KR20100134583A - 위상 어레이 안테나의 스캐닝 각도 인헨스먼트용 렌즈 - Google Patents

Abstract

음굴절률 메타물질 렌즈용 방법 및 장치가 제공된다. 상기 방법은 위상 어레이 안테나와 함께 사용하기 위한 음굴절률 메타물질 렌즈를 형성하기 위해 사용된다. 초기 디자인을 형성하기 위해 상기 위상 어레이 안테나에 의해 발생하는 빔을 수직 오리엔테이션으로부터 약 90도로 구부릴 수 있는 상기 음굴절률 물질 렌즈를 위한 디자인이 형성된다. 상기 초기 디자인은 디스크리트 디자인을 형성하기 위해 디스크리트 컴포넌트들을 포함하도록 수정된다. 상기 디스크리트 컴포넌트들을 위한 물질들이 선택된다. 디자인된 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 형성하기 위해 상기 디스크리트 컴포넌트들을 위한 음굴절률 메타물질 유닛 셀들이 디자인된다. 상기 디자인된 음굴절률 메타물질 유닛 셀들이, 제조된 디자인된 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 형성하기 위해 제조된다. 상기 음굴절률 메타물질 렌즈가 상기 디자인된 음굴절률 메타물질 유닛 셀들로부터 형성된다.

Description

위상 어레이 안테나의 스캐닝 각도 인헨스먼트용 렌즈{LENS FOR SCANNING ANGLE ENHANCEMENT OF PHASED ARRAY ANTENNAS}

본 발명은 일반적으로 렌즈에 관한 것으로, 상세하게는 위상 어레이 안테나와 함께 사용하기 위한 렌즈에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 위상 어레이 안테나의 스캐닝 각도 인헨스먼트용 음굴절률 메타물질 렌즈(negative index metamaterial lens)를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

위상 어레이 안테나는 많은 용도를 갖는다. 예를 들어, 위상 어레이 안테나는 다양한 무선국(radio stations)을 위한 진폭 변조 및 주파수 변조 신호를 방송하는데 사용될 수 있다. 또 다른 예로서, 위상 어레이 안테나는 통상적으로 전함과 같은 원양 선박에 사용된다. 위상 어레이 안테나는, 전함이 표면 탐지와 트래킹(tracking), 공중 탐지와 트래킹, 그리고 미사일 업링크 능력(missile uplink capabilities)을 위한 원 레이더 시스템(one radar system)을 사용하는 것을 가능하게 한다. 또, 위상 어레이 안테나는 미사일의 비행 진행 중 상기 미사일을 컨트롤하는데 사용될 수 있다.

위상 어레이 안테나는 또한 통상적으로 다양한 운송 수단 간에 통신을 제공하는데 사용된다. 위상 어레이 안테나는 또한 우주선과의 통신에 사용된다. 또 다른 예로서, 위상 어레이 안테나는 이동중인 운송 수단 또는 원양 선박에서 항공기와 통신하기 위해 사용될 수 있다.

위상 어레이 안테나 내 엘리먼트들(elements)은, 각각 다른 각들로 스티어링될 수 있는 빔(beam)을 형성하기 위해 무선 주파수 신호들을 방출할 수 있다. 상기 빔은, 상기 무선 주파수 신호들을 방출하는 상기 엘리먼트들의 표면에 수직으로 방출될 수 있다. 상기 신호들이 방출되는 방식을 컨트롤함으로써, 상기 방향이 변경될 수 있다. 상기 방향의 변경은 또한 스티어링(steering)으로 호칭된다. 예를 들어, 많은 위상 어레이 안테나들은, 안테나 내 어레이들로부터 법선 방향으로부터 약 60도의 각도에서 빔을 향하게 하도록 컨트롤될 수 있다. 용도, 능력 또는 역량에 따라, 예를 들어, 약 90도와 같은 더 높은 각도에서 상기 빔을 향하게 하는 것이 바람직할 수 있다.

현재 사용되는 몇몇 시스템들은 더 큰 각도들을 달성하기 위해 기계적으로 스티어링되는 안테나를 채용할 수 있다. 즉, 안테나 유닛은, 빔이 스티어링될 수 있는 각도를 증가시키기 위해 물리적으로 이동되거나, 기울어질 수 있다. 이 기계 시스템들은 전체 안테나를 이동시킬 수 있다. 이러한 타입의 기계 시스템은 원하는 방향으로 어레이를 기울일 수 있는 플랫폼(platform)을 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 타입의 기계 시스템은 통신 링크를 제공하기 위해 요구되는 것보다 더 느린 속도로 어레이를 이동시킨다.

따라서, 상술한 문제점을 극복할 수 있는 방법 및 장치를 갖는 것은 유리하다.

본 발명은 상술한 문제점을 극복할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명의 다양한 실시예들은 음굴절률 메타물질 렌즈용 방법 및 장치를 제공한다. 일 실시예에서, 상기 방법은 위상 어레이 안테나와 함께 사용하기 위한 음굴절률 메타물질 렌즈를 형성하는데 사용된다. 초기 디자인을 형성하기 위해 상기 위상 어레이 안테나에 의해 발생하는 빔을 수직 오리엔테이션(vertical orientation)으로부터 약 90도로 구부릴 수 있는 상기 음굴절률 물질 렌즈를 위한 디자인이 형성된다. 상기 초기 디자인은 디스크리트 디자인을 형성하기 위해 디스크리트 컴포넌트들을 포함하도록 수정된다. 상기 디스크리트 컴포넌트들을 위한 물질들이 선택된다. 디자인된 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 형성하기 위해 상기 디스크리트 컴포넌트들을 위한 음굴절률 메타물질 유닛 셀들이 디자인된다. 상기 디자인된 음굴절률 메타물질 유닛 셀들이, 제조된 디자인된 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 형성하기 위해 제조된다. 상기 음굴절률 메타물질 렌즈가 상기 디자인된 음굴절률 메타물질 유닛 셀들로부터 형성된다.

다른 실시예에서, 위상 어레이 안테나용 렌즈를 형성하기 위한 방법이 제공된다. 수직 오리엔테이션에 대하여 제1 각도로 스티어링될 수 있는 빔을 방출할 수 있는 무선 주파수 에미터들(radio frequency emitters)의 어레이가 확인된다(identified). 무선 주파수 에미터들의 상기 어레이에 의해 방출되는 상기 빔을 상기 수직 오리엔테이션에 대하여 원하는 각도로 구부릴 수 있는 음굴절률 메타물질 렌즈가 형성된다.

또 다른 실시예에서, 장치는 음굴절률 메타물질 렌즈와 어레이를 포함한다. 상기 음굴절률 메타물질 렌즈는 무선 주파수 빔을 법선 벡터에 대하여 선택된 각도로 구부릴 수 있는 구성(configuration)을 갖는다. 상기 어레이는 상기 무선 주파수 빔을 방출할 수 있다.

본 발명의 특징들, 기능들, 및 장점들이 여기서 개시되는 다양한 실시예들에서 독립적으로 달성될 수 있거나, 다른 실시예들에서 결합될 수 있고, 상기 실시예들에서 발명의 상세한 설명과 도면들을 참조하여 구체적인 내용들이 이해될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 위상 어레이 안테나들의 스캐닝 각도가 증가될 수 있다.

본 발명의 실시예들의 새로운 특징들은 첨부되는 청구항들에 개시된다. 그러나, 상기 실시예들과 그들의 바람직한 사용 양식, 목적들, 및 장점들은 첨부되는 도면들과 함께 기재되는 발명의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 것이다.
도 1은 실시예가 실시될 수 있는 위상 어레이 안테나를 나타내는 블록 다이어그램이다.
도 2는 실시예에 따른 음굴절률 메타물질 렌즈를 사용하여 위상 어레이 안테나의 오퍼레이션을 나타내는 다이어그램이다.
도 3은 실시예에 따른 음굴절률 메타물질 렌즈 디자인의 예이다.
도 4는 실시예에 따른 음굴절률 메타물질 렌즈의 아웃라인을 나타내는 다이어그램이다.
도 5는 실시예에 따른 위상 어레이 안테나용 어레이에 관련된 렌즈의 단면을 나타내는 다이어그램이다.
도 6은 실시예에 따른 렌즈의 다이어그램이다.
도 7은 실시예에 따른 렌즈의 단면도이다.
도 8은 실시예에 따른 셀의 다이어그램이다.
도 9는 실시예에 따른 유닛 셀 배열(unit cell arrangement)이다.
도 10은 실시예에 따른 두 유닛 셀들을 나타내는 다이어그램이다.
도 11은 실시예에 따른 어셈블리를 위해 배치되는 유닛 셀들의 예시이다.
도 12는 실시예에 따른 데이터 프로세싱 시스템의 다이어그램이다.
도 13은 실시예에 따른 위상 어레이 안테나용 음굴절률 메타물질 렌즈를 제조하기 위한 프로세스의 플로우챠트이다.
도 14는 실시예에 따른 렌즈 디자인을 최적화하기 위한 프로세스의 플로우챠트이다.
도 15는 실시예에 따른 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 디자인하기 위한 프로세스의 플로우챠트이다.
도 16, 도 17, 및 도 18은 실시예에 따른 빔들의 디스플레이이다.
도 19는 실시예에 따른 도 18로부터의 섹션의 확대도이다.
도 20은 실시예에 따른 강도 플랏(intensity plot)이다.
도 21은 실시예에 따른 다른 강도 플랏이다.

도면들을 참조하여, 특히 도 1을 참조하여, 위상 어레이 안테나를 나타내는 블록 다이어그램이 실시예에 따라 도시된다. 본 예에서, 위상 어레이 안테나(100)는 하우징(102), 파워 유닛(104), 안테나 컨트롤러(106), 어레이(108), 및 음굴절률 메타물질 렌즈(110)를 포함한다. 하우징(102)은 위상 어레이 안테나(100)의 다른 엘리먼트들을 포함하는 물리 구조(physical structure)이다. 파워 유닛(104)은 동작하는 위상 어레이 안테나(100)에 의해 요구되는 전압과 전류의 형태로 파워를 제공한다. 안테나 컨트롤러(106)는 어레이(108)에 의한 마이크로파 신호들의 방출을 컨트롤하는 컨트롤 시스템을 제공한다. 상기 마이크로파 신호들은 어레이(108)에 의해 방출될 수 있는 무선 주파수 방출이다.

어레이(108)는 마이크로파 트랜스미터들(transmitters)의 어레이이다. 상기 마이크로파 트랜스미터들 각각은 또한 엘리먼트 또는 라디에이터(radiator)로 호칭될 수 있다. 본 예들에서, 어레이(108) 내 트랜스미터들 각각은 안테나 컨트롤러(106)에 연결된다. 안테나 컨트롤러(106)는 빔(112)을 발생시키는 방식으로 무선 주파수 신호들의 방출을 컨트롤한다. 특히, 안테나 컨트롤러(106)는 어레이(108) 내 트랜스미터들 각각으로부터 전송되는 신호의 위상(phase)과 타이밍(timing)을 컨트롤할 수 있다. 즉, 어레이(108) 내 엘리먼트들 각각은 어레이(108) 내 다양한 트랜스미터들에 대하여 다양한 위상과 타이밍을 사용하여 신호들을 전송할 수 있다. 결합된 개별 방출 신호들은, 빔(112)이 어레이(108)로부터 다양한 각도들에서 진행될 수 있는 방식으로 어레이의 보강 및 상쇄 간섭 패턴들을 형성한다.

본 예들에서, 빔(112)은 법선 벡터(114)에 대하여 많은 다른 방향들로 방출될 수 있다. 법선 벡터(114)는 어레이(108)가 형성되는 면에 수직인 방향을 갖는다. 전형적으로, 안테나 컨트롤러(106)는, 빔(112)이 법선 벡터(114)에 대하여 영도에서 법선 벡터(114)로부터 약 60도까지 방출되는 방식으로 빔(112)을 컨트롤하거나 스티어링할 수 있다.

실시예들에서, 음굴절률 메타물질 렌즈(110)는 법선 벡터(114)로부터의 상기 각도를, 전형적으로 이용할 수 있는 벡터의 약 60도보다 증가시키는 능력을 제공한다. 다른 실시예들에서, 음굴절률 메타물질 렌즈(110)는 법선 벡터(114)로부터 약 90도의 각도로 빔(112)을 구부린다. 상기 구부림은, 빔(112)이 스티어링될 수 있는 각도로부터 상기 각도를 증가시킨다.

음굴절률 메타물질 렌즈(110)는, 현재 사용되는 솔루션에서와 같이 기계 컴포넌트들을 이동시키는 것을 요구하지 않고 이러한 타입의 빔(112)의 진행을 가능하게 한다. 메타물질은 그것의 조성으로부터 직접적으로 얻기보다 그 물질의 구조로부터 그 성질을 얻는 물질이다. 메타물질은, 상기 메타물질에 존재할 수 있는 특이한 성질에 기초하여 다른 컴포지트 물질들(composite materials)과 구별될 수 있다.

예를 들어, 상기 메타물질은 음굴절률을 갖는 구조를 가질 수 있다. 이러한 타입의 성질은 자연적으로 발생하는 물질에는 발견되지 않는다. 굴절률은 빛 또는 다른 파동들의 속도가 매체 내에서 어떻게 감소되는가에 대한 척도이다.

또, 메타물질은 또한 유전율(permittivity)과 투자율(permeability)에 대한 음의 값을 갖도록 디자인될 수 있다. 유전율은 전기장이 유전체(dielectric medium)에 어떻게 영향을 미치고, 영향을 받는지를 기술하는 물리양이다. 투자율은 적용된 자기장에 선형으로 응답하는 물질의 자기(magnetism)의 정도이다. 다른 실시예들에서, 음굴절률 메타물질 렌즈(110)는 음굴절률을 갖는 메타물질로 형성되는 렌즈이다. 상기 렌즈는 또한 빔(112)을 구부리는 다른 성질들 또는 속성들을 포함할 수 있다.

다양한 실시예들은 양굴절률을 이용하는 렌즈가 또한 위상 어레이 안테나(100) 내에 채용될 수 있음을 인지한다. 그러나, 다양한 실시예들은 이러한 타입의 렌즈가 하우징(102)에 대하여 너무 클 수 있는 구조를 야기함을 인지한다. 이러한 타입의 렌즈는 하우징(102)으로부터 돌출할 수 있고, 실시 방식에 따라 공기 역학적 문제를 야기할 수 있다. 결과로서, 다양한 실시예들은 위상 어레이 안테나(100)에 사용되는 렌즈를 형성하기 위해 음굴절률 메타물질을 사용한다.

도 2를 참조하면, 음굴절률 메타물질 렌즈를 이용하는 위상 어레이 안테나의 오퍼레이션(operation)을 나타내는 다이어그램이 실시예에 따라 도시된다. 본 예에서, 어레이(200)는 도 1의 어레이(108)와 같은 어레이의 예이다. 어레이(200)는 예를 들어, 64 엘리먼트 어레이일 수 있다. 이러한 방식의 실시에서, 8x8 어레이가 삼각형 격자(triangular lattice)로 배열될 수 있다. 물론, 다양한 실시예들이 다른 타입과 크기의 어레이들에 적용될 수 있다.

본 예에서, 어레이(200)는 빔(202)을 출력한다. 빔(202)은 어레이(200) 내 다양한 엘리먼트들에 의해 발생하는 무선 주파수 방출이다. 어레이(200)에 의한 신호들의 전송은, 빔(202)이 법선(204)으로부터 약 60도인 방향으로 스티어링되는 방식으로 일어난다. 빔(202)은 표면(208)에서 음굴절률 메타물질 렌즈(206)로 들어간다. 음굴절률 메타물질 렌즈(206)는 단면으로 도시되고, 도 1의 음굴절률 메타물질 렌즈(110)의 예이다.

빔(202)이 음굴절률 메타물질 렌즈(206)를 통과하여 이동할 때, 빔(202)이 표면(210)에서 대략 수평인 방향으로 방출되거나 음굴절률 메타물질 렌즈(206)를 나가는 방식으로 빔(202)은 구부려지거나 진행된다. 물론, 빔(202)의 최종 방향은 음굴절률 메타물질 렌즈(206)에 들어가기 전에 빔(202)의 스티어링에 따라 변할 수 있다. 화살표(212, 214)가 가리키는 경로는 렌즈에 사용되는 보통의 물질에서의 빔 경로를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 이 경로에서 대략 수평인 방향이 존재하지 않는다.

음굴절률 메타물질 렌즈는 많은 다양한 형태를 가질 수 있다. 실시예들에서, 음굴절률 메타물질 렌즈는 포물선과 같은 두 곡선에 기초하여 디자인된다. 도 3을 참조하면, 음굴절률 메타물질 렌즈의 예가 실시예에 따라 도시된다. 본 예에서, 렌즈(300)는 위상 어레이 안테나와 함께 사용될 수 있는 굴절률 메타물질 렌즈의 예이다.

본 예에서, 렌즈(300)는 타원(304)과 타원(306) 사이에 음굴절률 메타물질 유닛 셀들(negative index metamaterial unit cells)(302)을 포함한다. 음굴절률 메타물질 유닛 셀들(302)은 렌즈(300)용 물질을 형성한다. 본 예들에서, 음굴절률 메타물질 유닛 셀들(302)은 타원(304)과 타원(306) 사이에 층들로 배치된다. 본 예들에서, 타원(304)과 타원(306)은 단지 렌즈(300)에 대한 경계의 아웃라인(outline)이다. 이 타원들은 실제로 렌즈(300)의 부분이 아니다.

음굴절률 메타물질 유닛 셀들(302)을 포함하는 층들은 결정성 스태킹(crystalline stacking)을 유지하기 위해 상기 유닛 셀들의 다른 층들과 얼라인된다. 한 층의 유닛 셀 경계들이 다른 층에서의 유닛 셀 경계들과 얼라인될 때 결정성 스태킹이 나타난다. 다른 층들의 유닛 셀들 사이의 경계들이 얼라인되지 않으면, 비결정성 스태킹이 나타난다. 각 층의 높이는 하나의 유닛 셀 두께인 반면, 각 층의 폭은 적정한 크기로 디자인된 단일 유닛 셀 또는 다수의 유닛 셀들일 수 있다.

도 4를 참조하면, 음굴절률 메타물질 렌즈의 아웃라인을 나타내는 다이어그램이 실시예에 따라 도시된다. 렌즈 아웃라인(400)은 도 3의 렌즈(300)와 같은 음굴절률 메타물질 렌즈의 아웃라인이다.

본 예에서, 렌즈 아웃라인(400)은 도 3의 타원들(304, 306) 사이의 음굴절률 메타물질 셀들의 배치에서 기인한다. 렌즈 아웃라인(400)은 외부 에지(outer edge)(402)와 내부 에지(inner edge)(404)를 갖는다. 렌즈 아웃라인(400)은 디스크리트(discrete) 또는 들쭉날쭉한(jagged) 형상을 갖는다. 실시에서, 이러한 디자인은 음굴절률 메타물질 렌즈를 위한 3차원 디자인을 형성하기 위해 360도 회전될 수 있다.

또, 렌즈 아웃라인(400)은, 빔의 추가적 굽힘이 필요하지 않은 방향에 대하여 무게와 간섭을 줄이기 위해, 섹션(406) 내 부분처럼, 제거된 부분을 가질 수 있다.

도 5를 참조하면, 위상 어레이 안테나용 어레이에 관한 렌즈의 단면을 나타내는 다이어그램이 실시예에 따라 도시된다. 본 예에서, 렌즈(300)가 어레이(504)에 대하여 도시된다. 어레이(504)는 무선 주파수 에미터들(radio frequency emitters)의 어레이이다. 특히, 어레이(504)는 무선 주파수 신호들을 마이크로파 전송의 형태로 방출할 수 있다.

어레이(504)는 법선 벡터(518)에 대하여 약 60도의 각도에서 전송될 수 있는 빔을 형성하기 위해 무선 주파수 방출들(506, 508, 510, 512, 514, 516)을 방출할 수 있다.

본 예에서, 렌즈(300)는, 약 4인치의 서클(circle)을 갖는 내부 타원과, 8인치의 반장축(semi-major axis)과 4.1인치의 반단축(semi-minor axis)를 갖는 외부 타원을 갖도록 디자인된다. 본 예에서, 렌즈(300)는 단지 섹션(520) 내에 렌즈(300)의 부분을 포함하도록 디자인될 수 있다. 본 예에서, 렌즈(300)는 섹션(522)에 도시된 바와 같이 약 8인치의 높이를 가질 수 있다. 렌즈(300)는 섹션(524)에 도시된 바와 같이 약 8.1인치의 폭을 가질 수 있다.

물론, 도 5에서 렌즈(300)는 음굴절률 메타물질 렌즈의 2차원 단면으로 도시된다.

도 6을 참조하면, 렌즈의 다이어그램이 실시예에 따라 도시된다. 본 예에서, 렌즈(600)는 사시도로 제공된다. 렌즈(600)는 도 5의 섹션(520) 내 렌즈(300)의 부분이다. 본 예에서, 안테나 엘리먼트들의 어레이는 렌즈(600)의 채널(602) 내에 위치한다. 본 예에서, 상기 어레이는 도시되지 않는다.

도 7을 참조하면, 렌즈(600)의 단면 사시도가 실시예에 따라 도시된다. 본 예에서, 어레이(700)는 존재할 수 있는 위상 어레이 안테나를 위한 안테나 엘리먼트들의 어레이의 예이다. 상기 단면 사시도는 렌즈(600)의 부분을 갖는 어레이(700)의 사시도를 나타내기 위해 제공된다.

도 8을 참조하면, 셀의 다이어그램이 실시예에 따라 도시된다. 본 예에서, 셀(800)은, 도 4의 렌즈(400)와 같은 렌즈를 형성하기 위해 사용될 수 있는 음굴절률 메타물질 유닛 셀의 예이다. 도시된 바와 같이, 셀(800)은 사각형이다. 셀(800)은 변들의 각각에 따른 길이(802)와 높이(804)를 갖는다. 본 예들에서, 길이(802)는 예를 들어, 약 2.3mm일 수 있다. 높이(804)는 기판의 높이일 수 있다. 예를 들어, 상기 높이는 약 10mm일 수 있다. 상기 치수들은 특정 실시에 따라 변할 수 있다. 셀(800)은 기판(806)을 포함한다.

기판(806)은 트레이스들(traces)(808, 810)을 포함하는, 스플리트 링 레조네이터(split ring resonator)(805)와 같은, 구리 링들 및 와이어 트레이스들에 대한 지지를 제공한다. 또, 기판(806)은 트레이스(812)를 포함할 수 있다. 본 예들에서, 기판(806)은 상기 유닛 셀의 과잉 손실을 줄이기 위해 낮은 유전 손실 탄젠트(dielectric loss tangent)를 가질 수 있다. 본 예들에서, 기판(806)은 예를 들어, 알루미나일 수 있다. 사용될 수 있는 기판의 다른 예는 RT/duroid® 5870 높은 주파수 라미네이트이다. 이러한 타입의 기판은 로저스 코포레이션(Rogers Corporation)으로부터 구할 수 있다. 물론, 어떠한 타입의 물질도, 원하는 E 및 H 필드를 달성하기 위해 다양한 트레이스들의 디자인 및 배열(arrangement)을 위한 구조의 기계적 캐리어를 제공하는 기판(806)에 사용될 수 있다.

스플리트 링 레조네이터(805)가 셀(800)에 대하여 음굴절률을 발생시키는 몇몇 특성들을 제공하기 위해 사용된다. 트레이스들(808, 810)은 자기 응답(magnetic response)을 위한 음의 투자율을 제공한다. 스플리트 링 레조네이터(805)는 에너지에 대한 상기 트레이스들의 패턴의 반응에 의해 야기되는 음의 투자율을 형성한다. 트레이스(812)는 또한 음의 유전율을 제공한다.

본 예에서, 파동 전파 벡터 k(814)는 기준 축(816)에 의해 표시되는 바와 같은 y방향을 갖는다. 스플리트 링 레조네이터(805)는 z방향에서 음의 투자율을 제공하기 위해 Hz 컴포넌트를 연결한다. 트레이스(812)는, 다른 E 및 H 필드 컴포넌트들의 커플링이 달성될 수 있는 다른 면들에서 셀들로 셀(800)을 스태킹(stacking)함으로써 x방향에서 음의 유전율을 제공하는 Ex 컴포넌트를 연결하는 와이어이다.

특정 패턴이 스플리트 링 레조네이터(805)에 대하여 도시되더라도, 다른 타입들의 패턴이 사용될 수 있다. 예를 들어, 패턴들은 스플리트 링 레조네이터(805)에 대하여 사각형보다 원형일 수 있다. 다양한 파라미터들이 구조의 투자율을 바꾸기 위해 스플리트 링 레조네이터(805)에서 변경될 수 있다. 예를 들어, 트레이스(812)에 대하여 스플리트 링 레조네이터(805)의 오리엔테이션이 셀(800)의 자기 투자율을 바꿀 수 있다.

또 다른 예로서, 트레이스(808)에 의해 형성된 루프의 폭, 트레이스(810)에 의해 형성된 내부 루프의 폭, 영역(818) 내 추가적인 상자성 물질(paramagnetic materials)의 사용, 및 패턴의 타입과 함께 셀(800)의 특징들에서의 다른 변화들이 셀(800)의 투자율을 바꿀 수 있다. 셀(800)의 유전율 또한 트레이스(812)용 물질, 트레이스(812)의 폭, 스플리트 링 레조네이터(805)로부터의 트레이스(812)의 거리와 같은 다양한 컴포넌트들을 변경함으로써 바뀔 수 있다.

도 9를 참조하면, 유닛 셀 배열이 실시예에 따라 도시된다. 본 예에서, 유닛 셀들(900, 902, 904, 906, 908, 912, 914)이 도시된다. 상기 유닛 셀들은 도 8의 셀(800)과 유사하다.

본 예에서, 파동 벡터 k(916)는 축(918)을 기준으로 z방향을 갖는다. 유전율과 투자율은 이러한 타입의 아키텍처(architecture)에서 x 및 y 방향에서 모두 음(negative)이다. 너치(920) 및 너치(922)와 같은 너치(notch)가 y 와이어들에 존재하여, 본 예들에서, 그것들은 서로 교차하지 않는다. 와이어 인터섹션들(wire intersections)을 피하기 위해, 루팅 너치들(routing notches)은 셀 경계에 포함된다. 셀 들의 적층과 너치들이 아래 도 10 및 도 11에서 더욱 상세하게 도시된다.

도 10을 참조하면, 두 유닛 셀을 나타내는 다이어그램이 실시예에 따라 도시된다. 본 예에서, 엘리먼트(1000)는 기판(1006)에 수행되는 유닛 셀(1002)과 유닛 셀(1004)을 포함한다. 와이어 트레이스(1008)는 유닛 셀들(1002, 1004)을 관통한다. 유닛 셀(1002)은 트레이스들(1010, 1012)에 의해 형성된 스플리트 링 레조네이터(1009)를 갖는다. 유닛 셀(1004)은 트레이스들(1014, 1016)에 의해 형성된 스플리트 링 레조네이터(1013)를 갖는다. 도시된 바와 같이, 엘리먼트(1000)는 수직 스태킹(perpendicular stacking) 및/또는 어셈블리(assembly)를 가능하게 하기 위해 유닛 셀들(1002, 1004) 사이에 너치(1018)를 갖는다.

도 11을 참조하면, 어셈블리를 위해 배치되는 유닛 셀들이 실시예에 따라 도시된다. 본 예에서, 엘리먼트(1100)는 유닛 셀들(1102, 1104)을 포함한다. 엘리먼트(1106)는 유닛 셀들(1108, 1110)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 너치들(1112, 1114)은 엘리먼트들(1100, 1106)에 존재한다. 엘리먼트들(1100, 1106)은 너치들(1112, 1114)에서 상기 두 엘리먼트들에 대한 어셈블리를 위한 맞물림(engagement)을 허용하도록 배치된다.

도 12를 참조하면, 데이터 프로세싱 시스템의 다이어그램이 실시예에 따라 도시된다. 도 12의 데이터 프로세싱 시스템(1200)은 음굴절률 메타물질 렌즈을 위한 디자인들을 형성하고, 위상 어레이 안테나 내에 상기 렌즈들의 시뮬레이션들을 수행하는데 사용될 수 있는 데이터 프로세싱 시스템의 예이다. 데이터 프로세싱 시스템(1200)은 또한 상기 렌즈들을 위한 유닛 셀들에 관한 시뮬레이션들을 디자인하고 수행하는데 사용될 수 있다.

본 예에서, 데이터 프로세싱 시스템(1200)은, 프로세서 유닛(1204), 메모리(1206), 장기보존 스토리지(persistent storage)(1208), 통신 유닛(communications unit)(1210), 입력/출력(I/O) 유닛(input/output unit)(1212), 및 디스플레이(1214) 사이에 통신을 제공하는 통신 패브릭(communications fabric)(1202)을 포함한다.

프로세서 유닛(1204)은 메모리(1206) 내에 로딩될 수 있는 소프트웨어에 대한 명령들(instructions)을 실행하도록 동작한다. 프로세서 유닛(1204)은, 특정 실시에 따라, 한 세트의 하나 이상의 프로세서들이거나 멀티-프로세서 코어(multi-processor core)일 수 있다. 또, 프로세서 유닛(1204)은, 메인 프로세서가 단일 칩(single chip) 상에 보조 프로세서들(secondary processors)과 함께 존재하는 하나 이상의 이종 프로세서 시스템들(heterogeneous processor systems)을 사용하여 실시될 수 있다. 다른 예로서, 프로세서 유닛(1204)은 같은 타입의 다중 프로세서들(multiple processors)을 포함하는 대칭성 멀티-프로세서 시스템(symmetric multi-processor system)일 수 있다.

메모리(1206)와 장기보존 스토리지(1208)는 스토리지 디바이스들의 예들이다. 스토리지 디바이스는 임시(temporary basis) 및/또는 영구(permanent basis)적으로 정보를 저장할 수 있는 하드웨어의 일부이다. 본 예들에서, 메모리(1206)는 예를 들어, 랜덤 액세스 메모리 또는 다른 적절한 휘발성 또는 비휘발성 스토리지 디바이스일 수 있다. 장기보존 스토리지(1208)는 특정 실시에 따라 다양한 형태를 취할 수 있다.

예를 들어, 장기보존 스토리지(1208)는 하나 이상의 컴포넌트들 또는 디바이스들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 장기보존 스토리지(1208)는 하드 드라이브(hard drive), 플래시 메모리(flash memory), 재기록가능 광 디스크(rewritable optical disk), 재기록가능 자기 테이프(rewritable magnetic tape), 또는 이들의 조합일 수 있다. 장기보존 스토리지(1208)에 의해 사용되는 매체(media)는 또한 이동가능할 수 있다. 예를 들어, 이동가능 하드 드라이브는 장기보존 스토리지(1208)에 사용될 수 있다.

본 예들에서, 통신 유닛(1210)은 다른 데이터 프로세싱 시스템들 또는 디바이스들과의 통신을 제공한다. 본 예들에서, 통신 유닛(1210)은 네트워크 인터페이스 카드(network interface card)이다. 통신 유닛(1210)은 물리적 및 무선 통신 링크들(physical and wireless communications links) 중 어느 하나 또는 둘 모두의 사용을 통하여 통신을 제공할 수 있다.

입력/출력 유닛(1212)은 데이터 프로세싱 시스템(1200)에 연결될 수 있는 다른 디바이스들과 데이터의 입력 및 출력을 허용한다. 예를 들어, 입력/출력 유닛(1212)은 키보드 및 마우스를 통하여 사용자 입력을 위한 연결을 제공할 수 있다. 또, 입력/출력 유닛(1212)은 프린터에 출력을 보낼 수 있다. 디스플레이(1214)는 사용자에게 정보를 디스플레이하는 메카니즘을 제공한다.

오퍼레이팅 시스템(operating system)과 어플리케이션들(applications)에 대한 명령들(instructions) 또는 프로그램들(programs)은 장기보존 스토리지(1208) 상에 위치한다. 상기 명령들은 프로세서 유닛(1204)에 의한 실행을 위해 메모리(1206) 내에 로딩될 수 있다. 다양한 실시예들의 프로세스들은, 메모리(1206)와 같은 메모리 내에 위치할 수 있는 컴퓨터 실행 명령들(computer implemented instructions)을 사용하여 프로세서 유닛(1204)에 의해 수행될 수 있다. 상기 명령들은, 프로세서 유닛(1204) 내 프로세서에 의해 판독되고 실행될 수 있는, 프로그램 코드, 컴퓨터 사용가능 프로그램 코드(computer usable program code), 또는 컴퓨터 판독가능 프로그램 코드(computer readable program code)로 호칭될 수 있다. 다양한 실시예들에서 상기 프로그램 코드는, 메모리(1206) 또는 장기보존 스토리지(1208)와 같은, 다양한 물리적 또는 유형의 컴퓨터 판독가능 매체(phsical or tangible computer readable media) 상에서 구현될 수 있다.

프로그램 코드(1216)는, 선택적으로 이동가능하고, 프로세서 유닛(1204)에 의한 실행을 위해 데이터 프로세싱 시스템(1200)에 로딩되거나 이송될 수 있는 컴퓨터 판독가능 매체(1218) 상에 기능적 형태(functional form)로 위치한다. 프로그램 코드(1216)와 컴퓨터 판독가능 매체(1218)는 본 예들에서 컴퓨터 프로그램 제품(1220)을 형성한다. 일 예에서, 컴퓨터 판독가능 매체(1218)는, 장기보존 스토리지(1208)의 부분인 하드 드라이브와 같은 스트로지 디바이스로 이송을 위해 장기보존 스토리지(1208)의 부분인 드라이브 또는 다른 디바이스에 삽입되거나 배치되는, 예를 들어 광 또는 자기 디스크와 같은 유형의 형태(tangible form)로 존재할 수 있다.

유형의 형태에서, 컴퓨터 판독가능 매체(1218)는 또한 데이터 프로세싱 시스템(1200)에 연결되는 하드 드라이브, 썸 드라이브(thumb drive), 또는 플래시 메모리와 같은, 장기보존 스토리지의 형태를 취할 수 있다. 상기 유형의 형태의 컴퓨터 판독가능 매체(1218)는 또한 컴퓨터 기록가능 스토리지 매체로 호칭된다. 몇몇 경우에서, 컴퓨터 판독가능 매체(1218)는 이동하지 못할 수 있다.

선택적으로, 프로그램 코드(1216)는 컴퓨터 판독가능 매체(1218)로부터 통신 유닛(1210)에 대한 통신 링크를 통하여 그리고/또는 입력/출력 유닛(1212)에 대한 접속(connection)을 통하여 데이터 프로세싱 시스템(1200)으로 이송될 수 있다. 상기 통신 링크 및/또는 상기 접속은 상기 예들에서 물리적 또는 무선일 수 있다. 상기 컴퓨터 판독가능 매체는 또한 상기 프로그램 코드를 포함하는 통신 링크 또는 무선 전송(wireless transmission)과 같은 비-유형 매체(non-tangible media)의 형태를 취할 수 있다.

데이터 프로세싱 시스템(1200)에 나타나는 다양한 컴포넌트들은 다양한 실시예들이 실시될 수 있는 방식에 대한 아키텍처적 제한을 제공하도록 되어 있지 않다. 다양한 실시예들은 데이터 프로세싱 시스템(1200)에 나타나는 것들에 추가하거나 대신하는 컴포넌트들을 포함하는 데이터 프로세싱 시스템에서 실시될 수 있다. 도 12에 도시된 다른 컴포넌트들은 도시된 예들로부터 변경될 수 있다.

일 예로서, 데이터 프로세싱 시스템(1200) 내 스토리지 디바이스는 데이터를 저장할 수 있는 임의의 하드웨어 장치이다. 메모리(1206), 장기보존 스토리지(1208) 및 컴퓨터 판독가능 매체(1218)는 유형의 형태를 갖는 스토리지 디바이스들의 예들이다.

다른 예에서, 버스 시스템(bus system)이 통신 패브릭(1202)을 실시하는데 사용될 수 있고, 시스템 버스 또는 입력/출력 버스와 같은 하나 이상의 버스들로 구성될 수 있다. 물론, 상기 버스 시스템은, 상기 버스 시스템에 부착된 다른 컴포넌트들 또는 디바이스들 사이에 데이터의 이송을 제공하는 임의의 적절한 타입의 아키텍처를 사용하여 실시될 수 있다. 또, 통신 유닛은 모뎀 또는 네트워크 어댑터(adapter)와 같은, 데이터를 전송하고 수신하는데 사용되는 하나 이상의 디바이스들을 포함할 수 있다. 또, 메모리는, 통신 패브릭(1202) 내에 존재할 수 있는 인터페이스 및 메모리 컨트롤러 허브 내에 발견되는 것과 같은, 예를 들어, 메모리(1206) 또는 캐시(cache)일 수 있다.

도 13을 참조하면, 위상 어레이 안테나용 음굴절률 메타물질 렌즈를 제조하기 위한 프로세스의 플로우챠트가 실시예에 따라 도시된다. 본 예에서, 상기 프로세스는 도 6의 렌즈(600)와 같은 렌즈를 형성하는데 사용될 수 있다. 디자인, 시뮬레이션, 및 최적화(optimizations)를 포함하는 각각 다른 단계들이 도 12의 데이터 프로세싱 시스템(1200)과 같은 데이터 프로세싱 시스템을 사용하여 수행될 수 있다.

상기 프로세스는 2차원에서 렌즈의 기하학적 구조 및 물질을 최적화하기 위해 전파(full wave) 시뮬레이션을 수행함으로써 시작한다(오퍼레이션 1300). 오퍼레이션(1300)에서, 상기 전파 시뮬레이션은 전자기에 대한 맥스웰 방정식을 포함하는 알려진 타입의 시뮬레이션이다. 이 타입의 시뮬레이션은 고려되는 모든 파동 효과들을 갖는 전파 방정식들을 푸는 것을 포함한다. 오퍼레이션(1300)에서, 약 60도 스티어링에서 약 90도 스티어링까지 상기 빔을 구부리는 상기 렌즈의 기하학적 구조와 상기 물질은 상기 시뮬레이션을 사용하여 최적화된다. 상기 90도 스티어링은 위상 어레이 안테나에서 인접한 수평 스캐닝에 대한 수평선으로부터의 것이다.

그 후에, 상기 프로세스는 디스크리트니스 효과(discreteness effects) 및 물질 손실을 입력한다(오퍼레이션 1302). 상기 디스크리트니스는 음굴절률 메타물질 유닛 셀들이 상기 렌즈를 형성하는데 사용된다는 것을 고려한다. 이러한 타입의 물질로, 매끄로운 표면이 가능하지 않을 수 있다. 상기 프로세스는 상기 디스크리트니스 효과와 물질 손실로 상기 전파 시뮬레이션을 재실행한다(오퍼레이션 1304). 이 오퍼레이션은, 오퍼레이션(1300)에서 확인된 수행이 손실 및 제조 제한을 갖는 받아들여질 수 있는 수준에 있다는 것을 확인해 준다.

그 후에, 상기 렌즈 섹션은 3차원 구조를 형성하기 위해 회전된다(오퍼레이션 1306). 상기 프로세스는 상기 3차원 구조를 사용하여 상기 전파 시뮬레이션을 재실행한다(오퍼레이션 1308). 오퍼레이션(1308)은, 2차원 모델에서 최적화된 상기 렌즈의 기하학적 구조와 물질들이 여전히 3차원 모델에서 유효한지 여부를 확인하는데 사용된다.

상기 프로세스는 다양한 전기 유전율 및 자기 투자율 비등방성(anisotropy)으로 시뮬레이션들을 수행한다(오퍼레이션 1310). 오퍼레이션(1310)에서의 시뮬레이션들은 또한 전파 시뮬레이션들이다. 이 시뮬레이션에서의 차이는 완전 등방 물질들(full isotropic materials)이 이전 시뮬레이션들에 대하여 사용된다는 것이다. 오퍼레이션(1310)에서의 시뮬레이션은, 감소된 물질들이 사용될 수 있는지를 결정하기 위해 다른 수준들의 비등방성을 사용하여 실행될 수 있다. 이 오퍼레이션은 받아들여질 수 있거나 합리적인 수행으로 더욱 쉽게 제조할 수 있는 감소된 물질들을 발견하기 위해 수행될 수 있다.

감소된 물질은, 등방성 물질처럼 모든 세 방향보다는 차라리 하나 또는 두 개의 선택된 방향에서 E 및 H 필드에 단지 연결되는 비등방성 물질이다. 감소된 물질은 더욱 쉬운 제조때문에 바람직할 수 있다. 예를 들어, 모든 세 방향에서 유닛 셀들을 스태킹하는 것보다 차라리 단지 두 방향 또는 한 방향이 사용되면 셀들의 제조가 더 쉽다. 다음, 상기 음굴절률 메타물질 유닛 셀들이 디자인된다(오퍼레이션 1312). 본 예에서, 음굴절률 메타물질 유닛 셀이 원하는 주파수 및 정확한 비등방성의 오퍼레이션을 허용하기 위해 파라미터들이 확인된다.

상기 프로세스는 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 제조한다(오퍼레이션 1314). 오퍼레이션(1314)에서, 상기 유닛 셀들의 제조는 현재 이용할 수 있는 다양한 제조 프로세스들을 이용하여 수행될 수 있다. 이 프로세스들은 반도체 디바이스들을 제조하는데 사용되는 프로세스들을 포함할 수 있다. 상기 프로세스는 상기 렌즈를 형성하기 위해 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 어셈블(assemble)한다(오퍼레이션 1316). 이 오퍼레이션에서, 적절한 기하학 오리엔테이션(geometry orientation), 물질 비등방성, 및 기계적 건전성(mechanical integrity)을 갖는 최종 렌즈가 형성된다. 제조된 렌즈는 현존하는 위상 어레이 안테나 상에 배치되어 테스트된다(오퍼레이션 1318). 그 후에 상기 프로세스는 종료된다. 오퍼레이션(1318)은 상기 렌즈가 상기 시뮬레이션들에 의해 예상된 바와 같이 빔을 구부리는지를 확인한다.

도 14를 참조하면, 렌즈 디자인을 최적화기 위한 프로세스의 플로우챠트가 실시예에 따라 도시된다. 도 14에 예시된 프로세스는 도 13의 오퍼레이션(1300)을 더욱 상세하게 설명한 것이다.

상기 프로세스는 렌즈에 대한 형상을 선택함으로써 시작한다(오퍼레이션 1400). 본 예들에서, 상기 형상은 렌즈를 정의하는 영역을 둘러싸는 한 쌍의 타원들이다. 물론, 다른 실시예들에서, 다른 형상들이 선택될 수 있다. 특정 실시에 따라 임의의 형상들도 선택될 수 있다. 상기 한 쌍의 타원들은 반단축, 반장축을 갖는 내부 타원과 유사한 축을 갖는 외부 타원을 포함한다.

상기 프로세스는 상기 선택된 형상에 대한 다중 세트들의 파라미터들을 형성한다(오퍼레이션 1402). 이러한 각각 다른 세트들에서, 렌즈의 형상과 물질에 대한 다양한 파라미터들이 변경될 수 있다. 본 예들에서, 반장축과 반단축에 대한 파라미터들이 변경될 수 있다. 이러한 특정 예에서, 몇몇 제한들이, 상기 내부 타원의 반단축과 반장축을 안테나 어레이의 공칭 치수(nominal dimension)보다 더 큰 것으로 선택하는 것을 포함할 수 있다. 또, 상기 내부 타원의 반단축은 상기 외부 타원의 반단축보다 작다. 또, 상기 내부 타원의 반장축은 상기 외부 타원의 반장축보다 항상 작다.

다른 실시예들에서, 상기 내부 타원의 반단축은 각각 다른 세트들의 파라미터들에 대하여 고정될 수 있고, 상기 내부 및 외부 타원의 크기 및 이심률(eccentricity)은 초기값들에 대하여 중심이 되는 범위 내 다른 파라미터들을 바꿈으로써 변경될 수 있다. 또, 상기 음굴절률 또한 변경될 수 있다.

상기 프로세스는 각각 다른 세트들의 파라미터들로 전파 시뮬레이션을 실행한다(오퍼레이션 1404). 상기 시뮬레이션들은 2차원 또는 3차원에서 실행될 수 있다. 큰 디자인 공간들에서, 더 빠른 결과들을 위해 2차원 시뮬레이션이 수행될 수 있다. 상기 2차원 결과들에 기초하여, 최적화된 렌즈가 3차원에서 회전될 수 있고, 결과들을 확인하기 위해 상기 시뮬레이션들이 3차원에서 재실행된다.

상기 프로세스는 각 세트의 파라미터들에 대하여 최종 스캐닝 각도 및 파 필드 강도(far field intensity)를 추출한다(오퍼레이션 1406). 그 후에, 상기 최종 스캐닝 각도 및 파 필드 강도가 받아들여질 수 있는지 여부에 관하여 결정이 이루어진다(오퍼레이션 1408).

상기 최종 스캐닝 각도 및 파 필드 강도가 받아들여질 수 있다면, 상기 프로세스는 최선의 스캐닝 각도 및 파 필드에 대한 강도를 갖는 기하학적 구조 및 물질을 선택하고(오퍼레이션 1410), 그 후에 상기 프로세스는 종료한다. 본 예들에서, 이 시뮬레이션은 상기 타원들에서 어떠한 디스크리트니스 없이 실행될 수 있다. 다시 오퍼레이션(1408)을 참조하면, 상기 최종 스캐닝 각도와 파 필드 강도가 모두 받아들여질 수 없다면, 상기 프로세스는 오퍼레이션(1402)으로 되돌아간다. 상기 프로세스는 테스트를 위해 추가적인 세트들의 파라미터들을 형성한다.

오퍼레이션(1404)에서 수행되는 각각 다른 시뮬레이션들은 전파 전자기 시뮬레이션들을 포함한다. 이 시뮬레이션들은 이용할 수 있는 다양한 프로그램들을 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 콤솔 멀티피직스 버젼 3.4(COMSOL Multiphysics version 3.4)는 사용될 수 있는 시뮬레이션 프로그램의 예이다. 이 프로그램은 콤솔 AB로부터 구할 수 있다. 이 타입의 시뮬레이션은, 원하는 방향으로 겨냥되는 빔으로 파동 가이드 엘리먼트들로부터의 무선 주파수 전송들을 시뮬레이트한다. 또, 상기 시뮬레이션 프로그램은 또한 기학학적 구조, 물질, 및 에어 박스를 갖는 렌즈를 파동 전파(wave propagation)로 시뮬레이트한다. 이 시뮬레이션들로부터, 빔의 최종 각도 및 관련된 파 필드 강도에 대한 정보가 확인될 수 있다.

도 15를 참조하면, 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 디자인하기 위한 프로세스의 플로우챠트가 실시에에 따라 도시된다. 도 15에 예시된 프로세스는 도 13의 오퍼레이션(1312)을 더욱 상세하게 설명한 것이다.

상기 프로세스는 원하는 오퍼레이팅 주파수에 대한 유닛 셀 크기를 선택함으로써 시작한다(오퍼레이션 1500). 본 예에서, 2.3mm 입방체의 고정된 유닛 셀 크기가 약 15GHz의 오퍼레이팅 주파수에 대하여 선택된다. 본 예들에서, 상기 유닛 셀은, 유효 매체 이론(effective medium theory)이 지지하는 파장보다 더 작게 선택된다. 전형적인 셀 크기들은 약 λ/5부터 약 λ/20까지의 범위에 존재할 수 있다. 또, 더 작은 셀 크기들이 사용될 수 있다. 본 예들에서, λ=자유 공간 파장(free space wave length)이다. 더 작은 유닛 셀 크기들이 수행에 대하여 더 좋을 수 있지만, 이러한 더 작은 크기들은 너무 작아서 스플리트 링 레조네이터들과 와이어 구조들은 음굴절률 메타물질 효과를 야기하는 충분한 인덕턴스(inductance)와 커패시턴스(capacitance)를 갖지 않는다.

상기 프로세스는 유닛 셀에 대한 다중 세트들의 파라미터들을 형성한다(오퍼레이션 1502). 이 파라미터들은 유전율, 투자율, 및 굴절률에 대하여 상기 셀의 수행에 영향을 미칠 수 있는 파라미터들이다. 변경될 수 있는 특징들의 예들은 예를 들어, 제한 없이, 스플리트 링 레조네이터에 대한 구리 트레이스들의 폭, 와이어에 대한 구리 트레이스들의 폭, 스플리트 링 레조네이터들 사이의 간격의 양, 상기 스플리트 링 레조네이터 내 스플리트의 크기, 상기 스플리트 링 레조네이터 내 갭들(gaps)의 크기, 및 다른 적절한 특징들을 포함한다.

다음, 상기 프로세스는 주파수들의 범위에 대하여 세트들의 파라미터들에 관한 시뮬레이션을 실행한다(오퍼레이션 1504). 오퍼레이션(1504)에서 수행되는 상기시뮬레이션은 도 14의 오퍼레이션(1404)에서의 실행들의 시뮬레이션을 수행하는 같은 소프트웨어를 사용하여 수행될 수 있다. 이 시뮬레이션은 주파수들의 범위에 대하여 유닛 셀에 관한 전파 시뮬레이션이다.

상기 프로세스는 각 세트의 파라미터들에 대하여 s-파라미터들을 추출한다(오퍼레이션 1506). 본 예들에서, s-파라미터는 또한 스캐터링 파라미터(scattering parameter)로 호칭된다. 이 파라미터들은 작은 신호들에 의해 다양한 스테디 스테이트 자극들(steady state stimuli)을 경험하는 모델들의 거동을 기술하는데 사용된다. 즉, 상기 스캐터링 파라미터들은 작은 신호들에 의해 다양한 스테디 스테이트 자극들을 경험하는 전기 네트워크(electrical network)와 같은 모델의 거동을 기술하는데 사용되는 값들 또는 성질들이다.

그 후에, 상기 프로세스는 각각 다른 세트들의 파라미터들에 대하여 추출된 세트들의 s-파라미터들의 각각에 대하여 유전율, 투자율, 및 굴절률 값들을 계산한다(오퍼레이션 1508). 유전율, 투자율, 및 굴절률의 어느 것이 받아들여질 수 있는지에 대하여 결정이 이루어진다(오퍼레이션 1510). 이 세트들의 값들 중 하나가 받아들여질 수 있다면, 상기 프로세스는 종료한다. 그렇지 않으면, 상기 프로세스는 상기 유닛 셀에 대한 추가적인 세트들의 파라미터들을 발생시키기 위해 오퍼레이션(1502)으로 되돌아간다.

도 16, 도 17, 및 도 18을 참조하면, 빔들의 디스플레이가 실시예에 따라 도시된다. 이 도면들은 어레이로부터 빔 전송의 시뮬레이션들로부터의 결과들을 나타낸다. 도 16에서, 빔은 디스플레이(1602) 내 포인트(1600)에 위치하는 위상 어레이로부터 약 60도에서 스티어링된다. 도시된 바와 같이, 빔(1604)은 수직으로부터 약 60도이다.

도 17을 참조하면, 디스플레이(1700)는 디스크리트 컴포넌트들 없이 매끄러운 렌즈들의 사용을 나타낸다. 본 예에서, 디스플레이(1700)는 포인트(1704)로부터 빔(1702)을 만나는 위상 어레이 안테나로부터 대략 수평 또는 90도 위치로 빔(1702)의 구부림을 나타낸다.

도 18을 참조하면, 렌즈에 의해 구부려지는 빔의 디스플레이가 실시예에 따라 도시된다. 본 예에서, 디스플레이(1800)는, 포인트(1804) 주위에서 어레이에 의해 발사될 때 렌즈에 의해 구부려지는 빔(1802)을 나타낸다. 섹션(1806)은 아래 도 19에 더욱 상세하게 도시된다.

도 19를 참조하면, 도 18로부터 섹션(1806)의 확대도가 실시예에 따라 도시된다. 본 예에서, 포인트(1804)에서 어레이를 방출할 때 법선 방향으로부터 약 90도 또는 대략 수평인 방향으로 빔(1802)을 구부리는 렌즈(1900)가 도시된다.

도 20을 참조하면, 강도 플랏(intensity plot)이 실시예에 따라 도시된다. 본 예에서, 플랏(2000)이 수평으로부터 각각 다른 각도들에서 빔의 강도를 나타내는 라인들을 포함한다. 라인(2002)은 렌즈가 사용되지 않을 때의 강도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 수평으로부터 약 0도의 강도는 강도를 갖지 않는 반면, 가장 큰 양은 수평으로부터 약 30도이다.

본 예에서, 스티어링이 위상 어레이를 사용하여 수행될 때, 30도는 법선으로부터 60도를 나타낸다. 본 예에서, 16x1 어레이가 사용된다. 라인(2004)이 매끄러운 렌즈를 나타낸다. 라인(2006)은 손실이 없는 렌즈를 나타내고, 라인(2008)은 시뮬레이션에 포함되는 손실을 갖는 렌즈를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 렌즈의 사용이 수평에 대하여 약 0도에서 강도를 증가시킨다. 상기 강도는 상기 매끄러운 렌즈에서 더 크나, 상기 매끄러운 렌즈는 위상 어레이 안테나와 함께 사용하기 위한 렌즈의 실제 구조를 나타내지 않는다.

도 21을 참조하면, 위상 어레이 안테나에 의해 발사되는 빔의 강도 플랏(intensity plot)이 실시예에 따라 도시된다. 본 예에서, 플랏(2100)은, 빔이 약 60도에서 스티어링되는 음굴절률 메타물질 렌즈와 함께 그리고 상기 렌즈 없이 수행되는 시뮬레이션의 결과들을 나타낸다.

플랏(2100)에서 시뮬레이션들은 렌즈에서 등방성의 다양한 수준들을 비교한다. 플랏(2100)에서, 라인(2102)은 렌즈가 사용되지 않을 때, 수평으로부터 각각 다른 각도들로부터의 강도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 상기 각이 대략 수평일 때, 라인(2102)의 강도는 낮다. 라인(2104)은 등방성 렌즈에 대한 강도를 나타낸다. 본 예에서, 굴절률은 공간 내 모든 방향에서 약 -0.6과 같은 n이다. 즉, 상기 물질은 등방성이다. 상기 등방성 렌즈는, 더 많은 물질 손실이 모든 방향에서 일어나기 때문에, 더 작은 강도를 갖는다. 라인(2106)은 2차원을 갖는 감소된 물질로 형성된 렌즈를 나타낸다.

본 예에서, Φ 및 z방향에서 E 및 H 필드는 r방향에서 약 -0.6과 같은 n 그리고 약 1과 같은 n의 값을 갖는 실린더형 좌표계(cylindrical coordinate system)가 사용될 수 있다. 라인(2108)은 일차원 물질로 형성된 또 다른 렌즈를 나타낸다. 즉, e 필드 및 h 필드의 하나의 컴포넌트는 음굴절률 메타물질 컴포넌트를 갖는다. 본 예에서, z방향에서 유전율은 약 -0.6이고, Φ 및 r방향에서 1과 같다. 투자율의 양은 실린더형 좌표계에서 Φ방향에서 약 -0.6과 같고, r 및 z방향에서 1과 같다.

따라서, 다양한 실시예들은 위상 어레이 안테나에 의해 발사되거나 방출되는 스티어링 빔들에 대한 음굴절률 메타물질 렌즈에 대하여 새로운 어플리케이션(application)을 제공한다. 다양한 실시예들에서, 음굴절률 메타물질 렌즈들은 위상 어레이 안테나들의 스캐닝 각도를 증가시킨다. 다양한 실시예들에서, 유닛 셀 디자인들이 음굴절률 메타물질 렌즈을 형성하는데 사용된다. 특정 셀 디자인들이 다른 예시들에 제공되지만, 빔이 렌즈를 통과할 때 원하는 성질들을 달성하는 임의의 셀 디자인이 사용될 수 있다.

다양한 실시예들의 기재는 예시와 설명을 위해 제공되었고, 개시된 형태로 실시예들에 한정되거나 소진되도록 의도되지 않는다. 많은 수정들 및 변화들은 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자들에게 분명할 것이다. 또, 다양한 실시예들은 다른 실시예들과 비교된 바와 같이 각각 다른 장점들을 제공할 수 있다. 선택된 실시예 또는 실시예들은 실시예들의 원리, 실질적 응용을 가장 잘 설명하고, 기술이 속하는 분야에서 통상의 기술을 가진 자들이, 고려된 특정 용도에 적합한 다양한 수정들을 갖는 다양한 실시예들에 대한 개시를 이해할 수 있게 한다.

Claims (15)

1. 위상 어레이 안테나와 함께 사용하기 위한 음굴절률 메타물질 렌즈를 형성하기 위한 방법으로서,
   초기 디자인을 형성하기 위해 상기 위상 어레이 안테나에 의해 발생하는 빔을 수직 오리엔테이션으로부터 약 90도로 구부릴 수 있는 상기 음굴절률 물질 렌즈를 위한 디자인을 형성하는 단계;
   디스크리트 디자인(discrete design)을 형성하기 위해 디스크리트 컴포넌트들(discrete components)을 포함하도록 상기 초기 디자인을 수정하는 단계;
   상기 디스크리트 컴포넌트들을 위한 물질들을 선택하는 단계;
   디자인된 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 형성하기 위해 상기 디스크리트 컴포넌트들을 위한 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 디자인하는 단계;
   제조된 디자인된 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 형성하기 위해 상기 디자인된 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 제조하는 단계; 및
   상기 디자인된 음굴절률 메타물질 유닛 셀들로부터 상기 음굴절률 메타물질 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
2. 위상 어레이 안테나용 렌즈를 형성하기 위한 방법으로서,
   수직 오리엔테이션에 대하여 제1 각도로 스티어링될 수 있는 빔을 방출할 수 있는 무선 주파수 에미터들의 어레이를 확인하는 단계; 및
   무선 주파수 에미터들의 상기 어레이에 의해 방출되는 상기 빔을 상기 수직 오리엔테이션에 대하여 원하는 각도로 구부릴 수 있는 음굴절률 메타물질 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 음굴절률 메타물질 렌즈를 형성하는 단계는,
   무선 주파수 에미터들의 상기 어레이에 의해 방출되는 상기 빔을 상기 수직 오리엔테이션에 대하여 상기 원하는 각도로 구부릴 수 있는 상기 음굴절률 메타물질 렌즈의 디자인을 형성하는 단계; 및
   상기 디자인으로부터 상기 음굴절률 메타물질 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 디자인을 형성하는 단계는,
   상기 음굴절률 메타물질 렌즈를 위한 형상을 선택하는 단계; 및
   상기 음굴절률 메타물질 렌즈로 하여금 무선 주파수 에미터들의 상기 어레이에 의해 방출되는 상기 빔을 상기 수직 오리엔테이션에 대하여 상기 원하는 각도로 구부리게 하는 상기 형상에 기초하여 상기 음굴절률 메타물질 렌즈를 위한 물질을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 음굴절률 메타물질 렌즈로 하여금 무선 주파수 에미터들의 상기 어레이에 의해 방출되는 상기 빔을 상기 수직 오리엔테이션에 대하여 상기 원하는 각도로 구부리게 하는 상기 형상에 기초하여 상기 음굴절률 메타물질 렌즈를 위한 상기 물질을 선택하는 단계는,
   상기 형상에서 사용될 때, 무선 주파수 에미터들의 상기 어레이에 의해 방출되는 상기 빔으로 하여금 상기 수직 오리엔테이션에 대하여 상기 원하는 각도로 상기 빔을 구부리게 할 수 있는 음굴절률을 갖는 물질을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 물질은 복수의 디스크리트 컴포넌트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 복수의 디스크리트 컴포넌트들은,
   복수의 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 디자인을 형성하는 단계는,
   초기 디자인을 형성하기 위해 상기 음굴절률 메타물질 렌즈를 위한 형상을 선택하는 단계;
   디스크리트 디자인을 형성하기 위해 디스크리트 컴포넌트들을 포함하도록 상기 초기 디자인을 수정하는 단계;
   상기 디스크리트 컴포넌트들을 위한 물질들을 선택하는 단계;
   디자인된 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 형성하기 위해 상기 디스크리트 컴포넌트들을 위한 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 디자인하는 단계;
   제조된 디자인된 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 형성하기 위해 상기 디자인된 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 제조하는 단계; 및
   상기 디자인된 음굴절률 메타물질 유닛 셀들로부터 상기 음굴절률 물질 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 디자인된 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 형성하기 위해 상기 디스크리트 컴포넌트들을 위한 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 디자인하는 단계는,
   상기 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 위한 기판을 선택하는 단계;
   원하는 굴절률을 획득하기 위해 상기 음굴절률 메타물질 유닛 셀들의 특징들을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 음굴절률 메타물질 유닛 셀들의 상기 특징들을 선택하는 단계는,
    스플리트 링 레조네이터를 위한 파라미터들을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 스플리트 링 레조네이터를 위한 상기 파라미터들은, 상기 스플리트 링 레조네이터 내 구리 트레이스들의 폭, 상기 스플리트 링 레조네이터간 간격, 상기 스플리트 링 레조네이터 내 갭들의 크기, 및 상기 스플리트 링 레조네이터 내 스플리트들의 크기를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 2 항에 있어서,
    무선 주파수 에미터들의 상기 어레이를 포함하는 상기 위상 어레이 안테나 내에 상기 음굴절률 메타물질 렌즈를 배치하는 단계를 더 포함하는 방법.
13. 무선 주파수 빔을 법선 벡터에 대하여 선택된 각도로 구부릴 수 있는 구성을 갖는 음굴절률 메타물질 렌즈; 및
    상기 무선 주파수 빔을 방출할 수 있는 어레이를 포함하는 장치.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 음굴절률 메타물질 렌즈는 복수의 디스크리트 컴포넌트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 디스크리트 컴포넌트들은 상기 구성 내에 배열된 복수의 음굴절률 메타물질 유닛 셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
    

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