KR102002161B1

KR102002161B1 - 표면 산란 안테나

Info

Publication number: KR102002161B1
Application number: KR1020187017839A
Authority: KR
Inventors: 네이선 쿤츠; 아담 빌리; 안나 케이. 보드맨; 러셀 제이. 해니건; 존 헌트; 데이비드 알. 내시; 라이언 앨런 스티븐슨; 필립 에이. 설리번
Original assignee: 시리트 엘엘씨
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2019-10-01
Also published as: AU2017201508B2; US20150229028A1; AU2011314378A1; WO2012050614A1; JP2016201835A; EP2636094B1; ZA201303460B; AU2017201508A1; RU2590937C2; EP2636094A1; US20120194399A1; RU2013119332A; CN103222109B; SG189891A1; KR20180073716A; CN103222109A; BR112013008959A2; JP6014041B2; CA2814635A1; MX345668B

Abstract

표면 산란 안테나는 파동 전파 구조를 따라서 산란 소자를 조정 가능하게 결합함으로써 조정 가능한 방사 장을 제공한다. 일부 접근법에서, 산란 소자는 보충적인 메타물질 소자이다. 일부 접근법에서, 산란 소자는 산란 소자 부근에서, 액정과 같은, 전기적으로 조정 가능한 물질을 배치함으로써 조정 가능해진다. 방법 및 시스템은 다양한 적용에 대한 표면 산란 소자의 조정 및 제어를 제공한다.

Description

표면 산란 안테나{SURFACE SCATTERING ANTENNAS}

본 발명은 표면 산란 안테나에 대한 것이다.

<관련출원에 대한 상호 참조>

본 출원은 이하에 열거된 출원(들)("관련출원")으로부터 최우선의 이용 가능한 유효한 출원일(들)의 이익을 주장하고, 이에 관련된다(예를 들어, 관련 출원(들)의 임의의 모든 부출원, 조부출원, 증조부출원 등에 대하여, 가출원에 대한 35 USC §19(e) 하의 이익을 주장하거나 가출원이 아닌 출원에 대하여 최우선의 이용 가능한 우선일을 주장한다). 관련 출원들 및 관련 출원들의 임의의 모든 부출원, 조부출원, 증조부출원 등의 모든 대상(subject matter)은, 그러한 대상이 본 개시에 모순되지 않는 한 본 개시에 참조로서 포함된다.

<관련 출원>

미국특허상표청(USPTO) 추가 법정 요건의 목적을 위하여, 본 출원은 미국 출원 번호 61/455,171이고, 발명의 명칭은 표면 산란 안테나(SURFACE SCATTERING ANTENNAS)이며, 발명자는 네이던 쿤츠(NATHAN KUNDTZ) 등이고, 2010년 10월 15일에 출원된 미국 특허 출원의 부분 계속 출원이 되고, 해당 출원은 현재 함께 계류 중이거나, 또는 현재 함께 계류 중인 출원에 출원일의 이익을 부여한 출원이다.

미국특허상표청(USPTO)의 컴퓨터 프로그램은 특허 출원인이 일련 번호를 참조해야 할 뿐만 아니라 출원이 특허 출원이 계속 출원인지, 부분 계속 출원인지, 또는 분할 출원인지 여부를 나타낼 것을 요구한다는 취지의 통지서를 미국특허상표청은 발행하고 있다. Stephen G. Kunin, Benefit of Prior-Filed Application, USPTO Official Gazette, March 18, 2003. 본 출원인은 법령에 의해 인용된 바와 같이, 우선권의 기초가 되고 있는 출원(들)에 대해 위에서 구체적으로 참조하였다. 출원인은, 그 법령이 그 특정 참조 용어에서 명확하므로, 미국 특허 출원에 대한 우선권을 주장하기 위해 "계속 출원" 또는 "부분 계속 출원"과 같은 임의의 특징화나 일련 번호를 필요로 하지 않음을 알고 있다. 상기 내용에도 불구하고, 출원인은, 미국특허상표청의 컴퓨터 프로그램이 일정 데이터 기입 요건을 갖고 있음을 알고 있으므로, 출원인은 본 출원과 그 부출원(들)과의 관계를 상기한 바와 같이 지정하고 있으나, 본 출원이 그 부출원(들)에 더하여 임의의 신규 사항을 포함하고 있는지 여부에 관하여 임의의 유형의 설명 및/또는 자백으로서 임의의 방법으로 그러한 지정이 해석되지 않아야 함을 명확히 나타낸다.

본 발명은 개별적으로 조정 가능한 복수의 산란 소자를 포함하는 표면 산란 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일측면에 따른 표면 산란 안테나는 파동 전파 구조(wave-propagating structure); 및 상기 안테나의 동작 주파수에 대응하는 자유 공간 파장보다 실질적으로 적은 소자간 간격을 가지고 상기 파동 전파 구조를 따라서 분포되는 복수의 산란 소자를 포함하고, 상기 복수의 산란 소자는 상기 파동 전파 구조의 가이드되는 파동 또는 표면파 모드에 대한 복수의 조정 가능한 개별적인 전자기 응답을 가지고, 상기 복수의 조정 가능한 개별적인 전자기 응답은 상기 안테나의 조정 가능한 방사 장을 제공한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 방법은 복수의 위치 각각에 대해 제1 복수의 상대적인 위상을 전달하도록 제1 가이드되는 파동 또는 표면파를 전파하는 단계; 제1 방사 장을 생성하는 제1 복수의 전자기 진동(oscillation)을 제1 세트의 위치에서 생성하도록 상기 복수의 위치 각각으로부터 선택된 상기 제1 세트의 위치에서 상기 제1 가이드되는 파동 또는 표면파에 결합하는 단계; 상기 복수의 위치 각각에 대해 상기 제1 복수의 상대적인 위상과 실질적으로 동일한 제2 복수의 상대적인 위상을 전달하도록 제2 가이드되는 파동 또는 표면파를 전파하는 단계; 및 상기 제1 방사 장과는 상이한 제2 방사 장을 제2 세트의 위치에서 생성하는 제2 복수의 전자기 진동을 생성하도록 상기 복수의 위치 각각으로부터 선택된 상기 제2 세트의 위치에서 상기 제2 가이드되는 파동 또는 표면파에 결합하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 방법은 복수의 위치에서 제1 자유 공간 파동을 수신하는 단계; 상기 복수의 위치에서 제1 복수의 상대적인 위상을 가지는 제1 가이드되는 파동 또는 표면파를 생성하는 제1 복수의 전자기 진동을 제1 세트의 위치에서 생성하도록 상기 복수의 위치로부터 선택된 상기 제1 세트의 위치에서 상기 제1 자유 공간 파동에 결합하는 단계; 상기 복수의 위치에서 상기 제1 자유 공간 파동과는 상이한 제2 자유 공간 파동을 수신하는 단계; 상기 복수의 위치에서 상기 제1 복수의 상대적인 위상과 실질적으로 동일한 제2 복수의 상대적인 위상을 가지는 제2 가이드되는 파동 또는 표면파를 생성하는 제2 복수의 전자기 진동을 제2 세트의 위치에서 생성하도록 상기 복수의 위치로부터 선택된 상기 제2 세트의 위치에서 상기 제2 자유 공간 파동에 결합하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 방법은 하나 이상의 제1 제어 입력에 응답하여 제1 조정 가능한 방사 패턴을 가지는 제1 표면 산란 안테나에 대한 제1 타깃을 식별하는 단계; 상기 제1 타깃과 상기 제1 표면 산란 안테나 사이의 제1 상대적인 이동에 응답하여 상기 제1 조정 가능한 방사 패턴의 실질적으로 연속적인 변화를 제공하도록 상기 하나 이상의 제1 제어 입력을 반복적으로 조정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 시스템은 하나 이상의 제어 입력에 응답하여 조정 가능한 표면 산란 안테나; 상기 하나 이상의 제어 입력을 제공하도록 구성되는 안테나 제어 회로; 및 상기 표면 산란 안테나의 피드 구조에 결합되는 통신 회로를 포함한다.

전술한 본원 발명의 과제 해결 수단에 따라 표면 산란 안테나에 배치된 복수의 산란 소자를 각각 조정하여, 다양한 동작을 수행하도록 할 수 있다.

도 1은 표면 산란 안테나(surface scattering antenna)의 개략도이다.
도 2a 및 2b는 표면 산란 안테나에 대한 예시적인 조정 패턴(adjustment pattern) 및 대응하는 빔 패턴(beam pattern)을 각각 도시한다.
도 3a 및 3b는 표면 산란 안테나에 대한 다른 예시적인 조정 패턴 및 대응하는 빔 패턴을 각각 도시한다.
도 4a 및 4b는 표면 산란 안테나를 위한 다른 예시적인 조정 패턴 및 대응하는 장 패턴(field pattern)을 각각 도시한다.
도 5 및 6은 표면 산란 안테나의 단위 셀(unit cell)을 도시한다.
도 7은 메타물질 소자(metamaterial element)의 예시를 도시한다.
도 8은 표면 산란 안테나의 마이크로스트립(microstrip) 실시예를 도시한다.
도 9는 표면 산란 안테나의 공면 도파관(coplanar waveguide) 실시예를 도시한다.
도 10 및 11은 표면 산란 안테나의 폐쇄 도파관(closed waveguide) 실시예를 도시한다.
도 12는 산란 소자가 직접 주소 지정(direct addressing)되는 표면 산란 안테나를 도시한다.
도 13은 산란 소자가 매트릭스 주소 지정(matrix addressing)되는 표면 산란 안테나를 도시한다.
도 14는 시스템 블록도를 도시한다.
도 15 및 16은 흐름도를 도시한다.

이하의 상세한 설명에서 본 개시의 일부를 이루는 첨부된 도면이 참조된다. 문맥에서 달리 지시하고 있지 않은 한, 도면에서 유사한 부호는 전형적으로 유사한 구성을 나타낸다. 상세한 설명, 도면, 그리고 청구범위에 설명되는 예시적인 실시예는 제한적으로 해석되어서는 안 된다. 본 개시에서 제시되는 대상의 범위 또는 사상에서 벗어나지 않으면서도 다른 실시예가 이용될 수 있거나, 다른 변경이 이루어질 수 있다.

표면 산란 안테나의 개략도가 도 1에서 도시된다. 표면 산란 안테나(100)는 파동 전파 구조(wave-propagating structure)(104)를 따라 분포되는 복수의 산란 소자(102a, 102b)를 포함한다. 파동 전파 구조(104)는 마이크로스트립, 공면 도파관, 평행 판 도파관, 유전체 판(dielectric slab), 폐쇄된 또는 관형(tubular) 도파관, 또는 구조 내에서 또는 그를 따라 가이드되는 파동 또는 표면파(surface wave)(105)의 전파를 지원할 수 있는 임의의 다른 구조일 수 있다. 파상 선(wavy line)(105)은 가이드되는 파동 또는 표면파의 상징적인 도시이고, 이러한 상징적인 도시는 가이드되는 파동 또는 표면파의 실제 파장(wavelength) 또는 진폭(amplitude)을 나타내도록 의도된 것은 아니다. 게다가, (예컨대, 금속의 도파관 내에서 가이드되는 파동에 관해서는) 파상 선(105)이 파동 전파 구조(104) 내에 도시되는 반면, 표면파에 대해, (예컨대, 단일의 와이어 전송 선 상에서의 TM 모드 또는 인공 임피던스 표면 상에서의 "스푸프 플라스몬(spoof plasmon)"에 관해) 파동은 파동 전파 구조 외부에 실질적으로 국한될 수 있다. 산란 소자(102a, 102b)는 파동 전파 구조(104) 내에 넣어지거나(embedded), 파동 전파 구조(104)의 표면 상에 위치되거나, 파동 전파 구조(104)의 에바네센트 근접(evanescent proximity) 내에 위치되는 메타물질 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 산란 소자는, 여기에서 참조에 의해 포함되는 미국 특허 출원 공개 제2010/0156573호인 D. R. 스미스(D. R. Smith) 등의 "표면 및 도파관을 위한 메타 물질"에 나타난 것들과 같은 상호 보완적인 메타물질 소자를 포함할 수 있다.

표면 산란 안테나는, 피드 구조(feed structure)(108)에 파동 전파 구조(104)를 결합하도록 구성되는 적어도 하나의 피드 연결기(feed connector)(106)를 또한 포함한다. (동축 케이블(coaxial cable)로서 개략적으로 도시된) 피드 구조(108)는 전송 선, 도파관 또는, 피드 연결기(106)를 통해 파동 전파 구조(104)의 가이드되는 파동 또는 표면파(105)로 발사(launch)되는 전자기적 신호를 제공할 수 있는 임의의 다른 구조일 수 있다. 피드 연결기(106)는, 예를 들어, 동축-마이크로스트립(coaxial-to-microstrip) 연결기(예컨대, SMA-PCB 어댑터), 동축-도파관 연결기, 모드-매치된 전송 섹션 등일 수 있다. 도 1은 가이드되는 파동 또는 표면파(105)가 파동 전파 구조의 주변(peripheral) 영역으로부터(예컨대, 마이크로스트립의 말단으로부터 또는 평행 판 도파관의 가장자리로부터) 발사될 수 있는 "말단-발사(end-launch)" 구성으로 피드 연결기를 도시하고 있으나, 다른 실시예에서, 피드 구조는 파동 전파 구조의 주변이 아닌(non-peripheral) 부분에 부착되어, 가이드되는 파동 또는 표면파(105)가 파동 전파 구조의 주변이 아닌 부분으로부터(예컨대, 마이크로스트립의 중점으로부터 또는 평행 판 도파관의 상부 또는 하부 판에 뚫린 구멍을 통해) 발사될 수 있으며, 또 다른 실시예는, (주변 및/또는 주변이 아닌) 복수의 위치에서 파동 전파 구조에 부착되는 복수의 피드 연결기를 제공할 수 있다.

산란 소자(102a, 102b)는 하나 이상의 외부 입력에 응답하여 조정 가능한 전자기적 속성을 가지는 조정 가능한 산란 소자이다. 조정 가능한 산란 소자의 다양한 실시예가, 예를 들어, 앞에서 인용된, D. R. 스미스 등에 기술되어 있고, 본 개시에서 더 기술된다. 조정 가능한 산란 소자는, 전압 입력(예컨대, (버랙터(varactor), 트랜지스터, 다이오드와 같은) 능동 소자에 대한 또는 (강유전체(ferroelectric)와 같은) 조율 가능한 유전성 물질을 포함하는 소자에 대한 바이어스 전압), 전류 입력(예컨대, 능동 소자 내로 전하 운반체의 직접적인 주입), 광학 입력(예컨대, 광능동(photoactive) 물질의 조사(illumination)), 장(field) 입력(예컨대, 비선형 자기 물질을 포함하는 소자에 대한 자기장), 기계적 입력(예컨대, MEMS, 액추에이터(actuator), 유압식 기계(hydraulics)) 등에 응답하여 조정 가능한 소자를 포함할 수 있다. 도 1의 개략적인 예시에서, 제1 전자기적 속성을 가지는 제1 상태로 조정된 산란 소자가 제1 소자(102a)로서 도시되는 한편, 제2 전자기적 속성을 가지는 제2 상태로 조정된 산란 소자가 제2 소자(102b)로서 도시된다. 제1 및 제2 전자기적 속성에 대응하는 제1 및 제2 상태를 가지는 산란 소자의 도시는 제한하는 것으로 의도된 것은 아니고, 실시예는 이산적인 복수의 상이한 전자기적 속성에 대응하는 이산적인 복수의 상태로부터 선택하도록 이산적으로 조정 가능하거나, 연속적인 상이한 전자기적 속성에 대응하는 연속적인 상태로부터 선택하도록 연속적으로 조정 가능한 산란 소자를 제공할 수 있다. 게다가, 도 1에 도시된 조정의 특정 패턴[즉, 소자(102a 및 102b)의 교대 배열]은 단지 예시적인 구성일 뿐 제한하는 것으로 의도되지 않는다.

도 1의 예시에서, 산란 소자(102a, 102b)는, 각각 제1 및 제2 전자기적 속성의 함수인 가이드되는 파동 또는 표면파(105)로의 제1 및 제2 결합(coupling)을 가진다. 예를 들어, 제1 및 제2 결합은 가이드되는 파동 또는 표면파의 주파수대 또는 주파수에서의 산란 소자의 제1 및 제2 편파 능력(polarizability)일 수 있다. 일 접근법에서, 제1 결합은 실질적으로 영(zero)이 아닌 결합이고, 제2 결합은 실질적으로 영의 결합이다. 다른 접근법에서, 두 결합은 실질적으로 영은 아니지만 제1 결합은 제2 결합보다 실질적으로 더 크다(또는 더 작다). 제1 및 제2 결합으로, 제1 및 제2 산란 소자(102a, 102b)는 가이드되는 파동 또는 표면파(105)에 응답하여 각각 제1 및 제2 결합의(예컨대 이에 비례하는) 함수인 진폭을 가지는 복수의 산란되는 전자기파를 생성한다. 산란되는 전자기파의 중첩은, 이러한 예시에서, 표면 산란 안테나(100)로부터 방사하는 평면파(110)로서 도시되는 전자기파를 포함한다.

평면파의 발생은 산란 소자 조정의 특정 패턴을(예컨대, 도 1에서의 제1 및 제2 산란 소자의 교대 배열), 평면파(110)를 생성하기 위해 가이드되는 파동 또는 표면파(105)를 산란하는 회절 격자(grating)를 정의하는 패턴으로 간주함으로써 이해될 수 있다. 이러한 패턴이 조정 가능하므로, 표면 산란 안테나의 일부 실시예는 조정 가능한 회절 격자 또는 더 일반적으로는 홀로그램을 제공할 수 있고, 산란 소자의 조정 패턴은 홀로그래피의 원리에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 가이드되는 파동 또는 표면파는 파동 전파 구조(104)에 따라서 위치의 함수인 복소 스칼라 입력파

에 의해 표현될 수 있고, 표면 산란 안테나는 다른 복소 스칼라 파동인

에 의해 표현될 수 있는 출력파를 생성하는 것이 요구된다고 가정한다. 그렇다면 파동 전파 구조에 따라서 입력파 및 출력파의 간섭 패턴에 대응하는 산란 소자의 조정 패턴이 선택될 수 있다. 예를 들어, 산란 소자는,

에 의해 주어지는 (예컨대, 그에 비례하거나, 그의 계단-함수인) 간섭 조건의 함수인 가이드되는 파동 또는 표면파로의 결합을 제공하도록 조정될 수 있다. 이러한 방식으로, 표면 산란 안테나의 실시예는 선택된 빔 패턴에 대응하는 출력파

를 식별하고, 이후 그에 따라 산란 소자를 조정함으로써, 임의의 안테나 방사 패턴을 제공하도록 조정될 수 있다. 그러므로, 표면 산란 안테나의 실시예는, 예를 들어 선택된 빔 방향(예컨대, 빔 조종), 선택된 빔 너비 또는 형상(예컨대 넓거나 좁은 빔너비(beamwidth)를 가지는 부채형 또는 연필형 빔), 선택된 널(null)의 배열(예컨대, 널 조종), 다수의 빔의 선택된 배열, 선택된 편파 상태(예컨대, 선형, 원형 또는 타원형 편파), 선택된 전체 위상, 또는 그들의 임의의 조합을 제공하도록 조정될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 표면 산란 안테나의 실시예는 선택된 근거리장 방사 프로파일(near field radiation profile)을 제공하기 위해, 예컨대 근거리장 포커싱(near-field focusing) 및 또는 근거리장 널(near-field null)을 제공하기 위해 조정될 수 있다.

간섭 패턴의 공간적인 해상도가 산란 소자의 공간적인 해상도에 의해 제한되므로, 산란 소자는 장치의 동작 주파수에 대응하는 자유 공간 파장(free-space wavelength)보다 훨씬 더 적은(예를 들어 이러한 자유 공간 파장의 오분의 일의 사분의 일보다 적은) 소자 간 간격을 가지는 파동 전파 구조를 따라서 배열될 수 있다. 일부 접근법에서, 동작 주파수는 센티미터-스케일의 자유 공간 파장에 대응하는 Ka, Ku 및 Q와 같은 주파수대로부터 선택되는 마이크로웨이브 주파수이다. 이러한 길이 스케일은 후술되는 바와 같이, 종래의 인쇄 회로 기판 기술을 사용하는 산란 소자의 제조를 수용한다.

일부 접근법에서, 표면 산란 안테나는 산란 소자의 실질적으로 일차원의 배열을 가지는 실질적으로 일차원의 파동 전파 구조(104)를 포함하고, 이러한 일차원 배열의 조정 패턴은 예를 들어 천정각(zenith angle)[즉, 일차원 파동 전파 구조에 평행한 천정방향(zenith direction)에 대함]의 함수로서 선택된 안테나 방사 프로파일을 제공할 수 있다. 다른 접근법에서, 표면 산란 안테나는 산란 소자의 실질적으로 이차원의 배열을 가지는 실질적으로 이차원의 파동 전파 구조(104)를 포함하고, 이러한 이차원 배열의 조정 패턴은 예를 들어 천정각 및 방위각(azimuth angle)[즉, 이차원 파동 전파 구조에 수직인 천정 방향에 대함]둘 다의 함수로서 선택된 안테나 방사 프로파일을 제공할 수 있다. 평면의 직사각형의 파동 전파 구조 상에서 분포되는 산란 소자의 이차원 배열을 포함하는 표면 산란 안테나에 대한 예시적인 조정 패턴 및 빔 패턴이 도 2a-4b에서 도시된다. 이러한 예시적인 실시예에서, 평면의 직사각형의 파동 전파 구조는 구조의 기하학적 중심에서 위치되는 모노폴 안테나 피드(monopole antenna feed)를 포함한다. 도 2a는 도 2b의 빔 패턴도에 의해 도시되는 선택된 천정 및 방위를 가지는 좁은 빔에 대응하는 조정 패턴을 제시한다. 도 3a는 도 3b의 빔 패턴도에 의해 도시되는 이중 빔 원거리장 패턴에 대응하는 조정 패턴을 제시한다. 도 4a는 (직사각형의 파동 전파 구조의 긴 크기를 양분하고, 이에 대해 수직인 평면에 따라서 장 세기를 도시하는) 도 4b의 장 세기에 의해 도시되는 근거리장 포커싱을 제공하는 조정 패턴을 제시한다.

일부 접근에서, 파동 전파 구조는 모듈러(modular) 파동 전파 구조이고, 복수의 모듈러 파동 전파 구조는 모듈러 표면 산란 안테나를 구성하도록 조립될 수 있다. 예를 들어, 복수의 실질적으로 일차원의 파동 전파 구조가 예를 들어 산란 소자의 유효 이차원 배열을 생성하기 위한 깍지(interdigital) 형식으로 배열될 수 있다. 깍지 배열은 예를 들어, 이차원 표면 영역을 실질적으로 채우는, 일련의 인접한 선형 구조(즉, 일련의 평행 직선) 또는 일련의 인접한 곡선 구조(즉, 사인곡선과 같은 일련의 연속적으로 파생된 곡선)를 포함할 수 있다. 다른 예시로서, 복수의 실질적으로 이차원의 파동 전파 구조(이들 각각은 위와 같은 일련의 일차원의 구조를 스스로 포함할 수 있음)가 더 많은 수의 산란 소자를 가지는 더 큰 애퍼처(aperture)를 생성하도록 조립될 수 있고, 그리고/또는 복수의 실질적으로 이차원의 파동 전파 구조는 삼차원 구조로서 조립될 수 있다(예컨대, A-프레임 구조, 피라미드 구조 또는 다른 다중면 구조를 형성함). 이러한 모듈러 조립에서, 복수의 모듈러 파동 전파 구조의 각각은 자신의 피드 연결기(106)를 가질 수 있고, 및/또는 파동 전파 구조는, 제1 모듈러 파동 전파 구조의 가이드되는 파동 또는 표면파를, 제2 모듈러 파동 전파 구조의 가이드되는 파동 또는 표면파로, 두 구조 사이의 연결에 의하여 결합하도록 구성될 수 있다.

모듈러 접근의 일부 응용에서, 조립될 모듈의 수는 요구되는 전기 통신 데이터 용량 및/또는 서비스의 품질을 제공하는 애퍼처 크기를 달성하도록 선택될 수 있고, 및/또는 모듈의 삼차원 배열은 잠재적인 스캔 손실을 줄이도록 선택될 수 있다. 그러므로, 예를 들어, 모듈러 조립은 항공기, 우주선, 선박, 지상 운반 수단 등과 같은 운반 수단의 표면과 같은 높이의 다양한 위치/배향에서 장착되는 몇몇의 모듈을 포함할 수 있다(모듈이 인접할 필요는 없다). 이러한 및 다른 접근법에서, 파동 전파 구조는 실질적으로 선형이 아니거나 실질적으로 평면이 아닌 형상을 가질 수 있고, 그것에 의하여 특정 기하 구조 배열에 따를 수 있으며, 따라서 (예를 들어, 운반 수단의 곡선 표면에 일치하는) 등사의(conformal) 표면 산란 안테나를 제공할 수 있다.

더 일반적으로, 표면 산란 안테나는 가이드되는 파동 또는 표면파의 대응하는 산란이, 요구되는 출력파를 생성하도록 산란 소자의 조정 패턴을 선택함으로써 재구성될 수 있는 재구성 가능 안테나이다. 예를 들어, 도 1에서와 같은 파동 전파 구조(104)에 따라서(또는 모듈러 실시예에 대하여, 다수의 파동 전파 구조에 따라서) 위치 {r _j }에서 분포되고, 가이드되는 파동 또는 표면파(105)로의 각각 복수의 조정 가능한 결합 {α _j }을 가지는 복수의 산란 소자를 표면 산란 안테나가 포함한다고 가정한다. 가이드되는 파동 또는 표면파(105)는, (하나 이상의) 파동 전파 구조 내에서 또는 그에 따라 전파됨에 따라, j번째 산란 소자에 대해 진폭 A _j , 위상

을 나타내고, 후속적으로 출력파는 복수의 산란 소자로부터 산란되는 파동의 중첩으로서 생성된다.

는 원거리장 방사 구 상에서의 출력파의 전기장 성분을 나타내고,

는 결합 α _j 에 의해 일어난 여기(excitation)에 응답하여 j번째 산란 요소에 의해 생성되는 산란된 파동에 대한 (정규화된) 전기장 패턴을 나타내고,

는

에서 방사 구에 수직인 크기 ω/c의 파동 벡터를 나타낸다. 그러므로, 표면 산란 안테나의 실시예는 수학식 1에 따라 복수의 결합 {α _j }을 조정함으로써 요구되는 출력파

를 생성하기 위해 조정 가능한 재구성 가능한 안테나를 제공할 수 있다.

가이드되는 파동 또는 표면파의 진폭 A _j 및 위상

은 파동 전파 구조(104)의 전파 특징의 함수이다. 이러한 전파 특징은 예를 들어 유효 굴절률(effective refractive index) 및/또는 유효 파동 임피던스(effective wave impedance)를 포함할 수 있고, 이러한 유효한 전자기적 속성은 파동 전파 구조를 따라 산란 소자의 조정 및 배열에 의해 적어도 부분적으로 결정될 수 있다. 바꾸어 말하면, 파동 전파 구조는, 조정 가능한 분산 소자와 결합하여, 예컨대 앞서 인용된 D. R. 스미스 등에서 기술된 바와 같이 가이드되는 파동 또는 표면파의 전파를 위한 조정 가능한 유효 매체를 제공할 수 있다. 그러므로, 가이드되는 파동 또는 표면파의 진폭 A _j 및 위상

이, 조정 가능한 분산 소자 결합 {α _j }에 의존함(즉,

)에도 불구하고, 일부 실시예에서 이러한 의존성은 파동 전파 구조의 유효 매체 기술에 따라 실질적으로 예상될 수 있다.

일부 접근법에서, 재구성 가능한 안테나는 출력파

의 요구되는 편파 상태를 제공하도록 조정 가능하다. 예를 들어, 분산 소자의 제1 및 제2 부분 집합 LP ⁽¹⁾ 및 LP ⁽²⁾가 실질적으로 선형 편파되고, 실질적으로 수직인 (정규화된) 전기장 패턴

및

를 제공한다고 가정한다(예를 들어, 제1 및 제2 주체는 파동 전파 구조(104)의 표면 상에서 수직으로 배향되는 산란 소자일 수 있다). 그렇다면, 안테나 출력파

는 두 선형 편파 성분의 합산으로서 표현될 수 있다.

여기에서,

이는, 두 선형 편파된 성분의 복소 진폭이다. 따라서, 출력파

의 편파는, 예컨대 출력파에게 임의의 요구되는 편파(예컨대, 선형, 원형 또는 타원형)를 제공하도록 수학식 2-3에 따라, 복수의 결합 {α _j }을 조정함으로써 제어될 수 있다.

대안적으로 또는 추가적으로 파동 전파 구조가 복수의 피드(예컨대, 전술된 바와 같이 일차원 전파 구조의 깍지 배열의 각각의 "손가락"에 대한 하나의 피드)를 가지는 실시예에서, 요구되는 출력파

는 복수의 피드에 대한 개별적인 증폭기의 이득을 조정함으로써 제어될 수 있다. 특정 피드 선에 대해 이득을 조정하는 것은, 특정 피드 선에 의해 피드되는 이러한 소자 j에 대한 이득 인자 G만큼 A _j '를 곱하는 것에 대응할 것이다. 특히, 제1 피드를 가지는 제1 파동 전파 구조(또는 그러한 구조/피드의 제1 세트)가 LP ⁽¹⁾로부터 선택된 소자에 결합되고, 제2 피드를 가지는 제2 파동 전파 구조(또는 그러한 구조/피드의 제2 세트) 가 LP ⁽²⁾로부터 선택되는 소자에 결합되는 접근법에 대해, (예컨대, 빔이 오프-브로드사이드(off-broadside) 스캔됨에 따른) 편파 소멸 손실(depolarization loss)은 제1 피드와 제2 피드 사이의 상대적인 이득을 조정함으로써 보상될 수 있다.

도 1의 맥락에서 전술된 바와 같이, 일부 접근법에서, 표면 산란 안테나(100)는 마이크로스트립 또는 평행 판 도파관(또는 복수의 그러한 소자)로 구현될 수 있는 파동 전파 구조(104)를 포함하고, 이러한 접근법에서, 산란 소자는 앞서 인용된 D. R. 스미스 등에서 제시된 것과 같은 보충적인 메타물질 소자를 포함할 수 있다. 이제 도 5로 넘어가서, 보충적인 메타물질 소자(510)를 넣는 (구리 또는 유사한 물질로 만들어진) 하부 도전체 또는 기준 평면(502), (듀로이드, FR4 또는 유사한 물질로 만들어진) 유전체 기판(504), 및 (구리 또는 유사한 물질로 만들어진) 상부 도전체(506)를 포함하는 마이크로스트립 또는 평행 판 도파관의 예시적인 단위 셀(500)이 도시되고, 이러한 경우, CELC(complementary electric LC) 메타물질 소자는 (예컨대, PCB 프로세스에 의해) 상부 도전체에서 에칭되고 패턴화된 형상화된 애퍼처(512)에 의해 정의된다.

도 5에 도시된 것과 같은 CELC 소자는 CELC 소자의 평면에 대해 평행하게, 그리고 CELC 갭 보충물(gap complement)에 대해 수직으로, 즉 도 5의 배향에 대하여 x 방향으로 인가되는 자기장에 실질적으로 응답한다(여기에서 참조로서 포함되는, T. H. 핸드(T. H. Hand) 등의 "보충하는 전기장 결합된 공명하는 표면의 특징(Characterization of complementary electric field coupled resonant surfaces)" Applied Physics Letters 93, 212504(2008) 참고). 그러므로 마이크로스트립 또는 평행 판 도파관에서 전파하는 가이드되는 파동의 자기장 성분(도 1의 가이드되는 파동 또는 표면파(105)의 예시)은 x 방향으로 배향되는 자기 쌍극자 여기로서 실질적으로 특징화될 수 있는 소자(510)의 자기적 여기를 유도할 수 있고, 따라서 실질적으로 자기 쌍극자 방사장인 산란된 전자기파를 생성할 수 있다.

형상화된 애퍼처(512)가 상부 도전체(506)로부터 전기적으로 연결되지 않은 도전체 섬(conductor island)(514)을 또한 정의하며, 일부 접근법에서 형상화된 애퍼처(512)에 가까이에 및/또는 형상화된 애퍼처(512) 내에 조정 가능한 물질을 제공하고, 후속적으로 도전체 섬(512)과 상부 도전체(506) 사이에 바이어스 전압을 인가함으로써 산란 소자가 조정 가능해질 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 단위 셀은 액정 물질(520)의 층 내에 잠길 수 있다. 액정은 액정을 포함하는 분자의 배향의 함수인 유전율을 가지고, 배향은 액정을 가로지르는 바이어스 전압(동등하게는, 바이어스 전기장)을 인가함으로써 제어될 수 있고, 따라서, 액정은 산란 소자의 전자기적 속성의 조정에 대해 전압-조율 가능한 유전율을 제공할 수 있다.

액정 물질(520)은 예를 들어 파동 전파 구조의 상부 표면 상에 액정 함유 구조를 제공함으로써 산란 요소 가까이에 유지될 수 있다. 액정 함유 구조의 예시적인 구성이 도 5에서 도시되고, 이는 커버부(532) 및 선택적으로 상부 도전체(506)와 커버부(532) 사이의 분리를 제공하는 하나 이상의 지지부 또는 스페이서(spacer)(534)를 포함하는 액정 함유 구조를 도시한다. 일부 접근법에서, 액정 함유 구조는 파동 전파 구조의 상부 표면에 합류될 수 있는 평평한 표면을 가지는 머시닝 또는 사출성형된 플라스틱 부분이고, 평평한 표면은 산란 소자 상에 오버레이될 수 있는 하나 이상의 새김자국(indentation)(예컨대, 그루브 또는 리세스)을 포함하고, 이러한 새김자국은 예를 들어 진공 주입 프로세스에 의해 액정으로 채워질 수 있다. 다른 접근법에서, 지지부(534)는 구형의 스페이서(예컨대, 구형의 수지 입자)이거나, (예컨대, 여기에 참조로 포함되는 미국 특허 제4,874,461호인 사토(Sato) 등의 "포토리소그래피에 의해 형성되는 스페이서를 가지는 액정 장치를 제조하기 위한 방법(Method for manufacturing liquid crystal device with spacers formed by photolithography)"에 기술된) 포토리소그래피(photolithography) 프로세스에 의해 형성되는 벽 또는 기둥이고, 커버부(532)는 이후 지지부(534)에 부착되고, (예컨대, 진공 주입에 의한) 액정의 설치가 뒤따른다.

분자 배향이 디렉터(director) 장에 의해 특징지어질 수 있는 네마틱 위상 액정에 대해, 물질은 디렉터에 대해 평행인 전기장 성분에 대한 더 큰 유전율 ε_ㅁ을 제공하고 디렉터에 대해 수직인 전기장 성분에 대한 더 작은 유전율 ε_ㅗ을 제공할 수 있다. 바이어스 전압을 적용하는 것은 형상화된 애퍼처에 이르는 바이어스 전기장 선을 도입하고 디렉터는 이러한 전기장 선에 평행하게 정렬되는 경향이 있다(바이어스 전압에 따라 정렬의 정도는 증가함). 이러한 바이어스 전기장 선은 산란 소자의 산란 여기 동안 생성되는 전기장 선에 실질적으로 평행하므로, 이에 따라 바이어스된 산란 소자에 의해 보이는 유전율은 ε_ㅁ로 향하는 경향이 있다(즉, 바이어스 전압의 증가에 따라). 한편, 바이어스되지 않은 산란 소자에 의해 보이는 유전율은 액정의 바이어스되지 않은 구성에 의존할 수 있다. 바이어스되지 않은 액정이 최대한으로 무질서인 경우(즉, 무작위로 배향된 마이크로도메인), 바이어스되지 않은 산란 소자는 평균적인 유전율

을 볼 수 있다. 바이어스되지 않은 액정이 바이어스 전기장 선에 수직으로 최대한으로 정렬되는 경우(즉, 바이어스 전기장의 인가에 앞서), 바이어스되지 않은 산란 소자는 ε_ㅗ 만큼 작은 유전율을 볼 수 있다. 따라서, (산란 소자의 유효 전기 용량의 조율의 더 큰 범위에 대응하고, 따라서 산란 소자의 공명 주파수의 조율의 더 큰 범위에 대응하는) 산란 소자에 의해 보이는 유전율 조율의 더 큰 범위를 달성하는 것이 요구되는 실시예에서, 단위 셀(500)은 액정 층(510)의 상부 및/또는 하부 층에 배치된 위치 의존 정렬 층(positionally-dependent alignment layer)을 포함할 수 있고, 위치 의존 정렬 층은 인가된 바이어스 전압에 대응하는 바이어스 전기장 선에 대해 실질적으로 수직인 방향으로 액정 디렉터를 정렬하도록 구성될 수 있다. 정렬 층은, 예를 들어 형상화된 애퍼처(512)의 채널에 평행하게 연속하는 미시적인 그루브를 도입하기 위해 탁본(rubbing)되거나 (예컨대, 머시닝 또는 포토리소그래피에 의해) 패턴화된 폴리이미드 층을 포함할 수 있다.

대안적으로 또는 추가적으로, 단위 셀은 (예컨대, 전술된 바와 같이, 상부 도전체(506) 및 도전체 섬(514) 사이에 바이어스 전압을 도입함으로써) 형상화된 애퍼처(512)의 채널에 대해 실질적으로 수직으로 액정을 정렬하는 제1 바이어싱, 및 (예컨대, 단위 셀의 네 개의 코너(corner)에서 상부 도전체(506) 위에 위치된 전극을 도입하고 인접한 코너에서 전극에 반대 전압을 인가함으로써) 형상화된 애퍼처(512)의 채널에 대해 실질적으로 평행하게 액정을 정렬하는 제2 바이어싱을 제공할 수 있고, 산란 소자의 조율은 이후 예를 들어 제1 바이어싱 및 제2 바이어싱 사이를 교대하거나 제1 및 제2 바이어싱의 상대적인 강도를 조정함으로써 달성될 수 있다.

일부 접근법에서, 희생 층(sacrificial layer)이 형상화된 애퍼처(512)의 부근에서 액정의 더 큰 체적을 수용함으로써 액정 조정의 효과를 강화하는 데에 사용될 수 있다. 이러한 접근법의 예시가 도 6에 도시되고, 이는 유전체 기판(504)과 상부 도전체(506) 사이에 배치되는 희생 층(600)(예컨대, 폴리이미드 층)의 추가와 함께, 도 5의 단위 셀(500)의 프로파일을 도시한다. 형상화된 애퍼처(512)를 정의하기 위한 상부 도전체(506)의 에칭에 뒤따르는, 희생 층(600)의 추가의 선택적인 에칭은 액정(520) 내에 이후 채워질 수 있는 공동(602)을 생성한다. 일부 접근법에서, 다른 마스킹 층이 희생 층(600)의 선택적인 에칭의 패턴을 정의하기 위해 (상부 도전체(506)에 의한 마스킹에 대해 추가적으로 또는 마스킹 대신) 사용된다.

다양한 실시예에 배치될 수 있는 예시적인 액정은 4-시아노-4'-펜틸바이페닐(4-Cyano-4'-pentylbiphenyl), LCMS-107[LC 매터(LC Matter)] 또는 GT3-23001[머크(Merck)]와 같은 높은 복굴절의 공융 LC 혼합물을 포함한다. 일부 접근법은 이중 주파수 액정을 이용할 수 있다. 이중 주파수 액정에서, 디렉터는 낮은 주파수에서 인가되는 바이어스 장에 대해 실질적으로 평행하게 정렬하지만, 높은 주파수에서 인가되는 바이어스 장에 대해 실질적으로 수직으로 정렬한다. 따라서, 이러한 이중 주파수 액정을 배치하는 접근법에 대해, 산란 소자의 조율은 인가된 바이어스 전압 신호의 주파수를 조정함으로써 달성될 수 있다. 다른 접근법은 일반적으로 액정에 대해 더 짧은 완화/스위칭 시간을 제공하는, PNLC(polymer network liquid crystal) 또는 PDLC(polymer dispersed liquid crystal)를 배치할 수 있다. 전자의 예시는 (LCMS-107과 같은) 네마틱의 LC 호스트에서 (BPA-디메타크릴레이트와 같은) 폴리머의 열 또는 UV 경화된 혼합물이고, 여기에서 참조로써 포함되는 Y.H. 판(Y.H. Fan) 등의 "적외선 모듈레이터를 위한 빠른 응답 및 분산 자유 폴리머 네트워크 액정(Fast-response and scattering-free polymer network liquid crystals for infrared light modulators)", Applied Physics Letters 84, 1233-35 (2004)을 참고한다. 후자의 예시는 (LCMS-107과 같은) 네마틱 LC가 주입된 (PTFE 박막과 같은) 다공성의 폴리머 물질이고, 여기에서 참조로써 포함되는, T. 쿠키(T. Kuki) 등의 "액정이 주입된 박막을 사용한 마이크로웨이브 변이성의 지연선(Microwave variable delay line using a membrane impregnated with liquid crystal)", Microwave Symposium Digest, 2002 IEEE MTT-S International, vol. 1, pp. 363-366 (2002)을 참고한다.

도전체 섬(514)과 상부 도전체(506) 사이에 바이어스 전압을 제공하기 위한 접근법으로 이제 돌아와서, 상부 도전체(506)는 하나의 단위 셀로부터 다음으로 인접하여 확장하므로 모든 단위 셀의 상부 도전체로의 전기적인 연결은 그의 단위 셀(500)이 구성요소인 평행 판 도파관 또는 마이크로스트립의 상부 도전체로의 단일 연결에 의해 만들질 수 있음이 우선 언급된다. 도전체 섬(514)에 관해서는, 도 5가 바이어스 전압 선(530)이 어떻게 도전체 섬으로 부착될 수 있는지에 대한 예시를 도시한다. 이러한 예시에서, 바이어스 전압 선(530)은 도전체 섬의 중심에 부착되고, 산란 소자의 대칭의 면을 따라 도전체 섬으로부터 멀리 확장하며, 대칭의 면을 따르는 이러한 위치에 의하여, 산란 소자의 산란 여기 동안 바이어스 전압 선에 의해 경험되는 전기장은 바이어스 전압 선에 대해 실질적으로 수직이므로 산란 소자의 산란 속성을 붕괴하거나 변경할 수 있는 바이어스 전압 선에서의 전류를 여기하지 않는다. 바이어스 전압 선(530)은 예를 들어 절연 층(예컨대, 폴리이미드)을 퇴적하고, 도전체 섬(514)의 중심에서 절연 층을 에칭하고, 이후 바이어스 전압 선(530)을 정의하는 도전체 필름(예컨대, Cr/Au 이중층)을 패턴화하기 위해 리프트-오프 프로세스를 사용함으로써 단위 셀에 설치될 수 있다.

도 7a-7h는 표면 산란 안테나의 다양한 실시예에 따라 사용될 수 있는 다양한 CELC 소자를 도시한다. 이들은 예시적인 소자의 개략적인 도시이고, 스케일에 맞춰 도시되지는 않으며, 다양한 실시예에 대해 적절한, 다양한 가능한 CELC 소자를 단지 대표함이 의도된 것이다. 도 7a는 도 5에서 사용된 소자에 대응한다. 도 7b는 7a의 CELC 소자에 대해 위상 동형(topologically equivalent)이지만, 소자의 암(arm)의 길이를 증가시키기 위해 물결형의 경계를 사용함으로써 소자의 전기 용량을 증가시키는 대안적인 CELC 소자를 도시한다. 도 7c 및 도 7d는 편파 제어를 제공하기 위해 이용될 수 있는 한 쌍의 소자 유형을 도시한다. 이러한 수직의 소자가 y 방향으로 배향되는 자기장을 가지는 가이드되는 파동 또는 표면파에 의해 여기되는 경우, 이러한 인가된 자기장은, 7c 또는 7d의 소자 각각에 대해 x 방향에 대해 +45도 또는 -45도로 배향되는 자기 쌍극자 여기로서 실질적으로 특징화될 수 있는 자기적 여기를 생성한다. 도 7e 및 7f는 CELC 소자의 암이 ±45도 각도로 또한 기울어진 그러한 수직의 CELC 소자의 변형을 도시한다. 쌍극자 응답을 일으키는 CELC 소자의 영역 모두가 여기 장에 대해 수직으로 배향되거나(따라서, 여기되지 않음) 그러한 장에 대해 45도 각도로 배향되기 때문에, 이러한 기울어진 고안은 잠재적으로 더 순수한 자기 쌍극자 응답을 제공한다. 마지막으로, 도 7g 및 7h는 도 7b의 물결형의 CELC 소자의 유사하게 기울어진 변형을 도시한다.

도 5는 마이크로스트립과 같은 파동 전파 구조의 상부 도전체(506) 상에서 패턴화되는 메타물질 소자(510)의 예시를 나타내며, 다른 접근법에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 메타물질 소자는 마이크로스트립 자신 위에 위치되지 않고, 그렇다기 보다는, 마이크로스트립의 에바네센트(evanescent) 근접 내에(즉, 마이크로스트립의 가장자리장(fringing field) 내에) 위치된다. 그러므로, 도 8은 기준 평면(802), 유전체 기판(804) 및 상부 도전체(806)를 가지고, 도전성 스트립(808)이 마이크로스트립의 양쪽 면을 따라 위치되는 마이크로스트립 구성을 도시한다. 이러한 도전성 스트립(808)은 형상화된 애퍼처(812)에 의해 정의되는 보충적인 메타물질 소자(810)를 넣는다. 이러한 예시에서, 보충적인 메타물질 소자는 도 7b에서 도시되는 것과 같은 물결형의 경계인 CELC 소자이다. 도 8에서 도시된 바와 같이, 비아(via)(840)가 바이어스 전압 선(830)을 각각의 메타물질 소자의 도전체 섬(814)으로 연결하는 데에 사용될 수 있다. 그 결과로, 이러한 구성은, 층 1은 마이크로스트립 신호 트레이스 및 메타물질 소자를 제공하고, 층 2는 마이크로스트립 기준 평면 및 바이어싱 트레이스를 제공하는 2층(사이에 오는 유전체를 가지는 두 도전체 층) PCB 프로세스를 사용하여 쉽게 구현될 수 있다. 유전체 및 도전체 층은 구리를 입힌 로저스 5880(Rogers 5880)과 같은 높은 효율을 가지는 물질일 수 있다. 앞에서와 같이, 조율은 메타물질 소자(810) 위에 액정층(미도시)을 배치함으로써 달성될 수 있다.

또 다른 접근법에서, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 파동 전파 구조는 CPW(공면 도파관)이고, 메타물질은 공면 도파관의 에바네센트 근접 내에(즉, 그의 가장자리장 내에) 위치된다. 그러므로 도 9a 및 9b는 하부 기준 평면(902), CPW 신호 트레이스(907)의 양측의 중앙 기준 평면(906) 및 보충적인 메타물질 소자(920)를 넣는 상부 기준 평면(910)을 가지는 공면 도파관을 도시한다(하나만이 도시되었으나, 본 접근법은 CPW의 길이를 따라서 일련의 이러한 소자를 위치시킴). 이러한 연속하는 도전체 층은 유전체 층(904, 908)에 의해 분리된다. 공면 도파관은 CPW의 높은 차수의 모드를 잘라버리는 데에 이용될 수 있고, 그리고/또는 인접한 CPW(미도시)와의 혼선(crosstalk)을 줄일 수 있는 비아(930)의 콜로네이드(colonnade)에 의해 경계지어질 수 있다. CPW 스트립 너비(909)는 메타물질 소자(920)로의 결합을 제어하기 위해, 예컨대 애퍼처 효율을 개선하고 및/또는 빔 프로파일의 애퍼처 가늘어짐(tapering)을 제어하기 위해, CPW 의 길이를 따라서 변화될 수 있다. CPW 갭 너비(911)는 선 임피던스의 제어로 조정될 수 있다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 제3 유전체 층(912) 및 관통 비아(through-via)(940)는 바이어스 전압 선(950)을 각각의 메타물질 소자의 도전체 섬(922) 및 구조의 이면에 놓인 바이어싱 패드(952)로 연결하는 데에 사용될 수 있다. 제3 유전체 층(912) 내의 채널(924)은 도전성 소자의 형상화된 애퍼처의 부근 내에서 액정(미도시)의 배치를 수용한다. 구성은 4층(사이에 오는 세 개의 유전체 층을 가지는 네 개의 도전체 층) PCB 프로세스를 사용하여 구현될 수 있다. 이러한 PCB는 전기 도금 및 무전해 도금 기법뿐만 아니라 관통 비아, 블라인드(blind) 비아, 및 베리드(buried) 비아와 함께 적층 단계를 사용하여 제조될 수 있다.

도 10 및 11에 도시된 또 다른 접근법에서, 파동 전파 구조는 폐쇄되거나 관형의 도파관이고, 메타물질 소자는 폐쇄된 도파관의 표면을 따라서 위치된다. 그러므로 도 10은 홈통(trough)(1002)에 의해 정의되는 직사각형의 횡단면 및 메타물질 소자(1010)를 넣는 도전체 표면(1004)을 가지는 폐쇄되거나 관형의 도파관을 도시한다. 내부 단면도(cutaway)가 도시하듯이, 유전체 층(1022)을 통하는 비아(1020)는 메타물질 소자의 도전체 섬(1012)으로 바이어스 전압 선(1030)을 연결하는 데에 사용될 수 있다. 홈통(1002)은 폐쇄된 도파관의 "바닥 및 벽"을 제공하기 위해 밀링되거나 주조(cast)되는 금속의 조각으로서 구현될 수 있고, 도파관 "천장"은 바이어싱 트레이스(1030)를 제공하는 상부 층 및 메타물질 소자(1010)를 제공하는 바닥 층을 가지는 2층 인쇄 회로 기판으로서 구현될 수 있다. 도파관은 메타물질 소자의 조율을 수용하기 위해 액정으로 채워질 수 있는 더 작은 홈통(1050)을 가지는 (PTFE와 같은) 유전체(1040)로 로드(load)될 수 있다.

도 11에 도시되는 대안적인 폐쇄 도파관 실시예에서, 직사각형의 횡단면을 가지는 폐쇄된 도파관은 홈통(1102) 및 도전체 표면(1104)에 의해 정의된다. 단위 셀 내부 단면도가 도시하는 바와 같이, 도전체 표면(1104)은 가이드되는 파동 및 공진기(resonator) 소자(1110) 사이의 결합을 수용하는 아이리스(iris)(1106)를 가진다. 이러한 예시에서, 보충적인 메타물질 소자는 도 7b에서 도시되는 것과 같은 물결형의 경계인 CELC 소자이다. 도면이 직사각형의 결합 아이리스를 도시한 반면, 다른 형상이 사용될 수 있고, 아이리스의 크기는 산란 소자로의 결합을 제어하기 위해(예컨대, 빔 프로파일의 애퍼처 가늘어짐을 제어하고 및/또는 애퍼처 효율을 개선하기 위해) 도파관의 길이를 따라서 변화될 수 있다. 유전체 층(1122)을 통하는 한 쌍의 비아(1120)는 메타물질 소자의 도전체 섬(1112)으로 바이어스 전압 선(1130)을 연결하기 위해 짧은 라우팅 선(routing line)(1125)과 함께 사용될 수 있다. 홈통(1102)은 폐쇄된 도파관의 "바닥 및 벽"을 제공하기 위해 주조 또는 밀링되는 금속의 조각으로서 구현될 수 있고, 도파관 "천장"은 메타물질 소자(1110)(및 바이어싱 트레이스(1130))를 제공하는 상부 층 및 아이리스(1106)(및 바이어싱 라우팅(1125))를 제공하는 하부 층을 가지는 2층 인쇄 회로 기판으로서 구현될 수 있다. 메타물질 소자(1110)는, 인접한 단위 셀 사이의 혼선 또는 결합을 줄이기 위해 유전체 층(1122)을 통해 확장하는 비아(1150)의 콜로네이드에 의해 선택적으로 경계지어질 수 있다. 앞선 바와 같이, 조율은 메타물질 소자(1110) 위에 액정 층(미도시)을 배치함으로써 달성될 수 있다.

도 10 및 11의 도파관 실시예가 단순한 직사각형의 횡단면을 가지는 도파관을 제공하는 반면, 일부 접근법에서 도파관은 (이중 융기(double-ridged) 도파관에서와 같이) 하나 이상의 융기를 포함할 수 있다. 융기가 있는 도파관은 단순한 직사각형의 도파관보다 더 넓은 주파수대를 제공할 수 있고, 융기 기하 구조(너비/높이)는, 산란 소자로의 결합을 제어하기 위해(예컨대, 애퍼처 효율을 개선하고 및/또는 빔 프로파일의 애퍼처 가늘어짐을 제어하기 위해) 및/또는 (예컨대, SMA 연결기 피드로부터) 매끄러운 임피던스 전이를 제공하기 위해 도파관의 길이를 따라서 변화될 수 있다.

다양한 접근법에서, 바이어스 전압 선은, 예컨대 안테나 제어 회로로의 연결을 위한 패드 구조로 각각의 산란 소자에 대한 바이어스 전압 선을 확장함으로써 직접 주소 지정될 수 있거나, 예컨대 행렬에 의해 주소 지정 가능한 전압 바이어스 회로를 각각의 산란 소자에 제공함으로써 매트릭스 주소 지정될 수 있다. 도 12는 산란 소자로 개별적인 바이어스 전압을 전달하기 위해 복수의 바이어스 전압 선(1204)이 마이크로스트립의 길이를 따라서 연속하는 마이크로스트립(1202)의 표면 상에서의 산란 소자(1200)의 배열에 대한 직접 주소 지정을 제공하는 구성의 예시를 도시한다(대안적으로, 바이어스 전압 선(1204)은 마이크로스트립에 대해 수직으로 연속될 수 있고, 마이크로스트립의 길이를 따라서 비아 또는 패드로 확장될 수 있다). (도면은 예컨대, 편파 제어를 제공하기 위해, 산란 소자가 어떻게 수직의 배향을 가지면서 배열될 수 있는지에 대한 예시를 또한 도시하고, 이러한 배열에서, 마이크로스트립을 따라서 전파하는 가이드되는 파동은 y 방향으로 실질적으로 배향되는 자기장을 가지고, 그러므로 x 방향에 대해 ±45도로 배향되는 자기 쌍극자 여기로서 실질적으로 특징화될 수 있는 자기적 여기를 생성하는, 산란 소자의 두 배향에 결합될 수 있다). 도 13은 (예컨대, 평행 판 도파관의 표면 상에서) 산란 소자(1300)의 배열에 대한 매트릭스 주소 지정을 제공하는 구성의 예시를 도시하고, 여기에서 각각의 산란 소자는 행 입력(1306) 및 열 입력(1308)에 의해 주소 지정 가능한 바이어싱 회로(1304)로 바이어스 전압 선(1302)에 의해 연결된다(각각의 행 입력 및/또는 열 입력은 하나 이상의 신호를 포함할 수 있고, 예컨대, 각각의 행 또는 열은 그 행 또는 열에 전용인 일련의 평행 와이어 또는 단일의 와이어에 의해 주소 지정될 수 있음을 언급한다). 각각의 바이어싱 회로는 예를 들어 스위칭 장치(예컨대, 트랜지스터), 저장 장치(예컨대, 캐패시터), 및/또는 로직/멀티플렉싱 회로, 디지털-아날로그 변환 회로 등과 같은 추가적인 회로를 포함할 수 있다. 이러한 회로는 모놀리식 집적화(monolithic integration)를 사용하여, 예컨대, TFT(thin-film transistor) 프로세스를 사용하여, 또는 예컨대, SMT(surface mount technology)를 사용하여 파동 전파 구조 상에 마운트되는 집적 회로의 하이브리드 조립으로 쉽게 제조될 수 있다. 일부 접근법에서, 바이어스 전압은 AC 바이어스 신호의 진폭을 조정함으로써 조정될 수 있다. 다른 접근법에서, 바이어스 전압은 AC 신호로 펄스 폭 변조를 적용함으로써 조정될 수 있다.

이제 도 14를 참조하여, 예시적인 실시예가 시스템 블록도로서 도시된다. 시스템(1400)은 하나 이상의 피드(1412)에 의해 안테나 유닛(1420)으로 결합되는 통신 유닛(1410)을 포함한다. 통신 유닛(1410)은 예를 들어 모바일 광대역 위성 송수신기(mobile broadband satellite transceiver) 또는 무선 또는 마이크로웨이브 통신 시스템을 위한 송신기, 수신기, 또는 송수신기 모듈을 포함할 수 있고, 데이터 멀티플렉싱/디멀티플렉싱 회로, 인코더/디코더 회로, 변조기/복조기 회로, 주파수 업컨버터/다운컨버터, 필터, 증폭기, 다이플렉스(diplex) 등을 포함할 수 있다. 안테나 유닛은 송신, 수신 또는 둘 다 하도록 구성될 수 있는 적어도 하나의 표면 산란 안테나를 포함하고, 일부 접근법에서 안테나 유닛(1420)은 다수의 표면 산란 안테나, 예컨대 송신 및 수신하도록 각각 구성되는 제1 및 제2 표면 산란 안테나를 포함할 수 있다. 다수의 피드를 가지는 표면 산란 안테나를 가지는 실시예를 위해, 통신 유닛은 MIMO 회로를 포함할 수 있다. 시스템(1400)은 안테나의 구성을 결정하는 제어 입력(1432)을 제공하도록 구성된 안테나 제어기(1430)를 또한 포함한다. 예를 들어, 제어 입력은 (예컨대, 도 12에서 도시된 것과 같은 직접 주소 지정 구성에 대한) 산란 소자 각각에 대한 입력, (예컨대, 도 13에서 도시된 것과 같은 매트릭스 주소 지정 구성에 대한) 행 입력 및 열 입력, 안테나 피드에 대한 조정 가능한 이득 등을 포함할 수 있다.

일부 접근법에서, 안테나 제어기(1430)는 선택되거나 요구되는 안테나 방사 패턴에 대응하는 제어 입력(1432)을 제공하도록 구성되는 회로를 포함한다. 예를 들어, 안테나 제어기(1430)는, 예컨대, (본 개시에서 전술된 바와 같이, 다양한 빔 방향, 빔 너비, 편파 상태 등에 대응하는) 요구되는 안테나 방사 패턴의 세트를 제어 입력(1432)에 대한 값의 대응하는 세트로 매핑하는 검색표처럼, 표면 산란 안테나의 구성의 세트를 저장할 수 있다. 이러한 검색표는 예컨대, 제어 입력 값의 범위에 대한 안테나의 전파(full-wave) 시뮬레이션을 수행함으로써 또는 테스트 환경에 안테나를 위치시키고 제어 입력 값의 범위에 대응하는 안테나 방사 패턴을 측정함으로써 미리 계산될 수 있다. 일부 접근법에서, 안테나 제어기는, 예를 들어, (예컨대, 검색표가 빔 조종각의 이산적인 증가를 단지 포함하는 경우 연속적인 빔 조종을 허용하기 위해) 검색 표에 저장되는 두 안테나 방사 패턴 사이의 제어 입력을 위한 값을 내삽함으로써 회귀 분석(regression analysis)에 따라 제어 입력을 계산하도록 이러한 검색표를 사용하도록 구성될 수 있다. 안테나 제어기(1430)는, 예컨대, (본 개시에서 전술된 바와 같이) 간섭 조건

에 대응하는 홀로그래피 패턴을 계산함으로써, 또는 본 개시에서 전술된 수학식 1에 따라 선택되거나 요구되는 안테나 방사 패턴을 제공하는 (제어 입력 값에 대응하는) 결합 {α _j }을 계산함으로써, 선택되거나 요구되는 안테나 방사 패턴에 대응하는 제어 입력(1432)을 동적으로 계산하도록 대안적으로 구성될 수 있다.

일부 접근법에서, 안테나 유닛(1420)은 (그것의 위치, 배향, 온도, 기계적 변형과 같은) 안테나의 환경적 상태를 검출하는 센서 컴포넌트를 가지는 센서 유닛(1422)을 선택적으로 포함한다. 센서 컴포넌트는 하나 이상의 GPS 장치, 자이로스코프, 온도계, 스트레인 게이지 등을 포함할 수 있고, 제어 입력(1432)이 (예컨대, 항공기와 같은 모바일 플랫폼 상에 마운트되면) 안테나의 평행 이동 또는 회전, 또는 온도 드리프트(temperature drift), 기계적 변형 등에 대해 보상하도록 조정될 수 있도록 하기 위해 센서 유닛은 센서 데이터(1424)를 제공하기 위해 안테나 제어기에 결합될 수 있다.

일부 접근법에서, 통신 유닛은 제어 입력의 피드백 조정을 위해 안테나 제어기로 피드백 신호(1434)를 제공할 수 있다. 예를 들어, 통신 유닛은 비트 오류율 신호를 제공할 수 있고, 안테나 제어기는 채널 잡음을 줄이기 위해 안테나 구성을 조정하는 피드백 회로(예컨대, DSP 회로)를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 포인팅(pointing) 또는 조종 응용을 위해, 통신 유닛은 (예컨대, 위성 비콘으로부터) 비콘(beacon) 신호를 제공할 수 있고, 안테나 제어기는 피드백 회로(예컨대, 모바일 광역 위성 송수신기에 대한 포인팅 락(pointing lock) DSP 회로)를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예가 도 15에서 프로세스 흐름도로서 도시된다. 흐름(1500)은 동작(1510)-하나 이상의 제어 입력에 응답하여 조정 가능한 표면 산란 안테나에 대한 제1 안테나 방사 패턴을 선택하는 것을 포함한다. 예를 들어, 통신 위성, 통신 기지국 또는 통신 모바일 플랫폼의 위치에서 방사 패턴의 주요 빔을 향하게 하는 안테나 방사 패턴이 선택될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 안테나 방사 패턴은 예컨대 보안 통신을 위해 또는 잡음원을 제거하기 위해, 요구되는 위치에 방사 패턴의 널을 위치시키도록 선택될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 안테나 방사 패턴은 (예컨대, Ka-주파수대 위성 통신을 위한) 원형 편파 또는 (예컨대, Ku-주파수대 위성 통신을 위한) 선형 편파와 같은, 요구되는 편파 상태를 제공하도록 선택될 수 있다. 흐름(1500)은 동작(1520)-제1 선택된 안테나 방사 패턴에 대응하는 하나 이상의 제어 입력의 제1 값을 결정하는 것을 포함한다. 예를 들어, 도 14의 시스템에서, 안테나 제어기(1430)는 검색표를 사용함으로써 또는 요구되는 안테나 방사 패턴에 대응하는 홀로그램을 계산함으로써 제어 입력의 값을 결정하도록 구성되는 회로를 포함할 수 있다. 흐름(1500)은 동작(1530)-표면 산란 안테나에 대한 하나 이상의 제어 입력의 제1값을 제공하는 것을 선택적으로 포함한다. 예를 들어, 안테나 제어기(1430)는 다양한 산란 소자로 바이어스 전압을 인가할 수 있고, 그리고/또는 안테나 제어기(1430)는 안테나 피드의 이득을 조정할 수 있다. 흐름(1500)은 동작(1540)-제1 안테나 방사 패턴과 상이한 제2 안테나 방사 패턴을 선택하는 것을 선택적으로 포함한다. 다시, 이는 예를 들어, 널의 제2 위치 또는 제2 빔 방향을 선택하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 접근법의 일 응용에서, 위성 통신 단말기는 예컨대 피크 로드 동안 용량을 최적화하기 위해, 서비스를 시작했을 수 있는 다른 위성으로 스위칭하기 위해, 또는 실패하거나 오프라인인 주요 위성으로부터 스위칭하기 위해, 다수의 위성 사이를 스위칭할 수 있다. 흐름(1500)은 동작(1550)-제2 선택된 안테나 방사 패턴에 대응하는 하나 이상의 제어 입력의 제2 값을 결정하는 것을 선택적으로 포함한다. 다시, 이는 예를 들어 홀로그래피 패턴을 계산하거나 검색표를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 흐름(1500)은 동작(1560)-표면 산란 안테나에 대한 하나 이상의 제어 입력의 제2 값을 제공하는 것을 선택적으로 포함한다. 다시, 이는 예를 들어, 바이어스 전압을 인가하는 것 및/또는 피드 이득을 조정하는 것을 포함할 수 있다.

다른 예시적인 실시예는 도 16에서 프로세스 흐름도로서 도시된다. 흐름(1600)은 동작(1610)-하나 이상의 제1 제어 입력에 응답하여 제1 조정 가능한 방사 패턴을 가지는 제1 표면 산란 안테나에 대한 제1 타깃을 식별하는 것을 포함한다. 이러한 제1 타깃은 예를 들어, 통신 위성, 통신 기지국 또는 통신 모바일 플랫폼일 수 있다. 흐름(1600)은 동작(1620)-제1 타깃과 제1 표면 산란 안테나 사이의 제1 상대적인 이동에 응답하여 제1 조정 가능한 방사 패턴의 실질적으로 연속적인 변화를 제공하도록 반복적으로 하나 이상의 제1 제어 입력을 조정하는 것을 포함한다. 예를 들어, 도 14의 시스템에서, 안테나 제어기(1430)는 예컨대, 비정지 궤도 위성의 이동을 추적하기 위해, (비행기 또는 다른 운반 수단과 같은) 모바일 플랫폼으로부터 정지 궤도 위성과의 포인팅 락을 유지하기 위해, 또는 타깃과 안테나 모두 이동하는 경우 포인팅 락을 유지하기 위해, 표면 산란 안테나의 방사 패턴을 조종하도록 구성되는 회로를 포함할 수 있다. 흐름(1600)은 동작(1630)- 하나 이상의 제2 제어 입력에 응답하여 제2 조정 가능한 방사 패턴을 가지는 제2 표면 산란 안테나에 대한 제2 타깃을 식별하는 것을 선택적으로 포함하고, 흐름(1600)은 동작(1640)-제2 타깃과 제2 표면 산란 안테나 사이의 상대적인 이동에 응답하여 제2 조정 가능한 방사 패턴의 실질적으로 연속적인 변화를 제공하도록 반복적으로 하나 이상의 제2 제어 입력을 조정하는 것을 선택적으로 포함한다. 예를 들어, 일부 응용은 (제1 비정지 궤도 위성과 같은) 제1 목표를 추적하는 주요 안테나 유닛 및 (제2 비정지 궤도 위성과 같은) 제2 목표를 추적하는 제2의 또는 보조의 안테나 유닛 둘 다를 배치할 수 있다. 일부 접근법에서, 보조의 안테나 유닛은 제2 의 목표의 위치를 추적하기 위해 (그리고 감소된 QoS(quality-of-service)에서 제2의 목표에 대한 링크를 선택적으로 보호하기 위해) 주로 사용되는 더 작은 애퍼처의 안테나(송신 및/또는 수신)를 포함할 수 있다. 흐름(1600)은 동작(1650)-제2 타깃을 제1 조정 가능한 방사 패턴의 주요 빔 내에 실질적으로 위치시키도록 하나 이상의 제1 제어 입력을 조정하는 것을 선택적으로 포함한다. 예를 들어, 제1 및 제2 안테나가 비정지 궤도 위성의 성좌(constellation)와 상호작용하는 위성 통신 단말기의 컴포넌트인 응용에서, (제2의 또는 보조 안테나에 의해 추적되는) 위성 성좌의 제2 멤버를 추적하기 위해 제1 안테나를 스위칭함으로써 "핸드오프"가 달성되는 때인, 제1 멤버가 수평선에 도달할 때까지(또는 제1 안테나가 상당한 스캔 손실을 겪을 때까지), 제1 또는 주요 안테나가 위성 성좌의 제1 멤버를 추적할 수 있다. 흐름(1600)은 동작(1660)-제1 및 제2 타깃과 상이한 제2 표면 산란 안테나에 대한 새로운 타깃을 식별하는 것을 선택적으로 포함하고, 흐름(1600)은 동작(1670)-새로운 타깃을 제2 조정 가능한 방사 패턴의 주요 빔 내에 실질적으로 위치시키도록 하나 이상의 제2 제어 입력을 조정하는 것을 선택적으로 포함한다. 예를 들어, "핸드오프" 이후, 제2 또는 보조 안테나가 위성 성좌의 제3 멤버와 함께 링크를 (예컨대, 그것이 수평선 위로 떠오름에 따라) 개시할 수 있다.

전술한 상세한 설명은 블록도, 흐름도, 및/또는 예시의 사용을 통해 장치 및/또는 프로세스의 다양한 실시예를 설명하였다. 그러한 블록도, 흐름도, 및/또는 예시가 하나 이상의 기능 및/또는 동작을 포함하는 한, 그러한 블록도, 흐름도, 또는 예시 내의 각각의 기능 및/또는 동작은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 실질적으로 그들 임의의 조합의 넓은 범위에 의해 개별적으로 및/또는 집합적으로 구현될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 일 실시예에서, 여기에서 기술된 대상의 몇몇 부분은 ASIC(Application Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array), DSP(Digital Signal Processor) 또는 다른 집적의 형태를 통해 구현될 수 있다. 그러나, 당업자라면, 여기에서 기술된 실시예의 일부 양상이, 하나 이상의 컴퓨터 상에 실행되는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램(예를 들어, 하나 이상의 컴퓨터 시스템 상에 실행되는 하나 이상의 프로그램), 하나 이상의 프로세서 상에서 실행되는 하나 이상의 프로그램(예를 들어, 하나 이상의 마이크로프로세서 상에서 실행되는 하나 이상의 프로그램), 펌웨어 또는 실질적으로 그들의 조합으로서, 전체적으로 또는 부분적으로 균등하게 집적 회로에 구현될 수 있다는 알 수 있으며, 소프트웨어 및/또는 펌웨어를 위한 코드의 작성 및/또는 회로의 설계는 본 개시에 비추어 당업자의 기술 범위 내일 것이다. 또한, 당업자라면, 여기에서 기술된 대상의 수단(mechanism)들이 다양한 형태의 프로그램 제품으로 분포될 수 있음을 이해할 것이며, 여기에서 기술된 대상의 실시예는, 분배를 실제로 수행하는데 사용되는 신호 베어링 매체(signal bearing medium)의 특정 유형과 무관하게 적용됨을 이해할 것이다. 신호 베어링 매체의 예시는, 플로피 디스크, 하드 디스크 드라이브, CD(Compact Disc), DVD(Digital Video Disk), 디지털 테이프, 컴퓨터 메모리 등과 같은 판독가능 유형의 매체 및 디지털 및/또는 아날로그 통신 매체(예를 들어, 섬유 광학 케이블, 도파관, 유선 통신 링크, 무선 통신 링크 등)와 같은 전송 유형 매체를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

일반적인 관념에서, 당업자는 다양한 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 그 임의의 조합으로 개별적으로 및/또는 집합적으로 구현될 수 있는 여기에서 기술되는 다양한 양상이 다양한 유형의 "전기 회로"로 구성될 수 있는 것으로 보여질 수 있음을 이해할 것이다. 결과적으로, 여기에서 사용되는 "전기 회로"는 적어도 하나의 이산 전기 회로를 가지는 전기 회로, 적어도 하나의 집적 회로를 가지는 전기 회로, 적어도 하나의 ASIC(application specific integrated circuit)를 가지는 전기 회로, 컴퓨터 프로그램에 의해 구성되는 범용 컴퓨팅 장치를 형성하는 전기 회로(예컨대, 여기에서 기술되는 프로세스 및/또는 장치를 적어도 부분적으로 수행하는 컴퓨터 프로그램에 의해 구성되는 범용 컴퓨터 또는 여기에서 기술되는 프로세스 및/또는 장치를 적어도 부분적으로 수행하는 컴퓨터 프로그램에 의해 구성된 마이크로프로세서), 메모리 장치(예컨대, 랜덤 액세스 메모리의 형태)를 형성하는 전기 회로, 및/또는 통신 장치(예컨대, 모뎀, 통신 스위치 또는 광학 전기 장치)를 형성하는 전기 회로를 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 당업자는 여기에서 기술된 대상이 아날로그 또는 디지털 형식 또는 그들의 일부 조합으로 구현될 수 있음을 이해할 것이다.

본 명세서에서 언급 및/또는 임의의 출원 데이터 시트에서 열거된 상기의 미국 특허, 미국 특허 출원 공개, 미국 특허 출원, 외국 특허, 외국 특허 출원 및 비특허 문헌 모두는, 본 명세서에 모순되지 않는 한 참조로 여기에 포함된다.

당업자는 여기에서 기술되는 컴포넌트(예컨대, 단계), 장치 및 객체 및 그에 수반하는 논의가 개념적인 명확성을 위한 예시로서 사용되고, 다양한 구성 수정이 당업자의 기술 수준 내에 있음을 이해할 것이다. 결과적으로, 여기에서 사용된, 설명된 구체적인 예시 및 수반하는 논의는 그들의 더 일반적인 종류의 대표일 것이 의도된다. 일반적으로, 임의의 구체적인 예시의 사용은 여기에서 그들의 종류의 대표일 것이 또한 의도되고, 여기에서 그러한 특정 컴포넌트(예컨대, 단계), 장치 및 객체를 포함하지 않음은 제한이 요구됨을 표시하는 것으로 이해되어서는 안 된다.

여기에서 실질적으로 임의의 복수 및/또는 단수의 용어의 사용에 대하여, 당업자는 맥락 및/또는 응용에 적절하도록, 복수를 단수로 및/또는 단수를 복수로 해석할 수 있다. 다양한 단수/복수의 치환은 명확성을 위해 여기에서 명시적으로 기재될 수 있다.

여기에서 기술되는 본 대상의 특정 양상이 도시되고 기술된 한편, 여기에서의 교시에 기초하여, 변화 및 수정이 여기에서 기술되는 대상 및 그 보다 넓은 양상으로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있고, 그러므로 첨부된 청구항이, 여기에서 기술되는 대상의 진정한 사상 및 범위 내의 모든 그러한 변화 및 수정을 그의 범위 내에 포함할 것임이 당업자에게 명백할 것이다. 나아가, 첨부된 청구항에 의해 발명이 정의됨이 이해될 것이다. 당업자라면, 일반적으로 본 개시에 사용되며 특히 첨부된 청구범위(예를 들어, 첨부된 청구범위)에 사용된 용어들이 일반적으로 "개방적(open)" 용어(예를 들어, 용어 "포함하는"은 "포함하지만 이에 제한되지 않는"으로, 용어 "갖는"는 "적어도 갖는"으로, 용어 "포함하다"는 "포함하지만 이에 한정되지 않는" 등으로 해석되어야 함)로 의도되었음을 이해할 것이다. 또한, 당업자라면, 도입된 청구항의 기재사항의 특정 수가 의도된 경우, 그러한 의도가 청구항에 명시적으로 기재될 것이며, 그러한 기재사항이 없는 경우, 그러한 의도가 없음을 또한 이해할 것이다. 예를 들어, 이해를 돕기 위해, 이하의 첨부 청구범위는 "적어도 하나" 및 "하나 이상" 등의 도입 구절의 사용을 포함하여 청구항 기재사항을 도입할 수 있다. 그러나, 그러한 구절의 사용이, 부정관사 "하나"("a" 또는 "an")에 의한 청구항 기재사항의 도입이, 그러한 하나의 기재사항을 포함하는 발명들로, 그러한 도입된 청구항 기재사항을 포함하는 특정 청구항을 제한함을 암시하는 것으로 해석되어서는 안되며, 동일한 청구항이 도입 구절인 "하나 이상" 또는 "적어도 하나" 및 "하나"("a" 또는 "an")과 같은 부정관사(예를 들어, "하나"는 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 의미하는 것으로 전형적으로 해석되어야 함)를 포함하는 경우에도 마찬가지로 해석되어야 한다. 이는 청구항 기재사항을 도입하기 위해 사용된 정관사의 경우에도 적용된다. 또한, 도입된 청구항 기재사항의 특정 수가 명시적으로 기재되는 경우에도, 당업자라면 그러한 기재가 전형적으로 적어도 기재된 수(예를 들어, 다른 수식어가 없는 "두개의 기재사항"을 단순히 기재한 것은, 전형적으로 적어도 두 개의 기재사항 또는 두 개 이상의 기재사항을 의미함)를 의미하도록 해석되어야 함을 이해할 것이다. 또한, "A, B 및 C 등 중의 적어도 하나"와 유사한 규칙이 사용된 경우에는, 일반적으로 그러한 해석은 당업자가 그 규칙을 이해할 것이라는 전제가 의도된 것이다(예를 들어, "A, B 및 C 중의 적어도 하나를 갖는 시스템"은, A만을 갖거나, B만을 갖거나, C만을 갖거나, A 및 B를 함께 갖거나, A 및 C를 함께 갖거나, B 및 C를 함께 갖거나, A, B, 및 C를 함께 갖는 시스템 등을 포함하지만 이에 제한되지 않음). "A, B 또는 C 등 중의 적어도 하나"와 유사한 규칙이 사용된 경우에는, 일반적으로 그러한 해석은 당업자가 그 규칙을 이해할 것이라는 전제가 의도된 것이다(예를 들어, "A, B 또는 C 중의 적어도 하나를 갖는 시스템"은, A만을 갖거나, B만을 갖거나, C만을 갖거나, A 및 B를 함께 갖거나, A 및 C를 함께 갖거나, B 및 C를 함께 갖거나, A, B, 및 C를 함께 갖는 시스템 등을 포함하지만 이에 제한되지 않음). 또한 당업자라면, 실질적으로 임의의 이접 접속어(disjunctive word) 및/또는 두 개 이상의 대안적인 용어들을 나타내는 구절은, 그것이 상세한 설명, 청구범위 또는 도면에 있는지와 상관없이, 그 용어들 중의 하나, 그 용어들 중의 어느 하나, 또는 그 용어들 두 개 모두를 포함하는 가능성을 고려했음을 이해할 것이다. 예를 들어, "A 또는 B"라는 구절은 "A" 또는 "B" 또는 "A 및 B"의 가능성을 포함하는 것으로 이해될 것이다.

첨부된 청구항에 대해, 당업자는 인용된 동작이 임의의 순서로 일반적으로 수행될 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 대체적인 순서 매김의 예시는, 맥락에서 달리 지시하지 않은 한, 중첩, 간삽, 중단, 재배열, 증가, 준비, 추가, 동시, 역 또는 다른 다양한 순서를 포함할 수 있다. 맥락에 대해, 심지어 "응답하여", "관련된"과 같은 용어 또는 다른 과거 시제 형용사는, 맥락에서 달리 지시하지 않은 한, 그러한 변형을 제외하도록 일반적으로 의도된 것은 아니다.

다양한 양상 및 실시예가 여기에서 개시되고 있으나, 당업자에게 다른 양상 및 실시예가 명백할 것이다. 여기에서 개시되는 다양한 양상 및 실시예는 예시의 목적을 위한 것이고, 제한하려고 의도된 것이 아니며, 진정한 범위와 사상은 이하 청구범위에 의해 나타낸다.

100: 표면 산란 안테나 102a, 102b: 산란 소자
104: 파동 전파 구조 106: 피드 연결기
108: 피드 구조
500: 단위 셀 502: 하부 도전체/기준 평면
504: 유전체 기판 506: 상부 도전체
510: 메타 물질 소자 512: 애퍼처
514: 도전체 섬 520: 액정 물질
530: 바이어스 전압 선 532: 커버부
534: 스페이서
600: 희생 층 602: 공동
802: 기준 평면 804: 유전체 기판
806: 상부 도전체 808: 도전성 스트립
810: 메타 물질 소자 812: 애퍼처
814: 도전체 섬 830: 바이어스 전압 선
840: 비아
902: 하부 기준 평면 904: 유전체 층
906: 중앙 기준 평면 907: CPW 신호 트레이스
908: 유전체 층 910: 상부 기준 평면
912: 유전체 층 920: 메타 물질 소자
922: 도전체 섬 924: 채널
930: 비아 940: 관통 비아
950: 바이어스 전압 선 952: 바이어싱 패드
1002: 홈통 1004: 도전체 표면
1010: 메타물질 소자 1012: 도전체 섬
1020: 비아 1030: 바이어스 전압 선
1040: 유전체 1050: 홈통
1102: 홈통 1104: 도전체 표면
1106: 아이리스 1110: 공진기 소자
1112: 도전체 섬 1120: 비아
1125: 라우팅 선 1130: 바이어스 전압 선
1150: 비아
1200: 산란소자 1202: 마이크로스트립
1204: 바이어스 전압선
1300: 산란 소자 1302: 바이어스 전압 선
1304: 바이어싱 회로 1306: 행 입력
1308: 열 입력
1400: 시스템 1410: 통신 유닛
1412: 피드 1420: 안테나 유닛
1422: 센서 유닛 1430: 안테나 제어기

Claims

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안테나 방사 패턴을 생성하는 방법에 있어서,
제1 안테나 방사 패턴을 선택하는 단계; 및
하나 이상의 제어 입력에 응답하여 조정 가능한 표면 산란 안테나에 대해, 상기 선택된 제1 안테나 방사 패턴에 대응하는 상기 하나 이상의 제어 입력의 제1 값을 결정하는 단계;
상기 선택된 제1 안테나 방사 패턴과 상이한 제2 안테나 방사 패턴을 선택하는 단계; 및
상기 선택된 제2 안테나 방사 패턴에 대응하는 상기 하나 이상의 제어 입력의 제2 값을 결정하는 단계를 포함하되,
상기 표면 산란 안테나는
피드 구조를 통해 전자기 신호를 수신할때 가이드되는 파동을 발사하기 위한 적어도 하나의 피드 연결기;
상기 가이드되는 파동을 전파하기 위해 배치된 도파관 및
상기 안테나의 동작 주파수에 대응하는 자유 공간 파장보다 적은 소자간 간격을 가지고 상기 도파관을 따라서 분포되는 복수의 산란 소자를 포함하고,
상기 복수의 산란 소자는
하나 이상의 외부 입력에 대응하여 조정가능한 전자기적 속성들,
상기 도파관 내에서의 가이드되는 파동모드에 응답하는 복수의 조정 가능한 개별적인 전자기 응답을 가지고,
상기 조정가능한 전자기적 속성들 및 상기 복수의 개별적인 전자기 응답들은 상기 가이드되는 파동이 상기 복수의 산란 소자들에서 산란될때 상기 안테나의 조정가능한 방사 필드를 제공하는 것인 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제42항에 있어서,
상기 표면 산란 안테나는 상기 하나 이상의 제어 입력의 함수인 각각의 조정 가능한 물리적 매개변수를 가지는 복수의 산란 소자를 가지는, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제43항에 있어서,
상기 하나 이상의 제어 입력의 상기 제1 값을 결정하는 단계는,
상기 선택된 제1 안테나 방사 패턴을 제공하도록 상기 각각의 조정 가능한 물리적 매개변수의 각각의 제1 값을 결정하는 단계; 및
상기 각각의 조정 가능한 물리적 매개변수의 상기 결정된 각각의 제1 값에 대응하는 상기 하나 이상의 제어 입력의 상기 제1 값을 결정하는 단계를 포함하는, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제43항에 있어서,
상기 각각의 조정 가능한 물리적 매개변수는 상기 복수의 산란 소자의 각각의 조정 가능한 공진 주파수인, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제43항에 있어서,
상기 하나 이상의 제어 입력은 상기 복수의 산란 소자에 대한 복수의 각각의 바이어스 전압을 포함하는, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제43항에 있어서,
상기 복수의 산란 소자는 행과 열에 의해 주소 지정 가능하고, 상기 하나 이상의 제어 입력은 행 입력의 세트 및 열 입력의 세트를 포함하는, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제43항에 있어서,
상기 복수의 산란 소자는 조정 가능한 이득을 가지는 피드 선의 세트에 의해 피드되고, 상기 하나 이상의 제어 입력은 상기 조정 가능한 이득을 포함하는, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제43항에 있어서,
상기 표면 산란 안테나에 대한 상기 하나 이상의 제어 입력의 상기 제1 값을 제공하는 단계를 더 포함하는, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제 42항에 있어서,
상기 제1 안테나 방사 패턴을 선택하는 단계는 안테나 빔 방향을 선택하는 단계를 포함하는, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제50항에 있어서,
상기 안테나 빔 방향은 통신 위성의 방향에 대응하는, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제50항에 있어서,
상기 안테나 빔 방향은 전기 통신 기지국의 방향에 대응하는, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제50항에 있어서,
상기 안테나 빔 방향은 전기 통신 모바일 플랫폼의 방향에 대응하는, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제42항에 있어서,
상기 제1 안테나 방사 패턴을 선택하는 단계는 하나 이상의 널(null) 방향을 선택하는 단계를 포함하는, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제42항에 있어서,
상기 제1 안테나 방사 패턴을 선택하는 단계는 안테나 빔 너비를 선택하는 단계를 포함하는, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제42항에 있어서,
상기 제1 안테나 방사 패턴을 선택하는 단계는 다수의 빔의 배열을 선택하는 단계를 포함하는, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제42항에 있어서,
상기 제1 안테나 방사 패턴을 선택하는 단계는 전체 위상을 선택하는 단계를 포함하는, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제42항에 있어서,
상기 제1 안테나 방사 패턴을 선택하는 단계는 편파 상태(polarization state)를 선택하는 단계를 포함하는, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제58항에 있어서,
상기 선택된 편파 상태는 원형 편파 상태인, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제58항에 있어서,
상기 선택된 편파 상태는 선형 편파 상태인, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
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제42항에 있어서,
상기 표면 산란 안테나에 대한 상기 하나 이상의 제어 입력의 상기 제2 값을 제공하는 단계
를 더 포함하는, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제42항에 있어서,
상기 제1 안테나 방사 패턴을 선택하는 단계는 제1 안테나 빔 방향을 선택하는 단계를 포함하고, 상기 제2 안테나 방사 패턴을 선택하는 단계는 상기 제1 안테나 빔 방향과는 상이한 제2 안테나 빔 방향을 선택하는 단계를 포함하는, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제63항에 있어서,
상기 선택된 제1 안테나 방사 패턴은 상기 제1 안테나 빔 방향에 대응하는 제1 편파 상태를 제공하고, 상기 선택된 제2 안테나 방사 패턴은 상기 제2 안테나 빔 방향에 대응하는 제2 편파 상태를 제공하고, 상기 제1 편파 상태는 상기 제2 편파 상태와 동일한, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제64항에 있어서,
상기 제1 및 제2 편파 상태는 원형 편파 상태인, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제64항에 있어서,
상기 제1 및 제2 편파 상태는 선형 편파 상태인, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제63항에 있어서,
상기 제1 및 제2 안테나 빔 방향은 제1 및 제2 통신 위성의 방향에 대응하는, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
제63항에 있어서,
상기 제1 및 제2 안테나 빔 방향은 통신 위성, 전기 통신 기지국, 또는 전기 통신 모바일 플랫폼을 포함하는 복수의 객체로부터 선택되는 제1 및 제2 객체의 방향에 대응하는, 안테나 방사 패턴 생성 방법.
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하나 이상의 제어 입력에 응답하여 조정 가능한 표면 산란 안테나;
상기 하나 이상의 제어 입력을 제공하도록 구성되는 안테나 제어 회로; 및
상기 표면 산란 안테나의 피드 구조에 결합되는 통신 회로를 포함하되,
상기 표면 산란 안테나는
피드 구조를 통해 전자기 신호를 수신할때 가이드되는 파동을 발사하기 위한 적어도 하나의 피드 연결기;
상기 가이드되는 파동을 전파하기 위해 배치된 도파관 및
상기 안테나의 동작 주파수에 대응하는 자유 공간 파장보다 적은 소자간 간격을 가지고 상기 도파관을 따라서 분포되는 복수의 산란 소자를 포함하고,
상기 복수의 산란 소자는
하나 이상의 외부 입력에 대응하여 조정가능한 전자기적 속성들,
상기 도파관 내에서의 가이드되는 파동모드에 응답하는 복수의 조정 가능한 개별적인 전자기 응답을 가지고,
상기 조정가능한 전자기적 속성들 및 상기 복수의 개별적인 전자기 응답들은 상기 가이드되는 파동이 상기 복수의 산란 소자들에서 산란될때 상기 안테나의 조정가능한 방사 필드를 제공하는 것이고,
상기 안테나 제어 회로는 제1 안테나 방사 패턴 및 상기 제1 안테나 방사 패턴과 상이한 제2 안테나 방사 패턴을 선택하고, 상기 선택된 제1 안테나 방사 패턴에 대응하는 상기 하나 이상의 제어 입력의 제1 값을 결정하고, 상기 선택된 제2 안테나 방사 패턴에 대응하는 상기 하나 이상의 제어 입력의 제2 값을 결정하도록 구성된 것인, 시스템.
제88항에 있어서,
상기 표면 산란 안테나는 상기 하나 이상의 제어 입력의 함수인 각각의 조정 가능한 물리적 매개변수를 가지는 복수의 산란 소자를 가지는, 시스템.
제89항에 있어서,
상기 하나 이상의 제어 입력은 상기 복수의 산란 소자에 대한 복수의 각각의 바이어스 전압을 포함하는, 시스템.
제89항에 있어서,
상기 복수의 산란 소자는 행과 열에 의해 주소 지정 가능하고, 상기 하나 이상의 제어 입력은 행 입력의 세트 및 열 입력의 세트를 포함하는, 시스템.
제89항에 있어서,
상기 피드 구조는 각각의 복수의 증폭기를 가지는 복수의 피드를 포함하고, 상기 하나 이상의 제어 입력은 상기 각각의 복수의 증폭기의 조정 가능한 이득을 포함하는, 시스템.
제88항에 있어서,
상기 안테나 제어 회로는 안테나 방사 패턴 매개변수의 세트를 상기 하나 이상의 제어 입력에 대한 대응하는 값의 세트에 매핑하는 검색 표(lookup table)를 포함하는 저장 매체를 포함하는, 시스템.
제93항에 있어서,
상기 안테나 방사 패턴 매개변수의 세트는 안테나 빔 방향의 세트를 포함하는, 시스템.
제93항에 있어서,
상기 안테나 방사 패턴 매개변수의 세트는 안테나 널 방향의 세트를 포함하는, 시스템.
제93항에 있어서,
상기 안테나 방사 패턴 매개변수의 세트는 안테나 빔 너비의 세트를 포함하는, 시스템.
제93항에 있어서,
상기 안테나 방사 패턴 매개변수의 세트는 편파 상태의 세트를 포함하는, 시스템.
제88항에 있어서,
상기 안테나 제어 회로는 요구되는 안테나 방사 패턴 매개변수에 대응하는 상기 하나 이상의 제어 입력에 대한 값의 세트를 계산하도록 구성되는 프로세서 회로를 포함하는, 시스템.
제98항에 있어서,
상기 프로세서 회로는 상기 요구되는 안테나 방사 패턴 매개변수에 대한 홀로그래피 패턴을 계산함으로써 상기 하나 이상의 제어 입력에 대한 상기 값의 세트를 계산하도록 구성되는, 시스템.
제88항에 있어서,
상기 표면 산란 안테나의 환경 조건을 검출하도록 구성되는 센서 유닛을 더 포함하는 시스템.
제100항에 있어서,
상기 센서 유닛은 GPS 센서, 온도계, 자이로스코프, 및 스트레인 게이지로부터 선택되는 하나 이상의 센서를 포함하는, 시스템.
제100항에 있어서,
상기 환경 조건은 상기 표면 산란 안테나의 위치, 배향, 온도, 또는 기계적 변형을 포함하는, 시스템.
제100항에 있어서,
상기 센서 유닛은 상기 안테나 제어 회로에게 환경 조건 데이터를 제공하도록 구성되고, 상기 안테나 제어 회로는 상기 표면 산란 안테나의 상기 환경 조건의 변화에 대해 보상하도록 상기 하나 이상의 제어 입력을 조정하도록 구성되는 회로를 포함하는, 시스템.