允许同时的多天线功能的组合天线孔径的制作方法
优先权
本专利申请要求于2015年2月11日提交的申请号为62/115,070的标题为“允许同时的多天线功能的组合天线孔径(combinedantennaaperturesallowingsimultaneousmultipleantennafunctionality)”的相应临时专利申请的优先权并通过引用并入本申请。
本发明的实施例涉及天线领域；更特别地，本发明的实施例涉及一种使用交错阵列以多个频率同时操作的具有组合孔径的天线。
背景技术：
存在可以同时接收多个极化和频率的有限数量的天线。例如，directvslimline3碟形反射器天线同时接收多个极化和频率。在该产品中，存在从同一反射器同时操作的2个ka波段接收器和1个ku波段接收器。这通过沿着反射器的焦轴的不同位置放置多个馈源(feed)来实现。在这种情况下，基于碟形天线的指向和3个接收机的定位，实现了从3颗卫星(99°、101°、103°)的同时接收，其中ka波段卫星同时提供两个圆极化信号。directtvslimline5碟形反射器天线同时看到5颗卫星，即99°、101°、103°、110°、119°。(99°、103°为ka波段)。这些产品的操作限于接收。
这种基于碟形的天线的两个限制为碟形天线需要指向卫星，并且1个反射器内的两个或更多个馈源的视角之间的角度差限制在大约10度，例如，slimline5(99°至119°)。这很大程度上取决于可以被设计成各种规格的碟形天线的形状。然而，所有的碟形天线依赖于聚焦行为来实现方向性，因此关闭链接所需的聚焦越多，对于具有恒定面积的反射器碟形天线可实现的视场角越小。
实现双频同时性能的另一种常用的方法是由具有2个操作波段的辐射元件组成的双波段阵列。这些通常使用谐振贴片或诸如环形谐振器的类似形状来实现。2014年6月10日公布的专利号为8,749,446，标题为“用于相位阵列的宽波段链接环形天线元件(wide-bandlinked-ringantennaelementforphasearrays)”的美国专利中描述最近的一个示例。这种实施允许邻近的商业和军用ka接收波段被同时覆盖，商业和军用ka接收波段对于商业波段为17.7ghz至20.2ghz，对于军用波段为20.2ghz至21.2ghz。然而，不能同时指向多于一个的源头。此外，不存在为支持同时的发射和接收操作提供足够的隔离的描述的系统级容限。
因此，通常，对于必须同时指向大体上不同的方向(大于预计10度的差)、必须跟踪地球轨道卫星(o3b安装有两个万向节碟形天线)或者在大体上不同的波段下进行通信的碟形天线，需要两个完全分离的天线和系统。这增加了尺寸、成本、重量和功率。
技术实现要素：
本文公开了一种天线设备及其使用方法。在一个实施例中，天线包括单个物理天线孔径，其具有天线元件的至少两个空间交错的天线阵列，该天线阵列可在不同波段下独立地且同时地操作。
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充分地理解本发明，然而，这不应当将本发明限制于具体的实施例，而是仅用于解释和理解。
图1说明示出ku波段接收天线元件的双接收天线的一个实施例。
图2说明示出ka波段接收元件的接通或断开的图1的双接收天线。
图3说明在30db尺度(scale)上以建模的ku波段性能表示的全天线。
图4说明在30db尺度上以建模的ka波段性能表示的全天线。
图5a和图5b说明图1和图2所示的双ku-ka波段接收天线的交错布局的一个实施例。
图6说明具有发射天线元件和接收天线元件两者的组合孔径的一个实施例。
图7说明图6中的天线的ku波段接收元件的一个实施例。
图8说明图6中的天线的ku波段发射元件的一个实施例。
图9说明在40db尺度上以建模的ku波段性能的ku波段发射元件的一个实施例。
图10说明在40db尺度上建模的ku波段接收元件的一个实施例。
图11a说明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11b说明可调谐谐振器/缝隙的一个实施例。
图11c说明天线结构的一个实施例的横截面视图。
图12a至图12d说明用于生成缝隙阵列的不同层的一个实施例。
图13说明圆柱馈源天线结构的一个实施例的侧视图。
图14a是用于电视系统的通信系统的一个实施例的框图。
图14b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。
图15是用于同时多天线操作的过程的一个实施例的流程图。
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的更彻底的解释。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，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，为了避免模糊本发明，以框图形式示出众所周知的结构和装置而非详细描述。
公开了一种具有同时支持发射和接收、双波段发射或双波段接收的组合的组合孔径的天线设备。在一个实施例中，天线包括在单个物理孔径中组合的天线元件的两个空间交错的天线阵列，其中天线阵列可以多个频率下独立地并同时地操作，以及联接到该孔径的单个径向连续馈源。两个天线阵列组合到单个平板的物理孔径中。本文描述的技术不限于将两个阵列组合到单个物理孔径中，并且可以扩展成将三个或更多个阵列组合到单个物理孔径中。
在一个实施例中，天线阵列的指向角度不同，使得天线子阵列中的一个可以在一个方向上形成波束，而另一天线子阵列可以在另一不同的方向上形成波束。在一个实施例中，天线可以形成这两个波束，波束之间的角度间隔为10度以上。在一个实施例中，扫描角度为±75度或±85度，其为通信提供更多的自由。
在一个实施例中，天线包括被组合到一个物理天线孔径的两个天线阵列。在一个实施例中，两个天线阵列为交错的发射和接收天线阵列，其可操作以同时执行接收和发射。在一个实施例中，发射和接收分别处于ku发射和接收波段中。注意的是，ku波段是一个示例，并且本教导内容不限于特定的波段。
在另一实施例中，两个天线子阵列为交错的双接收天线，其可操作以同时在两个不同的接收波段中执行接收并指向在两个不同方向的两个不同的源头。在一个实施例中，两个波段包括ka接收波段和ku接收波段。
在另一实施例中，两个天线子阵列为交错的双发射天线，其可操作以同时在两个不同的发射波段中执行发射并指向在两个不同方向的两个不同的接收机。在一个实施例中，两个波段包括ku发射波段和ka发射波段。
在一个实施例中，天线阵列中的每一个包括天线元件的可调谐缝隙阵列。因此，对于具有两个孔径的一个组合的物理天线孔径，存在天线元件的两个缝隙阵列。这两个缝隙阵列的天线元件彼此交错。
在一个实施例中，用于天线子阵列中的一个的可调缝隙阵列具有一些天线元件以及与第二天线子阵列的元件密度不同的元件密度。在一个实施例中，两个或更多个天线阵列的可调谐缝隙阵列中的每一个中大多数元件，而并非全部元件，相对于彼此间隔λ/4。在另一实施例中，两个或更多个天线阵列的可调谐缝隙阵列中的每一个中大多数元件，而并非全部元件，相对于彼此间隔λ/5。注意的是，因为满足这种间隔所需的位置被另一天线阵列的天线元件所占据，所以一个或更多个缝隙阵列中的一些天线元件可能不具有该间隔。
在一个实施例中，阵列的可调谐缝隙阵列中的每一个中的元件定位在一个或多个环中。在一个实施例中，以一个频率操作的天线元件的环中的一个具有与相同孔径中以不同的第二频率下操作的天线元件的另一环不同数量的天线元件。在另一实施例中，环的至少一个具有多个(例如，两个、三个)缝隙阵列的天线元件。在另一实施例中，不同频率具有不同尺寸的环。例如，一个环具有针对第一频率的第一尺寸的天线元件，而另一个环具有对于低于第一频率的第二频率的大于第一尺寸的第二尺寸的天线元件。
在另一实施例中，天线子阵列为可控的以提供可切换的极化。在一个实施例中，可控制子阵列以提供的不同极化包括线性极化、左旋圆极化(lhcp)或右旋圆极化。在一个实施例中，极化是确定主波束的波束形成和方向的全息调制的一部分。更具体地，计算调制模式以确定子阵列的哪些元件是接通的和断开的，并且确定极化。在全息波束形成天线的一个实施例中，可以通过软件(例如，天线控制器中的软件)动态地切换接收和发射的信号的极化。此外，在一个实施例中，发射和接收的信号(或在两个不同频率下的两个波束的信号)可以具有不同的极化。
在一个实施例中，每个缝隙阵列包括多个缝隙，并且每个缝隙被调谐以在给定频率下提供所期望的散射能量。在一个实施例中，多个缝隙中的每个缝隙相对于冲击每个缝隙的中心位置的圆柱形馈源波被定向为+45度或-45度，使得缝隙阵列包括相对于从中心馈源开始的圆柱形馈源波的传播方向旋转+45度的第一组缝隙，以及相对于从中心馈源开始的圆柱形馈源波的传播方向旋转-45度的第二组缝隙。在一个实施例中，对于相同频率波段的相邻元件被不同地和反向地定向。
在一个实施例中，每个缝隙阵列包括多个缝隙和多个贴片，其中贴片中的每一个共同位于多个缝隙中的缝隙上方，并与多个缝隙中的缝隙分离，从而形成贴片/缝隙对，并且基于施加到成对贴片的电压断开或接通每个贴片/缝隙。控制器联接到缝隙阵列并施加控制哪个贴片/缝隙对接通或断开的控制模式，从而根据全息干涉原理导致波束的生成。
以下讨论描述针对两种类型的天线，即一个组合的交错双接收天线(例如，ka波段rx和ku波段rx)以及在ku波段操作的一个组合的交错双tx/rx天线所示的各种类型的交错方案。
图1说明示出接收天线元件的双重接收天线的一个实施例。在本实施例中，双接收天线为ku接收—ka接收天线。参照图1，示出ku天线元件的缝隙阵列。一些ku天线元件被示出为断开或接通。例如，孔径示出ku接通元件101和ku断开元件102。孔径布局中也示出了中心馈源103。此外，如图所示，在一个实施例中，ku天线元件被定位或位于在中心馈源103周围的圆环中，并且每个天线元件包括具有共同位于缝隙上方的贴片的缝隙。在一个实施例中，缝隙中的每一个缝隙相对于从中心馈源103发射并冲击每个缝隙的中心位置的圆柱形馈源波被定向为+45度或-45度。
图2说明示出ka接收元件的接通或断开的图1的双接收天线。参照图2，例如，ka元件201被示出为接通，ka元件202被示出为断开。与ka天线元件一样，在一个实施例中，ka天线元件被定位或位于在中心馈源103周围的圆环中，并且每个天线元件包括具有共同位于缝隙上方的贴片的缝隙。在一个实施例中，缝隙中的每一个相对于从中心馈源103发射并冲击每个缝隙的中心位置的圆柱形馈源波被定向为+45度或-45度。
在一个实施例中，ku元件的密度相对于彼此间隔λ/4或λ/5，而ka元件的密度比ka元件稍大，但元件围绕ku元件设置，所以间隔不规则。
在一个实施例中，图2中的ka元件的数量大于图1所示的ku接收元件的数量，而ku天线元件的尺寸大于ka天线元件的尺寸。在一个实施例中，ku元件几乎是ka元件的三倍。ka元件的这种增加的密度和较小的尺寸归因于与ka和ku波段相关的频率差。通常，用于较高频率的元件的数量将高于用于较低频率的元件的数量。基于两个波段的频率的比值(即，(20/11.85)2等于2.85)，ka元件的理想数量可以为ku元件的数量的2.85倍。因此，理想的封装比为2.85:1。
注意的是，在图1和图2中，所示的天线元件的数量仅为示例。天线元件的实际数量通常会大得多。例如，在一个实施例中，直径为70cm的天线孔径具有约28,500个ka接收元件和约10,000个ku接收元件。
图3说明在30db尺度上以建模的ku性能表示的全天线。图4说明在30db尺度上以建模的ka性能表示的全天线。
图5a和图5b说明图1和图2所示的双ku-ka接收天线的交错布局的一个实施例。
图6说明具有发射天线元件和接收天线元件两者的组合孔径的一个实施例。在该实施例中，组合孔径用于双发射和接收ku波段天线。图7说明图6中的天线的ku接收元件的一个实施例。图8说明图6中的天线的ku发射元件的一个实施例。
参照图6，示出了ku天线元件的两个缝隙阵列，其中一些ku天线元件被示出为断开或接通。孔径布局中也示出了中心馈源。此外，如图所示，在一个实施例中，ku天线元件被定位或位于在中心馈源周围的圆环中，并且每个天线元件包括具有共同位于缝隙上方的贴片的缝隙。在一个实施例中，缝隙中的每一个相对于从中心馈源发射并冲击每个缝隙的中心位置的圆柱形馈源波的传播方向被定向为+45度或-45度。
参照图7，ku接收元件被示出为接通或断开。在一个实施例中，ku接收天线元件被定位或位于在中心馈源周围的圆环中，并且每个天线元件包括具有共同位于缝隙上方的贴片的缝隙。在一个实施例中，缝隙中的每一个相对于从中心馈源发射并冲击每个缝隙的中心位置的圆柱形馈源波的传播方向被定向为+45度或-45度。
参照图8，ku发射元件被示出为接通或断开。在一个实施例中，ku发射天线元件被定位或位于中心馈源周围的圆环中，并且每个天线元件包括具有共同位于缝隙上方的贴片的缝隙。在一个实施例中，缝隙中的每一个相对于从中心馈源发射并冲击每个缝隙的中心位置的圆柱形馈源波的传播方向被定向为+45度或-45度。
在一个实施例中，ku接收元件和ku发射元件的密度相对于彼此间隔λ/4或λ/5。可使用其它间隔(例如，λ/6.3)。在一个实施例中，图7中的ku接收元件的数量小于图8所示的ku发射元件的数量，而ku接收天线元件的尺寸大于ku发射天线元件的尺寸。ku发射天线元件的这种增加的密度和较小的尺寸归因于与ku发射和接收波段(即，分别为14ghz和12ghz)相关的频率差。在一个实施例中，因为频率彼此接近，所以两个交错缝隙阵列具有相同数量的天线元件。因此，封装比为1:1。
交错2个元件所需的频率分离量基于元件设计(特别是q响应)、馈源设计、诸如指示隔离的双工器的过滤响应的系统级实施，以及最后的卫星网络，其规定了载波/噪声比(c/n)和其它类似链路规范的要求。两个频率，即12ghz和14ghz从为15％的频宽分离的天线设计的角度上同时操作。
注意的是，在图6至图8中，所示的天线元件的数量仅为示例。天线元件的实际数量通常会大得多。例如，在一个实施例中，70cm的孔径具有约14,000个接收元件和14,000个发射元件。此外，虽然天线元件可被定位在环中，但是这不是必要条件。它们可被定位在其它布置(例如，布置在网格中)。
图9说明在40db尺度上以建模的ku性能表示的ku发射元件的一个实施例。图10说明在40db尺度上建模的ku接收元件的一个实施例。
虽然上述示例性实施例识别了特定的频率，但是发射和接收、双波段发射、双波段接收等的各种组合都可以被设计为在可选择的频率下操作。
注意的是，本文描述的组合孔径技术不限于与具有组合馈源的碟形天线的相同基本方式中的小角度差指向角。这是因为用于生成组合的物理孔径的交错方法导致两个独立但空间交错(或组合)的孔径，其指向角完全独立。指向限制是对平板超材料天线的限制，这些被证明为指向偏离视轴60度以上，并覆盖了360度的方位角，形成大约120度x360度的指向锥。
利用本文描述的技术，通过交错孔径双重、三重或甚至更大的孔径组合也是可能的。
本发明的实施例的优势包括如下。一个优势为通过给定的天线区域增加数据吞吐量。对于需要同时双向、多频或多卫星链路的通信系统，这是一种可能的技术。当使用液晶显示(lcd)技术制造天线面板时，这种交错/组合方法的优势变得最明显。这是因为然后，驱动开关可以是比表面贴装场效应晶体管(fet)驱动器更小的tft(薄膜晶体管)，从而允许更高密度的交错。注意的是，元件密度仍然远低于由lcd制造商实现的像素密度。
图15是用于同时多天线操作的过程的一个实施例的流程图。该过程由可包括硬件(电路、专用逻辑等)、软件(诸如在通用计算机系统或专用机器上运行的)或两者的组合的处理逻辑执行。
参照图15，该过程开始于利用射频(rf)能量分别激发平板天线的第一天线阵列和第二天线阵列中的第一独立操作组的交错天线元件和第二独立操作组的交错天线元件(处理块1501)。在接收模式中，阵列中的一个通过发射的rf波激发。
接下来，处理逻辑利用第一天线阵列和第二天线阵列中的第一独立操作组的交错天线元件和第二独立操作组的交错天线元件从第一组元件和第二组元件同时生成两个远场模式，其中该两个远场模式同时在两个不同的接收波段中操作并且指向两个不同方向中的两个不同的源(处理块1502)。
在另一实施例中，一组元件中的其中一组通过正被发射的rf波激发，从而使用这些元件形成波束，而另一组元件通过正被接收的rf信号激发。以这种方式，天线被用于同时发射和接收。
天线元件
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的阵列。在一个实施例中，天线系统中的每个散射元件是由下导体、介质基板和上导体组成的晶胞的一部分，该上导体被嵌入蚀刻或沉积到上导体上的互补电感电容谐振器(“互补电lc”或“celc”)。
在一个实施例中，液晶(lc)被设置在散射元件周围的间隙中。液晶被封装在每个晶胞中，并将与缝隙相关联的下导体和与其贴片相关联的上导体分离。液晶具有介电常数，其是包括液晶的分子的取向的函数，并且分子的取向(并且因此介电常数)可以通过调节液晶上的偏置电压来控制。在一个实施例中，使用该性质，液晶集成了用于将能量从导波发射到celc的接通/断开开关。当被接通时，celc如电小偶极天线发出电磁波。注意的是，本文的教导内容不限于具有相对于能量发射以二元方式操作的液晶。
减小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(液晶通道的厚度)减小百分之五十(50％)导致速度增加四倍。在另一实施例中，液晶的厚度导致约十四毫秒(14ms)的波束切换速度。在一个实施例中，lc以本领域公知的方式掺杂以提高响应性，使得可以满足7毫秒(7ms)的要求。
在一个实施例中，这种天线系统的馈源几何形状允许天线元件与波馈源中的波矢量定位成45度角(45°)。元件的这个位置实现对由元件接收或由元件生成的自由空间波的控制。在一个实施例中，天线元件以小于天线的操作频率的自由空间波长的元件间隔布置。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为大约2.5mm(即，30ghz的10mm自由空间波长的1/4)。
在一个实施例中，两组元件彼此垂直并同时具有相等振幅激发。将它们相对于馈源波激发旋转+/-45度立刻实现两种期望的特征。将一组旋转0度并将其它组旋转90度可以实现垂直目标，但不能达到等幅激发目标。注意的是，如上所述，当从两侧馈送单个结构的天线元件阵列时，可以使用0和90度来实现隔离。
元件通过使用控制器向贴片施加电压被断开或接通。使用对每个贴片的轨迹来向贴片天线提供电压。使用该电压来调谐或解调电容，从而调节各个元件的谐振频率以实现波束形成。所需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，在该电压和饱和电压之上，电压的增加不会导致液晶的主要调谐。这两个特征参数可以针对不同的液晶混合物而改变。
在一个实施例中，使用矩阵驱动器向贴片施加电压，以便从所有其它晶格中分别驱动每个晶格，而无需要具有针对每个晶格的分别连接(直接驱动)。由于元件的密度高，所以矩阵驱动是单独地处理每个晶格的最有效的方法。
天线系统的控制结构有2个主要部件：包括用于天线系统的驱动电子装置的控制器位于波散射结构下方，而矩阵驱动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，其通过调节至该元件的ac偏置信号的幅度来调节每个散射元件的偏置电压。
在一个实施例中，控制器还包含执行软件的微处理器。控制结构还可包括传感器(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。位置和方向信息可通过地球站中的其它系统被提供给处理器，和/或可以不是天线系统的一部分。
更具体地，控制器控制在操作频率下哪些元件被断开，哪些元件被接通。通过电压施加，这些元件被选择性地解调以用于频率操作。
为了发射，控制器向rf贴片提供电压信号的阵列以生成调制或控制模式。控制模式使元件接通或断开。在一个实施例中，使用其中各种元件被接通和断开至不同的水平的多态控制，从而与方波相反地进一步近似正弦控制模式(即，正弦灰色调制模式)。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水平来实现可变辐射，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。
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)；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发点不同的距离处，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。
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模式数量，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°)的任何方向。因此，通过控制接通或断开哪些超材料晶格(即，通过改变接通哪些晶格以及断开哪些晶格的模式)，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个位置的速度。
在一个实施例中，两个交错天线的波束指向角由调制或指定哪些元件接通或断开的控制模式来限定。换言之，用于以期望的方式指向光束的控制模式取决于操作频率。
在一个实施例中，天线系统产生用于上行链路天线的一个可操纵波束和用于下行链路天线的一个可操纵波束。在一个实施例中，天线系统使用超材料技术接收波束、解码来自卫星的信号并且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操纵波束的天线系统(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。
图11a说明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1130包括可调谐缝隙1110的阵列。可调谐缝隙1110的阵列可以被配置成将天线指向所需的方向。每个可调谐缝隙可以通过改变跨越液晶的电压来调谐/调节。
控制模块1180联接到可重构谐振器层1130，以通过改变跨越图11a中的液晶的电压来调制可调谐缝隙1110的阵列。控制模块1180可包括现场可编程门阵列(“fpga”)、微处理器或其它处理逻辑。在一个实施例中，控制模块1180包括逻辑电路(例如，多工器)以驱动可调谐缝隙1110的阵列。在一个实施例中，控制模块1180接收包括待驱动到可调谐缝隙1110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操纵下行链路波束(以及如果天线系统执行发射，则操纵上行链路波束)。虽然没有在每个图中绘制，但是类似于控制模块1180的控制模块可驱动在本公开的附图中描述的可调谐缝隙的每一个阵列。
射频(“rf”)全息术也有可能使用其中当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，参考波束是诸如馈源波1105(在一些实施例中为约20ghz)的馈源波的形式。为了将馈源波转换成辐射波束(用于发射或接收目的)，在期望的rf波束(物体波束)和馈源波(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1110的阵列上作为衍射图案，使得馈源波被“转向”到期望的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源波“重建”根据通信系统的设计要求形成的目标波束。全息衍射图案包含每个元件的激发，并且通过
图11b说明根据本公开的实施例的可调谐谐振器/缝隙1110。可调谐缝隙1110包括虹膜部(iris)/缝隙1112、辐射贴片1111以及设置在虹膜部1112和贴片1111之间的液晶1113。在一个实施例中，辐射贴片1111与虹膜部1112共同定位。
图11c说明根据本公开的实施例的物理天线孔径的横截面视图。天线孔径包括接地平面1145和包含在可重构谐振器层1130中的虹膜层1133内的金属层1136。虹膜部/缝隙1112由金属层1136中的开口限定。馈源波1105可具有与卫星通信信道兼容的微波频率。馈源波1105在接地平面1145和谐振器层1130之间传播。
可重构谐振器层1130还包括衬垫层1132和贴片层1131。衬垫层1132被设置在贴片层1131和虹膜层1133之间。注意的是，在一个实施例中，间隔件可以代替衬垫层1132。虹膜层1133可以是包括铜层作为金属层1136的印制电路板(“pcb”)。可以在铜层中蚀刻开口以形成缝隙1112。在一个实施例中，在图11c中，虹膜层1133通过导电结合层1134导电联接到另一结构(例如，波导)。注意的是，在诸如图8所示的实施例中，虹膜层不通过导电结合层导电联接，而是利用非导电结合层接合。
贴片层1131也可以是包括作为辐射贴片1111的金属的pcb。在一个实施例中，衬垫层1132包括提供机械支座以限定金属层1136和贴片1111之间的尺寸的间隔件1139。在一个实施例中，间隔件为75微米，但可使用其它尺寸(例如，3至200毫米)。可调谐谐振器/缝隙1110包括贴片1111、液晶1113和虹膜部1112。用于液晶1113的腔室由间隔件1139、虹膜层1133和金属层1136限定。当腔室充满液晶时，贴片层1131可以被层压到间隔件1139上以密封谐振器层1130内的液晶。
贴片层1131和虹膜层1133之间的电压可被调制以调谐贴片和缝隙1110之间的间隙中的液晶。调节液晶1113上的电压改变缝隙1110的电容。因此，缝隙1110的电抗可以通过改变电容来改变。缝隙1110的谐振频率也根据等式
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。
对于市场的多孔径需求，本发明的实施例使用例如在于2014年11月21日提交的申请号为14/550,178，题为“动态极化和联接控制从可操纵的圆柱形馈送全息天线(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，题为“可重构天线的脊波导馈送结构(ridgedwaveguidefeedstructuresforreconfigurableantenna)”的美国专利申请中所描述的可重构的超材料技术。
图12a至图12d说明用于生成缝隙阵列的不同层的一个实施例。图12a说明具有对应于缝隙的位置的第一虹膜板(irisboard)层。参照图12a，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，其用于控制元件到馈源(馈源波)的联接。注意的是，该层为可选层，并不用于所有的设计中。图12b说明包含缝隙的第二虹膜板层。图12c说明第二虹膜板层上的贴片。图12d说明缝隙阵列的顶视图。
图13说明具有出射波的天线系统的另一实施例。参照图13，接地平面1302基本上平行于rf阵列1316，接地平面1302与rf阵列1316之间具有介电层1312(例如，塑料层等)。rf吸波材料1319(例如，电阻器)将接地平面1302和rf阵列1316联接在一起。同轴引脚1301(例如，50ω)馈送天线。
在操作中，馈源波通过同轴引脚1315馈送并同心地向外传播并与rf阵列1316的元件相互作用。
在操作中，馈源波通过同轴引脚1301馈送并同心地向外传播并与rf阵列1316的元件相互作用。
图13的天线中的圆柱形馈源改善了天线的扫描角度。在一个实施例中，天线系统具有在所有方向上距视线七十五度(75°)的扫描角度，而非正或负四十五度方位角(±45°az)以及正或负二十五度仰角(±25°e1)的扫描角度。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，其本身随角度变化。当使用常见的辐射元件时，整个天线增益通常会随着波束进一步偏离视轴而降低。在偏离视轴75度处，预期的是约6db的显著的增益降低。
示例性系统实施例
在一个实施例中，组合的天线孔径用于与机顶盒结合操作的电视系统中。例如，在双重接收天线的情况下，通过天线接收的卫星信号被提供给电视系统的机顶盒(例如，directv接收机)。更具体地，组合的天线操作能够在两个不同的频率和/或极化下同时接收rf信号。也就是说，元件的一个子阵列被控制成在一个频率和/或极化下接收rf信号，而另一个子阵列被控制成在不同的另一频率和/或极化下接收信号。这些频率或极化差异表现为由电视系统接收的不同的信道。类似地，两个天线阵列可以被控制成针对两个不同的波束位置，从两个不同的位置(例如，两个不同的卫星)接收信道以同时接收多个信道。
图14a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14a，天线1401包括如上所述的在不同的频率和/或极化下同时执行双重接收的可独立操作的两个空间交错的天线孔径。注意的是，虽然仅提到两个空间交错的天线操作，但是tv系统可具有多于两个的天线孔径(例如，3、4、5等天线孔径)。
在一个实施例中，包括其两个交错的缝隙阵列的天线1401联接到双工器1430。联接可包括一个或多个馈送网络，其接收来自两个缝隙阵列的元件的信号以生成馈送到双工器1430中的两个信号。在一个实施例中，双工器1430为市售的双工器(例如，购自a1微波的型号为pb1081wa的ku波段情景喜剧(sitcom)双工器)。
双工器1430联接到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的一对低噪声阻断降频转换器(lownoiseblockdownconverter(lnb))1426和1427。在一个实施例中，lnb1426和1427处于室外单元(odu)中。在另一实施例中，lnb1426和1427被集成在天线设备中。lnb1426和1427联接到被联接到电视1403的机顶盒1402。
机顶盒1402包括联接到lnb1426和1427的用以将从双工器1430输出的两个信号转换成数字格式的一对模数转换器(adc)1421和1422。
一旦被转换成数字格式，信号通过解调器1423解调并通过解码器1424解码以获得关于接收波的解码数据。然后，解码数据被发送到控制器1425，控制器1425将其发送到电视1403。
控制器1450控制包括在单个组合物理孔径上的两个天线孔径的交错的缝隙阵列元件的天线1401。
全双工通信系统的示例
在另一实施例中，组合的天线孔径用于全双工通信系统。图14b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。虽然仅示出了一个发射路径和一个接收路径，但是通信系统可包括一个以上的发射路径和/或一个以上的接收路径。
参照图14b，天线1401包括如上所述的独立地可操作以在不同频率下同时发射和接收的两个空间交错的天线阵列。在一个实施例中，天线1401联接到双工器1445。该联接可通过一个或多个馈送网络。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之间的连接是可以承载两个频率的单个宽波段馈送网络。
双工器1445联接到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的低噪声阻断降频转换器(lnb)1427。在一个实施例中，lnb1427处于室外单元(odu)中。在另一实施例中，lnb1427被集成到天线装置中。lnb1427联接到调制解调器1460，其联接到计算系统1440(例如，计算机系统、调制解调器等)。
调制解调器1460包括联接到lnb1427的用以将从双工器1445输出的接收信号转换为数字格式的模数转换器(adc)1422。一旦被转换成数字格式，信号通过解调器1423解调并通过解码器1424解码，以获得关于接收波的解码数据。然后，解码数据被发送到控制器1425，控制器1425将其发送到计算系统1440。
调制解调器1460还包括编码待从计算系统1440传输的数据的编码器1430。编码的数据通过调制器1431调制，然后通过数模转换器(dac)1432转换成模拟信号。然后，模拟信号通过buc(升频转换和高通放大器)1433滤波并被提供给双工器1433的一个端口。在一个实施例中，buc1433位于室外单元(odu)中。
以本领域公知的方式操作的双工器1445向天线1401提供发射信号用于发射。
控制器1450控制包括单个组合物理孔径上的两个天线元件阵列的天线1401。
注意的是，图14b所示的全双工通信系统具有包括但不限于互联网通信、车辆通信(包括软件更新)等的许多应用。
上面详细描述的一些部分以对计算机存储器内的数据位的操作的算法和符号表示来提供。这些算法描述和表示是数据处理领域的技术人员向本领域其他技术人员最有效地传达他们操作的实质使用的手段。算法在此通常被认为是产生期望结果的步骤的前后一致序列。步骤是需要物理量的物理操作的步骤。通常，这些物理量不一定采取能够被存储、传送、组合、比较和以其它方式操纵的电或磁信号的形式。主要出于通用的原因，有时将这些信号称为位、值、元件、符号、字符、术语、数字等被证明是方便的。
然而，应牢记，这些以及类似的术语全部要与适当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的便捷标记。如从以下讨论中显而易见的是，除非另有明确说明，否则理解的是，在整个描述中，使用诸如“处理”或“运算”或“计算”或“确定”或“显示”等术语的讨论是指计算机系统或类似的电子计算装置的动作和过程，其操纵并将在计算机系统的寄存器和存储器中表示为物理量(电子)量的数据转换成在计算机系统存储器或寄存器或其他此类信息存储、传输或显示装置内类似地表示为物理量的其他数据。
本发明还涉及一种用于执行此操作的设备。该设备可为所需目的而专门构建或者其可包括通过在计算机中存储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、磁或光卡的任何类型的磁盘，或适用于存储电子指令的任何类型的介质等计算机可读存储介质中，并且每个都联接到计算机系统总线。
此处提供的算法和显示器与任何特别计算机或其它设备不存在内在关系。各种通用系统可根据此处的教导与程序一起使用，或者可证明构建用于执行所需方法步骤的更专用的设备是便利的。从下文的描述中，将出现各个这些系统需要的结构。另外，不参考任何特定的编程语言来描述本发明。将理解的是，可使用各种编程语言来实现此处所描述的本发明的教导。
机器可读介质包括用于通过机器(例如，计算机)以可读取方式存储或者发送信息的任何机构。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；光存储介质；闪速存储器装置等。
尽管在已经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，但是应当理解的是，以说明方式示出和描述的任何特别的实施例决不是旨在被视为限制。因此，提到各个实施例的细节不旨在限制权利要求的范围，权利要求本身只记载那些视为是对于本发明必要的特征。
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