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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】
(24)【登録日】2021-12-14
(45)【発行日】2022-01-14
(54)【発明の名称】アンテナアパーチャで使用される蓄積キャパシタ
(51)【国際特許分類】
H01Q 3/44 20060101AFI20220106BHJP
H01Q 21/06 20060101ALI20220106BHJP
H01Q 3/26 20060101ALI20220106BHJP
H01Q 13/08 20060101ALI20220106BHJP
H01L 21/336 20060101ALI20220106BHJP
H01L 29/786 20060101ALI20220106BHJP
H01L 21/822 20060101ALI20220106BHJP
H01L 27/04 20060101ALI20220106BHJP
H01L 21/8234 20060101ALI20220106BHJP
H01L 27/06 20060101ALI20220106BHJP
H01L 27/088 20060101ALI20220106BHJP
【ＦＩ】
H01Q3/44
H01Q21/06
H01Q3/26 Z
H01Q13/08
H01L29/78 612Z
H01L27/04 C
H01L27/04 L
H01L27/06 102A
H01L27/088 331E
【請求項の数】
23
(21)【出願番号】P 2019534227
(86)(22)【出願日】2017-12-21
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2020-03-05
(86)【国際出願番号】 US2017068030
(87)【国際公開番号】W WO2018119317
(87)【国際公開日】2018-06-28
【審査請求日】2019-12-23
(31)【優先権主張番号】62/438,279
(32)【優先日】2016-12-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】15/849,483
(32)【優先日】2017-12-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】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】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(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】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】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】100121979
【弁理士】
【氏名又は名称】岩崎 吉信
(72)【発明者】
【氏名】リン スティーヴン
(72)【発明者】
【氏名】ヴァレル カグダス
【審査官】白井 亮
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１４／００４８０４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１６／１４１３４２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１１－０８６７６９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｑ ３／４４
Ｈ０１Ｑ ２１／０６
Ｈ０１Ｑ ３／２６
Ｈ０１Ｑ １３／０８
Ｈ０１Ｌ ２１／３３６
Ｈ０１Ｌ ２１／８２２
Ｈ０１Ｌ ２１／８２３４
Ｈ０１Ｌ ２７／０８８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ホログラフィックビーム誘導で使用される周波数帯域用のビームを形成するように共に制御され動作可能である無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子のアレイを形成する第１の基板及び第２の基板を有する物理的アンテナアパーチャを備えたアンテナであって、前記アンテナ素子の各々は、前記各アンテナ素子に電圧を供給するための回路と、前記第１の基板上に複数の導電層を有して形成された蓄積キャパシタとに結合され、前記複数の層のうちの上部導電層及び底部導電層は、前記第２の基板の導電層上の第２の電圧に等しい第１の電圧にあり、前記蓄積キャパシタと前記第２の基板上の導電層との間に生じる寄生容量が、前記上部導電層がない前記蓄積キャパシタと比較して小さくなる、
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項2】
前記第１の基板と前記第２の基板との間に液晶を更に備え、前記第１の基板及び前記第２の基板は、パッチ基板及びアイリス基板を含む、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項3】
前記パッチ基板及びアイリス基板は、ガラス基板である、請求項２に記載のアンテナ。
【請求項4】
前記回路は、トランジスタを含み、該トランジスタは、前記第１の基板上のゲート金属層の第１の部分から形成された前記トランジスタのゲートを有し、前記蓄積キャパシタは、前記ゲート金属層の第２の部分から形成された底部プレートを有し、前記底部プレートは前記蓄積キャパシタの前記底部導電層である、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項5】
前記トランジスタは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含む、請求項４に記載のアンテナ。
【請求項6】
前記蓄積キャパシタ構造は、前記底部プレートである第１の金属層と、
前記第１の金属層の上部にある第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の上部にある第２の金属層と、
前記第２の金属層の上部にある第２の誘電体層と、
前記第２の誘電体層の上部にある第３の金属層と、を備え、
前記第３の金属層は、前記第１の金属層に電気的に結合されており、
前記第３の金属層は、前記上部導電層である、請求項４に記載のアンテナ。
【請求項7】
前記第３の金属層は、ビアを使用して前記第１の金属層に電気的に結合される、請求項６に記載のアンテナ。
【請求項8】
前記第１の金属層は、前記第１の基板上に形成された前記トランジスタのゲートの一部分を形成するように製造された金属層の一部分から形成され、前記第２の金属層は、前記第１の基板上に形成された前記トランジスタのソース及びドレイン電極を形成するように製造された金属層の一部分から形成される、請求項７に記載のアンテナ。
【請求項9】
前記アンテナ素子のアレイは、ＲＦ放射アンテナ素子の同調可能スロット付きアレイを含む、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項10】
前記アンテナ素子のアレイは、２又は３以上のアンテナサブアレイを含む、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項11】
前記少なくとも２つのアンテナサブアレイの各々における大部分の素子は、互いに対して交互配置される、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項12】
前記少なくとも２つのアンテナサブアレイの各々は、スロット付きアレイを含み、各スロット付きアレイは、複数のスロットを含み、更に各スロットは、所与の周波数で所望の散乱を提供するように同調される、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項13】
各スロット付きアレイは、複数のスロットと、
複数のパッチであって、前記パッチの各々は、前記複数のスロット内のスロット上に並置され、該スロットから切り離されて前記パッチ／スロットペアが形成され、各パッチ／スロットペアは、前記ペア内の前記パッチへの電圧印可に基づいてオフ又はオンにされる、複数のパッチと、
ビームを生成させるようにパッチ／スロットペアを制御する制御パターンを適用するコントローラと、
を含む、請求項１２に記載のアンテナ。
【請求項14】
ホログラフィックビーム誘導で使用される周波数帯域用のビームを形成するように共に制御され動作可能である無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子のアレイを形成する第１の基板及び第２の基板を有する物理的アンテナアパーチャを備えるアンテナであって、前記第２の基板は、導電層を備え、
前記アンテナ素子の各々は、前記各アンテナ素子に電圧を供給するための回路と、前記第１の基板上に形成された蓄積キャパシタとに結合され、
前記蓄積キャパシタは、
第１の金属層と、
前記第１の金属層の上部にある第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の上部にある第２の金属層と、
前記第２の金属層の上部にある第２の誘電体層と、
前記第２の誘電体層の上部にある第３の金属層と、を含み、
前記第３の金属層は、前記第１の金属層に電気的に結合されており、
前記第１及び第３の金属層は、前記第２の基板の導電層上の第２の電圧に等しい第１の電圧にあり、前記蓄積キャパシタと前記第２の基板上の導電層との間に生じる寄生容量を制御するように構成されている、
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項15】
前記第３の金属層は、ビアを使用して前記第１の金属層に電気的に結合される、請求項１４に記載のアンテナ。
【請求項16】
前記第１の金属層は、前記第１の基板上に形成されたトランジスタのゲートの一部分を形成するように製造された金属層の一部分から形成され、前記第２の金属層は、前記第１の基板上に形成されたトランジスタのソース及びドレイン電極を形成するように製造された金属層の一部分から形成される、請求項１４に記載のアンテナ。
【請求項17】
前記トランジスタは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含む、請求項１６に記載のアンテナ。
【請求項18】
前記導電層は、第４の金属層を含み、前記第１、第３、及び第４の金属層は、第１の電圧にある、請求項１４に記載のアンテナ。
【請求項19】
上部に第１の金属層が形成されたアイリス基板と、パッチ基板と、
前記パッチ基板及びアイリス基板を用いて形成された無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子のアレイと、を備えるアンテナであって、
前記ＲＦ放射アンテナ素子のアレイは、ホログラフィックビーム誘導で使用される周波数帯域用のビームを形成するように共に制御可能で動作可能であり、前記アイリス基板は導電層を備え、前記アンテナ素子の各々は、前記各アンテナ素子に電圧を供給するための回路と、前記パッチ基板上の蓄積キャパシタとに結合され、
前記蓄積キャパシタは、
第１の金属層と、
前記第１の金属層の上部にある第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の上部にある第２の金属層と、
前記第２の金属層の上部にある第２の誘電体層と、
前記第２の誘電体層の上部にある第３の金属層と、を含み、
前記第３の金属層は、前記第１の金属層に電気的に結合されており、
前記第１及び第３の金属層は、前記アイリス基板の導電層上の第２の電圧に等しい第１の電圧にあり、前記蓄積キャパシタと前記アイリス基板上の導電層との間に生じる寄生容量を制御するように構成されている、
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項20】
前記第３の金属層は、ビアを使用して前記第１の金属層に電気的に結合される、請求項１９に記載のアンテナ。
【請求項21】
前記第１の金属層は、前記パッチ基板上に形成されたトランジスタのゲートの一部分を形成するように製造された金属層の一部分から形成され、前記第２の金属層は、前記パッチ基板上に形成されたトランジスタのソース及びドレイン電極を形成するように製造された金属層の一部分から形成される、請求項１９に記載のアンテナ。
【請求項22】
前記トランジスタは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含む、請求項２１に記載のアンテナ。
【請求項23】
前記導電層は、第４の金属層を含み、前記第１、第３、及び第４の金属層は、第１の電圧にある、請求項１９に記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、無線通信システムで使用されるアンテナの分野に関し、より具体的には、本発明の実施形態は、寄生容量を低減し、場合によっては排除する構造を有するアンテナアパーチャで使用される蓄積キャパシタに関する。
【0002】
（関連出願の相互参照）
本特許出願は、「Ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ Ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｓｉｚｅ ｉｎ ＴＦＴ Ａｐｅｒｔｕｒｅｓ（ＴＦＴアパーチャ内の蓄積キャパシタのサイズを小さくする方法）」と題する２０１６年１２月２２日出願の対応する仮特許出願第６２／４３８，２７９号に対して優先権を主張するものであり、該仮特許出願を引用により組み込んだものである。
本特許出願は、「Ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ Ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｓｉｚｅ ｉｎ ＴＦＴ Ａｐｅｒｔｕｒｅｓ（ＴＦＴアパーチャ内の蓄積キャパシタのサイズを小さくする方法）」と題する２０１６年１２月２２日出願の対応する仮特許出願第６２／４３８，２７９号に対して優先権を主張するものであり、該仮特許出願を引用により組み込んだものである。
【背景技術】
【0003】
無線周波数（ＲＦ）アンテナアパーチャでは、アパーチャは、幾つかのＲＦアンテナ素子を含む。アンテナ素子の数は、数千の単位である可能性がある。アンテナ素子を制御するために回路が必要であり、素子の各々に経路設定される必要がある。しかしながら、この回路を配置してアンテナ素子用の電気配線を経路設定するのに使用されるＲＦアンテナ素子間の空間は限られている。この回路は、アンテナ素子間の空間を占め、電気配線の経路設定を困難にする可能性がある。従って、ＲＦアパーチャのレイアウトにおいて、この回路は、可能な限り小さな空間を占有するようにすることが望ましい。
【0004】
アンテナアパーチャの所望の送信及び受信周波数が高くなる程、アンテナ素子間の空間は減り続け、アンテナ素子のピッチ（間隔幅）は減少するなることになるが、配線トレース幅、トレース間の空間、回路素子間の空間は、必ずしも比例して小さくなるとは限らない。このことにより、回路が存在する場所の素子間の空間が過密になり、経路設定が困難になる場合がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0005】
蓄積キャパシタ、及び該蓄積キャパシタをアンテナアパーチャ内で使用するための方法について説明する。１つの実施形態において、アンテナは、ホログラフィックビーム誘導（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）で使用される周波数帯域用のビームを形成するように一緒に制御され動作可能である無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子のアレイを形成する第１及び第２の基板を有する物理的アンテナアパーチャを備え、該アンテナ素子の各々は、各アンテナ素子に電圧を供給するための回路と、第１の基板上に複数の導電層（例えば、金属層）を有して形成された蓄積キャパシタとに結合され、３つの導電層のうちの上部導電層及び底部導電層は、第２の基板の導電層（例えば、金属層）上の第２の電圧に等しい第１の電圧にあり、蓄積キャパシタと第２の基板上の導電層との間に生じる寄生容量が小さくなる。
【0006】
本発明は、以下に与えられる詳細な説明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ものではなく、単に説明及び理解のためのものであると解釈されたい。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】パッチ基板及びアイリス基板を有するアンテナに組み込まれた蓄積キャパシタの１つの実施形態を示す。
【図2】パッチ基板及びアイリス基板を有するアンテナに組み込まれた蓄積キャパシタの別の実施形態を示す。
【図3】アンテナ素子に対するマトリクス駆動回路の配置の１つの実施形態を示す。
【図4】ＴＦＴパッケージの１つの実施形態を示す。
【図5】円筒状給電ホログラフィック放射状アパーチャアンテナの１つの実施形態の概略図を示す。
【図6】グランドプレーン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す。
【図7】同調可能共振器／スロットの１つの実施形態を示す。
【図8】物理的アンテナアパーチャの１つの実施形態の断面図を示す。
【図9A】スロットに対応する位置を有する第１のアイリス基板層の一部分を示す。
【図9B】スロットを包含する第２のアイリス基板層の一部分を示す。
【図9C】第２のアイリス基板層の一部分の上のパッチを示す。
【図9D】スロット付きアレイの一部分の上面図を示す。
【図10】円筒状給電アンテナ構造の１つの実施形態の側面図を示す。
【図11】アンテナシステムの別の実施形態を外向き波と共に示す。
【図12】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１つの実施形態のブロック図である。
【図13】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。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下の説明において、本発明のより完全な説明を提供するために数多くの詳細が示される。しかしながら、当業者であれば、本発明がこれらの特定の詳細なしに実施できることは明らかであろう。他の例では、本発明を不明確にすることのないように、周知の構造及びデバイスは、詳細にではなくブロック図の形で示される。
【0009】
アンテナアパーチャで使用される蓄積キャパシタについて説明する。１つの実施形態において、アンテナアパーチャは、ＲＦ放射アンテナ素子（例えば、表面散乱アンテナ素子）を有する無線周波数（ＲＦ）アンテナアパーチャである。アンテナアパーチャは、アンテナ素子間に駆動及び制御回路素子（例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ））と蓄積キャパシタとを含む。従って、これらの素子は、アンテナアパーチャのアクティブ領域内に存在する。本発明の実施形態は、ＲＦアンテナアパーチャ用のアクティブ基板のレイアウトにおいてＴＦＴ／蓄積キャパシタのサイズを小さくするための技法を含む。
【0010】
１つの実施形態において、蓄積キャパシタ構造はまた、大きな可変寄生容量を部分的に又は完全に排除する。蓄積キャパシタの上部プレート及びもう一方のプレートとしてのアイリス（iris）金属面は、それらの間に液晶が存在する状態で寄生容量を形成する。
【0011】
図１は、例えば、以下により詳細に説明するアンテナ素子などの、無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子を有するアンテナアパーチャの一部分である蓄積キャパシタの１つの実施形態を示している。
【0012】
図１を参照すると、アンテナ素子を制御するのに使用される薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のうちの１つの実施例が示されている。ＴＦＴは、底部ゲート構造であり、ＲＦアンテナ素子に電圧を供給するのに使用される。代替的に、例えば上部ゲートなどの他のゲート構造、並びにＩＧＺＯ ａ－Ｓｉ及びＬＴＰＳなどの様々なＴＦＴが可能である。１つの実施形態において、アンテナ素子ごとに１つのＴＦＴ及び蓄積キャパシタが存在する。このことは必須でなく、並列ＴＦＴを使用すると直列抵抗は小さくなることができる点に留意されたい。
【0013】
より具体的には、ＴＦＴ１００は、ソース金属層１０１、ドレイン金属層１０３、及びゲート金属層１０２を備える。ソース金属層１０１は、ＴＦＴ１００のソース電極として使用され、ゲート金属層１０２は、ＴＦＴ１００のゲート電極として使用され、ドレイン金属層１０３は、ＴＦＴ１００のドレイン電極として使用される。１つの実施形態において、ゲート金属層１０２は、パッチ基板１２４上に存在する。１つの実施形態において、パッチ基板１２４は、ガラス基板である。しかしながら、パッチ基板１２４は、ガラス以外の材料又は材料の組み合わせから作製することができる。例えば、フレキシブルディスプレイ用途で典型的に使用されるＰＥＴ、ＰＥＮ、又はポリイミドフィルムなどの有機基板が、パッチ基板１２４に使用できる。ゲート誘電体層である活性層１０４は、ゲート金属層１０２の上部に存在する。１つの実施形態において、活性層１０４は、半導体材料（例えば、Ｓｉ（例えば、アモルファスＳｉ、ポリＳｉ、又は単結晶など）、ＧａＡＳなど）の層とゲート酸化物層とを有する二層構造である。代替実施形態では、活性層１０４は、他の周知の半導体材料を用いて形成される。
【0014】
１つの実施形態において、ソース金属層１０１及びドレイン金属層１０３の両方が、ゲート金属層１０２の上にある活性層１０４の一部分の上に延びる。従って、ソース金属層１０１及びドレイン金属層１０３の両方は、部分的にゲート金属層１０２と重なる。１つの実施形態において、ソース金属層１０１及びドレイン金属層１０３は、ゲート金属層１０２と重なる活性層１０４の中央部分の上の金属層の一部分が除去された状態で、活性層１０４上に製造された同じ金属層から形成される。この除去は、例えば当技術分野で周知の方法でのエッチングなどの周知の製造技法を使用して行うことができる。
【0015】
図１はまた、ゲート金属層１０２以外のゲート金属層の一部分が、蓄積キャパシタ１１０の底部プレート１１１を形成し、その一方、ドレイン金属層１０３が、蓄積キャパシタ１１０の上部を形成することを示している。すなわち、底部ゲート金属層は、ＴＦＴ１００のゲート（ゲート金属層１０２）に使用され、蓄積キャパシタ１１０の底部プレート１１１に使用されるが、この底部プレートは、ＴＦＴ１００のゲート金属層１０２に接続されない。また、ＴＦＴ１００の誘電体層（例えば、パッシベーション層１０５）は、蓄積キャパシタ１１０用の誘電体（例えば、底部プレート１１１と上部プレート１１２との間の誘電体層）として使用される。
【0016】
パッチ金属層１１３（パッチ電極）は、上部プレート１０３に電気的に接続される。１つの実施形態において、パッチ金属層１１３は、例えば、以下により詳細に説明するように、パッチ／アイリスアンテナ素子ペア用のパッチ金属層を形成したのと同じ金属層から形成される点に留意されたい。代替的に、パッチ金属層１１３は、パッチ／アイリスアンテナ素子ペアに使用されるパッチ金属層から切り離して堆積される。パッシベーション層１１４は、ＴＦＴ１００及び蓄積キャパシタ１１０の両方の上に存在する。
【0017】
アイリス（iris）基板１２１は、パッチ基板１２４の上に存在する。１つの実施形態において、アイリス基板１２１はガラス基板である。しかしながら、アイリス基板１２１は、ガラス以外の材料又は材料の組み合わせから作製することができる。アイリス金属層１２２は、アイリス基板１２１上に形成される。１つの実施形態において、パッシベーション層（図示せず）が、アイリス金属層１２２の上に堆積される。
【0018】
液晶（ＬＣ）１５０は、アイリス基板１２１とパッチ基板１２４との間のギャップに存在する。また、１つの実施形態において、このギャップは、ギャップサイズを維持するためのスペーサ（例えば、フォトスペーサ）を含む。
【0019】
アイリス金属層１２２は、パッチ金属層１１３の一部分と重なるアイリス開口部１２３を含んで、このアイリス開口部１２３の両側のアイリス金属層１２２の一部分が、パッチ金属層１１３の一部分と重なるようになり、それによって、アイリス金属／パッチ金属重なり領域が形成される。これらの重なり領域は、液晶キャパシタンスの２つの電極を形成し、アンテナの周波数を制御するように同調される液晶キャパシタンスの大きさを規定する。
【0020】
蓄積キャパシタ１１０のアイリス金属１２２及び底部プレート１１１は、同じ電圧で動作する。蓄積キャパシタ１１０の底部プレート１１１は、基準電位、すなわち共通電圧（Ｖcom）に電気的に接続される。更に、アイリス金属１２２が、Ｖcomに電気的に接続される。１つの実施形態において、Ｖcomは、アンテナ素子（例えば、以下により詳細に説明するようにＲＦエネルギーを放射する表面散乱アンテナ素子）のパッチとアイリスとの間で液晶を駆動するのにアイリスで使用される電圧である。アイリス金属１２２及び底部プレート１１１の両方が同じ電位にあるので、蓄積キャパシタ１１０の上部プレート１１２（ソース／ドレイン金属層）及びもう一方のプレートとしてのアイリス金属層１２２は、それらの間に液晶１５０が存在する状態で大きな電圧依存寄生容量を形成する。このギャップ内の誘電体は、非常に大きな誘電異方性を有する液晶であるので、液晶は、電圧が増加するにつれて変化し、それによって、電圧に伴って非線形性の高いキャパシタンスが生じる。
【0021】
本明細書で説明する蓄積キャパシタの実施形態は、ＲＦアンテナ素子用のパッチを作製するために製造（例えば、堆積）されるのと同じ金属層から作製される第３の金属層（例えば、パッチ電極）を利用する。１つの実施形態において、パッチ金属層が、図１に示されている蓄積キャパシタ構造の上部に堆積される。１つの実施形態において、この追加のパッチ金属は、ビア構造を使用して蓄積キャパシタのゲート金属底部プレートに接続される。１つの実施形態において、このビアは、蓄積キャパシタの上部プレートパッチ金属と底部プレートゲート金属との間の接続が、ソース／ドレイン金属の部分が存在しない場所で行われるように形成される。これにより、蓄積キャパシタのパッチ金属上部プレートの電位が、ゲート金属底部プレートの電位に結び付けられる。ドレイン金属層（ソース金属層が形成されるのと同じ金属層から形成される）は、蓄積キャパシタ内の中間プレートである。第３の層は、蓄積キャパシタ構造にキャパシタンスを追加する。１つの実施形態において、第３の層は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）である。
【0022】
【0023】
図２において、蓄積キャパシタ２１０は、ＴＦＴ１００のゲート金属層が形成される層の別の部分から形成される底部プレート２１１を含み、その一方、ドレイン金属層１０３は、蓄積キャパシタ１１０の中間プレート２１２を形成する。すなわち、底部ゲート金属層の異なる部分が、ＴＦＴ１００のゲート（ゲート金属層１０２）及び蓄積キャパシタ２１０の底部プレート２１１に使用されるが、蓄積キャパシタ２１０の底部プレート２１１は、ＴＦＴ１００ゲート金属層１０２に接続されない。また、ＴＦＴ１００のパッシベーション誘電体層（例えば、パッシベーション１０５）は、蓄積キャパシタ２１０用の誘電体（例えば、底部プレート２１１と中間プレート２１２との間の誘電体層）として使用される。
【0024】
層間誘電体２１３が、中間プレート２１２の上部に存在する。１つの実施形態において、層間誘電体２１３はまた、ＴＦＴ１００の上のパッシベーション層としても作用する。蓄積キャパシタ２１０は更に、上部金属プレート２１４を含む。１つの実施形態において、上部金属プレート２１４は、底部プレート２１１に電気的に接続される。１つの実施形態において、上部金属プレート２１４は、ビア（図示せず）を使用して底部プレート２１１に電気的に接続される。
【0025】
蓄積キャパシタ２１０の上部金属プレート２１４は、底部プレート２１１に電気的に接続される。１つの実施形態において、上部金属プレート２１４は、例えば、以下により詳細に説明するように、パッチ／アイリスアンテナ素子ペア用のパッチ金属層を形成したのと同じ金属層から形成される点に留意されたい。代替的に、上部金属プレート２１４は、パッチ／アイリスアンテナ素子ペアに使用されるパッチ金属層から切り離して堆積される。
【0026】
従って、要約すると、図１の蓄積キャパシタは、パッチ電極に接続された上部プレートと、Ｖcomに接続された底部プレートとを含むが、図２の蓄積キャパシタは、底部プレートに接続された上部プレートと、パッチ電極に接続された中間プレートと、Ｖcomに接続された底部プレートとを含む。また、図２の蓄積キャパシタでは、上部プレートは、パッチ金属層から作製することができるが、この上部プレートは、パッチ電極に接続することができない。
【0027】
蓄積キャパシタの１つの実施形態は、３つの金属層を有するが、これらの層のうちの１又は２以上は、他の導電性材料を用いて実施できる点に留意されたい。例えば、１つの実施形態において、蓄積キャパシタは、３つの導電層を用いて実施される。これら３つの導電層は、非金属層であり、ＩＴＯ又はその他の導電膜を含むことができる。
【0028】
図２には示されていないが、パッシベーション層が、ＴＦＴ１００及び蓄積キャパシタ２１０の両方の上に存在する。フォトスペーサ（図示せず）を有するギャップ及び液晶１５０が、パッシベーション層の上に存在する。
【0029】
１つの実施形態において、底部プレート２１１及び上部プレート２１４は、同じ共通電位Ｖcomにある。この電位は、アイリス金属層１２２にあるのと同じ電位である。しかしながら、中間プレート２１２は、図２においてデータ波形又はソース信号と呼ばれる別の電圧にあり、この信号は、１つの実施形態において、アクティブマトリクスアレイの列上のデータドライバから到来してアンテナ素子の液晶に電圧を印可する電圧信号である。
【0030】
蓄積キャパシタ２１０は、追加の誘電体層（２１３）及び上部の金属層（２１４）を有する蓄積キャパシタ１１０の組み合わせであるので、蓄積キャパシタ２１０のキャパシタンスは、２つのキャパシタンスから構成され、第１のキャパシタンスが上部金属プレートからドレイン金属層１０３へのキャパシタンスであり、第２のキャパシタンスがドレイン金属層１０３から底部プレート２１１へのキャパシタンスである。従って、蓄積キャパシタは、二重キャパシタとして動作する。１つの実施形態において、これにより、蓄積キャパシタ２１０の実装面積が、蓄積キャパシタ１１０の実装面積の約半分になることができる。
【0031】
また、蓄積キャパシタ２１０の構造が追加の利点を提供する点にも留意されたい。第１に、上部金属プレート２１４は、底部プレート２１１に電気的に接続されているので、これらのプレートの電圧は同じであり、Ｖcomである。従って、蓄積キャパシタ２１０の上部とアイリス金属層１２２との間に電圧差はない。従って、蓄積キャパシタ２１０の上部金属プレート２１４及びアイリス金属層１２２の両方が、共通電圧Ｖcomに電気的に接続されるので、蓄積キャパシタ２１０の上部金属プレート２１４とアイリス金属層１２２との間の寄生容量は、小さくなり、排除される可能性がある。更に、寄生容量及び蓄積キャパシタンス値を含む合計キャパシタンスが減少するので、蓄積キャパシタを収容するのに必要な領域は、合計キャパシタンスに対する蓄積キャパシタンスの比率が一定に保たれながら、更に小さくなることができる。
【0032】
幾つかの代替実施形態が存在する。例えば、１つの代替実施形態では、誘電体層、ドレイン金属層に電気的に接続された金属層（例えば、中間プレート２１２）、誘電体層、及び底部金属プレート２１１に電気的に接続された金属層を追加することによって、蓄積キャパシタの積層が拡張されて、キャパシタ領域が、更に小さなることができる。
【0033】
本発明の実施形態を示すために、１つのＴＦＴ及び１つの蓄積キャパシタのみが、図１及び図２に示されている。しかしながら、ほとんどの実施形態において、実際には、このような複数のトランジスタ及び蓄積キャパシタが、１又は２以上の基板（例えば、パッチ基板、アイリス基板など）上に形成される。１つの実施形態において、アンテナ素子ごとに１つのＴＦＴ及び１つの蓄積キャパシタが存在する。別の実施形態では、１つのＴＦＴ及び１つの蓄積キャパシタが、複数のアンテナ素子を制御するのに使用できる。
【0034】
１つの実施形態において、ソース及びドレイン金属層並びにアイリス金属層は、銅を含む。代替的に、これらの層は、例えばアルミニウムなどの他の導電性金属を含む他の導電性材料を備えることができる。１つの実施形態において、ＴＦＴのゲート層及び蓄積キャパシタの最下層は、アルミニウムを含む。代替的に、ＴＦＴのゲート層及び蓄積キャパシタの最下層は、例えば銅などの他の導電性金属を含む他の導電性材料を備える。
【0035】
【0036】
駆動トランジスタ、蓄積キャパシタ、及びアンテナ素子配置
１つの実施形態において、ＴＦＴ（又は他の駆動トランジスタ）、蓄積キャパシタ（例えば、図２に図示のものなど）、及びアンテナ素子（例えば、ＲＦ放射アンテナ素子（例えば、表面散乱アンテナ素子）など）は、系統的マトリクス駆動回路の使用を可能にするように、アンテナアパーチャ（例えば、円筒状給電アンテナアパーチャ）のアクティブ領域に配置される。セルの配置は、アンテナ素子を駆動するためのマトリックス駆動のためのトランジスタ（例えば、ＴＦＴ又は他のトランジスタ）の配置を含む。
１つの実施形態において、ＴＦＴ（又は他の駆動トランジスタ）、蓄積キャパシタ（例えば、図２に図示のものなど）、及びアンテナ素子（例えば、ＲＦ放射アンテナ素子（例えば、表面散乱アンテナ素子）など）は、系統的マトリクス駆動回路の使用を可能にするように、アンテナアパーチャ（例えば、円筒状給電アンテナアパーチャ）のアクティブ領域に配置される。セルの配置は、アンテナ素子を駆動するためのマトリックス駆動のためのトランジスタ（例えば、ＴＦＴ又は他のトランジスタ）の配置を含む。
【0037】
図３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つの実施形態を示している。図３を参照すると、行コントローラ３０１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３１１及び３１２に結合され、列コントローラ３０２は、列選択信号Ｃｏｌｕｍｎ１を介してトランジスタ３１１及び３１２に結合される。また、トランジスタ３１１は、パッチへの接続３３１を介してアンテナ素子３２１に結合され、トランジスタ３１２は、パッチへの接続３３２を介してアンテナ素子３２２に結合される。
【0038】
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（例えば、ＴＦＴ）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、行及び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（例えば、ＴＦＴ）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を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。
【0039】
１つの実施形態において、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、それによって、アンテナのＲＦ性能が高まる。
【0040】
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、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。
【0041】
１つの実施形態において、ＴＦＴパッケージは、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のに使用される。図４は、ＴＦＴパッケージの１つの実施形態を示している。図４を参照すると、ＴＦＴ及び蓄積キャパシタ４０３が、入力ポート及び出力ポートと共に示されている。トレース４０１に接続された２つの入力ポート及びトレース４０２に接続された２つの出力ポートが存在し、行及び列を使用してＴＦＴが共に接続される。１つの実施形態において、行のトレース及び列のトレースは、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が、抑えられ、場合によっては最小になる。１つの実施形態において、行のトレース及び列のトレースは、異なる層上に存在する。
【0042】
アンテナ実施形態の例
上述した技法は、平面アンテナ（ｆｌａｔ ｐａｎｅｌ ａｎｔｅｎｎａ）と共に使用することができる。このような平面アンテナの実施形態が開示される。平面アンテナは、アンテナアパーチャ上にアンテナ素子の１又は２以上のアレイを含む。１つの実施形態において、アンテナ素子は、液晶セルを備える。１つの実施形態において、平面アンテナは、行及び列状に配置されていないアンテナ素子の各々を一意的にアドレス指定してこれらのアンテナ素子を駆動するマトリクス駆動回路を含む円筒状給電アンテナである。１つの実施形態において、素子は、リング状に配置される。
上述した技法は、平面アンテナ（ｆｌａｔ ｐａｎｅｌ ａｎｔｅｎｎａ）と共に使用することができる。このような平面アンテナの実施形態が開示される。平面アンテナは、アンテナアパーチャ上にアンテナ素子の１又は２以上のアレイを含む。１つの実施形態において、アンテナ素子は、液晶セルを備える。１つの実施形態において、平面アンテナは、行及び列状に配置されていないアンテナ素子の各々を一意的にアドレス指定してこれらのアンテナ素子を駆動するマトリクス駆動回路を含む円筒状給電アンテナである。１つの実施形態において、素子は、リング状に配置される。
【0043】
１つの実施形態において、アンテナ素子の１又は２以上のアレイを有するアンテナアパーチャは、共に結合された複数のセグメントから構成される。セグメントの組み合わせは、共に結合された場合に、アンテナ素子の閉じた同心リングを形成する。１つの実施形態において、同心リングは、アンテナ給電部に対して同心である。
【0044】
アンテナシステムの例
１つの実施形態において、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形態について説明する。１つの実施形態において、アンテナシステムは、民間商用衛星通信用のＫａ帯域周波数又はＫｕ帯域周波数の何れか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）のコンポーネント又はサブシステムである。アンテナシステムの実施形態はまた、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）で使用できる点に留意されたい。
１つの実施形態において、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形態について説明する。１つの実施形態において、アンテナシステムは、民間商用衛星通信用のＫａ帯域周波数又はＫｕ帯域周波数の何れか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）のコンポーネント又はサブシステムである。アンテナシステムの実施形態はまた、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）で使用できる点に留意されたい。
【0045】
１つの実施形態において、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つの実施形態において、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。
【0046】
１つの実施形態において、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、（２）アンテナ素子の一部である波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。
【0047】
アンテナ素子
図５は、円筒状給電ホログラフィック放射状アパーチャアンテナの１つの実施形態の概略図を示している。図５を参照すると、アンテナアパーチャは、円筒状給電アンテナの入力給電部５０２の周りに同心リング状に配置されたアンテナ素子５０３の１又は２以上のアレイ５０１を有する。１つの実施形態において、アンテナ素子５０３は、ＲＦエネルギーを放射する無線周波数（ＲＦ）共振器である。１つの実施形態において、アンテナ素子５０３は、アンテナアパーチャの全表面上に交互配置され分散されるＲｘアイリス及びＴｘアイリスの両方を備える。このようなアンテナ素子の実施例は、以下に更に詳細に説明される。本明細書で説明するＲＦ共振器は、円筒状給電部を含まないアンテナで使用することができる。
図５は、円筒状給電ホログラフィック放射状アパーチャアンテナの１つの実施形態の概略図を示している。図５を参照すると、アンテナアパーチャは、円筒状給電アンテナの入力給電部５０２の周りに同心リング状に配置されたアンテナ素子５０３の１又は２以上のアレイ５０１を有する。１つの実施形態において、アンテナ素子５０３は、ＲＦエネルギーを放射する無線周波数（ＲＦ）共振器である。１つの実施形態において、アンテナ素子５０３は、アンテナアパーチャの全表面上に交互配置され分散されるＲｘアイリス及びＴｘアイリスの両方を備える。このようなアンテナ素子の実施例は、以下に更に詳細に説明される。本明細書で説明するＲＦ共振器は、円筒状給電部を含まないアンテナで使用することができる。
【0048】
１つの実施形態において、アンテナは、入力給電部５０２を介して円筒波給電を提供するのに使用される同軸給電部を含む。１つの実施形態において、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。別の実施形態では、円筒状給電アンテナは、内向きに進む給電波を生成する。このような場合には、円形構造から生じる給電波が最も自然である。
【0049】
１つの実施形態において、アンテナ素子５０３は、アイリスを備え、図５のアパーチャアンテナは、同調可能液晶（ＬＣ）材料を通ってアイリスを放射させるための円筒状給電波からの励起を使用することにより形成される主ビームを生成するのに使用される。１つの実施形態において、アンテナは、所望の走査角で水平又は垂直に偏極した電界を放射するように励起することができる。
【0050】
１つの実施形態において、アンテナ素子は、パッチアンテナのグループを備える。このパッチアンテナのグループは、散乱メタマテリアル素子のアレイを備える。１つの実施形態において、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、この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の関連でのＬＣとは、インダクタンス・キャパシタンスを指す。
【0051】
１つの実施形態において、液晶（ＬＣ）は、散乱素子の周りのギャップに配置される。このＬＣは、上述の直接駆動型実施形態によって駆動される。１つの実施形態において、液晶は、各単位セル内に封入されて、スロットに関連する下部導体をそのパッチに関連する上部導体から分離する。液晶は、この液晶を構成する分子の配向の関数である誘電率を有し、分子の配向（及びひいては誘電率）は、液晶の両端間のバイアス電圧を調節することによって制御することができる。１つの実施形態において、液晶は、この特性を使用して、誘導波からＣＥＬＣへのエネルギー伝達のためのオン／オフスイッチを組み込む。スイッチオンになると、ＣＥＬＣは、電気的に小さなダイポールアンテナのような電磁波を放射する。本明細書における教示は、エネルギー伝達に関して２値的に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。
【0052】
１つの実施形態において、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）が使用できる点に留意されたい。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つの実施形態において、アンテナ素子は、アンテナの作動周波数の自由空間波長より短い素子間隔で配列される。例えば、１波長につき４つの散乱素子が存在する場合には、３０ＧＨｚ送信アンテナ内の素子は、約２．５ｍｍ（すなわち、３０ＧＨｚの１０ｍｍ自由空間波長の４分の１）となる。
【0053】
１つの実施形態において、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、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の素子をプラスマイナス４５度回転させることにより、両方の所望の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、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。
【0054】
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（液晶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は、パッチアンテナに電圧を供給するのに使用される。この電圧は、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て、ビーム形成を達成するのに使用される。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もたらさ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。
【0055】
１つの実施形態において、上述のように、マトリクス駆動を使用してパッチに電圧を印加して、各セルが、各セルに対して別個の接続を有することなく他の全てのセルから切り離して駆動されるようになる（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効率的な方法である。
【0056】
１つの実施形態において、アンテナシステム用の制御構造は、２つの主要な構成要素を有し、すなわち、アンテナシステム用の駆動電子機器を含むアンテナアレイコントローラは、波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アレイ全体を通して散在している。１つの実施形態において、アンテナシステム用の駆動電子機器は、散乱素子へのＡＣバイアス信号の振幅又はデューティサイクル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。
【0057】
１つの実施形態において、アンテナアレイ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包含する。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。
【0058】
より具体的には、アンテナアレイコントローラは、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、並びに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。
【0059】
送信に関して、コントローラは、ＲＦパッチに一連の電圧信号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化させる。１つの実施形態において、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、更に正弦波制御パターンが近似される。１つの実施形態において、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、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。
【0060】
素子のメタマテリアルアレイによる集束ビームの生成は、建設的干渉及び相殺的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（建設的干渉）、自由空間で遭遇するときに逆位相である場合に互いに打ち消し合う（相殺的干渉）。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、スロット付き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。
【0061】
このアレイを使用すると、生成できる建設的干渉及び相殺的干渉のパターン数が増加することができるので、ビームは、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プラスマイナス９０度（９０°）の任意の方向に向くことができる。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についてのパターンを変更することにより）、建設的干渉及び相殺的干渉の異なるパターンを生成することができ、アンテナは、主ビームの方向を変化させることができる。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。
【0062】
１つの実施形態において、アンテナシステムは、アップリンクアンテナ用の１つの誘導可能ビームと、ダウンリンクアンテナ用の１つの誘導可能ビームとを生成する。１つの実施形態において、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、衛星に向けられる送信ビームを形成する。１つの実施形態において、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つの実施形態において、アンテナシステムは、特に従来型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。
【0063】
図６は、グランドプレーン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１２３０は、同調可能スロット１２１０のアレイを含む。同調可能スロット６１０のアレイは、アンテナを所望の方向に向け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。
【0064】
制御モジュール１２８０は、再構成可能共振器層１２３０に結合されて、図７での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１２１０のアレイを変調する。制御モジュール１２８０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つの実施形態において、制御モジュール１２８０は、同調可能スロット１２１０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。１つの実施形態において、制御モジュール１２８０は、同調可能スロット１２１０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、この回折パターン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には、アップリンクビーム）を通信に適した方向に誘導するように、アンテナと衛星との間の空間的関係に応じて生成することができる。各図には描かれていないが、制御モジュール１２８０に類似する制御モジュールが、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。
【0065】
更に、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所望のＲＦビームを生成することができる類似の技術を使用して、無線周波数（「ＲＦ」）ホログラフィが可能である。衛星通信の場合に、基準ビームは、給電波１２０５（一部の実施形態では、約２０ＧＨｚ）などの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）、所望の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、給電波が所望のＲＦビーム（所望の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１２１０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、目標ビームを「再構成」し、このビームは、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、各素子の励起を包含し、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とを用いて、ｗhologram＝ｗin＊ｗoutによって計算される。
【0066】
図７は、同調可能共振器／スロット１２１０の１つの実施形態を示している。同調可能スロット１２１０は、アイリス／スロット１２１２と、放射パッチ１２１１と、アイリス１２１２とパッチ１２１１との間に配置された液晶１２１３とを含む。１つの実施形態において、放射パッチ１２１１は、アイリス１２１２と同じ場所に配置される。
【0067】
図８は、物理的アンテナアパーチャの１つの実施形態の断面図を示している。アンテナアパーチャは、グランドプレーン１２４５と、再構成可能共振器層１２３０に含まれるアイリス層１２３３内の金属層１２３６とを含む。１つの実施形態において、図８のアンテナアパーチャは、図７の複数の同調可能共振器／スロット１２１０を含む。アイリス／スロット１２１２は、金属層１２３６内の開口部によって定められる。図７の給電波１２０５などの給電波は、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１２４５と共振器層１２３０との間を伝播する。
【0068】
再構成可能共振器層１２３０はまた、ガスケット層１２３２及びパッチ層１２３１を含む。ガスケット層１２３２は、パッチ層１２３１とアイリス層１２３３との間に配置される。１つの実施形態において、スペーサは、ガスケット層１２３２に置き換えることができる点に留意されたい。１つの実施形態において、アイリス層１２３３は、金属層１２３６として銅層を含むプリント回路基板（ＰＣＢ）である。１つの実施形態において、アイリス層１２３３はガラスである。アイリス層１２３３は、他のタイプの基板であってもよい。
【0069】
銅層において開口部をエッチングして、スロット１２１２を形成することができる。１つの実施形態において、アイリス層１２３３は、導電性接合層によって図８の別の構造（例えば、導波路）に導電的に結合される。１つの実施形態において、アイリス層は、導電性接合層によって導電的に結合されず、代わりに非導電性接合層と接合される点に留意されたい。
【0070】
パッチ層１２３１はまた、放射パッチ１２１１として金属を含むＰＣＢとすることができる。１つの実施形態において、ガスケット層１２３２は、金属層１２３６とパッチ１２１１との間の寸法を定める機械的離隔部（スタンドオフ）を提供するスペーサ１２３９を含む。１つの実施形態において、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つの実施形態において、図８のアンテナアパーチャは、同調可能共振器／スロット１２１０のような複数の同調可能共振器／スロットを含み、この同調可能共振器／スロット１２１０は、図７のパッチ１２１１、液晶１２１３Ａ、及びアイリス１２１２を含む。液晶１２１３Ａのためのチャンバは、スペーサ１２３９、アイリス層１２３３、及び金属層１２３６によって定められる。チャンバが液晶で満たされると、パッチ層１２３１は、共振器層１２３０内に液晶をシールするようにスペーサ１２３９上に積層することができる。
【0071】
パッチ層１２３１とアイリス層１２３３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１２１０）間のギャップ内の液晶を同調させることができる。液晶１２１３Ａ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１２１０）のキャパシタンスが変化する。従って、この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１２１０）のリアクタンスは変化することができる。スロット１２１０の共振周波数はまた、次式：
に従って変化し、ここで、ｆは、スロット１２１０の共振周波数であり、Ｌ及びＣは、それぞれスロット１２１０のインダクタンス及びキャパシタンスである。スロット１２１０の共振周波数は、導波路を伝播する給電波１２０５から放射されるエネルギーに影響を与える。一例として、給電波１２０５が２０ＧＨｚである場合に、スロット１２１０の共振周波数は１７ＧＨｚに調節されて（キャパシタンスを変化させることにより）、スロット１２１０が、給電波１２０５からのエネルギーを実質的に結合しないようにすることができる。或いは、スロット１２１０の共振周波数は、スロット１２１０が給電波１２０５からのエネルギーを結合してこのエネルギーを自由空間に放射するように、２０ＧＨｚに調節することができる。所与の例は、２値的（完全に放射するか又は全く放射しない）であるが、スロット１２１０のリアクタンス及び従って共振周波数の完全グレイスケール制御は、多値範囲にわたって電圧を変化させることにより可能である。従って、各スロット１２１０から放射されるエネルギーを精密に制御することにより、同調可能スロットのアレイによって精緻なホログラフィック回折パターンを形成することができる。
【数1】
【0072】
１つの実施形態において、一列に並んだ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。１つの実施形態において、一列に並んだ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、異なる列にあって向きが共通の同調可能スロットは、λ／４だけ離間しているが、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、一列に並んだ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だけ離間している。
【0073】
実施形態は、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。
【0074】
図９Ａ－Ｄは、スロット付きアレイを形成する様々な層の１つの実施形態を示している。アンテナアレイは、図５に示されている実施例のような、リング状に位置決めされたアンテナ素子を含む。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。
【0075】
図９Ａは、スロットに対応する位置を有する第１のアイリス基板層の一部分を示している。図９Ａ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）との素子の結合を制御するためのものである。この層は、任意選択の層であり、全ての設計で使用されるとは限らない点に留意されたい。図９Ｂは、スロットを包含する第２のアイリス基板層の一部分を示している。図９Ｃは、第２のアイリス基板層の一部分の上のパッチを示している。図９Ｄは、スロット付きアレイの一部分の上面図を示している。
【0076】
図１０は、円筒状給電アンテナ構造の１つの実施形態の側面図を示している。このアンテナは、二重層給電構造（すなわち、２つの給電構造層）を使用して内向き進行波を生成する。１つの実施形態において、アンテナは、円形の外形を含むが、このことは、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つの実施形態において、図１０におけるアンテナ構造は、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）」という名称の米国公開第２０１５／０２３６４１２号明細書に記載のものなどの同軸給電部を含む。
【0077】
図１０を参照すると、同軸ピン１６０１は、アンテナの下層の場を励起するのに使用される。１つの実施形態において、同軸ピン１００１は、容易に入手できる５０Ω同軸ピンである。同軸ピン１６０１は、導電性グランドプレーン１６０２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。
【0078】
内部導体である浸入型導体１００３は、導電性グランドプレーン１００２から切り離される。１つの実施形態において、導電性グランドプレーン１６０２及び浸入型導体１６０３は、互いに平行である。１つの実施形態において、グランドプレーン１６０２と浸入型導体１６０３との間の距離は、０．１インチから０．１５インチである。別の実施形態では、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。
【0079】
グランドプレーン１６０２は、スペーサ１６０４を介して浸入型導体１６０３から切り離される。１つの実施形態において、スペーサ１６０４は、発泡体又は空気状スペーサである。１つの実施形態において、スペーサ１６０４は、プラスチックスペーサを含む。
【0080】
誘電体層１６０５が、浸入型導体１６０３の上部に存在する。１つの実施形態において、誘電体層１６０５は、プラスチックである。誘電体層１６０５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つの実施形態において、誘電体層１６０５は、自由空間に対して３０％だけ進行波を減速させる。１つの実施形態において、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。例えばプラスチックなどの他の誘電体スペーサ材料が、この効果を達成するのに使用することができる。プラスチック以外の材料は、これらの材料が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、例えば機械加工すること又はリソグラフィによって規定す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、誘電体層１６０５として使用することができる。
【0081】
ＲＦアレイ１００６は、誘電体１６０５の上部に存在する。１つの実施形態において、浸入型導体１６０３とＲＦアレイ１６０６との間の距離は、０．１インチから０．１５インチである。別の実施形態では、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。
【0082】
アンテナは、側部１６０７及び１６０８を含む。側部１６０７及び１６０８は、同軸ピン１６０１から供給される進行波を、反射によって浸入型導体１６０３の下の領域（スペーサ層）から浸入型導体１６０３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つの実施形態において、側部１６０７及び１６０８の角度は、４５度の角度にある。代替実施形態では、側部１６０７及び１６０８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１０は、４５度の角度を有して角度付けした側部を示しているが、その他の角度は、下層給電部から上層給電部への信号伝達を達成して使用することができる。すなわち、下側給電部内の有効波長が、一般に、上側給電部内のものと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は、下側給電層から上側給電層への伝達を補助するのに使用することができる。例えば、別の実施形態では、４５度の角度は、単一の段部に置き換えられる。アンテナの一端上の段部は、誘電体層、浸入型導体、及びスペーサ層の周りに延びる。同様の２つの段部が、これらの層の他端に存在する。
【0083】
動作中、給電波が、同軸ピン１６０１から供給される場合には、この給電波は、グランドプレーン１６０２と浸入型導体１６０３との間の領域で同軸ピン１６０１から同心状外向きに進む。同心状外向き波は、側部１６０７及び１６０８で反射して、浸入型導体１６０３とＲＦアレイ１６０６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、この反射は、同相反射である）。進行波は、誘電体層１６０５によって減速する。この時点で、進行波は、ＲＦアレイ１６０６内の素子との相互作用及び励起を開始して、所望の散乱が得られる。
【0084】
進行波を終了させるための終端部１６０９が、アンテナの幾何学的中心でアンテナに含まれる。１つの実施形態において、終端部１６０９は、ピン終端（例えば、５０Ωピン）を備える。別の実施形態では、終端部１６０９は、未使用エネルギーを終端させて、アンテナの給電構造を通るこの未使用エネルギーが反射して戻るのを防止するＲＦ吸収体を備える。この終端部は、ＲＦアレイ１６０６の上部で使用することができる。
【0085】
図１１は、アンテナシステムの別の実施形態を外向き波と共に示している。図１１を参照すると、２つのグランドプレーン１６１０及び１６１１は、これらのグランドプレーンの間にある誘電体層１６１２（例えば、プラスチック層など）と互いに実質的に平行であり得る。ＲＦ吸収体１６１９（例えば、抵抗器）は、２つのグランドプレーン１６１０及び１６１１を一緒に結合する。同軸ピン１６１５（例えば、５０Ω）は、アンテナを給電する。ＲＦアレイ１６１６は、誘電体層１６１２及びグランドプレーン１６１０の上部に存在する。
【0086】
動作中、給電波は、同軸ピン１６１５を介して給電され、同心円状外向きに進んでＲＦアレイ１６１６の素子と相互作用する。
【0087】
図１０及び１１の両アンテナにおける円筒形給電は、アンテナのサービス角度を改善する。１つの実施形態において、アンテナシステムは、プラスマイナス４５度の方位角（±４５°Ａｚ）及びプラスマイナス２５度の仰角（±２５°Ｅｌ）からなるサービス角度の代わりに、ボアサイトから全方向に７５度（７５°）のサービス角度を有する。多数の個々の放射体から構成される何らかの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、それ自体が角度に依存するものである構成素子の利得に依存する。一般的な放射素子が使用される場合には、全体的なアンテナ利得は、通常、ビームがボアサイトから離れて向けられるにつれて減少する。ボアサイトから７５度外れたところでは、約６ｄＢの有意な利得低下が予期される。
【0088】
円筒状給電部を有するアンテナの実施形態は、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非常に簡単なものにし、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、偏波器を必要とせずに、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。
【0089】
波散乱素子のアレイ
図１０のＲＦアレイ１６０６及び図１１のＲＦアレイ１６１６は、放射体として作用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。
図１０のＲＦアレイ１６０６及び図１１のＲＦアレイ１６１６は、放射体として作用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。
【0090】
１つの実施形態において、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、この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。
【0091】
１つの実施形態において、液晶（ＬＣ）が、散乱素子の周りのギャップに注入される。液晶は、各単位セル内に封入され、スロットに関連する下部導体をそのパッチに関連する上部導体から分離する。液晶は、この液晶を含む分子の配向の関数である誘電率を有し、分子の配向（及びひいては誘電率）は、液晶両端間のバイアス電圧を調節することによって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へのエネルギー伝達のためのオン／オフスイッチとして作用する。スイッチオンになると、ＣＥＬＣは、電気的に小さなダイポールアンテナのような電磁波を放射する。
【0092】
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。別の実施形態では、液晶の厚さは、約１４ミリ秒（１４ｍｓ）というビームスイッチング速度をもたらす。１つの実施形態において、液晶は、７ミリ秒（７ｍｓ）の要件を満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周知の方法でドープされる。
【0093】
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た場合に、誘導波の磁場成分は、ＣＥＬＣの磁気励起を誘導し、その結果、誘導波と同じ周波数の電磁波が生成される。
【0094】
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のこの誘導波の位相と同じ位相を有する。
【0095】
１つの実施形態において、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。素子のこの位置は、この素子から生成される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を可能にする。１つの実施形態において、ＣＥＬＣは、アンテナの作動周波数の自由空間波長より短い素子間隔で配列される。例えば、１波長につき４つの散乱素子が存在する場合には、３０ＧＨｚ送信アンテナ内の素子は、約２．５ｍｍ（すなわち、３０ＧＨｚの１０ｍｍ自由空間波長の４分の１）となる。
【0096】
１つの実施形態において、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）導波路のように作用する。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。
【0097】
例示的なシステムの実施形態
１つの実施形態において、複合アンテナアパーチャは、セットトップボックスと連動して動作するテレビジョンシステムで使用される。例えば、二重受信アンテナの場合、アンテナにより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）に供給される。より具体的には、複合アンテナ動作は、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、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、テレビジョンシステムにより異なるチャネルが受信され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）からのチャネルを受信するため２つの異なるビーム位置に対して制御されて、複数のチャネルを同時に受信することができる。
１つの実施形態において、複合アンテナアパーチャは、セットトップボックスと連動して動作するテレビジョンシステムで使用される。例えば、二重受信アンテナの場合、アンテナにより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）に供給される。より具体的には、複合アンテナ動作は、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、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、テレビジョンシステムにより異なるチャネルが受信され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）からのチャネルを受信するため２つの異なるビーム位置に対して制御されて、複数のチャネルを同時に受信することができる。
【0098】
図１２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１つの実施形態のブロック図である。図１２を参照すると、アンテナ１２０１は、上述した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ように独立して動作可能な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。２つの空間的に交互配置されたアンテナ動作についてのみ説明しているが、ＴＶシステムは、２つよりも多いアンテナアパーチャ（例えば、３つ、４つ、５つなどのアンテナアパーチャ）を有することができる点に留意されたい。
【0099】
１つの実施形態において、アンテナ１２０１は、このアンテナの２つの交互配置されたスロット付きアレイを含み、ダイプレクサ１２６０に結合される。この結合は、２つのスロット付きアレイの素子から信号を受信して、ダイプレクサ１２６０に供給される２つの信号を生成する１又は２以上の給電ネットワークを含むことができる。１つの実施形態において、ダイプレクサ１２６０は、商用ダイプレクサ（例えば、Ａ１ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ社製のモデルＰＢ１０８１ＷＡ Ｋｕ帯域シトコムダイプレクサ）である。
【0100】
ダイプレクサ１２６０は、低ノイズブロックダウンコンバータ（ＬＮＢ）のペア１２２６及び１２２７に結合され、これらＬＮＢは、当技術分野において周知の方法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。１つの実施形態において、ＬＮＢ１２２６及び１２２７は、室外ユニット（ＯＤＵ）に存在する。別の実施形態では、ＬＮＢ１２２６及び１２２７は、アンテナ装置に組み込まれる。ＬＮＢ１２２６及び１２２７は、テレビジョン１２０３に結合されたセットトップボックス１２０２に結合される。
【0101】
セットトップボックス１２０２は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）のペア１２２１及び１２２２を含み、これらＡＤＣは、ＬＮＢ１２２６及び１２２７に結合されて、ダイプレクサ１２３０から出力された２つの信号をデジタル形式に変換する。
【0102】
デジタル形式に変換されると、信号は、復調器１２２３によって復調されてデコーダ１２２４によって復号されて、受信波上に符号化されたデータが得られる。次に、復号されたデータは、コントローラ１２２５に送られ、このコントローラが、このデータをテレビジョン１２０３に送る。
【0103】
コントローラ１２５０は、単一の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付きアレイ素子を含むアンテナ１２０１を制御する。
【0104】
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、全二重通信システムで使用される。図１３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つの送信経路及び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つよりも多い送信経路及び／又は１つよりも多い受信経路を含むことができる。
別の実施形態では、複合アンテナアパーチャは、全二重通信システムで使用される。図１３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つの送信経路及び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つよりも多い送信経路及び／又は１つよりも多い受信経路を含むことができる。
【0105】
図１３を参照すると、アンテナ１３０１は、上述のように異なる周波数で同時に送信及び受信するように独立して動作可能な２つの空間的に交互配置されたアンテナアレイを含む。１つの実施形態において、アンテナ１３０１は、ダイプレクサ１３４５に結合される。この結合は、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。１つの実施形態において、放射状給電アンテナの場合に、ダイプレクサ１３４５は、２つの信号を組み合わせるものであり、アンテナ１３０１とダイプレクサ１３４５の間の接続は、両方の周波数を搬送できる単一の広帯域給電ネットワークである。
【0106】
ダイプレクサ１３４５は、低ノイズブロックダウンコンバータ（ＬＮＢ）１３２７に結合され、このＬＮＢは、当技術分野において周知の方法でノイズフィルタリング機能、ダウンコンバート機能、及び増幅機能を実行する。１つの実施形態において、ＬＮＢ１３２７は、室外ユニット（ＯＤＵ）に存在する。別の実施形態では、ＬＮＢ１３２７は、アンテナ装置に組み込まれる。ＬＮＢ１３２７は、コンピューティングシステム１３４０（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１３６０に結合される。
【0107】
モデム１３６０は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１３２２を含み、このＡＤＣは、ＬＮＢ１３２７に結合されて、ダイプレクサ１３４５から出力された受信信号をデジタル形式に変換する。デジタル形式に変換されると、信号は、復調器１３２３によって復調されて、デコーダ１３２４によって復号されて、受信波上に符号化されたデータが得られる。次に、復号されたデータは、コントローラ１３２５に送られ、このコントローラが、このデータをコンピューティングシステム１３４０に送る。
【0108】
モデム１３６０は更に、コンピューティングシステム１３４０から送信されたデータを符号化するエンコーダ１３３０を含む。符号化されたデータは、変調器１３３１によって変調され、次に、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）１３３２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）１３３３によってフィルタリングされて、ダイプレクサ１３４５の１つのポートに供給される。１つの実施形態において、ＢＵＣ１３３３は、室外ユニット（ＯＤＵ）に存在する。
【0109】
当技術分野において周知の方法で動作するダイプレクサ１３４５は、送信される送信信号をアンテナ１３０１に供給する。
【0110】
コントローラ１３５０は、単一の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１３０１を制御する。
【0111】
通信システムは、上述した結合器／アービタを含むように変更される。このような場合には、結合器／アービタは、ＢＵＣ及びＬＮＢの前ではなくモデムの後に存在する。
【0112】
図１３に示されている全二重通信システムは、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（ソフトウェア更新を含む）などを含む幾つかの用途を有する。
【0113】
以上の詳細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的記述及び表現は、データ処理技術分野の当業者により、自らの作業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、所望の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。必須ではないが、通常、これらの量は、格納、転送、結合、比較、及びそれ以外の方法で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、文字、用語、又は数字などと言及することは、主として共通使用という理由で時に好都合であることが判明している。
【0114】
しかしながら、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、単にこれらの量に付与される有利なラベルであることに注意されたい。以下の説明から明らかなように、別途明記しない限り、説明全体を通して、「処理する」又は「算出する」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操作して、このデータを、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動作及び処理を指すことが認められる。
【0115】
本発明はまた、本明細書における動作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、或い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備えることができる。このようなコンピュータプログラムは、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任意タイプのディスク、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任意の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、これら各々は、コンピュータシステムバスに結合される。
【0116】
本明細書に提示したアルゴリズム及び表示は、何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が、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ステップ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な構造は、以下の説明から明らかであろう。これに加えて、本発明は、何れの特定のプログラミング言語に関連することなく説明されている。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。
【0117】
機械可読媒体は、機械（例えば、コンピュータ）によって可読の形式の情報を格納又は送信するための何らかの機構を含む。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、光学ストレージ媒体、フラッシュメモリデバイスなどを含む。
【0118】
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形態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、様々な実施形態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。
【符号の説明】
【0119】
１００ 薄膜トランジスタ
１０１ ソース／ドレイン金属
１０２ ゲート金属
１０３ ドレイン金属
１０４ 活性層
１０５ パッシベーション層
１１３ パッチ金属
１１４ パッシベーション層
１２１ アイリス基板
１２２ アイリス金属
１２３ アイリス開口部
１２４ パッチ基板
１５０ 液晶
２１０ 蓄積キャパシタ
２１１ 底部プレート
２１２ 中間プレート
２１３ 層間誘電体
１０１ ソース／ドレイン金属
１０２ ゲート金属
１０３ ドレイン金属
１０４ 活性層
１０５ パッシベーション層
１１３ パッチ金属
１１４ パッシベーション層
１２１ アイリス基板
１２２ アイリス金属
１２３ アイリス開口部
１２４ パッチ基板
１５０ 液晶
２１０ 蓄積キャパシタ
２１１ 底部プレート
２１２ 中間プレート
２１３ 層間誘電体
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】