JP6786627B2 - 光起電力セルと一体化したアンテナ - Google Patents
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Description
本出願は、「Holographic Metamaterial Antenna Integrated with Photovoltaic Cells(光起電力セルと一体化したホログラフィックメタマテリアルアンテナ)」と題する2016年5月3日出願の対応する仮特許出願第62/331,355号及び「Antenna Integrated with Photovoltaic Cells(光起電力セルと一体化したアンテナ)」と題する2017年5月2日出願の特許出願第15/584,247号に対する優先権を主張し、これらを引用により組み込むものである。
・バッテリの排除/サイズ削減による軽量化
・電源ケーブルが不要であることによる、セットアップ及び使用の容易化
・様々な電源を排除しこれらの特徴をアンテナ基板に組み込むことによる、物理的体積及び重量の低減
本明細書で記載されるPV構造体は、平面アンテナ(flat panel antenna)を含む様々なアンテナと共に使用することができる。このような平面アンテナの実施形態が開示される。平面アンテナは、アンテナ開口面上の1又は2以上のアンテナ素子アレイを含む。1つの実施形態では、アンテナ素子は、液晶セルを含む。別の実施形態では、アンテナ素子は、微小電気機械システム(MEMS)デバイスを含む。1つの実施形態では、平面アンテナは、行及び列状に配置されていないアンテナ素子の各々を一意的にアドレス指定して駆動するためのマトリクス駆動回路を含む円筒状給電アンテナである。給電部は、円形である必要がない点に留意されたい。1つの実施形態では、素子は、リング状に配置される。
図4のRFアレイ406及び図5のRFアレイ516は、放射体として機能する1つのグループのパッチアンテナ(すなわち、散乱体)を含む波散乱サブシステムを含む。このグループのパッチアンテナは、散乱素子のアレイを備える。各パッチアンテナは、RF共振器を形成するパッチ及びアイリスを備える。以下の内容は、MEMSベースのRF共振器の複数の実施形態を開示する。1つの実施形態では、各RF共振器は、微小電気機械システム(MEMS)デバイスを有する及び/又はそれを収容するRF放射素子を有する。別の実施形態では、各RF共振器は、液晶を有する及び/又はそれを収容するRF放射素子を有する。
1つの実施形態では、アンテナ素子は、同調可能ホログラフィックアンテナ素子であり、PVセルは、同調可能ホログラフィックアンテナ素子と共に光学的に透過性の基板上に組み込まれる。アンテナ素子は、メタマテリアル素子とすることができる。1つの実施形態では、PVセルは、アンテナ素子間に散在している。1つの実施形態では、セルなどのPV構造体は、アンテナ素子の電子走査アレイの表面に組み込まれる。
動的ビーム生成及び太陽エネルギー捕捉
アンテナ制御の例
1つの実施形態では、アンテナ素子は、体系的マトリクス駆動回路を可能にするように円筒状給電アンテナの開口面上に配置される。セルの配置は、マトリクス駆動用のトランジスタの配置を含む。図17は、アンテナ素子に対するマトリクス駆動回路の配置の1つの実施形態を示している。図17を参照すると、行コントローラ1701は、それぞれ、行選択信号Row1(行1)及びRow2(行2)を介してトランジスタ1711及び1712に結合され、列コントローラ1702は、列選択信号Column1(列1)を介してトランジスタ1711及び1712に結合されている。また、トランジスタ1711は、パッチへの接続1731を介してアンテナ素子1721に結合され、その一方、トランジスタ1712は、パッチへの接続1732を介してアンテナ素子1722に結合される。
1つの実施形態において、複合アンテナ開口面は、セットトップボックスと連動して動作するテレビジョンシステムで使用される。例えば、二重受信アンテナの場合、アンテナにより受信された衛星信号は、テレビジョンシステムのセットトップボックス(例えば、DirectTV受信機)に供給される。より具体的には、複合アンテナ動作は、2つの異なる周波数及び/又は偏波でRF信号を同時に受信することができる。すなわち、素子の1つのサブアレイは、1つの周波数及び/又は偏波でRF信号を受信するように制御され、別のサブアレイは、別の異なる周波数及び/又は偏波で信号を受信するように制御される。周波数又は偏波のこれらの相違は、テレビジョンシステムにより異なるチャネルが受信されることを表している。同様に、2つのアンテナアレイは、2つの異なる位置(例えば、2つの異なる衛星)からのチャネルを受信するため2つの異なるビーム位置に対して制御されて、複数のチャネルを同時に受信することができる。
別の実施形態において、複合アンテナ開口面は、全二重通信システムで使用される。図20は、同時送信及び受信経路を有する通信システムの別の実施形態のブロック図である。1つの送信経路及び1つの受信経路のみが示されているが、通信システムは、1つよりも多い送信経路及び/又は1つよりも多い受信経路を含むことができる。
1301 アンテナ素子のアクティブアレイ
1302 コントローラ
1303 アンテナ素子制御信号
1304 PVセル
1310 アンテナ位置入力
1320 アンテナインタフェース
1321 モデム
1330 通信信号
1360 緊急モード入力デバイス
1340 アンテナ位置決めデバイス
1341 入力信号
Claims (38)
- アンテナを使用するための方法であって、
前記アンテナが、アンテナ素子アレイを含むアンテナ開口面の光学的に透過性の基板のペアのうちの一つの上に組み込まれた1又は2以上の光起電力(PV)構造体による太陽エネルギーの捕捉を増大させる所定位置に配置された後の前記アンテナのアンテナ開口面を示す位置データを受け取るステップであって、前記光学的に透過性の基板のペアは複数のスロット及び複数のパッチを含み、前記複数のパッチの各々はメタマテリアル素子によって前記複数のスロットの一つのスロットから隔離されて、スロットの上に並置され、前記1又は2以上のPV構造体は前記アレイにおけるアンテナ素子間に配置され、前記一つの光学的に透過性の基板上の金属層を用いて接続される、受け取るステップと、
前記位置データに応答して、前記太陽エネルギーの捕捉を増大させる前記アンテナ位置を維持しながら、前記アンテナ位置に基づいて衛星に向けてビームを向け直すように前記アンテナのアンテナ素子アレイを電子的に誘導するステップと、
を含む方法。 - 前記1又は2以上のPV構造体によって捕捉される前記太陽エネルギーに少なくとも部分的に基づいて前記アンテナの電源を投入するステップを更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記アンテナ素子アレイを電子的に誘導するステップに応答して前記衛星の位置を特定するステップと、
前記アンテナが前記太陽エネルギーの捕捉を増大させる前記位置に存在しながら、前記衛星を自動追尾するステップと、
を更に含む、請求項1に記載の方法。 - 前記アンテナと前記衛星との間の通信を使用して通信ネットワークに接続するステップを更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記通信ネットワークは、インターネットを含む、請求項4に記載の方法。
- 前記通信は、WiFi信号を含む、請求項4に記載の方法。
- 前記アンテナを位置決めするステップが、
複数の位置の間で前記アンテナを回転させるステップと、
前記複数の位置の各々における太陽エネルギー捕捉量を記録するステップと、
前記太陽エネルギー捕捉量に基づいて前記アンテナを自動的に向ける方向を決定するステップと、
前記方向に基づく前記位置に前記アンテナを自動的に移動させるステップと、
を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記アンテナに取り付けられ且つ1又は2以上のPV構造体を有する少なくとも1つの付属装置を展開するステップと、
前記少なくとも1つの付属装置の前記1又は2以上のPV構造体を用いて太陽エネルギーを捕捉するステップと、
を更に含む、請求項1に記載の方法。 - 前記1又は2以上のPV構造体により捕捉された太陽エネルギーを使用して、前記アンテナに電力を供給するバッテリをトリクル充電するステップを更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記1又は2以上のPV構造体により捕捉された太陽エネルギーを用いてトリクル充電された前記バッテリを使用して、ウォームスタートを実行するステップを更に含む、請求項9に記載の方法。
- 前記バッテリは、緊急用電力又は災害復旧に使用される、請求項9に記載の方法。
- 前記アンテナと前記衛星との間の通信を使用して、緊急モード中に通信ネットワークに接続するステップを更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記通信は、捕捉された太陽エネルギーを用いて充電されたバッテリからの電力のみを使用して行われる、請求項12に記載の方法。
- 前記通信は、前記アンテナの位置データの送信を含む、請求項12に記載の方法。
- 前記位置データは、全地球測位システム(GPS)データを含む、請求項14に記載の方法。
- 前記通信は、緊急コードを含む、請求項12に記載の方法。
- 前記光起電力構造体は、少なくとも1つの光起電力セルを備える、請求項1に記載の方法。
- アンテナ素子アレイ及び1又は2以上のPV構造体を有する物理的アンテナ開口面であって、太陽エネルギーを捕捉してアンテナに電力を供給するように前記PV構造体は光学的に透過性の基板のペアの一つの上に組み込まれ、前記光学的に透過性の基板のペアは複数のスロット及び複数のパッチを含み、前記複数のパッチの各々はメタマテリアル素子によって前記複数のスロットの一つのスロットから隔離され、スロットの上に並置され、前記1又は2以上のPV構造体は前記アレイにおけるアンテナ素子間に配置され、前記一つの光学的に透過性の基板上の金属層を用いて接続される物理的アンテナ開口面と、
前記1又は2以上の光起電力(PV)構造体による太陽エネルギーの捕捉のための前記物理的開口面の位置を考慮した制御アルゴリズムを使用して、所望の周波数でビームを生成するように前記アンテナ素子アレイを電子的に走査させるコントローラと、
を備える、アンテナ。 - 前記1又は2以上のPV構造体のうちの少なくとも1つは、前記アンテナ素子アレイの外側の周辺領域に位置する、請求項18に記載のアンテナ。
- 前記周辺領域は、前記開口面上のベゼルを備える、請求項19に記載のアンテナ。
- 前記1又は2以上のPV構造体のうちの少なくとも1つは、前記アンテナ素子アレイを含む基板上に位置する、請求項18に記載のアンテナ。
- 前記基板は、ガラス層を備える、請求項21に記載のアンテナ。
- 前記1又は2以上のPV構造体は、アンテナ素子間に交互配置される、請求項18に記載のアンテナ。
- アンテナ素子を駆動するためのアンテナ素子駆動回路と、
前記1又は2以上のPV構造体によって捕捉されたエネルギーを収集して前記アンテナ素子駆動回路に電力を供給するためのエネルギー収集サブシステムと、
を更に備える、請求項18に記載のアンテナ。 - 前記アンテナ素子駆動回路は、行及び列経路設定部を備え、前記1又は2以上のPV構造体のうちの複数のPV構造体は、前記行及び列経路設定導体の間に存在する、請求項24に記載のアンテナ。
- 前記アンテナ素子駆動回路は、薄膜トランジスタ(TFT)を備える、請求項24に記載のアンテナ。
- 前記アレイの中の素子は、2又は3以上のリング内に位置決めされ、更に前記1又は2以上のPV構造体のうちの複数のPV構造体は、前記2又は3以上のリング間に存在する、請求項18に記載のアンテナ。
- 前記1又は2以上のPV構造体は、アモルファスシリコンPVセル、多接合PVセル、及び3接合PVセルを含むグループから選択された1又は2以上のPV構造体を備える、請求項18に記載のアンテナ。
- 前記1又は2以上のPV構造体は、異なるサイズを有する複数のPVセルを備える、請求項18に記載のアンテナ。
- 前記アンテナ素子は、ホログラフィックビーム誘導で使用される周波数帯域のビームを形成するように制御されて共に動作する、請求項18に記載のアンテナ。
- 前記パッチの各々及びその並置されたスロットは、パッチ/スロットペアを形成し、各パッチ/スロットペアは、前記ペアの前記パッチへの電圧印加に基づいてオフ又はオンになり、前記コントローラは、どのパッチ/スロットペアをオン及びオフにして前記ビームを生成するかを制御するための制御パターンを適用するように動作できる、請求項18に記載のアンテナ。
- 前記メタマテリアル素子は、液晶を備える、請求項31に記載のアンテナ。
- 前記メタマテリアル素子が紫外線に対して敏感であり、前記液晶に晒される紫外線放射の量を低減するための前記開口面の少なくとも一部の上に紫外線吸収層を更に備える、請求項32に記載のアンテナ。
- 前記メタマテリアル素子が紫外線に対して敏感であり、紫外線放射が前記液晶に影響を与えるのを防止するため、前記開口面の少なくとも一部の上に基板紫外線フィルタの上部上の光学的に不透明な層を更に備える、請求項32に記載のアンテナ。
- 前記光学的に不透明な層は、前記アレイ内の前記PV素子の各々に開口部を含む、請求項34に記載のアンテナ。
- 前記1又は2以上のPV構造体は、直列に電気的に接続されたPVセルのグループを備え、該グループが電気的に並列接続される、請求項18に記載のアンテナ。
- 前記グループは、前記アンテナ素子用の駆動回路に電力を分配するように動作できるパッチ金属層に接続される、請求項36に記載のアンテナ。
- アンテナ素子アレイ及び1又は2以上のPV構造体を有する物理的アンテナ開口面であって、前記PV構造体は、前記アレイの内部及び外部で前記開口面の光学的に透過性の基板のペアのうちの一つの表面上に組み込まれて太陽エネルギーを捕捉してアンテナに電力を供給し、前記アンテナ素子アレイは、前記光学的に透過性の基板のペアの上に、同調可能スロット式アンテナ素子アレイ、複数のスロット及び複数のパッチを含み、前記パッチの各々は、メタマテリアル素子によって前記複数のスロット内のスロットの上に並置され前記スロットから離隔されてパッチ/スロットペアが形成され、各パッチ/スロットペアは、前記ペアの前記パッチへの電圧印加に基づいてオフ又はオンになり、前記1または2以上のPV構造体は前記アレイにおけるアンテナ素子間に配置され、前記一つの光学的に透過性の基板上の金属層を用いて接続される、物理的アンテナ開口面と、
前記1又は2以上の光起電力(PV)構造体による太陽エネルギーの捕捉のための前記物理的開口面の位置を考慮した制御アルゴリズムを使用して、所望の周波数でビームを生成するように前記アンテナ素子アレイを電子的に走査させるコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、どのパッチ/スロットペアをオン及びオフにして前記ビームを生成するかを制御するための制御パターンを適用するように動作できる、ことを特徴とするアンテナ。
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