JP2023511654A - 均一な加熱のためのアイリスヒータ構造 - Google Patents

Abstract

アンテナは、無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子及び２つの基板を有する。ヒータ構造は、ＲＦアンテナ素子を加熱するために２つの基板のうちの少なくとも１つに接続される。１つの実施形態において、アンテナは、パッチ基板及びアイリス基板で形成された無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子のアレイを有する物理的アンテナアパーチャであって、アイリス基板がアイリス金属層を含む複数の層を有する物理的アンテナアパーチャと、ＲＦアンテナ素子を加熱するためアイリス基板の複数の層の１又は２以上に結合されたヒータ構造と、を備える。【選択図】図５

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１９年１２月１７日に出願された米国仮出願第６２／９４９，３６１号明細書及び２０２０年１２月１４日に出願された米国仮出願第１の７／１２１，４５２号明細書からの優先権の利益を主張し、これらは引用により本明細書に組み入られる。

（技術分野）
本開示の技術分野は、無線通信に関し、より詳細には、本開示は、アンテナの内側を加熱するための加熱構造を含むアンテナに関する。

幾つかのアンテナ技術は、アンテナを動作温度にするためにアンテナの加熱を必要とする。例えば、液晶を利用する幾つかのアンテナは、所望の通りに液晶を動作させるために特定の温度まで液晶を加熱させる必要がある。

液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）に関する従来技術では、抵抗加熱素子は、例えば周囲温度が－３０Ｃから－４０Ｃに達する可能性がある自動車ディスプレイ用途において、ＬＣを適正に動作するため特定の温度を上回って維持するのに用いられる。これらの加熱素子は、主ＬＣＤ基板とは別のガラス基板上のインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明導体から作られる。この基板は、後で、熱伝導率を提供するために主ＬＣＤ基板に接合される。加熱素子が光周波数に透過的であるので、これは、加熱素子が信号経路にあるとしても、ＬＣＤにヒータを実装するための簡単で実用的な方法である。

しかしながら、この手法は、ＬＣベースのアンテナを考慮する際に実現可能ではない。ＩＴＯ及び類似の材料がＲＦ周波数で透明ではないので、ＲＦ信号の経路にこれらのタイプのヒータ素子(heater elements)を配置することで、ＲＦ信号が減衰し、アンテナ性能が劣化することになる。

ため、ＬＣベースのアンテナの従来技術の実施形態は、優良な熱特性を有する金属フィード構造又は他のバルク機械構造に取り付けられた抵抗加熱素子を用いて、ＬＣ層が存在するアンテナの内部部分を加熱する。しかしながら、抵抗加熱素子は、熱絶縁体の層を含む、アンテナ積層体における複数の層によってＬＣ層から物理的に分離されるので、液晶を加熱するために、ＬＣＤ実施構成と比較して遙かに大きな熱パワーを加えなくてはならない。

ＬＣベースのアンテナヒータの他の実施構成は、アンテナアパーチャの縁部からＬＣ層を加熱しようと試みる。これらの実施形態は、ＬＣ層を動作温度にするために４００～５００Ｗのパワーを必要とし、更にパワーで３０～４０分を要する。これは加熱パワーリソースの非効率的な使用である。

米国出願特許公開第２０１６／０２６１０４２号明細書 米国出願特許公開第２０１６／０２６１０４３号明細書 米国特許出願第１４／５５０，１７８号明細書 米国特許出願第１４／６１０，５０２号明細書 米国特許第９，８８７，４５５号明細書 米国特許第９，９０５，９２１号明細書

アンテナは、無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子と、ＲＦアンテナ素子を加熱するための２つの基板の少なくとも１つに接続されたヒータ構造を備えた２つの基板（例えば、アイリス基板及びパッチ基板）とを有する。１つの実施形態において、アンテナは、パッチ基板及びアイリス基板で形成された無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子のアレイを有する物理的アンテナアパーチャ(physical antenna aperture)であって、アイリス基板がアイリス金属層を含む複数の層を有する物理的アンテナアパーチャと、ＲＦアンテナ素子を加熱するためアイリス基板の複数の層の１又は２以上に結合されたヒータ構造と、を備える。本開示の他の態様及び利点は、記載された実施形態の原理を例証として例示した添付図面を参照しながら、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

記載される実施形態及びその利点は、添付図面と共に用いられる以下の説明を参照することにより最も良く理解することができる。これらの図面は、記載された実施形態の精神及び範囲から逸脱することなく、記載された実施形態に対して当業者が行い得る形態及び詳細の何らかの変更を制限するものではない。

加熱ワイヤが、等しいライン長を有し且つＲＦ素子間のゲートルーティング及びヒータルーティングに従っている、アンテナアパーチャのＲＦアンテナ素子を加熱するのに用いられる加熱素子の例を示す図である。 不均等な長さの加熱ワイヤを有し更にこれらの断面が互いに均等ではないアンテナアパーチャ上の加熱ワイヤの１つの実施形態を示す図である。 アイリス及びパッチ層を有するアンテナアパーチャの例示的な断面又は側面を示す図である。 均等な長さのヒータワイヤのためアンテナアパーチャに一体化されたヒータパワーバス配置の実施例を示す図である。 不均等な長さのヒータワイヤのアンテナアパーチャに一体化されたヒータパワーバス配置の実施例を示す図である。 ヒータバスをヒータ電源に接続するのに用いるヒータバス接続方式を示す図である。 アパーチャの内側のヒータワイヤに接続し、シール下で延びて更にアイリスオーバハング上のボンドパッド構造に出て来るヒータバスの一般的断面を示す図である。 ボーダーシールの内側のアイリス層からパッチ層に電気的にクロスオーバするヒータパワーバスの１つの実施形態を示す図である。 ボーダーシール構造内のアイリス層からパッチ層へのヒータバス電気的クロスオーバの１つの実施形態を示す図である。 様々な温度での典型的なＴＦＴ電圧対電流曲線を示す図である。 様々な温度での典型的なＴＦＴ電圧対電流曲線を示す図である。 様々な温度での典型的なＴＦＴ電圧対電流曲線を示す図である。 ＴＦＴ（又は他のタイプのトランジスタ）を用いてＬＣの温度の推定値を決定するプロセスの１つの実施形態を示す流れ図である。 温度測定回路の実施例を示す図である。 図８Ａとは異なる方式で構成されたＴＦＴ（又は他のタイプのトランジスタ）を用いてＬＣの温度の推定値を決定するプロセスの１つの実施形態を示す流れ図である。 図８Ｃの手順を用いたＴＦＴの温度モニタリング回路の別の例を示す図である。 ＲＦアンテナ素子におけるＬＣの温度を決定するためにＬＣのキャパシタンスを決定する回路を示す図である。 円筒状給電アンテナの入力給電の周りの同心リング状に配置されたアンテナ素子の１又は２以上のアレイを有するアパーチャを示す図である。 グランドプレーン及び再構成可能共振器層を含むアンテナ素子の１つの行を示す斜視図である。 可変波長共振器／スロット１２１０の１つの実施形態を示す図である。 物理的アンテナアパーチャの１つの実施形態を示す断面図である。 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を示す図である。 スロットを包含する第２のアイリス基板層の一部を示す図である。 第２のアイリス基板層の一部を覆うパッチを示す図である。 スロット付きアレイの一部を示す上面図である。 円筒状給電アンテナ構造の１つの実施形態を示す側面図である。 外向き波を有するアンテナシステムの別の実施形態を示す図である。 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図である。 ＴＦＴパッケージの１つの実施形態を示す図である。 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つの実施形態を示すブロック図である。 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を示すブロック図である。 ヒータパターンが取り付けられたスーパーストレートの実施例を示す図である。 ヒータパターンが取り付けられたスーパーストレートの実施例を示す図である。 メタマテリアルアンテナ用のヒータの１つの実施形態におけるアイリス金属層及びヒータバス金属を示す図である。 ＲＦアンテナ素子の近くのヒータトレースの断面図である。 単一バス平面（アイリス金属）を備えた均一アイリスヒータを示す図である。 アイリス金属の真下のヒータトレースを示す図（左）である。 アイリス金属の上方のヒータトレースを示す図（右）である。 スペーサ／ヒータ構造の断面図である。 ヒータバンドル及びヒータバスセグメントを示す図である。 セグメント化ヒータバス設計の抵抗モデルを示す図である。

以下の説明では、本アンテナの実施形態の完全な説明を提供するために多数の詳細が記載される。しかしながら、様々な実施形態は、これらの特定の詳細の変形形態と共に実施できること、又は恐らくはこれらの特定の詳細が無くても実施できることは当業者には明らかであろう。他の事例では、公知の構造及びデバイスが、本発明を曖昧にしないために、詳細にではなくブロック図の形式で示されている。

本アンテナの実施形態は、ＬＣベースの無線周波数（ＲＦ）アンテナアパーチャの内側にヒータ（例えば、加熱素子）を配置するための技術を含む。１つの実施形態において、ヒータ及び／又はヒータ構造が、ＲＦ素子の近くのアンテナアパーチャの内部でＲＦアンテナ素子の一部である液晶（ＬＣ）に近接して配置される。これは、アパーチャの直接加熱を可能にし、ヒータパワー要件を軽減し、更にアパーチャ内部の温度を上げる間接的加熱方法、例えば、フィード構造の背面にある抵抗加熱素子を用いる技術よりも温度上昇時間を短縮する。

１つの実施形態において、ＬＣベースの無線周波数（ＲＦ）アンテナアパーチャは、ＲＦアンテナ素子（例えば、表面散乱メタマテリアルアンテナ素子）のパッチ及びアイリスを包含する基板（例えば、ガラス層）のペアを含み、ヒータ構造は、１又は両方の基板の金属層に一体化される。１つの実施形態において、これは、ヒータの実施構成がアパーチャのＲＦ特性に干渉しないように行われる。１つの実施形態において、ヒータ素子（例えば、ヒータトレース(heater traces)）は、アパーチャ内のより直接的な加熱を提供すると同時にＲＦ干渉を低減及び任意選択的には排除する位置でアンテナアパーチャ内に位置付けられる。１つの実施形態において、これは、ＲＦ素子とほぼ同じ平面上のＲＦ素子間に加熱素子を置くことによって達成される。１つの実施形態において、ヒータ素子の位置は、パッチ／アイリススロット付きアレイアンテナの一部であるアイリス層のアイリス素子と同じ平面内にある。アイリス金属とほぼ同じ平面上でアパーチャ内部のヒータワイヤリングを移動させることによって、ＲＦ信号との加熱ワイヤの相互作用は低減され、任意選択的には最小化される。

本明細書で開示する技術はまた、アンテナアパーチャ内の温度を検出する方法を含む。１つの実施形態において、温度は、トランジスタバックプレーン上のトランジスタから直接検出される。１つの実施形態において、トランジスタバックプレーンは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）バックプレーンである。１つの実施形態において、トランジスタバックプレーン上のトランジスタがＬＣ又は他の材料に接触する場合、トランジスタの温度の検出は、ＬＣ／材料の温度の指示を提供する。

本明細書で記載される技術は、ヒータシステムのコストを低減し、パワーをあまり必要とせず、アパーチャ温度の上昇時間を減少させ、アンテナを制御するのに用いられるコントローラボードのフットプリントを縮小する。より具体的には、１つの実施形態において、本明細書に記載される技術は、７５－１００ワットのパワーを必要とし、２０分でＬＣ層温度を動作温度にまで上昇させることになる。

更に、温度は、一般的には、パッチ及びアイリスガラス層及びＬＣ層を含むガラス組立体から実質的には物理的に取り除かれるブレークアウトプリント回路基板（ＰＣＢ）上で感知される。オンガラス温度感知は、熱管理フィードバックループのより厳密な制御を提供する。

ヒータ実施形態の概要
１つの実施形態において、ヒータ構造は、複数の部品、すなわち、加熱素子、加熱素子に供給するためのヒータパワーバス、及びアパーチャの外側及び／又は内側に位置付けられるヒータ電源にヒータパワーバスを接続するための接続方式からなる。１つの実施形態において、ヒータ素子はワイヤである。１つの実施形態において、ヒータパワーバスは極低抵抗である。

ヒータワイヤリング、ヒータバス、及びヒータ接続の実施構成は、実施構成に応じて、アパーチャ作成中に、導体層、パッシベーション層、バイア開口部などの追加の堆積部を必要とする可能性がある。これらの追加の層は、ヒータ構造を構築し、ヒータ構造を他の構造から電気的又は化学的に分離し、必要な場合に既存のアパーチャ構造へのインタフェース接続をヒータに提供するよう機能することができる。

加熱ワイヤ(Heating Wires)
アパーチャの加熱は均一に起こることが望ましい。この目的を達成することができる加熱ワイヤの２つの構成について、本明細書で記載する。

１つの実施形態において、加熱ワイヤは等しい長さであり、これらの加熱ワイヤの断面は、加熱ワイヤの長さにわたって及び加熱ワイヤ毎に寸法が同じ（又は類似）である。総じて、これは、アパーチャにわたって１つの単位面積当たりに同じパワー損失を提供する。１つの実施形態において、加熱ワイヤは、アパーチャ品質エリアにわたって均一に分配され、加熱ワイヤはアイリスの間に置かれ、パッチ又はアイリスに交差又は接触しない。１つの実施形態において、加熱ワイヤは、アパーチャエリア両端の互いから同じ距離（同じピッチ）離れて近くにある。

図１Ａは、アンテナアパーチャのＲＦアンテナ素子を加熱するのに用いられる加熱素子の例を示し、ここで加熱ワイヤは等しいライン長を有し、ＲＦ素子間のゲートルーティング及びヒータルーティングに従う。１つの実施形態において、ゲートルーティングは、以下に詳細に記載する液晶ベースのＲＦアンテナ素子をターンオン及びオフするゲートを制御するためのルーティングである。

図１Ａに関して、アンテナアパーチャセグメント１００は、ＲＦアンテナ素子のアンテナアレイの４分の１を示す。１つの実施形態において、４つのアンテナアパーチャセグメントが互いに結合されて、アレイ全体を形成する。全アンテナアレイを構成するために、セグメントの他の数を用いることが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、セグメントがＲＦアンテナ素子の円形アレイを形成するために３つのセグメントが互いに結合されるように形成される。アンテナセグメント及びアンテナセグメントが互いに結合される方式の詳細な情報に関しては、２０１６年３月３日に出願された「円筒状給電アンテナのアンテナ素子配置(ANTENNA ELEMENT PLACEMENT FOR A CYLINDRICAL FEED ANTENNA)」という名称の米国出願特許公開第２０１６／０２６１０４２号及び２０１６年３月３日に出願された「円筒状給電アンテナのアパーチャセグメンテーション(APERTURE SEGMENTATION OF A CYLINDRICAL FEED ANTENNA)」という名称の米国出願特許公開第２０１６／０２６１０４３号を参照されたい。本明細書に記載する技術は、アンテナアパーチャセグメントと共に動作することに制限されず、ＲＦアンテナ素子の全アレイを包含する単一アパーチャで用いることができる点に留意されたい。

加熱ワイヤ（素子）１０１がアンテナアパーチャセグメント１００に示されている。１つの実施形態において、加熱ワイヤ１０１は長さが等しい。１つの実施形態において、加熱ワイヤ１０１はアンテナアレイのＲＦアンテナ素子（図示せず）の間に位置付けられる。１つの実施形態において、加熱ワイヤ１０１はアレイの個々のＲＦアンテナ素子をターンオン及びオフするゲートを制御するのに用いられるゲートラインに従う。１つの実施形態において、加熱ワイヤ１０１はＲＦ素子間で等距離である。

１つの実施形態において、加熱ワイヤ１０１は互いに対して等距離にある。換言すると、加熱ワイヤのペア間の分離が等しい。これは要件ではないが、アンテナアパーチャの更に均一な加熱を提供することの一助とすることができる。１つの実施形態において、アンテナアレイのアンテナ素子がリング状に位置付けられた時に、加熱ワイヤ１０１の個々の加熱ワイヤは、ＲＦアンテナ素子の２つの連続するリングの間で等距離である。代替の実施形態では、加熱ワイヤのペア間の分離は等しくない。

図１Ａに示したヒータワイヤリングは、ワイヤリングの相対的位置及びルーティングを示すが、ワイヤのワイヤリングサイズ又は数を表していない点に留意すべきである。例えば、１つの実施形態において、他の全てのワイヤを取り除き、残りのワイヤが必要な加熱を提供して、エリア全体に均一に加熱される。加熱ワイヤのサイズに関して、これらのサイズは、加熱ワイヤ自体の材料特性及び提供するワイヤを加熱する量に基づく。

１つの実施形態において、加熱ワイヤ１０１の加熱ワイヤ断面（高さ及び幅）は、以下の方法で選択される。第１に、アパーチャエリアを加熱するために必要なパワーが、加熱ワイヤの数及び長さによる所与の所望のヒータ電源電圧に対して、加熱ワイヤの抵抗に変換される。次に、この抵抗値が加熱ワイヤ材料の特性と共に用いられ、要求される加熱ワイヤ断面を決定する。加熱ワイヤ断面を選択するために、限定ではないが製造利益を含む他の検討事項も用いることができる点に留意されたい。

別の実施形態では、加熱ワイヤは長さが不均等であり且つこれらの断面が等しくない。１つの実施形態において、ここで不均等な長さを有する加熱ワイヤが、ＲＦ素子間の同心アークにある。１つの実施形態において、ヒータワイヤ幅が等しく且つワイヤ高がアパーチャエリアにわたる単位面積当たりの均一パワーを提供するために、セグメントの中心から半径状に調節される。

図１Ｂは、不均等な長さの加熱ワイヤを有するアンテナアパーチャ上の加熱ワイヤの実施形態を示し、これらの断面は互いに不均等である。図１Ｂを参照すると、加熱ワイヤ１１１がアンテナアパーチャセグメント１１０上に示されており、これは図１Ａに示したのと同じアパーチャセグメントのタイプである。１つの実施形態において、幾つかのアンテナアパーチャが完全なアンテナアレイを形成するために互いに結合される。図１Ａのように、１つの実施形態において、加熱ワイヤがＲＦ素子間にルーティングされる。１つの実施形態において、ルーティングは、アンテナ素子を制御するゲートのゲートルーティングに従う。

１つの実施形態において、目的は、単位面積当たりほぼ均一なパワー消失を提供し続けることである。しかしながら、この場合、加熱ワイヤ断面の高さは、加熱ワイヤが不均等な長さであっても１つのエリア当たりに同じパワー消失を提供するよう電流及び抵抗を制御するためにアパーチャエリアにわたって変化する。

図１Ｂに示したヒータワイヤリングは、ワイヤリングの相対的位置及びルーティングを示すが、ワイヤのワイヤリングサイズ又は数を示していない点に留意されたい。加熱ワイヤのサイズに関して、これらのサイズは、加熱ワイヤ自体の材料特性及び提供するワイヤを加熱する量に基づく。

１つの実施形態において、加熱ワイヤは、アイリス特徴の間に位置し、パッチ／スロットペアを有するアンテナ素子の可変波長スロット付きアレイにおけるパッチ又はアイリス特徴に交差又は接触しない。図２に示す例証の実施例では、加熱ワイヤは、アイリス／パッチ素子のリング間の中ほどでリング状に位置し、加熱ワイヤの追加の内側及び外側リングを有する。１つの実施形態において、加熱ワイヤのリングは、アパーチャエリアにわたって同じ半径ピッチにて同心リング上にある。１つの実施形態において、ヒータワイヤリング半径ピッチは、ＲＦ素子と同じ半径ピッチである。代替の実施形態では、ヒータワイヤリング半径ピッチは、ＲＦ素子の半径ピッチと同じではない。

１つの実施形態において、ヒータワイヤはＲＦ素子間の等距離に近く位置する。

図２は、アイリス層及びパッチ層を有するアンテナアパーチャの例示的な断面又は側面を示す。図２を参照すると、パッチガラス層２０１及びアイリスガラス層２０２は、互いに対して分離されており、パッチスロット及びアイリススロットをそれぞれ含み、可変波長スロット付きアレイを形成する。このようなアレイは、公知であり、更に以下で詳細に説明する。１つの実施形態において、パッチガラス層２０１及びアイリスガラス層２０２はガラス基板である。パッチ層及びアイリス層は、以下では、それぞれパッチガラス層及びアイリスガラス層として呼ぶことがある点に留意されたい。しかしながら、本明細書において、「パッチガラス層」及び「アイリスガラス層」を含む実施形態は、基板がガラス以外である時に、「パッチ基板層(patch substrate layer)」及び「アイリス基板層(iris substrate layer)」（又はパッチ基板及びアイリス基板）によってそれぞれに実施することができる点を理解されたい。

パッチ金属層の一部としてのパッチ金属２１１は、パッチガラス層２０１上に製作される。パッシベーションパッチ層２３１は、パッチ金属２１１及びパッチ金属層を覆って作製される。液晶（ＬＣ）アライメント層２１３は、パッシベーションパッチ層２３１の上面に製作される。アイリス金属層のアイリス金属２１２のセクションは、アイリスガラス層２０２上に製作される。本明細書でアイリスパッシベーション層１又はパッシベーションアイリス層としても呼ばれる場合がある、パッシベーション層２３２は、アイリス金属２１２を覆って製作される。加熱ワイヤにすることもできるヒータワイヤ２４０は、パッシベーション層２３２の上面に製作される。１つの実施形態において、ヒータワイヤ２４０は、アイリス素子のペアの間で等距離に近い。他の加熱ワイヤもまた、この方式でアイリス素子間に位置付けられる。本明細書ではアイリスパッシベーション層２又は別のパッシベーションアイリス層と呼ぶこともできる別のパッシベーション層２３３が、パッシベーション層２３２及びヒータワイヤ２４０を覆って製作される。ＬＣアライメント層２１３は、パッシベーション層２３３の上面に製作される。

ＬＣアライメント層２１３は、ＬＣ２６０が当該技術において公知の方式で単一方向に向けられるようにＬＣ２６０を整列させるのに用いられる点に留意されたい。

ヒータパワーバス
パワーバスは、加熱ワイヤに電力を供給するために提供される。これらの例は、以下の図に例示される。１つの実施形態において、パワーバスは、ヒータワイヤと比較した時に、数桁低い抵抗があり、これによってバスの１つの端部から他方の端部で小さな電圧降下があり、これによって加熱ワイヤの全ては、加熱ワイヤの各バス端部で同じ電圧を有することができる。これは、加熱ワイヤのネットワークへの電力分配の管理を容易にする。

１つの実施形態において、加熱ワイヤが加熱ワイヤの各端部の適正な供給電圧に接続できるように、ヒータバスはアパーチャの内部に配置される。

１つの実施形態において、ヒータバスは、ヒータワイヤネットワークに電力を提供する目的のためだけに、アパーチャに配置される別個の構造である。

別の実施形態では、アパーチャ内の既存の構造を用いて、ヒータバスとしても機能させることができる。１つの実施形態において、ヒータバス（又は複数のヒータバス）が、アパーチャのシール構造に組み込まれる。別の場合、アイリス金属（例えば、銅）平面を加熱ワイヤのシンク又はソース電流のためのヒータバスとして用いることができる。

図３Ａは、等しい長さのヒータワイヤのアンテナアパーチャに一体化されたヒータパワーバス配置の例を示す。図３Ａを参照すると、全アンテナアレイを形成するために互いに結合されるアンテナセグメントの１つを表すアンテナアパーチャセグメント３００は、本明細書ではヒータパワーバスラインと呼ぶこともできるヒータバスライン３０１及び３０２を含む。ヒータバスライン３０１及び３０２は、加熱ワイヤ３０３に電気的に接続され、加熱ワイヤ３０３に電力を提供する。

図３Ｂは、不均等な長さのヒータワイヤのアンテナアパーチャに一体化されたヒータパワーバス配置の例を示す。図３Ｂを参照すると、本明細書ではヒータパワーバスと呼ぶこともできるヒータバス３０４及び３０８は、アンテナアパーチャセグメント３１０上の加熱ワイヤ３０５に電気的に接続される。

ヒータバスの電源への接続
１つの実施形態において、アパーチャの内部のヒータバスは、アパーチャ構造の外側に出て、ヒータ電源に接続する。１つの実施形態において、これは、ヒータバスをアンテナアパーチャの外側部分のボーダーシール構造を介してアパーチャボーダーシールの外側のアパーチャの層の１つのメタライゼーション層に接続することによって達成することができる。例えば、１つのようなメタライゼーション層は、アイリスガラス層上又はパッチガラス層上にある。このメタライゼーションは、シール内部のヒータバスに接続して更にシールの内側から延び、シールを通り、更に互いを超えて延びるパッチ又はアイリスガラス層の一部に出て来る。これらは、オーバハング領域と呼ぶことができる。このような場合、これらのオーバハング領域の真下のパッチ又はアイリスガラス層の部分を、アンダーハング領域と呼ぶことができる。

図４Ａ及び４Ｂは、ボーダーシールを通ってアイリスガラス層オーバハングに出て来るヒータバスの例を示す。１つの実施形態において、ＲＦアパーチャは、この場合、アイリスガラス層及びパッチガラス層の両方がオーバハング領域（基板がメタライゼーション面の反対のガラス層によって対面しないメタライゼーション領域を有する）を有するようにカットされる。アイリス及びパッチ層は本明細書ではガラス層として記載される場合があるが、これらはガラスに限定されず、他のタイプの基板を構成することができる。

図４Ａは、ヒータバスをヒータ電源に接続するのに用いるヒータバス接続方式を示す。図４Ａを参照すると、１つの実施形態において、ヒータ電源（図示せず）は、加熱ワイヤを含むアンテナ素子アレイ４３０などのアンテナ素子アレイの外側に位置付けられる。アンテナアパーチャセグメント４００は、本明細書で論じるようにパッチ層及びアイリス層を含む。アイリスオーバハング４０１及び４０２とも呼ばれるアイリス層の一部はパッチ層の一部の上に延びる。同様に、本明細書ではパッチオーバハング４０３と呼ばれるパッチガラス層の一部は、アイリスガラス層の一部を超えて延びる。アイリスガラス層及びパッチガラス層は、アパーチャボーダーシール４６０によって互いにシールされる。ヒータパワーバス４１０は、シール交差部４２１でボーダーシール４６０と交差する。ヒータバス４１１は、シール交差部４２０でボーダーシール４６０と交差して、電源に接続する。両方の場合、ヒータバス４１０及びヒータバス４１１は、既存のアンテナアパーチャセグメント４００によって電源を介して接続することができる。アンテナアパーチャセグメント４００は、アンテナ素子アレイ４３０の加熱ワイヤ４８１に電気的に接続された、本明細書ではヒータパワーバスと呼ぶこともできるヒータバス４１０及び４１１を含む。

図４Ｂは、アパーチャの内部のヒータワイヤに接続し、シール下で延びてアイリスオーバハング上のボンドパッド構造に出て来るヒータバスの一般的断面である。図４Ｂを参照すると、ヒータバス金属４４３が、パッシベーション層４４６の上面のアイリスガラス層４３１上で、ボーダーシール、ボーダーシール接着部４５０の下に入る。従って、ヒータバス金属４４３はボーダーシール接着部４５０の真下にある。ボーダーシール接着部４５０は、その上に製作された層を含むアイリスガラス層４３１にパッチガラス層４３０を結合する。

加熱ワイヤ４４４は、パッシベーション層４４６及びヒータバス金属４４３の一部の上面に堆積され、これによってヒータバス金属４４３とヒータワイヤ４４４を電気的に接続する。ヒータワイヤ４４４は、アイリス金属４４５の上面に製作されたパッシベーション層４４１の一部上に製作され、更にヒータバス金属４４３の一部の上に製作される。代替の実施形態では、ヒータバス金属４４３と加熱ワイヤ４４４の間のパッシベーション層があり、バイアによって、パッシベーション層を介して、ヒータバス金属４４３と加熱ワイヤ４４４を接続する。

パッシベーション層４４１は、加熱ワイヤ４４４及びヒータバス金属４４３の少なくとも一部の上面に製作される。アライメント層４３２は、パッシベーション層４４１の上面に製作される。パッシベーション層４４１はまた、パッチガラス層４３０の底面上にも製作される。同様に、アライメント層４３２は、パッチガラス層４３０上のパッシベーション層４４１の一部を覆って製作される。ヒータワイヤ４４４は、間にパッシベーション層及びバイアなしでヒータバス金属４４３の上面に直接堆積されて示されているが、代替の実施形態では、パッシベーションの別の層が、ヒータワイヤ４４４とヒータバス金属４４３の間に堆積され、この両者の間の電気的接続がバイアを用いて作られる。パッシベーションのこの層は、ヒータワイヤ金属がエッチング加工される場合にヒータバス金属を保護する。

ボンドパッド／コネクタ構造４４２は、電源をヒータバス金属４４３に電気的に接続するための部位である。

ヒータバスのパワーは、アパーチャのパッチガラス層側からボーダーシールのアパーチャ内側のアイリスガラス層側に、ボーダーシール自体の内部で又はボーダーシールの外側に交差することができる。ヒータバスをパッチ層オーバハングに出すことは、コントローラ電子機器からアパーチャへのインタフェースラインの残りに用いられるコネクタ内のヒータ接続を形成できるという利点を有する。以下の例証は、ボーダーシールの内側及び中でこれを行う方法を示す。

図５は、アイリス層からボーダーシール内側のパッチ層に電気的にクロスオーバするヒータパワーバスの１つの実施形態を示す。図５を参照すると、パッチガラス層５０１がアイリスガラス層５０２を覆うように示されている。パッチガラス層５０１及びアイリスガラス層５０２上に作られた幾つかの層があり、ボーダーシール接着部５２１がこれらの２つの基板を互いに結合する。１つの実施形態において、パッチガラス層５０１及びアイリスガラス層５０２はガラス層を含むが、これらは他のタイプの基板であってもよい。

アイリス金属５４１がアイリスガラス層５０２の上面に製作される。パッシベーション層５３１は、アイリス金属５４１とアイリス金属５４１が存在していないアイリスガラス層５０２との上面に製作される。パッシベーション層５３１を覆うようにヒータバス金属５１２を含む。アイリス金属５４１を覆うパッシベーション層５３１を覆うようにパッシベーション層５５０がある。加熱ワイヤ５１０はパッシベーション層５５０の上面に且つヒータバス金属５１２の一部の上面に製作される。代替の実施形態では、ヒータバス金属５１２と加熱ワイヤ５１０を接続するパッシベーション層を介したバイアによるヒータバス金属５１２と加熱ワイヤ５１０の間のパッシベーション層がある。パッシベーション層５３０は、パッシベーション層５３０の上面上のアライメント層５４０によって、加熱ワイヤ５１０又は加熱ワイヤ５１０の少なくとも一部を覆って製作される。パッチガラス層５０１上に、パッシベーション層５３２が製作される。パッシベーション層５３２の上面にヒータバスを供給するヒータバス供給メタライゼーション５１１がある。パッシベーション層５３０はヒータバス供給メタライゼーション５１１の一部をカバーし、同時にアライメント層５４０がパッシベーション層５３０の一部をカバーして且つＬＣ５６０をアライニングするのに用いられる。ボンド／コネクタ構造５１３が、ヒータパワーバスと外部電源（図示せず）の間の電気的接続を可能にするために位置付けられる。

導電クロスオーバ５２０は、ヒータバス供給メタライゼーション５１１をヒータバス金属５１２に電気的に接続して、これによってコネクタ構造５１３に接続された電源がヒータバス供給メタライゼーション５１１を介し導電クロスオーバ５２０を介してヒータバス金属５１２に電力を供給し、ヒータバス金属５１２が電力を加熱ワイヤ５１０に提供することができる。

図６は、ボーダーシール構造内のアイリス層からパッチ層へのヒータバス電気クロスオーバの１つの実施形態を示す。図６を参照すると、導電クロスオーバ６２０は、ボーダーシール６２１と接続し、パッチガラス層６０１上に製作されたヒータバス供給メタライゼーション６１１と、アイリスガラス層６０２上にあるヒータバス金属６１２との間の電気的接続を提供する。ヒータワイヤ６１５は、アイリス金属６４１の上面に製作されたパッシベーション層６５０の一部の上に製作され、ヒータバス金属６１２の一部の上に製作される。代替の実施形態では、ヒータバス金属６１２とヒータワイヤ６１５を接続するパッシベーション層を介したバイアによるヒータバス金属６１２とヒータワイヤ６１５の間のパッシベーション層がある。

パッチオーバハングは、ボーダーシールの外側の対面アイリスガラスを有していない。ハング下のアイリスは、ボーダーシールの外側の対面パッチガラスを有していない。オーバハング又はアンダーハング上のメタライゼーションは、従って、ヒータ電源／コントローラとの接続を形成するためにアクセス可能である。例えば、この接続はフレックスケーブルまでのＡＣＦ（異方性導電膜、接着部のタイプ）によって行うことができる。このフレックスケーブルは、ヒータ電源／コントローラに接続することができる。このヒータ電源／コントローラは、アパーチャコントローラボード上とすることができ、又は独立電源／コントローラユニットとすることができる。

図では、特にボーダーシール領域の周りのパッチガラスが、このヒータワイヤリングに加えて幾つかの他の構造を有する点に留意されたい。図示されたヒータ接続構造はヒータに供給する方法だけに焦点を当て、他のパッチ構造、例えばパッチオーバハングからアイリス金属に接続する電圧バスとの一体化を示すようにはしていない。ヒータバス供給メタライゼーションの上方のパッシベーションの層５１１（図５）及び６１１（図６）は、パッチ回路の残りからこのヒータバス供給メタライゼーション５１１を分離する。

ヒータワイヤリング、ヒータバス及び接続部の配置
ヒータワイヤリング及びヒータバスは、アパーチャのパッチガラス側、アパーチャのアイリスガラス側の何れかに配置することができ、又はアパーチャのパッチ及びアイリスガラス（又は非ガラス）層上の両方の部分を有することができる。ヒータの接続は、アパーチャのパッチガラス層又はアイリスガラス層側に出て来ることができる。

ＲＦアパーチャの内側の温度センサ
１つの実施形態において、１又は２以上の温度センサがアパーチャ内に位置付けられる。これらの温度センサは、内部アパーチャ温度をモニタして更に加熱素子（ワイヤ）、ヒータバス及びヒータ接続を含むヒータをアパーチャの温度を調節するために係合させる必要があるかどうかを制御するのに用いられる。これは、ＲＦアンテナ素子が幾つかの温度又は温度の範囲にしておく必要がある場合に必要とされる可能性がある。例えば、ＲＦアンテナ素子の各々がＬＣを含む場合、アンテナ素子はＬＣが一定の温度にある場合に効率的に動作する。従って、アパーチャ内の温度をモニタしてＬＣの温度がその最適温度範囲の下であると決定することによって、ＬＣが所望の温度範囲になるまで内部アパーチャを加熱するために、加熱ワイヤ、バス及び接続を用いることができる。

アパーチャ温度測定のためのアンテナ素子制御トランジスタ（例えば、ＴＦＴ）の使用
本発明の実施形態は、ＬＣ温度を測定するためにパッチ層基板に一体化されたトランジスタ（例、ＴＦＴ）を用いる技術を含む。１つの実施形態において、この技術は温度に対するＴＦＴの変化移動特性を用いて温度を示す。

図７Ａ－７Ｃは、様々な温度での一般的なＴＦＴ電圧対電流曲線である。図７Ａ－７Ｃを参照すると、各チャートは、縦軸がＩｄであり、横軸がＶｇｓである場合のＶｄｓの２つの値のプロットを有する。

温度に対して所与のＶｄｓ及びＶｇｓのＩｄが変化する点に留意されたい。このＴＦＴ特性を用いてＶｇｓ及びＶｄｓを公知の一定値に設定することによって、測定されるＩｄ値をＴＦＴの温度に相関付けることができる。

図８Ａは、ＴＦＴ（又は他のタイプのトランジスタ）を用いてＬＣの温度の推定値を決定するプロセスの１つの実施形態の流れ図である。ＴＦＴはＬＣに接続される。従って、ＴＦＴの温度はＬＣの温度の指示を提供する。プロセスは、温度モニタリングサブシステムを含む温度制御システムによって実行される。

図８Ａを参照すると、プロセスは、電圧Ｖｇｓ測定アナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）が事前に定義されたＶｇｓ値を指示するまで、デジタル－アナログコンバータ（ＤＡＣ）値と呼ばれるデジタル電圧値を調節すること（プロセスブロック８０１）によって開始する。次に、温度制御システムのプロセス論理は、電流感知レジスタ両端の電圧をモニタリングするＩｄ測定ＡＤＣを読み取ることによって電流Ｉｄを測定する（プロセスブロック８０２）。Ｖｇｓ電圧値及びＩｄ電流値に基づいて、プロセス論理はＩｄ値を較正された温度値に相関付ける（プロセスブロック８０３）。相関関係は、値を用いてルックアップテーブル（ＬＵＴ）にアクセスする相関器／プロセスユニット（例えば、プロセッサ）によって実行することができ、ＴＦＴの対応する温度値を決定する。

図８Ｂは温度測定回路の例を示す。図８Ｂを参照すると、電圧値がトランジスタ８６４に直列に結合された電流センサレジスタ８６２を有する回路にＤＡＣ８６１によって提供される。１つの実施形態において、トランジスタ８６４がＲＦアンテナ素子の液晶（ＬＣ）に接触する。１つの実施形態において、トランジスタ８６４は薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含む。１つの実施形態において、ＤＡＣ８６１からの電圧値出力が温度コントローラ８３１から発生する。１つの実施形態において、温度調節ユニット８４３がモニタされるトランジスタのタイプに基づいて異なる電圧値を提供することができる。

電流センサレジスタ８６２両端の電圧値は比較器８６３を用いてモニタされＡＤＣ８１０によってデジタル形式に変換される電流測定を生成する。測定電流及び測定されたＶｇｓ電圧に基づいて、相関器８４１はトランジスタ８６４と測定された電流Ｉｄ及びＶｇｓ電圧の間の相関関係に基づいてトランジスタ８６４の温度８４２を決定する（プロセスブロック８０３）。トランジスタ８６４がＬＣに接触するので、トランジスタ８６４の温度はＬＣの温度を指示するか又は表すために用いられる。

図８Ｃは、図８Ａとは異なる方式で構成されたＴＦＴ（又は他のタイプのトランジスタ）を用いてＬＣの温度の推定値を決定するプロセスの１つの実施形態の流れ図である。図８Ａのように、ＴＦＴがＬＣに接続され更にＴＦＴの温度がＬＣの温度の指示を提供する。プロセスは、温度モニタリングサブシステムを含む温度制御システムによって実行される。

図８Ｃを参照すると、電圧Ｖｄｓ測定アナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）が事前に定義されたＶｄｓ値を指示するまで、プロセスは、デジタル－アナログコンバータ（ＤＡＣ）値と呼ばれるデジタル電圧値を調節することによって開始する（プロセスブロック８０４）。次に、温度制御システムにおけるプロセス論理は、電流感知レジスタ両端の電圧をモニタリングするＩｄ測定ＡＤＣを読み取ることによって電流Ｉｄを測定する（プロセスブロック８０５）。Ｖｄｓ電圧値及びＩｄ電流値に基づいて、プロセス論理はＩｄ値を較正温度値に相関付ける（プロセスブロック８０６）。相関関係は、値を用いてルックアップテーブル（ＬＵＴ）にアクセスする相関器／プロセスユニット（例えば、プロセッサ）によって実行することができ、ＴＦＴの対応する温度値を決定する。

図８Ｄは図８Ｃの手順を用いたＴＦＴの温度モニタリング回路の別の実施例を示す。図８Ｄの回路は、トランジスタ８１４が異なる方法で結合されることを除いて図８Ｂとほぼ類似である。従って、モニタリングサブシステム及び温度コントローラ８３１の動作による測定は同じ方法で動作する。

１つの実施形態において、複数のテストＴＦＴをアンテナアレイのＲＦ素子（及びこれらのＬＣ）の周りに分配して、様々な位置及び／又は温度平均化のための温度を測定することができる。

ＬＣ温度を測定するためのＬＣのキャパシタンス特性の使用
１つの実施形態において、ＬＣ温度がＬＣのキャパシタンス特性を用いることによって測定される。これは、電気キャパシタンスが温度の関数の通りに変化するというＬＣの特性を用いる。

１つの実施形態において、パッチガラス層に導電表面を置き更にアイリスガラス層にマッチング導電表面を配置することによって電気テストコンデンサが作られ、これによって分離誘電材料として作用するＬＣを備えたコンデンサを生成する。これらの導電表面は、キャパシタンスを測定する回路（キャパシタンス－デジタルコンバータ（ＣＤＣ）など）に接続される。ＬＣのキャパシタンスが温度の関数であるので、テストコンデンサのキャパシタンスをＬＣの温度に直接相関付けることができる。

図９は、ＲＦアンテナ素子のＬＣの温度を決定するためにＬＣのキャパシタンスを決定する回路を示す。図９を参照すると、励起信号９０１が、アイリスガラス層９１０Ｅを液晶９１０Ｃに接続する導体９１０Ｄに提供される。１つの実施形態において、励起は方形波である。１つの実施形態において、励起信号９０１が入力提供温度コントローラ９３１を備えたＤＡＣから生じる。１つの実施形態において、温度調節ユニット９４３が、モニタされるテストコンデンサのタイプに基づいて異なる電圧値を提供することができる。

パッチガラス層９１０Ａは導体９１０Ｂを用いて液晶９１０Ｃに結合される。信号９０１の方形波を導体９１０Ｄに加えることで、Σ－Δデジタルコンバータ（ＣＤＣ）９０２によって測定されるキャパシタンスを液晶９１０Ｃを通じて生成させる。ＣＤＣ９０２の出力は温度コントローラ９３１に提供され、温度コントローラ９３１がキャパシタンス測定を、相関器９４１を用いて、ＬＣベースのテストコンデンサのＬＣの温度９４２に相関付ける。次に、この温度がアレイのＲＦアンテナ素子のＬＣの温度として用いられる。

更に別の実施形態では、温度モニタリングサブシステムが液晶の減衰速度を測定し更に減衰速度を液晶の温度に相関付けることができる。ＬＣの減衰速度は当該技術で公知であり更にＬＣが使用される時間量は容易に追跡される。１つの実施形態において、相関関係動作が、図８Ｂ、図８Ｄ及び図９に関して上述したのと同じ方式で実行される。

１つの実施形態において、複数のテストパッチが、ＲＦ ＬＣベースのアンテナ素子のアンテナアレイの周りに分配されて、様々な位置及び／又は温度平均化のための温度を測定する。

ヒータ素子及びヒータバスを含むヒータは、温度センサと連動して動作して、ヒータシステムにフィードバックを提供する。温度センサは、アパーチャ内又はアパーチャ上に存在することができる。アパーチャの内側の温度とセンサによって測定された温度の一部の相関関係は、較正手順によって確立することが必要とすることができる。

１つの実施形態において、アパーチャの温度は、温度センサ及びヒータ電源／コントローラから構成される制御ループによって調整される。アパーチャがアパーチャの動作温度より下であることをセンサが指示した時、ヒータパワーコントローラは、アパーチャを加熱するためにヒータをターンオンさせる。所望のアパーチャ温度を本明細書に記載するヒータ構造を用いて制御することができる多くの方法がある。

代替の実施形態では、ＲＦアパーチャの内側にヒータを配置する代わりに、同じタイプのヒータワイヤパターン、ヒータワイヤパターン配置、ヒータバス及びヒータバス配置がスーパーストレート上に製作される。１つの実施形態において、スーパーストレートはＲＦアパーチャの衛星に向き合う側面に直接置かれた基板である。１つの実施形態において、実施構成は、ＲＦアパーチャ内で使用するために上述したものと同じである（ＲＦ素子／ＬＣ平面内）。

１つの実施形態において、ヒータをスーパーストレートに配置した時に、スーパーストレートは、パッチ層の上面とスーパーストレートの底面との間にヒータワイヤパターンと共に、可能な限りＬＣ層に近付けて配置される。スーパーストレート上にヒータを配置することに伴う１つの潜在的問題は、スーパーストレート上のヒータワイヤとのパッチ層から生じるＲＦの相互作用が、ＲＦアパーチャによって形成されるＲＦパターン上に有害な影響を有する可能性があることである。ヒータワイヤとのＲＦの相互作用を低減するために、１つの実施形態において、可能な限りＲＦ素子／ＬＣ平面に近付けてヒータを動かすためにパッチ層が可能な限り薄くされる。

図２１Ａ及び２１Ｂは、ヒータパターンが取り付けられたスーパーストレートの実施例を示す。図２１Ａ及び２１Ｂを参照すると、スーパーストレート２１０１は、底部側にヒータワイヤパターン２１０３を含む。ヒータバス２１０１はまた、スーパーストレート２１０１の底部にも取り付けられる。スーパーストレート２１０１は、図２１Ｂに示されるようなＲＦアンテナ素子のアパーチャエリア２１１０、パッチオーバハング２１０４を含むセグメント２１００に結合される。

アンテナ実施形態の実施例
上述の技術は、平面アンテナと共に用いることができる。このような平面アンテナの実施形態を開示する。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含む。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にアドレス指定して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、アンテナ素子は、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、互いに結合された複数のセグメントから構成される。互いに結合された時に、セグメントの組み合わせは、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、アンテナフィードに対して同心である。

アンテナシステムの実施例の概要
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、民間商用衛星通信のためのＫａ帯域周波数又はＫｕ帯域周波数の何れかを用いて動作するモバイルプラットフォーム（例えば、航空、海上、陸上など）上で動作する衛星地上局（ＥＳ）の構成要素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、モバイルプラットフォーム上ではない地上局（例えば、固定又は可搬型地上局）でも用い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、アンテナシステムは、表面散乱メタマテリアル技術を用いて、別個のアンテナを介した送信及び受信ビームを形成しステアリングする。１つの実施形態において、アンテナシステムは、デジタル信号プロセスを用いてビームを電気的に形成しステアリング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構成される導波構造、（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）ホログラフィック原理を用いたメタマテリアル散乱素子から調節可能な放射場（ビーム）の形成を命令する制御構造から構成される。

導波構造の実施例
図１０は、円筒状給電アンテナの入力給電の周りに同心リング状に配置されたアンテナ素子の１又は２以上のアレイを有するアパーチャを示す。１つの実施形態において、円筒状給電アンテナは、円筒波給電を提供するのに使用される同軸給電を含む。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。別の実施形態において、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、円形構造から生じる給電波が最も自然である。

アンテナ素子(Antenna Elements)
１つの実施形態において、アンテナ素子は、１つのグループのパッチアンテナを含む。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、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。当業者であれば理解されるであろうが、ＣＥＬＣの関連におけるＬＣは、液晶とは異なり、インダクタンス・キャパシタンスを意味する。

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。この液晶は、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、各単位セルに封入されて、スロットに関連する下部導体をスロットのパッチに関連する上部導体から分離する。液晶は、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（従って、誘電率）は、液晶の両端のバイアス電圧を調整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、この特性を利用して、誘導波からＣＥＬＣへのエネルギー伝達のためにオン／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に電磁波を放射する。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るものではない。

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、アンテナ素子を給電波における波ベクトルに対して４５度（４５°）の角度に位置決めすることを可能にする。他の位置（例えば、４０°）を利用できる点に留意されたい。この素子の位置により、素子が受け取った又は素子から送信／放射される自由空間波の制御が可能となる。１つの実施形態において、アンテナ素子は、アンテナの動作周波数の自由空間波長よりも小さい素子間隔で配列される。例えば、１波長当たりに４つの散乱素子が存在する場合には、３０ＧＨｚの送信アンテナにおける素子は、約２．５ｍｍ（すなわち、３０ＧＨｚの１０ｍｍ自由空間波長の１／４）である。

１つの実施形態において、素子の２つのセットは、互いに垂直であり、同じ同調状態に制御された場合に等しい振幅の励起を同時に有する。これら素子のセットを給電波励起に対して＋／－４５度回転させると、両方の所望の特徴を同時に達成する。一方のセットを０度回転させ、他方を９０度回転させると、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ことになる。０度及び９０度は、単一の構造でのアンテナ素子のアレイが２つの側から給電されるときに、分離を達成するのに使用できることに留意されたい。

各単位セルからの放射出力の量は、コントローラを使用してパッチに電圧（ＬＣ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。各パッチへのトレースは、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、静電容量及びひいては個々の素子の共振周波数を同調又は離調させて、ビーム形成を実現するのに使用される。必要な電圧は、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、それ以上に電圧を高めても液晶での大きな同調が生じなくなる飽和電圧とによって、主として説明される。これらの２つの特性パラメータは、異なる液晶混合物については変化することができる。

１つの実施形態において、上記で検討したように、マトリクス駆動回路は、セルごとに別個の接続（直接駆動）を有することなく各セルを他の全てのセルとは別個に駆動するために、パッチに電圧を印加するのに使用される。素子の密度が高いので、マトリクス駆動回路は、各セルを個別にアドレス指定する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つの主要コンポーネントを含み、アンテナシステム用のアンテナアレイコントローラ（駆動電子機器を含む）は、波散乱構造の下方に存在し、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アレイ全体にわたって散在する。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、各散乱素子へのＡＣバイアス信号の振幅又はデューティサイクルを調整することによって、この素子に対するバイアス電圧を調整し、商用テレビジョン機器で使用される商用既製ＬＣＤ制御装置を含む。

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含有する。制御構造はまた、プロセッサに位置及び向き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軸磁力計など）を組み込むこともできる。位置及び向き情報は、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ないものとすることができる。

より具体的には、アンテナアレイコントローラは、動作周波数においてどの位相レベル及び振幅レベルで、どの素子をオフにしてオンにするかを制御する。これらの素子は、電圧の印加によって周波数動作に対して選択的に離調される。

送信については、コントローラが、ＲＦパッチに一連の電圧信号を供給して、変調又は制御パターンを生成する。制御パターンにより、素子が異なる状態に同調するようになる。１つの実施形態において、多状態制御が使用され、この多状態制御では、様々な素子が異なるレベルにオン及びオフされ、矩形波（すなわち、正弦波グレイシェード変調パターン）ではなく、正弦波制御パターンに更に近づく。１つの実施形態において、一部の素子が放射し、一部の素子が放射しないのではなく、一部の素子が他の素子よりも強力に放射する。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、これにより液晶誘電率を様々な量に調整し、素子を可変的に離調させて一部の素子に他の素子よりも多く放射させるようにする。

メタマテリアル素子アレイによる集束ビームの生成は、増加的干渉及び減殺的干渉の現象よって説明することができる。個々の電磁波は、これらの電磁波が自由空間で交わったときに同相を有する場合には合算（増加的干渉）され、これらの電磁波が自由空間で交わった場合に、これらの電磁波が逆位相にある場合には、電磁波は互いに打ち消し合う（減殺的干渉）。スロット式アンテナにおけるスロットが、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位置するように位置決めされた場合には、この素子からの散乱波は、前のスロットの散乱波と異なる位相を有するようになる。スロットが、誘導波長の４分の１の間隔を置いて配置される場合には、各スロットは、前のスロットから４分の１位相遅延を有して波を散乱させることになる。

アレイを使用すると、生成できる増加的干渉及び減殺的干渉のパターン数を増加させることができるので、理論的には、ホログラフィの原理を使用して、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°）のあらゆる方向にビームを向けることができるようになる。このように、どのメタマテリアル単位セルをオンにするか又はオフにするかを制御することによって（すなわち、どのセルをオンにし、どのセルをオフにするかについてのパターンを変更することによって）、異なる増加的干渉及び減殺的干渉パターンを生成でき、アンテナは、メインビームの方向を変えることができる。単位セルをオン及びオフにするのに必要な時間は、ビームが１つの位置から別の位置に切り替わることができる速度を決定付ける。

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つの誘導可能なビームと、ダウンリンクアンテナの用の１つの誘導可能な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、及び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、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、特に、従来のディッシュ型衛星受信機と比較したときに、平面で比較的薄型である「表面」アンテナとみなされる。

図１１は、グランドプレーン及び再構成可能な共振器層を含むアンテナ素子の１つの列の斜視図を示している。再構成可能共振器層１２３０は、同調型スロット（ｔｕｎａｂｌｅ ｓｌｏｔｓ）１２１０のアレイを含む。同調型スロット１２１０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。同調型スロットの各々は、液晶の両端の電圧を変化させることによって同調／調整することができる。

制御モジュール１２８０は、再構成可能共振器層１２３０に結合され、図１１における液晶の両端の電圧を変化させることによって同調型スロット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、同調型スロット１２１０のアレイを駆動するための論理回路（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、同調型スロット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け取る。ホログラフィック回折パターンは、アンテナと衛星との間の空間関係に応答して生成され、ホログラフィック回折パターンが、ダウンリンクビーム（及びアンテナシステムが送信を行う場合には、アップリンクビーム）を通信に好適な方向に誘導することができる。各図には図示されていないが、制御モジュール１２８０と同様の制御モジュールは、本開示の図に記載された同調型スロットの各アレイを駆動することができる。

無線周波数（「ＲＦ」）ホログラフィもまた、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したときに、所望のＲＦビームを生成できる類似の技術を使用して実施可能である。衛星通信の場合には、基準ビームは、給電波１２０５などの給電波の形態である（幾つかの実施形態において、約２０ＧＨｚ）。給電波を放射ビームに変換するために（送信又は受信の何れかの目的で）、所望のＲＦビーム（目標ビーム）と給電波（基準ビーム）との間の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「ステアリング（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）」されるように、同調型共振器／スロット１２１０のアレイ上に回折パターンとして駆動される。言い換えると、ホログラフィック回折パターンに遭遇した給電波は、通信システムの設計要件に従って形成される目標ビームを「再構成」する。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、導波路における波動方程式としてのＷ_in及び射出波上の波動方程式としてのＷ_outを用いて、Ｗ_hologram＝Ｗ_in＊Ｗ_outによって計算される。

図１２は、同調型共振器／スロット１２１０の１つの実施形態を示している。同調型共振器／スロット１２１０は、アイリス／スロット１２１２、放射パッチ１２１１、及びアイリス／スロット１２１２とパッチ１２１１との間に配置された液晶１２１３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１３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１３のアンテナアパーチャは、図１２の複数の同調型共振器／スロット１２１０を含む。アイリス／スロット１２１２は、金属層１２３６の開口部によって定められる。図１１の給電波１２０５などの給電波は、衛星通信チャネルに適合す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及びアイリス層１２３３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と置き換えることができることに留意されたい。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、他のタイプの基板とすることができる。

開口部は、銅層内でエッチングされて、アイリス／スロット１２１２を形成する。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１３における別の構造（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るものではなく、その代わりに、非導電性接合層と相互連結することに留意されたい。

また、パッチ層１２３１は、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をもたらすスペーサ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から２００ｍｍ）が使用できる。上述したように、１つの実施形態において、図１３のアンテナアパーチャは、図１２のパッチ１２１１、液晶１２１３、及びアイリス１２１２を含む同調型共振器／スロット１２１０などの複数の同調型共振器／スロットを備える。液晶１２１３用のチャンバは、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、液晶で充填された場合には、パッチ層１２３１は、スペーサ１２３９上に積層されて、共振器層１２３０内に液晶をシールすることができる。

パッチ層１２３１とアイリス層１２３３との間の電圧は、パッチとスロット（例えば、同調型共振器／スロット１２１０）との間のギャップ内の液晶を同調するように変調することができる。液晶１２１３の両端の電圧を調整すると、スロット（例えば、同調型共振器／スロット１２１０）の静電容量が変化する。従って、スロット（例えば、同調型共振器／スロット１２１０）のリアクタンスは、静電容量を変化させることによって変えることができる。また、同調型共振器／スロット１２１０の共振周波数は、次式：

に従って変化し、ここで、ｆは、同調型共振器／スロット１２１０の共振周波数であり、Ｌ及びＣは、それぞれ、同調型共振器／スロット１２１０のインダクタンス及び静電容量である。同調型共振器／スロット１２１０の共振周波数は、導波路を通って伝播する給電波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である場合には、同調型共振器／スロット１２１０の共振周波数は、１７ＧＨｚに調整（静電容量を調整することによって）されて、同調型共振器／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、同調型共振器／スロット１２１０の共振周波数は、２０ＧＨｚに調整されて、同調型共振器／スロット１２１０が、給電波１２０５からのエネルギーを結合し、このエネルギーを自由空間に放射するようにすることができる。所与の実施例は、２値的（完全に放射するか、又は全く放射しない）であるが、リアクタンス及びひいては同調型共振器／スロット１２１０の共振周波数の完全なグレイスケール制御は、多値範囲にわたる電圧変化を用いて実施可能である。従って、各同調型共振器／ススロット１２１０から放射されるエネルギーを精密に制御して、同調型スロット（例えば、同調型共振器／スロット）のアレイによって詳細なホログラフィック回折パターンを形成できるようになる。

１つの実施形態において、行における同調型スロットは、互いにλ／５だけ離間して配置される。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、行における各同調型スロットは、隣接する行における最も近い同調型スロットからλ／２だけ離間して配置され、従って、異なる行における共通して配向された同調型スロットは、λ／４だけ離間して配置されるが、他の間隔（例えば、λ／５、λ／６．３）も可能である。別の実施形態において、行における各同調型スロットは、隣接する行における最も近い同調型スロットからλ／３だけ離間して配置される。

本発明の実施形態は、２０１４年１１月２１日に出願された「Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｒｏｍ ａ Ｓｔｅｅｒａｂｌｅ Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｌｙ Ｆｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ａｎｔｅｎｎａ（誘導可能な円筒状給電ホログラフィックアンテナからの偏波及び結合の動的制御）」という名称の米国特許出願１４／５５０，１７８号、及び２０１５年１月３０日に出願された「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１４／６１０，５０２号に記載されているような再構成可能なメタマテリアル技術を使用する。

図１４Ａ～１４Ｄは、スロット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１０に示されている例示的なリング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。この実施例では、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ことに留意されたい。

図１４Ａ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を示している。図１４Ａ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空き領域／スロットであり、給電部（給電波）へ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訳ではない点に留意されたい。図１４Ｂは、スロットを含む第２のアイリス基板層の一部を示している。図１４Ｃは、第２のアイリス基板層の一部を覆うパッチを示している。図１４Ｄは、スロットアレイの一部の上面図を示している。

図１５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。アンテナは、二重層給電構造（すなわち、２つの層の給電構造）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、非円形の内向き進行波を使用することができる。１つの実施形態において、図１５のアンテナ構造は、図１０を参照して記載された同軸給電部を含む。

図１５を参照すると、同軸ピン１６０１は、アンテナの下側レベルで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１６０１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。

内部導体である間隙導体１６０３は、導電性グランドプレーン１６０２から離隔される。１つの実施形態において、導電性グランドプレーン１６０２及び間隙導体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と間隙導体１６０３との間の距離は、０．１インチ～０．１５インチである。別の実施形態において、この距離はλ／２とすることができ、ここでλは、動作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を介して間隙導体１６０３から離隔される。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。

間隙導体１６０３の上部には、誘電体層１６０５がある。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することである。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％進行波を減速する。１つの実施形態において、ビーム形成に好適な屈折率の範囲は、１．２～１．８であり、自由空間は、定義上、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スペーサ材料を用いて、この効果を達成することができる。所望の波動減速効果を達成する限り、プラスチック以外の材料を使用できる点に留意されたい。或いは、例えば機械加工又はリソグラフィにより定め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を誘電体層１６０５として使用することができる。

ＲＦアレイ１６０６は誘電体層１６０５の上部にある。１つの実施形態において、間隙導体１６０３とＲＦアレイ１６０６との間の距離は、０．１～０．１５インチである。別の実施形態において、この距離はλ_eff／２とすることができ、ここでλ_effは設計周波数での媒体中の有効波長である。

アンテナは、側面１６０７及び１６０８を含む。側面１６０７及び１６０８は、同軸ピン１６０１からの進行波給電が反射によって間隙導体１６０３の下方の領域（スペーサ層）から間隙導体１６０３の上方の領域（誘電体層）に伝播するような角度が付けられる。１つの実施形態において、側面１６０７及び１６０８の角度は４５度の角度である。代替の実施形態において、側面１６０７及び１６０８は、反射を達成するために連続した半径に置き換えることができる。図１５は、４５度の角度を有する角度付き側部を示しているが、下部給電レベルから上部給電レベルへの信号伝播を達成する他の角度を使用することができる。すなわち、下部給電の有効波長が、上部給電の有効波長とは一般的に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を使用して、下部給電レベルから上部給電レベルへの伝送を助けることができる。例えば、別の実施形態において、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、間隙導体、及びスペーサ層を一周する。同じ２つの段部が、これらの層の他方の端部に存在する。

動作中、給電波が同軸ピン１６０１から供給されると、この給電波は、グランドプレーン１６０２と間隙導体１６０３との間の領域で同軸ピン１６０１から同心円状に外向きに進む。同心円状射出波は、側部１６０７及び１６０８により反射され、間隙導体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（エッジ）からの反射は、この波を同相に留まらせる（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の素子との相互作用及び励起を開始して、所望の散乱を取得する。

進行波を終了させるため、アンテナの幾何学的中心で終端部１６０９が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）を含む。別の実施形態において、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当該未使用エネルギーが反射して戻るのを阻止するＲＦ吸収体を含む。これらは、ＲＦアレイ１６０６の上部で使用することができる。

図１６は、アンテナシステムの別の実施形態を射出波と共に示している。図１６を参照すると、２つのグランドプレーン１６１０、１６１１は、互いに実質的に平行であり、グランドプレーンの間に誘電体層１６１２（例えば、プラスチック層など）を有している。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を共に結合する。同軸ピン１６１５（例えば、５０Ω）は、アンテナに給電する。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を介して供給され、同心円状外向きに進んでＲＦアレイ１６１６の素子と相互作用をする。

図１５及び図１６の両方のアンテナにおける円筒状給電部は、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、全方向でボアサイトから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た何らかのビーム形成アンテナと同様に、全体のアンテナ利得は、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、全体のアンテナ利得は、典型的には、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、共通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飛躍的に簡素化し、及びひいては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ステップと、より粗い制御（全てを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及び制御誤差に対する感度を低下させるステップと、円筒状に配向された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有利なサイドローブパターンを与えるステップと、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を動的であることを可能にするステップと、を含む。

波散乱素子のアレイ
図１５のＲＦアレイ１６０６及び図１６のＲＦアレイ１６１６は、放射体として機能する１つのグループのパッチアンテナ（すなわち、散乱体）を含む波散乱サブシステムを含む。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、下部導体と、誘電体基板と、相補的電気誘導型容量性共振器（「相補型電気ＬＣ」又は「ＣＥＬＣ」）を組み込んだ上部導体とからなる単位セルの一部であり、相補的電気誘導型容量性共振器は、上部導体にエッチング又は堆積される。

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。液晶は各単位セルにエンキャプスレートされ更にスロットに関連付けられる下部導体をパッチに関連付けられる上部導体から分離する。液晶は、液晶を含む分子の向きの関数である誘電率を有し、更に分子の向き（及び従って誘電率）は、液晶両端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。この特性を用いて、液晶は、誘導波からＣＥＬＣへのエネルギーの伝送のためのオン／オフスイッチとして作用する。スイッチオンされた時に、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発生する。

ＬＣの厚みを制御することで、ビームスイッチング速度が上昇する。下部導体と上部導体の間のギャップ（液晶の厚み）が５０パーセント（５０％）低減すると、速度が４倍に増大する。別の実施形態では、液晶の厚みが、約１４ミリ秒（１４ｍｓ）のビームスイッチング速度を結果として生じる。１つの実施形態において、ＬＣが、７ミリ秒（７ｍｓ）要件を満たすことができるよう、応答性を改良するために当該技術で公知の方式でドープされる。

ＣＥＬＣ素子は、ＣＥＬＣ素子の平面に平行に且つＣＥＬＣギャップ補完材に垂直に印加される磁界に応答する。電圧がメタマテリアル散乱単位セルの液晶に印加されると、誘導波の磁界成分が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を生成する。

単一のＣＥＬＣによって生成される電磁波の位相は、誘導波ベクトルのＣＥＬＣの位置によって選択することができる。各セルは、ＣＥＬＣに平行な誘導波と同相の波を生成する。ＣＥＬＣが波長より小さいので、出力波は、ＣＥＬＣの真下を通過する場合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形給電幾何形状が、ＣＥＬＣ素子を波給電の波ベクトルに対して４５度（４５°）角度に位置付けられるようにする。素子のこの位置は、素子から生成されるか又は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、アンテナの動作周波数の自由空間波長よりも小さい素子間隔で配列される。例えば、１波長当たりに４つの散乱素子がある場合、３０ＧＨｚ送信アンテナの素子は、約２．５ｍｍ（すなわち、３０ＧＨｚの１０ｍｍ自由空間波長の１／４）になる。

１つの実施形態において、ＣＥＬＣは、スロットの上方に並置されたパッチを含むパッチアンテナと、これらパッチアンテナ間に液晶を有して用いて実施される。この点において、メタマテリアルアンテナ(metamaterial antenna)は、スロット（散乱）導波路のように作用する。スロット導波路に関しては、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。

セルの配置(Cell Placement)
１つの実施形態において、アンテナ素子は、系統的マトリクス駆動回路を可能にするように円筒状給電アンテナのアパーチャ上に配置される。セルの配置は、マトリクス駆動用のトランジスタの配置を含む。

図１７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１７を参照すると、行コントローラ１７０１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１７１１、１７１２に結合され、列コントローラ１７０２は、列選択信号Ｃｏｌｕｍｎ１（列１）を介してトランジスタ１７１１、１７１２に結合される。また、トランジスタ１７１１は、パッチへの接続１７３１を介してアンテナ素子１７２１に結合され、トランジスタ１７１２は、パッチへの接続１７３２を介してアンテナ素子１７２２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、行と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が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。このことは、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、これによってアンテナのＲＦ性能が向上する。

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、セルのアドレス、及び第１のステップで定められた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、マトリクス駆動回路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１８は、ＴＦＴパッケージの１つの実施形態を示している。図１８を参照すると、ＴＦＴ及び保持キャパシタ１８０３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１８０１に接続された２つの入力ポートと、トレース１８０２に接続された２つの出力ポートとがあり、行及び列を使用してＴＦＴを共に接続する。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低減され、場合によっては最小となることがある。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、様々な層上に存在する。

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１９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１９を参照すると、アンテナ１４０１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、２つの交互配置されたスロットアレイを含むアンテナ１４０１は、ダイプレクサ１４３０に結合される。この結合は、２つのスロットアレイの素子から信号を受信して、ダイプレクサ１４３０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１４３０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１４３０は、低ノイズブロックダウンコンバータ（ＬＮＢ）１４２６及び１４２７のペアに結合され、ＬＮＢは、当該技術で公知の方式のノイズフィルタリング機能、ダウンコンバージョン機能、及び増幅を実行する。１つの実施形態において、ＬＮＢ１４２６及び１４２７は、アウトドアユニット（ＯＤＵ）にある。別の実施形態では、ＬＮＢ１４２６及び１４２７は、アンテナアパーチャに一体化される。ＬＮＢ１４２６及び１４２７は、テレビジョン１４０３に結合されるセットトップボックス１４０２に結合される。

セットトップボックス１４０２は、ＬＮＢ１４２６及び１４２７に結合されるアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１４２１及び１４２２のペアを含み、ダイプレクサ１４３０からの２つの信号出力をデジタルフォーマットに変換する。

デジタルフォーマットに変換されると、信号は復調器１４２３によって復調されて、更に復号器１４２４によって復号され、受信電波の符号化データを取得する。復号データは次にコントローラ１４２５に送信され、コントローラ１４２５が復号データをテレビジョン１４０３に送信する。

コントローラ１４５０は、単一の組み合わせ物理的アパーチャ上の両方のアンテナアパーチャのインターリーブスロット付きアレイ素子を含むアンテナ１４０１を制御する。

全二重通信システムの実施例
別の実施形態において、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２０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２０を参照すると、アンテナ１４０１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１４０１は、ダイプレクサ１４４５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、ダイプレクサ１４４５は、２つの信号を組み合わせるものであり、アンテナ１４０１とダイプレクサ１４４５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１４４５は、低ノイズブロックダウンコンバータ（ＬＮＢ）１４２７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、ＬＮＢ１４２７は、室外ユニット（ＯＤＵ）に存在する。別の実施形態において、ＬＮＢ１４２７は、アンテナ装置に組み込まれる。ＬＮＢ１４２７は、コンピューティングシステム１４４０（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１４６０に結合される。

モデム１４６０は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１４２２を含み、このＡＤＣは、ＬＮＢ１４２７に結合されて、ダイプレクサ１４４５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１４２３によって復調されて、復号器１４２４によって復号されて、受信波上の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１４２５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１４４０に送る。

モデム１４６０は更に、コンピューティングシステム１４４０から送信されたデータを符号化するエンコーダ１４３０を含む。符号化されたデータは、変調器１４３１によって変調され、次に、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）１４３２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）１４３３によってフィルタリングされて、ダイプレクサ１４４５の１つのポートに供給される。１つの実施形態において、ＢＵＣ１４３３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１４４５は、伝送のため送信信号をアンテナ１４０１に供給する。

コントローラ１４５０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１４０１を制御する。

図２０に示された全二重通信システムは、限定ではないが、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があることに留意されたい。

追加のアンテナヒータ実施形態
一部の実施形態では、加熱構造（例えば、抵抗ヒータ）がアンテナ（例えば、メタマテリアル又はメタサーフェスアンテナ）のアイリス基板（例えば、ガラス層基板）上の均一な加熱を生成する。１つの実施形態において、メタマテリアルアンテナは、可変波長コンデンサとしてアンテナ素子設計に液晶（ＬＣ）材料の層を用いる。このようなアンテナの例は、本明細書に詳細に記載され当該技術で公知である。１つの実施形態において、ＬＣ材料の応答は、温度に依存し、更にメタマテリアルアンテナ設計は温度１０℃及びこれ以上のＬＣからの応答に対して最適化される。このため、メタマテリアルアンテナは、１０℃を下回る温度での動作のためヒータ構造を必要とする。加えて、複数のアンテナセグメントがアンテナアパーチャを形成するために互いに結合される場合、ＲＦアンテナセグメントにおける不均一な熱生成に起因する機械的変形を阻止するために、均一な熱生成機構が必要とされる。例えば、「円筒状給電アンテナのアパーチャセグメンテーション」という名称の米国特許第９，８８７，４５５号に記載されるアンテナを参照されたい。２つのガラス層基板（例えば、アイリス／スロットを包含するアイリスガラス層及びアイリス金属層及びパッチを包含するパッチガラス層及びパッチ金属層）がＬＣ層に直接接触するので、この均一なヒータは、アンテナのガラス基板層設計（例えば、アイリス基板又はガラス層）に組み込まれて更に効率的且つ均一な加熱を提供することができる。均一な加熱のためにガラス又は他のアイリス基板層設計に組み込まれたヒータは、本明細書では「均一アイリスヒータ」と呼ばれる。以下に記載するヒータ設計の概念は、加熱パワー要件を数百ワット低減することができる。

１つの実施形態において、本明細書に記載する均一アイリスヒータは、アイリスガラス上の抵抗ヒータである。しかしながら、代替の実施形態では、ヒータは、ＬＣ層にも直接接触するので、パッチガラス基板上に組み立てられる。別の設計では、均一アイリスヒータは、アイリスガラス層基板及びパッチガラス層基板の組み合わせとして構築される。

ＲＦ素子の半径配置は、互いに平行な垂直（又は水平）ヒータトレースが均一な加熱を生成するために使用できないので、均一加熱に対して問題である。ヒータトレースは、アイリス金属における開口部に重なり合うことができない。１つの実施形態において、均一加熱を生成するために、各ＲＦ素子にヒータ構造（例えば、同一ヒータ構造）を配置することになる。

平行バス平面(Parallel Bus Planes)を備えたアイリスヒータ
１つの実施形態において、均一アイリスヒータ設計は、ヒータバス平面としてアイリスガラス基板に２つの金属層を用いる。ヒータバス平面は、ヒータトレース（又は構造）と比較すると、極めて低い抵抗を有し、バス平面上の熱生成は無視してよい。これは、ヒータバス平面がヒータトレースに比較して占める大きなエリア及びヒータトレースに位置付けられる抵抗ヒータに起因する。１つの実施形態において、ＲＦアンテナ素子の一部を形成するためにも用いられるアイリス金属層（例えば、表面散乱メタマテリアルアンテナ素子）をヒータバスの１つとして用いることができ、ヒータバス金属は、図２２に示すように第２のバス平面を組み立てるのに用いられる。

図２２は、メタマテリアルアンテナ用のヒータの実施形態におけるアイリス金属層２２０１及びヒータバス金属２２０４を示す。図２２を参照すると、１つの実施形態において、両方の層がアイリスガラス基板のほぼ全表面をカバーして、これらの抵抗は、各層に対して用いられる金属のシート抵抗の数倍になる。ヒータバス金属２２０４が結合を阻止するのを侵害しないアイリス金属層２２０１のアイリス開口部(iris opening)２２０３の周りの距離を含む禁止エリア２２０２が存在する。この構造の断面図を図２３に示す。

図２３は、ＲＦアンテナ素子近くのヒータトレース２３０２の断面を示す。図２３を参照すると、ヒータトレース２３０２は２つのバス平面の間の抵抗構造として定められる。このヒータトレースはアイリス開口部２２０３及びヒータ禁止エリア２２０２を除いてどの場所にも配置しアイリスガラス層基板とパッチガラス層基板の間のＲＦアンテナ素子の液晶（ＬＣ）に熱を提供することができる。この融通性は、アンテナアパーチャ、又はセグメントの各ＲＦアンテナ素子に同一ヒータトレースを配置するか、又はアパーチャ全体を通して同一ヒータトレース設計を周期的に配置することによって熱生成の密度を制御するのを可能にする。１つの実施形態において、ヒータバス平面は、アイリスガラス２３０４基板とアイリス金属層２２０１の間に配置される。別の実施形態では、アイリス金属層は、アイリスガラス層基板の上面にあり更にヒータバス平面はアイリス金属層の上方にある。

１つの実施形態において、２つのパッシベーション層２３０６及び２３０８が、図２３に示すように、ヒータバス平面、ヒータトレース２３０２及びアイリス金属層２２０１を分離する。１つの実施形態において、パッシベーション層２３０６及び２３０８は、半導体産業で共通して用いられる誘電層を含む。１つの実施形態において、開口部、又はバイアは、ヒータトレースをバスプレーンに接続するために各パッシベーション層で生成される。他の接続方式を代替の実施形態で用いることができる。

従って、１つの実施形態において、ヒータ構造は、１つのヒータバスとして全体（又はほぼ全体の）アイリス金属層を用いて更に均一加熱のために間の複数のヒータトレース／構造によってアイリス金属層とほぼ同じエリアをカバーする別のヒータバス金属を用いる。

ヒータの概念はまた、バス平面としてアイリス金属層を用いることなく実現することができる。このような場合、１つの実施形態において、２つのヒータバス平面層がアイリスガラス層基板に追加される。１つの実施形態において、これらのヒータバス平面層が、アイリス金属層の真下に、アイリス金属層を覆うように配置されるか、又はこれらがアイリス金属層によるサンドウィッチのような構造を形成することができる。１つの実施形態において、このような場合、追加の開口部がバス平面層に接続するためにアイリス金属層に生成される点に留意されたい。

１つの実施形態において、ヒータはＤＣ電圧下で動作する。別の実施形態では、ヒータはスイッチング電圧下で動作する。１つの実施形態において、アイリス金属層がヒータバス平面として用いられ更にアイリス金属の電圧がＲＦアンテナ素子駆動方式のために切り換わる場合、ヒータ構造は、ヒータトレースで幾つかの差動電圧を維持するためにスイッチング波形によって駆動される。例えば、１つの実施形態において、アイリス金属層がＴ秒ごとにＶ１とＶ２の間で切り換わる電圧源によって駆動される場合、他のヒータバス平面は、Ｔ秒ごとにＶ１－Ｖ_heater及びＶ２－Ｖ_heaterの間で切り換わる電圧源によって駆動して加熱構造にＶ_heaterを印加することができる。

ヒータバス平面としてのアイリス金属層
図２４は、単一バス平面（アイリス金属）を有する均一アイリスヒータを示す。異なる均一アイリスヒータの実施形態では、アイリス金属層がヒータバス平面としてだけ用いられ、ヒータワイヤ又は加熱ワイヤと本明細書で呼ぶことができるヒータトレース２４０２の他の側が、バス平面ではなくヒータバス２４０６に接続される。１つの実施形態において、ヒータバス２４０６及びヒータトレース２４０２は、同じヒータ金属層を用いて組み立てられる。１つの実施形態において、このヒータバス２４０６はＲＦアンテナセグメントの端に沿って配置され、更にヒータトレース２４０２は、上述（又は米国特許第９，９０５，９２１号）のようなＲＦアンテナ素子配置によって定められるリングに沿って配置される。１つの実施形態において、これらのリングの長さは半径が増すにつれて増加する。共通ヒータトレース長、幅及び熱生成密度を維持するために、短いトレースを接続することができ、更に長いトレースは図２４に示すようにセグメント化することができる。１つの実施形態において、トレースの加熱は、ヒータバスのあるＲＦアンテナセグメントの端から始まるが、これらはアイリス開口部に交差しない限り、アクティブエリアのどこでも終端ポイント２４０８で終端して更にバイア構造を用いてアイリス金属２４０４に接続することができる。図のように、ヒータトレースの１つは、後ろにアークして更に終端ポイントで終端する前にアンテナセグメントの左側のヒータバス２４０６に向けてアークする。１つの実施形態において、このような場合に、ヒータトレースがＲＦアンテナ素子のリング間にルーティングされ、これによって同じヒータトレースの２つの部分内にアンテナ素子２４１０が存在する点に留意されたい。従って、アイリス金属層はヒータバス平面の１つに用いられ更に他のヒータバスは、アパーチャセグメントの外側周囲の周りのフレームであり、更にヒータトレースの１つの端部は、他の端がヒータバスに接続される場合にアイリス金属層に接続される。

１つの実施形態において、ヒータバス及びヒータトレースがＲＦアンテナ素子から少なくとも禁止距離に維持される点に留意されたい。

１つの実施形態において、各終端ポイント（図２４の円として表される）にヒータトレースをアイリス金属層に接触させるためのバイアがある。

図２５Ａ及び２５Ｂは、アイリス金属２４０４の真下（左図）及びアイリス金属２４０４の上（右図）それぞれのヒータトレース２５０２及び２５０４を示す。様々な実施形態において、ヒータトレース２５０２は、ヒータバス（図示せず）と共に図２５Ａに示されるようにアイリス金属２４０４の真下に配置されるか、又はヒータトレース２５０４は、ヒータバス（図示せず）と共に図２５Ｂに示されるようにアイリス金属２４０４の上に配置される。１つの実施形態において、アイリス金属２４０４の極性がＲＦアンテナ素子駆動方式によって周期的に切り換わる場合、ヒータ構造は、ヒータトレースの一定電圧を維持するために極性切り換え波形によって駆動される。

別の実施形態では、ヒータは、アイリスガラス２３０４上のアイリス金属２４０４ではなく別の金属層を追加することによって実現される。ヒータバス平面は、この追加の金属層の上に形成され、更に追加の金属層の上のヒータバス平面はアイリススロットからの禁止距離を保持しながらアイリス金属層のように類似のエリアをカバーする。この追加の金属層及びヒータトレースは、アイリス金属の上方、アイリス金属の下又はサンドウィッチ構造のようにアイリス金属の反対側に置くことができる。

ヒータとしてのスペーサの使用
図２６は、スペーサ／ヒータ構造２６０６の断面図を示す。１つの実施形態において、ＲＦアンテナセグメントがスペーサ／ヒータ構造２６０６によって分離された２つのカラス層基板から作られ、スペーサ／ヒータ構造２６０６は、導電材料を用いて形成され、更に、パッチガラス２６０４を関連付けられる構造とは離して及びアイリスガラス２３０４を関連付けられる構造とは離して配置するためのスペーサとして、更に異なる設計ではヒータとして用いられ且つ機能する。１つの実施形態において、アイリスガラス２３０４基板のアイリス金属２４０４及びパッチガラス２６０４基板上のパッチ金属２６０２は、ヒータバス構造として用いられる。別の実施形態では、熱生成がスペーサ／ヒータ構造２６０６でのみ起こる。１つの実施形態において、ＲＦアンテナ素子に用いられるアイリス金属層もまた、ここではヒータバス平面として用いられる。パッチ金属層を用いて形成されたヒータバスは、アイリス開口部の上のパッチ電極とは独立している。従って、アイリス金属平面に１つのバス平面があり且つスペーサを用いて互いに結合されるパッチガラス基板上にＲＦアンテナ素子の熱を提供する別のバス平面がある。

パッチ金属層上のヒータバスは異なる方法で組み立てることができる。１つの実施形態において、パッチ金属２６０２層上のヒータバスは、パッチ金属層又はアイリスガラス２３０４基板上のアイリス金属層に類似のパッチ金属層の連続シートを用いて組み立てられる低抵抗を有するトレースを含む。両方の場合、パッチガラス２６０４上のバス構造は、ＲＦアンテナ素子構造に用いられるアイリス開口部の上のパッチ電極から分離される。ヒータ構造の断面図を図２６に示す。

１つのスペーサ／ヒータ構造しか図２６に示していないが、１つの実施形態において、ＲＦアンテナ素子アレイの各アンテナ素子の近くに位置付けられ且つ熱を提供する１又は２以上のスペーサ／ヒータ構造が存在する。これらのスペーサ／ヒータ構造は、複数の場所に位置付けることができ（例えば、ランダムな干渉しない配置、行、列など）更に様々な形状（例えば、円筒形ポスト、長方形ポスト、他の形状の物体など）を有することができる。

１つの実施形態において、スペーサ／ヒータ構造２６０６は、単一の導電材料から作られる。このような材料は製造中に堆積させることができる。別の実施形態では、スペーサ／ヒータ構造２６０６は、１又は２以上のＲＦアンテナ素子に熱を提供するのに用いられる外側の周りの導電材料（例えば、インナーコアの外側にメッキされた）を有するインナーコアを含む。

１つの実施形態において、ヒータがスイッチング電圧下で動作し更にアイリス金属層の電圧がＲＦアンテナ素子駆動方式のために切り換わる場合、ヒータ構造のパッチ側は、Ｔ秒ごとに差動電圧の極性を切り換える間にヒータトレースの幾つかの絶対差動電圧を維持するためにスイッチング波形によって駆動する必要がある。これは、極性切り換え波形に関して上記に提供した説明に類似の方式で起こる可能性がある。このことの１つの態様は、ＬＣ両端の電圧が最小ＤＣオフセットを有するということである。例えば、この場合、パッチ金属構造は、素子のＲＦ駆動に含まれないがアイリス側は含まれることになる。だとしても、ＬＣ両端の総ＤＣを最小にするためにルーティングの総ＤＣを最小にしておくことが好ましい。別の実施形態では、ヒータは、各基板上の追加の金属層又はシートを用いて実現され更にアイリス及び／又はパッチ金属層を用いなくても実現される。

セグメント化ヒータバス(Segmented Heater Bus)
図２７は、代替のヒータ設計バンドル及びヒータバスセグメントを示す。図２７を参照すると、ヒータバンドル(heater bundles)に類似の長さを有するヒータリング(heater rings)のヒータトレース２７０４をグルーピングすることによって均一加熱が達成される。ヒータバンドルは直列に結合され更に同じ電流があらゆるバンドルに走り、これによって単位長当たり同じ加熱を生成する。１つの実施形態において、類似の長さを有するヒータトレース２７０４は、ヒータバスセグメント２７０２及びヒータバス２７０６によって平行に接続されヒータバンドルを形成する。ヒータバンドルは、１つの実施形態では同じ金属層上にあるヒータバスセグメント２７０２及びヒータバス２７０６によって直列に接続され、図２７に示すようにアイリスヒータを完成する。別の実施形態では、ヒータバンドル、ヒータバスセグメント及びヒータバスが、異なる金属層上にある。

図２８は、図２７に示したセグメント化ヒータバス実施形態の抵抗モデルを示す。図２８を参照すると、３つのヒータリングのグルーピングが例として示されているが、設計はヒータリンググルーピングの数によって制限されない。各バンドルは、図２８にレジスタ２８０２として表されている。ヒータバス及びセグメントバスの抵抗は無視してよい。１つの実施形態において、同じ電流が図２８の各レジスタ２８０２を通過する。抵抗値は、１つの単位面積当たり幾つかの熱生成を維持するために各バンドルで設計される。１つの実施形態において、各バンドル内で、ヒータトレースの抵抗がトレース幅を変更することによって一致される。

本明細書に記載する幾つかの例示的な実施形態が存在する。

実施例１は、パッチ基板及びアイリス基板によって形成された無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子のアレイを有する物理的アンテナアパーチャであって、アイリス基板は、アイリス金属層を含む複数の層を有する、物理的アンテナアパーチャと、ＲＦアンテナ素子を加熱するためのアイリス基板の複数の層の１又は２以上に結合されたヒータ構造と、を備える、アンテナパッチである。

実施例２は、ヒータ構造がアイリス基板上に抵抗ヒータを含む、ことを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナである。

実施例３は、ヒータ構造が複数のヒータバス平面として動作するアイリス基板上の２つの金属層を含む、ことを任意選択的に含むことができる実施例２のアンテナである。

実施例４は、複数のヒータバス平面が第１のヒータバス平面及び第２のヒータバス平面を含み、アイリス金属層が第１のヒータバス平面として用いられ、ヒータバス金属が第２のヒータバス平面として用いられる、ことを任意選択的に含むことができる実施例３のアンテナである。

実施例５は、ヒータバス金属とアイリス金属層の間に結合された複数のヒータトレースを任意選択的に含むことができる実施例４のアンテナである。

実施例６は、複数のヒータトレースがアイリス開口部から少なくとも第１の距離だけ離れており、アイリス開口部の周りのヒータ禁止エリアの外側にある、ことを任意選択的に含むことができる実施例５のアンテナである。

実施例７は、ヒータ構造が、複数のヒータバス平面として動作するアイリス基板上の２つの金属層を含み、アイリス金属層が第１のヒータバス平面として用いられ、第２のヒータバス平面が、第２のヒータバス平面に接続されたヒータトレースによってアパーチャのセグメントの外側縁部の周りに延びる、ことを任意選択的に含むことができる実施例２のアンテナである。

実施例８は、ヒータトレースが同じ長さを有する、ことを任意選択的に含むことができる実施例７のアンテナである。

実施例９は、ヒータ構造が極性切り換え波形によって駆動される、ことを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナである。

実施例１０は、ヒータ構造が２つの基板を分離しアイリス金属層及びパッチ基板に結合されるスペーサ構造(spacer structure)を含み、スペーサ構造が、ヒータとして用いられる導電材料を含む、ことを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナである。

実施例１１は、ヒータ構造が、複数のヒータトレースの複数のヒータバンドルを形成する複数のヒータリングを含み、複数のヒータバンドルのバンドルが、互いに直列に接続される、ことを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナである。

実施例１２は、複数のアイリス開口部を備えたアイリス金属層を有する第１の基板と、アイリス開口部に整列されたパッチを形成するパッチ金属層を有する第２の基板と、無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子を加熱するために第１の基板に取り付けられたヒータ構造と、を備えるメタマテリアルアンテナである。

実施例１３は、ヒータ構造が抵抗ヒータを含む、ことを任意選択的に含むことができる実施例１２のアンテナである。

実施例１４は、第１の基板に取り付けられたヒータ構造が、第１の基板上の第１の構造に取り付けられ且つ第２の基板上の第２の構造に取り付けられたスペーサ／ヒータ構造であって、第１の基板と第２の基板をアイリス開口部に整列されたパッチによって離間して配置し、ＲＦアンテナ素子を加熱するスペーサ／ヒータ構造を含む、ことを任意選択的に含むことができる実施例１２のアンテナである。

実施例１５は、第１の及び第２の構造がヒータバス平面構造である、ことを任意選択的に含むことができる実施例１４のアンテナである。

実施例１６は、ヒータ構造が、第１の基板上の第１の金属層によって形成されたヒータバスと、第１の基板上の第２の金属層によって形成され更にヒータバスに接続された複数のヒータトレースとを含み、第１の金属層及び第２の金属層がアイリス金属層とは別個である、ことを任意選択的に含むことができる実施例１２のアンテナである。

実施例１７は、ヒータ構造が、アイリス金属層の下にあり、且つパッシベーション層によってアイリス金属層から分離された第１の基板上の複数のヒータトレースを含む、ことを任意選択的に含むことができる実施例１２のアンテナである。

実施例１８は、ヒータ構造がアイリス金属層の上の第１の基板上にあり且つパッシベーション層によってアイリス金属層から分離された複数のヒータトレースを含む、ことを任意選択的に含むことができる実施例１２のアンテナである。

実施例１９は、ヒータ構造が、第１の基板上の複数のヒータトレースを含み、各ヒータトレースが、第１の端部でヒータバスに接続され第２の端部でアイリス金属層に接続される、ことを任意選択的に含むことができる実施例１２のアンテナである。

実施例２０は、ヒータ構造が、第１の基板上に、各々が複数のヒータトレースを含む複数のヒータバンドルを含み、各ヒータバンドルが第１の端部でヒータバスセグメントに接続され、各ヒータバンドルが第２の端部で更なるヒータセグメント又はヒータバスに接続される、ことを任意選択的に含むことができる実施例１２のアンテナである。

実施例２１は、ヒータ構造が、第１の基板上に直列に接続され更に各々が複数のヒータトレースを有する複数のヒータバンドルを含み、各ヒータバンドルが単位面積当たり一定の熱生成を維持するための抵抗を有する、ことを任意選択的に含むことができる実施例１２のアンテナである。

実施例２２は、ヒータ構造が、第１の基板上に各々が複数のヒータトレースを有する複数のヒータバンドルを含み、各ヒータバンドルの各ヒータトレースが、ヒータトレースの抵抗に一致するトレース幅を有する、ことを任意選択的に含むことができる実施例１２のアンテナである。

以上の詳細な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ため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、望ましい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、通常は、これらの量は、格納、転送、結合、比較、及び他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、符号、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、且つこれらの量に付与される有利なラベルに過ぎないことに注意されたい。以下の説明から明らかなように、特に明記しない限り、説明全体を通して、「処理する」又は「演算する」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操作及び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アクション及び処理を指すことが認められる。

本発明はまた、本明細書の作動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、又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有することができる。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あらゆるタイプのディスク、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あらゆる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、各々が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を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とされる構造は、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しても説明されていない。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）によって可読の形態の情報を格納又は送信するための何れかの機構を含む。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は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。

５０１ パッチガラス層
５０２ アイリスガス層
５１０ ヒータワイヤ
５１１ メタライゼーション（電源付与ヒータバス）
５１２ ヒータバス金属
５１３ ボンドパッド／コネクタ構造
５２０ 導電クロスオーバ
５２１ ボーダーシール接着部
５３０ パッシベーション層
５３１ パッシベーション層
５３２ パッシベーション層
５４０ アライメント層
５４１ アイリス金属
５５０ パッシベーション層

Claims (22)

1. アンテナであって、
   パッチ基板及びアイリス基板によって形成された無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子のアレイを有する物理的アンテナアパーチャであって、前記アイリス基板は、アイリス金属層を含む複数の層を有する、物理的アンテナアパーチャと、
   前記ＲＦアンテナ素子を加熱するための前記アイリス基板の複数の層の１又は２以上に結合されたヒータ構造と、
   を備える、アンテナ。
2. 前記ヒータ構造は、前記アイリス基板上に抵抗ヒータを含む、請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記ヒータ構造は、複数のヒータバス平面として動作する前記アイリス基板上の２つの金属層を含む、請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記複数のヒータバス平面は、第１のヒータバス平面及び第２のヒータバス平面を含み、前記アイリス金属層は、前記第１のヒータバス平面として用いられ、ヒータバス金属は、前記第２のヒータバス平面として用いられる、請求項３に記載のアンテナ。
5. 前記ヒータバス金属と前記アイリス金属層との間に結合された複数のヒータトレースを更に備える、請求項４に記載のアンテナ。
6. 前記複数のヒータトレースは、アイリス開口部から少なくとも第１の距離だけ離れており、前記アイリス開口部の周りのヒータ禁止エリアの外側にある、請求項５に記載のアンテナ。
7. 前記ヒータ構造は、複数のヒータバス平面として動作する前記アイリス基板上の２つの金属層を含み、前記アイリス金属層は、第１のヒータバス平面として用いられ、第２のヒータバス平面は、前記第２のヒータバス平面に接続されたヒータトレースを有して前記アパーチャのセグメントの外側縁部の周りに延びる、請求項２に記載のアンテナ。
8. 前記ヒータトレースは、同じ長さを有する、請求項７に記載のアンテナ。
9. 前記ヒータ構造は、極性切り換え波形によって駆動される、請求項１に記載のアンテナ。
10. 前記ヒータ構造は、前記２つの基板を分離し前記アイリス金属層及び前記パッチ基板に結合されたスペーサ構造を含み、前記スペーサ構造は、ヒータとして用いられる導電材料を含む、請求項１に記載のアンテナ。
11. 前記ヒータ構造は、複数のヒータトレースの複数のヒータバンドルを形成する複数のヒータリングを含み、前記複数のヒータバンドルのバンドルは、互いに直列に接続される、請求項１に記載のアンテナ。
12. メタマテリアルアンテナであって、
    複数のアイリス開口部を備えたアイリス金属層を有する第１の基板と、
    前記アイリス開口部に整列されたパッチを形成するパッチ金属層を有する第２の基板と、
    無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子を加熱するために前記第１の基板に取り付けられたヒータ構造と、
    を備える、メタマテリアルアンテナ。
13. 前記ヒータ構造は、抵抗ヒータを含む、請求項１２に記載のメタマテリアルアンテナ。
14. 前記第１の基板に取り付けられた前記ヒータ構造は、
    前記第１の基板上の第１の構造に取り付けられ且つ前記第２の基板上の第２の構造に取り付けられたスペーサ／ヒータ構造であって、前記第１の基板と前記第２の基板を前記アイリス開口部と整列された前記パッチによって離間して配置し、前記ＲＦアンテナ素子を加熱するスペーサ／ヒータ構造を含む、請求項１２に記載のメタマテリアルアンテナ。
15. 前記第１の及び第２の構造はヒータバス平面構造である、請求項１４に記載のメタマテリアルアンテナ。
16. 前記ヒータ構造は、
    前記第１の基板上の第１の金属層によって形成されたヒータバスと、
    前記第１の基板上の第２の金属層によって形成され且つ前記ヒータバスに接続された複数のヒータトレースと、
    を備え、前記第１の金属層及び前記第２の金属層が前記アイリス金属層とは別個である、請求項１２に記載のメタマテリアルアンテナ。
17. 前記ヒータ構造は、前記アイリス金属層の下にあり且つパッシベーション層によって前記アイリス金属層から分離された前記第１の基板上の複数のヒータトレースを含む、請求項１２に記載のメタマテリアルアンテナ。
18. 前記ヒータ構造は、前記アイリス金属層の上にあり且つパッシベーション層によって前記アイリス金属層から分離された前記第１の基板上の複数のヒータトレースを含む、請求項１２に記載のメタマテリアルアンテナ。
19. 前記ヒータ構造は、前記第１の基板上に複数のヒータトレースを含み、各ヒータトレースは、第１の端部でヒータバスに接続され且つ第２の端部で前記アイリス金属層に接続される、請求項１２に記載のメタマテリアルアンテナ。
20. 前記ヒータ構造は、前記第１の基板上に、各々が複数のヒータトレースを有する複数のヒータバンドルを含み、
    各ヒータバンドルは、第１の端部でヒータバスセグメントに接続され、
    各ヒータバンドルは、第２の端部で更なるヒータバスセグメント又はヒータバスに接続される、
    請求項１２に記載のメタマテリアルアンテナ。
21. 前記ヒータ構造は、前記第１の基板上に直列に接続され且つ各々が複数のヒータトレースを有する複数のヒータバンドルを含み、
    各ヒータバンドルは、単位面積当たり一定の熱生成を維持するための抵抗を有する、
    請求項１２に記載のメタマテリアルアンテナ。
22. 前記ヒータ構造は、前記第１の基板上に各々が複数のヒータトレースを有する複数のヒータバンドルを含み、
    各ヒータバンドルの各ヒータトレースは、ヒータトレースの抵抗に一致するトレース幅を有する、
    請求項１２に記載のメタマテリアルアンテナ。

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