KR20160008457A - 메타물질-기반의 위상 편이 소자 및 페이즈드 어레이 - Google Patents

메타물질-기반의 위상 편이 소자 및 페이즈드 어레이 Download PDF

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디. 카세 버나드
알. 볼켈 아르민
리우 빅터
에스. 투가노브 알렌산더
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팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드
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Abstract

메타물질 구조체에 의해 발생되는 무선주파수 출력 신호의 위상을 제어하기 위하여 메타물질-기반의 위상 편이 소자는 가변 커패시터 (바리캡(varicap))를 이용하여 메타물질 구조체의 유효 커패시턴스를 제어한다. 메타물질 구조체는 입사하는 입력 신호 (복사선)와 동일한 라디오 파 주파수에서 공진하도록 구성됨으로써, 메타물질 구조체는 입력 신호의 제어된 산란에 의해 출력 신호를 방사한다. 바리캡에 의해 메타물질 구조체에 인가되는 가변 커패시턴스는 제어 전압을 통해 조정될 수 있고, 이에 따라 제어 전압을 조정함으로써 출력 위상이 조정된다. 메타물질 구조체는 저가의 금속막 또는 PCB 제조 기술을 이용하여 제조되고 상부 금속 “아일랜드(island)” 구조체, 하부 금속 후판층, 및 이들 사이에 개재되는 유전체 층을 포함한다. 바리캡은 아일랜드 구조체 및 아일랜드 구조체를 둘러싸는 베이스 금속 구조체 사이에 연결된다.

Description

메타물질-기반의 위상 편이 소자 및 페이즈드 어레이{METAMATERIAL-BASED PHASE SHIFTING ELEMENT AND PHASED ARRAY}
본 발명은 위상 이동 소자 및 방사되는 복사에너지 위상 이동 방법에 관한 것이다.
위상 변위기는 제어 신호 (예를들면, DC 바이어스 전압)에 대한 응답으로 무선주파수 (RF) 신호의 위상 이동 (즉, 전송파 위상 각 변화)을 제어할 수 있는 2-포트 회로망 소자이다. 종래 위상 변위기는 일반적으로 페라이트 (강유전성) 위상 변위기, 집적회로 (IC) 위상 변위기, 및 초소형미세공정시스템 (MEMS) 위상 변위기로 분류된다. 페라이트 위상 변위기는 IC 및 MEMS 위상 변위기보다 낮은 삽입손실 및 상당히 더욱 높은 전력 취급 능력이 있는 것으로 알려져 있지만, 특성이 복잡하고 제조 비용이 고가이다. IC 위상 변위기 (고주파 집적회로 MIC) 위상 변위기라고도 칭함)는 PIN 다이오드 또는 FET 소자를 이용하고, 페라이트 위상 변위기 더욱 저렴하고 크기가 작지만, 높은 삽입손실로 사용이 제한된다. MEMS 위상 변위기는 MEMS 브릿지 및 박막 강유전성 물질을 이용하여 페라이트 및 IC 위상 변위기 한계를 극복하지만, 여전히 상대적으로 크고, 고가이고 전력 소모적이다.
위상 변위기 적용분야는 다양하지만, 가장 중요한 적용분야는 아마도 위상화 어레이 안테나 시스템 (위상화 어레이 또는 전기적 조향 어레이라고도 칭함) 내부이고, 여기에서 대량의 복사소자들 위상이 제어되어 조합된 전자기파는 원하는 방향에서 보강되고 원치않는 방향에서 억제됨으로써, 어레이로부터 원하는 각에서 방사되는 RF 에너지의 “빔”을 발생시킨다. 안테나에 급전되는 각자 신호의 상대 위상을 변경시킴으로써, 방사 빔은 빔이 지향되는 면적 또는 영역을 주사 또는 “스윕” 하도록 유도된다. 이러한 주사 빔은, 예를들면, 위상화 어레이 레이더 시스템에서 활용되어 관심 면적 (목표 필드)를 스윕하고, 수신기는 목표 필드에 위치한 물체들로부터 반사 (산란)되는 빔 에너지 일부를 검출한다.
위상화 어레이 (예를들면, 레이더) 시스템 구현을 위하여 전형적으로 대량의 위상 변위기들이 필요하므로, 종래 위상 변위기를 사용하면 위상화 어레이 시스템에서 여러 문제점들이 생긴다. 첫째, 종래 위상 변위기 높은 비용으로 위상화 어레이 시스템은 유용성을 찾을 수 있는 많은 적용분야에서 너무 고가이고 -- 위상화 어레이 시스템 비용의 약 절반은 위상 변위기 비용으로 인한 것으로 추정된다. 둘째, 종래 위상 변위기의 높은 전력소모로 인하여 위상화 어레이 시스템은 배터리 전원을 이용하는 많은 휴대용 장치에 실장될 수 없다. 셋째, 종래 위상 변위기를 이용하는 위상화 어레이 시스템은 전형적으로 많은 고가의 고체-상태 (solid-state), MEMS 또는 페라이트-기반의 위상 변위기, 제어 라인들과 함께 전력분배망과의 복잡한 통합 및 위상 변위기 복잡성으로 이하여 고도로 복잡하다. 더욱이, 종래 위상 변위기를 이용하는 위상화 어레이 시스템은 전형적으로 매우 무겁고, 주로 종래 위상 변위기들의 합체 중량으로 인함, 이로써 위상화 어레이들이 사용될 수 있는 적용분야가 제한된다. 예를들면, 상업용 여객기 및 중간 크기의 항공기는 무거운 레이더 시스템을 올릴 수 있는 충분한 파워가 있지만, 더욱 작은 항공기 및 드론은 전형적으로 그렇지 못하다.
종래 위상 변위기의(용적이 큰) 무거운 중량, 고비용, 복잡성 및 높은 전력소모를 피할 수 있는 위상 이동 소자가 요구된다. 또한 이러한 위상 이동 소자를 이용하여 위상-이동된 RF 신호를 전송할 수 있는 위상 이동 장치, 및 위상-이동된 RF 신호로 발생되는 조향 빔을 전송할 수 있는 위상화 어레이가 요구된다.
본 발명은 메타물질-기반의 위상 이동 소자에 관한 것이고, 이는 메타물질 구조체를 이용하여 인가/수신 입력 신호와 동일한 전파 주파수 (즉, 3 kHz 내지 300 GHz)를 가지는 출력 신호를 생성하고, 가변 커패시터를 이용하여 인가 위상 제어 신호에 의해 출력 신호 위상을 제어한다. 메타물질 구조체는 고가 금속막 또는 PCB 제조 기술을 이용하여 고유한 “고정” 커패시턴스를 가지도록 구성되고, 맥스웰 방정식을 풀어서 인가 입력 신호의 무선주파수에서 공진하도록 맞춤 제작됨으로써, 메타물질 구조체는 입력 신호를 재전송 (즉 반사/산란)함으로써 입력 신호 주파수에서 출력 신호를 발생시킨다. 발명의 양태에 의하면, 가변 커패시터는 메타물질 구조체와 연결되어 메타물질 구조체의 유효 커패시턴스는 메타물질 구조체의 고유 (고정) 커패시턴스 및 가변 커패시터에 의해 공급되는 가변 커패시턴스의 곱에 의해 결정된다. 따라서 출력 신호 위상은 메타물질 구조체에 인가되는 가변 커패시턴스를 변경시켜 원하는 위상 값으로 “조정 가능” (조정 가능하도록 제어할 수 있고), 가변 커패시터에 인가되는 위상 제어 신호 (예를들면, DC 바이어스 전압)를 변경시켜 달성될 수 있다. 상기 메타물질 구조체를 적합한 가변 커패시터와 조합함으로써, 본 발명은 종래 위상-이동 소자보다 실질적으로 더욱 소형/더욱 경량, 더욱 저렴하고, 전력을 덜 소비하는 위상 변위기 요소를 제공한다. 또한, 메타물질 구조체 및 가변 커패시터는 별도의 안테나 급전 (feed) 없이도 전파 주파수 출력 신호를 발생하므로, 본 발명은 종래 위상 변위기를 이용하여 제작되는 것들과 비교하여 크게 개선된 위상-이동 장치 및 위상화 어레이 시스템을 제작할 수 있다.
본 발명의 실시태양에 의하면, 위상 이동 소자는 2-단자 가변 커패시터를 이용하고, 이는 제1 단자가 메타물질 구조체에 연결되고 제2 단자는 고정 DC 전압원 (예를들면, 접지)에 연결되도록 배치되고, 위상 제어 신호는 메타물질 구조체 또는 직접 가변 커패시터 제1 단자 중 어느 하나에 연결되는 도체에 의해 인가된다. 이러한 배열로, 가변 커패시터 작동은 위상 제어 신호 (즉, 바이어스 전압)를 도체에 인가하여 용이하게 제어됨으로써, 가변 커패시터는 인가 위상 제어 신호에 의해 결정되는 (예를들면, 비례하는) 커패시턴스 수준을 가지는 가변 커패시턴스가 발생되도록 유도된다. 바람직한 실시태양에서, 도체는 가변 커패시터 단자에 접속되어 메타물질 구조체에 인가되는 경우 발생되었을 신호 손실을 최소화한다. 또한 이러한 배열로 제2 가변 커패시터 단자를 고정 (예를들면, 접지) 전위에 연결함으로써 다중 메타물질-기반의 위상 이동 소자들에 대한 정확한 동시 제어가 가능하다.
본 발명의 실제 실시태양에 의하면, 메타물질 구조체는 3-층 구조체를 포함하고, 이는 가변 커패시터 제1 단자에 연결되는 상부 (제1) 패턴화 금속층 (“아일랜드”) 구조체, 아일랜드 구조체 하부에 배치되는 전기적으로 격리된 (부동) 제2 금속 구조체 (후판층), 및 아일랜드 및 하부 금속층 구조체 사이에 개재되는 유전체 층을 포함한다. 아일랜드 및 하부 금속층 구조체는 협력적으로 (cooperatively) 구성되어 (예를들면, 크기, 형상 및 간격) 복합 메타물질 구조체는 입력 신호의 전파 주파수에서 공진될 수 있는 고정 커패시턴스 및 기타 속성들을 가진다. 본 발명에 의한 위상 변위기의 저비용 생산에 기여하는 저-비용 제조 기술을 이용하는 것외에도, 층상 구조체 (즉, 부동 하부 금속층 구조체 상부에 배치되는 상부 금속층 “아일랜드”)는 파면 형성기 (wavefront shaper)로 기능하여, 출력 신호는 상향/외향만으로 고도의-방향성이 보장되어, 위상 이동으로 산란이 효율적이므로 전력소모를 최소화할 수 있다. 현재 바람직한 실시태양에서, 메타물질 구조체는 입력 신호 (즉, 입사 복사선) 흡수를 완화시키는 무손실 유전물질을 활용하고, 대부분의 입사 복사선은 출력 신호에서 재-방사되도록 보장한다. 다른 특징부에 의하면, 아일랜드 구조체는 유전체 층 상면에서 베이스 (제3) 금속층 구조체와 이격 방식으로 공동-배치되고, 가변 커패시터는 상부 금속층 구조체 및 베이스 금속 구조체 사이에 연결된다. 이러한 실제 배열은 저-비용 표면-실장 기술을 이용하여 가변 커패시터 부착을 용이하게 함으로써 제작 비용을 더욱 줄인다. 바람직한 실시태양에서, 베이스 (접지) 금속층은 전체 상부 유전체 표면 대부분을 덮고 아일랜드 구조체가 배치되는 개구를 형성함으로써 베이스 금속층은 아일랜드 구조체와 균일 폭을 가지는 둘레 간격만큼 떨어져 있다. 이러한 베이스 구조체 배열은 두 가지 목적이다: 첫째, 베이스 금속층 및 아일랜드 구조체 사이 적당한 둘레 간격 거리를 제공함으로써, 베이스 금속층은 효과적으로 메타물질 구조체 일부가 되고(즉, 고정 커패시턴스 메타물질 구조체는 베이스 금속층 및 아일랜드 구조체 사이에 발생되는 커패시턴스 성분에 의해 개선되고); 둘째, 베이스 금속층을 아일랜드 구조체에 근접하게 형성시킴으로서, 베이스 금속층은 산란 표면으로 기능하여 집합 모드 진동을 지지하고, 상향/전향으로의 출력 신호 (파) 산란을 보장한다. 다른 특징부에 의하면, 베이스 금속층 및 아일랜드 구조체 모두는 단일 (즉, 동일) 금속 (예를들면, 구리)을 사용하여 형성되므로, 저-비용 제조 공정을 이용한 베이스 금속층 및 아일랜드 구조체 형성을 가능하게 함으로써 제조 비용을 더욱 낮춘다 (예를들면, 블랭킷 금속층 증착, 패턴화, 및 이후 금속층 식각에 의한 둘레 홈/간격 형성). 또 다른 바람직한 실시태양에 의하면, 금속 비아 (via) 구조체는 하부 금속층 구조체 및 유전체 층에 형성된 개구를 관통하여 연장되고, 가변 커패시터 단자에 접속된다. 이러한 배열로 인하여 메타물질 구조체 형상을 복잡화할 필요없이 가변 커패시터 양단에 위상 제어 전압 인가가 용이하고, 또한 다중 위상 제어 신호들을 다중 위상 이동 소자들을 포함하는 위상화 어레이 구조체에 배치되는 다중 위상 변위기에 대한 분배를 단순화시킬 수 있다.
본 발명의 예시적 실시태양들에 따르면, 각각의 아일랜드 (제1 금속층) 구조체는 베이스 (제3) 금속층에서 형성되는 사각 개구 내부에 배치되는 평면 사각 구조체로서 형성된다. 사각 형상은 형성이 용이한 단순한 기하 구조를 제공하고, 위상 제어 전압과 원하는 커패시턴스 변화 및 연관된 위상 이동과의 상관에 필요한 수학적 고려를 단순화시키는 제한적 자유도를 제공한다. 그러나, 청구범위에 달리 특정되지 않는 한, 메타물질 구조체은 임의의 기하 형상 (예를들면, 원형, 삼각형, 타원형)을 가질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 일부 실시태양들에서, 아일랜드 (제1 금속층) 구조체는 패턴화 평면 구조체로 형성되어 하나 이상의 개방 영역을 형성 (포함)한다 (즉, 일부 상부 유전체 표면이 개방 영역을 통해 노출). 하나의 예시적 실시태양에서, 아일랜드 구조체는 (사각-형상) 둘레 프레임부, 프레임부로부터 내향 연장되는 방사상 아암들, 및 방사상 아암들의 내부 말단들에 연결되는 내부 (예를들면, X-형상) 구조체를 포함하고, 개방 영역은 일부 내부 구조체 및 둘레 프레임 사이에 형성된다. 패턴화 메타물질 구조체는 제어 전압 및 위상 이동 값들 상관과 연관된 수학을 복잡하게 하지만, 패턴화 방법은 더욱 많은 자유도를 도입하여, 360° 위상 스윙 (swings) 가까이에 이르고, 이는 다시 넓은 각에서의 빔 조향을 가능하게 한다 (즉, 플러스 또는 마이너스 60° 이상).
본 발명의 또 다른 실시태양에 따르면, 위상 이동 장치는 적어도 하나의 위상 이동 소자 (상기와 같이)를 포함하고, 위상 이동 소자에 근접하게 배치되고 위상 이동 소자의 공진 특성에 정합되는 전파 주파수에서 입력 신호를 발생시키는 신호원 (예를들면, 피드혼 또는 누설-파 피드), 및 제어 회로 (예를들면, 임의의 필드 프로그램 가능 게이트 어레이 (FPGA), 응용 주문형 집적회로 (ASIC), 또는 마이크로-프로세서에 의해 제어되는 디지털-아날로그 변환기(DAC))를 더욱 포함하고, 회로는 미리-프로그램된 (pre-programmed) 신호 발생 방식 또는 외부 공급되는 위상 제어 신호에 의해 (예를들면, 직접 또는 간접적으로 비례) 결정되는 전압 수준에서 가변 커패시터에 인가되는 위상 제어 전압을 발생하고, 이에 따라 메타물질 구조체는 원하는 출력 위상에서 출력 신호를 발생한다. 메타물질 구조체는 바람직하게는 상기 층상 구조체 (즉, 상부 (제1) 금속층 “아일랜드” 구조체, 전기적으로 격리된 (부동) 하부 (후판) 금속층 구조체, 및 개재 유전체 층)를 포함하고 신호원에 의해 발생되는 입력 신호의 전파 주파수에서 공진되고, 신호원은 아일랜드 구조체 상부에 배치되어 아일랜드 구조체로부터 멀어지는 방향으로 출력 신호 방사를 용이하게 한다. 단자 실시태양에서와 같이, 베이스 (제3) 금속층 구조체는 아일랜드 구조체에 인접하게 상부 유전체 표면에 배치되어 가변 커패시터에 대한 편의적 접지 연결이 가능하고 메타물질 구조체의 고정 커패시턴스를 개선한다. 특정 실시태양에서, 제어 회로는 후판 (제2 금속) 층 하부 (예를들면, 하부 유전체 층 위)에 실장되고, 위상 제어 전압은 층상 구조체를 관통하여 연장되는 금속 비아에 의해 제어 회로로부터 가변 커패시터로 전달된다.
본 발명의 또 다른 실시태양에 따르면, 위상화 어레이 시스템은 (상기와 같이)위상 이동 소자 어레이를 활용하여 방사되는 무선주파수 에너지 빔을 발생시키고, 이는 예를들면, 빔 방향성 제어 신호에 의해 결정되는 각자 연관된 출력 위상들을 가지는 다수의 출력 신호들을 조합하여 생성된다. 위상 이동 소자 어레이는 1차원 어레이, 또는 2차원 어레이로 배열되는 다중 메타물질 구조체 및 연관된 가변 커패시터, 어레이 중앙에 위치하는 신호원, 및 제어 회로를 포함한다. 각각의 메타물질 구조체는 상기 방식에서 연관 가변 커패시터에 의해 공급되는 가변 커패시턴스에 의해 결정되는 출력 위상을 가지는 연관 출력 신호을 발생시키고, 각각의 가변 커패시터는 상기와 유사한 방식으로 제어 회로로부터 수신되는 연관 위상 제어 전압에 따라 가변 커패시턴스를 발생시킨다. 이러한 경우, 제어 회로 (예를들면, 어레이 후측 표면에 실장된 DAC 제어기)는 상이한 위상 제어 전압을 각각의 가변 커패시터에 전송하여 메타물질 구조체들 (복사소자들)은 동시에 제어된 출력 위상을 가지는 출력 신호들을 발생시켜 출력 신호들은 누적적으로 방사 빔을 발생시킨다 (즉, 출력 신호들에 의해 발생되는 조합 전자기파는 원하는 방향에서 보강되고 원치않는 방향에서 억제됨으로써, 빔은 원하는 방향에서 방사된다). 메타물질 구조체들이 1차원 어레이로 배열될 때 (즉, 각각의 메타물질 구조체의 금속 아일랜드 구조체가 가로로 배열), 위상 제어 전압의전압 수준 변화는 위상 이동 소자 어레이 전면에 놓이는 부채-형상 2차원 영역에서“조향” 방사 빔을 생성한다. 메타물질 구조체가 2차원 어레이 배열될 때(예를들면, 금속 아일랜드 구조체들이 가로 및 세로로 직교 배열), 위상 제어 전압의 전압 수준 변화는 위상 이동 소자 어레이 전면에 놓이는 콘-형상 3차원 영역에서 “조향” 방사 빔을 생성한다
다양한 대안적 특정 실시태양들에 의하면, 위상화 어레이 시스템은 개별 위상 변위기를 참고하여 상기된 것과 유사한 특징부들을 활용하다. 예를들면, 바람직한 실시태양에서 위상 이동 소자 어레이는 “공유된” 전기적으로 격리된 (부동) 후판층 구조체 위에 놓이는(예를들면, 무손실) 유전체 층을 포함하고, 여기에서 각각의 메타물질 구조체는 금속 아일랜드 구조체 바로 아래 배치되는 후판층의 연관된 일부를 포함한다 (즉, 이들 사이에 일부 개재된 유전체 층과 함께). 이러한 “공유된” 층상 구조체로 인하여 낮은 비용으로 어레이 제조가 가능하다. 어레이는 상부 유전체 표면 상부에 배치되고 아일랜드 구조체와 이격되는 (즉, 전기적으로 격리된) 공유된 베이스 (접지) 금속층 구조체를 더욱 포함함으로써, 다중 가변 커패시터들을 작동적으로 실장하기 위한 편의적 구조체를 제공한다. 베이스 금속층 구조체는 단일 금속 증착을 이용하고 패턴화되어 금속 아일랜드 구조체를 둘러싸는 좁은 간격들을 형성함으로써 바람직하게는 금속 아일랜드 구조체와 동시에 형성되고, 달리 전체적으로 상부 유전체 표면을 덮어 집합 모드 진동을 지지하는 산란 표면을 제공하고, 전파의 전향 산란을 보장한다. 금속 트레이스 (traces) 및 금속 비아 구조체들이 활용되어 후판층 구조체 하부에 실장되는 제어 회로로부터 제어 전압을 전달하고, 다양한 가변 커패시터들로 전달한다. 상기 이점들 이유로 금속 아일랜드 구조체는 대안적으로 중실 (solid) 사각 또는 패턴화 금속 구조체로 형성된다.
본 발명의 또 다른 대안적 실시태양에 의하면, 무선주파수 출력 신호의 출력 위상이 원하는 위상 값을 가지는 무선주파수 출력 신호 제어 방법이 제공된다. 본 방법은 메타물질 구조체에 입력 신호의 전파 주파수에서 공진을 유도하여 메타물질 구조체가 출력 신호를 발생시키는 단계, 가변 커패시턴스를 메타물질 구조체에 인가하여 메타물질 구조체의 유효 커패시턴스를 인가 가변 커패시턴스에 의해 변경시키는 단계, 및 이후 메타물질 구조체가 원하는 위상 값을 가지는 출력 위상의 무선주파수 출력 신호를 발생할 때까지 가변 커패시턴스를 조정하는 단계를 포함한다. 입력 신호의 전파 주파수에서 공진하도록 메타물질 구조체를 유도하는 단계는, 예를들면, 메타물질 구조체의 공진 특성과 같은 무선주파수 입력 신호를 발생시키고, 입력 신호를 메타물질 구조체로 지향시킴으로써 달성된다. 가변 커패시턴스를 메타물질 구조체에 인가하는 단계는, 예를들면, 위상 제어 전압을 메타물질 구조체에 연결된 가변 커패시터에 인가하고, 위상 제어 전압 Vc을 조정하여 달성되고, 이에 따라 메타물질 구조체의 유효 커패시턴스를 변화 (변경)시키고 인가 위상 제어 전압에 의해 결정되는 원하는 출력 위상에서 출력 신호를 발생하도록 메타물질 구조체가 유도된다.
또 다른 대안적 실시태양에 의하면, 위상 제어 전압에 의해 결정되는 출력 위상의 출력 신호 발생을 위한 위상 이동 방법이 제공되고 위상 제어 신호 변화는 소정 크기만큼 출력 신호에서 위상 변화를 유발시킨다. 본 방법은 메타물질 구조체가 무선주파수에서 공진하도록 유도되어, 메타물질 구조체가 신호를 재전송(즉, 입력 신호와 같은 주파수의 출력 신호 발생)할 수 있는 무선주파수의 입력 신호 발생 단계를 포함한다. 본 방법은 메타물질 구조체에 연결된 가변 커패시터에 위상 제어 전압을 인가하는 단계를 더욱 포함하여 메타물질 구조체의 유효 커패시턴스는 인가 위상 제어 전압에 대한 응답으로 가변 커패시터에 의해 발생되는 상응하는 가변 커패시턴스 변화에 의해 변경된다. 메타물질 구조체의 유효 커패시턴스 변화로 인가 위상 제어 전압에 비례하는 크기로 출력 신호에서 위상 이동이 발생된다.
또 다른 대안적 실시태양에 의하면, 종래 위상 변위기 및 외부 안테나를 사용하지 않고 방사 빔 방향을 제어하는 방법이 제공된다. 본 방법은 어레이에 배치되는 다중 메타물질 구조체들이무선주파수에서 공진하도록 유도되어, 각각의 메타물질 구조체는 신호를 재전송할 수 있는 (즉, 각각의 메타물질 구조체는 무선주파수에서 연관 출력 신호를 발생하는) 무선주파수를 가지는 입력 신호 발생 단계를 포함한다. 본 방법은 가변 커패시턴스를 각각의 메타물질 구조체에 인가하는 단계를 더욱 포함하여 각각의 메타물질 구조체의 유효 커패시턴스는 연관된 인가 가변 커패시턴스의 상응하는 변화에 의해 변경됨으로써, 각각의 메타물질 구조체는 인가되는 연관 가변 커패시턴스에 의해 결정되는 상응하는 출력 위상에서 출력 신호를 발생시킨다. 빔 방향에 대한 제어를 달성하기 위하여, 상이한 가변 커패시턴스의 연관된 패턴이 메타물질 구조체들 (복사소자들)에 인가되고, 이에 따라 유효 커패시턴스는 제어된 출력 위상들을 가지는 출력 신호들을 발생시켜 출력 신호들은 누적적으로 원하는 방향에서 방사 빔을 생성한다 (즉, 출력 신호들에 의해 발생되는 조합 전자기파는 원하는 방향에서 보강되고 원치않는 방향에서 억제되므로, 빔은 원하는 방향에서 방사된다).
본 발명의 이러한 및 기타 특징부들, 양태들 및 이점들은 상세한 설명, 청구범위 및 도면을 참조하면 더욱 양호하게 이해될 것이다:
도 1은 본 발명의 포괄적 실시태양에 의한 위상 이동 장치의 간단한 측면도이다;
도 2는 도 1 위상 이동 장치 작동과 연관된 예시적 위상 이동 특성 다이어그램이다;
도 3(A) 및 3(B)는 각각 본 발명의 예시적 실시태양에 의한 위상 이동 소자의 분해 사시도 및 조립 사시도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 예시적 실시태양에 의한 도 3(B)의 위상 이동 소자를 포함하는 위상 이동 장치의 측단면도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시태양에 따른 예시적 패턴화 메타물질 구조체를 포함한 위상 이동 소자의 사시도이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 예시적 실시태양에 의한 4개의 위상 이동 소자들을 포함하는 개략 위상화 어레이 시스템의 측단면도이다;
도 7은 본 발명의 또 다른 예시적 실시태양에 의한 위상 이동 소자 어레이의 개략 사시도이다;
도 8은 본 발명의 또 다른 실시태양에 따르는 도 7의 위상 이동 소자 어레이를 포함하는 위상화 어레이 시스템의 개략도이다;
도 9는 본 발명의 또 다른 예시적 실시태양에 의한 2차원 패턴으로 배치되는 메타물질 구조체들을 포함하는 위상화 어레이 시스템의 개략도이다;
도 10(A), 10(B) 및 10(C)는 도 9의 위상화 어레이 시스템에 의한 다양한 예시적 방향들에서 발생되는 방사 빔들을 도시한 것이다.
본 발명은 위상 변위기, 위상 이동 장치 및 위상화 어레이 시스템 개선에 관한 것이다. 하기 설명은 당업자들이 특정 적용분야 및 요건들에서 제공되는 본 발명을 적용하고 이용하도록 제시된다. 본원에서 사용되는, 방향성 용어들 예컨대 “상부”, “상향”, “최상부”, “하부”, “최하부”, “전방”, “최우측” 및 “최좌측”은 설명 목적으로 상대 위치를 제공할 의도이며 절대적 기준 구도를 제공할 의도는 아니다. 또한, “일체적으로 형성되는” 및 “일체적으로 연결되는”라는 구절은 단일 제조된 또는 가공된 구조체의 두 부분 사이 연결 관계를 기술하기 위하여 사용되고, (“일체적으로”라는 수식어 없는) “연결된” 또는 “결합된”이라는 영어와 구분되고, 이는, 예를들면, 접착제, 파스너, 클립, 또는 이동성 조인트로 결합되는2개의 별도의 구조체들을 지칭한다. 바람직한 실시태양에 대한 다양한 변형이 당업자에게 명백할 것이고, 본원의 포괄적 원리들은 기타 실시태양들에 적용된다. 따라서, 본 발명은 도시되고 기술된 특정 실시태양들에 제한적이지 않고, 본원에 개시된 원리들 및 신규 특징부들과 일치되는 최광의 범위가 적용된다.
도 1은, 본 발명의 포괄적인 예시적 실시태양에 의한 적어도 하나의 메타물질-기반의 위상 이동 소자 (100)를 포함하는 위상 이동 장치 (200)의 개략 측면도이다. 위상 이동 소자 (100)는 메타물질 구조체 (140)를 활용하여 인가/수신 입력 신호 SIN와 동일한 전파 주파수를 가지는 출력 신호 SOUT를 생성하고, 가변 커패시터 (150)를 활용하여 인가 위상 제어 신호 (즉, 외부 공급되는 디지털 신호 C 또는 직류 제어 전압 Vc)를 통해 출력 신호 SOUT의 위상 pOUT를 제어한다. 또한 위상 이동 장치 (200)는 위상 이동 소자 (100)에 근접하게 배치되고 특정 전파 주파수 (즉, 3 kHz 내지 300 GHz) 및 입력 위상 pIN의 입력 신호 SIN를 발생시키는 신호원 (205) (예를들면, 피드혼 또는 누설-파 피드), 상기 전파 주파수는 위상 이동 소자 (100)의 공진 특성과 일치되고, 및 제어 회로 (210) (예를들면, 임의의 필드 프로그램 가능 게이트 어레이 (FPGA), 응용 주문형 집적회로 (ASIC), 또는 마이크로-프로세서에 의해 제어되는 디지털-아날로그 변환기(DAC))를 포함하고 회로는 미리-프로그램된 신호 발생 방식 또는 외부 공급되는 위상 제어 신호 C에따라 (예를들면, 직접 또는 간접적으로 비례하여)결정되는 전압 수준에서 가변 커패시터 (150)에 인가되는 위상 제어 전압 Vc을 발생하도록 구성된다.
메타물질 구조체 (140)는 바람직하게는 층상 금속-유전체 복합 아키텍처이지만, 얻어진 구조체가 인가 입력 신호 SIN의 무선주파수에서 공진되고, 공진 근처에서 큰 위상 스윙을 가져 메타물질 구조체 (140)가 입력 신호 SIN 재전송 (즉, 반사/산란)에 의해 입력 신호 주파수에서 출력 신호 SOUT를 발생할 수 있다면 상이한 형태로 가공될 수 있다. 이러한 공진을 제공하기 위하여, 메타물질 구조체 (140)는 고유한 “고정” 커패시턴스 CM 및 연관 인덕턴스를 가지도록 생성되고 이들은 집합적으로 원하는 공진 특성을 제공한다. 본 분야에서 이해되는 바와 같이, 용어 "메타물질"이란 집합적으로 원하는 전자기 특성들을 발생시키는 2 이상의 물질들 및 다중 요소들에 의해 형성되는 인공 구조체이고, 메타물질은 조성이 아닌, 물질들에 의해 형성되는 구조적 요소들의 정밀-설계된 구성 (즉, 정확한 형상, 기하구조, 크기, 배향 및 배열)에 따라 원하는 특성들을 달성한다. 본원에서 사용되는, "메타물질 구조체"라는 구절은 본원에서 제공되는 목적에 적당한 무선주파수 공진 및 대형 위상 스윙 특성들을 가지는 동역학적 재구성 가능/조정 가능 메타물질을 의미한다. 얻어진 구조체는 특이한 방식으로 무선주파수 (전자기 복사선)전파에 영향을 미쳐, 종래 물질로는 달성할 수 없는 물질 특성들을 발생한다. 메타물질 구조체는 파장-이하의 구조적 요소들, 즉 이들이 영향을 미치는 전파의 무선주파수 파장보다 실제로 더욱 작은 형상들이 통합되어 원하는 효과를 달성한다. 하기 실제 실시태양들에서, 메타물질 구조체 (140)는 저가 금속막 또는 PCB 제조 기술을 이용하여 인가 입력 신호 SIN 무선주파수에서 공진되도록 맥스웰 방정식을 풀어서 맞춤 제작함으로써, 메타물질 구조체 (140)는 입력 신호 SIN를 재전송 (즉, 반사/산란)함으로써 입력 신호 주파수에서 출력 신호 SOUT를 발생한다.
가변 커패시터 (150)는 메타물질 구조체 (140) 및 접지 (또는 기타 고정 직류 (DC) 전압 공급원) 사이에 연결된다. 본 분야에서 이해되는 바와 같이, 가변 커패시터는 전형적으로 2-단자 전자 소자로서 인가 전자 제어 신호를 통해 의도적 및 반복적으로 변경되는 커패시턴스를 발생하도록 구성된다. 이러한 경우, 가변 커패시터 (150)는 메타물질 구조체 (140)과 결합되어 메타물질 구조체 (140)의 유효 커패시턴스 Ceff는 고유 커패시턴스 CM 및 가변 커패시터 (150)에서 공급되는 가변 커패시턴스 CV의 곱으로 결정된다. 메타물질 구조체 (140)의 출력 위상은 부분적으로 유효 커패시턴스 Ceff에 의해 결정되어, 출력 신호 SOUT의 출력 위상 pOUT은 원하는 위상값으로 가변 커패시턴스 CV를 변경시켜 “조정 가능” (조정 가능하게 제어)할 수 있고, 이는 가변 커패시터 (150)에 인가되는 위상 제어 신호 (즉, 디지털 제어 신호 C 및/또는 DC 바이어스 전압 Vc)를 변경시켜 달성된다.
도 2는 위상 이동 장치 (200) 작동과 연관된 예시적 위상 이동 특성을 보이는 다이어그램이다. 특히, 도 2는 위상 제어 전압 Vc에 따라 출력 신호 SOUT의 출력 위상 pOUT이 변화하는 것을 보인다. 출력 위상 pOUT은 메타물질 구조체 (140)의 유효 커패시턴스 Ceff에 따라 변하고 이는 다시 가변 커패시터 (150)에 의해 메타물질 구조체 (140)에 발생되는 가변 커패시턴스 CV에 따라 변하므로 (도 1에 도시), 도 2는 또한 가변 커패시터 (150) 작동 특성을 효과적으로 보인다 (즉, 위상 제어 전압 Vc에 따라 출력 위상 pOUT이 변하는 것을 보임으로써 도 2는 효과적으로 위상 제어 전압 Vc에 따라 가변 커패시턴스 CV가 변하는 것을 보인다). 예를들면, 위상 제어 전압 Vc의 전압 수준이 6V일 때, 가변 커패시터 (150)는 상응하는 커패시턴스 수준에서 가변 커패시턴스 CV를 발생하고 ("CV=C1"로 표기) 메타물질 구조체 (140)는 대략 185°의 연관된 출력 위상 pOUT에서 출력 신호 SOUT를 발생한다. 위상 제어 전압 Vc가 이어 6V에서 제2 전압 수준 (예를들면, 8V)으로 증가하면, 가변 커패시터 (150)는 제2 커패시턴스 수준에서 가변 커패시턴스를 발생하여 ("CV=C2"로 표기) 메타물질 구조체 (140)는 대략 290°의 연관된 제2 출력 위상 pOUT에서 출력 신호 SOUT를 생성한다.
다시 도 1을 참조하면, 위상 제어 전압 Vc는 가변 커패시터 (150) 양단에 메타물질 구조체 (140) 또는 직접 가변 커패시터 (150) 단자에 연결되는 도체 (145)를 통해 인가된다. 특히, 가변 커패시터 (150)는 메타물질 구조체 (140)에 연결된 제1 단자 (151) 및 접지 연결된 제2 단자 (152)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 도체 (145)는 메타물질 구조체 (140) 또는 가변 커패시터 (150) 제1 단자 (151)에 연결되어, 위상 제어 전압 Vc가 도체 (145)에 인가될 때, 가변 커패시터 (150)는 도 2에 도시된 방식으로 위상 제어 전압 Vc의 전압 수준에 따라 변하는 커패시턴스 수준을 가지는 연관 가변 커패시턴스 CV를 발생시킨다 (예를들면, 가변 커패시턴스 CV의 커패시턴스 수준은 위상 제어 전압 Vc에 직접 비례하여 변한다).
상기 예시적 실시태양에 제시된 바와 같이, 본 발명의 새로운 양태는 선택적으로 메타물질 구조체 (140)의 유효 커패시턴스 Ceff를 조정하여 전파 출력 신호 위상 pOUT을 제어하는 위상 이동 방법론이고, 이는 가변 커패시턴스 CV를 메타물질 구조체 (140)에 발생 및 인가하기 위하여 예시적 실시태양에서 위상 제어 전압 Vc를 이용하여 가변 커패시터 (150)를 제어함으로써 구현된다. 가변 커패시터 (150) 이용이 가변 커패시턴스 CV 발생을 위한 현재 바람직한 실시태양을 나타내지만, 당업자는 기타 회로들을 활용하여 가변 커패시턴스를 생성하고 상기와 유사한 방식으로 메타물질 구조체 (140)의 유효 커패시턴스 Ceff를 제어할 수 있다는 것을 인식할 수 있다. 따라서, 신규 방법론은 대안적으로 다음을 포함하여 기술된다: 메타물질 구조체 (140)를 입력 신호 SIN의 전파 주파수에서 공진되도록 유도; 가변 커패시턴스 CV (즉, 임의의 적당한 가변 커패시턴스 소스 회로로부터)를 메타물질 구조체 (140)에 인가하여 메타물질 구조체 (140)의 유효 커패시턴스 Ceff가 가변 커패시턴스 CV에 의해 변경; 및 메타물질 구조체 (140) 유효 커패시턴스 Ceff가 원하는 위상 값 (예를들면, 290°)으로 설정되는 출력 위상 pOUT으로 무선주파수 출력 신호 SOUT를 발생하도록 메타물질 구조체 (140)를 유도하는 커패시턴스 값을 가질 때까지 가변 커패시턴스 CV를 조정 (즉, 적당한 가변 커패시턴스 소스 회로를 제어).
전기된 바와 같이, 본 발명의 현재 바람직한 실시태양은 층상 메타물질 구조체를 이용하는 것이다. 도 3(A) 및 3(B) 각각은 2-단자 가변 커패시터 (150A) 및 본 발명의 예시적 3-층 실시예를 가지는 메타물질 구조체 (140A)를 포함하는 위상 이동 소자 (100A)의 분해 사시도 및 조립 사시도이고, 도 4는 위상 이동 소자 (100A)를 포함하는 위상 이동 장치 (200A)의 측단면도이다. 메타물질 구조체 (140A)를 형성하는3-층 구조체의 유리한 특징부들 및 양태들, 및 메타물질-기반의 위상 이동 소자 (100A) 및 장치 (200A) 형성에 이들을 이용하는 것에 대하여 도 3(A), 3(B) 및 4를 참조하여 하기된다.
도 3(A) 및 3(B)를 참조하면, 3-층 메타물질 구조체 (140A)는 상부/제1 금속층 (아일랜드) 구조체 (141A), 전기적으로 격리된 (즉, 부동) 후판 (하부/제2 금속) 층 구조체 (142A), 및 상부 아일랜드 구조체 (141A) 및 후판층 (142A) 사이에 개재되는 유전체 층 (144A-1)으로 형성되고, 아일랜드 구조체 (141A) 및 후판층 (142A)은 협력적으로 맞춤 제작되어 (예를들면, 유전체 층 (144A-1)을 통해 크기, 형상 및 간격) 메타물질 구조체 (140A)의 복합 3-층 구조체는 적어도 부분적으로 커패시턴스 C141-142 (즉, 아일랜드 구조체 (141A) 및 후판층 (142A) 간의 커패시턴스)에 의해 형성되는 고유 (고정) 커패시턴스 CM를 가지고, 메타물질 구조체 (140A)는 소정 전파 주파수 (예를들면, 2.4GHz)에서 공진한다. 상기와 같이, 메타물질 구조체 (140A)의 유효 커패시턴스는 고정 커패시턴스 CM 및 이러한 경우 가변 커패시터 (150A)를 통해 아일랜드 구조체 (141A)에 인가되는 인가 가변 커패시턴스의 조합으로 발생된다. 이러한 배열에서, 아일랜드 구조체 (141A)는 파면 재형성기로 기능하여, 출력 신호 SOUT는 상향 방향만에서 상향의 고도의-방향성으로 지향되는 것을 보장하고 (즉, 무선주파수 출력 신호는 후판층 (142A)으로부터 멀어지는 방향으로 아일랜드 구조체 (141A)에서 방사), 위상 이동으로 산란이 효율적이므로 전력소모가 최소화된다.
현재 바람직한 실시태양에 의하면, 유전체 층 (144A-1)은 Rogers Corporation (Rogers, CT)에서 모두 생산되는 RT/duroid® 6202 Laminates, 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 및 TMM4® 유전체로 이루어진 군에서 선택되는 무손실 유전물질로 구성된다. 이러한 무손실 유전물질을 사용하면 입사 복사선 (예를들면, 입력 신호 SIN) 흡수를 경감시키고, 대부분의 입사 복사선 에너지가 출력 신호 SOUT에서 재-방사되는 것을 보장한다. 임의선택적 하부 유전체 층 (144A-2)은 후판층 (142A)을 더욱 격리하고, 하기 방식에서와 같이 제어 회로의 후측 실장이 용이하도록 제공된다.
또 다른 특징에 의하면, 아일랜드 (제1 금속층) 구조체 (141A) 및 베이스 (제3) 금속층 구조체 (120A) 모두는 유전체 층 (141A-1) 상면 (144A-1A)에 배치되고, 여기에서 베이스 금속 구조체 (120A)는 아일랜드 구조체 (141A)와 이격된다 (즉, 간격 G에 의해 전기적으로 분리된다). 금속층 구조체 (120A)는 작동 과정에서 접지 전위, 베이스에 연결되어, 베이스 층 구조체 (120A)는 제작 과정에서 가변 커패시터 (150A)의 저-비용 실장을 가능하게 한다. 예를들면, 집기-놓기 (pick-and-place) 기술을 이용하여, 가변 커패시터 (150A)를 실장하여 제1 단자 (151A)를 (예를들면, 납땜 또는 무납때 접속 기술로) 아일랜드 구조체 (141A)에 연결하고, 제2 단자 (152A)를 유사하게 베이스 금속 구조체 (120A)에 연결한다.
현재 바람직한 실시태양에 의하면, 베이스 금속 구조체 (120A)는 금속막 또는 PCB 제작 층을 포함하고 내부 둘레 모서리 (124A) 내부에 배치되는 개구 (123A)영역을 제외하고 전체적으로 상부 유전체 표면 (144A-1A)를 덮고, 아일랜드 구조체 (141A)는 개구 (123A) 내부에 배치되어 구조체 (141A)의 외부 둘레 모서리 (141A-1)는 내부 둘레 모서리 (124A)로부터 둘레 간격 G만큼 이격되고, 간격은 전체 둘레에 고정 간격 거리를 가진다. 아일랜드 구조체 (141A)에 의해 점유되지 않은 모든 일부 상부 유전체 표면 (144A-1A)을 실질적으로 덮도록 베이스 금속 구조체 (120A)를 제공함으로써, 베이스 금속층 (120A)은 집합 모드 진동를 지지하는 산란 표면을 형성하고, 전향으로 전파 산란을 보장한다. 또한, 아일랜드 구조체 (141A), 후판층 (142A) 및 베이스 금속 구조체 (120A)는 협력적으로 구성되어 (즉, 크기, 형상 및 간격) 고유 (고정) 커패시턴스 CM은 아일랜드-후판 성분 C141-142 및 아일랜드-베이스 성분 C141-120 모두를 포함하고, 메타물질 구조체 (140A)가 원하는 전파 주파수에서 공진되도록 보장한다. 이러한 방식으로, 베이스 금속층 (120A)은 고정 커패시턴스 CM을 개선시킴으로써 효과적으로 메타물질 구조체 (140A)일부를 형성하는 추가 목적을 제공한다.
또 다른 특징에 의하면, 베이스 (제3) 금속층 구조체 (120A) 및 아일랜드 (제1 금속층) 구조체 (141A) 모두는 단일 금속으로 구성된다 (즉, 베이스 금속 구조체 (120A) 및 아일랜드 구조체 (141A) 양쪽 모두 동일한 금속 조성물, 예를들면, 구리로 구성). 이러한 단일-금속 특징으로 인하여 단일 금속막 또는 PCB 기판 층이 상부 유전체 층 (144A-1A)에 적층된 후, 둘레 간격 G을 형성하도록 식각되는 저-비용 제작 기술을 이용할 수 있다. 기타 실시태양들에서, 상이한 금속들이 패턴화되어 상이한 구조체들을 형성할 수 있다.
도 3(A)에 도시된 또 다른 특징에 의하면, 금속 비아 구조체 (145A)는 통상 기술로 형성되어 하부 유전체 층 (144A-2), 후판층 (142A)에 형성되는 개구 (143A), 상부 유전체 층 (144A-1), 및 아일랜드 구조체 (141A)에 형성되는 임의선택적 홀 (H)을 관통 연장하여 가변 커패시터 (150A) 제1 단자 (151A)에 접촉된다. 이러한 비아 구조체 방법으로 메타물질 구조체 (140A)의 전기적 특성에 크게 영향을 주지 않고 위상 제어 전압을 가변 커패시터 (150A)에 인가할 수 있다. 하기와 같이, 이러한 방법은 또한 위상화 어레이를 형성하는 다중 메타물질 구조체들에 다중 제어 신호들을 분배하는 작업을 단순화시킨다.
도 4는 외부-공급 위상 제어 신호 C에 의해 결정되는 출력 위상 pOUT에서 출력 신호 SOUT를 발생하는 위상 이동 장치 (200A)의 측단면도이다. 장치 (200A)는 신호원 (205A), 위상 이동 소자 (100A), 및 제어 회로 (210A)를 포함한다. 신호원 (205A)은 특정 전파 주파수 (예를들면, 2.4GHz)에서 입력 신호 SIN을 발생하고, 입력 신호 SIN이 위상 이동 소자 (100A)로 지향되도록 배치되는 적당한 신호 발생기 (예를들면, 피드혼)를 포함하고, 소자는 상기와 같이 구성되어 특정 전파 주파수 (예를들면, 2.4GHz)에서 공진하여 출력 신호 SOUT를 발생한다. 제어 회로 (210A)는 위상 제어 신호 C에 응답하여 위상 제어 전압 Vc를 발생하도록 구성되어 위상 제어 전압 Vc는 위상 제어 신호 C 변화에 따라 변한다. 위상 제어 전압 Vc는 가변 커패시터 (150A)에 전송되어, 가변 커패시터 (150A)는 상응하는 가변 커패시턴스를 발생하고 아일랜드 구조체 (141A)에 인가함으로써, 메타물질 구조체 (140A)는 위상 제어 신호 C에 의해 결정되는 출력 위상 pOUT에서 출력 신호 SOUT를 발생하도록 유도된다. 제어 회로 (210A)는 하부 유전체 층 (144A-2)에 (즉, 후판층 (142A) 아래에) 실장되고, 위상 제어 전압 Vc는 도전성 비아 구조체 (145A)를 통해 가변 커패시터 (150A) 단자 (151A)로 전달된다.
당업자는 본원에서 일반적으로 기술되는 메타물질 구조체는 얻어진 구조체가 요구 전파 주파수에서 공진하고, 공진 근처에서 대형 위상 스윙을 가진다면 많은 형태 및 형상을 가질 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 도 3(A), 3(B) 및 4에 도시된 실시태양은 단순화된 사각-형상의 메타물질 구조체 및 중실 아일랜드 구조체 (141A)를 이용하여 본 발명의 기본 개념을 설명한다. 특히, 메타물질 구조체 (140A)는 베이스 금속 구조체 (120A)의 개구 (123A)를 둘러싸는 내부 둘레 모서리 (124A) 및 아일랜드 구조체 (141A)의 외부 둘레 모서리 (141A-1)는 동심 사각 형상들로 구성되도록 형성되어 둘레 간격 G의 폭은 아일랜드 구조체 (141A) 전체 둘레 주위에 걸쳐실질적으로 일정하다. 이러한 사각-형상 구조체들을 이용하는 이점은 이러한 방법이 기하 구조를 단순화하고 위상 제어 전압 Vc와 원하는 커패시턴스 변화 및 연관된 위상 이동의 상관화에 필요한 수학을 단순화하는 제한적 자유도를 제공하는 것이다. 대안적 실시태양들에서, 메타물질 구조체들은 사각형 이외의 형상들 (예를들면, 원형, 삼각형, 직사각형/타원형)로 형성된다.
도 5는 본 발명의 예시적 특정 실시태양에 의한 예시적 패턴화 메타물질 구조체 (140B)를 포함하는 위상 이동 소자 (100B)의 사시도이다. 본 실시태양에서, 아일랜드 구조체 (141B)는 개방 영역 (149B)을 형성하는 패턴화 평면 구조체로 형성된다 (즉, 일부 상부 유전체 표면 (144B-1A)은 개방 영역을 통해 노출). 본 실시예에서, 아일랜드 구조체 (141B)는 외부 둘레 모서리 (141B-1)를 포함하는 사각-형상 둘레 프레임부 (146B), 여기에서 모서리는 둘레 간격 G만큼 상기와 같이 형성되는 베이스 금속층 (120B) 내부 둘레 모서리 (124B)로부터 이격되고, 둘레 프레임부 (146B)에 일체적으로 연결되는 외부 말단들을 가지고 프레임부 (146B)에서 내향 연장되는4개의 방사상 아암들 (147B), 및 방사상 아암들 (147B) 내부 말단들에 연결된 내부 (이러한 경우, “X-형상”) 구조체 (148B)를 포함한다. 구조체 (148B)는 방사상 아암들 (147B) 및 둘레 프레임 (146B) 사이에 형성되는 개방 영역 (149B)으로 연장된다. 메타물질 구조체 (140B)는 그외에는 도 3(A), 3(B) 및 4를 참고하여 상기된 3-층 방법으로 구성된다. 패턴화 메타물질 구조체를 이용하면 제어 전압 및 위상 이동 값 상관화에 관련된 수학이 복잡하지만, X-형상 패턴의 메타물질 구조체 (140B)는 중실 아일랜드 구조체를 이용하는 것보다 더욱 많은 자유도를 생성하여, 360° 위상 스윙에 가까이 이를 수 있고, 이에 따라 기능 개선 예컨대 큰 각에서 빔 조향이 가능하다고 판단된다 (즉, 플러스 또는 마이너스 60° 이상). 또한, 메타물질 구조체 (140B)는 사각-형상 외부 둘레 모서리를 가지는 것으로 도시되지만, 또한 다른 둘레 형상을 가지는 패턴화 메타물질 구조체도 유리하게 활용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시태양에 의한 방사 무선주파수 에너지 빔 B를 발생하는 개략적인 메타물질-기반의 위상화 어레이 시스템 (300C)의 측단면도이다. 위상화 어레이 시스템 (300C)은 대체로 신호원 (305C), 위상 이동 소자 어레이 (100C), 및 제어 회로 (310C)를 포함한다. 신호원 (305C)은 장치 (200A)를 참조하여 상기된 방식으로 구성되고 작동되어 특정 전파 주파수 및 연관된 입력 위상 pIN을 가지는 입력 신호 SIN을 발생시킨다.
본 실시태양의 양태에 의하면, 위상 이동 소자 어레이 (100C)는 다중 (이러한 경우 4종) 메타물질 구조체들 (140C-1 ~ 140C-4)을 포함하고 이들은 소정 좌표 패턴으로 배치되고, 각각의 메타물질 구조체는 상기 방식으로 구성되어 입력 신호 SIN의 전파 주파수에서 공진되어 각자 출력 신호들 (SOUT1 내지 SOUT4)을 발생한다. 예를들면, 메타물질 구조체 (140C-1)는 고정 커패시턴스 CM1을 가지고 입력 신호 SIN의 전파 주파수에서 공진되어 출력 신호 SOUT1을 생성한다. 유사하게, 메타물질 구조체 (140C-2)는 고정 커패시턴스 CM2를 가지고, 메타물질 구조체 (140C-3)는 고정 커패시턴스 CM3을 가지고, 메타물질 구조체 (140C-4)는 고정 커패시턴스 CM4를 가지고, 메타물질 구조체들 (140C-2 내지 140C-4)은 또한 입력 신호 SIN의 전파 주파수에서 공진하도록 구성되어 각자 출력 신호들 SOUT2, SOUT3 및 SOUT4를 발생한다. 메타물질 구조체들 (140C-1 내지 140C-4)에 의해 형성되는 좌표 패턴은 출력 신호들 SOUT1 내지 SOUT4가 조합되어 전자기파를 생성하도록 선택된다. 예시적 실시태양에서 4종의 메타물질 구조체들이 활용되지만, 이러한 개수는 설명 및 간결성을 위하여 임의 선택된 것이고, 어레이 (100C)는 임의의 개수의 메타물질 구조체들로 형성될 수 있다.
상기 단일 요소 실시태양들과 유사하게, 위상 이동 소자 어레이 (100C)는 또한 연관된 메타물질 구조체들 (140C-1 내지 140C-4)에 결합되는 가변 커패시터들 (150C-1 내지 150C-4)을 포함하여 연관된 인가 위상 제어 전압 Vc1 내지 Vc4에 따라 발생되는 가변 커패시턴스들 CV1 내지 CV4의 변화에 상응하여 메타물질 구조체들 (140C-1 내지 140C-4)의 유효 커패시턴스들 Ceff1 내지 Ceff4는 각자 변경된다. 예를들면, 가변 커패시터 (150C-1)는 메타물질 구조체 (140C-1)에 결합되어 유효 커패시턴스 Ceff1은 인가 위상 제어 전압 Vc1에 따라 변하는 가변 커패시턴스 CV1 변화에 의해 변경된다.
본 실시태양의 또 다른 양태에 의하면, 제어 회로 (310C)는 메타물질 구조체들 (140C-1 내지 140C-4)에 각자 인가되는 소정 세트의 가변 커패시턴스들 CV1 내지 CV4를 이용하여 출력 신호들 SOUT1 내지 SOUT4 각자의 출력 위상들 pOUT1 내지 pOUT4를 독립적으로 제어하도록 구성되어 출력 신호들 SOUT1 내지 SOUT4는 원하는 방향에서 누적적으로 방사 빔 B를 발생한다. 즉, 당업자가 이해하듯, 출력 위상들 pOUT1 내지 pOUT4의 특정 조정 세트를 가지는 출력 신호들 SOUT1 내지 SOUT4를 발생시킴으로써, 위상 이동 소자 어레이 (100C)에 의해 발생되는 결과적인 조합된 전자기파는 원하는 방향에서 보강되고 원치않는 방향들에서 억제되어, 어레이 (100C) 전방으로 원하는 방향에서 방사되는 빔 B가 생성된다. 특정 방향으로 빔 B를 생성하기 위하여 필요한 출력 위상들 pOUT1 내지 pOUT4의 조합 (세트)을 미리 결정하고, 이러한 출력 위상들 pOUT1 내지 pOUT4의 조합 생성에 필요한 위상 제어 전압 Vc1 내지 Vc4의 연관된 조합을 미리 결정하고, 위상 제어 전압 Vc1 내지 Vc4의 연관된 조합이 원하는 빔 방향과 같은 신호 값을 가지는 빔 제어 신호 CB에 대한 응답으로 발생하도록 제어 회로 (310C)를 구성함으로써, 본 발명은 원하는 방향을 지향하는 무선주파수 빔의 선택적 발생을 가능하게 한다. 예를들면, 도 6에 도시된 바와 같이, 원하는 빔 방향 60°와 같은 신호 값을 가지는 빔 제어 신호 CB에 따라, 제어 회로 (310C)는 연관된 위상 제어 전압 Vc1 내지 Vc4의 조합을 발생하여 메타물질 구조체들 (140C-1 내지 140C-4)을 유도하여 각자 468°, 312°, 156° 및 0°의 출력 위상들 pOUT1 내지 pOUT4에서 출력 신호들 SOUT1 내지 SOUT4를 발생시킴으로써 출력 신호들 SOUT1 내지 SOUT4는 누적적으로 원하는 60°각에서 방사 빔 B를 생성한다.
도 7은 위상 이동 소자 어레이 (100D)의 개략 사시도 및 단면도이고 여기에서 메타물질 구조체들 (140D-1 내지 140D-4)은 도 3(A) 및 3(B)를 참고하여 상기된 3-층상 구조체로 형성되고, 1차원 어레이로 배열되고 각자 가변 커패시터들 (150D-1 내지 150D-4)에 작동 가능하게 결합된다. 상기 단일 요소 실시태양과 유사하게, 위상 이동 소자 어레이 (100D)는 전기적으로 격리된 (부동) 금속 후판층 (142D), 및 후판층 (142D) 상부 및 하부에 배치되는 (무손실) 유전체 층들 (144D-1, 144D-2)을 포함한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 각각의 메타물질 구조체 (예를들면, 구조체 (140D-1))는 상부 유전체 층 (144D-1)에 배치되는 금속 아일랜드 구조체 (141D-1)를 포함하고 효과적으로 후판층 (142D)의 연관된 후판층 일부(142D-1)를 포함하고, 이는 금속 아일랜드 구조체 (141D-1) 아래에 배치되고 유전체 층 (144A-1)의 연관된 일부는 이들 사이에 개재된다. 예를들면, 메타물질 구조체 (140D-1)는 아일랜드 구조체 (141D-1), 후판층 일부 (142D-1), 및 이들 삳이에 개재되는 상부 유전체 층 (144A-1)의 연관된 일부를 포함한다. 유사하게, 메타물질 구조체 (140D-2)는 아일랜드 구조체 (141D-2) 및 후판층 일부 (142D-2)를 포함하고, 메타물질 구조체 (140D-3)는 아일랜드 구조체 (141D-3) 및 후판층 일부 (142D-3)를 포함하고, 메타물질 구조체 (140D-4)는 아일랜드 구조체 (141D-4) 및 후판층 일부 (142D-4)를 포함한다. 상기 제공된 단일 요소 설명과 일관되게, 각각의 연관된 금속 아일랜드 구조체 및 후판층 일부는 협력적으로 구성되어 (예를들면, 크기 및 간격) 각각의 메타물질 구조체는 특정 무선주파수에서 공진한다. 예를들면, 금속 아일랜드 구조체 (141D-1) 및 후판층 일부 (142D-1)는 협력적으로 구성되어 고정 커패시턴스를 생성하여 메타물질 구조체 (140D-1)는 특정 무선주파수에서 공진하도록 유도된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 위상 이동 소자 어레이 (100D)는 상부 유전체 층 (141D-1)에 배치되고 상기 단일 요소 실시태양와 유사한 방식으로 각각의 금속 아일랜드 구조체 (141D-1 내지 141D-4)와 이격되는 (즉, 전기적으로 격리되는) 베이스 금속 구조체 (120D)를 더욱 포함한다. 이러한 경우, 베이스 금속 구조체 (120D)는 4개의 개구들 (123D-1 내지 123D-4)을 형성하고, 각각은 연관된 내부 둘레 모서리를 가지고 이는 둘레 간격들 (G1 내지 G4)만큼 연관된 금속 아일랜드 구조체들 (141D-1 내지 141D-4)의 외부 둘레 모서리와 이격된다 (예를들면, 아일랜드 구조체 (141D-1)는 개구 (123D-1)에 배치되고 베이스 금속 구조체 (120D)로부터 간격 G1 이격된다). 가변 커패시터들 (150D-1 내지 150D-4) 각각은 간격들 (G1 내지 G4)을 횡단 연장되고, 하나의 단자는 연관된 금속 아일랜드 구조체 (141D-1 내지 141D-4)에 연결되고, 제2 단자는 베이스 금속 구조체 (120D)에 연결된다 (예를들면, 가변 커패시터 (150D-1)는 금속 아일랜드 구조체 (141D-1) 및 베이스 금속 구조체 (120D) 사이 간격 G1을 횡단하여 연장된다). 베이스 금속 구조체 (120D) 및 금속 아일랜드 구조체들 (141D-1 내지 141D-4)는 바람직하게는 단일 금속층 식각으로 형성된다 (즉, 양쪽은 동일한 금속 조성물, 예를들면, 구리로 구성된다).
도 8은 또한 신호원 (305D) 및 제어 회로 (310D)를 포함하는 위상화 어레이 시스템 (300D)에 통합되는 위상 이동 소자 어레이 (100D)를 보인다. 신호원 (305D)은 상기 방식으로 작동되도록 구성되어 메타물질 구조체들 (140D-1 내지 140D-4)의 공진 무선주파수를 가지는 입력 신호 SIN를 발생시킨다. 제어 회로 (310D)는 위상 제어 전압 Vc1 내지 Vc4를 발생하도록 구성되고 이들은 상기 방식에서와 같이 금속 비아 구조체들 (145D-1 내지 145D-4)를 통해 각자 가변 커패시터들 (150D-1 내지 150D-4)로 전달됨으로써, 가변 커패시터들 (150D-1 내지 150D-4)이 제어되어 연관된 가변 커패시턴스들 CV1 내지 CV4는 금속 아일랜드 구조체들 (141D-1 내지 141D-4)에 각자 인가된다. 본 실시태양의 양태에 의하면, 메타물질 구조체들 (140D-1 내지 140D-4)이 1차원 어레이로 정렬되므로 (즉, 직선으로), 출력 위상들 pOUT1 내지 pOUT4의 편차로 인하여 형성되는 빔 B는 평면 영역에서 (즉, 도 8에 도시된 위상 형상화, 2차원 평면 P) 방향이 변경된다.
도 9는 베이스 금속 구조체 (120E)에 의해 포위되는16개의 메타물질 구조체들 (140E-11 내지 140E-44)을 가지는 위상 이동 소자 어레이 (100E), 중앙 배치되는 신호원 (305E), 및 제어 회로 (310E) (설명 목적으로 블록 형태로 표기되지만, 하부 메타물질 구조체들 (140E-11 내지 140E-44) 아래에 배치)를 포함하는 위상화 어레이 시스템 (300E)의 개략 평면도이다.
본 실시태양의 양태에 의하면, 메타물질 구조체들 (140E-11 내지 140E-44)은 가로 및 세로의 2차원 패턴으로 배치되고, 각각의 메타물질 구조체 (140E-11 내지 140E-44)는 개별적으로 상기와 유사한 방식으로 제어 회로 (310E)에 의해 발생되고 도체에 의해 전달되는 (점선으로 표시) 제어 전압 VC11 내지 VC44으로 제어될 수 있다. 특히, 최상부 메타물질 구조체들 (140E-11, 140E-12, 140E-13, 140E-14)은 상부 가로를 형성하고, 메타물질 구조체들 (140E-21 내지 140E-24)은 제2 가로를 형성하고, 메타물질 구조체들 (140E-31 내지 140E-34)은 제3 가로를 형성하고, 메타물질 구조체들 (140E-41 내지 140E-44)은 하부 가로를 형성한다. 유사하게, 최좌측 메타물질 구조체들 (140E-11, 140E-21, 140E-31, 140E-41)은 최좌측 세로를 형성하고 각각 제어 전압 VC11, VC21, VC31 및 VC41로 제어되고, 메타물질 구조체들 (140E-12 내지 140E-42)은 제2 세로를 형성하고 제어 전압 VC12 내지 VC42로 제어되고, 메타물질 구조체들 (140E-13 내지 140E-43)은 제3 세로를 형성하고 제어 전압 VC13 내지 VC43으로 제어되고, 메타물질 구조체들 (140E-14 내지 140E-44)은 제4 (최우측) 세로를 형성하고 제어 전압 VC14 내지 VC44로 제어된다.
본 실시태양의 양태에 의하면, 2개의 가변 커패시터들 (150E)이 각각의 메타물질 구조체 (140E-11 내지 140E-44) 및 베이스 금속 구조체 (120E) 사이에 연결된다. 가변 커패시터들 (150E)의 구성 및 목적은 상기에서 제공된 것과 동일하고, 여기에서 2개의 가변 커패시터들을 이용하여 각각의 메타물질 구조체에 인가되는 가변 커패시턴스 범위를 높인다. 도시된 실시태양에서, 단일 제어 전압이 각각의 메타물질 구조체의 양쪽 가변 커패시터들에 공급되지만, 대안적 실시태양에서 개별 제어 전압이 각각의 메타물질 구조체의 2개의 가변 커패시터들 각각에 공급된다. 또한, 더욱 많은 가변 커패시터들이 이용될 수 있다.
제어 회로 (310E)는 각각의 메타물질 구조체 (140E-11 내지 140E-44)의 가변 커패시터들 (150E)에 각자 전달되는 위상 제어 전압 Vc11 내지 Vc44를 발생하도록 구성되어, 가변 커패시터들 (150E)이 제어되고 연관된 가변 커패시턴스를 인가하여 개별적으로 제어된 출력 위상들을 가지는 연관된 출력 신호들을 발생시킨다. 본 실시태양의 양태에 의하면, 메타물질 구조체들 (140E-11 내지 140E-44)은 2차원 어레이로 배열되므로 (즉, 가로 및 세로), 출력 위상들 편차로 인하여 얻어진 빔들은 도 10(A) 내지 10(C)에 도시된 바와 같이 3차원 영역으로 형성되는 구역에서 방향을 변경하도록 유도된다. 특히, 도 10(A), 10(B) 및 10(C)은 0, +40 및 -40도 빔 조향에서의 복사선 패턴을 보인다. 복사선 패턴은 주 로브 (lobe) 및 부 로브로 이루어진다. 부 로브는 원치않는 방향들에서 원치않는 복사선을 나타낸다.

Claims (10)

  1. 라디오 파(radio wave) 주파수 및 입력 위상을 가지는 입력 신호를 수신하고, 상기 라디오 파 주파수를 가지며 인가된 위상 제어 신호에 의해 결정되는 출력 위상을 가지는 출력 신호를 발생시키는 위상 편이 소자에 있어서, 상기 위상 편이 소자는:
    고정 커패시턴스를 갖도록 구성된 메타물질 구조체로서, 상기 메타물질이 상기 라디오 파 주파수에서 공진하도록 구성된, 상기 메타물질 구조체; 및
    상기 인가된 위상 제어 신호에 따라 변화하는 가변 커패시턴스를 발생시키도록 구성된 가변 커패시터로서, 상기 가변 커패시터는 상기 메타물질 구조체와 결합되어 상기 메타물질 구조체의 유효 커패시턴스는 상기 가변 커패시턴스에서의 상응하는 변화에 따라 변경되고,그에 의해 상기 메타물질 구조체는 상기 인가된 위상 제어 신호에 의해 결정되는 상기 출력 위상에서 상기 출력 신호를 발생시키는, 상기 가변 커패시터를 포함하는위상 편이 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 위상 제어 신호는 직류 위상 제어 전압으로 구성되고, 상기 가변 커패시터는:
    상기 위상 제어 전압이 상기 가변 커패시터에 걸쳐 인가되고 제1 전압 수준을 가질 때, 상기 가변 커패시터는 상기 제1 커패시턴스 수준에서 상기 가변 커패시턴스를 발생시키도록 구성되어 상기 메타물질 구조체는 연관된 제1 출력 위상에서 상기 출력 신호를 발생시키고, 및
    상기 인가된 위상 제어 전압이 상기 제1 전압 수준에서 제2 전압 수준으로 높아질 때, 상기 가변 커패시터는 제2 커패시턴스 수준에서 상기 가변 커패시턴스를 발생시키도록 구성되어 상기 메타물질 구조체는 연관된 제 2 출력 위상에서 상기 출력 신호를 발생시키고, 상기 제 2 출력 위상은 상기 제1 출력 위상보다 더 큰 , 위상 편이 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가변 커패시터는 제2 단자 및 상기 메타물질 구조체에 연결된 제1 단자를 포함하고,
    상기 위상 편이 소자는 상기 메타물질 구조체 및 상기 가변 커패시터의 상기 제1 단자 중 하나에 연결된 도전 구조체를 더 포함하여, 상기 위상 제어 신호가 상기 도전 구조체에 인가되고 상기 제2 단자는 접지 전위에 연결될 때, 상기 가변 커패시터는 상기 위상 제어 신호에 비례하는 커패시턴스 수준을 가지는 상기 연관된 가변 커패시턴스를 발생시키는, 위상 편이 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 메타물질 구조체는:
    상기 가변 커패시터에 연결된 제1 금속층 구조체;
    전기적으로 격리된 제2 금속층 구조체; 및
    상기 제1 금속층 구조체 및 제2 금속층 구조체 사이에 개재되는 유전체 층을 포함하되,
    상기 제1 금속층 구조체 및 제2 금속층 구조체는 상기 메타물질 구조체가 상기 라디오 파 주파수에서 공진되고 상기 고정 커패시턴스를 가지도록 협력적으로 구성되는, 위상 편이 소자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 유전체 층은 무손실 유전물질을 포함하는, 위상 편이 소자.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 금속층 구조체는 상기 유전체 층의 상부 유전체 표면에 배치되고,
    상기 위상 편이 소자는 상기 상부 유전체 표면에 배치되며 상기 제1 금속층 구조체로부터 이격된 제3 금속층 구조체를 더 포함하고,
    상기 가변 커패시터는 상기 제1 금속층 구조체에 연결된 제1 단자 및 상기 제3 금속 구조체에 연결된 제2 단자를 포함하는, 위상 편이 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제3 금속층 구조체는 안쪽 둘레 에지 내에 배치되는 개구를 정의하고,
    상기 제1 금속층 구조체는 상기 개구 내부에 배치되어 상기 제1 금속층 구조체의 바깥쪽 둘레 에지는 상기 제3 금속층 구조체의 안쪽 둘레 에지와 둘레 간격(peripheral gap)만큼 이격되고,
    상기 제1, 제2 및 제3 금속층 구조체들은 상기 메타물질 구조체가 상기 라디오 파 주파수에서 공진되고 상기 고정 커패시턴스를 가지도록 협력적으로 구성되는, 위상 편이 소자.
  8. 위상 제어 신호에 의해 결정되는 출력 위상에서 출력 신호를 발생시키는 위상 편이 장치에 있어서, 상기 장치는:
    라디오 파 주파수 및 제1 위상을 가지는 제1 신호를 발생시키도록 구성된 신호원;
    고정 커패시턴스를 가지도록 구성된 메타물질 구조체로서, 상기 메타물질 구조체가 상기 라디오 파 주파수에서 공진하도록 구성된, 상기 메타물질 구조체, 및
    인가된 위상 제어 전압에 따라 변화하는 가변 커패시턴스를 발생시키도록 구성된 가변 커패시터로서, 상기 가변 커패시터는 상기 메타물질 구조체에 결합되어 상기 메타물질 구조체의 유효 커패시턴스가 상기 가변 커패시턴스에서의 상응하는 변화에 따라 변경되는 ,상기가변 커패시터를 포함하는 위상 편이 소자; 및
    상기 가변 커패시터에 인가되는 상기 위상 제어 전압을 상기 위상 제어 신호에 따라 결정되는 전압 수준에서 발생시키도록 구성된 제어 회로로서, 상기 메타물질 구조체는 상기 위상 제어 신호에 의해 결정되는 상기 출력 위상에서 상기 출력 신호를 발생시키는,상기 제어 회로를 포함하는, 위상 편이 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 메타물질 구조체는:
    상기 가변 커패시터에 연결된 제1 금속층 구조체;
    전기적으로 격리된 제2 금속층 구조체; 및
    상기 제1 금속층 구조체 및 제2 금속층 구조체 사이에 개재되는 유전체 층을 포함하되,
    상기 신호원은 제1 금속층 구조체 상부에 배치되어 상기 제1 금속층 구조체는 상기 신호원과 상기 유전체 층 사이에 배치되고,
    상기 제1 금속층 구조체 및 제2 금속층 구조체는 상기 메타물질 구조체가 상기 라디오 파 주파수에서 공진되고 상기 고정 커패시턴스 가지도록 협력적으로 구성되는, 위상 편이 장치.
  10. 방사 빔을 발생시키는 페이즈드 어레이 시스템(phased array system)에 있어서, 상기 장치는:
    라디오 파 주파수 및 제1 위상을 가지는 제1 신호를 발생시키도록 구성된 신호원;
    복수의 메타물질 구조체로서, 각각의 상기 메타물질 구조체는 연관된 고정 커패시턴스를 갖도록 구성되어 상기 각각의 메타물질 구조체는 상기 라디오 파 주파수에서 공진하는 상기 복수의 메타물질 구조체들, 및
    연관된 인가된 위상 제어 전압에 따라 변화하는 연관된 가변 커패시턴스를 개별적으로 발생시키도록 구성된 복수의 가변 커패시터들로서, 각각의 상기 가변 커패시터는 연관된 상기 메타물질 구조체에 결합되어 상기 연관된 메타물질 구조체의 유효 커패시턴스가 연관된 인가된 위상 제어 전압에 따라 상기 각각의 가변 커패시터에 의해 발생된 가변 커패시턴스에서의 상응하는 변화에 의해 변경되는 상기 복수의 가변 커패시터들을 포함하는 위상 편이 소자 어레이; 및
    복수의 위상 제어 전압들을 발생시키도록 구성된 제어 회로를 포함하되 , 각각의 위상 제어 전압이 상기 복수의 가변 커패시터들의 연관된 가변 커패시터에 인가되고, 상기 복수의 위상 제어 전압은 복수의 전압 수준을 가져서 상기 복수의 메타물질 구조체들은 복수의 상이한 출력 위상들에서 출력 신호들을 개별적으로 발생시키고, 상기 복수의 상이한 출력 위상들은 상기 출력 신호들이 누적적으로 상기 방사 빔을 발생시키도록 개별적으로 조정되는, 페이즈드 어레이 시스템.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109075457A (zh) * 2016-04-28 2018-12-21 奥特斯奥地利科技与系统技术有限公司 带有集成的天线布置的部件承载件、电子设备、无线电通信方法
KR101986048B1 (ko) * 2018-04-20 2019-06-04 고려대학교 산학협력단 메타표면을 이용한 마이크로파 공간변조장치
US11264708B2 (en) 2015-01-27 2022-03-01 At&S Austria Technologie & Systemtechnik Aktiengesellschaft Component carrier with integrated antenna structure
KR102403313B1 (ko) * 2020-12-01 2022-06-02 울산대학교 산학협력단 이중 레이어 메타표면 단위 셀 기반 투과배열

Families Citing this family (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160166843A1 (en) * 2014-12-11 2016-06-16 Palo Alto Research Center Incorporated Metamaterial phased array for hyperthermia therapy
US10498042B2 (en) * 2015-11-13 2019-12-03 Kyungpook National University Industry-Academic Cooperation Foundation Reflection frequency conversion device using active metamaterial surface and ECM system
US10307607B2 (en) 2016-02-09 2019-06-04 Palo Alto Research Center Incorporated Focused magnetic stimulation for modulation of nerve circuits
CN107404003B (zh) * 2016-05-19 2019-11-05 深圳光启合众科技有限公司 超材料及其频率调节方法和装置
CN107404002B (zh) * 2016-05-19 2024-06-11 佛山顺德光启尖端装备有限公司 调节电磁波的方法和超材料
US10928614B2 (en) 2017-01-11 2021-02-23 Searete Llc Diffractive concentrator structures
US11005179B2 (en) * 2017-06-05 2021-05-11 Metawave Corporation Feed structure for a metamaterial antenna system
US10942256B2 (en) * 2017-06-05 2021-03-09 Metawave Corporation Intelligent metamaterial radar for target identification
US11005192B2 (en) * 2017-06-05 2021-05-11 Metawave Corporation Intelligent metamaterial radar having a dynamically controllable antenna
EP3634826A4 (en) 2017-06-05 2021-03-17 Metawave Corporation SMART ANTENNA METAMATERIAL PROCESS AND APPARATUS
US11105918B2 (en) 2017-06-05 2021-08-31 Metawave Corporation Nodal metamaterial antenna system
US10854985B2 (en) * 2017-08-29 2020-12-01 Metawave Corporation Smart infrastructure sensing and communication system
US11621486B2 (en) * 2017-09-13 2023-04-04 Metawave Corporation Method and apparatus for an active radiating and feed structure
US11515639B2 (en) 2017-10-15 2022-11-29 Metawave Corporation Method and apparatus for an active radiating and feed structure
US10741917B2 (en) * 2017-11-07 2020-08-11 Chiara Pelletti Power division in antenna systems for millimeter wave applications
US10833381B2 (en) * 2017-11-08 2020-11-10 The Invention Science Fund I Llc Metamaterial phase shifters
US11265073B2 (en) 2017-11-28 2022-03-01 Metawave Corporation Method and apparatus for a metastructure reflector in a wireless communication system
IL256411A (en) 2017-12-19 2018-01-31 Univ Ramot Method and system for controlling radiation scattering
CN108226870A (zh) * 2017-12-19 2018-06-29 中国电子科技集团公司第三十八研究所 基于三明治架构的微波数字电源复合基板电路及馈线装置
US11355840B2 (en) * 2018-01-16 2022-06-07 Metawave Corporation Method and apparatus for a metastructure switched antenna in a wireless device
US11450953B2 (en) 2018-03-25 2022-09-20 Metawave Corporation Meta-structure antenna array
US11424548B2 (en) 2018-05-01 2022-08-23 Metawave Corporation Method and apparatus for a meta-structure antenna array
US11342682B2 (en) * 2018-05-24 2022-05-24 Metawave Corporation Frequency-selective reflector module and system
US11355859B2 (en) 2018-06-12 2022-06-07 Metawave Corporation Metamatertial, antenna array having an aperture layer
US11269058B2 (en) * 2018-06-13 2022-03-08 Metawave Corporation Autoencoder assisted radar for target identification
US11141585B2 (en) 2018-12-28 2021-10-12 Palo Alto Research Center Incorporated Non-invasive neural interface
WO2020189453A1 (ja) * 2019-03-15 2020-09-24 Ａｇｃ株式会社 無線通信用装置
US10938115B2 (en) 2019-03-21 2021-03-02 Elwha, Llc Resonance-frequency diverse metamaterials and metasurfaces
US11211704B2 (en) 2019-05-29 2021-12-28 Metawave Corporation Switched coupled inductance phase shift mechanism
JP2022072812A (ja) * 2020-10-30 2022-05-17 電気興業株式会社 可変リフレクトアレーおよび可変リフレクトアレーの設計方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003529261A (ja) * 2000-03-29 2003-09-30 エイチアールエル ラボラトリーズ，エルエルシー 同調可能インピーダンス面
US20120133547A1 (en) * 2010-11-29 2012-05-31 Freescale Semiconductor, Inc. Automotive Radar System and Method for Using Same

Family Cites Families (49)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3929594A (en) 1973-05-18 1975-12-30 Fromson H A Electroplated anodized aluminum articles
US4065364A (en) 1976-01-21 1977-12-27 Fromson H A Process for anodizing aluminum
US4315873A (en) 1977-11-21 1982-02-16 Hudson Products Corporation Cooling equipment
CA1212487A (en) 1983-08-26 1986-10-07 Her Majesty In Right Of Canada As Represented By Atomic Energy Of Canada Limited L'energie Atomique De Canada, Limitee Direct reading radiation detector/dosimeter
US5043739A (en) 1990-01-30 1991-08-27 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy High frequency rectenna
GB9325364D0 (en) 1993-12-10 1994-02-16 British Nuclear Fuels Plc A method and material for the detection of ionising radiation
JP3518206B2 (ja) 1996-11-26 2004-04-12 三菱電機株式会社 深部線量測定装置
DE19958750B4 (de) 1999-12-07 2006-08-24 Robert Bosch Gmbh Leckwellenantenne
US6661375B2 (en) * 2001-02-15 2003-12-09 Roke Manor Research Limited Beam steering in sub-arrayed antennae
US7012483B2 (en) * 2003-04-21 2006-03-14 Agile Materials And Technologies, Inc. Tunable bridge circuit
US6989541B2 (en) 2003-05-30 2006-01-24 General Dynamics Advanced Information Systems, Inc. Coincident neutron detector for providing energy and directional information
US7002517B2 (en) 2003-06-20 2006-02-21 Anritsu Company Fixed-frequency beam-steerable leaky-wave microstrip antenna
JP4583025B2 (ja) 2003-12-18 2010-11-17 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 ナノアレイ電極の製造方法およびそれを用いた光電変換素子
JP4795344B2 (ja) * 2004-07-23 2011-10-19 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア メタマテリアル
JP2008544730A (ja) 2005-06-08 2008-12-04 パワーキャスト コーポレイション Ｒｆエネルギーハーベスティングを用いた電力供給装置
ITFI20050173A1 (it) 2005-08-03 2007-02-04 Frigel Firenze S P A Un termoconvertitore per il raffreddamento di un fluido circolante in una conduttura
EP1959825B1 (en) 2005-10-24 2020-04-22 Powercast Corporation Method and apparatus for high efficiency rectification for various loads
WO2007079491A2 (en) 2006-01-05 2007-07-12 University Of Pittsburgh-Of The Commonwealth System Of Higher Education Multiple antenna energy harvesting
DE112006003700A5 (de) 2006-02-21 2008-10-23 Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh Hochreflektierendes Schichtsystem, Verfahren zur Herstellung des Schichtsysteme und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
US20080049228A1 (en) 2006-08-28 2008-02-28 Novaspectra, Inc. Fabry-perot interferometer array
JP2009033324A (ja) * 2007-07-25 2009-02-12 Nippon Antenna Co Ltd アンテナ
US8260201B2 (en) 2007-07-30 2012-09-04 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Dispersive antenna for RFID tags
FR2933699B1 (fr) 2008-07-11 2016-01-15 Centre Nat Rech Scient Nouvelle famille de molecules discriminantes pour les rayonnements neutron et gamma
JP4705976B2 (ja) * 2008-08-20 2011-06-22 株式会社日本自動車部品総合研究所 アンテナ装置
WO2011070763A1 (ja) * 2009-12-07 2011-06-16 日本電気株式会社 構造体及びアンテナ
US8680945B1 (en) * 2010-02-17 2014-03-25 Lockheed Martin Corporation Metamaterial enabled compact wideband tunable phase shifters
US8330298B2 (en) 2010-06-17 2012-12-11 Scarf Technologies Llc Generating DC electric power from ambient electromagnetic radiation
AU2011314378A1 (en) 2010-10-15 2013-05-02 Searete Llc Surface scattering antennas
EP2695240A4 (en) 2011-04-07 2015-03-11 Polyvalor Ltd Partnership CRLH SCALE WAVE ANTENNA WITH ENTIRE SPACE SCAN AND END SWITCHING
US9112262B2 (en) 2011-06-02 2015-08-18 Brigham Young University Planar array feed for satellite communications
JP5626132B2 (ja) 2011-06-07 2014-11-19 株式会社日本自動車部品総合研究所 物体検出装置
CN103930746A (zh) 2011-09-12 2014-07-16 太浩科技有限公司 用于延时和延长的空气冷却冷凝系统的方法和装置
KR101309469B1 (ko) 2011-09-26 2013-09-23 삼성전기주식회사 알에프 모듈
US10217045B2 (en) 2012-07-16 2019-02-26 Cornell University Computation devices and artificial neurons based on nanoelectromechanical systems
US9709349B2 (en) 2012-11-15 2017-07-18 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Structures for radiative cooling
GB201221330D0 (en) 2012-11-27 2013-01-09 Univ Glasgow Terahertz radiation detector, focal plane array incorporating terahertz detector, and combined optical filter and terahertz absorber
US9385435B2 (en) 2013-03-15 2016-07-05 The Invention Science Fund I, Llc Surface scattering antenna improvements
FR3003256B1 (fr) 2013-03-18 2015-08-07 Centre Nat Rech Scient Nouvelle famille de molecules discriminantes pour les rayonnements neutron et gamma et liquides ioniques
CN103312042B (zh) 2013-06-13 2016-02-17 中傲智能科技（苏州）有限公司 一种rf能量收集器
CN103401078A (zh) * 2013-07-11 2013-11-20 中国科学院光电技术研究所 一种加载变容二极管的ebg的频率可重构天线制作方法
EP3044814A4 (en) 2013-09-11 2016-09-21 Purdue Research Foundation PLASMONIC REFRACTORY METAMATERIAL ABSORBER AND TRANSMITTER FOR RECOVERING ENERGY
FR3017752B1 (fr) 2014-02-14 2017-10-13 Inst Mines Telecom Dispositif de conversion d'energie radiofrequence en courant continu et capteur correspondant
US9853361B2 (en) 2014-05-02 2017-12-26 The Invention Science Fund I Llc Surface scattering antennas with lumped elements
US9711852B2 (en) 2014-06-20 2017-07-18 The Invention Science Fund I Llc Modulation patterns for surface scattering antennas
US9680327B2 (en) 2014-06-30 2017-06-13 Landis+Gyr Innovations, Inc. RF energy harvesting by a network node
US9545923B2 (en) * 2014-07-14 2017-01-17 Palo Alto Research Center Incorporated Metamaterial-based object-detection system
US9871298B2 (en) 2014-12-23 2018-01-16 Palo Alto Research Center Incorporated Rectifying circuit for multiband radio frequency (RF) energy harvesting
US10158401B2 (en) 2015-02-27 2018-12-18 Ricoh Co., Ltd. Intelligent network sensor system
US10790160B2 (en) 2015-05-12 2020-09-29 Smartrac Technology Gmbh Barrier configurations and processes in layer structures

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003529261A (ja) * 2000-03-29 2003-09-30 エイチアールエル ラボラトリーズ，エルエルシー 同調可能インピーダンス面
US20120133547A1 (en) * 2010-11-29 2012-05-31 Freescale Semiconductor, Inc. Automotive Radar System and Method for Using Same

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11264708B2 (en) 2015-01-27 2022-03-01 At&S Austria Technologie & Systemtechnik Aktiengesellschaft Component carrier with integrated antenna structure
CN109075457A (zh) * 2016-04-28 2018-12-21 奥特斯奥地利科技与系统技术有限公司 带有集成的天线布置的部件承载件、电子设备、无线电通信方法
US10992055B2 (en) 2016-04-28 2021-04-27 At&S Austria Technologie & Systemtechnik Aktiengesellschaft Component carrier with integrated antenna arrangement, electronic apparatus, radio communication method
KR101986048B1 (ko) * 2018-04-20 2019-06-04 고려대학교 산학협력단 메타표면을 이용한 마이크로파 공간변조장치
KR102403313B1 (ko) * 2020-12-01 2022-06-02 울산대학교 산학협력단 이중 레이어 메타표면 단위 셀 기반 투과배열

Also Published As

Publication number Publication date
JP6438857B2 (ja) 2018-12-19
US20160013531A1 (en) 2016-01-14
EP2975693A1 (en) 2016-01-20
JP2016021741A (ja) 2016-02-04
KR102242603B1 (ko) 2021-04-22
US9972877B2 (en) 2018-05-15
EP2975693B1 (en) 2019-09-18

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