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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】2024-07-05
(45)【発行日】2024-07-16
(54)【発明の名称】フラットパネルメタマテリアルアンテナのための複合積層体
(51)【国際特許分類】
H01Q 1/40 20060101AFI20240708BHJP
H01Q 1/42 20060101ALI20240708BHJP
H01Q 1/50 20060101ALI20240708BHJP
H01Q 1/38 20060101ALI20240708BHJP
【ＦＩ】
H01Q1/40
H01Q1/42
H01Q1/50
H01Q1/38
【請求項の数】
18
(21)【出願番号】P 2021505864
(86)(22)【出願日】2019-08-02
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-12-02
(86)【国際出願番号】 US2019044972
(87)【国際公開番号】W WO2020028851
(87)【国際公開日】2020-02-06
【審査請求日】2022-02-18
(31)【優先権主張番号】62/714,654
(32)【優先日】2018-08-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/529,560
(32)【優先日】2019-08-01
(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】
【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】オルファート スティーブン
(72)【発明者】
【氏名】レヴェスク デイヴィッド
(72)【発明者】
【氏名】レアード ブラッド
(72)【発明者】
【氏名】リン スティーヴン
(72)【発明者】
【氏名】アッシュ ベンジャミン
(72)【発明者】
【氏名】スティーヴンソン ライアン
(72)【発明者】
【氏名】ハープ ケン
(72)【発明者】
【氏名】トラビ ハミド
(72)【発明者】
【氏名】サゼガー モフセン
(72)【発明者】
【氏名】アイランダー クリス
(72)【発明者】
【氏名】スロタ マイク
(72)【発明者】
【氏名】モーリー ロバート
(72)【発明者】
【氏名】ターナー アンドリュー
(72)【発明者】
【氏名】ハワー ロバート トーマス
【審査官】白井 亮
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１８／０５２９９４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－１５２８４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－０２８４５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－０１５２３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０２－１６４１０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０４５７７３２４（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｑ １／４０
Ｈ０１Ｑ １／４２
Ｈ０１Ｑ １／５０
Ｈ０１Ｑ １／３８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
アンテナ組立体であって、前記アンテナ組立体は、上面及び下面を有するアンテナ素子層と、
前記アンテナ素子層の上面に接合され、無線周波数（ＲＦ）放射に対して少なくとも部分的に透過的である上側スタックを形成する１又は２以上の層の第１のセットであって、
前記上側スタックは、
１又は２以上のインピーダンス整合層と、
前記１又は２以上のインピーダンス整合層に接合された誘電体と、
前記誘電体がレドームと前記１又は２以上のインピーダンス整合層との間に存在するように、前記誘電体に接合された前記レドームと、を備える、
１又は２以上の層の第１のセットと、
前記アンテナ素子層の下面に接合された下側スタックを形成する１又は２以上の層の第２のセットと、
を備え、前記アンテナ素子層、前記上側スタック及び前記下側スタックは、共に接合されて複合スタックを形成する、
アンテナ組立体。
【請求項2】
前記レドームは、誘電体スキン及び低誘電層からなる多層複合材を備える、請求項１に記載のアンテナ組立体。
【請求項3】
前記上側スタック及び前記下側スタックは、接着剤を用いて前記アンテナ素子層に接合される、請求項１に記載のアンテナ組立体。
【請求項4】
前記上側スタックの層間、前記下側スタックの層間、又は前記アンテナ素子層と前記上側スタック及び前記下側スタックのうちの一方又は両方との間で、１又は２以上の孔を含む少なくとも１つの接着層を更に備える、請求項３に記載のアンテナ組立体。
【請求項5】
前記上側スタック及び前記下側スタックは、熱接合、熱溶接、分配エポキシ、音波溶接、又は化学結合を使用して前記アンテナ素子層に接合される、請求項１に記載のアンテナ組立体。
【請求項6】
前記アンテナ素子層は、可撓性材料を含む、請求項１に記載のアンテナ組立体。
【請求項7】
前記上側スタック内の前記１又は２以上の層の寸法及び材料特性、並びに前記下側スタック内の前記１又は２以上の層の寸法及び材料特性は、前記アンテナ素子層への応力を低減する、請求項１に記載のアンテナ組立体。
【請求項8】
前記下側スタックは、ＲＦ放射に対して少なくとも部分的に透過的な材料から作られた下側誘電体と、
ＲＦ放射に対して少なくとも部分的に透過的な材料から作られた上側誘電体と、
前記下側誘電体と前記上側誘電体との間に挟まれた導電層と、
導電層であって、前記下側誘電体が前記導電層と接触している前記下側誘電体の側面と反対側にある側面に形成された導電層と、
を備える、請求項１に記載のアンテナ組立体。
【請求項9】
前記下側スタックの外周部に沿って配置された、前記下側誘電体から前記上側誘電体にＲＦ放射を向けるための構造体を更に備える、請求項８に記載のアンテナ組立体。
【請求項10】
前記アンテナ組立体の中立軸は、前記アンテナ素子層と実質的に一致する、請求項１に記載のアンテナ組立体。
【請求項11】
アンテナであって、ハウジングと、
前記ハウジング内に配置されたアンテナ組立体と、
を備え、
前記アンテナ組立体は、
上面及び下面を有するアンテナ素子層と、
前記アンテナ素子層の上面に接合され、無線周波数（ＲＦ）放射に対して少なくとも部分的に透過的である上側スタックを形成する１又は２以上の層の第１のセットであって、前記上側スタックは、１又は２以上のインピーダンス整合層と、前記１又は２以上のインピーダンス整合層に接合された誘電体と、前記誘電体がレドームと前記１又は２以上のインピーダンス整合層との間に存在するように前記誘電体に接合された前記レドームと、を含む、１又は２以上の層の第１のセットと、
前記アンテナ素子層の下面に接合された下側スタックを形成する１又は２以上の層の第２のセットと、
を備え、前記アンテナ素子層、前記上側スタック及び前記下側スタックは、共に接合されて複合スタックを形成する、
アンテナ。
【請求項12】
前記上側スタック及び前記下側スタックは、接着剤を用いて前記アンテナ素子層に接合される、請求項１１に記載のアンテナ。
【請求項13】
前記上側スタックの層間、前記下側スタックの層間、又は前記アンテナ素子層と前記上側スタック及び前記下側スタックのうちの一方又は両方との間で、１又は２以上の孔を含む少なくとも１つの接着層を更に備える、請求項１２に記載のアンテナ。
【請求項14】
前記上側スタック及び前記下側スタックは、熱接合、熱溶接、分配エポキシ、音波溶接、又は化学結合を使用して前記アンテナ素子層に接合される、請求項１１に記載のアンテナ。
【請求項15】
前記アンテナ素子層は、可撓性材料を含む、請求項１１に記載のアンテナ。
【請求項16】
前記レドームは、誘電体スキン及び低誘電層からなる多層複合材を備える、請求項１１に記載のアンテナ。
【請求項17】
前記上側スタック内の前記１又は２以上の層の寸法及び材料特性、並びに前記下側スタック内の前記１又は２以上の層の寸法及び材料特性は、前記アンテナ素子層への応力を低減する、請求項１１に記載のアンテナ。
【請求項18】
前記下側スタックは、ＲＦ放射に対して少なくとも部分的に透過的な材料から作られた下側誘電体と、
ＲＦ放射に対して少なくとも部分的に透過的な材料から作られた上側誘電体と、
前記下側誘電体と前記上側誘電体との間に挟まれた導電層と、
導電層であって、前記下側誘電体が前記導電層と接触している前記下側誘電体の側面と反対側にある側面に形成された導電層と、
を備える、請求項１１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、「ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＳＴＡＣＫ－ＵＰ ＦＯＲ ＦＬＡＴ ＰＡＮＥＬ ＭＥＴＡＭＡＴＥＲＩＡＬ ＡＮＴＥＮＮＡ（フラットパネルメタマテリアルアンテナのための複合積層体）」と題する、２０１８年８月３日出願の対応の仮特許出願第６２／７１４，６５４号、及び「ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＳＴＡＣＫ－ＵＰ ＦＯＲ ＦＬＡＴ ＰＡＮＥＬ ＭＥＴＡＭＡＴＥＲＩＡＬ ＡＮＴＥＮＮＡ（フラットパネルメタマテリアルアンテナのための複合積層体）」と題する２０１９年８月１日出願の仮特許出願第１６／５２９，５６０号に対する優先権を主張し、これらは、引用により本明細書に組み込まれる。
本特許出願は、「ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＳＴＡＣＫ－ＵＰ ＦＯＲ ＦＬＡＴ ＰＡＮＥＬ ＭＥＴＡＭＡＴＥＲＩＡＬ ＡＮＴＥＮＮＡ（フラットパネルメタマテリアルアンテナのための複合積層体）」と題する、２０１８年８月３日出願の対応の仮特許出願第６２／７１４，６５４号、及び「ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＳＴＡＣＫ－ＵＰ ＦＯＲ ＦＬＡＴ ＰＡＮＥＬ ＭＥＴＡＭＡＴＥＲＩＡＬ ＡＮＴＥＮＮＡ（フラットパネルメタマテリアルアンテナのための複合積層体）」と題する２０１９年８月１日出願の仮特許出願第１６／５２９，５６０号に対する優先権を主張し、これらは、引用により本明細書に組み込まれる。
【0002】
開示される実施形態は、一般に、アンテナに関し、具体的には、限定ではないが、複合積層体を含むフラットパネルメタマテリアルアンテナに関する。
【背景技術】
【0003】
積層体は、プリント回路基板（ＰＣＢ）の製造においてしばらくの間使用されてきた用語である。このような積層体は、多くの場合、基板レイアウトの前にＰＣＢを構成する金属層及び絶縁層の配置を有する。金属層は、典型的には銅である。ＰＣＢ積層体の背後にある目的は、複数のＰＣＢ基板層を使用することにより、より多くの回路を単一の回路基板に取り付けることを可能にすることである。積層体は、ＰＣＢ製造においてこのような特定の目的を有しているので、積層体は、衛星アンテナの製造など、他のタイプの製品の製造には使用されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】米国特許出願第１４／５５０，１７８号明細書
【文献】米国特許出願第１４／６１０，５０２号明細書
【文献】米国特許公開第２０１５／０２３６４１２号明細書
【発明の概要】
【0005】
アンテナのための複合積層体が記載される。１つの実施形態において、アンテナは、フラットパネルメタマテリアルアンテナである。１つの実施形態において、アンテナ組立体(antenna assembly)は、上面(upper side)及び下面(lower side)を有するアンテナ素子層(antenna element layer)と、該アンテナ素子層の上面に接合され(bonded)、無線周波数（ＲＦ）放射に対して少なくとも部分的に透過的である上側スタックを形成する１又は２以上の層の第１のセットと、アンテナ素子層の下面に接合された下側スタックを形成する１又は２以上の層の第２のセットとを備え、アンテナ素子層、上側スタック及び下側スタックは、共に接合されて複合スタック(composite stack)を形成する。
【0006】
本発明の非限定的で非網羅的な実施形態について、以下の図を参照しながら説明するが、特に明記しない限り、様々な図全体を通して同様の参照符号は同様の要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1A】フラットパネルメタマテリアルアンテナの１つの実施形態の平面図である。
【図2A】フラットパネルメタマテリアルアンテナの１つの実施形態の分解断面図である。
【図2B】フラットパネルメタマテリアルアンテナの１つの実施形態の組み立てられた断面図である。
【図3A】フラットパネルメタマテリアルアンテナ内のアンテナ素子層の１つの実施形態の平面図である。
【図3B】フラットパネルメタマテリアルアンテナ内のアンテナ素子層の１つの実施形態の平面図である。
【図3C】フラットパネルメタマテリアルアンテナ内のアンテナ素子層の１つの実施形態の平面図である。
【図4】フラットパネルメタマテリアルアンテナの上側スタックの１つの実施形態の分解断面図である。
【図5A】フラットパネルメタマテリアルアンテナの下側スタックの１つの実施形態の分解図断面図である。
【図5B】フラットパネルメタマテリアルアンテナの下側スタックの１つの実施形態の組み立てられた断面図である。
【図6A】フラットパネルメタマテリアルアンテナの下側スタックの１つの実施形態の分解図断面図である。
【図6B】フラットパネルメタマテリアルアンテナの下側スタックの１つの実施形態の組み立てられた断面図である。
【図7A】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(cylindrically fed holographic radial aperture antenna)の１つの実施形態の概略図を示す。
【図7B】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8A】同調可能共振器／スロットの１つの実施形態を示す図である。
【図8B】物理的アンテナアパーチャ(physical antenna aperture)の１つの実施形態の断面図を示す。
【図9A】スロット付きアレイを形成する様々な層の１つの実施形態を示す図である。
【図9B】スロット付きアレイを形成する様々な層の１つの実施形態を示す図である。
【図9C】スロット付きアレイを形成する様々な層の１つの実施形態を示す図である。
【図9D】スロット付きアレイを形成する様々な層の１つの実施形態を示す図である。
【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である。
【図12】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である。
【図13】ＴＦＴパッケージの１つの実施形態を示す図である。
【図14】同時送信及び受信経路を有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15】平面上部下部負荷統合誘電体の１つの実施形態を示す図である。
【図16】吸収体の周りの平面ラップの１つの実施形態を示す図である。
【図17】ＡＭＣ表面によって実現される薄い抵抗シートの１つの実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
図１Ａ及び１Ｂは共に、フラットパネルメタマテリアルアンテナ１００の１つの実施形態を示している。フラットパネルアンテナ１００は、ハウジング１０２内に配置された(positioned)アンテナ組立体１０４を含む。例示の実施形態では、ハウジング１０２及びひいてはフラットパネルアンテナ１００は八角形であるが、他の実施形態では、ハウジング１０２及びアンテナ１００は、図示のものとは異なる形状を有することができる。１つの実施形態では、アンテナ組立体１０４は、ハウジング１０２内に配置され、アンテナ組立体１０４の周囲縁部に係合することができるベゼル１０６によってハウジング１０２内部に固定される。フラットパネルアンテナ１００用の送信機ハードウェア、受信機ハードウェア、又は制御電子ハードウェアなどの追加のハードウェア１０８は、ハウジング１０２の後部に配置することができる。
【0009】
図２Ａ及び２Ｂは共に、アンテナ組立体１０４の実施形態を示しており、図２Ａは、分解図であり、図２Ｂは、組み立て図である。以下の説明では、「上側」及び「下側」という用語は、図に示されているように、上側スタック、アンテナ素子層、及び下側スタックの相対的位置を説明するのに使用されており、アンテナ１００の何れかの特定の向きを限定又は規定するものではない。アンテナ組立体１０４は、アンテナ素子層２０２を含み、個々のアンテナ素子のアレイがアンテナ素子層上又はその中に形成されている（例えば、補遺Ａを参照）。１又は２以上の材料層を有する上側スタック２０６は、アンテナ素子層２０２の一方の側に結合される。同様に１又は２以上の材料層を有する下側スタック２０４は、アンテナ素子層２０２の他方の側に結合される。
【0010】
本明細書で使用される「結合される」という用語は、介在する層又はスタックの有無にかかわらず、互いに取り付けられることを意味する（例えば、「層Ｘが層Ｙに結合される」という表現は、層Ｘと層Ｙとの間の追加の層の有無にかかわらず、層Ｘが層Ｙに取り付けられることを意味する）。取り付けは、接着剤（例えば、感圧接着剤（ＰＳＡ）など）、ファスナ、クランプ、又は、限定ではないが、接合(bonding)（例えば、熱接合、熱溶接、分配エポキシ(dispense epoxies)、音波溶接(sonic welding)、化学結合、接着など）などの何らかの他の方法によって行うことができる。例示の実施形態では、上側スタック２０６及び下側スタック２０４は、エポキシ、感圧接着剤、接着シート、又は別の既知の接着剤などの接着剤を使用してアンテナ素子層２０２に結合することができる。
【0011】
図２Ｂは、組み立てられたアンテナ組立体１０４の１つの実施形態を示している。１つの実施形態では、結果として得られるアンテナ組立体は、幅ｂ及び高さｈの実質的に矩形の断面を有し、以下の関係、すなわち、
によって規定される断面慣性モーメントＩを有する断面がもたらされ、ここで、図に示されるように、ｂは組立体の幅、ｈは組立体の高さである。これは、他の実施形態では必須ではなく、その一部でもない。上側スタック２０６、下側スタック２０４、又はその両方がアンテナ素子層２０２に接着されている場合、上側スタック及び下側スタック内部の個々の材料層の材料特性及び厚さは、組み立てが完了したときに、組立体の中立軸（ＮＡ）が実質的にアンテナ素子層２０２内に位置するように選択することができる。実質的にアンテナ素子層２０２内に中立軸を位置付けることにより、アンテナ素子層２０２（典型的には、組立体内で最も脆く且つ高価な層）への応力は、アンテナが負荷を受けたときに最小になる。他の実施形態では、組立体の中立軸は、アンテナ素子層に位置する必要はないが、代わりに、下側スタック２０４又は上側スタック２０６に位置することができる。様々な実施形態では、上側スタック２０６及び下側スタック２０４内の材料層の他の材料特性はまた、アンテナ素子層２０２への負荷を低減し、場合によっては、この負荷を最小にするように選択することもできる。例えば、上側スタック及び下側スタック内部の材料の熱膨張係（ＣＴＥ）は、組立体１０４の熱膨張がアンテナを歪ませることもなく、アンテナ素子層２０２に負荷を加えることもないように、調整することができる。
【数1】
【0012】
給電ピン２０８は、組立体１０４の下側誘電体に挿入することができる。給電ピン２０８は、無線周波数（ＲＦ）放射を下側誘電体に注入し、及び／又は下側誘電体からＲＦ放射を受け取る。ＲＦ放射は、限定ではないが、Ｋａ及びＫｕ波長帯域を含む任意の周波数又は波長のものとすることができる。
【0013】
図３Ａから図３Ｃは、アンテナ素子層２０２の実施形態を示している。例示の実施形態では、アンテナ素子層２０２は、八角形の平面図形状を有するが、他の実施形態では、このアンテナ素子層は、他の形状を有することができる。アンテナ素子層２０２は、個々のアンテナ素子のアレイ３０２を含む。例示の実施形態では、アレイ３０２は、実質的に円形であるが、他の実施形態では、アレイは、円形である必要はなく、他の形状をとることができる。アンテナ素子層２０２及びアレイ３０２の構造の実施形態は、補遺Ａ及びＢにおいて以下に示されている（例えば、図１３及び補遺Ａにおける関連する説明を参照）。
【0014】
図３Ａでは、アンテナ素子層２０２は、単一要素として形成されている。しかしながら、他の実施形態では、アンテナ素子層２０２は、複数のセグメントから形成することができる。図３Ｂに示されるように、１つの実施形態では、アンテナ素子層２０２は、アンテナ素子層を実質的に二等分する継ぎ目に沿って結合された２つの要素から構成することができる。図３Ｃに示されるように、更に別の実施形態では、アンテナ素子層２０２は、一対の継ぎ目に沿って結合された４つの要素から構成することができる。他の実施形態では、アンテナ素子層２０２は、図示のものと異なる数のセグメントから作製することができる。アンテナ素子層２０２の実施形態は、薄く（ＬＤＣ製造で使用される標準的な厚さを使用してミリメートルのオーダー、例えば、０．１ｍｍから５ｍｍの間）、ある程度脆いが、複数のセグメントを用いた実施形態では、継ぎ目は、アンテナ素子層の中央に壊れやすい領域を形成する。結果として、アンテナ素子層２０２の全ての実施形態は、図２Ａ及び図２Ｂに示されている構造によって提供される構造的支持から利益を受けるが、複数のセグメントを用いた実施形態は、この構造から追加の恩恵を得る。
【0015】
１つの実施形態では、アンテナ素子層は、バラクタダイオードが取り付けられた（例えば、フリップチップ、表面実装など）可撓性基板材料である。１つの実施形態では、材料は、ポリイミド、ＰＥＴフィルム、又はＰＥＮフィルムを含む。このような場合には、素子層は可撓性である。１つの実施形態では、可撓性アンテナ素子層は、誘電体スタックの残りの部分と共に積層される。
【0016】
１つの実施形態では、外型／内型が形成され、ここで外型は、炭素が充填されて吸収材料として作用する。１つの実施形態では、複合構造は、１つの平面構造として共に成形される。これは、下部誘電体及び上部誘電体の両方に対して行うことができる。１つの実施例が図１５に示される。図１５を参照すると、平面上部及び下部負荷統合誘電体１９００が示されており、内型１９０３が、例えば、プラスチックから作製され、外型１９０２が、例えば、炭素とプラスチックとの混合物から作製される。
【0017】
１つの実施形態では、放射線吸収材料が、給電スタックの周りに巻き付けられて、これに接着される。この材料は、例えば、限定ではないが、発泡体、ゴム、シリコーンなどの幾つかの異なるタイプの材料とすることができる。１つの実施形態では、吸収体を含む給電スタックは、ほぼ平面である。吸収体の周りの平面ラップ（２０００）の一例が、図１６に示されている。
【0018】
１つの実施形態では、薄い導電性シートが、方向性結合器プリント回路基板（ＰＣＢ）の近くの誘電体の縁部に配置される。１つの実施形態では、ＰＣＢは、高インピーダンス表面（ＡＭＣ）を実装し、薄い損失性シートを通って強制的に電流を流すようにする。１つの実施形態では、この手法の帯域幅は、ＰＣＢの厚さに依存する。１つの実施形態では、このスタックは、抵抗シートとして作用する薄い炭素充填ファブリックに対してほぼ平面である。
【0019】
図１７は、ＡＭＣ構造２１００によって実現される薄い抵抗シートの１つの実施形態を示している。薄い抵抗シート２１０１などの例示的な薄い抵抗シートが、誘電体２１０６とＡＭＣ２１０５との間に示されているが、誘電体２１０６と回路基板２１０４との間には示されていない。
【0020】
図４は、上側スタック２０６の１つの実施形態を示している。幾つかの実施形態では、上側スタック２０６の平面図形状は、アンテナ素子層２０２の形状と一致し、すなわち、アンテナ素子層２０２が八角形である場合に、上側スタックも八角形である。しかしながら、他の実施形態では、上側スタック２０６は、アンテナ素子層２０２と同じ平面図形状を有する必要はない。アンテナ素子層２０２が複数のセグメントを含む場合の幾つかの実施形態（図３Ｂ及び３Ｃを参照）では、上側スタック２０６は、それに対応してセグメント化されないが、他の実施形態では、上側スタック２０６は、セグメント化することができ、セグメント化は、アンテナ素子層のセグメント化と一致する場合がり、又は一致しない場合もある。
【0021】
例示の実施形態では、上側スタック２０６は、レドーム４０２を含むが、上側スタック２０６の他の実施形態は、レドーム４０２を完全に省略すること、又はこのレドームを誘電体層に置き換えることができ、このような実施形態では、アンテナは、レドームに接合されるのではなく、環境エンクロージャ内部に取り付けられることになる。とりわけ、レドーム４０２は、存在する場合、天候面環境保護を他のスタックに提供すること、又はガラス層に支持体を提供することができる。１つの実施形態では、レドームは単層スキン(single-layer skin)である。１つの実施形態では、レドームの輪郭は平坦である。他の実施形態では、レドームは、水分の放出を支援するように湾曲又はドーム形にすることができる。
【0022】
レドーム４０２は一般に、存在する場合、アパーチャから自由空間に移動するときに波動インピーダンスに一致するように設計された誘電材料のスタックを含む。１つの実施形態では、レドーム４０２は、誘電体スキン(dielectric skins)及び低誘電層(low-dielectric layers)の多層スタックを含む。例示の実施形態では、レドーム４０２は、複数の層、すなわち、３つの層４０６ａ、４０６ｂ、４０６ｃを含み、これらの層の間に２つの誘電体層４０４が挟まれて、合計５つの層になる。
【0023】
他の実施形態では、レドームは代替構成を有する。他のレドーム構成は、限定ではないが、１）単一の固体誘電体層からなる固体半波壁と、２）低誘電層が２つの高誘電率層により取り囲まれた３層サンドイッチ構造（一般に、Ａサンドイッチ設計と呼ばれる）と、３）高誘電層が低誘電率層により取り囲まれた３層サンドイッチ構造（一般に、Ｂサンドイッチ設計と呼ばれる）と、４）５又は６以上の誘電体層からなる多層設計と、を含む。全ての場合において、レドームの設計は、所望のＲＦ応答を得るように層の誘電率及び厚さの選択を具現化する。
【0024】
１つの実施形態では、層４０６ａ、４０６ｂ、及び４０６ｃは、水の侵入に対してレドーム及びアンテナをシールし、レドーム及びアンテナに耐衝撃性を与えるように不浸透性材料から作製されているが、他の実施形態では、層４０６のうちの１又は２以上は、不浸透性材料である必要はない。誘電材料の層４０６の間には、別の誘電体層４０４が挟まれており、すなわち、誘電体層４０４ａは、層４０６ａと４０６ｂの間に挟まれ、一方、誘電体層４０４ｂは、層４０６ｂと４０６ｃの間に挟まれている。誘電体層４０４は、均一な厚さ又は可変の厚さを有するが、必ずしも共通のタイプのものである必要はない。１つの実施形態では、レドーム４０２で使用される全ての材料は、アンテナが動作するＲＦ周波数及び波長に対して実質的に透過的である。
【0025】
レドーム誘電体層で使用される材料は、限定ではないが、発泡体、熱可塑性プラスチック、及び熱硬化性プラスチックを含む。発泡体の種類は、例えば、ポリエチレン、ポリウレタン、ポリイソシアヌレート、ポリ塩化ビニル、ポリエーテルイミド、及び１立方フィートあたり１ポンドから２０ポンドの範囲の密度のシンタクチックフォームを含む。熱可塑性材料は、例えば、テフロン（登録商標）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリエーテルイミド、ポリ塩化ビニル、及びポリカーボネートを含む。熱硬化性材料は、例えば、エポキシ、ポリエステル、ポリブタジエン、シアン酸エステル、ポリイミド、及びビスマレイミドを含む。材料は、機械的特性を改善するように、例えば、ガラス繊維又は石英繊維などの繊維強化材と組み合わせることができる。
【0026】
１つの実施形態では、スペーサ誘電体４０８は、実質的に均一な厚さの誘電体層であり、広角インピーダンス整合（ＷＡＩＭ）層として知られることもあるインピーダンス整合層４１０からレドーム４０２を切り離すのに使用される。レドーム４０２は、スペーサ誘電体４０８の一方の側に接着することができ、次に、レドーム４０２及びスペーサ誘電体４０８を含む組立体は、インピーダンス整合層４１０に接着することができる。１つの実施形態では、レドーム４０２は、接着剤を使用してスペーサ誘電体４０８に接合され、スペーサ誘電体４０８はまた、ＲＦ放射に対して実質的に透過的である接着剤を使用してインピーダンス整合層４１０に接合される。１つの実施形態では、接着剤は、エポキシとすることができるが、他の実施形態では、接着剤は、例えば、感圧接着剤、熱可塑性接着剤、又は接着シートなどの代替の他の形態の接着剤などの代替の接着剤タイプとすることができる。１つの実施形態では、接着層又は接着シートは、接着剤からのＲＦ損失を低減し、場合によっては、このＲＦ損失を最小にするための孔を有する。１つの実施形態では、接着剤のパターンは、オフセット印刷、スクリーン印刷、ディスペンシング、又は幾つかの同等の方法などによる接着剤堆積プロセスで形成される。追加的に、１つの実施形態では、ＰＳＡなどの接着剤のパターンは、剥離ライナー上に形成されて、この剥離ライナーから給電構造に移される。代替的に、パターンは、マスクによって形成され、接着剤は、このマスクを通して塗布することができる。１つの実施形態では、パターンは、接着剤の同心リングを含む。別の実施形態では、パターンは、接着剤の点を含む。別の実施形態では、接着剤は、均一なパターンではないが、より多くの接着が必要とされる場合のより大きい領域と、可能性のあるＲＦ損失が最小である場合のより大きい領域と、可能性のあるＲＦ損失がより大きい場合のより小さい領域とをカバーする。
【0027】
図５Ａ及び５Ｂは、共に、組立体１０４において下側スタック２０４として使用できる下側スタック５００の１つの実施形態を示している。図５Ａは分解図であり、図５Ｂは組み立て図である。幾つかの実施形態では、下側スタック５００の平面図形状は、アンテナ素子層２０２の形状と一致し、すなわち、アンテナ素子層２０２が八角形である場合に、下側スタックも八角形である。しかしながら、他の実施形態では、下側スタック５００は、アンテナ素子層２０２と同じ平面図形状を有する必要はない。アンテナ素子層２０２が複数のセグメントを含む場合の幾つかの実施形態（図３Ｂ及び３Ｃを参照）では、下側スタック５００は、それに対応してセグメント化されないが、他の実施形態では、下側スタック５００は、セグメント化でき、セグメント化は、アンテナ素子層のセグメント化と一致する場合があり、又は一致しない場合もある。
【0028】
下側スタック２０４は、上側誘電体５０２と下側誘電体５０６との間に挟まれた導電層５０４を含む。様々な実施形態において、上側誘電体５０２及び下側誘電体５０６は、空気、低密度発泡体、高密度発泡体、固体誘電材料、又はこれらの組み合わせとすることができる。上側誘電体５０２及び下側誘電体５０６は、例えば、前述の又は他の公知の接着剤の何れかを使用して、導電層５０４に接合することができる。導電層５０８は、導電層５０４に接合されている側面と反対側の下側誘電体５０６の側面に追加される。給電ピン５１０が、メタライゼーション層５０８を通って下側誘電体５０６に挿入される。給電ピン５１０は、ＲＦ放射を下側誘電体５０６に注入するのに使用される。導波路５１０（図５Ａには図示せず）は、アンテナ組立体の外周部の周りに配置される。給電ピン５１０は、ＲＦ放射を下側誘電体に注入し、導波路５１０は、この放射を下側誘電体から上側誘電体５０２に配向する。幾つかの実施形態では、結合器５１０は、下側スタック５００の一部分であるが、他の実施形態では、結合器５１０は、例えば、この結合器をハウジング１０２（図１Ｂを参照）内に置くことによって、下側スタックから切り離して設けることができる。
【0029】
１つの実施形態では、下側誘電体５０６は、ＲＦ放射に対して実質的に透過的なより低い誘電率材料とすることができ、上側誘電体５０２は、結合器５１０から上側誘電体５０２に入るＲＦ放射の伝播を制御するのに使用されるより高い誘電率材料から作製することができる。１つの実施形態では、導電層５０４は、金属とすることができるが、他の実施形態では、この導電層は、何らかの非金属導体とすることができ、何れにしても、１つの実施形態では、導電層５０４は、ＲＦ放射に対して透過的でなく、これを反射する必要がある。導電層５０８は、同様にＲＦ放射を反射するので、導電層５０４及び導電層５０８は、共に、放射が下側誘電体５０６の上部又は下部を通って出ることを許可するのではなく、ＲＦ放射が下側誘電体を通って伝播するのを保つ。
【0030】
図６Ａ及び６Ｂは共に、アンテナ組立体１０４において下側スタック２０４として使用できる下側スタック６００の代替の実施形態を示しており、図６Ａは分解図であり、図６Ｂは組み立て図である。幾つかの実施形態では、下側スタック６００の平面図形状は、アンテナ素子層２０２の形状と一致し、すなわち、アンテナ素子層２０２が八角形である場合に、下側スタックも八角形である。しかしながら、他の実施形態では、下側スタック６００は、アンテナ素子層２０２と同じ平面図形状を有する必要はない。アンテナ素子層２０２が複数のセグメントを含む場合の幾つかの実施形態（図３Ｂ及び３Ｃを参照）では、下側スタック６００は、それに対応してセグメント化されないが、他の実施形態では、下側スタック６００は、セグメント化でき、セグメント化は、アンテナ素子層のセグメント化と一致する場合があり、又は一致しない場合もある。
【0031】
下側スタック６００では、パターン形成された導電層６０２が、誘電体６０４の一方の側に形成され、下側スタックから上側スタックへのエネルギー伝達の速度を制御する。１つの実施形態では、パターン形成された導電層６０２は、誘電体６０４の一方の側に形成された同心導電性リング６０２のセットを含む層である。導電層６０６は、層６０２の反対側の誘電体６０４の側面に形成される。終端部６１０は、導波路６０４の外周部の周りに配置されて、ＲＦ放射を吸収し、ＲＦ放射が下側誘電体６０４の外周部から出るのを防止し、１つの実施形態では、終端部６１０は、誘電体６０４の外周部の周りに配置された終端リングを含むことができる。給電ピン６０８は、導電層６０６を通って下側誘電体６０４に挿入され、ＲＦ放射をこの誘電体に注入する。ピン６０８から誘電体に注入された場合に、ＲＦ放射は、給電ピン６０８から離れて終端部６１０に向かって半径方向に伝播する。ＲＦ放射が伝播するときに、ＲＦ放射の大部分は、パターン形成された導電層層６０２内の空間を通って出射し、すなわち、ＲＦ放射の大部分は、結合特徴部を通って上側スタックに伝わる。リング構造６０２内のリングを通って出射しないＲＦ放射は、いかなるものも、外周部の周りの終端部６１０によって吸収される。１つの実施形態では、下側誘電体６０４は、給電ピン６０８によって注入されたＲＦ放射のＲＦ周波数又は波長に対して実質的に透過的である誘電体から作製され、言い換えると、この下側誘電体は、アンテナが動作するＲＦ周波数に対して透過的である。
【0032】
１つの実施形態では、パターン形成された導電層４１０、５０４、及び６０２は、上述したように、様々な方法を使用して実現される。１つの実施形態では、パターン形成された導電層は、複合基板に積層された固体銅層からなり、パターンは、サブトラクティブ（例えば、エッチングなど）方法を使用して実現される。別の実施形態では、導電性パターンは、付加的方法（例えば、シルクスクリーン、インクジェット印刷など）を使用して、複合基板又は熱可塑性フィルム（例えば、ポリエステル、カプトンなど）に施される。
【0033】
同様に、導電層５０８及び６０６は、様々な製造手法を使用して実装することができる。手法には、無電解めっき、シルクスクリーン、又は誘電体層（例えば、５０６又は６１０）への導電性シートの接合が挙げられる。１つの実施形態では、導電層５０８及び６０６は、固体金属層（例えば、アルミニウム、スチール、銅など）である。
【0034】
上側スタック構成要素と下側スタック構成要素との接合は、様々な方法を用いて行うことができる。可能性のある接合方法は、１）感圧接着剤及び熱活性化フィルム接着剤、２）熱硬化性接着剤、及び３）熱可塑性材料の熱融着を含む。熱融着は、追加の接着層を必要としないという利点を有する。可能性のある製造方法は、真空成形、室温及び高温での真空バッグ硬化、オートクレーブ硬化、樹脂射出成形、及び圧縮成形を含む。
【0035】
アンテナ実施形態の実施例
上述した技法は、フラットパネルアンテナと共に使用することができる。このようなフラットパネルアンテナの実施形態が開示される。フラットパネルアンテナは、アンテナアパーチャ(antenna aperture)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、フラットパネルアンテナは、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、フラットパネルアンテナと共に使用することができる。このようなフラットパネルアンテナの実施形態が開示される。フラットパネルアンテナは、アンテナアパーチャ(antenna aperture)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、フラットパネルアンテナは、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。
【0036】
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。
【0037】
アンテナシステムの実施例
１つの実施形態において、フラットパネルアンテナは、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）で使用することもできる点に留意されたい。
１つの実施形態において、フラットパネルアンテナは、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）で使用することもできる点に留意されたい。
【0038】
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、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。
【0039】
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。
【0040】
アンテナ素子
図７Ａ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７Ｂ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６０２の周りに同心リング状に配置されたアンテナ素子６０３の１又は２以上のアレイ６０１を有する。１つの実施形態において、アンテナ素子６０３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６０３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Ｒｘアイリス及びＴｘアイリス、又はスロットは、各セットが別々に且つ同時に制御される帯域のためのものである場合の３又は４以上のセットからなるグループ内にあるとすることができる。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できる点に留意されたい。
図７Ａ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７Ｂ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６０２の周りに同心リング状に配置されたアンテナ素子６０３の１又は２以上のアレイ６０１を有する。１つの実施形態において、アンテナ素子６０３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６０３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Ｒｘアイリス及びＴｘアイリス、又はスロットは、各セットが別々に且つ同時に制御される帯域のためのものである場合の３又は４以上のセットからなるグループ内にあるとすることができる。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できる点に留意されたい。
【0041】
１つの実施形態において、アンテナは、入力給電部６０２を介して円筒波給電を供給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。
【0042】
１つの実施形態において、アンテナ素子６０３は、アイリスを備え、図７Ｂ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って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。
【0043】
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は、インダクタンス・キャパシタンスを指す。
【0044】
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配置される。このＬＣは、上述の直接駆動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、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。１つの実施形態において、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／オフスイッチを統合する。スイッチオンになると、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。本明細書での教示は、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。
【0045】
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。
【0046】
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場合に、分離が達成できる点に留意されたい。
【0047】
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、これを超える電圧の増加が液晶で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、液晶混合物が異なると変化する場合がある。
【0048】
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。
【0049】
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（本明細書で説明するものなどの表面散乱アンテナ素子）の下方にあり、その一方、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アレイ全体にわたって散在している。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、各散乱素子への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、この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。
【0050】
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軸磁力計など）を組み込むこともできる。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ない場合がある。
【0051】
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、及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。
【0052】
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、それによって、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。
【0053】
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配置された場合に、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。
【0054】
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が生成でき、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。
【0055】
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た場合に、平面的で比較的薄型である「面」アンテナとみなされる。
【0056】
図７Ｂ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１２１０のアレイは、アンテナを所望の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。
【0057】
制御モジュール又はコントローラ１２８０は、再構成可能共振器層１２３０に結合されて、図８Ａ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。
【0058】
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（幾つかの実施形態では、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）との間での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。言い換えると、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。
【0059】
図８Ａ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。
【0060】
図８Ｂ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８Ｂのアンテナアパーチャは、図８Ａ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(openings)によって規定される。図８Ａ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。
【0061】
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。
【0062】
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８Ｂ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。
【0063】
パッチ層１２３１はまた、放射パッチ１２１１として金属を含むＰＣＢとすることもできる。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との間の寸法を規定する機械的離隔部（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、３ｍｍから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８Ｂのアンテナアパーチャは、図８Ａのパッチ１２１１、液晶１２１３、及びアイリス１２１２を含む、同調可能共振器／スロット１２１０などの複数の同調可能共振器／スロットを備える。液晶１２１３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によって規定される。チャンバが液晶で満たされた場合に、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。
【0064】
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）と間のギャップ内の液晶を同調させることができる。液晶１２１３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、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、このキャパシタンスを変化させることにより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値的である（完全に放射するか又は全く放射しない）が、スロット１２１０のリアクタンス及び従ってこのスロットの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が精密に制御されて、同調可能スロットのアレイが、精緻なホログラフィック回折パターンを形成できるようになる。
【数2】
【0065】
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、他の間隔が可能である（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。
【0066】
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号明細書に記載されているものなどの再構成可能メタマテリアル技術を使用する。
【0067】
図９Ａから９Ｄ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１Ａに示されている例示的なリングのようにリング状に配置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。
【0068】
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。
【0069】
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）」という名称の米国特許公開第２０１５／０２３６４１２号明細書に記載のものなどの同軸給電部を含む。
【0070】
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１６０１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。
【0071】
内部導体である浸入型導体１６０３は、導電性グランドプレーン１６０２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。
【0072】
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。
【0073】
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。
【0074】
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。
【0075】
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。代替の実施形態では、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逸脱は、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。
【0076】
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。
【0077】
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、この未使用エネルギーがアンテナの給電構造体を通って反射して戻ることを防止する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。
【0078】
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を共に結合する。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。
【0079】
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。
【0080】
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。
【0081】
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体を非常に簡単なものにし、従って、全体で必要な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。
【0082】
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備える。
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備える。
【0083】
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。
【0084】
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、電気的に小さいダイポールアンテナのような電磁波を放射する。
【0085】
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。
【0086】
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。
【0087】
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。
【0088】
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°）の角度で配置することを可能にする。この素子位置は、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。
【0089】
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。
【0090】
セル配置
１つの実施形態において、アンテナ素子は、系統的マトリクス駆動回路が可能となるように、円筒状給電アンテナアパーチャ上に配置される。セルの配置は、マトリクス駆動のためのトランジスタの配置を含む。図１２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１２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及び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及び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、その一方、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。
１つの実施形態において、アンテナ素子は、系統的マトリクス駆動回路が可能となるように、円筒状給電アンテナアパーチャ上に配置される。セルの配置は、マトリクス駆動のためのトランジスタの配置を含む。図１２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１２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及び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及び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、その一方、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。
【0091】
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のステップにおいて、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のステップにおいて、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。
【0092】
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規定される。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、次に、アンテナのＲＦ性能が高まる。
【0093】
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のステップで規定さ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。
【0094】
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１３は、ＴＦＴパッケージの１つの実施形態を示している。図１３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。行及び列を使用してＴＦＴを共に接続するために、トレース１８０１に接続された２つの入力ポート及びトレース１８０２に接続された２つの出力ポートが存在する。１つの実施形態において、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にする。１つの実施形態では、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。
【0095】
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１４は、同時送信及び受信経路を有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。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つより多い送信経路及び／又は１つより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１４は、同時送信及び受信経路を有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。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つより多い送信経路及び／又は１つより多い受信経路を含むことができる。
【0096】
図１４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１４０１は、ダイプレクサ１４４５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できる単一の広帯域給電ネットワークである。
【0097】
ダイプレクサ１４４５は、低ノイズブロックダウンコンバータ（ＬＮＢ）１４２７に結合され、このＬＮＢは、当技術分野において公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、ＬＮＢ１４２７は、室外ユニット（ＯＤＵ）に存在する。別の実施形態では、ＬＮＢ１４２７は、アンテナ装置に組み込まれる。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。
【0098】
モデム１４６０は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１４２２を含み、このＡＤＣは、ＬＮＢ１４２７に結合されて、ダイプレクサ１４４５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１４２３によって復調されて、デコーダ１４２４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１４２５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１４４０に送る。
【0099】
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エンコーダ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て、ダイプレクサ１４４５の１つのポートに供給される。１つの実施形態において、ＢＵＣ１４３３は、室外ユニット（ＯＤＵ）に存在する。
【0100】
当技術分野において公知の方法で動作するダイプレクサ１４４５は、送信される送信信号をアンテナ１４０１に供給する。
【0101】
コントローラ１４５０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１４０１を制御する。
【0102】
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。
【0103】
図１４に示されている全二重通信システムは、限定ではないが、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。
【0104】
本明細書で説明する幾つかの例示的な実施形態が存在する。
【0105】
実施例１は、上面及び下面を有するアンテナ素子層と、このアンテナ素子層の上面に接合され、無線周波数（ＲＦ）放射に対して少なくとも部分的に透過的である上側スタックを形成する１又は２以上の層の第１のセットと、アンテナ素子層の下面に接合された下側スタックを形成する１又は２以上の層の第２のセットとを備えるアンテナ組立体であり、アンテナ素子層、上側スタック及び下側スタックは、共に接合されて複合スタックを形成する。
【0106】
実施例２は、上側スタックが、１又は２以上のインピーダンス整合層と、これら１又は２以上のインピーダンス整合層に接合された誘電体とを備えることを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナ組立体である。
【0107】
実施例３は、上側スタックが更に、誘電体がレドームと１又は２以上のインピーダンス整合層との間に存在するように、誘電体に接合されたレドームを備えることを任意選択的に含むことができる実施例２のアンテナ組立体である。
【0108】
実施例４は、レドーム層(radome layer)が、誘電体スキン及び低誘電層からなる多層複合材(multi-layer composite)を備えることを任意選択的に含むことができる実施例３のアンテナ組立体である。
【0109】
実施例５は、上側スタック及び下側スタックが、接着剤を用いてアンテナ素子層に接合されることを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナ組立体である。
【0110】
実施例６は、上側スタックの層間、下側スタックの層間、又はアンテナ素子層と、上側スタック及び下側スタックのうちの一方又は両方との間で、１又は２以上の孔を含む少なくとも１つの接着層を更に備えることを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナ組立体である。
【0111】
実施例７は、上側スタック及び下側スタックが、熱接合、熱溶接、分配エポキシ、音波溶接、又は化学結合を使用してアンテナ素子層に接合されることを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナ組立体である。
【0112】
実施例８は、含まれる１又は２以上の平面上部及び下部負荷統合誘電体を更に備え、複合構造が、１つの平面構造として共に成形されることを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナ組立体である。
【0113】
実施例９は、アンテナ素子層が可撓性材料を含むことを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナ組立体である。
【0114】
実施例１０は、上側スタック内の１又は２以上の層の寸法及び材料特性、並びに下側スタック内の１又は２以上の層の寸法及び材料特性が、アンテナ素子層への応力を低減することを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナ組立体である。
【0115】
実施例１１は、下側スタックが、ＲＦ放射に対して少なくとも部分的に透過的な材料から作られた下側誘電体と、ＲＦ放射に対して少なくとも部分的に透過的な材料から作られた上側誘電体と、下側誘電体と上側誘電体との間に挟まれた導電層と、下側誘電体が導電層と接触している下側誘電体の側面と反対側にある側面に形成された導電層とを備えることを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナ組立体である。
【0116】
実施例１２は、下側スタックの外周部に沿って配置された、下側誘電体から上側誘電体にＲＦ放射を向ける(direct)ための構造体を備えることを任意選択的に含むことができる実施例１１のアンテナ組立体である。
【0117】
実施例１３は、アンテナ組立体の中立軸が、アンテナ素子層と実質的に一致することを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナ組立体である。
【0118】
実施例１４は、ハウジングと、このハウジング内に配置されたアンテナ組立体とを備えるアンテナであり、アンテナ組立体は、上面及び下面を有するアンテナ素子層と、このアンテナ素子層の上面に接合され、無線周波数（ＲＦ）放射に対して少なくとも部分的に透過的である上側スタックを形成する１又は２以上の層の第１のセットであって、上記上側スタックが、１又は２以上のインピーダンス整合層、及びこれら１又は２以上のインピーダンス整合層に接合された誘電体とを含む、１又は２以上の層の第１のセットと、アンテナ素子層の下面に接合された下側スタックを形成する１又は２以上の層の第２のセットと、を備え、アンテナ素子層、上側スタック及び下側スタックは、共に接合されて複合スタックを形成する。
【0119】
実施例１５は、上側スタック及び下側スタックが、接着剤を用いてアンテナ素子層に接合されることを任意選択的に含むことができる実施例１４のアンテナである。
【0120】
実施例１６は、上側スタックの層間、下側スタックの層間、又はアンテナ素子層と、上側スタック及び下側スタックのうちの一方又は両方との間で、１又は２以上の孔を含む少なくとも１つの接着層を任意選択的に含むことができる実施例１５のアンテナである。
【0121】
実施例１７は、上側スタック及び下側スタックが、熱接合、熱溶接、分配エポキシ、音波溶接、又は化学結合を使用してアンテナ素子層に接合されることを任意選択的に含むことができる実施例１４のアンテナである。
【0122】
実施例１８は、含まれる１又は２以上の平面上部及び下部負荷統合誘電体を備え、複合構造が、１つの平面構造として共に成形されることを任意選択的に含むことができる実施例１４のアンテナである。
【0123】
実施例１９は、アンテナ素子層が可撓性材料を含むことを任意選択的に含むことができる実施例１４のアンテナである。
【0124】
実施例２０は、上側スタックが更に、誘電体がレドームと１又は２以上のインピーダンス整合層との間に存在するように誘電体に接合されたレドームを備えることを任意選択的に含むことができる実施例１４のアンテナである。
【0125】
実施例２１は、レドーム層が、誘電体スキン及び低誘電層からなる多層複合材を備えることを任意選択的に含むことができる実施例２０のアンテナである。
【0126】
実施例２２は、上側スタック内の１又は２以上の層の寸法及び材料特性、並びに下側スタック内の１又は２以上の層の寸法及び材料特性が、アンテナ素子層への応力を低減することを任意選択的に含むことができる実施例１４のアンテナである。
【0127】
実施例２３は、下側スタックが、ＲＦ放射に対して少なくとも部分的に透過的な材料から作られた下側誘電体と、ＲＦ放射に対して少なくとも部分的に透過的な材料から作られた上側誘電体と、下側誘電体と上側誘電体との間に挟まれた導電層と、この下側誘電体がこの導電層と接触している側面と反対側の下側誘電体の側面に形成された導電層とを備えることを任意選択的に含むことができる実施例１４のアンテナである。
【0128】
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、本明細書では一般的に、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場合によっては好都合であることが判明している。
【0129】
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好都合なラベルである点に留意されたい。以下の説明から明らかなように、特に明記しない限り、明細書全体を通して、「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」又は同様のもののような用語を利用した説明は、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このような情報格納、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理解される。
【0130】
本発明はまた、本明細書での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、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などの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。
【0131】
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好都合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、何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。
【0132】
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で情報を格納又は送信するための何れかの機構を含む。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。
【0133】
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。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】