KR101922785B1

KR101922785B1 - 조종 가능한, 다층 구조의 원통 모양으로 급전된 홀로그래픽 안테나를 위한 동적 편광 및 결합 제어

Info

Publication number: KR101922785B1
Application number: KR1020167016044A
Authority: KR
Inventors: 아담 빌리; 네이선 쿤디츠; 미칼라 존슨
Original assignee: 카이메타 코퍼레이션
Priority date: 2014-02-19
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2018-11-27
Also published as: US20150236412A1; CN110504540A; CN105960736A; CN105960736B; US11545747B2; US9887456B2; JP2017506467A; JP6400722B2; TWI668916B; TW201539860A; BR112016018895A2; ES2851333T3; US20180166780A1; US11133584B2; CN110504540B; EP3108537B1; US20200243966A1; TWI723468B; KR20160113100A; EP3108537A1

Abstract

원통 모양으로 급전된 안테나 및 이를 사용하기 위한 방법을 위한 장치가 여기에 개시되어 있다. 일 실시예에서, 안테나는 원통 모양의 급전 파를 입력하기 위한 안테나 급전 장치; 안테나 급전 장치에 결합되고, 급전 파(feed wave)가 급전 장치로부터 밖으로 향하여 동심원 모양으로 전파되는 제1 층; 제1 층에 결합되고, 급전 파가 안테나의 에지로부터 반사되도록 하고 안테나의 에지로부터 당해 제2 층을 통해 안쪽으로 전파되도록 하는 제2 층; 및 제2 층에 결합된 무선 주파수(RF) 어레이를 구비하되, 급전 파가 빔을 발생시키기 위해 RF 어레이와 상호 작용한다.

Description

조종 가능한, 다층 구조의 원통 모양으로 급전된 홀로그래픽 안테나를 위한 동적 편광 및 결합 제어 {DYNAMIC POLARIZATION AND COUPLING CONTROL FOR A STEERABLE, MULTI-LAYERED CYLINDRICALLY FED HOLOGRAPHIC ANTENNA}

우선권 주장

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.

기술분야

본 발명의 실시예들은 안테나의 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명의 실시예들은 원통 모양으로 급전되는 안테나에 관한 것이다.

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.

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.

"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.

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.

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.

원통 모양으로 급전된 안테나 및 이를 사용하기 위한 방법을 위한 장치가 여기에 개시되어 있다. 일 실시예에서, 안테나는 원통 모양의 급전 파를 입력하기 위한 안테나 급전 장치(antenna feed); 안테나 급전 장치에 결합되고, 급전 파(feed wave)가 급전 장치로부터 밖으로 향하여 동심원 모양으로 전파되는 제1 층; 제1 층에 결합되고, 급전 파가 안테나의 에지로부터 반사되도록 하고 안테나의 에지로부터 당해 제2 층을 통해 안쪽으로 전파되도록 하는 제2 층; 및 제2 층에 결합된 무선 주파수(RF) 어레이를 구비하되, 급전 파가 빔을 발생시키기 위해 RF 어레이와 상호 작용한다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

안테나 시스템의 일례의 개요

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.

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.

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.

파 전파 구조의 예

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

동작 시에, 급전 파는 동축 핀(215)을 통해 공급되고, 동심원 모양으로 밖으로 향하여 진행하며 RF 어레이(216)의 요소와 상호 작용한다.

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.

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.

파 산란 요소의 어레이

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

일 실시예에서, 캡(예를 들어, 레이돔 캡(radome cap))은 보호를 제공하기 위해 패치 안테나 스택(stack)의 상부를 덮는다.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

안테나 시스템 제어

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

일 실시예에서, 안테나 시스템은 업링크 안테나(up-link antenna)를 위해 하나의 조종 가능한 빔과 다운링크 안테나를 위해 하나의 조종 가능한 빔을 생성한다.

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.

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.

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.

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.

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.

간섭 또는 변조 패턴 = Re{[A]×[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.

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.

산란 요소에 걸리는 전압은, 이 컨텍스트(context)가 홍채 보드의 상부의 금속화인, 패치와 접지면 사이에 인가된 전압을 조절함으로써 제어되고 있다는 점에 유의해야 한다.

변형 실시예

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

장점 및 이점

향상된 빔 성능

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.

어레이 인자 계산에서, FCC 마스크는 온 및 오프 요소만으로 40cm 개구로부터 충족될 수 있다.

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.

본 발명의 실시예는, 브로드사이드에서 벗어나서 스캔할 때, 회절 모드 문제가 없다.

동적 편광( 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.

동작 대역폭( 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.

석영/유리 기판으로 가능한 더 작은 간극

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.

복잡성 감소(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.

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.

Claims

원통 모양의 급전 파를 입력하기 위한 안테나 급전 장치;
안테나 급전 장치에 결합되고, 급전 파가 급전 장치로부터 밖으로 향하여 동심원 모양으로 전파되는 제1 층;
제1 층에 결합된 제2 층으로서, 동심원 모양으로 밖으로 나가는 급전 파가 안테나의 에지로부터 이 제2 층을 통해 안쪽으로 전파하도록 안테나의 에지와 제1 및 제2 층 사이의 삽입 층(interstitial layer)의 주변부 주위에서 반사되도록 하는 제2 층; 및
제2 층에 결합된 무선 주파수(RF) 어레이를 구비하되,
급전 파가 빔을 발생시키기 위해 RF 어레이와 상호 작용하도록 제2 층에 의해 공급되고,
상기 RF 어레이가 원통형 급전 파의 전파 방향에 대해 비스듬히 배향되는 복수의 슬롯을 포함하며, 원통형 급전 파가 상기 각 슬롯의 중앙 위치에서 충돌하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서, RF 어레이가 슬롯화된 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제2항에 있어서, 슬롯화된 어레이가 조정가능한 것을 특징으로 하는 안테나.
제2항에 있어서, 슬롯화된 어레이가 유전적으로 로드되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
제2항에 있어서, 슬롯화된 어레이가,
복수의 슬롯;
복수의 패치를 구비하되,
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 온되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서, 각 슬롯은 주어진 주파수에서 소망하는 산란을 제공하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제6항에 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.
제1항에 있어서, 슬롯화된 어레이는,
복수의 슬롯;
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.
제8항에 있어서, 복수의 슬롯의 각 슬롯과 복수의 패치에 있어서 그 관련된 패치 사이에 유전체 층이 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
제9항에 있어서, 유전체가 액정을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제9항에 있어서,
어느 패치/슬롯 쌍이 온 및 오프인가를 제어하는 제어 패턴을 적용함으로써 빔의 발생을 야기시키는 컨트롤러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제11항에 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.
제8항에 있어서, 복수의 패치가 복수의 링에 배치되어 있고, 복수의 링은 급전 파의 전파와 수직하며, 다른 방법으로 링은 그 어레이의 급전 또는 종단 점에 대해 동심원 모양으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
제8항에 있어서, 복수의 패치가 패치 보드에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
제8항에 있어서, 복수의 패치가 유리 층에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서, 제2 층이 급전 파가 진행하는 유전체 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제16항에 있어서, 유전체 층이 플라스틱을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제16항에 있어서, 유전체 층이 테이퍼링되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
제16항에 있어서, 유전체 층이 다른 유전상수를 갖는 복수의 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제16항에 있어서, 유전체 층이 급전 파의 전파에 영향을 미치는 복수의 분산된 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제16항에 있어서,
접지면;
안테나로 급전 파를 입력하기 위해 접지면에 결합된 동축 핀을 더 구비하되,
유전체 층이 접지면과 슬롯화된 어레이 사이에 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
제21항에 있어서,
사용되지 않은 에너지가 제2 층을 통해 되돌아가는 반사를 방지하도록 사용되지 않은 에너지를 종료시키기 위해 접지면과 슬롯화된 어레이를 결합하기 위한 적어도 하나의 RF 흡수체를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제21항에 있어서,
삽입 컨덕터;
삽입 컨덕터와 접지면 사이의 스페이서를 더 구비하되,
유전체 층이 삽입 컨덕터와 슬롯화된 어레이 사이에 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서, 제1 및 제2 층을 결합하는 측면 영역을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제24항에 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.
제1항에 있어서, 원통 모양의 급전 파가 진행하는 리지된 급전 네트워크를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나.
급전 파가 급전 점으로부터 동심원 모양으로 전파되도록 하기 위해 무선 주파수(RF) 신호로 안테나의 하부 층을 급전하는 단계;
동심원 모양으로 밖으로 나가는 RF 신호가 제1 및 제2 층 사이의 삽입 층(interstitial layer)의 주변부 주위 및 상부 층까지 반사되는 점에서 안테나의 에지로 하부 층을 통해 동심원 모양으로 밖으로 나가는 RF 신호를 전송하여 RF 신호가 안테나의 에지로부터 안쪽으로 진행하도록 하는 단계;
RF 어레이와 상호 작용하도록 반사된 RF 신호를 상부 층에서 공급함으로써 빔을 발생시키는 단계; 및
RF 신호가 RF 어레이와 상호 작용한 후에 RF 신호를 종료시키는 단계를 포함하되,
RF 어레이가 원통형 급전 파의 전파 방향에 대해 비스듬히 배향되는 복수의 슬롯을 포함하며, 원통형 급전 파가 상기 각 슬롯의 중앙 위치에서 충돌하는 것을 특징으로 하는 안테나를 동작시키기 위한 방법.
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