KR102227590B1 - 메타물질-기반의 물체-검출 시스템 - Google Patents

메타물질-기반의 물체-검출 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102227590B1
KR102227590B1 KR1020150093873A KR20150093873A KR102227590B1 KR 102227590 B1 KR102227590 B1 KR 102227590B1 KR 1020150093873 A KR1020150093873 A KR 1020150093873A KR 20150093873 A KR20150093873 A KR 20150093873A KR 102227590 B1 KR102227590 B1 KR 102227590B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
metamaterial
variable
structures
phase
generate
Prior art date
Application number
KR1020150093873A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20160008963A (ko
Inventor
디. 카세 버나드
알. 볼켈 아르민
리우 빅터
에스. 투가노브 알렌산더
Original Assignee
팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드 filed Critical 팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드
Publication of KR20160008963A publication Critical patent/KR20160008963A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102227590B1 publication Critical patent/KR102227590B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/08—Systems for measuring distance only
    • G01S13/10—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves
    • G01S13/26—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves wherein the transmitted pulses use a frequency- or phase-modulated carrier wave
    • G01S13/28—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves wherein the transmitted pulses use a frequency- or phase-modulated carrier wave with time compression of received pulses
    • G01S13/284—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves wherein the transmitted pulses use a frequency- or phase-modulated carrier wave with time compression of received pulses using coded pulses
    • G01S13/288—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves wherein the transmitted pulses use a frequency- or phase-modulated carrier wave with time compression of received pulses using coded pulses phase modulated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W30/00—Purposes of road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub-unit, e.g. of systems using conjoint control of vehicle sub-units
    • B60W30/14—Adaptive cruise control
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/93—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S13/931—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • G01S13/426—Scanning radar, e.g. 3D radar
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/03—Details of HF subsystems specially adapted therefor, e.g. common to transmitter and receiver
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
    • H01Q1/3208—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used
    • H01Q1/3233—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used particular used as part of a sensor or in a security system, e.g. for automotive radar, navigation systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
    • H01Q1/325—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the location of the antenna on the vehicle
    • H01Q1/3283—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the location of the antenna on the vehicle side-mounted antennas, e.g. bumper-mounted, door-mounted
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • H01Q15/148—Reflecting surfaces; Equivalent structures with means for varying the reflecting properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0025—Modular arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0087—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing antenna arrays
    • H01Q21/0093—Monolithic arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
    • H01Q3/46—Active lenses or reflecting arrays
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S2013/0236—Special technical features
    • G01S2013/0245—Radar with phased array antenna
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S2013/0236—Special technical features
    • G01S2013/0245—Radar with phased array antenna
    • G01S2013/0254—Active array antenna
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/93—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S13/931—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G01S2013/9327—Sensor installation details
    • G01S2013/93271—Sensor installation details in the front of the vehicles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/93—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S13/931—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G01S2013/9327—Sensor installation details
    • G01S2013/93275—Sensor installation details in the bumper area

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

예를들면, 차량 충돌 회피 시스템을 위한 물체-검출 시스템은, 무선 주파수 출력 신호들의 위상을 제어하여 출력 신호들에 의해 발생된 조합 전자기파가 원하는 방향에서 보강되고 원치않는 방향들에서 억제되는 주사 빔을 생성하기 위하여 어레이를 형성하는 각각의 메타물질 구조체의 유효 커패시턴스를 변경함으로써 메타물질-기반의 위상 편이 소자 어레이를 이용하여 주사 빔을 발생시킨다. 메타물질 구조체들은 입사 입력 신호 (복사선)와 동일 무선 주파수에서 공진되도록 구성되어, 각각의 메타물질 구조체는 입력 신호의 제어된 산란으로 연관된 출력 신호를 방사한다. 가변 커패시턴스는, 예를들면, 위상 제어 전압에 의해 조정되는 바리캡(varicap)들을 이용하여 각각의 메타물질 구조체에 인가되어 원하는 출력 위상 패턴들을 생성한다. 메타물질 구조체들은 저가 금속막 또는 PCB 제조 기술을 이용하여 제조된다.

Description

메타물질-기반의 물체-검출 시스템{METAMATERIAL-BASED OBJECT-DETECTION SYSTEM}
본 발명은 물체 검출을 위한 위상 이동 소자 및 방사되는 복사에너지 위상을 이동하는 방법에 관한 것이다.
위상 변위기는 제어 신호 (예를들면, DC 바이어스 전압)에 대한 응답으로 무선주파수 (RF) 신호의 위상 이동 (즉, 전송파 위상 각 변화)을 제어할 수 있는2-포트 회로망 소자이다. 종래 위상 변위기는 일반적으로 페라이트 (강유전성) 위상 변위기, 집적회로 (IC) 위상 변위기, 및 초소형미세공정시스템 (MEMS) 위상 변위기로 분류된다. 페라이트 위상 변위기는 IC 및 MEMS 위상 변위기보다 낮은 삽입손실 및 상당히 더욱 높은 전력 취급 능력이 있는 것으로 알려져 있지만, 특성이 복잡하고 제조 비용이 고가이다. IC 위상 변위기 (고주파 집적회로 MMIC) 위상 변위기라고도 칭함)는 PIN 다이오드 또는 FET 소자를 이용하고, 페라이트 위상 변위기 더욱 저렴하고 크기가 작지만, 높은 삽입손실로 사용이 제한된다. MEMS 위상 변위기는 MEMS 브릿지 및 박막 강유전성 물질을 이용하여 페라이트 및 IC 위상 변위기 한계를 극복하지만, 여전히 상대적으로 크고, 고가이고 전력 소모적이다.
위상 변위기 적용분야는 다양하지만, 가장 중요한 적용분야는 아마도 위상화 어레이 안테나 시스템 (위상화 어레이 또는 전기적 조향 어레이라고도 칭함) 내부이고, 여기에서 대량의 복사소자들 위상이 제어되어 조합된 전자기파는 원하는 방향에서 보강되고 원치않는 방향에서 억제됨으로써, 어레이로부터 원하는 각에서 방사되는 RF 에너지의 “빔”을 발생시킨다. 안테나에 급전되는 각자 신호의 상대 위상을 변경시킴으로써, 방사 빔은 빔이 지향되는 면적 또는 영역을 주사 또는 “스윕” 하도록 유도된다. 이러한 주사 빔은, 예를들면, 위상화 어레이 레이더 시스템 및 기타 물체-검출 시스템에서 활용되어 관심 면적 (목표 필드)를 스윕하고, 목표 필드에 위치한 물체들로부터 반사 (산란)되는 빔 에너지 일부를 검출하고 분석하여 물체 위치를 결정한다.
위상화 어레이-기반 (예를들면, 물체-검출 시스템 예컨대 레이더) 시스템 구현을 위하여 전형적으로 대량의 위상 변위기들이 필요하므로, 종래 위상 변위기를 사용하면 이러한 위상화 어레이-기반 시스템에서 여러 문제점들이 생긴다. 첫째, 종래 위상 변위기 높은 비용으로 위상화 어레이의 유용성을 찾을 수 있는 많은 적용분야에서 위상화 어레이-기반 시스템은 비실제적 (즉, 너무 고가)이고 -- 위상화 어레이 시스템 비용의 약 절반은 위상 변위기 비용으로 인한 것으로 추정된다. 둘째, 종래 위상 변위기의 높은 전력소모로 인하여 위상화 어레이는 배터리 전원을 이용하거나 달린 전원이 제한적인 많은 휴대용 장치 및 소형 장치에 실장될 수 없고 따라서 실제 시간 동안 위상화 어레이에전력을 공급할 수 있는 유형의 장치들 및 차량들로 제한된다. 셋째, 종래 위상 변위기를 이용하는 위상화 어레이는 전형적으로 많은 고가의 고체-상태 (solid-state), MEMS 또는 페라이트-기반의 위상 변위기, 제어 라인들과 함께 전력분배망과의 복잡한 통합 및 위상 변위기 복잡성으로 이하여 고도로 복잡하다. 더욱이, 종래 위상 변위기를 이용하는 위상화 어레이 시스템은 전형적으로 매우 무겁고, 주로 종래 위상 변위기들의 합체 중량으로 인함), 이로써 위상화 어레이들이 사용될 수 있는 적용분야가 제한된다. 예를들면, 상업용 여객기 및 중간 크기의 항공기는 무거운 레이더 시스템을 올릴 수 있는 충분한 파워가 있지만, 더욱 작은 항공기, 자동차 및 드론은 전형적으로 그렇지 못하다.
종래 위상화 어레이-기반의 물체-검출 시스템의 중량 (용적), 비용, 복잡성 및 전력소모를 회피할 수 있는 물체-검출 시스템이 요망된다. 또한 이러한 물체-검출 시스템을 활용하는 유도 및 충돌 회피 시스템이 요구된다.
본 발명은 메타물질-기반의 위상 이동 소자 어레이 및 연관된 빔 제어 회로를 이용하여 위상 이동 소자 어레이 전방 필드를 주사 (스윕)하는 무선주파수 빔을 발생하고, 연관된 수신기 회로를 활용하여 필드에 있는 물체들로부터 반사되는 빔 일부를 검출하여 물체들 위치를 결정하는 물체-검출 (예를들면, 레이더) 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 제1 양태에 의하면, 메타물질-기반의 위상 이동 소자 어레이는 인가 입력 신호의 전파 주파수에서 공진하여, 입력 신호를 재전송 (즉, 반사/산란)함으로써 각각은 입력 신호 주파수에서 연관된 출력 신호를 발생하는 다중 메타물질 구조체들을 포함한다. 적당한 메타물질 구조체들은 저가 금속막 또는 PCB 제조 기술로 제조되고, 메타물질 구조체들은 별도의 안테나 급전 (feed) 없이도 전파 주파수 출력 신호들을 산란 (발생)하므로, 본 발명으로 실질적으로 더욱 소형/더욱 경량이고, 더욱 저렴하고, 종래 위상-이동 소자를 이용하여 제작되는 시스템보다 전력을 덜 소비하는 물체-검출 시스템 생산이 가능하다.
본 발명의 제2 양태에 의하면, 연관된 가변 커패시턴스를 각각의 메타물질 구조체들에 인가하여 각각의 메타물질 구조체의 유효 커패시턴스를 연관된 인가 가변 커패시턴스에서 상응하는 변화에 의해 변경함으로써 각각의 출력 신호의 위상은 제어된다. 본 발명자들은 적당한 메타물질 구조체들은 각각 구조체의 커패시턴스에 의해 결정되는 위상 이동을 가지는 출력 신호들을 발생하고, 적당한 가변 커패시턴스를 각각의 메타물질 구조체에 인가함으로써 이들 위상 이동을 원하는 위상 값으로 “조정 가능” (조정 가능하게 제어 가능)하다는 것을 알았다. 즉, 각각의 메타물질 구조체의 유효 (작동) 커패시턴스는 구조체의 고유 (고정) 커패시턴스 (즉, 구조체의 구성; 즉, 크기, 형상, 인접 금속 구조체로부터의 거리, 기타 등에 의해 결정되는 커패시턴스) 및 연관된 인가 가변 커패시턴스의 곱이고, 따라서 연관된 인가 가변 커패시턴스가 변하면 변경될 수 있다. 따라서, 본 발명은 어레이에 배치되는 다중 메타물질 구조체들에 인가되는 가변 커패시턴스들을 단순히 제어함으로써 종래 위상 변위기를 사용하지 않고 각각은 연관된 개별 조정되는 출력 위상을 가지는 대량의 무선주파수 (출력) 신호들 발생 방법에 관한 것이다.
본 발명의 제3 양태에 의하면, 빔 제어 회로는 어레이의 각각의 메타물질 구조체에 인가되는 가변 커패시턴스들을 조정 및 가변 (즉, 시간에 따라 변경)하도록 구성되어 얻어진 출력 신호들은 집합적으로 소정 패턴으로 위상 이동 소자 어레이의 전방 필드를 횡단 스윕하는 주사 빔을 발생한다. 즉, 각 순간에 특정 세트의 가변 커패시턴스들이 메타물질 구조체들의 어레이에 인가되어 연관된 출력 신호들을 생성하고 이들은 상응되도록 상이한 출력 위상들을 가지고 누적적으로 원하는 방향에서 방사 빔을 발생한다 (즉, 출력 신호들에 의해 발생되는 조합된 전자기파는 원하는 방향에서 보강되고 및 원치않는 방향들에서 억제되어, 빔은 어레이 전방으로부터 원하는 각으로 방사된다). 시간 경과에 따라, 가변 커패시턴스들 세트는 가변되어 연관된 출력 신호들을 생성하고 이들은 점차 변하는 출력 위상들을 가지고 이에 따라 방사 빔은 필드를 횡단 주사된다 (즉, 빔의 각도 방사 방향은 점차 변하여 특징적 레이더-유사 “스윕핑” 패턴을 생성). 메타물질 구조체들에 인가되는 가변 커패시턴스들을 적당한 방식으로 점진적으로 변경시킴으로써, 본 발명은 용적이 크고, 고가이고 전력 소모적인 종래 위상-이동 소자들을 이용하지 않고 레이더-유사 물체-검출 시스템을 생산할 수 있다.
본 발명의 예시적 실시태양에 의하면, 빔 제어 회로는 가변 커패시터들 및 위상 제어 회로를 이용하여 구현된다. 각각의 가변 커패시터는 인가 위상 제어 전압에 대한 응답으로 연관된 가변 커패시턴스를 각자 발생하도록 구성되고, 어레이의 연관된 메타물질 구조체에 결합되어 연관된 메타물질 구조체의 유효 커패시턴스는 가변 커패시터에 의해 발생되는 가변 커패시턴스에서의 상응하는 변화에 의해 변경된다. 위상 제어 회로 (예를들면, 임의의 필드 프로그램 가능 게이트 어레이 (FPGA), 응용 주문형 집적회로 (ASIC), 또는 마이크로-프로세서에 의해 제어되는 디지털-아날로그 변환기(DAC))는 각각의 가변 커패시터에 대한 개별 위상 제어 전압 세트를 발생하도록 구성되어 각각의 가변 커패시터에 의해 발생되는 가변 커패시턴스들은 위상 제어 전압에서의 변화에 따라 시간 경과에 의해 변한다. 가변 커패시터들 및 연관된 위상 제어 회로를 이용하면 형성 시스템을 더욱 단순화시키고, 메타물질 구조체들의 어레이에서 발생되는 출력 신호들에서 정확한 위상 변화 발생이 가능하다. 실제 실시태양에 의하면, 가변 커패시터들은 어레이에 분포되어 각각 2-단자 가변 커패시터는 연관된 메타물질 구조체 및 공유된 접지 전위 사이에 연결됨으로써, 각각의 메타물질 구조체를 독립적으로 제어되는 가변 커패시터에 직접 연결하여 신뢰할 수 있고 정확한 가변 커패시턴스들의 적용이 가능하다. 특정 실시태양에서, 도체들 (예를들면, 금속 트레이스 (trace) 및 비아 (via))을 활용하여 각자 위상 제어 전압을 위상 제어 회로로부터 연관된 메타물질 구조체에 연결된 (즉, 메타물질 구조체가 전송 라인 일부를 형성하도록 메타물질 구조체에 연결하거나, 또는 바람직하게는 직접 가변 커패시터 단자에 접속하도록 도체를 형성하여) 가변 커패시터 단자로 전달한다. 이러한 배열은 공지 인쇄 회로 기판 제조 기술을 이용하여 도체들을 형성하고, 가변 커패시터들을 자동 조립함으로써, 예를들면, 고속의 집기-놓기 (pick-and-place) 시스템을 이용하여 저-비용 어레이 제작을 더욱 가능하게 한다.
또 다른 실제 실시태양에 의하면, 물체-검출 시스템은 목표 필드에 있는 물체들 검출 및, 예를들면, 충돌 회피, 차량 유도 또는 기타 물체 검출 시스템과 결합된 작동 시스템에 의해 이용될 수 있는 목표 지점 데이터 발생 회로를 더욱 포함한다. 예시적 실시태양에서, 위상 제어 회로는 목표 필드를 주사할 때 주사 빔의 즉각적인 빔 방향을 표시하는 빔 방향 데이터를 발생하도록 구성되고, 수신기 회로는 목표 필드에 있는 물체들로부터 반사되는 주사 빔 일부를 검출하도록 활용되고, 신호 처리 회로는 수신기 회로에 의해 발생되는 빔 검출 데이터 및 검출 시간에 발생되는 빔 방향 데이터를 상관화하여 물체 위치를 결정하도록 활용된다. 하나의 특정 실시태양에서, 수신기 회로는 별도의 안테나 또는 메타물질 어레이를 이용하여 반사된 빔 일부를 검출하고, 제2 특정 실시태양에서 메타물질 구조체 어레이를 이용하여 공지 기술과 일치하는 방식으로 어레이를 작동시킴으로써 전송 및 수신 기능 양자를 수행한다. 어떠한 경우이든, 본 발명으로 저-비용, 경량의 동적 위상화 어레이 시스템이 가능하고 이는, 예를들면, 유도 및 충돌 회피를 위하여 자동차에 활용될 수 있다.
본 발명의 실시태양에 의하면, 위상 이동 소자 어레이는 3-층 구조체이고, 전기적으로 격리된 (부동) 후판 (하부 금속) 층, 후판층 상부에 배치되는 블랭킷 유전체 층, 및 유전체 층 상면에 배치되는 다중 이격 금속층 “아일랜드” 구조체들을 포함한다. 이러한 배열로, 어레이 각각의 메타물질 구조체는 금속 아일랜드 구조체들 중 하나 및 금속 아일랜드 구조체 아래 배치되는 연관된 후판층 일부 (즉, 이들 사이에 개재되는 유전체 층의 연관된 일부 포함)로 형성되고, 각각의 금속 아일랜드 구조체 및 연관된 후판층 일부는 협력적으로 구성되어 (예를들면, 크기, 형상 및 간격) 얻어진 복합 메타물질 구조체는 입력 신호의 전파 주파수에서 공진되는 고정 커패시턴스 및 기타 속성들을 가진다. 저-비용 제조 기술 이용이 용이한 것외에도, 이러한 3-층상 구조체는 출력 신호들이 상향으로만 고도의-방향성을 가지도록 보장하고,이에 따라 위상 이동의 효과적인 산란으로 인하여 전력소모를 최소화한다.현재 바람직한 실시태양에서, 3-층상 메타물질 구조체 배열은 입력 신호 (즉, 입사 복사선) 흡수를 경감시키는 무손실 유전물질을 이용하고, 대부분의 입사 복사선이 출력 신호에서 재-방사되는 것을 보장한다. 실제 실시태양의 다른 특징부에 의하면, 금속 아일랜드 구조체들은 유전체 층 상면에서 베이스 금속 (층) 구조체과 공동-배치되고, 각각의 가변 커패시터는 연관된 금속 아일랜드 구조체 및 베이스 금속 구조체 사이에서 연결된다 (즉, 베이스 금속 구조체는 공통 접지 단자로 기능). 이러한 실제 배열은 저-비용 표면-실장 기술을 이용하여 가변 커패시터를 부착함으로써 제작 비용을 더욱 줄일 수 있다. 바람직한 실시태양에서, 베이스 금속 구조체는 전체 상부 유전체 표면 대부분을 덮는 금속층으로 형성되고 금속 아일랜드 구조체들이 각자 내부에 배치되는 개구들을 형성하고, 각각의 개구 내부 둘레 모서리는 연관된 금속 아일랜드 구조체 외부 둘레 모서리와 균일 폭의 연관된 둘레 간격만큼 이격된다. 이러한 베이스 금속층 구조체 배열은 2가지 목적을 가진다: 첫째, 베이스 금속층 및 각각의 금속 아일랜드 구조체 사이 적당한 둘레 간격 거리를 제공함으로써, 베이스 금속층은 효과적으로 각각의 메타물질 구조체 일부가 되고 (즉, 각각의 메타물질 구조체의 고정 커패시턴스는 베이스 금속층 및 금속 아일랜드 구조체 사이에 발생되는 커패시턴스 성분에 의해 개선되고); 둘째, 베이스 금속층 120A을 아일랜드 구조체 141A에 근접하게 형성하고 그외 상부 배열 표면을 덮음으로서, 베이스 금속층은 산란 표면으로 기능하여 집합 모드 진동을 지지하고, 상향/전향으로의 출력 신호 (파) 산란을 보장한다. 다른 특징부에 의하면, 베이스 금속층 및 금속 아일랜드 구조체들 모두는 단일 (즉, 동일) 금속 (예를들면, 구리)을 사용하여 형성되므로, 저-비용 제조 공정을 이용한 베이스 금속층 및 아일랜드 구조체들 형성을 가능하게 함으로써 제조 비용을 더욱 낮춘다 (예를들면, 블랭킷 금속층 증착, 패턴화, 및 이후 금속층 식각에 의한 둘레 홈/간격 형성). 또 다른 바람직한 실시태양에 의하면, 금속 비아 (via) 구조체는 후판 층 및 유전체 층을 통해 형성되는 개구들을 관통하여 연장되고, 각각의 가변 커패시터 단자에 접속된다. 이러한 배열로 인하여 메타물질 구조체 형상을 복잡화할 필요없이 가변 커패시터 양단에 위상 제어 전압 인가가 용이하고, 또한 다중 위상 제어 신호들을 다중 위상 이동 소자들을 포함하는 위상화 어레이 구조체에 배치되는 다중 위상 변위기에 대한 분배를 단순화시킬 수 있다.
본 발명의 예시적 실시태양들에 따르면, 각각의 금속 아일랜드 (제1 금속층) 구조체는 베이스 금속층에서 형성되는 연관된 사각 개구 내부에 배치되는 평면 사각 구조체로서 형성된다. 사각 금속 아일랜드 형상은 각각의 메타물질 구조체에 형성이 용이한 단순한 기하 구조를 제공하고, 위상 제어 전압과 원하는 커패시턴스 변화 및 연관된 위상 이동과의 상관에 필요한 수학적 고려를 단순화시키는 제한적 자유도를 제공한다. 그러나, 청구범위에 달리 특정되지 않는 한, 메타물질 구조체들은 임의의 기하 형상 (예를들면, 원형, 삼각형, 타원형)을 가질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 일부 실시태양들에서, 금속 아일랜드 구조체들은 패턴화 평면 구조체로 형성되어 하나 이상의 개방 영역을 형성 (포함)한다 (즉, 일부 상부 유전체 표면이 개방 영역을 통해 노출). 하나의 예시적 실시태양에서, 각각의 금속 아일랜드 구조체는 (사각-형상) 둘레 프레임부, 프레임부로부터 내향 연장되는 방사상 아암들, 및 방사상 아암들의 내부 말단들에 연결되는 내부 (예를들면, X-형상) 구조체를 포함하고, 개방 영역은 일부 내부 구조체 및 둘레 프레임 사이에 형성된다. 패턴화 메타물질 구조체들을 이용하면 제어 전압 및 위상 이동 값들 상관과 연관된 수학을 복잡하게 하지만, 패턴화 방법은 더욱 많은 자유도를 도입하여, 360° 위상 스윙 (swings) 가까이에 이르고, 이는 다시 넓은 각에서의 빔 조향을 가능하게 한다 (즉, 플러스 또는 마이너스 60° 이상).
본 발명의 대안적 실시태양들에 의하면, 위상 이동 소자 어레이는 1차원 어레이, 또는 2차원 어레이로 배열되는 다중 메타물질 구조체 및 연관된 가변 커패시터, 어레이 중앙에 위치하는 신호원, 및 제어 회로를 포함한다. 메타물질 구조체들이 11차원 어레이로 배열될 때 (즉, 각각의 메타물질 구조체의 금속 아일랜드 구조체가 가로로 배열), 위상 제어 전압의 전압 수준 변화는 위상 이동 소자 어레이 전면에 놓이는 부채-형상 2차원 영역에서“조향” 방사 빔을 생성한다. 메타물질 구조체가 2차원 어레이 배열될 때(예를들면, 금속 아일랜드 구조체들이 가로 및 세로로 직교 배열), 위상 제어 전압의 전압 수준 변화는 위상 이동 소자 어레이 전면에 놓이는 콘-형상 3차원 영역에서 “조향” 방사 빔 B을 생성한다 100E.
또 다른 실시태양에 의하면, 임의의 상기 물체-검출 시스템은 호스트 차량 및 차량 경로에 있는 하나 이상의 외부 물체들과의 충돌을 방지하기 위한 차량-장착 충돌 회피 시스템에 구현된다. 차량은 현존 시스템과 일치하고, 차량 방향을 변경하고 (즉, 차량 조향 시스템을 제어) 차량을 정지 또는 서행하여 (즉, 차량 제동 시스템을 제어) 차량을 자동 제어할 수 있는 적응형 순항 제어 시스템을 포함한다. 물체-검출 시스템은 차량에 장착되어 위상 이동 소자 어레이에서 방사되는 주사 빔은 호스트 차량에 인접한 필드에 지향되고 (예를들면, 차량 전방), 방사 빔은 반복적으로 필드를 횡단 주사 (스윕)한다. 신호 처리 회로에 의해 물체가 검출되면, 충돌 제어 회피 데이터 (예를들면, 물체의 상대 위치를 나타내는 데이터)가 적응형 순항 제어 시스템으로 전송되어, 적응형 순항 제어 시스템은 차량을 자동 제어하여 물체와의 충돌을 피한다. 현존 차량-장착 충돌 회피 시스템 대비 본 발명이 제공하는 이점은, 위상화 어레이 레이더 시스템과 같이, 메타물질-기반의 물체-검출 시스템은 한번에 하나 이상의 물체를 지정하고 추적할 수 있다는 것이다. 반대로, 종래 위상화 어레이 시스템은 자동차에 포함되기에 너무 크고 및 고가이므로, 현재 차량-장착 레이더-기반의 충돌 회피 시스템은 한번에 하나의 물체를 추적만할 수 있는 물체-검출 방식을 이용한다. 실제 실시태양에 의하면, 물체-검출 시스템 300A은 전형적으로 차량 주행 수평면을 주사할 수 있는 메타물질 구조체들의 1차원 어레이를 이용한다. 그러나, 일부 실시태양들에서 2차원 어레이를 이용하여 물체의 수직 위치 또는 크기를 검출하는 것이 유용할 수 있다.
본 발명의 이러한 및 기타 특징부들, 양태들 및 이점들은 상세한 설명, 청구범위 및 도면을 참조하면 더욱 양호하게 이해될 것이다:
도 1은 본 발명의 포괄적 실시태양에 의한 물체-검출 시스템의 개략 측면도이다;
도 2는 도 1의 시스템 작동과 연관된 예시적 위상 이동 특성을 보이는 다이어그램이다;
도 3은 본 발명의 예시적 실제 실시태양에 의한 예시적 메타물질 구조체들을 포함하는 위상 이동 소자 어레이의 사시도이다;
도 4는 도 3 어레이의 위상 이동 소자를 더욱 상세하게 보이는 분해 사시도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 예시적 실시태양에 의한 도 3의 위상 이동 소자 어레이를 포함하는 물체-검출 시스템의 측단면도이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시태양에 따르는 본 발명의 물체-검출 시스템을 이용하는 충돌 회피 시스템이 구비된 자동차의 사시도이다;
도 7은 본 발명의 또 다른 실시태양에 따르는 패턴화 아일랜드 구조체를 포함하는 위상 이동 소자의 평면도이다;
도 8은 본 발명의 또 다른 실시태양에 따르는2차원 위상 이동 소자 어레이를 포함하는 물체-검출 시스템 개략도이다;
도 9(A), 9(B) 및 9(C)는 도 8의 물체-검출 시스템에 의해 다양한 예시적 방향들에서 발생되는 방사 빔들을 도시한 것이다;
도 10은 본 발명의 또 다른 실시태양에 따르는 물체-검출 시스템 개략도이다;
도 11은 본 발명의 또 다른 실시태양에 따르는 물체-검출 시스템 개략도이다;
도 12는 본 발명의 또 다른 실시태양에 따르는 물체-검출 시스템 개략도이다.
본 발명은 물체-검출 (예를들면, 레이더) 시스템 개선, 및 물체-검출 시스템을 이용한 다양한 제어 시스템 (예를들면, 자동차 충돌 회피 및 유도 시스템)에 관한 것이다. 하기 설명은 당업자들이 특정 적용분야 및 요건들에서 제공되는 본 발명을 적용하고 이용하도록 제시된다. 본원에서 사용되는, 방향성 용어들 예컨대 “상부”, “상향”, “최상부”, “하부”, “최하부”, “전방”, “최우측” 및 “최좌측”은 설명 목적으로 상대 위치를 제공할 의도이며 절대적 기준 구도를 제공할 의도는 아니다. 또한, “일체적으로 형성되는” 및 “일체적으로 연결되는”라는 구절은 단일 제조된 또는 가공된 구조체의 두 부분 사이 연결 관계를 기술하기 위하여 사용되고, (“일체적으로”라는 수식어 없는) “연결된” 또는 “결합된”이라는 영어와 구분되고, 이는, 예를들면, 접착제, 파스너, 클립, 또는 이동성 조인트로 결합되는 2개의 별도의 구조체들을 지칭한다. 바람직한 실시태양에 대한 다양한 변형이 당업자에게 명백할 것이고, 본원의 포괄적 원리들은 기타 실시태양들에 적용된다. 따라서, 본 발명은 도시되고 기술된 특정 실시태양들에 제한적이지 않고, 본원에 개시된 원리들 및 신규 특징부들과 일치되는 최광의 범위가 적용된다.
도 1은 본 발명의 포괄적인 예시적 실시태양에 의한 물체-검출 시스템 (300)의 개략 측면도이다. 시스템 (300)은 포괄적으로 신호원 (305), 위상 이동 소자 어레이 (100) 및 목표 필드 F로 지향되는 주사 빔 B 발생을 위한 빔 제어 회로 (310)를 포함한다. 시스템 (300)은 또한 목표 필드 F로부터 반사된 빔 일부 BR 처리를 위한 수신기 회로 (320), 및 필드 F에 존재하는 물체 O 위치를 결정하기 위하여 반사된 빔 데이터를 처리하는 신호 처리 회로 (330)를 포함한다.
신호원 (305)은 위상 이동 소자 어레이 (100)에 인접하게 배치되고, 특정 전파 주파수 (즉, 3 kHz 내지 300 GHz) 및 입력 위상 pIN의 전파 주파수 입력 신호 SIN를 발생하도록 구성되는 신호 전송 소스 (예를들면, 피드혼 또는 누설-파 피드)이다. 하기되는 바와 같이, 입력 신호 SIN의 전파 주파수는 위상 이동 소자 어레이 (100)의 공진 특성에 일치하도록 발생된다.
예시적 실시태양에 의하면, 위상 이동 소자 어레이 (100)는 4종의 메타물질 구조체들 (140-1 내지 140-4)을 포함하고, 각각은 입력 신호 SIN의 전파 주파수에서 공진하도록 구성되어 위상 이동 소자 어레이 (100)는 4개의 출력 신호들 SOUT1 내지 SOUT4을 발생하고, 각각은 전파 주파수 및 연관된 출력 위상 pOUT1 내지 pOUT4를 가진다. 예를들면, 메타물질 구조체 (140-1)가 2.4GHz에서 공진되도록 구성되고 입력 신호 SIN이 2.4GHz에서 발생될 때, 메타물질 구조체 (140-1)는 입력 신호 SIN을 재전송 (즉, 반사/산란)함으로써 2.4GHz에서 출력 신호 SOUT1을 발생한다. 모든 4 메타물질 구조체들 (140-1 내지 140-4)이 이렇나 방식으로 구성되어 입력 신호 SIN에 노출되면, 어레이 (100)는 4개의 별도 출력 신호들 SOUT1 내지 SOUT4를 발생하고, 각각의 주파수는 2.4GHz이다. 현재 바람직한 실시태양에 의하면, 도 3-5를 참조하여 설명되는 바와 같이 메타물질 구조체들 (140-1 내지 140-4)은 바람직하게는 층상 금속-유전체 복합 아키텍처이지만, 얻어진 구조체가 인가 입력 신호 SIN의 무선주파수에서 공진되고, 공진 근처에서 큰 위상 스윙을 가진다면 상이한 형태로 가공될 수 있다. 이러한 공진 특성을 제공하기 위하여, 메타물질 구조체들 (140-1 내지 140-4)은 연관된 고유한 “고정” 커패시턴스들 CM1 내지 CM4 및 연관 인덕턴스들을 가지도록 생성되고 이들은 집합적으로 원하는 공진 특성을 제공한다. 본 분야에서 이해되는 바와 같이, 용어 "메타물질"이란 집합적으로 원하는 전자기 특성들을 발생시키는 2 이상의 물질들 및 다중 요소들에 의해 형성되는 인공 구조체이고, 메타물질은 조성이 아닌, 물질들에 의해 형성되는 구조적 요소들의 정밀-설계된 구성 (즉, 정확한 형상, 기하구조, 크기, 배향 및 배열)에 따라 원하는 특성들을 달성한다. 본원에서 사용되는, "메타물질 구조체"라는 구절은 본원에서 제공되는 목적에 적당한 무선주파수 공진 및 대형 위상 스윙 특성들을 가지는 동역학적 재구성 가능/조정 가능 메타물질을 의미한다. 얻어진 구조체는 특이한 방식으로 무선주파수 (전자기 복사선)전파에 영향을 미쳐, 종래 물질로는 달성할 수 없는 물질 특성들을 발생한다. 메타물질 구조체는 파장-이하의 구조적 요소들, 즉 이들이 영향을 미치는 전파의 무선주파수 파장보다 실제로 더욱 작은 형상들이 통합되어 원하는 효과를 달성한다. 4종의 메타물질 구조체들이 예시적 실시태양에서 이용되지만, 본 개수는 설명 및 간결성을 위하여 임의로 선택된 것이고, 대안으로 임의의 개수의 메타물질 구조체들로 어레이 (100)가 생성될 수 있다.
또 다른 양태에 의하면, 빔 제어 회로 (310)는 4개의 가변 커패시턴스들 CV1 내지 CV4를 발생하고 각각 메타물질 구조체들 (140-1 내지 140-4)로 인가하도록 구성되는 집적회로를 포함하여, 각각의 메타물질 구조체의 유효 커패시턴스는 인가 가변 커패시턴스 CV1에서 상응하는 변화에 의해 변경된다. 전기된 바와 같이, 각각의 메타물질 구조체 (140-1 내지 140-4)는 연관된 고유한 “고정” (무변화) 커패시턴스들 CM1 내지 CM4를 각각 가지도록 제조된다. 각각의 메타물질 구조체 (140-1 내지 140-4)의 유효 커패시턴스는 구조체 고유 (고정) 커패시턴스 및 연관된 인가 가변 커패시턴스의 곱으로 발생된다. 예를들면, 메타물질 구조체 (140-1)는 고유 (고정) 커패시턴스 CM1 및 하기 기술로 빔 제어 회로 (310)에 의해 메타물질 구조체 (140-1)에 인가되는 연관된 가변 커패시턴스 CV1에 의해 발생되는 유효 (작동) 커패시턴스 Ceff1을 가진다. 유사하게, 메타물질 구조체 (140-2)는 고유 커패시턴스 CM2 및 연관된 인가 가변 커패시턴스 CV2에 의해 발생되는 유효 (작동) 커패시턴스 Ceff2를 가지고, 메타물질 구조체 (140-3)은 고유 커패시턴스 CM3 및 연관된 인가 가변 커패시턴스 CV3pd 의해 발생되는 유효 (작동) 커패시턴스 Ceff3을 가지고, 메타물질 구조체 (140-4)는 고유 커패시턴스 CM4 및 연관된 인가 가변 커패시턴스 CV4에 의해 발생되는 유효 (작동) 커패시턴스 Ceff4를 가진다. 본 발명은 종래 위상 변위기를 사용하지 않고 메타물질 구조체들 140-1 내지 140-4에 인가되는 가변 커패시턴스들 CV1 내지 CV4를 단순히 제어함으로써 무선주파수 (출력) 신호들 SOUT1 내지 SOUT4의 출력 위상 pOUT1 내지 pOUT4에 대한 제어를 달성한다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 빔 제어 회로 (310)는 메타물질 구조체들 (140-1 내지 140-4)에 인가되는 가변 커패시턴스들 CV1 내지 CV4를 조정 및 가변 (즉, 시간 경과에 의한 변화)하도록 더욱 구성되어 빔 B (출력 신호들 SOUT1 내지 SOUT4에 의해, 집합적으로 발생)는 소정 속도로 소정 주사 범위 (패턴)에 걸쳐 목표 필드 F를 횡단 주사 또는 “스윕”한다. 즉, 각각의 순간에 특정 세트의 가변 커패시턴스들 CV1 내지 CV4가 메타물질 구조체들 (140-1 내지 140-4)에 인가되어 출력 신호들 SOUT1 내지 SOUT4는 상응되게 상이한 출력 위상들 pOUT1 내지 pOUT4를 가지고 (예를들면, 출력 신호 SOUT1은 출력 위상 pOUT1에서 발생되고 이는 출력 신호 SOUT2의 출력 위상 pOUT2와 상이하다), 출력 위상들 pOUT1 내지 pOUT4는 조정되어 출력 신호들 SOUT1 내지 SOUT4는 누적적으로 주사 빔 B를 즉각적인 출력 위상 값 세트에 의해 결정되는 방향으로 방사한다. 각각의 주사 패스 초기에, 출력 위상들 pOUT1 내지 pOUT4는 조정되어 (coordinated) 빔 B는 초기 방향을 따라 지향된다 (예를들면, 주사 각 -60°, 최좌측 빔 각에 상응). 본 분야에서 이해되는 바와 같이, 이러한 방식으로 출력 위상들 pOUT1 내지 pOUT4를 조정함으로써, 출력 신호들 SOUT1 내지 SOUT4에 의해 발생되는 조합된 전자기파는 특정 “원하는” 방향에서 보강되고, 원치않는 방향들에서 억제됨으로써, 주사 빔 B는 어레이 (100) 전방으로부터 원하는 각으로 방사된다. 출력 위상들 pOUT1 내지 pOUT4는 연이어 가변되어 빔 B는 개시 방향에서 중앙 방향 (즉, 어레이 (100) 바로 전방, 주사 각 0°에 상응)으로 스윕핑되기 시작하고, 이어 계속하여 중앙 방향에서 종료 방향 (예를들면, 주사 각 +60°, 최우측 빔 각에 상응)으로 스윕한다. 주사 속도 및 빔 B가 발생되는 반복/회복 속도는 출력 위상들 pOUT1 내지 pOUT4가 변동되는 속도로 결정된다. 빔 제어 회로 (310)는 시간에 따라 메타물질 구조체들 (140-1 내지 140-4)에 인가되는 가변 커패시턴스들 CV1 내지 CV4를 변경시킴으로써 (예를들면, 예정된 시간-기반 함수들에 따라) 이러한 출력 위상들 pOUT1 내지 pOUT4 변화를 발생시키고, 이에 따라 빔 제어 회로 (310)는 빔 B가 특징적 “레이더-유사” 스윕 패턴으로 목표 필드 F를 횡단 주사 (스윕)하도록 유도한다. 메타물질 구조체들 (140-1 내지 140-4)에 인가되는 가변 커패시턴스들 CV1 내지 CV4를 적당한 방식으로점진적으로 변경시킴으로써, 용적이 크고, 고가이고 전력 소비적인 종래 위상-이동 소자들을 이용하지 않고도 본 발명은 레이더-유사 물체-검출 기능성을 가능하게 한다.
현재 바람직한 실시태양에 의하면, 빔 제어 회로 (310)는 가변 커패시터들 (바리캡들) (150-1 내지 150-4) 및 위상 제어 회로 (315)로 구현되고, 가변 커패시터들 (150-1 내지 150-4)는 각자 메타물질 구조체들 (140-1 내지 140-4)에 연결되고, 위상 제어 회로 (315)에 의해 발생되는 위상 제어 전압 Vc1 내지 Vc4로 제어된다 (예를들면, 가변 커패시터 (150-1)는 위상 제어 전압 Vc1의 전압 수준에 비례하는 커패시턴스 수준을 가지는 가변 커패시턴스 CV1을 발생한다). 본 분야에서 이해되는 바와 같이, 가변 커패시터들은 전형적으로 인가 전자 제어 신호에 의해 의도적 및 반복적으로 가변되는 커패시턴스를 생성하도록 구성되는2-단자 전자 소자이다. 이러한 경우, 가변 커패시터들 (150-1 내지 150-4)은 메타물질 구조체들 (140-1 내지 140-4)에 연결되어 메타물질 구조체들 (140-1 내지 140-4)의 각자 유효 커패시턴스들 Ceff1 내지 Ceff4는 고유 커패시턴스 CM1 내지 CM4 및 가변 커패시터들 (150-1 내지 150-4)에 의해 공급되는 가변 커패시턴스들 CV1 내지 CV4의 곱으로 결정된다. 예를들면, 메타물질 구조체 (140-1)의 유효 커패시턴스 Ceff1은 고유 커패시턴스 CM1 및 가변 커패시터 (150-1)에 의한 작동 과정에서 메타물질 구조체 (140-1)에 공급되는 가변 커패시턴스 CV1에 의해 결정된다. 출력 위상 pOUT1은 부분적으로 유효 커패시턴스 Ceff1에 의해 결정되므로, 출력 신호 SOUT1은 가변 커패시턴스 CV1을 변경시켜 원하는 위상 값으로 “조정 가능” (조정 가능하게 제어 가능)하고, 이는 가변 커패시터 (150-1)에 인가되는 위상 제어 신호 Vc1를 변경시켜 달성된다.
도 2는 시스템 (300) 작동과 연관된 예시적 위상 이동 특성 다이어그램이다. 특히, 도 2는 출력 신호 SOUT1의 출력 위상 pOUT1이 위상 제어 전압 Vc1에 대하여 어떻게 변화하는지를 보인다. 출력 위상 pOUT1이, 빔 제어 회로 (310)에 의해 메타물질 구조체 (140-1)에 인가되는 가변 커패시턴스 CV1에 따라 변하는 메타물질 구조체 (140-1)의 유효 커패시턴스 Ceff1에 따라 변하므로 (도 1에 도시), 도 2는 또한 가변 커패시터들 (150-1 내지 150-4)의 작동 특성을 효과적으로 보인다 (즉, 도 2는 출력 위상 pOUT1이 위상 제어 전압 Vc1에 따라 변하는 것을 보임으로써 가변 커패시터 (150-1)의 가변 커패시턴스 CV1이 위상 제어 전압 Vc1에 따라 변하는 것을 효과적으로 보인다). 예를들면, 위상 제어 전압 Vc1이 전압 수준 6V일 때, 가변 커패시터 (150-1)는 상응하는 커패시턴스 수준에서 가변 커패시턴스 CV1을 발생하고 ("CV1=C1"로 표기) 메타물질 구조체 (140-1)는 연관된 출력 위상 pOUT1 대략 185°에서 출력 신호 SOUT1을 발생한다. 위상 제어 전압 Vc1이 계속하여 6V에서 제2 전압 수준 (예를들면, 8V)으로 증가할 때, 가변 커패시터 (150-1)는 제2 커패시턴스 수준에서 가변 커패시턴스를 발생하고 ("CV1=C2"로 표기) 메타물질 구조체 (140-1)는 연관된 제2 출력 위상 pOUT1 대략 290°에서 출력 신호 SOUT1을 발생한다. 유사한 방식으로, 가변 커패시터들 (150-2 내지 150-4)은 각자 제어 전압 Vc2 내지 Vc4에 따라 변하는 가변 커패시턴스들 CV2 내지 CV4를 발생함으로써, 메타물질 구조체들 (140-2 내지 140-4)은 각자 가변 커패시턴스들 CV2 내지 CV4에 따라 변하는 출력 위상들 pOUT2 내지 pOUT4의 출력 신호들 SOUT2 내지 SOUT4를 발생하도록 유도된다.
다시 도 1을 참조하면, 위상 제어 전압 Vc1 내지 Vc4는 가변 커패시터들 (150-1 내지 150-4)에 인가되어 각각의 가변 커패시턴스 CV1 내지 CV4는 각각 메타물질 구조체들 (140-1 내지 140-4)에 인가된다. 예를들면, 가변 커패시터 (150-1)는 메타물질 구조체 (140-1)에 연결된 제1 단자 (151) 및 접지에 연결된 제2 단자 (152)를 포함하므로, 가변 커패시터 (150-1)는 도 2에 도시된 방식으로 위상 제어 전압 Vc1의 전압 수준에 따라 변하는 커패시턴스 수준을 가지는 연관된 가변 커패시턴스 CV1을 발생한다 (예를들면, 가변 커패시턴스 CV1의 커패시턴스 수준은 위상 제어 전압 Vc1에 비례하여 변화). 도 1에 표기된 바와 같이, 가변 커패시터들 (150-2 내지 150-4)은 유사하게 연결되고, 가변 커패시터 (150-1)와 공통 전압원 (즉, 접지)을 공유한다. 대안적 실시태양에서, 위상 제어 회로 (315)에서 위상 제어 전압 Vc1 내지 Vc4을 전달하는 도체들이 메타물질 구조체들 (140-1 내지 140-4)에 연결되고, 이는 다시 연관된 가변 커패시터들 (150-1 내지 150-4)에 연결된다.
도 1을 다시 참조하면, 물체-검출 시스템 (300)은 목표 필드 F에서 물체들을 검출하고, 예를들면, 충돌 회피, 차량 유도 또는 기타 물체 검출 시스템 (300)에 결합된 작동 시스템에서 활용될 수 있는 목표 지점 데이터를 발생시키는 수신기 (320) 및 신호 처리 회로 (330)를 더욱 포함한다. 예시적 실시태양에서, 위상 제어 회로 (315)는 상기 주사 빔 B가 목표 필드 F를 스윕할 때 즉각적인 빔 방향
Figure 112015063774232-pat00001
를 나타내는 빔 방향 데이터 DBD 를 발생하도록 구성되고, 수신기 회로 (320)는 목표 필드 F에 배치되는 물체들로부터 반사되는 주사 빔 B의 일부 BR을 검출하도록 구성된다. 또한 수신기 회로 (320)는 반사된 빔 일부 BR이 검출되는 각각의 시간을 나타내는 빔 검출 데이터 DBR 을 발생한다. 신호 처리 회로 (330)는 수신기 회로 (320)에서 수신되는 빔 검출 데이터 DBR 및 빔 일부 검출 시간에 빔 제어 회로 (310)에서 수신되는 빔 방향 데이터 DBD를 상관하여 목표 필드 F에 있는 각각의 물체 O의 위치를 결정하도록 구성된다. 예를들면, 물체 O가 어레이 (100)에 대하여 -45° 방향 각에 상응하는 위치에 있다고 가정한다. 이러한 경우, 빔 B가 필드 F를 횡단 스윕하고 -45° 방향 각을 통과할 때, 수신기 회로 (320)는 물체 O 존재로 인하여 초래되는 반사된 빔 일부 BR 수신을 나타내는 빔 검출 데이터 DBR을 발생하고, 이후 신호 처리 회로 (330)는 이러한 반사된 빔 일부 BR의 수신 및 빔 방향 데이터 DBD (즉, 반사된 빔 일부가 수신될 때 빔 B는 -45°를 지향하는 것을 나타냄)와 상관하여 물체 O 위치를 결정한다. 신호 처리 회로 (330) 또한 공지 신호 처리 기술을 이용하여 기타 유용한 정보 (예를들면, 물체 O 크기 및 어레이 (100)에서 물체 O까지의 거리) 발생을 위한 임의선택적 회로를 포함한다.
전기된 바와 같이, 본 발명의 현재 바람직한 실시태양은 예컨대 도 3 내지 5를 참조하여 하기되는 층상 메타물질 구조체들을 이용하고, 도 3은 1차원 패턴으로 배치되는 다중 (이러한 경우 4) 메타물질 구조체들 (140A-1 내지 140A-4)을 포함하는 예시적 다중-층 위상 이동 소자 어레이 (100A)의 사시도이고, 도 4는 단일 메타물질 구조체 (140A-1)를 더욱 상세하게 보이는 부분 분해 사시도이고, 도 5는 위상 이동 소자 어레이 (100A)를 이용하는 물체-검출 시스템 (300A) 개략도이다.
도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 위상 이동 소자 어레이 (100A)를 형성하는 다중-층상 구조체는 전기적으로 격리된 (부동) 후판 (하부 금속) 층 (142A), 후판층 (142A) 상부에 배치되는 블랭킷 상부 유전체 층 (144A-1), 후판층 (142A) 하부에 배치되는 임의선택적 하부 유전체 층 (144A-2), 및 유전체 층 (144A-1) 상면에 배치되는 이격 금속층 “아일랜드” 구조체들 (141A-1 내지 141A-4)을 포함한다. 이러한 배열로, 메타물질 구조체들 (140A-1 내지 140A-4)은 연관된 금속 아일랜드 구조체 (141A-1 내지 141A-4), 후판층 (142A)의 연관된 일부 (즉, 각자 금속 아일랜드 구조체들 (141A-1 내지 141A-4) 아래 배치되는 일부), 및 상부 유전체 층 (144A-1)의 연관된 일부 (즉, 각각의 금속 아일랜드 구조체 (141A-1 내지 141A-4) 및 후판층 (142A) 사이에 개재되는 유전체 일부)로 형성된다. 예를들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 메타물질 구조체 (140A-1)는 금속 아일랜드 구조체 (141A-1), 연관된 후판층 일부 (142A-1), 및 상부 유전체 층 일부 (144A-11)를 포함한다. 도 5를 참조하면, 메타물질 구조체들 (140A-2 내지 140A-4)은 유사하게 금속 아일랜드 구조체들 (141A-2 내지 141A-4) 및 연관된 후판층 일부 (142A-2 내지 141A-4)로 형성된다. 금속 아일랜드 구조체들 (141A-1 내지 141A-4), 후판층 (142A) 및 상부 유전체 층 (144A-1)은 협력적으로 구성되어 (예를들면, 크기, 형상 및 간격) 메타물질 구조체들 (140A-1 내지 140A-4)의 연관된 고정 커패시턴스들 CM1 내지 CM4는 적어도 부분적으로 금속 아일랜드 및 후판 구조체들 사이 커패시턴스 성분들에 의해 형성된다. 예를들면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 금속 아일랜드 구조체 (141A-1) 및 후판층 (142A)은 협력적으로 구성되어 연관된 고정 커패시턴스 CM1은 적어도 부분적으로 커패시턴스 성분 C141-142에 의해 형성된다.
현재 바람직한 실시태양에 의하면, 유전체 층 (144A-1)은 Rogers Corporation (Rogers, CT)에서 모두 생산되는 RT/duroid® 6202 Laminates, 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 및 TMM4® 유전체로 이루어진 군에서 선택되는 무손실 유전물질로 구성된다. 이러한 무손실 유전물질을 사용하면 입사 복사선 (예를들면, 입력 신호 SIN) 흡수를 경감시키고, 대부분의 입사 복사선 에너지가 출력 신호 SOUT에서 재-방사되는 것을 보장한다. 후판층 구조체 (142A)을 더욱 격리하고, 하기 방식에서와 같이 제어 회로의 후측 실장이 용이하도록 기능하는 임의선택적 하부 유전체 층 (144A-2)은 또한 무손실 유전물질을 이용하여 생성된다.
또 다른 특징에 의하면, 금속 아일랜드 구조체들 (141A-1 내지 141A-4) 및 베이스 금속층 (120A) 모두 유전체 층 (141A-1) 상면에 공동-배치되고, 여기에서 베이스 금속층 (120A)은 금속 아일랜드 구조체들 (141A-1 내지 141A-4)로부터 이격된다 (예를들면, 금속 아일랜드 구조체 (141A-1)는 금속층 구조체 (120A)로부터 간격 G1만큼 이격된다). 베이스 금속층 (120A)은 작동 과정에서 접지 전위에 연결되므로, 베이스 금속층 (120A)은 제작 과정에서 가변 커패시터들 (150A-1 내지 150A-4)의 저-비용 실장을 가능하게 한다. 예를들면, 도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 가변 커패시터 (150A-1)는 간격 G1을 횡단하여 실장되어 제1 단자 (151A-1)는 아일랜드 구조체 (141A-1)에 연결되고 (예를들면, 땜납 또는 무땜납 접속 기술), 제2 단자 (152A-1)는 유사하게 베이스 금속층 (120A)에 연결된다. 이러한 실제 배열로 저-비용 표면-실장 기술을 이용하여 가변 커패시터들 (150A-1 내지 150A-4) 부착을 용이하게 함으로써 제작 비용을 더욱 줄인다.
도 3 및 4에 나타낸 바와 같이, 바람직한 실시태양에서, 베이스 금속층 (120A)은 유전체 층 (144A-1) 전체 상면 대부분을 덮고, 패턴화되어 개구들 (123A-1 내지 123A-4)을 형성하고 여기에 금속 아일랜드 구조체들 (141A-1 내지 141A-4)이 각자 배치된다. 도 4에 표기된 바와 같이, 개구 (123A-1) 내부 둘레 모서리 (124A-1)는 연관된 금속 아일랜드 구조체 (141A-1) 외부 둘레 모서리 (144A-1)로부터 균일 폭을 가지는 연관된 둘레 간격 G1만큼 이격된다. 도 3에 표기된 바와 같이, 금속 아일랜드 구조체들 (141A-2 내지 141A-4)은 유사하게 각각 내부 개구들 (123A-2 내지 123A-4)에 배치되고, 이들 사이 간격들 G2 내지 G4가 형성된다. 이러한 베이스 금속 구조체 배열은 2가지 목적을 수행한다. 첫째, 베이스 금속층 (120A) 및 금속 아일랜드 구조체들 (141A-1 내지 141A-4) 사이에 적당한 둘레 간격 거리를 제공함으로써, 베이스 금속층 (120A)은 효과적으로 메타물질 구조체들 (140A-1 내지 140A-4)의 일부가 되고 메타물질 구조체들 (140A-1 내지 140A-4)의 고정 커패시턴스들 CM1 내지 CM4는 베이스 금속층 (120A) 및 금속 아일랜드 구조체들 (141A-1 내지 141A-4) 간에 발생되는 커패시턴스 성분에 의해 개선된다 (예를들면, 도 4에 표기된 바와 같이, 고정 커패시턴스 CM1은 커패시턴스 성분 C141-120을 포함한다). 둘째, 베이스 금속층 (120A)을 아일랜드 구조체들 (141A-1 내지 141A-4)에 인접하게 형성하고 그외 유전체 층 (144A-1) 상면을 (즉, 어레이 (100A)의 상부 또는 “전방” 표면) 덮음으로써, 베이스 금속층 (120A)은 집합 모드 진동을 지지하는 산란 표면으로 기능하고, 상향/전향에서 출력 신호들의 산란을 보장한다. 다른 특징부에 의하면, 베이스 금속층 (120A) 및 금속 아일랜드 구조체들 (141A-1 내지 141A-4)양쪽 모두는 단일 (즉, 동일) 금속 (예를들면, 구리)을 이용하여 형성되고, 이에 따라 저-비용 제조 공정 (예를들면, 블랭킷 금속층 스퍼터 증착, 레지스트 패턴화, 및 이후 둘레 홈/간격들 형성을 위한 금속층 식각)을 이용한 베이스 금속층 (120A) 및 아일랜드 구조체들 (141A-1 내지 141A-4) 형성이 가능하여 제조 비용을 더욱 경감할 수 있다.
도 5를 참조하면, 바람직한 실시태양의 또 다른 양태에 의하면, 금속 비아 (도전성) 구조체들 (145A-1 내지 145-2)이 유전체 층들 (144A-1 및 144A-2) 및 후판층 (142A)에 형성된 개구들을 관통하여 연장되고 위상 제어 전압 Vc1 내지 Vc4를 각자 빔 제어 회로 (310A)에서 가변 커패시터들 (150A-1 내지 150A-4)로 전달하는 기능을 한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 후판층 (142A)에 형성되고 금속 비아 구조체 (145A-1)이 후판층 (142A)으로부터 전기적으로 격리될 수 있는 크기의 개구 (143A)를 금속 비아 구조체 (145A-1)는 연장한다 (즉, 후판층 (142A)은 금속 비아 구조체 (145A-1)에 인가되는 위상 제어 전압 Vc1에 의해 영향을 받지 않는다). 바람직한 실시태양에서, 금속 비아 구조체 (145A-1)는 금속 아일랜드 구조체 (141A-1)에 형성되는 제2 개구 (141A-1O)를 관통하여 이의 상단은 가변 커패시터 (150A-1) 단자 (151A-1)에 접속함으로써, 최소 신호 손실로 위상 제어 전압 Vc1 전송이 가능하다. 대안적 실시태양에서 (미도시), 각각의 금속 비아 구조체는 연관된 금속 아일랜드 구조체와 접속하고 (예를들면, 금속 비아 구조체 (145A-1)는 금속 아일랜드 구조체 (141A-1) 하면과 접속), 위상 제어 전압은 금속 아일랜드 구조체들을 통하여 연관된 가변 커패시터들로 전송될 수 있다. 금속 비아 구조체들 (145A-1 내지 145A-4)을 이용하면 메타물질 구조체들 (140A-1 내지 140A-4) 형상을 복잡화하지 않고 위상 제어 전압 Vc1 내지 Vc4를 가변 커패시터들 (150A-1 내지 150A-4)로 분배할 수 있고, 또한 위상 제어 전압을 대량의 메타물질 구조체들로 간단히 분배할 수 있다.
도 6은 물체-검출 시스템 (300A) (상기) 및 충돌 회피 성능을 가지는 현존 시스템과 일관되는 방식으로 기능하는 적응형 순항 제어 시스템 (420)에 의해 형성되는 차량-장착 충돌 회피 시스템 (410)을 가지는 호스트 차량 (400) 개략도이다. 특히, 차량 (400)에서 화살표 A 및 B로 표기된 바와 같이, 적응형 순항 제어 시스템 (420)은 차량 방향을 변경 (즉, 화살표 A로 표기된 바와 같이 차량의 조향 시스템을 제어)하고 차량을 정지 또는 서행 (즉, 화살표 B로 표기된 바와 같이 차량의 제동 시스템을 제어)함으로써 차량을 자동 제어할 수 있다. 본 실시태양에서, 물체-검출 시스템 (300A)은 차량 (400) 전단에 장착되어 위상 이동 소자 어레이 (100A)에서 방사되는 주사 빔은 호스트 차량 (400) 전방의 필드 F를 향하고 반복적으로 횡단 주사 (스윕)한다. 물체들 (예를들면, 물체들 O1 및 O2)이 필드 F에 있다면, 반사된 빔 일부는 수신기 회로 (320A)에 의해 검출되고, 상기 회로는 반사된 빔 데이터 DBR을 신호 처리 회로 (330A)로 전송하고, 이는 적응형 순항 제어 시스템 (410)으로 전송되는 충돌 제어 회피 데이터 DCC를 발생함으로써 (예를들면, 물체들 O1 및 O2의 상대 위치를 나타내는 데이터), 적응형 순항 제어 시스템 (410)은 물체들 O1 및 O2와의 충돌을 피하기 위하여 차량 (400)을 자동 제어한다.
본 발명의 양태에 의하면, 본원에 기재된 다양한 메타물질-기반의 물체-검출 시스템은 현존 차량-장착 충돌 회피 시스템과 비교하여 상당한 이점을 제공한다. 즉, 위상화 어레이 레이더 시스템과 같이, 본 발명의 메타물질-기반의 물체-검출 시스템은 한번에 하나 이상의 물체를 지정하고 추적할 수 있다. 반대로, 종래 위상화 어레이 시스템은 자동차에 포함되기에 너무 크고 고가이므로, 현재 차량-장착 레이더-기반의 충돌 회피 시스템은 한번에 하나의 물체를 추적만할 수 있는 물체-검출 방식을 이용한다. 실제 실시태양에 의하면, 물체-검출 시스템 (300A)은 메타물질 구조체들의 1차원 어레이를 이용하여 전형적으로 호스트 차량 (400)이 주행하는 수평면을 주사한다. 그러나, 일부 실시태양들에서 물체의 수직 위치 또는 크기를 검출하는 것이 유용할 수 있고, 이러한 경우 2차원 어레이를 포함하는 물체-검출 시스템 (예를들면, 하기 시스템 (300E))이 이용된다. 따라서, 본 발명은 다양한 물체의 상대 속도 및 지점 제작을 포함하여 다양한 물체들 (자동차, 보행자, 오토바이 기타 등)을 구분할 수 있는 차량-기반의 레이더-조력 운전/충돌 회피 시스템을 가능하게 한다. 이러한 기능성으로 인하여 완전한 교통 패턴의 매핑이 가능하고 사고 예측 및 방지 가능성을 크게 높이고, 현존 자동화 레이더 시스템보다 고성능, 저 비용, 및 저 SWaP (크기, 중량 및 전력)으로 달성할 수 있다.
당업자는 본원에서 일반적으로 기술되는 메타물질 구조체는 얻어진 구조체가 요구 전파 주파수에서 공진하고, 공진 근처에서 대형 위상 스윙을 가진다면 많은 형태 및 형상을 가질 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 도 3 내지 5에 도시된 실시태양은 단순화된 사각-형상의 메타물질 구조체들 및 중실 아일랜드 구조체들 (141A-1 내지 141A-4)를 이용하여 본 발명의 기본 개념을 설명한다. 특히, 메타물질 구조체들 (141A-1 내지 141A-4)은 베이스 금속 구조체 (120A)의 개구들 (123A-1 내지 123A-4)을 둘러싸는 내부 둘레 모서리들 및 아일랜드 구조체들 (141A-1 내지 141A-4)의 외부 둘레 모서리들이 동심 사각 형상들로 구성되도록 형성되어 둘레 간격들 G1 내지 G4의 공통 폭은 각각의 아일랜드 구조체 전체 둘레 주위에 걸쳐 실질적으로 일정하다. 이러한 사각-형상 구조체들을 이용하는 이점은 이러한 방법이 기하 구조를 단순화하고 위상 제어 전압들과 원하는 커패시턴스 변화 및 연관된 위상 이동의 상관화에 필요한 수학을 단순화하는 제한적 자유도를 제공하는 것이다. 대안적 실시태양들에서, 메타물질 구조체들은 사각형 이외의 형상들 (예를들면, 원형, 삼각형, 직사각형/타원형)로 형성된다.
도 7은 상기 실시태양들과 상이한 또 다른 대안적 위상 이동 소자 어레이 (100C)의 단일 메타물질 구조체 (140C) 사시도이고 메타물질 구조체 (140C)는 패턴화 아일랜드 구조체 (141C)를 포함한다. 특히, 아일랜드 구조체 (141C)는 패턴화 평면 금속 구조체에 의해 형성되고, 이는 개방 영역 (149C)을 형성한다 (즉, 상부 유전체 표면 (144C-1A) 일부는 개방 영역 (149C)을 통해 노출된다). 본 실시예에서, 아일랜드 구조체 (141C)는 외부 둘레 모서리 (141C-1)를 포함하는 사각-형상 둘레 프레임부 (146C), 여기에서 모서리는 둘레 간격 G만큼 상기와 같이 형성되는 베이스 금속층 (120C) 내부 둘레 모서리 (124C)로부터 이격되고, 둘레 프레임부 (146C)에 일체적으로 연결되는 외부 말단들을 가지고 프레임부 (146C)에서 내향 연장되는4개의 방사상 아암들 (147C), 및 방사상 아암들 (147C) 내부 말단들에 연결된 내부 (이러한 경우, “X-형상”) 구조체 (148C)를 포함한다. 구조체 (148C)는 방사상 아암들 (147C) 및 둘레 프레임 (146C) 사이에 형성되는 개방 영역 (149C)으로 연장된다. 메타물질 구조체 (140C)는 그외에는 도 3 내지 5를 참고하여 상기된 3-층 방법으로 구성된다. 패턴화 메타물질 구조체를 이용하면 제어 전압 및 위상 이동 값 상관화에 관련된 수학이 복잡하지만, X-형상 패턴의 메타물질 구조체 (140C)는 중실 아일랜드 구조체를 이용하는 것보다 더욱 많은 자유도를 생성하여, 360° 위상 스윙에 가까이 이를 수 있고, 이에 따라 기능 개선 예컨대 큰 각에서 빔 조향이 가능하다고 판단된다 (즉, 플러스 또는 마이너스 60° 이상). 또한, 메타물질 구조체 (140C)는 사각-형상 외부 둘레 모서리를 가지는 것으로 도시되지만, 또한 다른 둘레 형상을 가지는 패턴화 메타물질 구조체도 유리하게 활용될 수 있다.
또한 위상 이동 소자 어레이 (100C)는 (도 7) 메타물질 구조체 (140C)의 금속 아일랜드 구조체 (141C) 및 베이스 금속층 (120C)사이에 연결되는 2개의 가변 커패시터들 (150C-1, 150C-2)을 포함한다는 점에서 전기된 실시태양들과 차별된다. 가변 커패시터들 (150E)의 구성 및 목적은 상기된 것과 동일하고, 2개의 가변 커패시터들을 이용하면 각각의 메타물질 구조체에 인가되는 가변 커패시턴스 범위가 증가된다.
도 8은 베이스 금속 층 (120E)에 의해 포위되는16개의 메타물질 구조체들 (140E-11 내지 140E-44)을 가지는 위상 이동 소자 어레이 (100E), 중앙 배치되는 신호원 (305E), 제어 회로 (310E) (설명 목적으로 블록 형태로 표기되지만, 하부 메타물질 구조체들 (140E-11 내지 140E-44) 아래에 배치), 수신기 회로 (320E) 및 상기 설명과 일치하는 방식으로 기능하는 신호 처리 유닛 (330E)을 포함하는 위상화 어레이 시스템 (300E)의 개략 평면도이다.
본 실시태양의 양태에 의하면, 메타물질 구조체들 (140E-11 내지 140E-44)은 가로 및 세로의 2차원 패턴으로 배치되고, 각각의 메타물질 구조체 (140E-11 내지 140E-44)는 개별적으로 상기와 유사한 방식으로 제어 회로 (310E)에 의해 발생되고 도체에 의해 전달되는 (점선으로 표시) 제어 전압 VC11 내지 VC44으로 제어될 수 있다. 특히, 최상부 메타물질 구조체들 (140E-11, 140E-12, 140E-13, 140E-14)은 상부 가로를 형성하고, 메타물질 구조체들 (140E-21 내지 140E-24)은 제2 가로를 형성하고, 메타물질 구조체들 (140E-31 내지 140E-34)은 제3 가로를 형성하고, 메타물질 구조체들 (140E-41 내지 140E-44)은 하부 가로를 형성한다. 유사하게, 최좌측 메타물질 구조체들 (140E-11, 140E-21, 140E-31, 140E-41)은 최좌측 세로를 형성하고 각각 제어 전압 VC11, VC21, VC31 및 VC41로 제어되고, 메타물질 구조체들 (140E-12 내지 140E-42)은 제2 세로를 형성하고 제어 전압 VC12 내지 VC42로 제어되고, 메타물질 구조체들 (140E-13 내지 140E-43)은 제3 세로를 형성하고 제어 전압 VC13 내지 VC43으로 제어되고, 메타물질 구조체들 (140E-14 내지 140E-44)은 제4 (최우측) 세로를 형성하고 제어 전압 VC14 내지 VC44로 제어된다.
본 실시태양의 양태에 의하면, 2개의 가변 커패시터들 (150E)이 각각의 메타물질 구조체 (140E-11 내지 140E-44) 및 베이스 금속 층 (120E) 사이에 연결된다. 가변 커패시터들 (150E)의 구성 및 목적은 상기에서 제공된 것과 동일하고, 여기에서 2개의 가변 커패시터들을 이용하여 각각의 메타물질 구조체에 인가되는 가변 커패시턴스 범위를 높인다. 도시된 실시태양에서, 단일 제어 전압이 각각의 메타물질 구조체의 양쪽 가변 커패시터들에 공급되지만, 대안적 실시태양에서 개별 제어 전압이 각각의 메타물질 구조체의 2개의 가변 커패시터들 각각에 공급된다. 또한, 더욱 많은 가변 커패시터들이 이용될 수 있다.
제어 회로 (310E)는 각각의 메타물질 구조체 (140E-11 내지 140E-44)의 가변 커패시터들 (150E)에 각자 전달되는 위상 제어 전압 Vc11 내지 Vc44를 발생하도록 구성되어, 가변 커패시터들 (150E)이 제어되고 연관된 가변 커패시턴스를 인가하여 개별적으로 제어된 출력 위상들을 가지는 연관된 출력 신호들을 발생시킨다. 본 실시태양의 양태에 의하면, 메타물질 구조체들 (140E-11 내지 140E-44)은 2차원 어레이로 배열되므로 (즉, 가로 및 세로), 출력 위상들 편차로 인하여 얻어진 빔들은 도 9(A) 내지 9(C)에 도시된 바와 같이 3차원 영역으로 형성되는 구역에서 방향을 변경하도록 유도된다. 특히, 도 9(A), 9(B) 및 9(C)은 0, +40 및 -40도 빔 조향에서의 복사선 패턴을 보인다. 복사선 패턴은 주 로브 (lobe) 및 부 로브로 이루어진다. 부 로브는 원치않는 방향들에서 원치않는 복사선을 나타낸다.
도 10, 11 및 12는 상기 위상 이동 소자 어레이 및 연관된 빔 제어 및 신호 처리 전자회로들과 함께 이용되는 대안적 수신기 회로 기능성들을 보이는3종의 개략 실시예들에 의한 물체-검출 시스템 (300F, 300G, 300H)을 도시한 것이다. 도 10은 단일 위상 이동 소자 어레이 (100F)를 이용하여 공지 기술과 일관된 방식으로 무선주파수 신호들을 전송하고 수신하는 물체-검출 시스템 (300F)을 도시한 것이고, 전송/수신기 회로 (320F)는 빔 발생 및 반사된 빔 검출 작동 모두에서 어레이 (100F)와 통신하도록 구성된다. 도 11은 위상 이동 소자 어레이 (100G)는 단지 빔 전송에만 이용되고, 반사된 빔 검출을 위하여 별도의 수신 안테나를 이용하는 물체-검출 시스템 (300G)을 도시한 것이고, 이에 따라 전송/수신기 회로 (320G)가 구성된다. 마지막으로, 도 12는 2개의 위상 이동 소자 어레이들 (100H-1, 100H-2)이 각자 빔 전송 및 반사된 빔 검출 작동에 이용되는 물체-검출 시스템 (300H)을 도시한 것이고, 전송/수신기 회로 (320G)는 위상 이동 소자 어레이들 양쪽과 통신되도록 구성된다.

Claims (20)

  1. 물체-검출 시스템에 있어서:
    2.4 GHz 내지 300 GHz의 범위의 무선 주파수를 갖는 입력 신호를 발생시키도록 구성된 신호원;
    다수의 메타물질 구조체들을 포함하는 위상 편이 소자 어레이로서, 상기 다수의 메타물질 구조체들이 상기 입력 신호를 다시 전송함으로써 상기 무선 주파수를 갖는 전자기 복사선 출력 신호들(electromagnetic radiation output signals)을 각각 발생시키도록 각각의 상기 메타물질 구조체는 상기 입력 신호에 응답하여 상기 무선 주파수에서 공진하도록 구성되는, 상기 위상 편이 소자 어레이; 및
    다수의 가변 커패시턴스들을 발생시키고 각각의 상기 가변 커패시턴스를 연관된 상기 메타물질 구조체에 적용하도록 구성되어, 상기 연관된 메타물질 구조체의 유효 커패시턴스가 각각의 상기 적용된 가변 커패시턴스에서 상응하는 변화에 의해 변경되고, 그에 의해, 상기 다수의 메타물질 구조체들이 상기 다수의 가변 커패시턴스들에 의해 결정된 상응하는 출력 위상들에서 출력 신호들을 각각 발생시키도록 구성되는 빔 제어 회로를 포함하고, 상기 빔 제어 회로는 또한 상기 다수의 가변 커패시턴스들을 가변시키도록 구성되어, 상기 출력 신호들은 상기 위상 편이 소자 어레이의 전방 필드를 횡단 스윕하는 주사 빔(scan beam)을 집합적으로 발생시키고,
    상기 빔 제어 회로는:
    연관된 가변 커패시턴스들을 각각 발생시키도록 구성된 다수의 가변 커패시터들로서, 각각의 상기 가변 커패시터는 상기 다수의 메타물질 구조체들 중 연관된 메타물질 구조체에 결합되어, 상기 연관된 메타물질 구조체의 유효 커패시턴스가 상기 각각의 가변 커패시터에 의해 발생되는 상기 가변 커패시턴스에서의 상응하는 변화에 의해 변경되는, 상기 다수의 가변 커패시터들; 및
    다수의 위상 제어 전압들을 발생시키도록 구성된 위상 제어 회로로서, 각각의 위상 제어 전압은 상기 다수의 가변 커패시터들 중 연관된 가변 커패시터에 인가되어 상기 연관된 가변 커패시터의 상기 연관된 가변 커패시턴스가 상기 각각의 위상 제어 전압에 따라 변화하고, 각각의 위상 제어 전압은 시간에 따라 변화하는 각각의 전압 수준을 가져서 상기 다수의 메타물질 구조체들은 상기 주사 빔이 상기 필드를 횡단 스윕하도록 각각 조정되는 다수의 상이한 출력 위상들에서 상기 출력 신호들을 각각 발생시키는, 상기 위상 제어 회로를 포함하고,
    상기 위상 편이 소자 어레이는:
    전기적으로 격리된 하부 금속층; 및
    상기 하부 금속층 위에 배치된 유전체 층을 더 포함하고,
    각각의 상기 메타물질 구조체는 상기 유전체 층 상에 배치된 금속 아일랜드 구조체 및 상기 하부 금속층의 연관된 하부층 일부를 포함하고, 상기 연관된 하부층 일부는 상기 금속 아일랜드 구조체 아래 직접 배치되고,
    각각의 상기 메타물질 구조체의 상기 금속 아일랜드 구조체 및 상기 연관된 하부층 일부는 협력적으로 구성되어 상기 각각의 메타물질 구조체가 상기 무선 주파수에서 공진하고 고정 커패시턴스를 갖는, 물체-검출 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 각각의 상기 가변 커패시터는:
    상기 각각의 가변 커패시터에 걸쳐 인가되는 상기 위상 제어 전압이 제1 전압 수준을 가질 때, 상기 각각의 가변 커패시터는 제1 커패시턴스 수준에서 상기 가변 커패시턴스를 발생시키고 상기 연관된 메타물질 구조체는 연관된 제1 출력 위상에서 상기 출력 신호를 발생시키고, 및
    상기 위상 제어 전압이 상기 제1 전압 수준에서 제2 전압 수준으로 높아질 때, 상기 각각의 가변 커패시터는 제2 커패시턴스 수준에서 상기 가변 커패시턴스를 발생시켜서 상기 연관된 메타물질 구조체는 연관된 제 2 출력 위상에서 상기 출력 신호를 발생시키고, 상기 제 2 출력 위상은 상기 제1 출력 위상보다 더 크도록 구성되는, 물체-검출 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 각각의 상기 가변 커패시터는 제1 단자 및 제2 단자를 포함하고, 상기 제1 단자는 상기 연관된 메타물질 구조체에 연결되고,
    모든 상기 다수의 가변 커패시터들의 상기 제2 단자는 공통 전압원에 연결되는, 물체-검출 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 다수의 위상 제어 전압들을 각각 전송하기 위한 다수의 도전 구조체들을 더 포함하고, 각각의 상기 도전 구조체가 연관된 메타물질 구조체 및 상기 연관된 가변 커패시터의 상기 제1 단자 중 하나와 상기 위상 제어 회로 사이에 연결되고, 그에 의해 상기 위상 제어 전압들 중 하나가 상기 각각의 도전 구조체에 의해 인가되고 상기 연관된 가변 커패시터의 상기 제2 단자가 접지 전위에 연결될 때, 상기 연관된 가변 커패시터는 상기 위상 제어 전압에 비례하는 커패시턴스 수준을 갖는 상기 연관된 가변 커패시턴스를 발생시키는, 물체-검출 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 빔 제어 회로는 또한 상기 주사 빔의 순시 빔 방향을 나타내는 빔 방향 데이터를 발생시키도록 구성되고,
    상기 물체-검출 시스템은:
    상기 필드에 배치된 물체들로부터 반사된 상기 주사 빔의 빔 부분들을 검출하고, 연관된 반사된 상기 빔 부분의 각각의 검출을 나타내는 빔 검출 데이터를 발생시키도록 구성된 수신기, 및
    상기 빔 방향 데이터와 상기 물체에서의 상기 주사 빔 반사에 의해 발생된 상기 빔 검출 데이터를 조합하여 상기 필드 내 물체의 위치를 검출하도록 구성된 신호 처리 회로부를 더 포함하는, 물체-검출 시스템.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층은 유전체 물질을 포함하는, 물체-검출 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 위상 편이 소자 어레이는 상부 유전체 표면상에 배치되고 상기 다수의 메타물질 구조체들의 각각의 상기 금속 아일랜드 구조체로부터 이격된 베이스 금속 구조체를 더 포함하고,
    상기 다수의 가변 커패시터들의 각각의 상기 가변 커패시터는 상기 연관된 메타물질 구조체의 상기 금속 아일랜드 구조체에 연결된 제1 단자 및 상기 베이스 금속 구조체에 연결된 제2 단자를 포함하는, 물체-검출 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 베이스 금속 구조체는 다수의 개구들을 형성하고, 각각의 상기 개구는 내부 둘레 모서리를 갖고,
    각각의 상기 금속 아일랜드 구조체는 상기 다수의 개구들의 연관된 개구 내부에 배치되어 상기 금속 아일랜드 구조체의 외부 둘레 모서리는, 상기 다수의 메타물질 구조체들의 각각의 상기 금속 아일랜드 구조체들이 상기 무선 주파수에서 공진하도록 구성된 둘레 간격만큼 상기 베이스 금속 구조체의 상기 내부 둘레 모서리로부터 이격되는, 물체-검출 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 베이스 금속 구조체 및 상기 금속 아일랜드 구조체들은 단일 금속을 포함하는, 물체-검출 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 위상 편이 소자 어레이는 다수의 금속 비아 구조체들을 더 포함하고, 각각의 상기 금속 비아 구조체는 상기 유전체 층을 통해 연장되고 상기 다수의 가변 커패시터들의 연관된 가변 커패시터의 제 1 단자에 접속하는, 물체-검출 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 메타물질 구조체들의 각각의 상기 금속 아일랜드 구조체는 사각 형상 둘레 모서리를 포함하는, 물체-검출 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 메타물질 구조체들의 각각의 상기 금속 아일랜드 구조체는 하나 이상의 개방 영역들을 형성하는 패턴화 평면 구조체를 포함하는, 물체-검출 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 메타물질 구조체들은 1차원 어레이로 배열되어 상기 금속 아일랜드 구조체들은 로우(row)로 정렬되고,
    상기 제어 회로는 상기 다수의 위상 제어 전압들을 계속하여 변화시키도록 구성되어 상기 다수의 메타물질 구조체들은 계속하여 변화하는 다수의 상이한 출력 위상들에서 상기 출력 신호들을 각각 발생시켜서 상기 주사 빔은 2차원 패턴으로 상기 필드를 횡단 스윕하는, 물체-검출 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 메타물질 구조체들은 2차원 어레이로 배열되어 상기 금속 아일랜드 구조체들은 다수의 로우들 및 다수의 컬럼들로 배열되고,
    상기 제어 회로는 상기 다수의 위상 제어 전압들을 계속하여 변화시키도록 구성되어 상기 다수의 메타물질 구조체들은 계속하여 변화하는 다수의 상이한 출력 위상들에서 상기 출력 신호들을 각각 발생시켜 지향되는 빔은 3차원 영역에서 주사되는, 물체-검출 시스템.
  17. 호스트 차량(host vehicle)과 하나 이상의 물체들의 충돌을 회피하기 위한 차량 충돌 회피 시스템에 있어서, 상기 차량은 상기 차량을 자동 제어할 수 있는 적응형 순항 제어 시스템(adaptive cruise control system)을 포함하고, 차량 충돌 회피 시스템은:
    2.4 GHz 내지 300 GHz의 범위의 무선 주파수를 갖는 단일 전자기 복사선 입력 신호를 수신하도록 배치된 다수의 메타물질 구조체들을 포함하는 위상 편이 소자 어레이로서, 각각의 상기 메타물질 구조체는 상기 무선 주파수에서 공진하도록 구성되어 상기 각각의 메타물질 구조체는 상기 무선 주파수를 갖는 연관된 전자기 복사선 출력 신호를 발생시키고, 상기 위상 편이 소자 어레이는 상기 차량에 장착되어 상기 다수의 메타물질 구조체들에 의해 발생된 상기 출력 신호들은 상기 차량에 인접한 필드로 지향되는, 상기 위상 편이 소자 어레이;
    다수의 가변 커패시턴스들을 발생시키고 각각의 상기 가변 커패시턴스를 연관된 상기 메타물질 구조체에 인가하도록 구성되어 상기 연관된 메타물질 구조체의 유효 커패시턴스가 각각의 상기 인가된 가변 커패시턴스에서의 상응하는 변화에 의해 변경되고, 그에 의해 상기 다수의 메타물질 구조체들은 상기 다수의 가변 커패시턴스들에 의해 결정된 상응하는 출력 위상들에서 상기 전자기 복사선 출력 신호들을 각각 발생시키도록 구성되는 빔 제어 회로로서, 상기 빔 제어 회로는 또한 상기 다수의 가변 커패시턴스들을 가변시키도록 구성되어 상기 출력 신호들에 의해 발생된 조합 전자기파가 각도 방사 방향(angular emission direction)으로 보강되고, 그에 의해 상기 출력 신호들은 상기 각도 방사 방향으로 향하는 주사 빔을 집합적으로 발생시키고, 상기 빔 제어 회로는 또한 상기 다수의 가변 커패시턴스들을 점차 변화시키도록 구성되어 상기 위상 편이 소자 어레이로부터 방사된 주사 빔의 주사 빔 방향이 점차 변하고, 그에 의해 상기 주사 빔이 상기 필드를 횡단 스윕하는, 상기 빔 제어 회로;
    상기 필드에 배치된 하나 이상의 물체들에서 반사되는 상기 주사 빔의 빔 부분들을 검출하고, 상기 검출된 빔 부분들에 따라 상기 하나 이상의 물체들의 검출을 나타내는 빔 검출 데이터를 발생시키도록 구성된 수신기; 및
    상기 빔 검출 데이터에 따라 상기 필드내 상기 하나 이상의 물체들의 위치를 검출하고, 충돌 제어 회피 데이터를 상기 적응형 순항 제어 시스템에 전송하도록 구성되어 상기 적응형 순항 제어 시스템이 상기 하나 이상의 물체들과의 충돌을 피하기 위하여 상기 차량을 자동 제어하도록 구성되는 신호 처리 회로를 포함하고,
    상기 빔 제어 회로는:
    연관된 가변 커패시턴스들을 각각 발생시키도록 구성된 다수의 가변 커패시터들로서, 각각의 상기 가변 커패시터는 상기 다수의 메타물질 구조체들 중 연관된 메타물질 구조체에 결합되어, 상기 연관된 메타물질 구조체의 유효 커패시턴스가 상기 각각의 가변 커패시터에 의해 발생되는 상기 가변 커패시턴스에서의 상응하는 변화에 의해 변경되는, 상기 다수의 가변 커패시터들; 및
    다수의 위상 제어 전압들을 발생시키도록 구성된 위상 제어 회로로서, 각각의 위상 제어 전압은 상기 다수의 가변 커패시터들 중 연관된 가변 커패시터에 인가되어 상기 연관된 가변 커패시터의 상기 연관된 가변 커패시턴스가 상기 각각의 위상 제어 전압에 따라 변화하고, 각각의 위상 제어 전압은 시간에 따라 변화하는 각각의 전압 수준을 가져서 상기 다수의 메타물질 구조체들은 상기 주사 빔이 상기 필드를 횡단 스윕하도록 각각 조정되는 다수의 상이한 출력 위상들에서 상기 출력 신호들을 각각 발생시키는, 상기 위상 제어 회로를 포함하고,
    상기 위상 편이 소자 어레이는:
    전기적으로 격리된 하부 금속층; 및
    상기 하부 금속층 위에 배치된 유전체 층을 더 포함하고,
    각각의 상기 메타물질 구조체는 상기 유전체 층 상에 배치된 금속 아일랜드 구조체 및 상기 하부 금속층의 연관된 하부층 일부를 포함하고, 상기 연관된 하부층 일부는 상기 금속 아일랜드 구조체 아래 직접 배치되고,
    각각의 상기 메타물질 구조체의 상기 금속 아일랜드 구조체 및 상기 연관된 하부층 일부는 협력적으로 구성되어 상기 각각의 메타물질 구조체가 상기 무선 주파수에서 공진하고 고정 커패시턴스를 갖는, 차량 충돌 회피 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 다수의 메타물질 구조체들은 1차원 어레이로 배열되어 금속 아일랜드 구조체들은 로우로 정렬되고,
    상기 제어 회로는 상기 다수의 위상 제어 전압들을 계속하여 변화시키도록 구성되어 상기 다수의 메타물질 구조체들은 계속하여 변화하는 다수의 상이한 출력 위상들에서 상기 출력 신호들을 각각 발생시켜서 상기 주사 빔은 2차원 패턴으로 상기 필드를 횡단 스윕하는, 차량 충돌 회피 시스템.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 다수의 메타물질 구조체들은 2차원 어레이로 배열되어 금속 아일랜드 구조체들은 다수의 로우들 및 다수의 컬럼들로 배열되고,
    상기 제어 회로는 상기 다수의 위상 제어 전압들을 계속하여 변화시키도록 구성되어 상기 다수의 메타물질 구조체들은 계속하여 변화하는 다수의 상이한 출력 위상들에서 상기 출력 신호들을 각각 발생시켜서 상기 주사 빔은 상기 필드의 3차원 영역 전체를 스윕하는, 차량 충돌 회피 시스템.
  20. 차량에 있어서:
    차량을 자동 제어할 수 있는 적응형 순항 제어 시스템; 및
    물체 검출 시스템을 포함하고, 상기 물체 검출 시스템은:
    2.4 GHz 내지 300 GHz의 범위의 무선 주파수를 갖는 전자기 복사선 입력 신호를 발생시키도록 구성된 신호원;
    다수의 메타물질 구조체들이 상기 입력 신호를 받도록 상기 신호원에 근접하게 배치된 상기 다수의 메타물질 구조체들을 포함하는 위상 편이 소자 어레이로서, 각각의 상기 메타물질 구조체는 상기 무선 주파수에서 공진하도록 구성되어 상기 다수의 메타물질 구조체들은 상기 무선 주파수를 갖는 출력 신호들을 각각 발생시키고, 상기 위상 편이 소자 어레이는 상기 차량에 장착되어 상기 출력 신호들은 상기 차량에 인접한 필드로 지향되는, 상기 위상 편이 소자 어레이;
    다수의 가변 커패시턴스들을 발생시키고 각각의 상기 가변 커패시턴스를 연관된 상기 메타물질 구조체에 인가하도록 구성되어 상기 연관된 메타물질 구조체의 유효 커패시턴스가 각각의 상기 인가된 가변 커패시턴스에서의 상응하는 변화에 의해 변경되고, 그에 의해 상기 다수의 메타물질 구조체들은 상기 다수의 가변 커패시턴스들에 의해 결정된 상응하는 출력 위상들에서 출력 신호들을 각각 발생시키도록 구성되는 빔 제어 회로로서, 상기 빔 제어 회로는 또한 상기 다수의 가변 커패시턴스들을 점차 변화시키도록 구성되어 상기 출력 신호들에 의해 발생된 조합 전자기파가 각도 방사 방향으로 보강되고, 그에 의해 상기 출력 신호들은 상기 각도 방사 방향으로 향하는 주사 빔을 집합적으로 발생시키고, 상기 빔 제어 회로는 또한 상기 다수의 가변 커패시턴스들을 점차 변화시키도록 구성되어 상기 위상 편이 소자 어레이로부터 방사된 주사 빔의 주사 빔 방향이 점차 변하고, 그에 의해 상기 주사 빔이 상기 필드를 횡단 스윕하는, 상기 빔 제어 회로;
    상기 필드에 배치된 하나 이상의 물체들에서 반사된 상기 주사 빔의 빔 부분들을 검출하고, 상기 검출된 빔 부분들에 따라 상기 하나 이상의 물체들의 검출을 나타내는 빔 검출 데이터를 발생시키도록 구성된 수신기; 및
    상기 빔 검출 데이터에 따라 상기 필드 내 상기 하나 이상의 물체들의 위치를 검출하고, 충돌 제어 회피 데이터를 상기 적응형 순항 제어 시스템에 전송하도록 구성되어 상기 적응형 순항 제어 시스템이 상기 하나 이상의 물체들과의 충돌을 피하기 위하여 차량을 자동 제어하는 신호 처리 회로를 포함하고,
    상기 빔 제어 회로는:
    연관된 가변 커패시턴스들을 각각 발생시키도록 구성된 다수의 가변 커패시터들로서, 각각의 상기 가변 커패시터는 상기 다수의 메타물질 구조체들 중 연관된 메타물질 구조체에 결합되어, 상기 연관된 메타물질 구조체의 유효 커패시턴스가 상기 각각의 가변 커패시터에 의해 발생되는 상기 가변 커패시턴스에서의 상응하는 변화에 의해 변경되는, 상기 다수의 가변 커패시터들; 및
    다수의 위상 제어 전압들을 발생시키도록 구성된 위상 제어 회로로서, 각각의 위상 제어 전압은 상기 다수의 가변 커패시터들 중 연관된 가변 커패시터에 인가되어 상기 연관된 가변 커패시터의 상기 연관된 가변 커패시턴스가 상기 각각의 위상 제어 전압에 따라 변화하고, 각각의 위상 제어 전압은 시간에 따라 변화하는 각각의 전압 수준을 가져서 상기 다수의 메타물질 구조체들은 상기 주사 빔이 상기 필드를 횡단 스윕하도록 각각 조정되는 다수의 상이한 출력 위상들에서 상기 출력 신호들을 각각 발생시키는, 상기 위상 제어 회로를 포함하고,
    상기 위상 편이 소자 어레이는:
    전기적으로 격리된 하부 금속층; 및
    상기 하부 금속층 위에 배치된 유전체 층을 더 포함하고,
    각각의 상기 메타물질 구조체는 상기 유전체 층 상에 배치된 금속 아일랜드 구조체 및 상기 하부 금속층의 연관된 하부층 일부를 포함하고, 상기 연관된 하부층 일부는 상기 금속 아일랜드 구조체 아래 직접 배치되고,
    각각의 상기 메타물질 구조체의 상기 금속 아일랜드 구조체 및 상기 연관된 하부층 일부는 협력적으로 구성되어 상기 각각의 메타물질 구조체가 상기 무선 주파수에서 공진하고 고정 커패시턴스를 갖는, 차량.
KR1020150093873A 2014-07-14 2015-07-01 메타물질-기반의 물체-검출 시스템 KR102227590B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/331,024 US9545923B2 (en) 2014-07-14 2014-07-14 Metamaterial-based object-detection system
US14/331,024 2014-07-14

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160008963A KR20160008963A (ko) 2016-01-25
KR102227590B1 true KR102227590B1 (ko) 2021-03-15

Family

ID=53546512

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150093873A KR102227590B1 (ko) 2014-07-14 2015-07-01 메타물질-기반의 물체-검출 시스템

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9545923B2 (ko)
EP (1) EP2975694B1 (ko)
JP (1) JP6445936B2 (ko)
KR (1) KR102227590B1 (ko)

Families Citing this family (51)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9972877B2 (en) * 2014-07-14 2018-05-15 Palo Alto Research Center Incorporated Metamaterial-based phase shifting element and phased array
US20160166843A1 (en) * 2014-12-11 2016-06-16 Palo Alto Research Center Incorporated Metamaterial phased array for hyperthermia therapy
JP2016197018A (ja) * 2015-04-02 2016-11-24 株式会社デンソー 衝突回避支援装置
US10307607B2 (en) 2016-02-09 2019-06-04 Palo Alto Research Center Incorporated Focused magnetic stimulation for modulation of nerve circuits
EP3488260B1 (en) 2016-07-21 2024-05-08 Echodyne Corp Fast beam patterns
US10396468B2 (en) 2016-08-18 2019-08-27 Echodyne Corp Antenna having increased side-lobe suppression and improved side-lobe level
CN106207396A (zh) * 2016-09-06 2016-12-07 广东高云半导体科技股份有限公司 一种基于国产fpga的动中通天线核心控制板及天线跟踪方法
EP3416242B1 (en) * 2016-10-09 2020-05-27 Huawei Technologies Co., Ltd. Frequency selective surface
CN106597434B (zh) * 2016-11-28 2019-04-30 中国人民解放军国防科学技术大学 一种基于推扫轨迹的敏捷卫星目标分解方法及系统
US11879989B2 (en) 2016-12-05 2024-01-23 Echodyne Corp. Antenna subsystem with analog beam-steering transmit array and sparse hybrid analog and digital beam-steering receive array
US10684354B2 (en) 2016-12-05 2020-06-16 Echodyne Corp. Antenna subsystem with analog beam-steering transmit array and digital beam-forming receive array
US10942256B2 (en) 2017-06-05 2021-03-09 Metawave Corporation Intelligent metamaterial radar for target identification
US11005192B2 (en) * 2017-06-05 2021-05-11 Metawave Corporation Intelligent metamaterial radar having a dynamically controllable antenna
US11005179B2 (en) * 2017-06-05 2021-05-11 Metawave Corporation Feed structure for a metamaterial antenna system
KR102401794B1 (ko) * 2017-06-05 2022-05-24 메타웨이브 코포레이션 지능형 안테나 메타물질 방법 및 장치
US11105918B2 (en) * 2017-06-05 2021-08-31 Metawave Corporation Nodal metamaterial antenna system
WO2018226327A1 (en) * 2017-06-05 2018-12-13 Metawave Corporation Intelligent antenna metamaterial method and apparatus
WO2019005870A1 (en) * 2017-06-26 2019-01-03 Echodyne Corp ANTENNA NETWORK THAT INCLUDES AN ANALOG BEAM DIRECTION TRANSMISSION ANTENNA AND AN ANALOGUE BEAM DIRECTION RECEIVER ANTENNA ARRANGED ORTHOGONALLY WITH RESPECT TO THE TRANSMITTING ANTENNA, AND SUBSYSTEM, SYSTEM AND METHOD THEREOF
US11101572B2 (en) 2017-09-07 2021-08-24 Echodyne Corp. Antenna array having a different beam-steering resolution in one dimension than in another dimension
US11621486B2 (en) 2017-09-13 2023-04-04 Metawave Corporation Method and apparatus for an active radiating and feed structure
US11254338B2 (en) 2017-09-27 2022-02-22 Thales Canada Inc. Guideway mounted vehicle localization and alignment system and method
WO2019075421A2 (en) 2017-10-13 2019-04-18 Echodyne Corp BEAM ORIENTATION ANTENNA
WO2019075488A1 (en) 2017-10-15 2019-04-18 Metawave Corporation METHOD AND APPARATUS FOR AN ACTIVE RADIATION AND POWER STRUCTURE
US11245195B2 (en) 2017-10-23 2022-02-08 Nec Corporation Phase control plate
US11095038B2 (en) 2017-10-23 2021-08-17 Nec Corporation Polarization control plate
EP3707526A2 (en) 2017-11-06 2020-09-16 Echodyne Corp Intelligent sensor and intelligent feedback-based dynamic control of a parameter of a field of regard to which the sensor is directed
US10741917B2 (en) 2017-11-07 2020-08-11 Chiara Pelletti Power division in antenna systems for millimeter wave applications
US11355854B2 (en) 2017-11-27 2022-06-07 Metawave Corporation Method and apparatus for reactance control in a transmission line
US11265073B2 (en) 2017-11-28 2022-03-01 Metawave Corporation Method and apparatus for a metastructure reflector in a wireless communication system
US11050162B2 (en) * 2017-12-02 2021-06-29 Metawave Corporation Method and apparatus for object detection with integrated environmental information
US11450953B2 (en) 2018-03-25 2022-09-20 Metawave Corporation Meta-structure antenna array
US11852749B2 (en) * 2018-03-30 2023-12-26 Metawave Corporation Method and apparatus for object detection using a beam steering radar and a decision network
US20210083395A1 (en) * 2018-04-12 2021-03-18 Metawave Corporation Method and apparatus for object detection incorporating metamaterial antenna side lobe features
KR20200133266A (ko) 2018-04-17 2020-11-26 메타웨이브 코포레이션 이동 차량에서의 차세대 무선 네트워크를 위한 메타 구조 안테나 시스템
JP7074882B2 (ja) * 2018-04-19 2022-05-24 メタウェーブ コーポレーション アンテナアレイの要素を放射するための方法および装置
US11327156B2 (en) 2018-04-26 2022-05-10 Metawave Corporation Reinforcement learning engine for a radar system
US11424548B2 (en) 2018-05-01 2022-08-23 Metawave Corporation Method and apparatus for a meta-structure antenna array
US11342682B2 (en) 2018-05-24 2022-05-24 Metawave Corporation Frequency-selective reflector module and system
US11133577B2 (en) * 2018-05-24 2021-09-28 Metawave Corporation Intelligent meta-structure antennas with targeted polarization for object identification
US11355859B2 (en) 2018-06-12 2022-06-07 Metawave Corporation Metamatertial, antenna array having an aperture layer
US11269058B2 (en) * 2018-06-13 2022-03-08 Metawave Corporation Autoencoder assisted radar for target identification
US11483041B2 (en) * 2018-06-15 2022-10-25 Metawave Corporation High frequency component isolation for wireless and radar systems
MX2021002381A (es) * 2018-08-27 2021-05-27 Plastic Omnium Cie Pieza de carroceria de vehiculo que comprende al menos una antena direccional.
US11994609B2 (en) 2018-11-16 2024-05-28 Bdcm A2 Llc Method and apparatus for coded radar signals
US11141585B2 (en) 2018-12-28 2021-10-12 Palo Alto Research Center Incorporated Non-invasive neural interface
CN111427013A (zh) * 2019-01-09 2020-07-17 华雷科技股份有限公司 具主波束波宽缩减与旁波束抑制功能的雷达装置
US11128035B2 (en) * 2019-04-19 2021-09-21 Echodyne Corp. Phase-selectable antenna unit and related antenna, subsystem, system, and method
US11211704B2 (en) 2019-05-29 2021-12-28 Metawave Corporation Switched coupled inductance phase shift mechanism
US11489266B2 (en) 2019-08-15 2022-11-01 Kymeta Corporation Metasurface antennas manufactured with mass transfer technologies
WO2024095750A1 (ja) * 2022-11-04 2024-05-10 Ａｇｃ株式会社 電波伝送システム、及び、電波伝送方法
CN117409329B (zh) * 2023-12-15 2024-04-05 深圳安德空间技术有限公司 用于三维探地雷达降低地下空洞检测虚警率的方法及系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003529259A (ja) * 2000-03-29 2003-09-30 エイチアールエル ラボラトリーズ，エルエルシー 電子同調可能反射器
WO2008140544A1 (en) * 2007-05-15 2008-11-20 Hrl Laboratories, Llc Digital control architecture for a tunable impedance surface
JP2010526318A (ja) * 2007-05-04 2010-07-29 トヨタ モーター エンジニアリング アンド マニュファクチャリング ノース アメリカ，インコーポレイティド アクティブレーダシステム
JP2011112942A (ja) 2009-11-27 2011-06-09 Toyota Central R&D Labs Inc 光偏向素子

Family Cites Families (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1212487A (en) 1983-08-26 1986-10-07 Her Majesty In Right Of Canada As Represented By Atomic Energy Of Canada Limited L'energie Atomique De Canada, Limitee Direct reading radiation detector/dosimeter
GB9325364D0 (en) 1993-12-10 1994-02-16 British Nuclear Fuels Plc A method and material for the detection of ionising radiation
JP3518206B2 (ja) 1996-11-26 2004-04-12 三菱電機株式会社 深部線量測定装置
DE19958750B4 (de) 1999-12-07 2006-08-24 Robert Bosch Gmbh Leckwellenantenne
US6538621B1 (en) * 2000-03-29 2003-03-25 Hrl Laboratories, Llc Tunable impedance surface
US6661375B2 (en) 2001-02-15 2003-12-09 Roke Manor Research Limited Beam steering in sub-arrayed antennae
US7012483B2 (en) 2003-04-21 2006-03-14 Agile Materials And Technologies, Inc. Tunable bridge circuit
US6989541B2 (en) 2003-05-30 2006-01-24 General Dynamics Advanced Information Systems, Inc. Coincident neutron detector for providing energy and directional information
US7002517B2 (en) 2003-06-20 2006-02-21 Anritsu Company Fixed-frequency beam-steerable leaky-wave microstrip antenna
EP1891741A4 (en) 2005-06-08 2011-08-24 Powercast Corp POWER SUPPLY EQUIPMENT WITH RF ENERGY GAIN
CN101309639B (zh) 2005-10-24 2011-11-23 鲍尔卡斯特公司 用于对各种负载进行高效整流的方法和装置
US20080049228A1 (en) 2006-08-28 2008-02-28 Novaspectra, Inc. Fabry-perot interferometer array
JP2008160589A (ja) * 2006-12-25 2008-07-10 Toshiba Corp 高インピーダンス基板、アンテナ装置および携帯無線装置
US8134521B2 (en) * 2007-10-31 2012-03-13 Raytheon Company Electronically tunable microwave reflector
WO2009115870A1 (en) * 2008-03-18 2009-09-24 Universite Paris Sud (Paris 11) Steerable microwave antenna
FR2933699B1 (fr) 2008-07-11 2016-01-15 Centre Nat Rech Scient Nouvelle famille de molecules discriminantes pour les rayonnements neutron et gamma
US8680945B1 (en) 2010-02-17 2014-03-25 Lockheed Martin Corporation Metamaterial enabled compact wideband tunable phase shifters
CN103222109B (zh) 2010-10-15 2017-06-06 西尔瑞特有限公司 表面散射式天线
US8432309B2 (en) * 2010-11-29 2013-04-30 Freescale Semiconductor, Inc. Automotive radar system and method for using same
US20140300520A1 (en) 2011-04-07 2014-10-09 Polyvalor, Limited Partnership Full-space scanning end-switched crlh leaky-wave antenna
KR101776261B1 (ko) * 2011-06-03 2017-09-12 주식회사 이엠따블유 메타머티리얼 안테나
JP5626132B2 (ja) * 2011-06-07 2014-11-19 株式会社日本自動車部品総合研究所 物体検出装置
US10217045B2 (en) * 2012-07-16 2019-02-26 Cornell University Computation devices and artificial neurons based on nanoelectromechanical systems
GB201221330D0 (en) 2012-11-27 2013-01-09 Univ Glasgow Terahertz radiation detector, focal plane array incorporating terahertz detector, and combined optical filter and terahertz absorber
US9385435B2 (en) 2013-03-15 2016-07-05 The Invention Science Fund I, Llc Surface scattering antenna improvements
FR3003256B1 (fr) 2013-03-18 2015-08-07 Centre Nat Rech Scient Nouvelle famille de molecules discriminantes pour les rayonnements neutron et gamma et liquides ioniques
US9711852B2 (en) 2014-06-20 2017-07-18 The Invention Science Fund I Llc Modulation patterns for surface scattering antennas
US9853361B2 (en) 2014-05-02 2017-12-26 The Invention Science Fund I Llc Surface scattering antennas with lumped elements
US9680327B2 (en) 2014-06-30 2017-06-13 Landis+Gyr Innovations, Inc. RF energy harvesting by a network node

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003529259A (ja) * 2000-03-29 2003-09-30 エイチアールエル ラボラトリーズ，エルエルシー 電子同調可能反射器
JP2010526318A (ja) * 2007-05-04 2010-07-29 トヨタ モーター エンジニアリング アンド マニュファクチャリング ノース アメリカ，インコーポレイティド アクティブレーダシステム
WO2008140544A1 (en) * 2007-05-15 2008-11-20 Hrl Laboratories, Llc Digital control architecture for a tunable impedance surface
JP2011112942A (ja) 2009-11-27 2011-06-09 Toyota Central R&D Labs Inc 光偏向素子

Also Published As

Publication number Publication date
US9545923B2 (en) 2017-01-17
JP6445936B2 (ja) 2018-12-26
JP2016020899A (ja) 2016-02-04
US20160011307A1 (en) 2016-01-14
KR20160008963A (ko) 2016-01-25
EP2975694B1 (en) 2022-11-30
EP2975694A1 (en) 2016-01-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102227590B1 (ko) 메타물질-기반의 물체-검출 시스템
US11005179B2 (en) Feed structure for a metamaterial antenna system
KR102242603B1 (ko) 메타물질-기반의 위상 편이 소자 및 페이즈드 어레이
US20210320432A1 (en) Intelligent metamaterial radar having a dynamically controllable antenna
US11476588B2 (en) Meta-structure antenna system with adaptive frequency-based power compensation
US11424548B2 (en) Method and apparatus for a meta-structure antenna array
JP7074882B2 (ja) アンテナアレイの要素を放射するための方法および装置
US11355859B2 (en) Metamatertial, antenna array having an aperture layer
US11515639B2 (en) Method and apparatus for an active radiating and feed structure
US20220037784A1 (en) Phase Compensated Multi-Layer, Multi-Steering Antenna Array For Millimeter Wave Applications
US11515611B2 (en) Transition in a multi-layer substrate between a substrate integrated waveguide portion and a coplanar waveguide portion
US20200028260A1 (en) Method and apparatus for wireless systems
US11450953B2 (en) Meta-structure antenna array
US20210091463A1 (en) Stripline feed distribution network with embedded resistor plane for millimeter wave applications
US20190356060A1 (en) Method and apparatus for an orthogonal antenna array system
US20190081395A1 (en) Method and apparatus for an active radiating and feed structure

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
A302 Request for accelerated examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant