(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波ビームを放射するアンテナ素子アレイと、
アンテナ素子アレイの上に位置する屈折率分布型レンズであって、高周波ビームが屈折率分布型レンズから出射するときに、高周波ビームが屈折率分布型レンズに入射する第１角度を第２角度に変化させ、高周波ビームが屈折率分布型レンズに入射する位置が変化するときに第２角度が変化する、屈折率分布型レンズと、
屈折率分布型レンズの上に位置し、高周波ビームがメタマテリアルレンズから出射するときに、高周波ビームがメタマテリアルレンズに入射する第２角度を第３角度に変化させる、バッキーボール形状のメタマテリアルレンズと
を備えた装置。
【請求項２】
メタマテリアルレンズが、負屈折率メタマテリアル及び正屈折率メタマテリアルのうちの少なくとも１つにより構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
アンテナ素子アレイが、アンテナ素子アレイ内の多数のアンテナ素子を使用して高周波ビームを放射し、アンテナ素子アレイから多数のアンテナ素子を選択するコントローラを備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
コントローラは、選択するアンテナ素子を変更することにより高周波ビームがレンズに入射する位置を変化させるようになっている、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
アンテナ素子アレイが、メタマテリアルレンズ及び屈折率分布型レンズを通過する第２高周波ビームを受信する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
第３角度が、アンテナ素子アレイが位置する平面に対して略平行である、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
メタマテリアルレンズが複数の不連続要素を含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
複数の不連続要素が、１つの構成に配置された複数のメタマテリアルユニットセルを含んでいる、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
アンテナ素子アレイ内のアンテナ素子がグループを形成するようにグルーピングされている、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
屈折率分布型レンズが、負屈折率メタマテリアル及び正屈折率メタマテリアルのうちの少なくとも１つにより構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
更にプラットフォームを備えており、アンテナ素子アレイ、屈折率分布型レンズ、及びメタマテリアルレンズがプラットフォームに設置されており、プラットフォームが、移動プラットフォーム、静止プラットフォーム、陸上構造、水中構造、空中構造、航空機、水上艦、戦車、人員運搬車、列車、宇宙船、宇宙ステーション、衛星、潜水艦、自動車両、及び建築物のうちの１つから選択される、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
高周波ビームを放射するアンテナ素子アレイと、
アンテナ素子アレイの上に位置する屈折率分布型レンズであって、高周波ビームが屈折率分布型レンズから出射するときに、高周波ビームが屈折率分布型レンズに入射する第１角度を第２角度に変化させ、高周波ビームが屈折率分布型レンズに入射する位置が変化するときに第２角度が変化する、屈折率分布型レンズと、
屈折率分布型レンズの上に位置する負屈折率メタマテリアルレンズであって、バッキーボール形状を有し、かつ高周波ビームが負屈折率メタマテリアルレンズから出射するときに、高周波ビームが負屈折率メタマテリアルレンズに入射する第２角度を第３角度に変化させる負屈折率メタマテリアルレンズと、
アンテナ素子アレイから多数のアンテナ素子を選択して、高周波ビームが屈折率分布型レンズに入射する位置を変化させるコントローラと
を備えたアンテナシステム。
【請求項１３】
高周波ビームをステアリングする方法であって、
アンテナ素子アレイから第１角度で屈折率分布型レンズに向けて、屈折率分布型レンズの一の位置に、高周波ビームを放射することと、
高周波ビームが屈折率分布型レンズから出射するときに、高周波ビームの第１角度を第２角度に変化させることであって、高周波ビームが屈折率分布型レンズに入射する位置が変化すると第２角度が変化することと、
第２角度の高周波ビームが、屈折率分布型レンズの上に位置するバッキーボール形状の負屈折率メタマテリアルレンズを通過するときに、高周波ビームの第２角度を第３角度に変化させることと
を含む方法。
【請求項１４】
アンテナ素子アレイから多数のアンテナ素子を選択して、高周波ビームを前記位置に放射することを更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
高周波ビームが第１高周波ビームであり、前記位置が第１位置であり、更に、
アンテナ素子アレイから第４角度で屈折率分布型レンズに向けて、屈折率分布型レンズの第２位置に、第２高周波ビームを放射することと、
第２高周波ビームが屈折率分布型レンズから出射するときに、第２高周波ビームの第４角度を第５角度に変化させることであって、第２高周波ビームが屈折率分布型レンズに入射する第２位置が変化するときに第５角度が変化することと、
第５角度の第２高周波ビームが負屈折率メタマテリアルレンズを通過するときに、第２高周波ビームの第５角度を第６角度に変化させることと
を含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は概して、レンズに関するものであり、具体的には、アンテナに使用されるレンズに関するものである。更に具体的には、本開示は、高周波ビームを、負屈折率メタマテリアルレンズを使用してステアリングする方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フェーズドアレイアンテナは多くの用法を有している。例えば、フェーズドアレイアンテナは、振幅変調信号及び周波数変調信号を種々の無線局に向けて広角に放射するために使用することができる。別の例として、フェーズドアレイアンテナは、軍艦のような航洋船に広く使用されている。フェーズドアレイアンテナによって軍艦は、１つのレーダシステムを使用して、海面検出及び追尾、無線検出及び追尾、及びミサイル発射を行なうことができる。更に、フェーズドアレイアンテナを使用して、ミサイルを、ミサイルが巡航している最中に制御することができる。
【０００３】
更に、フェーズドアレイアンテナは、種々の輸送手段の間の通信を可能にするために広く使用される。フェーズドアレイアンテナはまた、宇宙船との通信に使用される。別の例として、フェーズドアレイアンテナは、移動している輸送手段又は航洋船の上で使用して、航空機と通信することができる。
【０００４】
フェーズドアレイアンテナの素子は、高周波信号を放射して、異なる角度でステアリングすることができるビームを形成することができる。ビームは、高周波信号を放射する素子の表面の法線方向に放射することができる。これらの信号が放射される態様を制御することにより、方向を変更することができる。方向の変更は、「ステアリング」とも呼ばれる。例えば、多くのフェーズドアレイアンテナを制御して、ビームを、法線方向から約６０度の角度に誘導して、アンテナのアレイから出射することができる。用法に依存するが、ビームを、例えば約９０度のような、より大きな角度に誘導することができることが望ましい。
【０００５】
幾つかの現在使用されているシステムは、機械的に向きが可変されるアンテナを用いて、より大きな角度を実現することができる。別の表現をすると、アンテナユニットを物理的に移動させるか、又は傾けて、ビームをステアリングすることができる角度を大きくすることができる。これらの機械システムは、アンテナ全体を移動させることができる。このタイプの機械システムは、アレイを所望の方向に傾けることができるプラットフォームを含むことができる。しかしながら、これらのタイプの機械システムは、アレイを、通信リンクを確立するために望ましい状態よりも遅くなる虞のある速度で移動させる。
【０００６】
したがって、上に説明した問題を解決する方法及び装置を有することができれば有利である。
【発明の概要】
【０００７】
１つの有利な実施形態では、装置は、アンテナ素子アレイと、レンズと、メタマテリアルレンズとを備える。アンテナ素子アレイは、高周波ビームを放射する。レンズは、アンテナ素子アレイの上に位置する。レンズは、高周波ビームがレンズから出射するときに、高周波ビームがレンズに入射する第１角度を第２角度に変化させる。第２角度は、高周波ビームがレンズに入射する位置が変化するときに変化する。メタマテリアルレンズはレンズの上に位置する。メタマテリアルレンズは、高周波ビームがメタマテリアルレンズから出射するときに、高周波ビームがメタマテリアルレンズに入射する第２角度を第３角度に変化させる。
【０００８】
別の有利な実施形態では、アンテナシステムは、アンテナ素子アレイと、レンズと、負屈折率メタマテリアルレンズと、コントローラとを備える。アンテナ素子アレイは、高周波ビームを放射する。レンズは、アンテナ素子アレイの上に位置する。レンズは、高周波ビームがレンズから出射するときに、高周波ビームがレンズに入射する第１角度を第２角度に変化させる。第２角度は、高周波ビームがレンズに入射する位置が変化するときに変化する。負屈折率メタマテリアルレンズは、レンズの上に位置する。負屈折率メタマテリアルレンズは、バッキーボール形状を有し、かつ高周波ビームが負屈折率メタマテリアルレンズから出射するときに、高周波ビームが負屈折率メタマテリアルレンズに入射する第２角度を第３角度に変化させる。コントローラは、多数のアンテナ素子をアンテナ素子アレイから選択して、高周波ビームがレンズに入射する位置を変化させる。
【０００９】
別の有利な実施形態では、高周波ビームをステアリングする方法が提供される。アンテナ素子アレイから第１角度でレンズに向けて、レンズの一の位置に、高周波ビームを放射する。高周波ビームがレンズから出射するときに、高周波ビームの第１角度を第２角度に変化させる。第２角度は、高周波ビームがレンズに入射する位置が変化するときに変化する。第２角度の高周波ビームが、レンズの上に位置する負屈折率メタマテリアルレンズを通過するときに、高周波ビームの第２角度を第３角度に変化させる。
【００１０】
特徴、機能、及び利点は、本開示の種々の実施形態において個別に達成することができるか、又は更に他の実施形態において組み合わせることができ、これらの実施形態の更なる詳細は後述及び図面を参照して理解することができる。
【００１１】
有利な実施形態に特有であると考えられる新規の特徴は、添付の請求項に示される。しかしながら、有利な実施形態のみならず、好適な使用形態、更に別の目的、及びこれらの形態及び目的の利点は、本開示の有利な実施形態に関する以下の詳細な記述を参照し、添付の図面と関連付けて一読することにより最も深く理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、有利な実施形態によるアンテナ周囲環境の図である。
【図２】図２は、有利な実施形態によるアンテナ周囲環境の図である。
【図３】図３は、有利な実施形態によるアンテナシステムの図である。
【図４】図４は、有利な実施形態によるアンテナシステムの図である。
【図５】図５は、有利な実施形態によるアンテナシステムの図である。
【図６】図６は、有利な実施形態によるアンテナシステムに関するシミュレーションに対応する電界プロットの図である。
【図７】図７は、有利な実施形態によるアンテナシステムを使用してシミュレートされた強度のグラフの図である。
【図８】図８は、有利な実施形態によるアンテナシステムの一部の図である。
【図９】図９は、有利な実施形態による屈折率分布型レンズの図である。
【図１０】図１０は、有利な実施形態による高周波ビームのグラフの図である。
【図１１】図１１は、有利な実施形態によるアンテナコントローラの一部の図である。
【図１２】図１２は、有利な実施形態による負屈折率メタマテリアルレンズの図である。
【図１３】図１３は、有利な実施形態による負屈折率メタマテリアルレンズの輪郭の図である。
【図１４】図１４は、有利な実施形態によるアンテナシステムのアレイとの関係を示すレンズの断面の図である。
【図１５】図１５は、有利な実施形態によるレンズの図である。
【図１６】図１６は、有利な実施形態によるレンズの断面斜視図を示している。
【図１７】図１７は、有利な実施形態によるレンズ構造の図である。
【図１８】図１８は、有利な実施形態によるバッキーボール外郭の面の図である。
【図１９】図１９は、有利な実施形態によるバッキーボール外郭の面の図である。
【図２０】図２０は、有利な実施形態によるセルの図である。
【図２１】図２１は、有利な実施形態によるユニットセル配置の図である。
【図２２】図２２は、有利な実施形態による２つのユニットセルの図である。
【図２３】図２３は、有利な実施形態による組み付けのために配置されるユニットセルの図である。
【図２４】図２４は、有利な実施形態による１つのユニットセルの図である。
【図２５】図２５は、有利な実施形態による１つのセルの寸法を示す表の図である。
【図２６】図２６は、有利な実施形態によるユニットセルアセンブリの図である。
【図２７】図２７は、有利な実施形態によるデータ処理システムの図である。
【図２８】図２８は、有利な実施形態による高周波ビームをステアリングするプロセスのフローチャートの図である。
【図２９】図２９は、有利な実施形態によるアンテナシステムの負屈折率メタマテリアルレンズを形成するプロセスのフローチャートの図である。
【図３０】図３０は、有利な実施形態によるレンズ設計を最適化するプロセスのフローチャートの図である。
【図３１】図３１は、有利な実施形態による負屈折率メタマテリアルユニットセルを設計するプロセスのフローチャートの図である。
【図３２】図３２は、有利な実施形態によるレンズ構造を生成するプロセスのフローチャートの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
異なる有利な実施形態では、多数の異なる考察事項を認識し、考慮に入れる。例えば、異なる有利な実施形態では、フェーズドアレイアンテナが、高周波ビームを電子的にステアリングすることができるので、アンテナシステムにおいて広く使用されていることを認識し、考慮に入れる。この機能によって、指向性通信の他に、ビームステアリングの所望速度が得られる。しかしながら、異なる有利な実施形態では、位相シフタを設けるために使用されるモノリシックマイクロ波集積回路はコストが嵩み、かつ通信システムの複雑さを増すことを認識し、考慮に入れる。
【００１４】
したがって、異なる有利な実施形態は、高周波ビームを誘導する方法及び装置を提供する。１つの有利な実施形態では、装置は、アンテナ素子アレイと、レンズと、負屈折率メタマテリアルレンズとを備える。アンテナ素子アレイは、高周波ビームを放射する。レンズは、高周波ビームがレンズに入射する第１角度を、高周波ビームがレンズから出射する第２角度に変化させる。第２角度は、高周波ビームがレンズに入射する位置が変化するときに変化する。負屈折率メタマテリアルレンズは、レンズの上に位置し、高周波ビームが負屈折率メタマテリアルレンズに入射する第２角度を、高周波ビームが負屈折率メタマテリアルレンズから出射する第３角度に変化させる。
【００１５】
次に、図１を参照すると、アンテナ周囲環境の図が、有利な実施形態に従って描かれている。この実施例では、アンテナ周囲環境１００はプラットフォーム１０２を含む。プラットフォーム１０２は、種々の形態を採ることができる。例えば、プラットフォーム１０２は、陸上輸送手段１０４、航空機１０６、船舶１０８、及び／又は他の適切なタイプのプラットフォームとすることができる。
【００１６】
アンテナシステム１１０はプラットフォーム１０２に搭載される。これらの実施例では、アンテナシステム１１０は、高周波ビーム１１２を送信し、受信することができる。アンテナシステム１１０は、ハウジング１１４と、アンテナ素子アレイ１１６と、アンテナコントローラ１１８と、電源ユニット１２０と、レンズ１２２と、メタマテリアルレンズ１２４と、／又は他の適切な構成要素とを備える。
【００１７】
ハウジング１１４は、アンテナシステム１１０の異なる構成要素を収容する物理構造である。電源ユニット１２０は、電力を、アンテナ素子アレイ１１６が使用する電圧及び電流の形態で供給して、アンテナ素子アレイ１１６からのマイクロ波信号の放射を制御する。これらのマイクロ波信号は、アンテナ素子アレイ１１６から高周波ビーム１１２の形態で放射される高周波放射である。
【００１８】
これらの実施例では、アンテナ素子アレイ１１６は、トランスミッタ１２６、レシーバ１２８、及びトランシーバ１３０のうちの少なくとも１つを備える。これらの実施例では、アンテナ素子アレイ１１６内のアンテナ素子は、種々の形態を採ることができる。例えば、アンテナ素子は、パッチアンテナ、導波管アンテナ、及び／又は他の適切なタイプのアンテナとすることができる。導波管アンテナは、アンテナ素子に使用することができ、円偏波を実現できるこれらのアンテナ素子の機能に基づいて選択することができる。
【００１９】
これらの実施例では、アンテナ素子アレイ１１６内のトランスミッタ１２６の各々は、高周波信号を、高周波ビーム１１２を形成するように生成する。アンテナコントローラ１１８は、アンテナ素子アレイ１１６内のいずれのアンテナ素子が、高周波信号を放射して高周波ビーム１１２を生成するかについて制御することができる。例えば、アンテナコントローラ１１８は、アンテナ素子アレイ１１６内の多数のアンテナ素子１３２に高周波ビーム１１２を放射させることができる。これらの実施例では、多数のアイテムとは、１つ以上のアイテムを意味する。
【００２０】
例えば、多数のアンテナ素子１３２とは、１つ以上のアンテナ素子である。多数のアンテナ素子１３２は、アンテナコントローラ１１８が、アンテナ素子アレイ１１６を制御する態様に依存するが、アンテナ素子アレイ１１６内のアンテナ素子の全てを含むことができる。更に、多数のアンテナ素子１３２は、多数のアンテナ素子１３２のうちの複数アンテナ素子が全て、互いに隣接して、２つ以上のグループを形成するようにグルーピングしてまとめることができる。このように、高周波ビーム１１２のうちの複数ビームを生成することができる。
【００２１】
多数のアンテナ素子１３２を選択することにより、アンテナ素子アレイ１１６から放射される高周波ビーム１１２がレンズ１２２に入射する位置１３４を変化させることができる。これらの異なる有利な実施形態では、レンズ１２２は、位置１３４に応じて、高周波ビーム１１２がレンズ１２２に入射する角度を、高周波ビーム１１２がレンズ１２２から出射する別の角度に変化させる。
【００２２】
例えば、高周波ビーム１３６は、レンズ１２２に入射し、かつ位置１３４に第１角度１３８で入射する。レンズ１２２は、高周波ビーム１３６がレンズ１２２から出射するときに、第１角度１３８を第２角度１４０に変化させる。高周波ビーム１３６がレンズ１２２に入射する位置１３４が変化すると、第２角度１４０も変化する。
【００２３】
高周波ビーム１３６は、メタマテリアルレンズ１２４に第２角度１４０で入射する。メタマテリアルレンズ１２４は、例えば負屈折率メタマテリアルレンズ１３５、又は正屈折率メタマテリアルレンズ１３７とすることができる。メタマテリアルレンズ１２４は、高周波ビーム１３６がメタマテリアルレンズ１２４から出射するときに、第２角度１４０を第３角度１４２に変化させる。レンズ１２２も、これらの実施例では、負屈折率メタマテリアルレンズ１３５、又は正屈折率メタマテリアルレンズ１３７とすることができる。
【００２４】
高周波ビーム１３６の屈曲角は、法線ベクトル１４３を基準とした約ゼロ度から法線ベクトル１４３を基準とした約６０度の角度とするか、又は他の或る角度とすることができる。異なる実施例では、レンズ１２２は、光軸１４６を持つ屈折率分布型レンズ１４４とすることができる。この図示の例では、光軸１４６は、法線ベクトル１４３に略平行とすることができる。メタマテリアルレンズ１２４はバッキーボール形状１４８を有する。
【００２５】
これらの実施例では、位置１３４は、高周波ビーム１３６を所望の方向にステアリングするように選択することができる。ステアリングは、異なる有利な実施形態において、機械的構成要素を必要とすることなく、又はアンテナ素子をアンテナ素子アレイ１１６の中で物理的に移動させる必要を伴なうことなく行なわれる。
【００２６】
例えば、位置１３４がレンズ１２２の光軸１４６を通っている場合、高周波ビーム１３６は、法線ベクトル１４３を基準にして約ゼロ度だけ曲げることができる。別の表現をすると、高周波ビーム１３６が、角度を約ゼロ度から全く変化させないようにすることができる。
【００２７】
第１角度１３８及び第２角度１４０は、高周波ビーム１３６が、屈折率分布型レンズ１４４の光軸１４６に沿って進む場合には、略同じとすることができる。位置１３４が別の値になる場合、第１角度１３８を約ゼロ度とすることができるのに対し、第２角度１４０は約６０度とすることができる。この例では、第３角度１４２は約９０度とすることができるか、又はアンテナ素子アレイ１１６方向を含む平面１５０に対して略水平とすることができる。
【００２８】
異なる有利な実施形態では、メタマテリアルレンズ１２４は、高周波ビーム１１２が、レンズ１２２によって可能になる曲がりから外れる方向に曲がる角度を大きくする機能を提供する。
【００２９】
メタマテリアルレンズ１２４は、負屈折率メタマテリアル、正屈折率メタマテリアル、又は負屈折率メタマテリアル及び正屈折率メタマテリアルの組み合わせを使用して作製される。メタマテリアルレンズ１２４によって、高周波ビーム１１２を、可動機械構成要素を他の現在使用されているソリューションにおけるように必要とするということなく、更に曲げることができる。レンズ１２２も、負屈折率メタマテリアル、正屈折率メタマテリアル、又は負屈折率メタマテリアル及び正屈折率メタマテリアルの組み合わせを使用して作製することができる。
【００３０】
メタマテリアルは、材料の特性が、材料の組成から直接得られるのではなく、材料の構造から得られる材料である。メタマテリアルは、他の複合材料から、メタマテリアルに含まれる特異な特性に基づいて見分けることができる。
【００３１】
例えば、メタマテリアルは、負の屈折率を持つ構造を有することができる。このタイプの特性は、自然起源の物質には見出されない。屈折率は、光の速度、又は他の波の速度が媒質中で減衰する様子を表わす指数である。
【００３２】
更に、メタマテリアルは、誘電率及び透磁率に関して負の値を有するように設計することもできる。誘電率は、電界が誘電媒質に影響を及ぼし、かつ誘電媒質の影響を受ける度合いを表わす物理量である。透磁率は、印加磁界に直線的に応答する材料の磁化度である。異なる有利な実施形態では、メタマテリアルレンズ１２４は、負の屈折率を有するメタマテリアルにより形成されるレンズである。このレンズは、高周波ビーム１１２を曲げる他の特性又は他の属性を含むこともできる。
【００３３】
正屈折率レンズは、メタマテリアル又は普通の誘電体材料から作製することができ、適切な異なる形状を呈する。正屈折率レンズは、ゼロよりも大きい屈折率を有する。更に別の有利な実施形態では、レンズは、普通の誘電体材料から得られる正屈折率材料、又は正屈折率メタマテリアル、及び負屈折率メタマテリアルの両方を含むことができる。
【００３４】
アンテナ周囲環境１００を図１に示しているのは、異なる有利な実施形態を実施することができる態様に物理的な制約、又はアーキテクチャ上の制約があることを意味するものではない。図示の構成要素の他に、／又は代わりに、他の構成要素を使用してもよい。幾つかの構成要素は、幾つかの有利な実施形態では不必要である。また、ブロックは、幾つかの機能的構成要素を示すために提示される。これらのブロックのうちの１つ以上は、異なる有利な実施形態において設ける場合には、組み合わせて異なるブロックにすることができる、／又は分割して異なるブロックにすることができる。
【００３５】
例えば、幾つかの有利な実施形態では、アンテナシステム１１０内のメタマテリアルレンズ１２４は、バッキーボール形状１４８以外の異なる形状を有することができる。例えば、これらには限定されないが、幾つかの有利な実施形態では、形状は、２つの楕円の間に丁度収まる容積部とすることができる。勿論、所望の角度を実現することができるあらゆる形状をレンズに使用することができる。
【００３６】
更に、他の有利な実施形態では、レンズ１２２は、屈折率分布型レンズ１４４以外のレンズを使用して搭載することができる。高周波ビーム１１２の角度を、レンズに入射する第１角度から、レンズから出射し、かつ位置１３４によって変化する第２角度に変化させることができるいずれのレンズも使用することができる。
【００３７】
次に、図２を参照すると、アンテナ周囲環境の図が、有利な実施形態に従って描かれている。アンテナ周囲環境２００は、図１のアンテナ周囲環境１００の１つの実施形態の一例である。
【００３８】
図示のように、陸上輸送手段２０２は、アンテナシステム２０４を陸上輸送手段２０２のルーフ２０６の上に有する。この実施例では、アンテナシステム２０４は高周波ビーム２０８を送信する。図示のように、高周波ビーム２０８は、高周波ビーム２１０及び高周波ビーム２１２を含む。
【００３９】
高周波ビーム２１０がターゲット２１４に向けて送信されるのに対し、高周波ビーム２１２はターゲット２１６に向けて送信される。他の実施例では、高周波ビーム２１０がターゲット２１４から受信されるのに対し、高周波ビーム２１２はターゲット２１６に向けて送信される。
【００４０】
幾つかの有利な実施形態では、単一の定格高周波ビームのみを、特定の時点で送信又は受信することができる。他の有利な実施形態では、高周波ビーム２０８の他の成分をアンテナシステム２０４によって送信することができる。高周波ビーム２０８を陸上輸送手段２０２が使用することにより、例えば指向性通信、電波妨害防止機能、及び／又は他の適切な機能のような機能を提供することができる。
【００４１】
次に、図３を参照すると、アンテナシステムの図が、有利な実施形態に従って描かれている。この図では、アンテナシステム２０４の更に詳細な図が示されている。アンテナシステム２０４は透視図で示されている。アンテナシステム２０４は、負屈折率メタマテリアルレンズ３００を含む。この透視図には、更に、負屈折率メタマテリアルレンズ３００内にレンズ３０２が示されている。更に、この透視図では、アンテナ素子アレイ３０４も、アンテナシステム２０４に対応してレンズ３０２の下に位置するものとして示されている。
【００４２】
負屈折率メタマテリアルレンズ３００は、図１の負屈折率メタマテリアルレンズ１３５の１つの実施形態の一例である。レンズ３０２は、図１のレンズ１２２の１つの実施形態の一例である。
【００４３】
この実施例では、負屈折率メタマテリアルレンズ３００はバッキーボール形状３０６を有する。バッキーボール形状３０６は切頂２０面体である。バッキーボール形状３０６は、この例では、バッキーボールの半分として示されている。バッキーボール形状３０６は、特定の実施形態に依存するが、バッキーボールの一部分又は全体とすることができる。
【００４４】
次に、図４を参照すると、アンテナシステムの図が、有利な実施形態に従って描かれている。この実施例では、図２〜３のアンテナシステム２０４の断面図が描かれている。アンテナ素子アレイ３０４、レンズ３０２、及び負屈折率メタマテリアルレンズ３００の断面図がアンテナシステム２０４に対応して描かれている。
【００４５】
この実施例では、アンテナ素子４００は、アンテナ素子アレイ３０４内に在る。アンテナ素子４００は高周波ビーム４０２を送信する。高周波ビーム４０２は、レンズ３０２の第１表面４０３に、第１角度４０４で入射する。高周波ビーム４０２は、これらの例では、レンズ３０２に、法線ベクトル４０５に対応する方向に入射する。レンズ３０２は高周波ビーム４０２を曲げる。その結果、高周波ビーム４０２がレンズ３０２の第２表面４０６から第２角度４１０で出射する。別の表現をすると、レンズ３０２は、高周波ビーム４０２を第１角度４０４から第２角度４１０に、レンズ３０２の内部特性に基づいて変化させる。
【００４６】
高周波ビーム４０２は、負屈折率メタマテリアルレンズ３００に入射すると、高周波ビーム４０２は曲がる、又は高周波ビーム４０２の向きが変わる。図示のように、高周波ビーム４０２は、負屈折率メタマテリアルレンズ３００の第１表面４１２に第２角度４１０で入射する。負屈折率メタマテリアルレンズ３００は、高周波ビーム４０２の方向を変化させて、又は高周波ビーム４０２を曲げて、高周波ビーム４０２が、負屈折率メタマテリアルレンズ３００の第２表面４１４から第３角度４１６で出射するようにする。第３角度４１６はこれらの例では、高周波ビーム４０２の第２角度４１０と同じ基準で測定される。高周波ビーム４０２はこの時点で、第３角度４１６で伝搬する。
【００４７】
これらの実施例では、第２角度４１０は、レンズ３０２上の位置４１８により決定される。位置４０８が変わると、第２角度４１０も変わる。今度は、第３角度４１６の向きも、位置４１８の変化、及び第２角度４１０の変化に応じて変化する。
【００４８】
これらの実施例では、アンテナシステム２０４は更に、吸収体４２０及び吸収体４２２を含む。これらの吸収体は、アンテナ素子アレイ３０４の上のレンズ３０２の構造支持体となる。更に、吸収体４２０及び吸収体４２２は、アンテナ素子アレイ３０４から放射され、かつレンズ３０２を通過しない電磁放射を吸収する。
【００４９】
次に、図５を参照すると、アンテナシステムの図が、有利な実施形態に従って描かれている。この図では、アンテナ素子５００を動作させて高周波ビーム５０２を放射させることができる。この例では、高周波ビーム５０２は第４角度５０３を有する。高周波ビーム５０２がレンズ３０２の第１表面４０３に入射するとき、高周波ビーム５０２は第４角度５０３を有している。高周波ビーム５０２がレンズ３０２の第２表面４０６から出射するとき、高周波ビーム５０２は曲がる、又は高周波ビーム５０２の向きが変わって、高周波ビーム５０２は第５角度５０４を有する。第５角度５０４は、これらの例では、図４の第２角度４１０とは異なる。
【００５０】
第５角度５０４は、レンズ３０２の位置５０６によって決定される。その結果、高周波ビーム５０２が負屈折率メタマテリアルレンズ３００の第１表面４１２に入射し、負屈折率メタマテリアルレンズ３００の第２表面４１４から出射するとき、高周波ビーム５０２は第６角度５０５に変化する。図から分かるように、高周波ビーム５０２の角度は、高周波ビーム５０２がレンズ３０２を通過する位置に応じて変化させることができる。これらの実施例では、レンズ３０２は、高周波ビーム５０２の第５角度５０４が、高周波ビーム５０２がレンズ３０２を通過する位置５０６に依存して変化することができるような光学特性を有する。
【００５１】
レンズ３０２は、約５．５センチメートルの焦点深度を有するので、ｆ値は約０．５よりも小さい（ｆ値＝ｆ．１．／Ｄ）。レンズ３０２は、アンテナ素子アレイ３０４の上方の約５．５センチメートルに位置させることができる。吸収体４２０及び吸収体４２２を使用して、レンズ３０２をアンテナ素子アレイ３０４の上方の約５．５センチメートルに配置する。レンズ３０２は、半径が約６センチメートルで、厚さが約０．８５センチメートルの円形状を有する。更に、レンズ３０２はこれらの例では、Ｒｅｘｏｌｉｔｅ（レクソライト）（登録商標）のような材料、他の或る適切なタイプのプラスチック、又は他の或る適切なタイプの材料により構成することができる。
【００５２】
素子アレイ３０４は、これらの例では７ｘ７アレイである。レンズ３０２を搭載する場合、素子アレイ３０４の隅に位置する素子は、負屈折率メタマテリアルレンズ３００を通過する手前で既に、垂直から約３８度の角度
0005553886.tif 000002
を向いている高周波ビームを広角に放射することができる。これらの例では、レンズは、自由空間とのインピーダンス整合をとるように設計されているので、レンズに入射する入射高周波ビームの反射が減っている。
【００５３】
次に、図６を参照すると、アンテナシステムに関するシミュレーションから得られる電界の図が、有利な実施形態に従って描かれている。この実施例では、電界６００は、図２〜５におけるアンテナシステム２０４の構成を使用するシミュレーションに対応している。
【００５４】
この図示の例では、アンテナ素子４００は、半球状の波６０２を電界６００中に放射する。波６０２は、図４に示すように、アンテナ素子４００による高周波ビーム４０２の放射に対応する。波６０２は、レンズ３０２の第１表面４０３に入射し、レンズ３０２の第２表面４０６から出射する。吸収体４２０及び吸収体４２２は共に、レンズ３０２を通過しない波６０２からの電磁放射を吸収する。
【００５５】
図示のように、波６０２はレンズ３０２の第２表面４０６から、法線ベクトル４０５から離れる角度で出射する。別の表現をすると、波６０２はレンズ３０２を通過して、波６０２が法線ベクトル４０５から離れる向きに屈折するようにステアリングされる。波６０２は、レンズ３０２から平坦波として出射して電界６００に入射する。
【００５６】
次に、波６０２は、負屈折率メタマテリアルレンズ３００の第１表面４１２を通過し、負屈折率メタマテリアルレンズ３００の第２表面４１４から出射する。波６０２は、第２表面４１４から、法線ベクトル４０５から更に離れる角度で出射する。別の表現をすると、波６０２は、法線ベクトル４０５から更に離れる向きに屈折するようにステアリングされて、波６０２が、負屈折率メタマテリアルレンズ３００の第２表面４１４から、レンズ３０２の第２表面４０６から出射するときよりも平面６０４に近づく角度で出射するようになる。
【００５７】
次に、図７を参照すると、アンテナシステムを使用するシミュレーションから得られる強度のグラフの図が、有利な実施形態に従って描かれている。この実施例では、グラフ７００は、アンテナシステム２０４を使用するシミュレーションに対応している。グラフ７００は、水平軸７０２及び垂直軸７０４を有する。水平軸７０２は、法線ベクトル４０５から離れる角度である。垂直軸７０４は、アンテナシステム２０４により生成される高周波ビームに対応する強度である。
【００５８】
曲線７０６は、レンズ３０２及び負屈折率メタマテリアルレンズ３００が無いアンテナ素子アレイ３０４を有するアンテナシステム２０４に関するシミュレーションに対応している。曲線７０８は、アンテナ素子アレイ３０４及びレンズ３０２を有するが、負屈折率メタマテリアルレンズ３００を持たないアンテナシステム２０４に関するシミュレーションに対応している。曲線７１０は、アンテナ素子アレイ３０４、レンズ３０２、及び負屈折率メタマテリアルレンズ３００を有するアンテナシステム２０４に関するシミュレーションに対応している。
【００５９】
次に、図８を参照すると、アンテナシステムの一部の図が、有利な実施形態に従って描かれている。この実施例では、アンテナシステム２０４の上面図が有利な実施形態に従って描かれている。
【００６０】
この実施例では、アンテナ素子アレイ３０４及びレンズ３０２の上面図が描かれている。この例では、アンテナ素子アレイ３０４は、７×７アレイに配置される４９個のアンテナ素子を有する。この例では、アレイピッチは１センチメートルであるので、アンテナ素子アレイ３０４内の外側アンテナ素子の中心は、約６×６センチメートルの正方形の上に並んでいる。
【００６１】
アンテナ素子８００は、中心アンテナ素子であり、かつレンズ３０２の光軸８０２に一致する。この例では、レンズ３０２は屈折率分布型レンズである。これらのアンテナ素子の各々は、注目ステアリング角に依存するが、個々に動作させるか、又はグループで動作させることができる。勿論、幾つかの有利な実施形態では、特定の実施形態に依存するが、方形アレイではなく、円形アレイを使用してもよい。アンテナ素子アレイ３０４内の異なるアンテナ素子を動作させて、高周波ビームを送信し、これらの高周波ビームがレンズ３０２から出射する角度は、これらの高周波ビームがレンズ３０２を通過する位置によって変化させることができる。これらの実施例では、高周波ビームがレンズ３０２に入射すると、角度は、高周波ビームが、ほぼ法線ベクトルに沿って約ゼロ度で進むような角度になる。
【００６２】
アンテナ素子８００の中心アンテナ素子軸は、屈折率分布型レンズの光軸８０２に一致する。他のアンテナ素子は、光軸から種々の距離だけ外れている。アレイの隅のアンテナ素子は、最も遠い距離
0005553886.tif 000003
を有する。これらのアンテナ素子は、所望の特定のステアリング角に依存するが、１度に１素子の割合で駆動することができる。
【００６３】
この例では、ステアリング角は、θ及びφによって定義することができる。角度θ及びφは、格子平面の法線ベクトルを基準とする。φの角度は、約ゼロ度〜約３６０度とすることができるのに対し、θの角度は、約ゼロ度〜約１８０度とすることができる。
【００６４】
次に、図９を参照すると、屈折率分布型レンズの図が、有利な実施形態に従って描かれている。この実施例では、屈折率分布型レンズ９００は、図１における屈折率分布型レンズ１４４、及び図３〜６におけるレンズ３０２の１つの実施形態の一例である。
【００６５】
屈折率分布型レンズ９００は光軸９０２を有する。屈折率分布型レンズ９００を、光軸９０２から離れる約ゼロ度の角度で通過する高周波ビームは、屈折率分布型レンズ９００から、光軸９０２から離れる約ゼロ度の角度で出射することができる。更に、屈折率分布型レンズ９００を同じ角度で、かつ光軸９０２から離れる位置で通過する高周波ビームは、屈折率分布型レンズ９００から、光軸９０２から更に離れる角度で出射することができる。
【００６６】
異なる有利な実施形態では、屈折率分布型レンズ９００は、例えばこれらには限定されないが、負屈折率メタマテリアル及び／又は他の或る適切なタイプの材料のような材料により構成することができる。
【００６７】
次に、図１０を参照すると、高周波ビームのグラフの図が、有利な実施形態に従って描かれている。この実施例では、グラフ１０００は、図９における屈折率分布型レンズ９００を通過する高周波ビームのシミュレーションに対応している。グラフ１０００は直線１００１を有する。直線１００１は、屈折率分布型レンズ９００を通過する高周波ビームに対応する。
【００６８】
この実施例では、点１００２は屈折率分布型レンズ９００の焦点に対応する。高周波ビームは屈折率分布型レンズ９００に１つの角度で入射し、次に、屈折率分布型レンズ９００から別の角度で出射する。高周波ビームが出射する角度は、高周波ビームが入射する角度が略同じままであるのにもかかわらず変化する。この変化は、高周波ビームが屈折率分布型レンズ９００に入射する位置が変化するときに生じる。屈折率分布型レンズ９００から出射する高周波ビームの角度のこれらの変化は、直線１００１に対応する角度の変化として描かれている。
【００６９】
点１００２を通過し、かつグラフ１０００の垂直軸１００６に略平行な軸１００４は、図９における光軸９０２に対応する。高周波ビームが屈折率分布型レンズ９００に光軸９０２から更に外れて入射すると、光軸９０２から更に離れる角度で、高周波ビームが屈折率分布型レンズ９００から出射する。
【００７０】
次に、図１１を参照すると、アンテナコントローラの一部の図が、有利な実施形態に従って描かれている。この図では、アンテナコントローラ１１００は、図１におけるアンテナコントローラ１１８の１つの実施形態の一例である。
【００７１】
この実施例では、アンテナコントローラ１１００は、プロセッサユニット１１０２と、スイッチ１１０４と、サーキュレータ１１０６と、レシーバアンプ１１０８と、トランスミッタアンプ１１１２とを含む。スイッチ１１０４は、アンテナ素子アレイ１１１２に接続される。プロセッサユニット１１０２は、スイッチ１１０４を制御して、多数のアンテナ素子をアンテナ素子アレイ１１１２から選択して高周波ビームを、トランスミッタアンプ１１１０を使用して送信することができる。トランスミッタアンプ１１１０は、信号を増幅して高周波ビームとして送信する。サーキュレータ１１０６は、トランスミッタアンプ１１１０から送信される高周波ビームとレシーバアンプ１１０８が受信する高周波ビームとの分離を行なう。
【００７２】
スイッチ１１０４も、アンテナ素子アレイ１１１２が検出する信号を受信し、検出されるこれらの信号をレシーバアンプ１１０８に送信することができる。レシーバアンプ１１０８はこれらの信号を増幅して処理する。
【００７３】
これらの実施例では、プロセッサユニット１１０２は、スイッチ１１０４を制御して、素子をアンテナ素子アレイ１１１２から１つだけ選択することができる。別の構成として、プロセッサユニット１１０２は、スイッチ１１０４を制御して、２つ以上のアンテナ素子を選択することができる。このようにして、異なるサイズのビーム及び／又は異なる数のビームを、アンテナ素子アレイ１１１２により生成することができる。同様にして、異なる数のアンテナ素子を作動させて、高周波ビームを検出するか、又は受信することができる。
【００７４】
図１２〜２６を参照すると、負屈折率メタマテリアルレンズの構造を含む図が有利な実施形態に従って描かれている。具体的には、図１２〜２６は、図１におけるメタマテリアルレンズ１２４及び／又は図１におけるレンズ１２２の構造を含む図である。
【００７５】
これらの例では、負屈折率メタマテリアルレンズはバッキーボール形状を有する。レンズは、材料特性がθ方向及びφ方向に、アンテナ素子により生成されるビームの円偏波を保持することができるように一致するように設計される。これらの例では、６０度の角度を有するビームを略水平方向にステアリングすることができる。負屈折率メタマテリアルレンズは、約ゼロ度から約３８度のビームを、約ゼロ度から約９０度のビームに変換するように設計することができる。別の表現をすると、約３８度の角度を持つビームを、略水平である約９０度の角度に向きを変えることができる。
【００７６】
負屈折率メタマテリアルレンズは、多くの異なる形態を有することができる。幾つかの有利な実施形態では、負屈折率メタマテリアルレンズは、放物線のような２つの曲線に基づいて設計される。
【００７７】
次に、図１２を参照すると、負屈折率メタマテリアルレンズの一例が有利な実施形態に従って描かれている。この例では、レンズ１２００は、アンテナシステム１１０に使用することができる屈折率メタマテリアルレンズの一例である。
【００７８】
この例では、レンズ１２００は、負屈折率メタマテリアルユニットセル１２０２を、楕円１２０４と楕円１２０６との間に含む。負屈折率メタマテリアルユニットセル１２０２は、レンズ１２００の材料を構成する。これらの実施例では、負屈折率メタマテリアルユニットセル１２０２は、楕円１２０４と楕円１２０６との間に複数層状に配置される。これらの実施例では、楕円１２０４及び楕円１２０６は、レンズ１２００の境界の輪郭に過ぎない。これらの楕円は、実際にレンズ１２００の一部になる訳ではない。
【００７９】
負屈折率メタマテリアルユニットセル１２０２を含むこれらの層を、これらのユニットセルの他の層と結晶方位を揃えて結晶積層状態を維持する。結晶積層状態は、１つの層のユニットセル境界が、別の層のユニットセル境界と結晶方位が揃うときに生じる。非結晶積層状態は、ユニットセルの異なる層の結晶方位が揃わない場合に生じる。各層の高さは、１ユニットセル分の厚さであるのに対し、各層の幅は、複数ユニットセル分とするか、又は適切なサイズに設計される１ユニットセル分とすることができる。
【００８０】
次に、図１３を参照すると、負屈折率メタマテリアルレンズの輪郭の図が、有利な実施形態に従って描かれている。レンズ輪郭１３００は、図１２におけるレンズ１２００のような負屈折率メタマテリアルレンズの輪郭である。
【００８１】
この例では、レンズ輪郭１３００は、負屈折率メタマテリアルセルを図１２における楕円１２０４と１２０６との間に配置することにより得られる。レンズ輪郭１３００は、外側稜線１３０２及び内側稜線１３０４を有する。レンズ輪郭１３００は、不連続な外観又はギザギザの外観を有する。実際の実施形態では、この構造を３６０度回転させて、負屈折率メタマテリアルレンズに対応する３次元構造を形成することができる。
【００８２】
更に、レンズ輪郭１３００から、セクション１３０６内の部分１３０６のような部分を取り除いて、重量を減らし、ビームを更に曲げることが不要な方向の干渉を低減することができる。
【００８３】
次に、図１４を参照すると、アンテナシステムのアレイとの関係を示すレンズの断面の図が、有利な実施形態に従って描かれている。この例では、レンズ１２００はアレイ１４０４との関係が分かるように示されている。アレイ１４０４は、高周波放射素子アレイである。具体的には、アレイ１４０４は、マイクロ波伝送方式の高周波信号を放射することができる。
【００８４】
アレイ１４０４は、高周波放射１４０６，１４０８，１４１０，１４１２，１４１４，及び１４１６を行なってビームを形成し、このビームを、法線ベクトル１４１８に対して約６０度の角度で送信することができる。
【００８５】
レンズ１２００は、この例では、内側楕円が約４インチの円を有し、外側楕円が約８インチの半長径、及び約４．１インチの半短径を有するように設計される。この例では、レンズ１２００は、レンズ部分１２００がセクション１４２０内にのみ含まれるように設計することができる。この例では、レンズ１２００は、セクション１４２２に示されるように、約８インチの高さを有することができる。レンズ１２００は、セクション１４２４に示されるように、約８．１インチの幅を有することができる。
【００８６】
勿論、図１４におけるレンズ１２００の図は、負屈折率メタマテリアルレンズの２次元断面として示されている。
【００８７】
次に、図１５を参照すると、レンズの図が、有利な実施形態に従って描かれている。この実施例では、レンズ１５００は斜視図で示される。レンズ１５００は、図１４におけるセクション１４２０に含まれるレンズ部分１２００である。この例では、アンテナ素子アレイは、レンズ１５００の貫通孔１５０２の内部に位置する。この例では、アレイは見えない。
【００８８】
次に、図１６を参照すると、図１５におけるレンズ１５００の斜視断面として見た図が、有利な実施形態に従って描かれている。この例では、アレイ１６００は、図１におけるアンテナ素子アレイ１１６の一例である。レンズ１５００はアレイ１６００の上に位置している。レンズ１５００は、図１におけるレンズ１２２の実施形態の一例である。この斜視断面図は、アレイ１６００にレンズ１５００の一部を加えた斜視図を示すために提示される。
【００８９】
次に、図１７を参照すると、レンズ構造の図が、有利な実施形態に従って描かれている。この例では、レンズ形状１７００は切頂２０面体である。レンズ形状１７００は、バッキーボール形状と呼ぶこともできる。レンズ形状１７００は、バッキーボール全体として、又は完全なバッキーボールとして示されているが、レンズ１７００のバッキーボール形状は、バッキーボールの一部としてもよい。別の表現をすると、レンズ形状１７００に対応するバッキーボール形状は、「ボール」全体でなくてもよい。
【００９０】
異なる有利な実施形態では、レンズ構造１７０２は、図３におけるレンズ３０２に対応するレンズ構造の一例である。
【００９１】
これらの実施例では、レンズ構造１７０２は、図１における負屈折率メタマテリアルレンズ１３５を実現するために使用することができる構造の一例である。図示のように、レンズ構造１７０２は、楕円１７０４及び楕円１７０６を含む。楕円１７０４が半径１７０８を有するのに対し、楕円１７０６は半径１７１０を有する。楕円１７０４を外側楕円と呼ぶことができるのに対し、楕円１７０６は内側楕円と呼ぶことができる。半径１７０８をレンズ構造１７０２の外側半径とすることができるのに対し、半径１７１０はレンズ構造１７０２の内側半径とすることができる。半径１７１２は、半径１７０８と半径１７１０との間のいずれかの値とすることができる。
【００９２】
レンズ構造１７０２は、これらの実施例におけるレンズ形状１７００に調整することができる。これらの実施例では、レンズ形状１７００の外郭１７１６は、レンズ構造１７０２の半径１７１２に略等しい平均半径を有するように選択することができる。
【００９３】
レンズ形状１７００の外郭１７１６は、２つの種類の面をこれらの例において有する。これらの面は、例えば六角形面１７１８及び五角形面１７２０を含む。この図示の例では、外郭１７１６の各面には、ユニットセルアセンブリから半径方向に形成される要素のような不連続要素に対応する初期厚さを付与することができる。この初期厚さは、例えば６ユニットセルアセンブリ分の厚さとすることができる。勿論、他の厚さを他の実施形態において選択してもよい。
【００９４】
各面の厚さは、ユニットセルの屈折率範囲の利用可能性及びユニットセルの損失を考慮に入れることにより選択することができる。面が厚くなると、特定の面は、ビームの形態の高周波信号を曲げる能力が大きくなる。更に、屈折率のさほど極端ではない値を、より厚い面に使用することもできる。１つの面は、１つの面を通過するビームの伝搬に関する損失媒質である。したがって、面が厚くなると、薄い面と比べて損失が大きくなる。別の表現をすると、より大きな損失がビームに、ビームが、薄い面と比べて、より長い距離を厚い面を通って伝搬するので生じる。
【００９５】
外郭１７１６の各面に関して、コンフォーマル変換１７１４を行なって、レンズ構造１７０２をレンズ形状１７００に変換する。コンフォーマル変換１７１４は、広く利用可能なコンフォーマル変換プロセス及び／又はアルゴリズムを使用して行なうことができる。コンフォーマル変換１７１４は、等角写像（ａｎｇｌｅ  ｐｒｅｓｅｒｖｉｎｇ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）であり、等角図と呼ぶこともできる。コンフォーマル変換１７１４を使用して、１つの幾何学形状を別の幾何学形状に変換する、又はマッピングする。これらの実施例では、コンフォーマル変換１７１４は、外郭１７１６の各面の複数点に対して行なうことができる。
【００９６】
コンフォーマル変換１７１４を行なった後、新規の屈折率がレンズ形状１７００に対応して同定される。新規の屈折率が、ユニットセル設計範囲に収まり、かつ損失が許容可能である場合、レンズ形状１７００の設計が完成する。外郭１７１６の複数面のいずれかの面の複数位置に対応する屈折率が、ユニットセル設計範囲から外れる場合、ユニットセルタイプを変更するか、又は異なる厚さを面に対応して選択することができる。
【００９７】
別の構成として、各面の厚さを変更することもできる。各面の厚さは、損失に依存して変更することもできる。実施例では、損失は、ユニットセルの内部の抵抗損失及び／又は誘電損失に起因する。これらの実施例では、損失は、面の厚さを透過するときの合計損失が、約３デシベル未満である場合は許容可能であると考えることができる。勿論、特定の実施形態に依存するが、より高い損失レベルを許容可能損失量の閾値として選択することができる。また、幾つかの有利な実施形態では、アレイの送信電力を大きくして、生じ得る損失及び信号減衰を補償することができる。
【００９８】
レンズ形状１７００によって、全方向性（３６０度）カバレッジをフェーズドアレイに関して、図３におけるレンズ３０２を用いる場合に生じ得るエッジ回折の不連続性を回避することができるように実現することができる。
【００９９】
次に、図１８を参照すると、バッキーボール外郭の面の図が、有利な実施形態に従って描かれている。面１８００は、図１７における外郭１７１６の五角形面１７２０の一例である。面１８００は、ｘ軸がミリメートル単位であり、かつｙ軸がミリメートル単位であるグラフ１８０２内に示される。面１８００内の複数点１８０４は、コンフォーマル変換をレンズ構造１７０２に基づいて、コンフォーマル変換１７１４を使用して行なって、図１７におけるレンズ形状１７００を取得することができるような複数点である。コンフォーマル変換は、面１８００内の複数点１８０４の各点を通過するように行なわれる。複数点１８０４の各点は、わずかに異なる屈折率値を有することができる。
【０１００】
次に、図１９を参照すると、バッキーボール外郭の面の図が、有利な実施形態に従って描かれている。この例では、面１９００は、図１７における外郭１７１６の六角形面１７１８の一例である。面１９００は、ｘ軸がミリメートル単位であり、かつｙ軸がミリメートル単位であるグラフ１９０２内に示される。コンフォーマル変換を複数点１９０４の各点に対応して行なって、レンズ構造１７０２を図１７における外郭１７１６にマッピングする。
【０１０１】
面１９００内の複数点１９０４は、コンフォーマル変換をこの例において行なう対象となる複数点である。点の数は、ユニットセルアセンブリのサイズによって決定することができる。これらの点の間の距離は、ユニットセルアセンブリの長さであり、この長さは、この実施例では、約２．３１ミリメートルとすることができる。約２．３１ミリメートル×約２．３１ミリメートルの間隔を持つ一様なグリッドを面の上部に重ねる。面の内部の複数点を変換に取り込む。これらの点は、ユニットセルアセンブリの中心位置を表わしている。
【０１０２】
次に、図２０を参照すると、１つのセルの図が、有利な実施形態に従って描かれている。この例では、セル２０００は、負屈折率メタマテリアルユニットセルの一例であり、この負屈折率メタマテリアルユニットセルを使用して、図１におけるレンズ１２２及び／又は負屈折率メタマテリアルレンズ１３５のようなレンズを形成することができる。図示のように、セル２０００は方形状に形成される。セル２０００は、複数辺の各辺に沿った長さ２００２、及び高さ２００４を有する。これらの例では、長さ２００２は、例えば約２．３ミリメートルとすることができる。高さ２００４は、基板の高さとすることができる。例えば、高さは、約２５ミリメートルとすることができる。これらの寸法は、特定の実施形態に依存して変わり得る。セル２０００は基板２００６を備える。
【０１０３】
基板２００６は、導体２００８及び２０１０を含むスプリットリング共振器２００５のような銅リング及びワイヤ導体の支持体となる。更に、基板２００６は、導体２０１２を含むこともできる。これらの例では、基板２００６の誘電正接損失が小さいので、ユニットセルの合計損失を低減することができる。これらの例では、基板２００６は、例えばアルミナとすることができる。使用することができる基板の別の例は、ＲＴ／ｄｕｒｏｉｄ（登録商標）５８７０高周波積層板である。このタイプの基板は、ロジャースコーポレーション（Ｒｏｇｅｒｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から入手することができる。勿論、いずれかのタイプの材料を基板２００６に使用して、構造の機械的支持体とすることにより、異なる導体を配置し、設計して、所望のＥ電界及びＨ磁界を実現することができる。
【０１０４】
スプリットリング共振器２００５を使用して、複数特性のうちの幾つかの特性を実現して、セル２０００に負の屈折率を持たせることができる。導体２００８及び２０１０は、負の透磁率を実現して磁界に応答する。スプリットリング共振器２００５は、これらの導体のパターンがエネルギーと反応することにより生じる負の透磁率を実現する。導体２０１２が更に、負の誘電率を実現する。
【０１０５】
この例では、波伝搬ベクトルｋ２０１４は、基準軸２０１６で示すように、ｙ方向を向いている。スプリットリング共振器２００５は、Ｈｚ成分を結合して、ｚ方向の負の透磁率を実現する。導体２０１２は、Ｅｘ成分を結合してｘ方向の負の誘電率を、セル２０００をセルとともに他の平面内で積層することにより実現するワイヤ導体である。他のＥ電界成分及びＨ磁界成分を結合してもよい。
【０１０６】
特定のパターンをスプリットリング共振器２００５に関して示しているが、他のタイプのパターンを使用してもよい。例えば、これらのパターンは、スプリットリング共振器２００５に対応する形状の方形ではなく、円形としてもよい。スプリットリング共振器２００５内の種々のパラメータを変更して、構造の透磁率を変えることができる。例えば、スプリットリング共振器２００５の向きを導体２０１２に関して変更して、セル２０００の透磁率を変えることができる。
【０１０７】
別の例として、導体２００８により形成されるループの幅、導体２０１０により形成される内側ループの幅、領域２０１８内における追加の常磁性体材料の使用、及びセル２０００の特徴部分の或るタイプのパターン変更だけでなく、他の変更によって、セル２０００の透磁率を変えることができる。セル２０００の誘電率も、導体２０１２の材料、導体２０１２の幅、及びスプリットリング共振器２００５からの導体２０１２の距離のような種々の要素を変更することにより変えることができる。
【０１０８】
次に、図２１を参照すると、ユニットセル配置の図が、有利な実施形態に従って描かれている。この例では、ユニットセル２１００、２１０２，２１０４，２１０６，２１０８，２１１２，及び２１１３が描かれている。これらのユニットセルは、図２０におけるセル２０００と同様である。
【０１０９】
この例では、波ベクトルｋ２１１６は、軸２１１８に対してｚ方向に向いている。誘電率及び透磁率は、このタイプのアーキテクチャでは、ｘ方向及びｙ方向の両方の方向に負である。段部２１２０及び段部２１２２のような段部をｙワイヤ導体に設けて、これらのワイヤ導体が、これらの例において、互いに交差することがないようにしている。ワイヤ導体の交差を回避するために、挿通段部をセル境界に取り入れる。これらの段部、及びセルの積層を、図２２及び２３を参照しながら以下に更に詳細に示す。
【０１１０】
図２２を参照すると、２つのセルユニットの図が、有利な実施形態に従って描かれている。この例では、素子２２００は、基板２２０６に形成されるユニットセル２２０２及びユニットセル２２０４を含む。
【０１１１】
ワイヤ導体２２０８は、ユニットセル２２０２及びユニットセル２２０４の両方を通って延在している。ユニットセル２２０２は、導体２２１０及び２２１２により形成されるスプリットリング共振器２２０９を有する。ユニットセル２２０４は、導体２２１４及び２２１６により形成されるスプリットリング共振器２２１３を有する。この図から分かるように、素子２２００は段部２２１８をユニットセル２２０２とユニットセル２２０４との間に有することにより、直交方向の積層及び／又は組み付けを可能にしている。
【０１１２】
図２３を参照すると、組み付けのために配置されるユニットセルの図が、有利な実施形態に従って描かれている。この例では、素子２３００は、ユニットセル２３０２及びユニットセル２３０４を含む。素子２３０６は、ユニットセル２３０８及びユニットセル２３１０を含む。図から分かるように、段部２３１２及び２３１４を素子２３００及び２３０６に設けている。素子２３００及び２３０６は、これらの２つの素子を段部２３１２及び２３１４で組み付けて嵌合させることができるように位置決めされる。これらの素子は、ユニットセルアセンブリとも呼ばれる。
【０１１３】
図２４を参照すると、１つのユニットセルの図が、有利な実施形態に従って描かれている。この例では、ユニットセル２４００は、導体２４０２及び導体２４０４を有する。導体２４０２及び２４０４は、導体２４０２及び２４０４の中心線２４０５及び２４０７のそれぞれに対して対称とすることができる。別の表現をすると、導体２４０２は、表面２４０６と２４０８との間にほぼ収まるように位置することができる。導体２４０４は、表面２４０６に位置することができる。導体２４０４は、導体２４０２と同じパターンを有することができるが、表面２４０６及び２４０８の法線方向の軸の回りに約２６０度回転させることができる。
【０１１４】
図２５を参照すると、１つのセルに関する寸法を示す表の図が、有利な実施形態に従って描かれている。表２５００は、図２４におけるユニットセル２４００内の導体２４０２及び導体２４０４に関する寸法を示している。これらの寸法は、ミリメートル単位である。
【０１１５】
図２６を参照すると、１つのユニットセルアセンブリの図が、有利な実施形態に従って描かれている。この例では、ユニットセル２６００は、図２４におけるセル２４００に対応する導体と同様の導体を含む。セル２６０２はまた、ユニットセル２４００と同様の導体パターンを含む。セル２６００及びセル２６０２を組み付けて、ユニットセルアセンブリである素子２６０４を形成することができる。
【０１１６】
素子２６０４は、レンズの個別部品とすることができる。この例では、素子２６０４は、幅２６０６、厚さ２６０８、及び長さ２６１０を有する。厚さ２６０８は、この素子の厚さである。厚さ２６０８は、波伝搬方向の波伝搬ベクトルｋである。
【０１１７】
異なるユニットセル構造及びアセンブリを図示しているのは、異なるユニットセルを組み付けて異なるセル構造の個別部品を形成する方法にアーキテクチャ上の制約又は物理的な制約があるということを意味しているのではない。特定に実施形態に依存するが、セルに対応する他の構造、及び他のタイプのアセンブリを用いてもよい。
【０１１８】
次に、図２７を参照すると、データ処理システムの図が、有利な実施形態に従って描かれている。この実施例では、データ処理システム２７００は、通信ファブリック２７０２を含み、通信ファブリック２７０２によって、プロセッサユニット２７０４、メモリ２７０６、固定記憶域２７０８、通信ユニット２７１０、入力／出力（Ｉ／Ｏ）ユニット２７１２、及びディスプレイ２７１４の間の通信が可能になる。
【０１１９】
プロセッサユニット２７０４は、メモリ２７０６に読み込むことができるソフトウェア命令を実行するように動作する。特定に実施形態に依存するが、プロセッサユニット２７０４は、１つ以上のプロセッサの集合体とすることができるか、又はマルチプロセッサコアとすることができる。更に、プロセッサユニット２７０４は、１つ以上の異種プロセッサシステムを使用して実装することができ、この場合、メインプロセッサが補助プロセッサと一緒にシングルチップに埋め込まれる。別の実施例として、プロセッサユニット２７０４は、同じタイプの複数のプロセッサを含む対称マルチプロセッサシステムとすることができる。
【０１２０】
メモリ２７０６及び固定記憶域２７０８は、記憶デバイス２７１６の例である。記憶デバイスは、例えばこれらには限定されないが、データ、関数のプログラムコード、及び／又は他の適切な情報のような情報を一時的に、／又は永久に保存することができるいずれかのハードウェアである。メモリ２７０６は、これらの例では、例えばランダムアクセスメモリ又はいずれかの他の適切な揮発性又は不揮発性記憶デバイスとすることができる。固定記憶域２７０８は、特定に実施形態に依存するが、種々の形態を採ることができる。例えば、固定記憶域２７０８は、１つ以上のコンポーネント又はデバイスを含むことができる。例えば、固定記憶域２７０８は、ハードドライブ、フラッシュメモリ、書き換え可能な光ディスク、書き換え可能な磁気テープ、又は上に挙げたデバイスの或る組み合わせとすることができる。固定記憶域２７０８によって使用される媒体は、取り外し可能とすることができる。例えば、取り外し可能なハードドライブを固定記憶域２７０８に使用することができる。
【０１２１】
通信ユニット２７１０は、これらの例では、他のデータ処理システム又はデバイスとの通信を可能にする。これらの例では、通信ユニット２７１０はネットワークインターフェースカードである。通信ユニット２７１０は、物理通信リンク又は無線通信リンクのいずれかを、又は両方を使用する通信を可能にする。
【０１２２】
入力／出力ユニット２７１２によって、データ処理システム２７００に接続することができる他のデバイスによるデータの入力及び出力が可能になる。例えば、入力／出力ユニット２７１２は、キーボード、マウス、及び／又は他の或る適切な入力デバイスを介したユーザ入力に対応する接続を可能にする。更に、入力／出力ユニット２７１２は、出力をプリンタに送信することができる。ディスプレイ２７１４は、情報をユーザに対して表示する機構を提供する。
【０１２３】
オペレーティングシステム、アプリケーション、及び／又はプログラムに対応する命令は、記憶デバイス２７１６に格納することができ、これらの記憶デバイス２７１６はプロセッサユニット２７０４と、通信ファブリック２７０２を介して通信する。これらの実施例では、これらの命令は、固定記憶域２７０８に関数として格納される。これらの命令をメモリ２７０６に読み込んで、プロセッサユニット２７０４により実行することができる。異なる実施形態のプロセスは、プロセッサユニット２７０４によって、コンピュータ実行命令を使用して実行することができ、これらのコンピュータ実行命令は、メモリ２７０６のようなメモリに格納することができる。
【０１２４】
これらの命令は、プログラムコード、コンピュータ利用可能なプログラムコード、又はコンピュータ読み取り可能なプログラムコードと呼ばれ、これらのプログラムコードをプロセッサユニット２７０４内のプロセッサが読み取って実行することができる。プログラムコードは、異なる実施形態では、メモリ２７０６又は固定記憶域２７０８のような異なる物理記憶媒体又はコンピュータ可読媒体に格納することができる。
【０１２５】
プログラムコード２７１８は、選択的に取り外すことができるコンピュータ可読媒体２７２０に関数として格納され、データ処理システム２７００に読み込むか、又は転送することにより、プロセッサユニット２７０４によって実行することができる。プログラムコード２７１８及びコンピュータ可読媒体２７２０がコンピュータプログラム製品２７２２を構成する。１つの例では、コンピュータ可読媒体２７２０は、コンピュータ可読記憶媒体２７２４又はコンピュータ可読信号媒体２７２６とすることができる。コンピュータ可読記憶媒体２７２４は、例えば光ディスク又は磁気ディスクを含むことができ、ディスクは、固定記憶域２７０８の一部であるドライブ又は他のデバイスに挿入されて、又は収納されて、固定記憶域２７０８の一部であるハードドライブのような記憶デバイスに挿入される。コンピュータ可読記憶媒体２７２４はまた、データ処理システム２７００に接続される、ハードドライブ、サムドライブ、又はフラッシュメモリのような固定記憶域の形態を採ることができる。幾つかの例では、コンピュータ可読記憶媒体２７２４は、データ処理システム２７００から取り外さなくてもよい。
【０１２６】
別の構成として、プログラムコード２７１８は、データ処理システム２７００に、コンピュータ可読信号媒体２７２６を使用して転送することができる。コンピュータ可読信号媒体２７２６は、例えばプログラムコード２７１８を含む伝送データ信号とすることができる。例えば、コンピュータ可読信号媒体２７２６は、電磁信号、光信号、及び／又は他のいずれかの適切なタイプの信号とすることができる。これらの信号は、無線通信リンク、光ファイバケーブル、同軸ケーブル、ワイヤ、及び／又は他のいずれかの適切なタイプの通信リンクのような通信リンクを介して送信することができる。別の表現をすると、通信リンク及び／又は接続は、これらの実施例では、物理的形態又は無線形態とすることができる。
【０１２７】
幾つかの例示的な実施形態では、プログラムコード２７１８は、ネットワーク経由で固定記憶域２７０８に別のデバイス又はデータ処理システムから、コンピュータ可読信号媒体２７２６を介してダウンロードすることにより、データ処理システム２７００内で使用することができる。例えば、サーバデータ処理システム内のコンピュータ可読記憶媒体に格納されるプログラムコードは、ネットワーク経由でサーバからデータ処理システム２７００にダウンロードすることができる。プログラムコード２７１８を供給するデータ処理システムは、サーバコンピュータ、クライアントコンピュータ、又はプログラムコード２７１８を格納し、送信することができる他の或るデバイスとすることができる。
【０１２８】
データ処理システム２７００に対応して示される異なるコンポーネントは、異なる実施形態を実施することができる態様にアーキテクチャ上の制約を与えることを意味しているのではない。異なる有利な実施形態は、データ処理システム２７００に対応して示されるこれらのコンポーネントの他のコンポーネント、又は代わりのコンポーネントを含むデータ処理システムにおいて実施することができる。図２７に示す他のコンポーネントは、提示される実施例から変えることができる。異なる実施形態は、プログラムコードを実行することができるいずれのハードウェアデバイス又はシステムを使用しても実施することができる。一例として、データ処理システム２７００は、無機コンポーネントと一体化される有機コンポーネンとを含むことができる、／又は人間を除く有機コンポーネントにより全体を構成することができる。例えば、記憶デバイスは、有機半導体により構成することができる。
【０１２９】
別の例として、データ処理システム２７００内の記憶デバイスは、データを保存することができる全てのハードウェア装置である。メモリ２７０６、固定記憶域２７０８、及びコンピュータ可読媒体２７２０は、有形の記憶デバイスの例である。
【０１３０】
別の例では、バスシステムを使用して、通信ファブリック２７０２を構築することができ、バスシステムは、システムバス、又は入力／出力バスのような１つ以上のバスにより構成することができる。勿論、バスシステムは、バスシステムに接続される異なるコンポーネント又はデバイスの間のデータの転送を可能にするいずれの適切なタイプのアーキテクチャを使用しても構築することができる。更に、通信ユニットは、データを送受信するために使用されるモデム又はネットワークアダプターのような１つ以上のデバイスを含むことができる。更に、メモリは、例えばメモリ２７０６とするか、又は通信ファブリック２７０２に取り入れることができるインターフェース及びメモリコントローラハブに見られるようなキャッシュとすることができる。
【０１３１】
次に、図２８を参照すると、高周波ビームをステアリングするプロセスのフローチャートの図が、有利な実施形態に従って描かれている。図２８に示すプロセスは、アンテナ周囲環境１００において、図１におけるアンテナシステム１００を使用して実行することができる。
【０１３２】
プロセスは、アンテナ素子アレイから、第１角度でレンズに向けて、レンズの一の位置に、高周波ビームを放射することにより始まる（操作２８００）。プロセスでは、次に、高周波ビームがレンズから出射するときに、高周波ビームの第１角度を第２角度に変化させる（操作２８０２）。第２角度は、高周波ビームがレンズに入射する位置が変化するときに変化させることができる。
【０１３３】
その後、プロセスでは、第２角度の高周波ビームが、レンズの上に位置する負屈折率メタマテリアルレンズを通過するときに、高周波ビームの第２角度を第３角度に変化させ（操作２８０４）、プロセスはその後、終了する。
【０１３４】
次に、図２９〜３２を参照すると、負屈折率メタマテリアルレンズの設計に使用されるプロセスの図が、有利な実施形態に従って描かれている。図２９〜３２に示すプロセスを使用して、図１におけるレンズ１２２及び／又は負屈折率メタマテリアルレンズ１３５及び／又は図３における負屈折率メタマテリアルレンズ３００を設計し、作製することができる。
【０１３５】
次に、図２９を参照すると、アンテナシステムの負屈折率メタマテリアルレンズを形成するプロセスのフローチャートが、有利な実施形態に従って描かれている。この例では、プロセスを使用して、図３におけるレンズ３０２のようなレンズを作製することができる。設計、シミュレーション、及び最適化を含む異なるステップは、図２７におけるデータ処理システム２７００のようなデータ処理システムを使用して実行することができる。
【０１３６】
プロセスは、完全波動シミュレーションを実行してレンズ幾何学形状及び材料を２次元で最適化することにより始まる（操作２９００）。操作２９００では、完全波動シミュレーションは、電磁気学のマクスウェル方程式を用いる既知のタイプのシミュレーションである。このタイプのシミュレーションでは、支配微分方程式を、波動効果の全てを考慮して解く。操作２９００では、ビームを約６０度のステアリング角から約９０度のステアリング角になるように曲げるレンズ幾何学形状及び材料を、シミュレーションを使用して最適化する。この９０度のステアリング角は、アンテナシステムにおいて略水平に走査するときに水平になることから得られる。
【０１３７】
その後、プロセスでは、不連続の影響、及び材料損失を入力する（操作２９０２）。不連続には、負屈折率メタマテリアルユニットセルを使用してレンズが形成されることを考慮に入れる。このタイプの材料の場合、平滑な表面を前提にすることはできない。プロセスでは次に、完全波動シミュレーションを、不連続の影響、及び材料損失を考慮に入れて再度実行する（操作２９０４）。この操作から、操作２９００において確認される性能が、損失があり、かつ作製上の制約がある状態で依然としてかなりの許容レベルにあることを確認する。
【０１３８】
その後、レンズ断面を回転させて３次元構造を形成する（操作２９０６）。プロセスでは次に、完全波動シミュレーションを、３次元構造を使用して再度実行する（操作２９０８）。操作２９０８を使用して、２次元モデルにおいて最適化されたレンズ幾何学形状及び材料が３次元モデルでも有効であるかどうかを確認する。
【０１３９】
次に、プロセスでは、シミュレーションを、種々の誘電率異方性及び透磁率異方性を考慮に入れてシミュレーションを実行する（操作２９１０）。操作２９１０におけるシミュレーションも完全波動シミュレーションである。このシミュレーションにおける違いは、完全な等方性材料をこれまでのシミュレーションにおいて使用していることである。操作２９１０におけるシミュレーションを、異なる異方性度を使用して実行することにより、還元材を使用することができるかどうかを判定することができる。この操作を行なって還元材を見つけ出すことにより、作製を、許容可能な、又は合理的な性能を維持した状態で容易にすることができる。
【０１４０】
還元材は異方性材料であり、この異方性材料は、等方性材料のように全ての３方向ではなく、１つ、又は２つの選択方向のＥ電界及びＨ磁界とのみ結合する。還元材は、形成がより容易であるので望ましい。例えば、ユニットセルを全ての３方向に積層するのではなく、セルの形成は、２つの方向のみ、又は１つの方向のみを使用する場合により容易になる。次に、負屈折率メタマテリアルユニットセルを設計する（操作２９１２）。この例では、パラメータを負屈折率メタマテリアルユニットセルに関して特定することにより、所望の周波数の演算、及び正しい異方性の演算が可能になる。
【０１４１】
次に、プロセスでは、負屈折率メタマテリアルユニットセルを形成する（操作２９１４）。操作２９１４では、ユニットセルの形成は、現在利用可能な種々の形成プロセスを使用して行なうことができる。これらのプロセスは、半導体デバイスを形成するために使用されるプロセスを含むことができる。プロセスでは、負屈折率メタマテリアルユニットセルを組み付けて、レンズを形成する（操作２９１６）。この操作では、適切な幾何学的配向、材料異方性、及び機械的完全性を有する最終レンズが形成される。次に、形成レンズを既存のアンテナシステムの上に配置し、検査し（操作２９１８）、プロセスはその後、終了する。操作２９１８では、レンズでビームがシミュレーションで予測された通りに曲がるかどうかを確認する。
【０１４２】
次に、図３０を参照すると、レンズ設計を最適化するプロセスのフローチャートの図が、有利な実施形態に従って描かれている。図３０に示すプロセスは、図２９における操作２９００を更に詳細に説明したものである。
【０１４３】
プロセスは、レンズの形状を選択することにより始まる（操作３０００）。これらの例では、形状は、レンズを画定する領域を取り囲む楕円ペアである。勿論、他の実施形態では、他の形状を選択してもよい。特定の実施形態に依存するが、任意の形状を選択することもできる。楕円ペアは、半短径、半長径を有する内側楕円と、同様の径を有する外側楕円とを含む。
【０１４４】
プロセスでは、選択した形状に関する複数セットのパラメータを設定する（操作３００２）。これらの異なるセットでは、レンズの形状及び材料に関する種々のパラメータを変化させることができる。これらの例では、半長径及び半短径に関するパラメータを変化させることができる。この特定の例では、幾つかの制約として、内側楕円の半短径及び半長径が、アンテナアレイの公称寸法よりも大きいことを挙げることができる。更に、内側楕円の半短径は、外側楕円の半短径よりも短い。更に、内側楕円の半長径は必ず、外側楕円の半長径よりも短い。
【０１４５】
異なる有利な実施形態では、内側楕円の半短径は、異なるセットのパラメータに関して固定し、内側楕円及び外側楕円のサイズ及び偏心率は、他のパラメータを、初期値を中心とする或る範囲で変化させることにより変化させる。更に、負屈折率も変化させることができる。
【０１４６】
プロセスでは次に、完全波動シミュレーションを、異なるセットのパラメータを考慮に入れて実行する（操作３００４）。これらのシミュレーションは、２次元又は３次元で実行することができる。設計スペースが大きい場合、２次元シミュレーションを実行することにより結果がより高速に得られる。２次元の結果に基づいて、最適化されたレンズを３次元で回転させ、これらのシミュレーションを次に、３次元で再実行して結果を検証することができる。
【０１４７】
プロセスでは次に、最終走査角及び遠視野強度を各セットのパラメータに関して抽出する（操作３００６）。その後、最終走査角及び遠視野強度が許容可能であるかどうかの判定を行なう（操作３００８）。
【０１４８】
最終走査角及び遠視野強度が許容可能である場合、プロセスでは、最良の走査角及び遠視野強度を実現する幾何学形状及び材料を選択し（操作３０１０）、プロセスはその後、終了する。これらの例では、このシミュレーションは、これらの楕円が不連続になることが全くなく実行することができる。操作３００８を再度参照すると、最終走査角及び遠視野強度が共に許容可能ではない場合、プロセスは操作３００２に戻る。次に、プロセスでは、更に別のセットのパラメータを設定して検査を行なう。
【０１４９】
操作３００４において実行される異なるシミュレーションは、完全電磁波動シミュレーションを含む。これらのシミュレーションは、種々の利用可能なプログラムを使用して実行することができる。例えば、ＣＯＭＳＯＬ  Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ  ｖｅｒｓｉｏｎ  ３．４は、使用することができるシミュレーションプログラムの一例である。このプログラムは、ＣＯＭＳＯＬ（コムソル）ＡＢ社から入手することができる。このタイプのシミュレーションでは、導波管からの高周波放射を、所望の方向を向いたビームを考慮に入れてシミュレーションする。更に、シミュレーションプログラムでもレンズを、幾何学形状、材料を考慮に入れて、エアボックスを、伝搬する波を考慮に入れてシミュレーションする。これらのシミュレーションから、ビームの相対遠視野強度及び最終走査角に関する情報を確認することができる。
【０１５０】
次に、図３１を参照すると、負屈折率メタマテリアルユニットセルを設計するプロセスのフローチャートの図が、有利な実施形態に従って描かれている。図３１に示すプロセスは、図２９における操作２９１２を更に詳細に説明したものである。
【０１５１】
プロセスは、所望の動作周波数に対応するユニットセルサイズを選択することにより始まる（操作３１００）。この例では、２．３ミリメートル立方体の固定ユニットセルサイズを、約１５ギガヘルツの動作周波数に対応して選択する。これらの例では、ユニットセルを、波長よりも短くなるように選択して、有効媒質理論が成り立つようにする。代表的なセルサイズは、約λ／５〜λ／２０の範囲とすることができる。もっと小さいセルサイズを使用してもよい。これらの例では、λ＝自由空間波長である。より小さいセルサイズが、性能上好ましいが、これらの小さいサイズが小さくなり過ぎて、スプリットリング共振器及びワイヤ構造が、負屈折率メタマテリアル効果を実現するために十分なインダクタンス及びキャパシタンスを持つことができない可能性がある。
【０１５２】
次に、プロセスでは、ユニットセルに関する複数セットのパラメータを設定する（操作３１０２）。これらのパラメータは、セルの性能に、誘電率、透磁率、及び屈折率に関して影響する可能性がある全てのパラメータである。変えることができる特徴量の例として、これらには限定されないが、例えばスプリットリング共振器の銅導体の幅、ワイヤの銅導体の幅、スプリットリング共振器の間の間隔の大きさ、スプリットリング共振器における切除部分のサイズ、スプリットリング共振器における隙間のサイズ、及び他の適切な特徴量を挙げることができる。
【０１５３】
次に、プロセスでは、シミュレーションを、複数セットのパラメータに関して、或る周波数範囲に亘って実行する（操作３１０４）。操作３１０４において行なわれるシミュレーションは、同じソフトウェアを使用して実行することにより、図３０における操作３００４において複数回実行されるシミュレーションを実行することができる。このシミュレーションは、ユニットセルに関して或る周波数範囲に亘って行なわれる完全波動シミュレーションである。
【０１５４】
次に、プロセスでは、各セットのパラメータに対応するｓパラメータを抽出する（操作３１０６）。これらの例では、ｓパラメータは、散乱パラメータとも呼ばれる。これらのパラメータを使用して、小信号による種々の定常的な外乱を持つモデルの挙動を記述する。別の表現をすると、散乱パラメータは、小信号による種々の定常的な外乱を持つ電気回路網のようなモデルの挙動を記述するために使用される値又は特性である。
【０１５５】
その後、プロセスでは、異なるセットのパラメータに関して抽出される複数セットのｓパラメータの各セットに対応する誘電率値、透磁率値、及び屈折率値を計算する（操作３１０８）。次に、計算から返される透磁率、誘電率、及び屈折率のうちのいずれが許容可能であるかの判定を行なう（操作３１１０）。これらの複数セットの値のうちの１セットの値が許容可能である場合、プロセスは終了する。それ以外の場合、プロセスは操作３１０２に戻って、更に別のセットのパラメータをユニットセルに関して設定する。
【０１５６】
次に、図３２を参照すると、レンズ構造を生成するプロセスのフローチャートの図が、有利な実施形態に従って描かれている。図３２に示すプロセスを使用して、切頂２０面体又はバッキーボールの形状を有するレンズ構造を生成することができる。これらの例では、図３２に示すプロセスは、図２７におけるデータ処理システムのようなデータ処理システムを使用して実行することができる。
【０１５７】
プロセスは、レンズが楕円形状に設計されることから生じる結果を取得することにより始まる（操作３２００）。プロセスは、最適化されたレンズの楕円形状、及び均一な屈折率を受け取る（操作３２０２）。バッキーボール外郭を、楕円の内径に略等しい平均半径を使用して選択する（操作３２０４）。バッキーボール外郭を選択して、最適化されたレンズの楕円形状に収まるようにフィッティングを行なう。この実施例では、バッキーボール外郭は、球又はボールの形態の完全なバッキーボール形状を有する必要はない。そうではなく、バッキーボール形状の一部のみをバッキーボール外郭に使用することができる。
【０１５８】
バッキーボール外郭の初期厚さを設定する（操作３２０６）。操作３２０６では、初期厚さは、各面の厚さである。この厚さは、ユニットセルアセンブリの厚さの整数倍とすることができる。この初期厚さは、例えば半径方向に約６ユニットセル分とすることができる。初期の面厚は、楕円の対応部分の厚さであって、最も近い整数倍に丸めた厚さを選択することにより選択することができる。
【０１５９】
楕円外郭からバッキーボール外郭への点ごとのコンフォーマル変換を、バッキーボール外郭の各面に関して行なう（操作３２０８）。この操作により、バッキーボール外郭の形状のレンズが得られる。バッキーボールレンズの新規の屈折率を同定する（操作３２１０）。屈折率は、コンフォーマル変換がこれらの例において行なわれた各点に対応して同定される。この操作では、多数の異なる屈折率を同定することができる。バッキーボール外郭の異なる面の異なる点は、これらの実施例において、異なる屈折率を有することができる。
【０１６０】
次に、プロセスでは、バッキーボールレンズに関して同定される屈折率が、ユニットセル設計範囲に収まるかどうかを判定する（操作３２１２）。屈折率が、ユニットセル設計範囲に収まる場合、バッキーボールレンズの損失が許容閾値に収まるかどうかの判定を行なう（操作３２１４）。損失が操作３２１４において許容可能な場合、プロセスは終了する。
【０１６１】
そうではなく、損失が許容されない、／又はバッキーボールレンズ内の異なる点の新規の屈折率が、ユニットセル設計範囲に収まらない場合、プロセスでは、バッキーボール外郭の複数面の厚さを変更し（操作３２１６）、プロセスは次に、上に説明したように、操作３２０８に戻る。
【０１６２】
操作３２１２を再度参照すると、同定される屈折率が、ユニットセル設計範囲に収まらない場合、プロセスでは、バッキーボール外郭の複数面の厚さを変更し（操作３２１６）、プロセスは次に、上に説明したように、操作３２０８に戻る。
【０１６３】
バッキーボールレンズの設計が完了すると、このレンズは、不連続要素、及び屈折率が同定されたユニットセルを使用して作製することができる。また、幾つかの有利な実施形態では、ユニットセルが、バッキーボールレンズ内の異なる点の屈折率に対応するように、又は屈折率を実現するように設計されない場合、これらのユニットセルは、厚さを変更するのではなく、面に対応して互いの上に積み重ねることができるユニットセルアセンブリの数を変えることにより設計し直すことができる。
【０１６４】
各面の厚さは、利用可能なユニットセル構造、及び対応する屈折率範囲により決定することができる。この実施例では、ユニットセル構造は、約−１．９〜約−０．６の屈折率範囲を有することができる。コンフォーマル変換後、必要な屈折率が、約−１．９よりも小さい場合、面の厚さを厚くして、屈折率が取得範囲に収まることを必要としながら、同じ屈折力を達成することができる。この例では、より小さい屈折率は約−２．５になる可能性がある。これとは異なり、コンフォーマル変換後、必要な屈折率が、約−０．６よりも大きい場合、厚さを薄くして、屈折率が必要な範囲に収まるようにすることができる。この例では、厚さは、１つのユニットセルアセンブリの厚さである。
【０１６５】
上述の異なる実施形態におけるフローチャート及びブロック図は、異なる有利な実施形態における装置及び方法の幾つかの可能な形態のアーキテクチャ、機能、及び動作を示している。この点に関して、フローチャート又はブロック図における各ブロックは、操作又はステップのモジュール、セグメント、機能、及び／又は一部を表わすことができる。幾つかの別の実施形態では、ブロック内に記載される機能又は機能は、これらの図に記載される順番から外れた順番で行なうことができる。例えば、幾つかの場合では、連続して示される２つのブロックは、ほぼ同時に実行されてもよい、又はこれらのブロックは、取り込まれる機能に依存するが、逆の順番で実行される場合がある。また、他のブロックを、フローチャート又はブロック図に例示されるブロックの他に、追加することができる。
【０１６６】
したがって、異なる有利な実施形態は、高周波ビームをステアリングする方法及び装置を提供する。高周波ビームは、アンテナ素子アレイから、第１角度でレンズに向けて、レンズの一の位置に、放射される。高周波ビームがレンズを出射するときに、高周波ビームの第１角度を第２角度に変化させる。第２角度は、高周波ビームがレンズに入射する位置が変化するときに変化する。第２角度の高周波ビームが、レンズの上に位置する負屈折率メタマテリアルレンズを通過するときに、高周波ビームの第２角度を第３角度に変化させる。
【０１６７】
アンテナシステムを屈折率分布型レンズ及び負屈折率メタマテリアルレンズの両方で構成することにより、高周波ビームをステアリングするために必要となる機械部品は、現在使用されているアンテナシステムと比べて、少なくて済む。更に、このタイプの構成により、高周波ビームをステアリングするために物理的に調整する必要がある部品が少なくて済む。このように、異なる有利な実施形態は、現在使用されているアンテナシステムと比べて、より少ない努力及び／又は費用しか必要としないアンテナシステムの構成を実現する。
【０１６８】
異なる有利な実施形態についての記述を、例示及び説明のために行なってきたが、本記述は、網羅的になるように行なわれるのではない、又は本発明を、開示される構成の実施形態に限定するために行なわれるのではない。多くの変形及び変更は、この技術分野の当業者には明らかであろう。更に、異なる有利な実施形態は、他の有利な実施形態と比べると、異なる利点を提供することができる。選択される実施形態又は実施形態は、これらの実施形態の原理、実際の用途を最良に説明するために、この技術分野の他の当業者が、種々の変形を加え得る種々の実施形態の開示内容を、考えられる特定の使用に合わせて理解することができるために選択され、記載されている。
また、本発明は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
高周波ビームを放射するアンテナ素子アレイと、
アンテナ素子アレイの上に位置し、高周波ビームがレンズから出射するときに、高周波ビームがレンズに入射する第１角度を第２角度に変化させるレンズであって、高周波ビームがレンズに入射する位置が変化するときに第２角度が変化するレンズと、
レンズの上に位置し、高周波ビームがメタマテリアルレンズから出射するときに、高周波ビームがメタマテリアルレンズに入射する第２角度を第３角度に変化させるメタマテリアルレンズと
を備えた装置。
（態様２）
メタマテリアルレンズが、負屈折率メタマテリアルレンズ及び正屈折率メタマテリアルレンズから成るグループから選択される、態様１に記載の装置。
（態様３）
アンテナ素子アレイが、アンテナ素子アレイ内の多数のアンテナ素子を使用して高周波ビームを放射し、アンテナ素子アレイから多数のアンテナ素子を選択するコントローラを備えている、態様１に記載の装置。
（態様４）
アンテナ素子の数を変更することにより位置が変化する、態様１に記載の装置。
（態様５）
アンテナ素子アレイが、メタマテリアルレンズ及びレンズを通過する第２高周波ビームを受信する、態様１に記載の装置。
（態様６）
第３角度が、アンテナ素子アレイが位置する平面に対して略平行である、態様１に記載の装置。
（態様７）
メタマテリアルレンズが複数の不連続要素を含んでいる、態様１に記載の装置。
（態様８）
複数の不連続要素が、１つの構成に配置された複数のメタマテリアルユニットセルを含んでいる、態様７に記載の装置。
（態様９）
アンテナ素子アレイ内の多数のアンテナ素子が、アンテナ素子アレイ内で互いに隣接する第１アンテナ素子、及びアンテナ素子アレイ内で互いに隣接しない第２アンテナ素子のうちの一方から選択される、態様１に記載の装置。
（態様１０）
レンズが、負屈折率メタマテリアル及び正屈折率メタマテリアルのうちの少なくとも１つにより構成されている、態様１に記載の装置。
（態様１１）
更にプラットフォームを備えており、アンテナ素子アレイ、アンテナ素子アレイの上に位置するレンズ、及びメタマテリアルレンズがプラットフォームに設置されており、プラットフォームが、移動プラットフォーム、静止プラットフォーム、陸上構造、水中構造、空中構造、航空機、水上艦、戦車、人員運搬車、列車、宇宙船、宇宙ステーション、衛星、潜水艦、自動車両、及び建築物のうちの１つから選択される、態様１に記載の装置。
（態様１２）
高周波ビームを放射するアンテナ素子アレイと、
アンテナ素子アレイの上に位置し、高周波ビームがレンズから出射するときに、高周波ビームがレンズに入射する第１角度を第２角度に変化させるレンズであって、第２角度が、高周波ビームがレンズに入射する位置が変化するときに変化するレンズと、
レンズの上に位置する負屈折率メタマテリアルレンズであって、バッキーボール形状を有し、かつ高周波ビームが負屈折率メタマテリアルレンズから出射するときに、高周波ビームが負屈折率メタマテリアルレンズに入射する第２角度を第３角度に変化させる負屈折率メタマテリアルレンズと、
アンテナ素子アレイから多数のアンテナ素子を選択して、高周波ビームがレンズに入射する位置を変化させるコントローラと
を備えたアンテナシステム。
（態様１３）
高周波ビームをステアリングする方法であって、
アンテナ素子アレイから第１角度でレンズに向けて、レンズの一の位置に、高周波ビームを放射することと、
高周波ビームがレンズから出射するときに、高周波ビームの第１角度を第２角度に変化させることであって、高周波ビームがレンズに入射する位置が変化すると第２角度が変化することと、
第２角度の高周波ビームが、レンズの上に位置する負屈折率メタマテリアルレンズを通過するときに、高周波ビームの第２角度を第３角度に変化させることと
を含む方法。
（態様１４）
アンテナ素子アレイから多数のアンテナ素子を選択して、高周波ビームを前記位置に放射することを更に含む、態様１３に記載の方法。
（態様１５）
高周波ビームが第１高周波ビームであり、前記位置が第１位置であり、更に、
アンテナ素子アレイから第４角度でレンズに向けて、レンズの第２位置に、第２高周波ビームを放射することと、
第２高周波ビームがレンズから出射するときに、第２高周波ビームの第４角度を第５角度に変化させることであって、第５角度が、第２高周波ビームがレンズに入射する第２位置が変化するときに変化することと、
第５角度の第２高周波ビームが、レンズの上に位置する負屈折率メタマテリアルレンズを通過するときに、第２高周波ビームの第５角度を第６角度に変化させることと
を含む、態様１３に記載の方法。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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