АНТЕННЫ ПОВЕРХНОСТНОГО РАССЕЯНИЯ
SURFACE SCATTERING ANTENNAE

Настоящая заявка притязает на преимущества и относится к и самой ранней имеющейся действительной дате (датам) подачи следующих перечисленных заявок («родственных заявок») (например, притязает на самые ранние имеющиеся даты приоритета для других заявок на патент, кроме предварительных, или притязает на преимущества в соответствии с 35 USC §119(e) для предварительных заявок на патент, для любых и всех родовых заявок родственной заявки (родственных заявок). Объект родственных заявок, любых и всех родовых заявок родственных заявок полностью ссылкой включается в настоящее описание в степени, в какой этот объект не противоречит настоящему описанию.
Родственные заявки:
Для целей не предусмотренных USPTO, настоящая заявка представляет собой частичное продолжение заявки на патент США №61/455171 под названием АНТЕННЫ ПОВЕРХНОСТНОГО РАССЕЯНИЯ, в которой NATHAN KUNDTZ ЕТ AL. названы как изобретатели, поданной 15 октября 2010 года, которая в настоящее время является одновременно рассматриваемой, или является заявкой, одновременно рассматриваемая с которой заявка имеет право на приоритет по дате подачи.
Патентное ведомство США (USPTO) опубликовало уведомление о том, что компьютерные программы USPTO требуют, чтобы заявители ссылались на порядковый номер заявки и указывали, является ли заявка продолжающей, или частично продолжающей патентную заявку, или выделенной из патентной заявки. См. Stephen G. Kunin, Benefit of Prior-Filed Application, USPTO Official Gazette March 18, 2003. Настоящий субъект-заявитель (далее по тексту именуемый «Заявителем») привел вышеупомянутую конкретную ссылку на заявку (заявки), по которой (которым) заявляются притязания на приоритет, в соответствии с требованиями законодательства. Заявитель понимает, что законодательство недвусмысленно в своем конкретном условном языке и не требует ни порядкового номера заявки, ни какого-либо определения, как, например, «продолжающая» или «частично продолжающая», для притязания на приоритет в отношении заявок на патент США. Несмотря на вышесказанное, Заявитель понимает, что компьютерные программы USPTO выдвигают определенные требования к вводу данных, и поэтому Заявитель привел определение (определения) родственности между настоящей заявкой и ее родовой заявкой (заявками), указанное выше, но при этом положительным образом отмечает, что это определение (определения) ни в коем случае не должно толковаться как какой-либо тип пояснения и/или допущения в части того, содержит или не содержит настоящая заявка какой-либо новый материал в дополнение к материалу ее родовой заявки (заявок).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
ФИГ.1 - схематическое представление антенны поверхностного рассеяния.
ФИГ.2A и 2B соответственно иллюстрируют примерную картину настройки и соответствующую диаграмму направленности в виде луча для антенны поверхностного рассеяния.
ФИГ.3A и 3B соответственно иллюстрируют еще одну примерную картину настройки и соответствующую диаграмму направленности в виде луча для антенны поверхностного рассеяния.
ФИГ.4A и 4B соответственно иллюстрируют еще одну примерную картину настройки и соответствующую структуру поля для антенны поверхностного рассеяния.
ФИГ.5 и 6 иллюстрируют элементарную ячейку антенны поверхностного рассеяния.
ФИГ.7 иллюстрирует примеры метаматериальных элементов.
ФИГ.8 иллюстрирует вариант осуществления микрополосковой линии антенны поверхностного рассеяния.
ФИГ.9 иллюстрирует вариант осуществления копланарного волновода антенны поверхностного рассеяния.
ФИГ.10 и 11 иллюстрирует варианты осуществления закрытого волновода антенны поверхностного рассеяния.
ФИГ.12 иллюстрирует антенну поверхностного рассеяния с непосредственной адресацией рассеивающих элементов.
ФИГ.13 иллюстрирует антенну поверхностного рассеяния с матричной адресацией рассеивающих элементов.
ФИГ.14 иллюстрирует блок-схему системы.
ФИГ.15 и 16 иллюстрируют схемы последовательности операций.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В последующем подробном описании приводятся ссылки на прилагаемые графические материалы, которые являются неотъемлемой частью настоящей заявки. На этих графических материалах, если контекст не диктует иначе, подобные компоненты обозначены подобными позициями. Иллюстративные варианты осуществления, описанные в подробном описании, в графических материалах и в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие объем настоящего изобретения. Могут использоваться и другие варианты осуществления, и могут вноситься и другие изменения в пределах сущности или объема объекта изобретения, представленного в настоящей заявке.
На ФИГ.1 приведена схематическая иллюстрация антенны поверхностного рассеяния. Антенна поверхностного рассеяния 100 включает несколько рассеивающих элементов 102a, 102b, распределенных по распространяющей волны структуре 104. Распространяющей волны структурой 104 может быть микрополосковая линия, копланарный волновод, волновод из параллельных пластин, диэлектрическая пластина, закрытый или трубчатый волновод или любая иная структура, способная поддерживать распространение ведомой волны или поверхностной волны 105 вдоль или внутри структуры. Волнистая линия 105 - это условное изображение ведомой волны или поверхностной волны, и это условное изображение не ставит целью указать фактическую длину волны или амплитуду ведомой волны или поверхностной волны; кроме того, хотя волнистая линия 105 показана внутри распространяющей волны структуры 104 (например, как для ведомой волны в металлическом волноводе), в случае поверхностной волны волна может практически локализоваться снаружи распространяющей волну структура (например, как в случае волн типа ТМ при однопроводной линии передачи или «ложного плазмона» на поверхности с искусственным импедансом. Рассеивающие элементы 102a, 102b могут включать метаматериальные элементы, внедренные в распространяющую волны структуру 104, расположенные на ее поверхности или расположенные в непосредственной близости от нее; например, рассеивающие элементы могут включать комплементарные метаматериальные элементы, такие, как представлены в D.R. Smith et al, «Metamaterials for surfaces and waveguides», публикация патентной заявки США №.2010/0156573, описание изобретения из которой ссылкой включается в настоящую заявку.
Кроме того, антенна поверхностного рассеяния включает но меньшей мере одну соединительную муфту 106 фидера, конструктивно исполненную для соединения распространяющей волны структуры 104 со структурой 108 фидера. Структура 108 фидера (схематически показанная как коаксиальный кабель) может быть линией передачи, волноводом или любой иной структурой, способной подавать электромагнитный сигнал, который может возбуждаться через соединительную муфту 106 фидера в структуру 104, распространяющую ведомую волну или поверхностную волну 105. Соединительная муфта 106 фидера может представлять собой, например, соединитель коаксиальный кабель-микрополосковая линия (например, переходник SMA-PCB), соединитель коаксиальный кабель-волновод, переходную секцию согласования волн и т.д. Хотя на ФИГ.1 соединительная муфта фидера показана в исполнении «end-launch», в котором ведомая волна или поверхностная волна 105 может возбуждаться из периферийной области распространяющей волны структуры (например, с конца микрополосковой линии или с края волновода из параллельных пластин), в других вариантах осуществления структура фидера может присоединяться к не периферийной части распространяющей волны структуры, и при этом ведомая волна или поверхностная волна 105 может возбуждаться с этой не периферийной части распространяющей волны структуры (например, из средней точки микрополосковой линии или через отверстие, просверленное в верхней или нижней пластине волновода из параллельных пластин); а в еще одних вариантах осуществления могут предусматриваться несколько соединительных муфт фидера, присоединенных к распространяющей волны структуре в нескольких местах (периферийных и/или не периферийных).
Рассеивающие элементы 102a, 102b представляют собой перестраиваемые рассеивающие элементы, обладающие электромагнитными свойствами, перестраивающимися в ответ на один или несколько внешних входных воздействий. Различные варианты осуществления переменных рассеивающих элементов описаны, например, в упомянутой выше патентной заявке D.R. Smith et al, и далее в настоящем раскрытии. Перестраиваемые рассеивающие элементы могут включать элементы, которые изменяются в ответ на входные сигналы напряжения (например, напряжения смещения для активных элементов (таких, как варакторы, транзисторы, диоды) или для элементов, которые содержат перестраиваемые диэлектрические материалы (такие, как сегнетоэлектрики)), токовые входные сигналы (например, прямая инжекция носителей зарядов в активные элементы), оптические входные сигналы (например, освещение светочувствительного материала), полевые входные сигналы (например, магнитные поля для элементов, которые включают нелинейные магнитные материалы), механические входные сигналы (например, микроэлектромеханические системы (МЭМС), исполнительные механизмы, гидравлика) и т.д. В схематическом примере на ФИГ.1 рассеивающие элементы, настроенные в первое состояние, в котором они имеют первые электромагнитные свойства, показаны как первые элементы 102a, а рассеивающие элементы, настроенные во второе состояние, в котором они имеют вторые электромагнитные свойства, показаны как вторые элементы 102b. Иллюстрация рассеивающих элементов, имеющих первое и второе состояния, соответствующие первым и вторым электромагнитным свойствам, не предназначена для ограничения объема настоящего изобретения: варианты осуществления могут предусматривать рассеивающие элементы, которые являются дискретно перестраиваемыми, чтобы выбирать из дискретного множества состояний, соответствующих дискретному множеству различных электромагнитных свойств, или непрерывно перестраиваемыми, чтобы выбирать из континуума состояний, соответствующих континууму различных электромагнитных свойств. Кроме того, конкретная картина настройки, приведенная на ФИГ.1 (т.е., попеременное расположение элементов 102a и 102b), представляет собой лишь примерную конфигурацию и не предназначена для ограничения объема настоящего изобретения.
В примере на ФИГ.1 рассеивающие элементы 102a, 102b имеют первую и вторую связи с ведомой волной или поверхностной волной 105, являющиеся функциями первых и вторых электромагнитных свойств соответственно. Например, первая и вторая связи могут быть первой и второй поляризуемостями рассеивающих элементов на частоте или в полосе частот ведомой волны или поверхностной волны. В одном варианте осуществления первая связь представляет собой практически ненулевую связь, а вторая связь представляет собой практически нулевую связь. В другом варианте осуществления обе связи являются практически ненулевыми, но первая связь значительно больше второй. За счет первой и второй связей первый и второй рассеивающие элементы 102a, 102b реагируют на ведомую волну или поверхностную волну 105, создавая при этом несколько рассеянных электромагнитных волн, имеющих амплитуды, зависящие (например, пропорциональны им) от соответствующих первой и второй связей. Суперпозиция рассеянных электромагнитных волн составляет электромагнитную волну, которая показана в этом примере как плоская волна 110, излучаемая из антенны поверхностного рассеяния 100.
in
out
in
out
out
Возникновение плоской волны можно понять, если рассматривать конкретную картину настройки рассеивающих элементов (например, попеременное расположение первых и вторых рассеивающих элементов на ФИГ.1) как картину, определяющую решетку, которая рассеивает ведомую волну или поверхностную волну 105 для получения плоской волны 110. Поскольку эта картина перестраиваемая, некоторые варианты осуществления антенны поверхностного рассеяния могут предусматривать перестраиваемую решетку или, более широко, голограммы, в которых картину настройки рассеивающих элементов можно выбирать в соответствии с принципами голографии. Предположим, например, что ведомую волну или поверхностную волну можно представить сложной скалярной входной волной Ψ, которая является функцией положения вдоль распространяющей волны структуры 104, и желательно, чтобы антенна поверхностного рассеяния создавала выходную волну, которую можно представить другой сложной скалярной волной Ψ. Затем можно выбрать картину настройки рассеивающих элементов, соответствующую определенной интерференционной картине входной и выходной волн вдоль распространяющей волны структуры. Например, рассеивающие элементы могут настраиваться, чтобы создавать связи с ведомой волной или поверхностной волной, которые являются функциями (например, являются пропорциональными ему или его ступенчатыми функциями) интерференционного члена, данного как Re[ΨΨ*]. Таким образом варианты осуществления антенны поверхностного рассеяния можно перестраивать для создания произвольной диаграммы направленности антенны путем идентификации выходной волны Ψ, соответствующей выбранной диаграмме направленности в виде луча, а затем соответственно настройки рассевающих элементов, как описано выше. Следовательно, варианты осуществления антенны поверхностного рассеяния можно настраивать, чтобы получить, например, выбранное направление луча (например, управление лучом), выбранную ширину или форму луча (например, веерообразный или карандашный луч, имеющий широкую или узкую ширину луча), выбранное расположение нулей (например, управлением положением нуля диаграммы направленности), выбранное расположение нескольких лучей, выбранное состояние поляризации (например, линейная, круговая или эллиптическая поляризация), выбранная суммарная фаза или любое их сочетание. Альтернативно или дополнительно, варианты осуществления антенны поверхностного рассеяния можно настраивать, чтобы получить выбранный профиль излучения в ближнем поле, например, получить фокусировку в ближнем поле и/или нули в ближнем поле.
Поскольку пространственная разрешающая способность интерференционной картины ограничивается пространственной разрешающей способностью рассеивающих элементов, рассеивающие элементы могут располагаться вдоль распространяющей волны структуре с межэлементными промежутками, которые намного меньше, чем длина волна в свободном пространстве, соответствующая рабочей частоте устройства (например, менее одной четвертой - одной мятой этой длины волны в свободном пространстве). В некоторых вариантах осуществления рабочая частота - это сверхвысокая частота, выбранная из диапазонов частот, таких, как Ka, Ku и Q, соответствующих сантиметровым длинам волн в свободном пространстве. Эта шкала длин позволяет изготавливать рассеивающие элементы с использованием обычных технологий печатных плат, как описано ниже.
В некоторых вариантах осуществления антенна поверхностного рассеяния содержит практически одномерную распространяющую волны структуру 104, имеющую практически одномерное расположение рассеивающих элементов, и картина настройки этого одномерного расположения может обеспечивать, например, выбранный профиль излучения антенны как функцию зенитного угла (т.е., относительно направления зенита, которое параллельно одномерной распространяющей волны структуре). В других вариантах осуществления антенна поверхностного рассеяния содержит практически двухмерную распространяющую волны структуру 104, имеющую практически двухмерное расположение рассеивающих элементов, и картина настройки этого одномерного расположения может обеспечивать, например, выбранный профиль излучения антенны как функцию как зенитного, так и азимутального углов (т.е., относительно направления зенита, которое перпендикулярно двухмерной распространяющей волны структуре). Примерные картины настроек и диаграммы направленности в виде луча для антенны поверхностного рассеяния, которая включает двухмерную матрицу рассеивающих элементов, распределенных на плоской прямоугольной распространяющей волны структуре, показаны на ФИГ.2A-4B. В этих примерных вариантах осуществления, плоская прямоугольная распространяющая волны структура включает фидер несимметричной антенны, расположенный в геометрическом центре структуры. ФИГ.2A представляет картину настройки, соответствующую узкому лучу, имеющему выбранный зенит и азимут, как показано диаграммой направленности в виде луча на ФИГ.2B. ФИГ.3A картину настройки, соответствующую диаграмме направленности в виде двух лучей в дальнем поле, как показано диаграммой направленности в виде лучей на ФИГ.3B. ФИГ.4A представляет картину настройки, обеспечивающей фокусировку в ближнем поле, как показано картой напряженности поля на ФИГ.4B (на которой показана напряженность поля в плоскости, перпендикулярной прямоугольной распространяющей волны структуре и пересекающей ее длинный размер).
В некоторых вариантах осуществления распространяющая волны структура представляет собой модульную распространяющую волны структуру, и при этом несколько модульных распространяющих волны структур могут собираться в модульную антенну поверхностного рассеяния. Например, несколько практически одномерных распространяющих волны структур могут собираться, например, встречно-гребенчатым образом, чтобы получить эффективное двухмерное расположение рассеивающих элементов. Встречно-штыревое расположение может содержать, например, ряд прилегающих линейных структур (т.е., набор параллельных прямых линий) или ряд прилегающих криволинейных структур (т.е., набор последовательно смещенных кривых, таких, как синусоиды), которые практически заполняют площадь двухмерной поверхности. Как еще один пример, несколько практически двухмерных распространяющих волны структур (каждая из которых может сама по себе содержать ряд одномерных структур, как описано выше) могут собираться, чтобы получить больший раскрыв, имеющий большее число рассеивающих элементов; и/или несколько практически двухмерных распространяющих волны структур могут собираться как трехмерная структура (например, образуя А-образную рамочную структуру, пирамидальную структуру или другую многогранную структуру). В этих модульных сборках каждая из нескольких модульных распространяющих волны структур может иметь свою собственную соединительную муфту (муфты) 106 фидера, и/или модульные распространяющие волны структуры могут исполняться таким образом, чтобы связывать ведомую волну или поверхностную волну первой модульной распространяющей волны структуры с ведомой волной или поверхностной волной второй модульной распространяющей волны структуры в силу соединения между двумя структурами.
В некоторых случаях применения модульного варианта осуществления число собираемых модулей может выбираться с таким расчетом, чтобы добиться размера раскрыва, обеспечивающего требуемую пропускную способность для телекоммуникационных данных и/или качество сервиса, и/или чтобы уменьшить потенциальные потери при развертке может выбираться трехмерное устройство. Таким образом, например, модульная сборка могла бы содержать несколько модулей, установленных в разных местах / с разной ориентацией заподлицо с поверхностью транспортного средства, такого, как воздушное судно, космический аппарат, судно, наземное транспортное средство и т.д. (модули не обязательно должны быть прилегающими). В этих и других вариантах осуществления распространяющая волны структура может иметь практически нелинейную или практически неплоскую форму, чтобы тем самым соответствовать конкретной геометрии, обеспечивая, таким образом, конформную антенну поверхностного рассеяния (соответствующую, например, криволинейной поверхности транспортного средства).
j
j
j
j
В более общих аспектах, антенна поверхностного рассеяния представляет собой перестраиваемую антенну, которая может переналаживаться путем выбора картины настройки рассеивающих элементов так, что соответствующее рассеяние ведомой волны или поверхностной волны создает требуемую выходную волну. Предположим, например, что антенна поверхностного рассеяния содержит несколько рассеивающих элементов, распределенных в положениях {r} по распространяющей волны структуре 104, как на ФИГ.1 (или по нескольким распространяющим волны структурам в случае модульного варианта осуществления) и имеющих соответствующие несколько перестраиваемых связей {α} с ведомой волной или поверхностной волной 105. Ведомая волна или поверхностная волна 105 при ее распространении вдоль или внутри (одной или более) распространяющей волны структуре (структур), представляет амплитуду волны A и фазу φ j-го рассеивающего элемента; затем создает выходная волна как суперпозиция волн, рассеиваемых из нескольких рассеивающих элементов:
j
j
j
где E(θ, φ) представляет составляющую электрического поля выходной волны на сфере излучения дальнего поля, R (θ, φ) представляет (нормализованную) картину электрического поля для рассеянной волны, создаваемой j-м рассеивающим элементом в ответ на возбуждение, вызванное связью α, и k(θ, φ) представляет волновой вектор величины ω/c, перпендикулярный сфере излучения в (θ, φ). Таким образом, варианты осуществления антенны поверхностного рассеяния могут представлять собой перестраиваемую антенну, которая может переналаживаться, чтобы получить требуемую выходную волну E(θ, φ), путем настройки нескольких связей {α} по формуле (1).
j
j
j
j
j
i
i
j
i
i
j
Амплитуда A и фаза φ ведомой волны или поверхностной волны являются функциями характеристик распространения распространяющей волны структуры 104. Эти зари распространения могут включать, например, эффективный показатель преломления и/или эффективное волновое сопротивление, и эти эффективные электромагнитные свойства могут, по крайней мере, частично, определяться расположением и настройкой рассеивающих элементов вдоль распространяющей волны структуры. Иными словами, распространяющая волны структура в сочетании с перенастраиваемыми рассеивающими элементами может обеспечить перенастраиваемую эффективную среду для распространения ведомой волны или поверхностной волны, например, как описано в патентной заявке D.R. Smith et al, упомянутой выше. Следовательно, хотя амплитуда A и фаза φ ведомой волны или поверхностной волны может зависеть от связей {α} перенастраиваемых рассеивающих элементов (т.е., A=A({α}), φ=φ({α})), в некоторых вариантах осуществления эти зависимости могут быть практически прогнозируемыми в зависимости от описания эффективной среды распространяющей волны структуры.
(1)
(2)
(1)
(2)
В некоторых вариантах осуществления перенастраиваемая антенна может перестраиваться для обеспечения требуемого состояния поляризации выходной волны E(θ, φ). Предположим, например, что первое и второе подмножества LP и LP рассеивающих элементов обеспечивают (нормализованные) картины электрического поля R(θ, φ) и R(θ, φ) соответственно, которые являются практически линейно поляризованными и практически ортогональными (например, первые и вторые объекты могут быть рассеивающими элементами, перпендикулярно ориентированными на поверхности распространяющей волны структуры 104). Тогда выходную волну E(θ, φ) антенны можно выразить как сумму двух линейно поляризованных составляющих:
где
j
представляют собой комплексные амплитуды двух линейно поляризованных составляющих. Соответственно, поляризацией выходной волны E(θ, φ) можно управлять путем настраивания нескольких связей {α} в соответствии с формулами (2)-(3), например, для получения выходной волны с любой требуемой поляризацией (например, линейной, круговой или эллиптической).
j
(1)
(1)
Альтернативно или дополнительно, для вариантов осуществления, в которых распространяющая волны структура имеет несколько фидеров (например, по одному фидеру для каждого «пальца» встречно-гребенчатого устройства одномерных распространяющих волны структуры, как рассмотрено выше), требуемая выходная волна E(θ, φ) может регулироваться путем настройки коэффициентов усиления отдельных усилителей для нескольких фидеров. Настройка коэффициента усиления для конкретной фидерной линии будет соответствовать умножению амплитуд A на коэффициент усиления G для этих элементов j, которые запитываются конкретной фидерной линией. Особенно для вариантов осуществления, в которых первая распространяющая волны структура, имеющая первый фидер (или первые несколько таких структур/фидеров), связана с элементами, выбранными из LP, и вторая распространяющая волны структура, имеющая второй фидер (или вторые несколько таких структур/фидеров), связана с элементами, выбранными из LP, потери из-за деполяризации (например, при развертке луча с отклонением от направления, нормального к раскрыву антенны) могут компенсироваться путем настройки относительного коэффициента (коэффициентов) усиления между первым фидером (фидерами) и вторым фидером (фидерами).
Как уже отмечалось в контексте ФИГ.1, в некоторых вариантах осуществления антенна поверхностного рассеяния 100 включает распространяющую волны структуру 104, которая может быть реализована как микрополосковая линия или волновод из параллельных пластин (или несколько таких элементов); и в этих вариантах осуществления рассеивающие элементы могут включать комплементарные метаматериальные элементы, такие, как представлены в вышеупомянутой патентной заявке D.R. Smith et at. Обратимся теперь к ФИГ.5. Показана примерная элементарная ячейка 500 микрополосковой линии или волновода из параллельных пластин, содержащая нижний проводник или экран 502 (изготовленный из меди или подобного материала), диэлектрическую подложку 504 (изготовленную из Duroid, FR4 или подобного материала) и верхний проводник 506 (изготовленный из меди или подобного материала), заключающий в себе комплементарный метаматериальный элемент 510, в данном случае комплементарный электрический ЖК (CELC) метаматериальный элемент, определенный фигурным раскрывом 512, вытравленным или фигурно выполненным в верхнем проводнике (например, процессом, используемым при изготовлении печатных плат).
CELC-элемент, такой, как показан на ФИГ.5, является чувствительным к магнитному полю, прикладываемому параллельно плоскости CELC-элемента и перпендикулярно CELC-промежутку, т.е., в направлении x для ориентации на ФИГ.5 (см. статью Т.Н. Hand et al, "Characterization of complementary electric field coupled resonant surfaces". Applied Physics Letters 93, 212504 (2008), ссылкой включенную в настоящую заявку). Следовательно, составляющая магнитного поля направляемой волны, которая распространяется в микрополосковой линии или волноводе из параллельных пластин (являющаяся примером ведомой волны или поверхностной волны 105 на ФИГ.1), может индуцировать магнитное возбуждение элемента 510, что может практически характеризоваться, как возбуждение магнитного диполя, ориентированное в направлении x, таким образом, создавая рассеянную электромагнитную волну, являющуюся практически полем излучения магнитного диполя.
Отметив, что фигурный раскрыв 512 определяет проводящий островок 514, электрически отсоединенный от верхнего проводника, в некоторых вариантах осуществления рассеивающий элемент можно выполнить настраиваемым путем использования настраиваемого материала внутри и/или рядом с фигурным раскрывом 512 и затем прикладывания напряжения смещения между проводящим островком 514 и верхним проводником 506. Например, как показано на фиг. ФИГ.5, элементарная ячейка может быть погруженной в слой жидкокристаллического материала 520. Жидкие кристаллы имеют диэлектрическую проницаемость, являющуюся функцией ориентации молекул, образующих жидкий кристалл; и этой ориентацией можно управлять путем прикладывания к жидкому кристаллу напряжения смещения (эквивалентно, электрического поля смещения); соответственно, жидкие кристаллы могут обеспечить изменяемую напряжением диэлектрическую проницаемость для настройки электромагнитных свойств рассеивающего элемента.
Жидкокристаллический материал 520 может удерживаться вблизи рассеивающих элементов, например, за счет выполнения ограждающей структуры для жидких кристаллов на верхней поверхности распространяющей волны структуры. Примерное исполнение ограждающей структуры для жидких кристаллов показано на ФИГ.5, иллюстрирующей ограждающую структуру для жидких кристаллов, включающую закрывающую часть 532 и, факультативно, одну или несколько опорных частей или распорных деталей 534, которые обеспечивают разнесение верхнего проводника 506 и закрывающей части 532. В некоторых вариантах осуществления ограждающая структура для жидких кристаллов представляет собой изготовленную на станке или литьем под давлением пластиковую деталь, которая может прикрепляться к верхней поверхности распространяющей волны структуры - плоской поверхности, имеющей одно или несколько углублений (например, канавок или выемок), которые могут накладываться на рассеивающие элементы; и эти углубления могут заполняться жидким кристаллом, например, процессом вакуумного всасывания. В других вариантах осуществления опорные части 534 являются сферическими распорными деталями (например, сферические частицы смолы); или же стенками или стойками, образованными фотолитографическим процессом (например, описанным в Sato et al, "Method for manufacturing liquid crystal device with spacers formed by photolithography", патент США №4874461, описание из которого ссылкой включено в настоящую заявку); зачем закрывающая часть 532 крепится к опорным частям 534 с последующим установкой (например, вакуумным всасыванием) жидкого кристалла.
∥
⊥
∥
ave
∥
⊥
⊥
Для жидкого кристалла нематической фазы, в которой ориентация молекул может характеризоваться полем директора, этот материал может обеспечить более высокую диэлектрическую проницаемость ε для составляющей электрического поля, параллельной директору, и меньшую диэлектрическую проницаемость ε для составляющей электрического поля, перпендикулярной директору. Прикладывание напряжения смещения создает линии электрического поля смещения, перекрывающие фигурный раскрыв, и при этом директор стремится выровняться параллельно этим линиям электрического поля (чем больше напряжение смещения, тем выше степень выравнивания). Поскольку эти линии электрического поля смещения практически параллельны линиям электрического поля, создаваемым при возбуждении рассеяния рассеивающего элемента, диэлектрическая проницаемость, видимая смещенным рассеивающим элементом, соответственно изменяется в сторону ε(т.е., при увеличении напряжения смещения). С другой стороны, диэлектрическая проницаемость, видимая несмещенным рассеивающим элементом, может зависеть от несмещенной конфигурации жидкого кристалла. Если несмещенный жидкий кристалл максимально разупорядочен (т.е., со случайно ориентированными микродоменами), несмещенный рассеивающий элемент может видеть усредненную диэлектрическая проницаемость ε=(ε+ε)/2. Если несмещенный жидкий кристалл максимально выполнен перпендикулярно линиям электрического поля смещения (т.е., до прикладывания электрического поля смещения), несмещенный рассеивающий элемент может видеть диэлектрическую проницаемость, столь малую, как ε. Соответственно, для вариантов осуществления, в которых желательно достичь большего диапазона настройки диэлектрической проницаемости, видимой рассеивающим элементом (соответствующего большему диапазону эффективной емкости рассеивающего элемента и, следовательно, большему диапазону настройки резонансной частоты рассеивающего элемента), элементарная ячейка 500 может включать зависящий от положения слой (слои) выравнивания, расположенный на верхней и/или нижней поверхности слоя жидкого кристалла 510, причем зависящий от положения слой (слои) выравнивания выполнен таким, чтобы выравнивать жидкокристаллический директор в направлении, практически перпендикулярном линиям электрического поля смещения, соответствующим приложенному напряжению смещения. Слой (слои) выравнивания может включать, например, полиимидный слой (слои), который или которые натерты или иным образом фигурно обработаны (например, механической обработкой или фотолитографией) для выполнения микроскопических канавок, проходящих параллельно каналам фигурного раскрыва 512.
Альтернативно или дополнительно, элементарная ячейка может обеспечивать первое смещение, выравнивающее жидкий кристалл практически перпендикулярно каналам фигурного раскрыва 512 (например, путем прикладывания напряжения смещения между верхним проводником 506 и проводящим островок 514, как описано выше), и второе смещение, выравнивающее жидкий кристалл практически параллельно каналам фигурного раскрыва 512 (например, путем введения электродов, расположенных над верхним проводником 506 по четырем углам элементарной ячейки, и прикладывания противоположных напряжений к электродам в соседних углах); затем может выполняться настройка рассеивающего элемента, например, путем чередования между первым смещением и вторым смещением или регулирования относительных интенсивностей первого и второго смещений.
В некоторых вариантах осуществления для усиления эффекта настойки жидкого кристалла путем допуска большего объема жидкого кристалла вблизи фигурного раскрыва 512 может использоваться жертвенный слой. Иллюстрация этого подхода приведена на ФИГ.6, на которой элементарная ячейка 500 ФИГ.5 показана в профиль с добавлением жертвенного слоя 600 (например, полиимидного слоя), расположенного между диэлектрической подложкой 504 и верхним проводником 506. После травления верхнего проводника 506 для получения фигурного раскрыва 512, дальнейшее избирательное травление жертвенного слоя 600 дает полости 602, которые могут затем заполняться жидким кристаллом 520. В некоторых вариантах осуществления используется еще один маскирующий слой (вместо или в дополнение к выполнению верхним проводником 506) для создания картины избирательного травления жертвенного слоя 600.
Примерные жидкие кристаллы, которые могут использоваться в различных вариантах осуществления, включают 4-циано-4′-пентилбифенил, эвтектические ЖК-смеси с высоким двойным лучепреломлением, такие, как LCMS-107 (от LC Matter) или GT3-23001 (от Merck). В некоторых вариантах осуществления могут использоваться двухчастотные жидкие кристаллы. В двухчастотных жидких кристаллах директор при низких частотах выравнивается практически параллельно приложенному пользователю смещения, но при более высоких частотах практически перпендикулярен приложенному пользователю смещения. Соответственно, для подходов, в которых используются двухчастотные жидкие кристаллы, настройка рассеивающих элементов может выполняться путем регулировки частоты сигналов прикладываемого напряжения смещения. В других вариантах осуществления могут использоваться жидкие кристаллы, стабилизированные полимерными сетками (PNLC) или полимер-диспергированные жидкие кристаллы (PDLC), которые обычно обеспечивают намного меньшее время релаксации/переключения для жидкого кристалла. Примером первых служит термически или УФ-отверждаемая смесь полимера (такого, как бисфенол А диметакрилат) в хозяине нематическом жидком кристалле (таком, как LCMS-107); см. статью Y.H. Fan et al "Fast-response and scattering-free polymer network liquid crystals for infrared light modulators", Applied Physics Letters 84, 1233-35 (2004), ссылкой включаемую в настоящую заявку. Примером последних является пористых полимерный материал (такой, как мембрана из ПТФЭ), пропитанная нематическим ЖК (таким, как LCMS-107); см. статью T. Kuki et al, "Microwave variable delay line using a membrane impregnated with liquid crystal," Microwave Symposium Digest, 2002 IEEE MTT-S International, vol.1, pp.363-366 (2002), ссылкой включаемую в настоящую заявку.
Обратимся теперь к подходам для обеспечения напряжения смещения между проводящим островком 514 и верхним проводником 506. Отметим сначала, что верхний проводник 506 проходит поблизости от одной элементарной ячейки к следующей, так что электрическое соединение с верхним проводником каждой элементарной ячейки можно выполнить одиночным соединением с верхним проводником микрополосковой линии или волновода с параллельными пластинами, составляющей частью которых элементарная ячейка 500 является. Что касается проводящего островка 514, на ФИГ.5 приведен пример того, как линия напряжения смещения 530 может прикрепляться к проводящему островку. В этом примере линия напряжения смещения 530 прикреплена в центре проводящего островка и отходит от проводящего островка по плоскости симметрии рассеивающего элемента; в силу этого расположения по плоскости симметрии, электрические поля, создающиеся линией напряжения смещения при возбуждении рассеяния рассеивающего элемента, практически перпендикулярны линии напряжения смещения и, следовательно, не возбуждают токи в линии напряжения смещения, которые могли бы нарушить или изменить рассеивающие свойства рассеивающего элемента. Линия напряжения смещения 530 может прокладываться в элементарной ячейке, например, путем укладки изолирующего слоя (например, полиимида), травления изолирующего слоя в центре проводящего островка 514, а затем использования процесса обратной (взрывной) литографии для выполнения проводящей пленки (например, двойной слой Cr/Au), образующей линию напряжения смещения 530.
<mover accent="true"><mi>y</mi><mo>⌢</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>x</mi><mo>⌢</mo></mover>
На ФИГ.7A-7H представлены несколько CELC-элементов, которые могут использоваться в соответствии с различными вариантами осуществления антенны поверхностного рассеяния. Это схематические представления примерных, вычерченные не в масштабе и призванные служить чисто показательными для широкого разнообразия возможных CELC-элементов, подходящих для различных вариантов осуществления. ФИГ.7A соответствует элементу, используемому на ФИГ.5. ФИГ.7B иллюстрирует альтернативный CELC-элемент, топологически эквивалентный показанному на 7A, но в котором для увеличения длин плеч элемента и тем самым увеличения электрической емкости элемента используется волнообразный периметр. ФИГ.7C и 7D иллюстрируют пару типов элемента, которые могут использоваться для обеспечения управления поляризацией. Когда эти ортогональные элементы возбуждаются ведомой волной или поверхностной волной, имеющей магнитное поле, ориентированное в направлении
, это приложенное магнитное поле вызывает магнитные возбуждения, которые могут практически характеризоваться как возбуждения магнитных диполей, ориентированные под углом +45° или -45° относительно направления
для элемента на ФИГ.7C или 7D, соответственно. ФИГ.7E и 7F иллюстрируют варианты этих ортогональных CELC-элементов, в которых и плечи CELC-элемента наклонены под углом ±45°. Эти наклонные конструкции потенциально обеспечивают более чистый отклик магнитного диполя, поскольку все области CELC-элемента, вызывающие биполярный отклик, ориентированы либо ортогонально к возбуждающему пользователю (и, следовательно, не возбуждаются), либо под углом 45° относительно этого поля. Наконец, ФИГ.7E и 7F иллюстрируют аналогично налоненные варианты волнистого CELC-элемента на ФИГ.7B.
На ФИГ.5 представлен пример метаматериалыюго элемента 510, фигурно выполненного на верхнем проводнике 506 распространяющей волны структуры, такой, как микрополосковая линия. В другом варианте осуществления, как показано на фиг. ФИГ.8, метаматериальные элементы расположены не на самой микронолосковой линии; они расположены в непосредственной близости (т.е., в ее краевых полях) от микрополосковой линии. Таким образом, ФИГ.8 иллюстрирует исполнение микрополосковой линии, имеющей экран 802, диэлектрическую подложку 804 и верхний проводник 806 с проводящими полосками 808, расположенными по обе стороны микрополосковой линии. Эти проводящие полоски 808 заключают в себе комплементарные метаматериальные элементы 810, определенные фигурными раскрывами 812. В этом примере комплементарные метаматериальные элементы представляют собой CELC-элементы с волнистым периметром, подобные показанному на ФИГ.7B. Как показано на ФИГ.8, для соединения линии напряжения смещения 830 с проводящим островком 814 каждого метаматериального элемента может использоваться сквозное межсоединение 840. Как результат, это конструктивное исполнение может быть легко реализовано с использованием процесса изготовления двухслойных печатных плат (два проводящих слоя с промежуточным диэлектриком), причем слой 1 создает сигнальную дорожку микрополосковой линии и метаматериальные элементы, а слой 2 - экран микрополосковой линии и дорожки смещения. Диэлектрический и проводящие слои могут быть высокоэффективными материалами, такими, как омедненный Rogers 5880. Как и прежде, настройка может выполняться путем помещения слоя жидкого кристалла (не показанного) поверх метаматериальных элементов 810.
В еще одном варианте осуществления, как показано на фиг. ФИГ.9A и 9B, распространяющая волны структура представляет собой копланарный волновод (CPW), и метаматериальные элементы расположены в непосредственной близости (т.е., в его краевых полях) от копланарного волновода. Таким образом, ФИГ.9A и 9B иллюстрируют исполнение копланарного волновода, имеющего нижний экран 902, центральные экраны 906 по обе стороны от сигнальной дорожки 907 CPW, и верхний экран 910, заключающий в себе комплементарные метаматериальные элементы 920 (показан лишь один, но в соответствии с этим вариантом осуществления по длине CPW располагаются несколько таких элементов). Эти последовательные проводящие слои разделены диэлектрическими слоями 904, 908. Копланарный волновод может ограничиваться колоннадами отверстий 930, которые могут служить, чтобы отсекать моды более высокого порядка CPW и/или уменьшать перекрестные помехи с прилегающими CPW (не показанными). Ширина полоски 909 CPW может варьировать по длине CPW для управления связями с метаматериальными элементами 920, например, для повышения коэффициент использования площади (КИП) раскрыва и/или управления спаданием профиля луча к краям раскрыва. Ширина раскрыва 911 CPW может регулироваться для управления сопротивлением линии. Как показано на ФИГ.9B, для соединения линии напряжения смещения 950 с проводящим островком 922 каждого метаматериального элемента и со смещающей площадкой 952, находящейся на нижней стороне структуры могут использоваться третий диэлектрический слой 912 и сквозное межсоединение 940. Каналы 924 в третьем диэлектрическом слое 912 позволяют помещать жидкий кристалл (не показанный) вблизи фигурных раскрывов проводящего элемента. Это конструктивное исполнение может быть реализовано с использованием процесса изготовления четырехслойных печатных плат (четыре проводящих слоя с тремя промежуточными диэлектрическими слоями). Эти печатные платы могут изготавливаться с использованием стадий нанесения слоев вместе с образованием сквозных, глухих и погруженных отверстий, а также методов гальванонокрытия или нанесения покрытий без использования электричества.
В еще одном варианте осуществления, показанном на ФИГ.10 и 11, распространяющая волны структура представляет собой закрытый или трубчатый волновод, и метаматериальные элементы расположены по поверхности закрытого волновода. Таким образом, ФИГ.10 иллюстрирует закрытый или трубчатый волновод с прямоугольным поперечным сечением, образованный желобом 1002 и проводящей поверхностью 1004, заключающей в себе метаматериальный элемент 1010. Как показано на вырыве, для соединения линии напряжения смещения 1030 с проводящим островком 1012 метаматериального элемента может использоваться отверстие 1020 через диэлектрический слой 1022. Желоб 1002 может быть реализован как металлическая деталь, фрезерованная или отлитая для получения «пола и стен» закрытого волновод, а «потолок» волновода может быть реализован как двухслойная печатная плата с верхним слоем, обеспечивающим дорожки смещения 1030, и нижним слоем, обеспечивающим метаматериальные элементы 1010. Волновод может заполняться диэлектриком 1040 (таким, как ПТФЭ), имеющим меньший желоб 1050, которым может заполняться жидким кристаллом для настройки метаматериальных элементов.
В альтернативном варианте осуществления закрытого волновода, показанном на ФИГ.11, закрытый волновод с прямоугольным поперечным сечением образован желобом 1102 и проводящей поверхностью 1104. Как показано на вырыве элементарной ячейки, проводящая поверхность 1104 имеет диафрагму 1106, обеспечивающая связь между ведомой волной и резонаторным элементом 1110. В этом примере комплементарный метаматериальный элемент представляет собой CELC-элемент с волнистым периметром, показанный на ФИГ.7B. Хотя на этой фигуре показана прямоугольная диафрагма связи, могут использоваться и другие формы, и размеры диафрагмы могут варьировать по длине волновода для управления связями с рассеивающими элементами (например, для повышения коэффициент использования площади раскрыва и/или управления спаданием профиля луча к краям раскрыва). Для соединения линии напряжения смещения 1130 с проводящим островком 1112 метаматериального элемента может использоваться пара отверстий 1120 через диэлектрический слой 1122 вместе с короткой линией трассировки 1125. Желоб 1102 может быть реализован как металлическая деталь, фрезерованная или отлитая для получения «пола и стен» закрытого волновод, а «потолок» волновода может быть реализован как двухслойная печатная плата с верхним слоем, обеспечивающим метаматериальные элементы 1110 (и дорожки смещения 1130), и нижним слоем, обеспечивающим диафрагмы 1106 (и трассировки смещения 1125). Метаматериальный элемент 1110 может факультативно может ограничиваться колоннадами отверстий 1150, проходящих черед диэлектрический слой 1122 для уменьшения связи или перекрестных помех между соседними элементарными ячейками. Как и прежде, настройка может выполняться путем помещения слоя жидкого кристалла (не показанного) поверх метаматериальных элементов 1110.
Хотя варианты осуществления волновода на ФИГ.10 и 11 предполагают волноводы, имеющие простое прямоугольное поперечное сечение, в некоторых вариантах осуществления волновод может включать один или несколько гребней (как в двухгребневом волноводе). Гребневые волноводы могут обеспечить более широкую полосу частот, чем это могут сделать простые прямоугольные волноводы, и геометрия гребней (ширина/высота) может варьировать по длине волновода для управления связями с рассеивающими элементами (например, для повышения коэффициент использования площади раскрыва и/или управления спаданием профиля луча к краям раскрыва и/или для обеспечения плавного перехода сопротивления (например, из разъема SMA фидера).
<mover accent="true"><mi>y</mi><mo>⌢</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>x</mi><mo>⌢</mo></mover>
В разных вариантах осуществления линии напряжения смещения могут быть непосредственно адресованными, например, путем прохождения линии напряжения смещения для каждого рассеивающего элемента к площадочной структуре для соединения со схемой управления антенной, или матрично адресованными, например, путем выполнения для каждого рассеивающего элемента цепи смещения напряжения, которая может адресоваться по рядам и столбикам. ФИГ.12 иллюстрирует пример конструктивного исполнения, обеспечивающего непосредственную адресацию для расположения рассеивающих элементов 1200 на поверхности микрополосковой линии 1202, где несколько линий напряжения смещения 1204 проходят по длине микрополосковой линии для доставки индивидуальных напряжений смещения рассеивающим элементам (альтернативно, линии напряжения смещения 1204 могли бы проходить перпендикулярно микрополосковой линии и доходить до площадок или отверстий по длине микрополосковой линии). (На этой фигуре показан также пример, как могут располагаться рассеивающие элементы, имеющие перпендикулярные ориентации, например, для управления поляризацией; при таком расположении ведомая волна, распространяющаяся по микрополосковой линии, имеет магнитное поле, которое ориентировано практически в направлении
и может, следовательно, связываться с обеими ориентациями рассеивающих элементов, создающими магнитные возбуждения; которые могут практически характеризоваться, как возбуждения магнитного диполя, ориентированные про углом ±45° относительно направления
). ФИГ.13 иллюстрирует пример конструктивного исполнения, обеспечивающего матричную адресацию для расположения рассеивающих элементов 1300 (например, на поверхности волновода с параллельными пластинами), где каждый рассеивающий элемент соединен линией напряжения смещения 1302 с цепью смещения 1304, которая может адресоваться по входам рядов 1306 и входам столбцов 1308 (обратите внимание, что каждый вход ряда и/или вход столбца может включать один или несколько сигналов, например, каждый ряд или столбец может адресоваться одним проводом или несколькими параллельными проводами, выделенными этому ряду или столбцу). Каждая цепь смещения может содержать, например, переключающее устройство (например, транзистор), накопительное устройство (например, конденсатор) и/или дополнительные схемы, такие, как логические схемы/схемы мультиплексирования, схемы цифроаналогового преобразования и т.д. Эти схемы можно легко изготовить, используя монолитную интеграцию, например, используя процесс тонкопленочных транзисторов (TFT), или как гибридную сборку интегральных схем, устанавливаемых на распространяющую волны структуру, например, используя технологию монтажа на поверхность (SMT). В некоторых вариантах осуществления напряжения смещения могут регулироваться путем регулирования амплитуда сигнала смещения переменного тока. В других вариантах осуществления напряжения смещения могут регулироваться путем широтыо-импульсной модуляции сигнала переменного тока.
Обратимся теперь к ФИГ.14. На ней представлен иллюстративный вариант осуществления в виде блок-схемы системы. Система 1400 включает блок связи 1410, связанный одним или несколькими фидерами 1412 с блоком антенны 1420. Блок связи 1410 может включать, например, мобильный широкополосный спутниковый приемопередатчик, или передатчик, приемник или модуль приемопередатчика для системы радио и сверхчастотной связи, и может содержать схемы мультиплексирования/демультиплексирования, схемы шифратора/дешифратора, схемы модулятора/демодулятора, преобразователи с повышением/понижением частоты, фильтры, усилители, диплексы и т.д. Блок антенны включает по меньшей мере одну антенну поверхностного рассеяния, которая может быть сконфигурирован для передачи, приема или того и другого; и в некоторых вариантах осуществления блок антенны 1420 может содержать несколько антенн поверхностного рассеяния, например, первую и вторую антенны поверхностного рассеяния, соответственно конструктивно исполненные для передачи и приема. Для вариантов осуществления, имеющих антенну поверхностного рассеяния с несколькими фидерами, блок связи включать схемы со многими входами-выходами. Кроме того, система 1400 содержит контроллер антенны 1430, предназначенный для подачи управляющего входного сигнала (сигналов) 1432, которые определяют конфигурацию антенны. Например, управляющий входной сигнал (сигналы) может (могут) включать входные сигналы для каждого из рассеивающих элементов (например, при конструктивном исполнении с непосредственной адресацией, как показано на ФИГ.12), входные сигналы рядов и столбцов (например, при конструктивном исполнении с матричной адресацией, как показано на ФИГ.13), регулируемые коэффициенты усиления для антенных фидеров и т.д.
in
out
j
В некоторых вариантах осуществления контроллер антенны 1430 содержит схемы, предназначенные для подачи управляющего входного сигнала (сигналов) 1432, соответствующего (соответствующих) выбранной или требуемой диаграмме направленности антенны. Например, контроллер антенны 1430 может хранить в памяти набор конфигураций антенны поверхностного рассеяния, например, в виде таблицы преобразования, которая увязывает набор требуемых диаграмм направленности антенны (соответствующих различным направлениям луча, различной ширине луча, различным состояниям поляризации и т.д., как описывалось выше в настоящем раскрытии) с соответствующим набором значений управляющего сигнала (сигналов) 1432. Эта таблица преобразования может быть рассчитана заранее, например, путем выполнения двухполупериодных имитаций антенны для всего диапазона значений управляющего сигнала (сигналов) или путем помещения антенны в испытательную среду и изменения диаграммы направленности антенны, соответствующих определенному диапазону значений управляющего сигнала (сигналов). В некоторых вариантах осуществления контроллер антенны может конструктивно исполняться для использования этой таблицы преобразования для расчета управляющего сигнала (сигналов) с помощью регрессионного анализа; например, интерполяцией значений для управляющего сигнала (сигналов) между двумя диаграммами направленности антенны, хранящимися в таблице преобразования (например, чтобы обеспечить непрерывное управление лучом, если таблица преобразования содержит только дискретные приращения угла управления лучом). Альтернативно, контроллер антенны 1430 может конструктивно исполняться для динамического расчета управляющего сигнала (сигналов) 1432, соответствующего (соответствующих) выбранной или требуемой диаграмме направленности антенны, например, путем расчета голографической картины, соответствующей интерференционному члену Re[ΨΨ*] (как рассмотрено выше в настоящем раскрытии); или путем вычисления связей {α} (соответствующих значениям управляющего сигнала (сигналов)), обеспечивающих выбранную или требуемую диаграмму направленности антенны, по формуле (1), представленной ранее в настоящем раскрытии.
В некоторых вариантах осуществления блок антенны 1420 факультативно включает блок датчиков 1422, имеющий в качестве своих компонентов датчики, которые обнаруживают условия среды антенны (такие, как ее положение, ориентация, температура, механическая деформация и т.д.). Компоненты-датчики могут включать одно или несколько устройств системы GPS, гироскопы, термометры, тензодатчики и т.д., и блок датчиков может соединяться с контроллер антенны для передачи данных датчиков 1424 с таким расчетом, чтобы можно было регулировать управляющий сигнал (сигналы) 1432 для внесения поправки на перенос и поворот антенны (например, если она установлена на подвижной платформе, такой, как воздушное судно), или на температурный дрейф, механическую деформацию и т.д.
В некоторых вариантах осуществления блок связи может формировать и передавать сигнал (сигналы) обратной связи 1434 в контроллер антенны для регулирования управляющего входного сигнала (сигналов) с использованием обратной связи. Например, блок связи может формировать и передавать сигнал частоты появления ошибочных битов, а контроллер антенны может содержать схемы обратной связи (например, схемы цифровой обработки сигналов DSP), регулирующие конфигурацию антенны, чтобы уменьшить шум в канале. Альтернативно или дополнительно, в целях ориентирования и управления блок связи может формировать и передавать сигнал маяка (например, со спутникового маяка), а контроллер антенны может содержать схемы обратной связи (например, схемы DSP наведения антенны (запирания ориентирования?) для мобильного широкополосного спутникового приемопередатчика).
a
Один иллюстративный вариант осуществления показан в виде схемы последовательности операций на ФИГ.15. Последовательность операций 1500 включает операцию 1510, в которой выбирают первую диаграмма направленности антенны для антенны поверхностного рассеяния. перестраиваемой в ответ на один или несколько управляющих входных сигналов. Например, могут выбирать диаграмму направленности антенны, которая направляет первичный луч диаграммы направленности в местоположение спутника связи, базовой станции связи или подвижной платформы связи. Альтернативно или дополнительно, диаграмму направленности антенны могут выбирать, чтобы поместить нули диаграммы направленности в нужных местах, например, для обеспечения связи или удаления источника шума. Альтернативно или дополнительно, диаграмму направленности антенны могут выбирать, чтобы обеспечить требуемое состоянии поляризации, например, круговую поляризацию (например, для спутниковой связи в диапазоне K) или линейную поляризацию (например, для спутниковой связи в диапазоне Ku). Последовательность операций 1500 включает операцию 1520, в которой определяют первые значения одного или нескольких управляющих входных сигналов, соответствующих первой выбранной диаграмме направленности антенны. Например, в системе на ФИГ.14 контроллер антенны 1430 может содержать схемы, предназначенные для определения значений управляющих входных сигналов с помощью таблицы преобразования или путем вычисления голограммы, соответствующей требуемой диаграмме направленности антенны. Последовательность операций 1500 факультативно включает операцию 1530, в которой формируют и выдают первые значения одного или нескольких управляющих входных сигналов для антенны поверхностного рассеяния. Например, контроллером антенны 1430 могут подавать напряжения смещения на разные рассеивающие элементы, и/или контроллером антенны 1430 могут регулировать коэффициенты усиления фидеров антенны. Последовательность операций 1500 факультативно включает операцию 1540, в которой выбирают вторую диаграмму направленности антенны, отличную от первой диаграммы направленности антенны. Опять-таки, эта операция может включать выбор, например, второго направления луча или второго размещения нулей. В одном случае применения этого подхода терминал спутниковой связи могут переключать между несколькими спутниками, например, для оптимизации пропускной способности в часы пиковых нагрузок, для переключения на другой спутник, который мог войти в эксплуатацию, или для переключения с первичного спутника, который отказал или вышел из строя. Последовательность операций 1500 факультативно включает операцию 1550, в которой определяют вторые значения одного или нескольких управляющих входных сигналов, соответствующих второй выбранной диаграмме направленности антенны. Опять-таки, эта операция может включать, например, использование таблицы преобразования или вычисление голограммы. Последовательность операций 1500 факультативно включает операцию 1560, в которой формируют и выдают вторые значения одного или нескольких управляющих входных сигналов для антенны поверхностного рассеяния. Опять-таки, эта операция может включать, например, прикладывание напряжений смещения и/или регулирование коэффициентов усиления фидеров.
Еще один иллюстративный вариант осуществления показан в виде схемы последовательности операций на ФИГ.16. Последовательность операций 1600 включает операцию 1610, в которой идентифицируют первую мишень для первой антенны поверхностного рассеяния, причем первая антенна поверхностного рассеяния имеет первую перенастраиваемую диаграмму направленности, реагирующую на один или несколько первых управляющих входных сигналов. Этой первой мишенью мог бы быть, например, спутник связи, базовая станция связи или подвижная платформа. Последовательность операций 1600 включает операцию 1620, в которой повторно регулируют один или несколько первых управляющих входных сигналов для обеспечения практически непрерывного изменения первой перестраиваемой диаграммы направленности в ответ на первое относительное движение между первой мишенью и первой антенной поверхностного рассеяния. Например, в системе на ФИГ.14 контроллер антенны 1430 может содержать схемы, предназначенные для управления диаграммой направленности антенны поверхностного рассеяния, например, для отслеживания движения негеостационарного спутника, для поддерживания наведения антенны на геостационарный спутник с подвижной платформы (например, с воздушного судна или иного транспортного средства) или для поддерживания наведения антенны при движении как мишени, так и антенны. Последовательность операций 1600 факультативно включает операцию 1630, в которой идентифицируют вторую мишень для второй антенны поверхностного рассеяния, причем вторая антенна поверхностного рассеяния имеет вторую перенастраиваемую диаграмму направленности, реагирующую на один или несколько вторых управляющих входных сигналов; и последовательность операций 1600 факультативно включает операцию 1640, в которой повторно регулируют один или несколько вторых управляющих входных сигналов для обеспечения практически непрерывного изменения второй перестраиваемой диаграммы направленности в ответ на первое относительное движение между второй мишенью и второй антенной поверхностного рассеяния. Например, в некоторых вариантах осуществления могут использовать как первичный блок антенны, отслеживающий первый объект (такой, как первый негеостационарный спутник), так и вторичный или вспомогательный блок антенны, отслеживающий второй объект (такой, как второй не геостационарный спутник). В некоторых вариантах осуществления вспомогательный блок антенны может содержать антенну с меньшим раскрывом (tx и/или rx), используемую, в основном, для отслеживания местоположения вторичного объекта (и, факультативно, для сохранения связи с вторичным объектом при ухудшении качества обслуживания (QoS)). Последовательность операций 1600 факультативно включает операцию 1650, в которой регулируют один или несколько первых управляющих входных сигналов, чтобы поместить вторую мишень практически в первичный луч первой перестраиваемой диаграммы направленности. Например, в случае применения, в котором первая и вторая антенны являются компонентами терминала спутниковой связи, который взаимодействует с группой негеостационарных спутников, первая или первичная антенна может отслеживать первого члена группы спутников, пока первый член не приблизится к горизонту (или у первой антенны не возникнут существенные потери при сканировании). В этом момент выполняется «передача мяча» путем переключения первой антенны на отслеживание второго члена группы спутников (который отслеживался второй или вспомогательной антенной). Последовательность операций 1600 факультативно включает операцию 1660, в которой идентифицируют новую мишень для второй антенны поверхностного рассеяния, отличную от первой и второй мишеней; и последовательность операций 1600 факультативно включает операцию 1670, в которой регулируют один или несколько вторых управляющих входных сигналов для помещения повой мишени практически в первичный луч второй перестраиваемой диаграммы направленности. Например, после «передачи мяча» вторичная или вспомогательная антенна может инициировать связь с третьим членом группы спутников (например, когда он появится из-за горизонта).
В приведенном выше подробном описании представлены различные варианты осуществления устройств и/или способов посредством использования блок-схем, последовательностей технологических операций и/или примеров. В той мере, насколько эти блок-схемы, последовательности технологических операций и/или примеры содержат одну или несколько функций и/или операций, специалистам будет понятно, что каждая функция и/или операция в этих блок-схемах, последовательностях технологических операций и/или примерах может быть реализована, отдельно и/или совместно, широким диапазоном аппаратных средств, программного обеспечения, программно-аппаратных средств или практически любым их сочетанием. В одном варианте осуществления несколько частей предмета изобретения, описанного в настоящей заявке, могут быть реализованы посредством специализированных интегральных схем (ASIC), логических матриц (FPGA), программируемых пользователем, процессоров цифровой обработки сигналов (DSP) или иных интегральных исполнений схем. Однако, специалисты поймут, что некоторые аспекты вариантов осуществления, раскрытых в настоящем описании, полностью или частично, могут в равной мере реализовываться в интегральных схемах, как одна или несколько компьютерных программ, выполняемых на одном или нескольких компьютерах (например, как одна или несколько компьютерных программ, выполняемых на одной или нескольких компьютерных системах), как одна или несколько программ, выполняемых на одном или нескольких процессорах (например, как одна или несколько программ, выполняемых на одном или нескольких микропроцессорах), как программно-аппаратные средства или как практически любое их сочетание, и что в свете настоящего раскрытия разработка схем и/или написание программы для программного обеспечения и/или программно-аппаратных средств будут вполне под силу специалисту. Кроме того, специалисты поймут, что механизмы предмета изобретения, описанного в настоящей заявке, могут распределяться как программный продукт в самых разных формах, и что иллюстративный вариант осуществления предмета изобретения, описанного в настоящей заявке, применим независимо от конкретного типа несущей сигнал среды, используемой для фактического осуществления этого распределения. Примеры несущей сигнал среды включают без ограничения следующее: среда перезаписываемого типа, такая, как гибкий диск, жесткий диск, компакт-диск (CD), цифровой видеодиск (DVD), магнитная лента с информацией в цифровой форме, память компьютера и т.д.; и среда передающего типа, такая, как среда цифровой и/или аналоговой связи (например, оптоволоконный кабель, волновод, проводная линия связи, беспроводная линия связи и т.д.).
В широком смысле, специалисты поймут, что различные аспекты, описанные в настоящей заявке, которые могут быть реализованы, отдельно и/или совместно, широким диапазоном аппаратных средств, программного обеспечения, программно-аппаратных средств или любым их сочетанием, могут рассматриваться как составленные из различных типов «электрических схем». Следовательно, в том значении, в каком он используется в настоящем описании, термин «электрические схемы» включает без ограничения электрические схемы, имеющие по меньшей мере одну дискретную электрическую схему, электрические схемы, имеющие по меньшей мере одну интегральную схему, электрические схемы, имеющие по меньшей мере одну специализированную интегральную схему, электрические схемы, образующие вычислительное устройство общего назначения, конфигурированное компьютерной программой (например, компьютер общего назначения, конфигурированный компьютерной программой, которая, по меньшей мере, частично выполняет способы и/или устройства, описанные в настоящей заявке), электрические схемы, образующие запоминающее устройство (например, разные виды оперативного запоминающего устройства), и/или электрические схемы, образующие устройство связи (например, модем, связной коммутатор или оптоэлектрическое оборудование). Специалисты поймут, что предмет изобретения, описанный в настоящей заявке, может быть реализован в аналоговом или числовом виде или некотором их сочетании.
Все вышеупомянутые патенты США, публикации патентных заявок США, патентные заявки США, патенты других стран, патентные заявки других стран и непатентные публикации, на которые приводятся ссылки на настоящем описании, и/или которые перечислены в любом листе данных по заявке, ссылкой включаются в настоящую заявку, в степени, в какой они согласуются с настоящим описанием.
Специалисту ясно, что описанные в настоящем описании компоненты (например, стадии), устройства, предметы и обсуждение, сопровождающее их, используются как примеры для концептуальной ясности, и что возможны различные модификации конструктивного исполнения, очевидные специалистам. Следовательно, конкретные приведенные примеры и сопровождающее обсуждение предназначены представлять их более общие классы. Как правило, использование любого конкретного примера предназначено представлять его класс, и не включение конкретный компонентов (например, стадий), устройств и предметов не должно рассматриваться как ограничивающее объем настоящего изобретения.
Что касается использования практически любых терминов во множественном и/или единственном числе, специалисты могут переводить из множественного числа в единственное и/или из единственного числа во множественное, насколько это соответствует контексту и/или заявке. Чтобы не затруднять понимание, различные пермутации единственное число/множественное число четко не изложены.
В настоящем документе показаны и описаны конкретные аспекты предмета изобретения, однако специалисту ясно, что на основании идей и концепций, изложенных в настоящем документе, возможны изменения и модификации в пределах предмета, описанного в настоящем документе, и его более широких аспектов, и, следовательно, прилагаемая формула изобретения призвана охватить в ее объеме все эти изменения и модификации в пределах сущности и объема предмета, описанного в настоящем документе. Кроме того, должно быть понятно, что изобретение определяется прилагаемой формулой изобретения. Специалистам ясно, что, как правило, термины, используемые в тексте настоящего описания и особенно в прилагаемой формуле изобретения (например, в пунктах прилагаемой формулы изобретения), как правило, предназначены как «открытые» термины (например, термин «включая» должен интерпретироваться как «включая без ограничения», термин «имеющий» должен интерпретироваться как «имеющий по меньшей мере», термин «включает» должен интерпретироваться как «включает без ограничения» и т.д.). Кроме того, специалистам ясно, что если в представленном изложении пункта формулы изобретения намечено конкретное количество, это намерение будет четко изложено в пункте формулы, и при отсутствии этого изложения такое намерение отсутствует. Например, как помощь пониманию, последующая прилагаемая формула изобретения может содержать использование вводных фраз «по меньшей мере один» и «один или несколько», предшествующих изложению пункта. Однако использование этих фраз не должно толковаться как подразумевающее, что введение в пункт формулы наименования объекта в единственном числе ограничивает объем какого-либо конкретного пункта, содержащего такое введенное в пункт наименование, изобретениями, содержащими лишь одно такое наименование, даже если тот же пункт включает вводные фразы «один или несколько» или «по меньшей мере один» и объект в единственном числе (например, объект в единственном числе обычно следует интерпретировать как означающий «по меньшей мере один» или «один или несколько»); то же самое касается использования объектов во множественном числе, используемых для введения в пункты наименования. Кроме того, даже если в представленном в пункте формулы изобретения наименовании четко указано конкретное количество, специалистам ясно, что такое изложение должно обычно интерпретироваться как означающее по меньшей мере указанное количество (например, голое упоминание «два наименования» без иных определений обычно означает по меньшей мере два наименования или два или более наименований). Кроме того, в тех случаях, когда используется выражение, аналогичное выражению «по меньшей мере одно из A, B и C и т.д.», как правило, такая конструкция подразумевается в том смысле, в каком это выражение обычно поймет специалист (например, «система, имеющая по меньшей мере одно из A, B и C» будет включать без ограничения системы, которое имеют только A, только B, только C, A и B вместе, A и C вместе, B и C вместе и/или A, B и C вместе и т.д.). В тех случаях, когда используется выражение, аналогичное выражению «по меньшей мере одно из A, B или C и т.д.», как правило, такая конструкция подразумевается в том смысле, в каком это выражение обычно поймет специалист (например, «система, имеющая по меньшей мере одно из A, B, или C» будет включать без ограничения системы, которое имеют только A, только B, только C, A и B вместе, A и C вместе, B и C вместе и/или A, B и C вместе и т.д.). Кроме того, специалистам в данной области будет понятно, что обычно дизъюнктивное слово и/или фраза, представляющие два или более альтернативных термина, будь то в описании, формуле изобретения или на графических материалах, должны пониматься как предусматривающие возможности включения одного из терминов, любого из терминов или обоих терминов, если контекст не диктует иное. Например; фраза «A или B» будет обычно пониматься как включающая возможности «A» или «B», или «A и B».
Что касается прилагаемой формулы изобретения, специалистам ясно, что операции, перечисленные в ней, могут выполняться в любом порядке. Примеры таких альтернативных порядков могут включать перекрывающиеся, с чередованием, прерывающиеся, перестановочные, инкрементальные, подготовительные, дополнительные, одновременные, обратные или иные варианты порядков, если контекст не диктует иное. Что касается контекста, даже термины, подобные терминам «соответствующий», «связанный с» или иные определения, выраженных причастиями, обычно не предназначены для исключения этих вариантов, если контекст не диктует иначе.
Хотя в настоящем документе раскрыты различные аспекты и варианты осуществления, специалистам будут очевидными иные аспекты и варианты осуществления. Различные аспекты и варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, служат в качестве иллюстрации и не предназначены для ограничения сущности и объема настоящего изобретения, указанных в последующей формуле изобретения.