基于可變介電常數(shù)的天線和陣列的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種天線和天線陣。在夾置于兩個面板之間的可變介電常數(shù)材料上設(shè)置輻射元件和對應的饋線。該夾層結(jié)構(gòu)可以是LCD的形式?？梢愿淖儗Ь€下方的選定區(qū)域中的介電常數(shù)，以控制輻射元件的相位?？梢愿淖儗Ь€下方的選定區(qū)域中的介電常數(shù)，以控制輻射元件的諧振頻率。也可以改變導線下方的選定區(qū)域中的介電常數(shù)，以控制輻射元件的偏振。
【專利說明】基于可變介電常數(shù)的天線和陣列
[0001]本申請為分案申請，其原申請是于2008年11月24日(國際申請日為2007年5月18日)向中國專利局提交的專利申請，申請?zhí)枮?00780019018.4，發(fā)明名稱為“基于可變介電常數(shù)的天線和陣列”。
[0002]相關(guān)申請的交叉引用
[0003]本申請是如下申請的延續(xù)并主張享有其優(yōu)先權(quán):2006年5月24日提交的序列號為60/808187的美國申請、2006年11月17日提交的序列號為60/859667的美國申請、2006年11月17日提交的序列號為60/859799的美國申請、2007年2月16日提交的序列號為60/890456的美國申請、2007年4月3日提交的序列號為11/695913的美國申請以及2007年5月10日提交的序列號為11/747148的美國申請，通過引用將所有這些申請的公開內(nèi)容全文并入于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本發(fā)明總的領(lǐng)域涉及ー種獨特的電磁天線，可以將其用于輻射型或非輻射型電磁裝置。本發(fā)明的實施例總體上涉及天線結(jié)構(gòu)，更具體而言涉及具有LCD上構(gòu)造的輻射元件的天線結(jié)構(gòu)以及具有這種輻射元件的陣列的天線。
【背景技術(shù)】
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中已知有多種用于接收和發(fā)射電磁輻射的天線。從物理上講，天線由導體制成的輻射元件構(gòu)成，輻射元件響應于所施加的電場和相關(guān)聯(lián)的磁場產(chǎn)生輻射性電磁場。該過程是雙向的，即，當放置于電磁場中時，電磁場將在天線中誘發(fā)交變的磁場，在天線端子之間會產(chǎn)生電場。饋線或傳輸線或網(wǎng)絡(luò)在天線和收發(fā)機之間傳送信號。饋送網(wǎng)絡(luò)可以是不同類型的傳輸線、彎頭(bend)、功率分配器、濾波器，還可以包括天線耦合網(wǎng)絡(luò)和/或波導。天線陣是指耦合到公共的電源或負載以產(chǎn)生定向輻射圖案的兩個或更多天線。各天線之間的空間關(guān)系影響到天線的方向性。一般而言，天線陣基本上適用空間世界中的抽樣定理，因此可以通過設(shè)計諸如喇叭天線、反射器或任何其他形狀的開放孔徑的任何孔徑天線，利用由某種元件構(gòu)成的陣列來產(chǎn)生類似的輻射圖案和増益，所述某種元件為基本天線元件，布置成柵格、矩形或其他形狀，元件之間具有預定的間隔。
[0006]盡管本文所公開的天線是一般性的天線，且可以用于大量的應用，但能夠從該主題天線受益巨大的ー種特定應用是固定和移動設(shè)置下對衛(wèi)星電視的接收(直接廣播衛(wèi)星或“DBS”)。對于固定DBS而言，接收是利用指向同步衛(wèi)星的定向天線實現(xiàn)的。在移動DBS中，天線位于運動的交通工具(地面上、水中或空中)上。在這種情況下，由于交通工具是運動的，因此要不斷地將天線指向衛(wèi)星。使用各種機構(gòu)而在運動期間使天線跟蹤衛(wèi)星，例如機動化的機構(gòu)和/或使用相移天線陣。更多關(guān)于移動DBS的一般信息例如可以在美國專利6529706中找到，通過引用將其并入本文。
[0007]—種已知的ニ維波束調(diào)向天線使用的是相控陣設(shè)計，其中，陣列的每個元件都具有移相器和連接到其上的放大器。平面天線陣的典型陣列設(shè)計使用的是微帶技術(shù)或開槽波導技術(shù)(參見例如美國專利5579019)。對于微帶技術(shù)來說，天線效率隨著天線尺寸的增大而大大降低。對于開槽波導技術(shù)來說，系統(tǒng)合并了復雜的部件和彎頭以及非常窄的槽，在制造過程中必需要嚴格地控制所有這些的尺度和幾何形狀。移相器和放大器用于提供ニ維半球形覆蓋范圍。然而，移相器成本高昂，尤其是如果相控陣包括很多元件，則總的天線成本可能相當高。而且，移相器需要獨立的復雜控制電路，這導致了成本和系統(tǒng)復雜性過大。
[0008]ー種被稱為GBS (全球廣播業(yè)務)的類似于DBS的技術(shù)使用現(xiàn)有的商用現(xiàn)貨供應技術(shù)，通過衛(wèi)星向與美國政府相關(guān)的各種用戶群體提供寬帶數(shù)據(jù)和實時視頻。由uommunication-Eiectronics Commana's Space and Terrestrial しommunicationsDirectorate的Space Technology Branch開發(fā)的GBS系統(tǒng)使用的是具有機械化跟蹤系統(tǒng)的開槽波導天線。盡管天線被說成具有小的外形輪廓——在沒有天線罩(雷達天線罩)的情況下“僅”伸展到14英寸的高度——其尺寸可以被軍事應用所接受，但對于消費應用而言不可接受，例如不能用于私人汽車。對于消費應用而言，天線的外形輪廓應該小到不致降低車輛美觀且顯著増大其阻力系數(shù)的程度。
[0009]當前的移動系統(tǒng)昂貴而復雜。在實際的消費產(chǎn)品中，尺寸和成本是主要因素，而顯著降低尺寸和成本是困難的。除了成本之外，已知系統(tǒng)的移相器會固有地給相應的系統(tǒng)帶來損耗(例如3dB或更大損耗)，于是為了補償該損耗需要顯著增大天線的尺寸。在特定情況下，例如對于DBS天線系統(tǒng)而言，尺寸會達到4英尺乘4英尺，對于消費應用而言這很不實用。
[0010]從以上論述可以認識到，為了開發(fā)消費者使用的移動DBS或GBS系統(tǒng)，必需至少要解決以下問題:提高信號收集的效率，減小尺寸并降低價格。目前的天線系統(tǒng)對于商業(yè)應用來說相對太大，具有收集效率的問題，且定價在幾千甚至幾萬美元，因此遠未達到普通消費者的要求。通常，這里討論的效率是指天線收集天線所接收的射頻信號并將其轉(zhuǎn)換成電信號的效率。這個問題是任何天線系統(tǒng)都共有的，本文提供的方案為用于任何應用的無論固定或移動的天線系統(tǒng)解決了這個問題。
[0011]有幾種類型的微帶天線(也稱為印刷天線)，最常用的是微帶貼片天線或貼片天線。貼片天線是ー種通過在結(jié)合到絕緣基板的金屬跡線中蝕刻天線元件圖案來制造的窄帶寬波束天線。ー些貼片天線不用基板，利用電介質(zhì)間隔體將金屬貼片懸置于地平面上的空中；所得的結(jié)構(gòu)不太魯棒，但實現(xiàn)了更好的帶寬。因為這種天線的外形輪廓非常小，機械性能強且可以適應形狀要求，所以常常將它們安裝在飛行器和航天器外部上或結(jié)合到移動無線電通信裝置中。
[0012]貼片天線固有的優(yōu)點是能夠具有偏振分集。利用多個饋電點或具有不對稱貼片結(jié)構(gòu)的單個饋電點可以容易地將貼片天線設(shè)計成具有垂直、水平、右旋圓(RHCP)或左旋圓(LHCP)偏振。這種獨特的性質(zhì)使得貼片天線能夠用在可能具有不同要求的很多區(qū)域類型的通信鏈路中。
[0013]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)微帶天線的范例。如圖1所示，在電介質(zhì)130上設(shè)置四個導電貼片105-120。在電介質(zhì)130下方設(shè)置底部“公共”地導體，但圖1中未示出。導電線105’ -120’提供通往干線140的電連接，干線140連接到中心饋線145。
[0014]液晶顯示器(一般縮寫成IXD)是ー種由光源或反射器前呈陳列布置的任意數(shù)量的彩色或単色像素構(gòu)成的薄平板顯示裝置。LCD的每個像素由兩個透明電極之間對齊的ー層垂直分子以及偏振軸彼此垂直的兩個偏振濾光器構(gòu)成。當偏振濾光器之間沒有液晶時，通過ー個濾光器的光將被電極阻擋。對與液晶材料接觸的電極表面進行處理以沿特定方向排列液晶分子。這種處理典型地包括利用布料單向摩擦薄的聚合物層(液晶排列方向由摩擦方向確定)。
[0015]在施加電場之前，由表面處的排列決定液晶分子的取向。在扭轉(zhuǎn)向列裝置(最常見的液晶裝置)中，兩個電極處的表面排列方向是垂直的，因此分子以螺旋形結(jié)構(gòu)或扭曲的結(jié)構(gòu)布置它們自己。因為液晶材料是雙折射的，通過ー個偏振濾光器的光在通過液晶層時被螺旋狀液晶轉(zhuǎn)動，從而允許其通過第二偏振濾光器。一半的光被第一偏振濾光器吸收，但從別的方面來看整個部件卻是透明的。
[0016]當跨越電極施加電壓時，轉(zhuǎn)矩發(fā)生作用，使液晶分子平行于電場排列，扭曲了螺旋形結(jié)構(gòu)(這受到弾性力的抵抗，因為分子被束縛在表面)。這樣減小了入射光偏振的旋轉(zhuǎn)程度，裝置看起來成為灰色。如果所施加的電壓足夠大，使液晶分子完全不再扭曲，則在入射光通過液晶層時其偏振根本不會旋轉(zhuǎn)。那么該光將垂直于第二濾波器偏振，于是被完全阻擋，像素將呈現(xiàn)為黑色。通過控制跨過每個像素中的液晶層施加的電壓，可以允許光通過不同的量，從而相應地照明該像素。
[0017]圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)IXD的截面。如圖2所示，IXD200包括:可以是玻璃的后面板205 ;通常也由玻璃制成的前面板210 ;位于兩個面板之間的液晶215 ;可以是銦/鈦/氧化物(IT0)、鋁等的背電極220 ;以及耦合到電勢230且一般由ITO制成的前電極225?？梢詥为毜叵蛎總€電極225施加電勢230。在將電勢施加到電極225時，其下方的液晶改變其取向，由此改變了加電電極和對應于前電極該區(qū)域的背電極部分之間的局部介電常數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]提供如下
【發(fā)明內(nèi)容】
是為了提供對本發(fā)明ー些方面和特征的基本理解。本
【發(fā)明內(nèi)容】
不是本發(fā)明的全面概述，因此并非意在特別地指定本發(fā)明的關(guān)鍵要素或限定本發(fā)明的范圍。其唯一目的是以簡化形式提供本發(fā)明的ー些概念，作為以下要給出的更詳細說明的前序。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的多個方面，提供了一種ー維或ニ維電子掃描天線，其無需任何移相器或低噪聲放大器(LNA)。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的多個方面，提供了一種新穎的具有輻射元件的掃描天線陣，這種掃描天線陣提供了高轉(zhuǎn)換效率，同時小巧、簡單且制造成本低廉。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的多個方面，提供了ー種具有設(shè)置于LCD結(jié)構(gòu)上的輻射元件陣列的新穎的掃描天線陣。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的多個方面，提供了一種新穎的天線，其包括:后面板，所述后面板具有設(shè)置在其表面上的導電層；頂面板；可變介電常數(shù)材料，所述可變介電常數(shù)材料夾置在所述后面板和所述頂面板之間；設(shè)置于所述頂面板上的至少ー個輻射元件；以及至少一條導線，所述導線設(shè)置在所述頂面板上且耦合到所述至少一個輻射元件。所述可變介電常數(shù)材料可以包括液晶。所述后面板和所述頂面板可以包括絕緣材料。所述天線還可以包括至少ー個設(shè)置于所述頂面板上的電極；設(shè)置于所述電極上的絕緣層；并且其中所述至少ー個輻射元件和所述至少一條導線設(shè)置于所述絕緣層上。所述可變介電常數(shù)材料可以設(shè)置于限定區(qū)域中。所述公共電極、后面板、液晶、頂面板和電極可以構(gòu)成液晶顯示器。所述天線還可以包括耦合到所述至少ー個電極的電源。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的其他方面，提供了一種掃描天線陣，包括:后面板；頂面板；夾置在所述后面板和所述頂面板之間的多個可變介電常數(shù)材料區(qū)域；設(shè)置于所述頂面板上的多個輻射元件；多條導線，所述多條導線設(shè)置于所述頂面板上且均耦合到所述多個輻射元件中的相應ー個，每條所述導線都橫跨所述多個區(qū)域中的至少ー個。每個所述區(qū)域還可以包括電極。所述天線還可以包括設(shè)置于所述電極上的絕緣層；并且所述輻射元件和所述導線可以設(shè)置于所述絕緣層上?？梢允顾龆鄠€區(qū)域中的至少ー個的介電常數(shù)與至少ー個其他區(qū)域的介電常數(shù)不同。每個所述電極可以耦合到電源。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的其他方面，提供了一種制造天線的方法，包括:設(shè)置后面板；設(shè)置頂面板；在所述后面板和所述頂面板之間夾置可變介電常數(shù)材料；在所述頂面板上設(shè)置至少一個輻射元件；在所述頂面板上設(shè)置至少一條導線并將所述導線耦合到所述輻射元件。所述夾置步驟可以包括在多個區(qū)域中夾置所述可變介電常數(shù)材料。所述方法還可以包括設(shè)置多個電極，每個電極都設(shè)置于所述多個區(qū)域中的相應ー個上；以及在所述電極與所述至少一個輻射元件和所述導線之間設(shè)置電介質(zhì)層。所述夾置可變介電常數(shù)材料的步驟可以包括在多個區(qū)域中夾置液晶。所述設(shè)置后面板、設(shè)置頂面板以及在所述后面板和所述頂面板之間夾置可變介電常數(shù)材料的步驟可以構(gòu)成提供液晶顯示器的過程。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的其他方面，通過包括如下步驟的過程制造天線:設(shè)置后面板；設(shè)置頂面板；在所述后面板和所述頂面板之間夾置可變介電常數(shù)材料；在所述頂面板上設(shè)置至少ー個輻射元件；在所述頂面板上設(shè)置至少一條導線并將所述導線耦合到所述輻射元件。所述制造過程還可以包括:在多個區(qū)域中夾置所述可變介電常數(shù)材料，其中在所述至少一條導線中的每一條下方設(shè)置至少ー個區(qū)域。所述制造過程還可以包括:設(shè)置多個電極，每個電極都設(shè)置于所述多個區(qū)域中的相應ー個上；在所述電極與所述至少一個輻射元件和所述至少一條導線之間設(shè)置電介質(zhì)層。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]附圖被并入本說明書并構(gòu)成其一部分，附圖示范了本發(fā)明的實施例并與說明書ー起來解釋和例示本發(fā)明的原理。附圖意在以圖解方式例示示范性實施例的主要特征。附圖并非要繪示出實際實施例的每個特征以及所示元件的相對尺寸，并且附圖也不是按比例繪制的。
[0027]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)微帶天線的范例。
[0028]圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)IXD的截面。
[0029]圖3A示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的掃描天線的范例，而圖3B示出了圖3A中由虛線圓所示的放大區(qū)域的截面。
[0030]圖3C示出了利用LCD控制介電常數(shù)的實施例的截面。
[0031]圖4示出了具有雙路饋線的單個貼片微帶天線，設(shè)置雙路饋線是為了提供雙重圓偏振。
[0032]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實施例利用合并饋線的掃描陣列。
[0033]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實施例具有串行饋線的掃描天線陣。【具體實施方式】
[0034]本發(fā)明的各種實施例一般涉及到設(shè)置于LCD結(jié)構(gòu)上的輻射元件的結(jié)構(gòu)和它們的饋線，以及掃描天線陣和引入這種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。在各種實施例描述的上下文中，用于本發(fā)明的天線的LCD結(jié)構(gòu)不需要包括光源。例如，可以結(jié)合固定和/或移動平臺來使用這里所述的各種實施例。當然，這里所述的各種天線和技術(shù)可以具有這里未特別提及的其他應用。移動應用例如可以包括集成到地面、海洋或空中交通工具中的移動DBS或VSAT。各種技術(shù)也可以用于雙向通信和/或其他只接收的應用。
[0035]圖3A示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的掃描天線的范例，而圖3B示出了圖3A中由虛線橢圓所示的放大區(qū)域的截面。如圖3A所示，在電介質(zhì)330上設(shè)置包括元件305-320的微帶陣列。導線305’-320’通往干線340，干線耦合到源345。如圖3B所示，在諸如液晶的可變電介質(zhì)材料350上設(shè)置電介質(zhì)330,可變電介質(zhì)材料350由后面板355夾置,后面板可以是玻璃。利用這種構(gòu)造，可以將微帶陣列用作掃描天線陣。亦即，如虛線矩形所示，通過獨立改變每根饋線305’ -320’下方的材料350的介電常數(shù)，可以在陣列元件305-320的輻射之間引入相位延遲。
[0036]更具體而言，相位O可以被表示為:
[0037
【權(quán)利要求】
1.ー種電子掃描天線，包括: 液晶顯示器(LCD)，其包括:背電極、多個像素以及分別耦合到電勢源的多個透明電極； 設(shè)置在所述LCD之上的輻射元件的陣列，各輻射元件均與耦合到饋電點的導線相關(guān)聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子掃描天線，其中所述輻射元件的陣列包括ニ維陣列結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子掃描天線，其中所有的所述導線都耦合到主饋線，而所述主饋線稱合到所述饋電點。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子掃描天線，其中所述背電極耦合到公共電勢。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子掃描天線，其中每個所述輻射元件包括貼片微帯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子掃描天線，其中每個所述輻射元件由兩條導線從兩面饋電。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子掃描天線，其中所述導線包括串行饋線。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子掃描天線，其中所述導線包括雙路饋線，所述雙路饋線被設(shè)置用于提供雙重圓偏振。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子掃描天線，其中每個所述輻射元件包括印刷天線。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子掃描天線，其中所述輻射元件的陣列被設(shè)置成耦合到合并饋線的線性陣列。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子掃描天線，其中所述輻射元件的陣列被設(shè)置成具有串行饋線的ニ維陣列，并且其中所述輻射元件經(jīng)由所述導線耦合在一起。
12.一種制造天線的方法，包括: 提供液晶顯示器(LCD)，其包括:背電極、多個像素以及被配置為分別耦合到電勢源的多個透明電極； 在所述LCD之上形成至少ー個輻射元件； 在所述LCD之上形成至少一條導線并將所述導線耦合到所述輻射元件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中形成至少ー個輻射元件包括形成輻射元件的陣列。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中形成輻射元件的陣列包括形成ニ維陣列結(jié)構(gòu)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中形成至少一條導線包括形成多條導線和主饋線，并且將所述導線耦合到所述主饋線。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中形成輻射元件的陣列包括形成印刷天線。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中形成輻射元件的陣列包括形成貼片微帯。
【文檔編號】H01Q9/04GK103560324SQ201310524493
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2007年5月18日 優(yōu)先權(quán)日:2006年5月24日
【發(fā)明者】D·D·哈茲扎 申請人:D·D·哈茲扎