ホーム > 特許ランキング > カイメタ コーポレイション
(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】2022-09-26
(54)【発明の名称】グランドプレーンヒータ
(51)【国際特許分類】
H01Q 1/02 20060101AFI20220915BHJP
H01Q 13/22 20060101ALI20220915BHJP
H01Q 3/24 20060101ALI20220915BHJP
【ＦＩ】
H01Q1/02
H01Q13/22
H01Q3/24
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022502417
(86)(22)【出願日】2020-07-14
(85)【翻訳文提出日】2022-03-14
(86)【国際出願番号】 US2020042021
(87)【国際公開番号】W WO2021011584
(87)【国際公開日】2021-01-21
(31)【優先権主張番号】62/874,362
(32)【優先日】2019-07-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/927,808
(32)【優先日】2020-07-13
(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】ヴァレル カグダス
(72)【発明者】
【氏名】リン スティーヴン ハワード
(72)【発明者】
【氏名】スティーヴンソン ライアン エイ
(72)【発明者】
【氏名】ショート コリン スチュワート
【テーマコード（参考）】
5J021
5J045
5J046
【Ｆターム（参考）】
5J021AA05
5J021AA09
5J021AB05
5J021CA05
5J021DB05
5J021GA02
5J021HA02
5J021JA08
5J045DA05
5J045GA07
5J045HA01
5J045JA03
5J045NA01
5J046AB03
5J046AB08
5J046CA03
(57)【要約】
ヒータを備えたアンテナ及びこれ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、複数の無線周波数放射アンテナ素子を有するアンテナアパーチャであって、アンテナアパーチャは、グランドプレーンと、誘電率又はキャパシタンスを同調するための材料とを有するアンテナアパーチャと、材料と熱的に接触するヒータ構造と、を備える。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アンテナであって、複数の無線周波数放射アンテナ素子を有するアンテナアパーチャであって、グランドプレーンと、誘電率又はキャパシタンスを同調するための材料とを有するアンテナアパーチャと、
前記材料と熱的に接触するヒータ構造と、
を備える、アンテナ。
【請求項2】
前記ヒータ構造は、前記グランドプレーンと少なくとも部分的に一体化されており、複数の抵抗素子を含む、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項3】
前記ヒータ構造は、アイリスを形成する前記グランドプレーン上のアイリス形成層とは異なる、前記グランドプレーン上の金属層を含む、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項4】
前記ヒータ構造は、前記アンテナ内に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイとして作製された金属層を含む、請求項１記載のアンテナ。
【請求項5】
前記ヒータ構造は、基板層、前記基板層上のパッシベーション層、又は前記基板層上の接着層に接触する、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項6】
ガラス、プリント回路基板、ポリイミド、ポリエステル、フルオロポリマー、又は溶融シリカを含む基板層と、第１の金属層を含むアイリス形成層と、
を更に備え、
前記ヒータ構造は、パッシベーション層によって前記第１の金属層から分離された第２の金属層を含み、前記第２の金属層は、前記基板と前記第１の金属層との間にある、
請求項１に記載のアンテナ。
【請求項7】
ガラス、プリント回路基板、ポリイミド、ポリエステル、フルオロポリマー、又は溶融シリカを含む基板層と、第１の金属層を含むアイリス形成層と、
を更に備え、
前記ヒータ構造は、パッシベーション層によって前記第１の金属層から第２の金属層を含み、前記アイリス金属層は、前記基板と前記第２の金属層との間にある、
請求項１に記載のアンテナ。
【請求項8】
前記グランドプレーンは、ガラス、プリント基板、ポリイミド、ポリエステル、フルオロポリマー、又は溶融シリカを含み且つ第１の金属層を有する基板層を備え、前記ヒータ構造は、パッシベーション層によって前記第１の金属層及び前記基板層から分離された第２の金属層を含む、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項9】
前記ヒータ構造に接続された複数のバスバーを更に備え、前記複数のバスバーの各々は、アイリス形成層を有する第１の金属層上にあり且つ前記アンテナアパーチャのためのアイリスを形成するアイリス形成金属から離間されている、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項10】
前記ヒータ構造は、アイリス形成金属において少なくとも１つのギャップを覆う第２の金属層上にある、請求項９に記載のアンテナ。
【請求項11】
第２の複数のバスバーとインターリーブされ、それらの間に前記ヒータ構造の抵抗加熱素子を有する第１の複数のバスバーを更に備える、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項12】
前記アイリス形成層への第１の電気的接続点と、前記アイリス形成層への第２の電気的接続点とを更に含み、前記ヒータ構造は、前記アイリス形成層と一体化されており、前記アンテナは、前記第１の電気的接続点と前記第２の電気的接続点が異なる電圧レベルにバイアスされる加熱モードで動作可能であり、前記アンテナは、前記第１の電気的接続点と前記第２の電気的接続点が同じ電圧レベルにバイアスされるアンテナモードで動作可能である、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項13】
前記材料は、液晶（ＬＣ）を含む、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項14】
アンテナであって、複数の無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子を有するアンテナアパーチャであって、前記アンテナアパーチャは、パッチ基板と、グランドプレーンと、前記パッチ基板と前記グランドプレーンとの間の誘電率又はキャパシタンスを同調するための材料とを有し、前記グランドプレーン基板は、複数の無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子のアイリスのためのアイリス形成層を含む第１の層を有する、アンテナアパーチャと、
前記材料を加熱するためのヒータ構造を含む前記グランドプレーン上の第２の層と、
を備える、アンテナ。
【請求項15】
前記第１の層は、第１の金属層を含み、前記第２の層は、第２の金属層を含み、
前記材料は、液晶を含む、
請求項１４に記載のアンテナ。
【請求項16】
前記第２の層は、前記アンテナ内の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイにおける金属として作製された金属層を含む、請求項１５に記載のアンテナ。
【請求項17】
前記グランドプレーンは、基板層を含み、前記ヒータ構造を含む前記第２の層は、前記基板層、前記基板層上のパッシベーション層、又は前記基板層上の接着層に接触する、請求項１５に記載のアンテナ。
【請求項18】
前記ヒータ構造は、パッシベーション層によって前記第１の金属層から分離されており、前記第２の金属層は、前記グランドプレーンと前記第１の金属層との間にある、請求項１５に記載のアンテナ。
【請求項19】
前記ヒータ構造は、パッシベーション層によって前記第１の金属層から分離されており、前記アイリス金属層は、前記基板と前記第２の金属層との間にある、請求項１５に記載のアンテナ。
【請求項20】
前記ヒータ構造は、パッシベーション層によって前記第１の層から分離されている、請求項１４に記載のアンテナ。
【請求項21】
前記第１の層は、パッシベーション層によって前記第２の層及び前記グランドプレーンの基板層から分離されている、請求項１４に記載のアンテナ。
【請求項22】
前記ヒータ構造に接続された複数のバスバーを更に備える、請求項１４に記載のアンテナ。
【請求項23】
前記複数のバスバーの各々は、前記アイリス形成層と同じ金属層上にあり、前記アンテナアパーチャのためのアイリスを形成するアイリス形成金属から離間されている、請求項２２に記載のアンテナ。
【請求項24】
前記複数のバスバーの各々は、前記アイリス形成層のアイリス金属からギャップにより離間され、ビアを介して前記第２の層に結合されている、請求項２２に記載のアンテナ。
【請求項25】
前記アンテナは、前記ヒータ構造が駆動されて前記材料を所定の温度まで上昇させる加熱モードで動作可能であり、前記アンテナは、前記材料が少なくとも前記所定の温度になると、前記ヒータ構造が駆動されないアンテナモードで動作可能である、請求項１４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、２０１９年７月１５日に出願された「ＩＲＩＳ ＨＥＡＴＥＲ」という名称の米国仮特許出願シリアル第６２／８７４，３６２号に対する優先権を主張し、引用により組み込まれる。
本特許出願は、２０１９年７月１５日に出願された「ＩＲＩＳ ＨＥＡＴＥＲ」という名称の米国仮特許出願シリアル第６２／８７４，３６２号に対する優先権を主張し、引用により組み込まれる。
【0002】
（技術分野）
本発明の実施形態は、通信に使用される無線周波数（ＲＦ）アパーチャの分野に関し、より詳細には、本発明の実施形態は、内部ヒータを含む、例えばアンテナなどのＲＦアパーチャに関する。
本発明の実施形態は、通信に使用される無線周波数（ＲＦ）アパーチャの分野に関し、より詳細には、本発明の実施形態は、内部ヒータを含む、例えばアンテナなどのＲＦアパーチャに関する。
【背景技術】
【0003】
ある特定のアンテナ技術は、アンテナを動作温度にするために、アンテナの加熱を必要とする。例えば、液晶を利用するある特定のアンテナでは、液晶が所望の動作をするために、液晶を特定の温度に加熱する必要がある。
【0004】
液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）に関連する従来技術において、例えば、周囲温度が－３０℃から－４０℃に達する可能性がある自動車用ディスプレイ用途では、適切に動作させるためにＬＣを特定温度を上回って保つために抵抗加熱素子が使用されている。これらの加熱素子は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電体から、ＬＣＤの主基板とは別のガラス基板上に形成される。この基板は、熱伝導性を提供するために、ＬＣＤ主基板に実質的に接合される。加熱素子が光周波数に対して透明であるので、加熱素子が信号経路上にあっても、これは、ＬＣＤ用のヒータを簡単で実用的に実装する方法である。
【0005】
しかしながら、この手法は、ＬＣベースのアンテナを考慮すると実現可能ではない。ＩＴＯ及び同様の材料は、ＲＦ周波数では透明ではないので、これらのタイプの加熱素子をＲＦ信号の経路に置くと、ＲＦ信号が減衰し、アンテナ性能が低下することになる。
【0006】
その結果、ＬＣベースのアンテナの従来技術の実施形態は、金属給電構造又は良好な熱特性を有する他のバルク機械構造に取り付けられた抵抗加熱素子を使用して、ＬＣ層が存在するアンテナの内部を加熱する。しかしながら、抵抗加熱素子は、断熱層を含む、アンテナ積層体における複数の層によってＬＣ層から物理的に分離されるので、液晶を加熱するためにはＬＣＤ実装と比較してより多くの熱量を加える必要がある。
【0007】
ＬＣベースのアンテナヒータの他の実装では、アンテナアパーチャ(antenna aperture)の縁部からＬＣ層を加熱しようと試みている。これらの実施形態では、４００～５００Ｗの電力を必要とし、ＬＣ層を動作温度にするためには、この電力で３０～４０分を必要とする。これは、加熱電力資源の使用が非効率である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】米国出願特許公開番号ＵＳ２０１６／０２６１０４２号明細書
【特許文献2】米国出願特許公開番号ＵＳ２０１６／０２６１０４３号明細書
【特許文献3】米国特許出願１４／５５０，１７８号明細書
【特許文献4】米国特許出願１４／６１０，５０２号明細書
【発明の概要】
【0009】
ヒータを備えたアンテナ及びこれ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、複数の無線周波数放射アンテナ素子(radio-frequency radiating antenna elements)を有するアンテナアパーチャであって、アンテナアパーチャは、グランドプレーン(ground plane)と、誘電率又はキャパシタンスを同調する(tuning)ための材料とを有する、アパーチャと、材料と熱的に接触するヒータ構造(heater structure)と、を備える。
【0010】
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十分に理解されるであろうが、これらの図面は、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。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1A】ＲＦ素子間のゲート及びヒータ経路に続く線長が等しいヒータワイヤを示す図である。
【図1B】ＲＦ素子間の同心円状の円弧上にある不均等な長さのヒータワイヤを示す図である。
【図2】アンテナアパーチャの１つの実施形態の例示的な断面を示す図である。
【図3A】長さが等しいヒータワイヤのためのヒータバス配置の例を示す図である。
【図3B】長さが等しくないヒータワイヤのためのヒータバス配置の例を示す図である。
【図4A】アンテナアパーチャにおける層間のボーダーシールにわたるヒータバスの例を示す図である。
【図4B】シールの下方を通って延びてアイリス層のオーバーハング部上のボンディングパッド構造に出てくる、アンテナアパーチャ内部でヒータワイヤに接続するヒータバスの一般的断面を示す図である。
【図5】ボーダーシール内でのアイリス層からパッチ層へのヒータバスの電気クロスオーバーを示す図である。
【図6】ボーダーシール構造内のアイリス層からパッチ層へのヒータバスの電気クロスオーバーを示す図である。
【図7A】様々な温度における典型的な薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の電流（Ｉ）－電圧（Ｖ）曲線を示す図である。
【図7B】様々な温度における典型的な薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の電流（Ｉ）－電圧（Ｖ）曲線を示す図である。
【図7C】様々な温度における典型的な薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の電流（Ｉ）－電圧（Ｖ）曲線を示す図である。
【図8A】ＴＦＴ（又は他のタイプのトランジスタ）を使用してＬＣの温度の推定値を決定するプロセスの１つの実施形態のフロー図である。
【図8B】アンテナアパーチャ内の温度を決定するのに使用する電圧及び電流を測定するための回路装置の図である。
【図8C】ＴＦＴ（又は他のタイプのトランジスタ）を使用してＬＣの温度の推定値を決定するプロセスの１つの実施形態のフロー図である。
【図8D】アンテナアパーチャ内の温度を決定するのに使用する電圧及び電流を測定するための別の回路装置の図である。
【図9】液晶のキャパシタンスを測定するための構成を示す図である。
【図10】円筒状給電アンテナの入力給電部の周りに同心リング状に配置されたアンテナ素子の１又は２以上のアレイを有するアパーチャを示す図である。
【図11】グランドプレーン及び再構成可能な共振器層を含むアンテナ素子の１つの行の斜視図である。
【図12】同調型共振器／スロットの１つの実施形態を示す図である。
【図13】物理的なアンテナアパーチャの１つの実施形態の断面図である。
【図14A】スロットアレイを生成するための異なる層の１つの実施形態を示す図である。
【図14B】スロットアレイを生成するための異なる層の１つの実施形態を示す図である。
【図14C】スロットアレイを生成するための異なる層の１つの実施形態を示す図である。
【図14D】スロットアレイを生成するための異なる層の１つの実施形態を示す図である。
【図15】円筒状給電アンテナ構造の１つの実施形態の側面図である。
【図16】射出波共にアンテナシステムの別の実施形態を示す図である。
【図17】アンテナ素子に対するマトリクス駆動回路の配置の１つの実施形態を示す図である。
【図18】ＴＦＴパッケージの１つの実施形態を示す図である。
【図19】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20】同時送受信経路を有する通信システムの別の実施形態のブロック図である。
【図21A】アンテナアパーチャの内部を加熱するための加熱素子を有するスーパープレートの１つの実施形態を示す図である。
【図21B】アンテナアパーチャの内部を加熱するための加熱素子を有するスーパープレートの１つの実施形態を示す図である。
【図22】ヒータ層がアイリス金属層の下方にあるアイリスヒータ設計の断面図である。
【図23】ヒータ層がアイリス金属層の上方にあるアイリスヒータ設計の断面図である。
【図24】アンテナセグメントの２つの縁部に沿ったバスバーを示す図である。
【図25】アンテナセグメントの３つの縁部に沿ったバスバーを示す図である。
【図26】アンテナセグメントの全ての縁部に沿ったバスバーを示す図である。
【図27】アイリス金属層上に作製されたヒータバスバーと対応する説明を示す図である。
【図28】アイリス金属上に作製されたヒータバスバーの例図及び対応する断面図である。
【図29】半径方向ヒータバスとヒータワイヤの配置を示す図である。
【図30】アンテナ素子のアレイがアパーチャアンテナアレイを形成している、アイリス金属層を示す図である。
【図31】ヒータとしてアイリス金属層を使用するためのヒータ接続部の設計を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下の説明では、本発明のより完全な説明を提供するために多くの詳細事項が記載されている。しかしながら、本発明がこれらの特定の詳細事項なしで実施できることは当業者には明らかであろう。場合によっては、本発明を曖昧にするのを避けるために、周知の構造及び装置は、詳細には示さずにブロック図の形式で示される。
【0013】
本発明の実施形態は、ＬＣベースの無線周波数（ＲＦ）アンテナアパーチャの内部にヒータ（例えば、加熱素子(heating elements)）を配置する技術を含む。１つの実施形態において、ヒータは、ＲＦ素子の近くで、ＲＦアンテナ素子の一部である液晶（ＬＣ）により近接してアンテナアパーチャの内部に配置される。これにより、アパーチャの直接加熱が可能となり、ヒータの所要電力が少なくなり、例えば、給電構造の後部に抵抗加熱素子を配置するなど、アパーチャの内部の温度を上昇させるより間接的な方法に比べて、温度上昇時間が短縮される。
【0014】
ヒータの実装(heater implementation)は、アパーチャのＲＦ特性を妨げないことが重要である。１つの実施形態において、加熱素子（例えば、ヒータトレース）は、アンテナアパーチャ内でより直接的な加熱を提供しながら、ＲＦ信号との干渉を低減する、場合によっては排除する場所のアンテナアパーチャ内に配置される。１つの実施形態において、これは、ＲＦ素子の間でＲＦ素子の一部とほぼ同一平面上に加熱素子を配置することにより実現される。１つの実施形態において、加熱素子の位置は、パッチ／アイリススロットアレイアンテナの一部であるアイリス層（例えば、アイリス金属層）のアイリス素子と同一平面上にある。アパーチャ内のヒータ配線をアイリス層とほぼ同一平面上に移動させることで、ヒータ配線とＲＦ信号の相互作用が低減され、場合によっては最小化される。
【0015】
本明細書で開示される技術は、メタマテリアルアンテナのアイリスガラス基板上に抵抗ヒータを実現する概念に焦点を合わせる。このようなアンテナの例は、以下及び添付の補遺においてより詳細に記載される。１つの実施形態において、メタマテリアルアンテナは、アンテナ素子の設計において液晶（ＬＣ）材料の層を同調型キャパシタとして使用する。１つの実施形態において、ＬＣ材料の応答は温度に依存し、メタマテリアルアンテナの設計は、１０℃以上の温度でＬＣからの応答に最適化される。このため、メタマテリアルアンテナは、１０℃以下の温度での動作にはヒータ構造を必要とする。１つの実施形態において、このヒータは、２つのガラス基板とこれらの間にＬＣ層とを有するアンテナのガラス基板設計に組み込まれ、２つのガラス基板がＬＣ層と直接接触するので、効率的な加熱を提供することができる。１つの実施形態において、２つのガラス基板は、パッチ／スロットアンテナのアイリス層とパッチ層とを有する。アイリスガラス基板に組み込まれたヒータは、本明細書では「アイリスヒータ(iris heater)」と呼ばれる。以下に記載されるヒータの設計概念は、ＬＣ層が存在するアンテナの内部を加熱するために金属給電構造又は他のバルク機械構造に取り付けられた抵抗加熱素子と比較して、加熱所要電力を数百ワット減少させることができる。
【0016】
本明細書に開示された技術はまた、アンテナアパーチャ内の温度を検出する方法を含む。１つの実施形態において、温度は、トランジスタバックプレーン上のトランジスタから直接検出される。１つの実施形態において、トランジスタバックプレーンは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）バックプレーンである。１つの実施形態において、トランジスタバックプレーン上のトランジスタが、ＬＣ又は他の材料と接触している場合、トランジスタの温度を検出することにより、ＬＣ／材料の温度の指標が提供される。
【0017】
本明細書に記載されている技術は、ヒータシステムのコストを減少させ、必要な電力がより少なく、アパーチャ温度の上昇時間を短縮し、アンテナを制御するのに使用されるコントローラボードのフットプリントを縮小させる。より具体的には、１つの実施形態において、本明細書に記載された技術は、７５～１００ワットの電力を必要とし、２０分でＬＣ層温度を動作温度に到達させる。
【0018】
更に、温度は、典型的には、パッチ及びアイリスガラス層とＬＣ層とを含むガラス組立体から実質的に物理的に除去されたブレイクアウトプリント回路基板（ＰＣＢ）又はブレイクアウト基板（例えば、インターフェース基板（例えば、他のアンテナセグメントと組み合わせてアンテナアパーチャを形成するアンテナセグメントへのインターフェース基板など））上で感知される。ガラス上での温度感知により、熱管理フィードバックループをより厳密に制御することができる。
【0019】
（概要）
１つの実施形態において、ヒータ構造は、加熱素子、加熱素子に給電するためのヒータ電力バス、アパーチャの外側に配置されたヒータ電源にヒータ電力バスを接続するための接続方式など、複数の要素からなる。１つの実施形態において、加熱素子はワイヤである。１つの実施形態において、ヒータ電力バスは、超低抵抗である。
１つの実施形態において、ヒータ構造は、加熱素子、加熱素子に給電するためのヒータ電力バス、アパーチャの外側に配置されたヒータ電源にヒータ電力バスを接続するための接続方式など、複数の要素からなる。１つの実施形態において、加熱素子はワイヤである。１つの実施形態において、ヒータ電力バスは、超低抵抗である。
【0020】
ヒータ配線、ヒータバス、ヒータ接続の実装は、実装に応じては、アパーチャの作製時に導体層、パッシベーション層、ビア開口部及びその他などの追加の堆積が必要となる場合がある。これらの追加層は、ヒータ構造を構築し、ヒータ構造を他の構造から電気的又は化学的に分離し、必要に応じて既存のアパーチャ構造にヒータのインターフェースを提供する役割を果たす。
【0021】
（ヒータワイヤ(Heating Wires)）
アパーチャの加熱は均一であることが望ましい。この目的を達成することができる２つのヒータワイヤ構成について説明する。
アパーチャの加熱は均一であることが望ましい。この目的を達成することができる２つのヒータワイヤ構成について説明する。
【0022】
１つの実施形態において、ヒータワイヤは等しい長さであり、これらのヒータワイヤの断面は、ヒータワイヤの長さにわたってヒータワイヤからヒータワイヤまでの寸法が同じ（又は類似）である。全体として、これにより、アパーチャ全体での単位面積当たりに同じ電力消費量を提供する。１つの実施形態において、ヒータワイヤは、アパーチャ品質領域全体で均一に分布され、パッチ又はアイリスと交差又は接触せずにアイリス間に置かれる。１つの実施形態において、ヒータワイヤは、アパーチャ領域全体で互いから同じ距離（同じピッチ）離れて近接している。
【0023】
図１Ａは、アンテナアパーチャにおけるＲＦアンテナ素子を加熱するのに使用される加熱素子の一例を示しており、ヒータワイヤは、等しい線長を有し、ＲＦ素子間のゲート経路とヒータ経路に従う。１つの実施形態において、ゲート経路は、液晶ベースのＲＦアンテナ素子をオン及びオフするゲートを制御するための経路であり、これについては以下でより詳細に説明する。
【0024】
図１Ａを参照すると、アンテナアパーチャセグメント１００は、ＲＦアンテナ素子のアンテナアレイの１／４を示している。１つの実施形態において、４つのアンテナアパーチャセグメントが結合されて、アレイ全体を形成する。なお、他の数のセグメントを使用して、アンテナアレイ全体を構成してもよい。例えば、１つの実施形態において、セグメントは、３つのセグメントを結合してＲＦアンテナ素子の円形アレイを形成するような形状にされる。アンテナセグメント及びこれらが結合される方法に関してのより詳しい情報については、２０１６年３月３日に出願された「ＡＮＴＥＮＮＡ ＥＬＥＭＥＮＴ ＰＬＡＣＥＭＥＮＴ ＦＯＲ Ａ ＣＹＬＩＮＤＲＩＣＡＬ ＦＥＥＤ ＡＮＴＥＮＮＡ」という名称の米国出願特許公開番号ＵＳ２０１６／０２６１０４２号、並びに２０１６年３月３日に出願された「ＡＰＥＲＴＵＲＥ ＳＥＧＭＥＮＴＡＴＩＯＮ ＯＦ Ａ ＣＹＬＩＮＤＲＩＣＡＬ ＦＥＥＤ ＡＮＴＥＮＮＡ」という名称の米国出願特許公開番号ＵＳ２０１６／０２６１０４３号を参照されたい。本明細書に記載された技術は、アンテナアパーチャセグメントによる動作に限定されず、ＲＦアンテナ素子のアレイ全体を含む単一のアパーチャで使用することができる点に留意されたい。
【0025】
ヒータワイヤ（要素）１０１は、アンテナアパーチャセグメント１００上に示されている。１つの実施形態において、ヒータワイヤ１０１は等しい長さである。１つの実施形態において、ヒータワイヤ１０１は、アンテナアレイにおけるＲＦアンテナ素子（図示せず）の間に配置されている。１つの実施形態において、ヒータワイヤ１０１は、アレイ内の個々のＲＦアンテナ素子をオン及びオフするためのゲートを制御するのに使用されるゲートラインに沿っている。１つの実施形態において、ヒータワイヤ１０１は、ＲＦ素子間の距離が等しい。
【0026】
１つの実施形態において、ヒータワイヤ１０１は、互いに対して等距離である。言い換えれば、ヒータワイヤのペア間の離隔距離は等しい。これは、アンテナアパーチャをより均一に加熱するのに役立つ可能性があるが、要件ではない点に留意されたい。１つの実施形態において、アンテナアレイにおけるアンテナ素子がリング状に配置されている場合、ヒータワイヤ１０１の個々のヒータワイヤは、ＲＦアンテナ素子の連続する２つのリング間の距離が等しい。代替の実施形態では、ヒータワイヤのペア間の離隔距離は等しくない。
【0027】
図１Ａに描かれているヒータ配線は、配線の相対的な位置と経路を示しているが、配線のサイズ又はワイヤ数を表している訳ではないことに留意すべきである。例えば、１つの実施形態において、１つおきのワイヤを削除することができ、残りのワイヤが、エリア全体で加熱が均一に提供されるのに必要な加熱を提供する。ヒータワイヤのサイズに関しては、そのサイズは、ヒータワイヤ自体の材料特性とワイヤが提供されることになる加熱量に基づいて決定される。
【0028】
１つの実施形態において、ヒータワイヤ１０１のヒータワイヤ断面（高さ及び幅）は、以下のようにして選択される。まず、アパーチャ領域を加熱するために必要な電力は、ヒータワイヤの数及び長さと所与の所望のヒータ供給電圧から、ヒータワイヤの抵抗に変換される。次いで、この抵抗値とヒータワイヤ材料の特性を併せて使用されて、必要なヒータワイヤ断面積を決定する。限定ではないが、製造歩留まりを含む、他の考慮事項を使用して、ヒータワイヤの断面を選択することができる。
【0029】
別の実施形態では、ヒータワイヤは不均等な長さであり、これらの断面は等しくない。１つの実施形態において、不均等な長さのヒータワイヤがＲＦ素子間の同心円弧上にある。１つの実施形態において、ヒータワイヤの幅は等しく、ワイヤの高さは、セグメントの中心から半径方向に調整されて、アパーチャ領域にわたって単位面積当たりに均一な電力を提供する。
【0030】
図１Ｂは、不均等な長さのヒータワイヤを有し、それらの断面が互いに不均等であるアンテナアパーチャ上のヒータワイヤの１つの実施形態を示す。図１Ｂを参照すると、図１Ａに描かれているアパーチャセグメントと同じタイプのであるアンテナアパーチャセグメント１１０上にヒータワイヤ１１１が示されている。１つの実施形態において、複数のアンテナアパーチャが結合されて、完全なアンテナアレイを形成する。図１Ａと同様に、１つの実施形態において、ヒータワイヤは、ＲＦ素子の間に配線される。１つの実施形態において、当該経路は、アンテナ素子を制御するゲートのゲート経路を辿る。
【0031】
１つの実施形態において、目的は、依然として、単位面積当たりの電力損失をほぼ均一にすることである。しかしながら、この場合、ヒータワイヤ断面の高さは、アパーチャ領域にわたって変化させて電流及び抵抗を制御し、ヒータワイヤの長さは不均等でも、面積当たりに同じ電力消費量を提供する。
【0032】
図１Ｂに描かれているヒータ配線は、配線の相対的な位置及び経路を示しており、配線のサイズ及びワイヤ数を示すものではない点に留意されたい。ヒータワイヤのサイズに関して、これらのサイズは、ヒータワイヤ自体の材料特性とワイヤが提供することになる加熱量に基づいている。
【0033】
１つの実施形態において、ヒータワイヤは、アイリス特徴部の間にあり、パッチ／スロットペアを有するアンテナ素子の同調型スロットアレイにおいて、パッチ又はアイリス特徴部と交差又は接触しない。図２に提供された図示の例では、ヒータワイヤは、アイリス／パッチ素子のリングの中間のリングに位置し、ヒータワイヤの内側及び外側リングが追加されている。１つの実施形態において、ヒータ配線のリングは、アパーチャ領域にわたって同じ半径方向ピッチにて同心リング上にある。１つの実施形態において、ヒータ配線の半径方向ピッチは、ＲＦ素子と同じ半径方向のピッチである。代替の実施形態では、ヒータ配線の半径方向ピッチは、ＲＦ素子の半径方向ピッチと同じではない。
【0034】
１つの実施形態において、ヒータワイヤは、ＲＦ素子の間で等距離に近い位置にある。
【0035】
図２は、アイリス層とパッチ層を有するアンテナアパーチャの断面図又は側面図の例を示す。図２を参照すると、パッチガラス層(patch glass layer)２０１及びアイリスガラス層(iris glass layer)２０２は、それぞれパッチ及びアイリススロットを含んで互いに分離されており、同調型スロットアレイを形成している。このようなアレイは周知であり、以下で詳細に説明する。１つの実施形態において、パッチガラス層２０１及びアイリスガラス層２０２は、ガラス基板である。パッチ層及びアイリス層は、以下ではそれぞれパッチガラス層及びアイリスガラス層と呼ぶことがある。しかしながら、本明細書において、「パッチガラス層」及び「アイリスガラス層」を含む実施形態は、基板がガラス以外の場合には、それぞれ「パッチ基板層(patch substrate layer)」及び「アイリス基板層(iris substrate layer)」（又はパッチ基板及びアイリス基板）を用いて実施してもよいことを理解されたい。
【0036】
パッチガラス層２０１上にパッチ金属層２１１を作製する。パッチ金属層２１１を覆ってパッシベーションパッチ層２３１を作製する。パッシベーションパッチ層２３１の上部に液晶（ＬＣ）配向層２１３を作製する。アイリスガラス層２０２の上にアイリス金属層２１２のセクションを作製する。アイリス金属層２１２を覆ってパッシベーションアイリス１層２３２を作製する。パッシベーションアイリス層２３２の上部にヒータワイヤ(heater wire)２４０を作製する。１つの実施形態において、ヒータワイヤ２４０は、アイリス素子のペア間の距離が等しくなるように近接している。他のヒータワイヤもまた、このようにしてアイリス素子の間に配置される。別のパッシベーションアイリス２層２３３は、パッシベーションアイリス１層２３２とヒータワイヤ２４０を覆って作製される。パッシベーションアイリス２層２３３の上部にＬＣ配向層２１３を作製する。
【0037】
ＬＣ配向層２１３を用いて、当技術分野でよく知られている方法でＬＣ２６０が単一の方向に向くようにＬＣ２６０を整列させる点に留意されたい。
【0038】
（ヒータ電力バス(Heater Power Buses)）
ヒータワイヤに電力を供給するための電力バスが設けられている。これらの例は、以下の図に示されている。１つの実施形態において、電力バスは、ヒータワイヤと比べたときに抵抗が数桁低いので、バスの一端から他端までの電圧降下が小さく、ヒータワイヤの各バス端でヒータワイヤの全てが同じ電圧を有することができるようになる。これにより、ヒータワイヤのネットワークへの配電を管理するのが容易になる。
ヒータワイヤに電力を供給するための電力バスが設けられている。これらの例は、以下の図に示されている。１つの実施形態において、電力バスは、ヒータワイヤと比べたときに抵抗が数桁低いので、バスの一端から他端までの電圧降下が小さく、ヒータワイヤの各バス端でヒータワイヤの全てが同じ電圧を有することができるようになる。これにより、ヒータワイヤのネットワークへの配電を管理するのが容易になる。
【0039】
１つの実施形態において、ヒータバスは、アパーチャの内部に配置され、ヒータワイヤがヒータワイヤの各端部で適切な供給電圧に接続できるようになる。
【0040】
１つの実施形態において、ヒータバスは、ヒータワイヤネットワークに電力を供給することのみを目的として、アパーチャ内に配置された別個の構造物である。
【0041】
別の実施形態では、アパーチャ内の既存の構造物を用いて、ヒータバスとしても機能することができる。１つの実施形態において、ヒータバス（又は複数のバス）は、アパーチャのシール構造に組み込まれる。別のケースでは、アイリス金属（例えば、銅）面は、ヒータワイヤの電流をシンク又はソースするヒータバスとして使用することができる。
【0042】
図３Ａは、同じ長さのヒータワイヤのためのアンテナアパーチャに統合されたヒータ電力バスの配置の例を示す。図３Ａを参照すると、アンテナアレイ全体を形成するために共に結合されるアンテナセグメントの１つを表すアンテナアパーチャセグメント３００は、ヒータバスライン３０１及び３０２を含む。ヒータ電力バスライン３０１及び３０２は、ヒータワイヤ３０３に電気的に接続されて電力を供給する。
【0043】
図３Ｂは、不均等な長さのヒータワイヤのためのアンテナアパーチャに統合されたヒータ電力バス配置の例を示す。図３Ｂを参照すると、ヒータ電力バス３０３，３０４は、アンテナアパーチャセグメント３１０上のヒータワイヤ３０５に電気的に接続されている。
【0044】
（ヒータバス(Heater Bus)と電源の接続）
１つの実施形態において、アパーチャの内側にあるヒータバスは、アパーチャ構造の外側に出され、ヒータ電源(heater power supply)への接続を行う。１つの実施形態において、これは、アンテナアパーチャの外側部分においてボーダーシール構造を介してヒータバスを、アパーチャボーダーシールの外側のアパーチャ内の層の１つにあるメタライゼーション層に接続することによって達成することができる。例えば、１つのこのようなメタライゼーション層は、アイリスガラス層又はパッチガラス層上にある。このメタライゼーションは、シール内のヒータバスに接続され、シール内からシールを通って、パッチ又はアイリスガラス層の互いに広がる部分にまで延びている。これらはオーバーハング領域(overhang regions)と呼ぶことができる。このような場合、これらのオーバーハング領域の下方にあるパッチ又はアイリスガラス層の部分は、アンダーハング領域(under-hang regions)と呼ぶことができる。
１つの実施形態において、アパーチャの内側にあるヒータバスは、アパーチャ構造の外側に出され、ヒータ電源(heater power supply)への接続を行う。１つの実施形態において、これは、アンテナアパーチャの外側部分においてボーダーシール構造を介してヒータバスを、アパーチャボーダーシールの外側のアパーチャ内の層の１つにあるメタライゼーション層に接続することによって達成することができる。例えば、１つのこのようなメタライゼーション層は、アイリスガラス層又はパッチガラス層上にある。このメタライゼーションは、シール内のヒータバスに接続され、シール内からシールを通って、パッチ又はアイリスガラス層の互いに広がる部分にまで延びている。これらはオーバーハング領域(overhang regions)と呼ぶことができる。このような場合、これらのオーバーハング領域の下方にあるパッチ又はアイリスガラス層の部分は、アンダーハング領域(under-hang regions)と呼ぶことができる。
【0045】
図４Ａ及び４Ｂは、ボーダーシールを通ってアイリスガラス層のオーバーハング部上に出てくるヒータバスの例を示す。１つの実施形態において、ＲＦアパーチャは、この事例では、アイリスガラス層とパッチガラス層の両方がオーバーハング領域（基板が、メタライズ面の反対側のガラス層に直面していないメタライズ領域を有する）を有するようにカットされる。本明細書では、アイリス層及びパッチ層をガラス層と表現することがあるが、これらは、ガラスに限定されるものではなく、他のタイプの基板を構成することができる。
【0046】
図４Ａは、ヒータバスをヒータ電源に接続する際に使用するヒータバス接続方式を示す図である。図４Ａを参照すると、１つの実施形態において、ヒータ電源（図示せず）は、ヒータワイヤを含む、アンテナ素子アレイ４３０などのアンテナ素子アレイの外側に配置されている。アンテナアパーチャセグメント４００は、本明細書で検討されたパッチ層及びアイリス層を含む。アイリスオーバーハング部４０１、４０２と呼ばれるアイリス層の一部は、パッチ層の一部を覆って延びている。同様に、本明細書でパッチオーバーハング部４０３と呼ばれるパッチガラス層の一部は、アイリスガラス層の一部を越えて延びている。アイリスガラス層及びパッチガラス層は、アパーチャボーダーシール４６０によって液晶材料ＬＣ４６２と共にシールされる。ヒータ電力バス４１０は、シール交差部４２１でボーダーシール４６０を横切る。ヒータバス４１１は、シール交差部４２０でボーダーシール４６０を横切り、電源に接続する。何れの場合においても、ヒータ電力バス４１０及びヒータバス４１１は、アンテナアパーチャセグメント４００から出ることにより電源を介して接続することができる。アンテナアパーチャセグメント４００は、アンテナ素子アレイ４３０のヒータワイヤ４８１に電気的に接続されたヒータ電力バス４１０及び４１１を含む。
【0047】
図４Ｂは、シールの下方に延びてアイリスオーバーハング部上のボンディングパッド構造に出ている、アパーチャ内のヒータワイヤに接続するヒータバスの一般的断面図である。図４Ｂを参照すると、ヒータバス金属４４３は、パッシベーション層４４１の上部のアイリスガラス層４３１上のボーダーシール、ボーダーシール接着剤４５０の下に入り込む。このように、ヒータバス金属４４３は、ボーダーシール接着剤４５０の真下にある。ボーダーシール接着剤４５０は、パッチガラス層４３０を、その上の作製された層を含むアイリスガラス層４３１に結合する。
【0048】
ヒータワイヤ４４４は、パッシベーション層４４１及びヒータバス金属４４３の一部の上部に堆積され、これによりヒータワイヤ４４４と共にヒータバス金属４４３に電気的に接続される。ヒータワイヤ４４４は、アイリス金属４４５の上部に作製されたパッシベーション層４４１の一部上に作製され、ヒータバス金属４４３の一部上に作製される。代替の実施形態では、ヒータバス金属４４３とヒータワイヤ４４４との間にパッシベーション層があり、パッシベーション層を通るビアがヒータバス金属４４３とヒータワイヤ４４４とを接続している。
【0049】
パッシベーション層４４１は、ヒータワイヤ４４４及びヒータバス金属４４３の少なくとも一部の上部に作製される。パッシベーション層４４１の上部に配向層４３２が作製される。パッシベーション層４４１はまた、パッチガラス層４３０の下部に作製される。同様に、配向膜４３２は、パッチガラス層４３０上のパッシベーション層４４１の一部を覆って作製される。ヒータワイヤ４４４は、パッシベーション層とその間のビアなしでヒータバス金属４４３の上部に直接堆積されて示されるが、代替の実施形態では、ヒータワイヤ４４４とヒータバス金属４４３との間に別のパッシベーション層が堆積され、これら２つの間の電気的接続がビアを使用して行われる点に留意されたい。このパッシベーション層は、ヒータワイヤ金属がエッチングされている間、ヒータバス金属を保護する。
【0050】
ボンディングパッド／コネクタ構造(bond pad/connector structure)４４２は、電源をヒータバス金属４４３に電気的に接続するための場所である。
【0051】
ヒータバスの電源は、ボーダーシールの内側で、ボーダーシール自体内で、又はボーダーシールの外側でアパーチャのパッチガラス層側からアイリスガラス層側に横断することができる。ヒータバスをパッチ層のオーバーハング部に取り出すことは、コントローラ電子機器からアパーチャまでのインターフェースラインの残りに使用されるコネクタ内でヒータ接続が可能にできるという利点がある。以下の図は、ボーダーシールの内側及び内部でこれを行う方法を示している。
【0052】
図５は、ボーダーシール内でアイリス層からパッチ層に電気的にクロスオーバーするヒータ電力バスの１つの実施形態を示す。図５を参照すると、パッチガラス層５０１は、アイリスガラス層５０２を覆って示されている。パッチガラス層５０１とアイリスガラス層５０２の上に作製された複数の層があり、ボーダーシール接着剤５２１が、これら２つの基板を共に結合し、２つの基板間のＬＣ５６０をシールする。１つの実施形態において、パッチガラス層５０１及びアイリスガラス層５０２は、ガラス層を構成するが、他のタイプの基板であってもよい。
【0053】
アイリス金属層５４１は、アイリスガラス層５０２の上部に作製される。パッシベーション層５３１は、アイリス金属層５４１及びアイリス金属層５４１が存在しない（例えば、エッチングで除去された）アイリスガラス層５０２の上部に作製される。パッシベーション層５３１の上には、ヒータバス金属５１２を含む。アイリス金属層５４１を覆ったパッシベーション層５３１の上には、パッシベーション層５５０がある。ＬＣ５６０を加熱するためのヒータワイヤ５１０は、パッシベーション層５５０の上部及びヒータバス金属５１２の一部の上部に作製される。代替の実施形態では、ヒータバス金属５１２とヒータワイヤ５１０との間にパッシベーション層があり、パッシベーション層を介してビアがヒータバス金属５１２とヒータワイヤ５１０を接続する。パッシベーション層５３０は、ヒータワイヤ５１０又はヒータワイヤ５１０の少なくとも一部を覆って作製され、配向層４４０はパッシベーション層５３０の上部にある。パッチガラス層５０１の上にパッシベーション層５３２が作製される。パッシベーション層５３２の上部には、ヒータバスに供給するメタライゼーション５１１がある。パッシベーション層５３０は、ヒータバスメタライゼーション５１１の一部を覆い、配向層４４０は、パッシベーション層５３０の一部を覆い、ＬＣ５６０の整合に使用される。ボンド／コネクタ構造５１３は、ヒータ電力バスと外部電源（図示せず）との間の電気的接続を可能にするために配置される。
【0054】
導電性クロスオーバー５２０は、ヒータバスメタライゼーション５１１をヒータバス金属５１２に電気的に接続し、コネクタ構造５１３に接続された電源が、ヒータバスメタライゼーション５１１を介して、導電性クロスオーバー５２０を介し、ヒータワイヤ５１０に電力を供給するヒータバス金属５１２に電力を供給できるようにする。
【0055】
図６は、ボーダーシール構造内のアイリス層からパッチ層へのヒータバス電気クロスオーバーの１つの実施形態を示す。図６を参照すると、導電性クロスオーバー６２０は、ボーダーシール６２１と共に、パッチガラス層６０１上に作製されているヒータバス金属６１１と、アイリスガラス層６０２上にあるヒータバス６１２との間の電気的接続を提供する。パッチガラス層６０１とアイリスガラス層６０２の間には、メタマテリアルアンテナを同調するための液晶材料ＬＣ６６０が保持されている。ＬＣ材料を加熱するためのヒータワイヤ６１５は、パッシベーション層６５０の一部上に作製され、パッシベーション層６５０は、アイリス金属６４１の上部に作製され、ヒータバス金属６１２の一部上に作製される。代替の実施形態では、ヒータバス６１２とヒータワイヤ６１５との間にパッシベーション層があり、パッシベーション層を介したビアがヒータバス６１２とヒータワイヤ６１５とを接続する。
【0056】
パッチオーバーハング部は、ボーダーシールの外側に対面するアイリスガラスを有していない。アイリスアンダーハングは、ボーダーシールの外側に対面するパッチガラスを有していない。従って、オーバーハング部又はアンダーハング上のメタライゼーションは、ヒータ電源／コントローラへの接続をするためにアクセス可能である。例えば、この接続は、ＡＣＦ（異方性導電接着剤）によってフレックスケーブルに行うことができる。この可撓性ケーブルは、ヒータ電源／コントローラに接続することができる。ヒータ電源／コントローラは、アパーチャコントローラボード上にあることができ、又は独立した電源／コントローラユニットとすることができる。
【0057】
図において、パッチガラス、特にボーダーシール領域周辺には、このヒータ配線以外にも複数の他の構造物を有する点に留意されたい。描かれたヒータ接続構造は、ヒータに供給する方法のみに焦点を当てており、他のパッチ構造（例えば、パッチオーバーハング部からアイリス金属に接続する電圧バス）との一体化は示そうとしていない。ヒータバスメタライゼーション５１１（図５）及び６１１（図６）の上方のパッシベーション層が、このヒータ供給メタライゼーションをパッチ回路の残りの部分から分離する。
【0058】
（ヒータ配線、ヒータバス、及び接続部の配置）
ヒータ配線(heater wiring)及びヒータバス(heater buses)は、アパーチャのパッチガラス側、アパーチャのアイリスガラス側の何れかに配置することができ、或いは、アパーチャのパッチガラス及びアイリスガラス（又は非ガラス）層の両方に部品を有することができる。ヒータの接続は，アパーチャのパッチガラス層側又はアイリスガラス層側に出でくることができる。
ヒータ配線(heater wiring)及びヒータバス(heater buses)は、アパーチャのパッチガラス側、アパーチャのアイリスガラス側の何れかに配置することができ、或いは、アパーチャのパッチガラス及びアイリスガラス（又は非ガラス）層の両方に部品を有することができる。ヒータの接続は，アパーチャのパッチガラス層側又はアイリスガラス層側に出でくることができる。
【0059】
（ＲＦアパーチャ内部の温度センサー）
１つの実施形態において、１又は２以上の温度センサーが、アパーチャ内に配置されている。これらの温度センサーは、アパーチャの内部温度を監視し、アパーチャの温度を調整するために、加熱素子（ワイヤ）、ヒータバス、及びヒータ接続部を含むヒータを係合させる必要があるかどうかを制御するのに使用される。これは、ＲＦアンテナ素子をある一定の温度又は温度範囲に置く必要がある場合に必要とすることができる。例えば、ＲＦアンテナ素子の各々がＬＣを含む場合、アンテナ素子は、ＬＣがある一定の温度である場合により効果的に動作する。従って、アパーチャ内の温度を監視し、ＬＣの温度が最適な温度範囲を下回っていると決定することにより、ヒータワイヤ、バス、及び接続部を使用して、ＬＣが所望の温度範囲になるまで内部のアパーチャを加熱することができる。
１つの実施形態において、１又は２以上の温度センサーが、アパーチャ内に配置されている。これらの温度センサーは、アパーチャの内部温度を監視し、アパーチャの温度を調整するために、加熱素子（ワイヤ）、ヒータバス、及びヒータ接続部を含むヒータを係合させる必要があるかどうかを制御するのに使用される。これは、ＲＦアンテナ素子をある一定の温度又は温度範囲に置く必要がある場合に必要とすることができる。例えば、ＲＦアンテナ素子の各々がＬＣを含む場合、アンテナ素子は、ＬＣがある一定の温度である場合により効果的に動作する。従って、アパーチャ内の温度を監視し、ＬＣの温度が最適な温度範囲を下回っていると決定することにより、ヒータワイヤ、バス、及び接続部を使用して、ＬＣが所望の温度範囲になるまで内部のアパーチャを加熱することができる。
【0060】
（アパーチャの温度測定のためのアンテナ素子制御トランジスタ（例えば、ＴＦＴ）の使用）
本発明の実施形態は、パッチ層基板上に集積されたトランジスタ、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いてＬＣ温度を測定する技術を含む。１つの実施形態において、この技術は、温度によって変化するＴＦＴの移動度特性を用いて温度を示す。
本発明の実施形態は、パッチ層基板上に集積されたトランジスタ、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いてＬＣ温度を測定する技術を含む。１つの実施形態において、この技術は、温度によって変化するＴＦＴの移動度特性を用いて温度を示す。
【0061】
【0062】
所与のＶｄｓ及びＶｇｓに対するＩｄは温度によって変化する点に留意されたい。このＴＦＴの特性を利用して、Ｖｇｓ及びＶｄｓを既知の一定値に設定することにより、測定したＩｄ値は、ＴＦＴの温度と相関させることができる。
【0063】
図８Ａは、ＴＦＴ（又は他のタイプのトランジスタ）を使用してＬＣの温度の推定値を決定するためのプロセスの１つの実施形態のフロー図である。ＴＦＴはＬＣに接続されている。従って、ＴＦＴの温度によってＬＣの温度の指標が提供される。このプロセスは、温度監視サブシステムを含む温度制御システムによって実行される。
【0064】
図８Ａを参照すると、プロセスは、電圧Ｖｇｓ測定アナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）が予め定義されたＶｇｓ値を示すまで、デジタル－アナログコンバータ（ＤＡＣ）値と呼ばれるデジタル電圧値を調整することから始まる（処理ブロック８０１）。次に、温度制御システムの処理ロジックは、電流センス抵抗にかかる電圧を監視しているＩｄ測定ＡＤＣを読み取ることにより、電流Ｉｄを測定する（処理ブロック８０２）。Ｖｇｓの電圧値とＩｄの電流値に基づいて、処理ロジックは、Ｉｄの値を較正された温度値に相関させる（処理ブロック８０３）。相関は、値を使用してルックアップテーブル（ＬＵＴ）にアクセスしＴＦＴの対応する温度値を決定する相関器／処理ユニット（例えば、プロセッサ）によって実行することができる。
【0065】
図８Ｂは、温度測定回路の一例を示す図である。図８Ｂを参照すると、電圧値は、ＤＡＣ８６１によって、トランジスタ８６４と直列結合された電流センサー抵抗８６２を有する回路に提供される。１つの実施形態において、トランジスタ８６４は、ＲＦアンテナ素子内の液晶（ＬＣ）と接触している。１つの実施形態において、トランジスタ８６４は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含む。１つの実施形態において、ＤＡＣ８６１から出力される電圧値は、温度コントローラ８３１によってもたらされる。１つの実施形態において、温度調整ユニット８４３は、監視されているトランジスタのタイプに基づいて、異なる電圧値を提供することができる。
【0066】
電流センサー抵抗８６２の両端の電圧値は、コンパレータ８６３を用いて監視され、ＡＤＣ８１０によってデジタル形式に変換される電流測定値を生成する。測定電流及び測定されたＶｇｓ電圧に基づいて、相関器８４１は、トランジスタ８６４と測定電流Ｉｄ及びＶｇｓ電圧との間の相関関係に基づいて、トランジスタ８６４の温度８４２を決定する（処理ブロック８０３）。トランジスタ８６４はＬＣと接触しているので、トランジスタ８６４の温度は、ＬＣの温度を示す又は表すのに使用される。
【0067】
図８Ｃは、図８Ａとは異なる方法で構成されたＴＦＴ（又は他のタイプのトランジスタ）を使用してＬＣの温度の推定値を決定するためのプロセスの１つの実施形態のフロー図である。図８Ａと同様に、ＴＦＴはＬＣに接続され、ＴＦＴの温度がＬＣの温度の指標を提供する。このプロセスは、温度監視サブシステムを含む温度制御システムによって実行される。
【0068】
図８Ｃを参照すると、プロセスは、電圧Ｖｄｓ測定アナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）が予め定義されたＶｄｓ値を示すまで、デジタル－アナログコンバータ（ＤＡＣ）値と呼ばれるデジタル電圧値を調整することから始まる（処理ブロック８０４）。次に、温度制御システムの処理ロジックは、電流感知抵抗にかかる電圧を監視しているＩｄ測定ＡＤＣを読み取ることにより電流Ｉｄを測定する（処理ブロック８０５）。Ｖｄｓ電圧値とＩｄ電流値に基づいて、処理ロジックは、Ｉｄ値を較正された温度値に相関させる（処理ブロック８０６）。相関は、値を使用してルックアップテーブル（ＬＵＴ）にアクセスしてＴＦＴの対応する温度値を決定する相関器／処理ユニット（例えば、プロセッサ）によって実行することができる。
【0069】
図８Ｄは、図８Ｃの手順を用いたＴＦＴの温度監視回路の他の例を示す。図８Ｄの回路は、トランジスタ８１４が異なる方法で結合されていることを除いて、図８Ｂの回路と実質的に類似している。従って、監視サブシステムによる測定と、温度コントローラ８３１の動作は同じように動作する。
【0070】
１つの実施形態において、複数のテストＴＦＴをアンテナアレイのＲＦ素子（及びそのＬＣ）の周りに分散させて、様々な場所で及び／又は温度平均化のために温度を測定することができる。
【0071】
（ＬＣのキャパシタンス特性を使用したＬＣの温度の測定）
１つの実施形態において、ＬＣの温度は、ＬＣのキャパシタンス特性(capacitance properties)を使用して測定される。これは、電気キャパシタンスが温度の関数として変化するというＬＣの特性を利用する。
１つの実施形態において、ＬＣの温度は、ＬＣのキャパシタンス特性(capacitance properties)を使用して測定される。これは、電気キャパシタンスが温度の関数として変化するというＬＣの特性を利用する。
【0072】
１つの実施形態において、電気試験キャパシタは、パッチガラス層上に導電性表面を配置し、整合する導電性表面をアイリスガラス層に配置することによって作成され、これによりＬＣが分離誘電体材料として機能するキャパシタを生成する。これらの導電面は、キャパシタンスを測定する回路（キャパシタンスデジタルコンバータ（ＣＤＣ）など）に接続される。ＬＣのキャパシタンスは温度の関数であるので、試験用キャパシタのキャパシタンスは、ＬＣの温度に直接相関することができる。
【0073】
図９は、ＲＦアンテナ素子内のＬＣの温度を決定するために、ＬＣのキャパシタンスを決定する回路を示している。図９を参照すると、励起信号９０１がアイリスガラス層９１０Ｅと液晶９１０Ｃを接続する導体９１０Ｄに供給される。１つの実施形態において、励起は矩形波である。１つの実施形態において、励起信号９０１は、温度コントローラ９３１に提供される入力を有するＤＡＣから来る。１つの実施形態において、温度調整ユニット９４３は、監視されている試験キャパシタのタイプに基づいて、異なる電圧値を提供することができる。
【0074】
パッチガラス層９１０Ａは、導体９１０Ｂを用いて液晶９１０Ｃに結合されている。信号９０１の矩形波を導体９１０Ｄに印加することにより、液晶９１０Ｃ上にキャパシタンスが生成されるようになり、このキャパシタンスは、Σ－Δデジタルコンバータ（ＣＤＣ）９０２で測定される。ＣＤＣ９０２の出力は、温度コントローラ９３１に供給され、温度コントローラ９３１は、相関器９４１を用いてキャパシタンスの測定値をＬＣベースの試験キャパシタのＬＣの温度９４２に相関させる。次いで、この温度は、アレイ内のＲＦアンテナ素子のＬＣの温度として使用される。
【0075】
更に別の実施形態では、温度監視サブシステムは、液晶の減衰速度を測定し、この減衰速度を液晶の温度に相関させるように動作可能である。ＬＣの減衰速度は、当技術分野ではよく知られており、ＬＣが使用された時間が容易に追跡される。１つの実施形態において、相関演算は、図８Ｂ、８Ｄ及び９に関連して上述したのと同様の方法で実行される。
【0076】
１つの実施形態において、複数の試験パッチが、温度の様々な場所を測定するために、及び／又は温度平均化のためにＲＦ ＬＣベースのアンテナ素子のアンテナアレイの周りに分散される。
【0077】
加熱素子及びヒータバスを含むヒータは、温度センサーと連動して動作して、ヒータシステムにフィードバックを与える。温度センサーは、アパーチャ内にあるか、又はアパーチャ上にあってもよい。アパーチャ内の温度とセンサーによって測定された温度の何らかの相関関係を較正手順によって確立することが必要となる場合がある。
【0078】
１つの実施形態において、アパーチャの温度は、温度センサーとヒータ電源／コントローラからなる制御ループによって調整される。アパーチャの温度が動作温度を下回っていることをセンサーが示すときには、ヒータ電源コントローラが、ヒータをオンにしてアパーチャを加熱する。本明細書で記載されているヒータ構造を用いて、所望のアパーチャ温度を制御することができる方法が数多くある。
【0079】
代替の実施形態では、ＲＦアパーチャの内部にヒータを配置する代わりに、同じタイプのヒータワイヤパターン、ヒータワイヤパターンの配置、ヒータバス、及びヒータバスの配置がスーパーストレート上に作られる。１つの実施形態において、スーパーストレートは、ＲＦアパーチャの衛星対向側に直接ある基板である。１つの実施形態において、この実施構成は、ＲＦアパーチャ内（ＲＦ素子／ＬＣプレーン内）で使用するために上述したのと同じである。
【0080】
１つの実施形態において、ヒータをスーパーストレート上に配置する際に、スーパーストレートは、パッチ層の上部とスーパーストレートの底部との間に、ＬＣ層にできるだけ近くヒータワイヤパターンが配置される。スーパーストレート上にヒータを配置することに関する１つの潜在的な問題は、パッチ層からのＲＦとスーパーストレート上のヒータワイヤとの相互作用が、ＲＦアパーチャにより形成されるＲＦパターンに悪影響を及ぼす可能性があることである。ヒータワイヤとＲＦの相互作用を低減するために、１つの実施形態において、パッチ層ができるだけ薄くされ、ヒータをＲＦ素子／ＬＣ面にできるだけ近づけるように移動される。
【0081】
図２１Ａ及び図２１Ｂは、ヒータパターンが取り付けられたスーパーストレートの一例を示す図である。図２１Ａ及び２１Ｂを参照すると、スーパーストレート２１０１は、その底部側にヒータワイヤパターン２１０３を含む。また、基板２１０１の底部には、ヒータバス２１０２が取り付けられている。スーパープレート２１０１は、図２１Ｂに示すようなＲＦアンテナ素子のアパーチャ領域２１１０と、パッチオーバーハング部２１０３とを含むセグメント２１００に結合されている。
【0082】
（アンテナ実施形態の実施例）
上述の技術は、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、液晶セルを含む。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駆動するための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。
上述の技術は、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、液晶セルを含む。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駆動するための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。
【0083】
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、共に結合されたときに、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。
【0084】
（アンテナシステムの１つの実施例の概要）
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、陸上など）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ない地上局（例えば、固定地上局又は可搬型地上局）でも使用できることに留意されたい。
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、陸上など）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ない地上局（例えば、固定地上局又は可搬型地上局）でも使用できることに留意されたい。
【0085】
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。
【0086】
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路構造、（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、（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。
【0087】
（導波構造の例）
図１０は、円筒状給電アンテナの入力給電の周りに同心リング状に配置されたアンテナ素子の１又は２以上のアレイを有するアパーチャを示す。１つの実施形態において、円筒状給電アンテナ(cylindrically fed antenna)は、円筒波給電を提供するのに使用される同軸給電を含む。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。別の実施形態において、円筒状給電アンテナは、内向きに進む給電波を生成する。このような場合、円形構造から生じる給電波が最も自然である。
図１０は、円筒状給電アンテナの入力給電の周りに同心リング状に配置されたアンテナ素子の１又は２以上のアレイを有するアパーチャを示す。１つの実施形態において、円筒状給電アンテナ(cylindrically fed antenna)は、円筒波給電を提供するのに使用される同軸給電を含む。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。別の実施形態において、円筒状給電アンテナは、内向きに進む給電波を生成する。このような場合、円形構造から生じる給電波が最も自然である。
【0088】
（アンテナ素子）
１つの実施形態において、アンテナ素子(antenna elements)は、１つのグループのパッチアンテナを含む。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。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、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。当業者であれば理解されるであろうが、ＣＥＬＣの関連におけるＬＣは、液晶とは異なり、インダクタンス・キャパシタンスを意味する。
１つの実施形態において、アンテナ素子(antenna elements)は、１つのグループのパッチアンテナを含む。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。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、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。当業者であれば理解されるであろうが、ＣＥＬＣの関連におけるＬＣは、液晶とは異なり、インダクタンス・キャパシタンスを意味する。
【0089】
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。この液晶は、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、各単位セルに封入されて、スロットに関連する下部導体をスロットのパッチに関連す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（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。１つの実施形態において、液晶は、この特性を利用して、誘導波からＣＥＬＣへのエネルギー伝達のためにオン／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るものではない。
【0090】
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、アンテナ素子を給電波における波ベクトルに対して４５度（４５°）の角度に位置決めすることを可能にする。他の位置（例えば、４０°）を利用できる点に留意されたい。この素子の位置により、素子が受け取った又は素子から送信／放射される自由空間波の制御が可能となる。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つの散乱素子が存在する場合には、３０ＧＨｚの送信アンテナにおける素子は、約２．５ｍｍ（すなわち、３０ＧＨｚの１０ｍｍ自由空間波長の１／４）である。
【0091】
１つの実施形態において、素子の２つのセットは、互いに垂直であり、同じ同調状態に制御された場合に等しい振幅の励起を同時に有する。これら素子のセットを給電波励起に対して＋／－４５度回転させると、両方の所望の特徴を同時に達成する。一方のセットを０度回転させ、他方を９０度回転させると、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ことになる。０度及び９０度は、単一の構造でのアンテナ素子のアレイが２つの側から給電されるときに、分離を達成するのに使用できることに留意されたい。
【0092】
各単位セルからの放射出力の量は、コントローラを使用してパッチに電圧（ＬＣチャネルの両端の電位）を印加することによって制御される。各パッチへのトレースは、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、静電容量及びひいては個々の素子の共振周波数を同調又は離調させて、ビーム形成を実現するのに使用される。必要な電圧は、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、それ以上に電圧を高めても液晶での大きな同調が生じなくなる飽和電圧とによって、主として説明される。これらの２つの特性パラメータは、異なる液晶混合物については変化することができる。
【0093】
１つの実施形態において、上記で検討したように、マトリクス駆動回路は、セルごとに別個の接続（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個に駆動するために、パッチに電圧を印加するのに使用される。素子の密度が高いので、マトリクス駆動回路は、各セルを個別にアドレス指定する効率的な方法である。
【0094】
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つの主要コンポーネントを含み、アンテナシステム用のアンテナアレイコントローラ（駆動電子機器を含む）は、波散乱構造の下方に存在し、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する。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整することによって、この素子に対するバイアス電圧を調整し、商用テレビジョン機器で使用される商用既製ＬＣＤ制御装置を含む。
【0095】
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含有する。制御構造はまた、プロセッサに位置及び向き情報を提供するセンサー（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。位置及び向き情報は、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ものとすることができる。
【0096】
より具体的には、アンテナアレイコントローラは、動作周波数においてどの位相レベル及び振幅レベルで、どの素子をオフにしてオンにするかを制御する。これらの素子は、電圧の印加によって周波数動作に対して選択的に離調される。
【0097】
送信については、コントローラが、ＲＦパッチに一連の電圧信号を供給して、変調又は制御パターンを生成する。制御パターンにより、素子が異なる状態に同調するようになる。１つの実施形態において、多状態制御が使用され、この多状態制御では、様々な素子が異なるレベルにオン及びオフされ、矩形波（すなわち、正弦波グレイシェード変調パターン）ではなく、正弦波制御パターンに更に近づく。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も強力に放射する。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様々な量に調整し、素子を可変的に離調させて一部の素子に他の素子よりも多く放射させるようにする。
【0098】
メタマテリアル素子アレイ(metamaterial array of elements)による集束ビームの生成は、増加的干渉及び減殺的干渉の現象よって説明することができる。個々の電磁波は、これら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（増加的干渉）され、これらの電磁波が自由空間で交わった場合に、これらの電磁波が逆位相にある場合には、電磁波は互いに打ち消し合う（減殺的干渉）。スロット式アンテナにおけるスロットが、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位置するように位置決めされた場合には、こ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ようになる。スロットが、誘導波長の４分の１の間隔をあけて配置される場合には、各スロットは、前のスロットから４分の１位相遅延を有して波を散乱させることになる。
【0099】
アレイを使用すると、生成できる増加的干渉及び減殺的干渉のパターン数を増加させることができるので、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。
【0100】
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つの誘導可能なビームと、ダウンリンクアンテナの用の１つの誘導可能な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、及び衛星に向けられる送信ビームを形成する。１つの実施形態において、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。１つの実施形態において、アンテナシステムは、特に、従来のディッシュ型衛星受信機と比較したときに、平面で比較的薄型である「表面」アンテナとみなされる。
【0101】
図１１は、グランドプレーン及び再構成可能な共振器層を含むアンテナ素子の１つの列の斜視図を示している。再構成可能共振器層１２３０は、同調型共振器／スロット(tunable resonator/slots)１２１０のアレイを含む。同調型共振器／スロット１２１０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。同調型スロットの各々は、液晶の両端の電圧を変化させることによって同調／調整する(tuned/adjusted)ことができる。
【0102】
制御モジュール１２８０は、再構成可能共振器層１２３０に結合され、図１１における液晶の両端の電圧を変化させることによって同調型共振器／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、同調型共振器／スロット１２１０のアレイを駆動するための論理回路（例えば、マルチプレクサ）を含む。１つの実施形態において、制御モジュール１２８０は、同調型共振器／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け取る。ホログラフィック回折パターンは、アンテナと衛星との間の空間関係に応答して生成され、ホログラフィック回折パターンが、ダウンリンクビーム（及びアンテナシステムが送信を行う場合には、アップリンクビーム）を通信に好適な方向に誘導することができる。各図には図示されていないが、制御モジュール１２８０と同様の制御モジュールは、本開示の図に記載された同調型スロットの各アレイを駆動することができる。
【0103】
無線周波数（「ＲＦ」）ホログラフィもまた、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したときに、所望のＲＦビームを生成できる類似の技術を使用して実施可能である。衛星通信の場合には、基準ビームは、給電波１２０５などの給電波の形態である（幾つかの実施形態において、約２０ＧＨｚ）。給電波を放射ビームに変換するために（送信又は受信の何れかの目的で）、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(steered)」ように、同調型共振器／スロット１２１０のアレイ上に回折パターンとして駆動される。言い換えると、ホログラフィック回折パターンに遭遇した給電波は、通信システムの設計要件に従って形成される目標ビームを「再構成」する。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、導波路における波動方程式としてのｗｉｎ及び射出波上の波動方程式としてのｗｏｕｔを用いて、ｗｈｏｌｏｇｒａｍ＝ｗｉｎ＊ｗｏｕｔによって計算される。
【0104】
図１２は、同調型共振器／スロット１２１０の１つの実施形態を示している。同調型共振器／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／スロット１２１２とパッチ１２１１と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と同じ場所に配置される。
【0105】
図１３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１３のアンテナアパーチャは、図１２の複数の同調型共振器／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１１の給電波１２０５などの給電波は、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。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。
【0106】
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及びアイリス層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ことに留意されたい。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、他のタイプの基板とすることができる。
【0107】
開口部は、銅層内でエッチングされて、アイリス／スロット１２１２を形成する。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１３における別の構造（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るものではなく、その代わりに、非導電性接合層と相互連結することに留意されたい。
【0108】
また、パッチ層１２３１は、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をもたらすスペーサ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から２００ｍｍ）が使用できる。上述したように、１つの実施形態において、図１３のアンテナアパーチャは、図１２のパッチ１２１１、液晶１２１３、及びアイリス１２１２を含む同調型共振器／スロット１２１０などの複数の同調型共振器／スロットを備える。液晶１２１３用のチャンバは、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、液晶で充填された場合には、パッチ層１２３１は、スペーサ１２３９上に積層されて、共振器層１２３０内に液晶をシールすることができる。
【0109】
パッチ層１２３１とアイリス層１２３３との間の電圧は、パッチとスロット（例えば、同調型共振器／スロット１２１０）との間のギャップ内の液晶を同調するように変調することができる。液晶１２１３の両端の電圧を調整すると、スロット（例えば、同調型共振器／スロット１２１０）の静電容量が変化する。従って、スロット（例えば、同調型共振器／スロット１２１０）のリアクタンスは、静電容量を変化させることによって変えることができる。また、同調型共振器／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、同調型共振器／スロット１２１０の共振周波数であり、Ｌ及びＣは、それぞれ、同調型共振器／スロット１２１０のインダクタンス及び静電容量である。同調型共振器／スロット１２１０の共振周波数は、導波路を通って伝播する給電波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である場合には、同調型共振器／スロット１２１０の共振周波数は、１７ＧＨｚに調整（静電容量を調整することによって）されて、同調型共振器／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、同調型共振器／スロット１２１０の共振周波数は、２０ＧＨｚに調整されて、同調型共振器／スロット１２１０が、給電波１２０５からのエネルギーを結合し、このエネルギーを自由空間に放射するようにすることができる。所与の実施例は、２値的（完全に放射するか、又は全く放射しない）であるが、リアクタンス及びひいては同調型共振器／スロット１２１０の共振周波数の完全なグレイスケール制御は、多値範囲にわたる電圧変化を用いて実施可能である。従って、各同調型共振器／ススロット１２１０から放射されるエネルギーを精密に制御して、同調型スロット（例えば、同調型共振器／スロット）のアレイによって詳細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。
【0110】
１つの実施形態において、行における同調型スロットは、互いにλ／５だけ離間して配置される。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、行における各同調型スロットは、隣接する行における最も近い同調型スロットからλ／２だけ離間して配置され、従って、異なる行における共通して配向された同調型スロットは、λ／４だけ離間して配置されるが、他の間隔（例えば、λ／５、λ／６．３）も可能である。別の実施形態において、行における各同調型スロットは、隣接する行における最も近い同調型スロットからλ／３だけ離間して配置される。
【0111】
本発明の実施形態は、２０１４年１１月２１日に出願された「Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｒｏｍ ａ Ｓｔｅｅｒａｂｌｅ Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｌｙ Ｆｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ａｎｔｅｎｎａ（誘導可能な円筒状給電ホログラフィックアンテナからの偏波及び結合の動的制御）」という名称の米国特許出願１４／５５０，１７８号、及び２０１５年１月３０日に出願された「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１４／６１０，５０２号に記載されているような再構成可能なメタマテリアル技術を使用する。
【0112】
図１４Ａ～１４Ｄは、スロット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１０に示されている例示的なリング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。この実施例では、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ことに留意されたい。
【0113】
図１４Ａ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を示している。図１４Ａ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空き領域／スロットであり、給電部（給電波）への素子の結合を制御するためのものである。この層は、任意選択の層であり、全ての設計で使用される訳ではない点に留意されたい。図１４Ｂは、スロットを含む第２のアイリス基板層の一部を示している。図１４Ｃは、第２のアイリス基板層の一部を覆うパッチを示している。図１４Ｄは、スロットアレイの一部の上面図を示している。
【0114】
図１５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。アンテナは、二重層給電構造（すなわち、２つの層の給電構造）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、非円形の内向き進行波を使用することができる。１つの実施形態において、図１５のアンテナ構造は、図１０を参照して記載された同軸給電部を含む。
【0115】
図１５を参照すると、同軸ピン１６０１は、アンテナの下側レベルで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。
【0116】
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との間の距離は、０．１インチ～０．１５インチである。別の実施形態において、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。
【0117】
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。
【0118】
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、ビーム形成に好適な屈折率の範囲は、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。所望の波動減速効果を達成する限り、プラスチック以外の材料を使用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ィ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層１６０５として使用することができる。
【0119】
ＲＦアレイ１６０６は誘電体層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。別の実施形態において、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。
【0120】
アンテナは、側面１６０７及び１６０８を含む。側面１６０７及び１６０８は、同軸ピン１６０１からの進行波給電が反射によって間隙導体１６０３の下方の領域（スペーサ層）から間隙導体１６０３の上方の領域（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、側面１６０７及び１６０８の角度は４５度の角度である。代替の実施形態において、側面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１５は、４５度の角度を有する角度付き側部を示しているが、下部給電レベルから上部給電レベルへの信号伝播を達成する他の角度を使用することができる。すなわち、下部給電の有効波長が、上部給電の有効波長とは一般的に異なることを考慮すると、理想的な４５度の角度からの何らかの偏差を使用して、下部給電レベルから上部給電レベルへの伝送を助けることができる。例えば、別の実施形態において、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、間隙導体、及びスペーサ層を一周する。同じ２つの段部が、これらの層の他方の端部に存在する。
【0121】
動作中、給電波が同軸ピン１６０１から供給されると、この給電波は、グランドプレーン１６０２と間隙導体１６０３との間の領域で同軸ピン１６０１から同心円状に外向きに進む。同心円状射出波は、側部１６０７及び１６０８により反射され、間隙導体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（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、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の素子との相互作用及び励起を開始して、所望の散乱を取得する。
【0122】
進行波を終了させるため、アンテナの幾何学的中心で終端部１６０９が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）を含む。別の実施形態において、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当該未使用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の上部で使用することができる。
【0123】
図１６は、アンテナシステムの別の実施形態を射出波と共に示している。図１６を参照すると、２つのグランドプレーン１６１０、１６１１は、互いに実質的に平行であり、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）を有している。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、アンテナに給電する。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。
【0124】
動作中、給電波は、同軸ピン１６１５を介して供給され、同心円状外向きに進んでＲＦアレイ１６１６の素子と相互作用をする。
【0125】
図１５及び図１６の両方のアンテナにおける円筒状給電部は、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、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。多数の個々の放射体から構成された何ら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、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。
【0126】
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、共通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飛躍的に簡素化し、及びひいては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ステップと、より粗い制御（全てを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及び制御誤差に対する感度を低下させるステップと、円筒状に配向された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有利なサイドローブパターンを与えるステップと、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を動的であることを可能にするステップと、を含む。
【0127】
（波散乱素子のアレイ）
図１５のＲＦアレイ１６０６及び図１６のＲＦアレイ１６１６は、放射体として機能する１つのグループのパッチアンテナ（すなわち、散乱体）を含む波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１５のＲＦアレイ１６０６及び図１６のＲＦアレイ１６１６は、放射体として機能する１つのグループのパッチアンテナ（すなわち、散乱体）を含む波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。
【0128】
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、下部導体と、誘電体基板と、相補的電気誘導型容量性共振器（「相補型電気ＬＣ」又は「ＣＥＬＣ」）を組み込んだ上部導体とからなる単位セルの一部であり、相補的電気誘導型容量性共振器は、上部導体にエッチング又は堆積される。
【0129】
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、各単位セルに封入され、スロットに関連する下部導体を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（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。この特性を利用して、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。
【0130】
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との間のギャップ（液晶の厚み）が５０パーセント（５０％）減少すると、速度が４倍に増大する。別の実施形態において、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もたらす。１つの実施形態において、ＬＣは、応答性が向上するような当技術分野で周知の方法でドープされ、７ミリ秒（７ｍｓ）要件に適合できるようになる。
【0131】
ＣＥＬＣ素子は、ＣＥＬＣ素子の面に平行で且つＣＥＬＣギャップ補完物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単位セルにおいて液晶に印加されると、誘導波の磁界成分が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。
【0132】
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。
【0133】
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、給電波における波ベクトルに対して４５度（４５°）の角度で位置決め可能になる。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つの散乱素子が存在する場合、３０ＧＨｚの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）となる。
【0134】
１つの実施形態において、ＣＥＬＣは、スロットの上方に並置されたパッチを含むパッチアンテナと、これらパッチアンテナ間に液晶を有して用いて実施される。この点において、メタマテリアルアンテナは、スロット（散乱）導波路のように作用する。スロット導波路に関しては、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。
【0135】
（セル配置(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給電アンテナのアパーチャ上に配置される。セルの配置は、マトリクス駆動用のトランジスタの配置を含む。図１７は、アンテナ素子に対するマトリクス駆動回路の配置の１つの実施形態を示している。図１７を参照すると、行コントローラ１７０１は、行選択信号Ｒｏｗ１（行１）及びＲｏｗ２（行２）それぞれを介してトランジスタ１７１１、１７１２に結合され、列コントローラ１７０２は、列選択信号Ｃｏｌｕｍｎ１（列１）を介してトランジスタ１７１１、１７１２に結合される。また、トランジスタ１７１１は、パッチへの接続１７３１を介してアンテナ素子１７２１に結合され、トランジスタ１７１２は、パッチへの接続１７３２を介してアンテナ素子１７２２に結合される。
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給電アンテナのアパーチャ上に配置される。セルの配置は、マトリクス駆動用のトランジスタの配置を含む。図１７は、アンテナ素子に対するマトリクス駆動回路の配置の１つの実施形態を示している。図１７を参照すると、行コントローラ１７０１は、行選択信号Ｒｏｗ１（行１）及びＲｏｗ２（行２）それぞれを介してトランジスタ１７１１、１７１２に結合され、列コントローラ１７０２は、列選択信号Ｃｏｌｕｍｎ１（列１）を介してトランジスタ１７１１、１７１２に結合される。また、トランジスタ１７１１は、パッチへの接続１７３１を介してアンテナ素子１７２１に結合され、トランジスタ１７１２は、パッチへの接続１７３２を介してアンテナ素子１７２２に結合される。
【0136】
単位セルが非正規グリッド内に配置されて円筒状給電アンテナ上でマトリクス駆動回路を実現する最初の手法では、２つのステップが実行される。第１のステップでは、セルが同心リング上に配置され、セルの各々は、セルの傍らに配置されたトランジスタに接続され、このトランジスタが、各セルを別々に駆動するスイッチとして機能する。第２のステップでは、マトリクス駆動回路は、このマトリクス駆動手法が必要とするときにあらゆるトランジスタを一意のアドレスで接続するように構築される。マトリクス駆動回路は、行と列のトレースによって構築される（ＬＣＤと同様）が、セルはリング上に配置されるので、各トランジスタに一意のアドレスを割り当てる系統的方法は存在しない。このマッピング問題は、全てのトランジスタをカバーするために極めて複雑な回路を生じさせ、経路設定を行う物理的トレースの数が著しく増加させることになる。セルが高密度であるので、これらのトレースは、カップリング効果に起因してアンテナのＲＦ性能を妨げる。また、トレースが複雑であり実装密度が高いことに起因して、トレースの経路設定は、商業的に入手可能なレイアウトツールによって行うことができない。
【0137】
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。このことは、各々が一意のアドレスを有する全てのセルを駆動するのに必要な最小数のトレースが確保される。この方式は、駆動回路の複雑性を軽減して経路設定を簡素化し、これによってアンテナのＲＦ性能が向上する。
【0138】
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、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、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。
【0139】
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使用される。図１８は、ＴＦＴパッケージの１つの実施形態を示している。図１８を参照すると、ＴＦＴ及び保持キャパシタ１８０３が、入力ポート及び出力ポートと共に示されている。トレース１８０１に接続された２つの入力ポートと、トレース１８０２に接続された２つの出力ポートとがあり、行及び列を使用してＴＦＴを共に接続する。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低減され、場合によっては最小となることがある。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、様々な層上に存在する。
【0140】
（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。
【0141】
図１９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１９を参照すると、アンテナ１４０１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。
【0142】
１つの実施形態において、２つの交互配置されたスロットアレイを含むアンテナ１４０１は、ダイプレクサ１４３０に結合される。この結合は、２つのスロットアレイの素子から信号を受信して、ダイプレクサ１４３０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１４３０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。
【0143】
ダイプレクサ１４３０は、低ノイズブロックダウンコンバータ（ＬＮＢ）のペア１４２６、１４２７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、ＬＮＢ１４２６、１４２７は、室外ユニット（ＯＤＵ）に存在する。別の実施形態において、ＬＮＢ１４２６、１４２７は、アンテナ装置に組み込まれる。ＬＮＢ１４２６、１４２７は、テレビジョン１４０３に結合されたセットトップボックス１４０２に結合される。
【0144】
セットトップボックス１４０２は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）のペア１４２１、１４２２を含み、これらＡＤＣは、ＬＮＢ１４２６、１４２７に結合されて、ダイプレクサ１４３０から出力された２つの信号をデジタル形式に変換する。
【0145】
デジタル形式に変換されると、信号は、復調器１４２３によって復調され且つ復号器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、このデータをテレビジョン１４０３に送る。
【0146】
コントローラ１４５０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アレイ素子を含むアンテナ１４０１を制御する。
【0147】
（全二重通信システムの例）
別の実施形態において、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２０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。
別の実施形態において、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２０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。
【0148】
図２０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、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。
【0149】
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、ＬＮＢ１４２７は、室外ユニット（ＯＤＵ）に存在する。別の実施形態において、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。
【0150】
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、復号器１４２４によって復号されて、受信波上の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。
【0151】
モデム１４６０は更に、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。
【0152】
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１４４５は、伝送のため送信信号をアンテナ１４０１に供給する。
【0153】
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。
【0154】
図２０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（ソフトウェア更新を含む）などを含む幾つかの用途があることに留意されたい。
【0155】
（グランドプレーン／アイリスヒータ）
本明細書に記載される技術は、ＲＦ放射アンテナ素子と、加熱から恩恵を受ける誘電率又はキャパシタンスを同調するための材料とを有する様々なアンテナのための複数の発明を含む。これらのアンテナの様々な実施形態は、ヒータを備えたグランドプレーン基板である。１つの実施形態において、グランドプレーン基板は、例えば、ガラス、プリント回路基板、ポリイミド(polyimide)、ポリエステル、フルオロポリマー(flouropolymer)、又は溶融シリカ(fused silica)で作られたアイリス基板を含み、アイリスヒータを有している。幾つかの実施形態では、アンテナのグランドプレーン基板は、アイリス基板、アイリスガラス、又はアイリスガラス基板である。代替の実施形態では、アンテナは、固体グランドプレーンとストリップラインとの間にＬＣ材料を有する液晶ベースのアンテナ位相シフターを含む。アンテナの１つの実施形態は、メタマテリアルアンテナである。代替の実施形態では、アンテナは、ＬＣ材料の代わりに、マイクロ流体と液体金属材料を有するメタサーフェスを含む。
本明細書に記載される技術は、ＲＦ放射アンテナ素子と、加熱から恩恵を受ける誘電率又はキャパシタンスを同調するための材料とを有する様々なアンテナのための複数の発明を含む。これらのアンテナの様々な実施形態は、ヒータを備えたグランドプレーン基板である。１つの実施形態において、グランドプレーン基板は、例えば、ガラス、プリント回路基板、ポリイミド(polyimide)、ポリエステル、フルオロポリマー(flouropolymer)、又は溶融シリカ(fused silica)で作られたアイリス基板を含み、アイリスヒータを有している。幾つかの実施形態では、アンテナのグランドプレーン基板は、アイリス基板、アイリスガラス、又はアイリスガラス基板である。代替の実施形態では、アンテナは、固体グランドプレーンとストリップラインとの間にＬＣ材料を有する液晶ベースのアンテナ位相シフターを含む。アンテナの１つの実施形態は、メタマテリアルアンテナである。代替の実施形態では、アンテナは、ＬＣ材料の代わりに、マイクロ流体と液体金属材料を有するメタサーフェスを含む。
【0156】
例えば、アイリスヒータの実施形態は、幾つかの実施形態ではアイリスガラス基板であるグランドプレーン基板上の抵抗性ヒータを含む。代替の実施形態では、ヒータはまた、ＬＣ層と直接接触しているので、パッチガラス基板上に構築される。１つの実施形態において、ヒータは、アイリスガラス基板上に熱伝導層である大きな金属（例えば、アイリス金属）が存在することに起因して、アイリスガラス基板上でより均一な加熱を行うことになる。この層は、熱を拡散し、より均一な加熱を実現する。１つの実施形態において、アイリスヒータは、アイリス基板上に追加の金属層を使用することにより構築される。この追加の金属層は、図２２及び図２３で説明したように、アイリスの金属層の上方又は下方に配置することができる。１つの実施形態において、このヒータ金属層では、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイ作製で用いられる金属層が使用される。すなわち、ＴＦＴの金属層で使用される同じ製造技術及び材料が、ヒータ金属層にも使用される。１つの実施形態において、スロット形成層とも呼ばれるアイリス金属層は、パターニングされて、ヒータ構造のバス構造を提供する（図２４、２５を参照）。
【0157】
図２２は、ヒータ層２２１０がアイリス金属層２２０４の下方にあるアイリスヒータ設計の断面図である。図示の実施形態では、ヒータ層２２１０は、アイリスガラス層２２０８と物理的に接触しており、アイリス金属層２２０４と熱的に接触している。アイリス金属層２２０４は、パッシベーション層２２０６によってヒータ層２２１０及びアイリスガラス層２２０８から分離されている。別のパッシベーション層２２０２は、アイリス金属層２２０４を覆っている。本実施形態及び他の実施形態に適用可能な変形形態において、アイリスガラス層２２０８上にパッシベーション層、接着層、又はその両方が存在することができる。ここで、グランドプレーン基板は、任意選択的にこのようなパッシベーション層及び／又は接着層を有するアイリスガラス層２２０８とみなすことができる。
【0158】
図２３は、ヒータ金属層２３０４がアイリス金属層２３０８の上方にあるアイリスヒータ設計の断面図である。図示の実施形態では、アイリス金属層２３０８は、アイリスガラス層２３１０と物理的に接触している。ヒータ金属層２３０４は、パッシベーション層２３０６によってアイリス金属層２３０８から分離され、パッシベーション層２３０６を介してアイリス金属層２３０８と熱的に接触している。別のパッシベーション層２３０２は、ヒータ金属層２３０４を覆うと共に、アイリス金属層２３０８上にあるパッシベーション層２３０６にも接触している。接着層及びパッシベーション層の上記の変形形態は、他の実施形態にも適用される。
【0159】
この新しい金属層に電流を流すことにより、ワイヤ及びＬＣ層を含む周辺領域を加熱することができる。この現象は、ジュール加熱、オーム加熱、又は抵抗加熱と呼ばれている。どのような電流量でも何らかの加熱が生じることになるが、この加熱は、電流量の２乗に比例する。所望の温度上昇に必要な電流量は、温度上昇量、アンテナの質量、アンテナの熱容量、ヒータワイヤの抵抗値、アンテナの放熱量、その温度に到達するまでの速さに依存する。
【0160】
ヒータに関する一般的な説明について、本明細書では特定の実施形態と共に記載している。以下に示す概念は、この記載に基づいて構築している。
【0161】
（アイリスヒータ用のＲＦブロッキング金属を用いたアイリス金属のバスバー設計）
１つの実施形態において、アイリスヒータ構造は、３つの構成要素：電流を供給するバスバー、ヒータワイヤ、及び電流を収集するバスバーを有する。１つの実施形態では，アイリス金属は、ＲＦ導波路の一部である。アンテナの様々な実施形態では、このアイリス金属に開口が生成されて、バスバーを定める。このアパーチャを覆う別の金属層がない場合、ＲＦは、この開口を通って漏出することになる。幾つかの実施形態では、ヒータ金属層の一部を使用して、これらの開口を覆い、ＲＦブロック金属として機能する（例えば、図２７及び２８を参照）。一部の実施形態において、バスバーの厚さは、アイリス金属の厚さと同じである（例えば、数マイクロメートル）。一部の実施形態において、バスバーの幅は、数ミリから数十ミリの範囲である。バスバーの材料の例は、限定ではないが、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕのうちの１又は２以上を含む。１つの実施形態において、バスバーは、アイリス金属と同じ金属層を用いて作られる。
１つの実施形態において、アイリスヒータ構造は、３つの構成要素：電流を供給するバスバー、ヒータワイヤ、及び電流を収集するバスバーを有する。１つの実施形態では，アイリス金属は、ＲＦ導波路の一部である。アンテナの様々な実施形態では、このアイリス金属に開口が生成されて、バスバーを定める。このアパーチャを覆う別の金属層がない場合、ＲＦは、この開口を通って漏出することになる。幾つかの実施形態では、ヒータ金属層の一部を使用して、これらの開口を覆い、ＲＦブロック金属として機能する（例えば、図２７及び２８を参照）。一部の実施形態において、バスバーの厚さは、アイリス金属の厚さと同じである（例えば、数マイクロメートル）。一部の実施形態において、バスバーの幅は、数ミリから数十ミリの範囲である。バスバーの材料の例は、限定ではないが、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕのうちの１又は２以上を含む。１つの実施形態において、バスバーは、アイリス金属と同じ金属層を用いて作られる。
【0162】
２つのバスバーでの電圧降下は、効率的な加熱動作のために最小化され、理想的にはゼロである。換言すると、バスバーの抵抗値は、効率的な加熱動作のために加熱素子の抵抗値と比較して極めて小さい。１つの実施形態において、バスバーは、メタマテリアルアンテナセグメントの２つの縁部（例えば、図２４）、３つの縁部（例えば、図２５）、又は全ての縁部（例えば、図２６）に沿った長い金属構造である。１つの実施形態において、アンテナセグメントは、米国特許第９，８８７，４５５号に記載されているものである。また、当該分野の経験者であれば、他の組み合わせも可能である。
【0163】
１つの実施形態において、バーは、ヒータワイヤに比べて遙かに低い抵抗を有するように低抵抗の材料から作製される。１つの実施形態において、メタマテリアルアンテナにおいて導波路の一部として使用されるアイリス金属は、アンテナ要件に起因して、高コンダクタンス（例えば、３～５ｘ１０7Ｓ／ｍの範囲）の複数のマイクロメートル厚の金属を使用して作製される。この金属の一部をヒータのバスバーとしてパターニングすることにより、より効率的なヒータ設計が得られることになる。バスバーの様々な実施形態について、以下で説明する。
【0164】
図２４は、メタマテリアルアンテナセグメントの２つの縁部に沿ったバスバー２４０２及び２４０４を示す。ここに示される電極２４０８及び２４１０との電源接続は、他のヒータバス設計にも適用可能である。図示の実施形態では、電源２４０６は、アイリス金属層上のヒータバスの１つのバスバー２４０２へのＥ１とラベル付けされた１つの電源接続電極２４０８を有し、及びアイリス金属層上のヒータバスの別のバスバー２４０４へのＥ２とラベル付けされた別の電源接続電極２４１０を有する。
【0165】
図２５は、メタマテリアルアンテナセグメントの３つの縁部に沿ったバスバー２５０２を示す。ヒータバスバーは、アイリス金属層上にある。電源２４０６と電極２４０８及び２４１０を介した電源接続部（図２５には示されていないが、図２４を参照）は、１つの実施形態で適用される。
【0166】
図２６は、メタマテリアルアンテナセグメントの全ての縁部に沿ったバスバー２６０２及び２６０４を示す。ヒータバスバーは、アイリス金属層上にある。電源２４０６と、電極２４０８及び２４１０を介した電源接続（図２６には示されていないが、図２４を参照）が、１つの実施形態で適用される。
【0167】
図２４、２５、２６のもの以外の別のバスバーパターンを使用してもよい。最終的に選択されるバスパターンは、第２の層上のヒータ配線のパターンと、このような配線をバスに接続する方法の関数となる。このヒータ配線パターンは、アンテナアパーチャに均一な加熱を提供するために選択された方法に基づいて選択される。これは、個々のヒータワイヤの様々な幅、長さ、厚さ、及び経路を含むことができる。バスパターンの設計は、均一な加熱を実現する方法に関する設計上の決定に依存する場合がある。
【0168】
図２７は、アイリス金属層上に作製されたヒータバスバー２７０２及び２７０４と、これに対応するクローズアップ説明を示す。図２７の右側のクローズアップ図は、図２７の左上の図を拡大したものであり、図２８で繰り返されており、他の場合には（問題解決なしに）アイリス金属部分２７１６、２８１０及びバスバー２７０２、２７０４の物理的及び電気的分離から生じるアンテナ内のＲＦ漏出を引き起こす可能性のある金属なしの問題のあるギャップ２７１８を強調している。本実施形態では、アイリス金属層（アイリス形成層）においてギャップ２７１８を介して導波路の一部としてＲＦ漏洩を遮断するヒータ金属バー２７１２は、ガラス基板に付加された金属層上にあることになる。この金属層はまた、ヒータトレースの構築にも使用される。
【0169】
図２８は、（図２７で見られるように）アイリス金属層上に作製されたヒータバスバー２７０２のクローズアップ図であり、Ａ－Ｂに沿った対応する断面図である。断面図で示されるアイリスガラス層２８０８は、導波路の一部であるアイリス金属を支持し、また、ヒータ構造の様々な実施形態を支持する。アイリスガラス層２８０８は、アイリス金属が停止させるアイリス金属層部分２８１０によって定められる、アイリスガラス基板の縁部２７２２を有する。１つの実施形態において、アイリス金属は、ガラスの縁部の前で停止する。これにより、金属縁部を縁部から離れてパッシベーション化処理することにより、切断時や将来の環境ストレスによる金属縁部への損傷が回避される。ガラス、ガラス縁部、及び金属縁部は、１つの実施形態において、設計ルールにより関連付けられる。
【0170】
クローズアップ図（図２７及び２８で共用）では、ヒータ金属層２８０６の境界が破線で示されている。破線のヒータ金属層の境界の一部は、ヒータワイヤ２７０６を定め、破線のヒータ金属層の境界の別の部分は、ヒータ金属層のバー２７１２として以下に説明されて、ビア開口部２７０８の真下及びバスバー２７０２とアイリス金属層部分２７１６、２８１０との間の金属がないギャップ２７１８の真下にある金属領域を定める。
【0171】
アイリス金属層部分２７１６、２８１０を有するアイリス金属層上に作製されたヒータバスバー２７０２の１つの実施形態について、それぞれ図２７、図２８において説明する。単一のヒータワイヤ２７０６が、これらの図において破線内に示されており、ヒータワイヤ２７０６がバスバー２７０２にどのように接続されているかを示している。しかしながら、代替の実施形態では、ヒータ設計の具現化において、複数のヒータワイヤが存在する。１つの実施形態において、ギャップ２７１８がアイリス金属層に生成され、導波路及びアンテナ素子の一部として使用されるアイリス金属層からヒータバスバー２７０２を分離する。１つの実施形態において、バスバー２７０２をヒータワイヤ２７０６（図２８）に接続するために、アイリス金属とヒータ金属層２８０６との間の電気絶縁層（例えば、パッシベーション層２８０４）においてビア開口部２７０８が生成される。このパッシベーション層２８０４は、例えば、限定ではないが、ＳｉＮｘ又はＳｉＯ２などの半導体製造における一般的な誘電体層を用いて構築することができる。ヒータ金属層のバー２７１２は、アイリス金属のヒータバスバー２７０２をヒータワイヤ２７０６に接続するのに使用される。１つの実施形態において、このヒータ金属のバー２７１２は、アイリス金属のバスバー２７０２とアイリス金属のＶｃｏｍ（共通電圧）プレーンとの間のアイリス金属内のギャップ２７１８領域を覆うように延びて、ＲＦ漏洩を防止している。
【0172】
更なる実施形態では、アイリス金属とヒータ金属の位置が反転され、ヒータ金属がアイリス金属の上部にあり、アイリス金属バスとアイリス金属導波路の間のギャップがヒータ金属の一部により覆われるようになる。ヒータが下方にある１つの実施形態において、アレイ状のアイリス金属は、ヒータを動作させることにより生成されるフィールドからＬＣをシールドする。
【0173】
１つの実施形態において、ヒータは一定電圧で動作する。別の実施形態では、ヒータは、極性反転モードで動作し、ここでは、差動電圧が、電源２４０６によってヒータ電極２４０８ Ｅ１及び２４１０ Ｅ２（図２４）に印加され、例えば、Ｅ１－Ｅ２の電圧差が、例えばＴという時間期間にわたって正である。期間Ｔの終わりには、極性が反転されて、Ｅ１－Ｅ２の電圧差は負になるが、Ｔの期間では前回と同じ大きさを有するようになる。Ｅ１－Ｅ２の電圧差はＴごとにマイナスとプラスに切り替わり、ＤＣ電圧に起因する何らかのＬＣの劣化、画像の固着、その他を防止する。極性反転モードの一例として、ある時間はＶ＿Ｅ１＝０Ｖ、Ｖ＿Ｅ２＝２４Ｖ、別の部分では、Ｖ＿Ｅ１＝２４Ｖ、Ｖ＿Ｅ２＝０Ｖとなる。極性反転モードの一例は、周期ＴをＴＦＴガラスのリフレッシュレートに１０ｍｓ未満の範囲でクロック制御する。
【0174】
１つの実施形態において、ヒータバスバー構造が、アイリス及びパッチ基板を接続するシールと、アンテナ素子からなるアクティブ領域の間に配置される。この場合、アイリス共通電極（アイリスＶｃｏｍ、導波路としてのアイリス金属）とパッチ共通電極（パッチＶｃｏｍ）の電気的接続には、シールを使用することができる。或いは、バスバーをシールある部分でシール下に部分的に形成することができ、シールの他の部分がＶｃｏｍへの接続を形成する。
【0175】
図２７及び図２８では、バスバーは、図面を単純にするために２つの縁部についてのみ示されているが、図４Ａ、４Ｂ及び５と同様の構成を構築することもできる。図２７及び図２８では、アイリス金属の真下の加熱金属層においてバスバーが記載されている。この技術は、この構成に限定されず、アイリス金属を覆ったヒータ金属層にも使用することができる。
【0176】
（均一な加熱を有するラジアルバスバー設計）
１つの実施形態において、ヒータ設計の一つの態様は、メタマテリアルアンテナセグメントにおける均一な加熱を実現することである。セグメント内の不均一な加熱は、セグメントの部分間の共振周波数差を引き起こし、アンテナの性能を低下させる可能性がある。均一な加熱を得るための一つの手法は、セグメント表面全体にわたって単位面積当たりに熱生成を一定に保つことである。１つの実施形態において、これは、ヒータワイヤの長さが変化するにつれて以下の式を用いてその抵抗値に適合するようにヒータワイヤの幅を変えることによって行われ、ここでＲはワイヤ抵抗、Ｌはワイヤ長さ、ｗはワイヤ幅、ｔはワイヤの厚み、ρはワイヤ材料の抵抗率である。
Ｒ＝ρ・Ｌ／ｗｔ
１つの実施形態において、ヒータ設計の一つの態様は、メタマテリアルアンテナセグメントにおける均一な加熱を実現することである。セグメント内の不均一な加熱は、セグメントの部分間の共振周波数差を引き起こし、アンテナの性能を低下させる可能性がある。均一な加熱を得るための一つの手法は、セグメント表面全体にわたって単位面積当たりに熱生成を一定に保つことである。１つの実施形態において、これは、ヒータワイヤの長さが変化するにつれて以下の式を用いてその抵抗値に適合するようにヒータワイヤの幅を変えることによって行われ、ここでＲはワイヤ抵抗、Ｌはワイヤ長さ、ｗはワイヤ幅、ｔはワイヤの厚み、ρはワイヤ材料の抵抗率である。
Ｒ＝ρ・Ｌ／ｗｔ
【0177】
しかしながら、この手法の精度は、金属層の製造公差の影響を受けやすい。当該公差は、幅広のワイヤに比べて、狭いワイヤにはより有意な影響がある。代替の実施形態において、同じ抵抗値及び熱生成量を有するヒータワイヤを配置するのに、アンテナセグメントの半径方向の対称性及び周期性が利用される。１つの実施形態において、ＲＦ素子は、アンテナ内の同心リング上に配置され、これらの半径は、ｒ＝ｒｉｎｇ＿ｎｏ＊ｒ＿ｃｏｎｓｔａｎｔで計算される。従って、ＲＦ素子のリングは、ｒ＿ｃｏｎｓｔａｎｔで分離される。例えば、１つの実施形態において、一定値ｒ＿ｃｏｎｓｔａｎｔは５－６ｍｍに等しい。
【0178】
この配置の例を図２９で説明する。図２９は、ラジアルヒータバス及びヒータワイヤの配置を示している。図２９を参照すると、メタマテリアルアンテナのアンテナ素子３００６（図３０）は、同心リングの外周に沿って配置されている。１つの実施形態において、これらの同心リングの半径は、一定のステップサイズで増加する。換言すると、中心から半径方向に移動するときに、Ｎｍｍごとにアンテナ素子３００６がある。アンテナ素子の各リング間のこれらのギャップは、図２９のヒータバスバー２９０６、２９０８の配置に利用される。ヒータバスバー２９０６、２９０８及びヒータバスバーアーク２９０４を含むヒータバスは、上述のようにヒータ金属層又はアイリス金属層から構築することができる。ラジアルヒータバスバーアーク２９０４は、セグメントの外周にある２つのヒータバスバー２９０６及び２９０８のうちの１つに交互に接続する。これらのバスバーアーク２９０４の間に抵抗加熱素子２９０２が配置される。セグメント全体で２つのバスバーアーク２９０４間の半径方向の距離が同じであるので、アンテナ素子領域のどこでも同じ抵抗加熱素子２９０２を使用することができる。１つの実施形態において、各リングにおける抵抗加熱素子２９０２の数は、リングの面積に比例して変化させ、加熱の均一性を保つようにする。加熱素子がバスに接続する場所に基づいて、バス抵抗値が幾分変化することになる。しかしながら、ヒータバスに接続するヒータアークは、代替的に、ヒータバス間の長さに沿って抵抗差を補正する。加えて、ヒータバスアーク幅を変えて、単位面積当たりの一定の加熱量を有することができる。一実施形態では、バス幅は、バス上の第１の素子（電流入力に近い）からバス上の最後の抵抗性加熱要素２９０２まで徐々に薄くなる。
【0179】
（ヒータとしてのアイリス金属層）
図３０は、アンテナ素子３００６のアレイがアパーチャアンテナアレイ３００２を形成するアイリス金属層を示す図である。アパーチャアンテナアレイ３００２の中心には、円筒形給電部３００４がある。上述した実施形態では、ヒータ構造の抵抗加熱素子２９０２は、アイリス金属層と熱的に接触しているが物理的には異なる層上にある。
図３０は、アンテナ素子３００６のアレイがアパーチャアンテナアレイ３００２を形成するアイリス金属層を示す図である。アパーチャアンテナアレイ３００２の中心には、円筒形給電部３００４がある。上述した実施形態では、ヒータ構造の抵抗加熱素子２９０２は、アイリス金属層と熱的に接触しているが物理的には異なる層上にある。
【0180】
代替の実施形態では、導波路の一部として使用されるアイリス金属は、ヒータとしても使用される。ヒータ構造とアイリス金属層との間の熱的接触は、ヒータ構造をアイリス金属層と一体化させることにより実現される。この場合、アイリス金属は、高導電性の層（１つの実施形態では、３－５ｘ１０7Ｓ／ｍ）であり、効率的なヒータを形成することができる。１つの実施形態において、この層に開口部があり、ここでアンテナ素子３００６ごとに金属がエッチング除去され、アンテナ素子３００６が上述のように同心リングの外周に配置されている。１つの実施形態において、アイリス金属層は、各アイリス開口部の領域で完全にエッチング除去され、それぞれのアンテナ素子３００６を形成する。従って、エッチング量は、アイリス金属層の厚さである。これは、ＲＦ素子が構築されるのと同じ方法で行うことができる。現在のアンテナの実施形態では、様々な設計で既にあるこの構造をヒータとして使用している。アンテナ上のアンテナ素子３００６、すなわちアパーチャアンテナアレイ３００２のアイリス開口部であるこれらの周期的開口部（図３０）は、前のセクション（図２９）で説明したヒータバスバーアーク２９０４と同様に、これらのリングに沿って低抵抗経路を生成する。
【0181】
これらの部分には電流のほとんどが流れ、加熱のほとんどがこれらの領域で起こる。アイリス金属との接続箇所を変えることにより、及びアイリス金属層にギャップを生成して、図３１で分かるように電流の流れを誘導することにより、電流分布及び加熱の均一性を変えることができる。
【0182】
図３１は、アイリス金属をヒータとして使用する場合のヒータ接続部の別の設計を示している。暗い領域及び暗い線は、アイリス金属の開口部を示している。暗い領域及び暗い線は、アンテナ素子３００６（図３０）としても示されている、ＲＦ素子のためにアイリス金属層にて開口部３１１４を生成するためにアイリス金属層をエッチングすることと、アイリス金属層にギャップを生成しヒータ接続のためのランドを形成することに対応する。
【0183】
１つの実施形態において、図３１に示すようなアイリス金属層のギャップは、電源（Ｅ１及びＥ２電極３１０６及び３１０８は、電源、例えば図２４の電源２４０６に接続されている）とヒータとの間の電気接続を定めるために、アンテナ素子領域の外側で使用される。ここでのヒータは、ＲＦ素子開口部がパターン化されたアイリス金属、例えば、アパーチャアンテナアレイ３００２（図３０）のアンテナ素子３００６である。これらの電気的接続は、ヒータへの電流の入力及び出力位置を決定する。図３１の実施構成を説明するために、１つの電極３１０６（Ｅ１と表示）の１つの接続ペア３１０２及び３１０４（それぞれＥ１－１及びＥ２－１と表示）と、別の電極３１０８（Ｅ２と表示）の１つの接続ペア３１１０及び３１１２（それぞれＥ２－１及びＥ２－２と表示）のみが示されているが、当該分野の当業者であれば、様々な実施形態において数十又は他の数のヒータ接続があり得ることが分かる。ヒータ構造の電気接続の最終的な数は、ＲＦアンテナのサイズによって決定されることになる。アイリス金属層に形成されたヒータ構造への各電気接続部３１０２、３１０４、３１１０、３１１２の幅、又は幾つかの形態ででは長さ及び／又は厚さ、並びに対応する抵抗は、様々な実施形態において、アパーチャアンテナアレイ３００２における均一な加熱を達成するために変更することができる。１つの実施形態において、各電気的接続の幅は、均一な加熱を達成するための主要な制御された設計パラメータであり、対応する金属層の厚さは、プロセス変数として一定に保たれる。
【0184】
適切なアンテナ動作のために、１つの実施形態において、全てのアイリス金属の電圧は同じであり、ヒータ機能のためにヒータ構造を介して電圧差と電流フローがある。
１つの実施形態において、これらの要件の両方は、例えば、コントローラ又は制御モジュールによって、メタマテリアルアンテナの２つの動作モードを定義することによって満たされる。
加熱モード(heating mode)：アイリス金属への２つの接続点（例えば、Ｅ１と表示された電極３１０６とＥ２と表示された電極３１０８）が異なる電圧レベルにバイアスされ(biased)、アイリス金属に電流が流れ熱を発生させる。加熱モードは、アンテナ動作を開始する前に、最適な動作温度にするために使用することができる。
アンテナモード：アイリス金属への２つの接続点が同じ電圧レベルにバイアスされ、アイリス金属には電流が流れない。
１つの実施形態において、これらの要件の両方は、例えば、コントローラ又は制御モジュールによって、メタマテリアルアンテナの２つの動作モードを定義することによって満たされる。
加熱モード(heating mode)：アイリス金属への２つの接続点（例えば、Ｅ１と表示された電極３１０６とＥ２と表示された電極３１０８）が異なる電圧レベルにバイアスされ(biased)、アイリス金属に電流が流れ熱を発生させる。加熱モードは、アンテナ動作を開始する前に、最適な動作温度にするために使用することができる。
アンテナモード：アイリス金属への２つの接続点が同じ電圧レベルにバイアスされ、アイリス金属には電流が流れない。
【0185】
１つの実施形態において、メタマテリアルアンテナは、最初に加熱モードで動作して最適な動作温度に達した後、アンテナモードに切り替わる。また、環境への熱損失の量に応じて、動作中にも一時的に加熱モードに切り替えることができる。１つの実施形態において、２つのモード間でデューティサイクルが分割され、アンテナを通信リンクに接続したまま、最適な温度を維持する。
【0186】
別の実施形態では、アイリス金属層全体をヒータとして使用するアイデアの変形形態は、新しい金属層で実現することができる。この金属層は、同様に、ヒータ金属層と呼ぶことができ、図２２及び図２３のヒータトレースと同様に、アイリス金属の下方又は上方の何れか存在することができる。アイリス金属層とヒータ金属シートの間には、パッシベーション層２２０６、２３０６が存在することになる。ヒータ金属シートの面積及び形状は、名目上アイリス金属層と同じとすることができ、或いは、ＲＦアンテナ性能に影響を与えないように、ある程度の侵入禁止距離（例：～１００ｕｍ）を用いることができる。Ｅ１及びＥ２の電極３１０６、３１０８への接続は、図３１と同様に生成することができる。ヒータを新しい金属シート（又は層）で実現する利点は、加熱機能とアンテナ機能の共通グランドを切り離すことができる点である。これにより、前段落で記載された異なる動作モードを用いることが排除され、アンテナ動作中にもヒータを使用することができる。
【0187】
本明細書に記載されている例示的な実施形態が複数ある。
【0188】
実施例１は、複数の無線周波数放射アンテナ素子を有するアンテナアパーチャであって、グランドプレーンと、誘電率又はキャパシタンスを同調するための材料とを有するアンテナアパーチャと、材料と熱的に接触するヒータ構造と、を備える、アンテナである。
【0189】
実施例２は、ヒータ構造は、グランドプレーンと少なくとも部分的に一体化されており、複数の抵抗素子を含む、ことを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナである。
【0190】
実施例３は、ヒータ構造は、アイリスを形成するグランドプレーン上のアイリス形成層とは異なる、グランドプレーン上の金属層を含む、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。
【0191】
実施例４は、ヒータ構造は、アンテナ内に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイとして作製された金属層を含む、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。
【0192】
実施例５は、ヒータ構造は、基板層、基板層上のパッシベーション層、又は基板層上の接着層に接触する、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。
【0193】
実施例６は、ガラス、プリント回路基板、ポリイミド、ポリエステル、フルオロポリマー、又は溶融シリカを含む基板層と、第１の金属層を含むアイリス形成層と、を更に備え、ヒータ構造が、パッシベーション層によって第１の金属層から分離された第２の金属層を含み、第２の金属層が、基板と第１の金属層との間にある、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。
【0194】
実施例７は、ガラス、プリント回路基板、ポリイミド、ポリエステル、フルオロポリマー、又は溶融シリカを含む基板層と、
第１の金属層を含むアイリス形成層と、
を更に備え、
ヒータ構造が、パッシベーション層によって第１の金属層から第２の金属層を含み、アイリス金属層が、基板と第２の金属層との間にある、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。
第１の金属層を含むアイリス形成層と、
を更に備え、
ヒータ構造が、パッシベーション層によって第１の金属層から第２の金属層を含み、アイリス金属層が、基板と第２の金属層との間にある、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。
【0195】
実施例８は、グランドプレーンが、ガラス、プリント基板、ポリイミド、ポリエステル、フルオロポリマー、又は溶融シリカを含み且つ第１の金属層を有する基板層を備え、ヒータ構造が、パッシベーション層によって第１の金属層及び基板層から分離された第２の金属層を含む、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。
【0196】
実施例９は、ヒータ構造に接続された複数のバスバーを更に備え、複数のバスバーの各々は、アイリス形成層を有する第１の金属層上にあり且つアンテナアパーチャのためのアイリスを形成するアイリス形成金属から離間されている(spaced apart)、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。
【0197】
実施例１０は、ヒータ構造は、アイリス形成金属において少なくとも１つのギャップを覆う第２の金属層上にある、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。
【0198】
実施例１１は、第２の複数のバスバーとインターリーブされ、それらの間にヒータ構造の抵抗加熱素子を有する第１の複数のバスバーを更に備える、ことを任意選択的に含むことができる実施例１のアンテナである。
【0199】
実施例２は、アイリス形成層への第１の電気的接続点と、アイリス形成層への第２の電気的接続点とを更に含み、ヒータ構造は、アイリス形成層と一体化されており、アンテナは、第１の電気的接続点と第２の電気的接続点が異なる電圧レベルにバイアスされる加熱モードで動作可能であり、アンテナは、第１の電気的接続点と第２の電気的接続点が同じ電圧レベルにバイアスされるアンテナモードで動作可能である、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。
【0200】
実施例１３は、材料が液晶（ＬＣ）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。
【0201】
実施例１４は、複数の無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子を有するアンテナアパーチャであって、アンテナアパーチャが、パッチ基板と、グランドプレーンと、パッチ基板とグランドプレーンとの間の誘電率又はキャパシタンスを同調するための材料とを有し、グランドプレーンの基板が、複数の無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子のアイリスのためのアイリス形成層を含む第１の層を有する、アンテナアパーチャと、材料を加熱するためのヒータ構造を含むグランドプレーン上の第２の層と、を備える、アンテナである。
【0202】
実施例１５は、第１の層が第１の金属層を含み、第２の層が第２の金属層を含み、材料が液晶を含む、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。
【0203】
実施例１６は、第２の層は、アンテナ内の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイにおける金属として作製された金属層を含む、こと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。
【0204】
実施例１７は、グランドプレーンが基板層を含み、ヒータ構造を含む第２の層が、基板層、基板層上のパッシベーション層、又は基板層上の接着層に接触する、こと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。
【0205】
実施例１８は、ヒータ構造が、パッシベーション層によって第１の金属層から分離されており、第２の金属層が、グランドプレーンと第１の金属層との間にある、こと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。
【0206】
実施例１９は、ヒータ構造が、パッシベーション層によって第１の金属層から分離されており、アイリス金属層が、基板と第２の金属層との間にある、こと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。
【0207】
実施例２０は、ヒータ構造が、パッシベーション層によって第１の層から分離されている、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。
【0208】
実施例２１は、第１の層は、パッシベーション層によって第２の層及びグランドプレーンの基板層から分離されている、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。
【0209】
実施例２２は、ヒータ構造に接続された複数のバスバーを更に備える、ことを任意選択的に含むことができる実施例１４のアンテナである。
【0210】
実施例２３は、複数のバスバーの各々は、アイリス形成層と同じ金属層上にあり、アンテナアパーチャのためのアイリスを形成するアイリス形成金属から離間されている、ことを任意選択的に含むことができる実施例２２のアンテナである。
【0211】
実施例２４は、複数のバスバーの各々は、アイリス形成層のアイリス金属からギャップにより離間され、ビアを介して第２の層に結合されている、ことを任意選択的に含むことができる実施例２２のアンテナである。
【0212】
実施例２５は、アンテナは、ヒータ構造が駆動されて材料を所定の温度まで上昇させる加熱モードで動作可能であり、アンテナは、材料が少なくとも所定の温度になると、ヒータ構造が駆動されないアンテナモードで動作可能である、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。
【0213】
以上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ため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。必須ではないが、通常は、これらの量は、格納、転送、結合、比較、及び他の操作が可能な電気信号又は磁気信号の形式を取る。これらの信号をビット、値、要素、記号、符号、用語、又は数字などと言及することは、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。
【0214】
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、且つこれらの量に付与される有利なラベルに過ぎないことに注意されたい。以下の説明から明らかなように、特に明記しない限り、説明全体を通して、「処理する」又は「演算する」又は「計算する」又は「決定する」又は「表示する」などのような用語を利用する説明は、コンピュータシステムのレジスタ及びメモリ内の物理的な（電子的な）量として表されるデータをそのコンピュータシステムのメモリ又はレジスタ又は他のそのような情報ストレージ、送信又は表示デバイス内の物理量として同様に表される別のデータに操作及び変換するコンピュータシステム又は類似の電子コンピュータデバイスのアクション及び処理を指すことが認められる。
【0215】
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。
【0216】
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。
【0217】
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。
【0218】
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】
【0219】
２０１ パッチガラス層
２１１ パッチ金属
２１２ アイリス金属
２１３ 配向層
２３１ パッシベーション層
２３２ パッシベーションアイリス１層
２３３ パッシベーションアイリス２層
２４０ ヒータワイヤ
２１１ パッチ金属
２１２ アイリス金属
２１３ 配向層
２３１ パッシベーション層
２３２ パッシベーションアイリス１層
２３３ パッシベーションアイリス２層
２４０ ヒータワイヤ
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図14C】
【図14D】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21A】
【図21B】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【国際調査報告】