KR20130029362A - 상보형 슬롯 및 마이크로스트립 공진에 기초한 재구성가능한 방사 위상-시프팅 셀 - Google Patents
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Abstract
방사 위상-시프팅 셀은 위상 사이클의 제 1 부분에서 "슬롯" 유형의 동등한 공진기의 여기를 유리하게 하도록 설계되며, 위상 사이클의 제 2 부분에서 "마이크로스트립" 유형의 동등한 공진기를 유리하게 하도록 설계된다. 이 특성은 특히 위상-시프팅 셀들의 대역폭이 최적화될 수 있도록 허용한다. 360°의 위상 범위는 약 180°의 2 개의 서브-범위들로 사실상 세그먼트화될 수 있다. 2 개의 서브-범위들로의 이 세그먼트화는 슬롯 유형 또는 마이크로스트립 유형의 공진 모드들의 상보성 (complentarity) 에 의해 가능하다. 이 방사 위상-시프팅 셀은 통신 위성과 같은 우주선 또는 위성 통신 또는 브로드캐스팅 (broadcasting) 시스템들을 위한 지상 단말기상에 설치되도록 설계된 안테나를 위한 반사기 어레이들 (reflector arrays) 에 특히 적용가능하다.
Description
발명의 분야는 재구성가능한 방사 위상-시프팅 셀들이다. 이것은 통신 위성과 같은 우주선 또는 위성 통신 또는 브로드캐스팅 (broadcasting) 시스템들을 위한 지상 단말기상에 설치되도록 설계된 안테나를 위한 반사기 어레이들 (reflector arrays) 에 특히 적용가능하다.
안테나 반사기 어레이 (antenna reflector array) (또는 '반사어레이 안테나 (reflectarray antenna)') 는 1 차원 또는 2 차원 어레이내에 어셈블링되고, 안테나의 지향성 및 이득이 증가되도록 허용하는 반사면을 형성하는 방사 위상-시프팅 셀들의 세트를 포함한다. 금속 패치 (metal patch) 유형 및/또는 슬롯 유형의, 반사기 어레이의 방사 위상-시프팅 셀들은 셀들마다 변화할 수 있는 파라미터들에 의해 정의되며, 이러한 파라미터들은, 예를 들면, 원하는 방사 다이어그램을 획득하도록 하는 방식으로 조정된 에칭된 패턴들의 기하학적 치수 (geometrical dimensions) (패치들 또는 슬롯들의 길이 및 폭) 이다.
방사 위상-시프팅 셀들은, 방사 슬롯들이 로딩되고 통상적으로 λg/10 과 λ/6 사이의 범위의 거리만큼 금속 접지면으로부터 분리된 금속 패치들에 의해 형성될 수 있으며, 여기에서 λg 는 스페이서 매체 (spacer medium) 내에서 가이드된 파장 (guided wavelength) 이다. 이 스페이서 매체는 유전 물질일 수 있으나, 또한 벌집 (honeycomb) 유형의 세퍼레이터 (separator) 와 박막 유전층들의 대칭적 배열에 의해 형성되는 복합 멀티층 (composite multilayer) 일 수 있다. 안테나가 높은 성능을 가지게 하기 위하여, 대역폭내의 다양한 주파수들에 대하여, 기본 셀은 그 기본 셀이 입사파상에 생성하는 위상-시프트를 정밀하게 제어할 수 있어야한다. 또한 반사기 어레이의 제조 프로세스는 가능한 한 간단해야 한다.
이 목적을 위하여, 출원인은 "Phase-shifting cell with linear polarization and with a variable resonant length using MEMS switches" 라는 명칭으로 첫 번째 프랑스 특허 출원 번호 제 FR 0450575 호를 이전에 출원하였다.
도 1 은 위상-시프팅 셀 (CD) 의 이러한 유형의 실시형태를 도시한다. 이 셀의 작동 원리는 하나 이상의 가변적이고 제어된 로컬라이즈드 로드들 (localized loads) (DC') 을 여러 상이한 상태들에 설치함으로써 슬롯 (EP) 의 전기적 길이를 수정하는 것에 있으며, 이렇게 하여 단락-회로 (short-circuit) 의 설정을 허용 및 불허한다. 셀의 특징적 공진 길이의 변화는 파동(waves) 의 위상-시프트의 변형이 반사되도록 허용한다. 안테나에 대하여, 파동은 RF 소스로부터 기원한다. 도 1 에 따른 셀은 접지면에 견고하게 부착된 후면 (back face) 을 가진 기판 (SB) 을 포함한다.
이 위상-시프팅 셀은 입사파의 하나의 선형 편파 (linear polarization) 에 대해 작동할 뿐이다. 또한, 셀의 사이즈는 대략 0.7λ 로서 비교적 크며, 여기에서 λ 는 파장을 나타낸다. 반사기 어레이의 메시 사이즈 (mesh size), 다르게 말하면, 셀들이 어레이에 배열되는 공간적 주기성은, 그러므로 0.5λ 보다 훨씬 크다. 이것은 고차 (higher-order) Floquet 모드의 여기의 가능성과 연관된, 파동의 매우 경사진 입사들의 비-최적 거동의 결과를 초래한다. 이 효과는, 이 기술 분야의 숙련된 자들에 의해 또한 "로브 이미지 (lobe image)" 라고 나타내는, 방사 다이어그램의 사이드-로브들 (side-lobes) 의 열화를 초래한다.
위상-시프팅 셀은 슬롯 또는 슬롯들의 전기적 길이에 의해 변조되는 패치-유형의 공진으로서 주로 기능한다. 이 단일 공진의 변조에 의한 360°보다 큰 위상 사이클의 달성은 대단히 중요한 점이며, 위상-시프팅 셀의 고도의 공진 구성들 (highly resonant configurations) 에 의해 일정한 위상 상태들 (phase states) 이 성취된다. 이러한 고도의 공진 구성들은 또한, 셀과 가변적이고 제어된 로컬라이즈드 로드들의 제조 공차 (fabrication tolerances) 에 대한 전기적 특성들의 높은 감도와 함께, 높은 손실들에 의해 특징지어진다.
출원인은 "Reflector array with optimized arrangement and antenna comprising such a reflector array" 라는 명칭으로 두번째 프랑스 특허를 출원하였다. 그것은 하나의 위상-시프팅 셀로부터 또 다른 인접 위상-시프팅 셀로의 점진적 발전 (progressive development) 을 가지는 내부 구조를 가지는 위상-시프팅 셀들에 의해 생성된 위상 사이클을 가지며, 따라서 반사면 전반에 걸친 주기성에 심각한 교란 (disruptions) 을 초래하지 않는다. 셀의 이러한 유형은 따라서 주기성에 급격한 교란을 가진 영역들 상의 스퓨리어스 회절 현상 (spurious diffraction phenomenon) 에 의해 방사 다이어그램에서 유도되는 간섭 (interference) 를 회피한다. 도 1b 는 360°의 위상 회전 (phase rotation) 이 획득되도록 허용하는 수개의 기본 방사 엘리먼트들의 1차원 배열을 포함하는 주기적 패턴의 일 예를 도시한다. 이 패턴은 위상 사이클의 동일한 엔드 (end) 위상-시프팅 셀들을 가지는 특성 (property) 을 가진다. 가변적이고 제어된 로컬라이즈드 로드들(loads) 을 가진 위상-시프팅 셀을 이용한 점진적인 위상 사이클이 또한 포함되었다.
도 2 는 그러한 반사기 어레이에 대한 방사 위상-시프팅 셀의 레이아웃 (layout) 을 도시한다. 일 실시형태에 따라서, 이러한 위상-시프팅 셀은 2 개의 직교하는 브랜치들 (branches) 을 가진 크로스 (cross) 의 형태를 가진다. 크로스는 금속 패치내에 형성된 3 개의 동심형 환상 슬롯들 (81, 82 및 83) 을 포함한다. 가변적이고 제어된 로컬라이즈드 로드들 (85) 은 선택된 방식으로 슬롯들내에 배치되며, 슬롯들의 전기적 길이와, 따라서 위상-시프팅 셀에 의해 반사된 파동 (wave) 의 위상이 변화되도록 허용한다. 수개의 셀들로, 동일한 기하학 (geometry), 환상 슬롯들내의 동일한 장소에 위치하였지만 상이한 상태로 구성된 동일한 수의 MEMS 를 이용함으로써, 점진적 위상 변화 (phase variation) 를 가지며 반사기의 표면상에 임의의 급격한 천이를 포함하지 않는 패턴을 형성하는 것이 가능하다. 예를 들면, 3 개의 동심형 환상 슬롯들을 가지며 각각의 슬롯에는 MEMS 가 있는, 크로스 또는 육각형의 형상을 가진 수개의 방사 엘리먼트들로 구성된 패턴을 이용하여, 그 모든 MEMS 가 폐쇄 상태 (closed state) 인 방사 엘리먼트가 획득될 때까지 인접 방사 엘리먼트들의 다양한 슬롯들을 점진적으로 단락-회로화하고, 그런 다음, 수개의 추가 인접 엘리먼트들에 걸쳐, 그 MEMS 모두가 개방 상태 (open state) 인 방사 엘리먼트가 획득될 때까지 MEMS 를 개방 상태로 점진적으로 설정함으로써, 위상을 점진적으로 1000°까지 변화시키는 것이 가능하다.
360°보다 크고, 사이클의 동일한 초기 및 최종 위상-시프팅 셀을 가지는 위상 사이클을 생성하는 것이 가능하지만, 작은 공진을 가지는 셀들을 이용하여 이러한 위상 상태를 획득하는 것은 매우 어렵다. 수개의 공진기들의 존재로 인하여 다수의 공진 모드들이 잠재적으로 여기될 수 있다. 이러한 공진 모드들의 출현은 주파수의 함수로서의 위상에서의 급격한 변화를 초래할 수 있다. 위상에서의 신속한 변화는 특히 오믹 (ohmic) MEMS 가 사용된 경우에 막대한 손실을 초래하며, MEMS 의 제조에 있어서 분산 (dispersions) 에 민감하게 된다.
본 발명의 하나의 목적은 위상-시프트 범위가 위상의 감소된 주파수 변화로, 다르게 말하면, 입사 신호의 주파수의 함수로서의 위상의 보다 선형적이고 보다 안정적인 거동으로 커버 (cover) 되도록 하는, 가변적이고 제어된 로컬라이즈드 로드들 (마이크로-스위치들) 을 가진 위상-시프팅 셀을 제공하는 것이다. 다르게 말하면, 본 발명의 하나의 목적은 셀의 공진 특징을 최소화하는 것이다.
이 목적을 위하여, 본 발명의 주제는 접지면 위쪽에 그리고 접지면으로부터 떨어져서 기판의 표면상에 형성된 복수의 도전성 엘리먼트들을 포함하는 방사 위상-시프팅 셀로서, 상기 도전성 엘리먼트들은 슬롯들에 의해 분리되며, 상기 슬롯들의 배열은 그 전기적 형상이, 반사될 파동에 인가되는 위상-시프트를 구성하는 동등한 공진기를 형성하며, 상기 셀은 상기 슬롯들의 전기적 길이 및/또는 폭을 변화시킬 수 있는 제어된 가변 로드들을 포함하며, 상기 도전성 엘리먼트들 및 제어된 가변 로드들은, 상기 로드들의 적어도 제 1 구성에 따라서, 대체로 유도성인 ( predominantly inductive) 공진기를 생성하기 위하여 마이크로웨이브 신호들의 표면 도체가 형성되도록, 그리고 적어도 제 2 구성에 따라서, 대체로 용량성인 (predominantly capacitive) 공진기를 생성하기 위하여 슬롯은 적어도 하나의 도전성 엘리먼트 주위에 형성되도록 배열되며, 상기 제 1 구성에서 형성된 도전성 표면은 제 2 구성에서 슬롯이 그 주위에 형성된 상기 도전성 엘리먼트를 둘러싼다.
슬롯들의 공진들과 마이크로스트립 유형의 공진기들의 관리는 위상 사이클의 제 1 부분에서 "슬롯" 유형의 동등한 공진을 바람직하게 여기하고, 위상 사이클의 제 2 부분에서 (또한 "패치" 유형이라고도 칭하는) "마이크로스트립" 유형의 동등한 공진을 바람직하게 여기하도록 수행된다. 위상 사이클의 제 1 부분은 그 대체적인 거동이 유도성 (inductive) 인, 다르게 말하면, 그 동등한 공진기가 직렬 LC 의 공진기보다 병렬 LC 공진기에 더 가까운 공진기에 대응한다. 위상 사이클의 제 2 부분은 그 대체적인 거동이 용량성 (capacitive) 인, 다르게 말하면, 그 동등한 공진기가 병렬 LC 의 공진기보다 직렬 LC 공진기에 더 가까운 공진기에 대응한다.
가변적이고 제어된 로드들을 가진 위상-시프팅 셀의 동등한 공진기들은 도 1b 에 도시된 사이클과 유사한 사이클을 설명할 수 있다. 이러한 특성은, 예를 들면, 360°보다 큰 위상 사이클이 생성될 수 있도록 허용하며, 위상 사이클의 엔드 (end) 값들에 대해 유사한 동등 공진기들이 획득될 수 있도록 허용한다.
이 특성은 위상-시프팅 셀들의 대역폭이 최적화될 수 있도록 허용한다. 예를 들면, 360°의 위상 범위는 사실상 약 180°의 2 개의 서브-범위들로 세그먼트화 (segmented) 될 수 있다. 2 개의 서브-범위들로의 이 세그먼트화는 슬롯 유형 또는 패치 유형의 공진 모드들의 상보성 (complementarity) 에 의해 가능하다.
공진의 최소화는 손실 감소의 결과를 초래한다. 위상이 보다 선형적으로 변화하면, (임계 유형의 동작과 반대로) 이 특성은 보다 넓은 대역에 걸쳐 획득된다. 본 발명에 따른 셀 덕분에 대략 30% 의 대역폭들이 획득될 수 있다.
본 발명에 따른 방사 위상-시프팅 셀의 주기적 배열은 안테나 에셈블리를 위한 반사기를 정의한다. 이 어셈블리는, 또한, 본 발명에 따른 위상-시프팅 셀들을 포함하는 수개의 반사기 패널들 (panels) 을 포함한다.
유리하게, 전면 (front face) 상의 도전성 표면은 입사 신호의 파장의 1/4 과 동등한 거리만큼 접지면으로부터 분리된다. 이러한 방식으로, 슬롯 모드 (제 1 구성) 및 마이크로스트립 모드 (제 2 구성) 의 공진들은 180°만큼 분할될 수 있다.
본 발명에 따른 방사 위상-시프팅 셀의 제 1 실시형태에 따르면, 제 2 구성에서 슬롯이 그 주위에 형성되는 도전성 엘리먼트는 실질적으로 셀의 중심에 위치시키고, 도전성 표면을 형성하는 도전성 엘리먼트들은 주변부상에 위치시키고, 상기 도전성 표면은 환상 (annular) 이며, 상기 주변 도체들 각각은 제어된 용량성 로드들에 의하여 중심 도체 및 이웃 (neighbouring) 주변 도체들에 연결된다. 여기에서, "환상 (annular)" 은 폐쇄 루프 (closed loop) 의 형태를 가진 슬롯을 의미하는 것으로 이해된다. 이 폐쇄 루프는 다양한 주변 도전성 엘리먼트들을 상호연결함으로써 형성된다. 이 폐쇄 루프의 형상은, 예를 들면, 직사각형, 원형, 육각형 또는 임의의 다른 다각형 형상, 또는 폐쇄 커브 (closed curve) 일 수도 있다.
도전성 엘리먼트들은 수개의 행들 (rows) 로 정렬된 4 개의 브랜치들을 가진 크로스 (cross) 의 형태를 가질 수 있으며, 2 개의 연속적인 행들에 속하는 크로스들은 서로에 대하여 오프셋 (offset) 되며, 크로스들은 제어된 가변적인 용량성 로드들에 의해 연결된다. 도전성 엘리먼트들의 형상은, 예를 들면, 정사각형의 패치들 또는 디스크 (disc) 의 형상을 가진 영역들과 같이 상이할 수 있다. 크로스의 형태를 가진 도전성 엘리먼트들의 하나의 이점은 이 엘리먼트들이 보다 쉽게 상호연결될 수 있다는 것이다.
본 발명에 따른 방사 위상-시프팅 셀의 또 다른 실시형태에 따르면, 상기 환상의 도전성 표면은 환상 슬롯들에 의해 프레임이 형성된 도전성 스트립들 (strips) 에 의해 형성되며, 상기 스트립들은 상기 환상 슬롯들의 상호연결 슬롯들의 전기적 길이 및/또는 폭을 수정할 수 있는 용량성 로드들에 의해 연결된다.
다르게 말하면, 셀은 실질적으로 동심형이고 서로 이격된 적어도 2 개의 제 1 슬롯들이 형성된 도전성 표면을 포함할 수 있으며, 상기 도전성 표면은 접지면 위에 배치되며, 슬롯들의 배열은, 그 전기적 형상이 입사파에 인가되는 위상-시프트를 구성하는 동등한 공진기를 형성하며, 상기 셀은 상기 제 1 슬롯들을 함께 연결하는 상호연결 슬롯들 및 상기 제 1 슬롯들과 상기 상호접속 슬롯들의 전기적 길이 및/또는 폭을 변화시킬 수 있는 복수의 제어된 가변적인 로드들을 포함하며, 상기 로드들은 병렬 LC 회로와 실질적으로 동등한 공진기에 따라서 셀을 구성하기 위하여 활성화될 수 있으며, 상기 로드들은 또한 직렬 LC 회로와 실질적으로 동등한 공진기에 따라서 셀을 구성하기 위하여 적어도 하나의 다른 구성에 따라 활성화될 수 있다.
이 동일한 위상-시프팅 셀은 또한 마이크로스트립 유형의, 즉, 금속 프레임의 공진기들, 수개의 포인트들이 절개된 중간 금속 링, 및 중심 금속 패치의 배열로서 고려될 수도 있다. 마이크로-액추에이터들, 마이크로-스위치들 또는 단락-회로화 수단으로도 칭하는, 가변적이고 제어된 로컬라이즈드 로드들에 의해 이루어진 연결들은 동등한 마이크로스트립 공진기의 전기적 길이 및/또는 폭이 수정되도록 허용한다.
본 발명에 따른 셀의 또 다른 실시형태에 따르면, 셀은 2 개보다 많은 동심형 슬롯들을 포함한다. 셀은, 예를 들면, 각각의 연속적인 동심형 슬롯 사이에 상호연결 슬롯들을 가진, 3 개의 슬롯들을 포함한다.
본 발명에 따른 방사 위상-시프팅 셀의 일 실시형태에 따르면, 셀이 제 1 구성을 가지면, 그 주 기여 (main contribution) 가 병렬 LC 회로의 주 기여와 동등한 공진 슬롯을 형성하기 위하여, 주변 도전성 엘리먼트들을 함께 연결하는 로드들은 활성화되며, 중심 도전성 엘리먼트를 주변 도전성 엘리먼트들로 연결하는 로드들은 디스에이블(disabled) 된다.
유리하게, 주변 도전성 엘리먼트들을 함께 연결하는 로드들은 동등한 공진 슬롯의 치수가 값들의 함수로서 점진적으로 변화하도록 허용하기 위하여 2 개의 엔드 값들 사이에 다중 값들을 취하도록 설계된다.
본 발명에 따른 방사 위상-시프팅 셀의 일 실시형태에 따르면, 셀이 제 2 구성을 가지면, 그 주 기여 (main contribution) 가 직렬 LC 회로의 주 기여와 동등한 공진 마이크로스트립을 형성하기 위하여, 주변 도전성 엘리먼트들을 함께 연결하는 로드들은 디스에이블(disabled) 되며, 중심 도전성 엘리먼트를 주변 도전성 엘리먼트들로 연결하는 로드들은 활성화된다.
유리하게, 중심 도전성 엘리먼트를 주변 도전성 엘리먼트들로 연결하는 로드들은 동등한 공진 마이크로스트립의 치수가 상기 값들의 함수로서 점진적으로 변화하도록 허용하기 위하여 2 개의 엔드 값들 사이에 다중 값들을 취하도록 설계된다.
본 발명에 따른 방사 위상-시프팅 셀의 일 실시형태에 따르면, 중심 도전성 엘리먼트를 주변 도전성 엘리먼트들로 연결하는 로드들은, 입사파에 인가된 위상-시프트 범위가 위상-시프트의 2 개의 구간들 (intervals) 로 분해되도록, 주변 도전성 엘리먼트들을 함께 연결하는 로드들의 값과는 독립적으로 변화하도록 설계되며, 제 1 구간에서 인가되는 위상-시프트들은 공진 슬롯 유형의 구성을 가지고 획득되며, 제 2 구간에서 인가되는 위상-시프트들은 공진 마이크로스트립 유형의 구성을 가지고 획득된다.
본 발명에 따른 방사 위상-시프팅 셀의 일 실시형태에 따르면, 가변 로드들 및 도전성 엘리먼트들의 치수는, 위상-시프트 범위의 제 1 단부에 대응하는 위상-시프트가 인가되도록 허용하는 셀의 구성이 상기 범위의 제 2 단부에 대응하는 위상-시프트가 인가되도록 허용하는 셀의 구성과 동일하도록 결정된다.
본 발명에 따른 방사 위상-시프팅 셀의 일 실시형태에 따르면, 위상-시프트 범위는 360°이다.
본 발명에 따른 방사 위상-시프팅 셀의 일 실시형태에 따르면, 도전성 엘리먼트들, 슬롯들 및 용량성 로드들은 셀의 중심에 설치된 대칭의 중심을 따라 셀 상에 배치된다.
본 발명에 따른 방사 위상-시프팅 셀의 일 실시형태에 따르면, 용량성 로드들은 다이오드들 (diodes), MEMS, 또는 강유전체 커패시터들 (ferroelectric capacitors) 이다.
본 발명의 또 다른 주제는 위에서 설명한 바와 같은 복수의 방사 위상-시프팅 셀들을 포함하는 반사기 어레이이며, 상기 셀들은 어레이의 반사면을 형성한다.
본 발명의 추가적인 주제는 위에서 설명한 반사기 어레이를 포함하는 안테나이다.
본 발명은 비-제한적인 예로서 제시된 아래의 설명을 읽고 첨부된 도면들을 참조함으로써 더욱 잘 이해될 것이며 다른 이점들은 명확해질 것이다.
도 3 은 기계적 아키텍처의 레이아웃의 일 예 및 본 발명에 따른 방사 위상-시프팅 셀에 대한 가변적이고 제어된 로컬라이즈드 로드들을 위치시키는 일 예를 도시한, 셀의 방사면의 페이스 뷰 (face view) 이다.
도 4 는 360°의 위상-시프트 범위를 커버하는 본 발명에 따른 방사 위상-시프팅 셀들의 하나의 사이클의 예를 도시하며; 도 4 는 기계적 아키텍처의 배열의 일 예 및 사이클의 각각의 위상-시프팅 셀에 대한 가변적이고 제어된 로컬라이즈드 로드들의 구성의 일 예를 도시한다.
도 5a 는 본 발명에 따른 위상-시프팅 셀이 "슬롯" 공진 모드에 있는 경우의 동등한 공진기를 나타낸 것이다.
도 5b 는 본 발명에 따른 위상-시프팅 셀이 "마이크로스트립" 공진 모드에 있는 경우의 동등한 공진기를 나타낸 것이다.
도 5c 는 본 발명에 따른 위상-시프팅 셀의 전기적 모델을 나타낸 것이다.
도 6a 및 도 6b 는 용량성 MEMS 를 이용한 본 발명에 따른 위상-시프팅 셀들을 나타낸 것이다.
도 7 은 본 발명에 따른 위상-시프팅 셀의 또 다른 실시형태를 나타낸 것이다.
도 8a 는 본 발명에 따라 위상-시프팅 셀을 재구성하기 위하여 사용되는 가변 로드들을 제어하기 위한 디바이스의 제 1 유형을 도시한 것이다.
도 8b 는 본 발명에 따라 위상-시프팅 셀을 재구성하기 위하여 사용되는 가변 로드들을 제어하기 위한 디바이스의 제 2 유형을 도시한 것이다.
도 9 는 비아들 (vias) 이 제어 신호들을 용량성 가변 로드들로 라우팅 (routing) 하기 위하여 배치된 본 발명에 따른 위상-시프팅 셀의 일 실시형태를 도시한다.
도 10 은 본 발명에 따른 방사 위상-시프팅 셀의 또 다른 실시형태를 도시한다.
도 11 은 도 10 에 도시한 셀과 동일한 위상-시프팅 셀에 의해 연속적으로 채택된 복수의 구성들을 도시한다.
도 12 는 도 10 에 도시한 셀과 같은 위상-시프팅 셀로 제어 신호들을 라우팅하기 위한 수단의 일 예를 도시한다.
도 3 은 기계적 아키텍처의 레이아웃의 일 예 및 본 발명에 따른 방사 위상-시프팅 셀에 대한 가변적이고 제어된 로컬라이즈드 로드들을 위치시키는 일 예를 도시한, 셀의 방사면의 페이스 뷰 (face view) 이다.
도 4 는 360°의 위상-시프트 범위를 커버하는 본 발명에 따른 방사 위상-시프팅 셀들의 하나의 사이클의 예를 도시하며; 도 4 는 기계적 아키텍처의 배열의 일 예 및 사이클의 각각의 위상-시프팅 셀에 대한 가변적이고 제어된 로컬라이즈드 로드들의 구성의 일 예를 도시한다.
도 5a 는 본 발명에 따른 위상-시프팅 셀이 "슬롯" 공진 모드에 있는 경우의 동등한 공진기를 나타낸 것이다.
도 5b 는 본 발명에 따른 위상-시프팅 셀이 "마이크로스트립" 공진 모드에 있는 경우의 동등한 공진기를 나타낸 것이다.
도 5c 는 본 발명에 따른 위상-시프팅 셀의 전기적 모델을 나타낸 것이다.
도 6a 및 도 6b 는 용량성 MEMS 를 이용한 본 발명에 따른 위상-시프팅 셀들을 나타낸 것이다.
도 7 은 본 발명에 따른 위상-시프팅 셀의 또 다른 실시형태를 나타낸 것이다.
도 8a 는 본 발명에 따라 위상-시프팅 셀을 재구성하기 위하여 사용되는 가변 로드들을 제어하기 위한 디바이스의 제 1 유형을 도시한 것이다.
도 8b 는 본 발명에 따라 위상-시프팅 셀을 재구성하기 위하여 사용되는 가변 로드들을 제어하기 위한 디바이스의 제 2 유형을 도시한 것이다.
도 9 는 비아들 (vias) 이 제어 신호들을 용량성 가변 로드들로 라우팅 (routing) 하기 위하여 배치된 본 발명에 따른 위상-시프팅 셀의 일 실시형태를 도시한다.
도 10 은 본 발명에 따른 방사 위상-시프팅 셀의 또 다른 실시형태를 도시한다.
도 11 은 도 10 에 도시한 셀과 동일한 위상-시프팅 셀에 의해 연속적으로 채택된 복수의 구성들을 도시한다.
도 12 는 도 10 에 도시한 셀과 같은 위상-시프팅 셀로 제어 신호들을 라우팅하기 위한 수단의 일 예를 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 방사 위상-시프팅 셀 (200) 의 일 실시형태를 도시한다. 셀 (200) 은 선행 기술의 위상-시프팅 셀들에서 설명된 바와 같은 평면 구조를 구비하며, 도 3 은 그 평면 구조의 페이스 뷰 (face view) 를 도시한다. 통상적으로, 평면 구조는 접지면에 견고하게 부착된 후면과 전면을 가진 기판을 포함한다. 기판을 형성하기 위하여 사용된 재료들, 유전층들 및 도전성 층들은 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 예를 들면, 이전에 설명된 선행 기술 문서들에서 명명된 재료들 (materials) 이 언급될 수도 있다.
바람직하게 위상-시프팅 셀 (200) 은 직사각형의 형상을 가진다. 그러나, 다른 실시형태들도 가능하며, 비-제한적인 예로서, 육각형의 형상 또는 원형 형상을 가진 표면이 언급될 수도 있다.
셀은 적어도 2 개의 제 1 슬롯들을 가지며, 제 1 슬롯 (202) 및 제 2 슬롯 (203) 은 동심형이다. 제 1 슬롯 (202) 은 제 2 슬롯 (203) 에 대하여 외주부 (outer periphery) 상에, 다르게 말하면, 제 2 슬롯 (203) 에 대하여 패치의 중심으로부터 멀리 떨어져서 위치한다. 위상-시프팅 셀 (200) 은, 도 3 에 도시한 바와 같이, 2 개의 슬롯들 (202 및 203) 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게, 슬롯들 (202 및 203) 은 금속 프레임 (201) 의 형상에 대해 세로로 이어지는 형상을 가진다. 이렇게 하여, 패치의 외주부상에 위치한 슬롯들 (202) 은 내주부상의 슬롯들 (203) 을 둘러싼다. 위상-시프팅 셀들이 단 하나의 선형 편파 (linear polarization) 를 위해 기능하도록 설계되었다면, 도 7 에 도시한 바와 같이, 전기장 (electric field) 이 0 인 포인트에서 금속 접합부들 (705) 을 이용하여 동심형 슬롯들을 단락-회로화하는 것이 가능하다. 이 가능성은, 선형 편파를 위한 동심 슬롯에서 전기장이 0 인 장소에서는, 다른 직교 선형 편파를 위해 셀은 그 최대치에 있으므로, 셀이 이중 선형 편파 모드에서 기능하도록 설계된 경우에는 제공되지 않는다. 셀의 주변부 (201) 은 도전성 스트립 (208) 에 의해 외부 동심형 슬롯 (202) 으로부터 분리되며, 또한 용어 "프레임" 으로 나타내기도 한다.
슬롯들 (202 및 203) 은 적어도 4 개의 상호연결 슬롯들 (204) 에 의해 연결된다. 슬롯들의 이 배열은 동심형 슬롯들 (201, 202) 사이의 인터페이스에 설치된 금속 스트립들 (207) 을 정의한다. 더욱이, 가변적이고 제어된 로컬라이즈드 로드들 (206) 은 제 1 슬롯들 (202, 203) 상의 선택된 장소에 배치되며, 또한 상호연결 슬롯들 (204) 상에 배치된다. 이들은, 예를 들면, 단락-회로들이 형성되도록 하는 온/오프 스위치들, 또는 가변적인 용량성 로드들이다. 스위치들의 목적은 동등한 "슬롯" 공진기 또는 동등한 "마이크로스트립" 공진기의 전기적 길이 및/또는 폭을 수정하는 것이다.
본 발명에 따르면, 위상-시프팅 셀의 다양한 가변적이고 제어된 로컬라이즈드 로드들 (206) 은, 위상-시프팅 셀의 동등한 공진기가 입사파상에 선택된 위상-시프트를 도입시키는 위상-시프팅 셀로서의 역할들 하도록, 제 1 슬롯들 (202 및 203) 의 전기적 길이 및/또는 폭을 구성하기 위하여 제어된다. 상호연결된 슬롯들 (202, 203 및 204) 의 전기적 길이의 변화는 동등한 슬롯 또는 패치 공진기의 전기적 수치를 수정한다. 따라서, 가변적이고 제어된 로컬라이즈드 로드들 (206) 덕분에, 제 1 엔드값 및 제 2 엔드값에 의해 제한되는 적어도 360°의 위상-시프트 범위를 커버하는 위상-시프팅 셀을 획득하는 것이 가능하다. 또한, 유리하게, 그 동등한 공진기의 전기적 형상이 제 1 엔드값 및 제 2 엔드값에 대하여 동일한 셀을 획득하는 것이 가능하다. 위상-시프팅 범위내에서, 동일한 셀에 대한 위상-시프트의 값들은 연속적 또는 비연속적인 방식으로 변화할 수 있다. 아래에서 도 8a, 도 8b 및 도 9 에 관하여 설명된, 전자 제어 수단은, 위상-시프트가 연속적 또는 비연속적인 방식으로 변화하는 것을 허용하도록, 가변적이고 제어된 로컬라이즈드 로드들을 제어할 수 있다.
슬롯들의 전기적 파라미터들을 수정하는 2 개의 방법들이 특히 구별될 수도 있다: 제 1 방법은 온/오프 마이크로스위치들을 슬롯을 따라서 배치하고, 단락-회로 (온) 를 형성하는 2 개의 스위치들 사이에 포함된 슬롯의 섹션의 길이를 변화시키는 것이다. 유리하게, 가이드된 파장의 1/4 과 동일한 두께만큼 접지면이 안테나의 전면 (front face) 로부터 분리되면, 360°위상의 전체를 커버하는 것이 가능하다.
제 1 방법에 따라, 마이크로스위치들은 진행 (progression) 에 따라 활성화되어 동등한 셀들의 사이클이 근사해지도록 (approximated) 허용한다. 일 예가 제공된다: 도 4 에 도시된 사이클의 제 1 셀 (401) 은 그 내부의 모든 마이크로스위치들이 로우 상태 (low state) 에 있는 셀이다. 생성된 위상-시프트는 금속화된 플레이트 (metallized plate) 의 응답에 대응하는 180°이다. 계속해서, 제 2 셀 도시 (402) 로부터 시작하여 제 5 셀 도시 (405) 까지에 있어서, 셀의 중심 내의 마이크로스위치들은, 그 사이즈가 증가하는 금속화된 플레이트에서의 오프닝 (opening) 과 동등한 동작을 생성하기 위하여 릴리즈 (released) 된다. 그런 다음, 제 6 셀 도시 (406) 로부터 시작하여, 제 1 셀 도시 (401) 와 동일한 구성의 제 9 도시 (409) 에 도달할 때까지, 증가하는 중심 패치의 동작과 동등한 동작을 획득하기 위하여 마이크로스위치들은 중심으로부터 점진적으로 재-폐쇄된다. 그러한 진행에 따라, 공진 주파수에 맞춘 동작을 보장할 필요없이, 제 1 엔드값 및 제 2 엔드값에 대하여 동일한 마이크로스위치들의 구성으로 사이클은 제 1 엔드값 및 제 2 엔드값에 의해 제한되는 값들의 범위에 걸쳐서 위상-시프트를 커버한다.
슬롯들의 전기적 파라미터들의 수정을 위한 이 제 1 방법은 상당수의 마이크로스위치들을 필요로 한다. 충분한 위상-시프트 범위를 커버하기 위하여 마이크로스위치들의 수를 줄이고 사이클을 최적화하는 것이 가능하다. 그러나, 마이크로액추에이터들의 수가 상당히 감소하면, 이 셀 내부에서의 높은 모드들의 여기를 회피하는 것이 가능하지 않을 것이다. 이 높은 모드들은 위상-시프트가 생성되도록 허용하지만, 주파수를 가진 위상의 더 중요한 변화들과 흔히 연관된다. 이 모드들은 또한 크로스된 편파 모드 (crossed-polarization mode) 에서 방사를 유도할 수도 있다. 마이크로스위치들은, 예를 들면, MEMS (Micro Electro-Mechanical System 의 머리글자) 유형의 로컬라이즈드 로드들, 다이오드들, 또는 가변 강유전체 커패시터들이다.
유리하게, 2 개의 선형 편파들을 위한 동일한 위상을 생성하는 위상-시프팅 셀은 회전 시 변하지 않는다. 이 대칭 특성은 크로스된 편파에 기여하는 높은 모드들의 여기를 회피하여, 또한 주 편파에서 위상의 안정성을 변경할 수 있다. 이 대칭 제약조건을 충족시키기 위하여 일반적으로 제어 커맨드 당 최소한 4 개의 MEMS 가 사용되어야 한다.
유리하게, 이중 선형 편파 모드에서 동작하며 선형 편파들의 각각에서 독립적인 위상들을 생성하는 위상-시프팅 셀은 2 개의 축방향 대칭들을 가진다. 이 특성은 크로스된 편파에 기여하고, 또한 주 편파에서 위상의 안정성을 변경할 수 있는 상위 모드들이 여기되는 것을 방지한다. 그러한 특성은 제어 커맨드 당 그리고 편파 당 최소한 2 개의 MEMS 가 사용될 것을 요구한다.
유리하게, 단순 선형 편파 모드에서 동작하는 셀은 2 개의 축방향 대칭들을 가진다. 이 특성은 크로스된 편파에 기여하고, 또한 주 편파에서 위상의 안정성을 변경할 수 있는 상위 모드들이 여기되는 것을 방지한다. 그러한 특성은 제어 커맨드 당 그리고 편파 당 최소한 2 개의 MEMS 가 사용될 것을 요구한다.
다운-그레이드된 (down-graded) 실시형태들이 또한, 예를 들면, MEMS 의 수를 줄이는 목적을 가지거나 MEMS 의 동일한 수에 대한 위상 상태들의 수를 증가시키는 목적을 가지고, 구현될 수 있다. 따라서, 이 대칭들 주위의 MEMS 의 위치를 약간 변화시키거나, 대칭 위치들에 배치된 이 MEMS 에 의해 형성된 커패시터들의 값을 약간 변조하는 것이 가능하다.
슬롯 유형 또는 패치 유형의 동등한 공진기를 연속적으로 여기함으로써 위상 사이클을 관리하는 제 2 방법은 슬롯들의 용량성 로딩이 변화되도록 허용한다. 슬롯은, 예를 들면, 그 중심에 있는, 커패시터에 의해 로딩된다. 슬롯의 이 용량성 로딩은 슬롯내의 위상의 속도 (velocity) 가 변화되도록 허용하며, 따라서 그들의 공진 주파수가 수정되도록 허용한다. 커패시턴스 (capacitance) 의 변화는 수개의 디지털 커패시터들을 이용하여 수행될 수 있다. 이 개념은 분산 용량성 로딩 송신 라인들 (distributed capacitive loading transmission lines) 또는 DMTL (Distributed MEMS Transmission Line; 분산 MEMS 송신 라인) 로부터 유래되었다.
진행의 일 예는 아래에서 도 6a 및 도 6b 에 관하여 제시된다. 도 6a 에 도시된, 위상 사이클의 제 1 부분에서, 상호연결 슬롯들은 로딩되지 않는다. 다른 한편으로는, 동심형 슬롯들의 용량성 로드들은 변화한다. 위상-시프팅 셀은 그 전기적 길이 및 폭 파라미터들이 변화하는 슬롯과 동일한 방식으로 동작한다. 도 6b 에 도시된, 사이클의 제 2 부분에서, 동심형 슬롯들은 비-공진적이다. 상호연결 슬롯들을 위한 용량성 로드들은 변화하며, 따라서 중간 마이크로스트립 링의 4 개의 스트립 피스들 (strip pieces) (207) (도 2 참조) 을 연결한다. 위상-시프팅 셀은 그 전기적 길이 및 폭 파라미터들이 변화하는 마이크로스트립 공진기와 동일한 방식으로 동작한다.
가변 용량성 로드들이 슬롯들을 단락회로화하기 위하여 채용된 경우, 이 로드들은 커패시터와 직렬 연결된 마이크로스위치를 이용하여 형성될 수 있다. 슬롯 공진들이 수정되도록 허용하는 로딩 커패시터들의 보통 값들은 약 10 GHz 의 동작에 대해 20 내지 200 fF 이다. 그럼에도 불구하고, 가변 커패시터들이 항상 쉽게 형성되지는 않으며, 커패시턴스로 하여금 디지털 인크리먼트 (digital increments) 로 변화하는 것을 가능하게 한다. 이 경우, 로드는 스위치에 병렬 연결된 수개의 커패시터들로 구성된다.
도 4 에 도시한 바와 같이, 360°의 위상-시프트 범위는 동일한 동등한 공진기를 이용하여 선택적으로 시작되고 종료된다. 본 발명에 따른 셀은 따라서 동등한 공진기의 형상을 폐쇄함으로써 360°의 범위를 커버할 수 있다. 따라서, 반사면은 수개의 주기적 패턴들로 구성될 수 있으며, 2 개의 인접 셀들의 동등한 공진기의 형상에서의 심각한 파열을 회피하기 위하여, 상기 패턴은, 각각 인근 위상-시프트를 구성하는 수개의 인접 위상-시프팅 셀들로 구성된다. 이것은 반사된 빔에 반사면에 의해 형성된 스퓨리어스 로브들 (spurious lobes) 을 감소시킨다. 동등한 공진기의 전기적 치수는 슬롯들 (202 및 203) 의 전기적 길이 및/또는 전기적 폭에 좌우된다. 반사면의 셀들의 로컬라이즈드 가변 로드들의 제어를 위해 설계된 컴퓨팅 및 제어 수단은 원하는 위상-시프트가 구성될 수 있도록 허용한다. 또 다른 실시형태에 따르면, 동등한 공진기는 폐쇄-루프 형태를 취하지 않는다; 다르게 말하면, 360°의 위상-시프트 범위는 2 개의 상이한 구성들을 이용하여 시작되고 종료될 수 있다.
제 1 서브-범위에서, 슬롯 유형의 공진은 여기되며, 그 공진의 동등한 레이아웃은 도 5a 에 도시된다. 이 제 1 서브-범위에서, 위상-시프팅 셀은 입사파에 대하여 병렬 LC 회로 (501) 로서 거동한다.
제 2 서브-범위에서, 마이크로스트립 유형의 공진은 여기되며, 그 공진의 동등한 레이아웃은 도 5b 에 도시된다. 이 제 2 서브-범위에서, 위상-시프팅 셀은 입사파에 대하여 직렬 LC 회로 (502) 로서 거동한다. 전면상의 전도성 표면으로부터 분리된 접지면은 송신 라인 (504) 에 의해 나타낼 수 있다.
요약하면, 이중 공진을 가진 위상-시프팅 셀은 직렬 설치된 2 개의 병렬 LC 회로들 (503, 505) 과 동등하다. 유도성 파라미터들 및 용량성 파라미터들의 값에 따라서, 셀은 도 5a 에 도시된 바와 같은 "슬롯" 모드로 도 4 의 구성들 (402, 403, 404, 405) 로 배치될 수 있고, 또는 도 5b 에 도시된 바와 같은 "패치" 모드로 구성들 (406, 407, 408, 409, 401) 로 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 위상-시프팅 셀은 (슬롯 유형의 또는 마이크로스트립 유형의) 단일 공진에 기초하여, 선행 기술의 위상-시프팅 셀에 대하여 중요한 이점을 제공한다. 정말로, 선행 기술의 셀에 있어서, 360°의 익스커전 (excursion) 은 공진기의 전기적 길이 및 폭 파라미터들을 수정함으로써 오직 수행될 수 있다. 이 제약조건은 매우 공진적인 거동들을 초래한다. 셀이 상보형 슬롯과 감소된 범위들에 걸쳐서 동작하는 마이크로스트립 공명들에 기초한다는 사실을 이용하여, 공진 제약조건들은 상당히 감소되며, 따라서 위상-시프팅 셀의 대역폭을 상당히 넓히는 것이 가능하다.
도 5c 는 본 발명에 따른 위상-시프팅 셀의 동등한 레이아웃을 도시한다. 셀의 재구성 가능한 로드들의 구성에 따라, 셀은 도 5a 에 도시된 "슬롯" 구성에 가까운 거동 또는 도 5b 에 도시된 "마이크로스트립" 구성에 가까운 거동을 채택할 수 있다.
도 6a 및 도 6b 는 용량성 MEMS 를 이용한 본 발명에 따른 위상-시프팅 셀들을 도시한다. 도 6a 는 상호연결 슬롯들 (640) 이 가볍게 로딩되고 슬롯들 (650) 의 용량성 로드들이 변화하는 경우를 도시한다. 그러한 구성에서의 셀은 그 전기적 길이 및 폭이 변화하는 슬롯 유형의 공진기와 동등하다. 도 6b 는 상호연결 슬롯들 (640) 이 용량성 관점으로부터 로딩되고 슬롯들의 용량성 로드들이 변화하는 경우를 도시한다. 그러한 구성에서의 셀은 그 전기적 길이 및 폭이 변화하는 "마이크로스트립" 공진기와 동등하다.
도 7 의 실시형태에 따르면, 방사 위상-시프팅 셀 (700) 은 4 개의 제 1 슬롯들 (702 및 703) 및 4 개의 제 2 슬롯들 (704) 을 가진 직사각형 형상을 가진다. 2 개의 제 2 슬롯들 (704) 에 의해 상호연결된 2 개의 제 1 슬롯들 (702 및 703) 은 전도성 표면 (708) 의 제 1 절반 (first half) 에 위치된다. 다른 2 개의 제 2 슬롯들 (704) 에 의해 상호연결된 다른 2 개의 제 1 슬롯들 (702 및 703) 은 패치의 전도성 표면의 제 2 절반 (second half) 에 위치된다. 제 1 슬롯들 (702 및 703) 은 중간 금속 스트립 (707) 의 오더 (order) 와 동일한 오더가 되도록 유리하게 선택된 물리적 폭을 가진다. 그렇기는 하지만, 다른 실시형태들에 따르면, 슬롯들 (702 및 703) 과 중간 금속 스트립들 (707) 의 폭들은 상이할 수 있다.
도 7 의 위상-시프팅 셀 (700) 은 선형 편파된 입사파들의 반사에 특히 훌륭하게 적응된다. 도전층의 부분 (705) 은 패치의 상반부의 제 1 슬롯들 (702 및 703) 과 패치의 하반부의 제 1 슬롯들 (702 및 703) 을 분리한다.
위상-시프팅 셀상에 배치된 마이크로-스위치들로 제어 신호들을 라우팅하는 것도 또한 문제를 제기한다. 이 라우팅은 반사기 어레이로부터의 방사를 간섭하지 않아야 한다. 유리하게, 본 발명은 이 문제의 솔루션 (solution) 에 대한 대답을 제공한다.
도 8a 에 도시한 바와 같이, 라우팅 제약 조건을 제한하기 위하여, 분산된 제어 아키텍처가 제공된다. 제어 정보는, 예를 들면, 안테나 패널의 후면 (810) 상에, 제어된 가변 로드들에 가깝게 설치된, 전문화된 집적 회로 (ASIC) (801) 로 디지털 방식으로 송신된다. 이 회로는 수신된 정보를 각각의 제어된 로드에 적응된 제어 신호로 변환한다. 그러므로, 하나의 어려움은, 방사 셀들의 전자기적 동작을 간섭하지 않으면서, 이 제어 신호들을 후면으로부터 반사기 어레이의 전면 (820) 상에 위치한 각각의 로드로 라우팅하는 것에 있다.
도 8a 에 도시된 제 1 실시형태에서, 패널은 그 전면상에 셀의 금속 패턴과 MEMS 를 포함하는 무선주파수 (RF) 칩들이 장착된 다층 유전 기판으로 구성된다. 그리고, 이 RF 칩들은 모노리식 칩들 (monolithic chips) 로 지칭되며, 예를 들면, 석영, 용융 실리카 (fused silica) 또는 알루미나 (alumina) 로 구성된다. 예를 들면 RO 4003 으로 구성된, 유전 기판은 RF 칩들 (803) 과 접지면 사이의 스페이서의 기능을 수행하고, 기판의 후면상에 장착된 DC 칩들로의 제어 신호들의 쓰루-접속 (through-connection) 을 가능하게 한다. 그런 다음, 전면 상의 제어 신호들의 라우팅이 RF 칩들 내에서 수행된다. 저항성 라인들이 슬롯들을 만나는 장소에서 적어도 섹션들에 그 저항성 라인들을 형성하기 위하여 마이크로일렉트로닉스 프로세싱 (microelectronics processing) 이 사용될 수 있다.
도 8b 에 도시된 제 2 실시형태에서, 패널은 그 위에 셀의 금속 패턴 (851) 이 에칭되고 MEMS 컴포넌트들 (853) 이 장착된 다층 유전 기판으로 구성되며; 그리고 이것은 하이브리드 디자인 (hybrid design) 이다.
도 9 에 도시한 바와 같이, 셀의 동작을 근본적으로 변경하지 않고, 제어 비아들 (control vias) (901) 은 (프레임 (908) 내의) 셀의 주변부에, 또는 셀의 중심에 배치될 수 있다. 또한, 주변부상에 금속 쓰루 비아들 (metal through vias) 을 주기적으로 배열하는 것은 프레임 (908) 및 접지면을 연결하는 주변 금속 벽과 동일한 효과를 가질 수 있다. 그런 다음, 이 비아들중 수개의 비아들은 후면으로부터 전면으로 제어 신호들을 라우팅하기 위하여 사용될 수 있다. 또한, 셀의 전기적 거동을 상당히 수정하지 않고, 금속 쓰루 비아에 의해 셀 (903) 의 중심 패치를 접지면에 연결하는 것이 가능하다. 그러므로, 제어 비아 (902) 는 또한 이 위치에 설치될 수 있다. 이 비아가 제어를 위해 사용되면, 전기 단락-회로의 임의의 리스크 (risk) 를 회피하기 위하여 이 비아는 패턴으로부터 절연되어야 한다.
그러면, 하나의 어려움은 위상-시프팅 셀의 동작을 변경하지 않고 전면상의 이 제어 신호를 라우팅하는 것에 있다. 매우 저항성인 라인들 (통상적으로 10 kΩ/□) 이 형성되도록 기술이 허용한다면, 임의의 특별한 예방조치들 없이 제어 커맨드들은 MEMS 로 라우팅될 수 있다. 예를 들면, 제어 트랙들 (control tracks) 은 그들의 거동을 변경하지 않고 공진 슬롯들을 통과할 수 있다. 그러나, 라인의 총 임피던스가 너무 높아지지 않도록, 이 저항성 라인들을 단지 적당히 사용하는 것이 또한 추천될 수도 있다. 예를 들면, 이것은, 진단 디바이스가 사용되면, 마이크로스위치가 정확하게 활성화되었는지 아닌지의 여부를 확인하도록 허용하는 경우이다. 이 경우, 제어 라인은 섹션들에서 저항성일 수 있으며, 이 섹션들은 제어 라인이 슬롯들을 통과하는 곳에 대응한다.
도 10 은 본 발명에 따른 방사 위상-시프팅 셀의 또 다른 실시형태를 도시한다. 셀은, 예를 들면, 유전 기판상에 프린트된 패턴들의 형태를 가진 도전성 엘리먼트들 (1001, 1002) 를 포함한다. 셀은 중심 도전성 엘리먼트 (1001) 및 이 제 1 도전성 엘리먼트 (1001) 주위에 설치된 4 개의 주변 도전성 엘리먼트들 (1002) 을 포함하며, 4 개의 주변 도전성 엘리먼트들 (1002) 의 중심들은 그 중심에 중심 도전성 엘리먼트 (1001) 가 설치되는 정사각형을 형성한다. 상호연결 도전성 엘리먼트들 (1004) 은 도전성 엘리먼트들 (1001, 1002) 의 각각의 사이에 삽입된다.
도전성 엘리먼트들 (1001, 1002) 은 가변적이고 제어된 용량성 로드들 (1006) 을 통하여 상호연결 도전성 엘리먼트들 (1004) 을 이용하여 연결된다.
그 감소된 치수때문에, 도전성 엘리먼트 (1001) 는 자체적으로 공진 모드가 생성되도록 허용하지 않는다. 그러한 모드가 설정되도록 허용할 수도 있는 것은 이 도전성 엘리먼트들의 상호연결이다.
예에서, 정렬된 도전성 엘리먼트들에 대하여, 2 개의 인접 크로스들에 속하는 크로스들의 브랜치들의 엔드들 (ends) 이 서로 가까와지고 상호연결 도전성 엘리먼트 (1004) 에 의해 쉽게 연결가능하도록, 각각의 도전성 엘리먼트는 4 개의 직교 브랜치들을 가진 크로스의 형태의 패턴을 가진다.
가변적이고 제어된 용량성 로드들 (1005) 은 상호연결 도전성 엘리먼트들 (1004) 와 도전성 엘리먼트들 (1001, 1002) 을 형성하는 크로스들의 브랜치들의 엔드들 (ends) 사이의 인터페이스에 배치된다.
도 11 은 도 10 에 도시된 것과 같은 동일한 위상-시프팅 셀에 의해 연속적으로 채택된 복수의 구성들을 도시한다.
제 1 구성 (1101) 에서, 셀은 풀 금속 패치 (full metal patch) 로서 거동한다. 모든 도전성 엘리먼트들은 용량성 로드들을 통하여 연결된다. 이 제 1 구성 (1101) 은, 예를 들면, 약 180°의 위상-시프트를 입사파에 인가하기 위하여 사용될 수 있다.
제 2 구성 (1102) 에서, 접지면에서 셀이 오프닝 (opening) 으로서, 다르게 말하면, 환상 슬롯 (1150) 으로서 거동할 수 있도록, - 예에서 중심 도전성 엘리먼트와 상호연결 도전성 엘리먼트들 사이의 인터페이스에 배치된 - 중심 용량성 로드들 (1110) 은 감소하며; 셀은 유도성 거동을 가진다. 이 제 2 의 구성 (1102) 은, 중심 커패시터들이 전적으로 언로딩되면, 180°로부터 점진적으로 이동하여, 예를 들면, 약 80°에 도달하는 위상-시프트에 대응할 수 있다.
제 3 구성 (1103) 에서, 방사 셀의 용량성 거동을 위하여 유도성 거동이 감쇠될 수 있도록, 주변 용량성 로드들 (1120) - 다르게 말하면, 예에서 주변 도전성 엘리먼트들과 상호연결 도전성 엘리먼트들 사이의 인터페이스에 배치된 주변 용량성 로드들 (1120) - 은 감소한다. 이 제 3 구성 (1103) 은, 주변 커패시터들이 전적으로 언로딩되면, 80°(제 2 구성 (1102)) 와 -20°사이의 범위에서 위상-시프트의 변화에 대응할 수 있다.
제 4 구성 (1104) 에서, 중심 용량성 로드들 (1110) 은 증가하며, 반면에 주변 용량성 로드들은 언로딩된 채로 남아있다. 이 제 4 구성 (1104) 에서, 셀은 용량성 거동을 가진다. 이 제 4 구성 (1104) 은 -20°와 -50°사이의 범위에서 위상-시프트의 변화에 대응할 수 있다.
제 5 구성 (1105) 에서, 제 1 구성 (1101) 의 상태에 도달할 때까지, 중심 용량성 로드들은 증가하며, 여기에서 이 제 5 구성은, 예를 들면, -50°와 -180°사이에서 입사 신호에 인가된 위상-시프트에 대응할 수 있다. 셀은 풀 금속 패치에 대응하는 셀의 초기 상태로 돌아간다.
도 12 는 도 10 에 도시한 셀과 같은 위상-시프팅 셀로 제어 신호들을 라우팅하기 위한 수단을 도시한다.
비아들 (1210) 은 도전성 엘리먼트들을 형성하는 크로스들의 중심들에 형성된다. 제어 커맨트들의 라우팅은 셀의 표면의 레벨 아래의 레벨에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 위상-시프팅 셀은 선행 기술의 솔루션들에 대해 수개의 이점들을 제공한다.
첫 번째 이점은 위상-시프팅 셀이 2 개의 상보형 공진들: 슬롯 유형의 동등한 공진기에 의한 제 1 공진 및 패치 유형의 동등한 공진기에 의한 제 2 공진을 나타낼 수 있다는 것이다. 이것은 매우 공진적인 모드들 (highly resonant modes) 의 존재를 회피할 수 있도록 하며, 따라서 주파수의 변화들에 대한 셀들의 감도가 제한된다. 따라서 위상값은 소스 신호의 주파수의 함수로서 훨씬 더 선형적인 방식으로 변화하며, 따라서 위상에서의 급격한 점프들 (jumps) 을 회피한다. 본 발명에 따른 위상-시프팅 셀은 보다 넓은 주파수 대역 (예를 들면, 대역의 30%) 에 걸쳐 사용가능하다.
두 번째 이점은 반사기 어레이를 형성하는 2 개의 인접 셀들 사이에 주목할 만한 파열 (rupture) 이 없다는 사실로 인하여, 특허 출원 번호 제 FR 0450575 호에서 설명한 바와 같이, 반사기 어레이의 스퓨리어스 효과들이 감소한 것이다. 이것은 위상의 주파수 변화를 최소가 되도록 허용하는 로컬라이즈드 가변 로드들의 제어 사이클에 의해 360°의 위상-시프트 범위를 커버하는 가능성 덕분에 가능하다.
본 발명 덕분에, 그 표면이 본 발명에 따른 방사 위상-시프팅 셀들로 덮여진 안테나를 위한 반사기 어레이를 설계하는 것이 가능하다. 이 셀들은 선택된 위상-시프트를 입사파에 도입하기 위하여 제어되며, 인접 셀들의 각각은 동등한 공진기가 인접 셀의 구성과 가까운 구성을 가지는 방식으로 제어된다. 본 발명은, 예를 들면, 통신 위성의 안테나와 같은, 모바일 크래프트 (mobile craft) 에 탑재된 (onboard) 반사기 어레이를 가진 안테나들에 특히 적용가능하다.
셀은 송신 및 수신 양측 모두의 Ku 대역 또는 Ka 대역에서 사용되도록 설계된 위성 패널들에서 사용될 수 있다. 예로서, 본 발명에 따른 위상-시프팅 셀들은 송신을 위해 약 20GHz 에서, 수신을 위해 약 30GHz 에서 채용될 수 있다.
Claims (15)
- 접지면 위쪽에 그리고 접지면으로부터 떨어져서 기판의 표면상에 형성된 복수의 도전성 엘리먼트들 (conducting elements) 을 포함하는 방사 위상-시프팅 셀로서,
상기 도전성 엘리먼트들은 슬롯들 (slots) 에 의해 분리되며,
상기 슬롯들의 배열은, 반사될 파동에 인가되는 위상-시프트를 구성하는 전기적 형상을 갖는 등가 공진기를 형성하며,
상기 셀은 상기 슬롯들의 전기적 길이 및/또는 폭을 변화시킬 수 있는 제어된 가변 로드들 (controlled variable loads) 을 포함하며,
상기 도전성 엘리먼트들 및 제어된 가변 로드들은, 상기 로드들의 적어도 제 1 구성에 따라서, 대체로 유도성인 (predominantly inductive) 공진기를 생성하기 위하여 마이크로웨이브 신호들의 표면 도체가 형성되도록, 그리고 적어도 제 2 구성에 따라서, 대체로 용량성인 (predominantly capacitive) 공진기를 생성하기 위하여 슬롯이 적어도 하나의 중심 도전성 엘리먼트 주위에 형성되도록 배열되며,
상기 도전성 표면은 상기 중심 도전성 엘리먼트를 둘러싸는 복수의 도전성 엘리먼트들에 의해 형성된, 방사 위상-시프팅 셀. - 제 1 항에 있어서,
상기 도전성 표면을 형성하는 상기 도전성 엘리먼트들은 주변부 상에 위치되고, 주변부 도체들의 각각은 제어된 용량성 로드들에 의하여 중심 도체 및 이웃 주변 도체들에 연결되는, 방사 위상-시프팅 셀. - 제 1 항에 있어서,
상기 도전성 엘리먼트들은 수개의 행들 (rows) 로 정렬된 4 개의 브랜치들 (branches) 을 가진 크로스 (cross) 의 형태를 가지며, 2 개의 연속적인 행들에 속하는 크로스들은 서로에 대하여 오프셋 (offset) 되며, 상기 크로스는 제어된 가변적인 용량성 로드들에 의해 연결되는, 방사 위상-시프팅 셀. - 제 1 항에 있어서,
상기 도전성 표면은 환상 슬롯들에 의해 둘러싸인 도전성 스트립들에 의해 형성되며, 상기 도전성 스트립들은 상기 환상 슬롯들의 상호연결 슬롯들의 전기적 길이 및/또는 폭을 수정할 수 있는 용량성 로드들에 의해 연결되는, 방사 위상-시프팅 셀. - 제 2 항에 있어서,
상기 셀이 제 1 구성일 때, 병렬 LC 회로의 주 기여 (main contribution) 와 동등한 주 기여를 갖는 공진 슬롯을 형성하기 위하여, 주변 도전성 엘리먼트들을 함께 연결하는 로드들은 활성화되며, 중심 도전성 엘리먼트를 주변 도전성 엘리먼트들에 연결하는 로드들은 디스에이블(disabled) 되는, 방사 위상-시프팅 셀. - 제 5 항에 있어서,
상기 주변 도전성 엘리먼트들을 함께 연결하는 로드들은 2 개의 엔드 값들 사이에 다중 값들을 취하여 상기 동등한 공진 슬롯의 치수가 상기 값들의 함수로서 점진적으로 변화하게 할 수 있도록 설계되는, 방사 위상-시프팅 셀. - 제 2 항에 있어서,
상기 셀이 상기 제 2 구성을 가지면, 직렬 LC 회로의 주 기여와 동등한 주 기여를 갖는 공진 마이크로스트립을 형성하기 위하여, 주변 도전성 엘리먼트들을 함께 연결하는 로드들은 디스에이블되며, 중심 도전성 엘리먼트를 주변 도전성 엘리먼트들에 연결하는 로드들은 활성화되는, 방사 위상-시프팅 셀. - 제 7 항에 있어서,
상기 중심 도전성 엘리먼트를 주변 도전성 엘리먼트들로 연결하는 로드들은 2 개의 엔드 값들 사이에 다중 값들을 취하여 상기 동등한 공진 마이크로스트립의 치수가 상기 값들의 함수로서 점진적으로 변화할 수 있도록 설계된, 방사 위상-시프팅 셀. - 제 1 항에 있어서,
상기 중심 도전성 엘리먼트를 주변 도전성 엘리먼트들에 연결하는 로드들은, 입사파에 인가된 위상-시프트 범위가 위상-시프트의 2 개의 구간들 (intervals) 로 분해되도록, 주변 도전성 엘리먼트들을 함께 연결하는 로드들의 값과는 독립적으로 변화하도록 설계되며, 제 1 구간에서 인가되는 위상-시프트들은 공진 슬롯 유형의 구성을 가지고 획득되며, 제 2 구간에서 인가되는 위상-시프트들은 공진 마이크로스트립 유형의 구성을 가지고 획득되는, 방사 위상-시프팅 셀. - 제 1 항에 있어서,
상기 가변 로드들 및 도전성 엘리먼트들의 치수는, 대응하는 위상-시프트가 위상 시프트 범위의 제 1 단부에 인가되게 하는 셀의 구성이, 대응하는 위상-시프트가 상기 범위의 제 2 단부에 인가되게 하는 셀의 구성과 동일하도록 결정되는, 방사 위상-시프팅 셀. - 제 1 항에 있어서,
위상-시프트 범위는 360°인, 방사 위상-시프팅 셀. - 제 1 항에 있어서,
상기 도전성 엘리먼트들, 슬롯들 및 용량성 로드들은 상기 셀의 중심에 배치된 대칭의 중심을 따라 셀 상에 배치되는, 방사 위상-시프팅 셀. - 제 1 항에 있어서,
상기 용량성 로드들은 다이오드들 (diodes), MEMS, 또는 강유전체 커패시터들 (ferroelectric capacitors) 인, 방사 위상-시프팅 셀. - 제 1 항에 기재된 복수의 방사 위상-시프팅 셀들을 포함하는 반사기 어레이 (reflector array) 로서, 셀들이 상기 반사기 어레이의 반사면을 형성하는, 반사기 어레이.
- 제 14 항에 기재된 반사기 어레이를 포함하는 안테나.
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