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特表2022-526029非円形センターフィードアンテナ及びこのアンテナを用いる方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-05-20
(54)【発明の名称】非円形センターフィードアンテナ及びこのアンテナを用いる方法
(51)【国際特許分類】
H01Q 13/20 20060101AFI20220513BHJP
H01P 5/08 20060101ALI20220513BHJP
H01Q 19/06 20060101ALI20220513BHJP
H01Q 21/06 20060101ALI20220513BHJP
H01Q 13/08 20060101ALI20220513BHJP
H01Q 15/14 20060101ALI20220513BHJP
H01Q 13/10 20060101ALI20220513BHJP
【ＦＩ】
H01Q13/20
H01P5/08 Z
H01Q19/06
H01Q21/06
H01Q13/08
H01Q15/14
H01Q13/10
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021560054
(86)(22)【出願日】2020-04-10
(85)【翻訳文提出日】2021-12-10
(86)【国際出願番号】 US2020027718
(87)【国際公開番号】W WO2020210664
(87)【国際公開日】2020-10-15
(31)【優先権主張番号】62/833,508
(32)【優先日】2019-04-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/844,955
(32)【優先日】2020-04-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【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】100196612
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 慎也
(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
【テーマコード（参考）】
5J020
5J021
5J045
【Ｆターム（参考）】
5J020BB01
5J020BC12
5J020BC13
5J020BD03
5J021AA05
5J021AA09
5J021AB05
5J021AB06
5J021CA02
5J021DB03
5J021DB05
5J021GA02
5J045DA06
5J045DA10
5J045FA02
5J045FA07
5J045HA01
5J045LA03
(57)【要約】
非円形センターフィードアンテナ及びこのアンテナを使用する方法が開示される。１つの実施形態において、アンテナは、無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子を有する非円形アンテナアパーチャと、アンテナアパーチャ内の中心位置のアパーチャにＲＦフィード波を供給してフィード波が中心位置から外向きにアパーチャのエッジに伝播するのを可能にする非放射状対称方向性カプラとを備える。
【選択図】図１Ａ
【選択図】図１Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子を有する非円形アンテナアパーチャと、前記アンテナアパーチャ内の中心位置でアパーチャにＲＦフィード波を供給して前記フィード波が前記中心位置から外向きに前記アパーチャのエッジに伝播するのを可能にする非放射状対称方向性カプラと、
を備える、アンテナ。
【請求項2】
前記方向性カプラは、異なるカップリングを備えた前記アンテナアパーチャの個別のセクションを有するように構成される、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項3】
前記方向性カプラは、前記アンテナアパーチャ内の半径方向長さに基づいて異なるカップリングを有するように構成される、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項4】
前記方向性カプラは、異なる速度で異なる放射状経路に沿ってパワーを放射させるように構成される、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項5】
前記アンテナアパーチャはメタサーフェスを含み、前記ＲＦ放射アンテナ素子は表面散乱メタマテリアルアンテナ素子である、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項6】
均一なアパーチャ照射が、前記アパーチャのエッジの反射なしに維持される、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項7】
前記アンテナアパーチャは、矩形、六角形、八角形、又は他の非放射状対称形状を有する、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項8】
前記アンテナアパーチャは、ホログラフィックメタサーフェスアンテナアパーチャを含む、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項9】
前記ＲＦ放射アンテナ素子は、前記中心位置に対して放射状に位置する、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項10】
前記ＲＦ放射アンテナ素子は、前記中心位置に対してリング若しくはスパイラル又はその一部上に配置される、請求項９に記載のアンテナ。
【請求項11】
スペースをタイリングする複数の非円形サブアパーチャを有するアンテナアパーチャであって、前記複数のサブアパーチャの瞬時帯域幅が、前記スペースをカバーする単一アパーチャの瞬時帯域幅より大きい、アンテナアパーチャと、前記各サブアパーチャアンテナアパーチャ内の中心位置で前記複数のサブアパーチャの各々にＲＦフィード波を供給して前記フィード波が前記中心位置から外向きに前記アパーチャのエッジに伝播するのを可能にする複数の非放射状対称方向性カプラと、
を備える、アンテナ。
【請求項12】
前記アンテナアパーチャはメタサーフェスを含み、前記ＲＦ放射アンテナ素子は表面散乱メタマテリアルアンテナ素子である、請求項１１に記載のアンテナ。
【請求項13】
均一なアパーチャ照射が、前記アパーチャのエッジの反射なしに維持される、請求項１１に記載のアンテナ。
【請求項14】
前記アンテナアパーチャは、矩形、六角形、八角形、又は他の非放射状対称形状を有する、請求項１１に記載のアンテナ。
【請求項15】
前記アンテナアパーチャは、ホログラフィックメタサーフェスアンテナアパーチャを含む、請求項１１に記載のアンテナ。
【請求項16】
前記アンテナアパーチャは、前記中心位置に対して放射状に位置する前記ＲＦ放射アンテナ素子を含む、請求項１１に記載のアンテナ。
【請求項17】
前記ＲＦ放射アンテナ素子は、前記中心位置に対してリング若しくはスパイラル又はその一部上に配置される、請求項１６に記載のアンテナ。
【請求項18】
前記アパーチャは、スロット及びパッチをパッチ／スロットペアで含む複数の基板を含み、前記複数の基板の１又は２以上は、前記複数のサブアパーチャの２又は３以上のサブアパーチャの一部である、請求項１１に記載のアンテナ。
【請求項19】
前記複数の基板の各々はガラス層を含む、請求項１８に記載のアンテナ。
【請求項20】
表面散乱メタマテリアルアンテナ素子を含む無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子を有するメタサーフェスを含む非円形アンテナアパーチャと、前記アンテナアパーチャ内の中心位置でアパーチャにＲＦフィード波を供給して前記フィード波が前記中心位置から外向きに前記アパーチャのエッジに伝播するのを可能にする非放射状対称方向性カプラであって、前記方向性カプラは、異なるカップリングを備えた前記アンテナアパーチャの個別のセクションを有するように構成される、非放射状対称方向性カプラと、
を備えるアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（優先権）
本出願は、引用により全体が本明細書に組み込まれる、名称「非円形センターフィードアンテナ及び同アンテナを用いる方法（Ｎｏｎ－Ｃｉｒｃｕｌａｒ Ｃｅｎｔｅｒ－ｆｅｄ Ａｎｔｅｎｎａ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ）」の２０１９年４月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／８３３，５０８号及び２０２０年４月９日に出願された米国特許出願第１６／８４４，９５５号の継続出願であり、これらの利益を主張するものである。
本出願は、引用により全体が本明細書に組み込まれる、名称「非円形センターフィードアンテナ及び同アンテナを用いる方法（Ｎｏｎ－Ｃｉｒｃｕｌａｒ Ｃｅｎｔｅｒ－ｆｅｄ Ａｎｔｅｎｎａ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ）」の２０１９年４月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／８３３，５０８号及び２０２０年４月９日に出願された米国特許出願第１６／８４４，９５５号の継続出願であり、これらの利益を主張するものである。
【0002】
（技術分野）
本発明の実施形態は、アンテナの分野に関し、より詳細には、本発明の実施形態は、非円形センターフィードアンテナに関する。
本発明の実施形態は、アンテナの分野に関し、より詳細には、本発明の実施形態は、非円形センターフィードアンテナに関する。
【背景技術】
【0003】
一部の既存のアンテナ設計は、フィード波(feed wave)がアンテナアパーチャのエッジからアパーチャの中心に反射される放射導波路モードによる。これらのアンテナは、エッジフィード型アーキテクチャを有する。電波は、平坦なアパーチャ分布を実現する良好な状態を生じるために、中心に向かって進むように反射される。
【0004】
２つの従来技術の論文、Ａｎｄｏ他の「１２ＧＨｚＤＢＳ衛星受信のためのラジアルラインスロットアンテナ（Ｒａｄｉａｌ ｌｉｎｅ ｓｌｏｔ ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ １２ ＧＨｚ ＤＢＳ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ）」及びＹｕａｎ他の「高出力マイクロ波応用のための新規のラジアルラインスロットアンテナの設計及び実験（Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ ａ Ｎｏｖｅｌ Ｒａｄｉａｌ Ｌｉｎｅ ｓｌｏｔ ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ－Ｐｏｗｅｒ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」では、様々なアンテナが検討されている。これら両方の論文に記載されたアンテナの制限は、ビームが１つの静止角度だけで形成されることである。論文に記載されたフィード構造は、折り畳み式の二重層であり、第１層がピンフィードを受け入れて、電磁波をエッジに向けて外向きに誘導し、上部層まで電磁波を上に曲げ、次いで、上部層は、周縁から中心に電磁波を誘導し、その途中で固定スロットを励起する。スロットは、典型的には、直交するペアの状態で配向され、送信モードで固定円偏波を与え、受信モードで対向する偏波を与える。最終的に、どのようなパワーが残っていても吸収体が終端処理する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】米国特許出願第１４／５５０，１７８号明細書
【特許文献2】米国特許出願第１４，６１０，５０２号明細書
【特許文献3】米国公開第２０１５／０２３６４１２号明細書
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】Ａｎｄｏ他の「１２ＧＨｚＤＢＳ衛星受信のためのラジアルラインスロットアンテナ（Ｒａｄｉａｌ ｌｉｎｅ ｓｌｏｔ ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ １２ ＧＨｚ ＤＢＳ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ）」
【非特許文献2】Ｙｕａｎ他の「高出力マイクロ波応用のための新規のラジアルラインスロットアンテナの設計及び実験（Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ ａ Ｎｏｖｅｌ Ｒａｄｉａｌ Ｌｉｎｅ ｓｌｏｔ ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ－Ｐｏｗｅｒ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
エッジフィードアンテナのモードは、放射対称であるので、反射構造は、放射対称であり、これによりアパーチャ形状が円形に固定される。しかしながら、円形アンテナの使用を要求することにより、アンテナのサイズが制限され、利用可能なスペースが円形の形状にされない（例えば矩形の形状）場合には、利用可能なスペースの有効な部分が利用されない可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
非円形センターフィードアンテナ及びこれを用いる方法が開示される。１つの実施形態において、アンテナは、無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子(radio-frequency (RF) radiating antenna elements)を有する非円形アンテナアパーチャ(non-circular antenna aperture)と、アンテナアパーチャ内の中心位置にてアパーチャにＲＦフィード波を供給して、フィード波が中心位置からアパーチャのエッジに外向きに伝播するのを可能にする非放射状対称方向性カプラ(non-radially symmetric directional coupler)とを含む。
【0009】
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】
【0010】
【図1A】非円形アンテナアパーチャの表面利用を最大化する例を示す図である。
【図1B】非円形アンテナアパーチャの表面利用を最大化する例を示す図である。
【図1C】非円形アンテナアパーチャの表面利用を最大化する例を示す図である。
【図2A】カプラを設計する複数の方法を示す図である。
【図2B】カプラを設計する複数の方法を示す図である。
【図3】矩形アパーチャにおけるアンテナ素子の配置の例を示す図である。
【図4A】例示的なアパーチャ及び例示的なアパーチャに関するシミュレーション結果を示す図である。
【図4B】例示的なアパーチャ及び例示的なアパーチャに関するシミュレーション結果を示す図である。
【図4C】例示的なアパーチャ及び例示的なアパーチャに関するシミュレーション結果を示す図である。
【図4D】例示的なアパーチャ及び例示的なアパーチャに関するシミュレーション結果を示す図である。
【図4E】例示的なアパーチャ及び例示的なアパーチャに関するシミュレーション結果を示す図である。
【図4F】例示的なアパーチャ及び例示的なアパーチャに関するシミュレーション結果を示す図である。
【図4G】例示的なアパーチャ及び例示的なアパーチャに関するシミュレーション結果を示す図である。
【図4H】例示的なアパーチャ及び例示的なアパーチャに関するシミュレーション結果を示す図である。
【図4I】例示的なアパーチャ及び例示的なアパーチャに関するシミュレーション結果を示す図である。
【図5】異なるサイズのスロットを有する例示的な方向性カプラの一部を示す図である。
【図6A】アンテナアパーチャのレガシー設計フローを示す図である。
【図6B】非円形アパーチャ及びタイリングアーキテクチャの設計フローの１つの実施形態を示す図である。
【図6C】アパーチャを設計するプロセスの１つの実施形態のフロー図である。
【図7A】円筒状フィード型ホログラフィック放射状アパーチャアンテナの１つの実施形態を示す概略図である。
【図7B】グランドプレーン及び再構成可能共振層を含むアンテナ素子の１つの行を示す斜視図である。
【図8A】波長可変共振器／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の１つの実施形態を示す断面図である。
【図9A】スロット付きアレイを作成する様々な層の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作成する様々な層の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作成する様々な層の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作成する様々な層の１つの実施形態を示す図である。
【図10】円筒状フィード型アンテナ構造の１つの実施形態を示す側面図である。
【図11】外向き波を有するアンテナシステムの別の実施形態を示す図である。
【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つの実施形態を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下の説明では、本発明のより完全な説明を提供するために多数の詳細事項が記載されている。しかしながら、本発明は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。他の事例では、本発明を曖昧にしないために、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式で示されている。
【0012】
（概要(Overview)）
非円形センターフィードアンテナ及びこれを作成及び使用する方法が開示される。１つの実施形態において、非円形センターフィードアンテナは、非円形形状を有するホログラフィックアンテナを含む。１つの実施形態において、ホログラフィックアンテナは、ホログラフィックメタサーフェスアンテナを含む。ホログラフィックメタサーフェスアンテナは、表面散乱メタマテリアルアンテナ素子を有することができる。このようなアンテナ素子の例を以下に詳細に記載する。本明細書で開示される本発明及び技術は、本明細書で開示されるアンテナ素子及び／又はアパーチャの使用に限定されず、多くの異なるアンテナアーキテクチャ及び実施構成に適用可能である点に留意されたい。
非円形センターフィードアンテナ及びこれを作成及び使用する方法が開示される。１つの実施形態において、非円形センターフィードアンテナは、非円形形状を有するホログラフィックアンテナを含む。１つの実施形態において、ホログラフィックアンテナは、ホログラフィックメタサーフェスアンテナを含む。ホログラフィックメタサーフェスアンテナは、表面散乱メタマテリアルアンテナ素子を有することができる。このようなアンテナ素子の例を以下に詳細に記載する。本明細書で開示される本発明及び技術は、本明細書で開示されるアンテナ素子及び／又はアパーチャの使用に限定されず、多くの異なるアンテナアーキテクチャ及び実施構成に適用可能である点に留意されたい。
【0013】
通信衛星地上局のため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、民間商用衛星通信の特定の周波数（例えば、Ｋａ帯域、Ｋｕ帯域、その他）を用い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）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。この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ではない地上局（例えば、固定又は可搬型地上局）で用いることができる。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用いて別々のアンテナを介して送信及び受信ビームを形成及びステアリングする。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利用してビームを電気的に形成及びステアリングするアンテナシステム（位相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、３つの機能的サブシステム、すなわち、（１）波動フィードアーキテクチャからなる波動伝播構造、（２）波動散乱メタマテリアルアンテナ素子のアレイ（例えば、ユニットセル）、及び（３）ホログラフィック原理を用いたメタマテリアル散乱素子からの調節可能放射場（ビーム）の形成を命令する制御構造を含む。
【0014】
本明細書に記載される非円形センターフィードアンテナの実施形態では、下部導波路から上部導波路への方向性カプラのカップリングパワーが、中心からアパーチャのエッジに向かって外向きにアパーチャにフィードされる。対照的に、エッジフィードアンテナの場合、導波路の形状が伝播波の位相を決定するので、フィード構造は円形形状である必要がある。従来技術は、円形アパーチャをフィードする放射対称方向性カプラを用いて、アパーチャ全体にわたり均一な照射を維持する。本明細書で開示される本発明の実施形態は、均一なアパーチャ照射(aperture illumination)を維持しながら、非円形形状（例えば、矩形形状、正方形形状、六角形形状、八角形形状、三角形形状、楕円形形状、その他）を有するアパーチャのフィーディングを可能にする非放射状対称方向性カプラの使用を含む。アンテナアパーチャがセンターフィード型アーキテクチャを用いたときに、波は反射されず、従って形状がもはや円形である必要はない。更にまた、非円形形状の更なる利点を取り入れる方向性カプラ結合係数を空間的に修正することによって、放射対称ではない方式でパワーを形状因子に変換することができる。矩形形状は、必要な場合には完全に平坦なアパーチャ分布をもたらすことができるが、許容されるパワーとアパーチャ効率の間の基本的トレードオフが存在する。
【0015】
非円形アンテナの使用は、異なる応用では異なる形状因子を有するので有利であり、アパーチャサイズが形状因子に一致することができる場合には、これにより、アンテナ利得及び指向性が増大することによってアンテナ性能が向上する。対照的に、円形アンテナの使用は、利用可能なスペースを満たさず、アンテナ利得の低下につながる。従って、本発明の実施形態は、アンテナの利用可能なスペースが非円形である場合に有用であり、且つ利用可能なスペースを満たしより良好な性能を有するアンテナを結果としてもたらすことができる。
【0016】
これらの技術はまた、サブアーキテクチャからの様々なスーパーアーキテクチャの作成を可能にする。本明細書において、これはタイリング(tiling)と呼ばれる。タイリング機能により、より多くの設計の自由度を可能にし、新しいアンテナ機能を広げ、既存の主要性能インジケータ（ＫＰＩ）を強化する。１つの実施形態において、アンテナアパーチャは、アンテナアパーチャの利用可能なスペースをタイリングする、又は円形のエッジフィードアンテナがカバーするよりも一層多くの利用可能なスペースをタイリングする複数のサブアパーチャを含む。本発明の実施形態は、表面利用に影響を及ぼすことなく、又はセグメント間に大きなギャップを生成することなく、複数の別個のアパーチャを有するアンテナアパーチャをタイリングすることを可能にする。１つの実施形態において、この概念を介して可能となるタイリング手法は、導波路における最大経路長を低減する方法を提供し、瞬時帯域幅(instantaneous bandwidth)の増大をもたらす点に留意されたい。
【0017】
図１Ａ－１Ｃは、１又は複数の矩形アンテナアパーチャを用いて矩形エンベロープの表面利用を増大させる、及び潜在的に最大化するアンテナアパーチャの例を示す。
【0018】
図１Ａを参照すると、エンベロープ１００は、充填された１つの円形アパーチャ１０１である。矩形エンベロープ１００は、１つの準矩形のセンターフィードアンテナアパーチャ１０２によって充填され、アンテナ利得を増加及び潜在的に最大化することができる。更にまた、矩形エンベロープ１００は、２つの準矩形センターフィードアンテナサブアパーチャ１０３及び１０４によって充填され、同様にアンテナ利得を最大化するこができる。１つの実施形態において、アンテナサブアパーチャ１０３及び１０４は、２つの異なるフィードを用いたフィード波でフィードされる。従って、矩形エンベロープ１００をアンテナアパーチャでより完全に充填することによって、アンテナ利得を改善することができる。
【0019】
図１Ｂは、表面利用が正方形エンベロープに対するものであることを除いては、類似の表面利用を示している。図１Ｂを参照すると、エンベロープ１１０は、単一の円形センターフィード型アパーチャ１１１によって充填されている。エンベロープ１１０は、単一の非円形センターフィード型アパーチャ１１２などの単一の矩形アパーチャで充填することができ、又は４つのサブアパーチャ（タイリング）１１３Ａ－１１３Ｄなどの複数の非円形センターフィード型アパーチャによって充填することができる。１つの実施形態において、アンテナアパーチャ１１３Ａ－１１３Ｄは、４つの異なるフィードを用いた別個のフィード波によって個々にフィードされる。
【0020】
図１Ｃは、エンベロープ１２０における４つの矩形の非円形センターフィード型サブアパーチャ（タイリング）１２１－１２４を示す。アパーチャ１２１－１２４は別個の四分円からフィードされる（１又は２以上の衛星からの信号を受信するよう動作するときに各々に対して別個のフィード）。１つの実施形態において、各々の別のサブアパーチャが個々に信号を送信する。他の実施形態では、サブアパーチャ受信（Ｒｘ）ビームがサブアパーチャの中心からフィードされ、同時に１つの送信（Ｔｘ）ビームがフィードグローバル中心の中心からフィードされる。これは、Ｔｘ要素がアパーチャ全体にわたって交互配置される場合にＲｘサブ要素配置方式によって達成することができる。
【0021】
エンベロープを充填する複数のサブアパーチャを有する場合、１つの実施形態において、サブアパーチャの１つのフィード波が何れかの隣接するサブアパーチャとの間に干渉を起こさないようにサブアパーチャ間にフィード波終端の吸収体又は他の形態が存在する点に留意されたい。別の実施形態では、フィード波のパワーレベルは、パワーレベルが隣接するサブアパーチャに干渉しないようになるまでサブアパーチャの中心から伝播するときに消失するように選択されるので、このような吸収体又はフィード波終端は必要ではない。
【0022】
更にまた、１つの実施形態において、サブアパーチャが受信信号に用いられるとき、受信信号は、当該技術分野で公知である方式で導波路を用いて結合されたＲＦであり、これによってチャネルの全てが互いに結合され、１つのＲＦチェーンにフィードされる（例えば、ダイプレクサ、モデムなど）。別の実施形態では、各サブアパーチャのＲＦチェーンが存在し、受信信号全てが中間周波数（ＩＦ）に変換され、次に信号が当該技術分野で公知の方式でＩＦにて組み合わされる。
【0023】
カプラ設計の１つの目標は、アンテナアパーチャの中心からアパーチャのエッジまでの各軸の負荷パワーを低減及び潜在的に最小化することである。図２Ａ及び２Ｂは、カプラが異なる軸に対して異なるカップリングプロファイルを有する矩形形状アパーチャのカプラを設計する２つの異なる方法を示す。
【0024】
図２Ａを参照すると、０°、４５°及び９０°の異なる長さを有する３つの軸がある。各軸にかかる低負荷損失を達成するために、各軸に対する異なるカプラプロファイルが必要である。軸間のセクションは、何れもウェッジセクションに離散化するか又は角度及び経路長に応じて補間することができる。
【0025】
より具体的には、図２Ａでは、四分円／セクションをカップリング(coupling)が異なるウェッジに分割することによって、非円形アパーチャの各四分円又はセクションに対し異なるカプラが設計される。図２Ａでは、右上の四分円に４つのウェッジがある。ウェッジの各々は、カプラ設計が決定されている異なる半径方向直線に関連付けられる。カプラ設計は最初に、放射の所定の数を識別することから始まり、各半径に対してカプラ設計が作成される。半径のこの所定のセットは、アパーチャのセクションにおける最短半径と最長半径とを含むことができる。カプラ設計が決定されていないこれらの他の半径方向直線に対して、使用されるカップリングは、半径方向直線長及び所定のセットの半径のどれがこの長さに最も近いかに基づいている。この決定に基づいて、所定のセットからの半径の最も近い当該半径（長さ）のカプラ設計に適用されるフィードの地理的部分が、当該半径に用いられる。１つの実施形態において、プロセスは続いて、所定の半径のカプラ設計のどれがアパーチャの当該セクションにおける半径方向直線の各々に適用されるかという決定に進む。このようにして、カップリング速度(coupling rate)は、半径方向対称がないことに起因して、センターフィードからの異なる半径方向直線で変わる。
【0026】
例えば、１つの実施形態において、センターフィードからアパーチャのエッジまでの最長経路に対して、フィード波が当該経路に沿って移動距離を移動するときに、センターフィードとアパーチャのエッジの間の最短経路に沿って進むよりも長さ当たりに少ないカップリングが生じるようにカプラが設計される。これは、適正なアパーチャ分布及び負荷パワーを維持するために行われる。１つの実施形態において、各経路に沿ったパワー伝送は、パワーが異なる経路に沿って高速で放射されるようになる。従って、カプラは、カップリングが異なる経路に沿って異なるように設計される。１つの実施形態において、カップリングは、カプラが短い経路に比べて長い経路で抑制される（又は長い経路に比べて短い経路で抑制されない）ようにされる。
【0027】
図２Ｂを参照すると、カプラ設計は、カプラ設計が既に決定されているエリア間のアークを用いることによって四分円の他のセクションに所定のカプラ設計を適用する円形補間を用いる。用いられる離散化は、プリント回路基板などの標準的製造技術に関連付けられる実際の耐性制限によって場合によっては選択することができる。
【0028】
１つの実施形態において、アンテナ素子の配置は、アパーチャ又はサブアパーチャの形状によって限定されない。例えば、アンテナ素子が、例えば限定ではないが、矩形アパーチャの一部になるユニットセルなどの無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子であるとき、アンテナ素子は、リング、スパイラル、矩形グリッド又は何れかの他のグリッドに配置することができる。図３は、矩形アパーチャ（すなわち、矩形エンベロープ）におけるリング上への素子のリングベース配置の１つの実施形態の例を示す。図３を参照すると、矩形エンベロープ３０２を有するアンテナアパーチャの中心の周りに放射対称である幾つかの配置リング３０１が示されている。アパーチャの中心に近いリングは完全なリングであるが、同時に矩形エンベロープ３０２のエッジのアパーチャの境界に交差するリングは、部分的なリングに過ぎない点に留意されたい。
【0029】
矩形アパーチャは、センターフィード型矩形アパーチャの概念を検証するために高周波数構造シミュレータ（ＨＦＳＳ）における全波シミュレーションを構築するためのケーススタディとして用いられた。１つの目標は、非円形アパーチャのトレードスペースを実演した分析モデリング方法を作成することであった。１４インチ×２５インチのサイズは、分析モデリングフレームワークを比較及び検証するためのＨＦＳＳ全波シミュレーションを作成するために用いられた。
【0030】
図４Ａは矩形形状アンテナアパーチャの例を示す。図４Ａを参照すると、アンテナアパーチャ４０１は１４インチ×２５インチの形状因子を有する。アパーチャ４０１の中心からの最小寸法は７インチであり、同時にアパーチャ４０１の中心からの最大寸法は１３．９インチである。７と１３．９インチの間の距離は、約０．４インチずつ離散化された。合計で１０の異なるカプラ設計が作成された。この設計の目標は、アンテナへの高パワー転送を達成することであった。各放射状経路（例えば、経路１－４）に沿った高パワー転送を維持するために、パワーは異なるアパーチャ分配プロファイルを結果として生じる異なる経路に沿って高速で放射される。パワー転送を犠牲にしたアパーチャ分布平坦性を目標にした代替の設計を実現できる点に留意されたい。
【0031】
図４Ｂは、最大パワー転送設計の短い波長がこれらの領域で高放射を結果として生じることを示す。これは更に、図４Ｃに示したヒートマップ画像に示されている。矩形アパーチャ４０１のアレイテーパ効率がこの例では比較的高い～０．３５ｄＢである点に留意されたい。
【0032】
カプラの表面全体の結合係数(coupling coefficients)を視覚化することができる。矩形表面に空間的に離散化された１０の異なる放射カプラ設計が存在する。これは図４Ｄに示されている。
【0033】
【0034】
カプラは、ＨＦＳＳモデルに組み込まれ、アンテナに転送されるパワーとアパーチャ分布の両方を測定するために全波シミュレーションが実行された。シミュレーション時間は、トップガイドの表面上の放射体として作用するシートインピーダンスを用いてアパーチャの１／４をシミュレートすることによって低減された。図４Ｆは、ＨＦＳＳモデルを示し、結果として得られたシミュレーションは、アパーチャ分布が分析予測に密接に一致しており、受け取られたパワーは９０％であったことを示している。図４Ｇは、分析１／４アパーチャ分布予測を示す。図４Ｈは、ＨＦＳＳ１／４アパーチャ分布シミュレーション結果を示す。図４Ｉは、放射モード保存を示すＨＦＳＳ１／４アパーチャ分布シミュレーション結果を示す。
【0035】
１つの実施形態において、方向性カプラの本明細書で開示する技術は、一部のセンターフィード型方向性カプラと同じ基本的構成要素の一部を用いており、唯一の違いは、方向性カプラが放射対称ではないように変化する特徴を包含する点である。図５は、１／４アパーチャＨＦＳＳシミュレーションを用いた方向性カプラスロットを調査することによってこの例を示めしている。
【0036】
本明細書で開示する技術は、設計アーキテクチャにアプローチする異なる方法を展開する。レガシーアーキテクチャ設計方法と新しいアーキテクチャ設計方法の間の例が、図６Ａ及び６Ｂにそれぞれ示される。図６Ａを参照すると、１又は２以上の入力に基づいて円形形状のアンテナアパーチャを作成するレガシー設計フローが示されている。ここでの設計制約は、瞬時帯域幅（ＩＢＷ）、利得対システム雑音温度（Ｇ／Ｔ）、システムサイドローブレベル（ＳＬＬ）、及びアンテナアパーチャの利用可能なスペースである。
【0037】
図６Ｂに示すように、非円形アパーチャ及びタイリングアーキテクチャ設計フローの観点から、同じ入力が受信され、結果として得られた設計は、単一アパーチャ設計６１１、複数のサブアパーチャを備えたサブアパーチャ設計６１２、又はサブアパーチャが単一基板（単一ガラスアパーチャ）の一部であるマルチサブアパーチャ６１３（別の個々のアンテナとは対照的に）とすることができる。これらの設計の何れも、入力の点で設計プロセスの結果とすることができ、開発される１又は２以上のアパーチャの形状及びサイズ６１４を最終的に決定する。
【0038】
図６Ｃは例示的な設計フローを示す。図６Ｃを参照すると、形状因子６２０からのエリアが、アパーチャ分布に関連付けられる目標６１２及び形状因子に関連付けられるスペースの点で受け取られたパワーと共に用いられる。これらは、幾つかの離散化されたカプラ設計６２２を作成するのに用いられる。離散化の後に、カップリング素子６２３が選択される。１つの実施形態において、スロット及びリングの両方である素子の２つの共通実現が存在する。次に、方向性カプラは、離散化された設計を用いて表面全体に沿ったカップリング素子によって構築される（６２４）。１つの実施形態において、この構築は、上述のように最近傍又は補間に基づいている。
【0039】
（アンテナ実施形態の例）
上述の技術は平面パネルアンテナと共に用いることができる。このような平面パネルアンテナの実施形態が開示される。平面パネルアンテナは、アンテナアパーチャ上のアンテナ素子の１又は２以上のアレイを含む。１つの実施形態において、このアンテナ素子は、液晶セルを含む。１つの実施形態において、平面パネルアンテナは、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駆動するためのマトリクス駆動回路を含む円筒状フィードアンテナである。１つの実施形態において、アンテナ素子は、リング状に配置される。
上述の技術は平面パネルアンテナと共に用いることができる。このような平面パネルアンテナの実施形態が開示される。平面パネルアンテナは、アンテナアパーチャ上のアンテナ素子の１又は２以上のアレイを含む。１つの実施形態において、このアンテナ素子は、液晶セルを含む。１つの実施形態において、平面パネルアンテナは、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駆動するためのマトリクス駆動回路を含む円筒状フィードアンテナである。１つの実施形態において、アンテナ素子は、リング状に配置される。
【0040】
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。共に結合されたときに、セグメントの組み合わせが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、この同心リングがアンテナフィードに対して同心状である。
【0041】
（アンテナシステムの例）
１つの実施形態において、平面パネルアンテナは、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記載する。１つの実施形態において、アンテナシステムは、民間商用衛星通信のためのＫａ帯域又はＫｕ帯域の何れかを用い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）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。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ない地上局（例えば、固定又は可搬型地上局）でも用い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、平面パネルアンテナは、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記載する。１つの実施形態において、アンテナシステムは、民間商用衛星通信のためのＫａ帯域又はＫｕ帯域の何れかを用い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）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。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ない地上局（例えば、固定又は可搬型地上局）でも用いることができる点に留意されたい。
【0042】
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用いて、別個のアンテナを介して送信及び受信ビームを形成及びステアリングする。１つの実施形態において、このアンテナシステムは、デジタル信号処理を利用してビームを電気的に形成及びステアリングするアンテナシステム（位相アレイアンテナなど）と対照的に、アナログシステムである。
【0043】
１つの実施形態において、このアンテナシステムは、３つの機能的サブシステム、（１）円筒状波フィードアーキテクチャからなる導波路構造、（２）アンテナ素子の一部である波長散乱メタマテリアルユニットセルのアレイ、及び（３）ホログラフィック原理を用いてメタマテリアル散乱素子から調節可能な放射場（ビーム）の形成を命じる制御構造を含む。
【0044】
（アンテナ素子(Antenna Elements)）
図７Ａは、円筒状フィード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７Ａを参照すると、アンテナアパーチャは、円筒状フィードアンテナの入力フィード６０２の周りの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エネルギーを発する無線周波数（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表面全体に交互配置及び分布されるＲｘ及びＴｘアイリスの両方を含む。このようなアンテナ素子の例を以下に詳細に記載する。本明細書に記載されるＲＦ共振器は、円筒状フィードを含まないアンテナに用いることができる点に留意されたい。
図７Ａは、円筒状フィード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７Ａを参照すると、アンテナアパーチャは、円筒状フィードアンテナの入力フィード６０２の周りの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エネルギーを発する無線周波数（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表面全体に交互配置及び分布されるＲｘ及びＴｘアイリスの両方を含む。このようなアンテナ素子の例を以下に詳細に記載する。本明細書に記載されるＲＦ共振器は、円筒状フィードを含まないアンテナに用いることができる点に留意されたい。
【0045】
１つの実施形態において、アンテナは、入力フィード６０２を介して円筒状波フィードを提供するために用いられる同軸フィードを含む。１つの実施形態において、円筒状波フィードアーキテクチャが、フィードポイントから円筒状方式で外向きに広がる励起によって中心ポイントからアンテナにフィードする。すなわち、円筒状フィードアンテナは外向きに移動する同心フィード波を生成する。また、円筒状フィードの周りの円筒状フィードアンテナの形状は、円形、四角又は何れの形状にもすることができる。別の実施形態では、円筒状フィードアンテナは、内向きに移動するフィード波を生成する。このような場合、フィード波は、円形構造から生じるのが最も必然である。
【0046】
１つの実施形態において、アンテナ素子６０３はアイリスを含み、図７Ａのアパーチャアンテナを用いて、波長可変液晶（ＬＣ）マテリアルを介してアイリスを放射するための円筒状フィード波からの励起を用いることによって形成される主ビームを生成する。１つの実施形態において、アンテナを励起して所望の走査角度で水平又は垂直偏波電界を放射することができる。
【0047】
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含む。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含む。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、絶縁基板、及び上部導体からなるユニットセルの一部であり、上部導体は、該上部導体にエッチング又は堆積された相補型電気誘導容量共振器（「相補型電気ＬＣ」又は「ＣＥＬＣ」）を組み込む。当業者によって理解されるように、ＣＥＬＣの関連におけるＬＣは、液晶ではなく誘導容量を指す。
【0048】
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、上述の直接駆動の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、各ユニットセルに封入され、スロットに関連付けられる下部導体をスロットのパッチに関連付けられる上部導体から分離する。液晶は、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（及び従って誘電率）は、液晶の両端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、この特性を用いて、誘導波からＣＥＬＣへのエネルギーの伝達のためのオン／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に電磁波を放射する。本明細書の教示は、エネルギー伝達に関してバイナリ方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。
【0049】
１つの実施形態において、アンテナシステムのフィード幾何形状は、アンテナ素子を波動フィードの波動ベクトルに対して４５度（４５°）の角度に位置付けるのを可能にする。他の位置（例えば、４０°角度）を利用できる点に留意されたい。この素子の位置は、素子によって受信又は素子から送信／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、アンテナの動作周波数の自由空間波長よりも小さい素子間隔で配列される。例えば、１波長当たりに４つの散乱素子がある場合、３０ＧＨｚ送信アンテナの素子は、約２．５ｍｍ（すなわち、３０ＧＨｚの１０ｍｍ自由空間波長の１／４）になる。
【0050】
１つの実施形態において、素子の２つのセットが互いに垂直であり、同時に同じチューニング状態に制御された場合に等しい振幅励起を有する。フィード波長励起に対してこれらを＋／－４５度回転すると、両方の所望の特徴を同時に達成する。１つのセットを０度回転させ、他方を９０度回転させると、等振幅励起目標は達成されず、垂直目標を達成することができる。０及び９０度を用いて、２つの側部から単一の構造のアンテナ素子のアレイをフィードするときに分離を達成することができる。
【0051】
各ユニットセルからの放射パワーの量は、コントローラを用いてパッチに電圧を印加する（ＬＣチャネル両端の電位）ことによって制御される。各パッチへのトレースは、パッチアンテナに電圧を提供するために用いられる。この電圧は、コンデンサ及び従って個々の素子の共振周波数をチューニング又はデチューニングするために用いられビーム形成を達成する。所望の電圧は、使用される液晶混合物に応じて変わる。液晶混合物の電圧チューニング特性は主に、液晶が電圧によって影響され始める閾値電圧と、これより上では電圧の増加によって液晶での主要チューニングを生じなくなる飽和電圧とによって表される。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わることがある。
【0052】
１つの実施形態において、上述のように、マトリクス駆動回路は、各セルに対して別個の接続（直接駆動）を有することなく、各セルを他の全てのセルとは別々に駆動するためパッチに電圧を印加するのに用いられる。素子の密度が高いので、マトリクス駆動回路は、各セルに個別にアドレス指定する効果的な方法である。
【0053】
１つの実施形態において、アンテナシステムの制御構造は、２つの主構成要素を含み、アンテナシステムのために駆動電子回路を含むアンテナアレイコントローラは、波長散乱構造の下にあり、マトリクス駆動スイッチングアレイは、放射に干渉しないような方向に放射ＲＦアレイ全体に散在する。１つの実施形態において、アンテナシステムの駆動電子回路は、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、各散乱素子のバイアス電圧を調節する商用テレビジョン機器に用いられる商用既成ＬＣＤ制御を含む。
【0054】
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、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軸磁気探知機など）を組み入れて、位置及び方位情報をプロセッサに提供することもできる。位置及び方位情報は、地上局の他のシステム及び／又はアンテナシステムの一部でなくてもよい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る。
【0055】
より具体的には、アンテナアレイコントローラは、動作周波数の位相及び振幅レベルでどの素子をターンオフしてどの素子をターンオンするかを制御する。これらの素子は、電圧印加によって周波数動作に対して選択的にデチューニングされる。
【0056】
送信では、コントローラが電圧信号のアレイをＲＦパッチに供給して、変調又は制御パターンを生成する。この制御パターンは、素子を様々な状態にチューニングさせる。１つの実施形態において、様々な素子がレベルを可変レベルにターンオン及びターンオフされる多状態制御が用いられ、更に方形波（すなわち、正弦関数グレーシェード変調パターン）ではなく、正弦関数制御パターンに近似する。１つの実施形態において、一部の素子が放射し一部の素子が放射しないのではなく、一部の素子が他の素子より強力に放射する。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、これにより液晶誘電率を可変の量で調節し、これによって可変的に素子をデチューニングして、一部の素子に他の素子より多く放射させるようにする。
【0057】
メタマテリアル素子アレイによる集束ビームの生成は、建設的干渉及び相殺干渉の現象によって説明することができる。個々の電磁波が自由空間で交わったときに同相を有する場合には合算（建設的干渉）され、個々の電磁波が自由空間で交わったときに逆位相である場合には、電磁波は互いに打ち消し合う（相殺干渉）。各連続スロットが誘導波の励起ポイントから異なる距離に位置付けられるように、スロットアンテナのスロットが位置付けられた場合、この素子からの散乱波は、前のスロットの散乱波長とは異なる位相を有することになる。スロットが誘導波の１／４の間隔を空けて配置された場合、各スロットは前のスロットから１／４位相遅延を有して波長を散乱させることになる。
【0058】
このアレイを用いて、生成できる建設的干渉及び相殺干渉のパターン数を増やすことができるので、理論的には、ホログラフィの原理を使用して、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°）のあらゆる方向にビームを向けることができるようになる。このように、どのメタマテリアル単位セルをオンにするか又はオフにするかを制御することによって（すなわち、どのセルをオンにし、どのセルをオフにするかについてのパターンを変更することによって）、異なる増加的干渉及び減殺的干渉パターンを生成でき、アンテナは、メイン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、ビームが１つの位置から別の位置に切り替わることができる速度を決定付ける。
【0059】
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のための１つのステアリング可能ビーム及びダウンリンクアンテナのための１つのステアリング可能ビームを生成する。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用いて衛星からのビームを受信し衛星からの信号を復号して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、デジタル信号処理を用いてビームを電気的に形成及びステアリングするアンテナシステム（位相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、特に従来の衛星ディッシュ受信機と比較したときに、平面で比較的薄型である「サーフェス」アンテナと考えられる。
【0060】
図７Ｂは、グランドプレーン及び再構成可能な共振層を含むアンテナ素子の１つの行の斜視図を示す。再構成可能共振層１２３０は波長可変スロットのアレイ１２１０を含む。波長可変スロットのアレイ１２１０は、所望の方向にアンテナを位置付けるよう構成することができる。波長可変スロットの各々は、液晶両端の電圧を変えることによってチューニング／調節することができる。
【0061】
制御モジュール１２８０は、再構成可能共振層１２３０に結合され、図８Ａの液晶両端の電圧を変えることによって波長可変スロットのアレイ１２１０を変調する。制御モジュール１２８０は、フィールドプログラマグルゲートアレイ（「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）、又は他の処理ロジック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、波長可変スロットのアレイ１２１０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つの実施形態において、制御モジュール１２８０が、波長可変スロットのアレイ１２１０で駆動されるホログラフィック回折パターンの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、アンテナと衛星の間の空間関係に応答して生成することができ、これによってホログラフィック回折パターンは通信の適切な方向に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）をステアリングするようになる。各図には示していないが、制御モジュール１２８０に類似の制御モジュールは、本開示の図に記載された波長可変スロットの各アレイを駆動することができる。
【0062】
無線周波数（「ＲＦ」）ホログラフはまた、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ビームを生成できる類似の技術を用いることができる。衛星通信の場合、基準ビームは、フィード波１２０５（一部の実施形態では約２０ＧＨｚ）のようなフィード波の形態である。フィード波を放射ビームに変換するために（送信又は受信目的の何れかのため）、望ましいＲＦビーム（物体ビーム）とフィード波（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、回折パターンとして波長可変スロット１２１０のアレイ上に駆動され、これによってフィード波が望ましいＲＦビーム（望ましい形状及び方向を有する）に「ステアリング（誘導）」される。換言すると、ホログラフィック回折パターンに遭遇するフィード波は、物体ビームを「再構築」し、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、導波路の波動方程式としてｗinと外向き波における波長方程式としてｗoutを用いて、
によって計算される。
【数1】
【0063】
図８Ａは波長可変共振器／スロット１２１０の１つの実施形態を示す。波長可変スロット１２１０は、アイリス／スロット１２１２、放射パッチ１２１１、及びアイリス１２１２とパッチ１２１１の間に配置された液晶１２１３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と同一場所に位置する(co-located)。
【0064】
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す。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の複数の波長可変共振器／スロット１２１０を含む。アイリス／スロット１２１２は、金属層１２３６の開口部によって定められる。図８Ａのフィード波１２０５などのフィード波は、衛星通信チャネルに適合するマイクロ波周波数を有することができる。フィード波は、グランドプレーン１２４５と共振層１２３０との間を伝播する。
【0065】
再構成可能共振層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と置き換えることができる。１つの実施形態において、アイリス層１２３３は、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とすることもできる。
【0066】
スロット１２１２を形成するために開口部を銅層にエッチングすることができる。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。実施形態では、アイリス層が導電性接合層によって導電的に結合されず、代わりに非導電接合層に相互作用される点に留意されたい。
【0067】
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の間の寸法を定めるために機械的離隔部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、他のサイズも用いることができる（例えば、３－２００ｍｍ）。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、複数の波長可変共振器／スロットを含み、波長可変共振器／スロット１２１０は、図８Ａのパッチ１２１１、液晶１２１３、及びアイリス１２１２を含む。液晶１２１３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。チャンバが液晶で充填されたとき、パッチ層１２３１がスペーサ１２３９上にラミネートされ共振層１２３０内の液晶を封止することができる。
【0068】
パッチ層１２３１とアイリス層１２３３の間の電圧を変調して、パッチとスロット（例えば、波長可変共振器／スロット１２１０）の間のギャップにある液晶をチューニングすることができる。液晶１２１３両端の電圧を調節することで、スロット（例えば、波長可変共振器／スロット１２１０）の容量が変わる。従って、スロット（例えば、波長可変共振器／スロット１２１０）のリアクタンスは、静電容量を変更することによって変えることができる。スロット１２１０の共振周波数は、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、導波路を介して伝播するフィード波１２０５から放射されるエネルギーに影響を与える。例として、フィード波１２０５が２０ＧＨｚである場合、スロット１２１０の共振周波数を（容量を変えることによって）１７ＧＨｚに調節することができ、これによってスロット１２１０はフィード波１２０５からのエネルギーを実質的に結合しない。又は、スロット１２１０の共振周波数を２０ＧＨｚまで調節することができ、これによってスロット１２１０はフィード波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。与えられた例はバイナリ（完全に放射するか又は全く放射しない）であるが、リアクタンスのフルグレースケール制御、及び従ってスロット１２１０の共振周波数は、多値範囲にわたる電圧相違によって可能である。従って、各スロット１２１０から放射されるエネルギーは細かく制御することができ、これによって詳細なホログラフィック回折パターンを波長可変スロットのアレイによって形成することができる。
【数2】
【0069】
１つの実施形態において、１つの行の波長可変スロットが互いからλ／５だけ離間して配置されている。他の間隔も用いることができる。１つの実施形態において、１つの行の各波長可変スロットが、隣り合う行の最も近い波長可変スロットからλ／２だけ離間して配置されており、従って、異なる行における共通して向けられた波長可変スロットは、λ／４だけ離間して配置されているが、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、１つの行における各波長可変スロットは、隣り合う行における最も近い波長可変スロットからλ／３だけ離間して配置されている。
【0070】
実施形態は、２０１４年１１月２１日に出願された「ステアリング可能円筒状フィードホログラフィックアンテナからの動的偏波及びカップリング制御（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｒｏｍ ａ Ｓｔｅｅｒａｂｌｅ Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｌｙ Ｆｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ａｎｔｅｎｎａ）」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日に出願された「再構成可能アンテナのためのリッジ導波路フィード構造（Ｒｉｄｇｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｆｅｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ａｎｔｅｎｎａ）」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たような再構成可能メタマテリアル技術を用いる。
【0071】
図９Ａ－Ｄは、スロット付きアレイを生成する様々な層の１つの実施形態を示す。このアンテナアレイは、図１Ａに示した例示的なリングなどのリング状に位置付けられるアンテナ素子を含む。この例では、アンテナアレイが周波数帯域の２つの異なるタイプに用いられる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。
【0072】
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す。図９Ａを参照すると、この円は、アイリス基板の下部側における金属化のオープンエリア／スロットであり、フィード（フィード波）への素子のカップリングを制御するためのものである。この層は、任意選択的な層であり、全ての設計で用いられる訳では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す。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す。図９Ｄはスロット付きアレイの一部分の上面図を示す。
【0073】
図１０は、円筒状フィードアンテナ構造の１つの実施形態の側面図を示す。アンテナは、二重層フィード構造（すなわち、２つの層のフィード構造）を用い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側形状を含むが、これは必須ではない。すなわち、非円形内向き進行構造を用いることができる。１つの実施形態において、図１０のアンテナ構造は、例えば、２０１４年１１月２１日に出願された名称「ステアリング可能円筒状フィードホログラフィックアンテナからの動的偏波及びカップリング制御」の米国公開第２０１５／０２３６４１２号明細書に記載されたような同軸フィードを含む。
【0074】
図１０を参照すると、同軸ピン１６０１は、アンテナの下部レベルのフィールドを励起するために用いられる。１つの実施形態において、同軸ピン１６０１は、容易に利用可能である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。
【0075】
内部導体である間隙導体１６０３は、導電性グランドプレーン１６０２から離隔される。１つの実施形態において、導電性グランドプレーン１６０２及び間隙導体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と間隙導体１６０３の間の距離は、０．１インチ－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、動作周波数での進行波の波長である。
【0076】
グランドプレーン１６０２は、スペーサ１６０４を介して間隙導体１６０３から離隔される。１つの実施形態において、スペーサ１６０４は、発砲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。
【0077】
間隙導体１６０３の上部には、誘電体層１６０５がある。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することである。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％進行波を減速する。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、１．２－１．８であり、自由空間は、定義上、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スペーサ材料を用いて、この効果を達成することができる。所望の波動遅延効果を達成する限り、プラスチック以外の材料を用いることができる点に留意されたい。或いは、例えば機械加工又はリソグラフにより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を誘電体１６０５として用いることができる。
【0078】
ＲＦアレイ１６０６は、誘電体１６０５の上部にある。１つの実施形態において、間隙導体１６０３とＲＦアレイ１６０６との間の距離は、０．１－０．１５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。
【0079】
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からの進行波フィードが反射を介して間隙導体１６０３の下方のエリア（スペーサ層）から間隙導体１６０３の上方のエリア（誘電体層）に伝播するような角度が付けられる。１つの実施形態において、側部１６０７及び１６０８の角度は４５°である。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に連続した半径に置き換えることができる。図１０は、４５度の角度を有する角度付き側部を示すが、下部フィードレベルから上フィード部レベルへの信号伝播を達成する他の角度も用いることができる。すなわち、下部フィードにおける有効波長が、一般的には上部フィードとは異なることを考慮すると、理想的な４５°の角度からの何らかの偏差を用いて下部から上部フィードレベルへの伝送を支援することができる。例えば、別の実施形態では、４５°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、間隙導体、及びスペーサ層を周回する。同じ２つの段部がこれらの層の他の端部にもある。
【0080】
作動時には、フィード波が同軸ピン１６０１からフィードされたときに、フィード波は、グランドプレーン１６０２と間隙導体１６０３との間のエリアで同軸ピン１６０１から同心状に外向きに進む。同心状の外向き波は、側部１６０７及び１６０８によって反射され、更に間隙導体１６０３とＲＦアレイ１６０６との間のエリアで内向きに進む。円形外周のエッジからの反射は、この波を同相に留まらせる（すなわち、同相反射である）。進行波は、誘電体層１６０５によって減速される。この時点では、進行波は、ＲＦアレイ１６０６における素子との相互作用及びこれによる励起を開始し、所望の散乱を取得する。
【0081】
進行波を終端させるために、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、ピン終端部（例えば、５０Ωピン）を含む。別の実施形態では、終端部１６０９は、未使用のエネルギーを終端させて、アンテナのフィード構造を介して未使用のエネルギーが反射して戻るのを阻止するＲＦ吸収体を含む。これらはＲＦアレイ１６０６の上部で用いることができる。
【0082】
図１１は、外向き波を有するアンテナシステムの別の実施形態を示す。図１１を参照すると、２つのグランドプレーン１６１０及び１６１１は、グランドプレーンの間に誘電体層１６１２（例えば、プラスチック層など）を有して互いに実質的に平行である。ＲＦ吸収体１６１９（例えば、レジスタ）は２つのグランドプレーン１６１０と１６１１を互いに結合する。同軸ピン１６１５（例えば、５０Ω）がアンテナをフィードする。ＲＦアレイ１６１６が誘電体層１６１２及びグランドプレーン１６１１の上部に存在する。
【0083】
動作中、フィード波は、同軸ピン６１５を介してフィードされ、更に同心状外向きに進み、ＲＦアレイ１６１６の素子と相互作用する。
【0084】
図１０及び１１の両方のアンテナにおける円筒状フィードは、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度方位角（±４５°Ａｚ）及びプラスマイナス２５°仰角（±２５°Ｅｌ）のサービス角度の代わりに、全方向でボアサイトから７５度（７５°）のサービス角度を有する。多くの個々の放射体を含む何れかのビーム形成アンテナと同様に、全体のアンテナ利得は、自らが角度に依存するものである構成要素の利得に応じて変わる。共通の放射素子を用いた場合に、全体のアンテナ利得は、典型的には、ビームがボアサイトから離れて指向されるにつれて減少する。７５度外れたボアサイトでは、約６ｄＢの有意な利得低下が予想される。
【0085】
円筒状フィードを有するアンテナの実施形態は、１又は２以上の問題を解消する。これらは、コーポレートディバイダネットワークによってフィードされるアンテナと比較してフィード構造を飛躍的に簡素化し、ひいては全体として必要とされるアンテナ及びアンテナフィードボリュームを低減すること、より粗い制御（単純なバイナリ制御にまで拡張する）によって高ビーム性能を維持することにより製造及び制御エラーに対する感度を低減すること、円筒状配向フィード波が遠距離場において空間的に多様なサイドローブを結果として生じるので、直線的フィードと比べて有利なサイドローブパターンを与えること、及び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、を含む。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、を含む。
【0086】
（波動散乱素子のアレイ(Array of Wave Scattering Elements)）
図１０のＲＦアレイ１６０６及び図１１のＲＦアレイ１６１６は、放射体として機能するパッチアンテナ（例えば、散乱体）のグループを含む波動散乱サブシステムを含む。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、放射体として機能するパッチアンテナ（例えば、散乱体）のグループを含む波動散乱サブシステムを含む。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含む。
【0087】
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、誘電基板、及び相補型電気誘導容量共振器（「相補型電気ＬＣ」又は「ＣＥＬＣ」）を組み込む上部導体とからなるユニットセルの一部であり、相補型電気誘導容量共振器は、上部導体にエッチング又は堆積される。
【0088】
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。液晶は各ユニットセルに封入され、スロットに関連付けられる下部導体をスロットのパッチに関連付けられ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（従って誘電率）は、液晶の両端のバイアス電圧を調整することによって制御することができる。この特性を用いて、液晶は、導波路からＣＥＬＣへのエネルギー伝達のオン／オフスイッチとして機能する。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に電磁波を放射する。
【0089】
ＬＣの厚みを制御することにより、ビームスイッチング速度が増大する。下部導体と上部導体の間のギャップ（液晶の厚み）が５０パーセント（％）減少すると、速度が４倍に増加する。別の実施形態では、液晶の厚みは、約１４ミリ秒（１４ｍｓ）のビームスイッチング速度を結果として生じる。１つの実施形態において、ＬＣは、応答性が改善されるような当該技術分野で周知の方式でドープされ、７ミリ秒（７ｍｓ）要件に適合できるようになる。
【0090】
ＣＥＬＣ素子は、ＣＥＬＣ素子の平面に平行でＣＥＬＣギャップ補完材に垂直に印加される磁界に応答する。電圧がメタマテリアル散乱ユニットセルにおいて液晶に印加されると、導波路の磁界成分がＣＥＬＣの磁気励起を誘導し、その結果、導波路と同じ周波数の電磁波を生成する。
【0091】
単一のＣＥＬＣによって生成される電磁波の位相は、誘導波のベクトルのＣＥＬＣの位置によって選択することができる。各セルは、ＣＥＬＣに平行な誘導波と同相の波を生成する。ＣＥＬＣが波長よりも小さいので、出力波は、ＣＥＬＣの下を通過するときに誘導波の位相と同じ位相を有する。
【0092】
１つの実施形態において、アンテナシステムの円筒状フィード形状は、フィード波の波動ベクトルに対して４５度（４５°）の角度でＣＥＬＣ素子を位置付けるのを可能にする。この素子の位置により、素子から生成され又は素子によって受け取られる自由空間波の偏波の制御が可能になる。１つの実施形態において、ＣＥＬＣは、アンテナの動作周波数の自由空間波長よりも小さい素子間隔で配列される。例えば、１波長当たりに４つの散乱素子がある場合、３０ＧＨｚ送信アンテナの素子は約２．５ｍｍ（すなわち、３０ＧＨｚの１０ｍｍ自由空間波長の１／４）になる。
【0093】
１つの実施形態において、ＣＥＬＣは、スロットの上に同一場所に位置するパッチを含むパッチアンテナを備え、パッチとアンテナ間に液晶を備えて実施される。これに関して、メタマテリアルアンテナは、スロット（散乱）付き導波路のように動作する。スロット付き導波路によって、出力波の位相は、誘導波に対するスロットの位置に応じて変わる。
【0094】
（セルの配置(Cell Placement)）
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を可能にするように、円筒状フィード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つの実施形態を示す。図１２を参照すると、行コントローラ１７０１は、行選択信号Ｒｏｗ１及びＲｏｗ２をそれぞれ介して、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。トランジスタ１７１１はまた、パッチ１７３１との接続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１７３２との接続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を可能にするように、円筒状フィード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つの実施形態を示す。図１２を参照すると、行コントローラ１７０１は、行選択信号Ｒｏｗ１及びＲｏｗ２をそれぞれ介して、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。トランジスタ１７１１はまた、パッチ１７３１との接続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１７３２との接続を介してアンテナ素子１７２２に結合される。
【0095】
ユニットセルが非正規グリッドに配置されて円筒状フィード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、セルの各々がセルの横に配置されるトランジスタに接続され、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動作する。第２のステップでは、マトリクス駆動方法が必要とするときに、マトリクス駆動回路が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、ルーティングを達成するために物理的トレースの数が著しく増加することになる。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。またトレースの複雑さ及び高パッキング密度に起因して、トレースのルーティングは、商用のレイアウトツールによって達成することができない。
【0096】
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定義される。これは、各々が一意のアドレスを有するセルの全てを駆動するのに必要である最小数のトレースが確保される。この方式は、駆動回路の複雑さを低減してルーティングを簡素化し、これによりアンテナのＲＦ性能が改善される。
【0097】
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のステップでは、セルのアドレス及び第１のステップで定められた行及び列への接続性が維持されながら、セルが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、セルをリング上に置くだけでなく、アパーチャ全体でセル間の距離及びリング間の距離を一定に保持することである。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。
【0098】
１つの実施形態において、ＴＦＴパッケージは、マトリクス駆動回路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用いられる。図１３は、ＴＦＴパッケージの１つの実施形態を示す。図１３を参照すると、入力及び出力ポートと共に、ＴＦＴ及びホールドキャパシタ１８０３が示されている。トレースに接続された２つの入力ポート１８０１及びトレースに接続された２つの出力ポート１８０２とがあり、行及び列を用いてＴＦＴを互いに接続する。１つの実施形態において、行及び列トレースが９０°の角度で交差して、行と列トレースの間のカップリングが低減及び潜在的には最小化される。１つの実施形態において、行及び列トレースは異なる層上に存在する。
【0099】
（全二重通信システムの例）
別の実施形態では、組み合わされたアンテナアパーチャが、全二重通信システムで用いられる。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つの受信経路だけが示されているが、通信システムは、１より多い送信経路及び／又は１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、組み合わされたアンテナアパーチャが、全二重通信システムで用いられる。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つの受信経路だけが示されているが、通信システムは、１より多い送信経路及び／又は１より多い受信経路を含むことができる。
【0100】
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。カップリングは、１又は２以上のフィード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、放射フィードアンテナの場合、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広帯域フィードネットワークである。
【0101】
ダイプレクサ１４４５は、低雑音ブロックダウンコンバータ（ＬＮＢ）１４２７に結合され、ＬＮＢは、当該技術分野において周知の方式で雑音フィルタ関数及びダウン変換及び増幅関数を実行する。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、アンテナ装置に統合される。ＬＮＢ１４２７は、コンピュータシステム（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。
【0102】
モデム１４６０は、アナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１４２２を含み、アナログ－デジタルコンバータは、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フォーマットに変換する。デジタルフォーマットに変換されると、信号は、復調器１４２３によって復調され、復号器１４２４によって復号されて、受信波上の符号化データが取得される。復号されたデータは、コントローラ１４２５に送信され、コントローラ１４２５が、このデータをコンピュータシステム１４４０に送信する。
【0103】
モデム１４６０はまた、コンピュータシステム１４４０から送信されるデータを符号化する符号器１４３０を含む。符号化データは、変調器１４３１によって変調され、次にデジタルアナログコンバータ（ＤＡＣ）１４３２によってアナログに変換される。アナログ信号は、次に、ＢＵＣ（アップコンバート及びハイパス増幅器）１４３３によってフィルタリングされ、ダプレクサ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。
【0104】
当該技術分野で周知の方式で動作するダイプレクサ１４４５は、送信のため送信信号をアンテナ１４０１に提供する。
【0105】
コントローラ１４５０は、単一の組み合わせ物理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。
【0106】
通信システムは、上述のコンバイナ／アービターを含むよう修正されることになる。このような場合、コンバイナ／アービターは、モデムの後でＢＵＣ及びＬＮＢの前にある。
【0107】
図１４に示された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（ソフトウェアアップデートを含む）などを含む幾つかの用途を有する点に留意されたい。
【0108】
本明細書で記載される幾つかの例示的な実施形態が存在する。
【0109】
実施例１は、無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子を有する非円形アンテナアパーチャと、アンテナアパーチャ内の中心位置でアパーチャにＲＦフィード波を供給してフィード波が中心位置からアパーチャのエッジに外向きに伝播することを可能にする非放射状対称方向性カプラとを備える、アンテナである。
【0110】
実施例２は、方向性カプラが異なるカップリングを備えたアンテナアパーチャの個別のセクション(discrete sections)を有するように構成されることを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナである。
【0111】
実施例３は、方向性カプラがアンテナアパーチャ内の半径方向長さ(radial lengths)に基づいて異なるカップリングを有するように構成されることを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナである。
【0112】
実施例４は、方向性カプラが、異なる速度で異なる放射状経路(radial paths)に沿ってパワーを放射させるように構成されることを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナである。
【0113】
実施例５は、アンテナアパーチャがメタサーフェス(metasurface)を含み、ＲＦ放射アンテナ素子が表面散乱メタマテリアルアンテナ素子であることを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナである。
【0114】
実施例６は、均一なアパーチャ照射が、アパーチャのエッジの反射なしに維持されることを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナである。
【0115】
実施例７は、アンテナアパーチャが、矩形、六角形、八角形、又は他の非放射状対称形状を有することを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナである。
【0116】
実施例８は、アンテナアパーチャが、ホログラフィックメタサーフェスアンテナアパーチャを含むことを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナである。
【0117】
実施例９は、ＲＦ放射アンテナ素子が中心位置に対して放射状に位置する(located)ことを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナである。
【0118】
実施例１０は、ＲＦ放射アンテナ素子が、中心位置に対してリング若しくはスパイラル又はその一部上に配置されることを任意選択的に含むことができる実施例９のアンテナである。
【0119】
実施例１１は、スペースをタイリングする複数の非円形サブアパーチャを有するアンテナアパーチャであって、複数のサブアパーチャの瞬時帯域幅がスペースをカバーする単一アパーチャの瞬時帯域幅より大きいアンテナアパーチャと、上記各サブアパーチャアンテナアパーチャ内の中心位置で複数のサブアパーチャの各々にＲＦフィード波を供給しフィード波が中心位置から外向きにアパーチャのエッジに伝播できるようにする複数の非放射状対称方向性カプラを含むアンテナである。
【0120】
実施例１２は、アンテナアパーチャがメタサーフェスを含みＲＦ放射アンテナ素子が表面散乱メタマテリアルアンテナ素子であることを任意選択的に含むことができる実施例１１のアンテナである。
【0121】
実施例１３は、均一なアパーチャ照射がアパーチャのエッジの反射なしに維持されることを任意選択的に含むことができる実施例１１のアンテナである。
【0122】
実施例１４は、アンテナアパーチャが、矩形、六角形、八角形、又は他の非放射状対称形状を有することを任意選択的に含むことができる実施例１１のアンテナである。
【0123】
実施例１５は、アンテナアパーチャが、ホログラフィックメタサーフェスアンテナアパーチャを含むことを任意選択的に含むことができる実施例１１のアンテナである。
【0124】
実施例１６は、アンテナアパーチャが中心位置に対して放射状に位置するＲＦ放射アンテナ素子を含むことを任意選択的に含むことができる実施例１１のアンテナである。
【0125】
実施例１７は、ＲＦ放射アンテナ素子が、中心位置に対してリング若しくはスパイラル又はその一部上に配置されることを任意選択的に含むことができる実施例１６のアンテナである。
【0126】
実施例１８は、アパーチャがスロット及びパッチをパッチ／スロットペアで含む複数の基板を含み、複数の基板の１又は２以上は、複数のサブアパーチャの２又は３以上のサブアパーチャの一部であることを任意選択的に含むことができる実施例１１のアンテナである。
【0127】
実施例１９は、複数の基板の各々がガラス層を含むことを任意選択的に含むことができる実施例１１のアンテナである。
【0128】
実施例２０は、表面散乱メタマテリアルアンテナ素子を含む無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子を有するメタサーフェスを含む非円形アンテナアパーチャと、アンテナアパーチャ内の中心位置でアパーチャにＲＦフィード波を供給してフィード波が中心位置から外向きにアパーチャのエッジに向かって伝播するのを可能にする非放射状対称方向性カプラであって、方向性カプラが、異なるカップリングを備えたアンテナアパーチャの個別のセクションを有するように構成される非放射状対称方向性カプラと、を備えるアンテナである。
【0129】
上記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。
【0130】
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、これらの量に付与される好都合なラベルに過ぎない点に留意されたい。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、そのコンピュータシステムのメモリ又はレジスタ又は他のそのような情報ストレージ、送信又は表示デバイス内の物理量として同様に表される別のデータに操作及び変換するコンピュータシステム又は類似の電子コンピュータデバイスのアクション及び処理を指すことが理解される。
【0131】
本発明はまた、本明細書の作動を実行するための装置に関する。この装置は、必要とされる目的のために特別に構成することができ、又はコンピュータに格納されたコンピュータプログラムによって選択的に起動又は再構成される汎用コンピュータを有することができる。このようなコンピュータプログラムは、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のようなコンピュータ可読ストレージ媒体に格納することができ、各々がコンピュータシステムバスに結合される。
【0132】
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有利であることが判明する場合がある。様々なこれらのシステムに必要とされる構造は、以下の説明から明らかであろう。これに加えて、本発明は、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。
【0133】
機械可読媒体は、機械（例えば、コンピュータ）によって可読の形態の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。
【0134】
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。
【符号の説明】
【0135】
１００ 矩形エンベロープ
１０１ 円形アパーチャ
１０２ センターフィードアンテナアパーチャ
１０３ センターフィードアンテナサブアパーチャ
１０４ センターフィードアンテナサブアパーチャ
１０１ 円形アパーチャ
１０２ センターフィードアンテナアパーチャ
１０３ センターフィードアンテナサブアパーチャ
１０４ センターフィードアンテナサブアパーチャ
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図4F】
【図4G】
【図4H】
【図4I】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【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】
【国際調査報告】