示出了具有四个六边形的中心馈送天线模块211的天线。图2c示出了具有两个六边形的中心馈送天线模块221的天线。图2d示出了具有两个方形的馈送天线模块231的天线。
43.而且，天线模块不必都是相同的形状。在例如图1的天线外壳102的整个天线外壳中可以存在一些形状不同的天线模块。例如，虽然图1示出了六边形天线元件，但是天线元件可以是菱形或三角形的形状，或者可以添加具有这些其他形状的附加天线模块以填充天线外壳(例如，更充分地填充天线外壳)。例如，较小的模块(贴片)可以成形并添加在天线模块101的边缘处，以最大化面积使用并覆盖图1的天线外壳102。在一个实施例中，天线模块被成形为填充整个天线外壳。
44.在一个实施例中，在中心馈送天线模块中，耦合器将孔径从中心向外朝向孔径边缘馈送，同时保持均匀的孔径照射。在一个实施例中，例如图1所示，具有非圆柱形形状并包括多个天线模块的超表面天线使用这种定向耦合器。
45.为了将多个天线模块作为单个天线操作，功率分配器/组合器网络用于组合正在接收的信号和分配所发射的功率。也就是说，功率分配器/组合器网络分别用于对发射和接收信号进行分配和组合。图3a和图3b示出了rf组合器/分配器网络的示例。参照图3a，具有四个六边形中心馈送天线模块301的天线包括rf组合器/分配器302。参照图3b，具有两个六边形中心馈送天线模块311的天线包括rf组合器/分配器312。
46.在一个实施例中，功率分配器/组合器网络包括模拟rf分配器/组合器网络。在备选实施例中，功率分配器/组合器网络包括数字分配器/组合器。利用模拟rf分配器/组合器网络，rf馈送网络将信号组合和分配到信道中并馈送到该模块。可以定制这种模拟rf分配器/组合器网络。例如，定制可以涉及例如但不限于模块的数量、模块的尺寸和端口彼此之间的距离、以及每个馈送端口的位置。所有这些都会影响馈送网络设计。
47.在一个实施例中，利用数字分配器/组合器，每个天线模块都配备有rf链(例如，双工器、lnb和buc)，并且输入/输出连接位于if频带中。然后将if频带信号组合到数字组合器中。数字组合器的使用允许如下面更详细描述的多波束操作。
48.要注意的是，上述模块化架构不同于具有多个单独的天线并组合其输出以获得增益的增加。在一个实施例中，所有模块都是同一基板(例如，玻璃基板)的一部分，并且重点在于rf组合器网络以提供ibw的增加。
49.在一个实施例中，天线模块中的一个或多个包括混合网络。模块可以与混合馈送网络组合，以在接收(rx)与发射(tx)的性能和终端成本之间实现更大的灵活性。例如，在一个实施例中，因为接收操作需要更高的ibw，所以天线的天线模块包括数字实施方案(例如，数字组合器)，而因为发射操作受益于更严格的图案控制，所以发射操作使用模拟网络。在这种情况下，模拟网络可以提供一种经济高效的方式来保持所有面板的一致性。
50.图3c示出了使用混合网络的天线模块的示例。参照图3c，天线包括三个天线模块301，但这并非限制。天线模块301使用耦合到高功率放大器(hpa)303并由其驱动的模拟功率分配器网络302来驱动以进行发射。在接收侧，存在从低噪声放大器304以及与每个天线模块301相关联的模数转换器(adc)305馈送的数字组合器路径306。
51.上述混合模拟/数字网络补充了具有超表面天线模块(贴片)的混合贴片和阵列波束成形方法。在接收侧，用于控制天线模块的超材料天线元件中的每一个的每个贴片的控制图案独立于其他，使得其创建了完整的天线图案作为贴片。在发射侧，每个贴片都参与阵列级的波束成形。也就是说，虽然每个天线模块可以接收由控制器生成的控制图案，但控制图案是跨多个天线模块(例如，天线的所有天线模块)生成的图案的一部分。通过这样做，这可以在发射期间更好地控制旁瓣和栅瓣。
52.图4a示出了跨表面散射超材料发射天线元件的阵列的发射图案，而图4b示出了每个天线模块(及其多个表面散射超材料接收天线元件)的接收图案的示例。因此，每个天线模块包括接收和发射天线元件(例如，rf辐射天线元件)。例如，2019年1月14日提交的申请号为16/247,398、名称为“宽频可调谐带宽径向线缝隙天线(broad tunable bandwidth radial line slot antenna)”的美国专利申请以及2018年2月13日提交的申请号为9,893,435、名称为“允许同时的多天线功能的组合天线孔径(combined antenna apertures allowing simultaneous multiple antenna functionality)”的美国专利申请中公开了这种阵列的示例。在图4a中的发射期间，所有贴片都作为具有图案分布在贴片上的单个超表面天线操作，从而形成阵列的图案，而在图4b中的接收期间，贴片独立操作，因此每个贴片在接收期间执行波束成形。
53.在图4a和图4b所示的示例中，控制器耦合到天线模块，以生成天线模块的控制图案。控制器针对独立于天线中的其他天线模块的每个天线模块生成接收天线元件(例如，多个表面散射超材料接收天线元件)的控制图案，以使每个天线模块能够执行波束成形。控制器还针对各个天线模块上的发射天线元件(例如，表面散射超材料发射天线元件)的跨天线的全部或部分天线模块生成控制图案，以使天线模块能够参与阵列级的波束成形。这允许在更大的阵列上应用逐渐变窄的幅度，从而减少发射波束的旁瓣。
54.要注意的是，在一个实施例中，所有天线模块都参与接收和发射操作。然而，在备选实施例中，少于所有天线模块参与接收和发射操作。此外，在一个备选实施例中，参与接收的天线模块的数量不同于参与发射的天线模块的数量。因此，不同组的天线模块可能参与发射和接收。
55.在一个实施例中，波导位于每个天线模块下方，以向天线模块的天线元件提供馈送波。下面给出这种波导和天线元件的示例。要注意的是，许多波导类型可以用于构建馈送。然而，为了获得较低损耗，优选地使用空心波导馈送。
56.天线实施例的示例
57.上述技术可以与平板天线一起使用。公开了这种平板天线的实施例。平板天线包括天线孔径上的天线元件的一个或多个阵列。在一个实施例中，天线元件包括液晶单元。在一个实施例中，平板天线是圆柱形馈送天线，其包括矩阵驱动电路，以唯一地寻址和驱动没有以行和列布置的天线元件中的每一个。在一个实施例中，元件以环的方式布置。
58.在一个实施例中，具有天线元件的一个或多个阵列的天线孔径由耦合在一起的多个分段组成。当耦合在一起时，这些分段的组合形成天线元件的封闭同心环。在一个实施例中，同心环相对于天线馈送同心。
59.天线系统的示例
60.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ka波段频率或ku波段频率进行民用商业卫星通信的移动平台(例如，航空、海事、陆地等)上运行的卫星地球站(es)的组件或子系统。要注意的是，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，固定或可移动地球站)。
61.在一个实施例中，天线系统使用表面散射超材料技术，以通过单独的天线形成和操纵发射和接收波束。
62.在一个实施例中，天线系统由三个功能子系统组成：(1)由圆柱形波馈架构组成的波导结构；(2)作为天线元件的一部分的波散射超材料单元的阵列；以及(3)控制结构，用于使用全息原理从超材料散射元件命令形成可调节辐射场(波束)。
63.天线元件
64.图6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6，天线孔径具有天线元件603的一个或多个阵列601，其布置在围绕圆柱形馈送天线的输入馈送602的同心环中。在一个实施例中，天线元件603是辐射rf能量的射频(rf)谐振器。在一个实施例中，天线元件603包括交错并分布在天线孔径的整个表面上的rx和tx虹膜。下文更详细地描述这种天线元件的示例。要注意的是，本文中描述的rf谐振器可以用于不包括圆柱形馈送的天线中。
65.在一个实施例中，该天线包括同轴馈送，其用于经由输入馈送602提供圆柱形波馈送。在一个实施例中，圆柱形波馈送架构从中心点向天线馈送激励，激励从馈送点以圆柱形方式向外传播。也就是说，圆柱形馈送天线产生向外行进的同心馈送波。尽管如此，圆柱形馈送周围的圆柱形馈送天线的形状可以是圆形、方形或任意形状。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，馈送波最自然地来源于圆形结构。
66.在一个实施例中，天线元件603包括虹膜，并且图6的孔径天线被用于生成通过使用来自圆柱形馈送波的激励而成形的主波束，以通过可调谐液晶(lc)材料辐射虹膜。在一个实施例中，可以激励天线，从而以所需的扫描角度辐射水平或垂直极化的电场。
67.在一个实施例中，天线元件包括一组膜片天线。这组膜片天线包括散射超材料元件的阵列。在一个实施例中，天线系统中的每个散射元件都是由下导体、介电基板和上导体组成的晶胞的一部分，其嵌入到蚀刻或沉积在上导体上的互补电感电容谐振器(“互补电lc”或“celc”)。如本领域技术人员将理解的，在celc的上下文中，lc指的是电感-电容，而不是液晶。
68.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，液晶封装在每个晶胞中，并将与缝隙相关联的下导体与与其贴片相关联的上导体分开。液晶具有作为包括液晶的分子取向的函数的介电常数，并且分子的取向(以及因此介电常数)可以通过调节跨液晶的偏置电压来控制。利用该特性，在一个实施例中，液晶集成用于将能量从导波发送到celc的接通/断开开关。当开关接通时，celc像电子小型偶极天线一样发射电磁波。要注意的是，本文中的教导不限于具有针对能量传输以二进制方式操作的液晶。
69.在一个实施例中，该天线系统的馈送几何结构允许天线元件与波馈中的波矢量成四十五度(45
°
)角。要注意的是，可以使用其他位置(例如，40
°
角)。元件的该位置能够控制由元件接收或发射/辐射的自由空间波。在一个实施例中，天线元件布置成具有小于天线的
操作频率的自由空间波长的元件间距。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大约为2.5mm(即，30ghz的10mm自由空间波长的第1/4)。
70.在一个实施例中，两组元件相互垂直，并且如果控制在相同的调谐状态，则同时具有等幅激励。将其相对于馈送波激励旋转+/-45度可以同时实现两个所需的特征。将一组旋转0度，另一组旋转90度将实现垂直目标，但不能实现等幅激励目标。要注意的是，当从两侧馈送单个结构中的天线元件的阵列时，可以使用0度和90度来实现分隔。
71.通过使用控制器向膜片施加电压(跨lc信道的电势)来控制来自每个晶胞的辐射功率量。每个膜片的走线用于向膜片天线提供电压。电压用于调谐或解调电容，从而调整单个元件的谐振频率以实现波束成形。所需要的电压取决于所使用的液晶混合物。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来描述，高于该阈值电压不会引起液晶的主要调谐。这两个特征参数可以针对不同的液晶混合物而改变。
72.在一个实施例中，如上所述，矩阵驱动器用于向膜片施加电压，以便在不需要具有每个单元的单独连接(直接驱动)的情况下将每个单元与所有其他单元分开驱动。由于元件的密度高，因此矩阵驱动器是单独地处理每个单元的最有效的方法。
73.在一个实施例中，天线系统的控制结构有2个主要组件：包括用于天线系统的驱动电子装置的天线阵列控制器位于波散射结构下方，而矩阵驱动器开关阵列散布在整个辐射rf阵列中，以便不干扰辐射。在一个实施例中，用于天线系统的驱动电子装置包括用于商用电视设备中的商业现货供应lcd控制器，其通过调节针对元件的ac偏置信号的幅度或占空比来调节每个散射元件的偏置电压。
74.在一个实施例中，天线阵列控制器还包含运行软件的微处理器。控制结构还可以包括传感器(例如，gps接收器、三轴罗盘、3轴加速度器、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通过地球站中的其它系统被提供给处理器，并且/或者可以不是天线系统的一部分。
75.更具体地，天线阵列控制器控制哪些元件断开、哪些元件接通以及在操作频率下处于哪个相位和振幅水平。通过电压施加，元件被选择性地解调以用于频率操作。
76.为了发射，控制器向rf膜片提供电压信号的阵列，以生成调制或控制图案。控制图案使元件变为不同的状态。在一个实施例中，使用各种元件被接通和断开到不同电平的多态控制，从而进一步近似正弦控制模式，而不是方波(即，正弦灰色调制模式)。在一个实施例中，一些元件比其它元件辐射得更强，而不是一些元件辐射且一些元件不辐射。通过施加特定的电压电平来实现可变辐射，其将液晶介电常数调节到不同的量，从而使元件可变地解调并使一些元件比其它元件辐射更多。
77.通过元件的超材料阵列生成聚焦波束可以通过相长干扰和相消干扰的现象来解释。如果单个电磁波在自由空间相遇时具有相同相位，则它们相加(相长干扰)；并且如果它们在自由空间相遇时具有相反相位，则它们相互抵消(相消干扰)。如果缝隙天线中的缝隙被定位成使得每个连续的缝隙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先前缝隙的散射波的相位不同的相位。如果缝隙被间隔四分之一的导波波长，则每个缝隙将从先前缝隙散射具有四分之一相位延迟的波。
78.使用阵列，使用全息原理，可以增加可产生的相长干扰和相消干扰的图案数量，使得波束在理论上可以指向距天线阵列的视轴正或负九十度(90
°
)的任意方向。因此，通过控
制接通或断开哪些超材料单元(即，通过改变接通哪些单元以及断开哪些单元的图案)，可以产生不同的相长干扰模式和相消干扰模式，并且天线可以改变主波束的方向。接通和断开晶胞所需的时间决定了波束可以从一个位置切换到另一位置的速度。
79.在一个实施例中，天线系统产生用于上行天线的一个可控波束和用于下行天线的一个可控波束。在一个实施例中，天线系统使用超材料技术来接收波束、解码来自卫星的信号并形成指向卫星的发射波束。在一个实施例中，与使用数字信号处理来电子形成和控制波束的天线系统(例如，相控阵列天线)相反，天线系统为模拟系统。在一个实施例中，特别是当与常规卫星碟形天线接收机相比时，天线系统被认为是平坦且相对低剖面的“表面”天线。
80.图7示出了包括接地平面和可重新配置的谐振器层的一行天线元件的立体图。可重新配置的谐振器层1230包括可调谐缝隙1210的阵列。可调谐缝隙1210的阵列可以被配置成将天线指向所需的方向。可调谐缝隙中的每一个可以通过改变跨液晶的电压来调谐/调节。
81.控制模块1280耦合到可重新配置的谐振器层1230，以通过改变跨图8a中的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包括逻辑电路(例如，多工器)，以驱动可调谐缝隙1210的阵列。在一个实施例中，控制模块1280接收包括待驱动到可调谐缝隙1210的阵列上的全息衍射图案的规格的数据。可以响应于天线和卫星之间的空间关系产生全息衍射图案，使得全息衍射图案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)。虽然没有在每个附图中绘制，但是类似于控制模块1280的控制模块可以驱动在本公开的附图中描述的可调谐缝隙的每个阵列。
82.射频(“rf”)全息还可能使用其中当rf参考波束遇到rf全息衍射图案时可以产生期望的rf波束的类似的技术来实现。在卫星通信的情况下，参考波束是诸如馈送波1205(在一些实施例中为大约20ghz)的馈送波的形式。为了将馈送波转换成辐射波束(用于发射或接收目的)，在期望的rf波束(目标波束)和馈送波(参考波束)之间计算干涉图案。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“控制”到期望的rf波束(具有期望的形状和方向)。换句话说，遇到全息衍射图案的馈送波“重建”了根据通信系统的设计需求形成的目标波束。全息衍射图案包含每个元件的激励，并且通过计算其中w
in
为关于波导的波动方程和w
out
为关于出射波的波动方程。
83.图8a示出了可调谐谐振器/缝隙1210的一个实施例。可调谐缝隙1210包括虹膜/缝隙1212、辐射膜片1211以及设置在虹膜1212和膜片1211之间的液晶1213。在一个实施例中，辐射膜片1211与虹膜1212共同定位。
84.图8b示出了物理天线孔径的一个实施例的截面图。天线孔径包括接地平面1245以及包括在可重新配置的谐振器层1230中的虹膜层1233内的金属层1236。在一个实施例中，图8b的天线孔径包括图8a的多个可调谐谐振器/缝隙1210。虹膜/缝隙1212由金属层1236中的开口限定。诸如图8a的馈送波1205的馈送波可以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。
85.可重新配置的谐振器层1230还包括衬垫层1233和膜片层1231。衬垫层1233被设置
在膜片层1231和虹膜层1232之间。要注意的是，在一个实施例中，间隔件可以代替衬垫层1233。在一个实施例中，虹膜层1232可以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1232为玻璃。虹膜层1232可以为其他类型的基板。
86.可以在铜层中蚀刻开口以形成缝隙1212。在一个实施例中，在图8b中，虹膜层1232通过导电结合层导电耦合到另一结构(例如，波导)。要注意的是，在实施例中，虹膜层不通过导电结合层导电耦合，而是利用非导电结合层接合。
87.膜片层1231也可以是包括作为辐射膜片1211的金属的pcb。在一个实施例中，衬垫层1233包括提供机械支座以限定金属层1236和贴片1211之间的尺寸的间隔件1239。在一个实施例中，间隔件为75微米，但可以使用其它尺寸(例如，3至200mm)。如上所述，在一个实施例中，图8b的天线孔径包括多个可调谐振器/缝隙，例如可调谐振器/缝隙1210包括图8a的膜片1211、液晶1213和虹膜1212。用于液晶1213a的腔室由间隔件1239、虹膜层1232和金属层1236限定。当腔室充满液晶时，膜片层1131可以被层压到间隔件1239上，以密封谐振器层1230内的液晶。
88.膜片层1231和虹膜层1232之间的电压可以被调制，以调谐膜片和缝隙(例如，可调谐谐振器/缝隙1210)之间的间隙中的液晶。调节跨液晶1213的电压改变缝隙(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改变，其中f为缝隙1210的谐振频率，并且l和c分别是缝隙1210的电感和电容。缝隙1210的谐振频率影响传播通过波导的馈送波1205所辐射的能量。作为示例，如果馈送波1205为20ghz，则缝隙1210的谐振频率可以被调节(通过改变电容)到17ghz，使得缝隙1210基本上不耦合来自馈送波1205的能量。或者，缝隙1210的谐振频率可以被调节到20ghz，使得缝隙1210耦合来自馈送波1205的能量并将该能量辐射到自由空间中。虽然给出的示例为二进制(完全辐射或完全不辐射)，但是在多值范围内的电压方差可以使电抗以及因此的缝隙1210的谐振频率的全面的灰度控制成为可能。因此，可以精细地控制从每个缝隙1210辐射的能量，使得可以通过可调谐缝隙的阵列形成详细的全息衍射图案。
89.在一个实施例中，一行中的可调谐缝隙彼此间隔λ/5。可以使用其它间隔。在一个实施例中，一行中的每个可调谐缝隙与相邻行中最靠近的可调谐缝隙间隔λ/2，并且因此，不同行中的共同定向的可调缝隙间隔λ/4，然而其它间隔(例如λ/5、λ/6.3)是可能的。在另一实施例中，一行中的每个可调谐缝隙与相邻行中最靠近的可调谐缝隙间隔λ/3。
90.实施例使用例如2014年11月21日提交的申请号为14/550,178、名称为“动态极化和耦合控制从可操纵的圆柱形馈送全息天线(dynamic polarization and coupling control from a steerable cylindrically fed holographic antenna)”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、名称为“可重新配置的天线的脊波导馈送结构(ridged waveguide feed structures for reconfigurable antenna)”的美国专利申请中所描述的可重新配置的超材料技术。
91.图9a至图9d示出了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6中所示的示例环的环中的天线元件。要注意的是，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。
92.图9a示出了具有对应于缝隙的位置的第一虹膜板层的一部分。圆圈是在虹膜基板/玻璃的底侧的金属化中的开放区域/缝隙，并且用于控制元件到馈送(馈送波)的耦合。要注意的是，该层为可选层并且并不用于所有的设计中。图9b示出了包含缝隙的第二虹膜板层的一部分。图9c示出了第二虹膜板层的一部分上的膜片。图9d示出了缝隙阵列的一部分的俯视图。
93.图10示出了圆柱形馈送天线结构的一个实施例的侧视图。天线使用双层馈送结构(即，两层馈送结构)产生向内行波。在一个实施例中，天线包括圆形外形，但这不是必需的。也就是说，可以使用非圆形的向内行进的结构。在一个实施例中，图10中的天线结构包括例如2014年11月21日提交的申请号为2015/0236412、名称为“来自可操控圆柱形馈送全息天线的动态极化和耦合控制(dynamic polarization and coupling control from a steerable cylindrically fed holographic antenna)”的美国专利申请中描述的同轴馈送。
94.参照图10，同轴引脚1601用于激励天线的较低电平上的场。在一个实施例中，同轴引脚1601是很容易获得的50ω的同轴引脚。同轴引脚1601耦合(例如，螺栓连接)到天线结构的底部，即接地平面1602。
95.与接地平面1602分隔开的是作为内部导体的间隙导体1603。在一个实施例中，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是处于操作频率的行进波的波长。
96.接地平面1602经由间隔件1604与间隙导体1603分隔开。在一个实施例中，间隔件1604是泡沫或类似空气的间隔件。在一个实施例中，间隔件1604包括塑料间隔件。
97.在间隙导体1603的顶部是介电层1605。在一个实施例中，介电层1605为塑料。介电层1605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，适用于波束成形的折射率范围为1.2-1.8，其中自由空间的折射率定义为等于1。其他介电间隔件材料，例如塑料，可用于实现该效果。要注意的是，可以使用塑料以外的材料，只要其达到所需的减波效果即可。备选地，具有分布式结构的材料可以用作介电层1605，例如可以机器加工或光刻界定的周期性子波长金属结构。
98.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和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λ
eff
/2，其中λ
eff
是在设计频率下介质中的有效波长。
99.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馈送的行进波经由反射从间隙导体1603下方的区域(间隔件层)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成45
°
角。在备选实施例中，侧部1607和1608可被替换为连续半径以实现反射。虽然图10示出了角度成45度角的侧部，但也可以使用其他角度来实现从下层馈送到上层馈送的信号传输。也就是说，考虑到下馈送中的有效波长通常与上馈送中的有效波长不同，可以使用偏离理想45
°
角的一些偏差来帮助从下馈送电平到上馈送电平的传输。例如，在另一实施例中，45
°
角被替换为单个阶梯部。天线一端上的阶梯围绕介电层、间隙导体和间隔件层。相同的两个阶梯部位于这些层的另一端。
100.在操作中，当馈送波从同轴引脚1601馈送时，波在接地平面1602和间隙导体1603之间的区域内，从同轴引脚1601同心地向外定向行进。同心出射波被侧部1607和1608反射，并在间隙导体1603和rf阵列1606之间的区域内向内行进。来自圆形周界边缘的反射使波保持同相(即，它是同相反射)。介电层1605使行进波变慢。此时，行进波开始与rf阵列1606中的元件相互作用和激励，以获得期望的散射。
101.为了终止行进波，天线中在天线的几何中心处包括终端1609。在一个实施例中，终端1609包括引脚终端(例如，50ω引脚)。在另一实施例中，终端1609包括rf吸收器，其终止未使用的能量以防止未使用的能量通过天线的馈送结构反射回来。这些可以在rf阵列1606的顶部使用。
102.图11示出了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耦合在一起。同轴引脚1615(例如，50ω)馈送天线。rf阵列1616位于介电层1612和接地平面1611的顶部。
103.在操作中，馈送波通过同轴引脚1615馈送，并同心向外行进，并与rf阵列1616的元件相互作用。
104.图10和图11的天线中的圆柱形馈送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，而不是正负45度的方位角(
±
45
°
az)和正负25度的仰角(
±
25
°
el)的服务角度。与包括多个单独的辐射器的任意波束成形天线一样，天线的整体增益取决于构成元件的增益，而这些元件增益的本身是与角度有关的。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远离视轴指向而降低。在偏离视轴75度处，预计增益显著下降约6db。
105.具有圆柱形馈送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，显著简化了馈电结构，从而降低所需天线和天线馈电总量；通过使用更简略的控制(一直扩展到简单的二态控制)来保持高波束性能，从而降低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，提供了更有利的旁瓣模式；以及允许极化是动态的，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。
106.波散射单元的阵列
107.图11的rf阵列1606和图11的rf阵列1616包括波散射子系统，其包括用作辐射器的一组贴片天线(即，散射器)。这组膜片天线包括散射超材料元件的阵列。
108.在一个实施例中，天线系统中的每个散射元件都是由下导体、介电基板和上导体组成的晶胞的一部分，其嵌入到蚀刻或沉积在上导体上的互补电感电容谐振器(“互补电lc”或“celc”)。
109.在一个实施例中，液晶(lc)注入到散射元件周围的间隙中。将液晶封装在每个晶胞中，并将与缝隙相关联的下导体与与其贴片相关联的上导体分开。液晶具有作为包括液晶的分子取向的函数的介电常数，并且分子的取向(以及因此介电常数)可以通过调节跨液晶的偏置电压来控制。利用该特性，液晶用作用于将能量从导波传输到celc的接通/断开开关。当开关接通时，celc像电子小型偶极天线一样发射电磁波。
110.控制lc的厚度提高了波束切换速度。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％)使速度提高四倍。在另一实施例中，液晶的厚度导致大约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，使得可以满足7毫秒(7ms)的需求。
111.celc元件对施加于平行于celc元件的平面且垂直于celc间隙补差(gap complement)的磁场作出响应。当将电压施加到超材料散射晶胞中的液晶时，导波的磁场分量引起celc的磁激励，这进而产生与导波相同频率的电磁波。
112.由单个celc产生的电磁波的相位可以通过celc在导波矢量上的位置来选择。每个单元产生与平行于celc的导波同相位的波。因为celc比波长小，所以当出射波在下方通过celc时，其相位与导波的相位相同。
113.在一个实施例中，该天线系统的圆柱形馈送几何结构允许celc元件与波馈中的波矢量成四十五度(45
°
)角。元件的该位置能够控制元件产生或接收到的自由空间波的极化。在一个实施例中，celc布置成具有小于天线的操作频率的自由空间波长的元件间距。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大约为2.5mm(即，30ghz的10mm自由空间波长的第1/4)。
114.在一个实施例中，celc利用膜片天线实施，膜片天线包括在缝隙上共同定位的膜片，其中缝隙与膜片之间具有液晶。在这方面，超材料天线的作用类似于缝隙(散射)波导。通过缝隙波导，出射波的相位取决于缝隙相对于导波的位置。
115.单元布置
116.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布置在圆柱形馈送天线孔径上。单元的布置包括用于矩阵驱动器的晶体管的布置。图12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。参照图12，行控制器1701分别经由行选择信号row1和row2耦合到晶体管1711和1712，并且列控制器1702经由列选择信号column1耦合到晶体管1711和1712。晶体管1711还经由连接到膜片1731而耦合到天线元件1721，而晶体管1712经由连接到膜片1732而耦合到天线元件1722。
117.在将晶胞布置在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，将单元布置在同心环上，并且将单元中的每一个连接到晶体管，晶体管布置在单元旁边并且用作分别驱动每个单元的开关。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连接到唯一地址。因为矩阵驱动电路通过行迹线和列迹线(类似于lcd)构建，但是单元被布置在环上，所以没有系统的方法针对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显著增加。由于单元密度高，因此这些迹线因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，无法通过商用布局工具完成迹线的布线。
118.在一个实施例中，在布置单元和晶体管之前预先定义矩阵驱动电路。这确保了驱动所有单元所需的迹线的数量最少，每个单元具有唯一的地址。该策略降低了驱动电路的复杂性并简化了布线，从而提高了天线的rf性能。
119.更具体地，在一种方法中，在第一步骤中，单元被布置在由描述每个单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，单元被分组并转换成同心圆，同时保持其地址以及与在第一步骤中定义的行和列连接。这种转换的目标不仅是把单元放在环上，
而且在整个孔径内保持单元之间的距离与环之间的距离恒定不变。为了实现这个目标，存在几种方法对单元进行分组。
120.在一个实施例中，tft封装用于在矩阵驱动器中实现布置和唯一寻址。图13示出了tft封装的一个实施例。参照图13，tft和保持电容器1803被示出具有输入端口和输出端口。存在两个输入端口连接到迹线1801以及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，行和列迹线以90
°
角交叉，以减少并可能最小化行迹线和列迹线之间的耦合。在一个实施例中，行迹线和列迹线在不同的层上。
121.全双工通信系统的示例
122.在另一实施例中，组合天线孔径用于全双工通信系统。图14是具有同时发射和接收路径的通信系统的另一实施例的框图。虽然仅示出一个发射路径和一个接收路径，但是通信系统可以包括超过一个的发射路径和/或超过一个的接收路径。
123.参照图14，天线1401包括两个空间交错的天线阵列，其如上所述可独立地操作以在不同频率同时发射和接收。在一个实施例中，天线1401耦合到双工器1445。耦合可以通过一个或多个馈送网络实现。在一个实施例中，在径向馈送天线的情况下，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者的频率的单宽带馈送网络。
124.双工器1445耦合到低噪声降频器(lnb)1427，其以本领域公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，lnb 1427在室外单元(odu)中。在另一实施例中，lnb 1427集成到天线设备中。lnb 1427耦合到调制解调器1460，调制解调器1460耦合到计算系统1440(例如，计算机系统、调制解调器等)。
125.调制解调器1460包括耦合到lnb 1427以将从双工器1445输出的接收信号转换为数字格式的模数转换器(adc)1422。一旦转换为数字格式，则信号由解调器1423解调并由解码器1424解码以获得接收波上的编码数据。经解码的数据随后被发送到控制器1425，控制器1425将经解码的数据发送到计算系统1440。
126.调制解调器1460还包括编码器1430，其对待从计算系统1440传输的数据进行编码。经编码的数据由调制器1431调制，然后通过数模转换器(dac)1432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)1433滤波并提供到双工器1445的一个端口。在一个实施例中，buc 1433位于室外单元(odu)中。
127.以本领域公知的方式操作的双工器1445将发射信号提供到天线1401以进行传输。
128.控制器1450控制天线1401，其包括单个组合物理孔径上的两个天线单元阵列。
129.通信系统将被修改为包括上述组合器/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。
130.要注意的是，图14所示的全双工通信系统有许多应用，包括但不限于互联网通信、车辆通信(包括软件更新)等。
131.本文描述了许多示例实施例。
132.示例1是天线，包括：多个天线模块，平铺在一起，并被配置为形成具有表面散射超材料天线元件的阵列的一个超表面天线；以及馈送网络，包括多个馈送点，多个馈送点耦合到多个天线模块以向模块提供馈送波。
133.示例2是示例1的天线，其可以可选择地包括：功率分配器/组合器网络，组合由多
个天线模块接收的信号并在多个天线模块中的天线模块之中分配所发射的功率。
134.示例3是示例1的天线，其可以可选择地包括：数字组合器，耦合到多个天线模块，以数字组合来自多个天线模块的信号；以及模拟分配器网络，在多个天线模块中的天线模块之中分配所发射的功率。
135.示例4是示例1的天线，其可以可选择地包括：多个天线模块中的每一个包括多个表面散射超材料接收天线元件和多个表面散射超材料发射天线元件，并且进一步包括耦合到多个天线模块以生成用于多个模块的控制图案的控制器，其中用于每个天线模块的多个表面散射超材料接收天线元件的每个控制图案独立于多个模块中的其他天线模块，以使多个天线模块中的每一个都能执行波束成形，并且进一步其中控制器可操作为针对各个天线模块上的表面散射超材料发射天线元件生成跨多个天线模块的多个天线模块的一部分的控制图案，以使多个天线模块能够参与阵列级的波束成形。
136.示例5是示例1的天线，其可以可选择地包括：实时延迟(ttd)组件，耦合到每个天线模块，以补偿与到达角延迟相关联的时间延迟。
137.示例6是示例5的天线，其可以可选择地包括：ttd组件可操作为通过在软件中执行调整以延迟来自天线模块的信号来执行补偿，以补偿到达延迟。
138.示例7是示例6的天线，其可以可选择地包括：ttd组件在中频(if)或rf将时间延迟应用于基带。
139.示例8是示例1的天线，其可以可选择地包括：多个天线模块中的天线模块为六边形或矩形的中心馈送天线模块。
140.示例9是示例1的天线，其可以可选择地包括：多个天线模块是一个基板的一部分。
141.示例10是示例1的天线，其可以可选择地包括：边缘吸收器，位于多个模块的天线模块的边缘下方，用于终止在每个天线模块下方的波导中传播的馈送波。
142.示例11是一种天线，包括：多个天线模块，平铺在一起并被配置为形成具有表面散射超材料天线元件的阵列的一个超表面天线，其中多个天线模块中的每一个包括多个表面散射超材料接收天线元件和多个表面散射超材料发射天线元件；馈送网络，包括耦合到多个天线模块以向模块提供馈送波的多个馈送点，其中馈送网络包括耦合到多个天线模块以数字组合来自多个天线模块的信号的数字组合器，以及用于在多个天线模块中的天线模块之中分配所发射的功率的模拟分配器网络；以及控制器，耦合到多个天线模块，以生成多个模块的控制图案，其中每个天线模块的多个表面散射超材料接收天线元件的每个控制图案独立于多个模块中的其他天线模块，以使多个天线模块中的每一个都能执行波束成形，并且进一步其中控制器可操作为针对各个天线模块上的表面散射超材料发射天线元件生成跨多个天线模块的多个天线模块的一部分的控制图案，以使多个天线模块能够参与阵列级的波束成形。
143.示例12是示例11的天线，其可以可选择地包括：实时延迟(ttd)组件，耦合到每个天线模块，以补偿与到达角延迟相关联的时间延迟。
144.示例13是示例12的天线，其可以可选择地包括：ttd组件可操作为通过在软件中执行调整以延迟来自天线模块的信号来执行补偿，以补偿到达延迟。
145.示例14是示例13的天线，其可以可选择地包括：ttd组件在中频(if)或rf将时间延迟应用于基带。
146.示例15是示例11的天线，其可以可选择地包括：多个天线模块中的天线模块为六边形或矩形的中心馈送天线模块。
147.示例16是示例11的天线，其可以可选择地包括：多个天线模块是一个基板的一部分。
148.示例17是示例11的天线，其可以可选择地包括：边缘吸收器，位于多个模块的天线模块的边缘下方，用于终止在每个天线模块下方的波导中传播的馈送波。
149.示例18是一种天线，包括：多个天线模块，平铺在一起并被配置为在第一尺寸的区域中形成具有表面散射超材料天线元件的阵列的一个超表面天线；以及馈送网络，包括多个馈送点，多个馈送点耦合到多个天线模块以向模块供应馈送波以将与天线相关联的波导长度减少到与具有由覆盖第一尺寸的第一尺寸区域的单个模块组成的超表面天线的超表面天线相关联的波导长度的一小部分，包括多个天线模块的超表面天线具有比由覆盖第一尺寸区域的单个模块组成的超表面天线更高的瞬时带宽。
150.示例19是示例18的天线，其可以可选择地包括：数字组合器，耦合到多个天线模块，以数字组合来自多个天线模块的信号；以及模拟分配器网络，在多个天线模块中的天线模块之中分配所发射的功率。
151.示例20是示例18的天线，其可以可选择地包括：多个天线模块中的每一个包括多个表面散射超材料接收天线元件和多个表面散射超材料发射天线元件，并且进一步包括耦合到多个天线模块以生成用于多个模块的控制图案的控制器，其中用于每个天线模块的多个表面散射超材料接收天线元件的每个控制图案独立于多个模块中的其他天线模块，以使多个天线模块中的每一个都能执行波束成形，并且进一步其中控制器可操作为针对各个天线模块上的表面散射超材料发射天线元件生成跨多个天线模块的多个天线模块的控制图案，以使多个天线模块能够参与阵列级的波束成形。
152.示例21是一种天线，包括：多个天线模块，平铺在一起并被配置为形成具有天线元件的阵列的一个平板天线，其中多个天线模块中的每一个包括多个接收天线元件和多个发射天线元件；馈送网络，包括耦合到多个天线模块以向模块提供馈送波的多个馈送点，其中馈送网络包括耦合到多个天线模块以数字组合来自多个天线模块的信号的数字组合器，以及用于在多个天线模块中的天线模块之中分配所发射的功率的模拟分配器网络；以及控制器，耦合到多个天线模块，以生成多个模块的控制图案，其中每个天线模块的多个接收天线元件的每个控制图案独立于多个模块中的其他天线模块，以使多个天线模块中的每一个都能执行波束成形，并且进一步其中控制器可操作为针对各个天线模块上的发射天线元件生成跨多个天线模块的多个天线模块的一部分的控制图案，以使多个天线模块能够参与阵列级的波束成形。
153.上面详细描述的一些部分是根据算法和对计算机存储器中数据位的操作的符号表示来呈现的。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其工作内容传达给本领域的其他技术人员的手段。算法在本文予以示出，并且通常被认为是得到所需结果的自洽步骤序列。这些步骤是需要对物理量进行物理操作的步骤。通常，尽管不一定，但这些量采用能够存储、传送、组合、比较和以其他方式操作的电或磁信号的形式。已被证明是方便的是，有时主要出于常用的原因，将这些信号称为位、值、元素、符号、字符、术语、数字等。
154.然而，应记住的是，所有这些和类似的术语都将与适当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的便利标签。除非另有明确说明，否则从以下讨论中可以明显看出的是，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”等术语的讨论指计算机系统或类似电子计算装置的行为和过程，其操纵计算机系统的寄存器和存储器中表示为物理(电子)量的数据，并将其转换为计算机系统存储器或寄存器或其他这种信息存储、传送或显示装置中类似地表示为物理量的其他数据。
155.本发明还涉及用于执行本文中操作的设备。该设备可以为所需目的而专门构造，或者它可以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。这种计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中，例如但不限于，任何类型的磁盘(包括软盘、光盘、cd-rom和磁光盘)、只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、eprom、eeprom、磁卡或光卡、或者适用于存储电子指令的任何类型的介质，并且每个都联接到计算机系统总线。
156.本文提出的算法和示出与任何特定的计算机或其他设备没有内在的关系。根据本文的教导，各个通用系统可以与程序一起使用，或者证明构造更专业的设备来执行所需的方法步骤是方便的。这些系统的变体所需的结构将在下面的描述中出现。另外，本发明没有参考任何特定的编程语言来描述。应理解的是，可以使用多种编程语言来实施如本文所述的本发明的教导。
157.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意机制。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；光存储介质；闪速存储器装置；等等。
158.鉴于本领域普通技术人员在阅读了上述说明书之后对本发明的许多改变和修改无疑将变得显而易见，因此应理解的是，以说明方式示出和描述的任何特定实施例决不旨在被视为限制性的。因此，对各个实施例的细节的引用并不旨在限制权利要求书的范围，权利要求书本身仅列举了被认为对本发明必不可少的那些特征。