JP2023518802A - メタマテリアル無線周波数（ｒｆ）アンテナのための電気的アドレス指定 - Google Patents

Abstract

アンテナ（例えば、メタマテリアル無線周波数（ＲＦ）アンテナ）の電気的アドレス指定の方法及び装置を説明する。１つの実施形態において、アンテナは、複数のリングに位置する複数の無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子と、アンテナ素子を駆動するために複数のＲＦ放射アンテナ素子に結合されたマトリクス駆動回路とを含み、マトリクス駆動回路は、非グリッドベースのアドレス指定構造を有する複数の行及び複数の列のマトリクスを用いてアンテナ素子の各々を一意的にアドレス指定する。【選択図】図１

Description

（優先権）
本出願は、２０２０年３月１８日出願の米国仮出願第６２／９９１，２２９号及び２０２１年３月１６日出願の米国非仮出願第１７／２０３，５２６号からの優先権の利益を主張するものであり、これらは引用により本明細書に組み入れられる。
（技術分野）
本発明の実施形態は、無線通信に関し、より詳細には、本発明の実施形態は、アンテナ（例えば、メタマテリアル無線周波数アンテナ）の電気的アドレス指定に関係する。

アクティブマトリクス技術は、長年に渡って、液晶（ＬＣ）ディスプレイを駆動するために用いられてきた。このような技術では、１つのトランジスタが各液晶セルに結合され、更に各液晶セルを、トランジスタのゲートに結合された選択信号に電圧を印加することによって選択することができる。薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含む多くの様々なタイプのトランジスタが用いられる。ＴＦＴの場合、アクティブマトリクスは、ＴＦＴアクティブマトリクスと呼ばれる。

アクティブマトリクスは、アレイの液晶セルの各々を制御するためにアドレス及び駆動回路を用いる。液晶セルの各々が一意的にアドレス指定されるように、マトリクスは、選択トランジスタの接続を生成するためにコンダクタの行(rows)及び列(columns)を用いる。

マトリクス駆動回路(matrix drive circuitry)の使用は、アンテナと共に用いることが提案されてきた。しかしながら、コンダクタの行と列を用いることは、行と列のグリッドに配列されているアンテナ素子を有するアンテナアレイで有用な場合があるが、アンテナ素子がこの方式で配列されていない時は実現可能ではない可能性がある。

また、一部の実施構成では、グリッドベースのマトリクスのアンテナ素子を駆動するために非常に多くの行及び列が必要である。アドレス指定は、このようなシステムでは非効率的にしか実行されない。例えば、グリッドベースのアドレス指定(grid-based addressing)における行及び列は、様々な数の各行及び列のアンテナ素子を有する。場合によっては、１つの行／列につきたった１つの素子及び同じマトリクスの１つの行／列につき最大数百の素子を有する行及び列が存在する。従って、このようなアンテナのための効率的なマトリクス駆動方式を有することが望ましい。

アンテナ（例えば、メタマテリアル(metamaterial)無線周波数（ＲＦ）アンテナ）の電気的アドレス指定の方法及び装置を説明する。１つの実施形態では、アンテナは、複数のリングに位置する(located)複数の無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子(radiating antenna elements)と、アンテナ素子を駆動するために複数のＲＦ放射アンテナ素子に結合されたマトリクス駆動回路とを含み、アンテナ素子の各々を一意的にアドレス指定する(uniquely address)マトリクス駆動回路は、非グリッドベースのアドレス指定構造(non-grid-based addressing structure)を有する複数の行及び複数の列のマトリクスを用いる。

本明細書に記述する実施形態及び実施形態の利点は、添付の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良く理解することができる。これらの図面は、記述する実施形態の精神及び範囲から逸脱することなく当業者によって記述する実施形態に行い得る形態及び詳細における何れの変更も決して制限するものではない。

アンテナアレイを駆動するためにアクティブマトリクス駆動回路を用いるアンテナコントローラを示す図である。 グリッドベースのアドレス指定における素子を示す図である。 グリッドベースのアドレス指定から非グリッドベースのアドレス指定への変換の例を示す図である。 非グリッドベースのアドレス指定によるマトリクスを示す図である。 アンテナアパーチャの１つのセグメントにある行ラインの例を示す図である。 非グリッドベースのアドレス指定を用いるアンテナアパーチャのセグメントの列の例を示す図である。 グリッドベースアドレス指定方式から非グリッドベースのアドレス指定方式に変換する処理の１つの実施形態を示す流れ図である。 アンテナ素子のアレイの中で各列に対するアンテナ素子を決定する処理の１つの実施形態を示す流れ図である。 各行の素子を決定する１つの実施形態を示す流れ図である。 円筒状給電アンテナの入力給電部の周りに同心円リング上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な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。 同調型共振器／スロットの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アイリス基板層の一部分を示す図である。 スロットを包含する第２アイリス基板層の一部分を示す図である。 第２アイリス基板層の一部分を覆うパッチを示す図である。 スロット式アレイの一部分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。 射出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。 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。

以下の説明では、本発明のより完全な説明を提供するために多数の詳細事項が示されている。しかしながら、本発明がこれらの特定の詳細事項なしでも実施できることが当業者に明らかであろう。他の事例では、周知の構造及びデバイスは、本発明を曖昧にしないように、詳細にではなくブロック図の形式で図示されている。

本発明の実施形態は、メタマテリアル無線周波数（ＲＦ）アンテナのアンテナ素子を駆動するために用いられるマトリクス駆動回路のアクティブマトリクスにおける行及び列の数を減少させる方法及び装置を含む。１つの実施形態では、アンテナは、衛星ターミナルの一部である。１つの実施形態では、アクティブマトリクスは、アクティブ薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）マトリクスである。しかしながら、本明細書に記述する技術は、ＴＦＴベースの駆動回路を駆動することに制限されない。１つの実施形態では、アンテナ素子は、ＲＦ放射アンテナ素子（例えば、メタマテリアル表面散乱アンテナ素子、バラクターダイオードベースのアンテナ素子、ＭＥＭベースのアンテナ素子など）である。このようなアンテナ及びアンテナ素子の制限ではない例を以下に詳しく記述する。しかしながら、本明細書で開示される技術は、このようなアンテナに制限されない。

１つの実施形態では、アクティブマトリクスにおける行及び列数の低減は、非グリッドベースの行及び列のアドレス指定構造を用いることによって達成される。複数の帯域を持つ、及び／又は、例えばＫａ周波数などの高周波数で作動するＲＦメタマテリアルアンテナは、これらの作動のために多くのＲＦ放射アンテナ素子を必要とする。１つの実施形態では、非グリッドベースのアドレス指定方式の使用は、行及び列の数を低減するために各行及び列に均一にアンテナ素子を再分配することによって、グリッドベースのアドレス方式の制限を克服する。

１つの実施形態では、アクティブＴＦＴマトリクスの場合、マトリクス駆動回路は、ＴＦＴマトリクスに非グリッドベースのアドレス指定方式を用いて行及び列の数を低減し、ここで、各行は、同じ数のＲＦ放射アンテナ素子を有し、更に各列は、同じ数のＲＦ放射アンテナ素子を有する。

図１は、アクティブマトリクス駆動回路を用いてアンテナアレイを駆動するアンテナコントローラを示す。図１に関して、１つの実施形態では、アンテナ素子は、放射状アパーチャのアンテナアレイにリング状に配列され、更にアンテナ素子の駆動回路が行及び列に位置する。行及び列が互いに対して垂直に示されているが、１つの実施形態では、マトリクス構成のグリッド表現が、実際にはアンテナアレイに用いられておらず且つ単に以下に詳しく説明されるようにマトリクス構成の直接駆動制御を示す目的の論理的レイアウトに過ぎない点に留意されたい。

１つの実施形態では、アンテナアレイコントローラ１００は、マトリクス駆動回路を含む。１つの実施形態では、マトリクス駆動回路は、複数の行及び複数の列を含むマトリクスを用いてアンテナ素子の各々を一意的にアドレス指定し更に非グリッドベースのアドレス指定構造を用いてアンテナ素子をアドレス指定する。マトリクスパターン生成器１１１は、アンテナマトリクス１１４の列及び行を制御するための行及び列コントローラを含み、行及び列コントローラが、非グリッドベースのアドレス指定を用いてアンテナマトリクス１１４における駆動回路の作動を制御する。

１つの実施形態では、アンテナマトリクス１１４は、アンテナアレイにおけるアンテナ素子の駆動回路のソース及びゲートラインの経路設定を含み、更に行及び列が、これらの駆動回路のソース及びゲートラインを制御するために用いられ且つ結合される。従って、行及び列は、アンテナ素子に結合される。

１つの実施形態では、少なくとも行の過半数（例えば、行の８０パーセントを超えるが行の全てより少ない、行の９０パーセントを超えるが行の全てより少ない、列の９５パーセントを超えるが行の全てより少ない等）は、アレイの同じ数のアンテナ素子に結合される。また、１つの実施形態では、少なくとも列の過半数（例えば、列の８０パーセントを超えるが列の全てより少ない、列の９０パーセントを超えるが列の全てより少ない、列の９５パーセントを超えるが列の全てより少ない等）は、アンテナ素子のアレイの中の同じ数のアンテナ素子に結合される。過半数の行に結合される素子の数は、過半数の列に結合される素子の数に等しくない点に留意されたい。１つの実施形態では、行の全てが、同じ数のアンテナ素子に結合され、列の全てが、同じ数の素子に結合される。また、１つの実施形態では、行に結合される素子の数は、列に結合されるアンテナ素子の数に等しくない。１つの実施形態では、幾つかを除いた行の全てが、同じ数の素子に結合され、幾つかを除いた列の全てが、同じ数の素子に結合される。

１つの実施形態では、行の数は、アンテナアパーチャ(antenna aperture)にあるアンテナ素子のリングの数に等しく、列の数は、アンテナ素子の最も内側のリングのアンテナ素子プラス２*（リングの数マイナス１）に等しい。１つの実施形態では、ＲＦ放射アンテナ素子のＮリングに対して、非グリッドベースのアドレス指定は、Ｎ行及び２Ｎ＋３列を用いる。これは、２Ｎ＋１行及び２Ｎ＋１列を必要とするグリッドベースのアドレスとは対照的である。１つの実施形態では、マトリクスの各行は、マトリクスの列の各々より長い。

駆動生成器１１２は、アレイのアンテナ素子の駆動回路の駆動入力の各々に結合される駆動電圧を生成する。１つの実施形態では、駆動電圧は、＋／－５ボルトの間を変動する。しかしながら、他の実施形態では、他の電圧値を用いてＬＣベースのアンテナ素子を駆動することができる。別の実施形態では、電圧は、＋／－１０Ｖである。１つの実施形態では、駆動電圧は、ＬＣの化学的性質に基づいて選択され、所望のＲＦ性能を取得する。１つの実施形態では、全ての駆動回路の駆動入力は、共通であり、所望のＬＣオン電圧及び周波数である。１つの実施形態では、ＭＥＭＳセルに対して、駆動電圧は、＋１５ＶのＤＣ電圧（例えば）とすることができる。

１つの実施形態では、電源１１３は、電圧を供給しアンテナマトリクスの駆動回路の論理部に給電する。

本明細書に記述する非グリッドベースのアドレス指定とは対照的に、図２は、グリッドベースのアドレス指定方式の素子を示す。図２に関して、行には、１から２Ｎ＋１の番号が付けられ、更に列には、１から列２Ｎ＋１の番号が付けられ、一緒にグリッドを形成する。図２に示されるドットの各々は、グリッドの行と列の結合部に現れるＲＦ放射アンテナ素子である。例えば、ＲＦ素子２０１は、行２Ｎ及び列２Ｎ＋１上のドットとしてグリッド上に示されている。

１つの実施形態では、アレイのＲＦ放射アンテナ素子は、リングに位置する。このようなリングの例は、以下に詳しく説明する。図２では、行と列の結合部のグリッド上のドットとして現れるＲＦアンテナ素子を有する５つのアンテナ素子のリング２０２の例が示されている。

１つの実施形態では、グリッドベースのアドレス指定が、変換処理を用いて非グリッドベースのアドレス指定に変換される。図３は、グリッドベースのアドレス指定構造から非グリッドベースのアドレス指定構造への変換の例を示す。図３に関して、グリッドは、左から右に下部軸を横断する最低グリッド‐ｘ(lowest grid-x)から最高グリッド‐ｘ(highest grid-x)及びグリッドの下部から上部に垂直軸を縦断する最低グリッド‐ｙから最高グリッド‐ｙを有するｙ及びｘ軸によって表される。列は、ドットとして表現されるアンテナ素子を結合する実線によって表され、行は、グリッド上のアンテナ素子間の破線によって表される。１つの実施形態では、図３に示すように、列の各々は、同じ数のアンテナ素子に結合され、更に行の各々は、同じ数のアンテナ素子に結合されるが、行の各々及び列の各々は、互いに同じ数のアンテナ素子に結合されない。例えば、図３では、各列が、５つのアンテナ素子に結合され、各行が、１３のアンテナ素子に結合される。

図４Ａは、変換後の非グリッドベースのアドレス指定を結果として生じるマトリクスを例証する。図４Ａを参照すると、部分的なグリッド上のアンテナ素子（ドットとして表される）に結合された列の各々が、実線によって表され、グリッド上のアンテナ素子間で結合された行の各々が、破線として表されている。

図３及び４Ａはグリッドベースの表現のマトリクスを表すが、実際には、アンテナアパーチャに作製される時に結果として生じる行及び列は、図３及び４Ａに示すのと同じ構成ではない。図４Ｂは、アンテナアパーチャの１つのセグメントにある行ラインの例を提示する。１つの実施形態では、４つのセグメントが、アパーチャを形成するために組み合わされる。アパーチャを形成するために用いられるセグメントの詳しい情報に関しては、「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)」という名称の米国特許第９，８８７，４５５号明細書を参照されたい。図４Ｂに関して、行４２０は、アンテナ素子のリング上のアンテナ素子に結合されたマトリクス駆動回路の行である。図４Ｃは、非グリッドベースのアドレス指定を用いるアンテナアパーチャのセグメントの列の例を示す。図４Ｃに関して、列４３０は、アパーチャのアンテナ素子のリング上のアンテナモーメントに結合されるマトリクス駆動回路の列である。

例示的な作成処理
図５Ａは、グリッドベースのアドレス指定方式から非グリッドベースのアドレス指定方式に変換するための処理の１つの実施形態の流れ図である。１つの実施形態では、処理は、ハードウェア（回路、専用論理など）、ソフトウェア（例えば、チップで実行されるソフトウェア）、ファームウェア、又は３つの組合せを含むことができる処理論理(processing logic)によって実行される。１つの実施形態では、処理は、製造／作製システムによって実行される。

図５Ａに関して、処理は、マトリクスの行の数を決定する処理論理によって開始する（処理ブロック５０１）。１つの実施形態では、処理論理は、アンテナアパーチャのアレイのアンテナ素子のリングの数に等しい行の数を設定することによって行の数を決定する。

次に、処理論理は、マトリクスの列の数を決定する（処理ブロック５０２）。１つの実施形態では、処理論理は、（アンテナアパーチャの最も内側のリングの列の数）＋２*（行の数－１）に等しい列の数を設定することによってマトリクスの列の数を決定する。

マトリクスの行の数及び列の数を決定した後に、処理論理は、各列に結合されるアンテナ素子の数を決定する（処理ブロック５０３）。１つの実施形態では、処理論理は、リングの数に等しく設定することによって各列に結合されるアンテナ素子の数を決定する。すなわち、アンテナアパーチャのアレイのリングの数は、列ラインに結合されるアンテナ素子の数を決定する。

処理論理は、各列ラインのアンテナ素子の数を用いて、各列に置かれるアンテナアレイの素子を決定する（処理ブロック５０４）。これは、幾つかの方法で行うことができる。

図５Ｂは、アンテナ素子のアレイの中で各列に対するアンテナ素子を決定するための処理の１つの実施形態の流れ図である。１つの実施形態では、処理は、ハードウェア（回路、専用論理など）、ソフトウェア（例えば、チップで実行されるソフトウェア）、ファームウェア、又はこれら３つの組合せを含むことができる処理論理によって実行される。１つの実施形態では、処理は、製造／作製システムによって実行される。

図５Ｂを参照すると、処理論理は、グリッド－ｙより大きいグリッド－ｘにあるアンテナ素子の各々に対して、未割り当てのアンテナ素子(unassigned antenna elements)の中の最低グリッド－ｙを有するアンテナ素子の列番号を割り当てることによって開始する（処理ブロック５１１）。次に、処理論理は、同じグリッド－ｘ位置上の隣接するアンテナ素子のアンテナ素子の第１のリング番号を接続する（処理ブロック５１２）。接続される隣接するアンテナ素子は、同じ列上にある。

次に、処理論理は、この列上の素子番号がリングの総数より小さいか否かを決定し、小さい場合に、処理論理は、この列上のアンテナ素子番号がリングの総数に等しくなるまで、各ステップで移動して（Ｘ方向に＋１及びＹ方向に＋１）列の端までアンテナ素子を加え続ける（処理ブロック５１３）。これが完了すると、処理論理は、未割り当てのアンテナ素子内の最低グリッド－ｙ位置を有するアンテナ素子に移動し、アンテナ素子の全てがグリッド－ｙより大きなグリッド－ｘのアンテナ素子に接続されるまで、列を接続する（処理ブロック５１４）。この時点で、処理論理は、グリッド‐ｙに等しいグリッド‐ｘを有するアンテナ素子を接続して、未割り当ての素子内の最低グリッド‐ｙ位置を有するアンテナ素子から開始して、各ステップで（Ｘ方向に＋１及びＹ方向に＋１）移動する（処理ブロック５１５）。これらは同じ列上にある点に留意されたい。

その後、処理論理は、グリッド－ｘより大きなグリッド－ｙの未割り当てアンテナ素子内の最低グリッド－ｘを有するアンテナ素子から列番号の割り当てを開始し（処理ブロック５１６）、同じグリッド‐ｙ位置に、隣接するアンテナ素子の第１（アンテナ素子のリング番号）を接続する（処理ブロック５１７）。これらの接続される隣接アンテナ素子は、同じ列上にある。これが完了すると、処理論理は、この列のアンテナ素子番号が、リングの総数より小さいか否かをテストして、小さい場合に、処理論理は、この列上のアンテナ素子番号が、リングの総数に等しくなるまで、各ステップで（Ｘ方向に＋１及びＹ方向に＋１）移動して、列の端までアンテナ素子を加え続ける（処理ブロック５１８）。この時点で、処理論理は、未割り当てのアンテナ素子内の最低グリッド‐ｘを有するアンテナ素子に移動し、グリッド‐ｘより大きいアンテナ素子グリッド‐ｙについてアンテナ素子の全てが接続されるまで、列を接続する（処理ブロック５１９）。

図５Ａを参照すると、各列上の素子を決定した後に、処理論理は、各行上の素子を決定する（処理ブロック５０５）。これは、幾つかの方法で行うことができる。

図５Ｃは、各行上の素子を決定するための１つの実施形態を示す流れ図である。１つの実施形態では、処理は、ハードウェア（回路、専用論理など）、ソフトウェア（例えば、チップで実行されるソフトウェア）、ファームウェア、又はこれら３つの組合せを含むことができる処理論理によって実行される。１つの実施形態では、処理は、製造／作製システムによって実行される。

図５Ｃを参照すると、処理は、各行に対する、未割り当てのアンテナ素子内の最低グリッド‐ｙを有するアンテナ素子から行番号を割り当てる処理論理によって開始する（処理ブロック５２１）。次に、処理論理は、各列のＮ番目の素子を同じ行に接続し、更にあらゆる列上の最も近いＮ番目の素子を現在の位置に接続する（処理ブロック５２２）。次に、処理論理は、全ての列上のＮ番目のアンテナ素子が割り当てられるまで、行上の新しい素子の位置に移動し、あらゆる列上の最も近いＮ番目のアンテナ素子を探し、次に接続及び移動を続ける（処理ブロック５２３）。これが完了した状態で、処理論理は、全てのアンテナ素子が行に割り当てられるまで、未割り当てのアンテナ素子内の最低グリッド‐ｙを有するアンテナ素子から行Ｎ＋１を割り当てることを開始して（処理ブロック５２４）更に処理ブロック５２２に移り処理ブロック５２２及び５２３を繰り返す。

アンテナ実施形態の例
上述した技術は、平面アンテナ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つの実施形態では、アンテナ素子は、液晶セルを含む。１つの実施形態では、平面アンテナは、行及び列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且つ駆動するためのマトリクス駆動回路を含む円筒型給電アンテナである。１つの実施形態では、素子は、リング状に配置される。

１つの実施形態では、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。共に結合された時に、セグメントの組合せは、アンテナ素子の閉じた同心円リングを形成する。１つの実施形態では、同心円リングは、アンテナ給電部に対して同心円上にある。

アンテナシステムの例
１つの実施形態では、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を説明する。１つの実施形態では、アンテナシステムは、商用衛星通信のＫａ帯域又はＫｕ帯域周波数の何れかを用いて作動する移動プラットフォーム（例えば、航空、海上、陸上など）上で作動する衛星地上局（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また、移動プラットフォーム上にない地上局（例えば、固定又は可搬型地上局）でも使用できることに留意されたい。

１つの実施形態において、アンテナシステムは、別々のアンテナを介して送信及び受信ビームを形成し誘導するために表面散乱メタマテリアル技術を用いる。

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(cylindrical wave feed architecture)から成る導波路構造、（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、（３）ホログラフィ原理を用い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６は、円筒状給電ホログラフィック放射アパーチャアンテナ(cylindrically fed holographic radial aperture antenna)の１つの実施形態の概略図を示す。図６に関して、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６０２の周りに同心円リング状に配置されたアンテナ素子６０３の１又は２以上のアレイ６０１を有する。１つの実施形態において、アンテナ素子６０３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（６０３）は、アンテナアパーチャの表面全体にインターリーブ及び分配されるＲｘ及びＴｘアイリスの両方を含む。このようなアンテナ素子の例を、以下に詳しく説明する。本明細書におけるＲＦ共振器は、円筒状給電部を含まないアンテナに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、アンテナは、入力給電部６０２を介して円筒波給電部を提供するために用いら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は、給電ポイントから円筒状に外向きに広がる励起によって中心ポイントからアンテナに給電する。すなわち、円筒状給電アンテナは、外向きに進む同心円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、円形構造から生じる給電波が最も自然である。

１つの実施形態では、アンテナ素子６０３は、アイリスを含み、更に図６のアパーチャアンテナは、同調型液晶（ＬＣ）材料を介してアイリスに放射する円筒状給電波からの励起を用いることによって形成される主ビームを生成するために用いられる。１つの実施形態において、アンテナを励起して、所望の走査角度で水平又は垂直偏波電界を放射することができる。

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、アンテナシステムの各散乱素子は、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るか又は堆積される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。当業者によって理解されるように、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、各単位セルに封入されて、スロットに関連付けられる下部導体をスロットの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時に、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値と、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場合がある。

１つの実施形態において、上記で検討いたように、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つの主要構成要素を含み、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アレイ全体に渡って散在する。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する、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む。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、地上局内の及び／又はアンテナシステムの一部でなくてもよい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る。

より詳細には、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に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時に、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の間隔をあけ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むけることができるようになる。従って、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用いて、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利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７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つの行の斜視図を示している。再構成可能共振器層(reconfigurable resonator layer)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８Ａ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時に、所望のＲＦビームを生成できる類似の技術を用いて実施可能である。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「誘導される」ように、同調型スロット１２１０のアレイ上に回折パターンとして駆動される。換言すると、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８Ａ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８Ｂ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８Ｂのアンテナアパーチャは、図８Ａ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(openings)によって定められる。図８Ａ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１２３３は、パッチ層１２３１とアイリス層１２３２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１２３３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１２３２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１２３２はガラスである。アイリス層１２３２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１２３２は、導電性接合層によって、図８Ｂ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１２３３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８Ｂのアンテナアパーチャは、図８Ａ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／スロットを含む。液晶１２１３Ａ用のチャンバは、スペーサ１２３９、アイリス層１２３２、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１２３２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、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、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静電容量である。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、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、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、２０ＧＨｚに調整されて、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、リアクタンス及び従ってスロット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日出願の米国特許出願第１４／５５０，１７８号「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(Dynamic Polarization and Coupling Control from a Steerable Cylindrically Fed Holographic Antenna)」、及び２０１５年１月３０日出願の米国特許出願１４／６１０，５０２号「再構成可能アンテナのためのリッジ型導波路給電構造(Ridged Waveguide Feed Structures for Reconfigurable Antenna)」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用いる。

図９Ａ－９Ｄは、スロット式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６に示されている例示的なリングのようなリング上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９Ｂ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９Ｃ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９Ｄは、スロット式アレイの一部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。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のアンテナ構造は、例えば、２０１４年１１月２１日出願の米国公開第２０１５／０２３６４１２号「誘導可能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(Dynamic Polarization and Coupling Control from a Steerable Cylindrically Fed Holographic Antenna)」に記載されるような同軸給電部を含む。

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、側部１６０７及び１６０８の角度は４５度の角度である。代替えの実施形態において、側部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１０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える。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に、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１１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１１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１０及び１１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、プラス又はマイナス４５度の方位角（±４５°Ａｚ）、及びプラス又はマイナス２５度の仰角（±２５°ＥＩ）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が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１０のＲＦアレイ１６０６及び図１１のＲＦアレイ１６１６は、放射体として動作する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(scattering metamaterial elements)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成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、各単位セルに封入され、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、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（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。この特性を利用して、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動作する。スイッチオンにされた時に、ＣＥＬＣは、電気的に小さなダイポールアンテナのように電磁波を放射する。

ＬＣの厚みを制御することにより、ビームスイッチング速度が上がる。下部導体と上部導体との間のギャップ（液晶の厚み）が５０パーセント（５０％）減少すると、速度が４倍に増大する。別の実施形態において、液晶の厚みは、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は、応答性が向上するように当技術分野で周知の方法でドープされ、７ミリ秒（７ｍｓ）要件を満足させることができる。

ＣＥＬＣ素子は、ＣＥＬＣ素子の面に平行で且つＣＥＬＣギャップ補完物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た時に、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、誘導波のベクトル上の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の下を通過する時に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、給電波における波のベクトルに対して４５度（４５°）の角度で位置決めされるようにできる。この素子の位置により、素子から生成されるか又は素子によって受け取られる自由空間波の偏波の制御が可能になる。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つの散乱素子が存在する場合、３０ＧＨｚの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）となる。

１つの実施形態において、スロットを覆って同一場所に配置されたパッチとスロットとパッチの間に液晶を含むパッチアンテナによって実施される。これに関して、メタマテリアルアンテナは、スロット（散乱）導波路のように動作する。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方法で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１２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１２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及び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た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動作する。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、経路設定を達成する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。これは、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を保証する。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。

より詳細には、１つの方式では、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を維持すると同時に、グループ化され且つ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、アパーチャ全体に渡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用いられる。図１３は、ＴＦＴパッケージの１つの実施形態を示している。図１３を参照すると、入力及び出力ポートを備えたＴＦＴ及び保持キャパシタ１８０３が示されている。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、行及び列を用いて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。

全二重通信システムの例
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用いられる。図１４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つより多い受信経路を含むことができる。

図１４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‐デジタルコンバータ（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た状態で、信号は、復調器１４２３によって復調され、更に復号器１４２４によって復号され、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はまた、コンピューティングシステム１４４０から送信されるデータを符号化する符号器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‐アナログコンバータ（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、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作動するダイプレクサ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。

通信システムは、上述のコンバイナ／アービターを含むよう修正することができる。このような場合、コンバイナ／アービターはモデムの後であるがＢＵＣ及びＬＮＢの前にある。

図１４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。

幾つかの例示的実施形態を本明細書に記述する。

実施例１は、複数のリングに位置する複数の無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子と、アンテナ素子を駆動するために複数のＲＦ放射アンテナ素子に結合されたマトリクス駆動回路とを含み、マトリクス駆動回路が、非グリッドベースのアドレス指定構造を有する複数の行及び複数の列のマトリクスを用いてアンテナ素子の各々を一意的にアドレス指定する、アンテナである。

実施例２は、複数の行の少なくとも過半数が、複数のＲＦ放射アンテナ素子の第１の数のアンテナ素子に結合され、複数の列の少なくとも過半数が、複数のＲＦ放射アンテナ素子の第２の数のアンテナ素子に結合され、この第１と数と第２の数は異な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３は、複数の行の少なくとも過半数が、複数の行の全ての行を含み、複数の列の少なくとも過半数が、複数の列の全ての列を含む、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、複数のリングが、複数の行の数に等しい、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５は、複数の行が、複数のリングの幾つかのリングを含み、複数の列が、複数のリングの最も内側のリングの素子の数と、リングの数から１を減算した結果を２倍した積との和を含む、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６は、複数の行の各行が、複数の列の各列より長い、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７は、複数のＲＦ放射素子が、メタマテリアルＲＦ放射アンテナ素子(metamaterial RF radiating antenna elements)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８は、複数のリングに位置する複数の無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子を有するアンテナアパーチャと、アンテナ素子を駆動するために複数のＲＦ放射アンテナ素子に結合されたマトリクス駆動回路とを含み、マトリクス駆動回路は、複数の行及び複数の列のマトリクスを用いてアンテナ素子の各々を一意的にアドレス指定し、複数の行の少なくとも過半数は、複数のＲＦ放射アンテナ素子の第１の数のアンテナ素子に結合され、複数の列の少なくとも過半数は、複数のＲＦ放射アンテナ素子の第２の数のアンテナ素子に結合され、第１の数及び第２の数は異なる、アンテナである。

実施例９は、複数の行の少なくとも過半数が、複数の行の全ての行を含み、複数の列の少なくとも過半数が、複数の列の全ての列を含む、ことを任意選択的に含むことができる実施例８のアンテナである。

実施例１０は、複数のリングが複数の行の数に等しい、ことを任意選択的に含むことができる実施例９のアンテナである。

実施例１１は、複数の行が複数のリングにおける幾つかのリングを含み、数の列が、複数のリングの最も内側のリングの素子の数と、リングの数から１を減算した結果を２倍した積との和を含む、ことを任意選択的に含むことができる実施例８のアンテナである。

実施例１２は、複数の行の各行が、複数の列の各列より長い、ことを任意選択的に含むことができる実施例９のアンテナである。

実施例１３は、複数のＲＦ放射素子がメタマテリアルＲＦ放射アンテナ素子を含む、ことを任意選択的に含むことができる実施例９のアンテナである。

実施例１４は、複数のリング上に位置する複数の無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子を有するアンテナで用いるマトリクス駆動回路をレイアウトする(laying out)ための方法であって、マトリクス駆動回路は、複数の行と複数の列のマトリクスを用いてアンテナ素子の各々を一意的にアドレス指定する。本方法は、複数の行うちの行の数及び複数の列のうちの列の数を決定するステップと、複数の列の各列に結合される複数のアンテナ素子のうちのアンテナ素子の数を決定するステップと、複数の列の各列に結合される複数のアンテナ素子のうちのアンテナ素子を決定するステップと、複数の行の各行に結合される複数のアンテナ素子のうちのアンテナ素子を決定するステップとを含む。

実施例１５は、行の数及び列の数を決定するステップが、ＲＦ放射アンテナ素子のリングに数に等しく行の数を設定するステップと、複数のリングの最も内側のリングのアンテナ素子の数と、行の数から１を減算した結果の２倍との和に等しく列の数を設定するステップとを含む、ことを任意選択的に含むことができる実施例１４の方法である。

実施例１６は、複数の列の各列の素子の数を決定するステップが、複数のリングのリング総数に等しく素子の数を設定するステップを含む、ことを任意選択的に含むことができる実施例１４の方法である。

実施例１７は、複数の列の各列に結合される複数のアンテナ素子のうちのアンテナ素子を決定するステップが、全ての列に同じ数の素子を有するようにグリッドライン及び／又は対角線上に沿って列を割り当てるステップを含む、ことを任意選択的に含むことができる実施例１４の方法である。

実施例１８は、複数の行の各行に結合される複数のアンテナ素子のうちのアンテナ素子を決定するステップは、全ての行に同じ数の素子を有するようにグリッドライン及び／又は対角線上に沿って行を割り当てるステップを含む、ことを任意選択的に含むことができる実施例１４の方法である。

上記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、又は数字などとして示すことは、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、これらの及び類似の用語の全ては、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を念頭に置くべきである。以下の説明から明らかなように他に具体的に明記されない限り、説明全体を通して、「処理する」又は「コンピュータ計算する」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を理解すべきである。

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含むことができる。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、光学ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、及び磁気光学ディスクを含むあらゆるタイプのディスク、読取り専用メモリ（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にも本質的に関係付けられるものではない。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るか、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便利であることが証明されている場合がある。多種多様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。多種多様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理解されるであろう。

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、読取り専用メモリ（「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見なされる特徴のみを記載する請求項の範囲を制限するものではない。

１００ アンテナアレイコントローラ
１１１ 行／列コントローラを備えたマトリクスパターン生成器
１１２ 駆動回路生成器
１１３ 電源
１１４ 非グリッドベースのアドレス指定によるアンテナマトリクス

Claims (18)

1. アンテナであって、
   複数のリングに位置する複数の無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子と、
   前記アンテナ素子を駆動するために前記複数のＲＦ放射アンテナ素子に結合されたマトリクス駆動回路であって、前記マトリクス駆動回路は、非グリッドベースのアドレス指定構造を有する複数の行及び複数の列のマトリクスを用いて前記アンテナ素子の各々を一意的にアドレス指定する、マトリクス駆動回路と、
   を備える、アンテナ。
2. 前記複数の行の少なくとも過半数は、前記複数のＲＦ放射アンテナ素子の第１の数のアンテナ素子に結合され、前記複数の列の少なくとも過半数は、前記複数のＲＦ放射アンテナ素子の第２の数のアンテナ素子に結合され、前記第１の数と前記第２の数は異なる、請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記複数の行の少なくとも過半数は、前記複数の行の全ての行を含み、前記複数の列の少なくとも過半数は、前記複数の列の全ての列を含む、請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記複数のリングは、前記複数の行の数に等しい、請求項１に記載のアンテナ。
5. 前記複数の行は、前記複数のリングの幾つかのリングを含み、前記複数の列は、前記複数のリングの最も内側のリングの素子の数と前記リングの数から１を減算した結果を２倍した積との和を含む、請求項１に記載のアンテナ。
6. 前記複数の行の各行は、前記複数の列の各列より長い、請求項１に記載のアンテナ。
7. 前記複数のＲＦ放射素子は、メタマテリアルＲＦ放射アンテナ素子を含む、請求項１に記載のアンテナ。
8. アンテナであって、
   複数のリングに位置する複数の無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子を有するアンテナアパーチャと、
   前記アンテナ素子を駆動するために前記複数のＲＦ放射アンテナ素子に結合されたマトリクス駆動回路であって、前記マトリクス駆動回路は、複数の行及び複数の列のマトリクスを用いて前記アンテナ素子の各々を一意的にアドレス指定し、前記複数の行の少なくとも過半数は、前記複数のＲＦ放射アンテナ素子の第１の数のアンテナ素子に結合され、前記複数の列の少なくとも過半数は、前記複数のＲＦ放射アンテナ素子の第２の数のアンテナ素子に結合され、前記第１の数と第２の数は異なる、マトリクス駆動回路と、
   を備える、アンテナ。
9. 前記複数の行の少なくとも過半数は、前記複数の行の全ての行を含み、前記複数の列の少なくとも過半数は、前記複数の列の全ての列を含む、請求項８の記載のアンテナ。
10. 前記複数のリングは、前記複数の行の数に等しい、請求項９に記載のアンテナ。
11. 前記複数の行は、前記複数のリングのいくつかのリングを含み、前記複数の列は、前記複数のリングの最も内側のリングの素子の数と前記リングの数から１を減算した結果の２倍の積との和を含む、請求項８に記載のアンテナ。
12. 前記複数の行の各行は、前記複数の列の各列より長い、請求項９に記載のアンテナ。
13. 前記複数のＲＦ放射素子は、メタマテリアルＲＦ放射アンテナ素子を含む、請求項９に記載のアンテナ。
14. 複数のリングに位置する複数の無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子を有するアンテナで用いるマトリクス駆動回路をレイアウトするための方法であって、前記マトリクス駆動回路は、複数の行及び複数の列のマトリクスを用いて前記アンテナ素子の各々を一意的にアドレス指定し、
    前記方法は、
    前記複数の行のうちの行の数及び前記複数の列のうちの列の数を決定するステップと、
    前記複数の列の各列に結合される前記複数のアンテナ素子のうちのアンテナ素子の数を決定するステップと、
    前記複数の列の各列に結合される前記複数のアンテナ素子のうちのアンテナ素子を決定するステップと、
    前記複数の行の各行に結合される前記複数のアンテナ素子のうちのアンテナ素子を決定するステップと、
    を含む、方法。
15. 前記行の数及び前記列の数を決定するステップは、ＲＦ放射アンテナ素子のリングに数に等しく前記行の数を設定するステップと、前記複数のリングの最も内側のリングのアンテナ素子の数に、前記行の数から１を減算した結果の２倍との和に前記列の数を設定するステップとを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記複数の列の各列の素子の数を決定するステップは、前記複数のリングのリング総数に等しく前記素子の数を設定するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
17. 前記複数の列の各列に結合される前記複数のアンテナ素子のうちのアンテナ素子を決定するステップは、全ての列に同じ数の素子を有するようにグリッドライン及び／又は対角線上に沿って列を割り当てるステップを含む、請求項１４に記載の方法。
18. 前記複数の行の各行に結合される前記複数のアンテナ素子のうちのアンテナ素子を決定するステップは、全ての行に同じ数の素子を有するようにグリッドライン及び／又は対角線上に沿って行を割り当てるステップを含む、請求項１４の方法。

Images