JP6555675B2 - マルチビームアンテナアレイアセンブリのためのメタマテリアルに基づくトランスミットアレイ - Google Patents

マルチビームアンテナアレイアセンブリのためのメタマテリアルに基づくトランスミットアレイ Download PDF

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関連出願の相互参照
本出願は、2015年8月25日に出願され、「Metamaterial-Based Transmitarray for Multi-Beam Antenna Array Assemblies」と題する、米国仮特許出願第62/209,655号、および2016年4月21日に出願され、「Metamaterial-Based Transmitarray for Multi-Beam Antenna Array Assemblies」と題する、米国非仮特許出願第15/134,751号の優先権および便益を主張するものであり、それらは、全体として再現されるかのように参照により本明細書に組み込まれる。
現在の開示は、通信ネットワークのためのアンテナアレイに関し、詳しくはマルチビーム通信環境において使用されるアンテナアレイのためのメタマテリアルに基づくレンズ、またはトランスミットアレイに関する。
マルチビームアンテナアレイは一般に、能動的または受動的アンテナアレイアーキテクチャを使用して実施される。能動的マルチビームアレイは、複雑な高速デジタル処理を必要とする高電力送信/受信モジュールの開発を必要とする。受動的大開口フェーズドアレイは一般に、複雑なビーム形成ネットワークにおける過剰損失に悩まされる。
代替のマルチビームアンテナアレイは、空間的に分布した給電アンテナによって給電される誘電体マイクロ波レンズを使用する。しかしながら、そのような誘電体マイクロ波レンズの使用は、レンズ開口と給電アンテナとの間のインピーダンス不整合によって引き起こされる著しい損失に悩まされることもある。さらに、低いマイクロ波周波数において動作するレンズは一般に、かさばり、重く、製造するのが高価である。過去数十年間に、位相シフトデバイスを使用して接続されたアンテナ素子を使用する、いくつかの種類の平面マイクロ波レンズが、提案されている。しかしながら、これらの方法は一般に、貧弱な走査性能に悩まされる。さらに、これらのアンテナは典型的には、給電アンテナとレンズ開口との間に大きな間隔を必要とし、それは、アンテナのプロファイルを著しく増加させる。
追加の、代替のかつ/または改善されたマルチビームアンテナアレイアセンブリが、望ましい。
本開示によると、複数の隣接する時間遅延ユニット(TDU)セルを備える無線周波数(RF)アンテナのためのメタマテリアルレンズが、提供され、各TDUセルは、誘電体材料と、TDUセルの周縁部の周りに配置される、誘電体材料の第1の側の誘導性矩形ワイヤループと、TDUセルの周縁部内に位置決めされる、誘電体材料の第2の側の容量性パッチとを備える。
メタマテリアルレンズのさらなる実施形態では、複数のTDUセルは、TDUセルの複数のサブセットを備え、異なるサブセットのTDUセルは、異なるサイズであり、同じサブセット内のTDUセルは、同じサイズである。
メタマテリアルレンズのさらなる実施形態では、複数の異なるサイズのTDUセルの複数のサブセットは、同じサイズのTDUセルのサブセットを一緒にグループ化した複数のゾーンに配置され、最小のTDUセルは、内部の第1のゾーンに位置し、次第に増加するサイズのTDUセルは、より小さいサイズのTDUセルのゾーンを取り囲む。
メタマテリアルレンズのさらなる実施形態では、TDUセルの同じサブセット内のTDUセルは、異なるサイズの容量性パッチを有する。
メタマテリアルレンズのさらなる実施形態では、複数のTDUセルの誘導性矩形ワイヤループは、隣接するTDUセルの誘導性矩形ワイヤループと接触している。
メタマテリアルレンズのさらなる実施形態では、複数のTDUセルの少なくとも1つは、誘導性ワイヤループ内に誘導性ワイヤクロスを含む。
メタマテリアルレンズのさらなる実施形態では、TDUセルの少なくとも1つのサブセットの容量性パッチは、異なるパッチサイズを有する。
メタマテリアルレンズのさらなる実施形態では、複数のTDUセルの容量性パッチの1つまたは複数は、誘導性カットアウトを有する。
メタマテリアルレンズのさらなる実施形態では、複数のTDUセルの各々は、TDUセルの周縁部に沿って位置する誘導性矩形ワイヤループの1つまたは複数の追加層を備える。
メタマテリアルレンズのさらなる実施形態では、複数のTDUセルの各々は、容量性パッチの複数の層を備える。
メタマテリアルレンズのさらなる実施形態では、TDUセルの各々は、TDUセルの周縁部に沿って位置する誘導性矩形ワイヤループの複数の層および容量性パッチの複数の層を備え、層の各々は、誘電体材料によって分離される。
本開示によると、焦点距離を有するトランスミットアレイであって、トランスミットアレイは、複数の隣接する時間遅延ユニット(TDU)セルを有し、各TDUセルは、TDUセルの周縁部に沿って位置する誘導性矩形ワイヤループ、容量性パッチ、ならびに誘導性矩形ワイヤループおよび容量性パッチを分離する誘電体材料を有する、トランスミットアレイと、トランスミットアレイからその焦点距離に位置する焦点面に配置される複数の放射素子とを備えるアンテナアレイアセンブリが、さらに提供される。
アンテナアレイのさらなる実施形態では、複数のTDUセルは、TDUセルの複数のサブセットを備え、異なるサブセットのTDUセルは、異なるサイズであり、同じサブセット内のTDUセルは、同じサイズである。
アンテナアレイのさらなる実施形態では、複数の異なるサイズのTDUセルのサブセットは、同じサイズのTDUセルのサブセットを一緒にグループ化した複数のゾーンに配置され、最小のTDUセルは、内部の第1のゾーンに位置し、次第に増加するサイズのTDUセルは、より小さいサイズのTDUセルのゾーンを取り囲む。
アンテナアレイのさらなる実施形態では、複数のゾーンのそれぞれのゾーン内のTDUセルは、異なるサイズの容量性パッチを有する。
アンテナアレイのさらなる実施形態では、複数のTDUセルの誘導性矩形ワイヤループは、隣接するTDUセルの誘導性矩形ワイヤループと接触している。
アンテナアレイのさらなる実施形態では、複数のTDUセルは、放射素子からの無線周波数(RF)ビームに下方傾斜角(down-tilt angle)を提供する。
アンテナアレイのさらなる実施形態では、アンテナアレイアセンブリは、直交ビーム空間(OBS)大規模多入力多出力(MIMO)アレイアセンブリである。
実施形態は、添付の図面を参照して本明細書で述べられる。
マルチビームアンテナアレイアセンブリを描写する図である。 マルチビームアンテナアレイアセンブリを描写する図である。 マルチビームアンテナアレイアセンブリのためのトランスミットアレイの詳細を描写する図である。 マルチビームアンテナアレイアセンブリのためのトランスミットアレイの詳細を描写する図である。 トランスミットアレイおよび時間遅延ユニット(TDU)セルの詳細を描写する図である。 トランスミットアレイに使用されるTDUセルのさらなる構造を描写する図である。 クロスを有する矩形ワイヤグリッドの詳細を描写する図である。 トランスミットアレイに使用される容量性パッチ層を描写する図である。 トランスミットアレイに使用される誘導性ワイヤループ層を描写する図である。 トランスミットアレイの層状構造を描写する図である。 TDUセルの等価回路表現を描写する図である。 TDUセルの等価回路表現を描写する図である。 TDUセルの等価回路表現を描写する図である。 TDUセルの等価回路表現を描写する図である。 TDUセルの等価回路表現を描写する図である。 ゾーンに配置された異なるサイズのTDUセルを描写する図である。 位相面の下方傾斜を有さないトランスミットアレイを描写する図である。 位相面の20°下方傾斜を有するトランスミットアレイを描写する図である。 典型的なTDU周波数応答を描写する図である。 典型的なTDUの群遅延および位相シフトを描写する図である。 2つのトランスミットアレイの仰角放射パターンを描写する図である。 位相面の20°下方傾斜を有するトランスミットアレイの方位パターンを描写する図である。
アンテナ素子のアレイに隣接して配置されるメタマテリアルに基づくレンズまたはトランスミットアレイを使用して多重狭ビームを作成することができるアンテナアレイアセンブリが、述べられる。トランスミットアレイは、メタマテリアルから形成される複数のサブ波長実時間遅延ユニットセルを備える。トランスミットアレイのメタマテリアル時間遅延ユニットセルの各々は、各特定のトランスミットアレイ開口場所に所望の時間遅延および位相シフトを提供するように設計される。広帯域ビームコリメーションデバイスは、これらのメタマテリアルに基づく時間遅延ユニットを使用して形成することができる。本明細書で述べられるメタマテリアルに基づく時間遅延ユニットは、比較的小さい時間遅延変化を有するトランスミットアレイに限定された、以前のメタマテリアルに基づく試みと比較して、より広い周波数帯域幅を有する低プロファイルトランスミットアレイを作成するために使用することができる。以前のトランスミットアレイの小さい時間遅延変化は、狭い周波数帯域に限定された、大きいアンテナアセンブリプロファイルおよび/またはアンテナアセンブリをもたらした。本明細書で述べられるアンテナアレイアセンブリは、直交ビーム空間(OBS)マルチユーザ(MU)多入力多出力(MIMO)システム、または複数の直交ビームを作成することが望ましい他のシステムに使用されてもよい。
実時間遅延メタマテリアル非共振構成素子は、伝統的な共振アンテナの代わりに、低プロファイル帯域通過周波数選択性表面(FSS)およびマイクロ波レンズの開発のために利用されてもよい。そのような非共振周期構造は、極薄の低プロファイル帯域通過周波数選択性表面(FSS)またはレンズアンテナを設計するために使用することができる。非共振素子は典型的には、サブ波長周期性におけるパッチおよびワイヤクロスのグリッドの多層から成る。これらの素子の各々は、限られた周波数帯域にわたって適切な時間遅延および送信位相を有するN次の帯域通過または低域通過フィルタ応答をエミュレートするように設計することができる。しかしながら、以前の時間遅延ユニットセルは、ユニット間の全時間遅延変化の比較的小さい範囲を有する矩形グリッドに配置された単一サイズの時間遅延ユニットを使用してマイクロ波レンズを作成することができるだけである。結果として、そのような時間遅延ユニットセルの使用は、給電アンテナとレンズ開口との間に比較的大きい間隔を有するアンテナアセンブリ、または狭い周波数帯域幅を有する低プロファイルアンテナに限定されている。
本明細書で述べられるアンテナアレイアセンブリは、メタマテリアルの構造内の各構成遅延ユニットセルのために外周ワイヤループを使用する、メタマテリアルに基づくトランスミットアレイ、またはマイクロ波レンズを使用する。ワイヤループは、異なるサイズの時間遅延ユニットがトランスミットアレイ内で使用されることを可能にする。異なるサイズのTDUの使用は、時間遅延のより大きい潜在的変化を提供し、そのため比較的大きい周波数範囲にわたって動作する低プロファイル設計に使用されてもよい。
図1Aは、マルチビームアンテナアレイアセンブリ100の上面図を描写する。図1Bは、図1Aのマルチビームアンテナアレイアセンブリ100の側面図を描写する。アンテナアレイアセンブリ100は、例えばOBS MU-MIMOシステムを含む、様々な通信システムに使用されてもよい。描写されるように、アンテナアレイアセンブリ100は、反射体または他の支持構造物104上に分布するアレイに配置された複数の給電アンテナ102を備える。トランスミットアレイ、またはメタマテリアルRFレンズ、106は、マイクロ波レンズの役割を果たし、給電アンテナ102から焦点距離fを離れて位置する。トランスミットアレイ106は、開口寸法Dを有する。トランスミットアレイ106は、メタマテリアルに基づく多層化コンポーネントから構築される低プロファイル準周期的平面である。トランスミットアレイ106は、プリント回路技術または他の製作プロセスを使用して形成されてもよい。
アンテナアレイアセンブリ100の給電アンテナ102は、トランスミットアレイ106表面から垂直距離fに位置する焦点面において支持構造物104上に分布してもよい。図1Aでは、給電アンテナ102の放射素子は、低プロファイルパッチとして描写されるが、しかしながら、所望の応用のための適切な放射パターンを有する任意の他の放射素子がまた、使用されてもよい。
トランスミットアレイ106は、焦点面内の給電アンテナの特定の位置に対応する、下向きの先のとがったビーム108として描写される、固有のビーム指向角(pointing angle)を有するそれぞれの狭ビームを作成するために、各給電アンテナ102から入射する放射波を変換するように設計される。OBS MU-MIMOなどの通信技法は、すべてのビームの間で最小ビーム結合係数(BCF)を有する一組の直交ビームを作成する能力がある、アンテナアレイアセンブリ100から恩恵を受けることもある。ビームの間でBCFを最小化するために、給電アンテナ102の放射素子は、図1Bに概略的に描写されるように、給電アンテナ102の放射素子間で直交軸に沿って適切な間隔を有して焦点面上に分布してもよい。給電アンテナ102のそのような配置は、隣接ビーム間のトランスミットアレイ106からのビーム指向角におけるオフセットに起因してビームの間での重なりを低減することもある。
図2Aは、側面図におけるマルチビームアンテナアレイアセンブリのためのトランスミットアレイの詳細を描写する。図2Bは、図2Aのトランスミットアレイ202の上面図を描写する。図2Bの上面図は、トランスミットアレイ202を形成する、複数の個々のTDUセル204、またはより詳しくはTDUセルの容量性のパッチを描写する。一般に、基地局アンテナ応用については、焦点206から放射されるすべての信号が、すべての動作周波数について同じ電気的経路長および一定の位相シフトを有する下方傾斜平面208において終わるように、トランスミットアレイ202の時間遅延プロファイルおよび位相シフト特性を構成することが、望ましい。これらの条件は、次の方程式によって記述することができる。
時間遅延:
位相シフト:
TDUセル204の各々は、本質的に限られた周波数帯域幅を有するので、両方の方程式(1)および(2)を満たすメタマテリアルトランスミットアレイ202は、周波数依存位相シフトに起因してトランスミットアレイ202における色収差を軽減する。以下で述べられる外周ワイヤループを有するメタマテリアルを使用することは、不規則なグリッドパターンでのTDUセル204の分布を可能にする。不規則なグリッドパターンは、隣接するTDUセル間の電流の連続性を維持しながら、異なるサイズのTDUセル204が使用されることを可能にする。TDUセルのサイズを変える能力は、トランスミットアレイ202の達成可能な全時間遅延変化を著しく改善することができる。そのような全時間遅延変化は、より小さいf/D比を有するRFトランスミットアレイ202の設計を可能にし、より小さい潜在的アンテナプロファイル、またはより広い潜在的周波数帯域幅を有するトランスミットアレイ202をもたらす。
図3は、トランスミットアレイおよび時間遅延ユニット(TDU)セルの詳細を描写する。描写されるように、トランスミットアレイ300は、複数の隣接するTDUセル302を備える。TDUセル302の各々は、誘電体材料304の第1の側に容量性パッチ306を有する誘電体材料304を備える。誘導性矩形ワイヤループ308は、誘電体材料304の第2の側に位置する。矩形ワイヤループ308は、隣接するTDUセルのワイヤループが、隣接するTDUセル間の電流の連続性を提供するために互いに接触するように、TDUセル302の各々の周縁部の周りに配置される。図3に描写されるTDUセル302は、すべて同じサイズである。しかしながら、以下でさらに述べられるように、トランスミットアレイ300が異なるサイズのTDUセルを有することは、可能である。矩形ワイヤループは、TDUセルの周縁部の周りに位置するので、異なるサイズのTDUセルが、使用されるときでさえ、隣接するTDUセルのワイヤループは、互いに接触したままである。
図4Aは、分布時間遅延ユニット(TDU)セルの詳細を描写する。上で述べられたように、トランスミットアレイは、複数の隣接する個々のTDUとして形成されてもよい。各TDUセル400は、上で述べられたTDUセル302に似ている。しかしながら、誘電体材料によって分離された単一の矩形ワイヤ層および単一の容量性パッチ層をそれぞれ有する、TDUセル302と対照的に、TDUセル400は、複数の容量性パッチ層402、および複数の誘導性ワイヤループ層404を備え、容量性および誘導性の層402、404の各々の間に誘電体材料406の分離層を有する。各容量性パッチ402は、特定のサイズの矩形パッチを備えてもよい。さらに、各容量性パッチ402は、中央に誘導性カットアウト408を有してもよいが、カットアウトは、省略されてもよい。
誘導性ワイヤグリッド層404はそれぞれ、TDUセルのエッジまたは周縁部に沿って配置される矩形ワイヤループを備える。それに応じて、隣接するTDUセル内の対応する層のワイヤループは、互いに接触し、隣接するTDUセル間の電流の連続性を提供することになる。加えて、誘導性ワイヤループは、ワイヤループの真ん中にワイヤ接続クロス410を含んでもよい。ワイヤループは、セルの中央の代わりにTDUセルのエッジに沿っているので、すべてのTDUセル間の電流の連続性は、隣接TDUセルのサイズおよび位置にかかわらず、強化される。この幾何学的配置の結果として、TDUのワイヤグリッドはもはや、TDUセル間の電流の連続性を強化するために同じサイズである必要はないので、TDUセルのメタマテリアルは、異なるサイズを有するTDUセルの使用ならびにTDUの不規則なグリッドを使用することを可能にする。これは、一定のTDUセル寸法の使用を必要とした以前のメタマテリアル幾何学的配置と比較して、トランスミットアレイにわたる全時間遅延変化を著しく改善することができる。
図4Bは、クロスを有する矩形ワイヤグリッドの詳細を描写する。複数のTDUセルが、描写され、そのうちの2つは、412a、412bとラベルを付けられる。複数の個々の矩形ワイヤループは、そのうちの2つが、414a、414bとラベルを付けられるが、TDUセル412a、412bの各々の境界を規定する。描写されるように、矩形ワイヤループ414a、414bは、共通ワイヤセクション416を通じて隣接するワイヤループと接触している。互いに接触している複数のワイヤループから形成されるワイヤグリッドに加えて、ワイヤグリッドは、グリッドの矩形ワイヤループの各々内にワイヤクロス418aを含んでもよい。矩形ワイヤループの各々内に提供されるとして描写されるけれども、クロスは、矩形ワイヤループのすべてより少なく位置してもよい。TDUセルの1つにおける容量性パッチの場所は、破線矩形420として描写される。
図5Aは、トランスミットアレイに使用される容量性パッチ層を描写する。図5Bは、トランスミットアレイに使用される誘導性ワイヤループ層を描写する。トランスミットアレイ500は、上で述べられたように、複数の容量性パッチ層502および誘導性ワイヤループ層504を備えてもよい。個々のTDUセルとして上で述べられたけれども、トランスミットアレイ500の複数のTDUセルは、一緒に層に形成されてもよい。描写されるように、パッチ層502は、基板(図5Aおよび図5Bでは描写されない)の第1の側に形成されてもよい。誘導性ワイヤループ層504は、基板の第1の側と反対側の第2の側に形成されてもよい。もし多くの矩形ワイヤループ層504および/または容量性パッチ層502が、トランスミットアレイ500に使用されるならば、プロセスは、トランスミットアレイのすべてのTDUの全層状構造が、形成されるまで、繰り返されてもよい。
図6は、トランスミットアレイの個々の層の3D分解組み立て図を描写する。描写されるように、複数の隣接配置された時間遅延ユニット(TDU)セルは、誘電体材料によって分離された容量性パッチおよび誘導性ワイヤループの複数層として形成される。特に、トランスミットアレイ600は、4つの容量性パッチ層602a、602b、602c、602d(集合的に容量性パッチ層602と呼ばれる)、および3つのワイヤループ層604a、604b、604c(集合的にワイヤループ層604と呼ばれる)を備える。各容量性パッチ層602は、誘電体材料層606a、606b、606c、606d、606e、606f(集合的に誘電体層606と呼ばれる)によって隣接するワイヤループ層604から分離される。
特定の層のTDUセルの容量性パッチサイズは、TDUセルサイズの限界内で変化してもよい。加えて、特定のTDUセルの異なる容量性パッチ層の容量性パッチサイズは、変化してもよい。同様に、容量性パッチのカットアウトサイズは、異なるTDUセルにわたってならびに単一のTDUセルの異なる容量性パッチ層間で変化してもよい。各TDUセルの各ワイヤループ層の各ワイヤループ構造は、同じワイヤループ層上の隣接するTDUセルのワイヤループが、互いに接触するように、TDUセルのエッジの周りに配置されたワイヤループを含むけれども、それらはオプションとして、個々のTDUセルの電気的特性を変えるために、内部ワイヤクロスを含んでもよい。TDUセルのすべてが特定の層(例えば、層604b)にワイヤクロスを含むことが、望ましいけれども、TDUセルのいくつかだけが、特定の層に内部ワイヤクロスを有することは、可能である。両方のワイヤループ層604aおよび604cは、クロスなしに描写され、ワイヤループ層604bは、各TDUのワイヤループ内にワイヤクロスを含む。矩形ワイヤループ内にワイヤクロスを含むことに加えて、ワイヤループ層に使用されるワイヤの厚さを変えること、ならびにワイヤのために使用される導電性材料を変えることによって電気的特性を変えることが、可能である。
トランスミットアレイ600は、絶縁性誘電体材料の薄い層または複数層によって分離された、分布準周期的サブ波長容量性パッチ層602および誘導性ワイヤグリッド層604の交互層を備える比較的薄い多層印刷回路構造として形成される。ワイヤループ層604は一般に、より広い時間遅延分布を可能にするために2D非周期的構造の形である。すなわち、矩形ワイヤループは、異なるサイズのTDUセルが一緒に非周期的構造に使用されることを可能にする。
容量性パッチおよび誘導性ワイヤループの交互層を有する、上で述べられた個々のTDUセルの構造は、一連のカスケード接続のLC共振器としてモデル化されてもよい。
図7〜図11は、TDUセルの等価回路表現を描写する。N層の容量性パッチ702a〜702dおよび(N-1)層のワイヤループ704a〜704bを有するTDUセル700は、N個の共振器を形成することができ、従ってN次の帯域通過フィルタ応答をエミュレートすることができる。垂直入射における空間的時間遅延(spatial time-delay)メタマテリアルTDUセルの等価回路802は、図8に描写される。容量性パッチおよびカットアウト702a〜702dの各々は、シャントインダクタ814と並列のキャパシタ812の役割を果たす。ワイヤループ704a〜704bの各々は、それぞれのインダクタ822の役割を果たす。容量性パッチおよび関連するカットアウトのサイズを変えることによって、回路802の特性は、調整することができる。等価回路802は、伝送線路モデルを用いてTDUセル700を描写する。描写されるように、各誘電体基板材料は、インダクタ816によって分離された一対のキャパシタ816、820としてモデル化することができる。等価回路802は、並列寄生キャパシタンスを組み合わせ、インダクタンスについてティ-パイ回路変換を行うことによって、図9および図10にそれぞれ描写される伝送線路モデル等価回路902および1002にさらに簡略化することができる。図11の等価回路1102は、等価回路1002をフィルタ共振器表現で描写する。描写されるように、TDUセルは、N個の共振器1112a〜1112dを提供する。
容量性パッチの中央の矩形カットアウトは、パッチのシャントキャパシタと並列のシャントインダクタを表す。結果として、TDUの共振周波数は、単に矩形カットアウトの物理的サイズを変えることによって、容易に上方にまたは下方にシフトさせることができる。TDUの物理的幾何学パラメータは、知られている様々な手順を使用して引き出すことができる。いったん物理的幾何学パラメータが、決定されると、各TDUセルの特性は、標準的なフィルタ設計公式を使用することによって、TDUセルの開口場所に応じて必要とされる通りに時間遅延、位相および周波数応答を提供するように設計することができる。TDUセルについて決定される特性は、例えば各容量性層についての容量性パッチのサイズ、各容量性層の容量性パッチのカットアウトのサイズ、各ワイヤループ層のワイヤのサイズ、各ワイヤループ層におけるワイヤ接続クロスの存在ならびに誘電体材料の厚さを含んでもよい。
TDUセルの物理的寸法Cdが、最初に規定され、特定の値に固定される。次いで、容量性パッチ、カットアウト、およびワイヤのサイズが、必要とされる位相および時間遅延特性を提供するように選択される。位相および時間遅延の変化はまた、TDUセルの中心動作周波数も変えるけれども、そのような手順は、小さい範囲の時間遅延変化に有効である。時間遅延の変化および位相変化が、より大きくなるにつれて、TDUセルにおける周波数シフトは最終的に、TDUセルの動作周波数を関心のある動作周波数帯域から外へ動かす。結果として、これは、レンズの全体的な達成可能な時間遅延変化を制限する。しかしながら、以前の手法と異なり、現在のTDUセル幾何学的配置は、TDUセル境界における電流の連続性を分断させることなく、任意の場所におけるTDUセルの寸法の変化を可能にすることによって、設計における追加の自由度を可能にする。トランスミットアレイの半径方向寸法が、増加するにつれて、TDUセルのサイズを増加させることは、TDUセルの中心動作周波数に影響を及ぼすことなく自然な位相シフトおよび時間遅延低減を提供する。結果として、より大きい時間遅延および位相シフトを達成することが、可能である。
メタマテリアルトランスミットアレイは、全表面をいくつかの離散的領域、またはゾーンに分離することによって設計されてもよい。各TDUは、矩形の形状を有するので、全トランスミットアレイ、またはレンズは、M個の矩形ゾーンに分けられてもよい。これらのゾーンの各々におけるTDUセルは、同じセルサイズCdを有し、それは、他のゾーンにおけるセルサイズと異なってもよい。セルサイズ選択は、外側のゾーンが、より大きい全体的周波数帯域幅を達成するために内側のゾーンのそれよりも大きいセルサイズを有するというようなものである。各ゾーンのセルサイズは、同じであるけれども、同じゾーン内のTDUセルの容量性パッチ、およびパッチの誘導性カットアウトは、変わってもよい。
図12は、異なるサイズのTDUセルを有するトランスミットアレイの容量性パッチを描写する。トランスミットアレイは、TDUを複数のゾーン1202a〜h(集合的にゾーン1202と呼ばれる)にグループ化してもよい。図12は、各TDUセルの容量性パッチを描写し、各TDUセルの周縁部におけるワイヤループは、見えないということに留意されたい。ゾーン1202の各々は、時間遅延変化の小さい範囲内にいくつかのTDUセルを備える。設計は、中央ゾーン802aから始め、それは典型的には、他のゾーンと比較して時間遅延の所与の範囲内により多くのTDUセルを含有する。このゾーン802aにおけるすべてのTDUは、同じ初期ユニットセル寸法(Cdz1)を有する。TDUセルの相対的場所が、決定された後、各TDUセルの時間遅延および位相シフトは、方程式(1)および(2)に従って設計することができる。中央ゾーンのTDUセル設計が、完了した後、中央ゾーン802aのそれよりもわずかに大きいセル寸法(Cdz2)を有する第2のゾーン802bが、追加されてもよい。しかしながら、トランスミットアレイの幾何学的連続性について、これらの2つのゾーンにおけるTDUセルの寸法は、次の条件、
M・Cdz1 = (N-2)・Cdz2 (3)
が満たされるように選択すべきである。
ただし、Cdz1およびCdz2は、それぞれ第1のゾーン802aおよび第2のゾーン802bのセルサイズであり、Mは、第1のゾーン802aのxまたはy方向におけるTDUセルの数であり、Nは、第2のゾーン802bの任意の線形方向におけるTDUセルの数である。典型的には、値N=M-1の選択は、適切である。このプロセスは、追加のゾーンの各々について繰り返される。
図13は、位相面の下方傾斜を有さないトランスミットアレイを描写する。図13に描写されるように、TDUセル1306のパッチサイズ1302およびカットアウトサイズ1304は、垂直方向に対称的であり、そのため、トランスミットアレイ1300は、どんな傾斜も提供しない。
図14は、位相面の20°下方傾斜を有するトランスミットアレイを描写する。図14に描写されるように、TDUセル1406のパッチサイズ1402およびカットアウトサイズ1404は、垂直方向に対称的でなく、トランスミットアレイが、位相面の20°下方傾斜を提供するように配置される。
図15および図16は、いくつかの典型的なTDUの周波数応答、位相シフトおよび群遅延を示す。図15および図16では、典型的なTDUセルは、TDUセルの実用的な実施について合理的と考えられる範囲内である、時間遅延および位相シフトの値を有する。群遅延値は、比較的小さい変化を有し、位相シフトは、4GHzから5GHzの周波数範囲内で線形である。
2つのメタマテリアルトランスミットアレイが、設計され、性能が、シミュレーションされた。これらの2つのトランスミットアレイは、0°および20°の公称下方傾斜角を有して4GHzから5GHzの周波数範囲において動作するように設計された。トランスミットアレイの外側の物理的寸法は、20°の下方傾斜角については313mm×351mm、0°の下方傾斜角については276mm×276mmである。20°下方傾斜を有するトランスミットアレイは、合計372個のTDUセルを有し、下方傾斜のないトランスミットアレイは、341個のTDUセルを有する。各TDUセルは、4GHzから5GHzの周波数範囲において動作する4次かまたは5次の帯域通過フィルタ応答を与えるように設計されるサブ波長TDUセルである。図12を参照して述べられたゾーンに似た、8個のゾーンを有するトランスミットアレイが、設計された。中央ゾーン(ゾーン#1)におけるTDUセルは、大部分5次のユニットであって、それらは、8層の誘電体基板とともに、5層の容量性パッチおよび4層のワイヤグリッドで作られた。外側のゾーンにおけるTDUセルは、3層のワイヤグリッドおよび6層の誘電体基板とともに4層だけの容量性パッチを必要とする、大部分4次のユニットであった。メタマテリアルTDUセルの構築のために使用された材料は、Rogers 4003C炭化水素セラミック積層体であった。この材料は、良好なRF、機械的および熱的特性を保有し、様々な厚さで利用できる。RO4003Cの60mil(1.524mm)基板が、4次および5次の両方のTDUセルにおいてユニットセルの最上層および最下層のために使用された。20mil(0.508mm)RO4003Cの薄い層が、すべての内側層に使用された。RO4450結合材料の4mil(0.101mm)層もまた、各基板材料を一緒に結合するためにTDUセルモデルに含まれた。TDUセルの全厚さは、4次のTDUセルについては5.686mm、5次のTDUセルについては8.936mmであった。TDUセル構築およびPCB材料の厚さが、決定された後、各TDUセルのパッチのサイズおよびワイヤグリッドの直径が、上記の方程式(1)および(2)に従って必要とされる時間遅延および位相を与えるように選択されてもよい。パラメータ設定プロセスは、ANSYS HFSS(登録商標)などの反復全波シミュレータを使用するEMシミュレーションを伴う。
低プロファイルパッチによって提供される給電アンテナは、下方傾斜=20°の場合についてはTDUセルの最下面から離れて140mm(f/D=0.4)に位置し、下方傾斜=0°の場合については120mm(f/D=0.43)に位置する平面反射体上に分布した。合計M=8個のゾーンが、下方傾斜=20°についてトランスミットアレイの中央における11.5mmからトランスミットアレイの外側エッジにおける19.55mmに及ぶセルサイズ寸法を有する両方のトランスミットアレイのために使用された。20°下方傾斜トランスミットアレイのTDUセル配置は、図14に描写される。0°の下方傾斜角を有するトランスミットアレイについては、TDUセルサイズの6つのゾーンが、図13に示されるように使用された。
以下のTable 1 (表1)およびTable 2 (表2)は、2つのトランスミットアレイについてTDUセルのセルサイズ、時間遅延および挿入位相特性を提供する。下方傾斜=20°については、TDUセルサイズは、11.5mmから19.55mmまでゆっくり増加する。この配置は、245psec(105〜350psec)および406°(+6/-400°)の全TDUセル時間遅延および位相変化を与える。同様に、下方傾斜=0°トランスミットアレイについては、全時間遅延および位相変化は、それぞれ224psecおよび371°である。以前のRFレンズ設計からの例は、合計44psecから63psecの時間遅延を提供し、それは、1よりも大きいf/Dを必要とした。対照的に、現在の教示によるトランスミットアレイは、245psecを超える時間遅延およびf/D<0.45を有するレンズを作成し、それは、はるかにより低いプロファイルを有するトランスミットアレイの構築を可能にする。
図17は、2つのトランスミットアレイの放射パターンを描写する。下方傾斜=20°の場合は、どんな下方傾斜もないトランスミットアレイ(21.5dBi)と比較してわずかにより高い指向性(22dBi)を有する。2つのトランスミットアレイ間の指向性の差は、より高い走査角においてさらにより大きく、30°の走査角において21.2dBi対18.4dBiである。事前傾斜の(pre-tilt)トランスミットアレイの走査角にわたる利得降下は、通常のレンズよりもはるかに遅いことが明らかである。これらのパターンのBCFは、素子間隔およびアレイ構成に応じて、-12dBから-22dBの間などの、いくらか低いから適度までであると期待される。一般に、オフセット配置を有するアレイは、規則的な矩形アレイと比較してわずかにより低いBCFを有する。
図18は、下方傾斜角θ0=20°を有するトランスミットアレイの方位放射パターンを描写する。この場合、各ビームのビーム指向角は、給電アンテナのオフセット(方位オフセット=16mm、仰角オフセット=17mm)に起因して互いに対してわずかにオフセットしている。この配置に関しては、任意の2つの隣接ビーム間のBCFは、-13dBから-21.8dBの間にある。
上記は、特に信号の送信を参照してアンテナアレイアセンブリを述べている。しかしながら、同じ構造は、信号の送信および受信の相反(reciprocal)関係に起因して信号の受信に適用されてもよいことが、認識されよう。
本開示は、説明の目的で、本発明の完全な理解を提供するために多数の具体的な実施形態、実施、例および詳細を提供した。しかしながら、実施形態が、すべての具体的詳細なしにまたは等価配置を用いて実践されてもよいことは、明らかである。他の例では、いくつかのよく知られた構造およびデバイスは、本発明の実施形態を不必要に分かりにくくすることを避けるために、ブロック図の形で示され、または省略される。本記述は、本明細書で例示されかつ述べられた例となる設計および実施を含む、説明に役立つ実施、図面、および例示される技法に決して限定されるべきでなく、等価物のそれらの全範囲と一緒に添付の請求項の範囲内で変更されてもよい。
いくつかの実施形態が、本開示において提供されているけれども、開示されるシステムおよびコンポーネントは、本開示の趣旨または範囲から逸脱することなく多くの他の特定の形態で具体化されてもよいと理解すべきである。本例は、説明に役立ち、制限するものでないと考えるべきであり、本意図は、本明細書で与えられる詳細に限定されるべきでない。例えば、様々な要素もしくはコンポーネントは、別のシステムに組み合わされもしくは統合されてもよく、またはある特徴は、省略され、もしくは実施されなくてもよい。
100 アンテナアレイアセンブリ
102 給電アンテナ
104 反射体、支持構造物
106 トランスミットアレイ、メタマテリアルRFレンズ
108 下向きの先のとがったビーム
202 トランスミットアレイ
204 TDUセル
206 焦点
208 下方傾斜平面
300 トランスミットアレイ
302 TDUセル
304 誘電体材料
306 容量性パッチ
308 矩形ワイヤループ
400 TDUセル
402 容量性パッチ層、容量性パッチ
404 誘導性ワイヤループ層、誘導性ワイヤグリッド層
406 誘電体材料
408 誘導性カットアウト
410 ワイヤ接続クロス
412a TDUセル
412b TDUセル
414a 矩形ワイヤループ
414b 矩形ワイヤループ
416 共通ワイヤセクション
418a ワイヤクロス
420 破線矩形
500 トランスミットアレイ
502 容量性パッチ層、パッチ層
504 誘導性ワイヤループ層、矩形ワイヤループ層
600 トランスミットアレイ
602 容量性パッチ層
602a 容量性パッチ層
602b 容量性パッチ層
602c 容量性パッチ層
602d 容量性パッチ層
604 ワイヤループ層、ワイヤグリッド層
604a ワイヤループ層
604b ワイヤループ層
604c ワイヤループ層
606 誘電体層
606a 誘電体材料層
606b 誘電体材料層
606c 誘電体材料層
606d 誘電体材料層
606e 誘電体材料層
606f 誘電体材料層
700 TDUセル
702a〜702d 容量性パッチ
704a〜704b ワイヤループ
802 等価回路
802a 中央ゾーン、第1のゾーン
802b 第2のゾーン
812 キャパシタ
814 シャントインダクタ
816 キャパシタ、インダクタ
820 キャパシタ
822 インダクタ
902 伝送線路モデル等価回路
1002 伝送線路モデル等価回路
1102 等価回路
1112a〜1112d 共振器
1202 ゾーン
1202a〜h ゾーン
1300 トランスミットアレイ
1302 パッチサイズ
1304 カットアウトサイズ
1306 TDUセル
1402 パッチサイズ
1404 カットアウトサイズ
1406 TDUセル

Claims (14)

  1. 複数の隣接する時間遅延ユニット(TDU)セルを備える無線周波数(RF)アンテナのためのメタマテリアルレンズであって、各TDUセルは、
    誘電体材料と、
    前記TDUセルの周縁部の周りに配置される前記誘電体材料の第1の側の誘導性矩形ワイヤループと、
    前記TDUセルの前記周縁部内に位置決めされる、前記誘電体材料の第2の側の容量性パッチとを備え、
    前記複数のTDUセルは、TDUセルの複数のサブセットを備え、
    異なるサブセットの前記TDUセルは、異なるサイズであり、同じサブセット内の前記TDUセルは、同じサイズであり、前記複数の異なるサイズのTDUセルのサブセットは、同じサイズのTDUセルのサブセットを一緒にグループ化した複数のゾーンに配置され、最小のTDUセルは、内部の第1のゾーンに位置し、次第に増加するサイズのTDUセルは、より小さいサイズのTDUセルのゾーンを取り囲む、メタマテリアルレンズ。
  2. TDUセルの同じサブセット内のTDUセルは、異なるサイズの容量性パッチを有する、請求項１に記載のメタマテリアルレンズ。
  3. 前記複数のTDUセルの前記誘導性矩形ワイヤループは、隣接するTDUセルの前記誘導性矩形ワイヤループと接触している、請求項１または２に記載のメタマテリアルレンズ。
  4. 前記複数のTDUセルの少なくとも1つは、誘導性ワイヤループ内に誘導性ワイヤクロスを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のメタマテリアルレンズ。
  5. 前記TDUセルの少なくとも1つのサブセットの前記容量性パッチは、異なるパッチサイズを有する、請求項１に記載のメタマテリアルレンズ。
  6. 前記複数のTDUセルの前記容量性パッチの1つまたは複数は、誘導性カットアウトを有する、請求項１から５のいずれか一項に記載のメタマテリアルレンズ。
  7. 前記複数のTDUセルの各々は、前記TDUセルの前記周縁部に沿って位置する誘導性矩形ワイヤループの1つまたは複数の追加層を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載のメタマテリアルレンズ。
  8. 前記複数のTDUセルの各々は、容量性パッチの複数の層を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載のメタマテリアルレンズ。
  9. 前記複数のTDUセルの各々は、前記TDUセルの周縁部に沿って位置する誘導性矩形ワイヤループの複数の層および容量性パッチの複数の層を備え、前記層の各々は、誘電体材料によって分離される、請求項１から６のいずれか一項に記載のメタマテリアルレンズ。
  10. 焦点距離を有するトランスミットアレイであって、前記トランスミットアレイは、複数の隣接する時間遅延ユニット(TDU)セルを有し、各TDUセルは、前記TDUセルの周縁部に沿って位置する誘導性矩形ワイヤループ、容量性パッチ、ならびに前記誘導性矩形ワイヤループおよび前記容量性パッチを分離する誘電体材料を有する、トランスミットアレイと、
    前記トランスミットアレイから前記焦点距離に位置する焦点面に配置される複数の放射素子とを備え、
    前記複数のTDUセルは、TDUセルの複数のサブセットを備え、
    異なるサブセットの前記TDUセルは、異なるサイズであり、一方同じサブセット内のTDUセルは、同じサイズであり、前記複数の異なるサイズのTDUセルの前記サブセットは、同じサイズのTDUセルのサブセットを一緒にグループ化した複数のゾーンに配置され、最小のTDUセルは、内部の第1のゾーンに位置し、次第に増加するサイズのTDUセルは、より小さいサイズのTDUセルのゾーンを取り囲む、アンテナアレイアセンブリ。
  11. 前記複数のゾーンのそれぞれのゾーン内のTDUセルは、異なるサイズの容量性パッチを有する、請求項１０に記載のアンテナアレイアセンブリ。
  12. 前記複数のTDUセルの前記誘導性矩形ワイヤループは、隣接するTDUセルの前記誘導性矩形ワイヤループと接触している、請求項１０または１１に記載のアンテナアレイアセンブリ。
  13. 前記複数のTDUセルは、前記放射素子からの無線周波数(RF)ビームに下方傾斜角を提供する、請求項１０から１２のいずれか一項に記載のアンテナアレイアセンブリ。
  14. 前記アンテナアレイアセンブリは、直交ビーム空間(OBS)大規模多入力多出力(MIMO)アレイアセンブリである、請求項１０から１３のいずれか一項に記載のアンテナアレイアセンブリ。
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