KR20210141951A

KR20210141951A - 비-원형 중앙-급전 안테나 및 이를 이용하기 위한 방법

Info

Publication number: KR20210141951A
Application number: KR1020217031440A
Authority: KR
Inventors: 모센 세제갈; 크리스 에이랜더
Original assignee: 카이메타 코퍼레이션
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2020-04-10
Publication date: 2021-11-23
Also published as: US11258176B2; US11670858B2; US20220239000A1; EP3953993A4; US20200328515A1; CN113711440A; JP2022526029A; WO2020210664A1; EP3953993A1

Abstract

비-원형 중앙-급전 안테나 및 그를 이용하기 위한 방법이 개시된다. 일 실시 예에 있어서, 안테나는: 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트를 갖는 비-원형 안테나 개구면; 및 피드파가 중앙 위치로부터 개구면의 엣지로 바깥쪽으로 전파될 수 있도록 하기 위해 안테나 개구면 내의 중앙 위치에서 개구면에 대해 RF 피드파를 공급하기 위한 비-방사상 대칭 방향성 커플러;를 구비한다.

Description

비-원형 중앙-급전 안테나 및 이를 이용하기 위한 방법

본 출원은 2019년 4월 12일에 출원된, 발명의 명칭이 "비-원형 중앙-급전 안테나 및 그 이용 방법(Non-Circular Center-fed Antenna and Method of Using the Same)"인, 미국 가특허 출원 제62/833,508의 연속이고 그 이익을 주장하며, 그 전체가 참조로 통합된다.

본 발명의 실시예는 안테나의 분야에 관한 것으로, 특히 본 발명의 실시예는 비-원형인 중앙-급전 안테나에 관한 것이다.

몇몇 기존의 안테나 설계는 피드파(feed wave)가 안테나 개구면(antenna aperture)의 엣지(edges)로부터 개구면의 중앙으로 반사되는 방사형 도파관 모드(radial waveguide mode)에 의존한다. 이들 안테나는 엣지-급전 아키텍처(edge-fed architecture)를 갖는다. 파가 반사됨에 따라 이는 평탄한 개구면 분포(flat aperture distribution)를 실현하기 위한 더 좋은 조건을 생성하기 위해 중앙을 향해 진행한다.

2개의 종래 기술 논문인, 안도(Ando) 등의, "12GHz DBS 위성 수신을 위한 방사형 라인 슬롯 안테나(Radial line slot antenna for 12 GHz DBS satellite reception)", 및 유안(Yuan) 등의, "고출력 마이크로파 애플리케이션을 위한 신규한 방사형 라인 슬롯 안테나의 설계 및 실험(Design and Experiments of a Novel Radial Line Slot Antenna for High-Power Microwave Applications)"은 다양한 안테나를 논의한다. 이들 양 논문에서 설명된 안테나의 제한은 빔이 단지 하나의 정적 각도(static angle)에서만 형성된다는 것이다. 논문에 설명된 피드 구조는 폴딩된, 이중 층(folded, dual layer)이고, 여기서 제1 층은 핀 피드(pin feed)를 허용하여 엣지에 대해 바깥쪽으로 전자기파를 안내하고, 최상층까지 파를 휘어지게 하고 이어 주변으로부터 길을 따라 고정 슬롯(fixed slots)을 여기시키는(exciting) 중앙까지 이를 안내한다. 슬롯은 전형적으로 직교 쌍(orthogonal pairs)으로 배향되고, 송신에 대해 고정 원형 편파(fixed circular polarization)를 부여하고 수신 모드에서는 반대를 부여한다. 마지막으로, 흡수체(absorber)는 남아 있는 전력을 종결시킨다.

엣지-급전 안테나의 모드는 방사상으로 대칭(radially symmetric)이기 때문에, 반사 구조(reflecting structure)는 방사상으로 대칭이고, 그에 의해 원으로 개구면 형상을 고정한다(locking). 그러나, 이용가능한 공간이 원형으로 형상지워지지 않을 때(예컨대, 직사각형으로 형상지워질 때), 원형 안테나의 이용을 요구하는 것은 안테나의 크기를 제한할 수 있고 이용가능한 공간의 양호한 부분을 활용하지 못할 수 있다.

본 발명은 비-원형 중앙-급전 안테나(non-circular center-fed antenna) 및 그를 이용하기 위한 방법이 개시된다.

일 실시예에 있어서, 안테나는 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트를 갖는 비-원형 안테나 개구면; 및 피드파(feed wave)가 중앙 위치로부터 개구면의 엣지로 바깥쪽으로 전파될 수 있도록 하기 위해 안테나 개구면 내의 중앙 위치에서 개구면에 대해 RF 피드파를 공급하기 위한 비-방사상 대칭 방향성 커플러(non-radially symmetric directional coupler)를 포함한다.

본 발명은 아래에 주어진 상세한 설명 및 본 발명의 다양한 실시 예의 첨부 도면으로부터 보다 완전하게 이해될 것이지만, 특정 실시 예로 본 발명을 제한하도록 취해지지 않아야 하고, 단지 설명 및 이해를 위한 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 비-원형 안테나 개구면에 대한 표면 이용을 최대화하는 예를 예시한다.
도 2a 및 도 2b는 커플러를 설계하기 위한 다수 방법을 예시한다.
도 3은 직사각형 개구면에서의 안테나 엘리먼트의 배치의 예를 예시한다.
도 4a 내지 도 4i는 예시적 개구면 및 예시적 개구면에 관한 시뮬레이션 결과를 예시한다.
도 5는 여러 크기의 슬롯을 갖춘 예시적 방향성 커플러의 일부분을 예시한다.
도 6a는 안테나 개구면에 대한 레거시 설계 흐름(legacy design flow)을 예시한다.
도 6b는 비-원형 개구면 및 타일링 아키텍처(non-circular aperture and tiling architecture)에 대한 설계 흐름의 일 실시예를 예시한다.
도 6c는 개구면을 설계하기 위한 프로세스의 일 실시예의 흐름도를 예시한다.
도 7a는 원통형으로 급전된 홀로그래픽 방사형 개구면 안테나(cylindrically fed holographic radial aperture antenna)의 일 실시 예의 개략도를 예시한다.
도 7b는 접지 평면(ground plane) 및 재구성가능 공진기 층(reconfigurable resonator layer)을 포함하는 하나의 행의 안테나 엘리먼트의 사시도를 예시한다.
도 8a는 튜닝가능 공진기/슬롯(tunable resonator/slot)의 일 실시 예를 예시한다.
도 8b는 물리적 안테나 개구면(physical antenna aperture)의 일 실시 예의 단면도를 예시한다.
도 9a 내지 도 9d는 슬롯형 어레이를 생성하기 위한 여러 층의 일 실시 예를 예시한다
도 10은 원통형으로 급전된 안테나 구조체의 일 실시 예의 측면도를 예시한다.
도 11은 유출 파(outgoing wave)를 갖는 안테나 시스템의 다른 실시 예를 예시한다.
도 12는 안테나 엘리먼트에 대한 매트릭스 구동 회로(matrix drive circuitry)의 배치의 일 실시 예를 예시한다.
도 13은 TFT 패키지의 일 실시 예를 예시한다.
도 14는 동시 송신 및 수신 경로(simultaneous transmit and receive paths)를 갖춘 통신 시스템의 일 실시 예의 블록도이다.

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

개관

비-원형, 중앙-급전 안테나 및 이를 생성하고 이용하기 위한 방법이 개시된다. 일 실시예에 있어서, 비-원형, 중앙-급전 안테나는 비-원형 형상을 갖는 홀로그래픽 안테나를 구비한다. 일 실시예에 있어서, 홀로그래픽 안테나는 홀로그래픽 메타표면 안테나(holographic metasurface antennas)를 구비한다. 홀로그래픽 메타표면 안테나는 표면 산란 메타물질 안테나 엘리먼트를 가질 수 있다. 이러한 안테나 엘리먼트의 예가 이하 더욱 상세히 설명된다. 여기에 개시된 본 발명 및 기술은 여기에 개시된 안테나 엘리먼트 및/또는 개구면을 이용하는 것으로 제한되지 않고 많은 여러 안테나 아키텍처 및 구현에 적용가능할 수 있음을 주지해야 한다.

통신 위성 지구국을 위한 메타물질 안테나 시스템의 실시예가 설명된다. 일 실시예에 있어서, 안테나 시스템은 민간 상업용 위성 통신용 소정 주파수(예컨대, Ka-대역 주파수, Ku-대역 주파수, 등)를 이용하여 동작하는 모바일 플랫폼(예컨대, 항공, 해상, 육상 등) 상에서 동작하는 위성 지구국(ES; earth station)의 구성요소 또는 서브시스템이다. 안테나 시스템의 실시예는 또한 모바일 플랫폼(예를 들어, 고정 또는 이동가능한 지구국) 상이 아닌 지구국에서도 이용될 수 있음을 주지해야 한다. 일 실시예에 있어서, 안테나 시스템은 별도 안테나(separate antennas)를 통해 송신 및 수신 빔을 형성하고 스티어링하기 위해 표면 산란 메타물질 기술을 이용한다. 일 실시예에 있어서, 안테나 시스템은, (위상 어레이 안테나와 같은) 빔을 전기적으로 형성하고 스티어링하기 위해 디지털 신호 처리를 채택하는 안테나 시스템과는 대조적으로, 아날로그 시스템이다. 일 실시예에 있어서, 안테나 시스템은 3개의 기능적 서브시스템: (1) 파 피드 아키텍처(wave feed architecture)로 구성되는 파 전파 구조(wave propagating structure); (2) 파 산란 메타물질 안테나 엘리먼트의 어레이(예컨대, 유닛 셀); 및 (3) 홀로그래픽 원리를 이용하여 메타물질 산란 엘리먼트로부터 조정가능한 방사선 필드(빔)의 형성을 명령하기 위한 제어 구조를 포함한다.

여기에 설명된 비-원형, 중앙-급전 안테나 실시예에 있어서, 하부 도파관으로부터 상부 도파관으로 전력을 결합하는 방향성 커플러(directional coupler)는 개구면의 엣지를 향해 바깥쪽으로 중앙으로부터 개구면을 공급한다. 반대로, 엣지-급전 안테나(edge-fed antennas)의 경우, 도파관의 형상이 진행파(propagating wave)의 위상을 결정하므로 피드 구조는 원형 형상을 요구한다. 종래 기술은 원형 개구면을 공급하기 위해 방사형 대칭 방향성 커플러(radial symmetric directional coupler)를 이용하고, 개구면을 가로질러 균일한 조명(uniform illumination)을 유지한다. 여기에 개시된 본 발명의 실시예는 비-원형 형상(예컨대, 직사각형 형상, 정사각형 형상, 육각형 형상, 팔각형 형상, 삼각형 형상, 타원형 형상, 등)을 갖는 개구면을 공급하는 것을 허용하는 한편, 균일한 개구면 조명(uniform aperture illumination)을 유지하는 비-방사형-대칭 방향성 커플러(non-radial-symmetric directional coupler)의 이용을 포함한다. 안테나 개구면이 중앙-급전 아키텍처를 이용할 때, 파는 반사되지 않고, 따라서 형상이 더 이상 원일 필요가 없다. 더욱이, 방향성 커플러 결합 계수(directional coupler coupling coefficients)를 공간적으로 수정하는 것에 의해 방사상으로 대칭이 아닌 방식으로 전력이 폼 팩터(form factor)에 전달될 수 있고, 이는 비-원형 형상의 이점을 더욱 취한다. 허용된 전력과 개구면 효율성 사이에는 근본적인 트레이드오프(fundamental tradeoff)가 있음에도 불구하고, 원한다면 직사각형 형상은 완벽하게 평탄한 개구면 분포를 산출할 수 있다.

비-원형 안테나의 이용은 여러 애플리케이션이 여러 폼 팩터를 갖기 때문에 유리하고, 개구면 크기가 폼 팩터와 일치할 수 있을 때, 이는 안테나 이득과 방향성을 증가시키는 것에 의해 안테나 성능을 증가시킨다. 대조적으로, 원형 안테나를 이용하면 이용가능한 공간을 채우지 못하고 더 낮은 안테나 이득을 유도한다. 따라서, 본 발명의 실시예는 안테나를 위한 이용가능한 공간이 비-원형이고 이용가능 공간을 채우고 더 나은 성능을 갖는 안테나를 초래할 수 있는 경우에 도움이 된다.

이들 기술은 또한 서브-아키텍처로부터 여러 슈퍼-아키텍처의 생성을 허용한다. 여기에서는 목적 상, 이는 타일링(tiling)으로서 언급된다. 타일에 대한 성능은 더 많은 설계 자유도 및 새로운 안테나 기능성과 기존의 핵심 성과 지표(KPI; key performance indicators)의 향상을 허용한다. 일 실시예에 있어서, 안테나 개구면은 안테나 개구면을 위한 이용가능 공간을 타일링하거나 원형의 에지-급전 안테나가 덮을 수 있는 것보다 더 많은 이용가능 공간을 타일링하는 복수의 서브-개구면을 구비한다. 본 발명의 실시예는 표면 이용에 영향을 미치거나 세그먼트 사이에 큰 갭을 생성하는 것 없이 다수 개별 개구면으로 안테나 개구면을 타일링하는 것을 허용한다. 일 실시예에 있어서, 이 개념을 통해 가능한 타일링 접근법은 도파관에서의 최대 경로 길이를 감소시키기 위한 방법을 제공하고 순시 대역폭(instantaneous bandwidth)의 증가를 초래함을 주지해야 한다.

도 1a 내지 도 1c는 하나 또는 다수 직사각형 안테나 개구면을 이용하여 직사각형 엔벨로프(rectangular envelope)에 대한 표면 이용을 증가시키고 잠재적으로 최대화하는 안테나 개구면의 예를 예시한다.

도 1a를 참조하면, 엔벨로프(100)는 하나의 원형 개구면(101; circular aperture)으로 채워져 있다. 직사각형 엔벨로프(100)는 안테나 이득을 증가시키고, 잠재적으로 최대화하기 위해 하나의 반-직사각형의 중앙-급전 안테나 개구면(102; semi-rectangular, center-fed antenna aperture)으로 채워질 수 있다. 더욱이, 직사각형 엔벨로프(100)는 안테나 이득을 최대화하기 위해 2개의 반-직사각형 중앙-급전 안테나 서브-개구면(103, 104)으로 채워질 수 있다. 일 실시예에 있어서, 안테나 서브-개구면(103, 104)에는 2개의 다른 피드를 이용하여 피드파(feed wave)가 공급된다. 따라서, 안테나 개구면으로 더 완전하게 직사각형 엔벨로프(100)를 채우는 것에 의해, 안테나 이득이 개선될 수 있다.

도 1b는 이 경우 표면 이용이 정사각형 엔벨로프에 대한 것이라는 점을 제외하고 유사한 표면 이용을 예시한다. 도 1b를 참조하면, 엔벨로프(110)는 단일 원형의 중앙-급전 개구면(111; single circular, center-fed aperture)으로 채워진다. 엔벨로프(110)는 단일 비-원형의 중앙-급전 개구면(112)과 같은 단일 직사각형 개구면으로 채워질 수 있거나 4개의 서브-개구면(타일)(113A-113D)과 같은 다수 비-원형 중앙-급전 개구면으로 채워질 수 있다. 일 실시예에 있어서, 안테나 개구면(113A-113D)에는 4개의 여러 피드를 이용하여 개별 피드파(separate feed wave)가 개별적으로 공급된다.

도 1c는 엔벨로프(120)의 4개의 직사각형인 비-원형의 중앙-급전 서브-개구면(타일)(121-124)을 예시한다. 개구면(121-124)은 별도의 사분면(하나 이상의 위성으로부터 신호를 수신하도록 동작할 때 각각에 대한 개별 피드)으로부터 공급된다. 일 실시예에 있어서, 각각의 개별 서브-개구면은 개별적으로 신호를 송신한다. 다른 실시예에 있어서, 서브-개구면 수신(Rx) 빔은 서브-개구면의 중앙으로부터 공급되는 반면, 하나의 송신(Tx) 빔은 피드 글로벌 중앙(feed global center)의 중앙으로부터 공급된다. 이는 Tx 엘리먼트가 전체 개구면에 걸쳐 인터리브되는 동안 Rx 서브-엘리먼트 배치 접근에 의해 달성될 수 있다.

엔벨로프를 채우는 다수 서브-개구면을 갖는 경우, 일 실시예에 있어서, 서브-개구면 중 하나의 피드파가 소정의 인접하는 서브-개구면과 간섭(interference)을 야기시키지 않음을 확실히 하기 위해 서브-개구면 사이에 흡수체(absorbers) 또는 피드파 종단의 다른 형태가 있음을 주지해야 한다. 다른 실시예에 있어서, 그 전력 레벨이 인접하는 서브-개구면과 간섭되지 않을 때까지 그 서브-개구면의 중앙으로부터 전파되어 소멸되도록 피드파의 전력 레벨이 선택됨에 따라 이러한 흡수체 또는 피드파 종단은 필요로 되지 않게 된다.

더욱이, 일 실시예에 있어서, 서브-개구면이 신호를 수신하기 위해 이용될 때, 수신된 신호는 당업계에 잘 알려진 방식으로 도파관을 이용하여 RF 결합되고, 따라서 모든 채널이 함께 결합되고 하나의 RF 체인(예컨대, 다이플렉서, 모뎀, 등)에 공급된다. 다른 실시예에 있어서, 각 서브-개구면에 대한 RF 체인이 있고 모든 수신된 신호는 중간 주파수(IF; intermediate frequency)로 변환된 다음 신호는 당업계에 잘 알려진 방식으로 IF에서 결합된다.

커플러 설계에 대한 하나의 목표는 안테나 개구면의 중앙으로부터 개구면의 엣지까지의 각 축에 대한 부하 전력을 줄이고 잠재적으로 최소화하는 것이다. 도 2a 및 도 2b는 커플러가 여러 축에 대해 다른 결합 프로파일(coupling profiles)을 갖는 직사각형-형상 개구면(rectangular-shaped aperture)에 대한 커플러를 설계하기 위한 2가지 다른 방법을 예시한다.

도 2a를 참조하면 0^o, 45^o 및 90^o에서 다른 길이를 갖는 3개의 축이 있다. 각 축 상에서 낮은 부하 손실(low load loss)을 달성하기 위해, 각 축에 대한 다른 커플러 프로파일이 필요로 된다. 축 사이의 섹션은 웨지 섹션(wedge sections)으로 이산화(discretized)되거나 각도 및 경로 길이에 따라 보간(interpolated)될 수 있다.

보다 구체적으로, 도 2a에 있어서, 여러 커플러가 커플링이 다른 웨지로 사분면/섹션(quadrant/section)을 분할하는 것에 의해 비-원형 개구면(non-circular aperture)의 각 사분면 또는 섹션에 대해 설계된다. 도 2a에 있어서, 상부 우측 사분면에 도시된 4개의 웨지가 있다. 각 웨지는 커플러 설계가 결정되는 여러 방사형 라인(different radial line)과 연관된다. 커플러 설계는 처음에 소정 수의 반경(a predetermined number of radiuses)을 식별하는 것으로 시작하고 커플러 설계가 각 반경에 대해 이루어진다. 이 소정 세트의 반경은 개구면의 해당 섹션에서 가장 짧은 반경과 가장 긴 반경을 포함할 수 있다. 커플러 설계가 결정되지 않은 그러한 다른 방사형 라인에 대해, 이용될 커플링은 그 방사형 라인 길이와 소정 세트에서의 반경 중 어느 것이 길이에 있어서 그에 가장 가까운가를 기초로 한다. 이 결정에 기초하여, 소정 세트로부터 반경의 (길이에 있어서) 가장 가까운 반경에 대한 커플러 설계에 적용되는 피드의 지리적 부분이 해당 반경에 대해 이용된다. 일 실시예에 있어서, 이 프로세스는 미리 결정된 반경에 대한 커플러 설계 중 어느 것이 개구면의 해당 섹션의 방사형 라인의 각각에 적용되는지를 결정하기 위해 계속된다. 이러한 방식에 있어서, 커플링 속도(coupling rate)는 방사형 대칭이 없기 때문에 중앙 피드로부터의 여러 방사형 라인에 대해 변경된다.

예컨대, 일 실시예에 있어서, 중앙 피드로부터 개구면의 엣지까지의 가장 긴 경로에 대해, 피드파가 해당 경로를 따라 이동함에 따라, 개구면의 엣지까지 중앙 피드 사이의 가장 짧은 경로를 따라 가는 것보다 길이당 더 적은 커플링이 야기되도록 커플러가 설계된다. 이는 정확한 개구면 분포와 부하 전력을 유지하기 위해 수행된다. 일 실시예에 있어서, 각 경로에 따른 전력 전달은 전력이 여러 경로를 따라 더 빠른 속도로 방사되도록 한다. 따라서, 커플러는 커플링이 여러 경로에 따라 달리되도록 설계된다. 일 실시예에 있어서, 커플링은 커플러가 더 짧은 경로에 비해 더 긴 경로 상에서 다시 스로틀링(throttling)하도록 (또는 더 긴 경로에 비해 더 짧은 경로 상에서 다시 스로틀링하지 않도록) 한다.

도 2b를 참조하면, 커플러 설계는 커플러 설계가 이미 결정된 영역 사이에서의 아크(arcs)를 이용하는 것에 의해 사분면의 다른 섹션에 대해 소정의 커플러 설계를 적용하는 원형 보간법(circular interpolation)을 이용한다. 이용된 이산화(discretization)는 인쇄 회로 기판과 같은 표준 제조 기술과 연관된 실제 허용오차 제한(practical tolerance limitations)에 의해 몇몇 경우에서 선택될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 안테나 엘리먼트의 배치는 개구면 또는 서브-개구면의 형상에 의해 제한되지 않는다. 예컨대, 안테나 엘리먼트가, 예컨대 이에 한정되지는 않지만, 직사각형 개구면의 일부분으로 되는 단위 셀(unit cells)과 같은 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트일 때, 안테나 엘리먼트는 링, 나선, 직사각형 그리드 또는 소정의 다른 그리드 상에 배치될 수 있다. 도 3은 직사각형 개구면(즉, 직사각형 엔벨로프에 대해)에서 링 상의 엘리먼트의 링-기반 배치(ring-based placement)의 일 실시예의 예를 예시한다. 도 3을 참조하면, 직사각형 엔벨로프(302; rectangular envelope)를 갖는 안테나 개구면의 중앙에 관하여 방사상으로 대칭인 예시된 다수의 배치 링(301; a number of placement rings)이 있다. 개구면의 중앙에 더 가까운 링은 완전한 링인 반면 직사각형 엔벨로프(302)의 엣지에서 개구면의 경계를 가로지르는 링은 단지 부분적 링이다.

직사각형 개구면은 중앙-급전 직사각형 개구면 개념을 검증하도록 HFSS(High Frequency Structure Simulator)에서 전체 파 시뮬레이션(full wave simulation)을 구성하기 위한 사례 연구로서 이용되었다. 하나의 목표는 비-원형 개구면에 대한 트레이드 공간(trade space)을 설명한 분석 모델링 접근법(analytic modeling approach)을 생성하기 위한 것이었다. 14인치×25인치의 크기가 분석 모델링 프레임워크를 비교하고 검증하도록 HFSS 전체-파 시뮬레이션을 생성하는데 이용되었다.

도 4a는 직사각형-형상 안테나 개구면의 예를 예시한다. 도 4a를 참조하면, 안테나 개구면(401)은 14인치×25인치의 폼 팩터(form factor)를 갖는다. 개구면(401)의 중앙으로부터의 최소 치수는 7인치인 한편, 개구면(401)의 중앙으로부터의 최대 치수는 13.9인치이다. 7인치와 13.9인치 사이의 거리는 대략 0.4인치만큼 이산화되었다. 생성된 총 10개의 다른 커플러 설계가 있었다. 이 설계에 대한 목표는 안테나에 대한 높은 전력 전달을 달성하는 것이었다. 각 방사형 경로(radial path)(즉, 경로 1-4)를 따라 높은 전력 전달을 유지하기 위해, 다른 개구면 분포 프로파일을 초래하는 다른 경로를 따라 더 빠른 속도로 전력이 방사된다. 전력 전달을 희생하여 개구면 분포 평탄도(aperture distribution flatness)에 대해 더 초점을 맞추는 대안적인 설계가 실현될 수 있음을 주지해야 한다.

도 4b는 최대 전력 전달 설계를 위한 더 짧은 길이가 해당 영역에서 더 높은 방사를 초래함을 예시한다. 이는 도 4c에 도시된 히트 맵 이미지(heat map image)에 더욱 예시된다. 직사각형 개구면(401)에 대한 어레이 테이퍼 효율(array taper efficiency)은 본 예에서 여전히 비교적 높은 ∼0.35dB임을 주지해야 한다.

커플러의 표면을 가로지르는 결합 계수는 시각화될 수 있다. 직사각형 표면으로 공간적으로 이산화되는 10가지 다른 방사형 커플러 설계가 있다. 이는 도 4d에 예시된다.

도 4e는, 비교 목적을 위해, 보다 균일한 개구면 분포를 나타내는 정사각형 개구면의 예를 예시한다. 개구면 분포는 도 4e에 도시된 바와 같이 더 균일하다.

커플러는 HFSS 모델에 내장되었고, 전체-파 시뮬레이션(full-wave simulations)이 안테나로 전달되는 전력과 개구면 분포 양쪽을 측정하기 위해 수행되었다. 시뮬레이션 시간은 상부 가이드의 표면 상에서 방사기(radiators)로서 작용하도록 시트 임피던스(sheet impedance)를 이용하여 개구면의 ¼을 시뮬레이션하는 것에 의해 감소되었다. 도 4f는 HFSS 모델을 예시하고 최종 시뮬레이션은 개구면 분포가 분석적 예측과 밀접하게 매칭되었고 허용된 전력이 90%이었음을 도시한다. 도 4g는 분석적 ¼ 개구면 분포 예측을 예시한다. 도 4h는 HFSS ¼ 개구면 분포 시뮬레이션 결과를 예시한다. 도 4i는 방사형 모드 보존(radial mode preservation)을 도시하는 HFSS ¼ 개구면 분포 시뮬레이션 결과를 예시한다.

일 실시예에 있어서, 방향성 커플러에 대해 여기에 개시된 기술은 방향성 커플러가 이제 방사상으로 대칭이 아닌 방식으로 변경되는 특징을 포함한다는 유일한 차이점을 갖는 몇몇 중앙-급전 방향성 커플러에서와 동일한 기본적 구성요소의 몇몇을 이용한다. 도 5는 ¼ 개구면 HFSS 시뮬레이션을 이용한 방향성 커플러 슬롯을 검사하는 것에 의해 본 예를 도시한다.

여기에 개시된 기술은 설계 아키텍처에 접근하기 위한 여러 방식을 가능하게 한다. 기존 아키텍처 설계 접근법(legacy architecture design approach)과 새로운 아키텍처 설계 접근법 간의 예가 각각 도 6a 및 6b에 도시된다. 도 6a를 참조하면, 하나 이상의 입력을 기초로 원형 형상의 안테나 개구면을 생성하기 위한 기존 설계 흐름이 도시된다. 여기서 설계 제약은 순시 대역폭(IBW; instantaneous bandwidth), 이득 대 시스템 잡음 온도(G/T; gain to system noise temperature), 시스템 측 로브 레벨(SLLs; system side lobe levels), 및 안테나 개구면에 대한 이용가능 공간이다.

도 6b에 도시된 바와 같이, 비-원형 개구면 및 타일링 아키텍처 설계 흐름 관점으로부터, 동일한 입력이 수신되고 최종 설계는 단일 개구면 설계(611; single aperture design), 다중 서브-개구면을 갖는 서브-개구면 설계(612; sub-aperture design), 또는 서브-개구면이 (별도의 개별 안테나와 반대로 됨으로써)(단일 유리 개구면) 단일 기판의 일부분인 다수-서브-개구면(613; multi-sub-aperture)일 수 있다. 이들 설계 중 어느 것은 입력을 고려한 설계 프로세스의 결과일 수 있고, 궁극적으로 개발 중인 개구면 또는 개구면들의 형상 및 크기(614)를 결정한다.

도 6c는 예시적 설계 흐름을 예시한다. 도 6c를 참조하면, 폼 팩터(620)로부터의 영역이 폼 팩터와 연관된 공간의 관점에서 허용된 개구면 분포 및 전력과 연관된 목표(621; goals)와 함께 이용된다. 이들은 다수의 이산화된 커플러 설계(622; discretized coupler designs)를 생성하기 위해 이용된다. 이산화 후, 커플링 엘리먼트(623; coupling element)가 선택된다. 일 실시예에 있어서, 슬롯(slot)과 링(ring) 양쪽인 엘리먼트의 두 가지 공통 구현이 있다. 다음에, 방향성 커플러가 이산화된 설계를 이용하여 전체 표면을 따라 커플링 엘리먼트로 구성된다(624). 일 실시예에 있어서, 구성은 상기한 바와 같이 최근접 이웃(nearest neighbor) 또는 보간(interpolation)을 기초로 한다.

안테나 실시 예의 예

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

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

안테나 시스템의 예

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

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

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

안테나 엘리먼트

도 7a는 원통형으로 급전된 홀로그래픽 방사형 개구면 안테나의 일 실시 예의 개략도를 예시한다. 도 7a를 참조하면, 안테나 개구면은 원통형 급전 안테나의 입력 피드(602; input feed) 주위에서 동심 링으로 배치되는 안테나 엘리먼트(603)의 하나 이상의 어레이(601)를 갖는다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트(603)는 RF 에너지를 방사하는 무선 주파수(RF) 공진기이다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트(603)는 안테나 개구면의 전체 표면 상에서 인터리브(interleaved) 및 분포(distributed)되는 Rx 및 Tx 아이리스 (irises) 양쪽을 구비한다. 이러한 안테나 엘리먼트의 예는 이하 더욱 상세히 개시된다. 여기에 개시된 RF 공진기는 원통형 피드(cylindrical feed)를 포함하지 않는 안테나에 이용될 수 있음을 주목해야 한다.

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

일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트(603)는 아이리스를 포함하고, 도 7a의 개구면 안테나는 튜닝가능한 액정(LC) 물질을 통해 아이리스를 방사하기 위해 원통형 피드 파로부터 여기(excitation)를 이용하여 형상화된 메인 빔을 발생시키는데 이용된다. 일 실시 예에 있어서, 안테나는 원하는 스캔 각도에서 수평 또는 수직 편파 전계(horizontally or vertically polarized electric field)를 방사하도록 여기될 수 있다.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

및 유출 파에 대한 파동 식으로서

를 갖는,

에 의해 계산된다.

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

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

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

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

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

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

에 따라 변하고, 여기서,

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

일 수 있고, 여기서

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

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

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

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

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

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

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

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

파 산란 엘리먼트의 어레이

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

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

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

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

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

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

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

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

셀 배치

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

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

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

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

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

동시 송수신(Full Duplex) 통신 시스템의 예

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

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

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

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

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

당 업계에서 공지된 방식으로 동작하는 다이플렉서(1445)는 송신을 위해 송신 신호를 안테나(1401)에 제공한다.

컨트롤러(1450)는 안테나(1401)를 제어하고, 단일 결합된 물리적 개구면 상에서 안테나 엘리먼트의 2개의 어레이를 포함한다.

통신 시스템은 상기한 결합기/조정기(combiner/arbiter)를 포함하도록 변형될 것이다. 이러한 경우, 결합기/조정기는 모뎀 이후 그러나 BUC 및 LNB 이전에 있다.

도 14에 도시된 동시 송수신 통신 시스템은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 인터넷 통신, (소프트웨어 업데이팅을 포함하는) 차량 통신 등을 포함하는 다수의 어플리케이션을 갖는다는 점을 주지해야 한다.

여기에 설명된 다수의 예시적인 실시예가 있다.

예 1은 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트를 갖는 비-원형 안테나 개구면; 및 피드파(feed wave)가 중앙 위치로부터 개구면의 엣지로 바깥쪽으로 전파될 수 있도록 하기 위해 안테나 개구면 내의 중앙 위치에서 개구면에 대해 RF 피드파를 공급하기 위한 비-방사상 대칭 방향성 커플러(non-radially symmetric directional coupler);를 구비하는 안테나이다.

예 2는 방향성 커플러가 다른 커플링을 갖는 안테나 개구면의 이산 섹션을 갖도록 구성되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 안테나이다.

예 3은 방향성 커플러가 안테나 개구면 내의 방사상 길이를 기초로 다른 커플링을 갖도록 구성되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 안테나이다.

예 4는 방향성 커플러가 다른 방사상 경로를 따라 다른 속도로 전력이 방사되도록 구성되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 안테나이다.

예 5는 안테나 개구면이 메타표면을 구비하고 RF 방사 안테나 엘리먼트가 표면 산란 메타물질 안테나 엘리먼트인 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 안테나이다.

예 6은 균일한 개구면 조명이 개구면의 엣지에서 반사 없이 유지되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 안테나이다.

예 7은 안테나 개구면이 직사각형, 육각형, 팔각형, 또는 다른 비-방사상-대칭 형상을 갖는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 안테나이다.

예 8은 안테나 개구면이 홀로그래픽 메타표면 안테나 개구면을 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 안테나이다.

예 9는 RF 방사 안테나 엘리먼트가 중앙 위치에 대해 방사상으로 위치되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 안테나이다.

예 10은 RF 방사 안테나 엘리먼트가 중앙 위치에 대해 링 또는 나선, 또는 그 일부분 상에 배치되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 안테나이다.

예 11은 공간을 타일링하는 복수의 비-원형 서브-개구면을 갖춘 안테나 개구면으로, 복수의 서브-개구면의 순시 대역폭이 공간을 덮는 단일 개구면의 순시 대역폭보다 큰, 안테나 개구면; 및 피드파가 중앙 위치로부터 개구면의 엣지로 바깥쪽으로 전파될 수 있도록 하기 위해 상기 각 서브-개구면 안테나 개구면 내의 중앙 위치에서 각 복수의 서브-개구면에 RF 피드파를 공급하기 위한 복수의 비-방사상 대칭 방향성 커플러;를 구비하는 안테나이다.

예 12는 안테나 개구면이 메타표면을 구비하고 RF 방사 안테나 엘리먼트가 표면 산란 메타물질 안테나 엘리먼트인 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 11의 안테나이다.

예 13은 균일한 개구면 조명이 개구면의 엣지에서 반사 없이 유지되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 11의 안테나이다.

예 14는 안테나 개구면이 직사각형, 육각형, 팔각형, 또는 다른 비-방사상-대칭 형상을 갖는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 11의 안테나이다.

예 15는 안테나 개구면이 홀로그래픽 메타표면 안테나 개구면을 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 11의 안테나이다.

예 16은 안테나 개구면이 중앙 위치에 대해 방사상으로 위치되는 RF 방사 안테나 엘리먼트를 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 11의 안테나이다.

예 17은 RF 방사 안테나 엘리먼트가 중앙 위치에 대해 링 또는 나선, 또는 그 일부분 상에 배치되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 16의 안테나이다.

예 18은 개구면이 패치/슬롯 쌍의 슬롯 및 패치를 구비하는 복수의 기판을 구비하고, 복수의 기판 중 하나 이상이 복수의 서브-개구면의 2개 이상의 서브-개구면의 일부인 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 11의 안테나이다.

예 19는 각 복수의 기판이 유리층을 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 11의 안테나이다.

예 20은 표면 산란 메타물질 안테나 엘리먼트를 구비하는 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트를 갖는 메타표면을 구비하는 비-원형 안테나 개구면; 및 피드파가 중앙 위치로부터 개구면의 엣지로 바깥쪽으로 전파될 수 있도록 하기 위해 안테나 개구면 내의 중앙 위치에서 개구면에 RF 피드파를 공급하기 위한 비-방사상 대칭 방향성 커플러;를 구비하는 안테나이다.

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

그러나, 모든 이들 용어 및 유사한 용어는 모두 적절한 물리량과 관련되어야하고 단지 이들 양에 적용되는 편리한 라벨일 뿐이라는 것을 명심해야 한다. 다음 논의에서 명확하게 달리 명시되지 않는 한, 설명 전반에 걸쳐, "처리"또는 "컴퓨팅" 또는 "계산"또는 "결정" 또는 "디스플레잉"등과 같은 용어를 이용하는 논의는, 컴퓨터 시스템의 레지스터 및 메모리 내에서 물리적(전자적) 양으로 표현된 데이터를 컴퓨터 시스템 메모리 또는 레지스터 또는 다른 이러한 정보 저장, 전송 또는 디스플레이 장치 내에서 물리적 양으로서 유사하게 표현된 다른 데이터로 조작하고 변환하는, 컴퓨터 시스템 또는 유사한 전자 컴퓨팅 장치의 행위 및 프로세스를 언급함이 인정된다.

본 발명은 또한 여기서 동작을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 장치는 필요한 목적을 위해 특별히 구성될 수 있거나, 컴퓨터에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 선택적으로 활성화되거나 재구성된 범용 컴퓨터를 포함할 수 있다. 이러한 컴퓨터 프로그램은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 플로피 디스크, 광학 디스크, CD-ROM 및 자기 광학 디스크를 포함하는 소정 형태의 디스크, ROM, RAM, EPROM, EEPROM, 자기 또는 광학 카드, 또는 전자적 명령을 저장하는데 적합하고, 각각 컴퓨터 시스템 버스에 결합됨 소정 형태의 매체와 같은, 컴퓨터 판독가능 저장 매체에 저장될 수 있다.

여기서 제시된 알고리즘 및 디스플레이는 본질적으로 소정의 특정 컴퓨터 또는 다른 장치와 관련이 없다. 다양한 범용 시스템이 여기서의 교시에 따라 프로그램과 함께 이용될 수 있거나, 필요한 방법 단계를 수행하기 위해 더욱 전문화된 장치를 구성하는데 편리함을 입증할 수 있다. 이들 다양한 시스템에 대해 필요한 구조는 이하 설명으로부터 나타날 것이다. 더욱이, 본 발명은 소정의 특정 프로그래밍 언어를 참조하여 설명되지는 않는다. 다양한 프로그래밍 언어는 여기서 설명된 바와 같이 본 발명의 교시를 구현하기 위해 이용될 수 있음이 이해될 것이다.

기계-판독가능 매체는 기계(예컨대, 컴퓨터)에 의해 판독가능한 형태로 정보를 저장하거나 전송하기 위한 소정의 메카니즘을 포함한다. 예컨대, 기계-판독가능 매체는 ROM; RAM; 자기 디스크 저장 매체; 광학 저장 매체; 플래시 메모리 장치; 등을 포함한다.

본 발명의 많은 변경 및 수정은 상기한 설명을 읽은 후 당업자에게 의심의 여지가 없는 반면, 예시로서 도시되고 설명된 소정의 특정 실시 예는 제한적인 것으로 간주되도록 의도되지 않음을 이해해야 한다. 따라서, 다양한 실시 예의 세부 사항에 대한 참조는 그 자체가 본 발명에 필수적인 것으로 고려되는 특징만을 인용하는 청구항의 범위를 제한하려는 것은 아니다.

Claims

무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트를 갖는 비-원형 안테나 개구면; 및
피드파가 중앙 위치로부터 개구면의 엣지로 바깥쪽으로 전파될 수 있도록 하기 위해 안테나 개구면 내의 중앙 위치에서 개구면에 대해 RF 피드파를 공급하기 위한 비-방사상 대칭 방향성 커플러;를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
방향성 커플러가 다른 커플링을 갖는 안테나 개구면의 이산 섹션을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
방향성 커플러가 안테나 개구면 내의 방사상 길이를 기초로 다른 커플링을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
방향성 커플러가 다른 방사상 경로를 따라 다른 속도로 전력이 방사되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
안테나 개구면이 메타표면을 구비하고 RF 방사 안테나 엘리먼트가 표면 산란 메타물질 안테나 엘리먼트인 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
균일한 개구면 조명이 개구면의 엣지에서 반사 없이 유지되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
안테나 개구면이 직사각형, 육각형, 팔각형, 또는 다른 비-방사상-대칭 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
안테나 개구면이 홀로그래픽 메타표면 안테나 개구면을 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
RF 방사 안테나 엘리먼트가 중앙 위치에 대해 방사상으로 위치되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제9항에 있어서,
RF 방사 안테나 엘리먼트가 중앙 위치에 대해 링 또는 나선, 또는 그 일부분 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 안테나.
공간을 타일링하는 복수의 비-원형 서브-개구면을 갖춘 안테나 개구면으로, 복수의 서브-개구면의 순시 대역폭이 공간을 덮는 단일 개구면의 순시 대역폭보다 큰, 안테나 개구면; 및
피드파가 중앙 위치로부터 개구면의 엣지로 바깥쪽으로 전파될 수 있도록 하기 위해 상기 각 서브-개구면 안테나 개구면 내의 중앙 위치에서 각 복수의 서브-개구면에 RF 피드파를 공급하기 위한 복수의 비-방사상 대칭 방향성 커플러;를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제11항에 있어서,
안테나 개구면이 메타표면을 구비하고 RF 방사 안테나 엘리먼트가 표면 산란 메타물질 안테나 엘리먼트인 것을 특징으로 하는 안테나.
제11항에 있어서,
균일한 개구면 조명이 개구면의 엣지에서 반사 없이 유지되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제11항에 있어서,
안테나 개구면이 직사각형, 육각형, 팔각형, 또는 다른 비-방사상-대칭 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
제11항에 있어서,
안테나 개구면이 홀로그래픽 메타표면 안테나 개구면을 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제11항에 있어서,
안테나 개구면이 중앙 위치에 대해 방사상으로 위치되는 RF 방사 안테나 엘리먼트를 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제16항에 있어서,
RF 방사 안테나 엘리먼트가 중앙 위치에 대해 링 또는 나선, 또는 그 일부분 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제11항에 있어서,
개구면이 패치/슬롯 쌍의 슬롯 및 패치를 구비하는 복수의 기판을 구비하고, 복수의 기판 중 하나 이상이 복수의 서브-개구면의 2개 이상의 서브-개구면의 일부인 것을 특징으로 하는 안테나.
제18항에 있어서,
각 복수의 기판이 유리층을 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나.
표면 산란 메타물질 안테나 엘리먼트를 구비하는 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트를 갖는 메타표면을 구비하는 비-원형 안테나 개구면; 및
피드파가 중앙 위치로부터 개구면의 엣지로 바깥쪽으로 전파될 수 있도록 하기 위해 안테나 개구면 내의 중앙 위치에서 개구면에 RF 피드파를 공급하기 위한 비-방사상 대칭 방향성 커플러;를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나.