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TWI793435B - 以質量傳遞技術製備之超材料表面天線 - Google Patents

以質量傳遞技術製備之超材料表面天線 Download PDF

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TWI793435B
TWI793435B TW109127755A TW109127755A TWI793435B TW I793435 B TWI793435 B TW I793435B TW 109127755 A TW109127755 A TW 109127755A TW 109127755 A TW109127755 A TW 109127755A TW I793435 B TWI793435 B TW I793435B
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默森 撒爵格
卡達斯 維洛
雅巴迪 撒也 默和穆德 阿鳴 默曼尼 哈撒
史帝芬 霍華德 林恩
惠森 艾斯法蘭妮
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Abstract

本發明揭示一種單位單元，其可用於一超材料表面、超材料或波束成形天線。該單位單元包含附接至一基板之一金屬層。該金屬層界定用於該單位單元之一膜片開口。一或多個可調諧電容裝置定位於該膜片開口內或跨該膜片開口。各可調諧電容裝置將調諧該單位單元之諧振頻率。質量傳遞技術或自組裝程序可用於定位該等可調諧電容裝置。

Description

以質量傳遞技術製備之超材料表面天線
本發明之實施例係關於無線通信；更特定言之，本發明之實施例係關於利用以質量傳遞技術製造之裝置之無線天線。
超材料表面天線最近作為一種新技術而出現，該技術用於自一輕便、低成本及平坦實體平台產生定向波束。此等超材料表面天線最近已在許多應用(諸如(例如)衛星通信)中使用。
超材料表面天線可包括超材料天線元件，其可選擇性地耦合來自一饋送波之能量以產生可經控制用於通信之波束。此等天線能夠自一廉價且易於製造之硬體平台實現與相控陣列天線相當之效能。
藉由使用與相控陣列相比更簡單之元件，一超材料表面之操作更加容易及快捷。然而，此等元件未展現相控陣列架構所共有之相同於可以移相器及放大器達成之控制位準。基於超材料表面之天線之一些實施方案不提供對陣列中各個別元件之量值及相位之獨立控制。有時需要此控制。
單位單元、單元之旋轉、陣列、可調諧電容裝置、孔、孔段、樣板、製造之組裝及自組裝方法、質量傳遞技術、驅動電路系統、超材料表面天線、超材料天線、波束成形天線、總成及組件之各種實施例在本文中描述。
一個實施例係一種用於一超材料表面、超材料或波束成形天線之單位單元。該單位單元具有一基板及附接至該基板之一金屬層。該金屬層界定一膜片開口。一或多個可調諧電容裝置定位於該膜片開口內或跨該膜片開口。各可調諧電容裝置用於調諧該單位單元之諧振頻率。
一個實施例係一種天線。該天線具有界定一天線孔徑之一或多個基板。該天線孔徑具有複數個單位單元。各單位單元具有附接至該一或多個基板之一部分之一金屬層。該金屬層界定一膜片開口。一或多個可調諧電容裝置定位於該膜片開口內或跨該膜片開口。各可調諧電容裝置針對該單位單元之諧振頻率可調諧。該一或多個可調諧電容裝置跨該天線孔徑之至少一部分具有一致定向。
一個實施例係一種製造一天線、一天線之組件或電子掃描陣列之方法。該方法包括將單位單元放置於該基板上。各單位單元具有附接至該基板之一金屬層且界定一膜片開口。一或多個可調諧電容裝置定位於該膜片開口內或跨該膜片開口。各可調諧電容裝置將調諧該單位單元之諧振頻率。該方法包含附接該一或多個可調諧電容裝置作為完成該複數個單位單元之各者之部分。
一個實施例係一種使用質量傳遞技術製造一電子掃描陣列之方法。該方法包含提供具有一金屬層之一基板。該金屬層附接至該基板，且界定膜片開口。一自組裝程序用於相對於該等膜片開口之各者對準一或多個可調諧電容裝置。在相對於該等膜片開口對準時，該一或多個電容裝置耦合至該基板。
將自以下結合附圖之詳細描述將明白實施例之其他態樣及優點，該等附圖藉由實例繪示所描述實施例之原理。
本申請案係2019年8月15日申請且題為「Metasurface Antennas Manufactured with Mass Transfer Technologies」之美國臨時專利申請案第62/887,239號之一非臨時申請案並主張其權益，該案之全文以引用的方式併入本文中。
本文在各種實施例中描述一種用於超材料表面或超材料天線之超材料表面元件且更明確言之可調諧組件之經改良設計。本文在各種實施例中描述一種用於製造超材料表面或超材料天線之超材料表面元件且更明確言之可調諧組件之方法。各種設計用於基板上之膜片開口及單位單元之陣列，且使用二極體作為變容二極體來調諧膜片開口之諧振頻率。一超材料表面或超材料天線中超材料表面元件之設計及放置決定天線之功能及效能。
大體上描述，本申請案之態樣對應於與可調諧超材料表面天線(諸如用於全像波束形成中)有關之系統、方法及設備。超材料表面天線可以質量傳遞技術製造。繪示性地，質量傳遞可包含多種不同方法及技術以製造具有離散組件之高解析度直視顯示器。質量傳遞技術將允許在一一次放置活動中將數千或數百萬個組件或封裝(諸如可調諧組件)傳遞至一基板上以應用於射頻(「RF」)應用。此一方法有助於使用離散組件之大規模擴展。無限制地，可調諧組件可包含(但不限於)微機電系統(「MEMS」)、變容二極體、PIN二極體、MOSFET/BJT/HEMT、雙二極體(變容二極體)及鐵電二極體。
本申請案之態樣係關於質量傳遞技術及技術對天線製造之應用。在一個態樣中，質量傳遞技術之應用對應於天線設計。為了實施離散變容二極體或其他可調諧組件，依允許實施離散組件之一方式設計天線陣列或天線元件。同時，考慮天線之效能參數，諸如(例如)但不限於輻射效率。下文將詳細描述若干天線元件設計。
在另一態樣中，將質量傳遞技術及技術之應用應用於偏壓電路系統。一可調諧超材料表面天線併入一偏壓網路，該偏壓網路可控制陣列上之天線元件，諸如對天線元件之個別控制。一超材料表面天線之組件及其相關聯位置經設計為不干擾天線之射頻(RF)信號。下文將詳細描述若干偏壓電路系統組件。
在一進一步態樣中，質量傳遞技術及技術之應用可對應於整合及拓撲方法。整合及拓撲方法通常對應於促進大量製備天線之組件之互通性。下文將針對單層基板、多層板以及一單一基板上之多層薄膜描述若干整合及拓撲方法。
在另一態樣中，質量傳遞技術及技術之應用會影響可擴展性，且下文將詳細描述若干可擴展性態樣。
在一個實施例中，一超材料天線具有離散可調諧天線元件，其與來自不同程序之微米或毫米級零件組裝在一起。例如，在一個實施例中，需要將在GaAs基板上產生之二極體組裝至具有一TFT (薄膜電晶體)矩陣之一玻璃基板上。可以其中將個別離散組件放置於一基板上之一傳統拾放方法來完成此一組裝。例如，可用一機械臂拾取個別組件並將其放置於玻璃基板上之一組裝位點上。然而，傳統拾放方法對應於需要一長組裝時間及高成本之一串列組裝程序。拾放方法效率低，尤其係對於小且薄零件，其中歸因於靜電力、凡德瓦相互作用或表面張力，會出現非所要黏著。另外，當未將待組裝之特徵相對於矩形網格放置時，一串列拾放方法變得慢得多。對於一超材料表面或超材料天線，此係一個嚴重問題，因為天線特徵在一徑向網格中重複。
在其他實施例中，離散元件可依一並行程序組裝，其通常指稱為「自組裝」。自組裝係一隨機程序，其中將能量(例如攪動)應用於系統以創建自由零件，例如在一玻璃基板上移動之未組裝零件，該等零件將與其等周圍環境相互作用以找到一低能量狀態，例如零件在一玻璃基板上組裝成與其等形狀匹配之溝槽。自組裝程序亦不依賴於一矩形網格才有效操作。天線設計
在一個態樣中，多個天線單位單元設計包含一膜片開口(或狹槽)及貼片作為核心天線組件。一超材料表面或超材料天線具有許多此等膜片開口及單位單元，例如一陣列(或多個陣列)之膜片開口及單位單元。參考圖1A及圖1B，一單位單元加載(連接)一二極體，以使單位單元之諧振頻率可調諧。即，二極體調諧單位單元。一偏壓線用於將所需調諧電壓帶至變容二極體。鍍通孔用作二極體與膜片金屬化層之間的一電氣RF連接，以及用於二極體之一DC連接接地。注意，儘管遍及說明書使用術語「連接(connection)」及「連接(connected)」，但經連接之組件可與一或多個其他中間元件耦合在一起，同時仍具有一電連接。
圖1A係用於一超材料表面天線之一實施例之藉由使用偏壓電極110及通孔106來實施及調諧之一單位單元設計的一橫截面圖。在此實施例中，一二極體102操作為一變容二極體(即一可變、電壓控制電容器)以調諧單位單元之諧振頻率。在一個實施例中，二極體102之一個端子使用通孔106通過基板108連接至膜片金屬114，且二極體之另一端子連接至一貼片電極104。跨二極體102之此等兩個端子施加之電壓控制變容二極體之電容。在一個實施例中，貼片電極104及連接至貼片電極104之一偏壓電極110兩者安裝至基板108 (例如，玻璃、可撓性基板、印刷電路板(PCB))，其中二極體102連接至貼片電極104及通孔106之頂部之一部分，且因此二極體102耦合至基板108但與基板108間隔開。膜片金屬114附接至基板108之底部並形成二極體102下方之一膜片開口(或狹槽) 112。
在操作中，可通過降低二極體102 (例如一變容二極體)上之一電壓來控制圖1A之各單位單元以及本文中之其他單位單元設計之有效電磁性質，該二極體102用作用於一RF輻射天線元件之一電壓可調諧電容器。改變二極體電壓導致電容之一改變，其繼而改變諧振器(即天線元件)之諧振。換言之，改變二極體電壓產生輻射天線元件之有效電容之變化，且有效電容之變化改變輻射元件之行為。依此方式，變容二極體係用於波束形成中之輻射天線元件之一調諧元件。因此，調整二極體之電壓調整天線元件之諧振以實現波束形成。
圖1B係用於一超材料表面天線之一實施例之圖1A之單位單元設計的一俯視圖。二極體102橫越形成於附接至基板108 (亦參見圖1A)之膜片金屬114中之一膜片開口112。在一些實施例中，膜片開口112係具有平行側面及圓形端部之一細長形狀，類似於一細長平坦橢圓形。替代地，膜片開口112不具有圓形端部及/或平行側面。可為進一步實施例設計一膜片開口112之進一步形狀。連接至二極體102之一個端子之貼片電極104位於膜片開口112之一側，且連接至二極體102之另一端子之通孔106位於膜片開口112之相對側。為避免在膜片開口112處干擾RF波，連接至貼片電極104之偏壓電極110亦位於膜片開口112之一側，且不穿過膜片開口112。
在圖2、圖3A、圖3B及圖3C中繪示一單位單元設計之替代實施例。圖2中所展示之實施例併入通孔。圖1B亦可使用通孔實施。圖3A、圖3B及圖3C中所繪示之實施例不包含將一二極體耦合至膜片金屬層之通孔。消除通孔可促進製造效率及成本。
圖2係使用通孔106之一單位單元設計的一俯視圖。此設計特徵化端對端或背對背且垂直於膜片開口112並橫越膜片開口112的兩個二極體102。兩個二極體102各使一個端子連接至貼片電極104 (在貼片層上)，其接著連接至偏壓電極110。在一個實施例中，偏壓電極110自膜片開口112之中心在長度方向上向下延伸膜片開口之中間並經過膜片開口112之一個細長端。在此配置中，膜片開口112及兩個二極體102關於偏壓電極110對稱。各二極體102之另一端子使用一通孔106 (即，兩個通孔106，一者至膜片開口112之各側)連接至一各自膜片金屬。在此組態中，作為變容二極體之兩個二極體102產生兩個串聯之電容器，各變容二極體具有電容C，經組合之電容可視作電容之一半，C/2。此電路之操作類似於一單一變容二極體組態。各電容之值可加倍，使得組合電容值與一單一變容二極體相同。雙變容二極體設計之一個主要優點係可插入一偏壓線而不影響RF特性。其他設計具有一電阻偏壓線以使DC電路與RF解耦。
圖3A係無需通孔之一單位單元設計的一俯視圖。在此設計中，一二極體102沿一膜片開口112、平行於一膜片開口112且在一膜片開口112之中間在長度方向上定向。存在兩個具有一貼片層之貼片電極104，一個貼片電極104連接至二極體102之各端及各自端子。存在兩個偏壓電極110，各偏壓電極110連接至各各自貼片電極104且沿中心線在長度方向上延伸並經過膜片開口112之各自端。
圖3B係無需通孔之一進一步單位單元設計的一俯視圖。類似於圖2中之單位單元設計，此設計特徵化端對端連接且橫越膜片開口112之兩個二極體102。沿膜片開口112之一中心線延伸之一個偏壓電極110連接至連接至一電極302之一貼片電極，該電極302亦沿中心線連接至二極體102之相對端子。二極體102之相對端子各具有至一各自貼片電極104及偏壓電極110之一連接，其中此等偏壓電極110平行於中心線偏壓電極110但平行於膜片開口112之任一側。
圖3C係無需通孔之一進一步單位單元設計的一俯視圖。類似於圖1A及圖1B中之單位單元設計，此單位單元設計特徵化橫越一膜片開口之一單一二極體102。二極體102之各端子具有至一各自貼片電極104及偏壓電極110之一連接。此等兩個偏壓電極110平行於膜片開口112並延伸至膜片開口112之任一側且不經過膜片開口112或依其他方式遮蓋膜片開口112。
在一些實施例中，將一質量傳遞技術用於各種超材料表面天線之挑戰之一者係天線具有一陣列之單位單元，其中各單位單元具有一任意旋轉。然而，在二極體製造中，創建具有成千上萬個任意旋轉之二極體之晶圓可具挑戰性且昂貴的。一替代方法係在晶圓上使用具有一致定向之二極體且使拾放或質量傳遞技術在二極體傳遞時旋轉其等。然而，此技術亦可非常具挑戰性、緩慢且昂貴的。
圖4係一半圓形盤單元之一俯視圖，該半圓形盤單元使得二極體旋轉貫穿一陣列之定向上一致，而單位單元之各者之剩餘者(包含由膜片金屬界定之膜片)能夠具有一不同旋轉。例如，如圖4中所展示，在單位單元之具有不同旋轉之多個放置中，二極體404全部彼此平行定向，即，具有一共用恆定零度二極體旋轉(或在進一步實施例中，一些其他恆定量之二極體旋轉)。在一個實施例中，全部由膜片金屬形成之膜片開口402及電極406在單位單元中相對於彼此處於恆定定向，且單位單元針對一陣列之天線(或天線之一組件)中之各種放置而旋轉。例如，膜片金屬界定稱為膜片開口402之一開口，並界定電極406，其中在單位單元之各放置或例項中，自如圖4中所展示之電極406之一金屬層之一圓形或圓形部分移除金屬材料。
更明確言之，圖4之單位單元設計在晶圓上或在傳遞程序期間無需二極體404之一旋轉。在一個實施例中，此單位單元併入兩個電極406，其等具有半圓盤之形狀，在其等之間具有一間隙。使用此單元設計允許在改變單位單元之旋轉時保持二極體404之定向不變。在單元之任何任意旋轉中，二極體橋接在兩個半圓盤、電極406之間，且二極體404之一旋轉並非必需的。對於待貫穿一陣列放置之多個單位單元之各者，不同旋轉可導致諧振頻率之一變化，該變化可通過訂製之膜片長度(即膜片開口402之長度)補償。晶圓上之二極體404之一致定向簡化二極體404至一陣列之單位單元中之單位單元之質量傳遞及對準以使得所有二極體404能夠在製造期間放置，特別係在使用一直線陣列放置技術之情況下，即使膜片開口(及因此天線元件)處於不同旋轉下，以具相同定向。
在另一實施例中，可使用圖5A、圖5B及圖5C中所展示之圓形離散部分(例如二極體)。此係具有電極襯墊之一旋轉對稱部件，該等電極襯墊亦係旋轉對稱的。此一圓形部件可製造為不具有一封裝之一圓形二極體(參見圖5B)或封裝於一圓形封裝中之一習知矩形二極體晶粒(參見圖5C)。
圖5A係一圓形二極體之一仰視圖。此圓形部分在零件邊界506內具有旋轉對稱之接合襯墊。二極體之一個端子可用於在圓形部分之中心處之一接合襯墊(即圓形接合襯墊-1 502)處連接。二極體之另一端子可用於在圓形部分之一環形處之一接合襯墊(即環形接合襯墊-2 504)處連接。
在替代實施例中，圓形二極體具有一接面二極體或一金屬-絕緣體-半導體(MIS)二極體結構。此可藉由訂製摻雜分佈及/或絕緣體/電極位置來完成。圖5B係一未封裝之圓形二極體之一橫截面圖。存在兩個圓形二極體實施例，一接面二極體508及一MIS (金屬絕緣體半導體)二極體510，其中各者沒有一封裝之一晶粒。在接面二極體508中，中心之圓形n端子連接至一接合襯墊-1 502，且圍繞圓形n端子之環形外部p端子連接至一環形接合襯墊-2 504。在MIS二極體510中，中心端子具有一氧化物512及接合襯墊-1 502，且外部端子連接至接合襯墊-2 504。在一個實施例中，一MIS二極體510中之氧化物512足夠薄使得量子力學穿隧跨絕緣體自金屬至半導體發生。
亦可訂製其他類型之二極體結構以構建沒有一封裝之一圓形二極體。
在另一方法中，可使用一圓形封裝及一習知二極體晶粒來構建一圓形二極體零件。習知晶粒可通過經對準至中心接合襯墊(接合襯墊-1)之一焊膏附接至圓形封裝，並自另一電極至外部接合襯墊導線接合。圖5C係一圓形二極體封裝之一橫截面圖。此圓形零件具有圓形封裝襯墊。在此實施例中，經封裝二極體518具有在一封裝內部呈矩形之一二極體晶粒520。一或多個接合線522將二極體晶粒520之電極-2 514連接至封裝之環形接合襯墊-2 504，用於二極體晶粒520之一個端子。焊料524或其他電連接材料將二極體晶粒520之電極-1 516連接至封裝之中心圓形接合襯墊-1 502，用於二極體晶粒520之另一端子。
在一個實施例中，超材料表面具有不具有一致二極體定向之單位單元。例如，單位單元之定向隨其等在超材料表面上之定位而變化。此對二極體及其等傳遞之成本具有一巨大影響。為實施此概念，在一個實施例中，單位單元之放置必須在一矩形網格上，而旋轉可為任意的。利用所提出之不可知之旋轉單位單元設計及一致二極體方向，可經由使用晶粒作為光罩來填充一大表面之質量傳遞技術來建構一整個天線表面(孔徑)。在此情況下，天線孔徑由全部相同重印物之小晶圓製成。圖6及圖7繪示兩個實施例，其中分別以一圓形或矩形形式之一較大天線表面填充有來自半導體晶圓之二極體，其中晶圓係相同晶圓設計之重印物。注意，將天線元件放置在環或螺旋上通常係低效的，但可在進一步實施例中完成。
在大多數質量傳遞技術中，與目標基板之大小(例如天線孔徑)相比，將二極體自晶圓傳遞至目標基板之工具頭(或壓模)之大小相對較小。圖6係具有一較小大小之一六邊形傳遞工具或壓模之一群大圓形天線孔徑604的一俯視圖。在各傳遞步驟期間，一個六邊形區域將填充在目標基板上。六邊形工具或六邊形工具頭可拾取具有一一致定向之一陣列之二極體606之各者並將其放置至一半導體晶圓晶粒608上。傳遞工具頭之形狀(在此實例中六邊形)獨立於晶圓之形狀且獨立於孔徑602、604之形狀。圖6中之六邊形陣列係映射至可行矩形及圓形(或其他形狀)孔徑上之可行二極體傳遞之一圖案。因此，圓形孔徑604具有一陣列之膜片開口，該等膜片開口之各者可透過各自單位單元之各自二極體606調諧。在進一步實施例中，大孔徑可為其他形狀。一個實施例具有一矩形孔徑602，該矩形孔徑602使用數個六邊形傳遞工具產生。在各種實施例中，一單一傳遞工具可用於傳遞各二極體606或一對二極體606 (或其他可調諧電容裝置)用於(例如)在一串列拾放操作中放置，或多個傳遞工具可用於並行傳遞。
圖7係一群大矩形天線孔徑702之一俯視圖，其包括一矩形傳遞工具(壓模)。矩形傳遞工具可在各傳遞步驟中填充一小矩形區域704。晶圓704上及目標基板706上之二極體可具有一一致定向。在進一步實施例中，大孔可為其他形狀。
此外，一所繪示天線孔徑之分段可用於簡化二極體之旋轉並減少其等放置問題。在一個實施例中，代替覆蓋0至180度之一旋轉範圍，單位單元僅必須覆蓋0至90度之一旋轉範圍且分段通過分段之旋轉來完成剩餘者。此可簡化所提及之旋轉不可知單位單元設計。
圖8A繪示使用分段來簡化單元之旋轉及二極體之放置。在此實施例中，一圓形天線孔徑802具有四個分段804，各分段佔據一圓之四分之一(或一盤之四分之一)。在一個實施例中，四個分段804並非係物理上單獨分段；然而，在其他實施例中，其等可為物理上單獨分段。各分段804具有跨分段804平行對準之二極體806，其中各二極體806在一單位單元中。四個分段804在圓形孔徑802中以0度、90度、180度及270度之旋轉放置。藉由此，單位單元之旋轉無需覆蓋0至180度之一範圍，而僅覆蓋0至90度。
二極體之旋轉可進一步離散化以簡化設計程序。圖8B展示圖8A之全圓之一象限，其中二極體之定向進一步離散為三個區段。二極體在經標記30度區段808、810及812之各者中之定向係一致的，而定向自一個區域變為下一個區域。使用此概念，設計不必覆蓋90度之單元旋轉，而僅需覆蓋30度。亦可實施其他角度離散化。
圖8C展示如何使用以一壓模大小820之小且矩形之壓模來填充圖8B之設計。在30度區段814、816及818之各者中，二極體之定向係一致的，其可在製造中允許二極體之一快速傳遞。沿兩個鄰近區段之邊界，二極體之定向可為一種方式或另一種方式。偏壓電路系統
為調諧變容二極體，需要在二極體之兩側之間施加一調諧電壓。圖1A、圖1B、圖2、圖3A、圖3B及圖3C中所展示之實施例包含可使用之偏壓跡線之實例。在一個實施例中，偏壓電極經佈線及/或定位成使得其不干擾或耦合由天線元件產生之RF信號。因此，偏壓電路系統係選擇單位單元設計概念之一決定因素。圖9A及圖9B繪示兩個不同實施例，其中偏壓電極不會干擾RF信號。實施例之不同之處在於，偏壓電路系統可使用導電或電阻性偏壓線。
圖9A繪示兩個對稱二極體102，其等具有直接連接至一貼片電極104之一導電偏壓電極902 (亦指稱為一導電偏壓線)。類似於圖2及圖3B中之單位單元，此單位單元具有兩個二極體102，其等端對端或背對背橫越膜片開口112。在此設計中，各二極體102具有連接至一個端子之一各自通孔106，且兩個二極體102具有連接至位於膜片開口112之中心之貼片電極104之一共同端子。導電偏壓線(電極) 902連接至貼片電極104且沿膜片開口112之一中心線延伸且穿過膜片開口112之一個端。即，導電偏壓電極902橫向於膜片開口112之中心直接連接至貼片電極104，使得二極體102、通孔106及膜片開口112繞導電偏壓電極902對稱。歸因於導電偏壓線902之對稱性及貼片偏壓線連接之位置，導電偏壓線902不會干擾RF信號。
在維持一DC連接時將偏壓線與貼片電極解耦之一種方法係使用電阻性偏壓線及/或離散電阻器。圖9B繪示一單一二極體102，其具有使用一電阻偏壓線904 (亦稱為一電阻偏壓電極)直接連接至貼片電極之導電偏壓線。類似於圖1B及圖3C中之單位單元，此單位單元具有橫越膜片開口112之一個二極體102。此處，二極體102之一個端子連接至一通孔106，且二極體102之另一端子連接至一貼片電極104。電阻偏壓線904連接至貼片電極104，其中連接斷開至膜片開口112之側。電阻偏壓線904具有經添加電阻，在一個實施例中，該經添加電阻由方形曲折線產生。可使用其他形狀來增加線之總長度且因此與一直線偏壓線相比增加電阻。在沒有添加電阻之情況下直接連接導電電阻偏壓線904將對RF信號具有一顯著影響，且通過經添加電阻避免此情況。可使用各種不同材料來創建電阻偏壓線，例如銦錫氧化物(ITO)、鉻、鈦、銦鎵鋅氧化物(IGZO)、銦鋅氧化物(IZO)及有機導體，僅舉幾例。此等偏壓線之材料及設計選擇將基於所需之電阻進行。整合及拓撲
圖1A、圖1B及圖2中所展示之實施例可使用一基板之雙面處理來製造。在一個實施例中，驅動電路所需之層(在此情況下係薄膜電晶體(TFT)矩陣)首先沈積於貼片電極所在之基板之頂側(或一側)上。之後，藉由蝕刻及金屬沈積步驟產生一通孔以電連接基板之兩側。最後，膜片層(即，用於形成膜片開口之一金屬層)將沈積於基板之相對側(或第二側)上且經圖案化。之後，可將離散元件(例如二極體)組裝及/或依其他方式附接至基板以完成製造。圖10繪示一流程圖之一實例，其描繪用於一超材料表面天線之一實施例之此一製造方法之一個實施例。
參考圖10，在一動作1002中，沈積薄膜電晶體。例如，使用各種半導體處理步驟及材料將薄膜電晶體沈積於一基板上。
接下來，在一動作1004中，產生通孔。在一個實施例中，各種眾所周知之半導體處理步驟及材料用於形成通孔之開口，且金屬沈積於開口中以形成連接。即，為避免歧義，可使用術語「通孔」來闡述開口或通過該開口之金屬連接。
在一動作1006中，沈積膜片層。在一個實施例中，使用各種眾所周知之半導體處理步驟及材料，且在各種實施例中，藉由沈積一金屬層並蝕刻該金屬層以界定膜片開口及進一步幾何形狀來形成膜片層。例如，可在膜片層中形成電極。
在一動作1008中，組裝離散元件。例如，將二極體組裝至基板，其中各二極體定位於具有一膜片開口之一單位單元中。
在另一方法中，所有圖案化及組裝可在基板之一側上執行。在此方法中，離散可調諧元件經組裝於圖案化TFT矩陣之基板之相同側，或RF元件之膜片特徵製造於TFT矩陣所在之基板之相同側上。此方法使得能夠在一單一基板上製造RF天線，而無需對基板進行雙面處理及/或通孔連接。方法使用膜片金屬圖案化所需之金屬層作為離散可調諧元件與TFT矩陣之間的一電連接。在本發明中將其稱為「膜片互連」。連接之一俯視圖及一橫截面圖展示於圖11及圖12中。
圖11係包含一二極體-TFT陣列-膜片連接之一天線元件之一個實施例的一俯視圖。此一天線元件可為一可調諧狹槽天線之部分。與圖1A及圖1B相反，此實施例實質上類似於圖9A之實施例，其中所有元件在一基板(單片)之一側上。
參考圖11，蝕刻膜片金屬1114(即，在原位置移除)以形成膜片開口1104，其中膜片金屬1106 (例如，用於膜片金屬1114之金屬層之一部分)保留於膜片開口1104之中心中，例如作為一貼片電極104 (參見圖2及圖9A)。兩個離散可調諧元件1108及1110 (例如，變容二極體(例如變容二極體)二極體102)端對端或背對背跨膜片開口1104定位，各者具有連接至膜片金屬1106 (例如，貼片電極104)之一個端子及各自接合襯墊1112，該膜片金屬1106用於為天線元件提供一調諧電壓。離散可調諧元件1110之剩餘接合襯墊1112在膜片開口1104之外部用於連接至膜片金屬1114 (未展示連接)。膜片金屬1106具有至一電晶體(例如，導電偏壓電極902 (亦稱為導電偏壓線，參見圖9A))之一連接1102，其連接至一TFT或其他電晶體(未展示)，該電晶體係用於控制可調諧元件1108及1110之電路系統。
圖12係沿A-B線之圖11之二極體-TFT陣列-膜片連接的一橫截面圖。在一個實施例中，該製造始於在一玻璃基板1210上創建TFT矩陣。繪示性地，可利用各種TFT製造技術之任何一者。用於TFT矩陣製造之層通常包含用於電連接之多個金屬層及用於鈍化之多個介電層。對於此方法，TFT陣列製造以覆蓋TFT矩陣之一鈍化層1212結束。在此鈍化層1212中產生與膜片互連區域對準之開口，其中離散可調諧元件1206 (亦參見圖11中之離散可調諧元件1108及1110)隨後連接至TFT矩陣。另外，圖案化與鈍化層1212中之開口及膜片互連件對準之一金屬跡線1216以形成與TFT矩陣之連接。TFT矩陣製造中之金屬層之一者(例如，閘極金屬、源極金屬)可用於此連接。
在一個實施例中，一膜片金屬1204層為幾微米厚且(例如)使用濺鍍、電鍍或電子束蒸鍍(例如)或可設計之其他程序將其沈積於一玻璃基板1210上。此金屬層隨後經蝕刻以產生膜片開口112、402 (例如，參見圖1A至圖4、圖9A及圖9B)，其中膜片開口區域中之所有金屬經移除。繪示性地，膜片金屬沈積於一玻璃基板1210上，該玻璃基板1210已使一TFT矩陣圖案化其上。另外，膜片金屬層之一部分(通常指稱為膜片互連)經保持用於離散可調諧元件1206與TFT矩陣之間的電連接。膜片金屬1204及膜片互連由一膜片鈍化層1202保護，該膜片鈍化層係一介電層(例如SiNx)。
仍進一步言之，在膜片鈍化層中產生開口用於將離散可調諧元件1206通過各自元件接合襯墊1208連接至膜片金屬1204及膜片互連。可使用一焊料1214來完成與離散可調諧元件1206之接合或接合襯墊1208之此連接。替代地，在此及其他所揭示實施例中，可調諧元件之接合襯墊與膜片金屬之間的此等連接可代替焊料使用導電膠、導電聚合物、導電環氧樹脂、銀環氧樹脂等進行。離散零件可使用各種方法組裝至此基板，諸如(但不限於)拾放、自組裝等。
在圖11及圖12中以一矩形形狀展示離散可調諧元件1108、1110及1206。然而，熟習此項技術者將瞭解，本申請案之態樣不限於矩形離散元件。其等可能具有不同形狀，諸如(例如)一圓形、三角形等。離散可調諧元件1108、1110及1206上之接合襯墊亦可位於不同面上。例如，一接合襯墊可位於頂表面上且另一接合襯墊可位於底面上。接合襯墊可覆蓋表面之部分或整個表面。在此情況下，如同上文所描述之方法，用一導電膠或焊料進行第一電連接，且藉由沈積一額外金屬層以將頂部電極連接至膜片來達成第二電連接。可擴展性
離散可調諧電容器用作待組裝於一超材料天線中之零件。此等可為變容二極體、各種半導體二極體(PIN二極體、MOSFET、BJT、HEMT等)或MEMS結構。在一個實施例中，組裝位點或零件之最終位置係一玻璃基板1210 (例如，如圖12中所展示)，該玻璃基板已經圖案化用於一TFT驅動矩陣以在經組裝零件上施加所要電壓用於控制天線元件(例如，完全或部分關閉(例如停用)及打開(例如啟用)天線元件)。在進一步實施例中可使用其他基板。
根據本申請案之態樣，在一個實施例中，一自組裝程序涉及將部件以一預定定向組裝至一經設計位置。自組裝程序可包含(但不限於)使用具有與零件形狀相匹配之設計間隙之一組裝樣板(模板)，除使用蒸汽或空氣-水介面之外，亦可在零件及組裝位點上設計疏水及親水區域以通過表面張力控制組件位置及定向，並設計可磁化之零件且通過一磁場控制組件位置及定向。對於各種實施例，上文所提及之方法可單獨使用或組合使用，以將離散可調諧元件依一獨特定向組裝至一玻璃基板上之設計位置上。在一組裝方法之一些實施例中，離散可調諧元件處於一液體、氣體或真空環境中，且在一自組裝程序中在施加磁場之前或期間施加攪動。
圖13係具有一組裝樣板1302之一組裝位點的一橫截面圖。根據一繪示性實施例，一種組裝方法可在組裝程序期間組合形狀匹配及一磁場之使用。在此一方法中，在將零件放置至所要組裝位置(稱為組裝位點1304)時，使用一組裝樣板1302固定零件。因此，組裝樣板1302係一中間物體，其中在零件(例如離散可調諧元件1206)經分散用於自組裝程序之前，設計間隙與組裝位點1304對準。在一個實施例中，組裝樣板1302中之開口經設計以以一些公差匹配零件(例如，離散可調諧元件1206)之形狀(參見圖12、圖13及圖14)。在一個實例中，使用矩形零件(參見圖15A中之離散可調諧元件1502及圖15B中之離散可調諧元件1506)並將其放置於組裝位點1304上。然而，亦可採用其他形狀。在一些實施例中，此矩形零件具有多個對稱軸且其可在四個不同定向上組裝到該位點。在一些實施例中，藉由在零件之接合襯墊之一者上沈積一鐵磁材料(例如，Ni或其他類似金屬/材料)來移除此對稱性。將磁體放置於組裝位點下方，以以一唯一定向將離散可調諧元件或其一部分(例如一元件之一端)之一或多者吸引至組裝位點。在此情況下，磁力用於達成彼等定向。
注意，在一個實施例中，組裝樣板1302在組裝之後仍保留且不影響天線之RF操作(參見圖13至圖16)。在一個實施例中，膜片金屬既可形成膜片開口又可形成組裝樣板1302 (參見圖17及圖18)，兩者在組裝之後仍保留。替代地，在放置離散可調諧元件之後，移除全部或部分組裝樣板1302。例如，組裝樣板1302經形成為一可移除結構(參見圖13至圖16，其中組裝樣板1302可藉由圖16之後之處理來移除)。
圖14係組裝之前在一玻璃基板1210 (參見圖13)上之一組裝樣板1302的一俯視圖。組裝樣板1302 (例如)藉由裝置處理中之各種技術與玻璃基板1210對準，使得組裝樣板1302與玻璃基板1210上之膜片特徵1406對準。組裝樣板1302中之開口1404與膜片特徵1406對準，且亦與未由玻璃基板1210 (參見圖13)上之膜片鈍化層1202覆蓋之區域1402對準，用於與離散可調諧元件之電連接的目的。在圖13中，此等區域1402填充有焊料1214，且離散可調諧元件將與組裝樣板1302中之開口1404 (參見圖14)對準且進行一焊料連接(參見圖13及圖16)。
圖15A係用於一自組裝程序之一個實施例之一待組裝零件的一橫截面圖。此處，一離散可調諧元件1502具有鐵磁接合襯墊1504，該鐵磁接合襯墊1504纏繞在一矩形部分(例如，一變容二極體或二極體)之相對端之三個表面周圍。在一自組裝程序之一個實施例中，磁力用於將鐵磁接合襯墊1504吸引至適當位置且因此將離散可調諧元件1502吸引至適當位置。在各種實施例中，各接合襯墊1504覆蓋在該零件之端處之一端面及兩側之部分，或在該零件之端處作為一蓋之四側之一端面及部分。
代替磁力或除磁力外，吾人亦可在一自組裝程序中使用形狀匹配。在形狀匹配中，零件設計為非對稱形狀且裝配樣板設計為非對稱開口，使得零件可以一獨特定向插入組裝位點中。在另一實施例中，組裝程序使用親水及/或疏水表面來判定組裝位置。通常，在各種實施例中可使用彼等方法之一組合。例如，親水及/或疏水表面用於判定組裝位置及磁力以判定零件定向。攪動可應用於一自組裝程序之各種版本中。攪動用作一分解力，其將移除一組裝位點處但一錯誤定向之零件。
圖15B係用於一自組裝程序之一進一步實施例之一待組裝零件的一透視圖。在此實施例中，一離散可調諧元件1506在一個表面上之一矩形部分(例如一變容二極體或二極體)之相對端處具有鐵磁接合襯墊1504。
圖16描繪使用鐵磁襯墊及一磁體1606以一所要定向組裝之零件。在各種實施例中，磁體1606可為一電磁或一永磁體，或在各種組合及配置中此等之一個以上。磁體1606在自組裝程序中吸引離散可調諧元件1608之鐵磁接合襯墊1604，離散可調諧元件1608在組裝樣板1302之開口中移動至與焊料1214對準之位置用於與膜片金屬1204連接。可應用一合適加熱程序以熔化焊料1214且與離散可調諧元件1608形成電連接。
在組裝開始之前，將組裝樣板1302放置於玻璃基板1210之頂部上。組裝樣板1302與對準標記對準，使得樣板中之各間隙與一組裝位點1304對準(參見圖13)。如圖16中所展示，將磁體1606放置在各膜片開口下方以產生將一力施加至使用於此實例中之鐵磁零件(參見圖15A及圖15B)上之一磁場。之後，零件散佈在樣板上且向系統施加振動。可調整振動振幅、頻率及方向以達成最有效組裝。在文獻中亦展示，在組裝期間可改變振動方向以防止零件聚集。一基於相機之反饋迴路可用於調整振動參數。當達到一目標組裝量時，振動將自系統移除。為加快組裝，在第一階段可分散比組裝位元點更多之零件。
在將零件以正確定向運輸至組裝位點之後，移除磁體1606。加熱玻璃基板1210及組裝樣板1302以使焊料1214回流並在離散可調諧元件1608與玻璃基板1210上之適當金屬之間建立電連接。在此實例中，在組裝之前在玻璃基板上預圖案化焊料1214。在另一方法中，可在組裝之前在零件上預圖案化焊料1214。代替用於電連接之焊料，亦可使用其他導電材料，諸如(熱回應或UV回應焊膏、奈米顆粒、ACF接合等)。一旦建立電連接，即可移除組裝樣板1302，且基板準備好用於製造程序中之下一步驟。
在一不同方法中，膜片金屬中之開口可用作組裝樣板之一部分。此方法中零件之厚度受膜片金屬厚度之限制。由於此限制，應使用不具一封裝之二極體晶粒。經組裝二極體晶粒之圖解說明在圖17及圖18中展示。在圖17中，將在兩側上具有電極之一雙面二極體晶粒1702組裝至膜片狹槽中且在組裝之後使用一金屬沈積及圖案化步驟與膜片金屬1204電連接。在圖18中，在相同側上具有電極之一單面二極體晶粒1802組裝至膜片狹槽中。在膜片金屬沈積之前，在膜片開口區域中與通孔1708一起圖案化一第二連接。該連接用於在二極體組裝之後將二極體連接至膜片金屬1204。
圖17描繪使用膜片開口作為組裝樣板之一部分進行組裝之零件，包含雙面二極體晶粒1702。雙面二極體晶粒1702之各者之一側及各自端子與焊料1706電連接至通孔1708用於連接至TFT矩陣或其他電路系統。雙面二極體晶粒1702之各者之相對側及各自端子具有至膜片金屬1204之一連接1704，且連接1704可由一金屬層形成。不對稱區分二極體晶粒1702之頂部及底部。注意，在一個實施例中，單位單元(狹槽)具有相對於一固定二極體定向旋轉之自由度且仍連接二極體及膜片金屬1204。
圖18描繪使用膜片開口作為組裝樣板之部分進行組裝之零件，包含單側二極體晶粒1802。使用焊料適當地連接單側二極體晶粒1802之各者之一側上之兩個端子。此處，兩個相鄰單側二極體晶粒1802之兩個相鄰端子(即，來自一個二極體之一個端子及來自另一二極體之一相鄰端子)彼此連接並通過焊料1706連接至一通孔1708。兩個單側二極體晶粒1802之兩個相對端子(即來自一個二極體之另一端子，以及來自另一二極體之另一端子)通過焊料1806及連接至膜片金屬1204之金屬跡線1804連接至各自膜片金屬1204。天線實施例之實例
上文所描述之技術可與平板衛星天線一起使用。揭示此等平板天線之實施例。平板天線在一天線孔徑上包含一或多個陣列之天線元件。在一個實施例中，天線孔徑係一超材料表面天線孔徑，諸如(例如)下文所描述之天線孔徑。在一個實施例中，天線元件包括二極體及變容二極體(諸如上文所描述)。在一個實施例中，平板天線係一圓柱形饋送天線，其包含矩陣驅動電路系統以唯一地定址及驅動未放置於列及行中之天線元件之各者。在一個實施例中，元件放置成環。
在一個實施例中，具有一或多個陣列之天線元件之天線孔徑包括耦合在一起之多個分段。當耦合在一起時，此等分段之組合形成天線元件之閉合同心環。在一個實施例中，同心環相對於天線饋送同心。天線系統之實例
在一個實施例中，平板天線係一超材料天線系統或如本文中所描述之具有一超材料表面之一天線的部分。描述用於通信衛星地球站之一超材料天線系統之實施例。在一個實施例中，天線系統係在使用Ka頻帶頻率或Ku頻帶頻率進行操作之一行動平台(例如，航空、海上、陸地等)上操作之一衛星地球站(ES)之一組件或子系統用於民用商業衛星通信。注意，天線系統之實施例亦可用於不在行動平台上之地球站(例如，固定或可運輸地球站)中。
在一個實施例中，天線系統使用表面散射超材料技術(例如天線元件)來形成並操縱通過單獨天線之傳輸及接收波束。在一個實施例中，與採用數位信號處理以電形成及操縱波束之天線系統(諸如相控陣列天線)相比，該等天線系統係類比系統。
在一個實施例中，天線系統包括三個功能子系統：(1)一波導結構，其由一圓柱形波饋送架構組成；(2)一陣列之波散射超材料單位單元，其係天線元件部分；及(3)一控制結構，其使用全像原理命令由超材料散射元件形成一可調整輻射場(波束)。天線元件
圖19A係包含一二極體-TFT陣列-膜片連接之一天線元件之另一實施例的一俯視圖。此一天線元件可為一可調諧狹槽天線之部分。此實施例類似於圖9B及圖11之實施例，其中與圖1A及圖1B之實施例相反，所有元件在一基板(單片)之一側上。
參考圖19A，蝕刻膜片金屬1914 (即在適當位置移除)以形成膜片開口1904。一個離散可調諧元件1908 (例如，變容器、變容二極體、二極體102)跨膜片開口1904定位，其中一個端子及各自接合襯墊1912連接至貼片1906 (例如貼片電極104)，該貼片位於膜片開口1904外部且用於為天線元件提供一調諧電壓。在一個實施例中，在與膜片金屬層分開之一金屬層上形成貼片1906。離散可調諧元件1908之剩餘接合襯墊1912在膜片開口1904外部用於由襯墊1909連接至膜片金屬。在一個實施例中，襯墊1909形成於相同於貼片1906之金屬層上。襯墊1909在連接點1930處使用一通孔1916 (圖19B)連接至膜片金屬。膜片金屬具有至一電晶體/驅動電路之一連接1902，例如導電偏壓電極902 (亦稱為導電偏壓線，參見圖9A)，其連接至一TFT或其他電晶體(未展示)，該電晶體或驅動電路係用於控制可調諧元件1908之電路系統。
圖19B係沿A-B線之圖19A之二極體-TFT陣列-膜片連接的一橫截面圖。在一個實施例中，圖19A及圖19B之天線元件之製造依相同於圖11及圖12中之天線元件之方式執行，除設計不同外。即，製造以在一玻璃基板1910上形成TFT矩陣開始。繪示性地，可利用多種TFT製造技術之任何一者。用於TFT矩陣製造之層通常包含用於電連接之多個金屬層及用於鈍化之多個介電層。對於此方法，TFT陣列製造以一鈍化層1941覆蓋TFT矩陣結束。在鈍化層1941中產生開口，該開口與將TFT陣列連接至貼片1906及連接1902之一通孔結構對準(參見圖19A)。連接1902及貼片1906形成於與膜片金屬層分開之一金屬層上，其可稱為貼片金屬層。經由定位在TFT陣列至貼片金屬中產生與膜片開口分開之膜片金屬層中之一開口。此通孔結構未展示於圖19A及圖19B中。將各TFT連接至一驅動器IC之金屬跡線(即一TFT矩陣中之列跡線及行跡線)可在膜片金屬下方使用TFT矩陣之金屬層製造或可在膜片金屬上方使用額外金屬層製造。
在一個實施例中，一膜片金屬層(即，其中形成膜片開口1904之一金屬層)係幾微米厚度且使用濺鍍、電鍍或電子束蒸鍍將其沈積於一玻璃基板1910上。此金屬層(例如1914)隨後經蝕刻以產生膜片開口112、402、1904 (例如，參見圖1A至圖4、圖9A及圖9B)，其中膜片開口區域中之所有金屬經移除。繪示性地，膜片金屬沈積於一玻璃基板1910上，該玻璃基板1910上已使一TFT矩陣圖案化。其中形成有膜片開口1904之膜片金屬層由一膜片鈍化層1931保護，該膜片鈍化層係一介電層(例如SiNx)。在一進一步實施例中，TFT矩陣(例如，具有薄膜電晶體之電路系統)沈積於膜片金屬上方，例如沈積於膜片鈍化層1931之頂部上。
仍進一步言之，在膜片鈍化層中產生開口用於將貼片金屬層上之襯墊(例如襯墊1909)連接至膜片金屬。在覆蓋貼片金屬層之鈍化層1940中產生包含通孔1916之額外開口以通過各自元件接合襯墊1912將貼片1906及襯墊1909連接至離散可調諧元件1908。與離散可調諧元件1908之接合或接合襯墊1912之此連接可使用一焊料1934完成。替代地，在此實施例及其他所揭示實施例中，可調諧元件之接合襯墊與膜片金屬之間的此等連接可由導電膏、聚合物、導電環氧樹脂、銀膠等代替焊料完成。離散零件可使用各種方法(諸如(但不限於)拾放、自組裝等)組裝到此基板。
在圖19A及圖19B中以一矩形形狀展示離散可調諧元件1908。然而，熟習此項技術者將瞭解，本申請案之態樣不限於矩形離散元件。其等可能具有不同形狀，諸如(例如)一圓形、三角形等。離散可調諧元件1908上之接合襯墊亦可位於不同面上。例如，一接合襯墊可位於頂表面上且另一接合襯墊可位於底面上。接合襯墊可覆蓋部分表面或整個表面。在此情況下，如同上文所描述之方法，用一導電膏或焊料進行第一電連接且藉由沈積一額外金屬層以將頂部電極連接至膜片來達成第二電連接。
圖20A及圖20B繪示用於超材料表面或超材料天線之可調諧膜片開口單位單元之電子電路等效物或表示。圖20A係表示圖2及圖9A中所描繪之實施例中之膜片開口112及二極體102之一電路。膜片開口112之電感由四個電感器2002、2004、2006、2008表示，該四個電感器各標記為LIris 。兩個可變電容器2010 (各為一變容二極體且標記為Cvaractor )代表二極體102且彼此串聯。可變電容器2010之串聯組合與電感器之兩個分支並聯，其中膜片電感器2002與膜片電感器2006串聯且膜片電感器2004與膜片電感器2008串聯。變容二極體之可變電容(可變電容器2010)由一DC電壓源2012控制，該DC電壓源2012可隨時間變化以更新單位單元之諧振狀態並控制用於天線操作之超材料表面或超材料之性質。
圖20B係表示圖1B及圖9B中所描繪之實施例中之膜片開口112及二極體102的一電路。膜片開口112之電感由四個電感器2002、2004、2006、2008表示，該四個電感器各標記為LIris 。一個可變電容器210 (標記為CVaractor 之一變容二極體)代表二極體102且與另一電容器串聯，該電容器表示貼片且標記為CPatch 。電容器2014及可變電容器2010之串聯組合與電感器之兩個分支並聯，膜片電感器2002與膜片電感器2006串聯且膜片電感器2004與膜片電感器2008串聯。變容二極體之可變電容(可變電容器2010)由一DC電壓源2012控制，該DC電壓源2012可隨時間變化以更新單位單元之諧振狀態並控制用於天線操作之超材料表面或超材料之性質。
圖21繪示一圓柱形饋送全像徑向孔徑天線之一個實施例之示意圖。參考圖21，天線孔徑具有天線元件2103之一或多個陣列2101，其放置於圍繞圓柱形饋送天線之一輸入饋送2102之同心環中。在一個實施例中，天線元件2103係輻射RF能量之射頻(RF)諧振器。在一個實施例中，天線元件2103包括Rx及Tx膜片，其等在天線孔徑之整個表面上交錯並分佈。此等Rx及Tx膜片或狹槽可為三個或三個以上組之群組，其中各組用於一單獨且同時受控頻段。具有膜片之此等天線元件之實例在下面更詳細描述。注意，本文中所描述之RF諧振器可用於不包含一圓柱形饋送之天線中。
在一個實施例中，天線包含一同軸饋送，該同軸饋送用於經由輸入饋送2102提供一圓柱波饋送。在一個實施例中，圓柱波饋送架構使用自饋送點依一圓柱形方式向外擴展之一激勵自一中心點向天線饋送。即，一圓柱形饋送天線產生一向外行進之同心饋送波。即使如此，圍繞圓柱形饋送之圓柱形饋送天線之形狀可為圓形、正方形或任何形狀。在另一實施例中，一圓柱形饋送天線產生一向內行進之饋送波。在此一情況下，饋送波最自然地來自一圓形結構。
在一個實施例中，天線元件2103包括膜片(膜片開口)且圖21之孔徑天線用於產生一主波束，該主波束藉由使用來自一圓柱形饋送波之激勵來成形用於通過可調諧二極體及/或變容二極體輻射膜片開口。在一個實施例中，天線可經激發以以所要掃描角度輻射一水平或垂直極化之電場。
在一個實施例中，如上文所描述，天線系統中之各散射元件係一單位單元之部分。在一個實施例中，單位單元由上文所描述之直接驅動實施例驅動。在一個實施例中，在各單位單元中之二極體/變容二極體具有與來自與其貼片電極之一上導體(例如膜片金屬)相關聯之一狹槽相關聯的一下導體。可控制二極體/變容二極體以調整膜片開口與貼片電極之間的偏壓電壓。使用此性質，在一個實施例中，二極體/變容二極體整合一開/關開關用於將能量自導波傳輸至單位單元。當接通時，單元發出一電磁波，如同一電小偶極天線般。注意，本文中之教示不限於相對於能量傳輸以一二元性方式操作之單位單元。
在一個實施例中，此天線系統之饋送幾何形狀允許天線元件相對於波饋送中之波向量成四十五度(45°)角定位。注意，可使用其他位置(例如以40°角)。元件之此位置使得能夠控制由元件接收或自元件傳輸/輻射之自由空間波。在一個實施例中，天線元件以一元件間間距配置，該間距小於天線之操作頻率之一自由空間波長。例如，若各波長有四個散射元件，則30 GHz傳輸天線中之元件將大致係2.5 mm(即30 GHz 10 mm自由空間波長之1/4)。
在一個實施例中，兩組元件彼此垂直且若經控制為相同調諧狀態，則同時具有相等振幅激勵。相對於饋送波激勵將其等旋轉+/-45度即可同時達成兩個所要特徵。將一組旋轉0度且將另一組旋轉90度將達成垂直目標，但不能達到相等振幅激勵目標。注意，當自兩側在一單一結構中饋送該陣列之天線元件時，可使用0度及90度來達成隔離。
藉由使用一控制器向貼片電極施加一電壓來控制來自各單位單元之輻射功率之量。各貼片電極之跡線用於向貼片電極提供電壓。電壓用於調諧或失諧電容且因此調諧或失諧個別元件之諧振頻率以實現波束形成。所需之電壓取決於所使用之二極體/變容二極體。
在一個實施例中，如上文所討論，使用一矩陣驅動器向貼片電極施加電壓，以便與所有其他電池單元分開驅動各單元，而無需具有各單元之一單獨連接(直接驅動)。由於元件之高密度，矩陣驅動器係個別定址各單元之一有效方法。
在一個實施例中，用於天線系統之控制結構具有兩個主要組件：包含用於天線系統之驅動電子器件之天線陣列控制器位於諸如本文中所描述之表面散射天線元件之波散射結構下方，而矩陣驅動開關陣列依不干擾輻射之一方式貫穿輻射RF陣列散佈。在一個實施例中，用於天線系統之驅動電子器件包括在商用電視設備中使用之商用現成LCD控制項，其藉由調整至該散射元件之一AC偏壓信號之振幅或佔空比來調整各散射元件之偏壓電壓。
在一個實施例中，天線陣列控制器亦含有執行軟體之一微處理器。該控制結構亦可併入感測器(例如，一GPS接收器、一三軸羅盤、一三軸加速計、一三軸陀螺儀、一三軸磁力計等)，以向處理器提供位置及定向資訊。位置及定向資訊可由地球站中之其他系統提供給處理器及/或可不為天線系統之部分。
更明確言之，天線陣列控制器控制關閉哪些元件且打開那些元件以及在操作頻率下處於哪個相位及振幅位準。藉由電壓施加選擇性地使元件失諧用於頻率操作。
為了傳輸，一控制器將一陣列之電壓信號供應給RF貼片以創建一調變或控制模式。控制模式使元件調諧成不同狀態。在一個實施例中，使用多態控制，其中將各種元件接通及關斷至不同位準，與一方波相反，其進一步近似一正弦控制模式(即，一正弦灰階調變模式)。在一個實施例中，一些元件輻射比其他元件更強，而非一些元件輻射且一些則不。藉由施加特定電壓位準達成可變輻射，該特定電壓位準將液晶介電常數調整為變化量，藉此使元件可變地失諧並使一些元件輻射大於其他元件。
由元件之超材料陣列產生一聚焦波束可藉由相長干涉及相消干涉現象來解釋。若個別電磁波在自由空間中相遇時具有相同相位，則總和(相長干涉)；若在自由空間中相遇時其等處於相反相位，則電磁波彼此抵消(相消干涉)。若一狹槽天線中之狹槽經定位使得各連續狹槽定位於不同於導波之激發點之一距離處，則來自該元件之散射波將具有不同於前一狹槽之散射波之一相位。若狹槽間隔一經引導波長之四分之一，則各狹槽將散射與前一狹槽一四分之一相位延遲之一波。
使用陣列，可增加可產生之相長及相消干涉之模式之數目，使得理論上可使用全像原理將波束指向與天線陣列之視軸成正負九十度(90°)之任何方向。因此，藉由控制打開或關閉哪些超材料單位單元(即，藉由改變打開哪些單元及關閉哪些單元之模式)，可產生一不同相長及相消干涉模式，且天線可改變主波束之方向。打開及關閉單位單元所需之時間決定波束可自一個位置切換至另一位置之速度。
在一個實施例中，天線系統為上行鏈路天線產生一個可控波束且為下行鏈路天線產生一個可控波束。在一個實施例中，天線系統使用超材料技術來接收波束並解碼來自衛星之信號且形成指向衛星之傳輸波束。在一個實施例中，與採用數位信號處理以電形成及操縱波束之天線系統(諸如相控陣列天線)相比，該等天線系統係類比系統。在一個實施例中，該天線系統視作一「表面」天線，其係平面的且具有相對較低輪廓，尤其係當與習知衛星碟形接收器相比時。
圖22繪示包含一接地平面2245及一可重新組態諧振器層2230之一列天線元件的一透視圖。可重新組態諧振器層2230包含一陣列2212之可調諧狹槽2210。陣列2212之可調諧狹槽2210可經組態以將天線指向一所要方向。可調諧狹槽2210之各者可藉由改變一電壓來調諧/調整，其改變變容二極體之電容並導致一頻移，其繼而改變輻射天線元件之振幅及相位。一陣列中天線元件之一適當相位及振幅調整將導致一波束形成及波束控制。
控制模組2280或一控制器耦合至可重新組態諧振器層2230以藉由改變至二極體/變容二極體之電壓來調變陣列2212之可調諧狹槽2210。控制模組2280可包含一場可程式化閘陣列(「FPGA」)、一微處理器、一控制器、一晶片上系統(SoC)或其他處理邏輯。在一個實施例中，控制模組2280包含邏輯電路系統(例如多工器)以驅動陣列2212之可調諧狹槽2210。在一個實施例中，控制模組2280接收資料，該資料包含將經驅動至陣列2212之可調諧狹槽2210之一全像繞射圖案之規格。可回應於天線與一衛星之間的一空間關係而產生全像繞射圖案，使得全像繞射圖案在適當方向上控制下行鏈路波束(且若天線系統執行傳輸，則為上行鏈路波束)用於通信。儘管在各圖中未畫出，但類似於控制模組2280之一控制模組可驅動在本發明中之各種實施例中描述之各陣列之可調諧狹槽。
射頻(「RF」)全像術亦可使用類似技術實現，其中當一RF參考波束遇到一RF全像繞射圖案時，可產生一所要RF波束。在衛星通信之情況下，參考波束呈一饋送波(諸如饋送波2205 (在一些實施例中大致20 GHz))之形式。為將一饋送波轉換成一輻射束(用於傳輸或接收目的)，在所要RF波束(目標波束)與饋送波(參考波束)之間計算一干涉圖案。干涉圖案作為一繞射圖案驅動至陣列之可調諧狹槽2210上，使得饋送波「轉向」至所要RF波束中(具有所要形狀及方向)。換言之，遇到全像繞射圖案之饋送波「重新建構」根據通信系統之設計要求而形成之目標波束。全像繞射圖案含有各元素之激發且藉由
Figure 02_image001
計算，其中win 為波導中之波動等式且wout 為輸出波之波動等式。
貼片電極與膜片開口之間的一電壓可經調變以調諧天線元件(例如，可調諧諧振器/狹槽)。調節電壓改變一狹槽(例如，可調諧諧振器/狹槽)之電容。據此，可藉由改變電容來改變一狹槽(例如，可調諧諧振器/狹槽)之電抗。狹槽之諧振頻率亦根據等式
Figure 02_image003
變化，其中f 係狹槽之諧振頻率且L及C分別係狹槽之電感及電容。狹槽之諧振頻率會影響自傳播通過波導之饋送波2205輻射之能量。作為一實例，若饋送波2205為20 GHz，則可將一狹槽2210之諧振頻率(藉由改變電容)調整為17 GHz，使得狹槽2210實質上不耦合來自饋送波2205之能量。或，可將一狹槽2210之諧振頻率調整為20 GHz，使得狹槽2210耦合來自饋送波2205之能量且將該能量輻射至自由空間中。儘管給定實例係二元性的(完全輻射或完全不輻射)，但電抗之完全灰階控制及因此在電壓值在一多值範圍內變化之情況下狹槽2210之諧振頻率控制係可行的。因此，可精細地控制自各狹槽2210輻射之能量，使得可由陣列之可調諧狹槽形成詳細全像繞射圖案。
在一個實施例中，一列中之可調諧狹槽彼此間隔λ/5。可使用其他間距。在一個實施例中，一列中之各可調諧狹槽與一相鄰列中最接近之可調諧狹槽間隔λ/2，且因此不同列中相同定向之可調諧狹槽間隔λ/4，然其他間距亦係可行的(例如，λ/5、λ/6.3)。在另一實施例中，一列中之各可調諧狹槽與一相鄰列中最接近之可調諧狹槽間隔λ/3。
圖23繪示一圓柱形饋送天線結構之一個實施例的一側視圖。天線使用一雙層饋送結構(即兩層之一饋送結構)產生一向內行進之波。在一個實施例中，該天線包含一圓形外部形狀，然此並非必需。即，可使用非圓形向內行進結構。在一個實施例中，圖23中之天線結構包含一同軸饋送，諸如，例如在2014年11月21日申請之題為「Dynamic Polarization and Coupling Control from a Steerable Cylindrically Fed Holographic Antenna」之美國公開案第2015/0236412號中所描述。
參考圖23，一同軸銷2301用於激勵天線下部之場。在一個實施例中，同軸銷2301係容易獲得之一50Ω同軸銷。同軸銷2301耦合(例如螺栓連接)至天線結構之底部，該底部傳導接地平面2302。
與傳導接地平面2302分離的係間隙導體2303，間隙導體2303係一內部導體。在一個實施例中，傳導接地平面2302及間隙導體2303彼此平行。在一個實施例中，接地平面2302與間隙導體2303之間的距離為0.1英寸至0.15英寸。在另一實施例中，此距離可為λ/2，其中λ係在操作頻率下行進波之波長。
接地平面2302經由一間隔物2304與間隙導體2303分離。在一個實施例中，間隔物2304係一泡沫或類似空氣之間隔物。在一個實施例中，間隔物2304包括一塑膠間隔物。
在間隙導體2303之頂部上的係介電層2305。在一個實施例中，介電層2305係塑膠。介電層2305之目的係相對於自由空間速度減慢行進波。在一個實施例中，介電層2305相對於自由空間使行進波減慢30%。在一個實施例中，適於波束形成之折射率範圍係1.2至1.8，其中自由空間根據定義具有等於1之一折射率。可使用其他介電間隔物材料，諸如(例如)塑膠以達成此效果。注意，可使用除塑膠之外之材料，只要其等達成所要減波效果即可。替代地，具有分佈結構之一材料可用作介電層2305，諸如(例如)可經機械加工或微影界定之週期性亞波長金屬結構。
一RF陣列2306在介電層2305之頂部上。在一個實施例中，間隙導體2303與RF陣列2306之間的距離為0.1英寸至0.15英寸。在另一實施例中，此距離可為λeff /2，其中λeff 係在設計頻率下媒體中之有效波長。
天線包含側面2307及2308。側面2307及2308成角度以使來自同軸銷2301之行進波經由反射饋送自間隙導體2303下方之區域(間隔物層)傳播至間隙導體2303上方之區域(介電層)。在一個實施例中，側面2307及2308之角度為45°角。在一替代實施例中，側面2307及2308可用一連續半徑替換以達成反射。儘管圖23展示具有45度角之成角度之側面，但可使用完成自下層饋送至上層饋送之信號傳輸之其他角度。即，假設下饋送中之有效波長通常與上饋送中之有效波長不同，則可使用與理想45°角之一些偏差來幫助自下饋送層傳輸至上饋送層。例如，在另一實施例中，以一單一步階替換45°角。天線一端上之步階圍繞介電層、間隙導體及間隔物層。相同兩個步階位於此等層之另一端處。
在操作中，當自同軸銷2301饋入一饋送波時，該波自同軸銷2301在接地平面2302與間隙導體2303之間的區域中同心向外定向行進。同心輸出波由側面2307及2308反射且在間隙導體2303與RF陣列2306之間的區域內向內行進。來自圓形周界之邊緣之反射使波保持同相(即，其係一同相反射)。行進波由介電層2305減慢。就此而言，行進波開始與RF陣列2306中之元件進行互動及激發以獲得所要散射。
為終止行進波，在天線之幾何中心處之天線中包含一終端2309。在一個實施例中，終端2309包括一銷終端(例如一50Ω銷)。在另一實施例中，終端2309包括一RF吸收器，其終止未使用之能量以防止該未使用之能量通過天線之饋送結構之反射回。此等可在RF陣列2306之頂部使用。
圖24繪示具有一輸出波之天線系統之另一實施例。參考圖24，兩個接地平面2410及2411實質上彼此平行，其中在接地平面2410、2411之間具有一介電層2412 (例如一塑膠層等)。RF吸收器2419 (例如電阻器)將兩個接地平面2410及2411耦合在一起。一同軸銷2415 (例如50Ω)為天線饋電。一RF陣列2416在介電層2412及接地平面2411之頂部上。
在操作中，一饋送波通過同軸銷2415饋送並同心向外行進並與RF陣列2416之元件相互作用。
在圖23及圖24之兩個天線中之圓柱形饋送改良天線之服務角度。在一個實施例中，代替正負四十五度方位角(±45°Az)及正負二十五度仰角(±25°El)之一服務角，天線系統具有與視軸在各個方向上成七十五度(75°)之一服務角。與由許多個別輻射器組成之任何波束成形天線一樣，整體天線增益取決於構成元件之增益，構成元件之增益本身與角度有關。當使用常見輻射元件時，整體天線增益通常隨著波束之指向進一步遠離視軸而降低。在偏離視軸75度之情況下，預期增益顯著下降約6 dB。
具有一圓柱形饋送之天線之實施例解決一或多個問題。此等包含與採用一公司分頻器網路饋送之天線相比，大大簡化饋送結構，且因此減少所需之總天線及天線饋送量；藉由使用較粗控制來保持高波束效能來降低對製造及控制錯誤之敏感度(一直擴展至簡單二元性控制)；與直線形饋送相比，給出一種更有利旁瓣模式，因為圓柱狀饋送波在遠場中導致空間上不同之旁瓣；及允許極化係動態的，包含允許左旋圓、右旋圓及線性極化，而無需一偏振器。陣列之波散射元件
圖23之RF陣列2306及圖24之RF陣列2416包含一波散射子系統，該波散射子系統包含充當輻射器之一組貼片天線(例如散射器)。此群組之貼片天線包括一陣列之散射超材料元件。
在一個實施例中，此天線系統之圓柱形饋送幾何形狀允許單位單元元件相對於波饋送中之波向量成四十五度(45°)角定位。元件之此定位使得能夠控制自元件產生或由元件接收之自由空間波之極化。在一個實施例中，單位單元經配置具有小於天線操作頻率之一自由空間波長之一元件間間距。例如，若各波長有四個散射元件，則30 GHz傳輸天線中之元件將大致為2.5 mm(即30 GHz 10mm自由空間波長之1/4)。單元放置
在一個實施例中，天線元件依允許一系統矩陣驅動電路之一方式放置於圓柱形饋送天線孔徑上。單元之放置包含用於矩陣驅動之電晶體之放置。圖25繪示矩陣驅動電路系統相對於天線元件之放置之一個實施例。參考圖25，列控制器2501分別經由列選擇信號Row1及Row2耦合至電晶體2511及2512，且行控制器2502經由行選擇信號Column1耦合至電晶體2511及2512。電晶體2511亦經由與貼片2531之連接而耦合至天線元件2521，而電晶體2512經由與貼片2532之連接而耦合至天線元件2522。
在將單位單元放置於一非規則網格中之圓柱形饋送天線上實現矩陣驅動電路系統的一最初方法中，執行兩個步驟。在第一步驟中，將單元放置於同心環上且將單元之各者連接至放置於單元旁邊且充當分別驅動各單元之一開關之一電晶體。在第二步驟中，構建矩陣驅動電路系統，以便按照矩陣驅動方法要求，將各電晶體與一唯一位址連接。因為矩陣驅動電路由列跡線及行跡線(類似於LCD)構建，而單元則放置於環上，因此沒有系統方法為各電晶體分配一唯一位址。此映射問題導致覆蓋所有電晶體之電路系統非常複雜，並導致完成佈線之實體跡線數目大大增加。由於高單元密度，歸因於耦合效應，此等跡線干擾天線之RF效能。而且，歸因於跡線之複雜性及高封裝密度，跡線之佈線不能由商業上可用之佈局工具完成。
在一個實施例中，在放置單元及電晶體之前預定義矩陣驅動電路系統。此確保驅動所有單元所必需之一最小跡線數目，各單元具有一唯一位址。此策略降低驅動電路系統之複雜性並簡化佈線，其顯著提高天線之RF效能。
更明確言之，在一種方法中，在第一步驟中，將單元放置於由描述各單元之唯一位址之列及行組成之一規則矩形網格上。在第二步驟中，將單元分組並轉換成同心圓，同時保持其位址以及與第一步驟中定義之列及行之連接。此變換之一目標不僅係將單元放在環上，而且使單元之間的距離及環之間的距離在整個孔徑上保持恆定。為完成此目標，存在若干方法來使單元分組。
在一個實施例中，一TFT封裝用於使得能夠在矩陣驅動器中進行放置及唯一定址。圖26繪示一TFT封裝之一個實施例。參考圖26，展示具有輸入埠及輸出埠之一TFT及一保持電容器2603。存在兩個連接至跡線2601之輸入埠及兩個連接至跡線2602之輸出埠以使用列及行將TFT連接在一起。在一個實施例中，列跡線及行跡線以90°角交叉以減小且潛在地最小化列跡線與行跡線之間的耦合。在一個實施例中，列跡線及行跡線在不同層上。一全雙工通信系統之 一 實例
在另一實施例中，經組合天線孔徑在一全雙工通信系統中使用。圖27係具有同時傳輸及接收路徑之一通信系統之一實施例的一方塊圖。雖然僅展示一個傳輸路徑及一個接收路徑，但通信系統可包含一個以上傳輸路徑及/或一個以上接收路徑。
參考圖27，如上文所描述，天線2701包含兩個空間交織之天線陣列，其可獨立操作以在不同頻率同時傳輸及接收。在一個實施例中，天線2701耦合至雙工器2745。該耦合可由一或多個饋送網路。在一個實施例中，在一徑向饋送天線之情況下，雙工器2745組合兩個信號且天線2701與雙工器2745之間的連接係可承載兩個頻率之一單一寬頻饋送網路。
雙工器2745耦合至一低雜訊塊降頻轉換器(LNB) 2727，其依本技術中熟知之一方式執行一雜訊濾波功能及一降頻轉換及放大功能。在一個實施例中，LNB 2727在一室外單元(ODU)中。在另一實施例中，LNB 2727經整合至天線設備中。LNB 2727耦合至一數據機2760，該數據機2760耦合至計算系統2740 (例如，一電腦系統、數據機等)。
數據機2760包含一類比至數位轉換器(ADC) 2722，其耦合至LNB 2727，以將自雙工器2745輸出之接收信號轉換成數位格式。一旦轉換成數位格式，該信號則由解調器2723解調並由解碼器2724解碼以獲得接收波上之編碼資料。接著將經解碼資料發送到控制器2725，控制器2725將其發送至計算系統2740。
數據機2760亦包含一編碼器2730，該編碼器2730對待自計算系統2740傳輸之資料進行編碼。經編碼資料由調變器2731調變，且接著由數位至類比轉換器(DAC) 2732轉換成類比。接著，該類比信號由一BUC (升頻轉換及高通放大器) 2733濾波並提供給雙工器2745之一個埠。在一個實施例中，BUC 2733在一室外單元(ODU)中。
依本技術中熟知之一方式操作之雙工器2745將傳輸信號提供給天線2701用於傳輸。
控制器2750控制天線2701，包含單一組合實體孔徑上之兩個陣列之天線元件。
通信系統將經修改為包含上文所描述之組合器/仲裁器。在此一情況下，組合器/仲裁器在數據機之後，但在BUC及LNB之前。
注意，圖27中所展示之全雙工通信系統具有許多應用程式，包含(但不限於)網際網路通信、車輛通信(包含軟體更新)等。
參考圖1至圖27，應瞭解，對於進一步實施例，可將其他可調諧電容器、可調諧電容晶粒、封裝晶粒、微機電系統(MEMS)裝置或其他可調諧電容裝置放置至一孔中或本文中所描述之實施例之其他變體中。質量傳遞技術可適用於進一步實施例，包含將各種晶粒、經封裝晶粒或MEMS裝置放置於用於電子掃描陣列之各種基板上以及各種進一步電氣、電子及機電裝置上。
本文中所描述之所有方法及任務可由一電腦系統執行且完全自動化。在一些情況下，電腦系統可包含多個不同電腦或計算裝置(例如，實體伺服器、工作站、儲存陣列、雲端計算資源等)，其等通過一網路通信及交交互操作以執行所描述之功能。各此計算裝置通常包含執行儲存於一記憶體或其他非暫時性電腦可讀儲存媒體或裝置(例如，固態存儲裝置、磁碟驅動器等)中之程式指令或模組之一處理器(或多個處理器)。本文中所揭示之各種功能可體現於此等程式指令中，或可在電腦系統之專用電路系統(例如，ASIC或FPGA)中實施。在電腦系統包含多個計算裝置之情況下，此等裝置可但不必共同定位。所揭示之方法及任務之結果可藉由將諸如固態記憶體晶片或磁碟之實體儲存裝置轉換成一不同狀態來持久儲存。在一些實施例中，電腦系統可為一基於雲端之計算系統，其處理資源由多個不同商業實體或其他使用者共用。
取決於實施例，本文中所描述之程序或演算法之任何者之某些動作、事件或功能可以一不同順序執行，可經添加、合併或完全省略(例如，並非所有所描述之操作或事件對於演算法之實踐係必要的)。此外，在某些實施例中，可(例如)通過多線程處理、中斷處理或多個處理器或處理器核心或在其他並行架構上同時而非循序地執行操作或事件。
結合本文中所揭示之實施例描述之各種繪示性邏輯區塊、模組、常式及演算法步驟可實施為電子硬體(例如，ASIC或FPGA裝置)、在電腦硬體上運行之電腦軟體或兩者之組合。此外，結合本文中所揭示之實施例描述之各種繪示性邏輯區塊及模組可由一機器(諸如一處理器裝置、一數位信號處理器(DSP)、一專用積體電路(ASIC)、一場可程式化閘陣列(FPGA)或其他可程式化邏輯裝置、離散閘或電晶體邏輯、離散硬體組件或經設計以執行本文中所描述之功能之其任何組合)來實施或執行。一處理器裝置可為一微處理器，但替代地，處理器裝置可為一控制器、微控制器或狀態機、其等之組合或其類似者。一處理器裝置可包含經組態以處理電腦可執行指令之電路系統。在另一實施例中，一處理器裝置包含執行邏輯運算而不處理電腦可執行指令之一FPGA或其他可程式化裝置。一處理器裝置亦可經實施為計算裝置之一組合，例如，一DSP及一微處理器、複數個微處理器、與一DSP核心結合之一或多個微處理器或任何其他此等組態之一組合。儘管本文主要關於數位技術進行描述，但一處理器裝置亦可主要包含類比組件。例如，本文中所描述之一些或全部演現技術可在類比電路系統或混合類比及數位電路系統中實施。一計算環境可包含任何類型之電腦系統，包含(但不限於)基於一微處理器、一大型電腦、一數位信號處理器、一可攜式計算裝置、一裝置控制器或一電器內部之一計算引擎之一電腦系統，僅舉幾例。
結合本文中所揭示之實施例描述之一方法、程序、常式或演算法之元件可直接體現於硬體中、在由一處理器裝置執行之一軟體模組中或在兩者之一組合中。一軟體模組可駐留於RAM記憶體、快閃記憶體、ROM記憶體、EPROM記憶體、EEPROM記憶體、暫存器、硬碟機、一可移除磁碟、一CD-ROM或任何其他形式之一非暫時性電腦可讀儲存媒體中。一例示性儲存媒體可耦合至處理器裝置，使得處理器裝置可自儲存媒體讀取資訊，且可向儲存媒體寫入資訊。替代地，儲存媒體可與處理器裝置整合在一起。處理器裝置及儲存媒體可駐留於一ASIC中。ASIC可駐留於一使用者端子中。替代地，處理器裝置及儲存媒體可作為離散組件駐留於一使用者端子中。
本文中所使用之條件語言(諸如「可(can)」、「可(could)」、「可能(might)」、「可(may)」、「例如」及其類似者)除非另外特別說明，或在上下文中如所使用而理解，通常旨在傳達某些實施例包含而其他實施例不包含某些特徵、元件或步驟。因此，此條件語言通常不旨在暗示特徵、元件或步驟以任何方式對於一或多個實施例係必需的，或一或多個實施例必然包含用於決定是否有其他輸入或提示在任何特定實施例中此等特徵、元件或步驟是否包含於或將待執行之邏輯。術語「包括」、「包含」、「具有」及其類似者係同義詞且以一開放式方式包含使用，且不排除額外元件、特徵、動作、操作等。同樣，術語「或」以其包含含義使用(且並非以其排他之含義使用)，使得，例如，當用於連接一元件清單時，術語「或」意謂該清單中之元件之一者、一些或全部。
除非另有明確說明，否則諸如片語「 X、Y或Z之至少一者」之轉折語言應與通常用於呈現一項目、術語等可為X、Y或Z或其任何組合(例如X、Y或Z)之上下文一起理解。因此，此轉折語言通常非旨在且不應暗示某些實施例要求存在X之至少一者、Y之至少一者及Z之至少一者。
儘管上文詳細描述已經展示、描述並指出應用於各種實施例之新穎特徵，但可理解，可對所繪示之裝置或演算法之形式及細節進行各種省略、替換及改變，而不背離本發明之精神。如可識別，本文中所描述之某些實施例可以不提供本文中所闡述之所有特徵及優點之形式來體現，因為一些特徵可與其他特徵分開使用或實踐。本文中所揭示之某些實施例之範疇由隨附申請專利範圍而非由前述描述指示。落入申請專利範圍之等同含義及範圍內之所有改變應包含於其範疇內。
102:二極體 104:貼片電極 106:通孔 108:基板 110:偏壓電極 112:膜片開口(或狹槽) 114:膜片金屬 302:電極 402:膜片開口 404:二極體 406:電極 502:圓形接合襯墊-1 504:環形接合襯墊-2 506:零件邊界 508:接面二極體 510:MIS二極體 512:氧化物 514:電極-2 516:電極-1 518:二極體 520:二極體晶粒 522:接合線 524:焊料 602:矩形孔徑 604:圓形孔徑 606:二極體 608:半導體晶圓晶粒 702:大矩形天線孔徑 704:小矩形區域 706:目標基板 802:圓形天線孔徑 804:分段 806:二極體 808:區段 810:區段 812:區段 814:區段 816:區段 818:區段 820:壓模大小 902:導電偏壓電極 904:電阻偏壓線 1002:動作 1004:動作 1006:動作 1008:動作 1102:連接 1104:膜片開口 1106:膜片金屬 1108:離散可調諧元件 1110:離散可調諧元件 1112:接合襯墊 1114:膜片金屬 1202:膜片鈍化層 1204:膜片金屬 1206:離散可調諧元件 1208:元件接合襯墊 1210:玻璃基板 1212:鈍化層 1214:焊料 1216:金屬跡線 1302:組裝樣板 1304:組裝位點 1402:區域 1404:開口 1406:膜片特徵 1502:離散可調諧元件 1504:鐵磁接合襯墊 1506:離散可調諧元件 1604:鐵磁接合襯墊 1606:磁體 1608:離散可調諧元件 1702:雙面二極體晶粒 1704:連接 1706:焊料 1708:通孔 1802:單面二極體晶粒 1804:金屬跡線 1806:焊料 1902:連接 1904:膜片開口 1906:貼片 1908:離散可調諧元件 1909:襯墊 1910:玻璃基板 1912:接合襯墊 1914:膜片金屬 1916:通孔 1930:連接點 1931:膜片鈍化層 1934:焊料 1940:鈍化層 1941:鈍化層 2002:膜片電感 2004:膜片電感 2006:膜片電感 2008:膜片電感 2010:可變電容器 2012:DC電壓源 2014:電容器 2101:陣列 2102:輸入饋送 2103:天線元件 2205:饋送波 2210:可調諧狹槽 2212:陣列 2230:可重新組態諧振器層 2245:接地平面 2280:控制模組 2301:同軸銷 2302:接地平面 2303:間隙導體 2304:間隔物 2305:介電層 2306:RF陣列 2307:側面 2308:側面 2309:終端 2410:接地平面 2411:接地平面 2412:介電層 2415:同軸銷 2416:RF陣列 2419:RF吸收器 2501:列控制器 2502:行控制器 2511:電晶體 2512:電晶體 2521:天線元件 2522:天線元件 2531:貼片 2532:貼片 2601:跡線 2602:跡線 2603:保持電容器 2701:天線 2723:解調器 2724:解碼器 2725:控制器 2727:低雜訊塊降頻轉換器(LNB) 2730:編碼器 2731:調變器 2732:類比轉換器(DAC) 2733:BUC (升頻轉換及高通放大器) 2740:計算系統 2745:雙工器 2750:控制器 2760:數據機
藉由參考以下結合附圖之描述，可最佳理解所描述之實施例及其優點。在不脫離所描述之實施例之精神及範疇的情況下，此等附圖決不限制熟習此項技術者可對所描述之實施例進行之形式及細節上之任何改變。
圖1A係用於一超材料表面天線之一實施例之藉由使用偏壓電極及通孔實施及調諧之一單位單元設計的一橫截面圖。
圖1B係用於一超材料表面天線之一實施例之圖1A之單位單元設計的一俯視圖。
圖2係使用通孔之一單位單元設計的一俯視圖。
圖3A係無需通孔之一單位單元設計的一俯視圖。
圖3B係無需通孔之一進一步單位單元設計的一俯視圖。
圖3C係無需通孔之一進一步單位單元設計的一俯視圖。
圖4係一半圓形盤單位單元之一俯視圖，其允許保持二極體旋轉一致，而單位單元之剩餘者可具有不同旋轉。
圖5A係一圓形二極體之一仰視圖。
圖5B係一未封裝之圓形二極體之一橫截面圖。
圖5C係一圓形二極體封裝之一橫截面圖。
圖6係具有六邊形子陣列內之一一致定向之二極體之一群大圓形或矩形孔的一俯視圖。
圖7係具有矩形子陣列內之一一致定向之二極體之一群大矩形孔的一俯視圖。
圖8A繪示分段之使用可如何簡化單元之旋轉及二極體放置。
圖8B描繪圖8A中設計之一變體，其中二極體之定向離散為三個區段。
圖8C繪示可如何使用小且矩形壓模來填充圖8B之設計。
圖9A繪示具有兩個對稱放置之二極體之一單位單元，其中一電阻偏壓電極直接連接至一貼片電極。
圖9B繪示具有一單一二極體及使用一電阻偏壓線直接連接至貼片電極之一電阻偏壓線的一單位單元。
圖10係繪示用於一超材料表面天線之一實施例之一製造方法的一流程圖。
圖11係具使用一薄膜程序產生之通孔之一二極體整合的一俯視圖。
圖12係沿A-B線之圖11之二極體整合的一橫截面圖。
圖13係具有一組裝樣板之一組裝位點的一橫截面圖。
圖14係在組裝之前在一玻璃基板上之一組裝樣板的一俯視圖。
圖15A係用於一自組裝程序之一個實施例之一待組裝零件的一橫截面圖。
圖15B係用於一自組裝程序之一進一步實施例之一待組裝零件的一透視圖。
圖16描繪使用鐵磁襯墊及一磁體以一所要定向組裝之零件。
圖17描繪使用膜片開口作為組裝樣板之一部分組裝之零件，包含雙面二極體晶粒。
圖18描繪使用膜片開口作為組裝樣板之部分組裝之零件，包含單面二極體晶粒。
圖19A及圖19B繪示包含一二極體-TFT陣列-膜片連接之一天線元件的另一實施例。
圖20A及圖20B繪示一電路示意圖之實施例，其描繪用於超材料表面或超材料天線之可調諧膜片開口單位單元之電子電路等效物或表示。
圖21繪示一圓柱形饋送全像徑向孔徑天線之一個實施例的示意圖。
圖22繪示包含一接地平面及一可重新組態諧振器層之一列天線元件的一透視圖。
圖23繪示一圓柱形饋送天線結構之一個實施例的一側視圖。
圖24繪示具有一輸出波之天線系統的另一實施例。
圖25繪示矩陣驅動電路系統相對於天線元件之放置的一個實施例。
圖26繪示一TFT封裝之一個實施例。
圖27係具有同時傳輸及接收路徑之一通信系統之一個實施例的一方塊圖。
102:二極體
104:貼片電極
106:通孔
108:基板
110:偏壓電極
112:偏壓電極
114:膜片金屬

Claims (36)

  1. 一種用於一超材料表面、超材料或波束成形天線之單位單元，其包括：一基板；一金屬層，其附接至該基板且界定一膜片開口；及一或多個可調諧電容裝置，其定位於該膜片開口內或跨該膜片開口，各可調諧電容裝置用以調諧該單位單元之諧振頻率，其中該一或多個可調諧電容裝置的每一者包括一個離散二極體，其中該一個離散二極體的一第一端子耦合至位於該膜片開口的一側的該金屬層，該一個離散二極體的與該第一端子相對的一第二端子耦合至一第一電極，且一偏壓電極耦合至該第一電極。
  2. 如請求項1之單位單元，其進一步包括：一組裝樣板，其由在該基板上之結構形成以在該單位單元之組裝期間對準該一或多個可調諧電容裝置。
  3. 如請求項2之單位單元，其中該組裝樣板係可移除的。
  4. 如請求項2之單位單元，其中在該單位單元之該組裝之後，該組裝樣板將保留於該基板上之該結構中。
  5. 如請求項2之單位單元，其中該組裝樣板由在其中界定該膜片開口之該金屬層形成。
  6. 如請求項1之單位單元，其進一步包括：一通孔，其將該一個離散二極體之該第一端子連接至該膜片開口之該側上之該金屬層；其中該第一電極包括一貼片電極，其連接至該一個離散二極體之相對的該第二端子，且該偏壓電極連接至該貼片電極。
  7. 如請求項6之單位單元，其中該偏壓電極係電阻性的且包括一電阻性偏壓線或一電阻器。
  8. 如請求項1之單位單元，其中該一或多個可調諧電容裝置包括兩個離散二極體，其中該第一電極包括一貼片電極，且進一步包括：該貼片電極，其連接至該兩個離散二極體之各者之一個端子；一第一通孔，其將該膜片開口之一第一側上之該金屬層之一第一部分連接至該兩個離散二極體之一第一者之另一端子；及一第二通孔，其將該膜片開口之一第二側上之該金屬層之一第二部分連接至該兩個離散二極體之一第二者之另一端子。
  9. 如請求項1之單位單元，其進一步包括： 一第一貼片電極，其連接至該一個離散二極體之一第一端子，其中該一個離散二極體經定向成平行於該膜片開口且在該膜片開口內；及一第二貼片電極，其連接至該一個離散二極體之一第二端子。
  10. 如請求項1之單位單元，其中該一或多個可調諧電容裝置包括該第一離散二極體及一第二離散二極體，且進一步包括：一第一貼片電極，其位於該膜片開口之一第一側且連接至該第一離散二極體之一第一端子；一第二貼片電極，其位於該膜片開口之一第二側且連接至該第二離散二極體之一第一端子；及一第三電極，其沿該膜片開口之一中心線定位且連接至該第一離散二極體及該第二離散二極體之各者之一第二端子。
  11. 如請求項1之單位單元，其進一步包括：一第一貼片電極，其位於該膜片開口之一第一側且連接至該一個離散二極體之一第一端子；及一第二貼片電極，其位於該膜片開口之一第二側且連接至該一個離散二極體之一第二端子。
  12. 如請求項1之單位單元，其進一步包括：該金屬層進一步界定用於該一個離散二極體之一第一電極及一第二電極，其中該第一電極及該第二電極之各者具有一半圓形形狀，該半圓形形狀支持該一個離散二極體相對於該單位單元之一剩餘者在該天線之一陣 列中之該單位單元之複數個放置中之不同旋轉的一致旋轉。
  13. 如請求項1之單位單元，其中該一或多個可調諧電容裝置包括一個未封裝之圓形二極體或一個具有一圓形二極體封裝之二極體，該圓形二極體或該圓形二極體封裝具有一圓形接合襯墊及一環形接合襯墊之至少一者。
  14. 如請求項1之單位單元，其中該一或多個可調諧電容裝置包括具有一圓形接合襯墊及一環形接合襯墊之至少一者之一個可調諧電容裝置。
  15. 如請求項1之單位單元，其中該一或多個可調諧電容裝置之各者包含一或多個鐵磁接合襯墊。
  16. 一種天線，其包括：一或多個基板，其界定具有複數個單位單元之一天線孔徑，其中該天線孔徑係圓形的；及該複數個單位單元之各者包括：一金屬層，其附接至該一或多個基板之一部分且界定一膜片開口；及一或多個可調諧電容裝置，其定位於該膜片開口內或跨該膜片開口，各可調諧電容裝置針對該單位單元之諧振頻率可調諧，其中該一或多個可調諧電容裝置跨該天線孔徑之至少一部分相對於該單位單元之一剩餘者之不同旋轉具有一致定向。
  17. 如請求項16之天線，其中：該天線孔徑包括複數個段，該複數個段之各段具有該一或多個可調諧電容裝置之一子集，該子集跨該段具有一一致定向，包含該複數個段之一者作為該天線孔徑之該至少一部分。
  18. 一種天線，其包括：一或多個基板，其界定具有複數個單位單元之一天線孔徑，其中該天線孔徑係矩形的；且該複數個單位單元之各者包括：一金屬層，其附接至該一或多個基板之一部分且界定一膜片開口；及一或多個可調諧電容裝置，其定位於該膜片開口內或跨該膜片開口，各可調諧電容裝置針對該單位單元之諧振頻率可調諧，其中該一或多個可調諧電容裝置跨該天線孔徑之至少一部分具有一致定向，其中該一或多個可調諧電容裝置的每一個包括一個離散二極體，其電容地耦合一電容器至該膜片開口，且藉由一DC電壓源控制。
  19. 一種組裝離散元件的方法，其包括：將複數個單位單元之各者放置於一基板上，其中該複數個單位單元之各者包括附接至該基板且界定一膜片開口之一金屬層，包含將一或多個可調諧電容裝置定位於該膜片開口內或該跨膜片開口，各可調諧電容裝置調諧該單位單元之諧振頻率；及 附接該一或多個可調諧電容裝置作為完成該複數個單位單元之各者之部分，其中該一或多個可調諧電容裝置的每一者包括一個離散二極體，且附接該一或多個可調諧電容裝置包括：使用至少一通孔，耦合該一個離散二極體的一個端子至位於該膜片開口的一側的該金屬層，耦合該一個離散二極體的與該一個端子相對的另一端子至一第一電極，及耦合一偏壓電極至該第一電極。
  20. 如請求項19之方法，其中該一或多個可調諧電容裝置跨該基板具有一致定向。
  21. 如請求項19之方法，其中相對於該複數個單位單元之一剩餘者之不同旋轉，該複數個單位單元具有該一或多個可調諧電容裝置之一致定向。
  22. 如請求項19之方法，其進一步包括：在該基板上沈積薄膜電晶體；及在該基板上沈積通孔。
  23. 如請求項19之方法，其進一步包括在界定該複數個單位單元之該膜片開口之該金屬層上方沈積薄膜電晶體。
  24. 如請求項19之方法，其進一步包括在界定該複數個單位單元之該膜 片開口之該金屬層下方沈積薄膜電晶體。
  25. 如請求項19之方法，其進一步包括：使用一或多個六邊形傳遞工具將該複數個單位單元之各者之該一或多個可調諧電容裝置放置於該基板上。
  26. 如請求項19之方法，其進一步包括：使用一或多個矩形傳遞工具將該複數個單位單元之各者之該一或多個可調諧電容裝置放置於該基板上。
  27. 如請求項19之方法，其進一步包括：在該基板上配置一組裝樣板，用於接收定位於該複數個單位單元之各者之該膜片開口內或跨該膜片開口之該一或多個可調諧電容裝置。
  28. 如請求項19之方法，其中附接該一或多個可調諧電容裝置以完成該複數個單位單元之各者包括一自組裝程序，該自組裝程序使用一或多個磁體來吸引該複數個單位單元之各者之該一或多個可調諧電容裝置之鐵磁接合襯墊。
  29. 如請求項19之方法，其進一步包括在一自組裝程序中施加攪動以將該一或多個可調諧電容裝置定位於該複數個單位單元之各者之該膜片開口內或跨該膜片開口。
  30. 如請求項19之方法，其進一步包括：在該基板上配置一組裝樣板；及對於該複數個單位單元之各者，使用一或多個磁體吸引該一或多個可調諧電容裝置之鐵磁接合襯墊以在該組裝樣板內對準該一或多個可調諧電容裝置。
  31. 一種使用質量傳遞技術製造一電子掃描陣列之方法，其包括：使用一自組裝程序將一或多個可調諧電容裝置對準至由耦合至一基板之一金屬層界定之複數個膜片開口之各者；及在與該複數個膜片開口之各者對準時，將該一或多個可調諧電容裝置耦合至該基板，其中該一或多個可調諧電容裝置的每一者包括一個離散二極體，且耦合該一或多個可調諧電容裝置至該基板包括：使用至少一通孔，耦合該一個離散二極體的一個端子至位於該膜片開口的一側的該金屬層，耦合該一個離散二極體的與該一個端子相對的另一端子至一第一電極，及耦合一偏壓電極至該第一電極。
  32. 如請求項31之方法，其中：該一或多個可調諧電容裝置之各者包括一鐵磁部分；及該自組裝程序使用一磁場用於對準該一或多個可調諧電容裝置。
  33. 如請求項31之方法，其中該自組裝程序包括攪動。
  34. 如請求項31之方法，其中該自組裝程序包括使用由界定該複數個膜片開口之該金屬層形成之一組裝樣板。
  35. 如請求項31之方法，其中該自組裝程序包括使用附接至該基板之一組裝樣板。
  36. 如請求項31之方法，其中該自組裝程序包括該一或多個可調諧電容裝置之各者具有適合於一組裝樣板之一形狀。
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