JP7174101B2 - Antenna with high RF tuning, wide temperature operating range, and low viscosity radio frequency liquid crystal (RFLC) mixture - Google Patents

Antenna with high RF tuning, wide temperature operating range, and low viscosity radio frequency liquid crystal (RFLC) mixture Download PDF

Info

Publication number
JP7174101B2
JP7174101B2 JP2021064042A JP2021064042A JP7174101B2 JP 7174101 B2 JP7174101 B2 JP 7174101B2 JP 2021064042 A JP2021064042 A JP 2021064042A JP 2021064042 A JP2021064042 A JP 2021064042A JP 7174101 B2 JP7174101 B2 JP 7174101B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
antenna
antenna according
liquid crystal
elements
feed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2021064042A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2021132377A (en
Inventor
フィリップ エイ サリヴァン
ダブリュー ブレンデン カールソン
グレゴリー ディー フェラン
ライアン スティーヴンソン
ネイサン クンツ
モフセン サゼガー
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kymeta Corp
Original Assignee
Kymeta Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US15/600,514 external-priority patent/US10224620B2/en
Application filed by Kymeta Corp filed Critical Kymeta Corp
Publication of JP2021132377A publication Critical patent/JP2021132377A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7174101B2 publication Critical patent/JP7174101B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065Patch antenna array
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09KMATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K19/00Liquid crystal materials
    • C09K19/04Liquid crystal materials characterised by the chemical structure of the liquid crystal components, e.g. by a specific unit
    • C09K19/06Non-steroidal liquid crystal compounds
    • C09K19/08Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings
    • C09K19/10Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings containing at least two benzene rings
    • C09K19/14Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings containing at least two benzene rings linked by a carbon chain
    • C09K19/18Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings containing at least two benzene rings linked by a carbon chain the chain containing carbon-to-carbon triple bonds, e.g. tolans
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/364Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith using a particular conducting material, e.g. superconductor
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/006Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces
    • H01Q15/0066Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces said selective devices being reconfigurable, tunable or controllable, e.g. using switches
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006Particular feeding systems
    • H01Q21/0031Parallel-plate fed arrays; Lens-fed arrays
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/064Two dimensional planar arrays using horn or slot aerials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/44Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09KMATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K19/00Liquid crystal materials
    • C09K19/04Liquid crystal materials characterised by the chemical structure of the liquid crystal components, e.g. by a specific unit
    • C09K19/06Non-steroidal liquid crystal compounds
    • C09K19/08Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings
    • C09K19/10Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings containing at least two benzene rings
    • C09K19/12Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings containing at least two benzene rings at least two benzene rings directly linked, e.g. biphenyls
    • C09K2019/121Compounds containing phenylene-1,4-diyl (-Ph-)
    • C09K2019/122Ph-Ph
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09KMATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K19/00Liquid crystal materials
    • C09K19/04Liquid crystal materials characterised by the chemical structure of the liquid crystal components, e.g. by a specific unit
    • C09K19/06Non-steroidal liquid crystal compounds
    • C09K19/08Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings
    • C09K19/10Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings containing at least two benzene rings
    • C09K19/12Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings containing at least two benzene rings at least two benzene rings directly linked, e.g. biphenyls
    • C09K2019/121Compounds containing phenylene-1,4-diyl (-Ph-)
    • C09K2019/123Ph-Ph-Ph
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09KMATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K19/00Liquid crystal materials
    • C09K19/04Liquid crystal materials characterised by the chemical structure of the liquid crystal components, e.g. by a specific unit
    • C09K19/06Non-steroidal liquid crystal compounds
    • C09K19/08Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings
    • C09K19/10Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings containing at least two benzene rings
    • C09K19/14Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings containing at least two benzene rings linked by a carbon chain
    • C09K19/18Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings containing at least two benzene rings linked by a carbon chain the chain containing carbon-to-carbon triple bonds, e.g. tolans
    • C09K2019/181Ph-C≡C-Ph
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09KMATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K19/00Liquid crystal materials
    • C09K19/04Liquid crystal materials characterised by the chemical structure of the liquid crystal components, e.g. by a specific unit
    • C09K19/06Non-steroidal liquid crystal compounds
    • C09K19/08Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings
    • C09K19/10Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings containing at least two benzene rings
    • C09K19/14Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings containing at least two benzene rings linked by a carbon chain
    • C09K19/18Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings containing at least two benzene rings linked by a carbon chain the chain containing carbon-to-carbon triple bonds, e.g. tolans
    • C09K2019/183Ph-Ph-C≡C-Ph
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09KMATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K19/00Liquid crystal materials
    • C09K19/04Liquid crystal materials characterised by the chemical structure of the liquid crystal components, e.g. by a specific unit
    • C09K19/06Non-steroidal liquid crystal compounds
    • C09K19/08Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings
    • C09K19/30Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings containing saturated or unsaturated non-aromatic rings, e.g. cyclohexane rings
    • C09K19/3001Cyclohexane rings
    • C09K19/3003Compounds containing at least two rings in which the different rings are directly linked (covalent bond)
    • C09K2019/3009Cy-Ph
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09KMATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K19/00Liquid crystal materials
    • C09K19/04Liquid crystal materials characterised by the chemical structure of the liquid crystal components, e.g. by a specific unit
    • C09K19/06Non-steroidal liquid crystal compounds
    • C09K19/08Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings
    • C09K19/30Non-steroidal liquid crystal compounds containing at least two non-condensed rings containing saturated or unsaturated non-aromatic rings, e.g. cyclohexane rings
    • C09K19/3001Cyclohexane rings
    • C09K19/3028Cyclohexane rings in which at least two rings are linked by a carbon chain containing carbon to carbon single bonds
    • C09K2019/3036Cy-C2H4-Ph
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09KMATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K2219/00Aspects relating to the form of the liquid crystal [LC] material, or by the technical area in which LC material are used
    • C09K2219/11Aspects relating to the form of the liquid crystal [LC] material, or by the technical area in which LC material are used used in the High Frequency technical field

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Description

(優先権)
本特許出願は、2016年5月20日出願の「高RF同調、広い温度動作範囲、及び低粘度の無線周波数液晶(RFLC)混合物」と題する対応する仮特許出願番号第62/339,550号に対する優先権を主張し、引用によりこれを組み入れる。
(priority)
This patent application is entitled "High RF Tuning, Wide Temperature Operating Range, and Low Viscosity Radio Frequency Liquid Crystal (RFLC) Mixtures," filed May 20, 2016 to Corresponding Provisional Patent Application Serial No. 62/339,550. claims priority to and is incorporated by reference.

本発明の実施形態は、液晶(LC)を有する無線周波数(RF)デバイスの分野に関し、より具体的には、本発明の実施形態は、メタマテリアル同調アンテナでの使用に適した、高RF同調及び低粘度を有する無線周波数(RF)デバイスに関する。 TECHNICAL FIELD Embodiments of the present invention relate to the field of radio frequency (RF) devices with liquid crystal (LC), and more specifically, embodiments of the present invention provide high RF tuning suitable for use in metamaterial tuned antennas. and radio frequency (RF) devices with low viscosity.

近年、液晶(LC)ベースのメタマテリアル要素をデバイスの一部として使用した表面散乱アンテナ及びその他のそのような無線周波数デバイスが開示されている。アンテナの場合、LCは、アンテナ素子を同調するためのアンテナ素子の一部として使用されている。このようなデバイスの性能は、少なくとも一部には、使用されるLCに依存する。従って、そのLCを使用したデバイスの性能を改善するような性質を有するLCを開発することが望ましい。 Recently, surface scattering antennas and other such radio frequency devices have been disclosed using liquid crystal (LC)-based metamaterial elements as part of the device. In the case of antennas, LCs are used as part of the antenna elements for tuning the antenna elements. The performance of such devices depends, at least in part, on the LC used. Therefore, it is desirable to develop LCs with properties that improve the performance of devices using the LCs.

改善された性能を有する無線周波数(RF)液晶(RFLC)混合物を含むデバイスが開示される。1つの実施形態において、改善された性能は、高RF同調、広い温度動作範囲及び低粘度を含む。1つの実施形態において、デバイスは、複数のアンテナ素子を有するアンテナ素子アレイを備えると共に各アンテナ素子が液晶(LC)構造を有するアンテナを含み、LC構造は、少なくともプロトン、水素(H)、又はヘテロ原子のうちの1つ以上で側方官能化(laterally functionalized)された、以下の:

Figure 0007174101000001
のうちの1種以上の混合物を含む。
本発明は、以下で与えられる詳細な説明及び添付の本発明の種々の実施形態の図面からより完全に理解されるが、それらは本発明を特定の実施形態に限定すると解釈すべきではなく、単に説明及び理解のためのものである。 A device is disclosed that includes a radio frequency (RF) liquid crystal (RFLC) mixture with improved performance. In one embodiment, improved performance includes high RF tuning, wide temperature operating range and low viscosity. In one embodiment, the device comprises an antenna element array having a plurality of antenna elements and each antenna element includes an antenna having a liquid crystal (LC) structure, the LC structure comprising at least proton, hydrogen (H), or hetero Laterally functionalized at one or more of the atoms of:
Figure 0007174101000001
including mixtures of one or more of
While the present invention will be more fully understood from the detailed description given below and the accompanying drawings of various embodiments of the invention, they should not be construed to limit the invention to particular embodiments, It is for illustration and understanding only.

入射マイクロ波放射に対するLCネマチック相の相対配向の表現を示す。Fig. 3 shows a representation of the relative orientation of the LC nematic phase with respect to incident microwave radiation; 図2Aは、メタネットワーク・アンテナ技術単一要素の内部の場の配向及び濃度のコンピュータモデル化ベースの表現を示す。図2Bは、代表的なメタネットワーク・アンテナ技術単一要素の写真である。FIG. 2A shows a computer modeling-based representation of field orientation and concentration inside a single element of meta-network antenna technology. FIG. 2B is a photograph of a representative meta-network antenna technology single element. 共振周波数同調の表現を示す。4 shows a representation of resonant frequency tuning; 単純線形結合モデルを用いて作成されたΔn推定値と組み合わされた無線周波数(RF)同調研究から得られた近似的結果を示す。Approximate results obtained from radio frequency (RF) tuning studies combined with Δn estimates made using a simple linear combination model are shown. 選択されたLC混合物の熱(示差走査熱量計)トレースを示す。Thermal (differential scanning calorimeter) traces of selected LC mixtures are shown. 選択されたLC混合物の熱(示差走査熱量計)トレースを示す。Thermal (differential scanning calorimeter) traces of selected LC mixtures are shown. 選択されたLC混合物の熱(示差走査熱量計)トレースを示す。Thermal (differential scanning calorimeter) traces of selected LC mixtures are shown. 選択されたLC混合物の熱(示差走査熱量計)トレースを示す。Thermal (differential scanning calorimeter) traces of selected LC mixtures are shown. 選択されたLC混合物の熱(示差走査熱量計)トレースを示す。Thermal (differential scanning calorimeter) traces of selected LC mixtures are shown. 円筒波フィードを提供するために用いられる同軸フィードの1つの実施形態の平面図を示す。FIG. 1 shows a plan view of one embodiment of a coaxial feed used to provide a cylindrical wave feed; 円筒状給電アンテナの入力給電部の周りに同心円状に配置されたアンテナ素子の1以上のアレイを有するアパーチャを示す。Fig. 3 shows an aperture with one or more arrays of antenna elements arranged concentrically around the input feed of a cylindrical fed antenna; 接地面と再構成可能な共振器層とを含む1列のアンテナ素子の斜視図を示す。1 shows a perspective view of a row of antenna elements including a ground plane and a reconfigurable resonator layer; FIG. 同調可能な共振器/スロットの1つの実施形態を示す。Figure 3 shows one embodiment of a tunable resonator/slot; 物理アンテナアパーチャの1つの実施形態の断面図を示す。FIG. 4B illustrates a cross-sectional view of one embodiment of a physical antenna aperture. スロット付きアレイを作製するための異なる層の1つの実施形態を示す。Figure 11 shows one embodiment of different layers for making a slotted array. スロット付きアレイを作製するための異なる層の1つの実施形態を示す。Figure 11 shows one embodiment of different layers for making a slotted array. スロット付きアレイを作製するための異なる層の1つの実施形態を示す。Figure 11 shows one embodiment of different layers for making a slotted array. スロット付きアレイを作製するための異なる層の1つの実施形態を示す。Figure 11 shows one embodiment of different layers for making a slotted array. 円筒状給電アンテナ構造の1つの実施形態の側面図を示す。FIG. 11 illustrates a side view of one embodiment of a cylindrically-fed antenna structure; 外向き波を有するアンテナシステムの別の実施形態を示す。Fig. 3 shows another embodiment of an antenna system with outgoing waves; アンテナ素子に対するマトリクス駆動回路の配置の1つの実施形態を示す。Fig. 3 shows one embodiment of the layout of the matrix drive circuit for the antenna elements; TFTパッケージの1つの実施形態を示す。1 illustrates one embodiment of a TFT package. テレビジョンシステムにおいて二重受信を同時に行う通信システムの1つの実施形態のブロック図である。1 is a block diagram of one embodiment of a communication system for simultaneous dual reception in a television system; FIG. 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。Figure 3 is a block diagram of another embodiment of a communication system with simultaneous transmit and receive paths;

液晶(LC)混合物を含む無線周波数(RF)デバイス及びこれを使用するための方法が開示される。1つの実施形態において、RFデバイスは、アンテナ、フェーズドアレイ又は光変調器を含むことができる。1つの実施形態において、LC混合物は、パイ共役メソゲン(液晶)化合物を含む無線周波数液晶(RFLC)混合物である。1つの実施形態において、RFLCは、メタネットワーク・アンテナ技術の能動素子としての使用に適している。メタネットワーク・アンテナ技術において有用であるために、RFLC混合物は、大電圧同調可能なRF誘電異方性(光学Δη≧0.3、RFΔε≧1.33)、許容可能な温度安定特性、(-40℃以下での長期保存安定性、透明点≧125℃)、低RF損失(Δε/Tanσ≧75)、及び許容可能な粘弾性(γ1/κ3≦15)を示す。 Radio frequency (RF) devices containing liquid crystal (LC) mixtures and methods for using the same are disclosed. In one embodiment, the RF device can include an antenna, phased array, or optical modulator. In one embodiment, the LC mixture is a radio frequency liquid crystal (RFLC) mixture comprising pi-conjugated mesogenic (liquid crystal) compounds. In one embodiment, RFLCs are suitable for use as active elements in meta-network antenna technology. To be useful in meta-network antenna technology, the RFLC mixture has high voltage tunable RF dielectric anisotropy (optical Δη≧0.3, RF Δε≧1.33), acceptable temperature stability properties, (− It exhibits long-term storage stability up to 40°C, clearing point > 125°C), low RF loss (Δε/Tanσ > 75), and acceptable viscoelasticity (γ1/κ3 < 15).

本明細書における目的では、「同調範囲」は、RF誘電率の変化量Δε(RF)として定義され、光学用途では、これはΔnとして定義される。 For purposes herein, "tuning range" is defined as the amount of change in RF permittivity Δε(RF), and for optical applications this is defined as Δn.

1つの実施形態において、本明細書で開示される液晶混合物は、高複屈折液晶である。高複屈折は、典型的には当該分野ではΔn>0.3として認識される。これらは、限定しないが、1)共振要素に基づくホログラフィックアンテナ、反射アレイ及びフェーズドアレイのようなアンテナ用途、及び2)例えばLIDAR(光イメージング検出及び測距)において用いられるような空間光変調器を含む、いくつかの用途で使用することができる。上記用途において高複屈折液晶が有用であるためには、それらは高速スイッチング時間及び高同調範囲を示す必要がある。 In one embodiment, the liquid crystal mixtures disclosed herein are highly birefringent liquid crystals. High birefringence is typically recognized in the art as Δn>0.3. These include, but are not limited to, 1) antenna applications such as holographic antennas, reflect arrays and phased arrays based on resonant elements, and 2) spatial light modulators such as those used in LIDAR (optical imaging detection and ranging). It can be used in several applications, including For high birefringence liquid crystals to be useful in the above applications, they need to exhibit fast switching times and high tuning ranges.

本発明の実施形態は、大きい無線周波数(RF)誘電体同調(高複屈折)を低融点及び低回転粘度と組み合わせた、一連の液晶混合物を含む。1つの実施形態において、LC混合物は、回転粘度~13と組み合わされた-63℃という低い融点及び135℃という高い透明点を有する。これら重要な革新は、これらの材料が高速スイッチング速度を与えること及び低温で動作することを可能にする。このことは、通常は複屈折を高めると粘度の増大及び高融点が伴うので一般には困難である。これらの材料は、アンテナ能動素子の動作を可能にし、それゆえアンテナアレイの構築を可能にする。 Embodiments of the present invention include a series of liquid crystal mixtures that combine large radio frequency (RF) dielectric tuning (high birefringence) with low melting points and low rotational viscosities. In one embodiment, the LC mixture has a low melting point of −63° C. and a high clearing point of 135° C. combined with a rotational viscosity of ˜13. These key innovations allow these materials to offer fast switching speeds and operate at low temperatures. This is generally difficult because increasing birefringence is usually accompanied by increased viscosity and a high melting point. These materials allow the operation of antenna active elements and thus the construction of antenna arrays.

1つの実施形態において、使用される液晶は、1)十分な誘電体同調(光学Δη≧0.3、RFΔε>1.33)、2)許容可能な緩和時間(~20ms、γ1/κ3≦15)、3)適切な温度特性(-40℃以下での長期保存安定性、透明点≧125℃)、4)合理的なRF損失(Δε/Tanδ≧75)を与える。この性質の組み合わせは、比較的ユニークである。これらの特性の何れかを単独で最適化することはできる。しかしながら、全ての要件を同時に満たす材料を実現することは著しく困難である。従って、このような材料(混合物)及び設計戦略は、本質的にユニークであり価値がある。 In one embodiment, the liquid crystal used has 1) good dielectric tuning (optical Δη≧0.3, RF Δε>1.33), 2) acceptable relaxation time (˜20 ms, γ1/κ3≦15 ), 3) suitable temperature characteristics (long-term storage stability below −40° C., clearing point≧125° C.), and 4) reasonable RF loss (Δε/Tan δ≧75). This combination of properties is relatively unique. Any of these properties can be optimized independently. However, it is extremely difficult to realize a material that satisfies all requirements at the same time. Such materials (mixtures) and design strategies are therefore inherently unique and valuable.

商業的に使用されている大部分の液晶は、単分子構造ではない。それらは、各々がユニークな物理的特性及び化学的特性を示すいくつかの化合物の混合物から成る。従って、分子レベルの構造/性質の関係を、適切な極性及び分極異方性を有する単分子構造を設計するために使用する。これらの同じ構造/性質の関係は同時に、全ての動作要件を満たす凝縮相(液晶中間相)を作り出すために使用される。 Most liquid crystals in commercial use are not monomolecular structures. They consist of a mixture of several chemical compounds each exhibiting unique physical and chemical properties. Thus, molecular-level structure/property relationships are used to design unimolecular structures with appropriate polarity and polarization anisotropy. These same structure/property relationships are simultaneously used to create condensed phases (liquid crystal mesophases) that meet all operational requirements.

本発明の実施形態は、有用なLC混合物のための特定の化学的「レシピ」を提供するのみならず、合理的に設計された性質を有する新規混合物を作り出すために更に用いることができる一連の一般概念も提供する。 Embodiments of the present invention not only provide specific chemical “recipes” for useful LC mixtures, but also a series of methods that can be used to create novel mixtures with rationally designed properties. It also provides general concepts.

提供される特定の化学構造は、特定の化学的特性及び物理的特性を調節するために複数の混合物「レシピ」において使用することができる。立証された一般的な構造/性質の関係を用いて、性能特性が有意に向上した新規材料を設計することができる。 The specific chemical structures provided can be used in multiple mixture "recipes" to adjust specific chemical and physical properties. The established general structure/property relationships can be used to design novel materials with significantly improved performance characteristics.

1つの実施形態において、本明細書で開示される高複屈折液晶は、分子レベルで、大きい長さ/幅分極異方性を作り出す。1つの実施形態において、これは、長く剛直なπ電子共役コア(例えばトラン)を作成することによって達成される。このような分子は、それ自体(未官能化)で、強い分子間相互作用に起因して非常に高い融点を有する。1つの実施形態において、融点を低下させてネマチック(液晶)相形成に有利にするために、一方の端部に長い炭素テールを付加する。反対側の端部には、複屈折を更に高めるため及び永久双極子を導入するために、極性基、例えば、イソチオシアネート(NCS)、トリフルオロメトキシ(OCF3)、シアノ(CN)、ブロミド(Br)、又はトリフルオロフェニル(C623)が用いられる。

Figure 0007174101000002
In one embodiment, the high birefringence liquid crystals disclosed herein create large length/width polarization anisotropy at the molecular level. In one embodiment, this is achieved by creating a long, rigid pi-electron conjugated core (eg, tolan). Such molecules by themselves (unfunctionalized) have very high melting points due to strong intermolecular interactions. In one embodiment, a long carbon tail is added at one end to lower the melting point and favor nematic (liquid crystal) phase formation. At the opposite end, polar groups such as isothiocyanate (NCS), trifluoromethoxy ( OCF3 ), cyano (CN), bromide ( Br), or trifluorophenyl (C 6 H 2 F 3 ) is used.
Figure 0007174101000002

この考え方は、上記の一般構造(GS1、GS2、GS3、及びGS4)によって表すことができる。GS1、GS2、及びGS4の場合、コアはm個の単位で表される。このコアは、最も一般的にはプロトン、H、及び/又はヘテロ原子、例えばフッ素(F)、臭素(Br)、又は塩素(Cl)などによって側方官能化することができる。アルキル基のような他の基、例えば、メチル(CH3)、エチル(CH2CH3)、プロピル(CH2CH2CH3)、又はメトキシ(OCH3)、エトキシ(OCH2CH3)、プロポキシ(OCH2CH3)、又はトリフルオロメトキシ(OCF3)を、様々なR位置に導入することもできる。このような側方官能化は、スメクチック相形成に不利になるように及び/又は回転粘度γ、弾性定数κ、及び融点Tmを変更するために、分子間相互作用を変更する。コアを長くすること(mを増やすこと)は、一般則として複屈折を高める。この場合、Aは、下記の構造1-6で見られるように飽和炭素鎖であるか、又はアルコキシ(OCn(2n+1))、又は同様に官能化されたシクロヘキシル及び/又はフェニル部分の何れかである。炭素鎖が長いほど、一般に融点は低下する。この場合、Bは、第2のアルキル又はアルコキシ鎖であるか、又はイソチオシアネート(NCS)、トリフルオロメトキシ(OCF3)、シアノ(CN)、ブロミド(Br)、又はトリフルオロフェニル(C6H2F3)のような極性基の何れかである。構造GS3は、Z及びYが互いに独立した単結合又は三重結合を表す相補的な構造モチーフを示す。 This idea can be represented by the general structures (GS1, GS2, GS3, and GS4) above. For GS1, GS2, and GS4, the core is represented by m units. This core can be laterally functionalized, most commonly with protons, H, and/or heteroatoms such as fluorine (F), bromine (Br), or chlorine (Cl). Other groups such as alkyl groups, e.g. methyl ( CH3 ), ethyl ( CH2CH3 ) , propyl ( CH2CH2CH3 ), or methoxy (OCH3), ethoxy ( OCH2CH3 ) , Propoxy ( OCH2CH3 ) or trifluoromethoxy ( OCF3 ) can also be introduced at various R positions. Such lateral functionalization modifies intermolecular interactions to favor smectic phase formation and/or to modify rotational viscosity γ, elastic constant κ, and melting point T m . Lengthening the core (increasing m) increases birefringence as a general rule. In this case A is a saturated carbon chain as seen in structures 1-6 below, or alkoxy (OC n H (2n+1) ), or similarly functionalized cyclohexyl and/or phenyl moieties is either The longer the carbon chain, the lower the melting point in general. where B is a second alkyl or alkoxy chain, or isothiocyanate (NCS), trifluoromethoxy ( OCF3 ), cyano (CN), bromide (Br), or trifluorophenyl is any of the polar groups such as Structure GS3 shows complementary structural motifs in which Z and Y represent independent single or triple bonds.

(液晶混合物の作製)
以下は、アンテナにおけるアンテナ素子内のメタマテリアル要素として用いることができる6種のLC化学構造の例示的な実施形態である。

Figure 0007174101000003
上記スキーム1の6種の構造において、液晶混合物は、上記構造の何れか又は全てを含有し、ここでD=CH2、O、S、Seであり、R1-R12=Cn(2n+1)、H、F、Cl、SCn(2n+1)、SeCn(2n+1)、Brであり、X=NCS、F、Br、Cl、Hである。 (Preparation of liquid crystal mixture)
Below are exemplary embodiments of six LC chemistries that can be used as metamaterial elements within antenna elements in antennas.
Figure 0007174101000003
In the six structures of Scheme 1 above, the liquid crystal mixture contains any or all of the structures above, where D=CH 2 , O, S, Se and R1-R12=C n H (2n+ 1) , H, F, Cl, SC n H (2n+1) , SeC n H (2n+1) , Br and X = NCS, F, Br, Cl, H.

スキーム1に構造1-6として示される化合物は何れも、室温で液体ではない。液晶であるためには、混合物は、有用な動作温度範囲内で液体でなければならない。室温で液体を形成するために、一般構造GS1、GS2、GS3及び特定構造1-6で示される化合物のような類似化合物の混合物を、特定量の各化合物を秤量し、それらを共に混合し、次いで化合物が融解して互いに混和するまで加熱することによって調製する。適切な混合物は、室温で再固化(凝固)しない。混合物は、異なる長さの炭素鎖(n=1-7)を持つ1種類の特定の基本構造を混合した単純なものであってもよく、又は多くの異なる構造を様々な重量百分率で添加した複雑なものであってもよい。 None of the compounds shown as structures 1-6 in Scheme 1 are liquids at room temperature. To be liquid crystals, the mixture must be liquid within the useful operating temperature range. a mixture of analogous compounds such as compounds represented by general structures GS1, GS2, GS3 and specific structures 1-6, weighing specific amounts of each compound and mixing them together to form a liquid at room temperature; It is then prepared by heating until the compounds are melted and miscible with each other. Suitable mixtures do not resolidify (solidify) at room temperature. Mixtures can be as simple as mixing one specific basic structure with different lengths of carbon chains (n=1-7), or many different structures have been added in varying weight percentages. It can be complicated.

1-6及び/又はGS1/GS2で例示されるような基本構造は、物理的性質の観点で異なるのみならず、複屈折Δnの観点でも異なり得る。従って、異なる重量百分率を含有する混合物は、異なる光学的性質も有することになる。本明細書における目的のために、基本混合物は、特定の物理的性質及び光学的性質を有するように、上記のようにテーラーメイドすることができる。 Basic structures such as exemplified by 1-6 and/or GS1/GS2 may differ not only in terms of physical properties, but also in terms of birefringence Δn. Therefore, mixtures containing different weight percentages will also have different optical properties. For purposes herein, the base mixture can be tailored as described above to have specific physical and optical properties.

(構造及び共通ユニットの命名)
構造1-6は、全て共通のサブユニットを有する。
(Naming of structures and common units)
Structures 1-6 all have common subunits.

構造1は、シクロヘキシル-フェニルとして知られる。これは、互いに付加したシクロヘキシル環及びフェニル環から成る。左側のnは、飽和炭化水素テール内に存在する炭素の数を表す。炭素の数は、一般にn=1とn=7との間で変化し、n=1はメチル、n=2はエチル、n=3はプロピル、n=4はブチル、n=5はペンチル、n=6はヘキシル、n=7はヘプチルである。1つの実施形態において、Dは炭素及び2個の水素であり(追加の炭素が付加されている)、X=NCSであり、n=4である。このような場合、構造番号1は、ペンチル-シクロヘキシルフェニルイソシアネートと命名される。同じ基本構造が保持され、かつDが酸素に変更されると、その構造は、ブトキシ-シクロヘキシルフェニルイソシアネートと命名される。 Structure 1 is known as cyclohexyl-phenyl. It consists of a cyclohexyl ring and a phenyl ring attached to each other. The n on the left represents the number of carbons present in the saturated hydrocarbon tail. The number of carbons generally varies between n=1 and n=7, where n=1 is methyl, n=2 is ethyl, n=3 is propyl, n=4 is butyl, n=5 is pentyl, n=6 is hexyl, n=7 is heptyl. In one embodiment, D is carbon and 2 hydrogens (an additional carbon is added), X=NCS and n=4. In such cases Structure No. 1 is designated as pentyl-cyclohexylphenyl isocyanate. When the same basic structure is retained and D is changed to oxygen, the structure is named butoxy-cyclohexylphenyl isocyanate.

構造2は、本明細書においてトラン(tolane)と称される。トランは、基本的に何れかの端部が三重結合の2つのフェニル環である。上記と同じ命名規則を用いて、1つの実施形態において、D=CH2及びX=NCSの場合、構造番号2は、ペンチル-イソチオシアナトトランと命名される。 Structure 2 is referred to herein as tolane. A tolan is basically two phenyl rings with a triple bond at either end. Using the same nomenclature as above, in one embodiment, when D=CH 2 and X=NCS, Structure No. 2 is named pentyl-isothiocyanatotrane.

構造3は、構造1と構造2との組み合わせである。これを本明細書においてシクロヘキシル-トランと称する。1つの実施形態において、D=CH2及びX=NCSである。この場合、構造3は、ペンチル-イソチオシアナトシクロヘキシル-トランと命名される。 Structure 3 is a combination of structures 1 and 2. This is referred to herein as cyclohexyl-tolane. In one embodiment, D= CH2 and X=NCS. In this case structure 3 is named pentyl-isothiocyanatocyclohexyl-tolane.

構造4は、本明細書においてフェニル-トランと称される。フェニル環が基本トラン構造に付加されている。1つの実施形態において、D=CH2及びX=NCSである。この場合、構造4は、ペンチル-イソチオシアナトフェニル-トランと称される。 Structure 4 is referred to herein as phenyl-tolane. A phenyl ring is added to the basic tolan structure. In one embodiment, D= CH2 and X=NCS. In this case structure 4 is referred to as pentyl-isothiocyanatophenyl-tolan.

構造5は、本明細書においてフェニル-ビス-トランと称される。これは2つの三重結合をフェニル基と別のフェニル環との間に有する。1つの実施形態において、D=CH2及びX=NCSである。この場合、構造5は、ペンチル-イソチオシアナトフェニル-ビストランと命名される。 Structure 5 is referred to herein as phenyl-bis-tolane. It has two triple bonds between the phenyl group and another phenyl ring. In one embodiment, D= CH2 and X=NCS. In this case structure 5 is named pentyl-isothiocyanatophenyl-bistrane.

構造6は、本明細書においてテルフェニルと称され、3つのフェニル環が互いに付加している。1つの実施形態において、D=CH2及びX=NCSである。この場合、構造6は、ペンチル-イソチオシアナトテルフェニルと命名される。 Structure 6 is referred to herein as a terphenyl and has three phenyl rings attached to each other. In one embodiment, D= CH2 and X=NCS. In this case structure 6 is named pentyl-isothiocyanatoterphenyl.

下記のスキーム2は、本明細書で開示されるアンテナで使用するための別の混合物の組を示す。混合物の各々は、NCS末端基の使用を含む。

Figure 0007174101000004

Figure 0007174101000005
(LC単分子及び混合物の試験結果)
Figure 0007174101000006

Figure 0007174101000007
Scheme 2 below shows another set of mixtures for use in the antennas disclosed herein. Each of the mixtures includes the use of NCS end groups.
Figure 0007174101000004

Figure 0007174101000005
(LC single molecule and mixture test results)
Figure 0007174101000006

Figure 0007174101000007

上記で論じたように、有用な液晶混合物は、いくつかのユニークな基本構造(LC単体)を様々な重量百分率で組み合わせることによって調製される。スキーム2は、この研究のために合成で調製されたLC単体のライブラリを示す。表1は、スキーム2に示すLC単体の温度特性を示す。「融解」という用語は、融点、すなわち化合物が結晶性固体から液体に相変化するときの温度を表すために用いられる。「凝固」という用語は、凝固点、すなわち線形速度10℃/分で冷却したときに凝固が再び起こる温度を表す。複屈折Δnは、得られたところに示す。透明点は、ネマチック相が等方性になる(そして外観が乳白色から透明に視覚的に変化する)ときの温度を表す。表1の精査から、最低融解LC単体である4TOLClは、44.4℃で融解する。これは室温(~19℃)よりかなり上である。同様に、最高透明点は、111.7oによって示される。 As discussed above, useful liquid crystal mixtures are prepared by combining several unique basic structures (LC units) in various weight percentages. Scheme 2 shows a library of synthetically prepared LC monomers for this study. Table 1 shows the temperature characteristics of the LC simple substance shown in Scheme 2. The term "melting" is used to describe the melting point, the temperature at which a compound undergoes a phase change from a crystalline solid to a liquid. The term "freezing" refers to the freezing point, ie the temperature at which solidification reoccurs when cooled at a linear rate of 10°C/min. The birefringence Δn is given where obtained. The clearing point represents the temperature at which the nematic phase becomes isotropic (and visually changes in appearance from opalescent to clear). From inspection of Table 1, the lowest melting LC alone, 4TOLCl, melts at 44.4°C. This is well above room temperature (~19°C). Similarly, the highest clearing point is indicated by 111.7o.

表2は、この化合物ライブラリを用いて作製された種々の混合物を示す。各化合物の重量百分率が与えられ、得られた温度特性及び同調特性が与えられる。 Table 2 shows various mixtures made using this compound library. The weight percentage of each compound is given and the resulting temperature and tuning characteristics are given.

スキーム2で示されるLC単体ライブラリを用いて、-64℃という低温で凝固し、153℃という高温で透明になる混合物を作製することができることを、表2の精査によって更に例証することができる。これらの値は、今までに報告された最も広いネマチック温度範囲に匹敵する。 It can be further illustrated by inspection of Table 2 that the LC simplex library shown in Scheme 2 can be used to make mixtures that freeze at temperatures as low as -64°C and become clear at temperatures as high as 153°C. These values are comparable to the widest nematic temperature range reported so far.

図1及び図2A-図2Cは、メタネットワーク・アンテナ技術に関連した同調の概念を示す。この概念は、1つの実施形態によるメタネットワーク要素アレイに基づくアンテナを構成する多くの要素のうちの1つである単一要素の観点で最もよく例証される。本明細書で論じるようなネマチック相液晶混合物は、メタネットワーク・アンテナ技術の単一要素内に埋め込まれる。図1は、入射マイクロ波放射に対するLCネマチック相の相対配向の表現を示す。電場が印加されると、LCはその配向を変化させ、それゆえ、そのΔnにより、図1で与えられる式に対応するΔfを生じさせる。このΔfがアンテナ技術の動作を決定する。 Figures 1 and 2A-2C illustrate tuning concepts associated with meta-network antenna technology. This concept is best illustrated in terms of a single element, one of many that make up a meta-network element array based antenna according to one embodiment. A nematic phase liquid crystal mixture as discussed herein is embedded within a single element of meta-network antenna technology. FIG. 1 shows a representation of the relative orientation of the LC nematic phase to incident microwave radiation. When an electric field is applied, the LC changes its orientation, thus giving rise to Δf corresponding to the equation given in FIG. 1 with its Δn. This Δf determines the behavior of the antenna technology.

図2Aは、メタネットワーク・アンテナ技術単一要素の内部の場の配向及び濃度のコンピュータモデル化ベースの表現を示す。図2Bは、代表的なメタネットワーク・アンテナ技術単一要素の写真である。図2Cは、表2及び表3においてΔfとして示される共振周波数同調の表現を示す。 FIG. 2A shows a computer modeling-based representation of field orientation and concentration inside a single element of meta-network antenna technology. FIG. 2B is a photograph of a representative meta-network antenna technology single element. FIG. 2C shows a representation of the resonant frequency tuning indicated as Δf in Tables 2 and 3. FIG.

図3は、単純線形結合モデルを用いて行われたΔn推定と組み合わされたRF同調研究から得られた近似的結果を示す。線形結合解析を用いて13.1及び13.2をプロットすると、13.1及び13.2に対するΔnは、それぞれ0.37及び0.34と推定することができる。これをその平均同調結果に対してプロットすると、~1.85GHzで同調するためは、Δn~0.4に達しなければならない。 FIG. 3 shows approximate results obtained from RF tuning studies combined with Δn estimation performed using a simple linear combination model. Plotting 13.1 and 13.2 using linear combination analysis, the Δn for 13.1 and 13.2 can be estimated to be 0.37 and 0.34, respectively. Plotting this against its average tuning result, it must reach Δn˜0.4 in order to tune at ˜1.85 GHz.

先に記したように、Δnを高める最も単純な方法は、最高Δn混合物成分(この場合TFNCST1)の量を増やすことである。しかしながら、このソリューションは、混合物全体を再処方しない限り、良好な熱的性能を維持しない。例えば、13.1は、表2で与えられる混合物の中で最大のΔnを示すが、最も狭いネマチック温度範囲も示す。これに対処するために、いくつかの新しい混合物を試験した。現在までに最も成功した混合物は13.8であった。この混合物は、推定Δn~0.39-~0.4を有する。13.8は、極めて広いネマチック温度範囲を示し、特に高い透明点を有する。これには多少の粘度上昇が伴うが、その上昇は劇的ではない。これに対処するために、Δnをそれほど低減せずに5CHBTの量を増やすことができる。-20℃におけるバルクテストは、13.8がこの温度でも極めて安定なままであるように見えることを示す。 As noted earlier, the simplest way to increase Δn is to increase the amount of the highest Δn mixture component (TFNCST1 in this case). However, this solution does not maintain good thermal performance unless the entire mixture is reformulated. For example, 13.1 exhibits the highest Δn among the mixtures given in Table 2, but also the narrowest nematic temperature range. To address this, several new mixtures were tested. The most successful mixture to date was 13.8. This mixture has an estimated Δn ~ 0.39 - ~ 0.4. 13.8 exhibits a very wide nematic temperature range and has a particularly high clearing point. This is accompanied by some viscosity increase, but the increase is not dramatic. To address this, the amount of 5CHBT can be increased without significantly reducing Δn. Bulk testing at -20°C shows that 13.8 appears to remain quite stable even at this temperature.

(マイクロ波損失及び同調測定)

Figure 0007174101000008
ここで示す混合物の場合、Δε(Δn)が増大するにつれて、RF損失も増大することに留意されたい。しかしながら、13.8の場合、この損失は、依然としてメタネットワーク・アンテナ技術にとっては許容できるものである。 (microwave loss and tuning measurement)
Figure 0007174101000008
Note that for the mixtures shown here, as Δε(Δn) increases, so does RF loss. However, for 13.8, this loss is still acceptable for meta-network antenna technology.

図4-図8は、選択されたLC混合物の熱(示差走査熱量計)トレースを示す。
これらの値は、表2で示すものに対応する。
Figures 4-8 show thermal (differential scanning calorimeter) traces of selected LC mixtures.
These values correspond to those shown in Table 2.

上記のLCは、以下の特徴を有するアンテナの実施形態に含めることができる。 The LC described above can be included in an antenna embodiment having the following features.

(アンテナ実施形態の実施例)
上述の技術は、平面アンテナ(flat panel antenna)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、アンテナアパーチャ上にアンテナ素子の1又は2以上のアレイを含む。1つの実施形態において、アンテナ素子は、液晶セルを含む。1つの実施形態において、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はない点に留意されたい。1つの実施形態において、素子は、リング状に配置される。
(Example of antenna embodiment)
The techniques described above can be used with flat panel antennas. Embodiments of such planar antennas are disclosed. A planar antenna includes one or more arrays of antenna elements over an antenna aperture. In one embodiment, the antenna elements include liquid crystal cells. In one embodiment, the planar antenna is a cylindrically-fed antenna that includes a matrix drive circuit for uniquely addressing and driving each of the antenna elements that are not arranged in rows and columns. Note that the feed need not be circular. In one embodiment, the elements are arranged in a ring.

1つの実施形態において、アンテナ素子の1又は2以上のアレイを有するアンテナアパーチャは、共に結合された複数のセグメントから構成される。セグメントの組み合わせは、共に結合されたときに、アンテナ素子の閉じた同心リングを形成する。1つの実施形態において、同心リングは、アンテナ給電部に対して同心である。 In one embodiment, an antenna aperture having one or more arrays of antenna elements is composed of multiple segments coupled together. A combination of segments, when coupled together, form a closed concentric ring of antenna elements. In one embodiment, the concentric rings are concentric with respect to the antenna feed.

(アンテナシステムの実施例の概要)
1つの実施形態において、平面アンテナは、メタマテリアルアンテナシステムの一部である。通信衛星地上局用のメタマテリアルアンテナシステムの実施形態について説明する。1つの実施形態において、アンテナシステムは、民間商用衛星通信用のKa帯域周波数又はKu帯域周波数の何れかを使用して動作するモバイルプラットフォーム(例えば、航空、海上、陸上、その他)上で動作する衛星地上局(ES)のコンポーネント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ではない地上局(例えば、固定地上局又は可搬地上局)で使用できることに留意されたい。
(Outline of Embodiment of Antenna System)
In one embodiment, the planar antenna is part of a metamaterial antenna system. Embodiments of a metamaterial antenna system for a communications satellite ground station are described. In one embodiment, the antenna system is a satellite operating on a mobile platform (e.g., air, sea, land, etc.) operating using either Ka-band frequencies for civil commercial satellite communications or Ku-band frequencies. A component or subsystem of an Earth Station (ES). Note that embodiments of the antenna system can also be used in ground stations (eg, fixed ground stations or portable ground stations) that are not on mobile platforms.

1つの実施形態において、アンテナシステムは、表面散乱メタマテリアル技術を使用して、別個のアンテナを介して送受信ビームを形成して誘導する。1つの実施形態において、アンテナシステムは、デジタル信号処理を使用してビームを電気的に形成し誘導するアンテナシステム(フェーズドアレイアンテナなど)とは対照的に、アナログシステムである。 In one embodiment, the antenna system uses surface scattering metamaterial technology to form and direct transmit and receive beams through separate antennas. In one embodiment, the antenna system is an analog system, as opposed to an antenna system that uses digital signal processing to form and steer the beam electronically (such as a phased array antenna).

1つの実施形態において、アンテナシステムは、3つの機能的サブシステム、すなわち、(1)円筒波給電アーキテクチャからなる導波構造、(2)アンテナ素子の一部である波動散乱メタマテリアル単位セルのアレイ、及び(3)ホログラフィ原理を使用してメタマテリアル散乱素子からの調整可能な放射場(ビーム)の形成を命令する制御構造から構成される。 In one embodiment, the antenna system has three functional subsystems: (1) a waveguide structure consisting of a cylindrical wave-fed architecture, (2) an array of wave-scattering metamaterial unit cells that are part of the antenna element. and (3) a control structure that directs the formation of tunable radiation fields (beams) from metamaterial scattering elements using holographic principles.

(導波構造の実施例)
図9は、円筒波給電を提供するのに使用される同軸給電部の1つの実施形態の上面図を示している。図9を参照すると、同軸給電部は、中心導体及び外側導体を含む。1つの実施形態において、円筒波給電アーキテクチャが、給電点から円筒状に外向きに広がる励起を中心点からアンテナに供給する。すなわち、円筒状給電アンテナは、外向きに進む同心状給電波を生成する。それでも、円筒状給電部の周りの円筒状給電アンテナの形状は、円形、正方形、又は何らかの形状とすることができる。別の実施形態において、円筒状給電アンテナは、内向きに進む給電波を生成する。このような場合、円形構造から生じる給電波が最も自然である。
(Example of waveguide structure)
FIG. 9 shows a top view of one embodiment of a coaxial feed used to provide a cylindrical wave feed. Referring to FIG. 9, the coaxial feed includes a center conductor and an outer conductor. In one embodiment, a cylindrical wave feed architecture feeds the antenna from a central point with an excitation that radiates cylindrically outward from the feed point. That is, the cylindrical feed antenna produces outward traveling concentric feed waves. Nevertheless, the shape of the cylindrical feed antenna around the cylindrical feed can be circular, square, or any shape. In another embodiment, a cylindrical feed antenna produces an inwardly traveling feed wave. In such cases, the feed wave originating from a circular structure is the most natural.

図10は、円筒状給電アンテナの入力給電部の周りに同心リング状に配置されたアンテナ素子の1又は2以上のアレイを有するアパーチャを示している。 FIG. 10 shows an aperture with one or more arrays of antenna elements arranged in concentric rings around the input feed of a cylindrically-fed antenna.

(アンテナ素子)
1つの実施形態において、アンテナ素子は、1つのグループのパッチアンテナを含む。このパッチアンテナのグループは、散乱メタマテリアル素子のアレイを含む。1つの実施形態において、アンテナシステムにおける各散乱素子は、下部導体、誘電体基板、及び上部導体からなる単位セルの一部であり、上部導体は、該上部導体にエッチングされ又は堆積された相補的電気誘導型容量性共振器(「相補型電気LC」又は「CELC」)を組み込んでいる。当業者には理解されるように、液晶とは対照的に、CELSの関連におけるLCは、インダクタンス-キャパシタンスを指す。
(antenna element)
In one embodiment, the antenna elements comprise a group of patch antennas. This group of patch antennas includes an array of scattering metamaterial elements. In one embodiment, each scattering element in the antenna system is part of a unit cell consisting of a bottom conductor, a dielectric substrate, and a top conductor, the top conductor being a complementary dielectric etched or deposited on the top conductor. It incorporates an electrically induced capacitive resonator (“complementary electrical LC” or “CELC”). As will be appreciated by those skilled in the art, LC in the context of CELS refers to inductance-capacitance, as opposed to liquid crystal.

1つの実施形態では、液晶(LC)が散乱素子の周りのギャップに配置される。この液晶は、上述の直接駆動の実施形態によって駆動される。1つの実施形態において、液晶は、各単位セル内に封入され、スロットに関連付けられた下部導体をそのパッチに関連付けられた上部導体から分離する。液晶は、該液晶を含む分子の配向の関数である誘電率を有し、液晶両端間のバイアス電圧を調節することにより、分子の配向(及びひいては誘電率)を制御することができる。1つの実施形態では、この特性を使用して、液晶は、誘導波からCELCへのエネルギー伝達のためのオン/オフスイッチ統合する。スイッチをオンにすると、CELCは、電気的に小さいダイポールアンテナのような電磁波を放出する。本明細書での教示は、エネルギー伝達に関して2値様式で動作する液晶を有することに限定されない点に留意されたい。 In one embodiment, a liquid crystal (LC) is placed in the gap around the scattering element. The liquid crystal is driven by the direct drive embodiment described above. In one embodiment, a liquid crystal is encapsulated within each unit cell and separates the bottom conductor associated with the slot from the top conductor associated with its patch. Liquid crystals have a dielectric constant that is a function of the orientation of the molecules that comprise 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. In one embodiment, using this property, the liquid crystal integrates an on/off switch for energy transfer from the guided wave to the CELC. When switched on, the CELC emits electromagnetic waves like an electrically small dipole antenna. Note that the teachings herein are not limited to having liquid crystals that operate in a binary manner with respect to energy transfer.

1つの実施形態では、このアンテナシステムの給電幾何形状は、アンテナ素子を波動給電の波動ベクトルに対して45度(45°)の角度で位置決めすることを可能にする。他の位置(例えば、40°の角度)を用いてもよい点に留意されたい。素子のこの位置は、素子によって受信されるか又は素子から送信/放射される自由空間波の制御を可能にする。1つの実施形態では、アンテナ素子は、アンテナの作動周波数の自由空間波長未満の素子間隔で配置される。例えば、1波長につき4つの散乱素子が存在する場合、30GHz送信アンテナ内の素子は、約2.5mm(すなわち、30GHzの自由空間波長10mmの4分の1)となる。 In one embodiment, the feed geometry of this antenna system allows the antenna elements to be positioned at a forty-five degree (45°) angle to the wave vector of the wave feed. Note that other positions (eg, 40° angle) may be used. This position of the element allows control of free-space waves received by or transmitted/radiated from the element. In one embodiment, the antenna elements are spaced at an element spacing of less than the free-space wavelength of the antenna's operating frequency. For example, if there are 4 scattering elements per wavelength, the elements in a 30 GHz transmit antenna would be approximately 2.5 mm (ie, 1/4 of 10 mm free space wavelength at 30 GHz).

1つの実施形態では、2組の素子は互いに垂直であり、同じ同調状態に制御される場合には等しい振幅の励起を同時に有する。給電波の励起に対してこれらを±45度回転させることにより、両方の望ましい機能が同時に達成される。一方の組を0度回転させ、他方を90度回転させることによって垂直目標は達成されるが、等振幅励起の目標は達成されない。0度と90度を使用して、2つの側部から単一構造のアンテナ素子アレイを給電するときに分離を達成することができる点に留意されたい。 In one embodiment, the two sets of elements are perpendicular to each other and have equal amplitude excitation simultaneously when controlled to the same tuning state. By rotating them ±45 degrees relative to the excitation of the feed wave, both desired functions are achieved simultaneously. By rotating one set by 0 degrees and the other by 90 degrees, the vertical goal is achieved, but not the equal amplitude excitation goal. Note that 0 and 90 degrees can be used to achieve isolation when feeding a single structure antenna element array from two sides.

各単位セルから放射されるパワーの量は、コントローラを使用してパッチに電圧(LCチャネルの両端の電位)を印加することによって制御される。各パッチに対するトレースを使用して、パッチアンテナに電圧を供給する。電圧を使用して、キャパシタンス及び従って個々の素子の共振周波数を同調又は離調させ、ビーム形成を達成するようにする。必要とされる電圧は、使用される液晶混合物に依存する。液晶混合物の電圧同調特性は、液晶が電圧の影響を受け始める閾値電圧と、それを超える電圧の増加が液晶の大きな同調を生じない飽和電圧とによって主として説明される。これら2つの特性パラメータは、異なる液晶混合物に対して変化する場合がある。 The amount of power emitted from each unit cell is controlled by applying a voltage (potential across the LC channel) to the patch using a controller. A trace for each patch is used to supply voltage to the patch antenna. Voltages are used to tune or detune the capacitance and thus the resonant frequency of the individual elements to achieve beamforming. The required voltage depends on the liquid crystal mixture used. The voltage tuning properties of liquid crystal mixtures are mainly described by a threshold voltage above which the liquid crystal begins to be affected by voltage, and a saturation voltage above which increases in voltage do not result in significant tuning of the liquid crystal. These two characteristic parameters may change for different liquid crystal mixtures.

1つの実施形態では、上記で検討したように、マトリクス駆動を使用してパッチに電圧を印加し、各セルに対して別個の接続を有することなく、各セルを他の全てのセルから切り離して駆動するようにする(直接駆動)。素子が高密度であるために、マトリクス駆動は、各セルを個別にアドレス指定するのに効率的な方法である。 In one embodiment, as discussed above, matrix drive is used to energize the patch, isolating each cell from all other cells without having a separate connection for each cell. drive (direct drive). Due to the high density of elements, matrix driving is an efficient way to address each cell individually.

1つの実施形態において、アンテナシステムの制御構造は、2つの主要な構成要素を有し、すなわち、アンテナシステムのための駆動電子機器を含むアンテナアレイコントローラは、波動散乱構造の下方にあり、一方、マトリクス駆動スイッチングアレイは、放射を妨害しないように放射RFアレイの全体を通して散在している。1つの実施形態において、アンテナシステムの制御構造は、2つの主要な構成要素を有し、すなわち、アンテナシステムのための駆動電子機器を含むコントローラは、波動散乱構造の下方にあり、一方、マトリクス駆動スイッチングアレイは、放射を妨害しないように放射RFアレイの全体を通して散在している。1つの実施形態では、アンテナシステムのための駆動電子機器は、散乱素子へのACバイアス信号の振幅又はデューティサイクルを調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ジョン装置で使用される市販の既製LCD制御装置を備える。 In one embodiment, the control structure of the antenna system has two main components: the antenna array controller, which contains the drive electronics for the antenna system, below the wave scattering structure; Matrix driven switching arrays are interspersed throughout the radiating RF array so as not to interfere with the radiation. In one embodiment, the control structure of the antenna system has two main components: the controller, which contains the drive electronics for the antenna system, below the wave scattering structure, while the matrix drive The switching arrays are interspersed throughout the radiating RF array so as not to interfere with the radiation. In one embodiment, the drive electronics for the antenna system is used in commercial television equipment that adjusts the bias voltage to each scattering element by adjusting the amplitude or duty cycle of the AC bias signal to the scattering element. with a commercially available off-the-shelf LCD controller.

1つの実施形態では、アンテナアレイコントローラはまた、ソフトウェアを実行するマイクロプロセッサを含有する。制御構造はまた、プロセッサに位置及び方位情報を提供するセンサ(例えば、GPS受信機、3軸コンパス、3軸加速度計、3軸ジャイロ、3軸磁力計、その他)を組み込むことができる。位置及び方位情報は、地上局内の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/又はアンテナシステムの一部ではない場合がある。 In one embodiment, the antenna array controller also contains a microprocessor that executes software. The control structure may also incorporate sensors (eg, GPS receiver, 3-axis compass, 3-axis accelerometer, 3-axis gyro, 3-axis magnetometer, etc.) that provide position and orientation information to the processor. The position and orientation information may be provided to the processor by other systems within the ground station and/or 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、並びどの位相及び振幅のレベルにするかを制御する。素子は、電圧印加によって周波数作動に対して選択的に離調される。 More specifically, the controller controls which elements are turned off and which are turned on at the operating frequency, and at what phase and amplitude levels. The elements are selectively detuned for frequency actuation by voltage application.

送信に関して、コントローラは、RFパッチに電圧信号アレイを供給して変調パターン又は制御パターンを生成する。制御パターンは、素子を異なる状態に変える。1つの実施形態では、多状態制御が使用され、そこでは、方形波(すなわち、正弦波グレイ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にオン及びオフにされて、更に正弦波制御パターンを近似する。1つの実施形態において、放射する素子もあれば放射しない素子もあるのではなく、一部の素子が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、これにより液晶の誘電率が様々な量に調節され、それによって素子を可変的に離調させて一部の素子を他の素子よりも多く放射させる。 For transmission, the controller supplies an array of voltage signals to the RF patch to generate modulation or control patterns. Control patterns change the elements to different states. In one embodiment, multi-state control is used in which different elements are turned on and off to different levels as opposed to a square wave (i.e. sinusoidal gray shade modulation pattern) and Approximate a sinusoidal control pattern. In one embodiment, some elements radiate more strongly than others, rather than some elements radiating and some not. Variable emission is achieved by applying a specific voltage level, which adjusts the dielectric constant of the liquid crystal to varying amounts, thereby variably detuning the elements to shift some elements from others. Emit more than the element.

素子のメタマテリアルアレイによる集束ビームの発生は、強め合う干渉と弱め合う干渉の現象によって説明することができる。個々の電磁波は、自由空間で遭遇するときに同じ位相を有する場合に加え合わされ(強め合う干渉)、自由空間で遭遇するときに逆位相ならば互いに打ち消し合う(弱め合う干渉)。各連続するスロットが誘導波の励起点から異なる距離に配置されるようにスロットアンテナ内のスロットが位置決めされた場合に、その素子からの散乱波は、前のスロットの散乱波とは異なる位相を有することになる。スロットが誘導波長の4分の1離間している場合に、各スロットは、前のスロットから4分の1の位相遅延で波を散乱させることになる。 The generation of focused beams by metamaterial arrays of elements can be explained by the phenomena of constructive and destructive interference. Individual electromagnetic waves add together (constructive interference) if they have the same phase when they meet in free space, and cancel each other (destructive interference) if they are out of phase when they meet in free space. If the slots in the slot antenna are positioned such that each successive slot is located at a different distance from the point of excitation of the guided wave, the scattered wave from that element will have a different phase than the scattered wave from the previous slot. will have. If the slots are spaced a quarter of the stimulating wavelength apart, each slot will scatter the wave with a quarter phase delay from the previous slot.

このアレイを使用して、生成することができる強め合う干渉及び弱め合う干渉のパターンの数を増すことができるので、ホログラフィの原理を使用して、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指向させることができる。従って、どのメタマテリアル単位セルがオン又はオフにされるのかを制御することにより(すなわち、どのセルがオンにされてどのセルがオフにされるかのパターンを変えることにより)、強め合う干渉及び弱め合う干渉の異なるパターンを作り出すことができ、アンテナは主ビームの方向を変えることができる。単位セルをオン及びオフにするのに必要な時間は、1つの位置から別の位置にビームを切り換えることができる速度によって定まる。 This array can be used to increase the number of patterns of constructive and destructive interference that can be generated, so using holographic principles, theoretically ±90° from the boresight of the antenna array. The beam can be directed in any direction of 90 degrees. Thus, by controlling which metamaterial unit cells are turned on or off (i.e., by varying the pattern of which cells are turned on and which are turned off), constructive interference and Different patterns of destructive interference can be produced and the antenna can redirect the main beam. The time required to turn the unit cell on and off is determined by the speed at which the beam can be switched from one position to another.

1つの実施形態では、アンテナシステムは、アップリンクアンテナのための1つの誘導可能ビームと、ダウンリンクアンテナのための1つの誘導可能ビームとを生成する。1つの実施形態では、アンテナシステムは、メタマテリアル技術を使用してビームを受信し、衛星からの信号を復号し及び衛星に向けられる送信ビームを形成する。1つの実施形態では、アンテナシステムは、ビームを電気的に形成して誘導するのにデジタル信号処理を使用するアンテナシステム(フェーズドアレイアンテナなど)とは対照的に、アナログシステムである。1つの実施形態では、アンテナシステムは、特に従来の衛星ディッシュベースの受信機と比較して、平面的で比較的薄型の「面」アンテナと見なされる。 In one embodiment, the antenna system produces one steerable beam for the uplink antenna and one steerable beam for the downlink antenna. In one embodiment, the antenna system uses metamaterial technology to receive beams, decode signals from satellites, and form transmit beams directed at the satellites. In one embodiment, the antenna system is an analog system, as opposed to an antenna system that uses digital signal processing to electrically form and direct the beam (such as a phased array antenna). In one embodiment, the antenna system is considered a planar, relatively low-profile "planar" antenna, especially compared to conventional satellite dish-based receivers.

図11は、グランドプレーンと再構成可能共振器層とを含む1列のアンテナ素子の斜視図を示している。再構成可能共振器層1230は、同調可能スロット1210のアレイを含む。同調可能スロット1210のアレイは、アンテナを望ましい方向に指向させるように構成することができる。同調可能スロットの各々は、液晶両端間の電圧を変化させることによって同調/調節することができる。 FIG. 11 shows a perspective view of a row of antenna elements including a ground plane and a reconfigurable resonator layer. Reconfigurable cavity layer 1230 includes an array of tunable slots 1210 . An array of tunable slots 1210 can be configured to point the antenna in a desired direction. Each of the tunable slots can be tuned/adjusted by changing the voltage across the liquid crystal.

制御モジュール1280は、再構成可能共振器層1230に結合されて、図2で液晶両端間の電圧を変化させることにより同調可能スロット1210のアレイを変調する。制御モジュール2180は、フィールドプログラマブルゲートアレイ(「FPGA」)、マイクロプロセッサ、又は他の処理論理部を含むことができる。1つの実施形態では、制御モジュール1280は、同調可能スロット1210のアレイを駆動するために論理回路(例えば、マルチプレクサ)を含む。1つの実施形態では、制御モジュール1280は、同調可能スロット1210のアレイ上に駆動されるホログラフィック回折パターンに関する仕様を含むデータを受信する。ホログラフィック回折パターンは、それがダウンリンクビーム(及びアンテナシステムが送信を実行する場合はアップリンクビーム)を通信に適切な方向に誘導するように、アンテナと衛星間の空間的関係に応じて発生させることができる。各図には描かれていないが、制御モジュール1280と類似の制御モジュールが、本開示の図にて記載される同調可能スロットの各アレイを駆動することができる。 Control module 1280 is coupled to reconfigurable resonator layer 1230 to modulate the array of tunable slots 1210 by varying the voltage across the liquid crystal in FIG. Control module 2180 may include a field programmable gate array (“FPGA”), microprocessor, or other processing logic. In one embodiment, control module 1280 includes logic circuitry (eg, multiplexers) to drive the array of tunable slots 1210 . In one embodiment, control module 1280 receives data containing specifications for the holographic diffraction pattern driven onto array of tunable slots 1210 . A holographic diffraction pattern is generated according to the spatial relationship between the antenna and the satellite so that it directs the downlink beam (and uplink beam, if the antenna system is transmitting) in the proper direction for communication. can be made Although not depicted in each figure, a control module similar to control module 1280 can drive each array of tunable slots described in the figures of this disclosure.

RF基準ビームがRFホログラフィック回折パターンに遭遇するときに望ましいRFビームを発生させることができる類似の技術を使用して、無線周波数(「RF」)ホログラフィも可能である。衛星通信の場合に、基準ビームは、給電波1105(一部の実施形態では約20GHz)のような給電波の形態である。給電波を放射ビームに変換するために(送信目的又は受信目的の何れかで)、望ましいRFビーム(物体ビーム)と給電波(基準ビーム)との間で干渉パターンが計算される。干渉パターンは、給電波が望ましいRFビーム(望ましい形状及び方向を有する)に「誘導される」ように、回折パターンとして同調可能スロット1210のアレイ上に駆動される。言い換えれば、ホログラフィック回折パターンに遭遇する給電波は、物体ビームを「再構成」し、これは通信システムの設計要件に従って形成される。ホログラフィック回折パターンは、各素子の励起を含有し、導波路内の波動方程式としてのwinと外向き波に関する波動方程式としてのwoutとを使用して、whologram=win*woutによって計算される。 Radio frequency (“RF”) holography is also possible using similar techniques that can generate the desired RF beam when the RF reference beam encounters the RF holographic diffraction pattern. For satellite communications, the reference beam is in the form of a feed such as feed 1105 (approximately 20 GHz in some embodiments). To convert the feed wave into a beam of radiation (either for transmission or reception purposes), an interference pattern is calculated between the desired RF beam (object beam) and the feed wave (reference beam). The interference pattern is driven onto the array of tunable slots 1210 as a diffraction pattern such that the feed wave is "steered" into the desired RF beam (having the desired shape and direction). In other words, the feed wave encountering the holographic diffraction pattern "reconstructs" the object beam, which is shaped according to the design requirements of the communication system. The holographic diffraction pattern contains the excitation of each element, using w in as the wave equation in the waveguide and w out as the wave equation for the outgoing wave, by w hologram =w in *w out Calculated.

図12は、同調可能共振器/スロット1210の1つの実施形態を示している。同調可能スロット1210は、アイリス/スロット1212と、放射パッチ1211と、アイリス1212とパッチ1211との間に配置された液晶1213とを含む。1つの実施形態では、放射パッチ1211は、アイリス1212と同じ場所に配置される。 FIG. 12 shows one embodiment of a tunable resonator/slot 1210. FIG. Tunable slot 1210 includes iris/slot 1212 , radiating patch 1211 , and liquid crystal 1213 disposed between iris 1212 and patch 1211 . In one embodiment, radiating patch 1211 is co-located with iris 1212 .

図13は、物理的アンテナアパーチャの1つの実施形態の断面図を示している。アンテナアパーチャは、グランドプレーン1245と、再構成可能共振器層1230に含まれるアイリス層1233内の金属層1236とを含む。1つの実施形態において、図4のアンテナアパーチャは、図3の複数の同調可能共振器/スロット1210を含む。アイリス/スロット1212は、金属層1236内の開口によって定められる。図2の給電波1205のような給電波は、衛星通信チャネルと適合性のあるマイクロ波周波数を有することができる。給電波は、グランドプレーン1245と共振器層1230との間を伝播する。 FIG. 13 shows a cross-sectional view of one embodiment of the physical antenna aperture. Antenna aperture includes ground plane 1245 and metal layer 1236 in iris layer 1233 included in reconfigurable resonator layer 1230 . In one embodiment, the antenna aperture of FIG. 4 includes multiple tunable resonators/slots 1210 of FIG. Iris/slot 1212 is defined by an opening in metal layer 1236 . A feed wave, such as feed wave 1205 in FIG. 2, may have a microwave frequency compatible with a satellite communication channel. A feed wave propagates between the ground plane 1245 and the resonator layer 1230 .

再構成可能共振器層1230はまた、ガスケット層1232及びパッチ層1231を含む。ガスケット層1232は、パッチ層1231とアイリス層1233との間に配置される。1つの実施形態では、スペーサがガスケット層1232に取って代わることができる点に留意されたい。1つの実施形態において、アイリス層1233は、金属層1236として銅層を含むプリント回路基板(PCB)である。1つの実施形態において、アイリス層1233はガラスである。アイリス層1233は、他のタイプの基板であってもよい。 Reconfigurable resonator layer 1230 also includes gasket layer 1232 and patch layer 1231 . A gasket layer 1232 is positioned between the patch layer 1231 and the iris layer 1233 . Note that spacers can replace the gasket layer 1232 in one embodiment. In one embodiment, iris layer 1233 is a printed circuit board (PCB) that includes a copper layer as metal layer 1236 . In one embodiment, iris layer 1233 is glass. Iris layer 1233 may be other types of substrates.

銅層において開口をエッチングして、スロット1212を形成することができる。1つの実施形態では、アイリス層1233は、導電性ボンディング層によって図4の別の構造(例えば、導波路)に導電的に結合される。1つの実施形態において、アイリス層は、導電性ボンディング層によって導電的に結合されず、代わりに非導電性ボンディング層と界面接合される点に留意されたい。 An opening can be etched in the copper layer to form slot 1212 . In one embodiment, iris layer 1233 is conductively coupled to another structure (eg, waveguide) of FIG. 4 by a conductive bonding layer. Note that in one embodiment, the iris layer is not conductively bonded by a conductive bonding layer, but instead is interfacially bonded to a non-conductive bonding layer.

パッチ層1231はまた、放射パッチ1211として金属を含むPCBとすることができる。1つの実施形態では、ガスケット層1232は、金属層1236とパッチ1211との間の寸法を定める機械的スタンドオフ(離隔部)を提供するスペーサ1239を含む。1つの実施形態では、スペーサは75ミクロンであるが、他のサイズ(例えば、3~200mm)を使用することができる。上述のように、1つの実施形態において、図13のアンテナアパーチャは、同調可能共振器/スロット1210のような複数の同調可能共振器/スロットを含み、該同調可能共振器/スロット1210は、パッチ1211、液晶1213、及びアイリス1212を含む。液晶1213のためのチャンバは、スペーサ1239、アイリス層1233、及び金属層1236によって定められる。チャンバに液晶が充填されると、スペーサ1239上にパッチ層1231を積層して共振器層1230内に液晶をシールすることができる。 Patch layer 1231 can also be a PCB containing metal as radiation patch 1211 . In one embodiment, gasket layer 1232 includes spacers 1239 that provide a dimensional mechanical standoff between metal layer 1236 and patch 1211 . In one embodiment, the spacers are 75 microns, but other sizes (eg, 3-200 mm) can be used. As noted above, in one embodiment, the antenna aperture of FIG. 13 includes a plurality of tunable resonators/slots, such as tunable resonators/slots 1210, which are patch 1211 , liquid crystal 1213 and iris 1212 . A chamber for liquid crystal 1213 is defined by spacers 1239 , iris layer 1233 and metal layer 1236 . Once the chamber is filled with liquid crystal, a patch layer 1231 can be laminated over the spacers 1239 to seal the liquid crystal within the cavity layer 1230 .

パッチ層1231とアイリス層1233との間の電圧を変調して、パッチとスロット(例えば、同調可能共振器/スロット1210)間のギャップ内の液晶を同調させることができる。液晶1213の両端間電圧を調節することにより、スロット(例えば、同調可能共振器/スロット1210)のキャパシタンスが変化する。従って、キャパシタンスを変化させることにより、スロット(例えば、同調可能共振器/スロット1210)のリアクタンスを変化させることができる。スロット1210の共振周波数はまた、次式:

Figure 0007174101000009
に従って変化し、ここで、fはスロット1210の共振周波数であり、L及びCは、それぞれスロット1210のインダクタンス及びキャパシタンスである。スロット1210の共振周波数は、導波路を伝播する給電波1205から放射されるエネルギーに影響を及ぼす。一例として、給電波1205が20GHzである場合、スロット1210の共振周波数を17GHzに調節して(キャパシタンスを変化させることにより)、スロット1210が給電波1205からのエネルギーを実質的に結合させないようにすることができる。これに代えて、スロット1210の共振周波数を20GHzに調節して、スロット1210が給電波1205からのエネルギーを結合させ、そのエネルギーを自由空間に放射するようにすることができる。与えられた実施例は2値的(完全な放射又は全くの無放射)であるが、スロット1210のリアクタンス及び従って共振周波数の完全グレイスケール制御は、多値範囲にわたる電圧変化を使用して可能である。従って、各スロット1210から放射されるエネルギーは、精密に制御可能なので、同調可能スロットのアレイによって精緻なホログラフィック回折パターンを形成することができる。 The voltage between patch layer 1231 and iris layer 1233 can be modulated to tune the liquid crystal in the gap between patch and slot (eg, tunable resonator/slot 1210). Adjusting the voltage across liquid crystal 1213 changes the capacitance of the slot (eg, tunable resonator/slot 1210). Thus, changing the capacitance can change the reactance of the slot (eg, tunable resonator/slot 1210). The resonant frequency of slot 1210 is also:
Figure 0007174101000009
where f is the resonant frequency of slot 1210 and L and C are the inductance and capacitance of slot 1210, respectively. The resonant frequency of slot 1210 affects the energy radiated from feed wave 1205 propagating in the waveguide. As an example, if feed 1205 is 20 GHz, the resonant frequency of slot 1210 is adjusted to 17 GHz (by varying the capacitance) so that slot 1210 does not substantially couple energy from feed 1205. be able to. Alternatively, the resonant frequency of slot 1210 can be adjusted to 20 GHz so that slot 1210 couples energy from feed wave 1205 and radiates that energy into free space. Although the examples given are binary (fully radiating or totally non-radiating), full grayscale control of slot 1210 reactance and thus resonant frequency is possible using voltage variation over a multi-value range. be. Thus, the energy emitted from each slot 1210 can be precisely controlled so that an array of tunable slots can produce elaborate holographic diffraction patterns.

1つの実施形態では、列内の同調可能スロットは、互いからλ/5だけ離間している。他の間隔を使用することもできる。1つの実施形態では、列内の各同調可能スロットは、隣接する列内の最も近い同調可能スロットからλ/2だけ離間しており、従って、異なる列内の共通に方向付けられた同調可能スロットはλ/4だけ離間するが、他の間隔も可能である(例えば、λ/5、λ/6.3)。別の実施形態では、列内の各同調可能スロットは、隣接する列内の最も近い同調可能スロットからλ/3だけ離間する。 In one embodiment, the tunable slots within a column are separated from each other by λ/5. Other intervals can also be used. In one embodiment, each tunable slot in a column is separated from the nearest tunable slot in an adjacent column by λ/2, thus commonly oriented tunable slots in different columns. are spaced by λ/4, but other spacings are possible (eg, λ/5, λ/6.3). In another embodiment, each tunable slot in a column is separated from the nearest tunable slot in adjacent columns by λ/3.

本発明の実施形態は、市場の多重アパーチャの必要性に対して、2014年11月21日出願の「Dynamic Polarization and Coupling Control from a Steerable Cylindrically Fed Holographic Antenna(誘導可能円筒給電式ホログラフィックアンテナからの動的偏波及び結合制御)」という名称の米国特許出願第14/550,178号明細書、及び2015年1月30日出願の「Ridged Waveguide Feed Structures for Reconfigurable Antenna(再構成可能アンテナのためのリッジ型導波路給電構造)」という名称の米国特許出願第14/610,502号明細書に説明されているような再構成可能メタマテリアル技術を使用する。 Embodiments of the present invention address the multi-aperture needs of the market by applying Dynamic Polarization and Coupling Control from a Steerable Cylindrically Fed Holographic Antenna, filed Nov. 21, 2014. No. 14/550,178, entitled "Dynamic Polarization and Coupling Control", and "Ridged Waveguide Feed Structures for Reconfigurable Antenna", filed Jan. 30, 2015. 14/610,502 entitled "Ridged Waveguide Feed Structure".

図14A-Dは、スロット付きアレイを作成するための異なる層の1つの実施形態を示している。アンテナアレイは、図10に示されている例示的なリングのようなリング状に位置決めされたアンテナ素子を含む。この実施例では、アンテナアレイは、2つの異なるタイプの周波数帯域に使用される2つの異なるタイプのアンテナ素子を有することに留意されたい。 Figures 14A-D show one embodiment of different layers for making a slotted array. An antenna array includes antenna elements positioned in a ring, such as the exemplary ring shown in FIG. Note that in this example, the antenna array has two different types of antenna elements used for two different types of frequency bands.

図14Aは、スロットに対応した位置を有する第1のアイリス基板層を示している。図14Aを参照すると、円は、アイリス基板の底部側におけるメタライゼーション内の開放エリア/スロットであり、給電部(給電波)への素子の結合を制御するためのものである。この層は、任意選択の層であり、全ての設計で使用される訳ではない点に留意されたい。図14Bは、スロットを含む第2のアイリス基板層の一部を示している。図14Cは、第2のアイリス基板層の一部を覆うパッチを示している。図14Dは、スロット付きアレイの一部の上面図を示している。 FIG. 14A shows the first iris substrate layer with positions corresponding to the slots. Referring to Figure 14A, the circles are open areas/slots in the metallization on the bottom side of the iris substrate for controlling the coupling of the elements to the feed. Note that this layer is an optional layer and not used in all designs. FIG. 14B shows a portion of the second iris substrate layer containing slots. FIG. 14C shows a patch covering part of the second iris substrate layer. FIG. 14D shows a top view of a portion of the slotted array.

図15は、円筒状給電アンテナ構造の1つの実施形態の側面図を示している。アンテナは、二重層給電構造(すなわち、2つの層の給電構造)を使用して内向き進行波を生成する。1つの実施形態において、アンテナは、円形の外形を含むが、このことは必須ではない。すなわち、非円形の内向き進行波を使用することができる。1つの実施形態において、図15のアンテナ構造は、図9の同軸給電部を含む。 FIG. 15 shows a side view of one embodiment of a cylindrically-fed antenna structure. The antenna uses a double-layer feed structure (ie, a two-layer feed structure) to generate an inward traveling wave. In one embodiment, the antenna includes a circular profile, although this is not required. That is, a non-circular inward traveling wave can be used. In one embodiment, the antenna structure of FIG. 15 includes the coaxial feed of FIG.

図15を参照すると、同軸ピン1601は、アンテナの下側レベルで場を励起するのに使用される。1つの実施形態において、同軸ピン1601は、容易に入手できる50Ω同軸ピンである。同軸ピン1601は、導電性グランドプレーン1602であるアンテナ構造の底部に結合(例えば、ボルト締め)される。 Referring to FIG. 15, coaxial pin 1601 is used to excite the field at the lower level of the antenna. In one embodiment, coaxial pin 1601 is a readily available 50Ω coaxial pin. Coaxial pin 1601 is coupled (eg, bolted) to the bottom of the antenna structure, which is conductive ground plane 1602 .

内部導体である間隙導体1603は、導電性グランドプレーン1602から離隔される。1つの実施形態において、導電性グランドプレーン1602及び間隙導体1603は互いに平行である。1つの実施形態において、グランドプレーン1602と間隙導体1603との間の距離は、0.1インチ~0.15インチである。別の実施形態において、この距離はλ/2とすることができ、ここでλは、動作周波数での進行波の波長である。 An inner conductor, interstitial conductor 1603 , is spaced from the conductive ground plane 1602 . In one embodiment, conductive ground plane 1602 and interstitial conductor 1603 are parallel to each other. In one embodiment, the distance between ground plane 1602 and gap conductor 1603 is between 0.1 inch and 0.15 inch. In another embodiment, this distance can be λ/2, where λ is the wavelength of the traveling wave at the operating frequency.

グランドプレーン1602は、スペーサ1604を介して間隙導体1603から離隔される。1つの実施形態において、スペーサ1604は、発泡体又は空気状スペーサである。1つの実施形態において、スペーサ1604は、プラスチックスペーサを含む。 Ground plane 1602 is separated from gap conductor 1603 by spacer 1604 . In one embodiment, spacer 1604 is a foam or pneumatic spacer. In one embodiment, spacer 1604 comprises a plastic spacer.

間隙導体1603の上部には、誘電体層1605がある。1つの実施形態において、誘電体層1605はプラスチックである。誘電体層1605の目的は、自由空間速度に対して進行波を減速することである。1つの実施形態において、誘電体層1605は、自由空間に対して30%進行波を減速する。1つの実施形態において、ビーム形成に好適な屈折率の範囲は、1.2~1.8であり、自由空間は、定義上、1に等しい屈折率を有する。例えば、プラスチックなどの他の誘電スペーサ材料を用いて、この効果を達成することができる。所望の波動減速効果を達成する限り、プラスチック以外の材料を使用できる点に留意されたい。或いは、例えば機械加工又はリソグラフィにより定めることができる周期的サブ波長金属構造などの分散構造を有する材料を誘電体1605として使用することができる。 On top of the interstitial conductor 1603 is a dielectric layer 1605 . In one embodiment, dielectric layer 1605 is plastic. The purpose of dielectric layer 1605 is to slow down the traveling wave relative to the free space velocity. In one embodiment, dielectric layer 1605 slows down traveling waves by 30% relative to free space. In one embodiment, the range of refractive indices suitable for beamforming is from 1.2 to 1.8, and free space, by definition, has a refractive index equal to one. For example, other dielectric spacer materials such as plastics can be used to achieve this effect. Note that materials other than plastic can be used as long as they achieve the desired wave-moderating effect. Alternatively, a material with a dispersive structure, such as a periodic sub-wavelength metal structure that can be defined by machining or lithography, can be used as dielectric 1605 .

RFアレイ1606は誘電体1605の上部にある。1つの実施形態において、間隙導体1603とRFアレイ606との間の距離は、0.1~0.15インチである。別の実施形態において、この距離はλeff/2とすることができ、ここでλeffは設計周波数での媒体中の有効波長である。 RF array 1606 is on top of dielectric 1605 . In one embodiment, the distance between interstitial conductors 1603 and RF array 606 is 0.1 to 0.15 inches. In another embodiment, this distance can be λeff/2, where λeff is the effective wavelength in the medium at the design frequency.

アンテナは、側面1607及び1608を含む。側面1607及び1608は、同軸ピン1601からの進行波給電が反射によって間隙導体1603の下方の領域(スペーサ層)から間隙導体1603の上方の領域(誘電体層)に伝播するような角度が付けられる。1つの実施形態において、側面1607及び1608の角度は45度の角度である。代替の実施形態において、側面1607及び1608は、反射を達成するために連続した半径に置き換えることができる。図15は、45度の角度を有する角度付き側部を示しているが、下部給電レベルから上部給電レベルへの信号伝播を達成する他の角度を使用することができる。すなわち、下部給電の有効波長が、上部給電の有効波長とは一般的に異なることを考慮すると、理想的な45度の角度からの何らかの偏差を使用して、下部給電レベルから上部給電レベルへの伝送を助けることができる。例えば、別の実施形態において、45度の角度は、単一の段部に置き換えられる。アンテナの一端上の段部は、誘電体層、間隙導体、及びスペーサ層を一周する。同じ2つの段部が、これらの層の他方の端部に存在する。 The antenna includes sides 1607 and 1608 . Sides 1607 and 1608 are angled such that the traveling wave feed from coaxial pin 1601 propagates by reflection from the region below interstitial conductor 1603 (spacer layer) to the region above interstitial conductor 1603 (dielectric layer). . In one embodiment, the angle of sides 1607 and 1608 is a 45 degree angle. In an alternate embodiment, sides 1607 and 1608 can be replaced with continuous radii to achieve reflection. Although FIG. 15 shows angled sides having an angle of 45 degrees, other angles can be used to achieve signal propagation from the lower feed level to the upper feed level. That is, given that the effective wavelength of the bottom feed is generally different from the effective wavelength of the top feed, any deviation from the ideal 45 degree angle is used to convert from the bottom feed level to the top feed level. can help with transmission. For example, in another embodiment the 45 degree angle is replaced with a single step. A step on one end of the antenna encircles the dielectric layer, the interstitial conductor, and the spacer layer. The same two steps are present at the other ends of these layers.

動作中、給電波が同軸ピン1601から供給されると、この給電波は、グランドプレーン1602と間隙導体1603との間の領域で同軸ピン1601から同心円状に外向きに進む。同心円状射出波は、側部1607及び1608により反射され、間隙導体1603とRFアレイ1606との間の領域で内向きに進む。円形外周の縁部(エッジ)からの反射は、この波を同相に留まらせる(すなわち、この反射は、同相反射である)。進行波は、誘電体層1605によって減速する。この時点で、進行波は、RFアレイ1606の素子との相互作用及び励起を開始して、所望の散乱を取得する。 In operation, when a feed wave is provided from coaxial pin 1601 , the feed wave travels concentrically outward from coaxial pin 1601 in the region between ground plane 1602 and gap conductor 1603 . Concentric outgoing waves are reflected by sides 1607 and 1608 and travel inward in the region between interstitial conductor 1603 and RF array 1606 . Reflections from the edges of the circular perimeter cause the waves to remain in phase (ie, the reflections are in-phase reflections). The traveling wave is slowed down by dielectric layer 1605 . At this point, the traveling wave begins to interact and excite the elements of RF array 1606 to obtain the desired scattering.

進行波を終了させるため、アンテナの幾何学的中心で終端部1609がアンテナに含まれる。1つの実施形態において、終端部1609は、ピン終端(例えば、50Ωピン)を含む。別の実施形態において、終端部1609は、未使用エネルギーを終端させて、アンテナの給電構造を通る当該未使用エネルギーが反射して戻るのを阻止するRF吸収体を含む。これらは、RFアレイ1606の上部で使用することができる。 A termination 1609 is included in the antenna at the geometric center of the antenna to terminate the traveling wave. In one embodiment, termination 1609 includes pin terminations (eg, 50Ω pins). In another embodiment, termination 1609 includes an RF absorber that terminates unused energy and prevents it from reflecting back through the antenna's feed structure. These can be used on top of the RF array 1606 .

図16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16を参照すると、2つのグランドプレーン1610、1611は、互いに実質的に平行であり、グランドプレーンの間に誘電体層1612(例えば、プラスチック層など)を有している。RF吸収体1619(例えば、抵抗器)は、2つのグランドプレーン1610及び1611を共に結合する。同軸ピン1615(例えば、50Ω)は、アンテナに給電する。RFアレイ1616は、誘電体層1612及びグランドプレーン1610の上部に存在する。 FIG. 16 shows another embodiment of the antenna system with outgoing waves. Referring to Figure 16, two ground planes 1610, 1611 are substantially parallel to each other and have a dielectric layer 1612 (eg, a plastic layer, etc.) between the ground planes. An RF absorber 1619 (eg, a resistor) couples the two ground planes 1610 and 1611 together. A coaxial pin 1615 (eg, 50Ω) feeds the antenna. RF array 1616 resides on top of dielectric layer 1612 and ground plane 1610 .

動作中、給電波は、同軸ピン1615を介して供給され、同心円状外向きに進んでRFアレイ1616の素子と相互作用をする。 In operation, a feed wave is fed through coaxial pin 1615 and travels concentrically outward to interact with the elements of RF array 1616 .

図15及び図16の両方のアンテナにおける円筒状給電部は、アンテナのサービス角度を改善する。1つの実施形態において、アンテナシステムは、プラスマイナス45度の方位角(±45° Az)及びプラスマイナス25度の仰角(±25° El)からなるサービス角度の代わりに、全方向でボアサイトから75度(75°)のサービス角度を有する。多数の個々の放射体から構成された何らかのビーム形成アンテナと同様に、全体のアンテナ利得は、それ自体が角度に依存するものである構成素子の利得に依存する。一般的な放射素子が使用される場合には、全体のアンテナ利得は、典型的には、ビームがボアサイトから離れて向けられるにつれて減少する。ボアサイトから75度外れたところでは、約6dBの有意な利得低下が予期される。 The cylindrical feed in both antennas of FIGS. 15 and 16 improves the service angle of the antenna. In one embodiment, the antenna system is positioned from boresight in all directions instead of a service angle of plus or minus 45 degrees azimuth (±45 degrees Az) and plus or minus 25 degrees elevation (±25 degrees El). It has a service angle of seventy-five degrees (75°). As with any beamforming antenna constructed from a number of individual radiators, the overall antenna gain depends on the gains of the constituent elements which are themselves angle dependent. If common radiating elements are used, the overall antenna gain typically decreases as the beam is directed away from boresight. A significant gain drop of about 6 dB is expected at 75 degrees off boresight.

円筒状給電部を有するアンテナの実施形態は、1又は2以上の問題を解決する。これらは、共通分割器ネットワークを用いて給電されるアンテナと比較して給電構造を飛躍的に簡素化し、及びひいては全体で必要とされるアンテナ及びアンテナ給電量を低減するステップと、より粗い制御(全てを単純なバイナリ制御にまで拡張すること)で高ビーム性能を維持することによって製造及び制御誤差に対する感度を低下させるステップと、円筒状に配向された給電波が遠距離場において空間的に多様なサイドローブをもたらすので、直線的給電部と比較してより有利なサイドローブパターンを与えるステップと、偏波器を必要とせずに、左旋円偏波、右旋円偏波及び直線偏波を可能にすることを含めて偏波を動的であることを可能にするステップと、を含む。 Embodiments of antennas with cylindrical feeds solve one or more problems. These greatly simplify the feed structure compared to antennas fed using a common divider network, and thus reduce the overall required antenna and antenna feed, and coarser control ( reducing the sensitivity to manufacturing and control errors by maintaining high beam performance with a cylindrically oriented feed wave that is spatially diverse in the far field. providing a more advantageous sidelobe pattern compared to a linear feed, as it results in more sidelobes, and left-handed circular polarization, right-handed circular polarization, and linear polarization without the need for a polarizer. and C. enabling the polarization to be dynamic.

(波散乱素子のアレイ)
図15のRFアレイ1606及び図16のRFアレイ1616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。このパッチアンテナのグループは、散乱メタマテリアル素子のアレイを含む。
(array of wave scattering elements)
RF array 1606 of FIG. 15 and RF array 1616 of FIG. 16 include wave scattering subsystems that include a group of patch antennas (ie, scatterers) that act as radiators. This group of patch antennas includes an array of scattering metamaterial elements.

1つの実施形態において、アンテナシステムにおける各散乱素子は、下部導体と、誘電体基板と、相補的電気誘導型容量性共振器(「相補型電気LC」又は「CELC」)を組み込んだ上部導体とからなる単位セルの一部であり、相補的電気誘導型容量性共振器は、上部導体にエッチング又は堆積される。 In one embodiment, each scattering element in the antenna system comprises a bottom conductor, a dielectric substrate, and a top conductor incorporating a complementary electrically induced capacitive resonator (“complementary electrical LC” or “CELC”). A complementary inductive capacitive resonator is etched or deposited on the top conductor.

1つの実施形態において、液晶(LC)が散乱素子の周りのギャップに注入される。液晶は、各単位セルに封入され、スロットに関連する下部導体をパッチに関連する上部導体から分離する。液晶は、この液晶を構成する分子の配向の関数である誘電率を有し、分子の配向(従って、誘電率)は、液晶の両端のバイアス電圧を調整することによって制御することができる。この特性を利用して、液晶は、誘導波からCELCへのエネルギー伝達のためのオン/オフスイッチとして機能する。スイッチオンになると、CELCは、電気的に小さなダイポールアンテナのように電磁波を放射する。 In one embodiment, liquid crystal (LC) is injected into the gap around the scattering element. A liquid crystal is encapsulated in each unit cell and separates the bottom conductors associated with the slots from the top conductors associated with the patches. Liquid crystals have a dielectric constant that is a function of the orientation of the molecules that make up 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 property, the liquid crystal acts as an on/off switch for energy transfer from the guided wave to the CELC. When switched on, the CELC radiates electromagnetic waves like an electrically small dipole antenna.

LCの厚みを制御することにより、ビームスイッチング速度が増大する。下部導体と上部導体との間のギャップ(液晶の厚み)が50パーセント(50%)減少すると、速度が4倍に増大する。別の実施形態において、液晶の厚みは、約14ミリ秒(14ms)のビームスイッチング速度を結果としてもたらす。1つの実施形態において、LCは、応答性が向上するような当技術分野で周知の方法でドープされ、7ミリ秒(7ms)要件に適合できるようになる。 By controlling the thickness of the LC, the beam switching speed is increased. A fifty percent (50%) reduction in the gap (thickness of the liquid crystal) between the bottom and top conductors results in a four-fold increase in speed. In another embodiment, the liquid crystal thickness results in a beam switching speed of approximately fourteen milliseconds (14 ms). In one embodiment, the LC is doped in a manner well known in the art to improve responsivity and to meet the seven millisecond (7ms) requirement.

CELC素子は、CELC素子の面に平行で且つCELCギャップ補完物に垂直に印加される磁界に応答する。電圧がメタマテリアル散乱単位セルにおいて液晶に印加されると、誘導波の磁界成分がCELCの磁気励起を誘導し、その結果、誘導波と同じ周波数の電磁波が生成される。 A CELC element responds 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 guided wave induces magnetic excitation of the CELC, resulting in the generation of electromagnetic waves at the same frequency as the guided wave.

単一のCELCによって生成される電磁波の位相は、誘導波ベクトル上のCELCの位置によって選択することができる。各セルは、CELCと平行な誘導波と同相の波を生成する。CELCは、波長よりも小さいので、出力波は、誘導波がCELCの下を通過するときのこの誘導波の位相と同じ位相を有する。 The phase of electromagnetic waves produced by a single CELC can be selected by the position of the CELC on the guided wave vector. Each cell produces a wave in phase with the guided wave parallel to the CELC. Since the CELC is smaller than the wavelength, the output wave has the same phase as the guided wave as it passes under the CELC.

1つの実施形態において、このアンテナシステムの円筒状給電幾何形状は、CELC素子を、給電波における波ベクトルに対して45度(45°)の角度で位置決め可能になる。この素子の位置により、素子から生成され又は素子によって受け取られる自由空間波の偏波の制御が可能になる。1つの実施形態において、CELCは、アンテナの動作周波数の自由空間波長よりも小さい素子間隔で配列される。例えば、1波長当たりに4つの散乱素子が存在する場合、30GHzの送信アンテナの素子は、約2.5mm(すなわち、30GHzの10mm自由空間波長の1/4)となる。 In one embodiment, the cylindrical feed geometry of this antenna system allows the CELC elements to be positioned at a forty-five degree (45°) angle to the wave vector in the feed. The position of this element allows control of the polarization of the free-space wave generated from or received by the element. In one embodiment, the CELCs are arranged with an element spacing less than the free-space wavelength of the antenna's operating frequency. For example, if there are four scattering elements per wavelength, the elements for a 30 GHz transmit antenna would be approximately 2.5 mm (ie, 1/4 of the 10 mm free-space wavelength of 30 GHz).

1つの実施形態において、CELCは、スロットの上方に並置されたパッチを含むパッチアンテナと、これらパッチアンテナ間に液晶を有して用いて実施される。この点において、メタマテリアルアンテナは、スロット(散乱)導波路のように作用する。スロット導波路に関しては、出力波の位相は、誘導波に対するスロットの位置に依存する。 In one embodiment, CELC is implemented using patch antennas comprising patches juxtaposed over slots and liquid crystals between the patch antennas. In this respect, the metamaterial antenna acts like a slot (scattering) waveguide. For slot waveguides, the phase of the output wave depends on the position of the slot relative to the guided wave.

(セル配置)
1つの実施形態において、アンテナ素子は、系統的マトリクス駆動回路を可能にする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、行選択信号Row1(行1)及びRow2(行2)それぞれを介してトランジスタ1711、1712に結合され、列コントローラ1702は、列選択信号Column1(列1)を介してトランジスタ1711、1712に結合される。また、トランジスタ1711は、パッチへの接続1731を介してアンテナ素子1721に結合され、トランジスタ1712は、パッチへの接続1732を介してアンテナ素子1722に結合される。
(cell arrangement)
In one embodiment, the antenna elements are arranged on the aperture plane of the cylindrical feed antenna to enable a systematic matrix drive circuit. The arrangement of cells includes the arrangement of transistors for matrix driving. FIG. 17 shows one embodiment of the arrangement of the matrix drive circuit for the antenna elements. Referring to FIG. 17, row controller 1701 is coupled to transistors 1711, 1712 via row select signals Row1 and Row2, respectively, and column controller 1702 is coupled to column select signal Column1. to transistors 1711 and 1712 via . Transistor 1711 is also coupled to antenna element 1721 via connection to patch 1731 and transistor 1712 is coupled to antenna element 1722 via connection to patch 1732 .

単位セルが非正規グリッド内に配置されて円筒状給電アンテナ上でマトリクス駆動回路を実現する最初の手法では、2つのステップが実行される。第1のステップでは、セルが同心リング上に配置され、セルの各々は、セルの傍らに配置されたトランジスタに接続され、このトランジスタが、各セルを別々に駆動するスイッチとして機能する。第2のステップでは、マトリクス駆動回路は、このマトリクス駆動手法が必要とするときにあらゆるトランジスタを一意のアドレスで接続するように構築される。マトリクス駆動回路は、行と列のトレースによって構築される(LCDと同様)が、セルはリング上に配置されるので、各トランジスタに一意のアドレスを割り当てる系統的方法は存在しない。このマッピング問題は、全てのトランジスタをカバーするために極めて複雑な回路を生じさせ、経路設定を行う物理的トレースの数が著しく増加させることになる。セルが高密度であるので、これらのトレースは、カップリング効果に起因してアンテナのRF性能を妨げる。また、トレースが複雑であり実装密度が高いことに起因して、トレースの経路設定は、商業的に入手可能なレイアウトツールによって行うことができない。 In a first approach in which unit cells are placed in an irregular grid to realize a matrix drive circuit on a cylindrically-fed antenna, two steps are performed. In the first step, the cells are arranged in concentric rings, each of which is connected to a transistor arranged beside the cell, which acts as a switch to drive each cell separately. In a second step, a matrix drive circuit is constructed to connect every transistor with a unique address as required by the matrix drive scheme. Matrix drive circuits are built by row and column traces (similar to LCDs), but since the cells are arranged in a ring, there is no systematic way to assign a unique address to each transistor. This mapping problem results in a very complex circuit to cover all the transistors, greatly increasing the number of physical traces to route. Due to the high cell density, these traces interfere with the RF performance of the antenna due to coupling effects. Also, due to the complexity and packing density of traces, routing of traces cannot be done by commercially available layout tools.

1つの実施形態において、マトリクス駆動回路は、セル及びトランジスタが配置される前に事前に定められる。このことは、各々が一意のアドレスを有する全てのセルを駆動するのに必要な最小数のトレースが確保される。この方式は、駆動回路の複雑性を軽減して経路設定を簡素化し、これによってアンテナのRF性能が向上する。 In one embodiment, the matrix drive circuit is predefined before the cells and transistors are placed. This ensures the minimum number of traces required to drive all cells each with a unique address. This scheme reduces the complexity of the driver circuitry and simplifies routing, which improves the RF performance of the antenna.

より具体的には、1つの手法では、第1のステップにおいて、セルは、各セルの一意のアドレスを表す行及び列から構成された正方形グリッド上に配置される。第2のステップにおいて、セルは、セルのアドレス、及び第1のステップで定められた行及び列への接続性が維持されながら、グループ化されて同心円に変換される。この変換の目的は、セルをリング上に配置するだけでなく、開口面全体にわたってセル間の距離及びリング間の距離を一定に保つことである。この目的を達成するために、セルをグループ化する幾つかの方法が存在する。 More specifically, in one approach, in a first step, cells are arranged on a square grid made up of rows and columns representing a unique address for each cell. In a second step, the cells are grouped and transformed into concentric circles while maintaining the cell addresses and connectivity to rows and columns defined in the first step. The purpose of this transformation is not only to arrange the cells on rings, but also to keep the cell-to-cell distance and the ring-to-ring distance constant over the aperture plane. There are several methods of grouping cells to achieve this goal.

1つの実施形態において、TFTパッケージは、マトリクス駆動回路における配置及び一意のアドレス指定を可能にするのに使用される。図18は、TFTパッケージの1つの実施形態を示している。図18を参照すると、TFT及び保持キャパシタ1803が、入力ポート及び出力ポートと共に示されている。トレース1801に接続された2つの入力ポートと、トレース1802に接続された2つの出力ポートとがあり、行及び列を使用してTFTを共に接続する。1つの実施形態において、行のトレース及び列のトレースは、90°の角度で交差して、行のトレースと列のトレースとの間の結合が低減され、場合によっては最小となることがある。1つの実施形態において、行のトレース及び列のトレースは、様々な層上に存在する。 In one embodiment, TFT packages are used to allow placement and unique addressing in a matrix drive circuit. FIG. 18 shows one embodiment of a TFT package. Referring to FIG. 18, TFTs and holding capacitors 1803 are shown with input and output ports. There are two input ports connected to trace 1801 and two output ports connected to trace 1802, using rows and columns to connect the TFTs together. In one embodiment, the row traces and column traces intersect at a 90° angle to reduce, and possibly minimize, coupling between the row and column traces. In one embodiment, row traces and column traces are present on different layers.

(例示的なシステムの実施形態)
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。
(Exemplary System Embodiment)
In one embodiment, the multiple antenna aperture plane is used in a television system operating in conjunction with a set top box. For example, in the case of dual receive antennas, satellite signals received by the antennas are fed to a set-top box (eg, DirectTV receiver) of a television system. More specifically, multiple antenna operation can simultaneously receive RF signals at two different frequencies and/or polarizations. That is, one subarray of elements is controlled to receive RF signals at one frequency and/or polarization, and another subarray is controlled to receive signals at another different frequency and/or polarization. be done. These differences in frequency or polarization represent different channels received by the television system. Similarly, two antenna arrays can be controlled to two different beam positions to receive channels from two different locations (e.g., two different satellites) to receive multiple channels simultaneously. .

図19は、テレビジョンシステムにおいて二重受信を同時に実行する通信システムの1つの実施形態のブロック図である。図19を参照すると、アンテナ1401は、上述したように異なる周波数及び/又は偏波で二重受信を同時に実行するように独立して動作可能な2つの空間的に交互配置されたアンテナ開口面を含む。2つの空間的に交互配置されたアンテナ動作についてのみ説明しているが、TVシステムは、2つよりも多いアンテナ開口面(例えば、3つ、4つ、5つなどのアンテナ開口面)を有することができる点に留意されたい。 Figure 19 is a block diagram of one embodiment of a communication system that performs dual reception simultaneously in a television system. Referring to FIG. 19, antenna 1401 includes two spatially interleaved antenna aperture planes operable independently to simultaneously perform dual reception at different frequencies and/or polarizations as described above. include. Although only two spatially interleaved antenna operations are discussed, TV systems have more than two antenna apertures (e.g., 3, 4, 5, etc.). Note that it is possible to

1つの実施形態において、2つの交互配置されたスロットアレイを含むアンテナ1401は、ダイプレクサ1430に結合される。この結合は、2つのスロットアレイの素子から信号を受信して、ダイプレクサ1430に供給される2つの信号を生成する1又は2以上の給電ネットワークを含むことができる。1つの実施形態において、ダイプレクサ1430は、商用ダイプレクサ(例えば、A1 Microwave社製のモデルPB1081WA Ku帯域シトコムダイプレクサ)である。 In one embodiment, antenna 1401 comprising two interleaved slot arrays is coupled to diplexer 1430 . This combination can include one or more feed networks that receive signals from the elements of the two slot arrays and produce two signals that are provided to diplexer 1430 . In one embodiment, diplexer 1430 is a commercial diplexer (eg, model PB1081WA Ku-band Sitocom diplexer manufactured by A1 Microwave).

ダイプレクサ1430は、低ノイズブロックダウンコンバータ(LNB)のペア1426、1427に結合され、これらLNBは、当技術分野において周知の方法でノイズフィルタリング機能、ダウンコンバート機能及び増幅を実行する。1つの実施形態において、LNB1426、1427は、室外ユニット(ODU)に存在する。別の実施形態において、LNB1426、1427は、アンテナ装置に組み込まれる。LNB1426、1427は、テレビジョン1403に結合されたセットトップボックス1402に結合される。 Diplexer 1430 is coupled to a pair of low noise block downconverters (LNBs) 1426, 1427, which perform noise filtering functions, downconversion functions and amplification in a manner well known in the art. In one embodiment, LNBs 1426, 1427 reside in an outdoor unit (ODU). In another embodiment, the LNBs 1426, 1427 are integrated into the antenna device. LNBs 1426 , 1427 are coupled to set top box 1402 which is coupled to television 1403 .

セットトップボックス1402は、アナログデジタル変換器(ADC)のペア1421、1422を含み、これらADCは、LNB1426、1427に結合されて、ダイプレクサ1430から出力された2つの信号をデジタル形式に変換する。 Set-top box 1402 includes a pair of analog-to-digital converters (ADCs) 1421, 1422 coupled to LNBs 1426, 1427 to convert the two signals output from diplexer 1430 to digital form.

デジタル形式に変換されると、信号は、復調器1423によって復調され且つ復号器1424によって復号されて、受信波上に符号化されたデータが得られる。次に、復号されたデータは、コントローラ1425に送られ、このコントローラが、このデータをテレビジョン1403に送る。 Once converted to digital form, the signal is demodulated by demodulator 1423 and decoded by decoder 1424 to obtain the data encoded on the received wave. The decoded data is then sent to controller 1425 , which sends the data to television 1403 .

コントローラ1450は、単一の複合物理的開口面上の両方のアンテナ開口面の交互配置されたスロットアレイ素子を含むアンテナ1401を制御する。 Controller 1450 controls antenna 1401 comprising interleaved slot array elements of both antenna aperture planes on a single multiple physical aperture plane.

(全二重通信システムの例)
別の実施形態において、複合アンテナ開口面は、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。
(Example of full-duplex communication system)
In another embodiment, the compound antenna aperture is used in a full-duplex communication system. Figure 20 is a block diagram of another embodiment of a communication system with simultaneous transmit and receive paths. Although only one transmit path and one receive path are shown, a communication system may include more than one transmit path and/or more than one receive path.

図20を参照すると、アンテナ1401は、上述のように異なる周波数で同時に送信及び受信するように独立して動作可能な2つの空間的に交互配置されたアンテナアレイを含む。1つの実施形態において、アンテナ1401は、ダイプレクサ1445に結合される。この結合は、1又は2以上の給電ネットワークによるものとすることができる。1つの実施形態において、放射状給電アンテナの場合、ダイプレクサ1445は、2つの信号を組み合わせるものであり、アンテナ1401とダイプレクサ1445の間の接続は、両方の周波数を搬送できる単一の広帯域給電ネットワークである。 Referring to FIG. 20, antenna 1401 includes two spatially interleaved antenna arrays operable independently to transmit and receive simultaneously on different frequencies as described above. In one embodiment, antenna 1401 is coupled to diplexer 1445 . This coupling may be by one or more feeding networks. In one embodiment, for radially-fed antennas, diplexer 1445 combines the two signals and the connection between antenna 1401 and diplexer 1445 is a single broadband feed network capable of carrying both frequencies. .

ダイプレクサ1445は、低ノイズブロックダウンコンバータ(LNB)1427に結合され、このLNBは、当技術分野において周知の方法でノイズフィルタリング機能、ダウンコンバート機能、及び増幅機能を実行する。1つの実施形態において、LNB1427は、室外ユニット(ODU)に存在する。別の実施形態において、LNB1427は、アンテナ装置に組み込まれる。LNB1427は、コンピューティングシステム1440(例えば、コンピュータシステム、モデムなど)に結合されたモデム1460に結合される。 Diplexer 1445 is coupled to low noise block downconverter (LNB) 1427, which performs noise filtering, downconversion, and amplification functions in a manner well known in the art. In one embodiment, LNB 1427 resides in an outdoor unit (ODU). In another embodiment, LNB 1427 is integrated into the antenna device. LNB 1427 is coupled to modem 1460 which is coupled to computing system 1440 (eg, computer system, modem, etc.).

モデム1460は、アナログデジタル変換器(ADC)1422を含み、このADCは、LNB1427に結合されて、ダイプレクサ1445から出力された受信信号をデジタル形式に変換する。デジタル形式に変換されると、信号は、復調器1423によって復調されて、復号器1424によって復号されて、受信波上の符号化されたデータが得られる。次に、復号されたデータは、コントローラ1425に送られ、このコントローラが、このデータをコンピューティングシステム1440に送る。 Modem 1460 includes an analog-to-digital converter (ADC) 1422 coupled to LNB 1427 to convert the received signal output from diplexer 1445 to digital form. Once converted to digital form, the signal is demodulated by demodulator 1423 and decoded by decoder 1424 to obtain the encoded data on the received wave. The decrypted data is then sent to controller 1425 , which sends the data to computing system 1440 .

モデム1460は更に、コンピューティングシステム1440から送信されたデータを符号化するエンコーダ1430を含む。符号化されたデータは、変調器1431によって変調され、次に、デジタルアナログ変換器(DAC)1432によってアナログに変換される。次に、アナログ信号は、BUC(アップコンバート及び高域増幅器)1433によってフィルタリングされて、ダイプレクサ1445の1つのポートに供給される。1つの実施形態において、BUC1433は、室外ユニット(ODU)に存在する。 Modem 1460 also includes an encoder 1430 that encodes data transmitted from computing system 1440 . The encoded data is modulated by modulator 1431 and then converted to analog by digital-to-analog converter (DAC) 1432 . The analog signal is then filtered by BUC (upconvert and high pass amplifier) 1433 and fed to one port of diplexer 1445 . In one embodiment, BUC 1433 resides in an outdoor unit (ODU).

当技術分野において周知の方法で動作するダイプレクサ1445は、伝送のため送信信号をアンテナ1401に供給する。 Diplexer 1445, operating in a manner well known in the art, provides a transmit signal to antenna 1401 for transmission.

コントローラ1450は、単一の複合物理的開口面上のアンテナ素子の2つのアレイを含むアンテナ1401を制御する。 Controller 1450 controls antenna 1401, which includes two arrays of antenna elements over a single multiple physical aperture plane.

図20に示された全二重通信システムは、限定ではないが、インターネット通信、車両通信(ソフトウェア更新を含む)などを含む幾つかの用途があることに留意されたい。 Note that the full-duplex communication system illustrated in FIG. 20 has several applications including, but not limited to, Internet communication, vehicle communication (including software updates), and the like.

以上の詳細説明の幾つか部分は、コンピュータメモリ内のデータビットに対する演算のアルゴリズム及び記号表現の観点で提示されている。これらのアルゴリズム的記述及び表現は、データ処理技術分野の当業者により、自らの作業の内容を他の当業者に最も効果的に伝えるために使用される手段である。アルゴリズムは、ここでは一般的に、望ましい結果に至る自己矛盾のない一連のステップであると考えられる。これらのステップは、物理量の物理的操作を必要とするものである。必須ではないが、通常は、これらの量は、格納、転送、結合、比較、及び他の操作が可能な電気信号又は磁気信号の形式を取る。これらの信号をビット、値、要素、記号、符号、用語、又は数字などと言及することは、主として共通使用という理由で時に好都合であることが判明している。 Some portions of the above detailed descriptions 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. An algorithm is generally thought here to be a self-consistent sequence of steps leading to a desired result. These steps are those requiring physical manipulations of physical quantities. Usually, though not necessarily, these quantities take the form of electrical or magnetic signals capable of being stored, transferred, combined, compared, and otherwise manipulated. It has proven convenient at times, principally for reasons of common usage, to refer to these signals as bits, values, elements, symbols, signs, terms, numbers, or the like.

しかしながら、これらの用語及び類似の用語は、全て適切な物理量に関連付けられるものとし、且つこれらの量に付与される有利なラベルに過ぎないことに注意されたい。以下の説明から明らかなように、特に明記しない限り、説明全体を通して、「処理する」又は「演算する」又は「計算する」又は「決定する」又は「表示する」などのような用語を利用する説明は、コンピュータシステムのレジスタ及びメモリ内の物理的な(電子的な)量として表されるデータをそのコンピュータシステムのメモリ又はレジスタ又は他のそのような情報ストレージ、送信又は表示デバイス内の物理量として同様に表される別のデータに操作及び変換するコンピュータシステム又は類似の電子コンピュータデバイスのアクション及び処理を指すことが認められる。 Note, however, that all of these terms and similar terms are intended to be associated with the appropriate physical quantities and are merely convenient labels applied to these quantities. As will be apparent from the following description, terms such as "process" or "operate" or "calculate" or "determine" or "display" are utilized throughout the description unless otherwise specified. The description refers to data represented as physical (electronic) quantities in the registers and memory of a computer system as physical quantities in the memory or registers of that computer system or other such information storage, transmission or display device. It will be recognized to refer to the actions and processing of a computer system or similar electronic computing device that manipulates and transforms other data that are similarly represented.

本発明はまた、本明細書の作動を実行するための装置に関する。この装置は、必要とされる目的のために特別に構成することができ、又はコンピュータに格納されたコンピュータプログラムによって選択的に起動又は再構成される汎用コンピュータを有することができる。このようなコンピュータプログラムは、限定ではないが、フロッピーディスク、光ディスク、CD-ROM、及び光磁気ディスクを含むあらゆるタイプのディスク、読取専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、EPROM、EEPROM、磁気又は光カード、又は電子命令の格納に適するあらゆるタイプの媒体のようなコンピュータ可読ストレージ媒体に格納することができ、各々がコンピュータシステムバスに結合される。 The present invention also relates to apparatus for performing the operations herein. This apparatus may be specially constructed for the required purposes, or it may comprise a general purpose computer selectively activated or reconfigured by a computer program stored in the computer. Such computer programs may be any type of disk including, but not limited to, floppy disk, optical disk, CD-ROM, and magneto-optical disk, read only memory (ROM), random access memory (RAM), EPROM, EEPROM, The computer readable storage medium may be stored on a computer readable storage medium such as a magnetic or optical card, or any type of medium suitable for storing electronic instructions, each coupled to a computer system bus.

本明細書に提示したアルゴリズム及び表示は、何れの特定のコンピュータ又は他の装置とも本質的に関連付けられたものではない。様々な汎用システムを本明細書の教示によるプログラムと共に使用することができ、又は必要とされる方法ステップを実行するより特殊化された装置を構成することが有利であることが判明する場合がある。様々なこれらのシステムに必要とされる構造は、以下の説明から明らかであろう。これに加えて、本発明は、何れの特定のプログラミング言語に関連しても説明されていない。様々なプログラミング言語を使用して、本明細書に説明した本発明の教示を実施することができることが認められるであろう。 The algorithms and displays presented herein are not inherently related to any particular computer or other apparatus. Various general-purpose systems may be used with programs in accordance with the teachings herein, or it may prove advantageous to construct more specialized apparatus to perform the required method steps. . The required structure for a variety of these systems will appear from the description below. Additionally, the present invention is not described in relation to any particular programming language. It will be appreciated that a variety of programming languages may be used to implement the teachings of the invention as described herein.

機械可読媒体は、機械(例えば、コンピュータ)によって可読の形態の情報を格納又は送信するための何れかの機構を含む。例えば機械可読媒体は、読取専用メモリ(「ROM」)、ランダムアクセスメモリ(「RAM」)、磁気ディスクストレージ媒体、光学ストレージ媒体、フラッシュメモリデバイスなどを含む。 A machine-readable medium includes any mechanism for storing or transmitting information in a form readable by a machine (eg, a computer). For example, a machine-readable medium includes read only memory (“ROM”), random access memory (“RAM”), magnetic disk storage media, optical storage media, flash memory devices, and the like.

本発明の多くの改変及び修正が前述の説明を読んだ後で疑いなく当業者には明らかになるであろうが、例証によって図示及び説明された何れの特定の実施形態も限定として捉えられるものではない点を理解されたい。従って、様々な実施形態の詳細事項への言及は、本発明にとって基本的なものとしてみなされる特徴のみを記載する請求項の範囲を限定するものではない。 While many variations and modifications of the invention will no doubt become apparent to those skilled in the art after reading the foregoing description, any specific embodiments shown and described by way of illustration should be taken as limiting. Please understand that it is not. Therefore, references to details of various embodiments are not intended to limit the scope of the claims, which recite only those features regarded as essential to the invention.

Claims (28)

給電波を入力するためのアンテナ給電部、複数のメタマテリアル表面散乱アンテナ素子を有するアンテナ素子アレイを備え、各アンテナ素子が、該各アンテナ素子において共振を制御する能動素子として動作する液晶(LC)構造を有するアンテナであって、前記LC構造は、光学Δη≧0.3、RFΔε≧1.33の電圧同調可能なRF誘電異方性を有する混合物と、少なくともプロトン、水素(H)、又はヘテロ原子のうちの1つ以上で側方官能化され、A、B 、Rx及びRzは1つ以上の化学要素又は化合物を表し、Y及びZは単結合又は三重結合を表し、かつmは整数を表し、そしてさらにAはCnH(2n+i)に結合されたCH2、O、S、又はSeを含み、nは整数である、以下の:
Figure 0007174101000010
のうちの1種以上の混合物を含み、前記各メタマテリアル表面散乱アンテナ素子の液晶(LC)を制御することによって、前記メタマテリアル表面散乱アンテナ素子がオン及びオフにされるように制御する制御装置であって、各アンテナ素子の前記液晶(LC)が前記給電波からのエネルギーの送信のためのオン/オフスイッチとして動作する制御装置を含み、前記各メタマテリアル表面散乱アンテナ素子はホログラフィック・ビームステアリングでの使用のための周波数帯域に対するビームを形成するように制御され、共に動作可能である、ことを特徴とする、アンテナ。
A liquid crystal (LC) comprising an antenna feed section for inputting a feed wave and an antenna element array having a plurality of metamaterial surface scattering antenna elements, each antenna element acting as an active element controlling resonance in each antenna element. structure, wherein the LC structure comprises a mixture with voltage tunable RF dielectric anisotropy with optical Δη≧0.3 and RF Δε≧1.33 and at least protons, hydrogen (H), or hetero are laterally functionalized on one or more of the atoms, A, B, Rx and Rz represent one or more chemical elements or compounds, Y and Z represent single or triple bonds, and m is an integer and further A includes CH, O, S, or Se bound to CnH(2n+i), where n is an integer, as follows:
Figure 0007174101000010
and controlling the metamaterial surface scattering antenna elements to be turned on and off by controlling the liquid crystal (LC) of each of the metamaterial surface scattering antenna elements. wherein the liquid crystal (LC) of each antenna element includes a controller operating as an on/off switch for transmission of energy from the feed, wherein each metamaterial surface scattering antenna element is a holographic beam. An antenna, characterized in that it is operable together and controlled to form beams for frequency bands for use in steering .
前記ヘテロ原子が、フッ素(F)、臭素(Br)、又は塩素(Cl)から成る群から選択される少なくとも1つを含むことを特徴とする、請求項1に記載のアンテナ。 Antenna according to claim 1, characterized in that said heteroatom comprises at least one selected from the group consisting of fluorine (F), bromine (Br), or chlorine (Cl). Rx、Ry及びRzが、1つ以上のアルキル基を含むことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。 2. Antenna according to claim 1, characterized in that Rx, Ry and Rz comprise one or more alkyl groups. 前記1つ以上のアルキル基が、メチル(CH The one or more alkyl groups are methyl (CH 33 )、エチル(CH), ethyl (CH 22 CHCH 33 )、プロピル(CH), propyl (CH 22 CHCH 22 CHCH 33 )、又はメトキシ(OCH), or methoxy (OCH 33 )、エトキシ(OCH), ethoxy (OCH 22 CHCH 33 )、プロポキシ(OCH), propoxy (OCH 22 CHCH 33 )、又はトリフルオロメトキシ(OCF), or trifluoromethoxy (OCF 33 )から成る群から選択される1つ以上を含むことを特徴とする、請求項3に記載のアンテナ。4. An antenna according to claim 3, comprising one or more selected from the group consisting of: Aが、飽和炭素鎖、アルコキシ(OC A is a saturated carbon chain, alkoxy (OC nn H. (2n+1)(2n+1) )、シクロヘキシル又はフェニル部分の何れかであることを特徴とする、請求項1に記載のアンテナ。), cyclohexyl or phenyl moieties. Bが、第2のアルキル、アルコキシ鎖又は極性基の何れかであることを特徴とする、請求項1に記載のアンテナ。 Antenna according to claim 1, characterized in that B is either a secondary alkyl, alkoxy chain or a polar group. 前記極性基が、ヘテロ原子、シアノ(CN)、又はイソチオシアネート(NCS)、トリフルオロメトキシ(OCF the polar group is a heteroatom, cyano (CN), or isothiocyanate (NCS), trifluoromethoxy (OCF) 33 )、シアノ(CN)、ブロミド(Br)、又はトリフルオロフェニル(C), cyano (CN), bromide (Br), or trifluorophenyl (C 66 H. 22 F. 33 )を含むことを特徴とする、請求項6に記載のアンテナ。7. Antenna according to claim 6, characterized in that it comprises: 前記混合物は、以下: Said mixture comprises:
Figure 0007174101000011
Figure 0007174101000011
のうちの1種以上を含み、ここでDは、CHwherein D is CH 22 、O、S、又はSeに等しく、R1-R12は、C, O, S, or Se, and R1-R12 are equal to C nn H. (2n+1)(2n+1) 、H、F、Cl、SC, H, F, Cl, SC nn H. (2n+1)(2n+1) 、SeC, SeC nn H. (2n+1)(2n+1) 、又はBrに等しく、Xは、NCS、F、Br、Cl、又はHに等しく、nは整数であることを特徴とする、請求項1に記載のアンテナ。, or Br, X is equal to NCS, F, Br, Cl, or H, and n is an integer.
nが1から7に等しいことを特徴とする、請求項8に記載のアンテナ。 9. Antenna according to claim 8, characterized in that n is equal to 1-7. 構造1において、Dが1個の炭素及び2個の水素であり、XがNCSに等しく、nが4に等しいことを特徴とする、請求項8に記載のアンテナ。 9. Antenna according to claim 8, characterized in that in structure 1 D is one carbon and two hydrogens, X equals NCS and n equals four. 構造1において、Dが1個の酸素及び2個の水素であり、XがNCSに等しく、nが4に等しいことを特徴とする、請求項8に記載のアンテナ。 9. Antenna according to claim 8, characterized in that in structure 1 D is one oxygen and two hydrogens, X equals NCS and n equals four. 構造2において、XがNCSに等しいことを特徴とする、請求項8に記載のアンテナ。 9. Antenna according to claim 8, characterized in that in structure 2, X equals NCS. 構造3において、XがNCSに等しいことを特徴とする、請求項8に記載のアンテナ。 9. Antenna according to claim 8, characterized in that in structure 3, X equals NCS. 構造4において、XがNCSに等しいことを特徴とする、請求項8に記載のアンテナ。 9. Antenna according to claim 8, characterized in that in structure 4, X equals NCS. 構造5において、XがNCSに等しいことを特徴とする、請求項8に記載のアンテナ。 9. Antenna according to claim 8, characterized in that in structure 5, X equals NCS. 構造6において、XがNCSに等しいことを特徴とする、請求項8に記載のアンテナ。 9. Antenna according to claim 8, characterized in that in structure 6, X equals NCS. 前記給電波は前記アンテナ給電部から同心円状に伝搬し、 the feed wave propagates concentrically from the antenna feed section;
前記アンテナは、 The antenna is
複数のスロットと、 a plurality of slots;
複数のパッチであって、前記パッチの各々は、LCセルを用いて前記複数のスロット内のスロットの上に共に配置されると共に該スロットから隔てられ、パッチ/スロットペアを形成し、各パッチ/スロットペアは、制御パターンによって指定される前記ペア内のパッチに対する電圧の印加に基づいてオン又はオフになる、複数のパッチと、 a plurality of patches, each of said patches being co-located over and spaced from slots within said plurality of slots with LC cells to form a patch/slot pair; A slot pair is a plurality of patches that are turned on or off based on the application of voltages to patches within the pair as specified by a control pattern;
を更に備えることを特徴とする、請求項1に記載のアンテナ。2. The antenna of claim 1, further comprising:
前記アンテナ素子は、複数のスロットを備えた同調可能なスロット付きアレイの一部であり、更に、各スロットは、所与の周波数において所望の散乱を提供するように同調され、前記同調可能なスロット付きアレイ内の要素は、1つ以上のリングに配置されることを特徴とする、請求項1に記載のアンテナ。 said antenna element being part of a tunable slotted array comprising a plurality of slots, each slot being tuned to provide a desired scattering at a given frequency, said tunable slot 2. Antenna according to claim 1, characterized in that the elements in the indexed array are arranged in one or more rings. 給電波を入力するためのアンテナ給電部、複数のアンテナ素子を有するアンテナ素子アレイを備え、該各アンテナ素子において共振を制御する能動素子として動作する液晶(LC)構造を有するアンテナであって、前記LC構造は、光学Δη≧0.3、RFΔε≧1.33の電圧同調可能なRF誘電異方性を有する混合物と、以下の化合物:
Figure 0007174101000012

Figure 0007174101000013
のうちの2種以上の混合物を含み、前記各メタマテリアル表面散乱アンテナ素子の液晶(LC)を制御することによって、前記メタマテリアル表面散乱アンテナ素子がオン及びオフにされるように制御する制御装置であって、各アンテナ素子の前記液晶(LC)が前記給電波からのエネルギーの送信のためのオン/オフスイッチとして動作する制御装置を含み、前記各メタマテリアル表面散乱アンテナ素子はホログラフィック・ビームステアリングでの使用のための周波数帯域に対するビームを形成するように制御され、共に動作可能である、ことを特徴とする、アンテナ。
An antenna having a liquid crystal (LC) structure, comprising an antenna feeding section for inputting a feeding wave, an antenna element array having a plurality of antenna elements, and operating as an active element for controlling resonance in each of the antenna elements, The LC structure is a mixture with voltage tunable RF dielectric anisotropy of optical Δη≧0.3, RF Δε≧1.33 and the following compounds:
Figure 0007174101000012

Figure 0007174101000013
and controlling the metamaterial surface scattering antenna elements to be turned on and off by controlling the liquid crystal (LC) of each of the metamaterial surface scattering antenna elements. wherein the liquid crystal (LC) of each antenna element includes a controller operating as an on/off switch for transmission of energy from the feed, wherein each metamaterial surface scattering antenna element is a holographic beam. An antenna, characterized in that it is operable together and controlled to form beams for frequency bands for use in steering.
前記混合物が、前記化合物のうち少なくとも7種を含むことを特徴とする、請求項19に記載のアンテナ。 20. Antenna according to claim 19, characterized in that said mixture comprises at least seven of said compounds. 前記混合物が、前記化合物のうち少なくとも8種を含むことを特徴とする、請求項19に記載のアンテナ。 20. Antenna according to claim 19, characterized in that said mixture comprises at least eight of said compounds. 前記混合物が、前記化合物のうち少なくとも9種を含むことを特徴とする、請求項19に記載のアンテナ。 20. Antenna according to claim 19, characterized in that said mixture comprises at least nine of said compounds. 前記混合物が、少なくとも11.7h、11.7i、及び111.7hを含むことを特徴とする、請求項19に記載のアンテナ。 20. An antenna according to claim 19, characterized in that said mixture comprises at least 11.7h, 11.7i and 111.7h. 前記混合物が、少なくとも111.7n及び111.7oも含むことを特徴とする、請求項23に記載のアンテナ。 24. Antenna according to claim 23, characterized in that the mixture also contains at least 111.7n and 111.7o. 前記混合物が、少なくとも4TOLCl又はFNCST1も含むことを特徴とする、請求項23に記載のアンテナ。 24. Antenna according to claim 23, characterized in that the mixture also contains at least 4TOLCl or FNCST1. 前記給電波は前記アンテナ給電部から同心円状に伝搬し、 the feed wave propagates concentrically from the antenna feed section;
複数のスロットと、 a plurality of slots;
複数のパッチであって、前記パッチの各々は、LCセルを用いて前記複数のスロット内のスロットの上に共に配置されると共に該スロットから隔てられ、パッチ/スロットペアを形成し、各パッチ/スロットペアは、制御パターンによって指定される前記ペア内のパッチに対する電圧の印加に基づいてオン又はオフになる、複数のパッチと、 a plurality of patches, each of said patches being co-located over and spaced from slots within said plurality of slots with LC cells to form a patch/slot pair; A slot pair is a plurality of patches that are turned on or off based on the application of voltages to patches within the pair as specified by a control pattern;
を更に備えることを特徴とする、請求項19に記載のアンテナ。20. An antenna according to claim 19, further comprising:
前記アンテナ素子は、ホログラフィック・ビームステアリングでの使用のための周波数帯域に対するビームを形成するように制御され、共に動作可能であることを特徴とする、請求項19に記載のアンテナ。 20. An antenna according to claim 19, wherein the antenna elements are controlled and operable together to form beams for frequency bands for use in holographic beam steering. 前記アンテナ素子は、複数のスロットを備えた同調可能なスロット付きアレイの一部であり、更に、各スロットは、所与の周波数において所望の散乱を提供するように同調され、前記同調可能なスロット付きアレイ内の要素は、1つ以上のリングに配置されることを特徴とする、請求項19に記載のアンテナ。 said antenna element being part of a tunable slotted array comprising a plurality of slots, each slot being tuned to provide a desired scattering at a given frequency, said tunable slot 20. Antenna according to claim 19, characterized in that the elements in the indexed array are arranged in one or more rings.
JP2021064042A 2016-05-20 2021-04-05 Antenna with high RF tuning, wide temperature operating range, and low viscosity radio frequency liquid crystal (RFLC) mixture Active JP7174101B2 (en)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662339550P 2016-05-20 2016-05-20
US62/339,550 2016-05-20
US15/600,514 2017-05-19
US15/600,514 US10224620B2 (en) 2017-05-19 2017-05-19 Antenna having radio frequency liquid crystal (RFLC) mixtures with high RF tuning, broad thermal operating ranges, and low viscosity
JP2018560814A JP2019520738A (en) 2016-05-20 2017-05-20 Antenna with high RF tuning, wide temperature operating range, and low viscosity radio frequency liquid crystal (RFLC) mixture

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018560814A Division JP2019520738A (en) 2016-05-20 2017-05-20 Antenna with high RF tuning, wide temperature operating range, and low viscosity radio frequency liquid crystal (RFLC) mixture

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021132377A JP2021132377A (en) 2021-09-09
JP7174101B2 true JP7174101B2 (en) 2022-11-17

Family

ID=60325653

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018560814A Pending JP2019520738A (en) 2016-05-20 2017-05-20 Antenna with high RF tuning, wide temperature operating range, and low viscosity radio frequency liquid crystal (RFLC) mixture
JP2021064042A Active JP7174101B2 (en) 2016-05-20 2021-04-05 Antenna with high RF tuning, wide temperature operating range, and low viscosity radio frequency liquid crystal (RFLC) mixture

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018560814A Pending JP2019520738A (en) 2016-05-20 2017-05-20 Antenna with high RF tuning, wide temperature operating range, and low viscosity radio frequency liquid crystal (RFLC) mixture

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP3458871A4 (en)
JP (2) JP2019520738A (en)
KR (3) KR20210147080A (en)
CN (1) CN109716158A (en)
WO (1) WO2017201515A1 (en)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109643848B (en) * 2016-08-12 2021-04-13 夏普株式会社 Scanning antenna
KR102665014B1 (en) * 2017-09-14 2024-05-13 메르크 파텐트 게엠베하 Isothiocyanato tolan derivative
CN108865180B (en) * 2018-08-17 2021-10-01 西安近代化学研究所 Liquid crystal composition and high-frequency assembly comprising same
JP2020094175A (en) 2018-12-03 2020-06-18 Jnc株式会社 Liquid crystal composition for use in phase control of electromagnetic wave signal
CN113528154B (en) * 2020-04-14 2023-08-11 西安近代化学研究所 Liquid crystal composition with extremely low dielectric loss and high-frequency component thereof
US20230313043A1 (en) * 2020-07-08 2023-10-05 Merck Patent Gmbh Optical component
TW202219253A (en) * 2020-08-06 2022-05-16 日商Dic股份有限公司 Compound, composition, liquid crystal composition, and device
JP2022048990A (en) 2020-09-15 2022-03-28 Jnc株式会社 Liquid crystal composition used in element for phase control of electromagnetic wave signal
CN114253015B (en) * 2020-09-22 2024-04-19 成都天马微电子有限公司 Liquid crystal antenna, manufacturing method thereof and communication equipment
CN116333755A (en) * 2021-12-24 2023-06-27 西安近代化学研究所 Liquid crystal compound and composition with high clearing point and low dielectric loss

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004285085A (en) 2003-03-19 2004-10-14 Dainippon Ink & Chem Inc Variable functional device
US20150236412A1 (en) 2014-02-19 2015-08-20 Adam Bily Dynamic polarization and coupling control from a steerable cylindrically fed holographic antenna
JP2016037607A (en) 2014-08-08 2016-03-22 メルク パテント ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングMerck Patent Gesellschaft mit beschraenkter Haftung Liquid crystal medium and high-frequency component comprising the same

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004029429B4 (en) * 2003-07-11 2019-04-04 Merck Patent Gmbh Components for high frequency technology
CN103703103B (en) * 2011-03-24 2016-04-27 默克专利股份有限公司 Mesomorphic compound, liquid crystal media and the parts for high frequency technique

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004285085A (en) 2003-03-19 2004-10-14 Dainippon Ink & Chem Inc Variable functional device
US20150236412A1 (en) 2014-02-19 2015-08-20 Adam Bily Dynamic polarization and coupling control from a steerable cylindrically fed holographic antenna
JP2016037607A (en) 2014-08-08 2016-03-22 メルク パテント ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングMerck Patent Gesellschaft mit beschraenkter Haftung Liquid crystal medium and high-frequency component comprising the same

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230072509A (en) 2023-05-24
JP2021132377A (en) 2021-09-09
EP3458871A1 (en) 2019-03-27
CN109716158A (en) 2019-05-03
KR20190039028A (en) 2019-04-10
JP2019520738A (en) 2019-07-18
KR20210147080A (en) 2021-12-06
WO2017201515A1 (en) 2017-11-23
KR102652402B1 (en) 2024-03-28
EP3458871A4 (en) 2020-01-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7174101B2 (en) Antenna with high RF tuning, wide temperature operating range, and low viscosity radio frequency liquid crystal (RFLC) mixture
US10224620B2 (en) Antenna having radio frequency liquid crystal (RFLC) mixtures with high RF tuning, broad thermal operating ranges, and low viscosity
KR102624582B1 (en) Broad tunable bandwidth radial line slot antenna
US10985457B2 (en) Method and apparatus for monitoring and compensating for environmental and other conditions affecting radio frequency liquid crystal
US11274252B2 (en) Mixed left/right chiral liquid crystal for improved switching speed and tunability for RF devices
US10686636B2 (en) Restricted euclidean modulation
US11700054B2 (en) Modular metasurface antenna with high instantaneous bandwidth
US11049658B2 (en) Storage capacitor for use in an antenna aperture
US11705634B2 (en) Single-layer wide angle impedance matching (WAIM)
US20230238711A1 (en) Multiband guiding structures for antennas
KR20210141951A (en) Non-circular center-feed antenna and method for using same
US12040923B2 (en) Restricted euclidean modulation
KR20220115934A (en) Radial Feed Segmentation Using Wedge Plate Radial Waveguides

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210427

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220316

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20220616

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20220815

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220912

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20221005

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20221104

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7174101

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150