JP2011514121A - フェーズドアレイアンテナの走査角増強レンズ - Google Patents

Abstract

負屈折率メタマテリアルレンズの方法及び装置である。本方法は、フェーズドアレイアンテナに使用する負屈折率メタマテリアルレンズを作製するのに使用される。フェーズドアレイアンテナによって生成されたビームを垂直配向から約９０度屈折させて初期設計を形成することができる負屈折率メタマテリアルレンズの設計が作製される。初期設計は別々の部品を含むように修正されて、個別設計を形成する。別々の部品のための材料が選択される。負屈折率メタマテリアルユニットセルは別々の部品用に設計されて、設計された負屈折率メタマテリアルユニットセルを形成する。設計された負屈折率メタマテリアルユニットセルは加工されて、設計され加工された負屈折率メタマテリアルユニットセルを形成する。負屈折率メタマテリアルレンズは、設計された負屈折率メタマテリアルユニットセルから形成される。

Description

本発明は概して、レンズ、特にフェーズドアレイアンテナに使用するレンズに関するものである。さらに具体的には、本発明はフェーズドアレイアンテナの走査角増強用の負屈折率メタマテリアルレンズの方法及び装置に関するものである。

フェーズドアレイアンテナには多くの用途がある。例えば、フェーズドアレイアンテナは様々なラジオ放送局の振幅変調及び周波数変調信号を放送するのに使用可能である。別の実施例では、フェーズドアレイアンテナは例えば軍艦などの航洋船に一般に使用されている。フェーズドアレイアンテナによって、軍艦が表面探知及び追跡、空中探知及び追跡、そしてミサイルのアップリンク性能の一レーダーシステムを使用することが可能になる。さらに、フェーズドアレイアンテナはミサイルの飛行中にミサイルを制御するのに使用可能である。

フェーズドアレイアンテナはまた、様々な輸送手段間の通信を可能にするために一般に使用される。フェーズドアレイアンテナはまた、宇宙船との通信にも使用される。別の実施例としては、フェーズドアレイアンテナは動いている輸送手段又は航洋船において航空機との通信を行うのに使用可能である。

フェーズドアレイアンテナの要素から、高周波信号を発信して、異なる角度に操向できるビームを形成することができる。ビームは、高周波信号を発している要素の表面に対して垂直に放射可能である。信号が発信される方法を制御することにより、方向を変えることができる。方向の転換は、操向とも呼ぶことができる。例えば、多くのフェーズドアレイアンテナを制御して、ビームをアンテナのアレイから垂直方向から約６０度の角度に方向付けすることができる。用途によっては、ビームを例えば約９０度等のより高い角度に方向付けする能力又は機能が望ましい場合がある。

現在使用されているあるシステムは、機械的に操向されるアンテナを採用してより大きい角度を達成することが可能である。言い換えると、アンテナユニットを物理的に移動させる又は傾けることができ、ビームを操向できる角度を増加させることができる。これらの機械システムによってアンテナ全体を動かすことができる。この種の機械システムには、アレイを所望の方向に傾けることができるプラットフォームが含まれる場合がある。これらの種類の機械システムはしかしながら、通信リンクを可能にするのに所望の速度よりも遅い場合のある速度でアレイを移動させる。

したがって、上述した問題を解決する方法及び装置を有することが有利である。

異なる有利な実施形態により、負屈折率メタマテリアルレンズの方法及び装置が提供される。ある有利な実施形態では、フェーズドアレイアンテナに使用する負屈折率メタマテリアルレンズを作製するのにこの方法が使用される。フェーズドアレイアンテナによって生成されたビームを垂直配向から約９０度屈折させて初期設計を形成することができる、負屈折率マテリアルレンズの設計が作製される。初期設計は修正されて、個別コンポーネントを含む個別設計を形成する。個別コンポーネントのための材料が選択される。負屈折率メタマテリアルユニットセルは個別コンポーネント用に設計されて、設計された負屈折率メタマテリアルユニットセルを形成する。設計された負屈折率メタマテリアルユニットセルは製造されて、設計され製造された負屈折率メタマテリアルユニットセルを形成する。負屈折率メタマテリアルレンズは、設計された負屈折率メタマテリアルユニットセルから形成される。

別の有利な実施形態では、フェーズドアレイアンテナ用のレンズを作製する方法が存在する。垂直配向に対して第１角度に操向可能なビームを放射することができる高周波エミッタのアレイが特定される。高周波エミッタのアレイによって放射されたビームを垂直配向に対して所望の角度に屈折させることができる負屈折率メタマテリアルレンズが形成される。

さらに別の有利な実施形態では、装置は負屈折率メタマテリアルレンズ及びアレイを備えている。負屈折率メタマテリアルレンズは、法線ベクトルに対して選択角度に高周波ビームを屈折させることができる構成を有している。アレイは高周波ビームを放射することができる。

特徴、機能及び利点は、本発明の様々な実施形態において個別に達成することができる、または下記の説明及び図面を参照することによってさらに詳細を理解することができる更に別の実施形態と組み合わせることができる。

有利な実施形態を特徴づけていると思われる新規特性は添付の請求項に記載されている。有利な実施形態だけでなく、使用の好ましいモード、更なる目的及びその利点はしかしながら、添付の図面と併せて読むときに、本発明の有利な実施形態の下記の詳細説明を参照することによって最適に理解される。

図１は有利な実施形態を実行可能なフェーズドアレイアンテナを示すブロック図である。 図２は有利な実施形態による負屈折率メタマテリアルレンズを使用したフェーズドアレイアンテナの操作を示す図である。 図３は有利な実施形態による負屈折率メタマテリアルレンズの設計の実施例である。 図４は有利な実施形態による負屈折率メタマテリアルレンズの外形を示す図である。 図５は有利な実施形態によるフェーズドアレイアンテナのアレイに関連するレンズの断面を示す図である。 図６は有利な実施形態によるレンズの図である。 図７は有利な実施形態によるレンズの断面図である。 図８は有利な実施形態によるセルの図である。 図９は有利な実施形態によるユニットセルの配置である。 図１０は有利な実施形態による２つのユニットセルを示す図である。 図１１は有利な実施形態によるアセンブリ用に位置づけされたユニットセルの図である。 図１２は有利な実施形態によるデータ処理システムの図である。 図１３は有利な実施形態によるフェーズドアレイアンテナの負屈折率メタマテリアルレンズの製造プロセスのフロー図である。 図１４は有利な実施形態によるレンズ設計を最適化するプロセスのフロー図である。 図１５は有利な実施形態による負屈折率メタマテリアルユニットセルを設計するプロセスのフロー図である。 図１６は有利な実施形態によるビームの表示である。 図１７は有利な実施形態によるビームの表示である。 図１８は有利な実施形態によるビームの表示である。 図１９は有利な実施形態による図１８の一部の拡大図である。 図２０は有利な実施形態による強度プロットである。 図２１は有利な実施形態による別の強度プロットである。

ここで図面を参照、特に図１を参照すると、フェーズドアレイアンテナを示すブロック図が有利な実施形態にしたがって図示されている。この実施例では、フェーズドアレイアンテナ１００は、ハウジング１０２、電源装置１０４、アンテナコントローラ１０６、アレイ１０８、及び負屈折率メタマテリアルレンズ１１０を含む。ハウジング１０２は、フェーズドアレイアンテナ１００の異なる要素を含む物理構造である。電源装置１０４は、電力をフェーズドアレイアンテナ１００を操作するのに必要な電圧及び電流の形態で提供する。アンテナコントローラ１０６は、アレイ１０８によるマイクロ波信号の放射を制御する制御システムを提供する。これらのマイクロ波信号はアレイ１０８によって放射可能な高周波放射物である。

アレイ１０８はマイクロ波トランスミッタのアレイである。これらのマイクロ波トランスミッタの各々は、一要素又はラジエーターとも呼ぶことができる。これらの実施例では、アレイ１０８内の各トランスミッタは、アンテナコントローラ１０６に接続されている。アンテナコントローラ１０６は、ビーム１１２を生成するように、高周波信号の放射を制御する。具体的には、アンテナコントローラ１０６は、アレイ１０８の各トランスミッタからの伝達信号のフェーズ及びタイミングを制御することができる。言い換えれば、アレイ１０８内の各要素は、アレイ１０８の他のトランスミッタに対して異なるフェーズ及びタイミングを使用して信号を伝達することができる。結合した個別の放射信号はアレイの建設的及び相殺的干渉パターンを形成し、これによりビーム１１２をアレイ１０８から異なる角度に方向付けすることができる。

これらの実施例では、ビーム１１２は法線ベクトル１１４に対して複数の異なる方向に放射可能である。法線ベクトル１１４は、アレイ１０８が形成される平面に対して垂直方向に向いている。通常、アンテナコントローラ１０６は、ビーム１１２を制御又は操向して、ビーム１１２を法線ベクトル１１４に対して０度、法線ベクトル１１４から最高約６０度までのいずれかにおいて放射することができる。

有利な実施形態では、負屈折率メタマテリアルレンズ１１０により、法線ベクトル１１４からの角度を通常利用可能なベクトル約６０度を超えて増加させる能力が得られる。異なる有利な実施形態では、負屈折率メタマテリアルレンズ１１０はビーム１１２を法線ベクトル１１４から約９０度の角度に屈折させる。この屈折により、ビーム１１２を操向可能な角度が増加する。

負屈折率メタマテリアルレンズ１１０により、現在使用される解決法のように、機械要素を移動させる必要なく、この種のビーム１１２の方向付けが可能になる。メタマテリアルは、その組成から直接ではなく、物質の構造からその特性を得る物質である。メタマテリアルは、メタマテリアルに存在し得る独特の特性に基づいて、他の複合材料から区別することが可能である。

例えば、メタマテリアルは負屈折率を有する構造を有する場合がある。この種の特性は、自然発生物質には含まれない。屈折率は、光又は他の波動の速度が媒体中でどのくらい低下するかの測定値である。

さらに、メタマテリアルはまた、誘電率及び陶磁率がマイナスの値になるように設計することもできる。誘電率は物理量であり、電界がどのように誘電媒体に影響するか、そして誘電媒体によって影響を受けるかを表す。陶磁率は印加された磁界に対して直線的に反応する物質の磁気度である。異なる有利な実施形態では、負屈折率メタマテリアルレンズ１１０は、負屈折率を有するメタマテリアルで形成されたレンズである。このレンズはまた、ビーム１１２を屈折させるための他の特性又は特質を含むこともできる。

異なる有利な実施形態では、正屈折率を使用するレンズをフェーズドアレイアンテナ１００内に用いることもできることが認識されている。異なる有利な実施形態ではしかしながら、この種のレンズは結果的にハウジング１０２に対して大きすぎる構造になる可能性があることが認識されている。この種のレンズはハウジング１０２からはみ出す可能性があり、実行形態の種類によっては、空気力学的な問題を引き起こし得る。その結果、異なる有利な実施形態は、フェーズドアレイアンテナ１００に使用されるレンズを形成するのに負屈折率メタマテリアルを使用する。

ここで図２を見てみると、負屈折率メタマテリアルレンズを使用するフェーズドアレイアンテナの操作を示す図が、有利な実施形態にしたがって図示されている。この実施例では、アレイ２００は図１のアレイ１０８等のアレイの実施例である。アレイ２００は例えば、６４要素アレイであってよい。この種の実行形態では、８×８アレイを三角形の空間格子に配置することができる。当然ながら、異なる有利な実施形態を他の種類及びサイズのアレイに応用することが可能である。

この実例となる実施例では、アレイ２００からビーム２０２が出力される。ビーム２０２は、アレイ２００の異なる要素によって生成される高周波放射である。アレイ２００による信号の送信は、ビーム２０２が法線２０４から約６０度の方向に操向されるように行われる。ビーム２０２は、表面２０８において負屈折率メタマテリアルレンズ２０６に進入する。負屈折率メタマテリアルレンズ２０６は断面が示されており、これは図１の負屈折率メタマテリアルレンズ１１０の一実施例である。

負屈折率メタマテリアルレンズ２０６がビーム２０２が通り過ぎる時に、ビーム２０２は、ビーム２０２が表面２１０においておおよそ水平方向に負屈折率メタマテリアルレンズ２０６から放射される又は放出されるように屈折する又は方向付けされる。当然ながら、ビーム２０２の最終方向は、負屈折率メタマテリアルレンズ２０６に進入する前のビーム２０２の操向によって変えることができる。矢印２１２及び２１４によって示す経路は、レンズに使用される通常の物質を通るビームの経路を示している。図から分かるように、この経路においてはおおよそ水平方向というものはない。

負屈折率メタマテリアルレンズは、複数の異なる形態を有することができる。有利な実施形態では、負屈折率メタマテリアルレンズは例えば放物線等の２つの曲線に基づいて設計される。ここで図３を見てみると、負屈折率メタマテリアルレンズの実施例が、有利な実施形態にしたがって図示されている。この実施例では、レンズ３００はフェーズドアレイアンテナに使用可能な屈折率メタマテリアルレンズの一実施例である。

この実施例では、レンズ３００は楕円３０４及び楕円３０６の間の負屈折率メタマテリアルユニットセル３０２を含む。負屈折率メタマテリアルユニットセル３０２はレンズ３００の物質を形成している。これらの実例となる実施例では、負屈折率メタマテリアルユニットセル３０２は層状に楕円３０４及び楕円３０６の間に配置される。これらの実例となる実施例では、楕円３０４及び楕円３０６はレンズ３００の境界輪郭線に過ぎない。これらの楕円はレンズ３００の実際のパーツではない。

負屈折率メタマテリアルユニットセル３０２を含む層は、これらのユニットセルの他の層と並んで、結晶構造の積み重ねが保持される。結晶構造の積み重ねは、ある層のユニットセルの境界が別の層のユニットセルの境界と並ぶときに起きる。非結晶構造の積み重ねは、異なる層のユニットセル間の境界が並んでいない時に起こる。各層の高さは、一ユニットセルの厚さであり、その一方で各層の幅は、適切なサイズに設計された複数のユニットセル又は単一のユニットセルであってよい。

ここで図４を見てみると、負屈折率メタマテリアルレンズの輪郭線を示す図が、有利な実施形態にしたがって図示されている。レンズの輪郭線４００は、例えば図３のレンズ３００等の負屈折率メタマテリアルレンズの輪郭線である。

この実施例では、レンズの輪郭線４００は図３の楕円３０４及び３０６の間に負屈折率メタマテリアルセルを配置することから生じる。レンズの輪郭線４００は、外縁４０２及び内縁４０４を有する。レンズの輪郭線４００の外見は、不連続又はギザギザになっている。実際の実行形態では、この設計を３６０度回転させて、負屈折率メタマテリアルレンズの三次元設計を形成することができる。

さらに、レンズの輪郭線４００の一部、例えば部分４０６の一部を取り除いて、重量と、ビームの更なる屈折が不必要な方向への干渉作用を減らすことができる。

ここで図５を参照すると、フェーズドアレイアンテナのアレイに関連するレンズの断面を示す図が、有利な実施形態にしたがって図示されている。この実施例では、レンズ３００はアレイ５０４に対する形で示されている。アレイ５０４は高周波エミッタのアレイである。具体的には、アレイ５０４はマイクロ波送信の形で高周波信号を発信することができる。

アレイ５０４は高周波放射物５０６、５０８、５１０、５１２、５１４、及び５１６を放射して、法線ベクトル５１８に対して約６０度の角度で発信可能なビームを形成することができる。

レンズ３００はこの実施例では、約４インチの円を有する内楕円と、８インチの長半径及び４．１インチの短半径を有する外楕円を有するように設計されている。この実施例では、レンズ３００はレンズ３００の一部のみを部分５２０内に含むように設計することができる。この実施例では、レンズ３００は部分５２２に示すように、約８インチの高さを有することができる。レンズ３００は、部分５２４に示すように約８．１インチの幅を有することができる。

当然ながら、図５のレンズ３００の図は、負屈折率メタマテリアルレンズの二次元断面として示されている。

ここで図６を見ると、レンズの図が有利な実施形態にしたがって図示されている。この実例となる実施例では、レンズ６００は斜視図で表わされている。レンズ６００は、図５の部分５２０のレンズ３００の一部である。この実施例では、アンテナ要素のアレイはレンズ６００のチャネル６０２内に位置している。この実施例では、アレイは隠れている。

ここで図７を参照すると、レンズ６００の断面斜視図が、有利な実施形態にしたがって図示されている。この実施例では、アレイ７００は存在し得るフェーズドアレイアンテナのアンテナ要素のアレイの一実施例である。この断面斜視図は、レンズ６００の一部を有するアレイ７００の斜視図を示すために表示されている。

ここで図８を参照すると、セルの図が有利な実施形態にしたがって図示されている。この実施例では、セル８００は、例えば図４のレンズ４００等のレンズを形成するのに使用可能な負屈折率メタマテリアルユニットセルの一実施例である。図示したように、セル８００の形は正方形である。セル８００は各側部に沿った長さ８０２と高さ８０４を有する。これらの実施例では、長さ８０２は例えば約２．３ｍｍであってよい。高さ８０４は基板の高さであってよい。例えば、長さは約１０ｍｍであってよい。これらの大きさは特定の実行形態によって変えることができる。セル８００は基板８０６を備える。

基板８０６は、トレース８０８及び８１０を含む、例えば分割リング共振器８０５等の銅リング及びワイヤトレースの担体となる。さらに基板８０６はまた、トレース８１２を含むこともできる。これらの実施例では、基板８０６はユニットセルの損失を減らすために低誘電正接を有することができる。これらの実施例では、基板８０６は例えばアルミナであってよい。使用可能な基板の別の実施例は、ＲＴ／ｄｕｒｏｉｄ（登録商標）５８７０高周波積層品である。この種の基板はロジャース社から入手可能であり得る。当然ながら、任意の種類の材料を基板８０６に使用して、異なるトレースの配置及び設計のための構造物の機械的担体を提供して、所望の電界及び磁界を達成することができる。

分割リング共振器８０５は、セル８００の負屈折率を生成する幾つかの特性を得るために使用される。トレース８０８及び８１０により、磁気応答に対する負の陶磁率が得られる。分割リング共振器８０５は、エネルギーに対するこれらのトレースパターンの反応によって生じる負の陶磁率を引き起こす。トレース８１２により、負の誘電率も得られる。

この実施例では、波動伝播ベクトルｋ８１４は基準軸８１６によって表されるようにｙ方向に向いている。分割リング共振器８０５はＨｚ構成要素を連結させてｚ方向に負の陶磁率を生じさせる。トレース８１２は、セル８００を他の平面のセルと積み重ねてＥｘ構成要素を連結しｘ方向に負の誘電率を生じさせるワイヤであり、他の電界及び磁界構成要素の連結の達成が可能である。

分割リング共振器８０５の特定のパターンを示したが、他の種類のパターンを使用することができる。例えば、分割リング共振器８０５のパターンは正方形の代わりに円形であってよい。分割リング共振器８０５の様々なパラメータを変更して、構造物の陶磁率を変えることができる。例えば、トレース８１２に対する分割リング共振器８０５の方向性によって、セル８００の陶磁率を変えることができる。

別の実施例としては、トレース８０８によって形成されたループ幅、トレース８１０によって形成された内部ループ幅、領域８１８内における更なる常磁性材料の使用、及びパターンの種類だけでなくセル８００の特徴の他の変更により、セル８００の陶磁率を変えることができる。また、セル８００の誘電率を、例えばトレース８１２の材料、トレース８１２の幅、トレース８１２の分割リング共振器８０５からの間隔等の様々な構成要素を変えることによって変化させることも可能である。

ここで図９を参照すると、ユニットセルの配置が有利な実施形態にしたがって図示されている。この実施例では、ユニットセル９００、９０２、９０４、９０６、９０８、９１２、及び９１４が図示されている。これらのユニットセルは図８のセル８００と同様のものである。この実施例では、波動ベクトルｋ９１６は軸９１８を基準にしてｚ方向にある。誘電率及び陶磁率はどちらも、この種のアーキテクチャではｘ及びｙ方向の両方において負である。ノッチ９２０及びノッチ９２２等のノッチは、これらの実施例では互いに交差しないようにｙワイヤにある。ワイヤの交差を避けるため、セルの境界にルーティングノッチが含まれている。ノッチ及びセルの積み重ねは、下記の図１０及び１１に関してさらに詳細が示されている。

ここで図１０を参照すると、２つのユニットセルを示す図が有利な実施形態にしたがって図示されている。この実施例では、要素１０００は基板１００６で実行されるユニットセル１００２及びユニットセル１００４を含む。ワイヤトレース１００８は、ユニットセル１００２及び１００４両方を通る。ユニットセル１００２は、トレース１０１０及び１０１２によって形成される分割リング共振器１００９を有している。ユニットセル１００４は、トレース１０１４及び１０１６によって形成される分割リング共振器１０１３を有している。この図から分かるように、要素１０００はノッチ１０１８をユニットセル１００２及び１００４の間に有しているため、垂直な積み重ね及び／又はアセンブリが可能になる。

ここで図１１を参照すると、アセンブリ用に位置づけされたユニットセルの図が、有利な実施形態にしたがって図示されている。この実施例では、要素１１００はユニットセル１１０２及び１１０４を含む。要素１１０６は、ユニットセル１１０８及び１１１０を含む。図から分かるように、要素１１００及び１１０６にはノッチ１１１２及び１１１４が含まれている。要素１１００及び１１０６は、ノッチ１１１２及び１１１４におけるこれらの２つの要素のアセンブリが嵌合できるように位置づけされる。

ここで図１２を見ると、データ処理システムの図が有利な実施形態にしたがって図示されている。図１２のデータ処理システム１２００は、負屈折率メタマテリアルレンズの設計を作製するだけでなく、フェーズドアレイアンテナ内のこれらのレンズのシミュレーションを行うのに使用可能であるデータ処理システムの一実施例である。データ処理システム１２００はまた、レンズのユニットセルを設計し、シミュレーションを行うのに使用することもできる。

この実例となる実施例では、データ処理システム１２００は、プロセッサ装置１２０４、メモリ１２０６、永続記憶装置１２０８、通信装置１２１０、入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置１２１２、及びディスプレイ１２１４の間の通信を可能にする通信ファブリック１２０２を含む。

プロセッサ装置１２０４は、メモリ１２０６にロード可能なソフトウェアの命令を実行する機能を持つ。プロセッサ装置１２０４は、特定の実行形態によっては、一組の一又は複数のプロセッサであってよく、又はマルチコアプロセッサであってよい。さらに、プロセッサ装置１２０４は、基本プロセッサが二次プロセッサとともに単一チップ上に含まれる一又は複数の異種プロセッサシステムを使用して実行可能である。別の実例となる実施例としては、プロセッサ装置１２０４は同じタイプの複数のプロセッサを含む対称マルチプロセッサシステムであってよい。

メモリ１２０６及び永続記憶装置１２０８は、記憶装置の実施例である。記憶装置は、一時的及び／又は永続的のいずれかで情報を保存することができる任意のハードウェアである。メモリ１２０６は、これらの実施例では、例えばランダムアクセスメモリ、又は任意の他の好適な揮発性又は非揮発性記憶装置であってよい。永続記憶装置１２０８は、特定の実行形態によって様々な形態を取ることができる。

例えば、永続記憶装置１２０８は一又は複数のコンポーネント又は装置を含むことができる。例えば、永続記憶装置１２０８は、ハードドライブ、フラッシュメモリ、書換可能なオプショナルディスク、書換可能な磁気テープ、又は上記の幾つかの組み合わせであってよい。永続記憶装置１２０８によって使用される媒体もまた、取り外し可能であってよい。例えば取り外し可能なハードドライブを永続記憶装置１２０８に使用することができる。

通信装置１２１０はこれらの実施例では、他のデータ処理システム又は装置との通信を可能にする。これらの実施例では、通信装置１２１０はネットワーク・インターフェース・カードである。通信装置１２１０は、物理的な及び無線通信リンクのいずれか、あるいは両方の使用を介して通信を可能にすることができる。

入力／出力装置１２１２は、データ処理システム１２００に接続可能な他の装置とのデータの入力及び出力を可能にする。例えば、入力／出力装置１２１２は、キーボード及びマウスを介したユーザー入力の接続を行うことができる。さらに、入力／出力装置１２１２は出力をプリンターに送ることができる。ディスプレイ１２１４は、ユーザーに情報を表示する機構を提供する。

オペレーティングシステム及びアプリケーション又はプログラムの命令は、永続記憶装置１２０８に位置している。これらの命令をメモリ１２０６にロードしてプロセッサ装置１２０４によって実行することができる。異なる実施形態のプロセスは、例えばメモリ１２０６等のメモリに位置することができるコンピュータによって実行される命令を使用して、プロセッサ装置１２０４によって行うことができる。これらの命令は、プロセッサ装置１２０４のプロセッサによって読取及び実行可能なプログラムコード、コンピュータが使用可能なプログラムコード、又はコンピュータによって読み取り可能なプログラムコードと呼ばれる。異なる実施形態のプログラムコードは、例えばメモリ１２０６又は永続記憶装置１２０８等の異なる物理的又は触知可能なコンピュータによって読み取り可能な媒体上に具現化することができる。

プログラムコード１２１６は、プロセッサ装置１２０４によって実行するために、選択的に取り外し可能で、データ処理システム１２００にロードする又は転送することが可能なコンピュータによって読み取り可能な媒体１２１８上の関数形式に位置している。プログラムコード１２１６及びコンピュータによって読み取り可能な媒体１２１８はこれらの実施例では、コンピュータプログラム製品１２２０を形成する。ある実施例では、コンピュータによって読み取り可能な媒体１２１８は、例えば永続記憶装置１２０８の一部であるハードドライブ等の記憶装置に転送するために、永続記憶装置１２０８の一部であるドライブ又は他の装置に挿入又は配置される、例えば光又は磁気ディスク等の触知可能な形態であってよい。

触知可能な形態では、コンピュータによって読み取り可能な媒体１２１８は、例えばデータ処理システム１２００に接続されているハードドライブ、サムドライブ、又はフラッシュメモリ等の永続記憶装置の形態を取ることもできる。コンピュータによって読み取り可能な媒体１２１８の触知可能な形態は、コンピュータによって書き込み可能な記憶媒体とも呼ばれる。ある場合には、コンピュータによって読み取り可能な媒体１２１８は取り外し可能でなくてよい。

あるいは、プログラムコード１２１６は、コンピュータによって読み取り可能な媒体１２１８から通信リンクを介して通信装置１２１０へ及び／又は接続部を介して入力／出力装置１２１２へ、データ処理システム１２００に転送することができる。通信リンク及び／又は接続部は、実例となる実施例では物理的又は無線であってよい。コンピュータによって読み取り可能な媒体は例えば、プログラムコードを含む通信リンク又は無線伝送等の非触知可能な媒体の形態を取ることもできる。

データ処理システム１２００の図示された異なるコンポーネントは、アーキテクチャを限定するものではなく、異なる実施形態を実行可能である。異なる実例となる実施形態は、データ処理システム１２００用に図示されたコンポーネントに加えて又はその代わりのコンポーネントを含むデータ処理システムで実行可能である。図１２に示す他のコンポーネントは、図示した実例となる実施例から変化させることができる。

ある実施例としては、データ処理システム１２００の記憶装置は、データを保存可能な任意のハードウェア装置である。メモリ１２０６、永続記憶装置１２０８、及びコンピュータによって読み取り可能な媒体１２１８は、触知可能な形態の記憶装置の実施例である。

別の実施例では、バスシステムを使用して、通信ファブリック１２０２を実行することができ、例えばシステムバス又は入力／出力バス等の一又は複数のバスから成っていてよい。当然ながら、バスシステムを、バスシステムに取り付けられた異なるコンポーネント又は装置間のデータ転送を可能にする、任意の好適な種類のアーキテクチャを使用して実行することができる。さらに、通信装置は、例えばモデム、又はネットワークアダプタ等のデータの送受信に使用される一又は複数の装置を含むことができる。さらに、メモリは例えば、通信ファブリック１２０２に含まれ得るインターフェース及びメモリコントローラハブに含まれるような、メモリ１２０６又はキャッシュメモリであってよい。

ここで図１３を見ると、フェーズドアレイアンテナの負屈折率メタマテリアルレンズを製造するプロセスのフロー図が、有利な実施形態にしたがって図示されている。この実施例では、プロセスは例えば図６のレンズ６００等のレンズを製作するのに使用可能である。設計、シミュレーション、及び最適化を含む異なるステップは、例えば図１２のデータ処理システム１２００等のデータ処理システムを使用して行うことができる。

プロセスは、二次元のレンズの形状及び材料を最適化するために全波シミュレーションを行うことによって開始される（工程１３００）。工程１３００では、全波シミュレーションは、マクスウェル電磁方程式を含む周知のタイプのシミュレーションである。この種のシミュレーションには、全ての波形効果を考慮した全波方程式を解くことが含まれる。工程１３００では、約６０度操向から約９０度操向までビームを屈折させるレンズの形状及び材料がシミュレーションを用いて最適化される。この９０度操向は、フェーズドアレイアンテナにおける水平からほぼ水平走査である。

その後、プロセスでは、離散性効果と材料の損失が入力される（工程１３０２）。離散性は、負屈折率メタマテリアルユニットセルを使用してレンズを形成することを考慮に入れている。この種の材料には、滑らかな表面は不可能であり得る。このプロセスでは次に、離散性効果及び材料の損失を含む全波シミュレーションを再度行う（工程１３０４）。この工程では、工程１３００において特定された能力が、損失及び製造限界を伴ってまだ許容範囲のレベルにあるかが確認される。

その後、レンズ部分を回転させて三次元構造が形成される（工程１３０６）。プロセスでは次に、三次元構造を用いて全波シミュレーションを再度行う（工程１３０８）。工程１３０８は、二次元モデルで最適化したレンズの形状及び材料が、三次元モデルでもまだ有効であるかどうかを確認するのに使用される。

プロセスでは次に、様々な誘電率及び陶磁率異方性においてシミュレーションが行われる（工程１３１０）。工程１３１０のシミュレーションは、全波シミュレーションでもある。このシミュレーションの違いは、以前のシミュレーションに対して全等方性材料が使用されることである。工程１３１０のシミュレーションは、還元材料を使用することができるかを決定するために異なるレベルの異方性を使用して実施することができる。この工程は、許容範囲の又は十分な能力で製造をより簡単にする還元材料を見つけるために行うことができる。

還元材料は、等方性材料のように三方向全てにではなく、一又は二の選択された方向に電界及び磁界にのみ連結する異方性材料である。還元材料は、製造がより簡単なため望ましい場合がある。例えば、三方向全てにユニットセルを積み重ねる代わりに、二方向又は一方向だけを使用した方がセルの製造は簡単である。次に、負屈折率メタマテリアルユニットセルが設計される（工程１３１２）。この実施例では、負屈折率メタマテリアルユニットセルのパラメータが特定され、所望の周波数及び的確な異方性での稼働が可能になる。

プロセスでは、負屈折率メタマテリアルユニットセルが製造される（工程１３１４）。工程１３１４では、ユニットセルの製造は現在利用可能な様々な製造プロセスを利用して行うことができる。これらのプロセスは、半導体デバイスを製造するのに使用されるプロセスを含むことができる。プロセスでは、負屈折率メタマテリアルユニットセルを組立ててレンズを形成する（工程１３１６）。この工程では、適切な形状配向性、材料の異方性、及び機械的完全性を有する最終的なレンズが形成される。製造されたレンズは次に、既存のフェーズドアレイアンテナの上に配置され試験されて（工程１３１８）、その後プロセスは終了する。工程１３１８では、シミュレーションによって予測されたようにレンズがビームを屈折させるかどうかが確認される。

ここで図１４を参照すると、レンズの設計を最適化するプロセスのフロー図が有利な実施形態にしたがって図示されている。図１４に示すプロセスは、図１３の工程１３００のさらに詳しい説明である。

このプロセスは、レンズの形状を選択することによって開始される（工程１４００）。これらの実施例では、この形状はレンズを画定する、ある領域を取り囲む一対の楕円である。当然ながら他の実施形態では、他の形状を選択することができる。特定の実行形態によっては、任意の形状さえも選択可能である。一対の楕円は、短半径、長半径を有する内楕円と、同様の半径を有する外楕円を含む。

このプロセスでは、選択された形状の複数の一連のパラメータが作成される（工程１４０２）。これらの異なる一連のパラメータでは、レンズの形状及び材料の様々なパラメータを変更することができる。これらの実施例では、長半径及び短半径のパラメータを変更することができる。この特定の実施例では、アンテナアレイの公称寸法よりも大きい内楕円の短半径及び長半径を選択することを含み得る幾つかの制約がある。さらに、内楕円の短半径は、外楕円の短半径よりも短い。さらに、内楕円の長半径は常に、外楕円の長半径よりも短い。

異なる有利な実施形態では、内楕円の短半径は、異なる一連のパラメータに対して固定可能である一方、内楕円及び外楕円のサイズ及び偏心度は、他のパラメータを初期値前後を中心とした範囲内で変えることにより変化する。さらに、負屈折率も変化させることができる。

このプロセスでは次に、異なる一連のパラメータで全波シミュレーションが行われる（工程１４０４）。シミュレーションは二次元あるいは三次元で行うことができる。設計空間が大きければ、より迅速な結果を得るために二次元シミュレーションを行うことができる。二次元の結果に基づいて、最適化されたレンズを三次元において回転させ、シミュレーションを次に三次元において再実施して結果を検証することができる。

このプロセスでは次に、各一連のパラメータの最終走査角と遠視野強度が抽出される（工程１４０６）。その後、最終走査角と遠視野強度が許容範囲内にあるかどうかが決定される（工程１４０８）。

最終走査角及び遠視野強度が許容範囲内にある場合、このプロセスでは、最適な走査角及び遠視野強度を有する形状及び材料が選択され（工程１４１０）、その後プロセスは終了する。これらの実施例では、このシミュレーションを楕円の離散性なしに行うことができる。工程１４０８を再度参照すると、最終走査角と遠視野強度の両方が許容範囲にない場合、プロセスは工程１４０２に戻る。プロセスでは次に、試験のための追加の一連のパラメータが作成される。

工程１４０４で行われた異なるシミュレーションには、全波電磁気シミュレーションが含まれる。これらのシミュレーションは、利用可能な様々なプログラムを用いて行うことができる。例えば、ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ バーション３．４は、使用可能なシミュレーションプログラム例である。このプログラムはＣＯＭＳＯＬ ＡＢから入手可能である。この種のシミュレーションは、ビームを所望の方向に向けることにより、導波管要素からの高周波伝送をシミュレートする。さらに、シミュレーションプログラムはまた、波動伝播により、レンズの形状、材料、及び風箱もシミュレートする。これらのシミュレーションから、ビームの相対遠視野強度と最終角についての情報を特定することができる。

ここで図１５を参照すると、負屈折率メタマテリアルユニットセルの設計プロセスのフロー図が、有利な実施形態にしたがって図示されている。図１５に示すプロセスは、図１３の工程１３１２のさらに詳しい説明である。

このプロセスは、所望の動作周波数に対するユニットセルのサイズを選択することによって開始される（工程１５００）。この実施例では、約１５ＧＨｚの動作周波数に対して、２．３ｍｍの立方形の固定ユニットセルサイズが選択される。これらの実施例では、有効媒質理論を適用するために、波長よりも短いユニットセルが選択される。標準的なセルのサイズは約λ／５〜λ／２０の範囲であってよい。さらに小さいセルサイズも利用可能である。これらの実施例では、λは自由空間波長である。性能に関してはより小さいサイズのユニットセルの方が良いが、これらのより小さいサイズのユニットセルが小さすぎて、分割リング共振器とワイヤ構造が、十分なインダクタンスとキャパシタンスを持たないために負屈折率メタマテリアル効果を引き起こす可能性がある。

このプロセスでは次に、ユニットセルの複数の一連のパラメータが作成される（工程１５０２）。これらのパラメータは、セルの誘電率、透磁率、及び屈折率に対する性能に影響を与え得る全てのパラメータである。変更可能な特徴例は例えば非限定的に、分割リング共振器の銅トレースの幅、ワイヤの銅トレースの幅、分割リング共振器間の分離距離、分割リング共振器の分割サイズ、分割リング共振器の隙間サイズ、及び他の適当な特徴を含む。

次に、このプロセスでは、ある範囲の周波数において一連のパラメータに基づきシミュレーションが行われる（工程１５０４）。工程１５０４で行われるシミュレーションは、図１４の工程１４０４で行われるシミュレーションを実施するための同じソフトウェアを使用して実施することができる。このシミュレーションは、ある範囲の周波数におけるユニットセルに対する全波シミュレーションである。

このプロセスでは次に、各一連のパラメータのｓ−パラメータが抽出される（工程１５０６）。これらの実施例では、ｓ−パラメータは分散パラメータとも呼ばれる。これらのパラメータは、小信号によって様々な定常状態刺激を受けているモデルの動作を表すのに使用される。言い換えれば、分散パラメータはモデルの動作、例えば小信号によって様々な定常状態刺激を受けている電気回路網を表すのに使用される値又は特性である。

その後プロセスでは、異なる一連のパラメータに対して抽出された各一連のｓ−パラメータの誘電率、陶磁率、及び屈折率の値が算出される（工程１５０８）。次に、得られた陶磁率、誘電率、及び屈折率の全てが許容範囲にあるかどうかが決定される（工程１５１０）。これら一連の値のうちの一つが許容範囲にある場合、このプロセスは終了する。そうでなければ、このプロセスは工程１５０２に戻り、ユニットセルの追加の一連のパラメータが生成される。

ここで図１６、１７、及び１８を参照すると、ビームの表示が有利な実施形態にしたがって図示されている。これらの図は、アレイからのビーム伝送のシミュレーション結果を示す。図１６では、ビームは、ディスプレイ１６０２のポイント１６００に位置するフェーズドアレイから約６０度操向されている。図から分かるように、ビーム１６０４は垂直線から約６０度である。

ここで図１７を参照すると、ディスプレイ１７００は個別コンポーネントがない平坦なレンズの使用を示している。この実施例ではディスプレイ１７００は、ポイント１７０４からビーム１７０２に遭遇するフェーズドアレイアンテナから略水平の又は約９０度の位置へのビーム１７０２の屈折を示す。

ここで図１８を参照すると、レンズによって屈折したビームの表示が、有利な実施形態にしたがって図示されている。この実施例では、ディスプレイ１８００はポイント１８０４周囲でアレイによって発射された時に、レンズによって屈折されているビーム１８０２を示す。部分１８０６は下の図１９にさらに詳細に示されている。

ここで図１９を見ると、図１８からの部分１８０６の拡大図が、有利な一実施形態にしたがって図示されている。この実施例では、ポイント１８０４でアレイを放射する時に、ビーム１８０２を法線方向から略水平又は約９０度の方向へ屈折させているレンズ１９００が示されている。

ここで図２０を見ると、強度プロットが、有利な一実施形態にしたがって図示されている。この実施例では、プロット２０００は水平線とは異なる角度でビーム強度を表す線を含む。線２００２は、レンズが使われていない時の強度を表す。図から分かるように、水平線から約０度の強度は強度ゼロであり、一方最大量は水平線から約３０度である。

この実施例では、３０度は、フェーズドアレイを使用した操向が行われる時は法線から６０度を表す。この実施例では、１６×１アレイが使用される。線２００４は平坦なレンズを表す。線２００６は損失なしのレンズを表し、一方、線２００８はシミュレーションに含まれる損失ありのレンズを表す。図から分かるように、レンズの使用により、水平線に対して約０度における強度が増す。強度は平坦なレンズではより高いが、平坦なレンズはフェーズドアレイアンテナに使用されるレンズの実際の構造を表すものではない。

ここで図２１を参照すると、フェーズドアレイアンテナによって発射されたビームの強度プロットが有利な一実施形態にしたがって図示されている。この実施例では、プロット２１００は、ビームが約６０度に操向される負屈折率メタマテリアルレンズ有及び無しで行われたシミュレーション結果を表す。

プロット２１００のシミュレーションは、様々なレベルのレンズの等方性を比較する。プロット２１００では、線２１０２はレンズが使用されない時の、水平線とは異なる角度からの強度を表す。図から分かるように、線２１０２の強度は、角度が略水平をなす時に、低くなっている。線２１０４は等方性レンズの強度を示す。この実施例では、屈折率は空間の全ての方向においてｎは約−０．６に等しい。言い換えれば、材料は等方性である。等方性レンズは、全方向において材料の損失がより大きいために、比較的低い強度を有する。線２１０６は、二次元の還元材料からできたレンズを表す。

この実施例では、Φ及びｚ方向の電界及び磁界がｎが約−０．６に等しく、ｒ方向においてｎが約１に等しい値を有する円筒座標システムを使用することができる。線２１０８は、一次元材料でできた別のレンズを表している。言い換えると、電界及び磁界の一コンポーネントは、負屈折率メタマテリアルコンポーネントを有している。この実施例では、ｚ方向の誘電率は約−０．６であり、Φ及びｒ方向においては１に等しい。円筒座標システムでは、陶磁率はΦ方向において約−０．６に等しく、ｒ及びｚ方向において１に等しい。

このため、異なる有利な実施形態により、フェーズドアレイアンテナによって発射又は放射されたビームを操向するための負屈折率メタマテリアルレンズの新しい応用形態が提供される。異なる有利な実施形態では、負屈折率メタマテリアルレンズによりフェーズドアレイアンテナの走査角がより向上する。異なる有利な実施形態では、ユニットセルの設計を使用して、負屈折率メタマテリアルレンズが形成される。特定のセル設計が異なる図において示されたが、ビームがレンズを通過する時に所望の特性を得ることができる全てのセル設計を使用することが可能である。

異なる有利な実施形態の記載は、図示及び説明の目的のために提示されたものであり、包括的、又は開示された形の実施形態に限定するように意図されたものではない。当業者には多数の修正及び変形例が明らかである。さらに、他の有利な実施形態と比較して、異なる有利な実施形態により異なる利点を得ることが可能である。選択された一又は複数の実施形態は、実施形態及び実際の応用形態の原理を最適に説明するため、また、当業者が、考えられる特定の使用に好適である様々な修正を施した様々な実施形態の開示を理解できるように選択され記載されたものである。

Claims (15)

1. フェーズドアレイアンテナに使用する負屈折率メタマテリアルレンズを作製する方法であって：
   フェーズドアレイアンテナによって生成されたビームを垂直配向から約９０度屈折させて初期設計を形成することができる負屈折率メタマテリアルレンズの設計を作成し；
   個別コンポーネントを含むように初期設計を修正して、個別設計を形成し；
   個別コンポーネントのための材料を選択し；
   個別コンポーネントの負屈折率メタマテリアルユニットセルを設計して、設計された負屈折率メタマテリアルユニットセルを形成し；
   設計された負屈折率メタマテリアルユニットセルを製造して、設計され製造された負屈折率メタマテリアルユニットセルを形成し；
   設計された負屈折率メタマテリアルユニットセルから負屈折率メタマテリアルレンズを形成する
   ことを含む方法。
2. フェーズドアレイアンテナのレンズを作製する方法であって：
   垂直配向に対して第１角度に操向可能なビームを放射することができる高周波エミッタのアレイを特定し；
   高周波エミッタのアレイによって放射されたビームを、垂直配向に対して所望の角度に屈折させることができる負屈折率メタマテリアルレンズを形成する
   ことを含む方法。
3. 形成するステップが：
   高周波エミッタのアレイによって放射されたビームを、垂直配向に対して所望の角度に屈折させることができる負屈折率メタマテリアルレンズの設計を作成し；
   該設計から負屈折率メタマテリアルレンズを形成する
   ことを含む請求項２に記載の方法。
4. 作成するステップが；
   負屈折率メタマテリアルレンズの形状を選択し；
   負屈折率メタマテリアルレンズが、高周波エミッタのアレイによって放射されたビームを、垂直配向に対して所望の角度に屈折させる形状に基づいて、負屈折率メタマテリアルレンズの材料を選択する
   ことを含む請求項３に記載の方法。
5. 負屈折率メタマテリアルレンズが、高周波エミッタのアレイによって放射されたビームを、垂直配向に対して所望の角度に屈折させる形状に基づいて、負屈折率メタマテリアルレンズの材料を選択するステップが：
   前記形状で使用される時に、高周波エミッタのアレイによって放射されたビームを垂直配向に対して所望の角度に屈折させることができる負屈折率を有する材料を選択する
   ことを含む請求項４に記載の方法。
6. 材料が、複数の個別コンポーネントを含む請求項５に記載の方法。
7. 複数の個別コンポーネントが：
   複数の負屈折率メタマテリアルユニットセル
   を含む請求項６に記載の方法。
8. 作成するステップが：
   負屈折率メタマテリアルレンズの形状を選択して初期設計を形成し；
   個別コンポーネントを含むように初期設計を修正して個別設計を形成し；
   個別コンポーネントの材料を選択し；
   個別コンポーネント用の負屈折率メタマテリアルユニットセルを設計して、設計された負屈折率メタマテリアルユニットセルを形成し；
   設計された負屈折率メタマテリアルユニットセルを製造して、設計され製造された負屈折率メタマテリアルユニットセルを形成し；
   設計された負屈折率メタマテリアルユニットセルから負屈折率材料レンズを形成する
   ことを含む請求項５に記載の方法。
9. 個別コンポーネント用の負屈折率メタマテリアルユニットセルを設計して、設計された負屈折率メタマテリアルユニットセルを形成するステップが：
   負屈折率メタマテリアルユニットセルの基板を選択し；
   負屈折率メタマテリアルユニットセルの特徴を選択して、所望の屈折率を得る
   ことを含む請求項８に記載の方法。
10. 負屈折率メタマテリアルユニットセルの特徴を選択するステップが：
    分割リング共振器のパラメータを選択する
    ことを含む請求項９に記載の方法。
11. 分割リング共振器のパラメータが、分割リング共振器の銅トレースの幅、分割リング共振器間の分離距離、分割リング共振器の隙間サイズ、及び分割リング共振器の分割サイズを含む請求項１０に記載の方法。
12. 高周波エミッタのアレイを含むフェーズドアレイアンテナに、負屈折率メタマテリアルレンズを配置する
    ことをさらに含む請求項２に記載の方法。
13. 法線ベクトルに対して選択された角度に高周波ビームを屈折させることができる構造を有する負屈折率メタマテリアルレンズと、
    高周波ビームを放射できるアレイと
    を備える装置。
14. 負屈折率メタマテリアルレンズが複数の個別コンポーネントを含む、請求項１３に記載の装置。
15. 複数の個別コンポーネントが、構造内に配置された複数の負屈折率メタマテリアルユニットセルを含む、請求項１４に記載の装置。

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