JP6400722B2 - 可動多層円筒フィード式ホログラフィックアンテナのための動的偏波及び結合制御 - Google Patents

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。

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

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。

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。

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。

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。

Ａｎｄｏ他著「１２ＧＨｚＤＢＳ衛星受信のための放射線状スロットアンテナ」 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」 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」

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。

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、フィード波がフィードから外向きにかつ同心的にその中に伝播する第１の層と、第１の層に結合されてフィード波をアンテナの縁部で反射させ、かつアンテナの縁部から第２の層を通して内向きに伝播させる第２の層と、第２の層に結合された無線周波数（ＲＦ）アレイとを含み、フィード波は、ＲＦアレイと相互作用してビームを生成する。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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 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。 パッチ基板の実施形態を示す図である。 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 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 右手円偏波を示す図である。 左手円偏波を示す図である。 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。 誘電体の線形テーパを示す図である。 参照波の例を示す図である。 生成された物体波を示す図である。 得られる正弦波変調パターンの例を示す図である。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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、λ_eff／２である場合があり、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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］^*｝

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

２０１ 同軸ピン
２０２ グラウンドプレーン
２０３ 浸入型導体
２０５ 誘電体層
２０６ ＲＦアレイ

Claims (26)

1. 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、
   前記アンテナフィードに結合され、前記フィード波が該フィードから外向きにかつ同心的にその中に伝播する第１の層と、
   前記第１の層に結合されて前記フィード波をアンテナの縁部で反射させ、かつアンテナの該縁部から第２の層を通して内向きに伝播させる第２の層と、
   前記第２の層に結合された、複数の表面散乱メタマテリアルアンテナ要素を有する無線周波数（ＲＦ）アレイであって、前記フィード波が、該ＲＦアレイの前記複数の表面散乱メタマテリアルアンテナ要素と相互作用してビームを生成する前記無線周波数（ＲＦ）アレイと、
   を含むことを特徴とするアンテナ。
2. 前記ＲＦアレイは、スロット付きアレイを含むことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 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た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、
   を含む、
   ことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記スロット付きアレイは、複数のスロットを含み、
   更に、各スロットが、与えられた周波数で望ましい散乱を与えるように同調される、
   ことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ。
5. 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４に記載のアンテナ。
6. 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、
   を含む、
   ことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ。
7. 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誘電体層を更に含むことを特徴とする請求項６に記載のアンテナ。
8. 前記誘電体は、液晶を含むことを特徴とする請求項７に記載のアンテナ。
9. 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７に記載のアンテナ。
10. 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９に記載のアンテナ。
11. 前記複数のパッチは、複数のリングに位置決めされ、該複数のリングは、前記フィード波の伝播と垂直であることを特徴とする請求項６に記載のアンテナ。
12. 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６に記載のアンテナ。
13. 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６に記載のアンテナ。
14. 該第２の層は、前記フィード波がそれを通って進行する誘電体層を含むことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
15. 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１４に記載のアンテナ。
16. 前記誘電体層は、先細であることを特徴とする請求項１４に記載のアンテナ。
17. 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１４に記載のアンテナ。
18. 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１４に記載のアンテナ。
19. 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複数の表面散乱メタマテリアルアンテナ要素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１４に記載のアンテナ。
20. 未使用エネルギを消滅させて前記第２の層を通って戻る該未使用エネルギの反射を防止するための終端を更に含むことを特徴とする請求項１９に記載のアンテナ。
21. 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複数の表面散乱メタマテリアルアンテナ要素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、
    を更に含むことを特徴とする請求項１９に記載のアンテナ。
22. 前記第１及び第２の層を結合する側面区域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。
23. 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スペーサ層から該フィードの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２２に記載のアンテナ。
24. 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。
25. アンテナを作動させる方法であって、
    前記アンテナの底部層に無線周波数（ＲＦ）信号をフィードしてフィード波をフィード点から同心的に伝播させる段階と、
    前記底部層を通して前記ＲＦ信号を該ＲＦ信号が上部層まで反射されて該ＲＦ信号を前記アンテナの縁部から内向きに進行させる点である該アンテナの該縁部に送信する段階と、
    前記ＲＦ信号をＲＦアレイの複数の表面散乱メタマテリアルアンテナ要素と相互作用させることによってビームを生成する段階と、
    前記ＲＦ信号が前記ＲＦアレイの複数の表面散乱メタマテリアルアンテナ要素と相互作用した後で該ＲＦ信号を消滅させる段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
26. 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、
    前記アンテナフィードに結合され、かつ前記フィード波が該フィードから外向きにかつ同心的にその中に伝播する第１の層と、
    前記第１の層に結合されて前記フィード波を前記アンテナの縁部で反射させ、かつアンテナの該縁部から第２の層を通して内向きに伝播させる第２の層と、
    前記第２の層に結合された複数の表面散乱メタマテリアルアンテナ要素を有する無線周波数（ＲＦ）アレイと、
    前記無線周波数（ＲＦ）アレイに結合され、前記複数の表面散乱メタマテリアルアンテナ要素を制御するための制御パターンを適用可能な、コントローラを備え、
    前記フィード波が該ＲＦアレイと相互作用してビームを生成する前記無線周波数（ＲＦ）アレイと、
    を含むことを特徴とするアンテナ。

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