KR20220166314A - 유전체 렌즈 및 이를 구비한 전자기 장치 - Google Patents

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KR20220166314A
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트레버 폴리도르
세르지오 클라비조
더크 바스
존 샌포드
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로저스코포레이션
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  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

유전체 렌즈는, 공간적으로 변하는 유전 상수(Dk)를 갖는 유전 물질의 3차원(3D) 바디를 포함하고; 상기 3D 바디는, 적어도 3개의 영역들(R(i)) 중 각각의 영역의 주변 영역들에 대한 유전 상수 값(Dk(i))의 국부 최대값을 갖는 적어도 3개의 영역들(R(i))을 갖고, 상기 적어도 3개의 영역들(R(i))의 위치들은 다음의 로컬 좌표들로 정의됨: 상기 3D 바디에 관한 원점의 특정 공통 포인트에 대해 방위각(i), 천정각(i) 및 방사상 거리(i), 여기서 (i)는 1에서 적어도 3까지 범위의 인덱스; 상기 3D 바디의 공간적으로 변화하는 Dk는, 적어도 주어진 방위각 및 주어진 방위각에서, 영역 R(1) 및 영역 R(2) 사이에서 천정각의 함수로서 변화한다.

Description

유전체 렌즈 및 이를 구비한 전자기 장치
본 개시는 유전체 렌즈 및 이를 구비한 전자기 장치에 관한 것이다.
본 출원은, 2020년 4월 8일자 출원된 미국 가출원 제63/006,976호를 우선권 주장하여 2021년 3월 30일자 출원된 미국 출원 제17/216,989호를 우선권 주장하였으며, 그 전체가 참조로서 여기에 통합된다.
본 개시는 일반적으로 유전체 렌즈에 관한 것으로, 특히 적어도 3개의 별개의 포커싱 또는 디포커싱 섹션들을 갖는 유전체 렌즈들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전자기, EM, 적어도 3개의 별개의 포커싱 또는 디포커싱 섹션들을 갖는 유전체 렌즈를 구비한 EM 통신을 위해 마련되고 구성된 위상 어레이 안테나를 갖는 장치에 관한 것이다.
위상 어레이 안테나(phased array antenna)들은 EM 복사의 전파 방향을 따라 한 방향 또는 두 방향으로 EM 파면(wavefront)을 조정하는데 유용하다. 일반적으로 평면 위상 어레이에서, 조정 각도가 증가함에 따라 감소하는 유효 구경(effective aperture) 감소로 인해 조정 능력(steering capability)이 제한될 수 있다. 조정 능력을 향상시키기 위해, 기존 시스템들은 더 많은 위상 어레이 안테나 베이스 스테이션 세그면트(phased array antenna base station segment)들, 및/또는 룬버그 렌즈(Luneburg lens)들을 채용한다. 이해되는 바와 같이, 위상 어레이 안테나 베이스 세그먼트들의 수가 증가하면, 추가 비용 및 하드웨어 부동산(hardware real estate)이 발생하고, 룬버그 렌즈들의 사용은 비-평면 에러이들의 사용을 요구한다.
기존 EM 위상 어레이 통신 시스템들이 의도한 목적에 적합할 수 있지만, 이러한 시스템들과 관련된 기술은 기존 기술의 단점들을 극복하는 유전체 렌즈 또는 유전체 렌즈 및 위상 어레이 안테나의 조합으로 발전될 것이다.
일 실시 예에 따른 유전체 렌즈는, 공간적으로 변하는 유전 상수(Dk)를 갖는 유전 물질(dielectric material)의 3차원(3D) 바디를 포함하고; 상기 3D 바디는, 적어도 3개의 영역들(R(i)) 중 각각의 영역의 주변 영역들에 대한 유전 상수 값(Dk(i))의 국부 최대값을 갖는 적어도 3개의 영역들(R(i))을 갖고, 상기 적어도 3개의 영역들(R(i))의 위치들은 다음의 로컬 좌표들로 정의됨: 상기 3D 바디에 관한 원점의 특정 공통 포인트에 대해 방위각(i), 천정각(i) 및 방사상 거리(i), 여기서 (i)는 1에서 적어도 3까지 범위의 인덱스; 상기 3D 바디의 공간적으로 변화하는 Dk는, 적어도 주어진 방위각 및 주어진 방위각에서, 영역 R(1) 및 영역 R(2) 사이에서 천정각의 함수로서 변화한다.
일 실시 예에 따른 유전체 렌즈는, 원점의 특정 공통 포인트로부터 3차원(3D) 바디의 외부 표면까지, 원점의 특정 공통 포인트 및 다른 방향들을 갖는 적어도 3개의 다른 광선들을 따라 변화하는 공간적으로 변하는 Dk를 갖는 유전 물질의 3차원(3D) 바디를 포함하고, 상기 원점의 특정 공통 포인트는 상기 3D 바디에 의해 둘러싸이고, 적어도 3개의 다른 광선들은, 적어도 3개의 영역들(R(i)) 중 대응하는 영역들의 바로 주변 영역들의 유전 물질에 대해, 유전 상수 값들(Dk(i))의 국부 최대값을 갖는 3D 바디의 적어도 3개의 영역들(R(i)) 중 대응하는 영역들의 위치들을 정의하고, 여기서 (i)는 1에서 적어도 3까지의 범위의 인덱스; 상기 3D 바디의 유전 물질은, 3D 바디 내의 임의의 경로를 따라 적어도 3개의 영역들(R(i)) 각각으로부터 적어도 3개의 영역들(R(i)) 중 임의의 다른 영역으로 공간적으로 변하는 Dk를 갖는다.
일 실시 예에 따른 전자기(EM) 장치는, 위상 어레이 안테나; 및 제 1 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 따른 유전체 렌즈를 포함하고, 상기 유전체 렌즈는, 전자기적으로 여기될 때, 상기 위상 어레이 안테나와 EM 통신하도록 배치된다.
본 발명의 특징들은 첨부된 도면들과 관련하여 다음의 상세한 설명을 통해 명백하게 설명된다.
예시적인 비제한적인 도면들을 참조하면, 유사한 요소들은 첨부된 도면에서 유사하게 번호가 매겨진다.
도 1은 일 실시 예에 따른 예시적인 위상 어레이 안테나 위에 위치된 예시적인 렌즈들을 나타내는 유전체 렌즈의 3D 블록도 분석 모델의 회전된 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 일 실시 예에 따른 도 1의 실시 예를 x-z 평면을 따라 절개한 전방 단면도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 도 1의 실시 예의 하방 평면도이다.
도 4a는 일 실시 예에 따른 도 1의 반-대칭도(half-symmetry view)의 회전된 사시도이다.
도 4b는 일 실시 예에 따른, 도 4a에 도시된 반-대칭도를 통한 대응하는 단면 슬라이스들 L1-L4을 도시한다.
도 4c는 일 실시 예에 따른, 도 4b의 단면 슬라이스들 L3, L4의 확대도를 도시한다.
도 5는 일 실시 예에 따른, 본 명세서에 적용된 구면 좌표계에서의 표면을 도시한다.
도 6은 일 실시 예에 따른, 도 1의 것과 유사하지만 상이한 형상 및 외부 프로파일을 갖는 다른 예시적인 유전체 렌즈의 투명한 하향식(top down) 평면도를 도시한다.
도 7a-7j는 일 실시 예에 따른, 본 명세서에 개시된 임의의 렌즈에 대한 예시적인 대안적인 3D 형상을 회전된 등각 투영도로 도시된다.
도 8a-8e는 일 실시 예에 따른 도 7a-7j의 3D 형상들의 예시적인 2D x-y 평면 단면도를 도시한다.
도 9a-9c는 일 실시 예에 따른 사용하기 위한 대안적인 표면들을 나타내는 회전된 등각 투영도를 도시한다.
다음의 상세한 설명은 예시의 목적을 위해 많은 세부 사항을 포함하지만, 당업자는 다음 세부 사항에 대한 많은 변형 및 변경이 첨부된 청구범위의 범위 내에 있음을 이해할 것이다. 따라서, 다음의 예시적인 실시 예들은 일반성의 손실 없이 설명되고, 여기에 개시된 청구된 발명에 제한을 가하지 않는다.
다양한 도면들 및 첨부 텍스트에 의해 도시되고 설명된 실시 예는, 3차원(3D) 유전체 렌즈를 제공하고, 3차원 유전체 렌즈는 구조적으로 전기적으로 렌즈의 바디 내에 전략적으로(strategically) 위치하는 적어도 3개의 별개의 포커싱 또는 디포커싱 섹션들을 가지고 있고, EM 방사 파면의 전파 방향에 대해 +/- 90도의 EM 파면의 빔 조종(beam steering)을 용이하게 하기 위해, 위상 어레이 안테나와 협력하도록 구성되어, 증가된 베이스 스테이션 세그먼트(base station segment)들에 대한 필요 없이 증가된 신호 커버리지(signal coverage)를 제공한다. 3D 유전체 렌즈의 적어도 3개의 개별적인 포커싱/디포커싱 섹션들 각각은 유전 상수(Dk) 값의 국부 최대값을 갖는 대응하는 영역에 의해 형성되며, 이에 대해서는 아래에서 자세히 설명한다. 여기에서 사용된 용어, 유전체 렌즈는 복사된 EM 에너지의 공간 분포를 변경하는 역할을 하는 유전 물질의 3D 바디를 의미하고, 본 명세서에 개시된 바와 같이 보다 구체적으로 적어도 3개의 포커싱/디포커싱 섹션들을 통해 방사된 EM 에너지의 공간 분포를 변경하는 역할을 하며, 자체적으로 방사 안테나 역할을 하는 것과는 대조적이다.
본 명세서에 기술되거나 예시된 실시 예는 유전체 렌즈로서 특정 기하학 또는 분석 모델을 묘사할 수 있지만, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 명세서에 개시된 목적에 적합하고 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 다른 기하학적 구조 또는 구조에도 적용 가능하다는 것이 이해될 것이다. 이와 같이, 여기에 제공된 예시는 단지 예시를 위한 것이며 여에 개시된 목적을 위해 가능한 유일한 구성으로 해석되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 아래에서 설명된 여러 도면은 예시적인 분석 블록 요소(104)(도 4a 참조)를 참조하고, 이는 단지 설명을 위한 것이며 제한으로 해석되어서는 안되고, 첨부된 청구범위는 또한 렌즈의 한 영역에서 렌즈의 다른 영역으로 유전 상수의 단계적 전이(step-wise transition) 보다는 점진적인(gradual) 전이를 갖는 유전 렌즈 구성을 포함하는 것으로 생각된다. 첨부된 청구항의 범위에 속하는 모든 구성은 여기에 명시적으로 개시되지 않은 경우 본질적으로 고려된다.
도 1 내지 도 9c를 참조하면: 도 1은 일 실시 예에 따른 예시적인 위상 어레이 안테나 위에 위치된 예시적인 렌즈들을 나타내는 유전체 렌즈의 3D 블록도 분석 모델의 회전된 사시도이다; 도 2a 및 도 2b는 일 실시 예에 따른 도 1의 실시 예를 x-z 평면을 따라 절개한 전방 단면도이다; 도 3은 일 실시 예에 따른 도 1의 실시 예의 하방 평면도이다; 도 4a는 일 실시 예에 따른 도 1의 반-대칭도(half-symmetry view)의 회전된 사시도이다(3-1/2 블록 요소(104)들의 두께), 도 2a 및 도 2b는, 예시적인 Dk 값들의 Dk 스케일(102)이 도시되고, 예시적인 분석 블록(104)이 도시된다. 도 4b는 일 실시 예에 따른, 도 4a에 도시된 반-대칭도를 통한 대응하는 단면 슬라이스들 L1-L4을 도시한다. 도 4c는 일 실시 예에 따른, 도 4b의 단면 슬라이스들 L3, L4의 확대도를 도시한다. 도 5는 일 실시 예에 따른, 본 명세서에 적용된 구면 좌표계에서의 표면을 도시한다. 도 6은 일 실시 예에 따른, 도 1의 것과 유사하지만 상이한 형상 및 외부 프로파일을 갖는 다른 예시적인 유전체 렌즈의 투명한 하향식(top down) 평면도를 도시한다. 도 7a-7j는 일 실시 예에 따른, 본 명세서에 개시된 임의의 렌즈에 대한 예시적인 대안적인 3D 형상을 회전된 등각 투영도로 도시된다. 도 8a-8e는 일 실시 예에 따른 도 7a-7j의 3D 형상들의 예시적인 2D x-y 평면 단면도를 도시한다. 도 9a-9c는 일 실시 예에 따른 사용하기 위한 대안적인 표면들을 나타내는 회전된 등각 투영도를 도시한다. 다양한 도면들에 도시된 분석 모델의 예시적인 블록 요소(104)와 관련하여, 각 블록 요소(104)는 다음의 치수들을 갖는다; dx=4.92mm(millimeters), dy=5.26mm 및 dz=5.04mm. 대안적으로, 각각의 블록 요소(104)는 대략 2λ/3, λ는 39GHz(GigaHertz)의 동작 주파수에서의 파장이다. 그러나, 이러한 블록 요소 치수는 예시 또는 분석 목적만을 위한 것이며, 첨부된 청구범위에 따라 청구된 발명의 범위를 제한하지 않는다. 단면 슬라이스 L1-L4, 도 4A와 함께 도 4b는, 슬라이스 L1이 3D 바디(200)의 후방 외부 표면 영역(206)에 대응하는 것을 도시하고, 절반 슬라이스(L4)는 x-z 평면 단면 절단에 대응하고, 슬라이스(L2, L3)은 슬라이스(L1) 및 절반 슬라이스(L4) 사이의 중간 영역에 해당한다. 도 4a에 도시된 Dk 스케일(102)에 관하여, 예시적인 실시 예는 1.2 이상(밝은 회색으로 도시됨)에서 3.6 이하(짙은 회색 또는 검정색으로 도시됨) 범위의 상대 유전 상수를 갖는 Dk 변동을 포함한다. 그러나, 이러한 Dk 변형은 분석 목적만을 위한 것이며, 첨부된 청구범위에 따라 청구된 발명의 범위를 제한하지 않는다는 것이 이해될 것이다.
여러 도면들에서 볼 수 있는 바와 같이, 직교 x-y-z 좌표계와 구면 좌표계가 모두 도시되어 있고, 본 명세서에 개시된 주제의 보다 완전한 이해를 위해 아래에서 둘 모두를 참조할 것이다. 도 2b에 대하여, 증분 +/- 천정각(zenith angle)은 15도의 증분으로 충분할 것이다.
예시적인 유전체 렌즈(100)는, 공간적으로 변하는 유전 상수(Dk)(상대 유전율(relative permittivity))를 갖는 유전 물질의 3차원(3D) 바디(200)를 포함하고, 3D 바디(200)는, 적어도 3개의 영역들(R(i))(300)(제 1 영역(R(1)), 제 2 영역(R(2)) 및 제 3 영역(R(3))은, 각각 도면 부호 301, 302 및 302) 중 각각의 영역의 주변 영역들에 대한 유전 상수 값(Dk(i))의 국부 최대값을 갖는 적어도 3개의 영역들(R(i))을 갖고, 적어도 3개의 영역들(R(i))의 위치들은 다음의 로컬 좌표들로 정의됨: 3D 바디(200)에 관한 원점의 특정 공통 포인트(202)에 대해 방위각(i), 천정각(i) 및 방사상 거리(i), 여기서 (i)는 1에서 적어도 3까지 범위의 인덱스(도 5를 참조하여 가장 잘 볼 수 있는 국부 구면 좌표계의 일러스트). 도 2a에서 가장 잘 도시된 것과 같이, 3D 바디(200)의 공간적으로 변화하는 Dk는, 적어도 주어진(일정한(constant)) 방위각(azimuth angle)(예를 들어 도 2a의 평면) 및 주어진(일정한) 방사상 거리(ra)(radial distance)에서, 영역 R(1)(301) 및 영역 R(2)(302) 사이에서 천정각(Za)의 함수로서 변화한다. 예를 들어, 도 2a 및 도 4a-4c를 참조하면, 특히 4a에 도시된 Dk 스케일(102)을 참조하여, 천정각이 0도부터 90도까지 변하는 동안, 3D 바디(200) 내의 Dk 값은 예를 들어 R(1)(301)에서 3.6과 같은 비교적 높은 값으로부터 변하고, 예를 들어, R(1)(301) 및 R(2)(302)의 중간 영역에서 1.2와 같은 비교적 낮은 값으로, 예를 들어, R(2)(302)에서 3.6과 같은 비교적 높은 값으로 다양하다. 도 5를 참조하여, +/- 방위각에 대한 부호 규칙(sign convention)은, 양의 y축 시계 방향(CW)으로부터 양의 x축을 향할 경우 플러스(plus)이고, 양의 y축 반시계 방향(CCW)으로부터 음의 x축을 향할 경우 네거티브(negative)이다.
“주변 영역들에 대해”라는 문구는 Dk의 국부 최대값의 각각의 영역에 매우 근접한 3D 바디(200)의 유전 매체의 Dk에 대한 상대적인 것을 의미하고, 여기서 해당 주변 영역의 Dk는 Dk의 로컬 최대값의 관련 영역보다 낮으므로, 용어 “국부(local)” 최대값. 일 실시 예에서, 대응하는 주변 영역은, Dk의 국소 최대값이 연관된 영역에 매우 근접하여, Dk의 로컬 최대값의 연관된 영역을 완전히 둘러싼다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, “특정 공통 포인트(particular common point)”이라는 문구는 구면 좌표계 기준 원점으로서 적합하게 작용할 수 있는 유전체 렌즈(100)의 3D 바디(200)에 대한 점을 의미하고, 적어도 3개의 영역(R(i))(300)의 방위각(i), 천정각(i) 및 방사 거리(i)의 로컬 좌표들은 결정 가능할 수 있고(예를 들어, 도 2a 및 도 5 참조), 또는 로컬 x-y-z 직교 좌표계에 의해, 여기서, 원점의 공통 포인트(202)는 로컬 x-y-z 좌표계의 원점이다. 반면, 도 2a 및 도 2b는 3D 바디(200)의 바닥 표면 또는 베이스 영역(204)과 실질적으로 정렬되는 x-y 평면 상의 원점의 공통 포인트(202)를 도시하고, 그러한 예시는 단지 하나의 예시적인 시나리오일 뿐이며, 첨부된 청구범위의 범위에 속하는 다른 시나리오 또는 구조는 3D 바디(200) 내부 또는 외부에 위치하는 원점의 공통 포인트를 포함할 수 있다.
도 2a를 참조하여 실시 예는, 주어진 방사상 거리(ra)는 제 1 주어진 방사상 거리로서 보여질 수 있고, 3D 바디(200)는 천정각(Zb)의 함수로서 변하는 제 2 변화하는 방사상 거리(rb)에 대해 더 설명될 수 있다. 예를 들어, 주어진 방위각에서 영역 R(1)(301) 및 영역 R(2)(302) 사이에서(예를 들어, 도 2a의 평면), 제 2 변화하는 방사상 거리(rb)에서, 3D 바디(200)의 공간적으로 변화하는 Dk는 천정각 Zb의 함수로서 변화하고, 이는 도 2b를 참조하여 가장 잘 도시된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 변화하는 방사상 거리(rb)는 0도에서 90도로 증가함에 따라 증가한다. 도 2a 내지 도 4a-4c를 참조하여, 특히 도 4a에 도시된 Dk 스케일(102)를 참조하면, 3D 바디(200)의 일 실시 예 내에서 Dk 값이 상대적으로 높은 값에서 변화고, 예를 들어, R(1)(301)에서 3.6과 같이 상대적으로 낮은 값으로, 예를 들어, R(1)(301) 및 R(4)(304)의 중간 영역에서 1.2와 같은 상대적으로 높은 값으로, 예를 들어, R(4)(304)에서 2.4와 같이 상대적으로 낮은 값으로, 예를 들어, R(4)(304) 및 R(2)(302)의 중간 영역에서, 1.2와 같이 다시 상대적으로 높은 값으로, 예를 들어 R(2)(302)에서 3.6과 같이 천정각(Zb)가 0도에서 90도까지 변한다.
3D 바디(200)의 공간적으로 변화하는 Dk 값에 대한 상기 설명은 0도 내지 90도 사이의 천정각 및 +90도의 방위각에 대해 설명되었다. 그러나, 도 2a 및 도 2b에서 볼 수 있는 바와 같이, 3D 바디(200)의 공간적으로 변하는 Dk 값의 동일하지는 않지만 유사한 구조는 0도 및 90도 사이의 천정각과 -90도의 방위각에 대해 볼 수 있다. 즉, 3D 바디(200)의 실시 예는 2D 바디(200)의 공간적으로 변화하는 Dk 값이 도시된 y-z 평면에 대해 대칭인 배열을 포함하고, 여기서 x-y-z 원점은 3D 본체(200)의 하향식 평면도에서 관찰된 바와 같이 3D 바디(200)에 대해 중앙에 배치된다.(R(1)(301)에서 R(5)(303)으로의 Dk 값의 전환을 0에서 90도까지의 천정각 Za의 함수 및 예를 들어 0도에서 90도까지의 천정각 Zb의 함수로서 참조해라). 이와 같이 그리고 전술한 바에 비추어, 유전체 렌즈(10)의 실시 예는, 주어진 방위각(예를 들어, 도 2a의 평면) 및 주어진(일정한) 방사상 거리(ra)에서 영역 R(1)(301)과 영역 R(2)(303) 사이에서, 3D 바디(200)의 공간적으로 변화하는 Dk가 천정각(Za)의 함수로서 변화하도록 구성되는 배열을 포함하는 것이 이해될 것이다. 추가적으로, 유전체 렌즈(100)의 실시 예는 또한 배열을 포함한다는 것을 이해할 것이고, 여기서 3D 바디(200)의 공간적으로 변화하는 Dk는 영역 R(2)(302) 및 영역 R(3)(303)이 되도록 구성되고, 180도 떨어져 있는 대응하는 방위각에서, y-z 평면에 대해 서로 및/또는 영역 R(1)(301)에 대해 대칭인 Dk를 갖는다.
도 3 및 도 4a-4c에서 볼 수 있는 바와 같이, 도 4a의 Dk 스케일(102)을 참조하면, 유전체 렌즈(100)의 실시 예는, 주어진 천정 각(예를 들어 90도와 같으나 이에 제한되지 않음) 및 정의된(고정된 또는 가변적인) 방사상 거리(ra)(고정됨), (rb)(가변)에서, 영역 R(2)(302) 및 R(3)(303) 사이에서, 3D 바디(200)의 공간적으로 변화하는 Dk가 방위각의 함수로서 변화하도록 구성되는 배열을 포함한다는 것을 추가로 이해할 것이다(예를 들어, 도 5에 도시된 x-y 평면에서). 예를 들어, 도 4a 및 그 안의 Dk 스케일(102)를 참조하면, 90도의 천정각(즉, x-y 평면)과 가변 방사상 거리(rb)에서, 3D 바디(200)의 공간적으로 변화하는 Dk는 영역 R(2)(302)에서 약 3.6에서 영역 R(2)(302)로부터 시계 방향으로 +90도의 방위각에서 1(공기)로 변하고, 영역 R(3)(303)에서 약 3.6까지, 영역 R(3)(303)에서 시계 방향으로 방위각 -90도에서 1(공기)까지, 영역 R(2)(302)에서 약 3.6으로 되돌아간다.
도 2a 내지 도 4a-4c를 참조하고, 도 4a의 Dk 스케일(102)을 참조하면, 유전체 렌즈(100)의 일 실시 예는 배열(arrangement)을 포함하고, 여기서 3D 바디(200)의 공간적으로 변하는 Dk는 또한 원점의 공통 포인트(202)와 영역 R(1)(301) 사이의 방사상 거리의 함수로서 변화하도록 구성되고, 여기서 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, Dk 값은 원점의 공통 포인트(202)에 근접한 중앙 영역(rc)(308)에서 약 1(예를 들어, 공기)로부터 영역 R(1)(301)에서 약 3.6까지 점차 상향으로 변한다. 일반적으로, 원점의 공통 포인트(202)와 영역들 R(i)(300) 중 어느 하나, 예를 들어 R(1)(301) 사이에서, 3D 바디(200)의 공간적으로 변하는 Dk의 실시 예는 방사상 거리의 함수로서 적어도 하나의 방사상 방향 경로를 따라 점진적으로 상향으로 변화(즉, 증가)하도록 구성된다. 일 실시 예에서, 3D 바디(200)의 공간적으로 변하는 Dk는 적어도 3개의 상이한 방사상 경로들을 따라 위쪽으로 점진적으로 변하도록 구성되며, 원점의 공통 포인트(202)를 갖고, 원점의 공통 포인트(202)와 영역 R(i)(300) 중 적어도 하나, 예를 들어 R(1)(301), R(2)(302) 및 R(3)(303)과 같은 영역 사이의 대응하는 방사상 거리의 함수이다. 도 1, 도 2a-2b, 도 4a-4c 에 도시된 실시 예들에서, 중심 영역(rc)(308), 및/또는 원점의 공통 포인트(202)를 둘러싸는 영역이 공기이거나 공기의 Dk와 동일한 Dk를 가지며, 이는 단지 예시 및/또는 모델링을 위한 것임을 이해해야 하고, 중앙 영역(rc)(308) 및/또는 원점의 공통 포인트(202)를 둘러싸는 영역은 실제로 공기일 수 있거나 공기에 가까운 낮은 Dk 값을 갖는 유전 매체(dielectric medium)일 수 있고, 예를 들어, 공기가 채워진 개방형 또는 폐쇄형 셀들이 있는 유전체 폼(dielectric foam)일 수 있다. 이와 같이, 원점의 공통 포인트에서의 3D 바디(200)는 공기의 Dk 값 이상 1.2 이하의 Dk 값을 갖는다는 것을 알 수 있을 것이다.
본 명세서에 사용된 바와 같이 용어 “점진적으로”는 단계적인 변화가 없음을 반드시 의미하지는 않으며, 예를 들어, 전이 존(transition zone)을 가로질러 3D 바디(200)의 한 영역(one region)에서 인접 영역(adjacent region )으로, 유전 물질의 층상 쉘이 존재할 때 존재할 수 있는 것과 같이, 그러나 +/- 1.9, 더 특히 +/- 1.5, 훨씬 더 특히 +/- 1.0의 Dk 값 변화를 초과하지 않는 계층화된 쉘 인터페이스(또는 전이 영역)를 가로지르는 속도를 의미하지 않는다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 3D 바디(200)의 한 영역에서 인접 영역까지의 전이 존을 가로지르는 거리는 1λ의 작동 파장에 대해 측정되며, 일 실시 예에서 0.5λ의 작동 파장에 대해 측정되고, 여기서 λ는 정의된 작동 주파수(operational frequency)를 갖는 작동 전자기 방사 신호(operational electromagnetic radiating signal)의 자유 공간(free space)에서의 작동 파장이다. 즉 일 실시 예에서 3D 바디(200)의 한 영역에서 인접 영역까지의 전이 영역을 가로지르는 거리는 1λ이고, 다른 실시 예에서 λ/2이다. 일 실시 예에서, 정의된 동작 주파수는 40GHz이다.
중앙 영역(rc)(308)에 관하여, 도 2a를 참조하면, 일 실시 예는 원점의 공통 포인트(202)로부터 정의된 방사상 거리(rk)(210)에 대한 3D 바디(200)가 공기의 Dk 값 이상이고 2 이하의 Dk 값을 갖는 배열을 포함하고, 대안적으로 공기의 것 이상이고 1.5 이하이고, 추가로 공기의 것 이상이고 1.2 이하이다. 일 실시 예에서, rk는 2λ이하이고, 대안적으로는 1.5λ이하이고, 대안적으로는 1λ이하이고, 대안적으로는 2/3λ이하이고, 추가로 대안적으로는 1/2λ 이하이다.
도 1-4c를 참조하면, z축을 따른 원점의 공통 포인트(202)로부터 영역 R(1)(301)까지의 방사 경로는 위상 어레이 안테나(600)으로부터 유전체 렌즈(100)의 조준 방향인 것으로 또한 보여지며, 위상 어레이 안테나(600)가 전자기적으로 여기될 때, 이는 아래에서 더 자세히 논의될 것이다.
적어도 도 2a 및 도 4a-4b를 다시 참조하면, 유전체 렌즈(100)의 실시 예는 3D 바디(200)의 공간적으로 변화하는 Dk가 또한 원점의 공통 포인트(202) 및 영역 R(2)(302) 사이, 및/또는 원점의 공통 포인트(202) 및 영역 R(3)(303) 사이에서 방사상 거리의 함수로서 변화하도록 구성되는 배열을 포함한다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 도 2a 및 도 4a-4b 모두, x-y 평면에서 +x 축을 따라 그리고 -x 축을 따라 볼 때, 원점의 공통 포인트(202)에서 약 3.6 사이에서 변하는 3D 바디(200)의 Dk 값을 도시한다.
다른 실시 예에서 그리고 여전히 적어도 도 2a 및 도 4a-4b를 참조하면, 3D 바디(200)의 공간적으로 변하는 Dk는 또한 원점의 공통 포인트(202)로부터 3D 바디(200)의 외부 표면 영역(206)까지 적어도 3개의 상이한 방사상 방향들, 예를 들어 +x축을 따라, -x축을 따라, +z축을 따라 변경되도록 구성된다.
본 명세서에서 상기 기재된 바와 같이, 유전 상수 값들 Dk(i)의 국부 최대값을 갖는 적어도 3개의 영역들 R(i)(300)은 3을 초과하는 영역들 R(i)(300)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 특히 도 2b를 참조하면, (천정각을 15도 증분으로 도시하면, 도 2b에서 볼 때 z축에 대해 CW 및 CCW 모두 증가), 여기에 개시된 여러 다른 도면들과 함께, 실시 예는 영역 R(1)(301)은 천정각(1)(Za1)에 15도 CCW 및 15도 CW 사이에서 배치되고, 영역 R(2)(302)는 천정각(2)(Za2)에 75도 CCW 및 90도 CCW 사이에서 배치되고, 영역 R(3)(303)은 천정각(3)(Za3)에 75도 CW 및 90도 CW 사이에서 배치되고, 영역 R(4)(304)는 천정각(4)(Za4)에 15도 CCW 및 75도 CCW 사이에서 배치되고, 및/또는 영역 R(5)(305)은 천정각(5)(Za5), 15도 CW 및 75도 CW 사이에서 배치된다. 도 1, 3, 4a 및 4b와 도 2a-2b를 비교함으로써 알 수 있는 바와 같이, 영역 R(4)(304) 및 R(5)(305)는 동일한 평면(예를 들어 x-z 평면)에 있지 않았고, 영역 R(1)(301), 영역 R(2)(302) 및 R(3)(303)으로 표시되지만, 영역들 R(4)(304) 및 R(5)(305)에 인접한(proximate) 내부 에어 포켓(220)(internal air pocket)(도 4a 및 도 4b를 참조하여 가장 잘 도시됨)을 갖는 유전체 렌즈(100)의 3D 해석 모델로 인해, 도 2a-2b에서는 “가시적(visible)”이고, 결과적으로 도 2a 및 도 2b의 x-z 단면에서 볼 때 영역들 R(4)(304) 및 R(5)(305)는 가시적이다. 실제로, 여러 도면들에서 영역 R(4)(304) 및 R(5)(305)이 x-z 평면과 평행하고 -y 방향으로 오프셋된 평면에 배치되어 있음을 알 수 있다. 유전체 렌즈(100)의 3D 해석 모델이 전술한 에어 포켓(220)들을 갖는 본 명세서에서 설명되지만, 그러한 포켓(220)들은 실제로 공기일 수 있거나 공기에 가까운 낮은 Dk 값을 갖는 유전 매체일 수 있다는 것이 이해될 것이고, 예를 들어 공기가 채워진 개방형 또는 폐쇄형 셀이 있는 유전체 폼일 수 있다.
특히 도 4b 및 도 4c를 참조하면, L1-L4 단면들 또는 슬라이스들을 통해 볼 수 있고, 실시 예는 또한 영역 R(2) 영역 R(3)(303)이 약 180도의 방위각, 더 일반적으로 150도 및 180도 사이의 방위각에 의해 분리되는 배열을 포함하고, 특히 적어도 도 1을 참조하면, 영역 R(4)(304) 및 영역 R(5)(305)이 약 180도의 방위각, 더 일반적으로 150도 및 180도 사이의 방위각에 의해 분리되어 있음을 확인할 수 있다.
전술한 내용 및 여러 도면들을 참조하여, 특히 Dk 스케일(102)을 참조하여, 실시 예는 3D 바디(200)의 공간적으로 변화하는 Dk가 1 보다 크고 15 이하인, 대안적으로 1 보다 크고 10 이하인, 대안적으로 1보다 크고 5 이하인, 보다 대안적으로 1 보다 크고 4 이하인 배열을 포함하는 것으로 이해된다. 또한, 실시 예에서, 유전 상수 값 Dk(i)의 대응하는 국부 최대값을 갖는 각 영역 R(i)(300)이, 2 이상 15 이하인, 대안적으로 3 이상 12 이하인, 보다 대안적으로 3 이상 9 이하인, 보다 대안적으로 3 이상 5 이하인 Dk를 갖는다. 일 실시 예에서, 유전 물질의 3D 바디(200)의 공간적으로 변하는 Dk는 방위각(i), 천정각(i) 및 방사상 거리(i)의 함수로서 점진적으로 변한다. 일 실시 예에서, 유전 문질의 3D 물질(200)의 점진적으로 변화하는 Dk는 작동 주파수의 1/4 파장당 정의된 최대 Dk 값 이하에서 변화하고, 또는 작동 주파수의 1/2 파장당 정의된 최대 Dk 값 이하에서 변화하고, 대안적으로 작동 부파수의 파장당 정의된 최대 Dk 값 이하에서 변화한다. 일 실시 예에서, 정의된 최대 Dk 값은 +/- 1.9 보다 구체적으로 +/- 1.5, 특히 보다 구체적으로 +/- 1.0이다.
이제 도 6을 참조하고, 도 1의 유전체 렌즈(100)와 유사하지만 다른 형상 및 외부 프로파일을 갖는 다른 예시적인 유전체 렌즈(100')의 투명한 하방 평면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 영역들 R(1)(301), R(2)(302) 및 R(3)(303) 외에도, 유전 상수 값 Dk(i)의 국부 최대값의 선택적 영역들 R(4)(304) 및 R(5)(305)과 함께, 실시 예는 적어도 3개의 영역 R(i)(300)이 유전 상수 값 Dk(i)의 국부 최대값은 영역 R(6)(306) 및 영역 R(7)(307)을 더 포함하고, 영역 R(1)(301)이 -15도 및 +15도 사이의 천정각(1)으로 배치되고(도 2b 참조), 영역들 R(2)(302), R(3)(303), R(6)(306) 및 R(7)(307) 각각은 -75도 및 -90도 사이 또는 +75도 및 +90도 사이인 천정각(2)으로 배치되고, x-z평면 또는 y-z평면에서 관찰된 바와 같다(도 2b를 부분적으로 참조함). 일 실시 예에서, 영역들 R(2)(302) 및 R(3)(303)은 150도 및 180도 사이의 방위각으로 분리되고; 영역들 R(6)(306) 및 R(7)(307)은 150도 및 180도 사이의 방위각으로 분리되고; 영역들 R(2)(302) 및 R(6)(306)은 30도 및 90도 사이의 방위각으로 분리되고; 영역들 R(3)(303) 및 R(6)(306)은 30도 및 90도 사이의 방위각으로 분리되고; 영역들 R(2)(302) 및 R(7)(307)은 30도 및 90도 사이의 방위각으로 분리되고; 영역들 R(3)(303) 및 R(7)(307)은 30도 및 90도 사이의 방위각으로 분리된다. 도 6이 유전체 렌즈(100')에 대한 실선 형태의 원형 외부 프로파일을 도시하고, 이는 단지 예시를 위한 것이며, 유전체 렌즈(100')은 본 명세서에 개시된 목적에 적합한 임의의 형상을 가질 수 있음이 이해될 것이고, 이는 실선 형태의 원을 둘러싸는 점선 형태의 정사각형 외부 프로파일로 표시된다.
전술한 모든 것으로부터, 유전 상수 값들 Dk(i)의 국부 최대값을 갖는 영역들 R(i)(300)의 다양한 양들 및 배열들을 묘시하는 다양한 실시 예는, 무한대로 설명하기에는 너무 많은 가능한 배열의 몇 가지 예들에 불과하나, 통상의 기술자의 범위 내에 있다. 이와 같이, 첨부된 청구항들의 범위 내에 속하는 영역들 R(i)(300)의 모든 이러한 실시 예들은 완전히 및/또는 본 명세서에 제시된 대표적인 예에 의한 본 명세서에 본질적으로 개시되어 있다.
추가로, 유전체 렌즈(100, 100')의 특정 실시 예가 특정 2D 및 3D 형상들(예를 들어, 도 1의 직사각형 블록, 및 도 6의 원형 또는 직사각형 풋프린트)을 갖는 것으로 설명 및/또는 묘사되나, 이는 단지 예시를 위한 것이며 여기에 개시된 본 발명의 실시 예는 그렇게 제한되지 않고, 예를 들어, 본 개시의 범위를 손상시키지 않으면서, 도 7a-7j 및 도 8a-8e에 도시된 것과 같은 다른 2D 및 3D 형상으로 확장된다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 도 7a-8e를 참조하면, 여기에 설명된 임의의 유전체 렌즈(100, 100')는, 3차원 형상을 가질 수 있고, 이는 도 7a의 실린저, 도 7b 및 도 7c의 다각형 박스, 도 7d 및 도 7e의 테이퍼된 다각형 박스, 도 7f의 콘, 도 7g의 원뿔대, 도 7h의 토로이드(toroid), 도 7i의 돔(예를 들어, 반구), 도 7j의 길쭉한 돔, 또는 여기에 개시된 목적에 적합한 임의의 다른 3차원 형태, 따라서 도 8a의 원 형상의 z축 단면, 도 8b의 직사각형, 도 8c의 다각형, 도 8d의 링, 도 8e의 타원체, 또는 본 명세서에 개시된 목적에 적합한 임의의 다른 형상일 수 있다.
전술한 모든 것들을 고려하여, 유전체 렌즈(100)를 설명하는 대안적은 방식은 다음을 포함하는 유전체 렌즈(100)에 의한 것임이 이해된다: 상이한 방향들 및 특정한 원점의 공통 포인트(202)를 갖는 적어도 3개의 상이한 광선(ray)들을 따라, 원점의 공통 포인트(202)로부터 3D 바디(200)의 외부 표면(206)까지 변하는 공간적으로 변하는 Dk를 갖는 유전 물질의 3차원(3D) 바디(200), 특정한 원점의 공통 포인트(202)는 3D 바디(200)에 의해 둘러싸임; 3D 바디(200)의 적어도 3개의 영역들 R(i)(300)(301, 302, 304) 중 대응하는 영역들의 위치를 정의하는 여기서 적어도 3개의 다른 광선들(예를 들어, 도 2a를 참조하여, 영역 R(1)(301) 및 영역 R(2)(302)을 통한 광선(ra), 및 영역 R(4)(304)을 통한 광선(rb))은 적어도 3개의 영역들 R(i)(300) 중 대응하는 영역의 바로 주변 영역들의 유전 물질에 대한 유전 상수 값들 Dk(i)의 국부 최대값을 가짐; 여기서, 적어도 3개 이상의 영역들 R(i)(300)의 각각의 쌍들 사이에서, 3D 바디(200)의 유전 물질은, 3D 바디(200) 내의 임의의 경로를 따라 적어도 3개의 영역들 R(i)(300) 각각으로부터 적어도 3개의 영역들 R(i)(300) 중 임의의 다른 하나까지 공간적으로 변화하는 Dk를 갖는다.
이제 도 1 및 도 4a-4c를 참조하며, 이는 본 명세서에서 앞서 설명한 모든 것들 외에도, 위상 어레이 안테나(600) 및 위에 개시된 바와 같은 유전체 렌즈(100)를 포함하는 전자기(EM) 장치(500)을 개시하고, 여기서 유전체 렌즈(100)는 위상 어레이 안테나(600)가 다음과 같을 때, 위상 어레이 안테나(600)와 EM 통신하도록 구성 및 배치되며, 전자기적으로 여기된다(excited). 일 실시 예에서, 위상 어레이 안테나(600)는 적어도 도 1 내지 도 4a-4c에 도시된 바와 같이 평면 위상 어레이 안테나이다.
일 실시 예에서, 유전체 렌즈(100)는 적어도 도 1 및 도 4a-4c에 도시된 바와 같이 위상 어레이 안테나(600)의 상부 중앙에 배치된다.
일 실시 예에서, 유전체 렌즈(100)는 적어도 도 1 및 도 4a-4c에 도시된 바와 같이, 위상 어레이 안테나(600)의 대응하는 풋프린트보다 더 큰 평면도에서 관찰되는 풋프린트를 갖고, 유전체 렌즈(100)가 위상 어레이 안테나(600)의 엣지(602)들을 넘어 연장한다(도 1 및 도 2a를 참조하여, 볼 수 있음).
일 실시 예에서, 90도의 천정각에서 유전체 렌즈(100)의 부분은 Dk 값이 증가했다가 감소했다가 원점의 공통 포인트(202)로부터 위상 어레이 안테나(600)의 엣지(602)들을 넘어, 예를 들어 +/-x 축을 따라, 바깥쪽으로 지정된 방사상 방향을 따라 다시 증가한다(도 4a-4c를 참조하여 가장 잘 도시됨). 예를 들어, +x축을 따라, 도 4b 및 도 4c에 도시된 단면도들 L3 및 L4에서, 유전체 렌즈(100)는 원점의 공통 포인트(202)(여기서 공기 영역에 있는 것으로 도시됨)에서 약 1 또는 1에 가깝게 증가하는 Dk 값을 갖고, 위상 어레이 안테나(600)의 엣지(602)에 근접한 영역(310)에서 약 3.6의 값으로, 그 다음으로 위상 어레이 안테나(600)의 엣지(602) 및 영역(310) 너머인 영역(312)에서 약 1.2로 감소하고, 그 다음 위상 어레이 안테나(600)의 엣지(602)를 넘어서 영역(312)을 넘어 영역(314)에서 약 3.6으로 다시 증가한다. 대안적으로, 렌즈(100)의 실시 예는, 원점의 공통 포인트(202)에서 비교적 낮은 Dk 영역의 바깥쪽에 있고, 주어진 방위각에 대해 3D 바디(200)의 외부 표면(206)을 향해 +/- 90도의 천정각에서 원점의 공통 포인트(202)로부터 방사상 방향으로, 3D 바디(200)가 상대적으로 낮은 Dk 영역(312)의 외측에 상대적으로 높은 Dk 영역(314)을 갖는 배열을 포함한다(예를 들어, x-z 평면에서). 어떤 특정한 이론에 구속되지 않지만, 낮은 Dk 포켓, 예를 들어 영역(312)의 존재가 분석 모델링을 통해 발견되고, 위상 어레이 안테나(600)의 엣지(602) 바로 너머는, 위상 어레이 안테나(600)에서 발생하는 EM 파면의 전파 방향에 대해, EM 파면 +/- 90도의 빔 조정을 용이하게 하기 위해 위상 어레이 안테나(600)로부터의 EM 방사 패턴을 향상시킨다.
전술한 바와 같이, EM 장치(500)의 실시 예는 평면 위상 어레이 안테나인 위상 어레이 안테나(600)를 포함하고, 이는 도 1 및 도 4a-4c에 도시된 것만이 아니고, 도 9a에도 도시되고, 여기서 개별 안테나 요소(650)들은 평면 기판(620) 위에 배치된 예시적인 5x6 어레이로 도시된다. 유전체 렌즈(100)의 전술한 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 본 명세서에 개시된 실시 예는 다음과 같은 배열을 포함하고, 여기서 단일 유전체 렌즈(100)는 전체 위상 어레이 안테나(600)와 EM 커뮤니케이션하도록 배치된다.
위에서 설명된 실시 예는 평면 위상 어레이 안테나(600)를 참조하여 예시되나, 본 명세서에 개시된 실시 예는 이에 제한되지 않는다는 것이 이해되고, 위상 어레이 안테나의 비-평면 배열들을 포함하고, 이제 이는 도 1-8e 및 도 9a와 함께 도 9b-9c를 참조하여 설명된다.
도 9b는 구 형태의 비-평면 기판(622)을 도시하고, 도 9c는 실린더 형태의 비-평면 기판(624)을 도시한다. 도 9b및 도 9c는 각각 완전한 구 및 완전한 실린더를 도시하고, 반-구 및 반-실린더도 고려된다는 것이 이해될 것이다. 일 실시 예에서, 개별 안테나 요소(650)들의 어레이는 위에 전략적으로 배치될 수 있고, 각각의 구형 기판(622) 또는 실린더 기판(624)의 볼록한 표면 또는 오목한 표면에 배치되고, 본 명세서에 개시된 임의의 형태의 유전체 렌즈(100, 100')는 안테나 요소(650)들의 어레이 위에 배치될 수 있다.
일 실시 예에서, 위상 어레이 안테나(600)의 안테나 요소(650)들 각각은 위상각 제어 또는 진폭 제어로 동작될 수 있고, 또는 활성화 신호의 위상각 제어 및 진폭 제어 모두와 함께 대안적으로 작동되어, EM 파면의 전파 방향에 대해 전체 +/- 90도에 걸쳐 최적의 안테나 시스템을 달성할 수 있다. 일 실시 예에서, 전파 방향에 대한 +/- 90도 제어는 수평 축 또는 수직 축, 또는 수평 및 수직 축 모두에 대해 상대적일 수 있다(예를 들어, 도 1-4c의 렌즈 참조).
따라서, 실시 예는 비-평면 위상 어레이 안테나인 위상 어레이 안테나를 포함하고, 여기서 비-평면 위상 어레이 안테나는 구면 또는 실린더 표면을 갖거나 그 위에 배치된다. 일 실시 예에서, 위상 어레이 안테나는 유전체 렌즈를 향해 구면의 볼록 측면(convex side), 오목 측면, 또는 볼록 측면 및 오목 측면 모두로부터 EM 복사를 방출하도록 구성된다. 일 실시 예에서, 위상 어레이 안테나는 유전체 렌즈를 향해 원통형 표면의 볼록 측면, 오목 측면, 또는 볼록 측면 및 오목 측면 모두로부터 EM 복사를 방출하도록 구성된다.
비-평면 위상 어레이의 전술한 설명은 구형 또는 실린더 표면을 참조하여 이루어지지만, 본 명세서의 개시 내용의 범위는 그렇게 제한되지 않고, 또한 다른 비평면 표면을 포함하는 것으로 이해될 것이고, 예를 들어, 회전 타원체(spheroidal), 타원체 또는 쌍곡선(hyperbolic) 표면과 같으나 이에 국한되지 않는다. 첨부된 청구항의 범위 내에 속하는 임의의 모든 표면이 여기에 본질적으로 개시된 것으로 고려된다.
임의의 형태의 기판(620, 622, 624)을 갖고 그 위에 배치된 안테나 요소(650)들의 임의의 배열을 갖는 EM 장치(500)의 전술한 설명 중 임의의 것과 관련하여, 본 명세서에 개시된 바와 같이 구성되고 배치된 임의의 형태의 유전체 렌즈(100, 100')로, EM 장치(500)의 일 실시 예는 위상 어레이 안테나(600)가, 1GHz 이상 300GHz 이하, 대안적으로 10GHz 이상 90GHz 이하, 20GHz 이상 60GHz 이하, 대안적으로 20GHz 이상 40GHz 이하 주파수 범위에서 동작하도록 구성되고 적응되도록 구성된다. 일 실시 예에서, 위상 어레이 안테나(600)는 밀리미터파 주파수에서 동작하도록 구성되고 적응되고, 일 실시 예에서 밀리미터파 주파수는 5G 밀리미터파 주파수이다.
개별 특징들의 특정 조합이 여기에서 설명되고 예시되었지만, 이러한 특징의 특정 조합은 단지 예시를 위한 것이며, 그러한 조합이 명시적으로 예시되고 여기에 개시 내용과 일치하는지 여부와 관계 없이, 이러한 개별 특징 중 임의의 조합이 실시 예에 따라 채용될 수 있음을 이해된다. 본 명세서에 개시된 바와 같은 특징의 임의의 및 모든 이러한 조합은 본 명세서에서 고려되며, 통상의 기술자의 이해 범위 내에 있는 것으로 간주되고, 본 명세서에 개시된 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주되는 경우, 이들은 통상의 기술자가 이해할 수 있는 방식으로 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범위 내에 속한다.
전술한 모든 것을 고려하여, 여기에 개시된 실시 예 중 일부는 다음 이점들 중 하나 이상을 제공할 수 있음을 이해할 것이다: 최대 5G mm 파장 주파수를 포함하는 평면 위상 어레이 안테나 위에 배치될 때 게인(gain)의 최소 강하로 플러스/마이너스 90도의 빔 스티어링을 허용하는 EM 빔 스티어링 장치; 필요한 베이스 세그먼트(base station segment)들의 수의 1/3 내지 1/2의 감소로 방사선 필드 커버리지 영역(radiation field coverage)이 증가하도록 하는 EM 빔 조정 장치; 및 다수의 개별 포커싱 영역을 갖는 EM 유전체 렌즈, 주어진 원하는 복사 각도를 달성하기 위해 렌즈의 다른 포커싱 영역과 함께 입사 EM 복사(incident EM radiation)를 보강적으로 굴절시키는 유전 상수의 국부 최대값이 있다.
본 명세서에서 예시적인 실시 예들을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 통상의 기술자는 청구범위의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수 있고, 등가물이 그의 요소를 대체할 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명의 본질적인 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 재료를 적용하기 위해 많은 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 고려되는 최상의 또는 유일한 모드로서 여기에 개시된 특정 실시 예 또는 실시 예들로 제한되지 않는 것으로 의도되며, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위에 속하는 모든 실시 예를 포함할 수 것이다. 도면 및 설명에서, 예시적인 실시 예가 개시되었고, 특정 용어 및/또는 치수가 사용될 수 있지만, 그것들은 달리 언급되지 않는 한 일반적, 예시적 및/또는 설명적인 의미로만 사용되며 제한을 목적으로 하지 않으므로 청구범위의 범위가 그렇게 제한되지 않는다. 레이어, 필름, 기판 또는 기타 설명된 특징과 같은 요소가 다른 요소 “위에(on)” 있는 것으로 언급되는 경우, 다른 요소 위에 직접 있을 수 있거나 중간 요소도 존재할 수 있다. 대조적으로, 요소가 다른 요소에 “직접적으로 위에(directly on)” 있는 것으로 언급되는 경우, 중간 요소가 존재하지 않는다. 첫 번째, 두 번째 등의 용어의 사용은 순서나 중요성을 나타내지 않고, 오히려 첫 번째, 두 번째 등의 용어는 한 요소를 다른 요소와 구별하는데 사용된다. 하나의 사용은, 수량의 제한을 의미하는 것이 아니라, 참조 항목 중 적어도 하나의 존재를 나타낸다. 본 명세서에 사용된 용어 “포함하는”은 하나 이상의 추가 특징의 가능한 포함할 배제하지 않는다. 그리고 여기에 제공된 모든 배경 정보는 출원인이 여기에 공개된 발명과 관련성이 있을 수 있는 정보를 나타내기 위해 제공된다. 그러한 배경 정보가 본 명세서에 개시된 본 발명의 실시 예에 대한 선행 기술을 구성한다는 어떠한 승인도 반드시 의도되거나 해석되어서는 안된다.

Claims (50)

  1. 유전체 렌즈로서,
    공간적으로 변하는 유전 상수(Dk)를 갖는 유전 물질의 3차원(3D) 바디를 포함하고,
    상기 3D 바디는, 적어도 3개의 영역들(R(i)) 중 각각의 영역의 주변 영역들에 대한 유전 상수 값(Dk(i))의 국부 최대값을 갖는 적어도 3개의 영역들(R(i))을 갖고, 상기 적어도 3개의 영역들(R(i))의 위치들은 다음의 로컬 좌표들로 정의됨: 상기 3D 바디에 관한 원점의 특정 공통 포인트에 대해 방위각(i), 천정각(i) 및 방사상 거리(i), 여기서 (i)는 1에서 적어도 3까지 범위의 인덱스;
    상기 3D 바디의 공간적으로 변화하는 Dk는, 적어도 주어진 방위각 및 주어진 방위각에서, 영역 R(1) 및 영역 R(2) 사이에서 천정각의 함수로서 변화하는 유전체 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방사상 거리는 주어진 제 1 방사상 거리이고,
    상기 3D 바디의 공간적으로 변하는 Dk는, 상기 천정각의 함수로서 변화하는 변하는 제 2 방사상 거리에서, 상기 주어진 방위각에서, 영역 R(1) 및 R(2) 사이에서 상기 천정각의 함수로서 변하는, 유전체 렌즈.
  3. 제 1 항 및 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3D 바디의 공간적으로 변하는 Dk는, 또한 주어진 방사상 거리에서, 주어진 방위각에서 영역 R(1) 및 R(3) 사이에서 상기 천정각의 함수로서 변하는, 유전체 렌즈.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3D 바디의 공간적으로 변하는 Dk는, 또한 주어진 방사상 거리에서, 주어진 천정각에서 영역 R(2) 및 R(3) 사이에서 상기 방위각의 함수로서 변하는, 유전체 렌즈.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3D 바디의 공간적으로 변하는 Dk는, 또한 R(1) 및 원점의 특정 공통 포인트 사이의 상기 방사상 거리의 함수로서 변하는, 유전체 렌즈.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3D 바디의 공간적으로 변하는 Dk는, 또한 R(2) 및 원점의 특정 공통 포인트 사이의 상기 방사상 거리의 함수로서 변하는, 유전체 렌즈.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3D 바디의 공간적으로 변하는 Dk는, 또한 R(3) 및 원점의 특정 공통 포인트 사이의 상기 방사상 거리의 함수로서 변하는, 유전체 렌즈.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3D 바디의 베이스 영역 및 외부 표면 영역을 갖고, 상기 원점의 특정 공통 포인트는 상기 베이스 영역에 인접한, 유전체 렌즈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 3D 바디의 공간적으로 변하는 Dk는, 또한 적어도 3개의 다른 방사상 방향들로 상기 원점의 특정 공통 포인트로부터 상기 외부 표면 영역까지 변화하는, 유전체 렌즈.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    180도 떨어져 있는 대응하는 방위각들에서, R(2) 및 R(3)는 서로에 대해 대칭인, 유전체 렌즈.
  11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    180도 떨어져 있는 대응하는 방위각들에서, R(2) 및 R(3)는 서로에 대해, 그리고 R(1)에 대해 대칭인, 유전체 렌즈.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원점의 특정 공통 포인트에서 상기 3D 바디는, 공기의 Dk 이상의 Dk를 갖고, 1.2 이하의 Dk를 갖는, 유전체 렌즈.
  13. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원점의 특정 공통 포인트로부터 정의된 방사상 거리(rk)에서 상기 3D 바디는, 공기의 Dk 이상의 Dk를 갖고, 2 이하의 Dk를 갖는, 유전체 렌즈.
  14. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원점의 특정 공통 포인트로부터 정의된 방사상 거리(rk)에서 상기 3D 바디는, 공기의 Dk 이상의 Dk를 갖고, 1.5 이하의 Dk를 갖는, 유전체 렌즈.
  15. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원점의 특정 공통 포인트로부터 정의된 방사상 거리(rk)에서 상기 3D 바디는, 공기의 Dk 이상의 Dk를 갖고, 1.2 이하의 Dk를 갖는, 유전체 렌즈.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    rk는 2λ 이하, 대안적으로는 1.5λ 이하, 대안적으로 1λ 이하, 대안적으로는 2/3λ 이하, 다른 대안적으로는 1/2λ 이하이고, 여기서 λ는 작동 전자기 방사 신호의 자유 공간에서 파장인, 유전체 렌즈.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 작동 전자기 방사 신호는, 1GHz 이상 300GHz 이하의 주파수 범위에서 작동하고, 대안적으로 10GHz 이상 90GHz 이하, 다른 대안적으로 20GHz 이상 60GHz 이하, 다른 대안적으로 20GHz 이상 40GHz 이하에서 작동하는, 유전체 렌즈.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    R(1)은 0도 이상 15도 이하인 천정각(1)으로 배치되는, 유전체 렌즈.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    R(2)은 75도 이상 90도 이하인 천정각(2)으로 배치되는, 유전체 렌즈.
  20. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    R(3)은 75도 이상 90도 이하인 천정각(3)으로 배치되는, 유전체 렌즈.
  21. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    영역 R(4)를 더 포함하고, R(4)은 15도 이상 75도 이하인 천정각(4)으로 배치되는, 유전체 렌즈.
  22. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    영역 R(5)를 더 포함하고, R(5)은 15도 이상 75도 이하인 천정각(4)으로 배치되는, 유전체 렌즈.
  23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    R(2) 및 R(3)은 150도 이상 180도 이하인 방위각으로 분리되는, 유전체 렌즈.
  24. 제 21 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    R(4) 및 R(5)은 150도 이상 180도 이하인 방위각으로 분리되는, 유전체 렌즈.
  25. 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3D 바디의 공간적으로 변하는 Dk는 1 이상 15 이하이고, 대안적으로 1 이상 10 이하이고, 다른 대안적으로 1 이상 5 이하이고, 다른 대안적으로 1 이상 4 이하인, 유전체 렌즈.
  26. 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 3개 영역들(R(i)) 중 대응하는 유전 상수 값들(Dk(i))의 각각의 국부 최대값은 2 이상 15 이하의 Dk를 갖고, 대안적으로 3 이상 12 이하의 Dk를 갖고, 다른 대안적으로 3 이상 9 이하의 Dk를 갖고, 다른 대안적으로 3 이상 5 이하의 Dk를 갖는, 유전체 렌즈.
  27. 제 1 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    유전 상수 값들(Dk(i))의 국부 최대값을 갖는 적어도 3개의 영역들(R(i))는, 영역 R(6) 및 영역 R(7)을 더 포함하고, 영역 R(1)은 0도 이상 15도 이하의 천정각(1)으로 배치되고, 영역들 R(2), R(3), R(6) 및 R(7) 각각은 +15도 이상 +90도 이하, 또는 -15도 이상 -90도 이하 중 어느 하나로 배치되는, 유전체 렌즈.
  28. 제 27 항에 있어서,
    영역들 R(2) 및 R(3)은 150도 이상 180도 이하의 방위각으로 분리되고,
    영역들 R(6) 및 R(7)은 150도 이상 180도 이하의 방위각으로 분리되고,
    영역들 R(2) 및 R(6)은 30도 이상 90도 이하의 방위각으로 분리되고,
    영역들 R(3) 및 R(6)은 30도 이상 90도 이하의 방위각으로 분리되고,
    영역들 R(2) 및 R(7)은 30도 이상 90도 이하의 방위각으로 분리되고,
    영역들 R(3) 및 R(7)은 30도 이상 90도 이하의 방위각으로 분리되는, 유전체 렌즈.
  29. 제 1 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    유전 물질의 3D 바디의 공간적으로 변하는 Dk는, 방위각(i), 천정각(i) 및 방사상 거리(i)의 함수로 점진적으로 변하는, 유전체 렌즈.
  30. 제 29 항에 있어서,
    유전 물질의 3D 바디의 공간적으로 변하는 Dk는, 작동 주파수의 파장당 정의된 최대 Dk 값 이하에서 변화하고, 대안적으로 작동 주파수의 1/2 파장당 정의된 최대 Dk 값 이하에서 변화하고, 다른 대안적으로 작동 주파수의 1/4 파장당 정의된 최대 Dk 값 이하에서 변화하는, 유전체 렌즈.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 정의된 최대 Dk 값은 +/- 1.9, 보다 구체적으로 +/- 1.5, 더욱 특히 +/- 1.0인, 유전체 렌즈.
  32. 유전체 렌즈로서,
    원점의 특정 공통 포인트로부터 3차원(3D) 바디의 외부 표면까지, 원점의 특정 공통 포인트 및 다른 방향들을 갖는 적어도 3개의 다른 광선들을 따라 변화하는 공간적으로 변하는 Dk를 갖는 유전 물질의 3차원(3D) 바디를 포함하고, 상기 원점의 특정 공통 포인트는 상기 3D 바디에 의해 둘러싸이고,
    적어도 3개의 다른 광선들은, 적어도 3개의 영역들(R(i)) 중 대응하는 영역들의 바로 주변 영역들의 유전 물질에 대해, 유전 상수 값들(Dk(i))의 국부 최대값을 갖는 3D 바디의 적어도 3개의 영역들(R(i)) 중 대응하는 영역들의 위치들을 정의하고, 여기서 (i)는 1에서 적어도 3까지의 범위의 인덱스;
    상기 3D 바디의 유전 물질은, 3D 바디 내의 임의의 경로를 따라 적어도 3개의 영역들(R(i)) 각각으로부터 적어도 3개의 영역들(R(i)) 중 임의의 다른 영역으로 공간적으로 변하는 Dk를 갖는, 유전체 렌즈.
  33. 전자기(EM) 장치로서,
    위상 어레이 안테나; 및
    제 1 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 따른 유전체 렌즈를 포함하고,
    상기 유전체 렌즈는, 전자기적으로 여기될 때, 상기 위상 어레이 안테나와 EM 통신하도록 배치되는, EM 장치.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 유전체 렌즈는 상기 위상 어레이 안테나의 상단 중앙에 배치되는, EM 장치.
  35. 제 33 항 및 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 렌즈는, 위상 어레이 안테나의 대응하는 풋프린트보다 더 큰 하방 평면도에서 관찰된 풋프린트를 갖고, 이에 따라 상기 유전체 렌즈는 상기 위상 어레이 안테나의 엣지들을 넘어 연장하는, EM 장치.
  36. 제 35 항에 있어서,
    90도의 천정각에서 상기 유전체 렌즈의 부분들은, 원점의 특정 공통 포인트로부터 상기 위상 어레이의 엣지들을 넘어 바깥쪽 방향으로 특정 방사상 방향을 따라 증가하다가 감소했다가 다시 증가하는 Dk를 갖는, EM 장치.
  37. 제 33 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상 어레이 안테나는 평면 위상 어레이 안테나인, EM 장치.
  38. 제 33 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상 어레이 안테나는 비-평면 위상 어레이 안테나인, EM 장치.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 비-평면 위상 어레이 안테나는 원통형 표면을 가지거나 그 위에 배치되는, EM 장치.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 위상 어레이 안테나는 상기 원통형 표면의 오목한 측면으로부터 상기 유전체 렌즈를 향해 EM 복사를 방출하는, EM 장치.
  41. 제 39 항에 있어서,
    상기 위상 어레이 안테나는 상기 원통형 표면의 볼록한 측면에서 상기 유전체 렌즈를 향해 EM 복사를 방출하는, EM 장치.
  42. 제 38 항에 있어서,
    상기 비-평면 위상 어레이 안테나는 구면을 가지거나 그 위에 배치되는, EM 장치.
  43. 제 42 항에 있어서,
    상기 위상 어레이 안테나는, 상기 구면의 오목한 측면으로부터 상기 유전체 렌즈를 향해 EM 복사를 방출하는, EM 장치.
  44. 제 42 항에 있어서,
    상기 위상 어레이 안테나는, 상기 구면의 볼록한 측면으로부터 상기 유전체 렌즈를 향해 EM 복사를 방출하는, EM 장치.
  45. 제 33 항 내지 제 44 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상 어레이 안테나는, 각각의 개별 안테나 요소가 신호 위상 각도, 신호 진폭, 또는 신호 위상 각도 및 신호 진폭 모두에 대해 제어 가능한, EM 장치.
  46. 제 45 항에 있어서,
    상기 위상 어레이 안테나는, 대응하는 EM 방사 파면의 전파 방향에 대해 +/- 90도 EM 파면의 빔 조정을 위해 마련되는, EM 장치.
  47. 제 46 항에 있어서,
    상기 EM 파면의 빔 조정은, 수평 축, 수직 축, 또는 수평 축 및 수직 축 모두에 대해 상대적인, EM 장치.
  48. 제 33 항 내지 제 47 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상 어레이 안테나는 1GHz 이상 300GHz 이하의 주파수 범위에서 작동하고, 대안적으로 10GHz 이상 90GHz 이하, 다른 대안적으로 20GHz 이상 60GHz 이하, 다른 대안적으로 20GHz 이상 40GHz 이하에서 작동하는, EM 장치.
  49. 제 33 항 내지 제 47 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상 어레이 안테나는 밀리미터 웨이브 주파수에서 작동하도록 마련되는, EM 장치.
  50. 제 49 항에 있어서,
    상기 미리미터 웨이브 주파수는 5G 밀리미터 웨이브 주파수인, EM 장치.
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