KR20180132954A - 광 전지와 일체화된 안테나 - Google Patents

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나단 쿤츠
스티븐 린
밥 모레이
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Abstract

광전지와 통합된 홀로그래픽 안테나 및 이를 사용하는 방법이 설명된다. 일 실시 예에서, 안테나를 사용하는 방법은 안테나가 표면에 통합된 하나 이상의 광전지(PV) 구조물에 의해 태양 에너지의 획득을 증가시키는 위치에 배치된 후에 안테나의 안테나 개구를 나타내는 위치 데이터를 수신하는 단계를 포함하며; 및 상기 위치 데이터에 응답하여, 상기 태양 에너지의 증가된 획득을 위한 상기 안테나의 상기 위치를 유지하면서 상기 안테나의 상기 위치에 기초하여 위성을 향하여 빔을 재지향하도록 상기 안테나의 안테나 소자들의 어레이를 전자적으로 조종하는 단계를 포함한다.

Description

광 전지와 일체화된 안테나
본 발명의 실시 예는 무선 통신에 사용되는 안테나에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명의 실시 예는 통합된 광전지를 구비한 메타머티리얼 안테나 또는 다른 안테나 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
현재 안테나는 안테나 전자 장치, 히터, 앰프 및 모뎀에 전원을 공급하기 위해 별도의 전원 공급 장치가 요구된다. 이것은 대부분의 안테나에 대해서는 불편하지 않지만, 휴대용 안테나의 경우 그들의 이동성을 전력이 분배된 위치로 제한하기 때문에 이것은 단점이다.
태양열 발전 기술은 수년간 존재해 왔다. 태양열 전력은 태양 에너지를 획득하는데 사용되는 태양광 전지를 태양에 지향시켜야 하는 점에서 제한이 있다. 그러나 이것은 작동을 위해 인공위성에 고정되어 있기 위해서, 위성의 피크 태양 플럭스(flux)와 다른 방향을 가리키고 있을 수도 있는 위성 안테나와 같은 장치들과 함께 사용하기가 어려워진다.
본 발명은 이하에 주어진 상세한 설명 및 본 발명의 다양한 실시 예의 첨부된 도면으로부터 더 잘 이해될 것이나, 이는 본 발명을 특정 실시 예로 제한하는 것으로 이해되어서는 아니 되며, 단지 설명 및 이해를 위한 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 원통형 피드 안테나의 입력 피드(input feed) 주위에 동심링 내에 배치된 하나 이상의 안테나 소자의 어레이를 갖는 개구(aperture)를 도시한 것이다.
도 2는 접지면 및 재구성 가능한 공진기 층을 포함하는 일렬의 안테나 소자의 사시도를 나타낸 것이다.
도 3은 튜닝 가능한(tunable) 공진기/슬롯의 일 실시 예를 도시한 것이다.
도 4는 원통형 피드 안테나 구조물의 일 실시 예의 측면도를 나타낸 것이다.
도 5는 외향파를 갖는 안테나 시스템의 다른 실시 예를 도시한 것이다.
도 6은 물리적 안테나 개구의 일 실시 예의 단면도를 도시한 것이다.
도 7은 안테나의 안테나 소자들에 인접한 광전지(PV) 셀 배치의 예를 도시한 것이다.
도 8은 안테나에서의 PV 셀 배치의 또 다른 예를 도시한 것이다.
도 9A-9C는 안테나에서의 PV 셀 배치의 또 다른 예를 도시한 것이다.
도 10은 PV 셀들을 포함하는 안테나를 위한 전력 분배 서브 시스템의 일 실시 예를 도시한 것이다.
도 11은 패치 층 상에 형성된 PV 셀의 예이다.
도 12는 패치 기판 상의 PV 셀에 사용되는 코팅의 예를 도시한 것이다.
도 13A는 안테나 시스템의 일 실시 예의 데이터 흐름을 도시한 것이다.
도 13B는 집적된 PV 셀 및 추가적인 태양광 패널을 갖는 안테나 개구의 다른 예를 도시한 것이다.
도 14는 안테나 상에 집적된 PV 구조물(예컨대, 셀)에 의해 획득된 태양 에너지에 의해 적어도 부분적으로 전력이 공급되는 안테나를 사용하기 위한 방법의 일 실시 예의 흐름도이다.
도 15는 태양열 전력 안테나(solar powered antenna)를 사용하는 방법의 흐름도이다.
도 16A-D는 슬롯 어레이를 생성하기 위한 상이한 층들의 일 실시 예를 도시한 것이다.
도 17은 안테나 소자들에 대한 매트릭스 구동 회로 배치의 일 실시 예를 도시한 것이다.
도 18은 TFT 패키지의 일 실시 예를 도시한 것이다.
도 19는 텔레비전 시스템에서 동시에 이중 수신을 수행하는 통신 시스템의 일 실시 예의 블록도이다.
도 20은 동시 송신 및 수신 경로를 갖는 통신 시스템의 다른 실시 예의 블록도이다.
광전지와 통합된 홀로그래픽 안테나 및 이를 사용하는 방법이 설명된다. 일 실시 예에서, 안테나를 사용하는 방법은 안테나가 안테나 개구의 표면에 통합된 하나 이상의 광전지(PV) 구조물에 의해 태양 에너지의 획득을 증가시키는 위치에 배치된 후에 안테나의 안테나 개구를 나타내는 위치 데이터를 수신하는 단계를 포함하며; 및 상기 위치 데이터에 응답하여, 상기 태양 에너지의 획득을 증가시키기 위해 상기 안테나의 위치를 유지하면서 상기 안테나의 위치에 기초하여 위성을 향하여 빔을 재지향하도록 상기 안테나의 안테나 소자들의 어레이를 전자적으로 조종하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예는 태양열 전력 안테나(solar powered antenna)이다. 일 실시 예에서, 안테나는, 예를 들어, PV 셀(태양광 전지)과 같은 광전지(PV) 구조를 포함하는 홀로그래픽 메타머티리얼 안테나를 포함한다. 일 실시 예에서, 튜닝 매체는 액정을 포함한다. 다른 실시 예에서, 안테나는 홀로그래픽 빔 형성을 생성하기 위해 MEMS-기반의 또는 다른 비액정-기반의 튜닝 메커니즘을 사용하는 홀로그래픽 안테나를 갖는 PV 셀을 포함한다.
일 실시 예에서, PV 셀은 튜닝 가능한 홀로그래픽 메타머티리얼 안테나 소자와 함께 광학적으로 투명한 기판상에 집적된다. 일 실시 예에서, PV 셀은 안테나 소자들 사이에 인터리빙되고(interleaved), 전력 분포는 안테나 소자를 구동하는 회로 사이에서(예를 들어, 안테나 소자를 제어하기 위한 구동 회로의 행 및 열) 인터리빙된다.
안테나 소자처럼 동일한 기판 위에 PV 셀을 집적함으로써, 안테나는 별도의 전원 공급 장치 또는 코드가 없는 완전하게 독립형이다. 즉, 다른 안테나 터미널 구성 요소에 전력을 공급하는데 필요한 전원 공급 장치를 제거할 수 있고, 그것이 본 기술을 진정으로 휴대 가능하게 하면서 무선으로 만들어 준다. 일 실시 예에서, 이러한 통합은 또한 반드시 장치에 동반해야 하는 배터리를 감소시키거나 및/또는 제거한다.
본 발명의 실시 예는 하나 이상의 다음과 같은 이점을 가진다.
ㆍ 배터리를 제거하거나 배터리 크기를 줄여 무게를 가볍게 함;
ㆍ 전원 케이블이 필요하지 않으므로 설치 및 사용이 더 용이함; 및
ㆍ 다양한 전원 공급 장치를 제거하고 그러한 기능들을 안테나 기판상에 통합함으로써 물리적 크기 및 무게가 감소됨.
안테나 실시 예
여기에 설명된 PV 구조는 평면 패널 안테나를 포함한 다양한 안테나와 함께 사용될 수 있다. 이러한 평면 패널 안테나의 구현이 개시된다. 평면 패널 안테나는 안테나 개구부 상에 안테나 소자의 하나 이상의 어레이를 포함한다. 하나의 구현에서 안테나 소자는 액정 셀을 포함한다. 또 다른 구현에서, 안테나 소자는 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 장치를 포함한다. 하나의 실시 예에서 평면 패널 안테나는 열과 행에 배치되지 않은 각각의 안테나 소자를 고유하게 어드레스하고 구동하는 매트릭스 드라이브 회로를 포함하는 원통형 피드 안테나이다. 상기 피드는 원형일 필요가 없다. 하나의 실시 예에서는 소자들은 링에 배치된다.
일 실시 예에서, 안테나 소자의 하나 이상의 어레이를 갖는 안테나 개구는 함께 결합된 다수의 세그먼트로 구성된다. 함께 결합되면, 상기 세그먼트들의 조합은 안테나 소자들의 닫힌 동심 링을 형성한다. 일 실시 예에서, 동심원 링은 안테나 피드에 대해 동심원이다.
일 실시 예에서, 평면 패널 안테나는 위성 지구국(earth station)에 사용되는 안테나 시스템의 일부이다. 일 실시 예에서, 안테나 시스템은 민간 상용 위성 통신용 Ka-밴드 주파수 또는 Ku-밴드 주파수 중 하나를 사용하여 동작하는 모바일 플랫폼(예를 들어, 항공, 해상, 육상 등)에서 동작하는 위성 지구국(ES)의 구성 요소 또는 서브 시스템이다. 안테나 시스템의 실시 예는 또한 모바일 플랫폼상에 있지 않은 지구국(예를 들어, 고정된 또는 이동 가능한 지구국)에서 사용될 수 있음을 주목해야한다.
일 실시 예에서, 안테나 시스템은 개별 안테나를 통해 빔을 송신 및 수신하도록 형성 및 조정하기 위하여 표면 산란 기술을 사용한다. 일 실시 예에서, 빔을 전기적으로 형성하고 조종하기 위해 디지털 신호 처리를 이용하는 안테나 시스템(위상 어레이 안테나와 같은)과는 대조적으로 안테나 시스템은 아날로그 시스템이다).
일 실시 예에서, 안테나 시스템은 3 개의 기능적 서브 시스템으로 구성된다 :(1) 원통형 파 피드 구조로 구성된 도파관 구조;(2) 파동 산란 안테나 소자들의 어레이; 및(3) 홀로그래픽 원리를 사용하여 산란 안테나 소자로부터 조정 가능한 방사선 필드(빔)의 형성을 명령하는 제어 구조.
도 1은 원통형 피드 안테나의 입력 피드 둘레에 동심링 내에 배치된 안테나 소자의 하나 이상의 어레이를 갖는 개구를 도시한다. 본 명세서에서 설명된 RF 공진기는 원통형 피드를 포함하지 않는 안테나에서 사용될 수 있음을 주목해야 한다.
일 실시 예에서, 안테나는 원통형 파 피드를 제공하는데 사용되는 동축 피드를 포함한다. 일 실시 예에서, 원통형 파 피드 아키텍처는 피드 지점으로부터 원통형으로 외측으로 퍼지는 여기(excitation)를 가진 중심점으로부터 안테나를 공급한다. 즉, 원통형 피드 안테나는 외향 이동하는 동심원 피드 파를 생성한다. 그럼에도 불구하고, 원통형 피드 주위의 원통형 피드 안테나의 형상은 원형, 정사각형 또는 임의의 형상일 수 있다. 다른 실시 예에서, 원통형 피드 안테나는 내측으로 이동하는 피드 파를 생성한다. 이러한 경우, 상기 피드 파는 원형 구조에서 가장 자연스럽게 비롯된다.
일 실시 예에서, 안테나는 하나 이상의 안테나 소자 어레이를 포함하고, 안테나 소자는 패치 안테나 그룹을 포함한다. 패치 안테나의 이러한 그룹은 산란 소자들의 어레이를 포함한다. 일 실시 예에서, 안테나 시스템의 각각의 산란 소자는 하부 도체, 유전체 기판 및 상부 도체 상에 에칭되거나 증착된 상보형 전기 유도성-커패시티브 공진기("상보적인 전기 LC" 또는 "CELC")를 내장하는 상부 도체로 구성된 유닛 셀의 일부이다.
일 실시 예에서, 액정(LC)은 산란 소자 주위의 갭 내에 배치된다. 일 실시 예에서, 액정은 각각의 유닛 셀 내에 캡슐화되고 슬롯과 관련된 하부 도체를 그 패치와 연관된 상부 도체로부터 분리시킨다. 액정은 액정을 포함하는 분자의 배향의 함수인 유전율을 가지며, 분자의 배향(및 유전율)은 액정을 가로지르는 바이어스 전압을 조절함으로써 조정될 수 있다. 일 실시 예에서, 이 특성을 사용하여, 액정은 유도된 파로부터 CELC 로의 에너지 전달을 위한 온/오프 스위치를 통합한다. 스위치가 켜지면 CELC는 전기적으로 작은 쌍극 안테나와 같이 전자기파를 방출한다. 본 명세서의 교시는 에너지 전달에 대해 바이너리 방식으로 작동하는 액정을 갖는 것에 제한되지 않음을 주목해야 한다.
일 실시 예에서, 이 안테나 시스템의 피드 기하학적 구조는 안테나 소자가 파 피드의 파 벡터에 대해 45도(45도) 각도로 배치되도록 한다. 다른 위치들(예를 들어, 40° 각도)이 사용될 수 있음에 유의한다. 소자들의 이러한 위치는 요소들에 의해 수신되거나 요소들로부터 전송/방사되는 자유 공간파의 제어를 가능하게 한다. 일 실시 예에서, 안테나 소자는 안테나의 동작 주파수의 자유 공간 파장보다 작은 소자 간 간격으로 배치된다. 일 실시 예에서, 파장당 4 개의 산란 요소가 있는 경우, 30 GHz 송신 안테나의 요소는 약 2.5 mm(즉, 30 GHz의 10 mm 자유 공간 파장의 1/4)이다.
일 실시 예에서, 2 세트의 소자는 서로 수직이고 동일한 튜닝 상태로 제어되는 경우 동시에 동일한 진폭 여기를 갖는다. 피드 파 여기에 대해 +/- 45도 회전 시키면 한 번에 원하는 기능을 모두 얻을 수 있다. 한 세트를 0 도로 회전시키고 다른 하나는 90 도로 회전시키면 수직 목표를 달성할 수 있지만 동일한 진폭 여기 목표는 달성하지 못한다. 0 도 및 90 도는 두 측면에서 단일 구조로 안테나 요소의 어레이를 피딩할 때 격리를 달성하기 위해 사용될 수 있음에 주목해야 한다.
각 단위 셀로부터의 방사된 전력의 양은 제어기를 사용하여 패치에 전압(LC 채널에 걸친 전위)을 인가함으로써 제어된다. 각 패치의 트레이스는 패치 안테나에 전압을 공급하는데 사용된다. 전압은 캐패시턴스(capacitance)를 조정(tune or detune)하거나 또는 개별 소자의 공진 주파수를 조정하여 빔 형성을 수행하는데 사용된다. 요구되는 전압은 사용되는 액정 혼합물에 따라 다르다. 액정 혼합물의 전압 동조 특성은 액정이 전압 및 포화 전압의 영향을 받기 시작하는 임계 전압에 의해 주로 설명되며, 그 이상에서는 전압의 증가가 액정에서 주요 동조를 일으키지 않는다. 이러한 두 개의 특성 파라미터는 상이한 액정 혼합물에 대해 변할 수 있다.
도 2는 접지면 및 재구성 가능한 공진기 층을 포함하는 일렬(row)의 안테나 소자의 사시도를 나타낸 것이다. 재구성 가능한 공진기 층(230)은 튜닝 가능한(tunable) 슬롯(210)의 어레이를 포함한다. 튜닝 가능한 슬롯(210)의 어레이는 안테나를 원하는 방향으로 향하도록 구성시킬 수 있다. 조정 가능한 슬롯의 각각은 각 슬롯과 관련된 아이리스와 패치 사이의 간격(space) 전체에 걸쳐 전압을 변화시킴으로써 튜닝/조정될 수 있다.
제어 모듈(280)은 도 2의 각 슬롯과 관련된 아이리스와 패치 사이의 갭 전체에 걸쳐 전압을 변화시킴으로써 튜닝 가능한 슬롯들의 어레이(210)를 변조시키기 위하여 재구성 가능한 공진기 층(230)에 연결되어 있다. 제어 모듈(280)은 필드 프로그래머블 게이트 어레이("FPGA"), 마이크로 프로세서, 컨트롤러, 칩에 탑재된 시스템(SoC) 또는 기타 처리 로직을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 제어 모듈(280)은 가변 슬롯(210)의 어레이를 구동하기 위한 논리 회로(예를 들어, 멀티플렉서)를 포함한다. 일 실시 예에서, 제어 모듈(280)은 튜닝 가능한 슬롯들의 어레이(210) 상에 구동될 홀로그래픽 회절 패턴에 대한 사양을 포함하는 데이터를 수신한다. 홀로그래픽 회절 패턴은 안테나 및 위성 간의 공간적 관계에 응답하여 생성될 수 있으므로 홀로그래픽 회절 패턴은 통신을 위한 적절한 방향으로 다운 링크 빔(및 안테나 시스템이 송신을 수행하는 경우 업 링크 빔)을 조종한다. 각각의 도면에 도시되지는 않았지만, 제어 모듈(280)과 유사한 제어 모듈은 본 명세서의 도면에 설명된 조정 가능한 슬롯들의 각 어레이를 구동 할 수 있다.
RF(Radio Frequency) 홀로그래픽은 RF 기준(reference) 빔이 RF 홀로그래픽 회절 패턴을 만날 때 원하는 RF 빔이 생성될 수 있는 유사한 기술을 사용하는 것이 또한 가능하다. 위성 통신의 경우에, 기준 빔은 예를 들면 피드 파(feed wave)(205)(일부 실시 예에서 대략 20 GHz)와 같은 피드 파의 형태이다. 피드 파를(송신 또는 수신 목적으로) 방사 빔으로 변환하기 위해, 원하는 RF 빔(대상 빔(object beam))과 피드 파 기준 빔(reference beam)) 사이에서 간섭 패턴이 계산된다. 간섭 패턴은 회절 패턴으로서 튜닝 가능한 슬롯들의 어레이(210) 상으로 유도되어, 피드 파는 원하는 RF 빔(원하는 형상 및 방향을 가진)으로 "조종된다". 즉, 홀로그래픽 회절 패턴과 마주친 피드 파는 통신 시스템의 설계 요구 사항에 따라 형성되는 대상 빔(object beam)을 "재구성"한다. 홀로그래픽 회절 패턴은 각 소자의 여기를 포함하고 있으며, Whologram = WinWout 에 의해 계산되며, Win은 파 가이드의 파 방정식으로 Wout은 외향파의 파 방정식으로 사용한다.
도 3은 튜닝 가능한 공명기/슬롯(210)의 하나의 실시 예를 도시한 것이다. 튜닝 가능한 슬롯(201)에는 아이리스/슬롯(212), 방사 패치(1211) 및 아이리스(212)와 패치(211) 사이에 배치된 액정(213)이 포함되어 있다. 일 실시 예에서 방사 패치(211)는 아이리스(212)와 함께 배치된다.
일 실시 예에서, 행(row)의 튜닝 가능한 슬롯들은 λ/5만큼 서로 이격되어 있다. 다른 간격이 사용될 수 있다. 일 실시 예에서, 행의 각각의 동조 가능한 슬롯은 인접한 행의 가장 근접한 튜닝 가능한 슬롯으로부터 λ/2만큼 이격되고, 따라서 다른 행들의 공통적으로 지향된 튜닝 가능한 슬롯들은 다른 간격(예 : λ/5, λ/6.3)이 가능하지만, λ/4만큼 이격된다. 다른 실시 예에서, 행의 각각의 튜닝 가능한 슬롯은 인접한 행의 가장 가까운 튜닝 가능한 슬롯으로부터 λ/3 만큼 이격되어 있다.
도 4는 원통형 피드 안테나 구조물의 일 실시 예의 측면도를 도시한 것이다. 안테나는 이중 층 피드 구조물(즉, 2층 피드 구조)을 사용하여 내향으로 이동하는 파를 생성한다. 일 실시 예에서, 안테나는 원형의 외형을 포함하지만, 이것이 요구되지는 않는다. 즉, 비원형의 내측으로 이동하는 구조물이 사용될 수 있다. 일 실시 예에서, 도 4의 안테나 구조는 동축 피드를 포함한다.
도 4를 참조하면, 동축 핀(401)은 안테나의 하부 레벨 상의 자계를 여기시키기 위해 사용된다. 일 실시 예에서, 동축 핀(401)은 쉽게 이용 가능한 50Ω 동축 핀이다. 동축 핀(401)은 접지면(402)을 전도하는 안테나 구조물의 바닥에 결합(예를 들어, 볼트로 고정)된다.
도전성 접지면(402)과는 별도로, 내부 도체인 격자간(interstial) 도체(403)가 있다. 일 실시 예에서, 도전성 접지면(402) 및 격자간 도체(403)는 서로 평행하다. 일 실시 예에서, 접지면(402)과 격자간 도체(403) 사이의 거리는 0.1-0.15"이다. 다른 실시 예에서, 이 거리는 λ/2 일 수 있으며, 여기서 λ는 동작 주파수에서 이동하는 파의 파장이다.
접지면(402)은 스페이서(404)를 통해 격자간 도체(403)로부터 분리된다. 일 실시 예에서, 스페이서(404)는 폼(foam) 또는 공기와 같은 스페이서이다. 일 실시 예에서, 스페이서(404)는 플라스틱 스페이서를 포함한다.
격자간(interstial) 도체(403)의 상부에 유전체층(405)이 있다. 일 실시 예에서, 유전체층(405)은 플라스틱이다. 유전체층(405)의 목적은 자유 공간 속도에 비해 이동하는 파를 늦춘다. 일 실시 예에서, 유전체층(405)은 자유 공간에 비해 이동파를 30 % 까지 감속시킨다. 일 실시 예에서, 빔 형성에 적합한 굴절률의 범위는 자유 공간의 굴절율이 정의상 1 인 공간에서 1.2 - 1.8이다. 이러한 효과를 달성하기 위해, 예를 들어 플라스틱과 같은 다른 유전체 스페이서 재료가 사용될 수 있다. 원하는 파형 감속 효과를 달성하는 한 플라스틱 이외의 재료를 사용할 수 있다. 대안적으로, 예를 들어 기계 가공되거나 리소그래피적으로 정의될 수 있는 주기적 서브-파장 금속 구조물과 같은, 분포 구조물을 갖는 재료가 유전체(405)로서 사용될 수 있다.
패치/아이리스 쌍을 가진 튜닝 가능한 슬롯을 포함하는 RF 어레이(406)가 유전체(405)의 상부에 있다. 일 실시 예에서, 격자간 도체(403)와 RF 어레이(406) 사이의 거리는 0.1-0.15"이다. 다른 실시 예에서, 이 거리는 λeff/2 일 수 있으며, 여기서 Aeff 는 설계 주파수에서 매체에서의 유효 파장이다.
안테나는 측면(407 및 408)은 측면(407 및 408)을 포함한다. 측면(407 및 408)은 동축 핀(401)으로부터 이동하는 파 피드가 반사를 통해 격자간 도체(403)(스페이서 층) 아래의 영역으로부터 격자간 도체(403) 위의 영역(유전체 층)으로 전파되도록 각(angled)져 있다. 일 실시 예에서, 측면(407 및 408)의 각도는 45도이다. 다른 실시 예에서, 측면(407 및 408)은 반사를 달성하기 위해 연속(continuous) 반경으로 대체될 수 있다. 도 4는 45 도의 각을 갖는 각진 측면을 도시하고 있지만, 저레벨 피드로부터 상위 레벨 피드로의 신호 전달을 달성하는 다른 각도가 사용될 수 있다. 즉, 저레벨 피드에서 효과적인 파장이 일반적으로 상위 레벨 피드에서와 다를 것이라고 가정하면, 이상적인 45 도 각도로부터의 일부 편차는 저레벨 피드로부터 상위 레벨 피드로의 전달을 돕기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 다른 실시 예에서, 45 도 각도는 단일 단(step)으로 대체된다. 안테나의 한쪽 끝의 단들(steps)은 유전체 층, 격자간 도체 및 스페이서 층을 둘러싼다. 동일한 두 단(steps)이 이 층들의 다른 쪽 끝에 있다. 또 다른 대안적인 실시 예에서, 측면(407 및 408)은 다수의 단들로 대체된다.
동작 시에, 피드 파가 동축핀(401)으로부터 피드인(fed in) 되면, 상기 파는 접지면(402)과 격자간 도체(403) 사이의 영역에서 동축핀(401)으로부터 외향으로 동심원으로 배향되어 이동한다. 동심원으로 외향하는 파들은 측면(407 및 408)에 의해 반사되고 격자간 도체(403)와 RF 어레이(406) 사이의 영역에서 내측으로 이동한다. 원형 둘레의 엣지(edge)로부터의 반사는 파를 동상(in-phase)으로 유지하게 한다(즉, 동상 반사임). 이동하는 파는 유전층(405)에 의해 감속된다. 이 시점에서, 이동하는 파는 원하는 산란을 얻기 위해 RF 어레이(406) 내의 소자들과 상호 작용 및 여기(exciting)를 시작한다.
이동하는 파를 종결시키기 위해, 종단부(409)가 안테나의 기하학적 중심에서 안테나에 포함된다. 일 실시 예에서, 종단부(409)는 핀종단(예를 들어, 50Ω 핀)을 포함한다. 다른 실시 예에서, 종단부(409)는 안테나의 피드 구조물을 통해 사용되지 않는 에너지가 백(back)되는 반사를 방지하기 위해 사용되지 않는 에너지를 중단시키는 RF 흡수기를 포함한다. 이들은 RF 어레이(406)의 최상부에서 사용될 수 있다.
도 5는 외향파를 갖는 안테나 시스템의 다른 실시 예를 도시한다. 도 5를 참조하면, 2 개의 접지면(510 및 511)은 접지면 사이에 유전체층(512)(예를 들어, 플라스틱 층 등)을 구비하여 서로 실질적으로 평행하다. RF 흡수기(519)(예를 들어, 저항기)는 2 개의 접지면(510 및 511)을 함께 결합시킨다. 동축핀(515)(예를 들어, 50Ω)은 안테나에 전력을 공급한다. RF 어레이(516)는 유전체층(512) 및 접지면(511)의 상부에 있다.
동작 시, 피드 파는 동축핀(515)을 통해 공급되고 동심원으로 외측으로 이동하고 RF 어레이(516)의 소자들과 상호 작용한다.
파 산란 소자들의 어레이
도 4의 RF 어레이(406) 및 도 5의 RF 어레이(516)는 라디에이터로 작용하는 패치 안테나 그룹(즉, 산란자)을 포함하는 파 산란 서브 시스템을 포함한다. 패치 안테나의 이러한 그룹은 산란 요소들의 어레이를 포함한다. 각각의 패치 안테나는 RF 공진기를 형성하는 패치 및 아이리스를 포함한다. 다음은 MEMS-기반 RF 공진기의 다수의 실시 예를 개시한다. 일 실시 예에서, 각각의 RF 공진기는 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 장치를 구비하거나 포함하는 RF 방사 요소를 가진다. 다른 실시 예에서, 각각의 RF 공진기는 액정을 구비하거나 포함하는 RF 방사 요소를 가진다.
일 실시 예에서, 안테나 시스템의 각각의 산란 소자는 하부 도체, 유전체 기판 및 상부 도체 상에 에칭되거나 증착된 상보형 전기 유도-커패시티브 공진기("상보적인 전기 LC" 또는 "CELC")를 내장하는 상부 도체로 구성된 유닛 셀의 일부이다. 전술한 바와 같이, 액정은 유도파로부터 CELC로 에너지 전달을 위한 온/오프 스위치로서 작용한다. 스위치가 켜지면 CELC는 전기적으로 작은 다이폴 안테나와 같이 전자기파를 방출한다. LC의 두께를 제어하면 빔 스위칭 속도가 증가한다. 하부 도체와 상부 도체 사이의 간격(액정의 두께)이 50% 감소하면 속도가 4 배 증가한다. 다른 실시 예에서, 액정의 두께는 약 14 밀리 초(14ms)의 빔 스위칭 속도를 초래한다. 일 실시 예에서, LC는 7 밀리 초(7ms) 요건이 충족될 수 있도록 응답성을 개선하기 위하여 당업계에 잘 알려진 방식으로 도핑된다.
CELC 소자는 CELC 소자의 평면에 평행하게 인가되고 CELC 갭 보완체에 수직으로 인가되는 자기장에 반응한다. 메타머티리얼 산란 유닛 셀의 액정에 전압이 인가되면, 유도파의 자기장 성분은 CELC의 자기 여기를 유도하고, 이어서 상기 유도파와 동일한 주파수의 전자기파를 생성한다.
단일 CELC에 의해 생성된 전자기파의 위상은 유도파의 벡터 상에 CELC의 위치에 의해 선택될 수 있다. 각 셀은 CELC에 평행한 유도파와 동상인 파를 생성한다. CELC는 파장보다 작으므로 출력파는, CELC 밑을 통과하는 경우, 유도파의 위상과 동일한 위상을 갖는다.
일 실시 예에서, CELCs는 두 슬롯 사이에 액정이 있는 슬롯 위에 함께 배치된 패치를 포함하는 패치 안테나로 구현된다. 이 점에서, 메타머티리얼 안테나는 슬롯(산란) 도파관 같은 역할을 한다. 슬롯형 도파관을 사용하면, 출력 파의 위상은 유도파와 관련하여 슬롯의 위치에 따라 달라진다.
도 6은 물리적 안테나 개구의 일 실시 예의 단면도를 도시한다. 안테나 개구는 접지면(645) 및 재구성 가능한 공진기층(630)에 포함되는 아이리스층(633) 내에 금속층(636)을 포함한다. 일 실시 예에서, 도 6의 안테나 개구는 도 3의 복수의 튜닝 가능한 공진기/슬롯(210)을 포함한다. 아이리스/슬롯(612)은 금속층(636)의 구멍(opening)에 의해 정의된다. 도 2의 피드 파(205)와 같은 피드 파는 위성 통신 채널과 호환 가능한 마이크로파 주파수를 가질 수 있다. 피드 파는 접지면(645)과 공진기 층(630) 사이에서 전파한다.
재구성 가능한 공진기 층(630)은 또한 개스킷 층(632) 및 패치 층(631)을 포함한다. 개스킷 층(632)은 패치 층(631) 및 아이리스 층(633) 아래에 배치된다. 일 실시 예에서, 스페이서가 개스킷 층(632)을 대체 할 수 있다. 일 실시 예에서, 아이리스 층(633)은 금속층(636)으로 구리 층을 포함하는 인쇄 회로 기판("PCB")이다. 일 실시 예에서, 아이리스 층(633)은 유리이다. 아이리스 층(633)은 다른 유형의 기판일 수 있다.
개구는 슬롯(612)을 형성하기 위하여 구리 층에서 에칭될 수 있다. 일 실시 예에서, 아이리스 층(633)은 도전성 본딩층에 의해 도 6의 다른 구조체(예를 들어, 도파관)에 도전적으로 결합된다. 일 실시 예에서, 아이리스 층은 도전성 본딩층에 의해 도전적으로 결합되지 않고 대신에 비도전성 본딩층에 인터페이스됨을 유의해야 한다.
패치 층(631)은 또한 방사 패치(611)로서 금속을 포함하는 PCB 일 수 있다. 일 실시 예에서, 개스킷 층(632)은 금속층(636)과 패치(611) 사이의 치수를 정의하는 기계적 스탠드오프(standoff)를 제공하는 스페이서(639)를 포함한다. 일 실시 예에서, 스페이서는 75 미크론이지만, 다른 크기가 사용될 수 있다(예를 들어, 3-200 mm). 전술한 바와 같이, 일 실시 예에서,도 1의 안테나 개구는 도 3의 패치(211), 액정(213) 및 아이리스(212)를 포함하는 튜닝 가능한 공진기/슬롯(210)과 같은 다수의 튜닝 가능한 공진기/슬롯을 포함한다. 액정용 챔버(613A)는 스페이서(639), 아이리스층(633) 및 금속 층(636)에 의해 형성된다. 챔버가 액정으로 충진되면, 패치층(631)은 공진기 층(630) 내의 액정을 밀봉하기 위해 스페이서(639) 상에 적층될 수 있다.
패치 층(631)과 아이리스 층(633) 사이의 전압은 패치와 슬롯(예를 들어, 튜닝 가능한 공진기/슬롯(210)) 사이의 갭에서 액정을 튜닝하도록 변조될 수 있다. 액정(613A) 전체에 걸쳐 전압을 조정하면 슬롯(예를 들어, 동조 가능한 공진기/슬롯(210))의 커패시턴스를 변화시킨다. 따라서, 커패시턴스를 변화시킴으로써 슬롯(예를 들면, 튜닝 가능한 공진기/슬롯(210))의 리액턴스가 변화될 수 있다. 일 실시 예에서, 슬롯의 공진 주파수는 방정식
Figure pct00001
에 따라 변하고, 여기서 f는 슬롯의 공진 주파수이고, L 과 C 각각은 슬롯(610)의 인덕턴스 및 커패시턴스이다. 슬롯(610)의 공진 주파수는 도파관을 통해 전파하는 피드 파로부터 방사되는 에너지에 영향을 미친다.
예를 들어, 피드 파가 20GHz 인 경우, 슬롯의 공진 주파수는 슬롯이 피드 파로부터 실질적으로 에너지를 커플하지 않도록 17GHz로 (커패시턴스를 변화시킴으로써) 조정될 수 있다. 또는 슬롯의 공진 주파수는 20GHz로 조정되어 슬롯이 피드 파의 에너지를 커플링하고 해당 에너지를 자유 공간으로 방사한다. 주어진 예제는 바이너리(완전히 방사하거나 또는 전혀 방사하지 않는)이지만, 리액턴스의 풀 그레이 스케일 제어, 및 그러므로 슬롯의 공진 주파수는 다중-값 범위에 걸친 전압 변동으로 가능하다. 따라서, 각 슬롯으로부터 방사된 에너지는 미세하게 제어되어 튜닝 가능한 슬롯의 어레이에 의해 상세한 홀로그래픽 회절 패턴이 형성될 수 있다.
실시 예들은 2015년 8월 20일자로 발행된 "조종 가능한 원통형 홀로그래픽 안테나로부터의 동적 편광 및 결합 제어"라는 명칭으로 미국 특허 공보 제2015/0236412 호 및 2015년 8월 6일자로 발행된 "재구성 가능한 안테나를 위한 리지드 도파관 피드 구조"라는 명칭으로 미국 특허 공보 제2015/0222021호에 기재된 바와 같이 빔을 생성하기 위해 재구성 가능한 메타머티리얼 기술을 사용한다.
안테나에 광전지(구조물) 통합
일 실시 예에서, 안테나 소자는 튜닝 가능한 홀로그래픽 안테나 소자이고, PV 셀은 광학적으로 투명한 기판 상에 튜닝 가능한 홀로그래픽 안테나 소자와 함께 통합된다. 안테나 소자는 메타머티리얼 소자일 수 있다. 일 실시 예에서, PV 셀들은 안테나 소자들 사이에 산재되어 있다. 일 실시 예에서, 셀들과 같은 PV 구조물들은 안테나 소자들의 전자적으로 스캐닝된 어레이의 표면에 통합된다.
일 실시 예에서, PV 셀들은 안테나 소자들의 어레이의 활성 영역 내의 안테나 소자들 사이에서 인터리빙될 수 있다. 도 7은 안테나의 안테나 소자에 인접한 광전지(PV) 셀 배치의 예를 도시한다. 도 7을 참조하면, 안테나 소자들을 가진 안테나가 다수의 안테나 소자(702)를 도시하는 확대된 부분으로 도시되어있다. 일 실시 예에서, 안테나 소자들(702)은 전술한 패치/슬롯 쌍을 포함한다. 도 7은 또한 PV 셀(701)의 위치의 예를 도시한다.
일 실시 예에서, PV 셀은 안테나의 다른 부분에 위치할 수 있다. 도 8은 PV 셀들이 액티브 안테나 소자 어레이 주위의 주변부에 위치되는 안테나에서의 PV 셀 배치의 다른 예를 도시한다. 상기 주변부는 안테나 프레임, 베젤 영역 등을 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면, 안테나(800)는 함께 결합되어 안테나 개구를 형성하기 위하여 함께 결합되는4 개의 세그먼트를 포함한다. 4 개의 세그먼트 각각은 액티브 어레이 섹션(802)을 가지며, 그리하여4 개의 세그먼트가 함께 결합되면, 액티브 어레이 섹션(802)에 의해 단일 안테나 어레이가 형성된다. 각 안테나 어레이 섹션(802) 주위는 액티브 어레이의 주변부이다. 일 실시 예에서, PV 셀들(801)은 안테나 주변부 및 액티브 어레이 섹션들(802)에 의해 형성된 액티브 어레이 외부에 위치된다. 다른 실시 예에서, PV 셀들은 능동 어레이 및 안테나 주변부 모두에 배치된다.
일 실시 예에서, PV 셀은 베젤의 수직 엣지(edges)(메인 안테나에 수직한)를 감싼다. 도 9A-9C는 안테나에서의 이러한 PV 셀 배치의 다른 예를 도시한다. 도 9A 내지도 9C를 참조하면, PV 셀은(902)은 안테나 엔클로저(900)의 일측면 상에 있고 안테나 소자들의 액티브 어레이(903)의 외부에 있는 베젤(901)의 영역에 위치한다. 일 실시 예에서, 에지가 둥글기 때문에, PV 셀은 안테나의 에지 둘레에서 구부러지도록 유연해야 한다. 일 실시 예에서, PV 셀은 유연한 플라스틱 기판 상에 있다. 일 실시 예에서, 유연한 플라스틱 기판은 얇은 스테인레스 스틸을 사용하는 비정질 Si PV 라인을 포함한다. 기판은 고분자량 유기 고체 또는 유연하도록 충분하게 얇아진 비-유기 고체(예를 들어, CORNING® GORILLA® GLASS와 같은 얇은 저응력 유리)일 수 있다.
다른 실시 예에서, PV 셀은 유연하지 않은 강성의 곡면 상에 구축된다.
도 8 및 도 9A-9C는 안테나 프레임상의 PV 셀들에 대한 위치의 예들을 도시할 뿐임을 유의해야 한다. 다른 위치들도 가능하다. 또한 태양 에너지의 수집 및 분배를 지원하는 회로뿐만 아니라 에너지 저장 요소(예 : 충전식 배터리, 커패시터 등)는 안테나의 다른 부분, 예를 들어 안테나 주변의 모서리 아래의 안테나 엔클로저에 통합될 수 있음을 유의해야 한다.
도 10은 PV 셀들을 포함하는 안테나를 위한 전력 분배 서브시스템의 일 실시 예를 도시한다. 도 10을 참조하면, PV 셀(1001)은 에너지 수집 드라이버(1002)에 연결된다. 에너지 수집 드라이버(1002)는 전력을 에너지 저장 장치(1003)로 전송한다. 일 실시 예에서, 에너지 저장 장치(1003)는 재충전 가능한 배터리를 포함한다. 다른 실시 예에서, 에너지 저장 장치(1003)는 슈퍼 커패시터 또는 연료 전지를 포함한다. 예를 들어, 안테나 전기 구성요소들(1004)은 어느 안테나 소자가 켜지거나 꺼질지 제어할 때 트랜지스터(예를 들어, TFT)를 턴온 및 턴 오프하는 매트릭스 구동의 행/열 구동기 회로를 포함할 수 있다.
공지된 제조 기술을 사용하여 다양한 PV 셀들이 사용되고 안테나 개구에 통합 될 수 있음을 유의해야 한다. 일 실시 예에서, PV 셀은 그러한 잘 알려진 제조 기술을 사용하여 생성된 비정질 실리콘 타입이다. 또 다른 실시 예에서, PV 셀은 다중접합PV 셀 또는 3 중 접합 태양 전지이다. 이 경우, 이러한 PV 셀은 비정질 실리콘보다는 III-V 물질일 수 있다.
일 실시 예에서, PV 셀은 안테나 소자들(적어도 일부)을 포함하는 기판(예를 들어, 유리 층) 상에 제조된다. 일 실시 예에서, PV 셀은 패치 기판 상에 제조된다. 이 경우, 패치 기판상의 금속층은 PV 셀의 백 접점(back contact)으로서 사용된다.
도 11은 패치 층 상에 형성되는 PV 셀의 예이다. 일 실시 예에서, 패치는 유리 층(예를 들어, 코닝 이글 유리(Corning Eagle glass)와 같은 LC 디스플레이(LCD)에 통상적으로 사용되는 유리) 상에 증착되고 및 PV 셀(예를 들어, 비정질 실리콘, III-V 물질 등)은 유리 층(1105)의 상부에 통합된다. 대안으로, 패치 및 PV 셀은 회로 모두 회로 패치 보드 상에 증착될 수 있다.
도 11을 참조하면, 패치(1110) 및 PV 셀(1101)을 포함하는 패치 유리 층을 포함하는 원통형 피드 안테나의 일부가 도시되어 있다. 안테나는 도전성 베이스 또는 접지층(1101), 유전체층(1102)(예컨대 플라스틱), 슬롯을 포함하는 아이리스(1103)(예컨대 회로 기판), 액정(LC) 기판 층(1104)(또는 MEMS 장치층) 및 패치(1110)를 포함하는 유리층(기판)(1105)을 포함한다. 일 실시 예에서, 패치들(1110)은 직사각형 형상을 갖는다. 일 실시 예에서, 동일하게 위치된 슬롯의 배향이 서로에 대해 행 또는 열에 동일하게 지향되는 한, 패치의 배향은 각 행 또는 열에 대해 동일하다. 일 실시 예에서, 캡(예를 들어, 태양 복사에 사용할 수 있는 투명한 레이돔 캡)은 보호를 제공하기 위해 패치 안테나 스택의 상부를 덮는다.
일 실시 예에서, 유리층(1105) 상에 있는 패치 금속층(도시되지 않음)은 또한 개개의 PV 셀을 함께 연결하는데 사용된다. 즉, 패치 금속층은 PV 유리 셀을 패치 글래스(1105)상의 상부층(top layer) 상에 함께 배선(wire)하는데 사용된다. 이러한 맥락에서 용어 "상부(top)"와 관련하여, 일 실시 예에서, 유리의 위성/태양 대면 측면이 상부(top) 인 경우, PV 셀 구조의 "상부(top)" 전극은 ITO(투명)이고, "하부(bottom)"전극은 패치 금속이다.
일 실시 예에서, 이 하부 전극은 이 패치 금속층과 배선된다. 선택적으로, 하부 전극은 게이트 또는 소스 금속층과 배선된다.
일 실시 예에서, 유사한 크기의 PV 셀은 전기적으로 함께 직렬로 연결된다. 이는 원하는 전압을 생성하기 위해 수행된다. 일 실시 예에서, 일련의 연결된 PV 셀들은 하나 이상의 다른 시리즈와 병렬로 연결된다. 병렬 및 직렬 연결의 조합은 원하는 전류를 얻기 위해 수행된다. 일 실시 예에서, 소자들을 직렬로 배선하기 위해, PV 셀들의 양 및 음 단자들은 비아(via) 구조를 통해 함께 접속된다.
일 실시 예에서, PV 셀 면적을 최대화하기 위해, 불규칙한 형상의 PV 셀이 사용된다. 일 실시 예에서, 이러한 셀들은 그 사이의 RF소자 금지 구역 또는 영역을 채우는데 사용되며, 그곳은 RF 소자로부터 방사되는 RF와의 간섭을 피하기 위해 금속 또는 손실 물질을 피한다. 또 다른 실시 예에서, PV 셀들은 안테나 소자들의 링 내의 안테나 소자들 사이에 배치된다(예를 들면, 도 16A-D). 또 다른 실시 예에서, PV 셀은 행/열 라우팅 사이에 배치된다. 이러한 배치가 PV 셀의 크기가 다를 것을 요구할지라도, 원하는 전압과 전류를 얻기 위해 일부 유형의 셀 매칭을 사용한다. 일 실시 예에서, 불규칙한 형상을 가지나 면적이 동일한 PV 셀들은 원하는 전압을 얻기 위해 함께 연결된다.
병렬로 결합된 모든 시리즈의 PV 셀 및 다수의 시리즈의 출력은 에너지 저장 장치(예컨대, 배터리)에 전기적으로 연결된다.
예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같은 안테나 세그먼트의 PV 셀들은 병렬로 함께 연결될 수 있음에 유의해야 한다. 일 실시 예에서, 세그먼트 전체에 걸쳐 연결하기 위해, 안테나 소자 드라이버에 대한 게이트 및 공통 전압 라인의 경로는 이들 경로를 따라 PV 셀 그룹을 연결하는데 사용되며, 이들 경로를 따르는 PV 셀들은 직렬일 수 있다. 단부 연결부의 경우, 세그먼트의 일측 상의 버스는 상부(예를 들어, ITO 또는 태양 대향 판)로부터 전극을 수집하고, 세그먼트의 다른 측면 상의 버스는 패치 금속 라인을 수집한다. 이 선을 따라 모든 PV 소자는 이들 버스에 의해 병렬로 연결된다. 이 두 개의 버스는 소스 드라이버의 반대 측으로 라우팅 아웃되어 연결될 안테나 개구로 나올 수 있다. 구조는 세그먼트들 사이의 접합부 전체에 걸쳐 이것들을 직접 연결한다.
일 실시 예에서, 자외선(UV) 흡수체 코팅 또는 차단 필터 코팅이 패치 층(1105) 위에 도포되어 LC 층(1104) 내의 LC를 보호한다. 이는 특히 UV에 민감한 LC를 사용할 때 유리하다. UV 흡수제 코팅은 UV를 흡수하는 반면, 차단 필터 코팅은 특정 주파수의 UV 광선이 LC 층(1104)으로 침투하는 것을 방지한다. 이러한 코팅은 당 업계에 잘 알려져 있다.
일 실시 예에서, 코팅은 PV 영역에 대한 절개부 또는 구멍을 갖는 유리 위에 배치된다. 이렇게 하면 PV 지역에서 태양 복사를 받을 수 있다.
도 12는 이러한 코팅의 예를 도시한다. 원하는 코팅에는 두 가지 종류가 있다. 이들 중 하나는 가시 광선이 PV 셀로 전달되는 것을 향상시키는 반사 방지 코팅이다. 다른 유형의 코팅은 UV 흡수제 또는 반사기일 것이다. 종종 이러한 코팅은 굴절률이 다른 매우 얇은 유전체 스택(stack)으로 형성된다. 유전체의 RF 특성 및 유전체의 두께에 따라, 어떠한 구멍도 필요하지 않을 수 있다. 그렇지 않으면 구멍들은 구멍의 크기와 모양은 PV 영역의 크기와 모양에 따라 열어야 한다.
일 실시 예에서, 안테나는 도 11 및 도 12에 도시된 코팅 및/또는 다른 층 위에 반사 방지면을 포함한다는 것을 유의해야 한다. 실리콘 광학 코팅은 내 충격성(impact resistance)을 개선하고/충격시 유리 파편을 줄이기 위해 사용될 수 있음에 유의해야 한다. 보다 구체적으로, 개구부는 그 위에 다른 설계 요소가 적층된 TFT 세그먼트를 가지고 있고 및 이들 기판은 PV 셀에 의해 사용되는 태양 복사에 대해 투명하므로, 이들 기판은 함께 결합되어야 한다. 그러나, 이들 요소가 유리 또는 다른 태양 복사 투과성 기판상에 존재한다면, 다수의 유리/공기 계면에 의한 손실을 방지하는 것이 바람직할 것이다. 이를 용이하게 하기 위해 이들 기판을 광학적으로 결합시키는 것이 유용할 것이다. 실리콘 또는 기타 물질을 이 용도로 사용할 수 있다.
동적 빔 생성 및 태양 에너지 획득
일 실시 예에서, 집적된 PV 셀을 갖는 안테나는 태양 에너지 획득을 위해 위치되고, 빔(예를 들어, 홀로그래픽 빔)은 본 명세서에 설명된 것과 같은 안테나 요소의 전자적으로 주사된 안테나 어레이로 생성된다.
도 13A는 안테나 시스템의 일 실시 예의 데이터 흐름을 도시한다.
도 13A를 참조하면, 안테나 개구(1300)는 안테나 소자(1301)의 능동 어레이를 포함한다. 일 실시 예에서, 안테나 소자는 메타머티리얼 안테나 소자이다. 다른 실시 예에서, 안테나 소자는 MEMS 튜닝된 공진기이다. 일 실시 예에서, 액티브 어레이(1301)는 하나 이상의 PV 셀을 포함한다. 일 실시 예에서, 안테나 구멍(1300)의 주변부는 PV 셀들(1304)을 포함한다. PV 셀들(1304)은 함께 접속된 하나 이상의 PV 셀들을 포함함을 유의해야 한다. PV 셀과 PV 셀 그룹 간의 연결은 위에 설명되어 있습니다.
일 실시 예에서, 제어기(1302)는 안테나 소자 제어 신호들(1303)을(예를 들어, 매트릭스 구동 제어 신호 등)을 안테나 개구(1300)에 제공한다. 이들 제어 신호는 능동 어레이(1301)의 안테나 소자를 턴 오프 및 턴 온(또는 부분적으로 턴 온)하여 빔을 생성한다. 일 실시 예에서, 상기 빔은 당 업계에 잘 알려진 동적으로 생성된 홀로그래픽 빔을 포함한다.
제어기(1302)는 태양 에너지 획득을 위해 안테나 개구(1300)을 위치시킨 후에 얻어진 안테나 위치 입력 신호(1310)(예를 들어, 배향 센서 신호 등과 같은 센서 입력)에 기초하여 제어 신호(1303)를 생성한다.　즉, 안테나 위치 입력 신호(1310)는 제어기(1302)에 의해 사용되어 안테나 소자의 능동 어레이의 배향 및/또는 위치를 결정하고, 이어서 안테나 개구(1300)가 태양 에너지 획득을 위해 위치된 채로 유지되면서 특정 방향으로 빔을 생성하도록 제어기(1302)가 능동 어레이(1300)의 안테나 소자를 제어하는 것을 허용한다. 일 실시 예에서, 이것은 안테나 개구(1300)가 태양으로 향한 배향에 기초하여 최대의 태양 에너지 획득을 위해 또는 적어도 안테나의 이전 위치에 비해 증가된 태양 에너지 획득을 위해 위치되도록 결정된 후에 수행될 수 있다.
일 실시 예에서, 안테나 개구(1300)는 안테나 위치 설정 장치(1340)를 사용하여 증가된 및 잠재적으로 최대의 태양 에너지 획득을 위해 배향된다. 이러한 안테나 위치 설정 장치(1340)는 일련의 전동식 제어 장치를 통해 안테나 개구를 자동으로 배치하도록 결합된다. 특정 위치에서 물체를 이동시키는 이러한 자동화된 제어는 당 업계에 잘 알려져 있다. 일 실시 예에서, 안테나 위치 설정 장치(1340)는 상이한 위치에서 획득되는 태양 에너지의 양을 나타내는 입력 신호(1341)를 수신한다. 이 정보에 기초하여, 안테나 위치 설정 장치(1340)는 증가된 및/또는 최대의 태양 에너지 획득을 위해 안테나 개구(1300)를 어디에 위치시킬지를 결정하는 모듈을 포함한다. 모듈은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이 세 가지의 조합으로 구현될 수 있다. 다수의 위치에 안테나를 위치시키고 각각의 위치에서 태양 에너지 획득을 기록한 후에 가장 큰 태양 에너지 획득을 생성한 안테나의 위치를 선택하기 위한 결정이 이루어질 수 있다. 대안으로, 안테나에는 위성 위치 및 그것의 링크를 닫는데 필요한 것뿐만 아니라, 안테나의 방향, 지리적 위치 및 시간을 지정하는 정보가 있다. 이 정보를 사용하여 안테나는 두 요구 사항 간의 최상의 절충안을 찾는 위치를 계산하기 위해 값 함수를 사용한다. 안테나가 부분적으로 무언가에 의해 음영이지거나 또는 강한 반사(예컨대 접이식 거울 구조, 바다 또는 호수에서의 반사)에 액세스 할 수 있는 경우 안테나는 더 나은 위치를 찾는다.
PV 셀은 안테나 개구 또는 안테나 주변에 있는 것으로 제한되지는 않는다. 그들은 안테나 프레임에 결합된 태양 전지 패널의 일부일 수 있다. 이러한 패널은 다양한 모양과 크기를 가질 수 있다. 도 13B는 안테나 개구(1300)의 다른 예를 도시한다. 도 13B를 참조하면, 안테나 개구(1350)는 PV 셀(1352)을 갖는 능동 어레이(1351) 및 액티브 어레이(1351)의 외주를 포함한다.
다른 실시 예에서, 능동 어레이(1351)는 PV 셀을 포함한다. 일 실시 예에서, 접을 수 있는 PV 셀 구조물(1353)은 안테나에 전력을 공급하기 위하여 추가적인 태양 에너지를 획득하는 안테나 개구(1350)에 결합되는 날개와 비슷하다. 일 실시 예에서, 접을 수 있는 PV 셀(1353)은 닫힌 위치로부터 태양 광에 노출되는 열린 위치로 이동할 수 있게 하는 방식으로 안테나 개구(1350)에 결합된다. 일 실시 예에서, 상기 연결은 접을 수 있는(foldable) PV 셀 구조물이 연결은 닫힌 위치로부터 태양 에너지가 획득될 수 있는 위치로 외측으로 접힐 수 있게 하는 힌지를 통해 이루어진다. 접을 수 있는 PV 셀 구조에 대한 전자 및 전력 전달은 잘 알려진 방식으로 작동한다.
안테나 개구(1300)는 태양 에너지 포획을 위해 안테나를 위치시키고(예를 들어, 안테나 개구(1300)의 이전 위치로부터 증가된 태양 에너지 포획) 및 안테나 개구(1300)에 의해 생성된 빔을 지향하도록 제어 신호를 전송한 후에, 안테나 개구(1300)는 위성의 소재를 파악하고 위성 통신 링크를 획득할 수 있다. 이 시점에서, 안테나는 통신을 위해 사용될 수 있다. 일 실시 예에서, 모뎀(1321)과 안테나 인터페이스(1320)는 안테나 개구(1300)를 이용하는데 사용된다. 일 실시 예에서 안테나 인터페이스(1320)는 모뎀(1321)과 안테나 개구(1300) 사이의 신호들을 인터페이스하는 다수의 컴포넌트를 포함한다. 이들은 다이플렉서, BUC(buck up converters) 및 LNB 같은 구성 요소들을 포함할 수 있다. 이러한 구성 요소들은 아래의 도19 및 20과 관련하여 아래 설명된 바와 같이 작동한다.
유사하게, 모뎀(1321)은 불명료함을 피하기 위해 도 13A에 도시되지 않은 DAC, 변조기, 인코더, ADC, 복조기 및 디코더를 포함하여 도 19 및 도 20에 도시된 것과 같은 다수의 잘 알려진 컴포넌트를 포함한다. 일 실시 예에서, 모뎀(1321)은 데이터 입력/출력 신호를 제공하는 데이터 인터페이스(1321a)를 포함한다. 일 실시 예에서, 데이터 인터페이스(1321)는 당 업계에 공지된 방식으로 네트워크와 통신을 가능하게 할 수 있는 네트워크 인터페이스(1322)에 인터페이스한다. 일 실시 예에서, 이러한 네트워크는 예를 들어 인터넷을 포함한다. 일 실시 예에서, 안테나 개구(1300)를 위치시키고 빔을 생성한 후, 모뎀(1321)은 네트워크 인터페이스를 통해 통신 신호(1330)를 생성할 수 있다. 일 실시 예에서, 신호(1330)는 인터넷과 인터페이스하는 WiFi 신호를 포함한다.
일 실시 예에서, 데이터 인터페이스(1321A)는 또한 긴급 모드 입력 장치(1360)와 인터페이스한다. 긴급 모드 입력 장치(1360)는 안테나 시스템을 통해 사용자가 위성 네트워크를 통해 긴급 정보를 전송할 수 있게 한다. 일 실시 예에서, 긴급 정보는 안테나의 위치 정보를 포함할 수 있다. 이 위치 정보는 GPS(Global Positioning System) 정보를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 다른 긴급 코드들은 긴급 모드 입력 장치(1360)를 통해 전송될 수 있다. 이것은 예를 들어 911 코드와 같은 긴급 상황을 나타내는 코드들을 포함 할 수 있다.
일 실시 예에서, 안테나는 물(예를 들어, 바다)로부터 에너지를 포획하고 정보를 전송할 수 있는 부표 또는 다른 부유 구조물에 결합되거나 통합된다. 일 실시 예에서, 이러한 부유 안테나는 쓰나미 경보 시스템의 일부이다.
도 14는 안테나 상에 집적된 PV 구조물(예컨대, 셀)에 의해 획득된 태양 에너지에 의해 적어도 부분적으로 전력이 공급되는 안테나를 사용하기 위한 방법의 일 실시 예의 흐름도이다.
도 14를 참조하면, 본 방법은 하나 이상의 PV 구조물(예를 들어, PV 셀)를 갖는 안테나 프레임에 부착된 적어도 하나의 태양력 구조물(예를 들어, 태양 전지판 또는 날개)을 펼치거나 개방함으로써 시작된다(처리 블록 1401). 이것은 선택적 단계이다. 도 13B와 관련하여 전술한 바와 같이, 안테나는 햇빛에 노출되어 태양 에너지의 포획을 증가시켜 안테나 동작에 전력을 제공할 수 있는 추가적인 태양열 획득 능력을 가진 확장 부분 또는 패널을 가질 수 있다.
다음으로, 안테나는 태양 에너지의 증가된 획득을 위해 위치된다(처리 블록(1402)). 일 실시 예에서, 이것은 자동으로 발생한다. 예를 들어, 일 실시 예에서, 안테나를 위치시키는 단계는: 복수의 위치들 사이에서 안테나를 회전시키는 단계; [복수의 위치 각각에서의 태양 에너지 획득량을 기록하는 단계; 태양 에너지 획득 량에 기초하여 안테나를 자동적으로 포인팅하는 방향을 결정하는 단계; 및 상기 방향에 기초한 상기 위치로 상기 안테나를 자동으로 이동시키는 단계를 포함한다.
대안적으로, 사용자는 태양 에너지를 획득할 수 있도록 안테나를 태양 또는 남쪽 방향으로 위치시킬 수 있다. 일 실시 예에서, 안테나는 최대의(또는 적어도 증가 된 양의) 태양 에너지 획득을 생성하는 위치를 알 수 있도록 사용자에게 전력 피드백을 제공하는 메커니즘을 포함한다. 이러한 전력계는 당 업계에 공지되어있다.
일단 안테나가 위치되면, 안테나 상에 및/또는 안테나에 부착된 PV 구조물은 태양 에너지를 획득하고 안테나에 전력을 제공하기 위해 안테나에 의해 사용되는 및/또는 안테나에 결합된 에너지 저장 장치를 충전한다(처리 블록 1403) . 일 실시 예에서, 에너지 저장 장치를 충전하는 단계는 안테나에 전력을 공급하는 배터리(또는 다른 에너지 저장 장치)를 트리클 충전하기 위하여 하나 이상의 PV 구조물에 의해 획득된 태양 에너지를 사용하는 단계를 포함한다.
획득된 태양 에너지를 사용하여, 홀로 또는 다른 전력이 안테나에 공급됨으로써, 안테나는 파워 업(power up)된다 (프로세싱 블록(1404)). 일 실시 예에서, 이것은 하나 이상의 PV 구조물에 의해 획득된 에너지로 트리클 충전된 배터리를 사용하여 안테나가 위로 향하고 안테나의 일부 구성 요소가 이미 트리클 - 충전된 배터리로부터 공급된 전력으로 이미 동작을 시작했기 때문에 더 빨리 가동하는 웜 스타트를 수행하는 단계를 포함한다.
일단 파워 업되면, 안테나 개구의 표면 안으로 집적된 하나 이상의 광전지(PV) 구조물에 의해 태양 에너지의 획득을 증가시키는 위치에 안테나가 배치된 후에 안테나의 안테나 개구의 위치를 나타내는 위치 데이터가 안테나 제어기에 의해 수신된다(처리 블록(1405)). 위치 데이터에 응답하여, 태양 에너지의 증가된 획득을 위해 안테나의 위치를 유지하면서 안테나의 안테나 요소들의 어레이가 안테나의 위치에 기초하여 위성을 향하여 빔을 재지향하도록 전자적으로 조정된다(프로세싱 블록 1406 ).
안테나는 안테나 요소의 어레이를 전자적으로 조종하는 것에 응답하여 위성의 위치를 파악하고(처리 블록(1407)), 안테나가 태양 에너지의 증가된 획득을 위한 위치에 있는 동안 위성을 추적하거나 포착한다(처리 블록 1408).
그 후, 안테나와 위성 간의 통신을 이용하여 통신 네트워크 또는 다른 장치에 접속한다(처리 블록(1409)). 일 실시 예에서, 통신 네트워크는 인터넷을 포함한다. 일 실시 예에서, 통신은 WiFi 신호를 포함한다. 일 실시 예에서, 통신은 획득된 태양열 에너지로 충전된 배터리로부터 공급된 전력만을 사용하여 발생한다.
일 실시 예에서, 집적된 PV 셀을 갖는 안테나는 태양 에너지로부터 획득된 전력을 사용하여 자체의 동작에 전력을 공급함으로써 비상 또는 재해 복구 동안 사용된다. 이러한 경우에, 에너지 저장 장치(예컨대, 배터리, 수퍼 커패시터 등)는 다른 전원을 이용할 수 없을 때 안테나 작동을 위한 에너지를 저장하고 제공하는데 사용된다.
도 15는 태양열로 작동되는 안테나를 사용하는 방법의 흐름도이다. 도 15에 도시된 동작은 안테나와 위성 사이에서 발생하는 통신이 긴급 모드 중에 이루어지는 것을 제외하고는 도 14의 동작과 동일하다.
긴급 모드(예컨대, 비상사태, 재해 복구 등)의 일부로서, 통신은 상이한 유형의 정보를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 통신은 안테나의 위치 데이터의 송신을 포함한다. 일 실시 예에서, 위치 데이터는 GPS (Global Positioning System) 데이터를 포함한다. 위치 데이터는 경도 및 위도 정보를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 위치 데이터는 위치 식별을 가능하게 하기 위해 사용자에 의해 안테나 지정 정보에 대해 입력된 데이터를 포함할 수 있다. 이러한 정보는 마지막으로 알려진 위치, 랜드마크, 용품 및/또는 안테나 사용자가 사용할 수 있는 도구 등을 설명하는 데이터를 포함할 수 있다. 다른 정보는 식수의 위치, 적합한 픽업 영역의 위치, 피할 수 있는 위험 등과 같은 정보를 회신할 수 있으나 그에 한정되지는 않는다. 일 실시 예에서, 사용자는 안테나를 통해 인공위성 통신 링크로 전송할 정보를 입력할 수 있게 하는 입력 장치 (예를 들어, 키보드, 마우스, 트랙패드, 트랙볼, 터치스크린, 휴대 전화, 스마트 폰, 컴퓨터 시스템 등)를 가진다.
안테나 제어의 예
일 실시 예에서, 전술한 바와 같이, 매트릭스 드라이브는 각 셀에 대한 개별적인 연결을 갖지 않고 모든 다른 셀들로부터 개별적으로 각 셀을 구동하기 위해 패치들에게 전압을 인가하는데 사용된다(직접 구동). 소자들의 밀도가 높기 때문에 매트릭스 드라이브는 각 셀을 개별적으로 어드레스하는 효율적인 방법이다.
일 실시 예에서, 안테나 시스템을 위한 제어 구조는 2 개의 주요 구성 요소를 갖는다 : 안테나 시스템을 위한 구동 전자 장치를 포함하는 안테나 어레이 제어기는 파 분산 구조 아래에 있는 한편, 매트릭스 구동 스위칭 어레이는 방사를 간섭하지 않는 방식으로 방사 RF 어레이 전체에 걸쳐 산재해 있다. 일 실시 예에서, 안테나 시스템용 구동 전자 장치는 AC 바이어스 신호의 진폭 또는 듀티 사이클을 해당 소자에 맞춰 조정함으로써 각각의 산란 요소에 대한 바이어스 전압을 조정하는 상업용 텔레비전 장치에 사용되는 상용 규격LCD 제어 장치를 포함한다.
일 실시 예에서, 안테나 어레이 제어기는 또한 소프트웨어를 실행하는 마이크로프로세서를 포함한다. 제어 구조는 위치 및 방위 정보를 프로세서에 제공하기 위해 또한 센서 (예를 들어, GPS 수신기, 3-축 컴파스, 3-축 가속도계, 3-축 자이로, 3-축 자력계 등)를 포함할 수 있다. 위치 및 방위 정보는 지구국의 다른 시스템에 의해 프로세서에 제공될 수 있고 및/또는 안테나 시스템의 일부가 아닐 수도 있다.
보다 구체적으로, 안테나 어레이 제어기는 어떤 소자들이 턴 오프되고 및 턴온된 소자들을 동작 주파수에서 어떤 위상 및 진폭 레벨로 제어할지를 제어한다. 소자들은 전압 인가에 의해 주파수에 대해 선택적으로 디튜닝된다.
송신을 위해, 제어기는 RF 패치에 전압 신호의 어레이를 공급하여 변조 또는 제어 패턴을 생성한다. 제어 패턴은 소자들을 다른 상태로 바꾼다. 일 실시 예에서, 다양한 요소들이 다양한 레벨로 온 및 오프되는 다중 상태(multistate) 제어가 사용되며, 구형파(즉, 사인파 그레이 쉐이드 변조 패턴)와는 반대로, 사인파 제어 패턴에 더 근사해진다. 일 실시 예에서, 일부 소자들은 방사하고 일부 소자들은 방사하지 않기 보다 일부 소자들은 다른 소자들 보다 강하게 방사한다. 가변 방사는 액정 유전율을 다양한 양으로 조정하는 특정 전압 레벨을 적용함으로써 소자들을 다양하게 디튜닝하고 일부 소자들이 다른 소자들 보다 더 많이 방사하게 함으로써 달성된다. 동조 소자가 MEMS 장치 일 때, 가변 방사는 MEMS 소자에 특정 전압 레벨을 인가함으로써 달성되며, 이것이 MEMS 소자의 맴브레인을 조정하여 그것의 커패시턴스를 변화시킬 수 있다.
소자들의 메타머티리얼 어레이에 의해 포커싱된 빔의 생성은 보강간섭 및 상쇄간섭 현상에 의해 설명될 수 있다. 개별 전자기파는 자유 공간에서 만날 때 동일한 위상을 가지면 합산되며(보강 간섭) 자유 공간에서 만날 때 서로 반대 위상에 있으면 서로 상쇄한다(상쇄간섭). 슬롯형 안테나의 슬롯들이 각각의 연속 슬롯이 유도파의 여기 지점으로부터 다른 거리에 위치하도록 배치되면, 그 요소로부터의 산란파는 이전 슬롯의 산란파와 다른 위상을 가질 것이다. 슬롯이 유도된 파장의 4 분의 1 간격으로 떨어져 있는 경우, 각 슬롯은 이전 슬롯으로부터 1/4 위상 지연으로 파(wave)를 산란시킨다.
어레이를 사용하여, 생성될 수 있는 보강 및 상쇄 간섭 패턴의 수를 증가시킬 수 있고 그리하여 빔들은, 홀로그래픽의 원리를 사용하여, 이론상으로 안테나 어레이의 기준 방향(bore sight)으로부터 플러스 마이너스 90°임의의 방향으로 향하게 할 수 있다. 따라서 어떤 메타머티리얼 유닛 셀이 켜지거나 꺼지는지를 제어함으로써(즉, 켜지는 셀과 꺼지는 셀의 패턴을 변경함으로써), 보강 및 상쇄 간섭의 다른 패턴을 생성할 수 있으며 안테나는 메인 빔의 방향을 변경할 수 있다. 유닛 셀을 켜고 끄는 데 필요한 시간은 빔이 한 위치에서 다른 위치로 전환될 수 있는 속도를 결정한다.
일 실시 예에서, 안테나 시스템은 업 링크 안테나에 대한 하나의 조종 가능한 빔 및 다운 링크 안테나에 대한 하나의 조종 가능한 빔을 생성한다. 일 실시 예에서, 안테나 시스템은 빔을 수신하고 위성으로부터의 신호를 디코딩하고 위성을 향해 안내되는 송신 빔을 형성하기 위해 메타머티리얼 기술을 사용한다. 일 실시 예에서, (위상 어레이 안테나와 같은) 빔을 전기적으로 형성하고 조종하기 위해 디지털 신호 처리를 이용하는 안테나 시스템과는 대조적으로, 안테나 시스템은 아날로그 시스템이다. 일 실시 예에서, 안테나 시스템은 특히 종래의 위성 접시 수신기와 비교할 때 평면이고 상대적으로 낮은 프로파일인 "표면" 안테나로 간주된다.
셀 배치
일 실시 예에서, 안테나 소자는 체계적인 매트릭스 구동 회로를 허용하는 방식으로 원통형 피드 안테나 개구 상에 배치된다. 셀의 배치는 매트릭스 구동을 위한 트랜지스터의 배치를 포함한다. 도 17은 안테나 소자들에 대한 매트릭스 구동 회로의 배치의 일 실시 예를 도시한다. 도 17을 참조하면, 로우(row) 제어기(1701)는 각각 로우 선택 신호(Row1 및 Row2)를 통해 트랜지스터(1711 및 1712)에 연결되고, 컬럼(column) 제어기(1702)는 컬럼 선택 신호(Column1)를 통해 트랜지스터 (1711 및 1712)에 결합된다. 트랜지스터(1711)는 또한 패치(1731)에 대한 접속을 통해 안테나 소자(1721)에 결합되고, 트랜지스터(1712)는 패치(1732)에 대한 접속을 통해 안테나 소자(1722)에 결합된다.
비-규칙적인 그리드에 배치된 유닛 셀을 갖는 원통형 피드 안테나 상에 매트릭스 구동 회로를 구현하는 초기 접근법에서, 두 단계가 수행된다. 첫 번째 단계에서 셀들은 동심원의 링에 배치되고 각 셀은 셀 옆에 배치된 트랜지스터에 연결되어 각 셀을 개별적으로 구동하는 스위치 역할을 한다. 두 번째 단계에서 매트릭스 구동 방식에서 요구하는 대로 모든 트랜지스터를 고유한 주소로 연결하기 위해 매트릭스 구동 회로가 구축된다. 구동 회로는 행 및 열(row and column) 트레이스(LCD와 유사한)로 구축되었지만 셀은 링에 배치되기 때문에, 각 트랜지스터에 고유한 주소를 할당하는 체계적인 방법이 없다. 이 매핑(mapping) 문제로 인해 모든 트랜지스터를 포괄하는 매우 복잡한 회로가 만들어지며 라우팅을 달성하기 위해 물리적 트레이스의 수가 크게 증가하게 된다. 셀의 밀도가 높기 때문에 이러한 트레이서는 커플링 효과(coupling effect)로 인해 안테나의 RF 성능을 방해한다. 또한, 트레이스의 복잡성 및 높은 패키징 밀도로 인해, 트레이스의 라우팅은 상업적으로 이용 가능한 레이아웃 툴에 의해 달성될 수 없다.
도 16A 내지도 16D는 슬롯 어레이를 생성하기 위한 상이한 층들의 일 실시 예를 도시한다. 안테나 어레이는 도 1에 도시된 예시 링들과 같은 링들 내에 위치된 안테나 소자들을 포함한다. 이 예에서 안테나 어레이는 2 개의 다른 유형의 주파수 대역들에 대해 사용되는 2 개의 상이한 유형의 안테나 소자들을 갖는다.
도 16A는 슬롯에 대응하는 위치를 갖는 제1 아이리스 보드 층의 일부분을 도시한다. 도 16A를 참조하면, 동그라미는 아이리스 기판의 바닥 면의 금속화에서 열린 영역/슬롯이고, 소자들의 피드(피드파) 결합을 제어하기 위한 것이다. 이러한 층(layer)은 선택적 층이며 모든 디자인에서 사용되지는 않는다. 도 16B는 슬롯을 포함하는 제2 아이리스 보드 층의 일부를 도시한다. 도 16C는 제2 아이리스 보드 층의 일부분에 걸친 패치들을 도시한다. 도 16D는 슬롯 어레이의 일부분의 평면도이다.
일 실시 예에서, 매트릭스 구동 회로는 셀 및 트랜지스터가 배치되기 전에 미리 정의된다. 이렇게 하면 각각 고유한 주소를 가진 모든 셀을 구동하는데 필요한 최소의 트레이스 수가 보장된다. 이 전략은 드라이브 회로의 복잡성을 줄이고 라우팅을 단순화하고, 이어서 안테나의 RF 성능을 향상시킨다.
보다 구체적으로, 일 접근법에 있어서, 제1 단계에서, 셀들은 각 셀의 고유 어드레스를 기술하는 행 및 열로 구성된 규칙적인 직사각형 그리드 상에 배치된다. 두 번째 단계에서는 셀들은 제1 단계에서 정의한대로 셀의 주소와 행 및 열과의 연결을 유지하면서 그룹화되고 동심원으로 변환된다. 이 변환의 목표는 셀들을 고리 상에 두는 것뿐만 아니라 셀들 사이의 거리와 링들 사이의 거리를 전체 개구에 걸쳐 일정하게 유지하는 것이다. 이 목표를 달성하기 위해 여러 가지 방법으로 셀들을 그룹화할 수 있다.
일 실시 예에서, TFT 패키지는 매트릭스 드라이브에서 배치 및 고유한 어드레싱을 가능하게하는데 사용된다. 도 18은 TFT 패키지의 일 실시 예를 도시한다.
도 18을 참조하면, TFT 및 홀드 캐패시터(1803)가 입력 및 출력 포트로 도시되어있다. 트레이스(1801)에 연결된 2 개의 입력 포트와, 로우 및 컬럼을 사용하여 TFT를 함께 연결하기 위해 트레이스(1802)에 연결된 2 개의 출력 포트가 있다. 일 실시 예에서, 행 및 열 트레이스는 90° 각도로 교차하여 행 및 열 트레이스 사이의 커플링을 감소시키고 잠재적으로 최소화한다. 일 실시 예에서, 행 및 열 트레이스는 상이한 층들 상에 있다.
시스템 구현 예
일 실시 예에서, 안테나 개구는 셋톱 박스와 함께 동작하는 텔레비전 시스템에 결합되어 사용된다. 예를 들어, 이중 수신 안테나의 경우, 안테나에 의해 수신된 위성 신호는 텔레비전 시스템의 셋톱 박스(예를 들어, 디렉 TV 수신기)에 제공된다.보다 구체적으로, 결합된 안테나 동작은 2 개의 상이한 주파수 및/또는 편광에서 RF 신호를 동시에 수신할 수 있다. 즉, 하나의 소자들의 서브-어레이는 하나의 주파수 및/또는 편광으로 RF 신호를 수신하도록 제어되는 한편, 다른 서브-어레이는 다른 주파수 및/또는 편광에서 신호를 수신하도록 제어된다. 이러한 주파수 또는 편광의 차이는 텔레비전 시스템에 의해 수신되는 상이한 채널을 나타낸다. 유사하게, 2 개의 안테나 어레이는 2 개의 상이한 위치(예를 들어, 2 개의 상이한 위성)로부터 채널들을 수신하는 2 개의 상이한 빔 위치에 대해 다수의 채널을 동시에 수신하도록 제어될 수 있다.
도 19는 텔레비전 시스템에서 동시에 이중 수신을 수행하는 통신 시스템의 일 실시 예의 블록도이다. 도 19를 참조하면, 안테나(1401)는 전술한 바와 같이 상이한 주파수 및/또는 편광에서 동시에 이중 수신을 수행하도록 독립적으로 동작 가능한 2 개의 공간적으로 인터리빙된 안테나 개구를 포함한다. 단지 2 개의 공간적으로 인터리빙된 안테나 동작이 언급되었지만, 상기 TV 시스템은 2 개 이상의 안테나 개구(예를 들어, 3, 4, 5 등의 안테나 개구)를 가질 수 있음을 유의해야 한다.
일 실시 예에서, 2 개의 인터리빙된 슬롯 어레이를 포함하는 안테나(1401)는 다이플렉서(1430)에 결합된다. 상기 커플링은 다이플렉서(1430)에 공급되는 2 개의 신호를 생성하기 위해 2 개의 슬롯 어레이의 소자로부터 신호를 수신하는 하나 이상의 피딩 네트워크를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 다이플렉서(1430)는 상업적으로 이용 가능한 다이플렉서(예를 들어, A1 마이크로웨이브사의 모델 PB 1081WA Ku-대역 시트콤 다이플렉서)이다.
다이플렉서(1430)는 노이즈 필터링 기능, 다운 변환 기능, 및 당 업계에 공지된 방식으로 증폭을 수행하는 한 쌍의 저잡음 블록 다운 컨버터(LNB)(1426 및 1427)에 결합된다. 일 실시 예에서, LNBs(1426 및 1427)은 아웃 도어 유닛(ODU)에 있다. 다른 실시 예에서, LNBs(1426 및 1427)은 안테나 장치에 통합된다. LNBs(1426 및 1427)은 텔레비전(1403)에 연결된 셋톱 박스(1402)에 결합된다.
셋톱 박스(1402)는 한 쌍의 아날로그-디지털 변환기(ADC)(1421, 1422)를 포함하며, 그것은 LNBs(1426, 1427)에 연결되어 다이플렉서(1430)로부터 출력된 2 개의 신호를 디지털 포맷으로 변환한다.
일단 디지털 포맷으로 변환되면, 신호는 복조기(1423)에 의해 복조되고 디코더(1424)에 의해 디코딩되어 수신된 파에 대한 인코딩된 데이터를 얻는다. 그 후, 디코딩된 데이터는 제어기(1425)로 전송되며, 제어기(1425)는 그것을 텔레비전(1403)에 전송한다.
제어기(1450)는 단일 결합된 물리적 개구 상의 두 개의 안테나 개구의 인터리브드된(interleaved) 슬롯 어레이 소자들을 포함하는 안테나(1401)를 제어한다.
전 이중 통신 시스템의 예
또 다른 실시 예에서, 결합된 안테나 개구는 전 이중 통신 시스템에서 사용된다. 도 20은 동시 송신 및 수신 경로를 갖는 통신 시스템의 다른 실시 예의 블록도이다. 단 하나의 송신 경로 및 하나의 수신 경로가 도시되어 있지만, 통신 시스템은 하나 이상의 송신 경로 및/또는 하나 이상의 수신 경로를 포함할 수 있다.
도 20을 참조하면, 안테나(1401)는 전술한 바와 같이 상이한 주파수에서 동시에 송신 및 수신하도록 독립적으로 동작 가능한 2 개의 공간적으로 인터리브된 안테나 어레이를 포함한다. 일 실시 예에서, 안테나(1401)는 다이플렉서(1448)에 연결된다. 커플링은 하나 이상의 피딩 네트워크에 의한 것일 수 있다. 일 실시 예에서, 방사상 피드 안테나의 경우, 다이플렉서(1445)는 두 신호를 결합하고 안테나(1401)와 다이플렉서(1445) 사이의 연결은 두 주파수를 모두 운반할 수 있는 단일 광대역 피딩 네트워크이다.
다이플렉서(1445)는 당 업계에 공지된 방식으로 잡음 필터링 기능 및 하향 변환 및 증폭 기능을 수행하는 저잡음 블록 다운 컨버터(LNB)(1427)에 결합된다. 일 실시 예에서, LNB(1427)는 옥외 유닛(ODU)에 있다. 다른 실시 예에서, LNB(1427)는 안테나 장치에 통합된다. LNB(1427)는 컴퓨팅 시스템(1440)(예를 들어, 컴퓨터 시스템, 모뎀 등)에 결합된 모뎀(1460)에 결합된다.
모뎀(1460)은 아날로그-디지털 변환기(ADC)(1422)를 포함하며, 그것은 LNB(1427)에 연결되어 다이플렉서(1445)로부터의 수신된 신호 출력을 디지털 포맷으로 변환한다. 일단 디지털 포맷으로 변환되면, 신호는 복조기(1423)에 의해 복조되고 디코더(1424)에 의해 디코딩되어 수신된 파에서 인코딩된 데이터를 얻는다. 그 후, 디코딩된 데이터는 제어기(1425)로 전송되며, 제어기(1425)는 이것을 컴퓨팅 시스템(1440)에 전송한다.
모뎀(1460)은 또한 컴퓨팅 시스템(1440)으로부터 송신될 데이터를 인코딩하는 인코더(1430)를 포함한다. 인코딩된 데이터는 변조기(1431)에 의해 변조된 다음 디지털-아날로그 변환기(DAC)(1432)에 의해 아날로그로 변환된다. 그 다음, 아날로그 신호는 BUC(상향 변환 및 하이패스 증폭기)(1433)에 의해 필터링되어 다이플렉서(1445)의 한 포트에 제공된다. 일 실시 예에서, BUC(1433)은 ODU(out-door unit)에 있다.
당 업계에 공지된 방식으로 동작하는 다이플렉서(1445)는 송신을 위해 안테나(1401)에 송신 신호를 제공한다.
제어기(1450)는 단일 결합된 물리적 개구상의 안테나 소자들의 2 개의 어레이를 포함하는 안테나(1401)를 제어한다.
도 20에 도시된 전이중 통신 시스템은 인터넷 통신, 차량 통신(소프트웨어 업데이트를 포함하여)등을 포함하는 다수의 애플리케이션을 포함하지만 그에 국한되지는 않음에 유의해야 한다.
상기 상세한 설명의 일부분은 컴퓨터 메모리 내의 데이터 비트에 대한 연산의 알고리즘 및 기호 표현과 관련하여 제시된다. 이러한 알고리즘 설명 및 표현은 데이터 처리 기술 분야의 통상의 기술자가 그들의 작업 내용을 통상의 기술자에게 가장 효과적으로 전달하기 위해 사용되는 수단이다. 알고리즘은 여기서, 그리고 일반적으로, 원하는 결과로 유도하는 단계들의 자기 모순없는 시퀀스로 인식된다. 상기 단계들은 물리적 양의 물리적 조작이 요구되는 단계이다. 일반적으로, 반드시 그런 것은 아니지만, 이러한 양은 저장, 전송, 결합, 비교 및 기타 조작이 가능한 전기 또는 자기 신호의 형태를 취한다. 가끔은, 주로 공통적인 사용의 이유로, 이 신호들을 비트, 값, 요소, 기호, 문자, 용어, 숫자 등으로 참조하는 것이 편리하다고 판명되었다.
그러나 이러한 용어들 모두 및 유사한 용어들은 적절한 물리량과 관련되어 있으며 이러한 양에 적용되는 편리한 레이블일뿐임을 알아야 한다. 다음의 설명으로부터 명백한 바와 같이 달리 명시하지 않는 한, "프로세싱", "컴퓨팅" 또는 "계산" 또는 "결정" 또는 "디스플레이" 등과 같은 용어를 사용하는 설명은 컴퓨터 시스템의 레지스터 및 메모리 내의 물리적(전자) 양으로 표현된 데이터를 컴퓨터 시스템 메모리 또는 레지스터 또는 기타 그러한 정보 저장, 전송 또는 표시장치 내에서의 물리량으로 유사하게 표현되는 다른 데이터로 조작 및 변환하는 컴퓨터 시스템 또는 유사 전자 컴퓨팅 장치의 동작 및 프로세스를 의미한다.
또한, 본 발명은 본 명세서의 동작을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치는 요구되는 목적을 위해 특별하게 구성될 수 있거나 컴퓨터에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 선택적으로 활성화되거나 재구성되는 범용 컴퓨터를 포함할 수 있다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 플로피 디스크, 광학 디스크, CD-ROM 및 자기 광학 디스크, 읽기 전용 메모리 (ROMs), 랜덤 액세스 메모리(RAM), EPROMs, EEPROMs, 자기 또는 광학 카드를 포함하는 임의의 형태의 디스크 또는 전자 명령을 저장하기에 적합한 임의의 유형의 매체와 같은 컴퓨터 판독 가능한 저장매체에 저장될 수 있으나, 그에 국한되지는 않으며, 각각은 컴퓨터 시스템 버스에 결합된다.
여기에 제시된 알고리즘 및 디스플레이는 본질적으로 임의의 특정 컴퓨터 또는 다른 장치와 관련이 없다. 다양한 범용 시스템이 본 명세서의 교시에 따라 프로그램과 함께 사용될 수 있거나, 요구된 방법 단계를 수행하기 위해 보다 특수화된 장치를 구성하는 것이 편리할 수도 있다. 다양한 이러한 시스템의 다양성을 위해 요구되는 구조는 아래 설명에서 나타난다. 또한, 본 발명은 임의의 특정 프로그래밍 언어를 참조하여 설명되지 않는다. 본 명세서에서 설명된 바와 같이 본 발명의 교시를 구현하기 위해 다양한 프로그래밍 언어가 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다
기계 판독 가능한 매체는 기계(예를 들어, 컴퓨터)에 의해 판독 가능한 형태로 정보를 저장 또는 전송하기 위한 임의의 메커니즘을 포함한다. 예를 들어, 기계 판독 가능 매체는 판독 전용 메모리( "ROM"); 랜덤 액세스 메모리("RAM"); 자기 디스크 저장 매체; 광 저장 매체; 플래시 메모리 장치들; 등을 포함한다..
전술한 설명을 읽은 후에 통상의 기술자에게 본 발명의 많은 변형 및 변경이 의심할 여지없이 명백해질 것이지만, 설명을 위해 도시되고 설명된 어떠한 특정 실시 예도 결코 특허 보호범위를 제한하는 의도로 간주되어서는 아니 된다. 따라서, 다양한 실시 예의 세부 사항에 대한 언급은 본질적으로 본 발명에 필수적인 것으로 간주되는 특징만을 암시하는 청구 범위를 제한하려는 것이 아니다.

Claims (38)

  1. 안테나 사용 방법에 있어서,
    방법은 :
    안테나가 상기 안테나 개구의 표면에 집적된 하나 이상의 광전지(PV) 구조물에 의해 태양 에너지의 획득을 증가시키는 위치에 배치된 후에 안테나의 안테나 개구를 나타내는 위치 데이터를 수신하는 단계; 및
    상기 위치 데이터에 응답하여, 태양 에너지의 획득을 증가시키는 안테나의 상기 위치를 유지하면서 안테나의 상기 위치에 기초하여 위성을 향해 빔을 재지향하도록 안테나의 안테나 소자의 어레이를 전자적으로 조종하는 단계를 포함하는 안테나 사용 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 PV 구조물에 의해 획득된 태양 에너지에 적어도 부분적으로 기초하여 안테나에 전력을 공급하는 단계를 포함하는 안테나 사용 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    안테나 요소들의 어레이를 전자적으로 조종하는 것에 응답하여 상기 위성의 위치를 파악하는 단계; 및
    안테나가 태양 에너지의 획득을 증가시키는 위치에 있는 동안에 위성을 추적하는 단계를 포함하는 안테나 사용 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    통신 네트워크를 연결하기 위하여 안테나와 위성 사이의 통신을 사용하는 단계를 더 포함하는 안테나 사용 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 통신 네트워크는 인터넷을 포함하는 안테나 사용 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 통신은 WiFi 신호를 포함하는 안테나 사용 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 안테나를 위치시키는 단계는 : 복수의 위치 사이에 안테나를 회전시키는 단계;
    상기 복수의 위치들 각각에서 태양 에너지 획득의 양을 기록하는 단계; 태양 에너지 획득의 양에 기초하여 안테나를 자동적으로 포인팅하는 방향을 결정하는 단계; 및 상기 방향에 기초한 위치로 안테나를 자동으로 움직이는 단계를 포함하는 안테나 사용 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 안테나에 부착되고 하나 이상의 PV 구조물을 갖는 적어도 하나의 부속물(appendage)을 펼치는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 부속물의 하나 이상의 PV 구조물로 태양 에너지를 획득하는 단계를 포함하는 안테나 사용 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 PV 구조물에 의해 획득된 태양 에너지를 사용하여 상기 안테나에 전력을 공급하는 배터리를 트리클 충전하는 단계를 더 포함하는 안테나 사용 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 하나 이상의 PV 구조물에 의해 획득된 에너지로 트리클 충전된 상기 배터리를 사용하여 웜 스타트를 수행하는 단계를 더 포함하는 안테나 사용 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 배터리는 비상 전원 또는 재해 복구에 사용되는 안테나 사용 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    긴급 모드 동안 통신 네트워크에 접속하기 위하여 상기 안테나와 상기 위성 간의 통신을 사용하는 단계를 더 포함하는 안테나 사용 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 통신은 획득된 태양 에너지로 충전된 배터리의 전력을 사용하는 경우에만 발생하는 안테나 사용 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 통신은 안테나의 위치 데이터의 송신을 포함하는 안테나 사용 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 위치 데이터는 GPS (Global Positioning System) 데이터를 포함하는 안테나 사용 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 통신은 비상 코드를 포함하는 안테나 사용 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    광전지 구조물은 적어도 하나의 광전지를 포함하는 안테나 사용 방법.
  18. 안테나에 있어서,
    안테나 소자들의 어레이를 가진 물리적 안테나 개구 및 상기 안테나에 전력을 제공하기 위해 상기 개구의 표면에 집적된 하나 이상의 PV 구조물;
    및
    하나 이상의 광전지(PV) 구조물에 의한 태양 에너지의 획득을 위한 물리적인 개구의 위치를 고려하는 제어 알고리즘을 사용하여 원하는 주파수의 빔을 생성하도록 안테나 요소의 어레이를 전자적으로 스캔(scan)되도록 하는 제어기를 포함하는 안테나.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 하나 이상의 PV 구조물들 중 적어도 하나는 상기 안테나 소자들의 어레이 외부 주변 영역에 위치되는 안테나.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 주변 영역은 상기 개구 상에 베젤 (bezel)을 포함하는 안테나.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 하나 이상의 PV 구조물들 중 적어도 하나는 상기 안테나 소자들의 어레이를 포함하는 기판 상에 위치되는 안테나.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 기판은 유리 층을 포함하는 안테나.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 하나 이상의 PV 구조물들은 안테나 소자들 사이에 인터리빙되는 안테나.
  24. 제18항에 있어서,
    안테나 소자들을 구동하기위한 안테나 소자 구동 회로; 및
    하나 이상의 PV 구조물에 의해 획득된 에너지를 수집하여 안테나 소자 구동 회로에 전력을 공급하는 에너지 수집 서브 시스템을 포함하는 안테나..
  25. 제24항에 있어서,
    상기 안테나 소자 구동 회로는 로우(row) 및 컬럼(column) 라우팅을 포함하며, 상기 하나 이상의 PV 구조물들 중 다수의 PV 구조물들은 상기 로우 및 컬럼 라우팅 도체들 사이에 위치하는 안테나.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 안테나 소자 구동회로는 박막 트랜지스터 (TFT)를 포함하는 안테나.
  27. 제18항에 있어서,
    상기 튜닝 가능한 슬롯 어레이 각각의 요소는 2 개 이상의 링에 위치되고, 상기 하나 이상의 PV 구조물 중 다수의 PV 구조물은 상기 2 개 이상의 링 사이에 위치하는 안테나.
  28. 제18항에 있어서,
    상기 하나 이상의 PV 구조물은 비정질 실리콘 PV 셀, 다중 접합 PV 셀 및 삼중 접합 PV 셀을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 것을 포함하는 안테나.
  29. 제18항에 있어서,
    상기 하나 이상의 PV 구조물들은 상이한 크기들을 갖는 복수의 PV 셀들을 포함하는 안테나.
  30. 제18항에 있어서
    안테나 소자들은 홀로그래픽 빔 조종에 사용하기 위해 상기 주파수 대역에 대한 빔을 형성하도록 제어되고 함께 동작 가능한 안테나.
  31. 제18항에 있어서,
    상기 안테나 소자들의 어레이는,
    복수의 슬롯들 및 복수의 패치들을 포함하는 안테나 소자들의 튜닝 가능한 슬롯 어레이를 포함하며,
    상기 패치들의 각각은 패치/슬롯 쌍을 형성하는 메타머티리얼 소자에 의해 복수의 슬롯 내의 슬롯 위 공동 위치에 배치되고 슬롯으로부터 분리되며, 각 패치/슬롯 쌍은 쌍 패치에의 전압 인가에 기초하여 턴 오프 또는 턴 온 되며; 및 여기서
    제어기는 빔을 생성하기 위해 어느 패치/슬롯 쌍이 온 및 오프가 되어야할지 제어하는 제어 패턴을 동작 가능하게 적용하는 안테나.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 메타머티리얼 소자는 액정을 포함하는 안테나.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 메타머티리얼 소자는 UV에 민감하고, 상기 LC에 노출된 UV 방사의 양을 감소시키기 위하여 상기 개구의 적어도 일부 위에 UV 흡수 층을 더 포함하는 안테나.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 메타머티리얼 소자는 자외선에 민감하며,
    UV 방사가 상기 LC에 영향을 주지 못하도록 상기 개구의 적어도 일부분에 걸쳐 기판 UV 필터의 상부에 광학적으로 불투명한 층을 더 포함하는 안테나.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 광학적으로 불투명한 층은 어레이 내의 PV 소자 각각에 대한 구멍(opening)포함하는 안테나.
  36. 제18항에 있어서,
    상기 하나 이상의 PV 구조물은 전기적으로 병렬 연결된 그룹들과 전기적으로 직렬 연결된 PV 셀들의 그룹들을 포함하는 안테나.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 그룹들은 상기 안테나 소자들을 위한 구동 회로에 전력을 분배하도록 동작 가능한 패치 메탈 층에 연결되는 안테나.
  38. 안테나에 있어서
    안테나 소자들의 어레이를 가지며 상기 안테나에 대한 전력을 제공하기 위해 태양 에너지를 획득하기 위한 안테나 소자의 어레이 내부 및 외부의 개구의 표면에 통합된 하나 이상의 PV 구조물을 갖는 물리적 안테나 개구를 포함하는 안테나로서, 상기 안테나 소자들의 어레이는 복수의 슬롯들을 포함하는 안테나 소자들의 튜닝 가능한 슬롯; 및 복수의 패치들을 포함하며, 상기 패치 각각은 상기 패치/슬롯 쌍을 형성하는 메타머티리얼 소자에 의해 상기 복수의 슬롯 내의 슬롯 상에 공동 배치되고 슬롯으로 부터 분리되며, 각 패치/슬롯 쌍은 상기 쌍 패치에의 전압 인가에 기초하여 턴 오프 또는 턴 온 되며; 및
    하나 이상의 광전지(PV) 구조물에 의한 태양 에너지의 획득을 위한 물리적인 개구의 위치를 고려하는 제어 알고리즘을 사용하여 원하는 주파수에서 빔을 생성하도록 안테나 소자들의 어레이를 전자적으로 스캐닝하도록 하는 제어기를 포함하되, 상기 제어기는 상기 빔을 생성하기 위해 어느 패치/슬롯 쌍이 온 및 오프 되는지를 제어하는 제어 패턴을 적용하도록 동작 가능한 안테나.

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