特許 6761421 同時多重アンテナ機能を可能にする複合アンテナアパーチャ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6761421

(24)【登録日】2020年9月8日

(45)【発行日】2020年9月23日

(54)【発明の名称】同時多重アンテナ機能を可能にする複合アンテナアパーチャ

(51)【国際特許分類】

   H01Q 21/30 20060101AFI20200910BHJP

   H01Q 3/24 20060101ALI20200910BHJP

   H01Q 21/24 20060101ALI20200910BHJP

【ＦＩ】

   H01Q21/30

   H01Q3/24

   H01Q21/24

【請求項の数】46

【全頁数】26

(21)【出願番号】特願2017-542142(P2017-542142)

(86)(22)【出願日】2016年2月3日

(65)【公表番号】特表2018-505625(P2018-505625A)

(43)【公表日】2018年2月22日

(86)【国際出願番号】US2016016390

(87)【国際公開番号】WO2016130383

(87)【国際公開日】20160818

【審査請求日】2019年2月4日

(31)【優先権主張番号】62/115,070

(32)【優先日】2015年2月11日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】14/954,415

(32)【優先日】2015年11月30日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】516247177

【氏名又は名称】カイメタ コーポレイション

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100088694

【弁理士】

【氏名又は名称】弟子丸 健

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100067013

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 文昭

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100109335

【弁理士】

【氏名又は名称】上杉 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100120525

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 直樹

(72)【発明者】

【氏名】ビリー アダム

(72)【発明者】

【氏名】サゼガー モフセン

(72)【発明者】

【氏名】クンツ ネイサン

(72)【発明者】

【氏名】スティーヴンソン ライアン

【審査官】 佐藤 当秀

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１３−５３９９４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１１９２２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２１３２０３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｑ ３／００− ３／４６

Ｈ０１Ｑ １３／００− １３／２８

Ｈ０１Ｑ ２１／００− ２５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アンテナであって、
単一の給電波を入力するように構成された給電装置、
前記給電装置に結合され、前記単一の給電波を伝播するように構成された導波路、及び 前記導波路に結合され、アンテナ素子の少なくとも２つの空間的に交互配置されたアンテナサブアレイを有する単一物理的アンテナアパーチャ、
を含み、
各アンテナサブアレイが、特定の周波数で独立かつ同時に作動可能であり、
前記特定の周波数は前記少なくとも２つの空間的に交互配置されたアンテナサブアレイの各々に対して異なっており、前記アンテナサブアレイは、前記単一の給電波からのエネルギを結合することによって独立かつ同時にビームを形成するようになっており、
前記少なくとも２つの空間的に交互配置されたアンテナサブアレイの各々は表面散乱アンテナ素子の同調可能スロット式アレイを含みかつ前記少なくとも２つの空間的に交互配置されたアンテナサブアレイの前記表面散乱アンテナ素子は前記単一物理的アンテナアパーチャに結合され、及び各スロット式アレイは複数のスロットを含み、さらに、各スロットは所定の周波数で所望の散乱を提供するように同調されていることを特徴とするアンテナ。

【請求項2】

前記少なくとも２つのアンテナサブアレイの指向角度が異なっており、そのために該少なくとも２つのアンテナアレイの第１のアンテナサブアレイが、１つの方向にビームを形成するように作動可能であり、該少なくとも２つのアンテナアレイの第２のアンテナサブアレイが、該第１の方向とは異なる第２の方向にビームを形成するように作動可能であり、かつ該２つのビーム間の角度が１０°よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。

【請求項3】

前記少なくとも２つのアンテナサブアレイは、受信及び送信を同時に実行するように作動可能なアンテナ素子の複合送信及び受信アンテナアレイを含むことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。

【請求項4】

送信及び受信が、それぞれＫｕ送信及び受信帯域にあることを特徴とする請求項３に記載のアンテナ。

【請求項5】

前記少なくとも２つのアンテナアレイは、複合交互配置式二重受信アンテナアレイを含み、これは、２つの異なる受信帯域内の受信を実行するように作動可能であり、同時に２つの異なる方向にかつ切換可能／直交偏波状態を用いて２つの異なるソースを指向することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。

【請求項6】

前記２つの帯域は、Ｋａ及びＫｕ受信帯域を含むことを特徴とする請求項５に記載のアンテナ。

【請求項7】

前記少なくとも２つのアンテナサブアレイの各々が、ホログラフィックビーム形成に基づいて作動するためのものであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。

【請求項8】

前記少なくとも２つのアンテナサブアレイのうちの第１のものに対する前記同調可能スロット式アレイは、いくつかの素子と前記少なくとも２つのアンテナアレイのうちの第２のものとは異なる素子密度とを有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。

【請求項9】

前記少なくとも２つのアンテナサブアレイの前記同調可能スロットの各々内の大部分の素子が、交互配置され、かつ互いに対して離間していることを特徴とする請求項８に記載のアンテナ。

【請求項10】

前記同調可能スロット式アレイの各々内の素子が、１又は２以上のリング状に位置決めされることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。

【請求項11】

複数の周波数のうちの第１の周波数での作動のための前記１又は２以上のリングのうちの１つのリングが、該複数の周波数のうちの第２の周波数での作動のための該１又は２以上のリングのうちの１つのリングとは異なる数の素子を有し、該第１の周波数は、該第２の周波数とは異なっていることを特徴とする請求項１０に記載のアンテナ。

【請求項12】

少なくとも１つのリングが、両方の同調可能スロット式アレイの素子を有することを特徴とする請求項１０に記載のアンテナ。

【請求項13】

前記複数のスロットの各スロットが、各該スロットの中心位置に入射する円筒形給電波に対して＋４５度又は−４５度のいずれかに向けられ、そのために前記スロット式アレイは、円筒形給電波伝播方向に対して＋４５度回転したスロットの第１の組と、該円筒形給電波の該伝播方向に対して−４５度回転したスロットの第２の組とを含むことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。

【請求項14】

各スロット式アレイが、
複数のスロットと、
複数のパッチであって、該パッチの各々が、前記複数のスロット内のスロットの上で同じ場所に配置され、かつスロットから分離されてパッチ／スロット対を形成し、各パッチ／スロット対が、該対内の該パッチへの電圧の印加に基づいてオフ又はオンにされる前記複数のパッチと、
どのパッチ／スロット対がオン及びオフであるかを制御する制御パターンを適用し、それによってビームの発生を引き起こすコントローラと、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。

【請求項15】

単一の給電波を伝播するように構成された導波路及び、
個別の周波数で独立かつ同時に作動可能でかつ前記導波路に結合された単一物理的アパーチャに組み合わされた少なくとも２つの空間的に交互配置されたアンテナサブアレイであって、少なくとも２つのアンテナサブアレイの各々が、表面散乱アンテナ素子の同調可能スロット式アレイを含む前記少なくとも２つの空間的に交互配置されたアンテナアレイと、及び
前記導波路を介して前記アパーチャに結合され、前記単一の給電波を入力する、単一の放射状に連続する給電装置と、
を含むことを特徴とするフラットパネルアンテナ。

【請求項16】

少なくとも２つのアンテナサブアパーチャの指向角度が異なっており、そのために前記少なくとも２つのアンテナアレイのうちの第１のアンテナサブアレイが、１つの方向にビームを形成するように作動可能であり、該少なくとも２つのアンテナアレイのうちの第２のアンテナアレイが、該第１の方向とは異なる第２の方向にビームを形成するように作動可能であり、かつ該２つのビーム間の角度が１０°よりも大きいことを特徴とする請求項１５に記載のアンテナ。

【請求項17】

前記少なくとも２つのアンテナアレイは、受信及び送信を同時に実行するように作動可能なアンテナ素子の複合送信及び受信アンテナアレイを含むことを特徴とする請求項１５に記載のアンテナ。

【請求項18】

送信及び受信が、それぞれＫｕ送信及び受信帯域にあることを特徴とする請求項１７に記載のアンテナ。

【請求項19】

前記少なくとも２つのアンテナアレイは、アンテナ素子の複合交互配置式二重受信アンテナアレイを含み、これは、２つの異なる受信帯域内で受信を実行するように作動可能であり、かつ同時に２つの異なる方向に２つの異なるソースを指向することを特徴とする請求項１５に記載のアンテナ。

【請求項20】

前記２つの帯域は、Ｋａ及びＫｕ受信帯域を含むことを特徴とする請求項１９に記載のアンテナ。

【請求項21】

前記少なくとも２つのアンテナアレイの各々が、ホログラフィックビーム形成に基づいて作動するためのものであることを特徴とする請求項１５に記載のアンテナ。

【請求項22】

前記少なくとも２つのアンテナアレイのうちの第１のものに対する前記同調可能スロット式アレイは、いくつかの素子と該少なくとも２つのアンテナアレイのうちの第２のものとは異なる素子密度とを有することを特徴とする請求項１５に記載のアンテナ。

【請求項23】

前記同調可能スロット式アレイの各々内の素子が、１又は２以上のリング状に位置決めされることを特徴とする請求項１５に記載のアンテナ。

【請求項24】

前記複数の周波数のうちの第１の周波数での作動のための前記１又は２以上のリングのうちの１つのリングが、該複数の周波数のうちの第２の周波数での作動のための該１又は２以上のリングのうちの１つのリングとは異なる数の素子を有し、該第１の周波数は、該第２の周波数とは異なっていることを特徴とする請求項１５に記載のアンテナ。

【請求項25】

少なくとも１つのリングが、両方の同調可能スロット式アレイの素子を有することを特徴とする請求項１５に記載のアンテナ。

【請求項26】

無線周波数（ＲＦ）エネルギを用いて、フラットパネルアンテナの単一物理的アンテナアパーチャの、それぞれ第１及び第２のアンテナサブアレイ内の交互配置アンテナ素子の第１及び第２の独立に作動する組を励起する段階であって、
各アンテナサブアレイが、特定の周波数で独立かつ同時に作動可能であり、
前記特定の周波数は前記少なくとも２つの空間的に交互配置されたアンテナサブアレイの各々に対して異なっており、前記アンテナサブアレイは、前記単一の給電波からのエネルギを結合することによって独立かつ同時にビームを形成するようになっており、
前記少なくとも２つの空間的に交互配置されたアンテナサブアレイの各々は表面散乱アンテナ素子の同調可能スロット式アレイを含みかつ前記少なくとも２つの空間的に交互配置されたアンテナサブアレイの前記表面散乱アンテナ素子は前記単一物理的アンテナアパーチャに結合され、及び各スロット式アレイは複数のスロットを含み、さらに、各スロットは所定の周波数で所望の散乱を提供するように同調されている、前記励起する段階と、 同時に前記第１及び第２の組の素子を使用して２つの異なる周波数帯域にある２つのＲＦ波を発生させる段階と、
を含むことを特徴とする送信する方法。

【請求項27】

結合インタフェースを用いて前記２つのＲＦ波を重ね合わせる段階を更に含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。

【請求項28】

前記２つのＲＦ波は、２つの異なる受信帯域にあることを特徴とする請求項２７に記載の方法。

【請求項29】

前記２つの受信帯域は、Ｋａ及びＫｕ受信帯域であることを特徴とする請求項２８に記載の方法。

【請求項30】

前記２つの周波数帯域は、送信帯域及び受信帯域であることを特徴とする請求項２６に記載の方法。

【請求項31】

送信及び受信帯域が、それぞれＫｕ送信及び受信帯域であることを特徴とする請求項３０に記載の方法。

【請求項32】

フラットパネルアンテナのそれぞれ前記第１及び第２のアンテナアレイ内の交互配置アンテナ素子の前記第１及び第２の独立に作動する組を使用して同時に受信及び送信を実行する段階を更に含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。

【請求項33】

２つの異なる受信帯域内で受信を実行する段階と、同時に２つの異なる方向に２つの異なるソースを指向する段階とを更に含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。

【請求項34】

単一の給電波を入力するように構成された給電装置と、
前記給電装置に結合され、前記単一の給電波を伝播するように構成された導波路と、
２つの異なる受信帯域内で受信を実行するように作動可能なアンテナ素子の少なくとも２つの空間的に交互配置された二重受信アンテナサブアレイを有する、前記導波路に結合された単一物理的アンテナアパーチャであって、
各アンテナサブアレイが、特定の周波数で独立かつ同時に作動可能であり、前記特定の周波数は前記少なくとも２つの空間的に交互配置されたアンテナサブアレイの各々に対して異なっており、前記アンテナサブアレイは、前記単一の給電波からのエネルギを結合することによって独立かつ同時にビームを形成するようになっている、前記単一物理的アンテナアパーチャと、
テレビジョンのための２又は３以上の受信ストリームを処理するためにアンテナに結合され、該２つの受信ストリームを処理するためのアナログ／デジタル変換器、復調器、及び復号器を含むセットトップボックスと、
前記アンテナアパーチャを制御するように結合されたコントローラと、
を含むことを特徴とするテレビジョン受信システム。

【請求項35】

前記コントローラは、前記アンテナアパーチャを制御して前記サブアレイのうちの１又は２以上の偏波を切り換えるように作動可能であることを特徴とする請求項３４に記載のシステム。

【請求項36】

前記少なくとも２つのアンテナサブアレイの指向角度が異なっており、そのために該少なくとも２つのアンテナアレイの第１のアンテナサブアレイが、１つの方向にビームを形成するように作動可能であり、該少なくとも２つのアンテナアレイの第２のアンテナサブアレイが、該第１の方向とは異なる第２の方向にビームを形成するように作動可能であり、かつ該２つのビーム間の角度が１０°よりも大きいことを特徴とする請求項３４に記載のアンテナ。

【請求項37】

前記少なくとも２つのアンテナアレイは、同時に２つの異なる方向にかつ切換可能偏波状態を使用して２つの異なるソースを指向するように作動可能であることを特徴とする請求項３４に記載のアンテナ。

【請求項38】

前記２つの帯域は、Ｋａ及びＫｕ受信帯域を含むことを特徴とする請求項３４に記載のアンテナ。

【請求項39】

前記少なくとも２つのアンテナサブアレイの各々が、ホログラフィックビーム形成に基づいて作動するためのものであることを特徴とする請求項３４に記載のアンテナ。

【請求項40】

前記少なくとも２つのアンテナサブアレイのうちの第１のものに対する前記同調可能スロット式アレイは、いくつかの素子と前記少なくとも２つのアンテナアレイのうちの第２のものとは異なる素子密度とを有することを特徴とする請求項３４に記載のアンテナ。

【請求項41】

単一の給電波を入力するように構成された給電装置と、
前記給電装置に結合され、前記単一の給電波を伝播するように構成された導波路と、
アンテナ素子の少なくとも２つの空間的に交互配置されたアンテナサブアレイを有する、前記導波路に結合された単一物理的アンテナアパーチャであって、前記少なくとも２つのアンテナサブアレイが、異なる周波数で独立かつ同時に受信及び送信を実行するように作動可能なアンテナ素子の複合送信及び受信アンテナサブアレイを含み、前記アンテナサブアレイは前記単一の給電波からのエネルギと結合することによって独立かつ同時にビームを形成するようになっており、
前記少なくとも２つの空間的に交互配置されたアンテナサブアレイの各々は表面散乱アンテナ素子の同調可能スロット式アレイを含みかつ前記少なくとも２つの空間的に交互配置されたアンテナサブアレイの前記表面散乱アンテナ素子は前記単一物理的アンテナアパーチャに結合され、及び各スロット式アレイは複数のスロットを含み、さらに、各スロットは所定の周波数で所望の散乱を提供するように同調されている、前記単一物理的アンテナアパーチャと、
受信のためのデータを処理するために前記アンテナアパーチャに結合され、受信のための該データを処理するためのアナログ／デジタル変換器、復調器、及び復号器を含む受信経路と、
送信のためのデータを処理するために前記アンテナアパーチャに結合され、送信のための該データを処理するための符号器、変調器、及びデジタル／アナログ変換器を含む送信経路と、
前記アンテナアパーチャを制御するように結合されたコントローラと、
を含むことを特徴とする完全二重通信システム。

【請求項42】

前記コントローラは、前記アンテナアパーチャを制御して前記サブアレイのうちの１又は２以上の偏波を切り換えるように作動可能であることを特徴とする請求項４１に記載のシステム。

【請求項43】

前記少なくとも２つのアンテナサブアレイの指向角度が異なっており、そのために前記少なくとも２つのアンテナアレイの第１のアンテナサブアレイが、１つの方向にビームを形成するように作動可能であり、該少なくとも２つのアンテナアレイの第２のアンテナサブアレイが、該第１の方向とは異なる第２の方向にビームを受信するように作動可能であり、かつ該２つのビーム間の角度が１０°よりも大きいことを特徴とする請求項４１に記載のアンテナ。

【請求項44】

送信及び受信が、それぞれＫｕ送信及び受信帯域にあることを特徴とする請求項４１に記載のアンテナ。

【請求項45】

前記少なくとも２つのアンテナサブアレイの各々が、ホログラフィックビーム形成に基づいて作動するためのものであることを特徴とする請求項４１に記載のアンテナ。

【請求項46】

前記少なくとも２つのアンテナサブアレイのうちの第１のものに対する前記同調可能スロット式アレイは、いくつかの素子と前記少なくとも２つのアンテナアレイのうちの第２のものとは異なる素子密度とを有することを特徴とする請求項４１に記載のアンテナ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

〔優先権〕
本特許出願は、２０１６年２月１１日出願の「同時多重アンテナ機能を可能にする複合アンテナアパーチャ」という名称の対応する米国仮特許出願第６２／１１５，０７０号に対する優先権を主張し、かつそれを引用によって組み込むものである。

【0002】

本発明の実施形態は、アンテナの分野に関し、より具体的は、本発明の実施形態は、交互配置されたアレイを使用して複数の周波数で同時に作動する複合アパーチャを有するアンテナに関する。

【背景技術】

【0003】

複数の偏波及び周波数を同時に受信することができるアンテナの数は限られている。例えば、ＤｉｒｅｃＴＶ Ｓｌｉｍｌｉｎｅ ３ Ｄｉｓｈ反射鏡アンテナは、複数の偏波及び周波数を同時に受信する。この製品では、同じ反射鏡から同時に作動する２つのＫａ帯域受信機と１つのＫｕ帯域受信機が存在する。これは、複数の給電装置を反射鏡の焦点軸に沿って異なる位置に置くことによって達成される。この場合に、ディッシュの指向と３つの受信機の位置決めとに基づいて、３つの衛星（９９°、１０１°、１０３°）からの同時受信が達成され、Ｋａ帯域衛星は２つの円偏波信号を同時に提供する。ＤｉｒｅｃＴＶ Ｓｌｉｍｌｉｎｅ ５ Ｄｉｓｈ反射鏡アンテナは、９９°、１０１°、１０３°、１１０°、１１９°の５つの衛星を同時に捉える（９９°、１０３°はＫａ帯域である）。これらの製品の作動は、受信に限定される。

【0004】

このようなディッシュベースのアンテナの２つの制約は、ディッシュを衛星に向けて指向させる必要があること、及び１つの反射鏡内の２又は３以上の給電装置の捕捉角度間の角度差が約１０度、例えば、Ｓｌｉｍｌｉｎｅ ５（９９°−１１９°）に制限されることである。これは、様々な仕様に対して設計することができるディッシュの形状に大きく依存している。しかし、全てのディッシュは、指向性を達成するために焦点調節挙動に依存しており、従って、リンクを閉じるのに必要とされる焦点調節が多いほど、一定面積を有する反射鏡ディッシュに対して達成可能な角度カバレージが小さくなる。

【0005】

二重周波数同時性能を達成するために一般的に使用される別の手法は、２つの作動帯域を有する放射素子から構成された二重帯域アレイである。これらは、多くの場合に、リング共振器のような共振パッチ又は類似形状を使用して実現される。１つの最近の例は、２０１４年１月１０日に付与された「位相アレイのための広帯域リンク式リングアンテナ素子」という名称の米国特許第８，７４９，４４６号明細書に説明されている。この実施は、市販の場合に１７．７−２０．２ＧＨｚ、軍用の場合に２０．２−２１．２である隣接する市販及び軍用Ｋａ受信帯域を同時にカバーすることを可能にする。しかし、１よりも多いソースを同時に指向する機能はない。更に、同時送信及び受信作動をサポートするのに十分な隔離を与えるシステムレベル許容差は説明されていない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】米国特許第８，７４９，４４６号明細書

【特許文献2】米国特許出願第１４／５５０，１７８号明細書

【特許文献3】米国特許出願第１４／６１０，５０２号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

すなわち、典型的には、大きく異なる方向（推定される１０度の差を超える）に同時に指向しなければならず、地球周回衛星（２つのジンバル式ディッシュを有するＯ３ｂ装備）を追尾し、又は大きく異なる周波数帯域にわたって通信しなければならないディッシュを用いると、２つの全く別のアンテナ及びシステムが必要である。これは、サイズ、コスト、重量、及び電力を増大する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

アンテナ装置及びその使用方法を本明細書に開示する。一実施形態では、アンテナは、アンテナ素子の少なくとも２つの空間的に交互配置されたアンテナアレイを有する単一の物理的アンテナアパーチャを含み、アンテナアレイは、異なる周波数帯域で独立かつ同時に作動可能である。

【0009】

本発明は、以下に与える詳細説明から及び本発明の様々な実施形態の添付図面からより完全に理解されるであろうが、これらは、本発明を特定の実施形態に限定するように取ってはならず、むしろ単に解説及び理解のためのものである。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】Ｋｕ帯域受信アンテナ素子を示す二重受信アンテナの一実施形態を示す図である。

【図2】Ｋａ帯域受信素子をオン又はオフに示す図１の二重受信アンテナを示す図である。

【図3】３０ｄＢスケール上でモデル化されたＫｕ帯域性能と共に示す全アンテナを示す図である。

【図4】３０ｄＢスケール上でモデル化されたＫａ帯域性能と共に示す全アンテナを示す図である。

【図5A】図１及び２に示す二重Ｋｕ−Ｋａ帯域受信アンテナの交互配置レイアウトの一実施形態を示す図である。

【図5B】図１及び２に示す二重Ｋｕ−Ｋａ帯域受信アンテナの交互配置レイアウトの一実施形態を示す図である。

【図6】送信及び受信アンテナ素子の両方を有する複合アパーチャの一実施形態を示す図である。

【図7】図６のアンテナのＫｕ帯域受信素子の一実施形態を示す図である。

【図8】図６のアンテナのＫｕ帯域送信素子の一実施形態を示す図である。

【図9】４０ｄＢスケール上でＫｕ帯域送信素子モデル化されたＫｕ帯域性能の一実施形態を示す図である。

【図10】４０ｄＢスケール上でモデル化されたＫｕ帯域受信素子の一実施形態を示す図である。

【図11A】接地平面と再構成可能共振器層とを含む１列のアンテナ素子の斜視図である。

【図11B】同調可能共振器／スロットの一実施形態を示す図である。

【図11C】アンテナ構造の一実施形態の断面図である。

【図12A】スロット式アレイを作成するための異なる層の一実施形態を示す図である。

【図12B】スロット式アレイを作成するための異なる層の一実施形態を示す図である。

【図12C】スロット式アレイを作成するための異なる層の一実施形態を示す図である。

【図12D】スロット式アレイを作成するための異なる層の一実施形態を示す図である。

【図13】円筒給電式アンテナ構造の一実施形態の側面図である。

【図14A】テレビジョンシステムに使用するための通信システムの一実施形態のブロック図である。

【図14B】同時送信及び受信経路を有する通信システムの別の実施形態のブロック図である。

【図15】同時多重アンテナ作動のための処理の一実施形態の流れ図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下の説明では、本発明のより完全な解説を提供するために多くの詳細が明らかにされる。しかし、本発明がこれらの特定の詳細なしに実施可能であることは当業者には明らかであろう。別の事例では、本発明を不明瞭にしないように公知の構造及びデバイスは詳細ではなくブロック図の形態で示される。

【0012】

送信と受信の組合せ、二重帯域送信、又は二重帯域受信を同時にサポートする複合アパーチャを有するアンテナ装置を開示する。一実施形態では、アンテナは、単一物理的アパーチャに組み合わされたアンテナ素子の２つの空間的に交互配置されたアンテナアレイを含み、そのアンテナアレイは複数の周波数で独立かつ同時に作動可能であり、単一放射状連続給電装置がアパーチャに結合される。２つのアンテナアレイは、単一フラットパネル物理的アパーチャに組み合わされる。本明細書に説明する技術は、２つのアレイを単一物理的アパーチャに組み合わせることに限定されず、３又は４以上のアレイを単一物理的アパーチャに組み合わせることに拡張することができる。

【0013】

一実施形態では、複数のアンテナアレイの指向角度は異なっているので、アンテナサブアレイの１つが一方向にビームを形成することができると同時に、別のアンテナサブアレイが別の異なる方向にビームを形成することができる。一実施形態では、アンテナは、これら２つのビームをビーム間の角度分離が１０度を超えるように形成することができる。一実施形態では、走査角度は、±７５又は±８５度であり、これは、通信に対する遥かに多い自由度を与える。

【0014】

一実施形態では、アンテナは、１つの物理的アンテナアパーチャに組み合わされた２つのアンテナアレイを含む。一実施形態では、２つのアンテナアレイは、受信及び送信を同時に実行するように作動可能な交互配置された送信及び受信アンテナアレイである。一実施形態では、送信及び受信は、それぞれＫｕ送信帯域及び受信帯域にある。Ｋｕ帯域は一例であり、本発明の教示は特定の帯域に限定されないことに注意されたい。

【0015】

別の実施形態では、２つのアンテナサブアレイは、２つの異なる受信帯域での受信と２つの異なる方向にある２つの異なるソースの指向とを同時に実行するように作動可能な交互配置された二重受信アンテナである。一実施形態では、２つの帯域は、Ｋａ及びＫｕ受信帯域を含む。

【0016】

更に別の実施形態では、２つのアンテナサブアレイは、２つの異なる送信帯域での送信と２つの異なる方向にある２つの異なるソースの指向とを同時に実行するように作動可能な交互配置された二重送信アンテナである。一実施形態では、２つの帯域は、Ｋａ及びＫｕの送信帯域を含む。

【0017】

一実施形態では、アンテナアレイの各々は、アンテナ素子の同調可能スロット式アレイを有する。従って、２つのアパーチャを有する１つの複合物理的アンテナアパーチャに対して、アンテナ素子の２つのスロット式アレイが存在する。これら２つのスロット式アレイのアンテナ素子は、互いに交互配置される。

【0018】

一実施形態では、アンテナサブアレイの１つに対する同調可能スロット式アレイは、いくつかの素子と、第２のアンテナサブアレイのものとは異なる素子密度とを有する。一実施形態では、２又は３以上のアンテナアレイの同調可能スロット式アレイの各々内の素子は、全部ではないにしてもその大部分が互いに対してλ／４離間している。別の実施形態では、２又は３以上のアンテナアレイの同調可能スロット式アレイの各々内の素子は、全部ではないにしてもその大部分が互いに対してλ／５離間している。このような間隔を満足するのに必要とされる位置は、別のアンテナアレイのアンテナ素子によって占められているために、スロット式アレイのうちの１又は２以上の一部のアンテナ素子はこの間隔を持たない場合があることに注意されたい。

【0019】

一実施形態では、アレイの同調可能スロット式アレイの各々内の素子は、１又は２以上のリング状に位置決めされる。一実施形態では、１つの周波数で作動するアンテナ素子のリングのうちの１つは、第２の異なる周波数で作動する同じアパーチャ内にあるアンテナ素子の別のリングとは異なる数のアンテナ素子を有する。別の実施形態では、リングのうちの少なくとも１つは、複数（例えば、２つ、３つ）のスロット式アレイのアンテナ素子を有する。更に別の実施形態では、異なる周波数に対して異なるサイズのリングが存在する。例えば、１つのリングは、第１の周波数に対して第１のサイズのアンテナ素子を有するが、別のリングは、第１の周波数よりも低い第２の周波数に対して第１のサイズより大きい第２のサイズのアンテナ素子を有する。

【0020】

別の実施形態では、アンテナサブアレイは、切換可能な偏波を提供するように制御可能である。一実施形態では、サブアレイを制御することができる提供される異なる偏波は、直線偏波、左回り円偏波（ＬＨＣＰ）、又は右回り円偏波を含む。一実施形態では、偏波は、ビーム形成と主ビームの方向とを決定するホログラフィック変調の一部である。より具体的は、変調パターンを計算してサブアレイのどの素子がオン又はオフであるかを決定し、偏波を決定する。ホログラフィックビーム形成アンテナの一実施形態では、受信及び送信される信号の偏波は、ソフトウエア（例えば、アンテナコントローラ内のソフトウエア）によって動的に切り換えることができる。更に、一実施形態では、送信及び受信信号（又は２つの異なる周波数における２つのビームの信号）は、異なる偏波を有することができる。

【0021】

一実施形態では、各スロット式アレイは、複数のスロットを含み、各スロットは、与えられた周波数で望ましい散乱エネルギを提供するように同調される。一実施形態では、複数のスロットの各スロットは、各スロットの中心位置に入射する円筒形給電波に対して＋４５度又は−４５度のいずれかに向けられ、そのためにスロット式アレイは、中心給電装置からの円筒形給電波伝播方向に対して＋４５度回転したスロットの第１の組と、中心給電装置からの円筒形給電波の伝播方向に対して−４５度回転したスロットの第２の組とを含む。一実施形態では、同じ周波数帯域のための隣接素子は、別々のかつ反対の方向に向けられる。

【0022】

一実施形態では、各スロット式アレイは、複数のスロットと複数のパッチとを含み、パッチの各々は、複数スロット内のスロットの上で同じ場所に配置され、かつスロットから分離され、それによってパッチ／スロット対を形成し、各パッチ／スロット対は、対内のパッチへの電圧の印加に基づいてオフ又はオンにされる。コントローラは、スロット式アレイに結合され、どのパッチ／スロット対がオン及びオフであるかを制御する制御パターンを適用し、それによってホログラフィック干渉原理に従ってビームの発生を引き起こす。

【0023】

以下の議論は、１つが複合交互配置式二重受信アンテナ（例えば、Ｋａ帯域Ｒｘ及びＫｕ帯域Ｒｘ）であり、１つがＫｕ帯域内で作動する複合交互配置式二重Ｔｘ／Ｒｘアンテナである２つのタイプのアンテナに対して示される様々なタイプの交互配置スキームを説明する。

【0024】

図１は、受信アンテナ素子を示す二重受信アンテナの一実施形態を示している。この実施形態では、二重受信アンテナは、Ｋｕ受信−Ｋａ受信アンテナである。図１を参照すると、Ｋｕアンテナ素子のスロット式アレイが示されている。いくつかのＫｕアンテナ素子が、オフ又はオンのいずれかで示されている。例えば、アパーチャは、Ｋｕオン素子１０１とＫｕオフ素子１０２とを示している。また、アパーチャレイアウトには、中心給電装置１０３が示されている。更に、図示のように、一実施形態では、Ｋｕアンテナ素子は、中心給電装置１０３の周りに円形リング状に位置決めされ又は位置付けられ、各々は、スロットの上で同じ場所に配置されたパッチを有するスロットを含む。一実施形態では、スロットの各々は、中心給電装置１０３から発せられて各スロットの中心位置に入射する円筒形給電波に対して＋４５度又は−４５度のいずれかに向けられる。

【0025】

図２は、Ｋａ受信素子をオン又はオフに示す図１の二重受信アンテナを示している。図２を参照すると、例えば、Ｋａ素子２０１はオンとして示され、Ｋａ素子２０２はオフとして示されている。Ｋａアンテナ素子と同様に、一実施形態では、Ｋａアンテナ素子は、中心給電装置１０３の周りに円形リング状に位置決めされ又は位置付けられ、各々は、スロットの上で同じ場所に配置されたパッチを有するスロットを含む。一実施形態では、スロットの各々は、中心給電装置１０３から発せられて各スロットの中心位置に入射する円筒形給電波に対して＋４５度又は−４５度のいずれかに向けられる。

【0026】

一実施形態では、Ｋｕ素子の密度が互いに対してλ／４又はλ／５間隔を守る一方、Ｋａ素子の密度は、Ｋａ素子に対して僅かに大きいが、Ｋａ素子は、間隔が不規則になるようにＫｕ素子の周りに置かれる。

【0027】

一実施形態では、図２のＫａ素子の数は、図１に示すＫｕ受信素子の数よりも多いが、Ｋｕアンテナ素子のサイズは、Ｋａアンテナ素子よりも大きい。一実施形態では、Ｋｕ素子のほぼ３倍多いＫａ素子が存在する。Ｋａ素子のこの高い密度と小さいサイズは、Ｋａ帯域及びＫｕ帯域に関連付けられた周波数の差に起因する。一般的に、高い周波数に対する素子は、低い周波数に対する素子よりも数が多くなる。Ｋａ素子の理想的な数は、２つの帯域の周波数の比に基づいて、Ｋｕ素子の数の２．８５倍（すなわち、（２０／１１．８５）^∧２＝２．８５）になる。従って、理想的な充填比は、２．８５：１である。

【0028】

図１及び２において、示されているアンテナ素子の数は一例に過ぎないことに注意されたい。アンテナ素子の実際の数は、一般的に遥かに多くなることになる。例えば、一実施形態では、直径７０ｃｍのアンテナアパーチャは、約２８，５００個のＫａ受信素子と約１０，０００個のＫｕ受信素子とを有する。

【0029】

図３は、モデル化されたＫｕ性能を３０ｄＢスケール上に示す全アンテナを示している。図４は、モデル化されたＫａ性能を３０ｄＢスケール上に示す全アンテナを示している。

【0030】

図５Ａ及び５Ｂは、図１及び２に示す二重Ｋｕ−Ｋａ受信アンテナの交互配置レイアウトの一実施形態を示している。

【0031】

図６は、送信及び受信アンテナ素子の両方を有する複合アパーチャの一実施形態を示している。この実施形態では、複合アパーチャは、二重送信及び受信Ｋｕ帯域アンテナのためのものである。図７は、図６のアンテナのＫｕ受信素子の一実施形態を示している。図８は、図６のアンテナのＫｕ送信素子の一実施形態を示している。

【0032】

図６を参照すると、Ｋｕアンテナ素子の２つのスロット式アレイが示されており、いくつかのＫｕアンテナ素子がオフ又はオンとして示されている。また、アパーチャレイアウトには中心給電装置が示されている。更に、図示のように、一実施形態では、Ｋｕアンテナ素子は、中心給電装置の周りに円形リング状に位置決めされ又は位置付けられ、各々は、スロットの上で同じ場所に配置されたパッチを有するスロットを含む。一実施形態では、スロットの各々は、中心給電装置から発せられて各スロットの中心位置に入射する円筒形給電波の伝播方向に対して＋４５度又は−４５度のいずれかに向けられる。

【0033】

図７を参照すると、Ｋｕ受信素子はオン又はオフのいずれかとして示されている。一実施形態では、Ｋｕ受信アンテナ素子は、中心給電装置の周りに円形リング状に位置決めされ又は位置付けられ、各々は、スロットの上で同じ場所に配置されたパッチを有するスロットを含む。一実施形態では、スロットの各々は、中心給電装置から発せられて各スロットの中心位置に入射する円筒形給電波の伝播方向に対して＋４５度又は−４５度のいずれかに向けられる。

【0034】

図８を参照すると、Ｋｕ送信素子はオン又はオフのいずれかとして示されている。一実施形態では、Ｋｕ送信アンテナ素子は、中心給電装置の周りに円形リング状に位置決めされ又は位置付けられ、各々は、スロットの上で同じ場所に配置されたパッチを有するスロットを含む。一実施形態では、スロットの各々は、中心給電装置から発せられて各スロットの中心位置に入射する円筒形給電波の伝播方向に対して＋４５度又は−４５度のいずれかに向けられる。

【0035】

一実施形態では、Ｋｕ受信素子とＫｕ送信素子の両方の密度は、互いに対してλ／４又はλ／５間隔を守る。他の間隔（例えば、λ／６．３）を使用することもできる。一実施形態では、図７のＫｕ受信素子の数は、図８に示すＫｕ送信素子の数よりも少ないが、一方、Ｋｕ受信アンテナ素子のサイズはＫｕ送信アンテナ素子よりも大きい。Ｋｕ送信素子のこの高い密度と小さいサイズは、Ｋｕ送信帯域及び受信帯域に関連付けられた周波数（すなわち、それぞれ１４ＧＨｚと１２ＧＨｚ）の差に起因する。一実施形態では、周波数が互いに近いために、２つの交互配置されたスロット式アレイは同じ数のアンテナ素子を有する。従って、充填比は１：１である。

【0036】

２つの素子を交互配置するのに必要とされる周波数分離の量は、素子設計（特にＱ応答）、給電装置設計、例えば隔離を示すダイプレクサのフィルタリング応答のようなシステムレベル実装、及び最後に搬送波／ノイズ比（Ｃ／Ｎ）及び他の同様なリンク仕様に対する要件を設定する衛星ネットワークに基づいている。２つの周波数、すなわち、１５％帯域幅分離である１２ＧＨｚ及び１４ＧＨｚは、アンテナ設計の観点からは同時に作動する。

【0037】

図６−８において、示されているアンテナ素子の数は一例に過ぎないことに注意されたい。アンテナ素子の実際の数は、一般的に遥かに多くなることになる。例えば、一実施形態では、直径７０ｃｍのアンテナアパーチャは、約１４，０００個の受信素子と約１４，０００個の送信素子とを有する。また、アンテナ素子をリング状に配置することができるが、これは要件ではない。それらは、他の配置（例えば、格子状配置）に位置決めすることができる。

【0038】

図９は、４０ｄＢスケール上にＫｕ送信素子のモデル化されたＫｕ性能の一実施形態を示している。図１０は、４０ｄＢスケール上にモデル化されたＫｕ受信素子の一実施形態を示している。

【0039】

特定の周波数が上述の例示的実施形態で識別されているが、送信及び受信、二重帯域送信、二重帯域受信のような様々な組合せは、全て選択可能な周波数で作動するように設計することができる。

【0040】

本明細書に説明する複合アパーチャ技術は、複合給電装置を有するディッシュと同じ基本的な方法での小角度差指向角度に限定されないことに注意されたい。これは、複合物理的アパーチャを作成するための交互配置に対する手法が、指向角度が完全に独立し、２つの独立するが空間的に交互配置された（又は組み合わされた）２つのアパーチャをもたらすからである。その指向限界は、ボアサイトから６０度を超えて指向し、方位角で全３６０度をカバーして近似的に１２０度ｘ３６０度の指向円錐を形成することが明らかにされているフラットパネルメタマテリアルアンテナの限界である。

【0041】

本明細書に説明する技術を用いて、交互配置されたアパーチャを通して二重、三重、又は更に多重のアパーチャ組合せも可能である。

【0042】

本発明の実施形態の利点は以下を含む。１つの利点は、与えられたアンテナエリアを通じたデータスループットを増大することである。同時双方向、多重帯域、又は多重衛星リンクを必要とする通信システムに対して、これはそれを可能にする技術である。この交互配置／組合せ手法の利点は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）技術を使用してアンテナパネルを製造する場合に最も明らかになる。なぜならば、駆動スイッチは、その場合に表面実装電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）ドライバよりも小さいＴＦＴ（薄膜トランジスタ）とすることができ、より高密度の交互配置を可能にするからである。素子密度は、ＬＣＤ製造業者によって達成されるピクセル密度よりも遥かに小さいことに注意されたい。

【0043】

図１５は、同時多重アンテナ作動のための処理の一実施形態の流れ図である。この処理は、ハードウエア（回路、専用論理部など）、ソフトウエア（汎用コンピュータシステム又は専用機械上で実行されるものなど）、又はその両方の組合せを有することができる処理論理部によって実行される。

【0044】

図１５を参照すると、この処理は、無線周波数（ＲＦ）エネルギを使用して、フラットパネルアンテナのそれぞれ第１及び第２のアンテナアレイ内の交互配置アンテナ素子の第１及び第２の独立に作動する組を励起することによって始まる（処理ブロック１５０１）。受信モードでは、アレイのうちの１つは、送信されたＲＦ波によって励起される。

【0045】

次に、処理論理部は、第１及び第２の組の素子から同時に２つの遠距離場パターンを発生させ、ここで、２つの遠距離場パターンは、第１及び第２のアンテナアレイ内の交互配置アンテナ素子の第１及び第２の独立に作動する組を使用して、同時に２つの異なる受信帯域内で作動し、２つの異なる方向にある２つの異なるソースを指向する（処理ブロック１５０２）。

【0046】

別の実施形態では、素子の組のうちの１つは、送信されているＲＦ波によって励起され、それによってこれらの素子を使用してビームを形成する一方、素子の別の組は、受信されているＲＦ信号によって励起される。このようにして、アンテナは送信及び受信のために同時に使用される。

【0047】

アンテナ素子
一実施形態では、アンテナ素子は、１群のパッチアンテナを含む。このパッチアンテナの群は、散乱メタマテリアル素子のアレイを含む。一実施形態では、アンテナシステム内の各散乱素子は、下側導体、誘電体基板、及び上側導体から構成される単位セルの一部であり、その上側導体は、上側導体内にエッチングされた又はその上に堆積された相補的電気誘導−容量共振器（「相補型電気ＬＣ」又は「ＣＥＬＣ」）を埋め込んでいる。

【0048】

一実施形態では、液晶（ＬＣ）が散乱素子の周りの間隙に配置される。液晶は各単位セル内に封入され、スロットに関連付けられた下側導体をそのパッチに関連付けられた上側導体から分離する。液晶は、それを含む分子の配向の関数である誘電率を有し、液晶両端間のバイアス電圧を調節することにより、分子の配向（及び従って誘電率）が制御可能である。この特性を使用して、一実施形態では、液晶は案内波からＣＥＬＣへのエネルギ伝達のためのオン／オフスイッチを統合する。スイッチを入れると、ＣＥＬＣは、電気的に小さいダイポールアンテナのような電磁波を放出する。本明細書での教示は、エネルギ伝達に関して２値様式で作動する液晶を有することに限定されないということに注意されたい。

【0049】

液晶の厚みを低減することにより、ビームのスイッチング速度が増加する。下側導体と上側導体の間隙（液晶チャネルの厚み）の５０％減少は、速度の４倍の増加をもたらす。別の実施形態では、液晶の厚みにより、約１４ミリ秒（１４ｍｓ）というビームスイッチング速度がもたらされる。一実施形態では、液晶は当業技術で公知の方式でドープされて応答性を改善し、７ミリ秒（７ｍｓ）の要件を満たせるようにする。

【0050】

一実施形態では、このアンテナシステムの給電形状は、アンテナ素子を波動給電の波動ベクトルに対して４５度（４５°）の角度で位置決めすることを可能にする。素子のこの位置は、素子によって受信されるか又は素子から発生される自由空間波の制御を可能にする。一実施形態では、アンテナ素子は、アンテナの作動周波数の自由空間波長未満の素子間隔で配置される。例えば、１波長につき４つの散乱素子が存在する場合に、３０ＧＨｚ送信アンテナ内の素子は、約２．５ｍｍ（すなわち、３０ＧＨｚの自由空間波長１０ｍｍの４分の１）である。

【0051】

一実施形態では、２組の素子は互いに垂直であり、等しい振幅の励起を同時に有する。給電波の励起に対してそれらを±４５度回転させることにより、両方の望ましい機能が同時に達成される。一方の組を０度回転させ、他方を９０度回転させることによって垂直目標は達成されるが、等振幅励起の目標は達成されない。０度と９０度を使用して、上述のように２つの側部から単一構造のアンテナ素子アレイを給電する時に分離を達成することができることに注意されたい。

【0052】

これらの素子は、コントローラを使用してパッチに電圧を印加することによってオフ又はオンにされる。各パッチに対するトレースを使用して、パッチアンテナに電圧を供給する。電圧を使用して、キャパシタンス及び従って個々の素子の共振周波数を同調又は離調させ、ビーム形成を達成するようにする。必要とされる電圧は、使用される液晶混合物に依存する。液晶混合物の電圧同調特性は、液晶が電圧の影響を受け始める閾値電圧と、それを超える電圧の増加が液晶の主要な同調を生じない飽和電圧とによって主として説明される。これら２つの特性パラメータは、異なる液晶混合物に対して変化する場合がある。

【0053】

一実施形態では、マトリックス駆動を使用してパッチに電圧を印加し、各セルに対して別々の接続を有することなく、各セルを他の全てのセルから切り離して駆動するようにする（直接駆動）。素子が高密度のために、マトリックス駆動は、各セルを個別にアドレス指定する最も効率的な方法である。

【0054】

アンテナシステムの制御構造は２つの主要な構成要素を有し、すなわち、アンテナシステムのための駆動電子機器を含むコントローラは、波散乱構造の下にあり、一方、マトリックス駆動スイッチングアレイは、放射を妨害しないように放射ＲＦアレイの全体を通して点在する。一実施形態では、アンテナシステムのための駆動電子機器は、散乱素子へのＡＣバイアス信号の振幅を調節することによって各散乱素子に対するバイアス電圧を調節する市販のテレビジョン家電に使用される市販の既製ＬＣＤ制御器を有する。

【0055】

一実施形態では、コントローラはまた、ソフトウエアを実行するマイクロプロセッサも含有する。制御構造はまた、プロセッサに位置及び方位情報を提供するセンサ（例えば、ＧＰＳ受信機、３軸コンパス、３軸加速度計、３軸ジャイロ、３軸磁力計など）を組み込むことができる。位置及び方位情報は、地上局内の他のシステムによってプロセッサに提供することができ、及び／又はアンテナシステムの一部ではない場合がある。

【0056】

より具体的は、コントローラは、作動周波数でどの素子がオフにされてどの素子がオンにされるかを制御する。素子は、電圧印加によって周波数作動に対して選択的に離調される。

【0057】

送信に関して、コントローラは、ＲＦパッチに電圧信号アレイを供給して変調パターン又は制御パターンを生成する。制御パターンは、素子をオン又はオフにする。一実施形態では、多状態制御が使用され、そこでは、矩形波（すなわち、正弦波グレイシェード変調パターン）とは対照的に様々な素子が様々なレベルでオン及びオフにされ、更に正弦波制御パターンを近似する。放射する素子もあれば放射しない素子もあるのではなく、一部の素子は他の素子よりも強く放射する。可変的な放射は、特定の電圧レベルを印加することによって達成され、その電圧印加は液晶の誘電率を様々な量に調節し、それによって素子を可変的に離調させて一部の素子を他の素子よりも多く放射させる。

【0058】

素子のメタマテリアルアレイによる集束ビームの発生は、建設的干渉と相殺的干渉という現象によって説明することができる。個々の電磁波は、自由空間で遭遇する時に同じ位相を有する場合に加え合わされ（建設的干渉）、自由空間で遭遇する時に逆位相ならば互いに打ち消し合う（相殺的干渉）。各連続するスロットが案内波の励起点から異なる距離に配置されるようにスロットアンテナ内のスロットが位置決めされる場合に、その素子からの散乱波は、前のスロットの散乱波とは異なる位相を有することになる。スロットが案内波長の４分の１離間する場合に、各スロットは、前のスロットから４分の１の位相遅延で波を散乱させることになる。

【0059】

このアレイを使用して、生成することができる建設的干渉及び相殺的干渉のパターンの数を増すことができるので、ホログラフィの原理を使用して、理論的にはアンテナアレイのボアサイトから±９０度（９０°）のあらゆる方向にビームを指向させることができる。従って、どのメタマテリアル単位セルがオン又はオフにされるのかを制御することにより（すなわち、どのセルがオンにされてどのセルがオフにされるかのパターンを変えることにより）、建設的干渉及び相殺的干渉の異なるパターンを作り出すことができ、アンテナは主ビームの方向を変えることができる。単位セルをオン及びオフにするのに必要な時間は、１つの位置から別の位置にビームを切り換えることができる速度を定める。

【0060】

一実施形態では、両方の交互配置アンテナに対するビーム指向角度は、変調、又はどの要素がオン又はオフであるかを指向する制御パターンによって定められる。言い換えれば、必要に応じてビームを指向させるのに使用される制御パターンは、作動周波数に依存する。

【0061】

一実施形態では、アンテナシステムは、アップリンクアンテナのための１つのステアリング可能ビームと、ダウンリンクアンテナのための１つのステアリング可能ビームとを生成する。一実施形態では、アンテナシステムは、メタマテリアル技術を使用してビームを受信し、衛星からの信号を復号し、及び衛星に向けられる送信ビームを形成する。一実施形態では、アンテナシステムは、ビームを電気的に形成してステアリングするのにデジタル信号処理を使用するアンテナシステム（フェーズドアレイアンテナなど）とは対照的に、アナログシステムである。一実施形態では、アンテナシステムは、特に従来の衛星ディッシュベースの受信機と比較して、平面的で比較的薄型の「面」アンテナと見なされる。

【0062】

図１１Ａは、接地平面と再構成可能共振器層とを含む１列のアンテナ素子の斜視図を示している。再構成可能共振器層１１３０は、同調可能スロット１１１０のアレイを含む。同調可能スロット１１１０のアレイは、アンテナを望ましい方向に指向させるように構成することができる。同調可能スロットの各々は、液晶両端間の電圧を変化させることによって同調／調節することができる。

【0063】

制御モジュール１１８０を再構成可能共振器層１１３０に結合させて、図１１Ａで液晶両端間の電圧を変化させることにより同調可能スロット１１１０のアレイを変調する。制御モジュール１１８０は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（「ＦＰＧＡ」）、マイクロプロセッサ、又は他の処理論理部を含むことができる。一実施形態では、制御モジュール１１８０は、同調可能スロット１１１０のアレイを駆動するために論理回路（例えば、マルチプレクサ）を含む。一実施形態では、制御モジュール１１８０は、同調可能スロット１１１０のアレイ上へ駆動されるホログラフィック回折パターンに関する仕様を含むデータを受信する。ホログラフィック回折パターンは、それがダウンリンクビーム（及びアンテナシステムが送信を実行する場合はアップリンクビーム）を通信のための適切な方向にステアリングするように、アンテナと衛星間の空間的関係に応じて発生させることができる。各図には描かれていないが、制御モジュール１１８０と類似の制御モジュールが、本発明の開示の図に説明される同調可能スロットの各アレイを駆動することができる。

【0064】

ＲＦ基準ビームがＲＦホログラフィック回折パターンに遭遇する時に望ましいＲＦビームを発生させることができる類似の技術を使用して、無線周波数（「ＲＦ」）ホログラフィも可能である。衛星通信の場合に、基準ビームは、給電波１１０５（一部の実施形態では約２０ＧＨｚ）のような給電波の形態である。給電波を放射ビームに変換するために（送信目的又は受信目的で）、望ましいＲＦビーム（目的ビーム）と給電波（基準ビーム）との間で干渉パターンが計算される。干渉パターンは、給電波が望ましいＲＦビーム（望ましい形状及び方向を有する）に「ステアリングされる」ように、回折パターンとして同調可能スロット１１１０のアレイ上へ駆動される。言い換えれば、ホログラフィック回折パターンに遭遇する給電波は、目的ビームを「再構成」し、それは通信システムの設計要件に従って形成される。ホログラフィック回折パターンは、各素子の励起を含有し、かつ導波路内の波動方程式としてｗ_inと外向き波に関する波動方程式としてｗ_outとを使用して、ｗ_hologram＝ｗ_in^*ｗ_outによって計算される。

【0065】

図１１Ｂは、本発明の開示の実施形態による同調可能共振器／スロット１１１０を示している。同調可能スロット１１１０は、アイリス／スロット１１１２と、放射パッチ１１１１と、アイリス１１１２とパッチ１１１１の間に配置された液晶１１１３とを含む。一実施形態では、放射パッチ１１１１は、アイリス１１１２と同じ場所に配置される。

【0066】

図１１Ｃは、本発明の開示の実施形態による物理的アンテナアパーチャの断面図を示している。アンテナアパーチャは、接地平面１１４５と、再構成可能共振器層１１３０に含まれるアイリス層１１３３内の金属層１１３６とを含む。アイリス／スロット１１１２は、金属層１１３６内の開口部によって定められる。給電波１１０５は、衛星通信チャネルと適合性のあるマイクロ波周波数を有することができる。給電波１１０５は、接地平面１１４５と共振器層１１３０の間を伝播する。

【0067】

再構成可能共振器層１１３０はまた、ガスケット層１１３２及びパッチ層１１３１を含む。ガスケット層１１３２は、パッチ層１１３１とアイリス層１１３３の間に配置される。一実施形態では、スペーサがガスケット層１１３２に取って代わることができることに注意されたい。アイリス層１１３３は、金属層１１３６として銅層を含むプリント回路基板（ＰＣＢ）とすることができる。銅層において開口部をエッチングして、スロット１１１２を形成することができる。一実施形態では、アイリス層１１３３は、導電性接着層１１３４によって図１１Ｃの別の構造（例えば、導波路）に導電的に結合される。図８に示すような実施形態では、アイリス層は導電性接着層によって導電的に結合されず、代わりに非導電性接着層で結合されることに注意されたい。

【0068】

パッチ層１１３１はまた、放射パッチ１１１１として金属を含むＰＣＢとすることができる。一実施形態では、ガスケット層１１３２は、金属層１１３６とパッチ１１１１の間の寸法を定める機械的スタンドオフを提供するスペーサ１１３９を含む。一実施形態では、スペーサは７５ミクロンであるが、他のサイズ（例えば、３−２００ｍｍ）を使用することができる。同調可能共振器／スロット１１１０は、パッチ１１１１、液晶１１１３、及びアイリス１１１２を含む。液晶１１１３のためのチャンバは、スペーサ１１３９、アイリス層１１３３、及び金属層１１３６によって定められる。チャンバに液晶が充填されると、スペーサ１１３９上にパッチ層１１３１を積層して共振器層１１３０内に液晶を密封することができる。

【0069】

パッチ層１１３１とアイリス層１１３３の間の電圧を調整して、パッチとスロット１１１０間の間隙内の液晶を同調させることができる。液晶１１１３の両端間電圧を調節することにより、スロット１１１０のキャパシタンスが変化する。従って、キャパシタンスを変化させることにより、スロット１１１０のリアクタンスを変化させることができる。スロット１１１０の共振周波数はまた、式：

に従って変化し、ここで、ｆはスロット１１１０の共振周波数であり、Ｌ及びＣは、それぞれスロット１１１０のインダクタンス及びキャパシタンスである。スロット１１１０の共振周波数は、導波路を伝播する給電波１１０５から放射されるエネルギに影響を及ぼす。一例として、給電波１１０５が２０ＧＨｚである場合に、スロット１１１０の共振周波数を１７ＧＨｚに調節して（キャパシタンスを変化させることにより）、スロット１１１０が給電波１１０５からのエネルギを実質的に結合させないようにすることができる。これに代えて、スロット１１１０の共振周波数を２０ＧＨｚに調節して、スロット１１１０が給電波１１０５からのエネルギを結合させ、そのエネルギを自由空間に放射するようにすることができる。与えた例は２値的（完全な放射又は全くの無放射）であるが、スロット１１１０のリアクタンス及び従って共振周波数の完全なグレイスケール制御は、多値範囲にわたる電圧変化を使用して可能である。従って、各スロット１１１０から放射されるエネルギは細かく制御可能なので、精緻なホログラフィック回折パターンを同調可能スロットのアレイによって形成することができる。

【0070】

一実施形態では、列内の同調可能スロットは、互いからλ／５だけ離間している。他の間隔を使用することもできる。一実施形態では、列内の各同調可能スロットは、隣接する列内の最も近い同調可能スロットからλ／２だけ離間し、従って、異なる列内の共通に方向付けられた同調可能スロットはλ／４だけ離間するが、他の間隔も可能である（例えば、λ／５、λ／６．３）。別の実施形態では、列内の各同調可能スロットは、隣接する列内の最も近い同調可能スロットからλ／３だけ離間する。

【0071】

本発明の実施形態は、市場の多重アパーチャの必要性に対して２０１４年１１月２１日出願の「ステアリング可能円筒給電式ホログラフィックアンテナからの動的偏波及び結合制御」という名称の米国特許出願第１４／５５０，１７８号明細書、及び２０１５年１月３０日出願の「再構成可能アンテナのためのリッジ型導波路給電構造」という名称の米国特許出願第１４／６１０，５０２号明細書に説明されているような再構成可能メタマテリアル技術を使用する。

【0072】

図１２Ａ−Ｄは、スロット式アレイを作成するための異なる層の一実施形態を示している。図１２Ａは、位置がスロットに対応した第１のアイリス基板層を示している。図１２Ａを参照すると、円は、アイリス基板／ガラスの底側におけるメタライゼーション内の開放エリア／スロットであり、素子の給電装置（給電波）への結合を制御するためのものである。この層は任意的な層であり、全ての設計に使用される訳ではない。図１２Ｂは、スロットを含有する第２のアイリス基板層を示している。図１２Ｃは、第２のアイリス基板層の上のパッチを示している。図１２Ｄは、スロット式アレイの上面図を示している。

【0073】

図１３は、外向き波を有するアンテナシステムの別の実施形態を示している。図１３を参照すると、接地平面１３０２は、ＲＦアレイ１３１６と実質的に平行であり、その間に誘電体層１３１２（例えば、プラスチック層など）がある。ＲＦ吸収体１３１９（例えば、抵抗器）は、接地平面１３０２とＲＦアレイ１３１６を互いに結合させる。同軸ピン１３０１（例えば、５０Ω）が、アンテナを給電する。

【0074】

作動中に、給電波は、同軸ピン１３１５を通して給電され、同心的に外方に進み、かつＲＦアレイ１３１６の素子と相互作用する。

【0075】

作動中に、給電波は、同軸ピン１３０１を通して給電され、同心的に外方に進み、かつＲＦアレイ１３１６の素子と相互作用する。

【0076】

図１３のアンテナ内の円筒形給電は、アンテナの走査角度を改善する。±４５度の方位角（±４５°Ａｚ）及び±２５度の仰角（±２５°Ｅｌ）の走査角度の代わりに、一実施形態では、アンテナシステムは、ボアサイトから全方向に７５度の走査角度を有する。多くの個々の放射体から構成されるあらゆるビーム形成アンテナの場合と同様に、全体的なアンテナ利得は、それ自体が角度依存性である構成素子の利得に依存する。一般的な放射素子を使用する場合に、ビームをボアサイトから更に遠くに指向させる時に、全体的なアンテナ利得は、一般的に減少する。ボアサイトから７５度では、約６ｄＢの著しい利得低下が予想される。

【0077】

例示的システム実施形態
一実施形態では、複合アンテナアパーチャは、セットトップボックスと共に作動するテレビジョンシステムに使用される。例えば、二重受信アンテナの場合に、アンテナによって受信された衛星信号は、テレビジョンシステムのセットトップボックス（例えば、ＤｉｒｅｃｔＴＶ受信機）に提供される。より具体的は、複合アンテナ作動は、２つの異なる周波数及び／又は偏波でＲＦ信号を同時に受信することができる。すなわち、素子の１つのサブアレイは、１つの周波数及び／又は偏波でＲＦ信号を受信するように制御され、一方、別のサブアレイは、別の異なる周波数及び／又は偏波で信号を受信するように制御される。周波数又は偏波のこれらの相違は、異なるチャネルがテレビジョンシステムによって受信されていることを表している。同様に、２つのアンテナアレイは、２つの異なる位置（例えば、２つの異なる衛星）からチャネルを受信するための２つの異なるビーム位置に対して制御され、複数のチャネルを同時に受信することができる。

【0078】

図１４Ａは、テレビジョンシステムにおいて二重受信を同時に実行する通信システムの一実施形態のブロック図である。図１４Ａを参照すると、アンテナ１４０１は、上述のように異なる周波数及び／又は偏波で二重受信を同時に実行するために独立して作動可能な２つの空間的に交互配置されたアンテナアパーチャを含む。僅か２つだけの空間的に交互配置されたアンテナ作動を説明しているが、ＴＶシステムは２よりも多いアンテナアパーチャ（例えば、３つ、４つ、５つなどのようなアンテナアパーチャ）を有することができることに注意されたい。

【0079】

一実施形態では、２つの交互配置されたスロット式アレイを含むアンテナ１４０１は、ダイプレクサ１４３０に結合される。その結合は、ダイプレクサ１４３０に供給される２つの信号を生成するために、２つのスロット式アレイの素子から信号を受信する１又は２以上の給電ネットワークを含むことができる。一実施形態では、ダイプレクサ１４３０は、市販のダイプレクサ（例えば、Ａ１ ＭｉｃｒｏｗａｖｅからのモデルＰＢ１０８１ＷＡ Ｋｕ帯域シトコムダイプレクサ）である。

【0080】

ダイプレクサ１４３０は、１対の低ノイズ遮断ダウンコンバータ（ＬＮＢ）１４２６及び１４２７に結合され、それらは、当業技術で公知の方式でノイズフィルタリング機能、ダウンコンバート機能、及び増幅を実行する。一実施形態では、ＬＮＢ１４２６及び１４２７は、室外ユニット（ＯＤＵ）内にある。別の実施形態では、ＬＮＢ１４２６及び１４２７は、アンテナ装置に統合される。ＬＮＢ１４２６及び１４２７は、テレビジョン１４０３に結合されたセットトップボックス１４０２に結合される。

【0081】

セットトップボックス１４０２は、ダイプレクサ１４３０から出力された２つの信号をデジタル形式に変換するためにＬＮＢ１４２６及び１４２７に結合された１対のアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１４２１及び１４２２を含む。

【0082】

デジタル形式に変換された状態で、信号は復調器１４２３により復調され、かつ復号器１４２４により復号されて受信波上に符号化されたデータが得られる。復号されたデータは、次に、それをテレビジョン１４０３に送るコントローラ１４２５に送られる。

【0083】

コントローラ１４５０は、単一複合物理的アパーチャ上の両方のアンテナアパーチャの交互配置されたスロット式アレイ素子を含むアンテナ１４０１を制御する。

【0084】

完全二重通信システムの例
別の実施形態では、複合アンテナアパーチャは、完全二重通信システムに使用される。図１４Ｂは、同時送信及び受信経路を有する通信システムの別の実施形態のブロック図である。１つの送信経路と１つの受信経路のみが示されているが、通信システムは、１よりも多い送信経路及び／又は１よりも多い受信経路を含むことができる。

【0085】

図１４Ｂを参照すると、アンテナ１４０１は、上述のように異なる周波数で送信及び受信を同時に実行するために、独立して作動可能な２つの空間的に交互配置されたアンテナアレイを含む。一実施形態では、アンテナ１４０１はダイプレクサ１４４５に結合される。その結合は、１又は２以上の給電ネットワークによるものとすることができる。一実施形態では、放射状給電アンテナの場合に、ダイプレクサ１４４５は、２つの信号を組み合わせるものであり、アンテナ１４０１とダイプレクサ１４４５の間の接続は、両方の周波数を搬送することができる単一広帯域給電ネットワークである。

【0086】

ダイプレクサ１４４５は、低ノイズ遮断ダウンコンバータ（ＬＮＢ）１４２７に結合され、それは、当業技術で公知の方式でノイズフィルタリング機能、ダウンコンバート機能、及び増幅を実行する。一実施形態では、ＬＮＢ１４２７は、室外ユニット（ＯＤＵ）内にある。別の実施形態では、ＬＮＢ１４２７は、アンテナ装置に統合される。ＬＮＢ１４２７は、コンピューティングシステム１４４０（例えば、コンピュータシステム、モデムなど）に結合されたモデム１４６０に結合される。

【0087】

モデム１４６０は、ダイプレクサ１４４５から受信された信号出力をデジタル形式に変換するためにＬＮＢ１４２７に結合されたアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１４２２を含む。デジタル形式に変換された状態で、信号は、復調器１４２３により復調され、かつ復号器１４２４により復号されて受信波上に符号化されたデータが得られる。復号されたデータは、次に、それをコンピューティングシステム１４４０に送るコントローラ１４２５に送られる。

【0088】

モデム１４６０はまた、コンピューティングシステム１４４０から送信されたデータを符号化する符号器１４３０を含む。符号化されたデータは、変調器１４３１によって変調され、次に、デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）１４３２によってアナログに変換される。次に、アナログ信号は、ＢＵＣ（アップコンバート及び高域増幅器）１４３３によってフィルタリングされ、ダイプレクサ１４３３の１つのポートに供給される。一実施形態では、ＢＵＣ１４３３は、室外ユニット（ＯＤＵ）内にある。

【0089】

当業技術で公知の方式で作動するダイプレクサ１４４５は、送信のために送信信号をアンテナ１４０１に供給する。

【0090】

コントローラ１４５０は、単一複合物理的アパーチャ上のアンテナ素子の２つのアレイを含むアンテナ１４０１を制御する。

【0091】

図１４Ｂに示す完全二重通信システムは、以下に限定されるものではないが、インターネット通信、車両通信（ソフトウエア更新を含む）などを含むいくつかの用途を有することに注意されたい。

【0092】

以上の詳細説明のいくつかの部分は、コンピュータメモリ内のデータビットに対する演算のアルゴリズム及び記号表現の言葉で提示されている。これらのアルゴリズミックな説明及び表現は、データ処理技術分野の当業者により、自らの仕事の内容を他の当業者に最も効果的に伝えるのに使用される手段である。アルゴリズムは、ここではかつ一般的に、望ましい結果に至る自己矛盾のない一連の段階であると考えられる。これらの段階は、物理量の物理的操作を必要とする段階である。典型的に、必ずしもそうではないが、これらの量は、格納、転送、結合、比較、及び他の操作が可能な電気信号又は磁気信号の形式を取る。これらの信号をビット、値、要素、記号、符号、用語、又は数字などとして言及することは、主として共通使用という理由で時に有利であることが判明している。

【0093】

しかし、これらの用語及び類似の用語は、全て適切な物理量に関連付けられるものとし、かつこれらの量に付与される有利なラベルに過ぎないことに注意されたい。以下の説明から明らかなように、特に明記しない限り、説明全体を通して、「処理する」又は「演算する」又は「計算する」又は「決定する」又は「表示する」などのような用語を利用する説明は、コンピュータシステムのレジスタ及びメモリ内の物理的な（電子的な）量として表されるデータをそのコンピュータシステムのメモリ又はレジスタ又は他のそのような情報ストレージ、送信又は表示デバイス内の物理量として同様に表される別のデータに操作及び変換するコンピュータシステム又は類似の電子コンピュータデバイスのアクション及び処理を指すことが認められる。

【0094】

本発明はまた、本明細書の作動を実行するための装置に関する。この装置は、必要とされる目的のために特別に構成することができ、又はコンピュータに格納されたコンピュータプログラムによって選択的に起動又は再構成される汎用コンピュータを有することができる。このようなコンピュータプログラムは、以下に限定されるものではないが、フロッピーディスク、光ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、及び光磁気ディスクを含むあらゆるタイプのディスク、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気又は光カード、又は電子命令の格納に適するあらゆるタイプの媒体のようなコンピュータ可読ストレージ媒体に格納することができ、各々がコンピュータシステムバスに結合される。

【0095】

本明細書に提示したアルゴリズム及び表示は、いずれの特定のコンピュータ又は他の装置とも本質的に関連付けられたものではない。様々な汎用システムを本明細書の教示によるプログラムと共に使用することができ、又は必要とされる方法段階を実行するより特殊化された装置を構成することが有利であることが判明する場合がある。様々なこれらのシステムに必要とされる構造は、以下の説明から明らかであろう。これに加えて、本発明は、いずれの特定のプログラミング言語に関連しても説明されていない。様々なプログラミング言語を使用して、本明細書に説明した本発明の教示を実施することができることが認められるであろう。

【0096】

機械可読媒体は、機械（例えば、コンピュータ）によって可読な形式で情報を格納するか又は伝えるあらゆる機構を含む。例えば、機械可読媒体は、読取専用メモリ（「ＲＯＭ」）、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、磁気ディスクストレージ媒体、光ストレージ媒体、フラッシュメモリデバイスなどを含む。

【0097】

以上の説明を読んだ後に本発明の多くの代替及び修正が当業者には明らかになるであろうが、例示的に図示かつ説明したいずれの特定の実施形態も限定的であるように決して意図していないことは理解されるものとする。従って、様々な実施形態の詳細への言及は、本発明に必要不可欠であると見なされる特徴のみを本質的に列挙する特許請求の範囲を限定するように意図していない。

【符号の説明】

【0098】

Ｋａ Ｋａ帯域
Ｋｕ Ｋｕ帯域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図12A】

【図12B】

【図12C】

【図12D】

【図13】

【図14A】

【図14B】

【図15】