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(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】6792641
(24)【登録日】2020年11月10日
(45)【発行日】2020年11月25日
(54)【発明の名称】自由空間セグメント試験器（ＦＳＳＴ）
(51)【国際特許分類】
G01R 29/08 20060101AFI20201116BHJP
H01Q 13/02 20060101ALI20201116BHJP
H01Q 21/06 20060101ALI20201116BHJP
H01Q 3/44 20060101ALI20201116BHJP
G01R 29/10 20060101ALI20201116BHJP
G01R 29/26 20060101ALI20201116BHJP
G01R 35/00 20060101ALI20201116BHJP
【ＦＩ】
G01R29/08 F
H01Q13/02
H01Q21/06
H01Q3/44
G01R29/10 E
G01R29/26 F
G01R35/00 K
【請求項の数】20
【全頁数】30
(21)【出願番号】特願2018-560815(P2018-560815)
(86)(22)【出願日】2017年5月17日
(65)【公表番号】特表2019-521327(P2019-521327A)
(43)【公表日】2019年7月25日
(86)【国際出願番号】US2017033164
(87)【国際公開番号】WO2017201197
(87)【国際公開日】20171123
【審査請求日】2019年3月13日
(31)【優先権主張番号】62/339,711
(32)【優先日】2016年5月20日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】15/596,370
(32)【優先日】2017年5月16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
(74)【代理人】
【識別番号】100139712
【弁理士】
【氏名又は名称】那須 威夫
(74)【代理人】
【識別番号】100196612
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 慎也
(72)【発明者】
【氏名】ハワー トム
(72)【発明者】
【氏名】セーサイ ラミン
(72)【発明者】
【氏名】アッシュ ベンジャミン
(72)【発明者】
【氏名】フォーンズ マシュー
(72)【発明者】
【氏名】ペドラー ウィリアム
(72)【発明者】
【氏名】サゼガー モフセン
(72)【発明者】
【氏名】レップ ジェイコブ タイラー
【審査官】
島▲崎▼ 純一
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００１−１５３９０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２０１１／０１９３５６６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特開２０００−１９６３３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０７−２６０４６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１５−０４５５９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２０１５／０２２２０２１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特開平１０−１７０５７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００２−２９６２０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００５−３３２９９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許第７７９１３５５（ＵＳ，Ｂ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０１Ｒ ２９／０８
Ｇ０１Ｒ ２９／１０
Ｇ０１Ｒ ２９／２６
Ｇ０１Ｒ ３５／００
Ｈ０１Ｑ ３／４４
Ｈ０１Ｑ １３／０２
Ｈ０１Ｑ ２１／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
平面アンテナの薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）セグメントを支持するプラットフォームを有するフレームと、
マイクロ波エネルギを前記ＴＦＴセグメントに送信し、前記ＴＦＴセグメントから反射したマイクロ波エネルギを受信する第１のホーンアンテナと、
前記ＴＦＴセグメントを透過したマイクロ波エネルギを受信する第２のホーンアンテナと、
前記ＴＦＴセグメントに結合され、少なくとも１つの刺激又は条件を前記ＴＦＴセグメントに与えるコントローラと、
前記第１のホーンアンテナ及び第２のホーンアンテナを使用して前記ＴＦＴセグメントの特性を測定するアナライザと、
を備える装置。
マイクロ波エネルギを前記ＴＦＴセグメントに送信し、前記ＴＦＴセグメントから反射したマイクロ波エネルギを受信する第１のホーンアンテナと、
前記ＴＦＴセグメントを透過したマイクロ波エネルギを受信する第２のホーンアンテナと、
前記ＴＦＴセグメントに結合され、少なくとも１つの刺激又は条件を前記ＴＦＴセグメントに与えるコントローラと、
前記第１のホーンアンテナ及び第２のホーンアンテナを使用して前記ＴＦＴセグメントの特性を測定するアナライザと、
を備える装置。
【請求項2】
前記アナライザは、前記ＴＦＴセグメントに対する前記第１のホーンアンテナ又は前記第２のホーンアンテナにおけるマイクロ波周波数応答を含む特性を測定する、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記アナライザは、前記コントローラからのコマンド信号刺激の関数として又は前記コントローラからのコマンド信号刺激を用いることなく前記第１のホーンアンテナ又は前記第２のホーンアンテナにおけるマイクロ波周波数応答を測定する、請求項２に記載の装置。
【請求項4】
前記アナライザは、前記ＴＦＴセグメントに対する前記第２のホーンアンテナにおける透過応答及び前記第１のホーンアンテナにおける反射応答を測定する、請求項３に記載の装置。
【請求項5】
前記コントローラ及びアナライザに結合され、１又は２以上の刺激に基づいて前記ＴＦＴセグメントに対する前記マイクロ波周波数応答、透過応答、又は反射応答のうちの少なくとも１つを較正するコンピュータを更に備える、請求項４に記載の装置。
【請求項6】
前記コンピュータは、前記ＴＦＴセグメントに対する前記マイクロ波周波数応答、透過応答、又は反射応答を特徴付ける、請求項５に記載の装置。
【請求項7】
前記条件は、環境条件を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項8】
前記ＴＦＴセグメントは、前記ＴＦＴセグメントが受け入れ可能であることを前記ＴＦＴセグメントの前記測定された特性が示す場合に平面アンテナに組み込むのに使用される、請求項１に記載の装置。
【請求項9】
平面アンテナの薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）セグメントにマイクロ波エネルギを加えるステップと、
前記ＴＦＴセグメントを透過した送信マイクロ波エネルギ又は前記ＴＦＴセグメントから反射したマイクロ波エネルギのうちの少なくとも１つを測定するステップと、
前記測定されたマイクロ波エネルギを較正するステップと、
を含む方法。
前記ＴＦＴセグメントを透過した送信マイクロ波エネルギ又は前記ＴＦＴセグメントから反射したマイクロ波エネルギのうちの少なくとも１つを測定するステップと、
前記測定されたマイクロ波エネルギを較正するステップと、
を含む方法。
【請求項10】
前記ＴＦＴセグメントに対する透過係数又は反射係数を測定するステップを更に含む、請求項９に記載の方法。
【請求項11】
前記透過係数又は反射係数は、前記ＴＦＴセグメントへのマイクロ波エネルギ周波数又はコマンド信号の関数として測定される、請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
前記透過係数又は反射係数は、位相及び振幅値を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項13】
前記透過係数又は反射係数を較正するステップを更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項14】
前記ＴＦＴセグメントへの前記コマンド信号を変化させるステップと、前記コマンド信号を変化させた後に前記透過又は反射したマイクロ波エネルギを測定するステップとを更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項15】
前記透過又は反射したマイクロ波エネルギを使用して、前記ＴＦＴセグメントの前記マイクロ波エネルギ周波数応答を測定するステップを更に含む、請求項９に記載の方法。
【請求項16】
前記ＴＦＴセグメントの前記測定されたマイクロ波エネルギ応答に基づいて、前記ＴＦＴセグメントが受け入れ可能であるか否かを検出するステップを更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
平面アンテナへの組み立てに受け入れ可能であると決定された場合に前記ＴＦＴセグメントを使用するステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
前記測定されたマイクロ波エネルギ周波数応答を較正するステップを更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項19】
平面アンテナの薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）セグメントを支持するプラットフォームを有するフレームと、
前記ＴＦＴセグメントへマイクロ波エネルギを送信する又は該ＴＦＴセグメントから反射されたマイクロ波エネルギを受信する第１のホーンアンテナと、
前記ＴＦＴセグメントに結合され、少なくとも１つの刺激又は条件を前記ＴＦＴセグメントに与えるコントローラと、
前記第１のホーンアンテナを使用して前記ＴＦＴセグメントの特性を測定するアナライザと、
を備える装置。
前記ＴＦＴセグメントへマイクロ波エネルギを送信する又は該ＴＦＴセグメントから反射されたマイクロ波エネルギを受信する第１のホーンアンテナと、
前記ＴＦＴセグメントに結合され、少なくとも１つの刺激又は条件を前記ＴＦＴセグメントに与えるコントローラと、
前記第１のホーンアンテナを使用して前記ＴＦＴセグメントの特性を測定するアナライザと、
を備える装置。
【請求項20】
前記ＴＦＴセグメントを透過したマイクロ波エネルギを受信する第２のホーンアンテナを更に備え、前記アナライザは、前記第２のホーンアンテナを使用して、前記ＴＦＴセグメントの特性を測定する、請求項１９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施例は、衛星通信を含む通信及びアンテナの分野におけるものである。より詳細には、本発明の実施例は、平面アンテナ(flat panel antennas)用の自由空間セグメント試験器（ＦＳＳＴ）に関する。
【0002】
（優先権）本出願は、２０１６年５月２０日出願の名称「ＦＲＥＥ ＳＰＡＣＥ ＳＥＧＭＥＮＴ ＴＥＳＴＥＲ （ＦＳＳＴ）（自由空間セグメント試験器（ＦＳＳＴ））」の米国仮特許出願第６２／３３９，７１１号に対して優先権を主張し、これに対応する特許を引用により本明細書に組み込む。
【0003】
（関連出願）本出願は、本発明の法人譲受人に譲受された同時係属出願である、２０１６年３月３日出願の「ＡＮＴＥＮＮＡ ＥＬＥＭＥＮＴ ＰＬＡＣＥＭＥＮＴ ＦＯＲ Ａ ＣＹＬＩＮＤＲＩＣＡＬ ＦＥＥＤ ＡＮＴＥＮＮＡ（円筒状給電アンテナのためのアンテナ素子配置）」という名称の米国特許出願第１５／０５９，８３７号、２０１６年３月３日出願の「ＡＰＥＲＴＵＲＥ ＳＥＧＭＥＮＴＡＴＩＯＮ ＯＦ Ａ ＣＹＬＮＤＲＩＣＡＬ ＦＥＥＤ ＡＮＴＥＮＮＡ（円筒状給電アンテナのアパーチャセグメント化）」という名称の米国特許出願第１５／０５９，８４３号、及び２０１６年１２月９日出願の名称「Ａ ＤＩＳＴＲＩＢＵＴＥＤ ＤＩＲＥＣＴ ＡＲＲＡＮＧＥＭＥＮＴ ＦＯＲ ＤＲＩＶＩＮＧ ＣＥＬＬＳ（セルを駆動するための分散型直接構成）」という名称の米国特許出願第１５／３７４，７０９号に関連する。
【背景技術】
【0004】
衛星通信は、マイクロ波の送信を伴う。このようなマイクロ波は、短波長を有し、ギガヘルツ（ＧＨｚ）範囲の高周波数で送信することができる。アンテナは、広帯域幅及び高伝送速度を有するポイントツーポイント通信を可能にする高周波数マイクロ波の集束ビームを生成することができる。アンテナが適切に機能しているか否かを判定するのに使用できる測定は、マイクロ波周波数応答である。この測定は、刺激(stimulus)又は信号に応答したアンテナ出力スペクトルの定量的な尺度である。これは、入力刺激又は信号と比較して、周波数の関数としてアンテナの出力の大きさ及び位相の尺度を提供することができる。アンテナに関するマイクロ波周波数応答の決定は、アンテナに関する有用な性能尺度である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0005】
自由空間セグメント試験器（ＦＳＳＴ）のための方法及び装置が開示される。１つの実施例において、本装置は、フレーム、第１のホーンアンテナ、第２のホーンアンテナ、コントローラ、及びアナライザを含む。フレームは、平面アンテナの薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）セグメントを支持するプラットフォームを有する。第１のホーンアンテナは、マイクロ波エネルギをＴＦＴセグメントに送信し、該ＴＦＴセグメントから反射したエネルギを受信する。第２のホーンアンテナは、ＴＦＴセグメントを通って透過されたマイクロ波エネルギを受信する。コントローラは、ＴＦＴセグメントに結合され、少なくとも１つの刺激又は条件を該ＴＦＴセグメントに与える。アナライザは、第１のホーンアンテナ及び第２のホーンアンテナを使用してＴＦＴセグメントの特性を測定する。測定される特性の実施例は、ＴＦＴセグメントに関して測定されたマイクロ波周波数応答、透過応答(transmission response)、又は反射応答を含む。１つの実施例において、ＴＦＴセグメントは、ＴＦＴセグメントの測定された特性が、ＴＦＴセグメントが受け入れ可能であることを示す場合、平面アンテナに組み込むのに使用される。
【0006】
本発明は、以下に与えられる詳細な説明から及び様々な実施例の添付の図面から十分に理解されるであろうが、これらは、本発明を特定の実施例に限定するものと解釈されるべきではなく、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】
【0007】
【図1A】例示的な自由空間セグメント試験器（ＦＳＳＴ）を示す図である。
【図1D】円筒波給電を提供するのに使用される同軸給電部の１つの実施例の上面図である。
【図1E】１つの実施例による、円筒状給電アンテナの入力給電部の周りに同心リング状に配置されたアンテナ素子の１又は２以上のアレイを有するアパーチャを示す図である。
【図2】１つの実施例による、グランドプレーン及び再構成可能な共振器層を含む１つの列のアンテナ素子の斜視図である。
【図3】同調可能共振器／スロットの１つの実施例を示す図である。
【図4】物理的アンテナアパーチャの１つの実施例の断面図である。
【図5A】スロット付きアレイを形成する様々な層の１つの実施例を示す図である。
【図5B】スロット付きアレイを形成する様々な層の１つの実施例を示す図である。
【図5C】スロット付きアレイを形成する様々な層の１つの実施例を示す図である。
【図5D】スロット付きアレイを形成する様々な層の１つの実施例を示す図である。
【図6A】円筒状給電アンテナ構造の１つの実施例の側面図である。
【図6B】外向き波を生成する円筒状給電部を備えたアンテナシステムの別の実施例を示す図である。
【図7】セルがグループ化されて同心方形（矩形）を形成する実施例を示す図である。
【図8】セルがグループ化されて同心八角形を形成する実施例を示す図である。
【図9】アイリス及びマトリクス駆動回路を含む小さなアパーチャの実施例を示す図である。
【図10】セル配置に使用される格子螺旋の１つの実施例を示す図である。
【図11】追加の螺旋を用いてより均一な密度を達成するセル配置の１つの実施例を示す図である。
【図12】１つの実施例による、アパーチャ全体を充填するよう繰り返される選択された螺旋パターンを示す図である。
【図13】１つの実施例による、円筒状給電アパーチャの四分円へのセグメント化の１つの実施形態を示す図である。
【図15】円筒状給電アパーチャの四分円へのセグメント化の別の実施例を示す図である。
【図17】アンテナ素子に対するマトリクス駆動回路の配置の１つの実施例を示す図である。
【図18】ＴＦＴパッケージの１つの実施例を示す図である。
【図19A】奇数のセグメントを有するアンテナアパーチャの１つの実施例を示す図である。
【図19B】奇数のセグメントを有するアンテナアパーチャの１つの実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
自由空間セグメント試験器（ＦＳＳＴ）のための方法及び装置が開示される。１つの実施例において、本装置は、フレーム、第１のホーンアンテナ、第２のホーンアンテナ、コントローラ、及びアナライザを含む。フレームは、平面アンテナの薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）セグメントを支持するプラットフォーム(platform)を有する。第１のホーンアンテナは、マイクロ波エネルギをＴＦＴセグメントに送信し、このＴＦＴセグメントから反射したエネルギを受信する。第２のホーンアンテナは、ＴＦＴセグメントを通って透過されたマイクロ波エネルギを受信する。コントローラは、ＴＦＴセグメントに結合され、少なくとも１つの刺激又は条件をこのＴＦＴセグメントに与える。アナライザは、第１のホーンアンテナ及び第２のホーンアンテナを使用してＴＦＴセグメントに対する特性を測定する。
【0009】
測定される特性の実施例は、ＴＦＴセグメントに対する第１のホーンアンテナにおけるマイクロ波反射周波数応答特性を含む。別の実施例では、第２のホーンアンテナは、ＴＦＴセグメントからのマイクロ波エネルギを受信するのに使用することができる。測定される特性は、ＴＦＴセグメントに対する第２のホーンアンテナにおけるマイクロ波周波数応答を含むことができる。第１のホーンアンテナ又は第２のホーンアンテナにおいて測定されたマイクロ波周波数応答は、コントローラからのコマンド信号刺激の関数とすることができ、又はコントローラからのコマンド信号刺激なしとすることができる。測定されるマイクロ波周波数応答はまた、環境条件の関数とすることもできる。ＴＦＴセグメントに対する測定される特性の別の実施例は、ＴＦＴセグメントに対する第２のホーンアンテナにおける測定された透過応答及び第１のホーンアンテナにおける測定された反射応答を含む。幾つかの実施例において、測定される特性は、測定された反射応答のみである。
【0010】
１つの実施例において、コンピュータは、コントローラ及びアナライザに結合され、１又は２以上の刺激に基づいて、ＴＦＴセグメントのマイクロ波周波数応答、透過応答、又は反射応答のうちの少なくとも１つを較正することができる。コンピュータはまた、ＴＦＴセグメントに対するマイクロ波周波数応答、透過応答、又は反射応答を特徴付けることができる。１つの実施例において、ＴＦＴセグメントが受け入れ可能(acceptable)であることをＴＦＴセグメントの測定された特性が示す場合、ＴＦＴセグメントは平面アンテナに組み込むのに使用される。
【0011】
以下の説明では、本発明のより完全な説明を提供するために多くの詳細事項が記載されている。しかしながら、本発明がこれらの特定の詳細事項なしで実施できることは当業者には明らかであろう。場合によっては、本発明を曖昧にするのを避けるために、周知の構造及び装置は、詳細には示さずにブロック図の形式で示される。
【0012】
以下の詳細な説明の幾つかの部分は、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観点で提示されている。これらのアルゴリズムに関する説明及び表現は、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、ここでは一般的に、望ましい結果に至る自己矛盾のない一連のステップであると考えられる。これらのステップは、物理量の物理的操作を必要とするものである。通常は、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とる。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。
【0013】
（自由空間セグメント試験器（ＦＳＳＴ））図１Ａは、例示的な自由空間セグメント試験器（ＦＳＳＴ）１００を示す。この実施例では、ＦＳＳＴ１００は、試験中の平面アンテナ構成要素、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）セグメント１０８に対する応答を評価及び較正することができるマイクロ波測定デバイスである。平面アンテナ構成要素の実施例は、図１Ｄ〜１９Ｂ、並びに同時係属中の関連出願である米国特許出願第１５／０５９，８３７号、第１５／０５９，８４３号、及び第１５／３７４，７０９号に記載の平面アンテナに関するものとすることができる。１つの実施例において、ＦＳＳＴ１００は、自動化された高速測定技法と適合性があり、ＴＦＴセグメントのアレイから作製される平面アンテナを組み立てるための生産ラインにおいて設置面積を小さくすることができる。
【0014】
以下の実施例では、ＦＳＳＴ１００は、独立型平面アンテナ構成要素の特性に関する工程間検査及び試験を可能にする。例えば、ＴＦＴセグメント１０８に対するマイクロ波周波数応答は、完全に組み立てられた平面アンテナへの組み込みの前に測定することができる。このように、ＦＳＳＴ１００を使用することにより、例えばＴＦＴセグメントなどの欠陥のある構成要素を識別して、平面アンテナへの最終組み立て前にこの構成要素を置き換えることにより、欠陥のある平面アンテナを低減することができ、これによって組み立てコストも削減することができる。ＦＳＳＴ１００を使用した測定及び試験は、平面アンテナ組立工程に途切れなく組み込むことができる。また、ＦＳＳＴ１００からの測定値は、平面アンテナに関する設計、開発、及び較正の目的に使用することができる。また、ＦＳＳＴ１００は、ＴＦＴセグメント１０８などの部分構成要素に関する試験及び測定を行うことによって、平面アンテナのマイクロ波機能を決定する非破壊プロセスを提供する。
【0015】
ＦＳＳＴ１００は、ＴＦＴセグメント１０８を支持するＴＦＴセグメントプラットフォーム１１１を保持する物理的構造を提供する試験器フレーム１０２を含む。この実施例では、試験器フレーム１０２は、ＴＦＴセグメント１０８を支持するためのセグメントの形状にされた切り欠き部を有するＴＦＴセグメントプラットフォーム１１１などの帯電防止用棚部を含む。この形状の切り欠き部及びＴＦＴセグメント１０８は、平面アンテナの一部を形成する何らかのタイプの形状を有することができる。また、試験器フレーム１０２は、ＴＦＴセグメント１０８の上方及び下方に位置する２つのホーンアンテナ１０５−Ａ及び１０５−Ｂを支持し、それぞれのアンテナプラットフォーム１０９−Ａ及び１０９−Ｂが、それぞれの支持バー１０１−Ａ及び１０１−Ｂに接続されている。別の実施例では、支持バー１０１−Ａ及び１０１−Ｂ並びにアンテナプラットフォーム１０９−Ａ及び１０９−Ｂの位置は、調節することができる。
【0016】
ＦＳＳＴ１００は、ＴＦＴコントローラ１０４を含む。１つの実施例において、ＴＦＴコントローラ１０４は、試験器フレーム１０２に接続されたＩＣチップ１０７を有する、平面アンテナシステムで使用される電子組立体を備えた回路基板である。図示されていないが、コンピューティングシステム、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、サーバ、又はデータストレージシステムは、ＴＦＴコントローラ１０４に結合されて、ＴＦＴコントローラ１０４を制御し、又はＴＦＴコントローラ１０４用のデータを格納することができる。例えば、図１Ｂに示されるように、コンピュータ１１０は、ＴＦＴコントローラ１０４と、ホーンアンテナ１０５−Ａ及び１０５−Ｂに結合されたアナライザ１０３とに結合されて、ＴＦＴセグメント１０８に対する応答を測定することができる。
【0017】
ＴＦＴコントローラ１０４用のＩＣチップ１０７は、マイクロコントローラと、プロセッサと、ソフトウェア及びデータを格納するためのメモリと、他の電子部分構成要素及び接続部とを含むことができる。１つの実施例において、ＴＦＴコントローラ１０４は、ＴＦＴセグメント１０８に送られるコマンド信号を生成するソフトウェアを実行し、この信号は、例えばマイクロ波周波数応答などの応答を測定する際に、ＴＦＴセグメント１０８内のトランジスタ又はセルを充電する又は電圧を印加する（それらをオンにするために）ことができる。別の実施例では、ＴＦＴセグメント１０８内のトランジスタ又はセルが、応答を測定する際にオンにされず、又はトランジスタ若しくはセルのパターンがオンになって、ＴＦＴセグメント１０８に対する応答が測定できる。
【0018】
別の実施例では、ＴＦＴコントローラ１０４は、ＴＦＴプラットフォーム１１１の一部であり、独立型ＰＣ又はサーバ、例えば、図１Ｂにおけるコンピュータ１１０に接続することができる。ＴＦＴコントローラ１０４、又は取り付けられたコンピュータ１１０若しくはサーバは、ホーンアンテナ１０５−Ａ及び１０５−Ｂ並びにＴＦＴセグメント１０８（又はＦＳＳＴ１００用の他の電子部品）に結合されてこれらを制御して、これらの構成要素との間で信号を送受信することができる。試験器フレーム１０２は、ＴＦＴコントローラ１０４をホーンアンテナ１０５−Ａ及び１０５−Ｂ、ＴＦＴセグメント１０８、並びに何らかの他のコンピューティングデバイス又はサーバと結合するＲＦ及び電気ケーブル及び相互接続部を提供することができる。
【0019】
幾つかの実施例において、ＴＦＴセグメント１０８の上方及び下方のホーンアンテナ１０５−Ａ及び１０５−Ｂは、マイクロ波エネルギをＴＦＴセグメント１０８に放射し、又はマイクロ波信号をこのＴＦＴセグメントに送信して、ＴＦＴセグメント１０８を透過したマイクロ波エネルギ又は信号を収集又は受信することができる。例えば、ホーンアンテナ１０５−Ａは、ＴＦＴセグメント１０８の所望の位置の上に配置されて、マイクロ波信号を所望の位置に向けてＴＦＴセグメント１０８に送信することができ、これらの信号は、ＴＦＴセグメント１０８の下のホーンアンテナ１０５−Ｂにより受信することができる。ホーンアンテナ１０５−Ａ及び１０５−Ｂは、最小の残留マイクロ波エネルギがＴＦＴセグメント１０８から離れて配向された状態で、マイクロ波エネルギ又は信号をＴＦＴセグメント１０８に直接放射するよう、安定した位置に配置することができる。１つの実施例において、図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、ホーンアンテナ１０５−Ａ及び１０５−Ｂは、何らかのタイプのマイクロ波測定アナライザ、例えばアナライザ１０３に結合されて、接続されたコンピュータ、例えばコンピュータ１１０に測定値を提供することができる。
【0020】
ホーンアンテナ１０５−Ａ又は１０５−Ｂの何れかによって受信されたマイクロ波エネルギ又は信号は、例えば図１Ｂにおけるアナライザ１０３によって測定及び試験することができる。このような測定及び試験は、平面アンテナ用のＴＦＴアレイの一部を形成できるＴＦＴセグメント１０８のマイクロ波機能を決定する非破壊及び非接触手段を可能にする。これらの実施例では、ＴＦＴセグメント１０８の性能は、ＴＦＴセグメントのアレイを組み立てて平面アンテナを製造する製造工程に続いて、評価することができる。このようにして、欠陥のあるＴＦＴセグメントは、平面アンテナの最終組み立て前に、欠陥のないＴＦＴセグメントで置き換えることができる。
【0021】
１つの実施例において、図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、ＴＦＴコントローラ１０４に結合されたコンピュータ１１０は、ホーンアンテナ１０５−Ａ及び１０５−Ｂ並びにアナライザ１０３を使用して、ＴＦＴセグメント１０８に対する幾つかの特性試験及び測定を行うことができる。１つの実施例において、アナライザ１０３は、ＴＦＴセグメント１０８の反射係数又は透過係数を測定する。別の実施例では、アナライザ１０３は、（例えば、コマンド信号の関数としての）能動状態又は（例えば、コマンド信号を使用しない）受動状態におけるマイクロ波周波数応答を測定する。測定される応答は、ホーンアンテナ１０５−Ａ及び１０５−Ｂを使用してＴＦＴセグメント１０８を試験するための透過応答又は反射応答とすることができる。
【0022】
幾つかの実施例において、ＴＦＴセグメント１０８上のアナライザ１０３によって測定された応答は、例えばＣｐ（目標値オフセット）、Ｃｐｍ（正規分布曲線）、及びＣｐｋ（シックスシグマ処理データ）などのＴＦＴセグメント１０８に対する統計処理制御情報を提供するのに使用することができる。１つの実施例において、このような情報は、ＴＦＴセグメント１０８が平面アンテナの組み立てに使用されるのに受け入れ可能であるか否かを決定するのに使用することができる。１つの実施例において、コンピュータ１１０は、電気コマンド信号、環境条件、又は他のタイプの刺激のような刺激を使用して応答を較正することができる。アナライザ１０３によって測定された応答は、ＴＦＴセグメント１０８からの応答を特徴付けて、後の処理のために記憶するのに用いることができる。
【0023】
（ＦＳＳＴ動作）図１Ｂは、図１ＡのＦＳＳＴ１００の構成要素の例示的なブロック図を示す。この実施例では、コンピュータ１１０は、ＴＦＴコントローラ１０４及びアナライザ１０３に結合される。ＴＦＴコントローラ１０４は、ＴＦＴセグメント１０８に結合され、アナライザ１０３は、ホーンアンテナ１０５−Ａ及び１０５−Ｂ並びにコンピュータ１１０に結合される。ホーンアンテナ１０５−Ａ及び１０５−Ｂは、アナライザ１０３によって測定されるマイクロ波エネルギ又は信号を供給及び受信することができる。１つの実施例において、ホーンアンテナ１０５−Ａは、マイクロ波エネルギ又は信号をＴＦＴセグメント１０８に放射し、ＴＦＴセグメント１０８を通過して、アナライザ１０３によって測定されるホーンアンテナ１０５−Ｂによって受信される。別の実施例では、ホーンアンテナ１０５−Ａは、マイクロ波エネルギ又は信号をＴＦＴセグメント１０８に放射し、ＴＦＴセグメント１０８によって反射されてホーンアンテナ１０５−Ａに戻り、アナライザ１０３によって測定される。アナライザ１０３は、ＴＦＴセグメント１０８に対する位相及び振幅の透過及び反射係数など、マイクロ波エネルギ又は信号の複雑な特性を測定することができる。１つの実施例において、透過係数及び反射係数は、ＴＦＴコントローラ１０４によって提供されるマイクロ波周波数及び／又はコマンド信号の関数として測定される。
【0024】
１つの実施例において、アナライザ１０３は、マイクロ波信号又はエネルギをＴＦＴセグメント１０８に放射する無線周波数（ＲＦ）ケーブルを用いて、ホーンアンテナ１０５−Ａに掃引マイクロ波信号又はエネルギを供給する。マイクロ波エネルギの一部は、ＴＦＴセグメント１０８を透過して、ホーンアンテナ１０５−Ｂにより受信することができる。また、マイクロ波エネルギの一部は、ＴＦＴセグメント１０８によって反射されて、ホーンアンテナ１０５−Ａにより受信することができる。この実施例では、アナライザ１０３は、ＴＦＴセグメント１０８を透過してホーンアンテナ１０５−Ｂにより受信され、ＴＦＴセグメント１０８の表面で反射されてホーンアンテナ１０５−Ａにより受信される放射マイクロ波エネルギの一部を決定する。別の実施例では、アナライザ１０３は、透過及び反射値又はデータ（例えば、複素位相及び振幅係数）を較正及び計算することができる。アナライザ１０３は、これらの値を記憶又は表示するか、或いはこれらの値をコンピュータ１１０に送信することができる。
【0025】
１つの実施例において、コンピュータ１１０は、ＴＦＴセグメント１０８のトランジスタに対する電圧を制御するためのコマンド信号をＴＦＴセグメント１０８に供給するように、ＴＦＴコントローラ１０４を制御し、アナライザ１０３は、ホーンアンテナ１０５−Ａ及び１０５−Ｂによって送信又は反射されたマイクロ波エネルギを測定し、これは「オン」応答と呼ばれる。別の実施例では、ＴＦＴコントローラ１０４はコマンド信号を供給せず、アナライザ１０３は、ホーンアンテナ１０５−Ａ及び１０５−Ｂによって送信又は反射されたマイクロ波エネルギを測定し、これは「オフ応答」と呼ばれる。オフ応答は、ＴＦＴセグメント１０８への物理的接続が利用可能ではない場合に望ましいとすることができる。１つの実施例において、ＴＦＴコントローラ１０４は、ＴＦＴセグメント１０８に対する対応するマイクロ波エネルギ応答を測定しながらに基づいてコマンド信号を変化させるソフトウェア又はアルゴリズムを実施することができる。このようにして、測定された応答は、コマンド信号の変化に基づいて較正でき、ＴＦＴセグメント１０８の各素子又はトランジスタに印加されたバイアス対測定応答を得ることができる。このようにして、周波数シフトは、印加された電圧の関数として得ることができる。１つの実施例において、アナライザ１０３は、ＴＦＴセグメント１０８に対する２つの状態間で切り替わるのに必要な持続可能時間を測定することができる。
【0026】
幾つかの実施例において、図１Ａ及び図１ＢのＦＳＳＴ１００は、平面アンテナ用の製造ラインに配置され、連続的で製造過程の品質測定値（例えば、測定された周波数応答）を提供して、例えば様々な環境暴露などのＴＦＴセグメント１０８における性能変動を検出する。別の実施例では、１つのホーンアンテナ１０５−Ａを用いて、ＴＦＴセグメント１０８から反射したマイクロ波エネルギ又は信号を測定する。ＦＳＳＴ１００を用いた検査及び試験は、ＴＦＴセグメント１０８が欠陥があり、最終平面アンテナの組み立て前に置き換えられるか否かを決定する、ＴＦＴセグメント１０８に対する最終検査とすることができる。
【0027】
図１Ｃは、図１Ａ及び１ＢのＦＳＳＴ１００を動作させるための例示的な動作１２０を示す。動作１２２において、マイクロ波エネルギが、ＴＦＴセグメント１０８に印加される（例えば、ホーンアンテナ１０５−Ａは、マイクロ波エネルギをＴＦＴセグメント１０８に放射することができる）。動作１２４において、ＴＦＴセグメントを透過したマイクロ波エネルギが測定される（例えば、ホーンアンテナ１０５−ＡからＴＦＴセグメント１０８を通って伝達されたマイクロ波エネルギが、アナライザ１０３によってホーンアンテナ１０５−Ｂにて測定される）。動作１２６において、ＴＦＴセグメントから反射したマイクロ波エネルギが測定される（例えば、ＴＦＴセグメント１０８から反射したホーンアンテナ１０５−Ａからの放射マイクロ波エネルギが、アナライザ１０３によってホーンアンテナ１０５−Ａにて測定される）。動作１２８において、測定された応答が較正される（例えば、ＴＦＴコントローラ１０４が、刺激（コマンド信号又は外部信号）を調節して、測定された応答を較正することができる）。
【0028】
（例示的な平面アンテナシステムの概要）１つの実施例において、平面アンテナは、メタマテリアルアンテナシステムの一部である。通信衛星地上局用のメタマテリアルアンテナシステムの実施例について説明する。１つの実施例において、アンテナシステムは、民間商用衛星通信用の周波数を使用して動作するモバイルプラットフォーム（例えば、航空、海上、陸上、その他）上で動作する衛星地上局（ＥＳ）の構成要素又はサブシステムである。幾つかの実施例において、アンテナシステムはまた、モバイルプラットフォーム上ではない地上局（例えば、固定地上局又は可搬地上局）で使用することができる。
【0029】
１つの実施例において、アンテナシステムは、表面散乱メタマテリアル技術を使用して、別個のアンテナを介して送受信ビームを形成して誘導する。１つの実施例において、アンテナシステムは、デジタル信号処理を使用してビームを電気的に形成し誘導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。
【0030】
１つの実施例において、アンテナシステムは、３つの機能的サブシステム、すなわち、（１）円筒波給電アーキテクチャからなる導波構造(wave guiding structure)、（２）アンテナ素子の一部である波動散乱メタマテリアル単位セルのアレイ、及び（３）ホログラフィ原理を使用してメタマテリアル散乱素子からの調整可能な放射場（ビーム）の形成を命令する制御構造から構成される。
【0031】
（導波構造の実施例）図１Ｄは、円筒波給電を提供するのに使用される同軸給電部の１つの実施例の上面図を示す。図１Ｄを参照すると、同軸給電部は、中心導体及び外側導体を含む。１つの実施例において、円筒波給電アーキテクチャが、給電点から円筒状に外向きに広がる励起を中心点からアンテナに供給する。すなわち、円筒状給電アンテナは、外向きに進む同心状給電波を生成する。それでも、円筒状給電部の周りの円筒状給電アンテナの形状は、円形、正方形、又は何らかの形状とすることができる。別の実施例では、円筒状給電アンテナは、内向きに進む給電波を生成する。このような場合、円形構造から生じる給電波が最も自然である。
【0032】
図１Ｅは、円筒状給電アンテナの入力給電部の周りに同心リング状に配置されたアンテナ素子の１又は２以上のアレイを有するアパーチャを示す。
【0033】
（アンテナ素子）１つの実施例において、アンテナ素子は、１つのグループのパッチ及びスロットアンテナ（単位セル）を含む。この単位セルのグループは、散乱メタマテリアル素子のアレイを含む。１つの実施例において、アンテナシステムにおける各散乱素子は、下部導体、誘電体基板、及び上部導体からなる単位セルの一部であり、上部導体は、該上部導体にエッチングされ又は堆積された相補的電気誘導型容量性共振器（「相補型電気ＬＣ」又は「ＣＥＬＣ」）を組み込んでいる。当業者には理解されるように、液晶とは対照的に、ＣＥＬＣの関連におけるＬＣは、インダクタンス−キャパシタンスを指す。
【0034】
１つの実施例では、液晶（ＬＣ）が散乱素子の周りのギャップに配置される。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部導体をそのパッチに関連付けられた上部導体から分離する。液晶は、該液晶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（及びひいては誘電率）を制御することができる。１つの実施例では、この特性を使用して、液晶は、誘導波からＣＥＬＣへのエネルギ伝達のためのオン／オフスイッチ及びオンとオフの間の中間状態を統合する。スイッチをオンにすると、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値様式で動作する液晶を有することに限定されない点に留意されたい。
【0035】
１つの実施例では、このアンテナシステムの給電幾何形状は、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。他の位置（例えば、４０°の角度）を用いてもよい点に留意されたい。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送信／放射される自由空間波の制御を可能にする。１つの実施例では、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、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）となる。
【0036】
１つの実施例では、２組の素子は互いに垂直であり、同じ同調状態に制御される場合には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これらを±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ときに分離を達成することができる点に留意されたい。
【0037】
各単位セルから放射されるパワーの量は、コントローラを使用してパッチに電圧（ＬＣチャネルの両端の電位）を印加することによって制御される。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大き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。
【0038】
１つの実施例では、マトリクス駆動を使用してパッチに電圧を印加し、各セルに対して別個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）。素子が高密度であるために、マトリクス駆動は、各セルを個別にアドレス指定するのに最も効率的な方法である。
【0039】
１つの実施例において、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、波動散乱構造の下方にあり、一方、マトリ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散在している。１つの実施例において、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装置で使用される市販の既製ＬＣＤ制御装置を備える。
【0040】
１つの実施例では、コントローラはまた、ソフトウェアを実行するマイクロプロセッサを含有する。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、その他）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。
【0041】
より具体的には、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、並びどの位相及び振幅のレベルにするかを制御する。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。
【0042】
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、素子を異なる状態に変える。１つの実施例では、多状態制御が使用され、そこでは、方形波（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にオン及びオフにされて、更に正弦波制御パターンを近似する。１つの実施例において、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、一部の素子が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、これにより液晶の誘電率が様々な量に調節され、こ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。
【0043】
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、強め合う干渉と弱め合う干渉の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ときに同じ位相を有する場合に加え合わされ（強め合う干渉）、自由空間で遭遇するときに逆位相ならば互いに打ち消し合う（弱め合う干渉）。各連続するスロットが誘導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た場合に、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。スロットが誘導波長の４分の１離間している場合に、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。
【0044】
このアレイを使用して、生成することができる強め合う干渉及び弱め合う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）、強め合う干渉及び弱め合う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によって定まる。
【0045】
１つの実施例では、アンテナシステムは、アップリンクアンテナのための１つの誘導可能ビームと、ダウンリンクアンテナのための１つの誘導可能ビームとを生成する。１つの実施例では、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。１つの実施例では、アンテナシステムは、ビームを電気的に形成して誘導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。１つの実施例では、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(surface)」アンテナとみなされる。
【0046】
図２は、グランドプレーン２４５と再構成可能共振器層２３０とを含む１列のアンテナ素子の斜視図２９９を示す。再構成可能共振器層２３０は、同調可能スロット(tunable slots)２１０のアレイを含む。同調可能スロット２１０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。
【0047】
制御モジュール２８０は、再構成可能共振器層２３０に結合されて、図２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２１０のアレイを変調する。制御モジュール２８０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、コントローラ、システム・オン・チップ（ＳｏＣ）、又は他の処理論理回路を含むことができる。１つの実施例では、制御モジュール２８０は、同調可能スロット２１０のアレイを駆動するための論理回路（例えば、マルチプレクサ）を含む。１つの実施例では、制御モジュール２８０は、同調可能スロット２１０のアレイ上に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）を通信に適切な方向に誘導するように、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２８０と類似の制御モジュールが、本開示の図にて記載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。
【0048】
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ときに望ましい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２０５（一部の実施例では約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の何れかで）、望ましいＲＦビーム（目標ビーム）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「誘導される」ように、回折パターンとして同調可能スロット２１０のアレイ上に駆動される。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、物体ビームを「再構成」し、こ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、導波路内の波動方程式としてのｗinと外向き波に関する波動方程式としてのｗoutとを使用して、ｗhologram＝ｗin＊ｗoutによって計算される。
【0049】
図３は、同調可能共振器／スロット２１０の１つの実施例を示す。同調可能スロット２１０は、アイリス／スロット２１２と、放射パッチ２１１と、アイリス２１２とパッチ２１１との間に配置された液晶（ＬＣ）２１３とを含む。１つの実施例では、放射パッチ２１１は、アイリス２１２と同じ場所に配置される。
【0050】
図４は、１つの実施例による物理的アンテナアパーチャの断面図を示す。アンテナアパーチャは、グランドプレーン２４５と、再構成可能共振器層２３０に含まれるアイリス層２３３内の金属層２３６とを含む。１つの実施例において、図４のアンテナアパーチャは、図３の複数の同調可能共振器／スロット２１０を含む。アイリス／スロット２１２は、金属層２３６内の開口によって定められる。図２の給電波２０５のような給電波は、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。給電波は、グランドプレーン２４５と共振器層２３０との間を伝播する。
【0051】
再構成可能共振器層２３０はまた、ガスケット層２３２及びパッチ層２３１を含む。ガスケット層２３２は、パッチ層２３１とアイリス層２３３との間に配置される。１つの実施例では、スペーサがガスケット層２３２に取って代わることができる。１つの実施例において、アイリス層２３３は、金属層２３６として銅層を含むプリント回路基板（ＰＣＢ）である。１つの実施例において、アイリス層２３３はガラスである。アイリス層２３３は、他のタイプの基板であってもよい。
【0052】
銅層において開口をエッチングして、スロット２１２を形成することができる。１つの実施例では、アイリス層２３３は、導電性ボンディング層によって図４の別の構造（例えば、導波路）に導電的に結合される。１つの実施例において、アイリス層は、導電性ボンディング層によって導電的に結合されず、代わりに非導電性ボンディング層と界面接合される点に留意されたい。
【0053】
パッチ層２３１はまた、放射パッチ２１１として金属を含むＰＣＢとすることができる。１つの実施例では、ガスケット層２３２は、金属層２３６とパッチ２１１との間の寸法を定める機械的スタンドオフ（離隔部）を提供するスペーサ２３９を含む。１つの実施例では、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。上述のように、１つの実施例において、図４のアンテナアパーチャは、同調可能共振器／スロット２１０のような複数の同調可能共振器／スロットを含み、該同調可能共振器／スロット２１０は、パッチ２１１、液晶２１３、及びアイリス２１２を含む。液晶２１３のためのチャンバは、スペーサ２３９、アイリス層２３３、及び金属層２３６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２３９上にパッチ層２３１を積層して共振器層２３０内に液晶をシールすることができる。
【0054】
パッチ層２３１とアイリス層２３３との間の電圧を変調して、パッチとスロット（例えば、同調可能共振器／スロット２１０）間のギャップ内の液晶を同調させることができる。液晶２１３の両端間電圧を調節することにより、スロット（例えば、同調可能共振器／スロット２１０）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（例えば、同調可能共振器／スロット２１０）のリアクタンスを変化させることができる。スロット２１０の共振周波数はまた、次式：【数1】
【0055】
１つの実施例では、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。他のタイプの間隔を使用することもできる。１つの実施例では、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だけ離間しており、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）。別の実施例では、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。
【0056】
本発明の実施例は、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「Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｒｏｍ ａ Ｓｔｅｅｒａｂｌｅ Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｌｙ Ｆｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ａｎｔｅｎｎａ（誘導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「Ｒｉｄｇｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｆｅｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ａｎｔｅｎｎａ（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。
【0057】
図５Ａ−Ｄは、スロット付きアレイを作成するための異なる層の１つの実施例を示す。この実施例において、アンテナアレイは、２つの異なるタイプの周波数帯域に使用される２つの異なるタイプのアンテナ素子を有する点に留意されたい。図５Ａは、１つの実施例による、スロットに対応した位置を有する第１のアイリス基板層の一部を示す。図１５Ａを参照すると、円は、アイリス基板の底部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、給電部（給電波）への素子の結合を制御するためのものである。この実施例では、この層は、任意選択の層であり、全ての設計で使用される訳ではない。図５Ｂは、１つの実施例による、スロットを含む第２のアイリス基板層の一部を示す。図５Ｃは、１つの実施例による、第２のアイリス基板層の一部を覆うパッチを示す。図５Ｄは、１つの実施例によるスロット付きアレイの一部の上面図を示す。
【0058】
図６Ａは、円筒状給電アンテナ構造の一実施例の側面図を示す。このアンテナは、二重層給電構造（すなわち、給電構造の２つの層）を使用して内向き進行波を生成する。１つの実施例では、アンテナは円形の外形を含むが、これは必須ではない。すなわち、非円形内向き進行構造を使用することができる。１つの実施例において、図６Ａにおけるアンテナ構造は、図１の同軸給電部を含む。
【0059】
図６Ａを参照すると、同軸ピン６０１は、アンテナの下層で場を励起するのに使用される。１つの実施例において、同軸ピン４０１は、容易に入手できる５０Ω同軸ピンである。同軸ピン４０１は、導電性グランドプレーン６０２であるアンテナ構造の底部に結合（例えば、ボルト締め）される。
【0060】
内部導体である侵入型導体(interstitial conductor)６０３は、導電性グランドプレーン６０２から切り離される。１つの実施例において、導電性グランドプレーン６０２及び侵入型導体６０３は、互いに平行である。１つの実施例において、グランドプレーン６０２と侵入型導体６０３との間の距離は、０．１”から０．１５”の間である。別の実施例では、この距離は、λ／２とすることができ、ここで、λは、作動周波数での進行波の波長である。
【0061】
グランドプレーン６０２は、スペーサ４０４を介して侵入型導体６０３から切り離される。１つの実施例において、スペーサ６０４は、発泡体又は空気状スペーサである。１つの実施例において、スペーサ４０４は、プラスチックスペーサを含む。
【0062】
誘電体層６０５が侵入型導体６０３の上部に存在する。１つの実施例において、誘電体層４０５はプラスチックである。図５は、給電波が入射する誘電材料の例を示す。誘電体層６０５の目的は、自由空間速度に対して進行波を減速させることである。１つの実施例において、誘電体層６０５は、自由空間に対して３０％だけ進行波を減速させる。１つの実施例において、ビーム形成に適した屈折率の範囲は、１．２から１．８であり、ここで、自由空間は、定義により１に等しい屈折率を有する。この効果を達成するのに、例えばプラスチックなどの他の誘電体スペーサ材料を使用することができる。プラスチック以外の材料は、所望の波減速効果を達成する限り使用できる点に留意されたい。代替的に、例えば機械加工又はリソグラフィによって定めることができる周期的サブ波長金属構造などの分散構造を有する材料は、誘電体６０５として使用することができる。
【0063】
ＲＦアレイ６０６は、誘電体６０５の上部に存在する。１つの実施例において、侵入型導体６０３とＲＦアレイ６０６との間の距離は、０．１インチから０．１５インチである。別の実施例では、この距離は、λeff／２とすることができ、ここで、λeffは設計周波数での媒体中の有効波長である。
【0064】
アンテナは、側面６０７及び６０８を含む。側面６０７及び６０８は、同軸ピン６０１から供給される進行波を反射によって侵入型導体６０３の下の領域（スペーサ層）から侵入型導体６０３の上の領域（誘電体層）に伝播させるように角度付けされる。１つの実施例において、側面６０７及び６０８の角度は、４５度の角度である。代替の実施例では、側面６０７及び６０８は、反射を達成するための連続した半径に置き換えることができる。図６Ａは、４５度の角度で角度付けされた側面を示しているが、下層給電部から上層給電部への信号伝送を達成する他の角度を使用することができる。すなわち、下側給電部の有効波長が、一般的に上側給電部とは異なることを考慮すると、理想的な４５度の角度からの何らかの偏差を使用して、下側給電層から上側給電層への伝達を補助することができる。
【0065】
作動中、給電波が同軸ピン６０１から供給されると、この給電波は、グランドプレーン６０２と侵入型導体６０３との間の領域で同軸ピン６０１から同心状外向きに向かって進む。同心状外向き波は、側面６０７及び６０８で反射され、侵入型導体６０３とＲＦアレイ６０６との間の領域で内向きに進む。円形外周の縁部からの反射は、この波を同相のままにする（すなわち、これは同相反射である）。進行波は、誘電体層６０５によって減速される。この時点で、進行波は、ＲＦアレイ６０６内の素子との相互作用及び励振を開始して、所望の散乱が得られる。
【0066】
進行波を消滅させるため、終端部６０９が、アンテナの幾何学的中心でアンテナに含まれる。１つの実施例において、終端部６０９は、ピン終端（例えば、５０Ωピン）を備える。別の実施例では、終端部６０９は、未使用エネルギを消滅させて、アンテナの給電構造を通したこの未使用エネルギの反射を防止するＲＦ吸収体を備える。これらは、ＲＦアレイ６０６の上部で使用することができる。
【0067】
図６Ｂは、外向き波を有するアンテナシステムの別の実施例を示す。図６Ｂを参照すると、２つのグランドプレーン６１０及び６１１は、グランドプレーン６１０とグランドプレーン６１１との間にある誘電体層６１２（例えば、プラスチック層など）と互いに実質的に平行である。ＲＦ吸収体６１３及び６１４（例えば、抵抗器）は、２つのグランドプレーン６１０及び６１１を共に結合する。同軸ピン６１５（例えば、５０Ω）は、アンテナに給電する。ＲＦアレイ６１６は、誘電体層６１２の上に存在する。
【0068】
作動中、給電波は、同軸ピン６１５を通して給電され、同心的に外向きに進み、ＲＦアレイ６１６の素子と相互作用する。
【0069】
図６Ａ及び６Ｂの両アンテナにおける円筒形給電は、アンテナの使用角度を改善する。±４５度の方位角（±４５°Ａｚ）及び±２５度の仰角（±２５°Ｅｌ）の使用角度の代わりに、１つの実施例では、アンテナシステムは、ボアサイトから全方向に７５度（７５°）の使用角度を有する。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。共通の放射素子を使用する場合、ビームをボアサイトから遠くに指向させると全体のアンテナ利得は、一般に減少する。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。
【0070】
円筒状給電部を有するアンテナの実施例は、１又は２以上の問題を解決する。これらは、統合分割器ネットワークを用いて給電されるアンテナと比較して給電構造を極めて簡単なものにし、従って、全体で必要とされるアンテナ及びアンテナ給電量を低減することと、より粗い制御（単純なバイナリ制御にまで拡張すること）で高ビーム性能を維持することによって製造誤差及び制御誤差に対する感度を低下させることと、円筒状配向給電波が遠距離場において空間的に多様なサイドローブをもたらすので、直線的給電部と比較してより好都合なサイドローブパターンを与えることと、偏波器を必要とすることなく左旋円偏波、右旋円偏波及び直線偏波を可能にすることを含めて偏波が動的であることを可能にすることと、を含む。
【0071】
（波散乱素子のアレイ）図６ＡのＲＦアレイ６０６及び図６ＢのＲＦアレイ１６１６は、放射体として機能するパッチアンテナ（すなわち、散乱体）のグループを含む波散乱サブシステムを備える。このパッチアンテナグループは、散乱メタマテリアル素子のアレイを含む。
【0072】
１つの実施例において、アンテナシステムにおける各散乱素子は、下部導体、誘電体基板、及び上部導体からなる単位セルの一部であり、上部導体は、該上部導体にエッチングされ又は堆積された相補的電気誘導型容量性共振器（「相補型電気ＬＣ」又は「ＣＥＬＣ」）を組み込んでいる。
【0073】
１つの実施例において、液晶（ＬＣ）が、散乱素子の周りのギャップに配置される。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部導体をそのパッチに関連付けられた上部導体から分離する。液晶は、該液晶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（及びひいては誘電率）を制御することができる。この特性を使用して、液晶は、誘導波からＣＥＬＣへのエネルギ伝達のためのオン／オフスイッチとして作用する。スイッチをオンにすると、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射する。
【0074】
液晶の厚さを制御することによって、ビームスイッチング速度が増加する。下部導体と上部導体との間のギャップ（液晶の厚さ）の５０パーセント（５０％）の減少は、４倍の速度増加をもたらす。別の実施例では、液晶の厚さは、約１４ミリ秒（１４ｍｓ）のビームスイッチング速度をもたらす。１つの実施例において、液晶は、７ミリ秒（７ｍｓ）の要件を満たすことができるように応答性を高めるための当技術分野において公知の方法でドープされる。
【0075】
ＣＥＬＣ素子は、ＣＥＬＣ素子の平面に平行でＣＥＬＣギャップ補完物に垂直に印加される磁場に応答する。電圧がメタマテリアル散乱単位セル内の液晶に印加されると、誘導波の磁場成分は、ＣＥＬＣの磁気励起を誘導し、この磁気励起が、誘導波と同じ周波数での電磁波を生成する。
【0076】
単一のＣＥＬＣによって生成される電磁波の位相は、誘導波ベクトル上のＣＥＬＣの位置によって選択することができる。各セルは、ＣＥＬＣと平行な誘導波と同相の波を生成する。ＣＥＬＣは、波長よりも小さいので、出力波は、誘導波がＣＥＬＣの下を通過するときに、この誘導波の位相と同じ位相を有する。
【0077】
１つの実施例において、このアンテナシステムの円筒状給電幾何形状は、ＣＥＬＣ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。素子のこの位置決めにより、この素子から生成されるか又はこの素子によって受信される自由空間波の偏波の制御が可能となる。１つの実施例において、ＣＥＬＣ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、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）となる。
【0078】
１つの実施例において、ＣＥＬＣは、スロットの上に並置されたパッチを、それら両者の間に液晶を有して含むパッチアンテナを用いて実施される。この点において、メタマテリアルアンテナは、スロット付き（散乱）導波路のように機能する。スロット付き導波路に関して、出力波の位相は、誘導波に対するスロットの位置に依存する。
【0079】
（セル配置）１つの実施例において、アンテナ素子は、系統的マトリクス駆動回路を可能にするように円筒状給電アンテナのアパーチャ上に配置される。セルの配置は、マトリクス駆動用のトランジスタの配置を含む。図１７は、アンテナ素子に対するマトリクス駆動回路の配置の１つの実施例を示している。図１７を参照すると、行コントローラ１７０１は、行選択信号Ｒｏｗ１（行１）及びＲｏｗ２（行２）それぞれを介してトランジスタ１７１１、１７１２に結合され、列コントローラ１７０２は、列選択信号Ｃｏｌｕｍｎ１を介してトランジスタ１７１１、１７１２に結合される。また、トランジスタ１７１１は、パッチへの接続１７３１を介してアンテナ素子１７２１に結合され、トランジスタ１７１２は、パッチへの接続１７３２を介してアンテナ素子１７２２に結合される。
【0080】
単位セルが非正規グリッド内に配置されて円筒状給電アンテナ上でマトリクス駆動回路を実現する最初の手法では、２つのステップが実行される。第１のステップでは、セルが同心リング上に配置され、セルの各々は、セルの傍らに配置されたトランジスタに接続され、このトランジスタが、各セルを別々に駆動するスイッチとして機能する。第２のステップでは、マトリクス駆動回路は、このマトリクス駆動手法が必要とするときにあらゆるトランジスタを一意のアドレスで接続するように構築される。マトリクス駆動回路は、行と列のトレースによって構築される（ＬＣＤと同様）が、セルはリング上に配置されるので、各トランジスタに一意のアドレスを割り当てる系統的方法は存在しない。このマッピング問題は、全てのトランジスタをカバーするために極めて複雑な回路を生じさせ、経路設定を行う物理的トレースの数が著しく増加させることになる。セルが高密度であるので、これらのトレースは、カップリング効果に起因してアンテナのＲＦ性能を妨げる。また、トレースが複雑であり実装密度が高いことに起因して、トレースの経路設定は、商業的に入手可能なレイアウトツールによって行うことができない。
【0081】
１つの実施例において、マトリクス駆動回路は、セル及びトランジスタが配置される前に事前に定められる。このことにより、各々が一意のアドレスを有する全てのセルを駆動するのに必要な最小数のトレースが確保される。この方式は、駆動回路の複雑性を軽減して経路設定を簡素化し、これによってアンテナのＲＦ性能が向上する。
【0082】
より具体的には、１つの手法では、第１のステップにおいて、セルは、各セルの一意のアドレスを表す行及び列から構成された正方形グリッド上に配置される。第２のステップにおいて、セルは、及び第１のステップで定められたセルのアドレス並びに行及び列への接続性が維持されながら、グループ化されて同心円に変換される。この変換の目的は、セルをリング上に配置するだけでなく、アパーチャ全体にわたってセル間の距離及びリング間の距離を一定に保つことである。この目的を達成するために、セルをグループ化する幾つかの方法が存在する。
【0083】
図７は、セルをグループ化して同心正方形（矩形）を形成する１つの実施例を示す。図７を参照すると、行及び列のグリッド７００上に正方形７０１〜７０３が示されている。これらは、図７の右側のセル配置を形成する正方形の１つの実施例であり、全てが正方形である訳ではない点に留意されたい。次に、正方形７０１〜７０３などの各正方形は、数学的等角写像処理によって、アンテナ素子のリング７１１〜７１３などのリングに変換される。例えば、外側リング７１１は、左側の外側正方形７０１の変換である。
【0084】
変換後のセルの密度は、以前の正方形に加えて次に大きな正方形が含むセルの数によって決まる。１つの実施例では、正方形を使用すると、追加のアンテナ要素の数ΔＮは、次に大きな正方形上の８個の追加セルになる。１つの実施例では、この数は、アパーチャ全体について一定である。１つの実施例では、セルピッチ１（ＣＰ１：リング間距離）とセルピッチ２（ＣＰ２：リングに沿ったセル間距離）との比は、次式となる。【数2】
【数3】
【0085】
１つの実施例では、変換を実行するために、正方形７０１上の開始点７２１などの各正方形上の開始点を選択し、この開始点に関連するアンテナ素子を、リング７１１上の開始点７３１などの対応するリングの１つの位置に配置する。例えば、ｘ軸又はｙ軸を開始点として使用することができる。その後、開始点から一方向（時計回り又は反時計回り）に進んだ正方形上の次の素子を選択し、この素子を、正方形において使用した方向と同じ方向（時計回り又は反時計回り）に進んだリング上の次の位置に配置する。この処理を、全てのアンテナ素子の位置がリング上の位置に割り当てられるまで繰り返す。この完全な正方形からリングへの変換処理を全ての正方形について繰り返す。
【0086】
しかしながら、解析的研究及び経路設定の制約によれば、ＣＰ１よりも大きなＣＰ２を適用することが好ましい。これを達成するために、図８に示す第２の方式が使用される。図８を参照すると、最初にセルが、グリッド８００に対して八角形８０１〜８０３などの八角形にグループ化される。セルを八角形にグループ化することにより、追加のアンテナ素子の数ΔＮが４に等しくなり、以下の比が得られる。【数4】
【0088】
図７及び図８に関して開示したセル配置には、幾つかの特徴がある。これらの特徴は、以下を含む。１）定数ＣＰ１／ＣＰ２がアパーチャ全体にわたっている（なお、１つの実施例では、アパーチャにわたって実質的に一定（例えば、９０％一定）のアンテナが依然として機能する）こと。
２）ＣＰ２がＣＰ１の関数であること。
３）中心に配置されたアンテナ給電部からのリング距離が増すにつれて、リング当たりのアンテナ素子の数が持続的に増加すること。
４）全てのセルがマトリクスの行及び列に接続されること。
５）全てのセルが一意のアドレスを有すること。
６）セルが同心リング上に配置されること。
７）４つの四分円が同一であって、１／４の楔形を回転させてアレイを構築できるという点で回転対称性であること。このことはセグメント化に有用である。
【0089】
別の実施例では、２つの形状が示されているが、他の形状を使用することもできる。他の増分（例えば、６個の増分）も可能である。
【0090】
図９は、アイリス及びマトリクス駆動回路を含む小アパーチャの１つの実施例を示す。行トレース９０１及び列トレース９０２は、それぞれ行接続及び列接続を表す。これらのラインは、マトリクス駆動ネットワークを表すものであり、（物理的なトレースは、アンテナ素子又はその一部の周囲に経路設定する必要があり得るので）物理的なトレースではない。各アイリスのペアに隣接する正方形は、トランジスタである。
【0091】
図９はまた、各要素がＰＣＢアレイ内の２つのセルを駆動するデュアルトランジスタを使用したセル配置技術の可能性を示す。この場合、１つの個別素子パッケージが２つのトランジスタを含み、各トランジスタが１つのセルを駆動する。
【0092】
１つの実施例では、ＴＦＴパッケージを用いて、マトリクス駆動における配置及び一意のアドレス指定を可能にする。図１８は、ＴＦＴパッケージの１つの実施例を示す。図１８を参照すると、ＴＦＴ及びホールドキャパシタ１８０３が、入力ポート及び出力ポートと共に示されている。行列を使用してＴＦＴを共に接続するために、トレース１８０１に接続された２つの入力ポートと、トレース１８０２に接続された２つの出力ポートとが存在する。１つの実施例では、行のトレースと列のトレースとが９０°の角度で交差して、行のトレースと列のトレースとの間の結合を抑え、場合によっては最小化する。１つの実施例では、行のトレース及び列のトレースが異なる層上に存在する。
【0093】
図７〜図９に示す提案するセル配置の別の重要な特徴は、レイアウトが繰り返しパターンであり、その各４分の１が他の４分の１と同一という点である。これにより、アレイの小区分を中央アンテナ給電部の位置の周囲で回転方向に繰り返すことが可能になり、ひいてはアパーチャを小アパーチャにセグメント化できるようになる。このことは、アンテナアパーチャの製造に役立つ。
【0094】
別の実施例では、円筒状給電アンテナ上のマトリクス駆動回路及びセルの配置を異なる形で達成する。円筒状給電アンテナ上にマトリクス駆動回路を実現するために、アレイの小区分を回転方向に繰り返すことによってレイアウトを実現する。この実施例では、照明のテーパー化(illumination tapering)に使用できるセル密度を変化させてＲＦ性能を改善することもできる。
【0095】
この代替手法では、円筒状給電アンテナアパーチャ上のセル及びトランジスタの配置は、螺旋状トレースによって形成された格子に基づく。図１０は、このような格子の時計回り方向に曲がる螺旋１００１〜１００３などの時計回り格子螺旋、及び時計回り方向又は逆方向に曲がる螺旋１０１１〜１０１３などの螺旋の実施例を示す。螺旋の異なる向きは、時計回り螺旋と反時計回り螺旋との間に交点をもたらす。結果として得られる格子は、反時計回りトレースと時計回りトレースとの交点によって与えられる一意のアドレスを提供し、従って、マトリクス駆動格子として使用することができる。更に、交点を同心リング上でグループ分けすることもでき、このことは円筒状給電アンテナのＲＦ性能にとって不可欠である。
【0096】
上述した円筒状給電アンテナアパーチャ上のセル配置手法とは異なり、図１０に関連して上述した手法では、セルの不均一分布をもたらす。図１０に示すように、同心リングの半径が増加すると共に、セル間の距離も増加する。１つの実施例では、この変化する密度を、アンテナアレイのためのコントローラの制御下で照明のテーパー化を組み込む方法として使用する。
【0097】
セルのサイズと、トレースのためにセル間に必要とされる間隔とに起因して、セル密度は一定数字を超えることができない。１つの実施例では、この距離は、動作周波数に基づいてλ／５である。上述したように、他の距離を使用することもできる。中心近くの過密を避けるために、換言すれば、エッジ（縁部）近くの過疎を避けるために、連続する同心リングの半径が増すにつれて、初期の螺旋に追加の螺旋を追加することもできる。図１１に、追加の螺旋を用いてより均一な密度を達成したセル配置の実施例を示す。図１１を参照すると、連続する同心リングの半径が増すにつれて、螺旋１１０２などの初期の螺旋に追加の螺旋１１０１などの追加の螺旋が追加されている。解析的シミュレーションによれば、この手法は、完全に一様なセルの分布という性能に収束するＲＦ性能を提供する。なお、この設計は、素子の密度が次第に小さくなる（テーパー付きである）ことにより、上述した幾つかの実施例よりも良好なサイドローブ挙動をもたらす。
【0098】
セル配置に螺旋を使用する別の利点は、回転対称性及び繰り返しパターンによって経路設定の取り組みが単純化され、製造コストを削減できる点である。図１２には、アパーチャ全体を満たすように繰り返される選択的螺旋パターンを示す。
【0099】
１つの実施例において、図１０〜図１２に関して開示したセル配置には、幾つかの特徴がある。これらの特徴は、以下を含む。１）ＣＰ１／ＣＰ２がアパーチャ全体にわたってないこと。
２）ＣＰ２がＣＰ１の関数であること。
３）中心に配置されたアンテナ給電部からのリング距離が増すにつれて、リング当たりのアンテナ素子の数が増加しないこと。
４）全てのセルがマトリクスの行及び列に接続されること。
５）全てのセルが一意のアドレスを有すること。
６）セルが同心リング上に配置されること。
７）（上述したように）回転対称性であること。
従って、図１０〜図１２に関連して上述したセル配置の実施例は、図７〜図９に関連して上述したセル配置の実施例と多くの類似した特徴を有する。
【0100】
（アパーチャセグメント化(Aperture Segmentation)）１つの実施例では、アンテナアパーチャが、複数のアンテナ素子セグメント共に組み合わせることによって生成される。これには、アンテナ要素のアレイをセグメント化する必要があり、セグメント化には、理想的には繰り返し可能なアンテナのフットプリントパターンが必要である。１つの実施例では、円筒状給電アンテナアレイのセグメント化は、各放射素子の異なる回転角に起因して、アンテナのフットプリントが真っ直ぐな一列の繰り返しパターンをもたらさないように行われる。本明細書で開示するセグメント化手法の１つの目的は、アンテナの放射性能を損なわずにセグメント化を実現することである。
【0101】
本明細書で説明するセグメント化手法は、矩形形状を有する業界標準基板の表面利用を改善して潜在的に最大化することに焦点を当てているが、このような基板形状に限定されるものではない。
【0102】
１つの実施例では、円筒状給電アンテナのセグメント化は、同心状の閉じたリング上にアンテナ素子が配置されるパターンを４つのセグメントの組み合わせによって実現するように行われる。この態様は、アパーチャのＲＦ性能を維持するために重要である。更に、１つの実施例では、各セグメントは、別個のマトリクス駆動回路を必要とする。
【0103】
図１３は、円筒状給電アパーチャの四分円へのセグメント化を示している。図１３を参照すると、セグメント１３０１〜１３０４は、組み合わされて丸いアンテナアパーチャを構築する同一の四分円である。セグメント１３０１〜１３０４の各々上のアンテナ素子は、セグメント１３０１〜１３０４が組み合わされたときに同心状の閉じたリングを形成するリングの一部分に配置される。セグメントを組み合わせるために、セグメントは、キャリアに取り付けられるか、又はキャリアに積層される。別の実施例では、セグメントの重なり合う縁部が、これらのセグメントを共に組み合わせるのに使用される。この場合、１つの実施例において、導電性結合部が、これらの縁部にわたって生成されて、ＲＦが漏れ出ることが防止される。素子タイプは、セグメント化の影響を受けない点に留意されたい。
【0104】
図１３に示すセグメント化方法の結果、セグメント１３０１〜１３０４間の継ぎ目が中心で交わり、中心からアンテナアパーチャの縁部に向かって半径方向に進む。この構成は、円筒状給電部の発生電流が半径方向に伝播し、半径方向の継ぎ目が伝播波に与える寄生的影響が小さいので有利である。
【0105】
図１３に示すように、ＬＣＤ業界で標準的な矩形基板を用いてアパーチャを実現することもできる。図１４Ａ及び図１４Ｂに、マトリクス駆動格子を適用した図１３の単一のセグメントを示す。マトリクス駆動格子は、各トランジスタに一意のアドレスを割り当てる。図１４Ａ及び図１４Ｂを参照すると、列コネクタ１４０１及び行コネクタ１４０２が駆動格子線に結合されている。図１４Ｂには、格子線に結合されたアイリスも示す。
【0106】
図１３から明らかなように、非正方形の基板を使用した場合には、基板表面の広い区域を埋めることはできない。非正方形基板上の利用可能な表面をより効率的に使用するために、別の実施例では、セグメントは矩形基板上に存在するが、アンテナアレイのセグメント化部分についてより多くの基板スペースを利用する。このような実施例の１つの例を図１５に示す。図１５を参照すると、アンテナアレイの一部が含まれる基板（例えば、回路基板）を含むセグメント１５０１〜１５０４を組み合わせることによって、アンテナアパーチャが形成されている。各セグメントは、円の４分の１を表していないが、４つのセグメント１５０１〜１５０４を組み合わせると、素子が配置されたリングが閉じる。すなわち、各セグメント１５０１〜１５０４上のアンテナ素子は、セグメント１５０１〜１５０４が組み合わされたときに同心状の閉じたリングを形成するリング部分に配置される。１つの実施例では、基板が、スライドタイル式に組み合わされて、非正方形の基板のより長い側面が、矩形空き領域１５０５を導入するようになる。空き領域１５０５は、中心に位置するアンテナ給電部が配置されアンテナ内に含まれる場所である。
【0107】
アンテナ給電部は、底部から生じるので、空き領域が存在するときにはセグメントの残りの部分に結合され、この空き領域を金属片によって閉鎖して、空き領域からの放射を防ぐことができる。終端ピンを使用することもできる。
【0108】
このようにして基板を使用すると、利用可能な表面積をより効率的に使用することができ、アパーチャの直径が増大することになる。
【0109】
図１３、図１４Ａ及び図１４Ｂに示す実施例と同様に、この実施例では、マトリクス駆動格子を取得して各セルを一意のアドレスでカバーするセル配置方式を使用することができる。図１６Ａ及び図１６Ｂに、マトリクス駆動格子を適用した図１５の単一のセグメントを示す。マトリクス駆動格子は、各トランジスタに一意のアドレスを割り当てる。図１６Ａ及び図１６Ｂを参照すると、列コネクタ１６０１及び行コネクタ１６０２が駆動格子線に結合されている。図１６Ｂにはアイリスも示す。
【0110】
上述した両手法では、上述したように系統的で予め定められた格子内にマトリクス駆動回路を生成できる先に開示した手法に基づいて、セルの配置を行うことができる。
【0111】
上記のアンテナアレイのセグメント化では、４つのセグメントにされたが、これは必須ではない。アレイは、例えば３つのセグメント又は５つのセグメントなどの奇数個のセグメントに分割することもできる。図１９Ａ及び図１９Ｂに、奇数個のセグメントを含むアンテナアパーチャの１つの実施例を示す。図１９Ａを参照すると、組み合わされていない３つのセグメントであるセグメント１９０１〜１９０３が存在する。図１９Ｂを参照すると、３つのセグメントであるセグメント１９０１〜１９０３が組み合わさって、アンテナアパーチャを形成している。これらの構成は、全てのセグメントの継ぎ目がアパーチャ全体を直線状に通り抜けていないので有利ではない。しかしながら、これらはサイドローブを軽減する。
【0112】
本発明の多くの改変及び修正が前述の説明を読んだ後で疑いなく当業者には明らかになるであろうが、例証によって図示及び説明された何れの特定の実施例も限定として捉えられるものではない点を理解されたい。従って、様々な実施例の詳細事項への言及は、本発明にとって基本的なものとしてみなされる特徴のみを記載する請求項の範囲を限定するものではない。