(57)【要約】  無線周波数（ＲＦ）アンテナ用のヒータおよびその使用方法が開示される。一つの実施形態では、アンテナはＲＦアンテナ素子のアレイを有する物理的なアンテナ開口部および複数の発熱体を備え、各発熱体はＲＦ素子のアレイのうち一対のＲＦ素子の間に存在する。【選択図】図１Ａ
2019521618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナであって、
無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子のアレイを有する物理的なアンテナ開口部と、
各発熱体がＲＦ素子のアレイの一対のＲＦ素子の間に存在する複数の発熱体と、
を備える、アンテナ。
【請求項２】
前記複数の発熱体中の発熱体が前記アレイ内のアンテナ素子の間で実質的に等距離に存在する、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記複数の発熱体中の発熱体がアイリス／パッチアンテナ素子のリングの間のほぼ中間に存在する、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記複数の発熱体中の発熱体が前記ＲＦアンテナ素子の間でリング状に存在する、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項５】
前記複数の発熱体がワイヤである、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項６】
前記ワイヤの大部分は長さが等しく、前記電熱線の前記長さにわたって寸法が同様である断面を有する、請求項５に記載のアンテナ。
【請求項７】
前記複数のワイヤにより前記アンテナ開口部にわたって単位面積当たりの電力損失が同じになる、請求項６に記載のアンテナ。
【請求項８】
電熱線が前記アンテナ開口部領域にわたって一様に分布する、請求項５に記載のアンテナ。
【請求項９】
前記電熱線のワイヤ断面の幅および高さが単位面積当たり同じ電力損失を有しながら前記アンテナ開口部にわたって変化する、請求項５に記載のアンテナ。
【請求項１０】
前記電熱線に電力を供給するように電気的に接続されたヒータ電力バスをさらに備え、一つまたは複数のヒータ電力バスが前記開口部の境界シール構造を通って横切る、請求項５に記載のアンテナ。
【請求項１１】
前記一つまたは複数のヒータ電力バスがアイリス層またはパッチ層上の金属層に電気的に接続される、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１２】
ＲＦアンテナ素子の温度を監視し、前記ＲＦアンテナ素子の前記温度を調整するために前記複数の電熱線を制御するための温度監視サブシステムをさらに備える、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項１３】
前記温度監視サブシステムが前記ＲＦアンテナ素子内の液晶の液晶温度を推定するように動作可能である、請求項１２に記載のアンテナ。
【請求項１４】
前記温度監視サブシステムが、
電圧入力部、電流感知抵抗器および直列に結合されたトランジスタを含む複数の回路であって、前記トランジスタが前記アンテナ内のパッチ層上に統合され、液晶に接触している複数の回路と、
前記回路に入力電圧を提供するための温度コントローラと、
測定された電流を取得するために前記電流感知抵抗器にかかる電圧を監視するための監視回路であって、前記温度コントローラが前記測定された電流を前記トランジスタの温度に相関させ、前記トランジスタの前記温度は前記液晶の温度の指標である、監視回路と、
を備える、請求項１３に記載のアンテナ。
【請求項１５】
前記温度監視サブシステムが、前記アンテナ内の層上に統合され、前記液晶と接触しているトランジスタと直列に結合されている電流感知抵抗器にかかる電圧を監視することと、前記電流感知抵抗器を介して電流を測定することと、前記トランジスタの前記温度は前記液晶の温度の指標であり、前記電流を前記トランジスタの温度に相関させることと、によって前記液晶の温度を測定するように動作可能である、請求項１３に記載のアンテナ。
【請求項１６】
前記層が複数のパッチを有するパッチ層であり、前記パッチの各々が複数のスロットにおける一つのスロット上の同じ場所に配置され、かつ複数のスロットにおける一つのスロットからは離隔され、パッチ／スロット対を形成する、請求項１５に記載のアンテナ。
【請求項１７】
前記温度監視サブシステムがパッチ上の導電性表面と前記開口部内のアイリス層とを、その間に液晶を有して合わせることと、前記導電性表面に結合された回路によりキャパシタの静電容量を測定することと、前記静電容量を前記液晶の温度に相関させることと、によってキャパシタの静電容量を測定するように動作可能である、請求項１３に記載のアンテナ。
【請求項１８】
前記温度監視サブシステムが液晶の減衰速度を測定し、前記減衰速度を前記液晶の温度に相関させるように動作可能である、請求項１３に記載のアンテナ。
【請求項１９】
前記発熱体がパッチ基板とスーパーストレートの底面との間の前記スーパーストレート上のヒータ線パターンの一部である、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項２０】
ＲＦアンテナ素子の前記アレイがアンテナ素子の同調型スロットアレイを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記同調型スロットアレイが、
複数のスロットと、
複数のパッチであって、前記パッチの各々が前記複数のスロットにおける一つのスロット上の同じ場所に配置され、かつ前記複数のスロットにおける一つのスロットからは離隔され、パッチ／スロット対を形成し、各パッチ／スロット対は前記対になっている前記パッチへの電圧の印加に基づいてオフまたはオンされる、複数のパッチと、
ビームを発生させるためにどのパッチ／スロット対をオンおよびオフするかを制御するために制御パターンを適用するコントローラと、
を備える、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
アンテナであって、
無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子のアレイを有する物理的なアンテナ開口部と、
前記アンテナ開口部内部の複数の発熱体と、
前記アンテナ開口部の温度を監視し、前記ＲＦアンテナ素子の前記温度を調整するために前記複数の発熱体を制御するための温度監視サブシステムと、
を備える、アンテナ。
【請求項２３】
温度監視サブシステムが前記アンテナ開口部内の液晶の温度を推定するように動作可能である、請求項２１に記載のアンテナ。
【請求項２４】
前記温度監視サブシステムが、
電圧入力部、電流感知抵抗器および直列に結合されたトランジスタを含む複数の回路であって、前記トランジスタが前記アンテナ内のパッチ層上に統合され、液晶に接触している複数の回路と、
前記回路に入力電圧を提供するための温度コントローラと、
測定された電流を取得するために前記電流感知抵抗器にかかる電圧を監視するための監視回路であって、前記温度コントローラが前記測定された電流を前記トランジスタの温度に相関させ、前記トランジスタの前記温度は前記液晶の温度の指標である、監視回路と、
を備える、請求項２３に記載のアンテナ。
【請求項２５】
前記温度監視サブシステムが前記アンテナ内の層上に統合され、前記液晶と接触しているトランジスタと直列に結合されている電流感知抵抗器にかかる電圧を監視することと、前記電流感知抵抗器を介して電流を測定することと、前記トランジスタの前記温度は前記液晶の温度の指標であり、前記電流を前記トランジスタの温度に相関させることと、によって前記液晶の温度を測定するように動作可能である、請求項１３に記載のアンテナ。
【請求項２６】
前記層が複数のパッチを有するパッチ層であり、前記パッチの各々が複数のスロットにおける一つのスロット上の同じ場所に配置され、かつ複数のスロットにおける一つのスロットからは離隔され、パッチ／スロット対を形成する、請求項２５に記載のアンテナ。
【請求項２７】
前記温度監視サブシステムがパッチ上の導電性表面と前記開口部内のアイリス層とを、その間に液晶を有して合わせることと、前記導電性表面に結合された回路によりキャパシタの静電容量を測定することと、静電容量を前記液晶の温度に相関させることと、によってキャパシタの静電容量を測定するように動作可能である、請求項２３に記載のアンテナ。
【請求項２８】
前記発熱体がパッチ基板とスーパーストレートの底面との間の前記スーパーストレート上のヒータ線パターンの一部である、請求項２２に記載のアンテナ。
【請求項２９】
ＲＦアンテナ素子の前記アレイがアンテナ素子の同調型スロットアレイを含む、請求項２２に記載の装置。
【請求項３０】
前記同調型スロットアレイが、
複数のスロットと、
複数のパッチであって、前記パッチの各々が前記複数のスロットにおける一つのスロット上の同じ場所に配置され、かつ前記複数のスロットにおける一つのスロットからは離隔され、パッチ／スロット対を形成し、各パッチ／スロット対は前記対になっている前記パッチへの電圧の印加に基づいてオフまたはオンされる、複数のパッチと、
ビームを発生させるためにどのパッチ／スロット対をオンおよびオフするかを制御するために制御パターンを適用するコントローラと、
を備える、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
方法であって、
アンテナ内の層上に統合され、液晶と接触しているトランジスタと直列に結合されている電流感知抵抗器にかかる電圧を監視することと、
前記電流感知抵抗器を介して電流を測定することと、
前記トランジスタの温度は前記液晶の温度の指標であり、前記電流を前記トランジスタの温度に相関させることと、
を含む、方法。
【請求項３２】
前記層が複数のパッチを有するパッチ層であり、前記パッチの各々が複数のスロットにおける一つのスロット上の同じ場所に配置され、かつ複数のスロットにおける一つのスロットからは離隔され、パッチ／スロット対を形成する、請求項３１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［優先権］
本特許出願は２０１６年７月２０日に出願された「Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｈｅａｔｅｒ ｆｏｒ ＲＦ Ａｐｅｒｔｕｒｅｓ」と題する対応する仮特許出願第６２／３６４，７２２号に基づく優先権を主張するものであり、参照により組み入れられる。
【０００２】
［発明の分野］
本発明の実施形態は通信用途で使用される無線周波数（ＲＦ）開口部（ａｐｅｒｔｕｒｅｓ）の分野に関し、より具体的には本発明の実施形態は、例えば、内部ヒータを含むアンテナ等のＲＦ開口部に関する。
【０００３】
［背景］
ある特定のアンテナ技術はアンテナを動作温度に到達させるためにアンテナを加熱することが必要となる。例えば、液晶を用いるある特定のアンテナは液晶が所望の動作をするように液晶を特定の温度まで加熱しなければならない。
【０００４】
液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）に関する従来技術では、例えば周囲温度が−３０Ｃから−４０Ｃに達する自動車ディスプレイ用途において抵抗発熱体はＬＣが適切に動作するように特定の温度を上回った状態を維持するために使用される。これらの発熱体は一次ＬＣＤ基板とは別のガラス基板上に酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のような透明導体から作成される。この基板は次に熱伝導性を与えるために一次ＬＣＤ基板に接着される。発熱体は光周波数を透過するため、発熱体が信号経路内に存在する場合にもＬＣＤにヒータを実装するための直接的で実用的な方法である。
【０００５】
しかしながら、このアプローチはＬＣベースのアンテナを検討する場合には適切ではない。ＩＴＯおよび同様の材料はＲＦ周波数を透過しないため、これらのタイプの発熱体をＲＦ信号の経路内に配置することによってＲＦ信号は減衰し、アンテナの性能は低下する。
【０００６】
その結果、ＬＣベースのアンテナの従来技術の実施形態ではＬＣ層が存在するアンテナ内部の熱に対して良好な温度特性を有する金属給電構造または他のバルクメカニカル構造に取り付けられた抵抗発熱体が使用される。しかしながら、抵抗発熱体は断熱層を含むアンテナ積層内のいくつもの層によりＬＣ層から物理的に隔てられているため、液晶を加熱するためにはＬＣＤを実装するのと比較してかなり多くの熱出力を加えなければならない。
【０００７】
ＬＣベースのアンテナヒータの他の実装ではアンテナ開口部の端部からＬＣ層を加熱することを試みている。これらの実施形態では４００−５００Ｗの電力を必要とし、かつＬＣ層を動作温度に到達させるためにこの電力を３０−４０分必要とする。この熱出力資源の使用は非効率的である。
【発明の概要】
【０００８】
無線周波数（ＲＦ）アンテナ用のヒータおよびその使用方法が開示される。一つの実施形態では、アンテナはＲＦアンテナ素子のアレイを有する物理的なアンテナ開口部および各発熱体がＲＦ素子のアレイの中の一対のＲＦ素子の間に存在する複数の発熱体から構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明は以下に与えられる詳細な説明および本発明の様々な実施形態の添付図面からさらに完全に理解されるであろうが、これらは本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、説明および理解のためのものにすぎないと解釈されるべきである。
【００１０】
【図１Ａ】図１Ａは、ＲＦ素子間のゲートおよびヒータ経路設定に従う長さの等しい電熱線を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、ＲＦ素子間の同心円弧上の長さの異なる電熱線を示す。
【図２】図２は、例示的なアンテナ開口部の一つの実施形態の断面図を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、長さの等しいヒータ線（ｈｅａｔｅｒ ｗｉｒｅ）に関するヒータバスの配置の一例を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、長さの異なるヒータ線に関するヒータバスの配置の一例を示す。
【図４Ａ】図４Ａは、アンテナ開口部内の層間の境界シールを横切るヒータバスの一例を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、アンテナ開口部内側でヒータ線に接続し、シールの下に延在し、アイリス層オーバーハング上のボンドパッド構造に出ているヒータバスの一般的な断面図を示す。
【図５】図５は、境界シール内側のアイリス層からパッチ層へのヒータバスの電気的交差を示す。
【図６】図６は、境界シール構造内部のアイリス層からパッチ層へのヒータバスの電気的交差を示す。
【図７Ａ】図７Ａは、様々な温度における典型的な薄膜トランジスタの電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）曲線を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、様々な温度における典型的な薄膜トランジスタの電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）曲線を示す。
【図７Ｃ】図７Ｃは、様々な温度における典型的な薄膜トランジスタの電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）曲線を示す。
【図８Ａ】図８Ａは、ＴＦＴ（また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一つの実施形態のフローダイアグラムである。
【図８Ｂ】図８Ｂは、アンテナ開口部内部の温度を決定する際に使用するための電圧および電流を測定するための回路配置である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、ＴＦＴ（また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一つの実施形態のフローダイアグラムである。
【図８Ｄ】図８Ｄは、アンテナ開口部内部の温度を決定する際に使用するための電圧および電流を測定するための別の回路配置である。
【図９】図９は、液晶の静電容量を測定するための配置である。
【図１０】図１０は、円筒状給電アンテナの入力給電部の周囲に同心リング状に配置されたアンテナ素子の一つまたは複数のアレイを有する開口部を示す。
【図１１】図１１は、接地板および再構成可能な共振器層を含む一つの列のアンテナ素子の斜視図を示す。
【図１２】図１２は、同調型発振器／スロットの一つの実施形態を示す。
【図１３】図１３は、物理的なアンテナ開口部の一つの実施形態の断面図を示す。
【図１４Ａ】図１４Ａは、スロットアレイを生成する異なる層の一つの実施形態を示す。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、スロットアレイを生成する異なる層の一つの実施形態を示す。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、スロットアレイを生成する異なる層の一つの実施形態を示す。
【図１４Ｄ】図１４Ｄは、スロットアレイを生成する異なる層の一つの実施形態を示す。
【図１５】図１５は、円筒状給電アンテナ構造の一つの実施形態の側面図を示す。
【図１６】図１６は、出射波を有するアンテナシステムの別の実施形態を示す。
【図１７】図１７は、アンテナ素子に関するマトリクス駆動回路の配置の一つの実施形態を示す。
【図１８】図１８は、ＴＦＴパッケージの一つの実施形態を示す。
【図１９】図１９は、同時に伝送および受信を行う経路を有する通信システムの実施形態のブロックダイアグラムである。
【図２０】図２０は、同時に伝送および受信を行う経路を有する通信システムの別の実施形態のブロックダイアグラムである。
【図２１Ａ】図２１Ａは、アンテナ開口部内側を加熱するための発熱体を有するスーパーストレートの一つの実施形態を示す。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、アンテナ開口部内側を加熱するための発熱体を有するスーパーストレートの一つの実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の説明において、本発明のより完全な説明を提供するために数多くの詳細を挙げている。しかしながら、当業者においては本発明がこれらの特定の詳細によらずに実施され得ることは明らかであろう。他の例では、本発明を曖昧にすることのないように、周知の構造およびデバイスについては詳細ではなくブロックダイアグラムの形で示す。
【００１２】
本発明の実施形態はＬＣベースの無線周波数（ＲＦ）アンテナ開口部の液晶セルの内側にヒータ（例えば、発熱体）を配置するための技術を含む。一つの実施形態では、ヒータはＲＦ素子の付近かつＲＦアンテナ素子の一部である液晶（ＬＣ）により近いアンテナ開口部内側に配置される。これにより開口部のより直接的な加熱が可能になり、ヒータの所要電力が低減され、開口部内の温度を上昇させるより間接的な加熱方法を使用する技術、例えば、給電構造の背面上の抵抗発熱体よりも温度上昇時間が短縮される。
【００１３】
ヒータ実装が開口部のＲＦ特性に干渉しないことが重要である。一つの実施形態では、ヒータ素子（例えば、ヒータトレース）は、開口部内部でより直接的な加熱を提供しながらもＲＦ干渉を低減し、潜在的に排除するアンテナ開口部内部の場所に配置される。一つの実施形態では、これはＲＦ素子とほぼ同一平面上のＲＦ素子の間に発熱体を配置することによって達成される。一つの実施形態では、ヒータ素子の場所はパッチ／アイリススロットアレイアンテナ（ｓｌｏｔｔｅｄ−ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ）の一部であるアイリス層のアイリス素子と同一平面内にある。開口部内側のヒータ配線（ｈｅａｔｅｒ ｗｉｒｉｎｇ）をアイリス金属とほぼ同一平面上に移動させることによって、電熱線とＲＦ信号との間のインタラクションが低減され、潜在的に最小化される。
【００１４】
本明細書に開示される技術はまたアンテナ開口部内部の温度を検出するための方法を含む。一つの実施形態では、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。一つの実施形態では、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。一つの実施形態では、トランジスタバックプレーン上のトランジスタがＬＣまた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ってＬＣ／材料の温度の指標が得られる。
【００１５】
本明細書に記載の技術はヒータシステムのコストを削減し、より少ない電力を必要とし、開口部温度の上昇時間を短縮し、アンテナを制御するために使用されるコントローラボードの実装面積を縮小する。より具体的には、一つの実施形態では、本明細書に記載の技術が必要とするのは７５−１００ワットの電力であり、２０分以内にＬＣ層の温度を動作温度に到達させる。
【００１６】
さらに、温度は一般にブレイクアウトプリント回路基板（ＰＣＢ）上で感知されるが、これはパッチガラス層、アイリスガラス層およびＬＣ層を含むガラスアセンブリから実質的に物理的に取り外される。ガラス上の温度感知によって熱管理フィードバックループのより厳密な制御が可能になる。
【００１７】
概観
ヒータ構造はいくつかのパーツから構成される。発熱体、ヒータ素子に供給するためのヒータ電力バス、およびヒータ電力バスを開口部外側に配置されるヒータ電源に接続するための接続スキームである。一つの実施形態では、ヒータ素子はワイヤ（ｗｉｒｅ）である。一つの実施形態では、ヒータ電力バスは非常に低抵抗である。
【００１８】
実装に応じて、ヒータ配線、ヒータバス、およびヒータ接続部の実装は開口部の製作中に導体層、パッシベーション層、ビア開口部等のさらなる堆積を必要とし得る。これらのさらなる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または化学的に離隔し、必要に応じて既存の開口部構造とヒータとのインターフェースをとるのに有用であり得る。
【００１９】
電熱線
開口部の加熱は均一に発生することが望ましい。この目的を達成し得る電熱線の二つの構成が本明細書で説明される。
【００２０】
一つの実施形態では、電熱線は長さが等しく、これらの電熱線の断面は電熱線の長さにわたって、そして電熱線から電熱線まで同じ（または同様の）寸法である。全体としては、これにより開口部にわたって単位面積当たりの電力損失が同じになる。一つの実施形態では、電熱線はアイリスの間に位置し、パッチまたはアイリスと交差したり接触したりしないようにして、電熱線が開口部品質領域にわたって一様に分布する。一つの実施形態では、電熱線は開口部領域にわたって互いにほぼ同じ距離（同じピッチ）だけ離れている。
【００２１】
図１Ａはアンテナ開口部内のＲＦアンテナ素子を加熱するために使用される発熱体の一例を示しており、電熱線は等しい線長を有し、ＲＦ素子間でゲート経路設定およびヒータ経路設定に従う。一つの実施形態では、ゲート経路設定は液晶ベースのＲＦアンテナ素子をオンおよびオフする制御ゲートへの経路設定であり、これについては以下でより詳細に説明する。
【００２２】
図１Ａを参照すると、アンテナ開口部セグメント１００はＲＦアンテナ素子のアンテナアレイの四分の一を示す。一つの実施形態では、アレイ全体を形成するために四つのアンテナ開口部セグメントが連結される。アンテナアレイ全体を構成するために他の数のセグメントが使用され得ることに留意されたい。例えば、一つの実施形態では、セグメントは連結された三つのセグメントがＲＦアンテナ素子の円形アレイを形成するように形作られている。アンテナセグメントおよびそれらを連結するための方法に関するさらなる情報については、２０１６年３月３日に出願された「ＡＮＴＥＮＮＡ ＥＬＥＭＥＮＴ ＰＬＡＣＥＭＥＮＴ ＦＯＲ Ａ ＣＹＬＩＮＤＲＩＣＡＬ ＦＥＥＤ ＡＮＴＥＮＮＡ」と題する米国特許出願公開第ＵＳ２０１６／０２６１０４２号および２０１６年３月３日に出願された「ＡＰＥＲＴＵＲＥ ＳＥＧＭＥＮＴＡＴＩＯＮ ＯＦ Ａ ＣＹＬＩＮＤＲＩＣＡＬ ＦＥＥＤ ＡＮＴＥＮＮＡ」と題する米国特許出願公開第ＵＳ２０１６／０２６１０４３号を参照されたい。本明細書に記載の技術はアンテナ開口部セグメントを用いた動作に限定されるものではなくＲＦアンテナ素子のアレイ全体を含む単一の開口部上で使用され得ることに留意されたい。
【００２３】
電熱線（発熱体）１０１がアンテナ開口部セグメント１００上に示されている。一つの実施形態では、電熱線１０１は長さが等しい。一つの実施形態では、電熱線１０１はアンテナアレイ内のＲＦアンテナ素子（図示されていない）の間に配置される。一つの実施形態では、電熱線１０１はアレイ内の個々のＲＦアンテナ素子をオンおよびオフするための制御ゲートに使用されるゲートラインに従う。一つの実施形態では、電熱線１０１はＲＦ素子間で等しい距離にある。
【００２４】
一つの実施形態では、電熱線１０１は互いに関して距離が等しい。換言すると、一対の電熱線間の間隔は等しい。これは必須条件ではないが、アンテナ開口部をより均一に加熱するのに有用であり得ることに留意されたい。一つの実施形態では、アンテナアレイ内のアンテナ素子がリング状に配置されている場合、電熱線１０１内の個々の電熱線はＲＦアンテナ素子の二つの連続したリングの間で距離が等しい。別の実施形態では、一対の電熱線間の間隔は等しくない。
【００２５】
図１Ａで描写されるヒータ配線は配線（ｗｉｒｉｎｇ）の相対的な位置および経路設定を示すが、配線のサイズまたはワイヤの数を表すものではないことに留意されるべきである。例えば、一つの実施形態では、加熱がある領域にわたって均一に行われている場合、残りのワイヤが必要な加熱を行うようにして、他の全てのワイヤを除去することができる。電熱線のサイズに関しては、それらのサイズは電熱線自体の材料特性およびワイヤが提供するべき加熱量に基づく。
【００２６】
一つの実施形態では、電熱線１０１の電熱線断面（高さおよび幅）は以下の方法で選択される。最初に、開口部領域を加熱するために必要とされる電力が電熱線の本数および長さに基づいて所与の所望のヒータ供給電圧に対する電熱線の抵抗に変換される。次に、必要とされる電熱線の断面を決定するために電熱線材料の特性と併せて抵抗値が使用される。製造歩留まりを含むがこれに限定されない他の考慮事項が電熱線の断面を選択するために使用され得ることに留意されたい。
【００２７】
別の実施形態では、電熱線は長さが等しくなく、それらの断面は等しくない。一つの実施形態では、長さの等しくない電熱線はＲＦ素子間の同心円弧上に存在する。一つの実施形態では、ヒータ線の幅は等しく、開口部領域にわたって単位面積ごとに均一な電力を提供するためにワイヤの高さはセグメントの中心から放射状に調整される。
【００２８】
図１Ｂは長さの等しくなくそれらの断面が互いに異なる電熱線を有するアンテナ開口部上の電熱線の実施形態を示す。図１Ｂを参照すると、電熱線１１１は開口部セグメント１１０上に示されているが、これは図１Ａで描写されるのと同じタイプの開口部セグメントである。一つの実施形態では、いくつかのアンテナ開口部はアンテナアレイ全体を形成するために連結される。図１Ａのように、一つの実施形態では、電熱線はＲＦ素子間で経路設定される。一つの実施形態では、その経路設定はアンテナ素子を制御するゲートのためのゲート経路設定に従う。
【００２９】
一つの実施形態では、目的はここでも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、この場合は、電熱線の長さが等しくないにもかかわらず領域ごとの電力損失が同じになるように電流および抵抗を制御するために、電熱線断面の高さは開口部領域にわたって変化する。
【００３０】
図１Ｂで描写されるヒータ配線は配線の相対的な位置および経路設定を表すが、配線のサイズまたはワイヤの本数を表すものではないことに留意されるべきである。電熱線のサイズに関して、それらのサイズは電熱線自体の材料特性およびワイヤが提供するべき加熱量に基づく。
【００３１】
一つの実施形態では、電熱線はアイリス機能間に存在し、パッチ／スロット対を有するアンテナ素子の同調型スロットアレイ（ｔｕｎａｂｌｅ ｓｌｏｔｔｅｄ ａｒｒａｙ）内のパッチ機能またはアイリス機能と交差または接触しない。図２に示す図の例では、はアイリス／パッチ素子のリング間の中間にあるリングに存在し、その内側および外側にさらなる電熱線のリングを有する。
一つの実施形態では、ヒーティング配線（ｈｅａｔｉｎｇ ｗｉｒｉｎｇ）のリングは開口部領域にわたって同じ半径方向間隔で同心リング上に存在する。一つの実施形態では、ヒータ配線の半径方向間隔はＲＦ素子と同じ半径方向間隔である。別の実施形態では、ヒータ配線の半径方向間隔はＲＦ素子の半径方向間隔と同じではない。
【００３２】
一つの実施形態では、ヒータ線はＲＦ素子間にほぼ等距離で存在する。
【００３３】
図２はアイリスおよびパッチ層を有するアンテナ開口部の例示的な断面、または側面図を示す。図２を参照すると、パッチ層２１０およびアイリス層２０２は同調型スロットアレイを形成するためにパッチスロットおよびアイリススロットをそれぞれに備え、互いに隔てられている。このようなアレイは周知であり、以下においてもより詳細に説明される。一つの実施形態では、パッチ層２０１およびアイリス層２０２はガラス基板である。以下において、パッチ層およびアイリス層をそれぞれパッチガラス層およびアイリスガラス層と呼ぶことがあることに留意されたい。しかしながら、本明細書の目的のために「パッチガラス層」および「アイリスガラス層」を含む実施形態は、基板がガラス以外である場合にはそれぞれ「パッチ基板層」および「アイリス基板層」（またはパッチ基板またはアイリス基板）を用いて実装され得ることを理解されたい。
【００３４】
パッチ金属２１１はパッチガラス層２０１上に設けられる。パッシベーションパッチ層２３１はパッチ金属層２１１にわたって設けられる。液晶（ＬＣ）配向層２１３はパッシベーションパッチ層２３１上に設けられる。アイリス金属層２１２の一部はアイリスガラス層２０２上に設けられる。パッシベーションアイリス層２３２はアイリス金属層２１２にわたって設けられる。電熱線２４０はパッシベーションアイリス層２３２上に設けられる。一つの実施形態では、電熱線２４０は一対のアイリス素子の間にほぼ等距離で存在する。他の電熱線もまたこの方法でアイリス素子の間に配置される。別のパッシベーション層２３３はパッシベーション層２３２および電熱線２４０にわたって設けられる。ＬＣ配向層２１３はパッシベーションアイリス層２３３上に設けられる。
【００３５】
ＬＣ配向層２１３は当該技術分野で周知の方法でＬＣ２６０が単一の方向を向くようにそれを配向させるために使用されることに留意されたい。
【００３６】
ヒータ電力バス
電力バスは電力を電熱線に供給するために提供される。これらの例を以下の図に示す。一つの実施形態では、電力バスはヒータ線と比較して抵抗が数桁低くバスの一端から他端への電圧降下が小さいため、全ての電熱線が電熱線の各バスの端部で同じ電圧を有し得る。これにより電熱線ネットワークへの配電を管理することがより簡単になる。
【００３７】
一つの実施形態では、ヒータバスは電熱線の各端部で適切な供給電圧で接続することができるように電熱線は開口部内側に配置される。
【００３８】
一つの実施形態では、ヒータバスはヒータ線ネットワークに電力を供給する目的のために単独で開口部内に配置される。
【００３９】
別の実施形態では、開口部内の既存の構造はヒータバスとしても動作させるために使用され得る。一つの実施形態では、ヒータバス（またはバス）は開口部のシール構造内に設けられる。別の場合では、アイリス金属（例えば、銅）面は電熱線のための電流をシンクまたはソースするためのヒータバスとして使用され得る。
【００４０】
図３Ａはアンテナ開口部上に統合された等しい長さのヒータ線用のヒータ電力バスの配置の例を示す。図３Ａを参照すると、アンテナ開口部セグメント３００はアンテナアレイ全体を形成するために連結されたアンテナセグメントの一つを表しており、ヒータバスライン３０１および３０２を含む。ヒータ電力バスライン３０１および３０２は電熱線３０３に電気的に接続され、電力を供給する。
【００４１】
図３Ｂはアンテナ開口部上に統合された等しくない長さのヒータ線用のヒータ電力バスの配置の例を示す。図３Ｂを参照すると、ヒータ電力バス３０３および３０４はアンテナ開口部セグメント３１０上の電熱線３０５に電気的に接続される。
【００４２】
電源接続へのヒータバス
一つの実施形態では、開口部内側のヒータバスはヒータ電源に接続するために開口部構造の外側に引き出される。一つの実施形態では、これはアンテナ開口部の外側部の境界シール構造を介して開口部境界シールの外側の開口部内の層の一つ上の金属被膜（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）層にヒータバスを接続することによって達成することができる。例えば、一つのそのような金属被膜層はアイリスガラス層上またはパッチガラス層上に存在する。この金属被膜はシールの内側でヒータバスに接続し、シールの内側からシールを通って延在し、そして互いを越えて延在するパッチガラス層またはアイリスガラス層の部分に出る。これらはオーバーハング領域と呼ばれることがある。このような場合、これらのオーバーハング領域の下のパッチガラス層またはアイリスガラス層の一部はアンダーハング領域と呼ばれることがある。
【００４３】
図４Ａおよび図４Ｂは境界シールを通ってアイリスガラス層オーバーハングの上に出るヒータバスの例を示す。一つの実施形態では、この場合、ＲＦ開口部はアイリスガラス層およびパッチガラス層の両方がオーバーハング領域を有するように切断される（ここで、基板は金属被膜（ｍｅｔａｌｌｉｚｅｄ）面とは反対側のガラス層に面していない金属被膜領域を有する）。アイリス層およびパッチ層は、本明細書では時にガラス層として説明され得るが、それらはガラスに限定されず他のタイプの基板を構成し得ることに留意されたい。
【００４４】
図４Ａはヒータバスをヒータ電源に接続するのに使用するためのヒータバス接続スキームを示す。図４Ａを参照すると、一つの実施形態では、ヒータ電源（図示されていない）は電熱線を含むアンテナ素子アレイ４３０のようなアンテナ素子アレイの外側に配置される。アンテナ開口部セグメント４００は本明細書で議論されるように、パッチ層およびアイリス層を含む。アイリスオーバーハング４０１および４０２と呼ばれるアイリス層の一部はパッチ層の一部にわたって延在する。同様に、本明細書においてパッチオーバーハング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在する。アイリスガラス層およびパッチガラス層は開口部境界シール４６０で一緒に封止されている。ヒータ電力バス４１０はシール交差部４２１において境界シール４６０に交差する。ヒータバス４１１はシール交差部４２０において境界シール４６０に交差し電源に接続する。両方の場合において、ヒータ電力バス４１０とヒータバス４１１とをアンテナ開口部セグメント４００から出すことによって電源を介して接続することができる。アンテナ開口部セグメント４００はアンテナ素子４３０内で電熱線４８１に電気的に接続されたヒータ電力バス４１０および４１１を含む。
【００４５】
図４Ｂは開口部内側のヒータ線に接続し、シールの下に延在し、アイリスオーバーハング上のボンドパッド構造に出ているヒータバスの一般的な断面である。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４４６上のアイリスガラス層４３１上の境界シール、境界シール接着剤４５０の下を通る。したがって、ヒータバス層４４３は境界シール接着剤４５０の下に存在する。境界シール接着剤４５０はパッチ層４３０とその上に製造された層を含むアイリスガラス層４３１とを結合する。
【００４６】
電熱線４４４はパッシベーション層４４６上およびヒータバス金属４４３の一部の上に堆積され、したがってヒータ線４４４を用いて電力バス金属４４３に電気的に接続する。ヒータ線４４４はアイリス金属４４５上に設けられるパッシベーション層４４１の一部の上に設けられ、さらにヒータバス金属４４３の一部の上に設けられる。別の実施形態では、ヒータバス金属４４３と電熱線４４４との間にヒータバス金属４４３と電熱線４４４とを接続しているパッシベーション層を貫通するビアを有するパッシベーション層が存在する。
【００４７】
パッシベーション層４４１は電熱線４４４上およびヒータ電力バス金属４４３の少なくとも一部の上に設けられる。配向層４３２はパッシベーション層４４１上に設けられる。パッシベーション層４４１はまたパッチ層４３０の底面に設けられる。同様に、配向層４３２はパッチ層４３０上のパッシベーション層４４１の一部にわたって設けられる。ヒータ線４４４はパッシベーション層およびその間のビアを介さずにヒータバス金属４４３上に直接堆積されるように示されているが、別の実施形態では、ヒータ線４４４とヒータバス金属４４３との間に、ビアを使用した両者の間の電気的な接続を有する別のパッシベーション層が堆積されることに留意されたい。このパッシベーション層はヒータ線金属がエッチングされる間ヒータバス金属を保護する。
【００４８】
ボンドパッド／コネクタ構造４４２は電源とヒータバス金属４４３とを電気的に接続するための場所である。
【００４９】
ヒータバスのための電力は境界シールの内側、境界シール自体の内部、または境界シールの外側で、開口部のパッチガラス層側から開口部のアイリスガラス層側へと交差し得る。ヒータバスをパッチ層オーバーハングへ引き出すことはコントローラ電子機器から開口部への残りのインターフェースラインに使用されるコネクタ内でのヒータ接続を可能にするという利点を有する。以下の図は境界シールの内側またはその内部でこれを行う方法を示す。
【００５０】
図５は、境界シールの内側でアイリス層からパッチ層まで電気的に交差するヒータ電力バスの実施形態を示す。図５を参照すると、パッチガラス層５０１がアイリスガラス層５０２の上に示されている。パッチガラス層５０１およびアイリスガラス層５０２上に設けられたいくつもの層が存在し、境界シール接着剤５２１はこれら二つの基板を連結する。一つの実施形態では、パッチガラス層５０１およびアイリスガラス層５０２はガラス層を含むが、それらは他のタイプの基板でもよい。
【００５１】
アイリス金属層５４１はアイリス層５０２上に設けられる。パッシベーション層５３１はアイリス金属５４１上およびアイリス金属５４１が存在しないアイリス層５０２上に設けられる。オーバーパッシベーション層５３１はヒータバス金属５１２を含む。アイリス金属５４１上に存在するパッシベーション層５３１上にはパッシベーション層５５０が存在する。電熱線５１０はパッシベーション層５５０上およびヒータバス金属５１２の一部の上に設けられる。別の実施形態では、ヒータバス金属５１２と電熱線５１０との間にヒータバス金属５１２と電熱線５１０とを接続しているパッシベーション層を貫通するビアを有するパッシベーション層が存在する。パッシベーション層５３０はパッシベーション層５３０上に配向層５４０を有する電熱線５１０または電熱線５１０の少なくとも一部にわたって設けられる。パッチ層５０１上に、パッシベーション層５３２が設けられる。パッシベーション層５３２上にはヒータバスを供給する金属被膜５１１が存在する。パッシベーション層５３０はヒータバス金属５１１の一部を覆い、配向層５４０はパッシベーション層５３０の一部を覆いＬＣ５６０を配向するために使用される。ボンド／コネクタ構造５１３はヒータ電力バスと外部電源（図示されていない）との間の電気的接続を可能にするように配置されている。
【００５２】
導電性交差部５２０はコネクタ構造５１３に接続された電源がヒータバス金属５１１を介し、導電性交差部５２０を介して電熱線５１０に電力を供給するヒータバス金属５１２に電力を供給することができるようにヒータバス金属５１１とヒータバス金属５１２とを電気的に接続する。
【００５３】
図６は境界シール構造内部のアイリス層からパッチ層へのヒータバスの電気的交差部の一つの実施形態を示す。図６を参照すると、導電性交差部６２０は境界シール６２１を有し、パッチガラス層６０１上に設けられたヒータバス金属６１１とアイリスガラス層６０２上に存在するヒータバス６１２との間の電気的な接続を提供する。ヒータ線６１５はアイリス金属６４１上に設けられたパッシベーション層６５０の一部の上に設けられ、さらにヒータバス金属６１２の一部の上に設けられる。別の実施形態では、ヒータバス金属６１２と電熱線６１５との間にヒータバス金属６１２と電熱線６１５とを接続しているパッシベーション層を貫通するビアを有するパッシベーション層が存在する。
【００５４】
パッチオーバーハングは境界シールの外側のアイリスガラスに面していない。アイリスオーバーハングは境界シールの外側のパッチガラスに面していない。オーバーハングまたはアンダーハング上の金属被膜はしたがって、ヒータ電源／コントローラへ接続するために使用可能である。例えば、この接続はフレックスケーブルへのＡＣＦ（異方性導電接着剤）によってなされてもよい。このフレックスケーブルはヒータ電源／コントローラへ接続し得る。このヒータ電源／コントローラは開口部コントローラボード上にあるか、または独立した電源／コントローラユニットであってもよい。
【００５５】
図においては、パッチガラス、特に境界シール領域の周囲にこのヒータ配線以外にもその上に他の多くの構造があることに留意されたい。描かれたヒータ接続構造はヒータを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からアイリス金属を接続する電圧バスとの統合を示すことを試みていない。（図５の）ヒータ供給金属被膜５１１および（図６の）６１１の上方のパッシベーション層は、このヒータ供給金属被膜を残りのパッチ回路から離隔する。
【００５６】
ヒータ配線、ヒータバスおよび接続の配置
ヒータ配線およびヒータバスは開口部のパッチガラス側、開口部のアイリスガラス側のいずれに配置されてもよく、あるいは開口部のパッチガラスおよびアイリスガラス（または非ガラス）層の両方の上に一部を有することができる。ヒータ用の接続部は開口部のパッチガラス層またはアイリスガラス層に出てもよい。
【００５７】
ＲＦ開口部内側の温度センサ
一つの実施形態では、一つまたは複数の温度センサが開口部内部に配置される。これらの温度センサは開口部内部の温度を監視し、開口部内の温度を調節するために発熱体（電熱線）、ヒータバスおよびヒータ接続部を含むヒータを作動させる必要があるかどうかを制御するために使用される。これは、ＲＦアンテナ素子を特定の温度または温度範囲内に配置する必要がある場合に必要となり得る。例えば、ＲＦアンテナ素子の各々がＬＣを含むとき、アンテナ素子はＬＣが特定の温度にある場合にはより効率的に動作する。したがって、開口部内部の温度を監視し、ＬＣの温度がその最適な温度範囲を下回っていることを判定することによって、ＬＣが所望の温度範囲になるまで開口部内部を加熱するために使用されることができる。
【００５８】
開口部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ＬＣ温度を測定するためにパッチ層基板上に統合されたトランジスタ（例えば、ＴＦＴ）を使用するための技術を含む。一つの実施形態では、この技術は温度を示すために温度に対するＴＦＴの移動特性の変化を使用する。
【００５９】
図７Ａ−図７Ｃは異なる温度における典型的なＴＦＴの電圧対電流曲線である。図７Ａ−図７Ｃを参照すると、各チャートは縦軸がＩｄ、横軸がＶｇｓであるＶｄｓの二つの値についてのプロットを有する。
【００６０】
所与のＶｄｓおよびＶｇｓに対するＩｄは温度とともに変化することに留意されたい。このＴＦＴ特性を使用し、ＶｇｓおよびＶｄｓを既知の定数値に設定することによって、測定されたＩｄ値をＴＦＴの温度に相関させることができる。
【００６１】
図８ＡはＴＦＴ（または他の種類のトランジスタ）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一つの実施形態のフローダイアグラムである。ＴＦＴはＬＣに接続されている。したがって、ＴＦＴの温度によってＬＣの温度の指標が得られる。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。
【００６２】
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変換器（ＡＤＣ）が所定のＶｇｓ値を示すまでデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）値と呼ばれるデジタル電圧値を調整することによって開始する（プロセッシングブロック８０１）。次に、温度制御システム内のプロセッシングロジックは電流感知抵抗器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って電流Ｉｄを測定する（プロセッシングブロック８０２）。Ｖｇｓ電圧値およびＩｄ電流値に基づいて、プロセッシングロジックはＩｄ値を較正された温度値に相関させる（プロセッシングブロック８０３）。この相関関係はＴＦＴの対応する温度値を決定するために値を使用してルックアップテーブル（ＬＵＴ）にアクセスする相関器／処理装置（例えば、プロセッサ）によって実行され得る。
【００６３】
図８Ｂは温度測定回路の一例を示す。図８Ｂを参照すると、電圧値はＤＡＣ８６１によってトランジスタ８６４と直列に結合された電流感知抵抗器８６２を有する回路に供給される。一つの実施形態では、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。一つの実施形態では、トランジスタ８６４は薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含む。一つの実施形態では、ＤＡＣ８６４から出力される電圧値は温度制御装置８３１から生じる。一つの実施形態では、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し得る。
【００６４】
電流感知抵抗器８６２にかかる電圧値は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ために比較器８６３を使用して監視される。測定電流および測定されたＶｇｓ電圧に基づき、相関器８４１はトランジスタ８６４と測定された電流Ｉｄおよび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（プロセッシングブロック８０３）。トランジスタ８６４はＬＣと接触しているため、トランジスタ８６４の温度はＬＣの温度を示すかまたは表すために使用される。
【００６５】
図８Ｃは図８Ａとは異なる方法で構成されるＴＦＴ（また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一つの実施形態のフローダイアグラムである。図８Ａのように、ＴＦＴはＬＣに接続されておりＴＦＴの温度によってＬＣの温度の指標が得られる。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。
【００６６】
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変換器（ＡＤＣ）が所定のＶｄｓ値を示すまでデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）値と呼ばれるデジタル電圧値を調整することによって開始する（プロセッシングブロック８０４）。次に、温度制御システム内のプロセッシングロジックは電流感知抵抗器にかかる電圧を監視している測定ＡＤＣを読み取ることによって電流Ｉｄを測定する（プロセッシングブロック８０５）。Ｖｄｓ電圧値およびＩｄ電流値に基づいて、プロセッシングロジックはＩｄ値を較正された温度値に相関させる（プロセッシングブロック８０６）。この相関関係はＴＦＴの対応する温度値を決定するために値を使用するルックアップテーブル（ＬＵＴ）にアクセスする相関器／処理装置（例えば、プロセッサ）によって実行され得る。
【００６７】
図８Ｄは図８Ｃの手順を使用したＴＦＴ用の温度監視回路の別の例を示す。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の回路と実質的に同様である。したがって、監視サブシステムによる測定と温度コントローラ８３１の動作は同じ方法で動作する。
【００６８】
一つの実施形態では、様々な場所で温度を測定するため、および／または温度の平均化のためにアンテナアレイ内のＲＦ素子（およびそれらのＬＣ）の周囲に複数の試験用ＴＦＴを分布させることができる。
【００６９】
ＬＣ温度を測定するため静電容量特性の使用
一つの実施形態では、ＬＣ温度はＬＣの静電容量特性を使用することによって測定される。これは静電容量が温度の関数として変化するというＬＣの特性を使用する。
【００７０】
一つの実施形態では、パッチガラス層上に導電性表面を配置し、アイリスガラス層上に配置された導電性表面を合わせることによって電気的試験キャパシタを作成し、それによってＬＣが誘電体分離材料として動作するキャパシタを生成する。これらの導電性表面は（静電容量デジタル変換器（ＣＤＣ）のような）静電容量を測定する回路に接続されている。ＬＣの容量は温度の関数であるため、試験用キャパシタの静電容量はＬＣの温度に直接相関させることができる。
【００７１】
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の静電容量を決定するための回路を示す。図９を参照すると、アイリスガラス層９１０Ｅと液晶９１０Ｃとを接続する導体９１０Ｄに励起信号９０１が供給される。一つの実施形態では、励起は矩形波である。一つの実施形態では、励起信号９０１は入力が供給される温度コントローラ９３１を有するＤＡＣから生じる。一つの実施形態では、温度調整ユニット９４３は監視されている試験用キャパシタのタイプに基づいて異なる電圧値を提供し得る。
【００７２】
パッチガラス層９１０Ａは導体９１０Ｂを使用して液晶９１０Ｃに結合されている。矩形波信号９０１を導体９１０Ｄに印加することによって液晶９１０Ｃ上にΣ―Δデジタル変換器（ＣＤＣ）９０２を用いて測定される静電容量が生成される。ＣＤＣ９０２の出力は温度コントローラ９３１に供給され、これ温度コントローラ９３１は相関器９４１を使用して静電容量測定値をＬＣベースの試験用キャパシタのＬＣの温度９４２に相関させる。この温度は次にアレイ内のＲＦアンテナ素子内のＬＣの温度として使用される。
【００７３】
さら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、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の減衰速度は当該技術分野で周知であり、ＬＣが使用される時間は容易に追跡される。一つの実施形態では、相関演算は図８Ｂ、図８Ｄおよび図９に関連して前述したものと同じ方法で実行される。
【００７４】
一つの実施形態では、様々な場所の温度を測定するため、および／または温度平均化のために、複数のテストパッチをＲＦＬＣベースのアンテナ素子のアレイアンテナの周囲に分布させる。
【００７５】
ヒータ素子およびヒータバスを含むヒータはヒータシステムにフィードバックを供給するために温度センサと連動して動作する。温度センサは開口部内または開口部上に存在し得る。開口部内側の温度とセンサによって測定された温度との何らかの相関関係は較正手順によって確立される必要があり得る。
【００７６】
一つの実施形態では、開口部の温度は温度センサおよびヒータ電源／コントローラから構成される制御ループによって調整される。開口部がその動作温度を下回っていることをセンサが示すと、ヒータ電力コントローラは開口部を加熱するためにヒータをオンにする。本明細書に記載のヒータ構造を使用して所望の開口部温度を制御することのできる多くの方法が存在する。
【００７７】
別の実施形態では、ＲＦ開口部の内側にヒータを配置する代わりに、同じタイプのヒータ線パターン、ヒータ線パターン配置、ヒータバスおよびヒータバス配置をスーパーストレート上に作成する。一つの実施形態では、スーパーストレートはＲＦ開口部の衛星に面する側の直上の基板である。一つの実施形態では、実装は（ＲＦ素子／ＬＣ面内の）ＲＦ開口部内部での使用について前述したものと同じである。
【００７８】
一つの実施形態では、スーパーストレート上にヒータを配置するとき、スーパーストレートはパッチ層の上面とスーパーストレートの底面との間で可能な限りＬＣ層に近いヒータ線パターンで配置される。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一つの潜在的な問題はパッチ層から生じるＲＦとスーパーストレート上のヒータ線とのインタラクションがＲＦ開口部によって形成されているＲＦパターンに有害な影響を及ぼし得ることである。ＲＦとヒータ線とのインタラクションを低減するために、一つの実施形態では、ヒータを可能な限りＲＦ素子／ＬＣ平面に近付けるように移動させるためにパッチ層を可能な限り薄くする。
【００７９】
図２１Ａおよび図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２１Ａおよび図２１Ｂを参照するとスーパーストレート２１０１はその底面上にヒータ線パターン２１０３を含む。ヒータバス２１０２もまたスーパーストレート２１０１の底面に取り付けられている。スーパーストレート２１０１は、図２１Ｂに示すように、ＲＦアンテナ素子の開口部領域２１１０を含むセグメント２１００、パッチオーバーハング２１０２に結合される。
【００８０】
アンテナ実施形態の例
前述の技術は平面アンテナ（ｆｌａｔ ｐａｎｅｌ ａｎｔｅｎｎａ）とともに使用され得る。そのような平面アンテナの実施形態が開示されている。平面アンテナはアンテナ開口部上にアンテナ素子の一つまたは複数のアレイを含む。一つの実施形態では、アンテナ素子は液晶セルを含む。一つの実施形態では、平面アンテナは行列状に配置されていないアンテナ素子の各々を一意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。一つの実施形態では、素子はリング状に配置されている。
【００８１】
一つの実施形態では、アンテナ素子の一つまたは複数のアレイを有するアンテナ開口部は連結された複数のセグメントで構成される。連結されると、セグメントの組み合わせはアンテナ素子の閉じられた同心リングを形成する。一つの実施形態では、同心リングはアンテナ給電に関して同心である。
【００８２】
アンテナシステムの例の概観
一つの実施形態では、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。通信衛星地球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。一つの実施形態では、アンテナシステムは民間商業衛星通信用のＫａ帯周波数またはＫｕ帯周波数のいず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、陸上等）上で動作する衛星地球局（ＥＳ）の構成要素またはサブシステムである。アンテナシステムの実施形態はモバイルプラットフォーム上以外の地球局（例えば、固定地球局または可搬地球局）においても使用できることに留意されたい。
【００８３】
一つの実施形態では、アンテナシステムは別個のアンテナを介して伝送ビームおよび受信ビームを形成し、誘導するために表面散乱メタマテリアル技術を使用する。一つの実施形態では、（フェーズドアレイアンテナ（ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ）のように）ビームを電気的に形成し、誘導するためにデジタル信号処理を用いるアンテナシステムとは対照的に、アンテナはアナログシステムである。
【００８４】
一つの実施形態では、アンテナシステムは（１）円筒波給電アーキテクチャで構成された導波構造、（２）アンテナ素子の一部である波動散乱メタマテリアル単位セルのアレイ、および（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調整可能な放射場（ビーム）を形成するように命令する制御構造、という三つの機能サブシステムで構成される。
【００８５】
導波構造の例
図１０は円筒状給電アンテナの入力給電部の周囲に同心リング状に配置されたアンテナ素子の一つまたは複数のアレイを有する開口部を示す。一つの実施形態では、円筒状給電アンテナは円筒波給電を提供するために使用される同軸給電部を含む。一つの実施形態では、円筒波給電アーキテクチャは給電点から円筒状に外向きに広がる励起を用いて中心点からアンテナに給電する。すなわち、円筒状給電アンテナは外向きに進行する同心状の給電波を生成する。とは言え、円筒状給電部の周囲の円筒状給電アンテナの形状は、円形、正方形、または任意の形状とすることができる。別の実施形態では、円筒状給電アンテナは内向きに進行する給電波を生成する。このような場合には、円形構造から生じる給電波が最も自然である。
【００８６】
アンテナ素子
一つの実施形態では、アンテナ素子は一群のパッチアンテナを含む。この一群のパッチアンテナは散乱メタマテリアル素子のアレイを含む。一つの実施形態では、アンテナシステム内の各散乱素子は下側導体、誘電体基板、および相補的な電気誘導型容量性共振器（「相補型電気ＬＣ」または「ＣＥＬＣ」）がエッチングまたは堆積された上側導体で構成された単位セルの一部である。当業者によって理解されるように、ＣＥＬＣの文脈におけるＬＣは、液晶とは対照的に、インダクタンス−静電容量を指す。
【００８７】
一つの実施形態では、液晶（ＬＣ）は散乱素子の周囲の間隙に設けられる。このＬＣは前述の直接駆動の実施形態によって駆動される。一つの実施形態では、液晶が各単位セル内に封止され、スロットに関連付けられた下側導体をそのパッチに関連付けられた上側導体から隔てる。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（したがって誘電率）は液晶にかかる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。この特性を使用して、一つの実施形態では、液晶は誘導波からＣＥＬＣへのエネルギーの伝送のためのオン／オフスイッチを統合する。スイッチをオンにすると、ＣＥＬＣは電気的に小さなダイポールアンテナのように電磁波を放射する。本明細書の教示はエネルギー伝送に関連して二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ことに留意されたい。
【００８８】
一つの実施形態では、アンテナシステムの給電形状によりアンテナ素子を波動給電部内の波動のベクトルに対して四十五度（４５°）の角度で配置することが可能になる。他の位置が使用されてもよいことに留意されたい（例えば、４０°の角度で）。素子のこの位置により素子によって受信されるかまたは素子から伝送／放射される自由空間波の制御が可能になる。一つの実施形態では、アンテナ素子はアンテナの動作周波数の自由空間波長未満の素子間間隔で配置される。例えば、波長ごとに四つの散乱素子が存在する場合、３０ＧＨｚ伝送アンテナ内の素子はおよそ２．５ｍｍ（すなわち、３０ＧＨｚの自由空間波長１０ｍｍの四分の一）である。
【００８９】
一つの実施形態では、二組の素子は互いに垂直であり、同じ同調状態に制御された場合は等振幅で同時に励起する。それらを給電波の励起に対して＋／−４５度回転させることにより両方の所望の特徴が同時に達成される。一方の組を０度、他方の組を９０度回転させると垂直方向の目的は達成されるが、等振幅励起の目的は達成されない。二つの側面から単一構造のアンテナ素子アレイに給電する際は分離を達成するために０度および９０度を使用され得ることに留意されたい。
【００９０】
各単位セルから放射される電力の総量はコントローラを使用してパッチに電圧（ＬＣチャネルにかかる電位）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ために使用される。電圧はビーム形成を達成するために静電容量、したがって個々の素子の共振周波数を同調または離調するのに使用される。必要とされる電圧は使用する液晶混合物に依存する。液晶混合物の電圧同調特性は主に、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の大きな同調が生じなくなる飽和電圧とによって説明される。これら二つの特性パラメータは液晶混合物が異なれば変化する可能性がある。
【００９１】
一つの実施形態では、前述のように、セルごとに別個の接続を有することなく各セルを他の全てのセルとは別に駆動（直接駆動）するためにパッチに電圧を印加するためにマトリクス駆動が使用される。素子の密度が高いため、マトリクス駆動は各セルを個別にアドレス指定するための効率的な方法である。
【００９２】
一つの実施形態では、アンテナシステムの制御構造は二つの主要な構成要素を有し、アンテナシステム用の駆動電子機器を含むアンテナアレイコントローラは波動散乱構造の下に存在する一方、マトリクス駆動のスイッチングアレイは放射と干渉しないような方法で放射ＲＦアレイ全体にわたって点在する。一つの実施形態では、アンテナシステム用の駆動電子機器はその素子に対するＡＣバイアス信号の振幅またはデューティサイクルを調整することによって各散乱素子のバイアス電圧を調整する商業用テレビ機器に使用される民生ＬＣＤ制御装置を含む。
【００９３】
一つの実施形態では、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む。制御構造はまた、場所および方位情報をプロセッサに提供するためにセンサ（例えば、ＧＰＳ受信器、三軸コンパス、三軸加速度計、三軸ジャイロ、三軸磁力計等）を含む。この場所および方位情報は地球局内の他のシステムによってプロセッサに提供されてもよく、および／またはアンテナシステムの一部としなくてもよい。
【００９４】
より具体的には、アンテナアレイコントローラはどの素子をオフにし、それらの素子をオンにするか、および動作周波数においてどの位相および振幅レベルでオンにするかを制御する。素子は電圧の印加によって周波数演算のために選択的に離調される。
【００９５】
伝送については、変調、または制御パターンを生成するためにコントローラはＲＦパッチに電圧信号のアレイを供給する。制御パターンは素子を異なる状態に変化させる。一つの実施形態では、多状態制御は様々な素子を異なるレベルでオンまたはオフするために使用され、矩形波とは対照的に、正弦波制御パターン（すなわち、正弦波グレイシェード変調パターン）にさらに近似する。一つの実施形態では、素子の中に放射するものと放射しないものとが存在するのではなく、一部の素子が他の素子よりも強く放射する。特定の電圧レベルを印加して液晶の誘電率を様々な量に調整し、それにより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ことによって、可変的放射が達成される。
【００９６】
素子のメタマテリアルアレイによる集束ビームの生成は建設的干渉または相殺的干渉の現象によって説明することができる。個々の電磁波は、それらが自由空間で交わるときに同位相を有していれば重ね合わせ（建設的干渉）、それらが自由空間で交わるときに逆位相であれば波動は互いに打ち消し合う（相殺的干渉）。連続する各スロットが誘導波の励起点から異なる距離に配置されるようにスロットアンテナのスロットが配置される場合、その素子からの散乱波は前のスロットの散乱波とは異なる位相を有することになる。スロットが誘導波長の四分の一だけ離隔されている場合、各スロットは前のスロットから四分の一位相遅れて波動を散乱させることになる。
【００９７】
このアレイを使用すれば、生成することのできる建設的干渉および相殺的干渉のパターン数を増やすことができるので、理論的にはホログラフィの原理を用いてアンテナアレイのボアサイトからプラスまたはマイナス九十度（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。したがって、どのメタマテリアル単位セルをオンまたはオフ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てどのセルをオフにするかのパターンを変更することによって）異なる建設的干渉および相殺的干渉のパターンを生成することができ、アンテナはメインビームの方向を変化させることができる。単位セルをオンおよびオフするのに必要な時間はビームをある場所から別の場所へ切り替えることのできる速度に影響する。
【００９８】
一つの実施形態では、アンテナシステムはアップリンクアンテナ用の一つの誘導可能ビームおよびダウンリンクアンテナ用の一つの誘導可能ビームを生成する。一つの実施形態では、アンテナシステムはビームを受信し、衛星からの信号をデコードし、衛星に向けられる伝送ビームを形成するためにメタマテリアル技術を使用する。一つの実施形態では、アンテナシステムは（フェーズドアレイアンテナのように）ビームを電気的に形成し、誘導するためにデジタル信号処理を用いるアンテナシステムとは対照的にアナログシステムである。一つの実施形態では、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場合に、平面的で比較的薄型の「表面」アンテナとみなされる。
【００９９】
図１１は接地板および再構成可能な共振器層を含む一列のアンテナ素子の斜視図を示す。再構成可能な共振器層１２３０は同調型スロット１２１０のアレイを含む。同調型スロット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にかかる電圧を変化させることによって同調／調整することができる。
【０１００】
制御モジュール１２８０は図１１の液晶にかかる電圧を変化させることによって同調型スロット１２１０のアレイを変調するために再構成可能な共振器層１２３０に結合される。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）、または他のプロセッシングロジックを含み得る。一つの実施形態では、制御モジュール１２８０は同調型スロット１２１０のアレイを駆動するために論理回路（例えば、マルチプレクサ）を含む。一つの実施形態では、制御モジュール１２８０は同調型スロット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の仕様を含むデータを受信する。ホログラフィック回折パターンはアンテナと衛星との間の空間関係に応答してダウンリンクビーム（およびアンテナシステムが伝送を実行する場合にはアップリンクビーム）を通信に適切な方向に誘導するように生成され得る。各図には描かれていないが、本開示の図で示される同調型スロットの各アレイは制御モジュール１２８０と同様の制御モジュールによって駆動され得る。
【０１０１】
類似の技術を使用してＲＦ参照ビームが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ビームを生成することのできる無線周波数（「ＲＦ」）ホログラフィもまた可能である。衛星通信の場合、参照ビームは給電波１２０５（いくつかの実施形態では約２０ＧＨｚ）のような給電波の形をとる。（伝送または受信のいずれかを目的として）給電波を放射ビームに変換するために、所望のＲＦビーム（物体ビーム）と給電波（参照ビーム）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（所望の形状および方向を有する）所望のＲＦビームに「誘導される（ｓｔｅｅｒｅｄ）」ように回折パターンとして同調型スロットアレイ１２１０のアレイの上方に駆動される。換言すれば、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したがって形成される物体ビームを「再構成（ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓ）」する。ホログラフィック回折パターンは各素子の励起を含み、Ｗinを導波路内の波動方程式、Ｗoutを出射波上の波動方程式として、
【数１】
2019521618.tif 000003
によって計算される。
【０１０２】
図１２は同調型共振器／スロット１２１０の一つの実施形態を示す。同調型スロット１２１０はアイリス／スロット１２１２、放射パッチ１２１１、およびアンテナ１２１２とパッチ１２１１との間に配置される液晶１２１３を含む。一つの実施形態では、放射パッチ１２１１はアイリス１２１２と同じ場所に配置される。
【０１０３】
図１３は物理的なアンテナ開口部の一つの実施形態を示す。アンテナ開口部は
接地板１２４５および再構成可能な共振器層１２３０に含まれるアイリス層１２３３内の金属層１２３６を含む。一つの実施形態では、図１３のアンテナ開口部は図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内の開口部によって画定される。図１１の給電波１２０５のような給電波は衛星通信チャネルと互換性のあるマイクロ波周波数を有し得る。給電波は接地板１２４５と共振器層１２３０との間を伝搬する。
【０１０４】
再構成可能な共振器層１２３０はまた、ガスケット層１２３２およびパッチ層１２３１を含む。ガスケット層１２３２はパッチ層１２３１およびアイリス層１２３３の下に配置される。一つの実施形態では、スペーサはガスケット層１２３２に置き換えることができることに留意されたい。一つの実施形態では、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。一つの実施形態では、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でもよい。
【０１０５】
開口部はスロット１２１２を形成するために銅層がエッチングされ得る。一つの実施形態では、アイリス層１２３３は導電性接合層によって図１３の別の構造（例えば、導波路）に導電的に結合される。一つの実施形態ではアイリス層は導電性接合層によって導電的に結合されず、代わりに非導電性接合層と結合されることに留意されたい。
【０１０６】
パッチ層１２３１はまた放射パッチ１２１１として金属を含むＰＣＢであってもよい。一つの実施形態では、ガスケット層１２３２は金属層１２３６とパッチ１２１１との間の寸法を画定するために機械的絶縁部を提供するスペーサ１２３９を含む。一つの実施形態では、スペーサは７５ミクロンであるが、他のサイズ（例えば、３−２００ｍｍ）も使用され得る。前述のように、一つの実施形態では、図１３のアンテナ開口部は図１２のパッチ１２１１、液晶１２１３、およびアイリス１２１２を含む同調型共振器／スロット１２１０のような複数の同調型共振器／スロットを含む。液晶のためのチャンバ１２１３はスペーサ１２３９、アイリス層１２３３および金属層１２３６によって画定される。チャンバが液晶で満たされると、パッチ層１２３１は共振器層１２３０内に液晶を封止するためにパッチ層１２３１をスペーサ１２３９の上に積層することができる。
【０１０７】
パッチとスロット（例えば、同調型共振器／スロット１２１０）との間の間隙内の液晶を同調させるためにパッチ層１２３１とアイリス層１２３３との間の電圧を変調させることができる。液晶１２１３にかかる電圧を調整することによってスロット（例えば、同調型共振器／スロット１２１０）の静電容量が変化する。したがって、静電容量を変化させることによってスロット（例えば、同調型共振器／スロット１２１０）のリアクタンスを変化させることができる。スロット１２１０の共振周波数もまた等式
【数２】
2019521618.tif 000004
にしたがって変化し、ここでｆはスロット１２１０の共振周波数であり、ＬおよびＣはそれぞれスロット１２１０のインダクタンスおよび静電容量である。スロット１２１０の共振周波数は導波路を介して伝搬する給電波１２０５から放射されるエネルギーに影響を及ぼす。一例として、給電波１２０５が２０ｇＨｚである場合、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（静電容量を変化させることによって）スロット１２１０の共振周波数を１７ＧＨｚに調整されてもよい。あるいは、スロット１２１０の共振周波数はスロット１２１０が供給波１２０５からのエネルギーを結合しそのエネルギーを自由空間に放射するように２０ＧＨｚに調整されてもよい。所与の例は二値的（完全に放射するかまったく放射しない）であるが、多値範囲にわたり電圧を変化させることによりリアクタンス、したがってスロット１２１０の共振周波数の完全なグレイスケール制御も可能である。したがって、各スロット１２１０から放射されるエネルギーを細かく制御することにより、同調型スロットのアレイによってきめ細かなホログラフィック回折パターンを形成することができる。
【０１０８】
一つの実施形態では、一列に並んだ同調型スロットは互いにλ／５だけ離隔している。他の間隔が使用されてもよい。一つの実施形態では、一列に並んだ同調型スロットは隣接する列の最も近い同調型スロットからλ／２だけ離隔しており、したがって、異なる列にあって向きが共通の同調型スロットはλ／４だけ離隔しているが、他の間隔も可能である（例えば、λ／５、λ／６．３）。別の実施形態では、一列に並んだ各同調型スロットは隣接する列の最も近い同調型スロットからλ／３だけ離隔している。
【０１０９】
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」と題された米国特許出願第１４／５５０，１７８および２０１５年１月３０日に出願された「Ｒｉｄｇｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｆｅｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ａｎｔｅｎｎａ」と題された米国特許出願第１４／６１０，５０２において説明されるような再構成可能なメタマテリアル技術を使用する。
【０１１０】
図１４Ａ−Ｄはスロットアレイを生成するための異なる層の一つの実施形態を示す。アンテナアレイは図１０に示される例示的なリングのように、リング状に配置されたアンテナ素子を含む。この例ではアンテナアレイは二つの異なるタイプの周波数帯域に使用される二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。
【０１１１】
図１４Ａはスロットに対応する場所を有する第一のアイリスボード層の一部を示す。図１４Ａを参照すると、円はアイリス基板の底面側の金属被膜内の開口領域／スロットであり、給電部への素子の結合（給電波）を制御するためのものである。この層は任意の層であり、全ての設計において使用されるものではないことに留意されたい。図１４Ｂはスロットを含む第二のアイリスボード層の一部を示す。図１４Ｃは第二のアイリスボード層にわたるパッチを示す。図１４Ｄはスロットアレイの一部の上面図を示す。
【０１１２】
図１５は円筒状給電アンテナ構造の一つの実施形態の側面図を示す。アンテナは二重層給電構造（例えば、二層の給電構造）を使用して内向きの進行波を生成する。一つの実施形態では、アンテナは円形の外形を含むが、これは必須条件ではない。すなわち、円形でない内向きの進行構造を使用することができる。一つの実施形態では、図１５のアンテナ構造は図９の同軸給電部を含む。
【０１１３】
図１５を参照すると、同軸ピン１６０１はアンテナの下位レベルの場を励起するために使用される。一つの実施形態では、同軸ピン１６０１は容易に入手可能な５０Ω同軸ピンである。同軸ピン１６０１は導電性接地板１６０２であるアンテナ構造の底面に結合される。
【０１１４】
導電性接地板１６０２からは隔てられ、内部導体である格子間導体１６０３が存在する。一つの実施形態では、導電性接地板１６０２と格子間導体１６０３とは互いに平行である。一つの実施形態では、導電性接地板１６０２と格子間導体１６０３との間の距離は０．１−０．１５インチである。別の実施形態では、この距離はλ／２でもよく、ここでλは動作周波数における進行波の波長である。
【０１１５】
接地板１６０２はスペーサ１６０４を介して格子間導体１６０３から隔てられている。一つの実施形態では、スペーサ１６０４は発泡体または空気のようなスペーサである。一つの実施形態では、スペーサ１６０４はプラスチックスペーサを含む。
【０１１６】
格子間導体１６０３の上面に誘電体層１６０５が存在する。一つの実施形態では、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遅くすることである。一つの実施形態では、誘電体層１６０５は自由空間に対して進行波を３０％遅らせる。一つの実施形態では、ビーム形成に好適な屈折率の範囲は１．２−１．８であり、ここで自由空間は定義により１．０に等しい屈折率を有する。この効果を達成するために、例えば、プラスチックのような他の誘電体スペーサ材料が使用され得る。プラスチック以外の材料が、それらが所望の波動減速効果を達成する限り使用され得ることに留意されたい。あるいは、機械加工またはリソグラフィで画定することができる周期的サブ波長金属構造のような、分布構造を有する材料が誘電体１６０５として使用され得る。
【０１１７】
ＲＦアレイ１６０６が誘電体層１６０５の上面に存在する。一つの実施形態では、格子間導体１６０３とＲＦアレイ１６０６との間の距離は０．１−０．１５インチである。別の実施形態では、この距離はλeff／２でもよく、ここでλeffは設計周波数における媒体中の有効波長である。
【０１１８】
アンテナは側面１６０７および１６０８を含む。側面１６０７および１６０８は同軸ピン１６０１からの進行波給電部が格子間導体１６０３の下の領域（スペーサ層）から格子間導体１６０３の上の領域（誘電体層）に反射を介して伝搬するように角度調整がなされている。一つの実施形態では、側面１６０７および１６０８の角度は４５°である。別の実施形態では、側面１６０７および１６０８は反射を達成するために連続的な半径と置き換えられることができる。図１５は４５度の角度を有する角度調整がなされた側面を示すが、下位レベルの給電部から上位レベルの給電部への信号伝送を達成する他の角度が使用され得る。すなわち、下位レベルの給電部内の有効波長が上位レベルの給電部内のそれとは一般に異なることを考慮すると、下位レベルの給電部から上位レベルの給電部への伝送を容易にするために理想的な４５°の角度からいくらかずれた角度を使用することができる。例えば、別の実施形態では、４５°の角度は単一のステップで置き換えられる。アンテナの一方の端部上のステップは誘電体層、格子間導体、およびスペーサ層を囲む。二つの同じステップがこれらの層のもう一方の端部に存在する。
【０１１９】
動作中、給電波が同軸ピン１６０１から給電されると、その波動は接地板１６０２と格子間導体１６０３との間の領域において同軸ピン１６０１から同心状に外向きに進行する。同心状の出射波は側面１６０７および１６０８によって反射され、格子間導体１６０３とＲＦアレイ１６０６との間の領域内を内向きに進行する。円周の端部からの反射は波動を同位相のまま維持する（すなわち、これは同位相反射である）。進行波は誘電体層１６０５によって遅くなる。この時点で、進行波は所望の散乱を得るためにＲＦアレイ１６０６内の素子と相互作用し、励起し始める。
【０１２０】
進行波を停止させるために、終端１６０９がアンテナの幾何学的な中心でアンテナに含まれる。一つの実施形態では、終端１６０９は終端ピン（例えば、５０Ωピン）を含む。別の実施形態では、終端１６０９は未使用エネルギーが反射してアンテナの給電構造を通って戻るのを防ぐために未使用エネルギーを停止させるＲＦ吸収体を含む。これらはＲＦアレイ素子の上面上で使用されることができる。
【０１２１】
図１６は出射波を有するアンテナシステムの別の実施形態を示す。図１６を参照すると、二つの接地板１６１０および１６１１は接地板の間に誘電体層１６１２（例えば、プラスチック層等）を有しており、互いに実質的に平行である。ＲＦ吸収体１６１９（例えば、抵抗器）は二つの接地板１６１０と１６１１とを連結する。同軸ピン１６１５（例えば、５０Ω）がアンテナに給電する。ＲＦアレイ１６１６は誘電体層１６１２および接地板１６１１の上面に存在する。
【０１２２】
動作中、給電波は同軸ピン１６１５を通して給電され、外向きに同心状に進行し、ＲＦアレイ１６１６の素子と相互作用する。
【０１２３】
図１５および図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走査角を改善する。プラスまたはマイナス四十五度の方位角（±４５°Ａｚ）およびプラスまたはマイナス二十五度の仰角（±２５°Ｅｌ）の走査角の代わりに、一つの実施形態では、アンテナシステムはボアサイトから全方向に七十五度（７５°）の走査角を有する。多くの個々の放射器から構成される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依存性である構成要素の利得に依存する。一般的な放射素子を使用する場合、一般にビームがボアサイトから遠く離れて向けられるにつれて全体のアンテナ利得は減少する。ボアサイトから７５度外れると、およそ６ｄＢの大幅な利得の低下が予想される。
【０１２４】
円筒状給電部を有するアンテナの実施形態は一つまたは複数の問題を解決する。これらには統合されたディバイダネットワークで給電されるアンテナと比較して給電構造を劇的に単純化し、それによって必要とされるアンテナの総数とアンテナ給電量を減少させることが含まれる。すなわち、より大まかな制御により高いビーム性能を維持することによって製造および制御誤差に対する感度を低下（単純な二値的制御に至るまで拡張）させ、円筒状に配向された給電波により遠方場において空間的に多様なサイドローブが発生するため直線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、偏波器を必要とすることなく左円偏波、右円偏波および直線偏波を可能にすることを含む動的な偏波を可能にする。
【０１２５】
波動散乱素子のアレイ
図１５のＲＦアレイ１６０６および図１６のＲＦアレイ１６１６は放射器として動作する一群のパッチアンテナ（すなわち、散乱体）を含む波動散乱サブシステムを含む。この一群のパッチアンテナは散乱メタマテリアル素子のアレイを含む。
【０１２６】
一つの実施形態では、アンテナシステム内の各散乱素子は下側導体、誘電体基板、および相補的な電気誘導型容量性共振器（「相補型電気ＬＣ」または「ＣＥＬＣ」）がエッチングまたは堆積された上側導体で構成された単位セルの一部である。
【０１２７】
一つの実施形態では、液晶（ＬＣ）は散乱素子の周囲の間隙に注入される。液晶は各単位セル内に封止されており、スロットに関連付けられた下側導体をそのパッチに関連付けられた上側導体から隔てている。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（したがって誘電率）は液晶にかかる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。この特性を使用することによって、液晶は誘導波からＣＥＬＣへのエネルギー伝送のためのオン／オフスイッチとして動作する。スイッチをオンにすると、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出する。
【０１２８】
ＬＣの厚さを制御することによってビームのスイッチング速度が増加する。下側と上側導体との間の間隙（液晶の厚さ）が五十パーセント（５０％）減少すると、速度は四倍に増加する。別の実施形態では、液晶の厚さによってビームのスイッチング速度はおよそ十四ミリ秒（１４ｍｓ）になる。一つの実施形態では、ＬＣは七ミリ秒（７ｍｓ）の要求を満たすことができるように応答性を改善するために当該技術分野で周知の方法でドーピングされる。
【０１２９】
ＣＥＬＣ素子はＣＥＬＳ素子の面に平行に、かつＣＥＬＣの間隙充填物に垂直に印加される磁場に応答する。メタマテリアル散乱単位セル内の液晶に電圧が印加されると、誘導波の磁場成分がＣＥＬＣの磁気励起を誘導し、次にそれが誘導波と同じ周波数の電磁波を生成する。
【０１３０】
単一のＣＥＬＣによって生成される電磁波の位相は誘導波のベクトル上のＣＥＬＣの位置によって選択することができる。各セルはＣＥＬＣに平行な誘導波と同位相の波動を生成する。ＣＥＬＣは波長よりも小さいため、出力波はＣＥＬＣの下を通過するとき誘導波の位相と同じ位相を有する。
【０１３１】
一つの実施形態では、このアンテナシステムの円筒状の給電形状によってＣＥＬＣ素子を波動給電部内の波動のベクトルに対して四十五度（４５°）の角度で配置することが可能になる。素子のこの位置により素子から生成されるかまたは素子によって受信される自由空間波の偏波の制御が可能になる。一つの実施形態では、ＣＥＬＣはアンテナの動作周波数の自由空間波長未満の素子間間隔で配置される。例えば、波長ごとに四つの散乱素子が存在する場合、３０ＧＨｚ伝送アンテナ内の素子はおよそ２．５ｍｍ（すなわち、３０ＧＨｚの自由空間波長１０ｍｍの四分の一）である。
【０１３２】
一つの実施形態では、ＣＥＬＣは二つの間に液晶を有するスロット上の同じ場所に配置されたパッチを含むパッチアンテナを用いて実装される。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）導波路のように動作する。スロット導波路を用いる場合、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。
【０１３３】
セル配置
一つの実施形態では、アンテナ素子は体系的なマトリクス駆動回路を可能にする方法で円筒状給電アンテナ開口部上に配置される。セルの配置はマトリクス駆動のためのトランジスタの配置を含む。図１７はアンテナ素子に関するマトリクス駆動回路の配置の一つの実施形態を示す。図１７を参照すると、行コントローラ１７０１は行選択信号Ｒｏｗ１およびＲｏｗ２を介してトランジスタ１７１１および１７１２にそれぞれ結合され、列コントローラ１７０２は列選択信号Ｃｏｌｕｍｎ１を介してトランジスタ１７１１および１７１２に結合されている。トランジスタ１７１１もまたパッチ１７３１への接続を介してアンテナ素子１７２１に結合され、一方でトランジスタ１７１２はパッチ１７３２への接続を介してアンテナ素子１７２２に結合される。
【０１３４】
単位セルを非規則格子内に配置された円筒状給電アンテナ上にマトリクス駆動回路を実現するための最初のアプローチでは、二つのステップを実行する。第一のステップでは、セルは同心リング上に配置され、セルの傍らに配置され、各セルを別個に駆動するためのスイッチとして動作するトランジスタに各セルを接続される。第二のステップでは、マトリクス駆動方法が必要とする一意のアドレスに全てのトランジスタを接続するためにマトリクス駆動回路を構築する。マトリクス駆動回路が（ＬＣＤと同様に）行列状のトレースによって構築されているがセルはリング上に配置されているため、各トランジスタに一意のアドレスを割り当てる体系的な方法が無い。このマッピング問題により全てのトランジスタをカバーするために回路は非常に複雑になり、経路設定を達成するために物理的なトレースの数は著しく増加する。セルの密度が高いため、これらのトレースはカップリング効果によりアンテナのＲＦ性能を阻害する。また、トレースが複雑であり実装密度が高いために、トレースの経路設定は市販のレイアウトツールでは達成することができない。
【０１３５】
一つの実施形態では、マトリクス駆動回路はセルおよびトランジスタが配置される前に予め決められている。これにより全てのセルを駆動するために必要な最小限のトレース数が確保され、それぞれが一意のアドレスを有する。この戦略により駆動回路の複雑さを低減して経路設定を平易にし、その結果アンテナのＲＦ性能が向上する。
【０１３６】
より具体的には、一つのアプローチでは、第一のステップにおいて、セルは各セルの一意のアドレスを記述する行および列から成る規則的な長方形の格子上に配置される。第二のステップでは、第一のステップで画定されたようにセルのアドレスと行および列への接続を維持しながらセルをグループ化して同心円に変換する。この変換の目的はセルをリング上に配置することだけでなくセル間の距離とリング間の距離を開口部全体にわたって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いくつかの方法がある。
【０１３７】
一つの実施形態では、ＴＦＴパッケージはマトリクス駆動内での配置および一意的なアドレス指定を可能にするために使用される。図１８はＴＦＴパッケージの一つの実施形態を示す。図１８を参照すると、ＴＦＴおよび保持キャパシタ１８０３が入力および出力ポートとともに示されている。行および列を使用してＴＦＴを互いに接続するためにトレース１８０１に接続された二つの入力ポートとトレース１８０２に接続された二つの出力ポートが存在する。一つの実施形態では、行トレースおよび列トレースは行トレースおよび列トレース間のカップリングを低減し、潜在的に最小化するために９０°の角度で交差する。一つの実施形態では、行トレースおよび列トレースは異なる層上に存在する。
【０１３８】
例示的なシステムの実施形態
一つの実施形態では、組み合わされたアンテナ開口部はセットトップボックスと連動するテレビジョンシステムで使用される。例えば、デュアル受信アンテナの場合は、アンテナによって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、ＤｉｒｅｃＴＶ（登録商標）受信器）に提供される。より具体的には、組み合わされたアンテナの動作は二つの異なる周波数および／または偏波でＲＦ信号を同時に受信することができる。すなわち、素子の一つのサブアレイは一つの周波数および／または偏波でＲＦ信号を受信するように制御される一方で、別のサブアレイは別の、異なる周波数および／または偏波で信号を受信するように制御される。周波数または偏波におけるこれらの違いはテレビジョンシステムによって受信されている異なるチャネルを表す。同様に、二つのアンテナアレイは複数のチャネルを同時に受信するために二つの異なる場所（例えば、二つの異なる衛星）からチャネルを受信するように二つの異なるビーム位置に対して制御されることができる。
【０１３９】
図１９はテレビジョンシステムにおいて同時にデュアル受信を実行する通信システムの一つの実施形態のブロックダイアグラムである。図１９を参照すると、アンテナ１４０１は前述のように異なる周波数および／または偏波で同時にデュアル受信を実行するために独立して動作可能な空間的にインターリーブされたアンテナ開口部を含む。二つの空間的にインターリーブされたアンテナの動作のみが述べられているが、ＴＶシステムは二つよりも多いアンテナ開口部（例えば、３、４、５つ等のアンテナ開口部）を有し得ることに留意されたい。
【０１４０】
一つの実施形態では、その二つのインターリーブ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。カップリングはダイプレクサ１４３０に供給される二つの信号を生成するために二つのスロットアレイの素子から信号を受信する一つまたは複数の給電ネットワークを含み得る。一つの実施形態では、ダイプレクサ１４３０は市販のダイプレクサ（例えば、Ａ１  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ製のモデルＰＢ１０８１ＷＡのＫｕ帯ｓｉｔｃｏｍダイプレクサ）である。
【０１４１】
ダイプレクサ１４３０は一対の低ノイズブロックダウン変換器（ＬＮＢ）１４２６および１４２７に結合され、これらは当該技術分野で周知の方法でノイズフィルタリング機能、ダウンコンバージョン機能、および増幅を実行する。一つの実施形態では、ＬＮＢ１４２６および１４２７は室外ユニット（ＯＤＵ）内に存在する。別の実施形態では、ＬＮＢ１４２６および１４２７はアンテナ装置に統合されている。ＬＮＢ１４２６および１４２７はセットトップボックス１４０２に結合され、これはテレビジョン１０４３に結合される。
【０１４２】
セットトップボックス１４０２はダイプレクサ１４３０から出力された二つの信号をデジタルフォーマットに変換するために一対のアナログデジタル変換器（ＡＤＣｓ）１４２１および１４２２を備えており、これはＬＮＢ１４２６および１４２７に結合されている。
【０１４３】
デジタルフォーマットに変換されると、信号は復調器１４２３によって復調され、受信波に関するエンコードされたデータを得るためにデコーダ１４２４によってデコードされる。デコードされたデータは次にコントローラ１４２５に送信され、コントローラ１４２５はそれをテレビジョン１４０３に送信する。
【０１４４】
コントローラ１４５０は単一の組み合わされた物理的な開口部上の両方のアンテナ開口部のインターリーブ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。
【０１４５】
全二重通信システムの例
別の実施形態では、組み合わせられたアンテナ開口部は全二重通信システムで使用される。図２０は同時に伝送および受信を行う経路を有する通信システムの別の実施形態のブロックダイアグラムである。一つの伝送経路および一つの受信経路のみが示されているが、通信システムは複数の伝送経路および／または複数の受信経路を含み得る。
【０１４６】
図２０を参照すると、アンテナ１４０１は前述のように異なる周波数で同時に伝送および受信するために独立して動作可能な二つの空間的にインターリーブされたアンテナアレイを含む。一つの実施形態では、アンテナ１４０１はダイプレクサ１４４５に結合される。カップリングは一つまたは複数の給電ネットワークによるものであり得る。一つの実施形態では、放射状給電アンテナの場合、ダイプレクサ１４４５は二つの信号を組み合わせ、アンテナ１４０１とダイプレクサ１４４５との間の接続は両方の周波数を搬送することのできる単一の広帯域給電ネットワークである。
【０１４７】
低ノイズブロックダウン変換器（ＬＮＢｓ）１４２７は当該技術分野で周知の方法でノイズフィルタリング機能およびダウンコンバージョンおよび増幅機能を実行し、ダイプレクサ１４４５はこれに結合される。一つの実施形態では、ＬＮＢ１４２７は室外ユニット（ＯＤＵ）内に存在する。別の実施形態では、ＬＮＢ１４２７はアンテナ装置に統合される。ＬＢＮ１４２７はモデム１４６０に結合され、モデム１４６０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、モデム等）に結合される。
【０１４８】
モデム１４６０はアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１４２２を含み、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１４２２はダイプレクサ１４４５から出力された受信信号をデジタルフォーマットに変換するためにＬＮＢ１４２７に結合される。デジタルフォーマットに変換されると、信号は復調器１４２３によって復調され、受信波に関するエンコードされたデータを得るためにデコーダ１４２４によってデコードされる。デコードされたデータは次にコントローラ１４２５に送信され、コントローラ１４２５はそれをコンピューティングシステム１４４０に送信する。
【０１４９】
モデム１４６０はまたコンピューティングシステム１４４０から伝送されるデータをエンコードするエンコーダ１４３０を含む。エンコード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。アナログ信号は次にＢＵＣ（アップコンバートおよびハイパス増幅器）１４３３によってフィルタリングされ、ダイプレクサ１４４５の一方のポートに供給される。一つの実施形態では、ＢＵＣ１４４３は屋外ユニット（ＯＤＵ）内に存在する。
【０１５０】
当該技術分野で周知の方法で動作するダイプレクサ１４４５は伝送のために伝送信号をアンテナ１４０１に供給する。
【０１５１】
コントローラ１４５０は単一の組み合わされた物理的な開口部上のアンテナ素子の二つのアレイを含むアンテナ１４０１制御する。
【０１５２】
図２０に示される全二重通信システムはインターネット通信、車両通信等を含むがこれらに限定されない、いくつかの用途を有することに留意されたい。
【０１５３】
上記の詳細な説明のいくつかの部分はコンピュータメモリ内部のデータビットに対するアルゴリズムおよび記号表現に対して提示されている。これらのアルゴリズムに関する説明および表現はデータ処理分野の当業者が自分の仕事の内容を他の当業者に最も効果的に伝えるために使用する手段である。ここでは、そして一般的には、アルゴリズムは所望の結果をもたらす自己矛盾の無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。必ずしもそうとは限らないが、通常、これらの量は記憶、転送、結合、比較、およびその他の操作が可能な電気または磁気信号の形をとる。主に一般的な用法上の理由から、→主に共通使用という理由で、時にはこれらの信号をビット、値、要素、記号、文字、用語、数字等と呼ぶことが好都合であることが証明されている。
【０１５４】
しかしながら、これらおよび類似の用語の全てが適切な物理量に関連付けられるべきであり、これらの量に適用される単に好都合なラベル（→便利な表記）であることに留意されるべきである。以下の説明から明らかであるように、特に明記されない限り、本明細書を通して、「処理すること（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」または「算出すること（ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）」または「計算すること（ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ）」または「決定すること（ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ）」または「表示すること（ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ）」等の用語を用いる説明はコンピュータシステムのレジスタおよびメモリ内の物理（電子）量として表されるデータを操作し、およびそれをコンピュータシステムのメモリまたはレジスタまたは他のこのような情報記憶装置、伝送デバイスまたは表示デバイス内の物理量として同様に表される他のデータに変換するコンピュータシステム、または類似の電子コンピューティングデバイスの動作およびプロセスを意味することを理解されたい。
【０１５５】
本発明はまたは、本明細書の動作を実行するための装置にも関する。この装置は必要とされる目的のために特別に構成されてもよく、またはコンピュータに記憶されたコンピュータプログラムによって選択的に起動または再構成される汎用コンピュータを含んでもよい。このようなコンピュータプログラムはフロッピーディスク（登録商標）、光ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、および光磁気ディスクを含む任意の種類のディスク、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）等、これらに限定されないコンピュータ読み取り可能な媒体に記憶することができるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気または光学カード、あるいは電子命令を記憶するのに適した任意の種類の媒体であり、それぞれコンピュータシステムバスに結合されている。
【０１５６】
本明細書で提示されるアルゴリズムおよび表示はいかなる特定のコンピュータまたは他の装置にも本質的に関連していない。本明細書の教示にしたがうプログラムとともに様々な汎用システムが使用されてもよく、または必要とされる方法ステップを実行するためにより専門的な装置を構築することが好都合であることを証明してもよい。これらの様々なシステムに必要とされる構造は以下の説明から明らかになるであろう。さらに、本発明はいかなる特定のプログラミング言語に関しても説明されていない。本明細書に記載の本発明の教示を実行するために様々なプログラミング言語が使用され得ることが理解されるであろう。
【０１５７】
機械読み取り可能な媒体は機械（例えば、コンピュータ）によって読み取り可能な形で情報を記憶または伝送ための任意のメカニズムを含む。例えば、機械読み取り可能な媒体は読み取り専用メモリ（「ＲＯＭ」）、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、磁気ディスク記憶媒体、光記憶媒体、フラッシュメモリデバイス等を含む。
【０１５８】
前述の説明を読めば、当業者においては疑いなく本発明の多くの変更および修正が明らかになるであろうが、一例として示し、説明したいかなる特定の実施形態も決して限定的とみなされるように意図したものではないことを理解されたい。したがって、様々な実施形態の詳細についての言及は、それ自体が本発明において本質的であるとみなす特徴のみを記載した特許請求の範囲を限定するように意図したものではない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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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１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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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２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【国際調査報告】
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