KR20220110488A

KR20220110488A - 균일한 가열을 위한 아이리스 히터 구조체

Info

Publication number: KR20220110488A
Application number: KR1020227017790A
Authority: KR
Inventors: 카그다스 바렐; 스티븐 에이치. 린
Original assignee: 카이메타 코퍼레이션
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2022-08-08
Also published as: JP2023511654A; WO2021127290A1; US11715871B2; EP4078725A4; US20210184330A1; CN114830438A; EP4078725A1

Abstract

안테나는 무선 주파수(RF) 안테나 엘리먼트와 2개의 기판을 갖는다. 히터 구조체가, RF 안테나 엘리먼트를 가열하기 위해, 2개의 기판 중 적어도 하나에 연결된다. 일 실시예에 있어서, 안테나가: 패치 및 아이리스 기판으로 형성된 무선 주파수(RF) 안테나 엘리먼트의 어레이를 갖춘 물리적 안테나 개구면으로, 아이리스 기판이 아이리스 금속층을 포함하는 복수의 층을 갖춘, 물리적 안테나 개구면; 및 RF 안테나 엘리먼트를 가열하기 위해 아이리스 기판의 복수의 층 중 하나 이상에 결합된 히터 구조체;를 구비한다.

Description

균일한 가열을 위한 아이리스 히터 구조체

본 출원은 2019년 12월 17일에 출원된 미국 가출원 제62/949,361호 및 2020년 12월 14일에 출원된 제17/121,452호로부터의 우선권의 이점을 주장하고, 참고로 통합한다.

본 발명의 기술 분야는 무선 통신에 관한 것으로; 특히 본 발명은 안테나의 내부를 가열하기 위한 가열 구조체를 포함하는 안테나에 관한 것이다.

소정의 안테나 기술은 안테나를 동작 온도로 만들기 위해 안테나의 가열을 요구한다. 예컨대, 액정을 이용하는 소정의 안테나는 액정을 원하는 대로 동작시키기 위해 특정 온도까지 가열된 액정을 갖추어야만 한다.

액정 디스플레이(LCD)와 관련된 종래 기술에 있어서, 예컨대 주변 온도가 -30℃ 내지 -40℃에 도달할 수 있는 자동차 디스플레이 애플리케이션에서의 적절한 동작을 위해 저항성 가열 엘리먼트(resistive heating elements)가 LC를 특정 온도 이상으로 유지하기 위해 이용된다. 이들 가열 엘리먼트는 주(primary) LCD 기판과는 별도 유리 기판(separate glass substrate) 상에 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명 도전체(transparent conductors)로 만들어진다. 이 기판은 열 전도성을 제공하기 위해 주 LCD 기판에 연속적으로 본딩된다. 가열 엘리먼트는 광학 주파수에 대해 투명하기 때문에, 이는 가열 엘리먼트가 신호 경로에 있음에도 불구하고 LCD용 히터를 구현하는 간단하고 실용적인 방법이다.

그러나, 이 접근 방식은 LC 기반 안테나를 고려할 때 실현 가능하지 않다. ITO 및 유사 물질은 RF 주파수에서 투명하지 않기 때문에, RF 신호의 경로에 이들 형태의 히터 엘리먼트를 배치하는 것은 RF 신호를 감쇠시키고 안테나 성능을 저하시킬 것이다.

결과적으로, LC 기반 안테나의 종래 기술의 실시예는 LC 층이 있는 안테나의 내부 부분을 가열하기 위해 양호한 열 특성을 갖는 금속 피드 구조체(metal feed structure) 또는 다른 벌크 기계적 구조체(bulk mechanical structures)에 부착된 저항성 가열 엘리먼트(resistive heating elements)를 이용한다. 그러나, 저항 발열체는, 단열재(thermal insulators)의 층을 포함하는, 안테나 스택-업(stack-up)에서의 다수의 층에 의해 LC 층과 물리적으로 분리되기 때문에, 훨씬 더 많은 열 전력이 LCD 구현에 비해 액정을 가열하기 위해 인가되어야만 한다.

LC 기반 안테나 히터의 다른 구현은 안테나 개구면의 엣지로부터 LC 층을 가열하도록 시도한다. 이들 실시예는 400-500W의 전력을 필요로 하고 LC 층을 동작 온도로 만들기 위해 이 전력에서 30-40분이 필요하다. 이는 가열 전력 자원의 비효율적인 이용이다.

안테나는, 무선 주파수(RF) 안테나 엘리먼트와, RF 안테나 엘리먼트를 가열하기 위한, 2개의 기판 중 적어도 하나에 연결된 히터 구조체를 갖는 2개의 기판(예컨대, 아이리스 기판 및 패치 기판)을 갖는다. 일 실시예에 있어서, 안테나는: 패치 및 아이리스 기판으로 형성된 무선 주파수(RF) 안테나 엘리먼트의 어레이를 갖춘 물리적 안테나 개구면으로, 아이리스 기판이 아이리스 금속 층을 포함하는 복수의 층을 갖춘, 물리적 안테나 개구면; 및 RF 안테나 엘리먼트를 가열하기 위해 아이리스 기판의 복수의 층 중 하나 이상에 결합된 히터 구조체;를 구비한다. 실시예의 다른 측면 및 이점은 설명된 실시예의 원리를 예로서 예시하는 첨부 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

설명된 실시예 및 그 이점은 첨부 도면과 함께 취해진 다음의 설명을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있다. 이들 도면은 설명된 실시예의 사상 및 범위로부터 벗어나는 것 없이 당업자에 의해 설명된 실시예에 대해 이루어질 수 있는 형태 및 상세내용의 소정의 변경을 결코 제한하지 않는다.
도 1a는 안테나 개구면에서 RF 안테나 엘리먼트를 가열하는데 이용되는 가열 엘리먼트의 예를 예시하는 것으로, 가열 와이어는 동일한 라인 길이를 가지면서 RF 엘리먼트 사이에서 게이트 라우팅(gate routing) 및 히터 라우팅(heater routing)을 따른다.
도 1b는 동일하지 않은 길이 및 그 단면이 서로 동일하지 않은 가열 와이어를 갖춘 안테나 개구면 상의 가열 와이어의 실시예를 예시한다.
도 2a 내지 도 2c는 아이리스 및 패치 층을 갖춘 안테나 개구면의 예시적인 단면, 또는 측면도를 예시한다.
도 3a는 동일한 길이의 히터 와이어를 위한 안테나 개구면 상에 집적된 히터 전원 버스 배치(heater power bus placement) 예를 예시한다.
도 3b는 동일하지 않은 길이의 히터 와이어를 위한 안테나 개구면 상에 집적된 히터 파워 버스 배치의 예를 예시한다.
도 4a는 히터 버스를 히터 전원 공급장치에 연결하는데 이용하기 위한 히터 버스 연결 구성을 예시한다.
도 4b는 씰 아래로 연장되어 아이리스 오버행(iris overhang) 상의 본드 패드 구조체(bond pad structure)로 나가는 개구면 내부의 히터 와이어에 연결하는 히터 버스의 일반적인 단면을 예시한다.
도 5는 아이리스층으로부터 경계 씰(border seal) 내부의 패치층(patch layer)까지 걸쳐 전기적으로 교차하는 히터 파워 버스의 실시예에 대해 예시한다.
도 6은 아이리스층으로부터 경계 씰 구조체 내의 패치 층까지 히터 버스 전기적 크로스오버(heater bus electrical cross-over)의 하나의 실시예를 예시한다.
도 7a 내지 도 7c는 여러 온도에서의 전형적 TFT 전압 대 전류 곡선이다.
도 8a는 TFT(또는 다른 형태의 트랜지스터)를 이용하여 LC의 온도의 추정을 결정하기 위한 프로세스의 일 실시예의 흐름도이다.
도 8b는 온도 측정 회로의 예를 예시한다.
도 8c는 도 8a와는 다른 방식으로 구성된 TFT(또는 다른 형태의 트랜지스터)를 이용하여 LC의 온도의 추정을 결정하기 위한 프로세스의 일 실시예의 흐름도이다.
도 8d는 도 8c의 절차를 이용하는 TFT에 대한 온도 모니터링 회로의 다른 예를 예시한다.
도 9는 RF 안테나 엘리먼트에서 LC의 온도를 결정하기 위해 LC의 캐패시턴스를 결정하기 위한 회로를 예시한다.
도 10은 원통형으로 급전된 안테나(cylindrically fed antenna)의 입력 피드(input feed) 주위의 동심 링(concentric rings)에 배치된 안테나 엘리먼트의 하나 이상의 어레이를 갖춘 개구면을 예시한다.
도 11은 접지 평면(ground plane) 및 재구성가능 공진기 층(reconfigurable resonator layer)을 포함하는 하나의 행의 안테나 엘리먼트의 사시도를 예시한다.
도 12는 튜닝가능 공진기/슬롯(1210; tunable resonator/slot)의 일 실시예를 예시한다.
도 13은 물리적 안테나 개구면(physical antenna aperture)의 일 실시예의 단면도를 예시한다.
도 14a는 슬롯에 대응하는 장소를 갖는 제1 아이리스 경계 층(first iris board layer)의 일부를 예시한다.
도 14b는 슬롯을 포함하는 제2 아이리스 경계 층의 일부를 예시한다.
도 14c는 제2 아이리스 경계 층의 일부에 결치는 패치를 예시한다.
도 14d는 슬롯형 어레이의 일부의 평면도를 예시한다.
도 15는 원통형으로 급전된 안테나 구조체의 일 실시예의 측면도를 예시한다.
도 16은 유출 파(outgoing wave)를 갖는 안테나 시스템의 다른 실시예를 예시한다.
도 17는 안테나 엘리먼트에 대한 매트릭스 구동 회로(matrix drive circuitry)의 배치의 일 실시예를 예시한다.
도 18은 TFT 패키지의 일 실시예를 예시한다.
도 19는 텔레비전 시스템에서 동시에 이중 수신(dual reception)을 수행하는 통신 시스템의 일 실시예의 블록도이다.
도 20은 동시 전송과 수신 경로(simultaneous transmit and receive paths)를 갖춘 통신 시스템의 다른 실시예의 블록도이다.
도 21a 및 도 21b는 히터 패턴(heater pattern)이 부착된 슈퍼스트레이트(superstrate)의 예를 예시한다.
도 22는 메타물질 안테나용 히터의 실시예에서 아이리스 금속층 및 히터 버스 금속을 예시한다.
도 23은 RF 안테나 엘리먼트 근처의 히터 트레이스(heater trace)의 단면을 예시한다.
도 24는 단일 버스 평면(아이리스 금속)을 갖는 균일한 아이리스 히터를 예시한다.
도 25a 및 도 25b는 각각 아이리스 금속 아래(좌측) 및 아이리스 금속 위(우측)의 히터 트레이스(heater trace)를 예시한다.
도 26은 스페이서/히터 구조체(spacer/heater structure)의 단면도를 예시한다.
도 27은 히터 번들(heater bundles) 및 히터 버스 세그먼트(heater bus segments)를 예시한다.
도 28은 세그먼트화된 히터 버스 설계의 저항성 모델(resistive model)을 예시한다.

이하의 설명에 있어서, 많은 상세내용이 본 안테나의 더욱 철저한 설명을 제공하기 위해 제시된다. 그러나, 다양한 실시예가 이들 특정 상세내용의 변형으로, 또는 아마도 심지어는 없이도 실시될 수 있음이 당업자에게는 명백할 것이다. 다른 예에 있어서, 잘 알려진 구조와 장치는 본 발명을 모호하게 하는 것을 회피하기 위해상세하게 보다는 블록도 형태로 도시된다.

안테나의 실시예는 LC-기반의 무선 주파수(RF) 안테나 개구면의 내부에 히터(예컨대, 가열 엘리먼트)를 배치하기 위한 기술을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 히터 및/또는 히터 구조체는 RF 엘리먼트 근처의 안테나 개구면 내부 그리고 RF 안테나 엘리먼트의 일부인 액정(LC)에 더 가깝게 배치된다. 이는 개구면을 더욱 직접 가열하고, 히터 전원 요구를 줄이며, 그리고 개구면, 예컨대 피드 구조체의 후면 상에서 저항성 가열 엘리먼트 내부의 온도를 상승시키는 더욱 간접 가열 방법을 이용하는 기술을 뛰어 넘어 온도 상승 시간을 단축시킬 수 있다.

일 실시예에 있어서, LC 기반의 무선 주파수(RF) 안테나 개구면은 RF 안테나 엘리먼트(예컨대, 표면 산란 메타물질 안테나 엘리먼트)의 패치 및 아이리스를 포함하는 한 쌍의 기판(예컨대, 유리층)을 포함하고, 히터 구조체는 하나 또는 양쪽 기판의 금속층에 집적된다. 일 실시예에 있어서, 이는 히터 구현이 개구면의 RF 특성을 간섭하지 않는 방식으로 수행된다. 일 실시예에 있어서, 히터 엘리먼트(예컨대, 히터 트레이스(heater traces))는 개구면 내에 더 많은 직접 가열을 제공하는 동안 RF 간섭을 감소시키고, 잠재적으로 제거하는 위치에서 안테나 개구면 내에 위치된다. 일 실시예에 있어서, 이는 RF 엘리먼트와 거의 동일한 평면 상에서 RF 엘리먼트 사이에 가열 엘리먼트를 놓는 것에 의해 달성된다. 일 실시예에 있어서, 히터 엘리먼트의 위치는 패치/아리리스 슬롯-어레이 안테나(patch/iris slotted-array antenna)의 일부인 아이리스층의 아이리스 엘리먼트와 동일한 평면에 있다. 개구면 내측의 히터 와이어링(heater wiring)을 아이리스 금속과 거의 동일한 평면 상으로 이동시키는 것에 의해, RF 신호에 따른 가열 와이어(heating wires)의 상호작용이 감소되고, 잠재적으로 최소화된다.

여기에 개시된 기술은 안테나 개구면 내 온도를 검출하기 위한 방법을 또한 포함한다. 일 실시예에 있어서, 온도는 트랜지스터 뒤판(backplane) 상에서 직접적으로 트랜지스터로부터 검출된다. 일 실시예에 있어서, 트랜지스터 뒤판은 박막 트랜지스터(TFT) 뒤판이다. 일 실시예에 있어서, 트랜지스터 뒤판 상의 트랜지스터가 LC나 다른 물질과 접촉하면, 트랜지스터의 온도를 검출하는 것은 LC/물질의 온도의 표시(indication)를 제공한다.

여기에 개시된 기술은 히터 시스템의 비용을 줄이고, 더 적은 전원을 요구하며, 개구면 온도의 상승 시간을 감소시키고, 안테나를 제어하기 위해 이용되는 컨트롤러 보드의 점유공간을 축소시킨다. 더욱 구체적으로, 일 실시예에 있어서, 여기에 개시된 기술은 75-100 와트의 전원을 필요로 하고, 20분 안에 LC층 온도를 동작 온도로 가져오게 된다.

더욱이, 전형적으로 온도는 패치 및 아이리스 유리층과 LC층을 포함하는 유리 조립체로부터 실질적으로 물리적으로 제거되는 브레이크-아웃(break-out) 인쇄 회로 기판(PCB) 상에서 감지된다. 유리 상에서의 온도 감지(On-glass temperature sensing)는 열 관리 피드백 루프의 더욱 세밀한 제어를 제공한다.

히터 실시예의 개관

일 실시예에 있어서, 히터 구조체는 여러 부품으로 구성된다: 히터 엘리먼트, 히터 엘리먼트를 공급하기 위한 히터 전원 버스(heater power buses), 그리고 히터 전원 버스를 개구면 외부 및/또는 내부에 위치한 히터 전원 공급장치(heater power supplies)에 연결하기 위한 연결 구조. 일 실시예에 있어서, 히터 엘리먼트는 와이어(wires)이다. 일 실시예에 있어서, 히터 전원 버스(heater power buses)는 저항이 매우 낮다.

히터 와이어링, 히터 버스 및 히터 연결부의 구현은, 구현에 따라, 개구면 제조 동안 도전체 층(conductor layers), 패시베이션층(passivation layers), 비어 구멍(via openings) 등의 부가적 증착을 필요로 할 수 있다. 이들 부가적 층은 히터 구조체를 구축하고, 다른 구조체로부터 전기적 또는 화학적으로 히터 구조체를 분리하며, 필요에 따라 기존 개구면 구조체에 대해 히터용 인터페이스를 제공하도록 기능할 수 있다.

가열 와이어 (Heating Wires)

개구면의 가열이 균일하게 야기됨이 바람직하다. 이 목적을 달성할 수 있는 가열 와이어의 2가지 구성이 여기서 설명된다.

일 실시예에 있어서, 가열 와이어는 동일한 길이이고, 이들 가열 와이어의 단면은 가열 와이어의 길이에 걸쳐 그리고 가열 와이어에서 가열 와이어까지 치수에서 동일(또는 유사)하다. 전체적으로, 이는 개구면에 걸쳐 단위 영역 당 동일한 전원 손실(power dissipation)을 제공한다. 일 실시예에 있어서, 가열 와이어는 개구면 품질 영역에 고르게 분포되고, 가열 와이어는 패치나 아이리스와 교차하거나 접촉하지 않는, 아이리스 사이에 놓인다. 일 실시예에 있어서, 가열 와이어는 개구면 영역을 가로질러 서로 떨어진 동일한 거리(동일한 피치)에 가깝게 있다.

도 1a는 안테나 개구면에서 RF 안테나 엘리먼트를 가열하는데 이용되는 가열 엘리먼트의 예를 나타내는 것으로, 가열 와이어는 동일한 라인 길이를 갖고 RF 엘리먼트 사이에서 게이트 라우팅(gate routing)과 히터 라우팅(heater routing)을 따른다. 일 실시예에 있어서, 게이트 라우팅은, 이하 보다 상세히 설명되는, 액정-기반 RF 안테나 엘리먼트를 턴 온 및 오프하는 게이트를 제어하는 라우팅이다.

도 1a를 참조하면, 안테나 개구면 세그먼트(100; antenna aperture segment)는 RF 안테나 엘리먼트의 안테나 배열의 1/4을 보여준다. 일 실시예에 있어서, 4개의 안테나 개구면 세그먼트가 전체 어레이를 형성하기 위해 함께 결합된다. 다른 수의 세그먼트가 전체 안테나 어레이를 구성하기 위해 이용될 수 있음을 주지해야 한다. 예컨대, 일 실시예에 있어서, 세그먼트는 RF 안테나 엘리먼트의 원형 어레이를 형성하는 함께 결합된 이러한 3개의 세그먼트로 형상지워진다. 안테나 세그먼트와 그들을 함께 결합하는 방식에 대한 더 많은 정보에 대해, 2016년 3월 3일자로 출원된, 발명의 명칭이 "원통형 피드 안테나용 안테나 엘리먼트 배치(ANTENNA ELEMENT PLACEMENT FOR A CYLINDRICAL FEED ANTENNA)"인, 미국 출원 특허 공개 No. US2016/0261042호, 및 2016년 3월 3일에 출원된, 발명의 명칭이 "원통형 피드 안테나의 개구면 세그먼테이션(APERTURE SEGMENTATION OF A CYLINDRICAL FEED ANTENNA)"인, 미국 출원 특허 공개 No. US2016/02643호를 참조한다. 여기서 설명하는 기술은 안테나 개구면 세그먼트와 함께 동작하도록 제한되지 않으며, RF 안테나 엘리먼트의 전체 어레이를 포함하는 단일 개구면에 대해 이용될 수 있음을 주지해야 한다.

가열 와이어(엘리먼트)(101)가 안테나 개구면 세그먼트(100) 상에 도시된다. 일 실시예에 있어서, 가열 와이어(101; heating wires)는 길이가 동일하다. 일 실시예에 있어서, 가열 와이어(101)는 안테나 어레이의 RF 안테나 엘리먼트(도시되지 않았음) 사이에 위치된다. 일 실시예에 있어서, 가열 와이어(101)는 어레이의 개별 RF 안테나 엘리먼트를 턴 온 및 오프하도록 게이트를 제어하기 위해 이용되는 게이트 라인을 따른다. 일 실시예에 있어서, 가열 와이어(101)는 RF 엘리먼트 사이에서 동일한 거리이다.

일 실시예에 있어서, 가열 와이어(101)는 서로에 대해 동일한 거리이다. 즉, 가열 와이어 쌍 사이의 간격(separation)은 동일하다. 이는 요구사항은 아니지만, 안테나 개구면의 더욱 균일한 가열을 제공하는 데 도움이 될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 안테나 어레이의 안테나 엘리먼트가 링(rings)에 위치할 때, 가열 와이어(101)의 개별 가열 와이어는 RF 안테나 엘리먼트의 2개의 연속적인 링 사이에서 동일한 거리이다. 대안적인 실시예에 있어서, 가열 와이어 쌍 사이의 간격은 동일하지 않다.

도 1a에 도시된 히터 와이어링은 와이어링의 상대적 위치 및 라우팅을 나타내지만, 와이어링 크기나 와이어 수를 나타내지 않음을 주지해야 한다. 예컨대, 일 실시예에 있어서, 모든 다른 와이어는 가열이 영역에 걸쳐 균일하게 제공되는 필요한 가열을 제공하는 나머지 와이어와 함께 제거될 수 있다. 가열 와이어의 크기와 관련하여, 그들의 크기는 가열 와이어 자체의 재료 특성과 와이어가 제공할 가열의 양을 기초로 한다.

일 실시예에 있어서, 가열 와이어(101)의 가열 와이어 단면(높이 및 폭)은 다음 방법으로 선택된다. 첫째, 개구면 영역을 가열하기 위한 필요한 전원은, 가열 와이어의 수 및 길이에 따른 주어진 원하는 히터 공급 전압에 대해, 가열 와이어에 대한 저항(resistance)으로 변환된다. 결국, 이 저항값(resistance value)은 필요한 가열 와이어 단면을 결정하기 위해 가열 와이어 재료의 특성과 함께 이용된다. 다른 고려 사항이, 제조 수율을 포함하지만, 이에 제한되지 않는, 가열 와이어 단면을 선택하기 위해 이용될 수 있음을 주지해야 한다.

다른 실시예에 있어서, 가열 와이어는 길이가 동일하지 않고 그들의 단면도 동일하지 않다. 다른 실시예에 있어서, 동일하지 않은 길이를 갖는 가열 와이어가 RF 엘리먼트 사이에서 동심원 원호(concentric arcs)에 있다. 다른 실시예에 있어서, 히터 와이어 폭은 동일하고, 와이어 높이는 개구면 영역에 걸쳐 단위 영역당 균일한 전원을 제공하기 위해 세그먼트의 중앙으로부터 방사상으로(radially) 조정된다.

도 1b는 동일하지 않은 길이이고 그들의 단면이 서로 동일하지 않은 가열 와이어를 갖춘 안테나 개구면 상의 가열 와이어를 나타낸다. 도 1b를 참조하면, 가열 와이어(111)가 안테나 개구면 세그먼트(110) 상에 도시되고, 이는 도 1a에 도시된 것과 동일한 형태의 개구면 세그먼트이다. 일 실시예에 있어서, 다수의 안테나 개구면이 완전한 안테나 어레이를 형성하기 위해 함께 결합된다. 도 1a에서와 같이, 일 실시예에 있어서, 가열 와이어는 RF 엘리먼트 사이에서 라우팅된다(routed). 일 실시예에 있어서, 해당 라우팅은 안테나 엘리먼트를 제어하는 게이트를 위한 게이트 라우팅을 따른다.

일 실시예에 있어서, 목적은 여전히 단위 영역당 거의 균일한 전원 손실(uniform power dissipation)을 제공하는 것이다. 그러나, 이 경우, 가열 와이어 단면의 높이는 가열 와이어가 동일하지 않은 길이임에도 불구하고 영역당 동일한 전원 손실을 제공하도록 저항과 전류를 제어하기 위해 개구면 영역에 걸쳐 변화된다.

도 1b에 도시된 히터 와이어링은 와이어링의 상대적 위치 및 라우팅을 나타내지만, 와이어링 크기나 와이어의 수를 나타내지 않음을 주지해야 한다. 가열 와이어의 크기와 관련하여, 그들의 크기는 가열 와이어 자체의 재료 특성과 와이어가 제공할 가열의 양을 기초로 한다.

일 실시예에 있어서, 가열 와이어는 아이리스 특징 사이에 놓이고 패치/슬롯 쌍을 갖춘 안테나 엘리먼트의 튜닝가능 슬롯 어레이(tunable slotted array)에서 패치 또는 아이리스 특징을 교차하거나 접촉하지는 않는다. 도 2에서 제공된 예시적 예에 있어서, 가열 와이어는, 가열 와이어의 부가적 내부 및 외부 링과 함께, 아이리스/패치 엘리먼트의 링 사이의 중간에서 링에 놓인다. 일 실시예에 있어서, 가열 와이어링의 링은 개구면 영역에 걸쳐 동일한 방사 피치(same radial pitch)에서 동심원 링 상에 있다. 일 실시예에 있어서, 히터 와이어링 방사 피치는 RF 엘리먼트와 동일한 방사 피치이다. 대안적 실시예에 있어서, 히터 와이어링 방사 피치는 RF 엘리먼트의 방사 피치와는 동일하지 않다.

일 실시예에 있어서, 히터 와이어는 RF 엘리먼트 사이에서 등거리(equidistant)에 가깝게 놓인다.

도 2는 아이리스와 패치층을 갖춘 안테나 개구면의 예시적 단면, 또는 측면도를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 패치 유리층(201; patch glass layer)과 아이리스 유리층(202; iris glass layer)은 서로에 대해 분리되고 튜닝가능 슬롯 어레이를 형성하기 위해 각각 패치 및 아이리스 슬롯을 포함한다. 이러한 어레이는 잘 알려져 있고 또한 이하 더욱 상세히 설명된다. 일 실시예에 있어서, 패치 유리층(201) 및 아이리스 유리층(202)은 유리 기판(glass substrates)이다. 패치층과 아이리스층은 각각 패치 유리층(patch glass layer)과 아이리스 유리층(iris glass layer)으로서 아래에 언급될 수 있음을 주지해야 한다. 그러나, 여기서 목적을 위해, "패치 유리층(patch glass layer)"과 "아이리스 유리층(iris glass layer)"을 포함하는 실시예는 기판이 유리 이외일 때 각각 "패치 기판층(patch substrate layer)"과 "아이리스 기판층(iris substrate layer)"(또는 패치 기판과 아이리스 기판)으로 구현될 수 있음을 이해해야 한다.

패치 금속층(patch metal layer)의 일부로서, 패치 금속(211; patch metal)이 패치 유리층(201) 상에 제조된다. 패시베이션 패치층(231; passivation patch layer)이 패치 금속(211) 및 패치 금속층에 걸쳐 제조된다. 액정(LC; liquid crystal) 정렬층(213; alignment layer)이 패시베이션 패치층(231)의 상부 상에 제조된다. 아이리스 금속층인, 아이리스 금속(212)의 섹션이 아이리스 유리층(202) 상에 제조된다. 여기서 아이리스 패시베이션층 1 또는 패시베이션 아이리스층으로 또한 언급될 수 있는, 패시베이션층(232)은 아이리스 금속(212)에 걸쳐 제조된다. 가열 와이어로 또한 터닝(turned)될 수 있는, 히터 와이어(240)는 패시베이션 층(232)의 상부 상에 제조된다. 일 실시예에 있어서, 히터 와이어(240)는 한 쌍의 아이리스 엘리먼트 사이에서 동일한 거리에 가깝다. 다른 가열 와이어 또한 이러한 방식으로 아이리스 엘리먼트 사이에 위치된다. 여기서 아이리스 패시베이션층 2로서 또한 언급될 수 있는, 다른 패시베이션층(233), 또는 다른 패시베이션 아이리스층이 패시베이션층(232) 및 히터 와이어(240)에 걸쳐 제조된다. LC 정렬층(213; LC alignment layer)이 패시베이션층(233)의 상부 상에 제조된다.

LC 정렬층(213)은 기술이 잘 알려진 방식으로 단일 방향을 가리키도록 LC(260)를 정렬하는데 이용된다.

히터 전원 버스(Heater Power Buses)

전원 버스가 가열 와이어에 전원을 공급하기 위해 제공된다. 이들 예는 이하 도면에서 설명된다. 일 실시예에 있어서, 전원 버스는 히터 와이어와 비교할 때 몇 자릿수 만큼 낮은 저항이어서, 버스의 일단으로부터 타단까지 작은 전압 강하가 있고, 따라서 모든 가열 와이어가 가열 와이어의 각 버스 단부에서 동일한 전압을 가질 수 있다. 이는 가열 와이어의 네트워크에 대한 전원 분배(power distribution)를 더 단순하게 관리할 수 있게 한다.

일 실시예에 있어서, 히터 버스는 가열 와이어가 가열 와이어의 각 종단에서 적절한 공급 전압에 연결될 수 있도록 개구면 내부에 배치된다.

일 실시예에 있어서, 히터 버스는 단지 히터 와이어 네트워크에 전원을 공급하기 위한 목적으로 개구면에 배치된 별도의 구조체이다.

다른 실시예에 있어서, 개구면의 기존의 구조체는 또한 히터 버스로서 작용하도록 이용될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 히터 버스(또는 버스)는 개구면의 씰 구조체(seal structure)에 내장된다. 다른 경우에 있어서, 아이리스 금속(예컨대, 구리) 평면은 가열 와이어를 위한 싱크(sink) 또는 소스 전류(source current)에 대한 히터 버스(heater bus)로서 이용될 수 있다.

도 3a는 동일한 길이의 히터 와이어를 위한 안테나 개구면 상에 집적된 히터 전원 버스 배치의 예를 나타낸다. 도 3a를 참조하면, 전체 안테나 어레이를 형성하기 위해 함께 결합되는 안테나 세그먼트 중 하나를 나타내는 안테나 개구면 세그먼트(300)는, 여기서 히터 전원 버스 라인으로 또한 언급될 수 있는, 히터 버스 라인(301, 302; heater bus lines)을 포함한다. 히터 버스 라인(301, 302)은 가열 와이어(303)에 전기적으로 연결되어 전원을 공급한다.

도 3b는 동일하지 않은 길이의 히터 와이어를 위한 안테나 개구면 상에 집적된 히터 전원 버스 배치의 예를 예시한다. 도 3b를 참조하면, 여기서 또한 히터 전원 버스로서 언급될 수 있는, 히터 버스(304, 308)가 안테나 개구면 세그먼트(310) 상에서 가열 와이어(305)에 전기적으로 연결된다.

전원 공급 연결을 위한 히터 버스(Heater Bus to Power Supply Connection)

일 실시예에 있어서, 개구면의 내부 상의 히터 버스는 히터 전원 공급장치에연결하기 위해 개구면 구조체의 외부로 나온다. 일 실시예에 있어서, 이는 안테나 개구면의 외부 부분에서 경계 씰 구조체를 통해 히터 버스를 개구면 경계 씰 외부의 개구면의 층 중 하나 상의 금속화 층(metallization layer)에 연결하는 것에 의해 달성될 수 있다. 예컨대, 하나의 이러한 금속화 층은 아이리스 유리층 또는 패치 유리층 상에 있다. 이 금속화는 씰 내부의 히터 버스에 연결되고 씰 내부로부터, 씰을 통해 연장되고, 서로를 넘어 연장되는 패치 또는 아이리스 유리층의 부분까지 나간다. 이들은 오버행 구역(overhang regions)으로 언급될 수 있다. 이러한 경우, 그러한 오버행 구역 아래의 패치 또는 아이리스 유리층의 부분은 언더-행 구역(under-hang regions)으로 언급될 수 있다.

도 4a와 4b는 아이리스 유리층 오버행 상으로 나온 경계 씰을 통해 들어오는 버스의 예를 보여주고 있다. 일 실시예에 있어서, RF 개구면은, 이 경우, 절단되어, 아이리스 유리층과 패치 유리층 양쪽은 오버행 구역을 갖는다(기판은 금속화 면과 대향하는 유리층에 의해 면하지 않는 금속화된 구역을 갖는다). 아이리스와 패치층이 여기서 때때로 유리층으로서 설명될 수 있지만, 유리로 되는 것으로 제한되지 않고, 다른 형태의 기판으로 구성할 수도 있음을 주지해야 한다.

도 4a는 히터 버스를 히터 전원 공급장치에 연결하는데 이용하기 위한 히터 버스 연결부 구성을 예시한다. 도 4a를 참조하면, 일 실시예에 있어서, 히터 전원 공급장치(도시되지 않았음)는 가열 와이어를 포함하는 안테나 엘리먼트 어레이(430)와 같은 안테나 엘리먼트 어레이의 외부에 위치된다. 안테나 개구면 세그먼트(400)는 여기서 논의한 패치된 층과 아이리스층을 포함한다. 아이리스 오버행(401, 402)으로 언급된, 아이리스층의 부분은 패치층의 부분에 걸쳐 연장된다. 마찬가지로, 여기서 패치 오버행(403)으로 언급된, 패치 유리층의 일부는 아이리스 유리층의 일부를 넘어 연장된다. 아이리스 유리층과 패치 유리층은 개구면 경계 씰(460)과 함께 씰링된다. 히터 전원 버스(410)는 씰 교차점(421; seal crossing)에서 경계 씰(460)과 교차한다. 히터 버스(411)는 씰 교차점(420)에서 경계 씰(460)과 교차하고 전원 공급장치에 연결된다. 양 경우에 있어서, 히터 버스(410)와 히터 버스(411)는 안테나 개구면 세그먼트(400)를 나가는 것에 의해 전원 공급장치를 통해 연결할 수 있다. 안테나 개구면 세그먼트(400)는 안테나 엘리먼트 어레이(430)의 가열 와이어(481)에 전기적으로 연결된, 여기서 또한 히터 전원 버스로 언급될 수 있는, 히터 버스(410, 411)를 포함한다.

도 4b는 씰 아래로 연장되어 아이리스 오버행 상의 본드 패드 구조체(bond pad structure)로 나오는, 개구면 내부의 히터 와이어에 연결되는 히터 버스의 일반적인 단면이다. 도 4b를 참조하면, 히터 버스 금속(443; heater bus metal)은 패시베이션층(446)의 상부 상의 아이리스 유리층(431) 상의 경계 씰, 경계 씰 접착제(450; border seal adhesive) 아래로 간다. 따라서, 히터 버스 금속(443)은 경계 씰 접착제(450) 아래에 있다. 경계 씰 접착제(450)는 그 위에 제조된 층을 포함하는 아이리스 유리층(431)에 패치 유리층(430)을 결합시킨다.

가열 와이어(444)는, 패시베이션층(446)과 히터 버스 금속(443)의 일부분의 상부 상에 증착되고, 그에 의해 히터 와이어(444)로 히터 버스 금속(443)에 전기적으로 연결된다. 히터 와이어(444)는, 아이리스 금속(445)의 상부 상에서 제조되고 히터 버스 금속(443)의 부분 상에서 제조되는, 패시베이션층(441)의 부분 상에서 제조된다. 대안적 실시예에 있어서, 히터 버스 금속(443)과 가열 와이어(444) 사이에는 히터 버스 금속(443)과 가열 와이어(444)를 연결하는, 패시베이션층을 통해, 비어(via)를 갖는, 패시베이션층이 있다.

패시베이션층(441)은 가열 와이어(444)의 상부 및 히터 버스 금속 (443; heater bus metal)의 적어도 일부분 상에 제조된다. 정렬층(432; alignment layer)은 패시베이션층(441)의 상부 상에 제조된다. 패시베이션층(441)은 또한 패치 유리층(430)의 바닥 상에 제조된다. 마찬가지로, 정렬층(432)은 패치 유리층(430) 상의 패시베이션층(441)의 일부분에 걸쳐 제조된다. 히터 와이어(444)는 사이에 비어 및 패시베이션층 없이 히터 버스 금속(443)의 상부에 직접 증착되는 것으로 도시되어 있지만, 대안적 실시예에 있어서, 패시베이션의 다른 층이 비어를 이용해서 만들어지는 2개 사이에 전기적 연결을 갖는 히터 버스 금속(443)과 히터 와이어(444) 사이에 증착된다. 이 패시베이션의 층은 히터 와이어 금속이 에칭되는 동안 히터 버스 금속을 보호한다.

본드 패드/커넥터 구조체(442; bond pad/connector structure)는 전원 공급장치를 히터 버스 금속(443)에 전기적으로 연결하기 위한 위치이다.

히터 버스에 대한 전원은, 경계 씰 자체 내 또는 경계 씰의 외부에서, 개구면의 패치 유리층 측으로부터 경계 씰 내부의 개구면의 아이리스 유리층 측까지 가로지를 수 있다. 히터 버스를 패치층 오버행으로 가져오게 하는 것은 컨트롤러 전자기기에서 개구면까지 나머지 인터페이스 라인을 위해 이용되는 커넥터 내에서 히터 연결을 만들 수 있다는 장점을 갖는다. 이하의 도면은 경계 씰 내부 및 내에서 이를 수행하는 방법을 나타낸다.

도 5는 아이리스층으로부터 경계 씰 내부의 패치층에 걸쳐 전기적으로 교차하는 히터 전원 버스의 실시예를 예시한다. 도 5를 참조하면, 패치 유리층(501)이 아이리스 유리층(502)에 걸쳐 도시된다. 패치 유리층(501) 및 아이리스 유리층(502) 상에 제조된 다수의 층이 있고, 경계 씰 접착제(521; border seal adhesive)는 이들 두 기판을 함께 결합시킨다. 일 실시예에 있어서, 패치 유리층(501) 및 아이리스 유리층(502)은 유리층을 구비하지만, 다른 형태의 기판일 수도 있다.

아이리스 금속층(541)은 아이리스 유리층(502)의 상부 상에 제조된다. 패시베이션층(531)은 아이리스 금속(541) 및 아이리스 금속(541)이 없는 아이리스 유리층(502)의 상부 상에 제조된다. 패시베이션층(531)에 걸쳐 히터 버스 금속(512)을 구비한다. 아이리스 금속(541)에 결쳐 있는 패시베이션층(531)에 걸쳐 패시베이션층(550)이 있다. 가열 와이어(510)가 패시베이션층(550)의 상부 상 및 히터 버스 금속(512)의 일부분의 상부 상에 제조된다. 대안적 실시예에 있어서, 히터 버스 금속(512)과 가열 와이어(510) 사이에는 히터 버스 금속(512)과 가열 와이어(510)를 연결하는 패시베이션층을 통해 비어를 갖는 패시베이션층이 있다. 패시베이션층(530)은, 패시베이션층(530)의 상부 상에 정렬층(440)을 갖는, 가열 와이어(510) 또는 가열 와이어(510)의 적어도 일부에 걸쳐 제조된다. 패치 유리층(501) 상에는 패시베이션층(532)이 제조된다. 패시베이션층(532)의 상부 상에는 히터 버스를 공급하는 히터 버스 공급 금속화부(511; heater bus supply metallization)가 있다. 패시베이션층(530)은 히터 버스 공급 금속화부(511)의 일부를 덮는 한편, 정렬층(540)은 패시베이션층(530)의 일부를 덮고 LC(560)를 정렬하기 위해 이용된다. 본드/커넥터 구조체(513; bond/connector structure)가 히터 전원 버스와 외부 전원 공급장치(도시되지 않았음) 사이에서 전기적 연결을 허용하도록 위치된다.

도전성 크로스오버부(520; conductive cross-over)는 히터 버스 공급 금속화부(511)를 히터 버스 금속(512)에 전기적으로 연결하여, 커넥터 구조체(513)에 연결된 전원 공급장치가 가열 와이어(510)에 전원을 제공하는 히터 버스 금속(512)에 도전체 크로스오버부(520)를 통하고 히터 버스 공급 금속화부(511)를 통해 전원을 공급한다.

도 6은 경계 씰 구조체 내에서 아이리스층으로부터 패치층까지 히터 버스 전기적 크로스-오버부의 일 실시예를 예시한다. 도 6을 참조하면, 도전성 크로스-오버부(620)는 경계 씰(621)과 함께 있고, 아이리스 유리층(602) 상에 있는 히터 버스 금속(612)에 대해 패치 유리층(601) 상에 제조된 히터 버스 공급 금속화부(611) 사이에서 전기적 연결을 제공한다. 히터 와이어(615)는 아이리스 금속(641)의 상부 상에 제조되고 히터 버스 금속(612)의 일부 상에 제조되는 패시베이션층(650)의 일부 상에 제조된다. 대안적 실시예에 있어서, 히터 버스 금속(612)과 히터 와이어(615) 사이에는 히터 버스 금속(612)과 히터 와이어(615)를 연결하는 패시베이션층을 통해 비어를 갖는 패시베이션층이 있다.

패치 오버행(patch overhang)은 경계 씰 외부에서 마주보는 아이리스 유리를 갖지 않는다. 아이리스 언더 행(iris under hang)은 경계 씰 외부에서 마주보는 패치유리를 갖지 않는다. 따라서, 오버행 또는 언더 행 상에서의 금속화는 히터 전원 공급장치/컨트롤러에 대한 연결을 만들도록 접근가능하다. 예컨대, 이 연결은 플렉스 케이블(flex cable)에 대해 ACF(이방 도전성 필름(anisotropic conductive film), 접착제의 형태)에 의해 만들어질 수 있다. 이 플렉스 케이블은 히터 전원 공급장치/컨트롤러에 연결할 수 있다. 이 히터 전원 공급장치/컨트롤러는 개구면 컨트롤러 보드(aperture controller board) 상에 있을 수 있거나 독립적인 전원 공급장치/컨트롤러 유닛일 수 있다.

도면에서, 특히 경계 씰 구역 주위의, 패치 유리는 이 히터 와이어링 이외에도 그 위에 다수의 다른 구조체를 갖는다. 히터 연결 구조체는 히터를 공급하는 방법에만 초점을 맞추어 도시된 것으로, 다른 패치 구조체, 예컨대 패치 오버행으로부터 아이리스 금속까지를 연결하는 전압 버스와의 통합을 나타내도록 시도하지는 않는다. 히터 버스 공급 금속화부((도 5에서는) 511 및 (도 6에서는) 611) 상의 패시베이션의 층은 이 히터 버스 공급 금속화부를 나머지 패치 회로로부터 격리시킨다.

히터 와이어링 , 히터 버스 및 연결부의 배치

히터 와이어링 및 히터 버스는 개구면의 패치 유리 측, 개구면의 아이리스 유리층 측에 배치되거나, 개구면의 아이리스 유리(또는 비-유리)층 및 패치 양쪽 상에서 부품(parts)을 갖을 수 있다. 히터에 대한 연결부는 개구면의 패치 유리층 또는 아이리스 유리층 측상에서 나올 수 있다.

RF 개구면 내부의 온도 센서(Temperature Sensors Inside the RF Aperture)

일 실시예에 있어서, 하나 이상의 온도 센서가 개구면 내에 위치된다. 이들 온도 센서는 내부 개구면 온도(internal aperture temperature)를 모니터링하고, 가열 엘리먼트(와이어), 히터 버스 및 히터 연결부를 포함하는 히터가 개구면의 온도를 조절하기 위해 결합되어질 필요가 있는지의 여부를 제어하는데 이용된다. 이는 RF 안테나 엘리먼트가 소정 온도 또는 온도 범위에 놓일 필요가 있는 곳에서 필요할 수 있다. 예컨대, 각 RF 안테나 엘리먼트가 LC를 포함할 때, LC가 소정 온도에 있다면 안테나 엘리먼트는 보다 효과적으로 동작한다. 따라서, 개구면 내의 온도를 모니터링하고 LC의 온도가 그 최적 온도 범위 이하임을 결정하는 것에 의해, LC가 원하는 온도 범위에 도달할 때까지 가열 와이어, 버스 및 연결부가 내부 개구면을 가열하는데 이용될 수 있다.

개구면 온도 측정을 위한 안테나 엘리먼트 제어 트랜지스터(예컨대, TFT)의 이용

본 발명의 실시예는 LC 온도를 측정하기 위해 패치층 기판 상에 집적된 트랜지스터(예컨대, TFT)를 이용하는 기술을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 이 기술은 온도를 나타내도록 온도에 걸쳐 TFT의 변화하는 모빌리티 특성(changing mobility characteristics)을 이용한다.

도 7a-7c는 여러 온도에서의 전형적인 TFT 전압 대 전류 곡선(TFT Voltage vs Current curves)이다. 도 7a 내지도 7c를 참조하면, 각 차트는 Vds의 2가지 값에 대한 플롯(plot)을 가지며, 여기서 수직축은 Id이고, 수평축은 Vgs이다.

주어진 Vds와 Vgs에 대한 Id는 온도에 걸쳐 변함을 주지해야 한다. 이러한 TFT 특성을 이용하고 Vgs 및 Vds를 알려진 상수 값(constant values)으로 설정함으로써, 측정된 Id 값은 TFT의 온도와 상관될 수있다.

도 8a는 TFT (또는 다른 형태의 트랜지스터)를 이용하여 LC의 온도의 추정치를 결정하는 프로세스의 일 실시예의 흐름도이다. TFT는 LC에 연결된다. 따라서, TFT의 온도는 LC의 온도의 표시를 제공한다. 프로세스는 온도 모니터링 서브시스템을 포함하는 온도 제어 시스템에 의해 수행된다.

도 8a를 참조하면, 프로세스는 전압(Vgs) 측정 아날로그-디지털 변환기(ADC)가 미리 정의된 Vgs 값을 나타낼 때까지 디지털-아날로그 변환기(DAC) 값으로 언급되는, 디지털 전압 값을 조정하는 것에 의해 시작된다(처리 블록 801). 다음에, 온도 제어 시스템의 프로세싱 로직은 전류 감지 저항(current sense resistor)을 가로지르는 전압을 모니터링하고 있는 Id 측정 ADC를 판독하는 것에 의해 전류(Id)를 측정한다 (프로세싱 블록 802). Vgs 전압 값 및 Id 전류 값을 기초로, 프로세싱 로직은 Id 값을 교정된 온도 값과 상관시킨다(프로세싱 블록 803). 상관(correlation)은 TFT에 대한 대응하는 온도 값을 결정하도록 값을 이용하여 룩업 테이블(lookup table; LUT)에 접근하는 상관기/처리 유닛(예컨대, 프로세서)에 의해 수행될 수 있다.

도 8b는 온도 측정 회로(temperature measurement circuitry)의 예를 나타낸다. 도 8b를 참조하면, DAC(861)에 의해 전압 값이 트랜지스터(864)와 직렬로 연결된 전류 센서 저항(862; current sensor resistor)을 갖춘 회로에 제공된다. 일 실시예에 있어서, 트랜지스터(864)는 RF 안테나 엘리먼트의 액정(LC)과 접촉한다. 일 실시예에 있어서, 트랜지스터(864)는 박막 트랜지스터(TFT)를 구비한다. 일 실시예에 있어서, DAC(861)로부터 출력된 전압 값은 온도 컨트롤러(831)로부터 나온다. 일 실시예에 있어서, 온도 조정 유닛(843; temperature adjustment unit)은 모니터링되는 트랜지스터의 형태를 기초로 여러 전압 값을 제공할 수 있다.

전류 센서 저항(862)을 가로지르는 전압 값은 ADC(810)에 의해 디지털 형태로 변환되는 전류 측정치를 발생시키도록 비교기(863; comparator)를 이용하여 모니터된다. 측정 전류 및 측정된 Vgs 전압을 기초로, 상관기(841)는 트랜지스터(864)와 측정된 전류(Id) 및 Vgs 전압 사이의 상관 관계를 기초로 트랜지스터(864)의 온도(842)를 결정한다 (프로세싱 블록 803). 트랜지스터(864)가 LC와 접촉하므로, 트랜지스터(864)의 온도는 LC의 온도를 나타내거나 표현하도록 이용된다.

도 8c는 도 8a와 다른 방식으로 구성된 TFT(또는 다른 형태의 트랜지스터)를 이용하여 LC의 온도 추정치를 결정하기 위한 프로세스의 일 실시예의 흐름도이다. 도 8a에서와 같이, TFT는 LC에 연결되고, TFT의 온도는 LC의 온도를 나타낸다. 프로세스는 온도 모니터링 서브 시스템(temperature monitoring subsystem)을 포함하는 온도 제어 시스템(temperature control system)에 의해 수행된다.

도 8c를 참조하면, 프로세스는 전압(Vds) 측정 아날로그-디지털 변환기(ADC)가 미리 정의된 Vds 값을 나타낼 때까지 디지털-아날로그 변환기(DAC) 값으로 언급되는 디지털 전압 값을 조정하는 것에 의해 시작된다(프로세싱 블록 804). 다음에, 온도 제어 시스템의 프로세싱 로직은 전류 감지 저항을 가로지르는 전압을 모니터링하고 있는 Id 측정 ADC를 판독하는 것에 의해 전류(Id)를 측정한다(프로세싱 블록 805). Vds 전압 값 및 Id 전류 값을 기초로, 프로세싱 로직은 Id 값을 교정된 온도 값과 상관시킨다 (프로세싱 블록 806). 상관은 TFT에 대한 대응하는 온도 값을 결정하도록 값을 이용하여 룩업 테이블(lookup table; LUT)에 접근하는 상관기/처리 유닛(예컨대, 프로세서)에 의해 수행될 수 있다.

도 8d는 도 8c의 절차를 이용하는 TFT용 온도 모니터링 회로(temperature monitoring circuit)의 다른 예를 나타낸다. 도 8d의 회로는 트랜지스터(814)가 여러 방식으로 결합되는 것을 제외하고 도 8b의 회로와 실질적으로 유사하다. 따라서, 모니터링 서브 시스템에 의한 측정 및 온도 컨트롤러(831)의 동작은 동일한 방식으로 동작한다.

일 실시예에 있어서, 다중 테스트 TFT는 다양한 위치에서 및/또는 온도 평균화를 위한 온도를 측정하도록 안테나 어레이의 RF 엘리먼트(및 그 LC) 주위에 분포될 수 있다.

LC 온도를 측정하기 위한 LC의 커패시턴스 특성의 이용(Using Capacitance Properties of the LC to Measure LC Temperature)

일 실시예에 있어서, LC 온도는 LC의 커패시턴스 특성을 이용하여 측정된다. 이는 전기 용량이 온도의 함수로 변하는 LC의 특징을 이용한다.

일 실시예에 있어서, 전기적 테스트 캐패시터(electrical test capacitor)는 패치 유리층 상에 도전성 표면과 아이리스 유리층 상에 배치되는 매칭 도전성 표면(matching conductive surface)을 위치시키는 것에 의해 만들어지고, 그에 의해 분리 유전체 재료(separating dielectric material)로서 기능하는 LC를 갖는 커패시터를 생성한다. 이들 도전성 표면은 캐패시턴스를 측정하는 회로(커패시턴스-디지털 변환기 (CDC; capacitance-to-digital converter))에 연결된다. LC의 캐패시턴스는 온도의 함수이므로, 테스트 캐패시터의 캐패시턴스는 LC의 온도와 직접적으로 상관될 수 있다.

도 9는 RF 안테나 엘리먼트에서 LC의 온도를 결정하기 위해 LC의 캐패시턴스를 결정하는 회로를 예시한다. 도 9를 참조하면, 여기 신호(901; excitation signal)가 아이리스 유리층(910E)을 액정(910C)에 연결하는 도전체(910D; conductor)에 제공된다. 일 실시예에 있어서, 여기는 구형파(square wave)이다. 일 실시예에 있어서, 여기 신호(901)는 온도 컨트롤러(931)로 제공된 입력과 함께 DAC로부터 나온다. 일 실시예에 있어서, 온도 조정 유닛(943; temperature adjustment unit)은 모니터링되는 테스트 캐패시터의 형태를 기초로 여러 전압 값을 제공할 수 있다.

패치 유리층(910A)은 도전체(910B)를 이용하여 액정(910C)에 결합된다. 신호(901)의 구형파를 도전체(910D)에 인가하는 것은 Σ-△ 디지털 변환기(CDC)(902)로 측정되는 액정(910C)에 결쳐 생성되어질 캐패시턴스를 야기시킨다. CDC(902)의 출력은 상관기(941)를 이용하여 캐패시턴스 측정을 LC-기반 테스트 캐패시터의 LC의 온도(942)에 상관시키는 온도 컨트롤러(931)에 제공된다. 이어, 이 온도는 어레이의 RF 안테나 엘리먼트의 LC의 온도로서 이용된다.

또 다른 실시예에 있어서, 온도 모니터링 서브시스템은 액정의 감쇠 속도(decay speed)를 측정하고 감쇠 속도를 액정의 온도와 상관시키도록 동작가능하다. LC의 감쇠 속도는 당 업계에서 잘 알려져 있고, LC가 이용되는 시간의 양은 용이하게 추적된다. 일 실시예에 있어서, 상관 동작은 도 8b, 도 8d 및 도 9와 관련하여 상기 설명한 것과 동일한 방식으로 수행된다.

일 실시예에 있어서, 다중 테스트 패치가 다양한 위치에서 및/또는 온도 평균화를 위한 온도를 측정하도록 RF LC-기반 안테나 엘리먼트의 안테나 어레이 주위에 분포된다.

히터 엘리먼트 및 히터 버스를 포함하는 히터는 히터 시스템에 피드백을 제공하기 위해 온도 센서와 함께 동작된다. 온도 센서는 개구면 또는 개구면 상에 있을 수 있다. 개구면 내부의 온도 및 센서에 의해 측정된 온도의 몇몇 상관은 교정 절차에 의해 확립될 필요가 있다.

일 실시예에 있어서, 개구면의 온도는 온도 센서 및 히터 전원 공급장치/컨트롤러로 구성된 제어 루프(control loop)에 의해 조절된다. 개구면이 동작 온도 이하임을 센서가 나타낼 때, 히터 전원 컨트롤러는 개구면을 가열하도록 히터를 턴온시킬 수 있다. 원하는 개구면 온도가 여기서 설명된 히터 구조체를 이용하여 제어될 수 있는 많은 방법이 있다.

대안적 실시예에 있어서, 히터를 RF 개구면 내에 배치하는 대신, 동일한 형태의 히터 와이어 패턴, 히터 와이어 패턴 배치, 히터 버스 및 히터 버스 배치가 수퍼스트레이트(superstrate) 상에서 만들어진다. 일 실시예에 있어서, 수퍼스트레이트는 위성 상에서 RF 개구면의 측면과 직접적으로 마주하는 기판이다. 일 실시예에 있어서, 구현은 (RF 엘리먼트/LC 평면에서) RF 개구면 내에서 이용하기 위해 상기한 것과 동일하다.

일 실시예에 있어서, 수퍼스트레이트 상에 히터를 배치할 때, 수퍼스트레이트는 패치층의 상부와 수퍼스트레이트의 하부 사이에서, 가능한 한 LC층에 가깝게, 히터 와이어 패턴으로 배치된다. 수퍼스트레이트 상에 히터를 배치함에 따른 하나의 잠재적 문제점은 패치층에서 오는 RF와 수퍼스트레이트 상의 히터 와이어의 상호작용(interaction)이 RF 개구면에 의해 형성되는 RF 패턴에 대해 악영향을 미칠 수 있다는 것이다. RF와 히터 와이어의 상호작용을 감소시키기 위해, 일 실시예에 있어서, 가능한 한 RF 엘리먼트/LC 평면에 가깝게 히터를 이동시키기 위해, 가능한 한 많이 패치층을 얇게 한다.

도 21a 및 도 21b는 히터 패턴이 부착된 수퍼스트레이트의 예를 나타낸다. 도 21a 및 도 21b를 참조하면, 수퍼스트레이트(2101)는 그의 하부 측 상에 히터 와이어 패턴(2103; heater wire pattern)을 포함한다. 히터 버스(2102)는 또한 수퍼스트레이트(2101)의 바닥에 부착된다. 수퍼스트레이트(2101)는 도 21b에 도시된 바와 같이 RF 안테나 소자의 개구면 영역(2110; aperture area), 패치 오버행(2104; patch overhang)을 포함하는 세그먼트(2100; segment)에 결합된다.

안테나 실시예의 예(Examples of Antenna Embodiments)

위에서 설명한 기술은 평면 패널 안테나(flat panel antennas)와 함께 이용할 수 있다. 이러한 평면 패널 안테나의 실시예가 개시된다. 평면 패널 안테나는 안테나 개구면 상에 안테나 엘리먼트의 하나 이상의 어레이를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 안테나 엘리먼트는 액정 셀을 구비한다. 일 실시예에 있어서, 평면 패널 안테나는 열(rows) 및 행(columns)에 위치되지 않은 안테나 엘리먼트 각각을 고유하게 어드레싱하고 구동하기 위한 매트릭스 구동 회로를 포함하는 원통형 피드 안테나(cylindrically fed antenna)이다. 일 실시예에 있어서, 엘리먼트는 링에 위치된다.

일 실시예에 있어서, 안테나 엘리먼트의 하나 이상의 어레이를 갖춘 안테나 개구면은 함께 결합된 다수의 세그먼트로 이루어진다. 함께 결합될 때, 세그먼트의 조합은 안테나 엘리먼트의 폐쇄된 동심원 링(closed concentric rings)을 형성한다. 일 실시예에 있어서, 동심원 링은 안테나 피드에 대해 동심원이다.

안테나 시스템의 예의 개요(Overview of an Example of Antenna Systems)

일 실시예에 있어서, 평면 패널 안테나는 메타물질 안테나 시스템(metamaterial antenna system)의 일부이다. 통신 위성 지구국(communications satellite earth stations)을 위한 메타물질 안테나 시스템의 실시예가 개시된다. 일 실시예에 있어서, 안테나 시스템은 민간 상용 위성 통신용 Ka-대역 주파수 또는 Ku-대역 주파수 중 하나를 이용하여 동작하는 모바일 플랫폼(예컨대, 항공(aeronautical), 해상(maritime), 육상(land) 등) 상에서 동작하는 위성 지구국 (ES; earth station)의 구성 요소 또는 서브 시스템이다. 안테나 시스템의 실시예는 또한 모바일 플랫폼(예컨대, 고정 또는 이동가능 지구국)에 있지 않은 지구국에서 이용될 수 있음을 주목한다.

일 실시예에 있어서, 안테나 시스템은 개별 안테나를 통해 전송 및 수신 빔을 형성 및 조정하기 위해 표면 산란 메타물질 기술을 이용한다. 일 실시예에 있어서, (위상 어레이 안테나(phased array antennas)와 같은) 빔을 전기적으로 형성 및 조종하기 위해 디지털 신호 처리를 채택하는 안테나 시스템과 대조적으로, 안테나 시스템은 아날로그 시스템이다.

일 실시예에 있어서, 안테나 시스템은 3가지 기능적 서브시스템으로 이루어진다: (1) 원통형 파 피드 구조(cylindrical wave feed architecture)로 구성된 도파관 구조체(wave guiding structure); (2) 안테나 엘리먼트의 일부인 파 산란 메타물질 유닛 셀의 어레이(array of wave scattering metamaterial unit cells); 및 (3) 홀로그램 원리를 이용하여 메타물질 산란 엘리먼트로부터 조정가능한 방사 전자계(radiation field)(빔)의 형성을 명령하는 제어 구조체.

도파관 구조체의 예(Examples of Wave Guiding Structures)

도 10은 원통형 피드 안테나의 입력 피드 주위에서 동심원 링에 위치된 안테나 엘리먼트의 하나 이상의 어레이를 갖춘 개구면을 나타낸다. 일 실시예에 있어서, 원통형 피드 안테나는 원통형 파 피드(cylindrical wave feed)를 제공하는데 이용되는 동축 피드(coaxial feed)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 원통형 파 피드 구조(cylindrical wave feed architecture)는 피드 포인트(feed point)로부터 원통형으로 외부로 확산하는 여기(excitation)에 따라 중심 포인트로부터 안테나를 피드(feeds)한다. 즉, 원통형 피드 안테나는 외부로 이동하는 동심원 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 실시예에 있어서, 원통형 피드 안테나는 내부로 이동하는 피드 파(inward travelling feed wave)를 생성한다. 이 경우, 피드 파는 원형 구조체로부터 가장 자연스럽게 나온다.

안테나 엘리먼트 (Antenna Elements)

일 실시예에 있어서, 안테나 엘리먼트는 패치 안테나의 그룹을 구비한다. 패치 안테나의 이러한 그룹은 산란 메타물질 엘리먼트의 어레이를 구비한다. 일 실시예에 있어서, 안테나 시스템의 각 산란 엘리먼트는 하부 도전체(lower conductor), 유전체 기판(dielectric substrate), 및 상부 도전체에 에칭되거나 그 상에 증착되는 상보형 전기 유도성-용량성 공진기(complementary electric inductive-capacitive resonator)("상보형 전기 LC" 또는 "CELC")를 내장하는 상부 도전체(upper conductor)로 구성되는 유닛 셀의 일부이다. 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, CELC의 맥락에서의 LC는 액정과는 반대로 인덕턴스-캐패시턴스(inductance-capacitance)를 지칭한다.

일 실시예에 있어서, 액정(LC)은 산란 엘리먼트 주위의 갭(gap)에 배치된다. 이 LC는 상기한 직접 구동 실시예에 의해 구동된다. 일 실시예에 있어서, 액정은 각 단위 셀로 캡슐화되고(encapsulated) 슬롯과 관련된 하부 도전체를 그 패치와 관련된 상부 도전체로부터 분리시킨다. 액정은 액정을 구비하는 분자의 배향(orientation of the molecules)의 함수인 유전율(permittivity)을 가지며, 분자의 배향(및 따라서 유전율)은 액정을 가로 지르는 바이어스 전압을 조정함으로써 제어될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 이 특성을 이용하여, 액정은 유도 파(guided wave)로부터 CELC로의 에너지의 전달을 위한 온/오프 스위치를 통합한다. 스위치가 온될 때, CELC는 전기적으로 작은 다이폴 안테나(dipole antenna)와 같은 전자기파(electromagnetic wave)를 방출한다. 여기서 교시하는 것은 에너지 전송에 대해 바이너리 방식(binary fashion)으로 동작하는 액정을 갖는 것으로 제한되지 않음을 주목한다.

일 실시예에 있어서, 이 안테나 시스템의 피드 기하학 구조(feed geometry)는 안테나 엘리먼트가 파 피드(wave feed)에서 파의 벡터에 대해 45도(45°) 각도로 배치될 수 있도록 한다. 다른 위치(예컨대, 40°각도에서)가 이용될 수 있음을 유의한다. 엘리먼트의 이러한 위치는 엘리먼트에 의해 수신되거나 엘리먼트로부터 전송/방사되는 자유 공간파(free space wave)의 제어를 가능하게 한다. 일 실시예에 있어서, 안테나 엘리먼트는 안테나의 동작 주파수의 자유 공간 파장보다 작은 엘리먼트 간 공간(inter-element spacing)으로 배치된다. 예컨대, 파장 당 4개의 산란 엘리먼트가 있다면, 30GHz 전송 안테나에서의 엘리먼트는 약 2.5mm(즉, 30GHz의 10mm 자유 공간 파장의 1/4)로 된다.

일 실시예에 있어서, 2세트의 엘리먼트는 서로 수직이고, 동일한 튜닝 상태로 제어되면 동시에 동일한 진폭 여기(equal amplitude excitation)를 갖는다. 피드 파 여기에 대해 그들을 +/-45도 회전시키는 것은 한 번에 양쪽의 원하는 특징을 달성한다. 한 세트를 0도 그리고 다른 하나를 90도 회전시키는 것은 수직 목표를 달성 할 수 있지만, 동일한 진폭 여기 목표는 달성할 수 없다. 단일 구조체의 안테나 엘리먼트의 어레이를 양측으로부터 피딩(feeding)할 때 절연을 달성하기 위해 0도 및 90도가 이용될 수 있음을 유의해야 한다.

각 유닛 셀로부터의 방사되는 전력의 양은 컨트롤러를 이용하여 패치에 전압 (LC 채널을 가로지르는 전위)을 인가하는 것에 의해 제어된다. 각 패치의 트레이스(traces)는 패치 안테나에 전압을 공급하는데 이용된다. 전압은 캐패시턴스를, 그리고 따라서 빔 형성을 달성하기 위해 개별 엘리먼트의 공진 주파수를 튜닝(tune) 또는 디튜닝(detune)하는데 이용된다. 요구되는 전압은 이용되는 액정 혼합물에 의존한다. 액정 혼합물의 전압 동조 특성은 액정이 전압 및 포화 전압에 의해 영향을 받기 시작하는 임계 전압에 의해 주로 설명되고, 그 이상에서는 전압의 증가가 액정에서 주요 튜닝을 야기시키지 않는다. 이러한 2가지 특성 파라미터는 다른 액정 혼합물에 대해 변경될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기한 바와 같이, 매트릭스 구동(matrix drive)은 각 셀(직접 구동)에 대한 별도 연결을 갖는 것 없이 모든 다른 셀로부터 별도로 각 셀을 구동하기 위해 패치에 전압을 인가하는데 이용된다. 엘리먼트의 고밀도 때문에, 매트릭스 구동은 각 셀을 개별적으로 처리하기 위한 효율적인 방법이다.

일 실시예에 있어서, 안테나 시스템을 위한 제어 구조는 2가지 주요 구성요소를 갖는다: 안테나 시스템을 위한 구동 전자기기를 포함하는 안테나 어레이 컨트롤러가 파 산란 구조체 아래에 있고, 한편 매트릭스 구동 스위칭 어레이가 방사선(radiation)을 방해하지 않는 방식으로 방사 RF 어레이를 통해 산재된다. 일 실시예에 있어서, 안테나 시스템용 구동 전자기기는 해당 엘리먼트에 대해 AC 바이어스 신호의 진폭 또는 듀티 사이클을 조정하는 것에 의해 각 산란 엘리먼트에 대한 바이어스 전압을 조정하는 상업용 텔레비전 기구에 이용되는 상용 기성품 LCD 제어 장치를 구비한다.

일 실시예에 있어서, 안테나 어레이 컨트롤러는 또한 소프트웨어를 실행하는 마이크로프로세서를 포함한다. 제어 구조는 위치 및 방위 정보(location and orientation information)를 프로세서에 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 시스템에 의해 프로세서에 제공될 수 있거나 안테나 시스템의 일부가 아닐 수 있다.

보다 구체적으로, 안테나 어레이 제어기는 어떤 소자가 턴 오프되고 이들 소자가 턴 온되고, 동작 주파수에서 어느 위상 및 진폭 레벨로 제어되는지를 제어한다. 엘리먼트는 전압 적용에 의해 주파수 동작을 위해 선택적으로 디튜닝된다.

전송을 위해, 컨트롤러는 변조(modulation) 또는 제어 패턴(control pattern)을 생성하기 위해 RF 패치에 전압 신호의 어레이를 공급한다. 제어 패턴은 엘리먼트가 여러 상태로 회전되도록 한다. 일 실시예에 있어서, 다중상태 제어가 이용되어, 다양한 엘리먼트가 다양한 레벨을 변경시키기 위해 턴 온 및 오프되고, 구형파(square wave)(즉, 정현파 그레이 쉐이드 변조 패턴(sinusoid gray shade modulation pattern))와 대조적으로 정현파 제어 패턴(sinusoidal control pattern)에 더 근접한다. 일 실시예에 있어서, 몇몇 엘리먼트는 방사되고 몇몇 엘리먼트는 방사되지 않기 보다는 몇몇 엘리먼트는 다른 것 보다 더 강하게 방사된다. 가변 방사는 액정 유전율을 다양한 양에 대해 조정하는 특정 전압 레벨을 인가하는 것에 의해 달성되고, 그에 의해 엘리먼트를 가변적으로 디튜닝하고 몇몇 엘리먼트가 다른 것 보다 더 많이 방사되도록 한다.

엘리먼트의 메타물질 어레이에 의한 집속 빔(focused beam)의 발생은 건설적이고 파괴적인 간섭의 현상에 의해 설명될 수 있다. 개별 전자기파는 자유 공간에서 만날 때 동일한 위상을 가지면 합산(보강 간섭(constructive interference))되고, 자유 공간에서 만날 때 반대 위상에 있으면 파는 서로 상쇄(상쇄 간섭)된다. 슬롯형 안테나(slotted antenna)의 슬롯이 위치되어 각 연속적인 슬롯이 유도 파(guided wave)의 여기 지점과 다른 거리에 위치하면, 해당 엘리먼트로부터의 산란 파(scattered wave)는 이전 슬롯의 산란 파와 다른 위상을 갖게 된다. 슬롯이 유도된 파장의 4분의 1 만큼 떨어져 공간지워지면, 각 슬롯은 이전 슬롯으로부터 1/4 위상 지연을 갖는 웨이브를 산란시키게 된다.

어레이를 이용하면, 생산될 수 있는 보강 간섭과 상쇄 간섭의 패턴 수가 증가될 수 있어, 홀로그램의 원리를 이용하여, 이론적으로 빔은 안테나 어레이의 조준 맞춤(bore sight)으로부터 플러스 또는 마이너스 90도의 어느 방향으로 향하게 할 수 있다. 따라서, 어느 메타물질 유닛 셀이 턴 온되거나 턴 오프되는지를 제어하는 것에 의해(즉, 어느 셀이 턴 온되고 어느 셀이 턴 오프되는지 패턴을 변경시키는 것에 의해), 보간 및 상쇄 간섭의 여러 패턴이 생산될 수 있고, 안테나는 메인 빔의 방향을 변경시킬 수 있다. 유닛 셀을 턴 온 및 오프하는데 필요한 시간은 빔이 한 위치에서 다른 위치로 전환될 수 있는 속도를 좌우한다.

일 실시예에 있어서, 안테나 시스템은 업링크 안테나(uplink antenna)를 위한 하나의 조종가능 빔(steerable beam) 및 다운링크 안테나(downlink antenna)를 위한 하나의 조종가능 빔을 생산한다. 일 실시예에 있어서, 안테나 시스템은 빔을 수신하고 위성으로부터의 신호를 디코딩하기 위해, 그리고 위성을 향하는 전송 빔을 형성하기 위해 메타물질 기술을 이용한다. 일 실시예에 있어서, (위상 어레이 안테나와 같은) 빔을 전기적으로 형성하고 조종하기 위해 디지털 신호 처리를 채택하는 안테나 시스템과 대조적으로, 안테나 시스템은 아날로그 시스템이다. 일 실시예에 있어서, 안테나 시스템은, 특히 종래의 위성 접시 수신기(satellite dish receivers)와 비교할 때, 평면이고 상대적으로 낮은 프로파일인 "표면(surface)" 안테나를 고려한다.

도 11은 접지 평면 및 재구성가능 공진기 층을 포함하는 일렬의 안테나 엘리먼트의 사시도이다. 재구성가능 공진기 층(1230)은 튜닝가능 슬롯의 어레이(1210; array of tunable slots)를 포함한다. 튜닝가능 슬롯의 어레이(1210)는 안테나를 원하는 방향으로 향하도록 구성될 수 있다. 각 튜닝가능 슬롯은 액정을 가로지르는 전압을 변화시킴으로써 튜닝/조정될 수 있다.

제어 모듈(1280)은 도 11의 액정을 가로지르는 전압을 변화시킴으로써 튜닝가능 슬롯의 어레이(1210)를 변조하기 위해 재구성가능 공진기 층(1230)에 결합된다. 제어 모듈(1280)은 필드 프로그래머블 게이트 어레이("FPGA(Field Programmable Gate Array)"), 마이크로프로세서, 컨트롤러, SoC(System-on-a-Chip), 또는 다른 프로세싱 로직을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제어 모듈(1280)은 튜닝가능 슬롯의 어레이(1210)를 구동시키기 위한 로직 회로(예컨대, 멀티플렉서)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 제어 모듈(1280)은 튜닝가능 슬롯의 어레이(1210) 상에서 구동될 홀로그래픽 회절 패턴(holographic diffraction pattern)에 대한 사양을 포함하는 데이터를 수신한다. 홀로그래픽 회절 패턴이 통신을 위한 적절한 방향으로 다운링크 빔(및 안테나 시스템이 송신을 수행하면 업링크 빔)을 조정하도록 홀로그래픽 회절 패턴은 안테나 및 위성 간의 공간 관계(spatial relationship)에 응답하여 발생될 수 있다. 각 도면에는 도시되지 않았지만, 제어 모듈(1280)과 유사한 제어 모듈이 본 발명의 명세서의 도면에 기술된 각 튜닝가능 슬롯의 어레이를 구동시킬 수 있다.

RF(Radio Frequency) 홀로그래피는 RF 기준 빔(RF reference beam)이 RF 홀로그래픽 회절 패턴을 만날 때 원하는 RF 빔이 발생될 수 있는 유사한 기술을 이용하여 또한 가능하다. 위성 통신의 경우에, 기준 빔은 피드 파(1205; feed wave)(몇몇 실시예에서 약 20GHz)와 같은 피드 파의 형태이다. 피드 파를 (전송 또는 수신 목적을 위해) 방사 빔(radiated beam)으로 변환하기 위해, 원하는 RF 빔(대상 빔)과 피드 파(기준 빔) 사이에서 간섭 패턴(interference pattern)이 계산된다. 간섭 패턴은 피드 파가 (원하는 형상 및 방향을 갖춘) 원하는 RF 빔으로 스티어링(steered)"되도록 회절 패턴으로서 튜닝가능 슬롯의 어레이(1210) 상에서 구동된다. 즉, 홀로그래픽 회절 패턴을 만나게 되는 피드 파는 통신 시스템의 설계 요구 사항에 따라 형성되는 대상 빔(object beam)을 "재구성(reconstructs)"한다. 홀로그래픽 회절 패턴은 각 엘리먼트의 여기를 포함하고, 도파관에서의 파동 방정식으로서

과 외향 파(outgoing wave) 상의 파동 방정식

을 갖는,

에 의해 계산된다.

도 12는 튜닝가능 슬롯(1210)의 일 실시예를 도시한다. 튜닝가능 슬롯(1210)은 아이리스/슬롯(1212; iris/slot), 방사 패치(1211; radiating patch), 및 아이리스/슬롯(1212)과 패치(1211) 사이에 배치된 액정(1213; liquid crystal)을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 방사 패치(1211)는 아이리스/슬롯(1212)과 함께 공동-위치(co-located)된다.

도 13은 물리적 안테나 개구면의 일 실시예의 단면도를 예시한다. 안테나 개구면은 접지 평면(1245) 및, 재구성가능 공진기 층(1230)에 포함되는 아이리스층(1232) 내의 금속층(1236)을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 도 13의 안테나 개구면은 도 12의 다수의 튜닝가능 공진기/슬롯(1210)을 포함한다. 아이리스/슬롯(1212)은 금속층(1236)의 구멍(openings)에 의해 정의된다. 도 11의 피드 파(1205)와 같은 피드 파는 위성 통신 채널과 호환 가능한 마이크로파 주파수를 가질 수 있다. 피드 파는 접지 평면(1245)과 공진기 층(1230) 사이에서 전파한다.

재구성가능 공진기 층(1230)은 또한 가스킷 층(1232; gasket layer) 및 패치층(1231; patch layer)을 포함한다. 가스킷 층(1232)은 패치층(1231) 및 아이리스층(1233) 사이에 배치된다. 일 실시예에 있어서, 스페이서(spacer)가 가스킷 층(1232)을 대체 할 수 있음을 주목한다. 일 실시예에 있어서, 아이리스층(1233)은 금속층(1236)으로서 구리 층(copper layer)을 포함하는 인쇄 회로 기판("PCB; printed circuit board")이다. 일 실시예에 있어서, 아이리스층(1233)은 유리이다. 아이리스층(1233)은 다른 형태의 기판일 수 있다.

구멍은 아이리스/슬롯(1212)을 형성하도록 구리 층에서 에칭될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 아이리스층(1233)은 도 13의 다른 구조체(예컨대, 도파관)에 도전성 본딩층(conductive bonding layer)에 의해 도전적으로 결합된다. 일 실시예에 있어서, 아이리스층은 도전성 본딩층에 의해 도전적으로 결합되지 않고 대신에 비-도전성 본딩층과 인터페이스된다.

패치층(1231)은 또한 방사 패치(1211)로서 금속을 포함하는 PCB일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 가스킷 층(1232)은 금속층(1236)과 패치(1211) 사이의 치수를 정의하도록 기계적 스탠드오프(standoff)를 제공하는 스페이서(1239)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 스페이서는 75 미크론(microns)이지만, 다른 크기가 이용될 수 있다(예컨대, 3-200 mm). 상기한 바와 같이, 일 실시예에 있어서, 도 13의 안테나 개구면은 도 12의 패치(1211), 액정(1213) 및 아이리스/슬롯(1212)을 포함하는 튜닝가능 공진기/슬롯(1210)과 같은 다수의 튜닝가능 공진기/슬롯을 포함한다. 액정용 챔버(1213)는 스페이서(1239), 아이리스층(1233) 및 금속층(1236)에 의해 정의된다. 챔버가 액정으로 채워질 때, 패치층(1231)은 공진기 층 (1230)내의 액정을 밀봉하기 위해 스페이서(1239) 상에 적층(laminated)될 수 있다.

패치층(1231)과 아이리스층 (1233) 사이의 전압은 패치와 슬롯(예컨대, 튜닝가능 공진기/슬롯(1210)) 사이의 갭에서 액정을 튜닝하도록 변조될 수 있다. 액정(1213)을 가로지르는 전압을 조정하는 것은 슬롯(예컨대, 튜닝가능 공진기/슬롯(1210))의 캐패시턴스를 변화시킨다. 따라서, 슬롯(예컨대, 튜닝가능 공진기/슬롯(1210))의 리액턴스(reactance)는 캐패시턴스를 변화시킴으로써 변경될 수 있다. 슬롯(1210)의 공진 주파수는 식

에 따라 변하고, 여기서 f는 슬롯(1210)의 공진 주파수이고, L 및 C는 각각 슬롯(1210)의 인덕턴스 및 캐패시턴스이다. 슬롯(1210)의 공진 주파수는 도파관을 통해 전파하는 피드 파(1205)로부터 방사된 에너지에 영향을 미친다. 예로서, 피드 파(1205)가 20GHz이면, 슬롯(1210)의 공진 주파수는 17GHz로 (캐패시턴스를 변화시킴으로써) 조정될 수 있어 슬롯(1210)은 실질적으로 피드 파(1205)로부터 에너지를 결합하지 않는다. 또는, 슬롯(1210)의 공진 주파수는 20GHz로 조정될 수 있어, 슬롯(1210)은 피드 파(1205)로부터 에너지를 결합하고 해당 에너지를 자유 공간으로 방사한다. 주어진 예는 바이너리(완전히 방사 또는 전혀 방사되지 않음)임에도 불구하고, 리액턴스의 전체 그레이 스케일 제어(full gray scale control), 따라서 슬롯(1210)의 공진 주파수는 다중 값 범위에 걸친 전압 변동(voltage variance)으로 가능하다. 따라서, 각 슬롯(1210)으로부터 방사된 에너지는 상세한 홀로그래픽 회절 패턴(detailed holographic diffraction patterns)이 튜닝가능 슬롯의 어레이에 의해 형성될 수 있도록 미세하게 제어될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 열(row)에서의 튜닝가능 슬롯은 λ/5만큼 서로 공간지워진다. 다른 공간이 이용될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 열의 각 튜닝가능 슬롯은 λ/2 만큼 인접하는 열의 가장 근가까운 튜닝가능 슬롯으로부터 공간지워지고, 따라서 다른 열의 공통적으로 지향 된 튜닝가능 슬롯은 λ/4만큼 공간지워지지만, 다른 공간(예컨대: λ/5, λ/6.3)이 가능하다. 다른 실시예에 있어서, 열의 각 튜닝가능 슬롯은 λ/3만큼 인접 열의 가장 가까운 튜닝가능 슬롯으로부터 공간지워진다.

실시예는 2014년 11월 21일자로 출원된, 발명의 명칭이 "조정가능한 원통형으로 피드된 홀로그래픽 안테나로부터의 동적 편광 및 커플링 제어(Dynamic Polarization and Coupling Control from a Steerable Cylindrically Fed Holographic Antenna)"인, 미국 특허 출원 제14/550,178호, 및 2015년 1월 30일자로 출원된 발명의 명칭이 "재구성가능 안테나를 위한 리지드 도파관 피드 구조체(Reidged Waveguide Feed Structure for Reconfigurable Antenna)"인, 미국 특허 출원 제14/610,502호에 개시된 바와 같은 재구성가능 메타물질 기술을 이용한다.

도 14a 내지 도 14d는 슬롯 어레이(slotted array)를 생성하기 위한 여러 층의 일 실시예를 도시한다. 안테나 어레이는 도 10에 도시된 예시적 링과 같은 링에 위치되는 안테나 엘리먼트를 포함한다. 본 예에서 안테나 어레이는 두 가지 다른 형태의 주파수 대역을 위해 이용되는 두 가지 다른 형태의 안테나 엘리먼트를 갖는다.

도 14a는 슬롯에 대응하는 위치를 갖는 제1 아이리스 보드 층(first iris board layer)의 일부를 도시한다. 도 14a를 참조하면, 원은 아이리스 기판의 바닥 측의 금속화에서의 개방 영역/슬롯이고, 피드(피드 파)에 대한 엘리먼트의 결합을 제어하기 위한 것이다. 이 층은 선택적 층이고, 모든 설계에서 이용되지는 않는다. 도 14b는 슬롯을 포함하는 제2 아이리스 보드 층의 일부를 도시한다. 도 14c는 제2 아이리스 보드 층의 일부에 걸친 패치를 도시한다. 도 14d는 슬롯 어레이의 일부의 상면도이다.

도 15는 원통형으로 피드된 안테나 구조체의 일 실시예의 측면도를 나타낸다. 안테나는 이중 층 피드 구조체(즉, 피드 구조체의 2개의 층)를 이용하여 내향 진행파(inwardly travelling wave)를 생산한다. 일 실시예에 있어서, 안테나는 원형 외부 형상을 포함하지만, 이는 요구되는 것은 아니다. 즉, 비-원형 내향 진행 구조체가 이용될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 도 15의 안테나 구조체는 도 10의 원통형 피드(cylindrical feed)를 포함한다.

도 15를 참조하면, 동축 핀(1601; coaxial pin)은 안테나의 하부 레벨 상에서 필드(field)를 여기시키기 위해 이용된다. 일 실시예에 있어서, 동축 핀(1601)은 용이하게 이용가능한 50Ω 동축 핀이다. 동축 핀(1601)은 도전성 접지 평면(1602)인 안테나 구조체의 바닥에 결합 (예컨대, 볼트로 고정)된다.

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

접지 평면(1602)은 스페이서(1604)를 매개로 격자간 도전체(1603)로부터 분리된다. 일 실시예에 있어서, 스페이서(1604)는 폼(foam) 또는 공기와 같은 스페이서(air-like spacer)이다. 일 실시예에 있어서, 스페이서(1604)는 플라스틱 스페이서(plastic spacer)를 구비한다.

격자간 도전체(1603)의 상부에는 유전체 층(1605; dielectric layer)이 있다. 일 실시예에 있어서, 히터 엘리먼 유전체 층(1605)은 플라스틱이다. 유전체 층(1605)의 목적은 자유 공간 속도에 비해 진행파를 늦추기 위한 것이다. 일 실시예에 있어서, 유전체 층(1605)은 자유 공간에 비하여 30% 만큼 진행파를 늦춘다. 일 실시예에 있어서, 빔 형성을 위해 적절한 굴절률(indices of refraction)의 범위는 1.2-1.8이고, 여기서 자유 공간은 정의에 의해 1과 동일한 굴절률을 갖는다. 예컨대, 플라스틱과 같은, 다른 유전체 스페이서 재료가 이러한 효과를 달성하기 위해 이용될 수 있다. 플라스틱 이외의 재료는 원하는 파 감속 효과(desired wave slowing effect)를 달성하는 한 이용될 수 있다. 대안적으로, 예컨대 기계가공 또는 리소그래픽적으로 정의될 수 있는 주기적인 서브-파장 금속 구조체(periodic sub-wavelength metallic structures)와 같은, 분배 구조체(distributed structures)를 갖는 물질이 유전체 층(1605)으로서 이용될 수 있다.

RF-어레이(1606; RF-array)는 유전체 층(1605) 위에 있다. 일 실시예에 있어서, 격자간 도전체(1603)와 RF-어레이(1606) 사이의 거리는 0.1 - 0.15"이다. 다른 실시예에 있어서, 이 거리는

일 수 있고, 여기서

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

안테나는 측면(1607, 1608; sides)을 포함한다. 측면(1607, 1608)은 동축 핀(1601)으로부터의 진행파 피드가 반사를 매개로 격자간 도전체(1603) 아래의 영역(스페이서 층)으로부터 격자간 도전체(1603; 유전체 층) 위의 영역으로 전파되어질 수 있도록 각도지워진다. 일 실시예에 있어서, 측면(1607 및 1608)의 각도는 45°각도이다. 다른 실시예에 있어서, 측면(1607 및 1608)은 반사를 달성하기 위해 연속적 반경(continuous radius)으로 교체될 수 있다. 도 15는 45도의 각을 갖는 각이진 측면을 도시하고 있지만, 하위 레벨 피드로부터 상위 레벨 피드로 신호 전송을 달성하는 다른 각도가 이용될 수 있다. 즉, 하부 피드에서의 유효 파장이 일반적으로 상부 피드와 다른 것으로 주어지면, 이상적인 45°각도로부터의 몇몇 편차는 하부로부터 상부 피드 레벨로의 전송을 돕기 위해 이용될 수 있다. 예컨대, 다른 실시예에 있어서, 45° 각도는 단일 스텝(single step)으로 대체된다. 안테나의 일단 상의 스텝은 유전체 층, 격자간 도전체 및 스페이서 층을 에워 싼다. 동일한 두 스텝이 이들 층의 타단에 있다.

동작에 있어서, 피드 파가 동축 핀(1601)으로부터 피딩될 때, 파는 접지 평면(1602)과 격자간 도전체(1603) 사이의 영역에서 동축 핀(1601)으로부터 동심원적으로 배향되어 바깥쪽으로 진행한다. 동심원적으로 외향하는 파는 측면(1607 및 1608)에 의해 반사되고 격자간 도전체(1603)와 RF 어레이(1606) 사이의 영역에서 내측으로 진행한다. 원형 주변의 엣지로부터의 반사는 파를 동 위상(in phase)으로 남아있게 한다(즉, 이는 동 위상 반사(in-phase reflection)임). 진행파는 유전체 층(1605)에 의해 늦어지게 된다. 이 지점에서, 진행파는 원하는 산란을 얻기 위해 RF 어레이(1606)의 엘리먼트와 상호작용하고 여기를 시작한다.

진행파를 종료시키기 위해, 종단(1609; termination)이 안테나의 기하학적 중심에서 안테나에 포함된다. 일 실시예에 있어서, 종단(1609)은 핀 종단(예컨대, 50Ω 핀)을 구비한다. 다른 실시예에 있어서, 종단(1609)은 안테나의 피드 구조체를 통해 이용되지 않는 에너지의 반사를 방지하도록 이용되지 않는 에너지를 종료시키는 RF 흡수체(RF absorber)를 구비한다. 이들은 RF 어레이(1606)의 상부에서 이용될 수 있다.

도 16은 외향 파를 갖는 안테나 시스템의 다른 실시예를 도시한다. 도 16을 참조하면, 2개의 접지 평면(1610 및 1611)은 접지 평면 사이에서 유전체 층(1612)(예컨대, 플라스틱 층 등)이 서로 실질적으로 평행하다. RF 흡수체(1619)(예컨대, 저항)는 2개의 접지 평면(1610 및 1611)을 함께 결합시킨다. 동축 핀(1615)(예컨대, 50Ω)은 안테나에 전원을 공급한다. RF 어레이(1616)는 유전체 층(1612) 및 접지 평면(1611)의 상부에 있다..

동작에 있어서, 피드 파는 동축 핀(1615)을 통해 피딩되고 동심원적으로 외측으로 진행하고 RF 어레이(1616)의 엘리먼트와 상호작용한다.

도 15 및 도 16의 안테나 양쪽의 원통형 피드는 안테나의 서비스 각도를 개선한다. 플러스 또는 마이너스 45도 방위각(±45°Az) 및 플러스 또는 마이너스 25도 고도(±25°El)의 서비스 각도 대신, 일 실시예에 있어서, 안테나 시스템은 모든 방향의 조준 맞춤(bore sight)으로부터 75도(75°)의 서비스 각도를 갖는다. 많은 개별 방사기로 이루어진 소정의 빔 형성 안테나와 같이, 전체 안테나 이득은 그들 자체가 각도 의존적인 구성 요소의 이득에 의존한다. 보통의 방사 엘리먼트를 이용할 때, 전체 안테나 이득은 전형적으로 빔이 조준 맞춤에서 더 떨어져 향하게 됨에 따라 감소한다. 조준 맞춤이 75도 벗어나게 되면 약 6dB의 상당한 이득 저하가 예상된다.

원통형 피드를 갖춘 안테나의 실시예는 하나 이상의 문제점을 해결한다. 이들은 여기에는 법인 디바이더 네트워크(corporate divider network)로 피딩되는 안테나와 비교하여 피드 구조체를 대폭 단순화하고, 따라서 총 요구 안테나 및 안테나 피드 볼륨(antenna feed volume)을 줄이는 것; 거친 제어(coarser controls)로 높은 빔 성능을 유지하는 것(내내 간단한 바이너리 제어까지 확장하는 것)에 의해 제조 및 제어 에러에 대한 민감도를 감소시키는 것; 원통형으로 지향된 피드 파가 원거리 필드에서 공간적으로 다양한 사이드 로브(spatially diverse side lobes)를 초래하기 때문에 직선형 피드(rectilinear feeds)에 비해 더 유리한 사이드 로브 패턴(side lobe pattern)을 부여하는 것; 및 반시계 방향 원편파(left-hand circular polarizations), 시계 방향 원편파(right-hand circular polarizations), 및 선형 편파(linear polarizations)를 허용하지만 편광기(polarizer)가 필요없는 동적으로 되는 편파(polarization)를 허용하는 것;을 포함한다.

파 산란 엘리먼트의 어레이(Array of Wave Scattering Elements)

도 15의 RF 어레이(1606) 및 도 16의 RF 어레이(1616)는 방사기(radiators)로서 기능하는 패치 안테나의 그룹(즉, 산란기(scatterers))을 포함하는 파 산란 서브시스템을 포함한다. 패치 안테나의 이 그룹은 산란 메타매질 엘리먼트의 어레이를 구비한다.

일 실시예에 있어서, 안테나 시스템의 각 산란 엘리먼트는 하부 도전체, 유전체 기판, 및 상부 도전체 상에 에칭되거나 증착되는 상보형 전기 유도성-용량성 공진기(complementary electric inductive-capacitive resonator)("상보적인 전기 LC" 또는 "CELC")를 내장하는 상부 도전체로 구성된 단위 셀의 일부이다.

일 실시예에 있어서, 액정(LC)은 산란 엘리먼트 주위의 갭에 주입된다. 액정은 각 단위 셀에 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 조정함으로써 제어될 수 있다. 이 특성을 이용하면, 액정은 유도 파(guided wave)에서 CELC로의 에너지의 전달을 위한 온/오프 스위치로서 기능한다. 스위치가 온될 때, CELC는 전기적으로 작은 다이폴 안테나와 같은 전자기파를 방출한다.

LC의 두께를 제어하면 빔 스위칭 속도가 증가한다. 하부와 상부 도전체 사이의 간격(액정의 두께)의 50% 감소는 속도에서 4배의 증가를 초래한다. 다른 실시예에 있어서, 액정의 두께는 약 14밀리초(14ms)의 빔 스위칭 속도를 초래한다. 일 실시예에 있어서, LC는 7밀리초(7ms) 요건이 충족 될 수 있도록 응답성(responsiveness)을 개선하기 위해 당 업계에서 잘 알려진 방식으로 도핑된다.

CELC 엘리먼트는 CELC 소자의 평면에 평행하게 인가되고 CELC 갭 보충물(gap complement)에 수직으로 인가되는 자기장에 응답한다. 전압이 메타매질 산란 유닛 셀의 액정에 인가될 때, 유도 파의 자기장 성분은 CELC의 자기 여기(magnetic excitation)를 유도하고, 결국 유도 파와 동일한 주파수에서 전자기파를 발생시킨다.

단일 CELC에 의해 발생된 전자기파의 위상은 유도 파의 벡터에 대한 CELC의 위치에 의해 선택될 수 있다. 각 셀은 CELC에 평행한 유도 파와 위상이 일치하는 파를 발생시킨다. CELC는 파장보다 더 작기 때문에, 출력 파는 CELC 아래로 지나감에 따라 유도 파의 위상과 동일한 위상을 갖는다.

일 실시예에 있어서, 이 안테나 시스템의 원통형 피드 기하학적 구조는 CELC 엘리먼트가 파 피드의 파의 벡터에 대해 45도(45°)의 각도로 배치될 수 있도록 한다. 엘리먼트의 이러한 위치는 엘리먼트로부터 발생되거나 엘리먼트에 의해 수신 된 자유 공간파의 편파(polarizaion)를 제어할 수 있게 한다. 일 실시예에 있어서, CELC는 안테나의 동작 주파수의 자유 공간 파장보다 더 작은 엘리먼트 간 공간으로 배치된다. 예컨대, 파장 당 4개의 산란 엘리먼트가 있다면, 30GHz 전송 안테나의 엘리먼트는 약 2.5mm(즉, 30GHz의 10mm 자유 공간 파장의 1/4)로 될 것이다.

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

셀 배치(Cell Placement)

일 실시예에 있어서, 안테나 엘리먼트는 체계적인 매트릭스 구동 회로를 허용하는 방식으로 원통형 피드 안테나 개구면 상에 배치된다. 셀의 배치는 매트릭스 구동을 위한 트랜지스터의 배치를 포함한다.

도 17은 안테나 엘리먼트에 관한 매트릭스 구동 회로의 배치의 일 실시예를 나타낸다. 도 17을 참조하면, 열 컨트롤러(1701)는 각각 열 선택 신호(Row1 및 Row2)를 매개로 트랜지스터(1711 및 1712)에 결합되고, 행 컨트롤러(1702)는 행 선택 신호(Column1)를 매개로 트랜지스터(1711 및 1712)에 결합된다. 트랜지스터(1711)는 또한 패치(1731)에 대한 연결을 매개로 안테나 엘리먼트(1721)에 결합되는 반면, 트랜지스터(1712)는 패치(1732)에 대한 연결을 매개로 안테나 엘리먼트(1722)에 결합된다.

비정형 그리드(non-regular grid)에 배치된 단위 셀을 갖는 원통형 피드 안테나 상에서 매트릭스 구동 회로(matrix drive circuitry)를 실현하는 초기 접근법에서는 두 단계가 수행된다. 첫 번째 단계에서, 셀은 동심원 링에 배치되고, 각 셀은 셀 옆에 배치된 트랜지스터에 연결되어 각 셀을 개별적으로 구동하시키도록 스위치로서 기능한다. 두 번째 단계에서, 매트릭스 구동 회로는 매트릭스 구동 접근법을 요구함에 따라 고유 어드레스(unique address)로 모든 트랜지스터를 연결하기 위해 제조된다. 매트릭스 구동 회로는 (LCD와 마찬가지로) 열 및 행 트레이스로 제조되지만, 셀은 링에 배치되기 때문에, 각 트랜지스터에 고유 어드레스를 할당하는 체계적인 방법은 없다. 이러한 맵핑 문제는 모든 트랜지스터를 커버하기 위해 매우 복잡한 회로를 초래하고 라우팅을 달성하도록 물리적 트레이스 수에서의 상당한 증가를 야기시킨다. 셀의 높은 밀도 때문에, 이러한 트레이스(traces)는 커플링 효과(coupling effect)에 기인하여 안테나의 RF 성능을 방해한다. 또한, 트레이스의 복잡성 및 높은 패키징 밀도에 기인하여, 트레이스의 라우팅은 상업적으로 이용가능한 레이아웃 툴에 의해 달성될 수 없다.

일 실시예에 있어서, 매트릭스 구동 회로는 셀 및 트랜지스터가 배치되기 전에 미리 정의된다. 이는, 각각 고유 어드레스를 갖는, 모든 셀을 구동시키는데 필요한 트레이스의 최소 수를 보장한다. 이 전략은 구동 회로의 복잡성을 줄이고 라우팅을 단순화하여, 안테나의 RF 성능을 실질적으로 개선한다.

특히, 하나의 접근법에 있어서, 제1 단계에서, 셀은 각 셀의 고유 어드레스를 설명하는 열 및 행으로 구성된 규칙적인 직사각형 그리드(regular rectangular grid) 상에 배치된다. 두 번째 단계에서, 셀은 그룹화되고 동심원으로 변환되면서 첫 번째 단계에서 정의된 바와 같은 열 및 행에 대한 어드레스 및 연결을 유지한다. 이 변환의 목표는 셀을 링 상에 두는 것뿐만 아니라 셀 사이의 거리 및 링 사이의 거리를 전체 개구면에 걸쳐 일정하게 유지하는 것이다. 이 목표를 달성하기 위해, 셀을 그룹화하는 여러 가지 방법이 있다.

일 실시예에 있어서, TFT 패키지는 매트릭스 구동에 배치 및 고유 어드레싱을 가능하게 하는데 이용된다.

도 18은 TFT 패키지의 일 실시예를 나타낸다. 도 18을 참조하면, TFT 및 홀드 캐패시터(1803; hold capacitor)가 입력 및 출력 포트와 함께 도시된다. 트레이스(1801)에 연결된 2개의 입력 포트 및 열 및 행을 이용하여 TFT를 함께 연결하기 위해 트레이스(1802)에 연결된 2개의 출력 포트가 있다. 일 실시예에 있어서, 열 및 행 트레이스는 열 및 행 트레이스 사이의 커플링을 감소시키고 잠재적으로 최소화하도록 90° 각도로 교차한다. 일 실시예에 있어서, 열 및 행 트레이스는 다른 층 상에 있다.

예시적 시스템 실시예 (An Example System Embodiment)

일 실시예에 있어서, 결합된 안테나 개구면은 셋톱 박스와 함께 동작하는 텔레비전 시스템에서 이용된다. 예컨대, 이중 수신 안테나(dual reception antenna)의 경우, 안테나에 의해 수신된 위성 신호는 텔레비전 시스템의 셋톱 박스(예컨대, 디렉 DirecTV 수신기)에 제공된다. 특히, 결합된 안테나 동작은 2개의 다른 주파수 및/또는 편파에서 RF 신호를 동시에 수신할 수 있다. 즉, 엘리먼트의 하나의 서브-어레이는 하나의 주파수 및/또는 편파에서 RF 신호를 수신하도록 제어되는 한편, 다른 서브-어레이는 다른 여러 주파수 및/또는 편파에서 신호를 수신하도록 제어된다. 주파수 또는 편광에서의 이들 차이는 텔레비전 시스템에 의해 수신되는 여러 채널을 나타낸다. 마찬가지로, 2개의 안테나 어레이는 다수 채널을 동시에 수신하도록 2군데의 다른 위치(예컨대, 2개의 다른 위성)로부터 채널을 수신하도록 2개의 다른 빔 위치에 대해 제어될 수 있다.

도 19는 텔레비전 시스템에서 동시에 이중 수신을 수행하는 통신 시스템의 일 실시예의 블록도이다. 도 19를 참조하면, 안테나(1401)는 상기한 바와 같이 다른 주파수 및/또는 편파에서 동시에 이중 수신을 수행하도록 독립적으로 동작가능한 2개의 공간적으로 인터리빙된 안테나 개구면(two spatially interleaved antenna apertures)을 포함한다. 단지 2개의 공간적으로 인터리빙된 안테나 동작이 언급되었지만, TV 시스템은 2개 이상의 안테나 개구면(예컨대, 3, 4, 5 등의 안테나 개구면)을 가질 수 있음을 주목한다.

일 실시예에 있어서, 2개의 인터리브드 슬롯 어레이(two interleaved slotted arrays)를 포함하는 안테나 (1401)가 다이플렉서(1430; diplexer)에 결합된다. 커플링은 다이플렉서(1430)로 공급되는 2개의 신호를 생산하기 위해 2개의 슬롯 어레이의 엘리먼트로부터 신호를 수신하는 하나 이상의 피딩 네트워크(feeding networks)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 다이플렉서(1430)는 상업적으로 이용가능한 다이플렉서(예컨대, A1 Microwave로부터의 모델 PB1081WA Ku-band sitcom diplexer)이다.

다이플렉서(1430)는 노이즈 필터링 기능(noise filtering function), 다운 변환 기능(down conversion function), 및 당업계에서 공지된 방식으로 증폭을 수행하는 한 쌍의 저잡음 블록 다운 변환기(LNBs; low noise block down converters)(1426 및 1427)에 연결된다. 일 실시예에 있어서, LNBs(1426 및 1427)는 옥외 유닛(ODU; out-door unit)에 있다. 다른 실시예에 있어서, LNBs(1426 및 1427)는 안테나 장치에 통합된다. LNBs(1426 및 1427)는 텔레비전(1403)에 결합된 셋톱 박스(1402)에 결합된다.

셋톱 박스(1402)는 다이플렉서(1430)로부터 출력된 2개의 신호를 디지털 포맷으로 변환하기 위해 LNBs(1426, 1427)에 결합된 한 쌍의 아날로그-디지털 변환기(ADC)(1421, 1422)를 포함한다.

일단 디지털 포맷으로 변환되면, 수신된 파에 대한 인코딩된 데이터를 얻기 위해 신호는 복조기(1423)에 의해 복조되고 디코더(1424)에 의해 디코딩된다. 이어, 디코딩된 데이터는 이를 텔레비전(1403)으로 보내는 컨트롤러(1425)로 보내진다.

컨트롤러(1450)는 단일의 결합된 물리적 개구면 상의 양쪽 안테나 개구면의 인터리브드 슬롯 어레이 엘리먼트를 포함하는 안테나(1401)를 제어한다.

풀 듀플렉스 통신 시스템의 예(An Example of a Full Duplex Communication System)

다른 실시예에 있어서, 결합된 안테나 개구면은 풀 듀플렉스 통신 시스템에서 이용된다.

도 20은 동시 전송 및 수신 경로를 갖는 통신 시스템의 다른 실시예의 블록도이다. 단지 하나의 전송 경로 및 하나의 수신 경로만이 도시되어 있지만, 통신 시스템은 하나 이상의 전송 경로 및/또는 하나 이상의 수신 경로를 포함할 수 있다.

도 20을 참조하면, 안테나(1401)는 상기한 바와 같이 다른 주파수에서 동시에 전송 및 수신하도록 독립적으로 동작가능한 2개의 공간적으로 인터리빙된 안테나 어레이를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 안테나(1401)는 다이플렉서(1448)에 결합된다. 커플링은 하나 이상의 피딩 네트워크에 의한 것일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 방사형 피드 안테나(radial feed antenna)의 경우, 다이플렉서(1445)는 두 신호를 결합하고 안테나(1401)와 다이플렉서(1445) 사이의 연결은 양쪽 주파수를 반송(carry)할 수 있는 단일 광대역 피딩 네트워크(single broad-band feeding network)이다.

다이플렉서(1445)는 당 업계에서 공지된 방식으로 잡음 필터링 기능 및 다운 변환 및 증폭 기능을 수행하는 저잡음 블록 다운 변환기(LNBs)(1427)에 연결된다. 일 실시예에 있어서, LNB(1427)는 옥외 유닛(ODU)에 있다. 다른 실시예에 있어서, LNB(1427)는 안테나 장치에 통합된다. LNB(1427)는 컴퓨팅 시스템(1440)(예컨대, 컴퓨터 시스템, 모뎀 등)에 결합된 모뎀(1460)에 결합된다.

모뎀(1460)은 다이플렉서(1445)로부터의 수신된 신호 출력을 디지털 포맷으로 변환하기 위해 LNB(1427)에 결합된 아날로그-디지털 변환기(ADC)(1422)를 포함한다. 디지털 포맷으로 변환되면, 수신된 파에 대한 인코딩된 데이터를 얻기 위해 신호는 복조기(1423)에 의해 복조되고 디코더(1424)에 의해 디코딩된다. 이어 디코딩된 데이터는 이를 컴퓨팅 시스템(1440)으로 보내는 컨트롤러(1425)로 보내진다.

모뎀(1460)은 또한 컴퓨팅 시스템(1440)으로부터 전송될 데이터를 인코딩하는 인코더(1430)를 포함한다. 인코딩된 데이터는 변조기(1431)에 의해 변조된 다음 디지털-아날로그 변환기(DAC)(1432)에 의해 아날로그로 변환된다. 이어 아날로그 신호는 BUC(업-변환 및 고역 통과 증폭기; up-convert and high pass amplifier)(1433)에 의해 필터링되고 다이플렉서(1445)의 하나의 포트에 제공된다. 일 실시예에 있어서, BUC(1433)는 옥외 유닛(ODU)에 있다.

당 업계에 잘 알려진 방식으로 동작하는 다이플렉서(1451)는 전송을 위해 안테나(1401)에 전송 신호를 제공한다.

컨트롤러(1450)는 단일의 결합된 물리적 개구면 상에서 안테나 엘리먼트의 2개의 어레이를 포함하는 안테나(1401)를 제어한다.

도 20에 도시된 풀 듀플렉스 통신 시스템은, 이에 한정되지는 않지만, 인터넷 통신, (소프트웨어 갱신을 포함하는) 차량 통신 등을 포함하는 다수의 응용을 갖는다는 것을 유의해야 한다.

부가적 안테나 히터 실시예

몇몇 실시예에 있어서, 가열 구조체(예컨대, 저항성 히터)는 안테나(예컨대, 메타물질 또는 메타표면 안테나)의 아이리스 기판(예컨대, 유리층 기판) 상에서 균일한 가열을 발생시킨다. 일 실시예에 있어서, 메타물질 안테나는 튜닝가능 캐패시터로서 그 안테나 엘리먼트 설계에서 액정(LC) 물질의 층을 이용한다. 이러한 안테나의 예는 여기서 보다 상세하게 설명되고 당업계에 잘 알려져 있다. 일 실시예에 있어서, LC 물질의 응답은 온도에 의존하고, 메타물질 안테나 설계는 10℃ 이상의 온도에서 LC로부터의 응답에 대해 최적화된다. 이 때문에 메타물질 안테나는 10℃ 이하의 온도에서 그 동작을 위해 히터 구조체를 필요로 한다. 부가적으로, 균일한 열 발생 메카니즘(uniform heat generation mechanism)이 RF 안테나 세그먼트에서의 불균일한 열 발생에 기인하는 기계적 변형을 방지하기 위해 필요하고, 다수의 안테나 세그먼트가 안테나 개구면을 형성하기 위해 함께 결합된다. 예컨대, 발명의 명칭이 "원통형 피드 안테나의 개구면 분할(Aperture Segmentation of a Cylindrical Feed Antenna)"인 미국 특허 제9,887,455호에 설명된 안테나를 참조한다. 2개의 유리층 기판(예컨대, 아이리스/슬롯 및 아이리스 금속층을 포함하는 아이리스 유리층 및 패치 및 패치 금속층을 포함하는 패치 유리층)이 LC층과 직접 접촉하므로, 이 균일한 히터는 더 효율적이고 균일한 가열을 제공하기 위해 안테나의 유리 기판층 설계(예컨대, 아이리스 기판 또는 유리층)에 통합될 수 있다. 균일한 가열을 위해 유리 또는 다른 아이리스 기판층 설계에 통합된 히터는 여기서 "균일한 아이리스 히터(uniform iris heater)"로 언급된다. 아래에 설명된 히터 설계 개념은 수백 와트까지 가열 전원 요구사항을 줄일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 여기서 설명된 균일한 아이리스 히터는 아이리스 유리 상의 저항성 히터(resistive heater)이다. 그러나, 대안적인 실시예에 있어서, 히터는 또한 LC층과 직접 접촉하므로 패치 유리 기판 상에 만들어진다. 다른 설계에 있어서, 균일한 아이리스 히터가 아이리스 유리층 기판과 패치 유리층 기판의 조합으로 만들어진다.

서로 평행한 수직(또는 수평) 히터 트레이스(heater traces)는 균일한 가열을 발생시키는데 이용할 수 없으므로, RF 엘리먼트의 방사형 배치는 균일한 가열을 위한 시험대이다. 히터 트레이스는 아이리스 금속의 구멍(openings)과 중첩될 수 없다. 일 실시예에 있어서, 균일한 가열을 발생시키기 위해, 각 RF 엘리먼트에 히터 구조체(예컨대, 동일한 히터 구조체)를 배치하게 된다.

병렬 버스 평면을 갖는 아이리스 히터

일 실시예에 있어서, 균일한 아이리스 히터 설계는 히터 버스 평면으로서 아이리스 유리 기판의 2개의 금속층을 이용한다. 히터 버스 평면은 히터 트레이스(또는 구조체)에 비해 매우 낮은 저항을 갖고 버스 평면 상에서의 열 발생은 무시할 수 있다. 이는 히터 트레이스 및 히터 트레이스에 위치하고 있는 저항성 히터에 비해 히터 버스 평면이 점유하는 넓은 영역에 기인한다. 일 실시예에 있어서, RF 안테나 엘리먼트(예컨대, 표면 산란 메타물질 안테나 엘리먼트)의 일부를 형성하기 위해 또한 이용되는 아이리스 금속층은 히터 버스 중 하나로서 이용될 수 있고 히터 버스 금속은 도 22에서 보여지는 바와 같이 제2 버스 평면을 만드는데 이용된다.

도 22는 메타물질 안테나용 히터의 실시예에서 아이리스 금속층(2201) 및 히터 버스 금속(2204)을 예시한다. 도 22를 참조하면, 일 실시예에 있어서, 양쪽 층은 아이리스 유리 기판의 거의 전체 표면을 덮고 그 저항은 각 층에 대해 이용되는 금속의 시트 저항의 몇 배일 것이다. 히터 버스 금속(2204)이 결합을 방지하기 위해 침범하지 않는 아이리스 금속층(2201)의 아이리스 구멍(2203) 주위에서 거리를 포함하는 차단 영역(2202; keepout area)이 있다. 이 구조체의 단면도가 도 23에 도시된다.

도 23은 RF 안테나 엘리먼트 근처의 히터 트레이스(2302)의 단면을 예시한다. 도 23을 참조하면, 히터 트레이스(2302)는 2개의 버스 평면 사이에서 저항성 구조체로서 정의된다. 이 히터 트레이스는 아이리스 유리층 기판과 패치 유리층 기판 사이의 RF 안테나 엘리먼트의 액정(LC)에 대해 열을 제공하기 위해 아이리스 구멍(2203) 및 히터 차단 영역(2202)을 제외한 어느 곳에라도 배치될 수 있다. 이 유연성은 안테나 개구면 또는 그 세그먼트의 각 RF 안테나 엘리먼트에 동일한 히터 트레이스를 배치하는 것을 가능하게 하거나, 개구면 전체에 거쳐 동일한 히터 트레이스 설계를 주기적으로 배치하는 것에 의해 열 발생의 밀도를 제어한다. 일 실시예에 있어서, 히터 버스 평면은 아이리스 유리(2304) 기판과 아이리스 금속층(2201) 사이에 배치된다. 다른 실시예에 있어서, 아이리스 금속층은 아이리스 유리층 기판의 상부 상에 있고 히터 버스 평면은 아이리스 금속층 위에 있다.

일 실시예에 있어서, 2개의 패시베이션층(2306, 2308)은 도 23에 도시된 바와 같이 히터 버스 평면, 히터 트레이스(2302) 및 아이리스 금속층(2201)을 격리한다. 일 실시예에 있어서, 패시베이션층(2306, 2308)은 반도체 산업에서 통상적으로 이용되는 유전체층(dielectric layers)을 구비한다. 일 실시예에 있어서, 구멍(opening), 또는 비어(via)가 버스 평면에 히터 트레이스를 연결하기 위해 각 패시베이션층에 발생된다. 다른 연결 방식이 대안적인 실시예에서 이용될 수 있다.

따라서, 일 실시예에 있어서, 히터 구조체는 하나의 히터 버스로서 전체(또는 거의 전체) 아이리스 금속층을 이용하고, 균일한 가열을 위해 그들 사이에서 복수의 히터 트레이스/구조체를 갖는 아이리스 금속층과 거의 동일한 영역을 덮는 다른 히터 버스 금속을 이용한다.

히터 개념은 또한 버스 평면으로서 아이리스 금속층을 이용하는 것 없이 실현될 수 있다. 이러한 경우, 일 실시예에 있어서, 2개의 히터 버스 평면층이 아이리스 유리층 기판에 부가된다. 일 실시예에 있어서, 이들 히터 버스 평면 층은, 아이리스 금속층에 걸쳐, 아이리스 금속층 아래에 배치되거나, 아이리스 금속층과 함께 샌드위치형 구조체를 형성할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 이러한 경우, 부가적 구멍이 버스 평면층에 대해 연결하기 위해 아이리스 금속층에 생성됨을 주지해야 한다.

일 실시예에 있어서, 히터는 DC 전압 하에서 동작한다. 다른 실시예에 있어서, 히터는 스위칭 전압(switching voltage) 하에서 동작한다. 일 실시예에 있어서, 아이리스 금속층이 히터 버스 평면으로서 이용되고 아이리스 금속 상의 전압이 RF 안테나 엘리먼트 구동 방식에 기인하여 스위칭되고 있으면, 히터 구조체는 히터 트레이스 상에서 일정한 차동 전압(constant differential voltage)을 유지하기 위해 스위칭 파형(switching waveform)으로 구동된다. 예컨대, 일 실시예에 있어서, 아이리스 금속층이 T초 마다 V1과 V2 사이에서 스위칭되는 전압 소스로 구동되면, 다른 히터 버스 평면은 가열 구조체 상에 V_heater를 인가하기 위해 T초 마다 V1-V_heater와 V2-V_heater 사이에서 스위칭되는 전압 소스로 구동될 수 있다.

히터 버스 평면으로서의 아이리스 금속층

도 24는 단일 버스 평면(아이리스 금속)을 갖는 균일한 아이리스 히터를 예시한다. 여러 균일한 아이리스 히터 실시예에 있어서, 아이리스 금속층은 오직 히터 버스 평면으로서 이용되고, 여기서 히터 와이어 또는 가열 와이어로 또한 언급될 수 있는, 히터 트레이스(2402)의 다른 측은 버스 평면 보다는 히터 버스(2406)에 연결된다. 일 실시예에 있어서, 이 히터 버스(2406) 및 히터 트레이스(2402)는 동일한 히터 금속층을 이용하여 만들어진다. 일 실시예에 있어서, 히터 버스(2406)는 RF 안테나 세그먼트의 엣지를 따라 배치되고, 히터 트레이스(2402)는 위에서 설명된 바와 같은(또는 미국 특허 제9,905,921호) RF 안테나 엘리먼트 배치에 의해 정의된 링(rings)을 따라 배치된다. 일 실시예에 있어서, 이들 링의 길이는 반경 증가에 따라 증가한다. 공통 히터 트레이스 길이(common heater trace length), 폭(width) 및 열 발생 밀도(heat generation density)를 유지하기 위해, 도 24에 도시된 바와 같이 더 짧은 트레이스는 연결될 수 있고, 더 긴 트레이스는 분할될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 가열 트레이스는 히터 버스가 있는 RF 안테나 세그먼트의 엣지로부터 시작하지만, 활성 영역의 어느 곳에서나 종단 지점(2408; termination point)에서 종단될 수 있고 아이리스 구멍을 가로지르지 않는 한 비어 구조체(via structure)를 이용하여 아이리스 금속(2404)에 연결될 수 있다. 도시된 바와 같이, 히터 트레이스 아크 중 하나는 다시 아크를 형성하고 종단 지점에서 종료되기 전에 안테나 세그먼트의 좌측 상의 히터 버스(2406)를 향한다. 일 실시예에 있어서, 이러한 경우, 히터 트레이스는 RF 안테나 엘리먼트의 링 사이에서 라우팅되어, 동일한 히터 트레이스의 두 부분 내에 안테나 엘리먼트(2410)가 있음을 주지해야 한다. 따라서, 아이리스 금속층은 히터 버스 평면 중 하나에 대해 이용되고 다른 히터 버스는 개구면 세그먼트의 외부 주변 주위의 프레임이며, 히터 트레이스의 일단은 아이리스 금속층에 연결되는 한편 타단은 히터 버스에 연결된다.

일 실시예에 있어서, 히터 버스 및 히터 트레이스는 RF 안테나 엘리먼트로부터 떨어지는 적어도 차단 거리(keepout distance)를 유지함을 주지해야 한다.

일 실시예에서, (도 24에서 원으로 표시된) 각 종단 지점에는 아이리스 금속층에 히터 트레이스를 접촉시키기 위한 비어가 있다.

도 25a 및 도 25b는 각각 아이리스 금속(2404) 아래 및 아이리스 금속(2404) 위의 히터 트레이스(2502 및 2504)를 예시한다. 다양한 실시예에 있어서, 히터 트레이스(2502)는 히터 버스(도시되지 않았음)와 함께 도 25a에 도시된 바와 같이 아이리스 금속(2404) 아래에 배치되거나, 히터 트레이스(2504)는 히터 버스(도시되지 않았음)와 함께 도 25b에 도시된 바와 같이 아이리스 금속(2404) 위에 배치된다. 일 실시예에 있어서, 아이리스 금속(2404) 상의 극성이 RF 안테나 엘리먼트 구동 방식에 기인하여 주기적으로 스위칭되고 있으면, 히터 구조체는 히터 트레이스 상에서 일정 전압을 유지하기 위해 극성 스위칭 파형(polarity switching waveform)으로 구동된다.

다른 실시예에 있어서, 히터는 아이리스 유리(2304) 상에 아이리스 금속(2404) 이외의 다른 금속층을 부가하는 것에 의해 실현된다. 히터 버스 평면은 이 부가 금속층 상에 형성되고 부가 금속층 상의 히터 버스 평면은 아이리스 슬롯으로부터 차단 거리를 유지하면서 아이리스 금속층과 같은 유사한 영역을 덮는다. 이 부가 금속층과 히터 트레이스는 아이리스 금속 위, 아이리스 금속 아래 또는 샌드위치 구조체와 같은 아이리스 금속의 대향하는 측일 수 있다.

히터로서의 스페이서의 이용

도 26은 스페이서/히터 구조체(2606; spacer/heater structure)의 단면도를 예시한다. 일 실시예에 있어서, RF 안테나 세그먼트는 스페이서/히터 구조체(2606)에 의해 분리된 2개의 유리층 기판으로 만들어지고, 해당 스페이서/히터 구조체(2606)는 도전성 물질을 이용하여 형성되며, 연관된 구조체를 갖는 패치 유리(2604) 및 연관된 구조체를 갖는 아이리스 유리(2304)를 이격시키기 위한 스페이서와, 여러 설계에서의 히터 양쪽으로서 이용되고 기능한다. 일 실시예에 있어서, 아이리스 유리(2304) 기판의 아이리스 금속(2404) 및 패치 유리(2604) 기판 상의 패치 금속(2602)은 히터 버스 구조체로서 이용된다. 다른 실시예에 있어서, 열 발생은 오직 스페이서/히터 구조체(2606)에서만 야기된다. 일 실시예에 있어서, RF 안테나 엘리먼트에 이용된 아이리스 금속층은 여기서 히터 버스 평면으로서 또한 이용된다. 패치 금속층을 이용하여 형성된 히터 버스는 아이리스 구멍 위의 패치 전극과는 관계없다. 따라서, 아이리스 금속 평면에는 하나의 버스 평면이 있고 RF 안테나 엘리먼트에 대해 열을 제공하는 스페이서를 이용하여 함께 결합되는 패치 유리 기판 상에는 다른 버스 평면이 있다.

패치 금속층 상의 히터 버스는 다양한 방식으로 만들어질 수 있다. 일 실시예에 있어서, 패치 금속(2602) 층 상의 히터 버스는 패치 금속층 또는 아이리스 유리(2304) 기판 상의 아이리스 금속층과 유사한 패치 금속층의 연속 시트를 이용하여 만들어진 낮은 저항을 갖는 트레이스를 구비한다. 양 경우에 있어서, 패치 유리(2604) 상의 버스 구조체는 RF 안테나 엘리먼트 구조체에 이용되는 아이리스 구멍 위의 패치 전극과 격리된다. 히터 구조체의 단면도가 도 26에 도시된다.

하나의 스페이서/히터 구조체만이 도 26에 도시되어 있지만, 일 실시예에 있어서, RF 안테나 엘리먼트 어레이의 각 RF 안테나 엘리먼트에 열을 제공하고 근처에 위치된 하나 이상의 스페이서/히터 구조체가 있다. 이들 스페이서/히터 구조체는 다수 위치(예컨대, 임의의 비간섭 배치, 행, 열 등)에 위치될 수 있고 다양한 형상(예컨대, 원통형 기둥, 직사각형 기둥, 다른 형상의 물체 등)을 가질 수 있다.

일 실시예에 있어서, 스페이서/히터 구조체(2606)는 단일 도전성 물질로 만들어진다. 이러한 물질은 제조 동안 증착될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 스페이서/히터 구조체(2606)는 하나 이상의 RF 안테나 엘리먼트에 열을 제공하는데 이용되는 (예컨대, 내부 코어의 외부 상에 도금된) 외부 주위에 도전성 물질을 갖는 내부 코어(inner core)를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 히터가 스위칭 전압 하에서 동작하고 아이리스 금속층에 대한 전압이 RF 안테나 엘리먼트 구동 방식에 기인하여 스위칭되고 있으면, 히터 구조체의 패치 측은 T초 마다 차동 전압의 극성을 스위칭하면서 히터 트레이스에 대해 일정 절대 차동 전압(constant absolute differential voltage)을 유지하기 위해 스위칭 파형(switching waveform)으로 구동되어질 필요가 있다. 이는 극성 스위칭 파형과 관련하여 위에서 제공된 설명과 유사한 방식으로 야기될 수 있다. 이것의 하나의 측면은 LC를 가로지르는 전압이 최소 DC 오프셋을 갖는다는 것이다. 예컨대, 이 경우, 패치 금속 구조체는 엘리먼트의 RF 구동에는 포함되지 않지만 아이리스 측은 포함된다. 그렇기는 하지만, 라우팅의 순(net) DC는 LC를 가로지르는 순 DC를 최소화하기 위해 여전히 최소화된다. 다른 실시예에 있어서, 히터는 각 기판 상의 부가 금속층 또는 시트를 이용하면서 아이리스 및/또는 패치 금속층을 이용하지 않고서 실현된다.

분할된 히터 버스(Segmented Heater Bus)

도 27은 대안적 히터 설계 히터 번들(alternative heater design heater bundles) 및 히터 버스 세그먼트를 예시한다. 도 27을 참조하면, 균일한 가열이 히터 번들과 유사한 길이를 갖는 히터 링의 히터 트레이스(2704)를 그룹화하는 것에 의해 달성된다. 히터 번들은 직렬로 결합되고 동일한 전류가 모든 번들을 통해 흐르며, 그에 의해 단위 길이당 동일한 가열을 생성한다. 일 실시예에 있어서, 유사한 길이를 갖는 히터 트레이스(2704)는 히터 번들을 형성하기 위해 히터 버스 세그먼트(2702) 및 히터 버스(2706)에 의해 병렬로 연결된다. 히터 번들은 히터 버스 세그먼트(2702) 및 히터 버스(2706)에 의해 직렬로 연결되고, 이는 일 실시예에 있어서 도 27에 도시된 바와 같이 아이리스 히터를 완성하기 위해 동일한 금속층 상에 있다. 다른 실시예에 있어서, 히터 번들, 히터 버스 세그먼트 및 히터 버스는 여러 금속층 상에 있다.

도 28은 도 27에 도시된 분할된 히터 버스 실시예의 저항성 모델을 예시한다. 도 28을 참조하면, 3개의 히터 링의 그룹화가 예로서 도시되었지만 설계는 히터 링 그룹화의 수에 의해 제한되지 않는다. 각 번들은 도 28에서 저항(2802)으로 표시된다. 히터 버스 및 세그먼트 버스의 저항은 무시할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 동일한 전류가 도 28의 각 저항(2802)를 통해 지나간다. 저항값은 단위 영역 당 일정한 열 발생을 유지하기 위해 각 번들로 설계된다. 일 실시예에 있어서, 각 번들 내에서, 히터 트레이스의 저항은 트레이스 폭을 변경시키는 것에 의해 매칭된다.

여기서 설명된 다수의 예시적인 실시예가 있다.

예 1은 패치 및 아이리스 기판으로 형성된 무선 주파수(RF) 안테나 엘리먼트의 어레이를 갖춘 물리적 안테나 개구면으로, 아이리스 기판이 아이리스 금속층을 포함하는 복수의 층을 갖춘, 물리적 안테나 개구면; 및 RF 안테나 엘리먼트를 가열하기 위해 아이리스 기판의 복수의 층 중 하나 이상에 결합된 히터 구조체;를 구비하는 안테나이다.

예 2는 히터 구조체가 아이리스 기판 상에 저항성 히터를 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 안테나이다.

예 3은 히터 구조체가 복수의 히터 버스 평면으로서 동작하는 아이리스 기판 상에 2개의 금속층을 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 2의 안테나이다.

예 4는 복수의 히터 버스 평면이 제1 히터 버스 평면 및 제2 히터 버스 평면을 구비하고, 아이리스 금속층이 제1 히터 버스 평면으로서 이용되고 히터 버스 금속이 제2 히터 버스 평면으로서 이용되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 3의 안테나이다.

예 5는 히터 버스 금속과 아이리스 금속층 사이에 결합된 복수의 히터 트레이스를 선택적으로 포함할 수 있는 예 4의 안테나이다.

예 6은 복수의 히터 트레이스가 아이리스 구멍으로부터 적어도 제1 거리 떨어져 있고 아이리스 구멍 주위의 히터 차단 영역 외부에 있는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 5의 안테나이다.

예 7은 히터 구조체가 복수의 히터 버스 평면으로서 동작하는 아이리스 기판 상에 2개의 금속층을 구비하고, 아이리스 금속층이 제1 히터 버스 평면 및 제2 히터 버스 평면에 연결된 히터 트레이스를 갖는 개구면의 세그먼트의 외부 엣지 주위로 연장되는 제2 히터 버스 평면으로서 이용되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 2의 안테나이다.

예 8은 히터 트레이스가 동일한 길이를 갖는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 7의 안테나이다.

예 9는 히터 구조체가 극성 스위칭 파형으로 구동되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 안테나이다.

예 10은 히터 구조체가 2개의 기판을 분리하고 아이리스 금속층 및 패치 기판에 결합된 스페이서 구조체를 구비하고, 스페이서 구조체가 히터로서 이용되는 도전성 물질을 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 안테나이다.

예 11은 히터 구조체가 복수의 히터 트레이스의 복수의 히터 번들을 형성하는 복수의 히터 링을 구비하고, 복수의 히터 번들 중의 번들이 서로 직렬로 연결되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 안테나이다.

예 12는 복수의 아이리스 구멍을 갖는 아이리스 금속층을 갖춘 제1 기판; 아이리스 구멍과 정렬되는 패치를 형성하는 패치 금속층을 갖춘 제2 기판; 및 무선 주파수(RF) 안테나 엘리먼트를 가열하기 위해 제1 기판에 부착된 히터 구조체;를 구비하는 메타물질 안테나이다.

예 13은 히터 구조체가 저항성 히터를 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 12의 안테나이다.

예 14는 제1 기판에 부착된 히터 구조체가: 아이리스 구멍과 정렬된 패치로 제1 기판과 제2 기판을 이격시키고 RF 안테나 엘리먼트를 가열하기 위해 제1 기판 상의 제1 구조체에 부착되고 제2 기판 상의 제2 구조체에 부착된 스페이서/히터 구조체를 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 12의 안테나이다.

예 15는 제1 및 제2 구조체가 히터 버스 평면 구조체인 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 14의 안테나이다.

예 16은 히터 구조체가: 제1 기판 상의 제1 금속층에 의해 형성된 히터 버스; 및 제1 기판 상의 제2 금속층에 의해 형성되고 히터 버스에 연결된 복수의 히터 트레이스로서, 제1 금속층 및 제2 금속층이 아이리스 금속층과 구별되는, 복수의 히터 트레이스;를 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 12의 안테나이다.

예 17은 히터 구조체가 아이리스 금속층 아래의 제1 기판 상에 복수의 히터 트레이스를 구비하고 패시베이션층에 의해 아이리스 금속층과 분리되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 12의 안테나이다.

예 18은 히터 구조체가 아이리스 금속층 위의 제1 기판 상에 복수의 히터 트레이스를 구비하고 패시베이션층에 의해 아이리스 금속층과 분리되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 12의 안테나이다.

예 19는 히터 구조체가 제1 기판 상에 복수의 히터 트레이스를 구비하고, 각 히터 트레이스가 제1 단부에서 히터 버스에 연결되고 제2 단부에서 아이리스 금속층에 연결되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 12의 안테나이다.

예 20은 히터 구조체가 제1 기판 상에 각각 복수의 히터 트레이스를 구비하는 복수의 히터 번들; 제1 단부에서 히터 버스 세그먼트에 연결된 각 히터 번들; 및 제2 단부에서 추가의 히터 버스 세그먼트 또는 히터 버스에 연결된 각 히터 번들;을 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 12의 안테나이다.

예 21은 히터 구조체가 직렬로 연결되고 제1 기판 상에 각각 복수의 히터 트레이스를 갖춘 복수의 히터 번들; 및 단위 영역 당 일정한 열 발생을 유지하기 위한 저항을 갖춘 각 히터 번들;을 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 12의 안테나이다.

예 22는 히터 구조체가 각각 제1 기판 상에 복수의 히터 트레이스를 갖춘 복수의 히터 번들; 및 히터 트레이스의 저항과 매치되도록 트레이스 폭을 갖춘 각 히터 번들의 각 히터 트레이스;를 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 12의 안테나이다.

상세한 설명의 몇몇 부분은 컴퓨터 메모리 내의 데이터 비트에 대한 연산(operations)의 알고리즘 및 기호 표현(symbolic representations)과 관련하여 제시된다. 이러한 알고리즘 설명 및 표현은 당업자에게 그들의 작업 내용을 가장 효과적으로 전달하기 위해 데이터 처리 기술 분야의 당업자에 의해 이용되는 수단이다. 알고리즘은 여기서 일반적으로 원하는 결과를 유도하는 단계의 자체-일관성 시퀀스(self-consistent sequence)로 되도록 생각된다. 단계는 물리적 양의 물리적 조작을 요구하는 단계이다. 일반적으로, 반드시 그런 것은 아니지만, 이들 양은 저장, 전송, 결합, 비교 및 기타 조작이 가능한 전기 또는 자기 신호의 형태를 취한다. 주로 공통적인 이용을 이유로, 이들 신호를 비트, 값, 엘리먼트, 기호, 문자, 용어, 숫자 등으로 지칭하는 것이 때때로 편리하다고 판명되었다.

그러나 이러한 모든 용어와 유사한 용어는 적절한 물리량과 관련되어야 하고 단지 이들 양에 인가되는 편리한 레이블일뿐임을 명심해야 한다. 달리 명시하지 않는 한 이하의 논의로부터 명백한 바와 같이, 전체에 걸쳐 "처리" 또는 "컴퓨팅" 또는 "계산" 또는 "결정" 또는 "디스플레이" 등과 같은 용어를 이용하는 설명, 논의는 컴퓨터 시스템의 레지스터 및 메모리 내의 물리적 (전자) 양으로 표현된 데이터를 컴퓨터 시스템 메모리 또는 레지스터 내에서 물리량으로 유사하게 표현되는 다른 데이터 또는 다른 이러한 정보 저장, 전송 또는 디스플레이 장치로 조작 및 변환하는, 컴퓨터 시스템 또는 유사 전자 컴퓨팅 장치의 작용 및 처리에 대해 언급함이 이해된다.

또한, 본 발명은 여기서의 동작을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치는 요구되는 목적을 위해 특별히 구성될 수 있거나, 컴퓨터에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 선택적으로 활성화되거나 재구성되는 범용 컴퓨터를 구비할 수 있다. 이러한 컴퓨터 프로그램은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 플로피 디스크, 광학 디스크, CD-ROM 및 자기 광학 디스크를 포함하는 소정 형태의 디스크, ROM(read-only memories), RAM(random access memory), EPROM, EEPROM, 자기 또는 광학 카드와 같은 컴퓨터 판독가능 저장 매체, 또는 전자 명령을 저장하기에 적합한 소정 형태의 매체에 저장될 수 있고, 각각은 컴퓨터 시스템 버스에 결합된다.

여기에 제시된 알고리즘 및 디스플레이는 본질적으로 소정의 특정 컴퓨터 또는 다른 장치와 관련되어 있지 않다. 다양한 범용 시스템이 여기서의 교시에 따른 프로그램과 함께 이용될 수 있거나, 요구된 방법 단계를 수행하기 위해 보다 특정화된 장치를 구성하기에 편리할 수 있다. 이들 시스템의 다양성을 위해 요구되는 구조는 아래 설명에서 나타난다. 부가하여, 본 발명은 소정의 특정 프로그래밍 언어를 참조하여 설명되지 않는다. 여기서 설명된 바와 같이 본 발명의 교시를 구현하기 위해 다양한 프로그래밍 언어가 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

기계 판독 가능 매체는 기계 (예컨대, 컴퓨터)에 의해 판독 가능한 형태로 정보를 저장 또는 전송하기 위한 임의의 메커니즘을 포함한다. 예컨대, 기계-판독가능 매체(machine-readable medium)는 ROM; RAM; 자기 디스크 저장 매체; 광학 저장 매체; 플래시 메모리 장치; 등을 포함한다.

상기한 설명을 읽은 후에 본 발명의 많은 변형 및 수정이 당업자에게 명백 할 것이지만, 실례에 의해 도시되고 설명된 소정의 특정 실시예는 결코 제한하는 것으로 간주되도록 의도되는 것이 아님이 이해되어진다. 따라서, 다양한 실시예의 세부 사항에 대한 참조는 그 자체로 본 발명에 필수적인 것으로 간주되는 특징만을 암시하는 청구 범위의 범위를 제한하기 위한 것으로 의도되지 않는다.

Claims

패치 및 아이리스 기판으로 형성된 무선 주파수(RF) 안테나 엘리먼트의 어레이를 갖춘 물리적 안테나 개구면으로, 아이리스 기판이 아이리스 금속층을 포함하는 복수의 층을 갖춘, 물리적 안테나 개구면; 및
RF 안테나 엘리먼트를 가열하기 위해 아이리스 기판의 복수의 층 중 하나 이상에 결합된 히터 구조체;를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
히터 구조체가 아이리스 기판 상에 저항성 히터를 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제2항에 있어서,
히터 구조체가 복수의 히터 버스 평면으로서 동작하는 아이리스 기판 상에 2개의 금속층을 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제3항에 있어서,
복수의 히터 버스 평면이 제1 히터 버스 평면 및 제2 히터 버스 평면을 구비하고, 아이리스 금속층이 제1 히터 버스 평면으로서 이용되고 히터 버스 금속이 제2 히터 버스 평면으로서 이용되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제4항에 있어서,
히터 버스 금속과 아이리스 금속층 사이에 결합된 복수의 히터 트레이스를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제5항에 있어서,
복수의 히터 트레이스가 아이리스 구멍으로부터 적어도 제1 거리 떨어져 있고 아이리스 구멍 주위의 히터 차단 영역 외부에 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
제2항에 있어서,
히터 구조체가 복수의 히터 버스 평면으로서 동작하는 아이리스 기판 상에 2개의 금속층을 구비하고, 아이리스 금속층이 제1 히터 버스 평면 및 제2 히터 버스 평면에 연결된 히터 트레이스를 갖는 개구면의 세그먼트의 외부 엣지 주위로 연장되는 제2 히터 버스 평면으로서 이용되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제7항에 있어서,
히터 트레이스가 동일한 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
히터 구조체가 극성 스위칭 파형으로 구동되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
히터 구조체가 2개의 기판을 분리하고 아이리스 금속층 및 패치 기판에 결합된 스페이서 구조체를 구비하고, 스페이서 구조체가 히터로서 이용되는 도전성 물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
히터 구조체가 복수의 히터 트레이스의 복수의 히터 번들을 형성하는 복수의 히터 링을 구비하고, 복수의 히터 번들 중의 번들이 서로 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 안테나.
복수의 아이리스 구멍을 갖는 아이리스 금속층을 갖춘 제1 기판;
아이리스 구멍과 정렬되는 패치를 형성하는 패치 금속층을 갖춘 제2 기판; 및
무선 주파수(RF) 안테나 엘리먼트를 가열하기 위해 제1 기판에 부착된 히터 구조체;를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 메타물질 안테나.
제12항에 있어서,
히터 구조체가 저항성 히터를 구비하는 것을 특징으로 하는 메타물질 안테나.
제12항에 있어서,
제1 기판에 부착된 히터 구조체가:
아이리스 구멍과 정렬된 패치로 제1 기판과 제2 기판을 이격시키고 RF 안테나 엘리먼트를 가열하기 위해 제1 기판 상의 제1 구조체에 부착되고 제2 기판 상의 제2 구조체에 부착된 스페이서/히터 구조체를 구비하는 것을 특징으로 하는 메타물질 안테나.
제14항에 있어서,
제1 및 제2 구조체가 히터 버스 평면 구조체인 것을 특징으로 하는 메타물질 안테나.
제12항에 있어서,
히터 구조체가:
제1 기판 상의 제1 금속층에 의해 형성된 히터 버스; 및
제1 기판 상의 제2 금속층에 의해 형성되고 히터 버스에 연결된 복수의 히터 트레이스로서, 제1 금속층 및 제2 금속층이 아이리스 금속층과 구별되는, 복수의 히터 트레이스;를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 메타물질 안테나.
제12항에 있어서,
히터 구조체가 아이리스 금속층 아래의 제1 기판 상에 복수의 히터 트레이스를 구비하고 패시베이션층에 의해 아이리스 금속층과 분리되는 것을 특징으로 하는 메타물질 안테나.
제12항에 있어서,
히터 구조체가 아이리스 금속층 위의 제1 기판 상에 복수의 히터 트레이스를 구비하고 패시베이션층에 의해 아이리스 금속층과 분리되는 것을 특징으로 하는 메타물질 안테나.
제12항에 있어서,
히터 구조체가 제1 기판 상에 복수의 히터 트레이스를 구비하고, 각 히터 트레이스가 제1 단부에서 히터 버스에 연결되고 제2 단부에서 아이리스 금속층에 연결되는 것을 특징으로 하는 메타물질 안테나.