JP2019537850A - ソフトウェア制御のアンテナ - Google Patents

Abstract

アンテナアレイは可変誘電率材料を含む複数の層のサンドウィッチの上に設けられた放射素子と遅延線を有する。アンテナ上の様々な点の可変誘電率材料の値がソフトウェアにより制御され、従ってアンテナの動作特性がソフトウェアにより変化される。複数の層のサンドウィッチは標準のフラットパネルディスプレイとしてよく、フラットパネルディスプレイ上に表示される画像は誘電率を変化させるように設計されたプログラムでソフトウェア制御され、したがってアレイにスキャン及びチューニング能力を提供する。すなわち、異なる画像がアレイの異なるパッチ又はフィードラインの下の異なる画素の誘電特性の特に望ましい変化に従ってプログラムされ、それによってアレイの周波数及び／又は指向性を制御する。

Description

関連出願
本出願は、２０１６年９月１日に出願された米国仮出願第６２／３８２，４８９号、２０１６年９月１日に出願された米国仮出願第６２／３８２，５０６号、２０１６年１２月７日に出願された米国仮出願第６２／４３１，３９３号、２０１７年１月３１日に出願された米国特許出願第１５／４２１，３８８号、及び２０１７年７月１９日に出願された米国特許出願第１５／６５４，６４３号の優先権を主張するものであり、これらのすべての出願の開示内容は参照することにより本明細書に組み込まれる。

１．分野
本発明はＲＦアンテナの設計及び動作に関し、特に、方向制御放射ビームを形成する放射素子のアレイを有するアンテナに関する。本発明は全方向性カバレッジ及び／又は３Ｄセミスフェリカルカバレッジを生じるアレイの組み合わせにも関する。

２．関連技術
現在の通信の大半は無線で行われるか、さもなければ経路の少なくとも一部は無線である。すべての無線通信は送信側でも受信側でもアンテナを必要とする。一般に、送信の多くは全方向性アンテナを用いて行うことができる。このようなアンテナでは、送信電力が距離の３乗に反比例して低下する。従って、多くのユーザに到達するためには送信電力は通例指向性アンテナと比べてかなり高くなる。また、いくつかの全方向性アンテナ、例えばインターネットカフェ内の複数のデバイスが同時に動作すると、様々な送信が互いに干渉するか、少なくともその環境内における送信及び受信の品質が低下する可能性がある。

別のトレンドとして、モバイルデバイスは、デバイス本体の大部分がＲＦ放射をブロックし得るようにアルミニウム等の金属塊から製造する傾向にある。その結果として、アンテナの配置が極めて制限されている。更に、モバイルデバイスは通常幾つかの無線通信プロトコルを使用するため、特定のプロトコル、例えばＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＮＦＣ等、の周波数に対してそれぞれ設計された幾つかのアンテナを必要とする。モバイルデバイス上の実際の占有領域は貴重であるため、それらのアンテナをデバイス内に設計し設置することは極めて難しい。

先行技術文献において、本発明者がアンテナの特性を制御するために可変誘電率を利用するアンテナを開示している。このアンテナの詳細は米国特許第７，４６６，２６９号明細書（特許文献１）に見ることができ、その全開示内容は参照することにより本明細書に組み込まれる。

米国特許第７，４６６，２６９号明細書

以下の概要は本発明の幾つかの態様及び特徴の基本的な理解を与えるために含められている。本概要は本発明を網羅的に示すものでなく、従って本発明の重要な要素あるいは必須の要素を具体的に特定するものでも、本発明の範囲を特定するものでもない。本概要の主な目的は、以下で示すより詳細な説明の序文として本発明の幾つかの概念を簡略化した形で提示することにある。

ソフトウェア制御アンテナが開示される。幾つかの実施形態によれば、可変誘電率材料を含む複数の層のサンドウィッチの上にアンテナアレイが印刷又は堆積される。アンテナ上の様々な点における可変誘電率材料の値がソフトウェアにより制御され、したがってアンテナの動作特性がソフトウェアにより変化される。複数の層のサンドウィッチは標準のフラットパネルディスプレイとすることができ、フラットパネルディスプレイ上に表示される画像は誘電率を変化させるように設計されたプログラムでソフトウェア制御され、したがってアレイにスキャニング及びチューニング能力を提供する。すなわち、異なる画像がアレイの異なるパッチ又はフィードラインの下の異なる画素の誘電特性の特に望ましい変化に従ってプログラムされ、それによってアレイの周波数及び／又は指向性を制御し、アンテナの放射ビームの方向を制御する（すなわち、アンテナの電子的ステアリングを可能にする）。

アンテナがユーザに見えないとき、例えば、アンテナがＷｉＦｉホットスポットの内部にあるとき、アレイは銅、アルミニウム等の金属導体で形成してよい。逆に、アンテナが目に見え、フラットパネルディスプレイの可視性が重要であるとき、例えばモバイルデバイスの中にあるとき、アレイはＩＴＯ、ＡＺＯ等の透明導体で形成してよい。もちろん、透明導体を不可視アンテナに使用してもよいし、金属導体を可視アンテナに使用してもよい。

開示の実施形態により解決される態様は放射素子へのＲＦ給電である。動作中にその誘電率の値を変えることができる可変誘電率材料の上に放射パッチ及び遅延線が設けられるため、パッチ及び遅延線へのＲＦ信号の供給は誘電率の変化から「保護」されるように行われなければならない。

開示の実施形態によれば、共通接地接点、複数のアドレス可能な画素接点、及び上部誘電体を有するＬＣＤスクリーンと、前記上部誘電体の上に設けられた放射素子のアレイと、それぞれが前記放射素子の１つに接続された導電遅延線と、前記ＬＣＤスクリーンの下に設けられ且つ前記遅延線に結合された給電線とを備えるアンテナが提供される。コントローラが前記共通接点と前記アドレス可能な画素接点に結合され、前記コントローラは前記放射素子の空間指向性を変化させるために前記アドレス可能な画素接点の選択接点を活性化するよう予めプログラムされる。

開示の実施形態は、上部誘電体と、底部誘電体と、前記上部誘電体と前記底部誘電体との間に挟まれた可変誘電率材料と、前記可変誘電率材料内に画素を画定する複数の導電性電極と、共通接地電極と、前記上部誘電体の上に設けられた少なくとも１つの放射パッチであって、各放射パッチが該放射パッチに結合された対応する遅延線を有する、少なくとも１つの放射パッチと、前記底部誘電体の下に設けられた給電線と、前記給電線と前記遅延線との間のＲＦ結合とを備える、多層アンテナも提供する。前記ＲＦ結合は共通接地電極に形成された対応する開口を貫通する導電線であってよい。

本発明の実施形態は無線アクセスポイントを提供し、該無線アクセスポイントは、トランシーバと、共通接点、複数の画素制御接点、及び上部誘電体を有するＬＣＤスクリーンと、前記上部誘電体の上に設けられた放射素子のアレイと、それぞれが前記放射素子の１つに接続された導電遅延線と、一端が前記トランシーバに接続され、他端が前記遅延線の１つに接続された複数の給電線と、前記共通接点と前記画素制御接点の各々に結合されたコントローラとを備え、前記コントローラは前記複数の放射素子の空間指向性を変化させるために前記画素制御接点の選択接点を活性化するよう予めプログラムされる。

他の態様はアンテナを動作させる方法であり、該方法は、アンテナの放射素子により形成された放射コーンをスキャンさせるステップと、スキャン中に受信された送信を使用するステップと、各発信元送信の空間内の特定の位置を識別するステップと、発信元送信から無許可の送信の位置を識別するステップと、無許可の送信の方向にヌルを与えるようにアンテナを制御するステップと、放射コーンを許可方向に向けステアリングするようにアンテナを制御することによって各許可送信と有向通信を実行させるステップとを備える。放射コーンをスキャンするステップは電圧を印加してアンテナの遅延線の下部に与えられる誘電率を変化させることによって実行することができる。必要に応じ、各許可送信に対して、送信デバイスを識別し、デバイスのネットワーク及びアクセスポリシーを決定し、そのネットワーク及びアクセスポリシーを識別したデバイスからの通信に適用することによって、「ＲＦ」ファイアウォールを形成することができる。

本明細書に組み込まれ本明細書の一部を構成する添付図面は本発明の実施形態を例示し、本明細書とともに、本発明の原理を説明し図解するのに役立つ。図面は代表的な実施形態の主要な特徴を図式的に示すことを意図している。図面は実際の実施形態のすべての特徴を示すことを意図するものでも、図示の要素の相対寸法を示すことを意図するものでもなく、縮尺どおりに示されていない。

一実施形態によるソフトウェア制御アンテナの断面を示す。 一実施形態によるソフトウェア制御アンテナの上面図を示す。 別の実施形態によるソフトウェア制御アンテナの上面図を示す。 別の実施形態によるソフトウェア制御アンテナの上面図を示す。 更に別の実施形態によるソフトウェア制御アンテナの断面を示す。 更に別の実施形態によるソフトウェア制御アンテナの１つの放射素子の断面を示す。 図６の実施形態の「透視」上面図を示す。 一実施形態による全方向性ステアラブルアンテナを示す。 本明細書に記載のソフトウェアデファインドアンテナの何れかを使用する一実施形態を示す。 開示の実施形態のいずれかのアンテナを標準ＩＥＥＥ８０２．１１Ｎアクセスポイントに組み込む方法を示すブロック図である。

これから図面を参照して本発明のアンテナの実施形態を説明する。様々な実施形態又はそれらの組み合わせは様々な用途に使用することができ、また様々な利益を達成することができる。本明細書に開示する様々な特徴は達成したい結果に応じて部分的に又は最大限に使用することができ、また単独で又は他の特徴と組み合わせて使用することができ、利点を要件及び制約とバランスさせることができる。それゆえ、特定の利益が異なる実施形態に関して協調されるが、開示の実施形態に限定されない。即ち、本明細書に開示の特徴はそれらの特徴が記載されている実施形態に限定されず、他の特徴と「混合及び適合」させること及び他の実施形態に組み入れることができる。

図１は一実施形態によるソフトウェア制御アンテナの断面を示す。図１において、可変誘電率材料を有する多層アンテナは、上部誘電体１１５と底部誘電体１１０との間に挟まれた可変誘電率（ＶＤＣ）材料、例えば液晶１０５、により構成される。その液晶は電圧源１３０からの電圧を多層アンテナの画素を画定する所望の接点１２０に印加することによって制御される。その意味で、接点１２０はプロセッサによる各接点の個別のアドレス指定を可能にするアドレス可能接点を構成する。電圧源の接地電位は底部共通接地電極１２５に結合される。アンテナは遅延線１４０を介して相互接続される放射素子、例えばパッチ１３５、のアレイを備える。パッチ１３５と遅延線１４０は上部誘電体１１５の上に設けられる。

一例では、誘電体１１０及び１１５のいずれか一方又は両方はロジャース（登録商標）（ＦＲ−４プリント基板）又はＰＴＦＥベース材料よりなり、遅延線１４０、放射パッチ１３５及び／又は共通接地電極１２５はロジャース基板上に形成された導体であってよい。ロジャース基板を使用する代わりに、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン又はテフロン（登録商標））、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、又は他の低損失材料を使用してもよい。

ＲＦ給電を多層アンテナの下から与えることができれば改善された結果を達成できることが本発明者によって発見されている。要するに、ＲＦ給電を底部共通接地電極１２５の下から結合すれば優れた結果を達成できることが発見されている。本発明者により指摘されているように、給電線を共通接地電極の下に設けると、ＲＦ給電を遅延線及びＶＤＣ層に印加されるＤＣ又はＡＣから絶縁するのに役立つ。図１は多層の下及び共通接地電極１２５の下から与えられる給電の一実施形態を示す。図１に示すように、ＲＦ Ｔｘ／Ｒｘ（トランシーバ）１５０の接地側は共通接地電極１２５に結合される。しかしながら、信号側は誘電体１１０の底面に設けられた給電電極１５５に接続される。この結合は、同軸ケーブル１６２により例えば同軸コネクタ１６０に接続することができる。この実施形態では、サンドウィッチ構造全体にビアが形成され、共通接地電極１２５、上部及び底部誘電体１１５及び１１０及びＶＤＣ層１０５に孔又は開口を含むため、給電電極１５５を遅延線１４０に接続することができる。この構成を使用することにより、電圧源１３０の信号はＴｘ／Ｒｘ１５０のＲＦ信号から絶縁又は減結合され、材料１０５の誘電率の変化は給電電極１５５中を移動する信号に影響を与えないで、遅延線１４０及び放射パッチ１３５中を移動する信号に影響を与えるのみである。

ソフトウェアを用いて、パッチ１３５の真下の領域内の可変誘電率材料の値を該当する画素に印加する電圧により変化させ、それによってパッチの周波数マッチングを制御することができる。同様に、遅延線１４０の下の画素に印加される電圧を制御してアレイの空間指向性又は信号の回転極性を変化させることができる。いずれのアクションも該当部分、即ち放射パッチ１３５又は遅延線１４０中を移動する信号にのみ作用し、給電電極１５５中を移動する信号に作用しない。

従って、この実施形態によれば、上部誘電体、底部誘電体、上部誘電体と底部誘電体との間に挟まれた可変誘電率材料と、可変誘電率材料内に画素を画定する複数の導電電極と、共通接地電極と、上部誘電体の上に設けられた少なくとも１つの放射パッチであって、各放射パッチが該放射パッチに結合された対応する遅延線を有する、少なくとも１つの放射パッチと、底部誘電体の下に設けられた給電線と、前記給電線と前記遅延線との間のＲＦ結合とを備える、多層アンテナが提供される。このＲＦ結合は共通接地電極１２５に形成した対応する開口を貫通する導電線としてよい。

これは図２にもっとはっきり見ることができ、この図は上部誘電体２１５の上に設けられた２×２放射素子２３５と遅延線２４０の上面図である。図２の実施形態の断面図は、単一のビアが円２６５で示す位置に設けられ、誘電体２１０の下に設けられた給電電極への接点が形成されることを除いて、図１と同様であり、この相違は図２では見えない。この実施形態では、単一の接点ビアがアレイと給電線の対称幾何中心に選択されている。図２の特定の実施形態では、ビア位置は１８０°の回転対称を提供するが、例えば３０°、９０°等の他の回転対象を使用してもよい。

ビアを幾何中心に設けると、信号はアレイ素子のすべてに均等に伝搬する。この場合、様々な画素に電圧を印加して画素の位置で液晶の向きを変化させることによってアンテナの動作特性を制御することができる。例えば、同じ電圧をすべてのパッチ２３５の真下に存在する画素に印加すると、パッチ２３５の共振周波数を変化させることができ、それによりアンテナの動作周波数を変化させることができる。他方、遅延線の下に異なる電位を印加することにより、得られる放射コーンをステアリングすることができ、それによって、アンテナを物理的に移動させることなく、アンテナを空間内の特定の位置に向ける、即ちアンテナをスキャンすることができる。即ち、遅延線の下の誘電率の変化は該遅延線の信号の伝播に遅れを生ぜしめ、よって放射信号に位相シフトを生ぜしめる。

別の特徴が図３に示され、この例では、パッチがぎっしり詰めこまれるとき、特に狭い占有領域内に、遅延線のより広い制御範囲を可能にするために、遅延線は蛇行導電線として形成される。図３のアンテナは、図２のアンテナに幾分類似するが、各遅延線３４０はその長さがより多くの画素を覆うように蛇行線として形成される点で異なる。従って、より多くの画素が遅延線の長さに沿って誘電率を制御するのに使用可能である。

上述した実施形態では、すべての遅延線が一緒に接続され、単一の給電点から給電される。しかしながら、これは必要条件ではない。例えば、図４の実施形態では、蛇行遅延線の各々は対応する給電点４６５を有し、該給電点は対応するＲＦ結合を経て給電線に結合される。このような構成では、放射パッチからの信号の蓄積がアンテナのサンドウィッチ構造の下部で、例えばすべての給電線の相互接続により行われる。従って、この実施形態では、上部誘電体と、底部誘電体と、上部誘電体と底部誘電体との間に挟まれた可変誘電率材料と、可変誘電率材料内に画素を画定する複数の導電電極と、共通接地電極と、上部誘電体の上に設けられた少なくとも１つの放射素子であって、各放射素子が該放射素子に結合された対応する遅延線を有する、少なくとも１つの放射素子と、底部誘電体の下に設けられた対応する給電線と、前記給電線と前記遅延線との間の対応するＲＦ結合とを備える、多層アンテナが提供される。

図５は更に別の実施形態によるアンテナの断面を示す。図５の実施形態は、放射パッチ５３５と遅延線５４０がアンテナ構造の多層構造の異なるレベルに設けられる点を除いて、図１の実施形態に類似する。具体的には、カバー絶縁層５１７が上部誘電体５１５の上に設けられる。カバー絶縁層５１７はガラス、ＰＥＴ、ロジャース、ＰＴＦＥ等としてよい。遅延線５４０は上部誘電体５１５とカバー絶縁層５１７との間に設けられる。放射パッチ５３５はカバー絶縁層５１７の上に設けられる。カバー絶縁層５１７に孔が設けられ、よって遅延線５４０をそれぞれの放射パッチ５３５に接点５１９により電気的に接続することができる。

図６は、多層アンテナの別の実施形態による１つの放射素子の位置での断面を示す。この構造はアレイを構成するために必要とされる多数の放射素子に対して繰り返すことができる。この実施形態の構造及び動作は、図６の以下の説明から、更に「透視」上面図である図７を参照すれば、より良く理解することができる。図６は放射素子６３５の位置におけるアンテナの関連断面の一断面を示す。図７は、図６の実施形態を含む本明細書に開示のすべての実施形態に適用し得る「透視」上面図を提供する。従って、本明細書に開示の任意の実施形態の学習において、読者はより良い理解のための図７も参照されたい。

カバー絶縁層６１７は一般的に誘電体（絶縁）板又は誘電体シートの形態であり、例えばガラス、ＰＥＴ、ＰＴＦＥ、ロジャース、等で形成し得る。放射パッチ６３５はカバー絶縁層６１７の上に、例えば導電フィルムの接着、スパッタリング、印刷、等により形成される。各パッチ位置において、ビアがカバー絶縁層６１７に形成され、該ビアは導電材料、例えば銅、で充填され、放射パッチ６３５に物理的に電気的に接続する接点６１９を形成する。遅延線６４０がカバー絶縁層６１７の底面（又は上部結合剤として機能する上部誘電体６１５の上面）に形成され、接点６１９に物理的に電気的に接続される。つまり、遅延線６４０から接点６１９を経て放射パッチ６３５に至る連続ＤＣ電気接続が存在する。上述の実施形態に示されるように、遅延線６４０は蛇行導電線としてよく、所望の遅延を発生させるために十分な長さを有するように任意の形状にしてよく、それによりＲＦ信号に所望の位相シフトを生じさせることができる。

遅延線６４０の遅延は可変誘電率材料６０５を有する可変誘電率（ＶＤＣ）板６０２により制御される。ＶＤＣ板６０２を構成する任意の方法が上記アンテナの実施形態に対して使用するのに適切であり得るが、簡略形として、特定の実施形態では、ＶＤＣ板６０２は、上部結合剤６１５（例えば、ガラス，ＰＥＴ、等）と、可変誘電率材料６０５（例えば、捩れネマチック液晶層）と、底部結合剤６１０とからなることが示されている。他の実施形態では、結合剤層６１５及び６１０の一方又は両方を省略してよい。また、結合剤層６１５及び６１０の代わりにエポキシ又はガラスビーズスペーサ等の接着剤を使用してもよい。

いくつかの実施形態では、例えば、捩れネマチック液相層を使用する場合は、ＶＤＣ層６０２は配向層も含み、配向層はカバー絶縁層６１７の底面に堆積及び／又は接着するか、上部結合剤６１５の上に形成することができる。配向層は、液晶の分子を閉じ込め基板の境界で整列させるためにラビングされた又はＵＶで硬化されたポリイミドベースＰＶＡ等の材料の薄層としてよい。

ＶＤＣ板６０２の有効誘電率はＶＤＣ板６０２を横切ってＤＣ電圧を印加することによって制御することができる。この目的のために、電極が形成され、制御可能な電圧に接続される。これらの電極は様々な配列に形成され、一例が図６の配列で示され、この配列では２つの電極６２０が隣接して設けられ、２つの電極が１つの画素を画定する。一例では、電極６２０の一方が可変電圧源６４１に接続され、他方の電極６２０が接地に接続される。破線で示す１つの代替例では、他方の電極６２０も可変電圧源６４９に接続してよい。従って、可変電圧源６４１及び／又は可変電圧源６４９の出力電圧を変化させることによって、電極６２０の近傍のＶＤＣ材料の誘電率を変化させることができ、それにより遅延線６４０を移動するＲＦ信号を変化させることができる。可変電圧源６４１及び／又は可変電圧源６４９の出力電圧の変更はソフトウェアを実行するコントローラＣｔｌを用いて行うことができ、該ソフトウェアはコントローラに可変電圧源６４１及び／又は可変電圧源６４９の適切な出力電圧を設定するために適切な制御信号を出力させる。従って、アンテナの性能及び特性はソフトウェアを用いて制御することができ、従ってソフトウェア制御アンテナである。

この時点で、本明細書において、接地という用語は、一般に受け入れられているグラウンド電位、即ちアース電位、を意味するとともに、設定電位又はフローティング電位とし得る共通電位又は基準電位も意味することを明確にしておきたい。同様に、図面において、接地記号が使用されているが、それは地電位又は共通電位のいずれかを交換可能に示すために簡略表記として使用されている。従って、接地という語が本明細書で使用されるときはいつでも、設定電位又はフローティング電位とし得る共通又は基準電位も含んでいる。

すべてのＲＦアンテナと同様に、受信及び送信は対称であるため、１つのアンテナの説明が等しく他のアンテナに当てはまる。この説明において、送信の方が説明し易いが、受信は方向が反対であるだけで送信と同じである。

送信モードにおいて、ＲＦ信号がコネクタ６６０（例えば、同軸ケーブルコネクタ）を介して給電線６５５に供給される。図６に示されるように、この実施形態では、給電線６５５と遅延線６４０との間の電気ＤＣ接続がない。しかしながら、この開示の実施形態では、給電線６５５と遅延線６４０との間にＲＦ短絡が提供されるように複数の層が設計されている。図６に示されるように、共通接地電極６２５が背面絶縁体（又は誘電体）６１２の上面又は底部結合剤６１０の底面に形成される。共通接地電極６２５は一般的にアンテナアレイの全域を覆う導体の層である。各ＲＦ給電位置において、開口（ＤＣ遮断部）６２３が共通接地電極６２５に設けられる。ＲＦ信号は給電線６５５から開口６２３を経て進み、遅延線６４０に容量結合する。受信中は逆方向の容量結合が起こる。従って、ＤＣ開路及びＲＦ短絡が遅延線６４０と給電線６５５との間に形成される。

一例では、背面絶縁体６１２はロジャース（登録商標）（ＦＲ−４プリント基板）よりなり、給電線６５５はロジャース上に形成された導電線としてよい。ロジャースの代わりに、ＰＴＥ（ポリテトラフルオロエチレン又はテフロン（登録商標））又は他の低損失材料を使用してもよい。

開示の実施形態のＲＦ短絡（仮想チョークとも称される）設計の更なる理解のためには図７を参照されたい。図中の類似の要素は同じ参照番号を有するが、図７では異なる番号列、例えば７ｘｘが使用されている点に留意されたい。また、図７は２つの遅延線７４０が単一のパッチ７３５に接続され、各遅延線が異なる信号を例えば異なる偏波で搬送し得る実施形態を示す。以下の説明は一方の遅延線についてなされるが、他方の遅延線も同様の構造とし得る。

図７において、放射パッチ７３５は接点７１９によって遅延線７４０にＤＣ接続される。従って、この実施形態ではＲＦ信号は遅延線７４０から放射パッチ７３５に接点７１９によって直接送られる。しかし、給電線７５５と遅延線７４０との間にＤＣ接続はなく、ＲＦ信号は給電線７５５と遅延線７４０との間で容量結合される。これは共通接地電極７２５の孔を通して行われる。図６に示されるように、ＶＤＣ板６０２は遅延線６４０の下に位置するが、図７には図を簡略化してＲＦ短絡特徴をより良く理解するためにＶＤＣ板４０２は示されていない。共通接地電極７２５はハッチングで部分的に示され、開口（ＤＣ遮断部）７２３も示されている。従って、図７の例では、ＲＦパスは放射パッチ７３５から接点７１９、遅延線７４０、及び開口７２３を経て給電線７５５に容量結合する。

ＲＦ信号の効率的結合のために、Ｌで示す開口７２３の長さは給電線７５５中を移動するＲＦ信号の波長の約半分、即ちλ/２に設定すべきである。Ｗで示す開口の幅は波長の約１０分の１、即ちλ/10に設定すべきである。更に、ＲＦ信号の効率的結合のために、給電線７５５は、Ｄで示すように、開口７２３のエッジを越えて約４分の１波長（λ/４）だけ延長される。同様に、遅延線７４０の末端（接点７１９の反対端）は、Ｅで示すように、開口７２３のエッジを越えて４分の１波長（λ/４）だけ延長される。給電線７５５中を移動するＲＦ信号は遅延線７４０中を移動する信号より長い波長を有するため、距離Ｄは距離Ｅより長く示されていることに留意されたい。

本開示において、波長はアンテナの様々な媒体中を移動するにつれてその設計及びアンテナ内の可変誘電率材料に印加されるＤＣ電位に応じて変化し得るので、波長λに言及するとき、その波長は関連する媒体中を移動する波長を示すことに留意されたい。

図８は、開示の実施形態のいずれかを用いて構成し得る全方向性ステアラブルアンテナを示す。アンテナは４つの側面又はファセットを有し、各側面は遅延線８４０で相互接続された放射素子８３５の２×４アレイを含む。放射素子８３５、遅延線８４０及び給電線を含むファセットの各々の構造は本明細書に開示の実施形態のいずれかを用いて行うことができる。各遅延線の下部の誘電率を制御することによって、各ファセットの放射コーンを空間内でステアリングすることができる。よって、４つのファセットのすべてを制御することによって、このアンテナは選択的にアンテナの周囲の任意の方向に選択的に送信及び受信することができる。例えば、アンテナはユーザＡ及びＢと指向性通信を行うようにステアリングすることができるが、無許可のユーザＣに向けてヌルを与え、よってユーザＣがシステムに侵入するのを防ぐことができる。

開示の実施形態によるアンテナを構成する際、可変誘電率サンドウィッチはＬＣＤを用いて簡単に実施することができる。当然のことながら、ＬＣＤが見えない用途、例えばＷｉＦｉアクセスポイント、ベースステーション等においては、ＬＣＤは黒白のみとしてよい（即ち、カラーフィルタ層は省略してよい）。また、標準ＬＣＤの照明及び偏光素子もアンテナアレイの周波数マッチング又は空間スキャンに寄与しないため、省略してよい。また、アンテナが見えない場合には、パッチ及び給電線を銅及びアルミニウム等の固体金属で形成してよい。アンテナが見える場合には、パッチ及び給電線はＩＴＯ，ＡＺＯ等の透明導体で形成してよい。

この意味で、本発明の一実施形態は、共通接地接点、複数のアドレス可能な画素接点、及び上部誘電体を有するＬＣＤスクリーンと、前記上部誘電体の上に設けられた放射素子のアレイと、それぞれが前記放射素子の１つに接続された導電遅延線と、前記ＬＣＤスクリーンの下に設けられ、前記遅延線に結合された送信給電線とを備えるアンテナを提供することを特徴とする。コントローラが前記共通接点と前記アドレス可能な画素接点に結合され、前記コントローラは前記放射素子の空間指向性を変化させるために前記画素制御接点の選択接点を活性化するようプログラムされる。

平面アンテナアレイをスキャンするためにソフトウェア制御を使用すれば、空間内で二次元のスキャンを達成することができる。従って、例えば、このようなアレイは平面サテライトＴＶアンテナとして使用することができる。アンテナは街路から見えないように屋根の上に設置することができる。アレイの指向性はソフトウェアを用いて電気的に制御できるため、このアンテナは従来のパラボラアンテナのように機械的に衛生に狙いを定める必要はない。それこころか、可変誘電率層の電極に印加される電圧を変化させる（即ち、ＬＣＤを使用する場合にはＬＣＤに印加される電圧を変化させる）ことによりアンテナを最適な受信が達成されるまで電気的にスキャンさせることによって衛生を捕捉することができる。

モバイルデバイスのまん延に起因して、ＷｉＦｉアクセスポイントなどの従来のアクセスポイントは干渉する送信がロードされる。具体的には、標準アクセスポイントは全方向性アンテナを使用するため、アクセスポイントはすべての方向で送受信する。従って、アクセスポイントは送信において高いエネルギーを使用しなければならず、それは、送信エネルギーは全方向性アンテナに関して距離の３乗に反比例して低下するからである。更に、アクセスポイントの送信は多数のモバイルデバイス（スマートフォン、パッド、ラップトップ）の干渉を増加させ、それはそれらの各デバイスがそれらの他のすべてのデバイスと干渉する全方向性アンテナを含んでいるからである。

図８に示す実施形態を使用すると、特定の方向に対して受信及び送信するアクセスポイントを製造することができる。すなわち、特定のデバイスへの送信前に、ＶＤＣ板の電極の電圧をアンテナが目標デバイスに指向されるように変化させることができる。送信は高い周波数であるため、及びアンテナは電子的にスキャンし得るため、アンテナは送信のたびにアクセスポイントに対して異なる空間位置に位置する異なるモバイルデバイスに向けなおすことができる。

更に、図８に示すように、複数のアレイを使用することができ、各アレイはＶＤＣ板上の各画素を個別に制御可能であるため個別に制御することができる。更に、図８では４つの個別のアレイが４つの個別のファセット上に配置されているが、他の配置、例えば三角形の３つのファセット、五角形の５つのファセット等に配置してもよい。このように、各アレイは専用の空間エリアに向けられ、複数のアレイが一緒にアクセスポイントの周囲３６０度をカバーする。

更に、本明細書に記載のソフトウェアデファインドアンテナシステムは、ポリシー、セキュリティスキーム及びアクセスをＷｉＦｉアクセスポイント等の無線通信に適用すると、大きな利点をもたらすことができる。例えば、アンテナは３６０度にわたりスキャンすることができるため、ユーザ、干渉信号及び侵入者の環境の３Ｄマップを動的に生成する能力を提供する。アレイのフェーズドアレイスキャン機能を適切に動作させることによって、システムは空間内の無許可のユーザ、例えば侵入者、を識別し、分離し、その特性を検査し、ネットワークへのその接続能力を空間内にヌルを生成することにより削除するよう決定し、該侵入者がそのネットワークに到達するのを必ず阻止することができる。ある意味で、これはウェーブポートレベルの無線ファイアウォールを生成する。加えて、必要に応じ、システムはアンテナの周囲の空間内の場所ごとに各許可ユーザを（例えばＭＡＣアドレスを用いて）識別し、どのようなネットワーク及びアクセスポリシーの特権が該ユーザに当てはまるかを決定することができる。例えば、異なるネットワーク及びアクセスポリシーを会社の訪問者よりも従業員に適用することができる。システムはその後Ｔｘ／Ｒｘの空間内の位置に基づいてネットワーク及びアクセスポリシーを適用することができる。ソフトウェアデファインドアンテナは指向性ビーム及びヌルを生成することによってユーザをスキャンし追跡することができるため、ネットワーク及びアクセスポリシーを識別したユーザごとに維持することができる。

図９は本明細書に記載のソフトウェアデファインドアンテナのいずれかを用いる一実施形態によるアンテナを動作させる方法を示す。始動後、システムは、例えば電圧を印加してアンテナアレイの遅延線の下部の誘電率を変化させることによってアンテナをスキャンさせる。スキャン中に受信された送信を用いて、システムは空間内の各発信元送信の特定の位置を識別する。特定した送信の群から、システムはその後無許可送信の位置を識別する。システムはその後アンテナを制御して無許可方向にヌルを与える。システムはその後アンテナを制御して許可方向に指向されたビームを形成することによって各許可送信と指向性通信を実行する。必要に応じ、破線で示すように、各ユーザに対して、システムは送信デバイスを識別し、該デバイスのネットワーク及びアクセスポリシーを決定する。システムはその後そのネットワーク及びアクセスポリシーを識別したデバイスからの通信に適用する。

図１０は、開示の実施形態のアンテナの何れかを標準ＩＥＥＥ８０２．１１Ｎのアクセスポイントにどのように実装することができるかを示すブロック図である。標準アクセスポイントの構造及び要素は当業者に周知であり、ここでは説明しない。図１０に示す例では、標準アンテナがソフトウェアデファインドアンテナと置き換えられている。また、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）はアンテナをステアリングするため又は放射パッチの共振周波数を変化させるために所要の電圧を供給するようにプログラムされる。

この点で、本発明の実施形態は、トランシーバと、共通接点、複数の画素制御接点、及び上部誘電体を有するＬＣＤスクリーンと、前記上部誘電体の上に設けられた放射素子のアレイと、それぞれが前記放射素子の１つに接続された導電遅延線と、一端が前記トランシーバに接続され、他端が前記遅延線の１つに接続された複数の給電線と、前記共通接点と前記画素制御接点の各々に結合されたコントローラとを備え、前記コントローラは前記複数の放射素子の空間指向性を変化させるために前記画素制御接点の選択接点を活性化するようプログラムされている無線アクセスポイント、を提供することを特徴とする。

以上に様々な実施形態が記載され、各実施形態は所定の特徴及び用途と関連して記載されている。しかしながら、一実施形態の特徴及び要素は他の実施形態の特徴及び要素とともに使用することができ、記載が乱雑になるのを避けるためにすべての置換が明記されているわけではないが、本明細書はこのような可能性を意図している。

更に、本明細書において接続及び結合と関連して使用される用語は、慣例に従って、接続は１つの部品を他の部品に直接接続することを意味するが、結合は２つの部品の間に要素が介在することを意味する。また、ＤＣ接続はＤＣ短絡に等しく、１つの導体が他の導体に物理的に接触しＤＣ電流が流れるものと理解されたい。しかしながら、ＲＦ結合は２つの導体が物理的に接触することを必ずしも必要としない。有効な例は２つの蓄電板であり、ＤＣ電流を伝送することはできないが、ＡＣ及びＲＦを伝送することができる。

本明細書に記載のプロセス及び技術は任意の特定の装置に本質的に関連せず、任意のコンポーネントの組み合わせで実装することができることを理解されたい。更に、様々なタイプの汎用デバイスを本明細書に記載の技術に従って使用することができる。本明細書は特定の実施形態に関連して記載したが、これらの実施形態はあらゆる点で限定のためではなく説明のためである。当業者であれば多くの様々な組み合わせが本発明の実施に適していることは理解されるであろう。

更に、本発明の明細書及び実施形態を考慮すれば本発明の他の実施形態も当業者に明らかであろう。開示の実施形態の様々な態様及びコンポーネントは単独で又は組み合わせて使用することができる。明細書及び実施形態は単なる例示とみなされ、本発明の真の範囲及び精神は以下の請求の範囲に示されることを意図している。

Claims (22)

1. 上部誘電体層と、底部誘電体層と、前記上部誘電体層と前記底部誘電体層との間に挟まれた可変誘電率材料とを備える可変誘電率（ＶＤＣ）層と、
   前記ＶＤＣ層の下に設けられた共通接地電極と、
   前記ＶＤＣ板の上に設けられた複数のアドレス可能な接点であって、各アドレス可能な接点は画素を画定し、前記画素の位置で前記ＶＤＣ材料に電界を印加するように構成されている、複数のアドレス可能な接点と、
   前記ＶＤＣ層の上に設けられた少なくとも１つの放射素子と、
   前記ＶＤＣ層の上に設けられた少なくとも１つの遅延線であって、前記少なくとも１つの放射素子の各々が前記遅延線の少なくとも１つにＲＦ結合されている、少なくとも１つの遅延線と、
   前記前記ＶＤＣ板の下に設けられ且つ前記少なくとも１つの遅延線に結合された少なくとも１つの導電給電線と、
   を備える、アンテナ。
2. 前記少なくとも１つの導電給電線は前記共通接地電極に形成された開口を介して前記少なくとも１つの遅延線に結合されている、請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記少なくとも１つの導電給電線は前記共通接地電極に形成された開口を貫通する接点により前記少なくとも１つの遅延線に結合されている、請求項１に記載のアンテナ。
4. 前記ＶＤＣ層の上に設けられたカバー絶縁層を更に備え、前記少なくとも１つの放射素子は前記カバー絶縁層の上に設けられている、請求項１に記載のアンテナ。
5. 前記少なくとも１つの遅延線は前記カバー絶縁層の下に設けられている、請求項４に記載のアンテナ。
6. 前記少なくとも１つの遅延線を前記対応する少なくとも１つの放射素子に結合するために前記カバー絶縁層に形成されたビアを備える、請求項５に記載のアンテナ。
7. 前記少なくとも１つの遅延線の各々は蛇行線として形成されている、請求項１に記載のアンテナ。
8. 前記少なくとも１つの遅延線は複数の遅延線を含み、前記複数の遅延線のサブグループが導電線で相互接続されている、請求項１に記載のアンテナ。
9. 前記少なくとも１つの導電給電線は前記導電線に結合されている、請求項８に記載のアンテナ。
10. 前記少なくとも１つの導電給電線は前記導電線に前記導電線の幾何中心点で結合されている、請求項９に記載のアンテナ。
11. 前記ＶＤＣ材料は液晶材料を含む、請求項１に記載のアンテナ。
12. 前記上部誘電体層及び前記底部誘電体層の少なくとも１つはロジャース、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、又はＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）を含む、請求項１に記載のアンテナ。
13. 前記カバー絶縁層はガラス、ロジャース、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、又はＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）を含む、請求項４に記載のアンテナ。
14. 上部誘電体層と、底部誘電体層と、前記上部誘電体層と前記底部誘電体層との間に挟まれた可変誘電率材料とを備える可変誘電率（ＶＤＣ）層と、
    前記ＶＤＣ層の下に設けられた共通接地電極と、
    前記ＶＤＣ板の上に設けられた複数のアドレス可能な接点であって、各アドレス可能な接点が画素を画定し、前記画素の位置で前記ＶＤＣ材料に電界を印加するように構成された、複数のアドレス可能な接点と、
    前記ＶＤＣ層の上に設けられた複数の放射素子と、
    前記ＶＤＣ層の上に設けられた複数の遅延線であって、前記放射素子の各々が前記遅延線の少なくとも１つにＲＦ結合さている、複数の遅延線と、
    前記前記ＶＤＣ板の下に設けられた複数の導電給電線であって、前記複数の給電線の各々が前記複数の遅延線の１つに結合されている、複数の導電給電線と、
    を備える、アンテナ。
15. 前記複数の放射素子の各々は前記複数の遅延線の２つに結合されている、請求項１４に記載のアンテナ。
16. 前記共通接地電極は複数の開口を備え、前記複数の導電給電線の各々は前記複数の開口の１つを経て対応する遅延線に結合されている、請求項１４に記載のアンテナ。
17. 各開口は前記給電線中を移動するＲＦ信号の波長の半分の長さ及び前記給電線中を移動するＲＦ信号の波長の１０分の１の幅を有する、請求項１６に記載のアンテナ。
18. 前記給電線の終端部は前記開口を超えて、前記給電線中を移動するＲＦ信号の約４分の１の距離Ｄだけ延長している、請求項１７に記載のアンテナ。
19. 前記遅延線の終端部は前記開口を超えて、前記遅延線中を移動するＲＦ信号の約４分の１の距離Ｅだけ延長している、請求項１８に記載のアンテナ。
20. 複数の仮想チョークを更に備え、前記複数の導電給電線の各々が前記複数の仮想チョークの１つを経て対応する遅延線に結合されている、請求項１４に記載のアンテナ。
21. 前記複数の給電線の各々はＲＦ短絡を経て対応する遅延線に結合されている、請求項１４に記載のアンテナ。
22. 前記複数の遅延線の各々は、一端が前記複数の放射素子の１つに結合され、他端が前記複数の給電線の１つに結合された蛇行導電線を備える、請求項１４に記載のアンテナ。