KR102499627B1

KR102499627B1 - 광범위 튜닝가능 대역폭 방사형 라인 슬롯 안테나

Info

Publication number: KR102499627B1
Application number: KR1020207022991A
Authority: KR
Inventors: 모센 사제갈; 이브라힘 나사르
Original assignee: 카이메타 코퍼레이션
Priority date: 2018-01-17
Filing date: 2019-01-16
Publication date: 2023-02-13
Also published as: US12027785B2; TW201933682A; JP2021511726A; KR102624582B1; JP7550262B2; US20230118519A1; KR20230023065A; WO2019143727A1; EP3741004A1; US20190237873A1; US11489258B2; KR20200101465A; US10892553B2; CN112042056A; JP7254811B2; TW202315222A; US20210249772A1; TWI787434B; JP2023078437A; EP3741004A4

Abstract

안테나 및 이를 이용하는 방법이 개시된다. 하나의 실시 예에 있어서, 안테나는 복수의 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트를 갖춘 개구면을 구비하여 구성되되, 복수의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 RF 방사 안테나 엘리먼트의 3개 이상의 세트로 그룹화되고, 각 세트는 제1 모드의 주파수 대역에서 빔을 발생시키도록 개별적으로 제어된다.

Description

광범위 튜닝가능 대역폭 방사형 라인 슬롯 안테나

본 특허 출원은 2018년 1월 17일에 출원된 대응하는 미국 가특허 출원 제62/618,493호, 및 발명의 명칭이 "광범위 튜닝가능 대역폭 방사형 라인 슬롯 안테나"인 2019년 1월 14일에 출원된 미국 비-가특허 출원 제16/247,398호에 대해 우선권을 주장하면서 참고로 통합한다.

본 발명의 실시 예는 무선 통신을 위한 안테나 분야에 관한 것으로; 특히, 본 발명의 실시 예는 특정 주파수 대역에 대해 각각 개별적이면서 동시에 제어되는 슬롯의 다수 세트의 이용을 통해 광범위 튜닝가능 대역폭을 갖춘 방사형 라인 슬롯 안테나에 관한 것이다.

방사형 라인 슬롯 안테나는 기술이 잘 알려져 있다. 방사형 라인 슬롯 안테나의 예는 안도(Ando) 외, "12GHz DBS 위성 수신을 위한 방사형 라인 슬롯 안테나", 및 위안(Yuan) 외, "고출력 마이크로파 어플리케이션을 위한 신규한 방사형 라인 슬롯 안테나의 설계 및 실험"에서 설명된 것을 포함한다. 논문에 설명된 안테나는 피드 구조체(feed structure)로부터 수신된 신호에 의해 여기되는 다수의 고정 슬롯(fixed slots)을 포함한다. 슬롯은 전형적으로 직교 쌍(orthogonal pairs)으로 방향지워지고, 송신에 대해 고정 원형 편파성(fixed circular polarization)을 부여하고, 수신 모드에서는 그 반대이다.

안테나의 다른 예는, 안테나 엘리먼트의 2개의 공간적으로 인터리브된 안테나 서브-어레이를 갖춘 단일 물리적 안테나 개구면을 포함하는, 발명의 명칭이 "다중 안테나 기능성을 동시에 허용하는 결합된 안테나 개구면"인 미국 특허 제9893,435호에서 설명된다. 안테나의 실시 예는 동일한 안테나 개구면 상에서 무선 주파수 홀로그래피(radio-frequency holography)를 이용하여 송신 및 수신하기 위한 슬롯을 포함하는 안테나 엘리먼트의 서브-어레이를 포함한다. 각 안테나 서브-어레이는 특정 주파수에서 독립적이면서 동시에 동작할 수 있다.

위성 안테나를 위한 종래의 폼 팩터(form factors)를 능가하는 유리한 폼 팩터를 갖는 홀로그래픽 안테나가 개발됐다. 홀로그래픽 안테나의 성능을 높이는 것은 소정의 이용 사례에서 홀로그래픽 안테나의 이용과 실행가능성을 증가시킨다.

안테나 및 그 이용 방법이 설명된다. 하나의 구현에 있어서, 안테나는 복수의 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트를 갖춘 개구면을 구비하고, 복수의 RF 방사 안테나 엘리먼트는 RF 방사 안테나의 3개 이상의 세트로 그룹지워지며, 각 세트는 제1 모드의 주파수 대역에서 빔을 발생시키도록 개별적으로 제어된다.

본 발명은 아래에 주어진 상세한 설명 및 본 발명의 다양한 실시 예의 첨부 도면으로부터 보다 완전하게 이해될 것이지만, 특정 실시 예로 본 발명을 제한하도록 취해지지 않아야 하고, 단지 설명 및 이해를 위한 것이다.
도 1은 위성 안테나 개구면을 위한 안테나 엘리먼트의 레이아웃의 일 실시 예를 예시한다.
도 2는 튜닝 범위(tuning range)에 걸쳐 위성 안테나 개구면에 대한 안테나 엘리먼트의 레이아웃의 일 실시 예의 동적 이득 대역폭(dynamic gain bandwidth)을 예시한다.
도 3은 3개의 주파수 대역에 대한 슬롯을 갖는 실시 예에 대한 성능의 예를 예시한다.
도 4a 내지 도 4c는 엘리먼트의 여러 배치 배열을 나타내는 단위 셀(unit cell)의 실시 예를 예시한다.
도 4d 내지 도 4e는 시프트된 송신(Tx) 엘리먼트에 따른 배치 옵션을 이용하여 단위 셀의 레이아웃의 실시 예를 예시한다.
도 4f는 회전된 안테나 엘리먼트에 따른 배치 옵션을 이용하여 단위 셀의 레이아웃의 실시 예를 예시한다.
도 5a 내지 도 5c는 안테나 개구면을 제어하기 위한 프로세스의 일 실시 예의 흐름도이다.
도 6은 원통형으로 급전된 홀로그래픽 방사형 개구면 안테나(cylindrically fed holographic radial aperture antenna)의 일 실시 예의 개략도를 예시한다.
도 7은 접지 평면(ground plane) 및 재구성가능 공진기 층(reconfigurable resonator layer)을 포함하는 하나의 행의 안테나 엘리먼트의 사시도를 예시한다.
도 8a는 튜닝가능 공진기/슬롯(tunable resonator/slot)의 일 실시 예를 예시한다.
도 8b는 물리적 안테나 개구면(physical antenna aperture)의 일 실시 예의 단면도를 예시한다.
도 9a 내지 도 9d는 슬롯 어레이(slotted array)를 생성하기 위한 여러 층의 일 실시 예를 예시한다.
도 10은 원통형으로 급전된 안테나 구조체의 일 실시 예의 측면도를 예시한다.
도 11은 유출 파(outgoing wave)를 갖는 안테나 시스템의 다른 실시 예를 예시한다.
도 12는 안테나 엘리먼트에 대한 매트릭스 구동 회로(matrix drive circuitry)의 배치의 일 실시 예를 예시한다.
도 13은 TFT 패키지의 일 실시 예를 예시한다.
도 14는 동시 송신 및 수신 경로(simultaneous transmit and receive paths)를 갖춘 통신 시스템의 일 실시 예의 블록도이다.

이하의 설명에 있어서, 많은 세부 사항이 본 발명의 보다 철저한 설명을 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 당업자에게는 본 발명이 이들 구체적인 세부사항 없이 실행될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 다른 경우에 있어서, 본 발명을 모호하게 하는 것을 회피하기 위해, 잘 알려진 구조체 및 장치는 상세하게 보다는 블록도 형태로 도시된다.

본 발명의 실시 예는 튜닝가능 빔 스티어링 안테나(tunable beam steering antenna)의 동적 대역폭(dynamic bandwidth)을 확장하기 위한 기술을 포함한다. 빔 스티어링 안테나 및 그 동작 방법이 또한 설명된다. 일 실시 예에 있어서, 안테나는 전기적으로 작은 무선 주파수(RF) 방사 엘리먼트로 로딩된(loaded) 고밀도 개구면을 구비한다. 일 실시 예에 있어서, RF 방사 엘리먼트는 동작 주파수를 튜닝하기 위해 액정(LC) 물질로 로딩된 다양한 크기를 갖는 전기적으로 작은 슬롯이면서 튜닝 범위에 걸쳐 거의 일정한 방사 특성을 달성한다. 일 실시 예에서, 다양한 크기를 갖는 이들 엘리먼트는 3개 이상의 주파수 대역을 커버하기 위해 LC 튜닝 구성요소를 이용하여 독립적으로 제어된다.

여기서 설명된 본 발명의 실시 예는 LC의 튜닝 범위로부터 안테나의 동적 대역폭을 분리(decouple)시킨다. 이는 LC의 튜닝가능성(tunability)을 증가시키는 것 없이 동적 대역폭을 확장하는데 더욱 자유도를 제공한다. 이는 안테나의 동적 대역폭이 LC의 튜닝 범위로 직접 결정되고 LC의 튜닝가능성 또는 방사 엘리먼트의 튜닝가능성의 증가가 상당한 손실을 초래하고 안테나 이득을 감소시키는 종래 기술의 안테나와는 대조적이다.

일 실시 예에 있어서, RF 방사 엘리먼트는 다수의 그룹으로 그룹화되고, 각 그룹은 다른 그룹과 개별적으로 그리고 독립적으로 제어된다. 각 그룹은 주파수 대역에 대해 할당되고 해당 주파수 대역에서 빔을 발생시킨다. 일 실시 예에 있어서, 주파수 대역은 하나 이상의 수신 대역 및 하나 이상의 송신 대역을 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 수신 대역은 2개 이상의 서브-대역으로 분할되고, 각 서브-대역은 개별적으로 동작될 수 있고 각각은 송신 대역과 결합될 수 있다. 따라서, 각 수신 서브-대역에 대한 안테나 엘리먼트는 송신 대역에 대한 안테나 엘리먼트와 동시에 동작할 수 있다. 주파수 대역을 분할하는 것은 넓은 튜닝 범위(wide tuning range)를 커버하기 위해 단일 엘리먼트(single element)를 이용하는 접근법과 비교하여 효율성이 개선된다. 일 실시 예에 있어서, 안테나를 동작시키기 위해, 각각의 수신 대역 및 각각의 송신 대역에 대한 안테나 엘리먼트가 개별적으로 제어되도록 컨트롤러는 여러 제어 알고리즘을 이용한다.

일 실시 예에 있어서, RF 방사 및 튜닝 엘리먼트는 상호결합을 감소시키고 방사 성능을 개선하는 방식으로 배치된다. 즉, 엘리먼트는 안테나 엘리먼트 사이에서 야기될 수 있는 상호 결합(mutual coupling)의 양을 감소시키도록 서로로부터 그를 격리하도록 배치된다. 일 실시 예에 있어서, 여러 주파수 대역과 관련된 안테나 엘리먼트의 여러 세트에 대한 안테나 엘리먼트는 엘리먼트 그룹으로 함께 그룹화되고, 이들 엘리먼트 그룹은 안테나 개구면에 배치되거나 그렇지 않으면 위치된다. 상호 결합이 엘리먼트 그룹 내의 개별 엘리먼트와 엘리먼트의 여러 그룹 사이의 결합 사이에 존재한다. 예컨대, 일 실시 예에 있어서, 안테나 개구면은 3개의 대역에 대한 빔을 발생시키기 위한 RF 방사 안테나 엘리먼트의 3개의 세트를 포함하고, 3개의 대역에 대한 RF 방사 안테나 엘리먼트는 엘리먼트 그룹에서의 엘리먼트 사이 및 그들 자신의 엘리먼트 그룹 사이에서 상호 결합을 감소시키는 한편, 높은 방사 성능을 유지하는 방식으로 배치된다. 일 실시 예에 있어서, 각 3개의 주파수 대역에 대한 엘리먼트로부터 하나의 RF 방사 엘리먼트는 그룹으로 함께 그룹화되고, 이들 3개의 방사 엘리먼트는 서로 옆에, 평행하게, 배치된다. 일 실시 예에 있어서, 유사한 배치가 4개 이상의 대역에 대한 안테나 엘리먼트를 배열할 때 이용된다.

일 실시 예에 있어서, 안테나 개구면은 높은 이득 성능을 달성하고 수신 및 송신 대역 사이에서 높은 격리(high isolation)를 유지하기 위해 여러 방식으로 변조된다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 개구면은 독립적으로 제어될 수 있는 다수 빔을 발생시킬 수 있다.

안테나 개구면의 일 실시 예의 이점 중 하나는 개구면의 크기를 증가시키는 것 없이 높은 방사 특성을 유지하는 것과 안테나 개구면의 동작 대역폭을 확장시키는 것이다. LC 물질은 안테나 동작 대역폭을 제한하는 제한된 튜닝 범위를 갖는다. 일 실시 예에 있어서, LC는 개구면이, 일 실시 예에서 약 2GHz인, 전체 송신(Tx) 대역을 커버할 수 있지만, 전체 수신(Rx) 대역을 커버할 수 없도록 한다. 예컨대, LC는 2GHz Rx 대역 중 약 1GHz를 커버할 수 있다. 이러한 제한을 극복하기 위해, 방사 수신 엘리먼트의 부가적인 세트가 수신 대역의 일부를 커버하는 방사 엘리먼트의 제1 세트에 부가된다. 방사 수신 엘리먼트의 이러한 부가적 세트는 제1 세트의 수신 엘리먼트와 다른 물리적 크기를 갖고, 수신 엘리먼트의 제1 세트에 인접하는 동작 대역폭을 갖도록 부가된다. 이 접근 방법을 이용하면, 제1 대역의 방사 특성을 저하시키는 것 없이 튜닝 범위가 1GHz에서 2GHz로 개선된다. 일 실시 예에 있어서, 2개의 수신 대역에 대한 빔을 발생시키는 엘리먼트 및 송신 대역에 대한 빔을 발생시키는 엘리먼트는 상호 결합을 감소시키고 전체 주파수 범위에 걸쳐 높은 방사 효율을 유지하는 방식으로 배치된다. 일 실시 예에 있어서, 안테나는 튜닝가능 LC 물질을 이용하여 제어될 수 있는 단일 또는 다중 대역 모드에서 동작할 수 있다. 즉, 안테나는, 다중 대역 모드에서 더 큰 튜닝 범위를 커버하는데 이용되는 수신 엘리먼트의 2개의 세트가 있을 때 처럼, 안테나 엘리먼트에서 튜닝가능 LC 물질을 제어하는 것에 의해 여러 대역에 대한 안테나 엘리먼트의 세트를 이용할 수 있고, 또는 단일 대역 모드에서와 동일한 동작 주파수 양쪽을 커버하도록 결합된 방식으로 안테나 엘리먼트의 세트를 이용할 수 있다. 단일 대역 모드 또는 다중 대역 모드에서 동작하기 위한 자유도는 다중 빔 안테나(multi-beam antenna)를 만드는데 활용될 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예의 하나의 목적은 방사 특성을 저하시키는 것 없이 주어진 원통형 개구면 안테나 크기(cylindrical aperture antenna size)에 대해 더 넓은 동적 대역폭을 달성하고 독립적 제어로 다수의 수신 빔을 발생시킬 수 있도록 하는 것이다. 이는 위성 콘스텔레이션(satellite constellation)에 대한 연결이 유지될 수 있도록 "MBB(make-before-break)" 개념이 필요한 LEO, MEO 또는 GEO 콘스텔레이션을 구비하는 위성 통신에 상당한 이점을 제공한다. 일 실시 예에 있어서, 다중 빔 안테나에 따르면, 빔 중 하나가 다른 위성 연결이 손실되기 전에 다음에 나타나는 위성에 대해 향할 수 있다. 이러한 방식으로 수신 대역의 연속성이 유지될 수 있다.

본 발명의 실시 예는 이하의 이점 중 하나 이상을 갖는다: 1) 2GHz의 더 넓은 튜닝 범위 및 동일한 개구면 크기에 대한 튜닝 범위에 걸쳐 거의 일정한 방사 특성을 갖고; 2) 다중 빔 모드에서 동작할 때 빔 방향을 제어하는데 더 많은 자유도를 갖는다.

도 1은 위성 안테나 개구면을 위한 RF 방사 안테나 엘리먼트의 레이아웃의 일 실시 예를 예시한다. 도 1을 참조하면, 개구면(10)은 RF 방사 안테나 엘리먼트의 3개의 세트를 포함하고, 각 세트는 다른 대역에 대한 것이다. 일 실시 예에 있어서, 각 RF 방사 엘리먼트는, 이하 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 패치/슬롯 쌍(patch/slot pair)을 구비한다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트의 3개의 세트 중 첫 번째는 제1 주파수에서 수신 빔(receive beam)을 발생시키기 위한 것이고, 안테나 엘리먼트의 3개의 세트 중 두 번째는 (제1 주파수와 다른) 제2 주파수에서 수신 빔을 발생시키기 위한 것이며, 안테나 엘리먼트의 3개의 세트 중 세 번째는 (제1 및 제2 주파수와 다른) 제3 주파수에서 송신 빔(transmit beam)을 발생시키기 위한 것이다. 동작의 결합된 모드에서 다수 그룹이 동일한 주파수에서 동작될 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트의 각 세트로부터 하나의 안테나 엘리먼트가 그룹화되어 링(rings)으로 함께 배치된다. 예컨대, 안테나 엘리먼트 그룹(11)은 3개의 엘리먼트를 포함하고, 안테나 엘리먼트의 각 그룹(예컨대, 안테나 엘리먼트 그룹(11))에서 각 엘리먼트는 다른 대역을 커버하기 위한 것이다. 대안적인 실시 예에 있어서, 엘리먼트 그룹은 4개 이상의 엘리먼트(예컨대, 2개의 송신 엘리먼트 및 2개의 수신 엘리먼트, 3개의 수신 엘리먼트 및 하나 이상의 송신 엘리먼트 등)를 포함함을 주지해야 한다.

일 실시 예에 있어서, 엘리먼트의 각 그룹(예컨대, 안테나 엘리먼트 그룹(11))에서 하나의 엘리먼트는 제1 수신 대역을 위한 것이고, 엘리먼트의 각 그룹(예컨대, 안테나 엘리먼트 그룹(11))에서 하나의 엘리먼트는 제2 수신 대역을 위한 것이며, 엘리먼트의 각 그룹(예컨대, 안테나 엘리먼트 그룹(11))에서 하나의 엘리먼트는 송신 대역을 위한 것이다. 2개의 수신 대역은 (그들의 주파수에서 서로에 대해) 저 대역(low band) 및 고 대역(high band)을 포함한다. 일 실시 예에 있어서, (여기서 Rx1로서 지칭되는) 각 저 대역 엘리먼트는 (여기서 Rx2로서 지칭되는) 고 대역 수신 엘리먼트와 송신 엘리먼트(Tx) 사이에 배치된다.

일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트 그룹 (예컨대, 안테나 엘리먼트 그룹(11))은 링(12)에 배치된다. 4개의 링이 도 1에 도시되어 있지만, 전형적으로 더 많은 안테나 엘리먼트의 링이 있다. 즉, 여기서 설명된 기술은 4개의 링을 이용하는 것으로 제한되지 않고, 소정 수의 링(예컨대, 5, 6, ..., 10, 20, .... 100 등)을 가질 수 있다. 더욱이, 링이 도 1에 도시되어 있지만, 여기서 설명된 기술은 링을 이용하는 것으로 제한되지 않고 그룹의 다른 배치(예컨대, 나선형(spirals), 그리드(grids) 등)가 이용될 수 있다. 이러한 배치의 예가 발명의 명칭이 "원통형 급전 안테나를 위한 안테나 엘리먼트 배치(Antenna Element Placement for a Cylindrically Fed Antenna)"인 미국 특허 제9,905,921호에 도시된다.

일 실시 예에 있어서, 배치는 엘리먼트의 다른 세트와 함께 개구면 상의 안테나 엘리먼트의 각 세트에 대해 이용가능한 물리적 공간을 기초로 제한된다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트의 배치에 대한 다른 제약은 안테나 엘리먼트를 구동시키기 위한, 각 안테나 엘리먼트에 고유 어드레스(unique address)가 부여되어지는 것을 요구하는, 매트릭스 구동(matrix drive)의 이용이다. 일 실시 예에 있어서, 고유 어드레스를 요구하는 것에 의해, 열 및 행 라인이 각 안테나 엘리먼트를 구동시키는데 이용되고, 따라서 이러한 라인의 라우팅(routing)을 수용하기 위한 공간은 배치를 제한한다.

안테나 컨트롤러(13)는 안테나 엘리먼트의 개구면을 제어한다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 컨트롤러(13)는 서브-어레이 컨트롤러(1), 서브-어레이 컨트롤러(2), 서브-어레이 컨트롤러(3) 등을 포함하는 안테나 엘리먼트 어레이 컨트롤러(13A)를 구비하고, 각 서브-어레이 컨트롤러(1-N)는 특정 주파수 대역에 대한 빔을 발생시키도록 안테나 엘리먼트의 세트 중 하나를 제어한다. 일 실시 예에 있어서, 이들 컨트롤러는 안테나 엘리먼트를 제어하기 위해 구동 신호(drive signals)를 발생시키도록 매트릭스 구동 제어 로직(matrix drive control logic)을 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 이들 컨트롤러는 빔을 발생시키기 위해(예컨대, 홀로그래픽 기술을 매개로 빔을 발생시키기 위해) 엘리먼트에 인가되는 전압을 제어한다.

도 2는 특정 튜닝 범위에 걸쳐 위성 안테나 개구면의 일 실시 예에 대한 안테나 엘리먼트의 레이아웃의 일 실시 예의 동적 이득 대역폭의 예를 예시한다. 도 2를 참조하면, 그래프(21)는 저 수신 대역(low receive band)(Rx1)에 의해 커버되는 대역폭을 예시하고, 그래프(22)는 고 수신 대역(high receive band)(Rx2)에 의해 커버되는 대역폭을 예시하며, 그래프(23)는 송신 대역(transmit band)(Tx)에 의해 커버되는 대역폭을 예시한다.

일 실시 예에서, 저 수신 대역(Rx1)과 고 수신 대역(Rx2)은 서로 중첩된다. 이러한 중첩은 필요로 되지 않고 수신 대역에 대한 안테나 엘리먼트는 대역이 다른 구성에서 멀리 떨어지도록 제어될 수 있다. 더욱이, 다수의 송신 대역이 있는 실시 예에 있어서, 송신 대역은 그들의 제어에 따라 중첩되거나 중첩되지 않을 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 수신 대역의 중첩 영역에서 높은 이득을 얻기 위해 양쪽 인접하는 대역이 결합 모드(combined mode)에서 이용된다. 이는 동작의 단일 모드에서 서브-대역 중 어느 것을 이용하는 것보다 더 높은 효율을 제공한다.

도 3은 각각 다른 주파수 대역에 대해 각각, 엘리먼트의 3개의 세트를 갖춘 단일 안테나 개구면에 대한 S21 크기의 예를 예시한다. 도 3을 참조하면, 그래프(31)는 저 수신 대역(Rx1)에 대한 성능을 나타내고, 그래프(32)는 고 수신 대역(Rx2)에 대한 성능을 나타내고, 그래프(33)는 송신 대역(Tx)에 대한 성능을 나타낸다.

넓은 주파수 범위(wide frequency range)에서 동작하는 하나의 안테나를 갖는 것은 많은 응용 분야에서 매우 가치 있고 관심이 있음을 주지해야 한다. 일 실시 예에 있어서, 여기서 설명된 넓은 튜닝 범위 안테나는 다수의 협 대역폭 안테나를 대체하는데 이용되고, 크기, 무게 및 비용을 효과적으로 감소시킨다. 일 실시 예에 있어서, 안테나는 방사 엘리먼트의 상부에 로딩된 LC 구성요소를 이용하여 전기적으로 튜닝되고, 동작 주파수가 튜닝 범위에 걸쳐 거의 일정하게 방사 특성을 유지하면서 변경된다.

일 실시 예에 있어서, 안테나의 일 실시 예는 수신에 대해 10.7-12.75GHz 및 송신에 대해 13.7-14.7GHz를 커버하는 넓은 주파수 범위에서 안테나를 동작시키도록 독립적으로 튜닝되는 엘리먼트의 3개의 개별 세트를 갖는다. 이는 독립적으로 제어될 수 있는 수신을 위한 2개의 방사선 빔(radiation beams)(예컨대, 2개의 수신 대역)을 갖추는 것을 가능하게 한다.

배치되어 독립적으로 제어되는 엘리먼트를 갖는 안테나의 패턴을 제어하기 위한 여러 방법이 있다. 도 1에 도시된 안테나 개구면과 같은, 일 실시 예에 있어서, 2개의 Rx 엘리먼트는 2개의 빔을 생성하기 위해 독립적으로 그리고 동시에 동작된다. 일 실시 예에 있어서, 대역 중 하나는 대역 간섭(band interference)(상호 결합)을 감소시키고, 잠재적으로 최소화하기 위한 상태(state)로 구동된다. 일 실시 예에 있어서, 2개의 수신 대역은 또한 더 높은 이득을 갖는 하나의 빔을 형성하도록 함께 동작된다. 이 경우, 엘리먼트로부터의 에너지 누설(energy leaking)은 하나의 빔을 형성하기 위해 적극적으로(constructively) 상호작용한다.

안테나 엘리먼트의 여러 배치를 갖는 것을 포함하는 다수의 대안적인 실시 예가 있음을 주지해야 한다. 도 4a 내지 도 4c는 (시프트되지 않은) 엘리먼트의 여러 배치 배열을 도시하는 단위 셀의 레이아웃의 실시 예를 예시하고, 도 4d 및 4e는 시프트된 Tx 엘리먼트를 갖는 제2 배치 옵션을 이용하는 단위 셀의 레이아웃의 실시 예를 예시한다. 즉, RF 방사 안테나 엘리먼트에 대해, 다음으로 한정되는 것은 아니지만 이를 포함하는, 여러 배치 옵션이 있다:

1) 옵션 1: 저 대역 엘리먼트(Rx1)가 도 1 및 도 4a에서 예시된 바와 같이 고 대역 수신 안테나 엘리먼트(Rx2)와 송신 안테나 엘리먼트(Tx) 사이에 존재한다.

2) 옵션 2: 송신 엘리먼트(Tx)가 도 4b에 도시된 바와 같이 저 대역 안테나 엘리먼트(Rx1)와 고 대역 수신 안테나 엘리먼트(Rx2)의 중간에 존재한다.

3) 옵션 3: 고 대역 수신 안테나 엘리먼트(Rx2)가 도 4c에 도시된 바와 같이 송신 안테나 엘리먼트(Tx) 및 저 대역 안테나 엘리먼트(Rx1)의 중간에 존재한다.

4) 시프트된 엘리먼트: 도 4a-4c의 상위 3개의 배치 옵션에서의 안테나 엘리먼트 중 어느 것의 배치는 상호 결합을 제어하도록 시프트될 수 있다.

도 4d 및 도 4e에 예시된 바와 같이, Tx 안테나 엘리먼트는 중심의 안쪽으로 또는 바깥쪽으로 반경 방향으로 시프트될 수 있다.

엘리먼트가 서로에 대해 균일하게 공간지워질 필요가 없음을 주지해야 한다. 엘리먼트 간의 상호 결합이 안테나의 성능을 저하시키지 않는 한(예컨대, 방사 효율이 저하됨), 엘리먼트는 서로에 대해 균등하게 공간지워질 필요는 없다. 일 실시 예에 있어서, 엘리먼트 사이의 거리는 자유 공간 파장(freespace wavelength)/10이고, 엘리먼트의 폭은 자유 공간 파장/20이다.

도 4d 및 4e를 참조하면, Tx 안테나 엘리먼트는 엘리먼트 축을 따라 0.025" 위쪽으로 시프트되고 엘리먼트 축을 따라 0.025" 아래로 각각 시프트된다. 이 오프셋은 대역간 간섭(interband interference)을 감소시키는데 도움이 됨을 주지해야 한다. 대안적인 실시 예에 있어서, 오프셋은 0.025"로부터 0.05"까지의 범위이다. 다른 크기의 오프셋이 가능하고 이용될 수 있음을 주지해야 한다.

또한 인접하는 그룹 사이에서 엘리먼트의 방향은 결합(coupling)을 감소시키는데 도움이 됨을 주지해야 한다. 예컨대, 수직이거나 유사한 방향인 엘리먼트의 여러 그룹(예컨대, 3개의 엘리먼트의 여러 세트)에서 서로에 대해 인접하는 엘리먼트는 서로 유사한 방향을 갖춘 엘리먼트 보다 적은 결합을 갖는다.

일 실시 예에 있어서, 엘리먼트 그룹(예컨대, 안테나 엘리먼트그룹(11))의 엘리먼트 중 적어도 하나는 그룹의 다른 엘리먼트에 관하여 회전된다. 이 경우, 엘리먼트는 서로에 관하여 평행하지 않다. 도 4f는 다른 2개 중 적어도 하나에 관하여 회전된 하나의 엘리먼트를 갖는 3개의 엘리먼트의 배열의 예를 예시한다. 회전된 엘리먼트의 일부가 다른 엘리먼트 중 하나 이상에 더 가깝기 때문에, 이는 상호 결합에 대한 가능성을 증가시킨다. 증가된 상호 결합을 회피하기 위해, 회전된 엘리먼트의 주파수는 회전된 엘리먼트의 일부가 가까이 있는 소정의 엘리먼트의 주파수 대역으로부터 더 먼 주파수 대역으로부터 선택될 수 있다. 예컨대, 일 실시 예에 있어서, Tx 안테나 엘리먼트는 2개의 Rx 안테나 엘리먼트(예컨대, Rx1 및 Rx2) 사이에 있지만; 송신 대역에 대한 동작 주파수가 수신 대역으로부터 멀리 떨어져 있기 때문에(예컨대, 송신에 대해 13.7-14.7GHz 사이 및 수신에 대해 10.7-12.75 사이), 상호 결합은 안테나 효율의 감소를 야기시키기 위한 방식으로 증가되지 않는다.

슬롯 크기는 동작의 주파수를 기초로 선택됨을 주지해야 한다. 따라서, 엘리먼트가 빔을 발생시키는 대역을 기초로, 엘리먼트의 크기가 변할 수 있다. 그러나, 크기는 상호 결합에 의해 제한된다. 엘리먼트가 클수록 상호 결합에 대한 기회가 더 커진다는 것을 의미한다. 따라서, 안테나 엘리먼트의 크기는 다른 안테나 엘리먼트와의 상호 결합에 대한 그의 영향을 기초로 선택된다.

일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트의 여러 세트는 수신 대역 및 송신 대역 중 하나에 대한 안테나 엘리먼트가 위성과 통신하는 한편 다른 수신 대역이 다른 위성의 획득을 위해 이용되도록 제어된다. 이는, 이에 한정되지는 않지만, (예컨대, 이동하는 차량 또는 선박에 부착된) 위성과 통신하는 동안 안테나가 이동하고, 안테나는 통신하고 있는 안테나와의 위성 링크가 손실될 것이고 다른 위성과의 위성 링크가 가까운 미래에 설정될 필요가 있을 때를 포함하는 다수의 어플리케이션에서 야기될 수 있다.

독립적이고 동시에 제어될 수 있는 안테나 엘리먼트의 다수 세트를 갖는 것은 다수의 부가적 이용을 제공한다. 이용 중 하나는 튜닝가능 포인팅 방향(tunable pointing directions)으로 다중-빔 안테나를 발생시키는 것을 가능하게 하는 것이다. 이는 위성 콘스텔레이션(satellite constellation)에 대한 연결이 유지될 수 있도록 "MBB(make-before-break)" 개념이 필요한 LEO, MEO 또는 GEO 콘스텔레이션을 구비하는 위성 통신에 대해 상당한 이점을 제공한다. 예컨대, 일 실시 예에 있어서, 다중 빔 안테나(multi beam antenna)에 따라, 빔 중 하나는 다른 위성 연결이 손실되기 전에 다음에 나타나는 위성을 가리키도록 제어될 수 있다. 이러한 방식으로 수신 대역의 연속성이 유지될 수 있다.

도 5a 내지도 5c는 안테나 개구면을 제어하기 위한 프로세스의 일 실시 예의 흐름도이다. 이 경우, 안테나 개구면은 수신 안테나 엘리먼트의 2개의 세트 및 송신 안테나 엘리먼트의 1개의 세트를 갖는다. 도 5a를 참조하면, 안테나가 수신(Rx) 단일 대역 모드에서 동작할 때, 안테나 개구면은 단일 송신 빔(single transmit beam) 및 수신 안테나 엘리먼트 중 하나의 세트를 이용하여 단일 수신 빔(single receive beam)을 생산한다. 이 경우, 빔 포인팅 정보(beam pointing information; 501)는 수신 빔이 가리키는 곳을 특정하는 정보 및 송신 빔이 가리키는 곳을 특정하는 정보를 포함한다. 이 정보는 수신 안테나 엘리먼트의 제1 세트에 대한 수신 변조 및 송신 안테나 엘리먼트의 세트에 대한 송신 변조를 제어하는 한편, 수신 안테나 엘리먼트의 제2 세트에 대한 변조는 오프(off)이다. Rx1 변조(Rx1 modulation; 502) 및 Tx 변조(Tx modulation; 504)는 빔 형성(beam forming; 506)을 이용하여 수신 빔 및 송신 빔을 형성하기 위해 Rx1 변조(502) 및 Tx 변조(504)를 이용하는 컨트롤러(controller; 505)에 각각 수신 및 송신 변조 제어 신호를 제공한다.

도 5b를 참조하면, 안테나가 수신(Rx) 결합 대역 모드(combined band mode)에서 동작할 때, 안테나 개구면은, 수신 안테나 엘리먼트의 양쪽 세트를 이용하여, 단일 수신 빔 및 단일 송신 빔을 생산한다. 이러한 경우, 빔 포인팅 정보(511)는 수신 빔이 가리키는 곳을 특정하는 정보 및 송신 빔이 가리키는 곳을 특정하는 정보를 포함한다. 이 정보는 수신 안테나 엘리먼트의 제1 및 제2 세트에 대한 수신 변조 및 송신 안테나 엘리먼트의 세트에 대한 송신 변조를 제어한다. Rx1 변조(512) 및 Rx2 변조(513)는 컨트롤러(515)에 수신 변조 제어 신호를 제공하는 한편, Tx 변조(514)는 컨트롤러(515)에 송신 변조 제어 신호를 제공한다. 컨트롤러(515)는 수신 빔을 형성하기 위해 Rx1 변조(512) 및 Rx2 변조(513)를 이용하고 빔 형성(516)을 이용하여 송신 빔을 형성하기 위해 Tx 변조(514)를 이용한다.

도 5c를 참조하면, 안테나가 수신(Rx) 다중-빔 모드에서 동작할 때, 안테나 개구면은, 수신 안테나 엘리먼트의 양쪽 세트를 이용하여, 2개의 수신 빔 및 단일 송신 빔을 생산한다. 이러한 경우, 빔 포인팅 정보(521)는 수신 빔이 가리키는 곳을 특정하는 정보 및 송신 빔이 가리키는 곳을 특정하는 정보를 포함한다. 이 정보는 수신 안테나 엘리먼트의 제1 및 제2 세트에 대한 수신 변조 및 송신 안테나 엘리먼트의 세트에 대한 송신 변조를 제어한다. Rx1 변조(522) 및 Rx2 변조(523)는 컨트롤러(525)에 수신 변조 제어 신호를 제공하는 한편, Tx 변조(524)는 컨트롤러(525)에 송신 변조 제어 신호를 제공한다. 컨트롤러(525)는 빔 형성(516)을 이용하여 여러 방향을 가리키는 2개의 수신 빔을 형성하기 위해 Rx1 변조(522) 및 Rx2 변조(523)와 송신 빔을 형성하기 위해 Tx 변조(524)를 이용한다.

일 실시 예에 있어서, 유클리드 변조 방식(Euclidean modulation scheme)이, 2018년 1월 26일에 출원된, 발명의 명칭이 "제한된 유클리드 변조(Restricted Euclidean Modulation)"인, 미국 특허 출원번호 제15/881,440호에 설명된 바와 같이, RF 방사 안테나 엘리먼트를 제어하는데 이용된다. 이러한 스케쥴에서, 잘 알려져 있고 아래에서보다 상세하게 설명되는, 홀로그래픽 빔포밍(holographic beamforming)의 일부로서 빔을 발생시키기 위해 그들의 동작을 제어하도록 각 엘리먼트의 세트에 대해 선택될 수 있는 다수의 이용가능한 공진 튜닝 상태(resonant tuning states)가 있다. 예컨대, 일 실시 예에 있어서, RF 방사 안테나 엘리먼트의 각 세트는 16개의 튜닝 상태를 갖고 이들 상태에 대해 개별적으로 제어된다.

일 실시 예에 있어서, 각 세트는 하나의 모드에서 자신의 빔을 형성하기 위해 개별적으로 제어될 수 있지만, RF 방사 안테나 엘리먼트의 세트 중 2개 이상은 도 5b에서 설명된 바와 같이 다른 모드에서 단일 빔을 형성하기 위해 함께 이용된다. 일 실시 예에 있어서, RF 방사 안테나 엘리먼트의 2개 이상의 세트는 단일 수신 빔을 형성하기 위해 함께 이용되는 수신 안테나 엘리먼트의 2개의 세트이다. 송신 안테나 엘리먼트의 2개의 세트가 단일 송신 빔을 형성하기 위해 함께 이용됨을 주지해야 한다. 이 경우, 안테나 엘리먼트의 2개의 세트가 단일 빔을 발생시키는데 이용되고, 엘리먼트의 2개의 세트로부터 이용가능한 공진 튜닝 상태는 단일 빔을 형성하기 위해 하나의 포괄적 유클리드 변조 방식으로 함께 결합된다. 예컨대, 도 5a 내지 도 5c의 수신 안테나 엘리먼트(Rx1 및 Rx2)를 동작시킬 때, 그들 양쪽은 다른 공진기 설정을 갖고 있고, 각각 그들의 독립적인 상태로 튜닝된다는 점에서 해당 특성으로부터 그들을 독립적으로 만든다. 양쪽이 16개의 튜닝 상태를 갖는다면, 수신 안테나 엘리먼트 세트의 양쪽이 함께 이용될 때, 32개의 튜닝 상태를 달성한다. 이는 형성되는 단일 수신 빔을 정의하기 위해 더 많은 충실도(fidelity)를 제공한다. 일 실시 예에 있어서, 다른 모드에서, 도 5a 내지 도 5c에서 모든 엘리먼트 세트가 동작될 수 있음에 따라 3개의 빔은 모두 다른 방향 및/또는 편파성으로 스티어링되어 안테나로부터 나온다.

안테나 실시 예의 예

상기 개시된 기술은 평면 패널 안테나(flat panel antennas)와 함께 이용될 수 있다. 이러한 평면 패널 안테나의 실시 예가 개시된다. 평면 패널 안테나는 안테나 개구면 상에서 안테나 엘리먼트의 하나 이상의 어레이를 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트는 액정 셀(liquid crystal cells)을 구비한다. 일 실시 예에 있어서, 평면 패널 안테나는 행 및 열로 배치되지 않은 각각의 안테나 엘리먼트를 고유하게 어드레싱하고 구동하기 위해 매트릭스 구동 회로를 포함하는 원통형 급전 안테나(cylindrically fed antenna)이다. 일 실시 예에 있어서, 엘리먼트는 링으로 배치된다.

일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트의 하나 이상의 어레이를 갖춘 안테나 개구면은 함께 결합된 다수 세그먼트로 구성된다. 함께 결합될 때, 세그먼트의 결합은 안테나 엘리먼트의 폐쇄된 동심 링(closed concentric rings)을 형성한다. 일 실시 예에 있어서, 동심 링은 안테나 피드에 대해 동심(concentric)이다.

안테나 시스템의 예

일 실시 예에 있어서, 평면 패널 안테나는 메타물질 안테나 시스템( metamaterial antenna system)의 일부이다. 통신 위성 지구국을 위한 메타물질 안테나 시스템의 실시 예가 개시된다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템은 민간 상업 위성 통신용 Ka-대역 주파수 또는 Ku-대역 주파수를 이용하여 동작하는 모바일 플랫폼(예컨대, 항공, 해상, 육상 등)에서 동작하는 위성 지구국(ES; earth station)의 구성요소 또는 서브시스템이다. 안테나 시스템의 실시 예는 또한 모바일 플랫폼 상에 있지 않은 지구국(예컨대, 고정 또는 운송가능한 지구국)에서 이용될 수 있음을 주지해야 한다.

일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템은 개별 안테나를 통해 송신 및 수신 빔을 형성 및 스티어링하기 위해 표면 산란 메타물질 기술을 이용한다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템은 (예컨대, 위상 어레이 안테나(phased array antennas)와 같이) 빔을 전기적으로 형성하고 스티어링하기 위해 디지털 신호 처리를 채택하는 안테나 시스템과는 달리 아날로그 시스템이다.

일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템은 3개의 기능적 서브시스템으로 구성된다: (1) 원통형 파 급전 구조(cylindrical wave feed architecture)로 구성된 도파관 구조체(wave guiding structure); (2) 안테나 엘리먼트의 일부인 파 산란 메타물질 단위 셀(wave scattering metamaterial unit cells)의 어레이; 및 (3) 홀로그래픽 원리를 이용하여 메타물질 산란 엘리먼트로부터 조정가능한 방사선 필드(빔)의 형성을 명령하기 위한 제어 구조체.

안테나 엘리먼트

도 6은 원통형으로 급전된 홀로그래픽 방사형 개구면 안테나의 일 실시 예의 개략도를 예시한다. 도 6을 참조하면, 안테나 개구면은 원통형 급전 안테나의 입력 피드(602; input feed) 주위에서 동심 링으로 배치되는 안테나 엘리먼트(603)의 하나 이상의 어레이(601)를 갖는다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트(603)는 RF 에너지를 방사하는 무선 주파수(RF) 공진기이다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트(603)는 안테나 개구면의 전체 표면 상에서 인터리브(interleaved) 및 분포(distributed)되는 Rx 및 Tx 아이리스 (irises) 양쪽을 구비한다. 이러한 Rx 및 Tx 아이리스, 또는 슬롯은 각 세트가 개별적으로 동시에 제어된 대역을 위한 3개 이상의 세트의 그룹으로 될 수 있다. 아리리스를 갖는 이러한 안테나 엘리먼트의 예는 이하 더욱 상세히 개시된다. 여기에 개시된 RF 공진기는 원통형 피드(cylindrical feed)를 포함하지 않는 안테나에 이용될 수 있음을 주목해야 한다.

일 실시 예에 있어서, 안테나는 입력 피드(602; input feed)를 통해 원통형 파 피드(cylindrical wave feed)를 제공하기 위해 이용되는 동축 피드(coaxial feed)를 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 원통형 파 피드 구조는 피드 지점으로부터 원통형 방식으로 바깥쪽으로 확산하는 여기(excitation)로 중심점으로부터 안테나를 급전한다. 즉, 원통형 급전 안테나는 바깥쪽으로 진행하는 동심 피드 파(outward travelling concentric feed wave)를 생성한다. 그럼에도 불구하고, 원통형 피드 주위의 원통형 피드 안테나의 형상은 원형, 정사각형 또는 소정의 형상일 수 있다. 다른 실시 예에 있어서, 원통형 급전 안테나는 안쪽으로 진행하는 피드 파(inward travelling feed wave)를 생성한다. 이러한 경우에, 피드 파는 가장 자연스럽게 원형 구조체로부터 도래한다.

일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트(603)는 아이리스를 포함하고, 도 6의 개구면 안테나는 튜닝가능한 액정(LC) 물질을 통해 아이리스를 방사하기 위해 원통형 피드 파로부터 여기(excitation)를 이용하여 형상화된 메인 빔을 발생시키는데 이용된다. 일 실시 예에 있어서, 안테나는 원하는 스캔 각도에서 수평 또는 수직 편파 전계(horizontally or vertically polarized electric field)를 방사하도록 여기될 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트는 패치 안테나의 그룹을 구비한다. 이 패치 안테나의 그룹은 산란 메타물질 엘리먼트의 어레이를 구비한다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템의 각 산란 엘리먼트는 하부 도전체(lower conductor), 유전체 기판(dielectric substrate), 및 상부 도전체에서 에칭되거나 그에 대해 증착되는 상보 전기 유도-용량성 공진기(complementary electric inductive-capacitive resonator)("상보 전기 LC"또는 "CELC")를 내장하는 상부 도전체(upper conductor)로 구성되는 단위 셀의 일부분이다. 당업자에 의해 이해되어지는 바와 같이, CELC의 맥락에서 LC는 액정과는 달리 인덕턴스-캐패시턴스(inductance-capacitance)를 지칭한다.

일 실시 예에 있어서, 액정(LC)은 산란 엘리먼트 주위의 갭에 배치된다. 이 LC는 상기한 직접 구동 실시 예에 의해 구동된다. 일 실시 예에 있어서, 액정은 각 단위 셀로 캡슐화되고, 슬롯과 관련된 하부 도전체를 그 패치와 관련된 상부 도전체로부터 분리한다. 액정은 액정을 구비하는 분자의 배향의 함수인 유전율(permittivity)을 가지며, 분자의 배향(및 따라서 유전율)은 액정을 가로지르는 바이어스 전압을 조정하는 것에 의해 제어될 수 있다. 이 특성을 이용하면, 일 실시 예에 있어서, 액정은 유도 파(guided wave)로부터 CELC로 에너지의 송신을 위한 온/오프 스위치를 통합한다. 스위치가 온될 때, CELC는 전기적으로 작은 다이폴 안테나(dipole antenna)와 같은 전자기 파(electromagnetic wave)를 방출한다. 여기서의 교시는 에너지 전달과 관련하여 이진 방식(binary fashion)으로 동작하는 액정을 갖춘 것으로 제한되지는 않는다.

일 실시 예에 있어서, 이 안테나 시스템의 피드 형상은 안테나 엘리먼트가 파 피드(wave feed)에서 파의 벡터에 대해 45도(45°) 각도로 위치되도록 할 수 있다. 다른 위치(예컨대, 40° 각도)가 이용될 수 있음을 주지해야 한다. 엘리먼트의 이러한 위치는 엘리먼트에 의해 수신되거나 엘리먼트로부터 송신/방사되는 자유 공간파(free space wave)의 제어를 가능하게 한다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트는 안테나의 동작 주파수의 자유-공간 파장(free-space wavelength)보다 작은 엘리먼트간 공간(inter-element spacing)으로 배열된다. 예컨대, 파장 당 4개의 산란 엘리먼트가 있다면, 30GHz 송신 안테나에서의 엘리먼트는 약 2.5mm이다(즉, 30GHz의 10mm 자유 공간 파장의 1/4).

일 실시 예에 있어서, 엘리먼트의 2개의 세트는 서로 직교하고 동일한 튜닝 상태로 제어되면 동일한 진폭 여기(equal amplitude excitation)를 갖는다. 피드 파 여기에 대해 +/-45도 회전하면 원하는 특징을 한 번에 달성할 수 있다. 한 세트를 0도 회전시키고 다른 하나를 90도 회전시키면 수직 목표는 달성되지만, 동일한 진폭 여기 목표는 달성되지 않는다. 2개의 측으로부터 단일 구조체로 안테나 엘리먼트의 어레이를 피딩(feeding)할 때 0도 및 90도가 격리(isolation)를 달성하는데 이용될 수 있다.

각 단위 셀로부터 방사되는 전력의 양은 컨트롤러를 이용하여 패치(LC 채널을 가로지르는 전위)에 전압을 인가하는 것에 의해 제어된다. 각 패치에 대한 트레이스(traces)는 패치 안테나에 전압을 제공하는데 이용된다. 전압은 캐패시턴스를 튜닝 또는 디튜닝하기 위해 이용되고, 따라서 빔 형성을 유발하기 위한 개별 엘리먼트의 공명 주파수(resonance frequency)이다. 요구되는 전압은 이용되는 액정 혼합물(liquid crystal mixture)에 의존한다. 액정 혼합물의 전압 튜닝 특성은 액정이 전압 및 포화 전압에 의해 영향을 받기 시작하는 임계 전압에 의해 주로 설명되고, 이 보다 높은 전압의 증가는 액정에서 큰 튜닝을 야기시키지 않는다. 이들 두 가지 특징 파라미터는 여러 액정 혼합물에 대해 변할 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 위에서 논의된 바와 같이, 매트릭스 드라이브(matrix drive)는 각 셀에 대한 별도의 연결을 갖는 것 없이 모든 다른 셀로부터 개별적으로 각 셀을 구동하기 위해 (직접 구동) 패치에 전압을 인가하는데 이용된다. 엘리먼트의 높은 밀도 때문에, 매트릭스 드라이브는 각 셀을 개별적으로 처리하는데 효율적인 방법이다.

일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템의 제어 구조체는 2개의 주요 구성요소를 갖는다: 안테나 시스템을 위한 구동 전자기기(drive electronics)를 포함하는 안테나 어레이 컨트롤러는 (여기서 설명된 바와 같은 표면 산란 안테나 엘리먼트의) 파 산란 구조체(wave scattering structure) 아래에 있는 한편, 매트릭스 구동 스위칭 어레이(matrix drive switching array)는 방사를 방해하지 않는 방식으로 방사 RF 어레이(radiating RF array) 전체에 걸쳐 산재된다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템을 위한 구동 전자기기는 해당 엘리먼트에 대한 AC 바이어스 신호의 진폭 또는 듀티 사이클을 조정하는 것에 의해 각 산란 엘리먼트에 대한 바이어스 전압을 조정하는 상업용 텔레비전 기기에 이용되는 상용 기성품 LCD 제어기기를 구비한다.

일 실시 예에 있어서, 안테나 어레이 컨트롤러는 또한 소프트웨어를 실행하는 마이크로프로세서를 포함한다. 제어 구조체는 프로세서에 위치(location) 및 방위(orientation) 정보를 제공하기 위해 센서(예컨대, GPS 수신기, 3축 나침반, 3축 가속도계, 3축 자이로, 3축 자력계 등)를 통합할 수 있다. 위치 및 방위 정보는 지구국의 다른 시스템 및/또는 안테나 시스템의 일부가 아닐 수 있는 다른 시스템에 의해 프로세서에 제공될 수 있다.

특히, 안테나 어레이 컨트롤러는 동작 주파수에서 어느 위상 및 진폭 레벨로 어느 엘리먼트가 턴 오프되고 이들 엘리먼트가 턴 온되는지를 제어한다. 엘리먼트는 전압 인가에 의해 주파수 동작에 대해 선택적으로 디튜닝된다(detuned).

송신을 위해, 컨트롤러는 변조 또는 제어 패턴을 생성하기 위해 RF 패치에 전압 신호의 어레이를 공급한다. 제어 패턴은 엘리먼트가 다른 상태로 튜닝되도록 한다. 일 실시 예에 있어서, 다중상태 제어는 다양한 엘리먼트가 다양한 레벨로 턴 온 및 오프되는데 이용되고, 구형파(즉, 정현파 회색 음영 변조 패턴(sinusoid gray shade modulation pattern))와는 대조적으로 정현파 제어 패턴(sinusoidal control pattern)과 더 유사하다. 일 실시 예에 있어서, 몇몇 엘리먼트가 방사되고 몇몇은 그렇지 않기 보다는, 몇몇 엘리먼트는 다른 엘리먼트보다 더 강하게 방사된다. 가변 방사(Variable radiation)는, 변하는 양에 대해 액정 유전율을 조정하는, 특정 전압 레벨을 인가하는 것에 의해 달성되고, 그에 의해 엘리먼트를 가변적으로 디튜닝하고 몇몇 엘리먼트는 다른 엘리먼트보다 더 많이 방사하도록 한다.

엘리먼트의 메타물질 어레이에 의한 집속 빔(focused beam)의 발생은 보강 및 상쇄 간섭의 현상에 의해 설명될 수 있다. 개별 전자기파는 자유 공간에서 만날 때 동일한 위상을 갖으면 합산되고(보강 간섭(constructive interference)), 자유 공간에서 만날 때 반대 위상에 있으면 서로 상쇄된다(상쇄 간섭(destructive interference)). 각 연속 슬롯이 유도 파(guided wave)의 여기 지점과 다른 거리에 위치하도록 슬롯형 안테나(slotted antenna)의 슬롯이 배치되면, 해당 엘리먼트로부터의 산란파(scattered wave)는 이전 슬롯의 산란파와 다른 위상을 가질 것이다. 슬롯이 유도 파장(guided wavelength)의 1/4로 공간지워져 떨어지면, 각 슬롯은 이전 슬롯으로부터 1/4 위상 지연으로 파를 산란시킬 것이다.

어레이를 이용하면, 발생될 수 있는 보강 및 상쇄 간섭의 패턴의 수가 증가될 수 있어 빔은 홀로그래피의 원리를 이용하여 안테나 어레이의 보어 사이트(bore sight)로부터 플러스 또는 마이너스 90도(90°)의 소정 방향으로 이론적으로 가리킬 수 있다. 따라서, 어느 메타물질 단위 셀이 턴 온 또는 오프되는지를 제어하는 것에 의해(즉, 어느 셀이 턴 온되고 어느 셀이 턴 오프되는지의 패턴을 변경하는 것에 의해), 보강 및 상쇄 간섭의 여러 패턴이 발생될 수 있고, 안테나는 메인 빔의 방향을 변경시킬 수 있다. 단위 셀을 턴 온 및 오프하는데 요구되는 시간은 빔이 한 위치에서 다른 위치로 스위칭될 수 있는 속도를 좌우한다.////

일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템은 업링크 안테나(uplink antenna)를 위한 하나의 스티어링가능 빔(steerable beam) 및 다운링크 안테나를 위한 하나의 스티어링가능 빔을 발생시킨다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템은 빔을 수신하고 위성으로부터 신호를 디코딩하며 위성을 직접 향하게 되는 송신 빔을 형성하기 위해 메타물질 기술을 이용한다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템은 (예컨대, 위상 어레이 안테나와 같이) 빔을 전기적으로 형성하고 스티어링하기 위해 디지털 신호 처리를 채택하는 안테나 시스템과는 달리 아날로그 시스템이다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템은, 특히 종래의 위성 접시 수신기(satellite dish receivers)와 비교할 때, 평면이고 비교적 낮은 프로파일인 "표면(surface)" 안테나로 고려된다.

도 7은 접지 평면(ground plane) 및 재구성가능 공진기 층(reconfigurable resonator layer)을 포함하는 안테나 엘리먼트의 하나의 행의 사시도를 예시한다. 재구성 가능한 공진기 층(1230)은 튜닝가능 슬롯(1210; tunable slots)의 어레이를 포함한다. 튜닝가능 슬롯(1210)의 어레이는 원하는 방향으로 안테나가 향하도록 구성될 수 있다. 각 튜닝가능 슬롯은 액정을 가로지르는 전압을 변화시키는 것에 의해 튜닝/조정될 수 있다.

제어 모듈, 또는 컨트롤러(1280)는 도 8a에서 액정을 가로지르는 전압을 변경시키는 것에 의해 튜닝가능 슬롯(1210)의 어레이를 변조하기 위해 재구성가능 공진기 층(1230)에 결합된다. 제어 모듈(1280)은 "FPGA"(Field Programmable Gate Array), 마이크로프로세서, 컨트롤러, SoC(System-on-a-Chip), 또는 다른 처리 로직을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 제어 모듈(1280)은 튜닝가능 슬롯(1210)의 어레이를 구동하기 위한 논리 회로(예컨대, 멀티플렉서(multiplexer))를 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 제어 모듈(1280)은 홀로그래픽 회절 패턴(holographic diffraction pattern)이 튜닝가능 슬롯(1210)의 어레이 상에서 구동되어지도록 하기 위한 사양을 포함하는 데이터를 수신한다. 홀로그래픽 회절 패턴은 홀로그래픽 회절 패턴이 통신을 위해 적절한 방향으로 다운링크 빔(및 안테나 시스템이 송신을 수행하면 업링크 빔)을 스티어링하기 위해 안테나와 위성 사이의 공간적 관계에 응답하여 발생될 수 있다. 각 도면에 도시되지는 않았음에도 불구하고, 제어 모듈(1280)과 유사한 제어 모듈이 본 개시의 도면에 기술된 튜닝가능 슬롯의 각 어레이를 구동할 수 있다.

무선 주파수(Radio Frequency)("RF") 홀로그래피는 또한 RF 참조 빔(RF reference beam)이 RF 홀로그래픽 회절 패턴에 직면할 때 원하는 RF 빔이 발생될 수 있는 유사한 기술을 이용하는 것이 가능하다. 위성 통신의 경우, 참조 빔은, 피드 파(1205; feed wave)(몇몇 실시 예에서 대략 20GHz)와 같은, 피드 파의 형태이다. (송신 또는 수신 목적을 위해) 피드 파를 방사 빔(radiated beam)으로 변환시키기 위해, 간섭 패턴이 원하는 RF 빔(대상 빔(object beam))과 피드 파(참조 빔(reference beam)) 사이에서 계산된다. 간섭 패턴은 피드 파가 (원하는 형상 및 방향을 갖춘) 원하는 RF 빔으로 "스티어링(steered)"되도록 회절 패턴으로서 튜닝가능 슬롯(1210)의 어레이 상에서 구동된다. 즉, 홀로그래픽 회절 패턴에 직면하는 피드 파는 대상 빔을 "재구성(reconstructs)"하고, 이는 통신 시스템의 설계 요구사항에 따라 형성된다. 홀로그래픽 회절 패턴은 각 엘리먼트의 여기를 포함하고, 도파관에서의 파동 식으로서

및 유출 파에 대한 파동 식으로서

를 갖는,

에 의해 계산된다.

도 8a는 튜닝가능 공진기/슬롯(1210)의 일 실시 예를 예시한다. 튜닝가능 슬롯(1210)은 아이리스/슬롯(1212), 방사 패치(1211; radiating patch), 및 아이리스(1212)와 패치(1211) 사이에 배치된 액정(1213)을 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 방사 패치(1211)는 아이리스(1212)와 공동-위치된다.

도 8b는 물리적 안테나 개구면의 일 실시 예의 단면도를 예시한다. 안테나 개구면은 접지 평면(1245), 및 재구성가능 공진기 층(1230)에 포함되는 아이리스 층(1233) 내의 금속 층(1236)을 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 도 8b의 안테나 개구면은 도 8a의 복수의 튜닝가능 공진기/슬롯(1210)을 포함한다. 아이리스/슬롯(1212)은 금속 층(1236)의 개구부(openings)에 의해 정의된다. 도 8a의 피드 파(1205)와 같은, 피드 파는 위성 통신 채널과 호환되는 마이크로파 주파수(microwave frequency)를 가질 수 있다. 피드 파는 접지 평면(1245)과 공진기 층(1230) 사이에서 전파된다.

재구성가능 공진기 층(1230)은 또한 가스켓 층(1232; gasket layer) 및 패치 층(1231)을 포함한다. 가스켓 층(1232)은 패치 층(1231)과 아이리스 층(1233) 사이에 배치된다. 일 실시 예에 있어서, 스페이서는 개스킷 층(1322)을 대체할 수 있음을 주지해야 한다. 일 실시 예에 있어서, 아이리스 층(1233)은 금속 층(1236)으로서 구리 층을 포함하는 인쇄 회로 기판("PCB")이다. 일 실시 예에 있어서, 아이리스 층(1233)은 유리이다. 아이리스 층(1233)은 다른 형태의 기판일 수 있다.

개구부가 슬롯(1212)을 형성하기 위해 구리 층에서 에칭될 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 아이리스 층(1233)은 도 8b의 다른 구조체(예컨대, 도파관)에 도전성 본딩 층(conductive bonding layer)에 의해 도전적으로 결합된다. 일 실시 예에 있어서, 아이리스 층은 도전성 본딩 층에 의해 도전적으로 결합되지 않고 대신 비- 도전성 본딩 층(non-conducting bonding laye)과 인터페이스된다.

패치 층(1231)이 또한 방사 패치(1121)로서 금속을 포함하는 PCB일 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 가스켓 층(1232)은 금속 층(1236)과 패치(1211) 사이의 치수를 정의하기 위해 기계적 스탠드오프(mechanical standoff)를 제공하는 스페이서(1239; spacers)를 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 스페이서는 75 미크론이지만, 다른 크기가 이용될 수 있다(예컨대, 3-200mm). 상기한 바와 같이, 일 실시 예에 있어서, 도 8b의 안테나 개구면은, 예컨대 튜닝가능 공진기/슬롯(1210)이 도 8a의 패치(1211), 액정(1213), 및 아이리스(1212)를 포함하는 것과 같은, 다수의 튜닝가능 공진기/슬롯을 포함한다. 액정(1213)용 챔버는 스페이서(1239), 아이리스 층(1233) 및 금속 층(1236)에 의해 정의된다. 챔버가 액정으로 채워질 때, 패치 층(1231)은 공진기 층(1230) 내에 액정을 밀봉하기 위해 스페이서(1239) 상에 적층될 수 있다.

패치 층(1231)과 아이리스 층(1233) 사이의 전압은 패치와 슬롯(예컨대, 튜닝가능 공진기/슬롯(1210)) 사이의 갭에서 액정을 튜닝하기 위해 변조될 수 있다. 액정(1213)을 가로지르는 전압을 조정하는 것은 슬롯(예컨대, 튜닝가능 공진기/슬롯(1210))의 캐패시턴스를 변화시킨다. 따라서, 캐패시턴스를 변경시키는 것에 의해 슬롯(예컨대, 튜닝가능 공진기/슬롯(1210))의 리액턴스가 변경될 수 있다. 슬롯(1210)의 공진 주파수는 또한 식

에 따라 변하고, 여기서,

는 슬롯(1210)의 공진 주파수, L 및 C는 각각 슬롯(1210)의 인덕턴스 및 캐패시턴스이다. 슬롯(1210)의 공진 주파수는 도파관을 통해 전파되는 피드 파(1205)로부터 방사된 에너지에 영향을 미친다. 예컨대, 피드 파(1205)가 20GHz이면, 슬롯(1210)이 피드 파(1205)로부터 실질적으로 결합하는 에너지가 없도록 슬롯(1210)의 공진 주파수는 (캐패시턴스를 변경시키는 것에 의해) 17GHz로 조정될 수 있다. 또는, 슬롯(1210)의 공진 주파수는 슬롯(1210)이 피드 파(1205)로부터 에너지를 결합하고 해당 에너지를 자유 공간으로 방사하도록 20GHz로 조정될 수 있다. 주어진 예가 이진(완전히 방사 또는 전혀 방사하지 않음)의, 리액턴스의 풀 그레이 스케일 제어(full gray scale control)임에도 불구하고, 따라서 슬롯(1210)의 공진 주파수는 다중 값 범위에 걸쳐 전압 변동(voltage variance)으로 가능하다. 따라서, 상세한 홀로그래픽 회절 패턴이 튜닝가능 슬롯의 어레이에 의해 형성될 수 있도록 각 슬롯(1210)으로부터 방사된 에너지는 미세하게 제어될 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 행에서의 튜닝가능 슬롯은 λ/5만큼 서로로부터 공간지워진다. 다른 공간(spacings)이 이용될 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 행에서의 각 튜닝가능 슬롯은 λ/2 만큼 인접하는 행의 가장 가까운 튜닝가능 슬롯으로부터 공간지워지고, 따라서 다른 행에서 공통으로 배향된 튜닝가능 슬롯은 λ/4만큼 공간지워지지만, 다른 공간이 가능하다(예컨대, λ/5, λ/6.3). 다른 실시 예에 있어서, 행의 각 튜닝가능 슬롯은 λ/3 만큼 인접하는 행에서 가장 가까운 튜닝가능 슬롯으로부터 공간지워진다.

실시 예는, 2014년 11월 21일자로 출원되고, 발명의 명칭이 "스티어링가능 원통형 급전 홀로그래픽 안테나로부터의 동적 편파 및 커플링 제어(Dynamic Polarization and Coupling Control from a Steerable Cylindrically Fed Holographic Antenna)"인 미국 특허 출원 제14/550,178호와, 2015년 1월 30일자로 출원되고, 발명의 명칭이 "재구성가능 안테나를 위한 리지드 도파관 피드 구조체(Ridged Waveguide Feed Structures for Reconfigurable Antenna)"인 미국 특허 출원 제14/610,502호와 같은, 재구성가능 메타물질 기술을 이용한다.

도 9a 내지 도 9d는 슬롯형 어레이를 생성하기 위한 여러 층의 일 실시 예를 예시한다. 안테나 어레이는, 도 1a에 도시된 예시적 링과 같은, 링에 위치되는 안테나 엘리먼트를 포함한다. 본 예에 있어서, 안테나 어레이는 2가지 다른 형태의 주파수 대역에 대해 이용되는 2가지 다른 형태의 안테나 엘리먼트를 갖음을 주지해야 한다.

도 9a는 슬롯에 대응하는 위치를 갖는 제1 아이리스 보드 층(first iris board layer)의 일부분을 예시한다. 도 9a를 참조하면, 원은 아이리스 기판의 바닥 측에서 금속화(metallization)의 개방 영역/슬롯(open areas/slots)이고, 피드(피드 파)에 대한 엘리먼트의 결합을 제어하기 위한 것이다. 본 층은 선택적 층이고 모든 설계에는 이용되지 않음을 주지해야 한다. 도 9b는 슬롯을 포함하는 제2 아이리스 보드 층의 일부분을 예시한다. 도 9c는 제2 아이리스 보드 층의 일부분에 걸치는 패치를 예시한다. 도 9d는 슬롯형 어레이의 일부분의 상면도를 예시한다.

도 10은 원통형 급전 안테나 구조체(cylindrically fed antenna structure)의 일 실시 예의 측면도를 예시한다. 안테나는 이중 층 피드 구조체(double layer feed structure)(즉, 피드 구조체의 2개의 층)를 이용하여 안쪽으로 향하는 진행 파(inwardly travelling wave)를 발생시킨다. 일 실시 예에 있어서, 안테나는 원형 외부 형상(circular outer shape)을 포함하지만, 이는 요구되는 것은 아니다. 즉, 비-원형 내향 진행 구조체(non-circular inward travelling structures)가 이용될 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 도 10의 안테나 구조체는, 예컨대, 2014년 11월 21일자로 출원되고, 발명의 명칭이 "스티어링가능 원통형 급전 홀로그래픽 안테나로부터의 동적 편파 및 커플링 제어"인 미국 공개공보 제2015/0236412호에 기술된 바와 같은, 동축 피드(coaxial feed)를 포함한다.

도 10을 참조하면, 동축 핀(1601; coaxial pin)은 안테나의 더 낮은 레벨에 대해 필드(field)를 여기시키는데 이용된다. 일 실시 예에 있어서, 동축 핀(1601)은 용이하게 이용가능한 50Ω 동축 핀이다. 동축 핀(1601)은 접지 평면(1602)을 도전하는 안테나 구조체의 바닥에 결합(예컨대, 볼트 고정)된다.

도전성 접지 평면(1602)과는 별도로, 내부 도전체인, 삽입 도전체(1603; interstitial conductor)가 있다. 일 실시 예에 있어서, 도전성 접지 평면(1602; conducting ground plane)과 삽입 도전체(1603; interstitial conductor)는 서로 평행하다. 일 실시 예에 있어서, 접지 평면(1602)과 삽입 도전체(1603) 사이의 거리는 0.1-0.15"이다. 다른 실시 예에 있어서, 이 거리는 λ/2일 수 있고, 여기서 λ는 동작 주파수에서 진행파의 파장이다.

접지 평면(1602)은 스페이서(1604)를 매개로 삽입 도전체(1603)로부터 분리된다. 일 실시 예에 있어서, 스페이서(1604)는 발포체(foam) 또는 공기와 같은 스페이서(air-like spacer)이다. 일 실시 예에 있어서, 스페이서(1604)는 플라스틱 스페이서(plastic spacer)를 포함한다.

삽입 도전체(1603)의 상부에는 유전층(1605; dielectric layer)이 있다. 일 실시 예에 있어서, 유전체 층(1605)은 플라스틱이다. 유전체 층(1605)의 목적은 자유 공간 속도에 비해 진행파를 늦추는 것이다. 일 실시 예에 있어서, 유전체 층(1605)은 자유 공간에 비해 진행파를 30% 만큼 느리게 한다. 일 실시 예에 있어서, 빔 형성을 위해 적절한 굴절률의 범위는 1.2-1.8이고, 여기서 자유 공간은 1과 동일한 굴절률을 정의에 의해 갖는다. 예컨대 플라스틱과 같은 다른 유전체 스페이서 물질이 이 효과를 달성하기 위해 이용될 수 있다. 플라스틱 이외의 물질은 원하는 파 지연 효과를 달성하는 한 이용될 수 있다. 대안적으로, 분포 구조체를 갖는 물질이, 예컨대 기계 가공 또는 리소그래피로 정의될 수 있는 주기적인 서브-파장 금속 구조체(periodic sub-wavelength metallic structures)와 같은, 유전체(1605)로서 이용될 수 있다.

RF-어레이(1606)는 유전체(1605)의 상부에 있다. 일 실시 예에 있어서, 삽입 도전체(1603)와 RF-어레이(1606) 사이의 거리는 0.1-0.15"이다. 다른 실시 예에 있어서, 이 거리는

일 수 있고, 여기서

는 설계 주파수에서 매체의 유효 파장(effective wavelength)이다.

안테나는 측면(1607 및 1608)을 포함한다. 측면(1607 및 1608)은 동축 핀(1601)으로부터의 진행파 피드가 삽입 도전체(1603) 아래의 영역(스페이서 층)으로부터 반사를 통해 삽입 도전체(1603) 위의 영역(유전체 층)으로 전파되어지도록 하기 위해 각도지워져 있다. 일 실시 예에 있어서, 측면(1607 및 1608)의 각도는 45°각도이다. 대안적인 실시 예에 있어서, 측면(1607 및 1608)은 반사를 달성하기 위해 연속 반경(continuous radius)으로 대체될 수 있다. 도 10은 45도의 각도를 갖는 각이진 측면을 도시하고, 하위 레벨 피드(lower level feed)로부터 상위 레벨 피드(upper level feed)로 신호 송신을 달성하는 다른 각도가 이용될 수 있다. 즉, 하위 피드에서 유효 파장이 일반적으로 상위 피드와는 다르게 될 것임을 고려하면, 이상적인 45°각도로부터의 몇몇 편차는 하위에서 상위 피드 레벨까지의 송신을 돕는데 이용될 수 있다. 예컨대, 다른 실시 예에 있어서, 45° 각도는 단일 스텝으로 대체된다. 안테나의 일단 상의 스텝은 유전체 층, 삽입 도전체, 및 스페이서 층 주외로 간다. 동일한 두 스텝이 이들 층의 타단에 있다.

동작에 있어서, 피드 파가 동축 핀(1601)으로부터 공급될 때, 파는 접지 평면(1602)과 삽입 도전체(1603) 사이의 영역에서 동축 핀(1601)으로부터 동심적으로 배향되어 진행한다. 동심적 유출 파는 측면(1607 및 1608)에 의해 반사되고 삽입 도전체(1603)와 RF 어레이(1606) 사이의 영역에서 안쪽으로 진행한다. 원형 둘레(circular perimeter)의 에지로부터의 반사는 파가 동 위상을 유지하도록 한다(즉, 이는 동-위상 반사이다(in-phase reflection)). 진행 파는 유전체 층(1605)에 의해 느려진다. 이 시점에서, 진행 파는 원하는 산란을 얻기 위해 RF 어레이(1606)에서 엘리먼트와 상호작용하고 여기하는 것을 시작한다.

진행파를 종료시키기 위해, 말단(1609)이 안테나의 기하학적 중심에서 안테나에 포함된다. 일 실시 예에 있어서, 말단(1609)은 핀 말단(예컨대, 50Ω 핀)을 구비한다. 다른 실시 예에 있어서, 말단(1609)은 안테나의 피드 구조체를 통해 되돌아오는 이용되지 않은 에너지의 반사를 방지하기 위해 이용되지 않은 에너지를 종료하는 RF 흡수기(RF absorber)를 구비한다. 이들은 RF 어레이(1606)의 상부에서 이용될 수 있다.

도 11은 유출 파를 갖는 안테나 시스템의 다른 실시 예를 예시한다. 도 11을 참조하면, 2개의 접지 평면(1610 및 1611)은 접지 평면 사이에서 유전체 층(1612)(예컨대, 플라스틱 층 등)과 서로 실질적으로 평행하다. RF 흡수기(1619)(예컨대, 저항기)는 2개의 접지 평면(1610 및 1611)을 함께 결합시킨다. 동축 핀(1615)(예컨대, 50Ω)이 안테나에 공급된다. RF 어레이(1616)는 유전체 층(1612) 및 접지 평면(1611)의 상부에 있다.

동작에 있어서, 피드 파는 동축 핀(1615)을 통해 공급되고 동심으로 바깥쪽으로 진행하고 RF 어레이(1616)의 엘리먼트와 상호작용한다.

도 10 및 도 11의 양쪽 안테나에서 원통형 피드는 안테나의 서비스 각도를 향상시킨다. 안테나 시스템의 플러스 또는 마이너스 45도 방위각 (±45°Az) 및 플러스 또는 마이너스 25도 고도(±25°El)의 서비스 각도 대신, 일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템은 모든 방향에서의 보어 사이트로부터 75도(75°)의 서비스 각도를 갖는다. 많은 개별 방사기로 구성된 소정의 빔 형성 안테나와 같이, 전체 안테나 이득은 구성요소 엘리먼트의 이득에 의존하고, 그들 자체는 각도 의존적(angle-dependent)이다. 공통 방사 엘리먼트를 이용할 때, 빔이 보어 사이트를 더 벗어나 향하게 됨에 따라 전체 안테나 이득이 감소한다. 보어 사이트를 벗어나는 75도에서, 약 6dB의 상당한 이득 저하가 예상된다.

원통형 피드를 갖춘 안테나의 실시 예는 하나 이상의 문제를 해결한다. 이들은 회사 분배기 네트워크(corporate divider network)로 급전된 안테나에 비해 피드 구조체를 획기적으로 단순화하여 전체 요구되는 안테나 및 안테나 피드 체적(antenna feed volume)을 감소시키는 것과; 더 거친 제어기기(coarser controls)로 높은 빔 성능을 유지하는 것에 의해 제조 및 제어 에러에 대한 민감도 감소시키는 것 (완전히 이진 제어까지 확장); 원통형으로 배향된 피드 파가 원거리 필드에서 공간적으로 다양한 측면 로브(diverse side lobes)를 초래하기 때문에 직선형 피드(rectilinear feeds)와 비교하여 더 유리한 측면 로브 패턴을 부여하는 것; 및 편파기(polarizer)를 필요로 하지 않으면서 좌측 원편파, 우측 원편파 및 선형 편파를 허용하는 것을 포함하는 동적으로 되는 편파를 허용하는 것;을 포함한다.

파 산란 엘리먼트의 어레이

도 10의 RF 어레이(1606) 및 도 11의 RF 어레이(1616)는 방사기(radiators)로서 작용하는 패치 안테나의 그룹(즉, 산란기(scatterers))을 포함하는 파 산란 서브 시스템(wave scattering subsystem)을 포함한다. 이 패치 안테나의 그룹은 산란 메타물질 엘리먼트의 어레이를 구비한다.

일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템의 각 산란 엘리먼트는 하부 도전체(lower conductor), 유전체 기판(dielectric substrate), 및 상부 도전체에서 에칭되거나 그에 대해 증착되는 상보 전기 유도-용량성 공진기(complementary electric inductive-capacitive resonator)("상보 전기 LC"또는 "CELC")를 내장하는 상부 도전체(upper conductor)로 구성되는 단위 셀의 일부분이다.

일 실시 예에 있어서, 액정(LC)은 산란 엘리먼트 주위의 갭에 주입된다. 액정은 각 단위 셀로 캡슐화되고, 그 패치와 관련된 상부 도전체로부터 슬롯과 관련된 하부 도전체를 분리한다. 액정은 액정을 구비하는 분자의 배향의 함수인 유전율을 갖고, 분자의 배향 (및 따라서 유전율)은 액정을 가로지르는 바이어스 전압을 조정하는 것에 의해 제어될 수 있다. 이 특성을 이용하여 액정은 유도 파로부터 CELC로 에너지를 송신하기 위한 온/오프 스위치로서 작용한다. 스위치 온될 때, CELC는 전기적으로 작은 다이폴 안테나와 같은 전자기파를 방출한다.

LC의 두께를 제어하면 빔 스위칭 속도가 증가한다. 하부 도전체와 상부 도전체 사이의 갭(액정의 두께)의 50 페센트(50%) 감소는 속도에서 4배의 증가를 초래한다. 다른 실시 예에 있어서, 액정의 두께는 대략 14 밀리초(14ms)의 빔 스위칭 속도를 초래한다. 일 실시 예에 있어서, LC는 7 밀리초(7ms) 요건에 부합될 수 있도록 응답성(responsiveness)을 향상시키기 위해 당 업계에서 공지된 방식으로 도핑된다.

CELC 엘리먼트는 CELC 엘리먼트의 평면에 평행하게 적용되고 CELC 갭 보완물(complement)에 수직으로 적용되는 자계(magnetic field)에 응답한다. 전압이 메타물질 산란 단위 셀에서 액정에 인가되면, 유도 파의 자계 성분이 CELC의 자기 여기(magnetic excitation)를 유도하고, 결국 유도 파와 동일한 주파수로 전자기 파를 발생시킨다.

단일 CELC에 의해 발생된 전자기 파의 위상은 유도 파의 벡터 상에서 CELC의 위치에 의해 선택될 수 있다. 각 셀은 CELC와 평행하는 유도 파로 동 위상의 파를 발생시킨다. CELC는 파장보다 작기 때문에, 출력 파는 CELC 아래를 지나감에 따라 유도 파의 위상과 동일한 위상을 갖는다.

일 실시 예에 있어서, 이 안테나 시스템의 원통형 피드 기하학적 구조는 CELC 엘리먼트가 파 피드에서 파의 벡터에 대해 45도(45°) 각도로 위치될 수 있도록 한다. 엘리먼트의 이러한 위치는 엘리먼트로부터 발생되거나 엘리먼트에 의해 수신된 자유 공간 파의 편파(polarization)의 제어를 가능하게 한다. 일 실시 예에 있어서, CELC는 안테나의 동작 주파수의 자유 공간 파장보다 작은 엘리먼트간 공간(inter-element spacing)으로 배열된다. 예컨대, 파장 당 4개의 산란 엘리먼트가 있다면, 30GHz 송신 안테나에서의 엘리먼트는 약 2.5mm이다(즉, 30GHz의 10mm 자유 공간 파장의 1/4).

일 실시 예에 있어서, CELC는 2개의 사이에서 액정을 갖는 슬롯에 걸쳐 공동-위치된 패치를 포함하는 패치 안테나로 구현된다. 이와 관련하여, 메타물질 안테나는 슬롯형(산란) 도파관(slotted (scattering) wave guide)과 같이 작용한다. 슬롯형 도파관에 따르면, 출력 파의 위상은 유도 파와 관련된 슬롯의 위치에 의존한다.

셀 배치

일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트는 시스템적 매트릭스 구동 회로(systematic matrix drive circuit)를 허용하는 방식으로 원통형 피드 안테나 개구면 상에 배치된다. 셀의 배치는 매트릭스 구동을 위한 트랜지스터의 배치를 포함한다. 도 12는 안테나 엘리먼트에 대한 매트릭스 구동 회로의 배치의 일 실시 예를 예시한다. 도 12를 참조하면, 행 컨트롤러(1701; row controller)는 각각 행 선택 신호(row select signals)(Row1 및 Row2)를 매개로 트랜지스터(1711 및 1712)에 결합되고, 열 컨트롤러(1702; column controller)는 열 선택 신호(column select signal)(Colum1)를 매개로 트랜지스터(1711 및 1712)에 결합된다. 트랜지스터(1711)는 또한 패치(1723)에 대한 연결을 매개로 안테나 엘리먼트(1721)에 결합되는 한편, 트랜지스터(1712)는 패치(1732)에 대한 연결을 매개로 안테나 엘리먼트(1722)에 결합된다.

비-균일 그리드(non-regular grid)로 배치된 단위 셀을 갖는 원통형 피드 안테나 상의 매트릭스 구동 회로를 실현하기 위한 초기 접근법에 있어서, 2가지 단계가 수행된다. 첫 번째 단계에서, 셀이 동심원 링 상에 배치되고, 각 셀은 셀 옆에 배치되고 각 셀을 개별적으로 구동하기 위한 스위치로서 작용하는 트랜지스터에 연결된다. 두 번째 단계에서, 매트릭스 구동 회로는 매트릭스 구동 접근법이 요구하는 바와 같이 모든 트랜지스터를 고유 어드레스(unique address)와 연결하기 위해 구축된다. 매트릭스 구동 회로는 (LCD와 유사한) 행 및 열 트레이스(row and column traces)에 의해 구축되지만 셀은 링에 배치되기 때문에, 각 트랜지스터에 대해 고유 어드레스를 할당하는 시스템적 방법은 없다. 이 매핑 문제는 모든 트랜지스터를 포괄하기 위해 매우 복잡한 회로를 초래하고 라우팅(routing)을 달성하기 위해 물리적 트레이스 수에서의 상당한 증가로 이어진다. 셀의 고 밀도 때문에, 이러한 트레이스는 커플링 효과에 기인하여 안테나의 RF 성능을 방해한다. 또한, 트레이스의 복잡성과 높은 패킹 밀도에 기인하여, 트레이스의 라우팅이 상업적으로 이용가능한 레이아웃 도구에 의해서는 달성될 수 없다.

일 실시 예에 있어서, 매트릭스 구동 회로는 셀 및 트랜지스터가 배치되기 전에 미리 정의된다. 이는 각 고유 어드레스로 모든 셀을 구동하는데 필요한 트레이스의 최소 수를 확실히 한다. 이 전략은 구동 회로의 복잡성을 줄이고 라우팅을 단순화하여 안테나의 RF 성능을 실질적으로 향상시킨다.

특히, 하나의 접근법에서, 첫 번째 단계에서, 셀은 각 셀의 고유 어드레스를 설명하는 행과 열로 구성된 규칙적인 직사각형 그리드(regular rectangular grid) 상에 배치된다. 두 번째 단계에서, 셀은 첫 번째 단계에서 정의된 바와 같이 행과 열에 대해 그들의 어드레스와 연결을 유지하는 동안 동심원으로 그룹화되어 변환된다. 이 변환의 목표는 링 상에 셀을 놓을뿐만 아니라 셀 사이의 거리 및 전체 개구면에 걸쳐 일정한 링 사이의 거리를 유지하는 것이다. 이 목표를 달성하기 위해, 셀을 그룹화하기 위한 몇 가지 방법이 있다.

일 실시 예에 있어서, TFT 패키지는 매트릭스 드라이브의 배치 및 고유 어드레싱을 가능하게 하는데 이용된다. 도 13은 TFT 패키지의 일 실시 예를 예시한다. 도 13을 참조하면, 입력 및 출력 포트를 갖는 TFT 및 홀드 캐패시터(1803; hold capacitor)가 도시된다. 행과 열을 이용하여 TFT를 함께 연결하기 위해 트레이스(1801)에 연결된 2개의 입력 포트와 트레이스(1802)에 연결된 2개의 출력 포트가 있다. 일 실시 예에 있어서, 행 및 열 트레이스는 행 및 열 트레이스 사이의 결합을 감소시키고, 그리고 잠재적으로 최소화하기 위해 90 ° 각도로 교차한다. 일 실시 예에 있어서, 행 및 열 트레이스는 다른 층 상에 있다

동시 송수신(Full Duplex) 통신 시스템의 예

다른 실시 예에 있어서, 결합된 안테나 개구면은 동시 송수신 통신 시스템(full duplex communication system)에서 이용된다. 도 14는 동시 송신 및 수신 경로를 갖춘 통신 시스템의 실시 예의 블록도이다. 하나의 송신 경로 및 하나의 수신 경로 만이 도시되어 있지만, 통신 시스템은 하나 이상의 송신 경로 및/또는 하나 이상의 수신 경로를 포함할 수 있다.

도 14를 참조하면, 안테나(1401)는 상기한 바와 같이 다른 주파수에서 동시에 송신 및 수신하도록 독립적으로 동작가능한 2개의 공간적으로 인터리브된(interleaved) 안테나 어레이(spatially interleaved antenna arrays)를 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 안테나(1401)는 다이플렉서(1445; diplexer)에 연결된다. 커플링은 하나 이상의 피딩 네트워크(feeding networks)에 의해 이루어질 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 방사형 피드 안테나(radial feed antenna)의 경우, 다이플렉서(1445)는 두 신호를 결합하고, 안테나(1401)와 다이플렉서(1445) 사이의 연결은 양쪽 주파수를 반송할 수 있는 단일 광대역 피딩 네트워크(single broad-band feeding network)이다.

다이플렉서(1445)는 저잡음 블록 다운 컨버터(LNBs; low noise block down converter)(1427)에 연결되고, 이는 당 업계에서 공지된 방식으로 잡음 필터링 기능(noise filtering function) 및 다운 변환 및 증폭 기능(down conversion and amplification function)을 수행한다. 일 실시 예에 있어서, LNB(1427)는 실외 유닛(ODU; out-door unit)에 있다. 다른 실시 예에 있어서, LNB(1427)는 안테나 장치에 통합된다. LNB(1427)는 컴퓨팅 시스템(1440) (예컨대, 컴퓨터 시스템, 모뎀 등)에 결합되는 모뎀(1460)에 결합된다.

모뎀(1460)은 다이플렉서(1445)로부터 출력된 수신된 신호를 디지털 포맷으로 변환시키기 위해 LNB(1427)에 결합되는 아날로그-디지털 변환기(ADC; analog-to-digital converter)(1422)를 포함한다. 일단 디지털 포맷으로 변환되면, 신호는 복조기(1423)에 의해 복조되고 수신된 파 상에서 인코딩된 데이터를 얻기 위해 디코더(1424)에 의해 디코딩된다. 디코딩된 데이터는 이어 이를 컴퓨팅 시스템(1440)으로 전송하는 컨트롤러(1425)로 전송된다.

모뎀(1460)은 또한 컴퓨팅 시스템(1440)으로부터 송신될 데이터를 인코딩하는 인코더(1430)를 포함한다. 인코딩된 데이터는 변조기(1431)에 의해 변조되고, 이어 DAC(digital-to-analog converter)(1432)에 의해 아날로그로 변환된다. 이어, 아날로그 신호는 BUC(업-컨버트 및 고역 증폭기; up-convert and high pass amplifier)(1433)에 의해 필터링되고 다이플렉서(1445)의 하나의 포트에 제공된다. 일 실시 예에 있어서, BUC(1433)는 실외 유닛(ODU)에 있다.

당 업계에서 공지된 방식으로 동작하는 다이플렉서(1445)는 송신을 위해 송신 신호를 안테나(1401)에 제공한다. 컨트롤러(1450)는 안테나(1401)를 제어하고, 단일 결합된 물리적 개구면 상에서 안테나 엘리먼트의 2개의 어레이를 포함한다. 통신 시스템은 상기한 결합기/조정기(combiner/arbiter)를 포함하도록 변형될 것이다. 이러한 경우, 결합기/조정기는 모뎀 이후 그러나 BUC 및 LNB 이전에 있다. 도 14에 도시된 동시 송수신 통신 시스템은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 인터넷 통신, (소프트웨어 업데이팅을 포함하는) 차량 통신 등을 포함하는 다수의 어플리케이션을 갖는다는 점을 주지해야 한다. 여기에 개시된 다수의 예시적 실시 예가 있다.

예 1은 복수의 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트를 갖는 개구면을 구비하는 안테나이고, 복수의 RF 방사 안테나 엘리먼트는 3개 이상의 RF 방사 안테나 엘리먼트 세트로 그룹화되고, 각 세트는 제1 모드의 주파수 대역에서 빔을 발생시키도록 개별적으로 제어된다.

예 2는 안테나 엘리먼트의 각 세트가 복수의 튜닝 상태를 갖는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 안테나이고, 안테나 엘리먼트의 3개 이상의 세트 중 적어도 2개에 대한 튜닝 상태는 제2 모드에서 단일 빔을 형성하기 위해 함께 결합되고, 제2 모드는 제1 모드와 다르다.

예 3은 안테나 엘리먼트의 적어도 2개의 세트의 각각이 3개 이상의 세트에서 다른 세트로부터 개별적으로 튜닝되는 다른 공진기 설정을 갖는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 2의 안테나이다.

예 4는 적어도 2개의 빔이 동시에 발생되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 안테나이다.

예 5는 엘리먼트의 3개 이상의 세트가 대역을 공유 또는 분할하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 안테나이다.

예 6은 대역이 송신 및 수신 서브-대역을 갖는 Ku 대역을 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 안테나이다.

예 7은 복수의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 각각이 상기 각 RF 방사 안테나 엘리먼트를 제어하기 위한 튜닝가능 액정(LC) 물질을 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 안테나이다.

예 8은 RF 방사 안테나 엘리먼트의 3개 이상의 세트가 서로 인터리브되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 안테나이다.

예 9는 RF 방사 안테나 엘리먼트의 복수의 세트 중 RF 방사 안테나 엘리먼트가 개구면에서 그룹으로 함께 위치하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 안테나이고, 각 그룹은 RF 방사 안테나 엘리먼트의 각 세트로부터 하나의 RF 방사 안테나 엘리먼트를 구비한다.

예 10은 상기 각 그룹이 수신 서브-대역 상에서 수신하는 것과 함께 이용하기 위한 2개의 RF 방사 수신 안테나 엘리먼트 및 송신 서브-대역 상에서 송신과 함께 이용하기 위한 하나의 송신 RF 방사 안테나 엘리먼트를 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 9의 안테나이고, 송신 대역은 2개의 다른 수신 대역과 다르다.

예 11은 2개의 수신 서브-대역이 2개의 수신 빔을 형성하기 위해 개별적이면서 동시에 동작되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 10의 안테나이다.

예 12는 예컨대 2개의 수신 대역과 관련된 엘리먼트의 그룹이 독립적으로 제어되면서 개별적으로 동작하고, 각각이 송신 대역과 동작하도록 결합가능하여, 각 결합이 양방향 수신/송신 시스템(duplex receive/transmit system)인 것을 선택적으로 포함할수 있는 예 10의 안테나이다.

예 13은, 각 그룹에서, 제1 수신 서브-대역으로 동작하는 제1 수신 안테나 엘리먼트가 송신 안테나 엘리먼트와 제2 수신 서브-대역으로 동작하는 제2 수신 안테나 엘리먼트 사이에 배치되고, 제1 수신 서브-대역이 제2 수신 서브-대역보다 낮은 주파수를 갖는다는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 10의 안테나이다.

예 14는, 각 그룹에서, 송신 안테나 엘리먼트가 제1 수신 서브-대역으로 동작하는 제1 수신 안테나 엘리먼트와 제2 수신 서브-대역으로 동작하는 제2 수신 안테나 엘리먼트 사이에 있음을 선택적으로 포함할 수 있는 예 10의 안테나이다.

예 15는, 각 그룹에서, 제1 수신 서브-대역으로 동작하는 제1 수신 안테나 엘리먼트가 송신 안테나 엘리먼트와 제2 수신 서브-대역으로 동작하는 제2 수신 안테나 엘리먼트 사이에 배치되고, 제1 수신 서브-대역이 제2 수신 서브-대역보다 높은 주파수를 갖음을 선택적으로 포함할 수 있는 예 10의 안테나이다.

예 16은, 각 그룹에서, 제1 수신 서브-대역으로 동작하는 제1 수신 안테나 엘리먼트와, 송신 안테나 엘리먼트, 및 제2 수신 서브-대역으로 동작하는 제2 수신 안테나 엘리먼트가 서로 옆에 배치되어, 송신 안테나 엘리먼트가 제1 및 제2 수신 안테나 엘리먼트에 평행하는 축을 따라 개구면의 중심을 향해 시프트되는 것임을 선택적으로 포함할 수 있는 예 10의 안테나이다.

예 17은, 각 그룹에서, 제 1 수신 서브-대역으로 동작하는 제1 수신 안테나 엘리먼트와, 송신 안테나 엘리먼트, 및 제2 수신 서브-대역으로 동작하는 제2 수신 안테나 엘리먼트가 서로 옆에 배치되어, 송신 안테나 엘리먼트가 제1 및 제2 수신 안테나 엘리먼트에 평행하는 축을 따라 시프트되고 개구면의 중심에 대해 바깥쪽으로 향하는 것임을 선택적으로 포함할 수 있는 예 10의 안테나이다.

예 18은 각 그룹 내의 RF 방사 안테나 엘리먼트와 엘리먼트의 그룹이 상호 결합을 제어하도록 배치되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 9의 안테나이다.

예 19는 복수의 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트를 갖춘 개구면을 구비하되, 복수의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 RF 방사 안테나 엘리먼트의 3개 이상의 세트로 그룹화되는 안테나이고, 여기서 안테나 엘리먼트의 각 세트는 복수의 튜닝 상태를 깆고, 안테나 엘리먼트의 3개 이상의 세트 중 적어도 2개에 대한 튜닝 상태는 하나의 모드에서 단일 빔을 형성하기 위해 서로 결합된다.

예 20은 안테나 엘리먼트의 적어도 2개의 세트가 단일 수신 빔을 형성하기 위해 결합된 튜닝 상태를 갖는 수신 엘리먼트의 세트를 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 19의 안테나이다.

예 21은 안테나 엘리먼트의 적어도 2개의 세트의 각각이 3개 이상의 세트에서 다른 세트와 개별적으로 튜닝되는 다른 공진기 설정을 갖는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 19의 안테나이다.

예 22는 적어도 2개의 빔이 RF 방사 안테나 엘리먼트의 3개 이상의 세트를 이용하여 동시에 발생되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 19의 안테나이다.

예 23은 RF 방사 안테나 엘리먼트의 3개 이상의 세트가 서로 인터리브되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 19의 안테나이다.

예 24는 RF 방사 안테나 엘리먼트의 복수의 세트 중 RF 방사 안테나 엘리먼트가 개구면에서 그룹으로 함께 위치되고, 각 그룹이 RF 방사 안테나 엘리먼트의 각 세트로부터 하나의 RF 방사 안테나 엘리먼트를 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 19의 안테나이다.

예 25는, 각 그룹에서, 제1 수신 서브-대역으로 동작하는 제1 수신 안테나 엘리먼트가 송신 안테나 엘리먼트와 제2 수신 서브-대역으로 동작하는 제2 수신 안테나 엘리먼트 사이에 배치되고, 제1 수신 서브-대역이 제2 수신 서브-대역보다 더 낮은 주파수를 갖는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 24의 안테나이다.

예 26은, 각 그룹에서, 송신 안테나 엘리먼트가 제1 수신 서브-대역으로 동작하는 제1 수신 안테나 엘리먼트와 제2 수신 서브-대역으로 동작하는 제2 수신 안테나 엘리먼트 사이에 있는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 24의 안테나이다.

예 27은, 각 그룹에서, 제1 수신 서브-대역으로 동작하는 제1 수신 안테나 엘리먼트가 송신 안테나 엘리먼트와 제2 수신 서브-대역으로 동작하는 제2 수신 안테나 엘리먼트 사이에 배치되고, 제1 수신 서브-대역이 제2 수신 서브-대역보다 더 높은 주파수를 갖는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 24의 안테나이다.

예 28은 복수의 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트를 갖춘 개구면을 구비하는 안테나이고, 다양한 크기의 복수의 RF 방사 안테나 엘리먼트는 3개 이상의 주파수 대역에서 빔을 발생시키기 위해 LC 튜닝 구성요소를 이용하여 독립적으로 제어된다.

예 29는 복수의 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트가 개구면에서 결합된 적어도 3개의 공간적으로 인터리브된 안테나 서브-어레이를 갖춘 복수의 전자적으로 스티어링가능한 평면 패널 안테나를 구비하되, 복수의 전자적으로 스티어링가능한 평면 패널 안테나가 별개의 주파수에서 독립적이면서 동시에 동작하도록 되고, 여기서 적어도 3개의 안테나 서브-어레이의 각각이 안테나 엘리먼트의 튜닝가능한 슬롯 어레이(tunable slotted array)를 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 28의 안테나이다.

예 30은 적어도 3개의 공간적으로 인터리브된 안테나 서브-어레이가 적어도 하나의 송신 서브-어레이 및 적어도 2개의 수신 서브-어레이를 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 29의 안테나이다.

예 31은 송신 서브-어레이 중 적어도 하나와 적어도 2개의 수신 서브-어레이의 각각의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 서로 비교하여 다른 물리적 크기를 갖는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 30의 안테나이다.

예 32는 복수의 RF 방사 안테나가 개구면에서 그룹으로 함께 배치되는 RF 방사 안테나 엘리먼트의 복수의 세트를 구비하되, 각 그룹은 RF 방사 안테나 엘리먼트의 세트의 각각으로부터 하나의 RF 방사 안테나 엘리먼트를 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 28의 안테나이다.

예 33은 각 안테나 엘리먼트의 세트가 복수의 튜닝 상태를 갖고, 안테나 엘리먼트의 3개 이상의 세트 중 적어도 2개에 대한 튜닝 상태가 하나의 모드에서 단일 빔을 형성하기 위해 함께 결합되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 28의 안테나이다.

예 34는 안테나 엘리먼트의 적어도 2개의 세트가 단일 수신 빔을 형성하기 위해 결합된 튜닝 상태를 갖는 수신 엘리먼트의 세트를 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 33의 안테나이다.

상기 상세한 설명의 몇몇 부분은 컴퓨터 메모리 내의 데이터 비트에 대한 연산의 알고리즘 및 상징적 표현의 면에서 제공된다. 이들 알고리즘적 설명 및 표현은 데이터 처리 분야의 당업자가 자신의 작업의 내용을 다른 당업자에게 가장 효과적으로 전달하기 위해 이용하는 수단이다. 여기서 알고리즘은 일반적으로 원하는 결과를 도출하는 일관된 단계의 시퀀스로 되도록 생각된다. 이 단계는 물리량의 물리적 조작을 요구하는 단계이다. 일반적으로, 반드시 그런 것은 아니지만, 이들 양은 저장, 전달, 결합, 비교 및 달리 조작될 수 있는 전기 또는 자기 신호의 형태를 취한다. 이들 신호를 비트, 값, 엘리먼트, 심볼, 문자, 용어, 숫자 등으로 지칭하는 것이 주로 일반적인 이용의 이유로 때때로 편리한 것으로 입증되었다.

그러나, 이들 용어 및 유사한 용어는 모두 적절한 물리량과 관련되어야 하고 단지 이들 양에 적용되는 편리한 라벨일뿐이다. 다음 논의에서 명백하게 달리 명시되지 않는 한, 상세한 설명의 전반에 걸쳐, "처리(processing)"또는 "컴퓨팅(computing)" 또는 "계산(calculating)" 또는 "결정(determining)" 또는 "표시(displaying)" 등과 같은 용어를 이용하는 논의는 컴퓨터 시스템의 레지스터 및 메모리 내의 물리적 (전자) 양으로서 표현되는 데이터를 컴퓨터 시스템의 메모리 또는 레지스터 또는 다른 이러한 정보 저장기, 송신 또는 디스플레이 장치 내의 물리적 양으로서 유사하게 표현된 다른 데이터로 조작 및 변환하는 컴퓨터 시스템 또는 이와 유사한 전자 컴퓨팅 장치의 작용 및 처리로 언급함이 이해된다.

본 발명은 또한 본 명세서에서의 동작을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 장치는 필요한 목적을 위해 특별히 구성될 수 있거나, 컴퓨터에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 선택적으로 활성화되거나 재구성되는 범용 컴퓨터를 구비할 수 있다. 이러한 컴퓨터 프로그램은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 플로피 디스크, 광 디스크, CD-ROM, 및 자기-광학 디스크를 포함하는 소정 형태의 디스크, ROM, RAM, EPROM, EEPROM, 자기 또는 광학 카드, 또는 전자적 명령을 저장하기에 적합한 소정 형태의 매체와 같은, 그리고 각각 컴퓨터 시스템 버스에 결합된, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장될 수 있다.

여기서 제시된 알고리즘 및 디스플레이는 본질적으로 소정의 특정 컴퓨터 또는 다른 장치와 관련이 없다. 다양한 범용 시스템이 여기서의 교시에 따른 프로그램과 함께 이용될 수 있거나, 필요한 방법 단계를 수행하기 위해 보다 특정화된 장치를 구성하는 것에 대한 편리함이 입증될 수 있다. 다양한 이들 시스템을 위해 필요한 구조는 이하의 설명으로부터 나타날 것이다. 부가하여, 본 발명은 소정의 특정 프로그래밍 언어를 참조하여 설명되지 않는다. 다양한 프로그래밍 언어가 여기서 설명된 바와 같이 본 발명의 교시를 구현하는데 이용될 수 있음을 이해할 것이다.

기계-판독가능 매체는 기계(예컨대, 컴퓨터)에 의해 판독가능한 형태로 정보를 저장 또는 송신하기 위한 소정의 메커니즘을 포함한다. 예컨대, 기계-판독가능 매체는 "ROM"; "RAM"; 자기 디스크 저장 매체; 광 저장 매체; 플래시 메모리 장치; 등을 포함한다.

본 발명의 많은 변경 및 수정이 상기한 설명을 읽은 후 당업자에게 명백해질 것이지만, 예시로서 도시되고 설명된 소정의 특정 실시 예는 결코 제한적인 것으로 간주되지 않음이 이해되어야 한다. 따라서, 다양한 실시 예의 세부 사항에 대한 참조는 그 자체로 본 발명에 필수적인 것으로 간주되는 특징만을 인용하는 청구항의 범위를 제한하도록 의도되는 것은 아니다.

Claims

복수의 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트를 갖춘 개구면을 포함하고, 복수의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 RF 방사 안테나 엘리먼트의 3개 이상의 세트로 그룹화되고, 각 세트가 제1 모드의 주파수 대역에서 빔을 발생시키도록 개별적으로 제어되고, RF 방사 안테나 엘리먼트의 복수의 세트 중 RF 방사 안테나 엘리먼트가 개구면에서 그룹으로 함께 위치되고, 각 그룹이 RF 방사 안테나 엘리먼트의 세트의 각각으로부터 하나의 RF 방사 안테나 엘리먼트를 포함하고, 상기 각 그룹이 수신 서브-대역 상에서 수신과 함께 이용하기 위한 적어도 하나의 수신 RF 방사 안테나 엘리먼트 및 송신 서브-대역 상에서 송신과 함께 이용하기 위한 적어도 하나의 송신 RF 방사 안테나 엘리먼트를 포함하고, 상기 적어도 하나의 수신 RF 방사 안테나 엘리먼트에 의해 이용하기 위한 서브-대역과 상기 적어도 하나의 송신 RF 방사 안테나 엘리먼트에 의해 이용하기 위한 서브-대역은 서로 다른 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
안테나 엘리먼트의 각 세트가 복수의 튜닝 상태를 갖고, 안테나 엘리먼트의 3개 이상의 세트 중 적어도 2개에 대한 튜닝 상태가 제2 모드에서 단일 빔을 형성하기 위해 함께 결합되며, 제2 모드가 제1 모드와 다른 것을 특징으로 하는 안테나.
제2항에 있어서,
안테나 엘리먼트의 적어도 2개의 세트의 각각이 3개 이상의 세트에서 다른 세트로부터 개별적으로 튜닝되는 다른 공진기 설정을 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
적어도 2개의 빔이 동시에 발생되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
엘리먼트의 3개 이상의 세트가 대역을 공유 또는 분할하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
대역이 송신 및 수신 서브-대역을 갖는 Ku 대역을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
복수의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 각각이 상기 각 RF 방사 안테나 엘리먼트를 제어하기 위한 튜닝가능 액정(LC) 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
RF 방사 안테나 엘리먼트의 3개 이상의 세트가 서로 인터리브되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
RF 방사 안테나 엘리먼트의 복수의 세트 중 RF 방사 안테나 엘리먼트가 개구면에서 그룹으로 함께 위치되고, 각 그룹이 RF 방사 안테나 엘리먼트의 세트의 각각으로부터 하나의 RF 방사 안테나 엘리먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제9항에 있어서,
상기 각 그룹이 수신 서브-대역 상에서 수신과 함께 이용하기 위한 2개의 수신 RF 방사 안테나 엘리먼트 및 송신 서브-대역 상에서 송신과 함께 이용하기 위한 하나의 송신 RF 방사 안테나 엘리먼트를 포함하고, 송신 대역이 2개의 다른 수신 대역과 다른 것을 특징으로 하는 안테나.
제10항에 있어서,
2개의 수신 서브-대역이 2개의 수신 빔을 형성하기 위해 개별적이면서 동시에 동작되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제10항에 있어서,
2개의 수신 대역과 관련된 엘리먼트의 그룹이 독립적으로 제어되면서 개별적으로 동작하고 각각이 송신 대역으로 동작하도록 결합가능하여, 각각의 결합이 양방향 수신/송신 시스템인 것을 특징으로 하는 안테나.
제10항에 있어서,
각 그룹에서, 제1 수신 서브-대역으로 동작하는 제1 수신 안테나 엘리먼트가 송신 안테나 엘리먼트와 제2 수신 서브-대역으로 동작하는 제2 수신 안테나 엘리먼트 사이에 배치되고, 제1 수신 서브-대역이 제2 수신 서브-대역보다 더 낮은 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
제10항에 있어서,
각 그룹에서, 송신 안테나 엘리먼트가 제1 수신 서브-대역으로 동작하는 제1 수신 안테나 엘리먼트와 제2 수신 서브-대역으로 동작하는 제2 수신 안테나 엘리먼트 사이에 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
제10항에 있어서,
각 그룹에서, 제1 수신 서브-대역으로 동작하는 제1 수신 안테나 엘리먼트가 송신 안테나 엘리먼트와 제2 수신 서브-대역으로 동작하는 제2 수신 안테나 엘리먼트 사이에 배치되고, 제1 수신 서브-대역이 제2 수신 서브-대역보다 더 높은 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
제10항에 있어서,
각 그룹에서, 제1 수신 서브-대역으로 동작하는 제1 수신 안테나 엘리먼트, 송신 안테나 엘리먼트, 및 제2 수신 서브-대역으로 동작하는 제2 수신 안테나 엘리먼트가 서로 옆에 배치되고, 송신 안테나 엘리먼트가 제1 및 제2 수신 안테나 엘리먼트에 평행하는 축을 따라 개구면의 중심을 향해 시프트되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제10항에 있어서,
각 그룹에서, 제1 수신 서브-대역으로 동작하는 제1 수신 안테나 엘리먼트와, 송신 안테나 엘리먼트, 및 제2 수신 서브-대역으로 동작하는 제2 수신 안테나 엘리먼트가 서로 옆에 배치되고, 송신 안테나 엘리먼트가 제1 및 제2 수신 안테나 엘리먼트에 평행하는 축을 따라 개구의 중심에 대해 바깥쪽으로 시프트되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제9항에 있어서,
각 그룹 내의 RF 방사 안테나 엘리먼트 및 엘리먼트의 그룹이 상호 결합을 제어하기 위해 배치되는 것을 특징으로 하는 안테나.
복수의 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트를 갖춘 개구면을 포함하고, 복수의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 RF 방사 안테나 엘리먼트의 3개 이상의 세트로 그룹화되며, 안테나 엘리먼트의 각 세트가 복수의 튜닝 상태를 갖고, 안테나 엘리먼트의 3개 이상의 세트 중 적어도 2개에 대한 튜닝 상태가 하나의 모드에서 단일 빔을 형성하기 위해 함께 결합되고, RF 방사 안테나 엘리먼트의 3개 이상의 세트 중 RF 방사 안테나 엘리먼트가 개구면에서 그룹으로 함께 위치되고, 각 그룹이 RF 방사 안테나 엘리먼트의 3개 이상의 세트의 각각으로부터 하나의 RF 방사 안테나 엘리먼트를 포함하고, 상기 각 그룹이 수신 서브-대역 상에서 수신과 함께 이용하기 위한 적어도 하나의 수신 RF 방사 안테나 엘리먼트 및 송신 서브-대역 상에서 송신과 함께 이용하기 위한 적어도 하나의 송신 RF 방사 안테나 엘리먼트를 포함하고, 상기 적어도 하나의 수신 RF 방사 안테나 엘리먼트에 의해 이용하기 위한 서브-대역과 상기 적어도 하나의 송신 RF 방사 안테나 엘리먼트에 의해 이용하기 위한 서브-대역은 서로 다른 것을 특징으로 하는 안테나.
제19항에 있어서,
안테나 엘리먼트의 적어도 2개의 세트가 단일 수신 빔을 형성하기 위해 결합된 튜닝 상태를 갖는 수신 엘리먼트의 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제19항에 있어서,
안테나 엘리먼트의 적어도 2개의 세트의 각각이 3개 이상의 세트에서 다른 세트로부터 개별적으로 튜닝되는 다른 공진기 설정을 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
제19항에 있어서,
2개 이상의 빔이 RF 방사 안테나 엘리먼트의 3개 이상의 세트를 이용하여 동시에 발생되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제19항에 있어서,
RF 방사 안테나 엘리먼트의 3개 이상의 세트가 서로 인터리브되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제19항에 있어서,
RF 방사 안테나 엘리먼트의 복수의 세트 중 RF 방사 안테나 엘리먼트가 개구면에서 그룹으로 함께 위치되고, 각 그룹이 RF 방사 안테나 엘리먼트의 세트의 각각으로부터 하나의 RF 방사 안테나 엘리먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제24항에 있어서,
각 그룹에서, 제1 수신 서브-대역으로 동작하는 제1 수신 안테나 엘리먼트가 송신 안테나 엘리먼트와 제2 수신 서브-대역으로 동작하는 제2 수신 안테나 엘리먼트 사이에 배치되고, 제1 수신 서브-대역이 제2 수신 서브-대역보다 더 낮은 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
제24항에 있어서,
각 그룹에서, 송신 안테나 엘리먼트가 제1 수신 서브-대역으로 동작하는 제1 수신 안테나 엘리먼트와 제2 수신 서브-대역으로 동작하는 제2 수신 안테나 엘리먼트 사이에 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
제24항에 있어서,
각 그룹에서, 제1 수신 서브-대역으로 동작하는 제1 수신 안테나 엘리먼트가 송신 안테나 엘리먼트와 제2 수신 서브-대역으로 동작하는 제2 수신 안테나 엘리먼트 사이에 배치되고, 제1 수신 서브-대역이 제2 수신 서브-대역보다 더 높은 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
복수의 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트를 갖춘 개구면을 포함하고, 다양한 크기의 복수의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 3개 이상의 주파수 대역에서 빔을 발생시키기 위해 LC 튜닝 구성요소를 이용하여 독립적으로 제어되고, 복수의 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트가 개구면에서 결합된 적어도 3개의 공간적으로 인터리브된 안테나 서브-어레이를 갖춘 복수의 전자적으로 스티어링가능한 평면 패널 안테나를 포함하고, 복수의 전자적으로 스티어링가능한 평면 패널 안테나가 별개의 주파수에서 독립적이면서 동시에 동작하며, 적어도 3개의 안테나 서브-어레이의 각각이 안테나 엘리먼트의 튜닝가능한 슬롯형 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
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제28항에 있어서,
적어도 3개의 공간적으로 인터리브된 안테나 서브-어레이가 송신 서브-어레이 중 적어도 하나와 적어도 2개의 수신 서브-어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제30항에 있어서,
송신 서브-어레이 중 적어도 하나와 적어도 2개의 수신 서브-어레이의 각각의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 서로에 대한 비교에서 다른 물리적 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
제28항에 있어서,
복수의 RF 방사 안테나가 개구면에서 그룹으로 함께 위치되는 RF 방사 안테나 엘리먼트의 복수의 세트를 포함하고, 각 그룹이 RF 방사 안테나 엘리먼트의 세트의 각각으로부터 하나의 RF 방사 안테나 엘리먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제28항에 있어서,
안테나 엘리먼트의 각 세트가 복수의 튜닝 상태를 갖고, 안테나 엘리먼트의 3개 이상의 세트 중 적어도 2개에 대한 튜닝 상태가 하나의 모드에서 단일 빔을 형성하기 위해 함께 결합되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제33항에 있어서,
안테나 엘리먼트의 적어도 2개의 세트가 단일 수신 빔을 형성하기 위해 결합된 튜닝 상태를 갖는 수신 엘리먼트의 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.