(57)【要約】  アンテナ、及び該アンテナを使用するための方法が記載される。１つの実施形態において、アンテナは、複数の無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子を有するアパーチャを備え、該複数のＲＦ放射アンテナ素子は、ＲＦ放射アンテナ素子の３又は４以上のセットにグループ化され、セットの各々が、第１モードで周波数帯域のビームを生成するように別々に制御される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子を有するアパーチャを備えたアンテナであって、前記複数のＲＦ放射アンテナ素子は、前記ＲＦ放射アンテナ素子の３又は４以上のセットにグループ化され、前記セットの各々が、第１モードで周波数帯域のビームを生成するように別々に制御される、アンテナ。
【請求項２】
前記アンテナ素子の各セットは、複数の同調状態を有し、前記アンテナ素子の３又は４以上のセットのうちの少なくとも２つに関する同調状態が共に組み合わされて、第２のモードでの単一ビームを形成し、前記第２モードが前記第１モードとは異なる、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記アンテナ素子の少なくとも２つのセットの各々は、前記３又は４以上のセットの中の他のセットから別々に同調される異なる共振器設定値を有する、請求項２に記載のアンテナ。
【請求項４】
少なくとも２つのビームが同時に生成される、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項５】
前記素子の３又は４以上のセットが、帯域を共有又は分割する、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項６】
前記帯域は、送信及び受信サブ帯域を有するＫｕ帯域を備える、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項７】
前記複数のＲＦ放射アンテナ素子の各々は、前記各ＲＦ放射アンテナ素子を制御するための同調可能液晶（ＬＣ）材料を備える、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項８】
前記ＲＦ放射アンテナ素子の３又は４以上のセットは、互いに交互配置される、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項９】
前記ＲＦ放射アンテナ素子の複数のセットのＲＦ放射アンテナ素子は、前記アパーチャ内のグループに共に配置され、前記各グループが、前記ＲＦ放射アンテナ素子のセットの各々からの１つのＲＦ放射アンテナ素子を備える、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項１０】
前記各グループは、受信サブ帯域での受信と共に使用するための２つのＲＦ放射受信アンテナ素子と、送信サブ帯域での送信と共に使用するための１つの送信ＲＦ放射アンテナ素子とを備え、前記送信帯域は、前記２つの異なる受信帯域と異なる、請求項９に記載のアンテナ。
【請求項１１】
前記２つの受信サブ帯域は、別々に且つ同時に動作して、２つの受信ビームを形成する、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１２】
前記２つの受信帯域に関連する前記素子のグループは、独立して制御されて別々に動作し、各々が前記送信帯域で動作するように組み合わせ可能であり、各組み合わせが二重受信／送信システムであるようになる、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１３】
前記各グループにおいて、第１の受信サブ帯域と共に動作する第１の受信アンテナ素子は、送信アンテナ素子と、第２の受信サブ帯域と共に動作する第２の受信アンテナ素子との間に配置され、前記第１の受信サブ帯域は、前記第２の受信サブ帯域よりも低い周波数を有する、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１４】
前記各グループにおいて、送信アンテナ素子は、第１の受信サブ帯域と共に動作する第１の受信アンテナ素子と、第２受信サブ帯域と共に動作する第２の受信アンテナ素子との間に存在する、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１５】
前記各グループにおいて、第１の受信サブ帯域と共に動作する第１の受信アンテナ素子は、送信アンテナ素子と、第２の受信サブ帯域と共に動作する第２の受信アンテナ素子との間に配置され、前記第１の受信サブ帯域は、前記第２の受信サブ帯域よりも高い周波数を有する、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１６】
前記各グループにおいて、第１の受信サブ帯域と共に動作する第１の受信アンテナ素子、送信アンテナ素子、及び第２の受信サブ帯域と共に動作する第２の受信アンテナ素子は、互いに隣接して配置され、前記送信アンテナ素子が、前記第１及び第２の受信アンテナ素子と平行な軸に沿って前記アパーチャの中心に向けてシフトされる、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１７】
前記各グループにおいて、第１の受信サブ帯域と共に動作する第１の受信アンテナ素子、送信アンテナ素子、及び第２の受信サブ帯域と共に動作する第２の受信アンテナ素子は、互いに隣接して配置され、前記送信アンテナ素子が、前記第１及び第２の受信アンテナ素子と平行な軸に沿って前記アパーチャの中心に対して外向きにシフトされる、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１８】
前記各グループ内の前記ＲＦ放射アンテナ素子及び前記素子のグループは、相互結合を制御するように配置される、請求項９に記載のアンテナ。
【請求項１９】
複数の無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子を有するアパーチャを備えたアンテナであって、前記複数のＲＦ放射アンテナ素子は、前記ＲＦ放射アンテナ素子の３又は４以上のセットにグループ化され、アンテナ素子の前記セットの各々が複数の同調状態を有し、前記アンテナ素子の３又は４以上のセットのうちの少なくとも２つに関する同調状態が共に組み合わされて、１つのモードでの単一ビームを形成する、
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項２０】
前記アンテナ素子のうちの少なくとも２つのセットは、受信素子のセットを備え、同調状態が組み合わされて、単一の受信ビームを形成する、請求項１９に記載のアンテナ。
【請求項２１】
前記アンテナ素子の少なくとも２つのセットの各々は、前記３又は４以上のセットの中の他のセットから別々に同調される異なる共振器設定値を有する、請求項１９に記載のアンテナ。
【請求項２２】
前記ＲＦ放射アンテナ素子の３又は４以上のセットを使用して、少なくとも２つのビームが同時に生成される、請求項１９に記載のアンテナ。
【請求項２３】
前記ＲＦ放射アンテナ素子の３又は４以上のセットは、互いに交互配置される、請求項１９に記載のアンテナ。
【請求項２４】
前記ＲＦ放射アンテナ素子の複数のセットのＲＦ放射アンテナ素子は、前記アパーチャ内のグループに共に配置され、前記各グループが、前記ＲＦ放射アンテナ素子のセットの各々からの１つのＲＦ放射アンテナ素子を備える、請求項１９に記載のアンテナ。
【請求項２５】
前記各グループにおいて、第１の受信サブ帯域と共に動作する第１の受信アンテナ素子は、送信アンテナ素子と、第２の受信サブ帯域と共に動作する第２の受信アンテナ素子との間に配置され、前記第１の受信サブ帯域は、前記第２の受信サブ帯域よりも低い周波数を有する、請求項２４に記載のアンテナ。
【請求項２６】
前記各グループにおいて、送信アンテナ素子は、第１の受信サブ帯域と共に動作する第１の受信アンテナ素子と、第２受信サブ帯域と共に動作する第２の受信アンテナ素子との間に存在する、請求項２４に記載のアンテナ。
【請求項２７】
前記各グループにおいて、第１の受信サブ帯域と共に動作する第１の受信アンテナ素子は、送信アンテナ素子と、第２の受信サブ帯域と共に動作する第２の受信アンテナ素子との間に配置され、前記第１の受信サブ帯域は、前記第２の受信サブ帯域よりも高い周波数を有する、請求項２４に記載のアンテナ。
【請求項２８】
複数の無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子を有するアパーチャを備えたアンテナ装置であって、様々なサイズの前記複数のＲＦ放射アンテナ素子は、３又は４以上の周波数帯域においてビームを生成するためＬＣ同調構成要素を使用して独立して制御される、
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２９】
前記複数の無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子は、前記アパーチャに組み合わされた少なくとも３つの空間的に交互配置されたアンテナサブアレイを有する複数の電子的にステアリング可能な平面アンテナを備え、
前記複数の電子的にステアリング可能な平面アンテナは、別個の周波数で独立して且つ同時に動作し、前記少なくとも３つのアンテナサブアレイの各々は、アンテナ素子の同調可能スロット付きアレイを備える、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記少なくとも３つの空間的に交互配置されたアンテナサブアレイは、前記送信サブアレイ及び少なくとも２つの受信サブアレイのうちの少なくとも１つを備える、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記送信サブアレイ及び少なくとも２つの受信サブアレイのうちの少なくとも１つの各々のＲＦ放射アンテナ素子は、互いに比較して異なる物理的サイズを有する、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記複数のＲＦ放射アンテナは、前記アパーチャ内のグループに共に配置されたＲＦ放射アンテナ素子の複数のセットを備え、前記グループの各々が、前記ＲＦ放射アンテナ素子のセットの各々からの１つのＲＦ放射アンテナ素子を備える、請求項２８に記載の装置。
【請求項３３】
前記アンテナ素子の各セットは、複数の同調状態を有し、前記アンテナ素子の３又は４以上のセットのうちの少なくとも２つに関する同調状態が共に組み合わされて、１つのモードでの単一ビームを形成する、請求項２８に記載の装置。
【請求項３４】
前記アンテナ素子の少なくとも２つのセットは、受信素子のセットを備え、同調状態が組み合わされて、単一の受信ビームを形成する、請求項３３に記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
相互参照
本出願は、「ＢＲＯＡＤ  ＴＵＮＡＢＬＥ  ＢＡＮＤＷＩＤＴＨ  ＲＡＤＩＡＬ  ＬＩＮＥ  ＳＬＯＴ  ＡＮＴＥＮＮＡ（同調可能広帯域幅ラジアルラインスロットアンテナ）」という名称の、２０１８年１月１７日に出願された対応の米国仮特許出願第６２，６１８，４９３号及び２０１９年１月１４日に出願された米国本特許出願第１６／２４７，３９８号に対する優先権を主張し、これらを引用により組み込む。
【０００２】
本発明の実施形態は、無線通信用のアンテナの分野に関し、より具体的には、本発明の実施形態は、各々が特定の周波数帯域に対して別々に且つ同時に制御されるスロットの複数のセットを使用することによる、同調可能広帯域幅を有するラジアルラインスロットアンテナに関する。
【背景技術】
【０００３】
ラジアルラインスロットアンテナは、当技術分野で周知である。ラジアルラインスロットアンテナの例としては、Ａｎｄｏ他による「Ｒａｄｉａｌ  ｌｉｎｅ  ｓｌｏｔ  ａｎｔｅｎｎａ  ｆｏｒ  １２  ＧＨｚ  ＤＢＳ  ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ（１２ＧＨｚ  ＤＢＳ衛星受信用のラジアルラインスロットアンテナ）」、及びＹｕａｎ他による「Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ  ｏｆ  ａ  Ｎｏｖｅｌ  Ｒａｄｉａｌ  Ｌｉｎｅ  Ｓｌｏｔ  Ａｎｔｅｎｎａ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（高出力マイクロ波用途の新規のラジアルラインスロットアンテナの設計及び実験）」に記載されているものが挙げられる。これらの論文に記載されているアンテナは、給電構造から受信した信号によって励起される複数の固定スロットを含む。スロットは、典型的には、直交ペアで配向され、送信モードでは固定円偏波が与えられ、受信モードでは反対の偏波が与えられる。
【０００４】
アンテナの別の例が、「Ｃｏｍｂｉｎｅｄ  ａｎｔｅｎｎａ  ａｐｅｒｔｕｒｅｓ  ａｌｌｏｗｉｎｇ  ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ａｎｔｅｎｎａ  ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ（同時マルチアンテナ機能を可能にする複合アンテナアパーチャ）」という名称の米国特許第９，８９３，４３５号に記載されており、この特許は、アンテナ素子の２つの空間的に交互配置されたアンテナサブアレイを有する単一の物理アンテナアパーチャを含む実施形態について記載している。アンテナの実施形態は、同じアンテナアパーチャ上で無線周波数ホログラフィを使用して送受信するためのスロットを含むアンテナ素子のサブアレイを含む。各アンテナサブアレイは、特定の周波数で独立して且つ同時に動作することができる。
【０００５】
衛星アンテナ用の従来型形状因子よりも有利な形状因子を有するホログラフィックアンテナが開発されている。ホログラフィックアンテナの性能を高めると、特定の使用事例におけるホログラフィックアンテナの使用状況及び実行可能性が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第９，８９３，４３５号明細書
【特許文献２】米国特許第９，９０５，９２１号明細書
【特許文献３】米国特許出願第１５／８８１，４４０号明細書
【特許文献４】米国特許出願第１４／５５０，１７８号明細書
【特許文献５】米国特許出願第１４／６１０，５０２号明細書
【特許文献６】米国特許公開第２０１５／０２３６４１２号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
アンテナ、及びアンテナを使用するための方法が記載される。１つの実施形態において、アンテナは、複数の無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子を有するアパーチャを備え、複数のＲＦ放射アンテナ素子は、ＲＦ放射アンテナ素子の３又は４以上のセットにグループ化され、各セットが、第１のモードにおいてある周波数帯域のビームを生成するように別々に制御される。
【０００８】
本発明は、以下に与えられる詳細な説明及び本発明の様々な実施形態の添付図面からより完全に理解されるが、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、単に説明及び理解のためと解釈されたい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】衛星アンテナアパーチャ用のアンテナ素子のレイアウトの１つの実施形態を示す図である。
【図２】同調範囲にわたる衛星アンテナアパーチャ用のアンテナ素子のレイアウトの１つの実施形態の動的利得帯域幅の実施例を示す図である。
【図３】３つの周波数帯域用のスロットを有する１つの実施形態に関する性能の例を示す図である。
【図４Ａ】素子の異なる配置構成を示す単位セルのレイアウトの実施形態を示す図である。
【図４Ｂ】素子の異なる配置構成を示す単位セルのレイアウトの実施形態を示す図である。
【図４Ｃ】素子の異なる配置構成を示す単位セルのレイアウトの実施形態を示す図である。
【図４Ｄ】シフトされた送信（Ｔｘ）素子を有する配置選択肢を使用した単位セルのレイアウトの実施形態を示す図である。
【図４Ｅ】シフトされた送信（Ｔｘ）素子を有する配置選択肢を使用した単位セルのレイアウトの実施形態を示す図である。
【図４Ｆ】回転アンテナ素子を有する配置選択肢を使用した単位セルのレイアウトの実施形態を示す図である。
【図５Ａ】アンテナアパーチャを制御するためのプロセスの１つの実施形態のフロー図である。
【図５Ｂ】アンテナアパーチャを制御するためのプロセスの１つの実施形態のフロー図である。
【図５Ｃ】アンテナアパーチャを制御するためのプロセスの１つの実施形態のフロー図である。
【図６】円筒状給電ホログラフィックラジアルアパーチャアンテナの１つの実施形態の概略図を示す。
【図７】グランドプレーン及び再構成可能共振器層を含む１列のアンテナ素子の斜視図を示す。
【図８Ａ】同調可能共振器／スロットの１つの実施形態を示す図である。
【図８Ｂ】物理的アンテナアパーチャの１つの実施形態の断面図を示す。
【図９Ａ】スロット付きアレイを形成する様々な層の１つの実施形態を示す図である。
【図９Ｂ】スロット付きアレイを形成する様々な層の１つの実施形態を示す図である。
【図９Ｃ】スロット付きアレイを形成する様々な層の１つの実施形態を示す図である。
【図９Ｄ】スロット付きアレイを形成する様々な層の１つの実施形態を示す図である。
【図１０】円筒状給電アンテナ構造の１つの実施形態の側面図を示す。
【図１１】アンテナシステムの別の実施形態を外向き波と共に示す図である。
【図１２】アンテナ素子に対するマトリクス駆動回路の配置の１つの実施形態を示す図である。
【図１３】ＴＦＴパッケージの１つの実施形態を示す図である。
【図１４】同時送受信経路を有する通信システムの１つの実施形態のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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が示される。しかしながら、当業者であれば、本発明がこれらの特定の詳細なしに実施できることは明らかであろう。他の例では、本発明を不明確にすることのないように、周知の構造及びデバイスは、詳細にではなくブロック図の形で示される。
【００１１】
本発明の実施形態は、同調可能ビームステアリングアンテナの動的帯域幅を拡張する技法を含む。また、ビームステアリングアンテナ及びこれを動作させる方法が記載される。１つの実施形態では、アンテナは、電気的に小さな無線周波数（ＲＦ）放射素子が搭載された高密度アパーチャを備える。１つの実施形態では、ＲＦ放射素子は、同調範囲にわたってほぼ一定の放射特性を達成しながら、動作周波数を同調するために液晶（ＬＣ）材料を搭載した様々なサイズを有する電気的に小さなスロットである。１つの実施形態では、様々なサイズを有するこれらの素子は、３又は４以上の周波数帯域をカバーするためのＬＣ同調構成要素を使用して独立して制御される。
【００１２】
本明細書で記載される本発明の実施形態により、アンテナの動的帯域幅がＬＣの同調範囲から分離される。このようにすると、ＬＣの同調性を増加させることなく、動的帯域幅を拡張する自由度がより高くなる。このことは、アンテナの動的帯域幅がＬＣの同調範囲により直接決定され、また、ＬＣの同調性又は放射素子の同調性の増加が、有意な損失及びアンテナ利得の低下をもたらす従来技術のアンテナとは対照的である。
【００１３】
１つの実施形態では、ＲＦ放射素子は、複数のグループにグループ化され、各グループが、他のグループから別々に独立して制御される。各グループは、周波数帯域に割り当てられ、その周波数帯域でビームを生成する。１つの実施形態では、周波数帯域は、１又は２以上の受信帯域及び１又は２以上の送信帯域を含む。１つの実施形態では、受信帯域は、２又は３以上のサブ帯域に分割され、ここで各サブ帯域は、別々に動作することができ、各々は送信帯域と組み合わせることができる。従って、各受信サブ帯域用のアンテナ素子は、送信帯域用のアンテナ素子と同時に動作することができる。周波数帯域を分割すると、単一の素子を使用して広い同調範囲をカバーする手法と比較して効率が高くなる。１つの実施形態では、アンテナを動作させるために、コントローラは、異なる制御アルゴリズムを使用して放射特性を制御し、受信帯域の各々及び送信帯域の各々用のアンテナ素子が別々に制御されるようにする。
【００１４】
１つの実施形態では、ＲＦ放射素子及び同調素子は、相互結合を低減して放射性能を改善するような方法で配置される。言い換えると、素子は、これらを互いから分離するように配置されて、アンテナ素子間で生じる可能性のある相互結合の量を低減する。１つの実施形態では、異なる周波数帯域に関連するアンテナ素子の異なるセットのアンテナ素子は、素子グループにグループ化され、これらの素子グループは、アンテナアパーチャ内に配置又は他の方法で位置付けられる。相互結合は、素子グループ内の個々の素子間にあり、また、素子の異なるグループ間の結合である。例えば、１つの実施形態では、アンテナアパーチャは、３つの帯域用のビームを生成するためのＲＦ放射アンテナ素子の３つのセットを含み、これら３つの帯域用のＲＦ放射アンテナ素子は、高い放射性能を維持しながら、素子グループ内の素子の相互結合間及び素子グループ自体の間の相互結合を低減するような方法で配置される。１つの実施形態では、３つの周波数帯域の各周波数帯域用の素子からの１つのＲＦ放射素子が、グループ内に共にグループ化され、これらの３つの放射素子は、互いに隣接して平行に配置される。１つの実施形態では、同様の配置は、４又は５以上の帯域用のアンテナ素子を配列するときに使用される。
【００１５】
１つの実施形態では、アンテナアパーチャは、高利得性能を達成して、受信帯域と送信帯域との間の高分離を維持するための様々な方式で変調される。１つの実施形態では、アンテナアパーチャは、独立して制御できる複数のビームを生成することができる。
【００１６】
アンテナアパーチャの１つの実施形態の利点のうちの１つは、アンテナアパーチャの動作帯域幅を拡張し、アパーチャのサイズを大きくすることなく高い放射特性を維持することである。ＬＣ材料は、アンテナ動作帯域幅を制限する限定的な同調範囲を有する。１つの実施形態では、ＬＣは、アパーチャが送信（Ｔｘ）帯域全体をカバーすることを可能にするが、１つの実施形態では約２ＧＨｚである受信（Ｒｘ）帯域全体をカバーすることはできない。例えば、ＬＣは、２ＧＨｚＲｘ帯域のうちの約１ＧＨｚをカバーすることができる。この制限を克服するために、放射受信素子の追加セットが、受信帯域の一部をカバーする放射素子の第１のセットに追加される。この放射受信素子の追加セットは、第１のセットの受信素子とは異なる物理的サイズを有し、受信素子の第１のセットに隣接する動作帯域幅を有するように追加される。この手法を使用すると、同調範囲は、第１の帯域の放射特性を劣化させることなく、１ＧＨｚから２ＧＨｚに改善される。１つの実施形態では、２つの受信帯域用のビームを生成する素子及び送信帯域用のビームを生成する素子は、相互結合を低減し且つ周波数範囲全体にわたって高い放射効率を維持するような方法で配置される。１つの実施形態では、アンテナは、同調可能ＬＣ材料を使用して制御できる単一又は複数の帯域モードで動作することができる。すなわち、アンテナは、マルチバンドモードでより大きな同調範囲をカバーするのに使用される受信素子の２つのセットが存在する場合など、アンテナ素子において同調可能ＬＣ材料を制御することによって異なる帯域に対してアンテナ素子のセットを使用することができ、或いは、両方が単一帯域モードと同じ動作周波数をカバーするように組み合わせてアンテナ素子のセットを使用することができる。単一帯域モード又はマルチバンドモードで動作する自由度は、マルチビームアンテナを生成するのに活用することができる。
【００１７】
従って、本発明の実施形態の１つの目的は、放射特性を劣化させることなく所与の円筒状アパーチャアンテナサイズに対してより広い動的帯域幅を達成し、独立制御で複数の受信ビームを生成できるようにすることである。このようにすると、衛星コンステレーションとの接続を維持できるように「メークビフォアブレーク（ｍａｋｅ−ｂｅｆｏｒｅ−ｂｒｅａｋ）」の概念が必要とされる場合のＬＥＯ、ＭＥＯ、又はＧＥＯコンステレーション（ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｓ）を含む衛星通信に対して大きな利点をもたらす。１つの実施形態では、マルチビームアンテナを用いると、ビームのうちの１つは、他の衛星接続が失われる前に、次の出現衛星を指向することができる。このようにして、受信帯域の継続を維持することができる。
【００１８】
本発明の実施形態は、以下の利点のうちの１又は２以上を有し、すなわち、（１）２ＧＨｚのより広い同調範囲及び同じアパーチャサイズの場合の同調範囲にわたるほぼ一定の放射特性を有し、及び（２）マルチビームモードで動作しているときのビーム方向制御においてより多くの自由度を有する。
【００１９】
図１は、衛星アンテナアパーチャ用のＲＦ放射アンテナ素子のレイアウトの１つの実施形態を示す。図１を参照すると、アパーチャ１０は、ＲＦ放射アンテナ素子の３つのセットを含み、各セットは異なる帯域用である。１つの実施形態では、ＲＦ放射素子の各々は、以下でより詳細に説明するような、パッチ／スロットのペアを備える。１つの実施形態では、アンテナ素子の３つのセットのうちの第１のセットは、第１の周波数で受信ビームを生成するためのものであり、アンテナ素子の３つのセットのうちの第２のセットは、第２の周波数（第１の周波数とは異なる）で受信ビームを生成するためのものであり、アンテナ素子の３つのセットのうちの第３のセットは、第３の周波数（第１及び第２の周波数とは異なる）で送信ビームを生成するためのものである。複合動作モードでは、複数のグループが同じ周波数で動作することができる。
【００２０】
１つの実施形態では、アンテナ素子の各セットからの１つのアンテナ素子がグループ化されて、リング状に共に配置される。例えば、アンテナ素子グループ１１は、３つの素子を含み、アンテナ素子の各グループ（例えば、アンテナ素子グループ１１）内の各素子は、異なる帯域をカバーするためのものである。代替の実施形態では、素子グループは、４又は５以上の素子（例えば、２つの送信素子及び２つの受信素子、３つの受信素子及び１又は２以上の送信素子、など）を含む点に留意されたい。
【００２１】
１つの実施形態では、素子の各グループ（例えば、アンテナ素子グループ１１）の１つの素子は、第１の受信帯域用であり、素子の各グループ（例えば、アンテナ素子グループ１１）の１つの素子は、第２の受信帯域用であり、素子の各グループ（例えば、アンテナ素子グループ１１）の１つの素子は、送信帯域用である。２つの受信帯域は、低帯域及び高帯域（これらの周波数で互いに対して）を含む。１つの実施形態では、各低帯域素子（本明細書ではＲｘ１と呼ばれる）は、高帯域受信素子（本明細書ではＲｘ２と呼ばれる）と送信素子（Ｔｘ）との間に配置される。
【００２２】
１つの実施形態では、アンテナ素子グループ（例えば、アンテナ素子グループ１１）は、リング１２の形態で配置される。４つのリングが図１に示されているが、典型的には、アンテナ素子の遙かに多くのリングが存在する。言い換えると、本明細書で記載される技法は、４つのリングの使用に限定されるものではなく、あらゆる数のリング（例えば、５、６、．．．、１０、２０、．．．１００など）を有することができる。更に、図１ではリングが示されているが、本明細書で記載される技法は、リングの使用に限定されるものではなく、グループの他の配置（例えば、スパイラル、グリッドなど）を使用することができる。このような配置の実施例は、「Ａｎｔｅｎｎａ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ  ｆｏｒ  ａ  Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｌｙ  Ｆｅｄ  Ａｎｔｅｎｎａ（円筒状給電アンテナのアンテナ素子配置」）」という名称の米国特許第９，９０５，９２１号に示されている。
【００２３】
１つの実施形態では、配置は、素子の他のセットを有するアパーチャ上のアンテナ素子の各セットに利用可能である物理的空間に基づいて制約される。１つの実施形態では、アンテナ素子の配置に関する別の制約は、アンテナ素子を駆動するためのマトリクス駆動の使用であり、このマトリクス駆動は、アンテナ素子の各々に一意のアドレスが与えられることを必要とする。１つの実施形態では、一意のアドレスを必要とすることにより、列及び行ラインが、アンテナ素子の各々を駆動するのに使用され、従って、このようなラインの経路設定を収容するためのスペースにより配置が制約される。
【００２４】
アンテナコントローラ１３は、アンテナ素子のアパーチャを制御する。１つの実施形態では、アンテナコントローラ１３は、サブアレイコントローラ１、サブアレイコントローラ２、サブアレイコントローラ３などを含むアンテナ素子アレイコントローラ１３Ａを備え、サブアレイコントローラ１−Ｎの各々は、特定の周波数帯域に対するビームを生成するようにアンテナ素子のセットのうちの１つを制御する。１つの実施形態では、これらのコントローラは、アンテナ素子を制御するための駆動信号を生成するマトリクス駆動制御論理回路を含む。１つの実施形態では、これらのコントローラは、素子に印加される電圧を制御して、ビームを生成する（例えば、ホログラフィック技法によってビームを生成する）。
【００２５】
図２は、特定の同調範囲にわたる衛星アンテナアパーチャの１つの実施形態におけるアンテナ素子のレイアウトの１つの実施形態の動的利得帯域幅の実施例を示す。図２を参照すると、グラフ２１は、低受信帯域（Ｒｘ１）によりカバーされる帯域幅を示し、グラフ２２は、高受信帯域（Ｒｘ２）によりカバーされる帯域幅を示し、グラフ２３は、送信帯域（Ｔｘ）によりカバーされる帯域幅を示している。
【００２６】
１つの実施形態では、低受信帯域Ｒｘ１及び高受信帯域Ｒｘ２は、互いに重なり合っている。このような重なり合いは必要ではなく、受信帯域用のアンテナ素子は、他の構成において帯域が遠く離れるように制御できる点に留意されたい。更に、複数の送信帯域が存在する実施形態では、送信帯域は、これらの制御に応じて重なり合うことができ、又は重なり合わないこともある。
【００２７】
１つの実施形態では、受信帯域の重なり領域において高利得を得るために、両方の隣接帯域が複合モードで使用される。これにより、単一動作モードでサブ帯域の何れかを使用するよりもより高い効率がもたらされる。
【００２８】
図３は、各々が異なる周波数帯域のためのものである、素子の３つのセットを有する単一のアンテナアパーチャに関するＳ２１振幅の実施例を示している。図３を参照すると、グラフ３１は、低受信帯域Ｒｘ１に関する性能を表し、グラフ３２は、低受信帯域Ｒｘ２に関する性能を表し、グラフ３３は、送信帯域Ｔｘに関する性能を表している。
【００２９】
広い周波数範囲で動作する１つのアンテナを有することは極めて有用であり、多くの用途で重要である点に留意されたい。１つの実施形態では、本明細書で記載される広い同調範囲のアンテナは、複数の狭い帯域幅アンテナに置き換えるのに使用され、サイズ、重量、及びコストが効果的に削減される。１つの実施形態では、アンテナは、放射素子の上部に搭載されたＬＣ構成要素を使用して電気的に同調され、動作周波数は、同調範囲にわたって放射特性をほぼ一定に保ちながら変化する。
【００３０】
１つの実施形態では、アンテナの１つの実施形態は、受信用の１０．７〜１２．７５ＧＨｚ及び送信用の１３．７〜１４．７ＧＨｚをカバーする広い周波数範囲でアンテナを動作させるように独立して同調される３つの別個の素子セットを有する。このことは、独立して制御することができる受信用の２つの放射ビーム（例えば、２つの受信帯域）を有することを可能にする。
【００３１】
素子が並置されて独立して制御された状態でアンテナのパターンを制御するための異なる方法が存在する。図１に示されるアンテナアパーチャなどの１つの実施形態では、２つのＲｘ素子が独立して且つ同時に動作して、２つのビームを生成する。１つの実施形態では、帯域のうちの１つは、帯域干渉（相互結合）を低減し、場合によっては最小にする状態に駆動される。１つの実施形態では、２つの受信帯域が共に動作して、より高い利得を有する１つのビームを形成する。この場合、素子から漏出するエネルギーは、相乗的に相互作用して１つのビームを形成する。
【００３２】
アンテナ素子の配置が異なるものを含む、複数の代替の実施形態が存在する点に留意されたい。図４Ａから４Ｃは、素子（シフトされていない）の異なる配置構成を示す単位セルのレイアウトの実施形態を示しており、図４Ｄ及び４Ｅは、シフトされたＴｘ素子を有する第２の配置選択肢を使用した単位セルのレイアウトの実施形態を示している。すなわち、ＲＦ放射アンテナ素子に関する異なる配置選択肢が存在し、限定ではないが、以下を含む。
（１）選択肢１：図１及び４Ａに例示されているように、低帯域素子（Ｒｘ１）が、高帯域受信アンテナ素子（Ｒｘ２）と送信アンテナ素子（Ｔｘ）との間に存在する。
（２）選択肢２：図４Ｂに示されているように、送信素子（Ｔｘ）が、低帯域受信アンテナ素子（Ｒｘ１）と高帯域受信アンテナ素子（Ｒｘ２）との中央に存在する。
（３）選択肢３：図４Ｃに示されているように、高帯域受信素子（Ｒｘ２）が、送信アンテナ素子（Ｔｘ）と低帯域アンテナ素子（Ｒｘ１）との中央に存在する。
（４）シフトされた素子：図４Ａ〜４Ｃの上部の３つの配置選択肢におけるアンテナ素子の何れかの配置は、相互結合を制御するためにシフトすることができる。図４Ｄ及び４Ｅに示されているように、Ｔｘアンテナ素子は、中心から半径方向内側又は外側にシフトすることができる。
【００３３】
素子は、互いに対して等間隔に配置される必要がない点に留意されたい。素子間の相互結合がアンテナの性能を劣化（例えば、放射効率を低下）させない限り、素子は、互いに対して等間隔に配置される必要がない。１つの実施形態では、素子間の距離は、自由空間波長／１０であり、素子の幅は、自由空間波長／２０である。
【００３４】
図４Ｄ及び４Ｅを参照すると、Ｔｘアンテナ素子は、素子軸に沿ってそれぞれ０．０２５インチ上方にシフトし、０．０２５インチ下方にシフトしている。このオフセットは、帯域間干渉を低減するのに役立つ点に留意されたい。代替の実施形態では、オフセットは、０．０２５インチから０．０５インチの範囲である。他のサイズのオフセットが可能であり、使用できる点に留意されたい。
【００３５】
また、隣接グループ間の素子の向きにより、結合を低減するのに役立つ点に留意されたい。例えば、互いに隣接していて異なるグループ（例えば、３つの素子の異なるセット）にある素子であって、垂直又は類似の向きである素子は、互いに類似する向きを有する素子よりも結合が少ない。
【００３６】
１つの実施形態では、素子グループ（例えば、アンテナ素子グループ１１）内の素子のうちの少なくとも１つは、グループ内の他の素子に対して回転している。この場合、素子は互いに平行でない。図４Ｆは、１つの素子が他の２つのうちの少なくとも１つに対して回転した状態にある、３つの素子の配置の実施例を示す。回転した素子の一部分は、他の素子のうちの１又は２以上により近いので、これにより相互結合の可能性が高くなる。相互結合の増大を回避するために、回転素子の周波数は、回転素子の一部分が接近している任意の素子の周波数帯域からより離れた周波数帯域から選択することができる。例えば、１つの実施形態では、Ｔｘアンテナ素子は、２つのＲｘアンテナ素子（例えば、Ｒｘ１及びＲｘ２）の間にあるが、送信帯域用の動作周波数が受信帯域から遠く離れている（例えば、送信のために１３．７ＧＨｚ〜１４．７ＧＨｚの間、受信のために１０．７ＧＨｚ〜１２．７５ＧＨｚの間）ので、相互結合は、アンテナ効率の低下を引き起こすように増加するものではない。
【００３７】
スロットのサイズは、動作周波数に基づいて選択される点に留意されたい。従って、素子のサイズは、素子がビームを生成する帯域に基づいて変わることができる。しかしながら、サイズは、相互結合によって制限される。素子が大きいほど、相互結合の可能性が高くなることを意味する。従って、アンテナ素子のサイズは、他のアンテナ素子との相互結合に関する影響に基づいて選択される。
【００３８】
１つの実施形態では、アンテナ素子の異なるセットは、受信帯域及び送信帯域のうちの１つのためのアンテナ素子が衛星と通信し、他の受信帯域が別の衛星の収集に使用されるように制御される。このことは、限定ではないが、衛星との通信中にアンテナが移動しており（例えば、移動中の車両又は船舶に取り付けられており）、アンテナが通信しているアンテナとの衛星リンクが失われつつあり、近い将来別の衛星との衛星リンクがセットアップする必要がある場合を含む、複数の用途で生じる可能性がある。
【００３９】
独立し同時に制御することができるアンテナ素子の複数のセットを有すると、複数の追加の用途が提供される。用途の１つは、同調可能指向方向を有するマルチビームアンテナを生成できるようにすることである。このことは、衛星コンステレーションとの接続を維持できるように「メークビフォアブレーク（ｍａｋｅ−ｂｅｆｏｒｅ−ｂｒｅａｋ）」の概念が必要とされる、ＬＥＯ、ＭＥＯ、又はＧＥＯコンステレーションを含む衛星通信に大きな利点をもたらす。例えば、１つの実施形態では、マルチビームアンテナを用いると、ビームのうちの１つは、他の衛星接続が失われる前に、次の出現衛星を指向するように制御することができる。このようにして、受信帯域の継続を維持することができる。
【００４０】
図５Ａ〜５Ｃは、アンテナアパーチャを制御するためのプロセスの１つの実施形態のフロー図である。この場合、アンテナアパーチャは、受信アンテナ素子の２つのセットと、送信アンテナ素子の１つのセットとを有する。図５Ａを参照すると、アンテナが受信（Ｒｘ）単一帯域モードで動作している場合、アンテナアパーチャは、受信アンテナ素子の１つのセットを使用して単一受信ビームと、単一送信ビームとを生成する。このような場合、ビーム指向情報５０１は、受信ビームがどこを指向することになるかを指定する情報と、送信ビームがどこを指向することになるかを指定する情報とを含む。この情報は、受信アンテナ素子の第２のセットの変調がオフである間、受信アンテナ素子の第１のセットの受信変調及び送信アンテナ素子のセットの送信変調を制御する。Ｒｘ１変調５０２及びＴｘ変調５０３は、受信及び送信変調制御信号をそれぞれコントローラ５０５に提供し、このコントローラは、Ｒｘ１変調５０２及びＴｘ変調５０３を使用して、ビーム形成５０６を使用し受信ビーム及び送信ビームを形成する。
【００４１】
図５Ｂを参照すると、アンテナが受信（Ｒｘ）複合帯域モードで動作している場合に、アンテナアパーチャは、受信アンテナ素子の両方のセットを用いて単一の受信ビームと、単一の送信ビームを生成する。このような場合、ビーム指向情報５１１は、受信ビームがどこを指向するかを指定する情報と、送信ビームがどこを指向するかを指定する情報とを含む。この情報は、受信アンテナ素子の第１及び第２のセットの受信変調と、送信アンテナ素子のセットの送信変調とを制御する。Ｒｘ１変調５１２及びＲｘ２変調５１３は、受信変調制御信号をコントローラ５１５に提供し、Ｔｘ変調５０３は、送信変調制御信号をコントローラ５１５に提供する。コントローラ５１５は、Ｒｘ１変調５１２及びＲｘ２変調５１３を使用して受信ビームを形成し、Ｔｘ変調５１３を使用してビーム形成５１６を使用し送信ビームを形成する。
【００４２】
図５Ｃを参照すると、アンテナが受信（Ｒｘ）マルチビームモードで動作している場合、アンテナアパーチャは、受信アンテナ素子の両方のセットを使用して２つの受信ビームと、単一の送信ビームとを生成する。このような場合、ビーム指向情報５１１は、受信ビームがどこを指向するかを指定する情報と、送信ビームがどこを指向するかを指定する情報とを含む。この情報は、受信アンテナ素子の第１及び第２のセットの受信変調と、送信アンテナ素子のセットの送信変調とを制御する。Ｒｘ１変調５１２及びＲｘ２変調５１３は、受信変調制御信号をコントローラ５１５に提供し、Ｔｘ変調５０３は、送信変調制御信号をコントローラ５１５に提供する。コントローラ５１５は、Ｒｘ１変調５１２及びＲｘ２変調５１３を使用して、異なる方向を指向する２つの受信ビームを形成し、Ｔｘ変調５１３を使用してビーム形成５１６を使用する送信ビームを形成する。
【００４３】
１つの実施形態では、ユークリッド変調方式は、「Ｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ  Ｅｕｃｌｉｄｅａｎ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（制限付きユークリッド変調）」という名称で２０１８年１月２６日に出願された米国特許出願第１５／８８１，４４０号明細書に記載されているような、ＲＦ放射アンテナ素子を制御するのに使用される。このようなスケジュールでは、ホログラフィックビームフォーミングの一部としてビームを生成する（これは周知であり、以下でより詳細に説明する）ために、素子のセットごとに選択してその動作を制御することができる複数の利用可能な共振同調状態が存在する。例えば、１つの実施形態では、ＲＦ放射アンテナ素子の各セットは、これらの状態に関して個々に制御される１６個の同調状態を有する。
【００４４】
１つの実施形態では、各セットは別々に制御されて、１つのモードでその固有のビームを形成することができるが、図５Ｂで説明されるように、ＲＦ放射アンテナ素子のセットのうちの２又は３以上が共に使用されて、別のモードで単一ビームを形成する。１つの実施形態では、ＲＦ放射アンテナ素子の２又は３以上のセットは、単一の受信ビームを形成するように共に使用される受信アンテナ素子の２つのセットである。送信アンテナ素子の２つのセットを共に使用して、単一の送信ビームを形成できる点に留意されたい。この場合、アンテナ素子の２つのセットが、単一ビームを生成するのに使用され、素子の２つのセットからの利用可能な共振同調状態が、１つの包括的なユークリッド変調方式に共に組み合わされて、単一ビームを形成する。例えば、図５Ａから５Ｃの受信アンテナ素子Ｒｘ１及びＲｘ２を動作させる場合、これらのアンテナ素子の両方が異なる共振器設定値を有し、これらのアンテナ素子がそれぞれの独立した状態の各々に同調されるという点において、これらのアンテナ素子が当該観点から独立したものとなる。両方が１６個の同調状態を有する場合、２つの受信アンテナ素子セットの両方が共に使用される場合、これらの受信アンテナ素子セットは、３２個の同調状態を達成する。このようにすると、形成される単一の受信ビームをより忠実に定義することができる。１つの実施形態では、別のモードにおいて、図５Ａ〜５Ｃにおける全ての素子セットは、３つのビームが、異なる方向及び／又は偏波で全てがステアリングされてアンテナから出るように動作することができる。
【００４５】
アンテナ実施形態の実施例
上述の技法は、平面アンテナと共に使用することができる。このような平面アンテナの実施形態が開示される。平面アンテナは、アンテナアパーチャ上にアンテナ素子の１又は２以上のアレイを含む。１つの実施形態において、アンテナ素子は液晶セルを備える。１つの実施形態において、平面アンテナは、マトリクス駆動回路を含む円筒状給電アンテナであり、行及び列状に配置されていないアンテナ素子の各々を一意的にアドレス指定して駆動する。１つの実施形態において、アンテナ素子はリング状に配置される。
【００４６】
１つの実施形態において、アンテナ素子の１又は２以上のアレイを有するアンテナアパーチャは、共に結合された複数のセグメントから構成される。セグメントの組み合わせは、共に結合されたときに、アンテナ素子の閉じた同心リングを形成する。１つの実施形態において、同心リングは、アンテナ給電部に対して同心である。
【００４７】
アンテナシステムの実施例
１つの実施形態において、平面アンテナは、メタマテリアルアンテナシステムの一部である。通信衛星地上局用のメタマテリアルアンテナシステムの実施形態について説明する。１つの実施形態において、アンテナシステムは、民間商用衛星通信用のＫａ帯域周波数又はＫｕ帯域周波数の何れかを使用して動作する移動体プラットフォーム（例えば、航空、海上、陸上、その他）上で動作する衛星地上局（ＥＳ）の構成要素又はサブシステムである。アンテナシステムの実施形態はまた、移動体プラットフォーム上ではない地上局（例えば、固定地上局又は可搬型の地上局）で用いることもできる点に留意されたい。
【００４８】
１つの実施形態において、アンテナシステムは、表面散乱メタマテリアル技術を使用して、別個のアンテナを介して送受信ビームを形成してステアリングする。１つの実施形態において、アンテナシステムは、デジタル信号処理を利用してビームを電気的に形成及びステアリングするアンテナシステム（フェーズドアレイアンテナなど）とは対照的に、アナログシステムである。
【００４９】
１つの実施形態において、アンテナシステムは、以下の３つの機能的サブシステム、すなわち、（１）円筒波給電アーキテクチャからなる導波構造、（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、及び（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）の形成を命令する制御構造から構成される。
【００５０】
アンテナ素子
図６は、円筒状給電ホログラフィックラジアルアパーチャアンテナの１つの実施形態の概略図を示している。図６を参照すると、アンテナアパーチャは、円筒状給電アンテナの入力給電部６０２の周りに同心リング状に配置されたアンテナ素子６０３の１又は２以上のアレイ６０１を有する。１つの実施形態において、アンテナ素子６０３は、ＲＦエネルギーを放射する無線周波数（ＲＦ）共振器である。１つの実施形態において、アンテナ素子６０３は、アンテナアパーチャの表面全体上に交互配置されて分散されるＲｘアイリス（ｉｒｉｓ）及びＴｘアイリスの両方を備える。このようなＲｘアイリス及びＴｘアイリス、又はスロットは、各セットが別々に且つ同時に制御される帯域のものである３又は４以上のセットからなるグループ内に存在することができる。このようなアイリスを有するアンテナ素子の実施例について、以下で更に詳細に説明する。本明細書で記載されるＲＦ共振器は、円筒状給電部を含まないアンテナで使用できる点に留意されたい。
【００５１】
１つの実施形態において、アンテナは、入力給電部６０２を介して円筒波給電を供給するのに使用される同軸給電部を含む。１つの実施形態において、円筒波給電アーキテクチャは、給電点から円筒状に外向きに広がる励起を中心点からアンテナに供給する。すなわち、円筒状給電アンテナは、外向きに進む同心状給電波を生成する。それでも、円筒状給電部の周りの円筒状給電アンテナの形状は、円形、正方形、又は何らかの形状とすることができる。別の実施形態では、円筒状給電アンテナは、内向きに進む給電波を生成する。このような場合には、給電波が、最も自然に円形構造から生じる。
【００５２】
１つの実施形態において、アンテナ素子６０３は、アイリスを備え、図６のアパーチャアンテナは、同調可能液晶（ＬＣ）材料を通じてアイリスを放射する円筒状給電波からの励起を使用することによって成形される主ビームを生成するのに使用される。１つの実施形態において、アンテナは、所望の走査角度で水平又は垂直方向に偏極した電界を放射するように励起することができる。
【００５３】
１つの実施形態において、アンテナ素子は、パッチアンテナのグループを備える。このパッチアンテナのグループは、散乱メタマテリアル素子のアレイを備える。１つの実施形態において、アンテナシステムにおける各散乱素子は、下部導体、誘電体基板、及び上部導体からなる単位セルの一部であり、上部導体は、この上部導体にエッチング又は堆積された相補的電気誘導型容量性共振器（「相補型電気ＬＣ」又は「ＣＥＬＣ」）を組み込んでいる。当業者には理解されるように、液晶とは対照的に、ＣＥＬＣの関連でのＬＣは、インダクタンス・キャパシタンスを指す。
【００５４】
１つの実施形態において、液晶（ＬＣ）は、散乱素子の周りのギャップに配置される。このＬＣは、上述の直接駆動型の実施形態によって駆動される。１つの実施形態において、液晶は、各単位セル内に封入されて、スロットに関連する下部導体をスロットのパッチに関連する上部導体から分離する。液晶は、この液晶を構成する分子の配向の関数である誘電率を有し、分子の配向（及びひいては誘電率）は、液晶の両端間のバイアス電圧を調節することによって制御することができる。１つの実施形態において、液晶は、この特性を使用して、誘導波からＣＥＬＣへのエネルギー伝達のためにオン／オフスイッチを組み込む。スイッチオンになると、ＣＥＬＣは、電気的に小さなダイポールアンテナのように電磁波を放射する。本明細書における教示は、エネルギー伝達に関して２値的に動作する液晶を有することに限定されるものではない点に留意されたい。
【００５５】
１つの実施形態において、このアンテナシステムの給電幾何形状は、アンテナ素子を波動給電の波動ベクトルに対して４５度（４５°）の角度で位置決めすることを可能にする。他の位置（例えば、４０°の角度）を使用できる点に留意されたい。素子のこの位置により、素子によって受信されるか又は素子から送信／放射される自由空間波の制御が可能となる。１つの実施形態において、アンテナ素子は、アンテナの動作周波数の自由空間波長よりも短い素子間隔で配列される。例えば、１波長につき４つの散乱素子が存在する場合には、３０ＧＨｚの送信アンテナにおける素子は、約２．５ｍｍ（すなわち、３０ＧＨｚの１０ｍｍ自由空間波長の４分の１）となる。
【００５６】
１つの実施形態において、素子の２つのセットは、互いに垂直であり、同じ同調状態に制御された場合に等しい振幅の励起を同時に有する。給電波の励起に対してこれらを±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。一方のセットを０度回転させ、他方を９０度回転させることによって垂直目標は達成されるが、等振幅励起の目標は達成されない。０度及び９０度を使用して、単一構造のアンテナ素子アレイを２つの側から給電する場合に、分離を達成できる点に留意されたい。
【００５７】
各単位セルからの放射パワーの量は、コントローラを使用してパッチに電圧（ＬＣチャネルの両端の電位）を印加することによって制御される。各パッチに対するトレースは、パッチアンテナに電圧を供給するのに使用される。この電圧は、キャパシタンス及びひいては個々の素子の共振周波数を同調又は離調させて、ビーム形成を達成するのに使用される。必要とされる電圧は、使用される液晶混合物に依存する。液晶混合物の電圧同調特性は、液晶が電圧の影響を受け始める閾値電圧と、それを超える電圧の増加が液晶での大きな同調が生じなくなる飽和電圧とによって、主として説明される。これらの２つの特性パラメータは、異なる液晶混合物に対して変化することができる。
【００５８】
１つの実施形態において、上記で検討したように、マトリクス駆動を使用してパッチに電圧を印加して、各セルに対して別個の接続を有することなく他の全てのセルとは別個に駆動されるようになる（直接駆動）。素子が高密度であるので、マトリクス駆動は、各セルを個々にアドレス指定するのに効率的な方法である。
【００５９】
１つの実施形態において、アンテナシステム用の制御構造は、２つの主要な構成要素を有し、すなわち、アンテナシステム用のアンテナアレイコントローラ（駆動電子機器を含む）は、波動散乱構造（本明細書で記載されるものなどの表面散乱アンテナ素子）の下方にあり、マトリクス駆動スイッチングアレイは、放射を妨害しないように放射ＲＦアレイ全体にわたって散在している。１つの実施形態において、アンテナシステム用の駆動電子機器は、各散乱素子へのＡＣバイアス信号の振幅又はデューティサイクルを調節することによって、各散乱素子に対するバイアス電圧を調節する市販のテレビジョン装置で使用される商用の既製ＬＣＤ制御装置を備える。
【００６０】
１つの実施形態において、アンテナアレイコントローラはまた、ソフトウェアを実行するマイクロプロセッサを包含する。制御構造はまた、プロセッサに位置及び方位情報を提供するセンサ（例えば、ＧＰＳ受信機、３軸コンパス、３軸加速度計、３軸ジャイロ、３軸磁力計など）を組み込むことができる。位置及び方位情報は、地上局内の他のシステムによってプロセッサに提供することができ、及び／又はアンテナシステムの一部でないものとすることができる。
【００６１】
より具体的には、アンテナアレイコントローラは、動作周波数にてどの素子がオフにされてどの素子がオンにされるか、及びどの位相及び振幅レベルにするかを制御する。素子は、電圧印加によって周波数動作に対して選択的に離調される。
【００６２】
送信について、コントローラは、ＲＦパッチに一連の電圧信号を供給して、変調パターン又は制御パターンを生成する。制御パターンは、素子を異なる状態にする。１つの実施形態において、多状態制御が使用され、ここでは、矩形波（すなわち、正弦波グレイシェード変調パターン）ではなく、様々な素子が様々なレベルにオン及びオフにされ、更に正弦波制御パターンに近似される。１つの実施形態において、一部の素子が放射し、一部の素子が放射しないのではなく、一部の素子が他の素子よりも強く放射する。可変放射は、液晶誘電率が様々な量に調節する特定の電圧レベルを印加することによって達成され、これにより、素子を可変的に離調させて一部の素子を他の素子よりも多く放射させるようにする。
【００６３】
メタマテリアル素子アレイによる集束ビームの生成は、増加的干渉及び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、自由空間で遭遇するときに同じ位相を有する場合に加え合わされ（増加的干渉）、自由空間で遭遇するときに逆位相である場合に互いに打ち消し合う（相殺的干渉）。各連続するスロットが誘導波の励起点から異なる距離に位置決めされるように、スロット付きアンテナ内のスロットが位置決めされた場合に、その素子からの散乱波は、前のスロットの散乱波と異なる位相を有することになる。スロットが、誘導波長の４分の１離間して配置されている場合には、各スロットは、前のスロットから４分の１の位相遅延で波を散乱させることになる。
【００６４】
このアレイを使用すると、生成できる増加的干渉及び相殺的干渉のパターン数を増加させることができるので、理論的には、ビームは、ホログラフィの原理を使用して、アンテナアレイのボアサイト（ｂｏｒｅ  ｓｉｇｈｔ）からプラスマイナス９０度（９０°）のあらゆる方向に指向することができる。従って、どのメタマテリアル単位セルがオンにされ又はオフにされるかを制御することにより（すなわち、どのセルがオンにされてどのセルがオフにされるかについてのパターンを変更することにより）、増加的干渉及び相殺的干渉の異なるパターンを生成でき、アンテナは、主ビームの方向を変えることができる。単位セルをオン及びオフにするのに必要な時間は、１つの位置から別の位置にビームを切り換えることができる速度を決定付ける。
【００６５】
１つの実施形態において、アンテナシステムは、アップリンクアンテナ用の１つのステアリング可能ビームと、ダウンリンクアンテナ用の１つのステアリング可能ビームとを生成する。１つの実施形態において、アンテナシステムは、メタマテリアル技術を使用してビームを受信し、衛星からの信号を復号し、及び衛星に向けられる送信ビームを形成する。１つの実施形態において、アンテナシステムは、デジタル信号処理を使用して、ビームを電気的に形成しステアリングするアンテナシステム（フェーズドアレイアンテナなど）とは対照的に、アナログシステムである。１つの実施形態において、アンテナシステムは、特に従来型の衛星ディッシュ受信機と比較した場合に、平面的で比較的薄型である「面」アンテナとみなされる。
【００６６】
図７は、グランドプレーン及び再構成可能な共振器層を含む１列のアンテナ素子の斜視図を示している。再構成可能共振器層１２３０は、同調可能スロット１２１０のアレイを含む。同調可能スロット１２１０のアレイは、アンテナを所望の方向に指向するように構成することができる。同調可能スロットの各々は、液晶の両端間の電圧を変化させることによって同調／調節することができる。
【００６７】
制御モジュール又はコントローラ１２８０は、再構成可能共振器層１２３０に結合されて、図８Ａにおいて液晶の両端間の電圧を変化させることにより同調可能スロット１２１０のアレイを変調する。制御モジュール１２８０は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（「ＦＰＧＡ」）、マイクロプロセッサ、コントローラ、システム・オン・チップ（ＳｏＣ）、又は他の処理論理回路を含むことができる。１つの実施形態において、制御モジュール１２８０は、同調可能スロット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。１つの実施形態において、制御モジュール１２８０は、同調可能スロット１２１０のアレイ上に駆動されるホログラフィック回折パターンに関する仕様を含むデータを受信する。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的関係に応じて生成され、この回折パターンがダウンリンクビーム（及びアンテナシステムが送信を実行する場合には、アップリンクビーム）を通信に適した方向にステアリングすることができる。各図には描かれていないが、制御モジュール１２８０に類似する制御モジュールは、本開示の図に記載される同調可能スロットの各アレイを駆動することができる。
【００６８】
更に、無線周波数（「ＲＦ」）ホログラフィもまた、ＲＦ基準ビームがＲＦホログラフィック回折パターンに遭遇したときに、所望のＲＦビームを生成できる類似の技術を使用して実施可能である。衛星通信の場合には、基準ビームは、給電波１２０５（幾つかの実施形態では、約２０ＧＨｚ）などの給電波の形態である。給電波を放射ビームに変換するために（送信目的又は受信目的の何れかで）、所望のＲＦビーム（目標ビーム）と給電波（基準ビーム）との間での干渉パターンが計算される。干渉パターンは、給電波が所望のＲＦビーム（所望の形状及び方向を有する）に「ステアリング（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）」されるように、同調可能スロット１２１０のアレイ上に回折パターンとして駆動される。言い換えると、ホログラフィック回折パターンに遭遇した給電波は、通信システムの設計要件に従って形成される目標ビームを「再構成」する。ホログラフィック回折パターンは、各素子の励起を包含し、導波路における波動方程式としてのｗinと外向き波に関する波動方程式としてのｗoutとを用いて、ｗhologram＝ｗin*ｗoutによって計算される。
【００６９】
図８Ａは、同調可能共振器／スロット１２１０の１つの実施形態を示している。同調可能スロット１２１０は、アイリス／スロット１２１２と、放射パッチ１２１１と、アイリス１２１２とパッチ１２１１との間に配置された液晶１２１３とを含む。１つの実施形態において、放射パッチ１２１１は、アイリス１２１２と同じ場所に配置される。
【００７０】
図８Ｂは、物理的アンテナアパーチャの１つの実施形態の断面図を示している。アンテナアパーチャは、グランドプレーン１２４５と、再構成可能共振器層１２３０に含まれるアイリス層１２３３内の金属層１２３６とを含む。１つの実施形態において、図８Ｂのアンテナアパーチャは、図８Ａの複数の同調可能共振器／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定められる。図８Ａの給電波１２０５などの給電波は、衛星通信チャネルと適合性のあるマイクロ波周波数を有することができる。給電波は、グランドプレーン１２４５と共振器層１２３０との間を伝播する。
【００７１】
再構成可能共振器層１２３０はまた、ガスケット層１２３２及びパッチ層１２３１を含む。ガスケット層１２３２は、パッチ層１２３１とアイリス層１２３３との間に配置される。１つの実施形態において、スペーサは、ガスケット層１２３２に置き換えることができる点に留意されたい。１つの実施形態において、アイリス層１２３３は、金属層１２３６として銅層を含むプリント回路基板（ＰＣＢ）である。１つの実施形態において、アイリス層１２３３はガラスである。アイリス層１２３３は、他のタイプの基板であってもよい。
【００７２】
開口部は、銅層においてエッチングされて、スロット１２１２を形成することができる。１つの実施形態において、アイリス層１２３３は、導電性接合層によって図８Ｂの別の構造（例えば、導波路）に導電的に結合される。１つの実施形態において、アイリス層は、導電性接合層によって導電的に結合されるのではなく、代わりに非導電性接合層と相互接合される点に留意されたい。
【００７３】
パッチ層１２３１はまた、放射パッチ１２１１として金属を含むＰＣＢとすることができる。１つの実施形態において、ガスケット層１２３２は、金属層１２３６とパッチ１２１１との間の寸法を定める機械的離隔部（スタンドオフ）を提供するスペーサ１２３９を含む。１つの実施形態において、スペーサは７５ミクロンであるが、他のサイズ（例えば、３ｍｍから２００ｍｍ）を使用することができる。上述のように、１つの実施形態において、図８Ｂのアンテナアパーチャは、図８Ａのパッチ１２１１、液晶１２１３、及びアイリス１２１２を含む、同調可能共振器／スロット１２１０などの複数の同調可能共振器／スロットを備える。液晶１２１３用のチャンバ（ｃｈａｍｂｅｒ）は、スペーサ１２３９、アイリス層１２３３、及び金属層１２３６によって定められる。チャンバが液晶で充填された場合に、パッチ層１２３１は、スペーサ１２３９上に積層されて、共振器層１２３０内に液晶をシールすることができる。
【００７４】
パッチ層１２３１とアイリス層１２３３との間の電圧は、パッチとスロット（例えば、同調可能共振器／スロット１２１０）と間のギャップ内の液晶を同調させるように変調することができる。液晶１２１３の両端間の電圧を調節することにより、スロット（例えば、同調可能共振器／スロット１２１０）のキャパシタンスが変化する。従って、スロット（例えば、同調可能共振器／スロット１２１０）のリアクタンスは、このキャパシタンスを変化させることにより変えることができる。スロット１２１０の共振周波数はまた、次式：
【数１】
2021511726.tif 000003
に従って変化し、ここで、ｆはスロット１２１０の共振周波数であり、Ｌ及びＣは、それぞれ、スロット１２１０のインダクタンス及びキャパシタンスである。スロット１２１０の共振周波数は、導波路を伝播する給電波１２０５から放射されるエネルギーに影響を与える。一例として、給電波１２０５が２０ＧＨｚである場合には、スロット１２１０の共振周波数は、１７ＧＨｚに調節されて（キャパシタンスを変化させることにより）、スロット１２１０が、給電波１２０５からのエネルギーを実質的に結合しないようにすることができる。或いは、スロット１２１０の共振周波数は、２０ＧＨｚに調節されて、スロット１２１０が給電波１２０５からのエネルギーを結合してこのエネルギーを自由空間に放射するようにすることができる。所与の実施例は、２値的（完全に放射するか又は全く放射しない）であるが、スロット１２１０のリアクタンス及びひいてはこのスロットの共振周波数の完全グレイスケール制御は、多値範囲にわたる電圧変化を用いて実施可能である。従って、各スロット１２１０から放射されるエネルギーが精密に制御して、同調可能スロットのアレイによって精緻なホログラフィック回折パターンを形成できるようになる。
【００７５】
１つの実施形態において、一列に並んだ同調可能スロットは、互いからλ／５だけ離間して配置される。他の間隔を使用することもできる。１つの実施形態において、一列に並んだ各同調可能スロットは、隣接する列内の最も近い同調可能スロットからλ／２だけ離間して配置され、従って、異なる列にあって向きが共通の同調可能スロットは、λ／４だけ離間して配置されるが、他の間隔（例えば、λ／５、λ／６．３）も可能である。別の実施形態では、一列に並んだ各同調可能スロットは、隣接する列内の最も近い同調可能スロットからλ／３だけ離間して配置される。
【００７６】
本発明の実施形態は、２０１４年１１月２１日に出願された「Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｆｒｏｍ  ａ  Ｓｔｅｅｒａｂｌｅ  Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｌｙ  Ｆｅｄ  Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  Ａｎｔｅｎｎａ（ステアリング可能な円筒給電式ホログラフィックアンテナからの動的偏波及び結合制御）」という名称の米国特許出願第１４／５５０，１７８号明細書、及び２０１５年１月３０日に出願された「Ｒｉｄｇｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｆｅｅｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  Ａｎｔｅｎｎａ（再構成可能アンテナのためのリッジ型導波路給電構造）」という名称の米国特許出願第１４／６１０，５０２号明細書に記載されているものなどの再構成可能なメタマテリアル技術を使用する。
【００７７】
図９Ａから９Ｄは、スロット付きアレイを形成する様々な層の１つの実施形態を示している。アンテナアレイは、図１Ａに示されている例示的なリングのようなリング状に位置決めされたアンテナ素子を含む。この実施例において、アンテナアレイは、２つの異なるタイプの周波数帯域に使用される２つの異なるタイプのアンテナ素子を有する点に留意されたい。
【００７８】
図９Ａは、スロットに対応する位置を有する第１のアイリス基板層の一部分を示している。図９Ａを参照すると、円は、アイリス基板の底部側におけるメタライゼーション内の開放エリア／スロットであり、給電部（給電波）への素子の結合を制御するためのものである。この層は、任意選択の層であり、全ての設計で使用されるとは限らない点に留意されたい。図９Ｂは、スロットを包含する第２のアイリス基板層の一部分を示している。図９Ｃは、第２のアイリス基板層の一部分を覆うパッチを示している。図９Ｄは、スロット付きアレイの一部分の上面図を示している。
【００７９】
図１０は、円筒状給電アンテナ構造の１つの実施形態の側面図を示している。このアンテナは、二重層給電構造（すなわち、２つの給電構造層）を使用して内向き進行波を生成する。１つの実施形態において、アンテナは、円形の外形を含むが、このことは必須ではない。すなわち、非円形の内向き進行構造を使用することができる。１つの実施形態において、図１０におけるアンテナ構造は、２０１４年１１月２１に出願された「Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｆｒｏｍ  ａ  Ｓｔｅｅｒａｂｌｅ  Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｌｙ  Ｆｅｄ  Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  Ａｎｔｅｎｎａ（ステアリング可能円筒給電式ホログラフィックアンテナからの動的偏波及び結合制御）」という名称の米国特許公開第２０１５／０２３６４１２号に記載されたような同軸給電部を含む。
【００８０】
図１０を参照すると、同軸ピン１６０１は、アンテナの下側レベルで場を励起するのに使用される。１つの実施形態において、同軸ピン１６０１は、容易に入手できる５０Ω同軸ピンである。同軸ピン１６０１は、導電性グランドプレーン１６０２であるアンテナ構造の底部に結合（例えば、ボルト締め）される。
【００８１】
内部導体である侵入型導体１６０３は、導電性グランドプレーン１６０２から切り離される。１つの実施形態において、導電性グランドプレーン１６０２及び侵入型導体１６０３は、互いに平行である。１つの実施形態において、グランドプレーン１６０２と侵入型導体１６０３との間の距離は、０．１インチ〜０．１５インチである。別の実施形態では、この距離は、λ／２とすることができ、ここで、λは、動作周波数での進行波の波長である。
【００８２】
グランドプレーン１６０２は、スペーサ１６０４を介して侵入型導体１６０３から切り離される。１つの実施形態において、スペーサ１６０４は、発泡体又は空気状スペーサである。１つの実施形態において、スペーサ１６０４は、プラスチックスペーサを含む。
【００８３】
誘電体層１６０５が、侵入型導体１６０３の上部に存在する。１つの実施形態において、誘電体層１６０５はプラスチックである。誘電体層１６０５の目的は、自由空間速度に対して進行波を減速させることである。１つの実施形態において、誘電体層１６０５は、自由空間に対して３０％だけ進行波を減速させる。１つの実施形態において、ビーム形成に適した屈折率の範囲は、１．２〜１．８であり、ここで、自由空間は、定義により１に等しい屈折率を有する。この効果を達成するのに、例えばプラスチックなどの他の誘電体スペーサ材料を使用することができる。プラスチック以外の材料は、これらの材料が所望の波減速効果を達成する限り使用できる点に留意されたい。代替的に、例えば機械加工又はリソグラフィによって定めることができる周期的サブ波長金属構造などの分散構造を有する材料は、誘電体層１６０５として使用することができる。
【００８４】
ＲＦアレイ１６０６は、誘電体１６０５の上部に存在する。１つの実施形態において、侵入型導体１６０３とＲＦアレイ１６０６との間の距離は、０．１インチ〜０．１５インチである。別の実施形態では、この距離は、λeff／２とすることができ、ここで、λeffは、設計周波数での媒体中の有効波長である。
【００８５】
アンテナは、側部１６０７及び１６０８を含む。側部１６０７及び１６０８は、同軸ピン１６０１から供給される進行波を反射によって侵入型導体１６０３の下方の領域（スペーサ層）から侵入型導体１６０３の上方の領域（誘電体層）に伝播させるように角度が付けられる。１つの実施形態において、側部１６０７及び１６０８の角度は、４５度の角度にある。代替の実施形態では、側部１６０７及び１６０８は、反射を達成するための連続した半径に置き換えることができる。図１０は、４５度の角度を有した角度付き側部を示しているが、下層給電部から上層給電部への信号伝送を達成する他の角度を使用することができる。すなわち、下側給電部内の有効波長が、上側給電部内のものと一般に異なることを考慮すると、理想的な４５度の角度からの何らかの偏差を使用して、下側給電レベルから上側給電レベルへの伝送を助けることができる。例えば、別の実施形態では、４５度の角度は、単一の段部に置き換えられる。アンテナの一端上の段部は、誘電体層、侵入型導体、及びスペーサ層の周りに延びる。同様の２つの段部が、これらの層の他端部に存在する。
【００８６】
動作中、給電波が、同軸ピン１６０１から供給される場合には、この給電波は、グランドプレーン１６０２と侵入型導体１６０３との間の領域で同軸ピン１６０１から同心状外向きに進む。同心状外向き波は、側部１６０７及び１６０８により反射されて、侵入型導体１６０３とＲＦアレイ１６０６との間の領域で内向きに進む。円形外周の縁部からの反射は、この波を同相に留まらせる（すなわち、この反射は、同相反射である）。進行波は、誘電体層１６０５によって減速する。この時点で、進行波は、ＲＦアレイ１６０６内の素子との相互作用及び励振を開始して、所望の散乱が得られる。
【００８７】
進行波を終了させるため、終端部１６０９が、アンテナの幾何学的中心でアンテナに含まれる。１つの実施形態において、終端部１６０９は、ピン終端（例えば、５０Ωピン）を備える。別の実施形態では、終端部１６０９は、未使用エネルギーを終端させて、この未使用エネルギーがアンテナの給電構造を通って反射して戻ることを阻止するＲＦ吸収体を備える。この終端部は、ＲＦアレイ１６０６の上部で使用することができる。
【００８８】
図１１は、アンテナシステムの別の実施形態を外向き波と共に示している。図１１を参照すると、２つのグランドプレーン１６１０及び１６１１は、これらのグランドプレーンの間にある誘電体層１６１２（例えば、プラスチック層など）と互いに実質的に平行である。ＲＦ吸収体１６１９（例えば、抵抗器）は、２つのグランドプレーン１６１０及び１６１１を共に結合する。同軸ピン１６１５（例えば、５０Ω）は、アンテナに給電する。ＲＦアレイ１６１６は、誘電体層１６１２及びグランドプレーン１６１０の上部に存在する。
【００８９】
動作中、給電波は、同軸ピン１６１５を介して給電され、同心円状外向きに進んでＲＦアレイ１６１６の素子と相互作用する。
【００９０】
図１０及び１１の両方のアンテナにおける円筒状給電部は、アンテナのサービス角度を改善する。１つの実施形態において、プラスマイナス４５度の方位角（±４５°Ａｚ）及びプラスマイナス２５度の仰角（±２５°Ｅｌ）からなるサービス角度の代わりに、アンテナシステムは、全方向でボアサイトから７５度（７５°）のサービス角度を有する。多数の個々の放射体から構成された何らかのビーム形成アンテナと同様に、全体のアンテナ利得は、それ自体が角度に依存するものである構成素子の利得に依存する。一般的な放射素子が使用される場合には、全体のアンテナ利得は、典型的には、ビームがボアサイトから離れて指向されるにつれて減少する。ボアサイトから７５度外れたところでは、約６ｄＢの有意な利得低下が予期される。
【００９１】
円筒状給電部を有するアンテナの実施形態は、１又は２以上の問題を解決する。これらは、統合分割器ネットワークを用いて給電されるアンテナと比較して給電構造を飛躍的に簡素化し、従って、全体として必要なアンテナ及びアンテナ給電量を低減すること、より粗い制御（単純なバイナリ制御にまで拡張すること）で高ビーム性能を維持することによって製造及び制御誤差に対する感度を低下させること、円筒状配向給電波が遠距離場において空間的に多様なサイドローブをもたらすので、直線的給電部と比較してより有利なサイドローブパターンを与えること、及び偏波器を必要とせずに、左旋円偏波、右旋円偏波及び直線偏波を可能にすることを含めて偏波が動的であることを可能にすること、を含む。
【００９２】
波動散乱素子のアレイ
図１０のＲＦアレイ１６０６及び図１１のＲＦアレイ１６１６は、放射体として機能するパッチアンテナ（すなわち、散乱体）のグループを含む波動散乱サブシステムを備える。このパッチアンテナグループは、散乱メタマテリアル素子のアレイを備える。
【００９３】
１つの実施形態において、アンテナシステムにおける各散乱素子は、下部導体と、誘電体基板と、相補的電気誘導型容量性共振器（「相補型電気ＬＣ」又は「ＣＥＬＣ」）を組み込んだ上部導体とからなる単位セルの一部であり、相補的電気誘導型容量性共振器は、上部導体にエッチング又は堆積される。
【００９４】
１つの実施形態において、液晶（ＬＣ）が、散乱素子の周りのギャップに注入される。液晶は、各単位セル内に封入され、スロットに関連する下部導体をそのパッチに関連する上部導体から分離する。液晶は、この液晶を構成する分子の配向の関数である誘電率を有し、分子の配向（及びひいては誘電率）は、液晶の両端間のバイアス電圧を調節することによって制御することができる。この特性を利用して、液晶は、誘導波からＣＥＬＣへのエネルギー伝達のためのオン／オフスイッチとして作用する。スイッチオンになると、ＣＥＬＣは、電気的に小さいダイポールアンテナのような電磁波を放射する。
【００９５】
ＬＣの厚みを制御することによって、ビームスイッチング速度が増大する。下部導体と上部導体との間のギャップ（液晶の厚み）が５０パーセント（５０％）減少すると、速度が４倍に増大する。別の実施形態では、液晶の厚みは、約１４ミリ秒（１４ｍｓ）のビームスイッチング速度をもたらす。１つの実施形態において、ＬＣは、応答性を高める当技術分野において周知の方法でドープされ、７ミリ秒（７ｍｓ）の要件を満すことができるようになる。
【００９６】
ＣＥＬＣ素子は、ＣＥＬＣ素子の平面に平行で且つＣＥＬＣギャップ補完物に垂直に印加される磁場に応答する。電圧が、メタマテリアル散乱単位セルにおいて液晶に印加されると、誘導波の磁場成分がＣＥＬＣの磁気励起を誘導し、その結果、誘導波と同じ周波数の電磁波が生成される。
【００９７】
単一のＣＥＬＣによって生成される電磁波の位相は、誘導波ベクトル上のＣＥＬＣの位置によって選択することができる。各セルは、ＣＥＬＣと平行な誘導波と同相の波を生成する。ＣＥＬＣは、波長よりも小さいので、出力波は、誘導波がＣＥＬＣの下を通過するときのこの誘導波の位相と同じ位相を有する。
【００９８】
１つの実施形態において、このアンテナシステムの円筒状給電幾何形状は、ＣＥＬＣ素子を波動給電の波動ベクトルに対して４５度（４５°）の角度で位置決め可能になる。この素子位置により、素子から生成され又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。１つの実施形態において、ＣＥＬＣは、アンテナの動作周波数の自由空間波長よりも短い素子間隔で配列される。例えば、１波長当たりに４つの散乱素子が存在する場合、３０ＧＨｚの送信アンテナ内の素子は、約２．５ｍｍ（すなわち、３０ＧＨｚの１０ｍｍ自由空間波長の４分の１）となるであろう。
【００９９】
１つの実施形態において、ＣＥＬＣは、スロットの上方に並置されたパッチを含み、両者の間に液晶を有するパッチアンテナで実施される。この点において、メタマテリアルアンテナは、スロット付き（散乱）導波路のように作用する。スロット付き導波路に関して、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。
【０１００】
セル配置
１つの実施形態において、アンテナ素子は、系統的マトリクス駆動回路が可能にするように、円筒状給電アンテナアパーチャ上に配置される。セルの配置は、マトリクス駆動のためのトランジスタの配置を含む。図１２は、アンテナ素子に対するマトリクス駆動回路の配置の１つの実施形態を示している。図１２を参照すると、行コントローラ１７０１は、行選択信号Ｒｏｗ１（行１）及びＲｏｗ２（行２）それぞれを介してトランジスタ１７１１及び１７１２に結合され、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及び１７１２に結合される。また、トランジスタ１７１１は、パッチへの接続１７３１を介してアンテナ素子１７２１に結合され、トランジスタ１７１２は、パッチへの接続１７３２を介してアンテナ素子１７２２に結合される。
【０１０１】
単位セルが非正規グリッド内に配置されて円筒状給電アンテナ上でマトリクス駆動回路を実現する最初の手法では、２つのステップが実行される。第１のステップにおいて、セルが同心リング上に配置され、セルの各々は、セルの傍らに配置されたトランジスタに接続され、このトランジスタが、各セルを別々に駆動するスイッチとして機能する。第２のステップにおいて、マトリクス駆動回路は、このマトリクス駆動手法が必要とするときにあらゆるトランジスタを一意のアドレスで接続するように構築される。マトリクス駆動回路は、行と列のトレースによって構築される（ＬＣＤと同様）が、セルは、リング上に配置されるので、各トランジスタに一意のアドレスを割り当てる系統的方法は存在しない。このマッピング問題は、全てのトランジスタをカバーするために極めて複雑な回路を生じさせ、経路設定を行う物理的トレースの数を著しく増加させることになる。セルが高密度であるので、これらのトレースは、カップリング効果に起因してアンテナのＲＦ性能を妨げる。また、トレースが複雑であり実装密度が高いことに起因して、トレースの経路設定は、商業的に入手可能なレイアウトツールによって行うことができない。
【０１０２】
１つの実施形態において、マトリクス駆動回路は、セル及びトランジスタが配置される前に事前に定められる。このことにより、各々が一意のアドレスを有する全てのセルを駆動するのに必要な最小数のトレースが確保される。この方式は、駆動回路の複雑性を軽減して経路設定を簡素化し、これによりアンテナのＲＦ性能が向上する。
【０１０３】
より具体的には、１つの手法では、第１のステップにおいて、セルは、各セルの一意のアドレスを表す行及び列から構成された正方形グリッド上に配置される。第２のステップにおいて、セルは、セルのアドレス並びに第１のステップで定められた行及び列への接続性が維持されながら、グループ化されて同心円に変換される。この変換の目的は、セルをリング上に配置するだけでなく、アパーチャ全体にわたってセル間の距離及びリング間の距離を一定に保つことである。この目的を達成するために、セルをグループ化する幾つかの方法が存在する。
【０１０４】
１つの実施形態において、ＴＦＴパッケージは、マトリクス駆動における配置及び一意のアドレス指定を可能にするのに使用される。図１３は、ＴＦＴパッケージの１つの実施形態を示している。図１３を参照すると、ＴＦＴ及びホールドキャパシタ１８０３が、入力ポート及び出力ポートと共に示されている。トレース１８０１に接続された２つの入力ポート及びトレース１８０２に接続された２つの出力ポートが存在し、行及び列を使用してＴＦＴを共に接続する。１つの実施形態において、行のトレースと列のトレースとが９０°の角度で交差して、行のトレースと列のトレースとの間の結合が低減され、場合によっては最小にされる。１つの実施形態では、行のトレース及び列のトレースは、異なる層上に存在する。
【０１０５】
全二重通信システムの実施例
別の実施形態では、複合アンテナアパーチャは、全二重通信システムで使用される。図１４は、同時送信及び受信経路を有する通信システムの１つの実施形態のブロック図である。１つの送信経路及び１つの受信経路のみが示されているが、通信システムは、１つより多い送信経路及び／又は１つより多い受信経路を含むことができる。
【０１０６】
図１４を参照すると、アンテナ１４０１は、上述のように異なる周波数で同時に送信及び受信するように独立して動作可能な２つの空間的に交互配置されたアンテナアレイを含む。１つの実施形態において、アンテナ１４０１は、ダイプレクサ１４４５に結合される。この結合は、１又は２以上の給電ネットワークによるものとすることができる。１つの実施形態において、ラジアル給電アンテナの場合、ダイプレクサ１４４５は、２つの信号を組み合わせるものであり、アンテナ１４０１とダイプレクサ１４４５の間の接続は、両方の周波数を搬送できる単一の広帯域給電ネットワークである。
【０１０７】
ダイプレクサ１４４５は、低ノイズブロックダウンコンバータ（ＬＮＢ）１４２７に結合され、このＬＮＢは、当技術分野において周知の方法でノイズフィルタリング機能、ダウンコンバート機能、及び増幅機能を実行する。１つの実施形態において、ＬＮＢ１４２７は、室外ユニット（ＯＤＵ）に存在する。別の実施形態では、ＬＮＢ１４２７は、アンテナ装置に組み込まれる。ＬＮＢ１４２７は、コンピューティングシステム１４４０（例えば、コンピュータシステム、モデムなど）に結合されたモデム１４６０に結合される。
【０１０８】
モデム１４６０は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１４２２を含み、このＡＤＣは、ＬＮＢ１４２７に結合されて、ダイプレクサ１４４５から出力された受信信号をデジタル形式に変換する。デジタル形式に変換されると、信号は、復調器１４２３によって復調されて、デコーダ１４２４によって復号され、受信波上に符号化されたデータが得られる。次に、復号されたデータは、コントローラ１４２５に送られ、このコントローラが、このデータをコンピューティングシステム１４４０に送る。
【０１０９】
モデム１４６０はまた、コンピューティングシステム１４４０から送信されるデータを符号化するエンコーダ１４３０を含む。符号化されたデータは、変調器１４３１によって変調され、次に、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）１４３２によってアナログに変換される。次に、アナログ信号は、ＢＵＣ（アップコンバート及び高域増幅器）１４３３によってフィルタリングされて、ダイプレクサ１４４５の１つのポートに供給される。１つの実施形態において、ＢＵＣ１４３３は、室外ユニット（ＯＤＵ）に存在する。
【０１１０】
当技術分野において周知の方法で動作するダイプレクサ１４４５は、送信信号を送信用アンテナ１４０１に供給する。
【０１１１】
コントローラ１４５０は、単一の複合物理的アパーチャ上のアンテナ素子の２つのアレイを含むアンテナ１４０１を制御する。
【０１１２】
通信システムは、上述の結合器／アービタを含むように変更されることになる。このような場合、結合器／アービタは、モデムの後でＢＵＣ及びＬＮＢの前に存在する。
【０１１３】
図１４に示されている全二重通信システムは、限定ではないが、インターネット通信、車両通信（ソフトウェア更新を含む）などを含む幾つかの用途がある点に留意されたい。
【０１１４】
本明細書で記載される幾つかの例示的な実施形態が存在する。
【０１１５】
実施例１は、複数の無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子を有するアパーチャを備えたアンテナであって、複数のＲＦ放射アンテナ素子は、ＲＦ放射アンテナ素子の３又は４以上のセットにグループ化され、セットの各々が、第１モードで周波数帯域のビームを生成するように別々に制御される、アンテナである。
【０１１６】
実施例２は、アンテナ素子の各セットが複数の同調状態を有し、アンテナ素子の３又は４以上のセットのうちの少なくとも２つに関する同調状態が共に組み合わされて、第２のモードでの単一ビームを形成し、第２モードが第１モードと異なることを任意選択で含むことができる実施例１のアンテナである。
【０１１７】
実施例３は、アンテナ素子の少なくとも２つのセットの各々が、３又は４以上のセット中の他のセットから別々に同調される異なる共振器設定値を有することを任意選択で含むことができる実施例２のアンテナである。
【０１１８】
実施例４は、少なくとも２つのビームが同時に生成されることを任意選択で含むことができる実施例１のアンテナである。
【０１１９】
実施例５は、素子の３又は４以上のセットが帯域を共有又は分割することを任意選択で含むことができる実施例１のアンテナである。
【０１２０】
実施例６は、帯域が送信及び受信サブ帯域を有するＫｕ帯域を備えることを任意選択で含むことができる実施例１のアンテナである。
【０１２１】
実施例７は、複数のＲＦ放射アンテナ素子の各々が、各ＲＦ放射アンテナ素子を制御するための同調可能液晶（ＬＣ）材料を備えることを任意選択で含むことができる実施例１のアンテナである。
【０１２２】
実施例８は、ＲＦ放射アンテナ素子の３又は４以上のセットが互いに交互配置されることを任意選択で含むことができる実施例１のアンテナである。
【０１２３】
実施例９は、ＲＦ放射アンテナ素子の複数のセットのＲＦ放射アンテナ素子が、アパーチャ内のグループに共に配置され、各グループがＲＦ放射アンテナ素子のセットの各々からの１つのＲＦ放射アンテナ素子を備えることを任意選択で含むことができる実施例１のアンテナである。
【０１２４】
実施例１０は、各グループが、受信サブ帯域での受信と共に使用するための２つのＲＦ放射受信アンテナ素子と、送信サブ帯域での送信と共に使用するための１つの送信ＲＦ放射アンテナ素子とを備え、送信帯域がこれら２つの異なる受信帯域と異なることを任意選択で含むことができる実施例９のアンテナである。
【０１２５】
実施例１１は、２つの受信サブ帯域が別々に且つ同時に動作して、２つの受信ビームを形成することを任意選択で含むことができる実施例１０のアンテナである。
【０１２６】
実施例１２は、２つの受信帯域に関連する素子のグループが、独立して制御されて別々に動作し、各々が送信帯域で動作するように組み合わせ可能であり、各組み合わせが二重受信／送信システムであるようになることを任意選択で含むことができる実施例１０のアンテナである。
【０１２７】
実施例１３は、各グループにおいて、第１の受信サブ帯域と共に動作する第１の受信アンテナ素子が、送信アンテナ素子と、第２の受信サブ帯域と共に動作する第２の受信アンテナ素子との間に配置され、第１の受信サブ帯域が第２の受信サブ帯域よりも低い周波数を有することを任意選択で含むことができる実施例１０のアンテナである。
【０１２８】
実施例１４は、各グループにおいて、送信アンテナ素子が、第１の受信サブ帯域と共に動作する第１の受信アンテナ素子と第２受信サブ帯域と共に動作する第２の受信アンテナ素子との間に存在することを任意選択で含むことができる実施例１０のアンテナである。
【０１２９】
実施例１５は、各グループにおいて、第１の受信サブ帯域と共に動作する第１の受信アンテナ素子が、送信アンテナ素子と、第２の受信サブ帯域と共に動作する第２の受信アンテナ素子との間に配置され、第１の受信サブ帯域が、第２の受信サブ帯域よりも高い周波数を有することを任意選択で含むことができる実施例１０のアンテナである。
【０１３０】
実施例１６は、各グループにおいて、第１の受信サブ帯域と共に動作する第１の受信アンテナ素子、送信アンテナ素子、及び第２の受信サブ帯域と共に動作する第２の受信アンテナ素子が、互いに隣接して配置され、送信アンテナ素子が、第１及び第２の受信アンテナ素子と平行な軸に沿ってアパーチャの中心に向けてシフトされることを任意選択で含むことができる実施例１０のアンテナである。
【０１３１】
実施例１７は、各グループにおいて、第１の受信サブ帯域と共に動作する第１の受信アンテナ素子、送信アンテナ素子、及び第２の受信サブ帯域と共に動作する第２の受信アンテナ素子が、互いに隣接して配置され、送信アンテナ素子が、第１及び第２の受信アンテナ素子と平行な軸に沿ってアパーチャの中心に対して外向きにシフトされることを任意選択で含むことができる実施例１０のアンテナである。
【０１３２】
実施例１８は、各グループ内のＲＦ放射アンテナ素子及び素子のグループが、相互結合を制御するように配置されることを任意選択で含むことができる実施例９のアンテナである。
【０１３３】
実施例１９は、複数の無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子を有するアパーチャを備えたアンテナであって、複数のＲＦ放射アンテナ素子は、ＲＦ放射アンテナ素子の３又は４以上のセットにグループ化され、アンテナ素子のセットの各々は複数の同調状態を有し、アンテナ素子の３又は４以上のセットのうちの少なくとも２つに関する同調状態が共に組み合わされて、１つのモードでの単一ビームが形成される、アンテナである。
【０１３４】
実施例２０は、アンテナ素子のうちの少なくとも２つのセットが受信素子のセットを備え、同調状態が組み合わされて単一の受信ビームを形成することを任意選択で含むことができる実施例１９のアンテナである。
【０１３５】
実施例２１は、アンテナ素子の少なくとも２つのセットの各々が、３又は４以上のセットの中の他のセットから別々に同調される異なる共振器設定値を有することを任意選択で含むことができる実施例１９のアンテナである。
【０１３６】
実施例２２は、ＲＦ放射アンテナ素子の３又は４以上のセットを使用して少なくとも２つのビームが同時に生成されることを任意選択で含むことができる実施例１９のアンテナである。
【０１３７】
実施例２３は、ＲＦ放射アンテナ素子の３又は４以上のセットが互いに交互配置されることを任意選択で含むことができる実施例１９のアンテナである。
【０１３８】
実施例２４は、ＲＦ放射アンテナ素子の複数のセットのＲＦ放射アンテナ素子が、アパーチャ内のグループに共に配置され、各グループがＲＦ放射アンテナ素子のセットの各々からの１つのＲＦ放射アンテナ素子を備えることを任意選択で含むことができる実施例１９のアンテナである。
【０１３９】
実施例２５は、各グループにおいて、第１の受信サブ帯域と共に動作する第１の受信アンテナ素子が、送信アンテナ素子と、第２の受信サブ帯域と共に動作する第２の受信アンテナ素子との間に配置され、第１の受信サブ帯域が、第２の受信サブ帯域よりも低い周波数を有することを任意選択で含むことができる実施例２４のアンテナである。
【０１４０】
実施例２６は、各グループにおいて、送信アンテナ素子が、第１の受信サブ帯域と共に動作する第１の受信アンテナ素子と第２受信サブ帯域と共に動作する第２の受信アンテナ素子との間に存在することを任意選択で含むことができる実施例２４のアンテナである。
【０１４１】
実施例２７は、各グループにおいて、第１の受信サブ帯域と共に動作する第１の受信アンテナ素子が、送信アンテナ素子と、第２の受信サブ帯域と共に動作する第２の受信アンテナ素子との間に配置され、第１の受信サブ帯域が第２の受信サブ帯域よりも高い周波数を有することを任意選択で含むことができる実施例２４のアンテナである。
【０１４２】
実施例２８は、複数の無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子を有するアパーチャを備えたアンテナであって、様々なサイズの複数のＲＦ放射アンテナ素子は、３又は４以上の周波数帯域でのビームを生成するためのＬＣ同調構成要素を使用して独立して制御される、アンテナである。
【０１４３】
実施例２９は、複数の無線周波数（ＲＦ）放射アンテナ素子が、アパーチャに組み合わされた少なくとも３つの空間的に交互配置されたアンテナサブアレイを有する複数の電子的にステアリング可能な平面アンテナを備え、複数の電子的にステアリング可能な平面アンテナが、別個の周波数で独立して且つ同時に動作し、少なくとも３つのアンテナサブアレイの各々が、アンテナ素子の同調可能スロット付きアレイを備えることを任意選択で含むことができる実施例２８のアンテナである。
【０１４４】
実施例３０は、少なくとも３つの空間的に交互配置されたアンテナサブアレイが、送信サブアレイ及び少なくとも２つの受信サブアレイのうちの少なくとも１つを備えることを任意選択で含むことができる実施例２９のアンテナである。
【０１４５】
実施例３１は、送信サブアレイ及び少なくとも２つの受信サブアレイのうちの少なくとも１つの各々のＲＦ放射アンテナ素子が、互いに比較して異なる物理的サイズを有することを任意選択で含むことができる実施例３０のアンテナである。
【０１４６】
実施例３２は、複数のＲＦ放射アンテナが、アパーチャ内のグループに共に配置されたＲＦ放射アンテナ素子の複数のセットを備え、グループの各々が、ＲＦ放射アンテナ素子のセットの各々からの１つのＲＦ放射アンテナ素子を備えることを任意選択で含むことができる実施例２８のアンテナである。
【０１４７】
実施例３３は、アンテナ素子の各セットが複数の同調状態を有し、アンテナ素子の３又は４以上のセットのうちの少なくとも２つに関する同調状態が共に組み合わされて、１つのモードでの単一ビームを形成することを任意選択で含むことができる実施例２８のアンテナである。
【０１４８】
実施例３４は、アンテナ素子の少なくとも２つのセットが受信素子のセットを備え、同調状態が組み合わされて、単一の受信ビームを形成することを任意選択で含むことができる実施例３３のアンテナである。
【０１４９】
以上の詳細な説明の幾つかの部分は、コンピュータメモリ内のデータビットに対する演算のアルゴリズム及び記号表現の観点で提示されている。これらのアルゴリズム的記述及び表現は、データ処理技術分野の当業者により、自らの作業の内容を他の当業者に最も効果的に伝えるのに使用される手段である。アルゴリズムは、本明細書では一般的に、所望の結果に至る自己矛盾のない一連のステップであると考えられる。これらのステップは、物理量の物理的操作を必要とするものである。必須ではないが、通常、これらの量は、格納、転送、結合、比較、及び他の操作が可能な電気信号又は磁気信号の形式を取る。これらの信号をビット、値、要素、記号、文字、用語、又は数字などと言及することは、主として共通使用という理由で時に好都合であることが判っている。
【０１５０】
しかしながら、これらの用語及び類似の用語は、全て適切な物理量に関連付けられるものとし、且つこれらの量に付与される好都合なラベルに過ぎない点に留意されたい。以下の説明から明らかなように、別途明記しない限り、説明全体を通して、「処理する」又は「演算する」又は「計算する」又は「決定する」又は「表示する」などのような用語を利用した説明は、コンピュータシステムのレジスタ及びメモリ内の物理的な（電子的な）量として表されるデータをそのコンピュータシステムのメモリ又はレジスタ又は他のこのような情報ストレージ、送信又は表示デバイス内の物理量として同様に表される別のデータに操作及び変換するコンピュータシステム又は類似の電子コンピュータデバイスの動作及び処理を指すことが認められる。
【０１５１】
本発明はまた、本明細書の動作を実行するための装置に関する。この装置は、必要とされる目的のために特別に構成することができ、或いはコンピュータに格納されたコンピュータプログラムによって選択的に起動又は再構成される汎用コンピュータを備えることができる。このようなコンピュータプログラムは、限定ではないが、フロッピーディスク、光ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、及び光磁気ディスクを含む任意タイプのディスク、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気又は光カード、又は電子命令の格納に適するあらゆるタイプの媒体のようなコンピュータ可読ストレージ媒体に格納することができ、各々がコンピュータシステムバスに結合される。
【０１５２】
本明細書に提示したアルゴリズム及び表示は、何れの特定のコンピュータ又は他の装置とも本質的に関連付けられたものではない。様々な汎用システムを本明細書の教示によるプログラムと共に使用することができ、又は必要とされる方法ステップを実行するより特殊化された装置を構成することが有利であることが判明する場合がある。様々なこれらのシステムに必要とされる構造は、以下の説明から明らかであろう。これに加えて、本発明は、何れの特定のプログラミング言語に関連して説明されていない。様々なプログラミング言語を使用して、本明細書に説明した本発明の教示を実施することができることが認められるであろう。
【０１５３】
機械可読媒体は、機械（例えば、コンピュータ）によって可読の形式の情報を格納又は送信するための何らかの機構を含む。例えば、機械可読媒体は、読取専用メモリ（「ＲＯＭ」）、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、磁気ディスクストレージ媒体、光学ストレージ媒体、フラッシュメモリデバイスなどを含む。
【０１５４】
本発明の多くの改変及び修正が前述の説明を読んだ後で疑いなく当業者には明らかになるであろうが、例証によって図示及び説明された何れの特定の実施形態も限定として捉えられるものではない点を理解されたい。従って、様々な実施形態の詳細事項への言及は、本発明にとって基本的なものとみなされる特徴のみを記載する請求項の範囲を限定するものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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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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【国際調査報告】
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