KR101864052B1 - Dynamic polarization and coupling control for a steerable cylindrically fed holographic antenna - Google Patents

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Abstract

원통 모양으로 급전된 안테나 및 이를 사용하기 위한 방법을 위한 장치가 여기에 개시되어 있다. 일 실시예에서, 안테나는 원통 모양의 급전 파(feed wave)를 입력하기 위한 안테나 급전 장치 및 이 안테나 급전 장치에 결합된 조정가능한 슬롯화된 어레이를 구비한다.Antennas for a cylindrical feed antenna and a method for using the same are disclosed herein. In one embodiment, the antenna comprises an antenna feeder for inputting a cylindrical feed wave and an adjustable slotted array coupled to the antenna feeder.

Description

조종 가능한 원통 모양으로 급전된 홀로그래픽 안테나를 위한 동적 편광 및 결합 제어 {DYNAMIC POLARIZATION AND COUPLING CONTROL FOR A STEERABLE CYLINDRICALLY FED HOLOGRAPHIC ANTENNA}[0001] DYNAMIC POLARIZATION AND COUPLING CONTROL FOR A STEERABLE CYLINDRICALLY FED HOLOGRAPHIC ANTENNA FOR A HORIZONTAL CIRCUITALLY DISTRIBUTED HORIZONTAL ANTENNA [0002]

우선권 주장Priority claim

본 특허 출원은, 2014년 2월 19일에 출원된 "원통 모양으로 급전된 홀로그래픽 안테나로부터의 편광 및 결합 제어(Polarization and Coupling Control from a Cylindrically Fed Holographic Antenna)"라는 명칭의 대응하는 가특허 출원 일련번호 제61/941,801호뿐만 아니라, 2014년 6월 16일에 출원된 "통신 위성 지구 스테이션을 위한 메타물질 안테나 시스템(A Metamaterial Antenna System for Communications Satellite Earth Stations)"이라는 명칭의 대응하는 가특허 출원 일련번호 제62/012,897호에 대한 우선권을 주장하고 이들을 참조에 의해 통합한다.
This patent application is a continuation-in-part of U.S. Provisional Patent Application entitled " Polarization and Coupling Control from a Cylindrically Fed Holographic Antenna " filed on February 19, 2014, No. 61 / 941,801, as well as a corresponding patent application entitled " A Metamaterial Antenna System for Communications Satellite Earth Stations ", filed June 16, 2014, Priority is claimed on Serial No. 62 / 012,897, incorporated by reference.

기술분야Technical field

본 발명의 실시예들은 안테나의 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명의 실시예들은 원통 모양으로 급전되는 안테나에 관한 것이다.
Embodiments of the present invention relate to the field of antennas, and more particularly, to embodiments of the present invention which are cylindrical antennas.

씬콤 제품(Thinkom products)은, PCB 기반의 어프로치(approach)를 이용하여, 일반적으로는 두 가지 타입의 기계적 회전 기능을 갖는 가변 경사 횡방향 스터브(Variable Inclined Transverse Stub) 또는 "VICTS" 어프로치를 이용하여 Ka 대역(Ka-band)에서 이중 원형 편광(dual circular polarization)을 달성한다. 제1 타입은 다른 것에 대해 하나의 어레이(array)를 회전시키고, 제2 타입은 양쪽 모두를 방위각(azimuth)에서 회전시킨다. 1차적인 한계(primary limitation)는 스캔 범위(20도와 70도 사이의 고도, 광역 가능하지 않음) 및 빔 성능(때로는 Rx(수신)만으로 제한)이다.The Thinkcom products use a PCB-based approach and use a variable incline transverse stub or "VICTS" approach, which typically has two types of mechanical rotation functions: To achieve dual circular polarization in the Ka-band. The first type rotates one array for another, and the second type rotates both at azimuth. The primary limitation is the scan range (elevation between 20 and 70 degrees, not wide area possible) and beam performance (sometimes limited to Rx (reception) only).

안도(Ando) 등에 의한 "12 GHz DBS 위성 수신을 위한 레이디얼 라인 슬롯화된 안테나(Radial line slot antenna for 12 GHz DBS satellite reception)"와 위안(Yuan) 등에 의한 "고전력 마이크로파 애플리케이션을 위한 신규한 레이디얼 라인 슬롯화된 안테나의 디자인 및 실험(Design and Experiments of a Novel Radial Line Slot Antenna for High-Power Microwave Applications)"은 각종의 안테나를 논의한다. 이들 두 논문에 기재된 안테나의 한계는, 빔이 하나의 고정 각도에서만 형성된다는 점이다. 이들 논문에 기재된 급전 구조(feed structure)는, 제1 층이 핀 급전(pin feed)을 받아들여 에지(edge) 밖으로 향하여 신호를 방출하고, 상부층까지 신호의 방향을 틀며(bend), 상부층이 주변(periphery)으로부터 그 길을 따라 고정된 슬롯을 여기하는(exciting) 중심(center)까지 송신하는 접혀진 이중 층(folded dual layer)이다. 슬롯은 전형적으로 송신 시에는 고정된 원형 편광을 제공하고 수신 모드에서는 반대로 되는 직교 쌍(orthogonal pairs)으로 배향(orient)된다. 마지막으로, 흡수체(absorber)는 에너지가 남아 있는 것은 무엇이든지 종료(terminate)한다.&Quot; Radial line slot antenna for 12 GHz DBS satellite reception "by Ando et al. And Yuan et al.," A New Lady for High Power Microwave Applications " "Design and Experiments of a Novel Radial Line Slot Antenna for High-Power Microwave Applications" discusses various antennas. The limitations of the antennas described in these two articles are that the beam is formed at only one fixed angle. The feed structure described in these articles is a feed structure in which the first layer receives a pin feed to emit a signal toward the edge and bends the signal to the upper layer, and a folded dual layer transmitting from the periphery to the exciting center along the way. The slots are typically oriented in orthogonal pairs that provide fixed circular polarization during transmission and reverse in receive mode. Finally, the absorber terminates whatever energy remains.

"스칼라 및 텐서 홀로그래픽 인공 임피던스 표면", 저자 퐁(Fong), 콜번(Colburn), 오투쉬(Ottusch), 비셔(Visher), 지벤파이퍼(Sievenpiper). 지벤파이퍼는 동적 스케닝 안테나가 달성되는 방법을 나타내었지만, 스캐닝 중에 유지되는 편광 충실도(polarization fidelity)는 의문이다. 이것은, 요구되는 편광 제어가 각각의 방사 요소(radiating element)에서 필요로 되는 텐서 임피던스(tensorial impedance)에 의존하기 때문이다. 이것은 요소 방향 회전(element-wise rotation)에 의해 가장 쉽게 달성된다. 그러나, 안테나가 스캔함에 따라, 각각의 요소에서의 편광이 변화하고, 따라서 필요로 되는 회전도 또한 변화한다. 이들 요소가 고정되고 동적으로 회전될 수 없기 때문에, 편광 제어를 스캔 및 유지하는 방법은 없다."Scalar and tensor holographic artificial impedance surfaces", authors Fong, Colburn, Ottusch, Visher, and Sievenpiper. Although the zenpiper has shown how dynamic scanning antennas are achieved, the polarization fidelity maintained during scanning is questionable. This is because the required polarization control depends on the tensor impedance required by each radiating element. This is most easily achieved by element-wise rotation. However, as the antenna scans, the polarization at each element changes, and thus the rotation required also changes. Since these elements can not be fixed and dynamically rotated, there is no way to scan and maintain the polarization control.

편광 제어를 갖는 빔 스캔 안테나를 달성하는 것으로의 산업 표준 어프로치(industry-standard approaches)는, 일반적으로 기계적으로 회전되는 접시(dish) 또는 전자 빔 조종과 함께 기계적 운동의 일부 형태 중 어느 하나를 사용한다. 옵션(option)의 가장 값비싼 클래스는 전체 위상 어레이 안테나(full phased-array antenna)이다. 접시는 동시에 다수의 편광을 수신할 수 있지만, 스캔하기 위해 짐벌(gimbal)을 필요로 할 수 있다. 더 최근에, 하나의 축에서의 기계적 이동의 직교 축에서의 전자 스캐닝과의 조합은, 작은 부피(volume)를 필요로 하지만 씬콤(Thinkom)의 시스템과 같은 빔 성능 또는 동적 편광 제어를 희생하는 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 구조를 야기시켰다.Industry-standard approaches to achieving beam scanning antennas with polarization control use either some form of mechanical motion with mechanically rotated dishes or electron beam steering . The most expensive class of options is the full phased-array antenna. The dish can receive multiple polarizations at the same time, but it may require a gimbal to scan. More recently, the combination of mechanical movement in one axis with electron scanning in the orthogonal axis requires a high volume, which requires a small volume, but at the expense of beam performance such as the system of the Thinkcom or dynamic polarization control Resulting in a structure with an aspect ratio.

이전의 어프로치는 안테나를 급전하기 위해 도파관(waveguide) 및 스플리터 급전 구조(splitter feed structure)를 사용한다. 그러나, 도파관 디자인은 광역 근처(1-파장 주기 구조에 의해 생성되는 밴드 갭(band gap))에서 스윙(swing)하는 임피던스를 갖고; 상이한 CTE와의 본딩을 필요로 하며; 급전 구조의 관련된 오믹 손실(ohmic loss)을 갖거나; 및/또는 접지면(ground-plane)으로 확장하기 위한 수천의 비아(via)를 갖는다.
Previous approaches use a waveguide and a splitter feed structure to feed the antenna. However, the waveguide design has an impedance swinging near the broadband (band gap produced by the 1-wave periodic structure); Require bonding with different CTEs; Have an associated ohmic loss of the feed structure; And / or a ground-plane. ≪ Desc / Clms Page number 2 >

원통 모양으로 급전된 안테나 및 이를 사용하기 위한 방법을 위한 장치가 여기에 개시되어 있다. 일 실시예에서, 안테나는 원통 모양의 급전 파(feed wave)를 입력하기 위한 안테나 급전 장치(antenna feed) 및 이 안테나 급전 장치에 결합된 조정가능한 슬롯화된 어레이(slotted array)를 포함한다.
Antennas for a cylindrical feed antenna and a method for using the same are disclosed herein. In one embodiment, the antenna includes an antenna feed for inputting a cylindrical feed wave and a tunable slotted array coupled to the antenna feeder.

본 발명은, 이하에 주어진 상세한 설명 및 특정 실시예로 본 발명을 한정하도록 취해져서는 안되고 설명 및 이해만을 위한 것인 본 발명의 각종 실시예의 첨부 도면으로부터 더 완전히 이해될 것이다.
도 1은 원통 모양의 파 급전을 제공하는데 사용되는 동축 급전 장치(coaxial feed)의 일 실시예의 평면도를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 원통 모양으로 급전된 안테나 구조의 실시예의 측면도를 도시한다.
도 3은 하나의 슬롯에 결합된 패치 안테나, 또는 산란체(scatterer)의 일 실시예의 평면도를 도시한다.
도 4는 순환적으로 급전되는 안테나 시스템의 일부인 슬롯에 급전된 패치 안테나의 측면도를 도시한다.
도 5는 급전 파가 런치(launch)되는 유전체 재료의 일례를 도시한다.
도 6은 슬롯 및 그들의 배향(orientation)을 나타내는 아이리스 보드(iris board, 홍채 보드)의 일 실시예를 도시한다.
도 7은 하나의 홍채/패치 조합의 배향이 결정되는 방법을 도시한다.
도 8은 급전 벡터(power feed vector)에 대해 -45도에서 회전된 제1 세트 및 급전 벡터에 대해 +45도에서 회전된 제2 세트의 두 개의 세트로 그룹화된 홍채를 도시한다.
도 9는 패치 보드의 실시예를 도시한다.
도 10은 동작의 주파수에서 벗어난 것으로 결정된 도 9에서의 패치를 갖는 요소의 일례를 도시한다.
도 11은 동작의 주파수에 있는 것으로 결정된 도 9에서의 패치를 갖는 요소의 일례를 도시한다.
도 12는 도 10 및 도 11의 요소에 대해 온 및 오프 제어/변조 패턴으로의 전기장 응답을 나타내는 전파 모델링(full wave modeling)의 결과를 도시한다.
도 13은 원통 모양으로 급전된 안테나의 실시예를 이용한 빔 형성(beam forming)을 도시한다.
도 14a 및 도 14b는 허니콤 패턴으로 배치된 패치 및 슬롯을 도시한다.
도 15a 내지 도 15c는 레이디얼 레이아웃, 관련된 제어 패턴 및 결과로 초래된 안테나 응답을 창출하기 위해 링모양으로 배치된 패치 및 관련된 슬롯을 도시한다.
도 16a 및 도 16b는 각각 오른쪽 원형 편광 및 왼쪽 원형 편광을 도시한다.
도 17은 패치를 함유하는 유리 층을 포함하는 원통 모양으로 급전된 안테나의 일부를 도시한다.
도 18은 유전체의 선형 테이퍼를 도시한다.
도 19a는 기준 파(reference wave)의 일례를 도시한다.
도 19b는 발생된 물체 파(object wave)를 도시한다.
도 19c는 결과로서 초래된 사인파 모양의 변조 패턴의 일례이다.
도 20은 진행하는 파가 바닥층으로부터 상부층에 이르기까지 송신되도록 하기 위한 계단을 각 측면이 포함하는 변형 안테나 실시예를 도시한다.
The present invention will become more fully understood from the detailed description given herein below and the accompanying drawings of various embodiments of the invention, which are not to be taken to limit the invention and for the purposes of explanation and understanding only.
Figure 1 shows a top view of an embodiment of a coaxial feed used to provide a cylindrical wave feed.
Figures 2a and 2b show side views of an embodiment of a cylindrical feed antenna structure.
Figure 3 shows a plan view of one embodiment of a patch antenna, or scatterer, coupled in one slot.
Figure 4 shows a side view of a patch antenna fed into a slot that is part of a cyclically powered antenna system.
Fig. 5 shows an example of a dielectric material from which a power supply wave is launched.
Figure 6 shows one embodiment of an iris board showing the orientation of the slots and their orientation.
Figure 7 shows how the orientation of one iris / patch combination is determined.
Figure 8 shows a first set rotated at -45 degrees for a power feed vector and an iris grouped into two sets of a second set rotated at +45 degrees for a feed vector.
Figure 9 shows an embodiment of a patch board.
Figure 10 shows an example of an element with a patch in Figure 9 determined to be out of operation frequency.
Figure 11 shows an example of an element with a patch in Figure 9 determined to be at the frequency of operation.
Figure 12 shows the results of full wave modeling showing the electric field response to on and off control / modulation patterns for the elements of Figures 10 and 11. [
Figure 13 illustrates beam forming using an embodiment of a cylindrical feed antenna.
14A and 14B show patches and slots arranged in a honeycomb pattern.
Figs. 15A-15C illustrate a radial layout, associated control patterns, and patches and associated slots arranged in a ring shape to produce the resulting antenna response.
Figs. 16A and 16B show right circularly polarized light and left circularly polarized light, respectively.
Figure 17 shows a portion of a cylindrical power feed antenna comprising a glass layer containing a patch.
Figure 18 shows a linear taper of the dielectric.
19A shows an example of a reference wave.
Figure 19b shows the generated object wave.
Fig. 19C is an example of a resulting sine wave modulation pattern.
Figure 20 shows a modified antenna embodiment in which each side includes a step for allowing the traveling wave to be transmitted from the bottom layer to the top layer.

본 발명의 실시예는 급전 점(feed point)으로부터 밖으로 향하여 원통 모양 또는 동심원 모양으로 산포(spread)되는 여기(excitation, 급전 파)로 중심 점으로부터 안테나를 급전하는 안테나 디자인 아키텍처를 포함한다. 안테나는 급전 파와 더불어 다수의 원통 모양으로 급전된 서브개구 안테나(subaperture antenna; 예를 들어, 패치 안테나)를 배열함으로써 작동된다. 변형 실시예에서, 안테나는 중심 바깥쪽(center outward)보다는 주변부 안쪽(perimeter inward)으로부터 급전된다. 이것은, 개구로부터 에너지를 산란시킴으로써 야기되는 진폭 여기 감쇠(amplitude excitation decay)를 중화(counteract)하기 때문에 도움이 될 수 있다. 산란(scattering)은 양쪽 배향에서 마찬가지로 발생하지만, 주변부 안쪽으로부터 이동함에 따라 급전 파에서의 에너지의 집중에 의해 야기되는 자연적인 테이퍼(taper)가 의도된 산란에 의해 야기되는 감소하는 테이퍼를 중화시킨다.Embodiments of the present invention include an antenna design architecture that feeds an antenna from a center point to an excitation that is cylindrically or concentrically spread out from a feed point. The antenna is operated by arranging a plurality of cylindrically-fed subaperture antennas (for example, patch antennas) together with a feeder wave. In an alternative embodiment, the antenna is fed from a perimeter inward rather than a center outward. This can be helpful because it counteracts the amplitude excitation decay caused by scattering energy from the aperture. Scattering occurs in both orientations as well, but a natural taper caused by the concentration of energy in the feeder wave as it moves from within the periphery neutralizes the decreasing taper caused by the intended scattering.

본 발명의 실시예들은, 전형적으로 홀로그래피(holography, 입체 영상)를 달성하기 위해 필요로 되는 농도의 더블링(doubling, 이중으로 하는 것) 및 요소의 직교 세트의 두 가지 타입으로 개구를 채우는 것에 기초를 둔 홀로그래픽 안테나(holographic antenna)를 포함한다. 일 실시예에서, 요소(element)의 하나의 세트는 급전 파에 대해 45도에서 선형적으로 배향되고, 요소의 제2 세트는 급전 파에 대해 -45도에서 배향된다. 양 타입은 하나의 형태로 동축 핀 급전에 의해 런치되는 평행 판 모드인 동일한 급전 파에 의해 조명(illuminate)된다.Embodiments of the present invention are based on filling the aperture with two types of doubling (doubling) of the concentration and orthogonal set of elements typically needed to achieve holography And includes a holographic antenna. In one embodiment, one set of elements is oriented linearly at 45 degrees with respect to the feed wave and the second set of elements is oriented at -45 degrees with respect to the feed wave. Both types are illuminated by the same feed wave in a parallel plate mode launched by a coaxial pin feed in one form.

다음의 설명에서는, 다수의 상세한 설명들이 본 발명의 보다 완전한 설명을 제공하기 위해 개진된다. 그러나, 본 발명은 이들 특정의 상세한 설명 없이도 실시될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 다른 예에서, 잘 알려진 구조 및 장치는 본 발명을 모호하게 하는 것을 회피하기 위해 상세하게 나타내기보다는 블록도 형태로 나타낸다.In the following description, numerous specific details are set forth in order to provide a more thorough description of the invention. However, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be practiced without these specific details. In other instances, well-known structures and devices are shown in block diagram form rather than in detail in order to avoid obscuring the present invention.

뒤따르는 상세한 설명의 일부 부분은, 컴퓨터 메모리 내의 데이터 비트에 대한 연산의 알고리즘 및 심볼 표현의 측면에서 제공된다. 이들 알고리즘 설명 및 표현은 다른 당업자에게 그들의 작업의 실체(substance)를 가장 효과적으로 전달하기 위해 데이터 처리 분야의 당업자에 의해 사용되는 수단이다. 알고리즘은, 여기에서 및 일반적으로, 소망하는 결과에 이르는 단계들의 자기 일관성이 있는 시퀀스(self-consistent sequence)인 것으로 생각되고 있다. 이 단계들은 물리적 양의 물리적 조작을 필요로 하는 것들이다. 일반적으로, 필수적인 것은 아니지만, 이들 양들은 저장, 전달, 결합, 비교 및 그 외에 조작될 수 있는 전기 또는 자기 신호의 형태를 취한다. 이들 신호를 비트, 값, 요소(element), 심볼, 캐릭터, 용어, 숫자 등과 같은 것으로 지칭하는 것이 원리적으로는 공통적인 이용(usage)의 이유로 때로는 편리하다는 것이 입증되었다.Some portions of the detailed description that follow are provided in terms of algorithms and symbolic representations of operations on data bits in 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 here and generally considered to be a self-consistent sequence of steps leading to a desired result. These steps are those that require physical manipulation of physical quantities. Generally, though not necessarily, these quantities take the form of electrical or magnetic signals that can be stored, transferred, combined, compared, and otherwise manipulated. It has proven convenient sometimes to refer to these signals as bits, values, elements, symbols, characters, terms, numbers, etc., in principle for reasons of common usage.

그러나, 이들 및 유사한 용어들 모두가 적절한 물리적 양과 관련이 있는 것이며 단지 이러한 양에 적용되는 편리한 라벨(label)이라는 것을 명심해야 한다. 이하의 설명으로부터 명백한 바와 같이 구체적으로 별도의 언급이 없는 한, 설명을 통해, "프로세싱(processing)" 또는 "컴퓨팅(computing)" 또는 "산출(calculating)" 또는 "판단(determining)" 또는 "표시(displaying)" 등과 같은 용어를 사용하는 논의는 컴퓨터 시스템의 레지스터 및 메모리 내의 물리적인(전자적인) 양으로서 표현된 데이터를 마찬가지로 컴퓨터 시스템 메모리 또는 레지스터(register) 또는 다른 그러한 정보 기억장치(storage), 전송 또는 디스플레이 장치 내의 물리적인 양으로서 표현되는 다른 데이터로 관리 및 전송하는 컴퓨터 시스템 또는 유사한 전자 컴퓨팅 장치의 작용 및 프로세스를 지칭하는 것이라고 인식되고 있다.
It should be borne in mind, however, that all of these and similar terms are to be associated with the appropriate physical quantity and are merely convenient labels applied to such quantities. As used herein, the term " processing "or" computing "or" calculating ", or "quot;," displaying ", and the like, may refer to data represented as physical (electronic) amounts in registers and memories of a computer system as well as computer system memory or registers or other such information storage, Refers to the acts and processes of a computer system or similar electronic computing device that manages and transmits data to and from other data represented as physical quantities within a transmission or display device.

안테나 시스템의 일례의 개요An overview of an example of an antenna system

통신 위성 지구 스테이션(earth station, ES)에 대한 메타물질 안테나 시스템(metamaterial antenna system)의 실시예를 설명한다. 일 실시예에서, 안테나 시스템은 민간 상업 위성 통신에 대한 Ka 대역(Ka-band) 주파수 또는 Ku 대역(Ku-band) 주파수의 어느 하나를 이용하여 동작하는 모바일 플랫폼(예를 들어, 항공, 해상, 지상 등) 상에서 동작하는 위성 지구 스테이션(ES)의 컴포넌트(component) 또는 서브시스템(subsystem)이다. 또한, 안테나 시스템의 실시예들은 모바일 플랫폼(예를 들어, 고정 또는 수송가능한 지구 스테이션)이 아닌 지구 스테이션에서 사용될 수도 있다.An embodiment of a metamaterial antenna system for a communication satellite earth station (ES) is described. In one embodiment, the antenna system is a mobile platform (e. G., Air, sea, or air) that operates using either Ka-band or Ku-band frequencies for private commercial satellite communications. (E. G., Ground, etc.) of a satellite earth station (ES). In addition, embodiments of the antenna system may also be used in earth stations other than mobile platforms (e.g., stationary or transportable earth stations).

일 실시예에서, 안테나 시스템은 별도의 안테나를 통해 송신 및 수신 빔들을 형성 및 조종하기 위해 표면 산란 메타물질 기술을 사용한다. 일 실시예에서, 안테나 시스템은 전기적으로 빔을 형성 및 조종하기 위해 디지털 신호 처리를 이용하는 (예를 들어 위상 어레이 안테나와 같은) 안테나 시스템과 대조적으로 아날로그 시스템이다.In one embodiment, the antenna system uses surface scatter metamaterial technology to form and steer transmit and receive beams through separate antennas. In one embodiment, the antenna system is an analog system as opposed to an antenna system (e.g., a phased array antenna) that uses digital signal processing to electrically form and steer the beam.

일 실시예에서, 안테나 시스템은 세 가지 기능적인 서브시스템: (1) 원통 모양의 파 급전 아키텍처로 이루어진 파 전파 구조; (2) 파 산란 메타물질 단위 셀들의 어레이; 및 (3) 홀로그래픽 원리를 이용하여 메타물질 산란 요소로부터 조절 가능한 방사선 필드(빔)의 형성을 명령하기 위한 제어 구조로 구성된다.
In one embodiment, the antenna system comprises three functional subsystems: (1) a wave propagating structure of a cylindrical wave-fed architecture; (2) an array of wave scattering meta-material unit cells; And (3) a control structure for directing the formation of an adjustable radiation field (beam) from the meta-material scattering element using a holographic principle.

파 전파 구조의 예Wave Propagation Example

도 1은 원통 모양의 파 급전(cylindrical wave feed)을 제공하는데 사용되는 동축 급전 장치(coaxial feed)의 일 실시예의 평면도를 도시한다. 도 1을 참조하면, 동축 급전 장치는 중심 컨덕터(center conductor)와 외부 컨덕터(outer conductor)를 포함한다. 일 실시예에서, 원통 모양의 파 급전 아키텍처는 급전 점(feed point)으로부터 원통 모양으로 밖으로 향하여 산포(spread)되는 여기(excitation)에 의해 중심 점으로부터 안테나를 급전한다. 즉, 원통 모양으로 급전된 안테나는 밖으로 진행하는 동심 급전 파를 생성한다. 그렇기는 하지만, 원통 모양 급전 주위의 원통 모양으로 급전된 안테나의 형상은 원형, 정방형 또는 임의의 형상일 수 있다. 다른 실시예에서, 원통 모양으로 급전된 안테나는 안쪽으로 진행하는 급전 파를 생성한다. 이러한 경우에, 급전 파는 원형 구조(circular structure)로부터 가장 자연스럽게 나온다.Figure 1 shows a top view of an embodiment of a coaxial feed used to provide a cylindrical wave feed. Referring to Fig. 1, the coaxial feeder includes a center conductor and an outer conductor. In one embodiment, the cylindrical wave-fed architecture feeds the antenna from the center point by excitation that spreads out cylindrically from the feed point. That is, the antenna fed in a cylindrical shape generates a concentric feeding wave going out. Nevertheless, the shape of the antenna fed into the cylindrical shape around the cylindrical feed may be circular, square or any shape. In another embodiment, the antenna fed in a cylindrical shape produces a feed wave traveling inward. In this case, the feed wave is most naturally generated from the circular structure.

도 2a는 원통 모양으로 급전된 안테나 구조의 일 실시예의 측면도를 도시한다. 안테나는 이중 층 급전 구조(즉, 2층의 급전 구조)를 사용하여 안쪽으로 진행하는 파를 생성한다. 일 실시예에서, 안테나는 이것이 필수적인 것은 아니지만 원형의 외부 형상을 포함한다. 즉, 비원형 안쪽 진행 구조(non-circular inward travelling structure)가 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 도 2a의 안테나 구조는 도 1의 동축 급전 장치를 포함한다.Figure 2a shows a side view of one embodiment of a cylindrical feed antenna structure. The antenna uses a double-layer feed structure (i.e., a two-layer feed structure) to generate a wave going inward. In one embodiment, the antenna includes a circular outer shape, although this is not necessary. That is, a non-circular inward traveling structure may be used. In one embodiment, the antenna structure of Fig. 2A includes the coaxial feeder of Fig.

도 2a를 참조하면, 동축 핀(coaxial pin; 201)은 안테나의 하부 레벨에 필드를 여기하기 위해 사용된다. 일 실시예에서, 동축 핀(201)은 쉽게 이용가능한 50Ω 동축 핀이다. 동축 핀(201)은 전도하는 접지면(ground plane; 202)인 안테나 구조의 바닥에 결합(예를 들어, 볼트로 접속)되어 있다.Referring to FIG. 2A, a coaxial pin 201 is used to excite the field to the lower level of the antenna. In one embodiment, the coaxial fin 201 is an easily available 50? Coaxial fin. The coaxial pin 201 is coupled (e.g., bolted) to the bottom of the antenna structure, which is a ground plane 202 that is conducting.

전도하는 접지면(202)으로부터 분리된 것은 내부 컨덕터인 삽입 컨덕터(interstitial conductor; 203)이다. 일 실시예에서, 전도하는 접지면(202)과 삽입 컨덕터(203)는 서로 평행이다. 일 실시예에서, 접지면(202)과 삽입 컨덕터(203) 사이의 거리는 0.1∼0.15"(inch)이다. 다른 실시예에서, 이 거리는 λ/2일 수 있고, 여기서 λ는 동작의 주파수에서 진행하는 파의 파장(wavelength)이다.Disconnected from the conducting ground plane 202 is an interstitial conductor 203, which is an internal conductor. In one embodiment, the conducting ground plane 202 and the inserting conductor 203 are parallel to each other. In an embodiment, the distance between the ground plane 202 and the insertion conductor 203 is 0.1 to 0.15 inch. In another embodiment, the distance may be lambda / 2, Is the wavelength of the excitation wave.

접지면(202)은 스페이서(spacer; 204)를 매개로 삽입 컨덕터(203)로부터 분리된다. 일 실시예에서, 스페이서(204)는 발포체(foam) 또는 공기와 같은 스페이서(air-like spacer)이다. 일 실시예에서, 스페이서(204)는 플라스틱 스페이서(plastic spacer)로 이루어진다.The ground plane 202 is separated from the insertion conductor 203 via a spacer 204. In one embodiment, the spacers 204 are air-like spacers, such as foam or air. In one embodiment, the spacers 204 are made of plastic spacers.

삽입 컨덕터(203)의 상부는 유전체 층(205)이다. 일 실시예에서, 유전체 층(205)은 플라스틱(plastic)이다. 도 5는 급전 파가 런치(launch)되는 유전체 재료의 일례를 도시한다. 유전체 층(205)의 목적은 자유 공간 속도(free space velocity)에 비해 진행파를 느리게 하기 위한 것이다. 일 실시예에서, 유전체 층(205)은 자유 공간에 비해 30%만큼 진행파를 느리게 한다. 일 실시예에서, 빔 형성에 적합한 굴절 지수의 범위는 1.2∼1.8이고, 여기서 자유 공간은 정의에 의해 1과 동일한 굴절 지수를 가진다. 예를 들어, 플라스틱과 같은 다른 유전체 스페이서 재료가 이 효과를 달성하기 위해 사용될 수 있다. 플라스틱 이외의 재료는, 그들이 소망하는 파 감속 효과(wave slowing effect)를 얻는 한 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 또는, 분산된 구조를 갖는 재료가, 예를 들어 기계 가공 또는 리소그래피적으로 규정될 수 있는 주기적인 서브파장(sub-wavelength) 금속 구조와 같은 유전체(205)로서 사용될 수 있다.The top of the inserting conductor 203 is the dielectric layer 205. In one embodiment, the dielectric layer 205 is plastic. Fig. 5 shows an example of a dielectric material from which a power supply wave is launched. The purpose of the dielectric layer 205 is to slow the traveling wave relative to the free space velocity. In one embodiment, the dielectric layer 205 slows the traveling wave by 30% relative to free space. In one embodiment, the range of refractive indices suitable for beamforming is 1.2 to 1.8, where the free space has a refractive index equal to 1 by definition. For example, other dielectric spacer materials such as plastics can be used to achieve this effect. It should be noted that materials other than plastics can be used as long as they achieve the desired wave slowing effect. Alternatively, a material having a distributed structure may be used as dielectric 205, such as a periodic sub-wavelength metal structure that may be defined, for example, mechanically or lithographically.

RF 어레이(206)는 유전체(205)의 상부에 있다. 일 실시예에서, 삽입 컨덕터(203)와 RF 어레이(206) 사이의 거리는 0.1∼0.15"이다. 다른 실시예에서, 이 거리는 λeff/2일 수 있고, 여기서 λeff/2는 설계 주파수에서 중간의 유효 파장이다.The RF array 206 is on top of the dielectric 205. In one embodiment, the distance between the insertion conductor 203 and the RF array 206 is 0.1 to 0.15. In another embodiment, the distance may be lambda eff / 2, where lambda eff / 2 is the median effective Wavelength.

안테나는 측면(side; 207, 208)을 포함한다. 측면(207, 208)은 동축 핀(201)으로부터의 진행파 급전이 반사를 통해 삽입 컨덕터(203) 아래의 영역(스페이서 층)으로부터 삽입 컨덕터(203) 위의 영역(유전체 층)으로 전파되도록 하기 위한 각도로 비스듬히 놓인다. 일 실시예에서, 측면(207, 208)의 각도는 45° 각도에 있다. 다른 실시예에서, 측면(207, 208)은 반사를 달성하기 위해 연속적인 반경(continuous radius)으로 대체될 수 있다. 도 2a는 45도의 각도를 갖는 경사 측면을 나타내지만, 하부 레벨 급전으로부터 상부 레벨 급전으로의 신호 전송을 달성하는 다른 각도가 사용될 수도 있다. 즉, 하부 급전에서의 유효 파장은 일반적으로 상부 급전에서와 다를 것이라는 점을 고려하면, 이상적인 45° 각도로부터의 약간의 편차는 하부로부터 상부 급전 레벨로의 전송에 도움을 주기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 다른 실시예에서는, 45° 각도는 도 20에 도시된 바와 같이 단일의 계단(step)으로 대체된다. 도 20을 참조하면, 계단(2001, 2002)은 유전체 층(2005), 삽입 컨덕터(2003) 및 스페이서 층(2004) 주위의 안테나의 일단에 도시되어 있다. 동일한 두 개의 계단은 이들 층의 다른 단부(end)에 있다.The antenna includes sides 207 and 208. The side faces 207 and 208 are formed so as to allow a traveling wave feed from the coaxial fin 201 to propagate from the region under the inserting conductor 203 (spacer layer) to the region over the inserting conductor 203 (dielectric layer) Angled at an angle. In one embodiment, the angles of the sides 207 and 208 are at an angle of 45 degrees. In another embodiment, sides 207 and 208 may be replaced by continuous radii to achieve reflection. Although FIG. 2A shows an oblique side with an angle of 45 degrees, other angles may be used to achieve signal transmission from the lower level feed to the upper level feed. That is, considering that the effective wavelength in the bottom feed will generally differ from that in the top feed, some deviation from the ideal 45 ° angle can be used to help transmit from the bottom to the top feed level. For example, in another embodiment, a 45 degree angle is replaced with a single step as shown in Fig. 20, steps 2001 and 2002 are shown at one end of the antenna around the dielectric layer 2005, the insert conductor 2003, and the spacer layer 2004. [ The same two steps are at the other end of these layers.

동작 시에, 급전 파는 동축 핀(201)로부터 공급되고, 파는 접지면(202)과 삽입 컨덕터(203) 사이의 영역에서 동축 핀(201)로부터 동심원 모양으로 배향되어 밖으로 향하여 진행한다. 동심원 모양으로 나가는 파는 측면(207, 208)에 의해 반사되고, 삽입 컨덕터(203) 및 RF 어레이(206) 사이의 영역에서 안쪽으로 진행한다. 원모양 주변부의 에지로부터의 반사는 파가 같은 위상에 유지되도록 한다(즉, 이것이 같은 위상 반사이다). 진행하는 파는 유전체 층(205)에 의해 둔화된다. 이 점에서, 진행하는 파는 소망하는 산란을 얻기 위해 RF 어레이(206)의 요소와 상호 작용하고 자극하기 시작한다.The feed wave is supplied from the coaxial fin 201 and the wave is oriented concentrically from the coaxial fin 201 in the region between the ground plane 202 and the insert conductor 203 and proceeds outward. The concentric outgoing wave is reflected by the sides 207 and 208 and proceeds inwardly in the area between the insert conductor 203 and the RF array 206. The reflection from the edge of the circular periphery causes the waves to stay in the same phase (i.e., it is the same phase reflection). The advancing wave is slowed by the dielectric layer 205. At this point, the traveling wave begins to interact and stimulate the elements of the RF array 206 to obtain the desired scattering.

진행하는 파를 종료시키기 위해, 종단(termination; 209)이 안테나의 기하학적 중심에서 안테나에 포함된다. 일 실시예에서, 종단(209)은 핀 종단(예를 들어, 50Ω 핀)을 포함한다. 다른 실시예에서, 종단(209)은 안테나의 급전 구조를 통해 거꾸로 그 사용되지 않은 에너지의 반사를 방지하기 위해 사용되지 않은 에너지를 종료시키는 RF 흡수체(RF absorber; 219)를 포함한다. 이들은 RF 어레이(206)의 상부에서 사용될 수 있다.To terminate the traveling wave, a termination 209 is included in the antenna at the geometric center of the antenna. In one embodiment, the termination 209 includes a pin termination (e.g., a 50? Pin). In another embodiment, the termination 209 includes an RF absorber 219 that terminates unused energy to prevent reflection of its unused energy back through the feed structure of the antenna. These may be used at the top of the RF array 206.

도 2b는 나가는 파를 갖는 안테나 시스템의 또 다른 실시예를 도시한다. 도 2b를 참조하면, 2개의 접지면(210, 211)은 실질적으로 접지면(210, 211) 사이의 유전체 층(212)(예를 들어, 플라스틱 층 등)과 서로 평행하다. RF 흡수체(213, 214)(예를 들어, 저항)는 2개의 접지면(210, 211)을 결합한다. 동축 핀(215)(예를 들어, 50Ω)은 안테나를 급전한다. RF 어레이(216)는 유전체 층(212)의 상부에 있다.Figure 2b shows another embodiment of an antenna system with outgoing waves. 2B, the two ground planes 210, 211 are substantially parallel to the dielectric layer 212 (e.g., a plastic layer, etc.) between the ground planes 210, 211. The RF absorbers 213 and 214 (e.g., resistors) couple the two ground planes 210 and 211 together. Coaxial pin 215 (e.g., 50 OMEGA) powers the antenna. The RF array 216 is on top of the dielectric layer 212.

동작 시에, 급전 파는 동축 핀(215)을 통해 공급되고, 동심원 모양으로 밖으로 향하여 진행하며 RF 어레이(216)의 요소와 상호 작용한다.In operation, the feeder wave is fed through the coaxial pin 215, traveling outward in a concentric fashion and interacting with elements of the RF array 216.

도 2a 및 도 2b의 양 안테나의 원통 모양 급전은 안테나의 서비스 각도를 향상시킨다. 플러스 또는 마이너스 사십오도 방위각(±45° Az) 및 플러스 또는 마이너스 이십오도 고도(elevation)(±25° El)의 서비스 각도 대신에, 일 실시예에서는, 안테나 시스템은 모든 방향의 조준(bore sight)으로부터 칠십오도(75°)의 서비스 각도를 갖는다. 많은 개별의 라디에이터로 구성된 임의의 빔 형성 안테나로 말하자면, 전체적인 안테나 이득은 그것들 자체가 각도 의존적인(angle-dependent) 구성 요소의 이득에 의존한다. 통상의 방사 요소를 이용하는 경우, 빔이 조준을 더 벗어나서 지시됨에 따라 전체적인 안테나 이득은 전형적으로 감소한다. 조준을 벗어나 75도에서, 약 6dB의 상당한 이득 저하가 예상된다.The cylindrical feeding of both antennas of Figs. 2A and 2B improves the service angle of the antenna. Instead of a service angle of plus or minus 40 degrees azimuth (± 45 ° Az) and plus or minus 25 degrees elevation (± 25 ° El), in one embodiment, the antenna system has bore sight in all directions, (75 degrees) to the service angle. As with any beam-forming antenna consisting of many individual radiators, the overall antenna gain depends on the gain of the angle-dependent components themselves. If a conventional radiating element is used, the overall antenna gain typically decreases as the beam is pointed out of sight further. At 75 degrees out of sight, a significant gain reduction of about 6 dB is expected.

원통 모양의 급전을 갖는 안테나의 실시예들은 하나 이상의 문제를 해결한다. 이들은 공동 분배기 네트워크로 급전되는 안테나에 비해 급전 구조를 극단적으로 단순화하고, 따라서 전체의 필요한 안테나와 안테나 급전 장치 부피를 줄이며; (단순한 바이너리 제어로의 모든 방법을 연장하는) 조악한 제어로 높은 빔 성능을 유지함으로써 제조 및 제어 에러에 대한 민감도(sensitivity)를 감소시키고; 원통 모양으로 배향된 급전 파가 원거리 장(far field)에서 공간적으로 다양한 측면 로브(side lob)가 발생하기 때문에 직선 급전(rectilinear feed)에 비해 더 유리한 측면 로브 패턴을 제공하며; 편광판(polarizer)을 필요로 하지 않으면서 왼쪽 원형(left-hand circular), 오른쪽 원형(right-hand circular) 및 직선 편광(linear polarization)을 허용하는 것을 포함하여 편광이 동적으로 되도록 하는 것을 포함한다.
Embodiments of antennas with cylindrical feeds solve one or more problems. They dramatically simplify the feed structure compared to antennas fed into a co-distributor network, thus reducing the overall required antenna and antenna feeder volume; Reducing sensitivity to manufacturing and control errors by maintaining high beam performance with coarse control (extending all methods to simple binary control); The cylindrical feed wave provides a more favorable side lobe pattern than the rectilinear feed because of the spatially diverse side lobes in the far field; Includes allowing the polarization to be dynamic, including allowing left-hand circular, right-hand circular, and linear polarization without the need for a polarizer.

파 산란 요소의 어레이Array of wave-scattering elements

도 2a의 RF 어레이(206) 및 도 2b의 RF 어레이(216)는 방사기로서 작용하는 패치 안테나(즉, 산란기)의 그룹을 포함하는 파 산란 서브시스템(wave scattering subsystem)을 포함한다. 이 패치 안테나의 그룹은 산란하는 메타물질 요소의 어레이를 포함한다.The RF array 206 of FIG. 2A and the RF array 216 of FIG. 2B include a wave scattering subsystem that includes a group of patch antennas (i.e., scatterers) that act as emitters. This group of patch antennas includes an array of scattering metamaterial elements.

일 실시예에서, 안테나 시스템의 각 산란 요소는 하부 컨덕터, 유전체 기판 및 상부 컨덕터로 구성되고, 상보적 전기 유도성-용량성 공진기(complementary electric inductive-capacitive resonator, "상보적 전기 LC" 또는 "CELC")를 매립하며, 상부 컨덕터에 에칭되거나 또는 상부 컨덕터 상에 증착된 단위 셀의 일부이다.In one embodiment, each of the scattering elements of the antenna system is comprised of a lower conductor, a dielectric substrate, and an upper conductor, and a complementary electric inductive-capacitive resonator ("complementary electrical LC" or "CELC Quot;) and is part of the unit cell that is etched in the top conductor or deposited on the top conductor.

일 실시예에서, 액정(liquid crystal, LC)은 산란 요소 주위의 간극(gap)에 주입된다. 액정은 각 단위 셀에 캡슐화되어 있고 그 패치와 관련된 상부 컨덕터로부터 슬롯과 관련된 하부 컨덕터를 분리한다. 액정은 그 액정을 포함하는 분자의 배향의 함수인 유전율(permittivity)을 갖고, 분자의 배향(및 그에 따른 유전율)은 액정을 가로지르는 바이어스 전압을 조절함으로써 제어될 수 있다. 이 특성을 이용하여, 액정은 CELC로 안내된 파로부터 에너지의 전송을 위한 온/오프 스위치로서 작용한다. 스위치 온된 때, CELC는 전기적으로 작은 다이폴 안테나(dipole antenna)와 같이 전자기파를 방사한다.In one embodiment, a liquid crystal (LC) is injected into the gap around the scattering element. The liquid crystal is encapsulated in each unit cell and separates the lower conductor associated with the slot from the upper conductor associated with the patch. The liquid crystal has a permittivity which is a function of the orientation of molecules including the liquid crystal, and the orientation of the molecules (and thus the dielectric constant) can be controlled by adjusting the bias voltage across the liquid crystal. Using this characteristic, the liquid crystal acts as an on / off switch for transmission of energy from the wave guided to the CELC. When switched on, the CELC electronically emits electromagnetic waves like a small dipole antenna.

액정의 두께를 제어하는 것은 빔 스위칭 속도를 증가시킨다. 하부 및 상부 컨덕터 사이의 간극(액정의 두께)의 오십 퍼센트(50 %) 감소는 속도의 4 배의 증가(fourfold increase)를 야기시킨다. 다른 실시예에서, 액정의 두께는 대략 십사 밀리세컨드(14 ms)의 빔 스위칭 속도를 야기시킨다. 일 실시예에서, LC는 칠 밀리세컨드(7 ms) 요구가 충족될 수 있도록 반응성(responsiveness)을 향상시키기 위해 이 기술분야에서 잘 알려진 방법으로 도핑된다.Controlling the thickness of the liquid crystal increases the beam switching speed. A reduction of fifty percent (50%) of the gap (thickness of the liquid crystal) between the bottom and top conductors causes a fourfold increase in speed. In another embodiment, the thickness of the liquid crystal causes a beam switching speed of approximately fourteen milliseconds (14 ms). In one embodiment, LC is doped in a manner well known in the art to improve responsiveness so that a seven millisecond (7 ms) request can be met.

CELC 요소는 CELC 요소의 평면에 평행하고 CELC 간극 보수(gap complement)에 수직하게 인가되는 자기장에 응답한다. 전압이 메타물질 산란 단위 셀에서 액정에 인가되는 경우, 안내되는 파의 자기장 성분은 차례로 안내되는 파와 동일한 주파수의 전자기파(electromagnetic wave)를 생성하는 CELC의 자기 여기(magnetic excitation)를 유도한다.The CELC element is parallel to the plane of the CELC element and responds to a magnetic field applied perpendicular to the CELC gap complement. When a voltage is applied to the liquid crystal in a metamaterial scattering unit cell, the magnetic field component of the guided wave in turn induces a magnetic excitation of the CELC that produces an electromagnetic wave of the same frequency as the guided wave.

단일 CELC에 의해 발생되는 전자기파의 위상은 안내되는 파의 벡터 상의 CELC의 위치에 의해 선택될 수 있다. 각 셀은 CELC에 평행한 안내된 파와 같은 위상의 파를 발생시킨다. CELC는 파장보다 작기 때문에, 출력 파(output wave)는 그것이 CELC 아래를 통과함에 따라 안내된 파와 동일한 위상을 갖는다.The phase of the electromagnetic wave generated by a single CELC can be selected by the position of the CELC on the vector of the guided wave. Each cell generates a wave of the same phase as a guided wave parallel to the CELC. Because the CELC is smaller than the wavelength, the output wave has the same phase as the guided wave as it passes below the CELC.

일 실시예에서, 이 안테나 시스템의 원통 모양의 급전 형상(cylindrical feed geometry)은 CELC 요소가 파 급전의 파의 벡터에 대해 사십오도(45°)의 각도에 배치되도록 한다. 이 요소의 위치는, 이 요소로부터 발생되거나 또는 이 요소에 의해 수신되는 자유 공간 파의 편광의 제어를 가능하게 한다. 일 실시예에서, CELC는 안테나의 동작 주파수의 자유 공간 파장보다 작은 요소간 간격(inter-element spacing)을 두고 배열되어 있다. 예를 들어, 파장마다 4개의 산란 요소가 있는 경우, 30 GHz 송신 안테나의 요소는 약 2.5 mm가 될 것이다(즉, 30 GHz의 10 mm 자유 공간 파장의 1/4).In one embodiment, the cylindrical feed geometry of this antenna system allows the CELC elements to be placed at an angle of forty-five degrees (45 degrees) to the vector of wave-assisted waves. The position of this element enables control of the polarization of the free-space wave coming from, or received by, this element. In one embodiment, the CELC is arranged with inter-element spacing less than the free space wavelength of the operating frequency of the antenna. For example, if there are four scatter factors per wavelength, the element of the 30 GHz transmit antenna will be about 2.5 mm (ie 1/4 of a 10 mm free space wavelength at 30 GHz).

일 실시예에서, CELC는 둘 사이에 액정을 갖는 슬롯의 전면에 공동 위치된(co-located) 패치를 포함하는 패치 안테나로 구현된다. 이 점에 있어서, 메타물질 안테나는 슬롯화된 (산란) 도파관(slotted (scattering) wave guide)과 같이 작용한다. 슬롯화된 도파관에 의해, 출력 파의 위상은 안내된 파에 관한 슬롯의 위치에 따른다.In one embodiment, the CELC is implemented with a patch antenna comprising a patch co-located on the front of the slot with the liquid crystal therebetween. In this regard, a metamaterial antenna acts like a slotted (scattering) waveguide. With a slotted waveguide, the phase of the output wave follows the position of the slot with respect to the guided wave.

도 3은 하나의 패치 안테나 또는 산란 요소의 일 실시예의 평면도를 도시한다. 도 3을 참조하면, 패치 안테나는 패치(301)와 슬롯(302) 사이에 액정(LC; 303)을 갖는 슬롯(302)의 전면을 향하도록 병치(collocate)된 패치(301)를 구비한다.Figure 3 shows a top view of one embodiment of a patch antenna or scattering element. 3, the patch antenna has a patch 301 that is collocated to face the front of the slot 302 having the liquid crystal LC 303 between the patch 301 and the slot 302.

도 4는 순환적으로 급전된 안테나 시스템(cyclically fed antenna system)의 일부인 패치 안테나의 측면도를 도시한다. 도 4를 참조하면, 패치 안테나는 도 2a의 삽입 컨덕터(203)(또는 도 2b에서의 안테나의 경우에서와 같은 접지 컨덕터) 위에 있는 유전체(402)(예를 들어, 플라스틱 인서트 등) 위에 있다.Figure 4 shows a side view of a patch antenna that is part of a cyclically fed antenna system. 4, the patch antenna is on a dielectric 402 (e.g., a plastic insert, etc.) over the inset conductor 203 (or ground conductor as in the case of the antenna in Figure 2B) of Figure 2A.

홍채 보드(403)는 유전체(402)의 상부 및 유전체(402)의 전면에 슬롯(403a)과 같은 다수의 슬롯을 갖는 접지면(컨덕터)이다. 슬롯은 여기에서 홍채로 지칭될 수 있다. 일 실시예에서, 홍채 보드(403)의 슬롯은 에칭에 의해 창출된다. 일 실시예에서, 슬롯 또는 그들이 일부인 셀의 가장 높은 밀도(density)는 λ/2라는 점에 유의해야 한다. 일 실시예에서, 슬롯/셀의 밀도는 λ/3(즉, λ마다 3셀)이다. 셀의 다른 밀도도 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다.The iris board 403 is a ground plane (conductor) having a plurality of slots, such as slots 403a, on the top of the dielectric 402 and on the front of the dielectric 402. The slot may be referred to herein as an iris. In one embodiment, the slot of the iris board 403 is created by etching. It should be noted that, in one embodiment, the highest density of slots or cells in which they are part is? / 2. In one embodiment, the density of the slot / cell is? / 3 (i.e., 3 cells per?). It should be noted that different densities of the cells may also be used.

패치(405A)와 같은 다수의 패치를 함유한 패치 보드(patch board; 405)는, 중간 유전체 층에 의해 분리된 홍채 보드(iris board; 403)의 전면에 위치되어 있다. 패치(405A)와 같은 패치들 각각은 홍채 보드(403)의 슬롯 중 하나와 공동 위치(co-locate)된다. 일 실시예에서, 홍채 보드(403)와 패치 기판(405) 사이의 중간 유전체 층은 액정 기판 층(404)이다. 액정은 각 패치와 그 공동 위치된 슬롯 사이의 유전체 층으로서 작용한다. LC 이외의 기판 층이 사용될 수도 있다는 점에 유의해야 한다.A patch board 405 containing a number of patches, such as patches 405A, is positioned in front of an iris board 403 separated by an intermediate dielectric layer. Each of the patches, such as patch 405A, is co-located with one of the slots of the iris board 403. In one embodiment, the intermediate dielectric layer between the iris board 403 and the patch substrate 405 is a liquid crystal substrate layer 404. The liquid crystal acts as a dielectric layer between each patch and its co-located slot. It should be noted that a substrate layer other than LC may be used.

일 실시예에서, 패치 보드(405)는 인쇄 회로 기판(printed circuit board, PCB)을 포함하고, 각 패치는 PCB 상에 금속을 포함하되, 여기서 패치 주위의 금속은 제거된다.In one embodiment, the patch board 405 includes a printed circuit board (PCB), each patch comprising a metal on the PCB, where the metal around the patch is removed.

일 실시예에서, 패치 보드(405)는 패치가 그 공동 위치된 슬롯에 대향하는 측면과 반대쪽의 패치 보드의 측면 상에 있는 각 패치의 비아(via)를 포함한다. 비아는 패치에 전압을 공급하기 위해 패치에 하나 이상의 트레이스(trace)를 연결하기 위해 사용된다. 일 실시예에서는, 매트릭스 구동(matrix drive)이 그것들을 제어하도록 패치에 전압을 인가하기 위해 사용된다. 전압은 빔 형성을 유효하게 하기 위해 개별의 요소를 튠(tune, 조정) 또는 디튠(detune)하기 위해 사용된다.In one embodiment, the patch board 405 includes vias of each patch on the side of the patch board opposite the side opposite the slot where the patch is co-located. The vias are used to connect one or more traces to the patch to supply voltage to the patches. In one embodiment, a matrix drive is used to apply a voltage to the patch to control them. The voltage is used to tune, adjust, or detune individual elements to enable beam shaping.

일 실시예에서는, 회로 패치 보드를 사용하는 대신에, 패치는 유리 층(예를 들어, 전형적으로, 예를 들어 코닝 이글 유리(Corning Eagle glass)와 같은 액정 디스플레이(LCD)를 위해 전형적으로 사용되는 유리) 상에 증착될 수 있다. 도 17은 패치를 함유한 유리 층을 포함하는 원통 모양으로 급전된 안테나의 일부를 도시한다. 도 17을 참조하면, 안테나는 도전성 베이스 또는 접지 층(1701), 유전체 층(1702)(예를 들어, 플라스틱), 슬롯을 함유한 홍채 보드(1703)(예를 들어, 회로 기판), 액정 기판 층(LC 층; 1704), 및 패치(1710)를 함유한 유리 층(1705)을 포함하고 있다. 일 실시예에서, 패치(1710)는 직사각형 형상을 갖는다. 일 실시예에서, 패치는 각 행 또는 열에 있어서 동일하고, 반면에 공동 위치된 슬롯의 배향은 각각 행 또는 열에 있어서 서로에 대해 동일하게 배향된다.In one embodiment, instead of using a circuit patch board, the patch is typically used for a liquid crystal display (LCD) such as a glass layer (e.g., typically Corning Eagle glass, for example) Glass). ≪ / RTI > Fig. 17 shows a portion of a cylindrical power feed antenna comprising a glass layer containing a patch. Fig. 17, the antenna includes an electrically conductive base or ground layer 1701, a dielectric layer 1702 (e.g., plastic), a slotted iris board 1703 (e.g., circuit board), a liquid crystal substrate Layer (LC layer) 1704, and a glass layer 1705 containing a patch 1710. [ In one embodiment, the patch 1710 has a rectangular shape. In one embodiment, the patches are the same for each row or column, while the orientation of the cavity-positioned slots is oriented identically for each other in rows or columns.

일 실시예에서, 캡(예를 들어, 레이돔 캡(radome cap))은 보호를 제공하기 위해 패치 안테나 스택(stack)의 상부를 덮는다.In one embodiment, a cap (e.g., a radome cap) covers the top of the patch antenna stack to provide protection.

도 6은 홍채 보드(403)의 일 실시예를 도시한다. 이것은 CELC의 하부 컨덕터이다. 도 6을 참조하면, 홍채 보드는 슬롯의 어레이를 포함한다. 일 실시예에서, 각 슬롯은 슬롯의 중앙 위치에서 충돌하는 급전 파에 대해 +45 또는 -45 중 어느 하나로 배열된다. 바꾸어 말하면, 산란 요소(CELC)의 레이아웃 패턴은 파의 벡터에 대해 ±45도로 배열된다. 본질적으로 다른 슬롯인 각 슬롯 아래에는 원형의 개구(403B)가 있다. 슬롯은 홍채 보드의 상부에 있고, 원형 또는 타원형의 개구는 홍채 보드의 바닥에 있다. 깊이가 약 0.001" 또는 25mm일 수 있는 이들 개구는 선택 사항이라는 점에 유의해야 한다. 6 shows an embodiment of the iris board 403. FIG. This is the underconductor of the CELC. Referring to FIG. 6, the iris board includes an array of slots. In one embodiment, each slot is arranged at either +45 or -45 relative to the colliding feed wave at the center position of the slot. In other words, the layout pattern of the scattering element (CELC) is arranged at +/- 45 degrees with respect to the vector of waves. Below each slot, which is essentially another slot, there is a circular opening 403B. The slot is at the top of the iris board, and the circular or elliptical opening is at the bottom of the iris board. It should be noted that these apertures, which may be about 0.001 "or 25 mm deep, are optional.

슬롯화된 어레이(slotted array)는 조정가능하게 방향성을 가지고 로드된다. 개별의 슬롯을 오프 또는 온으로 조절함으로써, 각 슬롯은 안테나의 동작 주파수에서 소정의 산란을 제공하도록 조절된다(즉, 주어진 주파수에서 동작하도록 조절된다).The slotted array is loaded with adjustable directionality. By adjusting the individual slots to either off or on, each slot is adjusted (i.e., adjusted to operate at a given frequency) to provide a predetermined scatter in the operating frequency of the antenna.

도 7은 하나의 홍채(슬롯)/패치 조합의 배향이 결정되는 방법을 도시한다. 도 7을 참조하면, 문자 A는 원통 모양 급전 위치로부터 요소의 중심으로의 급전 벡터를 표시하는 실선의 검정색 화살표(solid black arrow)를 나타낸다. 문자 B는 "A"에 대해 수직한 축을 나타내는 점선의 직교 라인(dashed orthogonal line)을 나타내고, 문자 C는 "B"에 대해 45도 회전된 점선의 사각형 모양으로 둘러싸는 슬롯(dashed rectangle encircling slot)을 나타낸다.Figure 7 shows how the orientation of one iris (slot) / patch combination is determined. Referring to Fig. 7, the letter A represents a solid black arrow indicating the feeding vector from the cylindrical feed position to the center of the element. The letter B represents a dashed orthogonal line representing an axis perpendicular to "A ", the letter C represents a dashed rectangle encircling slot surrounded by a dotted line rotated by 45 degrees relative to" B " .

도 8은 급전 벡터(power feed vector, 급전 포인팅 벡터(feed pointing vector))에 대하여 -45도로 회전된 제1 세트와 급전 벡터에 대하여 +45도로 회전된 제2 세트의 두 세트로 그룹화된 홍채(슬롯)를 도시한다. 도 8을 참조하면, 그룹 A는 급전 벡터에 대한 회전이 -45°와 같은 슬롯을 포함하고, 반면에 그룹 B는 급전 벡터에 대한 회전이 +45°인 슬롯을 포함한다.Fig. 8 shows an example of an iris grouped into two sets of a first set rotated by -45 degrees with respect to a power feed vector (feed pointing vector) and a second set rotated by +45 degrees with respect to the feed vector Slot). Referring to FIG. 8, group A includes slots with a rotation of -45 degrees for the feed vector, while group B includes slots with a rotation of + 45 degrees for the feed vector.

글로벌 좌표 시스템(global coordinate system)의 지정은 중요하지 않고, 따라서 음의 각(negative angle) 및 양의 각(positive angle)의 회전은 단지 그들이 서로에 대해 그리고 급전 파 방향으로 요소의 상대적인 회전을 묘사하기 때문에 중요하다. 선형적으로 편광된 요소의 두 세트로부터 원형 편광을 발생시키기 위해, 요소의 두 세트는 서로에 대해 수직하고 동시에 동일한 진폭 여기를 가지고 있다. 그들을 급전 파 여기에 대해 +/-45도 회전시키면, 한 번에 소망하는 특징 모두를 달성한다. 한 세트를 0도, 다른 세트를 90도 회전시키면, 수직한 목표(goal)를 달성할 것이지만, 동일한 진폭 여기 목표가 아니다.The designation of the global coordinate system is not important and thus the rotation of the negative angle and positive angle merely depicts the relative rotation of the elements relative to each other and to the feed direction It is important because. In order to generate circularly polarized light from two sets of linearly polarized elements, two sets of elements are perpendicular to each other and at the same time have the same amplitude excitation. If you rotate them +/- 45 degrees about the feed wave, you achieve all the desired features at once. Rotating one set by 0 degrees and the other by 90 degrees will achieve a vertical goal, but not the same amplitude excitation goal.

도 9는 패치 보드(patch board; 405)의 일 실시예를 도시한다. 이것은 CELC의 상부 컨덕터이다. 도 9를 참조하면, 패치 보드는 슬롯을 덮고 턴 오프 및 온(turned off and on)되는 선형적으로 편광된 패치/슬롯 공진 쌍을 완성하는 사각형 패치를 포함한다. 쌍들은 컨트롤러를 이용하여 패치에 전압을 인가함으로써 턴 온 또는 오프된다. 필요로 되는 전압은, 사용되는 액정 혼합물(liquid crystal mixture), 액정을 조절하는 것을 시작하기 위해 필요로 되는 결과로 초래된 임계 전압, 및 (더 높은 전압이 액체를 통해 회로를 최종적으로 열화시키거나 또는 단락시키는 것을 제외하고 어떤 효과도 생성하지 않는) 최대 포화 전압에 의존한다. 일 실시예에서, 매트릭스 구동은 결합을 제어하기 위해 패치에 전압을 인가하는데 사용된다.
FIG. 9 illustrates one embodiment of a patch board 405. FIG. This is the top conductor of the CELC. Referring to FIG. 9, the patch board includes a rectangular patch covering the slot and completing a linearly polarized patch / slot resonant pair that is turned off and on. The pairs are turned on or off by applying a voltage to the patch using the controller. The voltage required is dependent on the liquid crystal mixture used, the threshold voltage that is introduced as a result of starting to regulate the liquid crystal, and (the higher the voltage ultimately degrading the circuit through the liquid Or does not produce any effect except shorting). In one embodiment, the matrix drive is used to apply a voltage to the patch to control the coupling.

안테나 시스템 제어Antenna system control

제어 구조는 두 개의 주요한 요소를 갖는바, 안테나 시스템을 위해 구동 전자기기를 포함하는 컨트롤러가 파 산란 구조(wave scattering structure) 아래에 있고, 반면에 매트릭스 구동 스위칭 어레이는 방사선을 방해하지 않는 방식으로 방사하는 RF 어레이 도처에 산재되어 있다는 점이다. 일 실시예에서, 안테나 시스템을 위한 구동 전자기기는 그 요소로의 AC 바이어스 신호의 진폭을 조절함으로써 각 산란 요소에 대한 바이어스 전압을 조절하는 상업용 텔레비전 가전제품(appliances)에 사용되는 COTS(Commercial Off-The-Shelf) LCD 제어를 포함한다.The control structure has two major components, the controller including the driving electronics for the antenna system being below the wave scattering structure, while the matrix-driven switching array has the radiation Which is scattered throughout the RF array. In one embodiment, the driving electronics for the antenna system is a commercial off-the-shelf (COTS) device used in commercial television appliances that adjusts the bias voltage for each scattering element by adjusting the amplitude of the AC bias signal to that element. The-Shelf) LCD control.

일 실시예에서, 컨트롤러는 소프트웨어 제어를 이용하여 전자기기를 제어한다. 일 실시예에서, 편광의 제어는 안테나의 소프트웨어 제어의 일부이고, 편광은 지구 스테이션이 통신하는 위성 서비스로부터 나오는 신호의 편광과 매치하도록 미리 프로그램되거나 또는 위성의 수신 안테나의 편광과 매치하도록 미리 프로그램된다.In one embodiment, the controller uses software control to control the electronic device. In one embodiment, the control of the polarization is part of the software control of the antenna and the polarization is preprogrammed to match the polarization of the signal from the satellite service with which the earth station communicates or pre-programmed to match the polarization of the satellite's receive antenna .

일 실시예에서, 컨트롤러는 또한 소프트웨어를 실행하는 마이크로 프로세서를 포함한다. 제어 구조는 또한 프로세서로 위치 및 배향 정보를 제공하기 위해 (명목상 GPS 수신기, 3축 나침반(compass) 및 가속도계를 포함하는) 센서를 포함할 수 있다. 위치 및 배향 정보는 지구 스테이션 및/또는 안테나 시스템의 일부가 아닐지도 모르는 다른 시스템에 의해 프로세서로 제공될 수 있다.In one embodiment, the controller also includes a microprocessor that executes software. The control structure may also include a sensor (nominally including a GPS receiver, a three-axis compass and an accelerometer) to provide position and orientation information to the processor. The location and orientation information may be provided to the processor by the earth station and / or other system that may not be part of the antenna system.

보다 구체적으로는, 컨트롤러는 어느 요소가 턴 오프되고 그들 요소가 동작의 주파수에서 턴 온되는지를 제어한다. 요소들은 전압 인가에 의한 주파수 동작을 위해 선택적으로 디튜닝된다. 컨트롤러는 변조 또는 제어 패턴을 생성하기 위해 RF 방사 패치에 전압 신호의 어레이를 공급한다. 제어 패턴은 요소들이 턴 온 또는 오프되도록 한다. 일 실시예에서, 제어 패턴은 하나의 나선을 따르는 요소(LHCP 또는 RHCP)는 "온(on)"이고 나선에서 멀리 떨어져 있는 요소들은 "오프(off)"(즉, 2진 변조 패턴)인 구형파(square wave)를 닮는다. 다른 실시예에서, 각종 요소가 구형파(즉, 정현파 회색 음영 변조 패턴)와 대조적으로 정현파 제어 패턴에 더 근접하는 변화하는 레벨에 대해 턴 온 및 오프되는 다중 상태 제어(multistate control)가 사용된다. 일부 요소는 방사하고 일부는 방사하지 않는다기 보다는 일부 요소가 다른 것들보다 더 강하게 방사한다. 가변 방사선은 변화하는 양으로 액정 유전율을 조절하는 특정 전압 레벨을 인가함으로써 달성되고, 이에 따라 요소들을 변화 가능하게 디튜닝하여 일부 요소가 다른 것들보다 더 강하게 방사하도록 한다.More specifically, the controller controls which elements are turned off and their elements are turned on at the frequency of operation. The elements are selectively detuned for frequency operation by voltage application. The controller supplies an array of voltage signals to the RF radiation patch to generate a modulation or control pattern. The control pattern causes the elements to turn on or off. In one embodiment, the control pattern is such that elements that follow a single helix (LHCP or RHCP) are "on" and elements farther from the helix are "off" (ie, a binary modulation pattern) (square waves). In another embodiment, multistate control is used in which the various elements are turned on and off for varying levels that are closer to the sinusoidal control pattern, in contrast to square waves (i.e., sinusoidal gray shading modulation patterns). Some elements emit stronger than others, rather than emit some and not some. Variable radiation is accomplished by applying a particular voltage level that modulates the liquid crystal permittivity in varying amounts, thereby varying the elements to allow some elements to emit stronger than others.

요소의 메타물질 어레이에 의해 집속된 빔의 발생은 건설적 및 파괴적 간섭(constructive and destructive interference)의 현상에 의해 설명될 수 있다. 그것들이 자유 공간에서 만날 때 그것들이 동일 위상을 가지면 개별의 전자기파가 보강(건설적 간섭)되고, 그것들이 자유 공간에서 만날 때 그것들이 반대 위상에 있으면 파가 서로 상쇄(파괴적 간섭)된다. 각각의 연속적인 슬롯이 안내되는 파의 여기 점으로부터 다른 거리에 배치되도록 슬롯화된 안테나(slotted antenna)의 슬롯이 배치되는 경우, 그 요소로부터 산란된 파는 이전 슬롯의 산란된 파와는 다른 위상을 가질 것이다. 슬롯이 안내된 파장의 4분의 1 파장만큼 이격되어 있는 경우, 각 슬롯은 이전 슬롯으로부터 4분의 1 위상 지연에 의해 파를 분산시킬 것이다.The generation of beams focused by the meta-material array of elements can be explained by the phenomenon of constructive and destructive interference. When they meet in free space, if they have the same phase, the individual electromagnetic waves are reinforced (constructive interference), and when they are encountered in free space they are canceled out (destructive interference) if they are in opposite phases. When a slot of a slotted antenna is placed so that each successive slot is located at a different distance from the excitation point of the guided wave, the scattered wave from that element has a different phase than the scattered wave of the previous slot will be. If the slot is separated by a quarter wavelength of the guided wavelength, each slot will spread the wave by a quarter of a phase delay from the previous slot.

어레이를 이용하여, 생성될 수 있는 건설적 및 파괴적 간섭의 다수의 패턴은, 빔이 홀로그래피의 원리를 이용하여 안테나 어레이의 조준으로부터 플러스 또는 마이너스 구십도(90°) 임의의 방향으로 이론적으로 위치될 수 있도록 증가될 수 있다. 따라서, 어느 메타물질 단위 셀이 턴 온 또는 오프되는지를 제어함으로써(예를 들어, 셀이 턴 온되고 셀이 턴 오프되는 패턴을 변경함으로써), 건설적 및 파괴적 간섭의 다른 패턴이 생성될 수 있고, 안테나는 파의 방향을 앞으로 향하여 변경할 수 있다. 단위 셀을 턴 온 및 오프하는데 필요한 시간은, 빔이 한 장소로부터 다른 장소로 스위치될 수 있는 속도를 지시한다.Using an array, multiple patterns of constructive and destructive interference that can be generated can be theoretically positioned in any direction plus or minus ninety degrees (90 degrees) from the collimation of the antenna array using the principle of holography . Thus, by controlling which metamaterial unit cell is turned on or off (e.g., by changing the pattern in which the cell is turned on and the cell is turned off), other patterns of constructive and destructive interference can be generated, The antenna can change the direction of the wave forward. The time required to turn the unit cells on and off indicates the rate at which the beam can be switched from one place to another.

편광 및 빔 포인팅 각도는 변조, 또는 어느 요소가 온 또는 오프되는지를 지정하는 제어 패턴에 의해 정의된다. 바꾸어 말하면, 빔을 가리키고 그것을 소망하는 방식으로 편광하는 주파수는 제어 패턴에 의존한다. 제어 패턴이 프로그래밍 가능하기 때문에, 편광은 안테나 시스템을 위해 프로그램될 수 있다. 소망하는 편광 상태는 대부분의 응용에 대해 원형 또는 직선이다. 원형 편광 상태는, 중심으로부터 공급되고 밖으로 향하여 진행하는 급전 파에 대해 각각 도 16a 및 도 16b에 도시되어 있는 나선형 편광 상태, 즉 오른쪽 원형 편광(right-hand circular polarization, RHCP) 및 왼쪽 원형 편광(left-hand circular polarization, LHCP)을 포함한다. 급전 방향을 스위칭하면서(예를 들어, 들어가는 급전(ingoing feed)로부터 나가는 급전(outgoing feed)으로 가면서) 동일한 빔을 얻기 위해, 배향, 또는 감지, 또는 나선형 변조 패턴이 반대로 되어 있는 점에 유의해야 한다. 급전 파의 방향(예를 들어, 중심 또는 에지 공급)은 또한 온 및 오프 요소의 주어진 나선형 패턴이 왼쪽 또는 오른쪽 원형 편광을 야기시키는 것을 개시할 때 지정된다는 점에 유의해야 한다.The polarization and beam pointing angles are defined by a modulation pattern, or a control pattern that specifies which element is on or off. In other words, the frequency that points to the beam and polarizes it in the desired manner depends on the control pattern. Since the control pattern is programmable, the polarization can be programmed for the antenna system. The desired polarization state is circular or straight for most applications. The circularly polarized state is a state in which the helically polarized state shown in Figs. 16A and 16B, that is, the right-hand circular polarization (RHCP) and the left circularly polarized light (left) -hand circular polarization (LHCP). It should be noted that in order to obtain the same beam while switching the feed direction (e.g., from the ingoing feed to the outgoing feed), the orientation, or sense, or helical modulation pattern is reversed . It should be noted that the direction of the feed wave (e.g., center or edge feed) is also specified when a given spiral pattern of on and off elements initiates causing left or right circular polarization.

각 빔에 대한 제어 패턴은 컨트롤러에 저장되거나 또는 즉석에서(on the fly) 계산되거나, 또는 그 일부 조합으로 될 것이다. 안테나 제어 시스템이 안테나가 위치한 곳 및 그것이 가리키고 있는 곳을 결정할 때, 안테나의 조준과 관련하여 목표 위성이 위치되어 있는 곳을 결정한다. 컨트롤러는 그 다음에 안테나의 가시 범위 안에 있는 위성의 위치를 위해 미리 선택된 빔 패턴과 대응하는 어레이의 개별의 단위 셀의 온 및 오프 패턴에 명령을 내린다.The control pattern for each beam may be stored in the controller or calculated on the fly, or some combination thereof. When the antenna control system determines where the antenna is located and where it is pointing, it determines where the target satellite is located relative to the aim of the antenna. The controller then commands the on and off patterns of the individual unit cells of the array corresponding to the preselected beam pattern for the position of the satellite within the visible range of the antenna.

일 실시예에서, 안테나 시스템은 업링크 안테나(up-link antenna)를 위해 하나의 조종 가능한 빔과 다운링크 안테나를 위해 하나의 조종 가능한 빔을 생성한다.In one embodiment, the antenna system generates one steerable beam for the uplink antenna and one steerable beam for the downlink antenna.

도 10은 동작의 주파수에서 벗어난 것으로 결정된 도 9에서의 패치를 갖는 요소의 일례를 도시하고, 도 11은 동작의 주파수에 있는 것으로 결정된 도 9에서의 패치를 갖는 요소의 일례를 도시한다. 도 12는 도 10 및 도 11의 요소에 대해 온 및 오프 변조 패턴으로의 전기장 응답을 나타내는 전체 파 모델링(full wave modeling)의 결과를 도시한다.Fig. 10 shows an example of an element having a patch in Fig. 9 determined to be out of operation frequency, and Fig. 11 shows an example of an element with a patch in Fig. 9 determined to be at the frequency of operation. FIG. 12 shows the results of full wave modeling showing the electric field response to the on and off modulation patterns for the elements of FIGS. 10 and 11. FIG.

도 13은 빔 형성을 도시한다. 도 13을 참조하면, 간섭 패턴은 선택된 빔 패턴에 대응하는 간섭 패턴을 식별하고 그 다음에 홀로그래피의 원리를 따라 빔을 생성하기 위해 산란 요소에 걸리는 전압을 조절함으로써, 임의의 안테나 방사 패턴을 제공하도록 조절될 수 있다. 보통 이들 원리와 관련되어 사용되는 것과 같은 용어 "대상 빔(object beam)" 및 "기준 빔(reference beam)"을 포함하는 홀로그래피의 기본적인 원리가 잘 알려져 있다. "기준 빔"으로서 진행하는 파를 이용하여 소망하는 "대상 빔"을 형성하는 상황에서 RF 홀로그래피가 다음과 같이 수행된다.Figure 13 shows beamforming. Referring to FIG. 13, an interference pattern is used to identify an interference pattern corresponding to a selected beam pattern and then adjust the voltage across the scattering element to produce a beam along the principle of holography to provide an arbitrary antenna radiation pattern Lt; / RTI > The basic principles of holography, including the terms "object beam" and "reference beam ", which are usually used in connection with these principles, are well known. In the situation of forming a desired "object beam" using a wave going as "reference beam ", RF holography is performed as follows.

변조 패턴은 다음과 같이 결정된다. 먼저, 때때로 급전 파라고 불리우는 기준 파(빔)가 생성된다. 도 19a는 기준 파의 일례를 도시한다. 도 19a를 참조하면, 링(ring; 1900)은 기준 파의 전기 및 자기장의 동위상면(phase front)이다. 그것들은 사인파 모양의 시간 변화(sinusoidal time variation)를 보인다. 화살표(1901)는 기준 파의 밖으로 향하는 전파를 도시한다.The modulation pattern is determined as follows. First, a reference wave (beam), sometimes referred to as a feed wave, is generated. 19A shows an example of a reference wave. 19A, the ring 1900 is the phase front of the electric and magnetic fields of the reference wave. They show a sinusoidal time variation. An arrow 1901 shows a radio wave propagating out of the reference wave.

이 예에서, TEM 또는 수직 전자기(Transverse Electro-Magnetic) 파는 안 또는 밖으로 향하여 진행한다. 전파의 방향도 또한 정의되며, 이 예에서는 중심 급전점으로부터 밖으로의 전파가 선택된다. 전파의 평면(plane)은 안테나 표면을 따라 존재한다.In this example, the TEM or Transverse Electro-Magnetic wave proceeds in or out. The direction of propagation is also defined, and in this example the propagation outside the center feed point is selected. Planes of radio waves exist along the antenna surface.

때때로 대상 빔이라 불리는 물체 파(object wave)가 발생된다. 이 예에서, 물체 파는 0도로 설정된 방위각을 갖는 안테나 표면에 법선 방향으로 30도 벗어난 방향으로 진행하는 TEM 파이다. 편광도 또한 정의되며, 이 예에서는 오른쪽 원형 편광이 선택된다. 도 19b는 발생된 물체 파를 도시한다. 도 19b를 참조하면, 전파하는 TEM 파(1904)의 전기 및 자기장의 동위상면(phase fronts; 1903)이 나타내어져 있다. 화살표(1905)는 90도 간격으로 나타낸 각 동위상면에서의 전기장 벡터들이다. 이 예에서, 그것들은 오른쪽 원형 편광 선택에 부착(adhere)된다.
Sometimes an object wave called a target beam is generated. In this example, the object wave is a TEM wave that travels in a direction 30 degrees off normal to the surface of the antenna having azimuth angle set to zero degrees. Polarization is also defined, in this example the right circularly polarized light is selected. 19B shows the generated object wave. 19B, the phase fronts 1903 of the electrical and magnetic fields of the propagating TEM wave 1904 are shown. Arrows 1905 are the electric field vectors at the top of each isotope in 90 degree increments. In this example, they adhere to the right circular polarization selection.

간섭 또는 변조 패턴 = Re{[A]×[B]*}
Interference or modulation pattern = Re {[A] x [B] * }

사인 곡선이 다른 사인 곡선의 켤레 복소수(complex conjugate)에 의해 곱해질 때, 실수 부분이 취해지고, 결과로 초래된 변조 패턴도 또한 사인 곡선이다. 공간적으로, 기준 파의 최대가 물체 파의 최대(사인파 모양으로 시간에 따라 변화하는 양(time-varying quantities) 모두)를 만족시키는 경우에, 변조 패턴은 최대 또는 강하게 방사하는 사이트(site)이다. 실제적으로, 이러한 간섭은 각각의 산란 위치에서 계산되고 바로 그 위치뿐만 아니라, 그 회전에 기초한 요소의 편광 및 요소의 위치에서 물체 파의 편광에 의존한다. 도 19c는 결과로 초래된 사인파 모양의 변조 패턴의 일례이다.When the sinusoid is multiplied by the complex conjugate of the other sinusoid, the real part is taken and the resulting modulation pattern is also a sinusoid. Spatially, a modulation pattern is a site that emits a maximum or strong radiation when the maximum of the reference wave satisfies the maximum of the object wave (all of the time-varying quantities in a sine wave shape). In practice, this interference is calculated at each scattering location and depends not only on its position, but also on the polarization of the element based on its rotation and on the polarization of the object wave at the location of the element. 19C is an example of a sine wave modulation pattern resulting from the result.

결과로 초래된 사인파 모양의 회색 음영 변조 패턴(resulting sinusoidal gray shade modulation pattern)을 구형파 변조 패턴(square wave modulation pattern)으로 단순화하기 위해 선택이 더 행해질 수 있다는 점에 유의해야 한다.It should be noted that further selection may be made to simplify the resulting sinusoidal gray shade modulation pattern into a square wave modulation pattern.

산란 요소에 걸리는 전압은, 이 컨텍스트(context)가 홍채 보드의 상부의 금속화인, 패치와 접지면 사이에 인가된 전압을 조절함으로써 제어되고 있다는 점에 유의해야 한다.
It should be noted that the voltage across the scattering element is controlled by adjusting the voltage applied between the patch and the ground plane, which is the metallization of the top of the iris board.

변형 transform 실시예Example

일 실시예에서, 패치와 슬롯은 허니콤 패턴(honeycomb pattern)으로 배치되어 있다. 이러한 패턴의 예는 도 14a 및 도 14b에 도시되어 있다. 도 14a 및 도 14b를 참조하면, 허니콤 구조는 행마다 좌측 또는 우측으로 반 요소 간격만큼 시프트되거나, 또는 그 대신에 열마다 위 또는 아래로 반 요소 간격만큼 이동되도록 되어 있다.In one embodiment, the patches and slots are arranged in a honeycomb pattern. Examples of such patterns are shown in Figs. 14A and 14B. Referring to Figs. 14A and 14B, the honeycomb structure is shifted by half an element interval to the left or right side in each row, or alternatively shifted upward or downward by half an element interval for each column.

일 실시예에서, 패치 및 관련된 슬롯은 반경 방향 레이아웃을 생성하기 위해 링 모양으로 배치되어 있다. 이 경우, 슬롯 중심은 링 위에 배치되어 있다. 도 15a는 링에 배치되는 패치(및 그들의 공동 위치된 슬롯)의 일례를 도시한다. 도 15a를 참조하면, 패치와 슬롯의 중심은 고리 위에 있고 고리는 안테나 어레이의 급전 또는 종단 점에 대해 동심원 모양으로 위치되어 있다. 동일한 링에 위치된 인접한 슬롯은 (그것들의 중심에서 평가된 경우에) 서로에 대해 거의 90도로 배향되어 있다. 보다 구체적으로는, 그것들은 90도 플러스(+) 2개의 요소의 기하학적 중심을 포함하는 링을 따르는 각도 변위와 동일한 각도로 배향되어 있다.In one embodiment, the patches and associated slots are arranged in a ring shape to create a radial layout. In this case, the slot center is disposed on the ring. 15A shows an example of the patches (and their co-located slots) disposed in the ring. Referring to FIG. 15A, the center of the patch and slot is on the ring and the ring is concentrically positioned with respect to the feed or termination point of the antenna array. Adjacent slots located in the same ring are oriented at approximately 90 degrees relative to each other (if evaluated at their centers). More specifically, they are oriented at the same angle as the angular displacement along the ring including the geometric center of the 90 degree positive (+) two elements.

도 15b는 도 15a에 도시된 바와 같은 링 기반의 슬롯화된 어레이에 대한 제어 패턴의 일례이다. LHCP로 가리키고 있는 30° 빔에 대한 결과로 초래된 근거리 장(near field)과 원거리 장(far field)은 각각 도 15c에 도시되어 있다.Fig. 15B is an example of a control pattern for a ring-based slotted array as shown in Fig. 15A. The near field and far field resulting from the 30 ° beam pointed to by LHCP are shown in Figure 15c, respectively.

일 실시예에서, 급전 구조는 방사되거나 또는 산란되는 전력이 완전한 2D 개구(aperture)를 가로질러 거의 일정하게 되도록 하기 위해 결합을 제어하도록 성형(shape)되어 있다. 이것은, 유전체의 선형 두께 테이퍼, 또는 급전 점에 가까운 적은 결합 및 급전 점으로부터 멀리 떨어진 많은 결합을 야기시키는 리지드 급전 네트워크(ridged feed network)의 경우의 유사한 테이퍼를 이용하여 달성된다. 급전의 높이까지의 선형 테이퍼의 사용은, 각 요소로부터의 급전 산란의 나머지 에너지의 더 큰 비율에 기인하는 더 작은 부피의 에너지를 함유시킴으로써, 급전 점으로부터 멀리 떨어져 전파됨에 따라 진행파의 1/r 감쇠(decay)를 중화시킨다. 이것은 개구를 가로질러 균일한 진폭 여기를 창출하는데 중요하다. 정방형 또는 직사각형 치수를 갖는 것과 같은 비방사상으로 대칭형의 급전 구조의 경우, 이 테이퍼링(tapering)은 산란된 전력이 개구를 가로질러 거의 일정하게 되도록 하기 위해 비방사상으로 대칭형의 방법으로 적용될 수 있다. 보완적인 기술은, 그것들이 급전 점으로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는가에 기초하여 어레이에서 다르게 조정되는 요소를 필요로 한다.In one embodiment, the feed structure is shaped to control the coupling so that the emitted or scattered power is nearly constant across a complete 2D aperture. This is accomplished by using a linear taper of the dielectric, or similar taper in the case of a ridged feed network that causes fewer bonds near the feed point and many bonds far away from the feed point. The use of a linear taper up to the height of the feed, by containing a smaller volume of energy due to a greater proportion of the remaining energy of feed scattering from each element, results in a 1 / r attenuation of the traveling wave as it propagates away from the feed point neutralize decay. This is important to create a uniform amplitude excitation across the aperture. In the case of a non-radiating symmetrical feed structure, such as having a square or rectangular dimension, this tapering can be applied in a non-radially symmetrical manner so that the scattered power is nearly constant across the aperture. The complementary technique requires elements that are differently adjusted in the array based on how far they are from the feed point.

테이퍼의 일례는 1/r 감쇠에 대응하기 위해 방사선 강도에 역으로 비례 증가를 생성하는 맥스웰 어안 렌즈 형상(Maxwell fish-eye lens shape)의 유전체를 이용하여 구현된다.An example of a taper is implemented using a dielectric of a Maxwell fish-eye lens shape that produces a proportional increase in response to a radiation intensity to accommodate the 1 / r attenuation.

도 18은 유전체의 선형 테이퍼(linear taper)를 나타낸다. 도 18을 참조하면, RF 어레이(1801)의 요소(패치/홍채 쌍)을 실행하도록 동심원 모양의 급전 파(concentric feed wave)를 제공하기 위해 동축 급전 장치(1800)를 갖는 테이퍼링된 유전체(tapered dielectric; 1802)가 도시되어 있다. 유전체(1802)(예를 들어, 플라스틱)는 동축 급전 장치(1800)로부터 가장 멀리 떨어진 점에서 동축 급전 장치(1800) 근방의 가장 높은 높이로부터 더 낮은 높이로 높이가 테이퍼링된다. 예를 들어, 높이(B)는 동축 급전 장치(1800)에 가까워짐에 따라 높이(A)보다 크다.Figure 18 shows a linear taper of dielectric. 18, a tapered dielectric (not shown) having a coaxial feeder 1800 is provided to provide a concentric feed wave to perform elements of the RF array 1801 (patch / iris pair) ; 1802). The dielectric 1802 (e.g., plastic) is tapered from a highest height to a lower height near the coaxial feeder 1800 at a point farthest from the coaxial feeder 1800. For example, the height B is greater than the height A as it approaches the coaxial feeder 1800. [

이 아이디어에 따라, 일 실시예에서는, 유전체는 필요한 곳에 에너지를 집중시키기 위해 비방사상으로 대칭형의 형상(non-radially symmetric shape)으로 형성되어 있다. 예를 들어, 여기에서 설명된 바와 같은 단일의 급전 점으로부터 급전되는 정방형 안테나(square antenna)의 경우, 정방형의 중심으로부터 모서리(corner)까지의 경로 길이는 중심으로부터 정방형의 측면의 중심까지의 경로 길이보다 1.4배 길다. 따라서, 더 많은 에너지가 정방형의 측면의 네 중간 지점보다 네 모서리를 향해 집중되어야 하며, 에너지 산란의 속도도 달라야 한다. 급전의 비방사상으로 대칭형의 형상과 다른 구조는 이러한 요구 사항을 달성할 수 있다.According to this idea, in one embodiment, the dielectric is formed in a non-radially symmetric shape to concentrate the energy where necessary. For example, in the case of a square antenna fed from a single feed point as described herein, the path length from the center of the square to the corner is the length of the path from the center to the center of the square side of the square 1.4 times longer. Therefore, more energy should be concentrated toward the four corners than the four midpoints of the sides of the square, and the rate of energy scattering must also be different. Symmetrical shapes and other structures on the nonradiative principle of feeding can achieve these requirements.

일 실시예에서, 이종 유전체(dissimilar dielectric)는 파가 밖으로 향하여 방사함에 따라 급전으로부터 개구로 산란되는 전력을 제어하기 위해 주어진 급전 구조로 적층되어 있다. 예를 들어, 1개 이상의 이종 유전체 매체가 서로의 상부에 적층되어 있을 때, 전기 또는 자기 에너지 강도가 특정의 유전체 매체에 농축될 수 있다. 하나의 구체적인 예는, 플라스틱 층 및 공기와 같은 발포 고무보다는 플라스틱에서 자기장 에너지의 더 높은 농도를 초래하는 동작 주파수에서 총 두께가 λeff/2보다 적은 공기와 같은 발포층을 사용하고 있다. In one embodiment, a dissimilar dielectric is stacked with a given feed structure to control the power scattered from the feed to the openings as the wave emits towards the outside. For example, when one or more heterogeneous dielectric media are stacked on top of each other, the electrical or magnetic energy intensity can be concentrated in a particular dielectric medium. One specific example uses a foam layer such as air with a total thickness less than lf / 2 at an operating frequency that results in a higher concentration of magnetic field energy in the plastic than a plastic layer and foam rubber such as air.

일 실시예에서, 개구를 통해 결합을 제어하고 급전 및 소망하는 개구 여기 가중(aperture excitation weighting)의 방향에 따라 많거나 적은 에너지를 산란시키도록 패치/홍채 디튜닝을 위해 (예를 들어, 초기에 더 적은 요소를 턴 온하는) 제어 패턴이 공간적으로 제어된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 초기에 사용되는 제어 패턴은 나머지 시간보다 적은 슬롯을 턴 온시킨다. 예를 들어, 초기에, 빔을 형성하기 위해 턴 온될 예정인 원통 모양의 급전의 중심 근방의 요소(패치/홍채 슬롯 쌍)의 특정 비율(예를 들어, 40%, 50%)만이 제1 스테이지 중에 턴 온되고, 그 다음에 원통 모양의 급전으로부터 더 밖에 있는 나머지가 턴 온된다. 변형 실시예에서, 요소는 파가 급전으로부터 더 멀리 전파됨에 따라 원통 모양의 급전으로부터 연속적으로 턴 온될 수 있다. 다른 실시예에서, 리지된 급전 네트워크는 유전체 스페이서(예를 들어, 스페이서(205)의 플라스틱)를 대체하고 전파하는 급전 파의 배향의 추가 제어를 허용한다. 리지(ridge)는 급전 비대칭 전파를 만드는 데 사용할 수 있는 1/r 감쇠에 대응하기 위해 공급의 대칭형 전파(즉, 포인팅 벡터가 파 벡터에 평행하지 않음)를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 이와 같이, 급전 내에서의 리지의 사용은 필요한 곳에 에너지를 향하게 하는 것을 돕는다. 더 많은 리지 및/또는 가변 높이 리지를 낮은 에너지 영역으로 향하게 함으로써, 보다 균일한 조명이 개구에서 창출된다. 이것은, 급전 파의 전파의 방향이 더 이상 방사상으로 배향되지 않을 수 있기 때문에, 순수한 방사상의 급전 구성으로부터의 편차를 허용한다. 리지를 통한 슬롯은 강하게 결합하고, 반면에 리지 사이의 그들 슬롯은 약하게 결합한다. 따라서, (소망하는 광을 얻기 위한) 소망하는 결합에 따라, 리지의 사용과 슬롯의 배치는 결합의 제어를 가능하게 한다.In one embodiment, for patch / iris detuning to control coupling through the aperture and scatter more or less energy along the direction of the feed and desired aperture excitation weighting (e.g., Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI > fewer elements are turned on). For example, in one embodiment, an initially used control pattern turns on less slots than the remaining time. For example, initially only a certain percentage (e.g., 40%, 50%) of the elements (patch / iris slot pair) near the center of the cylindrical feed that is to be turned on to form the beam, And then the rest that is further from the cylindrical feed is turned on. In an alternate embodiment, the element can be continuously turned on from the cylindrical feed as the wave propagates further away from the feed. In another embodiment, the ridden feed network replaces the dielectric spacer (e. G., The plastic of the spacer 205) and allows for additional control of the orientation of the propagating feeder wave. The ridge can be used to generate a symmetrical propagation of the supply (i. E., The pointing vector is not parallel to the wave vector) to correspond to the 1 / r attenuation that can be used to create the feed asymmetric propagation. Thus, the use of ridges in the feed helps to direct energy to where it is needed. By directing more ridges and / or variable height ridges to the lower energy region, more uniform illumination is created at the openings. This allows a deviation from the purely radial feed configuration, since the direction of propagation of the feed wave may no longer be radially oriented. Slots through the ridge combine strongly, while slots between the ridge combine weakly. Thus, in accordance with the desired coupling (to obtain the desired light), the use of the ridge and the placement of the slots enable control of the coupling.

또 다른 실시예에서는, 원형으로 대칭이 아닌 개구 조명을 제공하는 복합 급전 구조가 사용된다. 이러한 응용은, 불균일하게 조명되는 정방형 또는 일반적으로 비원형의 개구일 수 있다. 일 실시예에서, 다른 것에 비해 일부 영역에 더 많은 에너지를 제공하는 비방사상으로 대칭형의 유전체(non-radially symmetric dielectric)가 사용된다. 즉, 유전체는 상이한 유전체 제어를 갖는 영역을 가질 수 있다. 맥스웰 어안 렌즈(Maxwell fish-eye lens)처럼 보는 유전체 분포의 일례가 있다. 이 렌즈는 어레이의 다른 부분으로 다른 양의 전력을 제공한다. 다른 실시예에서는, 리지된 급전 구조가 다른 것보다 일부 영역으로 더 많은 에너지를 전달하기 위해 사용된다.In yet another embodiment, a complex feed structure is used that provides circularly non-symmetrical aperture illumination. This application may be a non-uniformly illuminated square or generally non-circular aperture. In one embodiment, a non-radially symmetric dielectric is used that provides more energy to some areas than others. That is, the dielectric may have regions with different dielectric controls. There is an example of a dielectric distribution that looks like a Maxwell fish-eye lens. This lens provides different amounts of power to different parts of the array. In another embodiment, the ridge feed structure is used to deliver more energy to some areas than others.

일 실시예에서는, 여기에 설명된 타입의 다중의 원통 모양으로 급전된 서브개구 안테나가 배치되어 있다. 일 실시예에서는, 하나 이상의 추가적인 급전 구조가 사용된다. 또한 일 실시예에서는, 분포된 증폭 점이 포함된다. 예를 들어, 안테나 시스템은 어레이에서 도 2a 또는 도 2b에 도시된 것과 같은 다중 안테나를 포함할 수 있다. 어레이 시스템은 3×3(총 9개의 안테나), 4×4, 5×5 등일 수도 있지만, 다른 구성도 가능하다. 이러한 구성에서, 각 안테나는 분리된 급전을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 증폭 점의 수는 급전의 수보다 적을 수 있다.
In one embodiment, multiple cylindrically powered sub-aperture antennas of the type described herein are disposed. In one embodiment, one or more additional feed structures are used. Also, in one embodiment, distributed amplification points are included. For example, the antenna system may include multiple antennas as shown in FIG. 2A or 2B in the array. The array system may be 3x3 (9 total antennas), 4x4, 5x5, etc., but other configurations are possible. In this configuration, each antenna may have a separate feed. In another embodiment, the number of amplification points may be less than the number of power feeds.

장점 및 이점Benefits and Benefits

향상된 빔 성능Improved beam performance

본 발명 아키텍처의 실시예에 대한 한 가지 장점은 선형 급전보다 더 좋은 빔 성능이다. 에지에서 자연의 내장된 테이퍼는 좋은 빔 성능을 달성하는데 도움을 줄 수 있다.One advantage to embodiments of the present invention architecture is better beam performance than linear feed. The natural built-in taper at the edge can help achieve good beam performance.

어레이 인자 계산에서, FCC 마스크는 온 및 오프 요소만으로 40cm 개구로부터 충족될 수 있다.In the array factor calculation, the FCC mask can be met from a 40 cm aperture with only ON and OFF elements.

원통 모양의 급전에 의해, 본 발명의 실시예는 1파장 주기적 구조에 의해 창출된 밴드 갭이 없는 브로드사이드(broadside) 근방에 임피던스 스윙(impedance swing)을 갖지 않는다.Due to the cylindrical feeding, embodiments of the present invention do not have an impedance swing near the broadside without bandgap created by the one-wave periodic structure.

본 발명의 실시예는, 브로드사이드에서 벗어나서 스캔할 때, 회절 모드 문제가 없다.
Embodiments of the present invention are free of diffraction mode problems when scanning away from the broadside.

동적 편광(Dynamic polarization Dynamic Polarization)Dynamic Polarization)

여기에 설명된 아키텍처에 사용될 수 있는 (적어도 두 가지의) 요소 디자인: 원형으로 편광된 요소 및 선형으로 편광된 요소 쌍이 있다. 선형으로 편광된 요소 쌍을 이용하여, 원형 편광 감지(circular polarization sense)는 두 번째 것에 대해 요소의 하나의 세트에 적용된 변조를 위상 지연 또는 전진시킴으로써 동적으로 변경될 수 있다. 선형 편광을 달성하기 위해, 두 번째 것(물리적으로 직교 세트)에 대해 하나의 세트의 위상 전진(phase advance)은 180도일 것이다. 선형 편광도 또한 선형 편광을 추적하기 위한 메카니즘을 제공하는 요소 패턴 변화(element patter changes)와만 합성될 수 있다.
There are (at least two) element designs that can be used in the architecture described here: circularly polarized elements and linearly polarized element pairs. Using a linearly polarized element pair, the circular polarization sense can be changed dynamically by phase delaying or advancing the modulation applied to one set of elements for the second. To achieve linear polarization, one set of phase advance for the second (physically orthogonal set) would be 180 degrees. Linear polarization can also be synthesized only with element patter changes, which provides a mechanism for tracking linear polarization.

동작 대역폭(Operating Bandwidth ( Operational Bandwidth)Operational Bandwidth)

동작의 온-오프 모드(on-off mode)는, 동작의 모드가 그 공진 곡선의 특정 부분에 조정되는 각각의 요소를 필요로 하지 않기 때문에, 확장된 동적 및 순시적인 대역폭에 대한 기회를 가진다. 안테나는 충분한 성능 영향 없이 그 범위의 진폭 및 위상 홀로그램 부분 모두를 통해 연속적으로 동작할 수 있다. 이것은 전체의 조정가능한 범위에 훨씬 더 가깝게 동작 범위를 배치한다.
The on-off mode of operation has the opportunity for extended dynamic and instantaneous bandwidth, since the mode of operation does not require each element to be adjusted to a specific part of its resonance curve. The antenna can operate continuously through both the amplitude and phase hologram portions of the range without sufficient performance impact. This places the motion range much closer to the overall adjustable range.

석영/유리 기판으로 가능한 더 작은 간극Possible smaller clearances with quartz / glass substrate

원통 모양의 급전 구조는, 석영 또는 유리에서의 기능을 암시하는 TFT 아키텍처를 활용할 수 있다. 이들 기판은 회로 기판보다 훨씬 더 딱딱하고, 그리고 간격을 달성하는 3um(마이크로미터, μm) 주위의 간극 크기(gap size)를 달성하기 위해 더 좋게 알려진 기술이 있다. 3um의 간극 크기는 14ms 스위칭 속도를 야기시킬 것이다.
The cylindrical feed structure can utilize a TFT architecture that implies a function in quartz or glass. These substrates are much stiffer than circuit boards, and there is a better known technique to achieve a gap size around 3 um (micrometer, um) to achieve spacing. A gap size of 3 um will result in a 14 ms switching speed.

복잡성 감소(Complexity Reduction)Complexity Reduction

여기에 설명된 아키텍처는, 생산 시에 기계가공 작업 없이 단일의 접합 스테이지만을 필요로 한다는 것이 개시되어 있다. 이것은, TFT 구동 전자기기에 스위치와 함께 결합되어, 비용이 많이 드는 재료와 일부의 힘든 요구사항을 제거한다.It is disclosed that the architecture described herein requires only a single bonding stage without machining operations in production. This is combined with the switch in the TFT-driven electronics to eliminate costly materials and some tough requirements.

본 발명의 많은 변경 및 변형이 아마도 전술한 설명을 읽은 후에 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하게 될 것이지만, 예로서 도시되고 설명된 임의의 특정 실시예는 결코 제한적이라고 간주되는 것을 의도하지 않음을 이해해야 한다. 따라서, 다양한 실시예의 상세에 대한 참조는 그 자체로 본 발명에 필수적인 것으로 간주되는 그들 특징만을 나열하는 특허청구범위의 범위를 제한하는 것을 의도하지 않는다.
While many modifications and variations of this invention will become apparent to those skilled in the art after reading the foregoing detailed description, it should be understood that any specific embodiment shown and described by way of illustration is in no way intended to be considered limiting. You should understand. Accordingly, references to the details of the various embodiments are not intended to limit the scope of the claims, which only list those features that are regarded as essential to the invention by itself.

Claims (24)

원통 모양의 급전 파를 입력하기 위한 안테나 급전 장치; 및
안테나 급전 장치에 결합된 복수의 표면 산란 안테나 요소의 무선 주파수(RF) 조정가능한 슬롯화된 어레이를 구비하되,
상기 원통 모양의 급전 파는 급전 장치로부터 밖으로 향하여 동심원 모양으로 전파되고,
상기 원통 모양의 급전 파는 빔을 발생시키기 위해 RF 어레이와 상호 작용하며, 상기 RF 어레이는 복수의 슬롯을 갖추되 이들 복수의 슬롯이 상기 각 슬롯의 중앙 위치에서 충돌하는 원통 모양의 급전 파에 대해 소정의 각도로 배향되는 것을 특징으로 하는 안테나.
An antenna feeding device for inputting a cylindrical feeding wave; And
A radio frequency (RF) tunable slotted array of a plurality of surface scattering antenna elements coupled to an antenna feeder,
The cylindrical feed wave propagates concentrically from the feeder toward the outside,
Wherein the cylindrical feed wave interacts with an RF array to generate a beam, the RF array having a plurality of slots, each of the plurality of slots having a predetermined Of the antenna.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 각 슬롯은 안테나의 동작 주파수에서 동작하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 안테나.
2. The antenna of claim 1, wherein each slot is adapted to operate at an operating frequency of the antenna.
제3항에 있어서, 복수의 슬롯의 각 슬롯은, 슬롯화된 어레이가 원통 모양의 급전 파의 전파 방향에 대해 +45도 회전된 슬롯의 제1 세트 및 원통 모양의 급전 파의 전파 방향에 대해 -45도 회전된 슬롯의 제2 세트를 포함하도록, 상기 각 슬롯의 중앙 위치에서 충돌하는 원통 모양의 급전 파에 대해 +45 또는 -45 중 어느 하나로 배향되는 것을 특징으로 하는 안테나.
4. The antenna of claim 3, wherein each slot of the plurality of slots includes a first set of slots in which the slotted array is rotated by +45 degrees with respect to the propagation direction of the cylindrical feed wave, 45 or -45 degrees with respect to a cylindrical feeder wave impinging at a central position of each slot, so as to include a second set of slots rotated at -45 degrees.
제1항에 있어서, 슬롯화된 어레이는,
복수의 슬롯; 및
복수의 패치를 구비하되,
패치의 각각은 복수의 슬롯에 걸쳐 공동 배치되고, 복수의 슬롯의 하나의 슬롯으로부터 분리되어 패치/슬롯 쌍을 형성하며, 각 패치/슬롯 쌍은 그 쌍의 패치로의 전압의 인가에 기초해서 턴 오프 또는 온되는 것을 특징으로 하는 안테나.
2. The apparatus of claim 1, wherein the slotted array comprises:
A plurality of slots; And
A plurality of patches,
Each patch is co-located across a plurality of slots, separated from one slot of the plurality of slots to form a patch / slot pair, and each patch / slot pair is turned on Off or on.
제5항에 있어서, 복수의 슬롯의 각 슬롯과 복수의 패치에 있어서 그 관련된 패치 사이에 유전체가 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
6. The antenna of claim 5, wherein each slot of the plurality of slots and a dielectric is present between the associated patches in the plurality of patches.
제6항에 있어서, 유전체가 액정을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
7. An antenna according to claim 6, wherein the dielectric comprises a liquid crystal.
제6항에 있어서,
어느 패치/슬롯 쌍이 온 및 오프인가를 제어하는 제어 패턴을 적용함으로써 빔의 발생을 야기시키는 컨트롤러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나.
The method according to claim 6,
Further comprising a controller for causing a beam to be generated by applying a control pattern for controlling which patch / slot pair is on and off.
제8항에 있어서, 제어 패턴은, 제1 스테이지 중에 빔을 발생시키는 데 사용되는 패치/슬롯 쌍의 서브세트만을 턴 온시키고, 그 다음에 제2 스테이지 중에 빔을 발생시키는 데 사용되는 나머지 패치/슬롯 쌍을 턴 온시키는 것을 특징으로 하는 안테나.
9. The method of claim 8, wherein the control pattern is configured to turn on only a subset of the patch / slot pairs used to generate the beam during the first stage, And turns on the pair of slots.
제5항에 있어서, 복수의 패치가 복수의 링에 배치되어 있고, 복수의 링은 슬롯화된 어레이의 안테나 급전 장치에 대해 동심원 모양으로 위치되는 것을 특징으로 하는 안테나.
6. The antenna according to claim 5, wherein a plurality of patches are arranged in a plurality of rings, and the plurality of rings are concentrically positioned with respect to the antenna feeding device of the slotted array.
제5항에 있어서, 복수의 패치가 패치 보드에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
The antenna according to claim 5, wherein a plurality of patches are included in the patch board.
제5항에 있어서, 복수의 패치가 유리 층에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
The antenna according to claim 5, wherein a plurality of patches are included in the glass layer.
제1항에 있어서, 원통 모양의 급전 파가 진행하는 유전체 층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나.
The antenna according to claim 1, further comprising a dielectric layer on which a cylindrical feeding wave proceeds.
제13항에 있어서,
접지면;
안테나로 급전 파를 입력하기 위해 접지면에 결합된 동축 핀을 더 구비하되,
유전체 층이 접지면과 슬롯화된 어레이 사이에 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
14. The method of claim 13,
Ground plane;
Further comprising a coaxial pin coupled to a ground plane for inputting a feed wave to the antenna,
Wherein the dielectric layer is between the ground plane and the slotted array.
제14항에 있어서,
안테나를 통해 되돌아가는 사용되지 않은 에너지 반사를 방지하도록 사용되지 않은 에너지를 종료시키기 위해 접지면과 슬롯화된 어레이에 결합된 적어도 하나의 RF 흡수체를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나.
15. The method of claim 14,
Further comprising the at least one absorber coupled to the RF ground plane and slotted array to end the unused energy to prevent the reflection of the thin unused energy back to the antenna through an antenna as claimed.
제14항에 있어서,
삽입 컨덕터;
삽입 컨덕터와 접지면 사이의 스페이서; 및
접지면을 슬롯화된 어레이에 결합하는 측면 영역을 더 구비하되,
유전체 층이 삽입 컨덕터와 슬롯화된 어레이 사이에 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
15. The method of claim 14,
Insertion conductors;
A spacer between the inserting conductor and the ground plane; And
Further comprising a side region for coupling the ground plane to the slotted array,
Wherein the dielectric layer is between the insert conductor and the slotted array.
제16항에 있어서, 측면 영역이 2개의 측면을 구비하되, 두 측면 영역의 각각이 급전 파가 급전 장치의 스페이서 층으로부터 급전 장치의 유전체 층으로 전파되도록 하기 위해 각이 진 것을 특징으로 하는 안테나.
17. An antenna according to claim 16, wherein the side region has two sides, each of the two side regions being angled so that the feeder wave propagates from the spacer layer of the feed device to the dielectric layer of the feeder.
제16항에 있어서, 스페이서가 발포체를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
17. The antenna of claim 16, wherein the spacer comprises a foam.
제13항에 있어서, 유전체 층이 플라스틱을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
14. The antenna of claim 13, wherein the dielectric layer comprises plastic.
제13항에 있어서, 유전체 층이 테이퍼링되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
14. The antenna of claim 13, wherein the dielectric layer is tapered.
제13항에 있어서, 유전체 층이 다른 유전상수를 갖는 복수의 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
14. The antenna of claim 13, wherein the dielectric layer comprises a plurality of regions having different dielectric constants.
제13항에 있어서, 유전체 층이 급전 파의 전파에 영향을 미치는 복수의 분산된 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
14. The antenna of claim 13, wherein the dielectric layer comprises a plurality of distributed structures that affect the propagation of the feeder wave.
제1항에 있어서, 원통 모양의 급전 파가 진행하는 리지된 급전 네트워크를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나.
The antenna according to claim 1, further comprising a ridged feeding network in which a cylindrical feeding wave proceeds.
원통 모양의 급전 파를 입력하기 위한 안테나 급전 장치;
급전 파가 진행하는 유전체 층;
원통 모양의 급전파의 전파 방향에 대해 소정의 각도로 배향된 복수의 슬롯; 및
복수의 패치를 구비하되,
상기 원통 모양의 급전 파는 급전 장치로부터 동심원 모양으로 전파되고,
상기 패치의 각각은 복수의 슬롯에 걸쳐 공동 배치되고, 액정층을 이용하여 복수의 슬롯의 하나의 슬롯으로부터 분리되어 패치/슬롯 쌍을 형성하며, 각 패치/슬롯 쌍은 제어 패턴에 의해 지정된 그 쌍의 패치로의 전압의 인가에 기초해서 턴 오프 또는 온되고, 상기 원통 모양의 급전파는 이 원통 모양의 급전파가 상기 각 슬롯의 중앙 위치에서 충돌할 때 빔을 발생시키기 위해 패치/슬롯 쌍과 상호 작용하는 것을 특징으로 하는 안테나.
An antenna feeding device for inputting a cylindrical feeding wave;
A dielectric layer on which feeder waves propagate;
A plurality of slots oriented at a predetermined angle with respect to a propagation direction of a cylindrical power supply wave; And
A plurality of patches,
The cylindrical feed wave is propagated concentrically from the feeding device,
Wherein each patch is co-located across a plurality of slots and separated from one slot of the plurality of slots using a liquid crystal layer to form a patch / slot pair, each patch / The pair of patches / slots and the pairs of the pair of feed / discharge lines are connected to each other in order to generate a beam when the cylindrical feeder waves collide at a central position of the respective slots. Wherein the antenna is an antenna.
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