KR102288277B1 - 개구 안테나의 임피던스 매칭 - Google Patents

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Abstract

안테나 개구에 대한 임피던스 매칭을 위한 방법 및 장치가 개시된다. 일 실시예에서, 안테나는 무선 주파수(RF) 에너지를 방사하도록 동작 가능한 안테나 소자들의 적어도 하나의 어레이를 갖는 안테나 개구, 및 안테나 개구에 결합된 통합 복합 적층 구조를 포함한다. 통합 복합 적층 구조는 안테나 개구와 자유 공간 사이의 임피던스 매칭을 제공하기 위한 광각 임피던스 매칭 네트워크를 포함하고, 또한 안테나 소자에 다이폴 로딩을 가한다.

Description

개구 안테나의 임피던스 매칭
우선권
본 발명은 대응하는 2016년 9월 14일에 출원된 "WAIM RADOME"이라는 명칭의 미국 가특허 출원 제 62/394,582 호, 2016년 9월 14일에 출원된 "DIPOLE SUPERSTRATE"라는 명칭의 미국 가특허 출원 제 62/394,587 호, 및 2016년 10월 27일에 출원된 "액정(LC)기반의 조정 가능한 임피던스 매치 층(Tunable Impedance Match Layer)"이라는 명칭의 미국 가특허 출원 제 62/413,909 호에 대해 우선권을 주장하고, 참조에 의해 통합한다.
기술의 분야
본 발명의 실시예는 위성 통신 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 본 발명의 실시예들은 이득을 증가시키기 위해 위성 안테나에 사용되는 광각 임피던스 매칭 구조에 관한 것이다.
본 발명은, 안테나 이득은 네트워크 커버리지와 속도를 결정하기 때문에 위성 통신 시스템에서 가장 중요한 파라미터 중 하나이다. 더 구체적으로는, 더 많은 이득은 경쟁력 있는 위성 시장에서 아주 중요한 더 나은 커버리지와 더 높은 속도를 의미한다. 수신(Rx) 대역에서의 안테나 이득은 위성 측에서 안테나에서의 수신 전력이 매우 낮기 때문에 아주 중요할 수 있다. 이것은, 더 높은 이득 값을 안테나와 위성 사이의 링크를 닫기 위한 중요한 파라미터로 만드는 브로드사이드 경우에 비해 이들 각도에서 감쇠가 증가하고 안테나 이득이 낮기 때문에 전자적으로 스캐닝되는 평판 안테나에 대한 스캔 각도에서 더욱 중요해진다. Tx 대역에 있어서는, 이득이 낮으면 더 많은 비용, 높은 온도, 높은 열 잡음 등을 의미하는 원하는 신호 강도를 얻기 위해 더 많은 전력을 안테나에 공급해야 하므로 이득 또한 중요하다.
위성 통신에 사용되는 안테나의 한 유형은 방사형 개구 슬롯 어레이 안테나(radial aperture slot array antenna)이다. 근래, 그러한 방사형 개구 슬롯 어레이 안테나의 성능에 대한 제한된 수의 개선이 있었다. 다이폴 로딩(dipole loading)이 방사형 슬롯 개구 어레이 안테나용으로 언급되어 있지만, 안테나의 주파수 응답이 시프트하여 개선은 미미하다. 슬롯 다이폴 개념이 또한 안테나, 특히 브로드사이드에서 동작하는 안테나의 전체 반사 손실 성능을 향상시키는 것을 포함 하여 안테나의 지향성(directivity)을 향상시키기 위해 방사형 개구 슬롯 어레이 안테나에 적용되었다.
안테나 개구에 대한 임피던스 매칭을 위한 방법 및 장치가 개시된다. 일 실시예에서, 안테나는 무선 주파수(radio frequency, RF) 에너지를 방사하도록 동작 가능한 안테나 소자들의 적어도 하나의 어레이를 갖는 안테나 개구, 및 안테나 개구에 결합된 통합 복합 적층 구조를 포함한다. 통합 복합 적층 구조는 안테나 개구와 자유 공간(free space) 사이의 임피던스 매칭을 제공하기 위한 광각 임피던스 매칭 네트워크를 포함하고, 또한 안테나 소자에 다이폴 로딩을 가한다.
본 발명은 이하의 주어진 상세한 설명 및 본 발명의 다양한 실시예의 첨부 도면으로부터 더 완전히 이해될 수 있지만, 설명 및 이해를 위한 것일 뿐이지 특정 실시예로 본 발명을 한정하는 것으로 이해되어서는 안된다.
도 1a는 수신(Rx) 및 송신(Tx) 슬롯 라디에이터를 갖는 홀로그래픽 방사형 개구 안테나의 일 실시예를 나타낸다.
도 1b는 안테나의 상부에 위치한 메타표면 스택업(서브세트에서 2층 메타표면의 예가 도시됨)의 일 실시예를 나타낸다.
도 1c는 수치/분석 코드 분석을 위한 안테나 상부의 도 1b의 스택업의 전송 라인 모델을 나타낸다.
도 2 (a) 및 (b)는 각각 본 명세서에 개시된 메타표면 스택업이 없는 안테나 및 메타표면 스택업을 갖는 안테나에 대한 스미스 차트 상의 상이한 각도에서의 반사 계수를 나타낸다.
도 3 (a) 및 (b)는 각각 수신 및 송신 주파수 대역에 걸쳐 0도 및 60도 스캔 각도에서 Ku-대역 액정(LC) 기반 홀로그래픽 방사형 개구 안테나의 이득에 대한 메타표면 스택업의 실시예의 영향을 나타낸다.
도 4a 및 도 4b는 원통형으로 급전되는 홀로그래픽 방사형 개구 안테나 및 안테나 위의 광각 임피던스 매칭(WAIM) 표면의 일 실시예의 개략도이다.
도 4c는 스플리트 링 공진기의 예를 나타낸다.
도 5a는 안테나 소자의 아이리스와 정렬된 다이폴 소자의 예를 나타낸다.
도 5b는 다이폴 소자를 가진 단위 셀 및 다이폴 소자가 없는 단위 셀에서의 오믹 손실의 그래프이다.
도 6 (a) 및 (b)는 단위 셀의 다중 공면 기생 소자(multiple coplanar parasitic element)의 예를 나타낸다.
도 7은 접지 평면 및 재구성 가능한 공진기 층을 포함하는 한 로우(row)의 안테나 소자의 사시도를 나타낸다.
도 8a는 조정 가능한 공진기/슬롯의 일 실시예를 나타낸다.
도 8b는 물리적 안테나 개구의 일 실시예의 단면도를 나타낸다.
도 9 (a) 내지 (d)는 슬롯 어레이를 생성하기 위한 상이한 층의 일 실시예를 나타낸다.
도 10은 원통형으로 급전되는 안테나 구조의 일 실시예의 측면도이다.
도 11은 나가는 파를 갖는 안테나 시스템의 다른 실시예를 나타낸다.
도 12는 안테나 소자들에 대한 매트릭스 구동 회로의 배치의 일 실시예를 나타낸다.
도 13은 TFT 패키지의 일 실시예를 나타낸다.
도 14는 동시 송신 및 수신 경로를 갖는 통신 시스템의 다른 실시예의 블록도이다.
도 15는 안테나 개구 상의 조정 가능한 LC 성분을 갖는 매우 얇은 임피던스 매치 층의 일례를 나타낸다.
도 16a 및 도 16b는 임피던스 매칭을 위해 금속 패턴에 사용되는 링의 예를 나타낸다.
이하의 설명에서는, 다수의 세부 사항들이 본 발명의 보다 완전한 설명을 제공하기 위해 제기된다. 그러나, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(당업자)에게는 본 발명이 이러한 특정 세부 사항들 없이도 실시될 수 있음이 명백할 것이다. 다른 예에서, 공지의 구조 및 장치는 본 발명을 모호하게 하는 것을 방지하기 위해, 다소 상세하게 하기 보다는 블록도 형태로 도시된다.
안테나 개구와 자유 공간 사이의 임피던스 매칭을 위해 안테나 개구와 결합되어 상기 안테나 개구 상에 배치된 임피던스 매칭 네트워크를 포함하는 안테나가 개시된다. 임피던스 매칭 네트워크는 안테나 개구의 방사 표면과 기계적으로 접촉하는 통합 복합 적층 구조의 일부이다. 일 실시예에서, 통합 복합 적층 구조는 안테나 개구의 방사 효율을 향상시키면서 동시에 광각 임피던스 매칭을 제공한다. 통합 복합 적층 구조는 또한 브로드사이드 및 다중 스캔 각도에서 안테나 이득을 향상시킨다. 일 실시예에서, 통합 복합 적층 구조는 방사 소자의 크기를 효과적으로 증가시킴으로써 그들의 효율을 증가시키는 무선 주파수(RF) 전류를 분배하도록 동작하는 다이폴 로딩을 포함한다. 일 실시예에서, 복합 적층 구조는 하나 이상의 균질한 메타표면 및 안테나의 레이돔을 포함한다.
일 실시예에서, 통합 복합 적층 구조는 동일한 물리적 구조 상에 수신 및 송신 안테나 소자 모두를 포함하는 안테나 개구에 대한 효율 및 증가된 매칭을 제공한다는 점에서 광대역 설계이다.
보다 구체적으로는, 일 실시예에서, 임피던스 매칭 네트워크는 원하는 임피던스 매칭을 제공하기 위해 안테나 소자(예를 들어, 아이리스(irises))에 대해 크기가 정해져서 배치된 소자를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 소자들은 안테나 개구 내의 안테나 소자들과 정렬(align)되는 하나 이상의 다이폴 소자들을 포함하되, 상기 안테나 소자들은 무선 주파수(RF) 에너지를 방사하도록 동작 가능하다. 일 실시예에서, 임피던스 매칭 네트워크는 브로드사이드로부터 극단적인 스캔 롤-오프 각도까지의 범위에 포함되는 모든 스캔 각도에 대해 임피던스 매칭을 제공한다는 점에서 광각 임피던스 매칭 네트워크이다. 본원에서의 목적을 위해, 브로드사이드(0°)이외의 각도는 스캔 롤-오프 각도라고 생각된다. 스캔 롤-오프 각도에서, 안테나의 스캔 손실은 각도의 순수한 코사인보다 커지는바, 이로써 더 큰 스캔 롤-오프 각도에 대해 스캔 손실은 훨씬 더 중요해진다. 일 실시예에서, 극단적인 스캔 롤-오프 각도는 전형적으로 50∼75°이지만, 엔드-파이어 각도(end-fire angle, 90°)를 향한 범위를 벗어날 수 있다. 일 실시예에서, 스캔 롤-오프 각도는 60°이고, 다른 실시예에서는 스캔 롤-오프 각도는 75°이다.
본 명세서에 개시된 다수의 상이한 광각 임피던스 매칭 네트워크가 존재한다. 일 실시예에서, 광각 임피던스 매칭 네트워크는 메타표면 스택업(metasurface stackup)을 포함한다. 다른 실시예에서, 광각 임피던스 매칭 네트워크는 광각 임피던스 매칭(WAIM) 표면층을 포함한다. 이들의 각각에 대해서는 이하에 상세히 설명된다.
메타표면 스택업 ( Metasurface Stackup )
전술한 바와 같이, 메타표면 스택업은 안테나 소자를 갖는 안테나 개구에 대한 임피던스 매칭을 제공하기 위해 광각 임피던스 매칭 네트워크로서 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 메타표면 스택업은 다수의 메타표면 층을 포함하며, 여기서 메타표면 층은 바람직한 전자기 응답을 제공하기 위한 특정 금속 패턴을 갖는 층을 포함한다. 금속 패턴은 인쇄된 패턴일 수 있다. 일 실시예에서, 메타표면 스택업은 상기 안테나 개구 상의 미리 정해진 거리에 위치된 수 개의 금속층 및 유전체 층의 쌍들을 포함한다. 일 실시예에서, 메타표면 스택업은 안테나 개구의 이득을 향상시킨다.
일 실시예에서, 메타표면 스택업은 그 이득을 향상시키기 위해 액정(LC) 기반 홀로그래픽 방사형 개구 안테나 위에 배치된다. 이러한 메타표면 스택업은 또한 수신(Rx) 및 송신(Tx) 주파수에서 수평 및 수직 편광에 대한 모든 스캔 각도(스캔 롤-오프 각도와 같이 브로드사이드로부터 극단적인 각도까지)에서의 동적 대역폭을 넓혀준다. 상기 Rx 및 Tx 주파수는, 예를 들어 Ku-대역, Ka-대역, C-대역, X-대역, V-대역, W-대역 등과 같은 대역의 일부일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 메타표면 스택업은 방사형 개구에 대한 모든 스캔 각도에서 현저한 성능 향상을 제공한다. 일 실시예에서, 안테나 개구는 서로 인터리브(interleave)되는 안테나 소자로서 수천 개의 별도의 Rx 및 Tx 슬롯 라디에이터들을 포함하는 안테나 소자들을 포함한다. 이러한 안테나 소자는 표면 산란 안테나 소자를 포함하며, 이하에서 더 상세히 설명된다. 메타표면 스택업은 안테나 개구과 자유 공간 사이의 강력한 임피던스 매칭 네트워크의 역할을 하며, 동시에 Rx와 Tx 주파수 대역의 자유 공간으로의 안테나 개구에 의한 방사 전력을 최대화한다. 또한, 스택업은 모든 스캔 각도에서 Rx 및 Tx 라디에이터 모두에 대해 매우 우수한 임피던스 매칭을 제공한다.
일 실시예에서, 스택업은 유전체 층(예를 들어, 발포 슬래브, 예를 들어 폐쇄 셀 발포제, 연속 기포 폼, 벌집 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 유형의 (예를 들어, 전형적으로 0.02 탄젠트 손실보다 적은) 저손실 유전체 재료)에 의해 분리된 메타표면 층을 포함한다. 일 실시예에서, 메타표면 층은 기판의 표면 상에 또는 기판 전체에 걸쳐 주기적으로 분포된 회전되는 다이폴 소자를 포함한다. 일 실시예에서, 기판은 회로 기판 표면을 포함한다. 각 메타표면의 다이폴(dipole, 쌍극자)은 회전되는 유형의 분포로 되어 있지만, 임피던스 표면 개념은 구조의 서브파장 특성으로 인해 설계 프로세스에 효과적으로 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 메타표면 스택의 사용은 Rx 및 Tx 대역 모두에 걸쳐 모든 스캔 각도에서 안테나 이득을 상당히 개선시킨다. 일 실시예에서, 기판 층(예를 들어, PCB, 발포체, 금속 패턴이 접착되거나 인쇄될 수 있는 다른 재료) 및 유전체 층(예를 들어, 발포 층)의 각 층 및 두께에서 임피던스 표면 값을 특성화함으로써, 예를 들어 브로드사이드(broadside)로부터 70°에 이르기까지 모든 스캔 각도에서 최대 +3.8 dB의 이득 향상을 얻을 수 있다. 해상 응용을 위해 설계된 Ku-ASM 안테나의 일 실시예에서는, 0∼60°가 모두 스캔 각도이다. 일 실시예에서, 방사형 개구의 상부에 본원에 개시된 메타표면 스택을 사용하는 것은, Rx 대역에서의 이득을 브로드사이드 각에서 +2dB, 60° 스캔 롤-오프 각도에서 +3.8dB만큼 향상시키지만, Tx 대역에서의 이득을 브로드사이드 각도에서 +1dB, 60° 스캔 롤-오프 각도에서 +3dB만큼 향상시킨다
도 1a는 원통형으로 급전되는 홀로그래픽 방사형 개구 안테나의 일 실시예의 개략도를 나타낸다. 도 1a를 참조하면, 안테나 개구는 원통형으로 급전되는 안테나의 입력 피드(input feed; 102) 둘레의 동심원 링에 위치된 안테나 소자(103)의 하나 이상의 어레이(101)를 갖는다. 일 실시예에서, 안테나 소자(103)는 RF(radio frequency)에너지를 방사하는 RF 공진기이다. 일 실시예에서, 안테나 소자(103)는 인터리브되어 안테나 개구의 전체 표면 상에 분포되는 Rx 및 Tx 아이리스를 포함한다. 이러한 안테나 소자의 예는 이하에서 보다 상세하게 설명된다. 본 명세서에서 개시 된 RF 공진기는 원통형 피드를 포함하지 않는 안테나에서 사용될 수 있다는 것을 유의해야 한다.
일 실시예에서, 안테나는 입력 피드(102)를 통해 원통모양 파 급전(cylindrical wave feed)을 제공하는데 사용되는 동축 피드를 포함한다. 일 실시예에서, 원통모양 파 급전 아키텍처는 급전 지점으로부터 원통형으로 외측으로 퍼지는 여기에 의해 중앙 지점으로부터 안테나를 급전한다. 즉, 원통형으로 급전되는 안테나는 외측으로 진행하는 동심원 급전 파(concentric feed wave)를 생성한다. 그렇다고 하더라도, 원통형 피드 주위의 원통형 급전 안테나의 형상은 원형, 정사각형 또는 임의의 형상일 수 있다. 다른 실시예에서, 원통형으로 급전되는 안테나는 내측으로 진행하는 급전 파를 생성한다. 그러한 경우에, 급전 파는 원형 구조로부터 가장 자연스럽게 나온다.
일 실시예에서, 안테나 소자(103)는 아이리스를 포함하고, 도 1a의 개구 안테나는 조정 가능한 액정(LC) 재료를 통해 아이리스를 방사하기 위해 원통형 급전 파로부터의 여기를 이용하여 성형된 메인 빔을 생성하기 위해 사용된다. 일 실시예에서, 안테나는 원하는 스캔 각도에서 수평 또는 수직으로 편광된 전기장을 방사하도록 여기될 수 있다.
일 실시예에서, 임피던스 매칭 네트워크는 적어도 하나의 유전체 층에 의해 서로 분리된 다수의 메타표면 층을 갖는 메타표면 적층 구조를 포함하되, 여기서 각각의 메타표면 층은 복수의 다이폴 소자를 포함하고, 각각의 다이폴 소자는 안테나 어레이(101) 내의 하나의 안테나 소자(예를 들어, 아이리스)에 대하여 정렬된다. 메타표면 층의 수는 1, 2, 3, 4, 5층 등으로 구성되며 안테나 개구에 대해 요구되는 임피던스 매칭을 기반으로 한다.
일 실시예에서, 각각의 다이폴 소자는 하나의 안테나 소자의 축에 대하여 회전된다. 일 실시예에서, 안테나 소자들의 어레이는 복수의 송신 슬롯 라디에이터들과 인터리브된 복수의 수신 슬롯 라디에이터들을 포함하고, 상기 복수의 다이폴 소자들은 상기 복수의 수신 슬롯 라디에이터들 위에 위치되어 정렬된다. 일 실시예에서, 각 수신 안테나 소자(예를 들어, 수신 슬롯 라디에이터)에 대해 적어도 하나의 다이폴 소자가 존재한다는 것을 유의해야 한다. 변형 실시예에서는, 모든 수신 안테나 소자(예를 들어, 수신 슬롯 라디에이터)가 그 위에 다이폴 소자를 갖는 것은 아니다. 일 실시예에서, 송신 슬롯 라디에이터는 그들 위에 다이폴 소자를 갖지 않는다. 일 실시예에서, 복수의 다이폴 소자 각각은 그 대응하는 수신 슬롯 라디에이터의 편광과 정렬된다. 일 실시예에서, 복수의 다이폴 소자들 각각은 그 대응하는 수신 슬롯 라디에이터(안테나 소자)에 대해 수직이다.
도 1b는 안테나 개구(110)로부터 정확한 거리 또는 높이에서 안테나의 상부에 배치되는 스택업 기하학 구조(stackup geometry)의 일 실시예를 나타낸다. 도 1b를 참조하면, 스택업은 유전체 층(예를 들어, 발포체 또는 다른 저손실 저유전 재료)의해 분리된 N개의 메타표면을 포함한다. 스택업은 메타표면의 다이폴 소자가, 안테나 소자의 Tx 아이리스 상부에는 다이폴 소자가 없이, 안테나 소자의 Rx 아이리스에 대해 정렬되는 방식으로 안테나의 상부에 배치된다.
일례로서, 도 1b에서는, 다이폴 소자를 포함하는 처음의 2개의 메타표면 층(메타표면 1 및 2)의 서브세트가 Rx 안테나 소자 위에 배치하는 것으로 도시되어 있다. 즉, 기본적인 Rx 안테나 소자가 있는 2개의 메타표면 층의 확대한 부분의 상면도가 도시되어 있다. 일 실시예에서, 다이폴 소자는 기판 상에 인쇄되거나 제작된 금속 스트립이며, 다이폴 소자의 크기는 각 층에서 동일하다. 그러나, 다이폴 소자는 상이한 층 또는 동일한 층에서 상이한 크기로 될 수 있다. 다이폴 소자는 Rx 안테나 소자(예를 들어, Rx 아이리스)의 크기에 대해 요구되는 원하는 임피던스 매칭을 기초로 크기가 정해진다. 일 실시예에서, 다이폴 소자는 180mil × 30mil의 금속 구조이다. 일 실시예에서, 금속은 구리이다. 그러나, 금속은 예를 들어 알루미늄, 은, 금 등과 같은 다른 유형의 고전도성 금속 또는 합금일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 2개의 다이폴 소자(111)는 상이하거나 동일한 높이를 갖는 유전체 층을 이용하여 안테나 소자(112)로부터 상이한 거리에 의해 분리되는 것으로 도시되어 있다. 일 실시예에서, 유전체 층들의 높이는 Rx/Tx 안테나 소자들의 동작 주파수의 함수이다. 즉, 메타표면 층의 유전체 층의 높이는 복수의 수신 슬롯 라디에이터의 수신 슬롯 라디에이터가 작동하는 위성 대역 주파수 및 복수의 송신 슬롯 라디에이터의 송신 슬롯 라디에이터가 작동하는 위성 대역 주파수에 기초하여 선택된다. 일 실시예에서, 유전체 층의 높이는 주파수가 커질수록(따라서 파장이 작을수록), 유전체 층의 크기가 작아지도록 선택된다. 일 실시예에서, 다이폴 소자(111) 중 하나의 다이폴 소자는 안테나 소자(112), Rx 아이리스로부터의 높이 h0에 있고, 반면에 다른 다이폴 소자는 안테나 소자(112)로부터의 높이 h0 + h1에 있다. 일 실시예에서는, 안테나 개구로부터 제2 메타표면 층이 100 +/- 5 mil 떨어져 있도록, h0는 40 +/- 5 mil이고, h1은 60 +/- 5 mil이다.
도 1b에 나타낸 스택업과 같은 스택업에서의 메타표면 층의 서브 파장 특성으로 인해, 등가의 표면 임피던스로서 처리될 수 있다. 도 1c는 임피던스 매칭 분석에 안테나 개구가 사용되는 방법을 나타내는 안테나 개구의 상부의 스택업의 등가 전송 선로 모델을 나타낸다. 일 실시예에서, 다이폴 소자를 갖는 메타 표면은 스택업에서 등가 표면 임피던스(Zs)에 의해 모델링된다. 층의 수, 두께 및 스택업의 재료 특성은 모든 스캔 각도에서 그리고 직교하는 선형 편광(수평 및 수직) 모두에 대해 Rx 및 Tx 대역에 걸쳐 성능을 증가시키고 잠재적으로 최대화하도록 선택된다는 것을 유의해야 한다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 스택업은 안테나 임피던스를 자유 공간 임피던스(η = 377 ohm)에 정합시킨다. 따라서 안테나와 자유 공간 사이의 전송 계수가 증가되는바, 이것은 더 많은 전력이 자유 공간으로 방사될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 스택업은 안테나의 방사 효율을 극단적으로 증가시킨다.
스택업은 제조가 용이하다는 장점이 있다. 일 실시예에서, 메타표면 층은 다이폴 소자가 기판 상에 인쇄된 얇은 기판(예를 들어, 5 mil 이하)을 포함한다. 기판은 다수의 상이한 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 기판은 인쇄 회로 기판(PCB)을 포함한다. 대안적으로, 기판은 발포 층 또는 예를 들어 열가소성 필름(예를 들어, 폴리이미드), 얇은 시트(예를 들어, 테프론, 폴리에스테르, 폴리에틸렌 등)와 같은 저손실 유전체 재료를 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 기판은 유전체 층의 유전 상수인 1∼4(예를 들어, 3.5)의 유전 상수 k를 갖는다(이것은 필수는 아니지만). 일 실시예에서는, 메타표면 층 및 메타표면 층을 분리하고 안테나 개구로부터 스택업을 분리시키는 유전체 층이 함께 결합된다. 일 실시예에서, 메타표면 층 및 메타표면 층을 분리하고 안테나 개구로부터 스택업을 분리시키는 유전체 층이 함께 결합되거나 접착제(예를 들어, 감압 접착제(pressure sensitive adhesive, PSA), b-스테이지 에폭시, 예를 들어 에폭시 또는 아크릴계 접착제, 또는 얇고 낮은 손실인 임의의 접착 재료와 같은 조제된 접착제)를 이용하여 접착된다. 다른 실시예에서, 저유전층(예를 들어, 폐쇄 셀 재료 발포체)은 열 및 압력을 가함으로써 메타표면 층에 융합된다. 또 다른 실시예에서, 도전층은 저유전층(예를 들어, 발포체)에 직접 융합되고 직접 에칭되므로 기판 및 접착제가 제거된다.
일 실시예에서, 메타표면 스택의 층들은 메타표면 상의 기점(fiducial)을 이용하여 서로 정렬된다. 일단 정렬되면, 스택업은 결합되어 레이돔에 부착된다. 일 실시예에서, 레이돔은 환경 인클로저를 제공할 뿐만 아니라 안테나에 구조적 안정성을 제공한다는 것을 유의해야 한다. 그 후, 스택업을 가진 레이돔은 안테나 개구의 안테나 소자와 함께 기점을 이용하여 정렬되고 안테나 개구에 부착된다.
도 2 (a) 및 (b)는 상이한 스캔 각도, 즉 0°, 30°, 45° 및 60°에 대해 생성된 스미스 차트 상의 Rx 대역에 대한 안테나의 반사 계수를 나타낸다. 도 2 (a)는 스택업이 없는 안테나 자체의 결과를 나타내는바, 이것은 임피던스 매칭이 아주 빈약하다는 것을 나타낸다. 메타표면 스택업이 안테나의 상부에 포함되면, 도 2 (b)에 나타낸 바와 같이 곡선이 스미스 차트의 중심에 훨씬 가까워지게 된다. 즉, 모든 스캔 각도에서 임피던스 매칭이 크게 향상된다.
도 3 (a) 및 (b)는 2개의 스캔 각도, 즉 브로드사이드(0°) 및 극단적인 스캔 각도(60°)에서의 Rx 및 Tx 주파수 대역에 걸친 안테나의 측정된 이득을 나타낸다. 도 3 (a) 및 (b)는 본 명세서에 개시된 스택업을 안테나의 상부에 이용함으로써 이득이 상당히 향상되었음을 나타낸다. Rx에서는, 브로드사이드 및 60° 스캔 각도에서 각각 +2dB와 +3dB의 이득 향상이 있었다. Tx에서는, 이득이 브로드사이드 및 60° 스캔 각도에서 각각 +1dB와 +3dB만큼 향상되었다. 따라서, 스택업은 Rx 및 Tx 주파수 대역에 걸친 모든 스캔 각도에서 안테나 성능을 크게 향상시킨다. 이것은, 네트워크 커버리지, 대역폭 및 속도를 대폭 향상시킨다. 또한, 메타표면 스택업은 안테나의 방사 효율을 높이고 이득을 향상시키며 잡음 온도를 낮춤으로써, 그에 따라 위성 안테나에 대한 G/T(gain-to-noise-temperature)를 더욱 높인다.
개시된 스택업은 이득 향상 및 임피던스 매칭 목적을 위해, 예를 들어 위상 어레이 또는 누설 파 안테나를 포함하지만 이에 한정되지 않는 많은 유형의 전자적으로 빔을 스캐닝하는 안테나에 적용될 수 있다는 점을 유의해야 한다. 이 스택업은 또한 설계의 광대역 특성으로 인해 주파수 스캐닝 레이더 안테나에도 사용될 수 있다.
따라서, 개구 안테나(예를 들어, 원통형으로 급전되는 홀로그래픽 방사형 개구 안테나)의 자기 및 전기 응답을 조정하기 위한 조정 가능한 임피던스 매칭 층을 포함하는 메타표면 스택업이 개시되었다.
WAIM 레이돔 (Radome)
다른 실시예에서, 임피던스 매칭 네트워크는 수평으로 편광된 전기장(H-pol E-field) 경우에 대한 경사 스캔 각도에서의 안테나 이득을 향상시키기 위해 안테나 개구 위의 광각 임피던스 매치(wide-angle impedance match, WAIM) 표면층(예를 들어, 원통형으로 급전되는 홀로그래픽 방사형 개구 안테나)을 포함한다. 즉, 본 발명의 실시예는 WAIM 층과 원통형으로 급전되는 홀로그래픽 방사형 개구 안테나의 조합을 포함한다. 보다 구체적으로는, 방사형 개구 누설 파 안테나의 H-pol 이득은 빔이 경사 각을 가리킬 때 현저히 저하된다. 본 명세서에 개시된 WAIM 층을 사용하면, 이득이 극단적으로 향상된다.
도 4a는 메인 빔이 방사 아이리스를 갖는 안테나 소자에 대해 적절한 여기 분배를 이용하여 형성되도록 원통형으로 급전되는 홀로그래픽 안테나의 개략도를 나타낸다. 그러한 안테나의 한 예가 도 1a에 도시되어 있다. 아이리스를 갖는 안테나 소자는 이하에서 보다 상세하게 설명된다. 아이리스가 스캔 롤-오프 각도(예를 들어, 60°)에서 H-pol. 전기장을 방출하도록 하는 방식으로 여기될 때, 방사 성능이 크게 저하된다.
도 4b는 안테나 개구와 자유 공간 사이의 임피던스 매칭을 위한 WAIM 층의 일 실시예를 나타낸다. 도 4b를 참조하면, 매우 얇은 WAIM 층(402)은 금속 패턴을 가지며 안테나 표면 위에 배치된다. 일 실시예에서, 패턴은 주기적이지만, 이것은 필요하지 않고 비주기적인 패턴이 사용될 수도 있다. 일 실시예에서, WAIM 층은 그 위에 인쇄 또는 제작된 금속 패턴을 갖는 2 mil의 두께의 기판이다. WAIM 구조는 스캔 롤-오프 각도에서 H-pol. 전기장 빔 성능을 향상시키도록 설계되어 있다.
롤-오프 스캔 각도에서, 원통형으로 급전되는 홀로그램 안테나의 방사 임피던스와 자유 공간 임피던스 사이의 불일치가 H-pol. 전기장 경우에 대해 현저하다. 결과적으로, 안테나 방사 특성은 이들 각도에서 상당히 열화된다. 일 실시예에서, WAIM 층은 링 모양 소자를 포함한다. WAIM 층의 소자의 링 모양으로 인해, 링의 메인 축이 자기장에 평행하기 때문에 H pol. 전기장에 반응한다. 결과적으로, WAIM 층은 임피던스 매칭 회로로서 역할을 하므로 WAIM이 있는 안테나는 롤-오프 스캔 각도에서 효율적으로 더 많은 전력을 방사한다.
WAIM 층의 금속 패턴에서의 소자의 형상이 원하는 임피던스 매칭을 얻기 위해 선택된다는 것을 유의해야 한다. 일 실시예에서, 소자는 링 모양 패턴을 가지고 있다. 일 실시예에서, 링 모양 소자는 스플리트 링 공진기(split ring resonator, SRR)이다. 이들 폐쇄되지 않은 링은 하나의 간극(gap)을 가지고 있어서 완전한 원을 형성하지 못한다. 도 4c는 스플리트 링 공진기의 예를 나타낸다. 일 실시예에서, 링 모양 소자의 두께, 크기 및 위치는 자유 공간에 안테나 개구를 정합시키기 위해 필요한 임피던스를 얻도록 선택되는 인자(factor)이다. 즉, 두께, 크기 및 위치를 선택함으로써, 롤-오프에서 최상의 성능을 갖는 원하는 임피던스가 얻어질 수 있고, 다른 각도 및 편광 성능에 거의 영향을 주지 않을 수 있다. 링 모양 소자는 메타표면 스택업과 마찬가지로 안테나 개구의 공진하는 안테나 소자와 정렬될 필요가 없다는 것을 유의해야 한다. 일 실시예에서, 링 모양 소자는 주기성(periodicity)을 갖는다. 일 실시예에서, 링 모양 소자의 주기는 약 80 mil +/- 10 mil이다.
WAIM 층은 유전체 층(예를 들어, 발포체 또는 임의의 유형의 저손실, 저투자율 재료 등)을 통해 안테나 개구로부터 분리된다. 일 실시예에서, 유전체 발포 층은 140 mil +/- 10 mil의 높이를 가지며, 1 내지 1.05에 가까운 유전 상수를 가지며, WAIM 층은 전형적으로 5 mil(예를 들어, 2 mil)까지의 두께 및 약 4(예를 들어, 3.5)의 유전 상수를 갖는 유전체 층 상에 인쇄된다. 더 높은 주파수의 경우, WAIM은 (예를 들어, 5∼10 mil 5880의) 저유전율 회로 기판 재료에 인쇄될 수 있고, 발포 스페이서 없이 안테나 개구의 상부에 직접 배치될 수 있다.
WAIM 층은 스캔 롤-오프 각도에서의 H-pol. 전기장에 대한 빔 성능을 향상시키기 위해, 예를 들어 위상 어레이 안테나, 누설 파 안테나 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다른 유형의 원통형으로 급전되는 전자 빔 스캐닝 안테나에 사용될 수 있다. 확장성 특징(scalability feature)으로 인해, 이것은 다른 주파수 대역(예를 들어, Ka 대역, Ku 대역, C 대역, X 대역, V 대역, W 대역 등)에도 사용될 수 있다.
급전 메커니즘 및 작동 개념에 따라 각각의 특정 안테나 유형은 그 자신의 방사 특성을 갖는다는 것을 유의해야 한다. 따라서, 어떤 특정 유형의 안테나로 작동하는 WAIM 층의 설계는 다르다. 일 실시예에서, 최적화된 기하학 구조를 갖는 스플릿 링 공진기(SRR) WAIM 층은 H-pol. 전기장 스캔 롤-오프 문제를 해결하기 위해 원통형으로 급전되는 홀로그래픽 안테나와 함께 사용되도록 설계된다.
다이폴 수퍼스트레이트 (Dipole Superstrate )
방사하는 개구의 상부에 다이폴 패턴화된 수퍼스트레이트(superstrate)를 사용함으로써 (공진 주파수를 시프트 다운시키며) 주파수 응답을 변화시키고 홀로그래픽 메타표면 안테나의 방사 효율을 향상시키기 위한 방법 및 장치가 개시된다. 이는 아이리스 주위의 부하 캐패시턴스를 증가시켜 공진 주파수를 원하는 값으로 시프트 다운시키고, 또한 기본 단위 셀의 오믹 손실을 감소시키며, 안테나의 방사 효율을 향상시키고, 예를 들어 도 1a에서 상술한 안테나와 같은 메타-표면 안테나의 포스트 빌드 주파수 재구성 가능성을 허용한다. 일 실시예에서, 다이폴 기판은 본원에 기재된 광각 임피던스 매칭 네트워크와 함께 사용된다는 것을 유의해야 한다. 다이폴 수퍼스트레이트가 안테나의 주파수 대역을 바람직한 주파수 대역으로 시프트 다운시키는 동안, 광각 임피던스 매칭은 모든 스캔 각도에서 원하는 대역에 걸쳐 방사 효율을 향상시킨다. 즉, 다이폴 수퍼스트레이트가 (예를 들어, 도 1a에 나타낸) 광각 임피던스 매칭 네트워크와 함께 사용되는 경우, 다이폴 수퍼스트레이트는 작동 주파수 대역을 조정하는 반면 임피던스 매칭 네트워크에 의해 방사 효율 향상을 달성한다.
메타표면 안테나는 상당한 오믹 손실을 받는 손실 조정 가능한 재료(lossy tunable material)를 포함할 수 있다. 더욱이, 이들은 예를 들어 제조의 제한 또는 어떤 다른 실용적인 이유로 인해 바람직한 주파수 대역에 걸쳐 동작하지 않을 수 있다. 그러나, 일 실시예에서, 기생 소자는 오믹 손실을 감소시키고 그러한 안테나 구조에서의 방사 전력을 향상시키는 동작 주파수 대역을 시프트 다운시키는데 도움을 주도록 안테나 소자의 단위 셀(예를 들어, 액정(LC) 기반 셀)의 기본 설계의 일부로서 사용된다.
일 실시예에서는, 광각 임피던스 매칭 네트워크가 모든 스캔 각도에서 방사 효율을 향상시키는 동안, 다이폴 소자로 패턴화된 수퍼스트레이트(superstrate)가 동작 주파수 대역을 조정하기 위해 방사하는 개구 상부(임의의 광각 임피던스 매칭 네트워크 아래)에 포함되어 있다. 일 실시예에서, 이 다이폴 소자로 패턴화된 수퍼스트레이트는 안테나 소자의 슬롯에 대한 상대 각도를 조정함으로써 타원형으로 편광되는 안테나의 축 방향 비율을 제어하며, 이는 모든 편광 및 스캔 각도에 대해 유효하다.
다이폴 소자로 패턴화된 기판의 실시예는 다음의 이점 중 하나 이상을 갖는다. 한 가지 이점은, 안테나의 방사 효율과 동적 대역폭을 향상시키면서 메타표면 안테나의 포스트 빌드 주파수 재구성 가능성을 허용한다는 점이다. 단위 셀 근처의 다이폴 소자의 존재는 단위 셀을 로드하고 단위 셀의 주파수를 시프트시키는데 도움이 된다. 이 특정 기능은 가변 공진 주파수에서 단위 셀을 작동시켜서 조정 가능한 대역폭을 제어하는 데 도움을 주며, 이는 안테나의 동적 대역폭을 향상시키는 데 도움이 된다
일 실시예에서, 다이폴 소자의 물리적 구조는 유전체 재료 상에 인쇄되고 도 5a에 도시된 바와 같이 소정의 성능을 위해 공진기로부터 일정 거리만큼 변위된 원하는 전기적 치수의 금속 스트립을 포함한다. 다이폴 소자의 길이 및 높이를 포함하는 치수 및 거리는, Rx 안테나 소자의 Rx 아이리스의 공진과 같은 안테나 소자의 특성을 방해하지 않도록 하는 방식으로 선택된다. 다른 실시예에서, 치수 및 거리는 안테나 소자의 Rx 및 Tx 아이리스의 공진과 같은 안테나 소자의 특성을 방해하지 않도록 선택된다.
도 5a를 참조하면, 다이폴 소자(501)는 유전체 재료(503)(예를 들어, 발포 층) 상에 있고 안테나 소자의 아이리스(502) 위에 수직으로 배치된다. 글래스 층(glass layer; 504)은 아이리스 접지와 유전체 층(503) 사이에 있다. 다이폴 소자(501)는 직사각형 금속 스트립을 포함한다. 물리적 구조는 직사각형 스트립에 한정되지 않고 필요한 주파수 시프트를 제공하기 위해 원하는 전기적 치수를 갖는 임의의 가능한 형상으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 안테나의 스위칭 속도 요건으로 인해, 매우 얇은 단위 셀 구조가 요구된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 패치와 아이리스 접지 사이의 거리는 전형적으로 1∼10 미크론(예를 들어, 3 미크론)이다. 이러한 상황에서는, 패치는 아이리스 접지에 매우 근접해야 하고, 패치의 방사 전력에 대한 기여도는 패치가 아이리스 접지에 매우 가깝기 때문에(일반적으로 수 미크론) 매우 제한된다. 특히, 공진 시에는, 오믹 손실이 커서 방사 효율이 낮아진다. 그러한 경우에 방사 전력 및/또는 근접한 공진을 향상시키는 방법은, 단위 셀 근방에 강한 공진 전류를 스플리팅하는 것을 촉진하는 단위 셀에 충분히 정합된 임피던스의 기생 소자를 사용하여 단위 셀의 오믹 손실을 줄이는 것이다. 기생 소자의 사용에는 두 가지 이점이 있다. 하나는 단위 셀의 오믹 손실을 줄이는 데 도움이 되고, 또한 안테나의 배열 환경에서도 잘 정합된 다이폴 소자는 안테나에서 더 제어된 개구 분포에 기여하기 위해 내부 커플링을 감소시켜 단위 셀 사이의 상호 커플링을 수그러들게 한다. 도 5b는 다이폴 소자가 있는 경우 및 다이폴 소자가 없는 경우의 단위 셀에서의 오믹 손실의 그래프를 나타낸다.
일 실시예에서는, 기생 소자가 단위 셀의 다수의 유전체 층 상에 배열된 적층 구조로 되어 있는 경우에 단위 셀 상의 다수의 기생 소자가 사용된다. 또 다른 가능한 실시예는 단위 셀 상의 다수의 공면 기생 소자를 포함한다. 도 6 (a) 및 (b)는 이러한 구성의 일부 예를 나타낸다.
메타표면 안테나로의 슬롯-다이폴 소자 구성의 적용은 방사 특성을 향상시키고, 특히 그 상부에 기생 다이폴이 없는 비교적 손실이 있는 셀의 방사 효율을 향상시킨다. 다양한 스캔 각도에 대한 안테나의 방사 효율의 향상도 또한 발생한다. 또한, 다이폴은 포스트 빌드 프로세스 후에 동작의 주파수 대역을 시프트시키고 또한 각 단위 셀에 대한 다이폴/다이폴들의 상대적인 배향을 조정함으로써 안테나의 편광를 제어하기 위한 수단으로서 사용될 수 있다.
액정(LC) 기반의 조정 가능한 임피던스 매치 층
안테나의 방사 특성은 스캔 각도, 작동 주파수 및 방사된 필드의 편광에 따라 크게 변화될 수 있다. 안테나 개구 위의 자기 및 전기 임피던스 매칭 층은 각각 안테나의 자기 및 전기적 응답에 영향을 줄 수 있다. 결과적으로, 임피던스 층을 조정 가능하게 함으로써 자기 또는 전기 케이스의 안테나 임피던스(또는 성능)를 동시에 또는 개별적으로 조정할 수 있는 뛰어난 성능을 제공한다. 또한, 때로는 상황이나 사양에 따라 안테나 방사 특성을 사용 중일 때에 맞추어야 한다.
일 실시예에서, 임피던스 매칭 메타표면 층은 상이한 스캔 각도에서 방사 성능을 조정하기 위한 조정 부품으로서 액정(LC) 재료를 사용한다. 보다 구체적으로는, 일 실시예에서는, LC의 유전 상수를 전자적으로 변화시킴으로써 각 소자의 전자기 특성이 변화하고 결과적으로 그 층의 등가 표면 임피던스가 맞추어질 수 있도록 각각의 셀 소자에서 LC 재료를 사용함으로써 조정이 수행된다. LC 재료는 하나 이상의 임피던스 매치 층에 포함된다. 예를 들어, 링 모양 소자로 구성된 조정 가능한 WAIM 메타표면에서는, LC 재료는 각 링 소자에 통합되어 극단적인 스캔 롤-오프 각도에서 수평으로 편광된 전기장 방사에 대한 안테나의 자기 응답을 조정한다. 다른 예로서, LC 기반의 조정 가능한 전기 다이폴의 표면층이 안테나의 전기적 응답을 제어하는 데 사용될 수 있다.
일 실시예에서, LC 기반의 조정 가능한 임피던스 매칭 층은 원통형으로 급전되는 홀로그래픽 방사형 개구의 상부에 사용된다. 일 실시예에서, 임피던스 매칭 층은 광각 임피던스 매치(wide angle impedance match, WAIM) 층 또는 다이폴 스크린 층 또는 양쪽 층의 조합이다. 이들 층을 조정함으로써, 안테나의 자기 및 전기 응답을 동시에 또는 개별적으로 조정할 수 있다.
일 실시예에서, 조정 가능한 임피던스 매치 층은 주기적으로 조정 가능한 방사 소자들(예를 들면, 다이폴, 링 등)로 구성된 스크린 층인 바, 이들 소자에 의해 메타표면의 등가 표면 임피던스를 변화시킴으로써 상이한 스캔 각도에서 상당히 광대역 주파수 범위에 걸쳐 안테나의 자기 및 전기 주파수 응답이 맞추어질 수 있다. 따라서, 조정 가능한 임피던스 매치 층은 안테나의 향상된 성능을 얻기 위해 상이한 스캔 각도 및 주파수 대역에서 인-시튜(in-situ) 미세 조정의 성능을 가능하게 한다.
도 15는 안테나 개구(예를 들어, 다중 대역 원통형으로 급전되는 홀로그래픽 안테나 등)에 걸쳐 조정 가능한 LC 부품을 갖는 매우 얇은 임피던스 매치 층의 일례를 나타낸다. 일 실시예에서, PCB일 수 있는 임피던스 매치 층은 2 내지 60mil 사이의 두께를 갖는다. 다중 대역 원통형으로 급전되는 홀로그래픽 안테나의 경우에, 메인 빔은 아이리스를 방사하기 위한 적절한 여기 분배를 이용하여 형성되고, 아이리스는 원하는 스캔 각도에서 수평 또는 수직으로 편광된 전기장을 방사하는 방식으로 여기될 수 있다.
일 실시예에서, 임피던스 매치 층은 하나의 층이다. 일 실시예에서, LC 기반의 조정 가능한 임피던스 매치 층은 임의의 인쇄 회로 기판(PCB) 또는 다른 기판 상에 쉽게 인쇄될 수 있는 단순한 얇은 층이다. 그러나, 임피던스 매치 층은 반드시 하나의 층일 필요는 없다. 또 다른 실시예에서, 임피던스 매치 층은 몇몇 층들의 스택업으로서, 조정 가능한 LC 재료를 사용함으로써 대응하는 층의 자기 또는 전기적 응답이 등가 표면 임피던스의 변화를 통해 조정될 수 있도록 한다.
일 실시예에서, 특정 금속 패턴은 도 16a 및 도 16b에 도시된 링과 같은 하나 이상의 링을 포함한다. 도 16a를 참조하면, 링(1601)은 단일의 구성 요소(piece)이다. 도 16b의 링은 2개의 부분을 포함하며, 각 부분의 한쪽 단부는 중첩되어 있다. 두 부분은 LC 재료의 대향 측면 상에 있을 수 있고, LC 재료는 두 단부의 중첩 영역 사이에 있을 수 있다. 대안적으로, 다른 실시예에서는, 주기적인 다이폴이 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 링은 금속 또는 임의의 유형의 고전도성 재료로 만들어진다.
조정 가능한 임피던스 매치 층은 모든 유형의 전자 빔 스캐닝 안테나에서 상이한 편광, 주파수 대역 및 스캔 각도에 대한 안테나 방사 특성을 조정하기 위해 사용될 수 있다는 것을 유의해야 한다.
안테나 실시예의 예
위에서 설명한 기술들은 평탄 패널 안테나와 함께 사용될 수 있다. 이러한 평탄 패널 안테나의 실시예가 개시된다. 평탄 패널 안테나는 안테나 개구 상에 안테나 소자의 하나 이상의 어레이를 포함한다. 일 실시예에서, 안테나 소자는 액정 셀을 포함한다. 일 실시예에서, 평탄 패널 안테나는 로우(row, 행) 및 컬럼(column, 열)에 위치되지 않는 안테나 소자의 각각을 고유하게 어드레스 지정하여 구동하기 위한 매트릭스 구동 회로를 포함하는 원통형으로 급전되는 안테나이다. 일 실시예에서, 소자는 링에 위치된다.
일 실시예에서, 안테나 소자의 하나 이상의 어레이를 갖는 안테나 개구는 함께 결합된 다수의 세그먼트(segment)로 구성된다. 함께 결합될 때, 세그먼트들의 조합은 안테나 소자들의 폐쇄된 동심원 링을 형성한다. 일 실시예에서, 동심원 링은 안테나 피드에 대해 동심원이다.
안테나 시스템의 예
일 실시예에서, 평탄 패널 안테나는 메타재료 안테나 시스템(metamaterial antenna system)의 일부이다. 통신 위성 지구국을 위한 메타재료 안테나 시스템의 실시예가 개시된다. 일 실시예에서, 안테나 시스템은 민간 상업 위성 통신에 대한 Ka-대역 주파수 또는 Ku-대역의 주파수를 사용하여 동작하는 모바일 플랫폼(예를 들어, 항공, 해상, 토지 등) 상에서 동작하는 위성 지구국(ES)의 부품 또는 서브시스템이다. 또한, 안테나 시스템의 실시예들이 모바일 플랫폼 상에 없는 지구국(예를 들어, 고정 또는 수송 가능한 지구국)에서 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 안테나 시스템은 별도의 안테나를 통해 송신 및 수신 빔들을 형성하여 조종하는 표면 산란 메타재료 기술을 사용한다. 일 실시예에서, 안테나 시스템은 빔을 전기적으로 형성하여 조종하기 위해 디지털 신호 처리를 이용하는 (예를 들어 위상 어레이 안테나와 같은) 안테나 시스템과 달리, 아날로그 시스템이다.
일 실시예에서, 안테나 시스템은 3개의 기능적인 서브시스템: (1) 원통형 파 급전 아키텍처로 구성된 도파 구조(wave guiding structure ); (2) 안테나 소자의 일부인 파 산란 메타재료 단위 셀의 배열; 및 (3) 홀로그래픽 원리를 이용하여 메타재료 산란 요소로부터 조정 가능한 방사선 필드(빔)의 형성을 명령하는 제어 구조로 구성된다.
안테나 소자
일 실시예에서, 안테나 소자는 패치 안테나의 그룹을 포함한다. 패치 안테나의 이러한 그룹은 산란 메타재료 소자들의 어레이를 포함한다. 일 실시예에서, 안테나 시스템의 각 산란 소자는 하부 도체, 유전체 기판 및 상보적 전기 안내-용량성 공진기("상보 전기 LC" 또는 "CELC")를 매립하는 상부 도체로 구성되는 단위 셀의 일부이며, CELC는 상부 도체에 에칭되거나 또는 상부 도체 상에 증착된다. 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, CELC의 맥락에서의 LC는 액정과는 반대로 인덕턴스-캐패시턴스를 언급한다.
일 실시예에서, 액정(LC)은 산란 소자 주위의 간극 내에 배치된다. 이 LC는 상술한 직접 구동 실시예에 의해 구동된다. 일 실시예에서, 액정은 각각의 단위 셀 내에 캡슐화되고, 슬롯과 연관된 하부 도체를 그 패치와 연관된 상부 도체로부터 분리시킨다. 액정은 액정을 포함하는 분자의 배향의 함수인 유전율을 갖고, 분자의 배향(따라서 유전율)은 액정을 가로지르는 바이어스 전압을 조정함으로써 제어될 수 있다. 일 실시예에서는, 이 특성을 이용하여, 액정은 안내되는 파로부터 CELC로의 에너지의 전달을 위해 온/오프 스위치를 통합한다. 스위치가 켜지면, CELC는 전기적으로 작은 다이폴 안테나와 같은 전자기파를 방출한다. 본 명세서의 개시 내용은 에너지 전달에 대해 바이너리 방식으로 작동하는 액정을 갖는 것에 한정되지 않는다는 것을 유의해야 한다.
일 실시예에서, 이 안테나 시스템의 급전 기하학 구조는 안테나 소자가 파 급전에서의 파의 벡터에 대해 사십오도(45°) 각도에 위치되도록 한다. 다른 위치가 사용될 수도 있다(예를 들어, 40° 각도)는 것을 유의해야 한다. 소자들의 이러한 위치는 소자들에 의해 수신되거나 소자들로부터 전송/방사되는 자유 공간 파의 제어를 가능하게 한다. 일 실시예에서, 안테나 소자는 안테나의 동작 주파수의 자유 공간 파장보다 짧은 소자간 간격으로 배치되어 있다. 예를 들어, 파장당 4개의 산란 요소가 있는 경우, 30 GHz의 송신 안테나의 소자는 약 2.5 mm로 될 것이다(즉, 1 / 30 GHz의 4번째 10 mm 자유 공간 파장).
일 실시예에서는, 두 세트의 소자는 서로 수직이고 동시에 동일한 조정 상태로 제어되는 경우 동일한 진폭 여기를 갖는다. 그것들을 급전 파 여기를 기준으로 +/- 45도 회전시킴으로써 한 번에 원하는 특징을 모두 달성할 수 있다. 한 세트를 0도 회전시키고 다른 세트를 90도 회전시킴으로써 수직 목표를 달성할 수 있지만 동일한 진폭 여기 목표는 달성할 수 없다. 단일 구조의 안테나 소자의 어레이를 양 측면으로부터 급전할 때 절연을 달성하기 위해 0도 및 90도가 사용될 수 있다는 것을 유의해야 한다.
각 단위 셀로부터 방출되는 전력의 양은 컨트롤러를 이용하여 패치에 전압(LC 채널을 가로지르는 전위)을 인가함으로써 제어된다. 각 패치에 대한 트레이스는 패치 안테나에 전압을 공급하는 데 사용된다. 전압은 캐패시턴스, 및 이로써 빔 형성을 수행하기 위한 개별 소자의 공진 주파수를 조정(tune) 또는 디튠(detune, 동일하게 조정하지 않음)하기 위해 사용된다. 요구되는 전압은 사용되는 액정 혼합물에 의존한다. 액정 혼합물의 전압 조정 특성은, 액정이 전압 및 포화 전압에 의해 영향을 받기 시작하는 임계 전압에 의해 주로 기술되며, 그 이상에서는 전압의 증가가 액정에서 주요 조정을 일으키지 않는다. 이러한 두 개의 특성 파라미터는 상이한 액정 혼합물에 대해 변화될 수 있다.
일 실시예에서는, 상술한 바와 같이, 각 셀(직접 구동)에 대해 별도의 접속을 갖지 않고 모든 다른 셀들로부터 따로따로 각 셀을 구동하기 위해 패치들에 전압을 인가하는데 매트릭스 구동이 사용된다. 소자의 밀도가 높기 때문에, 매트릭스 구동은 각 셀을 개별적으로 처리하는 효율적인 방법이다.
일 실시예에서, 안테나 시스템을 위한 제어 구조는, 2개의 주요한 부품: 파 산란 구조 아래에 있는 안테나 시스템을 위한 구동 전자 장치를 포함하는 안테나 어레이 컨트롤러와, 방사선과 간섭하지 않도록 하는 방법으로 방사하는 RF 어레이를 통해 산재되어 있는 매트릭스 구동 스위칭 어레이를 가지고 있다. 일 실시예에서, 안테나 시스템을 위한 구동 전자 장치는 그 소자로의 AC 바이어스 신호의 진폭 및 듀티 사이클을 조정함으로써 각 산란 소자에 대한 바이어스 전압을 조정하는 상업용 텔레비전 제품에 사용되는 상업용 제품 LCD 제어를 포함한다.
일 실시예에서, 안테나 어레이 컨트롤러는 또한 소프트웨어를 실행하는 마이크로프로세서를 포함한다. 제어 구조는 또한 위치 및 방위 정보를 프로세서에 제공하기 위해 센서(예를 들어, GPS 수신기, 3축 나침반, 3축 가속도계, 3축 자이로, 3축 자력계 등)를 통합할 수도 있다. 위치와 배향 정보는 지구국 내에 있거나 및/또는 안테나 시스템의 일부가 될 수 없는 다른 시스템에 의해 프로세서에 제공될 수 있다.
보다 구체적으로는, 안테나 어레이 컨트롤러는 어떤 소자가 턴 오프되고 어떤 소자가 턴 온되는지 그리고 동작 주파수에서 어느 위상 및 진폭 레벨로 제어되는지를 제어한다. 소자는 전압 적용에 의한 주파수 동작을 위해 선택적으로 디튠(detune)된다.
전송을 위해, 컨트롤러는 변조 또는 제어 패턴을 생성하기 위해 RF 패치에 전압 신호의 어레이를 공급한다. 제어 패턴은 소자가 다른 상태로 변화하도록 한다. 일 실시예에서, 다양한 소자들이 구형파(즉, 정현파 회색 음영 변조 패턴)와 대조적으로 정현파 제어 패턴에 더 근접하는 변화하는 레벨로 턴 온 및 오프되는 다중 상태 제어가 사용된다. 일 실시예에서, 일부 소자는 방사하고 일부 소자는 방사하지 않는 것이 아니라 일부 소자가 다른 소자보다 더 강력하게 방사한다. 액정의 유전율을 변화하는 양으로 조정하는 특정 전압 레벨을 인가하고, 그에 따라 소자를 가변으로 디튠하고 일부 소자가 다른 소자보다 더 많이 방사하도록 함으로써, 가변 방사가 얻어진다.
소자의 메타재료 어레이에 의해 집속되는 빔의 생성은 보강 및 상쇄 간섭 현상에 의해 설명될 수 있다. 그것들이 자유 공간에서 만날 때 동일한 위상을 갖는 경우 개별 전자기파가 가산되고(보강 간섭), 그것들이 자유 공간에서 만날 때 반대 위상에 있는 경우 파가 서로 소거된다(상쇄 간섭). 각각의 연속적인 슬롯이 안내 파의 여기 지점으로부터 다른 거리에 위치하도록 슬롯형 안테나의 슬롯이 위치되면, 그 소자로부터의 산란 파는 이전 슬롯의 산란 파와 다른 위상을 가질 것이다. 슬롯이 안내된 파장의 4 분의 1만큼 떨어져 있는 경우, 각 슬롯은 이전 슬롯으로부터 사분의 1 위상 지연으로 파를 산란시킬 것이다.
이 어레이를 사용하면, 홀로그래피의 원리를 이용하여 빔이 이론적으로 안테나 어레이의 보어 시야(bore sight)로부터 구십도(90°)를 더하거나 뺀 임의의 방향에 이르게 할 수 있도록 보강 및 상쇄 간섭의 패턴의 수가 생성되거나 증가될 수 있다. 따라서, 어느 메타재료 단위 셀이 턴 온 또는 오프되는지를 제어함으로써(즉, 어느 셀이 턴 온되고 어느 셀이 턴 오프되는지에 관한 패턴을 변경함으로써),보강 및 상쇄 간섭의 다른 패턴이 생성될 수 있고, 안테나는 메인 빔의 방향을 변경할 수 있다. 단위 셀을 턴 온 및 오프하는데 필요한 시간은 빔이 한 위치로부터 다른 위치로 전환될 수 있는 속도를 지시한다.
일 실시예에서, 안테나 시스템은 업 링크 안테나에 대한 하나의 조종 가능한 빔과 다운 링크 안테나에 대한 하나의 조종 가능한 빔을 생성한다. 일 실시예에서, 안테나 시스템은 빔을 수신하고 위성으로부터의 신호를 디코딩하며 위성을 향하여 진행하는 송신 빔을 형성하기 위해 메타재료 기술을 이용한다. 일 실시예에서, 안테나 시스템은 빔을 전기적으로 형성하여 조종하기 위해 디지털 신호 처리를 이용하는 (예를 들어 위상 어레이 안테나와 같은) 안테나 시스템과 달리, 아날로그 시스템이다. 일 실시예에서, 안테나 시스템은 특히 종래의 위성 접시 수신기와 비교할 때 평면이고 상대적으로 낮은 프로파일인 "표면" 안테나로 간주된다.
도 7은 접지 평면 및 재구성 가능한 공진기 층을 포함하는 안테나 소자의 한 로우(row, 행)의 사시도를 나타낸다. 재구성 가능한 공진기 층(1230)은 조정 가능한 슬롯들의 어레이(1210)를 포함한다. 조정 가능한 슬롯들의 어레이(1210)는 안테나를 원하는 방향으로 향하게 하도록 구성될 수 있다. 조정 가능한 슬롯 각각은 액정을 가로지르는 전압을 변화시킴으로써 조정/조정될 수 있다.
제어 모듈(1280)은 재구성 가능한 공진기 층(1230)에 연결되어 도 8a의 액정을 가로지르는 전압을 변화시킴으로써 조정 가능한 슬롯들의 어레이(1210)를 변조한다. 제어 모듈(1280)은 필드 프로그래머블 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array, "FPGA"), 마이크로 프로세서, 컨트롤러, 시스템-온-칩(System-on-a-Chip, SoC), 또는 다른 처리 로직을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제어 모듈(1280)은 조정 가능한 슬롯들의 어레이(1210)를 구동시키는 논리 회로(예를 들어, 멀티플렉서)를 포함한다. 일 실시예에서, 제어 모듈(1280)은 조정 가능한 슬롯들의 어레이(1210) 위로 구동될 홀로그래픽 회절 패턴에 대한 사양을 포함하는 데이터를 수신한다. 홀로그래픽 회절 패턴은 안테나와 위성 사이의 공간적인 관계에 응답하여 발생되어, 홀로그램 회절 패턴이 통신을 위해 적절한 방향으로 다운링크 빔(및 안테나 시스템이 송신을 수행하는 경우 업링크 빔)을 조정하도록 할 수 있다. 각각의 도면에는 도시되지 않았지만, 제어 모듈(1280)과 유사한 제어 모듈이 본 명세서의 도면에 기술된 조정 가능한 슬롯의 각 어레이를 구동할 수도 있다.
RF(Radio Frequency) 홀로그래피는 또한 RF 기준 빔이 RF 홀로그래픽 회절 패턴을 만날 때 원하는 RF 빔이 발생될 수 있는 유사한 기술을 이용해도 가능하다.위성 통신의 경우에, 기준 빔은 급전 파(1205)(몇몇 실시예에서는 대략 20 GHz)와 같은 급전 파의 형태로 되어 있다. 급전 파를 (송신 또는 수신 목적으로) 방사 빔으로 변환하기 위해, 원하는 RF 빔(대상 빔)과 급전 파(기준 빔) 사이에서 간섭 패턴이 계산된다. 간섭 패턴은 회절 패턴으로서 조정 가능한 슬롯들의 어레이(1210)상으로 구동되어, 급전 파가 (원하는 형상과 방향을 갖는) 원하는 RF 빔으로 "조종(steer)"되도록 한다. 다시 말해서, 홀로그램 회절 패턴을 만나게 되는 급전 파는 통신 시스템의 설계 요구 사항에 따라 형성되는 대상 빔을 "재구성"한다. 홀로그래픽 회절 패턴은 각 소자의 여기를 포함하며, ωhologram = ωin * ωout에 의해 계산된다. 여기서, ωin은 도파관(waveguide)의 파 방정식(wave equation)이고, ωout은 나가는 파에서의 파 방정식이다.
도 8a는 조정 가능한 공진기/슬롯(1210)의 일 실시예를 나타낸다. 조정 가능한 슬롯(1210)은 아이리스/슬롯(1212), 방사 패치(1211), 및 아이리스(1212)와 패치(1211) 사이에 위치된 액정(1213)을 포함한다. 일 실시예에서, 방사 패치(1211)는 아이리스(1212)와 공동으로 배치된다.
도 8b는 물리적 안테나 개구의 일 실시예의 단면도를 나타낸다. 안테나 개구는 재구성 가능한 공진기 층(1230)에 포함되는 아이리스 층(1233) 내의 접지 평면(1245) 및 금속층(1236)을 포함한다. 일 실시예에서, 도 8b의 안테나 개구는 도 8a의 복수의 조정 가능한 공진기/슬롯(1210)을 포함한다. 아이리스/슬롯(1212)은 금속층(1236)의 개구에 의해 형성된다. 도 8a의 급전 파(1205)와 같은 급전 파는 위성 통신 채널과 호환 가능한 마이크로파 주파수를 가질 수 있다. 급전 파는 접지 평면(1245)과 공진기 층(1230) 사이에서 전파한다.
재구성 가능한 공진기 층(1230)은 또한 개스킷 층(1232)과 패치 층(1231)을 포함한다. 개스킷 층(1232)은 패치 층(1231)과 아이리스 층(1233) 사이에 배치된다. 일 실시예에서는, 스페이서가 개스킷 층(1232)을 대체할 수 있다는 것을 유의해야 한다. 일 실시예에서, 아이리스 층(1233)은 금속층(1236)으로서 구리 층을 포함하는 인쇄 회로 기판(printed circuit board, "PCB")이다. 일 실시예에서, 아이리스 층(1233)은 글래스(glass, 유리)이다. 아이리스 층(1233)은 다른 유형의 기판일 수도 있다.
개구는 구리 층에 에칭되어 슬롯(1212)을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 아이리스 층(1233)은 도전성 접합 층에 의해 도 8b의 다른 구조체(예를 들어, 도파관)에 도전적으로 결합된다. 일 실시예에서, 아이리스 층은 도전성 접합 층에 의해 도전적으로 결합되지 않고, 대신에 비도전성 접합 층과 인터페이스된다.
패치 층(1231)은 또한 방사 패치(1211)로서 금속을 포함하는 PCB일 수도 있다. 일 실시예에서, 개스킷 층(1232)은 금속층(1236)과 패치(1211) 사이의 치수를 정의하는 기계적 스탠드오프(mechanical standoff)를 제공하는 스페이서(1239)를 포함한다. 일 실시예에서, 스페이서는 75미크론이지만 다른 크기가 사용될 수도 있다(예를 들어, 3∼200 mm). 상술한 바와 같이, 일 실시예에서, 도 8b의 안테나 개구는 도 8a의 패치(1211), 액정(1213) 및 아이리스(1212)를 포함하는 조정 가능한 공진기/슬롯(1210)과 같은 다중의 조정 가능한 공진기/슬롯을 포함한다. 액정용 챔버(1213)는 스페이서(1239), 아이리스 층(1233) 및 금속층(1236)에 의해 형성된다. 챔버가 액정으로 충전될 때, 패치 층(1231)은 공진기 층(1230) 내의 액정을 밀봉하기 위해 스페이서(1239) 상에 적층될 수 있다.
패치 층(1231)과 아이리스 층(1233) 사이의 전압은 패치와 슬롯(예를 들어, 조정 가능한 공진기/슬롯(1210)) 사이의 간극에서 액정을 조정하도록 변조될 수 있다. 액정(1213)을 가로지르는 전압을 조정하는 것은 슬롯(예를 들어, 조정 가능한 공진기/슬롯(1210))의 캐패시턴스를 변화시킨다. 따라서, 캐패시턴스를 변화시킴으로써 슬롯(예를 들어, 조정 가능한 공진기/슬롯(1210))의 리액턴스가 변화될 수 있다. 슬롯(1210)의 공진 주파수는 또한 식
Figure 112019037062844-pct00001
에 따라 변화하는데, 여기서 f는 슬롯(1210)의 공진 주파수이며, L 및 C는 각각 슬롯(1210)의 인덕턴스 및 캐패시턴스이다. 슬롯(1210)의 공진 주파수는 도파관을 통해 전파하는 급전 파(1205)로부터 방사되는 에너지에 영향을 미친다. 예로서, 급전 파(1205)가 20 GHz인 경우, 슬롯(1210)의 공진 주파수는 슬롯(1210)이 급전 파(1205)로부터의 에너지를 실질적으로 결합하지 않도록 (캐패시턴스를 변화시킴으로써) 17 GHz로 조정될 수 있다. 또는, 슬롯(1210)의 공진 주파수는 슬롯(1210)이 급전 파(1205)로부터 에너지를 결합하고 그 에너지를 자유 공간으로 방사하도록 20 GHz로 조정될 수도 있다. 주어진 예들은 (완전히 방사되거나 또는 전혀 방사되지 않는) 바이너리(binary)이지만, 리액턴스의 풀 그레이 스케일 제어(full gray scale control)이고, 따라서 슬롯(1210)의 공진 주파수는 다중 값 범위에 걸친 전압 변동으로 가능하다. 따라서, 각 슬롯(1210)으로부터 방사된 에너지는 상세한 홀로그래픽 회절 패턴이 조정 가능한 슬롯들의 어레이에 의해 형성될 수 있도록 세밀하게 제어될 수 있다.
일 실시예에서, 로우(row, 행) 내의 조정 가능한 슬롯들은 λ/5만큼 서로 이격되어 있다. 다른 간격이 사용될 수도 있다. 일 실시예에서, 로우의 각각의 조정 가능한 슬롯은 λ/2만큼 인접한 로우의 가장 근접한 조정 가능한 슬롯으로부터 이격되고, 따라서 다른 로우들의 공통적으로 배향된 조정 가능한 슬롯들은 λ/4만큼 이격되지만, 다른 간격이 가능하다(예를 들어, λ/5, λ/6.3). 다른 실시예에서, 로우의 각각의 조정 가능한 슬롯은 λ/3만큼 인접한 로우의 가장 근접한 조정 가능한 슬롯으로부터 이격된다.
실시예들은 2014년 11월 21일에 출원된 "조종 가능한 원통형으로 급전되는 홀로그래픽 안테나로부터의 동적 편광 및 결합 제어"라는 명칭의 미국 특허 출원 제 14/550,178 호, 및 2015년 1월 30일에 출원된 "재구성 가능한 안테나를 위한 리지드 도파관 피드 구조(Reidged Waveguide Feed Structure for Reconfigurable Antenna)"라는 명칭의 미국 특허 출원 제 14/610,502 호에 개시된 바와 같은 재구성 가능한 메타재료 기술을 사용한다.
도 9 (a)∼(d)는 슬롯형 어레이를 생성하기 위한 상이한 층의 일 실시예를 나타낸다. 안테나 어레이는 도 1a에 도시된 예의 링들과 같은 링들 내에 위치된 안테나 소자를 포함한다. 이 예에서 안테나 어레이는 두 가지 다른 유형의 주파수 대역에 사용되는 두 가지 다른 유형의 안테나 소자를 가지고 있다는 것을 유의해야 한다.
도 9 (a)는 슬롯에 대응하는 위치를 갖는 제1 아이리스 기판 층(iris board layer)의 일부를 나타낸다. 도 9 (a)를 참조하면, 원은 아이리스 기판의 하부 측의 금속화에서 열린 영역/슬롯으로서, 급전(급전 파)에 대한 소자의 결합을 제어하기 위한 것이다. 이 층은 선택적인 층으로서 모든 디자인에서 사용되지는 않는다는 것을 유의해야 한다. 도 9 (b)는 슬롯을 포함하는 제2 아이리스 기판 층의 일부를 나타낸다. 도 9 (c)는 제2 아이리스 기판 층의 일부분에 걸친 패치를 나타낸다. 도 9 (d)는 슬롯 어레이의 일부분의 평면도이다.
도 10은 원통형으로 급전되는 안테나 구조의 일 실시예의 측면도를 나타낸다. 안테나는 이중 층 급전 구조(즉 2층의 급전 구조)를 사용하여 내측으로 진행하는 파를 생성한다. 일 실시예에서, 안테나는 원형의 외부 형상을 포함하지만 이것은 필수적인 것은 아니다. 즉, 비원형의 내측 진행 구조가 사용될 수도 있다. 일 실시예에서, 도 10의 안테나 구조는, 예를 들어 2014년 11월 21일에 출원된 "조종 가능한 원통형으로 급전되는 홀로그래픽 안테나로부터의 동적 편광 및 결합 제어"라는 명칭의 미국 특허 출원 공보 제 2015/0236412 호에 개시된 것과 같은 동축 피드를 포함한다.
도 10을 참조하면, 동축 핀(1601)은 안테나의 하부 레벨에서 필드를 여기시키기 위해 사용된다. 일 실시예에서, 동축 핀(201)은 쉽게 구할 수 있는 50Ω 동축 핀이다. 동축 핀(201)은 접지 평면(202)을 전도하는 안테나 구조의 바닥에 결합(예를 들어, 접합)된다.
도전하는 접지 평면(1602)으로부터의 분리는 내부 도체인 삽입형 도체(interstitial conductor; 1603)이다. 일 실시예에서, 도전하는 접지 평면(1602)과 삽입형 도체(1603)는 서로 평행하다. 일 실시예에서, 접지 평면(1602)과 삽입형 도체(1603) 사이의 거리는 0.1∼0.15"이다. 다른 실시예에서, 이 거리는 λ/2로 될 수도 있으며, 여기서 λ는 동작 주파수에서의 진행 파의 파장이다.
접지 평면(1602)은 스페이서(204)를 매개로 해서 삽입형 도체(203)로부터 분리된다. 일 실시예에서, 스페이서(204)는 발포체 또는 공기와 같은 스페이서이다. 일 실시예에서, 스페이서(204)는 플라스틱 스페이서를 포함한다.
삽입형 도체(1603)의 상부에는 유전체 층(1605)이 있다. 일 실시예에서, 유전체 층(1605)은 플라스틱이다. 유전체 층(1605)의 목적은 자유 공간 속도에 비해 진행 파를 느리게 하고자 하는 것이다. 일 실시예에서, 유전체 층(1605)은 자유 공간에 비해 30% 만큼 진행하는 파를 느리게 한다. 일 실시예에서, 빔을 형성하기에 적합한 굴절률의 범위는 자유 공간이 정의에 의해 1과 동일한 굴절률을 갖는 경우에 1.2∼1.8이다. 예를 들어, 플라스틱과 같은 다른 유전체 스페이서 재료가 이 효과를 달성하기 위해 사용될 수 있다. 플라스틱 이외의 재료는 원하는 파 감속 효과를 얻을 수 있는 한 사용될 수 있다. 대안적으로, 분산된 구조를 갖는 재료는, 예를 들어 기계 가공 또는 리소그래피적으로 정의될 수 있는 주기적 서브파장 금속 구조와 같은 유전체(1605)로서 사용될 수 있다.
RF-어레이(1606)는 유전체(1605)의 상부에 있다. 일 실시예에서, 삽입형 도체(1603)와 RF 어레이(206) 사이의 거리는 0.1∼0.15"이다. 다른 실시예에서, 이 거리는 λeff/2로 될 수 있고, 여기서 λeff는 설계 주파수에서 중간의 유효 파장이다.
안테나는 측면(1607 및 1608)을 포함한다. 측면(1607 및 1608)은 동축 핀(201)로부터의 진행하는 파 급전이 삽입형 도체(1603)(스페이서 층) 아래의 영역으로부터 반사를 통해 삽입형 도체(1603)(절연 층) 위의 영역으로 전파되도록 하기 위해 구부러져 있다. 일 실시예에서, 측면(1607 및 1608)의 각도(208)는 45도 각도로 되어 있다. 다른 실시예에서는, 측면(1607 및 1608)은 반사를 달성하기 위해 지속적인 반경으로 대체될 수 있다. 도 10은 45도의 각도를 갖는 구부러진 측면을 나타내지만, 상부 레벨 급전과 하부 레벨 급전의 신호 전송을 수행하는 다른 각도가 사용될 수도 있다. 즉, 하부 급전의 유효 파장이 일반적으로 상부 급전의 유효 파장과 다르다는 것을 고려하면, 이상적인 45° 각도로부터의 약간의 편차는 하부 급전 레벨로부터 상부 급전 레벨로의 전송을 지원하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 다른 실시예에서, 45° 각도는 단일의 단차(step)로 대체된다. 안테나의 한쪽 끝단에 있는 단차는 유전체 층, 삽입형 도체 및 스페이서 층을 원을 그리며 돌게 된다. 동일한 두 단차가 이들 층의 다른 끝단에 있다.
동작 시, 급전 파가 동축 핀(1601)로부터 공급될 때, 파는 접지 평면(1602)과 삽입형 도체(1603) 사이의 영역에서 동축 핀(201)로부터 바깥쪽으로 동심적으로 지향되어 진행한다. 동심적으로 나가는 파는 측면(1607 및 1608)에 의해 반사되어 삽입형 도체(1603)와 RF 어레이(1606) 사이의 영역에서 안쪽으로 진행한다. 원형 외주의 가장자리로부터의 반사는 파가 동위상(즉, 이것이 동위상 반사임)으로 유지되도록 한다. 진행 파는 절연 층(205)에 의해 속도가 둔화된다. 이 점에서, 진행 파는 원하는 산란을 얻기 위해 RF 어레이(1606) 내의 소자와 상호 작용하여 여기하기 시작한다.
진행 파를 종료시키기 위해, 안테나의 기하학적 중심에서 안테나에 종단(1609)이 포함된다. 일 실시예에서, 종단(1609)은 핀 종단(예를 들어 50Ω 핀)을 포함한다. 다른 실시예에서, 종단(1609)은 다시 안테나의 급전 구조를 통한 사용되지 않은 에너지의 반사를 방지하기 위해 사용되지 않은 에너지를 종료하는 RF 흡수체를 더 포함한다. 이들은 RF 어레이(1606)의 상부에서 사용될 수 있다.
도 11은 나가는 파를 갖는 안테나 시스템의 다른 실시예를 나타낸다. 도 11을 참조하면, 2개의 접지 평면(1610 및 1611)은 접지 평면 사이에 유전체 층(1612)(예를 들어, 플라스틱 층 등)을 구비하고 서로 실질적으로 평행하다. RF 흡수체(1619)(예를 들어, 저항기)는 2개의 접지 평면(1610 및 1611)을 함께 결합시킨다. 동축 핀(215)(예를 들면, 50Ω)은 안테나를 급전한다. RF 어레이(1616)는 유전체 층(1612) 및 접지 평면(1611)의 상부에 있다.
동작 시, 급전 파는 동축 핀(215)을 통해 공급되어 동심적으로 바깥쪽으로 진행하여 RF 어레이(216)의 소자와 상호 작용한다.
도 10 및 도 11의 안테나에서의 원통모양 피드는 안테나의 서비스 각도를 향상시킨다. 플러스 또는 마이너스 사십오도 방위각(±45° Az) 및 플러스 또는 마이너스 이십오도 고도(±25° El)의 서비스 각도 대신에, 일 실시예에서, 안테나 시스템은 모든 방향에서의 보어 시야로부터 칠십오도(75°)의 서비스 각도를 갖는다. 다수의 개별의 라디에이터로 구성된 임의의 빔 형성 안테나와 마찬가지로, 전체 안테나 이득은 그 자체가 각도 의존적인 구성 요소의 이득에 의존한다. 일반적인 방사 소자를 사용하는 경우, 빔이 보어 시야를 벗어나서 더 멀리 지시됨에 따라 전체의 안테나의 이득은 전형적으로 감소한다. 보어 시야를 벗어나서 75도에서는 약 6dB의 상당한 이득 저하가 예상된다.
원통형 피드를 갖는 안테나의 실시예들은 하나 이상의 문제를 해결한다. 이들은, 공동 분배기 네트워크(corporate divider network)로 급전되는 안테나에 비해 급전 구조를 극단적으로 단순화하고, 그에 따라서 필요로 되는 총 안테나와 안테나 급전 체적을 줄이고; (바이너리 제어를 간단하게 하기 위한 모든 방법을 나타내는) 엉성한 제어로 높은 빔 성능을 유지함으로써 제조 및 제어 에러에 대한 민감성을 감소시키며; 편광이 편광판을 필요로 하지 않으면서 좌측 원형, 우측 원형 및 선형 편광을 허용하는 것을 포함하여 동적으로 되도록 하는 것을 포함한다.
파 산란 소자의 어레이(Array of Wave Scattering Elements)
도 10의 RF 어레이(1606) 및 도 11의 RF 어레이(1616)는 라디에이터로서 작용하는 패치 안테나(즉, 산란자)의 그룹을 포함하는 파 산란 서브시스템을 포함한다. 패치 안테나의 이러한 그룹은 산란 메타재료 소자들의 어레이를 포함한다.
일 실시예에서, 안테나 시스템의 각 산란 소자는, 하부 도체, 유전체 기판 및 상보적 전기 안내성-용량성 공진기("상보적 전기 LC(complementary electric LC)" 또는 "CELC")를 매립하는 상부 도체로 구성되는 단위 셀의 일부로서, 상부 도체에 에칭되거나 또는 상부 도체 상에 증착된다.
일 실시예에서, 액정(LC)은 산란 소자 주위의 간극에 주입된다. 액정은 각 단위 셀에 캡슐화되어 슬롯과 연관된 하부 도체를 그 패치와 관련된 상부 도체로부터 분리한다. 액정은 액정을 포함하는 분자의 배향의 함수인 유전율을 갖고, 분자의 배향(따라서 유전율)은 액정을 가로지르는 바이어스 전압을 조정함으로써 제어될 수 있다. 이 특성을 이용하여, 액정은 안내되는 파로부터 CELC로의 에너지의 전달을 위한 온/오프 스위치로서 작용한다. 스위치가 켜지면, CELC는 전기적으로 작은 다이폴 안테나와 같은 전자기파를 방출한다.
액정의 두께를 제어하여 빔 스위칭 속도를 증가시킨다. 하부 및 상부 도체 사이의 간극(액정의 두께)에서의 오십 퍼센트(50 %) 감소는 속도의 4배 증가를 초래한다. 다른 실시예에서, 액정의 두께는 약 십사 밀리세컨드(14ms)의 빔 스위칭 속도를 초래한다. 일 실시예에서, LC는 칠 밀리세컨드(7ms) 요구 사항이 충족될 수 있도록 응답 속도를 개선하기 위해 이 기술분야에서 공지된 방식으로 도핑된다.
CELC 소자는 CELC 소자의 평면에 평행하고 CELC 간극 보완에 수직하게 인가되는 자기장에 응답한다. 메타재료 산란 단위 셀의 액정에 전압이 인가되면, 안내 파의 자기장 성분은 안내 파와 동일한 주파수에서 전자기파를 생성하는 CELC의 자기 여기를 안내한다.
단일의 CELC에 의해 발생되는 전자기파의 위상은 안내 파의 벡터 상에서의 CELC의 위치에 의해 선택될 수 있다. 각 셀은 CELC에 평행한 안내 파와 동위상의 파를 생성한다. CELC가 파장보다 작기 때문에, 출력 파는 CELC 아래를 통과함에 따라 안내 파의 위상과 동일한 위상을 갖는다.
일 실시예에서, 이 안테나 시스템의 원통형 급전의 기하학 구조는 CELC 소자가 파 급전에서의 파의 벡터에 대해 사십오도(45°) 각도에 위치되도록 한다. 소자들의 이러한 위치는 소자들로부터 발생되거나 소자들에 의해 수신되는 자유 공간 파의 편광의 제어를 가능하게 한다. 일 실시예에서, CELC는 안테나의 동작 주파수의 자유 공간 파장보다 짧은 소자간 간격으로 배치되어 있다. 예를 들어, 파장당 4개의 산란 소자가 있는 경우, 30 GHz의 송신 안테나의 소자는 약 2.5 mm로 될 것이다(즉, 1 / 30 GHz의 4번째 10 mm 자유 공간 파장).
일 실시예에서, CELC는 둘 사이에 액정을 가진 슬롯에 공동 위치되는 패치를 포함하는 패치 안테나로 구현된다. 이 점에 있어서, 메타재료 안테나는 슬롯형 (산란) 도파관처럼 동작한다. 슬롯형 도파관에 의해, 출력 파의 위상은 안내 파에 관련하여 슬롯의 위치에 따라 달라진다.
셀 배치(Cell Placement)
일 실시예에서, 안테나 소자는 체계적인 매트릭스 구동 회로를 허용하는 방식으로 원통형 피드 안테나 개구 상에 배치된다. 셀의 배치는 매트릭스 구동을 위한 트랜지스터의 배치를 포함한다. 도 12는 안테나 소자들에 대한 매트릭스 구동 회로의 배치의 일 실시예를 나타낸다. 도 12를 참조하면, 로우 컨트롤러(row controller, 행 제어기)(1701)는 로우 선택 신호(Row1 및 Row2)를 통해 트랜지스터(1711 및 1712)에 연결되고, 컬럼 컨트롤러(column controller, 열 제어기)(1702)는 컬럼 선택 신호(Column1)를 통해 트랜지스터(1711 및 1712)에 연결된다.트랜지스터(1711)는 또한 패치로의 접속(1731)을 통해 안테나 소자(1721)에 결합되는 반면, 트랜지스터(1712)는 패치로의 접속(1732)을 통해 안테나 소자(1722)에 결합된다.
불규칙적인 그리드에 배치된 단위 셀을 갖는 원통형 급전 안테나에서 매트릭스 구동 회로를 실현하기 위한 초기 접근법(approach)에서는, 두 단계가 수행된다. 첫 번째 단계에서는, 셀이 동심원 링에 배치되고, 각 셀은 셀 옆에 배치되어 각 셀을 개별적으로 구동하는 스위치 역할을 하는 트랜지스터에 접속된다. 두 번째 단계에서는, 매트릭스 구동 접근법이 필요하게 됨에 따라 고유한 어드레스로 모든 트랜지스터를 접속하기 위해 매트릭스 구동 회로가 제작되었다. 매트릭스 구동 회로는 (LCD와 유사한) 로우 및 컬럼 트레이스에 의해 구축되었지만 셀이 링에 배치되기 때문에, 각 트랜지스터에 고유한 어드레스를 할당하는 체계적인 방법이 없다. 이 매핑 문제로 인해, 모든 트랜지스터를 커버하기 위한 매우 복잡한 회로가 만들어지며, 라우팅을 달성하기 위해 물리적 트레이스의 수가 크게 증가한다. 셀의 밀도가 높기 때문에, 그것들의 트레이스는 커플링 효과로 인해 안테나의 RF 성능을 방해한다. 또한, 트레이스의 복잡성 및 높은 패키징 밀도로 인해, 트레이스의 라우팅은 상업적으로 이용 가능한 레이아웃 툴(layout tool)에 의해서는 달성될 수 없다.
일 실시예에서, 매트릭스 구동 회로는 셀 및 트랜지스터가 배치되기 전에 미리 정의된다. 이것은, 각각이 고유한 어드레스를 가진 셀 모두를 구동하는데 필요한 최소 수의 트레이스를 보장한다. 이 전략은, 구동 회로의 복잡성을 줄이고 후에 안테나의 RF 성능을 향상시키는 라우팅을 단순화시킨다.
보다 구체적으로는, 하나의 접근법에서는, 제1 단계에서, 셀은 각 셀의 고유한 어드레스를 기술하는 로우 및 컬럼으로 구성된 규칙적인 직사각형 그리드 상에 배치된다. 두 번째 단계에서는, 첫 번째 단계에서 정의한 바와 같이 셀의 주소와 행과 열에 대한 접속을 유지하면서 셀을 그룹화하고 동심원으로 변환한다. 이 변환의 목표는, 링에 셀을 둘 뿐만 아니라 셀 사이의 거리와 링 사이의 거리를 전체 개구에 걸쳐 일정하게 유지하는 것이다. 이 목표를 달성하기 위해 몇 가지 방법으로 셀을 그룹화할 수 있다.
일 실시예에서, 매트릭스 구동에서의 배치 및 고유한 어드레스의 지정을 가능하게 하기 위해 TFT 패키지가 사용된다. 도 13은 TFT 패키지의 일 실시예를 나타낸다. 도 13을 참조하면, TFT 및 홀드 캐패시터(1803)가 입력 및 출력 포트와 함께 도시되어 있다. 로우 및 컬럼을 이용하여 TFT를 함께 접속하기 위해 트레이스(1801)에 접속된 2개의 입력 포트 및 트레이스(1802)에 접속된 2개의 출력 포트가 있다. 일 실시예에서, 로우 및 컬럼 트레이스는 90° 각도로 교차하여 로우 및 컬럼 트레이스 사이의 커플링을 감소시키고 잠재적으로 최소화한다. 일 실시예에서, 로우 및 컬럼 트레이스는 서로 다른 층 상에 있다.
풀 듀플렉스 통신 시스템(Full Duplex Communication System, 전이중 통신 시스템)의 예
다른 실시예에서, 결합된 안테나 개구는 풀 듀플렉스 통신 시스템에서 사용된다. 도 14는 동시 송신 및 수신 경로를 갖는 통신 시스템의 다른 실시예의 블록도이다. 하나의 송신 경로 및 하나의 수신 경로만이 도시되어 있지만, 통신 시스템은 하나 이상의 송신 경로 및/또는 하나 이상의 수신 경로를 포함할 수 있다.
도 14를 참조하면, 안테나(1401)는 상술한 바와 같이 상이한 주파수에서 동시에 송신 및 수신하도록 독립적으로 동작 가능한 2개의 공간적으로 인터리브된 안테나 어레이를 포함한다. 일 실시예에서, 안테나(1401)는 다이플렉서(1448)에 결합된다. 결합은 하나 이상의 급전 네트워크에 의한 것일 수 있다. 일 실시예에서, 방사상 급전 안테나의 경우, 다이플렉서(1445)는 두 신호를 결합하고, 안테나(1401)와 다이플렉서(1445) 사이의 접속은 양 주파수를 운반할 수 있는 단일의 광대역 급전 네트워크이다.
다이플렉서(1445)는 이 기술분야에서 공지된 방식으로 잡음 필터링 기능 및 하향 변환 및 증폭 기능을 수행하는 저잡음 블록 다운 컨버터(low noise block down converter, LNB)(1427)에 연결된다. 일 실시예에서, LNB(1427)는 옥외 유닛(out-door unit, ODU)에 있다. 다른 실시예에서, LNB(1427)는 안테나 장치에 통합된다. LNB(1427)는 컴퓨팅 시스템(1440)(예를 들어, 컴퓨터 시스템, 모뎀 등)에 연결된 모뎀(1460)에 연결된다.
모뎀(1460)은 다이플렉서(1445)로부터 수신된 신호 출력을 디지털 포맷으로 변환하기 위해 LNB(1427)에 연결된 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter, ADC)(1422)를 포함한다. 일단 디지털 포맷으로 변환되면, 신호는 수신된 파에서의 인코딩된 데이터를 얻기 위해 디모듈레이터(demodulator, 복조기)(1423)에 의해 복조되고 디코더(1424)에 의해 디코딩된다. 디코딩된 데이터는 컨트롤러(1425)로 보내지며, 컨트롤러(1425)는 이것을 컴퓨팅 시스템(1440)에 보낸다.
모뎀(1460)은 또한 컴퓨팅 시스템(1440)으로부터 송신되는 데이터를 인코딩하는 엔코더(1430)를 포함한다. 인코딩된 데이터는 모듈레이터(modulator, 변조기)(1431)에 의해 변조된 다음 디지털-아날로그 변환기(digital-to-analog converter, DAC)(1432)에 의해 아날로그로 변환된다. 아날로그 신호는 BUC(up-convert and high pass amplifier, 상향 변환 및 고역 증폭기)(1433)에 의해 필터링되어 다이플렉서(1445)의 한 포트로 제공된다. 일 실시예에서, BUC(1433)는 옥외 유닛(out-door unit, ODU)에 있다.
이 기술분야에서 잘 알려진 방식으로 동작하는 다이플렉서(1451)는 전송을 위해 송신 신호를 안테나(1401)에 제공한다.
컨트롤러(1450)는 단일의 결합된 물리적 개구 상의 안테나 소자의 2개의 어레이를 포함하는 안테나(1401)를 제어한다.
통신 시스템은 상술한 결합기/조정기를 포함하도록 수정될 것이다. 이러한 경우, 결합기/조정기는 모뎀 이후, BUC 및 LNB 이전에 있을 수 있다.
도 14에 도시된 풀 듀플렉스 통신 시스템은 인터넷 통신, 차량 통신(소프트웨어 업데이트를 포함함) 등을 포함하는 다수의 애플리케이션을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다는 것을 유의해야 한다.
상기 상세한 설명의 몇몇 부분은 컴퓨터 메모리 내의 데이터 비트에 대한 연산의 알고리즘 및 기호 표현(symbolic representation)과 관련하여 제시된다. 이들 알고리즘 설명 및 표현은 가장 효과적으로 다른 당업자에게 그것들의 작업의 실체를 전달하기 위해 데이터 처리 분야의 당업자에 의해 사용되는 수단이다. 알고리즘은 여기에서는 일반적으로 소망하는 결과에 이르게 하는 단계들의 일관성 있는 시퀀스라고 생각된다. 단계는 물리적 양의 물리적인 조작을 필요로 한다. 일반적으로, 필수적인 것은 아니지만, 이들 양은 저장, 전달, 결합, 비교 및 그렇지 않으면 조작될 수 있는 전기 또는 자기 신호의 형태를 취한다. 주로 공통적인 사용을 이유로, 이들 신호를 비트, 값, 요소, 기호, 문자, 용어, 숫자 등으로 지칭하는 것이 편리하다고 판명되었다.
그러나, 이들 및 유사한 용어들 모두는 적절한 물리량과 연관되며 단지 이러한 양에 적용되는 편리한 라벨이라는 것을 명심해야 한다. 구체적으로는 이하의 설명으로부터 명백해진 바와 같이, 설명 내내 "처리" 또는 "컴퓨팅" 또는 "계산" 또는 "결정" 또는 "표시" 등과 같은 용어를 이용하는 논의가 컴퓨터 시스템의 레지스터 및 메모리 내의 물리적(전자적) 양으로서 표현되는 데이터를 컴퓨터 시스템 메모리나 레지스터 또는 다른 그러한 정보 저장, 전송 또는 표시 장치 내의 물리적인 양으로서 유사하게 표현되는 다른 데이터로 조작 및 전송하는 컴퓨터 시스템 또는 유사한 전자 컴퓨팅 장치의 작용 및 프로세스를 지칭한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명은 본 명세서에서의 동작을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치는 요구되는 목적을 위해 특별히 구성될 수 있거나, 컴퓨터에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 선택적으로 활성화되거나 재구성되는 범용 컴퓨터를 포함할 수 있다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 플로피 디스크, 광학 디스크, CD-ROM 및 자기 광학 디스크를 포함하는 임의의 유형의 디스크, 판독 전용 메모리(read-only memory, ROM), RAM(random access memory), EPROM, EEPROM, 자기 또는 광 카드, 또는 전자 명령을 저장하기에 적합한 임의의 유형의 매체를 포함하며, 각각은 컴퓨터 시스템 버스에 연결된다.
여기에 제시된 알고리즘 및 디스플레이는 본질적으로 임의의 특정 컴퓨터 또는 다른 장치와 관련되어 있지 않다. 다양한 범용 시스템이 본 명세서에서의 교시에 따른 프로그램과 함께 사용될 수 있거나, 요구된 방법 단계를 수행하기 위해 보다 특수화된 장치를 구성하는 것이 편리할 수도 있다. 다양한 이들 시스템에 대해 필요한 구조는 아래의 설명으로부터 명백해질 것이다. 게다가, 본 발명은 임의의 특정 프로그래밍 언어를 참조하여 설명되지 않는다. 여기에 설명된 바와 같이 본 발명의 교시를 구현하기 위해 다양한 프로그래밍 언어가 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
기계 판독 가능 매체는 기계(예를 들어, 컴퓨터)에 의해 판독 가능한 형태로 정보를 저장 또는 전송하기 위한 임의의 매커니즘을 포함한다. 예를 들어, 기계 판독 가능 매체는 판독 전용 메모리("ROM"); 랜덤 액세스 메모리("RAM"); 자기 디스크 저장 매체; 광학 저장 매체; 플래시 메모리 장치 등을 포함한다.
본 발명의 많은 변경 및 변형은 분명히 전술한 설명을 읽은 후에 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백해질 것이지만, 예로써 도시되고 설명된 임의의 특정 실시예는 결코 제한하려는 것이 아님을 이해해야 한다. 따라서, 각종 실시예의 상세에 대한 참조는 그 자체로 본 발명에 필수적인 것으로 간주되는 특징들만을 열거하는 청구범위의 범위를 제한하려는 것은 아니다.

Claims (33)

  1. 무선 주파수(RF) 에너지를 방사하도록 동작 가능한 안테나 소자들의 적어도 하나의 어레이를 갖는 안테나 개구; 및
    상기 안테나 개구에 결합되고, 안테나 개구와 자유 공간 사이의 임피던스 매칭을 제공하기 위한 광각 임피던스 매칭 네트워크를 포함하며, 안테나 소자에 다이폴 로딩을 가하기 위한 통합 복합 적층 구조를 포함하고,
    상기 안테나 소자들의 어레이는 복수의 슬롯 라디에이터를 포함하며,
    상기 광각 임피던스 매칭 네트워크는 내부에 복수의 다이폴 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 매칭 네트워크는 상기 안테나의 방사 효율을 향상시키거나, 브로드사이드 각도로부터 스캔 롤-오프 각도까지의 범위에 포함되는 모든 스캔 각도에 대해 임피던스 매칭을 제공하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  3. 제1항에 있어서, 상기 어레이 내의 다이폴 로딩 소자는 안테나 소자 방사 효율을 증가시키고 그들의 공진 주파수 응답을 시프트 다운시키는 것을 특징으로 하는 안테나.
  4. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 매칭 네트워크는 복수의 유전체 층과 복수의 메타표면 층이 번갈아 적층된 적층 구조를 포함하고,
    상기 적층 구조는 :
    상기 안테나 소자 위에 배치되는 제1 유전체 층;
    상기 제1 유전체 층 위에 배치되며, 복수의 다이폴 소자를 포함하는 제1 메타표면 층;
    상기 제1 메타표면 층 위에 배치되는 제2 유전체 층; 및
    상기 제2 유전체 층 위에 배치되며, 복수의 다이폴 소자를 포함하는 제2 메타표면 층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  5. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 매칭 네트워크는 적어도 하나의 유전체 층에 의해 서로 분리된 N(여기서, N은 정수)개의 메타표면 층을 갖는 메타표면 적층 구조를 포함하고, 상기 N개의 메타표면 층의 각각은 상기 복수의 다이폴 소자를 포함하며, 상기 복수의 다이폴 소자의 각각의 다이폴 소자는 복수의 안테나 소자 중 하나의 안테나 소자에 대해 정렬되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  6. 제5항에 있어서, 상기 각각의 다이폴 소자는 하나의 안테나 소자의 축에 대하여 회전되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  7. 제6항에 있어서, 상기 안테나 소자들의 어레이는 복수의 송신 슬롯 라디에이터들과 인터리브되는 복수의 수신 슬롯 라디에이터들을 포함하고, 상기 복수의 다이폴 소자들은 상기 복수의 수신 슬롯 라디에이터 및 상기 복수의 송신 슬롯 라디에이터 중 하나 또는 양쪽의 슬롯 라디에이터들의 위에서 상기 하나 또는 양쪽의 슬롯 라디에이터들과 정렬되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  8. 제7항에 있어서, 상기 복수의 다이폴 소자 각각은 그 대응하는 수신 슬롯 라디에이터의 편광과 정렬되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  9. 제8항에 있어서, 상기 복수의 다이폴 소자 각각은 그 대응하는 수신 슬롯 라디에이터에 대해 수직인 것을 특징으로 하는 안테나.
  10. 제5항에 있어서, N은 2 또는 3인 것을 특징으로 하는 안테나.
  11. 제5항에 있어서, 상기 N개의 층 쌍 중 적어도 하나의 유전체 층은 발포 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  12. 제5항에 있어서, 상기 N개의 메타표면 층의 유전체 층의 높이는 상기 복수의 수신 슬롯 라디에이터의 수신 슬롯 라디에이터가 작동하는 위성 대역 주파수에 기초하여 선택되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  13. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 매칭 네트워크는 상기 안테나 개구 위에 금속 패턴을 갖는 임피던스 매칭 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  14. 제13항에 있어서, 상기 금속 패턴은 상기 안테나 개구와 자유 공간 사이의 임피던스 매칭을 위한 임피던스를 제공하도록 크기가 정해진 소자들의 주기적인 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  15. 제14항에 있어서, 상기 소자들의 주기적인 패턴은 스플리트 링 공진기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  16. 제13항에 있어서, 상기 금속 패턴은 상기 안테나 개구에 의해 발생된 분극화된 전기장과 반응하는 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  17. 제13항에 있어서, 상기 임피던스 매칭 네트워크는 상기 안테나 개구와 상기 임피던스 매칭 층 사이에 유전체 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  18. 제17항에 있어서, 상기 유전체 층은 발포 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  19. 제1항에 있어서, 상기 복수의 안테나 소자의 상부에 복수의 다이폴 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  20. 제19항에 있어서, 상기 복수의 다이폴 소자는 상기 안테나 개구부의 상부에 있는 다이폴 패턴화된 수퍼스트레이트의 일부인 것을 특징으로 하는 안테나.
  21. 제19항에 있어서, 유전체 재료 상에 인쇄되고 상기 안테나 개구로부터 일정 거리만큼 변위된 금속층을 더 포함하며, 상기 금속층은 상기 복수의 다이폴 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  22. 제19항에 있어서, 상기 복수의 다이폴 소자 각각은 상기 복수의 안테나 소자 중 하나의 안테나 소자의 단위 셀을 로드하도록 동작 가능한 것을 특징으로 하는 안테나.
  23. 제19항에 있어서, 상기 복수의 다이폴 소자 각각은 상기 복수의 안테나 소자 중 하나 이상의 안테나 소자의 단위 셀의 동작 주파수 대역을 시프트시키도록 동작 가능한 것을 특징으로 하는 안테나.
  24. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 매칭 층은 조정 가능한 방사 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  25. 제24항에 있어서, 상기 조정 가능한 방사 소자는 링 모양의 다이폴을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  26. 제1항에 있어서, 상기 안테나 개구는 원통형으로 급전되는 방사형 안테나 개구인 것을 특징으로 하는 안테나.
  27. 제1항에 있어서, 안테나 소자들의 적어도 하나의 어레이 각각은 빔 형성을 이용하여 빔을 발생시키도록 제어되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  28. 무선 주파수(RF) 에너지를 방사하도록 동작 가능한 안테나 소자들의 적어도 하나의 어레이를 갖는 안테나 개구; 및
    상기 안테나 개구에 결합되고, 안테나 개구와 자유 공간 사이의 임피던스 매칭을 제공하기 위한 광각 임피던스 매칭 네트워크를 포함하며, 안테나 소자에 다이폴 로딩을 가하기 위한 통합 복합 적층 구조를 포함하되,
    상기 임피던스 매칭 네트워크는 브로드사이드 각도로부터 스캔 롤-오프 각도까지의 범위에 포함되는 모든 스캔 각도에 대해 임피던스 매칭을 제공하고,
    상기 임피던스 매칭 네트워크는 적어도 하나의 유전체 층에 의해 서로 분리된 N(여기서, N은 정수)개의 메타표면 층을 갖는 메타표면 적층 구조를 포함하고, 상기 N개의 메타표면 층의 각각은 복수의 다이폴 소자를 포함하며, 상기 복수의 다이폴 소자의 각각의 다이폴 소자는 복수의 안테나 소자 중 하나의 안테나 소자에 대해 정렬되며, 상기 메타표면 적층 구조에서는 복수의 유전체 층과 복수의 메타표면 층이 번갈아 적층되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  29. 제28항에 있어서, 상기 안테나 소자들의 어레이는 복수의 송신 슬롯 라디에이터들과 인터리브되는 복수의 수신 슬롯 라디에이터들을 포함하고, 상기 복수의 다이폴 소자들은 상기 복수의 수신 슬롯 라디에이터 및 상기 복수의 송신 슬롯 라디에이터 중 하나 또는 양쪽의 슬롯 라디에이터들의 위에서 상기 하나 또는 양쪽의 슬롯 라디에이터들과 정렬되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  30. 제29항에 있어서, 상기 복수의 다이폴 소자 각각은 그 대응하는 수신 슬롯 라디에이터의 편광과 정렬되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  31. 무선 주파수(RF) 에너지를 방사하도록 동작 가능한 안테나 소자들의 적어도 하나의 어레이를 갖는 안테나 개구; 및
    상기 안테나 개구에 결합되고, 안테나 개구와 자유 공간 사이의 임피던스 매칭을 제공하기 위한 광각 임피던스 매칭 네트워크를 포함하며, 복수의 안테나 소자의 상부에 있는 복수의 다이폴 소자를 이용하여 안테나 소자에 다이폴 로딩을 가하기 위한 통합 복합 적층 구조를 포함하되,
    상기 복수의 다이폴 소자 각각은 상기 복수의 안테나 소자 중 하나 이상의 안테나 소자의 단위 셀의 동작 주파수 대역을 시프트시키도록 동작 가능하고,
    상기 임피던스 매칭 네트워크는 브로드사이드 각도로부터 스캔 롤-오프 각도까지의 범위에 포함되는 모든 스캔 각도에 대해 임피던스 매칭을 제공하며,
    상기 임피던스 매칭 네트워크는 복수의 유전체 층과 복수의 메타표면 층이 번갈아 적층된 적층 구조를 포함하며, 복수의 메타표면 층의 각각은 복수의 다이폴 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  32. 제31항에 있어서, 상기 복수의 다이폴 소자는 상기 안테나 개구부의 상부에 있는 다이폴 패턴화된 수퍼스트레이트의 일부인 것을 특징으로 하는 안테나.
  33. 제31항에 있어서, 유전체 재료 상에 인쇄되고 상기 안테나 개구로부터 일정 거리만큼 변위된 금속층을 더 포함하며, 상기 금속층은 상기 복수의 다이폴 소자를 포함하고, 상기 복수의 다이폴 소자 각각은 상기 복수의 안테나 소자 중 하나의 안테나 소자의 단위 셀을 로드하도록 동작 가능한 것을 특징으로 하는 안테나.
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