特表 2023-535417 バイアス構造

(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】2023-08-17

(54)【発明の名称】バイアス構造

(51)【国際特許分類】

   H01Q 15/14 20060101AFI20230809BHJP

   H01L 31/10 20060101ALI20230809BHJP

【ＦＩ】

H01Q15/14 Z

H01L31/10 A

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023504379

(86)(22)【出願日】2021-06-30

(85)【翻訳文提出日】2023-03-06

(86)【国際出願番号】 GB2021051660

(87)【国際公開番号】W WO2022018397

(87)【国際公開日】2022-01-27

(31)【優先権主張番号】2011129.0

(32)【優先日】2020-07-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(31)【優先権主張番号】20275121.0

(32)【優先日】2020-07-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】390038014

【氏名又は名称】ビ－エイイ－ システムズ パブリック リミテッド カンパニ－

【氏名又は名称原語表記】ＢＡＥ ＳＹＳＴＥＭＳ ｐｌｃ

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】ピント、ジョナサン

【テーマコード（参考）】

5F149

5J020

【Ｆターム（参考）】

5F149AA01

5F149BA30

5F149EA04

5F149EA11

5F149EA14

5F149JA03

5F149XB35

5J020AA03

5J020BA06

(57)【要約】

いくつかの例では、メタサーフェスのユニットセルのためのバイアス構造が、第１の光起電力素子を照射するための第１の照明源を備え、第１の光起電力素子は、ユニットセルの表面を画定する一対の電気的に分離された導電性パッチをブリッジするアクティブ非対称導電デバイスにバイアスをかけるためのバイアス電流を生成するように構成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

メタサーフェスのユニットセルのためのバイアス構造であって、前記バイアス構造は、
第１の光起電力素子を照射するための第１の照明源を備え、前記第１の光起電力素子は、前記ユニットセルの表面を画定する一対の電気的に分離された導電性パッチをブリッジするアクティブ非対称導電デバイスにバイアスをかけるためのバイアス電流を生成するように構成されている、バイアス構造。

【請求項2】

前記第１の光起電力素子を照射するための第２の照明源をさらに備える、請求項１に記載のバイアス構造。

【請求項3】

前記第１および第２の照明源は、個々にアドレス指定可能であり、それによって、前記照明源のいずれか一方または両方による前記第１の光起電力素子の照射を可能にする、請求項２に記載のバイアス構造。

【請求項4】

前記第１の光起電力素子から照明源を分離するためのスペーシング要素をさらに備える、請求項１～３のいずれか一項に記載のバイアス構造。

【請求項5】

前記第１の光起電力素子は、前記ユニットセルの前記表面の内面上に配設されている、請求項１～４のいずれか一項に記載のバイアス構造。

【請求項6】

前記アクティブ非対称導電デバイスは、前記ユニットセルの前記表面の外面上に配設されている、請求項１～５のいずれか一項に記載のバイアス構造。

【請求項7】

前記アクティブ非対称導電デバイスのアノードが、前記一対の電気的に分離されたパッチの一方に電気的に接続されており、前記アクティブ非対称導電デバイスのカソードが、前記一対の電気的に分離されたパッチの他方に電気的に接続されている、請求項１～６のいずれか一項に記載のバイアス構造。

【請求項8】

前記アクティブ非対称導電デバイスは、ＰＩＮダイオードである、請求項１～７のいずれか一項に記載のバイアス構造。

【請求項9】

前記アクティブ非対称導電デバイスは、バラクタダイオードである、請求項１～７のいずれか一項に記載のバイアス構造。

【請求項10】

前記第１および第２の照明源は、論理的に並列に接続されている、請求項２に従属する場合の請求項９に記載のバイアス構造。

【請求項11】

前記第１および第２の照明源は、等しくない順方向電圧を有し、それによって、その順次照明または選択された照明を可能にする、請求項１０に記載のバイアス構造。

【請求項12】

第２の光起電力素子をさらに備える、請求項１～１１のいずれか一項に記載のバイアス構造。

【請求項13】

前記第１の光起電力素子および前記第２の光起電力素子は、前記バイアス電流を生成するように構成されている、請求項１２に記載のバイアス構造。

【請求項14】

接地平面をさらに備える、請求項１～１３のいずれか一項に記載のバイアス構造。

【請求項15】

前記接地平面は、プラットフォームの表面の一部によって画定される、請求項１４に記載のバイアス構造。

【請求項16】

前記接地平面は、照明源を受容するための開口を画定し、それによって、光起電力素子の照射を可能にする、請求項１４に記載のバイアス構造。

【請求項17】

前記接地平面は、光学的に透明かつ電気的に導電性である、請求項１４または１５に記載のバイアス構造。

【請求項18】

照明源と光起電力素子との間の光結合を画定するように配置された低損失の光学的に透明な構造をさらに備える、請求項１７に記載のバイアス構造。

【請求項19】

前記バイアス構造は、反射アレイ構造の一部を形成する、請求項１～１８のいずれか一項に記載のバイアス構造。

【請求項20】

照明源から光起電力素子に光を導くように構成されたスペーシング構造をさらに備える、請求項１～１９のいずれか一項に記載のバイアス構造。

【請求項21】

前記スペーシング構造は、低損失の光学的に透明な材料を備える、請求項２０に記載のバイアス構造。

【請求項22】

メタサーフェスのユニットセルであって、前記ユニットセルは、請求項１～２１のいずれか一項に記載のバイアス構造を備える、ユニットセル。

【請求項23】

請求項２２に記載のユニットセルのアレイを備えるメタサーフェス。

【請求項24】

前記ユニットセルのアレイにおける各ユニットセルは、六角形であり、前記ユニットセルのアレイは、三角形のピッチで配置されている、請求項２３に記載のメタサーフェス。

【請求項25】

請求項２３または請求項２４に記載のメタサーフェスを備える反射アレイであって、前記反射アレイは、前記ユニットセルのそれぞれ１つの位相を制御することによって、前記メタサーフェスに入射する信号をビームフォーミングするように構成されている、反射アレイ。

【請求項26】

請求項２５に記載の反射アレイと、前記反射アレイの前記信号を放射するように構成されたアンテナと、を備えるシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

態様は、一般に、バイアス構造に関し、より詳細には、排他的ではないが、メタサーフェスのユニットセルにおいて使用するためのバイアス構造に関する。

【背景技術】

【0002】

メタサーフェスは、入射電磁（ＥＭ）放射と相互作用する個々の素子の周期的（または非周期的）アレイを備える準２次元構造（quasi-two-dimensional structure）である。このような構造に基づく再構成可能または多機能メタサーフェスは、複数の動作モードを備え得る。したがって、例えば、無線周波数（ＲＦ）放射等の入射ＥＭ波は、これらのメタサーフェスの個々の素子を画定するサブ波長人工構造の局所位相を制御することによって操作され得る。

【0003】

多くのこのような表面では、個々の素子は、個々にアドレス指定可能なユニットセルの形態である。これらのユニットセルは、メタサーフェスの特定の領域の反射／透過係数の振幅または位相を変化させることを可能にし、それによって、入射ＥＭ波の操作を可能にする、ＰＩＮまたはバラクタ（バリキャップ）ダイオード等のアクティブ構成要素を備える。

【0004】

一般に、バイアスワイヤが、直流を印加し、それによって、ダイオードを「オン」または「オフ」にすることによって、あるいは逆バイアスがかかったバラクタダイオードのキャパシタンスを変化させることによって、個々のアクティブ構成要素を駆動するために使用される。したがって、電流が入射ＲＦ放射によってメタサーフェス上に誘導され（induced）、これは順に、メタサーフェスの反射特性に影響を及ぼすので、メタサーフェスのＲＦ設計では、バイアス配線を考慮しなければならない。バイアス配線がＲＦ性能を表すモデルに組み込まれない場合、メタサーフェスは、一般に、電気的観点から予想されるようには機能しない。バイアス配線に誘導される電流の影響を軽減するために、インダクタが、高周波数でそれらを分離するのに役立つように使用され得、したがって、チョークとして効果的に機能する。このようにして、メタサーフェスの個々の素子にバイアスをかけるために使用されるＤＣまたは低周波数電流は、依然として流れることが可能であり、一方、はるかに高い周波数におけるＲＦ電流は、高インピーダンスが示される（presented with）。とはいえ、この手法を使用しても、交流電流が、素子のパッチとインダクタとの間のバイアスワイヤの領域に依然として誘導され得、これは、ＲＦ性能のいかなるシミュレーションにおいても考慮されなければならない。

【発明の概要】

【0005】

一例によれば、メタサーフェスのユニットセルのためのバイアス構造が提供され、バイアス構造は、第１の光起電力素子を照射するための第１の照明源を備え、第１の光起電力素子は、ユニットセルの表面を画定する一対の電気的に分離された導電性パッチをブリッジするアクティブ非対称導電デバイスにバイアスをかけるためのバイアス電流を生成するように構成されている。

【0006】

通常使用されるであろうバイアス線の影響が克服される。したがって、例えば、表面における特定のユニットセルを個々にアドレス指定する能力を保持しながら、メタサーフェスの側面または背面から出てくる多数の潜在的に扱いにくい長いバイアスワイヤの使用が回避されるので、このようなバイアス構造に基づくメタサーフェスは、より設計し易い。バイアス配線が存在しないことにより、さもなければ配線に沿って移動してメタサーフェスの動作に干渉するであろう誘導ＲＦ電流は存在しない。

【0007】

一実装形態では、第１の光起電力素子を照射するための第２の照明源が設けられ得る。第１および第２の照明源は、個々にアドレス指定可能であり得、それによって、照明源のいずれか一方または両方による第１の光起電力素子の照射を可能にする。バイアス構造は、第１の光起電力素子から照明源を分離するためのスペーシング要素をさらに備え得る。第１の光起電力素子は、ユニットセルの表面の内面上に配設され得る。アクティブ非対称導電デバイスは、ユニットセルの表面の外面上に配設され得る。一例では、アクティブ非対称導電デバイスのアノードが、一対の電気的に分離されたパッチの一方に電気的に接続され得、アクティブ非対称導電デバイスのカソードが、一対の電気的に分離されたパッチの他方に電気的に接続され得る。アクティブ非対称導電デバイスは、ＰＩＮダイオードまたはバラクタダイオードであり得る。

【0008】

第１および第２の照明源は、論理的に並列に接続され得る。第１および第２の照明源は、等しくない順方向電圧を有し得、それによって、その順次照明または選択された照明を可能にする。

【0009】

一実装形態では、バイアス構造は、第２の光起電力素子をさらに備え得る。第１の光起電力素子および第２の光起電力素子は、バイアス電流を生成するように構成され得る。バイアス構造は、接地平面（ground plane）を備え得るか、または接地平面上に取り付けられ得る。接地平面は、プラットフォームの表面の一部によって画定され得る。接地平面は、照明源を受容するための開口を画定し得、それによって、光起電力素子の照射を可能にする。接地平面は、光学的に透明かつ電気的に導電性であり得る。

【0010】

バイアス構造は、照明源と光起電力素子との間の光結合を画定するように配置された低損失の光学的に透明な構造をさらに備え得る。

【0011】

一例によれば、本明細書で提供されるようなバイアス構造は、反射アレイ構造の一部を形成し得る。

【0012】

バイアス構造は、照明源から光起電力素子に光を導くように構成されたスペーシング構造をさらに備え得る。スペーシング構造は、低損失の光学的に透明な材料を備え得る。

【0013】

一例によれば、メタサーフェスのユニットセルが提供され、ユニットセルは、本明細書で提供されるようなバイアス構造を備える。

【0014】

一例によれば、本明細書で提供されるようなユニットセルのアレイを備えるメタサーフェスが提供される。いくつかのユニットセルアレイ幾何学形状が可能であり、一例として、ユニットセルのアレイにおける各ユニットセルは、六角形であり得、三角形のピッチで配置され得る。三角形のピッチで配置された六角形のユニットセルは、ビームステアリング時に改善された角度性能が得られることが分かっている。

【0015】

一例によれば、本明細書で提供されるようなメタサーフェスを備える反射アレイが提供され、反射アレイは、ユニットセルのそれぞれ１つの位相を制御することによって、メタサーフェスに入射する信号をビームフォーミングするように構成される。

【0016】

一例によれば、本明細書で提供されるような反射アレイと、反射アレイの信号を放射するように構成されたアンテナと、を備えるシステムが提供される。

【0017】

本開示のより完全な理解のために、ここで、単なる例として、添付の図面と併せて以下の説明を参照する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、一例によるバイアス構造の概略図である。

【図2】図２は、一例によるユニットセルの概略図である。

【図3】図３は、一例による、図２のユニットセルの複数のものの配置の概略図である。

【図4】図４は、一例によるメタサーフェスの概略図である。

【図5】図５は、一例によるマルチビット実装形態の概略図である。

【図6】図６は、一例によるユニットセルの概略図である。

【図7】図７は、一例によるスペーシング構造を使用する配置の概略図である。

【図8】図８は、一例によるスペーシング構造を使用する配置の概略図である。

【図9】図９は、一例による反射アレイの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

例となる実施形態は、当業者が、本明細書で説明されるシステムおよびプロセスを具現化および実装することを可能にするために、十分に詳細に以下で説明される。実施形態は、多くの代替の形態で提供され得、本明細書に記載される例に限定されるように解釈されるべきではないことを理解することが重要である。したがって、実施形態は、様々な方法で修正され、様々な代替の形態をとり得るが、その特定の実施形態が、例として、図面に示され、以下に詳細に説明される。開示される特定の形態に限定する意図はない。それどころか、添付の特許請求の範囲内に含まれる全ての修正、均等物、および代替物が含まれるべきである。例となる実施形態の要素は、適宜、図面および発明を実施するための形態の全体にわたって、同じ参照番号によって一貫して示される。

【0020】

実施形態を説明するために本明細書で使用される用語は、範囲を限定することを意図するものではない。冠詞「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、それらが単一の指示対象を有するという点で単数形であるが、本文書における単数形の使用は、１つより多くの指示対象の存在を排除するべきではない。換言すれば、単数形で参照される要素は、文脈がそうでないことを明確に示していない限り、１つ以上を数に含め得る。本明細書で使用される場合、「備える（comprises）」、「備える（comprising）」、「含む（includes）」および／または「含む（including）」という用語は、述べられる特徴、アイテム、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を規定するが、１つ以上の他の特徴、アイテム、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそのグループの存在または追加を排除しないことがさらに理解されよう。

【0021】

図１は、一例によるバイアス構造の概略図である。側面図として提示される図１の例では、バイアス構造１００は、メタサーフェスに入射するＲＦ信号等の信号によって経験される境界条件（boundary conditions）を変化させることを可能にするように構成され、それによって、例えば、ビームステアリング等を目的として、入射信号と表面との間の相互作用の制御を可能にする。バイアス構造１００は、ＤＣバイアス信号を与えるために使用されるバイアス線の必要性を無くす。

【0022】

バイアス構造は、デバイス１０３にバイアスをかけるために使用され得る。バイアスデバイス１０３は、ユニットセルのための一対の導電性パッチ１０１ａ、１０１ｂの間に論理的に配置されている。バイアス信号をデバイス１０３に印加することは、パッチ１０１ａ、１０１ｂの間の電気絶縁ギャップ１０４をブリッジすることによって、入射信号のための有効な導電性エリアの修正を可能にする。

【0023】

一実装形態では、バイアス構造１００は、第１の光起電力素子１０９を照射する（１０７）ために使用される第１の照明源１０５を備える。第１の光起電力素子１０９は、アクティブ非対称導電デバイス１０３にバイアスをかけるためのバイアス電流１１１を生成するように構成され、それによって、ユニットセルの表面を画定する一対の電気的に分離された導電性パッチ１０１ａ、１０１ｂをブリッジする。

【0024】

したがって、デバイスにバイアスをかけるために通常使用されるであろうバイアス線の影響が克服される。これは、例えば、表面における特定のユニットセルを個々にアドレス指定する能力を保持しながら、メタサーフェスの側面または背面から出てくる多数の潜在的に扱いにくい長いバイアスワイヤの使用が回避されるので、このようなバイアス構造に基づくメタサーフェスを、より設計し易くする。したがって、バイアス配線が存在しないことにより、さもなければ配線に沿って移動してメタサーフェスの動作に干渉するであろう誘導ＲＦ電流は存在しない。

【0025】

図２は、一例によるユニットセルの概略図である。図２の例では、ユニットセル２００は、メタサーフェスを形成するために、１次元または２次元にわたって繰り返され得る。デバイス１０３は、一対の導電性パッチ１０１ａ、１０１ｂ上にインサイチュ（in situ）で示されている。より具体的には、デバイス１０３の端子は、ユニットセル２００の対応する端子部分２０７ａ、２０７ｂ上に設けられ、それによって、デバイス１０３にバイアス信号を与える。

【0026】

例えば、カプセル化された光起電力（ＰＶ）セルまたはフォトダイオード（ゼロバイアス、光起電力モードで動作される）であり得る、第１の照明源１０５は、接地平面２０１内（またはその上）に設けられている。接地平面は、一例によるメタサーフェスがその上に設けられるプラットフォームの表皮（skin）によって画定され得る。例えば、接地平面２０１は、車両または静止構造プラットフォームの導電性部分を備え得る。

【0027】

図２の例では、例えば、両面銅被覆ＰＣＢ等の基板２０３は、上面２０５ａが、パッチ１０１ａ、１０１ｂと、パッド２０７ａ、２０７ｂとで構成されるようにパターニングされている（例えば、フォトエッチングされる）。パッド２０７ａ、２０７ｂは、互いに電気的に分離され、デバイス１０３の対応する端子を受容するための正および負の端子を画定する。実装形態では、パッチ１０１ａ、１０１ｂおよびパッド２０７ａ、２０７ｂは、互いと一体であり得るか、または単体であり得る。しかしながら、いずれにしても、パッチ１０１ａ、１０１ｂおよびパッド２０７ａ、２０７ｂは、バイアス信号がデバイス１０３へと通過することを可能にするように電気的に接続されている。

【0028】

下面２０５ｂは、例えば、ＰＶセル／フォトダイオードであり得る第１の光起電力素子１０９のためのバイアス線およびパッド２０９ａ、２０９ｂでパターニングされている。めっきされた貫通ビアＡ、Ｂは、上層と、パッド２０９ａ、２０９ｂに接続されたバイアス線との間に電気的接続が存在することを確実にする。

【0029】

したがって、第１の光起電力素子１０９の端子は、パッチ１０１ａ、１０１ｂおよびパッド２０７ａ、２０７ｂに電気的に接続されており、それによって、例えばＤＣバイアス電圧の形態での、第１の光起電力素子１０９によって生成された信号が、デバイス１０３にバイアスをかけるために、それに渡されることを可能にする。デバイス１０３にバイアスをかけることは、パッチ１０１ａ、１０１ｂの間のギャップ１０４がブリッジされることをもたらし、これは、ユニットセル２００の導電性エリアに関連する境界条件を修正する。一例では、ＰＶセル／フォトダイオード１０９は、接地平面２０１における開口を通って配置された単一のＬＥＤ１０５によって照明され得る。

【0030】

図２を参照して説明された構成は、バイアス線が電気的に短く、著しい電界強度に直接さらされないことを意味する。したがって、それらは、このようなユニットセルから構成されるメタサーフェスのＲＦ設計予測において、１次まで無視され（neglected, to first order）得る。

【0031】

一例では、発泡体／ハニカムスペーサが、例えば、銅、アルミニウム、または同様の金属の接地平面２０１から（一例によるユニットセルで構成されたメタサーフェスに入射することになるＲＦ放射の）略１／４波長だけ離れて基板２０３を配置するために、一連の穴（発泡体の場合、例えば、組立て前に上から機械加工される）と共に使用され得る。このような穴は、光が、例えばＬＥＤ１０５から、ＰＶセル／フォトダイオード１０９の表面上に伝播することを可能にする。一例では、スペーサ材料は、隣接するユニットセルへの光散乱を回避するために、光源１０５によって生成される光放射の波長において不透明である。したがって、ＬＥＤ１０５をオンにすることによって、ＰＩＮダイオード１０３は、隣接するユニットセルの動作に干渉することなく、ユニットセル２００の中心においてバイアスがかけられ得る。

【0032】

図３は、図２の複数のユニットセルの配置の概略図である。図３の例では、３つのこのようなユニットセルが、側面図で図示されている。発泡体／ハニカムスペーサ３０１が図示されている。スペーサ３０１の中間のエリア３０３は、穴／空きスペースである。エリア３０３は、スペーサ３０１に加えて、またはその代わりに、光学スペーサを備え得る。光学スペーサは、接地平面内または接地平面上の光源からの光をユニットセルの光起電力デバイスに導くための導波路として機能するように構成され得る。

【0033】

図４は、一例によるメタサーフェスの概略図である。図４の例では、１２個のユニットセル（４×３）のアレイがメタサーフェス４００を形成する。ユニットセルのアレイは、図示されたものより大きくても小さくてもよい。図４の配置では、上から見ると、各ユニットセル２００は、略１／２波長の辺長であるとともに、デバイス１０３（例えば、ＰＩＮダイオードまたはバラクタ）が、一対の導電性パッチ素子１０１ａ、１０１ｂをブリッジしており、これらは、図４の例では、一対の二等辺三角形パッチの形態である。各導電性パッチは、基板ボード２０３の裏面２０５ｂ上のＰＶセル／フォトダイオード１０９へのめっきされた貫通ビア４０３ａ、４０３ｂを備える。これは、単一のダイオードを使用したデュアル極性動作（dual polar operation）を可能にする。基板２０３の裏面２０５ｂ上の光起電力素子１０９（例えば、ＰＶセル）の範囲は、破線４０１によって図示されている。

【0034】

当業者には明らかなように、他のパッチタイプの形状および配置も機能するであろう。バイアスデバイス１０３は、メタサーフェス４００に入射する放射によって誘導される電流のための利用可能な経路を変更する。結果として、これは、ユニットセル２００のバイアス対非バイアス状態についての散乱場の振幅および位相における変化を可能にする。

【0035】

図４の例では、デバイス１０３は、ＰＩＮダイオードまたはバラクタであり得る。しかしながら、図４の構成では、ＰＩＮダイオードが、一般にバラクタよりも好適であり、これは、ＰＶセル／フォトダイオードによって生じる電圧が、一旦半導体のターンオン電圧に達すると、光源１０５からの入射光の強度によって著しく変化しないからである。しかしながら、対照的に、電流は、著しく変化する。これは、各ユニットセル２００について２つの状態、例えば、オフおよびオンが実現されることを可能にする。ユニットセルの幾何学的形状は、２つの状態間の反射係数に対して有意な位相シフト（significant phase shift）が存在するように設計され得る。この実装形態を使用して、隣接するセルは、例えば、特定の遠視野放射パターンを達成するために、「状態」を変更され得、したがって、入射信号に関連して、必要に応じてビーム形状、ビーム方向、およびヌルステアリングを制御する。

【0036】

一例では、図４を参照して説明されたようなメタサーフェスは、例えばビームフォーミングに好適な反射アレイ、または反射アレイアンテナの一部として使用され得る。本明細書に説明されるようなユニットセルのアレイを備えるメタサーフェスは、反射アレイの開口を画定し得る。入射ＲＦ信号は、反射アレイが「空間給電（space fed）」されるように、反射アレイの前に軸外に位置するマイクロ波給電アンテナ等の、ホーンアンテナまたは同様のアンテナを使用して与えられ得る。これは位相に関して不完全な平面波を提供するが、個々のユニットセルのバイアス状態は、これを補正するように設定され得る。このようなアンテナは、遠視野でサンプリングされたときに、開口にわたって位相の均一性を有する良好に画定されたビーム（well-defined beam）を生成することになる。中心軸に沿って取り付けられた好適な給電アンテナでは、表面は、円偏波放射（circularly polarised radiation）の反射に好適である。したがって、給電アンテナが、メタサーフェスを「照明する」ために使用され得る。したがって、電流がメタサーフェスのユニットセルのパッチ素子内に誘導されることになり、入射信号の反射は、メタサーフェスの個々にアドレス指定可能なユニットセルの状態を調整することによって制御され得る、誘導電流のパターンによって決定される。すなわち、反射係数の位相を変化させることによって、メタサーフェスから散乱／反射される信号の形状が変更され得る。

【0037】

一実装形態では、このような反射アレイの動作の周波数は、各ユニットセル２００のピッチによって決定されることになり、その理由は、これは、一般に、動作周波数における半波長のオーダー（the order of half a wavelength）でなければならないからである。さらに、パッチ１０１ａ、１０１ｂは、基板２０３の裏面上のＰＶセル／フォトダイオードよりも小さくならないようにサイズ決定され、これは、それ自体が、例えば、ＰＩＮダイオード内のｐ－ｎ接合が開いたままであることを確実にするのに十分な電流を生成することが可能であるべきである。一般に入手可能なＰＶセルおよびフォトダイオードが使用され得、例えば、５ｍｍ平方ほどの小ささであり得る。一例では、ＰＶセルの面積は、十分な電圧および電流がＰＩＮダイオードの空乏領域を通じて存在し、したがって、ＲＦ放射のための導電性チャネルを維持することを確実にするようなものである。例えば、５ｍｍの辺長のセルを考慮すると、（パッドについて１ｍｍを仮定して）約７ｍｍの素子ピッチを暗示する。例えば、素子間に１ｍｍのギャップを仮定すると、このような実装形態における動作の最高波長は、約１８ＧＨｚの周波数に対応する、１６ｍｍのオーダーになる。

【0038】

図４の例では、例えば、図２および図３を参照して説明されたもののようなユニットセルのアレイに基づいて、２つの状態が入射放射に対して提示され得る（例えば、「オフ」および「オン」）。したがって、表面にわたる位相の変動は、表面上の位置関数（function of position）として、これらの状態の異なる配置を使用して実施される。この状況は、位相シフタ自体が１「ビット」を用いるところを除いて（but where the phase shifters themselves employ one ‘bit’）、アレイの各素子の後ろで位相シフタを使用することに類似している。

【0039】

一例によれば、メタサーフェスは、ＰＩＮダイオードではなく、アクティブ構成要素としてバラクタダイオードを使用するユニットセルから形成され得る。各バラクタは、例えば、接地平面におけるＬＥＤ等の付随の光源をそれぞれ有する、ゼロバイアスモードにあるいくつかのフォトダイオードによって給電され得る。一実装形態では、バラクタは、それぞれ逆バイアスがかけられ、フォトダイオードは、並列に接続されるが、等しくないターンオン電圧のものである。

【0040】

図５は、一例によるマルチビット実装形態の概略図である。図５の例では、３つのフォトダイオード５０１、５０３および５０５が、順次（一度に１つずつ）照明され得る。一例では、これらフォトダイオードは、異なる開路電圧を有し、別個のＬＥＤによって個々に駆動される。例えば、フォトダイオード５０１は、１Ｖの開路電圧を有し得、フォトダイオード５０３は、２Ｖの開路電圧を有し得、フォトダイオード５０５は、３Ｖの開路電圧を有し得る。

【0041】

したがって、（逆バイアスがかけられた）バラクタ５０７の両端の電位差は、フォトダイオードが順次照明されるにつれて増大され得る。これはバラクタ５０７の空乏領域の幅を増大させ、したがって、そのキャパシタンスを低減させる。したがって、図５の配置では、無電圧状態を含む、バラクタの４つのバイアス状態が存在する。実際には、より多くのまたはより少ないバイアスフォトダイオード（および／または対応する光源）が、利用可能な空間および必要とされる「ビット深度」に従って使用され得る。

【0042】

特定のフォトダイオード５０１～５０５に対応する、異なるＬＥＤを照明することによって、ユニットセルのキャパシタンスが低減され得、したがって、ＲＦ照明に応答してパッチ構造の反射係数の位相を変化させ、したがって、散乱場を修正する。したがって、例えば、図５に示されるような４ビット配置（３つのダイオード＋ゼロバイアス）は、０°、９０°、１８０°および２７０°の間でステップを刻む（stepping）反射係数位相角を有することになる。これは、累積的に動作する従来のマルチビット位相シフタとは異なる（すなわち、４ビットは、１８０°、９０°、４５°および２２．５°であり得るとともに、これらの倍数（multiples）が達成可能である）。

【0043】

図６は、一例によるユニットセルの概略図である。図６の例では、ユニットセル６００は、メタサーフェスを形成するために、１次元または２次元にわたって繰り返され得る。この特定の例では、並列に配置された２つのフォトダイオード６０１、６０３が、光源６０５、６０７の順次照明に基づいて、３つの可能な状態を提供する。より多くのＬＥＤが使用され得る。また、３状態の実装形態は、一般性を失わずに、明確にするために図示されており、より多くのフォトダイオードが、光源の数における対応する増大を伴って、所望に応じて使用され得ることが理解されよう。一般に、Ｎ個のダイオードは、Ｎ＋１個の利用可能な状態を与える。図２の例と同様に、発泡体タイプの材料および／または光学スペーサが、照明源６０５、６０７からの光の漏れを制限するために、ユニットセル間に設けられ得る。

【0044】

したがって、ユニットセル６００は、それらがマルチ「ビット」実装形態を可能にするように、より多くの自由度を提供する。一例では、フォトダイオード６０１、６０３は、それらが基板２０３の下面２０５ｂから離間され、したがって、照明ＬＥＤ６０５、６０７に近いように配置され得る。一例では、発泡体タイプの材料の代わりに（またはそれに加えて）、押込嵌めブラックチューブ（push-fit black tube）（例えば、プラスチック）が、ＬＥＤと、対応するフォトダイオードとの間の直接的な光結合を確実にするために使用され得る。このようなチューブの位置は、各フォトダイオード／ＬＥＤペア６０３／６０５（チューブ６０９）、６０１／６０７（チューブ６１１）について、６０９、６１１によって図示されている。必要に応じて、追加のフォトダイオードおよびＬＥＤが使用され得る。このような光結合は、本明細書で説明される例のいずれかとともに使用するのに好適である。

【0045】

一例によれば、上記で説明されたもののようなユニットセルは、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等の、接地平面２０１のための光学的に透明な（ただし電気的に導電性の）材料を使用して実装され得る。これは、ＬＥＤを配置するために、従来の金属接地平面において穴を機械加工する必要性を除去する。したがって、表面実装ＬＥＤが、より従来的なスルーホール型ＬＥＤの代替え品として使用され得、ユニットセルに必要とされる物理的なサイズおよび全体的な深度を低減し、次いで、これは、メタサーフェスを形成するアレイの全体的な厚さおよび質量を最小化するのに役立ち得る。

【0046】

さらに、表面実装ＬＥＤからフォトダイオードへの光結合（および同じまたは近くのユニットセルにおけるＬＥＤによって引き起こされる隣接する迷光からの分離）は、人工的に生成された光ファイバケーブルまたは構造の使用によって達成され得る。低損失の光学的に透明なプラスチックが、この目的のために使用され、誘電体スペーシング構造を形成し得る。好適な材料は、例えば、パースペックス、ポリカーボネート、ナイロン、またはＰＬＡを含む。したがって、スペーシング構造は、接地平面２０１から上側基板２０３の裏面２０５ｂまで延在するプラスチック材料の短い「キャスタレーション（castellations）」で構成され得る。

【0047】

図７は、一例によるスペーシング構造を使用する配置の概略図である。図７の例では、明確にするために、ユニットセル当たり１つのＬＥＤが図示されており、構造は、分解された形態で図示されている。導電パッチ素子を備える上層７０１が、接地平面２０１の上方に図示されている。ポリマースペーシング構造７０３が、下部ＬＥＤ７０５（例えば、ＳＭＴ－表面実装ＬＥＤ）からフォトダイオードに光を伝達するために設けられている。接地平面２０１は、例えば、Ｃｕ被覆またはＩＴＯコーティングのいずれかで、ＳＭＴ ＬＥＤを有するＰＣＢ層を備え得る。ＰＣＢは、それが接地平面として機能し続けるように、銅被覆され得るか、またはＩＴＯコーティングが、ＬＥＤの上に配置され得る。

【0048】

別の例では、透明なプラスチックのブロックに挿入される「スルーホール」ＬＥＤが使用され得る。スペーシング構造は、同じ材料から上部ブロックへと機械加工され得（または、ブロックは、３Ｄ印刷され得）、一方、ＩＴＯの層は、接地平面として機能するそれらの間に挟まれ得る。

【0049】

図８は、一例によるスペーシング構造を使用する配置の概略図である。図８の例では、明確にするために、ユニットセル当たり１つのＬＥＤが図示されており、構造は、分解された形態で図示されている。導電パッチ素子を備える上層８０１が、接地平面２０１の上方に図示されている。一例では、接地平面は、ＬＥＤ用の穴８０３を有するポリマー層を備え得る。例えば、マイラー（ポリエステル）またはカプトン（ポリイミド）フィルム上のＩＴＯから形成された層８０５が設けられ、その上にポリマーキャスタレーション８０７が３Ｄ印刷／機械加工されて、下部ＬＥＤからフォトダイオードに光を伝達し得る。

【0050】

必要に応じて、例えば、上面、底、および縁部での薄い光学的に不透明なポリマーの使用によって、自然光が遮断され得る。代替として、フォトダイオードは、近赤外線（ＮＩＲ）における約１４００ｎｍおよび１９００ｎｍの水の吸収帯等の特定の波長にわたる光に対してのみ感知可能にされ得る。これらの波長の自然光は、大気吸収により地球の表面にほとんど到達しない。したがって、フィルタリングの使用またはこれらの波長の光を主に感知可能であるフォトダイオードの選択によって、太陽光からの従来のスクリーニング（screening）を必要とせずに、スクリーンを設計することが可能になる。

【0051】

図９は、一例による反射アレイの概略図である。反射アレイ９００は、上記で説明されたユニットセルのいずれか等の複数のユニットセル９０７を備えるメタサーフェス９０５によって修正されることになる信号９０３を供給するように構成された給電アンテナ９０１を備える。図９の例では、信号９０３は、メタサーフェス９０５に入射する（または、それを「照明する」）。

【0052】

入射信号９０３の結果として、電流がメタサーフェス９０５のユニットセル９０７のパッチ素子内に誘導され、入射信号９０３の反射は、メタサーフェス９０５の個々にアドレス指定可能なユニットセル９０７の状態を調整することによって制御され得る、誘導電流のパターンによって決定される。したがって、反射係数の位相を変化させることによって、メタサーフェス９０５から散乱／反射される信号９０９の形状が変更され得る。図９の例では、反射された信号９０９は、平面波の形態である。代替として、ユニットセル９０７の選択された状態に依存して、反射された信号は、上記で説明されたように、ビームフォーミング等が行われ得る。

【0053】

別様に定義されない限り、本明細書で使用される全ての用語（技術用語および科学用語を含む）は、当該技術分野において通例であるように解釈されるべきものである。一般的な用法における用語もまた、関連技術分野において通例であるように解釈されるべきであり、本明細書においてそのように明示的に定義されない限り、理想化されたまたは過度に形式的な意味で解釈されるべきではないことがさらに理解されよう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【国際調査報告】