JP6339215B2 - Dynamic polarization and coupling control for a moving cylindrical feed holographic antenna - Google Patents

Dynamic polarization and coupling control for a moving cylindrical feed holographic antenna Download PDF

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Description

〔優先権〕
本特許出願は、2014年2月19日出願の「円筒フィード式ホログラフィックアンテナからの偏波及び結合制御」という名称の対応する米国仮特許出願第61/941,801号、並びに2014年6月16日出願の「通信衛星地上局のためのメタマテリアルアンテナシステム」という名称の対応する米国仮特許出願第62/012,897号に対する優先権を主張し、かつそれらを引用により組み込んでいる。
〔priority〕
This patent application is filed on February 19, 2014 with the corresponding US Provisional Patent Application No. 61 / 941,801 entitled “Polarization and Coupling Control from a Cylindrical Feed Holographic Antenna” and June 2014. Claims priority to the corresponding US Provisional Patent Application No. 62 / 012,897 entitled “Metamaterial Antenna System for Communication Satellite Ground Stations” filed on the 16th, and incorporates them by reference.

本発明の実施形態は、アンテナの分野に関し、より詳細には、本発明の実施形態は、円筒フィード式であるアンテナに関する   Embodiments of the present invention relate to the field of antennas, and more particularly, embodiments of the present invention relate to antennas that are cylindrically fed.

Thinkom製品は、PCBベースの手法を使用して、一般的には2タイプの機械的回転を用いる可変傾斜横断スタブ又は「VICTS」手法を使用してKa帯域での二重円偏波を達成する。第1のタイプは、1つのアレイを別のものに対して回転させ、第2のタイプは、両方を方位角で回転させる。主な制約は、走査範囲(20〜70度間の仰角、ブロードサイド不可能)とビーム性能(時にはRxだけに制限する)である。   Thinkom products achieve double circular polarization in the Ka band using a PCB-based approach, typically using a variable tilt transverse stub or “VICTS” approach with two types of mechanical rotation . The first type rotates one array relative to another and the second type rotates both in azimuth. The main constraints are scanning range (elevation angle between 20 and 70 degrees, no broadside) and beam performance (sometimes limited to Rx only).

Ando他著「12GHzDBS衛星受信のための放射線状スロットアンテナ」、及びYuan他著「高電力マイクロ波用途のための新しい放射線状スロットアンテナの設計及び実験」は、様々なアンテナを議論している。これらの両論文に説明されたアンテナの制約は、ビームが一静止角度でのみ形成されることである。これらの論文に説明されるフィード構造は、折り畳まれた二重層であり、第1層が、ピンフィードを受け入れて縁部まで外向きに信号を放射し、その信号を上部層まで折り曲げ、上部層が、次に、途中で固定スロットを励振させながら周囲から中心まで伝達する。スロットは、典型的に直交する対に配向され、送信時に固定円偏波及び受信モードにおいてその反対を与える。最終的に、吸収体が、残っているいかなるエネルギも消滅させる。   Ando et al. “Radial slot antenna for 12 GHz DBS satellite reception” and Yuan et al. “Design and experiment of new radial slot antenna for high power microwave applications” discuss various antennas. The limitation of the antenna described in both these papers is that the beam is formed only at one stationary angle. The feed structure described in these papers is a folded double layer, where the first layer accepts the pin feed and emits a signal outward to the edge, which is folded to the upper layer and the upper layer Then, it transmits from the surroundings to the center while exciting the fixed slot on the way. The slots are typically oriented in orthogonal pairs, giving the opposite in fixed circular polarization and receive mode during transmission. Eventually, the absorber will extinguish any remaining energy.

Fong、Colburn、Ottusch、Visher、Sievenpiper著「スカラー及びテンソルホログラフィック人工的インピーダンス表面」。Sievenpiperは、動的走査アンテナを達成すると考えられる方法を示したが、走査中に維持される偏波忠実度には疑問がある。これは、必要とされる偏波制御が、各放射素子において必要とされるテンソルインピーダンスに依存しているからである。これは、素子毎の回転によって最も容易に達成される。しかし、アンテナが走査する時に、各素子での偏波が変化し、従って、必要とされる回転も変化する。これらの素子は固定され、かつ動的に回転させることができないので、走査して偏波制御を維持する方法がない。   “Scalar and Tensor Holographic Artificial Impedance Surfaces” by Fong, Colburn, Otsch, Visher, Sievenpiper. Although Sievenpiper has shown a way to achieve a dynamic scanning antenna, there are doubts about the polarization fidelity maintained during scanning. This is because the required polarization control depends on the tensor impedance required in each radiating element. This is most easily achieved by element-by-element rotation. However, as the antenna scans, the polarization at each element changes and thus the required rotation also changes. Since these elements are fixed and cannot be dynamically rotated, there is no way to scan and maintain polarization control.

偏波制御を有するビーム走査アンテナを達成する業界標準手法は、通常、電子ビームステアリングと併用して機械回転式円盤又は何らかのタイプの機械的i移動のいずれかを使用する。オプションの中で最も高価なクラスは、フルフェーズドアレイアンテナである。円盤は、同時に複数の偏波を受信することができるが、走査するためにジンバルを必要とする。より最近では、一方の軸における機械的移動を直交軸における電子走査と組み合わせることにより、容積は小さいがThinkomのシステムのようなビーム性能又は動的偏波制御を犠牲にする高アスペクト比を有する構造がもたらされた。   Industry standard approaches to achieve a beam scanning antenna with polarization control typically use either a mechanical rotating disk or some type of mechanical i-movement in conjunction with electron beam steering. The most expensive class of options is the full phased array antenna. The disc can receive multiple polarizations simultaneously, but requires a gimbal to scan. More recently, by combining mechanical movement in one axis with electronic scanning in orthogonal axes, structures with a small aspect but high aspect ratio at the expense of beam performance or dynamic polarization control, such as the Thinkko system Was brought.

Ando他著「12GHzDBS衛星受信のための放射線状スロットアンテナ」Ando et al. "Radial slot antenna for 12GHz DBS satellite reception" Yuan他著「高電力マイクロ波用途のための新しい放射線状スロットアンテナの設計及び実験」Yuan et al. "Design and experiment of a new radial slot antenna for high power microwave applications" Fong、Colburn、Ottusch、Visher、Sievenpiper著「スカラー及びテンソルホログラフィック人工的インピーダンス表面」"Scalar and tensor holographic artificial impedance surfaces" by Fong, Colburn, Otsch, Visher, Sievenpiper

従来手法は、アンテナにフィードするために導波路及び分割器フィード構造を使用する。しかし、導波路設計は、ブロードサイド付近にインピーダンススウィング(1波長周期構造によって生成されるバンドギャップ)を有し、異なるCTEとの接合を必要とし、フィード構造に関連付けられた抵抗損を有し、及び/又はグラウンドプレーンまで延びるための数千のビアを有する。   Conventional approaches use waveguide and divider feed structures to feed the antenna. However, the waveguide design has an impedance swing near the broadside (bandgap generated by a one-wavelength periodic structure), requires a junction with a different CTE, and has a resistive loss associated with the feed structure, And / or have thousands of vias to extend to the ground plane.

円筒フィード式アンテナのための装置及びそれを使用する方法を本明細書に開示する。一実施形態において、アンテナは、円筒形フィード波を入力するためのアンテナフィードとアンテナフィードに結合された同調可能スロット付きアレイとを含む。   An apparatus for a cylindrical feed antenna and a method of using the same are disclosed herein. In one embodiment, the antenna includes an antenna feed for inputting a cylindrical feed wave and a tunable slotted array coupled to the antenna feed.

本発明は、以下の詳細説明から、並びに本発明を特定の実施形態に限定するものと解釈すべきではなく、単に説明と理解のためのものである本発明の様々な実施形態の添付図面からより十分に理解されるであろう。   The invention should not be construed from the following detailed description, but from the accompanying drawings of various embodiments of the invention, which are not to be construed as limiting the invention to the particular embodiments, but are merely for explanation and understanding. Will be better understood.

円筒波フィードを提供するのに使用する同軸フィードの一実施形態の上面図である。FIG. 6 is a top view of one embodiment of a coaxial feed used to provide a cylindrical wave feed. 円筒フィード式アンテナ構造の一実施形態の側面図である。It is a side view of one Embodiment of a cylindrical feed type antenna structure. 円筒フィード式アンテナ構造の一実施形態の側面図である。It is a side view of one Embodiment of a cylindrical feed type antenna structure. 1つのスロット結合式パッチアンテナ又は散乱体の一実施形態の上面図である。FIG. 6 is a top view of one embodiment of a slot-coupled patch antenna or scatterer. 循環フィード式アンテナシステムの一部であるスロットフィード式パッチアンテナの側面図である。It is a side view of the slot feed type patch antenna which is a part of the circulation feed type antenna system. フィード波がその中に発射される誘電材料の例を示す図である。FIG. 5 shows an example of a dielectric material into which a feed wave is launched. スロット及びそれらの配向を示すアイリス基板の一実施形態の図である。FIG. 4 is a diagram of one embodiment of an iris substrate showing slots and their orientation. 1つのアイリス/パッチ組合せの配向が決定される方式を示す図であるFIG. 4 shows how the orientation of one iris / patch combination is determined 第1セットが電力フィードベクトルに対して−45度回転され、第2セットが電力フィードベクトルに対して+45度回転された2つのセットにグループ分けされたアイリスを示す図である。FIG. 3 shows irises grouped into two sets where the first set is rotated −45 degrees with respect to the power feed vector and the second set is rotated +45 degrees with respect to the power feed vector. パッチ基板の実施形態を示す図である。It is a figure which shows embodiment of a patch board | substrate. 作動周波数でオフであると決定された図9のパッチを有する素子の例を示す図であるFIG. 10 illustrates an example of an element having the patch of FIG. 9 determined to be off at the operating frequency. 作動周波数でオンであると決定された図9のパッチを有する素子の例を示す図である。FIG. 10 shows an example of an element having the patch of FIG. 9 determined to be on at the operating frequency. 図10及び11の素子に関してオン及びオフ制御/変調パターンに対する電界応答を示す全波モデリングの結果を示す図である。FIG. 12 shows the results of full wave modeling showing the electric field response to on and off control / modulation patterns for the elements of FIGS. 円筒フィード式アンテナの実施形態を使用して形成されるビームを示す図である。FIG. 3 shows a beam formed using an embodiment of a cylindrical feed antenna. ハニカムパターンに位置決めされたパッチ及びスロットを示す図である。It is a figure which shows the patch and slot which were positioned by the honeycomb pattern. ハニカムパターンに位置決めされたパッチ及びスロットを示す図である。It is a figure which shows the patch and slot which were positioned by the honeycomb pattern. 放射状レイアウトを作り出すためにリング状に位置決めされたパッチ及び関連するスロットを示す図である。FIG. 6 shows patches and associated slots positioned in a ring to create a radial layout. 放射状レイアウトを作り出すためにリング状に位置決めされたパッチ及び関連するスロットに関連付けられた制御パターンを示す図である。FIG. 5 shows a control pattern associated with patches and associated slots positioned in a ring to create a radial layout. 放射状レイアウトを作り出すためにリング状に位置決めされたパッチ及び関連するスロットでの得られるアンテナ応答を示す図である。FIG. 6 shows the resulting antenna response with patches and associated slots positioned in a ring to create a radial layout. 右手円偏波を示す図である。It is a figure which shows a right-handed circularly polarized wave. 左手円偏波を示す図である。It is a figure which shows left-handed circularly polarized wave. パッチを収容するガラス層を含む円筒フィード式アンテナの一部分を示す図である。FIG. 2 shows a portion of a cylindrical feed antenna that includes a glass layer that houses a patch. 誘電体の線形テーパを示す図である。It is a figure which shows the linear taper of a dielectric material. 参照波の例を示す図である。It is a figure which shows the example of a reference wave. 生成された物体波を示す図である。It is a figure which shows the produced | generated object wave. 得られる正弦波変調パターンの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the sine wave modulation pattern obtained. 側面の各々が進行波を底部層から上部層まで伝達させるステップを含む代替アンテナ実施形態を示す図である。FIG. 6 shows an alternative antenna embodiment in which each of the sides includes transmitting a traveling wave from the bottom layer to the top layer.

本発明の実施形態は、フィード点から外向きに円筒形又は同心方式で広がる励振(フィード波)を使用して中心点からアンテナにフィードするアンテナ設計アーキテクチャを含む。アンテナは、フィード波を有する複数の円筒フィード式サブアパーチャアンテナ(例えば、パッチアンテナ)を配置することによって機能する。代替実施形態において、アンテナは、中心から外向きではなく、周囲から内向きにフィードされる。これは、それがアパーチャからエネルギを散乱させることによって生じる振幅励振減衰を相殺するので役立つ可能性がある。散乱は両方の向きで同様に発生するが、フィード波が周囲から内向きに進む際にフィード波におけるエネルギの集束によって生じる自然なテーパが、意図された散乱によって生じる減少テーパを打ち消す。   Embodiments of the present invention include an antenna design architecture that feeds an antenna from a central point using excitation (feed waves) that spreads out cylindrically or concentrically outward from the feed point. The antenna functions by arranging a plurality of cylindrical feed sub-aperture antennas (eg, patch antennas) having feed waves. In an alternative embodiment, the antenna is fed inward from the periphery rather than outward from the center. This can be useful because it cancels the amplitude excitation attenuation caused by scattering energy from the aperture. Scattering occurs in both directions as well, but the natural taper caused by the focusing of energy in the feed wave as the feed wave travels inward from the surrounding cancels the reduced taper caused by the intended scattering.

本発明の実施形態は、ホログラフィを達成するために典型的に必要とされる密度を倍加させること、及び素子の2タイプの直交セットでアパーチャを充填することに基づくホログラフィックアンテナを含む。一実施形態において、1セットの素子は、フィード波に対して+45度に直線的に向けられ、第2のセットの素子は、フィード波に対して−45度に向けられる。両タイプとも、一形態では同軸ピンフィードによって発射された平行板モードである同じフィード波によって照射される。   Embodiments of the present invention include holographic antennas based on doubling the density typically required to achieve holography and filling the aperture with two types of orthogonal sets of elements. In one embodiment, one set of elements is oriented linearly at +45 degrees with respect to the feed wave, and a second set of elements is oriented at -45 degrees with respect to the feed wave. Both types are illuminated by the same feed wave, which in one form is a parallel plate mode fired by a coaxial pin feed.

以下の説明において、本発明のより完全な説明を与えるために多くの詳細を明らかにする。しかし、本発明はこれらの具体的な詳細なしに実施することができることは、当業者には明らかであろう。他の例では、本発明を不明瞭にしないように、公知の構造及びデバイスを詳細ではなく、ブロック図の形態に示している。   In the following description, numerous details are set forth to provide a more thorough explanation of the present invention. However, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be practiced without these specific details. In other instances, well-known structures and devices are shown in block diagram form, rather than in detail, in order not to obscure the present invention.

以下の詳細説明の一部は、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に関して提示される。これらのアルゴリズミック説明及び表現は、最も有効に他の当業者にその仕事の本質を伝えるためにデータ処理分野の当業者によって使用される手段である。アルゴリズムは、ここではかつ一般的に、望ましい結果をもたらす首尾一貫した一連のステップであると考えられる。そのステップは、物理量の物理的操作を必要とするものである。通常、必須ではないが、これらの量は、格納、転送、結合、比較、及び他に操作することができる電気信号又は磁気信号の形態を取る。これらの信号をビット、値、要素、記号、文字、用語、又は数字等として言及することは、主として共通使用理由から時には有利であることが証明されている。   Some of the detailed descriptions below are presented in terms of algorithms and symbolic representations of operations on data bits within a computer memory. These algorithmic descriptions and representations are the means used by those skilled in the data processing arts to most effectively convey the substance of their work to others skilled in the art. The algorithm is here and generally considered to be a consistent series of steps that yields the desired result. The steps are those requiring physical manipulation of physical quantities. Usually, though not necessarily, these quantities take the form of electrical or magnetic signals that can be stored, transferred, combined, compared, and otherwise manipulated. It has proven advantageous at times, principally for reasons of common usage, to refer to these signals as bits, values, elements, symbols, characters, terms, numbers, or the like.

しかし、これら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べきであり、単にこれらの量に適用される有利なラベルに過ぎないということに注意しなければならない。以下の説明から明らかなように、具体的に明記しない限り、説明全体を通して「処理」、「コンピュータ」、「計算」、「決定」、又は「表示」のような用語を利用する説明では、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)量として表現されたデータを操作して、コンピュータシステムのメモリ又はレジスタ、又は他のこのような情報の格納、送信、又は表示のためのデバイス内の物理的な量として同様に表現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電子コンピュータデバイスのアクション及び処理に言及するということが認められる。   It should be noted, however, that all of these and similar terms are to be associated with the appropriate physical quantities and are merely advantageous labels applied to these quantities. As will be apparent from the following description, unless otherwise specified, descriptions that use terms such as "process", "computer", "calculation", "decision", or "display" throughout the description Manipulate data represented as physical (electronic) quantities in system registers and memory to store, transmit, or display computer system memory or registers, or other such information It will be appreciated that reference to actions and processing of a computer system or electronic computing device that translates into another data that is also expressed as a physical quantity within the device.

アンテナシステムの例の概要
通信衛星地上局のため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。一実施形態において、アンテナシステムは、民間商業衛星通信のためのKa帯域周波数又はKu帯域周波数のいずれかを使用して機能するモバイルプラットフォーム上で作動する衛星地上局(ES)(例えば、航空、海上、陸上など)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、モバイルプラットフォーム上にない地上局(例えば、固定型又は可搬型の地上局)でも使用可能であることに注意されたい。
Overview of Antenna System Example An embodiment of a metamaterial antenna system for a communications satellite ground station will be described. In one embodiment, the antenna system is a satellite ground station (ES) operating on a mobile platform that operates using either Ka-band frequencies or Ku-band frequencies for commercial commercial satellite communications (eg, aviation, maritime , Land, etc.) components or subsystems. Note that embodiments of the antenna system can also be used with ground stations that are not on a mobile platform (eg, fixed or portable ground stations).

一実施形態において、アンテナシステムは、別々のアンテナを通してビームを形成し、その送信及び受信をステアリングするために表面散乱メタマテリアル技術を使用する。一実施形態において、アンテナシステムは、デジタル信号処理を使用して電気的にビームを形成して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。   In one embodiment, the antenna system forms a beam through separate antennas and uses surface scattering metamaterial technology to steer its transmission and reception. In one embodiment, the antenna system is an analog system as opposed to an antenna system (such as a phased array antenna) that uses digital signal processing to electrically form and steer the beam.

一実施形態において、アンテナシステムは、以下の3つの機能的サブシステム:(1)円筒波フィードアーキテクチャから構成される波伝播構造、(2)波散乱メタマテリアルユニットセルのアレイ、及び(3)ホログラフィ原理を使用したメタマテリアル散乱素子からの調節可能放射線場(ビーム)の形成を指令する制御構造で構成される。   In one embodiment, the antenna system includes the following three functional subsystems: (1) a wave propagation structure comprised of a cylindrical wave feed architecture, (2) an array of wave scattering metamaterial unit cells, and (3) holography. It consists of a control structure that commands the formation of an adjustable radiation field (beam) from the metamaterial scattering element using the principle.

波伝播構造の例
図1は、円筒波フィードを提供するのに使用する同軸フィードの一実施形態の上面図である。図1を参照すると、同軸フィードは、中心導体と外側導体を含む。一実施形態において、円筒波フィードのアーキテクチャは、フィード点から円筒方式で外向きに広がる励振を使用して中心点からアンテナにフィードする。すなわち、円筒フィード式アンテナは、外向きに進行する同心フィード波を生成する。それでも、円筒フィードの周囲の円筒フィードアンテナの形状は、円形、正方形、又はいずれかの形状とすることができる。別の実施形態において、円筒フィード式アンテナは、内向きに進行するフィード波を生成する。そのような場合に、フィード波は、最も自然に円形構造から生じる。
Example Wave Propagation Structure FIG. 1 is a top view of one embodiment of a coaxial feed used to provide a cylindrical wave feed. Referring to FIG. 1, the coaxial feed includes a center conductor and an outer conductor. In one embodiment, the cylindrical wave feed architecture feeds the antenna from the center point using excitation that extends in a cylindrical fashion outward from the feed point. That is, the cylindrical feed antenna generates concentric feed waves that travel outward. Still, the shape of the cylindrical feed antenna around the cylindrical feed can be circular, square, or any shape. In another embodiment, the cylindrical feed antenna generates a feed wave that travels inward. In such cases, feed waves most naturally arise from a circular structure.

図2Aは、円筒フィード式アンテナ構造の一実施形態の側面図を示している。アンテナは、二重層フィード構造(すなわち、フィード構造の2つの層)を使用して内向きに進行する波を作り出す。一実施形態において、これは必須ではないが、アンテナは、円形の外形を含む。すなわち、非円形の内向きに進行する構造を使用することができる。一実施形態において、図2Aのアンテナ構造は、図1の同軸フィードを含む。   FIG. 2A shows a side view of one embodiment of a cylindrical feed antenna structure. The antenna uses a double layer feed structure (ie, two layers of the feed structure) to create waves that travel inward. In one embodiment, this is not essential, but the antenna includes a circular outline. That is, a non-circular inwardly traveling structure can be used. In one embodiment, the antenna structure of FIG. 2A includes the coaxial feed of FIG.

図2Aを参照すると、同軸ピン201が、アンテナの下側レベルに場を励起するのに使用される。一実施形態において、同軸ピン201は、容易に入手可能な50Ω同軸ピンである。同軸ピン201は、導電性グラウンドプレーン202であるアンテナ構造の底部に結合される(例えば、ボルト締めされる)。   Referring to FIG. 2A, a coaxial pin 201 is used to excite the field to the lower level of the antenna. In one embodiment, the coaxial pin 201 is a readily available 50 Ω coaxial pin. Coaxial pin 201 is coupled (eg, bolted) to the bottom of the antenna structure, which is a conductive ground plane 202.

導電性グラウンドプレーン202とは別に浸入型導体203があり、これは、内部導体である。一実施形態において、導電性グラウンドプレーン202と浸入型導体203とは互いに平行である。一実施形態において、グラウンドプレーン202と浸入型導体203の間の距離は、0.1−0.15”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、作動周波数での進行波の波長である。   Apart from the conductive ground plane 202, there is an intrusive conductor 203, which is an internal conductor. In one embodiment, the conductive ground plane 202 and the intrusive conductor 203 are parallel to each other. In one embodiment, the distance between the ground plane 202 and the intrusive conductor 203 is 0.1-0.15 ″. In another embodiment, this distance can be λ / 2, where Where λ is the wavelength of the traveling wave at the operating frequency.

グラウンドプレーン202は、スペーサ204を通じて浸入型導体203から分離される。一実施形態において、スペーサ204は、発泡体又は空気状スペーサである。一実施形態において、スペーサ204は、プラスチックスペーサを含む。   The ground plane 202 is separated from the intrusive conductor 203 through the spacer 204. In one embodiment, the spacer 204 is a foam or pneumatic spacer. In one embodiment, the spacer 204 includes a plastic spacer.

浸入型導体203の上に誘電体層205がある。一実施形態において、誘電体層205は、プラスチックである。図5は、フィード波がその中に発射される誘電材料の例を示している。誘電体層205の目的は、進行波を自由空間速度に対して減速させることである。一実施形態において、誘電体層205は、自由空間に対して30%だけ進行波を減速させる。一実施形態において、ビーム形成に適切である屈折率の範囲は、1.2−1.8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のような他の誘電体スペーサ材料を使用して、この効果を達成することができる。プラスチック以外の材料も、それらが望ましい波減速効果を達成する限り使用することができることに注意されたい。これに代えて、分散構造を有する材料は、例えば機械加工又はリソグラフィ的に形成することができる周期的波長以下金属構造のような誘電体205として使用することができる。   A dielectric layer 205 is on the intrusive conductor 203. In one embodiment, the dielectric layer 205 is plastic. FIG. 5 shows an example of a dielectric material into which a feed wave is launched. The purpose of the dielectric layer 205 is to decelerate the traveling wave with respect to free space velocity. In one embodiment, the dielectric layer 205 decelerates the traveling wave by 30% relative to free space. In one embodiment, the range of refractive index that is appropriate for beamforming is 1.2-1.8, where free space has a refractive index equal to 1 by definition. This effect can be achieved using other dielectric spacer materials such as plastic. Note that materials other than plastic can be used as long as they achieve the desired wave-moderating effect. Alternatively, a material having a dispersive structure can be used as a dielectric 205, such as a subwavelength metal structure that can be formed, for example, by machining or lithographically.

RFアレイ206が、誘電体205の上にある。一実施形態において、浸入型導体203とRFアレイ206の間の距離は、0.1−0.15”である。別の実施形態において、この距離は、λeff/2である場合があり、ここでλeffは、設計周波数での媒体中の有効波長である。 An RF array 206 is on the dielectric 205. In one embodiment, the distance between the immersive conductor 203 and the RF array 206 is 0.1-0.15 ″. In another embodiment, this distance may be λ eff / 2, Where λ eff is the effective wavelength in the medium at the design frequency.

アンテナは、側面207及び208を含む。側面207及び208は、同軸ピン201からフィードされる進行波を反射によって浸入型導体203の下方の領域(スペーサ層)から浸入型導体203の上方の領域(誘電体層)へ伝播させるように角度をなしている。一実施形態において、側面207及び208の角度は、45度である。代替実施形態において、側面207及び208は、反射を達成するための連続した半径で置換することができる。図2Aは、45度の角度を含む傾斜した側面を示すが、下側レベルフィードから上側レベルフィード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、下側フィードの有効波長が一般的に上側フィードとは異なることになることを考慮すると、理想的な45度の角度から何らかの偏差を使用して、下側から上側フィードレベルへの伝達を補助することができる。例えば、別の実施形態において、45度の角度は、図20に示すような単一ステップで置換される。図20を参照すると、ステップ2001及び2002は、誘電体層2005、浸入型導体2003、及びスペーサ層2004の周りでアンテナの一端上に示されている。同じ2つのステップが、これらの層の他方の縁部にある。   The antenna includes side surfaces 207 and 208. The side surfaces 207 and 208 are angled so that the traveling wave fed from the coaxial pin 201 is propagated by reflection from the region below the immersive conductor 203 (spacer layer) to the region above the immersive conductor 203 (dielectric layer). I am doing. In one embodiment, the angle of sides 207 and 208 is 45 degrees. In an alternative embodiment, the sides 207 and 208 can be replaced with a continuous radius to achieve reflection. FIG. 2A shows a slanted side including an angle of 45 degrees, but other angles can be used to achieve signal propagation from the lower level feed to the upper level feed. That is, considering that the effective wavelength of the lower feed will generally be different from the upper feed, some deviation from the ideal 45 degree angle is used to transfer from the lower to the upper feed level. Can assist. For example, in another embodiment, a 45 degree angle is replaced in a single step as shown in FIG. Referring to FIG. 20, steps 2001 and 2002 are shown on one end of the antenna around a dielectric layer 2005, an intrusive conductor 2003, and a spacer layer 2004. The same two steps are at the other edge of these layers.

作動中、フィード波が同軸ピン201からフィードされると、波は、グラウンドプレーン202と浸入型導体203の間の領域で同軸ピン201から同心方式で外向きに向けられて進行する。同心的に射出する波は、側面207及び208によって反射され、浸入型導体203とRFアレイ206の間の領域で内向きに進行する。円形周囲の縁部からの反射は、波を同相のままにする(すなわち、それは同相反射である)。進行波は、誘電体層205により減速される。この時に、望ましい散乱を得るために、進行波は、RFアレイ206内の素子との相互作用及び励振を開始する。   In operation, when a feed wave is fed from the coaxial pin 201, the wave travels concentrically outward from the coaxial pin 201 in the region between the ground plane 202 and the intrusive conductor 203. The concentrically exiting waves are reflected by the side surfaces 207 and 208 and travel inward in the region between the intrusive conductor 203 and the RF array 206. Reflection from the edge around the circle leaves the wave in phase (ie it is an in-phase reflection). The traveling wave is decelerated by the dielectric layer 205. At this time, the traveling wave initiates interaction and excitation with elements in the RF array 206 to obtain the desired scattering.

進行波を消滅させるために、終端209が、アンテナの幾何学的中心でアンテナに含まれる。一実施形態において、終端209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209は、未使用エネルギを消滅させてアンテナのフィード構造を通したその未使用エネルギの反射を防止するRF吸収体を含む。これらは、RFアレイ206の上部に使用することができる。   A termination 209 is included in the antenna at the geometric center of the antenna to extinguish the traveling wave. In one embodiment, termination 209 includes a pin termination (eg, a 50Ω pin). In another embodiment, termination 209 includes an RF absorber that extinguishes unused energy and prevents reflection of that unused energy through the antenna feed structure. These can be used on top of the RF array 206.

図2B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2Bを参照すると、2つのグラウンドプレーン210及び211は、グラウンドプレーン210と211の間にある誘電体層212(例えば、プラスチック層など)と実質的に平行である。RF吸収体213及び214(例えば、抵抗器)は、2つのグラウンドプレーン210と211を互いに結合する。同軸ピン215(例えば、50Ω)は、アンテナにフィードする。RFアレイ216は、誘電体層212の上にある。   FIG. 2B shows another embodiment of the antenna system with an exit wave. Referring to FIG. 2B, the two ground planes 210 and 211 are substantially parallel to a dielectric layer 212 (eg, a plastic layer, etc.) between the ground planes 210 and 211. RF absorbers 213 and 214 (eg, resistors) couple the two ground planes 210 and 211 together. A coaxial pin 215 (eg, 50Ω) feeds the antenna. The RF array 216 is over the dielectric layer 212.

作動中、フィード波は、同軸ピン215を通してフィードされ、外向きに同心的に進行してRFアレイ216の素子と相互作用をする。   In operation, the feed wave is fed through the coaxial pin 215 and travels concentrically outward to interact with the elements of the RF array 216.

図2A及び図2Bの両アンテナにおける円筒形フィードは、アンテナの使用角度を改善する。±45度の方位角(±45°Az)及び±25度の仰角(±25°El)という使用角度ではなく、一実施形態において、アンテナシステムは、全方向にボアサイトから75度(75°)の使用角度を含む。多くの個々の放射体から構成されるあらゆる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構成素子の利得に依存する。共通の放射素子を使用する時に、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遠く外れて指向されるので減少する。ボアサイトから75度外れると、約6dBの有意な利得低下が予想される。   The cylindrical feed in both antennas of FIGS. 2A and 2B improves the angle of use of the antenna. Rather than a working angle of ± 45 degrees azimuth (± 45 ° Az) and ± 25 degrees elevation (± 25 ° El), in one embodiment, the antenna system is 75 degrees (75 ° from boresight) in all directions. ) Use angle. As with any beamforming antenna composed of many individual radiators, the overall antenna gain depends on the gain of the component, which itself depends on the angle. When using a common radiating element, the overall antenna gain typically decreases as the beam is directed far away from the boresight. A significant gain drop of about 6 dB is expected at 75 degrees off boresight.

円筒形フィード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でフィードされるアンテナと比べてフィード構造を劇的に簡素化し、従って、全体で必要とされるアンテナ及びアンテナフィード量を低減すること、より粗い制御(単純なバイナリ制御まで拡張すること)で高いビーム性能を維持することにより製造及び制御の誤差に対する感度を低下させること、円筒配向フィード波が遠視野に空間的に様々なサイドローブをもたらすので、直線的フィードと比べてより有利なサイドローブパターンを与えること、及び偏波器を必要とせずに左手円偏波、右手円偏波、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を含む。   An embodiment of an antenna having a cylindrical feed solves one or more problems. They dramatically simplify the feed structure compared to antennas fed in an integrated divider network, thus reducing the overall required antenna and amount of antenna feed, coarser control (simple binary control Reducing the sensitivity to manufacturing and control errors by maintaining high beam performance, and cylindrically oriented feed waves provide spatially varying side lobes in the far field, compared to linear feeds The polarization is dynamic, including providing a more advantageous sidelobe pattern and enabling left-handed, right-handed, and linearly polarized waves without the need for a polarizer Including enabling.

波散乱素子のアレイ
図2AのRFアレイ及び図2BのRFアレイ216は、放射体として機能する1群のパッチアンテナ(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群は、散乱メタマテリアル素子のアレイを含む。
Array of Wave Scattering Elements The RF array of FIG. 2A and the RF array 216 of FIG. 2B include a wave scattering subsystem that includes a group of patch antennas (ie, scatterers) that function as radiators. The patch antenna group includes an array of scattering metamaterial elements.

一実施形態において、アンテナシステム内の各散乱素子は、下側導体、誘電体基板、及び上側導体にエッチングされるか又はその上に堆積される相補的な電気誘導性−容量性共振器(「相補的電気LC」又は「CELC」)を埋め込む上側導体とで構成されるユニットセルの一部である。   In one embodiment, each scattering element in the antenna system is a complementary electrically inductive-capacitive resonator ("" etched or deposited on the lower conductor, dielectric substrate, and upper conductor. Part of a unit cell composed of an upper conductor that embeds a complementary electric LC "or" CELC ").

一実施形態において、液晶(LC)が、散乱素子の周囲の間隙に注入される。液晶は、各ユニットセル内にカプセル封入され、そのパッチに関連付けられた上側導体からスロットに関連付けられた下側導体を分離する。液晶は、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(及び従って誘電率)は、液晶を横切る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、ガイド波からCELCへのエネルギ伝達のためのオン/オフスイッチとして機能する。スイッチがオンになると、CELCは、電気的に微小なダイポールアンテナのように電磁波を放射する。   In one embodiment, liquid crystal (LC) is injected into the gap around the scattering element. The liquid crystal is encapsulated within each unit cell and separates the lower conductor associated with the slot from the upper conductor associated with the patch. Liquid crystals have a dielectric constant that is a function of the orientation of the molecules containing the liquid crystal, and the orientation of the molecules (and thus the dielectric constant) can be controlled by adjusting the bias voltage across the liquid crystal. Using this characteristic, the liquid crystal functions as an on / off switch for energy transfer from the guide wave to the CELC. When the switch is turned on, CELC emits electromagnetic waves like an electrically minute dipole antenna.

LCの厚みを制御することにより、ビームのスイッチング速度が増加する。下側及び上側導体間の間隙(液晶の厚み)の50%減少が、4倍の速度増加をもたらす。別の実施形態において、液晶の厚みにより、約14ミリ秒(14ms)のビームスイッチング速度がもたらされる。一実施形態において、LCは、7ミリ秒(7ms)の要件を満たせるように、応答性を改善するための当業技術で公知の方法でドープされる。   By controlling the LC thickness, the beam switching speed is increased. A 50% decrease in the gap (liquid crystal thickness) between the lower and upper conductors results in a four-fold speed increase. In another embodiment, the thickness of the liquid crystal provides a beam switching speed of about 14 milliseconds (14 ms). In one embodiment, the LC is doped in a manner known in the art to improve responsiveness to meet the 7 millisecond (7 ms) requirement.

CELC素子は、CELC素子の面に平行にかつCELC間隙相補体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ユニットセル内の液晶に印加されると、ガイド波の磁場成分はCELCの磁気励振を誘導し、それは、次に、その磁気励振がガイド波と同じ周波数の電磁波を作り出す。   The CELC element is responsive to a magnetic field applied parallel to the plane of the CELC element and perpendicular to the CELC gap complement. When a voltage is applied to the liquid crystal in the metamaterial scattering unit cell, the magnetic field component of the guide wave induces CELC magnetic excitation, which in turn creates an electromagnetic wave with the same frequency as the guide wave.

単一CELCによって生成される電磁波の位相は、ガイド波ベクトル上のCELCの位置によって選択することができる。各セルは、CELCに平行なガイド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、ガイド波がCELCの下を通過する時にガイド波と同一の位相を有する。   The phase of the electromagnetic wave generated by a single CELC can be selected by the position of CELC on the guide wave vector. Each cell generates a wave in phase with the guide wave parallel to CELC. Since CELC is smaller than the wavelength, the output wave has the same phase as the guide wave when the guide wave passes under CELC.

一実施形態において、このアンテナシステムの円筒形フィード形状は、CELC素子を波フィードでの波ベクトルに対して45度(45°)に位置決めすることを可能にする。この素子の位置決めにより、この素子から生成されるか又はこの素子により受け取られる自由空間波の偏波の制御が可能になる。一実施形態において、CELCは、アンテナの作動周波数の自由空間波長よりも小さい素子間隔で配置される。例えば、1波長当たり4つの散乱素子がある場合に、30GHz送信アンテナ内の素子は、約2.5mmになる(すなわち、30GHzの自由空間波長10mmの1/4)。   In one embodiment, the cylindrical feed shape of the antenna system allows the CELC element to be positioned at 45 degrees (45 °) with respect to the wave vector in the wave feed. The positioning of this element allows control of the polarization of free space waves generated from or received by this element. In one embodiment, the CELC is arranged with an element spacing that is less than the free space wavelength of the antenna's operating frequency. For example, if there are four scattering elements per wavelength, the elements in a 30 GHz transmit antenna will be approximately 2.5 mm (ie, 1/4 of 30 mm free space wavelength 10 mm).

一実施形態において、CELCは、スロットの上に配列されたパッチをその両者の間に液晶を有して含むパッチアンテナを使用して実施される。この点において、メタマテリアルアンテナは、スロット型(散乱型)導波路のように機能する。スロット型導波路に関して、出力波の位相は、ガイド波に対するスロットの位置に依存する。   In one embodiment, CELC is implemented using a patch antenna that includes a patch arranged over a slot with a liquid crystal in between. In this respect, the metamaterial antenna functions like a slot (scattering) waveguide. With respect to the slot waveguide, the phase of the output wave depends on the position of the slot with respect to the guide wave.

図3は、1つのパッチアンテナ又は散乱素子の一実施形態の上面図を示している。図3を参照すると、パッチアンテナは、パッチ301とスロット302間に液晶(LC)303を有してスロット302の上に配列されたパッチ301を含む。   FIG. 3 shows a top view of one embodiment of one patch antenna or scattering element. Referring to FIG. 3, the patch antenna includes a patch 301 having a liquid crystal (LC) 303 between the patch 301 and the slot 302 and arranged on the slot 302.

図4は、循環フィード式アンテナシステムの一部であるパッチアンテナの側面図を示している。図4を参照すると、パッチアンテナは、図2Aの浸入型導体203(あるいは、図2Bのアンテナの場合のような接地導体)の上方にある誘電体402(例えば、プラスチックインサートなど)の上方にある。   FIG. 4 shows a side view of a patch antenna that is part of a circulating feed antenna system. Referring to FIG. 4, the patch antenna is above a dielectric 402 (eg, a plastic insert or the like) above the immersive conductor 203 of FIG. 2A (or a ground conductor as in the antenna of FIG. 2B). .

アイリス基板403は、誘電体402の上及びそれにわたるスロット403aのようないくつかのスロットを有するグラウンドプレーン(導体)である。スロットを本明細書ではアイリスとして言及する場合がある。一実施形態において、アイリス基板403内のスロットは、エッチングにより作り出される。一実施形態において、スロット又はスロットがその一部になるセルの最大密度はλ/2であることに注意されたい。一実施形態において、スロット/セルの密度はλ/3である(すなわち、λ当たり3セル)。他のセル密度を使用することができるということに注意されたい。   The iris substrate 403 is a ground plane (conductor) having several slots, such as slots 403a over and across the dielectric 402. A slot may be referred to herein as an iris. In one embodiment, the slots in the iris substrate 403 are created by etching. Note that in one embodiment, the maximum density of a slot or a cell of which a slot is a part is λ / 2. In one embodiment, the slot / cell density is λ / 3 (ie, 3 cells per λ). Note that other cell densities can be used.

パッチ405aのようないくつかのパッチを収容するパッチ基板405は、中間誘電体層により分離されてアイリス基板403の上に位置付けられる。パッチ405aのようなパッチの各々は、アイリス基板内のスロットのうちの1つと並置される。一実施形態において、アイリス基板403とパッチ基板405の間の中間誘電体層は、液晶基板層404である。液晶は、各パッチとその並置スロットの間の誘電体層として機能する。LC以外の基板層を使用することができるということに注意されたい。   A patch substrate 405 containing several patches, such as patch 405a, is positioned on the iris substrate 403 separated by an intermediate dielectric layer. Each of the patches, such as patch 405a, is juxtaposed with one of the slots in the iris substrate. In one embodiment, the intermediate dielectric layer between the iris substrate 403 and the patch substrate 405 is a liquid crystal substrate layer 404. The liquid crystal functions as a dielectric layer between each patch and its juxtaposed slot. Note that substrate layers other than LC can be used.

一実施形態において、パッチ基板405は、プリント回路基板(PCB)を含み、各パッチは、PCB上に金属を有しており、そこではパッチの周囲の金属は除去されている。   In one embodiment, the patch substrate 405 includes a printed circuit board (PCB), each patch having metal on the PCB, where the metal around the patch has been removed.

一実施形態において、パッチ基板405は、パッチがその並置スロットに面する側とは反対側のパッチ基板面にある各パッチのためのビアを含む。パッチに電圧を与えるために、ビアを使用して1又は2以上のトレースをパッチに接続する。一実施形態において、パッチを制御するために、マトリックスドライブを使用してパッチに電圧を印加する。ビーム形成を達成するために、電圧を使用して個々の素子を同調又は離調する。   In one embodiment, the patch substrate 405 includes a via for each patch on the side of the patch substrate opposite to the side where the patch faces its juxtaposed slot. Vias are used to connect one or more traces to the patch in order to apply a voltage to the patch. In one embodiment, a voltage is applied to the patch using a matrix drive to control the patch. To achieve beamforming, voltages are used to tune or detune individual elements.

一実施形態において、パッチは、回路パッチ基板を使用する代わりに、ガラス層(例えば、コーニング・イーグルガラスのような典型的には液晶ディスプレイ(LCD)のために使用されるガラス)の上に堆積させることができる。図17は、パッチを収容するガラス層を含む円筒フィード式アンテナの一部分を示している。図17を参照すると、アンテナは、導電性ベース又は接地層1701と、誘電体層1702(例えば、プラスチック)と、スロット及び液晶基板層1704を収容するアイリス基板1703(例えば、回路基板)と、パッチ1710を収容するガラス層1705とを含む。一実施形態において、パッチ1710は、矩形の形状を含む。一実施形態において、スロット及びパッチは、行と列に位置決めされ、パッチの向きは各行又は列について同じであるが、一方、並置スロットの向きは、行又は列についてそれぞれ互いに対して同じ向きに向けられる。   In one embodiment, the patch is deposited on a glass layer (eg, glass typically used for liquid crystal displays (LCDs) such as Corning Eagle glass) instead of using a circuit patch substrate. Can be made. FIG. 17 shows a portion of a cylindrical feed antenna that includes a glass layer containing a patch. Referring to FIG. 17, the antenna includes a conductive base or ground layer 1701, a dielectric layer 1702 (eg, plastic), an iris substrate 1703 (eg, circuit board) that houses the slot and liquid crystal substrate layer 1704, and a patch. A glass layer 1705 containing 1710. In one embodiment, the patch 1710 includes a rectangular shape. In one embodiment, the slots and patches are positioned in rows and columns, and the patch orientation is the same for each row or column, while the juxtaposed slots are oriented in the same orientation relative to each other for the row or column. It is done.

一実施形態において、キャップ(例えば、レードームキャップ)が、保護を提供するためにパッチアンテナスタックの上部を覆っている。   In one embodiment, a cap (eg, radome cap) covers the top of the patch antenna stack to provide protection.

図6は、アイリス基板403の一実施形態を示している。これは、CELCの下側導体である。図6を参照すると、アイリス基板は、スロットのアレイを含む。一実施形態において、各スロットは、スロットの中央位置に入射するフィード波に対して+45度又は−45度のいずれかに向けられる。言い換えれば、散乱素子(CELC)のレイアウトパターンは、波ベクトルに対して±45度で配置される。各スロットの下には円形開口部403bがあり、これは本質的に別のスロットである。スロットはアイリス基板の上部にあり、円形又は楕円形開口部は、アイリス基板の底部にある。これらの開口部は、深さ約0.001”又は25mmとすることができるが、任意的であることに注意されたい。   FIG. 6 shows an embodiment of the iris substrate 403. This is the lower conductor of CELC. Referring to FIG. 6, the iris substrate includes an array of slots. In one embodiment, each slot is oriented at either +45 degrees or -45 degrees with respect to a feed wave incident on the central position of the slot. In other words, the layout pattern of the scattering element (CELC) is arranged at ± 45 degrees with respect to the wave vector. Below each slot is a circular opening 403b, which is essentially another slot. The slot is at the top of the iris substrate and the circular or elliptical opening is at the bottom of the iris substrate. Note that these openings can be about 0.001 "or 25 mm deep, but are optional.

スロット付きアレイは、同調可能かつ有向的にロードされる。個々のスロットをオフ又はオンにすることにより、各スロットは、アンテナの作動周波数において望ましい散乱を与えるように同調される(すなわち、与えられた周波数で作動するように同調される)。   The slotted array is tuned and directed loaded. By turning individual slots off or on, each slot is tuned to provide the desired scattering at the operating frequency of the antenna (ie, tuned to operate at a given frequency).

図7は、1つのアイリス(スロット)/パッチ組合せの配向が決定される方式を示す図である。図7を参照すると、文字Aは、円筒形フィード位置から素子の中心への電力フィードベクトルを意味する実線の黒い矢印を示している。文字Bは、「A」に対して垂直な軸を示す破線の直交線を表し、文字Cは、「B」に対して45度回転した破線の矩形包囲スロットを表している。   FIG. 7 is a diagram illustrating a manner in which the orientation of one iris (slot) / patch combination is determined. Referring to FIG. 7, the letter A shows a solid black arrow that represents the power feed vector from the cylindrical feed position to the center of the element. Character B represents a dashed orthogonal line indicating an axis perpendicular to “A”, and character C represents a dashed rectangular enclosure slot rotated 45 degrees relative to “B”.

図8は、第1セットが電力フィードベクトルに対して−45度回転され、第2セットが電力フィードベクトルに対して+45度回転された2セットにグループ分けされたアイリスを示す図である。図8を参照すると、群Aは、電力フィードベクトルに対する回転角が−45°に等しいスロットを含み、群Bは、電力フィードベクトルに対する回転角が+45°であるスロットを含む。   FIG. 8 is a diagram showing irises grouped into two sets where the first set is rotated −45 degrees with respect to the power feed vector and the second set is rotated +45 degrees with respect to the power feed vector. Referring to FIG. 8, group A includes slots whose rotation angle for the power feed vector is equal to −45 °, and group B includes slots whose rotation angle for the power feed vector is + 45 °.

グローバル座標系の指定は重要ではなく、従って、負と正の角度の回転は、互い対する及びフィード波方向に対する素子の相対的な回転を説明するためだけに重要であることに注意されたい。2セットの直線偏波素子から円偏波を生成するために、2セットの素子は互いに対して垂直であり、同時に等振幅励振を含む。2セットの素子をフィード波励振に対して±45度回転させることにより、両方の望ましい特徴が同時に達成される。1セットを0度及びもう1セットを90度回転させることによって垂直という目標は達成されるが、等振幅励振という目標が達成されないことになる。   Note that the specification of the global coordinate system is not important, and thus the negative and positive angular rotations are only important to account for the relative rotation of the elements relative to each other and to the feed wave direction. In order to generate circular polarization from two sets of linearly polarized elements, the two sets of elements are perpendicular to each other and at the same time include equal amplitude excitation. By rotating the two sets of elements ± 45 degrees relative to the feed wave excitation, both desirable features are achieved simultaneously. By rotating one set to 0 degrees and the other set to 90 degrees, the goal of vertical is achieved, but the goal of equal amplitude excitation is not achieved.

図9は、パッチ基板405の一実施形態を示している。これは、CELCの上側導体である。図9を参照すると、パッチ基板は、スロットを覆い、かつオン及びオフにされる直線偏波のパッチ/スロット共振対を完成させる矩形パッチを含む。この対は、コントローラを使用してパッチに電圧を印加することによりオン又はオフにされる。必要とされる電圧は、使用する液晶混合物、液晶の同調を開始するのに必要とされる得られる閾値電圧、及び最大飽和電圧(これを超える高電圧は、最後に液晶を劣化させるか又は液晶を通して短絡する以外には何の効果も生み出さない)に依存する。一実施形態において、共振対の結合を制御するために、マトリックスドライブを使用してパッチに電圧を印加する。   FIG. 9 shows an embodiment of the patch substrate 405. This is the upper conductor of CELC. Referring to FIG. 9, the patch substrate includes a rectangular patch that covers a slot and completes a linearly polarized patch / slot resonant pair that is turned on and off. This pair is turned on or off by applying a voltage to the patch using the controller. The required voltage depends on the liquid crystal mixture used, the resulting threshold voltage required to start tuning the liquid crystal, and the maximum saturation voltage (a high voltage above this will eventually degrade the liquid crystal or It produces no effect other than shorting through). In one embodiment, a matrix drive is used to apply a voltage to the patch to control the coupling of the resonant pair.

アンテナシステム制御
制御構造は、2つの主要構成要素を有し、すなわち、アンテナシステムのためのドライブ電子機器を含むコントローラが、波散乱構造の下にあり、一方、マトリックスドライブスイッチングアレイが、放射を妨げないような方法で放射RFアレイ全体を通して散在している。一実施形態において、アンテナシステムのためのドライブ電子機器は、散乱素子に対するACバイアス信号の振幅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機器に使用される市販の既製LCD制御器を含む。
The antenna system control and control structure has two main components: the controller containing the drive electronics for the antenna system is under the wave scattering structure, while the matrix drive switching array prevents radiation Scattered throughout the radiating RF array in such a way. In one embodiment, the drive electronics for the antenna system includes a commercial off-the-shelf LCD control used in commercial television equipment that adjusts the bias voltage for each scatter element by adjusting the amplitude of the AC bias signal for the scatter element. Including a bowl.

一実施形態において、コントローラは、ソフトウエア制御を使用して電子機器を制御する。一実施形態において、偏波の制御は、アンテナのソフトウエア制御の一部であり、偏波は、地上局が通信している衛星サービスから来る信号の偏波と一致するように予めプログラムされるか又は衛星上の受信アンテナの偏波と一致するように予めプログラムされる。   In one embodiment, the controller controls the electronic device using software control. In one embodiment, polarization control is part of the antenna software control, and the polarization is pre-programmed to match the polarization of the signal coming from the satellite service with which the ground station is communicating. Or preprogrammed to match the polarization of the receiving antenna on the satellite.

一実施形態において、コントローラはまた、ソフトウエ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、センサ(名目上はGPS受信機、3軸コンパス、及び加速度計を含む)を組み込んで、プロセッサに位置及び方位情報を提供することができる。位置及び方位情報は、地上局にある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/又は位置及び方位情報は、アンテナシステムの一部ではない場合がある。   In one embodiment, the controller also includes a microprocessor executing software. The control structure can also incorporate sensors (including nominally GPS receivers, 3-axis compass, and accelerometers) to provide position and orientation information to the processor. The position and orientation information can be provided to the processor by other systems at the ground station, and / or the position and orientation information may not be part of the antenna system.

より具体的には、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を制御する。素子は、電圧を印加することによって周波数作動に対して選択的に離調される。コントローラは、RF放射パッチに電圧信号のアレイをフィードし、変調又は制御パターンを作り出す。制御パターンは、素子をオン又はオフにする。一実施形態において、制御パターンは、1つの螺旋(LHCP又はRHCP)に沿った素子が「オン」であり、螺旋から離れた素子が「オフ」である方形波に似ている(すなわち、バイナリ変調パターン)。別の実施形態において、方形波(すなわち、正弦波グレー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までオン及びオフにされ、正弦波制御パターンを更に近似する多重状態制御を使用する。一部の素子が放射して一部の素子が放射しないということではなく、一部の素子は、他の素子よりも強く放射する。可変的な放射は、特定の電圧レベルを印加することによって達成されるが、これは、液晶の誘電率を様々な量に調節し、それによって可変的に素子を離調して一部の素子に他の素子より多く放射させる。   More specifically, the controller controls which elements are turned off and which are turned on at the operating frequency. The element is selectively detuned for frequency operation by applying a voltage. The controller feeds an array of voltage signals to the RF radiating patch to create a modulation or control pattern. The control pattern turns the element on or off. In one embodiment, the control pattern resembles a square wave with elements along one helix (LHCP or RHCP) “on” and elements off the helix “off” (ie, binary modulation). pattern). In another embodiment, in contrast to a square wave (ie, a sinusoidal gray shade modulation pattern), various elements are turned on and off to various levels to provide a multi-state control that further approximates the sinusoidal control pattern. use. It does not mean that some elements radiate and some elements do not radiate, some elements radiate more strongly than others. Variable radiation is achieved by applying a specific voltage level, which adjusts the dielectric constant of the liquid crystal to various amounts, thereby variably detuning the elements and some elements. More than other elements.

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、建設的干渉と破壊的干渉という現象によって説明することができる。個々の電磁波は、それらが自由空間で出会う時に同相である場合は足し合わされ(建設的干渉)、自由空間で出会う時に逆位相である場合は互いに打ち消し合う(破壊的干渉)。連続する各スロットがガイド波の励振点から異なる距離に位置するようにスロットアンテナのスロットが位置決めされている場合に、その素子からの散乱波は、以前のスロットの散乱波と異なる位相を含むことになる。スロットがガイド波長の4分の1だけ離間している場合に、各スロットは、以前のスロットから4分の1の位相遅延を含む波を散乱することになる。   The generation of a focused beam by the metamaterial array of elements can be explained by the phenomenon of constructive and destructive interference. Individual electromagnetic waves are added together if they are in phase when they meet in free space (constructive interference), and cancel each other if they are out of phase when they meet in free space (destructive interference). When the slot of the slot antenna is positioned so that each successive slot is located at a different distance from the excitation point of the guide wave, the scattered wave from that element has a phase different from that of the previous slot. become. If the slots are separated by a quarter of the guide wavelength, each slot will scatter a wave containing a quarter phase delay from the previous slot.

このアレイを使用することで、ホログラフィの原理を利用して理論的にはアンテナアレイのボアサイトから±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、生成可能な建設的及び破壊的干渉のパターンの数を増加させることができる。従って、どのメタマテリアルのユニットセルをオン又はオフにするかを制御することにより(すなわち、どのセルをオンにし、どのセルがオフにするかというパターンを変化させることにより)、建設的及び破壊的干渉の異なるパターンを生成することができ、アンテナは波面の方向を変えることができる。ユニットセルをオン及びオフにするのに必要とされる時間は、ビームをある位置から別の位置に切り換えることができる速度を定める。   Using this array, it is possible to generate constructive so that the beam can be directed in any direction ± 90 degrees (90 °) from the boresight of the antenna array using the principle of holography. And the number of patterns of destructive interference can be increased. Therefore, by controlling which metamaterial unit cells are turned on or off (ie by changing the pattern of which cells are turned on and which cells are turned off), constructive and destructive Different patterns of interference can be generated and the antenna can change the direction of the wavefront. The time required to turn the unit cell on and off determines the speed at which the beam can be switched from one position to another.

偏波及びビーム指向角度は共に、変調、つまりどの素子がオン又はオフであるかを識別する制御パターンによって定められる。言い換えれば、望ましい方法でビームを指向させて偏波させるための周波数は、制御パターンに依存する。制御パターンはプログラマブルなので、偏波は、アンテナシステムに対してプログラムすることができる。望ましい偏波状態は、ほとんどの用途に関して円偏波又は直線偏波である。円偏波状態は、螺旋状偏波状態、つまり右手円偏波と左手円偏波を含み、中心からフィードされて外向きに進行するフィード波に関して、それらをそれぞれ図16Aと16Bに示している。フィード方向(例えば、流入フィードから流出フィードへ向う)を切り換えながら同じビームを得るために、配向又は向き、又は螺旋状変調パターンを反転させることに注意されたい。オン及びオフの素子の固定螺旋状パターンが左手円偏波又は右手円偏波をもたらすと明言する場合に、フィード波の方向(すなわち、中心フィード又は縁部フィード)も識別されるということに注意されたい。   Both polarization and beam pointing angle are defined by modulation, a control pattern that identifies which elements are on or off. In other words, the frequency for directing and polarizing the beam in a desirable manner depends on the control pattern. Since the control pattern is programmable, the polarization can be programmed for the antenna system. The desired polarization state is circular or linear polarization for most applications. The circular polarization state includes a spiral polarization state, that is, a right-handed circular polarization and a left-handed circular polarization, and the feed waves that are fed from the center and travel outward are shown in FIGS. 16A and 16B, respectively. . Note that in order to obtain the same beam while switching the feed direction (eg, from the inflow feed to the outflow feed), the orientation or orientation or the helical modulation pattern is reversed. Note that the direction of the feed wave (ie, center feed or edge feed) is also identified when stating that a fixed spiral pattern of on and off elements results in left-handed or right-handed circular polarization. I want to be.

各ビームに対する制御パターンは、コントローラに格納されるか、作動中に計算されるか、又はその組合せになる。アンテナがどこに位置してどこを指向しているかをアンテナ制御システムが識別すると、アンテナ制御システムは、その後に、目標の衛星がアンテナのボアサイトに対してどこに位置付けられるかを識別する。コントローラは、その後に、アンテナ視野内での衛星位置に関して予め選択されたビームパターンに対応するアレイ内の個々のユニットセルのオンオフパターンを指令する。   The control pattern for each beam is stored in the controller, calculated during operation, or a combination thereof. Once the antenna control system identifies where and where the antenna is located, the antenna control system then identifies where the target satellite is located relative to the antenna boresight. The controller then commands an on / off pattern of individual unit cells in the array corresponding to a preselected beam pattern with respect to satellite position in the antenna field of view.

一実施形態において、アンテナシステムは、アップリンクアンテナのための1つのステアリング可能ビームとダウンリンクアンテナのための1つのステアリング可能ビームを生成する。   In one embodiment, the antenna system generates one steerable beam for the uplink antenna and one steerable beam for the downlink antenna.

図10は、作動周波数でオフと決定された図9内のパッチを有する素子の一例を示し、図11は、作動周波数でオンと決定された図9内のパッチを有する素子の一例を示している。図12は、図10及び11の素子に関して、オンオフの変調パターンに対する電界応答を示す全波モデリングの結果を示している。   FIG. 10 shows an example of an element having the patch in FIG. 9 determined to be off at the operating frequency, and FIG. 11 shows an example of an element having the patch in FIG. 9 determined to be on at the operating frequency. Yes. FIG. 12 shows full-wave modeling results showing the electric field response for the on-off modulation pattern for the elements of FIGS.

図13は、ビーム形成を示している。図13を参照すると、干渉パターンを調節して、選択されたビームパターンに対応する干渉パターンを識別し、次に散乱素子にわたる電圧を調節してホログラフィの原理に従ってビームを生成することにより、任意のアンテナ放射パターンを提供することができる。ホログラフィの基本的な原理は、一般的にこれらの原理に関連して使用される用語「物体ビーム」及び「参照ビーム」を含めて公知である。「参照ビーム」として進行波を使用して望ましい「物体ビーム」を形成するステップに関連して、RFホログラフィを以下のように実行する。   FIG. 13 shows beam forming. Referring to FIG. 13, by adjusting the interference pattern to identify the interference pattern corresponding to the selected beam pattern, and then adjusting the voltage across the scattering element to generate a beam according to the principles of holography, An antenna radiation pattern can be provided. The basic principles of holography are known, including the terms “object beam” and “reference beam”, which are generally used in connection with these principles. In connection with the step of using the traveling wave as the “reference beam” to form the desired “object beam”, RF holography is performed as follows.

変調パターンは、次のように決定される。最初に、時にはフィード波と呼ばれる参照波(ビーム)を生成する。図19Aは、参照波の一例を示している。図19Aを参照すると、リング1900は、参照波の電磁場の位相面である。それらは、正弦曲線的な時間変動を示している。矢印1901は、参照波の外向き伝播を示している。   The modulation pattern is determined as follows. First, a reference wave (beam), sometimes called a feed wave, is generated. FIG. 19A shows an example of a reference wave. Referring to FIG. 19A, ring 1900 is a phase plane of the electromagnetic field of the reference wave. They show sinusoidal time variations. An arrow 1901 indicates outward propagation of the reference wave.

この例では、TEM、つまり横電磁界波は、内向き又は外向きに進行する。伝播の方向も定められ、この例では中央フィード点から外向きへの伝播が選択される。伝播平面は、アンテナ面に沿っている。   In this example, the TEM, that is, the transverse electromagnetic wave, travels inward or outward. The direction of propagation is also defined, and in this example, outward propagation from the central feed point is selected. The propagation plane is along the antenna surface.

時には物体ビームと呼ばれる物体波が生成される。この例では、物体波は、方位角を0度に設定して、アンテナ面の法線から30度外れた方向に進行するTEM波である。偏波も定められ、この例では右手円偏波が選択されている。図19Bは、生成された物体波を示している。図19Bを参照すると、伝播するTEM波1904の電磁場の位相面1903が示されている。矢印1905は、各位相面における電界ベクトルであり、90度間隔で表されている。この例では、それらは、右手円偏波の選択を忠実に表現している。
干渉又は変調パターン=Re{[A]x[B]*
Sometimes an object wave called an object beam is generated. In this example, the object wave is a TEM wave that travels in a direction deviating 30 degrees from the normal of the antenna surface with the azimuth angle set to 0 degrees. Polarization is also defined, and right-handed circular polarization is selected in this example. FIG. 19B shows the generated object wave. Referring to FIG. 19B, a phase plane 1903 of the electromagnetic field of a propagating TEM wave 1904 is shown. Arrows 1905 are electric field vectors on each phase plane, and are represented at intervals of 90 degrees. In this example, they faithfully represent the choice of right hand circular polarization.
Interference or modulation pattern = Re {[A] x [B] * }

正弦波を別の正弦波の複素共役で乗算してその実部を取ると、得られる変調パターンも正弦波である。空間的には、参照波の最大値が物体波の最大値と出会う場所で(共に正弦曲線的に時間変動する量)、変調パターンは、最大値、つまり強く放射する位置である。実際には、この干渉は、各散乱位置で計算され、その位置だけに依存するのではなく、その回転に基づく素子の偏波、及び素子の位置における物体波の偏波にも依存する。図19Cは、得られた正弦波変調パターンの一例である。   When the sine wave is multiplied by the complex conjugate of another sine wave and its real part is taken, the resulting modulation pattern is also a sine wave. Spatially, where the maximum value of the reference wave meets the maximum value of the object wave (both sinusoidally varying in time), the modulation pattern is the maximum value, that is, a position that radiates strongly. In practice, this interference is calculated at each scattering position and does not depend only on that position, but also on the polarization of the element based on its rotation and the polarization of the object wave at the position of the element. FIG. 19C is an example of the obtained sinusoidal modulation pattern.

得られる正弦波グレーシェード変調パターンを方形波変調パターンに単純化するために、選択を更に行うことができることに注意されたい。   Note that further selections can be made to simplify the resulting sinusoidal gray shade modulation pattern to a square wave modulation pattern.

散乱素子にわたる電圧は、パッチとこの関連ではアイリス基板の上部上の金属化部であるグラウンドプレーンとの間に印加される電圧を調節することによって制御されることに注意されたい。   Note that the voltage across the scattering element is controlled by adjusting the voltage applied between the patch and a ground plane, which in this context is a metallization on the top of the iris substrate.

代替実施形態
一実施形態において、パッチ及びスロットは、ハニカムパターン状に位置決めされる。このようなパターンの例を図14A及び14Bに示している。図14A及び14Bを参照すると、ハニカム構造は、1行毎に素子間隔の半分だけ左又は右にずれており、又はこれに代えて、1列毎に素子間隔の半分だけ上又は下にずれているようなものである。
Alternative Embodiment In one embodiment, the patches and slots are positioned in a honeycomb pattern. Examples of such patterns are shown in FIGS. 14A and 14B. Referring to FIGS. 14A and 14B, the honeycomb structure is shifted to the left or right by half the element spacing for each row, or alternatively, shifted up or down by half the element spacing for each column. It is like.

一実施形態において、パッチ及び関連するスロットをリング状に位置決めし、放射状レイアウトを作り出す。この場合に、スロットの中心は、リング上に位置決めされる。図15Aは、リング状に位置決めされたパッチ(及びその並置スロット)の一例を示している。図15Aを参照すると、パッチ及びスロットの中心はリング上にあり、リングは、アンテナアレイのフィード点又は終端点に対して同心的に位置付けられる。同じリングに位置する隣接したスロットは、互いに対してほぼ90°に向けられる(スロット中心で評価した場合)ことに注意されたい。より詳細には、それらは、2素子の幾何学的中心を含むリングに沿った角変位を90°に加えた角度で向けられる。   In one embodiment, the patches and associated slots are positioned in a ring to create a radial layout. In this case, the center of the slot is positioned on the ring. FIG. 15A shows an example of a patch (and its juxtaposed slot) positioned in a ring shape. Referring to FIG. 15A, the patch and slot centers are on the ring, and the ring is positioned concentrically with respect to the feed or termination point of the antenna array. Note that adjacent slots located in the same ring are oriented approximately 90 ° relative to each other (when evaluated at the slot center). More specifically, they are oriented at an angle plus 90 ° angular displacement along a ring that includes the geometric center of the two elements.

図15Bは、図15Aに示すようなリングベースのスロット付きアレイのための制御パターンの例である。LHCPを有する30°ビーム指向に対して得られる近視野及び遠視野を図15Cにそれぞれ示している。   FIG. 15B is an example of a control pattern for a ring-based slotted array as shown in FIG. 15A. The near and far fields obtained for a 30 ° beam pointing with LHCP are shown in FIG. 15C, respectively.

一実施形態において、フィード構造は、放射又は散乱されている電力が確実に2次元アパーチャにわたってほぼ一定であるように結合を制御するように成形される。これは、誘電体における線形厚みテーパ、又はリッジ付きフィードネットワークの場合は類似のテーパを使用することによって達成されるが、それによってフィード点付近では小さい結合、及びフィード点から離れた領域では大きい結合がもたらされる。フィード高さの線形テーパの利用により、より小さい体積にエネルギを収容することで、進行波がフィード点から伝播する際に進行波の1/r減衰が相殺され、これが各素子から散乱されるフィード残存エネルギをより大きい比率でもたらす。これは、アパーチャにわたって均一な振幅励振を作り出す際に重要である。正方形又は矩形の外形寸法を有するもののような非半径方向対称フィード構造については、このテーパ化を非半径方向対称方式で適用して、アパーチャにわたってほぼ一定であるように散乱する電力をもたらすことができる。補完的な技術は、素子がフィード点からどのくらい離れているかに基づいて、アレイ内で素子を別々に同調させることを必要とする。   In one embodiment, the feed structure is shaped to control the coupling to ensure that the power being radiated or scattered is approximately constant over the two-dimensional aperture. This is accomplished by using a linear thickness taper in the dielectric, or a similar taper in the case of a ridged feed network, so that small coupling near the feed point and large coupling away from the feed point. Is brought about. By utilizing the linear taper of the feed height, the energy contained in a smaller volume cancels the 1 / r attenuation of the traveling wave as it propagates from the feed point, which is scattered from each element. Bring the remaining energy in a larger proportion. This is important in creating uniform amplitude excitation across the aperture. For non-radial symmetric feed structures such as those having square or rectangular outer dimensions, this taper can be applied in a non-radial symmetric fashion to provide power that scatters to be approximately constant across the aperture. . Complementary techniques require the elements to be tuned separately in the array based on how far the element is from the feed point.

テーパの一例は、1/r減衰を相殺するために放射強度の反比例増加を作り出すマクスウェルの魚眼レンズ形状の誘電体を使用して実施される。   An example of a taper is implemented using Maxwell's fisheye shaped dielectric that creates an inverse proportional increase in radiation intensity to offset 1 / r attenuation.

図18は、誘電体の線形テーパを示している。図18を参照すると、テーパ状の誘電体1802は、RFアレイ1801の素子(パッチ/アイリス対)を実施するための同心方式フィード波を与える同軸フィード1800を有して示されている。誘電体1802(例えば、プラスチック)は、同軸フィード1800付近での最大高さから同軸フィード1800から最遠点でのより低い高さまで高さが先細になっている。例えば、高さBは、同軸フィード1800に近づく時に高さAより大きくなる。   FIG. 18 shows the linear taper of the dielectric. Referring to FIG. 18, a tapered dielectric 1802 is shown having a coaxial feed 1800 that provides concentric feed waves for implementing the elements (patch / iris pair) of the RF array 1801. The dielectric 1802 (eg, plastic) tapers in height from a maximum height near the coaxial feed 1800 to a lower height at the farthest point from the coaxial feed 1800. For example, the height B becomes greater than the height A when approaching the coaxial feed 1800.

この考え方に沿って、一実施形態において、エネルギを集束させるために、誘電体を非半径方向対称形状に形成する。例えば、本明細書に説明するような単一フィード点からフィードされる正方形アンテナの場合に、正方形の中心からコーナまでの経路長は、正方形の中心から辺の中心までの1.4倍の長さである。そのために、正方形の辺の4中間点に向うよりも4コーナに向けて多くのエネルギを集束する必要があり、エネルギ散乱率も異なる必要がある。フィード及び他の構造の非半径方向対称成形により、これらの要件を達成することができる。   In line with this concept, in one embodiment, the dielectric is formed in a non-radial symmetric shape to focus the energy. For example, in the case of a square antenna fed from a single feed point as described herein, the path length from the center of the square to the corner is 1.4 times longer from the center of the square to the center of the side. That's it. Therefore, it is necessary to focus more energy toward the four corners than toward the four middle points of the square side, and the energy scattering rates need to be different. These requirements can be achieved by non-radially symmetrical shaping of the feed and other structures.

一実施形態において、波が外向きに放射する時にフィードからアパーチャへの電力散乱を制御するために、異なる誘電体を固定フィード構造に積層する。例えば、1よりも多い異なる誘電媒体を互いに積層させる場合に、電気的又は磁気的エネルギ強度を特定の誘電媒体に集中させることができる。一具体例では、その全体厚みが作動周波数でのλeff/2未満になるプラスチック層及び空気状発泡体層を使用し、それによって空気状発泡体よりもプラスチックに高い密度の磁場エネルギがもたらされる。   In one embodiment, different dielectrics are stacked on a fixed feed structure to control power scattering from the feed to the aperture as the waves radiate outward. For example, when more than one different dielectric media are stacked together, the electrical or magnetic energy intensity can be concentrated on a particular dielectric medium. In one embodiment, a plastic layer and a pneumatic foam layer whose overall thickness is less than λ eff / 2 at the operating frequency is used, thereby providing a higher density of magnetic field energy in the plastic than in the pneumatic foam.

一実施形態において、パッチ/アイリスの離調のために制御パターンを空間的に制御して(例えば、最初は少数の素子をオンにする)、アパーチャにわたる結合を制御し、フィード方向と望ましいアパーチャ励振重み付けとに応じて多少のエネルギを散乱させる。例えば、一実施形態において、最初に使用する制御パターンは、残りの時間よりも少数のスロットをオンにする。例えば、最初は、ビームを形成するためにオンにされる予定の円筒形フィードの中心付近にある特定比率の素子(例えば、40%、50%のパッチ/アイリススロット対)だけが第1段階の間オンにされ、その後に、円筒形フィードの更に外側に残る部分がオンにされる。別の実施形態において、波がフィードから伝播する時に、円筒形フィードから連続的に素子をオンにすることができる。別の実施形態において、リッジ付きフィードネットワークは、誘電体スペーサ(例えば、スペーサ205のプラスチック)に取って代わり、伝播するフィード波の方向制御を更に可能にする。リッジを使用して、1/r減衰を相殺するためにフィードにおける非対称伝播(すなわち、指向ベクトルが波数ベクトルに平行ではない)を作り出すことができる。従って、フィード内でのリッジの使用は、必要とされる場所へエネルギを向けるのに役立つ。低エネルギ領域に複数のリッジ及び/又は可変高さのリッジを向けることにより、より均一な照度がアパーチャに作り出される。もはやフィード波の伝播方向を放射状に向けることができないので、それによって純粋に放射状のフィード構成からの逸脱が可能になる。リッジ上方のスロットは強く結合するが、一方、リッジ間のスロットは弱く結合する。従って、望ましい結合(望ましいビームを得るための)に応じて、リッジの使用とスロットの配置は、結合制御を可能にする。   In one embodiment, the control pattern is spatially controlled for patch / iris detuning (eg, a small number of elements are initially turned on) to control coupling across the aperture, feed direction and desired aperture excitation. Some energy is scattered according to the weighting. For example, in one embodiment, the first used control pattern turns on fewer slots than the remaining time. For example, initially only certain proportions of elements (eg, 40%, 50% patch / iris slot pairs) near the center of the cylindrical feed that is to be turned on to form the beam are in the first stage. It is turned on for a while and then the remaining part of the cylindrical feed is turned on. In another embodiment, the element can be turned on continuously from the cylindrical feed as the waves propagate from the feed. In another embodiment, the ridged feed network replaces a dielectric spacer (eg, plastic of spacer 205) and further allows direction control of the propagating feed wave. Ridges can be used to create asymmetric propagation in the feed (ie, the directional vector is not parallel to the wave vector) to cancel 1 / r attenuation. Thus, the use of ridges in the feed helps direct energy to where it is needed. By directing multiple ridges and / or variable height ridges in the low energy region, more uniform illumination is created in the aperture. Since it is no longer possible to direct the propagation direction of the feed wave radially, this allows a deviation from a purely radial feed configuration. Slots above the ridge are strongly coupled, while slots between ridges are weakly coupled. Therefore, depending on the desired coupling (to obtain the desired beam), the use of ridges and slot placement allows coupling control.

更に別の実施形態において、円対称ではないアパーチャ照度を提供する複雑なフィード構造を使用する。このような用途は、不均一に照明される正方形又はほぼ非円形のアパーチャとすることができる。一実施形態において、一部の領域に他よりも多くのエネルギを送出する非半径方向対称誘電体を使用する。すなわち、誘電体は、異なる誘電性制御を含む領域を含むことができる。一例は、マクスウェルの魚眼レンズに似た誘電性分布である。このレンズは、アレイの異なる部分へ異なる量の電力を送出することになる。別の実施形態において、リッジ付きフィード構造を使用して、一部の領域に他よりも多くのエネルギを送出する。   In yet another embodiment, a complex feed structure is used that provides aperture illumination that is not circularly symmetric. Such an application may be a non-uniformly illuminated square or nearly non-circular aperture. In one embodiment, non-radially symmetric dielectrics are used that deliver more energy to some areas than others. That is, the dielectric can include regions that include different dielectric controls. An example is a dielectric distribution similar to Maxwell's fisheye lens. This lens will deliver different amounts of power to different parts of the array. In another embodiment, a ridged feed structure is used to deliver more energy to some areas than others.

一実施形態において、本明細書に説明するタイプの複数の円筒フィード式サブアパーチャアンテナが配列される。一実施形態において、1又は2以上の追加のフィード構造を使用する。同じく一実施形態において、分散増幅点が含まれる。例えば、アンテナシステムは、図2A又は2Bに示すような複数のアンテナをアレイ中に含むことができる。アレイシステムは、3x3(全9個のアンテナ)、4x4、5x5などとすることができるが、他の構成も可能である。このような配置では、各アンテナは、個別のフィードを含むことができる。別の実施形態において、増幅点の数は、フィードの数よりも少なくすることができる。
ビーム性能の改善
In one embodiment, a plurality of cylindrical feed sub-aperture antennas of the type described herein are arranged. In one embodiment, one or more additional feed structures are used. Also in one embodiment, dispersion amplification points are included. For example, an antenna system can include multiple antennas in the array as shown in FIGS. 2A or 2B. The array system can be 3x3 (9 antennas in total), 4x4, 5x5, etc., but other configurations are possible. In such an arrangement, each antenna can include a separate feed. In another embodiment, the number of amplification points can be less than the number of feeds.
Improved beam performance

利点及び利益
ビーム性能の改善
本発明のアーキテクチャの実施形態の一利点は、線形フィードよりも優れたビーム性能である。縁部における自然な組み込みテーパは、良好なビーム性能を達成するのを補助することができる。
Benefits and benefits
Improved Beam Performance One advantage of the architecture embodiments of the present invention is better beam performance than a linear feed. A natural built-in taper at the edge can help achieve good beam performance.

アレイファクタ計算では、オン及びオフ素子のみを有する40cmアパーチャからFCCマスクを満たすことができる。   In the array factor calculation, the FCC mask can be filled from a 40 cm aperture with only on and off elements.

円筒形フィードを用いて、本発明の実施形態は、ブロードサイド付近にインピーダンススウィングがなく、1波長周期構造によって生成されるバンドギャップもない。   Using a cylindrical feed, embodiments of the present invention have no impedance swing near the broadside and no band gap generated by a one-wavelength periodic structure.

ブロードサイドを外して走査する場合に、本発明の実施形態は、回折モードの問題を持たない。   When scanning with the broadside removed, embodiments of the present invention do not have the diffraction mode problem.

動的偏波
本明細書に説明するアーキテクチャに使用することができる(少なくとも)2つの素子設計があり、それは円偏波素子と直線偏波素子の対である。直線偏波素子の対を使用して、第2のものに対して1セットの素子に加えられる変調を位相遅延又は前進させることにより、円偏波方向を動的に変化させることができる。直線偏波を達成するために、第2のもの(物理的に直交するセット)に対する第1セットの位相の前進は、180度であることになる。直線偏波はまた、素子パターン変化だけで合成することができ、直線偏波を追跡するための機構を提供する。
Dynamic Polarization There are (at least) two element designs that can be used in the architecture described herein: a pair of circular and linear polarization elements. Using a pair of linear polarization elements, the circular polarization direction can be changed dynamically by phase delaying or advancing the modulation applied to one set of elements relative to the second. In order to achieve linear polarization, the advance of the first set of phases relative to the second (physically orthogonal set) will be 180 degrees. Linear polarization can also be synthesized with only element pattern changes, providing a mechanism for tracking linear polarization.

作動帯域域幅
作動のオン−オフモードは、各素子をその共振曲線の特定部分に同調させる必要がないので、拡張された動的帯域域幅及び瞬時帯域域幅用途の機会を有する。アンテナは、有意な性能への影響なしに、その範囲の振幅及び位相の両方のホログラム部分を通して連続的に作動させることができる。それによって全同調可能範囲に非常に近い作動範囲が設定される。
The on-off mode of operation bandwidth operation has the opportunity for extended dynamic bandwidth and instantaneous bandwidth applications because each element does not have to be tuned to a specific part of its resonance curve. The antenna can be operated continuously through both amplitude and phase hologram portions of its range without significant performance impact. This sets an operating range very close to the total tunable range.

石英/ガラス基板を用いて可能なより小さい間隙
円筒形フィード構造は、TFTアーキテクチャを利用することができ、これは、石英又はガラス上で機能することを意味する。これらの基板は、回路基板よりも遥かに硬く、約3μmの間隙サイズを達成するための公知の技術が存在する。約3μmの間隙サイズは、14msのスイッチング速度をもたらすことになる。
The smaller gap cylindrical feed structure possible with a quartz / glass substrate can utilize the TFT architecture, which means it works on quartz or glass. These substrates are much harder than circuit boards and there are known techniques for achieving a gap size of about 3 μm. A gap size of about 3 μm will result in a switching speed of 14 ms.

複雑さの低減
本明細書に説明する開示のアーキテクチャは、製造時に機械加工作業を必要とせず、ただ1つの接合段を必要とするだけである。これは、TFTドライブ電子機器へのスイッチと組み合わせて、高価な材料と一部の厳しい要件とを取り除く。
Reduced Complexity The disclosed architecture described herein does not require machining operations during manufacture, and only requires one joining stage. This, in combination with a switch to TFT drive electronics, removes expensive materials and some stringent requirements.

本発明の多くの代替及び修正は、以上の説明を読んだ後で必ず当業者には明らかであろうが、例示として図示して説明したいずれの特定の実施形態も限定的と見なされることを決して意図していないことは理解されるものとする。従って、様々な実施形態の詳細への言及は、それ自体が本発明に必須と見なされる特徴のみを列挙する特許請求の範囲を限定するように意図していない。   Many alternatives and modifications of the present invention will become apparent to those skilled in the art after reading the foregoing description, but it should be understood that any particular embodiment illustrated and described by way of illustration is considered limiting. It should be understood that this is never intended. Accordingly, references to details of various embodiments are not intended to limit the scope of the claims, which enumerate only features that are considered essential to the invention.

A フィード位置から素子の中心への電力フィードベクトルを示す実線黒矢印
B 「A」に対して垂直な軸を示す破線直交線
C 「B」に対して45度回転した破線矩形包囲スロット
A Solid black arrow B indicating power feed vector from the feed position to the center of the element B Broken line rectangular encircling slot rotated 45 degrees with respect to broken line orthogonal line C “B” indicating an axis perpendicular to “A”

Claims (23)

円筒形フィード波を入力するためのアンテナフィードであって、前記円筒形フィード波は前記アンテナフィードから外向きに同心的に伝播する、前記アンテナフィードと、
前記アンテナフィードに結合し、複数の表面散乱メタマテリアルアンテナ素子を有する無線周波数(RF)スロット付きアレイと、
を含み、前記円筒形フィード波は、前記無線周波数(RF)スロット付きアレイと相互作用して、ビームを発生し、前記無線周波数(RF)スロット付きアレイは、各スロットの中心位置に入射する円筒形フィード波の伝播方向に対して或る角度で配向された複数のスロットを有することを特徴とするアンテナ。
An antenna feed for inputting a cylindrical feed wave, wherein the cylindrical feed wave propagates concentrically outwardly from the antenna feed;
A radio frequency (RF) slotted array coupled to the antenna feed and having a plurality of surface scattering metamaterial antenna elements;
And the cylindrical feed wave interacts with the radio frequency (RF) slotted array to generate a beam, the radio frequency (RF) slotted array being a cylinder incident at a central location of each slot. An antenna having a plurality of slots oriented at an angle with respect to a propagation direction of a shaped feed wave.
各スロットが、前記アンテナの動作周波数で動作するように同調される、
ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
Each slot is tuned to operate at the operating frequency of the antenna.
The antenna according to claim 1.
前記複数のスロットの各スロットが、前記スロット付きアレイが、円筒形フィード波伝播方向に対して+45度回転させたスロットの第1セットと、前記円筒形フィード波の該伝播方向に対して−45度回転させたスロットの第2セットとを含むように、該各スロットの前記中心位置に入射する該円筒形フィード波に対して+45度又は−45度のいずれかに向けられることを特徴とする請求項2に記載のアンテナ。   Each slot of the plurality of slots includes a first set of slots in which the slotted array is rotated +45 degrees relative to a cylindrical feed wave propagation direction, and -45 relative to the propagation direction of the cylindrical feed wave. And directed to either +45 degrees or -45 degrees with respect to the cylindrical feed wave incident on the central position of each slot so as to include a second set of slots rotated degrees. The antenna according to claim 2. 前記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、該パッチの各々が、前記複数のスロットにおけるスロットの上に並置され、かつそこから分離されてパッチ/スロット対を形成し、各パッチ/スロット対が、該対内の該パッチへの電圧印加に基づいてオフ又はオンにされる前記複数のパッチと、
を含む、
ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
The slotted array is
Multiple slots,
A plurality of patches, wherein each of the patches is juxtaposed over and separated from the slots in the plurality of slots to form a patch / slot pair, each patch / slot pair within the pair The plurality of patches being turned off or on based on voltage application to the patches;
including,
The antenna according to claim 1.
誘電体が、前記複数のスロットの各スロットと前記複数のパッチにおけるそれに関連付けられたパッチとの間にあることを特徴とする請求項4に記載のアンテナ。   The antenna of claim 4, wherein a dielectric is between each slot of the plurality of slots and a patch associated with it in the plurality of patches. 前記誘電体は、液晶を含むことを特徴とする請求項5に記載のアンテナ。   The antenna according to claim 5, wherein the dielectric includes liquid crystal. どのパッチ/スロット対がオン及びオフであるかを制御し、それによってビームの生成を引き起こす制御パターンを適用するコントローラを更に含むことを特徴とする請求項5に記載のアンテナ。   6. The antenna of claim 5, further comprising a controller that controls which patch / slot pairs are on and off, thereby applying a control pattern that causes beam generation. 前記制御パターンは、第1段中に前記ビームを生成するのに使用される前記パッチ/スロット対の部分集合だけをオンにし、次に、第2段中に該ビームを生成するのに使用される残りのパッチ/スロット対をオンにすることを特徴とする請求項7に記載のアンテナ。   The control pattern is used to turn on only a subset of the patch / slot pairs used to generate the beam during the first stage and then generate the beam during the second stage. 8. The antenna of claim 7, wherein the remaining patch / slot pairs are turned on. 前記複数のパッチは、複数のリング状に位置決めされ、該複数のリングは、前記スロット付きアレイの前記アンテナフィードに対して同心的に位置付けられることを特徴とする請求項4に記載のアンテナ。   The antenna of claim 4, wherein the plurality of patches are positioned in a plurality of rings, the plurality of rings being positioned concentrically with respect to the antenna feed of the slotted array. 前記複数のパッチは、パッチ基板に含まれることを特徴とする請求項4に記載のアンテナ。   The antenna according to claim 4, wherein the plurality of patches are included in a patch substrate. 前記複数のパッチは、ガラス層に含まれることを特徴とする請求項4に記載のアンテナ。   The antenna according to claim 4, wherein the plurality of patches are included in a glass layer. 前記円筒形フィード波がその中へ進行する誘電体層を更に含むことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。   The antenna of claim 1, further comprising a dielectric layer into which the cylindrical feed wave travels. グラウンドプレーンと、
アンテナの中へ前記フィード波を入力するために前記グラウンドプレーンに結合された同軸ピンであって、前記誘電体層が、該グラウンドプレーンと前記スロット付きアレイの間にある前記同軸ピンと、
を更に含むことを特徴とする請求項12に記載のアンテナ。
The ground plane,
A coaxial pin coupled to the ground plane for inputting the feed wave into an antenna, wherein the dielectric layer is between the ground plane and the slotted array;
The antenna according to claim 12, further comprising:
未使用エネルギを消滅させて、アンテナを通って戻る該未使用エネルギの反射を防止するために、前記グラウンドプレーン及び前記スロット付きアレイに結合された少なくとも1つのRF吸収体を更に含むことを特徴とする請求項13に記載のアンテナ。   And further comprising at least one RF absorber coupled to the ground plane and the slotted array to extinguish unused energy and prevent reflection of the unused energy back through the antenna. The antenna according to claim 13. 浸入型導体であって、前記誘電体層が該浸入型導体と前記スロット付きアレイの間にある前記浸入型導体と、
前記浸入型導体と前記グラウンドプレーンの間のスペーサと、
前記グラウンドプレーンを前記スロット付きアレイに結合する側面区域と、
を更に含むことを特徴とする請求項13に記載のアンテナ。
An immersive conductor, wherein the dielectric layer is between the immersive conductor and the slotted array;
A spacer between the immersive conductor and the ground plane;
A side area coupling the ground plane to the slotted array;
The antenna according to claim 13, further comprising:
前記側面区域は、2つの側面を含み、該2つの側面区域の各々が、前記フィード波を前記フィードの前記スペーサ層から該フィードの前記誘電体層まで伝播させるように角度を付けられていることを特徴とする請求項15に記載のアンテナ。   The side area includes two side surfaces, each of the two side areas being angled to propagate the feed wave from the spacer layer of the feed to the dielectric layer of the feed. The antenna according to claim 15. 前記スペーサは、発泡体を含むことを特徴とする請求項15に記載のアンテナ。   The antenna according to claim 15, wherein the spacer includes a foam. 前記誘電体層は、プラスチックを含むことを特徴とする請求項12に記載のアンテナ。   The antenna according to claim 12, wherein the dielectric layer includes plastic. 前記誘電体層は、先細であることを特徴とする請求項12に記載のアンテナ。   The antenna according to claim 12, wherein the dielectric layer is tapered. 前記誘電体層は、異なる誘電率を有する複数の区域を含むことを特徴とする請求項12に記載のアンテナ。   The antenna of claim 12, wherein the dielectric layer includes a plurality of areas having different dielectric constants. 前記誘電体層は、前記フィード波の伝播に影響を与える複数の分散された構造を含むことを特徴とする請求項12に記載のアンテナ。   The antenna of claim 12, wherein the dielectric layer includes a plurality of distributed structures that affect the propagation of the feed wave. 前記円筒形フィード波がその中へ進行するリッジ付きフィードネットワークを更に含むことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。   The antenna of claim 1, further comprising a ridged feed network into which the cylindrical feed wave travels. フィードから同心的に伝播する円筒形フィード波を入力するためのアンテナフィードと、
前記フィード波がそれを通って進行する誘電体層と、
円筒形フィード波の伝播方向に対して或る角度に配向された複数のスロットと、
複数のパッチであって、該パッチの各々が、前記複数のスロットにおけるスロットの上に並置され、かつ液晶層を使用してそこから分離されてパッチ/スロット対を形成し、各パッチ/スロット対が、制御パターンによって指定される該対内の該パッチへの電圧の印加に基づいてオフ又はオンにされる前記複数のパッチと、
を含み、前記円筒形フィード波が各スロットの中央位置に入射する時に、前記円筒形フィード波がパッチ/スロット対と相互作用して、ビームを発生することを特徴とするアンテナ。
An antenna feed to input a cylindrical feed wave propagating concentrically from the feed;
A dielectric layer through which the feed wave travels;
A plurality of slots oriented at an angle with respect to the direction of propagation of the cylindrical feed wave;
A plurality of patches, each patch juxtaposed over the slots in the plurality of slots and separated therefrom using a liquid crystal layer to form a patch / slot pair; The plurality of patches being turned off or on based on application of a voltage to the patches in the pair specified by a control pattern;
Wherein the cylindrical feed wave interacts with the patch / slot pair to generate a beam when the cylindrical feed wave is incident on a central location of each slot.
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