特表 2024-503859 反射型ビームステアリングメタ表面

(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】2024-01-29

(54)【発明の名称】反射型ビームステアリングメタ表面

(51)【国際特許分類】

   H01Q 15/14 20060101AFI20240122BHJP

   H01Q 3/44 20060101ALI20240122BHJP

【ＦＩ】

H01Q15/14 Z

H01Q3/44

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023542747

(86)(22)【出願日】2022-01-12

(85)【翻訳文提出日】2023-09-07

(86)【国際出願番号】 CA2022050045

(87)【国際公開番号】W WO2022150916

(87)【国際公開日】2022-07-21

(31)【優先権主張番号】63/137,260

(32)【優先日】2021-01-14

(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】523171582

【氏名又は名称】ラティス・インテリジェンス・インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＬＡＴＹＳ ＩＮＴＥＬＬＩＧＥＮＣＥ ＩＮＣ．

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】タラバティ，サジャド

(72)【発明者】

【氏名】エレフテリアデス，ジョージ・ブイ

【テーマコード（参考）】

5J020

5J021

【Ｆターム（参考）】

5J020AA03

5J020BA06

5J020BA16

5J020DA09

5J020DA10

5J021AA09

5J021AB06

5J021BA02

5J021DB01

5J021FA08

5J021GA02

(57)【要約】

本発明の実施形態は、全二重非相反ビームステアリング伝送型位相勾配メタ表面を提示し得る。メタ表面は、２つの誘電体層の間に介在する導体層を備えてもよい。誘電体層の各々は、その中に埋め込まれた複数のユニットセルを備えてもよい。ユニットセルの各々は、位相シフタおよびアンテナ素子を備えてもよい。電磁波がメタ表面の表面で受信されると、受信波の周波数と類似または同一の周波数を有する波を空間内の異なる方向にメタ表面が送信することができるように、メタ表面は機能してもよい。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

反射型ビームステアリング用のメタ表面であって、
２つの導体層の間に挟まれた誘電体層と、
前記誘電体層に電気的に接続された少なくとも１つのユニットセルと、
を備え、
前記少なくとも１つのユニットセルは、少なくとも１つのアンテナ素子および少なくとも１つの非相反可変位相シフタを備え、
前記メタ表面は、周波数を有する入射電磁波が前記メタ表面に衝突したときに、前記入射波の前記周波数と同一の周波数を有する波の増幅バージョンを前記空間内の所望の方向に反射する、メタ表面。

【請求項2】

前記少なくとも１つのアンテナ素子は、少なくとも１つのパッチ放射器を備える、請求項１に記載のメタ表面。

【請求項3】

ＤＣバイアス給電が前記下部導体層内に埋め込まれている、請求項１に記載のメタ表面。

【請求項4】

前記少なくとも１つのユニットセルが、前記反射波の少なくとも１つの特性を制御するためにＤＣ信号により調整される、請求項１に記載のメタ表面。

【請求項5】

前記少なくとも１つの特性は、反射角を含む、請求項４に記載のメタ表面。

【請求項6】

前記少なくとも１つの特性は、前記反射波の振幅を含む、請求項５に記載のメタ表面。

【請求項7】

周辺回路が、少なくとも１つの相反位相シフタと、少なくとも１つのトランジスタベース増幅器と、少なくとも１つのチョークインダクタンスと、少なくとも２つのデカップリングキャパシタンスと、少なくとも１つのバイパスコンデンサとを備える、請求項６に記載のメタ表面。

【請求項8】

前記少なくとも１つのチョークインダクタンスは、前記ＤＣバイアス経路への前記入射電磁波の漏洩を防止し、
少なくとも１つのデカップリングキャパシタンスは、前記次のユニットセルの前記ＲＦ経路への前記ＤＣバイアスの漏洩を防止する、請求項７に記載のメタ表面。

【請求項9】

反射型ビームステアリング用のメタ表面システムであって、
２つの導体層の間に介在する複数の誘電体層と、
前記複数の導体層の各々に電気的に接続されたユニットセルのアレイと、
を備え、
前記ユニットセルのアレイは、少なくとも１つの非相反可変位相シフタおよび少なくとも１つのアンテナ素子を備え、前記誘電体層およびアレイは、組み合わされてメタ表面を生成し、
前記メタ表面は、周波数を有する入射電磁波が前記メタ表面に衝突したときに、前記入射波の前記周波数と同一の周波数を有する波の増幅バージョンを前記空間内の所望の方向に反射する、メタ表面システム。

【請求項10】

前記少なくとも１つのアンテナ素子は、少なくとも１つのパッチ放射器を備える、請求項９に記載のメタ表面システム。

【請求項11】

ＤＣバイアス給電が前記下部導体層内に埋め込まれている、請求項９に記載のメタ表面システム。

【請求項12】

前記ユニットセルのアレイは、前記反射波の少なくとも１つの特性を制御するためにＤＣ信号によりバイアスされる、請求項９に記載のメタ表面システム。

【請求項13】

前記少なくとも１つの特性は、反射角を含む、請求項１２に記載のメタ表面システム。

【請求項14】

前記少なくとも１つの特性は、前記反射波の振幅を含む、請求項１３に記載のメタ表面システム。

【請求項15】

周辺回路が、少なくとも１つの相反位相シフタと、少なくとも１つの単方向トランジスタベース増幅器と、少なくとも１つのチョークインダクタンスと、少なくとも１つのバイパスコンデンサと、少なくとも２つのデカップリングキャパシタンスとを備える、請求項１４に記載のメタ表面システム。

【請求項16】

前記少なくとも１つのチョークインダクタンスおよび少なくとも１つのデカップリングキャパシタンスが、前記ＤＣバイアス経路を前記メタ表面のＲＦ信号経路から分離する、請求項１５に記載のメタ表面システム。

【請求項17】

ユニットセルをＤＣ信号によりバイアスすることと、
前記ＤＣ信号が少なくとも１組の勾配位相シフトを受けることと、
次いで、前記ＤＣ信号が少なくとも１つの単方向トランジスタベース増幅器をバイアスして非相反位相シフトを生成することと、
を含む、メタ表面を使用する反射型ビームステアリングの方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

技術分野
以下は、非相反波工学および電磁波放射制御のためのメタ表面の分野に関する。具体的には、反射型表面による全二重および非相反ビームステアリングのための電磁波の汎用的な制御方法が提示される。

【背景技術】

【0002】

背景
現代の無線電気通信システムは、特に反射状態において、非相反波処理が可能な汎用装置を必要とする場合がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

非相反放射とは、入射場の方向の変化下で構造体が異なる応答をもたらす電磁波放射を意味する。フェライト系磁性材料は、非相反性の実装に使用されてきた。しかしながら、フェライト系磁性材料は、重く、高価である可能性があり、プリント回路基板技術と互換性がない可能性があり、５Ｇ、６Ｇおよび将来世代の電気通信システムを含み得る高周波用途には適さない可能性がある。

【0004】

改善された電気通信システムが必要とされている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

概要
一実施形態において、反射型メタ表面が提供される。メタ表面は、２つの導体層の間に挟まれた誘電体層を備える。下部導体層は、パッチアンテナ素子の接地面として機能することができ、また、単方向回路の直流（ＤＣ）信号パッチを含んでもよい。上部導体層は、パッチアンテナ素子、トランジスタ、および位相シフタを含んでもよい。誘電体層は、２つの導体層を互いに分離し得る。

【0006】

ユニットセルの各々は、パッチアンテナ素子、位相シフタおよび単方向回路によって形成されてもよい。

【0007】

電磁波がメタ表面の表面で受信されると、メタ表面は、受信波の周波数と同一の周波数を有する波を空間内の所望の方向に向けて反射する。

【0008】

別の実施形態において、メタ表面システムが提供される。メタ表面システムは、２つの導体層の間に介在する誘電体層を備える。導体層の各々は、その中に埋め込まれた複数のユニットセルを備える。複数のユニットセル内の各ユニットセルは、周辺回路を備える。周辺回路は、単方向回路、たとえばトランジスタと電気的に接続された１つの位相シフタと電気的に接続された少なくとも１つのマイクロストリップパッチ放射器から構成されてもよい。トランジスタ高周波数（ＲＦ）回路は２つのデカップリングコンデンサを含み、トランジスタのＤＣバイアス回路はインダクタ、２つのコンデンサ、および１つの抵抗を含む。

【0009】

さらに別の実施形態において、反射型メタ表面を使用するビームステアリングの方法が提供される。本方法は、ユニットセルをＤＣ信号でバイアスすることと、ＤＣ信号が少なくとも１組の勾配位相シフトを受けることと、次いで、ＤＣ信号が少なくとも１つのトランジスタをバイアスして非相反位相シフトを生成することとを含む。

【0010】

図面の簡単な説明
次に、添付の図面を参照して実施形態を説明する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】メタ表面システムおよび非相反ビームステアリング動作の概略図を提供する。

【図2】相互接続された反射型非相反位相シフトユニットセルの連鎖と、順方向および逆方向の入射電磁場下でのそれらの動作との概略図を提供する。

【図3】非相反位相シフト放射ユニットセルによって形成されたメタ表面システムの図を提供する。

【図4】より少ない単方向トランジスタを使用した、図３に示すメタ表面の環境発電バージョンを提供する。

【図5】高度な非相反ビームステアリングのためのメタ表面動作の更なる改善に使用することができる非相反位相シフトユニットセルの回路を提供する。

【図6】製造されたメタ表面の２つの層の概略を提供する。

【図7】製造されたメタ表面の写真を提供する。

【図8】非相反放射ビーム反射型メタ表面の実験装置の概略図を提供する。

【図9a】８０度の入射角からの波入射に対する非相反全二重ビームステアリング機能を実証する実験結果を提供する。

【図9b】８０度の入射角からの波入射に対する非相反全二重ビームステアリング機能の周波数応答を実証する実験結果を提供する。

【図10a】７０度の入射角からの波入射に対する非相反全二重ビームステアリング機能を実証する実験結果を提供する。

【図10b】７０度の入射角からの波入射に対する非相反全二重ビームステアリング機能の周波数応答を実証する実験結果を提供する。

【図11a】６０度の入射角からの波入射に対する非相反全二重ビームステアリング機能を実証する実験結果を提供する。

【図11b】６０度の入射角からの波入射に対する非相反全二重ビームステアリング機能の周波数応答を実証する実験結果を提供する。

【図12a】５０度の入射角からの波入射に対する非相反全二重ビームステアリング機能を実証する実験結果を提供する。

【図12b】５０度の入射角からの波入射に対する非相反全二重ビームステアリング機能の周波数応答を実証する実験結果を提供する。

【図13a】４５度の入射角からの波入射に対する非相反全二重ビームステアリング機能を実証する実験結果を提供する。

【図13b】４０度の入射角からの波入射に対する非相反全二重ビームステアリング機能を実証する実験結果を提供する。

【図14a】６０度の入射角からの波入射に対する非相反位相シフタの位相シフトを変化させることによるビームステアリング機能を実証する実験結果を提供する。

【図14b】３０度の入射角からの波入射に対する非相反位相シフタの位相シフトを変化させることによるビームステアリング機能を実証する実験結果を提供する。

【図15a】非相反放射ビーム反射型メタ表面の近接場実験装置の概略図を提供する。

【図15b】４０度の入射角からの波入射に対するメタ表面の近接場性能を実証する実験結果を提供する。

【発明を実施するための形態】

【0012】

詳細な説明
本発明の実施形態は、効率的な全二重通信を支援することができる非相反ビームステアリング位相勾配反射型メタ表面を提示することができる。メタ表面は、壁またはアンテナの前に配置して、波を増幅する、および／またはビームを所望の方向に操作する、すなわち、放射パターンを変換し、その左側および右側からの波入射に対して異なる放射パターンを導入することができる。メタ表面は、指向性があり、多様で非対称な送信および受信放射ビームを備え、調整可能なビーム形状を有している。さらに、これらのビームは、非相反位相シフタのＤＣバイアスを変更することによって操作することができる。望ましくない高調波はなく、ポイントツーポイント全二重通信等の実際の用途にとって最も重要な、顕著な波増幅を伴う高い変換効率をもたらす。

【0013】

ここで図面を参照すると、図１は、反射型メタ表面１１２の構造と、メタ表面の非相反ビーム機能の動作原理とを示す。メタ表面の厚さはサブ波長である。「Ｆ」で示される順方向問題において、入射角１０８の下での右上側１０４からの入射波１００は、メタ表面１１２の上部に衝突し、所望の送信角１０９でメタ表面の左上側１０２に増幅および反射されている。送信波１０９の増幅１０５および送信角は、非相反位相シフタに供給するＤＣバイアスによって調整することができる。

【0014】

「Ｂ」で示される逆方向問題において、入射角１１０の下での左上側からの入射波１０１は、メタ表面１１２の上部に衝突し、順方向問題の送信角１０９と異なる所望の送信角１１１でメタ表面１０３の右上側１０７に反射される。順方向問題および逆方向問題の増幅レベルおよび送信角は完全に異なり、非相反位相シフタに供給するＤＣバイアスによって調整することができる。

【0015】

図２は、相互接続されたユニットセルの連鎖の概略を示す。各ユニットセルは、パッチアンテナ素子１０７と、非相反位相シフタ１１３とから構成される。非相反位相シフタ１１３は、一方向または双方向のいずれかであり得る。一方向非相反位相シフタは、固定位相シフタ１０６を組み込んだ単方向装置、たとえばトランジスタベース増幅器で構成される。パッチアンテナ素子１０７は、メタ表面内の所望の方向への電力の送信の流れを可能にするために、二重給電マイクロストリップパッチアンテナとすることができる。しかしながら、最初のパッチアンテナ素子１０７ａおよび最後のパッチアンテナ素子１０７ｎは、単一給電パッチであってもよい。相互接続されたパッチ１０７および非相反位相シフタ１１３の連鎖は、右側１００および１０２からの入射波に対して、左側１０１および１０３とは異なる挙動をする。

【0016】

図３は、反射型ビームステアリングメタ表面１１２の概略を提供する。メタ表面（ｍｅｔａｓｕｒａｆｃｅ）は、勾配非相反位相シフタ１１３、１０６を介して相互接続されたパッチ１０７の一連の連鎖（ａ、ｂ、ｃ、．．．ｎ）によって形成されている。

【0017】

提案した概念および非相反性技術は、音響およびマイクロ波からテラヘルツおよび光学までの範囲の種々の周波数帯で利用することができる。たとえば、パッチアンテナ素子の寸法を調整し、トランジスタベース非相反位相シフタを使用することによって、ミリ波およびテラヘルツ周波数で同様のメタ表面を製造することができる。一実施形態において、ミリ波用のパッチアンテナ素子は、より小さく、単方向電力増幅することができる。ミリ波は、光学および光学用途に有用であり得る。

【0018】

帯域幅を増加させるために、ヴィヴァルディ（Ｖｉｖａｌｄｉ）アンテナ等の他のマイクロストリップパッチアンテナを使用することが可能である。これは、テラヘルツ周波数（１０～１２Ｈｚ）に変換することができ、６Ｇ、７Ｇ、８Ｇ等の高周波数に使用することができる。

【0019】

アレイのサイズは、必要に応じて変更することができる。たとえば、角度選択性を高めるために、より大きなアレイを使用することができる。典型的には、少なくとも２つのユニットセルが必要とされ得る。

【0020】

図４は、反射型メタ表面１１２ｂの環境発電バージョンおよび低コストバージョンの概略図を提供する。この実施形態において、メタ表面１１２ｂは、より少ない数または非相反位相シフタ１０６、１１３を備え、したがって、より低い電力を必要とする。この実施形態において、パッチ１０７の列当たり１組の勾配非相反位相シフタのみが使用される。この実施形態は、並列または直列回路構成で実施され得る。

【0021】

図５は、双方向非相反位相シフタ１１３の構造体を示す。非相反位相シフタは、２つの電力分配器１１５ａ、１１５ｂと、２つの単方向トランジスタベース増幅器１１６ａおよび１１６ｂと、２つの固定位相シフタ１１４ａおよび１１４ｂと、４つのデカップリングコンデンサ１０４、１０５、１０６および１０７とによって形成されている。上部位相シフタおよび下部位相シフタは、異なる位相シフトを提供する。上部増幅器および下部増幅器は、それぞれ順方向および逆方向において等しい増幅および分離を提供することができる。左側１１８から構造体に入る信号は、上アームを通り、上部増幅器による増幅を受け、次いで上部位相シフタを通過する。しかしながら、右側１１９から構造体に入る信号は、下アームを通り、下部増幅器による増幅を受け、次いで下部位相シフタを通過する。

【0022】

図６は、製造された反射型ビームステアリングメタ表面のレイアウトを示す。上層は、一方向トランジスタベース勾配非相反位相シフタ１１３を介して相互接続されたパッチ１０７の一連の連鎖を含む。下部導体層は２つの金属を含み、第１の金属１１８はパッチアンテナ１０７のバックグラウンド接地として機能し、第２の金属１１９はトランジスタ１１８のＤＣバイアスを提供する。トランジスタのＤＣバイアスは、上層１２０の右下側に供給され、ビアホールを介して下層に転送され、次いでビアホールを介して各トランジスタに供給される。いくつかの実施形態において、２つの金属は接続されていない。

【0023】

図７は、製造された反射型メタ表面の写真を提供する。この実施形態において、メタ表面は、３０個のパッチアンテナ素子１０７（すなわち、２０個の二重給電パッチアンテナ素子および１０個の単一給電パッチアンテナ素子）と、２５個の非相反位相シフタ１１３とによって形成されている。各非相反位相シフタ１１３は、相互伝送線路ベース位相シフタ、Ｇａｌｉ－２＋トランジスタベース増幅器、２つのデカップリングコンデンサ、インダクタおよびバイパスコンデンサを含む。

【0024】

一実施形態において、総数２５個のＧａｌｉ－２＋増幅器、２５個のＬ_ｃｈｋ＝１５ｎＨのインダクタ、２５個の１００ｐＦのバイパスコンデンサ、および５０個のＣ_ｃｐｌ＝３ｐＦのデカップリングキャパシタンスが使用される。メタ表面は、二層回路、すなわち、二層の導体層および一層の誘電体層として製造され、３０ミルの高さを有するＲｏｇｅｒｓ ＲＯ ４３５０から作製される。各ユニットセルは、ユニットセル当たり、１つの増幅器、１つのインダクタ、１つのバイパスコンデンサ、および２つのデカップリングコンデンサを備える。任意の厚さの層を使用することができる。

【0025】

他の増幅器を使用してもよい。たとえば、高周波用途は、代替の増幅器を使用することを望む場合がある。

【0026】

図８は、非相反放射ビーム反射型メタ表面の実験証明を示す概略図を提供する。測定装置は、製造された反射型メタ表面１１２、メタ表面１１２を保持するための吸収器１２２、ベクトルネットワークアナライザ、ＤＣ電源および２つのホーンアンテナ１２１からなる。

【0027】

図９ａは、８０度の入射角からの波入射に対する非相反全二重ビームステアリング機能を実証する実験結果を提供する。入射波が右側からメタ表面に衝突する順方向問題の場合、すなわち、＋８０度の入射角では、波はメタ表面によって瞬時に約１６．５ｄＢ増幅され、－５度の所望の反射角に反射される。しかしながら、入射波が左側からメタ表面に衝突する逆方向問題の場合、すなわち、－５度および－８０度の入射角では、波は大幅には増幅されない。

【0028】

図９ｂは、８０度の入射角からの波入射に対する非相反全二重ビームステアリング機能の周波数応答を実証する実験結果を提供する。異なる角度での波反射間の分離は、５．８１ＧＨｚの周波数で適切な波の増幅および分離が達成されることを示している。

【0029】

図１０ａは、７０度の入射角からの波入射に対する非相反全二重ビームステアリング機能を実証する実験結果を提供する。入射波が右側からメタ表面に衝突する順方向問題の場合、すなわち、＋７０度の入射角では、波はメタ表面によって瞬時に約１９ｄＢ増幅され、－２０度の所望の反射角に反射される。しかしながら、入射波が左側からメタ表面に衝突する逆方向問題の場合、すなわち、－２０度および－７０度の入射角では、波は１３ｄＢ未満、入射角の反対に対応する反射角の下で増幅される。

【0030】

非相反全二重動作は以下の通りである。受信および送信のためのメインポートは－２０度に配置される。その結果、－２０から＋２０まで＋１２ｄＢの送信利得が得られる。しかしながら、＋７０から－２０まで１８．５ｄＢの受信利得が得られる。したがって、メタ表面は、同時の送信および受信が可能であるが、異なる送信角度および受信角度（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ ａｎｇｅｌｓ）、すなわち、＋２０度の送信角度（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｇｅｌ）および＋７０度の受信角度（ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ ａｎｇｅｌ）である。

【0031】

図１０ｂは、７０度の入射角からの波入射に対する非相反全二重ビームステアリング機能の周波数応答を実証する実験結果を提供する。異なる角度での波反射間の分離は、５．８１ＧＨｚの周波数で適切な波の増幅および分離が達成されることを示している。

【0032】

図１１ａは、６０度の入射角からの波入射に対する非相反全二重ビームステアリング機能を実証する実験結果を提供する。入射波が右側からメタ表面に衝突する順方向問題の場合、すなわち、＋６０度の入射角では、波はメタ表面によって瞬時に２１．２ｄＢを超えて増幅され、－２８．５度の所望の反射角に反射される。しかしながら、入射波が左側からメタ表面に衝突する逆方向問題の場合、すなわち、－２８．５度および－６０度の入射角では、波は大幅には増幅されない。

【0033】

メタ表面の非相反動作は、順方向波入射および逆方向波入射に対する異なる波の増幅だけでなく、ビームステアリングにもある。メタ表面の非相反ビームステアリング動作は以下の通りである。＋６０度の入射角に対応する順方向問題の場合、通常の反射は－６０度を読み取るが、波はメタ表面の位相勾配プロファイルに従って－２８．５度に向けて操作される。しかしながら、－２８．５度の入射角に対応する逆方向波入射の場合、波は通常の反射角、すなわち、＋２８度の下で反射される。これは、メタ表面の非相反位相勾配プロファイルが右側から到来する順方向波に主に影響を及ぼすという事実に起因する。

【0034】

図１１ｂは、６０度の入射角からの波入射に対する非相反全二重ビームステアリング機能の周波数応答を実証する実験結果を提供する。異なる角度での波反射間の分離は、５．８１ＧＨｚの周波数で適切な波の増幅および分離が達成されることを示している。

【0035】

図１２ａは、５０度の入射角からの波入射に対する非相反全二重ビームステアリング機能を実証する実験結果を提供する。入射波が右側からメタ表面に衝突する順方向問題の場合、すなわち、＋５０度の入射角では、波はメタ表面によって瞬時に２１．７ｄＢを超えて増幅され、－２０度の所望の反射角に反射される。しかしながら、入射波が左側からメタ表面に衝突する逆方向問題の場合、すなわち、－２０度および－５０度の入射角では、波はほぼ通常の反射角の下で、はるかに少ない電力増幅で反射される。

【0036】

非相反全二重動作は以下の通りである。受信および送信のためのメインポートは－２０度に配置される。その結果、－２０から＋２４まで＋１２ｄＢの送信利得が得られる。しかしながら、＋５０から－２０まで２１．６ｄＢの受信利得が得られる。したがって、メタ表面は、同時の送信および受信が可能であるが、異なる送信角度および受信角度、すなわち、＋２４度の送信角度および＋５０度の受信角度である。

【0037】

図１２ｂは、５０度の入射角からの波入射に対する非相反全二重ビームステアリング機能の周波数応答を実証する実験結果を提供する。異なる角度での波反射間の分離は、５．８１ＧＨｚの周波数で２１．７ｄＢを超える波の増幅および分離が達成されることを示している。

【0038】

図１３ａは、４５度の入射角からの波入射に対する非相反全二重ビームステアリング機能を実証する実験結果を提供する。入射波が右側からメタ表面に衝突する順方向問題の場合、すなわち、＋４５度の入射角では、波はメタ表面によって瞬時に２５ｄＢを超えて増幅され、－１８度の所望の反射角に反射される。しかしながら、入射波が左側からメタ表面に衝突する逆方向問題の場合、すなわち、－４５度の入射角の下では、波は大幅には増幅されず、ビームステアリングされない。

【0039】

図１３ｂは、４０度の入射角からの波入射に対する非相反全二重ビームステアリング機能を実証する実験結果を提供する。入射波が右側からメタ表面に衝突する順方向問題の場合、すなわち、＋４０度の入射角では、波はメタ表面によって瞬時に約２１．６ｄＢ増幅され、０度の所望の反射角に反射される。しかしながら、入射波が左側からメタ表面に衝突する逆方向問題の場合、すなわち、－４０度の入射角の下では、波は大幅には増幅されない。

【0040】

図１４ａは、５．８ＧＨｚで＋６０度の入射角からの波入射に対して、ＤＣバイアスによって非相反位相シフタの位相シフトを変化させることによるビームステアリング機能を実証する実験結果を提供する。入射波が右側からメタ表面に衝突する順方向問題の場合、すなわち、＋６０度の入射角では、波はメタ表面によって瞬時に１０ｄＢを超えて増幅され、３．６Ｖ、３．８４Ｖおよび４ＶのＤＣバイアスに対して異なる所望の反射角に反射される。

【0041】

図１４ｂは、周波数５．８ＧＨｚで＋３０度の入射角からの波入射に対する非相反位相シフタの位相シフトを変化させることによるビームステアリング機能を実証する実験結果を提供する。入射波が右側からメタ表面に衝突する順方向問題の場合、すなわち、＋６０度の入射角では、波はメタ表面によって瞬時に１０ｄＢを超えて増幅され、３．７Ｖおよび３．８４ＶのＤＣバイアスに対して異なる所望の反射角に反射される。

【0042】

図１５ａは、非相反放射ビーム反射型メタ表面の近接場実験装置の概略図を提供する。この実験において、２つのソースホーンアンテナは、メタ表面の近接場ゾーン内に、メタ表面に非常に近接して配置される。

【0043】

図１５ｂは、＋４０度の入射角からの波入射に対するメタ表面の近接場性能を実証する実験結果を提供する。この図は、メタ表面が、遠距離場実験および近接場実験の両方について非常に近い結果を提供することを示している。これは、近接場におけるメタ表面の優れた性能を示す。

【0044】

反射型メタ表面は、波増幅を伴う全二重反射ビームステアリングを実現する機会を提供する。反射状態において非相反ビーム動作を達成するための機構が提案されており、その結果、構造体はアンテナ用のレードームとして使用することができ、または壁に設置することができる。入射波および伝送波は同じ周波数を共有する。ユニットセルにおける非相反位相および振幅遷移は、放射非相反位相シフタを実現するために使用され、構造体は望ましくない周波数高調波の影響を受けない。

【0045】

提案されたメタ表面の帯域幅拡大に固有の制限はないことに留意されたい。提案されたユニットセルの周波数帯域幅は、マイクロストリップパッチ素子および非相反位相シフタの帯域幅拡大のための工学的手法を使用することによって拡大され得る。

【0046】

表１は、開示された非相反ビーム操作可能反射型メタ表面性能の一実施形態の概要を提供する。動作周波数の他の値の範囲は、５ＧＨｚ～８ＧＨｚで使用することができる。必要に応じて、より高い周波数値およびより低い周波数値を使用することができる。

【0047】

【表1】

【0048】

理解できるように、当業者は、特に電気通信技術が様々な周波数を使用するように発展するにつれて、より高い周波数値およびより低い周波数値を使用するように進歩性なしに技術を容易に適合させることができる。

【0049】

特定の具体的実施形態を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、その様々な変形を採用することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9a】

【図9b】

【図10a】

【図10b】

【図11a】

【図11b】

【図12a】

【図12b】

【図13a】

【図13b】

【図14a】

【図14b】

【図15a】

【図15b】

【国際調査報告】