KR102479625B1 - 소프트웨어 제어된 안테나 - Google Patents

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Abstract

방사 요소 및 지연 라인을 가진 안테나 어레이가 가변 유전상수 물질을 포함하는 샌드위치 레이어 위에 제공된다. 상기 안테나 위 다양한 지점에서 가변 유전상수 물질의 값은 소프트웨어를 통해 제어되어서, 소프트웨어를 사용하여 안테나의 동작 특성이 바꿀 수 있다. 샌드위치 레이어는 표준 평면 패널 디스플레이일 수 있고, 상기 평면 패널 디스플레이 상에 표시된 이미지는 유전상수를 바꾸도록 설계된 프로그램으로 소프트웨어 제어되어서, 어레이에 스캐닝 및 튜닝 기능을 제공할 수 있다. 즉, 상이한 이미지는 상이한 패치 또는 어레이의 공급 라인 아래 상이한 픽셀의 유전 특성에서 구체적으로 요구된 변화에 따라 프로그램되고, 이것에 의해 주파수 및/또는 어레이의 지향성 및 안테나의 방사 빔의 방향을 제어할 수 있다.

Description

소프트웨어 제어된 안테나
본 출원은 미국 임시출원 No. 62/382,489 (2016.09.01), 미국 임시출원 No. 62/382,506 (2016.12.07), 미국 특허출원 No. 15/421,388 (2017.01.31) 및 미국 특허출원 No. 15/654,643 (2017.07.19)의 우선권 이익을 주장하며, 상기 출원에 개시된 모든 내용을 원용한다.
본 명세서는 RF 안테나의 설계 및 동작에 관한 것으로서, 특히 방향 제어된 방사 빔(directionally controlled radiation beam)을 형성하는 방사 요소의 어레이를 가진 안테나에 관한 것이다. 또한 본 명세서는 무지향성 커버리지(omni-directional coverage) 및/또는 3D 반구형 커버리지(3D hemispherical coverage) 산출하는 어레이의 조합에 관한 것이다.
오늘날 통신의 대부분은 무선으로 이루어지고, 또는 경로의 적어도 일부는 무선이다. 모든 무선 통신은 송신측 및 수신측에서 안테나가 필요하다. 일반적으로, 통신의 대부분은 무지향성 안테나를 사용하여 이루어진다. 이러한 안테나에서, 송신 전력은 거리의 세제곱에 반비례하게 떨어진다. 그래서, 다수의 사용자에게 도달하기 위해 송신 전력은 일반적으로 지향성 안테나에 비해 높다. 또한, 다수의 무지향성 안테나(예: 인터넷 카페에서 다수의 기기)가 동시에 작동할 때, 다양한 송신이 상호 간섭될 수 있고, 또는 적어도 이러한 환경에서 송신 및 수신의 품질이 저하된다.
다른 경향은 모바일 기기가 금속 블럭(예: 알루미늄)으로 제조되어, 기기의 대부분 바디가 RF 방사를 차단할 수 있다. 결과적으로 안테나의 배치는 매우 제한적이다. 나아가, 모바일 기기는 일반적으로 여러 무선 통신 프로토콜을 사용하기 때문에, Wi-Fi, 블루투스, NFC 등과 같은 특정 프로토콜의 주파수에 각각 설계된 다수의 안테나를 필요로 한다. 모바일 기기에서 실장 공간은 아주 높은 가치를 가지고 있어서, 이런 기기 내에 안테나를 설계하고 배치하는 것은 아주 어렵다.
종래 명세서에서, 본 발명자는 안테나의 특성을 제어하기 위한 가변 유전상수를 사용한 안테나를 개시하였다. 상기 안테나에 대한 상세 내용은 미국 특허 No. 7,466,269에서 찾을 수 있고, 상기 특허의 모든 내용은 본 명세서에서 원용된다. 본 명세서는 '269' 특허에 개시된 기본 요소에 기초하며 개선 및 기능을 더 제공한다.
이하 요약은 본 발명의 일부 양상 및 기능의 기본 이해를 제공하기 위함이다. 본 요약은 본 발명의 광범위한 개관이 아니며, 본 발명의 주요 또는 특정 요소를 특별히 식별하거나 본 발명의 범위를 기술하고자 하는 것은 아니다. 이 요약의 유일한 목적은 아래에 제시된 보다 상세한 설명의 서두로서 단순화된 형태로 본 발명의 일부 개념을 제시하는 것이다.
소프트웨어 제어된 안테나가 개시된다. 일부 실시예에 따르면, 안테나 어레이는 가변 유전상수 물질을 포함하는 레이어(layer)의 샌드위치 위에 인쇄 또는 증착된다. 안테나의 다양한 지점에서 상기 가변 유전상수 물질의 값은 소프트웨어를 통해 제어되어서, 소프트웨어를 사용하여 안테나의 동작 특성을 바꿀 수 있다. 레이어의 샌드위치는 표준 평면 패널 디스플레이(standard flat panel display) 일 수 있는데, 상기 평면 패널 디스플레이 상에 표시된 이미지는 유전상수를 바꾸도록 설계된 프로그램으로 소프트웨어 제어되어서, 어레이에 스캐닝 및 튜닝 기능을 제공할 수 있다. 즉, 상이한 이미지는 상이한 패치 또는 어레이의 공급 라인 아래 상이한 픽셀의 유전 특성에서 구체적으로 요구된 변화에 따라 프로그램되고, 이것에 의해 주파수 및/또는 어레이의 지향성 및 안테나의 방사 빔의 방향을 제어 즉, 안테나의 전자 조정이 가능하다.
안테나가 사용자에게 보이지 않을 때(예: 안테나가 Wi-Fi HotSpot 내부에 있을 때), 어레이는 구리, 알루미늄 등 금속 전도체를 사용하여 제조될 수 있다. 반대로, 안테나가 보이고 평면 패널 디스플레이의 가시성(visibility)이 중요할 때(예: 모바일 기기), 어레이는 ITO, AZO 등과 같은 투명 전도체를 사용하여 제조될 수 있다. 물로, 투명 전도체는 보이지 않는 안테나로 사용될 수 있고, 금속 전도체는 보이는 안테나로 사용될 수 있다.
개시된 실시예에 의해 설명된 양상은 방사 요소에게 RF 공급이다. 방사 패치(radiating patch) 및 지연 라인(delay line)은 동작 중에 유전상수의 값이 바뀔 수 있는 가변 유전상수 물질 위에 제공되기 때문에, 패치 및 지연 라인에 RF 신호를 커플링하는 것은 유전상수의 변화로부터 "차폐(shielded)"된 방식으로 수행되는 것이 필요하다.
첨부된 도면은 본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성하고, 본 발명의 실시예를 예시하며, 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면은 예시적인 실시예의 주요 특징을 도식적으로 도시하기 위한 것이다. 도면은 실제 실시예의 모든 특징이나 설명된 요소의 상대 치수를 묘사하는 것이 아니며 실제 크기로 그려지는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 소프트웨어 제어된 안테나의 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 소프트웨어 제어된 안테나의 평면도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 소프트웨어 제어된 안테나의 평면도이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 소프트웨어 제어된 안테나의 평면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 소프트웨어 제어된 안테나의 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 소프트웨어 제어된 안테나의 방사 요소의 단면도이다.
도 7은 도 6 실시예의 투명 평면도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 무지향성 조종가능 안테나이다.
도 9는 여기에 설명된 소프트웨어 정의된 안테나를 사용하는 방법이다.
도 10은 개시된 실시예의 안테나가 표준 IEEE 802.11N 액세스 포인트에 통합되는 방법을 도시한 블럭도이다.
본 발명의 안테나의 실시예가 도면을 참조하여 설명될 것이다. 상이한 실시예 또는 이들의 조합은 상이한 애플리케이션 또는 상이한 이점을 달성하기 위해 사용될 수 있다. 달성하고자 하는 결과에 따라, 본 명세서에 개시된 상이한 특징들은 요구 사항 및 제약 조건과의 균형을 이루면서 부분적으로 또는 그 전체로, 단독으로 또는 다른 특징들과 함께 이용될 수 있다. 따라서, 소정의 이점은 다른 실시예를 참조하여 강조될 것이나, 개시된 실시예에 한정되지는 않는다. 즉, 본 명세서에 개시된 특징들은 그것들이 설명된 실시예에 한정되지 않고, 다른 특징들과 "혼합되고 매칭"될 수 있고 다른 실시예들에 포함될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 소프트웨어 제어된 안테나의 단면도이다. 도 1에서, 가변 유전상수 물질을 가진 멀티 레이어 안테나가 가변 유전상수(variable dielectric constant, VDC) 물질 예를 들어, 상부 유전체(115)와 하부 유전체(110) 사이에 샌드위치된 액정(105)을 포함하도록 구성된다. 액정은 전압원(130)으로부터 멀티 레이어 안테나의 픽셀을 정의하는 요구된 콘택트(120)에 인가된 전압에 의해 제어된다. 이러한 의미에서, 상기 콘택트(120)은 프로세서에 의해 각 콘택트의 개별적인 어드레싱을 가능하게 하는 어드레스 가능한 콘택트를 형성한다. 전압원의 접지는 하부 공통 접지 단자(125)에 커플링된다. 안테나는 지연 라인(140)을 통해 상호 연결된 방사 요소(예: 패치)의 어레이를 포함한다. 패치(135) 및 지연 라인(140)은 상부 유전체(115) 위에 제공된다.
일 실시예에서 유전체 110 및 115 중 어느 하나 또는 둘 모두 Rogers® (FR-4 인쇄기판) 또는 PTFE 기반 물질로 만들어졌고, 상기 지연 라인(140), 방사 패치(135) 및/또는 공통 접지 전극(125)은 Rogers 위에 형성된 전도체일 수 있다. 상기 Rogers 대신 PTFE(Polytetrafluoroethylene or Teflon®), PET (Polyethylene terephthalate), 또는 다른 저 손실 물질이 사용될 수 있다.
본 발명자는 RF 공급(feed)이 상기 멀티 레이어 안테나 아래에서부터 공급될 수 있다면 개선된 결과를 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 사실, RF 공급이 공통 접지 하부 전극(125)의 아래로부터 커플링되면 우수한 결과를 얻을 수 있다는 것이 발견되었다. 본 발명자가 언급한 바와 같이, 공통 접지 아래에서 공급 라인을 제공하는 것은 지연 라인과 VDC 레이어에 공급된 DC 또는 AC 전압으로부터 RF 공급을 절연시키는데 도움이 된다. 도 1은 레이어 아래 및 공통 접지 전극(125) 아래에 제공된 공급의 예시를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, RF Tx/Rx (송수신, 150)의 접지 쪽이 공통 접지 전극(125)에 커플링되어 있다. 그러나, 신호 쪽은 유전체(110)의 하부에 제공된 공급 전극(155)에 연결되어 있다. 상기 커플링은 예를 들어 동축 콘택터(160)에 연결된 동축 케이블(162)에 의해 이루어질 수 있다. 본 실시예에서, 바이어스는 공통 접지 전극(125), 상부 및 하부 유전체(115, 110) 및 VDC 레이어(105)에서 홀 또는 윈도우를 포함하는 전체 샌드위치 구조에서 형성될 수 있고, 상기 공급 전극(155)는 상기 지연 라인(140)에 연결될 수 있다. 이러한 배치를 사용하여, 신호원(130)은 Tx/Rx(150)의 RF 신호로부터 절연 또는 분리되고, 물질(105)의 유전상수 변화는 상기 공급 전극(155)에서 신호 이동 뿐 만 아니라 지연 라인(140) 및 방사 패치(135)에서의 신호 이동에 영향을 미치지 않는다.
소프트웨어를 사용하여, 패치(135)의 바로 아래 영역에서의 가변 유전상수 물질의 값은 관련 픽셀에 전압을 인가하는 것에 의해서 변화될 수 있어, 패치의 주파수 매칭을 제어할 수 있다. 비슷하게, 지연 라인(140) 아래 픽셀에 인가된 전압은 어레이의 공간 지향성 또는 신호의 회전 극성을 변화시키도록 제어될 수 있다. 어느 하나의 동작은 관련 부품, 즉 방사 패치(135) 또는 지연 라인(140)을 통해 이동하는 신호에만 작용하지만, 공급 전극(155)상에서 이동하는 신호에는 작용하지 않는다.
본 실시예에 따르면, 멀티 레이어 안테나는 상부 유전체, 하부 유전체, 상기 상부 유전체 및 상기 하부 유전체 사이에 샌드위치된 가변 유전상수 물질, 상기 가변 유전상수 물질 내에서 픽셀을 정의하는 다수의 전도성 전극, 공통 접지 전극, 상기 상부 유전체 상부에 제공된 적어도 하나의 방사 패치, 각 방사 패치는 상기 방사 패치에 커플링된 지연 라인을 가지고, 상기 하부 유전체 아래에 제공된 공급 라인 및 상기 공급 라인과 지연 라인 사이에 커플링된 RF를 포함하여 제공된다. 상기 커플링은 상기 공통 접지 전극(125)에 형성된 해당 윈도우를 통과하는 전도성 라인일 수 있다.
이것은 도 2에서 보다 명확하게 나타나지는데, 도 2는 상부 유전체(215)에 제공된 지연 라인(240)을 가진 2x2 방사 요소(235)의 평면도이다. 도 2의 예시의 절단면은 싱글 비아(via)가 원(265)으로 표시된 지점에 제공되는 것과, 콘택트(평면도에서 안보임)가 유전체(210) 아래에 제공된 공급 전극을 구성하는 것을 제외하고 도 1과 비슷하다. 이 실시예에서 싱글 콘택트 비아는 어레이와 공급 라인의 기하학적 대칭 중심에 선택되었다. 도 2의 특정 예시에서, 비아 위치는 180도 회전 대칭을 제공하지만, 30도, 90도 같은 다른 회전 대칭이 사용될 수 있다.
비아가 기하학적 중심에 제공될 때, 신호는 모든 어레이 요소를 통해 고르게 전파된다. 안테나의 동작 특성은 픽셀 위치에서 액정의 배향을 변화시키도록 다양한 픽셀에 전압을 인가함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 같은 전압이 모든 패치(235)의 바로 아래에 있는 픽셀에 인가될 때, 패치(235)의 공진 주파수는 바뀔 수 있고, 안테나의 동작 주파수를 변화시킬 수 있다. 반면, 지연 라인 아래 다른 전위를 인가함으로써, 결과적인 방사 원추(resulting radiation cone)가 조정될 수 있고, 안테나의 물리적 이동없이, 공간 내 특정 위치로 안테나를 향하게 하거나 안테나를 스캐닝할 수 있다. 즉, 지연 라인 아래 유전상수의 변화는 지연 라인에서 신호의 전파 지연을 야기하고, 방사 신호의 위상 이동을 야기한다.
다른 특징이 도 3에 도시되는데, 특히 패치들이 서로 가깝게 팩킹된 실장 공간 내에서 지연 라인에서의 제어 범위가 넓어지도록 지연 라인이 구불구불한 전도체 라인으로 형성된다. 도 3의 안테나는 일부 도 2의 안테나와 유사하지만, 지연 라인(340)이 구불구불한 라인으로 형성된 점이 다르며, 이로 인해 지연 라인의 길이가 더 많은 픽셀을 커버한다. 결과적으로, 지연 라인의 길이에 걸쳐 유전상수를 제어하기 위한 더 많은 픽셀이 가능하다.
앞선 실시예에서, 모든 지연 라인은 상호 연결되어 있고 하나의 공급 점(single feeding point)으로부터 공급을 받았다. 그러나, 이것은 불필요하다. 예를 들어, 도 4의 실시예에서 각각의 구불구불한 지연 라인은 해당 공급 점(465)을 가지며, 상기 공급 점은 해당 커플링을 통해 공급 라인에 커플링되어 있다. 이런 배치에서, 방사 패치에서 나온 신호의 축적은 예를 들어, 모든 공급 라인의 상호 연결을 가지는 것에 의해, 안테나의 샌드위치 구조 아래에서 이루어진다. 그래서, 본 실시예에서 멀티 레이어 안테나는, 상부 유전체, 하부 유전체, 상기 상부 유전체 및 상기 하부 유전체 사이에 샌드위치된 가변 유전상수 물질, 상기 가변 유전상수 물질 내에서 픽셀을 정의하는 다수의 전도성 전극, 공통 접지 전극, 상기 상부 유전체 상부에 제공된 적어도 하나의 방사 요소를 포함하도록 제공되고, 각 방사 요소는, 방사 패치에 커플링된 해당 지연 라인, 상기 하부 유전체 아래에 제공된 해당 공급 라인 및 상기 공급 라인 및 지연 라인 사이에 커플링된 해당 RF를 가진다.
도 5의 실시예는 방사 패치(535) 및 지연 라인(540)이 멀티 레이어 구조 안테나의 다른 레벨에 제공된 점을 제외하고 도 1의 실시예와 유사하다. 상세하게, 커버 절연 레이어(517)가 상부 유전체(515) 위에 제공된다. 상기 커버 절연 레이어(517)는 유리, PET, Rogers, PTFE 등이 될 수 있다. 상기 지연 라인(540)은 상기 상부 유전체(515)와 상기 커버 절연 레이어(517) 사이에 제공된다. 방사 패치(535)는 상기 커버 절연 레이어(517) 위에 제공된다. 홀은 상기 커버 절연 레이어(517) 내에 제공되어, 콘택트(519)는 상기 지연 라인(540)을 각각의 방사 패치(535)에 전기적으로 연결할 수 있다.
도 6은 멀티 레이어 안테나의 또 다른 실시예에 따른 방사 요소의 단면도이다. 이 구조는 어레이를 형성하는데 필요한 만큼 많은 방사 요소가 반복될 수 있다. 본 실시예의 구조 및 동작은 아래 도 6의 설명 및 투명 평면도인 도 7을 함께 참조하여 보다 잘 이해될 수 있다. 도 6은 방사 요소(635)의 위치에서 안테나 관련 구역의 단면도이다. 도 7은 도 6의 실시예를 포함하여 여기에 설명된 모든 실시예에 적용 가능한 투명 평면도이다. 그래서 여기에 설명된 임의의 실시예를 연구할 때, 독자는 더 나은 이해를 위해 도 7 역시 참조해야 한다.
커버 절연 레이어(617)는 일반적으로 유전체(절연) 플레이트 또는 유전체 시트 형태이고, 유리, PET, PTFE, Rogers 등으로 만들어질 수 있다. 방사 패치(635)는 전도성 필름 접착(adhering a conductive film), 스퍼터링(sputtering), 프린팅(printing) 등에 의해 상기 커버 절연 레이어(617) 위에 형성된다. 각각의 패치 위치에서, 비아는 커버 절연 레이어(617)에 형성되고 방사 패치(635)에 물리적 전기적으로 연결된 콘택트(619)를 형성하기 위해 구리 같은 전도성 물질로 채워진다. 지연 라인(640)은 커버 절연 레이어(617)의 하부 표면(또는 상부 바인더 기능을 하는 상부 유전체(615)의 상부 표면)에 형성되고, 물리적 전기적으로 콘택트(619)에 연결된다. 즉, 지연 라인(640)부터 방사 패치(635)까지 콘택트(619)를 통해 연속적인 DC 전기적 연결이 있다. 앞선 실시예에서 보인 바와 같이, 상기 지연 라인(640)은 구불구불한 전도성 라인일 수 있고 요구된 지연을 생성할 수 있도록 충분한 길이를 가지도록 임의의 모양을 가질 수 있어서, 요구되는 RF 신호의 위상 이동을 야기할 수 있다.
상기 지연 라인(640)에서 지연은 가변 유전상수 물질(605)을 가진 가변 유전상수(variable dielectric constant, VDC) 플레이트(602)에 의해서 제어된다. VDC 플레이트(602)를 구성하기 위한 임의의 방법이 안테나의 실시예와 함께 사용하기에 적합할 수 있지만, 특정 실시예의 간단한 예시로서, 상부 바인더(615, 유리 PET 등), 가변 유전상수 물질(605, 꼬인 네마틱 액정 레이어) 및 하부 바인더(610)로 구성된 VDC 플레이트(602)가 보여진다. 다른 실시예에서 바인더 레이어(615 및/또는 610)는 생략될 수 있다. 또는, 에폭시(epoxy) 또는 유리 비드 스페이서(glass bead spacers) 같은 접착이 바인더 레이어(615 및/또는 610) 대신 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 예를 들어 꼬인 네마틱 액정 레이어를 사용할 때, VDC 플레이트(602)는 정렬 레이어(alignment layer)를 역시 포함하고, 상기 정렬 레이어는 커버 절연 레이어(617)의 하부에 증착 및/또는 접착될 수 있거나 상부 바인더(615)의 상부에 형성될 수 있다. 상기 정렬 레이어는 폴리미드 계열 PVA 같은 물질의 얇은 레이어가 될 수 있고, 얇은 레이어는 한정 기판(confining substrates)의 모서리에서 액정 분자의 정렬을 위해 문지르거나 자외선 경화된다.
VDC플레이트(602)의 유효 유전상수는 VDC 플레이트(602)를 가로지르는 DC 전위의 인가에 의해 제어될 수 있다. 이를 위해, 전극은 제어 가능한 전압 전위에 연결되어 형성된다. 전극을 형성하는 다양한 배치가 있는데, 일 예시가 도 6에 도시된다. 두 전극(620)이 나란히 제공되며, 두 전극(620)은 픽셀을 정의한다. 일 예시에서, 하나의 전극(620)은 가변 전압 전위(641)에 연결되고, 다른 전극(620)은 접지에 연결된 것으로 도시된다. 다른 예시에서, 다른 전극(620)은 가변 전위(649)에 연결될 수도 있다(점선 표시). 그래서, 가변 전위(641) 및/또는 가변 전위(649)의 출력 전압 변화에 의해, 전극(620)에 근접한 VDC 물질의 유전상수는 바꿀 수 있고, 지연 라인(640)에 이동하는 RF 신호는 바뀐다. 가변 전위(641) 및/또는 가변 전위(649)의 출력 전압의 변화는 소프트웨어를 실행하는 제어기(Ctl)를 사용하여 이루어 질 수 있다. 소프트웨어는 제어기로 하여금 가변 전위(641) 및/또는 가변 전위(649)의 적절한 출력 전압을 설정하도록 적절한 제어 신호를 출력하도록 야기한다. 그래서, 안테나의 동작 및 특성은 소프트웨어를 사용하여 제어될 수 있고, 이러한 이유로 소프트웨어 제어된 안테나이다.
이 시점에서 본 명세서에서 '접지(ground)'라는 용어의 사용은 일반적으로 수용가능한 접지 전위 즉, 지구 전위와 고정 전위 또는 유동 전위가 될 수 있는 공통 또는 참조 전위 둘 다로 언급될 수 있다는 것을 명확하게 한다. 유사하게, 도면에서 접지 기호가 사용될 때, 상호교환가능한 지구 또는 공통 전위를 의미하는 약어로서 사용된다. 그래서, 여기에서 접지 용어가 사용될 때마다, 고정 또는 유동 전위가 될 수 있는 공통 또는 참조 전위를 포함한다.
모든 RF 안테나들과 마찬가지로, 수신 및 송신은 하나의 설명이 다른 것에 동일하게 적용되도록 대칭적이다. 본 설명에서 송신을 설명하는 것이 보다 간단할 수 있으나, 수신 역시 반대 방향으로 동일하다.
송신 모드에서 RF 신호는 콘택터(660, 예: 동축 케이블 커넥터)을 통해 공급 라인(655)에 인가된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 상기 공급 라인(655)과 지연 라인(640) 사이에 전기적 DC 연결은 없다. 그러나 여기 개시된 실시예에서 레이어(layer)들은 RF 단락(short)이 공급 라인(655)과 지연 라인(640) 사이에 제공되도록 설계된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 공통 접지 전극(625)은 후면 패널 절연체(또는 유전체)(612)의 상부 표면 또는 하부 바인더(610)의 하부 표면에 형성된다. 상기 공통 접지 전극(625)는 일반적으로 안테나 어레이의 전 영역을 커버하는 전도체 레이어다. 각 RF 공급 위치에서 윈도우(DC 브레이크)(623)가 공통 접지 전극(625) 내에 제공된다. 상기 RF 신호는 상기 공급 라인(655)으로부터 상기 윈도우(623)를 지나 이동하고, 상기 지연 라인(640)에 용량성 커플링된다. 수신 중에는 반대로 이루어진다. 그래서, DC 개방 및 RF 단락은 지연 라인(640)과 공급 라인(655) 사이에 형성된다.
일 실시예에서, 후면 패널 절연체(612)는 Rogers® (FR-4 인쇄기판)으로 만들어지고 공급 라인(655)는 Rogers 위에 전도성 라인으로 형성될 수 있다. Rogers의 사용 대신 PTFE (Polytetrafluoroethylene or Teflon®) 또는 다른 저손실 물질이 사용될 수 있다.
개시된 실시예의 RF 단락(가상 초크(choke)라고도 함) 설계를 더 이해하기 위해, 도 7을 참조한다. 도 7에서는 7xx 시리즈가 사용된 것 같이 다른 시리즈를 제외하고 도면에서 유사한 요소는 같은 참조번호를 가진다. 또한, 도 7은 각 지연 라인이 다른 신호(예: 다른 극성)를 이송하도록 하나의 방사 패치(735)에 연결된 두 개의 지연 라인(740)을 가진 실시예를 도시한다. 이하 설명은 지연 라인 중 하나에 대한 것이며, 다른 것 역시 유사한 구조를 가질 수 있다.
도 7에서 방사 패치(735)는 콘택트(719)에 의해 지연 라인(740)에 전기적으로 DC 연결된다. 그래서, 본 실시예에서 RF 신호는 지연 라인(740)으로부터 콘택트(719)를 지나 방사 패치(735)로 직접 전송된다. 그러나, 공급 라인(755)와 지연 라인(740) 사이에는 DC 연결은 없고, RF 신호는 공급 라인(755)와 지연 라인(740) 사이에 용량성 커플링된다. 이것은 공통 접지 전극(725) 내 틈(aperture)을 통해 이루어진다. 도 6에 도시된 바와 같이, VDC 플레이트(602)는 지연 라인(640) 밑에 위치하지만, RF 단락 구성을 보다 나은 이해를 위해 도면을 단순화하도록 도 7에는 도시되지 않았다. 공통 접지 전극(725)는 부분적으로 윈도우(DC 브레이크, 723)를 보여주는 해치(hatch) 표시로 표현된다. 그래서, 도 7의 실시예에서 RF 경로는 방사 패치(735), 콘택트(719), 지연 라인(740), 용량성으로 윈도우(723)을 통해 공급 라인(755)이다.
RF 신호의 효율적인 커플링을 위해, 윈도우(723)의 길이("L"로 표시)는 공급 라인(755) 내에서 이동하는 RF 신호의 반 파장(λ/2)으로 설정될 수 있다. 윈도우의 넓이("W"로 표시)는 파장의 1/10(λ/10)로 설정될 수 있다. 나아가, RF 신호의 효율적인 커플링을 위해, 공급 라인(755)은 윈도우(723)의 모서리를 넘어 1/4파장(λ/4)으로 연장될 수 있다("D"로 표시). 비슷하게, 지연 라인(740)의 종단(콘택트(719)의 반대 끝)은 윈도우(723)의 모서리를 넘어 1/4파장(λ/4)으로 연장될 수 있다("E"로 표시). 공급 라인(755) 내에서 RF 신호 이동은 지연 라인(740) 내에서 신호 이동보다 긴 파장을 가지므로, 거리(D)는 거리(E)보다 길게 표현된다.
본 개시에서 파장(λ)에 관한 모든 언급은 관련 매질을 이동하는 파장을 나타내며, 파장은 설계 및 안테나 내 가변 유전체에 인가된 DC 전위에 따라 안테나의 다양한 매질을 지나면서 변화할 수 있다.
도 8은 임의의 개시된 실시예를 사용하여 구성될 수 있는 무지향성 조종가능 안테나이다. 안테나는 4개의 측 또는 면을 포함하고, 각 측은 방사 요소(835)의 2x4 어레이를 포함하고, 지연 라인(840)을 통해 상호 연결되어 있다. 방사 요소(835), 지연 라인(840) 및 공급 라인을 포함하는 각 면의 구조는 여기에 개시된 임의의 실시예를 사용하여 구성될 수 있다. 각 지연 라인 아래 유전상수의 제어에 의해서, 각 면의 방사 원추는 공간 상에서 조정될 수 있고, 그래서, 모든 4면을 제어함으로써 안테나는 안테나 주변 임의의 방향으로 선택적으로 전송하거나 선택적으로 수신할 수 있다. 예를 들어, 안테나는 사용자 A와 B의 지향성 통신을 수행하도록 조절될 수 있지만, 비인가 사용자 C에게 널(null)을 제시하여, 사용자 C가 시스템에 침입하는 것을 방지할 수 있다.
개시된 실시예에 따른 안테나를 구성함에 있어서, 가변 유전상수 샌드위치는 LCD를 사용하여 간단하게 구현될 수 있다. 물론, Wi-Fi 액세스 포인트, 베이스 스테이션(base station) 등 LCD가 보이지 않는 어플리케이션에서 LCD는 오직 흑백일 수 있다(즉, 컬러 필터는 생략될 수 있음). 또한, 표준 LCD의 조명 및 편광 요소는 제외될 수 있는데, 이들은 주파수 매칭 또는 안테나 어레이의 공간 스캐닝에 기여하지 않기 때문이다. 또한, 만약 안테나가 보이지 않는다면, 패치 및 공급 라인은 구리 및 알루미늄 같은 고체 금속으로 만들어질 수 있다. 안테나가 보일 경우, 패치 및 공급 라인은 ITO, AZO 등 같은 투명 전도체로 만들어질 수 있다.
이러한 의미에서, 본 발명의 일 실시예는 공통 접지 콘택트, 복수의 어드레스가능한 픽셀 콘택트 및 상부 유전체를 가진 LCD 스크린; 상기 상부 유전체 위에 제공된 방사 요소의 어레이; 각각이 하나의 방사 요소에 연결된 전도성 지연 라인; 및 LCD 스크린 아래 제공되고 지연 라인에 연결된 송신 피드;를 포함하는 안테나를 제공하는 것을 특징으로 할 수 있다. 제어기는 상기 공통 콘택트 및 각 어드레스가능한 픽셀 콘택트에 커플링된다. 상기 제어기는 방사 요소의 공간 지향성을 변화시키도록 선택적으로 어느 하나의 픽셀 제어 콘택트에 에너지를 가하도록 프로그램된다.
평면 안테나를 스캔하도록 소프트웨어 제어를 사용하면, 공간 상 2차원 스캐닝을 얻을 수 있다. 그래서, 예를 들어, 이러한 어레이는 평면 위성 TV 안테나로서 사용될 수 있다. 안테나는 도로 높이에서 보이지 않도록 지붕에서 설치될 수 있다. 어레이의 공간 지향성이 소프트웨어를 사용하여 전기적으로 제어될 수 있으므로, 안테나는 종래 접시 안테나같이 위성을 향한 기계적 조준이 필요하지 않다. 오히려, 최상의 수신이 달성될 때까지 가변 유전체 레이어의 전극에 인가된 전압을 변화시킴으로써 (즉, LCD가 사용될 때 LCD 스크린 상에 투영된 이미지를 변화시킴으로써) 안테나를 전기적으로 스캐닝함으로써 위성을 획득할 수 있다.
모바일 기기의 확산으로 인해, Wi-Fi액세스 포인트 같은 종래 액세스 포인트는 간섭하는 송신으로 가득 찬다. 특히, 표준 액세스 포인트는 무지향성 안테나를 사용하기 때문에, 상기 액세스 포인트는 모든 방향으로 송신 및 수신한다. 그러므로, 액세스 포인트에서 송신은 높은 에너지를 사용해야만 하고, 전송된 에너지는 무지향성 안테나로 인해 거리의 세제곱에 반비례하여 떨어진다. 나아가, 액세스 포인트의 송신은 다양한 모바일 기기(스마트폰, 패드, 랩톱)의 간섭을 더하고, 무지향성 안테나를 사용하는 각각은 다른 모든 기기를 간섭한다.
도 8에 도시된 실시예를 사용하면, 액세스 포인트는 특정 방향으로 수신 및 송신하도록 제조될 수 있다. 즉, 특정 기기로 송신하기 전에, VDC 플레이트 전극의 전압은 안테나가 타겟 기기를 조준하도록 바뀔 수 있다. 송신은 고 주파수이고, 안테나는 전기적으로 스캔될 수 있기 때문에, 안테나는 각 시점에 액세스 포인트에 대해 상이한 공간상 장소에 위치한 다른 모바일 기기에게 전송하도록 재방향 설정 (re-direct)될 수 있다.
나아가, 도 8에 도시된 봐와 같이, 멀티 레이어는 개별적으로 제어되도록 사용될 수 있고, VDC 플레이트 위에 각 픽셀은 개별적으로 제어될 수 있다. 나아가, 도 8에서, 4개의 개별 어레이가 4개의 개별적 면에 위치하였지만, 예를 들어 삼각형의 3면, 오각형의 5면 등 다른 배치도 가능하다. 이러한 방식에서, 각 어레이는 전용 공간을 향하고 어레이들은 액세스 포인트의 360도를 함께 커버한다.
또한, 여기에 설명된 소프트웨어 정의된 안테나 시스템은 정책, 보안 방식 및 Wi-Fi 액세스 포인트 같은 무선 통신 접속에 적용할 때 상당한 이점이 있다. 예를 들어, 안테나는 360도를 커버하여 스캔될 수 있으므로, 사용자, 간섭 신호 및 침입자(intruder)의 3D 환경 맵(3D map of the environment)을 동적으로 생성할 수 있는 능력을 제공한다. 어레이의 위상 배열 스캐닝(phased array scanning) 기능을 올바르게 작동시킴으로써, 시스템은 예를 들어 공간 내 침입자 같은 비인가 사용자를 식별 및 격리할 수 있고, 특성을 조사할 수 있고, 네트워크에 도달하려는 침입자를 추적하고 방지하는 공간 내에 널(null)을 생성함으로써 네트워크에 접속하는 능력을 제거하도록 결정할 수 있다. 이러한 의미에서, 이것은 웨이브-포트 레벨(wave-port level)에서 무선 방화벽을 생성한다. 나아가, 선택적으로 시스템은 안테나 주변 공간에 위치한 허가된 사용자를 식별(예: MAC 어드레스 사용)할 수 있고, 특정 사용자에게 적용되는 네트워크 및 접속 정책 권한을 결정할 수 있다. 예를 들어, 상이한 네트워크 및 접속 정책은 회사 내에서 직원과 방문객에게 적용될 수 있다. 그래서 시스템은 Tx/Rx 공간 내 위치에 기반한 네트워크 및 접속 정책을 적용할 수 있다. 소프트웨어 정의된 안테나는 지향성 빔 및 널(null)을 형성함으로써 사용자의 스캔 및 추적이 가능하므로, 네트워크 및 접속 정책은 각각 식별된 사용자에게 유지될 수 있다.
도 9는 여기에 설명된 임의의 소프트웨어 정의된 안테나를 사용하는 실시예에 따른 안테나 작동 방법이다. 시작 이후에, 시스템은 예를 들어, 안테나의 지연 라인 아래에 제공된 유전상수를 바꾸도록 전압을 인가하여 안테나를 스캔한다. 스캔 동안 수신된 송신을 사용하여, 시스템은 공간 내 각 송신의 특정 위치를 식별한다. 식별된 송신 세트로부터, 시스템은 비인가 송신의 위치를 식별한다. 그리고 시스템은 비인가된 방향으로 널(null)을 나타내도록 안테나를 제어한다. 그리고 상기 시스템은 인가된 방향으로 빔을 형성하도록 안테나를 제어함으로써 각 인가된 송신으로 지향성 통신을 수행한다. 선택적으로, 점선으로 표시된 것과 같이, 각 사용자를 위해 시스템은 전송 기기를 식별하고 기기의 네트워크 및 접속 정책을 결정한다. 그리고 시스템은 식별된 기기의 통신에 네트워크 및 접속 정책을 적용한다.
도 10은 개시된 실시예의 안테나가 표준 IEEE 802.11N 액세스 포인트에 통합되는 방법을 도시한 블럭도이다. 표준 액세스 포인트의 구조 및 요소는 잘 알려져 있고 여기에서 설명할 필요가 없다. 도 10의 예시에서, 표준 안테나는 소프트웨어 정의된 안테나로 대체된다. 또한, 마이크로프로세서(MPU)는 안테나의 조정에 필요한 전압을 제공하도록 또는 방사 패치의 공진 주파수를 변화시키도록 프로그램된다.
이러한 의미에서, 본 발명의 실시예는 송수신기; 공통 콘택트, 다수의 픽셀 제어 콘택트 및 상부 유전체를 가진 LCD 스크린을 포함하는 안테나 어레이; 상기 상부 유전체의 상부에 제공된 방사 요소의 어레이; 및 각각이 방사 요소에 연결된 다수의 지연 라인; 일단은 상기 송수신기에 연결되고 타단은 지연 라인 중 하나에 연결된 다수의 공급 라인; 및 공통 콘택트와 픽셀 제어 콘택트에 커플링되고, 상기 다수의 방사 요소의 공간 지향성을 변화시키도록 픽셀 제어 콘택트 중 선택적으로 하나에 에너지를 가하도록 프로그램된 제어기;를 포함하는 무선 액세스 포인트를 제공하는 것을 특징으로 할 수 있다.
각 실시예가 특정 기능 및 요소와 관련하여 설명된 다양한 실시예가 상술되었다. 그러나, 일 실시예의 특징 및 요소는 다른 실시예 다른 특징 및 요소와 함께 사용될 수 있으며, 모든 순열이 혼란을 피하기 위해 명시적으로 설명된 것은 아니지만, 그와 같은 가능성을 포괄하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 접속 및 커플링에 관하여 본 명세서에서 사용되는 용어는 접속된 것은 하나의 부품이 다른 부품에 직접 연결됨을 의미하고, 커플링은 두 부품 사이에 개재 요소가 있을 수 있다는 것을 의미한다. 또한, DC 연결은 DC 단락과 유사하며, 하나의 도체가 다른 도체에 물리적으로 접촉하여 DC 전류가 흐를 수 있다는 것을 이해해야 한다. 그러나 RF 커플링은 두 도체가 물리적으로 접촉할 것을 요구하지는 않는다. 유효한 예시는 2 개의 캐패시터 플레이트이며, DC 전류는 이들을 통과할 수 없지만 AC 및 RF는 전송될 수 있다.
여기에 설명된 프로세스 및 기술은 본질적으로 임의의 특정 장치와 관련이 없으며, 구성요소의 임의의 적합한 조합에 의해 구현될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 다양한 유형의 범용장치가 본 명세서에 개시된 가르침에 따라 사용될 수 있다. 본 발명은 모든 면에서 제한적이기보다는 예시적인 것으로 의도된 특정 예시와 관련하여 설명되었다. 당업자라면 다른 많은 조합이 본 발명을 실시하기에 적합함을 알 것이다.
또한, 본 발명의 다른 구현예는 본 명세서에 개시된 본 발명의 명세서 및 실시의 고려로부터 당업자에게 명백해질 것이다. 기술된 실시예의 다양한 양태들 및/또는 구성 요소들은 단독으로 또는 임의의 조합으로 사용될 수 있다. 본 명세서 및 실시 예는 단지 예시적인 것으로 간주되어야하며, 본 발명의 진정한 범위 및 사상은 다음의 청구 범위에 의해 표시된다.

Claims (22)

  1. 상부 유전체 레이어, 하부 유전체 레이어 및 상기 상부 유전체 레이어와 상기 하부 유전체 레이어 사이에 샌드위치된 가변 유전상수 물질을 포함하는 가변 유전상수(VDC) 레이어;
    상기 VDC 레이어 아래에 제공된 공통 접지 전극;
    상기 VDC 레이어 위에 제공된 복수의 어드레스가능한 콘택트- 각 어드레스가능한 콘택트는 픽셀을 정의하고 픽셀의 위치에서 VDC 물질 위에 전기장을 인가하도록 구성됨 -;
    상기 VDC 레이어 위에 제공된 적어도 하나의 방사 요소;
    상기 VDC 레이어 위에 제공된 적어도 하나의 지연 라인- 적어도 하나의 방사 요소 각각은 상기 지연 라인의 적어도 하나에 RF 커플링됨 -; 및
    상기 VDC 레이어 아래 제공되고 적어도 하나의 지연 라인에 커플링된 적어도 하나의 전도성 공급 라인을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 전도성 공급 라인은, 상기 공통 접지 전극에 형성된 윈도우를 통해서 적어도 하나의 지연 라인에 커플링된 안테나.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전도성 공급 라인은, 상기 공통 접지 전극에 형성된 윈도우를 통과하는 콘택트에 의해서 적어도 하나의 지연 라인에 커플링된 안테나.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 VDC 레이어 위에 제공된 커버 절연 레이어;를 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 방사 요소는 상기 커버 절연 레이어 위에 제공된 안테나.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 적어도 하나의 지연 라인은 상기 커버 절연 레이어 아래에 제공된 안테나.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 적어도 하나의 지연 라인을 해당하는 적어도 하나의 방사 요소에 커플링되도록 상기 커버 절연 레이어에 형성된 비아;를 더 포함하는 안테나.
  7. 청구항 1에 있어서,
    적어도 하나의 지연 라인 각각은 구불구불한 라인으로 형성된 안테나.
  8. 청구항 1에 있어서,
    적어도 하나의 지연 라인은 복수의 지연 라인을 포함하고,
    상기 복수의 지연 라인의 서브 그룹은 전도성 라인으로 상호 연결된 안테나.
  9. 청구항 8에 있어서,
    적어도 하나의 전도성 공급 라인은 상기 전도성 라인에 커플링된 안테나.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전도성 공급 라인은 상기 전도성 라인의 기하학적 중심에서 상기 전도성 라인에 커플링된 안테나.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 VDC 물질은 액정을 포함하는 안테나.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 유전체 레이어 및 상기 하부 유전체 레이어의 적어도 하나는 Rogers, PTFE (Polytetrafluoroethylene), 또는 PET (Polyethylene terephthalate)를 포함하는 안테나.
  13. 청구항 4에 있어서,
    상기 커버 절연 레이어는 유리, Rogers, PTFE (Polytetrafluoroethylene), 또는 PET (Polyethylene terephthalate)를 포함하는 안테나.
  14. 상부 유전체 레이어, 하부 유전체 레이어 및 상기 상부 유전체 레이어와 상기 하부 유전체 레이어 사이에 샌드위치된 가변 유전상수 물질을 포함하는 가변 유전상수(VDC) 레이어;
    상기 VDC 레이어 아래에 제공된 공통 접지 전극;
    상기 VDC 레이어 위에 제공된 복수의 어드레스가능한 콘택트- 각 어드레스가능한 콘택트는 픽셀을 정의하고 픽셀의 위치에서 VDC 물질 위에 전기장을 인가하도록 구성됨 -;
    상기 VDC 레이어 위에 제공된 복수의 방사 요소;
    상기 VDC 레이어 위에 제공된 복수의 지연 라인- 각 방사 요소는 상기 지연 라인의 적어도 하나에 RF 커플링됨 -; 및
    상기 VDC 레이어 아래에 제공된 복수의 전도성 공급 라인- 상기 복수의 전도성 공급 라인 각각은 상기 복수의 지연 라인 중 하나에 RF 커플링됨 -을 포함하며,
    상기 공통 접지 전극은 복수의 윈도우를 포함하고,
    상기 복수의 전도성 공급 라인 각각은 상기 복수의 윈도우 중 하나를 통해 해당하는 지연 라인에 커플링된 안테나.
  15. 청구항 14에 있어서,
    복수의 방사 요소 각각은 2개의 지연 라인에 커플링된 안테나.
  16. 삭제
  17. 청구항 14에 있어서,
    각 윈도우는 상기 공급 라인에서 이동하는 RF 신호의 반파장 길이를 가지고 상기 공급 라인에서 이동하는 RF 신호의 1/10파장 넓이를 가진 안테나.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 공급 라인의 종단은 상기 윈도우를 넘어서 상기 공급 라인에서 이동하는 RF 신호의 1/4파장 거리 D만큼 연장된 안테나.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 지연 라인의 종단은 상기 윈도우를 넘어서 상기 지연 라인에서 이동하는 RF 신호의 1/4파장 거리 E만큼 연장된 안테나.
  20. 청구항 14에 있어서,
    다수의 가상 초크를 더 포함하고
    상기 다수의 전도성 공급 라인 각각은 상기 다수의 가상 초크 중 하나를 통해서 해당하는 지연 라인에 커플링된 안테나.
  21. 청구항 14에 있어서,
    상기 다수의 전도성 공급 라인 각각은 RF 단락을 통해서 해당하는 지연 라인에 커플링된 안테나.
  22. 청구항 14에 있어서,
    다수의 지연 라인 각각은 일단이 상기 다수의 방사 요소 중 하나에 커플링되고 타단이 상기 다수의 공급 라인 중 하나에 커플링된 구불구불한 전도성 라인을 포함하는 안테나.
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