JP2020507232A - アンテナアパーチャで使用される蓄積キャパシタ - Google Patents

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Abstract

蓄積キャパシタ、及び該蓄積キャパシタをアンテナアパーチャ内で使用するための方法について説明する。1つの実施形態において、アンテナは、ホログラフィックビーム誘導で使用される周波数帯域用のビームを形成するように共に制御され動作可能である無線周波数(RF)放射アンテナ素子のアレイを形成する第1及び第2の基板を有する物理的アンテナアパーチャを含み、アンテナ素子の各々は、各アンテナ素子に電圧を供給するための回路と、第1の基板上に複数の導電層(例えば、金属層)を有して形成された蓄積キャパシタとに結合され、複数の導電層のうちの上部導電層及び底部導電層は、第2の基板の導電層(例えば、金属層)上の第2の電圧に等しい第1の電圧にあり、蓄積キャパシタと第2の基板上の導電層との間に生じる寄生容量が小さくなる。【選択図】図2

Description

本発明の実施形態は、無線通信システムで使用されるアンテナの分野に関し、より具体的には、本発明の実施形態は、寄生容量を低減し、場合によっては排除する構造を有するアンテナアパーチャで使用される蓄積キャパシタに関する。
(関連出願の相互参照)
本特許出願は、「A Method to Reduce the Storage Capacitor Size in TFT Apertures(TFTアパーチャ内の蓄積キャパシタのサイズを小さくする方法)」と題する2016年12月22日出願の対応する仮特許出願第62/438,279号に対して優先権を主張するものであり、該仮特許出願を引用により組み込んだものである。
無線周波数(RF)アンテナアパーチャでは、アパーチャは、幾つかのRFアンテナ素子を含む。アンテナ素子の数は、数千の単位である可能性がある。アンテナ素子を制御するために回路が必要であり、素子の各々に経路設定される必要がある。しかしながら、この回路を配置してアンテナ素子用の電気配線を経路設定するのに使用されるRFアンテナ素子間の空間は限られている。この回路は、アンテナ素子間の空間を占め、電気配線の経路設定を困難にする可能性がある。従って、RFアパーチャのレイアウトにおいて、この回路は、可能な限り小さな空間を占有するようにすることが望ましい。
アンテナアパーチャの所望の送信及び受信周波数が高くなる程、アンテナ素子間の空間は減り続け、アンテナ素子のピッチ(間隔幅)は減少するなることになるが、配線トレース幅、トレース間の空間、回路素子間の空間は、必ずしも比例して小さくなるとは限らない。このことにより、回路が存在する場所の素子間の空間が過密になり、経路設定が困難になる場合がある。
蓄積キャパシタ、及び該蓄積キャパシタをアンテナアパーチャ内で使用するための方法について説明する。1つの実施形態において、アンテナは、ホログラフィックビーム誘導(steering)で使用される周波数帯域用のビームを形成するように一緒に制御され動作可能である無線周波数(RF)放射アンテナ素子のアレイを形成する第1及び第2の基板を有する物理的アンテナアパーチャを備え、該アンテナ素子の各々は、各アンテナ素子に電圧を供給するための回路と、第1の基板上に複数の導電層(例えば、金属層)を有して形成された蓄積キャパシタとに結合され、3つの導電層のうちの上部導電層及び底部導電層は、第2の基板の導電層(例えば、金属層)上の第2の電圧に等しい第1の電圧にあり、蓄積キャパシタと第2の基板上の導電層との間に生じる寄生容量が小さくなる。
本発明は、以下に与えられる詳細な説明及び本発明の様々な実施形態の添付図面からより完全に理解されるであろうが、これらは、本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、単に説明及び理解のためのものであると解釈されたい。
パッチ基板及びアイリス基板を有するアンテナに組み込まれた蓄積キャパシタの1つの実施形態を示す。 パッチ基板及びアイリス基板を有するアンテナに組み込まれた蓄積キャパシタの別の実施形態を示す。 アンテナ素子に対するマトリクス駆動回路の配置の1つの実施形態を示す。 TFTパッケージの1つの実施形態を示す。 円筒状給電ホログラフィック放射状アパーチャアンテナの1つの実施形態の概略図を示す。 グランドプレーンと再構成可能共振器層とを含む1列のアンテナ素子の斜視図を示す。 同調可能共振器/スロットの1つの実施形態を示す。 物理的アンテナアパーチャの1つの実施形態の断面図を示す。 スロットに対応する位置を有する第1のアイリス基板層の一部分を示す。 スロットを包含する第2のアイリス基板層の一部分を示す。 第2のアイリス基板層の一部分の上のパッチを示す。 スロット付きアレイの一部分の上面図を示す。 円筒状給電アンテナ構造の1つの実施形態の側面図を示す。 アンテナシステムの別の実施形態を外向き波と共に示す。 テレビジョンシステムにおいて二重受信を同時に実行する通信システムの1つの実施形態のブロック図である。 同時送信及び受信経路を有する通信システムの別の実施形態のブロック図である。
以下の説明において、本発明のより完全な説明を提供するために数多くの詳細が示される。しかしながら、当業者であれば、本発明がこれらの特定の詳細なしに実施できることは明らかであろう。他の例では、本発明を不明確にすることのないように、周知の構造及びデバイスは、詳細にではなくブロック図の形で示される。
アンテナアパーチャで使用される蓄積キャパシタについて説明する。1つの実施形態において、アンテナアパーチャは、RF放射アンテナ素子(例えば、表面散乱アンテナ素子)を有する無線周波数(RF)アンテナアパーチャである。アンテナアパーチャは、アンテナ素子間に駆動及び制御回路素子(例えば、薄膜トランジスタ(TFT))と蓄積キャパシタとを含む。従って、これらの素子は、アンテナアパーチャのアクティブ領域内に存在する。本発明の実施形態は、RFアンテナアパーチャ用のアクティブ基板のレイアウトにおいてTFT/蓄積キャパシタのサイズを小さくするための技法を含む。
1つの実施形態において、蓄積キャパシタ構造はまた、大きな可変寄生容量を部分的に又は完全に排除する。蓄積キャパシタの上部プレート及びもう一方のプレートとしてのアイリス(iris)金属面は、それらの間に液晶が存在する状態で寄生容量を形成する。
図1は、例えば、以下により詳細に説明するアンテナ素子などの、無線周波数(RF)放射アンテナ素子を有するアンテナアパーチャの一部分である蓄積キャパシタの1つの実施形態を示している。
図1を参照すると、アンテナ素子を制御するのに使用される薄膜トランジスタ(TFT)のうちの1つの実施例が示されている。TFTは、底部ゲート構造であり、RFアンテナ素子に電圧を供給するのに使用される。代替的に、例えば上部ゲートなどの他のゲート構造、並びにIGZO a−Si及びLTPSなどの様々なTFTが可能である。1つの実施形態において、アンテナ素子ごとに1つのTFT及び蓄積キャパシタが存在する。このことは必須でなく、並列TFTを使用すると直列抵抗は小さくなることができる点に留意されたい。
より具体的には、TFT100は、ソース金属層101、ドレイン金属層103、及びゲート金属層102を備える。ソース金属層101は、TFT100のソース電極として使用され、ゲート金属層102は、TFT100のゲート電極として使用され、ドレイン金属層103は、TFT100のドレイン電極として使用される。1つの実施形態において、ゲート金属層102は、パッチ基板124上に存在する。1つの実施形態において、パッチ基板124は、ガラス基板である。しかしながら、パッチ基板124は、ガラス以外の材料又は材料の組み合わせから作製することができる。例えば、フレキシブルディスプレイ用途で典型的に使用されるPET、PEN、又はポリイミドフィルムなどの有機基板が、パッチ基板124に使用できる。ゲート誘電体層である活性層104は、ゲート金属層102の上部に存在する。1つの実施形態において、活性層104は、半導体材料(例えば、Si(例えば、アモルファスSi、ポリSi、又は単結晶など)、GaASなど)の層とゲート酸化物層とを有する二層構造である。代替実施形態では、活性層104は、他の周知の半導体材料を用いて形成される。
1つの実施形態において、ソース金属層101及びドレイン金属層103の両方が、ゲート金属層102の上にある活性層104の一部分の上に延びる。従って、ソース金属層101及びドレイン金属層103の両方は、部分的にゲート金属層102と重なる。1つの実施形態において、ソース金属層101及びドレイン金属層103は、ゲート金属層102と重なる活性層104の中央部分の上の金属層の一部分が除去された状態で、活性層104上に製造された同じ金属層から形成される。この除去は、例えば当技術分野で周知の方法でのエッチングなどの周知の製造技法を使用して行うことができる。
図1はまた、ゲート金属層102以外のゲート金属層の一部分が、蓄積キャパシタ110の底部プレート111を形成し、その一方、ドレイン金属層103が、蓄積キャパシタ110の上部を形成することを示している。すなわち、底部ゲート金属層は、TFT100のゲート(ゲート金属層102)に使用され、蓄積キャパシタ110の底部プレート111に使用されるが、この底部プレートは、TFT100のゲート金属層102に接続されない。また、TFT100の誘電体層(例えば、パッシベーション層105)は、蓄積キャパシタ110用の誘電体(例えば、底部プレート111と上部プレート112との間の誘電体層)として使用される。
パッチ金属層113(パッチ電極)は、上部プレート103に電気的に接続される。1つの実施形態において、パッチ金属層113は、例えば、以下により詳細に説明するように、パッチ/アイリスアンテナ素子ペア用のパッチ金属層を形成したのと同じ金属層から形成される点に留意されたい。代替的に、パッチ金属層113は、パッチ/アイリスアンテナ素子ペアに使用されるパッチ金属層から切り離して堆積される。パッシベーション層114は、TFT100及び蓄積キャパシタ110の両方の上に存在する。
アイリス(iris)基板121は、パッチ基板124の上に存在する。1つの実施形態において、アイリス基板121はガラス基板である。しかしながら、アイリス基板121は、ガラス以外の材料又は材料の組み合わせから作製することができる。アイリス金属層122は、アイリス基板121上に形成される。1つの実施形態において、パッシベーション層(図示せず)が、アイリス金属層122の上に堆積される。
液晶(LC)150は、アイリス基板121とパッチ基板124との間のギャップに存在する。また、1つの実施形態において、このギャップは、ギャップサイズを維持するためのスペーサ(例えば、フォトスペーサ)を含む。
アイリス金属層122は、パッチ金属層113の一部分と重なるアイリス開口部123を含んで、このアイリス開口部123の両側のアイリス金属層122の一部分が、パッチ金属層113の一部分と重なるようになり、それによって、アイリス金属/パッチ金属重なり領域が形成される。これらの重なり領域は、液晶キャパシタンスの2つの電極を形成し、アンテナの周波数を制御するように同調される液晶キャパシタンスの大きさを規定する。
蓄積キャパシタ110のアイリス金属122及び底部プレート111は、同じ電圧で動作する。蓄積キャパシタ110の底部プレート111は、基準電位、すなわち共通電圧(Vcom)に電気的に接続される。更に、アイリス金属122が、Vcomに電気的に接続される。1つの実施形態において、Vcomは、アンテナ素子(例えば、以下により詳細に説明するようにRFエネルギーを放射する表面散乱アンテナ素子)のパッチとアイリスとの間で液晶を駆動するのにアイリスで使用される電圧である。アイリス金属122及び底部プレート111の両方が同じ電位にあるので、蓄積キャパシタ110の上部プレート112(ソース/ドレイン金属層)及びもう一方のプレートとしてのアイリス金属層122は、それらの間に液晶150が存在する状態で大きな電圧依存寄生容量を形成する。このギャップ内の誘電体は、非常に大きな誘電異方性を有する液晶であるので、液晶は、電圧が増加するにつれて変化し、それによって、電圧に伴って非線形性の高いキャパシタンスが生じる。
本明細書で説明する蓄積キャパシタの実施形態は、RFアンテナ素子用のパッチを作製するために製造(例えば、堆積)されるのと同じ金属層から作製される第3の金属層(例えば、パッチ電極)を利用する。1つの実施形態において、パッチ金属層が、図1に示されている蓄積キャパシタ構造の上部に堆積される。1つの実施形態において、この追加のパッチ金属は、ビア構造を使用して蓄積キャパシタのゲート金属底部プレートに接続される。1つの実施形態において、このビアは、蓄積キャパシタの上部プレートパッチ金属と底部プレートゲート金属との間の接続が、ソース/ドレイン金属の部分が存在しない場所で行われるように形成される。これにより、蓄積キャパシタのパッチ金属上部プレートの電位が、ゲート金属底部プレートの電位に結び付けられる。ドレイン金属層(ソース金属層が形成されるのと同じ金属層から形成される)は、蓄積キャパシタ内の中間プレートである。第3の層は、蓄積キャパシタ構造にキャパシタンスを追加する。1つの実施形態において、第3の層は、酸化インジウムスズ(ITO)である。
図2は、蓄積キャパシタの一実施形態を示している。図2を参照すると、アイリス基板121及びTFT100は、図1と同じであり、その一方、パッチ基板202は、相違が強調されているところを除いて同じである。
図2において、蓄積キャパシタ210は、TFT100のゲート金属層が形成される層の別の部分から形成される底部プレート211を含み、その一方、ドレイン金属層103は、蓄積キャパシタ110の中間プレート212を形成する。すなわち、底部ゲート金属層の異なる部分が、TFT100のゲート(ゲート金属層102)及び蓄積キャパシタ210の底部プレート211に使用されるが、蓄積キャパシタ210の底部プレート211は、TFT100ゲート金属層102に接続されない。また、TFT100のパッシベーション誘電体層(例えば、パッシベーション105)は、蓄積キャパシタ210用の誘電体(例えば、底部プレート211と中間プレート212との間の誘電体層)として使用される。
層間誘電体213が、中間プレート212の上部に存在する。1つの実施形態において、層間誘電体213はまた、TFT100の上のパッシベーション層としても作用する。蓄積キャパシタ210は更に、上部金属プレート214を含む。1つの実施形態において、上部金属プレート214は、底部プレート211に電気的に接続される。1つの実施形態において、上部金属プレート214は、ビア(図示せず)を使用して底部プレート211に電気的に接続される。
蓄積キャパシタ210の上部金属プレート214は、底部プレート211に電気的に接続される。1つの実施形態において、上部金属プレート214は、例えば、以下により詳細に説明するように、パッチ/アイリスアンテナ素子ペア用のパッチ金属層を形成したのと同じ金属層から形成される点に留意されたい。代替的に、上部金属プレート214は、パッチ/アイリスアンテナ素子ペアに使用されるパッチ金属層から切り離して堆積される。
従って、要約すると、図1の蓄積キャパシタは、パッチ電極に接続された上部プレートと、Vcomに接続された底部プレートとを含むが、図2の蓄積キャパシタは、底部プレートに接続された上部プレートと、パッチ電極に接続された中間プレートと、Vcomに接続された底部プレートとを含む。また、図2の蓄積キャパシタでは、上部プレートは、パッチ金属層から作製することができるが、この上部プレートは、パッチ電極に接続することができない。
蓄積キャパシタの1つの実施形態は、3つの金属層を有するが、これらの層のうちの1又は2以上は、他の導電性材料を用いて実施できる点に留意されたい。例えば、1つの実施形態において、蓄積キャパシタは、3つの導電層を用いて実施される。これら3つの導電層は、非金属層であり、ITO又はその他の導電膜を含むことができる。
図2には示されていないが、パッシベーション層が、TFT100及び蓄積キャパシタ210の両方の上に存在する。フォトスペーサ(図示せず)を有するギャップ及び液晶150が、パッシベーション層の上に存在する。
1つの実施形態において、底部プレート211及び上部プレート214は、同じ共通電位Vcomにある。この電位は、アイリス金属層122にあるのと同じ電位である。しかしながら、中間プレート212は、図2においてデータ波形又はソース信号と呼ばれる別の電圧にあり、この信号は、1つの実施形態において、アクティブマトリクスアレイの列上のデータドライバから到来してアンテナ素子の液晶に電圧を印可する電圧信号である。
蓄積キャパシタ210は、追加の誘電体層(213)及び上部の金属層(214)を有する蓄積キャパシタ110の組み合わせであるので、蓄積キャパシタ210のキャパシタンスは、2つのキャパシタンスから構成され、第1のキャパシタンスが上部金属プレートからドレイン金属層103へのキャパシタンスであり、第2のキャパシタンスがドレイン金属層103から底部プレート211へのキャパシタンスである。従って、蓄積キャパシタは、二重キャパシタとして動作する。1つの実施形態において、これにより、蓄積キャパシタ210の実装面積が、蓄積キャパシタ110の実装面積の約半分になることができる。
また、蓄積キャパシタ210の構造が追加の利点を提供する点にも留意されたい。第1に、上部金属プレート214は、底部プレート211に電気的に接続されているので、これらのプレートの電圧は同じであり、Vcomである。従って、蓄積キャパシタ210の上部とアイリス金属層122との間に電圧差はない。従って、蓄積キャパシタ210の上部金属プレート214及びアイリス金属層122の両方が、共通電圧Vcomに電気的に接続されるので、蓄積キャパシタ210の上部金属プレート214とアイリス金属層122との間の寄生容量は、小さくなり、排除される可能性がある。更に、寄生容量及び蓄積キャパシタンス値を含む合計キャパシタンスが減少するので、蓄積キャパシタを収容するのに必要な領域は、合計キャパシタンスに対する蓄積キャパシタンスの比率が一定に保たれながら、更に小さくなることができる。
幾つかの代替実施形態が存在する。例えば、1つの代替実施形態では、誘電体層、ドレイン金属層に電気的に接続された金属層(例えば、中間プレート212)、誘電体層、及び底部金属プレート211に電気的に接続された金属層を追加することによって、蓄積キャパシタの積層が拡張されて、キャパシタ領域が、更に小さなることができる。
本発明の実施形態を示すために、1つのTFT及び1つの蓄積キャパシタのみが、図1及び図2に示されている。しかしながら、ほとんどの実施形態において、実際には、このような複数のトランジスタ及び蓄積キャパシタが、1又は2以上の基板(例えば、パッチ基板、アイリス基板など)上に形成される。1つの実施形態において、アンテナ素子ごとに1つのTFT及び1つの蓄積キャパシタが存在する。別の実施形態では、1つのTFT及び1つの蓄積キャパシタが、複数のアンテナ素子を制御するのに使用できる。
1つの実施形態において、ソース及びドレイン金属層並びにアイリス金属層は、銅を含む。代替的に、これらの層は、例えばアルミニウムなどの他の導電性金属を含む他の導電性材料を備えることができる。1つの実施形態において、TFTのゲート層及び蓄積キャパシタの最下層は、アルミニウムを含む。代替的に、TFTのゲート層及び蓄積キャパシタの最下層は、例えば銅などの他の導電性金属を含む他の導電性材料を備える。
更に、図1及び図2に関して上述した層は、堆積及びエッチングを含む周知の製造技法を使用して形成される。
駆動トランジスタ、蓄積キャパシタ、及びアンテナ素子配置
1つの実施形態において、TFT(又は他の駆動トランジスタ)、蓄積キャパシタ(例えば、図2に図示のものなど)、及びアンテナ素子(例えば、RF放射アンテナ素子(例えば、表面散乱アンテナ素子)など)は、系統的マトリクス駆動回路の使用を可能にするように、アンテナアパーチャ(例えば、円筒状給電アンテナアパーチャ)のアクティブ領域に配置される。セルの配置は、アンテナ素子を駆動するためのマトリックス駆動のためのトランジスタ(例えば、TFT又は他のトランジスタ)の配置を含む。
図3は、アンテナ素子に対するマトリクス駆動回路の配置の1つの実施形態を示している。図3を参照すると、行コントローラ301は、行選択信号Row1(行1)及びRow2(行2)それぞれを介してトランジスタ311及び312に結合され、列コントローラ302は、列選択信号Column1を介してトランジスタ311及び312に結合される。また、トランジスタ311は、パッチへの接続331を介してアンテナ素子321に結合され、トランジスタ312は、パッチへの接続332を介してアンテナ素子322に結合される。
単位セルが非正規グリッド内に配置されて円筒状給電アンテナ上でマトリクス駆動回路を実現する最初の手法では、2つのステップが実行される。第1のステップでは、セルが同心リング上に配置され、セルの各々は、セルの傍らに配置されたトランジスタ(例えば、TFT)に接続され、このトランジスタが、各セルを別々に駆動するスイッチとして機能する。第2のステップでは、マトリクス駆動回路は、このマトリクス駆動手法が必要とするときにあらゆるトランジスタを一意のアドレスで接続するように構築される。マトリクス駆動回路は、行及び列のトレースによって構築される(LCDと同様)が、セルはリング上に配置されるので、各トランジスタ(例えば、TFT)に一意のアドレスを割り当てる系統的方法は存在しない。このマッピング問題は、全てのトランジスタをカバーするために極めて複雑な回路を生じさせ、経路設定を行う物理的トレースの数を著しく増加させることになる。セルが高密度であるので、これらのトレースは、カップリング効果に起因してアンテナのRF性能を妨げる。また、トレースが複雑であり実装密度が高いことに起因して、トレースの経路設定は、商業的に入手可能なレイアウトツールによって行うことができない。
1つの実施形態において、マトリクス駆動回路は、セル及びトランジスタが配置される前に事前に定められる。このことにより、各々が一意のアドレスを有する全てのセルを駆動するのに必要な最小数のトレースが確保される。この方式は、駆動回路の複雑性を軽減して経路設定を簡素化し、それによって、アンテナのRF性能が高まる。
より具体的には、1つの手法では、第1のステップにおいて、セルは、各セルの一意のアドレスを表す行及び列から構成された正方形グリッド上に配置される。第2のステップにおいて、セルは、第1のステップで定められたセルのアドレス並びに行及び列への接続性が維持されながら、グループ化されて同心円に変換される。この変換の目的は、セルをリング上に配置するだけでなく、アパーチャ全体にわたってセル間の距離及びリング間の距離を一定に保つことである。この目的を達成するために、セルをグループ化する幾つかの方法が存在する。
1つの実施形態において、TFTパッケージは、マトリクス駆動における配置及び一意のアドレス指定を可能にするのに使用される。図4は、TFTパッケージの1つの実施形態を示している。図4を参照すると、TFT及び蓄積キャパシタ403が、入力ポート及び出力ポートと共に示されている。トレース401に接続された2つの入力ポート及びトレース402に接続された2つの出力ポートが存在し、行及び列を使用してTFTが共に接続される。1つの実施形態において、行のトレース及び列のトレースは、90°の角度で交差して、行のトレースと列のトレースとの間の結合が、抑えられ、場合によっては最小になる。1つの実施形態において、行のトレース及び列のトレースは、異なる層上に存在する。
アンテナ実施形態の例
上述した技法は、平面アンテナ(flat panel antenna)と共に使用することができる。このような平面アンテナの実施形態が開示される。平面アンテナは、アンテナアパーチャ上にアンテナ素子の1又は2以上のアレイを含む。1つの実施形態において、アンテナ素子は、液晶セルを備える。1つの実施形態において、平面アンテナは、行及び列状に配置されていないアンテナ素子の各々を一意的にアドレス指定してこれらのアンテナ素子を駆動するマトリクス駆動回路を含む円筒状給電アンテナである。1つの実施形態において、素子は、リング状に配置される。
1つの実施形態において、アンテナ素子の1又は2以上のアレイを有するアンテナアパーチャは、共に結合された複数のセグメントから構成される。セグメントの組み合わせは、共に結合された場合に、アンテナ素子の閉じた同心リングを形成する。1つの実施形態において、同心リングは、アンテナ給電部に対して同心である。
アンテナシステムの例
1つの実施形態において、平面アンテナは、メタマテリアルアンテナシステムの一部である。通信衛星地上局用のメタマテリアルアンテナシステムの実施形態について説明する。1つの実施形態において、アンテナシステムは、民間商用衛星通信用のKa帯域周波数又はKu帯域周波数の何れかを使用して動作するモバイルプラットフォーム(例えば、航空、海上、陸上、その他)上で動作する衛星地上局(ES)のコンポーネント又はサブシステムである。アンテナシステムの実施形態はまた、モバイルプラットフォーム上ではない地上局(例えば、固定地上局又は可搬地上局)で使用できる点に留意されたい。
1つの実施形態において、アンテナシステムは、表面散乱メタマテリアル技術を使用して、別個のアンテナを介して送受信ビームを形成して誘導する。1つの実施形態において、アンテナシステムは、デジタル信号処理を使用してビームを電気的に形成し誘導するアンテナシステム(フェーズドアレイアンテナなど)とは対照的に、アナログシステムである。
1つの実施形態において、アンテナシステムは、3つの機能的サブシステム、すなわち、(1)円筒波給電アーキテクチャからなる導波構造、(2)アンテナ素子の一部である波散乱メタマテリアル単位セルのアレイ、及び(3)ホログラフィ原理を使用してメタマテリアル散乱素子からの調整可能な放射場(ビーム)の形成を命令する制御構造から構成される。
アンテナ素子
図5は、円筒状給電ホログラフィック放射状アパーチャアンテナの1つの実施形態の概略図を示している。図5を参照すると、アンテナアパーチャは、円筒状給電アンテナの入力給電部502の周りに同心リング状に配置されたアンテナ素子503の1又は2以上のアレイ501を有する。1つの実施形態において、アンテナ素子503は、RFエネルギーを放射する無線周波数(RF)共振器である。1つの実施形態において、アンテナ素子503は、アンテナアパーチャの全表面上に交互配置され分散されるRxアイリス及びTxアイリスの両方を備える。このようなアンテナ素子の実施例は、以下に更に詳細に説明される。本明細書で説明するRF共振器は、円筒状給電部を含まないアンテナで使用することができる。
1つの実施形態において、アンテナは、入力給電部502を介して円筒波給電を提供するのに使用される同軸給電部を含む。1つの実施形態において、円筒波給電アーキテクチャが、給電点から円筒状に外向きに広がる励起を中心点からアンテナに供給する。すなわち、円筒状給電アンテナは、外向きに進む同心状給電波を生成する。それでも、円筒状給電部の周りの円筒状給電アンテナの形状は、円形、正方形、又は何らかの形状とすることができる。別の実施形態では、円筒状給電アンテナは、内向きに進む給電波を生成する。このような場合には、円形構造から生じる給電波が最も自然である。
1つの実施形態において、アンテナ素子503は、アイリスを備え、図5のアパーチャアンテナは、同調可能液晶(LC)材料を通ってアイリスを放射させるための円筒状給電波からの励起を使用することにより形成される主ビームを生成するのに使用される。1つの実施形態において、アンテナは、所望の走査角で水平又は垂直に偏極した電界を放射するように励起することができる。
1つの実施形態において、アンテナ素子は、パッチアンテナのグループを備える。このパッチアンテナのグループは、散乱メタマテリアル素子のアレイを備える。1つの実施形態において、アンテナシステムにおける各散乱素子は、下部導体、誘電体基板、及び上部導体からなる単位セルの一部であり、上部導体は、この上部導体にエッチングされ又は堆積された相補的電気誘導型容量性共振器(「相補型電気LC」又は「CELC」)を組み込んでいる。当業者には理解されるように、液晶とは対照的に、CELCの関連でのLCとは、インダクタンス・キャパシタンスを指す。
1つの実施形態において、液晶(LC)は、散乱素子の周りのギャップに配置される。このLCは、上述の直接駆動型実施形態によって駆動される。1つの実施形態において、液晶は、各単位セル内に封入されて、スロットに関連する下部導体をそのパッチに関連する上部導体から分離する。液晶は、この液晶を構成する分子の配向の関数である誘電率を有し、分子の配向(及びひいては誘電率)は、液晶の両端間のバイアス電圧を調節することによって制御することができる。1つの実施形態において、液晶は、この特性を使用して、誘導波からCELCへのエネルギー伝達のためのオン/オフスイッチを組み込む。スイッチオンになると、CELCは、電気的に小さなダイポールアンテナのような電磁波を放射する。本明細書における教示は、エネルギー伝達に関して2値的に動作する液晶を有することに限定されない点に留意されたい。
1つの実施形態において、このアンテナシステムの給電幾何形状は、アンテナ素子を波動給電の波動ベクトルに対して45度(45°)の角度で位置決めすることを可能にする。他の位置(例えば、40°の角度)が使用できる点に留意されたい。素子のこの位置は、素子によって受信されるか又は素子から送信/放射される自由空間波の制御を可能にする。1つの実施形態において、アンテナ素子は、アンテナの作動周波数の自由空間波長より短い素子間隔で配列される。例えば、1波長につき4つの散乱素子が存在する場合には、30GHz送信アンテナ内の素子は、約2.5mm(すなわち、30GHzの10mm自由空間波長の4分の1)となる。
1つの実施形態において、2組の素子は、互いに垂直であり、同じ同調状態に制御される場合に、等しい振幅の励起を同時に有する。給電波の励起に対してこれらの素子をプラスマイナス45度回転させることにより、両方の所望の機能が同時に達成される。一方の組を0度回転させ、他方を90度回転させることによって、垂直目標は達成されるが、等振幅励起の目標は達成されない。0度と90度を使用して、2つの側部から単一構造のアンテナ素子アレイを給電するときに分離を達成することができる点に留意されたい。
各単位セルから放射されるパワーの量は、コントローラを使用してパッチに電圧(液晶チャネルの両端の電位)を印加することによって制御される。各パッチに対するトレースは、パッチアンテナに電圧を供給するのに使用される。この電圧は、キャパシタンス及び従って個々の素子の共振周波数を同調又は離調させて、ビーム形成を達成するのに使用される。必要とされる電圧は、使用される液晶混合物に依存する。液晶混合物の電圧同調特性は、液晶が電圧の影響を受け始める閾値電圧と、それを超える電圧の増加が液晶の大きな同調をもたらさない飽和電圧とによって主として説明される。これら2つの特性パラメータは、異なる液晶混合物に対して変化する場合がある。
1つの実施形態において、上述のように、マトリクス駆動を使用してパッチに電圧を印加して、各セルが、各セルに対して別個の接続を有することなく他の全てのセルから切り離して駆動されるようになる(直接駆動)。素子が高密度であるために、マトリクス駆動は、各セルを個別にアドレス指定するのに効率的な方法である。
1つの実施形態において、アンテナシステム用の制御構造は、2つの主要な構成要素を有し、すなわち、アンテナシステム用の駆動電子機器を含むアンテナアレイコントローラは、波散乱構造の下方にあり、一方、マトリクス駆動スイッチングアレイは、放射を妨害しないように放射RFアレイ全体を通して散在している。1つの実施形態において、アンテナシステム用の駆動電子機器は、散乱素子へのACバイアス信号の振幅又はデューティサイクルを調節することによって、各散乱素子に対するバイアス電圧を調節する市販のテレビジョン装置で使用される市販の既製LCD制御装置を備える。
1つの実施形態において、アンテナアレイコントローラはまた、ソフトウェアを実行するマイクロプロセッサを包含する。制御構造はまた、プロセッサに位置及び方位情報を提供するセンサ(例えば、GPS受信機、3軸コンパス、3軸加速度計、3軸ジャイロ、3軸磁力計、その他)を組み込むことができる。位置及び方位情報は、地上局内の他のシステムによってプロセッサに提供することができ、及び/又はアンテナシステムの一部ではない場合がある。
より具体的には、アンテナアレイコントローラは、作動周波数でどの素子がオフにされてどの素子がオンにされるか、並びにどの位相及び振幅のレベルにするかを制御する。素子は、電圧印加によって周波数作動に対して選択的に離調される。
送信に関して、コントローラは、RFパッチに一連の電圧信号を供給して変調パターン又は制御パターンを生成する。制御パターンは、素子を異なる状態に変化させる。1つの実施形態において、多状態制御が使用され、そこでは、方形波(すなわち、正弦波グレイシェード変調パターン)とは対照的に、様々な素子が様々なレベルにオン及びオフにされ、更に正弦波制御パターンが近似される。1つの実施形態において、放射する素子もあれば放射しない素子もあるのではなく、一部の素子が他の素子よりも強く放射する。可変放射は、特定の電圧レベルを印加することによって達成され、これにより、液晶の誘電率が様々な量に調節され、それによって素子を可変的に離調させて一部の素子を他の素子よりも多く放射させる。
素子のメタマテリアルアレイによる集束ビームの生成は、建設的干渉及び相殺的干渉の現象によって説明することができる。個々の電磁波は、自由空間で遭遇するときに同じ位相を有する場合に加え合わされ(建設的干渉)、自由空間で遭遇するときに逆位相である場合に互いに打ち消し合う(相殺的干渉)。各連続するスロットが誘導波の励起点から異なる距離に配置されるように、スロット付きアンテナ内のスロットが位置決めされた場合に、その素子からの散乱波は、前のスロットの散乱波とは異なる位相を有することになる。スロットが誘導波長の4分の1離間している場合に、各スロットは、前のスロットから4分の1の位相遅延で波を散乱させることになる。
このアレイを使用すると、生成できる建設的干渉及び相殺的干渉のパターン数が増加することができるので、ビームは、ホログラフィの原理を使用して、理論的にはアンテナアレイのボアサイトからプラスマイナス90度(90°)の任意の方向に向くことができる。従って、どのメタマテリアル単位セルがオン又はオフにされるのかを制御することにより(すなわち、どのセルがオンにされてどのセルがオフにされるかについてのパターンを変更することにより)、建設的干渉及び相殺的干渉の異なるパターンを生成することができ、アンテナは、主ビームの方向を変化させることができる。単位セルをオン及びオフにするのに必要な時間は、1つの位置から別の位置にビームを切り換えることができる速度によって定まる。
1つの実施形態において、アンテナシステムは、アップリンクアンテナ用の1つの誘導可能ビームと、ダウンリンクアンテナ用の1つの誘導可能ビームとを生成する。1つの実施形態において、アンテナシステムは、メタマテリアル技術を使用してビームを受信し、衛星からの信号を復号し、衛星に向けられる送信ビームを形成する。1つの実施形態において、アンテナシステムは、ビームを電気的に形成して誘導するのにデジタル信号処理を使用するアンテナシステム(フェーズドアレイアンテナなど)とは対照的に、アナログシステムである。1つの実施形態において、アンテナシステムは、特に従来型衛星ディッシュベースの受信機と比較して、平面的で比較的薄型の「面」アンテナと見なされる。
図6は、グランドプレーンと再構成可能共振器層とを含む1列のアンテナ素子の斜視図を示している。再構成可能共振器層1230は、同調可能スロット1210のアレイを含む。同調可能スロット610のアレイは、アンテナを所望の方向に向けるように構成することができる。同調可能スロットの各々は、液晶両端間の電圧を変化させることによって同調/調節することができる。
制御モジュール1280は、再構成可能共振器層1230に結合されて、図7での液晶両端間の電圧を変化させることにより同調可能スロット1210のアレイを変調する。制御モジュール1280は、フィールドプログラマブルゲートアレイ(「FPGA」)、マイクロプロセッサ、コントローラ、システム・オン・チップ(SoC)、又は他の処理論理回路を含むことができる。1つの実施形態において、制御モジュール1280は、同調可能スロット1210のアレイを駆動するために論理回路(例えば、マルチプレクサ)を含む。1つの実施形態において、制御モジュール1280は、同調可能スロット1210のアレイ上に駆動されるホログラフィック回折パターンに関する仕様を含むデータを受信する。ホログラフィック回折パターンは、この回折パターンがダウンリンクビーム(及び、アンテナシステムが送信を実行する場合には、アップリンクビーム)を通信に適した方向に誘導するように、アンテナと衛星との間の空間的関係に応じて生成することができる。各図には描かれていないが、制御モジュール1280に類似する制御モジュールが、本開示の図にて記載される同調可能スロットの各アレイを駆動することができる。
更に、RF基準ビームがRFホログラフィック回折パターンに遭遇するときに所望のRFビームを生成することができる類似の技術を使用して、無線周波数(「RF」)ホログラフィが可能である。衛星通信の場合に、基準ビームは、給電波1205(一部の実施形態では、約20GHz)などの給電波の形態である。給電波を放射ビームに変換するために(送信目的又は受信目的の何れかで)、所望のRFビーム(目標ビーム)と給電波(基準ビーム)との間で干渉パターンが計算される。干渉パターンは、給電波が所望のRFビーム(所望の形状及び方向を有する)に「誘導される」ように、回折パターンとして同調可能スロット1210のアレイ上に駆動される。言い換えれば、ホログラフィック回折パターンに遭遇する給電波は、目標ビームを「再構成」し、このビームは、通信システムの設計要件に従って形成される。ホログラフィック回折パターンは、各素子の励起を包含し、導波路内の波動方程式としてのwinと、外向き波に関する波動方程式としてのwoutとを用いて、whologram=win*woutによって計算される。
図7は、同調可能共振器/スロット1210の1つの実施形態を示している。同調可能スロット1210は、アイリス/スロット1212と、放射パッチ1211と、アイリス1212とパッチ1211との間に配置された液晶1213とを含む。1つの実施形態において、放射パッチ1211は、アイリス1212と同じ場所に配置される。
図8は、物理的アンテナアパーチャの1つの実施形態の断面図を示している。アンテナアパーチャは、グランドプレーン1245と、再構成可能共振器層1230に含まれるアイリス層1233内の金属層1236とを含む。1つの実施形態において、図8のアンテナアパーチャは、図7の複数の同調可能共振器/スロット1210を含む。アイリス/スロット1212は、金属層1236内の開口部によって定められる。図7の給電波1205などの給電波は、衛星通信チャネルと適合性のあるマイクロ波周波数を有することができる。給電波は、グランドプレーン1245と共振器層1230との間を伝播する。
再構成可能共振器層1230はまた、ガスケット層1232及びパッチ層1231を含む。ガスケット層1232は、パッチ層1231とアイリス層1233との間に配置される。1つの実施形態において、スペーサは、ガスケット層1232に置き換えることができる点に留意されたい。1つの実施形態において、アイリス層1233は、金属層1236として銅層を含むプリント回路基板(PCB)である。1つの実施形態において、アイリス層1233はガラスである。アイリス層1233は、他のタイプの基板であってもよい。
銅層において開口部をエッチングして、スロット1212を形成することができる。1つの実施形態において、アイリス層1233は、導電性接合層によって図8の別の構造(例えば、導波路)に導電的に結合される。1つの実施形態において、アイリス層は、導電性接合層によって導電的に結合されず、代わりに非導電性接合層と接合される点に留意されたい。
パッチ層1231はまた、放射パッチ1211として金属を含むPCBとすることができる。1つの実施形態において、ガスケット層1232は、金属層1236とパッチ1211との間の寸法を定める機械的離隔部(スタンドオフ)を提供するスペーサ1239を含む。1つの実施形態において、スペーサは75ミクロンであるが、他のサイズ(例えば、3〜200mm)を使用することができる。上述のように、1つの実施形態において、図8のアンテナアパーチャは、同調可能共振器/スロット1210のような複数の同調可能共振器/スロットを含み、この同調可能共振器/スロット1210は、図7のパッチ1211、液晶1213A、及びアイリス1212を含む。液晶1213Aのためのチャンバは、スペーサ1239、アイリス層1233、及び金属層1236によって定められる。チャンバが液晶で満たされると、パッチ層1231は、共振器層1230内に液晶をシールするようにスペーサ1239上に積層することができる。
パッチ層1231とアイリス層1233との間の電圧を変調して、パッチとスロット(例えば、同調可能共振器/スロット1210)間のギャップ内の液晶を同調させることができる。液晶1213Aの両端間電圧を調節することにより、スロット(例えば、同調可能共振器/スロット1210)のキャパシタンスが変化する。従って、このキャパシタンスを変化させることにより、スロット(例えば、同調可能共振器/スロット1210)のリアクタンスは変化することができる。スロット1210の共振周波数はまた、次式:
に従って変化し、ここで、fは、スロット1210の共振周波数であり、L及びCは、それぞれスロット1210のインダクタンス及びキャパシタンスである。スロット1210の共振周波数は、導波路を伝播する給電波1205から放射されるエネルギーに影響を与える。一例として、給電波1205が20GHzである場合に、スロット1210の共振周波数は17GHzに調節されて(キャパシタンスを変化させることにより)、スロット1210が、給電波1205からのエネルギーを実質的に結合しないようにすることができる。或いは、スロット1210の共振周波数は、スロット1210が給電波1205からのエネルギーを結合してこのエネルギーを自由空間に放射するように、20GHzに調節することができる。所与の例は、2値的(完全に放射するか又は全く放射しない)であるが、スロット1210のリアクタンス及び従って共振周波数の完全グレイスケール制御は、多値範囲にわたって電圧を変化させることにより可能である。従って、各スロット1210から放射されるエネルギーを精密に制御することにより、同調可能スロットのアレイによって精緻なホログラフィック回折パターンを形成することができる。
1つの実施形態において、一列に並んだ同調可能スロットは、互いからλ/5だけ離間している。他の間隔を使用することもできる。1つの実施形態において、一列に並んだ各同調可能スロットは、隣接する列内の最も近い同調可能スロットからλ/2だけ離間しており、従って、異なる列にあって向きが共通の同調可能スロットは、λ/4だけ離間しているが、他の間隔も可能である(例えば、λ/5、λ/6.3)。別の実施形態では、一列に並んだ各同調可能スロットは、隣接する列内の最も近い同調可能スロットからλ/3だけ離間している。
実施形態は、2014年11月21日出願の「Dynamic Polarization and Coupling Control from a Steerable Cylindrically Fed Holographic Antenna(誘導可能円筒給電式ホログラフィックアンテナからの動的偏波及び結合制御)」という名称の米国特許出願第14/550,178号明細書、及び2015年1月30日出願の「Ridged Waveguide Feed Structures for Reconfigurable Antenna(再構成可能アンテナのためのリッジ型導波路給電構造)」という名称の米国特許出願第14/610,502号明細書に説明されているような再構成可能メタマテリアル技術を使用する。
図9A−Dは、スロット付きアレイを形成する様々な層の1つの実施形態を示している。アンテナアレイは、図5に示されている実施例のような、リング状に位置決めされたアンテナ素子を含む。この実施例において、アンテナアレイは、2つの異なるタイプの周波数帯域に使用される2つの異なるタイプのアンテナ素子を有する点に留意されたい。
図9Aは、スロットに対応する位置を有する第1のアイリス基板層の一部分を示している。図9Aを参照すると、円は、アイリス基板の底部側におけるメタライゼーション内の開放エリア/スロットであり、給電部(給電波)との素子の結合を制御するためのものである。この層は、任意選択の層であり、全ての設計で使用されるとは限らない点に留意されたい。図9Bは、スロットを包含する第2のアイリス基板層の一部分を示している。図9Cは、第2のアイリス基板層の一部分の上のパッチを示している。図9Dは、スロット付きアレイの一部分の上面図を示している。
図10は、円筒状給電アンテナ構造の1つの実施形態の側面図を示している。このアンテナは、二重層給電構造(すなわち、2つの給電構造層)を使用して内向き進行波を生成する。1つの実施形態において、アンテナは、円形の外形を含むが、このことは、必須ではない。すなわち、非円形内向き進行構造を使用することができる。1つの実施形態において、図10におけるアンテナ構造は、2014年11月21日出願の「Dynamic Polarization and Coupling Control from a Steerable Cylindrically Fed Holographic Antenna(誘導可能円筒給電式ホログラフィックアンテナからの動的偏波及び結合制御)」という名称の米国公開第2015/0236412号明細書に記載のものなどの同軸給電部を含む。
図10を参照すると、同軸ピン1601は、アンテナの下層の場を励起するのに使用される。1つの実施形態において、同軸ピン1001は、容易に入手できる50Ω同軸ピンである。同軸ピン1601は、導電性グランドプレーン1602であるアンテナ構造の底部に結合(例えば、ボルト締め)される。
内部導体である浸入型導体1003は、導電性グランドプレーン1002から切り離される。1つの実施形態において、導電性グランドプレーン1602及び浸入型導体1603は、互いに平行である。1つの実施形態において、グランドプレーン1602と浸入型導体1603との間の距離は、0.1インチから0.15インチである。別の実施形態では、この距離は、λ/2とすることができ、ここで、λは、作動周波数での進行波の波長である。
グランドプレーン1602は、スペーサ1604を介して浸入型導体1603から切り離される。1つの実施形態において、スペーサ1604は、発泡体又は空気状スペーサである。1つの実施形態において、スペーサ1604は、プラスチックスペーサを含む。
誘電体層1605が、浸入型導体1603の上部に存在する。1つの実施形態において、誘電体層1605は、プラスチックである。誘電体層1605の目的は、自由空間速度に対して進行波を減速させることである。1つの実施形態において、誘電体層1605は、自由空間に対して30%だけ進行波を減速させる。1つの実施形態において、ビーム形成に適した屈折率の範囲は、1.2から1.8であり、ここで、自由空間は、定義により1に等しい屈折率を有する。例えばプラスチックなどの他の誘電体スペーサ材料が、この効果を達成するのに使用することができる。プラスチック以外の材料は、これらの材料が所望の波減速効果を達成する限り、使用できる点に留意されたい。代替的に、例えば機械加工すること又はリソグラフィによって規定することができる周期的サブ波長金属構造などの分散構造を有する材料は、誘電体層1605として使用することができる。
RFアレイ1006は、誘電体1605の上部に存在する。1つの実施形態において、浸入型導体1603とRFアレイ1606との間の距離は、0.1インチから0.15インチである。別の実施形態では、この距離は、λeff/2とすることができ、ここで、λeffは、設計周波数での媒体中の有効波長である。
アンテナは、側部1607及び1608を含む。側部1607及び1608は、同軸ピン1601から供給される進行波を、反射によって浸入型導体1603の下の領域(スペーサ層)から浸入型導体1603の上の領域(誘電体層)に伝播させるように角度付けされる。1つの実施形態において、側部1607及び1608の角度は、45度の角度にある。代替実施形態では、側部1607及び1608は、反射を達成するための連続した半径に置き換えることができる。図10は、45度の角度を有して角度付けした側部を示しているが、その他の角度は、下層給電部から上層給電部への信号伝達を達成して使用することができる。すなわち、下側給電部内の有効波長が、一般に、上側給電部内のものと異なることを考慮すると、理想的な45度の角度からの何らかの偏差は、下側給電層から上側給電層への伝達を補助するのに使用することができる。例えば、別の実施形態では、45度の角度は、単一の段部に置き換えられる。アンテナの一端上の段部は、誘電体層、浸入型導体、及びスペーサ層の周りに延びる。同様の2つの段部が、これらの層の他端に存在する。
動作中、給電波が、同軸ピン1601から供給される場合には、この給電波は、グランドプレーン1602と浸入型導体1603との間の領域で同軸ピン1601から同心状外向きに進む。同心状外向き波は、側部1607及び1608で反射して、浸入型導体1603とRFアレイ1606との間の領域で内向きに進む。円形外周の縁部からの反射は、この波を同相のままにする(すなわち、この反射は、同相反射である)。進行波は、誘電体層1605によって減速する。この時点で、進行波は、RFアレイ1606内の素子との相互作用及び励起を開始して、所望の散乱が得られる。
進行波を終了させるための終端部1609が、アンテナの幾何学的中心でアンテナに含まれる。1つの実施形態において、終端部1609は、ピン終端(例えば、50Ωピン)を備える。別の実施形態では、終端部1609は、未使用エネルギーを終端させて、アンテナの給電構造を通るこの未使用エネルギーが反射して戻るのを防止するRF吸収体を備える。この終端部は、RFアレイ1606の上部で使用することができる。
図11は、アンテナシステムの別の実施形態を外向き波と共に示している。図11を参照すると、2つのグランドプレーン1610及び1611は、これらのグランドプレーンの間にある誘電体層1612(例えば、プラスチック層など)と互いに実質的に平行であり得る。RF吸収体1619(例えば、抵抗器)は、2つのグランドプレーン1610及び1611を一緒に結合する。同軸ピン1615(例えば、50Ω)は、アンテナを給電する。RFアレイ1616は、誘電体層1612及びグランドプレーン1610の上部に存在する。
動作中、給電波は、同軸ピン1615を介して給電され、同心円状外向きに進んでRFアレイ1616の素子と相互作用する。
図10及び11の両アンテナにおける円筒形給電は、アンテナのサービス角度を改善する。1つの実施形態において、アンテナシステムは、プラスマイナス45度の方位角(±45°Az)及びプラスマイナス25度の仰角(±25°El)からなるサービス角度の代わりに、ボアサイトから全方向に75度(75°)のサービス角度を有する。多数の個々の放射体から構成される何らかのビーム形成アンテナの場合と同様に、全体的なアンテナ利得は、それ自体が角度に依存するものである構成素子の利得に依存する。一般的な放射素子が使用される場合には、全体的なアンテナ利得は、通常、ビームがボアサイトから離れて向けられるにつれて減少する。ボアサイトから75度外れたところでは、約6dBの有意な利得低下が予期される。
円筒状給電部を有するアンテナの実施形態は、1又は2以上の問題を解決する。これらは、統合分割器ネットワークを用いて給電されるアンテナと比較して給電構造を非常に簡単なものにし、従って、全体で必要とされるアンテナ及びアンテナ給電量を低減することと、より粗い制御(単純なバイナリ制御にまで拡張すること)で高ビーム性能を維持することによって製造誤差及び制御誤差に対する感度を低下させることと、円筒状配向給電波が遠距離場において空間的に多様なサイドローブをもたらすので、直線的給電部と比較してより好都合なサイドローブパターンを与えることと、偏波器を必要とせずに、左旋円偏波、右旋円偏波及び直線偏波を可能にすることを含めて偏波が動的であることを可能にすることと、を含む。
波散乱素子のアレイ
図10のRFアレイ1606及び図11のRFアレイ1616は、放射体として作用するパッチアンテナ(すなわち、散乱体)のグループを含む波散乱サブシステムを備える。このパッチアンテナグループは、散乱メタマテリアル素子のアレイを含む。
1つの実施形態において、アンテナシステムにおける各散乱素子は、下部導体、誘電体基板、及び上部導体からなる単位セルの一部であり、上部導体は、この上部導体にエッチングされ又は堆積された相補的電気誘導型容量性共振器(「相補型電気LC」又は「CELC」)を組み込んでいる。
1つの実施形態において、液晶(LC)が、散乱素子の周りのギャップに注入される。液晶は、各単位セル内に封入され、スロットに関連する下部導体をそのパッチに関連する上部導体から分離する。液晶は、この液晶を含む分子の配向の関数である誘電率を有し、分子の配向(及びひいては誘電率)は、液晶両端間のバイアス電圧を調節することによって制御することができる。この特性を使用して、液晶は、誘導波からCELCへのエネルギー伝達のためのオン/オフスイッチとして作用する。スイッチオンになると、CELCは、電気的に小さなダイポールアンテナのような電磁波を放射する。
液晶の厚さを制御することによって、ビームスイッチング速度が増加する。下部導体と上部導体との間のギャップ(液晶の厚さ)の50パーセント(50%)の減少は、4倍の速度増加をもたらす。別の実施形態では、液晶の厚さは、約14ミリ秒(14ms)というビームスイッチング速度をもたらす。1つの実施形態において、液晶は、7ミリ秒(7ms)の要件を満すことができるように応答性を高めるための当技術分野において周知の方法でドープされる。
CELC素子は、CELC素子の平面に平行でCELCギャップ補完物に垂直に印加される磁場に応答する。電圧が、メタマテリアル散乱単位セル内の液晶に印加された場合に、誘導波の磁場成分は、CELCの磁気励起を誘導し、その結果、誘導波と同じ周波数の電磁波が生成される。
単一のCELCによって生成される電磁波の位相は、誘導波ベクトル上のCELCの位置によって選択することができる。各セルは、CELCと平行な誘導波と同相の波を生成する。CELCは、波長よりも小さいので、出力波は、誘導波がCELCの下を通過するときのこの誘導波の位相と同じ位相を有する。
1つの実施形態において、このアンテナシステムの円筒状給電幾何形状は、CELC素子を波動給電の波動ベクトルに対して45度(45°)の角度で位置決めすることを可能にする。素子のこの位置は、この素子から生成される又はこの素子によって受信される自由空間波の偏波の制御を可能にする。1つの実施形態において、CELCは、アンテナの作動周波数の自由空間波長より短い素子間隔で配列される。例えば、1波長につき4つの散乱素子が存在する場合には、30GHz送信アンテナ内の素子は、約2.5mm(すなわち、30GHzの10mm自由空間波長の4分の1)となる。
1つの実施形態において、CELCは、スロットの上に並置されたパッチを、それら両者の間に液晶を有して含むパッチアンテナを用いて実施される。この点において、メタマテリアルアンテナは、スロット付き(散乱)導波路のように作用する。スロット付き導波路に関して、出力波の位相は、誘導波に対するスロットの位置に依存する。
例示的なシステムの実施形態
1つの実施形態において、複合アンテナアパーチャは、セットトップボックスと連動して動作するテレビジョンシステムで使用される。例えば、二重受信アンテナの場合、アンテナにより受信された衛星信号は、テレビジョンシステムのセットトップボックス(例えば、DirectTV受信機)に供給される。より具体的には、複合アンテナ動作は、2つの異なる周波数及び/又は偏波でRF信号を同時に受信することができる。すなわち、素子の1つのサブアレイは、1つの周波数及び/又は偏波でRF信号を受信するように制御され、別のサブアレイは、別の異なる周波数及び/又は偏波で信号を受信するように制御される。周波数又は偏波のこれらの相違は、テレビジョンシステムにより異なるチャネルが受信されることを表している。同様に、2つのアンテナアレイは、2つの異なる位置(例えば、2つの異なる衛星)からのチャネルを受信するため2つの異なるビーム位置に対して制御されて、複数のチャネルを同時に受信することができる。
図12は、テレビジョンシステムにおいて二重受信を同時に実行する通信システムの1つの実施形態のブロック図である。図12を参照すると、アンテナ1201は、上述したように異なる周波数及び/又は偏波で二重受信を同時に実行するように独立して動作可能な2つの空間的に交互配置されたアンテナアパーチャを含む。2つの空間的に交互配置されたアンテナ動作についてのみ説明しているが、TVシステムは、2つよりも多いアンテナアパーチャ(例えば、3つ、4つ、5つなどのアンテナアパーチャ)を有することができる点に留意されたい。
1つの実施形態において、アンテナ1201は、このアンテナの2つの交互配置されたスロット付きアレイを含み、ダイプレクサ1260に結合される。この結合は、2つのスロット付きアレイの素子から信号を受信して、ダイプレクサ1260に供給される2つの信号を生成する1又は2以上の給電ネットワークを含むことができる。1つの実施形態において、ダイプレクサ1260は、商用ダイプレクサ(例えば、A1 Microwave社製のモデルPB1081WA Ku帯域シトコムダイプレクサ)である。
ダイプレクサ1260は、低ノイズブロックダウンコンバータ(LNB)のペア1226及び1227に結合され、これらLNBは、当技術分野において周知の方法でノイズフィルタリング機能、ダウンコンバート機能及び増幅を実行する。1つの実施形態において、LNB1226及び1227は、室外ユニット(ODU)に存在する。別の実施形態では、LNB1226及び1227は、アンテナ装置に組み込まれる。LNB1226及び1227は、テレビジョン1203に結合されたセットトップボックス1202に結合される。
セットトップボックス1202は、アナログデジタル変換器(ADC)のペア1221及び1222を含み、これらADCは、LNB1226及び1227に結合されて、ダイプレクサ1230から出力された2つの信号をデジタル形式に変換する。
デジタル形式に変換されると、信号は、復調器1223によって復調されてデコーダ1224によって復号されて、受信波上に符号化されたデータが得られる。次に、復号されたデータは、コントローラ1225に送られ、このコントローラが、このデータをテレビジョン1203に送る。
コントローラ1250は、単一の複合物理的アパーチャ上の両方のアンテナアパーチャの交互配置されたスロット付きアレイ素子を含むアンテナ1201を制御する。
全二重通信システムの例
別の実施形態では、複合アンテナアパーチャは、全二重通信システムで使用される。図13は、同時送信及び受信経路を有する通信システムの別の実施形態のブロック図である。1つの送信経路及び1つの受信経路のみが示されているが、通信システムは、1つよりも多い送信経路及び/又は1つよりも多い受信経路を含むことができる。
図13を参照すると、アンテナ1301は、上述のように異なる周波数で同時に送信及び受信するように独立して動作可能な2つの空間的に交互配置されたアンテナアレイを含む。1つの実施形態において、アンテナ1301は、ダイプレクサ1345に結合される。この結合は、1又は2以上の給電ネットワークによるものとすることができる。1つの実施形態において、放射状給電アンテナの場合に、ダイプレクサ1345は、2つの信号を組み合わせるものであり、アンテナ1301とダイプレクサ1345の間の接続は、両方の周波数を搬送できる単一の広帯域給電ネットワークである。
ダイプレクサ1345は、低ノイズブロックダウンコンバータ(LNB)1327に結合され、このLNBは、当技術分野において周知の方法でノイズフィルタリング機能、ダウンコンバート機能、及び増幅機能を実行する。1つの実施形態において、LNB1327は、室外ユニット(ODU)に存在する。別の実施形態では、LNB1327は、アンテナ装置に組み込まれる。LNB1327は、コンピューティングシステム1340(例えば、コンピュータシステム、モデムなど)に結合されたモデム1360に結合される。
モデム1360は、アナログデジタル変換器(ADC)1322を含み、このADCは、LNB1327に結合されて、ダイプレクサ1345から出力された受信信号をデジタル形式に変換する。デジタル形式に変換されると、信号は、復調器1323によって復調されて、デコーダ1324によって復号されて、受信波上に符号化されたデータが得られる。次に、復号されたデータは、コントローラ1325に送られ、このコントローラが、このデータをコンピューティングシステム1340に送る。
モデム1360は更に、コンピューティングシステム1340から送信されたデータを符号化するエンコーダ1330を含む。符号化されたデータは、変調器1331によって変調され、次に、デジタルアナログ変換器(DAC)1332によってアナログに変換される。次に、アナログ信号は、BUC(アップコンバート及び高域増幅器)1333によってフィルタリングされて、ダイプレクサ1345の1つのポートに供給される。1つの実施形態において、BUC1333は、室外ユニット(ODU)に存在する。
当技術分野において周知の方法で動作するダイプレクサ1345は、送信される送信信号をアンテナ1301に供給する。
コントローラ1350は、単一の複合物理的アパーチャ上のアンテナ素子の2つのアレイを含むアンテナ1301を制御する。
通信システムは、上述した結合器/アービタを含むように変更される。このような場合には、結合器/アービタは、BUC及びLNBの前ではなくモデムの後に存在する。
図13に示されている全二重通信システムは、限定されるものではないが、インターネット通信、車両通信(ソフトウェア更新を含む)などを含む幾つかの用途を有する。
以上の詳細説明の幾つかの部分は、コンピュータメモリ内のデータビットに対する演算のアルゴリズム及び記号表現の観点で提示されている。これらのアルゴリズム的記述及び表現は、データ処理技術分野の当業者により、自らの作業の内容を他の当業者に最も効果的に伝えるのに使用される手段である。アルゴリズムは、ここでは一般的に、所望の結果に至る自己矛盾のない一連のステップであると考えられる。これらのステップは、物理量の物理的操作を必要とするものである。必須ではないが、通常、これらの量は、格納、転送、結合、比較、及びそれ以外の方法での操作が可能な電気信号又は磁気信号の形式を取る。これらの信号をビット、値、要素、記号、文字、用語、又は数字などと言及することは、主として共通使用という理由で時に好都合であることが判明している。
しかしながら、これらの用語及び類似の用語は、全て適切な物理量に関連付けられるものとし、単にこれらの量に付与される有利なラベルであることに注意されたい。以下の説明から明らかなように、別途明記しない限り、説明全体を通して、「処理する」又は「算出する」又は「計算する」又は「決定する」又は「表示する」などのような用語を利用する説明は、コンピュータシステムのレジスタ及びメモリ内の物理的な(電子的な)量として表されるデータを操作して、このデータを、そのコンピュータシステムのメモリ又はレジスタ又は他のそのような情報ストレージ、送信又は表示デバイス内の物理量として同様に表される別のデータに変換するコンピュータシステム又は類似の電子コンピュータデバイスの動作及び処理を指すことが認められる。
本発明はまた、本明細書における動作を実行するための装置に関する。この装置は、必要とされる目的のために特別に構成することができ、或いはコンピュータに格納されたコンピュータプログラムによって選択的に起動又は再構成される汎用コンピュータを備えることができる。このようなコンピュータプログラムは、限定されるものではないが、フロッピーディスク、光ディスク、CD−ROM、及び光磁気ディスクを含む任意タイプのディスク、読取専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、EPROM、EEPROM、磁気又は光カード、又は電子命令の格納に適する任意のタイプの媒体のようなコンピュータ可読ストレージ媒体に格納することができ、これら各々は、コンピュータシステムバスに結合される。
本明細書に提示したアルゴリズム及び表示は、何れの特定のコンピュータ又は他の装置とも本質的に関連付けられたものではない。様々な汎用システムが、本明細書の教示によるプログラムと共に使用することができ、又は必要とされる方法ステップを実行するより特殊化された装置を構成することが有利であることが判明する場合がある。様々なこれらのシステムに必要な構造は、以下の説明から明らかであろう。これに加えて、本発明は、何れの特定のプログラミング言語に関連することなく説明されている。様々なプログラミング言語を使用して、本明細書に説明した本発明の教示を実施することができることが認められるであろう。
機械可読媒体は、機械(例えば、コンピュータ)によって可読の形式の情報を格納又は送信するための何らかの機構を含む。例えば、機械可読媒体は、読取専用メモリ(「ROM」)、ランダムアクセスメモリ(「RAM」)、磁気ディスクストレージ媒体、光学ストレージ媒体、フラッシュメモリデバイスなどを含む。
本発明の多くの改変及び修正が、前述の説明を読んだ後で疑いなく当業者に明らかになるであろうが、例証によって図示及び説明された何れの特定の実施形態も限定として捉えられるものではない点を理解されたい。従って、様々な実施形態の詳細事項への言及は、本発明にとって基本的なものとしてみなされる特徴のみを記載する請求項の範囲を限定するものではない。
100 薄膜トランジスタ
101 ソース/ドレイン金属
102 ゲート金属
103 ドレイン金属
104 活性層
105 パッシベーション層
113 パッチ金属
114 パッシベーション層
121 アイリス基板
122 アイリス金属
123 アイリス開口部
124 パッチ基板
150 液晶
210 蓄積キャパシタ
211 底部プレート
212 中間プレート
213 層間誘電体

Claims (25)

  1. ホログラフィックビーム誘導で使用される周波数帯域用のビームを形成するように共に制御され動作可能である無線周波数(RF)放射アンテナ素子のアレイを形成する第1及び第2の基板を有する物理的アンテナアパーチャを備えたアンテナであって、前記アンテナ素子の各々は、前記各アンテナ素子に電圧を供給するための回路と、前記第1の基板上に複数の導電層を有して形成された蓄積キャパシタとに結合され、前記複数の層のうちの上部導電層及び底部導電層は、前記第2の基板の導電層上の第2の電圧に等しい第1の電圧にあり、前記蓄積キャパシタと前記第2の基板上の導電層との間に生じる寄生容量が小さくなる、
    ことを特徴とするアンテナ。
  2. 前記第1の基板と前記第2の基板との間に液晶を更に備え、前記第1の基板及び前記第2の基板は、パッチ基板及びアイリス基板を含む、請求項1に記載のアンテナ。
  3. 前記パッチ基板及びアイリス基板は、ガラス基板である、請求項2に記載のアンテナ。
  4. 前記回路は、トランジスタを含み、該トランジスタは、前記第1の基板上のゲート金属層の第1の部分から形成された前記トランジスタのゲートを有し、前記蓄積キャパシタは、前記ゲート金属層の第2の部分から形成された底部プレートを有する、請求項1に記載のアンテナ。
  5. 前記トランジスタは、TFTを含む、請求項4に記載のアンテナ。
  6. 前記蓄積キャパシタ構造は、
    第1の金属層と、
    前記第1の金属層の上部にある第1の誘電体層と、
    前記第1の誘電体層の上部にある第2の金属層と、
    前記第2の金属層の上部にある第2の誘電体層と、
    前記第2の誘電体層の上部にある第3の金属層と、
    を備え、前記第3の金属層は、前記第1の金属層に電気的に結合されている、請求項4に記載のアンテナ。
  7. 前記第3の金属層は、ビアを使用して前記第1の金属層に電気的に結合される、請求項6に記載のアンテナ。
  8. 前記第1の金属層は、前記第1の基板上に形成されたトランジスタのゲートの一部分を形成するように製造された金属層の一部分から形成され、
    前記第2の金属層は、前記第1の基板上に形成されたトランジスタのソース及びドレイン電極を形成するように製造された金属層の一部分から形成される、請求項7に記載のアンテナ。
  9. 前記アンテナ素子のアレイは、RF放射アンテナ素子の同調可能スロット付きアレイを含む、請求項1に記載のアンテナ。
  10. 前記アンテナ素子のアレイは、2又は3以上のアンテナサブアレイを含む、請求項1に記載のアンテナ。
  11. 前記少なくとも2つのアンテナサブアレイの同調可能スロットの各々における大部分の素子は、互いに対して交互配置される、請求項10に記載のアンテナ。
  12. 各スロット付きアレイは、複数のスロットを含み、更に各スロットは、所与の周波数で所望の散乱を提供するように同調される、請求項10に記載のアンテナ。
  13. 各スロット付きアレイは、
    複数のスロットと、
    複数のパッチであって、前記パッチの各々は、前記複数のスロット内のスロット上に並置され、該スロットから切り離されて前記パッチ/スロットペアが形成され、各パッチ/スロットペアは、前記ペア内の前記パッチへの電圧印可に基づいてオフ又はオンにされる、複数のパッチと、
    ビームを生成させるようにパッチ/スロットペアを制御する制御パターンを適用するコントローラと、
    を含む、請求項8に記載のアンテナ。
  14. ホログラフィックビーム誘導で使用される周波数帯域用のビームを形成するように共に制御され動作可能である無線周波数(RF)放射アンテナ素子のアレイを形成する第1及び第2の基板を有する物理的アンテナアパーチャを備えるアンテナであって、
    前記アンテナ素子の各々は、前記各アンテナ素子に電圧を供給するための回路と、前記第1の基板上に形成された蓄積キャパシタとに結合され、
    前記蓄積キャパシタは、
    第1の金属層と、
    前記第1の金属層の上部にある第1の誘電体層と、
    前記第1の誘電体層の上部にある第2の金属層と、
    前記第2の金属層の上部にある第2の誘電体層と、
    前記第2の誘電体層の上部にある第3の金属層と、
    を含み、前記第3の金属層は、前記第1の金属層に電気的に結合されている、
    ことを特徴とするアンテナ。
  15. 前記第3の金属層は、ビアを使用して前記第1の金属層に電気的に結合される、請求項14に記載のアンテナ。
  16. 前記第2の基板は、第1の電圧を有する第4の金属層を含み、更に前記第1の金属層及び前記第3の金属層は、前記第1の電圧にある、請求項14に記載のアンテナ。
  17. 前記第1の金属層は、前記第1の基板上に形成されたトランジスタのゲートの一部分を形成するように製造された金属層の一部分から形成され、
    前記第2の金属層は、前記第1の基板上に形成されたトランジスタのソース及びドレイン電極を形成するように製造された金属層の一部分から形成される、請求項14に記載のアンテナ。
  18. 前記トランジスタは、薄膜トランジスタ(TFT)を含む、請求項17に記載のアンテナ。
  19. 前記第2の基板は、第4の金属層を含み、前記第1、第3、及び第4の金属層は、第1の電圧にある、請求項14に記載のアンテナ。
  20. 上部に第1の金属層が形成されたアイリス基板と、
    パッチ基板と、
    前記パッチ基板及びアイリス基板を用いて形成された無線周波数(RF)放射アンテナ素子のアレイと、
    を備えるアンテナであって、前記RF放射アンテナ素子のアレイは、ホログラフィックビーム誘導で使用される周波数帯域用のビームを形成するように共に制御可能で動作可能であり、前記アンテナ素子の各々は、前記各アンテナ素子に電圧を供給するための回路と、前記パッチ基板上の蓄積キャパシタとに結合され、
    前記蓄積キャパシタは、
    第1の金属層と、
    前記第1の金属層の上部にある第1の誘電体層と、
    前記第1の誘電体層の上部にある第2の金属層と、
    前記第2の金属層の上部にある第2の誘電体層と、
    前記第2の誘電体層の上部にある第3の金属層と、
    を含み、前記第3の金属層は、前記第1の金属層に電気的に結合されている、
    ことを特徴とするアンテナ。
  21. 前記第3の金属層は、ビアを使用して前記第1の金属層に電気的に結合される、請求項20に記載のアンテナ。
  22. 前記第2の基板は、第1の電圧を有する第4の金属層を含み、更に前記第1の金属層及び前記第3の金属層は、前記第1の電圧にある、請求項20に記載のアンテナ。
  23. 前記第1の金属層は、前記第1の基板上に形成されたトランジスタのゲートの一部分を形成するように製造された金属層の一部分から形成され、
    前記第2の金属層は、前記第1の基板上に形成されたトランジスタのソース及びドレイン電極を形成するように製造された金属層の一部分から形成される、請求項20に記載のアンテナ。
  24. 前記トランジスタは、薄膜トランジスタ(TFT)を含む、請求項23に記載のアンテナ。
  25. 前記第2の基板は、第4の金属層を含み、前記第1、第3、及び第4の金属層は、第1の電圧にある、請求項20に記載のアンテナ。
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